第四章溫度檢測(cè)

傳感器與智能檢測(cè)技術(shù)第四章溫度檢測(cè)2溫度溫度是工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)實(shí)驗(yàn)中一個(gè)非常重要的參數(shù)。對(duì)溫度的測(cè)量越來(lái)越普遍,而且對(duì)溫度測(cè)量的準(zhǔn)確度也有更高的要求。溫度是表征物體冷熱程度的物理量。溫度不能直接加以測(cè)量。34.1溫標(biāo)及測(cè)溫方法4.1.1溫標(biāo)定量描述溫度的高低所建立溫度標(biāo)尺,即溫標(biāo)。溫標(biāo)就是溫度的數(shù)值表示。各種溫度計(jì)和溫度傳感器的溫度數(shù)值均由溫標(biāo)確定。歷史上提出過(guò)多種溫標(biāo)攝氏溫標(biāo)華氏溫標(biāo)國(guó)際溫標(biāo)4

4.1.1溫度測(cè)量的主要方法和分類溫度傳感器的組成在工程中無(wú)論是簡(jiǎn)單的還是復(fù)雜的測(cè)溫傳感器,就測(cè)量系統(tǒng)的功能而言,通常由現(xiàn)場(chǎng)的感溫元件和控制室的顯示裝置兩部分組成,如圖所示。5溫度檢測(cè)的主要方法測(cè)溫方法分類：接觸測(cè)量法膨脹式溫度計(jì)電阻式溫度傳感器熱電偶傳感器石英晶體測(cè)溫傳感器集成溫度傳感器非接觸測(cè)量法熱探測(cè)器紅外測(cè)溫傳感器光子探測(cè)器紅外測(cè)溫傳感器64.2膨脹式溫度計(jì)784.3電阻式溫度傳感器

熱電阻和熱敏電阻利用電阻隨溫度變化而制成的傳感器稱為電阻式溫度傳感器。分為：金屬熱電阻和半導(dǎo)體熱敏電阻9一：金屬熱電阻電阻溫度系數(shù)大而穩(wěn)定；電阻率要大；電阻溫度系數(shù)保持單值,最好為常數(shù)；金屬的物理、化學(xué)性能穩(wěn)定；電阻材料條件目前最常用的熱電阻有鉑熱電阻和銅熱電阻。10(a)鉑電阻：鉑熱電阻的特點(diǎn)是精度高、穩(wěn)定性好、性能可靠,所以在溫度傳感器中得到了廣泛應(yīng)用。按IEC標(biāo)準(zhǔn),鉑熱電阻的使用溫度范圍為-200~+850℃。1112（b）銅電阻精度要求不高，溫度較低的場(chǎng)合 易氧化，體積大，但便宜其中：常用的工業(yè)銅電阻13熱電阻的結(jié)構(gòu)它由電阻體、絕緣管、保護(hù)套管、引線和接線盒等部分組成。電阻體由電阻絲和電阻支架組成。電阻絲采用雙線無(wú)感繞法繞制在具有一定形狀的云母、石英或陶瓷塑料支架上,支架起支撐和絕緣作用,引出線通常采用直徑1mm的銀絲或鍍銀銅絲,它與接線盒柱相接,以便與外接線路相連而測(cè)量顯示溫度。1415用熱電阻傳感器進(jìn)行測(cè)溫時(shí),測(cè)量電路經(jīng)常采用電橋電路。而熱電阻與檢測(cè)儀表相隔一段距離,因此熱電阻的引線對(duì)測(cè)量結(jié)果有較大的影響。熱電阻引線方式有兩線制、三線制和四線制三種。二線制中引線電阻對(duì)測(cè)量影響大,用于測(cè)溫精度要求不高場(chǎng)合。三線制可以減小熱電阻與測(cè)量?jī)x表之間連接導(dǎo)線的電阻因環(huán)境溫度變化所引起的測(cè)量誤差。四線制可以完全消除引線電阻對(duì)測(cè)量的影響,用于高精度溫度檢測(cè)16三線制線路電阻補(bǔ)償法174.4熱電偶傳感器4.4.1熱電偶測(cè)溫原理兩種導(dǎo)體A、B連接構(gòu)成回路→兩端溫度T0≠T

→回路產(chǎn)生溫差熱電勢(shì)溫差發(fā)電器I加熱保持恒溫測(cè)量端、工作端、熱端參考端、自由端、冷端18熱電偶傳感器1、熱電勢(shì)的產(chǎn)生

熱電偶產(chǎn)生的熱電勢(shì)與兩電極的材料和兩電極的溫度有關(guān)。（1）單一導(dǎo)體的溫差電勢(shì)

一根勻質(zhì)金屬導(dǎo)體兩端溫度不同，導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)σA是導(dǎo)體A的溫差系數(shù)19熱電偶傳感器

兩種金屬A、B接觸，由于導(dǎo)體內(nèi)自電電子密度不同，接觸面形成電場(chǎng)。（2）兩種導(dǎo)體的接觸電勢(shì)

電場(chǎng)阻止作用與擴(kuò)散作用處于動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)固定的電動(dòng)勢(shì)式中：K－波爾茲曼常數(shù)T－接觸處的絕對(duì)溫度e－電子電荷量NA、NB

－分別為金屬A、B的自由電子密度20熱電偶傳感器（2）熱電偶回路的總的電勢(shì)當(dāng)AB為同質(zhì)材料，NA＝NB，σA＝σB

EAB（T，T0）＝0當(dāng)AB為異質(zhì)材料，NA≠NB，σA≠σB

EAB（T1，T0）≠0212、熱電偶的基本定律熱電偶傳感器

在熱電偶回路中接入第三種導(dǎo)體后，只要第三種導(dǎo)體兩端的溫度相同，就不會(huì)影響熱電偶回路的總熱電勢(shì)。（1）中間導(dǎo)體定律22熱電偶傳感器

所以可以在回路引入各種儀表和連接線，而對(duì)熱電勢(shì)無(wú)影響。232425熱電偶傳感器（2）中間溫度定律熱電偶AB在接點(diǎn)溫度為（T，T0）時(shí)的熱電勢(shì)等于該熱電偶在接點(diǎn)為（T，Tn）和（Tn，T0）時(shí)的熱電勢(shì)的代數(shù)和Tn稱為中間溫度Tn26熱電偶傳感器（3）標(biāo)準(zhǔn)電極定律

若熱電極A和B分別與標(biāo)準(zhǔn)熱電極C組成的熱電偶產(chǎn)生的熱電勢(shì)已知，則由A和B組成的熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢(shì)為27熱電偶傳感器A→B A→C B→C284.4.2熱電極材料及常用熱電偶熱電極材料在測(cè)溫范圍內(nèi)，熱點(diǎn)性質(zhì)穩(wěn)定。電導(dǎo)率高，電阻溫度系數(shù)小。熱電勢(shì)隨溫度變化率大。材料機(jī)械強(qiáng)度高，價(jià)格便宜。常用熱電偶鉑銠10-鉑熱電偶（S型）1200℃鉑銠30-鉑銠6-熱電偶（B型）1600℃鎳鉻-鎳硅（鎳鉻-鎳鋁）熱電偶（K型）900℃鎳鉻-康銅熱電偶（E型）600℃2930熱電偶傳感器31熱電偶測(cè)溫1、測(cè)溫原理與方法

熱電偶的材料確定后，且參數(shù)溫度T0(冷端溫度)恒定不變后，則有

EAB（T，T0）＝f（T）， 即熱電勢(shì)只與被測(cè)溫度（簡(jiǎn)稱熱端溫度）成單值對(duì)應(yīng)關(guān)系。

當(dāng)T0=0℃時(shí)，T取不同溫度時(shí)的EAB(T，0),制成關(guān)系數(shù)據(jù)表，查表法即可確定T的大小。32EAB(T，T0)＝EAB(T，0)－EAB(T0，0)則：EAB(T，0)＝EAB(T，T0)＋EAB(T0，0)若：T0≠0℃時(shí)，則由測(cè)量后已知已知查表后確定T334.4.3熱電偶的冷端處理（1）恒溫法將冷端處于冰水混合物中或處于恒溫槽中（2）冷端的延伸實(shí)際測(cè)溫時(shí)①被測(cè)點(diǎn)與指示儀表之間距離長(zhǎng) ②熱端要遠(yuǎn)離冷端 ③熱電偶材料昂貴專用導(dǎo)線將冷端延長(zhǎng)

注意：補(bǔ)償導(dǎo)線的使用不能代替冷端溫度補(bǔ)償。34應(yīng)滿足的條件：①補(bǔ)償導(dǎo)線在一定溫度范圍（0℃~100℃）要與所配熱電偶的熱電特性相同，即EA’B’（Tn，T0）=EAB（Tn，T0）②兩接點(diǎn)溫度均相同（Tn）③同性極性相接，不可接反。35（3）冷端的自動(dòng)補(bǔ)償R1、R2、R3：用錳銅制電阻溫度系數(shù)極小，可近似為不隨溫度變化。Rt：由溫度系數(shù)大的銅絲制成36Rt與冷端感受同一溫度（或稱環(huán)境溫度）后，當(dāng)Tn變化時(shí)，Rt也隨之變化，電橋便由原來(lái)的平衡輸出u0變成不平衡輸出，設(shè)不平衡輸出電壓為Uab，則：選橋臂電阻和電流，使之滿足374.4.4熱電偶傳感器的應(yīng)用熱電偶報(bào)警傳感器

一種是將冷端處于較穩(wěn)定的低溫環(huán)境、熱端置于被測(cè)的高溫環(huán)境中。傳感器能感受熱端環(huán)境由于超溫或者火焰引起的溫升而輸出一個(gè)相應(yīng)的熱電勢(shì)。

一種是將熱端加工成具有較大的表面積及較小的質(zhì)量，將冷端加工成具有較小的表面積及較大的質(zhì)量，將此二端均置于被測(cè)環(huán)境中，傳感器只能感受由于火焰引起的溫升速率而輸出相應(yīng)的熱電勢(shì)。384.5輻射式溫度傳感器輻射式溫度傳感器是利用物體輻射能隨溫度變化原理，特點(diǎn)如下：傳感器和被測(cè)對(duì)象不接觸傳感器的溫度不必與被測(cè)對(duì)象相同檢測(cè)過(guò)程不必有熱平衡時(shí)間394.5.1輻射測(cè)溫的物理基礎(chǔ)熱輻射：物體受熱激勵(lì)了原子中的帶電粒子，使一部分熱能以電磁波的形式向空間傳播。黑體(熱力學(xué))：黑體是指入射的電磁波全部被吸收，既沒有反射，也沒有透射。輻射基本定律：普朗克輻射定律(Planck)則給出了黑體輻射的具體譜分布，即在不同溫度下，單位面積的黑體在單位時(shí)間、單位立體角內(nèi)和單位波長(zhǎng)間隔內(nèi)輻射出的能量。斯忒藩--玻爾茲曼定律給出：黑體的全輻射能與其表面積成正比，與有效溫度的四次方成正比，再乘上玻爾茲曼常數(shù)。40測(cè)量方法亮度法：測(cè)量對(duì)象被限制在一特定波長(zhǎng)范圍內(nèi)，與已知溫度進(jìn)行比較的方法。全輻射法：對(duì)應(yīng)全波長(zhǎng)范圍內(nèi)的輻射能量檢測(cè)。比色法：利用被測(cè)對(duì)象的兩個(gè)不同波長(zhǎng)（或波段）光譜輻射亮度之比實(shí)現(xiàn)輻射測(cè)溫。411.紅外線：不可見電磁波，波長(zhǎng)為0.76～1000μm

紅外傳感器42

光熱效應(yīng)是光譜中最大光熱效應(yīng)區(qū)，只要物體高于-273.15℃就會(huì)不斷輻射紅外線，溫度越高，發(fā)射越多。2.最大的特點(diǎn)：

利用氣體和液體對(duì)不同波長(zhǎng)的紅外線具有選擇性吸收。3.用以測(cè)量溫度和測(cè)量成分

紅外傳感器43紅外傳感器紅外輻射通過(guò)大氣層時(shí)，有三個(gè)波段透過(guò)率高：2～2.6μm、3～5μm、8～14μm稱為“大氣窗口”444.紅外探測(cè)器分類熱探測(cè)器光子探測(cè)器紅外傳感器

熱探測(cè)器是利用紅外輻射的熱效應(yīng),探測(cè)器的敏感元件吸收輻射能后引起溫度升高,進(jìn)而使有關(guān)物理參數(shù)發(fā)生相應(yīng)變化，通過(guò)測(cè)量物理參數(shù)的變化,便可確定探測(cè)器所吸收的紅外輻射。

光子探測(cè)器利用入射紅外輻射的光子流與探測(cè)器材料中電子的相互作用,改變電子的能量狀態(tài),引起各種電學(xué)現(xiàn)象。這稱光子效應(yīng)。通過(guò)測(cè)量材料電子性質(zhì)的變化,可以知道紅外輻射的強(qiáng)弱。45熱釋電探測(cè)器：當(dāng)紅外輻射照到已極化的鐵電薄片上時(shí)，引起薄片表面溫度升高，從而釋放一部分電荷，釋放的電荷用放大器轉(zhuǎn)變成輸出電壓。利用這個(gè)原理（釋放的電信號(hào)正比于器件升溫隨時(shí)間的變化率），其應(yīng)用日益廣泛，即可以工作在高頻，又可以工作的低頻。紅外傳感器熱探測(cè)器主要類型熱釋電型、熱敏電阻型、熱電偶型和氣體型探測(cè)器。缺點(diǎn)：響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)。優(yōu)點(diǎn)：響應(yīng)波段寬,響應(yīng)范圍可擴(kuò)展到整個(gè)紅外區(qū)域,可以在室溫下工作,使用方便。46光子探測(cè)器主要類型：有內(nèi)光電和外光電探測(cè)器兩種,后者又分為光電導(dǎo)、光生伏特和光磁電探測(cè)器等三種。優(yōu)缺點(diǎn)：光子探測(cè)器的主要特點(diǎn)是靈敏度高,響應(yīng)速度快,具有較高的響應(yīng)頻率,但探測(cè)波段較窄,一般需在低溫下工作。紅外傳感器474.6石英晶體測(cè)溫傳感器f＝f0（1＋at＋bt2＋ct3）a，b，c—

頻率溫度系數(shù)石英晶體頻率式溫度傳感器當(dāng)－80℃<t<250℃，頻率與溫度的關(guān)系：f0

—t＝0時(shí)的固有頻率當(dāng)b，c→0：f＝f0（1＋at）呈線性48494.7集成溫度傳感器集成溫度傳感器是利用晶體管PN結(jié)的電流電壓特性與溫度的關(guān)系,把感溫PN結(jié)及有關(guān)電子線路集成在一個(gè)小硅片上,構(gòu)成一個(gè)小型化、一體化的專用集成電路片。集成溫度傳感器具有體積小、反應(yīng)快、線性好、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn),由于PN結(jié)受耐熱性能和特性范圍的限制,它只能用來(lái)測(cè)150℃以下的溫度。電流輸出型典型的集成溫度傳感器有美國(guó)AD公司生產(chǎn)的AD590,我國(guó)產(chǎn)的SG590也屬于同類型產(chǎn)品。50AD590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。溫度測(cè)量電路:但實(shí)際上存在一定誤差,可以在外電路中進(jìn)行修正。將AD590串聯(lián)一個(gè)可調(diào)電阻,在已知溫度下調(diào)整電阻值,使輸出電壓UT滿足1mV/k的關(guān)系（如25℃時(shí),UT應(yīng)為298.2mV）。調(diào)整好以后,固定可調(diào)電阻,即可由輸出電壓VT讀出AD590所處的熱力學(xué)溫度。51－VEEIOR1V2V1V3V4＋VＣＣ基射結(jié)電壓：基射極電壓差同一工藝且對(duì)稱所以52其中：A1，A2－分別為V1，V2的基射結(jié)面