第四章温度检测

1、传感器与智能检测技术 第四章 温度检测2温度温度n温度是工业生产和科学实验中一个非常重要的温度是工业生产和科学实验中一个非常重要的参数。参数。 n对温度的测量越来越普遍对温度的测量越来越普遍, 而且对温度测量的而且对温度测量的准确度也有更高的要求。准确度也有更高的要求。 n温度是表征物体冷热程度的物理量。温度是表征物体冷热程度的物理量。n温度不能直接加以测量。温度不能直接加以测量。34.1 温标及测温方法4.1.1 温标温标n定量描述温度的高低所建立温度标尺定量描述温度的高低所建立温度标尺, 即温标。即温标。 温标就是温度的数值表示。温标就是温度的数值表示。n各种温度计和温度传感器的温度数值均

2、由温标各种温度计和温度传感器的温度数值均由温标确定。确定。n历史上提出过多种温标历史上提出过多种温标q摄氏温标摄氏温标q华氏温标华氏温标q国际温标国际温标4 4.1.1 温度测量的主要方法和分类温度测量的主要方法和分类n 温度传感器的组成在工程中无论是简单的还是复杂的测温传感器, 就测量系统的功能而言, 通常由现场的感温元件和控制室的显示装置两部分组成, 如图 所示。5温度检测的主要方法温度检测的主要方法n测温方法分类：测温方法分类：q接触测量法接触测量法n膨胀式温度计膨胀式温度计n电阻式温度传感器电阻式温度传感器n热电偶传感器热电偶传感器n石英晶体测温传感器石英晶体测温传感器n集成温度传感器

3、集成温度传感器q非接触测量法非接触测量法n热探测器红外测温传感器热探测器红外测温传感器n光子探测器红外测温传感器光子探测器红外测温传感器64.2 膨胀式温度计膨胀式温度计784.3 电阻式温度传感器电阻式温度传感器 热电阻和热敏电阻热电阻和热敏电阻利用电阻随利用电阻随温度变化温度变化而制成的传感器称为电阻式温度传而制成的传感器称为电阻式温度传感器。感器。分为：金属热电阻金属热电阻和半导体热敏电阻半导体热敏电阻9一：金属热电阻一：金属热电阻电阻温度系数大而稳定；电阻温度系数大而稳定；电阻率要大；电阻率要大； 电阻温度系数保持单值电阻温度系数保持单值,最好为常数；最好为常数；金属的物理、化学性能稳

4、定；金属的物理、化学性能稳定；电阻电阻材料材料条件条件目前最常用的热电阻有铂热电阻和铜热电阻。目前最常用的热电阻有铂热电阻和铜热电阻。10(a)铂电阻铂电阻 ：n铂热电阻的特点是精度高、稳定性好、性能可靠铂热电阻的特点是精度高、稳定性好、性能可靠, 所以在温度所以在温度传感器中得到了广泛应用。按传感器中得到了广泛应用。按IEC标准标准, 铂热电阻的使用温度铂热电阻的使用温度范围为范围为-200+850。650,010 ,200100120320tBtAtRRttCtCBtAtRRtt412273/1022.4/10847.5/1096847.3CCCBCA1112（b）铜电阻）铜电阻150,5

5、01320tCtBtAtRRt精度要求不高，温度较低的场合精度要求不高，温度较低的场合易氧化，体积大，但便宜易氧化，体积大，但便宜39273/10233. 1/10133. 2/1028899. 4CCCBCA其中：常用的工业其中：常用的工业铜电阻铜电阻13热电阻的结构热电阻的结构n它由电阻体、它由电阻体、 绝缘管、保护套管、引线和接线盒等绝缘管、保护套管、引线和接线盒等部分组成。部分组成。 n电阻体由电阻丝和电阻支架组成。电阻体由电阻丝和电阻支架组成。 电阻丝电阻丝采用双线采用双线无感绕法绕制无感绕法绕制在具有一定形状的云母、石英或陶瓷塑在具有一定形状的云母、石英或陶瓷塑料支架上料支架上,

6、支架起支撑和绝缘作用支架起支撑和绝缘作用, 引出线通常采用直引出线通常采用直径径1mm的银丝或镀银铜丝的银丝或镀银铜丝, 它与接线盒柱相接它与接线盒柱相接, 以便以便与外接线路相连而测量显示温度。与外接线路相连而测量显示温度。1415n用热电阻传感器进行测温时用热电阻传感器进行测温时, 测量电路经常采用测量电路经常采用电桥电路。电桥电路。 而热电阻与检测仪表相隔一段距离而热电阻与检测仪表相隔一段距离, 因此热电阻的引线对测量结果有较大的影响。因此热电阻的引线对测量结果有较大的影响。n热电阻引线方式有两线制、热电阻引线方式有两线制、 三线制和四线制三种。三线制和四线制三种。 q二线制中引线电阻对

7、测量影响大二线制中引线电阻对测量影响大, 用于测温精度要求不用于测温精度要求不高场合。高场合。q三线制可以减小热电阻与测量仪表之间连接导线的电阻三线制可以减小热电阻与测量仪表之间连接导线的电阻因环境温度变化所引起的测量误差。因环境温度变化所引起的测量误差。 q四线制可以完全消除引线电阻对测量的影响四线制可以完全消除引线电阻对测量的影响, 用于高精用于高精度温度检测度温度检测16三线制线路电阻补偿法三线制线路电阻补偿法174.4 热电偶传感器热电偶传感器4.4.1 热电偶测温原理热电偶测温原理两种导体两种导体A A、B B连接构成回路连接构成回路 两端温度两端温度T T0 0TT 回路产生温差热

8、电势回路产生温差热电势ABTT0I加热加热保持恒温保持恒温测量端、工作端、热端测量端、工作端、热端参考端、自由端、冷端参考端、自由端、冷端18热电偶传感器热电偶传感器ABTT01、热电势的产生、热电势的产生热电偶产生的热电势与两电热电偶产生的热电势与两电极的材料和两电极的温度有关。极的材料和两电极的温度有关。（1）单一导体的温差电势）单一导体的温差电势 一根匀质金属导体两端温度不一根匀质金属导体两端温度不同，导体内部产生电动势同，导体内部产生电动势TTAAdTTTE00,A是导体是导体A的的温差系数温差系数19热电偶传感器热电偶传感器 两种金属两种金属A、B接触，由于导体内自电电子密接触，由于

9、导体内自电电子密度不同，接触面形成电场。度不同，接触面形成电场。（2）两种导体的接触电势）两种导体的接触电势电场阻止作用与扩散作用处于动态平衡时，产生一个电场阻止作用与扩散作用处于动态平衡时，产生一个固定的电动势固定的电动势BAABNNeKTTEln)(式中：式中：K波尔兹曼常数波尔兹曼常数T接触处的绝对温度接触处的绝对温度e电子电荷量电子电荷量 NA、NB 分别为金属分别为金属A、B的自由电子密度的自由电子密度20热电偶传感器热电偶传感器（2）热电偶回路的总的电势）热电偶回路的总的电势dTNNTTeKTTETTETETTETETTETTABBAABABABABAB0ln,)(,)(,0000

10、00当当AB为同质材料，为同质材料，NANB，A B EAB（T，T0）0当当AB为异质材料，为异质材料，NANB，A B EAB（T1，T0） 0212、热电偶的基本定律、热电偶的基本定律热电偶传感器热电偶传感器ABMTCTnT0 在热电偶回路中接入第三种导体后，只要第三种在热电偶回路中接入第三种导体后，只要第三种导体两端的温度相同，就不会影响热电偶回路的总热导体两端的温度相同，就不会影响热电偶回路的总热电势。电势。（1）中间导体定律）中间导体定律 TTETETTETETTETETTETETTEABAnBnCBnnCnBCnBABABC,000022热电偶传感器热电偶传感器 0000000,

11、00,TTETTETETTETETTETETETTETTETTETTEABABABABABCnCBnBCnnCBnBnB 所以可以在回路引入各种仪表和连接线，而所以可以在回路引入各种仪表和连接线，而对热电势无影响。对热电势无影响。232425热电偶传感器热电偶传感器),(),(),(00TTETTETTEnABnABAB（2）中间温度定律）中间温度定律 热电偶热电偶AB在接点温度为（在接点温度为（T，T0）时的热电势等于该热电）时的热电势等于该热电偶在接点为（偶在接点为（T，Tn）和（）和（Tn，T0）时的热电势的代数和）时的热电势的代数和Tn称为中间温度称为中间温度ABTT0Tn26热电偶传

12、感器热电偶传感器（3）标准电极定律）标准电极定律 若热电极若热电极A和和B分别与标准热电极分别与标准热电极C组成的热组成的热电偶产生的热电势已知，则由电偶产生的热电势已知，则由A和和B组成的热电偶组成的热电偶所产生的热电势为所产生的热电势为),(),(),(000TTETTETTEBCACAB27热电偶传感器热电偶传感器),(),(),(000TTETTETTEBCACABAB A C B CABTT0BTT0CTT0CA284.4.2 热电极材料及常用热电偶热电极材料及常用热电偶热电极材料热电极材料n在测温范围内，热点性质稳定。n电导率高，电阻温度系数小。n热电势随温度变化率大。n材料机械强

13、度高，价格便宜。常用热电偶常用热电偶n铂铑10-铂热电偶（S型） 1200 n铂铑30-铂铑6-热电偶（B型） 1600 n镍铬-镍硅（镍铬-镍铝）热电偶（K型） 900 n镍铬-康铜热电偶（E型） 600 2930热电偶传感器热电偶传感器31热电偶测温热电偶测温1、测温原理与方法测温原理与方法 热电偶的材料确定后，且参数温度热电偶的材料确定后，且参数温度T0(冷端冷端温度温度)恒定不变后，则有恒定不变后，则有 EAB（T，T0）f（T），），即热电势只与被测温度（简称热端温度）即热电势只与被测温度（简称热端温度）成单值对应关系。成单值对应关系。 当当T0=0时，时，T取不同温度时的取不同温度

14、时的EAB(T，0) , 制制成关系数据表，查表法即可确定成关系数据表，查表法即可确定T的大小。的大小。32EAB(T，T0) EAB(T，0) EAB(T0，0)则：则：EAB(T，0) EAB(T，T0) EAB(T0，0)若：若：T0 0时，则由时，则由测量后已知测量后已知已知已知查表后确定查表后确定T334.4.3 热电偶的冷端处理热电偶的冷端处理（1）恒温法）恒温法将冷端处于冰水混合物中或处于恒温槽中将冷端处于冰水混合物中或处于恒温槽中（2）冷端的延伸）冷端的延伸实际测温时实际测温时 被测点与指示仪表之间距离长被测点与指示仪表之间距离长热端要远离冷端热端要远离冷端热电偶材料昂贵热电偶

15、材料昂贵专用导专用导线将冷线将冷端延长端延长 注意：注意： 补偿导线的使用不能代替冷端温度补偿。补偿导线的使用不能代替冷端温度补偿。34应满足的条件：应满足的条件： 补偿导线在一定温度范围（补偿导线在一定温度范围（0100 ） 要与所配热电偶的热电特性相同，要与所配热电偶的热电特性相同， 即即 EAB（Tn，T0）=EAB（Tn，T0） 两接点温度均相同（两接点温度均相同（Tn） 同性极性相接，不可接反。同性极性相接，不可接反。35（3）冷端的自动补偿）冷端的自动补偿ABTTnUOR1R2R3RtR4EbaR1、R2、R3：用锰铜制电阻温度系数极小，：用锰铜制电阻温度系数极小，可近似为不随温度

16、变化。可近似为不随温度变化。Rt： 由温度系数大的铜丝制成由温度系数大的铜丝制成36 Rt与冷端感受同一温度（或称环境温度）后，当与冷端感受同一温度（或称环境温度）后，当Tn变化变化时，时， Rt也随之变化，电桥便由原来的平衡输出也随之变化，电桥便由原来的平衡输出u0变成不平衡变成不平衡输出，设不平衡输出电压为输出，设不平衡输出电压为Uab，则：，则：abnABUTTEU),(0选桥臂电阻和电流，使之满足选桥臂电阻和电流，使之满足),(),(),(),(),(0000000TTETTETTEUTTEUTTEUTTUTTABnABnABabnABnABabnabn时时374.4.4 热电偶传感器

17、的应用热电偶传感器的应用热电偶报警传感器热电偶报警传感器 一种是将冷端处于较稳定的低温环境、热端置于被一种是将冷端处于较稳定的低温环境、热端置于被测的高温环境中。传感器能感受热端环境由于超温或者测的高温环境中。传感器能感受热端环境由于超温或者火焰引起的温升而输出一个相应的热电势。火焰引起的温升而输出一个相应的热电势。 一种是将热端加工成具有较大的表面积及较小的质一种是将热端加工成具有较大的表面积及较小的质量，将冷端加工成具有较小的表面积及较大的质量，将量，将冷端加工成具有较小的表面积及较大的质量，将此二端均置于被测环境中，此二端均置于被测环境中，传感器只能感受由于火焰引传感器只能感受由于火焰引

18、起的温升速率而输出相应的热电势。起的温升速率而输出相应的热电势。384.5 辐射式温度传感器辐射式温度传感器n辐射式温度传感器是利用物体辐射能随温度辐射式温度传感器是利用物体辐射能随温度变化原理，特点如下：变化原理，特点如下：n传感器和被测对象不接触传感器和被测对象不接触n传感器的温度不必与被测对象相同传感器的温度不必与被测对象相同n检测过程不必有热平衡时间检测过程不必有热平衡时间394.5.1 辐射测温的物理基础n热辐射：物体受热激励了原子中的带电粒子，使一部分热能以电磁波的形式向空间传播。n黑体(热力学) ：黑体是指入射的电磁波全部被吸收，既没有反射，也没有透射 。n辐射基本定律：q普朗克

19、辐射定律(Planck)则给出了黑体辐射的具体谱分布，即在不同温度下，单位面积的黑体在单位时间、单位立体角内和单位波长间隔内辐射出的能量。q斯忒藩-玻尔兹曼定律给出：黑体的全辐射能与其表面积成正比，与有效温度的四次方成正比，再乘上玻尔兹曼常数。40测量方法n亮度法：测量对象被限制在一特定波长范围内，与已知温度进行比较的方法。n全辐射法：对应全波长范围内的辐射能量检测。n比色法：利用被测对象的两个不同波长（或波段）光谱辐射亮度之比实现辐射测温。411.1.红外线：不可见红外线：不可见电磁波电磁波，波长为，波长为0.760.761000m1000mn 红外传感器红外传感器42 光热效应光热效应是光

20、谱中最大光热效应区，只要物是光谱中最大光热效应区，只要物体高于体高于 -273.15-273.15就会不断辐射红外线，温度越就会不断辐射红外线，温度越高，发射越多。高，发射越多。2.2.最大的特点：最大的特点： 利用气体和液体对不同波长的红外线具有选择利用气体和液体对不同波长的红外线具有选择性吸收。性吸收。3.3.用以测量温度和测量成分用以测量温度和测量成分n 红外传感器红外传感器43红外传感器红外传感器红外辐射通过大气层时，有三个波段透过率高：红外辐射通过大气层时，有三个波段透过率高：2 2.6m、 35m 、 814m称为称为“大气窗口大气窗口”444. 4. 红外探测器分类红外探测器分类

21、热探测器热探测器光子探测器光子探测器红外传感器红外传感器 热探测器是利用红外辐射的热效应热探测器是利用红外辐射的热效应, , 探测器的敏感探测器的敏感元件吸收辐射能后引起温度升高元件吸收辐射能后引起温度升高, , 进而使有关物理参数进而使有关物理参数发生相应变化，通过测量物理参数的变化发生相应变化，通过测量物理参数的变化, , 便可确定探便可确定探测器所吸收的红外辐射。测器所吸收的红外辐射。 光子探测器利用入射红外辐射的光子流与探测器光子探测器利用入射红外辐射的光子流与探测器材料中电子的相互作用材料中电子的相互作用, , 改变电子的能量状态改变电子的能量状态, , 引起引起各种电学现象。各种电

22、学现象。 这称光子效应。通过测量材料电子这称光子效应。通过测量材料电子性质的变化性质的变化, , 可以知道红外辐射的强弱。可以知道红外辐射的强弱。45热释电探测器：热释电探测器： 当红外辐射照到已极化的铁电薄片上时，引起薄片表当红外辐射照到已极化的铁电薄片上时，引起薄片表面温度升高，从而释放一部分电荷，释放的电荷用放大器面温度升高，从而释放一部分电荷，释放的电荷用放大器转变成输出电压。利用这个原理（释放的电信号正比于器转变成输出电压。利用这个原理（释放的电信号正比于器件升温随时间的变化率），其应用日益广泛，即可以工作件升温随时间的变化率），其应用日益广泛，即可以工作在高频，又可以工作的低频。在

23、高频，又可以工作的低频。红外传感器红外传感器热探测器热探测器主要类型主要类型热释电型、热敏电阻型、热释电型、热敏电阻型、 热电偶型和气体型探测器。热电偶型和气体型探测器。缺点：响应时间长。缺点：响应时间长。优点：优点：响应波段宽响应波段宽, , 响应范围可扩展到整个红外区域响应范围可扩展到整个红外区域, , 可可以在室温下工作以在室温下工作, , 使用方便。使用方便。46光子探测器主要类型：光子探测器主要类型： 有内光电和外光电探测器两种有内光电和外光电探测器两种, , 后者又后者又分为光电导、光生伏特和光磁电探测器等三分为光电导、光生伏特和光磁电探测器等三种。种。优缺点：优缺点：光子探测器的

24、主要特点是灵敏度高光子探测器的主要特点是灵敏度高, , 响应速度快响应速度快, , 具有较高的响应频率具有较高的响应频率, , 但探测波但探测波段较窄段较窄, , 一般需在低温下工作。一般需在低温下工作。红外传感器红外传感器474.6 石英晶体测温传感器石英晶体测温传感器f f f f0 0（1 1atatbtbt2 2ctct3 3）a a，b b，c c 频率温度系数频率温度系数石英晶体频率式温度传感器石英晶体频率式温度传感器当当80t250 80t250 ，频率与温度的关系：，频率与温度的关系：f f0 0 t t0 0时的固有频率时的固有频率当当b b，c 0c 0：f ff f0 0

25、（1 1atat） 呈线性呈线性48494.7 集成温度传感器集成温度传感器n集成温度传感器是利用晶体管集成温度传感器是利用晶体管PN结的电流电压特结的电流电压特性与温度的关系性与温度的关系, 把感温把感温PN结及有关电子线路集结及有关电子线路集成在一个小硅片上成在一个小硅片上, 构成一个小型化、一体化的构成一个小型化、一体化的专用集成电路片。专用集成电路片。 n集成温度传感器具有体积小、反应快、线性好、集成温度传感器具有体积小、反应快、线性好、价格低等优点价格低等优点, 由于由于PN结受耐热性能和特性范围结受耐热性能和特性范围的限制的限制, 它只能用来测它只能用来测150以下的温度。以下的温

26、度。 n电流输出型典型的集成温度传感器有美国电流输出型典型的集成温度传感器有美国AD公司公司生产的生产的AD590, 我国产的我国产的SG590也属于同类型产也属于同类型产品。品。50AD590集成温度传感器应用实例集成温度传感器应用实例nAD590是应用广泛的一种集成温度传感器是应用广泛的一种集成温度传感器, 由于它内由于它内部有放大电路部有放大电路, 再配上相应外电路再配上相应外电路,方便地构成各种应方便地构成各种应用电路。用电路。 n温度测量电路温度测量电路 : 但实际上存在一定误差但实际上存在一定误差, 可以在外电可以在外电路中进行修正。将路中进行修正。将AD590串联一个可调电阻串联一个可调电阻, 在已知在已知温度下调整电阻值温度下调整电阻值, 使输出电压使输出电压UT满足满足1mV/k的关系的关系（如（如25时时, UT应为应为298.2mV）。调整好以后）。调整好以后, 固定固定可调电阻可调电阻, 即可由输出电压即可由输出电压VT读出读出AD590所处的热力所处的热力学温度。学温度。 51111lnSCbeIIqkTV222lnSCbeIIqkTV122121lnSSCCbebebeIIIIqkTVVVVEEIOR1V2V1V3V4V基射结电压：基射结电压：基射极电压差基射极电压差12122121,AAI