项目四 温度传感器（课件）- 《传感器与检测技术应用》同步教学（人民邮电版）

项目四 温度传感器 4.1 热电式温度传感器 温度测量概述 温度是表征物体冷热程度的物理量。 温度不能直接测量，而是借助于某种物体的某种物理参数随温度冷热不同而明显变化的特性进行间接测量。 温度的表示（或测量）须有温度标准，即温标。理论上的热力学温标，是当前世界通用的国际温标。 热力学温标确定的温度数值为热力学温度（符号为T），单位为开尔文（符号为K）。 热力学温度是国际上公认的最基本温度。我国目前实行的为国际摄氏温度（符号为t）。两种温标的换算公式为： t(℃)=T（K）-273.15K 进行间接温度测量使用的温度传感器，通常是由感温元件部分和温度显示部分组成，如图4-1所示。 图4-1 温度传感器组成框图 热电偶传感器 热电偶在温度的测量中应用十分广泛。它构造简单，使用方便，测温范围宽，并且有较高的精确度和稳定性。 热电偶测温原理 热电效应 如图4-2所示，两种不同材料的导体组成一个闭合回路时，若两接点温度不同，则在该回路中会产生电动势。这种现象称为热电效应，该电动势称为热电势。 图4-2 热电效应 2.两种导体的接触电势 假设两种金属A、B的自由电子密度分别为nA和nB,且nA>nB。当两种金属相接时，将产生自由电子的扩散现象。 达到动态平衡时，在A、B之间形成稳定的电位差，即接触电势eAB，如图4-3所示。 图4-3 两种导体的接触电势 3.单一导体的温差电势 对于单一导体，如果两端温度分别为T、TO，且T>TO，如图4-4所示。 图4-4 单一导体温差电势 导体中的自由电子，在高温端具有较大的动能，因而向低温端扩散，在导体两端产生了电势，这个电势称为单一导体的温差电势。 势电偶回路中产生的总热电势，由图4-5可知： EAB(T,TO)=eAB(T)+eB(T,TO)-eAB(TO)-eA(T,TO) 或 EAB(t,tO)=eAB(t)+eB(t,tO)-eAB(tO)-eA(t,tO) 式中： EAB(T,TO): 热电偶回路中的总电动势； eAB(T): 热端接触电势； eB(T,TO): B导体温差电势； eAB(TO): 冷端接触电势； eA(T,TO): A导体温差电势。 图4-5 接触电势示意图 在总电势中，温差电势比接触电势小很多，可忽略不计，则热电偶的热电势可表示为： EAB(T,TO)=eAB(T)-eAB(TO) 对于已选定的热电偶，当参考端温度TO恒定时，EAB(TO)=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： EAB(T,TO)=eAB(T)- c =f(T) 实际应用中，热电势与温度之间的关系是通过热电偶分度表来确定。 分度表是在参考端温度为00C时，通过实验建立起来的热电势与工作端温度之间的数值对应关系。 热电偶的基本定律 (1)中间导体定律 在热电偶回路中接入第三种导体，只要该导体两端温度相等，则热电偶产生的总热电势不变。 如图4-6所示，可得回路总的热电势 EABC(T,TO)=eAB(T)-eAB(TO)=EAB(T,TO) 根据这个定律，我们可采取任何方式焊接导线，将热电势通过导线接至测量仪表进行测量，且不影响测量精度。 图4-6 中间导体定律示意图 (2)中间温度定律 在热电偶测量回路中，测量端温度为T，自由端温度为TO，中间温度为ＴO′，如图4-7所示。则T，TO热电势等于T，TO′与TO′，TO热电势的代数和。即 EAB(T,TO)=EAB(T,TO′)+EAB(TO′,TO) 运用该定律可使测量距离加长，也可用于消除热电偶自由端温度变化影响。 图4-7 中间温度定律示意图 (3)参考电极定律（也称组成定律） 如图4-8所示。 已知热电极A、B与参考电极C组成的热电偶在结点温度为(T，T0)时的热电动势分别为EAC(T，T0)、EBC(T，T0)，则相同温度下，由A、B两种热电极配对后的热电动势EAB(T，T0)可按下面公式计算： EAB(T，T0)=EAC(T，T0)-EBC(T，T0) 参考电极定律大大简化了热电偶选配电极的工作。 图4-8 参考电极定律示意图 例2.1 当T为100℃，T0为