傳感器與檢測技術(shù)溫度的測量及溫度傳感器第1頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月主要內(nèi)容2.2熱電偶傳感器22.4集成溫度傳感器42.5半導(dǎo)體熱敏電阻52.6溫度傳感器的應(yīng)用62.1溫度測量概述12.3金屬熱電阻傳感器3第2頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月溫度是國際單位制給出的基本物理量之一，它是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)試驗中需要經(jīng)常測量和控制的主要參數(shù)；從熱平衡的觀點看，溫度可以作為物體內(nèi)部分子無規(guī)則熱運動劇烈程度的標志；溫度與人們?nèi)粘Ｉ罹o密相關(guān)。2.1溫度測量概述1第3頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月溫標為了保證溫度量值的準確和利于傳遞，需要建立一個衡量溫度的統(tǒng)一標準尺度，即溫標。利用一些物質(zhì)的某些物性(諸如尺寸、密度、硬度、彈性模量、輻射強度等)隨溫度變化的規(guī)律，通過這些量來對溫度進行間接測量。第4頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月經(jīng)驗溫標華氏溫標

1714年德國人法勒海特(Fahrenheit)以水銀為測溫介質(zhì)，制成玻璃水銀溫度計。按照華氏溫標，則水的冰點為32℉，沸點為212℉第5頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月攝氏溫標

1740年瑞典人攝氏(Celsius)提出在標準大氣壓下，把水的冰點規(guī)定為0度，水的沸點規(guī)定為100度。攝氏溫度和華氏溫度的關(guān)系為

T

℉=t℃+32(6-1)

式中T——華氏溫度值; t——攝氏溫度值。第6頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月熱力學(xué)溫標熱力學(xué)溫標是由開爾文(Ketvin)在1848年提出的，以卡諾循環(huán)(Carnotcycle)為基礎(chǔ)。熱力學(xué)溫標是國際單位制中七個基本物理單位之一。熱力學(xué)溫標為了在分度上和攝氏溫標相一致，把理想氣體壓力為零時對應(yīng)的溫度——絕對零度與水的三相點溫度分為273．16份，每份為1K(Kelvin)。第7頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月

測溫方法分類及其特點根據(jù)傳感器的測溫方式，溫度基本測量方法通?？煞殖山佑|式和非接觸式兩大類。接觸式溫度測量非接觸式溫度測量第8頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月物理現(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(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合金第9頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月接觸式溫度測量測溫精度相對較高，直觀可靠及測溫儀表價格相對較低；由于感溫元件與被測介質(zhì)直接接觸，從而要影響被測介質(zhì)熱平衡狀態(tài)，而接觸不良則會增加測溫誤差；被測介質(zhì)具有腐蝕性及溫度太高亦將嚴重影響感溫元件性能和壽命等缺點。第10頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月非接觸式溫度測量感溫元件不與被測對象直接接觸，而是通過接受被測物體的熱輻射能實現(xiàn)熱交換，據(jù)此測出被測對象的溫度;非接觸式測溫具有不改變被測物體的溫度分布，熱慣性小，測溫上限可設(shè)計得很高，便于測量運動物體的溫度和快速變化的溫度等優(yōu)點。第11頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月各類溫度檢測方法構(gòu)成的測溫儀表的大體測溫范圍第12頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月熱電偶是工業(yè)和裝備試驗中溫度測量應(yīng)用最多的器件，它的特點：測溫范圍寬測量精度高性能穩(wěn)定結(jié)構(gòu)簡單且動態(tài)響應(yīng)較好輸出直接為電信號，可以遠傳，便于集中檢測和自動控制熱電偶傳感器2第13頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月2.2.1熱電偶測溫原理1、熱電效應(yīng)塞貝克效應(yīng)（1821/德國）兩種不同金屬導(dǎo)線組成一閉合回路，若兩接頭處維持一溫差，回路中就有電流和電動勢產(chǎn)生。第14頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月2.珀爾帖效應(yīng)

將同溫度的兩種不同的金屬互相接觸，由于不同金屬內(nèi)自由電子的密度不同，在它們的接點處會產(chǎn)生接觸電動勢。⑵.冷端接觸電動勢⑴.熱端接觸電動勢2、兩種導(dǎo)體的接觸電勢第15頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月3.湯姆遜效應(yīng)同一種導(dǎo)體因其兩端的溫度不同會產(chǎn)生溫差電勢。⑴.導(dǎo)體A溫差電動勢⑵.導(dǎo)體B溫差電動勢4.回路總電勢第16頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月

當熱電偶導(dǎo)體A和B材料一定時，回路總電動勢成為熱端和冷端的溫度的函數(shù)。在實際測溫中，把冷端置于某一恒溫下，此時冷端接觸電勢為一常數(shù)，回路總電勢僅決定于熱端接觸電勢，即只與熱端溫度有關(guān)，兩者之間是單值的函數(shù)關(guān)系。則：當：第17頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月4.熱電偶的基本定律①中間導(dǎo)體定律當插入第三種金屬時，只要兩端溫度相同，就不會使熱電偶的電動勢發(fā)生變化。圖5－4中間導(dǎo)體定律第18頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月

熱電偶在接觸點溫度為T,T0時的回路電勢，等于該熱電偶在接觸點溫度為T,Tn和Tn，T0時回路電勢之代數(shù)和。EAB（T,T0）＝EAB（T,Tn）+EAB（Tn，T0）

若T0＝0，則有EAB（T，0）＝EAB（T，Tn）+EAB（Tn，0） 測量環(huán)境溫度

T0<T<Tn

查分度表

②中間溫度定律第19頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月金屬A和B之間的電動勢等于金屬A、C和C、B組成熱電偶的熱電動勢之和。（C為標準電極）（如圖2-8）所示導(dǎo)體C被稱為標準電極，通常用純鉑（Pt）作標準電極③參考電極定律第20頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月熱電偶分類及特性為了得到實用性好，性能優(yōu)良的熱電偶，其熱電極材料需具有以下性能：

(1)優(yōu)良的熱電特性；

(2)良好的物理性能；

(3)優(yōu)良的化學(xué)性能；

(4)優(yōu)良的機械性能；

(5)足夠的機械強度和長的使用壽命；

(6)制造成本低，價值比較便宜。2.2.2熱電偶結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)形式及材料第21頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月普通工業(yè)用熱電偶熱電偶通常主要由四部分組成(如圖6-12所示)：熱電極、絕緣管、保護管和接線盒。第22頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月第23頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月鎧裝熱電偶

鎧裝熱電偶又稱套管熱電偶。它是由熱電偶絲、絕緣材料和金屬套管三者經(jīng)拉伸加工而成的堅實組合體,如圖2-10所示。它可以做得很細很長,使用中隨需要能任意彎曲。鎧裝熱電偶的主要優(yōu)點是測溫端熱容量小,動態(tài)響應(yīng)快,機械強度高,撓性好,可安裝在結(jié)構(gòu)復(fù)雜的裝置上,因此被廣泛用在許多工業(yè)部門中第24頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月第25頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月

(3)薄膜熱電偶薄膜熱電偶是由兩種薄膜熱電極材料,用真空蒸鍍、化學(xué)凃?qū)拥绒k法蒸鍍到絕緣基板上面制成的一種特殊熱電偶,如圖1-10所示。薄膜熱電偶的熱接點可以做得很小（可薄到0.01~0.1μm）,具有熱容量小,反應(yīng)速度快等的特點,熱相應(yīng)時間達到微秒級,適用于微小面積上的表面溫度以及快速變化的動態(tài)溫度測量。第26頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月4.熱電偶的組成材料及分度表分度表：熱電偶的熱電動勢與溫度的關(guān)系表第27頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月第28頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月1.熱電偶測溫基本電路a熱電偶測一點溫度2.2.3熱電偶測溫及溫度補償?shù)?9頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月測量兩點溫度差b熱電偶測兩點溫差(串聯(lián)）第30頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月測多點溫度的平均值與熱電偶相配套的測量與顯示儀表：毫伏計、電子電位差計、數(shù)字測溫指示儀第31頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月2.熱電偶冷端溫度補償

為什么要進行冷端溫度補償？

1.在測溫時，冷端溫度T0隨著環(huán)境溫度變化，因而產(chǎn)生測量誤差，故應(yīng)采取補償措施。2.分度表是在T0＝0℃時測得的，使用時，只有滿足T0＝0℃的條件才能使用分度表第32頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月常用的修正或補償方法

1）冰浴法2）冷端溫度修正法

EAB（T，0）＝EAB（T，Tn）+EAB（Tn，0）

將熱電偶冷端置于冰水中，使冷端保持恒定的0℃，它可以使冷端溫度誤差完全消失。第33頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月3）冷端補償器法（電橋補償法）

利用不平衡電橋產(chǎn)生的電勢來補償熱電偶因冷端溫度變化而引起的熱電勢。圖5－５電橋補償示意圖令ΔUab＝ΔEAB（T0）

得U0＝EAB（T）－EAB（20℃）U0＝EAB（T）－〔EAB（T0）+ΔEAB（T0）〕+ΔUab

第34頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月4）延伸導(dǎo)線法

5）采用不需要冷端補償?shù)臒犭娕?/p>

冷端溫度在300℃以下的鎳鈷—鎳鋁熱電偶，50℃以下的鎳鐵—鎳銅熱電偶及鉑銠30—鉑銠6熱電偶

第35頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月6）補正系數(shù)修正法

工程上經(jīng)常采用補正系數(shù)實現(xiàn)補償。設(shè)工作端溫度為T1，冷端溫度為T0，現(xiàn)場實際溫度為T，則T＝T1+kT0

（5－13）式中k——為熱電偶溫度修正系數(shù)，其值決定于熱電偶種類和被測的溫度范圍。7）用集成溫度傳感器AD590作為冷端補償元件

第36頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月8）冷端溫度的智能補償

利用單片機或計算機，可以實現(xiàn)溫度監(jiān)測、控制、誤差修正與冷端溫度補償一體化和智能化。

溫度檢測系統(tǒng)

第37頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月基于熱電阻原理測溫是根據(jù)金屬導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻值隨溫度變化的性質(zhì)，將電阻值的變化轉(zhuǎn)換為電信號，從而達到測溫的目的。用于制造熱電阻的材料，要求電阻率、電阻溫度系數(shù)要大，熱容量、熱慣性要小，電阻與溫度的關(guān)系最好近于線性。熱電阻測溫的優(yōu)點是信號靈敏度高、易于連續(xù)測量、可以遠傳、無需參比溫度；金屬熱電阻穩(wěn)定性高、互換性好、準確度高，可以用作基準儀表。熱電阻主要缺點是需要電源激勵、有（會影響測量精度）自熱現(xiàn)象以及測量溫度不能太高。2.3金屬熱電阻傳感器3第38頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月1.鉑電阻的電阻-溫度特性鉑電阻(IEC)的電阻率較大，電阻—溫度關(guān)系呈非線性，但測溫范圍廣，精度高，且材料易提純，復(fù)現(xiàn)性好；在氧化性介質(zhì)中，甚至高溫下，其物理、化學(xué)性質(zhì)都很穩(wěn)定。目前工業(yè)用鉑電阻分度號為Pt100和Pt10，其中Pt100更為常用。當 ℃時 當 ℃時

2.3.1熱電阻的溫度特性第39頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月

式中Rt和R0分別為t℃和0℃時鉑電阻值;A、B和C為常數(shù)。在ITS-90中,這些常數(shù)規(guī)定為:A=3.96847×10-3/℃B=-5.847×10-7/℃2C=-4.22×10-12/℃4

從上式看出,熱電阻在溫度t時的電阻值與R0

有關(guān)。目前我國規(guī)定工業(yè)用鉑熱電阻有R0=10Ω和R0=100Ω兩種,它們的分度號分別為Pt10和Pt100,其中以Pt100為常用。鉑熱電阻不同分度號亦有相應(yīng)分度表,即Rt-t的關(guān)系表,這樣在實際測量中,只要測得熱電阻的阻值Rt,便可從分度表上查出對應(yīng)的溫度值。Pt100的分度表見下表Pt100：第40頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月第41頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月2.銅電阻的電阻-溫度特性銅電阻

銅電阻(WZC)的電阻值與溫度的關(guān)系幾乎呈線性，其材料易提純，價格低廉；但因其電阻率較低（僅為鉑的1/2左右）而體積較大，熱響應(yīng)慢；另因銅在250℃以上溫度本身易于氧化，故通常工業(yè)用銅熱電阻（分度號分別為Cu50和Cul00）一般其工作溫度范圍為-40℃～120℃。其電阻值與溫度的關(guān)系為：當 ℃時第42頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月2.3.2熱電阻傳感器的結(jié)構(gòu)第43頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月第44頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月第45頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月集成溫度傳感器AD590美國AD公司于70年代末推出體積僅同一只小功率高頻晶體管大小的集成化半導(dǎo)體溫度傳感器AD590。半導(dǎo)體AD5902.4集成溫度傳感器4第46頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月基本溫度測量

第47頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月特點⑴外接線非常簡單(僅兩根)，使用十分方便；⑵內(nèi)有穩(wěn)壓和恒流電路，對外接電壓要求非常低；⑶非線性誤差較小；⑷使用溫度范圍為一50—150℃；⑸它具有良好的互換性；⑹采用上圖所示的電路，可以把AD590輸出的電流信號方便地轉(zhuǎn)換成電壓信號。第48頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月2.5半導(dǎo)體熱敏電阻5半導(dǎo)體電阻隨溫度變化的典型特性分為三種類型，即負溫度系數(shù)熱敏電阻（NTC）、正溫度系數(shù)熱敏電阻（PTC）和在某一特定溫度下電阻值會發(fā)生突變的臨界溫度電阻器（CTC）。第49頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月熱敏電阻圖示：第50頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月非線性第51頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月熱敏電阻的優(yōu)點：①靈敏度高，其靈敏度比熱電阻要大1～2個數(shù)量級；②很好地與各種電路匹配，而且遠距離測量時幾乎無需考慮連線電阻的影響；③體積小；④熱慣性小，響應(yīng)速度快，適用于快速變化的測量場合；⑤結(jié)構(gòu)簡單堅固，能承受較大的沖擊、振動。第52頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月熱敏電阻的主要缺點：①阻值與溫度的關(guān)系非線性嚴重；②元件的一致性差，互換性差；③元件易老化，穩(wěn)定性較差；④除特殊高溫熱敏電阻外，絕大多數(shù)熱敏電阻僅適合0～150℃范圍，使用時必須注意。第53頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月溫度傳感器是應(yīng)用較廣泛的傳感器之一。2.6溫度傳感器的應(yīng)用6第54頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月NTC廣泛用于通信、軍事、航空、航天、醫(yī)療、汽車電子、自動化設(shè)施的溫度計、控溫儀等裝置。

高溫NTC傳感器則用于汽車等發(fā)動機排氣檢測、工業(yè)過程控制、電熱炊具、煤氣系統(tǒng)、空調(diào)、暖氣系統(tǒng)、賓館與住宅防火報警系統(tǒng)，以及復(fù)印機、打印機等辦公自動化設(shè)施。

PTC也可用于工業(yè)自動化、汽車等領(lǐng)域的液位計、溫度測控儀和報警器。

1、熱敏電阻傳感器的應(yīng)用第55頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月電動機過熱保護裝置中的應(yīng)用

電動機過熱保護裝置

第56頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月熱敏電阻的應(yīng)用家用電器電熨斗、電冰箱、電飯煲、洗衣機、電暖壺、烘干機