第三章溫度傳感器

第三章溫度傳感器1第1頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月一、溫度的基本概念溫度：衡量物體冷熱程度的物理量。溫度的高低反映了物體內(nèi)部分子運(yùn)動(dòng)平均動(dòng)能的大小。溫標(biāo)：表示溫度大小的尺度是溫度的標(biāo)尺。熱力學(xué)溫標(biāo)thermodynamictemperaturescale國(guó)際實(shí)用溫標(biāo)Internationalpracticaltemperaturescale攝氏溫標(biāo)Celsiustemperaturescale華氏溫標(biāo)Fahrenheittemperaturescale第2頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月二、溫度傳感器的特點(diǎn)與分類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(11)第3頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月▲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)象的影響要小▲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▲無危險(xiǎn)性，無公害等2.溫度傳感器應(yīng)滿足的條件第4頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月3.溫度傳感器的種類及特點(diǎn)

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是將測(cè)溫敏感元件直接與被測(cè)介質(zhì)接觸，使被測(cè)介質(zhì)與測(cè)溫敏感元件進(jìn)行充分熱交換，當(dāng)兩者具有相同溫度時(shí)，達(dá)到測(cè)量的目的。這種傳感器的測(cè)量精度較高，但由于被測(cè)介質(zhì)的熱量傳遞給傳感器，從而降低了被測(cè)介質(zhì)的溫度，特別是被測(cè)介質(zhì)熱容量較小時(shí)，會(huì)給測(cè)量帶來誤差。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，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。第5頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月溫差熱電偶（簡(jiǎn)稱熱電偶）是目前溫度測(cè)量中使用最普遍的傳感元件之一。特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，測(cè)量范圍寬、準(zhǔn)確度高、熱慣性小，輸出信號(hào)為電信號(hào)便于遠(yuǎn)傳或信號(hào)轉(zhuǎn)換，還能用來測(cè)量流體的溫度、測(cè)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(dòng)態(tài)溫度的測(cè)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(bǔ)償?shù)?頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體A和B組合成閉合回路，若導(dǎo)體A和B的連接處溫度不同（設(shè)T＞T0），則在此閉合回路中就有電流產(chǎn)生，也就是說回路中有電動(dòng)勢(shì)存在，這種現(xiàn)象叫做熱電效應(yīng)。這種現(xiàn)象早在1821年首先由西拜克（See－back）發(fā)現(xiàn),所以又稱西拜克效應(yīng)。熱電偶原理圖TT0AB一、工作原理回路中所產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)，叫熱電勢(shì)。熱電勢(shì)thermo-electricforce由兩部分組成，即溫差電勢(shì)和接觸電勢(shì)。熱端冷端第7頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月1.接觸電勢(shì)+ABTeAB(T)-eAB(T)——導(dǎo)體A、B結(jié)點(diǎn)在溫度T時(shí)形成的接觸電動(dòng)勢(shì)；e——單位電荷，e=1.6×10-19C；

k——波爾茲曼常數(shù)，k=1.38×10-23J/K

；NA、NB

——導(dǎo)體A、B在溫度為T時(shí)的電子密度。接觸電勢(shì)的大小與溫度高低及導(dǎo)體中的電子密度有關(guān)。接觸電勢(shì)原理圖第8頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月AeA(T,To)ToTeA(T，T0)——導(dǎo)體A兩端溫度為T、T0時(shí)形成的溫差電動(dòng)勢(shì)；T，T0——高低端的絕對(duì)溫度；σA——湯姆遜系數(shù)，表示導(dǎo)體A兩端的溫度差為1℃時(shí)所產(chǎn)生的溫差電動(dòng)勢(shì)，例如在0℃時(shí)，銅的σ=2μV/℃。2.溫差電勢(shì)溫差電勢(shì)原理圖第9頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月由導(dǎo)體材料A、B組成的閉合回路，其接點(diǎn)溫度分別為T、T0,如果T＞T0，則必存在著兩個(gè)接觸電勢(shì)和兩個(gè)溫差電勢(shì)，回路總電勢(shì)：T0TeAB(T)eAB(T0)eA(T,T0)eB(T,T0)AB3.回路總電勢(shì)NAT、NAT0——導(dǎo)體A在結(jié)點(diǎn)溫度為T和T0時(shí)的電子密度；NBT、NBT0——導(dǎo)體B在結(jié)點(diǎn)溫度為T和T0時(shí)的電子密度；σA

、σB——導(dǎo)體A和B的湯姆遜系數(shù)。第10頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月導(dǎo)體材料確定后，熱電勢(shì)的大小只與熱電偶兩端的溫度有關(guān)。如果使EAB(T0)=常數(shù)，則回路熱電勢(shì)EAB(T，T0)就只與溫度T有關(guān)，而且是T的單值函數(shù)，這就是利用熱電偶測(cè)溫的原理。只有當(dāng)熱電偶兩端溫度不同，熱電偶的兩導(dǎo)體材料不同時(shí)才能有熱電勢(shì)產(chǎn)生。熱電偶回路熱電勢(shì)的大小只與組成熱電偶的材料及兩端溫度有關(guān)；與熱電偶的長(zhǎng)度、粗細(xì)無關(guān)。只有用不同性質(zhì)的導(dǎo)體(或半導(dǎo)體)才能組合成熱電偶；相同材料不會(huì)產(chǎn)生熱電勢(shì)，因?yàn)楫?dāng)A、B兩種導(dǎo)體是同一種材料時(shí)，ln(NA/NB)=0，也即EAB(T，T0)=0。第11頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月在實(shí)際測(cè)量中只需用儀表測(cè)出回路中總電勢(shì)即可。由于溫差電勢(shì)與接觸電勢(shì)相比較，其值很小，因此，在工程技術(shù)中認(rèn)為熱電勢(shì)近似等于接觸電勢(shì)。在工程應(yīng)用中，測(cè)出回路總電勢(shì)后，用查熱電偶分度表的方法確定被測(cè)溫度。說明第12頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月由一種均質(zhì)導(dǎo)體組成的閉合回路，不論其導(dǎo)體是否存在溫度梯度，回路中沒有電流(即不產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì))；反之，如果有電流流動(dòng)，此材料則一定是非均質(zhì)的，即熱電偶必須采用兩種不同材料作為電極。二、熱電偶回路的性質(zhì)1.均質(zhì)導(dǎo)體定律第13頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月

E總=EAB（T）+EBC（T）+ECA（T）=0三種不同導(dǎo)體組成的熱電偶回路TABCTT2.中間導(dǎo)體定律一個(gè)由幾種不同導(dǎo)體材料連接成的閉合回路，只要它們彼此連接的接點(diǎn)溫度相同，則此回路各接點(diǎn)產(chǎn)生的熱電勢(shì)的代數(shù)和為零。如圖，由A、B、C三種材料組成的閉合回路，則第14頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月兩點(diǎn)結(jié)論：

l）將第三種材料C接入由A、B組成的熱電偶回路，如圖，則圖a中的A、C接點(diǎn)2與C、A的接點(diǎn)3，均處于相同溫度T0之中，此回路的總電勢(shì)不變，即同理，圖b中C、A接點(diǎn)2與C、B的接點(diǎn)3，同處于溫度T0之中，此回路的電勢(shì)也為：T2T1AaBC23EABAT023ABEABT1T2

CT0EAB（T1,T2）=EAB（T1）-EAB（T2）(a)(b)T0T0EAB(T1,T2)=EAB(T1)-EAB（T2）第三種材料接入熱電偶回路圖第15頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月ET0T0TET0T1T1T電位計(jì)接入熱電偶回路根據(jù)上述原理，在熱電偶回路中接入電位計(jì)E，只要保證電位計(jì)與連接熱電偶處的接點(diǎn)溫度相等，不會(huì)影響回路中原來的熱電勢(shì)，接入的方式見下圖所示。

第16頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月

EAB（T,T0）=EAC（T,T0）+ECB（T,T0）T0TEBA(T,T0)BAT0TEAC(T,T0)ACT0TECB(T,T0)CB2）如果任意兩種導(dǎo)體材料的熱電勢(shì)是已知的，它們的冷端和熱端的溫度又分別相等，如圖所示，它們相互間熱電勢(shì)的關(guān)系為：第17頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月3.中間溫度定律

如果不同的兩種導(dǎo)體材料組成熱電偶回路,其接點(diǎn)溫度分別為T1、T2(如圖所示)時(shí),則其熱電勢(shì)為EAB(T1,T2)；當(dāng)接點(diǎn)溫度為T2、T3時(shí)，其熱電勢(shì)為EAB(T2,T3)；當(dāng)接點(diǎn)溫度為T1、T3時(shí)，其熱電勢(shì)為EAB(T1,T3)，則BBA

T2

T1

T3

AAB

EAB（T1,T3）=EAB（T1,T2）+EAB（T2,T3）第18頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月EAB（T1,T3）=EAB（T1,0）+EAB（0,T3）

=EAB（T1,0）-EAB（T3,0）=EAB（T1）-EAB（T3）

ABT1T2T2A’B’T0T0熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線接線圖E對(duì)于冷端溫度不是零度時(shí)，熱電偶如何分度表的問題提供了依據(jù)。如當(dāng)T2=0℃時(shí)，則：只要T1、T0不變，接入AˊBˊ后不管接點(diǎn)溫度T2如何變化，都不影響總熱電勢(shì)。這便是引入補(bǔ)償導(dǎo)線原理。EAB=EAB(T1)–EAB(T0)說明：當(dāng)在原來熱電偶回路中分別引入與導(dǎo)體材料A、B同樣熱電特性的材料A′、B′(如圖)即引入所謂補(bǔ)償導(dǎo)線時(shí)，當(dāng)EAA?(T2)=EBB?(T2)時(shí)，則回路總電動(dòng)勢(shì)為第19頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月例題解：根據(jù)中間導(dǎo)體定律結(jié)論公式，有EAB（T,T0）=EAC（T,T0）+ECB（T,T0）依題意可知，EAC（T,T0）＝13.967mV；ECB（T,T0）＝－8.345mV則EAB(T,T0)＝13.967mV－8.345mV＝5.622mV因此，在此特定條件下材料A與材料B配對(duì)后的熱電勢(shì)為5.622mV。已知在某特定條件下材料A與鉑配對(duì)的熱電動(dòng)勢(shì)為13.967mV，材料B與鉑配對(duì)的熱電動(dòng)勢(shì)為8.345mV，求出在此特定條件下材料A與材料B配對(duì)后的熱電勢(shì)。第20頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月熱電偶材料應(yīng)滿足：物理性能穩(wěn)定，熱電特性不隨時(shí)間改變；化學(xué)性能穩(wěn)定，以保證在不同介質(zhì)中測(cè)量時(shí)不被腐蝕；熱電勢(shì)高，導(dǎo)電率高，且電阻溫度系數(shù)??；便于制造；復(fù)現(xiàn)性好，便于成批生產(chǎn)。三、熱電偶的常用材料與結(jié)構(gòu)第21頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月

1．鉑—鉑銠熱電偶(S型)

分度號(hào)LB—3測(cè)量溫度：長(zhǎng)期：1300℃、短期：1600℃。（一）熱電偶常用材料2．鎳鉻—鎳硅(鎳鋁)熱電偶(K型)

分度號(hào)EU—2測(cè)量溫度：長(zhǎng)期1000℃，短期1300℃。3．鎳鉻—考銅熱電偶(E型)

分度號(hào)EA—2測(cè)量溫度：長(zhǎng)期600℃，短期800℃。4．鉑銠30—鉑銠6熱電偶(B型)

分度號(hào)LL—2測(cè)量溫度：長(zhǎng)期可到1600℃，短期可達(dá)1800℃。第22頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月方法冰點(diǎn)槽法計(jì)算修正法補(bǔ)正系數(shù)法零點(diǎn)遷移法冷端補(bǔ)償器法軟件處理法四、冷端處理及補(bǔ)償原因熱電偶熱電勢(shì)的大小是熱端溫度和冷端的函數(shù)差，為保證輸出熱電勢(shì)是被測(cè)溫度的單值函數(shù)，必須使冷端溫度保持恒定；熱電偶分度表給出的熱電勢(shì)是以冷端溫度0℃為依據(jù)，否則會(huì)產(chǎn)生誤差。第23頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月1.冰點(diǎn)槽法把熱電偶的參比端置于冰水混合物容器里，使T0=0℃。這種辦法僅限于科學(xué)實(shí)驗(yàn)中使用。為了避免冰水導(dǎo)電引起兩個(gè)連接點(diǎn)短路，必須把連接點(diǎn)分別置于兩個(gè)玻璃試管里，浸入同一冰點(diǎn)槽，使相互絕緣。mVABA’B’TCC’儀表銅導(dǎo)線試管補(bǔ)償導(dǎo)線熱電偶冰點(diǎn)槽冰水溶液四、冷端處理及補(bǔ)償T0第24頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月例用動(dòng)圈儀表配合熱電偶測(cè)溫時(shí)，如果把儀表的機(jī)械零點(diǎn)調(diào)到室溫TH的刻度上,在熱電動(dòng)勢(shì)為零時(shí)，指針指示的溫度值并不是0℃而是TH。而熱電偶的冷端溫度已是TH,則只有當(dāng)熱端溫度T=TH時(shí)，才能使EAB(T,TH)=0，這樣，指示值就和熱端的實(shí)際溫度一致了。這種辦法非常簡(jiǎn)便，而且一勞永逸，只要冷端溫度總保持在TH不變，指示值就永遠(yuǎn)正確。2.零點(diǎn)遷移法應(yīng)用領(lǐng)域：如果冷端不是0℃，但十分穩(wěn)定（如恒溫車間或有空調(diào)的場(chǎng)所）。實(shí)質(zhì)：在測(cè)量結(jié)果中人為地加一個(gè)恒定值，因?yàn)槔涠藴囟确€(wěn)定不變，電動(dòng)勢(shì)EAB(TH,0)是常數(shù)，利用指示儀表上調(diào)整零點(diǎn)的辦法，加大某個(gè)適當(dāng)?shù)闹刀鴮?shí)現(xiàn)補(bǔ)償。第25頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月3.冷端補(bǔ)償器法利用不平衡電橋產(chǎn)生熱電勢(shì)補(bǔ)償熱電偶因冷端溫度變化而引起熱電勢(shì)的變化值。不平衡電橋由R1、R2、R3(錳銅絲繞制)、RCu(銅絲繞制)四個(gè)橋臂和橋路電源組成。設(shè)計(jì)時(shí)，在0℃下使電橋平衡(R1=R2=R3=RCu),此時(shí)Uab=0,電橋?qū)x表讀數(shù)無影響。冷端補(bǔ)償器的作用注意：橋臂RCu必須和熱電偶的冷端靠近，使處于同一溫度之下。

mVEAB(T,T0)T0T0TAB++-abUUabRCuR1R2R3RT0RCu

UaUabEAB(T,T0)供電4V直流，在0～40℃或-20～20℃的范圍起補(bǔ)償作用。注意，不同材質(zhì)的熱電偶所配的冷端補(bǔ)償器，其中的限流電阻R不一樣，互換時(shí)必須重新調(diào)整。第26頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月4.軟件處理法冷端溫度恒定T0：但T0不為0℃時(shí)，只需在采樣后加一個(gè)與冷端溫度對(duì)應(yīng)的常數(shù)即可。冷端溫度T0波動(dòng)：可利用熱敏電阻或其它傳感器把T0信號(hào)輸入計(jì)算機(jī)，按照運(yùn)算公式設(shè)計(jì)一些程序，便能自動(dòng)修正。后一種情況必須考慮輸入的采樣通道中除了熱電動(dòng)勢(shì)之外還應(yīng)該有冷端溫度信號(hào)，如果多個(gè)熱電偶的冷端溫度不相同，還要分別采樣，若占用的通道數(shù)太多，宜利用補(bǔ)償導(dǎo)線把所有的冷端接到同一溫度處，只用一個(gè)冷端溫度傳感器和一個(gè)修正T0的輸入通道就可以了。冷端集中，對(duì)于提高多點(diǎn)巡檢的速度也很有利。第27頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月

熱敏電阻是利用某種半導(dǎo)體材料的電阻率隨溫度變化而變化的性質(zhì)制成的。在溫度傳感器中應(yīng)用最多的有熱電偶、熱電阻（如鉑、銅電阻溫度計(jì)等）和熱敏電阻。熱敏電阻發(fā)展最為迅速，由于其性能得到不斷改進(jìn)，穩(wěn)定性已大為提高，在許多場(chǎng)合下（-40～＋350℃）熱敏電阻已逐漸取代傳統(tǒng)的溫度傳感器。主要講述熱敏電阻的特點(diǎn)、分類，基本參數(shù)，主要特性和應(yīng)用等。

第三節(jié)熱敏電阻溫度傳感器第28頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月NTC二極管封裝環(huán)氧封裝、小型化高精度；響應(yīng)時(shí)間快；穩(wěn)定性好根據(jù)不同用途有多種封裝結(jié)構(gòu)；使用溫區(qū)寬高穩(wěn)定性、高可靠性根據(jù)不同用途有多種封裝結(jié)構(gòu)；使用溫區(qū)寬；高穩(wěn)定性、高可靠性；為客戶提供多種便捷服務(wù)家用冰箱、空調(diào)器；電熱水器、整體浴室；冰柜、豆?jié){機(jī)環(huán)氧封裝、小型化、精度高；可靠性高、響應(yīng)時(shí)間快；引線采用聚脂漆包線、耐熱、絕緣性好第29頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月（一）熱敏電阻的特點(diǎn)1．電阻溫度系數(shù)的范圍甚寬2．材料加工容易、性能好3．阻值在1Ω～10MΩ之間可供自由選擇4．穩(wěn)定性好5．原料資源豐富，價(jià)格低廉一、熱敏電阻的特點(diǎn)與分類第30頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月

1．正溫度系數(shù)熱敏電阻器（PTC）

PositiveTemperatureCoefficient

2．負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器（NTC）

NegativeTemperatureCoefficient

3．突變型負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器（CTR）

ChopTemperatureResistor

（二）熱敏電阻的分類

第31頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月（一）熱敏電阻器的電阻——溫度特性（RT—T）

12340601201600100101102103104105106RT/Ω溫度T/oC熱敏電阻的電阻--溫度特性曲線1-NTC；2-CTR；

3PTC二、熱敏電阻器主要特性Resistance-temperaturecharacteristicofthermistorρT—T與RT—T特性曲線一致。T/℃第32頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月為了使用方便，常取環(huán)境溫度為25℃作為參考溫度（即T0=25℃），則NTC熱敏電阻器的電阻—溫度關(guān)系式：02550751001250.511.522.533.5(25oC,1)RT/RT0--T特性曲線RT/R25T/℃1負(fù)電阻溫度系數(shù)(NTC)熱敏電阻器的溫度特性第33頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月2.正電阻溫度系數(shù)（PTC）熱敏電阻器的電阻—溫度特性其特性是利用正溫度熱敏材料，在居里點(diǎn)附近結(jié)構(gòu)發(fā)生相變引起導(dǎo)電率突變來取得的，典型特性曲線如圖104103102100100200PTC熱敏電阻器的電阻—溫度曲線T/oC電阻/ΩTp1Tp2第34頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月αβ

abcdUmU0I0ImU/VI/mANTC熱敏電阻的靜態(tài)伏安特性（二）熱敏電阻器的伏安特性（U—I）表示加在其兩端的電壓和通過的電流，在熱敏電阻器和周圍介質(zhì)熱平衡（即加在元件上的電功率和耗散功率相等）時(shí)的互相關(guān)系。1.負(fù)溫度系數(shù)（NTC）熱敏電阻器的伏安特性該曲線是在環(huán)境溫度為T0時(shí)的靜態(tài)介質(zhì)中測(cè)出的靜態(tài)U—I曲線.熱敏電阻的端電壓UT和通過它的電流I有如下關(guān)系：T0——環(huán)境溫度；△T——熱敏電阻的溫升。第35頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月

104103102101105Um10110210310010-1ImPTC熱敏電阻器的靜態(tài)伏安特性2．正溫度系數(shù)（PTC）熱敏電阻器的伏安特性第36頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月三、熱敏電阻的基本參數(shù)1.標(biāo)稱電阻(NominalResistance)R25（冷阻）2.材料常數(shù)(MaterialConstant)BN3.電阻溫度系