温度测量传感器[文字可编辑]

1、2020/4/1,1,实用传感器技术教程,第,2,章,温度测量传感器,2.5,温度测量传感器性能比较,2.4,红外测温技术,2.3,集成温度传感器,2.2,热电偶温度传感器,2.1,电阻式温度传感器,温标的基本概念,温标的基本概念,温度,是表征物体冷热程度的物理量，它体现了物体内部分,子运动状态的特征,温度是不能直接测量的。只能通过物体随温度变化的某些特,性（如体积、长度、电阻等）来间接测量,热电式传感器,将,温度,变化,转换成,电量,电阻、电势等,将温度变化转换为,电阻,变化的元件主要有,热电阻,和,热敏电阻,将温度变化转换为,电势,的传感器主要有,热电偶,和,PN,结式传,感器,将,热辐射

2、,转换为电学量的器件有,热电探测器、红外探测器,等,热电式传感器,接触式测温,是基于,热平衡,原理，即测温敏感元件必须与被,测介质接触，是两者处于平衡状态，具有同一温度。如水银温度,计、热敏电阻、热电偶等,非接触式测温,是利用,热辐射,原理，测温的敏感元件不与被,测介质接触，利用物体的热辐射随温度变化的原理测定物体温度,故又称辐射测温。如辐射温度计，红外测温仪等,按测温方法不同，热电式传感器分为接触式和非接触式两,种,热电式传感器分类,测温方法比较,常用热电式传感器,测温,方式,传感器类型,测温范围,精度,特点,常用热电式传感器,2.1,电阻式温度传感器,电阻式温度传感器是利用导体或半导体的电

3、阻率随温度变化而,变化的原理制成的，它将温度变化转化为元件电阻的变化，通,过测量电阻间接地测量温度或者与温度有关的参数,按照其制造材料来分，电阻式温度传感器可分为金属热电阻,简称热电阻）及半导体热电阻,简称热敏电阻,两种,2.1.1,金属热电阻,1,金属热电阻材料的特点,作为测量用的热电阻材料必须具备以下特点,具有高温度系数和高电阻率，这样在同样的测试条件下可提高,测量灵敏度，减小传感器的体积和重量,在较宽的测量范围内具有稳定的物理和化学性质，保证在规定,的测量范围内测量结果准确无误,具有良好输出特性，电阻阻值与温度之间具有线性或近似线性,关系的特性曲线,具有良好的工艺性，以便于批量生产，降低

4、成本,2.1.1,金属热电阻,2,常用金属热电阻,1,铂电阻,铂电阻电阻值与温度的关系为,在,0,660,范围内,R,t,R,0,1,At,Bt,2,在,190,0,范围内,R,t,R,0,1,At,Bt,2,C,t,100,t,3,工业用的铂电阻体，一般由直径,0.03,0.07mm,的纯铂丝绕在平,板形支架上，通常采用双线电阻丝，引出线用银导线,它能用作工业测温元件和作为温度标准，按国际温标,IPTS,68,规定，在,259.34,630.74,的温度范围内，以铂电阻温度计,作基准器,2.1.1,金属热电阻,2,常用金属热电阻,2,铜电阻,在,50,150,范围内，铜电阻与温度的关系为,R

5、,t,R,0,1,At,Bt,2,Ct,3,铜容易提纯，在,50,150,范围内铜电阻的物理、化学特,性稳定，输入、输出关系接近线性，且价格低廉。铜电阻的缺,点是电阻率较低，仅为铂电阻的,1,6,左右；电阻的体积较大,热惯性也较大，当温度高于,100,时易氧化。因此，铜电阻只,能适于在低温和无侵蚀性的介质中工作,常用的工业用铜电阻的,R,0,值有,50,100,两种，其分度号分别,用,Cu50,Cu100,表示,2.1.1,金属热电阻,3,热电阻主要参数,1,热电阻分度表与分度号。在工业上，将热电阻的,R,t,值与温度,t,的对应关,系列成表格，称为热电阻分度表。制成电阻的金属材料加上标称电阻

6、值即为,其分度号。例如,Cu50,Pt100,等,2,允许偏差。允许偏差即热电阻实际的电阻值与温度关系偏离分度表的,允许范围,3,热响应时间。当温度发生阶跃变化时，热电阻的电阻值变化至相当于,该阶跃变化的某个规定百分比所需要的时间，称为热响应时间，通常以表,示。一般记录变化,50,或,90,的响应时间分别为,0.5,与,0.9,热电阻的响应,时间不仅与结构、尺寸及材质有关，还与被测介质的放热系数、比热等工作,环境有关,4,额定电流。额定电流是指在测量电阻值时，允许在元件中连续通过的,最大电流，一般为,2,5mA,限制额定电流是为了减少热电阻自热效应引起的,误差，对热电阻元件都规定了额定电流,2

7、.1.1,金属热电阻,3,热电阻主要参数,名称,等级,分度号,测温范围,允许偏差,铂热电阻,A,Pt10,200,850,0.15+0.002,T,Pt100,B,Pt10,0.30+0.005,T,Pt100,名称,分度号,测温范围,允许偏差,0,时电阻值,铜热电阻,Cu50,50,150,0.30+0.006,T,50.000,0.050,Cu100,100.00,0.10,表,2-1,铂电阻技术参数,表,2-2,铜电阻技术参数,2.1.1,金属热电阻,4,使用注意事项,工业上广泛应用金属热电阻进行,200,600,范围的温度测量。在使用时需,要注意以下问题,1,自热误差,在使用金属热电阻

8、测量温度时，电阻要消耗一定的电功率，引起电阻值的变,化，从而带来测量误差。所以在使用中应尽量减小由于电阻器通电产生的自,热而引起的误差，一般是采取限制电流的办法，通常允许通过电流应小于,5mA,2,引线误差,由于热电阻感温元件到接线端子、接线端子到调理电路都需要连接引线，引,线本身的电阻及接触电阻相对于较低阻值的热电阻，是不可忽略的。一方面,它们影响热电阻的零位值，另一方面它们随温度变化，带来不确定的测量误,差。因此，测量电阻的引线通常采用三线式或四线式接法,2.1.2,半导体热敏电阻,1,热敏电阻的特点及分类,1,热敏电阻的特点,灵敏度高。热敏电阻温度系数的绝对值比金属热电阻大,10,100

9、,倍,电阻值高。它的标称电阻值有几,到十几,M,之间的不同规格,因此在使用热敏电阻时，一般不用考虑引线电阻的影响,结构简单。热敏电阻可根据使用要求加工成各种形状，特别是,能够做到小型化，目前的珠状热敏电阻的直径仅为,0.2mm,体积小，热惯性小，响应时间短，响应时间通常为,0.5,3s,化学稳定性好，机械性能好，价格低廉，使用寿命长,缺点是阻值与温度呈非线性关系，且互换性差,2.1.2,半导体热敏电阻,2,热敏电阻的分类,1,正温度系数热敏电阻,PTC,电阻值随温度升高而增大的热敏电阻，称为正温度系数热敏电,阻。它的主要材料是掺杂的,BaTiO,3,半导体陶瓷,2,负温度系数热敏电阻,NTC,

10、电阻值随温度升高而减小的热敏电阻，称为负温度系数热敏电,阻。它的主要材料是,Mn,Co,Ni,Fe,等金属氧化物半导体,3,临界温度系数热敏电阻,CTR,该类电阻的电阻值在某特定温度范围内随温度升高而降低,3,4,个数量级，即具有很大的温度系数。其主要材料是,VO,2,并添,加一些金属氧化物,2.1.2,半导体热敏电阻,2,热敏电阻的主要参数,1,标称电阻,R,25,2,电阻温度系数,t,3,耗散常数,mW,4,材料常数,B,5,时间常数,2.1.2,半导体热敏电阻,3,热敏电阻的主要特性,1,热敏电阻的电阻,温度特性,2,热敏电阻的伏安特性,t,R,T,40,60,120,160,0,10,

11、0,10,1,10,2,10,3,10,4,10,5,10,6,1,2,3,4,0.1,1,10,100,10,7,10,6,10,5,10,4,10,3,0,25,60,V(V,I(mA,图,2-1,热敏电阻电阻温度特性曲线,图,2-2 NTC,热敏电阻伏安特性曲线,2.1.2,半导体热敏电阻,4,热敏电阻命名方法及常用热敏电阻,第一部分：主称,第二部分：类别,第三部分：用途,第四部分：序号,字母,含义,字母,含义,数字,含义,M,敏感电阻,M,PTC,0,本部分由数字表示，不同,企业之间命名方法有所区,别，通常包括标称值,B,值、允许偏差及外形等,1,普通,2,限流,3,4,延迟,5,测温

12、,6,控温,7,消磁,8,9,恒温,F,NTC,0,特殊,1,普通,2,稳压,3,微波测量,4,旁热式,5,测温,6,控温,7,抑制浪涌,8,线性,9,表,2-3,热敏电阻型号命名方法,2.1.2,半导体热敏电阻,型号,标称值,R,25,B,值,K,耗散系数,mw,额定功率,mw,时间常数,S,工作温度,MF11,3.3,33K,2700,4050,6,500,30,55,125,MF12,6.8K,5000K,4250,5050,6,500,30,55,125,MF52,1K,1000K,3100,4500,2,50,15,55,125,MF58,1.5K,1388K,3920,4600,2

13、,50,20,55,200,MF72,0.7,400,6,35,55,200,表,2-4,常用热敏电阻主要参数,4,热敏电阻命名方法及常用热敏电阻,2.1.3,电阻式温度传感器的测量电路,1,不平衡直流电桥,当电桥为单臂工作时，如图,2-3 (b,所示，设初始状态时,电桥达到平衡，输出电压,U,0,0,此时电桥上的各电阻的阻值分别,为,R,10,R,20,R,30,R,40,并满足,R,10,R,40,R,20,R,30,即电桥的,平衡条件为,R,20,R,10,R,40,R,30,假设,R,1,为敏感元件，且,R,1,R,10,R,1,其它电阻均保持不变。在这种情,况下，桥路不平衡输出电压为

14、,设桥臂比,n =R,20,R,10,由于,R,1,R,1,分母中,R,1,R,1,可忽略，并考虑到,平衡条件，则上式可写为,R,1,R,2,R,3,R,4,U,U,0,R,2,R,3,R,4,U,U,0,R,1,R,1,a,b,基本直流电桥,单臂工作直流电桥,图,2-3,不平衡直流电桥,10,1,30,0,10,1,20,30,40,R,R,R,U,U,R,R,R,R,R,1,0,2,1,1,n,R,U,U,R,n,2.1.3,电阻式温度传感器的测量电路,2,不平衡电桥电压灵敏度,如果将电桥电压灵敏度定义为,从定义式可见,对于相同的敏感元件相对变化量,Ku,越大，电桥的输出电压,就越高。由式

15、,2-6,可得,2-7,由式,2-7,可知,1,电桥电压灵敏度正比于电桥供电电压，供电电压越高，电,桥电压灵敏度越高，但供电电压的提高受到应变片允许功耗的,限制，所以要作适当选择,2,电桥电压灵敏度是桥臂电阻比值,n,的函数，恰当地选择桥,臂比,n,的值，可保证电桥具有较高的电压灵敏度,0,1,1,u,U,K,R,R,0,2,1,1,1,u,U,n,K,U,R,n,R,2.1.3,电阻式温度传感器的测量电路,3,测量电阻接线方式,由于常用的金属热电阻的阻值不高，所以在使用热电阻测量时,引线电阻和接触电阻都不可避免地带来测量误差。为减小测,量过程中引线带来的附加误差，根据测量情况可将电阻引线方,

16、式分为三种,1,两线制,2,三线制,3,四线制,R,1,R,2,R,3,a,mV,mV,E,R,t,R,t,E,b,图,2-4,热电阻的引线方式,2.1.4,工业热电阻命名方法,第一部分：主称,第二部分：类别,第三部分：结构,字母,含义,字母,含义,数字,含义,数字,含义,数字,含义,数字,含义,WZ,热电阻温,度仪表,P,铂电阻,2,双支偶,丝,1,无固定,装置,2,防喷式,接线盒,0,保护管,直径,16,2,固定螺,纹,3,活动法,兰,4,固定法,兰,5,活络管,接头,C,铜电阻,单支偶,丝,6,固定螺,纹锥式,3,防水式,接线盒,1,保护管,直径,12,7,直形管,接头,8,固定螺,纹管

17、接,头,9,活动螺,纹管接,头,表,2-5,装配热电阻,型号命名方法,2.1.5,电阻式温度传感器应用,1,三线桥式测温电路,该电路测温元件选择金属热电阻,测量电路采用不平衡电桥,和仪表放大器。不平衡电桥,由高精度电阻,R,1,R,3,与铂热,电阻,R,t,组成。热电阻采用三,线方式连接,R,W1,R,W2,R,W3,是连接导线,等效电阻。电源,U,c,为测量桥路提供工作,电流。从图,2-5,中可见，由于,R,W1,R,W2,的存在使得电桥桥臂发生了变化,R,W1,和,R,t,组成一个桥臂,R,W2,和,R3,组成另一,个桥臂。因为电缆线的型号和长度相同,R,W1,和,R,W2,相等，根据式,

18、2-4,可以得出,这个新桥路的输出电压表达式为,A,1,A,2,A,3,R,t,R,1,R,2,R,3,R,4,R,5,R,6,R,7,R,8,R,9,R,10,U,c,R,w1,R,w2,R,w3,100,10k,10k,10k,10k,10k,10k,10k,10k,100,2k,电缆,U,O,图,2-5,三线桥式测温电路,1,3,2,1,2,3,t,c,t,R,R,R,R,U,U,R,R,R,R,2.1.5,电阻式温度传感器应用,2,铂电阻恒流源测温电,路,图,2-6,所示为铂电阻恒,流源测温电路。图中,A,1,U,r,R,t,RP,1,等组成,了恒流源电路，为热电,阻,R,t,提供工作

19、电流,U,r,为,2V,的基准电压，作,为恒流源的基准,R,t,采,用标称值为,1k,的铂热,电阻,A,1,R,t,R,4,R,5,10k,10k,10k,U,O,A,2,R,1,R,2,R,3,RP,1,RP,2,U,r,e,1,200,1k,24k,5k,图,2-6,铂电阻恒流源测温电路,2.1.5,电阻式温度传感器应用,3,铂电阻线性化电路,温度,电阻值,0,200,400,600,200,300,100,A,1,R,t,R,4,R,5,10k,10k,U,O,A,2,R,1,R,2,R,3,RP,1,RP,2,U,r,R,6,R,7,RP,3,A,3,10k,2V,e,1,1k,1k,

20、1k,22k,24k,9.5k,5k,图,2-7,铂电阻温度特性,图,2-8,铂电阻线性化测温电路,2.1.5,电阻式温度传感器应用,4,铂电阻温度控制仪电路,J1,OSC1,OSC2,OSC3,IN,IN,REFL,COM,GND,U,REFH,U,AZ,BUF,INT,CR,CR,1234,A,1,A,2,A,3,A,4,U,R,1,TL431,R,2,R,3,R,4,R,5,R,6,R,7,R,8,R,9,R,10,R,11,R,12,RP,1,RP,2,RP,3,RP,4,R,t,C,1,1000pf,100pf,0.1f,0.1f,0.047f,0.22f,C,2,C,3,C,4,C

21、,5,ICL7107,SA,设定,测量,U,U,U,1k,2.4k,100,82,200,240,2.4k,12 k,4.8 k,62k,10k,5.1k,100k,100k,100k,470k,V,s,V,2,VT,1,图,2-9,铂电阻温度控制仪,2.1.5,电阻式温度传感器应用,5,带有自动监视功能的温度控制器电路,A,1,R,4,R,5,10k,A,2,R,1,R,2,R,3,RP,1,R,6,R,7,A,3,MC4011,MC4011,A,4,R,8,C,1,4.7n,f,51k,B,a,b,c,d,1.2k,L,3,L,4,L,1,L,2,22k,5.1k,R,t,12V,12V,

22、18V,2k,1.2k,1.2k,100k,R,L,VT,1,VT,2,D,5,VD,1,VD,2,VD,3,VD,4,图,2-10,带有自动监视功能的温控器电路,2.2,热电偶温度传感器,2.2.1,工作原理及基本定律,1,工作原理,将两种不同的导体,A,和,B,串接成一个,闭合回路，若导体,A,和,B,的两接点处,的温度不同，两者之间便会产生电动势，这种现象称为热电效应。由此效应产,生的电动势，通常称为热电动势。热电偶就是利用这一效应来工作的,热电偶的结构如图,2-11,所示，由导体,A,和,B,组成的热电偶回路，材料,A,和,B,称为,热电极；接点,T,端称为测量端，或工作端；另一个接点

23、,T0,称为参考端或冷端,自由端。可以证明，如果材料,A,B,确定，当温度,T,T0,时，则回路的总,的热电势表示为,E,AB,T,T,0,f,T,f,T,0,T,T,0,A,B,图,2-11,热电偶原理图,2.2.1,工作原理及基本定律,1,工作原理,热电势的大小只与热电偶两端接电的温度有关，如果,T,0,已知且恒定,则,f,T,0,为常数，总回路热电势,E,AB,T,T,0,只是工作端温度,T,的单,值函数,结论,1,若热电偶两电极材料相同，则无论两接点温度如何，回路总电势,为零,2,若热电偶接点温度相同，即使,A,和,B,材料不同，回路总电势仍为零,3,热电势的大小只与热电极的材料和两端

24、温度有关，与热电偶的几,何尺寸、形状等无关,4,同样材料的热电极，其温度和电势的关系是一样的，因此热电极,材料相同的热电偶可以互换,2.2.1,工作原理及基本定律,2,基本定律,1,中间导体定律,在热电偶电路中接入第三种导体,C,只要导,体,C,两端温度相等，则热电偶回路产生的总,热电势就不变。根据该定律可知，当利用热,电偶进行测温时，将连接导线视为中间导体,只要保证其两端温度相同，则对测量结果没有影响。中间导体定律如图,2-12,所,示,2,中间温度定律,如果热电偶,AB,两结点的温度分别为,T,和,T,0,则所产生的热电势等于热电偶,AB,两结点温度为,T,和,T,n,与热电偶,AB,结点

25、温度为,T,n,和,T,0,时所产生的热电势的,代数和，用公式表示为,E,AB,T,T,0,E,AB,T,T,n,E,AB,T,n,T,0,T,T,0,A,B,T,1,M,C,C,图,2-12,中间导体定律,2.2.1,工作原理及基本定律,2,基本定律,3,参考电极定律,当热电偶回路的两个结点温度为,T,和,T,0,时，用导体,AB,组成的热电偶的热电势,等于热电偶,AC,和热电偶,CB,的热电势的代数和，即,E,AB,T,T,0,E,AC,T,T,0,E,CB,T,T,0,导体,C,称为标准电极，这一规律称为参考电极定律,T,T,0,A,B,C,C,E,AC,T,T,0,E,BC,T,T,0

26、,E,AB,T,T,0,图,2-13,参考电极定律,2.2.1,工作原理及基本定律,3,参考电极定律,例,2.1,S,型热电偶在工作时自由端温度,T,0,30,现测得热,电偶电动势为,7.5mV,求被测介质实际温度,解：由题意热电偶测得的电势为,E,T,30,即,E,T,30)=7.5mV,其中,T,为被测介质实际温度,由分度表可查到,E,30,0)=0.173mV,则,E,T,0),E,T,30),E,30,0)=7.5+0.173=7.673 mV,再由分度表中查出与其对应的实际温度为,830,2.2.2,热电偶结构,1,普通型热电偶,普通型结构的热电偶在工业中使用最多，主要用于测量气体、

27、蒸汽和液体等,介质的温度，可根据测量条件和测量范围来选用。为了防止有害介质对热电,极的侵蚀，工业用的热电偶一般都有保护套。普通型热电偶结构见图,2-14,绝缘套管用来防止电极短路，其材料要根据使用的温度范围和绝缘要求确定,常用氧化铝和耐火陶瓷。不锈钢套管是为了将电极与被测对象隔离开，以,防止受到化学腐蚀或机械损伤。对保护套管的要求是热传导性好、热容量小,耐腐蚀并且具有一定的机械强度,引线口,不锈钢套管,接线盒,焊点,瓷绝缘套管,安装固定件,图,2-14,普通热电偶结构,2.2.2,热电偶结构,2,铠装热电偶,铠装热电偶的结构如图,2-15,所示，它是将热电极、绝缘材料和金属保护管组,合在一起，

28、经拉伸加工成为一个坚实的组合体。它具有很大的可挠性，其最,小弯曲半径通常是热电偶直径的,5,倍。此外它还具有测温端热容量较小、动,态响应较快、强度高、寿命长及适应性强等优点，适用于结构复杂的部位的,温度测量，因此在工业中得到了广泛的应用,衬架,测量接点,Fe,膜,Ni,膜,Fe,丝,Ni,丝,接头夹具,图,2-15,铠装热电偶结构,2.2.2,热电偶结构,3,薄膜热电偶,薄膜热电偶是一种先进的测量瞬变温度的传感器。它是将两种,薄膜热电极材料，通过真空蒸镀、化学涂层等方法蒸镀到绝缘,基板上面制成的一种特殊热电偶。它的测温原理与普通丝式热,电偶相似，由于薄膜热电偶的热接点多为微米级的薄膜（电极,为

29、厚度,0.010.1,m,，与普通热电偶比较，它具有热容量小,响应迅速等特点，所以能够准确地测量瞬态温度的变化,2.2.3,热电偶的冷端补偿方法,由热电偶测温原理可知，热电偶的热电势的大小不仅,与工作端的温度有关，而且与冷端温度有关，是工作,端和冷端温度的函数差。只有当热电偶的冷端温度保,持不变，热电势才是被测温度的单值函数。工程技术,上使用的热电偶分度表中的热电势值是根据冷端温度,为,0,而制作的。但在实际使用时，由于热电偶的工作,端与冷端离得很近，冷端又暴露于空气，容易受到环,境温度的影响，因而冷端温度很难保持恒定,2.2.3,热电偶的冷端补偿方法,1,补偿导线法,图,2-16,所示为补偿

30、导线法示意图。在图中,A,B,为补偿导线，它所,产生的热电势为,E,A,B,T,0,T,0,回路总电势为,E,AB,T,T,0,E,A,B,T,0,T,0,根,据补偿导线的性质，有,E,A,B,T,0,T,0,E,AB,T,0,T,0,则由热电偶的中间温度定律可得回路总电势,E,E,AB,T,T,0,E,A,B,T,0,T,0,E,AB,T,T,0,因此，补偿导线,A,B,可视为热电偶电极,AB,的延长，使热电偶的自由端,从,T,0,处移到,T,0,处，热电偶回路的热电势只与,T,和,T,0,有关,T,0,的变化不,再影响总电势,A,B,T,A,B,T,0,T,0,图,2-16,补偿导线法示意

31、图,2.2.3,热电偶的冷端补偿方法,1,补偿导线法,在使用补偿导线时必须注意下列问题,1,补偿导线只能在规定的温度范围内（一般为,0,100）与热电偶的热电特,性相同或相近,2,不同型号的热电偶有不同的补偿导线,3,热电偶与补偿导线连接的两个接点要保持相同的温度,4,补偿导线有正负极之分，需要分别与热电偶的正负极相连,5,补偿导线的作用只是延伸热电偶的自由端，当自由端温度,T,0,0,时，还需,要进行其它补偿与修正,补偿导线型号,配用热电偶型号,补偿导线,绝缘层颜色,正极,负极,正极,负极,SC,S,SPC,铜,SNC,铜镍,红,绿,KC,K,KPC,铜,KNC,康铜,红,蓝,KX,K,KP

32、X,镍铬,KNX,镍硅,红,黑,EX,E,EPX,镍铬,ENX,铜镍,红,棕,JX,J,JPX,铁,JNX,铜镍,红,紫,TX,T,TPX,铜,TNX,铜镍,红,白,表,2-6,常用热电偶补偿导线,2.2.3,热电偶的冷端补偿方法,例,2.2,有一个热电偶测温系统，如图,2-17,所示。其热电偶两,个热电极的材料为镍铬,镍硅,A,B,分别为配镍铬,镍硅热,电偶的补偿导线，测量系统配用,K,型热电偶的温度显示仪表来,显示被测温度大小。设,T=300,T,0,50,T,0,20,求,测量回路的总电势以及温度显示仪表的读数。如果补偿导线,为普通铜导线，则测量回路的总电势和温度显示值是多少,A,B,T

33、,A,B,T,0,T,0,补偿,电桥,显示仪表,图,2-17,热电偶测温电路,2.2.3,热电偶的冷端补偿方法,解：由题意可知，使用热电偶的分度号为,K,型，则总的回路电势为,E,E,K,T,T,0,E,K,补,T,0,T,0,E,补,T,0,0,式中,E,K,T,T,0,为热电偶产生的热电势,E,K,补,T,0,T,0,为配,K,型热电偶的补偿,导线产生的电势,E,补,T,0,0,为补偿电桥提供的电势。由于补偿导线和补偿,电桥都是配,K,型热电偶的，因此，这两部分产生的电势可近似为,E,K,T,0,T,0,和,E,K,T,0,0,，所以总电势可写成,E,E,K,T,T,0,E,K,T,0,T

34、,0,E,K,T,0,0,E,K,T,0,显然，仪表的读数是,300,查,K,型热电偶的分度表，得,E=12.209mV,当补偿导线是普通铜导线时，因为是一种导体铜，所以不产生电动势，即,等于,0,则回路总电动势为,E,E,K,T,T,0,E,补,T,0,0,E,K,300,50),E,K,20,0,12.209-2.023,0.798-0,10.984,mV,查,K,型分度表，得显示温度值为,270.3,2.2.3,热电偶的冷端补偿方法,2,热电势修正法,在实际工况环境中，当热电偶冷端温度不是,0,时，而是,T,n,时，根据热电偶中,间温度定律，可得热电动势的计算校正公式为,E,T,0),E

35、,T,T,n,E,T,n,0,因此只要知道了热电偶参比端的温度,T,n,就可以从分度表中查出对应于,T,n,时的,热电动势,E,T,n,0,然后将这个热电动势值与显示仪表所测得读数值,E,T,T,n,相,加，得出的结果就是热电偶的参比端温度为,0,时，对应于测量端的温度为,T,时的热电动势,E,T,0,最后就可以从分度表中查得对应于,E,T,0,的温度，这个,温度的数值就是热电偶测量端的实际温度,3,0,恒温法,为了测温准确，可以把热电偶的冷端置于冰水混合物的容器里，保证使冷端温,度为,0,这种办法测量最为直接，但是在现场测量时，要保证冷端温度保持,在,0,不变十分困难，所以该方法常用于在实验

36、室中进行的测量,2.2.3,热电偶的冷端补偿方法,4,冷端温度自动补偿法,1,硬件电路补偿法,1,电桥补偿法,T,T,0,T,0,E,AB,T,T,0,R,1,R,2,R,3,R,Cu,R,w,E,U,a,b,图,2-18,电桥补偿法示意图,2.2.3,热电偶的冷端补偿方法,2,集成电路补偿法,T,T,0,T,0,E,AB,T,T,0,R,1,R,2,R,3,R,4,A,1,RP,1,RP,2,RP,3,1k,1k,300k,10k,AD592,5V,U,O,U,r,T,T,0,T,0,E,AB,T,T,0,R,1,R,2,R,3,R,4,A,1,RP,2,U,O,TMP35,V,s,GND,

37、V,OUT,3.3V,5.5V,R,5,R,6,R,7,C,1,24.9k,1k,1.24M,5.1k,5.1k,1.21M,50k,0.1,f,图,2-20,利用,TMP35,补偿的热电偶测温电路,图,2-19,利用,AD592,补偿的热电偶测温电路,2.2.3,热电偶的冷端补偿方法,2,集成电路补偿法,图,2-21,利用,MAX6675,补偿的热电偶测温电路,T,MAX6675,T,T,SO,SCK,CS,MCU,P1.0,P1.1,P1.2,K,型,热电偶,2.2.3,热电偶的冷端补偿方法,2,计算修正法,若自由端温度为,T,0,时，测得物体温度为,T,则被测物体的真实,温度近似为,T=

38、T,KT,0,式中,K,为热电偶的修正系数，如表,2-7,中所示,工作端温度,热电偶种类,铜,康铜,镍铬,康铜,铁,康铜,镍铬,镍硅,铂铑,铂,0,1.00,1.00,1.00,1.00,1.00,20,1.00,1.00,1.00,1.00,1.00,100,0.86,0.90,1.00,1.00,0.82,200,0.77,0.83,0.99,1.00,0.72,300,0.70,0.81,0.99,0.98,0.69,400,0.68,0.83,0.98,0.98,0.66,500,0.65,0.79,1.02,1.00,0.63,600,0.65,0.78,1.00,0.96,0.62

39、,700,0.80,0.91,1.00,0.66,800,0.80,0.82,1.00,0.59,900,0.84,1.00,0.56,1000,1.07,0.55,1100,1.11,0.53,1200,0.53,1300,0.52,1400,0.52,1500,0.52,2.2.4,热电偶的测量误差,1,分度误差,热电偶的分度是指将热电偶置于给定温度下测定其热电势，以确定热电势与,温度的对应关系,E,T,关系）。可见，实际的热电偶特性与标准分度表并,不完全一致，这就带来了分度误差,2,仪表误差及接线误差,用热电偶测温时，必须有与之配套的仪表进行显示或记录。它们的误差必然,会带入测量结果，这

40、种误差与所选用仪表的精度和仪表的量程有关,3,干扰和漏电误差,用热电偶测温时，由于周围电场和磁场的干扰，往往会造成热电偶回路中的,附加电势，引起测量误差，常用冷端接地或屏蔽等方法消除误差,不少绝缘材料随温度升高阻值下降，尤其是在,1500,以上的高温时，其绝,缘性能显著下降，可能造成热电势分流输出,4,动态误差,当测温时，指示的温度值始终跟不上被测介质温度变化值，这种测量瞬变温,度时由滞后引起的误差，称为动态测温误差,为了适应不同生产对象的测温要求和条件，热电偶的结构,形式有,普通型热电偶,特殊热电偶,铠装型热电偶,薄膜热电偶等,热电偶的结构与种类,普通型热电偶结构,接,线,盒,热,电,极,热

41、,端,绝,缘,管,保,护,管,优点,测温端热容量小，动态响应快；机械强度高，挠性,好，可安装在结构复杂的装置上,铠装型热电偶,接线盒,固定装置,B,B,金属导管,绝缘材料,热电极,A,放大,A,B,B,薄膜热电偶,工作端,绝,缘,基,板,热电极,接头夹具,引,出,导,线,特点,热接点可以做得很小,m,，具有热容量小、反应速,度快,s,等特点，适用于微小面积上的表面温度以及快速变化,的动态温度测量,2.2.5,常用热电偶及热电偶命名方法,1,标准化热电偶,型号,电极材料,测温范围,型号,电极材料,测温范围,S,铂铑,10,铂,50,1768,N,镍铬硅,镍硅,270,1300,R,铂铑,13,铂

42、,50,1768,E,镍铬,康铜,270,1000,B,铂铑,30,铂铑,6,0,1820,J,铁,康铜,210,1200,K,镍铬,镍硅,270,1372,T,铜,康铜,270,400,表,2-8,标准化热电偶参数,2.2.5,常用热电偶及热电偶命名方法,2,热电偶命名方法,第一部分：主称,第二部分：类别,第三部分：结构,字母,含义,字母,含义,数字,含义,数字,含义,数字,含义,数字,含义,WR,热电偶温,度仪表,M,镍铬,硅,镍,硅,2,双支偶,丝,1,无固定装,置,2,防喷式,接线盒,0,保护管直,径,16,2,固定螺纹,N,镍铬,镍硅,3,活动法兰,1,保护管直,径,20,4,固定法

43、兰,E,镍铬,铜镍,5,活络管接,头,2,保护管直,径,16,高铝质,管,单支偶,丝,6,固定螺纹,锥式,3,防水式,接线盒,C,铜,铜,镍,7,直形管接,头,3,保护管直,径,20,高铝质,管,8,固定螺纹,管接头,F,铁,铜,镍,9,活动螺纹,管接头,表,2-9,装配热电偶型号命名方法,2.2.6,热电偶应用电路,1,热电偶的线性校正电路,1,多项式线性校正法,设温度为,T,各项系数为,a,0,a,1,a,N,则热电偶电动势,E,可表示为,E= a,0,a,1,T+ a,2,T,2,a,N,T,N,实现高次幂运算电路，就可构成线性校正电路。幂次越,高，精度越高，电路越复杂，相应速度越慢。实

44、际上只要取到,2,次幂就可以,获得足够的精度,K,型热电偶放大电路输出,600mV,时的,2,次幂近似校正计算式可表达为,U,OUT,-0.776+24.9952U,IN,0.0347332U,IN,2,mV,2,平方运算专用集成电路,AD538,线性化校正法,线性化电路的关键是求平方运算,AD538,不用外接元件就可构成平方运算的,线性校正电路,AD538,精度为,0.5,动态范围宽。输出电压,UOUT,满足一,下函数关系,m,Z,OUT,Y,X,V,U,V,V,2.2.6,热电偶应用电路,3,K,型热电偶线性校正电路,T,T,0,T,0,E,AB,T,T,0,R,1,R,2,R,3,A,1

45、,1k,300k,10k,U,z,U,y,B,C,U,O,U,x,10V,IY,AD538,IS1538,A,2,RP,1,R,4,R,5,R,6,R,7,R,8,R,9,U,OUT,1.3k,130k,270k,15k,270k,100,K,型热电偶,15k,图,2-22,采用,AD538,的热电偶线性校正电路,2.2.6,热电偶应用电路,2,用,J,型热电偶实现范围为,0,600,的测温电路,T,R,1,R,2,R,3,R,4,R,5,R,6,R,7,R,8,14,1,4,7,8,9,11,12,AD594,A,2,A,1,A,3,A,4,R,9,R,10,R,11,R,12,R,13,R

46、,14,R,15,R,16,R,17,R,18,VT,1,AD538,U,X,U,0,10V,IY,U,Z,U,Y,B,C,VD,1,L,1,20k,1k,2.2k,1k,430,RP,1,RP,2,1k,10k,10k,10k,10k,10k,10k,10k,82k,7.2k,130k,560,9.1k,1k,1.3M,U,OUT1,U,OUT2,J型热电偶,15V,15V,图,2-23 J,型热电偶,0,600,测温电路,2.3,集成温度传感器,2.3.1,集成温度传感器分类与特点,1,模拟集成温度传感器,目前模拟集成温度传感器主要分为两大类：一类为电压型集成温度传感器,另一类为电流型集成

47、温度传感器,电压型集成温度传感器是将温度传感器、基准电压、缓冲放大器集成在同一,芯片上，制成一个两端器件,电流型集成温度传感器是把线性集成电路和薄膜工艺元件集成在一块芯片上,再通过激光修版微加工技术，制造出性能优良的测温传感器,2,数字温度传感器,智能温度传感器内部包含温度传感器,A,D,转换器、信号处理器、存储器和,接口电路,智能温度传感器的特点是能输出温度数据及相关的温度控制量，适配各种微,控制器,2.3.2,集成温度传感器应用,1,电压输出集成温度传感器,LMX35,及应用,LMX35,传感器引脚排列如图,2-24,所示,1,性能与特点,它属于电压输出式精密集成温度传感器，电压温度系数为

48、,10mV,K,输出电,压与热力学温度成正比,测温精度高，测温范围宽。经过校准后,LM135,在,25,的测温精度可达,0.3,LM135,的测温范围是,55,150,LM235,为,40,125,LM335,为,40,100,动态阻抗低。当工作电流为,0.4,5mA,时，其动态阻抗仅为,0.5,0.6,价格低，易校准,图,2-24 LMX35,引脚排列,2.3.2,集成温度传感器应用,1,电压输出集成温度传感器,LMX35,及应用,2,应用,用,LM335,系列测量温度的,3,种典型电路如图,2-25,所示。图,2-25(a,为基本,U,0,测,温电路，其特点是电路非常简单，但由于未加温度校

49、准电路，因此测温误差,较大，在,25,就有,0.5,2的误差。图,2-25(b,中,LM335,的调整端,ADJ,接,10k,精密多圈电位器,RP,1,的滑动触头，在,25,时调整,RP,1,可使输出电,压,U,0,2.982V,经校准后可以提高传感器的测量精度。图,2-25(c,是在图,2,25(b,的基础上改进而成的,U,0,U,0,U,0,U,U,U,LM335,LM335,LM335,R,1,R,1,RP,1,RP,1,R,set,U,R,a,b,c,LM334,图,2-25 LM335,典型应用电路,2.3.2,集成温度传感器应用,1,电压输出集成温度传感器,LMX35,及应用,2,

50、应用,图,2-26,中所示就是输出电压与摄氏温,度成正比的应用电路,LM336,是精密,基准电压源，它的稳压值为,2.5V,该,基准电压经过运算放大器,LM308,放大,后输出电压值为,2.7315V,LM335,测,温输出电压与该电压相差之后为该电,路的输出电压，就是与摄氏温度成正,比的电压,U,0,U,LM335,R,4,U,LM308,R,1,R,2,R,3,RP,1,RP,2,LM336,1k,2k,8.5k,6k,12k,10k,图,2-26 LMX35,摄氏温度测量电路,2.3.2,集成温度传感器应用,2,电流输出集成温度传感器,AD590,及应,用,1,AD590,性能与特点,它

51、的主要特性如下,流过器件的电流,A,等于器件所处环境的热力学,温度,开尔文,度数。电流变化,1,A,相当于温度,变化,1K,AD590,的测温范围为,55,150,AD590,的电源电压范围为,4V,30V,AD590,可以,承受,44V,正向电压和,20V,反向电压,输出电阻大于,10M,精度高,AD590,共有,I,J,K,L,M,五档，其中,M,档精度最高，在,55,150,范围内，非线,性误差为,0.3,图,2-27 AD590,引脚排列,2.3.2,集成温度传感器应用,2,电流输出集成温度传感器,AD590,及应,用,2,AD590,应用,图,2-28,是,AD590,的基本连接方式

52、。其中图,2-28(a,是简单连接方式，温度的变化引起电流,I,的变化,通过电阻,R,1,和,R,2,转换为电压得到,U,0,1mV/K,图,2-28(b,中是最低温度检测电路，图中将三个,AD590,串接（也可多于或少于三个），并通过一,只,10k,电阻取电压，由于是串联，所以流过电,阻上的电流是由处于最低温度的那一只,AD590,决,定。因此从电阻上得到的电压反映的只是最低温,度，其灵敏度为,10mV/K,图,2-28(c,是检测平均,温度的基本接法，将几个,AD590,并联，通过一只,电阻取样，可以得到不同,AD590,处的平均温度,AD590,AD590,AD590,AD590,R,1

53、,R,2,3XAD590,4,30,V,15V,5V,10k,333.3,950,100,a,b,c,U,0,U,0,U,0,图,2-28 AD590,的基本连接方式,2.3.2,集成温度传感器应用,2,电流输出集成温度传感器,AD590,及应用,2,AD590,应用,图,2-29,是典型的摄氏温度检测电路。其设计思想是利用运算放大器的虚地概念,将,AD590,电流输出支路与产生,273.15,的常数支路在虚地点叠加，从而将开氏,温度转换为摄氏温度。图中,MC1403,输出,2.5V,电压基准，通过,R,1,和,RP,1,得到,273.15A,电流在运放反相输入端与,AD590,在,0,时产生

54、的,273.15A,相互抵消,从而得到灵敏度为,100mV,的摄氏温度输出,12V,12V,AD590,A,1,MC1403,1,2,3,R,1,R,2,R,3,RP,1,RP,2,8.2k,7.8k,5k,97.6k,2k,U,O,图,2-29 AD590,摄氏温度检测电路,2.3.2,集成温度传感器应用,3,基于,1-wire,接口的数字温度传感器,DS18B20,及应用,MCU,VDD,GND,DQ,VDD,GND,DQ,VDD,GND,DQ,I/O,3,5.5,V,3,5.5,V,3,5.5,V,DS18B20-1,DS18B20-2,DS18B20-N,图,2-30 DS18B20,

55、引脚排列,图,2-31 DS18B20,构成的多点测温电路,2.3.2,集成温度传感器应用,4,基于,SPI,总线接口的智能温度传感器,LM74,及应用,A,B,C,D,0,2,1,15,CS,SI/O,SC,CS,SI/O,SC,CS,SI/O,SC,LM74-1,LM74-2,LM74-16,74HC154,I/O,1,I/O,2,I/O,3,I/O,4,I/O,5,I/O,6,MCU,图,2-32 LM74,引脚排列,图,2-33 LM74,组成的温度采集系统,开始,初始化,n=1,CS=0,数据通信开始,温度超限,数据处理,置处理结束,标志,结束否,n=n+1,n16,N,报警,Y,Y

56、,N,Y,N,图,2-34,温度采集系统软件流程图,2.3.2,集成温度传感器应用,5,基于,I,2,C,总线接口的智能温度传感器,MAX6626,及应用,MAX6626,主要特性为,内含温度传感器和,12,位,A,D,转换器，测温范围是,55,125,分辨力,可达,0.0625,在,40,80,范围内的测温误差小于或等于,3,完成一,次温度数据转换大约需要,133ms,带,I,2,C,串行总线接口。串行时钟频率范围,0,400kHz,利用,I,2,C,总线地址选择,端,ADD,可选择,4,片,MAX6626,当被测温度超过上限,t,H,时，报警输出端,OT,被激活。芯片既可工作在比较模,式，

57、亦可工作在中断模式,MAX6626,具有掉电模式，主机通过串行口将配置寄存器的,DO,置成高电平时,芯片就进入此模式，这时除上电重启动电路和串行接口以外，其余电路均,不工作,利用内部的故障排队计数器，能防止出现误报警现象,电源电压范围是,3.0,5.5V,静态工作电流约为,1mA,在掉电模式下降至,1,A,2.3.2,集成温度传感器应用,5,基于,I,2,C,总线接口的智能温度传感器,MAX6626,及应用,图,2-35 MAX6626,引脚排列,1,引脚功能,SDA,I,2,C,总线数据线,SCL,I,2,C,总线时钟输入,ADD,I,2,C,地址设置脚，其设置方式,见表,2-5,OT,温度

58、告警输出，采用漏极开路,输出,2.3.2,集成温度传感器应用,5,基于,I,2,C,总线接口的智能温度传感器,MAX6626,及应用,2,应用,ADD,SDA,SCL,VS,GND,OT,ADD,SDA,SCL,VS,GND,OT,ADD,SDA,SCL,VS,GND,OT,ADD,SDA,SCL,VS,GND,OT,I/O,1,I/O,2,MCU,MAX6626-1,MAX6626-2,MAX6626-3,MAX6626-4,VT,1,VT,2,VT,3,VT,4,5.1k,5.1k,5.1k,5.1k,1k,1k,V,cc,图,2-36 MAX6626,组成的温度测量系统,2.4,红外测温

59、技术,2.4.1,红外测温原理,1,红外线及红外辐射,红外辐射的物理本质是热辐射，自然界中的任何物体，只要它的温度高于绝,对零度，都会有一部分能量以电磁波形式向外辐射，物体的温度越高，辐射,出来的红外线就越多，辐射的能量就越强,红外线有如下特点,红外线易于产生，容易接收,红外发光二极管，结构简单，易于小型化，且成本低,红外线调制简单，依靠调制信号编码可实现多路控制,红外线不能通过遮挡物，不会产生信号串扰等误动作,功率消耗小，反应速度快,对环境无污染，对人、物无损害,抗干扰能力强,2.4.1,红外测温原理,2,红外测温原理,红外测温是辐射式测温的一种，在自然界中，一切温度高于绝对零度的物体,都会

60、辐射红外线，描述黑体辐射光谱分布的普朗克公式和黑体全辐射度与温,度关系的斯蒂芬一玻耳兹曼定律是辐射测温法的基本理论依据，其关系式为,E,T,4,同时探测器还可测出绝对黑体对应最大光谱辐出量的峰值波长,max,依据维,恩位移定律可知，它与热力学温度,T,成反比，即,max,T,b,这说明辐射出较,高能量分子的数量会成正比地增加，即波长越短，能量越高。若已知热力学,温度,T,则可判断其峰值辐射波长,max,若测得一个黑体辐射时的,max,则可,推知该黑体的表面热力学温度,T,通过测量物体自身辐射的红外能量可准确确定物体的表面温度，即按事先规,定的时间周期把输入信号转变为光谱信号，再通过简单分析定性