1、2007.05.08,第8章：热电传感器,本章要求： 1、掌握热电效应、塞贝克效应、珀尔帖效应、汤姆逊效应、热释电效应及热电势产生的原因和热电偶的基本定律； 2、熟悉热电偶、热电阻、热敏电阻的工作原理及测量电路； 3、了解各种热电式传感器的结构及应用。,本章重点：热电偶、热电阻、热敏电阻的工作原理 本章难点：热电偶的工作原理,2007.05.08,8.1、热电偶传感器,8.1.1热电效应,热电效应由温度引起电势差的物理现象叫做热电效应，俗称温差电效应 （1）、塞贝克（seeback）效应 （2）、珀尔帖（peltier）效应 （3）、汤姆逊（Thomson）效应,热电传感器将温度变化转换为电量
2、变化的装置。 热电传感器的分类,2007.05.08,（3）、热电偶总的热电势 EAB（T、T0）= EAB（T）- EAB（T0）,8.1.2 热电偶工作原理 1、热电偶,2、热电势的组成及产生原因,（1）、两种不同金属的接触电势（珀尔帖电势）,（2）、单一导体的温差电势（汤姆逊电势）,2007.05.08,热电偶三点结论： 、热电偶必须采用两种不同金属材料作热电极。 、热电偶的两结点必须存在温度差。 、热电偶的热电势大小只与两结点温度有关，而与材料A、B的中间各处温度无关。,3、热电势性质 （1）、导体A与B在工作端（T）产生的接触电势可以写成： EAB（T）EA（T）EB（T） （2）、
3、同一导体的温差电势可以写成：EA（T、T0）EA（T）EA（T0） （3）、接触电势下标A与B代表电压方向。 EAB（T）EBA（T）； （4）、温差电势括号中的温度顺序代表高温到低温。故温差电势中的温度顺序改变，其电势值的正、负号也随之改变。EA（T、T0）EA（T0、T） （5）、热电势大小只与热电极材料性质及两接点的温度有关，而与热偶形状和大小无关。,2007.05.08,8.1.3 热电偶基本定律 1、中间导体定律 EABC(T,T0)=EAB(T,TO),2、中间温度定律 EAB(T,T0)= EAB(T,Tn)+ EAB(Tn,T0),3、参考电极定律EAB(T,TO)=EAC(T
4、,T0)-EBC(T,T0),2007.05.08,8.1.4 热电偶测温原理 如果保持自由端温度T00，则热电势大小仅与工作端温度T成对应关系。这就是热电偶测温原理。,8.1.5 热电偶的结构与种类 1、热电偶的结构：,(1)、热电极；它是热电偶的核心。,(2)、绝缘套；防止电极之间以及电极与保护管之间短路，由绝缘材料制成。,（4）、接线盒。供热电偶与引线连接用，一船用铝合金制成。,(3)、保护管。使热电极与被测介质温度隔离，使之免受化学侵蚀或机械损伤。要求它有良好的导热性并经久耐用。,在测量范围内，热电性能稳定，不随时间变化而变化；在测量范围内，物理、化学性质稳定，不易氧化或腐蚀；电阻温度
5、系数小，电导率高；组成热电偶测温时，产生热电势大，且热电势与温度成单值线性或接近线性关系； 有足够的机械强度及较好的耐振动、耐热冲击性能；材料复制性好，价格便宜。,根据测量温度不同，绝缘材料不同。 60-80，橡皮，塑料； 500 ，玻璃丝、玻璃管； 0-1300，石英管； 1400以上，瓷管； 1500以上，氧化铝管。,有两类保护管：金属材料保护管。铝、铜、铜合金、炭钢、不锈钢、镍合金等高温合金材料；非金属材料保护管。石英、高温陶瓷、氧化铝（镁）。,2007.05.08,（2）、根据测温范围分类：有三类高温热电偶，1100-1600； 中温热电偶，500-1000低温热电偶，低于500以下。
6、,2、热电偶的种类：（1）、根据热电极材料分类：有四类难熔热电极材料：铱、钨、铼；贵金属热电极材料：铂、铂铑合金；普通金属热电极材料：铁、铜、康铜、考铜、镍铬合金、镍 铝合金非金属热电极材料：炭、石墨、碳化硅。,（3）、根据用途分类：有两类标准热电偶； 工业用热电偶。,2007.05.08,8.1.6 几种常用热电偶,1、铂铑10铂热电偶 型号WRLB、分度号LB3,2、铂铑13铂热电偶 工业用 01600 。,3、铂铑30铂铑6热电偶 工业用高温热电偶 01700 。,5、镍铬镍硅热电偶 测温范围50 1312 。其热电性能比镍铬镍铝热电偶更好，有取代之势。,6、镍铬考铜热电偶 型号：WRE
7、A 分度号：EA2，它是宜于还原性气体中使用，短时可测800 ，长时间可测600 以下，但复制性差。,7、铜康钢热电偶 属低温热电偶，测温范围200 400 ，,4、镍铬镍铝热电偶 型号WREV，分度号EV2,正极：较硬的铂铑合金色（90Pt，10Rn，简称铂铑10 。 负极：柔软的纯铂丝。 用途：长时间可在01300 下工作，短时可测1600 。 优点：、物理化学性能稳定，用于精密测量或作标准热电偶； 、在氧化性气体中使用有相当的稳定性。,普通金属热电偶中最稳定的一种热电偶。 正极：镍铬合金（89Ni、10Cr、1Fe） 负极：镍铝合金(94Ni、2Al、2.5Mn、1Si、0.5Fe) 短
8、时可测1300 ，长时间可在1000 以下工作。特点： 、高温下抗氧能力和耐腐蚀能力强，但易受还原性气体损害； 、在500 以下低温时也可在还原性气体中使用； 、在相同温度下，其热电势比铂铑铝热电偶大，45倍。,2007.05.08,8.1.7 热电偶的特点,（1）结构简单，制造容易，使用方便，其电极不受大小和形状的限制，可按照需要进行配制。 （2）因为它的输出信号为电势，因而测量时不必外加电源，室温下的输出电压为mV级，输出灵敏度一般在V/。 （3）测量精度高，热电偶与被对象直接接触，不受中间介质的影响。 （4）测量范围宽，从-269至1800。 （5）便于远距离测量、自动记录及多点测量。,
9、2007.05.08,8.1.8 热电偶实用测量电路,1、测量单点温度的基本测温电路 2、测量两点之间温差 3、测量平均温度的电路,2007.05.08,4、测量温度和的电路 5、K型热电偶测量电路,2007.05.08,8.1.9 热电偶冷端处理,1、恒定0法,2、计算修正法 EAB（T、T0）EAB（T、Tn）EAB（Tn、T0）,3、修正系数法 t=t1+ktn,必须注意以下几点 : 、热电偶与补偿导线的热电特性相同。 、热电偶与补偿导线都有正、负极性不能接错. 、补偿导线使用温度不能过高； 、补偿导线的价格要比热电偶便宜。,5、电桥补偿法,6、电位补偿法,4、补偿导线法,2007.05
10、.08,8.2 热电阻传感器,一、热电阻的基本知识 1、热电阻传感器 2、分类 、金属热电阻 、半导体热电阻 3、热电阻效应,、电阻温度系数要尽可能大，且稳定； 、电阻率要高； 、比热小，亦即热惯性小 、电阻值随温度变化关系最好是线性关系； 、在较宽的测量范围内具有稳定的物理化学性质； 、良好的工艺性，即特性的复现性好，便于批量生产,5、电阻与温度的关系 大多数金属导体的电阻随温度而变化的关系可由下式表示Rt=R01+（t-t0）,4、对热电阻材料的要求,2007.05.08,热电阻传感器由热电阻丝、绝缘骨架、引出线组成。其中电阻丝是热电阻的主体。目前最广泛使用的热电阻材料是铜热电阻和铂热电阻
11、。,1、铂热电阻：型号为WZB， 分度号为BA1 R046和BA2 R0100 。,2、铜热电阻： 型号为WZG，分度号为G ，R033 其优点：、输出输入特性近似线性；、工艺性好，价格便宜。 其缺点：、电阻率小，仅为铂的16，故体积大，热惯性大。、当温度高于100时，易氧化、测量范围小，不适于在腐蚀性介质或高温下工作。,3、镍热电阻 在-50200范围内，镍的电阻与温度的关系一般可写成RtR01AtBt2,4、其他热电阻 、铟热电阻。、锰热电阻。 、碳热电阻。 、铁热电阻、镍热电阻,二、常用热电阻,2007.05.08,1、三线制测量电路 2、四线制测量电路,三、热电阻的测温电路,在实际测温
12、中，常用电桥作为热电阻测量电路。但是，由于热电阻的本身的阻值很小，所以必须考虑导体电阻的影响。为了消除引线的影响，常采用三线制、四线制电路。,2007.05.08,8.3 热敏电阻传感器,一、热敏电阻的结构形式 1、热敏电阻电阻值随温度变化而变化的半导体热敏元件。 2、热敏电阻成分：由钴、镍、锰等金属氧化物，采用不同比例配方，经高温烧结而成，然后制成各种形状，加上壳体和引线，便构成热敏电阻。,二、热敏电阻工作原理金属热电阻的电阻值随温度升高而增大。但半导体的电阻值随温度的升高而急剧下降。在温度变化相同时，热敏电阻的变化约为铝热电阻的10倍。因此用半导体热敏电阻可测量0.01或更小的温度差异。,
13、2007.05.08,三、热敏电阻基本类型及温度特性,1、热敏电阻基本类型 (1)按电阻温度特性分类： (2)按电阻获得温度的方式分类： 、直热式（不带加热器）； 、旁热式（带有与热敏电阻绝缘，但紧密接在一起的加热器）。 （3）按制成热敏电阻的材料分类： 、金属氧化物热敏电阻； 、单晶热敏电阻； 、玻璃热敏电阻； 、陶瓷热敏电阻； 、塑料热敏电阻； 、金刚石热敏电阻；,2、热敏电阻温度特性,2007.05.08,四、基本参数和主要特性,1、基本参数 2、热敏电阻的主要特性 （1）电阻-温度特性（R-T） （2）伏安特性,五热敏电阻输出特性的线性化处理 1、线性化网络 2、计算修正法 3、利用温度频率转换电路改善非线性,1.标称电阻 2.电阻温度系数 3.时间常数 4.额定功率,2007.05.08,87 热电传感器的应用,一、无触点恒温控制器 控温范围：室温到150，精度为0.1。 RT为正温度系数热敏电阻； T1、T2差分放大器；BT单结晶体管；STR可控硅。,2007.05.08,二、客房火灾报警器,TT201温控晶闸管安装在每间客房内，发光二极管LED和报警器放在总服务台。一般情况下，TT201不导通，LED不发光，报警器无声。当某一客房发生火灾，室内温度升高，TT201导通，LED发光，报警器发声报警。,
