第7章 热电式传感器与温度检测（课件）- 《传感器与检测技术》同步教学（西安电子科大·2021）

第7章 热电感式传感器与温度检测 1 温度是诸多物理现象中具有代表性的物理量，是现代生活中不可缺少的信息内容，更是科学实验与工业过程控制中检测的重要参数。许多生产过程和日常生活都需要温度参数和温度控制。如家用电器：电冰箱、空调、电饭煲、微波炉。 随着测温技术的发展，测温范围和精度都有很大的提高，新型温度传感器不断出现，如红外、光纤、微波、超声波、核磁共振（NQR）等都获得广泛应用。 第7章 热电感式传感器与温度检测 温度传感器按工作原理主要有以下几类： 1) 热电偶，利用金属的温差电动势测温， 特点：耐高温、精度高，可测量上千度； 2) 热电阻，利用金属导体电阻随温度变化，可测温几百度； 3) 热敏电阻，利用半导体材料电阻随温度变化测温， 特点：体积小、灵敏度高、使用方便，稳定性差； 4) 集成温度传感器，利用晶体管P-N结的电流、电压随温度变化，有专用集成电路，特点：体积小、响应快、价廉，测量150℃以下温度。 5) 智能型集成温度传感器。 第7章 热电感式传感器与温度检测 【教学内容】 热电偶传感器 热电偶的工作原理 热电偶的材料及特性 热电偶的冷端补偿 热电偶的测量电路 第7章 热电感式传感器与温度检测 【教学内容】 热电阻传感器 热电阻的工作原理及分类 金属热电阻及其特性 半导体热敏电阻及其特性 传感器的特性 第7章 热电感式传感器与温度检测 【教学内容】 集成温度传感器 集成温度传感器的工作原理 集成温度传感器的应用实例 第7章 热电感式传感器与温度检测 7.1热电偶传感器 7.1.1热电偶的工作原理 7.1.2热电偶的材料及特性 7.1.3热电偶的冷端补偿 7.1.4热电偶的测量电路 7.1热电偶传感器 教学目标： 掌握热电偶温度传感器的工作原理 掌握热电势的组成 掌握热电偶的基本定律及意义 了解常用热电偶材料及分度号 了解热电偶冷端温度补偿的原因 掌握热电偶冷端温度补偿方法 掌握热电偶常见测温电路 了解热电偶温度传感器的应用 7.1热电偶传感器 教学重点： 热电偶温度传感器的工作原理 热电偶冷端温度补偿方法 热电偶常见测温电路 教学重点： 热电偶冷端温度补偿方法 7.1.1热电偶的工作原理 热电偶测量温度的基本原理是基于热电效应。 图7-1　热电偶结构原理图 一、 热电效应 如图7.1所示。两种不同的导体两端相互紧密地连接在一起，组成一个闭合回路。当两接点温度不等时（设 ），回路中就会产生大小和方向与导体材料及两接点的温度有关的电动势，从而形成电流，这种现象称为热电效应。该电动势称为热电动势；把这两种不同导体的组合称为热电偶，称A、B两导体为热电极。两个接点，一个为工作端或热端（t ），测温时将它置于被测温度场中；另一个叫自由端或冷端（t0），一般要求它恒定在某一温度。 实际上，热电动势来源于两个方面，一部分由两种导体的接触电动势构成，另一部分是单一导体的温差电动势。 7.1.1热电偶的工作原理 两种导体的接触电动势 不同导体的自由电子密度是不同的。当两种不同的导体A、B连接在一起，由于两者内部单位体积的自由电子数目不同，因此，在A、B的接触处就会发生电子的扩散，且电子在两个方向上扩散的速率不相同。这种由于两种导体自由电子密度不同，而在其接触处形成的电动势称为接触电动势。 7.1.1热电偶的工作原理 　　　 (7-1) 式中： －A、B两种材料在温度 时的接触电动势 －波尔兹曼常数（ ＝1.38×10－23 ） －材料A、B分别在温度 下的自由电子密度 e ＝1.6×10－19 －单个电子的电荷量。 7.1.1热电偶的工作原理 3. 热电偶回路的总电动势 实践证明，热电偶回路中所产生的热电动势主要是由接触电动势引起的，温差电动势所占比例极小，可以忽略不计；因为 和 的极性相反，假设导体A的电子密度大于导体B的电子密度，且A为正极、B为负极，因此回路的总电动势为： 7.1.1热电偶的工作原理 二、 热电偶的基本定律 1. 中间导体定律 在热电偶测温回路内，接入第三种导体时，只要第三种导体的两端温度相同，则对回路的总热电势没有影响。 中间导体定律的意义在于：在实际的热电偶测温应用中，测量仪表（如动圈式毫伏表、电子电位差计等）和连接导线可以作为第三种导体对待。 7.1.1热电偶的工作原理 二、 热电偶的基本定律 中间导体定律 7.1.1热电偶的工作原理 二、 热电偶的基本定律 2. 中间温度定律 7.1.1热电偶的工作原理 在热电偶测温回路中，tc为热电极上某一点的温度，热电偶AB在接点温度为t、t0时的热电势eAB(t, t0)