传感与检测技术温度测量课件

1、参数检测技术Parameter detecting technology第1页，共60页。参数检测技术 Parameter detecting technology温度检测（热电偶、热电阻、辐射测温仪表等的结构、工作原理及测量方法）压力检测（各种压力计工作原理及其使用）流量检测（流量检测的原理及方法）物位检测（常用的物位检测仪表）机械量检测（长度、位移、速度、转角、转速、力、力矩、振动等）视觉检测技术主要内容第2页，共60页。2022/8/52参数检测技术-温度测量温度测量Temperature measurement第3页，共60页。温度测量Temperature measurement温度

2、（temperature）是工业生产过程中的主要工艺参数之一。主要内容：1 温度和温标2 测温方法3 接触式测温热电偶*、热电阻*、集成温度传感器4 辐射测温原理、辐射测温仪表测温实例第4页，共60页。2022/8/54参数检测技术-温度测量1 温度和温标(thermometric scale)温度温度是反映物体的冷热程度的物理量。 宏观上是建立在热平衡基础上的-两个各自处于热平衡状态的温度不同的物体相接触时，经过热交换达到新的平衡状态后温度相同；微观上是物体分子运动平均动能大小的标志。 温度测量原理：利用物体的某一物理性质（物理性质随温度变化的特性）将其作成温度敏感元件，通过温度敏感元件与被

3、测对象的热交换，测量相关的物理量，即可间接的获取被测对象的温度值。 第5页，共60页。2022/8/55参数检测技术-温度测量1 温度和温标(thermometric scale)温标(thermometric scale)温标衡量温度的标尺。是温度数值化的标尺，它给出了温度数值化的一套规则和方法，并明确了温度的测量单位和温度起点。建立方法：建立温标就是规定温度的起点及基本单位。一般是借助于随温度变化而变化的物理量（体积、压力、电阻和热电势等）来定义温度数值、建立温标的。第6页，共60页。2022/8/56参数检测技术-温度测量温标发展阶段：华氏温标摄氏温标开氏温标 华氏温标(Fahrenhe

4、it)规定，标准大气压下冰融点为32度，水沸点为212度，两者中间分180格，每格为华氏1度，符号为。 摄氏温标(Celsiur scale)规定，标准大气压下冰融点为0度，水沸点为100度，两者中间分100格，每格为摄氏1度，符号为。 华氏温标和摄氏温标都是根据物体体积的热胀冷缩现象制定的，通常称为经验温标。华氏温标与摄氏温标的换算关系是：例如:摄氏温度为20时，华氏温度为32+36=68 开氏温标(Kelvin)规定，又称热力学温标。温度不能为负值，起点为绝对零度，冰融点为273.15度，水沸点为373.15度，两者中间分100格，每格为1开，符号为K。各种温标均有局限性，华氏温标和摄氏温

5、标只能标定0100的温度，而开氏温标只是理论上的，无法实现。第7页，共60页。2022/8/57参数检测技术-温度测量测温方法分类：按物理性质分：物质的热膨胀与温度的关系固体膨胀温度计（双金属）、液体膨胀温度计（玻璃水银）、气体膨胀温度计（压力表式）利用热电效应热电偶（两种不同金属导体在两个端点上互相接触，当其两个接点温度不同时，回路中会产生热电势）利用金属或半导体阻值与温度的关系热电阻（铂、铜等）利用物体的辐射能与温度的关系辐射温度计（辐射能与温度存在一定的关系，如光电高温计）2 测温方法第8页，共60页。2022/8/58参数检测技术-温度测量按温度计感温部分是否与被测物体相接触分：接触式

6、测温：温度敏感元件与被测对象接触，依靠传热和对流进行热交换，当传热量为零，二者温度相等。 这种方法响应快，对被测对象干扰小，可测量高温、运动的被测对象和环境比较恶劣的场合。 为实现精确测量需要良好的热接触，它往往会破坏被测对象的热平衡，存在置入误差。而且，对温度敏感元件的结构和性能要求较高（当测热容量小和运动物体的温度时误差大）。非接触式测温：温度敏感元件不与被测对象接触，而是通过热辐射进行热交换，或者是温度敏感元件接收被测对象的部分热辐射能，由热辐射能的大小推出被测对象的温度。测温方法分类：第9页，共60页。2022/8/59参数检测技术-温度测量3 接触式测温膨胀式：物体受热膨胀，如水银温

7、度计热电偶：应用最广泛的，最普遍的测温器件，是有源探测器。热电阻：也较广泛使用，常用的有铂、铜第10页，共60页。2022/8/510参数检测技术-温度测量膨胀式温度计膨胀式温度计测温原理是基于物体受热时产生膨胀的原理，可分为液体膨胀式和固体膨胀式。液体膨胀式：如水银温度计。固体膨胀式：利用两种不同膨胀系数的材料制成的，分为杆式和双金属式两大类。双金属式温度计：把两种膨胀系数不同的金属薄片焊接在一起制成的。可将温度变化转换成机械量变化，既可用于温度测量，有可用于温度控制，如温控开关。第11页，共60页。2022/8/511参数检测技术-温度测量热电偶(thermocouple)温度计热电偶测温

8、工作原理是基于热电效应，可直接将温度转换为热电势进行测量。（1）常用工业热电偶对热电极材料的一般要求：在测温范围内热电性能稳定;(不随时间和被测对象变化）在测温范围内物理化学性能稳定；灵敏度高;(热电势随温度的变化率要足够大）热电特性接近线性；电导率高，电阻温度系数小，热电势足够大机械性能好、易加工、价格便宜。第12页，共60页。2022/8/512参数检测技术-温度测量标准化热电偶：目前国际上有8种标准化热电偶常用。标准化热电偶已经列入工业化标准文件，具有统一的分度表，统一规定了热电极材料、热电性质和允许偏差。（表5-2列出几种标准化热电偶的分类及性能。）非标准化热电偶：由钨铼合金构成的，用

9、于高温测量，但是均匀性和再现性较差。热电偶(thermocouple)温度计第13页，共60页。2022/8/513参数检测技术-温度测量（2）工业热电偶的结构形式为保证热电偶能正常工作，通常都用绝缘物（防止热电极短路，刚玉瓷管、粘土质瓷管和高铝质瓷管等）和保护套管（保护热电极及支撑固定作用，不锈钢、石英、金属陶瓷等）将其与被测介质相隔离。热电偶的结构形式有普通型和铠装。1）普通型热电偶 1-热电偶接点 2-瓷绝缘套管 3-不锈钢套管 4-安装固定件5-引线口 6-接线盒特点：热惯性大，对温度变化的响应慢第14页，共60页。2022/8/514参数检测技术-温度测量普通装配型热电偶的外形安装螺

10、纹安装法兰第15页，共60页。2022/8/515参数检测技术-温度测量2）铠装型热电偶 将热电偶丝、绝缘材料和金属保护套管三者组合装配后，经拉伸加工而成的一种坚实的组合体。结构形式多样：碰底型、不碰底型、露头型、帽型。特点：外径细、热容量小、响应快、柔软可弯曲，可装在狭窄或结构复杂的场合。第16页，共60页。2022/8/516参数检测技术-温度测量铠装型热电偶外形法兰铠装型热电偶可 长达上百米薄壁金属 保护套管（铠体） BA绝缘 材料铠装型热电偶横截面第17页，共60页。2022/8/517参数检测技术-温度测量3）薄膜型热电偶 利用真空镀膜法将两电极材料蒸镀在绝缘基底上的热电偶。特点：是

11、一种瞬态温度传感器，其热接点很薄、热惯性小、反应速度极快，因此专门用于测量固体表面温度和动态温度。第18页，共60页。2022/8/518参数检测技术-温度测量4）防爆型热电偶 隔爆热电偶的接线盒在设计时采用防爆的特殊结构，它的接线盒是经过压铸而成的，有一定的厚度、隔爆空间，机构强度较高；采用螺纹隔爆接合面，并采用密封圈进行密封，因此，当接线盒内一旦放弧时，不会与外界环境的危险气体传爆，能达到预期的防爆、隔爆效果。 特点：工业用的隔爆型热电偶多用于化学工业自控系统中（由于在化工生产厂、生产现场常伴有各种易燃、易爆等化学气体或蒸汽，如果用普通热电偶则非常不安全、很容易引起环境气体爆炸）。第19页

12、，共60页。2022/8/519参数检测技术-温度测量防爆型热电偶外形厚壁保护管压铸的接线盒电缆线第20页，共60页。2022/8/520参数检测技术-温度测量1）测量某一点的温度（3）测量电路基本原理：由连接导体定律可知：可见，适当选取 、 ，使得：上式即为：第21页，共60页。2022/8/521参数检测技术-温度测量2）测量两点温度差（3）测量电路基本原理：mVT1T2ABBAABA+E1E23）测量多点温度的平均值基本原理：采用n个热电偶串联或并联测多点温度平均值。第22页，共60页。2022/8/522参数检测技术-温度测量缺点：需要电源激励、有自热现象，影响测量精度。测温原理：利用

13、导体或半导体的电阻随温度变化的特性。特点：优点：金属热电阻稳定性高、互换性好、准确高；信号可远传、灵敏度高、无需参比温度。分类：按制造材料分成金属热电阻和半导体热电阻按是否有国家统一的标准分度表分为标准化和非标准化按用途分为工业用的、精密的和标准的热电阻按结构分为普通的、铠装的和薄膜热电阻热电阻(thermo-resistance)温度计第23页，共60页。2022/8/523参数检测技术-温度测量 测温原理：基于导体的电阻随温度变化的特性。材料选择要求 电阻与温度变化成单值连续关系，最好是线性； 有尽可能大的电阻温度系数； 电阻率大，减小元件尺寸，减小惯性；R0很重要； 在测温范围内物理化学

14、性质稳定； 复现性好，复制性强，是易得到高纯物质，价格廉。目前使用较多的热电阻材料为铜、铂。（1）金属热电阻第24页，共60页。2022/8/524参数检测技术-温度测量1）热电阻的结构形式 电阻丝采用无感绕法（两线圈电流流向相反，电感互相抵消）绕在绝缘支架上。图b所示。？与热电偶结构形式有何异同普通型热电阻 与热电偶外型相同，只是内部不同：感温元件不同；接线盒内部的接线座不同（热电偶2个，热电阻为了消除引线电阻影响有3个或4个）。主要由感温元件、绝缘管、保护套管和接线盒等部分组成。具有普通型、铠装型和专用型。第25页，共60页。2022/8/525参数检测技术-温度测量铠装热电阻 感温元件焊

15、接到预先拉制好的与保护套管和绝缘材料组成一体的导线上，外面焊保护套管，感温元件与保护套管间填绝缘材料，最后封头。优点：克服普通型热电阻的响应慢、耐振性和坚固性差的缺点。专用型热电阻 薄膜型用真空镀膜法将纯金属直接蒸镀于绝缘的基片上而制成的。外形有棒状和片状。特点：体积小，灵敏度高，响应速度快。第26页，共60页。2022/8/526参数检测技术-温度测量薄膜型及普通型铂热电阻 第27页，共60页。2022/8/527参数检测技术-温度测量小型铂热电阻 第28页，共60页。2022/8/528参数检测技术-温度测量防爆型铂热电阻 第29页，共60页。2022/8/529参数检测技术-温度测量汽车

16、用水温传感器及水温表 铜热电阻第30页，共60页。2022/8/530参数检测技术-温度测量二线制简单、费用低，带来附加误差。三线制一端接两根导线，另一端接一根导线。将引线接入两个桥臂，可消除电阻影响，提高测量精度。四线制两端各连两根导线，其中两根导线提供恒流源，热电阻上的压降通过另外两根导线接测量仪表。当测量端的电流很小时，可消除引线电阻对测量的影响，用于高精度检测。2）热电阻的引线方式引线方式有二线制、三线制和四线制三种。思考题：热电阻测温与热电偶测温有什么不同？*第31页，共60页。2022/8/531参数检测技术-温度测量测温原理：用金属氧化物或半导体材料作为电阻体的温敏元件（铁、镍、

17、锰、镁、铜的氧化物或锗、碳等半导体材料）。（2）半导体热敏电阻温度系数：有正、负和临界温度系数三种。其温度特性曲线。温度检测用热敏电阻主要是负温度系数热敏电阻。其余两种多用于温度开关器件。第32页，共60页。2022/8/532参数检测技术-温度测量优点：与金属热电阻比较，温度系数大，故灵敏度高，可测微小的温度变化。体积小，热惯性小，响应快。电阻值高，引线电阻对测温几乎没有影响。在-50350的测温范围内，具有较好的稳定性。缺点：非线性严重、互换性差，测温范围较窄，不能测量350以上的高温、个别产品稳定性差。 应用：热敏电阻作为工业用测温元件，在汽车和家电领域得到大量应用。（2）半导体热敏电阻

18、形状：片状、棒状、珠状及薄膜状第33页，共60页。2022/8/533参数检测技术-温度测量热敏电阻外形 MF12型 NTC热敏电阻聚脂塑料封装热敏电阻第34页，共60页。2022/8/534参数检测技术-温度测量其他形式的热敏电阻 玻璃封装 NTC热敏电阻MF58 型热敏电阻第35页，共60页。2022/8/535参数检测技术-温度测量其他形式的热敏电阻 带安装孔的热敏电阻大功率PTC热敏电阻第36页，共60页。2022/8/536参数检测技术-温度测量其他形式的热敏电阻（续） 贴片式NTC热敏电阻第37页，共60页。2022/8/537参数检测技术-温度测量其他形式的热敏电阻（续） MF5

19、8型（珠形）高精度负温度系数热敏电阻MF5A-3型热敏电阻（参考深圳科蓬达电子有限公司资料）第38页，共60页。2022/8/538参数检测技术-温度测量非标热敏电阻第39页，共60页。2022/8/539参数检测技术-温度测量非标热敏电阻（续） 第40页，共60页。2022/8/540参数检测技术-温度测量非标热敏电阻（续） 第41页，共60页。2022/8/541参数检测技术-温度测量热敏电阻温度面板表 热敏电阻 LCD第42页，共60页。2022/8/542参数检测技术-温度测量热敏电阻体温表 第43页，共60页。2022/8/543参数检测技术-温度测量非接触式测温法可分为：电涡流式和

20、辐射式两种。电涡流式测温法是基于反射式涡流传感器而设计的。保持电涡流传感器线圈与导体间距离、导体的磁导率、线圈的几何参数和电流频率不变，使电涡流传感器的参数只随导体的电阻率变化而变化，即只随导体温度变化而变化。则测得参数就可以确定被测导体的温度。典型的非接触式测温辐射式(radialization)测温测温原理：主要是利用光辐射来测量物体温度，基于物体的热辐射能量（强度）随其温度的变化而变化的特性来检测其温度的。 辐射式(radialization)测温第44页，共60页。2022/8/544参数检测技术-温度测量基本组成：光学系统、检测元件、转换电路和信号处理光学系统包括瞄准系统、透镜、滤光

21、片等，把物体的辐射能量通过透镜聚焦到检测元件；检测元件为光敏或热敏元件；转换电路和信号处理系统将信号转换、放大、进行辐射率修正和标度变换后，输出与被测温度相应的信号。被测对象光学系统检测元件转换电路信号处理参考光源辐射测温仪表主要组成框图辐射式测温第45页，共60页。2022/8/545参数检测技术-温度测量（1）亮度法：按照物体的光谱或部分连续波长辐射亮度推算温度。（2）全辐射法：按照物体全波长范围内的辐射亮度推算温度。（3）比色法：按照物体两个波长的光谱辐射亮度之比推算温度。（4）多色法：按照物体多个波长的光谱辐射亮度和物体发射率随波长变化的规律来推算温度。辐射测温的常用方法：辐射式测温第

22、46页，共60页。2022/8/546参数检测技术-温度测量不会破坏被测温度场，可实现遥测和运动物体温度的测量；测量元件不必与被测对象有相同的温度，测量上限可不受感温元件熔点限制；不必和被测对象达到热平衡，故仪表的反映速度快，适于快速测量；灵敏度高、精确度好，用于接触式测温仪表无能为力的地方。辐射测温的特点：思考题：接触式测温与非接触式测温各有什么特点？辐射式测温第47页，共60页。2022/8/547参数检测技术-温度测量维恩位移定律单色辐射强度的峰值波长m与温度T之间的关系： 说明不同温度下黑体的单色辐射强度按波长的分布有峰值；温度升高时，辐射强度最大值的对应波长向短波方向移动。（1）辐射

23、测温的原理基尔霍夫定律在一定温度下，物体对波长的光吸收率(,T)与该物体发射出该波长的光的辐射度 M(,T)成正比，而且f(,T)对任何物体都一样。第48页，共60页。2022/8/548参数检测技术-温度测量普朗克定律（黑体辐射的光谱分布定律）绝对黑体（黑体）的单色辐射强度E0与波长及温度T的关系。（1）辐射测温的原理斯忒藩-玻耳兹曼定律黑体的总的辐出度Mb(,T)与温度T的四次方成正比，即： 对于非黑体： 第49页，共60页。2022/8/549参数检测技术-温度测量 均以黑体炉作基准进行标定和刻度的，实际测量时要修正。辐射测温仪表的表观温度亮度温度辐射温度比色温度表观温度 指在仪表工作波

24、长范围内，温度为T的辐射体的辐射情况与温度为TL的绝对黑体的辐射情况相等，则TL就是该辐射体的表观温度。与测温仪表相对应的表观温度-亮度温度、辐射温度和比色温度可利用公式求得被测物体的实际温度。第50页，共60页。2022/8/550参数检测技术-温度测量（2）全辐射温度计(radialization pyrometer) 原理：全辐射定律物体的全辐射能量与温度有关： 用敏感元件接受物体的全辐射能量就可以确定被测物温度。组成：光学系统（分为反射式和透射式）、检测元件（有热电堆元件、热释电元件、硅光电池、热敏电阻等）特点：4002000，无参考源，故响应速度快于光电高温计，属于开环测量，因此中间

25、介质的吸收和各环节影响大使精度低。第51页，共60页。2022/8/551参数检测技术-温度测量（3）光电高温计(photoelectric pyrometer) 测量原理：采用亮度平衡法测温比较被测物与参考源在同一波长下的光谱辐射亮度，并使二者的亮度相等，从而确定被测物温度的一种方法。亮度平衡法光学高温计、光电高温计和部分辐射温度计等。光学高温计是人工操作；特点：避免了人工误差，灵敏度高，精确度高，响应快。不同光电元件对不同波长敏感，而mT=常数，所以可测不同的温度。 如硅光电池可测600 1000 及以上， 硫化铅元件可测400 800 及以下。第52页，共60页。2022/8/552参数

26、检测技术-温度测量图4-12 光电高温计的工作原理 1-物镜 2-孔镜 3，5-孔 4-光电池 6-遮光板 7-调制片 8-永久磁铁 9-激磁绕组 10-透镜 11-反射镜 12-观察孔13-前置放大器 14-主放大器 15-反馈灯 16-电位差计17-被测物被测物光光光学系统调制器光硅光电池电放大器电反馈灯光电位差计电uo=RI第53页，共60页。2022/8/553参数检测技术-温度测量（4）红外测温 (infrared pyrometer) 原理：在温度低于16000C时，L0（黑体光谱辐射亮度）最大值所对应的波长范围已明显超出可见光区而进入红外光谱区，只能借助各种红外敏感元件，即红外检

27、测器，进行检测。（5）光纤测温仪表（optical fiber pyrometer ）原理：采用光纤作为敏感元件或能量传输介质而构成的新型测温仪表。光线测温仪表可以分为半导体光吸收型光纤温度传感器、液晶光纤温度传感器和荧光光纤温度传感器。第54页，共60页。2022/8/554参数检测技术-温度测量光纤温度传感器光纤(fiber)温度传感器 采用光纤作为敏感元件或传输介质而构成的新型测温仪表。特点是灵敏度高；电绝缘性好，可适用于强电磁干扰、强辐射的环境；体积小、重量轻、可弯曲；可实现不带电的全光型测头等。组成由光源激励、光源、光纤、光检测器、光电转换及处理系统和各种连接件等构成。常用的主要光纤温度传感器半导体光纤温度传感器、荧光光纤温度传感器、液晶光纤温度传感器、及光纤辐射温度计。第55页，共60页。2022/8/555参数检测技术-温度测量分类 按是否与被测物体接触分为接触式和非接触式。按结构分为功能型和非功能型。 功能型(functional, FN)传感器是利用光纤的各种特性，由光纤本身感受被测量的变化，光纤既是传输介质，又是敏感元件。非功能型(non-functional,