第二章溫度傳感器

第二章溫度傳感器第一頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期四2.1溫標(biāo)及測溫方法

2.1.1溫標(biāo)

經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo):1.攝氏溫標(biāo);2.華氏溫標(biāo);3.列氏溫標(biāo)。攝氏、華氏、列氏溫度之間的換算關(guān)系為C=(5/9)*(F-32)=(5/4)R

熱力學(xué)溫標(biāo):1848年威廉.湯姆首先提出以熱力學(xué)第二定律為基礎(chǔ)建立起來的溫度僅與熱量有關(guān)而與物質(zhì)無關(guān)的熱力學(xué)溫標(biāo)。因是開爾文總結(jié)出來的故又稱為開爾文溫標(biāo)，用符號K表示。國際實(shí)用溫標(biāo)

第二頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期四2.1溫標(biāo)及測溫方法2.1.2溫度檢測的主要方法及分類

溫度檢測方法一般可以分為兩大類，即接觸測量法和非接觸測量法。常用的測溫方法、類型及特點(diǎn)如表2.1.1所示。第三頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期四2.2電阻式溫度傳感器

熱電阻溫度傳感器是利用導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻率隨溫度的變化而變化的原理制成的，實(shí)現(xiàn)了將溫度的變化轉(zhuǎn)化為元件電阻的變化。有金屬（鉑、銅和鎳）熱電阻及半導(dǎo)體熱電阻（稱為熱敏電阻）。2.2.1

金屬熱電阻傳感器1、熱電阻類型:金屬熱電阻主要有鉑電阻、銅電阻和鎳電阻等,其中鉑電阻和銅電阻最為常見。(1)鉑熱電阻：在-200～0℃的范圍內(nèi)在0～850℃的范圍內(nèi)(2)銅熱電阻：可表示為

第四頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期四2.2電阻式溫度傳感器2、熱電阻的結(jié)構(gòu):熱電阻主要由電阻體、絕緣套管和接線盒等組成。3、熱電阻傳感器的測量電路

(1)三線制(2)四線制第五頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期四2.2電阻式溫度傳感器第六頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期四2.2.2

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而變化的性質(zhì)制成的。1、特性：溫度特性和伏安特性

NTC型、PTC型、CTR型三類熱敏電阻的特性曲線如圖2.2電阻式溫度傳感器

第七頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期四2.2電阻式溫度傳感器2、熱敏電阻的主要參數(shù)

標(biāo)稱電阻值RH、耗散系數(shù)H、電阻溫度系數(shù)α、熱容量C、時間常數(shù)τ

第八頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期四2.2電阻式溫度傳感器3、熱敏電阻的特點(diǎn):靈敏度高,體積小、熱貫性小、結(jié)構(gòu)簡單，化學(xué)穩(wěn)定性好，機(jī)械性能強(qiáng)，價格低廉，壽命長，熱敏電阻的缺點(diǎn)是復(fù)現(xiàn)性和互換性差，非線性嚴(yán)重，測溫范圍較窄，目前只能達(dá)到-50～300℃。4、熱敏電阻的應(yīng)用:（1）溫度測量（2）溫度補(bǔ)償（3）溫度控制（4）過熱保護(hù)

第九頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期四2.3薄膜熱傳感器2.3.1金屬薄膜熱電阻

1、薄膜熱傳感器的結(jié)構(gòu)基片敏感膜引線WL第十頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期四2.3薄膜熱傳感器2、薄膜熱電阻的測溫機(jī)理鉑熱電阻在－200～0℃范圍內(nèi)的電阻與溫度的關(guān)系近似地表示，即第十一頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期四2.3薄膜熱傳感器2.3.2多晶硅薄膜熱電阻

1、結(jié)構(gòu)2、測溫機(jī)理第十二頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期四2.4熱電偶傳感器2.4.1

熱電偶測溫原理

1、熱電偶的特點(diǎn)

2、熱電偶的分類

（1）熱電偶材料分（2）按用途和結(jié)構(gòu)分

3、熱電偶的測溫原理:熱電偶測溫是基于熱電效應(yīng)，在兩種不同的導(dǎo)體（或半導(dǎo)體）A和B組成的閉合回路中，如果它們兩個接點(diǎn)的溫度不同，則回路中產(chǎn)生一個電動勢，通常我們稱這種現(xiàn)象為熱電勢，這種現(xiàn)象就是熱電效應(yīng)。第十三頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期四2.4熱電偶傳感器當(dāng)熱電偶材料一定時，熱電偶的總電勢成為溫度T和T0的函數(shù)差。即如果使冷端溫度T0固定,則對一定材料的熱電偶，其總電勢就只與溫度T成單值函數(shù)關(guān)系，即

第十四頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期四2.4熱電偶傳感器由此可得有關(guān)熱電偶的幾個結(jié)論(1)熱電偶必須采用兩種不同材料作為電極，否則無論熱電偶兩端溫度如何，熱電偶回路總熱電勢為零。(2)盡管采用兩種不同的金屬，若熱電偶兩接點(diǎn)溫度相等，即T=T0，回路總電勢為零。(3)熱電勢只與結(jié)點(diǎn)溫度有關(guān)，與中間各處溫度無關(guān)。

第十五頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期四2.4熱電偶傳感器4、熱電偶基本定律（1）均質(zhì)導(dǎo)體定律（2）中間導(dǎo)體定律（3）中間溫度定律（4）標(biāo)準(zhǔn)電極定律2.4.2熱電極材料及常用熱電偶1、熱電極材料2、標(biāo)準(zhǔn)熱電偶（1）鉑銠10-鉑熱電偶(S型)（2）鉑銠30-鉑銠6熱電偶(B型)（3）鎳鉻-鎳硅(鎳鉻-鎳鋁)熱電偶(K型)（4）鎳鉻-考銅熱電偶（E型）3、非標(biāo)準(zhǔn)熱電偶（1）鎢錸系（2）銥銠系（3）鎳鈷-鎳鋁

第十六頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期四2.4熱電偶傳感器2.4.3熱電偶的結(jié)構(gòu)

1、普通型熱電偶:通常都是由熱電極、絕緣材料、保護(hù)套管和接線盒等主要部分組成。

2、鎧裝熱電偶:鎧裝熱電偶是由熱電極、絕緣材料和金屬套管經(jīng)拉伸加工而成的組合體，其結(jié)構(gòu)分單芯和雙芯兩種。

第十七頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期四2.4熱電偶傳感器2.4.4熱電偶冷端溫度補(bǔ)償

1、補(bǔ)償導(dǎo)線法:常用熱電偶的補(bǔ)償導(dǎo)線參見表2.4.2。2、計(jì)算法:3、補(bǔ)償電橋法:補(bǔ)償電橋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變化而引起的熱電勢變化值，如圖所示。4、冰浴法5、軟件處理法

第十八頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期四2.4熱電偶傳感器2.4.5

熱電偶常用測溫線路1、測量某點(diǎn)溫度的基本電路2、測量兩點(diǎn)之間溫度差的測溫電路

3、測量多點(diǎn)的測溫線路

4、測量平均溫度的測溫線路:其缺點(diǎn)是當(dāng)某一熱電偶燒斷時，不能很快地覺察出來。5、測量幾點(diǎn)溫度之和的測溫線路:優(yōu)點(diǎn)是熱電偶燒壞時可立即知道，還可獲得較大的熱電動勢。第十九頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期四2.5

輻射式溫度傳感器2.5.1輻射測溫的物理基礎(chǔ)

輻射式溫度傳感器是利用物體的輻射能隨溫度變化的原理制成的。1、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），將熱能傳遞給對方，這種能量的傳播方式稱為熱輻射（簡稱輻射），傳播的能量叫輻射能。輻射能量的大小與波長、溫度有關(guān)。

2、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。

第二十頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期四2.5

輻射式溫度傳感器3、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

（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)系如上。此式表明，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。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ε第二十一頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期四2.5

輻射式溫度傳感器2.5.2輻射測溫方法

1.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(jì)。

第二十二頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期四2.5

輻射式溫度傳感器2.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(jì)（熱電堆）。第二十三頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期四2.5

輻射式溫度傳感器3.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(shí)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(jì)。第二十四頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期四2.6石英晶體測溫傳感器石英晶體諧振器的等效電路溫度與頻率的關(guān)系第二十五頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期四

2.6石英晶體測溫傳感器石英晶體數(shù)字溫度計(jì)的原理框圖如圖晶體探頭晶體基準(zhǔn)振蕩器振蕩器混頻器低通濾波器數(shù)字顯示計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)間隔f

－f

0f±f

0f

第二十六頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期四2.7光纖傳感器2.7.1

光纖傳感原理

1、光纖結(jié)構(gòu):光纖為玻璃光纖，其結(jié)構(gòu)如圖所示，它由導(dǎo)光的纖芯及其周圍的包層組成，包層的外面常有塑料或橡膠等保護(hù)套。包層折射率n1略小于纖芯折射率n2，它們的相對折射率差Δ

通常Δ為0.005～0.14這樣的構(gòu)造可以保證入射到光纖內(nèi)的光波集中在芯子內(nèi)傳播。第二十七頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期四2.7光纖傳感器2、工作原理:光纖工作的基礎(chǔ)是光的全反射。當(dāng)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。

3、光纖分類:按傳輸?shù)哪Ｊ椒譃閱文：投嗄深?。第二十八頁，共三十八頁，編輯?023年，星期四2.7光纖傳感器2.7.2

光纖溫度傳感器

光纖溫度傳感器按其工作原理可分兩大類：功能型和非功能型。1、功能型:功能型也稱物性型或傳感型，是利用其某種參數(shù)隨溫度變化的特性作為傳感器的主體，即將其作為敏感元件進(jìn)行測溫。

第二十九頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期四2.7光纖傳感器2、非功能型:非功能型也稱結(jié)構(gòu)型或傳光型，光纖在這類傳感器中只是作傳光的媒質(zhì)，還須要加上其它的敏感元件才能構(gòu)成傳感器。

第三十頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期四2.8集成數(shù)字溫度傳感器

集成溫度傳感器是利用晶體管PN結(jié)的電流與電壓特性與溫度的關(guān)系，把敏感元件、放大電路和補(bǔ)償電路等部分集成化，并把它們裝封在同一殼體里的一種一體化溫度檢測元件。一般只能用來測50℃以下的溫度。2.8.1

集成溫度傳感器工作原理及分類1、工作原理第三十一頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期四2.8集成數(shù)字溫度傳感器2、分類電壓型、電流型、數(shù)字輸出型，典型的電壓型集成電路溫度傳感器有μPC616A／C