传感器与检测技术

1. 传感器与检测技术 同济大学电子与信息工程学院控制科学与工程系 主讲教师：苏永清

2. 第五章内容回顾 重点掌握 压电效应（逆压电效应） 概念 原理 电压放大器 电流放大器 一般了解 常用压电材料，压电传感器应用

3. 实验----热电偶工作原理演示 热电极B 热电极A 热电势 右端称为：自由端（参考端、冷端） 左端称为：测量端（工作端、热端） A B

5. 从实验到理论：热电效应 • 1821年，德国物理学家赛贝克用两种不同金属组成闭合回路，并用酒精灯加热其中一个接触点（称为结点），发现放在回路中的指南针发生偏转（说明什么？），如果用两盏酒精灯对两个结点同时加热，指南针的偏转角反而减小（又说明什么？）。 显然，指南针的偏转说明回路中有电动势产生并有电流在回路中流动，电流的强弱与两个结点的温差有关。

6. 通过以上演示得出结论——有关热电偶热电势的讨论通过以上演示得出结论——有关热电偶热电势的讨论 • 将两种不同的导体（或半导体）A、B组合成闭合回路。若两结点处温度不同，则回路中将有电流流动，即回路中有热电动势存在。 • 此电动势的大小除了与材料本身的性质有关以外,还决定于结点处的温差，这种现象称为热电效应或西拜克效应。 • 热电偶就是根据此原理设计制作的将温差转换为电势量的热电式传感器。热电效应产生的热电势是由接触电势和温差电势两部分组成的。

7. §7-1 热电偶温度传感器 温差热电偶（简称热电偶）是目前温度测量中使用最普遍的传感元件之一。它除具有结构简单，测量范围宽、准确度高、热惯性小，输出信号为电信号便于远传或信号转换等优点外，还能用来测量流体的温度、测量固体以及固体壁面的温度。微型热电偶还可用于快速及动态温度的测量。 ★热电偶的工作原理 ★热电偶回路的性质 ★热电偶的常用材料与结构 ★冷端处理及补偿

8. A T0 T B 热电偶原理图 一、热电偶的工作原理 两种不同的导体或半导体A和B组合成如图所示闭合回路，若导体A和B的连接处温度不同（设T＞T0），则在此闭合回路中就有电流产生，也就是说回路中有电动势存在，这种现象叫做热电效应。这种现象早在1821年首先由西拜克（See－back）发现,所以又称西拜克效应。 回路中所产生的电动势，叫热电势。热电势由两部分组成，即温差电势和接触电势。 热端 冷端

9. 1. 接触电势 A B - + eAB(T) 接触电势原理图 eAB(T)——导体A、B结点在温度T 时形成的接触电动势； e——单位电荷， e =1.6×10-19C； k——波尔兹曼常数， k =1.38×10-23 J/K； NA、NB——导体A、B在温度为T 时的电子密度。 接触电势的大小与温度高低及导体中的电子密度有关。

10. To 2. 温差电势 eA(T,To) A T 温差电势原理图 eA(T，T0)——导体A两端温度为T、T0时形成的温差电动势； T，T0——高低端的绝对温度； σA——汤姆逊系数，表示导体A两端的温度差为1℃时所产生的温差电动势，例如在0℃时，铜的σ =2μV/℃。

11. 3. 回路总电势 由导体材料A、B组成的闭合回路，其接点温度分别为T、T0,如果T＞T0，则必存在着两个接触电势和两个温差电势，回路总电势： NAT、NAT0——导体A在结点温度为T和T0时的电子密度； NBT、NBT0——导体B在结点温度为T和T0时的电子密度； σA、 σB——导体A和B的汤姆逊系数。 eA(T,T0) A eAB(T0) eAB(T) T T0 B eB(T,T0)

12. 根据电磁场理论得 由于NA、NB是温度的单值函数 EAB(T,T0)=EAB(T )-EAB(T0 )=f(T )-C=g(T ) 在工程应用中，常用实验的方法得出温度与热电势的关系并做成表格，以供备查。由公式可得： EAB(T, T0)= EAB(T)-EAB(T0) = EAB(T)-EAB(0)-[EAB(T)-EAB(T0)] = EAB(T，0)-EAB(T0，0) 热电偶的热电势，等于两端温度分别为T 和零度以及T0和零度的热电势之差。

13. 结论(4点)： • 热电偶回路热电势只与组成热电偶的材料及两端温度有关；与热电偶的长度、粗细无关。 2.只有用不同性质的导体(或半导体)才能组合成热电偶；相同材料不会产生热电势，因为当A、B两种导体是同一种材料时，ln(NA/NB)=0，也即EAB(T，T0)=0。 3.只有当热电偶两端温度不同,热电偶的两导体材料不 同时才能有热电势产生。 4.导体材料确定后，热电势的大小只与热电偶两端的温度有关。如果使EAB(T0)=常数，则回路热电势EAB(T，T0)就只与温度T有关，而且是T的单值函数，这就是利用热电偶测温的原理。

14. 对于有几种不同材料串联组成的闭合回路，接点温度分别为T1、T2 、…、Tn，冷端温度为零度的热电势。其热电势为 E= EAB（T1）+ EBC（T2）+…+ENA（Tn） 二、热电偶回路的性质 1. 均质导体定律 由一种均质导体组成的闭合回路，不论其导体是否存在温度梯度，回路中没有电流(即不产生电动势)；反之，如果有电流流动，此材料则一定是非均质的，即热电偶必须采用两种不同材料作为电极。（用途）

15. T A T C B T 2. 中间导体定律 一个由几种不同导体材料连接成的闭合回路，只要它们彼此连接的接点温度相同，则此回路各接点产生的热电势的代数和为零。 如图，由A、B、C三种材料组成的闭合回路，则 E总=EAB（T）+EBC（T）+ECA（T）= 0 三种不同导体组成的热电偶回路

16. 两点结论： l）将第三种材料C接入由A、B组成的热电偶回路，如图，则图a中的A、C接点2与C、A的接点3，均处于相同温度T0之中，此回路的总电势不变，即 同理，图b中C、A接点2与C、B的接点3，同处于温度T0之中，此回路的电势也为： EAB(T1,T2)=EAB(T1)-EAB（T2） EAB（T1, T2）=EAB（T1）-EAB（T2） 3 2 C A A a T0 T0 T2 EAB a (a) T1 B 第三种材料接入热电偶回路图 T0 2 A (b) T2 C T1 EAB 3 T0 B

17. 用途 根据上述原理，可以在热电偶回路中接入电位计E，只要保证电位计与连接热电偶处的接点温度相等，就不会影响回路中原来的热电势，接入的方式见下图所示。 E E T0 T1 T0 T0 T1 T T 电位计接入 热电偶回路

18. 标准电极定律 2）如果任意两种导体材料的热电势是已知的，它们的冷端和热端的温度又分别相等，如图所示，它们相互间热电势的关系为： EAB（T, T0）= EAC（T, T0）+ ECB（T, T0） A EAC(T,T0) T T0 C C T ECB(T,T0) T0 B B EBA(T,T0) T T0 A 用途：纯金属很多，合金更多，如果要得出它们之间的热电动势很困难。铂的物理化学性质稳定，熔点高、易提纯。通常选用高纯铂丝作为标准电极。

19. A A T1 T2 T3 B B A B 3. 中间温度定律 如果不同的两种导体材料组成热电偶回路,其接点温度分别为T1、T2(如图所示)时,则其热电势为EAB(T1, T2)；当接点温度为T2、T3时，其热电势为EAB(T2, T3)；当接点温度为T1、T3时，其热电势为EAB(T1, T3)，则 EAB（T1, T3）=EAB（T1, T2）+EAB（T2, T3） 用途：制定热电式分度表奠定理论基础，参考温度0度

20. 对于冷端温度不是零度时，热电偶如何分度表的问题提供了依据。如当T2=0℃时，则：对于冷端温度不是零度时，热电偶如何分度表的问题提供了依据。如当T2=0℃时，则： EAB（T1,T3）=EAB（T1, 0）+EA B（0, T3） =EAB（T1, 0）-EAB（T3, 0）=EAB（T1）-EAB（T3） 说明：当在原来热电偶回路中分别引入与导体材料A、B同样热电特性的材料A′、B′(如图)即引入所谓补偿导线时，当EAA΄(T2)=EBB΄(T2)，则回路总电动势为 EAB=EAB(T1)–EAB(T0) 只要T1、T0不变，接入AˊBˊ后不管接点温度T2如何变化，都不影响总热电势。这便是引入补偿导线原理。 T0 T2 A’ A 热电偶补偿导线接线图 T1 E B T2 T0 B’

21. 三、热电偶的常用材料与结构 • 热电偶材料应满足： • 物理性能稳定，热电特性不随时间改变； • 化学性能稳定，以保证在不同介质中测量时不被腐蚀； • 热电势高，导电率高，且电阻温度系数小； • 便于制造； • 复现性好，便于成批生产。

22. 4 1 2 3 工业热电偶结构示意图 1－接线盒；2－保险套管3―绝缘套管4―热电偶丝 常用热电偶的结构类型 1．工业用热电偶 下图为典型工业用热电偶结构示意图。它由热电偶丝、绝缘套管、保护套管以及接线盒等部分组成。实验室用时，也可不装保护套管，以减小热惯性。

23. (a) (b) (c) (d) 1 2 3 2．铠装式热电偶（又称套管式热电偶） 断面如图所示。它是由热电偶丝、绝缘材料，金属套管三者拉细组合而成一体。又由于它的热端形状不同，可分为四种型式如图。 优点是小型化（直径从12mm到0.25mm）、寿命、热惯性小，使用方便。测温范围在1100℃以下的有：镍铬—镍硅、镍铬—考铜铠装式热电偶。 图3.2-12 铠装式热电偶断面结构示意图 1—  金属套管; 2—绝缘材料; 3—热电极 (a)—碰底型; (b)—不碰底型; (c)—露头型; (d)—帽型

25. 3．快速反应薄膜热电偶 用真空蒸镀等方法使两种热电极材料蒸镀到绝缘板上而形成薄膜装热电偶。如图，其热接点极薄(0.01～0.lμm) 4 因此，特别适用于对壁面温度的快速测量。安装时,用粘结剂将它粘结在被测物体壁面上。目前我国试制的有铁—镍、铁—康铜和铜—康铜三种,尺寸为 60×6×0.2mm;绝缘基板用云母、陶瓷片、玻璃及酚醛塑料纸等；测温范围在300℃以下；反应时间仅为几ms。 1 2 3 快速反应薄膜热电偶 1—热电极; 2—热接点; 3—绝缘基板; 4—引出线

26. 4．快速消耗微型热电偶 下图为一种测量钢水温度的热电偶。它是用直径为Φ0.05～0.lmm的铂铑10一铂铑30热电偶装在U型石英管中，再铸以高温绝缘水泥，外面再用保护钢帽所组成。这种热电偶使用一次就焚化，但它的优点是热惯性小，只要注意它的动态标定，测量精度可达土5～7℃。 7 6 8 9 10 11 5 1 2 4 3 快速消耗微型 1—刚帽； 2—石英； 3—纸环； 4—绝热泥；5—冷端； 6—棉花； 7—绝缘纸管； 8—补偿导线；9—套管； 10—塑料插座； 11—簧片与引出线

27. 四、冷端处理及补偿 • 原因 • 热电偶热电势的大小是热端温度和冷端的函数差，为保证输出热电势是被测温度的单值函数，必须使冷端温度保持恒定； • 热电偶分度表给出的热电势是以冷端温度0℃为依据，否则会产生误差。 • 方法 • 冰点槽法 • 计算修正法 • 补正系数法 • 零点迁移法 • 冷端补偿器法 • 软件处理法

28. 四、冷端处理及补偿 1. 冰点槽法 把热电偶的参比端置于冰水混合物容器里，使T0=0℃。这种办法仅限于科学实验中使用。为了避免冰水导电引起两个连接点短路，必须把连接点分别置于两个玻璃试管里，浸入同一冰点槽，使相互绝缘。 A A’ C T B’ C’ B 仪表 补偿导线 mV 铜导线 热电偶 试管 冰点槽 T0 冰水溶液

29. 2. 计算修正法 用普通室温计算出参比端实际温度TH，利用公式计算 例 用铜-康铜热电偶测某一温度T，参比端在室温环境TH中，测得热电动势EAB(T，TH)=1.999mV，又用室温计测出TH=21℃,查此种热电偶的分度表可知，EAB(21,0)=0.832mV，故得 EAB(T，0)=EAB(T，21)+EAB(21，T0) =1.999+0.832 =2.831(mV) 再次查分度表，与2.831mV对应的热端温度T=68℃。 EAB(T,T0)=EAB(T,TH)+EAB(TH,T0) 注意:既不能只按1.999mV查表，认为T=49℃，也不能把49℃加上21℃，认为T=70℃。

30. 3. 补正系数法 把参比端实际温度TH乘上系数k，加到由EAB(T，TH)查分度表所得的温度上，成为被测温度T。用公式表达即 式中：T——为未知的被测温度； T′——为参比端在室温下热电偶电势与分度表上对应的某个温度； TH——室温； k——为补正系数，其它参数见下表。 例 用铂铑10－铂热电偶测温，已知冷端温度TH=35℃，这时热电动势为11.348mV．查S型热电偶的分度表，得出与此相应的温度T′=1150℃。再从下表中查出，对应于1150℃的补正系数k=0.53。于是，被测温度 T=1150+0.53×35=1168.3（℃） 用这种办法稍稍简单一些，比计算修正法误差可能大一点，但误差不大于0.14％。 T＝T′＋k T H

31. 热电偶补正系数 补正系数k 温度T´/℃ 铂铑10-铂(S) 镍铬-镍硅（K） 100 0.82 1.00 200 0.72 1.00 300 0.69 0.98 400 0.66 0.98 500 0.63 1.00 600 0.62 0.96 700 0.60 1.00 800 0.59 1.00 900 0.56 1.00 1000 0.55 1.07 1100 0.53 1.11 1200 0.53 1300 0.52 1400 0.52 1500 0.53 1600 0.53 — — — — —

32. T0 Ua Uab EAB(T,T0) 4. 冷端补偿器法 利用不平衡电桥产生热电势补偿热电偶因冷端温度变化而引起热电势的变化值。不平衡电桥由R1、R2、R3(锰铜丝绕制)、RCu(铜丝绕制)四个桥臂和桥路电源组成。 设计时，在0℃下使电桥平衡(R1=R2=R3=RCu)，此时Uab=0 ，电桥对仪表读数无影响。 供电4V直流，在0～40℃或-20～20℃的范围起补偿作用。 注意，不同材质的热电偶所配的冷端补偿器，其中的限流电阻R不一样，互换时必须重新调整。 Uab 注意：桥臂RCu必须和热电偶的冷端靠近，使处于同一温度之下。 R1 R2 a b R + A - + T0 T EAB(T,T0) RCu R3 mV U T0 B 冷端补偿器的作用

33. 图3.2-17 热电偶安装图 五、热电偶的选择、安装使用和校验 1. 热电偶的选择、安装使用 热电偶的选用应该根据被测介质的温度、压力、介质性质、测温时间长短来选择热电偶和保护套管。其安装地点要有代表性，安装方法要正确，图3.2-17是安装在管道上常用的两种方法。在工业生产中，热电偶常与毫伏计连用（XCZ型动圈式仪表）或与电子电位差计联用，后者精度较高，且能自动记录。另外也可 通过与温度变送器经放大后再接指示仪表，或作为控制用的信号。

34. 热电偶 分度号 热电偶允许偏差/℃ 校验温度/℃ 温度 温度 偏差 偏 差 600，800， 1000，1200 占所测热电势 的±0.4% >600 LB–3 0～600 ±2.4 400，600， 800，100 占所测热电势 的±0.75% 0～400 ±4 >400 EU–2 占所测热电势 的±1% 300，400， 600 >300 EA–2 0～300 ±4 2. 热电偶的定期校验 校验的方法是用标准热电偶与被校验热电偶装在同一校验炉中进行对比，误差超过规定允许值为不合格。图为热电偶校验装置示意图，最佳校验方法可由查阅有关标准获得。工业热电偶的允许偏差，见下表。 工业热电偶允许偏差

35. 6 稳压电源 3 7 1 4 220V 2 8 5 热电偶校验图 1-调压变压器； 2-管式电炉； 3标准热电偶； 4-被校热电偶； 5-冰瓶； 6-切换开关； 7-测试仪表； 8-试管