传感器与检测技术(2)

1、 第二篇第二篇 过程参数检测技术过程参数检测技术 4 4 温度检测温度检测 4.14.1测温方法及温标测温方法及温标 4.2 4.2 接触式测温接触式测温 4.3 4.3 非接触式测温非接触式测温 4.4 4.4 光纤温度传感器光纤温度传感器 4.5 4.5 测温实例测温实例 4.1.1 4.1.1 测温原理及方法测温原理及方法 一、温度的基本概念和测量方法一、温度的基本概念和测量方法 温度是一个基本物理量。是国际单位制温度是一个基本物理量。是国际单位制7 7个基本物理个基本物理 量之一。量之一。 温度的宏观概念是冷热温度的宏观概念是冷热 程度的表示。程度的表示。 温度的微观概念是大量温度的微

2、观概念是大量 分子运动平均强度的表示。分子运动平均强度的表示。 测温原理测温原理 l 利用合适物体某一利用合适物体某一物理性质物理性质随温度变化的已知特性，随温度变化的已知特性， 通过与被测对象的通过与被测对象的热交换热交换，测量相关物理量从而确定被，测量相关物理量从而确定被 测对象的温度。测对象的温度。 测温方式测温方式 接触式：传热和对流，热接触接触式：传热和对流，热接触; ;破坏被测对象热平衡，破坏被测对象热平衡， 存在置入误差，对测温元件要求高。存在置入误差，对测温元件要求高。 非接触式：热辐射非接触式：热辐射; ;响应快，对被测对象干扰小，可响应快，对被测对象干扰小，可 测高温、运动

3、对象，强电磁干扰、强腐蚀。测高温、运动对象，强电磁干扰、强腐蚀。 测温方式测温方式类别类别原理原理典型仪表典型仪表测温范围测温范围/ 接触式接触式 测温测温 膨胀类膨胀类 利用液体、气体的热膨胀及利用液体、气体的热膨胀及 物质的蒸气压变化物质的蒸气压变化 玻璃液体温度计玻璃液体温度计-100-100600600 压力式温度计压力式温度计-100-100500500 利用两种金属的热膨胀差利用两种金属的热膨胀差双金属温度计双金属温度计-80-80600600 热电类热电类利用热电效应利用热电效应热电偶热电偶-200-20018001800 电阻类电阻类固体材料的电阻随温度变化固体材料的电阻随温度

4、变化 铂热电阻铂热电阻-260-260850850 铜热电阻铜热电阻-50-50150150 热敏电阻热敏电阻-50-50300300 其他电学其他电学 类类 半导体器件的温度效应半导体器件的温度效应集成温度传感器集成温度传感器-50-50150150 晶体的固有频率随温度而变化晶体的固有频率随温度而变化石英晶体温度计石英晶体温度计-50-50120120 光纤类光纤类 利用光纤的温度特性利用光纤的温度特性 或作为传光介质或作为传光介质 光纤温度传感器光纤温度传感器-50-50400400 非接触式非接触式 测温测温 光纤辐射温度计光纤辐射温度计20020040004000 辐射类辐射类利用普

5、朗克定律利用普朗克定律 光电高温计光电高温计80080032003200 辐射传感器辐射传感器40040020002000 比色温度计比色温度计50050032003200 温度检测方法的分类温度检测方法的分类 4.1.2 4.1.2 温标温标 l温标：衡量温度的标尺，规定温度读数起点及温度的温标：衡量温度的标尺，规定温度读数起点及温度的 基本单位。基本单位。 l经验温标：经验温标：利用利用物质体物质体膨胀与温度的关系制定的。膨胀与温度的关系制定的。 华氏温标华氏温标t tF F：冰点：冰点3232F F，水沸点，水沸点212212F F。中间等分。中间等分180180份。份。 摄氏温标摄氏温

6、标t tC C：冰点：冰点0 0，水沸点，水沸点100100。中间等分。中间等分100100份。份。 32 1.8 FC tt 换算关系：换算关系： 4.1.2.14.1.2.1国际实用温标国际实用温标 热力学温标热力学温标 l 符号符号T T90 90, ,单位 单位K K。 l 是英国物理学家开尔文是英国物理学家开尔文 (Kelvin)(Kelvin)于于18481848年以热力年以热力 学第二定律为基础所引出学第二定律为基础所引出 的的与测温物质无关的温标与测温物质无关的温标。 l 1954 1954年确定以水的三相点作为热力学温标的基本固年确定以水的三相点作为热力学温标的基本固 定点。

7、定点。 19901990国际温标（国际温标（ITS-90)ITS-90) l单位单位K K的大小定义为水三相点热力学温度的的大小定义为水三相点热力学温度的1/273.161/273.16。 同时使用国际摄氏度符号同时使用国际摄氏度符号t t90 90，单位摄氏度 ，单位摄氏度 9090 273.15tT 4.1.2.2 4.1.2.2 温标的传递温标的传递 l 将国际实用温标传递到普通测温仪表上。将国际实用温标传递到普通测温仪表上。 l 比较法：将标准温度计与被校温度计同时放比较法：将标准温度计与被校温度计同时放 入检定装置，由标准温度计测量温值来确定被入检定装置，由标准温度计测量温值来确定被

8、 校温度计精度。校温度计精度。 将两种不同材料的导体将两种不同材料的导体A A和和B B串接成一个闭合回路，当两个接点串接成一个闭合回路，当两个接点 温度不同时，在回路中就会产生热电势，形成电流，此现象称为热温度不同时，在回路中就会产生热电势，形成电流，此现象称为热 电效应，又称塞贝克效应。电效应，又称塞贝克效应。 l4.2.1 4.2.1 热电偶测温热电偶测温 l4.2.1.14.2.1.1测温原理测温原理 l一、热电效应一、热电效应 4.24.2接触式测温接触式测温 两端温差两端温差两端的自由电子具有不同的动能两端的自由电子具有不同的动能动能大动能大 的自由电子就会向温度低的一段扩散。失去

9、了电子的这的自由电子就会向温度低的一段扩散。失去了电子的这 一端就处于正电位，而低温端由于得到电子处于负电位。一端就处于正电位，而低温端由于得到电子处于负电位。 这样两端就形成了电位差，称为温差电动势。这样两端就形成了电位差，称为温差电动势。 M A B T0T 热端冷端 接触电势接触电势 l 两种导体接触的时候，由于导体内的自由电子密两种导体接触的时候，由于导体内的自由电子密 度不同，电子密度大的导体向电子密度小的导体扩散，度不同，电子密度大的导体向电子密度小的导体扩散， 在扩散达到动态平衡时就形成了一个电位差。这个电在扩散达到动态平衡时就形成了一个电位差。这个电 位差称为接触电动势。位差称

10、为接触电动势。 扩散扩散 BAnn 扩散扩散 电场电场 )(TEAB漂移漂移 A B 闭合回路中产生的总热电势：闭合回路中产生的总热电势： 0 00 , T ABABABAB T ET TSdTeTeT T,TT,T0 0为接点温度，为接点温度，TTTT0 0; ; S SAB AB为塞贝克系数由热电极材料和接点温度决定。 为塞贝克系数由热电极材料和接点温度决定。 0AB eTC 0 , ABAB ET TeTC T T0 0一定时：一定时： 热电势由温度热电势由温度T T决定。决定。 通常温差电势远小于接触电势，可忽略。通常温差电势远小于接触电势，可忽略。 总结：总结： lT T 端：测量端

11、或热端端：测量端或热端 lT T0 0端：参比端或冷端端：参比端或冷端 l 热电势大小只与热电势大小只与热电极材热电极材 料料及及两端温度两端温度有关，与热偶丝有关，与热偶丝 的粗细长短无关。热电极材料的粗细长短无关。热电极材料 确定以后，热电势大小只与温确定以后，热电势大小只与温 度有关。度有关。 热电效应原理热电效应原理 4.2.1.2 4.2.1.2 热电偶的应用定则热电偶的应用定则 l1)1)均质导体定律均质导体定律 由一种均质导体组成的闭合回路，不论导体的横截由一种均质导体组成的闭合回路，不论导体的横截 面积、长度以及温度分布如何均不产生热电动势。面积、长度以及温度分布如何均不产生热

12、电动势。 l2)2)中间导体定律中间导体定律 在热电偶回路中接入第三种材料的导体，只要其两在热电偶回路中接入第三种材料的导体，只要其两 端的温度相等，该导体的接入就不会影响热电偶回路的端的温度相等，该导体的接入就不会影响热电偶回路的 总热电动势。总热电动势。 00 0 000 000 0 ( )()() 0 ()()()0 ()()() ( )() TABBCCA T ABBCCA BCCAAB TABAB EeTeTeT TTE eTeTeT eTeTeT EeTeT 此时总电势： 时， 可知 代入得： 意义：回路中引入连接导线和仪表，接入导线和仪表后意义：回路中引入连接导线和仪表，接入导线

13、和仪表后 不会影响回路中的热电势。不会影响回路中的热电势。 3)3)中间温度定则中间温度定则 热电偶热电偶ABAB在接点温度为在接点温度为T T、T T0 0时的热电势时的热电势e eAB AB( (T T, T , T0 0) )等于等于 热电偶热电偶ABAB在接点温度在接点温度T T、T Tc c和和T Tc c、T T0 0时的热电势时的热电势e eAB AB( (T, T, T Tc c) )和和e eAB AB( (T Tc c, , T T0 0) )的代数和，即的代数和，即 00 , ABABCABC ET TET TET T 中间温度定律的应用中间温度定律的应用 2) 2)根据

14、这个定律，可以连接与热电偶热电特性相近的导根据这个定律，可以连接与热电偶热电特性相近的导 体体A A和和BB，将热电偶冷端延伸到温度恒定的地方，这将热电偶冷端延伸到温度恒定的地方，这就就 为热电偶回路中应用补偿导线提供了理论依据。为热电偶回路中应用补偿导线提供了理论依据。 00( ,)( ,)(,)ABnABABnET TET TET T 1)1)为制定分度表奠定了理论基础。已知温度为制定分度表奠定了理论基础。已知温度T T0 0=0=0时的时的 热电势热电势- -温度关系，可求得参考温度不为温度关系，可求得参考温度不为00时的热电势。时的热电势。 4)4)参考电极定则参考电极定则 l 若两种

15、导体若两种导体A A、B B分别与第三种导体分别与第三种导体C C组成热电偶的热组成热电偶的热 电势已知，则电势已知，则A A、B B组成的热电偶也可知。组成的热电偶也可知。 000( ,)( ,)( ,)ABACBCET TET TET T BAABCC 0T T (1084.5,0)13.967,(1084.5,0)8.354 (1084.5,0)13.9678.3545.613() ACBC AB EmV EmV EmV 如已知： 可求得： 标准电极：铂标准电极：铂 4.2.1.3 4.2.1.3 常用工业热电偶常用工业热电偶 l基本要求：基本要求： l 1 1）测温范围内热电性能稳定。

16、）测温范围内热电性能稳定。 l 2 2）测温范围内物理化学性能稳定。）测温范围内物理化学性能稳定。 l 3 3）热电偶随温度变化率足够大。）热电偶随温度变化率足够大。 l 4 4）热电特性接近单值线性或近似线性。）热电特性接近单值线性或近似线性。 l 5 5）电导率高，电阻温度系数小。）电导率高，电阻温度系数小。 l 6 6）机械性能好，复制性好、工艺简单、价）机械性能好，复制性好、工艺简单、价 格低。格低。 常用热电偶与热电势关系曲线常用热电偶与热电势关系曲线 00时，热电偶的热电势均为时，热电偶的热电势均为0 0 什么热电偶测温上限高？什么热电偶测温上限高？ 什么热电偶灵敏度高？什么热电偶

17、灵敏度高？ 什么热电偶线性差？什么热电偶线性差？ 热电偶的分度表热电偶的分度表 l 不同金属组成的热电偶，温度与热电动势之间有不同金属组成的热电偶，温度与热电动势之间有 不同的函数关系，线性较差，一般采用查表法。不同的函数关系，线性较差，一般采用查表法。 l 分度表：通过实验的方法来确定，并将不同温度分度表：通过实验的方法来确定，并将不同温度 下测得的结果列成表格，编制出热电势与温度的对照下测得的结果列成表格，编制出热电势与温度的对照 表，即（表表，即（表4-44-4）。）。(T(T型热电偶分布表型热电偶分布表) ) l 前提：冷端温度为前提：冷端温度为00。 中间值按内插法计算中间值按内插法

18、计算: () HL MLML HL tt ttEE EE 一、铂铑合金、铂系列热电偶一、铂铑合金、铂系列热电偶 l贵金属热电偶（贵金属热电偶（B B、R R、S S型型) ) l优点：温区宽，测温高，精度高。优点：温区宽，测温高，精度高。 l缺点：热电势小，热电特性非线缺点：热电势小，热电特性非线 性较大，价格贵。性较大，价格贵。 二、廉价金属热电偶二、廉价金属热电偶 l由价廉的合金或纯金属构成（由价廉的合金或纯金属构成（K K、N N、E E、T T、J J 型型) )。 l优点：性能稳定，热电势大，热电特性线性好，优点：性能稳定，热电势大，热电特性线性好， 复现性好，高温抗氧化能力强。复现

19、性好，高温抗氧化能力强。 l缺点：不适用过高温度。缺点：不适用过高温度。 三、难融合金热电偶三、难融合金热电偶 l钨铼合金材料（钨铼合金材料（WRWRe3 e3-WR -WRe25 e25、 、WRWRe5 e5-WR -WRe26 e26) ) l优点：测温上限高，而且稳定性好，价格便宜。优点：测温上限高，而且稳定性好，价格便宜。 l缺点：钨铼热电偶极易氧化，含碳气氛中容易缺点：钨铼热电偶极易氧化，含碳气氛中容易 生成稳定的碳化物，以致降低其灵敏度并引起生成稳定的碳化物，以致降低其灵敏度并引起 脆断适于在惰性或干燥氢气中使用。脆断适于在惰性或干燥氢气中使用。 4.2.1.4 4.2.1.4

20、工业热电偶结构型式工业热电偶结构型式 （1 1）普通型热电偶）普通型热电偶 热容量大，热惯性大，温度变化响应慢。热容量大，热惯性大，温度变化响应慢。 （2 2）铠装热电偶）铠装热电偶 将热电偶丝、绝缘材将热电偶丝、绝缘材 料和金属套管组合装配料和金属套管组合装配 后，拉伸加工而成。后，拉伸加工而成。 优点：测温端热容量优点：测温端热容量 小，动态响应快；机械小，动态响应快；机械 强度高，挠性好，可安强度高，挠性好，可安 装在结构复杂的装置上。装在结构复杂的装置上。 为何要处理参比端（冷端温度）？为何要处理参比端（冷端温度）？ 4.2.1.5 4.2.1.5 热电偶参比端温度的处理热电偶参比端温

21、度的处理 1 1）查分度表，需满足）查分度表，需满足T T0 0=0,=0,但参比端温度通常但参比端温度通常 不能保持为不能保持为00，且受热源影响经常不恒定，会引，且受热源影响经常不恒定，会引 入误差。入误差。 2 2）冷端温度过高，热电势偏小。应想办法消除或）冷端温度过高，热电势偏小。应想办法消除或 补偿热电偶冷端损失。补偿热电偶冷端损失。 补偿导线法的测量回路补偿导线法的测量回路 11测温接点；测温接点；22补偿导线；补偿导线； 33冷端；冷端； 44铜导线；铜导线；55测温仪表测温仪表 补偿导线与被补补偿导线与被补 偿热电偶有相同的偿热电偶有相同的 电势电势- -温度关系。温度关系。

22、（1 1）补偿导线法）补偿导线法 采用补偿导线与热电偶连接，使热电偶参比端远离热源。采用补偿导线与热电偶连接，使热电偶参比端远离热源。 常用补偿导线常用补偿导线 热电偶和补偿导线实物图热电偶和补偿导线实物图 2 2）参比端温度测量计算法）参比端温度测量计算法 l 参比端温度不是参比端温度不是00。需要对热电偶回路的。需要对热电偶回路的 测量电势值测量电势值E E（T T，T T0 0）加以修正。当工作端温度）加以修正。当工作端温度 为为T T时时: : l 1) 1)分度表可查分度表可查E(TE(T0 0,0),0)。 l 2)2)根据中间温度定则得到：根据中间温度定则得到： 00 ( ,0)

23、( ,)(,0)E TE T TE T 3)3)根据根据E(T,0)E(T,0)并由分度表求得被测温度。并由分度表求得被测温度。 例例1 1：用铜用铜- -康铜热电偶测某一温度康铜热电偶测某一温度T T，参比端在，参比端在 室 温 环 境室 温 环 境T T 0 0 中 ， 测 得 热 电 动 势中 ， 测 得 热 电 动 势E ( TE ( T ， T T0 0) )= =1.999mV1.999mV，又用室温计测出，又用室温计测出T T0 0=21,=21,试求被试求被 测温度。测温度。 (T型热电偶分布表型热电偶分布表) 3 3）参比端恒温法）参比端恒温法 4 4）补偿电桥法）补偿电桥法

24、 0 00 () () U ab Cab E T TE TU RU 恒定值 利用不平衡电桥产生利用不平衡电桥产生 相应电势，补偿热电偶相应电势，补偿热电偶 由于参比端温度变化而由于参比端温度变化而 引起的热电势变化。引起的热电势变化。 R Rcu cu与热电偶参比端同温 与热电偶参比端同温 2020时电桥平衡。时电桥平衡。 零点迁移法零点迁移法 l 应用领域：如果冷端温度应用领域：如果冷端温度T T0 0不是不是00，但，但 十分稳定（如恒温车间或有空调的场所）。十分稳定（如恒温车间或有空调的场所）。 l 实质：在测量结果中人为地加一个恒定值，实质：在测量结果中人为地加一个恒定值， 如电动势如

25、电动势E EAB AB( (T T0 0,0) ,0) ，从而调整指示仪表上零，从而调整指示仪表上零 点的。点的。 （a)a)普通测温线路；普通测温线路； (b) (b) 带有补偿器的测温线路；带有补偿器的测温线路； (c)(c)具有温度变送器的测温线路具有温度变送器的测温线路 (d)(d)具有一体化温度变送器的测温线路具有一体化温度变送器的测温线路 补偿器 温度 变送器 温度 变送器 显示仪表显示仪表 显示仪表显示仪表 t A B 补偿导线 (a) t A B 补偿导线 (c) t A B 补偿导线 (b) t A B 铜导线 (d) 热电偶测温线路热电偶测温线路 （1 1）测单点温度）测单

26、点温度 l例例2:2:用镍铬用镍铬- -镍硅热电偶测量物体温度，该物镍硅热电偶测量物体温度，该物 体在不同时刻温度分别为体在不同时刻温度分别为1515，00，-15-15， 测量仪表所处温度为测量仪表所处温度为1515，热电偶直接与仪表，热电偶直接与仪表 相连。问在上述时刻仪表测得的热电势分别是相连。问在上述时刻仪表测得的热电势分别是 多少多少? ? (2)(2)测量两点间温度差（反向串联）测量两点间温度差（反向串联） 只能是同一分度号的热电偶只能是同一分度号的热电偶 1020 102012 ( , )( , ) ( , )( , )( , ) TABBA ABABAB EEt tEt t E

27、t tEt tEt t 如正向串联热电偶有何作用如正向串联热电偶有何作用? ? l例例3:3:用两只用两只K K型热电偶测量两点温差型热电偶测量两点温差, ,连线如图连线如图 所示所示, ,已知已知T T1 1=420,T=420,T0 0=30,=30,测得两点温差电测得两点温差电 势为势为15.24mV,15.24mV,试求两点温差为多少试求两点温差为多少? ? （3 3）测量多点温度之和）测量多点温度之和( (正向串联正向串联) ) l前提前提: :热电偶参数相同，且具有良好的线性特征。热电偶参数相同，且具有良好的线性特征。 l用途用途: :用于求平均温度。用于求平均温度。 优点：热电动

28、势大，仪表的灵优点：热电动势大，仪表的灵 敏度大大增加，且可立即可以敏度大大增加，且可立即可以 发现热电偶有断路。发现热电偶有断路。 缺点：只要有一支热电偶断路，缺点：只要有一支热电偶断路， 整个测温系统将停止工作。整个测温系统将停止工作。 123102030 1230 ( ,)(,)(,) (,) TABABAB AB EEEEET TET TET T ETTT T (4)(4)测量多点温度平均值测量多点温度平均值( (并联并联) ) l 特点：当有一只热特点：当有一只热 电偶烧断时，难以觉电偶烧断时，难以觉 察出来。当然，它也察出来。当然，它也 不会中断整个测温系不会中断整个测温系 统的工

29、作。统的工作。 123102030 123 0 ( ,)(,)(,) 33 (,) 3 ABABAB T AB EEEET TET TET T E TTT ET 热电偶的校验热电偶的校验 l 校验的方法是用标准热电偶与被校验热电校验的方法是用标准热电偶与被校验热电 偶装在同一校验炉中进行对比，误差超过规定偶装在同一校验炉中进行对比，误差超过规定 允许值为不合格。允许值为不合格。 4.2.2 4.2.2 热电阻测温热电阻测温 l原理原理: :基于导体或半导体的电阻值随温度而变化的特基于导体或半导体的电阻值随温度而变化的特 性。性。 l分金属热电阻和热敏电阻两类。分金属热电阻和热敏电阻两类。 4.

30、2.2.1 4.2.2.1 金属热电阻金属热电阻 基本特性：一般阻值随温度增加而增加，呈现基本特性：一般阻值随温度增加而增加，呈现正温度正温度 系数系数。 （1 1）热电阻材料）热电阻材料 材料选择的要求：材料选择的要求： （1 1）阻值随温度变化成单值连续关系。）阻值随温度变化成单值连续关系。 （2 2）有尽可能大的电阻温度系数。）有尽可能大的电阻温度系数。 电阻温度系数电阻温度系数 （3 3）有较大的电阻率。（）有较大的电阻率。（R R0 0时阻值需要为固定值）。时阻值需要为固定值）。 （4 4）测温范围内物理化学性能稳定。）测温范围内物理化学性能稳定。 （5 5）复现性好，复制性强。）复

31、现性好，复制性强。 0 00 1 T RR RTT 与金属纯度有关与金属纯度有关 材料的选择材料的选择 铂热电阻铂热电阻 l使用范围使用范围-200-850-200-850。 l电阻与温度关系：电阻与温度关系： 0tC 2 0 1R tRAtBt 0tC 23 0 1100R tRAtBtCtt 其中，其中，R R（t t）、）、R R0 0 温度为温度为 t t 和和 0 0 时的电阻；时的电阻； A A、B B、C C 为常数：为常数： A = 3.9083A = 3.90831010-3 -3 -1 -1； ； B = -5.84B = -5.841010-7 -7 -2 -2； ； C

32、 = -4.22C = -4.221010-12 -12 -4 -4 铂热电阻有铂热电阻有R R0 0=10=10和和R R0 0=100=100两种，它们的分两种，它们的分 度号分别为度号分别为Pt10Pt10和和Pt100Pt100，其中以，其中以Pt100Pt100为常用。为常用。 分度表：分度表： R R0 0=10=10 和和100100 时的时的 R Rt tt t关系。关系。 铜热电阻铜热电阻 l 使用范围：使用范围：-40-140-40-140 l 有有R R0 0=50=50和和R R0 0=100=100两种，它们的分度号分别为两种，它们的分度号分别为 Cu50Cu50和和

33、Cu100Cu100。 l 电阻与温度关系：电阻与温度关系： )1 ()( 32 0CtBtAtRtR 其中，其中，A A、B B、C C为常数：为常数： A = 4.28899A = 4.288991010-3 -3 -1 -1 B = -2.133 B = -2.1331010-7 -7 -2 -2 C = 1.233 C = 1.2331010-9 -9 -3 -3 （3 3）热电阻结构）热电阻结构 l普通型热电阻普通型热电阻 电阻丝采用无感绕法：对折后双绕在绝缘支架上。电阻丝采用无感绕法：对折后双绕在绝缘支架上。 铠装热电阻铠装热电阻 铠装电缆铠装电缆+ +感温元件感温元件 （4 4）

34、热电阻测量电路）热电阻测量电路 l l 引线电阻随温度的变化带来附加误差。引线电阻随温度的变化带来附加误差。 1 1）两线制）两线制 当当2r/R102r/R10-3 -3时，引线电阻的影响才可以忽略。 时，引线电阻的影响才可以忽略。 2 2）三线制）三线制 l电桥平衡时电桥平衡时 3 21 21 3 1 12, 3 ()() () t t t RrRr RR R RrR r R R RRRR 若则 导线电阻导线电阻 r r 对测量无影响。对测量无影响。 平衡电桥法平衡电桥法 l 当热电阻当热电阻R Rt t阻值随温度变化时，调节电位器阻值随温度变化时，调节电位器 R Rw w的电刷位置的电刷

35、位置x x，使电桥处于平衡状态，则有，使电桥处于平衡状态，则有 00t x RRnR L L L、R R0 0：电位器有效长度和总电阻：电位器有效长度和总电阻 X X：电刷位置：电刷位置 3 3）四线制）四线制 （1 1）不受其它条件约束；）不受其它条件约束； （2 2）精度最高。）精度最高。 t out IRE 4.2.2.2 4.2.2.2 热敏电阻热敏电阻 l用金属氧化物或半导体材料作为电阻体的温敏元件。用金属氧化物或半导体材料作为电阻体的温敏元件。 优点：（优点：（1 1）结构简单、体积小、可测点温度；）结构简单、体积小、可测点温度； （2 2）电阻温度系数大，灵敏度高（）电阻温度系数

36、大，灵敏度高（1010倍）；倍）； （3 3）电阻高、热惯性小、适宜动态测量。）电阻高、热惯性小、适宜动态测量。 缺点：非线性高，单一品种测量范围窄。缺点：非线性高，单一品种测量范围窄。 热敏电阻外型热敏电阻外型 MF58MF58型热敏电阻型热敏电阻 贴片式热敏电阻贴片式热敏电阻 各类非标热敏电阻各类非标热敏电阻 数字温度计数字温度计 CPUCPU温度测量温度测量 l负温度系数热敏电阻：负温度系数热敏电阻：NTCNTC l正温度系数热敏电阻：正温度系数热敏电阻：PTCPTC l临界温度系数热敏电阻：临界温度系数热敏电阻：CTRCTR 温度检测主要用负温度系数温度检测主要用负温度系数NTCNTC

37、。 PTC,CRTPTC,CRT通常利用特定温度下阻通常利用特定温度下阻 值急剧变化特性构成温度开关器件。值急剧变化特性构成温度开关器件。 NTC NTC的的 R-T R-T 特性特性 ) 11 ( 0 0 )()( TT B eTRTR B:B:取决于半导体材料和结构的常数。取决于半导体材料和结构的常数。 T T0 0: :一般取一般取2525C C。 NTCNTC的温度系数的温度系数T T 2 11() T B T T B T T dRd AeB RdTdTT Ae A:A:T T不是常数。不是常数。 B:TB:T；T T；低温段比高温段灵敏。；低温段比高温段灵敏。 C:BC:B越大越大,

38、 ,灵敏度越高。灵敏度越高。 4.2.3 4.2.3 集成温度传感器集成温度传感器(AD590)(AD590) l晶体管基极晶体管基极射极正向压降随温度升高而减少。射极正向压降随温度升高而减少。 0 ln be e KTA UU qI V1 V1、V2V2：镜像管。：镜像管。 V3V3、V4V4：温度检测用晶体管，：温度检测用晶体管， 二者发射极面积比为二者发射极面积比为m m。 2 ln KT Im qR 4.34.3非接触式测温非接触式测温 l主要是利用辐射来测量物体温度。主要是利用辐射来测量物体温度。 l4.3.1 4.3.1 辐射测温原理辐射测温原理 l 辐射的定义辐射的定义 l 电磁

39、辐射波谱电磁辐射波谱 l 当物体接受到辐射能量以后，根据物体本身的性质，当物体接受到辐射能量以后，根据物体本身的性质， 会发生部分能量吸收、透射和反射。会发生部分能量吸收、透射和反射。 RDA QQQQ Q Q Q Q Q Q RDA 1 吸收率；吸收率； 透射率；透射率； 反射率。反射率。 辐射能的分配辐射能的分配 l 绝对黑体绝对黑体：在任何温度下，均能全部吸收：在任何温度下，均能全部吸收 辐射到它上面的任何辐射能量。辐射到它上面的任何辐射能量。 透明体透明体：照射到物体上的辐射能全部透射照射到物体上的辐射能全部透射 过去，既无吸收又无反射。过去，既无吸收又无反射。 镜体、白体镜体、白体：

40、照射到物体上的辐射能全部照射到物体上的辐射能全部 反射出去。若物体表现平整光滑，反射具有一反射出去。若物体表现平整光滑，反射具有一 定规律，则该物体称之为定规律，则该物体称之为“镜体镜体”；若反射无；若反射无 一定规律，则该物体称为一定规律，则该物体称为“绝对白体绝对白体”或者简或者简 称为称为“白体白体”。 l 对于一般工程材料来讲，对于一般工程材料来讲，0 0而而+ =1 =1，称为，称为 灰体。灰体。 l 人造黑体模型：人造黑体模型： 2 1 /5 01 2 1W/m cT Ece l4.3.1.1 4.3.1.1 普朗克定律：绝对黑体的单色辐射强度普朗克定律：绝对黑体的单色辐射强度E

41、E0 0 与波长与波长及温度及温度T T的关系为：的关系为： 4.3.1.2 4.3.1.2 维恩位移定律：单色辐射强度的维恩位移定律：单色辐射强度的峰值波长峰值波长m m与与 温度温度T T的关系为：的关系为： 3 2.8978 10 m K m T 当黑体的温度升高时，辐射本领的最大值向短波方向移动。当黑体的温度升高时，辐射本领的最大值向短波方向移动。 l 任何实际物体的任何实际物体的总辐射亮度总辐射亮度与与温度的四次方温度的四次方成正成正 比；通过测量物体的辐射亮度就可得到该物体的温比；通过测量物体的辐射亮度就可得到该物体的温 度。度。 4.3.1.3 4.3.1.3 绝对黑体的全辐射定

42、律绝对黑体的全辐射定律 42 00 0 W/mEE dT 在全波波长内对辐射强度在全波波长内对辐射强度E E0 0 积分得： 积分得： 辐射能力的修正辐射能力的修正 l实际物体多数不是黑体，辐射能力低于黑体，实际物体多数不是黑体，辐射能力低于黑体， 辐射特性接近黑体。辐射特性接近黑体。 l黑度系数黑度系数：灰体和黑体的辐射能力之比。：灰体和黑体的辐射能力之比。 2 01 2 1 /5 W1/m cT Ece 42 0 W/mET 4.3.2 4.3.2 辐射测温仪表的基本组成及常用方法辐射测温仪表的基本组成及常用方法 辐射测温仪表主要组成框图辐射测温仪表主要组成框图 辐射测温常用方法：辐射测温

43、常用方法： 亮度法，全辐射法，比色法，多色法。亮度法，全辐射法，比色法，多色法。 4.3.3 4.3.3 辐射测温仪表辐射测温仪表 4.3.3.1 4.3.3.1 光电高温计光电高温计 光电高温计的工作原理光电高温计的工作原理 11物镜；物镜；22孔径；孔径；3 3，55孔；孔；44光电器件；光电器件；66遮光板；遮光板；77调制片；调制片；88永久磁铁；永久磁铁； 99激磁绕组；激磁绕组；1010透镜；透镜；1111反射镜；反射镜；1212观察孔；观察孔；1313前置放大器；前置放大器； 1414主放大器；主放大器；1515反馈灯；反馈灯；1616电位差计；电位差计；1717被测物体被测物体

44、 v通过测量某一通过测量某一 波长下物体辐射波长下物体辐射 亮度的变化测知亮度的变化测知 其温度。其温度。 4.3.3.2 4.3.3.2 辐射温度计辐射温度计 依据全辐射定律，敏感元件感受物体的全辐射能量依据全辐射定律，敏感元件感受物体的全辐射能量 来测知物体的温度来测知物体的温度 透镜式和反射镜式的示意透镜式和反射镜式的示意 11光阑；光阑；22检测元件；检测元件；33输出端子；输出端子；44外壳；外壳；55反射聚光镜；反射聚光镜；66透镜透镜 4.3.3.3 4.3.3.3 比色温度计比色温度计 利用被测对象的两个不同波长（或波段）光谱辐利用被测对象的两个不同波长（或波段）光谱辐 射亮度

45、之比实现辐射测温。射亮度之比实现辐射测温。 单通道型比色温度计原理单通道型比色温度计原理 11物镜；物镜；22调制盘；调制盘；33检测元件；检测元件； 44放大器；放大器；55计算电路；计算电路；66显示仪表；显示仪表； 77马达；马达；88滤光片滤光片 2 21 2 1 11 ln5ln c T R 22 121 11 ln5ln c R T 4.3.4 4.3.4 辐射测温仪表的表观温度辐射测温仪表的表观温度 l 表观温度表观温度: :指在仪表工作波长范围内，温度为指在仪表工作波长范围内，温度为T T的的 辐射体的辐射情况与温度为辐射体的辐射情况与温度为T TA A的黑体的辐射情况相等，的

46、黑体的辐射情况相等， 则则T TA A就是该辐射体的表观温度。就是该辐射体的表观温度。 l4.3.4.1 4.3.4.1 亮度温度亮度温度 亮度相等原则亮度相等原则: : 0 BB 2 /5 1 cT BCce 2 /5 01 L cT BCce 其中其中, ,物体亮度物体亮度: : 黑体亮度黑体亮度: : 2 111 ln L TTc 可推得可推得: : 若若 和 和T TL L已知已知, ,可求得物体的真实温度可求得物体的真实温度T T。 4.3.4.2 4.3.4.2 辐射温度辐射温度 l全辐射能量相等原则：全辐射能量相等原则： 44 P TT 4 1 TTp 辐射温度计测出的实际温度为

47、：辐射温度计测出的实际温度为： 4.3.4.3 4.3.4.3 比色温度比色温度 l亮度比相等原则。亮度比相等原则。 物体的实际温度为：物体的实际温度为： 1 2 2 12 (, ) ln (, )11 11 () R T T TT c 4.4 4.4 光纤温度传感器光纤温度传感器 l光纤：光导纤维。光纤：光导纤维。 多层介质结构多层介质结构 的对称圆柱体的对称圆柱体 纤芯 包层 塑料套管 涂敷层 mm1外层直径um200100 利用光在玻璃或塑料制成的纤维中的全反射原理而利用光在玻璃或塑料制成的纤维中的全反射原理而 达成的光传导工具。达成的光传导工具。 l光纤温度传感器是利用光纤作为光纤温度传感器是利用光纤作为敏感元件或能量传输介敏感元件或能量传输介