传感与检测技术2016课件 ch20-温度测量学习资料

第20章温度测量120.温度测量20.1温度的概念和测量方法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。为了定量地描述温度，引入一个概念——温标。温标就是温度的数值表示的标尺，是温度的单位制。历史上提出过很多种温标，如早期的经验温标：摄氏温标和华氏温标，摄氏温度t（℃）和华氏温度

（℉）之间的关系为:t=5(

-32)/9

热力学温标确定的数值为热力学温度，其符号为T，单位为开尔文（K），1K等于水三相点热力学温度的1/273.16。按照国际温标ITS-90，摄氏温度t（℃）和国际开尔文温度T(K)之间的关系为:t=T-237.15。220.1温度的概念和测量方法2）温度量的特殊性①二个温度不能相加或相减；②无标准量直接进行比较测量；③只能通过物体随温度变化的某些特性间接测量.3）温度测量的主要方法按感温元件是否与被测介质接触分为接触式与非接触式.接触式测温：使温度敏感元件与被测温度对象接触，两者之间进行充分的热交换，当热交换平衡时，温度敏感元件与被测对象的温度相等，测温传感器的输出值即被测温度值。常用的接触式测温传感器主要有热膨胀式温度传感器、热电偶、热电阻、热敏电阻和温敏晶体管等。优点：结构简单、工作可靠、测量精度高、稳定、价格低；20.温度测量320.1温度的概念和测量方法3）温度测量的主要方法接触式测温的缺点：有较大滞后（需进行充分的热交换），不便于运动物体的测温，被测对象的温度场易受传感器接触的影响，测温范围受感温元件材料性质的限制等。非接触式测温:

利用被测温度对象的热辐射能量随其温度的变化而变化的原理，通过测量与被测温度对象有一定距离处被测物体发出的热辐射强度来测得被测对象的温度。常见非接触式测温传感器主要有光电高温传感器、红外辐射温度传感器等。优点：无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、液体表面温度，不影响被测温度；缺点：受被测温度对象热辐射率的影响，测量精度低，使用中测量距离和中间介质对测量结果有影响。20.温度测量420.2接触式温度测量常见的接触式测温传感器有两类。转化为非电量的主要是热膨胀式温度传感器；转化为电量的是热电偶、热电阻、热敏电阻和集成温度传感器等。1）热膨胀式温度传感器传感器基于液体、固体、气体受热产生热膨胀的原理制成，有液体、固体和气体膨胀式三类。液体膨胀式传感器：酒精温度计、水银温度计。在有刻度而透明的细玻璃管内充入液体(酒精、水银)，液体受热在玻管内伸缩变化，通过读取液面对应的刻度值获得温度值。固体膨胀式传感器：由两片具有不同线膨胀系数的热敏金属紧固结合而成。为提高灵敏度，双金属片常作成螺旋型。如下页左图所示，螺旋型双金属片一端固定，一端跟指针轴相连。温度变化时，螺旋型金属片跟指针连接的自由端绕中心轴旋转，同时带动指针在刻度盘上指示相应温度值。20.温度测量520.2接触式温度测量1）热膨胀式温度传感器气体膨胀式传感器：基于封闭在密封容器中的气体压力随温度变化而变化的原理。利用此原理制作的温度传感器又称压力式温度传感器。如右下图所示，当温度变化时，温包内的气体压力也会随着改变，气压通过毛细管的传递，带动弹簧管运动，进而改变指针在刻度盘上所指位置，从而测得温包所处的温度，即被测温度。20.温度测量

固体膨胀式温度传感器结构示意图

气体膨胀式温度传感器结构示意图620.2接触式温度测量2）集成温度传感器

由于晶体管PN结的正向电压降都是以大约-2mV/℃的斜率随温度变化而变化，且较稳定，同时晶体管的基射极电压与温度基本成线性关系，利用这些特性可进行温度测量。(1)集成温度传感器的工作原理如图所示，把测温晶体管和激励电路、放大电路等集成在一个硅片上，构成了集成温度传感器。优点(与其他温度传感器比较):线性度高(非线性误差约0.5%)、精度高、体积小、响应快、价格低等；缺点：测温范围窄，一般-50~150℃。20.温度测量

Q1

Q2

I1

I2

U+

UD

集成温度传感器工作原理图

R

720.2接触式温度测量1)

集成温度传感器的工作原理工作原理：上图中，Q1和Q2是互相匹配的晶体管，I1和I2分别是Q1和Q2管的集电极电流，由恒流源供电。则Q1和Q2管的两个发射极和基极电压之差为:式中：k—波尔兹曼常数；q—电子电荷量；

—Q1和Q2管发射极的面积之比:T—绝对温度(K)。对于确定的传感器，k、

q、

均为常数，由上式可知，只要能保证I1/I2的值为常数，则

U与被测温度T成线性关系。

在此基础上可设计出不同的电路以及不同输出类型的集成温度传感器。20.温度测量82)集成温度传感器集成温度传感器的输出有电压输出和电流输出两大类，其中电流输出型的应用较广泛。(1)电压输出型温度传感器工作原理：如图所示，Q1和Q2是性能相同的两只晶体管，其集电极电流分别为Ic1和Ic2，此时两者的发射极电压差

U为可见，输出电压跟被测温度T成线性关系。一般情况下的

Ube值较小，放大后可输出随温度变化的电压，变化量可达10mV/℃。20.2接触式温度测量20.温度测量

Q1

Q2

I1

I2

U+

beUD

电压输出型集成温度传感器原理图

R2

R1

920.2接触式温度测量2）集成温度传感器(2)电流输出型集成温度传感器如图所示，Q1和Q2是结构对称的两晶体管，其发射极电压Ube1=Ube2，作为恒流源负载，Q3和Q4是测温用的晶体管，其集电极电流Ic3=Ic4，两发射极的面积之比为

。由前述工作原理可知，流过电阻R上的电流IR为：式中只要R和

一定，传感器电路的输出电流与温度成线性关系。通常流过传感器的输出电流应限制在1mA左右，可通过调整R的大小来实现。20.温度测量

R

Q3

Q4

I1

I2

+

Q1

Q2

-

IR

电流输出型集成温度传感器原理图102）电流输出型集成温度传感器(2)电流输出型集成温度传感器典型的电流输出型温度传感器是ADI公司的AD590系列及国产的SG590系列。它们的基本电路与前图一样，只是为提高工作性能增加了一些启动电路和附加电路。3）AD590集成温度传感器的应用举例

AD590是目前广泛应用的一种集成产品，其内部含有放大电路，如配以相应的外电路，可构成各种应用电路。①基本测温电路右图为一个AD590测温的基本电路，它将电流信号转化为电压信号输出，获得与温度成正比的电压输出，其灵敏度为1mV/K。20.2接触式温度测量20.温度测量

AD590基本测温电路

AD590

-

+

+5V

+

-

-

Uout

W100

W950

113）AD590集成温度传感器的应用举例②几点最低温度及平均温度测量将几块AD590串联使用，可测量几个被测点的最低温度；当将几块AD590并联使用时，可用来测几个点的平均温度。分别如图a、b所示。20.2接触式温度测量20.温度测量

AD590

-

+

+15V

-

Uout

Wk10

AD590

-

+

AD590

+

-

+

(0.1%)

Uout

AD590

+

+

+

+

-

-

-

-

+5V

W3.333

(0.1%)

（a）（b）1220.2接触式温度测量3）AD590集成温度传感器的应用举例③热电偶冷端补偿电路补偿电路如图所示，图中AD580为一三端稳压器，输出2.5V电压，电路工作前时，在室温下调节RT使仪表指示温度与实际温度一致。

图示电路在15~35℃的温度范围内，补偿精度可达±0.5℃。对不同分度号的热电偶，RT值需重新确定。2025/4/181320.温度测量20.3非接触式温度测量20.3.1非接触式测温概述测量原理：物体受热后都将有部分热量转变成辐射能(热辐射)，温度越高，辐射到周围的能量越多，两者之间满足一定的函数关系。测得物体辐射到周围的能量可知物体温度。任何物体温度高于绝对零度时都有红外辐射，辐射能以波动形式表现出来，其波长的范围极广，从短波、x光、紫外光、可见光、红外光一直到电磁波。温度测量中主要是可见光和红外辐射，物体接收此类能量后，多转变为热能，使物体的温度升高。

非接触式测温利用物体热辐射，故称辐射式温度测量。辐射式测温的具体方法主要基于下述基本定律：①基尔霍夫定律；②斯忒潘—玻耳兹曼定律；③普朗克定律④维恩位移定律名词：黑体-能全部吸收辐射到其上能量的物体；非黑体-只能吸收部分能量的物体；实际物体均为非黑体。20.温度测量1420.3非接触式温度测量20.3.1非接触式测温概述辐射测温的特点：①非接触测量，不影响被测温度分布；②响应速度快，适于对高速运动物体测温。③灵敏度高，能分辨微小的温度变化；④测量范围广(-10～1300

C)；⑤抗干扰能力强。非接触式温度测量系统构成：①光学系统，用于瞄准被测物体，把被测物体的辐射集中到检测元件上。②检测元件，用于把会聚的辐射能转换为电量信号。非接触式温度传感器按传感器的输入量可分为辐射式温度传感器、亮度式温度传感器和比色温度传感器。20.温度测量1520.3非接触式温度测量20.3.1辐射式温度传感器1）辐射式温度传感器工作原理物体所辐射的能量大小，直接与该物体的温度有关，斯忒潘-玻耳兹曼定律给出了物体的总辐射能与其温度的关系，即：

E=

(T4-T04)式中，E为物体在温度T时单位面积和单位时间的红外辐射总量；

=5.67x10-8W/m2K4为斯蒂芬—波尔兹曼常数；

为物体的辐射率，即物体表面辐射能力与同温度的黑体的辐射能力之比，黑体的

=1，非黑体的

<1；T为物体温度(K)；T0为物体周围的环境温度(K)。采用敏感元件测出物体所发射的E，可得物体温度。20.温度测量1620.3非接触式温度测量20.3.1辐射式温度传感器1）辐射式温度传感器工作原理

利用上述原理制成的温度测量仪称为红外温度传感器。这种测量不需与被测对象接触，因此属于非接触式测量。红外温度仪表的测温范围很宽-50～20000C。在不同的温度范围内，对象发出的电磁波能量的波长分布不同，在常温（0～1000C）范围，能量主要集中在中红外和远红外波长。注：仪表根据绝对黑体辐射功率与温度的关系分度;实际使用中被测物并非黑体，这样测出的温度低于被测物的实际温度。仪表测量的温度称为“辐射温度”。式中，T和TF分别为物体的真实温度和辐射温度；

T为温度T时物体全辐射的发射率。因为非黑体εT<1，则TF<T。20.温度测量1720.3非接触式温度测量20.3.1辐射式温度传感器1）辐射式温度传感器构成红外温度传感器测温的原理结构框图如下图所示。主光学系统有两个作用：①把被测处的红外线集中到检测元件上；②把进入仪表的红外线发射面限制在固定范围内。检测元件把红外线能量转换为电信号。信号处理单元把检测元件输出的信号。显示单元把处理过的信号变成可阅读的数字或画面。瞄准系统用于瞄准（或指示）被测部位。有些红外温度传感器不需要瞄准。红外温度传感器测温原理图20.温度测量1820.3非接触式温度测量20.3.1辐射式温度传感器分类：辐射式温度传感器分为全辐射和部分辐射温度传感器2）全辐射温度传感器全辐射温度传感器利用物体在全光谱范围内总辐射能与温度的关系测温。因为对全辐射波长进行测量，要求光学系统有较宽的光谱特性，热敏元件采用无光谱选择性的元件。系统的基本结构如图所示，透镜2把被测物体1的辐射聚焦在热敏元件4上，热敏元件4受热而输出跟被测物温度大小相应的电信号。为使热敏元件4只受到正面来的热辐射而不受其他方向热辐射的影响，采用热屏蔽器3对其保护。20.温度测量1920.3非接触式温度测量20.3.1辐射式温度传感器3）部分热辐射温度传感器为提高传感器的灵敏度，也可根据特殊测量的要求，对辐射式温度传感器采用有光谱选择性的检测元件。由于这些温度检测元件只能对部分光谱能量进行测量，而不能工作在全光谱范围内，所以称这类温度传感器为部分热辐射式温度传感器。常见的部分热辐射温度传感器的检测元件主要有光电池、光敏电阻、红外探测元件等。20.温度测量2020.3非接触式温度测量20.3.2亮度式温度传感器这种传感器分灯丝隐灭式(手工)和恒定亮度式(光电式)，其结构与部分辐射温度计相同，只是滤色片的带宽更宽。性能优点：结构简，使用方便，测温范围广(700~3200℃)，一般可满足工业测温的准确度要求。原理：光亮式温度传感器利用物体的单色辐射亮度L

T随温度变化的相应关系，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温。由于实际物体的单色辐射发射系数

小于1，因而实际物体的单色亮度L

T小于黑体的单色亮度。20.温度测量2120.3非接触式温度测量20.3.2亮度式温度传感器由于在温度T(K)时，黑体的单色辐射亮度为：

L

T*=c1

-5

-1exp(-c2/(T))式中,

c1=2

c2h=4.9926J·m，是第一辐射常数；

c2=ch/k=4.9926m·K，是第二辐射常数；c是光速；h是普朗克常数；k是波尔兹蔓常数；

是波长。实际物体的单色辐射亮度:

L

T=

TL*

T=c1

-5

-1exp(-c2/(T))

可知，物体的单色辐射亮度与被测的物体温度有一一对应关系，若已知被测物体的

T，测得其L

T就可得其温度。20.温度测量2220.3非接触式温度测量20.3.3比色温度传感器光电比色温度传感器是以两个波长的辐射能量(亮度)之比随温度变化的原理进行温度测量，也称颜色温度计。此方法测量非黑体温度时得到“颜色温度”：当绝对黑体辐射的两个波长

1和

2的辐射亮度比等于非黑体的相应的亮度之比时，绝对黑体的温度就称为该非黑体的颜色温度TC。依据：根据维