传感器与检测技术温度的测量及温度传感器

传感器与检测技术温度的测量及温度传感器第1页，课件共62页，创作于2023年2月主要内容2.2热电偶传感器22.4集成温度传感器42.5半导体热敏电阻52.6温度传感器的应用62.1温度测量概述12.3金属热电阻传感器3第2页，课件共62页，创作于2023年2月温度是国际单位制给出的基本物理量之一，它是工农业生产、科学试验中需要经常测量和控制的主要参数；从热平衡的观点看，温度可以作为物体内部分子无规则热运动剧烈程度的标志；温度与人们日常生活紧密相关。2.1温度测量概述1第3页，课件共62页，创作于2023年2月温标为了保证温度量值的准确和利于传递，需要建立一个衡量温度的统一标准尺度，即温标。利用一些物质的某些物性(诸如尺寸、密度、硬度、弹性模量、辐射强度等)随温度变化的规律，通过这些量来对温度进行间接测量。第4页，课件共62页，创作于2023年2月经验温标华氏温标

1714年德国人法勒海特(Fahrenheit)以水银为测温介质，制成玻璃水银温度计。按照华氏温标，则水的冰点为32℉，沸点为212℉第5页，课件共62页，创作于2023年2月摄氏温标

1740年瑞典人摄氏(Celsius)提出在标准大气压下，把水的冰点规定为0度，水的沸点规定为100度。摄氏温度和华氏温度的关系为

T

℉=t℃+32(6-1)

式中T——华氏温度值; t——摄氏温度值。第6页，课件共62页，创作于2023年2月热力学温标热力学温标是由开尔文(Ketvin)在1848年提出的，以卡诺循环(Carnotcycle)为基础。热力学温标是国际单位制中七个基本物理单位之一。热力学温标为了在分度上和摄氏温标相一致，把理想气体压力为零时对应的温度——绝对零度与水的三相点温度分为273．16份，每份为1K(Kelvin)。第7页，课件共62页，创作于2023年2月

测温方法分类及其特点根据传感器的测温方式，温度基本测量方法通常可分成接触式和非接触式两大类。接触式温度测量非接触式温度测量第8页，课件共62页，创作于2023年2月物理现象

体积热膨胀

电阻变化温差电现象导磁率变化电容变化压电效应超声波传播速度变化物质颜色P–N结电动势晶体管特性变化可控硅动作特性变化热、光辐射种类铂测温电阻、热敏电阻热电偶BaSrTiO3陶瓷石英晶体振动器超声波温度计示温涂料液晶半导体二极管晶体管半导体集成电路温度传感器可控硅辐射温度传感器光学高温计1.气体温度计2.玻璃制水银温度计3.玻璃制有机液体温度计4.双金属温度计5.液体压力温度计6.气体压力温度计1．

热铁氧体2．

Fe-Ni-Cu合金第9页，课件共62页，创作于2023年2月接触式温度测量测温精度相对较高，直观可靠及测温仪表价格相对较低；由于感温元件与被测介质直接接触，从而要影响被测介质热平衡状态，而接触不良则会增加测温误差；被测介质具有腐蚀性及温度太高亦将严重影响感温元件性能和寿命等缺点。第10页，课件共62页，创作于2023年2月非接触式温度测量感温元件不与被测对象直接接触，而是通过接受被测物体的热辐射能实现热交换，据此测出被测对象的温度;非接触式测温具有不改变被测物体的温度分布，热惯性小，测温上限可设计得很高，便于测量运动物体的温度和快速变化的温度等优点。第11页，课件共62页，创作于2023年2月各类温度检测方法构成的测温仪表的大体测温范围第12页，课件共62页，创作于2023年2月热电偶是工业和装备试验中温度测量应用最多的器件，它的特点：测温范围宽测量精度高性能稳定结构简单且动态响应较好输出直接为电信号，可以远传，便于集中检测和自动控制热电偶传感器2第13页，课件共62页，创作于2023年2月2.2.1热电偶测温原理1、热电效应塞贝克效应（1821/德国）两种不同金属导线组成一闭合回路，若两接头处维持一温差，回路中就有电流和电动势产生。第14页，课件共62页，创作于2023年2月2.珀尔帖效应

将同温度的两种不同的金属互相接触，由于不同金属内自由电子的密度不同，在它们的接点处会产生接触电动势。⑵.冷端接触电动势⑴.热端接触电动势2、两种导体的接触电势第15页，课件共62页，创作于2023年2月3.汤姆逊效应同一种导体因其两端的温度不同会产生温差电势。⑴.导体A温差电动势⑵.导体B温差电动势4.回路总电势第16页，课件共62页，创作于2023年2月

当热电偶导体A和B材料一定时，回路总电动势成为热端和冷端的温度的函数。在实际测温中，把冷端置于某一恒温下，此时冷端接触电势为一常数，回路总电势仅决定于热端接触电势，即只与热端温度有关，两者之间是单值的函数关系。则：当：第17页，课件共62页，创作于2023年2月4.热电偶的基本定律①中间导体定律当插入第三种金属时，只要两端温度相同，就不会使热电偶的电动势发生变化。图5－4中间导体定律第18页，课件共62页，创作于2023年2月

热电偶在接触点温度为T,T0时的回路电势，等于该热电偶在接触点温度为T,Tn和Tn，T0时回路电势之代数和。EAB（T,T0）＝EAB（T,Tn）+EAB（Tn，T0）

若T0＝0，则有EAB（T，0）＝EAB（T，Tn）+EAB（Tn，0） 测量环境温度

T0<T<Tn

查分度表

②中间温度定律第19页，课件共62页，创作于2023年2月金属A和B之间的电动势等于金属A、C和C、B组成热电偶的热电动势之和。（C为标准电极）（如图2-8）所示导体C被称为标准电极，通常用纯铂（Pt）作标准电极③参考电极定律第20页，课件共62页，创作于2023年2月热电偶分类及特性为了得到实用性好，性能优良的热电偶，其热电极材料需具有以下性能：

(1)优良的热电特性；

(2)良好的物理性能；

(3)优良的化学性能；

(4)优良的机械性能；

(5)足够的机械强度和长的使用寿命；

(6)制造成本低，价值比较便宜。2.2.2热电偶结构结构形式及材料第21页，课件共62页，创作于2023年2月普通工业用热电偶热电偶通常主要由四部分组成(如图6-12所示)：热电极、绝缘管、保护管和接线盒。第22页，课件共62页，创作于2023年2月第23页，课件共62页，创作于2023年2月铠装热电偶

铠装热电偶又称套管热电偶。它是由热电偶丝、绝缘材料和金属套管三者经拉伸加工而成的坚实组合体,如图2-10所示。它可以做得很细很长,使用中随需要能任意弯曲。铠装热电偶的主要优点是测温端热容量小,动态响应快,机械强度高,挠性好,可安装在结构复杂的装置上,因此被广泛用在许多工业部门中第24页，课件共62页，创作于2023年2月第25页，课件共62页，创作于2023年2月

(3)薄膜热电偶薄膜热电偶是由两种薄膜热电极材料,用真空蒸镀、化学凃层等办法蒸镀到绝缘基板上面制成的一种特殊热电偶,如图1-10所示。薄膜热电偶的热接点可以做得很小（可薄到0.01~0.1μm）,具有热容量小,反应速度快等的特点,热相应时间达到微秒级,适用于微小面积上的表面温度以及快速变化的动态温度测量。第26页，课件共62页，创作于2023年2月4.热电偶的组成材料及分度表分度表：热电偶的热电动势与温度的关系表第27页，课件共62页，创作于2023年2月第28页，课件共62页，创作于2023年2月1.热电偶测温基本电路a热电偶测一点温度2.2.3热电偶测温及温度补偿第29页，课件共62页，创作于2023年2月测量两点温度差b热电偶测两点温差(串联）第30页，课件共62页，创作于2023年2月测多点温度的平均值与热电偶相配套的测量与显示仪表：毫伏计、电子电位差计、数字测温指示仪第31页，课件共62页，创作于2023年2月2.热电偶冷端温度补偿

为什么要进行冷端温度补偿？

1.在测温时，冷端温度T0随着环境温度变化，因而产生测量误差，故应采取补偿措施。2.分度表是在T0＝0℃时测得的，使用时，只有满足T0＝0℃的条件才能使用分度表第32页，课件共62页，创作于2023年2月常用的修正或补偿方法

1）冰浴法2）冷端温度修正法

EAB（T，0）＝EAB（T，Tn）+EAB（Tn，0）

将热电偶冷端置于冰水中，使冷端保持恒定的0℃，它可以使冷端温度误差完全消失。第33页，课件共62页，创作于2023年2月3）冷端补偿器法（电桥补偿法）

利用不平衡电桥产生的电势来补偿热电偶因冷端温度变化而引起的热电势。图5－５电桥补偿示意图令ΔUab＝ΔEAB（T0）

得U0＝EAB（T）－EAB（20℃）U0＝EAB（T）－〔EAB（T0）+ΔEAB（T0）〕+ΔUab

第34页，课件共62页，创作于2023年2月4）延伸导线法

5）采用不需要冷端补偿的热电偶

冷端温度在300℃以下的镍钴—镍铝热电偶，50℃以下的镍铁—镍铜热电偶及铂铑30—铂铑6热电偶

第35页，课件共62页，创作于2023年2月6）补正系数修正法

工程上经常采用补正系数实现补偿。设工作端温度为T1，冷端温度为T0，现场实际温度为T，则T＝T1+kT0

（5－13）式中k——为热电偶温度修正系数，其值决定于热电偶种类和被测的温度范围。7）用集成温度传感器AD590作为冷端补偿元件

第36页，课件共62页，创作于2023年2月8）冷端温度的智能补偿

利用单片机或计算机，可以实现温度监测、控制、误差修正与冷端温度补偿一体化和智能化。

温度检测系统

第37页，课件共62页，创作于2023年2月基于热电阻原理测温是根据金属导体或半导体的电阻值随温度变化的性质，将电阻值的变化转换为电信号，从而达到测温的目的。用于制造热电阻的材料，要求电阻率、电阻温度系数要大，热容量、热惯性要小，电阻与温度的关系最好近于线性。热电阻测温的优点是信号灵敏度高、易于连续测量、可以远传、无需参比温度；金属热电阻稳定性高、互换性好、准确度高，可以用作基准仪表。热电阻主要缺点是需要电源激励、有（会影响测量精度）自热现象以及测量温度不能太高。2.3金属热电阻传感器3第38页，课件共62页，创作于2023年2月1.铂电阻的电阻-温度特性铂电阻(IEC)的电阻率较大，电阻—温度关系呈非线性，但测温范围广，精度高，且材料易提纯，复现性好；在氧化性介质中，甚至高温下，其物理、化学性质都很稳定。目前工业用铂电阻分度号为Pt100和Pt10，其中Pt100更为常用。当 ℃时 当 ℃时

2.3.1热电阻的温度特性第39页，课件共62页，创作于2023年2月

式中Rt和R0分别为t℃和0℃时铂电阻值;A、B和C为常数。在ITS-90中,这些常数规定为:A=3.96847×10-3/℃B=-5.847×10-7/℃2C=-4.22×10-12/℃4

从上式看出,热电阻在温度t时的电阻值与R0

有关。目前我国规定工业用铂热电阻有R0=10Ω和R0=100Ω两种,它们的分度号分别为Pt10和Pt100,其中以Pt100为常用。铂热电阻不同分度号亦有相应分度表,即Rt-t的关系表,这样在实际测量中,只要测得热电阻的阻值Rt,便可从分度表上查出对应的温度值。Pt100的分度表见下表Pt100：第40页，课件共62页，创作于2023年2月第41页，课件共62页，创作于2023年2月2.铜电阻的电阻-温度特性铜电阻

铜电阻(WZC)的电阻值与温度的关系几乎呈线性，其材料易提纯，价格低廉；但因其电阻率较低（仅为铂的1/2左右）而体积较大，热响应慢；另因铜在250℃以上温度本身易于氧化，故通常工业用铜热电阻（分度号分别为Cu50和Cul00）一般其工作温度范围为-40℃～120℃。其电阻值与温度的关系为：当 ℃时第42页，课件共62页，创作于2023年2月2.3.2热电阻传感器的结构第43页，课件共62页，创作于2023年2月第44页，课件共62页，创作于2023年2月第45页，课件共62页，创作于2023年2月集成温度传感器AD590美国AD公司于70年代末推出体积仅同一只小功率高频晶体管大小的集成化半导体温度传感器AD590。半导体AD5902.4集成温度传感器4第46页，课件共62页，创作于2023年2月基本温度测量

第47页，课件共62页，创作于2023年2月特点⑴外接线非常简单(仅两根)，使用十分方便；⑵内有稳压和恒流电路，对外接电压要求非常低；⑶非线性误差较小；⑷使用温度范围为一50—150℃；⑸它具有良好的互换性；⑹采用上图所示的电路，可以把AD590输出的电流信号方便地转换成电压信号。第48页，课件共62页，创作于2023年2月2.5半导体热敏电阻5半导体电阻随温度变化的典型特性分为三种类型，即负温度系数热敏电阻（NTC）、正温度系数热敏电阻（PTC）和在某一特定温度下电阻值会发生突变的临界温度电阻器（CTC）。第49页，课件共62页，创作于2023年2月热敏电阻图示：第50页，课件共62页，创作于2023年2月非线性第51页，课件共62页，创作于2023年2月热敏电阻的优点：①灵敏度高，其灵敏度比热电阻要大1～2个数量级；②很好地与各种电路匹配，而且远距离测量时几乎无需考虑连线电阻的影响；③体积小；④热惯性小，响应速度快，适用于快速变化的测量场合；⑤结构简单坚固，能承受较大的冲击、振动。第52页，课件共62页，创作于2023年2月热敏电阻的主要缺点：①阻值与温度的关系非线性严重；②元件的一致性差，互换性差；③元件易老化，稳定性较差；④除特殊高温热敏电阻外，绝大多数热敏电阻仅适合0～150℃范围，使用时必须注意。第53页，课件共62页，创作于2023年2月温度传感器是应用较广泛的传感器之一。2.6温度传感器的应用6第54页，课件共62页，创作于2023年2月NTC广泛用于通信、军事、航空、航天、医疗、汽车电子、自动化设施的温度计、控温仪等装置。

高温NTC传感器则用于汽车等发动机排气检测、工业过程控制、电热炊具、煤气系统、空调、暖气系统、宾馆与住宅防火报警系统，以及复印机、打印机等办公自动化设施。

PTC也可用于工业自动化、汽车等领域的液位计、温度测控仪和报警器。

1、热敏电阻传感器的应用第55页，课件共62页，创作于2023年2月电动机过热保护装置中的应用

电动机过热保护装置

第56页，课件共62页，创作于2023年2月热敏电阻的应用家用电器电熨斗、电冰箱、电饭煲、洗衣机、电暖壶、烘干机