第二章溫度傳感器

第二章溫度傳感器第一頁(yè)，共三十八頁(yè)，編輯于2023年，星期四2.1溫標(biāo)及測(cè)溫方法

2.1.1溫標(biāo)

經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo):1.攝氏溫標(biāo);2.華氏溫標(biāo);3.列氏溫標(biāo)。攝氏、華氏、列氏溫度之間的換算關(guān)系為C=(5/9)*(F-32)=(5/4)R

熱力學(xué)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)建立起來(lái)的溫度僅與熱量有關(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)的故又稱為開(kāi)爾文溫標(biāo)，用符號(hào)K表示。國(guó)際實(shí)用溫標(biāo)

第二頁(yè)，共三十八頁(yè)，編輯于2023年，星期四2.1溫標(biāo)及測(cè)溫方法2.1.2溫度檢測(cè)的主要方法及分類

溫度檢測(cè)方法一般可以分為兩大類，即接觸測(cè)量法和非接觸測(cè)量法。常用的測(cè)溫方法、類型及特點(diǎn)如表2.1.1所示。第三頁(yè)，共三十八頁(yè)，編輯于2023年，星期四2.2電阻式溫度傳感器

熱電阻溫度傳感器是利用導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻率隨溫度的變化而變化的原理制成的，實(shí)現(xiàn)了將溫度的變化轉(zhuǎn)化為元件電阻的變化。有金屬（鉑、銅和鎳）熱電阻及半導(dǎo)體熱電阻（稱為熱敏電阻）。2.2.1

金屬熱電阻傳感器1、熱電阻類型:金屬熱電阻主要有鉑電阻、銅電阻和鎳電阻等,其中鉑電阻和銅電阻最為常見(jiàn)。(1)鉑熱電阻：在-200～0℃的范圍內(nèi)在0～850℃的范圍內(nèi)(2)銅熱電阻：可表示為

第四頁(yè)，共三十八頁(yè)，編輯于2023年，星期四2.2電阻式溫度傳感器2、熱電阻的結(jié)構(gòu):熱電阻主要由電阻體、絕緣套管和接線盒等組成。3、熱電阻傳感器的測(cè)量電路

(1)三線制(2)四線制第五頁(yè)，共三十八頁(yè)，編輯于2023年，星期四2.2電阻式溫度傳感器第六頁(yè)，共三十八頁(yè)，編輯于2023年，星期四2.2.2

半導(dǎo)體熱敏電阻傳感器熱敏電阻是利用半導(dǎo)體材料的電阻率隨溫度變化而變化的性質(zhì)制成的。1、特性：溫度特性和伏安特性

NTC型、PTC型、CTR型三類熱敏電阻的特性曲線如圖2.2電阻式溫度傳感器

第七頁(yè)，共三十八頁(yè)，編輯于2023年，星期四2.2電阻式溫度傳感器2、熱敏電阻的主要參數(shù)

標(biāo)稱電阻值RH、耗散系數(shù)H、電阻溫度系數(shù)α、熱容量C、時(shí)間常數(shù)τ

第八頁(yè)，共三十八頁(yè)，編輯于2023年，星期四2.2電阻式溫度傳感器3、熱敏電阻的特點(diǎn):靈敏度高,體積小、熱貫性小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，化學(xué)穩(wěn)定性好，機(jī)械性能強(qiáng)，價(jià)格低廉，壽命長(zhǎng)，熱敏電阻的缺點(diǎn)是復(fù)現(xiàn)性和互換性差，非線性嚴(yán)重，測(cè)溫范圍較窄，目前只能達(dá)到-50～300℃。4、熱敏電阻的應(yīng)用:（1）溫度測(cè)量（2）溫度補(bǔ)償（3）溫度控制（4）過(guò)熱保護(hù)

第九頁(yè)，共三十八頁(yè)，編輯于2023年，星期四2.3薄膜熱傳感器2.3.1金屬薄膜熱電阻

1、薄膜熱傳感器的結(jié)構(gòu)基片敏感膜引線WL第十頁(yè)，共三十八頁(yè)，編輯于2023年，星期四2.3薄膜熱傳感器2、薄膜熱電阻的測(cè)溫機(jī)理鉑熱電阻在－200～0℃范圍內(nèi)的電阻與溫度的關(guān)系近似地表示，即第十一頁(yè)，共三十八頁(yè)，編輯于2023年，星期四2.3薄膜熱傳感器2.3.2多晶硅薄膜熱電阻

1、結(jié)構(gòu)2、測(cè)溫機(jī)理第十二頁(yè)，共三十八頁(yè)，編輯于2023年，星期四2.4熱電偶傳感器2.4.1

熱電偶測(cè)溫原理

1、熱電偶的特點(diǎn)

2、熱電偶的分類

（1）熱電偶材料分（2）按用途和結(jié)構(gòu)分

3、熱電偶的測(cè)溫原理:熱電偶測(cè)溫是基于熱電效應(yīng)，在兩種不同的導(dǎo)體（或半導(dǎo)體）A和B組成的閉合回路中，如果它們兩個(gè)接點(diǎn)的溫度不同，則回路中產(chǎn)生一個(gè)電動(dòng)勢(shì)，通常我們稱這種現(xiàn)象為熱電勢(shì)，這種現(xiàn)象就是熱電效應(yīng)。第十三頁(yè)，共三十八頁(yè)，編輯于2023年，星期四2.4熱電偶傳感器當(dāng)熱電偶材料一定時(shí)，熱電偶的總電勢(shì)成為溫度T和T0的函數(shù)差。即如果使冷端溫度T0固定,則對(duì)一定材料的熱電偶，其總電勢(shì)就只與溫度T成單值函數(shù)關(guān)系，即

第十四頁(yè)，共三十八頁(yè)，編輯于2023年，星期四2.4熱電偶傳感器由此可得有關(guān)熱電偶的幾個(gè)結(jié)論(1)熱電偶必須采用兩種不同材料作為電極，否則無(wú)論熱電偶兩端溫度如何，熱電偶回路總熱電勢(shì)為零。(2)盡管采用兩種不同的金屬，若熱電偶兩接點(diǎn)溫度相等，即T=T0，回路總電勢(shì)為零。(3)熱電勢(shì)只與結(jié)點(diǎn)溫度有關(guān)，與中間各處溫度無(wú)關(guān)。

第十五頁(yè)，共三十八頁(yè)，編輯于2023年，星期四2.4熱電偶傳感器4、熱電偶基本定律（1）均質(zhì)導(dǎo)體定律（2）中間導(dǎo)體定律（3）中間溫度定律（4）標(biāo)準(zhǔn)電極定律2.4.2熱電極材料及常用熱電偶1、熱電極材料2、標(biāo)準(zhǔn)熱電偶（1）鉑銠10-鉑熱電偶(S型)（2）鉑銠30-鉑銠6熱電偶(B型)（3）鎳鉻-鎳硅(鎳鉻-鎳鋁)熱電偶(K型)（4）鎳鉻-考銅熱電偶（E型）3、非標(biāo)準(zhǔn)熱電偶（1）鎢錸系（2）銥銠系（3）鎳鈷-鎳鋁

第十六頁(yè)，共三十八頁(yè)，編輯于2023年，星期四2.4熱電偶傳感器2.4.3熱電偶的結(jié)構(gòu)

1、普通型熱電偶:通常都是由熱電極、絕緣材料、保護(hù)套管和接線盒等主要部分組成。

2、鎧裝熱電偶:鎧裝熱電偶是由熱電極、絕緣材料和金屬套管經(jīng)拉伸加工而成的組合體，其結(jié)構(gòu)分單芯和雙芯兩種。

第十七頁(yè)，共三十八頁(yè)，編輯于2023年，星期四2.4熱電偶傳感器2.4.4熱電偶冷端溫度補(bǔ)償

1、補(bǔ)償導(dǎo)線法:常用熱電偶的補(bǔ)償導(dǎo)線參見(jiàn)表2.4.2。2、計(jì)算法:3、補(bǔ)償電橋法:補(bǔ)償電橋法是利用不平衡電橋產(chǎn)生的電勢(shì)來(lái)補(bǔ)償熱電偶因冷端溫度變化而引起的熱電勢(shì)變化值，如圖所示。4、冰浴法5、軟件處理法

第十八頁(yè)，共三十八頁(yè)，編輯于2023年，星期四2.4熱電偶傳感器2.4.5

熱電偶常用測(cè)溫線路1、測(cè)量某點(diǎn)溫度的基本電路2、測(cè)量?jī)牲c(diǎn)之間溫度差的測(cè)溫電路

3、測(cè)量多點(diǎn)的測(cè)溫線路

4、測(cè)量平均溫度的測(cè)溫線路:其缺點(diǎn)是當(dāng)某一熱電偶燒斷時(shí)，不能很快地覺(jué)察出來(lái)。5、測(cè)量幾點(diǎn)溫度之和的測(cè)溫線路:優(yōu)點(diǎn)是熱電偶燒壞時(shí)可立即知道，還可獲得較大的熱電動(dòng)勢(shì)。第十九頁(yè)，共三十八頁(yè)，編輯于2023年，星期四2.5

輻射式溫度傳感器2.5.1輻射測(cè)溫的物理基礎(chǔ)

輻射式溫度傳感器是利用物體的輻射能隨溫度變化的原理制成的。1、熱輻射:物體受熱，激勵(lì)了原子中帶電粒子，使一部分熱能以電磁波的形式向空間傳播，它不需要任何物質(zhì)作媒介（即在真空條件下也能傳播），將熱能傳遞給對(duì)方，這種能量的傳播方式稱為熱輻射（簡(jiǎn)稱輻射），傳播的能量叫輻射能。輻射能量的大小與波長(zhǎng)、溫度有關(guān)。

2、黑體:所謂黑體是指能對(duì)落在它上面的輻射能量全部吸收的物體。

第二十頁(yè)，共三十八頁(yè)，編輯于2023年，星期四2.5

輻射式溫度傳感器3、輻射基本定律（1）普朗克定律:普朗克定律揭示了在各種不同溫度下黑體輻射能量按波長(zhǎng)分布的規(guī)律，其關(guān)系式

（2）斯忒藩-波耳茲曼定律:斯忒藩--波耳茲曼定律確定了黑體的全輻射與溫度的關(guān)系如上。此式表明，黑體的全輻射能是和它的絕對(duì)溫度的四次方成正比，所以這一定律又稱為四次方定律。把灰體全輻射能E與同一溫度下黑體全輻射能E0相比較，得到物體的另一個(gè)特征量ε第二十一頁(yè)，共三十八頁(yè)，編輯于2023年，星期四2.5

輻射式溫度傳感器2.5.2輻射測(cè)溫方法

1.亮度法:是指被測(cè)對(duì)象投射到檢測(cè)元件上的是被限制在某一特定波長(zhǎng)的光譜輻射能量，而能量的大小與被測(cè)對(duì)象溫度之間的關(guān)系是普朗克公式所描述的一種輻射測(cè)溫方法，即比較被測(cè)物體與參考源在同一波長(zhǎng)下的光譜亮度，并使二者的亮度相等，從而確定被測(cè)物體的溫度，典型測(cè)溫傳感器是光學(xué)高溫計(jì)。

第二十二頁(yè)，共三十八頁(yè)，編輯于2023年，星期四2.5

輻射式溫度傳感器2.全輻射法:全輻射法是指被測(cè)對(duì)象投射到檢測(cè)元件上的是對(duì)應(yīng)全波長(zhǎng)范圍的輻射能量，而能量的大小與被測(cè)對(duì)象溫度之間的關(guān)系是由斯忒藩—波耳茲曼所描述的一種輻射測(cè)溫方法，典型測(cè)溫傳感器是輻射溫度計(jì)（熱電堆）。第二十三頁(yè)，共三十八頁(yè)，編輯于2023年，星期四2.5

輻射式溫度傳感器3.比色法:被測(cè)對(duì)象的兩個(gè)不同波長(zhǎng)的光譜輻射能量投射到一個(gè)檢測(cè)元件上，或同時(shí)投射到兩個(gè)檢測(cè)元件上，根據(jù)它們的比值與被測(cè)對(duì)象溫度之間的關(guān)系實(shí)現(xiàn)輻射測(cè)溫的方法，比值與溫度之間的關(guān)系由兩個(gè)不同波長(zhǎng)下普朗克公式之比表示，典型測(cè)溫傳感器是比色溫度計(jì)。第二十四頁(yè)，共三十八頁(yè)，編輯于2023年，星期四2.6石英晶體測(cè)溫傳感器石英晶體諧振器的等效電路溫度與頻率的關(guān)系第二十五頁(yè)，共三十八頁(yè)，編輯于2023年，星期四

2.6石英晶體測(cè)溫傳感器石英晶體數(shù)字溫度計(jì)的原理框圖如圖晶體探頭晶體基準(zhǔn)振蕩器振蕩器混頻器低通濾波器數(shù)字顯示計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)間隔f

－f

0f±f

0f

第二十六頁(yè)，共三十八頁(yè)，編輯于2023年，星期四2.7光纖傳感器2.7.1

光纖傳感原理

1、光纖結(jié)構(gòu):光纖為玻璃光纖，其結(jié)構(gòu)如圖所示，它由導(dǎo)光的纖芯及其周圍的包層組成，包層的外面常有塑料或橡膠等保護(hù)套。包層折射率n1略小于纖芯折射率n2，它們的相對(duì)折射率差Δ

通常Δ為0.005～0.14這樣的構(gòu)造可以保證入射到光纖內(nèi)的光波集中在芯子內(nèi)傳播。第二十七頁(yè)，共三十八頁(yè)，編輯于2023年，星期四2.7光纖傳感器2、工作原理:光纖工作的基礎(chǔ)是光的全反射。當(dāng)端面入射的光滿足全反射條件時(shí)

即使用時(shí)應(yīng)使入射光處于2θc的光錐角內(nèi)，光纖才能理想地導(dǎo)光。否則，這些光線便從包層中逸出而產(chǎn)生漏光。

3、光纖分類:按傳輸?shù)哪Ｊ椒譃閱文：投嗄深?。第二十八?yè)，共三十八頁(yè)，編輯于2023年，星期四2.7光纖傳感器2.7.2

光纖溫度傳感器

光纖溫度傳感器按其工作原理可分兩大類：功能型和非功能型。1、功能型:功能型也稱物性型或傳感型，是利用其某種參數(shù)隨溫度變化的特性作為傳感器的主體，即將其作為敏感元件進(jìn)行測(cè)溫。

第二十九頁(yè)，共三十八頁(yè)，編輯于2023年，星期四2.7光纖傳感器2、非功能型:非功能型也稱結(jié)構(gòu)型或傳光型，光纖在這類傳感器中只是作傳光的媒質(zhì)，還須要加上其它的敏感元件才能構(gòu)成傳感器。

第三十頁(yè)，共三十八頁(yè)，編輯于2023年，星期四2.8集成數(shù)字溫度傳感器

集成溫度傳感器是利用晶體管PN結(jié)的電流與電壓特性與溫度的關(guān)系，把敏感元件、放大電路和補(bǔ)償電路等部分集成化，并把它們裝封在同一殼體里的一種一體化溫度檢測(cè)元件。一般只能用來(lái)測(cè)50℃以下的溫度。2.8.1

集成溫度傳感器工作原理及分類1、工作原理第三十一頁(yè)，共三十八頁(yè)，編輯于2023年，星期四2.8集成數(shù)字溫度傳感器2、分類電壓型、電流型、數(shù)字輸出型，典型的電壓型集成電路溫度傳感器有μPC616A／C