传感器与检测技术第二版胡向东著第八章 热电式传感器课件.ppt

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1、下页返回第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。8.1热电偶8.2热电阻8.3热敏电阻本章要点温标不是温度标准(TemperatureStandard),而是温度标尺(TemperatureScale)的简称。国际上规定的温标有很多种,最常用的是华氏温标(美国)、摄氏温标、热力学温标等。下页上页返回温标名称有关规定华氏温标(℉)1714年,Fahrenheit把标准大气压下纯水的沸点和冰点这两个恒定温度作固定点(212℉和32℉),这两个温度点之间用水银温度计分成180等份,每等份定为1华

2、氏度(℉)。列氏温标(oR’)1731年Réaumur提出:水的冰点被定为列氏0度,而沸点则为列氏80度。因为标准浓度的酒精在水的冰点和沸点之间体积从1000单位膨胀到1080单位。摄氏温标(℃)1742年Celsius提出:最初定义“水的冰点定为一百摄氏度,沸点定为零摄氏度,其间分成一百等分,一等分为一摄氏度”。第二年将刻度颠倒过来使用,即当今用法。当前应用最广,ITS-90有专门定义。开氏温标(K)1854年Kelvin提出:把绝对零度(0K)到水的三相点温度(273.16K)等分为273.16份,每份就是1开氏度。其分度间隔和摄氏温标间隔一致,Δt(1℃)=ΔT(1K

3、)。兰氏温标(oR)Rankine温标是美国工程界使用的一种温标。起点也为绝对零度,水的冰点和沸点分别为491.67和671.67兰氏度(oR),中间分成180等分,每一等分为1oR。下页上页返回几种温标间的换算关系摄氏度=5(华氏度-32)/9摄氏度=开氏度-273.15摄氏度=5兰氏度/9-273.15摄氏度=1.25列氏度====================华氏度=1.8摄氏度+32华氏度=1.8开氏度-459.67华氏度=兰氏度-459.67华氏度=2.25列氏度+32====================开氏度=摄氏度+273.15开氏度=1.25列氏度+2

4、73.15开氏度=5(华氏度-32)/9+273.15开氏度=5兰氏度/9下页上页返回下页上页返回下页上页返回8.1热电偶把两种不同导体或半导体连接成闭合回路,如果将它们的两个接点分别置于温度各为T和T0(设T>T0)的热源中,则在该回路内就会产生热电动势,这种现象称作热电效应。由这两种导体的组合并将温度转换成热电势的传感器称为热电偶。图8-1热电效应示意图热电偶作为敏感元件优点为: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

5、料的热电极,最低可测到-180℃,最高可达到+2800℃的温度;④具有良好的敏感度;⑤使用方便。下页上页返回下页上页返回8.1.1热电效应热电偶产生的热电势称为温差电势或塞贝克电势,通称热电势。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)。热电效应(塞贝克效应Seekbeck1821):下页上页返回式中k—波尔兹曼常数,为1.38×10-23J/K;t—接触处的绝对温度;e—电子电荷数;NA、NB—金属A、B在温度为T时的自由电子密度。图8-2接触电势接触

6、电势(两种导体)下页上页返回同理可以计算出A、B两种金属构成回路在温度t0端的接触电势为:但与方向相反,所以回路的总接触电势由上式可见,当两结点的温度相同,即t=t0,回路中总电势将为零。含义:同一导体的两端因其温度不同而产生的一种电动势。温差电势(单一导体)机理:高温端的电子能量要比低温端的电子能量大,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,在导体两端便形成温差电动势。下页上页返回热电偶回路中产生的总热电势EAB(t,t0)=EAB(t)+EB(t,t0)-EAB(t0)-EA(t,t0)温差电势

7、较小,忽略,故热电偶的热电势可表示为:下页上页返回影响因素取决于材料和接点温度,与形状、尺寸等无关两热电极相同时,总电动势为0两接点温度相同时,总电动势为0对于已选定的热电偶,当参考端温度t0恒定时,eAB(t0)=c为常数,则总的热电动势就只与温度T成单值函数关系,即可见:只要测出EAB(t,t0)的大小,就能得到被测温度t,这就是利用热电偶测温的原理。讨论下页上页返回热电偶的分度表不同金属组成的热电偶,温度与热电动势之间有不同的函数关系,一般通过实验的方法来确定,并将不同温度下测得的结果列成表格,编制出热电势与

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