傳感器原理與應用技術第1頁，課件共64頁，創作于2023年2月1.熱電效應6.1熱電偶6.1.1熱電偶的工作原理第2頁，課件共64頁，創作于2023年2月BAT0TBAT0T熱電勢EAB(T,T0)熱電偶熱電極熱端（工作端）冷端（自由端）第3頁，課件共64頁，創作于2023年2月（1）接觸電動勢接觸電勢溫差電勢若金屬A的自由電子濃度大于金屬B的，則在同一瞬間由A擴散到B的電子將比由B擴散到A的電子多，因而A對于B因失去電子而帶正電，B獲得電子而帶負電，在接觸處便產生電場。A、B之間便產生了一定的接觸電動勢。熱電勢EAB(T,T0)第4頁，課件共64頁，創作于2023年2月接觸電動勢的大小與兩種金屬的材料、接點的溫度有關，與導體的直徑、長度及幾何形狀無關。對于溫度為T的接點，有下列接觸電動勢公式：上式說明接觸電動勢的大小與接點溫度的高低及導體中的電子密度有關。第5頁，課件共64頁，創作于2023年2月對于任何一種金屬，當其兩端溫度不同時，兩端的自由電子濃度也不同，溫度高的一端濃度大，具有較大的動能；溫度低的一端濃度小，動能也小。因此高溫端的自由電子要向低溫端擴散，高溫端因失去電子而帶正電，低溫端得到電子而帶負電，形成溫差電動勢，又稱湯姆森電動勢。（2）溫差電動勢第6頁，課件共64頁，創作于2023年2月溫差電動勢的大小取決于導體的材料及兩端的溫度。導體A兩端的溫差電動勢可用下式表示：eA（T，T0）——導體A兩端溫度分別為T、T0時形成的溫差電動勢；T、T0——高、低溫端的絕對溫度；σA——湯姆遜系數，表示導體A兩端的溫度差為1℃時所產生的溫差電動勢。第7頁，課件共64頁，創作于2023年2月同樣導體B兩端的溫差電動勢如下式所示：第8頁，課件共64頁，創作于2023年2月圖6-4閉合回路總的熱電勢ABTT0-eA(T,T0)eB(T,T0)eAB(T)eAB(T0)(3)回路總電動勢第9頁，課件共64頁，創作于2023年2月由于在金屬中自由電子數目很多，溫度對自由電子密度的影響很小，故溫差電動勢可以忽略不計，在熱電偶回路中起主要作用的是接觸電動勢。NAT和NAT0可記做NA，NBT和NBT0可記做NB

，則有在標定熱電偶時，一般使T0為常數，則第10頁，課件共64頁，創作于2023年2月①熱電偶回路的熱電動勢只與組成熱電偶的材料及兩端接點的溫度有關；與熱電偶的長度、粗細、形狀無關。2.熱電偶基本性質②只有用不同性質的材料才能組合成熱電偶，相同材料不會產生熱電動勢。因為當A、B兩種導體是同一種材料時，ln（NA/NB）=0，所以EAB（T，T0）=0。第11頁，課件共64頁，創作于2023年2月③只有當熱電偶兩端溫度不同時，不同材料組成的熱電偶才能有熱電動勢產生；當熱電偶兩端溫度相同時，不同材料組成的熱電偶也不產生熱電動勢，即EAB（T，T0）=0。④導體材料確定后，熱電動勢的大小只與熱電偶兩端的溫度有關。如果使eAB（T0）=常數，則回路熱電動勢EAB（T，T0）就只與溫度T有關，而且是T的單值函數，這就是利用熱電偶測溫的基本原理。第12頁，課件共64頁，創作于2023年2月⑤對于有幾種不同材料串聯組成的閉合回路，若各接點溫度分別為T1、T2……TN

，閉合回路總的熱電動勢為：第13頁，課件共64頁，創作于2023年2月3.熱電偶基本定律(1)均質導體定律如果熱電偶回路中的兩個熱電極材料相同，無論兩接點的溫度如何，熱電動勢均為零；反之，如果有熱電動勢產生，兩個熱電極的材料則一定是不同的。根據這一定律，可以檢驗兩個熱電極材料的成分是否相同(稱為同名極檢驗法)，也可以檢查熱電極材料的均勻性。第14頁，課件共64頁，創作于2023年2月(2)中間導體定律在熱電偶回路中接入第三種導體C，只要第三種導體的兩接點溫度相同，則回路中總的熱電動勢不變。右圖回路中的總電動勢為：T0T0BTAC第15頁，課件共64頁，創作于2023年2月如果回路中三個接點的溫度都相同，即T＝T0，則回路總電動勢必為零，即：即則第16頁，課件共64頁，創作于2023年2月如果按右圖接入第三種導體C，則回路中的總電動勢為：T1CT0T1TBA而所以第17頁，課件共64頁，創作于2023年2月(3)標準電極定律如果兩種導體分別與第三種導體組成的熱電偶所產生的熱電動勢已知，則由這兩種導體組成的熱電偶所產生的熱電動勢也就可知。T0TEAB(T,T0)ABT0TEAC(T,T0)ACT0TEBC(T,T0)BC第18頁，課件共64頁，創作于2023年2月兩式相減得：——（6-13）第19頁，課件共64頁，創作于2023年2月若一個熱電偶由A、B、C三種導體組成，且回路中三個接點的溫度都相同，則回路總電動勢必為零，即：或第20頁，課件共64頁，創作于2023年2月即導體A與B組成的熱電偶的熱電動勢也可知。代入（6-13）式可得：第21頁，課件共64頁，創作于2023年2月解：由標準電極定律，鎳鉻和考銅熱電偶的熱電動勢應等于鎳鉻合金與純鉑熱電偶與考銅與純鉑熱電偶的熱電動勢的差，即例6-1熱端為100℃、冷端為0℃時，鎳鉻合金與純鉑組成的熱電偶的熱電動勢為2.95mV，而考銅與純鉑組成的熱電偶的熱電動勢為-4.0mV，求鎳鉻和考銅組合而成的熱電偶所產生的熱電動勢。2.95mV-(-4.0mV)=6.95mV第22頁，課件共64頁，創作于2023年2月BBATnTT0

AAB(4)中間溫度定律熱電偶在兩接點溫度分別為T、T0時的熱電動勢等于該熱電偶在接點溫度分別為T、Tn和接點溫度分別為Tn、T0時的相應熱電動勢的代數和。第23頁，課件共64頁，創作于2023年2月證明：即：對于冷端溫度不是零度時，熱電偶如何分度表的問題提供了依據。第24頁，課件共64頁，創作于2023年2月

當Tn=0℃時，則：上式說明：只要A、B組成的熱電偶在冷端溫度為零時的“熱電動勢—溫度”關系已知，則它在冷端溫度不為零時的熱電動勢即可知。第25頁，課件共64頁，創作于2023年2月中間溫度定律表明：當在原來熱電偶回路中分別引入與導體材料A、B相同熱電特性的材料C、D即引入所謂補償導線時，只要它們之間連接的兩點溫度相同，則總回路的熱電動勢與兩連接點溫度無關，只與熱電偶兩端的溫度有關。第26頁，課件共64頁，創作于2023年2月熱電偶補償導線接線圖ABTTnTnCDT0T0M由于A與C、B與D的熱電特性相同，由熱電偶的基本性質可知：eAC（Tn）=eBD（Tn）=0，則回路總電動勢為:第27頁，課件共64頁，創作于2023年2月6.1.2常用熱電偶的結構1.普通工業用裝配式熱電偶圖6-9工業用裝配式熱電偶結構示意圖接線盒保險套管絕緣套管熱電偶絲第28頁，課件共64頁，創作于2023年2月1322．鎧裝（或套管式）熱電偶的結構由熱電偶絲、絕緣材料，金屬套管三者拉細組合而成一體。又由于它的熱端形狀不同，可分為兩種形式如圖。圖６-1０鎧裝熱電偶斷面結構示意圖1—

金屬套管;2—絕緣材料;3—熱電極(a)接殼式(b)絕緣式圖6-11接殼式與絕緣式熱電偶斷面結構示意圖第29頁，課件共64頁，創作于2023年2月3．快速反應薄膜熱電偶用真空蒸鍍等方法使兩種熱電極材料蒸鍍到絕緣板上而形成薄膜裝熱電偶。其熱接點極薄(0.01～0.lμm)。4123快速反應薄膜熱電偶1—熱電極;2—熱接點;3—絕緣基板;4—引出線特別適用于對壁面溫度的快速測量。反應時間僅為幾ms。第30頁，課件共64頁，創作于2023年2月

4．快速消耗微型熱電偶可測鋼水的溫度。用直徑為Φ0.05～0.lmm的鉑銠10一鉑銠30熱電偶裝在U型石英管中，再鑄以高溫絕緣水泥，外面再用保護鋼帽所組成。14235678911101—鋼帽；2—石英；3—紙環；4—絕熱泥；5—冷端；6—棉花；7—絕緣紙管；8—補償導線；9—套管；10—塑料插座；11—簧片與引出線第31頁，課件共64頁，創作于2023年2月6.1.3熱電偶材料用作熱電極的材料應具備下面的條件：①溫度測量范圍廣。要求在規定的溫度測量范圍內有較高的測量精確度，有較大的熱電動勢。溫度與熱電動勢的關系是單值函數，最好是呈線性關系。②性能穩定。要求在規定的溫度測量范圍內使用時熱電性能穩定，均勻性和復現性好。第32頁，課件共64頁，創作于2023年2月③物理化學性能好。要求在規定的溫度測量范圍內有良好的化學穩定性、抗氧化性或抗還原性能。滿足上述條件的熱電偶材料并不很多。我國把性能符合專業標準或國家標準并具有統一分度表的熱電偶材料稱為定型熱電偶材料。第33頁，課件共64頁，創作于2023年2月從1988年1月1日起，我國熱電偶和熱電阻的生產全部按國際電工委員會（IEC）的標準，并指定S、B、E、K、R、J、T七種標準化熱電偶為我國統一設計型熱電偶。但其中的R型（鉑銠13-鉑）熱電偶，因其溫度范圍與S型（鉑銠10-鉑）重合,我國沒有生產和使用。6.1.4熱電偶的種類1.標準型熱電偶第34頁，課件共64頁，創作于2023年2月(1)鉑銠30-鉑銠6熱電偶（分度號B）它的正極是鉑銠絲(鉑70%，銠30%)，負極也是鉑銠絲(鉑94%，銠6%)，俗稱雙鉑銠。測量溫度最高長期可達1600℃，短期可達1800℃。優點是材料性能穩定，測量精度高，測溫上限高。缺點是在還原性氣體中易被侵蝕，成本高。第35頁，課件共64頁，創作于2023年2月鉑——pt78，性軟，易受機械處理，溶點1772℃

，化學性質穩定，但溶于王水（硝酸和鹽酸1：3混合）。鉑族元素：釕、鋨、銠、銥、鈀、鉑，溶點都在1500℃以上，性質穩定，在自然界中多以游離態存在。金——AU79，延展性強，比重19.32,熔點1064℃

，在空氣中極穩定，不溶于酸或堿，溶于王水及氯化鉀、氯化鈉溶液中。第36頁，課件共64頁，創作于2023年2月(2)鉑銠10-鉑熱電偶（分度號S）正極是鉑銠絲(鉑90%，銠l0%)，負極是純鉑絲。測量溫度最高長期可達1300℃，短期可達1600℃，一般用來測量1000℃以上的高溫。優點是材料性能穩定；測量準確度較高，可做成標準熱電偶或基準熱電偶；抗氧化性強，宜在氧化性、惰性氣氛中工作。第37頁，課件共64頁，創作于2023年2月缺點是在高溫還原性氣體中（如氣體中含CＯ、H2等）易被侵蝕，需要用保護套管；另外其熱電極材料屬貴金屬，成本較高，熱電勢也較弱。國際溫標中規定它為630.74~1064.43℃溫度范圍內復現溫標的標準儀器。第38頁，課件共64頁，創作于2023年2月正極是鎳鉻合金(88.4～89.7％鎳、9～10％鉻，0.6％硅，0.3％錳，0.4～0.7％鈷)，負極為鎳硅(鎳95.7～97％鎳,2～3％硅,0.4～0.7％鈷)。測溫范圍為-200~+1300℃。優點是測溫范圍很寬、熱電動勢與溫度關系近似線性、熱電動勢大、高溫下抗氧化能力強、價格低，所以在工業上應用廣泛。(3)鎳鉻-鎳硅熱電偶（分度號K）第39頁，課件共64頁，創作于2023年2月缺點是熱電動勢的穩定性和精度較B型或S型熱電偶差，在還原性氣體和含有SO2、H2S等氣體中易被侵蝕。測量溫度長期可達1000℃，短期可達1300℃。(4)鎳鉻-銅鎳熱電偶（分度號E）正極是鎳鉻合金，負極是銅鎳合金(銅55%，鎳45%)。測溫范圍為-200~+1000℃。優點是熱電動勢較其他常用熱電偶大。適宜在氧化性或惰性氣氛中工作。第40頁，課件共64頁，創作于2023年2月正極是鐵，負極是銅鎳合金。測溫范圍為-200℃~+1300℃。其特點是價格低、熱電動勢較大（僅次于E型熱電偶）、靈敏度高（約為53μV/℃）、線性度好、價格便宜，可在800℃以下的還原介質中使用。主要缺點是鐵極易氧化。(5)鐵-銅鎳熱電偶（分度號J）第41頁，課件共64頁，創作于2023年2月正極是銅，負極是銅鎳合金，測溫范圍為-200℃~+400℃，熱電勢略高于鎳鉻-鎳硅熱電偶，約為43μV/℃。優點是精度高、復現性好、穩定性好、價格便宜。缺點是銅極易氧化，故在氧化性氣氛中使用時，一般不能超過300℃。(6)銅-銅鎳熱電偶（分度號T）在0~-100℃范圍內，銅-銅鎳熱電偶已被定為三級標準熱電偶，用以檢測低溫儀表的精度，誤差不超過0.1℃。第42頁，課件共64頁，創作于2023年2月熱電偶類別代號分度號測溫范圍允許誤差鉑銠30-鉑銠6WRRLL-2或B0～1800℃≤800℃，±4.0℃>800℃±0.5%t鉑銠10-鉑WRPLB-3或S0～1600℃≤600℃，±3.0℃>600℃±0.5%t鎳鉻-鎳硅WRNEU-2或K0～1300℃≤400℃，±3.0℃>400℃±0.75%t鎳鉻-考銅

鎳鉻-銅鎳WRK

WREEA-2或E0～800℃

0～1000℃≤300℃，±3.0℃>300℃±1.0%t幾種常用熱電偶的測溫范圍及精確度第43頁，課件共64頁，創作于2023年2月第44頁，課件共64頁，創作于2023年2月①銥和銥合金熱電偶：如銥50銠—銥10釕、銥銠40-銥、銥銠60-銥熱電偶。它能在氧化環境中測量高達2100℃的高溫，且熱電動勢與溫度關系線性好。2.非標準型熱電偶第45頁，課件共64頁，創作于2023年2月②鎢錸熱電偶：60年代發展起來的，是目前一種較好的高溫熱電偶，可使用在真空惰性氣體介質或氫氣介質中，但高溫抗氧能力差。國產鎢錸3-鎢錸25、鎢錸-鎢錸20熱電偶使用溫度范圍在300～2000℃，分度精度為1％。主要用于鋼水連續測溫、反應堆測溫等場合。第46頁，課件共64頁，創作于2023年2月③金鐵—鎳鉻熱電偶：主要用在低溫測量，可在2～273K范圍內使用，靈敏度約為10μV／℃。④鈀—鉑銥15熱電偶：是一種高輸出性能的熱電偶，在1398℃時的熱電勢為47.255mV，比鉑銠10—鉑熱電偶在同樣溫度下的熱電勢高出3倍，因而可配用靈敏度較低的指示儀表，常應用于航空工業。第47頁，課件共64頁，創作于2023年2月

6.1.5熱電偶的冷端補償方法1.冷端恒溫法(1)冰點槽法將熱電偶的冷端置于冰點槽內(冰水混合物)，使冷端溫度處于0℃，如圖6-13所示。為了避免冰水導電引起兩個連接點短路，必須把連接點分別置于兩個玻璃試管里，浸入同一冰點槽，使相互絕緣。這種裝置通常用于實驗室或精密的溫度測量。第48頁，課件共64頁，創作于2023年2月mVABT銅導線銅導線試管補償導線熱電偶冰點槽冰水溶液T0儀表補償導線圖6-13冰點槽法第49頁，課件共64頁，創作于2023年2月(2)其他恒溫器將熱電偶的冷端置于各種恒溫器內，使之保持溫度恒定，避免由于環境溫度的波動而引入誤差。這類恒溫器可以是盛有變壓器油的容器，利用變壓器油的熱惰性恒溫；也可以是電加熱的恒溫器。這類恒溫器的溫度不是0℃，所以最后還需對熱電偶進行冷端溫度修正。第50頁，課件共64頁，創作于2023年2月2.補償導線法利用補償導線，將熱電偶的冷端延伸到溫度恒定的場所(如儀表室)。根據中間溫度定律，只要熱電偶的兩個熱電極分別與兩補償導線的接點溫度一致，就不會影響熱電動勢的輸出。第51頁，課件共64頁，創作于2023年2月例6-2采用鎳鉻-鎳硅熱電偶測量爐溫。熱端溫度為800℃，冷端溫度為50℃。為了進行爐溫的調節與顯示，必須將熱電偶產生的熱電動勢信號送到儀表室，儀表室的環境溫度恒為20℃。首先由鎳鉻-鎳硅熱電偶分度表查出它在冷端溫度為0℃，熱端溫度分別為800℃、50℃、20℃時的熱電動勢：E(800，0)＝33.277mV；第52頁，課件共64頁，創作于2023年2月如果熱電偶與儀表之間直接用銅導線連接，根據中間導體定律，輸入儀表的熱電動勢為：E(50，0)＝2.022mV；E(20，0)=0.798mV。E(800，50)=E(800，0)-E(50，0)=(33.277-2.022)mV=31.255mV查分度表知，對應31.255mV的溫度是751℃。與爐內真實溫度相差49℃。第53頁，課件共64頁，創作于2023年2月如果在熱電偶與儀表之間用補償導線連接，相當于將熱電極延伸到儀表室，輸入儀表的熱電動勢為E(800，20)=E(800，0)-E(20，0)=(33.277-0.798)mV=32.479mV查分度表知，對應32.479mV的溫度是781℃，與爐內真實溫度相差19℃。第54頁，課件共64頁，創作于2023年2月若冷端溫度恒定，但并非0℃，要使測出的熱電動勢只反映熱端的實際溫度，則必須對溫度進行修正。修正公式如下：3.計算修正法第55頁，課件共64頁，創作于2023年2月例6-3用鎳鉻-鎳硅熱電偶測某一水池內水的溫度，測出的熱電動勢為2.436mV。再用溫度計測出環境溫度為30℃(且恒定)，求池水的真實溫度。解：由鎳鉻-鎳硅熱電偶分度表查出E(30，0)=1.203mVE(T，0)=E(T，30)+E(30，0)=2.436mV+1.203mV=3.639mV所以：查分度表知其對應的實際溫度為T=88℃。即池水的真實溫度是88℃。第56頁，課件共64頁，創作于2023年2月4.電橋補償（又稱冷端補償器）法圖6-14補償電橋T0I2I1+ERSRTR3R1R2－ATT0BU回路輸出電壓為:U=E（T，T0）+(UT－