第2章 溫度檢測

第二章溫度檢測1.二溫度不能相加或相減；

溫度的基本概念宏觀概念---是物體冷熱程度的表示.

熱平衡的兩物體，其溫度相等。溫度量的特殊性微觀概念---是大量分子運動平均強度的表示。分子運動愈激烈其溫度表現(xiàn)越高。3.溫度只能通過物體隨溫度變化的某些特性來間接測量。

2.無標準量直接進行比較測量；

本章重點內(nèi)容

電阻式溫度傳感器；熱電偶傳感器；集成數(shù)字溫度傳感器。本章要求

了解溫度傳感器的作用、地位和分類；熟悉熱敏電阻不同類型的特點、特性曲線及應(yīng)用場合；理解熱電效應(yīng)定義，掌握熱電偶三定律及相關(guān)計算，熱電偶冷端補償原因及補償方法；掌握電流型、電壓型、數(shù)字型三種集成溫度傳感器特點、工作原理和使用方法；了解其他溫度傳感器工作原理。溫度的高低必須用數(shù)字來說明，溫標就是溫度的一種數(shù)值表示方法。2.1溫標及測量方法2.1.1溫標溫標：為了保證溫度量值的統(tǒng)一而建立的用來量度物體溫度高低的標準尺度。它規(guī)定了溫度的讀數(shù)起點（零點）和測量溫度的基本單位。

國際上用得較多的溫標有：1.經(jīng)驗溫標(華氏溫標、攝氏溫標、列氏溫標)；2.熱力學(xué)溫標；3.國際實用溫標。攝氏溫標

華氏溫標列氏溫標1.經(jīng)驗溫標：借助于某一種物質(zhì)的物理量與溫度變化的關(guān)系，用實驗的方法或經(jīng)驗公式確定的溫標。特點：（1）以物體熱脹冷縮現(xiàn)象為基礎(chǔ)。（2）把在兩溫度點之間體積的總變化分為若等份，每個等份定義為1度。2.1.1溫標1）攝氏溫標：2.1.1溫標分度方法：標準大氣壓下純水的冰點定為0度，沸點定為100度，中間等分100份，每一份為1度，記為℃。1742年，瑞典天文學(xué)家攝爾修斯提出。將一大氣壓下冰水混合物的溫度規(guī)定為100℃，水的沸點為0℃，兩者間均分成100個刻度，和現(xiàn)行的攝氏溫標剛好相反。第二年他的學(xué)生克利斯把刻度顛倒過來，即冰點為0度，沸點為100度，即現(xiàn)行的攝氏溫標并一直被沿用至今。標準儀器：水銀玻璃溫度計。攝氏溫標已納入國際單位制。1990國際溫標（ITS-90）對攝氏溫標和熱力學(xué)溫標進行統(tǒng)一，規(guī)定攝氏溫標由熱力學(xué)溫標導(dǎo)出，0℃=273.15K，劃分不變。攝氏溫標為世界上絕大多數(shù)國家，尤其是亞洲國家采用的溫度單位。

2）華氏溫標：2.1.1溫標德國物理學(xué)家和儀器制造師華倫海于1714年提出。他在研究水銀時，發(fā)現(xiàn)液體水銀對溫度十分敏感，凝固點低，且沸點特高。他便發(fā)明了水銀溫度計，創(chuàng)立了第一個溫度標準——華氏溫標，人們用“℉“表示。分度方法：標準大氣壓下純水的冰點定為32度，沸點為212度，中間等分180份，每一份為1度，記為℉。標準儀器：水銀玻璃溫度計。1970年代以前，英國及其前殖民地國家多使用華氏溫標，20世紀后期，全球絕大多數(shù)國家開始向國際單位制轉(zhuǎn)換，使用攝氏溫標替代了華氏溫標，到現(xiàn)在，只有美國、開曼群島、伯利茲等極少數(shù)國家仍保留華氏溫標為法定計量單位。3）列氏溫標：2.1.1溫標分度方法：標準大氣壓下純水的冰點為0度，沸點為80度，中間等分80份，每一份為1度，記為OR。

法國科學(xué)家列奧米爾于1731年提出的。水的冰點被訂為列氏0度，而沸點則為列氏80度。標準儀器：水和酒精玻璃溫度計。列氏溫標僅在德國和法國的部分場合使用三者換算關(guān)系：2.1.1溫標

攝氏溫標、攝氏溫標、攝氏溫標均是依據(jù)液體受熱膨脹原理來建立溫標和制造溫度計的。由于不同物質(zhì)的性質(zhì)不同，它們受熱膨脹的情況也不同，故上述三種溫標難以統(tǒng)一。2.熱力學(xué)溫標（開爾文溫標，開氏溫標，絕對溫標）2.1.1溫標1848年開爾文首先提出以熱力學(xué)第二定律為基礎(chǔ)，建立了溫度僅與熱量有關(guān)而與物質(zhì)無關(guān)的熱力學(xué)溫標。又稱開爾文溫標。用“K”表示。開爾文宣稱：要得到低于攝氏零下273度的溫度是不可能的，并把這點稱為絕對零度。它和攝氏溫標的關(guān)系是：TK＝TC＋273人的正常體溫為37℃，換算成絕對溫度就是310度。

3.國際實用溫標（國際溫標）

t,K,T

之間的換算關(guān)系：2.1.1溫標為了解決國際上溫度標準的統(tǒng)一和實用問題，國際上協(xié)商決定，建立一種既能體現(xiàn)熱力學(xué)溫度，又使用方便、容易實現(xiàn)的溫標，即國際使用溫標，又稱國際溫標。1968年國際實用溫標規(guī)定：熱力學(xué)溫度是基本溫度，用符號T表示。單位為開爾文（符號為K）。1K定義為水三相點溫度的1/273.16。

接觸測量法非接觸測量法接觸測量法：測溫敏感元件直接與被測介質(zhì)接觸，使被測介質(zhì)與測溫敏感元件進行充分熱交換，使兩者具有相同溫度，達到測量的目的。

2.1.2溫度測量的主要方法優(yōu)點：直觀可靠，精度較高。缺點：①感溫元件影響被測溫度場的分布；

②接觸不良等帶來測量誤差；

③高溫和腐蝕性介質(zhì)影響感溫元件的性能和壽命。非接觸測量法：利用物質(zhì)的熱輻射原理，感溫元件不與被測介質(zhì)接觸，通過輻射和對流實現(xiàn)熱交換，達到測量目的。

2.1.2溫度測量的主要方法優(yōu)點：

①不干擾被測對象的溫度場；

②連續(xù)測量不會產(chǎn)生消耗；

③熱慣性小，可達千分之一秒，便于測量運動物體的溫度和快速變化的溫度反應(yīng)快等。缺點：

①制造成本較高；

②容易受到外界因素的干擾；

③測量精度較低。超高溫與超低溫傳感器，如+3000℃以上和-250℃以下。提高溫度傳感器的精度和可靠性。研制家用電器、汽車及農(nóng)畜業(yè)所需的價廉的溫度傳感器。發(fā)展新型產(chǎn)品。發(fā)展適應(yīng)特殊測溫要求的溫度傳感器。發(fā)展數(shù)字化、集成化和自動化的溫度傳感器。

2.1.3

溫度傳感器的主要發(fā)展方向2.2電阻式溫度傳感器定義：利用導(dǎo)體和半導(dǎo)體的電阻率隨溫度變化的性質(zhì)制成的傳感器稱為電阻式溫度傳感器。實現(xiàn)：溫度的變化→元件電阻值的變化檢測對象：溫度、與溫度有關(guān)的參數(shù)。2.2電阻式溫度傳感器大部分半導(dǎo)體電阻一般隨溫度升高而減小，其靈敏度比金屬導(dǎo)體高，溫度每升高1C

，電阻約減小2％～6％。

→負溫度系數(shù)大多數(shù)金屬在溫度升高1C

時電阻將增加0.4％～0.6％。→正溫度系數(shù)思考：若溫度升高，元件電阻值會發(fā)生怎樣的變化？分類：按制造材料分為金屬熱電阻和半導(dǎo)體熱敏電阻。2.2.1金屬熱電阻傳感器1.熱電阻類型目前由純金屬制造的熱電阻的主要材料是鉑、銅和鎳。

1）鉑熱電阻：一種貴金屬。測溫范圍：-200℃～850℃電阻和溫度的關(guān)系：優(yōu)點：精度高，穩(wěn)定性好，性能可靠，耐氧化性好。容易提純，復(fù)現(xiàn)性好，可制成很細的鉑絲(0.02mm或更細)或極薄的鉑箔。有較高的電阻率。型號：目前工業(yè)用鉑熱電阻有100（Pt100）和10(Pt10)兩種。缺點：在高溫下易受還原性介質(zhì)污染而變脆，并改變電阻與溫度的關(guān)系。價格貴。應(yīng)用場合：一般用于制造基準熱電阻、標準熱電阻.2.2.1金屬熱電阻傳感器2）銅熱電阻電阻和溫度的關(guān)系：型號：工業(yè)用銅熱電阻有50（Cu50）和100（Cu100）兩種。應(yīng)用場合：測量精度要求不高，測量范圍較小的情況。2.2.1

金屬熱電阻傳感器測溫范圍：-50℃～150℃缺點：電阻率小，電阻體積較大；

制成相同阻值的電阻時，銅電阻絲要細，這樣機械強度就不高，或者就要長，使體積增大。熱慣性較大，穩(wěn)定性較差；容易氧化，工作上限150℃.優(yōu)點：電阻值與溫度的關(guān)系幾乎呈線性；溫度系數(shù)大，靈敏度較高。材料易提純，價格低廉。2.2.1金屬熱電阻傳感器2.熱電阻的結(jié)構(gòu)

主要由電阻體、骨架、絕緣套管和接線盒等組成。2.2.1金屬熱電阻傳感器

w

平衡電橋法如果電阻R1=R2，當熱電阻Rt阻值隨溫度變化時，調(diào)節(jié)電位器Rw的電刷位置x，使電橋處于平衡狀態(tài)，則有★3、熱電阻傳感器的測量電路測量電阻通常可利用歐姆表或電橋電路。其中：L，R0：電位器有效長度和總電阻

x：電刷位置2.2.1金屬熱電阻傳感器2.2.1金屬熱電阻傳感器4、熱電阻的基本誤差熱電阻的基本誤差指示儀表的誤差電阻體自熱誤差：由流過電阻體的電流引起。一般工業(yè)熱電阻工作電流被限制在6mA以內(nèi)，這樣自熱溫差就不會超過0.1C。引線電阻誤差為了減小或消除引線電阻的影響，一般采用三線制和四線制接法。三線制四線制二線制2.2.1金屬熱電阻傳感器二線制：在熱電阻的兩端各連接一根導(dǎo)線來引出電阻信號的方式。這種引線方法很簡單，但由于連接導(dǎo)線必然存在引線電阻r，r大小與導(dǎo)線的材質(zhì)和長度的因素有關(guān)，因此這種引線方式只適用于測量精度較低的場合。二線制2.2.1金屬熱電阻傳感器三線制：將導(dǎo)線一根接到電橋的電源端，其余兩根分別接到熱電阻所在的橋臂及與其相鄰的橋臂上，這樣消除了導(dǎo)線線路電阻帶來的測量誤差。三線制2.2.1金屬熱電阻傳感器2.2.2半導(dǎo)體熱敏電阻傳感器熱敏電阻是利用半導(dǎo)體材料的電阻率隨溫度變化的性質(zhì)制成。常用半導(dǎo)體材料有鐵,鎳,錳,鈷,鉬,鎂,銅的氧化物或其他化合物.結(jié)構(gòu)上主要有:片型、桿型和珠型。NTC二極管封裝根據(jù)不同用途有多種封裝結(jié)構(gòu)；使用溫區(qū)寬；穩(wěn)定性和可靠性高。環(huán)氧封裝、小型化、精度高；可靠性高、響應(yīng)時間快；引線采用聚脂漆包線、耐熱、絕緣性好2.2.2

半導(dǎo)體熱敏電阻傳感器1.特性熱敏電阻的主要特性有溫度特性和伏安特性。

1）溫度特性按溫度特性分為：

負溫度系數(shù)（NTC）型正溫度系數(shù)（PTC）型臨界負溫度系數(shù)（CTR）型負溫度系數(shù)熱敏電阻：簡稱NTC，型號用MF表示。特性如曲線1所示。在工作溫度范圍內(nèi)，電阻隨溫度上升而非線性下降，溫度系數(shù)為-(1～6)%/℃.曲線2為緩變型:其溫度系數(shù)為0.5%/℃～8%/℃;曲線3為開關(guān)型:在居里點附近的溫度系數(shù)可達10%/℃～60%/℃。

正溫度系數(shù)熱敏電阻：簡稱PTC，型號用MZ表示。在工作溫度范圍內(nèi)，其電阻值隨溫度上升而非線性增大。臨界負溫度系數(shù)熱敏電阻：簡稱CTR。CTR是一種開關(guān)型NTC，特性如曲線4所示.在臨界溫度附近，阻值隨溫度上升而急劇減小。2.2.2

半導(dǎo)體熱敏電阻傳感器2.2.2半導(dǎo)體熱敏電阻傳感器

a.小電流范圍內(nèi)：端電壓和電流成正比。b.電流增加到一定數(shù)值，溫度升高反而阻值下降，端電壓下降。c.根據(jù)熱敏電阻的允許功耗線來確定電流，測溫中電流不能太高。2）伏安特性

靜態(tài)情況下熱敏電阻上的端電壓與通過熱敏電阻的電流之間的關(guān)系。

2.2.2

半導(dǎo)體熱敏電阻傳感器大多數(shù)半導(dǎo)體熱敏電阻是NTC熱敏電阻,具有很高的負電阻溫度系數(shù)，特別適用于-50～300℃之間測溫。2.工作原理半導(dǎo)體材料的電阻率隨溫度變化而變化.兩點重要說明:各種熱敏電阻的阻值在常溫下很大，不必采用三線制或四線制接法，給使用帶來方便。低溫熱敏電阻：其工作溫度低于-50℃。常溫熱敏電阻：其工作溫度范圍為-50～300℃。高溫熱敏電阻：其工作溫度高于300℃。2.2.2

半導(dǎo)體熱敏電阻傳感器3、主要參數(shù)1.標稱電阻值（冷電阻）環(huán)境溫度25℃±0.2℃下測得的電阻值，單位：Ω2.耗散系數(shù)熱敏電阻器溫度變化1℃所耗散的功率變化量，單位：W/℃3.電阻溫度系數(shù)熱敏電阻的溫度變化1℃時電阻值的變化率，通常指20℃時的溫度系數(shù).(%)/℃4.

熱容量熱敏電阻的溫度變化1℃時，所需吸收或釋放的能量，單位：J/℃5.

時間常數(shù)2.2.2

半導(dǎo)體熱敏電阻傳感器4、熱敏電阻的特點優(yōu)點：靈敏度高，其靈敏度比熱電阻要大1～2個數(shù)量級；很好地與各種電路匹配，而且遠距離測量時幾乎無需考慮引線電阻的影響；體積?。粺釕T性小，響應(yīng)速度快，適用于快速變化的測量場合；結(jié)構(gòu)簡單堅固，能承受較大的沖擊、振動。2.2.2

半導(dǎo)體熱敏電阻傳感器缺點：阻值與溫度的關(guān)系非線性嚴重；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,低溫熱敏電阻外，絕大多數(shù)熱敏電阻只適合-50～300℃范圍，使用時必須注意。思考題:1.怎么區(qū)分普通電阻和熱敏電阻？

主要看參數(shù)。熱敏電阻的型號是(NTC)MF或(PTC)MZ，如:NTC47D－10

。2.熱敏電阻怎樣看阻值?

例如NTC47D－10代表意義?

NTC熱敏電阻器就是負溫度系數(shù)熱敏電阻器,后面的47

代表電阻47歐姆,10代表引腳之間的距離.

3.NTC10D-11熱敏電阻可以用什么型號熱敏電阻替換?

這是個10Ω，兩引腳距離尺寸為11mm的負溫度系數(shù)的熱敏電阻，只有相同電氣參數(shù)的才能代換，兩引腳距離尺寸可以不一致。4.熱敏電阻型號為NTC10D2-7和NTC10D-7這個型號有什么區(qū)別?

是同一個型號。可能在結(jié)構(gòu)上略有區(qū)別。5.熱敏電阻和陶瓷電容怎么區(qū)分

?

外觀上看陶瓷電容邊緣較薄。測量時熱敏電阻會有阻值，一般零點幾K～幾十K，陶瓷電容電阻無窮大。思考題:溫度測量-----NTC溫度控制-----NTC溫度補償-----NTC過熱保護-----PTC5.熱敏電阻的應(yīng)用2.2.2

半導(dǎo)體熱敏電阻傳感器1)溫度測量2.2.2半導(dǎo)體熱敏電阻傳感器2)溫度控制溫度測量原理圖的指示儀表用運算放大器代替。運算放大器的作用：比較器2.2.2

半導(dǎo)體熱敏電阻傳感器溫度較低→高電阻→VTH﹥V1→運算放大器接通→繼電器被激勵→加熱器供電→溫度逐漸升高2.2.2半導(dǎo)體熱敏電阻傳感器溫度較高→電阻逐漸降低→電橋平衡（通過零點）→放大器關(guān)斷→切斷加熱器加熱器保持關(guān)斷→電阻冷卻→電橋反方向通過零點。電位器R1的位置設(shè)定溫度，通常選熱敏電阻的基準阻值為控制中點的值。電位計的值任選，一般在1K～10K。R1R13.溫度補償4.過熱保護2.2.2半導(dǎo)體熱敏電阻傳感器2.3薄膜熱傳感器適用范圍：物體表面、快速和小間隙場所的溫度測量。一、金屬薄膜熱電阻發(fā)展方向：體積越來越小、阻值越來越大、測溫范圍越來越廣。1.薄膜熱傳感器的結(jié)構(gòu)在基片上采用真空沉積技術(shù)將鉑粉附著在陶瓷基片上，再將引線燒結(jié)固定。2.薄膜熱電阻的測溫機理與鉑熱電阻類似，薄膜熱電阻是基于純金屬材料的電阻率隨溫度的升高而增加的原理來測量溫度。二、多晶硅薄膜熱電阻

溫度傳感器的發(fā)展方向之一，利用多晶硅薄膜的電阻率隨溫度變化的特性，可集成性好。1.多晶硅薄膜熱電阻的結(jié)構(gòu)2.多晶硅薄膜熱電阻測溫機理2.3薄膜熱傳感器2.4熱電偶傳感器

2.4.1熱電偶測溫原理溫差熱電偶（簡稱熱電偶）是目前溫度測量中使用最普遍的傳感元件之一。1.熱電偶的特點：

1.結(jié)構(gòu)簡單，測量范圍寬：-271℃～2800℃2.準確度高、熱慣性小。

3.熱容量小，可用于快速及動態(tài)溫度的測量。2.熱電偶的分類：1.按材料分類:2.按用途分類:3.熱電偶的測溫原理

熱電阻測溫原理基于熱電效應(yīng)?！?)熱電效應(yīng)：

兩種不同的導(dǎo)體（半導(dǎo)體）兩端接觸在一起組成閉合回路，當兩個接點的溫度不相同時，回路中就會有電流通過，兩端之間就存在電動勢。這種把熱能轉(zhuǎn)換成電能的現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。

(重要：兩線,兩端)2.4.1熱電偶測溫原理熱電偶：兩種不同導(dǎo)體(半導(dǎo)體)組成的閉合回路。

熱電(動)勢：閉合回路兩端產(chǎn)生的電勢。熱電流：閉合回路中流過的電流。

熱電極：導(dǎo)體A、B。

參考端(冷端)：溫度為參考溫度的一端（T0）

工作端(熱端)：置于被測溫度（T）的一端。幾個名詞:

2.4.1熱電偶測溫原理兩根異質(zhì)材料的接觸電動勢＋導(dǎo)線兩端的溫差電動勢EAB（T，T0）=f(T)-f(T0)

實驗證明：當熱電偶材料一定時，熱電偶的總熱電動勢是熱電偶兩端溫度的函數(shù)差，即：2)熱電動勢的組成2.4.1熱電偶測溫原理(1)兩種導(dǎo)體的接觸電動勢兩種導(dǎo)體A,B接觸的時候，由于導(dǎo)體內(nèi)的自由電子密度不同，若NA>NB．電子密度大的導(dǎo)體A中的電子就向電子密度小的導(dǎo)體B擴散，導(dǎo)體A失去了電子而具有正電位,導(dǎo)體B接收到擴散來的電子而具有負電位。這樣在擴散達到動態(tài)平衡時A、B之間就形成了一個電位差。這個電位差稱為接觸電動勢。2.4.1熱電偶測溫原理EAB(T)：A、B兩種材料在溫度為T時的接觸電動勢；

K：玻耳茲曼常數(shù)(1.38×10-6)；

e：電荷常數(shù)(1.6021892×10-19)；NA(T)、NB(T)：A、B兩種材料在溫度T時的自由電子密度。結(jié)論：

接觸電勢的大小與溫度高低及導(dǎo)體中的電子密度比值有關(guān)。數(shù)學(xué)表達式：2.4.1熱電偶測溫原理回路中總的接觸電勢為：熱電偶原理圖TT0ABT點的接觸電勢為：T0點的接觸電勢為：思考：1.兩個相同導(dǎo)體組成的閉合回路兩端有沒有接觸電勢？

2.若兩個不同導(dǎo)體組成閉合回路兩端溫度相同，回路中接觸電勢是多少？2.4.1熱電偶測溫原理（2）單一導(dǎo)體的溫差電動勢

對于單一導(dǎo)體，如果兩端溫度分別為T、TO，且T>TO，如下圖所示。

單一導(dǎo)體溫差電動勢導(dǎo)體中的自由電子，在高溫端具有較大的動能，因而向低溫端擴散，在導(dǎo)體兩端產(chǎn)生了電動勢，這個電動勢稱為單一導(dǎo)體的溫差電動勢。2.4.1熱電偶測溫原理數(shù)學(xué)表達式:對于由A、B兩種導(dǎo)體構(gòu)成的閉合回路，在A、B兩導(dǎo)體上產(chǎn)生的溫差電動勢之和為：思考：1.兩個相同導(dǎo)體組成閉合回路的兩端溫度不同，回路中溫差電動勢是多少？

2.兩個不同導(dǎo)體組成閉合回路的兩端溫度相同，有沒有溫差電動勢？2.4.1熱電偶測溫原理若NA﹥NB,T﹥T0，則必存在兩個接觸電勢和兩個溫差電勢，回路總電勢為：（3）回路總電勢

回路中接觸電勢與溫差電勢之和T0TEAB(T)EAB(T0)EA(T,T0)EB(T,T0)AB結(jié)論：熱電偶總電動勢與電子密度NA、NB及兩接點溫度T、T0有關(guān)2.4.1熱電偶測溫原理導(dǎo)體材料確定后，熱電勢的大小只與熱電偶兩端的溫度有關(guān)，與導(dǎo)體A、B的中間各處溫度無關(guān)。只有當熱電偶的兩導(dǎo)體材料和兩端溫度均不相同時才能有熱電勢產(chǎn)生。熱電勢只與組成熱電偶的材料及兩端溫度有關(guān)；與熱電偶的長度、粗細無關(guān)。只有用不同性質(zhì)的導(dǎo)體(半導(dǎo)體)才能組合成熱電偶；相同材料不會產(chǎn)生熱電勢。（4）重要結(jié)論：2.4.1熱電偶測溫原理熱電偶總電動勢與電子密度NA、NB及兩接點溫度T、T0有關(guān)，而電子密度取決于熱電偶材料的特性。當熱電偶材料一定時，熱電偶的總電動勢EAB(T，T0)成為溫度T和To的函數(shù)差，即：實際應(yīng)用中，熱電勢與溫度之間的關(guān)系是通過分度表來確定。（5）分度表：2.4.1熱電偶測溫原理如果能使冷端溫度t0

固定，則總電勢就只與溫度T成單值函數(shù)關(guān)系注意：熱電勢與熱端溫度之間關(guān)系是非線性，但在溫度變化較小的范圍內(nèi)為了便于查表運算通?？醋骶€性。分度表-----參考端溫度為0℃時，通過實驗建立起來的熱電勢

與測量端溫度之間的對照表。2.4.1熱電偶測溫原理4、熱電偶基本定律(1)均質(zhì)導(dǎo)體定律由同一種均質(zhì)導(dǎo)體或半導(dǎo)體組成的閉合回路，無論導(dǎo)體截面、長度如何以及溫度如何分布，都不會產(chǎn)生熱電動勢。結(jié)論:

熱電偶必須采用兩種不同材料作為電極。若熱電極材料

不均勻，由于溫度梯存在，將會產(chǎn)生附加熱電勢。

2.4.1熱電偶測溫原理（2）中間導(dǎo)體定律

在將熱電偶回路中接入第三種導(dǎo)體C，只要保持第三導(dǎo)體兩端溫度相同，則熱電偶所產(chǎn)生的熱電動勢保持不變，即接入導(dǎo)體C后對回路總電動勢無影響。TABCTT結(jié)論:可采取任何方式焊接導(dǎo)線，將熱電勢通過導(dǎo)線接至測量儀表進行測量，不影響測量精度。2.4.1熱電偶測溫原理電位計接入熱電偶回路例如:根據(jù)上述原理，可以在熱電偶回路中接入電位計E，只要保證電位計與連接熱電偶處的接點溫度相等，就不會影響回路中原來的熱電勢，接入的方式見下圖所示。ET0T0TET0T1T1T2.4.1熱電偶測溫原理(3)中間溫度定律熱電偶測量回路中，若兩結(jié)點溫度為T，TO，中間溫度為ＴO(shè)′則有：

EAB(T,TO)=EAB(T,TO′)+EAB(TO′,TO)例如：

EAB(T,0)=EAB(T,20)+EAB(20,0)結(jié)論：

1.該定律可用于消除熱電偶冷端溫度變化影響。

2.若已知分度表，就可求出冷端為任意溫度的熱電動勢。

2.4.1熱電偶測溫原理(4)標準電極定律（也稱組成定律）2.4.1熱電偶測溫原理當溫度為(T，T0)時，用導(dǎo)體A、B組成的熱電偶的熱電動勢等于AC熱電偶和CB熱電偶的熱電動勢之代數(shù)和，即：在接點溫度為時,：EAB(T，T0)=EAC(T，T0)﹢ECB(T，T0)或者：EAB(T，T0)=EAC(T，T0)-EBC(T，T0)參考電極定律大大簡化了熱電偶選配電極的工作。例2.1:當T為100℃，T0為0℃時，鉻合金—鉑熱電偶E(100℃，0℃)=+3.13mV，鋁合金—鉑熱電偶的E(100℃，0℃)=-1.02mV，求鉻合金—鋁合金組成熱電偶的熱電勢E(100℃，0℃)。解：設(shè)鉻合金為A，鋁合金為B，鉑為C。即：EAC(100℃，0℃)=+3.13mVEBC(100℃，0℃)=-1.02mV

則：EAB(100℃,0℃)=EAC–EBC=+4.15mV2.4.1熱電偶測溫原理2.4.2熱電極材料及常用熱電偶一、熱電極材料

理論上任何兩種導(dǎo)體均可配成熱電偶，實際上熱電偶材料應(yīng)滿足：物理性能穩(wěn)定，熱電特性不隨時間改變；化學(xué)性能穩(wěn)定，在不同介質(zhì)中測量時不容易被腐蝕；熱電勢高，導(dǎo)電率高，且電阻溫度系數(shù)??；機械強度高，復(fù)現(xiàn)性好，價格便宜，便于成批生產(chǎn)。

實際上一般采用一些合金和化合物。1）標準熱電偶2.4.2熱電極材料及常用熱電偶2）非標準熱電偶用于一些特殊場合目前工業(yè)上常用的四種標準化熱電偶材料為:鉑銠30－鉑銠6(B型)

鉑銠10－鉑(S型)

鎳鉻－鎳硅(K型)

鎳鉻－考銅(E型)組成熱電偶的兩種材料前面的為正極，后面的為負極。二、常用熱電偶分為標準化和非標準化兩種。2.4.3熱電偶的結(jié)構(gòu)一.普通型熱電偶主要用于測量氣體,蒸汽,液體等介質(zhì)的溫度

標準型工業(yè)用熱電偶:1-熱電極（熱端）

2-絕緣瓷管

3-保護套管

4-接線座

5-接線柱

6-接線盒2.4.3熱電偶的結(jié)構(gòu)二.鎧裝熱電偶（纜式熱電偶）鎧裝熱電偶也稱纜式熱電偶，是將熱電偶絲、絕緣材料和金屬套管經(jīng)拉伸加工而成的組合體。這種熱電偶耐高壓、反應(yīng)時間短、堅固耐用。鎧裝熱電偶：1-熱電極2-絕緣材料3-金屬套管4-接線盒5-固定裝置

問題引出①熱電偶熱電勢的大小是熱端溫度和冷端的函數(shù)差，為保證輸出熱電勢是被測溫度的單值函數(shù)，必須使冷端溫度保持恒定；

解決方法補償導(dǎo)線法

計算法

冰浴法

補償電橋法

軟件處理法

★一.冷端溫度補償2.4.4熱電偶冷端溫度補償及常用測溫電路②熱電偶分度表給出的熱電勢是以冷端溫度0℃為依據(jù)，否則會產(chǎn)生誤差。1.補償導(dǎo)線法

問題引出一.冷端溫度補償熱電極長度有限，冷端受到被測溫度變化的影響;熱電偶冷端暴露于空間，受環(huán)境溫度影響;需要把熱電偶輸出的電勢信號傳輸?shù)竭h離現(xiàn)場數(shù)十米遠的控制室里的顯示儀表或控制儀表。

解決方法把熱電偶的冷端延伸到遠離被測對象且溫度比較穩(wěn)定的地方補償導(dǎo)線選用一種具有和所連接的熱電偶相同的熱電性能，其材料又是廉價金屬導(dǎo)線。造成浪費一.冷端溫度補償實現(xiàn)了冷端遷移。降低了成本。功能表2.1常用熱電偶的補償導(dǎo)線一.冷端溫度補償國際電工委員會也制定了補償導(dǎo)線的國際標準，適合于標準化熱電偶使用?！舨煌吞柕臒犭娕妓溆玫难a償導(dǎo)線不同。

使用補償導(dǎo)線注意問題一.冷端溫度補償◆連接補償導(dǎo)線時要注意區(qū)分正負極，使其分別與熱電偶的正負極一一對應(yīng)。

◆補償導(dǎo)線連接端的工作溫度不能超出（0~100℃），否則會給測量帶來誤差?！魺犭娕己脱a償導(dǎo)線的兩個接點處要保持同溫度。

◆補償導(dǎo)線的作用只是延長熱電偶的參考端，當t0≠0時，還需進行其他補償與修正。

2.計算法

設(shè)：冷端溫度為t0（t0≠0）被測溫度為t

修正公式冷端t0的熱電勢測量得出的熱電勢

被測溫度t的熱電勢一.冷端溫度補償當熱電偶冷端溫度不是0℃，而是t0時，根據(jù)熱電偶的中間溫度定律，可得熱電動勢的計算校正公式。

用銅-康銅熱電偶測爐溫時，測得參考端溫度t1＝21℃；測量端和參考端間的熱電動勢E(t,t1)＝1.979mV，試求實際爐溫。例一.冷端溫度補償查此種熱電偶的分度表可知E(21℃，0)＝0.84mV，可得到：

E(t，0)=E(t,t1)+E((t1,0)=E(t,21℃)+E(21℃,0)=1.979+0.84

=2.819mV再查分度表，由2.819mV查得到實際爐溫t=69℃。解一.冷端溫度補償注意既不能只按1.979mV查分度表，認為t=49℃,也不能把49℃直接加上21℃，認為t=70℃。由分度表查得E(20,0)=0.113mv則E(t,0)=E(t,t0)+E(t0,0)=7.32+0.113=7.433mv再查分度表得其對應(yīng)的被測溫度t=808℃練習(xí)：用S型熱電偶測溫，熱電偶的冷端溫度t0=20℃，測得熱電勢為7.32mv，求被測對象的實際溫度t。解一.冷端溫度補償3.冰浴法僅適用于實驗室中的精確測量和檢定熱電偶時使用一.冷端溫度補償把熱電偶的參比端置于冰水混合物容器里，使T0=0℃。為了避免冰水導(dǎo)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。利用不平衡電橋產(chǎn)生熱電勢補償熱電偶因冷端溫度變化而引起熱電勢的變化值。不平衡電橋由R1、R2、R3(錳銅絲繞制)、R4(RCu)(銅絲繞制)四個橋臂和橋路電源組成。設(shè)計時，在0℃下使電橋平衡(R1=R2=R3=RCu),此時Uc=0,電橋?qū)x表讀數(shù)無影響。

4.補償電橋法（冷端補償器法）一.冷端溫度補償T0﹥0→URCu升高→UC左正右負4.補償電橋法（冷端補償器法）工作原理T0=0→Uc=0T0﹤0→URCu降低→UC左負右正適當選擇電橋參數(shù)，可在0～40℃和-20～20℃的范圍起補償作用。

一.冷端溫度補償使用補償電橋注意問題◆根據(jù)各類熱電偶的型號選擇配套的補償電橋。不同材質(zhì)的熱電偶所配的冷端補償器，其中的限流電阻R不一樣，互換時必須重新調(diào)整?！糇⒁庋a償溫度的起點：在20℃平衡，須把顯示儀表的機械零點預(yù)先調(diào)整到20℃；在0℃平衡，須把顯示儀表的機械零點預(yù)先調(diào)整到0℃。一.冷端溫度補償◆橋臂RCu必須和熱電偶的冷端靠近，使處于同一溫度之下。冷端溫度恒定T0：但T0不為0℃時，只需在采樣后加一個與冷端溫度對應(yīng)的常數(shù)即可。冷端溫度T0波動：可利用熱敏電阻或其它傳感器把T0信號輸入計算機，按照運算公式設(shè)計一些程序，便能自動修正。

5.軟件處理法注意后一種情況處理時若多個熱電偶的冷端溫度不相同，還要分別采樣，若占用的通道數(shù)太多，宜采用冷端集中方法(利用補償導(dǎo)線把所有的冷端接到同一溫度處)，只用一個冷端溫度傳感器和一個修正T0的輸入通道就可以了。冷端集中，對于提高多點巡檢的速度也很有利。

一.冷端溫度補償（d）(a)測量某點溫度。熱電偶串、并聯(lián)測溫時，應(yīng)注意兩點：1.必須應(yīng)用同一分度號的熱電偶；2.兩熱電偶的參考端溫度應(yīng)相等。二.熱電偶測溫基本電路(c)測兩點溫度之和：兩熱電偶正向串聯(lián)。(b)測量兩點平均溫度：兩個熱電偶并聯(lián)。(d)測量兩點溫差：兩熱電偶反向串聯(lián)。2.5輻射式溫度傳感器

利用物體的輻射能隨溫度變化的原理制成的,應(yīng)用時只需把傳感器對準物體，而不必與被測物體直接接觸。

應(yīng)用場合：檢測運動物體的溫度和小的被測對象的溫度并可進行遙測。

一、熱輻射:

物體受熱，激勵了原子中帶電粒子，使一部分熱能以電磁波的形式向空間傳播，它不需要任何物質(zhì)作媒介（即在真空條件下也能傳播），這種能量的傳播方式稱為熱輻射（簡稱輻射）。

輻射能量的大小與波長、溫度有關(guān)。

二、黑體:

所謂黑體是指能對落在它上面的輻射能量全部吸收的物體。

2.5.1輻射測溫的物理基礎(chǔ)黑體輻射能量與波長、溫度之間的關(guān)系2.5.1輻射測溫的物理基礎(chǔ)2.5.1輻射測溫的物理基礎(chǔ)三、輻射基本定律1.普朗克定律:普朗克定律揭示了在各種不同溫度下黑體輻射能量按波長分布的規(guī)律，其關(guān)系式

——黑體的單色輻射強度，單位時間內(nèi)輻射出在波長λ附近單位波長的能量。2.5.1輻射測溫的物理基礎(chǔ)2.斯忒藩-波耳茲曼定律:斯忒藩--波耳茲曼定律確定了黑體的全輻射與溫度的關(guān)系式

上式表明，黑體的全輻射能是和它的絕對溫度的四次方成正比，所以這一定律又稱為四次方定律。工程上常見材料，一般都遵循這一定律，并稱之為灰體。黑度:把灰體全輻射能E與同一溫度下黑體全輻射能E0相比較，得到物體的另一個特征量黑度ε=E/E0，反應(yīng)了物體接近黑體的程度。2.5.2輻射測溫方法一、亮度法:

是指被測對象投射到檢測元件上的是被限制在某一特定波長的光譜輻射能量，而能量的大小與被測對象溫度之間的關(guān)系是普朗克公式所描述的一種輻射測溫方法。即比較被測物體與參考源在同一波長下的光譜亮度，并使二者的亮度相等，從而確定被測物體的溫度，典型測溫傳感器是光學(xué)高溫計。二、全輻射法:

全輻射法是指被測對象投射到檢測元件上的是對應(yīng)全波長范圍的輻射能量，而能量的大小與被測對象溫度之間的關(guān)系是由斯忒藩--波耳茲曼所描述的一種輻射測溫方法，典型測溫傳感器是輻射溫度計（熱電堆）。2.5.2輻射測溫方法三、比色法:被測對象的兩個不同波長的光譜輻射能量投射到一個檢測元件上，或同時投射到兩個檢測元件上，根據(jù)它們的比值與被測對象溫度之間的關(guān)系實現(xiàn)輻射測溫的方法，比值與溫度之間的關(guān)系由兩個不同波長下普朗克公式之比表示，典型測溫傳感器是比色溫度計。2.5.2輻射測溫方法2.7光纖傳感器工作原理:光纖工作的基礎(chǔ)是光的全反射。玻璃光纖的基本結(jié)構(gòu)示意圖時，射入的光線在光纖的界面上產(chǎn)生全反射。2.7光纖傳感器當端面入射的光滿足全反射條件時

即使用時應(yīng)使入射光處于2θc的光錐角內(nèi)，光纖才能理想地導(dǎo)光。否則，這些光線便從包層中逸出而產(chǎn)生漏光。

光纖分類:按傳輸?shù)哪Ｊ椒譃閱文：投嗄深悺！饫w的數(shù)值孔徑，用NA表示，是光線的一個重要參數(shù)。2.8集成溫度傳感器

定義：利用感溫元件（常為PN結(jié)）的電流、電壓特性與溫度的關(guān)系，把溫敏晶體管及其輔助電路集成在同一個芯片上的溫度傳感器。特點：

①最大的優(yōu)點在于輸出結(jié)果與絕對溫度成正比，即理想的線性輸出。

②

體積小、線性好、反應(yīng)靈敏、應(yīng)用廣泛。③PN結(jié)不能耐高溫，通常測量150℃以下的溫度。

在絕對溫度零度時,它們的輸出電量均為零。

分類：按輸出量不同可分為：

電壓型(10mV/℃

)、電流型（1μA/℃）和數(shù)字輸出型三大類。PTAT電路：其中VT1、VT2為差分對晶體管，它產(chǎn)生與絕對溫度成正比的電壓和電流。恒流源提供的I1、I2分別為VT1、VT2的集電極電流。電阻R上的壓降△Ube為兩管的基極-發(fā)射極壓降之差：

只要I1/I2為一恒定值，則△Ube與溫度T為單值線性函數(shù)關(guān)系。2.8.1集成溫度傳感器基本工作原理γ——VT1、VT2發(fā)射極面積比。

K——波爾茲曼常數(shù)；

T——絕對溫度;

q——電子電荷量；電壓型集成溫度傳感器是指輸出電壓與溫度成正比的溫度傳感器。2.8.2電壓型集成溫度傳感器μpc616A/C常用電壓型集成溫度傳感器有μpc616、LM135、LM35、AN6701等多種。NEC公司的μpc616是典型產(chǎn)品之一。μPC616A的測量范圍是-40～+125℃，而μPC616C測量范圍是-25～+85℃。

2.8.2電壓型集成溫度傳感器μpc616A/Cμpc616A/C方框圖和封裝圖結(jié)構(gòu)上包括三部分:

溫度傳感器部分、

穩(wěn)壓部分、

運算放大器部分。一、工作原理μPC616為四端電壓輸出型，在測溫范圍內(nèi)，對應(yīng)于熱力學(xué)溫度T每變化1K,就輸出10mV的電壓。

溫度傳感器部分具有10mV/K的溫度系數(shù)，輸出電壓的絕對值在T=25℃時為2.982V（對應(yīng)于298.2K），可以方便地把輸出值轉(zhuǎn)換成絕對溫度值。2.8.2電壓型集成溫度傳感器

μpc616A/C穩(wěn)壓部分：具有溫度補償電路，因而使輸出電壓十分穩(wěn)定。運算放大器在電路中具有兩個功能：1.測溫時，反相輸入端與輸出端連接成電壓跟隨器，輸出信號與所測絕對溫度（K）相對應(yīng)，輸出電壓與溫度的對應(yīng)值為10mv／K；2.溫度控制時，反相輸入端單獨使用作為設(shè)定值的輸入端。

二、應(yīng)用實例1.基本應(yīng)用電路由于3、4腳之間有一個相當于6.85V的穩(wěn)壓管。為使穩(wěn)壓管能正常工作，外加電源應(yīng)大于6.85V并需串入一個電阻，常取±15V，阻值的大小根據(jù)工作電流（約1mA）和外加電壓來確定。電路中的1腳、2腳相連，第3腳與1，2腳之間具有10/K的溫度系數(shù)，而且輸出電壓：

V0=（10mV／K）×T，

T為絕對溫度。R的確定2.8.2電壓型集成溫度傳感器μpc616A/C傳感器的2腳作溫度設(shè)定值的輸入端，通過調(diào)節(jié)電位器Rw，使它的電阻值定在與某一溫度相對應(yīng)的電壓值上。當外界溫度超過或低于此溫度時，1腳會輸出高電平或低電平，完成對溫度的判斷，進而實現(xiàn)對溫度的控制或進行報警。

2.溫度控制電路2.8.2電壓