7 热电式传感器（课件）- 《传感器与检测技术》同步教学（清华大学版）

项目七 热电式传感器 项目分析 任务7.1　热电偶传感器 任务7.2　金属热电阻的应用 项目七　热电式传感器 任务7.3　热敏电阻的应用 项目分析 了解热电式传感器 熟悉热电式传感器的应用 能正确使用常用的热电式传感器 任务分析 1 任务一 传感器技术基础 任务7.1　热电偶传感器 相关知识 2 技能训练 3 知识拓展 4 任务分析 本任务主要介绍常用的热电偶传感器的应用。通过学习，了解生活、工业中常用的热电偶传感器的种类、结构及其工作原理，并能熟悉热电偶的应用。 1．热电偶种类和结构 如图7-1所示为热电偶外形。 相关知识 图7-1 热电偶 按照热电极本身的结构不同，热电偶有普通热电偶、薄膜热电偶、铠装热电偶之分。如图7-2所示。 图7-2 几种热电偶的结构 普通热电偶，它是两根不同金属热电极用绝缘套管绝缘，外层加保护套管而成，主要用于气体、蒸汽、液体等的测温。 薄膜热电偶，它是热电极材料经真空蒸馏等工艺在绝缘基片上形成薄膜热电极而成。其工作端既小又薄，适于火箭、飞机喷嘴等微小面积上测温。 铠装热电偶，它是热电极、绝缘材料和金属保护套管组成一体经拉伸而成的坚实组合体，可做得又细又长，适于狭小地点的测温。 目前工业上常用的4种标准化热电偶材料为：铂铑30-铂铑6、铂铑10-铂、镍铬-镍硅、镍铬-铜镍(我国通常称为镍铬一康铜)。组成热电偶的两种材料写在前面的为正极，后面的为负极。 1）热电效应 如图7-3所示，两种不同材料的导体A和B组成一个闭合电路时，若两接点温度不同，则在该电路中会产生电动势。这种现象称为热电效应，该电动势称为热电动势。热电动势是由两种导体的接触电动势和单一导体的温差电动势组成。图中两个接点，一个称测量端，或称热端；另一个称参考端，或称冷端。热电偶就是利用了上述的热电效应来测量温度的。 2．热电偶测温原理 图7-3 热电效应 2）两种导体的接触电动势 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。在同一瞬间，由A扩散到B中去的电子比由B扩散到A中去的多，从而使金属A失去电子带正电，金属B因得到电子带负电，在接触面形成电场。此电场阻止电子进一步扩散，达到动态平衡时，在A、B之间形成稳定的电位差，即接触电动势eAB，如图7-4所示。 图7-4 两种导体的接触电动势 3）单一导体的温差电动势 对于单一导体，如果两端温度分别为T、T0，且T>T0，如图7-5所示，则导体中的自由电子，在高温端具有较大的动能，因而向低温端扩散；高温端因失去了自由电子带正电，低温端获得了自由电子带负电，即在导体两端产生了电动势，这个电动势称为单一导体的温差电动势。 图7-5 单一导体的温差电势 综上所述有如下结论： （1）热电偶两极材料相同时，无论两端点温度如何，回路总电动势为零； （2）如果热电偶两接点温度相同，即使A、B材料不同，回路总电动势为零。 因此，热电偶必须用不同材料做电极，在T、T0两端必须有温度差，这是热电偶产生热电势的必要条件。 4）中间导体定律 当引入第三导体C时，只要C导体两端温度相同，回路总电动势不变，根据这一定律，将导体C作为测量仪器接入回路，就可以由总电动势求出工作端温度。 5）标准电极定律 导体C分别与热电偶两个热电极A、B组成热电偶AC和BC，当保持三个热电偶的两端温度相同时，则热电偶AB的热电动势等于另外两个热电偶AC和BC的电动势之差，称标准电极定律。通常用铂丝制作导体 C，称标准电极。该定律方便了热极的选配工作。 1）热电偶的参考端(冷端)温度处理 3．热电偶的应用 热电偶在工作时，必须保持冷端温度恒定，并且热电偶的分度表是以冷端温度为0℃做出的。然而在工程测量中冷端距离热源近，且暴露于空气中，易受被测对象温度和环境温度波动的影响，使冷端温度难以恒定而产生测量误差。为了消除这种误差，可采取下列温度补偿或修正措施。 （1）00C(参考端)恒温法 将热电偶的参考端放在有冰水混合的保温瓶中，可使热电偶输出的热电动势与分度值一致，测量精度高，常用于实验室中。工业现场可将参考端置于盛油的容器中，利用油的热惰性使参考端保持接近室温。 （2）补偿导线法 采用补偿导线将热电偶延伸到温度恒定或温度波动较小处。为了节约贵重金