热电式传感器的应用与发展 毕业论文.doc

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1、热电式传感器的应用与发展摘 要：热电式传感器是一种将温度变化转换为电量变化的装置。其工作原理的不同，常用热电式传感器分别分为热电偶和热电阻（金属）、热敏电阻（半导体）。它们分别具有测量精度高、范围广、构造简单、使用方便，信号输出较大、易于测量，体积小、重量轻、热惯性小、寿命长等一系列优点。广泛应用于工业，家庭，国防等中温度的测量。本文主要介绍热电式传感器的分类、原理、结构、特点、应用及发展、关键词：热电式传感器，温度，热电偶，热电阻，热敏电阻。目录1 引言 11.1热电式传感器的重要性.11.2传感器的组成.11.3传感器的发展.12 热电式传感器22.1热电偶.22.1.1基本概念.32.1

2、.2热电偶构造及工作原理.42.1.3热电偶的应用与发展.52.2热电阻.62.2.1基本原理.62.2.2金属热电阻.72.2.3热敏电阻.72.2.4热电阻的发展与应用.83热电式传感器的发展趋势.10结论.12致谢.13参考文献.141 引言1.1热电式传感器的重要性热电式传感器是将温度变化转换为电量变化的装置。而温度是一个基本的物理量， 它在许多学科领域具有重要的作用，热力学、流体力学、传热学、空气动力学、宇航学、化学及物理等学科中所研究的基本规律都与温度密切相关，在国民经济的各个重要领域，例如交通运输、汽车工业、动力资源开发，工业测量与控制、防灾安全技术等方面都需要把温度作为设计或控

3、制的重要参数。随着现代工业技术的迅速发展温度的测量显得越来越重要，在现代化的钢铁冶炼、内燃机，火箭发动机的研究改良、工业加工、零件制造、兵器科学以及医学发展的研究中都需要精确的温度测量，并依据测得的温度两为设计制造提供理论依据，监控产品的质量，实现工业生产的自动化与安全生产，改善发动机的工作性能、对病人的临床监护等等，因此对于温度的测量任务显得越来越重要和紧迫，所以随之热电式传感器的重要性也越来越突出。1.2传感器的组成传感器由三部分组成：敏感元件、转换元件和测量电路。传感器中的敏感元件感受被测量并按照某种确定的关系将之转换为电量的其它量，再由转换元件转换为电量，然后经测量电路转换为有用电信号

4、。即使这么说，还是觉得它很抽象。形象点说，传感器相当如人的五官（眼、耳、口、鼻、舌）和皮肤，采集各种信息并送入计算机进行处理，产生并发出各种控制信号到执行机构。1.3 传感器发展随着科学技术的迅猛发展, 在机械制造、交通运输、石油化工以及医疗卫生等领域，传感器技术的应用越来越广泛，它正逐渐地渗透到人们的日常生活中去。从某种程度上来讲, 衡量一个国家科学技术现代化程度的重要标志是传感器技术水平的高低，主要体现在传感器能够较好地实现自动控制水平和测试技术的高低。作为测量与自动控制的重要环节的传感器，不仅是新技术革命的重要技术基础，而且还是当今信息社会的重要技术基础。笔者就当前一些重要的领域里，讲述

5、了传感器技术的应用情况，并按照目前传感器技术的发展现状，对其将来的发展方向加以预测。2 热电式传感器热电式传感器是一种将温度变化为电量变化的装置。在各种热电式传感器中，其中最常用的是热电偶和热电阻，热电偶是将温度变化为电势变化，而热电阻是将温度变化转换为电阻值的变化。这两种热电式传感器目前在工业生产中已得到广泛应用，而且有与其相配套的显示仪表与记录仪表。分类介绍: 热电阻 （金属）电阻 热敏电阻（半导体）温度 电势热电偶2.1热电偶热电偶是温度测量仪表中常用的测温元件,是由两种不同成分的导体两端接合成回路时，当两接合点热电偶温度不同时，就会在回路内产生热电流。如果热电偶的工作端与参比端存有温差

6、时，显示仪表将会指示出热电偶产生的热电势所对应的温度值。热电偶的热电动热将随着测量端温度升高而增长，它的大小只与热电偶材料和两端的温度有关，与热电极的长度、直径无关。各种热电偶的外形常因需要而极不相同，但是它们的基本结构却大致相同，通常由热电极、绝缘套保护管和接线盒等主要部分组成，通常和显示仪表,记录仪表和电子调节器配套使用。它在许多方面都具备了一种理想温度传感器的条件,是一种典型的自发电传感器。在温度测量领域获得广泛应用。在自动检测技术、传感器技术等课教学中,热电偶传感器也是比较重要的内容，它涉及较多的理论与基本定律。在温度测量中，热电偶的应用极为广泛，它的优点是：结构简单、制造方便、测量范

7、围广、精度高、惯性小和输出信号便于远传等等。热电偶是一个有源元件，测量时不需要外加电源。所以常被用作测量炉子、管道内的气体或液体的温度及固体的表面温度。2.1.1基本概念 热电偶是一种感温元件，是一种仪表。它直接测量温度，并把温度信号转换成热电动势信号, 通过电气仪表（二次仪表）转换成被测介质的温度。热电偶测温的基本原理是两种不同成份的材质导体组成闭合回路,其中两个接点的温度假设分别为T和T0。当两端存在温度梯度时,回路中就会有电流通过，此时两端之间就存在电动势热电动势，利用EAB(T和T0)表示，这种现象称为热电效应，也就是所谓的塞贝克效应（如图1）。两种不同成份的均质导体为热电极，温度较高

8、的一端为工作端，温度较低的一端为自由端，自由端通常处于某个恒定的温度下。根据热电动势与温度的函数关系, 制成热电偶分度表; 分度表是自由端温度在0时的条件下得到的，不同的热电偶具有不同的分度表。 在热电偶回路中接入第三种金属材料时，只要该材料两个接点的温度相同，热电偶所产生的热电势将保持不变，即不受第三种金属接入回路中的影响。因此，在热电偶测温时，可接入测量仪表， 测得热电动势后，即可知道被测介质的温度。 图（1）2.1.2热电偶构造及工作原理：热电偶的结构形式为了保证热电偶可靠、稳定地工作，对它的结构要求如下： 组成热电偶的两个热电极的焊接必须牢固； 两个热电极彼此之间应很好地绝缘，以防短路

9、； 补偿导线与热电偶自由端的连接要方便可靠； 保护套管应能保证热电极与有害介质充分隔离。 工作原理两种不同成份的导体（称为热电偶丝材或热电极）两端接合成回路，当两个接合点的温度不同时，在回路中就会产生电动势，这种现象称为热电效应，而这种电动势称为热电势。热电偶就 是利用这种原理进行温度测量的，其中，直接用作测量介质温度的一端叫做工作端（也称为测量端），另一端叫做冷端（也称为补偿端）；冷端与显示仪表或配套仪表连接，显示仪表会指出热电偶所产生的热电势。 热电偶实际上是一种能量转换器，它将热能转换为电能，用所产生的热电势测量温度，对于热电偶的热电势，应注意如下几个问题： 1：热电偶的热电势是热电偶工

10、作端的两端温度函数的差，而不是热电偶冷端与工作端，两端温度差的函数； 2 ：热电偶所产生的热电势的大小，当热电偶的材料是均匀时，与热电偶的长度和直径无关，只与热电偶材料的成份和两端的温差有关； 3：当热电偶的两个热电偶丝材料成份确定后，热电偶热电势的大小，只与热电偶的温度差有关；若热电偶冷端的温度保持一定，这进热电偶的热电势仅是工作端温度的单值函数。4： 两种不同材料的导体组合成为一个闭合回路（图2），当回路的两个接触点分别置于不同的温度场中时，回路就会产生一个电动势（图3），即为“热电动势”。 图2热电偶回路 图3热电偶回路的电动势热电动势有两部分组成：接触电动势，温差电动势。（1）接触电动

11、势公式： eAB(t)=UAt-UBt eAB(t0)=UAt0-UBt0 （2）差动电动势公式： eA(t,t0)=UAt-UAt0 eB(t,t0)=UBt-UBt0（3）热电偶回路电动势：EAB(t,t0)=eAB(t)-eAB(t0)+eA(t,t0)-eB(t,t0)由上我们可以得出结论：热电偶回路中的电动势的大小，只与组成热电偶的导体材料和接触点的温度有关，而与热电偶的形状和尺寸无关。2.1.3 热电偶的应用与发展上述已经说过，热电偶的应用很是广泛.在此，举两点应用：（1）N型热电偶在主蒸汽温度测量中的应用 近年来，N型热电偶在火电厂得到了广泛的应用。N型热电偶在中子辐射环境下具有

12、良好的稳定性, 是因为N型热电偶去除了易蜕变元素Mn、Co等。因此,N型热电偶具有很好的耐核辐射的能力。 在一个机组主蒸汽管道上放一个温度保护套管，将N型热电偶放入其内部，测量的温度将其转化为电动势，通过控制电动势来控制温度。N型热电偶具有以下优点：A、 用N 型热电偶测主蒸汽温度可提高监控系统的准确性和可靠性, 从而保证了火力发电机组的安全和经济运行。B、 型热电偶的高温稳定性好和使用寿命高 可与大修周期同步。因此,在N 型热电偶对主蒸汽温度测量成功应用的基础上, 可进行用N 型热电偶测过热器和汽缸等金属壁温的试验研究, 这对保证仪表的完好率、降低仪表的故障率有着十分重要的意义。C、 随着N

13、 型热电偶生产量的逐年增加, 其价格不会太高。 （2）热电偶技术供暖 目前，热电偶在很多领域里都有很大的发展。由新的热电偶替代了旧的热电偶，由性能好的替代了性能比较差的，这一步一步的发展，使现在的热电偶种类多，使用范围广，精度高，经济性好越来越方便我们日常生活的应用。在此，仅提出几点发展。由以前应用以工业为主的热电偶引入我们的生活。近年来，由于提倡环保，对于以前以燃煤为主的锅炉取暖方式已经不适用了。公共建筑的冬季的供热选择只有两个：一个是以电的形式来提供，再有一种就是以燃气为能源的资源;再有燃气有时候往往从计算上或是费用上可能都是不划算的，那在这种情况下电热泵可能就是一个最好的选择。热泵热水器

14、是一种新型热水和供暖热泵产品，是一种可替代锅炉的供暖设备和热水装置。与传统太阳能相比，热泵热水器不仅可吸收空气中的热量，还可吸收太阳能。热泵热水器通过制冷剂温差吸热和压缩机压缩制热后，与水换热，大大提高热效率，充分利用了新能源，是将电热水器和太阳能热水器的各自优点完美的结合于一体的新型热水器。目前，热泵热水器有热电偶热水器、水源热泵和太阳能型三种系列，是开拓和利用新能源最好的设备之一。 空气源(太阳能)热泵是当今世界上最先进的产品之一，该产品以制冷剂为媒介，制冷剂在风机盘管(或太阳能板)中吸收空气中(或阳光)中的能量，再经压缩机压缩制热后，通过换热装置将热量传递给水，来制取热水，热水通过水循环

15、系统送入用户散热器进行采暖或直接用于热水供应。2.2 热电阻 热电阻是利用电阻随温度变化的特性制成的传感器叫做电阻温度传感器，按采用的电阻材料可分为金属热电阻（简称热电阻）和半导体热敏电阻（简称热敏电阻）两大类。2.2.1 基本原理 热电阻与热电偶的测温原理不同的是，热电阻是基于电阻的热效应进行温度测量的，即电阻体的阻值随温度的变化而变化的特性。因此，只要测量出感温热电阻的阻值变化，就可以测量出温度。 金属热电阻的电阻值和温度一般可以用以下的近似关系式表示，即Rt=Rt0【1+a (t-t0)】 其式中，Rt为温度t时的阻值：Rt0为温度t0（一般t0=0c）时对应电阻值：a为温度系数。 半导

16、体热敏电阻的阻值和温度关系如下： R=R0eB其上式中：R、R0为温度T和T0时的电阻值：B为热电阻的材料系数，一般情况下B=2000k-6000k。 相比较而言，热敏电阻的温度系数更大，常温下的电阻值更高（通常在数千欧以上），但互换性较差，非线性严重，测温范围只有-50300左右，大量用于家电和汽车用温度检测和控制。金属热电阻一般适用于-200500范围内的温度测量，其优点是测量准确。稳定性好、性能可靠，在程控制中的应用极其广泛。2.2.2金属热电阻一 结构和类型： 普通型热电阻热电阻电阻体绝缘套管接线盒 铠装热电阻铠装热电阻的结构较为特殊。热电阻体与保护套封装成一个整体，它具有良好的机械性

17、能，耐振动与冲击，有良好的挠性，便于安装，不受有害介质侵蚀，外径尺寸可以做得很小，反应速度快，适用于安装在结构复杂的设备上进行测温，并且使用寿命较长。薄膜热电阻 薄膜热电阻是用真空镀膜法将铂直接蒸镀在陶瓷基体上制成的热电阻，薄膜热电阻减少了热惯性，提高了灵敏度和响应速度，适用于平面物体的表面温度和动态温度的测量。二 测量电路 利用热电阻测量温度实际是测量热电阻在工作状态下的阻值，然后再由电阻和温度之间的关系，求出被测温度，所以整个测温系统主要由热电阻传感器、测量电桥、显示仪表及连接导线组成。由于热电阻的阻值较小(几欧姆到几十欧姆范围)，这样热电阻本体的引线电阻和连接导线的电阻会给温度测量结果带

18、来很大的影响，例如，50的铂电阻，若导线电阻为1，会产生5的测量误差。为了解决这一问题，热电阻的连接线路从二线制发展到三线制和四线制，采用三线制或四线制测量的电路，可以克服长连接导线的电阻在环境温度变化时造成测量误差。2.2.3 热敏电阻一 性质：热敏电阻是利用半导体的电阻值随温度的变化而显著变化的特性实现测温的。半导体热敏电阻有很高的电阻温度系数，其灵敏度比热电阻高得多。而且体积可以做得很小，故动态特性好，特别适于在-100300之间测温。热敏电阻的缺点是互换性较差，另外其热电特性是非线性的。二 结构：金属氧化物：钴Co、锰Mn、镍Ni 等的氧化物 采用不同比例配方、高温烧结而成。三 特点（

19、1）结构简单、体积小、可测点温度； （2）电阻温度系数大，灵敏度高（10倍）； （3）电阻率高、热惯性小、适宜动态测量。2.2.4 热电阻的发展与应用一 发展：近年来，随着社会的发展，热电阻正处于传统型向新型转型的发展阶段。新型热电阻的特点是微型化、数字化、智能化、多功能化、系统化、网络化，它不仅促进了传统产业的改造，而且可导致建立新型工业，是21世纪新的经济增长点。微型化是建立在微电子机械系统（MEMS）技术基础上的，目前已成功应用在硅器件上形成硅压力热电阻。 多热电阻数据融合技术正在形成热点，它形成于20世纪80年代，它不同于一般信号处理，也不同于单个或多个热电阻的监测和测量，而是对基于多

20、个热电阻测量结果基础上的更高层次的综合决策过程。有鉴于热电阻技术的微型化、智能化程度提高，在信息获取基础上，多种功能进一步集成以致于融合，这是必然的趋势，多热电阻数据融合技术也促进了热电阻技术的发展。多传感器数据融合的定义概括：把分布在不同位置的多个同类或不同类热电阻所提供的局部数据资源加以综合，采用计算机技术对其进行分析，消除多热电阻信息之间可能存在的冗余和矛盾，加以互补，降低其不确实性，获得被测对象的一致性解释与描述，从而提高系统决策、规划、反应的快速性和正确性，使系统获得更充分的信息。其信息融合在不同信息层次上出现，包括数据层（像素层）融合、特征层融合、决策层（证据层）融合。由于它比单一

21、热电阻信息有如下优点，即容错性、互补性、实时性、经济性，所以逐步得到推广应用。应用领域除军事外，已适用于自动化技术、机器人、海洋监视、地震观测、建筑、空中交通管制、医学诊断、遥感技术等方面。 我国热电阻产业要适应技术潮流，根据市场需求，做到“新苗交替、远近结合、品种齐全、满足需求”做到“大、中、小并举”，“集团化和专业化生产并存”，向国内外两个市场相结合的国际化方向发展，让热电阻和检测热电阻抓住信息化的发展机遇，形成了一个阳光产业。二 应用： A金属热电阻传感器的应用热电阻式流量计热电阻式流量计是根据物理学中关于介质内部热传导现象制成的。如果温度为的热电阻放入温度为介质内，设热电阻与介质相接触

22、的表面面积为A，则热电阻耗散的热量Q可表示为 式中K热传导系数或称传热系数。实验证明，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V成正比，即 上式说明通过测量热电阻耗散的热量Q即可测量介质的平均流速或流量。B 热敏电阻传感器的应用B.1热敏电阻测温作为测量温度的热敏电阻一般结构较简单，价格较低廉。没有外面保护层的热敏电阻只能应用在干燥的地方；密封的热敏电阻不怕湿气的侵蚀，可以使用在较恶劣的环境下。由于热敏电阻的阻值较大，故其连接导线的电阻和接触电阻可以忽略，因此热敏电阻可以在长达几千米的远距离测量温度中应用。B.2、热敏电阻用于温度补偿热敏电阻可在一定的

23、温度范围内对某些元器件温度进行补偿。例如，动圈式仪表表头中的动圈由铜线绕制而成。温度升高，电阻增大。引起温度的误差。因而可以在动圈的回路中将负温度系数的热敏电阻与锰铜丝电阻并联后再与被补偿元器件串联，从而抵消由于温度变化所产生的误差。在晶体管电路、对数放大器中，也常用热敏电阻组成补偿电路，补偿由于温度引起的漂移误差。B.3、过热保护过热保护分直接保护和间接保护。对小电流场合，可把热敏电阻直接串入负载中，防止过热损坏以保护器件。对大电流场合，可用于继电器、晶体管电路等的保护。不论哪种情况，热敏电阻都与被保护器件紧密结合在一起，从而使二者之间充分进行热交换，一旦过热，热敏电阻则起保护作用。例如，在

24、电动机的定子绕组中嵌入突变型热敏电阻并与继电器串联。当电动机过载时定子电流增大，引起发热。当温度大于突变点时，电路中的电流可以由十分之几毫安突变为几十毫安，因此继电器动作，从而实现过热保护。B.4热敏电阻用于液面的测量给NTC热敏电阻施加一定的加热电流，它的表面温度将高与周围的空气温度，此时它的阻值会较小。当液面高于它的安装高度时，液体将带走它的热量，使之温度下降、阻值升高。判断它的阻值变化，就可以知道液面是否低于设定值。汽车油箱中的油位报警传感器就是利用以上原理制作的。热敏电阻在汽车中还用于测量油温、冷却水温等。3 热电式传感器的发展趋势 近年来, 随着生物科学、信息科学和材料科学的发展,

25、传感器技术飞速发展。由于微电子技术和微机械加工技术发展,传感器必将向微型化、多功能化,智能化和网络化方向发展。（一）微型化(Micro)：微型化传感器主要由硅材料构成, 具有体积小、重量轻、反应快、灵敏度高以及成本低等优点。其核心技术是研究微电子和微机械加工与封装技术的巧妙结合,期望能够由此而制造出体积小巧但功能强大的新型系统。3D微型结构已作为微型传感器的主要敏感元件被广泛应用于不同的研究领域中。( 二) 多功能化(Multifunction)：通常情况下一个传感器只能用来探测一种物理量, 但在许多应用领域中, 为了能够完美而准确地反映客观事物和环境, 往往需要同时测量大量的物理量。由若干种

26、敏感元件组成的多功能传感器则是一种体积小巧而多种功能兼备的新一代探测系统,它可以借助于敏感元件中不同的物理结构或化学物质及其各不相同的表征方式,用单独一个传感器系统来同时实现多种传感器的功能。随着传感器技术和微机技术的飞速发展, 目前已经可以生产出来将若干种敏感元件综装在同一种材料或单独一块芯片上的一体化多功能传感器。( 三) 智能化(Smart)：智能化传感器是指那些装有微处理器的, 不但能够执行信息处理和信息存储, 而且还能够进行逻辑思考和结论判断的传感器系统。这一类传感器就相当于是微型机与传感器的综合体一样, 其主要组成部分包括主传感器、辅助传感器及微型机的硬件设备。智能传感器因具有测量

27、、存储、通信、控制等优点而成为未来传感器技术发展的一个重要的方向。智能化传感器与人工智能相结合，创造出各种基于模糊推理、人工神经网络、专家系统等人工智能技术的高度智能传感器已经在家用电器方面得到了很好的利用，智能化传感器必将成为未来传感器技术发展的主要方向。智能化传感器将数据的采集、存储、处理等一体化，显然，它自身必须带有微型计算机，从而还具备自诊断、远距离通信、自动调节零点和量程等功能。基于模糊理论的新型智能化传感器和神经网络技术在智能化传感器系统和发展的重要作用，也日益受到了相关研究人员的极大重视。（四）无线网络化(wireless networked)传感器网络综合了传感器技术、嵌入式计

28、算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等, 能够通过各类集成化的微型传探析传感器的技术应用与发展趋势。结 论 热电式传感器是将温度变化转换为电量变化的装置，而温度是一个基本的物理量， 它在许多学科领域具有重要的作用，在医学、热力学、流体力学、传热学、空气动力学、宇航学、化学及物理等学科中所研究的基本规律都与温度密切相关，在国民经济的各个重要领域，例如安全防范、交通运输、汽车工业、动力资源开发，工业测量与控制、防灾安全技术等方面都需要把温度作为设计或控制的重要参数。因此可以看出对热电式传感器的现状和发展都并有很重要的意义。参 考 文 献【1】王芳热电阻式温度传感器的测温原理与应用【M】黑龙江冶金，2007(2)【2】张志刚，胡胜川工业过程温度测量热电偶热电阻温度传感器的主要技术指标医药工程设计杂志，2005（3）【3】热电式传感器【M】百度百科， 2012【4】定镇生。传感器及传感器技术应用。电子工业出版社，1998