传感器与智能检测技术 课件 项目2 热学量传感器

温度是确定物质状态的最重要参数之一1输电线路测温实验室温度监控冶金温度测量火箭羽焰温度测量2温度传感器

在物理学发展的道路上，测量永远是唯一的可以依赖的向导，物理科学大厦是以测量为基础的。

——普朗克2温度传感器2.1

温标及测温方法2.2膨胀与压力式温度计2.3电阻式温度传感器2.4热电偶传感器2.5

辐射式温度传感器2.6其它测温传感器2023/9/2322.1温标与测温方法一、基本概念温度宏观上，表征物体冷热程度的物理量；温标衡量温度高低、表示温度数值的一套规则。微观上，表征物体内部分子无规则运动的剧烈程度。建立现代温标必具备的条件：固定的温度点（基准点）测温仪器温标方程（内插公式）2023/9/233热平衡两个冷热程度不同的物体相接触后会产生热交换，热交换结束后两物体处于热平衡状态，此时它们的温度相同温标经验温标热力学温标理想气体温标国际实用温标由特定的测温质和测温量确定的温标。华氏温标摄氏温标由热力学第二定律确定的温标。特点：与选用的测温介质的性质无关，克服了经验温标随测温介质而变的缺陷由玻意耳—马略特定律（理想气体状态方程）确定的温标。2023/9/234摄氏温度和华氏温度的关系：

这是一种协议温标，用来统一各国之间的温度计量。具备的条件：①尽可能的接近热力学（开氏）温度；②复现精度高，各国均能以很高的精度复现同样的温标；③用于复现温标的标准温度计使用方便、性能稳定。发展：第一个国际温标是1927年国际计量大会决定采用的，“1927国际温标”,后来又不断改进修订，相继有1948国际温标、1968国际实用温标和1990国际实用温标。国际实用温标2023/9/235目前推行的是1990年国际实用温标ITS-90：

热力学温度用符号T90表示，单位为开尔文，符号为K。摄氏温度的符号为t90，单位是摄氏度，符号为℃。温标的传递2023/9/236在国际温标ITS-90中，对温度范围作了规定：把整个温标分成4个温区，各个温区的范围、使用的标准测温仪器分别为：a)0.65～5.0K，用3He或4He蒸气压温度计；b)3.0～24.5561K，用3He或4He定容气体温度计；c)13.803K～961.78℃，用铂电阻温度计；d)961.78℃以上，用光学或光电高温计；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。温度测量原理2023/9/2371.接触式测量

测温元件直接与被测对象相接触，主要依靠传导和对流进行热交换，当传热量相等时，二者温度相等。

优点：

测温精度相对较高；直观可靠；测温仪表结构相对简单、价格相对较低缺点：响应慢

感温元件影响被测温度场的分布；接触不良会带来测温误差；具有腐蚀性或温度太高的被测介质对感温元件性能和

寿命会产生不利影响；不适合测量运动物体。

典型类型：热电偶、热电阻、热膨胀式、集成温度传感器2023/9/238二、测温方法的分类2.非接触式测量感温元件不与被测对象直接接触，而是通过接受被测物体的某个与温度相关的特征量实现温度测量的方法。优点：

不改变被测物体的温度场分布；具有较高的测温上限；

热惯性小，便于测量运动物体的温度及快速变化的温度。典型类型：电涡流式、辐射式、超声波式2023/9/239接触式与非接触式测温特点比较方式

接触式

非接触式（辐射法）

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1200℃以下、热容大、无腐蚀性对象的连续在线测温，对高于l300℃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1000℃以下，测量误差大，能测运动物体和热容小的物体温度

精度

工业用表通常为1.0、0.5、0.2及0.1级，实验室用表可达0.01级通常为1.0、1.5、2.5级

响应速度相对较慢，大多在1秒以上快，通常不高于1秒钟

其它特点

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现温度(需进一步转换)；不易组成测温、控温一体化的温度控制装置2023/9/2310表2.1.2常用测温方法、类型及特点测温方式传感器类型测量范围/℃特点接触式热膨胀式水银-38~350简单方便，易损坏(水银污染)双金属-80~600结构紧凑，牢固可靠压力液体-40~200耐振，坚固，价格低廉气体-120~550蒸汽50~200热电阻铂-260~960准确度及灵敏度均较好，需注意环境温度影响铜-50~150热敏电阻-50~350体积小，响应快，灵敏度高，线性差，注意环境温度影响热电偶国际通用的包含B、E、J、K、N、R、S、T八个系列，如B：铂铑30—铂铑6等-270~1800，特殊类型的上限可超过3000种类多，适应性强，结构简单，经济方便，应用广泛；自发电型传感器，测量时可以不需外加电源，可直接驱动动圈式仪表；测温范围广非接触式光学高温计700~3200非接触测温，不干扰被测温场辐射影响小，应用简便；响应快，测温范围大，大多易受外界干扰，标定困难，准确度略低热探测器-50~3200光子（电）探测器0~3500其它示温涂料单/多变色可逆/不可逆示温涂料60~1300用颜色或其他现象变化来指示物体表面温度及温度分布，可用于示温报警或美化生活等物理现象

体积热膨胀

电阻变化热电效应导磁率变化电容变化压电效应超声波传播速度变化物质颜色P–N结电动势晶体管特性变化可控硅动作特性变化热、光辐射种类铜/铂热电阻、热敏电阻热电偶BaSrTiO3陶瓷石英晶体振动器超声波温度计示温涂料液晶半导体二极管晶体管半导体集成电路温度传感器可控硅辐射温度传感器光学高温计1.气体温度计 2.玻璃制水银温度计3.玻璃制有机液体温度计4.双金属温度计5.液体压力温度计6.气体压力温度计1．

热铁氧体2．

Fe-Ni-Cu合金三、测温仪器的分类

按照温度测量范围，可分为超低温、低温、中高温和超高温温度测量。超低温一般是指0～10K，低温指10～800K，中温指800～1900K，高温指1900～2800K的温度，2800K以上被认为是超高温。注意2023/9/23132.2膨胀与压力式温度计一、膨胀式温度计利用物质热胀冷缩现象，通过测量物质膨胀或收缩量来反映被测温度的温度计液体膨胀式温度计

利用液体的热胀冷缩现象典型应用：玻璃管温度计玻璃管温度计是由液体储囊，毛细管，刻度标尺和膨胀室四部分组成。1-液体储囊

2-毛细管

3-刻度标尺

4-膨胀室2023/9/2314玻璃管液体温度计的特点：优点：测量准确、读数直观、结构简单、价格低廉，使用方便缺点：易碎、不能远传信号和自动记录等2023/9/2315按照基本结构形式不同，玻璃液体温度计可分为：棒式、内标式、外标式根据所填充的工作液体不同，可分为水银温度计和有机液体温度计两类。玻璃管液体温度计的分类：水银温度计不粘玻璃，不易氧化，容易获得较高精度，在相当大的范围内（－38～356℃）保持液态，在200℃以下，其膨胀系数几乎和温度呈线性关系，所以可作为精密的标准温度计。固体膨胀式温度计：应用固体线膨胀原理测温典型应用：双金属片温度计。原理：利用线膨胀系数差别较大的两种金属材料制成双层片状元件，在温度变化时因弯曲变形而使其另一端有明显位移，借此带动指针在温度刻度盘上移动。应用2023/9/2316双金属温度计二、压力式温度计根据封闭系统的液体或气体受热后压力变化的原理1-温包；2-毛细导管；3-压力计根据工作物质的不同，可分为气体、液体、蒸汽式压力温度计。气体式，一般充氮气，测温上限可达500℃，线性刻度，但是温包体积大，热惯性大。液体式，一般充二甲苯、甲醇等，温包小些，测温范围分别为－40℃～200℃和－40℃～170℃，蒸汽式，一般充丙酮、乙醚等，利用低沸点蒸发液体的饱和压力随被测温度而变的原理，用于50℃～200℃。刻度呈非线性关系，温度计刻度是不均匀的。2023/9/2318膨胀与压力式温度计典型外形及结构2.3

电阻式温度传感器2023/9/2320缺点：需要电源激励，有自热现象，影响测量精度。特点：优点：灵敏度高，信号可远传，无需参比温度，性能稳定，测量精度高（尤其在中、低温范围内其精度高于热电偶温度计），测温范围较宽（-260～960°C）。一、测温原理根据金属导体或金属氧化物半导体的电阻值随温度变化的特性。因此，只要测出感温热电阻的阻值变化，就可以测量出被测温度。目前，主要有金属热电阻和半导体热敏电阻两类2023/9/23212023/9/2322绝大多数金属具有正的电阻温度系数，即温度越高，电阻越大，电阻随温度的变化可用多项式表示：大多数半导体材料具有负的电阻温度系数，其电阻值与热力学温度的关系为其中RT，RT0分别为温度为T、T0时的电阻值，B为取决于半导体材料和结构的常数其中，Rt和R0分别为t

C和0

C的电阻值，A、B、C均为常数，由热电阻的材料决定温度每改变1度，电阻值的相对变化2023/9/2323

材料选择要求：

①电阻与温度变化成单值连续关系，最好是线性②电阻温度系数

要尽可能大，以得到高灵敏度③电阻率要大，减小热电阻的体积，减小热惯性④在测温范围内物理化学性质稳定⑤复现性好，复制性强，价格低＊目前使用较多的热电阻材料为铜、铂。电阻的温度系数：2023/9/23铂热电阻、铜热电阻比较见表2-6，分度表见附录241、铜热电阻特点：铜热电阻线性较好，价格低，但电阻率低，因而体积较大，热响应慢。电阻与温度的关系为：使用范围：-50～150℃，分度号为Cu50和Cu100。二、标准热电阻2023/9/23252、铂热电阻特点：铂热电阻的精度高，体积小，测温范围宽，稳定性好，再现性好，但是价格较贵。陶瓷铂热电阻与温度的关系为：测温范围：-260～960℃，分度号为Pt10和Pt100。3.其它热电阻

铁和镍电阻：应用较少

灵敏度高，电阻率较大。易氧化，不易提纯，非线性。铟电阻锰电阻碳电阻低温测量-273～-268.5℃，热容量小，灵敏度高热稳定性较差。-269～-258℃，测量精度高，灵敏度高。重现性差。

-271～-210℃用，灵敏度高脆性高

，易损坏；

262023/9/23273、标准热电阻的结构普通型、铠装型普通型装配式热电阻2023/9/2328汽车用水温传感器及水温表铜热电阻小型铂热电阻普通型铂热电阻温度传感器薄膜型铂热电阻2023/9/2329铠装热电阻

将铂热电阻感温元件、引线、绝缘粉组装在不锈钢管内再经模具拉伸构成坚实整体。优点：坚实、抗震、线径小、使用安装方便。2023/9/23304、热电阻引线方式引线方式有二线制、三线制和四线制三种。rr这种引线方式简单、费用低，但是引线电阻以及引线电阻的变化会带来附加误差。两线制适于引线不长、测温精度要求较低的场合。二线制EnRtR3R2R1aRJbdcG2023/9/2331三线制EnRtR3R2R1aRJbdcGrrr图中Rt的三根连接导线，直径和长度均相同，阻值都为r。（1）电桥平衡测电阻电桥平衡

R1(R3+r)=R2(Rt+r)若设计R1=R2，则Rt=R3

，则温度变化时调整R3使电桥平衡，可变电阻R3即可刻度Rt，同时不受连线电阻影响2023/9/2332EnRtR3R2R1aRJbdcGrrr（2）电桥不平衡测电阻除Rt外，其余电阻均不可变假设设计工况（如0

C时）电桥平衡，温度变化时Rt变化，电桥不再平衡，根据检流计中的电流值及其它元件参数，可计算Rt。此时，测量精度与电路中的所有元件相关，且这些元件均要保持稳定，导线电阻也不能完全补偿。2023/9/2333四线制电位差计+—IrrrrURt恒流源热电阻两端各连两根导线，其中两根导线连接恒流源，另两根连接测量仪表（如电位差计）。电位差计是高阻抗，故连线电阻r对电位差U不产生影响。可用于高精度检测。图2.3.5(c)四线制单臂电桥测量转换电路G——检流计，R1，R2，R3——固定电阻，Ra——零位调节电阻，Rt——热电阻2023/9/2334用金属氧化物构成半导体材料作为电阻体的测温敏感元件。三、热敏电阻温度系数：有正、负和临界温度系数三种。其温度特性曲线如图。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。2023/9/2335由定义，NTC热敏电阻的温度系数α为可见：热敏电阻的温度系数α是随温度T变化的，T

越小，B值越大，灵敏度越高。NTC热敏电阻阻值与温度关系近似表示为：2023/9/2336

MF12型NTC热敏电阻聚脂塑料封装热敏电阻玻璃封装NTC热敏电阻贴片式NTC热敏电阻2023/9/2337四、电阻式温度传感器的测温误差分析分度误差通电发热误差线路电阻不同或变化引入的测量误差附加热电动势五、电阻式温度传感器应用图2.3.8温度测量原理图图2.3.9温度补偿原理图2023/9/2339热敏电阻

热敏电阻体温表热敏电阻用于电热水器的温度控制图2.3.11-2过热保护继电器电路原理图(a) (b)图2.3.11-1过热保护原理图2.4

热电偶传感器特点：应用广泛；灵敏度好；精度高；易保证单值函数关系；稳定性、复现性好；响应时间较快、材料易得到；互换性好，价格较低；测温范围宽（-270℃～2800℃）。2023/9/23412023/9/2342先看一个实验——热电偶工作原理演示

结论：当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。

热电极A右端称为：自由端（参考端、冷端）

左端称为：测量端（工作端、热端）

热电极B热电动势AB一.测温原理热电效应thermoelectricityeffect（或塞贝克效应）：将两种不同的导体或半导体A和B连成闭合回路，当两个接点处的温度（T和T0）不同时，回路中将产生热电动势的现象。两种不同导体（或半导体）组成的闭合回路称为热电偶。导体A或B称为热电极。两个接点中，置于温度为T的被测对象中的称为测量端（工作端或热端），温度为参考温度T0的接点称为参比端或参考端，也叫自由端或冷端。BAT0T2023/9/2343闭合回路的热电动势由两种电动势组成：温差电动势（同一导体）和接触电动势（两种不同导体）在热电偶回路中接一毫伏表，测量发现，热电动势与热电极的材料和两端的温差有关：热电动势=接触电动势+温差电动势2023/9/2344BAT0T接触电动势(珀尔帖电动势)：指两种不同的导体相接触时，因各自的自由电子密度不同而产生电子扩散，当达到动态平衡后所形成的电动势。接触电动势的大小与温度和热电极的电子密度比（导体的材料）的自然对数成正比：温度越高，接触电动势越大；电子密度差异越大，接触电动势也越大。注意2023/9/2345BAT0T温差电动势（汤姆逊电动势）：同一导体两端因温度不同而产生的电动势。温差电动势的大小，取决于热电极两端的温度：温差越大，温差电动势越大；注意2023/9/2346BAT0T热电偶回路中总的热电动势为：两个接触电动势两个温差电动势讨论1.A、B为同一种材料，（NA＝NB，

A=

B），则EAB（T,T0)=02.T=T0，则EAB（T,T0)=02023/9/2347BAT0T讨论1.热电动势是温度的函数之差，不是温差的函数；若T0=const，则热电动势与T一一对应。2.热电动势大小只与导体材质和接点温度相关，而与形状、接触面积无关。2023/9/23484.在热电偶回路中，接触电动势比温差电动势大得多，因此总热电动势的极性总是取决于接触电动势的极性。3.热电偶中电子密度高的导体称正电极，电子密度低的导体称为负电极；热电动势的符号EAB(T,T0)规定了正、负电极顺序和热端、冷端顺序，若电极和或温度顺序互换，热电动势的极性就反相。例：2023/9/2349二.热电偶的基本定律1、

均质导体定律同种均质导体（或半导体）组成的闭合回路，不论导体的截面、长度以及温度分布如何，都不能产生热电动势。说明：（1）一种均质材料不能构成热电偶，必须由两种不同材料的均质导体构成；（2）若热电极材料不均匀，由于温度梯度的存在，将产生附加热电动势应用：

检查热电极材料的均匀性（两极用同一种材料）

检验热电极材料成分是否相同2023/9/23502、中间导体定律在热电偶回路中接入中间均质导体后，只要中间导体两端的温度相同，对热电偶回路的总热电动势值没有影响。应用：

采用仪表测量热电偶的热电动势

用热电偶开路测量金属壁温、液态金属温度热电偶回路中还可以加入第四、五种导体，只要加入导体的两接点温度相等，回路的总热电动势就与原回路的热电动势相同。注意2023/9/23513、标准电极定律如果A、B对标准电极C材料的热电动势已知，则A、B构成热电偶时的热电动势是它们分别对C构成热电偶时产生的热电动势的代数和。说明：只要通过实验获得各电极与标准电极的热电动势，则其中任意两个电极构成的热电偶的热电动势都可通过计算获得一般选择高纯铂丝作为标准电极=+TA

BT0TA

CT0TCBT02023/9/23524、连接导体定律热电偶回路中，如果热电极A、B分别与导体A’、B’相接，接点温度分别为T、Tn、T0，则回路总电动势等于热电偶热电动势和连接导体热电动势的代数和。应用：

热电偶补偿导线535、中间温度定律两种均质材料A、B构成热电偶，接点温度分别为T、T0，若有一个中间温度Tn，则回路总电动势不受中间温度的影响。等价形式应用：

使用《热电偶分度表》进行冷端补

偿，如例2.4.15455三、热电偶的种类和结构热电偶材料应满足以下要求：2．热灵敏度高，热电动势大，测温范围宽，热电动势随温度的变化率要大，热电动势与温度尽可能成线性对应关系1．材质要均匀，能耐高温，机械性能好，能加工成丝，化学、物理性能稳定，不易氧化、变形及腐蚀3．导体的电阻温度系数要小，电阻率小4．材料复制性和互换性好，便于批量生产，制造简单，价值低廉56按照工业标准化要求：标准化热电偶S型、R型、B型、K型、N型、E型、J型、T型非标准化热电偶贵金属（铂铑系列、铱铑系列，铂-金）贵-廉金属混合式（金铁合金、双铂钼）难熔金属（钨铼合金、钨钼）非金属贵金属廉金属统一的分度表，并统一规定热电极材料、热电性质和允许偏差表2-3热电动势-温度特性曲线热电偶的结构1、普通装配式热电偶结构57接线盒保护套管绝缘管热电偶安装固定件引线口工程上使用的热电偶大多是由热电极、绝缘子、保护套管和接线盒等几部分组成。热电偶与显示仪表、记录仪表或计算机等配套使用。典型结构有普通装配式结构和柔性安装的铠装结构等。？与热电阻结构形式有何异同外型相同内部不同：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）。2、铠装热电偶将热电偶丝、绝缘材料和金属保护套管三者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：铠装热电偶具有动态响应快、机械强度高、抗震性好、柔软可弯曲等优点，可安装在狭窄或结构较复杂的装置上。2023/9/2358热电极绝缘材料金属套管热电极绝缘材料铠装型热电偶断面结构铠装型热电偶可长达上百米3.薄膜热电偶

薄膜热电偶是由两种薄膜热电极材料,用真空蒸镀、化学凃层等办法蒸镀到绝缘基板上面制成的一种特殊热电偶，测量端既小又薄，具有热容量小，反应速度快等的特点。适用于测量微小面积上的瞬变温度，以及微波的功率的测量等KINGSOFT4、表面热电偶

主要用于测量各种形状的固体介质表面温度，以及测量液体、气体和橡胶内部的温度

探头有各种形状，以适应不同物体表面测温用。测温范围有0—250℃和0—600℃。605、防爆热电偶使用场合：

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）。61压铸的接线盒电缆线厚壁保护管其他热电偶外形62小形K型热电偶2.4.4热电偶的选型与安装熟悉对象、掌握热电偶特性，结合测量要求（测量范围、准确度等）、使用环境等当t<1000℃时，多选用廉金属热电偶，如K型热电偶，其使用温度范围宽，高温下性能较稳定。当t=-200~300℃时，最好选用T型热电偶，它是廉金属热电偶中准确度最高的;也可选择E型热电偶，它是廉金属中热电动势变化率最大、灵敏度最高的。当t=1000~1400℃时，多选用R、S型热电偶。当t<1300℃时，可选用N型或者K型热电偶。当t=1400~1800℃时.多选用B型热电偶。当t<1600℃时，短期可用S型或R型热电偶。当t>1800℃时，常选用钨铼热电偶。1）按使用温度选择A.氧化性气氛当t<1300℃时，多选用N型或K型热电偶，因为它们是廉金属热电偶中抗氧化性最强的;当t>1300℃时，选用铂铑系热电偶。B．真空、还原性气氛当t<750℃时，可选用J型热电偶，它既可以在氧化性气氛下工作，又可以在还原性气氛下工作;当t>1600℃时，应选用钨锌热电偶，当t<1000℃时，可选用镍钴一镍铝热电偶.其冷端温度在0--300℃时，可忽略其影响。它常被用于飞机尾喷口排气温度的测量;当t>1000℃时，常选用B型热电偶，一般可忽略冷端温度的影响。（2）根据被测介质选择（3）根据冷端温度的影响选择（4）根据热电极的直径与长度选择（5）耐久性及热响应性的选择（6）测量对象的性质和状态对热电偶的选择热电偶选型的典型流程：型号--分度号—防爆等级—准确度等级—安装固定形式—保护管材质—长度或插入深度。一般热电偶型号为：WR□□-□□□其中，W----温度仪表；R----热电偶快速反应，必须选用细直径的电极丝，过细，会使测最线路的电阻值增大热电极丝长度的选择是由安装条件.主要是由插入深度决定的。线径大的热电偶耐久性好，但响应较慢一些运动物体、振动物体、高压容器的测温要求机械强度高，有化学污染的气氛要求有保护管，有电气干扰的情况下要求绝缘比较高。要求响应时间快又要求有一定的耐久性，选择铠装偶比较合适。热电偶安装（1）首先应测量好热电偶和热电阻法兰或者螺纹螺牙的尺寸，加工配套好法兰或者螺纹底座。（2）要根据法兰或者螺纹底座的尺寸，在需要测量的管道上开孔。（3）法兰或者螺牙座的焊接。把法兰座或者螺纹底座插入已开好孔内，把法兰座或者螺纹底座与被测量的管道焊接好。（4）把热电偶或热电阻用螺栓紧固或者螺纹旋进已焊接好的螺纹底座。（5）按照接线图将热电偶或热电阻的接线盒接好线，并与表盘上相对应的显示仪表连接。（6）热电偶或热电阻安装的位置,应考虑检修和维护方便。67三、热电偶的冷端延长T0TBAE0温度稳定区域工业现场测温补偿导线法基本原理：连接导体定律补偿导线的热电特性在100℃（或200℃）以下范围内应与所取代的热电偶丝的热电特性基本一致，且电阻率低，价格必须比主热电偶丝便宜。69补偿导线的连接线路：A’B’屏蔽层保护层随着热电偶的标准化，补偿导线也形成了标准系列。国际电工委员会也制定了国际标准，适合于标准化热电偶使用。补偿导线分延长型和补偿型两种：延长型(X)：导线的化学成分及热电动势标称值与被补偿的热电偶相同。补偿型(C)：导线的化学成分与被补偿热电偶不同；热电动势值在100℃（或200℃）以下与与被补偿的热电偶相同。表2.4.2常用热电偶的补偿导线70711、各种延长线只能与相应型号的热电偶配用，而且必须在规定的温度范围内使用。2、注意极性，不能接反，否则会造成更大的误差。3、延长线与热电偶连接的两个接点温度必须相同。注意721、参比端恒温法将参比端置于恒温的容器中。1-冰水混合物；2-保温瓶；3-油类或水银；4-蒸馏水；5-试管；6-盖；7-铜导线；8-热电动势测量仪表一般在实验室或校正热电偶传感器中使用。三、热电偶的冷端温度补偿2、计算修正法E

(T,0)=E

(T,T0)+E

(T0,0)若参比端温度恒为环境温度T0，测出E

(T,T0)，并根据中间温度定则，求： 73②查表①实测③④查表得实际T74例：用K型热电偶测温，显示仪表读数为500℃，且仪表以分度表为依据，但此时冷端温度为50℃，问实际被测温度为多少？解：由分度表查得：E(500,0)=20.644mv设被测温度为T，则E(T,50)=20.644mv

E(T,0)=E(T,50)+E(50,0)=20.644+2.023=22.667mv查表插值计算T=?℃54022.35055022.776T22.667注意在分度表的相邻数据之间可采用线性内插算法求中间值。75软件修正法对于计算机系统，不必全靠硬件进行热电偶冷端处理。例如冷端温度恒定但不为0℃的情况，只需使用计算修正法。对于经常波动的情况，可利用热敏电阻或其他传感器把信号输入计算机，按照运算公式设计一些程序，便能自动修正。利用不平衡电桥产生电动势补偿热电偶由于参比端温度变化而引起的热电动势变化。3、冷端补偿器（补偿电桥法）76当T0↑↗

↘

→

1-热电偶；2-补偿导线；3-铜导线；4-指示仪表；5-冷端补偿器R1=R2=R3=1

R4=1(平衡点)实际的补偿电桥一般是按T0＝20℃设计。冷端补偿器要求：不同分度号的热电偶配用不同的冷端补偿器冷端补偿器中的铜电阻必须与冷端同温补偿范围有限（一定精度内，一般为0～50

℃

）极性不能接反热电偶的热电特性是非线性，补偿器的输出电压与温度的关系也是非线性，且两个特性曲线不一致，因此，只能是近似补偿7778热电偶的测温电路a）所示为一个热电偶和一个仪表配用的基本电路b）图所示为测量两点温度之和的电路c）图所示为测量两点间温度差的电路，两支同型号的热电偶反向串联1．基本测温电路

+79测量两点间平均温度的电路，两支同型号的热电偶并联

图中串入较大阻值的电阻R1、R2以减小热电偶内阻的影响

输入到仪表两端的热电动势为两个热电偶输出的热电动势的平均值。802、热电偶温度计81五、热电偶测温的基本误差分度误差仪表误差冷端处理误差接线误差漏电误差热电偶与热电阻比较输出信号电源响应速度测温上限热电偶在0-100℃之间，输出为mV级电压，不易测量不需外加电源感温部分尺寸小，响应速度快同等材料，测温上限高热电阻输出为电阻增量，0.4%R0/℃，容易测量需要外接电源感温部分尺寸较大，响应速度慢受绝缘支架材质影响，测温上限低于热电偶1、热电偶用于金属表面温度的测量

测量方法一般采用直接接触测量的方法。被测金属表面温度较低时，采用粘接剂将热电偶的结点粘附于金属表面，工艺比较简单。被测金属表面温度较高时，采用焊接的方法，将热电偶的头部焊于金属表面。83六、热电偶的应用842.热电偶用于管道内温度的测量

垂直管道轴线倾斜管道轴线弯曲管道85热电偶测炉温系统图3、热电偶测炉温4、热电偶式熄火保护装置1）传感器与被测对象不接触，不会干扰被测对象的温度场，故可测量运动物体的温度，且可进行遥测。2）由于传感器与被测对象不在同一环境中，不会受到被测介质性质的影响，所以可以测量腐蚀性、有毒物体、带电体的温度，测温范围广，理论上无测温上限限制。3）在检测时传感器不必和被测对象进行热量交换，所以测量速度快，响应时间短，适于快速测温。4）由于是非接触测量，受工作环境影响大，故测量精度不高，测温误差大。与接触式温度传感器相比，具有以下特点：2.5辐射式温度传感器非接触式测温：敏感元件不需要与被测介质接触。

辐射式、超声波式、微波式、电涡流式等主要内容

2.5.1辐射测温的基本原理2.5.2典型系统组成2.5.3影响因素2.5.4/5辐射测温方法及比较2.5.6选型及使用注意事项辐射波长范围：在低温时，物体辐射能量很小，主要发射的是红外线；随着温度的升高，辐射能量急剧增加，辐射光谱也向短的方向移动；在5000℃左右时，辐射光谱包括了部分可见光；到8000℃时可见光大大增加，即呈现“红热”；如果到30000℃时，辐射光谱包括更多的短波成分，使得物体呈现“白热”。

图2.5.1黑体辐射的光谱分析辐射测温的基本原理：观察灼热物体表面的“颜色”来大致判断物体的温度。2.5.1辐射测温的基本原理--辐射测温基础1、普朗克定律（黑体辐射定律，BlackbodyLaw）辐射出射度M：离开辐射源表面一点处的面单元上的辐射能量除以该单元面积，称为该点的辐射出射度，单位为瓦/米2(W/m2)。全幅射体的光谱辐射出射度Mb（单位：w/m2）与波长λ和温度T关系

为波长；c1=3.7418*10-16(w.m2)第一辐射常数(普朗克);c2=1.4388*10-2(m.K)，第二辐射常数（玻尔兹曼）2、使用条件：温度低于3000K，波长较短的可见光范围内，用维恩公式代替普朗克定律，误差不超过1%维恩位移定律（维恩公式，Wien’sdisplacementLaw）--热辐射测温的基本定律(BasicLawforBlackBodyRadiation)2.5.1辐射测温的基本原理3、斯忒藩－波尔兹曼定律（Stefan-BoltzmanLaw,全辐射强度定律，也称为四次方定律）1）MO与Mb的关系M0是波长

从0∞之间全部光谱辐射出射度的总和2）M0的公式（斯忒潘—玻耳兹曼定律:)

物体的总的辐射出射度与温度的四次方成正比

斯忒藩－波尔兹曼常数σ,5.67032*10-8W/(m2.K4)

全辐射强度定律是单色辐射强度定律在全波长内积分的结果。根据所采用测量方法的差异，辐射式温度传感器可分为：全辐射式温度传感器亮度式温度传感器比色式温度传感器2.5.4辐射测温方法一、全辐射式温度传感器绝对黑体的全辐射能与温度的关系为：波尔兹曼系数热力学温度灰体的全辐射能与温度的关系为：

若灰体在某一温度T时的全辐射能跟绝对黑体在温度TF时全辐射能相等，则TF称为该灰体的辐射温度。一、全辐射式温度传感器被测物的辐射能量经物镜

聚焦到热电堆的靶心铂片上，将辐射能转化为热能，再由热电堆变成热电动势，再由显示仪表显示出热电动势的大小，由热电动势

数值可知所测温度的大小。这种传感器适用于远距离，不能直接接触的高温物体，其测温范围为（100~2000）℃热电堆结构和补偿光阑(a):1－云母基片；2－受热靶面；3－热电耦丝；4－引出线(b):1-补偿片；2-双金属片物体在波长λ下的亮度Lλ和它的光谱辐射出射强度Eλ成正比。

全辐射体：

实际物体：二、亮度式温度传感器

常用的亮度传感器：灯丝隐灭式亮度传感器光电式亮度传感器二、亮度式温度传感器二、亮度式温度传感器

特点：亮度式温度传感器利用物体的单色辐射亮度随温度变化的原理，并以被测物体光谱的一个狭窄区域内的亮度与标准辐射体的亮度进行比较来测量温度。

测温原理:这种传感器量程较宽，有较高的测量精度，一般用于测量(700~3200）℃范围的浇铸、轧钢、锻压、热处理时的温度光学高温计光学高温计与光电高温计光学高温计：测量时要手动平衡亮度；人判定平衡点，平衡点还可能因人而易；故它不是连续性测量仪表，应用受限制。光电高温计：

光电器件代替人眼，作为仪表的感受件感受辐射源的亮度变化，并转换成与亮度成比例的电信号。此信号经电子放大器放大后被测量，其大小对应被测物体的温度。光电高温计时自动连续测温仪表。三、比色温度传感器测温原理：当温度变化时，物体的最大单色辐射出射度将向波长增大或减小的方向移动，使两个固定波长λ1和λ2下的光谱辐射出射度比值变化。因此，测出两者比值即可知被测温度。由于是比较两个波长的亮度，故称之为“比色测温法”三、比色温度传感器若比色温度计所选波长很接近，则单色辐射黑度系数也十分接近，所测比色温度TC近似等于真实温度T，这是比色高温计很重要的优点。三、比色温度传感器

比色高温计比其它辐射式高温计的测温准确度高。因为中间介质（水蒸气、CO、CO2等）的吸收，对单色辐射强度比值的影响较小；因比色温度接近于实际温度，如对被测物体无法得知其全辐射系数时，当然用比色温度来代替实际温度比其它方法更准2.5.5典型辐射测温方法比较1、亮度测温定义：测出物体在某一波段上的辐射亮度，确定被测物体的温度(PLANKLAW)。使用滤光片优点：结构简单、使用方便、灵敏度高、抗干扰。缺点：有一定偏差2、全辐射测温定义：测出物体在整个波长范围内的辐射能量，确定被测物体的辐射温度。(斯忒潘—玻耳兹曼定律,四次方定律）优点：结构简单，价格便宜缺点：容易受环境干扰，偏差较大。3、比色测温定义：测出物体在两个特定相近波长范围上的辐射能量之比，确定被测物体的比色温度。(WIEN'SLAW)优点：灵敏度较高，偏差小，中高温测量，抗干扰能力强。缺点：结构复杂，价格昂贵。1）分析：由于物体的的不同，辐射温度传感器测得同一辐射出射度M，在不同物体对应不同温度，所以显示仪表上标注的是辐射温度（绝对黑体对应的温度）2）辐射温度：被测物体真实温度为T，其对应的辐射出射度M，绝对黑体在温度Tr

时的辐射出射度Mb，M=Mb,温度Tr称为“辐射温度”3)辐射温度Tr低于被测物体的实际温度T。以全辐射法为例：

为被测物体辐射率辐射温度2.5.6选型及使用注意事项问题：同一传感器测量不同物体，假设仪表显示温度相同，这是否意味着它们的实际温度相等？（1）辐射率—受物体形状粗糙度等表面因素和测试角度等的影响。尽量创造全辐射体的辐射条件（2）按规定D/L（被测物体的直径D，被测物体与温度计之间的距离L）的范围，否则会引起较大的误差。L太大，被测物体在热电堆上成像太小，不能全部覆盖住热电堆十字平面，使热电堆接受的辐射能减小，指示偏低。L太小，物像照到光阑边缘和接近热电堆的其它零件上，使冷端温度升高，造成热电势下降，指示偏低，且中间介质影响大，也造成指示偏低。(3)环境因素影响—环境温度，大气/中间介质吸收，……（4）响应时间（5）热电偶冷端温度影响（若采用热电偶测辐射能量）辐射温度计影响因素及使用注意事项辐射式温度传感器选型性能指标

温度范围、光斑尺寸、工作波长、测量精度、响应时间等环境和工作条件

环境温度、窗口、显示和输出、保护附件等其它

使用方便、维修和校准性能以及价格等2.6其它测温传感器

集成（PN结型）温度传感器热敏电容式温度传感器谐振式温度传感器热色法温度传感器光散色法温度传感器激光干涉法温度传感器超声波温度传感器光纤温度传感器2023/9/23109PN结温度传感器是利用半导体硅材料的PN结其正向导通电压与温度变化呈线性关系的原理，将感受到的温度信号转换成电压输出的感温元件。

PN结温度传感器具有体积小、线性度好、灵敏度高、反应速度快、无需冷端补偿等优点。兼有热电偶、铂电阻及热敏电阻的主要优点，又在一定程度上克服了它们各自固有的缺点，赢得了“科学的眼睛”、“理想的感温元件”的美誉。2.6.1集成（PN结型）温度传感器

I0为反向饱和电流，B、η与材料和工艺有关常数，qVg0为禁带宽度。二极管：三极管：晶体管温度传感器基本电路1112.6.2热敏电容式温度传感器

工作原理:(BaSr)TiO3(钛酸锶钡)系列陶瓷电容器的静电容(介电常数)随温度T变化。高介电常数的陶瓷材料：钛酸锶[SrTiO3,k=200)]钛酸锶钡[(BaSr)TiO3,k=200]

锆钛酸铅[Pb(Zr,Ti)O3,k=1000]，(锆gao)

如TI公司(德仪)开发的采用BST（BaSr）TiO3热电材料的产品和Honeywell公司使用二氧化钒（VO2）材料的热辐射计型产品都已达到实用化程度。112（BaSr）TiO3陶瓷电容传感器的静电容-温度特性静电容与温度的关系曲线2.6.2热敏电容式温度传感器

113v原理：

材料的弹性和密度随温度T变化，谐振器的谐振频率是温度T的函数，这是一种高精度的测温方法。v应用：石英晶体谐振器的分辨力为0.001℃，用于500℃以下的测量。铱和蓝宝石材料谐振器在1900℃时仍能保证原有性能，用于测量液态金属的温度。2.6.3谐振式温度传感器

114

音叉式水晶温度传感器

v是一种新颖的数字传感器。v具有高准确度、高稳定及超高分辨率等优良特性。v是一种很有前途的基准。振动模式扭转振动模式测量范围较窄，对工艺要求苛刻。弯曲振动模式灵敏度高，同时满足宽温区工作和低功耗的要求，对工艺要求不苛刻。2.6.3谐振式温度传感器

2.6.4热色法温度传感器

热色测温方法主要通过示温敏感材料的颜色在不同温度下发生变化来指示温度的,示温漆和示温液晶都属于热色测温。激光拉曼光谱基本原理Rayleigh散射：弹性碰撞；无能量交换，仅改变方向；Raman散射：非弹性碰撞；方向改变且有能量交换；E0基态，

E1振动激发态；

E0+h

0

，

E1+h

0

激发虚态；获得能量后，跃迁到激发虚态.Rayleigh散射Raman散射

h

E0E1V=1V=0h

0h

0h

0H（

0

+

）E1+h

0E0+h

0h(

0

-

)激发虚态2.6.5光散射法温度传感器分束镜分束镜

激发染料激光（斯托克斯光束）泵浦光束吸收腔体泵浦光束全反镜全反镜全反镜透镜透镜透镜环状反射镜产生CARS信号双色镜黑体光腔干