传感器原理第五章 热电传感器.pdf

《传感器原理第五章 热电传感器.pdf》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、第五章热电传感器第一节热电偶一、热电效应二、热电偶工作特性三、热电偶冷端温度误差及补偿四、热电偶测温电路五、热电偶的选择第二节电阻温度传感器一、金属热电阻二、半导体热敏电阻第三节集成温度传感器一、温敏二极管及其应用二、温敏晶体管及其应用三、集成温度传感器第五章热电传感器热电传感器是一种将温度变化转换为电量变化的装置，是一种广泛应用的间接测量温度的方法，即利用一些材料或元件的性能参数随温度而变化（物性型），通过测量该性能参数，而得到被测温度的大小。其中热电动势、热敏电阻及半导体PN结特性在热电测温传感器中的应用最为成熟。第一节热电偶热电偶的基本工作原理是热电动势效应。热电偶是将温度变化

2、量转换为电势大小的热电传感器。虽然是一个古老的测温方法，但由于它具有测温范围宽（－180℃～2800℃）、精度高、结构简单、且便于远距离及多点测量等一系列优点，因而在现代测温领域仍获得广泛应用。¢热电偶测温基本原理是将两种不同材料的热电偶测温基本原理是将两种不同材料的导体或半导体焊接起来，构成一个闭合回导体或半导体焊接起来，构成一个闭合回路。由于两种不同金属所携带的电子数不路。由于两种不同金属所携带的电子数不同同((自由电子浓度不同），当两个导体的二自由电子浓度不同），当两个导体的二个执着点之间存在温差时，就会发生高电个执着点之间存在温差时，就会发生高电位向低电位放电现象，因而在回路

3、中形成位向低电位放电现象，因而在回路中形成电流电流,,温度差越大，电流越大，这种现象称温度差越大，电流越大，这种现象称为热电效应。为热电效应。一、热电效应在两种不同的导体组成的闭合回路中，若两连接点的温度不同时，闭合回路中就会产生电动势而形成电流，这种现象称之为热电效应。热电效应引起的电动势和电流，分别称为热电势和热电流。热电偶是基于热电效应的测温装置。如图5－1所示，两种不同物质的导体A和B，两接触点T和T，T点称之0为工作端或热端，置于被测温度场中，T点称之为自由端0或冷端，冷端温度要求恒定。当两接触点T和T的温度不0同时，热电偶回路中就产生热电势，热电势可分为接触电势和温差电势

4、。图5－1热电偶示意图1．接触电势由于组成热电偶的两导体A和B属于不同的两物质，各自内部自由电子密度不同。根据扩散理论，在接触点处要产生扩散运动，如图5－2所示。若导体A自由电子密度NA大，导体B自由电子密度NB小，则扩散结果，在接触点处导体A侧失去电子带正电，导体B侧得到电子带负电，于是在接触点处形成电场，该电场阻止电子扩散运动，当电场作用与扩散运动达到平衡时，在接触点处就产生稳定的接触电势E＝U－UABAB。图5－2电子扩散运动两接触点处的接触电势分别表示如下：①热端接触电势kTNATE(T)=lnAB（5－1）qNBT式中－23k—波尔兹曼常数（1.38×10J/K）；－19q

5、—电子电荷量（1.602×10C）；T—热端绝对温度K，绝对温度与摄氏温度的换算关系是x(K)＝（273+x）℃；NAT、NBT—导体A、B在温度为T（K）时的自由电子密度。②冷端接触电势、NkTAT00EAB(T0)=ln（5－2）qNBT0式中T—冷端绝对温度K；N、N—导体A、B在温0AT0BT0度为T(K)时的自由电子密度。02．温差电势由于热端T和冷端T存在着温度差，在同一导体内，0高温端的自由电子向低温端扩散，从而形成高温端与低温端的温差电势。两导体A和B温差电势分别表示如下：①导体A温差电势TEA(T−T0)=∫σAdt（5－3）T0式中σ—导体A的汤姆逊系数，其大小与

6、材料性质和导A体两端的平均温度关。②导体B温差电势TE(T−T)=σdtB0∫BT0（5－4）式中σ—导体B的汤姆逊系数B3．回路总电势综上所述，由导体A和B组成的热电偶回路，当接触点温度T＞T时，回路总电势等于接触电势与温差电势0的代数和，如图5－3所示。但由于温差电势通常远远小于接触电势，因而工程计算上可以把接触电势看成回路总电势。回路总电势为图5－3热电偶回路电势图5－3回路总电势为E(T,T)=[E(T)−E(T)]−[E(T−T)−E(T−T)]AB0ABAB0A0B0=&E(T)−E(T)ABAB0（5－5）显然当热电偶导体A和B材料一定时，回路总电势成为热端和冷端的温度

7、函数。在实际测温中，总是把冷端置于某一恒温下，此时冷端接触电势为一常量，即，EAB(T0)=C则EAB(T,T0)=EAB(T)−C=f(T)（5－6）(5－6)式即热电偶测温的基本公式。此时回路总电势仅决定于热端接触电势，即只与热端温度关，两者之间是单值的函数关系，因而可用热电偶测量现场温度。¢热电极的极性：热电极的极性：¢测量端失去电子的热电极为正极，得到电子的热测量端失去电子的热电极为正极，得到电子的热电极为负极。对热电势符号电极为负极。对热电势符号