第2章 温度检测

1、第第2章章 温度检测温度检测 温标及测温方法温标及测温方法 膨胀式温度计膨胀式温度计 热电阻温度传感器热电阻温度传感器 热电偶传感器热电偶传感器 集成温度传感器集成温度传感器 光纤传感器光纤传感器 辐射法测温（非接触式测温）辐射法测温（非接触式测温）第第2章章 温度检测温度检测 温度是表征物体或系统冷热温度是表征物体或系统冷热程度的物理量。温度单位是国际程度的物理量。温度单位是国际单位制中七个基本单位之一。单位制中七个基本单位之一。 本章在简单介绍温标及测温本章在简单介绍温标及测温方法的基础上，重点介绍膨胀式方法的基础上，重点介绍膨胀式温度计、电阻式温度传感器、温度计、电阻式温度传感器、薄薄膜

2、热传感器、膜热传感器、热电偶传感器、辐热电偶传感器、辐射式温度传感器、光纤温度传感射式温度传感器、光纤温度传感器、集成温度传感器等的原理与器、集成温度传感器等的原理与应用。应用。温度变送器温度变送器2.1 温标及测温方法温标及测温方法 2.1.1 温标温标 常用温标常用温标: : 国际温标国际温标 摄氏温标摄氏温标 华氏温标华氏温标 常用温标换算：常用温标换算：32)59C(F)32F(95C15.273CK2.1 温标及测温方法温标及测温方法 2.1.2 温度检测方法分类及其特点温度检测方法分类及其特点 温度检测方法可分为温度检测方法可分为接触式接触式测温和测温和非接触式非接触式测测温两大类

3、。温两大类。 常用测温方法及其特点？常用测温方法及其特点？ （1p.156-157, 2p.209-210） 2.2 膨胀式温度计膨胀式温度计 膨胀式温度计分为膨胀式温度计分为固体膨胀式温度计固体膨胀式温度计和和气体（或气体（或液体）膨胀液体）膨胀式温度计式温度计两大类。两大类。 2.2.1 固体膨胀式（固体膨胀式（双金属）温度计双金属）温度计 原理？原理？ 特点特点: :结构简单，牢固可靠，抗震性能好，结构简单，牢固可靠，抗震性能好，读数方便，廉价；精度不高，测量范围也不大。读数方便，廉价；精度不高，测量范围也不大。2.2 膨胀式温度计膨胀式温度计Bimetallic thermometer

4、02040-40-2002040-20-402.2 膨胀式温度计膨胀式温度计 Realizations of bimetallic thermometers2.2 膨胀式温度计膨胀式温度计双金属温度计双金属温度计应用举例应用举例：电烤箱的温度指示、控：电烤箱的温度指示、控制和调节。电火锅？制和调节。电火锅？220V2.2 膨胀式温度计膨胀式温度计 2.2.2 气体气体膨胀膨胀式（式（压力式）温度计压力式）温度计 压力表？压力表？温度标度温度标度原理？原理？特点？特点？误差与补偿误差与补偿？气体介质气体介质弹簧管弹簧管温包温包毛细管毛细管常见的常见的液体膨胀式（压力式）温度计液体膨胀式（压力式）

5、温度计如酒精温度计、如酒精温度计、水银温度计等。更复杂的（带补偿措施）见后。水银温度计等。更复杂的（带补偿措施）见后。(波登管波登管)Principle: liquid filled thermometers consist of a bulb connected with a capillaryand a Bourdon element, a bellow or a diaphragm. Compensation methods？Liquid filled expansion thermometers2.3 热热电阻温度传感器电阻温度传感器2.3.1 热电阻传感器热电阻传感器 测温基础：测温

6、基础：多数金属的电阻率随温度升高而增大，多数金属的电阻率随温度升高而增大，具有正的温度系数。具有正的温度系数。 特点特点: : 精度高，适宜于测低温。精度高，适宜于测低温。 对金属材料要求：对金属材料要求：电阻温度系数大，电阻率大，热电阻温度系数大，电阻率大，热容量小；在测温范围内有稳定的物理和化学性质；电容量小；在测温范围内有稳定的物理和化学性质；电阻与温度的关系最好近似于线性，或为平滑的曲线；阻与温度的关系最好近似于线性，或为平滑的曲线；容易加工，复制性好，价格便宜。容易加工，复制性好，价格便宜。 热电阻温度传感器热电阻温度传感器是利用导体或半导体的电阻率随是利用导体或半导体的电阻率随温度

7、变化而变化的原理制成的，可将温度变化转换为电温度变化而变化的原理制成的，可将温度变化转换为电阻变化。由金属（铂、铜、镍等）材料制成的称为阻变化。由金属（铂、铜、镍等）材料制成的称为热电热电阻阻；由半导体材料制成的称为；由半导体材料制成的称为热敏电阻热敏电阻。一、一、 铂电阻铂电阻 精度高，稳定性好，性能可靠。主要用作标准电阻温精度高，稳定性好，性能可靠。主要用作标准电阻温度计，也常用于工业测量。铂电阻的度计，也常用于工业测量。铂电阻的优缺点优缺点？ 0850： -2000： 工业标准：工业标准：50/100/1000；Pt50/Pt100/Pt1000 分度表分度表及其应用及其应用)BA1 (

8、20tttRR)100C(BA1 320ttttRR391. 10100RR铂电阻分度表：铂电阻分度表： 注：手册上温度步长为注：手册上温度步长为1。必要时可。必要时可插值插值。后同！。后同！二、铜电阻铜电阻 铂是贵金属，价格昂贵，因此在测温范围比较铂是贵金属，价格昂贵，因此在测温范围比较小小(-50+150)的情况下，可采用铜制成的测的情况下，可采用铜制成的测温电阻，称温电阻，称铜电阻铜电阻。铜电阻的。铜电阻的优缺点优缺点？ 工业标准：工业标准：50/100；Cu50/Cu100 分度表分度表及其应用及其应用)CBA1 (320ttttRR425. 10100RR铜电阻分度表：铜电阻分度表：

9、分度号：分度号：Cu50， 050R 温度温度/ /0102030405060708090电阻电阻/050.0047.8545.7043.5541.4039.24050.0052.1445.2856.4258.5660.7062.8464.9867.1269.2610071.4073.5475.6877.8379.9882.13铂电阻传感器实物铂电阻传感器实物 铂电阻传感器实物（续）铂电阻传感器实物（续）耐磨、防腐热电阻传感器实物：耐磨、防腐热电阻传感器实物：装配式热电阻传感器实物：装配式热电阻传感器实物：软导线式热电阻传感器实物：软导线式热电阻传感器实物：三线制？三线制？三、铁电阻和镍电阻铁

10、电阻和镍电阻 这两种金属的电阻温度系数较高、电阻率较这两种金属的电阻温度系数较高、电阻率较大，故可做成体积小，灵敏度高的电阻温度大，故可做成体积小，灵敏度高的电阻温度计，其计，其缺点缺点是容易氧化，化学稳定性差，不是容易氧化，化学稳定性差，不易提纯，复制性差，且电阻值与温度的关系易提纯，复制性差，且电阻值与温度的关系线性差线性差。四种金属电阻温度特性比较四种金属电阻温度特性比较比较比较线性线性和和灵敏灵敏度度（电阻的相对（电阻的相对变化率）！变化率）！t /2.3 热热电阻温度传感器电阻温度传感器四四 、热电阻传感器的测量电路、热电阻传感器的测量电路 1、三线连接法、三线连接法(原因？条件？优

11、点？原因？条件？优点？)三线连接法（三线连接法（1）2.3 热热电阻温度传感器电阻温度传感器 三线连接法（三线连接法（2）(原因？条件？优点？原因？条件？优点？)2.3 热热电阻温度传感器电阻温度传感器2、四线连接法、四线连接法(原因？条件？优点？原因？条件？优点？)2.3 热热电阻温度传感器电阻温度传感器铂热电阻测温电路铂热电阻测温电路: :电桥电桥差动放大器差动放大器有源低通滤波器有源低通滤波器调零点？调增益？调零点？调增益？2.3 热热电阻温度传感器电阻温度传感器热电阻数字温度计热电阻数字温度计: :MAX138为为3 1/2位位ADC。RT=1k（0）调）调RP2显显0； RT=1.3

12、85k （100）调）调RP1显显100。2.3 热热电阻温度传感器电阻温度传感器热电阻电热水器加热声提示热电阻电热水器加热声提示（停止加热光提示）（停止加热光提示）：加热温度可调。加热温度可调。在实践中，若精度要求不高，为降在实践中，若精度要求不高，为降低成本、减小体积及减轻重量，常采用低成本、减小体积及减轻重量，常采用简易直流电源简易直流电源!简易直流电源的具体形式可根据需要而定。简易直流电源的具体形式可根据需要而定。测低温和超低温的热电阻测低温和超低温的热电阻: : 国际制冷学会国际制冷学会:T120K为冷冻温区为冷冻温区; 120KT0.3K为为低温区低温区; T0.3K为超低温区。为

13、超低温区。 常压下，液氦沸点常压下，液氦沸点4.2K，液氮沸点，液氮沸点77.3K。 H. K. Onnes，1911，Hg，略低于，略低于4.2K，电阻突然，电阻突然消失。后来发现很多其他材料也有类似现象。消失。后来发现很多其他材料也有类似现象。 一些材料在某一低温下电阻消失的现象称为超导一些材料在某一低温下电阻消失的现象称为超导（superconducting）现象，相应的温度称为该超导）现象，相应的温度称为该超导材料的临界温度材料的临界温度Tc。 超导材料有重要而广泛的用途，研究热点。超导材料有重要而广泛的用途，研究热点。 Tc30K，液氦条件下工作（昂贵、复杂），称为低，液氦条件下工作

14、（昂贵、复杂），称为低温超导材料。重点研究高温超导材料（温超导材料。重点研究高温超导材料（1986年到液年到液氮温区）。氮温区）。测低温和超低温的热电阻测低温和超低温的热电阻: :超导材料进展超导材料进展2004年年12月，月，中国科学院中国科学院电工研究所电工研究所与甘肃长通与甘肃长通电缆公司等电缆公司等合作研制成合作研制成功功75m、10.5 kV/ 1500A交交流高温超导流高温超导电缆，并接电缆，并接入到甘肃长入到甘肃长通电缆公司通电缆公司6kV配电网中配电网中向车间供电向车间供电运行。运行。测低温和超低温的热电阻测低温和超低温的热电阻: : 铂电阻和铜电阻不适合测低温和超低温。铂电阻

15、和铜电阻不适合测低温和超低温。 铟电阻铟电阻：3004.2K，4.215K灵敏度比铂电阻灵敏度比铂电阻高高10倍。材料软，复制性差。倍。材料软，复制性差。 锰电阻锰电阻：632K，灵敏度高。材料脆，难拉，灵敏度高。材料脆，难拉丝。丝。 碳电阻碳电阻：液氦温区，廉价，对磁场不敏感。：液氦温区，廉价，对磁场不敏感。热稳定性差。热稳定性差。2.3.2 热敏电阻传感器热敏电阻传感器 热敏电阻热敏电阻是用一种是用一种半导体材料半导体材料制成的敏感元件，制成的敏感元件，其特点是电阻随温度变化而显著变化，能直接将温其特点是电阻随温度变化而显著变化，能直接将温度的变化转换为能量的变化。制造热敏电阻的材料度的变

16、化转换为能量的变化。制造热敏电阻的材料很多，如锰、铜、镍、钴和钛等氧化物，它们按一很多，如锰、铜、镍、钴和钛等氧化物，它们按一定比例混合后压制成型，然后在高温下焙烧而成。定比例混合后压制成型，然后在高温下焙烧而成。热敏电阻具有灵敏度高、体积小、较稳定、制作简热敏电阻具有灵敏度高、体积小、较稳定、制作简单、寿命长、易于维护、动态特性好等单、寿命长、易于维护、动态特性好等优点优点，因此，因此得到较为广泛的应用，尤其是应用于远距离测量和得到较为广泛的应用，尤其是应用于远距离测量和控制中。控制中。一、一、热敏电阻的分类热敏电阻的分类 正温度系数正温度系数/PTC (positive temperatu

17、re coefficient)。用于彩电消磁、电器热保护、。用于彩电消磁、电器热保护、发热源的恒温控制、限流等。发热源的恒温控制、限流等。 负温度系数负温度系数/NTC (negative temperature coefficient) 。用于。用于测温测温、温度补偿等。、温度补偿等。一般一般不能并联使用！不能并联使用！ 临界温度系数临界温度系数/CTR (critical temperature resistor) （在某一特定温度下电阻值发生（在某一特定温度下电阻值发生突突变）。用作变）。用作温度开关温度开关。三类热敏电阻的特性：三类热敏电阻的特性：PTC、NTC系列热敏电阻实物：系列热

18、敏电阻实物： 恒温加热恒温加热 彩电消磁彩电消磁 电机延时启动电机延时启动 超大功率型超大功率型 NTC非标准非标准贴片式贴片式二、热敏电阻的主要参数二、热敏电阻的主要参数三、热敏电阻的特点三、热敏电阻的特点 优点优点：灵敏度高（温度系数较热电阻的大得：灵敏度高（温度系数较热电阻的大得多）、多）、体积小、热贯性小、结构简单、化学稳体积小、热贯性小、结构简单、化学稳定性好、机械性能强、价格低廉、寿命长。定性好、机械性能强、价格低廉、寿命长。 缺点缺点：复现性和互换性差、非线性严重、测温：复现性和互换性差、非线性严重、测温范围较窄范围较窄( (目前只能达到目前只能达到-50300) )。四、四、热

19、敏电阻特性线性化热敏电阻特性线性化 串联补偿电阻串联补偿电阻 并联补偿电阻并联补偿电阻 它线性化电路它线性化电路 五、热敏电阻的应用五、热敏电阻的应用1、温度测量（点温计，体温表）、温度测量（点温计，体温表）2、温度补偿（举例）、温度补偿（举例）3、温度控制（举例）、温度控制（举例）4、过热保护、过热保护 点温计：点温计： 利用热敏电阻对温度变化利用热敏电阻对温度变化的高度敏感性能，可以制成测的高度敏感性能，可以制成测量点温、反应迅速的量点温、反应迅速的点温计点温计。点温计不仅可以用来测量一般点温计不仅可以用来测量一般的气体、液体或固体的温度，的气体、液体或固体的温度，而且还适宜于测量微小物体

20、或而且还适宜于测量微小物体或物体局部的温度。例如，测量物体局部的温度。例如，测量运行中电机轴承的温度、晶体运行中电机轴承的温度、晶体管外管的温升、植物叶片温度、管外管的温升、植物叶片温度、人体内血液的温度等人体内血液的温度等。 S1、S2均为同轴联动开关，均为同轴联动开关， S1选择选择“断开、校准、测量断开、校准、测量”， S2选择选择“量程量程”。R5、R6、RW作用作用？热敏电阻温度计（表）热敏电阻温度计（表） 热敏电阻热敏电阻 面板式面板式手持式手持式热敏电阻体温表热敏电阻体温表原理原理（动画动画）? 测温电路：测温电路：温度温度NTC多谐多谐振荡器振荡器频率（输频率（输出）出）NTC

21、 温度补偿温度补偿: :仪表中的一些常用零件，如线圈、线绕电阻等，一般用仪表中的一些常用零件，如线圈、线绕电阻等，一般用金属丝制作。金属丝制作。金属一般具有正的温度系数。采用金属一般具有正的温度系数。采用NTC进行补偿，可以抵消由于温度变化所产生的误差进行补偿，可以抵消由于温度变化所产生的误差。常见。常见补偿方式如图示。补偿方式如图示。温控电路：温控电路：加热指示灯加热指示灯NTC温度调节温度调节电磁继电器电磁继电器: （配套插座）（配套插座）电磁继电器电磁继电器是利用电磁力操纵触点动作的自动开关，分为直流、是利用电磁力操纵触点动作的自动开关，分为直流、交流两大类，也分为电流继电器（串于电路）

22、、电压继电器（并交流两大类，也分为电流继电器（串于电路）、电压继电器（并于电路）、中间继电器、时间继电器等。于电路）、中间继电器、时间继电器等。电流继电器电流继电器（上图）常（上图）常用于弱电控制强电。用于弱电控制强电。固态继电器固态继电器（SSR）优点多（小、轻、无机械触点）优点多（小、轻、无机械触点/无火花无火花/无无噪声、功耗低、寿命长等），越来越多地取代电磁继电器。噪声、功耗低、寿命长等），越来越多地取代电磁继电器。额定电流额定电流？触点对数触点对数？触点容量触点容量？电流继电器原理图电流继电器原理图123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSize

23、BDate:29-Dec-2011Sheet of File:E:周胜海(3)U盘论文插图(zsh)期刊论文2(zsh).ddbDrawn By:J220V220VJ1J2J3RL123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:29-Dec-2011Sheet of File:E:周胜海(3)U盘论文插图(zsh)期刊论文2(zsh).ddbDrawn By:ABCCCC接触器的三对接触器的三对主触点也可并主触点也可并联使用，以增联使用，以增加触点容量。加触点容量。接触器接触器:接触器接触器是利用电磁力操纵是利用电磁力操纵触点动作的自动开关，常

24、触点动作的自动开关，常用于接通或断开用于接通或断开主（大电主（大电流）电路流）电路及其及其控制电路控制电路，分为直流、交流两大类。分为直流、交流两大类。主触点主触点（3对）对）主电路主电路辅助触点辅助触点（若干对（若干对/常开常开/常闭）常闭）控制电路控制电路继电器和接触器控制交流负载：继电器和接触器控制交流负载： 温控电路：温控电路： Rt220V被控温度可调。被控温度可调。变压器变压器隔离隔离强电与弱电。强电与弱电。 大功大功率加热用晶闸管（可控硅）或三相加热。率加热用晶闸管（可控硅）或三相加热。在实践中，在实践中，若精度要求不高，为降低成本、减小体积及减轻重量，若精度要求不高，为降低成本

25、、减小体积及减轻重量，常采用常采用简易直流电源简易直流电源! !简易直流电源的具体形式可根据简易直流电源的具体形式可根据需要而定。需要而定。PTC热保护：热保护： 将将CTR与被测物紧密接触，并与继电器串联。给电路与被测物紧密接触，并与继电器串联。给电路加上恒定电压。当被测物温度升到某一定数值时，电加上恒定电压。当被测物温度升到某一定数值时，电路中的电流可以由十分之几毫安变为几十毫安，致继路中的电流可以由十分之几毫安变为几十毫安，致继电器动作，从而实现电器动作，从而实现温度控制温度控制或或过热保护过热保护。 图示为热敏电阻组成的图示为热敏电阻组成的热敏继电器热敏继电器，用于，用于电动机电动机过

26、热过热保护。保护。 2.3.3 薄膜热电阻传感器薄膜热电阻传感器（ 3p.32-35） )exp()(1)()(0B0C30B30ATKqUTKKTKKTKKT1. 金属薄膜热电阻金属薄膜热电阻 结构结构:薄膜热电阻是把金属薄膜热电阻是把金属铂铂粉碎成微细铂粉，用粉碎成微细铂粉，用真空沉积的薄膜技术把铂粉附着在陶瓷基片上，膜厚在真空沉积的薄膜技术把铂粉附着在陶瓷基片上，膜厚在2 m以内，用玻璃烧结材料把引线固定，经过激光调阻以内，用玻璃烧结材料把引线固定，经过激光调阻制成。制成。 测表面温度、微小体积温度、瞬变温度等，对温度测表面温度、微小体积温度、瞬变温度等，对温度传感器的传感器的特殊要求特

27、殊要求：热容量（惯性）小、反应快、体积：热容量（惯性）小、反应快、体积小。小。薄膜热电阻薄膜热电阻具备这些特点。常用薄膜热电阻主要有具备这些特点。常用薄膜热电阻主要有金属金属薄膜热电阻和薄膜热电阻和多晶硅多晶硅薄膜热电阻。薄膜热电阻。2. 多晶硅薄膜热电阻多晶硅薄膜热电阻)100C(BA1 320tttttRR2.4 热电偶传感器热电偶传感器 热电偶作为敏感元件的热电偶作为敏感元件的主要优点主要优点：结构简单：其主体实际上是由两种不同性质的导体或结构简单：其主体实际上是由两种不同性质的导体或半导体互相绝缘并将一端焊接在一起而成的。半导体互相绝缘并将一端焊接在一起而成的。有较高的准确度有较高的准

28、确度 。测量范围测量范围宽：宽：常用的热电偶可测常用的热电偶可测-501600；用特；用特殊材料的热电极，可测殊材料的热电极，可测-2712800。有良好的敏感度。有良好的敏感度。使用方便。使用方便。热电效应热电效应热电偶基本定律热电偶基本定律热电偶材料及常用热电偶热电偶材料及常用热电偶热电偶热电偶冷端温度补偿冷端温度补偿热电偶测温电路热电偶测温电路 2.4.1 热电效应热电效应 如图，由如图，由两段两段不同不同的的匀质匀质导体导体A、B组组合，能将温度合，能将温度信号转换成电势（或电流）信号的温度传感器称为信号转换成电势（或电流）信号的温度传感器称为热电热电偶偶。热电偶测温原理是。热电偶测温

29、原理是热电效应热电效应。 热电效应热电效应也称为塞贝克效应。也称为塞贝克效应。热电势热电势也称为温差电也称为温差电势或塞贝克电势。回路中产生的电流称为势或塞贝克电势。回路中产生的电流称为热电流热电流。导体。导体A、B称为称为热电极热电极。测温。测温时，结点时，结点1置于测温点，称为置于测温点，称为测测量端量端( (工作端工作端、热端热端) )；结点；结点2通常保持某一恒定温度，通常保持某一恒定温度，称为称为参考端参考端( (自由端自由端、冷端冷端) )。 两种导体的接触电势：两种导体的接触电势：测量测量端结点端结点的接触电势的接触电势为为 式中式中 k波尔兹曼常数，波尔兹曼常数，1.38010

30、-23JK-1 T 接触处的绝对温度接触处的绝对温度 e 电子电荷数，电子电荷数，1.60210-19C NA、NB 热电极热电极A、B的自由电子密度的自由电子密度BAABln)(NNekTTE 参考端结点参考端结点的接触电势的接触电势为为 热电偶热电偶中中的的接触电势接触电势为二者的代数和，即为二者的代数和，即 BA00ABln)(NNekTTEBA00ABABln)()()(NNTTekTETE 单一导体的温差电势：单一导体的温差电势：热电极热电极A的温差电势为的温差电势为 式式中中 A热电极热电极A的汤姆逊系数。的汤姆逊系数。同理同理，可得，可得热电极热电极B的的温差电势。温差电势。热电

31、偶热电偶中的中的温差电势温差电势为二者的代数和，即为二者的代数和，即 TTTTTE0d),(A0ATTTETTd)(),(0BA0AB 热电偶热电偶的的热电势热电势为接触电势与温差电势之和（后为接触电势与温差电势之和（后者相对较小），即者相对较小），即 若两热电极材料相同，即使两结点温度不同若两热电极材料相同，即使两结点温度不同( (TT0) )，热电势也为零。所以，两个热电极必须选用不同材料。热电势也为零。所以，两个热电极必须选用不同材料。若两结点温度相同，则热电势也为零。若两结点温度相同，则热电势也为零。热电势的大小只与热电极材料性质和结点温度有关，热电势的大小只与热电极材料性质和结点温度

32、有关，与热电极的尺寸、形状及沿热电极温度分布无关。与热电极的尺寸、形状及沿热电极温度分布无关。注注意意：若热电极不是匀质的，则沿热电极的温度梯度会：若热电极不是匀质的，则沿热电极的温度梯度会引起附加电势。引起附加电势。给定热电偶，给定热电偶， ，测温原理？测温原理？ TNNTTekTTETTd)(ln)(),(0BABA00ABTTTTTE)(),(00AB2.4.2 热电偶的基本定律热电偶的基本定律中间导体定律中间导体定律标准电极定律标准电极定律连接导体定律连接导体定律中间温度定律中间温度定律 中间导体定律中间导体定律: 在热电偶回路中，只要中间导体两端的温度相同，在热电偶回路中，只要中间导

33、体两端的温度相同，那么接入中间导体后，对热电偶回路的热电势无影那么接入中间导体后，对热电偶回路的热电势无影响，即响，即 EABC(T,T0)=EAB(T,T0) 可接入仪表、降低焊接要求！可接入仪表、降低焊接要求！ 标准电极定律标准电极定律: 如果将如果将导体导体C( (热电极，一般为热电极，一般为纯铂丝纯铂丝) )作为作为标准电极标准电极( (也称也称参考电极参考电极) )，并已知标准电极与任意导体配对时，并已知标准电极与任意导体配对时的热电势，则在相同结点温度的热电势，则在相同结点温度( (T，T0) )下，任意两导下，任意两导体体A、B组成的热电偶，其热电势可由下式求得：组成的热电偶，其

34、热电势可由下式求得：EAB(T,T0)=EAC(T,T0)-EBC(T,T0)可简化热电偶的可简化热电偶的选配！选配！ 连接导体定律连接导体定律: 在热电偶回路中，如果热电极在热电偶回路中，如果热电极A、B分别与连接导线分别与连接导线A、B相连接，结点温度分别为相连接，结点温度分别为T、Tn、T0 ，那么，那么回路的热电势将等于热电偶的热电势回路的热电势将等于热电偶的热电势EAB(T,Tn ) 与连与连接导线接导线A、B在温度在温度Tn、T0 时热电势时热电势 EAB (Tn, T0) 的代数和，即的代数和，即 EABBA (T,Tn,T0)=EAB(T,Tn)+EAB (Tn,T0) 中间温

35、度定律：中间温度定律： 热电偶在结点温度为热电偶在结点温度为T、T0时的热电势值时的热电势值EAB(T,T0 )，等于热电偶在，等于热电偶在(T,Tn ) 、 (Tn,T0 ) 时相时相应的热电势应的热电势EAB(T,Tn )与与 EAB(Tn,T0 ) 的代数和，的代数和，即即 EAB(T,Tn,T0)=EAB(T,Tn)+EAB(Tn,T0) 中间温度定律与热电偶的分度表？中间温度定律与热电偶的分度表？ 【例例】：已知已知S型热电偶的冷端温度为型热电偶的冷端温度为30，测得热，测得热电势为电势为6.526mV，被，被测温度是多少？测温度是多少？ )(740)699. 6()0 ,30,(m

36、V)699. 6173. 0526. 6)0 ,30()30,()0 ,30,(ABABABAB查分度表fTEfTETETE2.4.3 热电偶材料及常用热电偶热电偶材料及常用热电偶对热电极材料主要要求：对热电极材料主要要求：配成的热电偶的热电势大，配成的热电偶的热电势大，热电势与温度之间成线性关系或近似线性关系。热电势与温度之间成线性关系或近似线性关系。测测温范围宽，长期工作物理性能、化学性能和热电性能温范围宽，长期工作物理性能、化学性能和热电性能都比较稳定。都比较稳定。电阻率和电阻温度系数都小（否则热电阻率和电阻温度系数都小（否则热电偶的电阻随测量端的温度不同而有较大的变化，影电偶的电阻随测

37、量端的温度不同而有较大的变化，影响测量精度）。响测量精度）。易于复制，工艺简单，价格便宜。易于复制，工艺简单，价格便宜。标准化热电偶标准化热电偶（1p.173-175） ：种类种类？分度号分度号？主要主要技术数据技术数据？热电势与温度之间的关系热电势与温度之间的关系？分度表分度表（1p.287-291）？非标准化热电偶非标准化热电偶（1p.175）：标准化热电偶主要技术数据：标准化热电偶主要技术数据：热电偶名称热电偶名称分度分度号号热电极识别热电极识别E（100,0）（mV）测温范围（测温范围（）对分度表允许偏差（对分度表允许偏差（）新新极极性性识别识别长期长期短期短期等等级级使用温度使用温度

38、允差允差铂铑10-铂S正亮白较硬0.6460130016006001.5负亮白柔软6000.25%t铂铑13-铂R正较硬0.6470130016006001.5负柔软11000.25%t铂铑30-铂铑B正较硬0.0330160018006009004负稍软8000.5%t镍铬-镍硅K正不亲磁4.096012001300-4013002.5或0.75%t负稍亲磁-200402.5或1.5%t镍铬硅-镍硅N正不亲磁2.774-20012001300-4011001.5或0.4%t负稍亲磁-4013002.5或0.75%t镍铬-康铜E正暗绿6.319-200760850-409002.5或0.75%

39、t负亮黄-200402.5或1.5%t铜-康铜T正红色4.279-200350400-403501或0.75%t负银白色-200401或1.5%t铁-康铜J正亲磁5.269-40600750-407502.5或0.75%t负不亲磁 标准化热电偶热电势与温度之间的关系：标准化热电偶热电势与温度之间的关系：有的非线性较重，必要时非线性补偿。有的非线性较重，必要时非线性补偿。硬件法？软件法？硬件法？软件法？（1p.177-178）铂铑铂铑10-铂热电偶（铂热电偶（S型）分度表：型）分度表： 安装式热电偶传感器实物：安装式热电偶传感器实物：软导线式热电偶传感器实物：软导线式热电偶传感器实物：铠装式热电

40、偶传感器实物：铠装式热电偶传感器实物：薄膜热电偶简介薄膜热电偶简介: : 原理由德国人原理由德国人P. Hackeman 于二次世界大战期间提于二次世界大战期间提出出 ，并将研制成的薄膜热电偶（其薄膜厚度为，并将研制成的薄膜热电偶（其薄膜厚度为2 m ）用于测量枪膛在子弹射出时壁温的变化。用于测量枪膛在子弹射出时壁温的变化。 测温原理与普通丝式热电偶相似。测温原理与普通丝式热电偶相似。 热偶结点（测量端）既小又薄（为热偶结点（测量端）既小又薄（为nm或或 m级的薄膜，级的薄膜，0.010.1 m ），具有热惯性小、反应快（动态时间），具有热惯性小、反应快（动态时间常数可达常数可达 s量级量级

41、）、体积小、便于安装、耐磨、耐）、体积小、便于安装、耐磨、耐压、耐热冲击、抗剥离等优点。压、耐热冲击、抗剥离等优点。 适合于测量瞬变的表面温度和微小面积上的温度。能适合于测量瞬变的表面温度和微小面积上的温度。能应用于发动机缸壁、枪炮膛内壁、相对运动部件表面、应用于发动机缸壁、枪炮膛内壁、相对运动部件表面、切割刀具等温度变化很快的瞬态温度测试。切割刀具等温度变化很快的瞬态温度测试。 缺点是动态标定精度要求较高，且冷端需要补偿。缺点是动态标定精度要求较高，且冷端需要补偿。2.4.4 热电偶冷端温度补偿热电偶冷端温度补偿 补偿导线法补偿导线法（冷端延长线法（冷端延长线法） 冰浴法（恒温法）冰浴法（恒

42、温法） 补偿电桥法补偿电桥法 计算法计算法 AD590补偿法补偿法 AD594AD597系列单片集成热电偶冷端系列单片集成热电偶冷端温度补偿温度补偿器（集冷端温度补偿器和仪表放大器于一体）器（集冷端温度补偿器和仪表放大器于一体） 软件处理法（如软件处理法（如DS18B20）冷端温度补偿的必要性？冷端温度补偿的必要性？1. 补偿导线法（冷端延长线法补偿导线法（冷端延长线法） 工业中测量现场与控制室常常较远。工业中测量现场与控制室常常较远。 热电偶材料较贵，热电偶尺寸不宜过长，冷端往往热电偶材料较贵，热电偶尺寸不宜过长，冷端往往在现场，不仅难以保持在现场，不仅难以保持0，而且温度随环境温度，而且温

43、度随环境温度变化。变化。 为解决上述问题，用冷端延长线（为解决上述问题，用冷端延长线（冷端补偿导线冷端补偿导线）。）。冷端延长线是把一定温度范围内（一般为冷端延长线是把一定温度范围内（一般为0100 ）与热电偶具有与热电偶具有相同热电性质相同热电性质的两种较长的金属线与的两种较长的金属线与热电偶配接。热电偶配接。 延长线与热电偶延长线与热电偶配套配套；温度范围；极性；两个接点；温度范围；极性；两个接点温度必须相同。温度必须相同。（1p.171-172） 2. 冰浴法（恒温法）冰浴法（恒温法） 4. 计算法计算法（1p.172）5. AD590补偿法补偿法（见后）（见后）6. 单片集成补偿器单片

44、集成补偿器AD594AD597（1p.179）7. 软件处理法软件处理法（如（如DS18B20）（2p.221-222） 3. 补偿电桥法补偿电桥法 商品化；配套；极性；商品化；配套；极性；20输出为零；规定温度范围。输出为零；规定温度范围。RSRS为限流电阻，由热电偶类型决定。为限流电阻，由热电偶类型决定。6. AD590补偿法补偿法保持保持AD590与冷端温度相同。与冷端温度相同。先在室温下调先在室温下调RT使仪表指示温使仪表指示温度与实际温度一致。度与实际温度一致。不同分度号的热电偶，不同分度号的热电偶，R取值不同。取值不同。高精度高精度电压源电压源2.5VR 习题习题: :1. 请简要

45、说明热电偶的基本定律及其主要请简要说明热电偶的基本定律及其主要应用。应用。2. 请简要说明常用的热电偶请简要说明常用的热电偶冷端温度补偿冷端温度补偿方法及其主要特点。方法及其主要特点。2.4.5 热电偶测温电路热电偶测温电路1. 热电偶直接与指示仪表配用热电偶直接与指示仪表配用 热电偶与动圈式仪表连接，如图所示。这时流热电偶与动圈式仪表连接，如图所示。这时流过仪表的电流不仅与势电势大小有关，而且与测温过仪表的电流不仅与势电势大小有关，而且与测温回路的总电阻有关，因此要求回路总电阻必须为恒回路的总电阻有关，因此要求回路总电阻必须为恒定值，即定值，即 Rr+Rc+RG=常数常数 式中：式中：Rr热

46、电偶电阻；热电偶电阻；Rc 连接导线电阻；连接导线电阻；RG 指示仪表的内阻指示仪表的内阻 这种线路结构简单、价格便宜，常用于测温精这种线路结构简单、价格便宜，常用于测温精度要求不高的场合。度要求不高的场合。2. 串联串联 为了提高测量精度和灵敏度为了提高测量精度和灵敏度，也可将，也可将n支支型号相同的型号相同的热电偶依次串接，如图所示。这时线路的总电势为热电偶依次串接，如图所示。这时线路的总电势为 EG = E1 + E2 + + En = nE 式中的式中的E1，E2， , ,En为单支热电偶的热电势。显然，为单支热电偶的热电势。显然，总电势是单支热电偶的热电势的总电势是单支热电偶的热电势

47、的n倍。倍。 若每支热电偶的绝对误差若每支热电偶的绝对误差为为E1，E2，, ,En，则，则整个串联线路的绝对误差为整个串联线路的绝对误差为 22221nGEEEE 若若 E1 = E2= En= E，则则 故串联电路的相对误差为：故串联电路的相对误差为： EnEG EEnEnEnEEGG 1个别热电偶烧个别热电偶烧断即可发现！断即可发现！ 3. 并联并联 用若干个热电偶并联，测出各点温度的用若干个热电偶并联，测出各点温度的算术平均值算术平均值。如图所示。若如图所示。若n支热电偶的电阻值相等，则并联电路支热电偶的电阻值相等，则并联电路总热电势为：总热电势为：nEEEEnG 21个别热电偶烧个别

48、热电偶烧断不易发现！断不易发现！讨论题：讨论题：上图中上图中R的作用与要求？的作用与要求？ R称称为为均衡电阻均衡电阻。作用是为了在。作用是为了在T1、T2、T3不相等时，使每只热电偶的线路中的电流免不相等时，使每只热电偶的线路中的电流免受电阻不相等的影响。与热电偶本身的电阻相受电阻不相等的影响。与热电偶本身的电阻相比，比，R必须很大。必须很大。 4. 测两点温度差测两点温度差 两支相同型号的热电偶配用相同的两支相同型号的热电偶配用相同的补偿导线补偿导线，并反并反串连接，使两热电势相减，从而测出串连接，使两热电势相减，从而测出T1和和T2的的温度差。温度差。5. 测多点温度之和测多点温度之和电

49、表电表总热电势为每个总热电势为每个热电偶的热电势热电偶的热电势之和，可测微小之和，可测微小温度变化。温度变化。1T2T3T0T6. 依次测多点温度依次测多点温度 分布于数个测温点的热电偶，由专用切换开关分布于数个测温点的热电偶，由专用切换开关依次换接至公用的一套测量电路（电表），从依次换接至公用的一套测量电路（电表），从而依次测量多点温度。而依次测量多点温度。优缺点？优缺点？ 热电偶炉温测控系统热电偶炉温测控系统（1p.179） PID晶闸管触发器晶闸管触发器晶闸管执行器晶闸管执行器XCT-101型动圈式温度指示调节仪型动圈式温度指示调节仪 自动电位差计测温仪：自动电位差计测温仪： 如果要求高

50、精度如果要求高精度测温测温并并自动记录自动记录，常采用自动电位，常采用自动电位差计。差计。 上图为上图为XWT系列自动平衡记录仪表原理图。热电系列自动平衡记录仪表原理图。热电偶后的偶后的滤波器滤波器和放大器前的和放大器前的滤波器滤波器未画出。未画出。调零电位器调零电位器未画出。在测量前调节调零电位器使仪表指针置于正确未画出。在测量前调节调零电位器使仪表指针置于正确的标度尺起点。的标度尺起点。调零电位器调零电位器记录仪记录仪主要用来记录被检测对象主要用来记录被检测对象的动态变化过程。的动态变化过程。无纸记录仪无纸记录仪有冷端补偿的热电偶放大电路：有冷端补偿的热电偶放大电路：热电偶变送器电路：热电

51、偶变送器电路：桥型热电偶变送器电路：桥型热电偶变送器电路：2.5 集成温度传感器集成温度传感器 集成温度传感器是一种利用晶体管集成温度传感器是一种利用晶体管PN结的电流与结的电流与电压特性随温度变化的规律，把敏感元件、放大电路、电压特性随温度变化的规律，把敏感元件、放大电路、补偿电路等集成化，并装封于同一壳体内的一体化温度补偿电路等集成化，并装封于同一壳体内的一体化温度检测元件。一般只能测检测元件。一般只能测150以下的温度。以下的温度。 集成温度传感器可分为集成温度传感器可分为电压型电压型、电流型电流型、数字型数字型三三类。常用类。常用后两类后两类。电压型如。电压型如 PC616A/C、LM

52、135、AN6701等；电流型如等；电流型如AD590、LM134等；数字型如等；数字型如DS18S20、ETC-800等。等。2.5.1 电流输出型集成温度传感器电流输出型集成温度传感器AD590 工作原理：工作原理：2.5 集成温度传感器集成温度传感器简化的电流型集成温度传感器的基本原理图简化的电流型集成温度传感器的基本原理图AD590的实际电路的实际电路2.5 集成温度传感器集成温度传感器AD590的主要性能指标：的主要性能指标： 电源电压：电源电压：430V 测温范围：测温范围：-55150 标定系数：标定系数：1 A/K 重复性：重复性：0.1AD590的特点的特点: 实现温度与电流

53、之间的线性变换（电流信号适实现温度与电流之间的线性变换（电流信号适于远传）；廉价；使用方便（如于远传）；廉价；使用方便（如多点温度测多点温度测控）控）。2.5 集成温度传感器集成温度传感器 This circuit allows zero adjustment as well as slope adjustment. The ICL8069 brings the input within the common-mode range, while the 5 k ohm pots trim any offset at 218K (-55), and set the scale factor. A

54、D590构成数字温度计：构成数字温度计：The ICL7106 is a high performance, low power, 31/2 digit A/D converters. Included are seven segment decoders, display drivers, a reference, and a clock. The ICL7106 is designed to interface with a liquid crystal display (LCD) and includes a multiplexed backplane drive.2.5 集成温度传感器

55、集成温度传感器 AD590用于测温差：用于测温差：2.5 集成温度传感器集成温度传感器几个几个AD590串联串联使用可测使用可测几个被测点的几个被测点的最低温度最低温度。几个几个AD590并联并联使用可测几个被测使用可测几个被测点的点的平均温度平均温度。2.5 集成温度传感器集成温度传感器AD590用于温控：用于温控：共性问题共性问题：设定、调整给定值：设定、调整给定值？获得开关信号获得开关信号？抑制临抑制临界点附近干扰引起抖动界点附近干扰引起抖动？提高开关信号驱动能力提高开关信号驱动能力？控制控制大功率电器（弱电控制强电）大功率电器（弱电控制强电）？AD581为高精为高精度度10V基准电基准

56、电压源。压源。LM311为集电为集电极开路输出型极开路输出型单电压比较器。单电压比较器。2.5 集成温度传感器集成温度传感器AD590用于多点温度自动巡检：用于多点温度自动巡检：I/V放大放大 PADC显示显示打印打印控制控制.多路模拟开关多路模拟开关AD590商品化商品化滤波滤波地址码地址码习题习题: :1.请给出一款用请给出一款用AD590实现的简易温实现的简易温度计原理图，并简要说明测温原理。度计原理图，并简要说明测温原理。2.请给出一款用两个请给出一款用两个AD590测量两点测量两点温差的原理图，并简要说明测量原温差的原理图，并简要说明测量原理。理。3.请用请用AD590设计一款温控电

57、路。电设计一款温控电路。电热元件用热元件用220V交流电源，功率为交流电源，功率为2kW。要求：。要求：画出原理图；画出原理图；简简要说明工作原理。要说明工作原理。4.请用请用AD590设计多点温度自动巡检设计多点温度自动巡检系统。要求：系统。要求：画出结构框图；画出结构框图；简要说明工作原理。简要说明工作原理。放大器放大器电压表电压表（按温度标定）（按温度标定）或或DVM （按温度（按温度标定）标定）2.5 集成温度传感器集成温度传感器2.7.2 数字输出型集成温度传感器数字输出型集成温度传感器DS18S20（programmable resolution one-wire digital

58、thermometer） 将温度信号转换为数字信号（适将温度信号转换为数字信号（适于远传）；使用方便；廉价；尤于远传）；使用方便；廉价；尤其适合其适合多点温度智能测控网多点温度智能测控网。 主要性能指标：主要性能指标： 测温测温范围：范围：-55125。 精度：精度：0.1。 可程序设置可程序设置912的分辨率。的分辨率。 传送的是串行数字信号，放传送的是串行数字信号，放 大器和大器和ADC均可省去。均可省去。 BLOCK DIAGRAMHARDWARE CONFIGURATION2.5 集成温度传感器集成温度传感器2.5.3 集成温控开关集成温控开关 将测温将测温- -比较比较- -控制电路

59、集成为一体的温度测量与控制电路集成为一体的温度测量与控制电路，称为控制电路，称为集成温控开关集成温控开关，如，如AD22105 （Low Voltage, Resistor Programmable Thermostatic Switch）。）。2.6 光纤传感器光纤传感器2.6.1 光纤光纤的结构和导光原理的结构和导光原理 光纤结构光纤结构: :中心是中心是纤芯，纤芯外是包层。纤芯和包层纤芯，纤芯外是包层。纤芯和包层都是玻璃材料，都是玻璃材料，纤芯折射率纤芯折射率n1略大于包层折射率略大于包层折射率n2，以保证光在纤芯中传播。包层外是保护套，用于保护以保证光在纤芯中传播。包层外是保护套，用于

60、保护纤芯和包层，并提高机械强度。相对折射率差纤芯和包层，并提高机械强度。相对折射率差)14. 0005. 0(112nn2.6 光纤传感器光纤传感器工作原理工作原理:光纤是根据光的全反射原理工作的。光纤是根据光的全反射原理工作的。)(sin121Cnn2.6 光纤传感器光纤传感器02221Csinnnn 入射角小于入射角小于 的入射光，即在的入射光，即在 光锥角内光锥角内的入射光，均能在光纤中理想传播。的入射光，均能在光纤中理想传播。C光纤按传输的模式分为光纤按传输的模式分为单模光纤单模光纤和和多模光纤多模光纤两类。单模两类。单模光纤光纤纤芯直径纤芯直径最小，一般在最小，一般在9 m以内；多模