第2章温度测量传感器

1、实用传感器技术教程实用传感器技术教程 2021-4-29 1 第2章温度测量传感器 第第2章章 温度测量传感器温度测量传感器 2.5 温度测量传感器性能比较温度测量传感器性能比较 2.4 红外测温技术红外测温技术 2.3 集成温度传感器集成温度传感器 2.2 热电偶温度传感器热电偶温度传感器 2.1 电阻式温度传感器电阻式温度传感器 第2章温度测量传感器 温标的基本概念温标的基本概念 第2章温度测量传感器 温标的基本概念温标的基本概念 第2章温度测量传感器 u 温度是表征物体冷热程度的物理量，它体现了物体内部分子温度是表征物体冷热程度的物理量，它体现了物体内部分子 运动状态的特征。运动状态的特

2、征。 u温度是不能直接测量的。只能通过物体随温度变化的某些特温度是不能直接测量的。只能通过物体随温度变化的某些特 性（如体积、长度、电阻等）来间接测量。热电式传感器将温度性（如体积、长度、电阻等）来间接测量。热电式传感器将温度 变化转换成电量（电阻、电势等）。变化转换成电量（电阻、电势等）。 u将温度变化转换为电阻变化的元件主要有热电阻和热敏电阻；将温度变化转换为电阻变化的元件主要有热电阻和热敏电阻； u将温度变化转换为电势的传感器主要有热电偶和将温度变化转换为电势的传感器主要有热电偶和PN结式传结式传 感器；感器； u将热辐射转换为电学量的器件有热电探测器、红外探测器等。将热辐射转换为电学量

3、的器件有热电探测器、红外探测器等。 热电式传感器热电式传感器 第2章温度测量传感器 u接触式测温是基于热平衡原理，即测温敏感元件必须与被接触式测温是基于热平衡原理，即测温敏感元件必须与被 测介质接触，是两者处于平衡状态，具有同一温度。如水银温度测介质接触，是两者处于平衡状态，具有同一温度。如水银温度 计、热敏电阻、热电偶等。计、热敏电阻、热电偶等。 u非接触式测温是利用热辐射原理，测温的敏感元件不与被非接触式测温是利用热辐射原理，测温的敏感元件不与被 测介质接触，利用物体的热辐射随温度变化的原理测定物体温度，测介质接触，利用物体的热辐射随温度变化的原理测定物体温度， 故又称辐射测温。如辐射温度

4、计，红外测温仪等。故又称辐射测温。如辐射温度计，红外测温仪等。 按测温方法不同，热电式传感器分为接触式和非接触式两按测温方法不同，热电式传感器分为接触式和非接触式两 种。种。 热电式传感器分类热电式传感器分类 第2章温度测量传感器 测温方法比较测温方法比较 第2章温度测量传感器 常用热电式传感器常用热电式传感器 第2章温度测量传感器 测温测温 方式方式 传感器类型传感器类型 测温范围测温范围 ()() 精度精度 (%)(%) 特点特点 常用热电式传感器常用热电式传感器 第2章温度测量传感器 2.1 电阻式温度传感器电阻式温度传感器 v 电阻式温度传感器是利用导体或半导体的电阻率随温度变化而 变

5、化的原理制成的，它将温度变化转化为元件电阻的变化，通 过测量电阻间接地测量温度或者与温度有关的参数。 v 按照其制造材料来分，电阻式温度传感器可分为金属热电阻（ 简称热电阻）及半导体热电阻(简称热敏电阻)两种。 第2章温度测量传感器 2.1.1 金属热电阻金属热电阻 1.金属热电阻材料的特点金属热电阻材料的特点 作为测量用的热电阻材料必须具备以下特点： v 具有高温度系数和高电阻率，这样在同样的测试条件下可提高 测量灵敏度，减小传感器的体积和重量； v 在较宽的测量范围内具有稳定的物理和化学性质，保证在规定 的测量范围内测量结果准确无误； v 具有良好输出特性，电阻阻值与温度之间具有线性或近似

6、线性 关系的特性曲线； v 具有良好的工艺性，以便于批量生产，降低成本。 第2章温度测量传感器 2.1.1 金属热电阻金属热电阻 2.常用金属热电阻常用金属热电阻 （1）铂电阻 v 铂电阻电阻值与温度的关系为 在0660范围内 RtR0 (1+At+Bt2) 在-1900范围内 RtR0 1+At+Bt2+C(t100)t3 v 工业用的铂电阻体，一般由直径0.030.07mm的纯铂丝绕在 平板形支架上，通常采用双线电阻丝，引出线用银导线。 v 它能用作工业测温元件和作为温度标准，按国际温标IPTS68 规定，在-259.34630.74的温度范围内，以铂电阻温度计 作基准器。 第2章温度测量

7、传感器 2.1.1 金属热电阻金属热电阻 2.常用金属热电阻常用金属热电阻 （2）铜电阻 v 在-50150范围内，铜电阻与温度的关系为 RtR0 (1+At+Bt2+Ct3) v 铜容易提纯，在-50+150范围内铜电阻的物理、化学特 性稳定，输入、输出关系接近线性，且价格低廉。铜电阻的缺 点是电阻率较低，仅为铂电阻的16左右；电阻的体积较大， 热惯性也较大，当温度高于100时易氧化。因此，铜电阻只 能适于在低温和无侵蚀性的介质中工作。 v 常用的工业用铜电阻的R0值有50、100两种，其分度号分别 用Cu50、Cu100表示。 第2章温度测量传感器 2.1.1 金属热电阻金属热电阻 3.热

8、电阻主要参数热电阻主要参数 v （1）热电阻分度表与分度号。在工业上，将热电阻的Rt值与温度t的对应关 系列成表格，称为热电阻分度表。制成电阻的金属材料加上标称电阻值即为 其分度号。例如，Cu50、Pt100等。 v （2）允许偏差。允许偏差即热电阻实际的电阻值与温度关系偏离分度表的 允许范围。 v （3）热响应时间。当温度发生阶跃变化时，热电阻的电阻值变化至相当于 该阶跃变化的某个规定百分比所需要的时间，称为热响应时间，通常以表 示。一般记录变化50或90的响应时间分别为0.5与0.9。热电阻的响应 时间不仅与结构、尺寸及材质有关，还与被测介质的放热系数、比热等工作 环境有关。 v （4）额

9、定电流。额定电流是指在测量电阻值时，允许在元件中连续通过的 最大电流，一般为25mA。限制额定电流是为了减少热电阻自热效应引起的 误差，对热电阻元件都规定了额定电流。 第2章温度测量传感器 2.1.1 金属热电阻金属热电阻 3.热电阻主要参数热电阻主要参数 名称等级分度号测温范围()允许偏差() 铂热电阻APt10-200850(0.15+0.002| T|) Pt100 BPt10(0.30+0.005| T|) Pt100 名称分度号测温范围()允许偏差()0时电阻值 （） 铜热电阻Cu50-50150(0.30+0.006| T|) 50.0000.050 Cu100100.000.10

10、 表表2-1 2-1 铂电阻技术参数铂电阻技术参数 表表2-2 2-2 铜电阻技术参数铜电阻技术参数 第2章温度测量传感器 2.1.1 金属热电阻金属热电阻 4.使用注意事项使用注意事项 v 工业上广泛应用金属热电阻进行200600范围的温度测量。在使用时需 要注意以下问题： （1）自热误差 v 在使用金属热电阻测量温度时，电阻要消耗一定的电功率，引起电阻值的变 化，从而带来测量误差。所以在使用中应尽量减小由于电阻器通电产生的自 热而引起的误差，一般是采取限制电流的办法，通常允许通过电流应小于 5mA。 （2）引线误差 v 由于热电阻感温元件到接线端子、接线端子到调理电路都需要连接引线，引 线

11、本身的电阻及接触电阻相对于较低阻值的热电阻，是不可忽略的。一方面 它们影响热电阻的零位值，另一方面它们随温度变化，带来不确定的测量误 差。因此，测量电阻的引线通常采用三线式或四线式接法。 第2章温度测量传感器 2.1.2 半导体热敏电阻半导体热敏电阻 1.热敏电阻的特点及分类热敏电阻的特点及分类 （1）热敏电阻的特点 v 灵敏度高。热敏电阻温度系数的绝对值比金属热电阻大10 100倍。 v 电阻值高。它的标称电阻值有几到十几M之间的不同规格。 因此在使用热敏电阻时，一般不用考虑引线电阻的影响。 v 结构简单。热敏电阻可根据使用要求加工成各种形状，特别是 能够做到小型化，目前的珠状热敏电阻的直径

12、仅为0.2mm。 v 体积小，热惯性小，响应时间短，响应时间通常为0.53s。 v 化学稳定性好，机械性能好，价格低廉，使用寿命长。 v 缺点是阻值与温度呈非线性关系，且互换性差。 第2章温度测量传感器 2.1.2 半导体热敏电阻半导体热敏电阻 （2）热敏电阻的分类 1）正温度系数热敏电阻（PTC） v 电阻值随温度升高而增大的热敏电阻，称为正温度系数热敏电 阻。它的主要材料是掺杂的BaTiO3半导体陶瓷。 2）负温度系数热敏电阻（NTC） v 电阻值随温度升高而减小的热敏电阻，称为负温度系数热敏电 阻。它的主要材料是Mn、Co、Ni、Fe等金属氧化物半导体。 3）临界温度系数热敏电阻（CTR

13、） v 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，即具有很大的温度系数。其主要材料是VO2，并添 加一些金属氧化物。 第2章温度测量传感器 2.1.2 半导体热敏电阻半导体热敏电阻 2.热敏电阻的主要参数热敏电阻的主要参数 v （1）标称电阻R25 v （2）电阻温度系数t（） v （3）耗散常数（mW） v （4）材料常数B v （5）时间常数 第2章温度测量传感器 2.1.2 半导体热敏电阻半导体热敏电阻 v 3.热敏电阻的主要特性热敏电阻的主要特性 v （1）热敏电阻的电阻温度特性 v （2）热敏电阻的伏安特性 t() RT() 40601201600 100 1

14、01 102 103 104 105 106 1 2 3 4 0.1 1 10 100 10- 7 10- 6 10- 5 10- 4 10- 3 0 25 60 V(V) I(mA) 图图2-1 2-1 热敏电阻电阻热敏电阻电阻温度特性曲线温度特性曲线 图图2-2 NTC2-2 NTC热敏电阻伏安特性曲线热敏电阻伏安特性曲线 第2章温度测量传感器 2.1.2 半导体热敏电阻半导体热敏电阻 v 4.热敏电阻命名方法及常用热敏电阻热敏电阻命名方法及常用热敏电阻 第一部分：主称第二部分：类别第三部分：用途第四部分：序号 字母含义字母含义数字含义 M敏感电阻MPTC 0 本部分由数字表示，不同 企业

15、之间命名方法有所区 别，通常包括标称值、B 值、允许偏差及外形等 1普通 2限流 3 4延迟 5测温 6控温 7消磁 8 9恒温 FNTC 0特殊 1普通 2稳压 3微波测量 4旁热式 5测温 6控温 7抑制浪涌 8线性 9 表表2-3 2-3 热敏电阻型号命名方法热敏电阻型号命名方法 第2章温度测量传感器 2.1.2 半导体热敏电阻半导体热敏电阻 型号标称值R25B值 （K） 耗散系数 （mw/） 额定功率 （mw） 时间常数 （S） 工作温度 （） MF113.333K27004050650030-55125 MF126.8K 5000K 42505050650030-55125 MF52

16、1K1000K3100450025015-55125 MF581.5K 1388K 3920460025020-55200 MF720.7400635-55200 表表2-4 2-4 常用热敏电阻主要参数常用热敏电阻主要参数 v 4.热敏电阻命名方法及常用热敏电阻热敏电阻命名方法及常用热敏电阻 第2章温度测量传感器 2.1.3 电阻式温度传感器的测量电路电阻式温度传感器的测量电路 v 1.不平衡直流电桥不平衡直流电桥 v 当电桥为单臂工作时，如图 2-3 (b)所示，设初始状态时 电桥达到平衡，输出电压U0=0。 此时电桥上的各电阻的阻值分别 为R10、R20、R30、R40，并满足 R10R

17、40= R20R30。即电桥的 平衡条件为R20 /R10 =R40 /R30 v 假设R1为敏感元件，且R1= R10+R1，其它电阻均保持不变。在这种情 况下，桥路不平衡输出电压为 v 设桥臂比n =R20 /R10，由于R116? N 报警 Y Y N YN 图图2-34 温度采集系统软件流程图温度采集系统软件流程图 第2章温度测量传感器 2.3.2 集成温度传感器应用集成温度传感器应用 v 5. 基于基于I2C总线接口的智能温度传感器总线接口的智能温度传感器MAX6626及应用及应用 v MAX6626主要特性为： v 内含温度传感器和12位AD转换器，测温范围是-55+125，分辨力

18、 可达0.0625。在-40+80范围内的测温误差小于或等于3，完成一 次温度数据转换大约需要133ms。 v 带I2C串行总线接口。串行时钟频率范围0400kHz。利用I2C总线地址选择 端(ADD)，可选择4片MAX6626。 v 当被测温度超过上限tH时，报警输出端(OT)被激活。芯片既可工作在比较模 式，亦可工作在中断模式。 v MAX6626具有掉电模式，主机通过串行口将配置寄存器的DO置成高电平时 ，芯片就进入此模式，这时除上电重启动电路和串行接口以外，其余电路均 不工作。 v 利用内部的故障排队计数器，能防止出现误报警现象。 v 电源电压范围是+3.0+5.5V，静态工作电流约为

19、1mA，在掉电模式下降至 1A。 第2章温度测量传感器 2.3.2 集成温度传感器应用集成温度传感器应用 v 5. 基于基于I2C总线接口的智能温度传感器总线接口的智能温度传感器MAX6626及应用及应用 图图2-35 MAX6626引脚排列引脚排列 1）引脚功能）引脚功能 SDA：I2C总线数据线。总线数据线。 SCL：I2C总线时钟输入。总线时钟输入。 ADD：I2C地址设置脚，其设置方式地址设置脚，其设置方式 见表见表2-5。 OT：温度告警输出，采用漏极开路：温度告警输出，采用漏极开路 输出。输出。 第2章温度测量传感器 2.3.2 集成温度传感器应用集成温度传感器应用 v 5. 基于

20、基于I2C总线接口的智能温度传感器总线接口的智能温度传感器MAX6626及应用及应用 v （2）应用 ADDSDASCL VSGNDOT ADDSDASCL VSGNDOT ADDSDASCL VSGNDOT ADDSDASCL VSGNDOT I/O1 I/O2 MCU MAX6626-1MAX6626-2MAX6626-3MAX6626-4 VT1 VT2 VT3VT4 5.1k5.1k5.1k5.1k 1k 1k Vcc 图图2-36 MAX6626组成的温度测量系统组成的温度测量系统 第2章温度测量传感器 2.4 红外测温技术红外测温技术 v 2.4.1 红外测温原理 v 1. 红外线

21、及红外辐射红外线及红外辐射 v 红外辐射的物理本质是热辐射，自然界中的任何物体，只要它的温度高于绝 对零度，都会有一部分能量以电磁波形式向外辐射，物体的温度越高，辐射 出来的红外线就越多，辐射的能量就越强。 红外线有如下特点： v 红外线易于产生，容易接收； v 红外发光二极管，结构简单，易于小型化，且成本低； v 红外线调制简单，依靠调制信号编码可实现多路控制； v 红外线不能通过遮挡物，不会产生信号串扰等误动作； v 功率消耗小，反应速度快； v 对环境无污染，对人、物无损害； v 抗干扰能力强。 第2章温度测量传感器 2.4.1 红外测温原理红外测温原理 v 2. 红外测温原理红外测温原

22、理 v 红外测温是辐射式测温的一种，在自然界中，一切温度高于绝对零度的物体 都会辐射红外线，描述黑体辐射光谱分布的普朗克公式和黑体全辐射度与温 度关系的斯蒂芬一玻耳兹曼定律是辐射测温法的基本理论依据，其关系式为 v E=T4 v 同时探测器还可测出绝对黑体对应最大光谱辐出量的峰值波长max，依据维 恩位移定律可知，它与热力学温度T成反比，即 maxT=b。这说明辐射出较 高能量分子的数量会成正比地增加，即波长越短，能量越高。若已知热力学 温度T，则可判断其峰值辐射波长max；若测得一个黑体辐射时的max，则 可推知该黑体的表面热力学温度T。 v 通过测量物体自身辐射的红外能量可准确确定物体的表

23、面温度，即按事先规 定的时间周期把输入信号转变为光谱信号，再通过简单分析定性地得到物质 的大概发射率，并计算出物体对应的黑体光强辐射度，从而得到实际物体的 大概温度。 第2章温度测量传感器 2.4.1 红外测温原理红外测温原理 v 3. 红外探测器类型红外探测器类型 v 红外传感器一般由光学系统、探测器、信号调理电路及显示单 元等组成。红外探测器是红外传感器的核心。红外探测器是利 用红外辐射与物质相互作用所呈现的物理效应来探 测红外辐射 的。红外探测器的种类很多，按探测机理的不同，可分为热探 测器和光子探测器两大类。 v 热探测器主要有四类：热释电型、热敏电阻型、热电阻型和气 体型。 第2章温

24、度测量传感器 2.4.1 红外测温原理红外测温原理 v 3. 红外探测器类型红外探测器类型 v 光子探测器 v 利用光子效应制成的红外探测器称为光子探测器，光子探测器 的工作机理是利用入射光辐射的光子流与探测器材料中的电子 互相作用，从而改变电子的能量状态，引起各种电学现象，这 种现象称为光子效应。光子探测器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。 第2章温度测量传感器 2.4.2 红外测温技术的应用红外测温技术的应用 v 目前应用红外诊断技术的测试设备比较多，如红外测温仪、红 外热电视、红外热像仪等。红外热电视、红外热像仪等设备利 用热成像技术将这种看不见的“热像”转变成可见光图像，使 测试效果直观、灵敏度高、可靠性高。它能检测出设备细微的 热状态变化，准确反映设备外部及内部的发热情况，对发现设 备隐患非常有效。红外诊断技术对电气设备的早期故障缺陷及 绝缘性能做出可靠的预测，实现对电气设备的预防性试验维修 。红外状