第09章 溫度傳感器

測量技術(shù)基礎(chǔ)第九章溫度傳感器溫度測量基本概念熱電偶傳感器熱電阻式傳感器集成溫度傳感器本章內(nèi)容：溫度：反映了物體的冷熱程度，與自然界中各種物理和化學(xué)過程相聯(lián)系。溫度測量：以熱平衡為基礎(chǔ)。溫度基本特性：當兩個冷熱程度不同的物體接觸后就會產(chǎn)生導(dǎo)熱、換熱，換熱結(jié)束后兩物體處于熱平衡狀態(tài)，具有相同的溫度。溫度測量方式：接觸式和非接觸式。一、溫度測量基本概念§9.1溫度測量基本概念二、溫標1、溫度的數(shù)值表示方法稱為溫標。它規(guī)定了溫度讀數(shù)的起點(即零點)以及溫度的單位。各類溫度計的刻度均由溫標確定。2、國際上規(guī)定的溫標有：攝氏溫標、華氏溫標、熱力學(xué)溫標和國際實用溫標等?！?.1溫度測量基本概念華氏溫標與攝氏溫標：F=9/5C°+32攝氏溫標與熱力學(xué)溫標：C°=K-273.15接觸式溫度傳感器非接觸式溫度傳感器接觸式溫度傳感器的特點：傳感器直接與被測物體接觸進行溫度測量，由于被測物體的熱量傳遞給傳感器，降低了被測物體溫度，特別是被測物體熱容量較小時，測量精度較低。因此采用這種方式要測得物體的真實溫度的前提條件是被測物體的熱容量要足夠大。非接觸式溫度傳感器主要是利用被測物體熱輻射而發(fā)出紅外線，從而測量物體的溫度，可進行遙測。其制造成本較高，測量精度卻較低。優(yōu)點是：不從被測物體上吸收熱量；不會干擾被測對象的溫度場；連續(xù)測量不會產(chǎn)生消耗；反應(yīng)快等?！?.1溫度測量基本概念三、溫度傳感器分類物理現(xiàn)象體積熱膨脹電阻變化溫差電現(xiàn)象導(dǎo)磁率變化電容變化壓電效應(yīng)超聲波傳播速度變化物質(zhì)顏色P–N結(jié)電動勢晶體管特性變化可控硅動作特性變化熱、光輻射傳感器種類鉑測溫電阻、熱敏電阻熱電偶BaSrTiO3陶瓷石英晶體振動器超聲波溫度計示溫涂料液晶半導(dǎo)體二極管晶體管半導(dǎo)體集成電路溫度傳感器可控硅輻射溫度傳感器光學(xué)高溫計1.氣體溫度計2.玻璃制水銀溫度計3.玻璃制有機液體溫度計4.雙金屬溫度計5.液體壓力溫度計6.氣體壓力溫度計1．

熱鐵氧體2．

Fe-Ni-Cu合金§9.1溫度測量基本概念熱電偶、測溫電阻器、熱敏電阻、感溫鐵氧體、石英晶體振動器、雙金屬溫度計、壓力式溫度計、玻璃制溫度計、輻射傳感器、晶體管、二極管、半導(dǎo)體集成電路傳感器、可控硅分類特征傳感器名稱超高溫用傳感器1500℃以上光學(xué)高溫計、輻射傳感器高溫用傳感器1000～1500℃光學(xué)高溫計、輻射傳感器、熱電偶中高溫用傳感器500～1000℃光學(xué)高溫計、輻射傳感器、熱電偶中溫用傳感器0～500℃低溫用傳感器-250～0℃極低溫用傳感器-270～-250℃BaSrTiO3陶瓷晶體管、熱敏電阻、壓力式玻璃溫度計見表下內(nèi)容測溫范圍§9.1溫度測量基本概念分類特征傳感器名稱測溫范圍寬、輸出小測溫電阻器、晶體管、熱電偶半導(dǎo)體集成電路傳感器、可控硅、石英晶體振動器、壓力式溫度計、玻璃制溫度計線性型測溫范圍窄、輸出大熱敏電阻指數(shù)型函數(shù)開關(guān)型特性特定溫度、輸出大感溫鐵氧體、雙金屬溫度計測溫特性測溫特性§9.1溫度測量基本概念1熱電偶測溫原理2熱電偶基本定律3熱電偶冷端處理和補償4標準化熱電偶5熱電偶分度表6熱電偶傳感器的應(yīng)用§9.2熱電偶傳感器熱電偶測溫主要優(yōu)點

1、它屬于自發(fā)電型傳感器：測量時可以不需外加電源，可直接驅(qū)動動圈式儀表；

2、測溫范圍廣：下限可達-270C，上限可達1800C以上；

3、各溫區(qū)中的熱電勢均符合國際計量委員會的標準?！?.2.1熱電偶測溫原理熱電偶工作原理演示

結(jié)論：當兩個結(jié)點溫度不相同時，回路中將產(chǎn)生電動勢熱電極A右端稱為：

自由端參考端冷端左端稱為：

測量端工作端熱端熱電極B熱電勢AB§9.2.1熱電偶測溫原理

熱電偶：兩種不同的金屬A和B構(gòu)成閉合回路，當兩個接觸端T﹥T0時，回路中會產(chǎn)生熱電勢。

熱電勢由兩種材料的接觸電勢和單一材料的溫差電勢決定ABTT0§9.2.1熱電偶測溫原理§9.2.1熱電偶測溫原理1)接觸電勢(帕爾貼熱電勢)

兩種不同的金屬互相接觸時，由于不同金屬內(nèi)自由電子的密度不同，在兩金屬A和B的接觸點處會發(fā)生自由電子的擴散現(xiàn)象。自由電子將從密度大的金屬A擴散到密度小的金屬B，使A失去電子帶正電，B得到電子帶負電，從而產(chǎn)生熱電勢。

2)溫差電勢(湯姆遜熱電勢)§9.2.1熱電偶測溫原理3)熱電偶回路的總熱電勢

熱電勢存在必須具備兩個條件：

a)兩種不同的金屬材料組成熱電偶；b)兩端存在溫差。

熱電勢是T和T0的溫度函數(shù)的差，而不是溫度的函數(shù)。當T0=0℃時，f(T0)=0則有：

E與T間有唯一對應(yīng)的單值函數(shù)關(guān)系，因此可用測量到的熱電勢E來得到對應(yīng)的溫度值T，熱電偶熱電勢的大小，只與導(dǎo)體A和B的材料及冷熱端的溫度有關(guān)，與導(dǎo)體的粗細長短及接觸面積無關(guān)。1)勻質(zhì)導(dǎo)體定律2)中間導(dǎo)體定律3)連接導(dǎo)體定律§9.2.2熱電偶基本定律1)勻質(zhì)導(dǎo)體定律

熱電偶的熱電勢僅與兩接點的溫度有關(guān)，而與沿熱電極的溫度分布無關(guān)。如果熱電偶的熱電極是非勻質(zhì)導(dǎo)體，在不均勻溫度場中測溫時將造成測量誤差。所以熱電極材料的均勻性是衡量熱電偶質(zhì)量的重要技術(shù)指標之一。TT0

由一種勻質(zhì)導(dǎo)體所組成的閉合回路，不論導(dǎo)體的截面積及導(dǎo)體的各處溫度分布如何，都不能產(chǎn)生熱電勢。熱電偶必須采用兩種不用材料的導(dǎo)體組成。§9.2.2熱電偶基本定律2)中間導(dǎo)體定律

在熱電偶回路中接入與另一種導(dǎo)體稱中間導(dǎo)體C，只要中間導(dǎo)體的兩端溫度相同，熱電偶回路總電動勢不受中間導(dǎo)體接入的影響。為用測量儀表測量回路的熱電動勢提供理論依據(jù)TT0V§9.2.2熱電偶基本定律

兩種導(dǎo)體A,B分別與參考電極C組成熱電偶，如果他們所產(chǎn)生的熱電動勢為已知，A和B兩極配對后的熱電動勢：ABTT0=ACTT0—CBTT0由于鉑的物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、人們多采用鉑作為參考電極3)連接導(dǎo)體定律§9.2.2熱電偶基本定律

熱電偶的熱電勢大小不僅與熱端溫度的有關(guān)，而且也與冷端溫度有關(guān)，只有當冷端溫度恒定，才能通過測量熱電勢的大小得到熱端的溫度。

熱電偶的冷端處理和補償：

當熱電偶冷端處在溫度波動較大的地方時，必須首先使用補償導(dǎo)線將冷端延長到一個溫度穩(wěn)定的地方，再考慮將冷端處理為0℃。§9.2.3熱電偶冷端處理和補償幾種冷端處理方法1)熱電偶冷端溫度恒溫法2)計算修正法3)冷端補償電橋法§9.2.3熱電偶冷端處理和補償1)熱電偶冷端溫度恒溫法§9.2.3熱電偶的冷端處理和補償

在實際應(yīng)用中，熱電偶的參比端往往不是0oC，而是環(huán)境溫度，這時測量出的回路熱電勢要小，因此必須加上環(huán)境溫度與冰點之間溫差所產(chǎn)生的熱電勢后才能符合熱電偶分度表的要求。

可用室溫計測出環(huán)境溫度T1，從分度表中查出的E(T1,0)值，然后加上熱電偶回路熱電勢E(T,T1)，得到E(T,0)值，反查分度表即可得到準確的被測溫度值。2)計算修正法§9.2.3熱電偶的冷端處理和補償例：用鎳鉻--鎳硅(K型)熱電偶測溫，熱電偶參比端溫度為30℃。測得的熱電勢為28mV，求熱端溫度。反查K分度表T=701.5℃計算修正曲線2)計算修正法§9.2.3熱電偶的冷端處理和補償

利用直流不平衡電橋產(chǎn)生的電勢來補償熱電偶冷端溫度變化而引起的熱電勢的變化值3)冷端補償電橋法§9.2.3熱電偶的冷端處理和補償

橋臂銅電阻RCu必須和熱電偶的冷端處于同一溫度下。電橋在0℃設(shè)計的RCu的阻值與其余三個橋臂電阻相等，這時電橋處于平衡狀態(tài)，圖中b和a之間的電壓Uba=0(冷端補償器輸出電壓)。當冷端t0>0℃時，熱電偶電勢將減少，RCu增大，使電橋不平衡，出現(xiàn)Uba>0。這時Uba與熱電勢E(T,T0)同向串聯(lián)，電勢相加增大，起到了補償作用，相當于把熱電偶冷端置于0℃，完成了熱電偶冷端處理和補償功能。3)冷端補償電橋法§9.2.3熱電偶的冷端處理和補償

標準化熱電偶：工藝上比較成熟，能批量生產(chǎn)、性能穩(wěn)定、應(yīng)用廣泛，具有統(tǒng)一分度表并已列入國際和國家標準文件中的熱電偶。標準化熱電偶可以互相交換，精度有一定的保證。國際電工委員會(IEC)共推薦了8種標準化熱電偶從1988年1月1日起，我國熱電偶和熱電阻的生產(chǎn)全部按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(tǒng)一設(shè)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(chǎn)和使用?！?.2.4標準化熱電偶標準化熱電偶技術(shù)數(shù)據(jù)熱電偶名稱分度號熱電極識別E（100,0）（mV）測溫范圍（℃）對分度表允許偏差（℃）新極性識別長期短期等級使用溫度允差鉑銠10-鉑S正亮白較硬0.6460~13001600Ⅲ≤600±1.5℃負亮白柔軟＞600±0.25%t鉑銠13-鉑R正較硬0.6470~13001600Ⅱ＜600±1.5℃負柔軟＞1100±0.25%t鉑銠30-鉑銠B正較硬0.0330~16001800Ⅲ600~900±4℃負稍軟＞800±0.5%t鎳鉻-鎳硅K正不親磁4.0960~12001300Ⅱ-40~1300±2.5℃或±0.75%t負稍親磁Ⅲ-200~40±2.5℃或±1.5%t鎳鉻硅-鎳硅N正不親磁2.774-200~12001300Ⅰ-40~1100±1.5℃或±0.4%t負稍親磁Ⅱ-40~1300±2.5℃或±0.75%t鎳鉻-康銅E正暗綠6.319-200~760850Ⅱ-40~900±2.5℃或±0.75%t負亮黃Ⅲ-200~40±2.5℃或±1.5%t銅-康銅T正紅色4.279-200~350400Ⅱ-40~350±1℃或±0.75%t負銀白色Ⅲ-200~40±1℃或±1.5%t鐵-康銅J正親磁5.269-40~600750Ⅱ-40~750±2.5℃或±0.75%t負不親磁§9.2.4標準化熱電偶鎳鉻-鎳硅熱電偶(K型)

使用量最大的廉金屬熱電偶，用量為其它熱電偶的總和。正極(KP)的名義化學(xué)成分為：Ni:Cr=90:10，負極(KN)的名義化學(xué)成分為：Ni:Si=97:3。其使用溫度為-200～1300℃。優(yōu)點：線性度好，熱電勢較大，靈敏度較高，穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性均好，抗氧化性強，價格便宜。能用于氧化性和惰性氣氛中。缺點：K型熱電偶不能在高溫下直接用于還原性或還原、氧化交替的氣氛中，也不能用于真空中?！?.2.4標準化熱電偶熱電偶的分度表

——熱電偶的線性較差，多數(shù)情況下采用查表法

我國從1991年開始采用國際計量委員會規(guī)定的“1990年國際溫標”(簡稱ITS-90)的新標準。按此標準，制定了相應(yīng)的分度表，并且有相應(yīng)的線性化集成電路與之對應(yīng)。直接從熱電偶的分度表查溫度與熱電勢的關(guān)系時的約束條件是：自由端(冷端)溫度必須為0C。§9.2.5熱電偶的分度表幾種常用熱電偶的熱電勢與溫度的關(guān)系曲線分析

思考：

1)哪幾種熱電偶的測溫上限較高？

2)哪一種熱電偶的靈敏度較高？

3)哪一種熱電偶的靈敏度較低？

4)哪幾種熱電偶的線性較差？為什么所有的曲線均過原點(零度點)？§9.2.4標準化熱電偶如何利用熱電偶的分度表

假設(shè)熱電偶的冷端溫度為0C，請根據(jù)工業(yè)中常用的鎳鉻-鎳硅(K)熱電偶的分度表，查出－100C、0C、100C時的熱電勢。數(shù)字式溫度表溫度上限設(shè)定值溫度上限值設(shè)定鍵§9.2.5熱電偶的分度表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？§9.2.5熱電偶的分度表普通裝配型熱電偶的結(jié)構(gòu)放大圖

接線盒引出線套管固定螺紋(出廠時用塑料包裹)熱電偶工作端(熱端)不銹鋼保護管§9.2.6熱電偶結(jié)構(gòu)形式鎧裝型熱電偶外形§9.2.6熱電偶結(jié)構(gòu)形式鎧裝型熱電偶外形鎧裝型熱電偶可長達上百米薄壁金屬保護套管（鎧體）BA絕緣材料鎧裝型熱電偶橫截面§9.2.6熱電偶結(jié)構(gòu)形式其它熱電偶外形小形K型熱電偶§9.2.6熱電偶結(jié)構(gòu)形式1金屬熱電阻2半導(dǎo)體熱敏電阻3熱電阻式傳感器的應(yīng)用§9.3熱電阻式傳感器常用熱電阻(1)鉑熱電阻主要作為標準電阻溫度計，廣泛應(yīng)用于溫度基準、標準的傳遞。(2)銅熱電阻測量精度要求不高且溫度較低的場合，測量范圍一般為―50～150℃?！?.3熱電阻式傳感器(1)鉑熱電阻

鉑電阻的精度與鉑的提純程度有關(guān)。長時間穩(wěn)定的復(fù)現(xiàn)性可達10-4K，是目前測溫復(fù)現(xiàn)性最好的一種溫度計。W(100)越高，表示鉑絲純度越高，國際實用溫標規(guī)定，作為基準器的鉑電阻，W(100)≥1.3925

目前技術(shù)水平已達到W(100)＝1.3930，工業(yè)用鉑電阻的純度W(100)為1.387～1.390。百度電阻比目前最好材料§9.3.1金屬熱電阻

鉑絲的電阻值與溫度之間的關(guān)系，即特性方程如下：當溫度t在－200℃≤t≤0℃時：當溫度t在0℃≤t≤650℃時：

國內(nèi)統(tǒng)一設(shè)計的工業(yè)用標準鉑電阻，W(100)≥1.391R0分為50Ω和100Ω兩種，分度號分別為Pt50和Pt100，其分度表（給出阻值和溫度的關(guān)系）(1)鉑熱電阻§9.3.1金屬熱電阻(2)銅熱電阻應(yīng)用：測量精度要求不高且溫度較低的場合 測量范圍：―50～150℃優(yōu)點：溫度范圍內(nèi)線性關(guān)系好，靈敏度比鉑電阻高，容易提純、加工，價格便宜，復(fù)制性能好。缺點：易于氧化，一般只用于150℃以下的低溫測量和沒有水分及無侵蝕性介質(zhì)的溫度測量。與鉑相比，銅的電阻率低，所以銅電阻的體積較大。§9.3.1金屬熱電阻銅電阻的阻值與溫度之間的關(guān)系為α為銅的溫度系數(shù)，α＝(4.25～4.28)×10-3/℃。銅電阻的阻值與溫度之間的關(guān)系是線性的工業(yè)上使用的標準化銅熱電阻的R0按國內(nèi)統(tǒng)一設(shè)計取50Ω和100Ω兩種，分度號分別為Cu50和Cu100，相應(yīng)的分度表可查閱相關(guān)資料。(2)銅熱電阻§9.3.1金屬熱電阻

利用半導(dǎo)體的電阻值隨溫度顯著變化的特性制成由金屬氧化物和化合物按不同的配方比例燒結(jié)。優(yōu)點：

(1)熱敏電阻的溫度系數(shù)比金屬大（4～9倍）

(2)電阻率大，體積小，熱慣性小，適于測量點溫、表面溫度及快速變化的溫度。

(3)結(jié)構(gòu)簡單、機械性能好。缺點：線性度較差，復(fù)現(xiàn)性和互換性較差。§9.3.2半導(dǎo)體熱敏電阻熱敏電阻(Thermistor)分類正溫度系數(shù)(PTC，PositiveTemperatureCoefficient)負溫度系數(shù)(NTC，NegativeTemperatureCoefficient)臨界溫度熱敏電阻(CTR，CriticalTemperatureResistor)§9.3.2半導(dǎo)體熱敏電阻1)金屬熱電阻傳感器

-200～+500℃范圍的溫度測量特點：精度高、適于測低溫。2)半導(dǎo)體熱敏電阻傳感器應(yīng)用范圍很廣，可在宇宙航船、醫(yī)學(xué)、工業(yè)及家用電器等方面用作測溫、控溫、溫度補償、流速測量、液面指示等?！?.3.3熱敏電阻式傳感器的應(yīng)用(1)溫度測量熱敏電阻點溫計§9.3.3熱敏電阻式傳感器的應(yīng)用簡易溫度控制器(2)溫度控制§9.3.3熱敏電阻式傳感器的應(yīng)用

儀表中的電阻溫度補償電路金屬一般具有正的溫度系數(shù)，采用負溫度系數(shù)的熱敏電阻進行補償，可以抵消由于溫度變化所產(chǎn)生的誤差。(3)溫度補償§9.3.3熱敏電阻式傳感器的應(yīng)用

利用熱敏電阻上的熱量消耗和介質(zhì)流速的關(guān)系可以測量流量、流速、風速等熱敏電阻流量計(4)流量測量§9.3.3熱敏電阻式傳感器的應(yīng)用熱敏傳感器§9.3.3熱敏電阻式傳感器的應(yīng)用溫控器熱敏傳感器§9.3.3熱敏電阻式傳感器的應(yīng)用熱敏傳感器水溫感應(yīng)塞§9.3.3熱敏電阻式傳感器的應(yīng)用熱敏傳感器汽車發(fā)動機傳感器§9.3.3熱敏電阻式傳感器的應(yīng)用熱敏傳感器廣泛應(yīng)用于空調(diào)、暖氣、電子體溫計等§9.3.3熱敏電阻式傳感器的應(yīng)用集成溫度傳感器

集成溫度傳感器(溫度IC)將溫度敏感元件和放大、運算和補償?shù)入娐凡捎梦㈦娮蛹夹g(shù)和集成工藝集成在一片芯片上，從而構(gòu)成集測量、放大、電源供電回路于一體的高性能的測溫傳感器?！?.4集成溫度傳感器PN結(jié)的溫度特性二極管的正向電壓降UD以-2mV/℃變化1、集成溫度傳感器的測溫原理

§9.4集成溫度傳感器2、集成溫度傳感器的類型

集成溫度傳感器可分為：模擬型集成溫度傳感器和數(shù)字型集成溫度傳感器。模擬型的輸出信號形式有電壓型和電流型兩種。電壓型的靈敏度多為10mV/℃(以攝氏溫度0℃作為電壓的零點)

電流型的靈敏度多為1μA/K(以絕對溫度0K作為電流的零點)；數(shù)字型又可以分為開關(guān)輸出型、并行