传感器原理__温度传感器

1、传感器技术传感器技术温度传感器温度传感器 第一节第一节 概概 论论 第二节第二节 热电偶温度传感器热电偶温度传感器 通过本章的学习了解温度传感器的作用、地位、分类和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；了解其他温发展趋势；掌握热电偶三定律及相关计算；了解其他温度传感器工作原理。度传感器工作原理。第一节第一节 概概 论论 温度传感器是实现温度检测和控制的重要器件。在种类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，温度传感器是应用繁多的传感器中，温度传感器是应用最广泛最广泛、发展、发展最快最快的传感器之一。的传感器之一。l温度是与

2、人类生活息息相关的物理量。温度是与人类生活息息相关的物理量。l在在2000多年前，就开始为检测温度进行了各种努力，多年前，就开始为检测温度进行了各种努力，并开始使用温度传感器检测温度。并开始使用温度传感器检测温度。l人类社会中，工业、农业、商业、科研、国防、医学人类社会中，工业、农业、商业、科研、国防、医学及环保等部门都与温度有着密切的关系。及环保等部门都与温度有着密切的关系。l工业生产自动化流程工业生产自动化流程,温度测量点要占全部测量点的一温度测量点要占全部测量点的一半左右。半左右。温度是反映物体冷热状态的物理参数。温度是反映物体冷热状态的物理参数。因此，人类离不开温度，当然也离不开温度传

3、感器。因此，人类离不开温度，当然也离不开温度传感器。 一、温度的基本概念一、温度的基本概念热平衡：温度是描述热平衡系统冷热程度的物理量。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。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。物理量。表示温度大小的尺度是温度的标尺，简称温标。表示温度大小的尺度是温度的标尺，简称温标。u热力学温标热力学温标u国际实用温标国际实用温标u摄氏温标摄氏温标u华氏温标华氏温标 二、温度传感器的特点与分类二

4、、温度传感器的特点与分类u 随物体的热膨胀相对变化而引起的体积变化；随物体的热膨胀相对变化而引起的体积变化；u 蒸气压的温度变化；蒸气压的温度变化；u 电极的温度变化电极的温度变化u 热电偶产生的电动势；热电偶产生的电动势；u 光电效应光电效应u 热电效应热电效应u 介电常数、导磁率的温度变化；介电常数、导磁率的温度变化；u 物质的变色、融解；物质的变色、融解；u 强性振动温度变化；强性振动温度变化；u 热放射；热放射；u 热噪声。热噪声。1 1 温度传感器的物理原理温度传感器的物理原理(11)(11)l特性与温度之间的关系要适中，并容易检特性与温度之间的关系要适中，并容易检 测和处理，测和处

5、理，且随温度呈线性变化；且随温度呈线性变化；l除温度以外，特性对其它物理量的灵敏度要低；除温度以外，特性对其它物理量的灵敏度要低；l特性随时间变化要小；特性随时间变化要小；l重复性好，没有滞后和老化；重复性好，没有滞后和老化；l灵敏度高，坚固耐用，体积小，对检测对象的影响灵敏度高，坚固耐用，体积小，对检测对象的影响要小；要小；l机械性能好，耐化学腐蚀，耐热性能好；机械性能好，耐化学腐蚀，耐热性能好；l能大批量生产，价格便宜；能大批量生产，价格便宜；l无危险性，无公害等。无危险性，无公害等。2.2.温度传感器应满足的条件温度传感器应满足的条件3. 3. 温度传感器的种类及特点温度传感器的种类及特

6、点l 接触式温度传感器接触式温度传感器l 非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。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非接触式温度传

7、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。生消耗；反应快等。热电偶、测温电阻器、热敏电阻、感温铁氧体、石英晶体振热电偶、测温电阻器、热敏电阻、感温铁氧体、石英晶体振动器、双金属温度计、压力式温度计、玻璃制温度计、辐射动器、双金属温度计、压力式温度计、玻璃制温度计、辐射传感器、晶体管、二极管、半导体集成

8、电路传感器、可控硅传感器、晶体管、二极管、半导体集成电路传感器、可控硅分分 类类特特 征征传传 感感 器器 名名 称称超高温用超高温用传感器传感器1500以上以上光学高温计、辐射传感器光学高温计、辐射传感器高温用高温用传感器传感器10001500光学高温计、辐射传感器、光学高温计、辐射传感器、热电偶热电偶中高温用中高温用传感器传感器5001000光学高温计、辐射传感器、光学高温计、辐射传感器、热电偶热电偶中温用中温用传感器传感器0500低温用低温用传感器传感器-2500极低温用极低温用传感器传感器-270-250BaSrTiO3陶瓷陶瓷晶体管、热敏电阻、晶体管、热敏电阻、压力式玻璃温度计压力式

9、玻璃温度计见表下内容见表下内容 测测 温温 范范 围围温度传感器分类温度传感器分类(1)分分 类类特特 征征传传 感感 器器 名名 称称测温范围宽、测温范围宽、输出小输出小测温电阻器、晶体管、热电偶测温电阻器、晶体管、热电偶半导体集成电路传感器、半导体集成电路传感器、可控硅、石英晶体振动器、可控硅、石英晶体振动器、压力式温度计、玻璃制温度计压力式温度计、玻璃制温度计线性型线性型测温范围窄、测温范围窄、输出大输出大热敏电阻热敏电阻指数型指数型函数函数开关型开关型特性特性特定温度、特定温度、输出大输出大感温铁氧体、双金属温度计感温铁氧体、双金属温度计 测测 温温 特特 性性温度传感器分类温度传感器

10、分类(2)分分 类类特特 征征传传 感感 器器 名名 称称测定精度测定精度0.10.5铂测温电阻、石英晶体振动铂测温电阻、石英晶体振动器、玻璃制温度计、气体温器、玻璃制温度计、气体温度计、光学高温计度计、光学高温计温度温度标准用标准用测定精度测定精度0.55热电偶、测温电阻器、热敏电热电偶、测温电阻器、热敏电阻、双金属温度计、压力式温阻、双金属温度计、压力式温度计、玻璃制温度计、辐射传度计、玻璃制温度计、辐射传感器、晶体管、二极管、半导感器、晶体管、二极管、半导体集成电路传感器、可控硅体集成电路传感器、可控硅绝对值绝对值测定用测定用管理温度管理温度测定用测定用相对值相对值15 测测 定定 精精

11、 度度温度传感器分类温度传感器分类(3) 此外，还有此外，还有微波测温温度传感器、噪声测温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、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、光纤温度传感器计、光纤温度传感器等。这些温度传感器有的已等。这些温度传感器有的已获得应用，有的尚在研制中。获得应用，有的尚在研制中。公元公元1600年，伽里略研制出气体温度计。一百年后，年，伽里略研制出气体温度计。一百年后，研

12、制成酒精温度计和水银温度计。随着现代工业技术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。件、双金属式温度传感器。1950年以后，相继研制成年以后，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。飞速发展、又陆续研制出各种类型的温度传感器。三、温度传感器的发展概况三、温度传感器的发展概况接触式温度传感器接触式温度传感器非接触式温度传感器非接触式温度传感器1常用热电阻常用热电阻 范围：

13、范围：- -260850；精度：；精度：0.001。改进后可连。改进后可连续工作续工作2000h，失效率小于，失效率小于1，使用期为，使用期为10年。年。2管缆热电阻管缆热电阻 测温范围为测温范围为-20500，最高上限，最高上限为为1000，精度为，精度为0.5级。级。（）接触式温度传感器（）接触式温度传感器3陶瓷热电阻陶瓷热电阻 测量范围为测量范围为200+500，精度为，精度为0.3、0.15级。级。4超低温热电阻超低温热电阻 两种碳电阻，可分别测量两种碳电阻，可分别测量268.8253- -272.9272.99的温度。的温度。5热敏电阻器热敏电阻器 适于在高灵敏度的微小温度测量场合适

14、于在高灵敏度的微小温度测量场合使用。经济性好、价格便宜。使用。经济性好、价格便宜。l l辐射高温计辐射高温计 用来测量用来测量 1000以上高温。分四种：以上高温。分四种：光学高温计、比色高温计、辐射高温计和光电高温计。光学高温计、比色高温计、辐射高温计和光电高温计。2 2光谱高温计光谱高温计 前苏联研制的前苏联研制的YCII型自动测温通用型自动测温通用光谱高温计光谱高温计,其测量范围为其测量范围为4006000,它是采用电子化它是采用电子化自动跟踪系统自动跟踪系统,保证有足够准确的精度进行自动测量。保证有足够准确的精度进行自动测量。 （二）非接触式温度传感器（二）非接触式温度传感器3 3超声

15、波温度传感器超声波温度传感器 特点是响应快特点是响应快(约为约为10ms左右左右)，方向性强。目前国外有可测到，方向性强。目前国外有可测到5000 的产品。的产品。4 4激光温度传感器激光温度传感器 适用于远程和特殊环境下的温度适用于远程和特殊环境下的温度测量。如测量。如NBS公司用氦氖激光源的激光做光反射计可测公司用氦氖激光源的激光做光反射计可测很高的温度，精度为很高的温度，精度为1。美国麻省理工学院正在研制。美国麻省理工学院正在研制一种激光温度计，最高温度可达一种激光温度计，最高温度可达8000，专门用于核聚，专门用于核聚变研究。瑞士变研究。瑞士Browa Borer研究中心用激光温度传感

16、器研究中心用激光温度传感器可测几千开可测几千开(K)的高温。的高温。 1超高温与超低温传感器，如超高温与超低温传感器，如+3000以上和以上和250以下的温度传感器。以下的温度传感器。 2提高温度传感器的精度和可靠性。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研制家用电器、汽车及农畜业所需要的价廉的温度传感器。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、快速高灵敏铂的热电阻；研

17、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。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。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发展数字化、集成化和自动化的温度传感器。 （三）温度传感器的主要发展方向（三）温度传感器的主要发展方向 热电偶是目前温度测量中使用最普遍的传感元件热电偶是目前温度测量中使用最普遍的传感元件之一。结构简单，测量范围宽、准确度高、热惯性小，之一。结构简单，测量范围宽、准确度高、热惯性小，输出信号为电信号输出信号为电信号，还用来测量，还用来测量流体的温度流体的温度、测量、测量固固体

18、以及固体壁面的温度体以及固体壁面的温度。 微型热电偶还可用于微型热电偶还可用于快速及动态温度快速及动态温度的测量。的测量。第二节第二节 热电偶温度传感器热电偶温度传感器热电偶的工作原理热电偶的工作原理热电偶回路的性质热电偶回路的性质热电偶的常用材料与结构热电偶的常用材料与结构冷端处理及补偿冷端处理及补偿各种热电偶各种热电偶先看一个实验先看一个实验热电偶工作原理演示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。结论：当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。 热电极热电极A A右端：右端：自由端自由端参考端参考端冷端冷端一、一、 热电偶的工作原理热电偶的工作原理 左端：

19、左端：测量端测量端工作端工作端热端热端热电极热电极B B热电势热电势AB从实验到理论：从实验到理论：热电效应热电效应 1821年，德国物理学家年，德国物理学家西拜克西拜克用两种不用两种不同金属组成同金属组成闭合回路闭合回路，并用酒精灯加热其中，并用酒精灯加热其中一个接触点（称为结点），发现放在回路中一个接触点（称为结点），发现放在回路中的的指南针发生偏转指南针发生偏转（说明什么？）（说明什么？），如果用，如果用两盏酒精灯对两个结点两盏酒精灯对两个结点同时加热，指南针的同时加热，指南针的偏转角反而减小偏转角反而减小（又说明什么？）（又说明什么？） 。 显然，指针的偏转说明回路中有电动显然，指针的

20、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。与两个结点的温差有关。 两种不同类型的金属导体，导体两端分两种不同类型的金属导体，导体两端分别接在一起构成闭合回路，当两个结点别接在一起构成闭合回路，当两个结点温度不等有温差时，回路里会产生热电温度不等有温差时，回路里会产生热电势，形成电流，这种现象称为势，形成电流，这种现象称为热电效应热电效应。 利用这种效应，只要知道一端结点温度，利用这种效应，只要知道一端结点温度，就可以测出另一端结点的温度。就可以测出另一端结点的温度。热电效应热电效应 两种不同的金属互相接触时，由于不同金

21、属内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，在两金属自由电子的密度不同，在两金属A和和B的接触点处会的接触点处会发生自由电子的发生自由电子的扩散现象扩散现象。自由电子将从密度大的金。自由电子将从密度大的金属属A扩散到密度小的金属扩散到密度小的金属B，使，使A失去电子带正电失去电子带正电，B得到电子带负电得到电子带负电，从而产生，从而产生热电势热电势。 自由自由电子电子ABeAB（ T T ）T T1. 1. 接触电势接触电势对于任何一种金属，当其两端温度不同时，两对于任何一种金属，当其两端温度不同时，两端的自由电子浓度也不同，温度高的一端浓度端的自由电子浓度也不同，温度高的

22、一端浓度大，具有较大的动能；温度低的一端浓度小，大，具有较大的动能；温度低的一端浓度小，动能也小。因此高温端的自由电子要向低温端动能也小。因此高温端的自由电子要向低温端扩散，高温端因失去电子而带正电，低温端得扩散，高温端因失去电子而带正电，低温端得到电子而带负电，形成到电子而带负电，形成温差电动势温差电动势，又称，又称汤姆汤姆森电动势森电动势。2. 2. 温差电势温差电势1 1、热电偶回路的热电动势只与组成热电偶的材料及两、热电偶回路的热电动势只与组成热电偶的材料及两端接点的温度有关；与热电偶的形状无关。端接点的温度有关；与热电偶的形状无关。2 2、只有用不同性质的材料才能组合成热电偶，相同、

23、只有用不同性质的材料才能组合成热电偶，相同材料不会产生热电动势。材料不会产生热电动势。3 3、只有当热电偶两端温度不同时，不同材料组成的热、只有当热电偶两端温度不同时，不同材料组成的热电偶才能有热电动势产生。电偶才能有热电动势产生。4 4、导体材料确定后，热电动势的大小只与热电偶两端、导体材料确定后，热电动势的大小只与热电偶两端的温度有关的温度有关, ,是是T T 的单值函数，这就是利用的单值函数，这就是利用热电偶测温热电偶测温的基本原理的基本原理。 1 1、 均质导体定律均质导体定律 如果热电偶回路中的两个热电极材料相同，如果热电偶回路中的两个热电极材料相同，无论两接点的温度如何，热电动势均

24、为零无论两接点的温度如何，热电动势均为零. . 根据这一定律，可以检验两个热电极材料的成分是根据这一定律，可以检验两个热电极材料的成分是否相同否相同( (称为称为同名极检验法同名极检验法) )，也可以检查热电极材料的，也可以检查热电极材料的均匀性。均匀性。热电偶的分度表热电偶的分度表 热电偶的线性较差，多数情况下采用热电偶的线性较差，多数情况下采用查表法查表法直接从热电偶的分度表查温度与热电势的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：关系时的约束条件是：自由端（冷端）温自由端（冷端）温度必须为度必须为0 C。 1 1、热电偶的结构、热电偶的结构普通装配型普通装配型热电偶的外形热

25、电偶的外形铠装型热电偶外形铠装型热电偶外形法兰法兰铠装型热电偶可铠装型热电偶可 长达上百米长达上百米薄壁金属薄壁金属 保护套管保护套管（铠体）（铠体） 铠装型热电偶铠装型热电偶横截面横截面铠装型热电偶铠装型热电偶 铠装热电偶的制造工艺：铠装热电偶的制造工艺：把热电极材料与高温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。

26、、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：铠装热电偶特点：内部的热电偶丝与外界空气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、抗机械外力冲击的特性。铠装热电偶可以制作得很细，能解决很细，能解决微小、狭窄场合微小、狭窄场合的测温问题，且具有的测温问题，且具有抗震、可弯曲、超长等优点。抗震、可弯曲、超长等优点。 31隔爆隔爆型热电偶外形型热电偶外形厚壁保护管厚壁保护管压铸的接线盒压铸的接线盒电缆线电缆线32隔爆隔爆型热电偶型热电偶 结构特点结构特点：隔爆热电偶的接线盒在设计时采用防：隔爆热电偶的