第4章 温度量传感--热电偶（课件）- 《传感器与检测技术》同步教学（清华大学）

1 传感器与检测技术 1.基本概念 1.摄氏温标： 标准大气压下冰的熔点为0oC 标准大气压下水的沸点为100oC 在0oC与100oC之间等分成100等份，每份算做1oC 2. 热力学温标： 热力学温度是国际单位制中七个基本物理量之一， 用符号T表示，单位是开尔文，简称开，符号为K。 开氏温度T与摄氏温度t的关系是： T = t + 273.15 K ∆T = ∆t 3.国际温标 三，温度测量方法 接触式测量 热电偶，水银，电阻温度测量，结构简单，精度高，但响应慢，易产生物理化学变化。 非接触式测量 光学，比色计，高温辐射等，结构复杂，响应速度快，适合动态测量 测温器件的选择 一般原则： 满足测量精度和范围要求； 体积大小适当，热容量小 动态测量时，响应速度要符合测量要求，选用时间常数小的测温器件 注意事项： 接触式测量，要保证温度一致型；测量时要有一定深度，为金属保护管直径的10-20倍。 非接触式测量（如光学或者辐射测量），被测物体要处于全辐射准确，以保证测量的准确性。 4.1 热电偶传感器及其应用 ★热电偶的工作原理 ★热电偶回路的性质 ★热电偶的常用材料与结构 ★冷端处理及补偿 热电偶工作原理演示 热电极A 右端称为：自由端（参考端、冷端） 左端称为：测量端（工作端、热端） 热电极B 热电势 A B 热电偶：由两根不同性质的导体（A和B）所组成的闭合回路。 结论 热电偶传感器是一种将温度变化转换为电势变化的测量装置（接触式测量） 特点： （1）精度高 （2）测温范围广（-250~2000） （3）结构简单，使用方便，便于远距离和多点温度测量。 热电偶工作原理：热电效应 通过以上演示得出结论——有关热电偶热电势的讨论 将两种不同的导体（或半导体）A、B组合成闭合回路。若两结点处温度不同，则回路中将有电流流动，即回路中有热电动势存在。 此电动势的大小除了与材料本身的性质有关以外,还决定于结点处的温差，这种现象称为热电效应或西拜克效应。 热电偶就是根据此原理设计制作的将温差转换为电势量的热电式传感器。热电效应产生的热电势是由接触电势和温差电势两部分组成的。 1. 接触电势 接触电势原理图 + A B eAB(T) - eAB(T)——导体A、B结点在温度T 时形成的接触电动势； e——单位电荷， e =1.6×10-19C； k——波尔兹曼常数， k =1.38×10-23 J/K ； NA、NB ——导体A、B在温度为T 时的电子密度。 接触电势的大小与温度高低及导体中的电子密度有关。 A eA(T,To) To T eA(T，T0)——导体A两端温度为T、T0时形成的温差电动势； T，T0——高低端的绝对温度； σA——汤姆逊系数，表示导体A两端的温度差为1℃时所产生的温差电动势，例如在0℃时，铜的σ =2μV/℃。 2. 温差电势 温差电势原理图 温差电势的大小与温度差值及导体材料有关。 由导体材料A、B组成的闭合回路，其接点温度分别为T、T0,如果T＞T0，则必存在着两个接触电势和两个温差电势，回路总电势： T0 T eAB(T) eAB(T0) eA(T,T0) eB(T,T0) A B 3. 回路总电势 NAT、NAT0——导体A在结点温度为T和T0时的电子密度； NBT、NBT0——导体B在结点温度为T和T0时的电子密度； σA 、 σB——导体A和B的汤姆逊系数。 温差电势很小，通常可以忽略 温差电势很小，通常可以忽略 由一种均质导体组成的闭合回路，不论其导体是否存在温度梯度，回路中没有电流(即不产生电动势)；反之，如果有电流流动，此材料则一定是非均质的，即热电偶必须采用两种不同材料作为电极。（用途） 二、热电偶回路的性质 1. 均质导体定律 E总=EAB（T）+EBC（T）+ECA（T）= 0 三种不同导体组成的热电偶回路 T A B C T T 2. 中间导体定律 一个由几种不同导体材料连接成的闭合回路，只要它们彼此连接的接点温度相同，则此回路各接点产生的热电势的代数和为零。 如图，由A、B、C三种材料组成的闭合回路，则 结论： l）总电势与第三种导体（C）无关 T2 T1 A a B C 2 3 EAB a A EAB（T1, T2）=EAB（T1）-EAB（T2） T0 T0 第三种材料接入热电偶回路图 E T0 T0 T E T0 T1 T1 T 电位计接入 热电偶回路 用途 根据上述原理，可以在热电偶回路中接入电位计E，只要保证电位计与连接热电偶处的接点温度相等，就不会影响回路中原来的热电势，接入的方式见下图所示。 EAB（T, T0）= EAC（T, T0）+ ECB（T, T