传感器技术及其应用 第4版 课件 2 温度检测

Technology&ApplicationofSensor机械工业出版社传感器技术及其应用常用温度传感器*项目2温度检测温度的检测石瓢壶柴烧秦权壶，秦始皇统一天下的度量衡！经典器型，柴烧效果落灰丰富，留釉垂珠难得，金属感强，高级质感。2温度检测知识储备：温度测量和温标任务2．1热电偶测温任务2．2热电阻测温任务2．3集成温度传感器测温2．4同步技能训练

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，温度传感器是应用最广泛、发展最快的传感器之一。工业生产自动化流程，温度测量点要占全部测量点的一半左右。温度是反映物体冷热状态的物理参数。

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

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。温度传感器的发展概况

示温涂料（变色涂料）装满热水后图案变得清晰可辨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红外温度计1.温度测量

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。非接触式温度传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；连续测量不会产生消耗；反应快等。知识储备：温度测量和温标

随物体的热膨胀相对变化而引起的体积变化；蒸气压的温度变化；电极的温度变化热电偶产生的电动势；光电效应热电效应介电常数、导磁率的温度变化；物质的变色、融解；强性振动温度变化；热放射；热噪声。

温度传感器的物理原理物理现象

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

此外，还有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、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、低温超导转换测温计、光纤温度传感器等。这些温度传感器有的已获得应用，有的尚在研制中。2.温标热平衡：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。温标：表示温度大小的尺度是温度的标尺。1848年威廉·汤姆首先提出以热力学第二定律为基础，建立温度仅与热量有关，而与物质无关的热力学温标。因是开尔文总结出来的，故又称开尔文温标，用符号K表示。它是国际基本单位制之一。1．热力学温标2．国际实用温标1968年国际实用温标规定热力学温度是基本温度，用t表示，其单位是开尔文，符号为K。1K定义为水三相点热力学温度的1/273.16，水的三相点是指纯水在固态、液态及气态三项平衡时的温度，热力学温标规定三相点温度为273.16K，这是建立温标的惟一基准点。3．摄氏温标

是工程上最通用的温度标尺。摄氏温标是在标准大气压(即101325Pa)下将水的冰点与沸点中间划分一百个等份，每一等份称为摄氏一度(摄氏度，℃)，一般用小写字母t表示。与热力学温标单位开尔文并用。摄氏温标与国际实用温标温度之间的关系如下：4．华氏温标

目前已用得较少，它规定在标准大气压下冰的融点为32华氏度，水的沸点为212华氏度，中间等分为180份，每一等份称为华氏一度，符号用℉，它和摄氏温度的关系如下：T=t+273.15

Kt=T-273.15

℃m=1.8n+32℉n=5/9(m-32)℃几种温标的对比正常体温为37

C

，相当于华氏温度多少度？2.1热电偶测温

热电偶在温度的测量中应用十分广泛。它构造简单，使用方便，测温范围宽，并且有较高的精确度和稳定性。2.1.1热电偶测温原理1.热电效应两种不同材料的导体组成一个闭合回路时，若两接点温度不同，则在该回路中会产生电动势。这种现象称为热电效应，该电动势称为热电势。

看一个实验——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。

热电极A自由端（参考端、冷端）

测量端（工作端、热端）

热电极B热电势AB

热电偶两结点所产生的总的热电势等于热端热电势与冷端热电势之差，是两个结点的温差Δt

的函数：

EAB（T，T0）=eAB（

T）-eAB（

T0

）热电势大致与两个结点的温差Δt

成正比从实验到理论：热电效应

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。

结点产生热电势的微观解释及图形符号

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A和B的接触点处会发生自由电子的扩散现象。自由电子将从密度大的金属A扩散到密度小的金属B，使A失去电子带正电，B得到电子带负电，从而产生热电势。

自由电子＋ABeAB（

T）T1.接触电势接触电势原理图+ABTeAB(T)-eAB(T)——导体A、B结点在温度T时形成的接触电动势；e——单位电荷，e=1.6×10-19C；

k——波尔兹曼常数，k=1.38×10-23J/K

；NA、NB

——导体A、B在温度为T时的电子密度。接触电势的大小与温度高低及导体中的电子密度有关。AeA(T,To)ToTeA(T，T0)——导体A两端温度为T、T0时形成的温差电动势；T，T0——高低端的绝对温度；σA——汤姆逊系数，表示导体A两端的温度差为1℃时所产生的温差电动势，例如在0℃时，铜的σ=2μV/℃。2.温差电势温差电势原理图由导体材料A、B组成的闭合回路，其接点温度分别为T、T0,如果T＞T0，则必存在着两个接触电势和两个温差电势，回路总电势：T0TeAB(T)eAB(T0)eA(T,T0)eB(T,T0)AB3.回路总电势EAB(T,T0)=EAB(T)+EB(T,T0)-EAB(T0)-EA(T,T0)或EAB(t,t0)=EAB(t)+EB(t,t0)-EAB(t0)-EA(t,t0)

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)就只与温度T有关，而且是T的单值函数，这就是利用热电偶测温的原理。只有当热电偶两端温度不同,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，因为当A、B两种导体是同一种材料时，ln(NA/NB)=0，也即EAB(T，T0)=0。结论(4点)：

在总电势中，温差电势比接触电势小很多，可忽略不计，则热电偶的热电势可表示为：

EAB(T,T0)=EAB(T)-EAB(T0)

对于已选定的热电偶，当参考端温度T0恒定时，EAB(T0)=c为常数，则总的热电动势就只与温度T成单值函数关系，即：

EAB(T,T0)=EAB(T)-c

=f(T)

实际应用中，热电势与温度之间的关系是通过热电偶分度表来确定。分度表是在参考端温度为00C时，通过实验建立起来的热电势与工作端温度之间的数值对应关系。

热电偶的分度表

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0

C。K热电偶的分度表

比较查出的3个热电势，可以看出热电势是否线性？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？

结论：

哪几种热电偶的线性较差？

哪一种热电偶的灵敏度较高？

哪一种热电偶的灵敏度较低？为什么所有的曲线均过原点（零度点）？2.热电偶的基本定律(1)匀质导体定律由一种均质导体组成的闭合回路，不论其导体是否存在温度梯度，回路中没有电流(即不产生电动势)；反之，如果有电流流动，此材料则一定是非均质的，即热电偶必须采用两种不同材料作为电极。

E总=EAB（T）+EBC（T）+ECA（T）=0三种不同导体组成的热电偶回路TABCTT（2）中间导体定律一个由几种不同导体材料连接成的闭合回路，只要它们彼此连接的接点温度相同，则此回路各接点产生的热电势的代数和为零。如图，由A、B、C三种材料组成的闭合回路，则结论：将第三种材料C接入由A、B组成的热电偶回路，如图，则图a中的A、C接点2与C、A的接点3，均处于相同温度T0之中，此回路的总电势不变，即同理，图b中C、A接点2与C、B的接点3，同处于温度T0之中，此回路的电势也为：T2T1AaBC23EABaA23ABEABT1T0CT0EAB（T1,T0）=EAB（T1）-EAB（T0）(a)(b)T0T0EAB(T1,T2)=EAB(T1)-EAB（T2）第三种材料接入热电偶回路图(2)中间导体定律在热电偶回路中接入第三种导体，只要该导体两端温度相等，则热电偶产生的总热电势不变。图示回路总的热电势

EABC(T,T0)=EAB(T)-EAB(T0)=EAB(T,T0)

具有中间导体的热电偶回路ET0T0TET0T1T1T电位计接入热电偶回路根据上述原理，可以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，接入的方式见下图所示。

（3）

中间温度定律

如果不同的两种导体材料组成热电偶回路,其接点温度分别为T1、T2(如图所示)时,则其热电势为EAB(T1,T2)；当接点温度为T2、T3时，其热电势为EAB(T2,T3)；当接点温度为T1、T3时，其热电势为EAB(T1,T3)，则BBAT2T1

T3

AAB

EAB（T1,T3）=EAB（T1,T2）+EAB（T2,T3）EAB（T1,T3）=EAB（T1,0）+EAB（0,T3）

=EAB（T1,0）-EAB（T3,0）=EAB（T1）-EAB（T3）

ABT1T2T2A’B’T0T0热电偶补偿导线接线图E对于冷端温度不是零度时，热电偶如何分度表的问题提供了依据。如当T2=0℃时，则：只要T1、T0不变，接入AˊBˊ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。EAB=EAB(T1)–EAB(T0)说明：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′(如图)即引入所谓补偿导线时，当EAA΄(T2)=EBB΄(T2)，则回路总电动势为

EAB（T,T0）=EAC（T,T0）+ECB（T,T0）T0TEBA(T,T0)BAT0TEAC(T,T0)ACT0TECB(T,T0)CB如果任意两种导体材料的热电势是已知的，它们的冷端和热端的温度又分别相等，如图所示，它们相互间热电势的关系为：(4)参考电极定律（也称组成定律）参考电极定律示意图已知热电极A、B与参考电极C组成的热电偶在结点温度为(T，T0)时的热电动势分别为EAC(T，T0)、EBC(T，T0)，则相同温度下，由A、B两种热电极配对后的热电动势EAB(T，T0)也可按下面公式计算：

EAB(T，T0)=EAC(T，T0)-EBC(T，T0)【例2.1】

用镍铬—镍硅热电偶测炉温时，其冷端温度＝30℃，在直流电位计上测得的热电势＝30.838mV，求炉温。解：查镍铬—镍硅热电偶分度表（30℃，0℃）=1.203mVEAB(T,0℃)=E(T,30℃)+EAB(30℃,0℃)=30.838+1.203=32.041(mV)

再查分度表得T=770℃。【例2.2】已知铬合金—铂热电偶的E(100℃，0℃)=+3.13mV，铝合金—铂热电偶的E(100℃，0℃)=-1.02mV，求铬合金—铝合金组成热电偶材料的热电动势E(100℃，0℃)。解：设铬合金为A，铝合金为B，铂为C，即

EAC(100℃，0℃)=+3.13mVEBC(100℃，0℃)=-1.02mV

则：

EAB(100℃,0℃)=EAC(100℃,0℃)–EBC(100℃,0℃)=4.15mV2.1.2热电偶的结构形式与热电偶材料1．热电偶的种类（1）普通型热电偶

工业热电偶结构示意图1－接线盒；2－保护套管3―绝缘套管4―热电偶丝1234普通装配型热电偶的外形安装螺纹安装法兰普通装配型热电偶的

结构放大图

接线盒引出线套管

固定螺纹

（出厂时用塑料包裹）热电偶工作端（热端）

不锈钢保护管

(a)(b)(c)(d)

1322．铠装式热电偶（又称套管式热电偶）优点是小型化（直径从12mm到0.25mm）、寿命、热惯性小，使用方便。

测温范围在1100℃以下的有：镍铬—镍硅、镍铬—康铜铠装式热电偶。

断面如图所示。它是由热电偶丝、绝缘材料，金属套管三者拉细组合而成一体。又由于它的热端形状不同，可分为四种型式如图。图3.2-12铠装式热电偶断面结构示意图

1—

金属套管;2—绝缘材料;3—热电极

(a)—碰底型;(b)—不碰底型;(c)—露头型;(d)—帽型铠装型热电偶

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。

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）

BA绝缘材料铠装型热电偶横截面3．快速反应薄膜热电偶用真空蒸镀等方法使两种热电极材料蒸镀到绝缘板上而形成薄膜装热电偶。如图，其热接点极薄(0.01～0.lμm)4123快速反应薄膜热电偶1—热电极;2—热接点;3—绝缘基板;4—引出线因此，特别适用于对壁面温度的快速测量。安装时,用粘结剂将它粘结在被测物体壁面上。目前我国试制的有铁—镍、铁—康铜和铜—康铜三种,尺寸为60×6×0.2mm;绝缘基板用云母、陶瓷片、玻璃及酚醛塑料纸等；测温范围在300℃以下；反应时间仅为几ms。测温范围为-200~500℃。测量端既小又薄，热容量小，响应速度快。适用于测量微小面积上的瞬变温度。（4）表面热电偶

主要用于现场流动的测量，广泛用于纺织、印染、造纸、塑料及橡胶工业；探头有各种形状(弓形、薄片形等)，以适应于不同物体表面测温用。在其把手上装有动圈式仪表，读数方便。测量温度范围有0~250℃和0~600℃两种。

（5）防爆热电偶

在石油、化工、制药工业中，生产现场有各种易然、易爆等化学气体，这时需要采用防爆热电偶。它采用防爆型接线盒，有足够的内部空间、壁厚及机械强度，其橡胶密封圈的热稳定性符合国家的防爆标准。因此，即使接线盒内部爆炸性混合气体发生爆炸时，其压力也不会破坏接线盒，其产生的热能不能向外扩散传爆，可达到可靠的防爆效果。隔爆型热电偶外形厚壁保护管压铸的接线盒电缆线其他热电偶外形小形K型热电偶2.热电偶组成材料及分度表

为了准确可靠地进行温度测量，必须对热电偶组成材料严格选择。热电偶材料应满足：物理性能稳定，热电特性不随时间改变；化学性能稳定，以保证在不同介质中测量时不被腐蚀；热电势高，导电率高，且电阻温度系数小；便于制造；复现性好，便于成批生产。

目前工业上常用的四种标准化热电偶材料为:

铂铑30－铂铑6、铂铑10－铂、镍铬－镍硅、镍铬－铜镍（通常称为镍铬－康铜）组成热电偶的两种材料写在前面的为正极，后面的为负极。热电偶的热电动势与温度之关系表，称之为分度表。

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—铜镍用于制造铂热电偶的各种铂热电偶丝几种常用热电偶的测温范围及热电势

分度号

名称

测量温度范围

1000

C热电势/mVB铂铑30－铂铑650～1820

C4.834R铂铑13—铂-50～1768

C10.506S铂铑10—铂-50～1768

C9.587K镍铬－镍铬

(铝)-270～1370

C41.276E镍铬－铜镍(康铜)－270～800

C——5种热电偶的测温范围与热电势各有什么特点？（1）补偿导线

补偿导线是指在一定的温度范围内(0~150℃)，其热电性能与相应热电偶的热电性能相同的廉价导线。采用补偿导线，可将热电偶的自由端延伸到远离高温区的地方，从而使自由端的温度相对稳定。由此可见，使用补偿导线可以节约大量的贵重金属，减小热电偶回路的电阻，而且柔软易弯便于敷设安装，但必须指出，使用补偿导线仅能延长热电偶的自由端，对测量电路不起任何温度补偿作用。2.1.3热电偶测温及参考端温度补偿补偿导线外形

A’B’屏蔽层保护层方法冰点槽法计算修正法补正系数法零点迁移法冷端补偿器法软件处理法原因热电偶热电势的大小是热端温度和冷端的函数差，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，否则会产生误差。（2）冷端温度补偿冰点槽法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。为了避免冰水导电引起两个连接点短路，必须把连接点分别置于两个玻璃试管里，浸入同一冰点槽，使相互绝缘。mVABA’B’TCC’仪表铜导线试管补偿导线热电偶冰点槽冰水溶液T0冰点槽法（冰浴法）接线图

1—被测流体管道

2—热电偶

3—接线盒

4—补偿导线

5—铜质导线

6—毫伏表

7—冰瓶

8—冰水混合物

9—试管

10—新的冷端

计算修正法用普通室温计算出参比端实际温度TH，利用公式计算例用铜-康铜热电偶测某一温度T，参比端在室温环境TH中，测得热电动势EAB(T，TH)=1.999mV，又用室温计测出TH=21℃,查此种热电偶的分度表可知，EAB(21,0)=0.832mV，故得EAB(T，0)=EAB(T，21)+EAB(21，T0)=1.999+0.832=2.831(mV)再次查分度表，与2.831mV对应的热端温度T=68℃。EAB(T,T0)=EAB(T,TH)+EAB(TH,T0)例用动圈仪表配合热电偶测温时，如果把仪表的机械零点调到室温TH的刻度上,在热电动势为零时，指针指示的温度值并不是0℃而是TH。而热电偶的冷端温度已是TH,则只有当热端温度T=TH时，才能使EAB(T,TH)=0，这样，指示值就和热端的实际温度一致了。这种办法非常简便，而且一劳永逸，只要冷端温度总保持在TH不变，指示值就永远正确。

零点迁移法应用领域：如果冷端不是0℃，但十分稳定（如恒温车间或有空调的场所）。实质：在测量结果中人为地加一个恒定值，因为冷端温度稳定不变，电动势EAB(TH,0)是常数，利用指示仪表上调整零点的办法，加大某个适当的值而实现补偿。

用螺丝刀调节仪表面板上的“机械零点”，使指针指到气温t0（图中为40

C）的刻度上。机械零点指针被预调到室温（40

C

）可补偿冷端损失机械零位调整法

冷端补偿器法利用不平衡电桥产生不平衡电压补偿热电偶因冷端温度变化而引起热电势的变化值。不平衡电桥由R1、R2、R3(锰铜丝绕制)、RCu(铜丝绕制)四个桥臂和桥路电源组成。设计时，在0℃下使电桥平衡(R1=R2=R3=RCu)，此时Uab=0，电桥对仪表读数无影响。

冷端补偿器的作用注意：桥臂RCu必须和热电偶的冷端靠近，使处于同一温度之下。

mVEAB(T,T0)T0T0TAB++-abUUabRCuR1R2R3RT0

UabEAB(T,T0)供电4V直流，在0～40℃或-20～20℃的范围起补偿作用。注意，不同材质的热电偶所配的冷端补偿器，其中的限流电阻R不一样，互换时必须重新调整。冷端补偿器法(补偿电桥法)国产WBC型冷端温度补偿器的工作原理图

XT-WBC热电偶冷端补偿器软件处理法对于计算机系统，不必全靠硬件进行热电偶冷端处理。例如冷端温度恒定但不为0℃的情况，只需在采样后加一个与冷端温度对应的常数即可。对于T0经常波动的情况，可利用热敏电阻或其它传感器把T0信号输入计算机，按照运算公式设计一些程序，便能自动修正。后一种情况必须考虑输入的采样通道中除了热电动势之外还应该有冷端温度信号，如果多个热电偶的冷端温度不相同，还要分别采样，若占用的通道数太多，宜利用补偿导线把所有的冷端接到同一温度处，只用一个冷端温度传感器和一个修正T0的输入通道就可以了。冷端集中，对于提高多点巡检的速度也很有利。

2.1.4热电偶测温基本电路图（a）表示了测量某点温度连接示意图。图（b）表示两个热电偶并联测量两点平均温度。图（c）为两热电偶正向串联测两点温度之和。图（d）为两热电偶反向串联测量两点温差。

常用的热电偶测温电路示意图热电偶分度号校验温度/℃热电偶允许偏差/℃温度偏差温度偏差LB–3600，800，1000，12000～600±2.4>600占所测热电势的±0.4%EU–2400，600，800，1000～400±4>400占所测热电势的±0.75%EA–2300，400，6000～300±4>300占所测热电势的±1%2.热电偶的定期校验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，误差超过规定允许值为不合格。图为热电偶校验装置示意图，最佳校验方法可由查阅有关标准获得。工业热电偶的允许偏差，见下表。工业热电偶允许偏差78564321稳压电源220V热电偶校验图

1-调压变压器；2-管式电炉；3标准热电偶；4-被校热电偶；5-冰瓶；6-切换开关；7-测试仪表；8-试管休息一下

金属热电阻传感器一般称作热电阻传感器，是利用金属导体的电阻值随温度的变化而变化的原理进行测温的。金属热电阻的主要材料是铂和铜。热电阻广泛用来测量-220～+850℃范围内的温度，少数情况下，低温可测量至1K（-272℃），高温可测量至1000℃。2.2热电阻测温

2.2.1常用热电阻热电阻材料特点（1）高温度系数、高电阻率（2）较宽测量范围内具有稳定的物理和化学性质（3）良好的输出特性（4）良好工艺性易提纯、复现性好的金属材料才可用于制作热电阻

其它热电阻——低温、超低温

取一只100W/220V灯泡，用万用表测量其电阻值，可以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应为484

。

1.铂热电阻的电阻—温度特性

铂电阻的特点是测温精度高，稳定性好，所以在温度传感器中得到了广泛应用。铂电阻的应用范围为-200～+850℃。铂电阻的电阻—温度特性方程，在-200～0℃的温度范围内为：

Rt=R0[1+At+Bt2+Ct3(t-100)]

在0～+850℃的温度范围内为：

Rt=R0(1+At+Bt2)热电阻的主要技术性能

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1—热敏电阻2—玻璃外壳3—引出线4—紫铜外壳5—传热安装孔

薄膜型及普通型铂热电阻

薄膜铂电阻是使用最新的薄膜技术而制造的温度传感器。与其他类型的热电阻比较，此产品具有适于大批量生产，一致性好，成本低及尺寸小等特点。小型铂热电阻

防爆型铂热电阻

隔爆型热电阻通过特殊结构的接线盒，能把内部爆炸性混合气体因受到火花或电弧等影响而发生的爆炸局限在接线盒内，生产现场不会引起爆炸。

汽车用水温传感器及水温表

铜热电阻学习查“铂热电阻分度表”铂热电阻分度表

应为130.90铂电阻温度显示、变送器可设定温度的温度控制箱

旋转式机械设定开关

拨码式设定开关2.2.2热电阻传感器的测量电路

热电阻测温电桥原理热电阻三线制电桥电路

热电阻传感器的测量电路一般使用电桥电路，如左图所示。由于工业用热电阻安装在生产现场，离控制室较远，因此热电阻的引线对测量结果有较大影响。为此，工业上常采用三线制接法，如右图所示。1、三线制uA与r=0一样，导线电阻r对测量无影响平衡：两线制控制室生产现场指示仪表rrRtr：电桥电源；2r：相邻臂（1）不受其它条件约束；（2）恒流源I稳定。热电阻应用举例例：测量真空度I恒温容器被测介质玻璃管铂电阻丝2、四线制电位差计

2.2.3热敏电阻

半导体热敏电阻简称热敏电阻，是一种新型的半导体测温元件。热敏电阻是利用某些金属氧化物或单晶锗、硅等材料，按特定工艺制成的感温元件。热敏电阻可分为三种类型，即：

正温度系数（PTC）热敏电阻负温度系数（NTC）热敏电阻在某一特定温度下电阻值会发生突变的临界温度电阻器（CTR）。热敏电阻的（Rt—t）特性各种热敏电阻的特性曲线04080120160200106104102100温度℃电阻CTRNTCPTC负温度系数热敏电阻：NTC正温度系数热敏电阻：PTC临界温度系数热敏电阻：CTR热敏电阻外形

MF12型NTC热敏电阻聚脂塑料封装热敏电阻其他形式的热敏电阻

玻璃封装NTC热敏电阻MF58型热敏电阻其他形式的热敏电阻

带安装孔的热敏电阻大功率PTC热敏电阻其他形式的热敏电阻（续）

贴片式NTC热敏电阻其他形式的热敏电阻（续）

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）非标热敏电阻非标热敏电阻（续）

非标热敏电阻（续）

热敏电阻温度面板表

热敏电阻LCD热敏电阻体温表

热敏电阻体温表的调试、标定方法

调试时，应该先调哪一只电位器，再调哪一只电位器？如何检验表面刻度中其他各点是否准确？具体步骤如何进行？

NTC热敏电阻主要用于温度测量和补偿。PTC突变型热敏电阻主要用作温度开关，PTC缓变型热敏电阻主要用于在较宽的温度范围内进行温度补偿或温度测量。CTR热敏电阻主要用作温度开关。2.2.4热敏电阻的应用1．温度测量

用于测量温度的热敏电阻一般结构较简单，价格较低廉。没有外面保护层的热敏电阻只能应用在干燥的地方；密封的热敏电阻不怕湿气的侵蚀，可以用在较恶劣的环境下。由于热敏电阻的阻值较大，故其连接导线的电阻和接触电阻可以忽略，使用时采用二线制即可。2．温度补偿

热敏电阻可在一定的温度范围内对某些元件进行温度补偿。例如，动圈式仪表表头中的动圈由铜线绕成，温度升高，其电阻值增大，引起测量误差，为此可在动圈回路中串入由负温度系数热敏电阻组成的电阻网络，从而抵消由于温度引起的误差。实际应用时，将负温度系数的热敏电阻与锰铜丝电阻并联后再与被补偿元件串联，如图2-19所示。热敏电阻用于CPU的温度测量

（参考小熊在线公司资料）例：测流速A——热敏电阻——平衡电阻电桥平衡电桥失衡

热敏电阻对晶体管电路的补偿热敏电阻对正温度系数电阻的补偿3．温度控制

广泛用于空调、冰箱、热水器、节能灯等家用电器的测温、控温及国防、科技等领域。

1）继电保护热继电器原理图例：热电式继电器JT正常：Rt较大、BG不导通、

J不吸合T升高：Rt减小、BG导通、

J吸合应用：电机过热保护热敏电阻用于电热水器的温度控制

2）温度上下限报警

温度上下限报警电路

图中Rt为NTC热敏电阻，采用运算放大器构成迟滞电压比较器，当温度T等于设定值时，Uab=0，VT1

，VT2都截止。当T升高时，Rt减小。Uab＞0，VTl导通，LED1发光报警；当T下降时，Rt增加。Uab＜0，VT2导通，LED2发光报警。3）电子节能灯及电子镇流器预热启动如果节能灯灯丝未经预热突加高压启动，则将导致灯丝材料严重溅射，使灯管提前发黑报废，使用PTC热敏电阻，在启动时先预热灯丝ls左右，然后再加高压点亮灯管，能有效地防止灯管两端发黑，同时能防止三极管等灯具线路元件受启动瞬间大电流及高反压冲击，使灯具寿命延长10倍以上。休息一下2.3集成温度传感器测温

2.3.1集成温度传感器工作原理及特点

集成温度传感器是把温敏元件、偏置电路、放大电路及线性化电路集成在同一芯片上的温度传感器。目前大量生产的集成温度传感器有电流输出型、电压输出型和数字信号输出型。其工作温度范围约在-50~+150℃。电流型IC温度传感器是把线性集成电路和与之相容的薄膜工艺元件集成在一块芯片上,再通过激光修版微加工技术,制造出性能优良的测温传感器。这种传感器的输出电流正比于热力学温度，即1μA/K；其次，因电流型输出恒流，所以传感器具有高输出阻抗。其值可达10MΩ。这为远距离传输深井测温提供了一种新型器件。电压型IC温度传感器是将温度传感器基准电压、缓冲放大器集成在同一芯片上,制成一四端器件。因器件有放大器；故输出电压高、线性输出为10mV／℃；另外,由于其具有输出阻抗低的特性；抗干扰能力强，故不适合长线传输。这类IC温度传感器特别适合于工业现场测量。VT1、VT2为差分对管，由恒流源提供的I1、I2分别为VT1、VT2的集电极电流，则：

集成温度传感器的测温原理

电流输出型集成温度传感器原理:对管VT1、VT2作为恒流源负载，VT3、VT4作为感温元件，VT3、VT4发射极面积之比为，此时电流源总电流为：2.3.2常用集成温度传感器及其应用1．电流输出型集成温度传感器由上式可知，当R、为恒定量时，IT与T成线性关系。若R=358欧，，则电路输出温度系数为。

AD590是电流输出型集成温度传感器的代表产品，工作直流为+4~+30v，输出阻抗约为l0MΩ，具有良好的互换性，在-55~+150℃范围内精度为±1℃。此外，AD590抗干扰能力强，不受长距离传输线压降的影响，信号的传输距离可达100m以上。AD590的灵敏度为1μA/K，0℃时输出273μA电流。AD590集成温度传感器（a）外形；（b）电路符号；（c）输出特性

下图是一个实际的测量电路。图中AD581输出一个标准的+10．000伏电压，RP1用来调零，RP2用来调满刻度。AD590输出电流在R1和RPl上产生压降，该电压经过运算放大后输出。调整过程分别在0℃和100℃两点温度进行，通过运算放大器A放大使输出灵敏度为100mV／℃，即在0℃时调整RP1使输出0V，在100℃时调整RP2使输出10V。AD590用于精密温差测量的电路

图示电路为电压输出型集成温度传感器。VT1、VT2为差分对管，调节电阻R1，可使R1=R2，当对管VT1、VT2的值大于等于1时，电路输出电压为：2.电压输出型集成温度传感器由此可得可知R1、R2不变，则U0与T成线性关系LM35/45系列温度传感器（a）内部原理图（b）引脚功能（c）外形封装（d）摄氏温度计电路美国DALLAS公司生产的单总线数字温度传感器DS1820，可把温度信号直接转换成串行数字信号供微机处理。由于每片DS1820含有唯一的串行序列号，所以在一条总线上可挂接任意多个DS1820芯片。从DS1820读出的信息或写入DS1820的信息，仅需要一根口线（单总线接口）。读写及温度变换功率来源于数据总线，总线本身也可以向所挂接的DS1820供电，而无需额外电源。DS1820提供九位温度读数，构成多点温度检测系统而无需任何外围硬件。

3.数字输出型IC温度传感器

１、DS1820的特性

单线接口：仅需一根口线与MCU连接；

无需外围元件；

由总线提供电源；

测温范围为-55℃～125℃，精度为0.5℃；

九位温度读数；

A/D变换时间为200ms；

用户可以任意设置温度上、下限报警值，且能够识别具体报警传感器。

DS1820123GNDI/OVDD(a)PR—35封装

DS1820的管脚排列DS182012345678I/OGND(b)SOIC封装NCNCNCNCVDDNC2、DS1820引脚及功能

GND：地；

VDD：电源电压

I/O：数据输入／输出脚(单线接口，可作寄生供电)

3、DS1820的工作原理图为DS1820的内部框图，它主要包括寄生电源、温度传感器、64位激光ROM单线接口、存放中间数据的高速暂存器（内含便笺式RAM），用于存储用户设定的温度上下限值的TH和TL触发器存储与控制逻辑、8位循环冗余校验码（CRC）发生器等七部分。存储器控制逻辑64bitROM和单线接口电源检测温度传感器高温触发器低温触发器8位CRC触发器存储器DS1820内部结构图寄生电源由两个二极管和寄生电容组成。电源检测电路用于判定供电方式。寄生电源供电时,电源端接地，器件从总线上获取电源。在I/O线呈低电平时，改由寄生电容上的电压继续向器件供电。寄生电源两个优点：检测远程温度时无需本地电源；缺少正常电源时也能读ROM。若采用外部电源,则通过二极管向器件供电。(1)寄生电源DS1820内部的低温度系数振荡器能产生稳定的频率信号f0，高温度系数振荡器则将被测温度转换成频率信号f。当计数门打开时，DS1820对f0计数，计数门开通时间由高温度系数振荡器决定。芯片内部还有斜率累加器，可对频率的非线性予以补偿。测量结果存入温度寄存器中。一般情况下的温度值应为9位（符号点1位），但因符号位扩展成高8位，故以16位补码形式读出，表3.4-1给出了DS1820温度和数字量的对应关系。温度/℃输出的二进制码对应的十六进制码+125000000001111101000FAH+2500000000001100100032H+1/200000000000000010001H000000000000000000000H-1/21111111111111111FFFFH-251111111111001110FFCEH-551111111110010010FF92HDS1820温度与数字量对应关系表

温度测量电路斜率累加器计数器1计数器2低温度系数晶振高温度系数晶振=0=0预置温度寄存器预置比较停止置位/清零加1(2)温度测量原理DS1820测量温度时使用特有的温度测量技术，如图。64位ROM的结构如下：

开始8位是产品类型的编号（DS1820为10H），接着是每个器件的唯一的序号，共有48位，最后8位是前56位的CRC校验码，这也是多个DS1820可以采用一线进行通信的原因。主机操作ROM的命令有五种，如表所列指

令说

明读ROM（33H）读DS1820的序列号匹配ROM（55H）继读完64位序列号的一个命令，用于多个DS1820时定位跳过ROM（CCH）此命令执行后的存储器操作将针对在线的所有DS1820搜ROM（F0H）识别总线上各器件的编码，为操作各器件作好准备报警搜索（ECH）仅温度越限的器件对此命令作出响应(3)64位激光ROM由便笺式RAM和非易失性电擦写EERAM组成，后者用于存储TH、TL值。数据先写入RAM，经校验后再传给EERAM。便笺式RAM占9个字节，包括温度信息（第1、2字节）、TH和TL值（3、4字节）、计数寄存器（7、8字节）、CRC（第9字节）等，第5、6字节不用。暂存器的命令共6条，见表3.4-3所列。在正常测温情况下，DS1820的测温分辨力为0.5℃，可采用下述方法获得高分辨率的温度测量结果：首先用DS1820提供的读暂存器指令（BEH）读出以0.5℃为分辨率的温度测量结果，然后切去测量结果中的最低有效位（LSB），得到所测实际温度的整数部分Tz，然后再用BEH指令取计数器1的计数剩余值Cs和每度计数值CD。考虑到DS1820测量温度的整数部分以0.25℃、0.75℃为进位界限的关系，实际温度Ts可用下式计算：

Ts=（Tz-0.25℃）+