传感器与检测技术黄鸿课件2016第8式.pptx

第8章 热电式传感器 热电式传感器是将温度变化转换为电量变化的装置，它利用敏感元件的电磁参数随温度变化而变化的特性来达到测量目的。通常把被测温度变化转换为敏感元件的电阻变化、电压变化，再经过相应的测量电路输出电压或电流，然后由这些参数的变化来检测对象的温度变化。8.1热电阻8.2热电偶8.3热敏电阻8.1 热电阻大多数金属导体的电阻率随温度升高而增大，具有正的温度系数，这就是热电阻测温的基础。温度范围：低温、高温端分别可达±lK左右。热电阻温度计的特点是精度高，适宜于测低温。8.1.1 热电阻的材料及工作原理应具有如下特性：电阻温度系数大，电阻率要大，热容量小；稳定的物理和化学性质；电阻与温度的关系最好近似于线性，或为平滑的曲线；并且容易加工，复制性好，价格便宜。 应用最广的热电阻材料是铂和铜，已做成标准。其他还有用镍、铁、铟等材料。一、铂电阻 特点是精度高，稳定性好，性能可靠，测温复现性最好的一种，优于其他所有温度计。作为标准电阻温度计使用，常被用在工业测量中。此外，还被广泛地应用于温度的基准、标准的传递。铂电阻的阻值与温度之间的关系，在O～850℃范围内可用下式表示在-200～0℃范围内则用下式表示式中：R0—温度为0 ℃时的铂电阻的阻值；A、B、C—常数，铂的线性度最好，铜次之，铁、镍最差，但它们都是非线性。电阻值Rt与t及R0有关，R0 值不同时，同样的温度下Rt的值也不同。因此作为测量用热电阻必须规定R0值。工业用标准铂电阻R0有100Ω和50Ω两种，并将电阻值Rt与温度t的对应关系列成表格，称为铂电阻分度表，分度号分别为Ptl00和Pt50。二、铜电阻 在测温范围比较小(-50～＋150℃)的情况下，可采用铜制成的测温电阻，称铜电阻。铜在上述温度范围内有很好的稳定性，温度系数比较大，电阻值与温度之间接近线性关系。而且材料容易提纯，价格便宜。不足之处是测量精度较铂电阻稍低，电阻率小。铜电阻的阻值与温度之间的关系为式中：R0——温度为0℃时的铜电阻的电阻值； A、B、C——常数。按照国家标准，铜电阻的R0值有100Ω和50Ω两种，分度号分别为Cul00和Cu50。三、铁电阻和镍电阻铁和镍这两种金属的电阻温度系数较高、电阻率较大，故可作成体积小，灵敏度高的电阻温度计，其缺点是容易氧化，化学稳定性差，不易提纯，复制性差，而且电阻值与温度的线性关系差，目前应用不多。 8.1.2 测量电路最常用的是电桥电路。如果热电阻安装的地方与仪表相距甚远，当环境温度变化时其连接导线电阻也要变化。因为它与热电阻Rt是串联的，也是电桥臂的一部分，所以会造成测量误差。现在一般采用两种接线方式来消除这项误差。三线连接法三线连接法：热电阻通过电阻为r2、 r3、Rg的三根导线和电桥连接。缺点：可调电阻Rp的接触电阻和电桥臂的电阻相连，可能导致电桥的零点不稳。四线连接法：调零的Rp电位器的接触电阻和指示仪表串联，接触电阻的不稳定不会破坏电桥的平衡和正常工作状态。 四线连接法8.2 热电偶 在温度测量中有许多不同测量方法，但利用热电偶作为敏感元件应用最为广泛，其主要优点为：①结构简单：其主体实际上是由两种不同性质的导体或半导体互相绝缘并将一端焊接在一起而成的；②具有较高的准确度 ；③测量范围宽，常用的热电偶，低温可测到-50℃，高温可以达到1600℃左右，配用特殊材料的热电极，最低可测到-180℃，最高可达到 ℃的温度；④具有良好的敏感度；⑤使用方便等。8.2.1 热电效应 两种不同材料的导体(或半导体)A、B串接成一个闭合回路，并使结点1和结点2处于不同的温度T、T0，则回路中就会存在热电动势，因而就有电流产生，这种现象称为热电效应或塞贝克效应。相应的热电动势称为温差电动势或塞贝克电动势，通称热电动势。回路中产生的电流称为热电流，导体A、B称为热电极。测温时，结点1置于被测的温度场中，称为测量端(工作端、热端)；结点2一般处在某一恒定温度，称为参考端(自由端、冷端)．由这两种导体的组合并将温度转换成热电动势的传感器称为热电偶。热电效应示意图热电偶产生的热电动势(温差电动势) EAB(T，T0)是由两种导体的接触电动势和单一导体的温差电动势组成的。一、两种导体的接触电动势 式中 k ― ―玻耳兹曼常数； T ― ―接触处的绝对温度； e ― ―电子电荷数； NA、NB ― ―金属A、 B的自由电子密度。 接触电动势可以计算出A、B两种金属构成回路在温度T0端的接触电动势为 但 与 方向相反，所以回路的总接触电动势 由此可见，当两结点的温度相同即T=T0 ，回路中总电动势将为零二、单一导体的温差电动势当导体两端的温度分别为T、T0时，温差电动势可由下式表示 式中?A ——