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热电式传感器

2017-12-21 17:20:05 3057

0 一、热电偶式传感器热电偶式传感器是基于热电效应，将温度信号转换为电信号的一种传感器。 1.工作原理热电偶式传感器的工作原理基于热电效应。如图４．１５所示，将两种材料不同的导体的两个端点焊接在一起，构成一个闭合回路。如果两连接点１和２温度不同，回路中就会有一个电动势，并在闭合回路中产生电流。这个电势和电流与两种导体的性质和两个接点间的温度差有关。这种现象就称为热电效应或塞贝克效应。Ａ和Ｂ两种导体叫做热电极，它们合称热电偶，若接点１和２的温度分别为Ｔ１和Ｔ２，且Ｔ１＞Ｔ２，接点１称为热端或工作端；接点２称为冷端或自由端。如果对于某一确定的热电偶，冷端温度固定，则热电偶回路中的热电势就只和热端温度呈一一对应关系，测定热电势就能测定热端温度热电势是由接触电势（又称珀尔帖电势）和单一导体的温差电势（又称汤姆逊电势）组成。接触电势产生的原理在于不同的导体具有不同的自由电子浓度。当两种不同导体接触后，自由电子便从浓度高的一方向浓度低的一方扩散，结果在界面附近一方失去电子，带正电；另一方得到电子带负电，在两导体的接触面上形成电位差。这种电位差阻碍电子的扩散，当达到动平衡时，即在界面上形成一接触电势。由于接触电势的形成和扩散有关，显然当两导体材料确定后，接触电势只和接触面的温度成正比，记为ｅＡＢ（Ｔ），热电偶中有两个接触面，温度分别为Ｔ１和Ｔ２，对应的接触电势为ｅＡＢ（Ｔ１）和ｅＡＢ（Ｔ２）。温差电势是在同一导体的两端因其温度不同而产生的一种热电势。由于两端温度不同，导体内自由电子的运动速度不同，高温端的电子运动速度比低温端的电子运动速度要大。因此，电子将从速度大的区域向速度小的区域扩散，结果高端失去电子而带正电，低端得到电子而带负电，从而在导体的两端形成电势差，即温差电势，记为ｅ（Ｔ１，Ｔ２），如图４．１６所示。因此，在Ａ和Ｂ两个导体组成的热电偶回路中，总的热电势为实际上，如图４．１６所示热电偶中所形成的热电势是无法测量的，要测量就必须接入电表，电表的接线端是铜导体，势必在Ａ和Ｂ导体中又要介入第三导体，这时会不会影响原来回路中的热电势？为答复这一问题，下面介绍热电偶的中间金属定律。中间金属定律：在由Ａ和Ｂ两种导体组成的热电偶回路中，不管从何处接入第三导体，只要保证接入导体两端的温度相同，则接入导体时将不影响原来回路中的热电势。可见，要测量热电偶回路中的热电势，只要保证接入的仪表两接点温度相同，就能准确测量出原热电偶回路中的热电势。用热电偶测量温度十分简便，只要用电位差计等测出热电偶两端电动势，换算成温度即可，如图４．１７所示。图中ｃ为第三种金属等连接导线（如铜线）。根据中间金属定律，只要保持导线ｃ与基准接点两处温度相等（同为Ｔ０），就不影响测量精度。２．热电偶的选用热电偶主要是用来测量温度。热电偶的种类较多，主要应根据其工作温度选用。表４．２为常用热电偶的种类和适用范围，可供选用时参考。　３．使用时应注意的事项（１）特性分度表的使用。分度表是指编制出的针对各种热电偶的热电动势与温度的对照表，见附表 Ⅲ ～附表 Ⅵ。表中温度按１０℃ 分挡，其中间值可按插值法计算。由式（４．２３）知，热电势ＥＡＢ（Ｔ１，Ｔ２）是２个接点的温度。将冷端温度Ｔ２固定后，ＥＡＢ（Ｔ１）就为热端Ｔ１的单值函数。为了统一起见，一般手册上所提供的热电偶特性分度表是在保持热电偶冷端温度Ｔ２＝０℃ 条件下给出的热电势与热端温度的数值对照表。因此实际测温时，冷端温度若为０℃，则只要正确地测量热电势，查分度表，即可得到所测温度。但是，如果此时冷端温度不为０℃，而为室温就不能直接利用特性分度表。这时应测量室温（设为Ｔ２℃），利用特性分度表反查出其热电势值Ｅ（Ｔ２，０），将该热电势值Ｅ（Ｔ２，０）与热电偶回路所测得的热电势Ｅ（Ｔ１，Ｔ２）相加，才是Ｅ（Ｔ１，０），即Ｅ（Ｔ１，０）＝Ｅ（Ｔ２，０）＋Ｅ（Ｔ１，Ｔ２）（４．２４）然后再由Ｅ（Ｔ１，０）之值查特性分度表，才能得到热电偶热点的实际温度Ｔ１。其关系如图４．１８所示。二、半导体热敏电阻热敏电阻是将温度信号转变为电阻值变化的一种传感器。它也可归类为电阻式传感器。这种热敏元件可以是半导体，称为半导体热敏电阻；也可以是金属导体（如铂、铜等），称为热电阻。后者原理很简单，不多介绍，下面重点介绍前一类半导体热敏电阻。 1.工作原理半导体热敏电阻有正温度系数和负温度系数两种，它们的阻值特性分别为它们的温度系数α可分别求出，即正温度系数热敏电阻的温度系数α为正，且为常数（指在工作范围内）；负温度系数热敏电阻的温度系数α为负，且与电阻温度的平方成反比，α随温度降低而迅速增大，因而具有很高的灵敏度。所以，负温度系数热敏电阻的应用较广。２．热敏电阻的选用热敏电阻有如下明显的优点：（１）对温度变化的灵敏度高。因为热敏电阻的电阻温度系数（绝对值）比金属大１０～１００倍，所以，测温灵敏度和分辨率相当高。它能分辨０．０２℃ 的温度变化。（２）阻值可在几欧至十几兆欧之间任意选择，可以适合不同电路要求。（３）体积小，重量轻，结构简单，结实。它非常适合于测量温差、温度场的分布以及微弱的温度变化。（４）热惯性小，能测量变化较快的温度。（５）能实现远距离传输，基本上不受测量导线电阻的影响。由于这些优点，热敏电阻在温度测量、温度控制，温度补偿、火灾报警、自动控制、过载保护、红外探测等许多领域中得到应用。三、使用时应注意的事项１．热敏电阻的线性化由式（４．２９）和式（４．３０）可知，不论是正温度系数热敏电阻还是负温度系数热敏电阻，其阻值随温度变化均呈指数关系，非线性严重。在精密测量和显示中，当需要进行线性转换时，线性化处理就显得很重要，常用的办法有以下两种：（１）线性化网络法。如图４．２０所示。用包括热敏电阻的电阻网络来代替单个的热敏电阻。通过计算或调试的方法确定Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３使整个电阻网络在工作范围内呈线性，这是常用的办法。（２）用计算机修正。将修正表存于计算机内，计算机从热敏电阻获取非线性的信号后，查修正表，输出线性信号。２．互换性较差同一型号、不同厂家，甚至同一型号、同一厂家的产品互换性都较差，近年来质量虽有改进，但仍是个问题，所以更换热敏电阻时要特别注意。购线网gooxian.com 专业定制各类测试线（同轴线、香蕉头测试线，低噪线等） 0
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