會計學1Chapter溫傳感器實用傳感器原理及應(yīng)用第2章溫度傳感器

溫度是諸多物理現(xiàn)象中具有代表性的物理量，現(xiàn)代生活中準確的溫度是不可缺少的信息內(nèi)容，如家用電器有：電飯煲、電冰箱、空調(diào)、微波爐這些家用電器中都少不了溫度傳感器。概述第1頁/共74頁WGG2-201型光學高溫計1－物鏡；2－吸收玻璃；3－燈泡；4－紅色濾波片；5－目鏡；6－指示儀器；7－滑線電阻；E－電源；K－開關(guān)；R1－刻線調(diào)整電阻上一頁下一頁返回第2頁/共74頁傳感器原理及應(yīng)用第2章溫度傳感器概述各種熱電偶第3頁/共74頁傳感器原理及應(yīng)用第2章溫度傳感器概述各種熱電阻第4頁/共74頁傳感器原理及應(yīng)用第2章溫度傳感器溫度測量的分類概述接觸式測溫—利用熱平衡原理，測溫敏感元件接觸被測物體，使兩者處于同一熱平衡狀態(tài)，具有同一溫度。

特點：測溫方法簡單、可靠，測溫精度高，但因與被測體表面接觸并吸收其一部分溫度，故會破壞被測物體表面溫度場，且響應(yīng)速度較慢。利用熱輻射原理，敏感元件不必與被測物體接觸。

特點：不會破壞被測體表面溫度場，且響應(yīng)速度較快，但測溫誤差較大。非接觸式測溫—第5頁/共74頁傳感器原理及應(yīng)用第2章溫度傳感器測溫傳感器的分類概述膨脹式溫度計非接觸式測溫傳感器全輻射高溫計光學高溫計比色高溫計液體溫度計固體溫度計壓力溫度計熱電阻溫度計熱電偶溫度計接觸式測溫傳感器第6頁/共74頁熱力學溫度定義水的三相點(固、液、汽三相并存）熱力學溫度標志數(shù)值為373.16，取1/373.16為一個開爾文。將計量單位K加上所標志的數(shù)值后，就形成了完整的熱力學溫度表達式。熱力學溫度的起點為絕對零度，所以它不可能為負值，且冰點是273.15K，沸點是373.15K。請注意水的冰點和三相點是不一樣的，兩者相差0.01K。第7頁/共74頁物理現(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合金第8頁/共74頁熱敏電阻的結(jié)構(gòu)構(gòu)成：熱敏探頭、引線、殼體二端和三端器件：為直熱式，即熱敏電阻直接由連接的電路獲得功率；四端器件：旁熱式上一頁下一頁返回第9頁/共74頁傳感器原理及應(yīng)用第2章溫度傳感器

液體膨脹式

電接點式升到特定溫度，鉑絲與水銀柱接通可做控制概述第10頁/共74頁傳感器原理及應(yīng)用第2章溫度傳感器

固體膨脹式以雙金屬元件作為溫度敏感元件,線膨脹系數(shù)不同的金屬使用方便適應(yīng)性強精度不太高概述第11頁/共74頁傳感器原理及應(yīng)用第2章溫度傳感器

氣體膨脹式

概述第12頁/共74頁傳感器原理及應(yīng)用第2章溫度傳感器

主要討論的溫度傳感器按工作原理主要有以下幾類：

熱電偶，利用金屬溫差電動勢，有耐高溫、精度高的特點；熱電阻，利用導(dǎo)體隨溫度變化，測溫不高；熱敏電阻，利用半導(dǎo)體材料隨溫度變化測溫，體積小、靈敏度高、穩(wěn)定性差；集成溫度傳感器，利用晶體管PN結(jié)電流、電壓隨溫度變化，有專用集成電路，體積小、響應(yīng)快、價廉，測量150℃以下溫度。概述第13頁/共74頁傳感器原理及應(yīng)用第2章溫度傳感器

金屬熱電阻、半導(dǎo)體熱敏電阻統(tǒng)稱熱電阻。熱敏電阻傳感器主要有兩大類：金屬熱電阻半導(dǎo)體熱敏電阻廣泛用于測量-200～+850℃，少數(shù)可測1000℃。2.1熱電阻貼片式薄膜式

大功率

第14頁/共74頁傳感器原理及應(yīng)用第2章溫度傳感器2.1熱電阻

2.1.1金屬熱電阻帶保護管的鉑測溫電阻元件第15頁/共74頁選作感溫元件的材料應(yīng)滿足如下要求：材料的電阻溫度系數(shù)a要大，純金屬的a比合金的高，所以一般均采用純金屬作熱電阻元件；在測溫范圍內(nèi)，材料的物理、化學性質(zhì)應(yīng)穩(wěn)定；在測溫范圍內(nèi)，a（溫度系數(shù)）保持常數(shù)，便于實現(xiàn)溫度表的線性刻度特性；具有比較大的電阻率，以利于減少熱電阻的體積，減小熱慣性.特性復(fù)現(xiàn)性好，容易復(fù)制。比較適合以上要求的材料有：鉑、銅、鐵和鎳。第16頁/共74頁傳感器原理及應(yīng)用第2章溫度傳感器金屬熱電阻一般用于-200～+500℃溫度測量；材料多為純鉑金屬絲，也有銅、鎳，繞制在云母板、玻璃或陶瓷線圈架上，構(gòu)成熱電阻。2.1熱電阻

2.1.1金屬熱電阻第17頁/共74頁傳感器原理及應(yīng)用第2章溫度傳感器鉑熱電阻精度高，穩(wěn)定性好，性能可靠鉑熱電阻阻值與溫度變化之間的關(guān)系近似為：2.1熱電阻

2.1.1金屬熱電阻-190～O℃

+0～630℃

式中：

為溫度

和

時的電阻值。溫度時，

的公稱值是。第18頁/共74頁傳感器原理及應(yīng)用第2章溫度傳感器2.1熱電阻

2.1.1金屬熱電阻第19頁/共74頁傳感器原理及應(yīng)用第2章溫度傳感器2.1熱電阻

2.1.1金屬熱電阻測量電路:三線連接第20頁/共74頁傳感器原理及應(yīng)用第2章溫度傳感器2.1熱電阻

2.1.1金屬熱電阻測量電路:四線連接第21頁/共74頁傳感器原理及應(yīng)用第2章溫度傳感器近年來，幾乎所有的家用電器產(chǎn)品都裝有微處理器，溫度控制完全智能化，這些溫度傳感器幾乎都使用熱敏電阻。熱敏電阻：金屬氧化物半導(dǎo)體材料、陶瓷工藝主要材料有：Mn、Co、Ni、Cu、Fe氧化物，2.1熱電阻

2.1.2熱敏電阻第22頁/共74頁傳感器原理及應(yīng)用第2章溫度傳感器2.1熱電阻

2.1.2熱敏電阻特征參數(shù)標稱電阻值：25oC、零功率電阻溫度系數(shù)：單位溫度變化引起電阻阻值變化的相對值(表征靈敏度)時間常數(shù)：表征電阻熱慣性額定功率第23頁/共74頁傳感器原理及應(yīng)用第2章溫度傳感器PTC熱敏電阻的特性曲線：I：突變型（開關(guān)型）,開關(guān)溫度Tb以上，近似II：緩變型（線性好）2.1熱電阻

2.1.2熱敏電阻第24頁/共74頁靜態(tài)伏安特性

AB：低溫，阻值基本不變

BC：阻值隨溫度升高而增加

CD：電流平緩第25頁/共74頁傳感器原理及應(yīng)用第2章溫度傳感器NTC負溫度系數(shù)熱敏電阻的特性曲線用經(jīng)驗公式表示：溫度系數(shù)不是常數(shù)2.1熱電阻

2.1.2熱敏電阻負溫度系數(shù)型熱敏電阻特性曲線

第26頁/共74頁NTC的溫度特性第27頁/共74頁CTR的溫度特性第28頁/共74頁半導(dǎo)體硅熱電阻2.1.3硅熱電阻 半導(dǎo)體材料的電阻率對溫度非常敏感,對半導(dǎo)體器件影響很大，但是可以用來制成傳感器第29頁/共74頁硅熱電阻工作原理電阻率與載流子濃度和遷移率有關(guān)載流子濃度和遷移率都與溫度相關(guān)1、遷移率與溫度的關(guān)系聲學波（晶格振動）散射電離雜質(zhì)散射第30頁/共74頁2、電阻率與溫度的關(guān)系一定摻雜濃度AB段：溫度很低時，載流子（雜質(zhì)電離）濃度隨溫度升高而增加，遷移率也隨溫度升高而增大（電離雜質(zhì)散射）BC段：雜質(zhì)全部電離，載流子濃度變化不大，遷移率隨溫度升高而降低（晶格振動散射）CD段：本征激發(fā)增加， 載流子濃度增加第31頁/共74頁硅熱電阻的結(jié)構(gòu)和制作工藝上、下電極：銀電極－歐姆接觸區(qū)N型硅片：第32頁/共74頁硅熱電阻的特性1、電阻－溫度特性正向偏置，溫度升高，阻值增加，線性較好反向偏置，溫度太高，本征激發(fā)第33頁/共74頁過熱保護第34頁/共74頁自動延時電路第35頁/共74頁控溫電路第36頁/共74頁傳感器原理及應(yīng)用第2章溫度傳感器2.2熱電偶

2.2.1熱電效應(yīng)兩種不同類型的金屬導(dǎo)體兩端，分別接在一起構(gòu)成閉合回路，當兩個結(jié)點溫度不等（T＞T0）有溫差時，回路里會產(chǎn)生熱電勢，形成電流。這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。利用這種效應(yīng)，只要知道一端結(jié)點溫度，就可以測出另一端結(jié)點的溫度。第37頁/共74頁傳感器原理及應(yīng)用第2章溫度傳感器2.2熱電偶

2.2.1熱電效應(yīng)

固定溫度的接點稱基準點（冷端）T0

，恒定在某一標準溫度；待測溫度的接點稱測溫點（熱端）T，置于被測溫度場中。這種將溫度轉(zhuǎn)換成熱電動勢的傳感器稱為熱電偶，金屬稱熱電極。第38頁/共74頁傳感器原理及應(yīng)用第2章溫度傳感器2.2熱電偶

2.2.1熱電效應(yīng)1）兩種導(dǎo)體的接觸電勢(珀爾帖Peltier效應(yīng))不同金屬自由電子密度不同，當兩種金屬接觸在一起時，在結(jié)點處會產(chǎn)生電子擴散，濃度大的向濃度小的金屬擴散。濃度高的失去電子顯正電，濃度低的得到電子顯負電。當擴散達到動態(tài)平衡時，得到一個穩(wěn)定的接觸電勢。第39頁/共74頁傳感器原理及應(yīng)用第2章溫度傳感器2.2熱電偶

2.2.1熱電效應(yīng)

溫度T時熱端接觸電勢：冷端接觸電勢：

、

、式中：

A、B代表不同材料；T，T0

為兩端溫度；

＿波爾茲曼常數(shù)；

＿電子電荷量；

是A、B材料的電子濃度；第40頁/共74頁傳感器原理及應(yīng)用第2章溫度傳感器2.2熱電偶

2.2.1熱電效應(yīng)在閉合回路中，總的接觸電勢為：第41頁/共74頁傳感器原理及應(yīng)用第2章溫度傳感器2.2熱電偶

2.2.1熱電效應(yīng)A、B兩導(dǎo)體構(gòu)成閉合回路總的溫差電勢為：單一導(dǎo)體的溫差電勢為：σ稱為湯姆遜系數(shù)第42頁/共74頁傳感器原理及應(yīng)用第2章溫度傳感器2.2熱電偶

2.2.1熱電效應(yīng)根據(jù)兩導(dǎo)體的接觸電勢和單一導(dǎo)體溫差電勢，熱電偶總的熱電勢為：EAB(T,T0)=eAB(T)-eAB(T0)第43頁/共74頁傳感器原理及應(yīng)用第2章溫度傳感器2.2熱電偶

2.2.1熱電效應(yīng)結(jié)論：熱電偶兩電極材料相同，NA=NB

A=B

，無論兩端點溫度如何，總熱電勢為零；2.如果熱電偶兩接點溫度相同，T=T0時，A、B材料不同，回路總電勢為零；因此，熱電偶必須用不同材料做電極；在T、T0兩端必須有溫差梯度，這是熱電偶產(chǎn)生熱電勢的必要條件。第44頁/共74頁傳感器原理及應(yīng)用第2章溫度傳感器2.2熱電偶

2.2.1熱電效應(yīng)通常溫差電勢比接觸電勢小很多，可忽略不計，則熱電偶的總熱電勢可表示為：EAB(T,T0)=eAB(T)-eAB(T0)對熱電偶來說，當參考端溫度T0恒定，總熱電勢就與溫度T成單值函數(shù)關(guān)系EAB(T,T0)=eAB(T)-c=f(T)第45頁/共74頁傳感器原理及應(yīng)用第2章溫度傳感器2.2熱電偶

2.2.1熱電效應(yīng)4)三種導(dǎo)體的熱電回路（中間導(dǎo)體定律）如果將熱電偶T0端斷開，接入第三導(dǎo)體C，回路中電勢EAB（T，T0）應(yīng)寫為：ＡＢＣＴＴ０Ｔ０第46頁/共74頁傳感器原理及應(yīng)用第2章溫度傳感器2.2熱電偶

2.2.1熱電效應(yīng)設(shè)

時，

將

代入上式有：

第47頁/共74頁傳感器原理及應(yīng)用第2章溫度傳感器2.2熱電偶

2.2.1熱電效應(yīng)結(jié)論：當引入第三導(dǎo)體C時，只要C導(dǎo)體兩端溫度相同，回路總電勢不變，根據(jù)這一定律，將導(dǎo)體C作為測量儀器接入回路，就可以由總電勢求出工作端溫度，條件是：保證兩端溫度一致。第48頁/共74頁傳感器原理及應(yīng)用第2章溫度傳感器2.2熱電偶

2.2.1熱電效應(yīng)結(jié)論：第49頁/共74頁傳感器原理及應(yīng)用第2章溫度傳感器2.2熱電偶

2.2.1熱電效應(yīng)

5）參考電極定律（中間溫度定律）當結(jié)點溫度為T、T0時的熱電勢EAB（T，T0）等于結(jié)點溫度T、TC和TC、T0

時，熱電勢與

的代數(shù)和為：

實際測量時，利用這一性質(zhì)，對參考端溫度不為零度時的熱電勢進行修正。第50頁/共74頁傳感器原理及應(yīng)用第2章溫度傳感器2.2熱電偶

2.2.1熱電效應(yīng)

6）標準電極定律如果兩種導(dǎo)體分別與第三種導(dǎo)體組成的熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢已知，則這兩種導(dǎo)體組成熱電偶的熱電勢就已知。

常以鉑、銅為標準電極。第51頁/共74頁傳感器原理及應(yīng)用第2章溫度傳感器2.2熱電偶

2.2.2熱電偶的結(jié)構(gòu)和種類第52頁/共74頁傳感器原理及應(yīng)用第2章溫度傳感器2.2熱電偶

2.2.2熱電偶的結(jié)構(gòu)和種類熱電偶種類：貴金屬熱電偶鉑銠——鉑銠（600～1700）℃鉑銠——鉑（0～1600）℃普通金屬熱電偶鎳鉻——鎳硅（-200～1200）℃鎳鉻——鎳銅（-40～750）℃鐵——康銅（0～400）℃熱電偶可以測量上千度高溫，并且精度高、性能好，這是其它溫度傳感器無法替代的。第53頁/共74頁傳感器原理及應(yīng)用第2章溫度傳感器2.2熱電偶

2.2.3熱電偶冷端補償當熱電偶材料選定以后，熱電動勢只與熱端和冷端溫度有關(guān)。因此只有當冷端溫度恒定時，熱電偶的熱電勢和熱端溫度才有單值的函數(shù)關(guān)系。此外熱電偶的分度表是以冷端溫度0℃作為基準進行分度的，而在實際使用過程中，冷端溫度往往不為0℃，所以必須對冷端溫度進行處理，消除冷端溫度的影響。第54頁/共74頁傳感器原理及應(yīng)用第2章溫度傳感器2.2熱電偶

2.2.3熱電偶冷端補償補償導(dǎo)線 在實際測溫時，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，這樣,冷端溫度t0比較穩(wěn)定。熱電偶一般做得較短，一般為350～2000mm，需要用導(dǎo)線將熱電偶的冷端延伸出來。工程中采用一種補償導(dǎo)線，它通常由兩種不同性質(zhì)的廉價金屬導(dǎo)線制成，而且在0～100℃溫度范圍內(nèi)，要求補償導(dǎo)線和所配熱電偶具有相同的熱電特性。第55頁/共74頁傳感器原理及應(yīng)用第2章溫度傳感器2.2熱電偶

2.2.3熱電偶冷端補償冷端恒溫法 在實驗室及精密測量中，通常把冷端放入0℃恒溫器或裝滿冰水混合物的容器中，以便冷端溫度保持0℃，這種方法又稱冰浴法。這是一種理想的補償方法，但工業(yè)中使用極為不便。第56頁/共74頁mVABA’B’TCC’儀表銅導(dǎo)線試管補償導(dǎo)線熱電偶冰點槽冰水溶液T0第57頁/共74頁傳感器原理及應(yīng)用第2章溫度傳感器2.2熱電偶

2.2.3熱電偶冷端補償冷端溫度自動補償（補償電橋） 補償電橋法是利用不平衡電橋產(chǎn)生的不平衡電壓Uab作為補償信號，來自動補償熱電偶測量過程中因冷端溫度不為0℃或變化而引起熱電勢的變化值。它由三個電阻溫度系數(shù)較小的錳銅絲繞制的電阻r1、r2、r3及電阻溫度系數(shù)較大的銅絲繞制的電阻rcu和穩(wěn)壓電源組成。補償電橋與熱電偶冷端處在同一環(huán)境溫度，當冷端溫度變化引起的熱電勢eAB(t,t0)變化時，由于rcu的阻值隨冷端溫度變化而變化，適當選擇橋臂電阻和橋路電流，就可以使電橋產(chǎn)生的不平衡電壓Uab補償由于冷端溫度t0變化引起的熱電勢變化量，從而達到自動補償?shù)哪康摹５?8頁/共74頁傳感器原理及應(yīng)用第2章溫度傳感器2.2熱電偶

2.2.3熱電偶冷端補償冷端溫度自動補償（補償電橋）冷端溫度變化引起的電勢變化ΔErcu電阻值隨溫度變化，使電橋失去平衡，ΔEabΔE=ΔEab第59頁/共74頁

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61第60頁/共74頁傳感器原理及應(yīng)用第2章溫度傳感器2.2熱電偶

2.2.3熱電偶冷端補償冷端溫度修正法 通過查熱電偶分度表可知熱電偶產(chǎn)生的熱電勢；例如K型：0℃時0mV，600℃時E=24.902mv；分度表以t=0℃作基準，而實際應(yīng)用中t≠0℃；若參考端溫度不為0℃，工作端溫度為t時，由分度表可查出EA（t,0），與實際熱電勢EAB（t,t0）之間的關(guān)系可通過參考電極定律得出：第61頁/共74頁傳感器原理及應(yīng)用第2章溫度傳感器2.2熱電偶

2.2.3熱電偶冷端補償冷端溫度修正法 例如，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,求加熱爐溫度。 解：查鎳鉻-鎳硅熱電偶分度表得eAB（30，0）1.203mV。可得eAB（t，0）=eAB(t,t0)+eAB(t0,0)=33.29+1.203=34.493mV由鎳鉻-鎳硅熱電偶分度表得t=829.5℃。第62頁/共74頁表15-5K型(鎳鉻—鎳硅)熱電偶分度表第63頁/共74頁非接觸式測溫6.4.1熱輻射基本定理6.4.2光學高溫計6.4.3光電高溫計6.4.4輻射溫度計6.4.5比色溫度計上一頁下一頁返回第64頁/共74頁工業(yè)用光學高溫計分類隱絲式 利用調(diào)節(jié)電阻來改變高溫燈泡的工作電流，當燈絲的亮度與被測物體的亮度一致時，燈泡的亮度就代表了被測物體的亮度溫度。恒定亮度式 利用減光楔來改變被測物體的亮度，使它與恒定亮度溫度的高溫燈泡相比較，當兩者亮度相等時，根據(jù)減光楔旋轉(zhuǎn)的角度來確定被測物體的亮度溫度。由于隱絲式光學高溫計的結(jié)構(gòu)和使用方法都優(yōu)于恒定亮度式，所以應(yīng)用廣泛。上一頁下一頁返回第65頁/共74頁隱絲式光學高溫計光學系統(tǒng) 紅色濾波片，造成一個較窄的有效波長 吸收玻璃，目的是擴展量程 目鏡和物鏡是一套光學系統(tǒng)電測系統(tǒng)包括指示儀表、燈泡、電源和調(diào)節(jié)電阻四部分。光學高溫燈泡：標準輻射源 電源、調(diào)節(jié)電阻和指示儀表組成測量電路原理一般有電壓表式，電流表