【正文】 第七章 熱電式傳感器 第一節(jié) 熱電式傳感器 概論 第二節(jié) 熱電偶 一、熱電效應(yīng)原理 二、熱電偶基本定律 三、熱電偶結(jié)構(gòu)和種類 四、熱電偶測量電路 五、熱電偶冷端補(bǔ)償方式 第三節(jié) 熱電阻 第四節(jié) 熱敏電阻傳感器 第五節(jié)熱電式傳感器的應(yīng)用 每課一新 每課一新 溫 度 變 化 轉(zhuǎn)變?yōu)? 傳感元件電、磁參數(shù)的變化 電阻 磁導(dǎo) 電動勢 測量電路 可測的電參數(shù) 一 、熱電式傳感器定義 第一節(jié) 熱電式傳感器 概論 二、熱電式傳感器分類： 在各種熱電式傳感器中，以把溫度量轉(zhuǎn)換為電勢和電阻的方法最為普遍 ,分類如下 : 熱電偶 將溫度轉(zhuǎn)變?yōu)殡妱觿荨? 熱電阻 將溫度轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘匐娮柚档淖兓? PN結(jié)型溫度傳感器 利用半導(dǎo)體 PN節(jié)與溫度的關(guān)系。 熱敏電阻 將溫度轉(zhuǎn)變?yōu)榘雽?dǎo)體電阻值的變化。 第二節(jié) 熱電偶 一、熱電效應(yīng)原理 把兩種不同的金屬 A和 B連接成如圖 1(a)所示的閉合回路。如果將它們的兩個接點(diǎn)中的一個進(jìn)行加熱，使其溫度為 T 而另一點(diǎn)置于室溫 T0中、則在回路中就有電流產(chǎn)生。如果在回路中接入電流計(jì) M。 如圖 1(b)所示．就可以看到電流計(jì)的指針偏轉(zhuǎn)，這一現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。 通常把兩種不同的金屬的這種組合稱為 熱電偶 A和 B稱為 熱電極 溫度高的接點(diǎn)稱為 熱端(或稱為工作端 )．而溫度低的接點(diǎn)稱為 冷端 (或稱為自由端 ) 有理論分析知道，熱電效應(yīng)產(chǎn)生的熱電勢是由 接觸電勢 和 溫差電勢 兩部分組成。 為什么會產(chǎn)生接觸電勢和溫差電勢呢 圖 71熱電效應(yīng)原理圖 ？ （一）、接觸電勢產(chǎn)生的原因 由于所有金屬都具有自由電子，而且在不同的金屬中自由電子的濃度不同，因此當(dāng)兩種不同金屬A和 B接觸時(shí)，在接觸處便發(fā)生電子的擴(kuò)散。 B金屬 A金屬 e擴(kuò)散 + + + e擴(kuò)散 反擴(kuò)散 反擴(kuò)散 在這種動態(tài)平衡狀態(tài)下 ， A和 B兩金屬之間便產(chǎn)生一定的接觸電勢 ． 圖 72 它的數(shù)值取決于兩種金屬的性質(zhì)和接觸點(diǎn)的溫度 、而與金屬的形狀及尺寸無關(guān) 。 由物理學(xué)可知 ， 該電勢為 0( ) l n AABBkT neTen?波爾茲曼常數(shù)（ ） 0k絕對溫度 T,ABnn材料 A、 B的自由電子密度 10 /JK??e電子電荷電量 ( ) 191 .6 1 0 C??（二）、溫差電勢產(chǎn)生的原因 對于任何一個金屬，當(dāng)其兩端溫度不同時(shí)，兩端的自由電子濃度也不同。溫度高的一端濃度大．具有較大的動能；溫度低的一端濃度小，動能也小。因此，高溫端的自由電子要向低溫端擴(kuò)散．最后同樣要達(dá)到動態(tài)平衡，高溫端失去電子而帶正電，而低溫端得到電子帶負(fù)電。從而在曲端形成 溫差電勢 ，又稱為湯姆森電勢。 在由兩種不同金屬組成的閉合回路中 ． 當(dāng)兩端點(diǎn)的溫度不同時(shí) ， 回路中產(chǎn)生的熱電勢等于上述電位差的代數(shù)和 。 （三）、回路中的總熱電勢 (1) 金屬 A和金屬 B的一個接點(diǎn)在溫度為 T時(shí)，產(chǎn)生的接觸電勢。 (2) 金屬 A和金屬 B的另一接點(diǎn)在溫度為T0時(shí)，產(chǎn)生的接觸電勢 。 (3) 金屬 A兩端溫度為 T,T0時(shí)，形成的溫差電勢。 (4) 金屬 B兩端溫度為 T,T0時(shí)．形成的溫差電勢。 因此，整個閉合回路內(nèi)、總的熱電勢 為 : ()ABeT0()ABeT0( , )Ae T T0( , )Be T T0 0 0 0( , ) [ ( ) ( ) ] [ ( , ) ( , ) ]A B A B A B B AE T T e T e T e T T e T T? ? ? ?0( , )ABE T T 應(yīng)該指出的是，在金屬中自由電子數(shù)目很多、以致于溫度不能顯著地改變它的自內(nèi)電子濃度。所以在同一種金屬內(nèi)的溫差電勢極小，可以忽略。因此，在一個熱電偶回路中起決定作用的是兩個接點(diǎn)處產(chǎn)生的與材料性質(zhì)和該點(diǎn)所處溫度有關(guān)的接觸電勢，故上式可改寫為： 在實(shí)際使用中為了方便，在標(biāo)定熱電偶時(shí)，使 T0為常數(shù)、即 則上式變?yōu)椋? 0 0 0( , ) [ ( ) ( ) ] ( ) l nAA B A B A BBnKE T T e T e T T Ten? ? ? ?00( ) ( )ABe T f T C??00( , ) ( ) ( ) ( ) ( )A B A B A BE T T e T e T f T C T? ? ? ? ? ?若固定 T0則熱電勢可僅看作是 T的函數(shù) ()T?1 03 05 07 0熱 電 勢 ( m V )t ( )0C1 6 0 08 0 0 1 2 0 04 0 0鎳 鉻 考 銅鐵 考 銅鎳 鉻 鎳 硅鉑 銠 鉑圖 73各種熱電偶的熱電勢與溫度關(guān)系曲線 To=0℃ ) 對于各種不同金屬組成的熱電偶，溫度與熱電勢之間有著不同的函數(shù)關(guān)系。一般是用實(shí)驗(yàn)的方法來求取這個函數(shù)關(guān)系。如圖 7— 3所示的曲線 ,或列成表格 (稱為熱電偶分度表 )，供使用時(shí)查閱。 Sensor 近百年來，溫度傳感器的發(fā)展大致經(jīng)歷了以下三個階段； (1)傳統(tǒng)的分立式溫度傳感器 (含敏感元件 )；(2)模擬集成溫度傳感器／控制器； (3)智能溫度傳感器。目前，國際上新型溫度傳感器正從模擬式向數(shù)字式、由集成化向智能化、網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展。 模擬集成溫度傳感器 集成傳感器是采用硅半導(dǎo)體集成工藝而制成的，因此亦稱硅傳感器或單片集成溫度傳感器。模擬集成溫度傳感器是在 20世紀(jì) 80年代問世的，它是將溫度傳感器集成在一個芯片上、可完成溫度測量及模擬信號輸出功能的專用 IC。 模擬集成溫度傳感器的主要特點(diǎn)是功能單一 (僅測量溫度 )、測溫誤差小、價(jià)格低、 溫度傳感器的發(fā)展歷史、趨勢 (一 ) 響應(yīng)速度快、傳輸距離遠(yuǎn)、體積小、微功耗等，適合遠(yuǎn)距離測溫、控溫，不需要進(jìn)行非線性校定，外圍電路簡單。它是目前在國內(nèi)外應(yīng)用最為普遍的一種集成