傳感器原理-溫度傳感器

傳感器技術(shù)溫度傳感器

第一節(jié)概論第二節(jié)熱電偶溫度傳感器

通過本章的學(xué)習(xí)了解溫度傳感器的作用、地位、分類和發(fā)展趨勢；掌握熱電偶三定律及相關(guān)計算；了解其他溫度傳感器工作原理。第一節(jié)概論溫度傳感器是實現(xiàn)溫度檢測和控制的重要器件。在種類繁多的傳感器中，溫度傳感器是應(yīng)用最廣泛、發(fā)展最快的傳感器之一。溫度是與人類生活息息相關(guān)的物理量。在2000多年前，就開始為檢測溫度進行了各種努力，并開始使用溫度傳感器檢測溫度。人類社會中，工業(yè)、農(nóng)業(yè)、商業(yè)、科研、國防、醫(yī)學(xué)及環(huán)保等部門都與溫度有著密切的關(guān)系。工業(yè)生產(chǎn)自動化流程,溫度測量點要占全部測量點的一半左右。溫度是反映物體冷熱狀態(tài)的物理參數(shù)。因此，人類離不開溫度，當(dāng)然也離不開溫度傳感器。

一、溫度的基本概念熱平衡：溫度是描述熱平衡系統(tǒng)冷熱程度的物理量。分子物理學(xué)：溫度反映了物體內(nèi)部分子無規(guī)則運動的劇烈程度。能量：溫度是描述系統(tǒng)不同自由度間能量分配狀況的物理量。表示溫度大小的尺度是溫度的標(biāo)尺，簡稱溫標(biāo)。熱力學(xué)溫標(biāo)國際實用溫標(biāo)攝氏溫標(biāo)華氏溫標(biāo)

二、溫度傳感器的特點與分類

隨物體的熱膨脹相對變化而引起的體積變化；蒸氣壓的溫度變化；電極的溫度變化熱電偶產(chǎn)生的電動勢；光電效應(yīng)熱電效應(yīng)介電常數(shù)、導(dǎo)磁率的溫度變化；物質(zhì)的變色、融解；強性振動溫度變化；熱放射；熱噪聲。1

溫度傳感器的物理原理(11)特性與溫度之間的關(guān)系要適中，并容易檢測和處理，且隨溫度呈線性變化；除溫度以外，特性對其它物理量的靈敏度要低；特性隨時間變化要?。恢貜?fù)性好，沒有滯后和老化；靈敏度高，堅固耐用，體積小，對檢測對象的影響要??；機械性能好，耐化學(xué)腐蝕，耐熱性能好；能大批量生產(chǎn)，價格便宜；無危險性，無公害等。2.溫度傳感器應(yīng)滿足的條件3.溫度傳感器的種類及特點

接觸式溫度傳感器非接觸式溫度傳感器接觸式溫度傳感器的特點：傳感器直接與被測物體接觸進行溫度測量，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，測量精度較低。因此采用這種方式要測得物體的真實溫度的前提條件是被測物體的熱容量要足夠大。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，可進行遙測。其制造成本較高，測量精度卻較低。優(yōu)點是：不從被測物體上吸收熱量；不會干擾被測對象的溫度場；連續(xù)測量不會產(chǎn)生消耗；反應(yīng)快等。熱電偶、測溫電阻器、熱敏電阻、感溫鐵氧體、石英晶體振動器、雙金屬溫度計、壓力式溫度計、玻璃制溫度計、輻射傳感器、晶體管、二極管、半導(dǎo)體集成電路傳感器、可控硅分類特征傳感器名稱超高溫用傳感器1500℃以上光學(xué)高溫計、輻射傳感器高溫用傳感器1000～1500℃光學(xué)高溫計、輻射傳感器、熱電偶中高溫用傳感器500～1000℃光學(xué)高溫計、輻射傳感器、熱電偶中溫用傳感器0～500℃低溫用傳感器-250～0℃極低溫用傳感器-270～-250℃BaSrTiO3陶瓷晶體管、熱敏電阻、壓力式玻璃溫度計見表下內(nèi)容

測溫范圍溫度傳感器分類(1)分類特征傳感器名稱測溫范圍寬、輸出小測溫電阻器、晶體管、熱電偶半導(dǎo)體集成電路傳感器、可控硅、石英晶體振動器、壓力式溫度計、玻璃制溫度計線性型測溫范圍窄、輸出大熱敏電阻指數(shù)型函數(shù)開關(guān)型特性特定溫度、輸出大感溫鐵氧體、雙金屬溫度計

測溫特性溫度傳感器分類(2)分類特征傳感器名稱測定精度±0.1～±0.5℃鉑測溫電阻、石英晶體振動器、玻璃制溫度計、氣體溫度計、光學(xué)高溫計溫度標(biāo)準(zhǔn)用測定精度±0.5～±5℃熱電偶、測溫電阻器、熱敏電阻、雙金屬溫度計、壓力式溫度計、玻璃制溫度計、輻射傳感器、晶體管、二極管、半導(dǎo)體集成電路傳感器、可控硅絕對值測定用管理溫度測定用相對值±1～±5℃

測定精度溫度傳感器分類(3)

此外，還有微波測溫溫度傳感器、噪聲測溫溫度傳感器、溫度圖測溫溫度傳感器、熱流計、射流測溫計、核磁共振測溫計、穆斯保爾效應(yīng)測溫計、約瑟夫遜效應(yīng)測溫計、低溫超導(dǎo)轉(zhuǎn)換測溫計、光纖溫度傳感器等。這些溫度傳感器有的已獲得應(yīng)用，有的尚在研制中。公元1600年，伽里略研制出氣體溫度計。一百年后，研制成酒精溫度計和水銀溫度計。隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)發(fā)展的需要，相繼研制出金屬絲電阻、溫差電動式元件、雙金屬式溫度傳感器。1950年以后，相繼研制成半導(dǎo)體熱敏電阻器。最近，隨著原材料、加工技術(shù)的飛速發(fā)展、又陸續(xù)研制出各種類型的溫度傳感器。三、溫度傳感器的發(fā)展概況接觸式溫度傳感器非接觸式溫度傳感器1．常用熱電阻范圍：-260～＋850℃；精度：0.001℃。改進后可連續(xù)工作2000h，失效率小于1％，使用期為10年。2．管纜熱電阻

測溫范圍為-20～＋500℃，最高上限為1000℃，精度為0.5級。（－）接觸式溫度傳感器3．陶瓷熱電阻測量范圍為–200～+500℃，精度為0.3、0.15級。4．超低溫?zé)犭娮鑳煞N碳電阻，可分別測量–268.8～253℃-272.9～272.99℃的溫度。5．熱敏電阻器適于在高靈敏度的微小溫度測量場合使用。經(jīng)濟性好、價格便宜。l．輻射高溫計用來測量1000℃以上高溫。分四種：光學(xué)高溫計、比色高溫計、輻射高溫計和光電高溫計。2．光譜高溫計前蘇聯(lián)研制的YCI—I型自動測溫通用光譜高溫計,其測量范圍為400～6000℃,它是采用電子化自動跟蹤系統(tǒng),保證有足夠準(zhǔn)確的精度進行自動測量。

（二）非接觸式溫度傳感器3．超聲波溫度傳感器特點是響應(yīng)快(約為10ms左右)，方向性強。目前國外有可測到5000℉的產(chǎn)品。4．激光溫度傳感器適用于遠程和特殊環(huán)境下的溫度測量。如NBS公司用氦氖激光源的激光做光反射計可測很高的溫度，精度為1％。美國麻省理工學(xué)院正在研制一種激光溫度計，最高溫度可達8000℃，專門用于核聚變研究。瑞士BrowaBorer研究中心用激光溫度傳感器可測幾千開(K)的高溫。

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)所需要的價廉的溫度傳感器。

4．發(fā)展新型產(chǎn)品，擴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、集成化和自動化的溫度傳感器。

（三）溫度傳感器的主要發(fā)展方向熱電偶是目前溫度測量中使用最普遍的傳感元件之一。結(jié)構(gòu)簡單，測量范圍寬、準(zhǔn)確度高、熱慣性小，輸出信號為電信號，還用來測量流體的溫度、測量固體以及固體壁面的溫度。微型熱電偶還可用于快速及動態(tài)溫度的測量。第二節(jié)熱電偶溫度傳感器★熱電偶的工作原理★熱電偶回路的性質(zhì)★熱電偶的常用材料與結(jié)構(gòu)★冷端處理及補償各種熱電偶先看一個實驗——熱電偶工作原理演示

結(jié)論：當(dāng)兩個結(jié)點溫度不相同時，回路中將產(chǎn)生電動勢。

熱電極A右端：自由端參考端冷端一、熱電偶的工作原理

左端：測量端工作端熱端熱電極B熱電勢AB從實驗到理論：熱電效應(yīng)

1821年，德國物理學(xué)家西拜克用兩種不同金屬組成閉合回路，并用酒精燈加熱其中一個接觸點（稱為結(jié)點），發(fā)現(xiàn)放在回路中的指南針發(fā)生偏轉(zhuǎn)（說明什么？），如果用兩盞酒精燈對兩個結(jié)點同時加熱，指南針的偏轉(zhuǎn)角反而減?。ㄓ终f明什么？）。顯然，指針的偏轉(zhuǎn)說明回路中有電動勢產(chǎn)生并有電流在回路中流動，電流的強弱與兩個結(jié)點的溫差有關(guān)。

兩種不同類型的金屬導(dǎo)體，導(dǎo)體兩端分別接在一起構(gòu)成閉合回路，當(dāng)兩個結(jié)點溫度不等有溫差時，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。熱電效應(yīng)兩種不同的金屬互相接觸時，由于不同金屬內(nèi)自由電子的密度不同，在兩金屬A和B的接觸點處會發(fā)生自由電子的擴散現(xiàn)象。自由電子將從密度大的金屬A擴散到密度小的金屬B，使A失去電子帶正電，B得到電子帶負電，從而產(chǎn)生熱電勢。

自由電子＋ABeAB（

T）T1.接觸電勢對于任何一種金屬，當(dāng)其兩端溫度不同時，兩端的自由電子濃度也不同，溫度高的一端濃度大，具有較大的動能；溫度低的一端濃度小，動能也小。因此高溫端的自由電子要向低溫端擴散，高溫端因失去電子而帶正電，低溫端得到電子而帶負電，形成溫差電動勢，又稱湯姆森電動勢。2.溫差電勢1、熱電偶回路的熱電動勢只與組成熱電偶的材料及兩端接點的溫度有關(guān)；與熱電偶的形狀無關(guān)。二.熱電偶基本性質(zhì)2、只有用不同性質(zhì)的材料才能組合成熱電偶，相同材料不會產(chǎn)生熱電動勢。3、只有當(dāng)熱電偶兩端溫度不同時，不同材料組成的熱電偶才能有熱電動勢產(chǎn)生。4、導(dǎo)體材料確定后，熱電動勢的大小只與熱電偶兩端的溫度有關(guān),是T的單值函數(shù)，這就是利用熱電偶測溫的基本原理。三、熱電偶基本定律

1、均質(zhì)導(dǎo)體定律如果熱電偶回路中的兩個熱電極材料相同，無論兩接點的溫度如何，熱電動勢均為零.根據(jù)這一定律，可以檢驗兩個熱電極材料的成分是否相同(稱為同名極檢驗法)，也可以檢查熱電極材料的均勻性。熱電偶的分度表

——熱電偶的線性較差，多數(shù)情況下采用查表法直接從熱電偶的分度表查溫度與熱電勢的關(guān)系時的約束條件是：自由端（冷端）溫度必須為0C。四、熱電偶的結(jié)構(gòu)和種類（1）熱電極（2）絕緣套（3）保護套管（4）接線盒與介質(zhì)隔離，優(yōu)良傳熱性能防止電極間短路

氧化鋁管、耐火陶瓷鋁合金熱電性質(zhì)穩(wěn)定物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定電阻溫度系數(shù)小、電阻率高輸出熱電勢大、輸出呈線性復(fù)制性好、工藝簡單、價格低

貴金屬普通金屬1、熱電偶的結(jié)構(gòu)普通裝配型熱電偶的外形鎧裝型熱電偶外形法蘭鎧裝型熱電偶可長達上百米薄壁金屬保護套管（鎧體）

鎧裝型熱電偶橫截面鎧裝型熱電偶

鎧裝熱電偶的制造工藝：把熱電極材料與高溫絕緣材料預(yù)置在金屬保護管中、運用同比例壓縮延伸工藝、將這三者合為一體，制成各種直徑、規(guī)格的鎧裝偶體，再截取適當(dāng)長度、將工作端焊接密封、配置接線盒即成為柔軟、細長的鎧裝熱電偶。

鎧裝熱電偶特點：內(nèi)部的熱電偶絲與外界空氣隔絕，有著良好的抗高溫氧化、抗低溫水蒸氣冷凝、抗機械外力沖擊的特性。鎧裝熱電偶可以制作得很細，能解決微小、狹窄場合的測溫問題，且具有抗震、可彎曲、超長等優(yōu)點。

31隔爆型熱電偶外形厚壁保護管壓鑄的接線盒電纜線32隔爆型熱電偶

結(jié)構(gòu)特點：隔爆熱電偶的接線盒在設(shè)計時采用防爆的特殊結(jié)構(gòu)，它的接線盒是經(jīng)過壓鑄而成的，有一定的厚度、隔爆空間，機構(gòu)強度較高；采用螺紋隔爆接合面，并采用密封圈進行密封，因此，當(dāng)接線盒內(nèi)一旦放弧時，不會與外界環(huán)境的危險氣體傳爆，能達到預(yù)期的防爆、隔爆效果。

使用場合：工業(yè)用的隔爆型熱電偶多用于化學(xué)工業(yè)自控系統(tǒng)中（由于在化工生產(chǎn)廠、生產(chǎn)現(xiàn)場常伴有各種易燃、易爆等化學(xué)氣體或蒸汽，如果用普通熱電偶則非常不安全、很容易引起環(huán)境氣體爆炸）。332、