傳感器與檢測技術(shù)

第二篇過程參數(shù)檢測技術(shù)目前一頁\總數(shù)八十九頁\編于十七點4溫度檢測4.1測溫方法及溫標4.2接觸式測溫4.3非接觸式測溫4.4光纖溫度傳感器4.5測溫實例目前二頁\總數(shù)八十九頁\編于十七點4.1.1測溫原理及方法一、溫度的基本概念和測量方法溫度是一個基本物理量。是國際單位制7個基本物理量之一。溫度的宏觀概念是冷熱程度的表示。溫度的微觀概念是大量分子運動平均強度的表示。目前三頁\總數(shù)八十九頁\編于十七點測溫原理

利用合適物體某一物理性質(zhì)隨溫度變化的已知特性，通過與被測對象的熱交換，測量相關(guān)物理量從而確定被測對象的溫度。測溫方式接觸式：傳熱和對流，熱接觸;破壞被測對象熱平衡，存在置入誤差，對測溫元件要求高。非接觸式：熱輻射;響應(yīng)快，對被測對象干擾小，可測高溫、運動對象，強電磁干擾、強腐蝕。目前四頁\總數(shù)八十九頁\編于十七點測溫方式類別原理典型儀表測溫范圍/℃接觸式測溫膨脹類利用液體、氣體的熱膨脹及物質(zhì)的蒸氣壓變化玻璃液體溫度計-100～600壓力式溫度計-100～500利用兩種金屬的熱膨脹差雙金屬溫度計-80～600熱電類利用熱電效應(yīng)熱電偶-200～1800電阻類固體材料的電阻隨溫度變化鉑熱電阻-260～850銅熱電阻-50～150熱敏電阻-50～300其他電學類半導(dǎo)體器件的溫度效應(yīng)集成溫度傳感器-50～150晶體的固有頻率隨溫度而變化石英晶體溫度計-50～120光纖類利用光纖的溫度特性或作為傳光介質(zhì)光纖溫度傳感器-50～400非接觸式測溫光纖輻射溫度計200～4000輻射類利用普朗克定律光電高溫計800～3200輻射傳感器400～2000比色溫度計500～3200溫度檢測方法的分類目前五頁\總數(shù)八十九頁\編于十七點4.1.2溫標溫標：衡量溫度的標尺，規(guī)定溫度讀數(shù)起點及溫度的基本單位。經(jīng)驗溫標：利用物質(zhì)體膨脹與溫度的關(guān)系制定的。

華氏溫標tF：冰點32°F，水沸點212°F。中間等分180份。攝氏溫標tC：冰點0℃，水沸點100℃。中間等分100份。換算關(guān)系：目前六頁\總數(shù)八十九頁\編于十七點4.1.2.1國際實用溫標熱力學溫標符號T90,單位K。是英國物理學家開爾文(Kelvin)于1848年以熱力學第二定律為基礎(chǔ)所引出的與測溫物質(zhì)無關(guān)的溫標。

目前七頁\總數(shù)八十九頁\編于十七點1954年確定以水的三相點作為熱力學溫標的基本固定點。

1990國際溫標（ITS-90)單位K的大小定義為水三相點熱力學溫度的1/273.16。同時使用國際攝氏度符號t90，單位攝氏度℃目前八頁\總數(shù)八十九頁\編于十七點4.1.2.2溫標的傳遞

將國際實用溫標傳遞到普通測溫儀表上。比較法：將標準溫度計與被校溫度計同時放入檢定裝置，由標準溫度計測量溫值來確定被校溫度計精度。目前九頁\總數(shù)八十九頁\編于十七點

將兩種不同材料的導(dǎo)體A和B串接成一個閉合回路，當兩個接點溫度不同時，在回路中就會產(chǎn)生熱電勢，形成電流，此現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)，又稱塞貝克效應(yīng)。4.2.1熱電偶測溫4.2.1.1測溫原理一、熱電效應(yīng)

4.2接觸式測溫目前十頁\總數(shù)八十九頁\編于十七點熱電勢產(chǎn)生的原因

（1）溫差電勢兩端溫差→兩端的自由電子具有不同的動能→動能大的自由電子就會向溫度低的一段擴散。失去了電子的這一端就處于正電位，而低溫端由于得到電子處于負電位。這樣兩端就形成了電位差，稱為溫差電動勢。M熱端冷端目前十一頁\總數(shù)八十九頁\編于十七點接觸電勢

兩種導(dǎo)體接觸的時候，由于導(dǎo)體內(nèi)的自由電子密度不同，電子密度大的導(dǎo)體向電子密度小的導(dǎo)體擴散，在擴散達到動態(tài)平衡時就形成了一個電位差。這個電位差稱為接觸電動勢。擴散擴散電場漂移目前十二頁\總數(shù)八十九頁\編于十七點閉合回路中產(chǎn)生的總熱電勢：T,T0為接點溫度，T>T0;SAB為塞貝克系數(shù)由熱電極材料和接點溫度決定。T0一定時：熱電勢由溫度T決定。通常溫差電勢遠小于接觸電勢，可忽略。目前十三頁\總數(shù)八十九頁\編于十七點總結(jié)：T端：測量端或熱端T0端：參比端或冷端熱電勢大小只與熱電極材料及兩端溫度有關(guān)，與熱偶絲的粗細長短無關(guān)。熱電極材料確定以后，熱電勢大小只與溫度有關(guān)。熱電效應(yīng)原理目前十四頁\總數(shù)八十九頁\編于十七點4.2.1.2熱電偶的應(yīng)用定則

1)均質(zhì)導(dǎo)體定律由一種均質(zhì)導(dǎo)體組成的閉合回路，不論導(dǎo)體的橫截面積、長度以及溫度分布如何均不產(chǎn)生熱電動勢。2)中間導(dǎo)體定律在熱電偶回路中接入第三種材料的導(dǎo)體，只要其兩端的溫度相等，該導(dǎo)體的接入就不會影響熱電偶回路的總熱電動勢。目前十五頁\總數(shù)八十九頁\編于十七點

意義：回路中引入連接導(dǎo)線和儀表，接入導(dǎo)線和儀表后不會影響回路中的熱電勢。目前十六頁\總數(shù)八十九頁\編于十七點3)中間溫度定則熱電偶AB在接點溫度為T、T0時的熱電勢eAB(T,T0)等于熱電偶AB在接點溫度T、Tc和Tc、T0時的熱電勢eAB(T,Tc)和eAB(Tc,T0)的代數(shù)和，即

目前十七頁\總數(shù)八十九頁\編于十七點中間溫度定律的應(yīng)用2)根據(jù)這個定律，可以連接與熱電偶熱電特性相近的導(dǎo)體A′和B’，將熱電偶冷端延伸到溫度恒定的地方，這就為熱電偶回路中應(yīng)用補償導(dǎo)線提供了理論依據(jù)。

1)為制定分度表奠定了理論基礎(chǔ)。已知溫度T0=0℃時的熱電勢-溫度關(guān)系，可求得參考溫度不為0℃時的熱電勢。

目前十八頁\總數(shù)八十九頁\編于十七點4)參考電極定則若兩種導(dǎo)體A、B分別與第三種導(dǎo)體C組成熱電偶的熱電勢已知，則A、B組成的熱電偶也可知。標準電極：鉑目前十九頁\總數(shù)八十九頁\編于十七點4.2.1.3常用工業(yè)熱電偶

基本要求：1）測溫范圍內(nèi)熱電性能穩(wěn)定。2）測溫范圍內(nèi)物理化學性能穩(wěn)定。3）熱電偶隨溫度變化率足夠大。4）熱電特性接近單值線性或近似線性。5）電導(dǎo)率高，電阻溫度系數(shù)小。6）機械性能好，復(fù)制性好、工藝簡單、價格低。目前二十頁\總數(shù)八十九頁\編于十七點常用熱電偶與熱電勢關(guān)系曲線0℃時，熱電偶的熱電勢均為0什么熱電偶測溫上限高？什么熱電偶靈敏度高？什么熱電偶線性差？目前二十一頁\總數(shù)八十九頁\編于十七點熱電偶的分度表

不同金屬組成的熱電偶，溫度與熱電動勢之間有不同的函數(shù)關(guān)系，線性較差，一般采用查表法。分度表：通過實驗的方法來確定，并將不同溫度下測得的結(jié)果列成表格，編制出熱電勢與溫度的對照表，即（表4-4）。(T型熱電偶分布表)前提：冷端溫度為0℃。中間值按內(nèi)插法計算:目前二十二頁\總數(shù)八十九頁\編于十七點一、鉑銠合金、鉑系列熱電偶

貴金屬熱電偶（B、R、S型)優(yōu)點：溫區(qū)寬，測溫高，精度高。缺點：熱電勢小，熱電特性非線性較大，價格貴。目前二十三頁\總數(shù)八十九頁\編于十七點二、廉價金屬熱電偶

由價廉的合金或純金屬構(gòu)成（K、N、E、T、J型)。優(yōu)點：性能穩(wěn)定，熱電勢大，熱電特性線性好，復(fù)現(xiàn)性好，高溫抗氧化能力強。缺點：不適用過高溫度。目前二十四頁\總數(shù)八十九頁\編于十七點三、難融合金熱電偶鎢錸合金材料（WRe3-WRe25、WRe5-WRe26)優(yōu)點：測溫上限高，而且穩(wěn)定性好，價格便宜。缺點：鎢錸熱電偶極易氧化，含碳氣氛中容易生成穩(wěn)定的碳化物，以致降低其靈敏度并引起脆斷適于在惰性或干燥氫氣中使用。

目前二十五頁\總數(shù)八十九頁\編于十七點4.2.1.4工業(yè)熱電偶結(jié)構(gòu)型式

（1）普通型熱電偶熱容量大，熱慣性大，溫度變化響應(yīng)慢。目前二十六頁\總數(shù)八十九頁\編于十七點

（2）鎧裝熱電偶將熱電偶絲、絕緣材料和金屬套管組合裝配后，拉伸加工而成。優(yōu)點：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。

目前二十七頁\總數(shù)八十九頁\編于十七點為何要處理參比端（冷端溫度）？4.2.1.5熱電偶參比端溫度的處理

1）查分度表，需滿足T0=0℃,但參比端溫度通常不能保持為0℃，且受熱源影響經(jīng)常不恒定，會引入誤差。2）冷端溫度過高，熱電勢偏小。應(yīng)想辦法消除或補償熱電偶冷端損失。目前二十八頁\總數(shù)八十九頁\編于十七點補償導(dǎo)線法的測量回路1—測溫接點；2—補償導(dǎo)線；3—冷端；4—銅導(dǎo)線；5—測溫儀表補償導(dǎo)線與被補償熱電偶有相同的電勢-溫度關(guān)系。（1）補償導(dǎo)線法采用補償導(dǎo)線與熱電偶連接，使熱電偶參比端遠離熱源。目前二十九頁\總數(shù)八十九頁\編于十七點常用補償導(dǎo)線

目前三十頁\總數(shù)八十九頁\編于十七點熱電偶和補償導(dǎo)線實物圖目前三十一頁\總數(shù)八十九頁\編于十七點2）參比端溫度測量計算法

參比端溫度不是0℃。需要對熱電偶回路的測量電勢值E（T，T0）加以修正。當工作端溫度為T時:1)分度表可查E(T0,0)。2)根據(jù)中間溫度定則得到：

3)根據(jù)E(T,0)并由分度表求得被測溫度。目前三十二頁\總數(shù)八十九頁\編于十七點例1：用銅-康銅熱電偶測某一溫度T，參比端在室溫環(huán)境T0中，測得熱電動勢E(T，T0)=1.999mV，又用室溫計測出T0=21℃,試求被測溫度。(T型熱電偶分布表)目前三十三頁\總數(shù)八十九頁\編于十七點3）參比端恒溫法目前三十四頁\總數(shù)八十九頁\編于十七點4）補償電橋法

利用不平衡電橋產(chǎn)生相應(yīng)電勢，補償熱電偶由于參比端溫度變化而引起的熱電勢變化。Rcu與熱電偶參比端同溫20℃時電橋平衡。目前三十五頁\總數(shù)八十九頁\編于十七點⑸零點遷移法

應(yīng)用領(lǐng)域：如果冷端溫度T0不是0℃，但十分穩(wěn)定（如恒溫車間或有空調(diào)的場所）。實質(zhì)：在測量結(jié)果中人為地加一個恒定值，如電動勢EAB(T0,0)，從而調(diào)整指示儀表上零點的。目前三十六頁\總數(shù)八十九頁\編于十七點（a)普通測溫線路；(b)帶有補償器的測溫線路；(c)具有溫度變送器的測溫線路(d)具有一體化溫度變送器的測溫線路熱電偶測溫線路（1）測單點溫度目前三十七頁\總數(shù)八十九頁\編于十七點例2:用鎳鉻-鎳硅熱電偶測量物體溫度，該物體在不同時刻溫度分別為15℃，0℃，-15℃，測量儀表所處溫度為15℃，熱電偶直接與儀表相連。問在上述時刻儀表測得的熱電勢分別是多少?目前三十八頁\總數(shù)八十九頁\編于十七點(2)測量兩點間溫度差（反向串聯(lián)）只能是同一分度號的熱電偶如正向串聯(lián)熱電偶有何作用?目前三十九頁\總數(shù)八十九頁\編于十七點例3:用兩只K型熱電偶測量兩點溫差,連線如圖所示,已知T1=420℃,T0=30℃,測得兩點溫差電勢為15.24mV,試求兩點溫差為多少?目前四十頁\總數(shù)八十九頁\編于十七點（3）測量多點溫度之和(正向串聯(lián))前提:熱電偶參數(shù)相同，且具有良好的線性特征。用途:用于求平均溫度。優(yōu)點：熱電動勢大，儀表的靈敏度大大增加，且可立即可以發(fā)現(xiàn)熱電偶有斷路。缺點：只要有一支熱電偶斷路，整個測溫系統(tǒng)將停止工作。目前四十一頁\總數(shù)八十九頁\編于十七點(4)測量多點溫度平均值(并聯(lián))特點：當有一只熱電偶燒斷時，難以覺察出來。當然，它也不會中斷整個測溫系統(tǒng)的工作。目前四十二頁\總數(shù)八十九頁\編于十七點熱電偶的校驗校驗的方法是用標準熱電偶與被校驗熱電偶裝在同一校驗爐中進行對比，誤差超過規(guī)定允許值為不合格。

目前四十三頁\總數(shù)八十九頁\編于十七點4.2.2熱電阻測溫原理:基于導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻值隨溫度而變化的特性。分金屬熱電阻和熱敏電阻兩類。4.2.2.1金屬熱電阻基本特性：一般阻值隨溫度增加而增加，呈現(xiàn)正溫度系數(shù)。目前四十四頁\總數(shù)八十九頁\編于十七點目前四十五頁\總數(shù)八十九頁\編于十七點（1）熱電阻材料材料選擇的要求：（1）阻值隨溫度變化成單值連續(xù)關(guān)系。（2）有盡可能大的電阻溫度系數(shù)。電阻溫度系數(shù)（3）有較大的電阻率。（R0時阻值需要為固定值）。（4）測溫范圍內(nèi)物理化學性能穩(wěn)定。（5）復(fù)現(xiàn)性好，復(fù)制性強。與金屬純度有關(guān)目前四十六頁\總數(shù)八十九頁\編于十七點材料的選擇目前四十七頁\總數(shù)八十九頁\編于十七點①鉑熱電阻使用范圍-200℃-850℃。電阻與溫度關(guān)系：其中，R（t）、R0——溫度為t℃和0℃時的電阻；A、B、C為常數(shù)：A=3.9083×10-3℃-1；B=-5.84×10-7℃-2；C=-4.22×10-12℃-4目前四十八頁\總數(shù)八十九頁\編于十七點鉑熱電阻有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。

分度表：R0=10和100時的Rt–t關(guān)系。目前四十九頁\總數(shù)八十九頁\編于十七點②銅熱電阻使用范圍：-40℃-140℃有R0=50Ω和R0=100Ω兩種，它們的分度號分別為Cu50和Cu100。電阻與溫度關(guān)系：其中，A、B、C為常數(shù)：A=4.28899×10-3℃-1B=-2.133×10-7℃-2C=1.233×10-9℃-3目前五十頁\總數(shù)八十九頁\編于十七點（3）熱電阻結(jié)構(gòu)①普通型熱電阻電阻絲采用無感繞法：對折后雙繞在絕緣支架上。②鎧裝熱電阻鎧裝電纜+感溫元件

目前五十一頁\總數(shù)八十九頁\編于十七點（4）熱電阻測量電路

引線電阻隨溫度的變化帶來附加誤差。兩線制控制室生產(chǎn)現(xiàn)場指示儀表rrR1）兩線制當2r/R≤10-3時，引線電阻的影響才可以忽略。目前五十二頁\總數(shù)八十九頁\編于十七點2）三線制

電橋平衡時導(dǎo)線電阻r對測量無影響。目前五十三頁\總數(shù)八十九頁\編于十七點平衡電橋法

當熱電阻Rt阻值隨溫度變化時，調(diào)節(jié)電位器Rw的電刷位置x，使電橋處于平衡狀態(tài)，則有L、R0：電位器有效長度和總電阻X：電刷位置目前五十四頁\總數(shù)八十九頁\編于十七點3）四線制（1）不受其它條件約束；（2）精度最高。目前五十五頁\總數(shù)八十九頁\編于十七點4.2.2.2熱敏電阻

用金屬氧化物或半導(dǎo)體材料作為電阻體的溫敏元件。優(yōu)點：（1）結(jié)構(gòu)簡單、體積小、可測點溫度；（2）電阻溫度系數(shù)大，靈敏度高（10倍）；（3）電阻高、熱慣性小、適宜動態(tài)測量。缺點：非線性高，單一品種測量范圍窄。目前五十六頁\總數(shù)八十九頁\編于十七點熱敏電阻外型MF58型熱敏電阻貼片式熱敏電阻各類非標熱敏電阻目前五十七頁\總數(shù)八十九頁\編于十七點數(shù)字溫度計目前五十八頁\總數(shù)八十九頁\編于十七點CPU溫度測量目前五十九頁\總數(shù)八十九頁\編于十七點熱敏電阻的溫度特性

負溫度系數(shù)熱敏電阻：NTC正溫度系數(shù)熱敏電阻：PTC臨界溫度系數(shù)熱敏電阻：CTR溫度檢測主要用負溫度系數(shù)NTC。PTC,CRT通常利用特定溫度下阻值急劇變化特性構(gòu)成溫度開關(guān)器件。目前六十頁\總數(shù)八十九頁\編于十七點①NTC的R-T特性B:取決于半導(dǎo)體材料和結(jié)構(gòu)的常數(shù)。T0:一般取25°C。目前六十一頁\總數(shù)八十九頁\編于十七點②NTC的溫度系數(shù)αTA:αT不是常數(shù)。B:T↑；αT↓；低溫段比高溫段靈敏。C:B越大,靈敏度越高。

目前六十二頁\總數(shù)八十九頁\編于十七點4.2.3集成溫度傳感器(AD590)晶體管基極—射極正向壓降隨溫度升高而減少。V1、V2：鏡像管。

V3、V4：溫度檢測用晶體管， 二者發(fā)射極面積比為m。

目前六十三頁\總數(shù)八十九頁\編于十七點4.3非接觸式測溫主要是利用輻射來測量物體溫度。4.3.1輻射測溫原理輻射的定義電磁輻射波譜目前六十四頁\總數(shù)八十九頁\編于十七點當物體接受到輻射能量以后，根據(jù)物體本身的性質(zhì)，會發(fā)生部分能量吸收、透射和反射。

α―吸收率；τ―透射率；ρ―反射率。

輻射能的分配目前六十五頁\總數(shù)八十九頁\編于十七點絕對黑體：在任何溫度下，均能全部吸收輻射到它上面的任何輻射能量。

透明體：照射到物體上的輻射能全部透射過去，既無吸收又無反射。

鏡體、白體：照射到物體上的輻射能全部反射出去。若物體表現(xiàn)平整光滑，反射具有一定規(guī)律，則該物體稱之為“鏡體”；若反射無一定規(guī)律，則該物體稱為“絕對白體”或者簡稱為“白體”。

目前六十六頁\總數(shù)八十九頁\編于十七點對于一般工程材料來講，τ＝0而α+ρ=1，稱為灰體。

人造黑體模型：

目前六十七頁\總數(shù)八十九頁\編于十七點4.3.1.1普朗克定律：絕對黑體的單色輻射強度E0λ與波長λ及溫度T的關(guān)系為：4.3.1.2維恩位移定律：單色輻射強度的峰值波長λm與溫度T的關(guān)系為：當黑體的溫度升高時，輻射本領(lǐng)的最大值向短波方向移動。

黑體輻射定律目前六十八頁\總數(shù)八十九頁\編于十七點

任何實際物體的總輻射亮度與溫度的四次方成正比；通過測量物體的輻射亮度就可得到該物體的溫度。

4.3.1.3絕對黑體的全輻射定律在全波波長內(nèi)對輻射強度E0λ積分得：目前六十九頁\總數(shù)八十九頁\編于十七點輻射能力的修正實際物體多數(shù)不是黑體，輻射能力低于黑體，輻射特性接近黑體。黑度系數(shù)ε：灰體和黑體的輻射能力之比。目前七十頁\總數(shù)八十九頁\編于十七點4.3.2輻射測溫儀表的基本組成及常用方法輻射測溫儀表主要組成框圖輻射測溫常用方法：亮度法，全輻射法，比色法，多色法。目前七十一頁\總數(shù)八十九頁\編于十七點4.3.3輻射測溫儀表4.3.3.1光電高溫計光電高溫計的工作原理1—物鏡；2—孔徑；3，5—孔；4—光電器件；6—遮光板；7—調(diào)制片；8—永久磁鐵；9—激磁繞組；10—透鏡；11—反射鏡；12—觀察孔；13—前置放大器；14—主放大器；15—反饋燈；16—電位差計；17—被測物體通過測量某一波長下物體輻射亮度的變化測知其溫度。目前七十二頁\總數(shù)八十九頁\編于十七點4.3.3.2輻射溫度計

依據(jù)全輻射定律，敏感元件感受物體的全輻射能量來測知物體的溫度透鏡式和反射鏡式的示意1—光闌；2—檢測元件；3—輸出端子；4—外殼；5—反射聚光鏡；6—透鏡目前七十三頁\總數(shù)八十九頁\編于十七點4.3.3.3比色溫度計

利用被測對象的兩個不同波長（或波段）光譜輻射亮度之比實現(xiàn)輻射測溫。單通道型比色溫度計原理1—物鏡；2—調(diào)制盤；3—檢測元件；4—放大器；5—計算電路；6—顯示儀表；7—馬達；8—濾光片目前七十四頁\總數(shù)八十九頁\編于十七點4.3.4輻射測溫儀表的表觀溫度表觀溫度:指在儀表工作波長范圍內(nèi)，溫度為T的輻射體的輻射情況與溫度為TA的黑體的輻射情況相等，則TA就是該輻射體的表觀溫度。4.3.4.1亮度溫度亮度相等原則:其中,物體亮度:黑體亮度:目前七十五頁\總數(shù)八十九頁\編于十七點可推得:若ελ和TL已知,可求得物體的真實溫度T。目前七十六頁\總數(shù)八十九頁\編于十七點4.3.4.2輻射溫度

全輻射能量相等原則：輻射溫度計測出的實際溫度為：目前七十七頁\總數(shù)八十九頁\編于十七點4.3.4.3比色溫度亮度比相等原則。物體的實際溫度為：目前七十八頁\總數(shù)八十九頁\編于十七點4.4光纖溫度傳感器光纖：光導(dǎo)纖維。

多層介質(zhì)結(jié)構(gòu)的對稱圓柱體利用光在玻璃或塑料制成的纖維中的全反射原理而達成的光傳導(dǎo)工具。目前七十九頁\總數(shù)八十九頁\編于十七點光纖溫度傳感器是利用光纖作為敏感元件或能量傳輸介質(zhì)而構(gòu)成的新型測溫儀表，分為接觸式和非接觸式特點：電絕緣性能好，可彎曲，可實現(xiàn)不帶電的全光探頭?？梢杂糜诟邏?/p>