传感器技术及应用项目教程全套课件

项目0初识传感器

机械工业出版社主编刘娇月

目的要求掌握传感器的定义和组成部分。掌握传感器的分类方法及特性。了解传感器的应用及发展趋势。掌握传感器检测系统的组成。了解传感器的一般选用原则。0.1传感器的认知

伴随工业化、信息化时代的到来，传感器技术已经成为一门迅猛发展的综合性技术学科，广泛应用于人类的社会生产和科学研究中，起着越来越重要的作用，成为国民经济发展和社会进步的一项必不可少的重要技术。它与通信技术、计算机技术一起构成了信息技术系统的“感官”、“神经”和“大脑”，是信息技术的三大支柱。对于机电一体化产品来说，三者都不可或缺。自动化程度越高，系统对传感器的依赖性就越大，传感器对系统功能的决定性作用就越明显。传感器（Transducer/Sensor）是一种检测装置，是获取自然界和生产领域中相关信息的主要途径与手段。它能感受到被测量信息，并将其按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求，是实现自动检测和自动控制的首要环节，为自动控制提供控制依据。传感技术领域已成为重要的现代科技领域，传感技术已经成为科学和生产实践的必要手段，其水平的高低是科技现代化的重要标记，传感器及其系统的生产已成为重要的新兴产业。0.1传感器的认知0.1.1传感器的应用图0-1传感器在生产线中的应用示意图在现代工业生产尤其是自动化生产过程中，要利用各种传感器来监视和控制生产过程中的各个参数，使设备能工作在正常状态或最佳状态，并使产品达到最好的质量。一条自动生产线则需要配备20-100余种传感器及配套检测仪表用于监测生产部位的参数，如：位置、压力、流量等。图0-2传感器的广泛应用传感器早已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等等极其之泛的领域。可以毫不夸张地说，从茫茫的太空，到浩瀚的海洋，以至于各种复杂的工程系统，几乎每一个现代化项目，都离不开各种各样的传感器。0.1.1传感器的应用0.1.2传感器的定义国家标准GB7665-87对传感器下的定义是：能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。在新韦式大词典中定义传感器为：从一个系统接受功率，通常以另一种形式将功率送到第二个系统中的器件。根据这个定义，传感器的作用是将一种能量转换成另一种能量形式，所以不少学者也用“换能器（Transducer）”来称谓“传感器”。0.1.3传感器的组成传感器的组成按其定义一般由敏感元件、转换元件、信号调理转换电路三部分组成，有时还需外加辅助电源提供转换能量。

图0-3传感器的组成0.1.4传感器的分类目前对传感器一般采用两种分类方法：一种是按被测参数分类，如对温度、压力、位移、速度等的测量，相应的有温度传感器、压力传感器、位移传感器、速度传感器等；另一种是按传感器的工作原理分类，如按应变、电容、压电、磁电、光电效应等原理工作式，相应的有应变式传感器、电容式传感器、压电式传感器、磁电式传感器、光电式传感器等。0.1.5传感器的发展趋势

传感器的发展方向是:智能化、微型化、多功能化网络化等。图0-4智能化传感器（1）智能化：传感器与微处理器相结合，使之不仅具有检测功能，还具有信息处理、逻辑判断、自诊断、以及“思维”等人工智能，称之为传感器的智能化。0.1.5传感器的发展趋势

（2）微型化：由于计算机技术的发展，辅助设计(CAD)技术和集成电路技术迅速发展，微机电系统(MEMS)技术应用于传感器技术，从而引发了传感器微型化。图0-5传统陀螺仪与MEMS陀螺0.1.5传感器的发展趋势

（2）微型化：由于计算机技术的发展，辅助设计(CAD)技术和集成电路技术迅速发展，微机电系统(MEMS)技术应用于传感器技术，从而引发了传感器微型化。图0-5传统陀螺仪与MEMS陀螺0.1.5传感器的发展趋势

（3）多功能化：多功能化不仅可以降低生产成本，减小体积，而且可以有效地提高传感器的稳定性、可靠性等性能指标。（4）网络化：随着通讯技术的发展和无线技术的广泛应用，无线传感器网络也得到了大量应用。0.2传感器的特性

传感器一般将各种信息量(物理量、化学量、生物量)转换为电量，描述这种转换的输入与输出关系表达了传感器的基本特性，有静态、动态之分。静态特性是指当输入量为常量或变化极慢时，即被测量各个值处于稳定状态时的输入输出关系。动态特性是指当输入量随时间变化的响应特性。图0-6传感器的输入输出关系0.2.1传感器静态特性

（1）线性度：线性度也称非线性误差。指传感器的输出与输入之间关系的线性程度，即实际特性曲线与拟合直线（也称理论直线）之间的最大偏差与传感器满量程输出的百分比。理论上希望传感器具有理想的线性化输入输出关系，实际上传感器大多为非线性。图0-7传感器线性度示意图0.2.1传感器静态特性

（2）迟滞：传感器在正（输入量增大）反（输入量减小）行程中输入输出特性曲线不重合的现象。一般希望迟滞越小越好。图0-8传感器迟滞示意图0.2.1传感器静态特性

（3）重复性：重复性是指传感器在输入按同一方向作全量程连续多次变动时所得特性曲线不一致的程度。图0-9传感器重复度示意图0.2.1传感器静态特性

（4）灵敏度：指到达稳定工作状态时输出变化量与引起此变化的输入变化量之比。

（5）分辨力：指传感器能检测到的最小的输入增量，可用绝对值表示，也可用与满量程的百分数表示。

（6）稳定性和漂移：稳定性一般指经过一段时间后，传感器的输出量和初识标定时的输出量之间的差值。漂移指在外界干扰下，输出量出现与输入量无关的变化，有时间漂移和温度漂移等多种。0.2.2传感器的动态特性

动态特性是指检测系统的输入为随时间变化的信号时，系统的输出与输入之间的关系特性。设计传感器时，要根据其动态性能要求与使用条件选择合理的方案和确定合适的参数。使用传感器时，要根据其动态性能要求与使用条件确定合适的使用方法，同时对给定条件下的传感器动态误差作出估计。动态特性是传感器性能的重要指标，在测量随时间变化的参数时，只考虑静态性能指标是不够的，还要注意其动态性能指标，如一阶传感器动态性能指标有稳态误差和时间常数等。0.3传感器的一般选用原则要进行一个具体的测量工作，如何选择合适的传感器，需要分析多方面的因素，从以下几方面的因素进行考虑：（1）与测量条件有关的因素

1）测量的目的；2）被测量的选择；3）测量范围；4）输入信号的幅值，频带宽度；5）精度要求；6）测量所需的时间。（2）与传感器有关的技术指标

1）精度；2）稳定度；3）响应特性；4）模拟量与数字量；5）输出幅值；6）对被测物体产生的负载效应；7）校正周期；8）超标准过大的输入信号保护。（3）与使用环境条件有关的因素

1）安装现场的条件及情况；2）环境条件（湿度、温度、振动等）；3）信号传输距离；4）所需现场提供的功率容量；5）安装现场的电磁环境。（4）与购买和维修有关的因素

1）价格；2）零部件的储备；3）服务于维修制度，保修时间；4）交货日期。项目小结传感器是指能够感受规定的被测量，并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，一般由敏感元件、转换元件、信号调理转换电路及辅助电源组成。传感器应用广泛，其发展方向是：智能化、微型化、多功能化、网络化等。传感器的特性分静态特性及动态特性，静态性能指标有线性度、迟滞、灵敏度、重复性、分辨力、零漂和温漂等。选用传感器时，要综合传感器性能指标、测量条件、使用环境、价格及装调等多方因素进行考虑。巩固自测1.什么是传感器？传感器有哪几部分组成？它在自动控制系统中有什么作用？2.举几个传感器应用典型案例，查阅资料，明确案例中所使用的传感器的名称和类别。3.传感器在装配生产线中广泛应用，请根据知识链接查询生产线中传感器的选择原则。4.通过网络了解智能传感器的发展和应用情况。知识拓展：（一）MEMS传感器及其应用

MEMS即微机电系统(MicroelectroMechanicalSystems)，是在微电子技术基础上发展起来的多学科交叉的前沿研究领域，已成为世界瞩目的重大科技领域之一。它涉及电子、机械、材料、物理学、化学、生物学、医学等多种学科与技术，迅速推动了传感器和物联网（IOT）的发展，具有广阔的应用前景。

1.MEMS传感器具体种类：（1）微机械压力传感器；（2）微加速度传感器；（3）微机械陀螺；(4)微流量传感器；(5)微气体传感器；(6)微机械温度传感器；(7）其他微机械传感器。

2.MEMS传感器的发展趋势：（1）新兴器件，如气体传感器、微镜和环境组合传感器；（2）新应用，如压力传感器应用于位置（高度）感测；（3）颠覆性技术，包括封装、新材料（如压电薄膜和300mm/12寸晶圆）；（4）新的设计，包括NEMS（纳机电系统）和光学集成技术。知识拓展：（二）智能可穿戴设备中的传感器0-11智能可穿戴设备部分产品a）智慧衫b）LifeShirtc）多生理参数检测衣穿戴式健康监护系统是生理信息检测、无线通信和穿戴式等技术相融合的结果，因其具有体积小、质量轻、易穿戴等优点，在军用和民用两个领域都得到科研人员的高度重视，并取得一定成果。知识拓展：（三）智能图像传感器0-13智能图像传感器的典型应用举例a）智能手表b）智能眼镜c）智能交通d）物联网机器视觉生产商将视觉系统中的部分组件模块化，使其集成性显著提高，由此产生了智能图像传感器。如图0-12所示，智能图像传感器是一种高度集成化的微小型光电视觉模块。一般由图像采集单元、图像处理单元和通信接口三部分组成。图0-12智能图像传感器图图0-13所示为智能图像传感器的典型应用举例。项目一

温度的检测

机械工业出版社主编刘娇月目的要求

（1）掌握金属热电阻、热敏电阻、热电偶、半导体集成温度传感器及非接触式温度传感器测温的工作原理、结构、分类及特性。（2）了解常用温度传感器的应用场合和应用方法，会进行常用温度传感器的选型。（3）了解热敏电阻在冰箱温控中的的选型、装调及维护过程。项目引入

本项目重要介绍用于温度测量的常用温度传感器的结构、工作原理及应用，包括热电式温度传感器、电阻式温度传感器、非接触式温度传感器、半导体集成温度传感器等温度传感器的测温原理、结构和应用案例等，要求学生能够了解温度测量的方法，理解测量温度传感器的基本原理，了解各种温度传感器的组成、分类、特点和标定的方法，能够针对不同情况的温度测量熟练选用相应的温度传感器。任务背景

随着科学技术的发展，粮食获得了大丰收，但是粮食在粮仓的储存过程中，温度的过高或者过低都会对粮食的存储造成一定的影响，会造成粮食品质的大幅度下跌。金属热电阻温度传感器以其结构简单，价格便宜和使用方便等特点而广泛使用。在粮食的储存中可以应用金属热电阻传感器来检测粮仓温度，通过调节粮食储存的适宜温度与粮仓的温度相平衡来最大程度的避免粮食品质的下降，减少财产和粮食损失。金属热电阻温度传感器还常应用到人们的日常生活，如冰箱温度的控制和空调温度的控制等。任务1.1

金属热电阻测温相关知识

热电阻的温度特性，是指热电阻随温度变化而变化的特性，即之间函数关系。大多数金属导体其电阻随温度变化的关系为：

利用金属热电阻构成的温度传感器主要用于中、低温区温度的测量。它不仅广泛应用于工业测温，而且被制成标准的基准仪，性能稳定，灵敏度高，当温度升高1摄氏度时，大多数金属热电阻的阻值增加0.4%～0.6%，但是金属热电阻的感温部分体积比较大，不易测量点的温度和动态的温度。1．金属热电阻的测温原理2．热电阻的结构和分类按其结构类型来分，热电阻有普通型、铠装型、薄膜型等。普通型热电阻由感温元件(金属电阳丝）、支架、引线、保护套管及接线盒等基本部分组成。主要组成部分介绍如下：（1）感温元件(金属电阻丝)金属热电阻主要有铂电阻、铜电阻和镍电阻等，其中铂电阻和铜电阻使用最为广泛。铂的电阻率较大，而且相对机械强度较大，通常铂丝的直径在（0.03～0.07）mm±0.005mm。

（2）骨架

热电阻是绕制在骨架上的，骨架是用来支持和固定电阻丝的。骨架应使用电绝缘性能好、高混下机械强度高，体膨胀系数小、物理化学性能稳定、对热电阻无污染的材料制造，常用有云母、石英、陶瓷、玻璃及塑料等。

（3）引线引线的直径应当比热电阻丝大几倍，尽量减少引线的电阻，增加引线的机械强度和连接的可靠性，对于工业用的铂热电阻，一般采用1mm的银丝作为引线；对于标准的铂热电阻可采用0.3mm的铂丝作为引线；对于铜热电阻则常用0.5mm的铜线。

2．热电阻的结构和分类3.热电阻传感器

热电阻测温是基于金属导体的电阻值随温度的增加而增加这一特性来进行温度测量的。大多数热电阻在温度升高1℃时电阻值将增加0.4%～0.6%。铂电阻温度传感器是利用纯铂丝电阻随温度的变换而变化的原理设计研制成的。可测量和控制-200℃～850℃范围内的温度，也可作对其他变量(如：流量、导电率、pH值等)测量电路中的温度补偿。有时用它来测量介质的温差和平均温度。它具有良好的稳定性和互换性。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。其结构示意图如图1-1所示：

热电阻传感器的工作原理是是利用物质在温度变化时，其电阻也随着发生变化的特征来测量温度的。当阻值变化时，工作仪表便显示出阻值所对应的温度值。

图1-1铂热电阻温度传感器结构示意图3.热电阻传感器4．热电阻传感器的测量电路

用热电阻传感器进行测温时，测量电路经常采用电桥电路。热电阻内部引线方式有二线制、三线制和四线制三种。二线制中引线电阻对测量结果影响大，可以用于测温精度要求不高的场合，三线制可以减小热电阻与测量仪器之间连接导线的电阻因环境温度变化所引起的测量误差，四线制则可以完全消除引线电阻对测量结果的影响，用于精度较高的温度检测。4．热电阻传感器的测量电路（1）二线制测量图1-2为二线制电桥测量电路，电桥平衡时图1-2二线制测量（1-2）（1-3）那么测量结果有2r的误差，由于这种误差是引线本身客观存在的误差，是无法进行修正的，所以二线制的连接方法不宜应用在工业热电阻上。4．热电阻传感器的测量电路（2）三线制电桥测量电路图1-3三线制电桥测量电路（1-4）

如果电桥是等臂电桥，也就是说R1等于R2，所以

从公式中可以看出，两边的r相互抵消，引线电阻r对测量结果毫无影响。(1-5)4．热电阻传感器的测量电路（3）四线制恒流源测量电路下图1-4为四线制恒流源测量电路图1-4四线制恒流源测量电路应用实践典型案例1-1金属丝热电阻作为气体传感器的应用

图1-5检测真空度

图1-6介质成分和流速的检测

真空度测量方法对环境温度变化比较敏感，实际应用中有恒温或温度补偿装置。可测到133.322×10-5Pa。金属丝作为气体传感器时可以检测管内气体介质成分比例变化、热风流速变化。如图1-5所示。图1-7为耐磨热电阻实物图。耐磨热电阻是电厂循环流化床锅炉,沸腾锅炉,粉磨煤机造气炉和水泥厂系列窑头,窑尾,炉头罩及化工,冶炼等高温耐磨环境较为理想的高技术类专用产品。典型案例1-2专用耐磨热电阻在水泥厂等的应用图1-7耐磨热电阻技能提升（1）在要测量的温度范围内，热电阻温度传感器的物理和化学性能要稳定；（2）构成温度传感器的热电阻温度系数要大，即灵敏度比较高；（3）构成温度传感器的电阻的温度特性要尽可能的接近线性；（4）尽量选择价格比较低廉的热电阻温度传感器。1.选择金属热电阻温度传感器的注意事项2.测温元件的安装感温元件安装前要根据设计要求核对型号、规格和长度。感温元件应该安装在能带便被测温度、便于维护检查和不受剧烈振动或者冲击的地方。感温元件通常采用插入式安装方法，保护套管直接与被测介质接触。而且为了减小感温元件的传热误差，应使感温元件插入介质越深越好，缩短外露部分，并对外露部分保温以减小放热系数。3.温度检测的方法

温度是不能直接测量的，需要借助于某种物体的物理参数随温度冷热不同而明显变化的特性进行间接测量。温度传感器就是通过测量某些物理量参数随温度变化的变化来间接测量温度。温度传感器是由感温元件和转换电路组成的，按照感温元件与被测对象的接触与否，可以分为接触式和非接触式测温两大类。巩固与拓展巩固自测1.电阻有什么特点？铜热电阻有什么特点？比较铂热电阻和铜热电阻的优缺点。2.电阻测量温度时，为了减小误差，应该采用哪种接线方式？为什么？3.举出身边利用金属热电阻温度传感器测温的一些实例。

笔记本计算机的尺寸越来越小，而主板对温度极其敏感。不断提高的CPU主频不仅提高了CPU的速度，也使得它的工作温度更高。在这种情况下，表面封装式热敏电阻的应用既具有快速响应和过热保护的特点，使用也更加方便。任务1.2热敏电阻检测温度

任务背景相关知识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。热敏电阻器是敏感元件的一类，按照温度系数不同分为正温度系数热敏电阻器（PTC）和负温度系数热敏电阻器（NTC），以及在某一特定温度下电阻值会发生突变的临界温度系数电阻器（CTR）。1.热敏电阻

敏感陶瓷是某些传感器中的关键材料，用于制作敏感元件，敏感陶瓷多属于半导体陶瓷，是继单晶半导体材料之后，又一类新型多晶半导体电子陶瓷。敏感陶瓷是根据某些陶瓷的电阻率、电动势等物理量对热、湿、光、电压及某些气体，某种离子的变化特别敏感这一特性，按其相应的特性，可把这些材料分别称为热敏、湿敏、光敏、压敏、气敏及离子敏感陶瓷。2.热敏电阻的材料和结构

相关知识图1-9热敏电阻符号和柱形热敏电阻结构2.热敏电阻的材料和结构

3.热敏电阻的分类按照材料可以将热敏电阻分为陶瓷、塑料、金刚石、单晶和非晶热敏电阻。按照工作温度范围可以分为低温热敏电阻，工作温度低于-55℃；常温热敏电阻，工作范围在-55℃～+315℃；高温热敏电阻，工作温度高于315℃。按照热敏陶瓷的电阻-温度特性，一般可分为三大类：（1）电阻随温度升高而增大的热敏电阻称为正温度系数热敏电阻，简称PTC热敏电阻；（2）电阻随温度的升高而减少的热敏电阻称为负温度系数热敏电阻，简称NTC热敏电阻；负温度系数热敏电阻器的材料主要是一些金属氧化物半导体陶瓷，其阻值随着温度的升高而降低，一般用于测量-50℃～300℃的温度。图1-10NTC热敏电阻的外形结构图1-11玻璃封装NTC热敏电阻3.热敏电阻的分类4.热敏电阻的测温原理(1-6)

图给出了不同种类热敏电阻的电阻-温度特性曲线（R-T曲线）。曲线1为CTR热敏电阻的电阻-温度特性曲线，曲线2为NTC热敏电阻的电阻-温度特性曲线，曲线3和4为PTC热敏电阻的电阻-温度特性曲线。从图1-12中可以看出2和3特性曲线的热敏电阻更适用于温度的测量。对于曲线1和曲线4的热敏电阻来说，更适合用来组成温控开关电路。图1-12CTC、NTC和PTC热敏电阻电阻-温度之间的特性曲线4.热敏电阻的测温原理应用实践

应用PTC热敏电阻器实现预热启动原理如图1-13所示：刚接通开关时，Rt处于常温态，其阻值远远低于C2阻值，电流通过C1，Rt自热温度超过居里点温度Tc跃入高阻态，其阻值远远C2阻值，电流通过C1、C2形成回路导致LC谐振，产生高压点亮灯管。典型案例1-3用PTC热敏电阻器对灯丝预热图1-13RTC热敏电阻灯丝预热电路典型案例1-4热敏电阻在冰箱中的应用

图1-14电冰箱控制系统技能提升(1)热敏电阻的广泛应用热敏电阻的主要应用范围包括电磁炉、电压力锅、电饭煲、电烤箱、消毒柜、饮水机、微波炉、电取暖机、工业、医疗、环保、气象、食品加工设备等家用电器的温度控制及温度检测以及办公自动化设备（如复印机、打印机）、仪表线圈、集成电路、石英晶体振荡器和热电偶的等温度检测及温度补偿。(2)热敏电阻的选用热敏电阻器的种类和型号较多，选哪一种热敏电阻器，应根据电路的具体要求而定。正温度系数热敏电阻器（PTC）一般用于电冰箱压缩机起动电路、彩色显像管消磁电路、电动机过电流过热保护电路、限流电路及恒温电加热电路。技能提升巩固与拓展巩固自测

1.热敏电阻的定义是什么？什么材料可以做成热敏电阻？2.热敏电阻温度传感器是如何进行温度测量的？3.按照物理特性，把热敏电阻可以分为哪几类？分别是什么？拓展任务

1.举出一个日常生活中应用热敏电阻测量温度的实例。任务背景

家用电器有两种发热情况，第一种是在日常生活使用中所要求期望的发热，如加热器必须满足一定的发热量，使得发热体大于某一规定的温度时，才可以满足取暖的要求。第二种是不期望的发热，是指产品的使用过程中，非使用要求的部件的发热而引起周围环境温度的升高，在使用电器过程中要求这些部件的发热温度要低于一定值，才能保证使用人在使用过程的安全，比如不烫伤和绝缘体受热绝缘性能下降形成的漏电或者触电事故等。任务1.3热电偶测温相关知识热电偶又称为温差热电偶，它是一种感温元件，是一次仪表，它直接测量温度，并把温度信号转换成热电动势信号，通过二次仪表（电气仪表）转换成被测介质的温度，是工业上常用的测温元件。热电偶是工业上最常用的温度检测元件之一，热电偶工作原理是基于赛贝克效应,即两种不同成分的导体两端连接成回路，如两连接端温度不同，则在回路内产生热电流的物理现象。1.热电偶的测温原理热电偶的测温原理是基于热电效应的。在两种不同的导体或半导体A和B组合成闭合回路中，如果两个导体A和B的连接点的温度不同，设T＞T0，则回路中会产生一个电动势，即在此闭合回路中有电流产生，这种现象叫做热电效应。热电势这种效应是由赛贝克在1823年发现的，所以又称为赛贝克效应。回路产生的电动势叫做热电势。由两种不同的导体或半导体A和B组合成闭合回路称之为热电偶，如图1-18所示。导体或半导体A和B称之为热电偶的热电极。热电偶的两个连接点，温度为T的被测对象的接点称之为热端，又称为测量端或者工作端。温度为参考温度T0的另一接点称之为冷端，又叫参考端和自由端。图1-18热电偶原理图相关知识

接触电势是由两种不用导体A和B的自由电子由于密度的不同而在接触点所产生的电动势，又称为帕尔贴电势。电子密度大的材料由于失去的电子比获得的电子多，所以在接触处附近会积累正电荷，而电子密度小的材料由于获得的电子多于失去的电子，因此在接触处附近会积累负电荷，因此会在接触处产生了电位差eAB。如图1-19所示。图1-19接触电势相关知识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。

(1-7)回路中的总的接触电势为：(1-9)从上述公式中可以看出，接触电势大小与温度高低及导体中的电子密度有关。温度越高接触电势越大，导体的电子密度越高接触电势也越大。相关知识(2)温差电势

对导体A或者导体B来说，其两端的温度不同也会产生电动势，产生的电动势叫温差电势，又称为汤姆逊电势。如果设导体两点的温度分别为T和T0。由于高温端T0的电子能量比低温端T0的电子能量大，因此从高温端扩散到低温段的电子数要比从低温端扩散到高温度电子要多，最后的结果是高温端因失去电子而带正电，低温端因得到电子而带负电，从而形成了一个从高温端到低温端的静电场，因此在导体的两端便产生了一个电势差，这就是温差电势。图1-20为温差电势原理图。相关知识(1-10)

(1-11)eA、eB—导体A、B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、σB—汤姆逊系数，表示导体A、B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/℃。相关知识(2)温差电势(3)热电偶回路的总电势由导体Ａ和Ｂ组成的热电偶回路，其接点温度分别为T、T0,如果T＞T0，则热电偶的总热电势包括两个接触电势和两个温差电势，即(1-12)NAT、NAT0——导体A在结点温度为T和T0时的电子密度；NBT、NBT0——导体B在结点温度为T和T0时的电子密度；σA、σB——导体A和B的汤姆逊系数。总的热电偶及热电势的原理图如图1-21所示。图1-21热电偶及热电势

由于温差电势比接触电势要小得多，又因为T＞T0，所以总电势又以导体Ａ和Ｂ在Ｔ端所占的比重最大，故：

(1-13)(3)热电偶回路的总电势(1-14)这就是热电偶测温的基本公式，从以上分析我们可以看出：①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。②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。(3)热电偶回路的总电势③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。④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。在实际应用中，热电势和温度的关系是通过热电偶的分度表来确定的。根据热电势与温度的函数关系，制成热电偶分度表；分度表是自由端温度在0℃时的条件下得到的，不同的热电偶具有不同的分度表，常用的热电偶材料和其热电偶分度表如表所示。(3)热电偶回路的总电势2.热电偶基本定律（1）均质导体定律

由同一种均质材料（导体或半导体）两端焊接组成闭合回路，不论导体截面或长度如何以及温度如何分布，回路中没有电流(都不会产生热电势)，即不产生接触电势，温差电势相抵消，回路中总电势为零。反之，如果有电流流动，此材料则一定是非均质的，因此，热电偶的电极必须由两种不同的均质导体或半导体构成。如果热电极材料不均匀，由于温度差存在，将会产生附加热电势。（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1-22，由A、B、C三种材料组成的闭合回路，则(1-15)图1-22三种不同导体组成的热电偶回路2.热电偶基本定律

在热电偶回路中接入中间导体（第三种导体、第四种导体….），只要接入中间导体两端温度相同，且接入的道题是匀质的，则无论接入的导体温度分布如何，中间导体的引入对热电偶回路总电势没有影响，这就是中间导体定律，如图1-23所示。图1-23中间导体定律2.热电偶基本定律

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(1-16)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：(1-17)2.热电偶基本定律

依据中间导体定律，在热电偶实际测温应用中，常采用热端焊接、冷端开路的形式，冷端经连接导线与显示仪表连接构成测温系统。根据上述原理，可以在图左边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1-24所示。图1-24电位计接入热电偶回路2.热电偶基本定律

根据中间导体定律，在应用热电偶时可以采用任何方式来焊接导线，可以将热电势通过导体连接至测量仪器进行测量，还不影响测量准确度，如图。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1-25所示，它们相互间热电势的关系为：图1-25中间导体定律的应用(1-18)2.热电偶基本定律（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1-26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(1-19)图1-26热电偶中间温度定律2.热电偶基本定律由于热电偶热电势和温度之间通常呈非线性关系,当冷端温度不为0摄氏度时，不能利用已知回路实际热电势直接查表求取热端温度值；也不能利用已知回路实际热电势直接查表求取的温度值，再加上冷端温度确定热端被测温度值，需按中间温度定律进行修正。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：(1-19)

我们还应该值得注意的是热电势只取决于冷端热端接触点的温度，与热电极上的温度分布是没有关系的。2.热电偶基本定律

(4)参考电极定律图1-27参考电极定律如图1-27所示，已知热电极A和B与参考电极C组成热电偶，则有(1-20)2.热电偶基本定律3．热电偶的结构

热电偶的基本结构是热电极，绝缘材料和保护管；并与显示仪表、记录仪表或计算机等配套使用。在现场使用中根据环境，被测介质等多种因素研制成适合各种环境的热电偶。①工业用热电偶图1-28为典型工业用热电偶结构示意图。它由热电偶丝、绝缘套管、保护套管以及接线盒等部分组成。实验室用时，也可不装保护套管，以减小热惯性。

1－接线盒；2－保险套管3―绝缘套管4―热电偶丝图1-28工业热电偶结构示图②铠装式热电偶（又称套管式热电偶）断面如图1-29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。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—考铜铠装式热电偶等。3．热电偶的结构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)—帽型图1-29铠装式热电偶断面结构示意图3．热电偶的结构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1-30，其热接点极薄(0.01～0.lμm)。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。1—热电极;2—热接点;3—绝缘基板;4—引出线图1-30快速反应薄膜热电偶3．热电偶的结构4.热电偶的冷端温度补偿

由于热电偶的分度表是在冷端温度为0℃时测得的，如果冷端温度不为零，测得的热电势就不能直接去查相应的分度表，另外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。为了消除或者补偿冷端温度的影响，常采用以下几种方法，分别是0℃冷端恒温法、计算修正法、零点迁移法、冷端补偿法和软件处理法等。(1)0℃冷端恒温法把热电偶的参比端置于冰水混合物容器里，如图1-31，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。4.热电偶的冷端温度补偿

（2）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(1-21)例如，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℃,查热电偶分度表可知，EAB(21,0)=0.832mV，故得再次查分度表，与2.831mV对应的热端温度T=68℃。4.热电偶的冷端温度补偿（3）零点迁移法

零点迁移法主要应用于如果冷端不是0℃，但十分稳定的场所，如恒温车间或有空调的场所。它的实质试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。例如，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。4.热电偶的冷端温度补偿（4）冷端补偿器法（电桥补偿法）利用不平衡电桥产生热电势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，如图1-32。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。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。另外还要注意的是桥臂RCu必须和热电偶的冷端靠近，使其处于同一温度下。4.热电偶的冷端温度补偿图1-32电桥补偿法示意图图1-33电桥补偿法原理图4.热电偶的冷端温度补偿（5）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。4.热电偶的冷端温度补偿应用实践典型案例1-9热电偶在炉温测量控制中的应用

常用炉温测量控制系统如图1-34所示。毫伏定值器给出给定温度的相应毫伏值，热电偶的热电势与定值器的毫伏值相比较，若有偏差则表示炉温偏离给定值，此偏差经放大器送入调节器，再经过晶闸管触发器推动晶闸管执行器来调整电炉丝的加热功率，直到偏差被消除，从而实现控制温度。图1-34常用炉温测量控制系统典型案例1-10热电偶在加热容器内部的温度测量

加热容器内部温度测量也是热电偶应用极为广泛的用途之一。例如，石油领域中原油集输使用的大型加热炉炉内温度的测址、热电厂蒸汽锅炉炉内温度的测量以及家庭用燃气热水器温度检测等。上述热电偶均采用插人式安装方法，见图1-35所示。图1-35加热器内部结构典型案例1-11热电偶在金属表面温度测量中的应用

对于机械、冶金、石化、电力、国防等领域，金属表面温度测量是非常普遍而又重要的问题。例如，大型发电机和水轮机前后轴承及机身温度测量、热交换器表面温度测量、过热气休发生器表面温度测量以及加热炉外壁温度测址等。接触式温度测量是指采用不同类型的热电偶，用粘接或焊接的方法，将其与被测金属表面直接接触，然后通过接口电路连接到xc或XM型配套仪表上组成测温闭环系统。安装方法如图1-36所示。图1-36热电偶不同安装方法示意图技能提升1.热电偶的应用（1）热电偶的选择、安装使用下图1-37是安装在管道上常用的两种方法。在工业生产中，热电偶常与毫伏计连用（XCZ型动圈式仪表）或与电子电位差计联用，后者精度较高，且能自动记录。另外也可通过与温度变送器经放大后再接指示仪表，或作为控制用的信号。图1-37热电偶安装图（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1-38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。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-试管图1-38热电偶校验图

技能提升巩固与拓展巩固自测1.热电效应的定义是什么？2.热电偶的四大定律是什么？3.利用电桥补偿法补偿冷端温度的原理是什么？4.热电偶在测温过程中应该注意哪些问题拓展任务1．下图1-39是热电偶温度计的实物图。通过搜集资料请同学们回答下面一些问题：（1）热电偶温度计的工作原理？（2）热电偶温度计的测温范围是多少？（3）如何安装热电偶温度计？图1-39热电偶温度计任务背景

汽车温度传感器主要用于检测发动机温度、吸入气体温度、冷却水温度、燃油温度以及催化温度等。目前已实用化的产品主要有热敏电阻式温度传感器、铁氧体式温度传感器(ON／OFF型)、金属或半导体膜空气温度传感器。由于传统的温度传感器难于满足多功能化、集成化、智能化控制的要求，现代汽车正在开发精度更高、响应时间更快的集成温度传感器。任务1.4半导体集成温度传感器测温相关知识1.半导体温度传感器的测温原理

二极管是温度的敏感器件，温度的变化对其伏安特性的影响主要表现为：随着温度的升高，其正向特性曲线左移，即正向压降减小；反向特性曲线下移，即反向电流增大。半导体温度传感器以二极管的P-N结的温度特性为理论基础。当P-N结的正向压降或反向压降保持不变时，正向电流和反向电流都随着温度的改变而变化，而当正向电流保持不变时，P-N结的正向压降随温度的变化而近似于线性变化，大约以-2mV／℃的斜率随温度变化。因此，利用P-N结的这一特性，可以对温度进行测量。

半导体温度传感器以二极管的P-N结的温度特性为理论基础。当P-N结的正向压降或反向压降保持不变时，正向电流和反向电流都随着温度的改变而变化，而当正向电流保持不变时，P-N结的正向压降随温度的变化而近似于线性变化，大约以-2mV／℃的斜率随温度变化。因此，利用P-N结的这一特性，可以对温度进行测量。用晶体三极管的be之间P-N结压降差制作的温度传感器，在忽略基极电流情况下，它们的集电极电流应当相等(考虑各晶体三极管的温度均为T)，Ube4与Ube2的结压降差就是电阻R上的压降，由于I1又与温度T成正比，因此，可以通过测量I1的大小，实现对温度的测量，如图1-40所示。相关知识1.半导体温度传感器的测温原理图1-40半导体温度传感器（1）采用半导体二极管作温度传感器，有简单、价廉的优点，用它可制成半导体温度计，测温范围在(0～50)℃之间。（2）用晶体三极管制成的温度传感器测量精度高，测温范围较宽，在(-50～150)℃之间，因而可用于工业、医疗等领域的测温仪器或系统。（3）各种结构的晶体管温度传感器具有很好的长期稳定性。相关知识1.半导体温度传感器的测温原理2.集成温度传感器

集成温度传感器是利用晶体管PN结的伏安特性与温度的关系制成的一种固态传感器。它是把PN结及其辅助电路集成在同一个芯片上，完成温度测量及信号输出功能的专用IC，突出优点是有理想的线性输出，体积小。由于PN结受耐热性能和特性范围的限制，集成温度传感器只能用来测150℃以下的温度。集成温度传感器可分为模拟式、逻辑输出和数字式三大类。其中模拟式又分为电压型和电流型两种。集成温度传感器实质上是一种半导体集成电路，它是利用晶体管的b-e结压降的不饱和值V与热力学温度T和通过发射极电流I的关系实现对温度的检测。相关知识

集成温度传感器的输出形式分为电压输出和电流输出两种。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。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。2.集成温度传感器相关知识3.数字温度计DS18B20

Dallas半导体公司的数字化温度传感器Ds1820是世界上第一片支持一线总线接口的温度传感器。一线总线独特而且经济的特点，使用户可轻松地组建传感器网络，为测量系统的构建引入全新概念。DS18B20，常用的温度传感器，具有体积小，硬件开销低，抗干扰能力强，精度高的特点。工作电压在3V～5.5V，超低功耗，静态功耗<3uA。图1-41为DS18B20的外形图。图1-41DS18B20外形图相关知识（1）DS18B20简介

DS18B20数字温度传感器接线方便，封装成后可应用于多种场合。主要根据应用场合的不同而改变其外观。封装后的DS18B20可用于电缆沟测温，高炉水循环测温，锅炉测温，机房测温，农业大棚测温，洁净室测温，弹药库测温等各种非极限温度场合。耐磨耐碰，体积小，使用方便，封装形式多样，适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域。技术性能如下：①独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。②测温范围-55℃～+125℃，固有测温误差1℃。相关知识③支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，最多只能并联8个，实现多点测温，如果数量过多，会使供电电源电压过低，从而造成信号传输的不稳定。④工作电源:3.0～5.5V/DC（可以数据线寄生电源）⑤在使用中不需要任何外围元件⑥测量结果以9～12位数字量方式串行传送⑦不锈钢保护管直径Φ6⑧适用于DN15～25,DN40～DN250各种介质工业管道和狭小空间设备测温⑨标准安装螺纹M10X1,M12X1.5,G1/2”任选（1）DS18B20简介相关知识（2）DS18B20应用范围

该产品适用于冷冻库，粮仓，储罐，电讯机房，电力机房，电缆线槽等测温和控制领域；轴瓦，缸体，纺机，空调，等狭小空间工业设备测温和控制；汽车空调、冰箱、冷柜、以及中低温干燥箱等；供热/制冷管道热量计量，中央空调分户热能计量和工业领域测温和控制。相关知识（3）DS18B20的特点：

独特的一线接口，只需要一条口线通信多点能力，简化了分布式温度传感应用无需外部元件可用数据总线供电，电压范围为3.0V至5.5V无需备用电源测量温度范围为-55℃至+125℃。-10℃至+85℃范围内精度为±0.5℃。温度传感器可编程的分辨率为9～12位，温度转换为12位数字格式最大值为750毫秒，用户可定义的非易失性温度报警设置，应用范围包括恒温控制、工业系统、消费电子产品温度计、或任何热敏感系统。DS18B20的数字温度计提供9至12位（可编程设备温度读数)。相关知识图1-42DS18B20的引脚排列和结构示意图DS18B20引脚定义：①DQ为数字信号输入/输出端；②GND为电源地；③VDD为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）。（3）DS18B20的特点：相关知识图1-43DS18B20测温原理框图DS18B20测温原理如图1-43所示。图中低温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给计数器1。高温度系数晶振随温度变化其振荡率明显改变，所产生的信号作为计数器2的脉冲输入。（3）DS18B20的特点：相关知识

计数器1和温度寄存器被预置在-55℃所对应的一个基数值。计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当计数器1的预置值减到0时，温度寄存器的值将加1，计数器1的预置将重新被装入，计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到计数器2计数到0时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。图3中的斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正计数器1的预置值。（3）DS18B20的特点：相关知识

在寄生电源供电方式下，DS18B20从单线信号线上汲取能量：在信号线DQ处于高电平期间把能量储存在内部电容里，在信号线处于低电平期间消耗电容上的电能工作，直到高电平到来再给寄生电源（电容）充电，如图1-44所示。独特的寄生电源方式有三个好处：1）进行远距离测温时，无需本地电源2）可以在没有常规电源的条件下读取ROM3）电路更加简洁，仅用一根I/O口实现测温（4）DS18B20寄生电源供电方式电路相关知识图1-44采用寄生电容供电的温度检测系统

I/O线必须保证在温度转换期间提供足够的能量，当几个温度传感器挂在同一根I/O线上进行多点测温时，只靠4.7K上拉电阻就无法提供足够的能量，会造成无法转换温度或温度误差极大。寄生电源供电方式电路只适应于单一温度传感器测温情况下使用，不适宜采用电池供电系统中。并且工作电源VCC必须保证在5V，当电源电压下降时，寄生电源能够汲取的能量也降低，会使温度误差变大。（4）DS18B20寄生电源供电方式电路相关知识应用实践典型案例1-12集成温度传感器在笔记本电脑CPU散热保护电路中的应用1—PC印制电路板2—帖片式集成温度传感器

3—CPU4—散热片5—散热风扇图1-45集成温度传感器用于CPU温度的检测图1-46温度控制原理图

由图1-45和图1-46可知在笔记本CPU上加上一个帖片式集成温度传感器，当电脑运行的时候如果温度超限集成温度传感器执行关断控制，然后风扇故障报警，提示温度过高。典型案例1-12集成温度传感器在笔记本电脑CPU散热保护电路中的应用1.电压输出型集成温度传感器AN6701SAN6701S是松下公司生产的电压输出型集成温度传感器，有四个引脚，三种连线方式，如图1-47所示：(a)正电源供电，(b)负电源供电，(c)输出极性颠倒。电阻RC调整25℃下的输出电压，使其等于5V，RC的阻值在3～30kΩ范围内。灵敏度可达109~110mV/℃，在-10～80℃范围内基本误差不±1℃。

图1-47AN6701S三种连线方式技能提升巩固与拓展巩固自测1.集成温度传感器的工作原理是什么？它按输出形式可以分为哪两类？2.DS18B20的特点是什么？试分析DS18B20的工作原理。拓展任务1.查资料看看还有哪些常用的集成温度传感器？2.AD590是美国ANALOGDEVICES公司的单片集成两端感温电流源，其输出电流与绝对温度成比例。内部结构如下图1-48所示，试分析其应用原理。图1-48AD590内部结构图3.根据DS18B20的工作原理和特点，结合89C51单片机设计一个温度计。任务背景

欲测定物体的真实温度，则必须进行材料表面发射率的修正。而材料表面发射率不仅取决于温度和波长，而且还与表面状态、涂膜和微观组织等有关，因此很难精确测量。在自动化生产中往往需要利用辐射测温法来测量或控制某些物体的表面温度，如冶金中的钢带轧制温度、轧辊温度、锻件温度和各种熔融金属在冶炼炉或坩埚中的温度。任务1.5非接触式温度传感器

非接触式温度传感器是利用物体表面的热辐射与温度的关系来测量温度的，通过测量一定距离处被测物体发出的热辐射强度来确定被测量的温度。常见的非接触式温度传感器有辐射高温计、光学高温计、热红外辐射温度传感器等。非接触式温度传感器的主要优点有测温速度、不存在滞后现象、测温范围不受限制和可以测量腐蚀性物体的温度等，缺点是易受被测物体与仪器之间距离、灰尘、水汽和被测物体辐射率的影响，即测量精度较低。相关知识相关知识

非接触式温度传感器的敏感元件与被测对象互不接触，又称非接触式测温仪表。这种仪表可用来测量运动物体、小目标和热容量小或温度变化迅速（瞬变）对象的表面温度，也可用于测量温度场的温度分布。辐射测温法包括亮度法（光学高温计）、辐射法（辐射高温计）和比色法（比色温度计）。各类辐射测温方法只能测出对应的光度温度、辐射温度或比色温度。只有对黑体（吸收全部辐射并不反射光的物体）所测温度才是真实温度。如图1-49所示为某类非接触温度传感器实物图。图1-49非接触温度传感器实物图非接触式温度计大致可以分为四类：l．辐射高温计：用来测量1000℃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。2．光谱高温计：俄罗斯研制的YCI—I型自动测温通用光谱高温计,其测量范围为400～6000℃,采用电子化自动跟踪系统,保证有足够准确的精度自动测量。3．超声波温度传感器：响应快(约为10ms左右)，方向性强。目前国外有可测到5000℉（华氏温标）的产品。4．激光温度传感器：适用于远程和特殊环境下的温度测量。如NBS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1％。相关知识

非接触测温具有很多优点，例如测量上限不受感温元件耐温程度的限制，因而对最高可测温度原则上没有限制。所以对于1800℃以上的高温，主要采用非接触测温方法。随着红外技术的发展，辐射测温逐渐由可见光向红外线扩展，700℃以下直至常温都已采用，且分辨率很高。相关知识1.辐射式温度传感器

辐射式温度传感器是利用物体的热辐射特性与温度之间的关系来实现的，是一种非接触式测温方法，只要将传感器与被测对象对准即可测量其温度的变化。因热引起的电磁波辐射称为热辐射。它是由物体内部微观粒子在运动状态改变时所激发出来的。激发出来的能量分为红外线、可见光和紫外线等。由于电磁波的传播无需任何介质，所以热辐射是在真空中唯一的传热方式。其中红外线对人体的热效应显著。下图1-50是辐射式温度传感器的测温原理图。图1-50辐射式温度传感器测温原理图辐射式温度传感器一般包括两部分：1）光学系统，用于瞄准被测物体，并把被测物体的辐射能聚焦在辐射接收器上。2）辐射接收器，利用各种热敏元件或者光电元件将会聚的辐射能转换成电量。（1）全辐射温度传感器全辐射温度传感器是通过测量被测物体辐射的全光谱积分能量来测量被测物体的温度。能全部吸收投射到它表面的辐射能量的物体称为黑体；能全部反射的物体称为镜体；能全部透过的物体称为透明体；能部分反射、部分吸收的物体称为灰体。绝对黑体的全辐射能与温度的关系为：（1）全辐射温度传感器(1-22)T-热力学温度；-波尔兹曼系数；灰体的全辐射能与温度的关系为：(1-23)-为温度T时的物体全辐射发射系数。（1）全辐射温度传感器

若灰体在某一温度T时的全辐射能跟绝对黑体在温度TF时全辐射能相等，则TF称为该灰体的辐射温度。则：(1-24)(1-25)（1）全辐射温度传感器

全辐射温度传感器的结构示意图如图1-51所示，它由辐射感温器及显示仪表组成。被测物的辐射能量经物镜聚焦到热电堆的靶心铂片上，将辐射能转化为热能，再由热电堆变成热电动势，再由显示仪表显示出热电动势的大小，由热电动势数值可知所测温度的大小。这种传感器适用于远距离，不能直接接触的高温物体，其测温范围为（100～2000）℃.图1-51全辐射温度传感器的结构示意图（1）全辐射温度传感器（2）亮度式温度传感器亮度式温度传感器利用物体的单色辐射亮度随温度变化的原理，并以被测物体光谱的一个狭窄区域内的亮度与标准辐射体的亮度进行比较来测量温度。物体在波长λ下的亮度和它的光谱辐射出射强度成正比。被测物体实际温度T和亮度温度Ts之间的关系：

(1-26)-为单色辐射发射系数;C2-为第二辐射常数，为波长。

下图1-52是灯丝隐灭式高温计的工作原理图，调节物镜使被测物的像落在灯泡的灯丝平面上，灯泡温度低时，从目镜中看到被测物像上的暗丝，接通电源并调节可变电阻，使灯泡变量，当灯丝亮度与被测物亮度相同时，灯丝隐灭在被测物的像中。1-物镜；2-吸收玻璃；3-灯泡；4-红色滤波片；5目镜图1-52灯丝隐灭式高温计的工作原理图（2）亮度式温度传感器（3）比色温度传感器

当温度变化时，物体的最大单色辐射出射度将向波长增大或减小的方向移动。使两个固定波长和下的光谱辐射出射度比值变化。因此，测出两者比值即可知被测温度。由于是比较两个波长的亮度，故称之为“比色测温法”用此法进行测量时，仪表显示的温度为“比色温度”。比色温度的定义为：非黑体辐射的两个波长、的亮度和之比值等于绝对黑体相应的亮度和之比值时，绝对黑体的温度称为该非黑体的比色温度，以Tp表示，它与非黑体的真实温度T的关系为：(1-27)

所测比色温度近似等于真实温度，这是比色高温计很重要的优点。比色高温计的原理图如图1-53所示。L-透镜G-分光镜K1、K2-滤光片A1、A2-光敏元件F-放大器SM-伺服电动机图1-53比色温度传感器原理图（3）比色温度传感器(1-28)

比色高温计比其它辐射式高温计的测温准确度高。因为中间介质（水蒸气、CO、CO2等）的吸收，对单色辐射强度比值的影响较小；因比色温度接近于实际温度，如对被测物体无法得知其全辐射系数时，当然用比色温度来代替实际温度比其它方法更准（3）比色温度传感器

通过红外探测器将物体辐射的功率信号转换成电信号后，成像装置的输出信号就可以完全一一对应地模拟扫描物体表面温度的空间分布，经电子系统处理，传至显示屏上，得到与物体表面热分布相应的热像图。运用这一方法，便能实现对目标进行远距离热状态图像成像和测温并进行分析判断。红外线测温仪由光学系统，光电探测器，信号放大器及信号处理.显示输出等部分组成。原理图如图1-54所示。2.红外线测温仪

2.红外线测温仪

红外线的波长在0.76～100μm之间，按波长的范围可分为近红外、中红外、远红外、极远红外四类，它在电磁波连续频谱中的位置是处于无线电波与可见光之间的区域。红外线辐射是自然界存在的一种最为广泛的电磁波辐射，它是基于任何物体在常规环境下都会产生自身的分子和原子无规则的运动，并不停地辐射出热红外能量，分子和原子的运动愈剧烈，辐射的能量愈大，反之，辐射的能量愈小。温度在绝对零度以上的物体，都会因自身的分子运动而辐射出红外线。

光学系统汇聚其视场内的目标红外辐射能量，红外能量聚焦在光电探测器上并转变为相应的电信号，该信号再经换算转变为被测目标的温度值。当用红外辐射测温仪测量目标的温度时首先要测量出目标在其波段范围内的红外辐射量，然后由测温仪计算出被测目标的温度。单色测温仪与波段内的辐射量成比例；双色测温仪与两个波段的辐射量之比成比例。

图1-54红外测温仪原理图2.红外线测温仪

红外线测温仪的三个测温方面是：（1）点测量：测定物体全部表面温度，像发动机或其他设备。（2）温差测量：比较两个独立点的测量温度，像连接器或断路器。（3）扫描测量：探测在宽的区域或连续区域目标变化，如制冷管线或配电室。2.红外线测温仪

应用实践典型案例1-13非接触式温度传感器在医疗中的应用

一般来说，非接触式温度计可以测量从一个遥远的红外辐射热源排放。在没有明确的光纤温度传感器或一个红外光纤和红外线传感器组合许可的情况下，非接触式表面视线清楚。这可能有助于确定了快速运动物体的表面温度，甚至在狭窄的地方和电磁场测量温度。作为一个红外波导，光纤的基于混合卤化银晶体，AgClxBr1-X，被认为是为低温度下测量的最佳选择。这些纤维的特点是灵活，不溶于水，且无毒。出于这个原因，卤化银红外光学纤维应用在红外光谱中，辐射测量和工业及医疗应用的热成像。

已经有研究开发出一种使用卤化物红外线非接触式温度传感器，用于医疗内窥镜。它可能会制造一个内窥镜系统，包括图像指导，光导和光纤温度传感器作为非接触式辅助通道。图1-55显示了内窥镜示意图温度测量系统，并包括图像指南，光导和一个带辅助通道的光纤非接触式温度传感器。图1-55包括红外光纤的内窥镜系统示意图典型案例1-13非接触式温度传感器在医疗中的应用典型案例1-14红外线测温仪在测温方面的应用图1-56红外线测温仪

图1-56为红外线测温仪。首先要确定红外线测温仪的测温范围选择合适的红外线测温仪，其次根据测温目标的尺寸选用合适的测温仪，在适当的距离范围内进行温度的测量。在测量的过程中根据宝石透镜吸收被测物体表面发射出来的辐射能量，投射到光导纤维端面上，经过光导纤维的传输，投到光敏元件上，光敏元件将辐射能转变成电信号送入到放大器，经信号处理电路后，送到显示仪上显示测量的温度。典型案例1-15非接触式高温测量计在发动机温度测量中的应用光纤热辐射温度传感器是一种非接触式温度传感器，它是以光纤为测温元件，对于远距离测量有很多便利的条件，在火箭固体燃料发动机的温度测量中应用如图1-57所示，其工作过程是当发动机发出的热辐射经光纤探头感知，由光纤传输送往光学处理单元，光学处理单元中的光学扫描器将接收到集光信号。然后送往中央处理器分析结果。典型案例1-16焦炉炭化室侧壁连续测温系统

焦炉是冶金工业中最复杂的窑炉,随着市场对焦炭质量要求的日益提高,对焦炉各项温度的掌握也越来越重要。焦炉炭化室侧壁温度对于炼焦生产作用非常重要。光纤比色温度测量系统具有精度高、抗干扰能力强等特点,运用比色测温法克服外界干扰,提高了系统的温度精度和稳定性。图1-58为测温环境结构示意图，图1-59为光纤比色测温系统结构框图。图1-58测温环境结构示意图图1-59光纤比色测温系统结构框图典型案例1-16焦炉炭化室侧壁连续测温系统技能提升1.接触式温度传感器和非接触式温度传感器的特点和区别

接触式温度传感器特点：传感器直接与被测物体接触进行温度测量，由于被测物体与传感器的热量相互传递，改变了被测物体温度，测量精度较低。采用此方式测得物体真实温度的前提条件是被测物体的热容量足够大。非接触式温度传感器特点：利用被测物体热辐射发出的红外线测量物体的温度，可进行遥测。其制造成本较高，测量精度却较低。优点：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。与接触式温度传感器相比，非接触式温度传感器具有以下特点：2.温度传感器的发展方向（1）超高温与超低温传感器，如+3000℃以上和–250℃以下的温度传感器。（2）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廉价的温度传感器。（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CA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。（6）发展数字化、集成化和自动化的温度传感器。技能提升3.红外测温技术的应用

红外测温技术在生产过程中，在产品质量控制和监测，设备在线故障诊断和安全保护以及节约能源等方面发挥了重要作用。近20年来，非接触红外测温仪在技术上得到迅速发展，性能不断完善，功能不断增强，品种不断增多，适用范围也不断扩大，市场占有率逐年增长。比起接触式测温方法，红外测温有着响应时间快、非接触、使用安全及使用寿命长等优点。非接触红外测温仪包括便携式、在线式和扫描式三大系列，并备有各种选件和计算机软件，每一系列中又有各种型号及规格。在不同规格测温仪中，正确选择红外测温仪型号对用户来说是十分重要的。4.数字控温仪简介数字控温仪属于智能型数字化温度仪表，能实现传统模拟仪表无法达到的功能，性价比较高，其工作原理如下图1-60。温度传感器信号经放大，模数转换为数字量送入单片机，经温度补偿、线性化处理后转换为实际温度值显示。与设定温度值求差值，经数字PID运算求出控制数值，再经模数转换、电压电流转换为控制电流输出。同时还可输出脉宽调节、移向触发等控制信号，直接控制强电执行机构，按需对温度进行调节。目前在高质量控温或恒温要求的工业现场和科研计量场所得到广泛应用，精度可达0.01~0.03℃/10min。

图1-60数字控温仪结构框图巩固与拓展巩固自测1.非接触式温度传感器的定义和特点？2.亮度式温度传感器的工作原理。拓展任务1.图1-60为WGG2-201型光学高温计，试分析其工作原理。图1-60WGG2-201型光学高温计表1-1温度传感器的种类及特点传感器类型测温范围/℃所利用的物理现象特点气体温度计液体压力式温度计玻璃水银温度计双金属片式温度计-250~1000-200~350-50~350-50~300热膨胀体积变化不需要电源，寿命长；感温部件体积较大钨铼热电偶铂铑热电偶其他热电偶1000~2100200~1800-200~1200接触热电动势自发电型，标准化程度高，品种多，可根据需要选择；须进行冷端温度补偿铂热电阻铜热电阻热敏电阻-200~850-50~150-50~300电阻的变化标准化程度高；需要桥路电源才能得到电压输出集成温度传感器-50~150PN结的结电压体积小，线性好；测温范围小示温涂料液晶-50~13000~100温度