温度传感噐(传感器教学)PPT课件

传感器应用技术,传知万物感创未来,.,2,传知万物感创未来,学习内容,.,3,传知万物感创未来,温度传感器,.,4,温度是反映物体冷热状态的物理参数。温度是诸多物理现象中具有代表性的物理量，现代生产和生活中温度的检测应用非常普遍：家用电器、火灾报警、医疗卫生、天气预报炼钢、气象、太空、军事,温度传感器温度测量,.,5,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,温度传感器温度测量,.,6,温度传感器温度测量,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。,.,7,温度传感器温度测量,温标：温度的数值表示方法称为温标。它规定了温度的读数的起点（即零点）以及温度的单位。各类温度计的刻度均由温标确定。目前常用的温标有：摄氏温标、华氏温标、热力学温标等。,.,8,温度传感器温度测量,摄氏温标（）摄氏温标是在标准大气压(即101325Pa)下将水的冰点定为零度，水的沸点定为100度，在这两固定点之间划分一百个等份，每一等份称为摄氏一度(摄氏度，)。摄氏温标是工程上最通用的温度标尺。一般用小写字母t表示。华氏温标（）规定在标准大气压下冰的熔点为32华氏度，水的沸点为212华氏度，两固定点间等分为180份，每一等份称为华氏一度，单位用，它和摄氏温度的关系：,t=5/9(f-32),F=1.8t+32,.,9,热力学温标是建立在热力学第二定律基础上的最科学的温标，是由开尔文（Kelvin）根据热力学定律提出来的，因此又称开氏温标。它的符号是T，单位是开尔文（K）。,威廉汤姆逊开尔文勋爵像,温度传感器温度测量,.,10,温度传感器温度测量,热力学温标（K）热力学温标规定分子运动停止（即没有热存在）时的温度为绝对零度，水的三相点（气、液、固三态并存，且进入平衡状态）温度为273.16K，把从绝对零度到水的三相点之间的温度均匀分为273.16格，每格为1K。由于以前曾规定冰点温度为273.15K，故现在沿用这个规定进行换算。,.,11,温度传感器温度测量,国际实用温标（K）IPTS-68(InternationalPracticalTemperatureScaleof1968)ITS-90(1990年1月1日起全世界范围采用)国际实用温标规定热力学温度是基本温度。1K定义为水三相点热力学温度的1/273.16，即热力学温标规定水的三相点温度为273.16K，这是建立温标的惟一基准点。摄氏温度分度值与开氏温度分度值相同，即温度间隔1=1K。,.,12,温度传感器温度测量,国际实用温标（IPTS-68）的固定点,.,13,几种温标的对比,人体正常体温为37C，相当于华氏温度多少度？,.,14,温度传感器温度测量,温度传感器的分类按用途分类：基准温度计、工业温度计；按测量方法分类：接触式温度计、非接触式温度计；按输出方式分类：自发电型温度计、非电测型温度计；按工作原理分类：膨胀式温度计、电阻式温度计、热电式温度计、辐射式温度计等；,.,15,温度传感器温度测量,按工作原理分类：,.,16,温度传感器温度测量,温度传感器的发展概况公元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。,.,17,温度传感器温度测量,温度传感器的发展方向1超高温与超低温传感器，如+3000以上250以下。2提高温度传感器的精度和可靠性。3研制家用电器、汽车及农畜业所需要的价廉的温度传感器。4发展新型产品，扩展和完善管缆热电偶与热敏电阻；发展薄膜热电偶；研究节省镍材和贵金属以及厚膜铂的热电阻；研制系列晶体管测温元件、快速高灵敏CA型热电偶以及各类非接触式温度传感器。5发展适应特殊测温要求的温度传感器。6发展数字化、集成化和自动化的温度传感器。,.,18,介绍几种温度测量方法,示温涂料（变色涂料）,装满热水后图案变得清晰可辨,.,19,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,.,20,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,.,21,红外温度计,.,22,热电偶的工作原理热电偶的结构与种类热电偶的三大定律热电偶的应用,温度传感器热电偶,.,23,热电偶测温,温差热电偶（简称热电偶）是目前温度测量中使用最普遍的传感元件之一。它具有结构简单，制造方便、测量范围宽、准确度高、热惯性小，输出信号为电信号便于远传或信号转换等优点。测量时不需外加电源，使用十分方便，常用来测量炉子、管道内的气体或液体温度，测量固体以及固体壁面的温度。微型热电偶还可用于快速及动态温度的测量。,.,24,热电偶测温的主要优点,1、它属于自发电型传感器：测量时可以不需外加电源，可直接驱动动圈式仪表；2、测温范围广：下限可达-270C，上限可达1800C以上；3、各温区中的热电势均符合国际计量委员会的标准。,.,25,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,一、热电偶的工作原理,测量端工作端热端,热电极B,热电势,A,B,温度传感器热电偶,.,26,1821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。,温度传感器热电偶,.,27,温度传感器热电偶,将两种不同成分的导体或半导体A和B组合成一个闭合回路，当闭合回路的两个接点分别置于不同的温度场中时（设TT0），回路中将产生一个电动势，该电动势的方向和大小与导体的材料及两接点的温度有关，这种现象叫做热电效应。回路中所产生的热电势由两部分组成，一部分是两种导体的接触电动势，另一部分是单一导体的温差电动势。,.,28,温度传感器热电偶,接触电动势当A和B两种不同材料的导体接触时，由于两者内部单位体积的自由电子数目不同（电子密度不同），则电子在两个方向上扩散的速率就不同。接触电势的大小与温度高低及导体中的电子密度（导体材料）有关。与导体的直径、长度、几何形状无关。,.,29,自由电子,A,B,eAB（T）,T,温度传感器热电偶,.,30,温度传感器热电偶,温差电动势导体A、B将其两端分别置于不同温度场中（TT0），在导体内部，热端自由电子具有较大动能，向冷端移动，从而使热端失去电子带正电，冷端得到电子带负电。因此，导体两端便产生一个由热端指向冷端的静电场，该电场阻止电子从热端继续到冷端并使电子反方向移动，最后达到动态平衡。这样，导体两端产生电位差，即温差电动势。温差电动势大小取决于导体材料及两端温度。,.,31,温度传感器热电偶,热电偶回路的总电动势由导体材料A、B组成的闭合回路，如果导体A的电子密度大于导体B的电子密度，且两接点温度不相等，分别为T、T0，如果TT0，则必存在着两个接触电势和两个温差电势，回路总电势：,.,32,温度传感器热电偶,实践证明，热电偶回路中起主要作用的是接触电势，温差电势只占极小部分，可忽略不计。,.,33,只有当热电偶两端温度不同,且热电偶的两导体材料不同时才能有热电势产生。,热电偶回路热电势只与组成热电偶的材料及两端温度有关；与热电偶的长度、粗细无关。,只有用不同性质的导体(或半导体)才能组合成热电偶；相同材料不会产生热电势。,温度传感器热电偶,.,34,温度传感器热电偶,导体材料确定后，热电势的大小只与热电偶两端的温度有关。如果使EAB(T0)=常数，则回路热电势EAB(T，T0)就是T的单值函数，这就是利用热电偶测温的原理。这一关系式在实际测温中得到广泛应用。因为冷端温度恒定，热电偶产生的热电势只随热端温度的变化而变化，即一定的热电势对应一定的温度，故只需用测量热电势的方法就可达到测温的目的。对于各种不同金属组成的热电偶，温度与热电势间有不同的函数关系，一般用实验方法求取这个函数关系。通常令t0=0，然后在不同温差下精确测定出回路总热电势，并将所测结果列成表格（热电偶分度表）供使用查询。,.,35,二、热电偶的结构与种类1、种类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,用于制造热电偶的各种热电偶丝,温度传感器热电偶,.,36,温度传感器热电偶,2、几种常用热电偶的测温范围与热电势,.,37,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？哪一种热电偶的灵敏度较高？哪一种热电偶的灵敏度较低？哪几种热电偶的线性较差？,为什么所有的曲线均过原点（零度点）？,温度传感器热电偶,.,38,查热电偶的分度表,假设热电偶的冷端温度为0C，请根据镍铬-镍硅（K）热电偶的分度表，查出：-80C、0C、80C时的热电势。,比较查出的3个热电势，可以看出热电势是否线性？,温度传感器热电偶,.,39,K热电偶分度表,.,40,3、热电偶的结构普通装配型热电偶的外形,安装螺纹,安装法兰,温度传感器热电偶,.,41,接线盒,引出线套管,固定螺纹（出厂时用塑料包裹）,工作端（热端）,不锈钢保护管,温度传感器热电偶,.,42,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）,B,A,绝缘材料,铠装型热电偶横截面,.,43,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。,温度传感器热电偶,.,44,隔爆型热电偶外形,厚壁保护管,压铸的接线盒,电缆线,.,45,结构特点：隔爆热电偶的接线盒在设计时采用防爆的特殊结构，它的接线盒是经过压铸而成的，有一定的厚度、隔爆空间，机构强度较高；采用螺纹隔爆接合面，并采用密封圈进行密封，因此，当接线盒内一旦放弧时，不会与外界环境的危险气体传爆，能达到预期的防爆、隔爆效果。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）。,温度传感器热电偶,.,46,其他热电偶外形,小形K型热电偶,温度传感器热电偶,.,47,三、热电偶三大定律1、中间导体定律2、中间温度定律3、参考电极定律,温度传感器热电偶,.,48,1、中间导体定律,在热电偶回路中接入第三种导体，只要第三种导体的两接点温度相同，则回路中总的热电势不变。,温度传感器热电偶,.,49,中间导体定律的应用,电位计接入热电偶回路,根据上述原理，在热电偶回路中接入电位计E，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。,T,E,温度传感器热电偶,.,50,此定律在使用中不仅可以在热电偶回路中接入各种类型的显示仪表，也可将热电偶的两端不焊接而是直接插入液态金属中或直接焊在金属表面进行温度测量。只要保证与热电偶连接处的接点温度相等，就不会影响回路中原来的热电势。如果接入的第三导体两端温度不等，热电偶回路的热电势将发生变化，变化大小取决于导体性质和接点温度。因此，在测量中必须接入的第三导体不宜采用与热电偶热电性质相差大的材料，否则，一旦材料两端温度有所变化，热电势的变化将很大。,温度传感器热电偶,.,51,2、中间温度定律,热电偶在两接点温度T1、T3时的热电势等于该热电偶在接点温度为T1、T2和T2、T3时的相应热电势的代数和。,EAB（T1,T3）=EAB（T1,T2）+EAB（T2,T3）,温度传感器热电偶,.,52,中间温度定律的应用,只要T1、T0不变，接入AB后不管接点温度T2如何变化，都不影响总热电势。这便是引入补偿导线原理。,当在原来热电偶回路中分别引入与导体材料A、B同样热电特性的材料A、B即引入所谓补偿导线时，当两接点温度相同时，回路总的热电势不变。,热电偶补偿导线接线图,B,温度传感器热电偶,.,53,3、标准电极定律,如果两种导体分别与第三种导体组成的热电偶热电势已知，它们的冷端和热端的温度又分别相等，则它们相互间组成热电偶的热电势可由下式计算得到：,EAB（T,T0）=EAC（T,T0）+ECB（T,T0）,温度传感器热电偶,.,54,例1：热端温度100，冷端温度0，镍铬合金与纯铂组成的热电偶的热电动势为2.95mv，考铜与纯铂组成的热电偶的热电动势是-4.0mv，则镍铬-考铜组成的热电偶100时的热电动势是多少？,温度传感器热电偶,.,55,1、热电偶冷端的补偿2、分度表的查表方法3、补偿导线的使用,四、热电偶的应用,温度传感器热电偶,.,56,热电偶热电势的大小是热端温度t和冷端温度t0的函数差，为保证输出热电势是被测温度的单值函数，必须使冷端温度保持恒定；热电偶分度表给出的热电势是以冷端温度0为依据，因而查表时对于冷端温度要特别关注。,因此，需要对热电偶进行冷端补偿,1、热电偶的冷端补偿,温度传感器热电偶,.,57,把热电偶的参比端置于冰水混合物容器里，使t0=0。这种办法仅限于科学实验中使用。(称冰浴法),1.1冷端恒温法,温度传感器热电偶,.,58,用实际冷端温度t0查表得到修正电势EAB(t0,0)；利用公式计算查表得到t,EAB(t，0)=EAB(t,t0)+EAB(t0，0),1.2计算修正法,解：查此种热电偶的分度表可知EAB(21,0)=0.832mVEAB(t，0)=EAB(t，21)+EAB(21，0)=1.999+0.832=2.831mV再次查分度表，与2.831mV对应的热端温度t=68。,例1：用铜-康铜热电偶测某一温度t，参比端在室温环境t0，测得热电动势为1.999mV，又用室温计测出t0=21,求t？,温度传感器热电偶,.,59,利用不平衡电桥产生热电势补偿热电偶因冷端温度变化而引起热电势的变化值。R1、R2、R3(锰铜丝)、RCu(铜丝)设计时，在0下使电桥平衡(R1=R2=R3=RCu)，供电4V直流，在040或-2020的范围起补偿作用。,1.3电桥补偿法热电偶传感器,温度传感器热电偶,.,60,1.4显示仪表机械调零法,当热电偶直接连接测温仪表时，可在测温仪表上直接读取温度值，但是要注意应将仪表零位调至实际零端温度值的刻度上，否则将产生较大误差。,温度传感器热电偶,.,61,由于热电偶的线性较差，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0C。,温度传感器热电偶,2、分度表的查法,.,62,例2：用镍铬-镍硅热电偶测炉温，当冷端温度是30时（恒定），测出热端温度为时的热电势为39.17mv，求炉子的真实温度。,温度传感器热电偶,.,63,A,B,例3：设接线盒温度t1=0C，t2=20C，t3=40C，根据以下电路中的毫伏表的示值U=30mv及K热电偶的分度表，查出热端的温度tx。,温度传感器热电偶,.,64,K热电偶的分度表,t0=20;EAB(t,0)=EAB(t,20)+EAB(20,0)=30+0.798=30.798mv;t=740,.,65,例1中t0=21得：EAB(21,0)=0.832mVEAB(t，0)=2.831mV得：t=68,温度传感器热电偶,.,66,使用补偿导线的作用：将热电偶的冷端延长，使得冷端远离测温现场，便于冷端恒温；同时可节约大量贵金属，且便于敷设安装。使用注意事项：1）补偿导线要与相应热电偶匹配，且极性不可接错；2）补偿导线与热电偶热电极的两个接点必须同温度；3）补偿导线必须在规定温度范围使用。,温度传感器热电偶,3、补偿导线的使用,.,67,常用热电偶补偿导线,.,68,常州信息职业技术学院,传知万物感创未来,温度传感器,.,69,一、热电阻的工作原理二、热电阻的种类三、热电阻的特性四、热电阻的应用,温度传感器热电阻,.,70,金属热电阻一般用于-200+850温度测量；材料多为纯铂金属丝(也有铜、镍)，绕制在云母板、玻璃或陶瓷线圈架上，构成热电阻。,温度传感器热电阻,.,71,一、金属热电阻的工作原理,温度升高，金属内部原子晶格的振动加剧，从而使金属内部的自由电子通过金属导体时的阻碍增大，宏观上表现出电阻率变大，电阻值增加，我们称其为正温度系数，即温度越高电阻值也越大。,温度传感器热电阻,.,72,取一只100W/220V灯泡，用万用表测量电阻值，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多少？,温度传感器热电阻,.,73,易提纯、复现性好的金属材料才可用于制作热电阻,温度传感器热电阻,.,74,热电阻的主要技术性能,温度传感器热电阻,.,75,薄膜型及普通型铂热电阻,温度传感器热电阻,二、金属热电阻的种类,.,76,小型铂热电阻,温度传感器热电阻,.,77,防爆型铂热电阻,温度传感器热电阻,.,78,汽车用水温传感器及水温表,铜热电阻,温度传感器热电阻,.,79,1、热电阻的分度号,三、金属热电阻的特性,热电阻的温度特性反映了其阻值与温度的关系,2、热电阻温度特性,分度号=材料的化学元素符号+0时的阻值例如：Pt100（铂电阻0时阻值为100）Cu50（铜电阻0时阻值为50）,温度传感器热电阻,.,80,在0850范围内，铂电阻的电阻值与温度的关系为在2000范围内为：R0、Rt温度为0及t时的铂电阻的电阻值；A、B、C常数值，其中：A=3.9684710-3-1或3.9485110-3-1B=5.84710-7-2或5.85110-7-2C=4.2210-12-4或4.0410-12-4,Rt=R0（1+At+Bt2）,Rt=R01+At+Bt2+C(t-100)t3,(1)铂电阻的温度特性,温度传感器热电阻,.,81,(2)铜电阻的温度特性,在-50150范围内，铜电阻电阻值与温度的关系为,Rt=R0（1+At）,式中R0、Rt温度为0及t时的铜电阻的电阻值；A常数值，A=4.2810-3-1,温度传感器热电阻,.,82,学习查“铂热电阻分度表”,.,83,例：查Pt100在阻值为170时的温度？,温度传感器热电阻,.,84,铂电阻的纯度以R100/R0表示，R100表示在标准大气压下水沸点时的铂电阻值。国际温标规定，作为基准器的铂电阻，其R100/R0不得小于1.3925。我国工业用铂电阻R100/R0=1.391。,（3）百度电阻比,温度传感器热电阻,.,85,四、金属热电阻的应用,热电阻是中低温区常用的一种测温元件。它的主要特点是测量精度高，性能稳定。其中铂热电阻的测量精确度最高。由于热电阻自身阻值随温度变化很小，当热电阻作为电桥的一个桥臂电阻时，其连接导线（从热电阻到显示仪表）也将成为桥臂电阻的一部分，这部分电阻是未知的且也随温度而变化，故而会造成测量误差，因此通常采用三线制电桥。采用三线制电桥，可将引线电阻接在相邻桥臂上，根据相邻桥臂相同变化量可相互抵消的理论，则可消除引线电阻对电桥的影响。,温度传感器热电阻,.,86,采用三线制电桥可有效减小引线电阻对输出的影响,温度传感器热电阻,相邻桥臂产生相同变化量可相互抵消,.,87,铂电阻温度显示、变送器,温度传感器热电阻,.,88,旋转式机械设定开关,拨码式设定开关,可设定温度的温度控制箱,温度传感器热电阻,.,89,一、热敏电阻的工作原理二、热敏电阻的种类三、热敏电阻的技术指标四、热敏电阻的应用,温度传感器热敏电阻,.,90,一、热敏电阻的工作原理,热敏电阻是利用某种半导体材料的电阻率随温度变化而变化的性质制成的。热敏电阻发展迅速，由于其性能得到不断改进，稳定性已大为提高，在许多场合下（-40350）热敏电阻已逐渐取代传统的温度传感器。,温度传感器热敏电阻,.,91,热敏电阻用半导体材料氧化复合烧结而成。,热敏电阻符号,二、热敏电阻的种类,温度传感器热敏电阻,.,92,热敏电阻按温度系数不同分类,该类电阻的电阻值在某特定温度范围内随温度升高而降低34个数量级，即具有很大负温度系数。,1正温度系数热敏电阻（PTC）,电阻值随温度升高而增大的电阻，简称PTC热敏电阻。,2负温度系数热敏电阻（NTC）,电阻值随温度升高而下降的电阻，简称NTC热敏电阻。,3突变型负温度系数热敏电阻（CTR）,温度传感器热敏电阻,.,93,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,.,94,12345,下图所示的五根曲线分别为哪种热敏电阻？,温度传感器热敏电阻,.,95,热敏电阻外形,MF12型NTC热敏电阻,聚脂塑料封装热敏电阻,温度传感器热敏电阻,.,96,其他形式的热敏电阻,玻璃封装NTC热敏电阻,MF58型热敏电阻,温度传感器热敏电阻,.,97,带安装孔的热敏电阻,大功率PTC热敏电阻,温度传感器热敏电阻,.,98,贴片式NTC热敏电阻,温度传感器热敏电阻,.,99,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）,温度传感器热敏电阻,.,100,非标热敏电阻,.,101,非标热敏电阻,.,102,非标热敏电阻,.,103,标称电阻R25（冷阻）,标称电阻值是热敏电阻在250.2时的阻值。,三、热敏电阻的技术指标,温度传感器热敏电阻,2.电阻温度系数（%/）,热敏电阻的温度变化