第2章__溫度傳感器

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1、第2章溫度傳感器2.1溫度測(cè)量概述2.2熱電偶傳感器2.3金屬熱電阻傳感器2.4集成溫度傳感器2.5半導(dǎo)體熱敏電阻2.6負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻2.7溫度傳感器應(yīng)用實(shí)例2.8實(shí)訓(xùn)2.1溫度測(cè)量概述2.1溫度測(cè)量概述溫度是表征物體冷熱程度的物理量。溫度不能直接測(cè)量，而是借助于某種物體的某種物理參數(shù)隨溫度冷熱不同而明顯變化的特性進(jìn)行間接測(cè)量。溫度的表示（或測(cè)量）須有溫度標(biāo)準(zhǔn)，即溫標(biāo)。理論上的熱力學(xué)溫標(biāo)，是當(dāng)前世界通用的國(guó)際溫標(biāo)。熱力學(xué)溫標(biāo)確定的溫度數(shù)值為熱力學(xué)溫度（符號(hào)為T），單位為開爾文（符號(hào)為K）。熱力學(xué)溫度是國(guó)際上公認(rèn)的最基本溫度。我國(guó)目前實(shí)行的為國(guó)際攝氏溫度（符號(hào)為t）。兩種溫標(biāo)的換算公式為：

2、t(℃)=T（K）-273.15K進(jìn)行間接溫度測(cè)量使用的溫度傳感器，通常是由感溫元件部分和溫度顯示部分組成，如圖2-1所示。圖2-1溫度傳感器組成框圖2.2熱電偶傳感器2.2熱電偶傳感器熱電偶在溫度的測(cè)量中應(yīng)用十分廣泛。它構(gòu)造簡(jiǎn)單，使用方便，測(cè)溫范圍寬，并且有較高的精確度和穩(wěn)定性。2.2.1熱電偶測(cè)溫原理1.熱電效應(yīng)如圖2-2所示，兩種不同材料的導(dǎo)體組成一個(gè)閉合回路時(shí)，若兩接點(diǎn)溫度不同，則在該回路中會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)，該電動(dòng)勢(shì)稱為熱電勢(shì)。圖2-2熱電效應(yīng)2.兩種導(dǎo)體的接觸電勢(shì)假設(shè)兩種金屬A、B的自由電子密度分別為nA和nB,且nA>nB。當(dāng)兩種金屬相接時(shí)，將產(chǎn)生自由電子的擴(kuò)散

3、現(xiàn)象。達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，在A、B之間形成穩(wěn)定的電位差，即接觸電勢(shì)eAB，如圖2-3所示。圖2-3兩種導(dǎo)體的接觸電勢(shì)3.單一導(dǎo)體的溫差電勢(shì)對(duì)于單一導(dǎo)體，如果兩端溫度分別為T、TO，且T>TO，如圖2-4所示。圖2-4單一導(dǎo)體溫差電勢(shì)導(dǎo)體中的自由電子，在高溫端具有較大的動(dòng)能，因而向低溫端擴(kuò)散，在導(dǎo)體兩端產(chǎn)生了電勢(shì)，這個(gè)電勢(shì)稱為單一導(dǎo)體的溫差電勢(shì)。勢(shì)電偶回路中產(chǎn)生的總熱電勢(shì)，由圖2-5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):熱電偶回路中的總

4、電動(dòng)勢(shì)；eAB(T):熱端接觸電勢(shì)；eB(T,TO):B導(dǎo)體溫差電勢(shì)；eAB(TO):冷端接觸電勢(shì)；eA(T,TO):A導(dǎo)體溫差電勢(shì)。圖2-5接觸電勢(shì)示意圖在總電勢(shì)中，溫差電勢(shì)比接觸電勢(shì)小很多，可忽略不計(jì)，則熱電偶的熱電勢(shì)可表示為：EAB(T,TO)=eAB(T)-eAB(TO)對(duì)于已選定的熱電偶，當(dāng)參考端溫度TO恒定時(shí)，EAB(TO)=c為常數(shù)，則總的熱電動(dòng)勢(shì)就只與溫度T成單值函數(shù)關(guān)系，即：EAB(T,TO)=eAB(T)-c=f(T)實(shí)際應(yīng)用中，熱電勢(shì)與溫度之間的關(guān)系是通過熱電偶分度表來(lái)確定。分度表是在參考端溫度為00C時(shí)，通過實(shí)驗(yàn)建立起來(lái)的熱電勢(shì)與工作端溫度之間的數(shù)值對(duì)應(yīng)關(guān)系。４.熱電

5、偶的基本定律(1)中間導(dǎo)體定律在熱電偶回路中接入第三種導(dǎo)體，只要該導(dǎo)體兩端溫度相等，則熱電偶產(chǎn)生的總熱電勢(shì)不變。如圖2-6所示，可得回路總的熱電勢(shì)EABC(T,TO)=eAB(T)-eAB(TO)=EAB(T,TO)根據(jù)這個(gè)定律，我們可采取任何方式焊接導(dǎo)線，將熱電勢(shì)通過導(dǎo)線接至測(cè)量?jī)x表進(jìn)行測(cè)量，且不影響測(cè)量精度。圖2-6中間導(dǎo)體定律示意圖(2)中間溫度定律在熱電偶測(cè)量回路中，測(cè)量端溫度為T，自由端溫度為TO，中間溫度為ＴO(shè)′，如圖2-7所示。則T，TO熱電勢(shì)等于T，TO′與TO′，TO熱電勢(shì)的代數(shù)和。即EAB(T,TO)=EAB(T,TO′)+EAB(TO′,TO)運(yùn)用該定律可使測(cè)量距離加長(zhǎng)

6、，也可用于消除熱電偶自由端溫度變化影響。圖2-7中間溫度定律示意圖(3)參考電極定律（也稱組成定律）如圖2-8所示。已知熱電極A、B與參考電極C組成的熱電偶在結(jié)點(diǎn)溫度為(T，T0)時(shí)的熱電動(dòng)勢(shì)分別為EAC(T，T0)、EBC(T，T0)，則相同溫度下，由A、B兩種熱電極配對(duì)后的熱電動(dòng)勢(shì)EAB(T，T0)可按下面公式計(jì)算：EAB(T，T0)=EAC(T，T0)-EBC(T，T0)參考電極定律大大簡(jiǎn)化了熱電偶選配電極的工作。圖2-8參考電極定律示意圖例2.1當(dāng)T為100℃，T0為0℃時(shí)，鉻合金—鉑熱電偶的E（100℃，0℃）=+3.13mV，鋁合金—鉑熱電偶E（100℃，0℃）為-1.02mV，

7、求鉻合金—鋁合金組成熱電偶的熱電勢(shì)E（100℃，0℃）。解：設(shè)鉻合金為A，鋁合金為B，鉑為C。即EAC（100℃，0℃）=+3.13mVEBC（100℃，0℃）=-1.02mV則EAB(100℃,0℃)=+4.15mV2.2.2熱電偶的結(jié)構(gòu)形式及熱電偶材料1.普通型熱電偶普通型熱電偶一般由熱電極、絕緣套管、保護(hù)管和接線盒組成。普通型熱電偶按其安裝時(shí)的連接形式可分為固定螺紋連接、固定法蘭連接、活動(dòng)法蘭連接、無(wú)固