第四章温度检测

传感器与智能检测技术第四章温度检测2温度温度是工业生产和科学实验中一个非常重要的参数。对温度的测量越来越普遍,而且对温度测量的准确度也有更高的要求。温度是表征物体冷热程度的物理量。温度不能直接加以测量。34.1温标及测温方法4.1.1温标定量描述温度的高低所建立温度标尺,即温标。温标就是温度的数值表示。各种温度计和温度传感器的温度数值均由温标确定。历史上提出过多种温标摄氏温标华氏温标国际温标4

4.1.1温度测量的主要方法和分类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测温方法分类：接触测量法膨胀式温度计电阻式温度传感器热电偶传感器石英晶体测温传感器集成温度传感器非接触测量法热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784.3电阻式温度传感器

热电阻和热敏电阻利用电阻随温度变化而制成的传感器称为电阻式温度传感器。分为：金属热电阻和半导体热敏电阻9一：金属热电阻电阻温度系数大而稳定；电阻率要大；电阻温度系数保持单值,最好为常数；金属的物理、化学性能稳定；电阻材料条件目前最常用的热电阻有铂热电阻和铜热电阻。10(a)铂电阻：铂热电阻的特点是精度高、稳定性好、性能可靠,所以在温度传感器中得到了广泛应用。按IEC标准,铂热电阻的使用温度范围为-200~+850℃。1112（b）铜电阻精度要求不高，温度较低的场合 易氧化，体积大，但便宜其中：常用的工业铜电阻13热电阻的结构它由电阻体、绝缘管、保护套管、引线和接线盒等部分组成。电阻体由电阻丝和电阻支架组成。电阻丝采用双线无感绕法绕制在具有一定形状的云母、石英或陶瓷塑料支架上,支架起支撑和绝缘作用,引出线通常采用直径1mm的银丝或镀银铜丝,它与接线盒柱相接,以便与外接线路相连而测量显示温度。1415用热电阻传感器进行测温时,测量电路经常采用电桥电路。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。热电阻引线方式有两线制、三线制和四线制三种。二线制中引线电阻对测量影响大,用于测温精度要求不高场合。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。四线制可以完全消除引线电阻对测量的影响,用于高精度温度检测16三线制线路电阻补偿法174.4热电偶传感器4.4.1热电偶测温原理两种导体A、B连接构成回路→两端温度T0≠T

→回路产生温差热电势温差发电器I加热保持恒温测量端、工作端、热端参考端、自由端、冷端18热电偶传感器1、热电势的产生

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。（1）单一导体的温差电势

一根匀质金属导体两端温度不同，导体内部产生电动势σA是导体A的温差系数19热电偶传感器

两种金属A、B接触，由于导体内自电电子密度不同，接触面形成电场。（2）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，产生一个固定的电动势式中：K－波尔兹曼常数T－接触处的绝对温度e－电子电荷量NA、NB

－分别为金属A、B的自由电子密度20热电偶传感器（2）热电偶回路的总的电势当AB为同质材料，NA＝NB，σA＝σB

EAB（T，T0）＝0当AB为异质材料，NA≠NB，σA≠σB

EAB（T1，T0）≠0212、热电偶的基本定律热电偶传感器

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电势。（1）中间导体定律22热电偶传感器

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。232425热电偶传感器（2）中间温度定律热电偶AB在接点温度为（T，T0）时的热电势等于该热电偶在接点为（T，Tn）和（Tn，T0）时的热电势的代数和Tn称为中间温度Tn26热电偶传感器（3）标准电极定律

若热电极A和B分别与标准热电极C组成的热电偶产生的热电势已知，则由A和B组成的热电偶所产生的热电势为27热电偶传感器A→B A→C B→C284.4.2热电极材料及常用热电偶热电极材料在测温范围内，热点性质稳定。电导率高，电阻温度系数小。热电势随温度变化率大。材料机械强度高，价格便宜。常用热电偶铂铑10-铂热电偶（S型）1200℃铂铑30-铂铑6-热电偶（B型）1600℃镍铬-镍硅（镍铬-镍铝）热电偶（K型）900℃镍铬-康铜热电偶（E型）600℃2930热电偶传感器31热电偶测温1、测温原理与方法

热电偶的材料确定后，且参数温度T0(冷端温度)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）成单值对应关系。

当T0=0℃时，T取不同温度时的EAB(T，0),制成关系数据表，查表法即可确定T的大小。32EAB(T，T0)＝EAB(T，0)－EAB(T0，0)则：EAB(T，0)＝EAB(T，T0)＋EAB(T0，0)若：T0≠0℃时，则由测量后已知已知查表后确定T334.4.3热电偶的冷端处理（1）恒温法将冷端处于冰水混合物中或处于恒温槽中（2）冷端的延伸实际测温时①被测点与指示仪表之间距离长 ②热端要远离冷端 ③热电偶材料昂贵专用导线将冷端延长

注意：补偿导线的使用不能代替冷端温度补偿。34应满足的条件：①补偿导线在一定温度范围（0℃~100℃）要与所配热电偶的热电特性相同，即EA’B’（Tn，T0）=EAB（Tn，T0）②两接点温度均相同（Tn）③同性极性相接，不可接反。35（3）冷端的自动补偿R1、R2、R3：用锰铜制电阻温度系数极小，可近似为不随温度变化。Rt：由温度系数大的铜丝制成36Rt与冷端感受同一温度（或称环境温度）后，当Tn变化时，Rt也随之变化，电桥便由原来的平衡输出u0变成不平衡输出，设不平衡输出电压为Uab，则：选桥臂电阻和电流，使之满足374.4.4热电偶传感器的应用热电偶报警传感器

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。

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，将此二端均置于被测环境中，传感器只能感受由于火焰引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是利用物体辐射能随温度变化原理，特点如下：传感器和被测对象不接触传感器的温度不必与被测对象相同检测过程不必有热平衡时间394.5.1辐射测温的物理基础热辐射：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。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。辐射基本定律：普朗克辐射定律(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。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。全辐射法：对应全波长范围内的辐射能量检测。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.红外线：不可见电磁波，波长为0.76～1000μm

红外传感器42

光热效应是光谱中最大光热效应区，只要物体高于-273.15℃就会不断辐射红外线，温度越高，发射越多。2.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性吸收。3.用以测量温度和测量成分

红外传感器43红外传感器红外辐射通过大气层时，有三个波段透过率高：2～2.6μm、3～5μm、8～14μm称为“大气窗口”444.红外探测器分类热探测器光子探测器红外传感器

热探测器是利用红外辐射的热效应,探测器的敏感元件吸收辐射能后引起温度升高,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,便可确定探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材料中电子的相互作用,改变电子的能量状态,引起各种电学现象。这称光子效应。通过测量材料电子性质的变化,可以知道红外辐射的强弱。45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。红外传感器热探测器主要类型热释电型、热敏电阻型、热电偶型和气体型探测器。缺点：响应时间长。优点：响应波段宽,响应范围可扩展到整个红外区域,可以在室温下工作,使用方便。46光子探测器主要类型：有内光电和外光电探测器两种,后者又分为光电导、光生伏特和光磁电探测器等三种。优缺点：光子探测器的主要特点是灵敏度高,响应速度快,具有较高的响应频率,但探测波段较窄,一般需在低温下工作。红外传感器474.6石英晶体测温传感器f＝f0（1＋at＋bt2＋ct3）a，b，c—

频率温度系数石英晶体频率式温度传感器当－80℃<t<250℃，频率与温度的关系：f0

—t＝0时的固有频率当b，c→0：f＝f0（1＋at）呈线性48494.7集成温度传感器集成温度传感器是利用晶体管PN结的电流电压特性与温度的关系,把感温PN结及有关电子线路集成在一个小硅片上,构成一个小型化、一体化的专用集成电路片。集成温度传感器具有体积小、反应快、线性好、价格低等优点,由于PN结受耐热性能和特性范围的限制,它只能用来测150℃以下的温度。电流输出型典型的集成温度传感器有美国AD公司生产的AD590,我国产的SG590也属于同类型产品。50AD590集成温度传感器应用实例AD590是应用广泛的一种集成温度传感器,由于它内部有放大电路,再配上相应外电路,方便地构成各种应用电路。温度测量电路:但实际上存在一定误差,可以在外电路中进行修正。将AD590串联一个可调电阻,在已知温度下调整电阻值,使输出电压UT满足1mV/k的关系（如25℃时,UT应为298.2mV）。调整好以后,固定可调电阻,即可由输出电压VT读出AD590所处的热力学温度。51－VEEIOR1V2V1V3V4＋VＣＣ基射结电压：基射极电压差同一工艺且对称所以52其中：A1，A2－分别为V1，V2的基射结面