《传感器技术与应用》第六章 热电式传感器PPT课件

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表面热电偶
表面热电偶是用来测量各种状态的固体 表面温度的，如测量轧辊、金属块、炉 壁、橡胶筒和涡轮叶片等表面温度。
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2．接触电势
当A和B两种不同材料的导体接触时，由于两者 内部单位体积的自由电子数目不同（即电子密 度不同），因此，电子在两个方向上扩散的速 率就不一样。
。假设导体A的自由电子密度大于导体B的自由 电子密度，则导体A扩散到导体B的电子数要比 导体B扩散到导体A的电子数大。所以导体A失 去电子带正电荷，导体B得到电子带负电荷。 于是，在A、B两导体的接触界面上便形成一个 由A到B的电场 。
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热电动势示意图
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形成机理
该电场的方向与扩散进行的方向相反，它将引 起反方向的电子转移，阻碍扩散作用的继续进 行。当扩散作用与阻碍扩散作用相等时，即自 导体A扩散到导体B的自由电子数与在电场作用 下自导体B到导体A的自由电子数相等时，便处 于一种动态平衡状态。在这种状态下，A与B两 导体的接触处产生了电位差，称为接触电势。 接触电势的大小与导体材料、结点的温度有关， 与导体的直径、长度及几何形状无关。
热电偶的接触电动势要远大于温差电动势，忽略 温差电动势，热电偶的热电势可表示为，
E A(B T ,T 0) E A(B T ) E A(B T 0) q K 0(T T 0)ln N N B A
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结论
（1）如果热电偶两材料相同，则无论结点处 的温度如何，总电势为0。
（2）如果两结点处的温度相同，尽管A、B材 料不同，总热电势为0。
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铠装型热电偶
铠装型热电偶又称套管热电偶。它是由 热电偶丝、绝缘材料和金属套管三者经 拉伸加工而成的坚实组合体 .
它可以做得很细很长，使用中随需要能 任意弯曲。铠装型热电偶的主要优点是 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，因此被广泛用在许多工业部门中。
EA(T,T0) 和 EB(T,T0)
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4．热电偶的电势
设导体A、B组成热电偶的两结点温度分
别为T和T0，热电偶回路所产生的总电
动势，
E A ( T , T B 0 ) [ E A ( T ) B E A ( T 0 ) B [ E ] A ( T , T 0 ) E B ( T , T 0 )
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接触电势大小
EAB(T)
KTlnNA q0 NB
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3．温差电动势
温差电动势是同一导体（热电极）的两 端因其温度不同而产生的一种电动势。 由于温度不同，低温端的电子数会比高 温端的电子数多，结果高温端因少出电 子而带正电， 低温端因多出电子而带负 电，在导体两端便形成温差电动势。其 大小可表示为
（3）热电偶热电势的大小，只与组成热电偶 的材料和两结点的温度有关，而与热电偶的形 状尺寸无关，当热电偶两电极材料固定后，热 电势便是两结点电势差。
（4）如果使冷端温度Ｔ0保持不变，则热电动 势便成为热端温度Ｔ的单一函数。
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6.1.2 热电偶结构及种类
1热电偶的基本结构形式 2热电偶材料 3常用热电偶
其结构有片状、针状和把热电极材料直接蒸镀 在被测表面上等3种。所用的电极类型有铁-康 铜、铁镍、铜-康铜、镍铬-镍硅等。测温范围 为−200～300℃。
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铁-镍薄膜热电偶结构
1—测量接点 2—铁膜 3—铁丝 4—镍丝 5—接头夹具 6—镍膜 7—衬架
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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 动法兰连接、无固定装置等多种形式。
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普通型热电偶结. 构图
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普通装配型热电偶的 外形
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接线 盒
普通装配型热 电偶的 结构放大图
引出线套管
不锈钢保护管
固定螺纹 （出厂时用塑料包裹） 热电偶工作端（热端）
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热电势由两部分组成
两种导体组成的回路称为“热电偶”， 这两种导体称为“热电极”，产生的电 势则称为“热电势”，热电偶的两个结 点，一个称为测量端（工作端或热端）， 另一个称为参考端（自由端或冷端）。
一部分是两种导体的接触电势，另一部 分是单一导体的温差电势。
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第6章 热电式传感器
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引言
热电式传感器就是一种能将温度变化转 换为电量变化的装置，它是利用敏感元 件的电参数随温度变化的特性来达到测 量的目的。本章主要介绍热电偶、热电 阻和热敏电阻传感器的原理、测量电路 及其应用。
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6.1 热电偶传感器
6.1.1 热电偶 1．热电效应
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铠装型热电偶结构
1—接线盒 2—金属套管 3—固定装置 4—绝缘材料 5—热电极
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铠装型热电偶外形
铠装型热电偶可 长达上百米
绝缘 材料
AB
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薄壁金属 保护套管 （铠体） 铠装型热电偶 横截面
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法兰
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薄膜热电偶
用真空蒸镀（或真空溅射）、化学涂层等工艺， 将热电极材料沉积在绝缘基板上形成的一层金 属薄膜。热电偶测量端既小又薄（厚度可达 0.01～0.1m），因而热惯性小，反应快，可 用于测量瞬变的表面温度和微小面积上的温度。
热电效应就是把两种不同的导体或半导 体（A和B）串接成一个闭合回路，如果 两导体接点处温度（ 和 ）不同，则两点 之间便产生电动势，从而在回路中便形 成了电流的现象。由此效应产生的电动 势，通常称为热电动势。
1821年由Seeback发现的，故又称为赛
贝克效应。 2020/10/19
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6.1.1 热电偶
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1.热电偶的基本结构形式
热电偶的结构形式有普通型热电偶、铠 装型热电偶和薄膜热电偶等。
热电偶的种类虽然很多，但通常由金属 热电极、绝缘子、保护套管及接线装置 等部分组成。
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普通型热电偶
普通型结构热电偶工业上使用最多，它 一般由热电极、绝缘套管、保护管和接 线盒组成。