课题5 热电式传感器及其应用（课件）- 《传感器与检测技术应用》同步教学（北京理工大学版）

课题5 热电式传感器及其应用 任务1 熟悉热电效应 任务2 认识热电偶基本结构 任务3 热电偶实用测温线路和温度补偿 任务4 热电偶传感器的应用 任务5 热电偶传感器项目实训—热电偶传感器测温 返回 任务1 熟悉热电效应 5.1.1热电效应及基本概念 1.热电效应 将两种不同成分的导体组成一个闭合回路，如图5 -2所示，当闭合回路的两个结点分别置于不同的温度场中时，回路中将产生一个电势，这种现象称为“热电效应”。热电应是1821年由Seeback发现的，故又称为赛贝克效应。两种导体组成的回路称为“热电偶”，这两种导体称为“热电极”，产生的电势则称为“热电势”，热电偶的两个结点，一个称为测量端(工作端或热端)，另一个称为参考端(自由端或冷端)。 上一页 下一页 返回 任务1 熟悉热电效应 热电势由两部分组成，一部分是两种导体的接触电势，另一部分是单一导体的温差电势。 2.接触电势 当A和B两种不同材料的导体接触时，由于两者内部单位体积的自由电子数目不同(即电子密度不同)，因此，电子在两个方向上扩散的速率就不一样。假设导体A的自由电子密度大于导体B的自由电子密度，则导体A扩散到导体B的电子数要比导体B扩散到导体A的电子数大。所以导体A失去电子带正电荷，导体B得到电子带负电荷。于是，在A, B两导体的接触界面上便形成一个由A到B的电场，如图5-3(a)所示。该电场的方向与扩散进行的方向相反，它将引起反方向的电子转移，阻碍扩散作用的继续进行。 上一页 下一页 返回 任务1 熟悉热电效应 当扩散作用与阻碍扩散作用相等时，即自导体A扩散到导体B的自由电子数与在电场作用下自导体B到导体A的自由电子数相等时，便处于一种动态平衡状态。在这种状态下，A与B两导体的接触处产生了电位差，称为接触电势。接触电势的大小与导体材料、结点的温度有关，与导体的直径、长度及几何形状无关。接触电势大小为 式中，eAB(T)为导体A、B在结点温度为T时形成的接触电动势;T为接触处的绝对温度，单位为K; k为波尔兹曼常数，k=1.38 x10-23J/K; e为单位电荷，e=1.6 x10-19C; nA、nB为材料A, B在温度为T时的自由电子密度。 上一页 下一页 返回 任务1 熟悉热电效应 3.温差电动势 如图5-3(b)所示，将某一导体两端分别置于不同的温度场T 、T0中，在导体内部，热端自由电子具有较大的动能，向冷端移动，从而使热端失去电子带正电荷，冷端得到电子带负电荷。这样，导体两端便产生了一个由热端指向冷端的静电场，该静电场阻止电子从热端向冷端移动，最后达到动态平衡。这样，导体两端便产生了电势，我们称为温差电动势即 上一页 下一页 返回 任务1 熟悉热电效应 4.热电偶的电势 设导体A, B组成热电偶的两结点温度分别为T和T0，热电偶回路所产生的总电动势EAB(T，T0)包括接触电动势eAB(T)、eAB(T0)，温差电动势eA(T, T0)、eB(T, T0)。取eAB(T)的方向为正，如图5 -2所示，则 一般地，在热电偶回路中接触电动势远远大于温差电动势，所以温差电动势可以忽略不计，上式可改写成 上一页 下一页 返回 任务1 熟悉热电效应 综上所述，可以得出以下结论: (1)如果热电偶两材料相同，则无论结点处的温度如何，总热电势为0; (2)如果两结点处的温度相同，尽管A, B材料不同，总热电势为0； (3)热电偶热电势的大小，只与组成热电偶的材料和两结点的温度有关，而与热电偶的形状尺寸无关，当热电偶两电极材料固定后，热电势便是两结点电势差; (4)如果使冷端温度T0保持不变，则热电动势便成为热端温度T的单一函数。用实验方法求取这个函数关系。通常令T0 = 0℃，然后在不同的温差(T- T0)情况下，精确地测定出回路总热电动势，并将所测得的结果列成表格(称为热电偶分度表，见附录)，供使用时查阅。 上一页 下一页 返回 任务1 熟悉热电效应 5.1.2热电偶基本定律 热电偶在测量温度时，需要解决一系列的实际问题，以下由试验验证的几个定律为解决这些问题提供了理论上的依据。 1.均质导体定律 由一种均质导体组成的闭合回路中，不论导体的截面和长度如何以及各处的温度分布如何，都不能产生热电势。 这一定律说明，热电偶必须采用两种不同材料的导体组成，热电偶的热电动势仅与两结点的温度有关，而与热电极的分布无关。如果热电偶的热电极是非匀质导体，在不均匀温度场中测温时将造成测量误差。所以，热电极材料的均匀性是衡量热电偶质量的重要技术指标之一。 上一页 下一页 返回 任务1 熟悉热电效应 2.中间导体定律 在热电偶中接入第3种均质导体，只要第3种导体的两结点温度相同，则热电偶的热电势不变。 如图5 -4所示，在