第8章(1)溫度傳感器

第8章溫度傳感器

第一節(jié)概論

第二節(jié)熱電偶溫度傳感器第三節(jié)熱敏電阻溫度傳感器第四節(jié)IC溫度傳感器第五節(jié)其他溫度傳感器學(xué)習(xí)內(nèi)容與學(xué)習(xí)目標(biāo)通過(guò)本章的學(xué)習(xí)了解溫度傳感器的作用、地位、分類(lèi)和發(fā)展趨勢(shì)；了解熱電偶三定律及相關(guān)計(jì)算；掌握熱敏電阻不同類(lèi)型的特點(diǎn)及應(yīng)用場(chǎng)合；掌握集成溫度傳感器使用方法；了解其他溫度傳感器工作原理。第8章溫度傳感器

第一節(jié)概論

第二節(jié)熱電偶溫度傳感器第三節(jié)熱敏電阻溫度傳感器第四節(jié)IC溫度傳感器第五節(jié)其他溫度傳感器溫度是與人類(lèi)生活息息相關(guān)的物理量。在2000多年前，就開(kāi)始為檢測(cè)溫度進(jìn)行了各種努力，并開(kāi)始使用溫度傳感器檢測(cè)溫度。人類(lèi)社會(huì)中，工業(yè)、農(nóng)業(yè)、商業(yè)、科研、國(guó)防、醫(yī)學(xué)及環(huán)保等部門(mén)都與溫度有著密切的關(guān)系。工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化流程,溫度測(cè)量點(diǎn)要占全部測(cè)量點(diǎn)的一半左右。在家電產(chǎn)品的控制中,溫度的檢測(cè)也是無(wú)處不在。溫度是反映物體冷熱狀態(tài)的物理參數(shù)。溫度傳感器是實(shí)現(xiàn)溫度檢測(cè)和控制的重要器件。在種類(lèi)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。人類(lèi)離不開(kāi)溫度，當(dāng)然也離不開(kāi)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(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)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。溫標(biāo)：表示溫度大小的尺度是溫度的標(biāo)尺。

一、溫度的基本概念熱力學(xué)溫標(biāo)國(guó)際實(shí)用溫標(biāo)攝氏溫標(biāo)華氏溫標(biāo)1848年威廉·湯姆首先提出以熱力學(xué)第二定律為基礎(chǔ)，建立溫度僅與熱量有關(guān)，而與物質(zhì)無(wú)關(guān)的熱力學(xué)溫標(biāo)。因是開(kāi)爾文總結(jié)出來(lái)的，故又稱(chēng)開(kāi)爾文溫標(biāo)，用符號(hào)K表示。它是國(guó)際基本單位制之一。根據(jù)熱力學(xué)中的卡諾定理，如果在溫度T1的熱源與溫度為T(mén)2的冷源之間實(shí)現(xiàn)了卡諾循環(huán)，則存在下列關(guān)系式。1．熱力學(xué)溫標(biāo)Q1——熱源給予熱機(jī)的傳熱量Q2——熱機(jī)傳給冷源的傳熱量如果在式中再規(guī)定一個(gè)條件,就可以通過(guò)卡諾循環(huán)中的傳熱量來(lái)完全地確定溫標(biāo)。1954年，國(guó)際計(jì)量會(huì)議選定水的三相點(diǎn)為273.16，并以它的1/273.16定為一度，這樣熱力學(xué)溫標(biāo)就完全確定了，即T=273.16(Q1/Q2)。1．熱力學(xué)溫標(biāo)Q1——熱源給予熱機(jī)的傳熱量Q2——熱機(jī)傳給冷源的傳熱量為解決國(guó)際上溫度標(biāo)準(zhǔn)的同意及實(shí)用問(wèn)題，國(guó)際上協(xié)商決定，建立一種既能體現(xiàn)熱力學(xué)溫度（即能保證一定的準(zhǔn)確度），又使用方便、容易實(shí)現(xiàn)的溫標(biāo)，即國(guó)際實(shí)用溫標(biāo)InternationalPracticalTemperatureScaleof1968(簡(jiǎn)稱(chēng)IPTS-68)，又稱(chēng)國(guó)際溫標(biāo)。2．國(guó)際實(shí)用溫標(biāo)2．國(guó)際實(shí)用溫標(biāo)1968年國(guó)際實(shí)用溫標(biāo)規(guī)定熱力學(xué)溫度是基本溫度，用t表示，其單位是開(kāi)爾文，符號(hào)為K。1K定義為水三相點(diǎn)熱力學(xué)溫度的1/273.16，水的三相點(diǎn)是指純水在固態(tài)、液態(tài)及氣態(tài)三項(xiàng)平衡時(shí)的溫度，熱力學(xué)溫標(biāo)規(guī)定三相點(diǎn)溫度為273.16K，這是建立溫標(biāo)的惟一基準(zhǔn)點(diǎn)。2．國(guó)際實(shí)用溫標(biāo)注意：攝氏溫度的分度值與開(kāi)氏溫度分度值相同，即溫度間隔1K=1℃。T0是在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下冰的融化溫度，T0=273.15K。水的三相點(diǎn)溫度比冰點(diǎn)高出0.01K。氫氧三相點(diǎn)沸點(diǎn)54.36190.188-218.798-182.962水三相點(diǎn)沸點(diǎn)273.16373.150.01100.0鋅凝固點(diǎn)692.73419.58銀凝固點(diǎn)1235.08961.93金凝固點(diǎn)1337.581064.43物質(zhì)三相點(diǎn)平衡狀態(tài)溫度T68/KT68/℃13.817.04220.827.102-259.31-256.108-252.87-246.048沸點(diǎn)25/76atm沸點(diǎn)沸點(diǎn)國(guó)際實(shí)用溫標(biāo)（IPTS-68）的固定點(diǎn)四個(gè)溫度段：規(guī)定各溫度段所使用的標(biāo)準(zhǔn)儀器①低溫鉑電阻溫度計(jì)（13.81K—273.15K）；②鉑電阻溫度計(jì)（273.15K—903.89K）；③鉑銠-鉑熱電偶溫度計(jì)（903.89K—1337.58K）；④光測(cè)溫度計(jì)（1337.58K以上）。國(guó)際實(shí)用開(kāi)爾文溫度與國(guó)際實(shí)用攝氏溫度分別用符號(hào)T68和t68來(lái)區(qū)別（一般簡(jiǎn)寫(xiě)為T(mén)與t）。3．?dāng)z氏溫標(biāo)是工程上最通用的溫度標(biāo)尺。攝氏溫標(biāo)是在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓(即101325Pa)下將水的冰點(diǎn)與沸點(diǎn)中間劃分一百個(gè)等份，每一等份稱(chēng)為攝氏一度(攝氏度，℃)，一般用小寫(xiě)字母t表示。與熱力學(xué)溫標(biāo)單位開(kāi)爾文并用。

攝氏溫標(biāo)與國(guó)際實(shí)用溫標(biāo)溫度之間的關(guān)系如下：T=t+273.15

Kt=T-273.15

℃4．華氏溫標(biāo)目前已用得較少，它規(guī)定在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下冰的融點(diǎn)為32華氏度，水的沸點(diǎn)為212華氏度，中間等分為180份，每一等份稱(chēng)為華氏一度，符號(hào)用℉，它和攝氏溫度的關(guān)系如下：m=1.8n+32℉n=5/9(m-32)℃

二、溫度傳感器的特點(diǎn)與分類(lèi)隨物體的熱膨脹相對(duì)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(dòng)勢(shì)；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(qiáng)性振動(dòng)溫度變化；熱放射；熱噪聲。1

溫度傳感器的物理原理特性與溫度之間的關(guān)系要適中，并容易檢測(cè)和處理，且隨溫度呈線(xiàn)性變化；除溫度以外，特性對(duì)其它物理量的靈敏度要低；特性隨時(shí)間變化要小；重復(fù)性好，沒(méi)有滯后和老化；靈敏度高，堅(jiān)固耐用，體積小，對(duì)檢測(cè)對(duì)象的影響要??；機(jī)械性能好，耐化學(xué)腐蝕，耐熱性能好；能大批量生產(chǎn)，價(jià)格便宜；無(wú)危險(xiǎn)性，無(wú)公害等。2.溫度傳感器應(yīng)滿(mǎn)足的條件3.溫度傳感器的種類(lèi)及特點(diǎn)

接觸式溫度傳感器非接觸式溫度傳感器3.溫度傳感器的種類(lèi)及特點(diǎn)

接觸式溫度傳感器

接觸式溫度傳感器的特點(diǎn)：傳感器直接與被測(cè)物體接觸進(jìn)行溫度測(cè)量，由于被測(cè)物體的熱量傳遞給傳感器，降低了被測(cè)物體溫度，特別是被測(cè)物體熱容量較小時(shí)，測(cè)量精度較低。因此采用這種方式要測(cè)得物體的真實(shí)溫度的前提條件是被測(cè)物體的熱容量要足夠大。3.溫度傳感器的種類(lèi)及特點(diǎn)非接觸式溫度傳感器非接觸式溫度傳感器主要是利用被測(cè)物體熱輻射而發(fā)出紅外線(xiàn)，從而測(cè)量物體的溫度，可進(jìn)行遙測(cè)。其制造成本較高，測(cè)量精度卻較低。優(yōu)點(diǎn)是：不從被測(cè)物體上吸收熱量；不會(huì)干擾被測(cè)對(duì)象的溫度場(chǎng)；連續(xù)測(cè)量不會(huì)產(chǎn)生消耗；反應(yīng)快等。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(dòng)勢(shì)晶體管特性變化可控硅動(dòng)作特性變化熱、光輻射種類(lèi)鉑測(cè)溫電阻、熱敏電阻熱電偶BaSrTiO3陶瓷石英晶體振動(dòng)器超聲波溫度計(jì)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(jì)1.氣體溫度計(jì)2.玻璃制水銀溫度計(jì)3.玻璃制有機(jī)液體溫度計(jì)4.雙金屬溫度計(jì)5.液體壓力溫度計(jì)6.氣體壓力溫度計(jì)1．

熱鐵氧體2．

Fe-Ni-Cu合金熱電偶、測(cè)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、可控硅分類(lèi)特征傳感器名稱(chēng)超高溫用傳感器1500℃以上光學(xué)高溫計(jì)、輻射傳感器高溫用傳感器1000～1500℃光學(xué)高溫計(jì)、輻射傳感器、熱電偶中高溫用傳感器500～1000℃光學(xué)高溫計(jì)、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(jì)見(jiàn)表下內(nèi)容測(cè)溫范圍溫度傳感器分類(lèi)(1)分類(lèi)特征傳感器名稱(chēng)測(cè)溫范圍寬、輸出小測(cè)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(dòng)器、壓力式溫度計(jì)、玻璃制溫度計(jì)線(xiàn)性型測(cè)溫范圍窄、輸出大熱敏電阻指數(shù)型函數(shù)開(kāi)關(guān)型特性特定溫度、輸出大感溫鐵氧體、雙金屬溫度計(jì)測(cè)溫特性溫度傳感器分類(lèi)(2)分類(lèi)特征傳感器名稱(chēng)測(cè)定精度±0.1～±0.5℃鉑測(cè)溫電阻、石英晶體振動(dòng)器、玻璃制溫度計(jì)、氣體溫度計(jì)、光學(xué)高溫計(jì)溫度標(biāo)準(zhǔn)用測(cè)定精度±0.5～±5℃熱電偶、測(cè)溫電阻器、熱敏電阻、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、可控硅絕對(duì)值測(cè)定用管理溫度測(cè)定用相對(duì)值±1～±5℃測(cè)定精度溫度傳感器分類(lèi)(3)

此外，還有微波測(cè)溫溫度傳感器、噪聲測(cè)溫溫度傳感器、溫度圖測(cè)溫溫度傳感器、熱流計(jì)、射流測(cè)溫計(jì)、核磁共振測(cè)溫計(jì)、穆斯保爾效應(yīng)測(cè)溫計(jì)、約瑟夫遜效應(yīng)測(cè)溫計(jì)、低溫超導(dǎo)轉(zhuǎn)換測(cè)溫計(jì)、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(jì)。一百年后，研制成酒精溫度計(jì)和水銀溫度計(jì)。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(dòng)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(lèi)型的溫度傳感器。三、溫度傳感器的發(fā)展概況1．常用熱電阻范圍：-260～＋850℃；精度：0.001℃。改進(jìn)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(cè)溫范圍為-20～＋500℃，最高上限為1000℃，精度為0.5級(jí)。（－）接觸式溫度傳感器（－）接觸式溫度傳感器3．陶瓷熱電阻測(cè)量范圍為–200～+500℃，精度為0.3、0.15級(jí)。4．超低溫?zé)犭娮鑳煞N碳電阻，可分別測(cè)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(cè)量場(chǎng)合使用。經(jīng)濟(jì)性好、價(jià)格便宜。l．輻射高溫計(jì)用來(lái)測(cè)量1000℃以上高溫。分四種：光學(xué)高溫計(jì)、比色高溫計(jì)、輻射高溫計(jì)和光電高溫計(jì)。2．光譜高溫計(jì)前蘇聯(lián)研制的YCI—I型自動(dòng)測(cè)溫通用光譜高溫計(jì),其測(cè)量范圍為400～6000℃,它是采用電子化自動(dòng)跟蹤系統(tǒng),保證有足夠準(zhǔn)確的精度進(jìn)行自動(dòng)測(cè)量。

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

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