西安交通大学非电量电测课件-第7章热电传感器

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1、第 七 章 热 电 传 感 器第 七 章 热 电 传 感 器热 电 传 感 器 是 一 类 能 将 温 度 变 化 转 换 为 电 量 变 化 的 元 件 。 7.1 热 电 偶一 热 电 偶 测 温 原 理 1. 热 电 效 应 两 种 不 同 的 导 体 两 端 相 互 紧 密 地 连 接 在 一 起 ， 组 成 一个 闭 合 回 路 。 当 两 接 点 温 度 不 等 时 ， 回 路 中 就 会 产 生 电 动势 ， 从 而 形 成 电 流 ， 这 一 现 象 称 为 热 电 效 应 ， 该 电 动 势 称 为 热 电 动 势 。 第 七 章 热 电 传 感 器 热 电 动 势 主 要

2、是 由接 触 电 势 构 成 的 T端 的 接 触 电 动 势 ： BAAB nnnqKTTE 1)( 0同 理 ， T0端 的 接 触 电 动 势 ：BAAB nnnqKTTE 1)( 000 第 七 章 热 电 传 感 器回 路 总 电 动 势 )()(),( 00 TETETTE ABABAB BAnnnTTqK 1)( 00 (1) 如 果 热 电 热 偶 两 电 极 材 料 相 同 ， 无 论 两 接 点 温 度如 何 ， 总 电 动 勢 为 零 。 (2) 如 果 热 电 偶 两 接 点 温 度 相 同 ， 尽 管 、 材 料 不 同 ，回 路 总 电 动 勢 为 零 。 第 七

3、章 热 电 传 感 器2 热 电 偶 的 基 本 定 律(1) 中 间 导 体 定 律 在 A、 B 材 料 组 成 的 热 电 偶 回 路 中 接 入 第 三 种 导 体 C， 只 要 引 入 的 第 三 种 导 体 两 端 温 度 相 同 ， 则 此 导 引 体的 引 入 不 会 改 变 电 动 势 EAB(T,T0) 的 大 小 。 这 个 规 律 称 中间 导 体 定 律 。 第 七 章 热 电 传 感 器第 一 种 情 况 ： )()()(),( 000 TETETETTE CABCABABC 总 电 动 势 为 ACCBAB nnqKTnnqkTTE lnln)( 0000 ABA

4、B nnqkTTE ln)( 00 ),()()( 00 TTETETE ABABAB 第 七 章 热 电 传 感 器第 二 种 情 况 ：总 电 动 势 为 )()()()(),( 0110 TETETETETTE BACBBCABABC ),()()( 00 TTETETE ABABAB 第 七 章 热 电 传 感 器（ 2） 标 准 电 极 定 律 如 果 两 种 导 体 （ A 和 B） 分 别 与 第 三 种 导 体 （ C） 组 成 热电 偶 所 产 生 的 热 电 动 势 已 知 ， 则 由 这 两 个 导 体 （ A、 B） 组 成的 热 电 偶 产 生 的 热 电 动 势 可

5、 由 下 述 标 准 电 极 定 律 来 确 定 ：),(),(),( 000 TTETTETTE BCACAB 第 七 章 热 电 传 感 器)()(),( 00 TETETTE ACACAC )()(),( 00 TETETTE BCBCBC ),(),( 00 TTETTE BCAC ),()()( 00 TTETETE ABABAB )()()()( 00 TETETETE BCACBCAC 证 明 ： 第 七 章 热 电 传 感 器二 热 电 偶 的 结 构 与 种 类 1 结 构 第 七 章 热 电 传 感 器2 种 类名 称 分 度 标 准 材 质 成 分 t=100oCt 0=

6、0oC热 电 动 势 /mV 最 高 使 用 温 度国 际 我 国 (旧 ) 正 极 负 极 长 期 短 期铂 铑 10-铂 S LB-3 Pt90 Rh10 Pt100 0.643 1300oC 1600oC铂 铑 30-铂 铑 6 B LL-2 Pt70 Rh30 Pt94 Rh6 0.034 1600oC 1800oC镍 铬 -镍 硅 K EU-2 Ni90 Cr10 Ni97 Si2.5Mn0.5 4.095 1000oC 1200oC铜 -康 铜 T CK Cu100 Cu55 Ni10 4.277 200 oC 300oC （ 1） 常 用 热 电 偶 第 七 章 热 电 传 感

7、器 快 速 反 应 薄 膜 热 电 偶 钨 铼 热 电 偶 （ 超 高 温 热 电 偶 ） 金 铁 -镍 铬 热 电 偶 （ 低 温 热 电 偶 ） 非 金 属 热 电 偶（ 2） 特 殊 热 电 偶 铠 装 热 电 偶 第 七 章 热 电 传 感 器三 热 电 偶 冷 端 温 度 补 偿1 冷 端 温 度 校 正 法 （ 又 称 计 算 修 正 法 ）)0,(),()0,( 00 TETTETE T0实 际 的 冷 端 温 度 ； （ 测 出 ）E(T,T 0)热 电 偶 工 作 在 T与 T0时 ， 热 电 偶 的 输 出 热 电 势E(T0,0)热 电 偶 工 作 端 为 T0 ， 冷

8、端 为 0oC时 ， 热 电 偶的 输 出 热 电 势 （ 由 T0在 分 度 表 中 查 出 ）算 出 E(T,0o)查 表 求 出 T 第 七 章 热 电 传 感 器2 冷 端 恒 温 法3 补 偿 导 线 法 要 求 两 种 情 况 下的 热 电 势 相 同 )()()()()()( 0101 TETETETETETE ABABAAABBBAB 21 TT EE 0)()()()( 1010 TETETETE AAABBBAB 第 七 章 热 电 传 感 器0)()()()( 1010 TETETETE BAABBAAB整 理 可 得 ),(),( 0101 TTETTE BAAB 即4

9、 自 动 补 偿 法 （ 1） 热 电 偶 补 偿 第 七 章 热 电 传 感 器2 补 偿 电 桥 )0,(),()0,( 00 TETTETE 21 UUUO 第 七 章 热 电 传 感 器 自 动 补 偿 在 测 温 仪 表 中 运 用 得 很 多 ， 它 使 得 测温 仪 表 使 用 方 便 ， 测 量 准 确 。例 如 NI公 司 的 推 出 的 PCI总 线 所 配 的 前 端 测 量 模 块 一 些 半 导 体 生 产 厂 家 （ 如 AD公 司 ） 制 造 出 专 用于 温 度 测 量 的 运 算 放 大 器 ， 在 运 算 放 大 器 芯 片 的 设计 中 加 入 了 常 用

10、 热 电 偶 的 补 偿 电 路5 软 件 补 偿 法 用 另 一 个 温 度 传 感 器 测 出 冷 端 温 度 T 0 ， 用 软 件 处理 的 方 法 实 现 温 度 补 偿 第 七 章 热 电 传 感 器四 热 电 偶 实 用 测 温 电 路 1 测 量 某 点 温 度 的 基 本 电 路 2 测 量 两 点 之 间 温 度 差 第 七 章 热 电 传 感 器3 测 量 平 均 温 度 3111 321321 UUURRR RURURUU 第 七 章 热 电 传 感 器7.2 热 电 阻 热 电 阻 也 是 一 种 测 温 元 件 ， 它 是 利 用 导 体 的 电 阻 随 温度 变

11、化 的 特 性 来 测 量 温 度 的 。 工 业 上 被 广 泛 地 应 用 来 测 量中 低 温 区 （ -200500 oC） 的 温 度 。 一 常 用 热 电 阻 1. 铂 电 阻 铂 电 阻 与 温 度 的 关 系 )1( 20 BtAtRRt )8500( C 320 )100(1 ttCBtAtRRt )0200( CC 第 七 章 热 电 传 感 器)1( 20 BtAtRRt )8500( C 320 )100(1 ttCBtAtRRt )0200( CC 273 /10802.5,/10908.3 CBCA 312 /10273.4 CC 2. 铜 电 阻 在 -5015

12、0oC的 温 度 范 围 内 ， 铜 电 阻 与 温 度 近 似 呈 线性 关 系 ， 可 用 下 式 表 示 )1( 0 tRRt Ca /1029.4 3 第 七 章 热 电 传 感 器二 热 电 阻 的 测 量 电 路 与 应 用 举 例 1. 测 量 电 路 （ 1） 三 线 制 接 法 第 七 章 热 电 传 感 器（ 2） 四 线 制 接 法 第 七 章 热 电 传 感 器7.3热 敏 电 阻 热 敏 电 阻 是 利 用 半 导 体 的 电 阻 值 随 温 度 显 著 变 化 这一 特 性 制 成 的 一 种 热 敏 元 件 。 半 导 体 热 敏 电 阻 与 金 属 热 电 阻

13、相 比 较 ， 具 有 灵 敏 度高 、 体 积 小 、 热 惯 性 小 、 响 应 速 度 快 等 优 点 ， 但 目 前 它存 在 的 主 要 缺 点 是 互 换 性 和 稳 定 性 较 差 ， 非 线 性 严 重 ，且 不 能 在 高 温 下 使 用 ， 所 以 限 制 了 其 应 用 领 域 。 第 七 章 热 电 传 感 器一 热 敏 电 阻 的 电 阻 温 度 特 性 大 多 数 半 导 体 热 敏 电 阻 具 有 负 温 度 系 数 ， 称 负 温度 系 数 型 热 敏 电 阻 。 其 阻 值 与 温 度 的 关 系 ， 可 用 下 式表 示 ： )exp( 00 TBTBRRT

14、 二 主 要 技 术 参 数 第 七 章 热 电 传 感 器三 热 敏 电 阻 的 应 用 举 例 1 串 联 补 偿 电 阻 tKRRT tKtKRERR ERU T 第 七 章 热 电 传 感 器2 并 联 补 偿 电 阻 btaRR T / BT-A )/(0 TRRIU 第 七 章 热 电 传 感 器3 温 度 -频 率 转 换 电 路 单 稳 1单 稳 2 uo E +5VA1A2 A3 A4 RT U+Uc 电 压 比 较 器 第 七 章 热 电 传 感 器E +5VA 1A2 A 3 U+ 100K1K 1K 200K10K10K RTRf U1U2100/ 1 EU 1112

15、)1(212)1( URRURRURRU TfTfTf ERRURRUU TfTf )1()1(100200 12 第 七 章 热 电 传 感 器 单 稳 1单 稳 2 uo A4U+ Uc 电 压 比 较 器 E +5VR C1 2 34 567 8 R C uoui 555 E 第 七 章 热 电 传 感 器t tt t u ou cu T1u T2U + 211 ddm tttT 第 七 章 热 电 传 感 器 )/exp(1 RCtEuC UuC 1tt 时 )1ln( 1 EURCt )/exp(1 1 RCtEU fTTf RRRCRRRC ln)1(1ln ER RU Tf )1

16、( )exp( 00 TBTBRRT )exp(ln 001 TBTBRRRCt f 0RRf 令 01 TBRCTBRCt 第 七 章 热 电 传 感 器210 ddm ttTBRCTBRCT 0210 dd ttTBRC调 节 td1使 TBRCT m BRCTTf m 14.温 度 控 制 5.温 度 补 偿 6.测 量 管 道 流 量 第 七 章 热 电 传 感 器7.4 PN结 型 和 集 成 温 度 传 感 器 在 一 定 电 流 条 件 下 ， PN结 的 正 向 电 压 与 温 度 有 关 ， 利用 这 一 特 性 制 成 的 温 度 传 感 器 称 为 PN结 型 温 度 传

17、 感 器 。 其体 积 小 ， 反 应 快 ， 而 且 线 性 比 热 敏 电 阻 好 得 多 。 一 分 立 元 件 PN结 型 温 度 传 感 器 1. 二 极 管 温 度 传 感 器 )1(exp 0 kTUqII S0qkTU 当 时 kTUqII S 0exp )ln(0 SIIqkTU 第 七 章 热 电 传 感 器)exp( kTETI gS 而 lnln)exp(lnlnln 00 kTETIqkTkTETIqkTU gg ITqkTUTIqkTqE gg lnln 000 CTUg 2.晶 体 管 温 度 传 感 器 Cgobe ITqkTUU ln0 CTUgo SCgob

18、e IIqkTUU ln0 第 七 章 热 电 传 感 器二 集 成 温 度 传 感 器 两 个 特 性 完 全 相 同 的 晶 体 管 ， 在 不 同 的 I C下 工 作 ， 则两 管 的 Ube 之 差 为 )ln()ln( 201021 SCSCbebebe IIqkTIIqkTUUU 210 ln CCIIqkT 第 七 章 热 电 传 感 器 T3 T4T2T1 II1 I2 R T3和 T4构 成 电 流 镜 使 I1=I2 T1和 T2是 感 温 用 的 晶 体 管 它们 的 材 质 和 制 造 工 艺 完 全 相 同 ，只 是 集 成 制 造 时 T1实 际 上 由 8个性 能 完 全 相 同 的 晶 体 管 并 联 组成 ， 则 电 阻 R上 的 电 压 为 )/(1792.08ln 0 KmVTqKTUbe 8ln01 RqKTRUI be 第 七 章 热 电 传 感 器8ln2 021 RqKTIII I R USU oR1 AD590I UoRUS 第 七 章 热 电 传 感 器