第八章热电式传感器解析
传感器课后答案解析
第1章概述1.什么是传感器传感器定义为能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件和装置，通常由敏感元件和转换元件组成。
传感器的共性是什么传感器的共性就是利用物理规律或物质的物理、化学、生物特性，将非电量（如位移、速度、加速度、力等）输入转换成电量（电压、电流、电容、电阻等）输出。
传感器由哪几部分组成的由敏感元件和转换元件组成基本组成部分，另外还有信号调理电路和辅助电源电路。
传感器如何进行分类（1）按传感器的输入量分类，分为位移传感器、速度传感器、温度传感器、湿度传感器、压力传感器等。
（2）按传感器的输出量进行分类，分为模拟式和数字式传感器两类。
（3）按传感器工作原理分类，可以分为电阻式传感器、电容式传感器、电感式传感器、压电式传感器、磁敏式传感器、热电式传感器、光电式传感器等。
（4）按传感器的基本效应分类，可分为物理传感器、化学传感器、生物传感器。
（5）按传感器的能量关系进行分类，分为能量变换型和能量控制型传感器。
（6）按传感器所蕴含的技术特征进行分类，可分为普通型和新型传感器。
传感器技术的发展趋势有哪些（1）开展基础理论研究（2）传感器的集成化（3）传感器的智能化（4）传感器的网络化（5）传感器的微型化改善传感器性能的技术途径有哪些（1）差动技术（2）平均技术（3）补偿与修正技术(4)屏蔽、隔离与干扰抑制(5)稳定性处理第2章传感器的基本特性什么是传感器的静态特性描述传感器静态特性的主要指标有哪些答：传感器的静态特性是指在被测量的各个值处于稳定状态时，输出量和输入量之间的关系。
主要的性能指标主要有线性度、灵敏度、迟滞、重复性、精度、分辨率、零点漂移、温度漂移。
传感器输入-输出特性的线性化有什么意义如何实现其线性化答：传感器的线性化有助于简化传感器的理论分析、数据处理、制作标定和测试。
常用的线性化方法是：切线或割线拟合，过零旋转拟合，端点平移来近似，多数情况下用最小二乘法来求出拟合直线。
热电式传感器Ch
中，测得热电势EAB(T，TH)=1.999mV，又用室温计测
出TH=21℃,则T为多少度？ 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(21，0)
=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℃。
第8章 热电式传感器
• 8.1 热电偶传感器 • 8.2 热电阻 • 8.3 热敏电阻
热电式传感器Ch
8.1 热电偶传感器
热电式传感器是一种将温度变化转换为电量变化的装置。 热电偶是将温度量转换为电势大小的热电式传感器。
在工业生产过程中，温度是需要测量和控制的重要参数 之一。在温度测量中，热电偶的应用极为广泛，常被用作测 量炉子、管道内的气体或液体的温度及固体的表面温度。
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热电低式传及感器导Ch 体中的电子密度有关。
（二） 温差电势
T+
+ +
A － To
－ －
eA(T, To) 温差电势原理图
eA(T,T0)
T
T0 AdT
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；
补正系数k
铂铑10-铂(S) 0.82
镍铬-镍硅（K） 1.00
0.72
1.00
0.69
0.98
0.66
0.98
0.63
1.00
0.62
0.96
0.60
1.00
《传感器与检测技术(第2版)》参考答案第8章 热电式传感器
第8章热电式传感器
三、填空题
四、简答题
1、答：①两种不同材料的导体（或半导体）A、B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，回路中就会产生大小和方向与导体材料及两接点的温度有关的电动势，从而形成电流，这种现象称为热电效应。
该电动势称为热电动势。
②接触电动势：接触电势是由两种导体的自由电子密度不同而在其接触处形成的热电势。
它的大小取决于两导体的材料及接触点的温度，而与导体的形状和尺寸无关。
③温差电动势：是在同一根导体中，由于两端温度不同而产生的一种电势。
知识点：热电偶
2、答：中间导体定律：热电偶测温时，若在回路中接入第三种导体，只要其两端的温度相同，则对热电偶回路总的热电势不产生影响。
中间导体定律的意义在于：在实际的热电偶测温应用中，测量仪表和连接导线可以作为第三种导体对待。
知识点：热电偶
3、答：标准电极定律：如果两种导体A，B分别与第三种导体C组成的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由下式确定：
E AB（t，t0）=E AC（t，t0）- E BC（t，t0）
标准电极定律的意义在于，纯金属的种类很多，合金的种类更多，要得出这些金属件组。
热电式传感器(讲-简版)
T0 T
+ + 中： eA(T，T0) 导体A两端温度为T、T0时的温差电势 σ 汤姆逊系数，表示单一导体两端温度差为 1℃时产生的温差电势，其值与材料性质和 两端温度有关
eA（T,T0）
温差电势
在金属导体中自由电子数目很多，但温度不能显著地改变导体中 自由电子的动能，所以，在同一种金属导体内，温差电势极小， 可以忽略。 因此，在一个热电偶回路中起决定作用的是两个接点处材料的性 质和该点所处温度有关的接触电势。故上式可以近似为：
A T
工作端 热端
T0 B
热电效应原理图
自由端 冷端
温差电势 单一导体中，如果两端温度不同，在两端间会产生电势，即单一 导体的温差电势。 这是由于导体内自由电子在高温端具有较大的动能，因而向低温 端扩散（运动），结果高温端中的原子因失去电子而带正电荷， 低温端中的原子因得到电子而带负电荷，从而形成一个静电场； 这个电场阻碍了电子的继续扩散，当达到动态平衡时，在导体两 端形成一个稳定的电位差， 即温差电势，其可表示为： T0 T
eAB(T) T T0
eAB(T0)
热电偶回路接触电势
常用热电偶 目前，常用热电材料分贵金属和普通金属两大类 我国使用的热电偶有以下几种
铂铑-铂 镍铬-镍硅 镍铬-考铜
热电偶 热电偶 热电偶
分度号为 S 分度号为 K 分度号为 E 分度号为 B 分度号为 T
测温范围：0-1300℃ 测温范围：0-1000℃ 测温范围：0-600℃ 测温范围：0-1800℃ 测温范围：0-1000℃
eAB(T) eAB(T0)
T
T0
热电偶回路接触电势
EAB(T,T0) =eAB(T)-f(T0) = f(T) -C 上式表明
CH2传感器原理8节
EA (T ,T0 ) EA (T0 ,T )
EA(T, T0)可表示为
EA (T ,T0 )
K e
T T0
1 NA (T )
dNA (T ) T
同理：
EB (T ,T0 )
K e
T T0
1 NB (T )
dNB (T ) T
EA(T, T0)和EB(T, T0) — 导体A和B在两端温度分别为T和T0时的温差电势 e — 电子电荷量，e=1.6×10－19C K — 玻尔兹曼常数，K＝1.38×10－23J/K NA(T)和NB(T) — 金属导体A和B在温度为T 时的电子密度
2.8 热电式传感器
➢ 工作原理：利用敏感元件的电磁参数随温度变化而 变化的特性，把温度变化转换为电量(电阻、电势等) 的变化。
➢ （金属）热电阻、（半导体）热敏电阻： 将温度变化转换为电阻变化。
➢ 热电偶：将温度变化转换为热电势变化。
温度是国际单位制中七个基本物理量之一。 温度的宏观概念是表示物体的冷热程度。当两 个物体互为热平衡时其温度相等。
KT ln NA (T ) K
高 + Es
+
A
单一导体的温差电势（汤姆逊电势，Thomson）
EA(T, T0)
－
－ T0 －低
当一根均质导体上存在温度梯度时，处于高温端的电子能量 比低温端的电子能量大，所以从高温端向低温端移动的电子 数比从低温端向高温端移动的电子数多得多。结果高温端因 失去电子而带正电，低温端因得到电子而带负电，在两端之 间便形成一个从高温端指向低温端的静电场。这个静电场将 阻止电子进一步从高温端向低温端移动，并加速电子从低温 端向高温端移动，进而建立相对的动态平衡。此时，导体两 端产生的电位差称为温差电势，用EA(T, T0)表示，T 和T0的顺 序决定了电动势的方向。
常用传感器工作原理(热电式)
右图回路中的总电动势为：
EABC T，T0 EAB T EBC T0 ECA T0 如果回路中三个接点的温度都相同，即T＝T0， T0
则回路总电动势必为零，即：
A
EAB T0 EBC T0 ECA T0 0
即
EBC T0 ECA T0 EAB T0
C
T0 B T
则 EABC T，T0 EAB T -EAB T0 EA感器
将温度变化转换为电量变化的装置。 最常用的热电式传感器：
将温度转换为电势的变化－－－热电偶 将温度转换为电阻的变化－－－热电阻
2
3.8.1 热电偶
1. 热电偶测温原理－热电效应
热端（工作端）
冷端（自由端）
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的两
度T
EAB T，T0 EAB T，Tn EAB Tn，T0 EAB Tn，T0 1.00mV
EAB T，T0 20.54mV 1.00mV 21.54mV
T 5210C
21
22
（4） 标准（参考）电极定律
如果两种导体分别与第三种导体组成的热电偶所产生的热电动势已知，则由 这两种导体组成的热电偶所产生的热电动势也就可知。
3
热电动势由两部分电动势组成，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。
热电势 EAB( T,T0 )
接触电势 温差电势
EAB T,T0 EAB T EB T,T0 EBA T0 EA T0,T
4
（1 ）接触电势
所有金属中都有大量自由电子，而不同的金属材料其自由电子密度 不同。当两种不同的金属导体接触时，若金属A的自由电子密度大 于金属B的 nA n，B 则在同一瞬间由A扩散到B的电子将比由B扩散 到A的电子多，因而A对于B因失去电子而带正电，B获得电子而带 负电，在接触处便产生电场。A、B之间便产生了一定的接触电动 势。
常用传感器与敏感元件(热电式传感器)
B
即：EABT1，T3 EABT1，T2 EABT2，T3
热电偶传感器
（5）在热电偶回路中接入第三种材料的导线，只要 第三种导线的两端温度相同，第三种导线的引入不 会影响热电偶的热电势。 中间导体定律
C
T0
T0
A
B
T
T0
C
T1
A T1 B
T
热电偶传感器
（6）当温度为T1、T2时，用导体A、B组成的热电偶 的热电势等于AC热电偶和CB热电偶的热电势的和， 即：EAB(T,T0)=EAC(T,T0)+ECB(T,T0) 标准电极定律 或：EAB(T,T0)=EAC(T,T0)-EBC(T,T0)
热电偶传感器
◆镍铬－镍硅(镍铬－镍铝)热电偶(WREU)
（1）由直径1.22.5mm的镍铬与镍硅制成，用符 号EU表示，镍铬为正极，纯镍硅为负极。
（2）化学稳定性好，1200C以下范围长期使用，短 期测量温度高达1300℃，热电势大，线性好价格便 宜。 （3）测量精度偏低。
热电偶传感器
◆镍铬－考铜热电偶(WREA) （1）由直径1.22.0mm的镍铬材料与镍、铜合金 制成，用符号EA表示，镍铬为正极，考铜为负极。
镍铬-镍硅
镍铬-考铜 镍铬-铜镍
WRN
EU-2 或K
0～ 1300℃
≤400℃ ±3.0℃
>400℃ ±0.75%t
0～
WRK EA-2 800℃ ≤300℃ >300℃
WRE 或E 0～ ±3.0℃ ±1.0%t
1000℃
例1：用铂铑30-铂铑6热电偶测温，已知冷端温度为50ºC， 实测的热电势为8.954mV，试求预测的温度值。
2.95mV-(-4.0mV)=6.95mV
热电偶式温度传感器工作原理
热电偶式温度传感器工作原理《热电偶式温度传感器工作原理》1. 引言嘿，你有没有想过在一些高温的工业环境里，人们是怎么准确知道温度的呢？或者说，你家烤箱里的温度又是怎么被精确测量的呢？今天呀，咱们就来一起深入了解一下热电偶式温度传感器的工作原理，从它最基础的概念到各种各样的应用，都会给大家讲得明明白白的。
这篇文章呢，会先给大家讲讲基本概念和理论背景，然后深入剖析它的运行机制，再说说在日常生活和高级技术领域的应用，还会聊聊大家常见的一些误解以及一些相关的趣味知识，最后来个总结和展望。
2. 核心原理2.1基本概念与理论背景热电偶式温度传感器，说白了，就是一种利用热电效应来测量温度的装置。
那什么是热电效应呢？这就得追溯到1821年，塞贝克发现了这个有趣的现象。
当两种不同的导体或者半导体A和B组成一个闭合回路的时候，如果两个接点的温度不同，那么在这个回路里就会产生电动势，这个电动势就叫做热电势，这种现象就是热电效应。
就好比两个人跑步，一个在平坦的路上跑，一个在有点坡度的路上跑，他们的速度就会不一样，这个不同就像热电势一样产生了。
这两种不同的导体或者半导体的组合就叫做热电偶。
2.2运行机制与过程分析咱们来具体说说它是怎么工作的。
假设我们有一个热电偶，它的两个接点，一个叫测量端（也叫热端），另一个叫参考端（也叫冷端）。
当测量端的温度发生变化的时候，因为热电效应，就会产生热电势。
这个热电势的大小呢，和测量端与参考端的温度差是有关系的。
就像我们用一个弹簧秤去称东西，东西越重，弹簧的形变就越大，这里温度差越大，热电势也就越大。
举个例子，如果我们把热电偶的测量端放在一个正在加热的锅里，参考端放在室温环境下，随着锅里温度的升高，热电势就会不断变化。
这个热电势可以通过测量电路测出来，然后根据热电势和温度差的关系（这个关系是事先确定好的，就像我们知道某种尺子上的刻度和长度的对应关系一样），就可以算出测量端的温度了。
3. 理论与实际应用3.1日常生活中的实际应用在日常生活中，热电偶式温度传感器也很常见呢。