傳感器原理及檢測技術(shù)項(xiàng)目一 溫度檢測及信號(hào)調(diào)理

1、項(xiàng)目一項(xiàng)目一 溫度檢測與信號(hào)調(diào)理溫度檢測與信號(hào)調(diào)理 完成本項(xiàng)目的學(xué)習(xí)后，能夠：完成本項(xiàng)目的學(xué)習(xí)后，能夠：1、了解溫度傳感器的分類。、了解溫度傳感器的分類。2、了解熱電偶工作原理。、了解熱電偶工作原理。3、了解集成溫度傳感器的特點(diǎn)。、了解集成溫度傳感器的特點(diǎn)。4、了解熱電阻的工作原理。、了解熱電阻的工作原理。5、了解紅外輻射的基本知識(shí)。、了解紅外輻射的基本知識(shí)。 學(xué)習(xí)目標(biāo)學(xué)習(xí)目標(biāo) 項(xiàng)目描述項(xiàng)目描述 任務(wù)任務(wù)1 1：軋鋼加熱爐溫度檢測：軋鋼加熱爐溫度檢測任務(wù)背景任務(wù)背景 在軋鋼過程中，需要對(duì)溫度進(jìn)行精確在軋鋼過程中，需要對(duì)溫度進(jìn)行精確地測量。根據(jù)軋鋼加熱爐的溫度范圍，地測量。根據(jù)軋鋼加熱爐的溫度范

2、圍，可選擇熱電偶?？蛇x擇熱電偶。 相關(guān)知識(shí)相關(guān)知識(shí) 熱電偶傳感器是一種自發(fā)電式傳感器，熱電偶傳感器是一種自發(fā)電式傳感器，測量時(shí)不需要外加電源，直接將被測量測量時(shí)不需要外加電源，直接將被測量轉(zhuǎn)換成電勢輸出。轉(zhuǎn)換成電勢輸出。 一、熱電偶的外形、特性及種類一、熱電偶的外形、特性及種類（一）、常用熱電偶的外形和特性（一）、常用熱電偶的外形和特性（二）、熱電偶的種類（二）、熱電偶的種類 標(biāo)準(zhǔn)型熱電偶是指國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了其熱電勢與溫度的關(guān)系、允許誤差、并有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)分度表的熱電偶。我國從1991年開始采用國際計(jì)量委員會(huì)規(guī)定的“1990年國際溫標(biāo)”（簡稱ITS-90）的新標(biāo)準(zhǔn)。二、熱電偶的工作原理二、熱電偶的

3、工作原理（一）、熱電效應(yīng)（一）、熱電效應(yīng)a）熱電效應(yīng) b）結(jié)點(diǎn)產(chǎn)生熱電動(dòng)勢示意 c）圖形符號(hào)1工作端 2熱電極 3指南針 4參考端（二）、熱電動(dòng)勢（二）、熱電動(dòng)勢圖圖1-3 熱電偶熱電動(dòng)勢示意圖熱電偶熱電動(dòng)勢示意圖),(),()()(),(0000ttBttAtABtABttABeeeeE三、熱電偶的基本定律三、熱電偶的基本定律（一）、中間導(dǎo)體定律（一）、中間導(dǎo)體定律 在熱電偶回路中接入第三種導(dǎo)體，只要第三種導(dǎo)體的兩端溫度相同，則回路總的熱電動(dòng)勢不變。 這種性質(zhì)在實(shí)際應(yīng)用中有著重要的意義，它使我們可以方便地在回路中直接接入各種類型的儀表，也可以將熱電偶的兩端不焊接而直接插入液態(tài)金屬中或直接焊接

4、在金屬表面進(jìn)行溫度測量。 （二）、中間溫度定律（二）、中間溫度定律 在熱電偶測量回路中，測量端溫度為t，自由端溫度為t0，中間溫度為t0，則t、t0的熱電勢等于t、t0與t0、t0的熱電勢的代數(shù)和，這就是中間溫度定律。 圖圖1-4 1-4 中間溫度定律示意圖中間溫度定律示意圖t+0t0t=tABABt0AB),(),(),(0000ttEttEttEABABAB 該定律表明，選用與A、B熱電偶特性相近的廉價(jià)熱電偶的代替t0、t0熱電偶A、B，便可使測量距離增長，測溫成本降低，而且不受原熱電偶自由端溫度t0的影響。這就是在實(shí)際測量中，對(duì)冷端溫度進(jìn)行修正，運(yùn)用補(bǔ)償導(dǎo)線延長測溫距離，消除熱電偶自由端

5、溫度變化影響的道理。（三）、標(biāo)準(zhǔn)電極定律（三）、標(biāo)準(zhǔn)電極定律 如果兩種導(dǎo)體A、B分別與第三種導(dǎo)體C組成的熱電偶所產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢已知，則由A、B導(dǎo)體組成的熱電偶所產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢也就已知，這個(gè)定律就稱為標(biāo)準(zhǔn)電極定律。CACBt0t 參考電極定律大大簡化了熱電偶選配電極的工作，只要獲得有關(guān)熱電極與參考電極配對(duì)的熱電動(dòng)勢，那么任何兩種熱電極配對(duì)時(shí)的電動(dòng)勢均可利用該定律計(jì)算，而不需要逐個(gè)進(jìn)行測定。),(),(),(000ttEttEttECBACAB),(),(),(000ttEttEttEBCACAB四、熱電偶冷端補(bǔ)償方法四、熱電偶冷端補(bǔ)償方法 為使熱電動(dòng)勢與被測溫度間呈單值函數(shù)關(guān)系，為使熱電動(dòng)勢與被

6、測溫度間呈單值函數(shù)關(guān)系，需要把熱電偶冷端的溫度保持恒定。由于熱電需要把熱電偶冷端的溫度保持恒定。由于熱電偶的分度表是在其冷端溫度偶的分度表是在其冷端溫度t0=0條件下測得條件下測得的，所以只有在滿足的，所以只有在滿足t0=0的條件下，才能直的條件下，才能直接應(yīng)用分度表。但在實(shí)際中，熱電偶的冷端通接應(yīng)用分度表。但在實(shí)際中，熱電偶的冷端通常靠近被測對(duì)象，且受到周圍環(huán)境溫度的影響，?？拷粶y對(duì)象，且受到周圍環(huán)境溫度的影響，其溫度不是恒定不變的。為此必須采用一些措其溫度不是恒定不變的。為此必須采用一些措施進(jìn)行補(bǔ)償或者修正，常用的方法有以下幾種。施進(jìn)行補(bǔ)償或者修正，常用的方法有以下幾種。（一）、（一）、

7、0恒溫法恒溫法1被測流體管道 2熱電偶 3接線盒 4補(bǔ)償導(dǎo)線 5銅質(zhì)導(dǎo)線 6毫伏表 7冰瓶 8冰水混合物 9試管 10新的冷端 將熱電偶的冷端置于裝有冰水混合物的恒溫器內(nèi)，使冷端溫度保持0不變，此法也稱冰浴法。 （二）、補(bǔ)償導(dǎo)線法（二）、補(bǔ)償導(dǎo)線法 實(shí)際測溫時(shí)，由于熱電偶長度有限，自由端溫度將直接受到被測物溫度和周圍環(huán)境溫度的影響。工業(yè)中一般是采用補(bǔ)償導(dǎo)線來延長熱電偶的冷端，使之遠(yuǎn)離被測物。 a）補(bǔ)償導(dǎo)線結(jié)構(gòu) b）接線圖 c）補(bǔ)償導(dǎo)線的外形1測量端 2熱電極 3接線盒1 4補(bǔ)償導(dǎo)線 5接線盒2(新的冷端) 6銅引線 7毫伏表 （三）、計(jì)算修正法（三）、計(jì)算修正法 當(dāng)冷端溫度t0保持恒定，但不等

8、于0時(shí)，可采用計(jì)算修正法，對(duì)熱電偶回路的測量熱電動(dòng)勢EAB(t，t0)加以修正。例例1.2 用鎳鉻-鎳硅熱電偶測量加熱爐溫度。已知冷端溫度t0=30，測得熱電勢EAB（t，t0）為33.29mV，求加熱爐的溫度？ 解：先由鎳鉻-鎳硅熱電偶分度表查得EAB（30，0）1.203mV。根據(jù)中間溫度定律可得：EAB（t，0）=EAB(t，t0)+EAB(t0， 0)=33.29+1.203=34.493mV再查鎳鉻-鎳硅熱電偶分度表得t=829.8，即為實(shí)際爐溫。（四）、電橋補(bǔ)償法（四）、電橋補(bǔ)償法 電橋補(bǔ)償法是利用不平衡電橋產(chǎn)生的電勢來補(bǔ)償熱電偶因冷端溫度無法恒定而引起的熱電勢變化值。補(bǔ)償電橋現(xiàn)已

9、標(biāo)準(zhǔn)化。（五）、儀表機(jī)械零點(diǎn)調(diào)整法（五）、儀表機(jī)械零點(diǎn)調(diào)整法 對(duì)于具有零位調(diào)整的顯示儀表而言，如果熱電偶冷端溫度t0較為恒定時(shí)，可采用測溫系統(tǒng)未工作前，預(yù)先將顯示儀表的機(jī)械零點(diǎn)調(diào)整到已知的冷端溫度值上。這相當(dāng)于把熱電勢修正值E（t0，0）預(yù)先加到了顯示儀表上，當(dāng)此測量系統(tǒng)投入工作后，顯示儀表的示值就是實(shí)際的被測溫度值。使用時(shí)要注意：當(dāng)氣溫變化時(shí)，由于t0變化了，應(yīng)及時(shí)調(diào)整指針的位置。（六）、利用半導(dǎo)體集成溫度傳感器補(bǔ)償法（六）、利用半導(dǎo)體集成溫度傳感器補(bǔ)償法五五. .熱電偶的使用及配套儀表熱電偶的使用及配套儀表 熱電偶安裝時(shí)注意： 1、為了使熱電偶的測量端與被測介質(zhì)之間有充分的熱交換，應(yīng)合理選

10、擇測量點(diǎn)位置，盡量避免在閥門，彎頭及管道和設(shè)備的死角附近裝設(shè)熱電偶。2、帶有保護(hù)套管的熱電偶有傳熱和散熱損失，為了減少測量誤差，熱電偶應(yīng)該有足夠的插入深度：(1)對(duì)于測量管道中心流體溫度的熱電偶，一般都應(yīng)將其測量端插入到管道中心處(垂直安裝或傾斜安裝)； (2)對(duì)于高溫高壓和高速流體的溫度測量(如主蒸汽溫度)，為了減小保護(hù)套對(duì)流體的阻力和防止保護(hù)套在流體作用下發(fā)生斷裂，可采取保護(hù)管淺插方式或采用熱套式熱電偶。淺插式的熱電偶保護(hù)套管，其插入主蒸汽管道的深度應(yīng)不小于75mm；熱套式熱電偶的標(biāo)準(zhǔn)插入深度為100mm；(3)假如需要測量是煙道內(nèi)煙氣的溫度，盡管煙道直徑為4m，熱電偶或熱電阻插入深度1

11、m即可；(4)當(dāng)測量原件插入深度超過1m時(shí)，應(yīng)盡可能垂直安裝，或加裝支撐架和保護(hù)套管。 拓展知識(shí)拓展知識(shí) 基于冷端補(bǔ)償和非線性校正的熱電偶信號(hào)調(diào)理電路基于冷端補(bǔ)償和非線性校正的熱電偶信號(hào)調(diào)理電路 任務(wù)任務(wù)2 2：管道溫度檢測：管道溫度檢測任務(wù)背景任務(wù)背景 管道輸送的氣體、石油、水等介質(zhì)的管道輸送的氣體、石油、水等介質(zhì)的溫度高低與輸送壓力一樣，也直接影響溫度高低與輸送壓力一樣，也直接影響到介質(zhì)輸送的安全。到介質(zhì)輸送的安全。 相關(guān)知識(shí)相關(guān)知識(shí) 在中、低溫區(qū)，一般是使用熱電阻來在中、低溫區(qū)，一般是使用熱電阻來進(jìn)行溫度測量。進(jìn)行溫度測量。 一、熱電阻的外形及種類一、熱電阻的外形及種類常用熱電阻的外形、

12、種類與熱電偶相似。 二、熱電阻的工作原理二、熱電阻的工作原理 熱電阻傳感器是利用導(dǎo)體或半導(dǎo)體熱電阻傳感器是利用導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻值隨溫度變化而變化的原理進(jìn)行的電阻值隨溫度變化而變化的原理進(jìn)行測溫的。測溫的。 三、正確使用熱電阻測溫三、正確使用熱電阻測溫 熱電阻的測量方法有恒壓法和恒流法兩種。恒壓法就是保持熱電阻兩端的電壓恒定，測量電流變化的方法。恒流法就是保持流經(jīng)熱電阻的電流恒定，測量其兩端電壓的方法。 （一）、二線式鉑熱電阻溫度測量電路實(shí)例（一）、二線式鉑熱電阻溫度測量電路實(shí)例 （二）、三線式鉑熱電阻溫度測量電路實(shí)例（二）、三線式鉑熱電阻溫度測量電路實(shí)例 （三）、四線式鉑熱電阻溫度測量電路實(shí)

13、例（三）、四線式鉑熱電阻溫度測量電路實(shí)例 拓展知識(shí)拓展知識(shí) 熱電阻用于管道流量檢測熱電阻用于管道流量檢測 任務(wù)任務(wù)3 3：數(shù)字電冰箱溫度檢測：數(shù)字電冰箱溫度檢測任務(wù)背景任務(wù)背景 帶溫度控制的家用電器因溫度可調(diào)、溫度控帶溫度控制的家用電器因溫度可調(diào)、溫度控制精確和節(jié)能等各種高性能，讓越來越多的家庭制精確和節(jié)能等各種高性能，讓越來越多的家庭接受。如電冰箱、飲水機(jī)、電飯鍋、熱水器、電接受。如電冰箱、飲水機(jī)、電飯鍋、熱水器、電熱毯、電熨斗等，都需要對(duì)溫度進(jìn)行檢測。熱毯、電熨斗等，都需要對(duì)溫度進(jìn)行檢測。 相關(guān)知識(shí)相關(guān)知識(shí) 熱敏電阻是利用半導(dǎo)體材料的電阻率隨熱敏電阻是利用半導(dǎo)體材料的電阻率隨溫度變化較顯著

14、的特點(diǎn)制成的一種熱敏元溫度變化較顯著的特點(diǎn)制成的一種熱敏元件。件。 一、熱敏電阻的外形一、熱敏電阻的外形二、熱敏電阻的分類與工作原理二、熱敏電阻的分類與工作原理 按溫度系數(shù)的不同，熱敏電阻可分為負(fù)溫度系數(shù)的按溫度系數(shù)的不同，熱敏電阻可分為負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻（熱敏電阻（NTC）和正溫度系數(shù)的熱敏電阻（）和正溫度系數(shù)的熱敏電阻（PTC）兩）兩大類。大類。三、正確使用熱敏電阻傳感器三、正確使用熱敏電阻傳感器 （一）、熱敏電阻的選擇（一）、熱敏電阻的選擇 熱敏電阻器的種類和型號(hào)較多，選熱敏電阻器的種類和型號(hào)較多，選哪一種熱敏電阻器，應(yīng)根據(jù)電路的具體哪一種熱敏電阻器，應(yīng)根據(jù)電路的具體要求而定。要求而定

15、。 （二）、熱敏電阻的電冰箱溫控器電路（二）、熱敏電阻的電冰箱溫控器電路 拓展知識(shí)拓展知識(shí) 汽車空調(diào)溫度控制器電路汽車空調(diào)溫度控制器電路 任務(wù)任務(wù)4 4：非接觸式體溫檢測：非接觸式體溫檢測 任務(wù)背景任務(wù)背景 非接觸測溫在高溫測量方面主要應(yīng)用在冶金、鑄造、熱處理以及玻璃、陶瓷和耐火材料等工業(yè)生產(chǎn)過程中。在民用、醫(yī)療等低溫測量方面也得到廣泛應(yīng)用。相關(guān)知識(shí)相關(guān)知識(shí) 非接觸式溫度儀表就是利用物體的輻射能量隨其溫度而變化的原理制成的。測量時(shí)，只需把溫度計(jì)光學(xué)接收系統(tǒng)對(duì)準(zhǔn)被測物體，而不必與物體接觸，因此可以測量運(yùn)動(dòng)物體的溫度并不會(huì)破壞物體的溫度場。此外，由于感溫元件只接收輻射能，不必達(dá)到被測物體的實(shí)際溫度

16、，從理論上講，它沒有上限，可以測量高溫。 一、紅外輻射一、紅外輻射電磁波譜 電磁波譜電磁波譜 二、紅外傳感器的分類與工作原理二、紅外傳感器的分類與工作原理 紅外傳感器根據(jù)探測機(jī)理可分成為：紅外光電探測器（基于光電效應(yīng)）和紅外熱敏探測器（基于熱效應(yīng)）。 （一）、紅外熱敏探測器（一）、紅外熱敏探測器 紅外熱敏探測器是利用紅外輻射的熱紅外熱敏探測器是利用紅外輻射的熱效應(yīng)制成的，探測器的敏感元件為熱敏元效應(yīng)制成的，探測器的敏感元件為熱敏元件，它吸收輻射后引起溫度升高，進(jìn)而使件，它吸收輻射后引起溫度升高，進(jìn)而使有關(guān)物理參數(shù)發(fā)生相應(yīng)變化，通過測量物有關(guān)物理參數(shù)發(fā)生相應(yīng)變化，通過測量物理參數(shù)的變化，便可確定探測器所吸收的理參數(shù)的變化，便可確定探測器所吸收的紅外輻射。紅外輻射。 熱敏探測器主要有熱釋電型、熱敏電熱敏探測器主