第2章温度传感器.
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1、第第2章章 温度传感器温度传感器 2.1 温度测量概述温度测量概述 2.2 热电偶传感器热电偶传感器 2.3 金属热电阻传感器金属热电阻传感器 2.4 集成温度传感器集成温度传感器 2.5 半导体热敏电阻半导体热敏电阻 2.6 负温度系数热敏电阻负温度系数热敏电阻 2.7 温度传感器应用实例温度传感器应用实例 2.8 实训实训2.1 温度测量概述温度测量概述v2.1 温度测量概述温度测量概述v 温度是表征物体冷热程度的物理量。温度是表征物体冷热程度的物理量。 v 温度不能直接测量，而是借助于某种物温度不能直接测量，而是借助于某种物体的某种物理参数随温度冷热不同而明显变体的某种物理参数随温度冷热
2、不同而明显变化的特性进行间接测量。化的特性进行间接测量。v 温度的表示（或测量）须有温度标准，温度的表示（或测量）须有温度标准，即温标。理论上的热力学温标，是当前世界即温标。理论上的热力学温标，是当前世界通用的国际温标。通用的国际温标。v 热力学温标确定的温度数值为热力学温度热力学温标确定的温度数值为热力学温度（符号为（符号为T），单位为开尔文（符号为），单位为开尔文（符号为K）。）。 热力学温度是国际上公认的最基本温度。我热力学温度是国际上公认的最基本温度。我国目前实行的为国际摄氏温度（符号为国目前实行的为国际摄氏温度（符号为t）。两）。两种温标的换算公式为种温标的换算公式为 t()=T（K
3、）-273.15K 进行间接温度测量使用的温度传感器，通常进行间接温度测量使用的温度传感器，通常是由感温元件部分和温度显示部分组成，如图是由感温元件部分和温度显示部分组成，如图2-1所示。所示。 图2-1 温度传感器组成框图 2.2 热电偶传感器热电偶传感器v2.2 热电偶传感器热电偶传感器v 热电偶在温度的测量中应用十分广泛。热电偶在温度的测量中应用十分广泛。它构造简单，使用方便，测温范围宽，并且它构造简单，使用方便，测温范围宽，并且有较高的精确度和稳定性。有较高的精确度和稳定性。v2.2.1 热电偶测温原理热电偶测温原理v1.热电效应热电效应v 如图如图2-2所示，两种不同材料的导体组成所
4、示，两种不同材料的导体组成一个闭合回路时，若两接点温度不同，则在一个闭合回路时，若两接点温度不同，则在该回路中会产生电动势。这种现象称为热电该回路中会产生电动势。这种现象称为热电效应，该电动势称为热电势。效应，该电动势称为热电势。 图2-2 热电效应 2.两种导体的接触电势两种导体的接触电势 假设两种金属假设两种金属A、B的自由电子密度分别为的自由电子密度分别为nA和和nB,且且nAnB。当两种金属相接时，将产生自由。当两种金属相接时，将产生自由电子的扩散现象。电子的扩散现象。 达到动态平衡时，在达到动态平衡时，在A、B之间形成稳定的电之间形成稳定的电位差，即接触电势位差，即接触电势eAB，如
5、图，如图2-3所示。所示。 图2-3 两种导体的接触电势 3.单一导体的温差电势单一导体的温差电势 对于单一导体，如果两端温度分别为对于单一导体，如果两端温度分别为T、TO，且，且TTO，如图，如图2-4所示。所示。 图2-4 单一导体温差电势v 导体中的自由电子，在高温端具有较导体中的自由电子，在高温端具有较大的动能，因而向低温端扩散，在导体两大的动能，因而向低温端扩散，在导体两端产生了电势，这个电势称为单一导体的端产生了电势，这个电势称为单一导体的温差电势。温差电势。 势电偶回路中产生的总热电势，由图势电偶回路中产生的总热电势，由图2-5可知：可知： EAB(T,TO)=eAB(T)+eB
6、(T,TO)-eAB(TO)-eA(T,TO)或或 EAB(t,tO)=eAB(t)+eB(t,tO)-eAB(tO)-eA(t,tO) 式中：式中：EAB(T,TO): 热电偶回路中的总电动势；热电偶回路中的总电动势；eAB(T): 热端接触电势；热端接触电势；eB(T,TO): B导体温差电势；导体温差电势；eAB(TO): 冷端接触电势；冷端接触电势；eA(T,TO): A导体温差电势。导体温差电势。 图2-5 接触电势示意图v 在总电势中，温差电势比接触电势小很多，可在总电势中，温差电势比接触电势小很多，可忽略不计，则热电偶的热电势可表示为忽略不计，则热电偶的热电势可表示为v EAB(
7、T,TO)=eAB(T)-eAB(TO) v 对于已选定的热电偶，当参考端温度对于已选定的热电偶，当参考端温度TO恒定时，恒定时，EAB(TO)=c为常数，则总的热电势就只与温度为常数，则总的热电势就只与温度T成成单值函数关系，即：单值函数关系，即：v EAB(T,TO)=eAB(T)- c =f(T) v 实际应用时可通过热电偶分度表查出温度值。实际应用时可通过热电偶分度表查出温度值。v 分度表是在参考端温度为分度表是在参考端温度为00C时，通过实验建时，通过实验建立的热电势与工作端温度之间的数值对应关系。立的热电势与工作端温度之间的数值对应关系。 v.热电偶的基本定律热电偶的基本定律v(1
8、)中间导体定律中间导体定律v 在热电偶回路中接入第三种导体，只要在热电偶回路中接入第三种导体，只要该导体两端温度相等，则热电偶产生的总该导体两端温度相等，则热电偶产生的总热电势不变。热电势不变。v 如图如图2-6所示，可得回路总的热电势所示，可得回路总的热电势v EABC(T,TO)=eAB(T)-eAB(TO)=EAB(T,TO)v 根据这个定律，我们可采取任何方式焊根据这个定律，我们可采取任何方式焊接导线，将热电势通过导线接至测量仪表接导线，将热电势通过导线接至测量仪表进行测量，且不影响测量精度。进行测量，且不影响测量精度。 图2-6 中间导体定律示意图 v(2)中间温度定律中间温度定律v
9、 在热电偶测量回路中，测量端温度为在热电偶测量回路中，测量端温度为T，自由端温度为自由端温度为TO，中间温度为，中间温度为O，如图，如图2-7所示。则所示。则T，TO热电势等于热电势等于T，TO与与TO，TO热电势的代数和。即热电势的代数和。即vEAB(T,TO)=EAB(T,TO)+EAB(TO,TO)v 运用该定律可使测量距离加长，也可用运用该定律可使测量距离加长，也可用于消除热电偶自由端温度变化影响。于消除热电偶自由端温度变化影响。 图2-7 中间温度定律示意图 v(3)参考电极定律（也称组成定律）参考电极定律（也称组成定律）v 如图如图2-8所示。所示。v 已知热电极已知热电极A、B与
10、参考电极与参考电极C组成的热组成的热电偶在结点温度为电偶在结点温度为(T，T0)时的热电动势分别时的热电动势分别为为EAC(T，T0)、EBC(T，T0)，v 则相同温度下，由则相同温度下，由A、B两种热电极配对后两种热电极配对后的热电动势的热电动势EAB(T，T0)可按下面公式计算：可按下面公式计算：v EAB(T，T0)=EAC(T，T0)-EBC(T，T0) v 大大简化了热电偶选配电极的工作。大大简化了热电偶选配电极的工作。图2-8 参考电极定律示意图 v 例2.1 v 当T为100，T0为0时，鉻合金铂热电偶的E（100，0）=+3.13mV，铝合金铂热电偶E（100，0）为-1.0
11、2mV，求鉻合金铝合金组成热电偶的热电势E（100，0）。v解：v 设鉻合金为A，铝合金为B，铂为C。v即 EAC（100，0）=+3.13mVv EBC（100，0）=-1.02mVv则 EAB(100,0)=+4.15mVv2.2.2 热电偶的结构形式和标准化热电偶热电偶的结构形式和标准化热电偶v1.普通型热电偶普通型热电偶v 普通型热电偶一般由热电极、绝缘套普通型热电偶一般由热电极、绝缘套管、保护管和接线盒组成。管、保护管和接线盒组成。v 普通型热电偶按其安装时的连接形式普通型热电偶按其安装时的连接形式可分为固定螺纹连接、固定法兰连接、活可分为固定螺纹连接、固定法兰连接、活动法兰连接、无
