傳感器與檢測(cè)技術(shù)2溫度的測(cè)量及溫度傳感器

1、傳感器與檢測(cè)技術(shù),王宏,2013年09月http:/,http:/,主要內(nèi)容,http:/,溫度是國(guó)際單位制給出的基本物理量之一，它是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)試驗(yàn)中需要經(jīng)常測(cè)量和控制的主要參數(shù)； 從熱平衡的觀點(diǎn)看，溫度可以作為物體內(nèi)部分子無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)劇烈程度的標(biāo)志； 溫度與人們?nèi)粘Ｉ罹o密相關(guān),http:/,溫標(biāo),為了保證溫度量值的準(zhǔn)確和利于傳遞，需要建立一個(gè)衡量溫度的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)尺度，即溫標(biāo)。 利用一些物質(zhì)的某些物性(諸如尺寸、密度、硬度、彈性模量、輻射強(qiáng)度等)隨溫度變化的規(guī)律，通過(guò)這些量來(lái)對(duì)溫度進(jìn)行間接測(cè)量,http:/,經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo),華氏溫標(biāo) 1714年德國(guó)人法勒海特(Fahr

2、enheit)以水銀為測(cè)溫介質(zhì)，制成玻璃水銀溫度計(jì)。 按照華氏溫標(biāo)，則水的冰點(diǎn)為32，沸點(diǎn)為212,http:/,攝氏溫標(biāo) 1740年瑞典人攝氏(Celsius)提出在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，把水的冰點(diǎn)規(guī)定為0度，水的沸點(diǎn)規(guī)定為100度。 攝氏溫度和華氏溫度的關(guān)系為 T = t + 32 (6-1) 式中 T華氏溫度值; t攝氏溫度值,http:/,熱力學(xué)溫標(biāo),熱力學(xué)溫標(biāo)是由開爾文(Ketvin)在1848年提出的，以卡諾循環(huán)(Carnot cycle)為基礎(chǔ)。 熱力學(xué)溫標(biāo)是國(guó)際單位制中七個(gè)基本物理單位之一。 熱力學(xué)溫標(biāo)為了在分度上和攝氏溫標(biāo)相一致，把理想氣體壓力為零時(shí)對(duì)應(yīng)的溫度絕對(duì)零度與水的三相點(diǎn)溫度

3、分為27316份，每份為1 K (Kelvin),http:/,測(cè)溫方法分類及其特點(diǎn),根據(jù)傳感器的測(cè)溫方式，溫度基本測(cè)量方法通常可分成接觸式和非接觸式兩大類。 接觸式溫度測(cè)量 非接觸式溫度測(cè)量,http:/,http:/,接觸式溫度測(cè)量,測(cè)溫精度相對(duì)較高，直觀可靠及測(cè)溫儀表價(jià)格相對(duì)較低； 由于感溫元件與被測(cè)介質(zhì)直接接觸，從而要影響被測(cè)介質(zhì)熱平衡狀態(tài)，而接觸不良則會(huì)增加測(cè)溫誤差；被測(cè)介質(zhì)具有腐蝕性及溫度太高亦將嚴(yán)重影響感溫元件性能和壽命等缺點(diǎn),http:/,非接觸式溫度測(cè)量,感溫元件不與被測(cè)對(duì)象直接接觸，而是通過(guò)接受被測(cè)物體的熱輻射能實(shí)現(xiàn)熱交換，據(jù)此測(cè)出被測(cè)對(duì)象的溫度; 非接觸式測(cè)溫具有不改變被

4、測(cè)物體的溫度分布，熱慣性小，測(cè)溫上限可設(shè)計(jì)得很高，便于測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體的溫度和快速變化的溫度等優(yōu)點(diǎn),http:/,各類溫度檢測(cè)方法構(gòu)成的測(cè)溫儀表的大體測(cè)溫范圍,http:/,熱電偶是工業(yè)和裝備試驗(yàn)中溫度測(cè)量應(yīng)用最多的器件，它的特點(diǎn)： 測(cè)溫范圍寬 測(cè)量精度高 性能穩(wěn)定 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 且動(dòng)態(tài)響應(yīng)較好 輸出直接為電信號(hào)，可以遠(yuǎn)傳，便于集中檢測(cè)和自動(dòng)控制,http:/,2.2.1 熱電偶測(cè)溫原理,1、熱電效應(yīng),塞貝克效應(yīng)（1821/德國(guó)） 兩種不同金屬導(dǎo)線組成一閉合回路，若兩接頭處維持一溫差，回路中就有電流和電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生,http:/,2. 珀?duì)柼?yīng),將同溫度的兩種不同的金屬互相接觸，由于不同金屬內(nèi)自由電子的

5、密度不同，在它們的接點(diǎn)處會(huì)產(chǎn)生接觸電動(dòng)勢(shì),冷端接觸電動(dòng)勢(shì),熱端接觸電動(dòng)勢(shì),2、兩種導(dǎo)體的接觸電勢(shì),http:/,3. 湯姆遜效應(yīng),同一種導(dǎo)體因其兩端的溫度不同會(huì)產(chǎn)生溫差電勢(shì),導(dǎo)體A溫差電動(dòng)勢(shì),導(dǎo)體B溫差電動(dòng)勢(shì),4. 回路總電勢(shì),http:/,當(dāng)熱電偶導(dǎo)體A和B材料一定時(shí)，回路總電動(dòng)勢(shì)成為熱端和冷端的溫度的函數(shù)。在實(shí)際測(cè)溫中，把冷端置于某一恒溫下，此時(shí)冷端接觸電勢(shì)為一常數(shù)，回路總電勢(shì)僅決定于熱端接觸電勢(shì)，即只與熱端溫度有關(guān)，兩者之間是單值的函數(shù)關(guān)系,則,當(dāng),http:/,4.熱電偶的基本定律,中間導(dǎo)體定律 當(dāng)插入第三種金屬時(shí)，只要兩端溫度相同，就不會(huì)使熱電偶的電動(dòng)勢(shì)發(fā)生變化,圖54 中間導(dǎo)體定律

6、,http:/,熱電偶在接觸點(diǎn)溫度為T,T0時(shí)的回路電勢(shì)，等于該熱電偶在接觸點(diǎn)溫度為T,Tn和Tn，T0時(shí)回路電勢(shì)之代數(shù)和,EAB（T,T0）EAB（T,Tn）+EAB（Tn，T0） 若T00，則有 EAB（T，0）EAB（T，Tn）+EAB（Tn，0,中間溫度定律,http:/,金屬A和B之間的電動(dòng)勢(shì)等于金屬A、C和C、B組成熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)之和。（C為標(biāo)準(zhǔn)電極）（如圖2-8）所示,導(dǎo)體C被稱為標(biāo)準(zhǔn)電極，通常用純鉑（Pt）作標(biāo)準(zhǔn)電極,參考電極定律,http:/,熱電偶分類及特性,為了得到實(shí)用性好，性能優(yōu)良的熱電偶，其熱電極材料需具有以下性能： (1)優(yōu)良的熱電特性； (2)良好的物理性能 ；

7、 (3)優(yōu)良的化學(xué)性能 ； (4)優(yōu)良的機(jī)械性能 ； (5)足夠的機(jī)械強(qiáng)度和長(zhǎng)的使用壽命； (6)制造成本低，價(jià)值比較便宜,2.2.2熱電偶結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)形式及材料,http:/,普通工業(yè)用熱電偶 熱電偶通常主要由四部分組成 (如圖6-12所示)：熱電極、絕緣管、保護(hù)管和接線盒,http:/,http:/,鎧裝熱電偶 鎧裝熱電偶又稱套管熱電偶。它是由熱電偶絲、 絕緣材料和金屬套管三者經(jīng)拉伸加工而成的堅(jiān)實(shí)組合體, 如圖 2-10所示。它可以做得很細(xì)很長(zhǎng), 使用中隨需要能任意彎曲。鎧裝熱電偶的主要優(yōu)點(diǎn)是測(cè)溫端熱容量小, 動(dòng)態(tài)響應(yīng)快, 機(jī)械強(qiáng)度高, 撓性好, 可安裝在結(jié)構(gòu)復(fù)雜的裝置上, 因此被廣泛用在許多

8、工業(yè)部門中,http:/,http:/,3)薄膜熱電偶 薄膜熱電偶是由兩種薄膜熱電極材料, 用真空蒸鍍、 化學(xué)凃?qū)拥绒k法蒸鍍到絕緣基板上面制成的一種特殊熱電偶, 如圖 1 - 10 所示。 薄膜熱電偶的熱接點(diǎn)可以做得很?。杀〉?.010.1m）, 具有熱容量小, 反應(yīng)速度快等的特點(diǎn), 熱相應(yīng)時(shí)間達(dá)到微秒級(jí), 適用于微小面積上的表面溫度以及快速變化的動(dòng)態(tài)溫度測(cè)量,http:/,4.熱電偶的組成材料及分度表,分度表：熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)與溫度的關(guān)系表,http:/,http:/,1.熱電偶測(cè)溫基本電路,a 熱電偶測(cè)一點(diǎn)溫度,2.2.3熱電偶測(cè)溫及溫度補(bǔ)償,http:/,測(cè)量?jī)牲c(diǎn)溫度差,b 熱電偶測(cè)兩

9、點(diǎn)溫差(串聯(lián),http:/,測(cè)多點(diǎn)溫度的平均值,與熱電偶相配套的測(cè)量與顯示儀表： 毫伏計(jì)、電子電位差計(jì)、數(shù)字測(cè)溫指示儀,http:/,2. 熱電偶冷端溫度補(bǔ)償,為什么要進(jìn)行冷端溫度補(bǔ)償？ 1.在測(cè)溫時(shí)，冷端溫度T0隨著環(huán)境溫度變化，因而產(chǎn)生測(cè)量誤差，故應(yīng)采取補(bǔ)償措施,2.分度表是在T00時(shí)測(cè)得的，使用時(shí)，只有滿足T00的條件才能使用分度表,http:/,常用的修正或補(bǔ)償方法,1）冰浴法,2）冷端溫度修正法,EAB（T，0）EAB（T，Tn）+EAB（Tn，0,將熱電偶冷端置于冰水中，使冷端保持恒定的0，它可以使冷端溫度誤差完全消失,http:/,3）冷端補(bǔ)償器法（電橋補(bǔ)償法,利用不平衡電橋產(chǎn)生

10、的電勢(shì)來(lái)補(bǔ)償熱電偶因冷端溫度變化而引起的熱電勢(shì),圖5 電橋補(bǔ)償示意圖,令UabEAB（T0,得U0EAB（T）EAB（20,U0EAB（T）EAB（T0）+EAB（T0）+Uab,http:/,4）延伸導(dǎo)線法,5）采用不需要冷端補(bǔ)償?shù)臒犭娕?冷端溫度在300以下的鎳鈷鎳鋁熱電偶，50以下的鎳鐵鎳銅熱電偶及鉑銠30鉑銠6熱電偶,http:/,6）補(bǔ)正系數(shù)修正法,工程上經(jīng)常采用補(bǔ)正系數(shù)實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償。 設(shè)工作端溫度為T1，冷端溫度為T0，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際溫度為T，則 TT1+kT0 （513） 式中k為熱電偶溫度修正系數(shù)，其值決定于熱電偶種類和被測(cè)的溫度范圍,7）用集成溫度傳感器AD590作為冷端補(bǔ)償元件,ht

11、tp:/,8）冷端溫度的智能補(bǔ)償,利用單片機(jī)或計(jì)算機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)溫度監(jiān)測(cè)、控制、誤差修正與冷端溫度補(bǔ)償一體化和智能化,溫度檢測(cè)系統(tǒng),http:/,基于熱電阻原理測(cè)溫是根據(jù)金屬導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻值隨溫度變化的性質(zhì)，將電阻值的變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，從而達(dá)到測(cè)溫的目的。 用于制造熱電阻的材料，要求電阻率、電阻溫度系數(shù)要大，熱容量、熱慣性要小，電阻與溫度的關(guān)系最好近于線性。 熱電阻測(cè)溫的優(yōu)點(diǎn)是信號(hào)靈敏度高、易于連續(xù)測(cè)量、可以遠(yuǎn)傳、無(wú)需參比溫度；金屬熱電阻穩(wěn)定性高、互換性好、準(zhǔn)確度高，可以用作基準(zhǔn)儀表。 熱電阻主要缺點(diǎn)是需要電源激勵(lì)、有（會(huì)影響測(cè)量精度）自熱現(xiàn)象以及測(cè)量溫度不能太高,http:/,1.鉑電阻的

12、電阻-溫度特性,鉑電阻(IEC)的電阻率較大，電阻溫度關(guān)系呈非線性，但測(cè)溫范圍廣，精度高，且材料易提純，復(fù)現(xiàn)性好；在氧化性介質(zhì)中，甚至高溫下，其物理、化學(xué)性質(zhì)都很穩(wěn)定。 目前工業(yè)用鉑電阻分度號(hào)為Pt100和Pt10，其中Pt100更為常用。 當(dāng) 時(shí) 當(dāng)時(shí),2.3.1 熱電阻的溫度特性,http:/,式中Rt和R0分別為t和0時(shí)鉑電阻值; A、 B和C為常數(shù)。 在ITS-90 中, 這些常數(shù)規(guī)定為: A=3.9684710-3/ B=-5.84710-7/2 C=-4.2210-12/4 從上式看出, 熱電阻在溫度t時(shí)的電阻值與R0 有關(guān)。目前我國(guó)規(guī)定工業(yè)用鉑熱電阻有R0=10和R0=100兩種

13、, 它們的分度號(hào)分別為Pt10和Pt100, 其中以Pt100為常用。鉑熱電阻不同分度號(hào)亦有相應(yīng)分度表, 即Rt-t 的關(guān)系表, 這樣在實(shí)際測(cè)量中, 只要測(cè)得熱電阻的阻值Rt, 便可從分度表上查出對(duì)應(yīng)的溫度值。 Pt100的分度表見(jiàn)下表,Pt100,http:/,http:/,2.銅電阻的電阻-溫度特性,銅電阻 銅電阻(WZC)的電阻值與溫度的關(guān)系幾乎呈線性，其材料易提純，價(jià)格低廉；但因其電阻率較低（僅為鉑的1/2左右）而體積較大，熱響應(yīng)慢；另因銅在250以上溫度本身易于氧化，故通常工業(yè)用銅熱電阻（分度號(hào)分別為Cu50和Cul00）一般其工作溫度范圍為-40120。其電阻值與溫度的關(guān)系為： 當(dāng)

14、時(shí),http:/,2.3.2熱電阻傳感器的結(jié)構(gòu),http:/,http:/,http:/,集成溫度傳感器AD590,美國(guó)AD公司于70年代末推出體積僅同一只小功率高頻晶體管大小的集成化半導(dǎo)體溫度傳感器AD590,半導(dǎo)體AD590,http:/,基本溫度測(cè)量,http:/,特點(diǎn) 外接線非常簡(jiǎn)單(僅兩根)，使用十分方便； 內(nèi)有穩(wěn)壓和恒流電路，對(duì)外接電壓要求非常低； 非線性誤差較??； 使用溫度范圍為一50150； 它具有良好的互換性； 采用上圖所示的電路，可以把AD590輸出的電流信號(hào)方便地轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào),http:/,半導(dǎo)體電阻隨溫度變化的典型特性分為三種類型，即負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻（NTC）、正溫

15、度系數(shù)熱敏電阻（PTC）和在某一特定溫度下電阻值會(huì)發(fā)生突變的臨界溫度電阻器（CTC,http:/,熱敏電阻圖示,http:/,非線性,http:/,熱敏電阻的優(yōu)點(diǎn)： 靈敏度高，其靈敏度比熱電阻要大12個(gè)數(shù)量級(jí)； 很好地與各種電路匹配，而且遠(yuǎn)距離測(cè)量時(shí)幾乎無(wú)需考慮連線電阻的影響； 體積??； 熱慣性小，響應(yīng)速度快，適用于快速變化的測(cè)量場(chǎng)合； 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單堅(jiān)固，能承受較大的沖擊、振動(dòng),http:/,熱敏電阻的主要缺點(diǎn)： 阻值與溫度的關(guān)系非線性嚴(yán)重； 元件的一致性差，互換性差； 元件易老化，穩(wěn)定性較差； 除特殊高溫?zé)崦綦娮柰?，絕大多數(shù)熱敏電阻僅適合0150范圍，使用時(shí)必須注意,http:/,溫度傳感器是應(yīng)

16、用較廣泛的傳感器之一,http:/,NTC廣泛用于通信、軍事、航空、航天、醫(yī)療、汽車電子、自動(dòng)化設(shè)施的溫度計(jì)、控溫儀等裝置,高溫NTC傳感器則用于汽車等發(fā)動(dòng)機(jī)排氣檢測(cè)、工業(yè)過(guò)程控制、電熱炊具、煤氣系統(tǒng)、空調(diào)、暖氣系統(tǒng)、賓館與住宅防火報(bào)警系統(tǒng)，以及復(fù)印機(jī)、打印機(jī)等辦公自動(dòng)化設(shè)施,PTC也可用于工業(yè)自動(dòng)化、汽車等領(lǐng)域的液位計(jì)、溫度測(cè)控儀和報(bào)警器,1、熱敏電阻傳感器的應(yīng)用,http:/,電動(dòng)機(jī)過(guò)熱保護(hù)裝置中的應(yīng)用,電動(dòng)機(jī)過(guò)熱保護(hù)裝置,http:/,熱敏電阻的應(yīng)用,http:/,2 AD590集成溫度傳感器應(yīng)用實(shí)例 AD590是應(yīng)用廣泛的一種集成溫度傳感器, 由于它內(nèi)部有放大電路, 再配上相應(yīng)外電路,方便地構(gòu)成各種應(yīng)用電路。 下面介紹AD590幾種簡(jiǎn)單的應(yīng)用線路,http:/,1)溫度測(cè)量電路 圖 1 - 21 是一個(gè)簡(jiǎn)單的測(cè)溫電路。 AD590在25（298.2K）時(shí), 理想輸出電流為298.2A