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1、第 八 章 熱 電 式 傳 感 器 8-1 熱 電 阻 傳 感 器 熱 電 阻 傳 感 器 是 利 用 導 體 的 電 阻 隨 溫 度 變 化 的 特 性 ，對 溫 度 和 溫 度 有 關 的 參 數 進 行 檢 測 的 裝 置 。 熱 電 阻 效 應 物 質 的 電 阻 率 隨 溫 度 變 化 而 變 化 的 現 象 。 金 屬 原 子 最 外 層 的 電 子 能 自 由 移 動 ， 當 加 上 電 壓 以 后 ，這 些 無 規(guī) 則 移 動 的 電 子 就 按 一 定 的 方 向 流 動 ， 形 成 電 流 。 隨著 溫 度 的 增 加 ， 電 子 的 熱 運 動 劇 烈 ， 電 子 之 間

2、 、 電 子 與 振 動的 金 屬 離 子 之 間 的 碰 撞 機 會 就 不 斷 增 加 ， 因 此 電 子 的 定 向 移動 將 受 到 阻 礙 ， 金 屬 的 電 阻 率 也 隨 之 增 大 。 實 踐 證 明 ， 純 金 屬 、 鉑 、 銅 、 鐵 和 鎳 是 比 較 適 合 的 材 料 ，其 中 主 要 應 用 的 是 鉑 和 銅 。 鉑 是 一 種 貴 重 金 屬 ， 其 物 理 和 化 學 性 能 非 常 穩(wěn) 定 ， 是 制造 熱 電 阻 的 最 好 材 料 ， 主 要 作 標 準 電 阻 溫 度 計 。 銅 可 用 來 制 造 -50 150 范 圍 內 工 業(yè) 用 電 阻 溫

3、 度 外 ， 特點 是 價 格 低 廉 ， 缺 點 是 電 阻 率 低 ， 且 容 易 氧 化 ， 一 般 用 在 較低 溫 度 和 沒 有 水 分 和 浸 蝕 性 的 介 質 之 中 。 l 鉑 絲 的 電 阻 值 與 溫 度 之 間 的 關 系 在 -200 0 范 圍 內 ， R t R01+At+Bt 2+C(t 100)t 3在 0 850 范 圍 內 ， Rt R01+At+Bt 2 R0 當 溫 度 為 0 時 的 電 阻 值 ； Rt 溫 度 為 t 時 的 電 阻 值 ；A、 B、 C 由 實 驗 確 定 的 常 數 。 A 3.90802 10-3/B= -5.802 10

4、-7/ 2C -4.27350 10-12/ 4 鉑 電 阻 的 主 要 技 術 指 標等級 分 度 號 測 溫 范 圍/C 允 許 偏 差/C 電 阻 比 R100/ R0名 義 值 允 許 誤差A Pt10 -200850 (0.15+0.002|t|) 1.385 0.001Pt100B Pt10 (0.30+0.005|t|)Pt100 即 便 在 氧 化 性 介 質 中 ， 其 物 理 、 化 學 性 能 都很 穩(wěn) 定 ； 易 提 純 ， 復 現 性 好 ， 有 良 好 的 工 藝 性 ； 有 較 高 的 電 阻 率 ； 在 還 原 性 介 質 中 性 能 易 受 影 響 ； 電 阻

5、 溫 度 系 數 不 太 高 ； 價 格 貴 。鉑 電 阻 的 特 點 幾 種 鉑 電 阻 WZP系 列 裝 配 式 鉑 電 阻及 鎧 裝 電 阻 芯用 于 一 般 工 業(yè) 場 測 溫使 用 溫 度 -200 700 高 強 度 石 英 管 測 溫 鉑 電 阻溫 度 范 圍 -100 C至 +500 C適 用 于 鍍 鋅 鍋 爐 、 耐 酸 、 耐堿 等 強 腐 蝕 場 合注 :不 耐 氫 氟 酸 及 磷 酸 精 密 溫 度 傳 感 器PtWD 1A型 -100 300誤 差 小 于 0.1 ， 精 度 為 超 A級 天 燃 氣 流 量 計溫 度 補 償 用 鉑 電 阻天 燃 氣 渦 輪 流

6、量 計 等 用油 浸 變 壓 器 用 鉑 電 阻 醫(yī) 療 器 械 鉑 電 阻 薄 模 鉑 電 阻 元 件用 于 汽 車 工 業(yè) 、 白 色 家 電 ， 食 品 加 工 業(yè) 、 醫(yī) 療 行 業(yè) 。 尺 寸 ：2.3mm 2.1mm 0.9mm（ 長 寬 高 ） 線 長 10mm 防 水 封 裝 鉑 電 阻核 心 元 件 ： 德 國 進 口 精 密 鉑 電 阻 （ PT100 PT1000）元 件 精 度 ： 0.15 (A級 ) 0.30 (B級 )封 裝 材 料 ： 鍍 鎳 銅 管 或 不 銹 鋼 管管 料 尺 寸 ： 4 * 25mm 連 接 線 ： PVC包 膠 電 纜 線 （ 可 選 擇

7、 耐 高 溫 型 的 ） 在 -50 150 溫 度 范 圍 內 ， 銅 電 阻 與 溫 度 之 間 的 關 系 為 ： Rt R0(1+At+Bt 2+Ct 3) Rt 溫 度 為 t 時 的 銅 電 阻 值 R0 溫 度 為 0 時 的 銅 電 阻 值A、 B、 C 常 數 A 4.28899 10-3/ B -2.133 10-7/ 2 C 1.233 10-9/ 3l 銅 絲 的 電 阻 值 與 溫 度 之 間 的 關 系 目 前 ， 鉑 和 銅 生 產 是 標 準 的 。 鉑 ： Pt50、 Pt100、 Pt300 主 要 是 Pt100（ R0 50、 100、300） 銅 ：

8、Cu50、 Cu100 鉑 的 測 溫 精 度 很 高 ， 達 0.001 銅 0.5 （ 50 50 ） ， 1 （ 50 150 ） 銅 電 阻 的 主 要 技 術 指 標分 度 號 測 溫 范 圍/C 允 許 偏 差/C 電 阻 比 R100/ R0名 義 值 允 許 誤 差Cu50 -50150 (0.30+0.006|t|) 1.428 0.002Cu100 2021-5-5 12 學 習 查 “ 鉑 熱 電 阻 分 度 表 ”附 錄 鉑 熱 電 阻 分 度 表 銅 電 阻 的 特 點 電 阻 率 小 ； 容 易 氧 化 ； 價 格 便 宜 。 WZC-111/12*1000mm C

9、u50 l 熱 電 阻 的 結 構 保 護 管內 部 導 線 絕 緣 管熱 電 阻 蓋 接 線 座 骨 架 漆 包 銅 線 引 出 線 銅 熱 電 阻 結 構 示 意 圖云 母 骨 架 鉑 絲 彈 簧 支 承 片 銀 引 出 線云 母 彈 簧 型玻 璃 封 裝 型 塑 封 型 R1 R2R3E RtG Rpl 熱 電 阻 測 量 線 路 熱 電 阻 測 溫 電 橋 三 線 連 接 法 作 用 ： 當 溫 度 變 化 時 ， 導 線 長 度 和 電 阻 溫 度 系 數 相 等 ， 它 們的 電 阻 變 化 不 會 影 響 電 橋 的 狀 態(tài) ， 即 不 會 產 生 溫 度 誤 差 。 Rp的 觸

10、 點 接 觸 電 阻 和 檢 流 計 串 聯 ， 接 觸 電 阻 的 不 穩(wěn) 定不 會 破 壞 電 橋 的 平 衡 和 正 常 工 作 狀 態(tài) 。r2r1r3 熱 電 阻 測 溫 電 橋 四 線 連 接 法 當 熱 電 阻 安 裝的 地 方 比 較 遠 ， 則其 導 線 電 阻 當 環(huán) 境溫 度 變 化 時 也 要 變化 ， 會 造 成 測 量 誤差 。 圖 中 R1、 R2、 R3為 固 定 電 阻 ， Rp為調 零 電 位 器 R1 R2R3E RtG Rp r1r2r3r4 其 它 熱 電 阻鐵/鎳熱電阻：電阻溫度系數比鉑和銅高，電阻率也較大，可做成體積小、靈敏度高的溫度計，但易氧化，不

11、宜提純且電阻與溫度非線性，僅用于-50100；用的較少。銦電阻：-269-258 ；測量精度高，靈敏度高，但重現性差。錳電阻：-271-210 ；靈敏度高，但脆性高，易損壞；炭電阻：-273-268.5 ；熱容量小，靈敏度高，價格低，易操作，但熱穩(wěn)定性較差。 8-2 熱 敏 電 阻 傳 感 器 熱 敏 電 阻 是 用 半 導 體 材料 制 成 的 熱 敏 器 件 ， 與 金 屬熱 電 阻 比 較 而 言 ， 具 有 溫 度系 數 高 ， 靈 敏 度 高 ， 熱 慣 性好 （ 適 宜 動 態(tài) 測 量 ） 但 其 穩(wěn)定 性 和 互 換 性 較 差 。 溫 度半 導 體熱 敏 電 阻電阻 鉑 熱 電

12、 阻 金 屬 的 電 阻 隨 溫 度 的 升 高 而增 大 ， 但 半 導 體 卻 相 反 ， 它的 電 阻 值 隨 溫 度 的 升 高 而 急劇 減 小 ， 并 呈 現 非 線 性 。一 、 工 作 原 理 半 導 體 這 種 溫 度 特 性 ， 是 因 為 半 導 體 的 導 電 方 式是 載 流 子 （ 電 子 、 空 穴 ） 導 電 。 由 于 半 導 體 中 載 流 子的 數 目 遠 比 金 屬 中 的 自 由 電 子 少 得 多 ， 所 以 它 的 電 阻率 很 大 。 隨 著 溫 度 的 升 高 ， 半 導 體 中 參 加 導 電 的 載 流子 數 目 就 會 增 多 ， 故 半

13、 導 體 導 電 率 就 增 加 ， 它 的 電 阻率 也 就 降 低 了 。 熱 敏 電 阻 正 是 利 用 半 導 體 的 電 阻 值 隨 溫 度 顯 著 變化 這 一 特 性 制 成 的 熱 敏 元 件 。 它 是 由 某 些 金 屬 氧 化 物按 不 同 的 配 方 比 例 燒 結 制 成 的 。 在 一 定 的 范 圍 內 ， 根據 測 量 熱 敏 電 阻 阻 值 的 變 化 ， 便 可 知 被 測 介 質 的 溫 度變 化 。 NTC熱 敏 電 阻 的 材 料 是 一 種 由 錳 （ Mn） 、 鎳（ Ni） 、 銅 （ Cu） 、 鈷 （ Co） 、 鐵 （ Fe） 等 金 屬氧

14、 化 物 按 一 定 比 例 混 合 燒 結 而 成 的 半 導 體 ， 改 變 混合 物 的 成 分 和 配 比 就 可 以 獲 得 測 溫 范 圍 、 阻 值 及 溫度 系 數 不 同 NTC熱 敏 電 阻 。 它 具 有 NTC熱 敏 電 阻 應 用 廣 泛 。二 、 熱 敏 電 阻 的 基 本 類 型 1、 NTC熱 敏 電 阻 根 據 熱 敏 電 阻 率 隨 溫 度 變 化 的 特 性 不 同 ， 熱 敏電 阻 基 本 可 分 為 三 種 類 型 。 2、 CTR熱 敏 電 阻 CTR熱 敏 電 阻 是 以 三 氧 化二 釩 與 鋇 、 硅 等 氧 化 物 ， 在 磷 、硅 氧 化

15、物 的 弱 還 原 氣 氛 中 混 合燒 結 而 成 ， 它 呈 半 玻 璃 狀 ， 具有 負 溫 度 系 數 。 通 常 ， CTR熱敏 電 阻 用 樹 脂 包 封 成 珠 狀 或 厚膜 形 使 用 ， 其 阻 值 在 1k 10M之 間 。 CTR熱 敏 電 阻 隨 溫 度 變 化的 特 性 屬 劇 變 型 ， 具 有 開 關 特性 ， 如 左 圖 所 示 。 當 溫 度 高 于居 里 點 T C時 ， 其 阻 值 會 減 小 到臨 界 狀 態(tài) ， 突 變 的 數 量 級 為 24。因 此 又 稱 這 類 熱 敏 電 阻 為 臨 界熱 敏 電 阻 。Tc溫 度 T（ ） 200150100

16、500103101105107 電 阻 率 （ .cm） 3、 PTC熱 敏 電 阻 T NTC10 6 200100010 1102103104105 107 溫 度 T（ ）電 阻 率 （ .cm） PTC熱 敏 電 阻 是 以 鈦 酸 鋇 摻 合稀 土 元 素 燒 結 而 成 的 半 導 休 陶 瓷 元件 ， 具 有 正 溫 度 系 數 。 其 溫 度 特 性曲 線 如 左 圖 所 示 ， 從 特 性 曲 線 上 可以 看 到 PTC熱 敏 電 阻 具 有 以 下 特 性 ： (1) 當 溫 度 低 于 居 里 點 TC時 ， 具 有半 導 體 特 性 ； (2) 當 溫 度 高 于 居

17、 里 點 TC時 ， 電 阻值 隨 溫 度 升 高 而 急 劇 增 大 ， 至 TN溫度 時 出 現 負 阻 現 象 ； (3) 具 有 通 電 瞬 間 產 生 強 大 電 流 而后 很 快 衰 減 的 特 性 。 基 于 PTC熱 敏 電 阻 的 特 性 ， 可 利用 其 自 控 作 用 ， 做 成 各 種 恒 溫 器 、限 流 保 護 元 件 或 溫 控 開 關 。 還 可 以用 PTC組 成 發(fā) 熱 元 件 ， 功 率 一 般 為幾 瓦 到 數 百 瓦 。 三 、 熱 敏 電 阻 的 伏 安 特 性 RT 溫 度 為 T時 電 阻 值 A與 材 料 和 幾 何 尺 寸 有 關 的 常 數

18、 B熱 敏 電 阻 常 數 （ 與 半 導 體 物 理 性 能 有 關 ） 若 已 知 T1和 T2時 電 阻 為 RT1和 RT2， 則 ： 1/1 B TTA R e 1 2 11 2 2T T TT T TR R RB lnR R R 將 熱 敏 電 阻 接 上 一 個 電 流 源 ， 并 在 它 兩 端 測 得 端 電 壓 ，可 得 到 熱 敏 電 阻 的 伏 安 特 性 。 V（ 電 壓 ）I a Im I（ 電 流 ）d0 a b c 曲 線 分 四 段 ， 0 a段 ： 電流 小 于 Ia， 功 耗 小 ， 電 流不 足 以 使 熱 敏 電 阻 發(fā) 熱 ，元 件 上 的 溫 度

19、基 本 是 環(huán) 境溫 度 。 此 時 熱 敏 電 阻 相 當于 一 個 固 定 電 阻 ， 電 壓 與電 流 之 間 符 合 歐 姆 定 律 。 a b段 ： 隨 著 電 流 增 加 ， 熱 敏 電 阻 功 耗 增 加 ， 導 致 電 流 加 熱 引起 熱 敏 電 阻 自 身 溫 度 超 過 環(huán) 境 溫 度 （ 介 質 溫 度 ） ， 其 阻 值 降 低 ，因 此 出 現 非 線 性 正 阻 區(qū) ， 電 流 增 長 速 度 阻 值 減 小 的 速 度 。 c d段 ： 隨 著 電 流 增 加 ， 為 Im時 ， 電 壓 達 到 最 大 值 ， 電 流 繼 續(xù)增 加 ， 熱 敏 電 阻 本 身

20、加 熱 更 為 劇 烈 ， 阻 值 迅 速 減 小 ， 阻 值 減 小 的速 度 大 于 電 流 增 加 的 速 度 ， 出 現 c d段 負 阻 區(qū) 。 0 a段 ： 正 常 使 用 熱 敏 電 阻 測 溫 時 。 c d段 ： 可 用 來 測 量 風 速 、 真 空 度 、 流 量 等 參 數 。 熱 敏 電 阻 非 線 性 嚴 重 ， 使 用 中 要 進 行 非 線 性 補償 。 在 硬 件 電 路 方 法 上 ， 采 用 溫 度 系 數 較 小 的 電 阻與 熱 敏 電 阻 串 、 并 聯 接 法 ， 使 得 熱 敏 電 阻 的 電 阻 溫 度 曲 線 變 為 平 坦 。 熱 敏 電

21、阻 的 特 點 電 阻 溫 度 系 數 大 ， 靈 敏 度 高 ； 形 狀 多 樣 ， 體 積 小 ， 熱 慣 性 小 ， 響 應 速 度 快 ； 電 阻 值 大 ， 遠 距 離 測 量 時 可 不 考 慮 導 線 電 阻 的影 響 ； 在 -50C350C范 圍 內 具 有 良 好 的 穩(wěn) 定 性 ； 阻 值 分 散 性 大 、 復 現 性 差 ； 非 線 性 大 ； 老 化 較 快 。 典 型 的 熱 敏 電 阻 元 件 有 圓 形 、 桿 形 和 珠 形 等 ，其 結 構 及 溫 度 特 性 如 圖 所 示 。 熱 敏 電 阻 的 結 構 實 物 圖 片 1.耗 散 系 數 ： 5mW/

22、2.熱 時 間 常 數 : 10S3.測 溫 范 圍 : -40 +110主 要 用 于 電 飯 鍋 等 烹 飪 用 具 。耐 高 溫 ， 反 應 快 而 精 確 ABS材 質 外 殼 ， PVC導 線 ,用于 電 冰 箱 、 冰 柜 。 耐 腐 防 潮 1.耗 散 系 數 ： 5mW/2.熱 時 間 常 數 : NB， 電 子 擴 散 的 結 果 使 導 體 A失 去 電 子 而 帶 正 電 ，導 體 B則 因 獲 得 電 子 而 帶 負 電 ， 在 接 觸 面 形 成 電 場 。 這 個電 場 阻 礙 了 電 子 繼 續(xù) 擴 散 ， 達 到 動 態(tài) 平 衡 時 ， 在 接 觸 區(qū) 形成 一

23、 個 穩(wěn) 定 的 電 位 差 ， 即 接 觸 電 動 勢 。(1) 接 觸 電 動 勢 BAAB NNekTTe ln其 大 小 可 表 示 為 ： 式 中 ： K波 爾 茲 曼 常 數 ， K 1.38 10-23 e 電 子 電 荷 量 e = 1.6 10-19C NA(NB)為 A(B)材 料 的 自 由 電 子 密 度 。( )ABe T AB T0T 接 觸 電 勢 0( )ABe T00 0( ) ln AAB BKT nT e T e n端 接 觸 電 勢 ： ( ) ln AAB BnKTT e T e n端 接 觸 電 勢 ： 同 一 導 體 中 的 ， 如 果 兩 端 溫

24、 度 不 同 ， 在 兩 端 間 會產 生 電 動 勢 ， 即 產 生 單 一 導 體 的 溫 差 電 動 勢 ， 這 是 由于 導 體 內 自 由 電 子 在 高 溫 端 具 有 較 大 的 動 能 ， 因 而 向低 溫 端 擴 散 的 結 果 。 高 溫 端 因 失 去 電 子 而 帶 正 電 ， 低溫 端 由 于 獲 得 電 子 而 帶 負 電 ， 在 高 低 溫 端 之 間 形 成 一個 電 位 差 。 溫 差 電 動 勢 的 大 小 與 導 體 的 性 質 和 兩 端 的溫 差 有 關 。(2) 溫 差 電 勢 00( , ) TA ATe T T dT A A材 料 的 湯 姆 遜

25、 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 ） AB T0T 溫 差 電 勢T T0 0( , )Ae T T0( , )Be TT (3) 回 路 總 電 勢 00 0( , ) TAAB A BTBK nE T T T T ln dTe n 回 路 接 觸 電 勢 回 路 溫 差 電 勢0( , )Be T T 0( , )Ae T T( )ABe T 0( )ABe Ta babEABE 賽貝克（Seebeck）效應AB T0T 總 溫 差 熱 電 勢T T0 0( , )Ae T T0( , )Be T T( )ABe T

26、0( )ABe T ABE 0 2 2( , ) 0 0 01( ) ( ) ; , /2AB t t AB ABe a t t b t t t t C 實 驗 結 果 ： 幾 點 討 論 如 果 組 成 熱 電 偶 的 兩 個 電 極 的 材 料 相 同 ， 即 使 是 兩 結 點 的溫 度 不 同 也 不 會 產 生 熱 電 勢 。 組 成 熱 電 偶 的 兩 個 電 極 的 材 料 雖 然 不 相 同 ， 但 是 兩 結 點 的溫 度 相 同 也 不 會 產 生 熱 電 勢 。 由 不 同 電 極 材 料 A、 B組 成 的 熱 電 偶 ， 當 冷 端 溫 度 T0 恒 定時 ， 產 生

27、 的 熱 電 勢 在 一 定 的 溫 度 范 圍 內 僅 是 熱 端 溫 度 T 的 單 值 函數 。 。存 在 二 次 項 ： )( 202 ttbAB 。相 同、 0)()(,0ln TTnnBA BABA .0)()(,0ln)(0 000 TT BABA dTTTnneTTTT 1、 中 間 導 體 定 律二 、 熱 電 偶 的 基 本 定 律 將 由 A、 B兩 種 導 體 組 成 的 熱 電 偶 的 冷 端 （ T0端 ） 斷開 而 接 入 的 三 種 導 體 C后 ， 只 要 冷 、 熱 端 的 T0 、 T 保 持不 變 ， 則 回 路 的 總 熱 電 勢 不 變 。B T 0

28、T A B T0T T0A C T T0 AB T0T( )ABe T 0( )ACe TT0C 0( )CBe T0( , )Be T T0( , )Ae T T 0 0( , )Ce T T0( , )Be TT0( , )Ae TT( )ABe T 0( )ACe Ta b 0( )CBe T00( , ) ( )TA ATAe T T T dT導 體 兩 端 的 電 勢 差 ： 00( , ) ( )TB BTBe T T T dT導 體 兩 端 的 電 勢 差 ：000 0( , ) ( ) 0TC CTCe T T T dT 導 體 兩 端 的 電 勢 差 ： 00 0 00( )

29、 ln( ) ln AAC CCCB BT nT e T e nT ne T e n端 接 觸 電 勢 ： ( ) ln AAB BnTT e T e n端 接 觸 電 勢 ： 000 0 0 0 00 0 0 00 00( , ) ( ) ( , ) ( ) ( ) ( , )( ) ( ) ( ) ( , ) ( , )ln ln ln ( ) ( )( ) ln ( ) ( )AB AB B AC CB AAB AC CB B ATA A C B ATB C BTA B ATBe T T e T e T T e T e T e T Te T e T e T e T T e T Tn n

30、nT T T T T dTe n e n e nnT T T T dTe n 此 定 律 具 有 特 別 重 要 的 實 用 意 義 ， 因 為 用 熱 電 偶 測 溫 時 必 須接 入 儀 表 (第 三 種 材 料 )， 根 據 此 定 律 ， 只 要 儀 表 兩 接 入 點 的 溫 度保 持 一 致 (T0 )儀 表 的 入 就 不 會 影 響 熱 電 勢 。 而 且 A、 B結 點 的 焊 接方 法 也 可 以 是 任 意 的 。 2、 參 考 電 極 定 律 （ 標 準 電 極 定 律 ）B T 0T A C T0T A B T0T C 如 果 兩 種 導 體 A、 B分 別 與 第

31、三 種 導 體 C所 組 成 的 熱 電 偶 所 產生 的 熱 電 勢 是 已 知 的 ， 則 這 兩 種 導 體 所 組 成 的 熱 電 偶 的 熱 電 勢 也是 已 知 的 ， 且 0 0 0, , ,AB AC BCe T T e T T e T T 根 據 此 定 律 ， 可 以 便 于 給 出 所 有 熱 電 偶 材 料 的 有關 參 數 ， 方 便 熱 電 偶 電 極 的 選 配 。 0 0 0 00 0 00 0 0 00 0 00 0 0( , ) ( ) ( ) ( , ) ( , )( ) ln ( , ) ( , )( , ) ( ) ( ) ( , ) ( , )( )

32、 ln ( , ) ( , ), , ( ) ln ln( ,AC AC AC C AA C ACBC BC BC C BB C BCA BAC BC C CCe T T e T e T e T T e T TnT T e T T e T Te ne T T e T e T e T T e T TnT T e T T e T Te nn ne T T e T T T T e n ne T T 0 0 0 00 0 0 0) ( , ) ( , ) ( , )( ) ln ( , ) ( , ) ,A C BA B A ABBe T T e T T e T TnT T e T T e T T e

33、 T Te n 證 明 ： B T0T A C T0T A B T0T C 0 0 0, , ,AB AC BCe T T e T T e T T 3、 中 間 溫 度 定 律B T0T A B T1T A B T0T1 A 這 是 中 間 溫 度 定 律 ， 因 為 熱 電 勢 與 兩 個 結 的 溫度 有 關 ， 要 測 得 某 一 結 所 處 的 溫 度 ， 則 另 一 個 結 必須 0 ， 而 實 際 上 這 樣 的 條 件 是 難 辦 到 的 ； 但 只 要測 得 （ E表 示 熱 電 勢 ， A、 B表 示 兩 種 不 同 金 屬 ，T、 T 1表 示 兩 個 結 處 在 T、 T

34、1溫 度 下 ） ， 并 且 可 測 得T1， 則 可 以 查 表 確 定 ， 用 與 的 和 ， 便可 確 定 T處 溫 度 。 1,ABT TE 1,0ABTE 1,ABT TE 1,0ABTE 對 電 極 材 料 的 要 求 ： 在 同 樣 的 溫 差 下 產 生 的 熱 電 勢 大 ， 且 其 熱 電 勢 與溫 度 之 間 呈 線 性 或 近 似 線 性 的 單 值 函 數 關 系 ； 耐 高 溫 ， 抗 輻 射 性 能 好 ， 在 較 寬 的 范 圍 內 性 能 穩(wěn)定 ； 電 導 率 高 、 電 阻 溫 度 系 數 和 比 熱 容 小 ； 復 制 性 和 工 藝 性 好 ， 價 格

35、低 廉 。 三 、 常 用 的 熱 電 偶熱 電 偶 名 稱 分 度 號 極 性 化 學 成 分 100 時電 勢(mV) 使 用 溫 度 允 許 誤 差長 期 短 期 ( )鉑 銠 10 鉑 LB-3 正 Pt90%Rh10% 0.643 1300 1600 600 600負 Pt100% 2.4 0.4%t鉑 銠 30 鉑 銠 6 LL2 正 Pt70%Rh30% 0.034 1600 1800 600 600負 Pt94%Rh6% 3 0.5%t鎳 鉻 鎳 硅 EU-2 正 Cr910%Si0.4%Ni90% 4.10 1000 1200 400 400負 Si2.53.0%Co0.6%

36、Ni97% 4 0.75%t 鎳 鉻 考 銅 EA-2 正 Cr910%Si0.4%Ni90% 6.95 600 800 400 400負 Cu5657%Ni4344% 4 1%t銅 康 銅 正 Cu100% 4.26 200 300 -200-400 -40400負 Cu55%Ni45% 2%t 0.75% 2021-5-5 54 幾 種 常 用 熱 電 偶 的 熱 電 勢 與 溫 度 的關 系 曲 線 分 析 哪 幾 種 熱電 偶 的 測 溫 上限 較 高 ？ 結 論 ： 哪 幾 種 熱 電偶 的 線 性 較 差 ？ 哪 一 種 熱 電偶 的 靈 敏 度 較 高 ？ 哪 一 種 熱 電偶

37、的 靈 敏 度 較 低 ？為 什 么 所 有 的 曲 線 均 過 原 點 （ 零 度 點 ） ？ K熱 電 偶的 分 度 表 比 較查 出 的 3個熱 電 勢 ，可 以 看 出熱 電 勢 是否 線 性 ？ 非 標 準 化 的 熱 電 偶 鐵 康 銅 熱 電 偶 ： 靈 敏 度 高 高 溫 熱 電 偶 ： 鎢 錸 系 熱 電 偶 ， 測 溫 上 限 可 達 2450攝 氏 度 低 溫 熱 電 偶 ： 銅 銅 錫 0.005可 測 -271-243攝 氏 度的 低 溫 ； 鎳 鉻 鐵 金 0.03可 測 -269-0攝 氏 度 按 結 構 分 類 普 通 型 按 結 構 分 類 鎧 裝 型 按 結

38、 構 分 類 隔 爆 型 四 、 熱 電 偶 的 使 用1、 冷 端 溫 度 補 償 及 修 正 在 實 際 使 用 時 ， 由 于 熱 電 偶 的 熱 端 （ 測 量 端 ） 與 冷 端 離 的 很 近 ， 冷 端 又 暴 露 于 空 間 ， 容 易 受 到 環(huán) 境 溫 度 的 影 響 ， 因 而 冷 端 溫 度 很 難 保 持 恒 定 。 為 此 需 要 進 行 溫 度 補 償 。 由 熱 電 偶 測 溫 原 理 可 知 ， 只 有 當 熱 電 偶 的 冷 端 溫 度 保 持 不 變 ， 熱 電 勢 才 是 被 測 溫 度 的 單 值 函 數 。 工 程 技 術 上 使 用 的 熱 電 偶

39、 分 度 表 和 根 據 分 度 表 刻 劃 的 測 溫 顯 示 儀 表 的 刻 度 都 是 根 據 冷 端 溫 度 為 0 而 制 作 的 。 （ 1） 0 恒 溫 法 將 熱 電 偶 的 冷 端 置 于 冰 水 混 合 物 中 ， 保 證 冷 端 溫 度 恒定 為 0 。 根 據 熱 電 偶 測 得 的 輸 出 熱 電 勢 ， 再 查 找 該 熱 電 偶的 分 度 表 ， 即 可 得 到 測 量 端 的 溫 度 。 （ 2） 熱 電 勢 修 正 法 在 實 際 使 用 中 ， 使 冷 端 保 持 在 0 很 不 方 便 ， 有時 也 使 冷 端 保 持 在 某 一 恒 定 的 溫 度 Tn

40、， 這 種 情 況 下采 取 熱 電 勢 修 正 法 。 EAB(T,T0)=EAB(T,Tn)+EAB(Tn,T0) EAB (T,Tn) 實 測 值 ； EAB(Tn,T0) 冷 端 為 0 時 ， 工 作 端 為 Tn區(qū) 段 熱電 勢 ， 可 查 分 度 表 得 到 ， 即 為 修 正 法 。 （ 3） 電 橋 補 償 法 電 橋 補 償 法 是 利 用 不 平 衡 電 橋 產 生 的 電 勢 來 補 償熱 電 偶 因 冷 端 溫 度 不 在 0 時 引 起 的 熱 電 勢 變 化 值 ，在 熱 電 偶 與 測 溫 儀 表 之 間 串 接 一 個 直 流 不 平 衡 電 橋 ，電 橋 中

41、 的 R1、 R2、 R3、 由 電 阻 溫 度 系 數 很 小 的 錳 銅絲 制 作 ， 另 一 橋 臂 的 RT由 溫 度 系 數 較 大 的 銅 線 繞 制 。 電 橋 的 4個 電 阻 均 和 熱 電 偶 冷 端 處 在 同 一 環(huán) 境 溫度 ， 但 由 于 RT的 阻 值 隨 環(huán) 境 溫 度 變 化 而 變 化 ， 使 電橋 產 生 的 不 平 衡 電 壓 的 大 小 和 極 性 隨 著 環(huán) 境 溫 度 的 變化 而 變 化 ， 從 而 達 到 自 動 補 償 的 目 的 。補償原理 (4)、 冷 端 延 長 線 工 業(yè) 應 用 時 ， 被 測 點 與 指 示 儀 表 之 間 往 往

42、有 很 長 的 距 離 ， 這 就 要 求 熱 電 偶 有 較 長 的 尺 寸 ，但 由 于 熱 電 偶 材 料 較 貴 ， 熱 電 偶 尺 寸 不 能 過 長 ，所 以 冷 端 （ 即 接 儀 表 端 ） 常 常 不 能 放 到 任 意 點上 去 ； 且 冷 端 溫 度 不 可 能 恒 定 ， 是 波 動 的 ， 為解 決 這 一 問 題 ， 采 用 冷 端 延 長 線 （ 或 稱 冷 端 補償 導 線 ） 。 所 謂 延 長 線 實 際 上 是 把 在 一 定 溫 度 范 圍 內 （ 一 般為 0 100 ） 與 熱 電 偶 具 有 相 同 熱 電 特 性 的 兩 種 較 長金 屬 導 線

43、 與 熱 電 偶 配 接 。 它 的 作 用 是 將 熱 電 偶 冷 端 移至 離 熱 源 較 遠 并 且 環(huán) 境 溫 度 較 穩(wěn) 定 的 地 方 ， 從 而 消 除冷 端 溫 度 變 化 帶 來 的 影 響 ， 即 該 補 償 導 線 所 產 生 的 熱電 勢 等 于 工 作 熱 電 偶 在 此 溫 度 范 圍 內 產 生 的 熱 電 勢 。 BABT T0TNTN A冷 端 延 長 線 連 接 示 意 圖 回 路 總 電 勢 為 : Ec=EAB(T,Tn)+EAB(Tn,T0)=EAB(T,T0) 上 式 證 明 了 回 路 中 總 電 勢 等 于 EAB(T,T0)， 相當 于 冷 端

44、 直 接 延 伸 到 了 溫 度 為 T0處 ， 但 并 不 能 消除 冷 端 溫 度 不 為 0 時 產 生 的 影 響 ， 應 用 前 面 介 紹的 修 正 方 法 把 冷 端 修 正 到 0 。 應 用 延 長 線 應 注 意 ： 延 長 線 只 能 與 相 應 型 號 的 熱 電 偶 配 用 ， （ 專 用 ） ； 注 意 極 性 ， 不 能 接 反 （ 否 則 會 造 成 更 大 的 誤 差 ） ； 延 長 線 和 熱 電 偶 連 接 處 ， 兩 結 點 溫 度 必 須 相 同 。熱 電 偶 補 償 導 線 熱 端 為 100 。 冷端 為 0 時 的 標 準熱 電 勢 (mV)正

45、極 負 極材 料 顏 色 材 料 顏 色鉑 銠 鉑鎳 鉻 鎳 硅鎳 鉻 考 銅鐵 考 銅銅 康 銅 銅銅鎳 、 鉻鐵銅 紅紅褐 、 綠白紅 鎳 銅康 銅考 銅考 銅康 銅 白白白白白 0.64土 0.034. 10士 0. 156.95士 0. 305 .75土 0.254. 10土 0.15 補 償 導 線 1. 熱 電 偶 的 測 溫 線 路u冷 端 溫 度 相 同u熱 電 動 勢 與 溫 度 呈 線 性 關 系注 意 ：五 、 熱 電 偶 測 溫 線 路 五 、 熱 電 偶 測 溫 線 路1、 熱 電 偶 直 接 與 指 示 儀 表 配 用 把 n支 相 同 型 號 的 熱 電 偶 依

46、次 將 正 、 負 極 相 連 接 ，則 線 路 的 總 電 勢 為 ： EG=E1+E2+ En=nE 串 聯 線 路 中 配 用 的 儀 表 ， 按 EG T刻 度 。 若 每 支 熱 電 偶 的 絕 對 誤 差 分 別 為 E1、 E2、 E3 En， 則 整 個 串 聯 線 路 的 絕 對 誤 差 ： 2 2 21 2G nE E E E 如 果 E1 E2 En E， 則 ：GE n E 串 聯 線 路 的 相 對 誤 差 為 ： 1GnE n E EE nE En 可 見 串 聯 線 路 的 相 對 誤 差 為 單 支 熱 電 偶 相 對 誤 差的 倍 。 1 n 測 兩 點 間

47、的 溫 差 21 020221 0201, , ,ttE ttEttEttE ttEttEEAB ABABAB ABAB 8-4 熱 釋 電 紅 外 傳 感 器 當 一 些 晶 體 受 熱 時 ， 在 晶 體 兩 端 將 會 產 生 數 量 相 等 而 符 號相 反 的 電 荷 ， 這 種 由 于 熱 變 化 產 生 的 電 極 化 現 象 ， 被 稱 為 熱 釋電 效 應 。 通 常 ， 晶 體 自 發(fā) 極 化 所 產 生 的 束 縛 電 荷 被 來 自 空 氣 中 附集 在 晶 體 外 表 面 的 自 由 電 子 所 中 和 ， 其 自 發(fā) 極 化 電 矩 不 能 顯 示出 來 。 當 溫

48、 度 變 化 時 ， 晶 體 結 構 中 的 正 負 電 荷 重 心 產 生 相 對 位移 ， 晶 體 自 發(fā) 極 化 值 就 會 發(fā) 生 變 化 ， 在 晶 體 表 面 就 會 產 生 電 荷耗 盡 。 能 產 生 熱 釋 電 效 應 的 晶 體 稱 為 熱 釋 電 體 ， 又 稱 為 熱 電 元件 。 熱 電 元 件 常 用 的 材 料 有 單 晶 (LiTa03等 ） 、 壓 電 陶 瓷 (PZT等 ） 及 高 分 子 薄 膜 （ PVFZ等 ） 。一 、 熱 釋 電 效 應 如 果 在 熱 電 元 件 兩 端 并 聯 上 電 阻 ， 當 元 件 受熱 時 ， 電 阻 上 就 有 電 流

49、 流 過 ， 在 電 阻 兩 端 也 能 得到 電 壓 信 號 。 這 里 所 說 的 熱 釋 電 紅 外 傳 感 器 是 指 利 用 熱 電元 件 的 熱 釋 電 效 應 探 測 人 體 用 的 紅 外 傳 感 器 。 它適 用 于 防 盜 報 警 、 來 客 告 知 及 非 接 觸 開 關 等 紅 外領 域 。 二 、 熱 釋 電 紅 外 傳 感 器 熱 釋 電 紅 外 傳 感 器 結 構 圖 濾 光 片 的 光 譜 特 性 熱 釋 電 紅 外 傳 感 器 的 視 野 特 性 熱 釋 電 紅 外 傳 感 器 主 要 由 外 殼 、 濾 光 片 、 熱電 元 件 PZT、 結 場 效 應 管

50、 FET、 電 阻 、 二 極 管 等組 成 。 其 中 濾 光 片 設 置 在 窗 口 處 ， 組 成 紅 外 線 通過 的 窗 口 。 濾 光 片 為 6m多 層 膜 干 涉 濾 光 片 ， 這種 濾 光 片 對 于 太 陽 光 和 熒 光 燈 光 的 短 波 長 （ 約 5 m以 下 ） ， 具 有 高 的 反 射 率 ， 而 對 6 m以 上 的 從人 體 發(fā) 出 來 的 紅 外 線 熱 源 (10 m )， 有 高 的 穿 透性 。 阻 抗 變 換 用 的 結 場 效 應 管 FET和 電 路 元 件 放置 在 管 底 部 分 。 熱 電 元 件 選 用 PZT壓 電 陶 瓷 ， 其

51、居 里 點 高 不 會 造 成 因 環(huán) 境 溫 度 過 高 而 影 響 其 輸 出性 能 ， PZT材 料 也 適 合 批 量 生 產 ， 成 本 低 ， 且 可靠 性 高 。 型 號 P228 LS-064 LHI958典 型 噪 聲 值 （ mV峰 峰 ) 80 80 20響 應 性 （ V/W) 6500 3300 3500窗 口 光 頗 響 應 （ m) 715 814工 作 電 壓 （ V） 315 2.215 315失 調 電 壓 (V) 0.4 0.7 1.0工 作 溫 度 ( ) -4060 -3070 -4070保 存 溫 度 （ ） -55125 -4080 -4080元

52、件 尺 寸 （ mm) 2 1 2 1 2 1封 裝 形 式 TO5 TO5 TO5幾 種 常 見 探 測 人 體 用 的 熱 釋 電 紅 外 傳 感 器 的 主 要 技 術 指 標 除 了 探 測 人 體 使 用 的 熱 釋 電 紅 外 傳 感 器 外 ， 還有 供 測 溫 使 用 的 熱 釋 電 紅 外 傳 感 器 ， 其 工 作 電 壓 為315V， 電 壓 靈 敏 度 在 3Hz時 為 70V/W， 響 應 波 長范 圍 為 215m， 測 溫 范 圍 可 達 -801500 。三 、 熱 釋 電 紅 外 探 測 模 塊 熱 釋 電 紅 外 探 測 模 塊 是 一 個 將 熱 釋 電

53、紅 外 傳感 器 、 放 大 器 、 信 號 處 理 電 路 、 延 時 電 路 和 高 低電 平 輸 出 電 路 集 成 于 一 體 的 新 器 件 。 它 具 有 靈 敏度 高 、 抗 干 擾 能 力 強 、 耐 低 溫 （ -30 ） 及 使 用 方便 等 特 點 ， 主 要 用 來 探 測 人 體 發(fā) 射 出 的 紅 外 線 能量 ， 適 用 于 人 體 移 動 的 探 測 報 警 系 統 。 HN 911型 熱 釋 電 紅 外 探 測 模 塊 的 外 形 圖 HN911模 塊 電 路 框 圖 平 時 ， 1端 輸 出 低 電 平 ， 2端 輸 出 高 電 平 。 當 有移 動 發(fā) 熱

54、 體 進 入 監(jiān) 視 范 圍 時 ， 熱 釋 電 紅 外 傳 感 器 接受 到 紅 外 能 量 ， 并 輸 出 檢 測 信 號 。 該 信 號 經 放 大 器放 大 ， 由 比 較 器 進 行 比 較 判 斷 ， 再 由 信 號 處 理 電 路處 理 后 輸 出 控 制 信 號 。 此 時 ， 輸 出 端 1變 為 高 電 平 ，輸 出 端 2變 為 低 電 平 。 在 模 塊 的 外 部 ， 可 接 增 益 調節(jié) 電 位 器 ， 以 調 節(jié) 放 大 器 的 增 益 。 放 大 器 具 有 溫 度補 償 功 能 ， 其 主 要 作 用 是 當 環(huán) 境 溫 度 增 高 或 背 景 紅外 輻 射 能 量 增 加 時 ， 可 使 放 大 器 的 增 益 隨 著 它 們 的增 高 而 自 動 提 升 ， 從 而 保 證 整 個 電 路 工 作 的 穩(wěn) 定 性 。測量原理 返 回中 間 導 體 定 律 應 用