第九章 热电式传感器

第8章 热电式传感器

本章主要内容：

概述8.1 热电阻

8.2 热电偶

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第8章 温度测量技术概述温度是用来定量地描述物体冷热程度的物理量， 温度是建立在热平衡基础上的。◆

人类一直在探索如何测量温度。人体是一种测温仪: ● 精度底 ● 量程小

第8章 热电式传感器

概述最早使用仪器来测量温度的是伽里略 1592年底，伽里略发明了第一个用来测量温度 的仪器。

缺点: 受气压影响2013-7-29 3

第8章 热电式传感器

概述◆ 1624年温度计第一次正式在文献里出现。 ◆ 1654年意大利的一个公爵费迪南德二世做成了 一个真正不受气压影响的温度计

◆开尔文、牛顿等建立了各种温标: 绝对温标、摄氏温标、华氏温标2013-7-29 4

第8章 热电式传感器温度测量方法可分为： 接触式、非接触式 ★接触式测温 基于热平衡原理，即测温敏感元件必须与被测 介质接触，使两者处于同一热平衡状态。 如水银温度计、热电偶温度计、电阻温度计。 ★非接触式测温 利用物质的热辐射原理，测温元件不需与被测 介质接触。 如:辐射温度计、红外热象仪等。2013-7-29 5

第8章 热电式传感器

概述(本课程主要介绍接触式测温原理及方法)★热电式传感器: 将温度变化转换为电量变化的装置◆较普通的热电式传感器将温度量转换为电势和电阻。 ◆ 常用热电式传感器的敏感元件有： 热电偶、热电阻 ●热电偶：将温度转换为电势之变化 ●热电阻：将温度转换为电阻阻值之变化2013-7-29 6

第8章 热电式传感器

8. 1热电阻★电阻温度计原理基于导体或半导体的电阻值随温度变化的性质 而工作的。 ★测温敏感元件有: 金属导体、半导体热敏电阻。

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第8章 热电式传感器

8.1热电阻一、金属测温电阻(金属热电阻) 一般金属导体具有正的电阻温度系数(电阻率 随温度的上升而增加),在一定的温度变化范围内， 电阻和温度之间的函数关系：

R R0 [1 (t t 0 )] R0 (1 t )其中： R、R0分别表示温度为t和t0时的电阻值; α为材料的电阻温度系数，α=(4~6)×10-3/0C。 在不同温度范围内，电阻温度系数α是不同的，希 望在测量温度的范围内α是一个常数。2013-7-29 8

第8章 热电式传感器

8.1热电阻★热电阻材料应具备以下性质： 1)电阻温度系数α要大； 2)在测量范围内，材料的物理、化学性质稳定； 3)电阻率ρ要大，可提高温度计的动态响应； 4)电阻温度关系线性好； 5)材料要容易制作，价格便宜。 ★常用材料有：铂、铜、铁、镍等。 ★热电阻的制作是用上述金属的细丝绕在云母、石 英或陶瓷等绝缘支架上。2013-7-29 9

第8章 热电式

传感器二、半导体热敏电阻 ★热敏电阻是由金属氧化物(NiO,MnO2,CuO,TiO2) 粉末按一定比例混合烧结而成的半导体。 ★电阻值随温度上升而下降，具有负温度系数:R AeB T

T是绝对温度0K;A、B是常数， B单位是0K。

★电阻温度系数：单位温度变化所引起的电阻的相 dR 对变化1 dR R dT R dT2013-7-29 10

第8章 热电式传感器dR B B T R Ae Ae ( 2 ) R( 2 ) dT T T 1 dR B 2 R dT TB T B

◆半导体热敏电阻的电阻温度系数α不是常数，而 和绝对温度的平方成反比。 ◆当T=T0时有电阻R0;当T=T时有电阻R

(1)(2)2013-7-29 11

第8章 热电式传感器◆电阻值R与温度T的关系：

R R0 e

B T0

e R0 e

B T

1 1 B( ) T T0

◆常数B可通过实验获得：(即只要测定温度分别为T1和T0时半导体的热敏电阻的阻值R1和R0)

ln R1 ln R0 B 1 1 T1 T02013-7-29

(B的范围一般为1500~50000K)

第8章 热电式传感器★半导体热敏电阻与金属热电阻相比, 有以下优点： 1)温度系数的绝对值较热电阻大，灵敏度高， 可测0.001~0.00050C的微小温度变化； 2)电阻率大，时间常数小(毫秒级)。可制成体积 小、热惯性小、响应速度快的感温元件。 ★半导体热敏电阻缺点： 1) 电阻温度特性分散性大； 2) 稳定性差； 3) 非线性较严重。2013-7-29 13

第8章 热电式传感器三、电阻测定 1.测量方法

可采用电桥测定热电阻的电阻值2.常用电桥测热阻存在的问题(二线接桥法) ▲注意：将热电阻接 到电桥的导线会产生 附加电阻r1、r2,这 是产生测量误差的一 个重要原因。2013-7-29 14

第8章 温度测量技术3.采取的技术措施

(可采用三线接桥法及四线接桥法)用具有相同温度特性的导 线r1、r2分别接到两个邻 臂上，因而可互相抵消， 而第三根线与负载电阻RL 相串联，由于负载的输入 阻抗都很大，r3则可忽略 不计。

第8章 热电式传感器

8.2 热电偶热电偶：将温度量转换为电势大小的热电式传感器★热电偶具有以下特点：

结构简单，使用方便，精度高，热惯性小，可 测局部温度和便于远距离传送与集中检测。

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第8章 热电式传感器

8.2 热电偶一、工作原理(席贝克效应) ▲ 两种不同材料的导体A和B串联起来形成一个闭 合回路，如果两个接合点的温度不同，电路中将产生 热电势，并形成热电流。 ▲ 热电势的大小与材料的性质及接点的温度有关， 称为温差热电效应或热电效应，该现象是1821年德国 物理学家Secback发现的。 ★热电势可用函数关系式表示： EAB=f(T,T0) 若知道EAB, T0, 即可利用热电效应来测温或温度差。2013-7-29 17

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8.2 热电偶★ 定义

:这两种不同导体的组合体称为热电偶。

▲ 两个连接端点,一个称为工作端T,另一个称为自 由端或参考端T0或冷端,两根金属丝称之为热电极。2013-7-29 18

第8章 热电式传感器

8.2 热电偶★温差电势是如何产生的？ 温差电势是由两种导体的接触电势(珀耳贴电 势)与同一种导体的温差电势(汤姆逊电势)所组 成的。

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