第3章温度传感器

温度传感器内容提要在本章中，首先介绍温度的检测方法及其特点，通过对接触式温度检测（热电阻、热敏电阻、热电偶、集成温度传感器）及非接触式温度检测器（光学高温计、辐射温度计、红外温度传感器、光纤温度传感器）工作原理的分析，详细地介绍了温度测量的各种方法及应用技术。通过本章学习，要求学会利用各种测温元件实现温度的接触式和非接触式测量。3.1.1温度与温标温度是表征物体冷热程度的物理量，是物体内部分子无规则剧烈运动程度的标志，是工业生产中最普遍、最重要的热工参数之一。由于温度是直接影响生产安全、产品质量、生产效率、能源使用情况等的因素，因而对温度的检测提出了更高的要求。为了定量地描述温度，引入一个概念─—温标。温标是衡量物体温度的标准尺度，是温度的数值表示方法，是规定温度的读数起点（零点）和测量的基本单位。温标的种类很多，目前国际上常用的温标有摄氏温标、华氏温标、热力学温标和国际实用温标。1.摄氏温标摄氏温标是根据液体（水银）受热后体积膨胀的性质建立起来的。摄氏温标规定在标准大气压下纯水的冰融点为0℃，水沸点为100℃，在0℃～100℃之间分一百等份，每一等份定义为1摄氏度。单位符号为℃，变量符号记作t。3.热力学温标1948年，威廉.汤姆首先提出的；热力学温标又称开氏温标；是以热力学第二定律为基础的理论温标，与物体任何物理性质无关，是国际统一的基本温标。单位符号为K，变量符号记作T。热力学温标有一个绝对零度，它规定分子运动停止时的温度为绝对零度，因此它又称为绝对温标。热力学第二定理的表述①热不可能自发地、不付代价地从低温物体传到高温物体(不可能使热量由低温物体传递到高温物体，而不引起其他变化，这是按照热传导的方向来表述的)。

②不可能从单一热源取热，把它全部变为功而不产生其他任何影响(这是从能量消耗的角度说的,它说明第二类永动机是不可能实现的）。4.国际实用温标由于热力学温标是理论温标无法付诸实用。为此需要建立一种紧密接近热力学温标的简单温标，即国际实用温标。（InternationalpracticalTermperturescaleof1968）简称IPTS-68，又称国际温标。国际实用温标是用来复现热力学温标的；温标单位大小定义为水三相点（固、液、气三相并存）的热力学温度的1/273.16，其单位符号为K（开尔文），变量符号记作T90。T90：1990年国际温标（ITS－90）定义的国际开尔文温度。4.国际实用温标摄氏温标与华氏温标的换算关系为：摄氏温标与华氏温标：摄氏温标与国际实用温标：（3）利用导体或半导体的电阻与温度关系测温对于铂、铜等金属导体或半导体热敏电阻，其阻值随温度变化发生相应变化，根据R-t关系测量温度。如铂电阻温度计。（4）利用热辐射原理测温物体辐射能随温度而变化，利用这一性质制成选择物质不与被测物质相接触而测温的辐射式温度计。如单色辐射高温计、光学高温计和比色高温计等。在温度检测系统中，感受温度变化的元件称为感温元件；将温度转换成电量（如电压、电阻等）输出的仪表称为温度传感器。习惯上，按测温范围不同，将600℃以上的测温仪表称为高温计；把测量600℃以下的测温仪表称为温度计。根据感温元件与被测物质是否接触，将温度检测仪表分为接触式和非接触式两大类。3.2接触式温度检测技术接触式测温的方法就是使温度敏感元件与被测对象相接触，使其进行充分的热交换，当热交换平衡时，温度敏感元件与被测对象的温度相等；测温传感器的输出大小即反映了被测温度的高低。常用的接触式测温仪表有将温度转化为非电量的热膨胀式；将温度转化为电量的热电偶、热电阻和热敏电阻等。接触式测温传感器的优点是结构简单、工作可靠、测量精度高、稳定性好、价格低；缺点是有较大的滞后现象（测温时由于要进行充分的热交换），不方便对运动物体进行温度测量，被测对象的温场易受传感器的影响，感温元件材料的性质决定测温范围等。3.2.1热电阻及温度检测金属（包括合金）导体或金属氧化物半导体的电阻值随温度变化而改变，通过对其阻值的测量可以推算出被测物体的温度，利用此原理构成的传感器就是电阻温度传感器。热电阻经常用来测量-200℃～+850℃区间内的温度。热电阻的优点：测量范围宽、精度高、稳定性好等。温度的基本概念和测量方法 反映了物体冷热的程度，与自然界中的各种物理和化学过程相联系。

温度概念的建立及测量：以热平衡为基础的。

温度最本质的性质：当两个冷热程度不同的物体接触后就会产生导热、换热，换热结束后两物体处于热平衡状态，则它们具有相同的温度。测量方法：接触式测温和非接触式测温上一页下一页返回非接触测温 温度敏感元件不与被测对象接触，而是通过辐射能量进行热交换，由辐射能的大小来推算被测物体的温度。

常用的非接触式测温仪表： (1)辐射式温度计：基于普朗克定理 光电高温计，辐射温度计，比色温度计。 (2)光纤式温度计：光纤的温度特性、传光介质。 光纤温度传感器，光纤辐射温度计。优点：不与被测物体接触，不破坏原有的温度场，在被测物体为运动物体时尤为适用。缺点：精度一般不高。上一页下一页返回(1)经验温标 由特定的测温质和测温量所确定的温标华氏温标 1714年德国人华伦海特(Fahrenheit)以水银的体积随温度而变化为依据，制成了玻璃水银温度计，并规定了氯化氨和冰的混合物为00F，水的沸点为2120F,冰的熔点为320F,在沸点和冰点之间等分为180份，每份为华氏1度(10F)。上一页下一页返回PTC热敏电阻－正温度系数钛酸钡掺合稀土元素烧结而成用途：彩电消磁，各种电器设备的过热保护，发热源的定温控制，限流元件。

CTR热敏电阻－临界温度系数 以三氧化二钒与钡、硅等氧化物，在磷、硅氧化物在弱还原气氛中混合烧结而成。在某个温度上电阻值急剧变化,具有开关特性。用途：温度开关

上一页下一页返回热敏电阻的结构形式上一页下一页返回热电偶回路的总热电势

1.匀质导体定律由一种匀质导体所组成的闭合回路，不论导体的截面积如何及导体的各处温度分布如何，都不能产生热电势。热电偶必须采用两种不用材料的导体组成，热电偶的热电势仅与两接点的温度有关，而与沿热电极的温度分布无关。如果热电偶的热电极是非匀质导体，在不均匀温度场中测温时将造成测量误差。所以热电极材料的均匀性是衡量热电偶质量的重要技术指标之一。上一页下一页返回3.连接导体定律为在工业测量温度中使用补偿导线提供了理论基础。上一页下一页返回铜-铜镍（康铜）T－270~350400准确度高，价格低，广泛用于低温测量镍铬-铜镍E－270~8701000热电势较大，中低温稳定性好，耐磨蚀，价格便宜，广泛用于中低温测量铁-铜镍J－210~7501200价格便宜，耐H2和CO2气体腐蚀，在含碳或铁的条件下使用也很稳定，适用于化工生产过程的温度测量热电偶(J分度号)

测量范围：0℃～600℃，固定螺纹式。热电丝材料为铁-康铜，既可用于氧化性气体，也可用于还原性气体，并且耐H2及CO气体腐蚀，多用于炼油及化工。光电高温计光学高温计是由人工操作来完成亮度平衡工作的，其测量结果带有操作者的主观误差。它不能进行连续测量和记录，当被测温度低于8000C时，光学高温计对亮度无法进行平衡。光电高温计是在光学高温计测量理论的基础上发展起来的一种新型测温仪表。它采用新型的光电器件，自动进行平衡，达到连续测量的目的。上一页下一页返回比色温度计

原理：通过测量热辐射体在两个或两个以上波长的光谱辐射亮度之比来测量温度。

特点：准确度高，响应快，可观察小目标(最小可到2mm)。 因为实际物体的单色黑度系数和全辐射黑度系数的数值相差很大，但是对同一物体的不同波长的单色黑度系数和来说，其比值的变化却很小。所以用比色温度计测得的温度称为比色温度，它与物体的真实温度很接近，一般可以不进行校正。上一页下一页返回（2）热电阻材料目前使用纯金属材质的有铂（Pt）、铜（Cu）、镍（Ni）和钨（W）等；合金材质的有铑铁及铂钴等。工业中应用最广的金属热电阻是铂电阻和铜电阻。它们随温度变化的曲线如图3-1所示。（3）常用热电阻1）铂热电阻。使用测温范围为-200℃～+850℃，有Pt10（电阻值为10Ω）和Pt100（电阻值为100Ω）两种。Pt10热电阻感温元件是用较粗的铂丝绕制而成，主要用于650℃以上测温区。Pt100热电阻主要用于650℃以下测温区。铂热电阻精度高、线性好、测温范围宽，稳定性和复现性好，但价格高。2）铜热电阻。使用测温范围为-40℃～+140℃，有Cu50（电阻值为10Ω）和Cu100（电阻值为100Ω）两种。铜热电阻线性好，价格低，但电阻率低，因而体积大，热响应慢。（1）热敏电阻材料热敏电阻材料按温度特性可分为正温度系数（PTC）热敏电阻、负温度系数（NTC）热敏电阻和临界温度系数（CTC）热敏电阻三类。它们随温度的变化关系曲线如图3-6所示。图3-6半导体热敏电阻特性3）热电阻感温元件的结构（a）装配式热电阻（b）铠装式热电阻2.热电阻测温电路（1）四线测温电路为了消除热电阻测温电路中电阻体内导线以及连线引起的误差，热电阻体采用四线连接方式，如图3-3所示。这样方便对电阻温度计进行校正，获得高精度的测量结果。图中，RX为热电阻，G为检流计或微电流检测器，R为固定电阻，R1～R4为平衡调节电阻。（3）二线测温电路这种接线方式配线简单，安装费用低，但不能消除连线电阻随温度变化引起的误差，不适用于高精度测温场合使用，而且，应确保连线电阻值远低于测温的热电阻值。热敏电阻各种材料的使用温度范围如表3-3所示。热敏电阻的种类使用温度范围基本原则NCT热敏电阻超低温1×10－3K～100K低温-130℃～0℃常温50℃～350℃中温150℃～750℃高温500℃～1300℃1300℃～2000℃碳、锗、硅在常用组成中添加铜、降低电阻锰、镍、钴、铁等过渡族金属氧化物的烧结体Al2O3+过渡族金属氧化物的烧结体ZrO2+Y2O3复合烧结体原材料同上，但只能短时测量PTC热敏电阻-50℃～150℃以BaTiO3为主的烧结体CTR热敏电阻0℃～350℃BaO、P与B的酸性氧化物，硅的酸性氧化物，MgO、CuO、SrO、B、Pb、La等氧化物，由上述材料构成的烧结体（2）热敏电阻的外形及应用领域常用热敏电阻的外形如图3-7所示图3-7常用的热敏电阻的外形（a）玻璃罩式；（b）垫圈式；（c）圆片式；（d）棒状；（e）片式热电动势是由接触电动势和温差电动势两部分组成，其大小与两端点的温差有关，还与所采用的材料性质有关。实验和理论都表明，在A、B间接入第三种材料C，只要结点2、3温度相同，则和2、3直接连接时的热电动势一样。这样可以在热电偶回路中接入电位计，只要保证电位计与连接热电偶处的接点温度相等，就不会影响回路中原来的热电势，接入的方式如图3－9（a）、（b）所示。这一点很重要，它为热电偶测量时接测量引线带来方便。显然，利用热电偶这一特性做成测温计，但要求材料的热性能要稳定、电阻率小、电导率高、热电效应强、复制性好。2.热敏电阻测温电路热敏电阻测温电路的基本连接方式如图3-8所示。

图3-8热敏电阻的基本测温电路图3-8（a）是一个热敏电阻RT与一个电阻RS的并联方式，这可简单构成线性电路，若在50℃以下的范围内，其非线性可抑制在±1％以内，并联电阻RS的阻值为热敏电阻RT的阻值RRT的0.35倍。图3-8（b）、（c）为合成电阻方式，温度系数小，适用于宽范围的温度测量，测量精度也较高。图3-8（d）为比率式，电路构成简单，具有较好的线性。3.2.3热电偶及温度检测1.热电偶的工作原理热电偶是由两种不同的导体A和B组成闭合回路构成，如图3-9所示。图3-9热电偶结构示意图导体A和B称为热电极，通常把两热电极的一个端点固定焊接，用于对被测介质进行温度测量，这一接点称为测量端或工作端，俗称热端；两热电极另一接点处通常保持为某一恒定温度或室温，被称作基准点或参考端，俗称冷端。若将热电偶的两端分别放在温度不同的环境中（T0和T），则在热电偶回路中将产生电流，即可实现温度的测量。热电偶回路中产生的电流所对应的电动势称为热电动势。这种由两种不同导体组成的热电偶的热电动势一般情况和两端点温度T、T0都有关。若使T0为给定的恒定温度，如取为0℃，则热电动势仅为T端温度T的单值函数。（3-1）2.热电偶的材料及特性参数（1）热电偶的材料常见的热电偶有铂铑-铂热电偶、镍铬-镍铝（镍铬-镍硅）热电偶和铜-康铜热电偶。铂铑-铂热电偶用于较高温度的测量，测量范围为0℃～1800℃时，误差为±15％。镍铬-镍铝（镍铬-镍硅）热电偶是贵重金属热电偶中最稳定的一种，用途很广，可在0℃～1000℃（短时间可在1300℃）下使用，误差不大于1％，其线性度较好。但这种热电偶不易做的均匀，误差比铂铑-铂大。铜-康铜热电偶用于较低的温度（0℃～400℃）具有较好的稳定性，尤其是在0℃～100℃范围内，误差小于0.1℃。（2）标准热电偶国际电工委员会（IEC）推荐了8种类型为标准化热电偶，即为T型、E型、J型、K型、N型、B型、R型和S型。名称分度号适用范围测温范围／℃热电动势／mV优点铜－铜镍T低温-200～+350-5.603／-200℃+17.816／+350℃最适用于-200℃～+100℃适应弱氧化性环境镍铬－铜镍E中温-200～+800-8.82／-200℃+61.02／800℃热电动势大铁－铜镍J-200～+750-7.89／-200℃+42.28／750℃热电动势大适应还原性环境镍铬－镍硅K高温-200～+1200-5.981／-200℃线性度好，工业用最多适应氧化性环境铂铑30－铂铑6①B超高温+500～+1700+1.241／+500℃+12.426／+1700℃可用到高温适应氧化、还原性环境铂铑13－铂R0～+16000／0℃+18.842／1600℃铂铑10－铂S0～+16000／0℃+16.771／1600℃由表3-4可知，B、R、S和K型热电偶适应氧化性环境，以及还原性环境；E、J和T型热电偶适应还原性环境，而不适应氧化性环境，因此，要根据使用场所与周围环境选用热电偶，并将其放在保护管内使用。B、R和S型热电偶的线性度较差，但稳定、蠕变小，而且可靠性高，因此，适合高温情况下使用，在低温时也可用作标准热电偶。高温以外的情况下可使用K、E、J和T型热电偶，即测量温度为1000℃时选用K型热电偶，测量温度为700℃以下选用E型热电偶，测量温度为600℃左右选用J型热电偶，测量温度为300℃以下选用T型热电偶即可。（3）热电偶的结构形式及安装工艺1）热电偶的结构形式。在工业生产中，热电偶有各种结构形式，如图3-10所示。最常用的有普通型、铠装型和薄膜型热电偶。其中，普通型热电偶主要用于测量气体、蒸汽、液体等介质的温度；铠装型热电偶具有热容量小、动态响应快、机械强度高、挠性好、耐高压和耐冲击等特点，应用更为普遍。图3-10热电偶的外形在安装中常采用直插、斜插（45°角）等插入方式，如管道较细，宜采用斜插。在斜插和管道肘管（弯头处）安装时，其端部应对着被测介质的流向（逆流），不要与被测介质形成顺流。几种插入方式安装如图3-12所示。图3-12热电偶插入方式1－垫片；2－45°角连接头；3－直形连接头④在测炉膛温度时，应避免热电偶与火焰直接接触，避免安装在炉门旁或与被加热物体距离过近之处。在高温设备上测温时，应尽量垂直安装；⑤热电偶的接线盒引出线孔应向下，以防密封不良而使水汽、灰尘与脏物落入，影响测量精度；⑥为减少测温滞后，可在保护外套管与保护管之间加装传热良好的填充物，如变压器油（＜150℃）或铜屑、石英砂（＞150℃）等。薄膜型热电偶是由两种金属薄膜连接而成的一种特殊结构的热电偶，它的测量端既小又薄，热容量很小，可用于微小面积上的温度测量；动态响应快，可测快速变化的表面温度。片状薄膜型热电偶如图3-11所示，它采用真空蒸镀法将两种电极材料蒸镀到绝缘基板上，上面再蒸镀一层二氯化硅薄膜作为绝缘和保护层。

图3-11铁—镍薄膜热电偶2）热电偶的安装工艺①为确保测量的准确性，应根据工作压力、温度、介质等方面因素，选择合理的热电偶结构和安装方式；②选择测温点要具有代表性，即热电偶的工作端不应放置在被测介质的死角，应处于管道流速最大处；③要合理确定插入深度。一般管道安装取150～200mm，设备上安装取小于等于400mm；•管道安装通常使工作端处于管道中心线1/3管道直径区域内。3.热电偶的应用技术热电偶使用时有两种温度，一种是常用温度，另一种是过热温度。常用温度是在空气中连续使用时的温度，过热温度是短时间使用的温度。热电偶的使用温度与线径有关，线径越粗使用温度越高。热电偶使用温度与线径之间的关系如表3-5所示。热电势是T和T0的温度函数的差，而不是温度的函数。当T0=0℃时，f(T0)=0则有：E与T之间有唯一对应的单值函数关系，因此就可以用测量到的热电势E来得到对应的温度值T，热电偶热电势的大小，只是与导体A和B的材料有关，与冷热端的温度有关，与导体的粗细长短及两导体接触面积无关。上一页下一页返回6.3.2热电偶的基本定律1.匀质导体定律2.中间导体定律3.连接导体定律上一页下一页返回2.中间导体定律 在热电偶回路中接入与另一种导体称中间导体C，只要中间导体的两端温度相同，热电偶回路总电动势不受中间导体接入的影响。上一页下一页返回•对于在管道公称直径DN＜80mm的管道上安装热电偶时，可以采用扩大管，其安装方式如图3-13所示。图3-13热电偶在扩大管上的安装1－垫片；2－45°角连接头；3－扩大管1.匀质导体定律由一种匀质导体所组成的闭合回路，不论导体的截面积如何及导体的各处温度分布如何，都不能产生热电势。热电偶必须采用两种不用材料的导体组成，热电偶的热电势仅与两接点的温度有关，而与沿热电极的温度分布无关。如果热电偶的热电极是非匀质导体，在不均匀温度场中测温时将造成测量误差。所以热电极材料的均匀性是衡量热电偶质量的重要技术指标之一。上一页下一页返回3.连接导体定律为在工业测量温度中使用补偿导线提供了理论基础。上一页下一页返回例6.3.1用（S型）热电偶测量某一温度，若参比端温度T0=30℃，测得的热电势E(T,Tn)=7.5mV，求测量端实际温度T。查分度表有E（30，0）=0.173mV反查分度表有T=830℃，测量端实际温度为830℃上一页下一页返回由表3-5可知，线径越粗即使在高温环境中其耐久性也非常强，因此，在高温而较长时间进行温度测量时，要选用线径尽量粗的热电偶。但线径越粗响应时间会变长，因此，在对响应时间要求短，或测量距离较短时，可选用线径较细的热电偶。6.3.3热电偶的冷端处理和补偿 热电偶的热电势大小不仅与热端温度的有关，而且也与冷端温度有关，只有当冷端温度恒定，通过测量热电势的大小得到热端的温度。

热电偶的冷端处理和补偿:

当热电偶冷端处在温度波动较大的地方时，必须首先使用补偿导线将冷端延长到一个温度稳定的地方，再考虑将冷端处理为０℃。上一页下一页返回热电偶种类线径/mm常用温度/℃过热温度/℃T0.320.651.001.60200200250300250250300350K0.651.001.602.303.206507508509001000850950105011001200E0.651.001.602.303.20450500550600700500550650750800J0.651.001.602.303.20400450500550600500550650750750B0.515001700RS0.514001600表3-5热电偶使用的温度与线径的关系（2）基准结点及补偿1）基准结点。由上述原理可知，热电偶输出的热电势由其冷热两个结点间温度T0和T差值决定，这样要获得正确的测量结果，就需要设置基准结点。通常选用冷结点（T0＝0℃）作为基准结点。2）对基准温度结点的补偿。理想基准结点要求温度保持恒定。但实际应用中，由于热电偶的冷、热端距离通常很近，冷端（接线盒处）又暴露于空间，受到周围环境温度波动的影响，冷端温度很难保持恒定，保持在0℃更难。因此必须采取措施，常用的方法有以下几种：①补偿导线法。被测点与基准结点之间距离相当长时，热电偶端子到基准结点间可用导线连接，这种导线称为补偿导线。补偿导线随使用的热电偶及其构成材料的不同而不同，它要与各自对应的热电偶组合使用。补偿导线的结构如图3-14所示。图3-14补偿导线的结构使用时热电偶的“＋”端要接补偿导线的“＋”（A‘）侧芯线，热电偶的“—”端要接补偿导线的“—”（B’）侧芯线，如图3-15所示。图3-15接有补偿导线的测量电路（a）用于冰点式基准结点场合；（b）用于室温式基准结点场合采用补偿导线要注意以下两点：其一，热电偶的长度由补偿结点的温度决定。热电偶长度与补偿导线长度要最佳配合，例如，热电偶长50cm，补偿导线5m为宜。热电偶与补偿导线结点（这点称为补偿结点）的温度不能超过补偿导线的使用温度。若测温结点温度高于补偿结点温度时，热电偶就需要延长，使补偿结点远离测温区，从而保证了补偿导线在规定的温度范围内使用。反之，测温结点温度低，热电偶可缩短。其二，热电偶与计量仪器之间增加一个温度结点（补偿结点），误差要尽可能地小。为此，结点要紧靠，做到不产生温差。②机械零位调整法。当热电偶与动圈式仪表配套使用时，若热电偶的冷端温度比较恒定，对测量准确度要求不高时，可在仪表未工作前将仪表机械零位调至冷端温度处。由于外线路电势输入为零，调整机械零位相当于预先给仪表输入一个电势E（T0，0）。当接入热电偶后，外电路热电势E（T，T0）与表内预置电势E（T0，0）叠加，使回路总电势正好为E（T，0），仪表直接指示出热端温度T。在用此方法时，应先将仪表电源和输入信号切断，再将仪表指针调整到进行T0刻度处。当冷端温度变化时，应及时修正指针位置。这种方法操作简单，在工业上普遍采用。④冰浴法。将热电偶的冷端延长到装有冰水混合液的瓶中，基准结点与连接热电偶和计量仪器的导线接在一起，如图3-17所示。由于冰水保持热平衡，因此，基准结点就保持在冰点（0℃），它消除了t0不等于0℃而引入的误差。图3-17冰浴法接线图1－被测流体管道；2－热电偶（测温结点）；3－接线盒；4－补偿导线；5－铜导线；6－毫伏表；7－冰瓶；8－冰水混合物；9－试管；10－新冷端（基准结点）③电桥补偿法。电桥补偿法是利用不平衡电桥产生的电势来补偿热电偶因冷端温度变化而引起的热电势变化值，可以自动地将冷端温度校正到补偿电桥的平衡温度上。如图3-16所示。1－热电偶；2－补偿导线；3－铜导线；4－指示仪表；5－冷端补偿器可购买与被补偿热电偶对应型号的补偿电桥。冰浴法要使用洁净的饮用水，瓶中要保持水与冰处于良好的平衡状态。长时间使用时热电偶周围的冰就会溶解，若水少则冰中出现空隙，在结点周围会有空气侵入，这时就不是冰点状态；若水多则冰就会漂浮在水上，则结点就会置于水中，这时也不是冰点状态。因此，需要经常检查，随时补充水。为了避免插入深度不同引起的误差，热电偶浸入冰水的长度要足够长。为了避免冰水导电引起T0处的连接点短路，必须把连接点分别置于两个玻璃试管中。由于冰融化较快，所以这种方法常用于实验室温度测量及温度计校准等要求精度较高的场合。⑤计算修正法。当热电偶的基准结点温度T0≠0℃时，所测得的热电势值与基准结点温度为0℃时的值ET（T，0）不等，可用下式进行修正式中：E0（T0，0）为基准结点温度T0≠0℃时产生的热电势值。这种方法适合于微机检测系统，即通过其它方法将采集到的T0输入微机，用软件进行处理，可实现检测系统的自动补偿。4.热电偶实用测量电路（1）测量某点温度的基本电路热电偶直接和仪表配用的测温电路如图3-18所示。图3-18热电偶基本测温电路（2）热电偶反向串联电路将两个同型号的热电偶配用相同的补偿导线，反向串联连接，如图3-19所示。图中A′、B′是与测量热电偶热电性质相同的补偿导线，电路中两热电势反向串联，仪表可测得T1和T2之间的温度差值。图3-19热电偶反向串联测量电路（3）热电偶并联电路用几个同型号的热电偶并联在一起，在每一个热电偶线路中分别串联均衡电阻R，并要求热电偶都工作在线性段，如图3-20所示。根据电路理论，当仪表的输入阻抗很大时，回路中总的热电势等于热电偶输出电势之和的平均值，即图3-20热电偶并联测量电路（4）热电偶串联电路热电偶串联电路如图3-21所示。用几个同型号的热电偶依次将正负相连，回路总的热电势为这种电路输出电势大，可感应较小的信号。但只要有一个热电偶断路，总的热电势消失；若热电偶短路，将会引起仪表值的下降。图3-21热电偶多点温度求和电路5．热电偶的定期校验校验的方法是用标准热电偶与被校验热电偶装在同一校验炉中进行对比，误差超过规定允许值为不合格。图3-22为热电偶校验装置示意图，最佳校验方法可由查阅有关标准获得。工业热电偶的允许偏差，见表3-6所示。热电偶分度号校验温度/℃热电偶允许偏差/℃温度偏差温度偏差LB–3600、800、1000、12000～600±2.4>600占所测热电势的±0.4%EU–2400、600、800，1000～400±4>400占所测热电势的±0.75%EA–2300、400、6000～300±4>300占所测热电势的±1%图3-22热电偶校验图1-调压变压器；2-管式电炉；3标准热电偶；4-被校热电偶；5-冰瓶；6-切换开关；7-测试仪表；8-试管3.2.4集成温度传感器及温度检测集成温度传感器是利用晶体管PN结的正向压降随温度升高而降低的特性，将晶体管的PN结作为感温元件，把敏感元件、放大电路和补偿电路等部分集成，并把它们封装在同一壳体里的一种一体化温度检测元件。它与半导体热敏电阻一样具有体积小、反应快的优点外，还具有线性好、性能高、价格低、抗干扰能力强等特点，虽然由于PN结受耐热性能和特性范围的限制，只能用来测1500C以下的温度，但在低温测量领域仍得到了广泛的应用。下面主要介绍常用的集成温度传感器AD590、LM35和智能温度控制器DS18B20的应用。1.AD590及其应用AD590是美国模拟器件公司生产的单片电流型两端集成温度传感器，其表征为一个输出电流与温度成比例的电流源。AD590共有I、J、K、L、M五档，在出厂前已经校准，其中M档精度最高/I档最低，在测温范围内的非线性误差M档小于±0.3℃/I档小于±10℃，I档在应用时需校正。AD590的主要特征如下：•线性电流输出：流过器件电流的微安数等于器件所处环境的热力学温度（开尔文）度数。即1μA/K；•测温范围宽：-55℃～+150℃；•二端器件：电压输入，电流输出；•精度高：±0.5℃（AD590M）；•线性度好：在整个测温范围内非线性误差小于±0.3（AD590M）；•工作电压范围宽：4～30V。电源由5V变到10V时，最大只有lμA的电流变化，相当于1℃的等效误差。可以承受44V的正向电压和20V的反向电压，因而不规则的电源变化或管脚反接也不会损坏器件；•功耗低：1.5mW／+5V／+25℃；•输出阻抗高：710MΩ。长线上的电阻对器件工作影响不大，用绝缘良好的双绞线连接，可以使器件在距电源25m处正常工作。高输出阻抗又能极好地消除电源电压漂移和纹波的影响；•器件本身与外壳绝缘。由上述特性可知AD590具有：单电源工作、精度高、抗干扰能力强，特别适于进行运动测量。1.AD590及其应用AD590是美国模拟器件公司生产的单片电流型两端集成温度传感器，其表征为一个输出电流与温度成比例的电流源。AD590共有I、J、K、L、M五档，在出厂前已经校准，其中M档精度最高/I档最低，在测温范围内的非线性误差M档小于±0.3℃/I档小于±10℃，I档在应用时需校正。AD590的主要特征如下：•线性电流输出：流过器件电流的微安数等于器件所处环境的热力学温度（开尔文）度数。即1μA/K；•测温范围宽：-55℃～+150℃；•二端器件：电压输入，电流输出；•精度高：±0.5℃（AD590M）；•线性度好：在整个测温范围内非线性误差小于±0.3（AD590M）；（2）AD590的外形和基本测温电路AD590采用金属壳3脚封装。其中，1脚为电源正端V+，2脚为电流输出端V-，3脚为管壳，一般不用。其外形和符号如图3-23所示。（a）外形（b）符号图3-23AD590外形与符号AD590用于测量热力学温度的基本电路如图3-24所示。因为流过AD590的电流与热力学温度成正比，当电阻R1和电位器R2的电阻之和为1kΩ时，输出电压VO随温度的变化为1mV/K。但由于AD590的增益有偏差，电阻也有误差，需对电路进行调整。调整的方法为：把AD590放于冰水混合物中（0℃），调整电位器R2，使VO=273.2mV。或在室温下（25℃）条件下调整电位器，使VO=273.2+25=298.2（mV）。但这样调整只可保证在0℃或25℃附近有较高精度。（3）AD590的应用电路AD590可串联工作也可并联工作，如图3-25所示。将几个AD590单元串联使用时，显示的是几个被测温度中的最低温度；而并联可获得几个被测温度的平均值。图3-24AD590的基本应用电路图3-25AD590的串并联使用（a）串联使用；（b）并联使用（4）AD590的应用实例AD590具有线性优良、性能稳定、灵敏度高、无需补偿、热容量小、抗干扰能力强、可远距离测温且使用方便等优点。可广泛应用于各种冰箱、空调器、粮仓、冰库、工业仪器配套和各种温度的测量和控制等领域。下面以利用AD590构成的数字显示温度计为例来介绍其应用。①AD590的测温电路。AD590的测温及电流/电压和绝对/摄氏温标的转换电路如图3-26所示。图3-26AD590的测温及转换电路图3-26中，运算放大器A1被接成电压跟随器形式，以增加信号的输入阻抗。而运放A2的作用是把绝对温标转换成摄氏温标，给A2的同相输入端输入一个恒定的电压（如1.235V），然后将此电压放大到2.73V。这样，A1与A2输出端之间的电压即为转换成的摄氏温标。2.LM35及其应用常用的电压输出型集成温度传感器有LM135系列和LM35两大类。其中，LM135系列的工作方式类似于齐纳二极管，其反向击穿电压随绝对温度以+10mV/K的比例变化，工作电流为0.4～5mA，动态阻抗仅为1Ω，便于和测量仪表配接。LM135系列具有测量精度高，应用简单，且测温范围很宽等优点，LM135测温范围为-55℃～+150℃，LM235和LM335测温范围分别为-40℃～+125℃和-40℃～+100℃；另一种，LM35具有很高的工作精度和较宽的线性工作范围，其输出电压与摄氏温度线性成比例。从使用角度来说，LM35相比用开尔文标准的线性温度传感器更具有优势，LM35无需外部校准或微调，可以提供±1/4℃的常用的室温精度，LM35从电源吸收的电流很小（约60μA），且几乎是不变，所以芯片自身几乎没有散热的问题。LM35和LM135系列相比LM35就相当于是无需校准的LM135，而且测量精度比LM135高，不过价格也稍高。这里就以LM35介绍电压输出型集成温度传感器的应用。②A/D转换和显示电路。用MC14433实现的A/D转换和显示电路如图3-27所示。图3-27A/D转换和显示电路图3-27中，将图3-26输出的模拟电压送入中MC14433进行A/D转换，并由MC14433将转换后的数字量送LED显示器显示。其中MC14511为译码/锁存/驱动电路，它的输入为BCD码，输出为七段译码。LED数码显示由MC14433的位选信号DS1~DS4通过达林顿阵列MC1413来驱动，并由MC14433的DS1、Q2端来控制“＋”、“－”温度的显示。当DS1=1，Q2=1时，显示为正；Q2=0时，显示为负。（1）LM35特性•工作电压：直流4～30V；•工作电流：小于133μA；•输出电压：+6V～-1.0V；•输出阻抗：1mA负载时0.1Ω；•精度：0.5℃精度（在+25℃时）；•漏泄电流：小于60μA；•比例因数：线性+10.0mV/℃；•非线性值：±1/4℃；•校准方式：直接用摄氏温度校准；•封装：密封TO-46、塑料TO-92、贴片SO-8和TO-220，如图3-28所示；•使用温度范围：-35℃～+150℃额定范围。（a）TO-46（b）TO-92（c）SO-8（d）TO-220图3-28LM35的封装形式（2）LM35的应用1）基本应用电路。单电源供电时，通过在输出端Vout接一个电阻，在GND引脚对地之间串接两个二极管，就可以得到全量程的温度范围，电路如图3-29（a）所示。图中，电阻为18kΩ普通电阻，VD1、VD2为1N4148，＋UO为与温度相应的输出电压。图3-29采用LM35构成的传感器电路（a）单电源电路；（b）双电源电路在双电源供电情况下，在输出端与负电源接一个电阻，就可以得到全量程的温度范围，电路如图3-29（b）所示。R1的阻值由下式决定R1＝（-Vs）/50μA2）温度/频率转换电路。采用温度传感器LM35D的温度/频率转换电路如图3-30所示。它将20℃～150℃的温度转换为200～1500Hz的TTL电平的输出频率信号，其测量温度范围为-55℃～+150℃，灵敏度为10mV/℃。当测温范围为2℃～150℃，其输出电压为20～1500mV。电压/频率（V/F）转换器采用LM331，R1C1构成低通滤波器滤除LM35D的输出噪声。RPl用于调零，当温度为2℃时，调整RPl，使输出频率f0为20Hz。RP2用于满量程调整，当温度为150℃时，调整RP2，使输出频率f0为1500Hz。V/F输出通常是以TTL电平脉冲列传送出去，这里LM331输出通过VT放大为0/20mA的电流脉冲列，即电流0对应的逻辑0电平，电流20mA对应的逻辑1电平。采用扭绞二线电缆进行远距离传送，接收部分采用光耦合器TLP521进行隔离。0/20mA的电流脉冲列直接驱动TLP501，HC14输出f0为20～1500Hz的TTL电平的频率信号，接到F/V转换器或者计数器进行必要的处理。图3-30采用LM35D的温度/频率转换电路3.DS18B20智能温度控制器及其应用（1）DS18B20性能特点DS18B20的性能特点：①采用单总线专用技术，被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出，无须经过其它变换电路；②测温范围为-55℃～+125℃，测量分辨率为0.0625℃；③内含64位经过激光修正的只读存储器ROM；④适配各种单片机或系统机；⑤用户可分别设定各路温度的上、下限；⑥其工作电源既可在远端引入，也可采用寄生电源方式产生。以上特点使DS18B20非常适用于远距离多点温度检测系统。（2）DS18B20的封装形式及内部结构DS18B20有3引脚TO-92小体积封装和SOIC封装形式，其管脚排列如图3-31所示，DQ为数字信号输入/输出端；GND为电源地；VDD为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）。图3-31DS18B20的管脚与封装DS18B20内部结构如图3-32所示，主要由64位光刻ROM、温度传感器和温度传感器的存储单元三部分组成。图3-32DS18B20内部结构各部分的结构、作用和工作方式简述如下。1）64位光刻ROM。ROM中的64位序列号是出厂前被光刻好的，每片序列号均不相同，它可以看作是该片DS18B20的地址序列码。64位光刻ROM的排列是：开始8位（28H）是产品类型标号，接着的48位是该DS18B20自身的序列号，最后8位是前面56位的循环冗余校验码（CRC=X8+X5+X4+1）。这样就可以实现一根总线上挂接多个DS18B20的目的。2）温度传感器。DS18B20中的温度传感器可完成对温度的测量，并以二进制补码读数形式输出。以12位数字转换（0.0625℃/LSB）为例：转换后得到的12位数据，存放在DS18B20的两个8bit的RAM中，二进制中的前面5位是符号位（用S表示），如果测得的温度大于0℃，这5位为“0”，只要将测到的数值乘于0.0625即可得到实际温度值；如果温度小于0℃，这5位为“1”，测到的数值需要取反加1再乘于0.0625即可得到实际温度值。两个8bitRAM格式如表3-7所示。在DS18B20的-55℃～+125℃测温范围内对应的数字输出如表3-8所示。温度数字输出（二进制）数字输出（十六进制）+125℃000001111101000007D0H+85℃00000101010100000550H+25.0625℃00000001100100010191H+10.125℃000000001010001000A2H+0.5℃00000000000010000008H0℃00000000000000000000H-0.5℃1111111111111000FFF8H-10.125℃1111111101011110FF5EH-25.0625℃1111111001101111FE6FH-55℃1111110010010000FC90H表3-8在测温范围内温度与对应数字输出的关系表3）温度传感器的存储单元。DS18B20温度传感器的内部存储器用于存放所测得的温度信息，包括一个高速暂存RAM和一个非易失性的可电擦除的E2PROM。其中E2PROM存放高低温报警触发器TH、TL和配置寄存器。暂存存储器包含了8个连续字节，其分布如表3-9所示。前两个字节是测得的温度信息，第一个字节的内容是温度的低八位，第二个字节是温度的高八位。第三个和第四个字节是TH、TL的易失性拷贝，第五个字节是结构寄存器的易失性拷贝，这三个字节的内容在每一次上电复位时被刷新。第六、七、八个字节用于内部计算。第九个字节是冗余检验字节。寄存器内容字节地址寄存器内容字节地址温度最低数字位温度最高数字位高温限值低温限值保留01234保留计数剩余值每度计数值CRC效验5678表3-9DS18B20暂存寄存器分布高低温报警触发器TH和TL、配置寄存器均由一个字节的E2PROM组成，使用一个存储器功能命令可对TH、TL或配置寄存器写入。其中配置寄存器的格式如下：TMR1R011111低五位一直都是“1”，TM是测试模式位，用于设置DS18B20在工作模式还是在测试模式。在DS18B20出厂时该位被设置为0，用户不要去改动。R1和R0用来设置分辨率，如表3-10所示（DS18B20出厂时被设置为12位）：R1R0分辨率温度最大转换时间009位93.75ms0110位187.5ms1011位375ms1112位750ms表3-10分辨率设置表（3）测温步骤根据DS18B20的通讯协议，主机控制DS18B20完成温度转换必须经过三个步骤：每一次读写之前都要对DS18B20进行复位，复位成功后发送一条ROM指令，最后发送RAM指令，这样才能对DS18B20进行预定的操作。复位要求主CPU将数据线下拉500μs，然后释放，DS18B20收到信号后等待16～60μs左右，后发出60～240μs的低脉冲，主CPU收到此信号表示复位成功。（4）DS18B20与单片机的典型接口以MCS-51系列单片机为例，DS18B20与8031的典型连接如图3-33（a）所示。图中DS18B20采用寄生电源方式，其VDD和GND端均接地。图3-33（b）中DS18B20采用外接电源方式，其VDD端用3V～5.5V电源供电。由于DS18B20的一线工作协议流程是：初始化→ROM操作指令→存储器操作指令→数据传输。所以单片机须编写了三个子程序：初始化子程序，写（命令或数据）子程序，读数据子程序，即可完成温度的测量。基于图3-33的DS18B20测温程序见附录2。图3-33DS18B20与8031的典型连接（a）寄生电源方式；（b）外接电源方式（5）DS18B20使用中注意事项DS1820虽然具有测温系统简单、测温精度高、连接方便、占用端口线少等优点，但在实际应用中也应注意以下几方面的问题：1）由于DS18B20与微处理器间采用串行数据传送。因此，在对DS18B20进行读写编程时，必须严格的保证读写时序，否则将无法读取测温结果。在进行系统程序设计时，最好采用汇编语言实现。2）单总线上所挂DS18B20超过8个时，就需要解决微处理器的总线驱动问题，在进行多点测温系统设计时要特别注意。3）连接DS18B20的总线电缆是有长度限制的。试验中，当采用普通信号电缆传输长度超过50m时，读取的测温数据将发生错误。当将总线电缆改为双绞线带屏蔽电缆时，正常通讯距离可达150m，当采用每米绞合次数更多的双绞线带屏蔽电缆时，正常通讯距离进一步加长。因此，在用DS18B20进行长距离测温系统设计时要充分考虑总线分布电容和阻抗匹配问题。4）在DS18B20测温程序设计中，向DS18B20发出温度转换命令后，程序总要等待DS18B20的返回信号，一旦某个DS18B20接触不好或断线，当程序读该DS18B20时，将没有返回信号，程序进入死循环。在进行DS18B20硬件连接和软件设计时要综合考虑。测温电缆线建议采用屏蔽4芯双绞线，其中一对线接地线与信号线，另一组接VCC和地线，屏蔽层在电源端单点接地。3.3非接触式温度检测技术非接触式测温的方法:利用被测对象的热辐射能量随其温度的变化而变化的原理，通过测量一定距离处被测物体发出的热辐射强度来确定被测对象的温度。非接触式温度检测技术主要应用于冶金、铸造、热处理以及玻璃、陶瓷和耐火材料等工业生产过程中的高温检测。常见的传感器有:光学高温计、辐射温度计、光纤温度传感器、红外温度传感器等。这类传感器的优点:不存在测量滞后和温度范围的限制，可测高温、腐蚀、有毒、运动物体及固体、液体表面的温度，不影响被测物体的温度场；缺点:易受被测对象热辐射率的影响，测量精度低，测量距离和中间介质对测量结果都有较大影响。方式接触式非接触式测量条件感温元件要与被测对象良好接触；感温元件的加入几乎不改变对象的温度；被测温度不超过感温元件能承受的上限温度；被测对象不对感温元件产生腐蚀需准确知道被测对象表面发射率；被测对象的辐射能充分照射到检测元件上测量范围特别适合12000C以下，热容量大，无腐蚀性对象的连续在线测温，对高于13000C以上的温度测量较困难原理上测量范围可以从超低温到极高温，但10000C以下测量误差大，能测运动物体和热容量小的物体温度精度工业用表通常为1.0、0.5、0.2、0.1级，实验室用表可达0.01级通常为1.0、1.5、2.0级响应速度慢，退出为几十秒到几分快，通常为2～3s其他特点整个测温系统结构简单，体积小，可靠，维护方便，价格低廉；仪表读数直接反映被测物体实际温度；可方便地组成多路集中测量与控制系统整个测温系统结构复杂，体积大，调整麻烦，价格昂贵；仪表读数通常只反映被测物体表面温度（需进一步转换）；不易组成测温、控温一体化的温度控制系统3.3.1光学高温计(opticalpyrometer)可用来测量800℃～3200℃的高温勒夏特列/勒夏特利埃（LeChatelier,HenriLouis），法国化学家。根据物体的辐射随着温度上升而变化制成的。

直接将物体的颜色和比色表对照就可以判断其温度。近代的高温计用可调温度的钨丝做参照物。调节钨丝的发光，使得其与被测目标光色融合的时候，两者温度就相同。但钨丝在什么电流下发怎么的光，这需要事先标定。所以精度依然不高。现代的高温计分析物体热辐射的峰值来判断其温度，不需要参照物，精度进一步提高。以国产WGG2-201型光学高温计为例，介绍光学高温计的测温方法。WGG2-201型光学高温计WGG2-201型光学高温计图3-34WGG2-201型光学高温计外形和原理图1－物镜；2－吸收玻璃；3－灯泡；4－红色虑光片；5－目镜；6－指示仪表；7－滑线电阻；E－电源；R1－刻度调整电阻产品说明：

此光学高温计能在环境温度10-50℃,相对湿度不大於85%的情况下连续工作

物镜与目标之间的距离不小于700mm

标尺长度不小于90mm

净重约1.8kg这时在指示仪表6上指示出灯丝两端的电压值，利用电压与温度的关系曲线，将表盘直接刻度成温度值。为了改善刻度的非线性，指针式指示仪表的磁钢采用了不均匀磁场的方式。与指示仪表串联的电阻R1在仪表标定时配置、校准，调节它的阻值可以改变仪表的误差。仪表电源采用3V干电池，安装于仪表下部手柄内。（a）电流过低（b）平衡（c）电流过高图3-35亮度平衡示意图由于光学高温计是以黑体的光谱辐射亮度来刻度的，如果被测物体为非黑体时就会出现偏差。因为在同一温度下非黑体的光谱辐射亮度比黑体低，因此用光学高温计测量非黑体的温度比真实温度偏低，需要校正。3.3.2辐射温度计辐射温度计是根据全辐射强度定理即物体的总辐射强度与物体温度的四次方成正比的关系来进行测量的。辐射温度计由辐射感温器和显示仪表两部分组成，它可用来测量400℃～2000℃的高温，多为现场安装式结构，为适应现场高温环境的要求，可在辐射感温器外加装水冷夹套。辐射高温计测量的温度称为辐射温度（TF），被测对象为非黑体时，要通过修正才能得到非黑体的真实温度。（a）热电堆结构（b）自动补偿器图3-36热电堆结构和补偿光阑（a）：1－云母基片；2－受热靶面；3－热电偶丝；4－引出线（b）：1－补偿片；2－双金属片辐射温度计的测温是使被测物体的辐射能经过透镜和光阑聚焦在接收元件（热电堆）的受热片上如图3-36（a）所示。在受热片上有8支串联的热电偶，每支热电偶的热端在受热片的中央部位围成一圈，用点焊把热端焊接在0.01mm的软镍箔圆片上，然后8等份切开，使热端呈扁薄箭头状。镍圆片直径3mm，用电解法镀上一薄层黑色的铂黑，以提高其吸收比。热电偶的冷端焊在一个金属箔上，金属箔固定在两片绝缘绝热的云母环中间，云母环固定有引出线，从引出线上可以得到8支热电偶热电势的和。这种热电堆能量损失小，具有较小的热惯性和较高的灵敏度。受热片上的铂黑接收到物体的辐射能量并转化为热能使铂黑处的温度升高，热电堆产生相应的热电势，这个热电偶的大小除与热端有关外，还与冷端有关，为了补偿冷端温度（环境温度）的变化所造成的影响，采用了可变光阑，它是热电堆冷端的自动补偿器。它由双金属片控制，从图3-36（b）可以看出，共有4个补偿元件，它由补偿片和双金属片组成，双金属片的一端固定在铝合金框架上，补偿片垂直焊接在双金属片的自由端上，当环境温度升高时，热电堆的冷端温度也随之升高，这样热电堆输出的热电势将减少，这时双金属片也会随环境温度升高而变形，由轴心向外围伸展，则4个补偿片均向外移动，使光阑孔相应扩大，照射到热电堆铂黑上的能量也会增加，使热电势增加，起到了自动补偿的作用。国产WFT-202型辐射温度计的结构图图3-37辐射感温器结构图1－物镜；2－外壳；3－补偿光阑；4－座架；5－热电堆；6－接线柱；7－穿线套；8－盖；9－目镜；10－校正片；11－小齿轮它主要由光学系统和热接收器件两部分组成。它采用透射式光学系统，外壳为铝合金材料，内外表面为涂黑处理，物镜的直径是37mm，厚8mm，材料为石英玻璃（400℃～1200℃）或K9中性光学玻璃（900℃～2000℃）制成。壳体内装有一开孔的圆筒状铝合金座架，上面装有热电堆和补偿光阑。在光阑前有一长方形的校正片（宽约1mm），校正片安装在与小齿轮啮合的偏心齿圈上，齿圈套在金属架上。打开后盖可用螺丝刀旋动小齿轮，可以调节校正片的位置，改变阻挡面积的大小，调节照射到热电堆上的热辐射能量，用以调节精度。在后盖上有瞄准用目镜，它由K9光学玻璃制成凸透镜，起放大作用。通过它透过热电堆的缝隙可观察到被测物体的成像，以便使光学系统对准被测物体。太阳光谱上红外线的波长大于可见光线，波长为0.75～1000μm。红外线可分为三部分：近红外线，波长为0.75～1.50μm之间；中红外线，波长为1.50～6.0μm之间；远红外线，波长为6.0～l000μm之间。

辐射感温器必须与毫伏计或电子电位差计配套使用，用它们来测量热电堆的热电势信号。WFT-202型辐射温度计规定了外接电阻为245Ω。3.3.3红外传感器及温度检测1、红外辐射的基本概念（1）红外辐射俗称红外线infraredray由德国科学家霍胥尔于1800年发现凡是存在于自然界中的物体，都会辐射出红外线，只是其红外线的波长不同而已。如人体温度为36℃～37℃，所辐射的红外线波长为9～10μm（属于远红外线区），物体被加热到400℃～700℃时，其所辐射的红外线波长为3～5μm（属于中红外线区）。利用被测物体辐射的红外线实现检测的技术就是红外检测技术。电磁波谱图医用红外线可分为两类：近红外线与远红外线。近红外线或称短波红外线，波长0.76～1.5微米，穿入人体组织较深,约5～10毫米；远红外线或称长波红外线，波长1.5～400微米，多被表层皮肤吸收，穿透组织深度小于2毫米。2）穿透云雾的能力强大气窗口（atmosphericwindow）指天体辐射中能穿透大气的一些波段。由于地球大气中的各种粒子对辐射的吸收和反射，只有某些波段范围内的天体辐射才能到达地面。红外窗口：2～2.6μm,3～5μm，8～14μm(3)红外辐射源任何温度高于0K的物体，会向周围空间辐射红外线，可视为红外辐射源。根据辐射源的几何尺寸的大小及距探测器的远近，分为点源和面源。点源的辐射强度仅与源面积无关；面源的辐射强度与被照面在面源表面上的位置、方向及面源的面积有关。（4）红外线的应用高温杀菌，红外线夜视仪，监控设备，手机的红外口，宾馆的房门卡，汽车、电视机的遥控器、洗手池的红外感应2.红外传感器的分类红外传感器（也称红外探测器）是能将红外辐射能转换成电能的光敏器件，用来检测物体辐射的红外线。从工作原理和性能上红外传感器可分为热电型和量子型两类，如表3-12所示。分类光敏元件特征应用领域量子型光电导式、光生伏特式、光电磁式、肖特基势叠式灵敏度低、响应慢、波长响应范围宽、价廉测温、自动控制热电型热电偶式、电阻式、电容式、热释电式灵敏度高、响应快、波长响应范围窄、有的需在低温条件下才能使用遥测、遥感、成像、测温（2）红外线的物理特性1）有热效应

2）穿透云雾的能力强

1）红外线的物理本质是热辐射太阳光谱中最大的热效应出现在红外辐射的频率范围内，因此红外辐射成为热辐射。现代物理学称之为热射线。实验表明：波长为0.1μm～l000μm的电磁波被物体吸收时，可以显著地转换变为热能。2.热释电红外传感器（1）热释电效应当一些晶体受热时，在晶体两端将会产生数量相等而符号相反的电荷，这种由于热变化产生的电极化现象称为热释电效应。（2）热释电效应红外线光敏元件的材料能产生热释电效应的晶体称为热释电体，又称热电元件。常用的热电元件材料有钽酸锂（LiTaO3）、硫酸三甘肽（LATGS）及钛锆酸铅（PZT）和高分子薄膜聚偏二氟乙烯（PVF2）等。（3）热释电红外传感器热释电红外传感器的结构及内部电路如图3-38所示。图3-38热释红外传感器结构图图3-38中，热释电红外传感器主要由外壳、滤光片、热电元件PZT、结场效应管FET、电阻、二极管等组成，并向壳内充入氮气封装起来。其中滤光片设置在窗口处，组成红外线通过的窗口。滤光片为6μm多层膜干涉滤光片，它对5μm以下短波长光有高反射率，而对6μm以上人体发射出来的红外线热源（10μm）有高穿透性，阻抗变换用的FET管和电路元件放在管底部分。敏感元件用红外线热释电材料PZT（或其它材料）制成很小的薄片，再在薄片两面镀上电极，构成两个反向串联的有极性的小电容。这样，当入射的能量顺序地射到两个元件时，由于是两个元件反相串联，故其输出是单元件的两倍；由于两个元件反相串联，对于同时输入的能量会相互抵消。由于双元件红外敏感元件具有上面的特性，可以防止因太阳光等红外线所引起的误差或误动作；由于周围环境温度的变化影响整个敏感元件产生温度变化，两个元件产生的热释电信号互相抵消，起到补偿作用。热释电红外传感器可用作人体探测和测温，其响应波长范围为2～15μm，测温范围可达-80℃～1500℃。3.量子型红外传感器（1）PbS红外光敏元件及工作原理PbS红外光敏元件结构如图3-39所示；它先在玻璃基板上制成双电极，然后蒸镀PbS薄膜，再引出电极线即成。为防PbS氧化，一般将PbS光敏元件封入真空容器中，并用玻璃或蓝宝石做光窗。图3-39PbS红外光敏元件结构图图3-40ZnSb红外光敏元件结构图PbS红外光敏元件对近红外光到3μm红外光有较高灵敏度，可在室温下工作。当红外光照射存PbS光敏元件上时，因光电导效应，PbS光敏元件的阻值发生变化，电阻的变化引起PbS光敏元件两电极间电压的变化。（2）ZnSb红外光敏元件及工作原理ZnSb红外光敏元件结构如图3-40所示。其结构和具有PN结的光敏二极管相似。它把杂质Zn等用扩散结渗入N型半导体中形成P层构成PN结，再引出引线制成的。当红外光照射在ZnSb元件的PN结上时，因光生伏特效应，在ZnSb光敏元件两端产生电动势，此电动势的大小与光照强度成正比。ZnSb红外光敏元件灵敏度高于PbS红外光敏元件，能在室温下工作也可在低温下工作。若在低温下工作可采用液态氮进行冷却。4.红外传感器使用中应注意的问题•必须首先注意了解红外传感器的性能指标和应用范围，掌握它的使用条件；•必须关注传感器的工作温度，一般要选择能在室温下工作的红外传感器，便于维护；•适当调整红外传感器的工作点。一般情况下，传感器有一个最佳工作点。只有工作在最佳偏流工作点时，红外传感器的信噪比最大。实际工作点最好稍低于最佳工作点；•选用适当前置放大器与红外传感器配合，以获取最佳探测效果；•调制频率与红外传感器的频率响应相匹配；•传感器光学部分不能用手摸、擦，防止损伤与沾污；•传感器存放时注意防潮、防振、防腐。5．红外测温传感器红外测温传感器就是利用物体的辐射能量随其温度而变化的原理制成的传感器。（1）红外测温的特点•红外测温是远距离和非接触测温，特别适合于高速运动物体、带电体、高温及高压物体的温度测量；•红外测温反应速度快。它不需要与物体达到热平衡的过程。只要接收到目标的红外辐射即可定温。反映时间一般都在毫秒级甚至微秒级；•红外测温灵敏度高。因为物体的辐射能量与温度的四次方成正比。物体温度微小的变化，就会引起辐射能量成倍的变化，红外传感器即可迅速地检测出来；•红外测温准确度较高。由于是非接触测量，不会破坏物体原来温度分布状况，因此测出的温度比较真实。其测量准确度可达到0.1℃以内，甚至更小；•红外测温范围广泛。可测摄氏零下几十度到零上几千度的温度范围。（2）红外测温种类红外测温主要有主动式和被动式两种。1）主动式。主动式红外检测是利用红外辐射源对被测物照射。被测物对红外光进行吸收、反射和透射后，使红外光发生了变化，此变化与被测物的某些参数有关，由此实现检测。2）被动式。被动式红外检测是被测物本身就是红外辐射源，利用其辐射特性检测红外辐射能实现温度的测量；或把物体各个点辐射能大小转换成热图象；或利用气体辐射在红外波段有固定的谱线完成气体分析等。（3）红外辐射温度计应用实例常见的红外辐射温度计的测温范围可以从-30℃到3000℃，可根据需要选择不同的规格。（a）表面温度测量示意图（b）内部原理结构图3-41红外辐射温度计的外形结构与原理框图1－便携式红外辐射温度计；2－红色瞄准激光束；3－滤光片；4－聚焦透镜图3-41（a）是电动机表面温度测量示意图。测试时，按下手枪形测量仪的开关，枪口射出一束低功率的红色激光，自动汇聚到被测物上（瞄准用）。被测物发出的红外辐射能量就能准确地聚焦在红外辐射温度计“枪口”内部的光电池上。红外辐射温度计内部的CPU根据距离、被测物表面黑度辐射系数、水蒸气及粉尘吸收修正系数、环境温度以及被测物辐射出来的红外光强度等诸多参数，计算出被测物体的表面温度。其反应速度只需0.5s，有峰值、平均值显示及保持功能，可与计算机串行通信。广泛用于铁路机车轴温检测，冶金、化工、高压输变电设备、热加工流水线表面温度测量，还可快速测量人体温度。红外线气体分析仪：是根据气体对红外线具有选择性的吸收的特性来对气体成分进行分析的。红外热成像红外无损探伤红外检测在军事上的应用红外线商品导购红外线节能控制器红外线防盗报警器几种气体对红外线的透射光谱3.3.4光纤传感器及温度检测光纤传感器（FOSFiberOpticalSensor）是20世纪70年代中期发展起来的一种基于光导纤维的新型传感器。它是光纤和光通信技术迅速发展的产物，它与以电为基础的传感器有本质区别。光纤传感器用光作为敏感信息的载体，用光纤作为传递敏感信息的媒质。因此，它同时具有光纤及光学测量的特点。①电绝缘性能好。②抗电磁干扰能力强。③非侵入性。④高灵敏度。⑤容易实现对被测信号的远距离监控。光纤耐腐蚀，在水中、溶液中、化学气体中也能使用。特别是由于它不受电磁感应的影响，不用担心出现火花，因此，在煤矿、石油和气体贮藏所等易燃易爆环境下，也可正常进行测量。光纤传感器可测量位移、速度、加速度、液位、应变、压力、流量、振动、温度、电流、电压、磁场等物理量。1.光纤简介

光的全反射实验光纤呈圆柱形，它由玻璃纤维芯（纤芯）和玻璃包皮（包层）两个同心圆柱的双层结构组成。纤芯材料为直径5～75μm的以二氧化硅为主，掺杂微量元素的石英玻璃；包层是用低折射率的玻璃或塑料制成，直径100～200μm。图3-42光纤的结构光的反射、折射

当一束光线以一定的入射角θ1从介质1射到介质2的分界面上时，一部分能量反射回原介质；另一部分能量则透过分界面，在另一介质内继续传播。

（2）原理：光在光纤中的全反射

各种装饰性光导纤维

发光二极管产生多种颜色的光线，通过光导纤维传导到东方明珠球体的表面。在计算机控制下，可产生动态图案。上海东方明珠光纤传感器外形

(1)光纤的结构

所以，为满足光在光纤内的全内反射，光入射到光纤端面的入射角θi应满足一般光纤所处环境为空气，则n0=1，这样式（5）可表示为实际工作时需要光纤弯曲，但只要满足全反射条件，光线仍然继续前进。可见这里的光线“转弯”实际上是由光的全反射所形成的。（5）（6）光缆的外形及光纤的拉制

(3)光纤的种类A.按材料分：玻璃光纤和塑料光纤B.按传输模式分：单模光纤：纤芯直径很小（5~10m），只能传播一个模；多模光纤：纤芯直径较大（50m以上），能传播几百个以上的模。C.按折射率分布规律分：a.梯度型(也称渐变型)，也称自聚焦光纤b.阶跃型(也称台阶型)c.单孔型塑料光纤塑料光纤由光导塑胶材料以及PVC护套组成。我们通常根据塑料光纤外形尺寸小以及光束直径窄的特点，来选择适合的光纤。塑料光纤一般用于检测小元件，譬如IC芯片上的针脚。塑料光纤的长度可随意切割，因此塑料光纤订货时并没有必要对长度进行详细说明。一般来说，为了在应用中获得最佳的光强效果，往往截取塑料光纤至最佳长度。因为这样可以将光纤内的“光损耗”降至最低。光纤的标准长度为2m。玻璃光纤玻璃光纤由特殊应用的护套以及内部细小的玻璃光束组成。有四种标准类型的护套可选：不锈钢、硅、PVC及金属硅材料。玻璃光纤的直径往往比塑料光纤要大，且检测距离更远。不锈钢材质护套类型的玻璃光纤能够承受的最高温度为482℃。单模光纤单模光纤