传感器与检测技术理论基础13

1、中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院主要内容：主要内容：教材第十五章温度测量教材第十五章温度测量中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院 都是以热力学温度作为基本温度。都是以热力学温度作为基本温度。中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院概述概述中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院 根据所用测温物质的根据所用测温物质的不同和测温范围不同，有不同和测温范围不同，有煤油温度计、酒精温度计、煤油温度计、酒精温度计、水银温度计、气体温度计、水银温度计、气体温度计、电阻温度计、温差温度计、电阻温度计、温差温度计、辐射温度计、光测温度计辐射温度计、光测温度计等等。等等。概述概述中国

2、矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院温度测量方法及分类温度测量方法及分类 测量方法按感温元件是否与被测介质测量方法按感温元件是否与被测介质接触接触, , 可以分成接触式与非接触式两大类。可以分成接触式与非接触式两大类。 接触式测温方法是使温度敏感元件和被测温度对象相接触接触式测温方法是使温度敏感元件和被测温度对象相接触, , 当被测温度与感温元件达到热平衡时当被测温度与感温元件达到热平衡时, , 温度敏感元件与被测温度敏感元件与被测温度对象的温度相等。温度对象的温度相等。 非接触式测温方法是应用物体的热辐射能量随温度的变化非接触式测温方法是应用物体的热辐射能量随温度的变化而变化的原理。而变

3、化的原理。概述概述中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院 温度传感器的种类很多，如果按价格和性能可分为：温度传感器的种类很多，如果按价格和性能可分为： 热膨胀温度传感器，有液体、气体的玻璃式温度计、热膨胀温度传感器，有液体、气体的玻璃式温度计、体温计，结构简单，应用广泛；体温计，结构简单，应用广泛； 家电、汽车上使用的传感器，价格便宜、用量大、成家电、汽车上使用的传感器，价格便宜、用量大、成本低、性能差别不大；本低、性能差别不大； 工业上使用的温度传感器，性能价格差别比较大，因工业上使用的温度传感器，性能价格差别比较大，因为传感器的精度直接关系到产品质量和控制过程，通常价为传感器的精度直

4、接关系到产品质量和控制过程，通常价格比较昂贵。格比较昂贵。 概述概述中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院概述概述中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院概述概述 各种热电阻各种热电阻中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院概述概述中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院热电势可分为：温差电势和接触电势热电势可分为：温差电势和接触电势中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院、 、式中：式中： A A、B B 代表不同材料；代表不同材料； T T，T T0 0 为两端温度；为两端温度；

5、K波尔兹曼常数波尔兹曼常数； e电子电荷量；电子电荷量； 是是A A、B B 材料的电子浓度；材料的电子浓度；BTATABNNeKTTeln)(00ln)(00BTATABNNeKTTeATNBTN0ATN0BTN中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院00lnln)()(00BTATBTATABABABNNeKTNNeKTTeTee中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院 2.单一导体的温差电势（汤姆逊电势）单一导体的温差电势（汤姆逊电势） 对单一金属如果两边温度不同，两端也产生电势。对单一金属如果两边温度不同，两端也产生电势。 产生这个电势是由于导体内自由电子在高温端具产生这个电势

6、是由于导体内自由电子在高温端具 有较大的动能，会向低温端扩散。由于高温端失有较大的动能，会向低温端扩散。由于高温端失 去电子带正电，低温端得到电子带负电。去电子带正电，低温端得到电子带负电。中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院v A A、B B 两导体构成闭合回路总的温差电势为两导体构成闭合回路总的温差电势为：000,()TABABTeT TeT TdT00,TAATeTTd T单一导体的温差电势为：单一导体的温差电势为：中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院根据两导体的接触电势和单一导体温差电势，根据两导体的接触电势和单一导体温差电势， v热电偶总的热电势为：热电偶总的热电势为

7、：),(),()()(000TTeTTeTeTeEBBABABAB)()(0TeTeABAB中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院 实际应用中实际应用中, , 热电势与温度之间关系是通过热电偶分度表热电势与温度之间关系是通过热电偶分度表来确定的。分度表是在参考端温度为来确定的。分度表是在参考端温度为00时时, , 通过实验建立起通过实验建立起来的热电势与工作端温度之间的数值对应关系。用热电偶测温来的热电势与工作端温度之间的数值对应关系。用热电偶测温, , 还要掌握热电偶基本定律。下面引述几个常用的热电偶定律。还要掌握热电偶基本定律。下面引述几个

8、常用的热电偶定律。 (1) (1) 中间导体定律中间导体定律 (2) (2) 中间温度定律中间温度定律 (3) (3) 均质导体定律均质导体定律 中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院 000,ABCABBCCAET TETETET：中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院0TT设设 时，时， 00ABCET000BCCAABETETET 将将 代入上式有：代入上式有： 000,ABCABABABET TETETET T中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院 4. 4.,ABCET T与与 0,ABCET T的代数和为：的代数和为：0

9、,0,ABABCABCET TET TET T 实际测量时，利用这一性实际测量时，利用这一性 质，对参考端温度不为零质，对参考端温度不为零 度时的热电势进行补偿正。度时的热电势进行补偿正。中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院5. 5. 均质导体定律均质导体定律 由一种均质导体组成的闭合回路中由一种均质导体组成的闭合回路中, , 不论导体的截面和不论导体的截面和长度如何以及各处的温度分布如何长度如何以及各处的温度分布如何, , 都不能产生热电势。都不能产生热电势。这条定理说明这条定理说明, , 热电偶必须由两种不同性质的均质材料构热电偶必须由两种不同性质的均质材料构成。成。 中国矿业大学

10、计算机学院中国矿业大学计算机学院v 热电偶可以测量上千度高温，并且精度高、热电偶可以测量上千度高温，并且精度高、 性能好，这是其它温度传感器无法替代的。性能好，这是其它温度传感器无法替代的。 中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院结构：结构： 普通热电偶，测量气体、蒸汽、液体等，棒形结构；普通热电偶，测量气体、蒸汽、液体等，棒形结构； 薄膜热电偶，用于火箭、飞机喷嘴温度测量，结构较薄；薄膜热电偶，用于火箭、飞机喷嘴温度测量，结构较薄； 铠装热电偶，用以测量狭小对象，结构细长、可弯曲；铠装热电偶，用以测量狭小对象，结构细长、可弯曲； 表面热电偶，用于弧形表面物体测温；表面热电偶，用于弧形表

11、面物体测温； 消耗式热电偶，主要用于钢水温度测量。消耗式热电偶，主要用于钢水温度测量。a)a)普通热电偶普通热电偶 b)b)薄膜热电偶薄膜热电偶 c)c)铠装热电偶铠装热电偶中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院 从热电偶测温基本公式可以看到从热电偶测温基本公式可以看到, , 对某一种热电偶来说热电对某一种热电偶来说热电偶产生的热电势只与工作端温度偶产生的热电势只与工作端温度t t和自由端温度和自由端温度t t0 0有关有关, , 即即: : E EABAB(t, t(t, t0 0)=e )=e ABAB(t)-e(t)-eABAB(t(t0 0) ) 热电偶的分度表是以热电偶的分度表

12、是以t t0 0=0=0作为基准进行分度的作为基准进行分度的, , 而在实际而在实际使用过程中使用过程中, , 参考端温度往往不为参考端温度往往不为0, 0, 那么工作端温度为那么工作端温度为t t时时, , 分度表所对应的热电势分度表所对应的热电势E EABAB(t, 0)(t, 0)与热电偶实际产生的热电势与热电偶实际产生的热电势E EABAB(t, t(t, t0 0) )之间的关系可根据中间温度定律得到下式之间的关系可根据中间温度定律得到下式: : E EABAB(t, 0)= E(t, 0)= EABAB(t, t(t, t0 0)+ E)+ EABAB(t(t0 0, 0) , 0

13、) 中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院 (1) (1)热电偶补偿导线热电偶补偿导线 (2)(2)参考端温度修正法参考端温度修正法 (3)(3)参考端参考端00恒温法恒温法 (4)(4)参考端温度自动补偿法（补偿电桥法）参考端温度自动补偿法（补偿电桥法） 中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院利用不平衡电桥的不平衡电压来补偿利用不平衡电桥的不平衡电压来补偿中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院热电偶测温时热电偶测温时, , 它可以直接与显示仪表（如电子电位差它可以直接与显示仪表（如电子电位差计、计、 数字表等）配套使用数字表等）配套使用, , 也可与温度变送器配套也可与温度

14、变送器配套, , 转转换成标准电流信号换成标准电流信号. .中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院 显示多点温度时显示多点温度时, , 可按下图连接可按下图连接, , 这样可节约显示仪表这样可节约显示仪表和补偿导线。和补偿导线。 中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院 热电偶可以串联或并联使用热电偶可以串联或并联使用, ,如热电偶正向串联如热电偶正向串联, , 可可获得较大的热电势输出和提高灵敏度。在测量两点温差时获得较大的热电势输出和提高灵敏度。在测量两点温差时, , 可采用热电偶反向串联。利用热电偶并联可以测量平均温可采用热电偶反向串联。利用热电偶并联可以测量平均温度。热电偶串

15、、并联线路如下图度。热电偶串、并联线路如下图 所示所示 中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院00,0,0ABABABEtEt tEt中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院如图如图6 6所示的热电偶冷端温度自补偿电路所示的热电偶冷端温度自补偿电路, ,电桥由三个电阻电桥由三个电阻温度系数很小的电阻温度系数很小的电阻R R1 1、R R2 2、R R3 3和电阻温度系数较大的和电阻温度系数较大的RcuRcu组成，组成，1 1）为什么要进行冷端温度补偿）为什么要进行冷端温度补偿2 2）图）图6 6冷端温度自补偿的原理冷端温度自补偿的原理 图图6中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学

16、院多个型号相同的热电偶可以连接在一起，分为正向串联、多个型号相同的热电偶可以连接在一起，分为正向串联、反向串联、并联，（要求都采用两个热电偶，热电偶直接反向串联、并联，（要求都采用两个热电偶，热电偶直接与指示仪表配套使用）与指示仪表配套使用）1 1）画出正向串联线路图，分析线路中输出电势）画出正向串联线路图，分析线路中输出电势2 2）画出反向串联线路图，分析输出电势）画出反向串联线路图，分析输出电势3 3）画出并联线路图，分析输出电势）画出并联线路图，分析输出电势 中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院贴片式贴片式薄膜式薄膜式 大功率大功率 中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院-

17、200-200OO +0+0850850 2301100tRRtbtc tt201tRRtbt式中：式中： 0RtR为温度为温度 00 C和和 0tC时的电阻值。时的电阻值。温度温度 时，时， 0R的公称值是的公称值是100。 00 C中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院 由于铂是贵重金属由于铂是贵重金属, , 因此因此, , 在一些测量精度要求不在一些测量精度要求不高且温度较低的场合高且温度较低的场合, , 可采用铜热电阻进行测温可采用铜热电阻进行测温, , 它的它的测量范围为测量范围为-50+150-50+150。 铜热电阻在测量范围内其电阻值与温度的关系几乎铜热电阻在测量范围内其

18、电阻值与温度的关系几乎是线性的是线性的, , 可近似地表示为可近似地表示为: : R Rt t=R=R0 0（1+t1+t） 式中式中为铜热电阻的电阻温度系数为铜热电阻的电阻温度系数, , 取取=4.28=4.2810-10-3/3/中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院热电阻的测量电路）热电阻的测量电路） 热电阻的内部接线可分为二线制、三线制和四线三种。热电阻的内部接线可分为二线制、三线制和四线三种。用热电阻测温时，经常使用直流用热电阻测温时，经常使用直流电桥为测量电路。热电阻与测量电桥为测量电路。热电阻与测量电路的接线方法有二线制、三线电路

19、的接线方法有二线制、三线制和四线制。制和四线制。 前两种接法用于前两种接法用于工业测量中，后种接法用于标准工业测量中，后种接法用于标准和实验室。和实验室。中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院 铂电阻温度计的电阻与温度的关系是铂电阻温度计的电阻与温度的关系是 ，其，其中中 =0=0；铂电阻温度计在；铂电阻温度计在100 100 时，电阻值为时，电阻值为139139，0 0时时,R=100,R=100；当它与气体接触时，电阻值增至；当它与气体接触时，电阻值增至285285，试确定气，试确定气体的温度。体的温度。 )1 (20ttRR根据根据 ，其中，其中 =0=0，0 0 时时,R=100

20、,R=100，可知，可知R R0 0= 1 0 0= 1 0 0 ， 在， 在 1 0 0 1 0 0 时 ， 电 阻 值 为时 ， 电 阻 值 为 1 3 91 3 9 ， =0.0039=0.0039现在的阻值为现在的阻值为281281，281=100281=100（1+0.0039t1+0.0039t）, ,可可得得t=464.1 t=464.1 )1 (20ttRRC0C0C0C0C0热电阻的测量电路）热电阻的测量电路）中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院热敏电阻符号热敏电阻符号 中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院 PTC PTC 正温度系数型；正温度系数型； NTC

21、 NTC 负温度系数型负温度系数型；负温度系数型热敏电阻特性曲线负温度系数型热敏电阻特性曲线 1 expTBRA TTTRA A ， 与材料和形状有关；与材料和形状有关； B B ， 常数；常数；， 温度为温度为T T时的电阻值；时的电阻值； 中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院0R图是一恒温电路，图是一恒温电路，A A为比较为比较器，当环境温度达到器，当环境温度达到TT时，时，输出信号实现自动调温控制。输出信号实现自动调温控制。 同相端输入有同相端输入有RP1RP1、R2R2、R3R3分压确定作比较电平，分压确定作比较电平，RPRP可调可调

22、节比较器的比较电平，从而调节比较器的比较电平，从而调节所需控制温度。节所需控制温度。热敏电阻的恒温控制电路热敏电阻的恒温控制电路中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院 集成温度传感器利用集成温度传感器利用PNPN结的电流、电压特性与温结的电流、电压特性与温 度的关系测温，一般测量温度范围在度的关系测温，一般测量温度范围在150150以下以下。 集成温度传感器把热敏晶体管和外围电路、放大集成温度传感器把热敏晶体管和外围电路、放大 器、偏置电路及线性电路制作在同一芯片上；器、偏置电路及线性电路制作在同一芯片上； 利用发射极电流密度在恒定比率下工作的晶体管利用发射极电流密度在恒定比率下工作的晶

23、体管 对的基极对的基极发射极之间电压发射极之间电压V VBEBE的差与温度呈线性的差与温度呈线性 关系。关系。中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院 晶体管伏安方程式：晶体管伏安方程式：012lnCBECK TIVqIK K 波尔滋蔓常数；波尔滋蔓常数； T T 绝对温度绝对温度; ; V1 V1、V2V2发射极面积比。发射极面积比。 电子电荷量；电子电荷量； q 正比于绝对温度正比于绝对温度 T T，只要保证，只要保证 恒定，恒定， 就可以使就可以使 与与 T T 为单值函数。为单值函数。 BEVBEV12/II中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院 图为是绝对温度比例电路图为是

24、绝对温度比例电路 V1V1、V2V2是两只互相匹配的是两只互相匹配的 温敏晶体管，温敏晶体管， I1I1、I2I2是集电极电流，由是集电极电流，由 恒流源提供，恒流源提供， VbeVbe是两个晶体管发射是两个晶体管发射 极和基极之间电压差。极和基极之间电压差。集成温度传感器基本集成温度传感器基本 电路原理图电路原理图 中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院 电压输出型电路电压输出型电路0lnBEK TVq01ln1RK TIqR电路输出为：电路输出为： 0201lnK TRURqv 可见输出电压可见输出电压U0U0与绝对温度与绝对温度T T成正比关成正比关系系中国矿业大学计算机学院中国矿

25、业大学计算机学院1222lnBETVTKIIRqR若若R=358R=358，电路输出温度系数为：，电路输出温度系数为： 2ln1/TTdIKCA KdTqR电流输出型电路电流输出型电路中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院 电流输出型典型集成温度传感器有电流输出型典型集成温度传感器有AD590AD590（美国（美国ADAD公司生产），国内同类产品公司生产），国内同类产品SG590SG590。 器件电源电压器件电源电压4 430V30V， 测温范围测温范围-50-50+150+150。AD590 AD590 引脚和内部电路原理图引脚和内部电路原理图中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学

26、院AD590AD590简介简介AD590AD590是美国模拟器件公司生产的单片集成是美国模拟器件公司生产的单片集成两端感温电流源。它的主要特性如下：两端感温电流源。它的主要特性如下：1 1、流过器件的电流（、流过器件的电流（mAmA）等于器件所处环境的热力）等于器件所处环境的热力学温度（开尔文）度数，即：学温度（开尔文）度数，即： mA/KmA/K式中：式中： 流流过器件（过器件（AD590AD590）的电流，单位为）的电流，单位为mAmA； T T热力学温热力学温度，单位为度，单位为K K。2 2、AD590AD590的测温范围为的测温范围为-55-55+150+150。3 3、AD590A

27、D590的电源电压范围为的电源电压范围为4V4V30V30V。电源电压可在。电源电压可在4V6V4V6V范围变化，电流范围变化，电流 变化变化1mA1mA，相当于温度变化，相当于温度变化1K1K。AD590AD590可以承受可以承受44V44V正向电压和正向电压和20V20V反向电压，因而器反向电压，因而器件反接也不会被损坏。件反接也不会被损坏。rI1TIrrI中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院4 4、输出电阻为、输出电阻为710MW710MW。5 5、精度高。、精度高。AD590AD590共有共有I I、J J、K K、L L、M M五档，其中五档，其中M M档档精度最高，在精度最

28、高，在-55-55+150+150范围内，非线性误差为范围内，非线性误差为0.30.3中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院 AD590 AD590在温度在温度2525（298.2K298.2K）时，理想输出为）时，理想输出为298.2A298.2A，实际存在误差，可通过电位器调整，实际存在误差，可通过电位器调整，使输出电压满足使输出电压满足1mV/K 1mV/K 的关系。的关系。 AD590 AD590 典型应用典型应用中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院AD590 AD590 典型应用典型应用中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院AD590 AD590 典型应用典型应用

29、中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院0R中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院补充（传感器命名方法）补充（传感器命名方法）一种传感器产品的名称，应由主题词加四级修饰语构成。一种传感器产品的名称，应由主题词加四级修饰语构成。(1)(1)主题词主题词传感器。传感器。(2)(2)第一级修饰语第一级修饰语被测量，包括修饰被测量的定语。被测量，包括修饰被测量的定语。(3)(3)第二级修饰语第二级修饰语转换原理，一船可后续以转换原理，一船可后续以“式式”字。字。 (4)(4)第三级修饰语第三级修饰语特征描述，指必须强调的传感器结构、特征描述，指必须强调的传感器结构、性能、材料特征、敏感元件以

30、及其它必要的性能特征，一般性能、材料特征、敏感元件以及其它必要的性能特征，一般可后续以可后续以“型型”字字(5)(5)第四级修饰语第四级修饰语主要技术指标主要技术指标( (量程、精确度、灵敏度量程、精确度、灵敏度范围等范围等) )100mm100mm应变式位移传感器应变式位移传感器0 0至至70kPa70kPa电位器式差压传感器电位器式差压传感器中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院补充（传感器的命名规则）补充（传感器的命名规则）一、传感器代号的构成一、传感器代号的构成传感器的完整代号应包括以下四部分：传感器的完整代号应包括以下四部分：a a主称主称( (传感器传感器) )；b b被测量

31、；被测量；c c转换原理；转换原理；d d序号。序号。在被测量、转换原理、序号三部分代号之间须有连字符在被测量、转换原理、序号三部分代号之间须有连字符“”连接。连接。中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院补充（传感器的命名规则）补充（传感器的命名规则） (1) (1)第一部分第一部分主称主称( (传感器传感器) )，用汉语拼音字母，用汉语拼音字母“c c”标记。标记。(2)(2)第二部分第二部分被测量用其一个或两个汉语拼音的第一被测量用其一个或两个汉语拼音的第一个大写字母标记。当这组代号与该部分的另一个代号重个大写字母标记。当这组代号与该部分的另一个代号重复时，则取汉语拼音的第二个大写字

32、母作代号，以此类复时，则取汉语拼音的第二个大写字母作代号，以此类推。对于有两个或两个以上被测量的多功能传感器，应推。对于有两个或两个以上被测量的多功能传感器，应作同样处理。当被测量为离子、粒子或气体时，可用其作同样处理。当被测量为离子、粒子或气体时，可用其元素符号、粒子符号或分子式加圆括号元素符号、粒子符号或分子式加圆括号()()表示。表示。中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院(3)(3)第三部分第三部分转换原理，用其一个或两个汉语拼音的第转换原理，用其一个或两个汉语拼音的第一个大写字母标记。当这组代号与该部分的另一个代号重一个大写字母标记。当这组代号与该部分的另一个代号重复时，则用其汉语拼音的第二个大写字母作代号以此类推。复时，则用其汉语拼音的第二个大写字母作代号以此类推。 (4)(4)第四部分第四部分序号，用阿拉伯数字标记。序号可表征序号，用阿拉伯数字标记。序号可表征产品设计特征、性能参数、产品系列等。如果传感器产品产品设计特征、性能参数、产品系列等。如果传感器产品的主要性能参数不改变，仅在局部有改进或变动时，其序的主要性能参数不改变，仅在