传感器技术课件第十章温度的测量

1、1. 温度测量概述,接触式测温是基于热平衡原理的。测温敏感元件必须与被测介质接触，使两者处于同一热平衡状态,非接触式测温利用的是物质的热辐射原理。测温敏感元件不与被测介质接触，而是通过接收被测物体发出的辐射热来判断温度,第十章 温度的测量,热电偶温度计,水银温度计,接触式温度计,红外温度计,辐射温度计,非接触式温度计,4,接触式测温和非接触式测温,1）接触式测温 优点：结构简单，工作可靠，测量精度高，稳定性好，价格低。 缺点：有较大的滞后现象（测温时要进行充分的热交换），会影响被测介质热平衡状态，而接触不良则会增加测温误差；不方便对运动物体进行温度测量；测温范围受到感温元件材料性质的限制（如被

2、测介质具有腐蚀性及温度太高时）。,2）非接触式测温：利用被测温度对象的热辐射能量随其温度变化而变化的原理，通过测量一定距离处被测物体发出的热辐射强度来测温。 优点：不存在测量滞后和温度范围的限制，不改变被测物体的温度分布，便于测量运动物体的温度和快速变化的温度等优点。 缺点：受被测温度对象热辐射率的影响，测量精度低，使用中测量距离和中间介质对测量结果有影响。,5,接触式与非接触式测温特点比较,3. 接触式测温,热膨胀式测温 热电偶测温 热电阻测温 集成温度传感器测温（温敏晶体管测温）,7,设计原理：利用半导体PN结的电流电压与温度有关的特性。 优点：输出线性好、测量精度高, 传感驱动电路、信号

3、处理电路等都与温度传感部分集成在一起,因而封装后的组件体积非常小,使用方便,价格便宜,故在测温技术中越来越得到广泛应用。 本节简要介绍IC温度传感器的类型、基本原理、主要特性及其应用等有关问题。,集成温度传感器测温（温敏晶体管测温）,8,1. IC温度传感器的分类,电压型IC温度传感器；电流型IC温度传感器; 数字输出型IC温度传感器。,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1A/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10M。这为远距离传

4、输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、线性输出可达10mV；另外,由于其具有输出阻抗低的特性,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。,9,IC温度传感器的测温原理，是基于晶体管的PN结随温度变化而产生漂移现象研制的。众所周知，晶体管PN结的这种温漂，会给电路的调整带来极大的麻烦。 但是，利用PN结的温漂特性来测量温度，可研制成半导体温度传感元件。IC温度传感器就是依据半导体的温漂特性，经过精心设计而制造出来的集成化线性较好的温度传感器件。,2. IC温度传感器的测温

5、原理,10,（一）电压输出型集成温度传感器 AN6701S是日本松下公司生产的电压输出型集成温度传感器，它有四个引脚，三种连线方式：(a)正电源供电，(b)负电源供电，(c)输出极性颠倒。电阻RC（改变RC可改变工作温度范围和灵敏度），用来调整25下的输出电压，使其等于5V，RC的阻值在330k范围内。这时灵敏度可达109110mV/，在-1080范围内基本误差不1。,输出,AN6701,(a),1,2,4,3,RC,515V,AN6701,输出,(c),10k,RC,3,1,2,4,515V,-,+,+,100k,10k,100k,AN6701,(b),2,1,3,输出,4,515V,RC,

6、3、IC温度传感器的主要特性,11,输出电压/V,0,2,4,6,8,10,12,20,0,20,40,60,80,RC=100k,RC=10k,RC=1k,温度/C,AN6701S的输入特性,在-1080范围内，RC的值与输出特性的关系如下图。AN6701S有很好的线性，非线性误差不超过0.5%。若在25时借助RC将输出电压调整到5V，则RC的值约在330k间，相应的灵敏度为109110mV/。校准后，在-1080范围内，基本误差不超过1。这种集成,传感器在静止空气中的时间常数为24s，在流动空气中为11s。电源电压在515V间变化，所引起的测温误差一般不超过2。整个集成电路的电流值一般为0

7、.4mA，最大不超过0.8mA。,12,美国AD公司于70年代末率先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（电流输出型温度传感器的典型产品，典型的电流输出型温度传感器还有我国生产的SG590系列）。,TO-52 金属封装 和 SIOC 封装,（二）电流型温度传感器（AD590）,13,1伏安特性 工作电压：4V30V，I 为一恒流值输出，ITk，即 KT标定因子，AD590的标定因子为1A/K,I = KT TK,AD590,14,2温度特性 其温度特性曲线函数是以Tk为变量的n阶多项式之和，省略非线性项后则有: Tc摄氏温度；I 的单位为A。 可见，当温度为0

8、时，输出电流为273.2A。在常温25时，标定输出电流为298.2A。,I=KTTc273.2,AD590,15,电流-电压转换电路（10mV/K）,增加负载电阻的阻值可提高输出电压。,AD590基本测温电路,广泛应用于高精度温度计和温度计量方面。,16,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DS182

9、0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。,（三）数字输出型IC温度传感器,17,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-55125，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。,18,在电脑中，集成温度传感器用于CPU散热保护电路,散热风扇,集成温度IC,CPU插座,CPU散热片,19,4. 非接触式温度测量,是目前高温测量主要方法 测量时，只需把温度光学接收系统对准被测物体，因此不会破坏物体的温度

10、场，同时感温元件只接收辐射能，而不必达到被测物体的实际温度，因此可以测高温。 任何物体处于绝对零度以上时，因其内部带电粒子的运动，都会以一定波长的电磁波的形式向外辐射能量，只是在低温时这种能量很微弱。 非接触式测温就是利用物体的辐射能量与温度之间的一定的函数关系来测温。,20,非接触式温度传感器组成：,热辐射源（被测物体） 辐射能量的传输通道 大气、光纤、真空以及光学系统等 接收和处理辐射信号的仪表 即检测元件，将辐射能转换为电信号,21,1）辐射式温度传感器,全辐射温度传感器 利用物体在全光谱范围内总辐射能量与温度的关系来测量温度的，所以希望光学系统有比较宽的光谱特性，而且热敏元件也采用没有

11、光谱选择性的元件。,斯蒂芬波尔兹曼定律（全辐射强度定律）,温度为T的绝对黑体全部波长的辐射出射度。,22,典型全辐射温度传感器是辐射温度计（热电堆）,23,部分热辐射温度传感器 采用有光谱选择性的检测元件。 常见的部分热辐射式温度传感器的检测元件有：光电池、光敏电阻、红外探测元件等，它们仅能对某一波长范围的光谱产生效应。因此它们要求能使工作光谱仅限于一定的光谱范围内，因此称为部分辐射温度传感器。,典型的：红外温度传感器 ：自然界中的任何物体，只要其温度在绝对零度以上，都会产生红外光向外界辐射能量，所辐射能量的大小，直接与该物体的温度有关：,24,被测物体的热辐射线由光学系统聚焦，经光栅盘调制为

12、一定频率的光能, 落在热敏电阻探测器上, 经电桥转换为交流电压信号, 放大后输出显示或记录。光栅盘由两片扇型光栅板组成, 一块固定, 一块可动，可动板受光栅调制电路控制, 并按一定频率正、反向转动, 实现开(透光)、关(不透光), 使入射线变为一定频率的能量作用在探测器上。表面温度测量范围为0600, 时间常数为410ms。,25,红外辐射测温仪HY-303,26,红外辐射测温仪HY-303,详细信息 采用红外技术，测量时无需接触被测物体，可以安全地检测难以接触的物体的温度，如带电设备，运动物体等，对被测物体无污染和损坏。具有测量速度快，带激光瞄准，携带方便，操作简单等特点。测量范围：-155

13、00发射率：0.31.0数字可调分辨率：1电源L一节6F22电池,人体主要辐射波长为9um-10um的红外线，而且由于该波长范围内的光线不被空气所吸收，通过对人体辐射红外能量的测量便能准确地测定人体表面温度。,27,光学高温计是发展最早、应用最广的非接触式温度计之一。 它结构简单，使用方便，测温范围广(7003200），一般可满足工业测温的准确度要求。 目前广泛用于高温熔体、炉窑的温度测量，是冶金、陶瓷等工业部门十分重要的高温仪表。,2）光学高温传感器,28,光学高温计是利用受热物体的单色辐射强度随温度升高而增加的原理制成，由于采用单一波长进行亮度比较，也称单色辐射温度计。 光学高温计通常采用

14、0.66土0.01m的单一波长，将物体的光谱辐射亮度L 和标准光源的光谱辐射亮度进行比较，确定待测物体的温度。 物体在高温下会发光，也就具有一定的亮度。物体的亮度与其辐射强度成正比。所以受热物体的亮度大小反映了物体的温度数值。通常先得到被测物体的亮度温度，然后转化为物体的真实温度。 即用光学高温计测量被测物体的温度时，读出的数值将不是该物体的实际温度，而是这个物体此时相当于绝对黑体的温度，即所谓的“亮度温度”。,29,光学高温计主要有以下形式： 灯丝隐灭式光学高温计 光电亮度式光电高温计,30,光学高温计,原理：由人眼对热辐射体和高温计灯泡在单一波长附近的光谱范围的辐射亮度进行判断，调节灯泡的

15、亮度使其在背景中隐灭或消失而实现温度测量的。 WGGZ型光学高温计的示意图如下图所示：,31,光电高温计,光学高温计在测量物体的温度时，由于要靠手动调节灯丝的亮度，由眼睛判别灯丝的“隐灭”，故观察误差较大，也无法实现自动检测和记录。 光电高温计优点：结构相对较简单，灵敏度高，测量范围广，使用方便。,32,国产WDL型光电高温计的工作原理示意图,33,光电高温计与光学高温计相比,光学高温计的缺点是以人眼观察，并需用手动平衡，因此不能实现快速测量和自动记录，且测量结果带有主观性。 最近，由于光电探测器、干涉滤光片及单色器的发展，使光学高温计在工业测量中的地位逐渐下降，正在被较灵敏、准确的光电高温计

16、所代替。 在光学高温计基础上发展起来的光电高温计用光敏元件代替人眼，实现了光电自动测量。 特点: 灵敏度和准确度高；波长范围不受限制，可见光与红外范围均可，测温下限可向低温扩展；响应时间短；便于自动测量和控制，能自动记录和远距离传送。,34,3）比色温度传感器,通过测量热辐射体在两个以上波长的光谱辐射亮度之比来测量温度的仪表，称为比色温度计。,这种高温计属非接触测量，量程为8002000，精度为0.5，响应速度由光电元件及二次仪表记录速度而定。其优点是测温准确度高，反应速度快，测量范围宽，可测目标小，测量温度更接近真实温度，环境的粉尘，水气，烟雾等对测量结果的影响小。可用于冶金、水泥、玻璃等工业部门。,35,被测对象经物镜1成像与光栏3,经光导棒4投射到分光镜6上, 它使长波(