第一章温度传感器教学用

1、第一章第一章 温度传感器温度传感器 第一节 电阻型温度传感器 第二节 热电偶 第三节 半导体pn结型温度传感器 第四节 其他温度传感器 温度是反映物体冷热状态的物理参数。温度是反映物体冷热状态的物理参数。 因此，人类离不开温度，当然也离不开温度传感器。因此，人类离不开温度，当然也离不开温度传感器。 第一章温度传感器教学用第一章温度传感器教学用 1 1热力学温标热力学温标 第一章温度传感器教学用第一章温度传感器教学用 第一章温度传感器教学用第一章温度传感器教学用 2 2国际实用温标国际实用温标 第一章温度传感器教学用第一章温度传感器教学用 第一章温度传感器教学用第一章温度传感器教学用 T=t+2

2、73.15 Kt=T-273.15 m=1.8n+32n= 5/9 (m-32) u 随物体的热膨胀相对变化而引起的体积变化；随物体的热膨胀相对变化而引起的体积变化； u 蒸气压的温度变化；蒸气压的温度变化； u 电极的温度变化电极的温度变化 u 热电偶产生的电动势；热电偶产生的电动势； u 光电效应光电效应 u 热电效应热电效应 u 介电常数、导磁率的温度变化；介电常数、导磁率的温度变化； u 物质的变色、融解；物质的变色、融解； u 强性振动温度变化；强性振动温度变化； u 热放射；热放射； u 热噪声。热噪声。 接触式温度传感器的特点：接触式温度传感器的特点： （1）基于热平衡原理；测温

3、元件必须与被测介质接触，）基于热平衡原理；测温元件必须与被测介质接触， 在足够长的时间里，使两者处于同一热平衡状态，具有同在足够长的时间里，使两者处于同一热平衡状态，具有同 一温度。一温度。 （2）优点：简单、可靠、测量精度高，且技术成熟，种）优点：简单、可靠、测量精度高，且技术成熟，种 类多，选择余地大。类多，选择余地大。 （3）缺点：）缺点： A.由于测温元件需要与被测介质接触后进行充分的热交换由于测温元件需要与被测介质接触后进行充分的热交换 才能达到热平衡，因而产生滞后现象。才能达到热平衡，因而产生滞后现象。 B.受到耐高温材料的限制，接触式测温不能应用于很高温受到耐高温材料的限制，接触

4、式测温不能应用于很高温 度的测量。度的测量。 第一章温度传感器教学用第一章温度传感器教学用 非接触式温度传感器的特点： （1 1）基于热辐射原理：是利用被测物体热辐射而发出）基于热辐射原理：是利用被测物体热辐射而发出 红外线，从而测量物体的温度。红外线，从而测量物体的温度。 （2 2）优点：）优点： A.A.由于测温元件不与被测介质接触，而是通过接收被由于测温元件不与被测介质接触，而是通过接收被 测物体发出的辐射热来判断温度，可测量极高温。测物体发出的辐射热来判断温度，可测量极高温。 B.B.测温速度也较快；测温速度也较快； C.C.可对运动体进行测量。可对运动体进行测量。 （3 3）缺点：）

5、缺点： 由于它受被测对象到仪表间的距离、烟尘和水气由于它受被测对象到仪表间的距离、烟尘和水气 等其它介质的影响，一般测温误差大。等其它介质的影响，一般测温误差大。 物物 理理 现现 象象 体积热膨胀体积热膨胀 电阻变化电阻变化 温差电现象温差电现象 导磁率变化导磁率变化 电容变化电容变化 压电效应压电效应 超声波传播速度变化超声波传播速度变化 物质物质 颜色颜色 PN结电动势结电动势 晶体管特性变化晶体管特性变化 可控硅动作特性变化可控硅动作特性变化 热、光辐射热、光辐射 种种 类类 铂测温电阻、热敏电阻铂测温电阻、热敏电阻 热电偶热电偶 BaSrTiO3陶瓷陶瓷 石英晶体振动器石英晶体振动器

6、 超声波温度计超声波温度计 示温涂料示温涂料 液晶液晶 半导体二极管半导体二极管 晶体管半导体集成电路温度传感器晶体管半导体集成电路温度传感器 可控硅可控硅 辐射温度传感器辐射温度传感器 光学高温计光学高温计 1.气体温度计气体温度计 2. 玻璃制水银温度计玻璃制水银温度计 3.玻璃制有机液体温度计玻璃制有机液体温度计 4.双金属温度计双金属温度计 5.液体压力温度计液体压力温度计 6. 气体压力温度计气体压力温度计 1 热铁氧体热铁氧体 2 Fe-Ni-Cu合金合金 此外，还有微波测温温度传感器、噪声此外，还有微波测温温度传感器、噪声 测温温度传感器、温度图测温温度传感器、测温温度传感器、温

7、度图测温温度传感器、 热流计、射流测温计、核磁共振测温计、热流计、射流测温计、核磁共振测温计、 穆斯保尔效应测温计、约瑟夫逊效应测温穆斯保尔效应测温计、约瑟夫逊效应测温 计、低温超导转换测温计、光纤温度传感计、低温超导转换测温计、光纤温度传感 器等。这些温度传感器有的已获得应用，器等。这些温度传感器有的已获得应用， 有的尚在研制中。有的尚在研制中。 第一章温度传感器教学用第一章温度传感器教学用 00 1ttaRRt 00 1ttaRRt t R Rtt RR R t 00 0 0 11 t R S 第一章温度传感器教学用第一章温度传感器教学用 第一章温度传感器教学用第一章温度传感器教学用 第一

8、章温度传感器教学用第一章温度传感器教学用 第一章温度传感器教学用第一章温度传感器教学用 214343214321 4132 RRRRRRRRRRRRR RRRRE I g g M RRRRE I g 4132 第一章温度传感器教学用第一章温度传感器教学用 M RRRRE I g 4132 4132 RRRR 1441132 RRRRRRR TRIR M ER I gg 11 4 ,即即 第一章温度传感器教学用第一章温度传感器教学用 第一章温度传感器教学用第一章温度传感器教学用 第一章温度传感器教学用第一章温度传感器教学用 r R R R RR Rt 1 1 2 1 32 第一章温度传感器教学用

9、第一章温度传感器教学用 t R t I U R rRR IR I Vt t r 2 2 t RRrR VV 且且 rRR IrR I Vt V Rt 2 2 II t R 0 2 r I 第一章温度传感器教学用第一章温度传感器教学用 II t R 0 2 r I 第一章温度传感器教学用第一章温度传感器教学用 第一章温度传感器教学用第一章温度传感器教学用 第一章温度传感器教学用第一章温度传感器教学用 2.2.热敏电阻的特性参数热敏电阻的特性参数 第一章温度传感器教学用第一章温度传感器教学用 251 2525 tRRT %100 1 dT dR R T T m 第一章温度传感器教学用第一章温度传感

10、器教学用 时间常数时间常数就是表征热敏电阻值热惯性大小的参数。就是表征热敏电阻值热惯性大小的参数。 其数值等于热敏电阻在零功率测量状态下，当环境温度突其数值等于热敏电阻在零功率测量状态下，当环境温度突 变时，热敏电阻的阻值从起始值变化到最终变化量的变时，热敏电阻的阻值从起始值变化到最终变化量的6363时所时所 需的时间。需的时间。 第一章温度传感器教学用第一章温度传感器教学用 第一章温度传感器教学用第一章温度传感器教学用 第一章温度传感器教学用第一章温度传感器教学用 第一章温度传感器教学用第一章温度传感器教学用 第一章温度传感器教学用第一章温度传感器教学用 第一章温度传感器教学用第一章温度传感

11、器教学用 T B RRTexp 0 T B RRT 0 lnln T RT 1 ln 第一章温度传感器教学用第一章温度传感器教学用 21 21 11 lnln TT RR B T B RRT 0 lnln T B RRTexp 0 22 0 0 0 0 exp exp 1 exp exp 11 T B T B T B R T B R T B R dT d T B R dT dR R T T T 第一章温度传感器教学用第一章温度传感器教学用 2 1 T B dT dR R T T T TT B IRIRU TT 0 0 exp 第一章温度传感器教学用第一章温度传感器教学用 第一章温度传感器教学用

12、第一章温度传感器教学用 第一章温度传感器教学用第一章温度传感器教学用 第一章温度传感器教学用第一章温度传感器教学用 ATRRTexp 0 第一章温度传感器教学用第一章温度传感器教学用 %100exp exp 1 exp exp 1 1 0 0 0 0 AAATR ATR ATR dT d ATR dT dR R T T T ATRRTexp 0 第一章温度传感器教学用第一章温度传感器教学用 %100 1 A dT dR R T T T BTART 第一章温度传感器教学用第一章温度传感器教学用 %100 1 1 BTA B BTA dT d BTA dT dR R T T T 第一章温度传感器教

13、学用第一章温度传感器教学用 第一章温度传感器教学用第一章温度传感器教学用 热电偶原理图热电偶原理图 TT0 A B 热端热端冷端冷端 第一章温度传感器教学用第一章温度传感器教学用 热电偶原理图热电偶原理图 TT0 A B 热端热端冷端冷端 AB T 00 0 ,TETEdTTTE ABAB T T TAB AB 第一章温度传感器教学用第一章温度传感器教学用 接触电势原理图 + AB T eAB(T) - 第一章温度传感器教学用第一章温度传感器教学用 接触电势原理图 + AB T eAB(T) - 第一章温度传感器教学用第一章温度传感器教学用 B A AB n n e Tk Teln)( 0 接

14、触电势的大小与温度高低及导体中的电子密度有关。接触电势的大小与温度高低及导体中的电子密度有关。 接触电势原理图 + AB T eAB(T) - 第一章温度传感器教学用第一章温度传感器教学用 AeA(T,To) To T 温差电势原理图温差电势原理图 a b E 第一章温度传感器教学用第一章温度传感器教学用 AeA(T,To) To T 温差电势原理图温差电势原理图 a b E 第一章温度传感器教学用第一章温度传感器教学用 eA(T，T0)导体导体A两端温度为两端温度为T、T0时形成的温差电动势；时形成的温差电动势； T，T0高低端的绝对温度；高低端的绝对温度； A汤姆逊系数，表示导体汤姆逊系数

15、，表示导体A两端的温度差为两端的温度差为1时所产生的温时所产生的温 差电动势，例如在差电动势，例如在0时，铜的时，铜的 =2V/。 dTTTe T T AA 0 ),( 0 AeA(T,To) To T 温差电势原理图温差电势原理图 a b E Tn Tn e Tk B A ln 0 0 00 ln Tn Tn e Tk B A dT T T BA 0 )( ),(),()()(),( 0000 TTeTTeTeTeTTE BAABABAB n nA A(T)(T)、n nA A(T(T0 0)导体导体A A在结点温度为在结点温度为T T和和T T0 0时的电子密度；时的电子密度； n nB

16、B(T)(T)、n nB B(T(T0 0)导体导体B B在结点温度为在结点温度为T T和和T T0 0时的电子密度；时的电子密度； A A 、 B B导体导体A A和和B B的汤姆逊系数。的汤姆逊系数。 T0T eAB(T)eAB(T0) eA(T,T0) eB(T,T0) A B 0 0 0 000 0 0 00 0 0000 0 0 lnln lnln TETE dT Tn Tn q Tk dT Tn Tn q Tk dTdT Tn Tn q Tk Tn Tn q Tk ABAB T AB B A T AB B A T AB T AB B A B A Tn Tn e Tk B A ln

17、0 0 00 ln Tn Tn e Tk B A dT T T BA 0 )( ),(),()()(),( 0000 TTeTTeTeTeTTE BAABABAB 00 ,TETETTE ABABAB T0 eA(T,T0) eB(T,T0) A B 0 ),(),(),( 0 000 T T T BA BAAB d TTeTTeTTE 0lnln 0 0 000 Tn Tn q Tk Tn Tn q Tk B A B A 第一章温度传感器教学用第一章温度传感器教学用 T0 eA(T,T0) eB(T,T0) A B 0 ),(),(),( 0 000 T T T BA BAAB d TTeT

18、TeTTE T0T eAB(T)eAB(T0) A B 0 00 dTdT T T B T T A 第一章温度传感器教学用第一章温度传感器教学用 T0T eAB(T)eAB(T0) A B 0lnln)()(),( 0 00 00 Tn Tn e kT Tn Tn e kT TeTeTTE B A B A ABABAB 00 ,TETETTE ABABAB 第一章温度传感器教学用第一章温度传感器教学用 00 ,TETETTE ABABAB 两种均质金属组成的热电偶的电势大小与热电极的两种均质金属组成的热电偶的电势大小与热电极的 直径、长度及沿热电极长度方向上的温度分布无关，只与直径、长度及沿热

19、电极长度方向上的温度分布无关，只与 热电极材料和温度有关。热电极材料和温度有关。 1. 1. 均质导体定律均质导体定律 如果材质不均匀，则当热电极上各处温度不同时，如果材质不均匀，则当热电极上各处温度不同时， 将产生附加热电势，造成无法估计的测量误差，因此，热将产生附加热电势，造成无法估计的测量误差，因此，热 电极材料的均匀性是衡量热电偶的重要指标之一。电极材料的均匀性是衡量热电偶的重要指标之一。 第一章温度传感器教学用第一章温度传感器教学用 第一章温度传感器教学用第一章温度传感器教学用 dT Tn Tn q Tk Tn Tn q Tk TTE T T AB B A B A AB 0 0 00

20、00 0 lnln),( dT Tn Tn q Tk Tn Tn q Tk TTE T T AC C A C A AC 0 0 0000 0 lnln),( dT Tn Tn q Tk Tn Tn q Tk TTE T T BC C B C B BC 0 0 0000 0 lnln),( 第一章温度传感器教学用第一章温度传感器教学用 T T ABCABCABABC dTTeTeTeTTE 0 000 ),( 0 ),( 0 0 0 000 0 T T ABCABCAB TTABC dTTeTeTe TTE 第一章温度传感器教学用第一章温度传感器教学用 0 ),( 0 0 0 000 0 T T

21、 ABCABCAB TTABC dTTeTeTe TTE ),(),( 000 0 TTEdTTeTeTTE AB T T ABABABABC 000 TeTeTe ABCABC 第一章温度传感器教学用第一章温度传感器教学用 第一章温度传感器教学用第一章温度传感器教学用 nABABAB TETETTE n , 00 ,TETETTE ABnABnAB 00 0 0 , , TTETETE TETETETE TTETTE ABABAB ABnABnABAB nABnAB 第一章温度传感器教学用第一章温度传感器教学用 第一章温度传感器教学用第一章温度传感器教学用 第一章温度传感器教学用第一章温度传感器教学用 第一章温度传感器教学用第一章温度传感器教学用 0 ,0 , 0