第六章_热电式传感器
热电式传感器的原理和应用
热电式传感器的原理和应用一、热电式传感器的原理热电式传感器是一种使用热电效应来测量温度的传感器。
它利用了热电效应在两个不同材料接合处产生的温度差，从而生成一个电压或电流信号，用于测量温度。
1. 热电效应的基本原理热电效应是指两个不同材料的接触处由于温度差异而产生的电势差。
根据这个原理，热电式传感器通常由两种不同材料的导线或导体构成。
2. 热电偶原理热电偶是热电式传感器的一种常见类型，它由两根不同材料的导线通过焊接连接而成。
当一个导线的接触处受到热源的加热时，会产生一个电势差，这个电势差与温度成正比。
通过测量这个电势差，可以间接测量热源的温度。
3. 温度与电势差的关系热电偶的电势差与温度之间的关系可以通过热电势-温度特性曲线来描述。
每种材料的热电性质都不同，因此每根导线的热电特性也不同。
通过测量两个导线的电势差，可以确定温度的值。
二、热电式传感器的应用热电式传感器由于其简单、可靠的原理，被广泛应用于温度测量以及其他相关领域。
1. 工业自动化在工业自动化中，热电式传感器常用于测量各种流体、气体以及固体的温度。
它可以实时监测温度变化，并与控制系统相连，实现温度的自动调控。
2. 热处理过程热电式传感器在热处理过程中起到关键作用。
通过测量加热炉、熔炉等设备的温度，可以确保热处理过程的准确性和稳定性。
3. 医疗设备热电式传感器在医疗设备中也有广泛应用。
例如，体温计和血糖仪等便携式医疗设备都采用了热电式传感器来测量体温和血糖水平。
4. 环境监测热电式传感器还可以用于环境监测。
例如，测量室内和室外温度、湿度等参数，可以帮助调节室内环境，提供舒适的生活和工作环境。
结论热电式传感器是一种常见且有效的温度测量工具。
它利用热电效应的原理，通过测量热源产生的电势差来间接测量温度。
热电式传感器应用广泛，在工业自动化、热处理过程、医疗设备和环境监测等领域都有重要作用。
热电式传感器的原理和应用对提升生活和工作环境的舒适性，以及保证工业生产过程的准确性和稳定性都起到了关键作用。
传感器习题解答
思考与作业绪论.列出几项你身边传感测试技术的应用例子。
解：光电鼠标，电子台称，超声波测距，超声波探伤等。
第1章传感器的基本概念1. 什么叫做传感器的定义？最广义地来说，传感器是一种能把物理量、化学量以及生物量转变成便于利用的电信号的器件。
2.画出传感器系统的组成框图，说明各环节的作用。
答：1）.敏感元件：直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。
2）.转换元件：以敏感元件的输出为输入，把输入转换成电路参数。
3）.转换电路：上述电路参数接入转换电路，便可转换成电量输出。
3.传感器有哪几种分类？按被测量分类——物理量传感器——化学量传感器——生物量传感器按测量原理分类阻容力敏光电声波按输出型式分类数字传感器模拟传感器按电源型式分类无源传感器有源传感器4. 传感器的静态特性是什么？静态特性表示传感器在被测量各个值处于稳定状态时的输入输出关系。
也即当输入量为常量，或变化极慢时，这一关系就称为静态特性。
5. 传感器的动态特性是什么？动态特性是指传感器对随时间变化的输入量的响应特性，反映输出值真实再现变化着的输入量的能力。
6. 为什么要把传感器的特性分为静态特性和动态特性?传感器所测量的非电量一般有两种形式：一种是稳定的，即不随时间变化或变化极其缓慢，称为静态信号；另一种是随时间变化而变化，称为动态信号。
由于输入量的状态不同，传感器所呈现出来的输入—输出特性也不同，因此存在所谓的静态特性和动态特性。
第2章电阻式传感器1. 如何用电阻应变计构成应变式传感器?电阻应变计把机械应变信号转换成ΔR/R后，由于应变量及其应变电阻变化一般都很微小，既难以直接精确测量，又不便直接处理。
因此，必须采用转换电路或仪器，把应变计的ΔR/R变化转换成电压或电流变化（通常采用电桥电路实现这种转换。
根据电源的不同，电桥分直流电桥和交流电桥）。
2. 金属电阻应变片测量外力的原理是什么？金属电阻应变片的工作原理是基于金属导体的应变效应，即金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着它所受机械变形(伸长或缩短)的变化而发生变化的现象。
热电式传感器工作原理
热电式传感器是一种常用的温度测量装置，它基于热电效应来实现温度的检测和测量。
其工作原理可以归纳如下：
1.热电效应：热电效应是指当两个不同金属或半导体材料形成一个闭合回路时，在两个接
点处存在温差时会产生电势差。
这种现象称为热电效应，主要有两种类型：塞贝克效应和佩尔丹效应。
2.塞贝克效应：塞贝克效应是指当两种不同金属材料的接点处存在温差时，由于热电效应
产生的电势差。
这个电势差与温差之间的关系是线性的，即温差越大，产生的电势差越大。
3.佩尔丹效应：佩尔丹效应是指当两种不同半导体材料的接点处存在温差时，由于热电效
应产生的电势差。
与塞贝克效应类似，佩尔丹效应也具有线性关系。
4.传感器结构：热电式传感器通常由两种不同金属或半导体材料组成的热电偶或热敏电阻
构成。
其中一个接点暴露于待测温度环境，而另一个接点则与参考温度保持恒定。
当两个接点存在温差时，通过测量产生的热电势差就可以确定温度。
5.信号读取：为了读取热电势差并将其转换为温度值，通常使用热电偶仪表或热敏电阻仪
表。
这些仪器测量和解释由热电效应产生的微弱电信号，并将其转化为相应的温度值。
总结起来，热电式传感器利用热电效应来测量温度变化。
通过测量不同金属或半导体材料之间的热电势差，可以确定温度差异并将其转化为实际温度值。
这种原理使得热电式传感器在许多应用领域中被广泛使用，如工业过程控制、温度监测等。
常用传感器与敏感元件(磁电、压电、热电)
F F0 F1 F0 ma
压电元件上产生与加速度a对应的电荷，即
Q d11F d11 ( F0 ma)
与ma对应的是电荷的增量 Q
Q d11 ma
压电式传感器
工作时，将压电元件产生的电荷输出给电荷放大器，则 电荷放大器的输出电压的增量
u0 Q d11ma Cf Cf
i i y
f
Kq q e C C AC C
y f f f
压电式传感器
3、压电式传感器的应用
◆压电式压力传感器
传感器上盖为传力元件, 当外力作用时, 它将产生弹 性变形, 将力传递到石英晶 片上。两片石英晶体采用并 联方式，一根引线两压电片 中间的金属片上，另一端直
接与上盖相接。利用其纵向
热电式传感器
（3）当热电偶两电极AB材料不同，两接点处的温 度也不同时，则会产生大小不等的温差电势及接 触电势。这时热电偶的热电势EAB(T,TO)为两接点 温度T和TO的函数。
EAB (T ,T0 ) f (T ) f (T0 )
若冷端温度T0保持不变，即E(T0)为常数时，则 热电势EAB(T，T0)仅为热端温度T的函数
热电式传感器
◆热电动势由接触电势和温 差电势组成 ◆分析 （1）若热电偶两电极A和B材料相同，两接点温度 不同时，接触电势EAB(T)和 EAB(TO)皆为零。温差 电势EA(T,TO)和EB(T,TO)大小相等，方向相反，所 以不会产生热电势。 （2）若热电偶两接触点温度相同，两电极材料不 同时，无温差电势。接触电势大小相等，方向相 反，所以不会产生热电势。
磁电式传感器
磁电式扭矩传感器 传感器的检测元件部分由永久磁场、感应线圈和 铁芯组成。永久磁铁产生的磁力线与齿形圆盘交链。 当齿形圆盘旋转时，圆盘齿凸凹引起磁路气隙的变化, 于是磁通量也发生变化, 在线圈中感应出交流电压， 其频率等于圆盘上齿数与转数乘积。
热电式传感器讲课文档
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使用补偿导线时注意问题：
补偿导线的作用是对热电偶冷端延长。 补偿导线只能用在规定的温度范围内（0~100℃）； 热电偶和补偿导线的两个接点处要保持温度相同；
第章热电式传感器
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第一节 热电偶传感器
热电偶是工程上应用最广泛的温度传感器。
优点有： 构造简单,
使用方便,
具有较高的精度、稳定性及复现性好, 温度测量范围宽（100~1600℃）,
在温度测量中占有重要的地位。
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一、热电偶测温原理
1、热电偶的结构
图中的闭合回路称为热电偶，导体A和B称为热电偶的热电极。热电 偶的两个接点中，置于被测介质（温度为T）中的接点称为工作端或热端， 置于温度为参考温度T0的一端称为参考端或冷端。
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热电偶两接点的接触电势 e A B (和T ) e A B (T大0 )小可表示为 ：
eAB(T )
KT e
ln NAT NBT
eAB(T0)
KT0 e
ln
NAT0 NBT0
式中: K——波尔兹曼常数，k=1.38*10-23J/K; e——单位电荷电量，e=1.6*10-19C;
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（2）参考电极定律 当结点温度为T、 T0时，用导体AB组成的热电偶的热
电势等于AC热电偶和CB热电偶的热电势的代数和。
即： E A B ( T ,T 0 ) E A C ( T ,T 0 ) E C B ( T ,T 0 )
证明过程见课本。
导体C称为标准电极
（一般由铂制成）。
用在许多工业部门中。
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(3) 薄膜热电偶
传感器原理与应用课程标准
传感器原理与应用课程标准《传感器原理与应用》课程标准课程名称：传感器原理与应用适用专业：电子信息工程专业计划学时：54课程编号：物理b03112第一部分课程概述一、课程的性质本课程是高等职业技术学校“电子电气技术应用类”专业的一门重要的专业核心课程，其专业性、实践性很强，是本专业学生必修的综合技术应用课程之一。
其主要包括传感器的认识、结构原理和使用方法，并在此基础上分别介绍常用传感器应用技术及实用电路的分析与设计。
所选的电路具有设计新颖、结构合理、性能优良和实用性强等特点。
通过本课程的自学和技能训练，并使学生能够重新认识传感器，介绍测量基本原理，认知各种传感器展开非电量电测的方法，掌控传感器的基本结构和采用方法。
初步具有新颖传感器的应用领域和电路制作技能，并介绍适当的测量切换电路、信号处理电路的原理及各种传感器在工业中的应用领域。
先修的课程：高等数学、电路、模拟电路。
二、课程的基本理念本课程贯彻“以就业为导向，以能力为本位”的职教思想，以学生将来从事的职业岗位群所需要的相关知识和基本技能为依据，以项目课程为主体的模块化专业课程体系，它突破了学科为中心的课程体系，减少理论推导，重点突出应用。
将学科内容按“项目”进行整合，在内容安排上也是由简到繁，逐步深入，已应用性教学为主，注重增强学生的能力。
三、课程的设计思路本课程讲解的内容以实用为主，原理分析通俗易懂。
各章节中典型传感器应用电路的分析和测试，融合常用传感器的基本知识。
课程内容包含了传感器检测若干个项目，每个项目又分为若干个典型工作任务，每个任务将相关知识和实践实验进行有机的结合，突出实际应用，减少理论推导，注重培养学生的实际应用能力和分析解决问题的实际工作能力。
据本课程的教学目标，以各种测量手段为主线，传感器的应用贯穿课程整个内容，让学生在用什么、学什么、会什么的过程中，逐步掌握专业技能和相关专业知识，培养学生的实际操作能力。
由于本课程与实际联系紧密，理论教学和实践实验训练有机结合，对学生的成绩评定应采用新的评价方式。
热电式传感器的工作原理及其分类
热电式传感器的工作原理及其分类
热电式传感器是将温度变化转换为电量变化的装置。
它是利用某些材料或元件的性能随温度变化的特性来进行测量的。
例如将温度变化转换为电阻、热电动势、热膨胀、导磁率等的变化，再通过适当的测量电路达到检测温度的目的。
把温度变化转换为电势的热电式传感器称为热电偶；把温度变化转换为电阻值的热电式传感器称为热电阻。
热电式传感器的工作原理
热电偶是利用热电效应制成的温度传感器。
所谓热电效应，就是两种不同材料的导体（或半导体）组成一个闭合回路，当两接点温度T和T0不同时，则在该回路中就会产生电动势的现象。
由热电效应产生的电动势包括接触电动势和温差电动势。
接触电动势是由于两种不同导体的自由电子密度不同而在接触处形成的电动势。
其数值取决于两种不同导体的材料特性和接触点的温度。
温差电动势是同一导体的两端因其温度不同而产生的一种电动势。
其。
传感器技术课件-热电式传感器
热电式传感器的应用领域
工业自动化
用于测量温度、流量、气体浓度等参数，提高生产效率和质量。
能源管理
用于监测和控制能源消耗，优化能源利用效率。
汽车工业
用于发动机温度、刹车系统和座椅加热等应用。
热电式传感器与其他传感器的比较
热电式传感器
• 适用于高温环境 • 温度测量范围宽 • 稳定性和精度高
压力传感器
热电式传感器的结构及原理
结构
热电式传感器通常由热电材料、保护层、连接线 和环境接口组成。
原理
当热电材料的两端产生温度差时，热电效应将使 电场中的电子产生电流，从而实现温度测量。
热电式传感器的分类
1 温度差型热电式传感器
适用于测量温度差异的传感器，如热电偶和 热敏电阻。
2 温度感应型热电式传感器
适用于测量单一温度的传感器，如热电阻和 热电堆。
选择离测量对象最近的位置，避免热量流失。
2 防护和维护
确保传感器受到适当的防护，并进行定期检查和校准。
3 电源和电路设计
考虑传感器的电源供应和信号处理电路的设计，以确保准确运行。
热电式传感器的校验方法
1 对比法
2 零点校准
将传感器与已知准确度的 参考温度计进行偏差。
传感器技术课件-热电式 传感器
热电式传感器是一种能够将热量转化为电能的传感器。了解其基本原理、结 构和应用领域，以及其优点和缺点是非常重要的。
什么是热电式传感器
热电式传感器是一种将温度变化转化为电压或电流输出的传感器。它利用热电效应来测量温度，并将温度变化 转化为电信号。
热电效应的基本原理
热电效应是指当两个不同材料的接触点形成温度差时，产生的电压或电流。 这种效应是由于不同材料的电子在温度梯度下产生的差异。
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优 点： 温度范围内线性关系好，灵敏度比铂电阻高，容易提纯、 加工，价格便宜。 缺 点： 易于氧化，一般只用于150℃以下的低温测量和没有水分及无侵蚀 性介质的温度测量。与铂相比，铜的电阻率低，所以铜电阻的体 积较大。
工业上使用的标准化铜热电阻的R0按国内统一设计取50Ω和100Ω
使用最广泛的热电阻材料是铂和铜
❖常用热电阻
铂热电阻
其物理、化学性质非常稳定，且易提纯。线性度好，复现性好，主要 作为标准电阻温度计，广泛应用于温度基准、标准的传递。 铂电阻的精度与铂的提纯程度有关。
国内统一设计的工业用标准铂电阻，R0分为50Ω和100Ω两种，分 度号分别为Pt50和Pt100。
铜热电阻
1、常用热电偶 (1)铂铑10-铂热电偶 这种热电偶分度号为“S”。其特点是热电性能稳定， 精度高。常用作标准热电偶或用于高温测量。
（2）镍铬-镍硅热电偶 这种热电偶分度号为“K”。其特点是测温范围 很宽、热电动势与温度关系近似线性、热电动势大及价格低。
（3）镍铬-康铜热电偶 这种热电偶分度号为“E”。其特点是热电动势 较其他常用热电偶大。
EAB(T,T0)
A
（热电势）
T 热端
热电极
T0 冷端
B
热电偶回路
T0
T0
A
B
T
EAB(T,T0) （热电势）
热电偶测温系统示意图
问题：需要满足什么条件，才能产生热电势？ 结论： •两热电极相同时，总电动势为0
•两接点温度相同时，总电动势为0 •影响因素取决于材料和接点温度，与形状、尺寸等无关
二. 热电偶的种类与结构
冰点槽
T0
冰水溶液
铜导线
铜
mV 仪表
导
线
冰浴法
6.2
工作原理：利用导体或半导体的电阻值随温度变化而变化。
一、热电阻
热电阻 热敏电阻。
热电阻的温度特性：电阻随温度升高而增大。
❖ 作为热电阻的材料要求：
电阻温度系数要大，以提高热电阻的灵敏度； 电阻率尽可能大，以便减小电阻体尺寸； 热容量要小，以便提高热电阻的响应速度； 在测量范围内，应具有稳定的物理和化学性能； 电阻与温度的关系最好接近于线性； 应有良好的可加工性，且价格便宜。
2、结构型式
保护管
绝缘管 热端
接线盒
热电极
普通型热电偶
铠装型热电偶
接线盒 固定装置
B
B
金属导管 绝缘材料 B-B
A
A放大 热电极
优点：测温端热容量小，动态响应快；机械强度高， 挠性好，可安装在结构复杂的装置上。
薄膜热电偶
工作端
绝 缘 基 板
热电极
引 出 导 线
接头夹具
特点：热接点可以做得很小（μm），具有热容量小、反 应速度快（μs）等特点，适用于微小面积上的表面温度以及 快速变化的动态温度测量。 热 电 阻 式 温 度 传 感 器
铜热电阻结构示意图 铂热电阻结构示意图
二、热敏电阻
利用半导体的电阻值随温度显著变化的特性制成,由金属氧化物和化合物 按不同的配方比例烧结。
优 点： (1) 热敏电阻的温度系数比金属大（4～9倍） (2) 电阻率大，体积小，热惯性小，适于测量点温、表面温度及快速变 化的温度。 (3) 结构简单、机械性能好。
第六章 热电式传感器
热电式传感器
• 温度变化 电量变化的装置
热电偶传感器：温度变化 热电势的变化（有源传感器）
• 分类
热电阻：温度变化
金属材料 电阻的变化
热电阻
半导体材料 热敏电阻
6.1
一. 热电偶测温原理
1、热电效应：两种不同材料的金属导体A、B组成一个闭合回路，当两
接点温度T和T0不同时，则在该回路中就会产生电动势的现象。
三. 热电偶冷端温度补偿
消除冷端温度变化的影响 冷端温度补偿的目的
消除不为0°C的影响
补偿导线：延伸热电极，将冷端移动到新的位置（恒温仪表室）。
补偿方法
冷端温度校正法： 利用中间温度定律进行修正。 冰浴法： 冷端0°C恒温法
补偿电桥法：工业上常用的一种冷端自动补偿法
A TB
补偿导线 补偿导线
热电偶 试 管
缺点：线性度较差。
❖ 热敏电阻的结构
玻璃封装