電子與通信工程系—張丹檢測技術(shù)與應(yīng)用4.1溫度傳感器類型與測溫范圍第4章溫度與濕度測量分類:

按其名稱可分為：熱電偶、測溫電阻器、熱敏電阻、感溫鐵氧體、石英晶體振動(dòng)器、雙金屬溫度計(jì)、壓力式溫度計(jì)、玻璃制溫度計(jì)、輻射傳感器、晶體管、二極管、半導(dǎo)體集成電路傳感器等。

按其原理可分為：接觸式溫度傳感器、非接觸式溫度傳感器。

按其測溫范圍可分為：超高溫用傳感器（1500℃以上）、高溫用傳感器（1000～1500℃）、中高溫用傳感器（500～1000℃）、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℃）等。

按其測溫特性可分為：線性型（測溫范圍寬）、指數(shù)函數(shù)型（輸出小、測溫范圍窄）、開關(guān)特性型（輸出大的特定溫度）。

按其測定精度可分為：溫度標(biāo)準(zhǔn)用（測定精度±0.1～±0.5℃）、絕對(duì)值測定用（測定精度±0.5～±5℃）、管理溫度測定用（相對(duì)值±1～±5℃）。電子與通信工程系—張丹檢測技術(shù)與應(yīng)用特點(diǎn):

（1）接觸式溫度傳感器傳感器直接與被測物體接觸進(jìn)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(shí)，測量精度較低。因此采用這種方式要測得物體的真實(shí)溫度的前提條件是被測物體的熱容量要足夠大。（2）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(jìn)行遙測。其制造成本較高，測量精度卻較低。優(yōu)點(diǎn)是：不從被測物體上吸收熱量；不會(huì)干擾被測對(duì)象的溫度場；連續(xù)測量不會(huì)產(chǎn)生消耗；反應(yīng)快等。電子與通信工程系—張丹檢測技術(shù)與應(yīng)用發(fā)展方向:①超高溫與超低溫傳感器，如+3000℃以上和–250℃以下的溫度傳感器。②提高溫度傳感器的精度和可靠性。③研制家用電器、汽車及農(nóng)畜業(yè)所需要的價(jià)廉的溫度傳感器。④發(fā)展新型產(chǎn)品，擴(kuò)展和完善管纜熱電偶與熱敏電阻；發(fā)展薄膜熱電偶；研究節(jié)省鎳材和貴金屬以及厚膜鉑的熱電阻；研制系列晶體管測溫元件、快速高靈敏CA型熱電偶以及各類非接觸式溫度傳感器。⑤發(fā)展適應(yīng)特殊測溫要求的溫度傳感器。⑥發(fā)展數(shù)字化、集成化和自動(dòng)化的溫度傳感器。電子與通信工程系—張丹檢測技術(shù)與應(yīng)用4.2熱電阻溫度傳感器及其溫度測量電路

在工業(yè)上廣泛應(yīng)用的熱電阻溫度計(jì)一般用來測量–200～+500℃范圍的溫度，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展熱電阻溫度計(jì)的測量范圍低溫端可達(dá)1K左右，高溫端可測到1000℃。熱電阻溫度計(jì)的特點(diǎn)是精度高，適宜于測低溫。在560℃以下的溫度測量時(shí)，它的輸出信號(hào)比熱電偶容易測量。1.常用熱電阻及其主要性能鉑電阻:精度高、穩(wěn)定性好、性能可靠。阻值溫度之間的關(guān)系為:在0～850℃范圍內(nèi)，鉑電阻的阻值為在–200～0℃范圍內(nèi)，則鉑電阻的阻值為工業(yè)用標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻R0有100歐和50歐兩種，并將電阻值與溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系列成表格，稱為鉑電阻分度表，分度號(hào)分別為和。電子與通信工程系—張丹檢測技術(shù)與應(yīng)用銅電阻:

在測溫范圍比較小(–50～+150℃)的情況下，有很好的穩(wěn)定性，溫度系數(shù)比較大，電阻值與溫度之間接近線性關(guān)系。而且材料容易提純，價(jià)格便宜。不足之處是測量精度較鉑電阻稍低、電阻率小。在–50～+150℃溫度范圍內(nèi)，銅電阻的阻值與溫度之間的關(guān)系為:

按照國家標(biāo)準(zhǔn)，銅電阻R0有100歐和50歐兩種，其百度電阻比不小于1.428，分度號(hào)分別為Cu100和Cu50。電子與通信工程系—張丹檢測技術(shù)與應(yīng)用鐵電阻和鎳電阻:

鐵和鎳這兩種金屬的電阻溫度系數(shù)較高、電阻率較大，故可作成體積小、靈敏度高的電阻溫度計(jì)，其缺點(diǎn)是容易氧化，化學(xué)穩(wěn)定性差，不易提純，復(fù)制性差，而且電阻值與溫度的線性關(guān)系差目前應(yīng)用不多。其他熱電阻:

近年來對(duì)低溫和超低溫的測量越來越多，為此人們研究開發(fā)出銦熱電阻、錳熱電阻和隨阻等一些較為新穎的低溫?zé)犭娮琛?1)銦熱電阻。用99.999％高純度銦絲制成高精度低溫?zé)犭娮?。?shí)驗(yàn)證明，在–269～–258℃

溫度范圍內(nèi)，其靈敏度比鉑電阻高10倍。其缺點(diǎn)是材料軟、重復(fù)性差。(2)錳熱電阻。在–271～–210℃范圍內(nèi)使用，電阻隨溫度變化大，靈敏度高，但質(zhì)脆、難拉成絲且易損壞。(3)碳熱電阻。在–273～–268℃溫度范圍內(nèi)使用，適合于液氦溫區(qū)的溫度測量。其優(yōu)點(diǎn)是熱容量小，靈敏度高，價(jià)格低廉，操作簡便，對(duì)磁場不敏感。缺點(diǎn)是穩(wěn)定性較差。(4)鐵熱電阻。缺點(diǎn)是：輸出特性為非線性。電子與通信工程系—張丹檢測技術(shù)與應(yīng)用2.熱電阻的自熱誤差及引線誤差的消除

工業(yè)上廣泛使用熱電阻作為–200～+600℃范圍內(nèi)的溫度測量，它的特點(diǎn)是精度高，適于測低溫。但在使用中要注意以下兩點(diǎn)：（1）自熱誤差在用熱電阻測量時(shí)，電阻要消耗一定的功率，產(chǎn)生熱量，同樣會(huì)造成電阻值變化，產(chǎn)生測量誤差。因此使用中要限制電流，規(guī)定其值應(yīng)不超過6mA，以減少由于電阻器通電產(chǎn)生自熱而引起的誤差。（2）引線電阻的影響由于測溫的熱電阻，總得有連接導(dǎo)線。但由于熱電阻本身的電阻值很小，所以引線電阻值及其變化就不能忽略。例如：50的鉑電阻，若導(dǎo)線電阻為1，將會(huì)產(chǎn)生5℃的測量誤差，這是不能允許的。為此，在熱電阻測溫電路中通常采用直流電橋電路。電子與通信工程系—張丹檢測技術(shù)與應(yīng)用自熱誤差及引線誤差的消除:

在用熱電阻測溫時(shí)，常用直流電橋作為熱電阻的測量電路?，F(xiàn)在一般采用三線制式或四線兩種接線方式連接電路，以消除這些誤差。

G為指示電表，R1、R2、R3為固定電阻，Ra為零位調(diào)節(jié)電阻。熱電阻都通過電阻分別為r2、r3、Rg的三根導(dǎo)線和電橋連接，r2和r3分別接在相鄰的兩臂，當(dāng)溫度變化時(shí)，只要它們的長度和電阻溫度系數(shù)相同，它們的電阻變化就不會(huì)影響電橋的狀態(tài)，即不會(huì)產(chǎn)生溫度誤差。而Rg分別接在指示電表和電源的回路中，其電阻變化也不會(huì)影響電橋的平衡狀態(tài)。思考:缺點(diǎn)?電子與通信工程系—張丹檢測技術(shù)與應(yīng)用

為了高精度的溫度測量，可將電阻測量設(shè)計(jì)成圖所示的的四線連接法，調(diào)零的電位器的接觸電阻和指示電表串聯(lián)，接觸電阻的不穩(wěn)定不會(huì)破壞電橋的平衡和正常工作狀態(tài)。電子與通信工程系—張丹檢測技術(shù)與應(yīng)用半導(dǎo)體熱電阻測量電路的線性補(bǔ)償:

半導(dǎo)體熱敏電阻的阻值與被測溫度之間存在較嚴(yán)重的非線性，這種非線性直接限制了其測溫范圍的擴(kuò)大和數(shù)字化測溫系統(tǒng)中測溫精度的提高。為實(shí)現(xiàn)阻值與溫度之間關(guān)系在一定溫度范圍內(nèi)的線性化，最簡單的辦法就是用溫度系數(shù)很小的電阻與熱敏電阻串聯(lián)或并聯(lián)。

如果要求更好的線性度，可以采用既串聯(lián)補(bǔ)償又并聯(lián)補(bǔ)償?shù)霓k法，來得到比單一補(bǔ)償方法更寬的線性輸出特性。電阻與熱敏電阻串聯(lián)電阻與熱敏電阻并聯(lián)電子與通信工程系—張丹檢測技術(shù)與應(yīng)用3.熱電阻溫度傳感器的基本測量電路

圖示的電路為BA2鉑電阻作為溫度傳感器的電橋和放大電路。當(dāng)溫度變化時(shí)，電橋處于不平衡狀態(tài)，在a，b兩端產(chǎn)生與溫度相對(duì)應(yīng)的電位差；該電橋?yàn)橹绷麟姌?，其輸出電壓Uab為0.73mv／0C。Uab經(jīng)比例放大器放大，A/D其增益為轉(zhuǎn)換器所需要的0～5V直流電壓。D3

，

D4是放大器的輸入保護(hù)二極管；R12用于調(diào)整放大倍數(shù)。放大后的信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)，因此，該電路便于與微機(jī)接口.電子與通信工程系—張丹檢測技術(shù)與應(yīng)用4.3熱電偶傳感器及其溫度測量電路1.熱電偶測溫原理

熱電偶是將兩種不同材料導(dǎo)電體A、B(熱電極)的一端焊接或絞接于一起而構(gòu)成的，如圖所示。測溫時(shí)置于被測溫度場中的結(jié)點(diǎn)稱為測量端(亦稱工作端或熱端)，另一結(jié)點(diǎn)一般處于某一恒定溫度場，稱為參考端(亦稱自由端或冷端)。BA+測量端T參考端T0

圖4.7熱電偶及熱電效應(yīng)接觸電勢UAB(T)接觸電勢UAB(T0)溫差電勢UB(T，T0)溫差電勢UA(T，T0)熱電勢UAB(T，T0)AB-+--+++--

設(shè)測量端溫度、參考端溫度分別為T和T0(不妨令T>T0)，則在導(dǎo)電體A、B的兩接觸處將分別產(chǎn)生接觸電勢UAB(T)、UAB(T0)，在導(dǎo)電體A、B的兩端將分別產(chǎn)生溫差電勢UA(T，T0)、UB(T，T0)。接觸電勢亦稱珀?duì)栙N電勢，它是由相互接觸的兩種不同導(dǎo)體內(nèi)自由電子密度不同引起電子擴(kuò)散而造成的；單一導(dǎo)體兩端由于溫度不同而在其兩端產(chǎn)生的電勢為溫差電勢(又稱湯姆遜電勢)，由于高溫端自由電子的動(dòng)能大于低溫端自由電子的動(dòng)能，高溫端自由電子的擴(kuò)散速率高于低溫端自由電子的擴(kuò)散速率，從而在單一導(dǎo)體兩端形成了電位差。由接觸電勢UAB(T)、UAB(T0)和溫差電勢UA(T，T0)、UB(T，T0)構(gòu)成了熱電偶的熱電勢UAB(T，T0)。一般接觸電勢遠(yuǎn)大于溫差電勢，以至常常將溫差電勢忽略。電子與通信工程系—張丹檢測技術(shù)與應(yīng)用接觸電勢UAB(T)、UAB(T0)分別為:整個(gè)熱電偶回路中的總接觸電勢為:溫差電勢UA(T，T0)UB(T，T0)，分別確定為:整個(gè)熱電偶回路中的總的溫差電勢為:

在整個(gè)熱電偶回路中，綜合兩結(jié)點(diǎn)處的接觸電勢和兩種單一導(dǎo)體的溫差電勢后可以形成熱電偶的熱電勢UAB(T，T0)，即電子與通信工程系—張丹檢測技術(shù)與應(yīng)用關(guān)于熱電偶的三個(gè)基本性質(zhì):(1)中間導(dǎo)體定律：在熱電偶回路中接入中間導(dǎo)體(第三種導(dǎo)體)，若中間導(dǎo)體兩端溫度相同，則熱電偶的熱電勢不變。將熱電偶的參考端分開，串接入第三種導(dǎo)體C，不難得到熱電勢

EABC(T，T0)=EAB(T，T0)(2)中間溫度定律：在熱電偶回路中，兩接點(diǎn)溫度為T、T0時(shí)的熱電勢等于該熱電偶在接點(diǎn)溫度為T、Ta和Ta、T0時(shí)的熱電勢的代數(shù)和，即

EAB(T，T0)=EAB(T，Ta)+EAB(Ta，T0)

(3)標(biāo)準(zhǔn)電極定律：兩種導(dǎo)體A、B分別與第三種導(dǎo)體C組成熱電偶，如果A、C和B、C熱電偶的熱電勢已知，則由導(dǎo)體A、B組成熱電偶的熱電勢為

EAB(T，T0)=EAC(T，T0)-EBC(T，T0)電子與通信工程系—張丹檢測技術(shù)與應(yīng)用2.常用熱電偶結(jié)構(gòu)、材料及種類

熱電偶的電極材料:

理論上，任意兩種導(dǎo)體或半導(dǎo)體都可以配制成熱電偶，但作為實(shí)用測溫元件，并不是所有材料都適用于制作熱電偶，在選擇熱電極材料時(shí)，應(yīng)根據(jù)具體情況和測溫條件來決定。熱電偶傳感器的種類:

熱電偶的種類很多，可按所用熱電極材料、適用溫度范圍、結(jié)構(gòu)、用途以及是否進(jìn)行工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化等多種不同標(biāo)準(zhǔn)對(duì)熱電偶進(jìn)行分類，熱電偶的基本分類方法如表4.1所示熱電偶的結(jié)構(gòu)類型

工程上實(shí)際使用的熱電偶大多數(shù)是由熱電極、絕緣套管、保護(hù)套管和接線盒等構(gòu)成主要有工業(yè)用熱電偶、鎧裝式熱電偶（又稱套管式熱電偶）、快速反應(yīng)薄膜熱電偶、快速消耗微型熱電偶等電子與通信工程系—張丹檢測技術(shù)與應(yīng)用3.

冷端溫度的影響及其消除

對(duì)于特定分度的熱電偶，為保證其熱電勢是被測溫度的單值函數(shù)，必須維持熱電偶冷端溫度恒定不變；同時(shí)，熱電偶分度表和根據(jù)分度表刻度的溫度儀表，都以熱電偶冷端溫度為0℃為條件，因此基于這兩方面的原因，在使用熱電偶測溫時(shí)，只有在維持冷端溫度為0℃并且恒定不變的情況下，方可測出實(shí)際溫度。冷端溫度的補(bǔ)償及修正措施:(1)0℃恒溫法將熱電偶的冷端置于溫度保持在0℃的器皿中，測得熱電勢后，通過直接查閱分度表即可知道實(shí)際的被測溫度值。該方法主要應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室對(duì)溫度進(jìn)行精確測量或溫度儀表的校準(zhǔn)。(2)冷端溫度計(jì)算修正法該方法適用于冷端溫度穩(wěn)定或變化相當(dāng)緩慢的情況。雖然冷端溫度不變，但由于一般不是0℃，因此若不進(jìn)行冷端溫度修正，將導(dǎo)致溫度測量值低于實(shí)際被測溫度，此時(shí)可以根據(jù)中間溫度定律對(duì)冷端溫度進(jìn)行修正。在冷端溫度恒定于Tn℃，并且測得熱電偶工作于溫差Tn℃—T℃時(shí)的熱電勢為E(T，Tn)的情況下，有如下修正公式E(T，0)=E(T，Tn)+

E(Tn，0)(3)電橋補(bǔ)償法利用熱電偶的熱電勢隨冷端溫度升高而減少的特點(diǎn)，在熱電偶回路中串入一直流不平衡電橋(亦稱冷端補(bǔ)償器)，如果電橋設(shè)置適當(dāng)，則熱電偶熱電勢與電橋不平衡電勢疊加后亦可實(shí)現(xiàn)冷端溫度補(bǔ)償(4)采用補(bǔ)償導(dǎo)線延伸冷端采用補(bǔ)償導(dǎo)線將冷端移至離熱源較遠(yuǎn)并且環(huán)境溫度較穩(wěn)定的地方，然后再應(yīng)用前述方法把冷端溫度修正到0℃。電子與通信工程系—張丹檢測技術(shù)與應(yīng)用4.熱電偶傳感器的基本測溫電路1)、單點(diǎn)溫度測量電路2)、兩點(diǎn)間溫差的測量電路

測得的電流與溫度有一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，即可以在表上標(biāo)出溫度的刻度。流過測溫毫伏計(jì)的電流為:兩個(gè)熱電偶屬同型號(hào)熱電偶，且補(bǔ)償導(dǎo)線相同，連接方法使各自產(chǎn)生的熱電勢相互抵消，儀表讀數(shù)即為T1和T2的溫度差.電子與通信工程系—張丹檢測技術(shù)與應(yīng)用3)、平均溫度測量電路4)、若干點(diǎn)溫度之和的測量電路每個(gè)熱電偶線路上流過的電流會(huì)因其熱電偶的電阻變化而變化。由電路知回路中總的熱電勢為:此電路的優(yōu)點(diǎn)是儀表的分度表和單獨(dú)用一個(gè)熱電偶時(shí)一樣，可直接讀出平均溫度；缺點(diǎn)為若有一個(gè)熱電偶被燒斷，從儀表上不能反映出來。將若干個(gè)同類型熱電偶串聯(lián)，可以測量這些點(diǎn)的溫度和，也可測量平均溫度。如圖所示。此電路中總有一個(gè)熱電偶燒斷，總的熱電勢消失，可以立即知道有某個(gè)熱電偶燒斷。電子與通信工程系—張丹檢測技術(shù)與應(yīng)用5).橋式電位差計(jì)測溫線路

在圖中，RP1為調(diào)零電位器，測量前調(diào)節(jié)它使儀表指示起始溫度。RP2為精密合成膜測量電位器，用來調(diào)節(jié)電橋輸出的補(bǔ)償電壓。RP1和RP2組成的電橋由參考電壓源US供電，RC為限流電阻。電橋輸出由R和Rf分壓，以減少RP2滑動(dòng)觸頭移動(dòng)過程中產(chǎn)生的熱電勢，提高測量電路的動(dòng)態(tài)特性，方便量程切換。為提高儀表抗干擾能力，在橋路前后加入了濾波電路。電路工作原理是：熱電偶熱電勢EX經(jīng)濾波與橋路輸出分壓電阻R兩端電壓UR(補(bǔ)償電壓)比較，形成差值電壓ΔU，經(jīng)濾波放大后驅(qū)動(dòng)可逆電機(jī)M。可逆電機(jī)M通過一組傳動(dòng)系統(tǒng)，一方面帶動(dòng)滑線電阻RP2的滑動(dòng)觸頭移動(dòng)，另一方面帶動(dòng)儀表指針沿刻度標(biāo)尺運(yùn)動(dòng)，直至橋路輸出與熱電偶的熱電勢達(dá)到平衡，最終儀表指針在標(biāo)尺上指示出被測溫度值。電子與通信工程系—張丹檢測技術(shù)與應(yīng)用4.5濕度傳感器及其測量電路1.濕度傳感器的類型及性能可分為電阻式、電容式和其他方式三大類。①電阻式濕度傳感器利用電導(dǎo)率與濕度的關(guān)系制成電阻型濕度傳感器，具有感濕靈敏度高，線性度好，響應(yīng)時(shí)間短，制作工藝簡單，成本低等優(yōu)點(diǎn)。②電容式濕度傳感器利用電極間介質(zhì)吸附水蒸氣時(shí)電容量發(fā)生變化的原理制成電容式濕度傳感器，③其他類型濕度傳感器除電阻式和電容式外，還有透光量隨濕度而改變的光纖濕度傳感器、在H2O—N2氣氛下穩(wěn)定化Zr02限界電流型濕度傳感器，此外，還有濃差電池式、二極管型、石英振子式、SAW式、微波式和熱導(dǎo)式等新型濕度傳感器。電子與通信工程系—張丹檢測技術(shù)與應(yīng)用2.濕度表示法（1）質(zhì)量百分比和體積百分比質(zhì)量百分比為m／M×100％、體積百分比為v／V×100％

(2)相對(duì)濕度和絕對(duì)濕度相對(duì)濕度為絕對(duì)濕度

(3)露（霜）點(diǎn)電子與通信工程系—張丹檢測技術(shù)與應(yīng)用3．濕度傳感器的主要參數(shù)(1)濕度量程(2)感濕特征量——相對(duì)濕度特性(3)感濕靈敏度(4)特征量溫度系數(shù)(5)感濕溫度系數(shù)(6)響應(yīng)時(shí)間(7)電壓特性(8)頻率特性電子與通信工程系—張丹檢測技術(shù)與應(yīng)用4．濕度傳感器的主要特征(1)電解質(zhì)濕度傳感器電解質(zhì)是以離子形式導(dǎo)電的