六章节热电式传感器.ppt

第六章 热电式传感器,6.1 热电偶6.2 热电阻6.3 集成温度传感器6.4 热电式传感器的应用,热电式传感器是一种将温度变化转换为电参量变化的装置。例如将温度变化转化为电阻、磁导或电势等的变化，通过适当的测量电路，就可由这些电参数的变化来表达所测温度的变化。在各种热电式传感器中，以把温度量转换为电势和电阻的方法最为普遍。其中将温度转换为电势大小的热电式传感器叫做热电偶，将温度转换为电阻值大小的热电式传感器叫做热电阻。这两种热电式传感器目前在工业生产中已得到广泛的应用。另外利用半导体PN结与温度的关系所制成的结型温度传感器在窄温场中也得到了十分广泛的应用。,热电偶是工程上应用最广泛的温度传感器。它构造简单,使用方便,具有较高的准确度、稳定性及复现性,温度测量范围宽,在温度测量中占有重要的地位。6.1.1 热电偶的结构原理 两种不同的导体（或半导体）组成一个闭合回路,如图 6-1 所示。,6.1 热电偶传感器,图6-1 热电偶的结构组成,两种不同的导体或半导体的组合称为热电偶。两个接点,一个称工作端,又称测量端或热端,测温时将它置于被测介质中;另一个称自由端,又称参考端或冷端。在图6-1 所示的回路中,所产生的热电势由两部分组成:温差电势和接触电势。1.接触电势 接触电势是由于两种不同导体的自由电子密度不同而在接触处形成的电动势。,两种导体接触时,自由电子由密度大的导体向密度小的导体扩散,在接触处失去电子的一侧带正电,得到电子的一侧带负电,形成稳定的接触电势。接触电势的数值取决于两种不同导体的性质和接触点的温度。两接点的接触电势EAB(T)和EAB（T0）可表示为,EAB(T)=式中:K波尔兹曼常数;e单位电荷电量;NAT、NBT和NAT0、NBT0分别在温度为T和T0时,导体A、B的电子密度。,2.温差电势 温差电势是同一导体的两端因其温度不同而产生的一种热电势。同一导体的两端温度不同时,高温端的电子能量要比低温端的电子能量大,因而从高温端跑到低温端的电子数比从低温端跑到高温端的要多,结果高温端因失去电子而带正电,低温端因获得多余的电子而带负电,因此,在导体两端便形成接触电势,其大小由下面公式给出:,式中:NAT和NBT分别为A导体和B导体的电子密度,是温度的函数。3.热电势 热电偶回路中产生的总热电势为 AB(T,T0)=EAB(T)+EB(T,T0)-EAB(T0)-EA(T,T0)在总热电势中,温差电势比接触电势小很多,可忽略不计,热电偶的热电势可表示为 EAB(T,T0)=EAB(T)-EAB(T0)对于已选定的热电偶,当参考端温度T0恒定时,EAB(T0)为常数,则总的热电动势就只与温度T成单值函数关系,即 EAB(T,T0)=EAB(T)-c=f(T),实际应用中,热电势与温度之间关系是通过热电偶分度表来确定的。分度表是在参考端温度为0时,通过实验建立起来的热电势与工作端温度之间的数值对应关系。用热电偶测温,还要掌握热电偶基本定律。下面引述几个常用的热电偶定律。6.1.2 热电偶基本定律 1.中间导体定律 利用热电偶进行测温,必须在回路中引入连接导线和仪表,接入导线和仪表后会不会影响回路中的热电势呢？中间导体定律说明,在热电偶测温回路内,接入第三种导体,只要其两端温度相同,则对回路的总热电势没有影响。,接入第三种导体回路如图 6-2 所示。由于温差电势可忽略不计,则回路中的总热电势等于各接点的接触电势之和。即 EABC(T,T0)=EAB(T)+EBC(T0)+ECA(T0)当T=T0 时,有 BC(T0)+ECA(T0)=-E(T0)得(T,T0)=EAB(T)-EAB(T0)=EAB(T,T0)同理,加入第四、第五种导体后,只要加入的导体两端温度相等,同样不影响回路中的总热电势。,图6-2 中间导体定律,2.中间温度定律 热电偶AB在接点温度为t、t0时的热电势EAB(t,t0)等于热电偶AB在接点温度t、tc和tc、t0时的热电势EAB(t,tc)和EAB(tc,t0)的代数和（见图 6-3）,即:该定律是参考端温度计算修正法的理论依据。在实际热电偶测温回路中,利用热电偶这一性质,可对参考端温度不为0的热电势进行修正。,中间温度定律的实用价值为：（1）当热电偶自由端（冷端）温度不为0时，可利用该定律及分度表求得工作端温度T；（2）热电偶长度不够时，可据此定律选用适当的补偿导线。,3.均质导体定律 由一种均质导体组成的闭合回路中,不论导体的截面和长度如何以及各处的温度分布如何,都不能产生热电势。这条定理说明,热电偶必须由两种不同性质的均质材料构成。,图6-3 中间温度定律,4标准电极定律 热电偶由A，B两种导体制成，若将A，B两种导体分别与第三种导体C制成如图6-4所示的热电偶，且三个热电偶的热端和冷端温度相同（T，T0），则A和B热电偶的热电势EAB（T，T0）等于A和C热电偶热电势EAC（T，T0）与B和C热电偶热电势EBC（T，T0）之差，称标准电极定律。公式为:EAB（T，T0）=EAC（T，T0）EBC（T，T0）,.,图6-4 标准电极定律,6.1.3.热电偶类型 理论上讲,任何两种不同材料的导体都可以组成热电偶,但为了准确可靠地测量温度,对组成热电偶的材料必须经过严格的选择。工程上用于热电偶的材料应满足以下条件:热电势变化尽量大,热电势与温度关系尽量接近线性关系,物理、化学性能稳定,易加工,复现性好,便于成批生产,有良好的互换性。实际上并非所有材料都能满足上述要求。目前在国际上被公认比较好的热电材料只有几种。国际电工委员会（IEC）向世界各国推荐8种标准化热电偶,所谓标准化热电偶,它已列入工业标准化文件中,具有统一的分度表。我国从1988年开始采用IEC标准生产热电偶。表6-1 为我国采用的几种热电偶的主要性能和特点。,表6-1 标准化热电偶的主要性能特点,表中所列的每一种热电偶中前者为热电偶的正极,后者为负极。目前工业上常用的有四种标准化热电偶,即铂铑30-铂铑6,铂铑10-铂,镍铬-镍硅和镍铬-铜镍（我国通常称为镍铬-康铜）热电偶,它的分度表见表 6-2 至表 6-5,另外,目前还生产一些特殊用途的热电偶,以满足特殊测温的需要。如用于测量3800超高温的钨镍系列热电偶,用于测量2273K的超低温的镍铬-金铁热电偶等。6.1.4 热电偶的结构形式 为了适应不同生产对象的测温要求和条件,热电偶的结构形式有普通型热电偶、铠装型热电偶和薄膜热电偶等。1.普通型热电偶 普通型结构热电偶工业上使用最多,它一般由热电极、绝缘套管、保护管和接线盒组成,其结构如图 6-5 所示。普通型热电偶按其安装时的连接形式可分为固定螺纹连接、固定法兰连接、活动法兰连接、无固定装置等多种形式。,6-5 普通热电偶结构,2.铠装热电偶 铠装热电偶又称套管热电偶。它是由热电偶丝、绝缘材料和金属套管三者经拉伸加工而成的坚实组合体,如图 6-6所示。它可以做得很细很长,使用中随需要能任意弯曲。铠装热电偶的主要优点是测温端热容量小,动态响应快,机械强度高,挠性好,可安装在结构复杂的装置上,因此被广泛用在许多工业部门中。,图6-6 铠装热电偶,3.薄膜热电偶 薄膜热电偶是由两种薄膜热电极材料,用真空蒸镀、化学凃层等办法蒸镀到绝缘基板上面制成的一种特殊热电偶,如图 6-7 所示。薄膜热电偶的热接点可以做得很小（可薄到0.010.1m）,具有热容量小,反应速度快等的特点,热相应时间达到微秒级,适用于微小面积上的表面温度以及快速变化的动态温度测量。,图6-7 薄膜热电偶,6.1.5.热电偶的补偿导线及参考端温度补偿方法 从热电偶测温基本公式可以看到,对某一种热电偶来说热电偶产生的热电势只与工作端温度t和自由端温度t0有关,即:EAB(t,t0)=e AB(t)-eAB(t0)热电偶的分度表是以t0=0作为基准进行分度的,而在实际使用过程中,参考端温度往往不为0,那么工作端温度为t时,分度表所对应的热电势EAB(t,0)与热电偶实际产生的热电势EAB(t,t0)之间的关系可根据中间温度定律得到下式:EAB(t,0)=EAB(t,t0)+EAB(t0,0),由此可见,EAB(t0,0)是参考端温度t0的函数,因此需要对热电偶参考端温度进行处理。(1)热电偶补偿导线 在实际测温时,需要把热电偶输出的电势信号传输到远离现场数十米的控制室里的显示仪表或控制仪表,这样参考端温度t0也比较稳定。热电偶一般做得较短 需要用导线将热电偶的冷端延伸出来。工程中采用一种补偿导线,它通常由两种不同性质的廉价金属导线制成,而且在0100温度范围内,要求补偿导线和所配热电偶具有相同的热电特性。常用热电偶的补偿导线列于表 6-6,(2)参考端温度修正法采用补偿导线可使热电偶的参考端延伸到温度比较稳定的地方,但只要参考端温度不等于0,需要对热电偶回路的电势值加以修正,修正值为EAB(t0,0)。经修正后的实际热电势,可由分度表中查出被测实际温度值(3)参考端0恒温法 在实验室及精密测量中,通常把参考端放入装满冰水混合物的容器中,以便参考端温度保持0,这种方法又称冰浴法。(4)参考端温度自动补偿法（补偿电桥法）补偿电桥法是利用不平衡电桥产生的不平衡电压作为补偿信号,来自动补偿热电偶测量过程中因参考端温度不为0或变化而引起热电势的变化值。,如图6-8 所示,不平衡电桥由三个电阻温度系数较小的锰铜丝绕制的电阻r1、r2、r3、电阻温度系数较大的铜丝绕制的电阻rCU 和稳压电源组成。补偿电桥与热电偶参考端处在同一环境温度,但由于rCU的阻值随环境温度变化而变化,如果适当选择桥臂电阻和桥路电流,就可以使电桥产生的不平衡电压Uab补偿由于参考端温度变化引起的热电势EAB(t,t0)变化量,从而达到自动补偿的目的。,图6-8 补偿电桥,4 热电偶测温线路 热电偶测温时,它可以直接与显示仪表（如电子电位差计、数字表等）配套使用,也可与温度变送器配套,转换成标准电流信号,图 6-9 为典型的热电偶测温线路。如用一台显示仪表显示多点温度时,可按图 6-10连接,这样可节约显示仪表和补偿导线。特殊情况下,热电偶可以串联或并联使用,但只能是同一分度号的热电偶,且参考端应在同一温度下。如热电偶正向串联,可获得较大的热电势输出和提高灵敏度。在测量两点温差时,可采用热电偶反向串联。利用热电偶并联可以测量平均温度。热电偶串、并联线路如图 6-11 所示,6.2 热电阻,物质的电阻随温度变化的物理现象称为热电阻效应。根据热电阻效应制成的传感器叫热电阻传感器，简称热电阻。热电阻按电阻温度特性的不同可分为金属热电阻（称热电阻）和半导体热电阻（称热敏电阻）两大类。一般情况下，金属热电阻的电阻温度系数为正，而热敏电阻的电阻温度系数为负。,6.2.1 金属热电阻金属热电阻是利用导体的电阻随温度变化而变化的特性制成的，因此作为测量用的金属热电阻材料必须具备以下特点：（1）电阻温度系数要尽可能大；（2）电阻率高；（3）电阻与温度之间最好成线性，并且在较宽的测量范围内具有稳定的物理和化学性质。目前应用得较多的金属热电阻材料有铂和铜等。金属热电阻由电阻体，保护套和接线盒等部件组成。其结构形式可根据实际使用制作成各种形式。金属热电阻可以测量-200500的温度。,1常用的几种金属热电阻（1）铂电阻 由于铂电阻物理、化学性能在高温和氧化性介质中很稳定，铂电阻温度计在-256.34630.74温域内，可作基准温度器用。铂电阻与温度的关系，在0630.74以内为,在-1900以内为,式中 Rt温度为t时的电阻；R0温度为0时的电阻；A，B，C分度系数：A=3.94010-2/，B=-5.8410-7/2，C=-4.2210-12/4,工业用铂电阻体的结构图见图6-12，一般由直径0.030.07mm的纯铂丝绕在平板形支架上，用银导线作引出线。,1铆钉 2铂丝 3骨架 4银导线 图612 工业用铂热电阻体结构,（2）铜电阻 在测量精度不太高，测温范围不大的情况下，可以采用铜电阻来代替铂电阻，这样可以降低成本，同时也能达到精度要求。在-50150的温度范围内，铜电阻与温度呈线性关系，可用下式表示：Rt=R0（1+t）式中 Rt温度为t时的电阻值；R0温度为0时的电阻值；铜电阻温度系数，=4.2510-34.2810-3/。,铜电阻的缺点是电阻率较低，电阻体的体积较大，热惯性也较大，在100以上易氧化，因此只能用于低温及无侵蚀性的介质中。铜电阻体的结构如图613所示。通常用直径0.1mm漆包线或丝包线双线绕制，而后浸以酚醛树脂成为一个铜电阻体，再用镀银铜线作引出线，穿过绝缘套管。我国以R0值在100和50条件下，制成相应分度表作为标准，供使用者查阅。,1引出线 2补偿线阻 3铜热电阻丝 4引出线 图613 铜热电阻体结构,（3）其他热电阻上述两种热电阻对于低温和超低温测量性能不理想，而铟、锰、碳等热电阻材料却是测量低温和超低温的理想材料。铟电阻用99.999%高纯度的铟丝绕成电阻，可在室温至4.2K温度范围内使用。实验证明：在4.215K温度范围内，铟电阻灵敏度比铂电阻高10倍；其缺点是材料软，复制性差。锰电阻在263K温度范围内，电阻随温度变化大，灵敏度高。缺点是材料脆，难拉成丝。碳电阻适用于液氦温域的温度测量，价廉，对磁场不敏感，但热稳定性较差。,2金属热电阻的测温电路 采用热电阻作为测温元件时，是将温度的变化转化为电阻的变化，图6-14给出了金属热电阻测温的原理框图。,图614金属热电阻测温原理框图,在使用金属电阻传感器进行测温时，经常使用直流电桥作为测量线路。测温元件在桥路中的接线方法有：工业测量中采用两线制和三线制接法；实验室采用四线制接法。采用两线制接法如图6-15所示，热电阻传感器的感温元件用两根引出线，引出线的电阻值越小越好，对铜热电阻不应超过R0的0.2%，对铂热电阻不应超过R0的0.1%。在可能情况下应尽量采用三线制接法。图6-16所示的是采用三线制接法，两条引线电阻分别加到电桥的相邻桥臂，当温度变化时，只要它们的长度和电阻温度系数相等，它们的电阻变化就不会影响电桥的状态，但零位调节电阻R3的触点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。,图6-15 图6-16 图6-17,6.2.2热敏电阻 半导体热敏电阻是利用半导体材料的电阻率随温度变化而变化的性质制成的温度敏感元件。半导体材料和金属材料具有完全不同的导电机理，金属的电阻值随温度的升高而增大，而大多数半导体的电阻值随温度升高而急剧地下降。在温度变化1时，金属电阻的阻值变化0.4%0.6%，而半导体热敏电阻的阻值变化3%6%。由于半导体热敏电阻随温度变化的灵敏度高，因此可用它来测量0.01或更小的温度差异。,1热敏电阻的结构 热敏电阻由一些金属氧化物，采用不同比例的配方，经高温烧结而成的，然后采用不同的封装形式制成珠状、片状、杆状等各种形状，其结构形式如图6-18所示。,6-18 热电阻结构示意图,2 热敏电阻的温度特性 按半导体电阻随温度变化特性不同，热敏电阻可分为三种类型。负温度系数（NTC）型热敏电阻、正温度系数（PTC）型热敏电阻、临界温度系数（CTR）型热敏电阻。它们的温度特性曲线如图6-19所示。,图6-19 各种热敏电阻的特性,（1）NTC热敏电阻 负温度系数（NTC）型热敏电阻的阻值随温度的升高而下降。当温度升高时，由于参与导电的载流子数增多，导致热敏电阻的阻值下降。改变混合物的成分和配比就可以获得测温范围、阻值及温度系数不同的NTC热敏电阻。NTC热敏电阻特别适用于-100300之间的温度测量，目前已广泛应用于点温、表面温度、温差、温度场等测量中，同时也应用在自动控制及电子线路的热补偿电路中。,（2）PTC热敏电阻 PTC热敏电阻主要采用BaTiO3系列材料制成。从图6-19温度特性曲线可见，当温度超过某一数值（居里温度点）时，其电阻值随温度的升高而急剧增大，当温度低于居里温度点时，具有半导体特性。改变PTC的材料成分，可以得到不同的居里温度点。PTC热敏电阻主要用于彩电消磁、各种电器设备的过载保护、发热源的定温控制，也可作为限流元件使用。,（3）CTR热敏电阻 CTR热敏电阻采用V2O3系列材料制成，从温度特性曲线可见，其电阻值随温度变化的特性属剧变型，具有开关特性，主要用于温度开关。综上所述，半导体热敏电阻与金属热电阻相比较，具有以下优点：电阻温度系数大，比金属热电阻约高49倍，灵敏度很高。电阻率很大，可以制成极小的测温电阻元件，热惯性小。阻值很大，其连接导线的电阻和接触电阻可以忽略不计，因此测量电路无需采用三线制或四线制形式。可应用于长达几千米的远距离温度测量中。结构简单，使用寿命长，在应用过程中性能比较稳定。目前半导体热敏电阻还存在一定的缺陷，主要是互换性和稳定性不够理想，虽然近几年有明显的改善，但仍然比不上金属热电阻；其次是它的非线性严重，且不能在高温下使用，因此限制了应用领域。,6.3集成温度传感器,集成温度传感器是将温敏晶体管，偏置电源及线性放大电路制作在同一芯片中的集成化温度传感器。这种传感器最大的优点是直接给出正比于绝对温度的线性输出，另外，体积小、成本低廉。因此，它是现代半导体温度传感器的主要发展方向之一。目前，已广泛用于50+150范围内的温度监测、控制和补偿的许多场合。,6.3.1集成温度传感器的基本工作原理 晶体管的发射结电压在其集电极电流恒定的条件下，可以认为与温度呈线性关系，但是，严格地说，这种线性关系是不完全的，即仍然存在着非线性。另外，这种关系也不直接与任何温标（绝对、摄氏、华氏等）相对应。此外，温敏晶体管UBE电压值在同一生产批量中，可能有100mV的离散性。鉴于上述原因，集成温度传感器均采用图6-20所示的差分电路形式，使其直接给出正比于绝对温度的严格的线性输出。,在图6-20所示电路中，VT1、VT2是两只结构和性能完全相同的晶体管，它们分别在不同的集电极电流IC1和IC2下工作。由图可见，电阻R1上的电压应为VT1和VT2的基极发射极电压差，即,式中VT1，VT2的发射结面积之比。,由此可见，只要设法保持两管的集电极电流之比不变，那么电阻R1的电压UBE将正比于绝对温度。这样就确保UBE与温度呈线性关系。,图6-20 差分对管电路原理图,6.3.2电压输出型集成温度传感器 电压输出型集成温度传感器是输出电压正比于绝对温度的集成温度传感器，基本原理图如图6-21所示，其中VT1和VT2是温敏晶体管对，其发射极结面积之比为1:。晶体管VT3、VT4和VT5组成恒流电路，使三路电流保持相同，于是晶体管VT2和VT1的发射结压降之差为,流经R2的电流也等于IR1，于是电路的输出电压为,此电压全部降落在电阻R1上，所以流经R1上的电流为,图6-21 电压型集成温度传感器电路,6.3.3电流型集成温度传感器 电流型集成温度传感器是恒流器件，输出电流正比于绝对温度，基本原理图如图6-22所示。它由工艺兼容的NPN晶体管组成，晶体管VT1和VT2交叉互连，晶体管对VT1和VT2，VT3和VT4具有不同的发射结面积，其发射结面积之比分别为1和2，R2和R3是发射极电阻。由图可得到,在忽略基极电流和基区宽度调制效应时，则有,式中，与温度无关。若R3R2R，上式可写为:,上式表明（1）假设R与温度无关，则输出电流IO正比于绝对温度T。（2）由于晶体管VT1和VT2的基区交叉连接，所以输出电流IO与偏置电流IBS无关。此类温度传感器与单个晶体管温度传感器相比，由于集成温度传感器采用匹配的晶体管对作温敏器件，因而补偿了许多不利因素，但输出信号电平较低。,6.4 热电式传感器的应用,1热电阻传感器测量真空度 把铂热电阻丝装入与介质相通的玻璃管内，如图6-21所示。铂电阻丝由较大的恒定电流加热（大负荷工作状态为4050mA），当环境温度与玻璃管内介质导热而散失的热量相平衡时，铂丝就处在一定的平衡温度状态，此时则对应一定电阻值。当被测介质的真空度升高时，玻璃管内的气体变得更稀少，导致气体分子间碰撞进行热量传递的能力降低（热导率减小），铂丝的平衡温度和电阻值随即增大，其大小反映了被测介质真空度的高低。通常铂热电阻测真空度可测到133.322105Pa。,2热电阻式流量计 图6-22是采用铂热电阻测量气体或液体流量的原理图。热电阻RT1探头放在被测气体或液体中，而另一个热电阻探头RT2放在温度与被测介质相同但不受介质流速影响的连通室内。设热电阻的温度为T，介质温度为T0，当热电阻放入被测介质后，将会出现热传导现象。式中，K热传导系数。实验表明：K与介质的密度、粘度、平均流速等参数有关。当其他参数为定值时，K仅与介质的平均流速有关。这样我们就可以通过测量热电阻耗散热量Q，进而推算出介质的平均流速或流量。,1-连通玻璃管：2铂丝图6-21金属热电阻检测真空度,图6-22 热电阻流量计电路原理图,3热电式继电器 图6-23是一种应用热敏电阻组成的电机过热保护线路。三只特性相同的负温度系数热敏电阻串联在一起，固定在电机三相绕组附近。当电机正常运行时绕组温度较低，热敏电阻阻值较高，三极管不导通，继电器J不吸合。当电机过载或其中一相与地短路时，电机绕组温度剧增，热敏电阻阻值相应减小，三极管导通，继电器J吸合，电机电路被断开，起到过热保护作用。,图6-2 3 热电式继电器,本章小结,本章主要介绍了热电偶、热电阻、集成温度型传感器的结构、工作原理及测量电路，并举例说明了这几类传感器的应用。,思考与练习,1.什么叫热电效应？热电偶的热电势由哪两部分组成？2.简述热电偶的几个重要定律？并分别说明其实用价值。3.如何用热电偶直接测量两点的温差？4.热电阻式传感器有几种类型？说明其特点及用途。5.热电阻式传感器的测量电路的接线方式有几种？分别说明其优缺点。6.试述集成温度传感器的工作原理。,