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第2章温度传感器 2 1温度测量概述2 2热电偶传感器2 3热电阻式传感器2 4集成温度传感器2 5其他温度传感器2 6综合应用技能实训 通过本章的学习了解温度传感器的作用 地位 分类和发展趋势 掌握热电偶三定律及相关计算 掌握热敏电阻不同类型的特点及应用场合 掌握集成温度传感器使用方法 了解其他温度传感器工作原理 1 温度传感器是实现温度检测和控制的重要器件 在种类繁多的传感器中 温度传感器是应用最广泛 发展最快的传感器之一 工业生产自动化流程 温度测量点要占全部测量点的一半左右 温度是反映物体冷热状态的物理参数 2 温度标志着物质内部大量分子无规则运动的剧烈程度 温度越高 表示物体内部分子热运动越剧烈 模拟图 在一个密闭的空间里 气体分子在高温时的运动速度比低温时快 低温 高温 3 2 1 1温度测量 接触式温度传感器非接触式温度传感器 接触式温度传感器的特点 传感器直接与被测物体接触进行温度测量 由于被测物体的热量传递给传感器 降低了被测物体温度 特别是被测物体热容量较小时 测量精度较低 因此采用这种方式要测得物体的真实温度的前提条件是被测物体的热容量要足够大 非接触式温度传感器主要是利用被测物体热辐射而发出红外线 从而测量物体的温度 可进行遥测 其制造成本较高 测量精度却较低 优点是 不从被测物体上吸收热量 不会干扰被测对象的温度场 连续测量不会产生消耗 反应快等 2 1温度测量概述 4 5 随物体的热膨胀相对变化而引起的体积变化 蒸气压的温度变化 电极的温度变化热电偶产生的电动势 光电效应热电效应介电常数 导磁率的温度变化 物质的变色 融解 强性振动温度变化 热放射 热噪声 温度传感器的物理原理 6 7 此外 还有微波测温温度传感器 噪声测温温度传感器 温度图测温温度传感器 热流计 射流测温计 核磁共振测温计 穆斯保尔效应测温计 约瑟夫逊效应测温计 低温超导转换测温计 光纤温度传感器等 这些温度传感器有的已获得应用 有的尚在研制中 8 公元1600年 伽里略研制出气体温度计 一百年后 研制成酒精温度计和水银温度计 随着现代工业技术发展的需要 相继研制出金属丝电阻 温差电动式元件 双金属式温度传感器 1950年以后 相继研制成半导体热敏电阻器 最近 随着原材料 加工技术的飞速发展 又陆续研制出各种类型的温度传感器 温度传感器的发展概况 9 示温涂料 变色涂料 装满热水后图案变得清晰可辨 10 变色涂料在电脑内部温度中的示温作用 CPU散热风扇 低温时显示蓝色 温度升高后变为红色 11 体积热膨胀式 不需要电源 耐用 但感温部件体积较大 气体的体积与热力学温度成正比 12 红外温度计 13 2 1 2温标 热平衡 温度是描述热平衡系统冷热程度的物理量 分子物理学 温度反映了物体内部分子无规则运动的剧烈程度 能量 温度是描述系统不同自由度间能量分配状况的物理量 温标 表示温度大小的尺度是温度的标尺 14 1848年威廉 汤姆首先提出以热力学第二定律为基础 建立温度仅与热量有关 而与物质无关的热力学温标 因是开尔文总结出来的 故又称开尔文温标 用符号K表示 它是国际基本单位制之一 1 热力学温标 2 国际实用温标 1968年国际实用温标规定热力学温度是基本温度 用t表示 其单位是开尔文 符号为K 1K定义为水三相点热力学温度的1 273 16 水的三相点是指纯水在固态 液态及气态三项平衡时的温度 热力学温标规定三相点温度为273 16K 这是建立温标的惟一基准点 15 3 摄氏温标 是工程上最通用的温度标尺 摄氏温标是在标准大气压 即101325Pa 下将水的冰点与沸点中间划分一百个等份 每一等份称为摄氏一度 摄氏度 一般用小写字母t表示 与热力学温标单位开尔文并用 摄氏温标与国际实用温标温度之间的关系如下 4 华氏温标 目前已用得较少 它规定在标准大气压下冰的融点为32华氏度 水的沸点为212华氏度 中间等分为180份 每一等份称为华氏一度 符号用 它和摄氏温度的关系如下 T t 273 15K t T 273 15 m 1 8n 32 n 5 9 m 32 16 几种温标的对比 正常体温为37 C 相当于华氏温度多少度 17 2 2热电偶传感器热电偶在温度的测量中应用十分广泛 它构造简单 使用方便 测温范围宽 并且有较高的精确度和稳定性 2 2 1热电偶测温原理1 热电效应两种不同材料的导体组成一个闭合回路时 若两接点温度不同 则在该回路中会产生电动势 这种现象称为热电效应 该电动势称为热电势 18 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 自由端 参考端 冷端 测量端 工作端 热端 热电极B 热电势 A B 19 从实验到理论 热电效应 1821年 德国物理学家赛贝克用两种不同金属组成闭合回路 并用酒精灯加热其中一个接触点 称为结点 发现放在回路中的指南针发生偏转 说明什么 如果用两盏酒精灯对两个结点同时加热 指南针的偏转角反而减小 又说明什么 显然 指南针的偏转说明回路中有电动势产生并有电流在回路中流动 电流的强弱与两个结点的温差有关 20 结点产生热电势的微观解释及图形符号 两种不同的金属互相接触时 由于不同金属内自由电子的密度不同 在两金属A和B的接触点处会发生自由电子的扩散现象 自由电子将从密度大的金属A扩散到密度小的金属B 使A失去电子带正电 B得到电子带负电 从而产生热电势 自由电子 A B eAB T T 21 1 接触电动势假设两种金属A B的自由电子密度分别为nA和nB 且nA nB 当两种金属相接时 将产生自由电子的扩散现象 达到动态平衡时 在A B之间形成稳定的电位差 即接触电势eAB 热电偶的接触电势 22 2 温差电动势导体中的自由电子 在高温端具有较大的动能 因而向低温端扩散 在导体两端产生了电势 这个电势称为单一导体的温差电势 对于单一导体 如果两端温度分别为T T0 且T T0 单一导体温差电势 23 势电偶回路中产生的总热电势 EAB T T0 EAB T EB T T0 EAB T0 EA T T0 或EAB t t0 EAB t EB t t0 EAB t0 EA t t0 接触电势示意图 24 在总电势中 温差电势比接触电势小很多 可忽略不计 则热电偶的热电势可表示为 EAB T T0 EAB T EAB T0 对于已选定的热电偶 当参考端温度T0恒定时 EAB T0 c为常数 则总的热电动势就只与温度T成单值函数关系 即 EAB T T0 EAB T c f T 实际应用中 热电势与温度之间的关系是通过热电偶分度表来确定 分度表是在参考端温度为00C时 通过实验建立起来的热电势与工作端温度之间的数值对应关系 25 热电偶的分度表 热电偶的线性较差 多数情况下采用查表法 我国从1991年开始采用国际计量委员会规定的 1990年国际温标 简称ITS 90 的新标准 按此标准 制定了相应的分度表 并且有相应的线性化集成电路与之对应 直接从热电偶的分度表查温度与热电势的关系时的约束条件是 自由端 冷端 温度必须为0 C 26 K热电偶的分度表 比较查出的3个热电势 可以看出热电势是否线性 27 2 热电偶的基本定律 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 28 2 中间导体定律在热电偶回路中接入第三种导体 只要该导体两端温度相等 则热电偶产生的总热电势不变 图示回路总的热电势EABC T T0 EAB T EAB T0 EAB T T0 具有中间导体的热电偶回路 29 3 中间温度定律在热电偶测量回路中 测量端温度为T 自由端温度为T0 中间温度为 0 如图所示 则T T0热电势等于T T0 与T0 T0热电势的代数和 即EAB T T0 EAB T T0 EAB T0 T0 存在中间温度的热电偶回路 30 4 参考电极定律 也称组成定律 已知热电极A B与参考电极C组成的热电偶在结点温度为 T T0 时的热电动势分别为EAC T T0 EBC T T0 则相同温度下 由A B两种热电极配对后的热电动势EAB T T0 可按下面公式计算 EAB T T0 EAC T T0 EBC T T0 31 参考电极定律示意图 32 例2 1 用镍铬 镍硅热电偶测炉温时 其冷端温度 30 在直流电位计上测得的热电势 30 839mV 求炉温 解 查镍铬 镍硅热电偶分度表 30 0 1 203mVEAB T 0 E T 30 EAB 30 0 30 839 1 203 32 042 mV 再查分度表得T 770 33 例2 2 已知铬合金 铂热电偶的E 100 0 3 13mV 铝合金 铂热电偶的E 100 0 1 02mV 求铬合金 铝合金组成热电偶材料的热电动势E 100 0 解 设铬合金为A 铝合金为B 铂为C 即EAC 100 0 3 13mVEBC 100 0 1 02mV则 EAB 100 0 EAC 100 0 EBC 100 0 4 15mV 34 2 2 2热电偶的结构形式与热电偶材料1 热电偶的种类 1 普通型热电偶 35 普通装配型热电偶的外形 安装螺纹 安装法兰 36 普通装配型热电偶的结构放大图 接线盒 引出线套管 固定螺纹 出厂时用塑料包裹 热电偶工作端 热端 不锈钢保护管 37 2 铠装热电偶 缆式热电偶 铠装热电偶是将热电偶丝与电熔氧化镁绝缘物溶铸在一起 外表再套不锈钢管等构成 这种热电偶耐高压 反应时间短 坚固耐用 38 铠装型热电偶 铠装热电偶的制造工艺 把热电极材料与高温绝缘材料预置在金属保护管中 运用同比例压缩延伸工艺 将这三者合为一体 制成各种直径 规格的铠装偶体 再截取适当长度 将工作端焊接密封 配置接线盒即成为柔软 细长的铠装热电偶 铠装热电偶特点 内部的热电偶丝与外界空气隔绝 有着良好的抗高温氧化 抗低温水蒸气冷凝 抗机械外力冲击的特性 铠装热电偶可以制作得很细 能解决微小 狭窄场合的测温问题 且具有抗震 可弯曲 超长等优点 39 铠装型热电偶 1 热电极 2 绝缘材料 3 金属套管 4 接线盒 5 固定装置 40 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 铠装型热电偶横截面 41 3 薄膜热电偶用真空镀膜技术或真空溅射等方法 将热电偶材料沉积在绝缘片表面而构成的热电偶称为薄膜热电偶 测温范围为 200 500 测量端既小又薄 热容量小 响应速度快 适用于测量微小面积上的瞬变温度 薄膜热电偶 42 4 表面热电偶主要用于现场流动的测量 广泛用于纺织 印染 造纸 塑料及橡胶工业 探头有各种形状 弓形 薄片形等 以适应于不同物体表面测温用 在其把手上装有动圈式仪表 读数方便 测量温度范围有0 250 和0 600 两种 5 防爆热电偶在石油 化工 制药工业中 生产现场有各种易然 易爆等化学气体 这时需要采用防爆热电偶 它采用防爆型接线盒 有足够的内部空间 壁厚及机械强度 其橡胶密封圈的热稳定性符合国家的防爆标准 因此 即使接线盒内部爆炸性混合气体发生爆炸时 其压力也不会破坏接线盒 其产生的热能不能向外扩散传爆 可达到可靠的防爆效果 43 隔爆型热电偶外形 厚壁保护管 压铸的接线盒 电缆线 44 其他热电偶外形 小形K型热电偶 45 2 热电偶组成材料及分度表为了准确可靠地进行温度测量 必须对热电偶组成材料严格选择 目前工业上常用的四种标准化热电偶材料为 铂铑30 铂铑6 铂铑10 铂 镍铬 镍硅镍铬 铜镍 我国通常称为镍铬 康铜 组成热电偶的两种材料写在前面的为正极 后面的为负极 热电偶的热电动势与温度之关系表 称之为分度表 46 八种国际通用热电偶 B 铂铑30 铂铑6 R 铂铑13 铂 S 铂铑10 铂 K 镍铬 镍硅 N 镍铬硅 镍硅 E 镍铬 铜镍 J 铁 铜镍 T 铜 铜镍 用于制造铂热电偶的各种铂热电偶丝 47 几种常用热电偶的测温范围及热电势 5种热电偶的测温范围与热电势各有什么特点 48 几种常用热电偶的热电势与温度的关系曲线分析 哪几种热电偶的测温上限较高 结论 哪几种热电偶的线性较差 哪一种热电偶的灵敏度较高 哪一种热电偶的灵敏度较低 为什么所有的曲线均过原点 零度点 49 1 补偿导线 补偿导线是指在一定的温度范围内 0 150 其热电性能与相应热电偶的热电性能相同的廉价导线 采用补偿导线 可将热电偶的自由端延伸到远离高温区的地方 从而使自由端的温度相对稳定 由此可见 使用补偿导线可以节约大量的贵重金属 减小热电偶回路的电阻 而且柔软易弯便于敷设安装 但必须指出 使用补偿导线仅能延长热电偶的自由端 对测量电路不起任何温度补偿作用 2 2 3热电偶测温及参考端温度补偿 50 补偿导线外形 A B 屏蔽层 保护层 51 1 计算修正法用普通室温计算出参比端实际温度TH 利用公式计算例用铜 康铜热电偶测某一温度T 参比端在室温环境TH中 测得热电动势EAB T TH 1 999mV 又用室温计测出TH 21 查此种热电偶的分度表可知 EAB 21 0 0 832mV 故得EAB T 0 EAB T 21 EAB 21 T0 1 999 0 832 2 831 mV 再次查分度表 与2 831mV对应的热端温度T 68 EAB T T0 EAB T TH EAB TH T0 2 冷端温度补偿 52 用螺丝刀调节仪表面板上的 机械零点 使指针指到气温t0 图中为40 C 的刻度上 机械零点 指针被预调到室温 40 C 可补偿冷端损失 2 机械零位调整法 53 3 冰浴法 54 冰浴法接线图 1 被测流体管道2 热电偶3 接线盒4 补偿导线5 铜质导线6 毫伏表7 冰瓶8 冰水混合物9 试管10 新的冷端 55 4 冷端补偿器法 补偿电桥法 国产WBC型冷端温度补偿器的工作原理图 56 电桥补偿法 XT WBC热电偶冷端补偿器 57 2 2 4热电偶测温基本电路如下页图所示图 a 表示了测量某点温度连接示意图 图 b 表示两个热电偶并联测量两点平均温度 图 c 为两热电偶正向串联测两点温度之和 图 d 为两热电偶反向串联测量两点温差 58 常用的热电偶测温电路示意图 59 作业 P494 6 14 60 金属热电阻传感器一般称作热电阻传感器 是利用金属导体的电阻值随温度的变化而变化的原理进行测温的 金属热电阻的主要材料是铂和铜 热电阻广泛用来测量 220 850 范围内的温度 少数情况下 低温可测量至1K 272 高温可测量至1000 2 3热电阻式传感器 2 3 1常用热电阻 61 取一只100W 220V灯泡 用万用表测量其电阻值 可以发现其冷态阻值只有几十欧姆 而计算得到的额定热态电阻值应为484 62 1 铂热电阻的电阻 温度特性铂电阻的特点是测温精度高 稳定性好 所以在温度传感器中得到了广泛应用 铂电阻的应用范围为 200 850 铂电阻的电阻 温度特性方程 在 200 0 的温度范围内为 Rt R0 1 At Bt2 Ct3 t 100 在0 850 的温度范围内为 Rt R0 1 At Bt2 63 易提纯 复现性好的金属材料才可用于制作热电阻 64 热电阻的主要技术性能 65 热敏电阻的外形 结构及符号 a 圆片型热敏电阻b 柱型热敏电阻c 珠型热敏电阻d 铠装型e 厚膜型f 图形符号1 热敏电阻2 玻璃外壳3 引出线4 紫铜外壳5 传热安装孔 66 薄膜型及普通型铂热电阻 薄膜铂电阻是使用最新的薄膜技术而制造的温度传感器 与其他类型的热电阻比较 此产品具有适于大批量生产 一致性好 成本低及尺寸小等特点 67 小型铂热电阻 68 防爆型铂热电阻 隔爆型热电阻通过特殊结构的接线盒 能把内部爆炸性混合气体因受到火花或电弧等影响而发生的爆炸局限在接线盒内 生产现场不会引起爆炸 69 汽车用水温传感器及水温表 铜热电阻 70 学习查 铂热电阻分度表 附录铂热电阻分度表 130 90 71 铂电阻温度显示 变送器 72 可设定温度的温度控制箱 旋转式机械设定开关 拨码式设定开关 73 2 3 2热电阻传感器的测量电路 热电阻测温电桥原理 热电阻三线制电桥电路 热电阻传感器的测量电路一般使用电桥电路 如左图所示 由于工业用热电阻安装在生产现场 离控制室较远 因此热电阻的引线对测量结果有较大影响 为此 工业上常采用三线制接法 如右图所示 74 2 3 3热敏电阻半导体热敏电阻简称热敏电阻 是一种新型的半导体测温元件 热敏电阻是利用某些金属氧化物或单晶锗 硅等材料 按特定工艺制成的感温元件 热敏电阻可分为三种类型 即 正温度系数 PTC 热敏电阻负温度系数 NTC 热敏电阻在某一特定温度下电阻值会发生突变的临界温度电阻器 CTR 75 热敏电阻的 Rt t 特性 1 负指数型NTC 2 突变型NTC 3 突变型PTC 4 线性型PTC各种热敏电阻的特性曲线 76 热敏电阻外形 MF12型NTC热敏电阻 聚脂塑料封装热敏电阻 77 其他形式的热敏电阻 玻璃封装NTC热敏电阻 MF58型热敏电阻 78 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 79 其他形式的热敏电阻 续 贴片式NTC热敏电阻 80 其他形式的热敏电阻 续 MF58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 81 非标热敏电阻 82 非标热敏电阻 续 83 非标热敏电阻 续 84 热敏电阻温度面板表 热敏电阻 LCD 85 热敏电阻体温表 86 热敏电阻体温表的调试 标定方法 调试时 应该先调哪一只电位器 再调哪一只电位器 如何检验表面刻度中其他各点是否准确 具体步骤如何进行 87 NTC热敏电阻主要用于温度测量和补偿 PTC突变型热敏电阻主要用作温度开关 PTC缓变型热敏电阻主要用于在较宽的温度范围内进行温度补偿或温度测量 CTR热敏电阻主要用作温度开关 2 3 4热敏电阻的应用 88 1 温度测量 用于测量温度的热敏电阻一般结构较简单 价格较低廉 没有外面保护层的热敏电阻只能应用在干燥的地方 密封的热敏电阻不怕湿气的侵蚀 可以用在较恶劣的环境下 由于热敏电阻的阻值较大 故其连接导线的电阻和接触电阻可以忽略 使用时采用二线制即可 2 温度补偿 热敏电阻可在一定的温度范围内对某些元件进行温度补偿 例如 动圈式仪表表头中的动圈由铜线绕成 温度升高 其电阻值增大 引起测量误差 为此可在动圈回路中串入由负温度系数热敏电阻组成的电阻网络 从而抵消由于温度引起的误差 实际应用时 将负温度系数的热敏电阻与锰铜丝电阻并联后再与被补偿元件串联 如图2 19所示 89 热敏电阻用于CPU的温度测量 参考小熊在线公司资料 90 热敏电阻对晶体管电路的补偿 热敏电阻对正温度系数电阻的补偿 91 3 温度控制 广泛用于空调 冰箱 热水器 节能灯等家用电器的测温 控温及国防 科技等领域 1 继电保护 热继电器原理图 92 热敏电阻用于电热水器的温度控制 93 2 温度上下限报警 温度上下限报警电路 图中Rt为NTC热敏电阻 采用运算放大器构成迟滞电压比较器 当温度T等于设定值时 Uab 0 VT1 VT2都截止 当T升高时 Rt减小 Uab 0 VTl导通 LED1发光报警 当T下降时 Rt增加 Uab 0 VT2导通 LED2发光报警 94 3 电子节能灯及电子镇流器预热启动如果节能灯灯丝未经预热突加高压启动 则将导致灯丝材料严重溅射 使灯管提前发黑报废 使用PTC热敏电阻 在启动时先预热灯丝ls左右 然后再加高压点亮灯管 能有效地防止灯管两端发黑 同时能防止三极管等灯具线路元件受启动瞬间大电流及高反压冲击 使灯具寿命延长10倍以上 95 2 4集成温度传感器 2 4 1集成温度传感器工作原理及特点集成温度传感器是把温敏元件 偏置电路 放大电路及线性化电路集成在同一芯片上的温度传感器 目前大量生产的集成温度传感器有电流输出型 电压输出型和数字信号输出型 其工作温度范围约在 50 150 96 电流型IC温度传感器是把线性集成电路和与之相容的薄膜工艺元件集成在一块芯片上 再通过激光修版微加工技术 制造出性能优良的测温传感器 这种传感器的输出电流正比于热力学温度 即1 A K 其次 因电流型输出恒流 所以传感器具有高输出阻抗 其值可达10M 这为远距离传输深井测温提供了一种新型器件 电压型IC温度传感器是将温度传感器基准电压 缓冲放大器集成在同一芯片上 制成一四端器件 因器件有放大器 故输出电压高 线性输出为10mV 另外 由于其具有输出阻抗低的特性 抗干扰能力强 故不适合长线传输 这类IC温度传感器特别适合于工业现场测量 97 VT1 VT2为差分对管 由恒流源提供的I1 I2分别为VT1 VT2的集电极电流 则 集成温度传感器的测温原理 98 电流输出型集成温度传感器原理 对管VT1 VT2作为恒流源负载 VT3 VT4作为感温元件 VT3 VT4发射极面积之比为 此时电流源总电流为 2 4 2常用集成温度传感器及其应用1 电流输出型集成温度传感器 由上式可知 当R 为恒定量时 IT与T成线性关系 若R 358欧 则电路输出温度系数为 99 AD590是电流输出型集成温度传感器的代表产品 工作直流为 4 30v 输出阻抗约为l0M 具有良好的互换性 在 55 150 范围内精度为 1 此外 AD590抗干扰能力强 不受长距离传输线压降的影响 信号的传输距离可达100m以上 AD590的灵敏度为1 A K 0 时输出273 A电流 AD590集成温度传感器 a 外形 b 电路符号 c 输出特性 100 图示电路为电压输出型集成温度传感器 VT1 VT2为差分对管 调节电阻R1 可使R1 R2 当对管VT1 VT2的值大于等于1时 电路输出电压为 2 电压输出型集成温度传感器 由此可得 可知R1 R2不变 则U0与T成线性关系 101 LM35 45系列温度传感器 a 内部原理图 b 引脚功能 c 外形封装 d 摄氏温度计电路 102 在 40 100 范围内 半导体二极管正向电压与温度的关系为线性关系 2 4 3PN结温度传感器及其应用1 热敏二极管温度传感器应用电路 采用硅二极管温度传感器的测温电路 103 NPN型热敏晶体管在Ic恒定时 利用基极 发射极间电压Ube的温度特性 可把温度变化转换成电压变化 2 热敏晶体三极管温度传感器及其应用电路 晶体管温度传感器测温电路 104 当晶闸管在正向转折电压之前不导通 若超过转折电压就进入导通状态 特别是在低温度下发生转折时 电流放大系数很大 具有良好的开关特性 利用晶闸管的转折电压随温度而改变的特性制成热敏晶闸管 3 热敏晶闸管温度传感器及其应用电路 采用热敏晶闸管温度传感器的温度控制电路 105 PN结温度传感器与热敏电阻一样具有体积小 反应快的优点 此外 线性较好而且价格低廉 在许多仪表里用来进行温度补偿 特别适合对电子仪器或家用电器的过热保护 也常用于简单的温度显示和控制 106 光纤温度传感器按其工作原理可分为两大类 功能型和非功能型 1 功能型功能型也称物性型或传感型 光纤在这类传感器中不仅作为光传播的波导 而且具有测量的功能 该类传感器利用某种参数随温度而变化的特性作为传感器的主体 即将其作为敏感元件进行测温 2 5其他温度传感器2 5 1光纤温度传感器 107 三种应用光纤制作温度传感器的原理图 108 2 非功能型右图是一个光纤端面上配置液晶芯片的光纤温度传感器 它是将三种液晶以适当的比例混合 在10 45 之间 颜色从绿到红 这种传感器利用了光的反射系数随颜色而变化的原理 精度为0 1 利用液晶的光纤温度传感器 109 110 111 任何物质的温度只要高于绝对零度 都能辐射红外线 物体的温度越高 辐射功率就越大 因此只要测量出物质所发射的辐射功率 就能确定物质的温度 红外温度传感器一般包括光学系统 检测系统和转换电路 光学系统按结构不同分为热敏检测元件和光电检测元件 热敏元件应用最多的是热敏电阻 光电检测元件常用的是光敏元件 包括光敏电阻 光电池或热释电元件 2 5 2红外温度传感器 112 113 114 热释电元件在红外波段的辐射能量照射之下也会释放出电荷 但是在连续不断地照射下 它并不能产生恒定的电动势 必须对辐射进行调制 使成为断续辐射 才能得到交变电动势 热释电元件的响应时间短 通常把它和场效应管封装在同一外壳里 辐射经锗或硅窗口射入 由场效应管阻抗变换后与放大电路配合 热释电辐射传感器 115 红外探测器一般为 钽酸锂 热释电探测器 步进电机带动调制盘转动对入射的红外辐射进行斩光 将恒定或缓变的红外辐射通过透镜聚焦在红外探测器上 红外探测器将红外辐射变换为电信号输出 1 透镜 2 滤光片 3 调制盘 4 红外探测器 5 步进电机 6 温度传感器红外测温仪方框图 116 锰 锌 铁和镍 锌 铁的氧化物烧结体具有很大的饱和磁通密度和磁导率 已获得广泛应用 然而这类材料温度超过居里温度TC就不再有铁磁性质 居里温度TC的高低是可以从成分上加以控制的 下图是锰 锌铁氧体在其中铁克分子含量保持为50 时 改变锰和锌的克分子含量对居里温度TC的影响 2 5 3铁氧体温度传感器 热敏铁氧体在居里温度之下 磁性能有突变 利用这一特点 不难构成位式作用的温度传感器 117 下图的舌簧管外套有两个环形磁铁 中间夹有环形热敏铁氧体 舌簧管是密封在玻璃管中的两根弹性金属条 即舌簧 构成的电接点 在居里温度以下时 环形热敏铁氧体的高磁导率将两个环形磁铁串联起来 即图中之 a 当温度超过TC后 热敏铁氧体失去导磁作用 磁路将分为两个闭环 分别在左右舌簧上通过 舌簧的自由端不再有相互吸引力 在其弹性作用下便将电路断开 即图中之 b 热敏铁氧体温度开关 118 铁氧体温度传感器已在家用电饭锅中普遍应用 在电饭锅的电加热器中央有热敏铁氧体 其居里温度设计成103 当锅内水分熬干 温度升高到103 时 热敏铁氧体突然丧失铁磁性 其下的磁铁及杠杆在重力作用下降落 将电接点压开 结束煮饭阶段 至于此后的保温过程 则是靠双金属片温度开关间歇地接通电源而实现的 电饭锅中的铁氧体温度传感器 119 天然石英晶体经过特定方向的切割后 具有十分稳定的谐振频率 但是沿另外一个方向切割 却可以使谐振频率有较大的温度系数 也就是其谐振频率能反映温度高低 现代工艺可以做到频率与温度成正比 利用这一特性可以测温 2 5 4石英谐振温度传感器 这种传感器在 80 250 间的基本误差在 0 04 0 075 之间 精确度和稳定都相当优越 然而在使用中必须注意防止机械振动和冲击 120 2 5 5膨胀式温度计 双金属控制恒温箱示意图 双金属温度由两种线膨胀系数不同的金属紧固结合而成双金属片 为提高灵敏度常作成螺旋形 螺旋形双金属片一端固定 另一端连接指针轴 当温度变化时 双金属片弯曲变形 通过指针轴带动指针偏转显示温度 它结构简单 抗振性能好 读数方便 常用于测量 80 600 范围的温度 但精度不高 121 压力式温度计主要由温包 毛细管和压力敏感元件 如弹簧管 膜盒 波纹管等 组成 温包 毛细管和弹簧管三者的内腔构成一个封闭容器 其中充满工作物质 如氮气 当温包受热后 使内部工作物质温度升高而压力增大 此压力经毛细管传到弹簧管内 使弹簧管产生变形 并由传动系统带动指针 指示相应的温度值 压力式温度计 122 2 6综合应用技能实训2 6 1电冰箱温度超标指示电路的制作 电冰箱冷藏室的温度一般都保持在5 以下 利用负温度系数热敏电阻制成的电冰箱温度超标指示器 可在温度超过5 时 提醒用户及时采取措施 制作印制电路板或利用面包板装配调如图2 40所示电路 过程如下 1 准备电路板和元器件 认识元器件 2 电路装配调试 3 测量电路各点电压 4 记录实验过程和结果 5 调节电位器RP于不同值 观察和记录报警温度 进行电路参数和实验结果分析 6 思考该电路的扩展用途 123 电冰箱温度超标指示器电路如图所示 电路由热敏电阻RT和作比较器用的运放IC等元件组成 运放IC反相输入端加有R1和热敏电阻RT的分压电压 该电压随电冰箱冷藏室温度的变化而变化 在运放IC同相输入端加有基准电压 此基准电压的数值对应于电冰箱冷藏室最高温度的预定值 可通过调节电位器RP来设定电冰箱冷藏室最高温度的预定值 124 2 6 2基于热电偶的温控电路的制作 1 实验设备热电偶一只 自动温控仪表一台 风扇一台 电炉 台 2 实验步骤 1 根据自动温控仪表说明书 了解温控仪表的使用方法 2 自己设