第四章溫度檢測

1、傳感器與智能檢測技術(shù) 第四章 溫度檢測2溫度溫度n溫度是工業(yè)生產(chǎn)和科學實驗中一個非常重要的溫度是工業(yè)生產(chǎn)和科學實驗中一個非常重要的參數(shù)。參數(shù)。 n對溫度的測量越來越普遍對溫度的測量越來越普遍, 而且對溫度測量的而且對溫度測量的準確度也有更高的要求。準確度也有更高的要求。 n溫度是表征物體冷熱程度的物理量。溫度是表征物體冷熱程度的物理量。n溫度不能直接加以測量。溫度不能直接加以測量。34.1 溫標及測溫方法4.1.1 溫標溫標n定量描述溫度的高低所建立溫度標尺定量描述溫度的高低所建立溫度標尺, 即溫標。即溫標。 溫標就是溫度的數(shù)值表示。溫標就是溫度的數(shù)值表示。n各種溫度計和溫度傳感器的溫度數(shù)值均

2、由溫標各種溫度計和溫度傳感器的溫度數(shù)值均由溫標確定。確定。n歷史上提出過多種溫標歷史上提出過多種溫標q攝氏溫標攝氏溫標q華氏溫標華氏溫標q國際溫標國際溫標4 4.1.1 溫度測量的主要方法和分類溫度測量的主要方法和分類n 溫度傳感器的組成在工程中無論是簡單的還是復雜的測溫傳感器, 就測量系統(tǒng)的功能而言, 通常由現(xiàn)場的感溫元件和控制室的顯示裝置兩部分組成, 如圖 所示。5溫度檢測的主要方法溫度檢測的主要方法n測溫方法分類：測溫方法分類：q接觸測量法接觸測量法n膨脹式溫度計膨脹式溫度計n電阻式溫度傳感器電阻式溫度傳感器n熱電偶傳感器熱電偶傳感器n石英晶體測溫傳感器石英晶體測溫傳感器n集成溫度傳感器

3、集成溫度傳感器q非接觸測量法非接觸測量法n熱探測器紅外測溫傳感器熱探測器紅外測溫傳感器n光子探測器紅外測溫傳感器光子探測器紅外測溫傳感器64.2 膨脹式溫度計膨脹式溫度計784.3 電阻式溫度傳感器電阻式溫度傳感器 熱電阻和熱敏電阻熱電阻和熱敏電阻利用電阻隨利用電阻隨溫度變化溫度變化而制成的傳感器稱為電阻式溫度傳而制成的傳感器稱為電阻式溫度傳感器。感器。分為：金屬熱電阻金屬熱電阻和半導體熱敏電阻半導體熱敏電阻9一：金屬熱電阻一：金屬熱電阻電阻溫度系數(shù)大而穩(wěn)定；電阻溫度系數(shù)大而穩(wěn)定；電阻率要大；電阻率要大； 電阻溫度系數(shù)保持單值電阻溫度系數(shù)保持單值,最好為常數(shù)；最好為常數(shù)；金屬的物理、化學性能穩(wěn)

4、定；金屬的物理、化學性能穩(wěn)定；電阻電阻材料材料條件條件目前最常用的熱電阻有鉑熱電阻和銅熱電阻。目前最常用的熱電阻有鉑熱電阻和銅熱電阻。10(a)鉑電阻鉑電阻 ：n鉑熱電阻的特點是精度高、穩(wěn)定性好、性能可靠鉑熱電阻的特點是精度高、穩(wěn)定性好、性能可靠, 所以在溫度所以在溫度傳感器中得到了廣泛應(yīng)用。按傳感器中得到了廣泛應(yīng)用。按IEC標準標準, 鉑熱電阻的使用溫度鉑熱電阻的使用溫度范圍為范圍為-200+850。650,010 ,200100120320tBtAtRRttCtCBtAtRRtt412273/1022.4/10847.5/1096847.3CCCBCA1112（b）銅電阻）銅電阻150,5

5、01320tCtBtAtRRt精度要求不高，溫度較低的場合精度要求不高，溫度較低的場合易氧化，體積大，但便宜易氧化，體積大，但便宜39273/10233. 1/10133. 2/1028899. 4CCCBCA其中：常用的工業(yè)其中：常用的工業(yè)銅電阻銅電阻13熱電阻的結(jié)構(gòu)熱電阻的結(jié)構(gòu)n它由電阻體、它由電阻體、 絕緣管、保護套管、引線和接線盒等絕緣管、保護套管、引線和接線盒等部分組成。部分組成。 n電阻體由電阻絲和電阻支架組成。電阻體由電阻絲和電阻支架組成。 電阻絲電阻絲采用雙線采用雙線無感繞法繞制無感繞法繞制在具有一定形狀的云母、石英或陶瓷塑在具有一定形狀的云母、石英或陶瓷塑料支架上料支架上,

6、支架起支撐和絕緣作用支架起支撐和絕緣作用, 引出線通常采用直引出線通常采用直徑徑1mm的銀絲或鍍銀銅絲的銀絲或鍍銀銅絲, 它與接線盒柱相接它與接線盒柱相接, 以便以便與外接線路相連而測量顯示溫度。與外接線路相連而測量顯示溫度。1415n用熱電阻傳感器進行測溫時用熱電阻傳感器進行測溫時, 測量電路經(jīng)常采用測量電路經(jīng)常采用電橋電路。電橋電路。 而熱電阻與檢測儀表相隔一段距離而熱電阻與檢測儀表相隔一段距離, 因此熱電阻的引線對測量結(jié)果有較大的影響。因此熱電阻的引線對測量結(jié)果有較大的影響。n熱電阻引線方式有兩線制、熱電阻引線方式有兩線制、 三線制和四線制三種。三線制和四線制三種。 q二線制中引線電阻對

7、測量影響大二線制中引線電阻對測量影響大, 用于測溫精度要求不用于測溫精度要求不高場合。高場合。q三線制可以減小熱電阻與測量儀表之間連接導線的電阻三線制可以減小熱電阻與測量儀表之間連接導線的電阻因環(huán)境溫度變化所引起的測量誤差。因環(huán)境溫度變化所引起的測量誤差。 q四線制可以完全消除引線電阻對測量的影響四線制可以完全消除引線電阻對測量的影響, 用于高精用于高精度溫度檢測度溫度檢測16三線制線路電阻補償法三線制線路電阻補償法174.4 熱電偶傳感器熱電偶傳感器4.4.1 熱電偶測溫原理熱電偶測溫原理兩種導體兩種導體A A、B B連接構(gòu)成回路連接構(gòu)成回路 兩端溫度兩端溫度T T0 0TT 回路產(chǎn)生溫差熱

8、電勢回路產(chǎn)生溫差熱電勢ABTT0I加熱加熱保持恒溫保持恒溫測量端、工作端、熱端測量端、工作端、熱端參考端、自由端、冷端參考端、自由端、冷端18熱電偶傳感器熱電偶傳感器ABTT01、熱電勢的產(chǎn)生、熱電勢的產(chǎn)生熱電偶產(chǎn)生的熱電勢與兩電熱電偶產(chǎn)生的熱電勢與兩電極的材料和兩電極的溫度有關(guān)。極的材料和兩電極的溫度有關(guān)。（1）單一導體的溫差電勢）單一導體的溫差電勢 一根勻質(zhì)金屬導體兩端溫度不一根勻質(zhì)金屬導體兩端溫度不同，導體內(nèi)部產(chǎn)生電動勢同，導體內(nèi)部產(chǎn)生電動勢TTAAdTTTE00,A是導體是導體A的的溫差系數(shù)溫差系數(shù)19熱電偶傳感器熱電偶傳感器 兩種金屬兩種金屬A、B接觸，由于導體內(nèi)自電電子密接觸，由于

9、導體內(nèi)自電電子密度不同，接觸面形成電場。度不同，接觸面形成電場。（2）兩種導體的接觸電勢）兩種導體的接觸電勢電場阻止作用與擴散作用處于動態(tài)平衡時，產(chǎn)生一個電場阻止作用與擴散作用處于動態(tài)平衡時，產(chǎn)生一個固定的電動勢固定的電動勢BAABNNeKTTEln)(式中：式中：K波爾茲曼常數(shù)波爾茲曼常數(shù)T接觸處的絕對溫度接觸處的絕對溫度e電子電荷量電子電荷量 NA、NB 分別為金屬分別為金屬A、B的自由電子密度的自由電子密度20熱電偶傳感器熱電偶傳感器（2）熱電偶回路的總的電勢）熱電偶回路的總的電勢dTNNTTeKTTETTETETTETETTETTABBAABABABABAB0ln,)(,)(,0000

10、00當當AB為同質(zhì)材料，為同質(zhì)材料，NANB，A B EAB（T，T0）0當當AB為異質(zhì)材料，為異質(zhì)材料，NANB，A B EAB（T1，T0） 0212、熱電偶的基本定律、熱電偶的基本定律熱電偶傳感器熱電偶傳感器ABMTCTnT0 在熱電偶回路中接入第三種導體后，只要第三種在熱電偶回路中接入第三種導體后，只要第三種導體兩端的溫度相同，就不會影響熱電偶回路的總熱導體兩端的溫度相同，就不會影響熱電偶回路的總熱電勢。電勢。（1）中間導體定律）中間導體定律 TTETETTETETTETETTETETTEABAnBnCBnnCnBCnBABABC,000022熱電偶傳感器熱電偶傳感器 0000000,

11、00,TTETTETETTETETTETETETTETTETTETTEABABABABABCnCBnBCnnCBnBnB 所以可以在回路引入各種儀表和連接線，而所以可以在回路引入各種儀表和連接線，而對熱電勢無影響。對熱電勢無影響。232425熱電偶傳感器熱電偶傳感器),(),(),(00TTETTETTEnABnABAB（2）中間溫度定律）中間溫度定律 熱電偶熱電偶AB在接點溫度為（在接點溫度為（T，T0）時的熱電勢等于該熱電）時的熱電勢等于該熱電偶在接點為（偶在接點為（T，Tn）和（）和（Tn，T0）時的熱電勢的代數(shù)和）時的熱電勢的代數(shù)和Tn稱為中間溫度稱為中間溫度ABTT0Tn26熱電偶傳

12、感器熱電偶傳感器（3）標準電極定律）標準電極定律 若熱電極若熱電極A和和B分別與標準熱電極分別與標準熱電極C組成的熱組成的熱電偶產(chǎn)生的熱電勢已知，則由電偶產(chǎn)生的熱電勢已知，則由A和和B組成的熱電偶組成的熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢為所產(chǎn)生的熱電勢為),(),(),(000TTETTETTEBCACAB27熱電偶傳感器熱電偶傳感器),(),(),(000TTETTETTEBCACABAB A C B CABTT0BTT0CTT0CA284.4.2 熱電極材料及常用熱電偶熱電極材料及常用熱電偶熱電極材料熱電極材料n在測溫范圍內(nèi)，熱點性質(zhì)穩(wěn)定。n電導率高，電阻溫度系數(shù)小。n熱電勢隨溫度變化率大。n材料機械強

13、度高，價格便宜。常用熱電偶常用熱電偶n鉑銠10-鉑熱電偶（S型） 1200 n鉑銠30-鉑銠6-熱電偶（B型） 1600 n鎳鉻-鎳硅（鎳鉻-鎳鋁）熱電偶（K型） 900 n鎳鉻-康銅熱電偶（E型） 600 2930熱電偶傳感器熱電偶傳感器31熱電偶測溫熱電偶測溫1、測溫原理與方法測溫原理與方法 熱電偶的材料確定后，且參數(shù)溫度熱電偶的材料確定后，且參數(shù)溫度T0(冷端冷端溫度溫度)恒定不變后，則有恒定不變后，則有 EAB（T，T0）f（T），），即熱電勢只與被測溫度（簡稱熱端溫度）即熱電勢只與被測溫度（簡稱熱端溫度）成單值對應(yīng)關(guān)系。成單值對應(yīng)關(guān)系。 當當T0=0時，時，T取不同溫度時的取不同溫度

14、時的EAB(T，0) , 制制成關(guān)系數(shù)據(jù)表，查表法即可確定成關(guān)系數(shù)據(jù)表，查表法即可確定T的大小。的大小。32EAB(T，T0) EAB(T，0) EAB(T0，0)則：則：EAB(T，0) EAB(T，T0) EAB(T0，0)若：若：T0 0時，則由時，則由測量后已知測量后已知已知已知查表后確定查表后確定T334.4.3 熱電偶的冷端處理熱電偶的冷端處理（1）恒溫法）恒溫法將冷端處于冰水混合物中或處于恒溫槽中將冷端處于冰水混合物中或處于恒溫槽中（2）冷端的延伸）冷端的延伸實際測溫時實際測溫時 被測點與指示儀表之間距離長被測點與指示儀表之間距離長熱端要遠離冷端熱端要遠離冷端熱電偶材料昂貴熱電偶

15、材料昂貴專用導專用導線將冷線將冷端延長端延長 注意：注意： 補償導線的使用不能代替冷端溫度補償。補償導線的使用不能代替冷端溫度補償。34應(yīng)滿足的條件：應(yīng)滿足的條件： 補償導線在一定溫度范圍（補償導線在一定溫度范圍（0100 ） 要與所配熱電偶的熱電特性相同，要與所配熱電偶的熱電特性相同， 即即 EAB（Tn，T0）=EAB（Tn，T0） 兩接點溫度均相同（兩接點溫度均相同（Tn） 同性極性相接，不可接反。同性極性相接，不可接反。35（3）冷端的自動補償）冷端的自動補償ABTTnUOR1R2R3RtR4EbaR1、R2、R3：用錳銅制電阻溫度系數(shù)極小，：用錳銅制電阻溫度系數(shù)極小，可近似為不隨溫度

16、變化?？山茷椴浑S溫度變化。Rt： 由溫度系數(shù)大的銅絲制成由溫度系數(shù)大的銅絲制成36 Rt與冷端感受同一溫度（或稱環(huán)境溫度）后，當與冷端感受同一溫度（或稱環(huán)境溫度）后，當Tn變化變化時，時， Rt也隨之變化，電橋便由原來的平衡輸出也隨之變化，電橋便由原來的平衡輸出u0變成不平衡變成不平衡輸出，設(shè)不平衡輸出電壓為輸出，設(shè)不平衡輸出電壓為Uab，則：，則：abnABUTTEU),(0選橋臂電阻和電流，使之滿足選橋臂電阻和電流，使之滿足),(),(),(),(),(0000000TTETTETTEUTTEUTTEUTTUTTABnABnABabnABnABabnabn時時374.4.4 熱電偶傳感器

17、的應(yīng)用熱電偶傳感器的應(yīng)用熱電偶報警傳感器熱電偶報警傳感器 一種是將冷端處于較穩(wěn)定的低溫環(huán)境、熱端置于被一種是將冷端處于較穩(wěn)定的低溫環(huán)境、熱端置于被測的高溫環(huán)境中。傳感器能感受熱端環(huán)境由于超溫或者測的高溫環(huán)境中。傳感器能感受熱端環(huán)境由于超溫或者火焰引起的溫升而輸出一個相應(yīng)的熱電勢。火焰引起的溫升而輸出一個相應(yīng)的熱電勢。 一種是將熱端加工成具有較大的表面積及較小的質(zhì)一種是將熱端加工成具有較大的表面積及較小的質(zhì)量，將冷端加工成具有較小的表面積及較大的質(zhì)量，將量，將冷端加工成具有較小的表面積及較大的質(zhì)量，將此二端均置于被測環(huán)境中，此二端均置于被測環(huán)境中，傳感器只能感受由于火焰引傳感器只能感受由于火焰引

18、起的溫升速率而輸出相應(yīng)的熱電勢。起的溫升速率而輸出相應(yīng)的熱電勢。384.5 輻射式溫度傳感器輻射式溫度傳感器n輻射式溫度傳感器是利用物體輻射能隨溫度輻射式溫度傳感器是利用物體輻射能隨溫度變化原理，特點如下：變化原理，特點如下：n傳感器和被測對象不接觸傳感器和被測對象不接觸n傳感器的溫度不必與被測對象相同傳感器的溫度不必與被測對象相同n檢測過程不必有熱平衡時間檢測過程不必有熱平衡時間394.5.1 輻射測溫的物理基礎(chǔ)n熱輻射：物體受熱激勵了原子中的帶電粒子，使一部分熱能以電磁波的形式向空間傳播。n黑體(熱力學) ：黑體是指入射的電磁波全部被吸收，既沒有反射，也沒有透射 。n輻射基本定律：q普朗克

19、輻射定律(Planck)則給出了黑體輻射的具體譜分布，即在不同溫度下，單位面積的黑體在單位時間、單位立體角內(nèi)和單位波長間隔內(nèi)輻射出的能量。q斯忒藩-玻爾茲曼定律給出：黑體的全輻射能與其表面積成正比，與有效溫度的四次方成正比，再乘上玻爾茲曼常數(shù)。40測量方法n亮度法：測量對象被限制在一特定波長范圍內(nèi)，與已知溫度進行比較的方法。n全輻射法：對應(yīng)全波長范圍內(nèi)的輻射能量檢測。n比色法：利用被測對象的兩個不同波長（或波段）光譜輻射亮度之比實現(xiàn)輻射測溫。411.1.紅外線：不可見紅外線：不可見電磁波電磁波，波長為，波長為0.760.761000m1000mn 紅外傳感器紅外傳感器42 光熱效應(yīng)光熱效應(yīng)是光

20、譜中最大光熱效應(yīng)區(qū)，只要物是光譜中最大光熱效應(yīng)區(qū)，只要物體高于體高于 -273.15-273.15就會不斷輻射紅外線，溫度越就會不斷輻射紅外線，溫度越高，發(fā)射越多。高，發(fā)射越多。2.2.最大的特點：最大的特點： 利用氣體和液體對不同波長的紅外線具有選擇利用氣體和液體對不同波長的紅外線具有選擇性吸收。性吸收。3.3.用以測量溫度和測量成分用以測量溫度和測量成分n 紅外傳感器紅外傳感器43紅外傳感器紅外傳感器紅外輻射通過大氣層時，有三個波段透過率高：紅外輻射通過大氣層時，有三個波段透過率高：2 2.6m、 35m 、 814m稱為稱為“大氣窗口大氣窗口”444. 4. 紅外探測器分類紅外探測器分類

21、熱探測器熱探測器光子探測器光子探測器紅外傳感器紅外傳感器 熱探測器是利用紅外輻射的熱效應(yīng)熱探測器是利用紅外輻射的熱效應(yīng), , 探測器的敏感探測器的敏感元件吸收輻射能后引起溫度升高元件吸收輻射能后引起溫度升高, , 進而使有關(guān)物理參數(shù)進而使有關(guān)物理參數(shù)發(fā)生相應(yīng)變化，通過測量物理參數(shù)的變化發(fā)生相應(yīng)變化，通過測量物理參數(shù)的變化, , 便可確定探便可確定探測器所吸收的紅外輻射。測器所吸收的紅外輻射。 光子探測器利用入射紅外輻射的光子流與探測器光子探測器利用入射紅外輻射的光子流與探測器材料中電子的相互作用材料中電子的相互作用, , 改變電子的能量狀態(tài)改變電子的能量狀態(tài), , 引起引起各種電學現(xiàn)象。各種電

22、學現(xiàn)象。 這稱光子效應(yīng)。通過測量材料電子這稱光子效應(yīng)。通過測量材料電子性質(zhì)的變化性質(zhì)的變化, , 可以知道紅外輻射的強弱。可以知道紅外輻射的強弱。45熱釋電探測器：熱釋電探測器： 當紅外輻射照到已極化的鐵電薄片上時，引起薄片表當紅外輻射照到已極化的鐵電薄片上時，引起薄片表面溫度升高，從而釋放一部分電荷，釋放的電荷用放大器面溫度升高，從而釋放一部分電荷，釋放的電荷用放大器轉(zhuǎn)變成輸出電壓。利用這個原理（釋放的電信號正比于器轉(zhuǎn)變成輸出電壓。利用這個原理（釋放的電信號正比于器件升溫隨時間的變化率），其應(yīng)用日益廣泛，即可以工作件升溫隨時間的變化率），其應(yīng)用日益廣泛，即可以工作在高頻，又可以工作的低頻。在

23、高頻，又可以工作的低頻。紅外傳感器紅外傳感器熱探測器熱探測器主要類型主要類型熱釋電型、熱敏電阻型、熱釋電型、熱敏電阻型、 熱電偶型和氣體型探測器。熱電偶型和氣體型探測器。缺點：響應(yīng)時間長。缺點：響應(yīng)時間長。優(yōu)點：優(yōu)點：響應(yīng)波段寬響應(yīng)波段寬, , 響應(yīng)范圍可擴展到整個紅外區(qū)域響應(yīng)范圍可擴展到整個紅外區(qū)域, , 可可以在室溫下工作以在室溫下工作, , 使用方便。使用方便。46光子探測器主要類型：光子探測器主要類型： 有內(nèi)光電和外光電探測器兩種有內(nèi)光電和外光電探測器兩種, , 后者又后者又分為光電導、光生伏特和光磁電探測器等三分為光電導、光生伏特和光磁電探測器等三種。種。優(yōu)缺點：優(yōu)缺點：光子探測器的

24、主要特點是靈敏度高光子探測器的主要特點是靈敏度高, , 響應(yīng)速度快響應(yīng)速度快, , 具有較高的響應(yīng)頻率具有較高的響應(yīng)頻率, , 但探測波但探測波段較窄段較窄, , 一般需在低溫下工作。一般需在低溫下工作。紅外傳感器紅外傳感器474.6 石英晶體測溫傳感器石英晶體測溫傳感器f f f f0 0（1 1atatbtbt2 2ctct3 3）a a，b b，c c 頻率溫度系數(shù)頻率溫度系數(shù)石英晶體頻率式溫度傳感器石英晶體頻率式溫度傳感器當當80t250 80t250 ，頻率與溫度的關(guān)系：，頻率與溫度的關(guān)系：f f0 0 t t0 0時的固有頻率時的固有頻率當當b b，c 0c 0：f ff f0 0

25、（1 1atat） 呈線性呈線性48494.7 集成溫度傳感器集成溫度傳感器n集成溫度傳感器是利用晶體管集成溫度傳感器是利用晶體管PN結(jié)的電流電壓特結(jié)的電流電壓特性與溫度的關(guān)系性與溫度的關(guān)系, 把感溫把感溫PN結(jié)及有關(guān)電子線路集結(jié)及有關(guān)電子線路集成在一個小硅片上成在一個小硅片上, 構(gòu)成一個小型化、一體化的構(gòu)成一個小型化、一體化的專用集成電路片。專用集成電路片。 n集成溫度傳感器具有體積小、反應(yīng)快、線性好、集成溫度傳感器具有體積小、反應(yīng)快、線性好、價格低等優(yōu)點價格低等優(yōu)點, 由于由于PN結(jié)受耐熱性能和特性范圍結(jié)受耐熱性能和特性范圍的限制的限制, 它只能用來測它只能用來測150以下的溫度。以下的溫

26、度。 n電流輸出型典型的集成溫度傳感器有美國電流輸出型典型的集成溫度傳感器有美國AD公司公司生產(chǎn)的生產(chǎn)的AD590, 我國產(chǎn)的我國產(chǎn)的SG590也屬于同類型產(chǎn)也屬于同類型產(chǎn)品。品。50AD590集成溫度傳感器應(yīng)用實例集成溫度傳感器應(yīng)用實例nAD590是應(yīng)用廣泛的一種集成溫度傳感器是應(yīng)用廣泛的一種集成溫度傳感器, 由于它內(nèi)由于它內(nèi)部有放大電路部有放大電路, 再配上相應(yīng)外電路再配上相應(yīng)外電路,方便地構(gòu)成各種應(yīng)方便地構(gòu)成各種應(yīng)用電路。用電路。 n溫度測量電路溫度測量電路 : 但實際上存在一定誤差但實際上存在一定誤差, 可以在外電可以在外電路中進行修正。將路中進行修正。將AD590串聯(lián)一個可調(diào)電阻串聯(lián)一個可調(diào)電阻, 在已知在已知溫度下調(diào)整電阻值溫度下調(diào)整電阻值, 使輸出電壓使輸出電壓UT滿足滿足1mV/k的關(guān)系的關(guān)系（如（如25時時, UT應(yīng)為應(yīng)為298.2mV）。調(diào)整好以后）。調(diào)整好以后, 固定固定可調(diào)電阻可調(diào)電阻, 即可由輸出電壓即可由輸出電壓VT讀出讀出AD590所處的熱力所處的熱力學溫度。學溫度。 51111lnSCbeIIqkTV222lnSCbeIIqkTV122121lnSSCCbebebeIIIIqkTVVVVEEIOR1V2V1V3V4V基射結(jié)電壓：基射結(jié)電壓：基射極電壓差基射極電壓差12122121,AAI