1、第5章熱電偶傳感器,第5章熱電偶傳感器,5.1熱電偶工作原理,5.1.1熱電偶工作原理1熱電效應(yīng)將兩種不同成分的導(dǎo)體組成一個(gè)閉合回路，當(dāng)閉合回路的兩個(gè)接點(diǎn)分別置于不同溫度場(chǎng)中時(shí)，回路中將產(chǎn)生一個(gè)電動(dòng)勢(shì)。這種現(xiàn)象被稱為“熱電效應(yīng)”。兩種導(dǎo)體組成的回路被稱為“熱電偶”，這兩種導(dǎo)體被稱為“熱電極”，產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)則被稱為“熱電動(dòng)勢(shì)”。熱電偶的兩個(gè)工作端分別被稱為熱端和冷端。,圖5.1熱電偶回路,第5章熱電偶傳感器,2接觸電動(dòng)勢(shì)當(dāng)A和B兩種不同材料的導(dǎo)體接觸時(shí)，在A與B兩導(dǎo)體的接觸處產(chǎn)生的電位差，稱為接觸電動(dòng)勢(shì)。eAB(t)=UA(t)-UB(t)eAB(t0)=UA(t0)-UB(t0)接觸電動(dòng)勢(shì)的大

2、小與接點(diǎn)處溫度高低和導(dǎo)體的電子密度有關(guān)。溫度越高，接觸電動(dòng)勢(shì)越大；兩種導(dǎo)體電子密度的比值越大，接觸電動(dòng)勢(shì)越大。3溫差電動(dòng)勢(shì)，若將導(dǎo)體A或B的兩端分別置于不同的溫度場(chǎng)t、t0中（tt0），在導(dǎo)體兩端便產(chǎn)生了電位差，將該電位差稱為溫差電動(dòng)勢(shì)。eA(t，t0)=UA(t)-UA(t0)eB(t，t0)=UB(t)-UB(t0)溫差電動(dòng)勢(shì)的大小與導(dǎo)體的電子密度及兩端溫度有關(guān)。,第5章熱電偶傳感器,4熱電偶回路的總電勢(shì)熱電偶回路的總電勢(shì)為EAB(t，t0)=eAB(t)eAB(t0)eA(t，t0)eB(t，t0)一般地，在熱電偶回路中接觸電動(dòng)勢(shì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于溫差電動(dòng)勢(shì)，所以溫差電動(dòng)勢(shì)可以忽略不計(jì)EAB(t，

3、t0)=eAB(t)-eAB(t0)熱電偶回路中熱電勢(shì)的大小，只與組成熱電偶的導(dǎo)體材料和兩接點(diǎn)的溫度有關(guān)，而與熱電偶的形狀尺寸無(wú)關(guān)。當(dāng)熱電偶兩電極材料固定后，熱電動(dòng)勢(shì)便是兩接點(diǎn)溫度為t和t0時(shí)的函數(shù)差，即EAB(t，t0)=f(t)-f(t0)如果使冷端溫度t0保持不變，則熱電動(dòng)勢(shì)便成為熱端溫度t的單一函數(shù)，即EAB(t，t0)=f(t)-C=(t)用實(shí)驗(yàn)方法求取這個(gè)函數(shù)關(guān)系。通常令t0=0，然后在不同的溫差（t-t0）情況下，精確地測(cè)定出回路總熱電動(dòng)勢(shì)，并將所測(cè)得的結(jié)果列成表格（稱為熱電偶分度表），供使用時(shí)查閱。,第5章熱電偶傳感器,5.1.2熱電偶的基本定律1均質(zhì)導(dǎo)體定律如果熱電偶回路中的

4、兩個(gè)熱電極材料相同，無(wú)論兩接點(diǎn)的溫度如何，熱電勢(shì)均為零。2中間導(dǎo)體定律在熱電偶回路中接入第三種導(dǎo)體，只要第三種導(dǎo)體和原導(dǎo)體的兩接點(diǎn)溫度相同，則回路中總的熱電動(dòng)勢(shì)不變。3標(biāo)準(zhǔn)電極定律如果兩種導(dǎo)體分別與第三種導(dǎo)體組成的熱電偶所產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)已知，則由這兩種導(dǎo)體組成的熱電偶所產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)也就已知。4中間溫度定律熱電偶在兩接點(diǎn)溫度t、t0時(shí)的熱電動(dòng)勢(shì)等于該熱電偶在接點(diǎn)溫度為t、tn和tn、t0時(shí)的相應(yīng)熱電動(dòng)勢(shì)的代數(shù)和。EAB（t，t0）=EAB（t，tn）+EAB（tn，t0）,第5章熱電偶傳感器,5.2熱電偶的材料、結(jié)構(gòu)及種類,5.2.1熱電偶材料根據(jù)金屬的熱電效應(yīng)原理，組成熱電偶的熱電極可以是任

5、意的金屬材料，但在實(shí)際應(yīng)用中，用作熱電極的材料應(yīng)具備如下幾方面的條件：（1）測(cè)量范圍廣。（2）性能穩(wěn)定。（3）化學(xué)性能好。5.2.2熱電偶結(jié)構(gòu)1普通工業(yè)熱電偶的結(jié)構(gòu)熱電極、絕緣管、保護(hù)套管、接線盒2鎧裝熱電偶由金屬套管、絕緣材料和熱電極經(jīng)焊接密封和裝配等工藝制成的堅(jiān)實(shí)的組合體。,1測(cè)量端；2熱電極；3絕緣管；4保護(hù)管；5接線盒圖5.4普通工業(yè)熱電偶結(jié)構(gòu),第5章熱電偶傳感器,第5章熱電偶傳感器,普通裝配式熱電偶的結(jié)構(gòu)圖,接線盒,引出線套管,固定螺紋（出廠時(shí)用塑料包裹）,熱電偶工作端（熱端）,不銹鋼保護(hù)管,第5章熱電偶傳感器,裝配式熱電偶在鍋爐中的安裝,第5章熱電偶傳感器,鎧裝式熱電偶,第5章熱電

6、偶傳感器,鎧裝型熱電偶外形,接線卡,屏蔽層,測(cè)量端（熱端）,第5章熱電偶傳感器,5.2.3熱電偶種類及分度表1標(biāo)準(zhǔn)型熱電偶,2非標(biāo)準(zhǔn)型熱電偶非標(biāo)準(zhǔn)型熱電偶包括鉑銠系、銥銠系及鎢錸系熱電偶等。3薄膜熱電偶薄膜熱電偶是由兩種金屬薄膜連接而成的一種特殊結(jié)構(gòu)的熱電偶。,第5章熱電偶傳感器,5.3熱電偶的冷端補(bǔ)償,1冷浴法將熱電偶的冷端置于溫度為0的恒溫器內(nèi)（如冰水混合物），使冷端溫度處于0。這種裝置通常用于實(shí)驗(yàn)室或精密的溫度測(cè)量。2補(bǔ)償導(dǎo)線法所謂補(bǔ)償導(dǎo)線，實(shí)際上是一對(duì)材料的化學(xué)成分不同的導(dǎo)線，在0150溫度范圍內(nèi)與配接的熱電偶有一致的熱電特性，但價(jià)格相對(duì)要便宜。利用補(bǔ)償導(dǎo)線，將熱電偶的冷端延伸到溫度恒

7、定的場(chǎng)所（如儀表室），其實(shí)質(zhì)是相當(dāng)于將熱電極延長(zhǎng)。3計(jì)算修正法EAB（t，0）=EAB（t，t1）+EAB（t1，0）【例5.2】用鎳鉻-鎳硅熱電偶測(cè)爐溫，當(dāng)冷端溫度為30（且為恒定時(shí)），測(cè)出熱端溫度為t時(shí)的熱電動(dòng)勢(shì)為39.17mV，求爐子的真實(shí)溫度。,第5章熱電偶傳感器,4補(bǔ)償電橋法補(bǔ)償電橋法利用不平衡電橋產(chǎn)生的不平衡電勢(shì)來(lái)補(bǔ)償因冷端溫度變化引起的熱電動(dòng)勢(shì)變化值，可以自動(dòng)地將冷端溫度校正到補(bǔ)償電橋的平衡點(diǎn)溫度上。5顯示儀表零位調(diào)整法如果熱電偶冷端溫度已知且恒定，則可預(yù)先將有零位調(diào)整器的顯示儀表的指針從刻度的初始值調(diào)至已知的冷端溫度值上，這時(shí)顯示儀表的示值即為被測(cè)量的實(shí)際溫度值。,1熱電偶；2

8、補(bǔ)償導(dǎo)線；3銅導(dǎo)線；4補(bǔ)償電橋圖5.5熱電偶冷端補(bǔ)償電橋,由鎳鉻-鎳硅熱電偶分度表查出E（30，0）=1.20mV，可以計(jì)算出E（t，0）=（39.17+1.20）mV=40.37mV再通過(guò)分度表查出其對(duì)應(yīng)的實(shí)際溫度為t=977。,第5章熱電偶傳感器,5.4熱電偶測(cè)溫線路,1測(cè)量某一點(diǎn)的溫度2測(cè)量?jī)牲c(diǎn)之間的溫度差,圖5.7測(cè)量?jī)牲c(diǎn)間溫差,圖5.6測(cè)量某點(diǎn)溫度,第5章熱電偶傳感器,3熱電偶并聯(lián)線路測(cè)多點(diǎn)的平均溫度4熱電偶串聯(lián)線路測(cè)多點(diǎn)溫度之和,圖5.9熱電偶串聯(lián),圖5.8熱電偶并聯(lián),第5章熱電偶傳感器,5.5熱電阻,5.5.1金屬熱電阻大多數(shù)金屬導(dǎo)體的電阻，都具有隨溫度變化的特性。Rt=R01+

9、(t-t0)1鉑熱電阻鉑絲的電阻值與溫度之間的關(guān)系：在0630.755范圍內(nèi)為Rt=R0(1+At+Bt2)在-1900范圍內(nèi)為Rt=R01+At+Bt2+C(t-100)t32測(cè)量電路采用三線制或四線制測(cè)量電路，可以克服長(zhǎng)連接導(dǎo)線的電阻在環(huán)境溫度變化時(shí)造成測(cè)量誤差。,（a）截面圖（b）結(jié)構(gòu)圖1銀引出線；2鉑絲；3鋸齒形云母骨架；4保護(hù)用云母片；5銀綁帶；6鉑電阻橫斷面；7保護(hù)套管；8石英骨架圖5.10鉑熱電阻的構(gòu)造,第5章熱電偶傳感器,（1）三線制連接法測(cè)量電路在測(cè)量過(guò)程中，當(dāng)環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí)，導(dǎo)線電阻發(fā)生變化。當(dāng)然，Lg的電阻變化不影響電橋的平衡，L2和L3的電阻變化可以相互平衡而自動(dòng)抵

10、消。（2）四線制連接法測(cè)量電路Rp不僅可調(diào)整電橋的平衡，而且其觸點(diǎn)的接觸電阻的變化是與指示電表串聯(lián)，接在電橋的對(duì)角線內(nèi)，其不穩(wěn)定因素也不會(huì)影響電橋的平衡。,圖5.12三線制連接法測(cè)量電路,圖5.13四線制連接法測(cè)量電路,第5章熱電偶傳感器,3銅電阻銅電阻與溫度呈線性關(guān)系，可用下式表示：Rt=R0（1+at）4其他熱電阻（1）銦電阻。它是一種高精度低溫?zé)犭娮?。銦的熔點(diǎn)約為150，在4.215K溫度域內(nèi)其靈敏度比鉑的高10倍，故可用于不能使用鉑的低溫范圍。其缺點(diǎn)是材料很軟，復(fù)制性很差。（2）錳電阻。錳電阻的特點(diǎn)是在263K的低溫范圍內(nèi)，電阻值隨溫度變化很大，靈敏度高；在216K的溫度范圍內(nèi)，電阻率

11、隨溫度平方變化。磁場(chǎng)對(duì)錳電阻的影響不大，且有規(guī)律。錳電阻的缺點(diǎn)是脆性很大，難以控制成絲。,圖5.14銅熱電阻體,第5章熱電偶傳感器,5.5.2半導(dǎo)體熱敏電阻1負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻（NTC）2正溫度系數(shù)熱敏電阻（PTC）熱敏電阻按結(jié)構(gòu)形式可分為體型、薄膜型、厚膜型三種；按工作方式可分為直熱式、旁熱式、延遲電路三種；按工作溫區(qū)可分為常溫區(qū)（-60200）、高溫區(qū)（200）、低溫區(qū)熱敏電阻三種。熱敏電阻可根據(jù)使用要求，封裝加工成各種形狀的探頭，如珠狀、片狀及桿狀、錐狀、針狀等，如圖5.16所示。,1突變型NTC；2負(fù)指數(shù)型NTC；3線性型PTC；4突變型PTC圖5.15熱敏電阻的特性曲線,1熱敏電阻；

12、2玻璃外殼；3引出線圖5.16熱敏電阻的結(jié)構(gòu)外形與符號(hào),第5章熱電偶傳感器,5.5.3集成溫度傳感器集成溫度傳感器就是在一塊極小的半導(dǎo)體芯片上集成了包括敏感器件、信號(hào)放大電路、溫度補(bǔ)償電路、基準(zhǔn)電源電路等在內(nèi)的各個(gè)單元，它使傳感器與集成電路融為一體。1AD590系列集成溫度傳感器,圖5.17AD590外形和電路符號(hào),圖5.18AD590特性曲線,第5章熱電偶傳感器,2其他類型的國(guó)產(chǎn)集成溫度傳感器（1）SL134M集成溫度傳感器SL134M是一種電流型三端器件，它是利用晶體管的電流密度差來(lái)工作的。（2）SL616ET集成溫度傳感器SL616ET是一種電壓輸出型四端器件，由基準(zhǔn)電壓、溫度傳感器、運(yùn)

13、算放大器三部分電路組成，整個(gè)電路可在7V以上的電源電壓范圍內(nèi)工作。,圖5.19U-I轉(zhuǎn)換電路,圖5.20基準(zhǔn)點(diǎn)可調(diào)整電路,第5章熱電偶傳感器,3典型應(yīng)用（1）溫度控制電路：如圖5.22所示為用AD590做可變溫度控制電路的原理圖，此圖如同一個(gè)閉環(huán)電路。,圖5.22溫度控制電路,第5章熱電偶傳感器,（2）數(shù)字溫控電路：圖5.23所示為AD590與一個(gè)8位D/A的組合電路。,圖5.23數(shù)字溫控電路,第5章熱電偶傳感器,（3）采用集成溫度傳感器的數(shù)字式溫度計(jì)。由集成溫度傳感器AD590及A/D轉(zhuǎn)換器7106等組成的數(shù)字式溫度計(jì)。,圖5.24集成溫度傳感器的數(shù)字式溫度計(jì),第5章熱電偶傳感器,（4）溫度

14、上下限報(bào)警。如圖5.25所示，此電路中要用運(yùn)放構(gòu)成遲滯電壓比較器，晶體管VT1和VT2根據(jù)運(yùn)放輸入狀態(tài)而導(dǎo)通或截止，RT、R1、R2、R3構(gòu)成一個(gè)輸入電橋。,圖5.25溫度上下限報(bào)警電路,第5章熱電偶傳感器,（5）電動(dòng)機(jī)保護(hù)器。電動(dòng)機(jī)往往由于超負(fù)荷、缺相及機(jī)械傳動(dòng)部分發(fā)生故障等原因造成繞組發(fā)熱，利用PTR熱敏電阻具有正溫度系數(shù)這一特性可實(shí)現(xiàn)電機(jī)的過(guò)熱保護(hù)。如圖5.26所示為電動(dòng)機(jī)保護(hù)器電路。,圖5.26電動(dòng)機(jī)測(cè)溫電路,第5章熱電偶傳感器,小結(jié)熱電偶結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可用于測(cè)小空間的溫度，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，電動(dòng)勢(shì)信號(hào)便于傳送，在工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化領(lǐng)域得到普遍應(yīng)用。熱電偶屬于自發(fā)電式溫度傳感器，應(yīng)用時(shí)注意自由端溫度補(bǔ)償問(wèn)題。目前常被用于測(cè)量1001500范圍內(nèi)的溫度。熱電阻與熱電偶相比，在相同的溫度下輸出信號(hào)較大，易于測(cè)量；熱電阻的變化一般要經(jīng)過(guò)電橋轉(zhuǎn)換成電壓輸出。為了避免或減少導(dǎo)線電阻對(duì)測(cè)溫的影響，工業(yè)熱電阻一般采用三線制接法，其測(cè)量溫度范圍是-200+