第3章溫度傳感器

溫度傳感器內(nèi)容提要在本章中，首先介紹溫度的檢測(cè)方法及其特點(diǎn)，通過對(duì)接觸式溫度檢測(cè)（熱電阻、熱敏電阻、熱電偶、集成溫度傳感器）及非接觸式溫度檢測(cè)器（光學(xué)高溫計(jì)、輻射溫度計(jì)、紅外溫度傳感器、光纖溫度傳感器）工作原理的分析，詳細(xì)地介紹了溫度測(cè)量的各種方法及應(yīng)用技術(shù)。通過本章學(xué)習(xí)，要求學(xué)會(huì)利用各種測(cè)溫元件實(shí)現(xiàn)溫度的接觸式和非接觸式測(cè)量。3.1.1溫度與溫標(biāo)溫度是表征物體冷熱程度的物理量，是物體內(nèi)部分子無規(guī)則劇烈運(yùn)動(dòng)程度的標(biāo)志，是工業(yè)生產(chǎn)中最普遍、最重要的熱工參數(shù)之一。由于溫度是直接影響生產(chǎn)安全、產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)效率、能源使用情況等的因素，因而對(duì)溫度的檢測(cè)提出了更高的要求。為了定量地描述溫度，引入一個(gè)概念─—溫標(biāo)。溫標(biāo)是衡量物體溫度的標(biāo)準(zhǔn)尺度，是溫度的數(shù)值表示方法，是規(guī)定溫度的讀數(shù)起點(diǎn)（零點(diǎn)）和測(cè)量的基本單位。溫標(biāo)的種類很多，目前國(guó)際上常用的溫標(biāo)有攝氏溫標(biāo)、華氏溫標(biāo)、熱力學(xué)溫標(biāo)和國(guó)際實(shí)用溫標(biāo)。1.攝氏溫標(biāo)攝氏溫標(biāo)是根據(jù)液體（水銀）受熱后體積膨脹的性質(zhì)建立起來的。攝氏溫標(biāo)規(guī)定在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下純水的冰融點(diǎn)為0℃，水沸點(diǎn)為100℃，在0℃～100℃之間分一百等份，每一等份定義為1攝氏度。單位符號(hào)為℃，變量符號(hào)記作t。3.熱力學(xué)溫標(biāo)1948年，威廉.湯姆首先提出的；熱力學(xué)溫標(biāo)又稱開氏溫標(biāo)；是以熱力學(xué)第二定律為基礎(chǔ)的理論溫標(biāo)，與物體任何物理性質(zhì)無關(guān)，是國(guó)際統(tǒng)一的基本溫標(biāo)。單位符號(hào)為K，變量符號(hào)記作T。熱力學(xué)溫標(biāo)有一個(gè)絕對(duì)零度，它規(guī)定分子運(yùn)動(dòng)停止時(shí)的溫度為絕對(duì)零度，因此它又稱為絕對(duì)溫標(biāo)。熱力學(xué)第二定理的表述①熱不可能自發(fā)地、不付代價(jià)地從低溫物體傳到高溫物體(不可能使熱量由低溫物體傳遞到高溫物體，而不引起其他變化，這是按照熱傳導(dǎo)的方向來表述的)。

②不可能從單一熱源取熱，把它全部變?yōu)楣Χ划a(chǎn)生其他任何影響(這是從能量消耗的角度說的,它說明第二類永動(dòng)機(jī)是不可能實(shí)現(xiàn)的）。4.國(guó)際實(shí)用溫標(biāo)由于熱力學(xué)溫標(biāo)是理論溫標(biāo)無法付諸實(shí)用。為此需要建立一種緊密接近熱力學(xué)溫標(biāo)的簡(jiǎn)單溫標(biāo)，即國(guó)際實(shí)用溫標(biāo)。（InternationalpracticalTermperturescaleof1968）簡(jiǎn)稱IPTS-68，又稱國(guó)際溫標(biāo)。國(guó)際實(shí)用溫標(biāo)是用來復(fù)現(xiàn)熱力學(xué)溫標(biāo)的；溫標(biāo)單位大小定義為水三相點(diǎn)（固、液、氣三相并存）的熱力學(xué)溫度的1/273.16，其單位符號(hào)為K（開爾文），變量符號(hào)記作T90。T90：1990年國(guó)際溫標(biāo)（ITS－90）定義的國(guó)際開爾文溫度。4.國(guó)際實(shí)用溫標(biāo)攝氏溫標(biāo)與華氏溫標(biāo)的換算關(guān)系為：攝氏溫標(biāo)與華氏溫標(biāo)：攝氏溫標(biāo)與國(guó)際實(shí)用溫標(biāo)：（3）利用導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻與溫度關(guān)系測(cè)溫對(duì)于鉑、銅等金屬導(dǎo)體或半導(dǎo)體熱敏電阻，其阻值隨溫度變化發(fā)生相應(yīng)變化，根據(jù)R-t關(guān)系測(cè)量溫度。如鉑電阻溫度計(jì)。（4）利用熱輻射原理測(cè)溫物體輻射能隨溫度而變化，利用這一性質(zhì)制成選擇物質(zhì)不與被測(cè)物質(zhì)相接觸而測(cè)溫的輻射式溫度計(jì)。如單色輻射高溫計(jì)、光學(xué)高溫計(jì)和比色高溫計(jì)等。在溫度檢測(cè)系統(tǒng)中，感受溫度變化的元件稱為感溫元件；將溫度轉(zhuǎn)換成電量（如電壓、電阻等）輸出的儀表稱為溫度傳感器。習(xí)慣上，按測(cè)溫范圍不同，將600℃以上的測(cè)溫儀表稱為高溫計(jì)；把測(cè)量600℃以下的測(cè)溫儀表稱為溫度計(jì)。根據(jù)感溫元件與被測(cè)物質(zhì)是否接觸，將溫度檢測(cè)儀表分為接觸式和非接觸式兩大類。3.2接觸式溫度檢測(cè)技術(shù)接觸式測(cè)溫的方法就是使溫度敏感元件與被測(cè)對(duì)象相接觸，使其進(jìn)行充分的熱交換，當(dāng)熱交換平衡時(shí)，溫度敏感元件與被測(cè)對(duì)象的溫度相等；測(cè)溫傳感器的輸出大小即反映了被測(cè)溫度的高低。常用的接觸式測(cè)溫儀表有將溫度轉(zhuǎn)化為非電量的熱膨脹式；將溫度轉(zhuǎn)化為電量的熱電偶、熱電阻和熱敏電阻等。接觸式測(cè)溫傳感器的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、測(cè)量精度高、穩(wěn)定性好、價(jià)格低；缺點(diǎn)是有較大的滯后現(xiàn)象（測(cè)溫時(shí)由于要進(jìn)行充分的熱交換），不方便對(duì)運(yùn)動(dòng)物體進(jìn)行溫度測(cè)量，被測(cè)對(duì)象的溫場(chǎng)易受傳感器的影響，感溫元件材料的性質(zhì)決定測(cè)溫范圍等。3.2.1熱電阻及溫度檢測(cè)金屬（包括合金）導(dǎo)體或金屬氧化物半導(dǎo)體的電阻值隨溫度變化而改變，通過對(duì)其阻值的測(cè)量可以推算出被測(cè)物體的溫度，利用此原理構(gòu)成的傳感器就是電阻溫度傳感器。熱電阻經(jīng)常用來測(cè)量-200℃～+850℃區(qū)間內(nèi)的溫度。熱電阻的優(yōu)點(diǎn)：測(cè)量范圍寬、精度高、穩(wěn)定性好等。溫度的基本概念和測(cè)量方法 反映了物體冷熱的程度，與自然界中的各種物理和化學(xué)過程相聯(lián)系。

溫度概念的建立及測(cè)量：以熱平衡為基礎(chǔ)的。

溫度最本質(zhì)的性質(zhì)：當(dāng)兩個(gè)冷熱程度不同的物體接觸后就會(huì)產(chǎn)生導(dǎo)熱、換熱，換熱結(jié)束后兩物體處于熱平衡狀態(tài)，則它們具有相同的溫度。測(cè)量方法：接觸式測(cè)溫和非接觸式測(cè)溫上一頁下一頁返回非接觸測(cè)溫 溫度敏感元件不與被測(cè)對(duì)象接觸，而是通過輻射能量進(jìn)行熱交換，由輻射能的大小來推算被測(cè)物體的溫度。

常用的非接觸式測(cè)溫儀表： (1)輻射式溫度計(jì)：基于普朗克定理 光電高溫計(jì)，輻射溫度計(jì)，比色溫度計(jì)。 (2)光纖式溫度計(jì)：光纖的溫度特性、傳光介質(zhì)。 光纖溫度傳感器，光纖輻射溫度計(jì)。優(yōu)點(diǎn)：不與被測(cè)物體接觸，不破壞原有的溫度場(chǎng)，在被測(cè)物體為運(yùn)動(dòng)物體時(shí)尤為適用。缺點(diǎn)：精度一般不高。上一頁下一頁返回(1)經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo) 由特定的測(cè)溫質(zhì)和測(cè)溫量所確定的溫標(biāo)華氏溫標(biāo) 1714年德國(guó)人華倫海特(Fahrenheit)以水銀的體積隨溫度而變化為依據(jù)，制成了玻璃水銀溫度計(jì)，并規(guī)定了氯化氨和冰的混合物為00F，水的沸點(diǎn)為2120F,冰的熔點(diǎn)為320F,在沸點(diǎn)和冰點(diǎn)之間等分為180份，每份為華氏1度(10F)。上一頁下一頁返回PTC熱敏電阻－正溫度系數(shù)鈦酸鋇摻合稀土元素?zé)Y(jié)而成用途：彩電消磁，各種電器設(shè)備的過熱保護(hù)，發(fā)熱源的定溫控制，限流元件。

CTR熱敏電阻－臨界溫度系數(shù) 以三氧化二釩與鋇、硅等氧化物，在磷、硅氧化物在弱還原氣氛中混合燒結(jié)而成。在某個(gè)溫度上電阻值急劇變化,具有開關(guān)特性。用途：溫度開關(guān)

上一頁下一頁返回?zé)崦綦娮璧慕Y(jié)構(gòu)形式上一頁下一頁返回?zé)犭娕蓟芈返目偀犭妱?shì)

1.勻質(zhì)導(dǎo)體定律由一種勻質(zhì)導(dǎo)體所組成的閉合回路，不論導(dǎo)體的截面積如何及導(dǎo)體的各處溫度分布如何，都不能產(chǎn)生熱電勢(shì)。熱電偶必須采用兩種不用材料的導(dǎo)體組成，熱電偶的熱電勢(shì)僅與兩接點(diǎn)的溫度有關(guān)，而與沿?zé)犭姌O的溫度分布無關(guān)。如果熱電偶的熱電極是非勻質(zhì)導(dǎo)體，在不均勻溫度場(chǎng)中測(cè)溫時(shí)將造成測(cè)量誤差。所以熱電極材料的均勻性是衡量熱電偶質(zhì)量的重要技術(shù)指標(biāo)之一。上一頁下一頁返回3.連接導(dǎo)體定律為在工業(yè)測(cè)量溫度中使用補(bǔ)償導(dǎo)線提供了理論基礎(chǔ)。上一頁下一頁返回銅-銅鎳（康銅）T－270~350400準(zhǔn)確度高，價(jià)格低，廣泛用于低溫測(cè)量鎳鉻-銅鎳E－270~8701000熱電勢(shì)較大，中低溫穩(wěn)定性好，耐磨蝕，價(jià)格便宜，廣泛用于中低溫測(cè)量鐵-銅鎳J－210~7501200價(jià)格便宜，耐H2和CO2氣體腐蝕，在含碳或鐵的條件下使用也很穩(wěn)定，適用于化工生產(chǎn)過程的溫度測(cè)量熱電偶(J分度號(hào))

測(cè)量范圍：0℃～600℃，固定螺紋式。熱電絲材料為鐵-康銅，既可用于氧化性氣體，也可用于還原性氣體，并且耐H2及CO氣體腐蝕，多用于煉油及化工。光電高溫計(jì)光學(xué)高溫計(jì)是由人工操作來完成亮度平衡工作的，其測(cè)量結(jié)果帶有操作者的主觀誤差。它不能進(jìn)行連續(xù)測(cè)量和記錄，當(dāng)被測(cè)溫度低于8000C時(shí)，光學(xué)高溫計(jì)對(duì)亮度無法進(jìn)行平衡。光電高溫計(jì)是在光學(xué)高溫計(jì)測(cè)量理論的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型測(cè)溫儀表。它采用新型的光電器件，自動(dòng)進(jìn)行平衡，達(dá)到連續(xù)測(cè)量的目的。上一頁下一頁返回比色溫度計(jì)

原理：通過測(cè)量熱輻射體在兩個(gè)或兩個(gè)以上波長(zhǎng)的光譜輻射亮度之比來測(cè)量溫度。

特點(diǎn)：準(zhǔn)確度高，響應(yīng)快，可觀察小目標(biāo)(最小可到2mm)。 因?yàn)閷?shí)際物體的單色黑度系數(shù)和全輻射黑度系數(shù)的數(shù)值相差很大，但是對(duì)同一物體的不同波長(zhǎng)的單色黑度系數(shù)和來說，其比值的變化卻很小。所以用比色溫度計(jì)測(cè)得的溫度稱為比色溫度，它與物體的真實(shí)溫度很接近，一般可以不進(jìn)行校正。上一頁下一頁返回（2）熱電阻材料目前使用純金屬材質(zhì)的有鉑（Pt）、銅（Cu）、鎳（Ni）和鎢（W）等；合金材質(zhì)的有銠鐵及鉑鈷等。工業(yè)中應(yīng)用最廣的金屬熱電阻是鉑電阻和銅電阻。它們隨溫度變化的曲線如圖3-1所示。（3）常用熱電阻1）鉑熱電阻。使用測(cè)溫范圍為-200℃～+850℃，有Pt10（電阻值為10Ω）和Pt100（電阻值為100Ω）兩種。Pt10熱電阻感溫元件是用較粗的鉑絲繞制而成，主要用于650℃以上測(cè)溫區(qū)。Pt100熱電阻主要用于650℃以下測(cè)溫區(qū)。鉑熱電阻精度高、線性好、測(cè)溫范圍寬，穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性好，但價(jià)格高。2）銅熱電阻。使用測(cè)溫范圍為-40℃～+140℃，有Cu50（電阻值為10Ω）和Cu100（電阻值為100Ω）兩種。銅熱電阻線性好，價(jià)格低，但電阻率低，因而體積大，熱響應(yīng)慢。（1）熱敏電阻材料熱敏電阻材料按溫度特性可分為正溫度系數(shù)（PTC）熱敏電阻、負(fù)溫度系數(shù)（NTC）熱敏電阻和臨界溫度系數(shù)（CTC）熱敏電阻三類。它們隨溫度的變化關(guān)系曲線如圖3-6所示。圖3-6半導(dǎo)體熱敏電阻特性3）熱電阻感溫元件的結(jié)構(gòu)（a）裝配式熱電阻（b）鎧裝式熱電阻2.熱電阻測(cè)溫電路（1）四線測(cè)溫電路為了消除熱電阻測(cè)溫電路中電阻體內(nèi)導(dǎo)線以及連線引起的誤差，熱電阻體采用四線連接方式，如圖3-3所示。這樣方便對(duì)電阻溫度計(jì)進(jìn)行校正，獲得高精度的測(cè)量結(jié)果。圖中，RX為熱電阻，G為檢流計(jì)或微電流檢測(cè)器，R為固定電阻，R1～R4為平衡調(diào)節(jié)電阻。（3）二線測(cè)溫電路這種接線方式配線簡(jiǎn)單，安裝費(fèi)用低，但不能消除連線電阻隨溫度變化引起的誤差，不適用于高精度測(cè)溫場(chǎng)合使用，而且，應(yīng)確保連線電阻值遠(yuǎn)低于測(cè)溫的熱電阻值。熱敏電阻各種材料的使用溫度范圍如表3-3所示。熱敏電阻的種類使用溫度范圍基本原則NCT熱敏電阻超低溫1×10－3K～100K低溫-130℃～0℃常溫50℃～350℃中溫150℃～750℃高溫500℃～1300℃1300℃～2000℃碳、鍺、硅在常用組成中添加銅、降低電阻錳、鎳、鈷、鐵等過渡族金屬氧化物的燒結(jié)體Al2O3+過渡族金屬氧化物的燒結(jié)體ZrO2+Y2O3復(fù)合燒結(jié)體原材料同上，但只能短時(shí)測(cè)量PTC熱敏電阻-50℃～150℃以BaTiO3為主的燒結(jié)體CTR熱敏電阻0℃～350℃BaO、P與B的酸性氧化物，硅的酸性氧化物，MgO、CuO、SrO、B、Pb、La等氧化物，由上述材料構(gòu)成的燒結(jié)體（2）熱敏電阻的外形及應(yīng)用領(lǐng)域常用熱敏電阻的外形如圖3-7所示圖3-7常用的熱敏電阻的外形（a）玻璃罩式；（b）墊圈式；（c）圓片式；（d）棒狀；（e）片式熱電動(dòng)勢(shì)是由接觸電動(dòng)勢(shì)和溫差電動(dòng)勢(shì)兩部分組成，其大小與兩端點(diǎn)的溫差有關(guān)，還與所采用的材料性質(zhì)有關(guān)。實(shí)驗(yàn)和理論都表明，在A、B間接入第三種材料C，只要結(jié)點(diǎn)2、3溫度相同，則和2、3直接連接時(shí)的熱電動(dòng)勢(shì)一樣。這樣可以在熱電偶回路中接入電位計(jì)，只要保證電位計(jì)與連接熱電偶處的接點(diǎn)溫度相等，就不會(huì)影響回路中原來的熱電勢(shì)，接入的方式如圖3－9（a）、（b）所示。這一點(diǎn)很重要，它為熱電偶測(cè)量時(shí)接測(cè)量引線帶來方便。顯然，利用熱電偶這一特性做成測(cè)溫計(jì)，但要求材料的熱性能要穩(wěn)定、電阻率小、電導(dǎo)率高、熱電效應(yīng)強(qiáng)、復(fù)制性好。2.熱敏電阻測(cè)溫電路熱敏電阻測(cè)溫電路的基本連接方式如圖3-8所示。

圖3-8熱敏電阻的基本測(cè)溫電路圖3-8（a）是一個(gè)熱敏電阻RT與一個(gè)電阻RS的并聯(lián)方式，這可簡(jiǎn)單構(gòu)成線性電路，若在50℃以下的范圍內(nèi)，其非線性可抑制在±1％以內(nèi)，并聯(lián)電阻RS的阻值為熱敏電阻RT的阻值RRT的0.35倍。圖3-8（b）、（c）為合成電阻方式，溫度系數(shù)小，適用于寬范圍的溫度測(cè)量，測(cè)量精度也較高。圖3-8（d）為比率式，電路構(gòu)成簡(jiǎn)單，具有較好的線性。3.2.3熱電偶及溫度檢測(cè)1.熱電偶的工作原理熱電偶是由兩種不同的導(dǎo)體A和B組成閉合回路構(gòu)成，如圖3-9所示。圖3-9熱電偶結(jié)構(gòu)示意圖導(dǎo)體A和B稱為熱電極，通常把兩熱電極的一個(gè)端點(diǎn)固定焊接，用于對(duì)被測(cè)介質(zhì)進(jìn)行溫度測(cè)量，這一接點(diǎn)稱為測(cè)量端或工作端，俗稱熱端；兩熱電極另一接點(diǎn)處通常保持為某一恒定溫度或室溫，被稱作基準(zhǔn)點(diǎn)或參考端，俗稱冷端。若將熱電偶的兩端分別放在溫度不同的環(huán)境中（T0和T），則在熱電偶回路中將產(chǎn)生電流，即可實(shí)現(xiàn)溫度的測(cè)量。熱電偶回路中產(chǎn)生的電流所對(duì)應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)稱為熱電動(dòng)勢(shì)。這種由兩種不同導(dǎo)體組成的熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)一般情況和兩端點(diǎn)溫度T、T0都有關(guān)。若使T0為給定的恒定溫度，如取為0℃，則熱電動(dòng)勢(shì)僅為T端溫度T的單值函數(shù)。（3-1）2.熱電偶的材料及特性參數(shù)（1）熱電偶的材料常見的熱電偶有鉑銠-鉑熱電偶、鎳鉻-鎳鋁（鎳鉻-鎳硅）熱電偶和銅-康銅熱電偶。鉑銠-鉑熱電偶用于較高溫度的測(cè)量，測(cè)量范圍為0℃～1800℃時(shí)，誤差為±15％。鎳鉻-鎳鋁（鎳鉻-鎳硅）熱電偶是貴重金屬熱電偶中最穩(wěn)定的一種，用途很廣，可在0℃～1000℃（短時(shí)間可在1300℃）下使用，誤差不大于1％，其線性度較好。但這種熱電偶不易做的均勻，誤差比鉑銠-鉑大。銅-康銅熱電偶用于較低的溫度（0℃～400℃）具有較好的穩(wěn)定性，尤其是在0℃～100℃范圍內(nèi)，誤差小于0.1℃。（2）標(biāo)準(zhǔn)熱電偶國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）推薦了8種類型為標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶，即為T型、E型、J型、K型、N型、B型、R型和S型。名稱分度號(hào)適用范圍測(cè)溫范圍／℃熱電動(dòng)勢(shì)／mV優(yōu)點(diǎn)銅－銅鎳T低溫-200～+350-5.603／-200℃+17.816／+350℃最適用于-200℃～+100℃適應(yīng)弱氧化性環(huán)境鎳鉻－銅鎳E中溫-200～+800-8.82／-200℃+61.02／800℃熱電動(dòng)勢(shì)大鐵－銅鎳J-200～+750-7.89／-200℃+42.28／750℃熱電動(dòng)勢(shì)大適應(yīng)還原性環(huán)境鎳鉻－鎳硅K高溫-200～+1200-5.981／-200℃線性度好，工業(yè)用最多適應(yīng)氧化性環(huán)境鉑銠30－鉑銠6①B超高溫+500～+1700+1.241／+500℃+12.426／+1700℃可用到高溫適應(yīng)氧化、還原性環(huán)境鉑銠13－鉑R0～+16000／0℃+18.842／1600℃鉑銠10－鉑S0～+16000／0℃+16.771／1600℃由表3-4可知，B、R、S和K型熱電偶適應(yīng)氧化性環(huán)境，以及還原性環(huán)境；E、J和T型熱電偶適應(yīng)還原性環(huán)境，而不適應(yīng)氧化性環(huán)境，因此，要根據(jù)使用場(chǎng)所與周圍環(huán)境選用熱電偶，并將其放在保護(hù)管內(nèi)使用。B、R和S型熱電偶的線性度較差，但穩(wěn)定、蠕變小，而且可靠性高，因此，適合高溫情況下使用，在低溫時(shí)也可用作標(biāo)準(zhǔn)熱電偶。高溫以外的情況下可使用K、E、J和T型熱電偶，即測(cè)量溫度為1000℃時(shí)選用K型熱電偶，測(cè)量溫度為700℃以下選用E型熱電偶，測(cè)量溫度為600℃左右選用J型熱電偶，測(cè)量溫度為300℃以下選用T型熱電偶即可。（3）熱電偶的結(jié)構(gòu)形式及安裝工藝1）熱電偶的結(jié)構(gòu)形式。在工業(yè)生產(chǎn)中，熱電偶有各種結(jié)構(gòu)形式，如圖3-10所示。最常用的有普通型、鎧裝型和薄膜型熱電偶。其中，普通型熱電偶主要用于測(cè)量氣體、蒸汽、液體等介質(zhì)的溫度；鎧裝型熱電偶具有熱容量小、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、機(jī)械強(qiáng)度高、撓性好、耐高壓和耐沖擊等特點(diǎn)，應(yīng)用更為普遍。圖3-10熱電偶的外形在安裝中常采用直插、斜插（45°角）等插入方式，如管道較細(xì)，宜采用斜插。在斜插和管道肘管（彎頭處）安裝時(shí)，其端部應(yīng)對(duì)著被測(cè)介質(zhì)的流向（逆流），不要與被測(cè)介質(zhì)形成順流。幾種插入方式安裝如圖3-12所示。圖3-12熱電偶插入方式1－墊片；2－45°角連接頭；3－直形連接頭④在測(cè)爐膛溫度時(shí)，應(yīng)避免熱電偶與火焰直接接觸，避免安裝在爐門旁或與被加熱物體距離過近之處。在高溫設(shè)備上測(cè)溫時(shí)，應(yīng)盡量垂直安裝；⑤熱電偶的接線盒引出線孔應(yīng)向下，以防密封不良而使水汽、灰塵與臟物落入，影響測(cè)量精度；⑥為減少測(cè)溫滯后，可在保護(hù)外套管與保護(hù)管之間加裝傳熱良好的填充物，如變壓器油（＜150℃）或銅屑、石英砂（＞150℃）等。薄膜型熱電偶是由兩種金屬薄膜連接而成的一種特殊結(jié)構(gòu)的熱電偶，它的測(cè)量端既小又薄，熱容量很小，可用于微小面積上的溫度測(cè)量；動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，可測(cè)快速變化的表面溫度。片狀薄膜型熱電偶如圖3-11所示，它采用真空蒸鍍法將兩種電極材料蒸鍍到絕緣基板上，上面再蒸鍍一層二氯化硅薄膜作為絕緣和保護(hù)層。

圖3-11鐵—鎳薄膜熱電偶2）熱電偶的安裝工藝①為確保測(cè)量的準(zhǔn)確性，應(yīng)根據(jù)工作壓力、溫度、介質(zhì)等方面因素，選擇合理的熱電偶結(jié)構(gòu)和安裝方式；②選擇測(cè)溫點(diǎn)要具有代表性，即熱電偶的工作端不應(yīng)放置在被測(cè)介質(zhì)的死角，應(yīng)處于管道流速最大處；③要合理確定插入深度。一般管道安裝取150～200mm，設(shè)備上安裝取小于等于400mm；?管道安裝通常使工作端處于管道中心線1/3管道直徑區(qū)域內(nèi)。3.熱電偶的應(yīng)用技術(shù)熱電偶使用時(shí)有兩種溫度，一種是常用溫度，另一種是過熱溫度。常用溫度是在空氣中連續(xù)使用時(shí)的溫度，過熱溫度是短時(shí)間使用的溫度。熱電偶的使用溫度與線徑有關(guān)，線徑越粗使用溫度越高。熱電偶使用溫度與線徑之間的關(guān)系如表3-5所示。熱電勢(shì)是T和T0的溫度函數(shù)的差，而不是溫度的函數(shù)。當(dāng)T0=0℃時(shí)，f(T0)=0則有：E與T之間有唯一對(duì)應(yīng)的單值函數(shù)關(guān)系，因此就可以用測(cè)量到的熱電勢(shì)E來得到對(duì)應(yīng)的溫度值T，熱電偶熱電勢(shì)的大小，只是與導(dǎo)體A和B的材料有關(guān)，與冷熱端的溫度有關(guān)，與導(dǎo)體的粗細(xì)長(zhǎng)短及兩導(dǎo)體接觸面積無關(guān)。上一頁下一頁返回6.3.2熱電偶的基本定律1.勻質(zhì)導(dǎo)體定律2.中間導(dǎo)體定律3.連接導(dǎo)體定律上一頁下一頁返回2.中間導(dǎo)體定律 在熱電偶回路中接入與另一種導(dǎo)體稱中間導(dǎo)體C，只要中間導(dǎo)體的兩端溫度相同，熱電偶回路總電動(dòng)勢(shì)不受中間導(dǎo)體接入的影響。上一頁下一頁返回?對(duì)于在管道公稱直徑DN＜80mm的管道上安裝熱電偶時(shí)，可以采用擴(kuò)大管，其安裝方式如圖3-13所示。圖3-13熱電偶在擴(kuò)大管上的安裝1－墊片；2－45°角連接頭；3－擴(kuò)大管1.勻質(zhì)導(dǎo)體定律由一種勻質(zhì)導(dǎo)體所組成的閉合回路，不論導(dǎo)體的截面積如何及導(dǎo)體的各處溫度分布如何，都不能產(chǎn)生熱電勢(shì)。熱電偶必須采用兩種不用材料的導(dǎo)體組成，熱電偶的熱電勢(shì)僅與兩接點(diǎn)的溫度有關(guān)，而與沿?zé)犭姌O的溫度分布無關(guān)。如果熱電偶的熱電極是非勻質(zhì)導(dǎo)體，在不均勻溫度場(chǎng)中測(cè)溫時(shí)將造成測(cè)量誤差。所以熱電極材料的均勻性是衡量熱電偶質(zhì)量的重要技術(shù)指標(biāo)之一。上一頁下一頁返回3.連接導(dǎo)體定律為在工業(yè)測(cè)量溫度中使用補(bǔ)償導(dǎo)線提供了理論基礎(chǔ)。上一頁下一頁返回例6.3.1用（S型）熱電偶測(cè)量某一溫度，若參比端溫度T0=30℃，測(cè)得的熱電勢(shì)E(T,Tn)=7.5mV，求測(cè)量端實(shí)際溫度T。查分度表有E（30，0）=0.173mV反查分度表有T=830℃，測(cè)量端實(shí)際溫度為830℃上一頁下一頁返回由表3-5可知，線徑越粗即使在高溫環(huán)境中其耐久性也非常強(qiáng)，因此，在高溫而較長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行溫度測(cè)量時(shí)，要選用線徑盡量粗的熱電偶。但線徑越粗響應(yīng)時(shí)間會(huì)變長(zhǎng)，因此，在對(duì)響應(yīng)時(shí)間要求短，或測(cè)量距離較短時(shí)，可選用線徑較細(xì)的熱電偶。6.3.3熱電偶的冷端處理和補(bǔ)償 熱電偶的熱電勢(shì)大小不僅與熱端溫度的有關(guān)，而且也與冷端溫度有關(guān)，只有當(dāng)冷端溫度恒定，通過測(cè)量熱電勢(shì)的大小得到熱端的溫度。

熱電偶的冷端處理和補(bǔ)償:

當(dāng)熱電偶冷端處在溫度波動(dòng)較大的地方時(shí)，必須首先使用補(bǔ)償導(dǎo)線將冷端延長(zhǎng)到一個(gè)溫度穩(wěn)定的地方，再考慮將冷端處理為０℃。上一頁下一頁返回?zé)犭娕挤N類線徑/mm常用溫度/℃過熱溫度/℃T0.320.651.001.60200200250300250250300350K0.651.001.602.303.206507508509001000850950105011001200E0.651.001.602.303.20450500550600700500550650750800J0.651.001.602.303.20400450500550600500550650750750B0.515001700RS0.514001600表3-5熱電偶使用的溫度與線徑的關(guān)系（2）基準(zhǔn)結(jié)點(diǎn)及補(bǔ)償1）基準(zhǔn)結(jié)點(diǎn)。由上述原理可知，熱電偶輸出的熱電勢(shì)由其冷熱兩個(gè)結(jié)點(diǎn)間溫度T0和T差值決定，這樣要獲得正確的測(cè)量結(jié)果，就需要設(shè)置基準(zhǔn)結(jié)點(diǎn)。通常選用冷結(jié)點(diǎn)（T0＝0℃）作為基準(zhǔn)結(jié)點(diǎn)。2）對(duì)基準(zhǔn)溫度結(jié)點(diǎn)的補(bǔ)償。理想基準(zhǔn)結(jié)點(diǎn)要求溫度保持恒定。但實(shí)際應(yīng)用中，由于熱電偶的冷、熱端距離通常很近，冷端（接線盒處）又暴露于空間，受到周圍環(huán)境溫度波動(dòng)的影響，冷端溫度很難保持恒定，保持在0℃更難。因此必須采取措施，常用的方法有以下幾種：①補(bǔ)償導(dǎo)線法。被測(cè)點(diǎn)與基準(zhǔn)結(jié)點(diǎn)之間距離相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)，熱電偶端子到基準(zhǔn)結(jié)點(diǎn)間可用導(dǎo)線連接，這種導(dǎo)線稱為補(bǔ)償導(dǎo)線。補(bǔ)償導(dǎo)線隨使用的熱電偶及其構(gòu)成材料的不同而不同，它要與各自對(duì)應(yīng)的熱電偶組合使用。補(bǔ)償導(dǎo)線的結(jié)構(gòu)如圖3-14所示。圖3-14補(bǔ)償導(dǎo)線的結(jié)構(gòu)使用時(shí)熱電偶的“＋”端要接補(bǔ)償導(dǎo)線的“＋”（A‘）側(cè)芯線，熱電偶的“—”端要接補(bǔ)償導(dǎo)線的“—”（B’）側(cè)芯線，如圖3-15所示。圖3-15接有補(bǔ)償導(dǎo)線的測(cè)量電路（a）用于冰點(diǎn)式基準(zhǔn)結(jié)點(diǎn)場(chǎng)合；（b）用于室溫式基準(zhǔn)結(jié)點(diǎn)場(chǎng)合采用補(bǔ)償導(dǎo)線要注意以下兩點(diǎn)：其一，熱電偶的長(zhǎng)度由補(bǔ)償結(jié)點(diǎn)的溫度決定。熱電偶長(zhǎng)度與補(bǔ)償導(dǎo)線長(zhǎng)度要最佳配合，例如，熱電偶長(zhǎng)50cm，補(bǔ)償導(dǎo)線5m為宜。熱電偶與補(bǔ)償導(dǎo)線結(jié)點(diǎn)（這點(diǎn)稱為補(bǔ)償結(jié)點(diǎn)）的溫度不能超過補(bǔ)償導(dǎo)線的使用溫度。若測(cè)溫結(jié)點(diǎn)溫度高于補(bǔ)償結(jié)點(diǎn)溫度時(shí)，熱電偶就需要延長(zhǎng)，使補(bǔ)償結(jié)點(diǎn)遠(yuǎn)離測(cè)溫區(qū)，從而保證了補(bǔ)償導(dǎo)線在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)使用。反之，測(cè)溫結(jié)點(diǎn)溫度低，熱電偶可縮短。其二，熱電偶與計(jì)量?jī)x器之間增加一個(gè)溫度結(jié)點(diǎn)（補(bǔ)償結(jié)點(diǎn)），誤差要盡可能地小。為此，結(jié)點(diǎn)要緊靠，做到不產(chǎn)生溫差。②機(jī)械零位調(diào)整法。當(dāng)熱電偶與動(dòng)圈式儀表配套使用時(shí)，若熱電偶的冷端溫度比較恒定，對(duì)測(cè)量準(zhǔn)確度要求不高時(shí)，可在儀表未工作前將儀表機(jī)械零位調(diào)至冷端溫度處。由于外線路電勢(shì)輸入為零，調(diào)整機(jī)械零位相當(dāng)于預(yù)先給儀表輸入一個(gè)電勢(shì)E（T0，0）。當(dāng)接入熱電偶后，外電路熱電勢(shì)E（T，T0）與表內(nèi)預(yù)置電勢(shì)E（T0，0）疊加，使回路總電勢(shì)正好為E（T，0），儀表直接指示出熱端溫度T。在用此方法時(shí)，應(yīng)先將儀表電源和輸入信號(hào)切斷，再將儀表指針調(diào)整到進(jìn)行T0刻度處。當(dāng)冷端溫度變化時(shí)，應(yīng)及時(shí)修正指針位置。這種方法操作簡(jiǎn)單，在工業(yè)上普遍采用。④冰浴法。將熱電偶的冷端延長(zhǎng)到裝有冰水混合液的瓶中，基準(zhǔn)結(jié)點(diǎn)與連接熱電偶和計(jì)量?jī)x器的導(dǎo)線接在一起，如圖3-17所示。由于冰水保持熱平衡，因此，基準(zhǔn)結(jié)點(diǎn)就保持在冰點(diǎn)（0℃），它消除了t0不等于0℃而引入的誤差。圖3-17冰浴法接線圖1－被測(cè)流體管道；2－熱電偶（測(cè)溫結(jié)點(diǎn)）；3－接線盒；4－補(bǔ)償導(dǎo)線；5－銅導(dǎo)線；6－毫伏表；7－冰瓶；8－冰水混合物；9－試管；10－新冷端（基準(zhǔn)結(jié)點(diǎn)）③電橋補(bǔ)償法。電橋補(bǔ)償法是利用不平衡電橋產(chǎn)生的電勢(shì)來補(bǔ)償熱電偶因冷端溫度變化而引起的熱電勢(shì)變化值，可以自動(dòng)地將冷端溫度校正到補(bǔ)償電橋的平衡溫度上。如圖3-16所示。1－熱電偶；2－補(bǔ)償導(dǎo)線；3－銅導(dǎo)線；4－指示儀表；5－冷端補(bǔ)償器可購買與被補(bǔ)償熱電偶對(duì)應(yīng)型號(hào)的補(bǔ)償電橋。冰浴法要使用潔凈的飲用水，瓶中要保持水與冰處于良好的平衡狀態(tài)。長(zhǎng)時(shí)間使用時(shí)熱電偶周圍的冰就會(huì)溶解，若水少則冰中出現(xiàn)空隙，在結(jié)點(diǎn)周圍會(huì)有空氣侵入，這時(shí)就不是冰點(diǎn)狀態(tài)；若水多則冰就會(huì)漂浮在水上，則結(jié)點(diǎn)就會(huì)置于水中，這時(shí)也不是冰點(diǎn)狀態(tài)。因此，需要經(jīng)常檢查，隨時(shí)補(bǔ)充水。為了避免插入深度不同引起的誤差，熱電偶浸入冰水的長(zhǎng)度要足夠長(zhǎng)。為了避免冰水導(dǎo)電引起T0處的連接點(diǎn)短路，必須把連接點(diǎn)分別置于兩個(gè)玻璃試管中。由于冰融化較快，所以這種方法常用于實(shí)驗(yàn)室溫度測(cè)量及溫度計(jì)校準(zhǔn)等要求精度較高的場(chǎng)合。⑤計(jì)算修正法。當(dāng)熱電偶的基準(zhǔn)結(jié)點(diǎn)溫度T0≠0℃時(shí)，所測(cè)得的熱電勢(shì)值與基準(zhǔn)結(jié)點(diǎn)溫度為0℃時(shí)的值ET（T，0）不等，可用下式進(jìn)行修正式中：E0（T0，0）為基準(zhǔn)結(jié)點(diǎn)溫度T0≠0℃時(shí)產(chǎn)生的熱電勢(shì)值。這種方法適合于微機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)，即通過其它方法將采集到的T0輸入微機(jī)，用軟件進(jìn)行處理，可實(shí)現(xiàn)檢測(cè)系統(tǒng)的自動(dòng)補(bǔ)償。4.熱電偶實(shí)用測(cè)量電路（1）測(cè)量某點(diǎn)溫度的基本電路熱電偶直接和儀表配用的測(cè)溫電路如圖3-18所示。圖3-18熱電偶基本測(cè)溫電路（2）熱電偶反向串聯(lián)電路將兩個(gè)同型號(hào)的熱電偶配用相同的補(bǔ)償導(dǎo)線，反向串聯(lián)連接，如圖3-19所示。圖中A′、B′是與測(cè)量熱電偶熱電性質(zhì)相同的補(bǔ)償導(dǎo)線，電路中兩熱電勢(shì)反向串聯(lián)，儀表可測(cè)得T1和T2之間的溫度差值。圖3-19熱電偶反向串聯(lián)測(cè)量電路（3）熱電偶并聯(lián)電路用幾個(gè)同型號(hào)的熱電偶并聯(lián)在一起，在每一個(gè)熱電偶線路中分別串聯(lián)均衡電阻R，并要求熱電偶都工作在線性段，如圖3-20所示。根據(jù)電路理論，當(dāng)儀表的輸入阻抗很大時(shí)，回路中總的熱電勢(shì)等于熱電偶輸出電勢(shì)之和的平均值，即圖3-20熱電偶并聯(lián)測(cè)量電路（4）熱電偶串聯(lián)電路熱電偶串聯(lián)電路如圖3-21所示。用幾個(gè)同型號(hào)的熱電偶依次將正負(fù)相連，回路總的熱電勢(shì)為這種電路輸出電勢(shì)大，可感應(yīng)較小的信號(hào)。但只要有一個(gè)熱電偶斷路，總的熱電勢(shì)消失；若熱電偶短路，將會(huì)引起儀表值的下降。圖3-21熱電偶多點(diǎn)溫度求和電路5．熱電偶的定期校驗(yàn)校驗(yàn)的方法是用標(biāo)準(zhǔn)熱電偶與被校驗(yàn)熱電偶裝在同一校驗(yàn)爐中進(jìn)行對(duì)比，誤差超過規(guī)定允許值為不合格。圖3-22為熱電偶校驗(yàn)裝置示意圖，最佳校驗(yàn)方法可由查閱有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)獲得。工業(yè)熱電偶的允許偏差，見表3-6所示。熱電偶分度號(hào)校驗(yàn)溫度/℃熱電偶允許偏差/℃溫度偏差溫度偏差LB–3600、800、1000、12000～600±2.4>600占所測(cè)熱電勢(shì)的±0.4%EU–2400、600、800，1000～400±4>400占所測(cè)熱電勢(shì)的±0.75%EA–2300、400、6000～300±4>300占所測(cè)熱電勢(shì)的±1%圖3-22熱電偶校驗(yàn)圖1-調(diào)壓變壓器；2-管式電爐；3標(biāo)準(zhǔn)熱電偶；4-被校熱電偶；5-冰瓶；6-切換開關(guān)；7-測(cè)試儀表；8-試管3.2.4集成溫度傳感器及溫度檢測(cè)集成溫度傳感器是利用晶體管PN結(jié)的正向壓降隨溫度升高而降低的特性，將晶體管的PN結(jié)作為感溫元件，把敏感元件、放大電路和補(bǔ)償電路等部分集成，并把它們封裝在同一殼體里的一種一體化溫度檢測(cè)元件。它與半導(dǎo)體熱敏電阻一樣具有體積小、反應(yīng)快的優(yōu)點(diǎn)外，還具有線性好、性能高、價(jià)格低、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，雖然由于PN結(jié)受耐熱性能和特性范圍的限制，只能用來測(cè)1500C以下的溫度，但在低溫測(cè)量領(lǐng)域仍得到了廣泛的應(yīng)用。下面主要介紹常用的集成溫度傳感器AD590、LM35和智能溫度控制器DS18B20的應(yīng)用。1.AD590及其應(yīng)用AD590是美國(guó)模擬器件公司生產(chǎn)的單片電流型兩端集成溫度傳感器，其表征為一個(gè)輸出電流與溫度成比例的電流源。AD590共有I、J、K、L、M五檔，在出廠前已經(jīng)校準(zhǔn)，其中M檔精度最高/I檔最低，在測(cè)溫范圍內(nèi)的非線性誤差M檔小于±0.3℃/I檔小于±10℃，I檔在應(yīng)用時(shí)需校正。AD590的主要特征如下：?線性電流輸出：流過器件電流的微安數(shù)等于器件所處環(huán)境的熱力學(xué)溫度（開爾文）度數(shù)。即1μA/K；?測(cè)溫范圍寬：-55℃～+150℃；?二端器件：電壓輸入，電流輸出；?精度高：±0.5℃（AD590M）；?線性度好：在整個(gè)測(cè)溫范圍內(nèi)非線性誤差小于±0.3（AD590M）；?工作電壓范圍寬：4～30V。電源由5V變到10V時(shí)，最大只有l(wèi)μA的電流變化，相當(dāng)于1℃的等效誤差。可以承受44V的正向電壓和20V的反向電壓，因而不規(guī)則的電源變化或管腳反接也不會(huì)損壞器件；?功耗低：1.5mW／+5V／+25℃；?輸出阻抗高：710MΩ。長(zhǎng)線上的電阻對(duì)器件工作影響不大，用絕緣良好的雙絞線連接，可以使器件在距電源25m處正常工作。高輸出阻抗又能極好地消除電源電壓漂移和紋波的影響；?器件本身與外殼絕緣。由上述特性可知AD590具有：?jiǎn)坞娫垂ぷ鳌⒕雀?、抗干擾能力強(qiáng)，特別適于進(jìn)行運(yùn)動(dòng)測(cè)量。1.AD590及其應(yīng)用AD590是美國(guó)模擬器件公司生產(chǎn)的單片電流型兩端集成溫度傳感器，其表征為一個(gè)輸出電流與溫度成比例的電流源。AD590共有I、J、K、L、M五檔，在出廠前已經(jīng)校準(zhǔn)，其中M檔精度最高/I檔最低，在測(cè)溫范圍內(nèi)的非線性誤差M檔小于±0.3℃/I檔小于±10℃，I檔在應(yīng)用時(shí)需校正。AD590的主要特征如下：?線性電流輸出：流過器件電流的微安數(shù)等于器件所處環(huán)境的熱力學(xué)溫度（開爾文）度數(shù)。即1μA/K；?測(cè)溫范圍寬：-55℃～+150℃；?二端器件：電壓輸入，電流輸出；?精度高：±0.5℃（AD590M）；?線性度好：在整個(gè)測(cè)溫范圍內(nèi)非線性誤差小于±0.3（AD590M）；（2）AD590的外形和基本測(cè)溫電路AD590采用金屬殼3腳封裝。其中，1腳為電源正端V+，2腳為電流輸出端V-，3腳為管殼，一般不用。其外形和符號(hào)如圖3-23所示。（a）外形（b）符號(hào)圖3-23AD590外形與符號(hào)AD590用于測(cè)量熱力學(xué)溫度的基本電路如圖3-24所示。因?yàn)榱鬟^AD590的電流與熱力學(xué)溫度成正比，當(dāng)電阻R1和電位器R2的電阻之和為1kΩ時(shí)，輸出電壓VO隨溫度的變化為1mV/K。但由于AD590的增益有偏差，電阻也有誤差，需對(duì)電路進(jìn)行調(diào)整。調(diào)整的方法為：把AD590放于冰水混合物中（0℃），調(diào)整電位器R2，使VO=273.2mV。或在室溫下（25℃）條件下調(diào)整電位器，使VO=273.2+25=298.2（mV）。但這樣調(diào)整只可保證在0℃或25℃附近有較高精度。（3）AD590的應(yīng)用電路AD590可串聯(lián)工作也可并聯(lián)工作，如圖3-25所示。將幾個(gè)AD590單元串聯(lián)使用時(shí)，顯示的是幾個(gè)被測(cè)溫度中的最低溫度；而并聯(lián)可獲得幾個(gè)被測(cè)溫度的平均值。圖3-24AD590的基本應(yīng)用電路圖3-25AD590的串并聯(lián)使用（a）串聯(lián)使用；（b）并聯(lián)使用（4）AD590的應(yīng)用實(shí)例AD590具有線性優(yōu)良、性能穩(wěn)定、靈敏度高、無需補(bǔ)償、熱容量小、抗干擾能力強(qiáng)、可遠(yuǎn)距離測(cè)溫且使用方便等優(yōu)點(diǎn)。可廣泛應(yīng)用于各種冰箱、空調(diào)器、糧倉、冰庫、工業(yè)儀器配套和各種溫度的測(cè)量和控制等領(lǐng)域。下面以利用AD590構(gòu)成的數(shù)字顯示溫度計(jì)為例來介紹其應(yīng)用。①AD590的測(cè)溫電路。AD590的測(cè)溫及電流/電壓和絕對(duì)/攝氏溫標(biāo)的轉(zhuǎn)換電路如圖3-26所示。圖3-26AD590的測(cè)溫及轉(zhuǎn)換電路圖3-26中，運(yùn)算放大器A1被接成電壓跟隨器形式，以增加信號(hào)的輸入阻抗。而運(yùn)放A2的作用是把絕對(duì)溫標(biāo)轉(zhuǎn)換成攝氏溫標(biāo)，給A2的同相輸入端輸入一個(gè)恒定的電壓（如1.235V），然后將此電壓放大到2.73V。這樣，A1與A2輸出端之間的電壓即為轉(zhuǎn)換成的攝氏溫標(biāo)。2.LM35及其應(yīng)用常用的電壓輸出型集成溫度傳感器有LM135系列和LM35兩大類。其中，LM135系列的工作方式類似于齊納二極管，其反向擊穿電壓隨絕對(duì)溫度以+10mV/K的比例變化，工作電流為0.4～5mA，動(dòng)態(tài)阻抗僅為1Ω，便于和測(cè)量?jī)x表配接。LM135系列具有測(cè)量精度高，應(yīng)用簡(jiǎn)單，且測(cè)溫范圍很寬等優(yōu)點(diǎn)，LM135測(cè)溫范圍為-55℃～+150℃，LM235和LM335測(cè)溫范圍分別為-40℃～+125℃和-40℃～+100℃；另一種，LM35具有很高的工作精度和較寬的線性工作范圍，其輸出電壓與攝氏溫度線性成比例。從使用角度來說，LM35相比用開爾文標(biāo)準(zhǔn)的線性溫度傳感器更具有優(yōu)勢(shì)，LM35無需外部校準(zhǔn)或微調(diào)，可以提供±1/4℃的常用的室溫精度，LM35從電源吸收的電流很小（約60μA），且?guī)缀跏遣蛔?，所以芯片自身幾乎沒有散熱的問題。LM35和LM135系列相比LM35就相當(dāng)于是無需校準(zhǔn)的LM135，而且測(cè)量精度比LM135高，不過價(jià)格也稍高。這里就以LM35介紹電壓輸出型集成溫度傳感器的應(yīng)用。②A/D轉(zhuǎn)換和顯示電路。用MC14433實(shí)現(xiàn)的A/D轉(zhuǎn)換和顯示電路如圖3-27所示。圖3-27A/D轉(zhuǎn)換和顯示電路圖3-27中，將圖3-26輸出的模擬電壓送入中MC14433進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，并由MC14433將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量送LED顯示器顯示。其中MC14511為譯碼/鎖存/驅(qū)動(dòng)電路，它的輸入為BCD碼，輸出為七段譯碼。LED數(shù)碼顯示由MC14433的位選信號(hào)DS1~DS4通過達(dá)林頓陣列MC1413來驅(qū)動(dòng)，并由MC14433的DS1、Q2端來控制“＋”、“－”溫度的顯示。當(dāng)DS1=1，Q2=1時(shí)，顯示為正；Q2=0時(shí)，顯示為負(fù)。（1）LM35特性?工作電壓：直流4～30V；?工作電流：小于133μA；?輸出電壓：+6V～-1.0V；?輸出阻抗：1mA負(fù)載時(shí)0.1Ω；?精度：0.5℃精度（在+25℃時(shí)）；?漏泄電流：小于60μA；?比例因數(shù)：線性+10.0mV/℃；?非線性值：±1/4℃；?校準(zhǔn)方式：直接用攝氏溫度校準(zhǔn)；?封裝：密封TO-46、塑料TO-92、貼片SO-8和TO-220，如圖3-28所示；?使用溫度范圍：-35℃～+150℃額定范圍。（a）TO-46（b）TO-92（c）SO-8（d）TO-220圖3-28LM35的封裝形式（2）LM35的應(yīng)用1）基本應(yīng)用電路。單電源供電時(shí)，通過在輸出端Vout接一個(gè)電阻，在GND引腳對(duì)地之間串接兩個(gè)二極管，就可以得到全量程的溫度范圍，電路如圖3-29（a）所示。圖中，電阻為18kΩ普通電阻，VD1、VD2為1N4148，＋UO為與溫度相應(yīng)的輸出電壓。圖3-29采用LM35構(gòu)成的傳感器電路（a）單電源電路；（b）雙電源電路在雙電源供電情況下，在輸出端與負(fù)電源接一個(gè)電阻，就可以得到全量程的溫度范圍，電路如圖3-29（b）所示。R1的阻值由下式?jīng)Q定R1＝（-Vs）/50μA2）溫度/頻率轉(zhuǎn)換電路。采用溫度傳感器LM35D的溫度/頻率轉(zhuǎn)換電路如圖3-30所示。它將20℃～150℃的溫度轉(zhuǎn)換為200～1500Hz的TTL電平的輸出頻率信號(hào)，其測(cè)量溫度范圍為-55℃～+150℃，靈敏度為10mV/℃。當(dāng)測(cè)溫范圍為2℃～150℃，其輸出電壓為20～1500mV。電壓/頻率（V/F）轉(zhuǎn)換器采用LM331，R1C1構(gòu)成低通濾波器濾除LM35D的輸出噪聲。RPl用于調(diào)零，當(dāng)溫度為2℃時(shí)，調(diào)整RPl，使輸出頻率f0為20Hz。RP2用于滿量程調(diào)整，當(dāng)溫度為150℃時(shí)，調(diào)整RP2，使輸出頻率f0為1500Hz。V/F輸出通常是以TTL電平脈沖列傳送出去，這里L(fēng)M331輸出通過VT放大為0/20mA的電流脈沖列，即電流0對(duì)應(yīng)的邏輯0電平，電流20mA對(duì)應(yīng)的邏輯1電平。采用扭絞二線電纜進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳送，接收部分采用光耦合器TLP521進(jìn)行隔離。0/20mA的電流脈沖列直接驅(qū)動(dòng)TLP501，HC14輸出f0為20～1500Hz的TTL電平的頻率信號(hào)，接到F/V轉(zhuǎn)換器或者計(jì)數(shù)器進(jìn)行必要的處理。圖3-30采用LM35D的溫度/頻率轉(zhuǎn)換電路3.DS18B20智能溫度控制器及其應(yīng)用（1）DS18B20性能特點(diǎn)DS18B20的性能特點(diǎn)：①采用單總線專用技術(shù)，被測(cè)溫度用符號(hào)擴(kuò)展的16位數(shù)字量方式串行輸出，無須經(jīng)過其它變換電路；②測(cè)溫范圍為-55℃～+125℃，測(cè)量分辨率為0.0625℃；③內(nèi)含64位經(jīng)過激光修正的只讀存儲(chǔ)器ROM；④適配各種單片機(jī)或系統(tǒng)機(jī)；⑤用戶可分別設(shè)定各路溫度的上、下限；⑥其工作電源既可在遠(yuǎn)端引入，也可采用寄生電源方式產(chǎn)生。以上特點(diǎn)使DS18B20非常適用于遠(yuǎn)距離多點(diǎn)溫度檢測(cè)系統(tǒng)。（2）DS18B20的封裝形式及內(nèi)部結(jié)構(gòu)DS18B20有3引腳TO-92小體積封裝和SOIC封裝形式，其管腳排列如圖3-31所示，DQ為數(shù)字信號(hào)輸入/輸出端；GND為電源地；VDD為外接供電電源輸入端（在寄生電源接線方式時(shí)接地）。圖3-31DS18B20的管腳與封裝DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3-32所示，主要由64位光刻ROM、溫度傳感器和溫度傳感器的存儲(chǔ)單元三部分組成。圖3-32DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)各部分的結(jié)構(gòu)、作用和工作方式簡(jiǎn)述如下。1）64位光刻ROM。ROM中的64位序列號(hào)是出廠前被光刻好的，每片序列號(hào)均不相同，它可以看作是該片DS18B20的地址序列碼。64位光刻ROM的排列是：開始8位（28H）是產(chǎn)品類型標(biāo)號(hào)，接著的48位是該DS18B20自身的序列號(hào)，最后8位是前面56位的循環(huán)冗余校驗(yàn)碼（CRC=X8+X5+X4+1）。這樣就可以實(shí)現(xiàn)一根總線上掛接多個(gè)DS18B20的目的。2）溫度傳感器。DS18B20中的溫度傳感器可完成對(duì)溫度的測(cè)量，并以二進(jìn)制補(bǔ)碼讀數(shù)形式輸出。以12位數(shù)字轉(zhuǎn)換（0.0625℃/LSB）為例：轉(zhuǎn)換后得到的12位數(shù)據(jù)，存放在DS18B20的兩個(gè)8bit的RAM中，二進(jìn)制中的前面5位是符號(hào)位（用S表示），如果測(cè)得的溫度大于0℃，這5位為“0”，只要將測(cè)到的數(shù)值乘于0.0625即可得到實(shí)際溫度值；如果溫度小于0℃，這5位為“1”，測(cè)到的數(shù)值需要取反加1再乘于0.0625即可得到實(shí)際溫度值。兩個(gè)8bitRAM格式如表3-7所示。在DS18B20的-55℃～+125℃測(cè)溫范圍內(nèi)對(duì)應(yīng)的數(shù)字輸出如表3-8所示。溫度數(shù)字輸出（二進(jìn)制）數(shù)字輸出（十六進(jìn)制）+125℃000001111101000007D0H+85℃00000101010100000550H+25.0625℃00000001100100010191H+10.125℃000000001010001000A2H+0.5℃00000000000010000008H0℃00000000000000000000H-0.5℃1111111111111000FFF8H-10.125℃1111111101011110FF5EH-25.0625℃1111111001101111FE6FH-55℃1111110010010000FC90H表3-8在測(cè)溫范圍內(nèi)溫度與對(duì)應(yīng)數(shù)字輸出的關(guān)系表3）溫度傳感器的存儲(chǔ)單元。DS18B20溫度傳感器的內(nèi)部存儲(chǔ)器用于存放所測(cè)得的溫度信息，包括一個(gè)高速暫存RAM和一個(gè)非易失性的可電擦除的E2PROM。其中E2PROM存放高低溫報(bào)警觸發(fā)器TH、TL和配置寄存器。暫存存儲(chǔ)器包含了8個(gè)連續(xù)字節(jié)，其分布如表3-9所示。前兩個(gè)字節(jié)是測(cè)得的溫度信息，第一個(gè)字節(jié)的內(nèi)容是溫度的低八位，第二個(gè)字節(jié)是溫度的高八位。第三個(gè)和第四個(gè)字節(jié)是TH、TL的易失性拷貝，第五個(gè)字節(jié)是結(jié)構(gòu)寄存器的易失性拷貝，這三個(gè)字節(jié)的內(nèi)容在每一次上電復(fù)位時(shí)被刷新。第六、七、八個(gè)字節(jié)用于內(nèi)部計(jì)算。第九個(gè)字節(jié)是冗余檢驗(yàn)字節(jié)。寄存器內(nèi)容字節(jié)地址寄存器內(nèi)容字節(jié)地址溫度最低數(shù)字位溫度最高數(shù)字位高溫限值低溫限值保留01234保留計(jì)數(shù)剩余值每度計(jì)數(shù)值CRC效驗(yàn)5678表3-9DS18B20暫存寄存器分布高低溫報(bào)警觸發(fā)器TH和TL、配置寄存器均由一個(gè)字節(jié)的E2PROM組成，使用一個(gè)存儲(chǔ)器功能命令可對(duì)TH、TL或配置寄存器寫入。其中配置寄存器的格式如下：TMR1R011111低五位一直都是“1”，TM是測(cè)試模式位，用于設(shè)置DS18B20在工作模式還是在測(cè)試模式。在DS18B20出廠時(shí)該位被設(shè)置為0，用戶不要去改動(dòng)。R1和R0用來設(shè)置分辨率，如表3-10所示（DS18B20出廠時(shí)被設(shè)置為12位）：R1R0分辨率溫度最大轉(zhuǎn)換時(shí)間009位93.75ms0110位187.5ms1011位375ms1112位750ms表3-10分辨率設(shè)置表（3）測(cè)溫步驟根據(jù)DS18B20的通訊協(xié)議，主機(jī)控制DS18B20完成溫度轉(zhuǎn)換必須經(jīng)過三個(gè)步驟：每一次讀寫之前都要對(duì)DS18B20進(jìn)行復(fù)位，復(fù)位成功后發(fā)送一條ROM指令，最后發(fā)送RAM指令，這樣才能對(duì)DS18B20進(jìn)行預(yù)定的操作。復(fù)位要求主CPU將數(shù)據(jù)線下拉500μs，然后釋放，DS18B20收到信號(hào)后等待16～60μs左右，后發(fā)出60～240μs的低脈沖，主CPU收到此信號(hào)表示復(fù)位成功。（4）DS18B20與單片機(jī)的典型接口以MCS-51系列單片機(jī)為例，DS18B20與8031的典型連接如圖3-33（a）所示。圖中DS18B20采用寄生電源方式，其VDD和GND端均接地。圖3-33（b）中DS18B20采用外接電源方式，其VDD端用3V～5.5V電源供電。由于DS18B20的一線工作協(xié)議流程是：初始化→ROM操作指令→存儲(chǔ)器操作指令→數(shù)據(jù)傳輸。所以單片機(jī)須編寫了三個(gè)子程序：初始化子程序，寫（命令或數(shù)據(jù)）子程序，讀數(shù)據(jù)子程序，即可完成溫度的測(cè)量。基于圖3-33的DS18B20測(cè)溫程序見附錄2。圖3-33DS18B20與8031的典型連接（a）寄生電源方式；（b）外接電源方式（5）DS18B20使用中注意事項(xiàng)DS1820雖然具有測(cè)溫系統(tǒng)簡(jiǎn)單、測(cè)溫精度高、連接方便、占用端口線少等優(yōu)點(diǎn)，但在實(shí)際應(yīng)用中也應(yīng)注意以下幾方面的問題：1）由于DS18B20與微處理器間采用串行數(shù)據(jù)傳送。因此，在對(duì)DS18B20進(jìn)行讀寫編程時(shí)，必須嚴(yán)格的保證讀寫時(shí)序，否則將無法讀取測(cè)溫結(jié)果。在進(jìn)行系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)時(shí)，最好采用匯編語言實(shí)現(xiàn)。2）單總線上所掛DS18B20超過8個(gè)時(shí)，就需要解決微處理器的總線驅(qū)動(dòng)問題，在進(jìn)行多點(diǎn)測(cè)溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)要特別注意。3）連接DS18B20的總線電纜是有長(zhǎng)度限制的。試驗(yàn)中，當(dāng)采用普通信號(hào)電纜傳輸長(zhǎng)度超過50m時(shí)，讀取的測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)將發(fā)生錯(cuò)誤。當(dāng)將總線電纜改為雙絞線帶屏蔽電纜時(shí)，正常通訊距離可達(dá)150m，當(dāng)采用每米絞合次數(shù)更多的雙絞線帶屏蔽電纜時(shí)，正常通訊距離進(jìn)一步加長(zhǎng)。因此，在用DS18B20進(jìn)行長(zhǎng)距離測(cè)溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮總線分布電容和阻抗匹配問題。4）在DS18B20測(cè)溫程序設(shè)計(jì)中，向DS18B20發(fā)出溫度轉(zhuǎn)換命令后，程序總要等待DS18B20的返回信號(hào)，一旦某個(gè)DS18B20接觸不好或斷線，當(dāng)程序讀該DS18B20時(shí)，將沒有返回信號(hào)，程序進(jìn)入死循環(huán)。在進(jìn)行DS18B20硬件連接和軟件設(shè)計(jì)時(shí)要綜合考慮。測(cè)溫電纜線建議采用屏蔽4芯雙絞線，其中一對(duì)線接地線與信號(hào)線，另一組接VCC和地線，屏蔽層在電源端單點(diǎn)接地。3.3非接觸式溫度檢測(cè)技術(shù)非接觸式測(cè)溫的方法:利用被測(cè)對(duì)象的熱輻射能量隨其溫度的變化而變化的原理，通過測(cè)量一定距離處被測(cè)物體發(fā)出的熱輻射強(qiáng)度來確定被測(cè)對(duì)象的溫度。非接觸式溫度檢測(cè)技術(shù)主要應(yīng)用于冶金、鑄造、熱處理以及玻璃、陶瓷和耐火材料等工業(yè)生產(chǎn)過程中的高溫檢測(cè)。常見的傳感器有:光學(xué)高溫計(jì)、輻射溫度計(jì)、光纖溫度傳感器、紅外溫度傳感器等。這類傳感器的優(yōu)點(diǎn):不存在測(cè)量滯后和溫度范圍的限制，可測(cè)高溫、腐蝕、有毒、運(yùn)動(dòng)物體及固體、液體表面的溫度，不影響被測(cè)物體的溫度場(chǎng)；缺點(diǎn):易受被測(cè)對(duì)象熱輻射率的影響，測(cè)量精度低，測(cè)量距離和中間介質(zhì)對(duì)測(cè)量結(jié)果都有較大影響。方式接觸式非接觸式測(cè)量條件感溫元件要與被測(cè)對(duì)象良好接觸；感溫元件的加入幾乎不改變對(duì)象的溫度；被測(cè)溫度不超過感溫元件能承受的上限溫度；被測(cè)對(duì)象不對(duì)感溫元件產(chǎn)生腐蝕需準(zhǔn)確知道被測(cè)對(duì)象表面發(fā)射率；被測(cè)對(duì)象的輻射能充分照射到檢測(cè)元件上測(cè)量范圍特別適合12000C以下，熱容量大，無腐蝕性對(duì)象的連續(xù)在線測(cè)溫，對(duì)高于13000C以上的溫度測(cè)量較困難原理上測(cè)量范圍可以從超低溫到極高溫，但10000C以下測(cè)量誤差大，能測(cè)運(yùn)動(dòng)物體和熱容量小的物體溫度精度工業(yè)用表通常為1.0、0.5、0.2、0.1級(jí)，實(shí)驗(yàn)室用表可達(dá)0.01級(jí)通常為1.0、1.5、2.0級(jí)響應(yīng)速度慢，退出為幾十秒到幾分快，通常為2～3s其他特點(diǎn)整個(gè)測(cè)溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，可靠，維護(hù)方便，價(jià)格低廉；儀表讀數(shù)直接反映被測(cè)物體實(shí)際溫度；可方便地組成多路集中測(cè)量與控制系統(tǒng)整個(gè)測(cè)溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積大，調(diào)整麻煩，價(jià)格昂貴；儀表讀數(shù)通常只反映被測(cè)物體表面溫度（需進(jìn)一步轉(zhuǎn)換）；不易組成測(cè)溫、控溫一體化的溫度控制系統(tǒng)3.3.1光學(xué)高溫計(jì)(opticalpyrometer)可用來測(cè)量800℃～3200℃的高溫勒夏特列/勒夏特利埃（LeChatelier,HenriLouis），法國(guó)化學(xué)家。根據(jù)物體的輻射隨著溫度上升而變化制成的。

直接將物體的顏色和比色表對(duì)照就可以判斷其溫度。近代的高溫計(jì)用可調(diào)溫度的鎢絲做參照物。調(diào)節(jié)鎢絲的發(fā)光，使得其與被測(cè)目標(biāo)光色融合的時(shí)候，兩者溫度就相同。但鎢絲在什么電流下發(fā)怎么的光，這需要事先標(biāo)定。所以精度依然不高?，F(xiàn)代的高溫計(jì)分析物體熱輻射的峰值來判斷其溫度，不需要參照物，精度進(jìn)一步提高。以國(guó)產(chǎn)WGG2-201型光學(xué)高溫計(jì)為例，介紹光學(xué)高溫計(jì)的測(cè)溫方法。WGG2-201型光學(xué)高溫計(jì)WGG2-201型光學(xué)高溫計(jì)圖3-34WGG2-201型光學(xué)高溫計(jì)外形和原理圖1－物鏡；2－吸收玻璃；3－燈泡；4－紅色慮光片；5－目鏡；6－指示儀表；7－滑線電阻；E－電源；R1－刻度調(diào)整電阻產(chǎn)品說明：

此光學(xué)高溫計(jì)能在環(huán)境溫度10-50℃,相對(duì)濕度不大於85%的情況下連續(xù)工作

物鏡與目標(biāo)之間的距離不小于700mm

標(biāo)尺長(zhǎng)度不小于90mm

凈重約1.8kg這時(shí)在指示儀表6上指示出燈絲兩端的電壓值，利用電壓與溫度的關(guān)系曲線，將表盤直接刻度成溫度值。為了改善刻度的非線性，指針式指示儀表的磁鋼采用了不均勻磁場(chǎng)的方式。與指示儀表串聯(lián)的電阻R1在儀表標(biāo)定時(shí)配置、校準(zhǔn)，調(diào)節(jié)它的阻值可以改變儀表的誤差。儀表電源采用3V干電池，安裝于儀表下部手柄內(nèi)。（a）電流過低（b）平衡（c）電流過高圖3-35亮度平衡示意圖由于光學(xué)高溫計(jì)是以黑體的光譜輻射亮度來刻度的，如果被測(cè)物體為非黑體時(shí)就會(huì)出現(xiàn)偏差。因?yàn)樵谕粶囟认路呛隗w的光譜輻射亮度比黑體低，因此用光學(xué)高溫計(jì)測(cè)量非黑體的溫度比真實(shí)溫度偏低，需要校正。3.3.2輻射溫度計(jì)輻射溫度計(jì)是根據(jù)全輻射強(qiáng)度定理即物體的總輻射強(qiáng)度與物體溫度的四次方成正比的關(guān)系來進(jìn)行測(cè)量的。輻射溫度計(jì)由輻射感溫器和顯示儀表兩部分組成，它可用來測(cè)量400℃～2000℃的高溫，多為現(xiàn)場(chǎng)安裝式結(jié)構(gòu)，為適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)高溫環(huán)境的要求，可在輻射感溫器外加裝水冷夾套。輻射高溫計(jì)測(cè)量的溫度稱為輻射溫度（TF），被測(cè)對(duì)象為非黑體時(shí)，要通過修正才能得到非黑體的真實(shí)溫度。（a）熱電堆結(jié)構(gòu)（b）自動(dòng)補(bǔ)償器圖3-36熱電堆結(jié)構(gòu)和補(bǔ)償光闌（a）：1－云母基片；2－受熱靶面；3－熱電偶絲；4－引出線（b）：1－補(bǔ)償片；2－雙金屬片輻射溫度計(jì)的測(cè)溫是使被測(cè)物體的輻射能經(jīng)過透鏡和光闌聚焦在接收元件（熱電堆）的受熱片上如圖3-36（a）所示。在受熱片上有8支串聯(lián)的熱電偶，每支熱電偶的熱端在受熱片的中央部位圍成一圈，用點(diǎn)焊把熱端焊接在0.01mm的軟鎳箔圓片上，然后8等份切開，使熱端呈扁薄箭頭狀。鎳圓片直徑3mm，用電解法鍍上一薄層黑色的鉑黑，以提高其吸收比。熱電偶的冷端焊在一個(gè)金屬箔上，金屬箔固定在兩片絕緣絕熱的云母環(huán)中間，云母環(huán)固定有引出線，從引出線上可以得到8支熱電偶熱電勢(shì)的和。這種熱電堆能量損失小，具有較小的熱慣性和較高的靈敏度。受熱片上的鉑黑接收到物體的輻射能量并轉(zhuǎn)化為熱能使鉑黑處的溫度升高，熱電堆產(chǎn)生相應(yīng)的熱電勢(shì)，這個(gè)熱電偶的大小除與熱端有關(guān)外，還與冷端有關(guān)，為了補(bǔ)償冷端溫度（環(huán)境溫度）的變化所造成的影響，采用了可變光闌，它是熱電堆冷端的自動(dòng)補(bǔ)償器。它由雙金屬片控制，從圖3-36（b）可以看出，共有4個(gè)補(bǔ)償元件，它由補(bǔ)償片和雙金屬片組成，雙金屬片的一端固定在鋁合金框架上，補(bǔ)償片垂直焊接在雙金屬片的自由端上，當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)，熱電堆的冷端溫度也隨之升高，這樣熱電堆輸出的熱電勢(shì)將減少，這時(shí)雙金屬片也會(huì)隨環(huán)境溫度升高而變形，由軸心向外圍伸展，則4個(gè)補(bǔ)償片均向外移動(dòng)，使光闌孔相應(yīng)擴(kuò)大，照射到熱電堆鉑黑上的能量也會(huì)增加，使熱電勢(shì)增加，起到了自動(dòng)補(bǔ)償?shù)淖饔?。?guó)產(chǎn)WFT-202型輻射溫度計(jì)的結(jié)構(gòu)圖圖3-37輻射感溫器結(jié)構(gòu)圖1－物鏡；2－外殼；3－補(bǔ)償光闌；4－座架；5－熱電堆；6－接線柱；7－穿線套；8－蓋；9－目鏡；10－校正片；11－小齒輪它主要由光學(xué)系統(tǒng)和熱接收器件兩部分組成。它采用透射式光學(xué)系統(tǒng)，外殼為鋁合金材料，內(nèi)外表面為涂黑處理，物鏡的直徑是37mm，厚8mm，材料為石英玻璃（400℃～1200℃）或K9中性光學(xué)玻璃（900℃～2000℃）制成。殼體內(nèi)裝有一開孔的圓筒狀鋁合金座架，上面裝有熱電堆和補(bǔ)償光闌。在光闌前有一長(zhǎng)方形的校正片（寬約1mm），校正片安裝在與小齒輪嚙合的偏心齒圈上，齒圈套在金屬架上。打開后蓋可用螺絲刀旋動(dòng)小齒輪，可以調(diào)節(jié)校正片的位置，改變阻擋面積的大小，調(diào)節(jié)照射到熱電堆上的熱輻射能量，用以調(diào)節(jié)精度。在后蓋上有瞄準(zhǔn)用目鏡，它由K9光學(xué)玻璃制成凸透鏡，起放大作用。通過它透過熱電堆的縫隙可觀察到被測(cè)物體的成像，以便使光學(xué)系統(tǒng)對(duì)準(zhǔn)被測(cè)物體。太陽光譜上紅外線的波長(zhǎng)大于可見光線，波長(zhǎng)為0.75～1000μm。紅外線可分為三部分：近紅外線，波長(zhǎng)為0.75～1.50μm之間；中紅外線，波長(zhǎng)為1.50～6.0μm之間；遠(yuǎn)紅外線，波長(zhǎng)為6.0～l000μm之間。

輻射感溫器必須與毫伏計(jì)或電子電位差計(jì)配套使用，用它們來測(cè)量熱電堆的熱電勢(shì)信號(hào)。WFT-202型輻射溫度計(jì)規(guī)定了外接電阻為245Ω。3.3.3紅外傳感器及溫度檢測(cè)1、紅外輻射的基本概念（1）紅外輻射俗稱紅外線infraredray由德國(guó)科學(xué)家霍胥爾于1800年發(fā)現(xiàn)凡是存在于自然界中的物體，都會(huì)輻射出紅外線，只是其紅外線的波長(zhǎng)不同而已。如人體溫度為36℃～37℃，所輻射的紅外線波長(zhǎng)為9～10μm（屬于遠(yuǎn)紅外線區(qū)），物體被加熱到400℃～700℃時(shí)，其所輻射的紅外線波長(zhǎng)為3～5μm（屬于中紅外線區(qū)）。利用被測(cè)物體輻射的紅外線實(shí)現(xiàn)檢測(cè)的技術(shù)就是紅外檢測(cè)技術(shù)。電磁波譜圖醫(yī)用紅外線可分為兩類：近紅外線與遠(yuǎn)紅外線。近紅外線或稱短波紅外線，波長(zhǎng)0.76～1.5微米，穿入人體組織較深,約5～10毫米；遠(yuǎn)紅外線或稱長(zhǎng)波紅外線，波長(zhǎng)1.5～400微米，多被表層皮膚吸收，穿透組織深度小于2毫米。2）穿透云霧的能力強(qiáng)大氣窗口（atmosphericwindow）指天體輻射中能穿透大氣的一些波段。由于地球大氣中的各種粒子對(duì)輻射的吸收和反射，只有某些波段范圍內(nèi)的天體輻射才能到達(dá)地面。紅外窗口：2～2.6μm,3～5μm，8～14μm(3)紅外輻射源任何溫度高于0K的物體，會(huì)向周圍空間輻射紅外線，可視為紅外輻射源。根據(jù)輻射源的幾何尺寸的大小及距探測(cè)器的遠(yuǎn)近，分為點(diǎn)源和面源。點(diǎn)源的輻射強(qiáng)度僅與源面積無關(guān)；面源的輻射強(qiáng)度與被照面在面源表面上的位置、方向及面源的面積有關(guān)。（4）紅外線的應(yīng)用高溫殺菌，紅外線夜視儀，監(jiān)控設(shè)備，手機(jī)的紅外口，賓館的房門卡，汽車、電視機(jī)的遙控器、洗手池的紅外感應(yīng)2.紅外傳感器的分類紅外傳感器（也稱紅外探測(cè)器）是能將紅外輻射能轉(zhuǎn)換成電能的光敏器件，用來檢測(cè)物體輻射的紅外線。從工作原理和性能上紅外傳感器可分為熱電型和量子型兩類，如表3-12所示。分類光敏元件特征應(yīng)用領(lǐng)域量子型光電導(dǎo)式、光生伏特式、光電磁式、肖特基勢(shì)疊式靈敏度低、響應(yīng)慢、波長(zhǎng)響應(yīng)范圍寬、價(jià)廉測(cè)溫、自動(dòng)控制熱電型熱電偶式、電阻式、電容式、熱釋電式靈敏度高、響應(yīng)快、波長(zhǎng)響應(yīng)范圍窄、有的需在低溫條件下才能使用遙測(cè)、遙感、成像、測(cè)溫（2）紅外線的物理特性1）有熱效應(yīng)

2）穿透云霧的能力強(qiáng)

1）紅外線的物理本質(zhì)是熱輻射太陽光譜中最大的熱效應(yīng)出現(xiàn)在紅外輻射的頻率范圍內(nèi)，因此紅外輻射成為熱輻射。現(xiàn)代物理學(xué)稱之為熱射線。實(shí)驗(yàn)表明：波長(zhǎng)為0.1μm～l000μm的電磁波被物體吸收時(shí)，可以顯著地轉(zhuǎn)換變?yōu)闊崮堋?.熱釋電紅外傳感器（1）熱釋電效應(yīng)當(dāng)一些晶體受熱時(shí)，在晶體兩端將會(huì)產(chǎn)生數(shù)量相等而符號(hào)相反的電荷，這種由于熱變化產(chǎn)生的電極化現(xiàn)象稱為熱釋電效應(yīng)。（2）熱釋電效應(yīng)紅外線光敏元件的材料能產(chǎn)生熱釋電效應(yīng)的晶體稱為熱釋電體，又稱熱電元件。常用的熱電元件材料有鉭酸鋰（LiTaO3）、硫酸三甘肽（LATGS）及鈦鋯酸鉛（PZT）和高分子薄膜聚偏二氟乙烯（PVF2）等。（3）熱釋電紅外傳感器熱釋電紅外傳感器的結(jié)構(gòu)及內(nèi)部電路如圖3-38所示。圖3-38熱釋紅外傳感器結(jié)構(gòu)圖圖3-38中，熱釋電紅外傳感器主要由外殼、濾光片、熱電元件PZT、結(jié)場(chǎng)效應(yīng)管FET、電阻、二極管等組成，并向殼內(nèi)充入氮?dú)夥庋b起來。其中濾光片設(shè)置在窗口處，組成紅外線通過的窗口。濾光片為6μm多層膜干涉濾光片，它對(duì)5μm以下短波長(zhǎng)光有高反射率，而對(duì)6μm以上人體發(fā)射出來的紅外線熱源（10μm）有高穿透性，阻抗變換用的FET管和電路元件放在管底部分。敏感元件用紅外線熱釋電材料PZT（或其它材料）制成很小的薄片，再在薄片兩面鍍上電極，構(gòu)成兩個(gè)反向串聯(lián)的有極性的小電容。這樣，當(dāng)入射的能量順序地射到兩個(gè)元件時(shí)，由于是兩個(gè)元件反相串聯(lián)，故其輸出是單元件的兩倍；由于兩個(gè)元件反相串聯(lián)，對(duì)于同時(shí)輸入的能量會(huì)相互抵消。由于雙元件紅外敏感元件具有上面的特性，可以防止因太陽光等紅外線所引起的誤差或誤動(dòng)作；由于周圍環(huán)境溫度的變化影響整個(gè)敏感元件產(chǎn)生溫度變化，兩個(gè)元件產(chǎn)生的熱釋電信號(hào)互相抵消，起到補(bǔ)償作用。熱釋電紅外傳感器可用作人體探測(cè)和測(cè)溫，其響應(yīng)波長(zhǎng)范圍為2～15μm，測(cè)溫范圍可達(dá)-80℃～1500℃。3.量子型紅外傳感器（1）PbS紅外光敏元件及工作原理PbS紅外光敏元件結(jié)構(gòu)如圖3-39所示；它先在玻璃基板上制成雙電極，然后蒸鍍PbS薄膜，再引出電極線即成。為防PbS氧化，一般將PbS光敏元件封入真空容器中，并用玻璃或藍(lán)寶石做光窗。圖3-39PbS紅外光敏元件結(jié)構(gòu)圖圖3-40ZnSb紅外光敏元件結(jié)構(gòu)圖PbS紅外光敏元件對(duì)近紅外光到3μm紅外光有較高靈敏度，可在室溫下工作。當(dāng)紅外光照射存PbS光敏元件上時(shí)，因光電導(dǎo)效應(yīng)，PbS光敏元件的阻值發(fā)生變化，電阻的變化引起PbS光敏元件兩電極間電壓的變化。（2）ZnSb紅外光敏元件及工作原理ZnSb紅外光敏元件結(jié)構(gòu)如圖3-40所示。其結(jié)構(gòu)和具有PN結(jié)的光敏二極管相似。它把雜質(zhì)Zn等用擴(kuò)散結(jié)滲入N型半導(dǎo)體中形成P層構(gòu)成PN結(jié)，再引出引線制成的。當(dāng)紅外光照射在ZnSb元件的PN結(jié)上時(shí)，因光生伏特效應(yīng)，在ZnSb光敏元件兩端產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，此電動(dòng)勢(shì)的大小與光照強(qiáng)度成正比。ZnSb紅外光敏元件靈敏度高于PbS紅外光敏元件，能在室溫下工作也可在低溫下工作。若在低溫下工作可采用液態(tài)氮進(jìn)行冷卻。4.紅外傳感器使用中應(yīng)注意的問題?必須首先注意了解紅外傳感器的性能指標(biāo)和應(yīng)用范圍，掌握它的使用條件；?必須關(guān)注傳感器的工作溫度，一般要選擇能在室溫下工作的紅外傳感器，便于維護(hù)；?適當(dāng)調(diào)整紅外傳感器的工作點(diǎn)。一般情況下，傳感器有一個(gè)最佳工作點(diǎn)。只有工作在最佳偏流工作點(diǎn)時(shí)，紅外傳感器的信噪比最大。實(shí)際工作點(diǎn)最好稍低于最佳工作點(diǎn)；?選用適當(dāng)前置放大器與紅外傳感器配合，以獲取最佳探測(cè)效果；?調(diào)制頻率與紅外傳感器的頻率響應(yīng)相匹配；?傳感器光學(xué)部分不能用手摸、擦，防止損傷與沾污；?傳感器存放時(shí)注意防潮、防振、防腐。5．紅外測(cè)溫傳感器紅外測(cè)溫傳感器就是利用物體的輻射能量隨其溫度而變化的原理制成的傳感器。（1）紅外測(cè)溫的特點(diǎn)?紅外測(cè)溫是遠(yuǎn)距離和非接觸測(cè)溫，特別適合于高速運(yùn)動(dòng)物體、帶電體、高溫及高壓物體的溫度測(cè)量；?紅外測(cè)溫反應(yīng)速度快。它不需要與物體達(dá)到熱平衡的過程。只要接收到目標(biāo)的紅外輻射即可定溫。反映時(shí)間一般都在毫秒級(jí)甚至微秒級(jí)；?紅外測(cè)溫靈敏度高。因?yàn)槲矬w的輻射能量與溫度的四次方成正比。物體溫度微小的變化，就會(huì)引起輻射能量成倍的變化，紅外傳感器即可迅速地檢測(cè)出來；?紅外測(cè)溫準(zhǔn)確度較高。由于是非接觸測(cè)量，不會(huì)破壞物體原來溫度分布狀況，因此測(cè)出的溫度比較真實(shí)。其測(cè)量準(zhǔn)確度可達(dá)到0.1℃以內(nèi)，甚至更??；?紅外測(cè)溫范圍廣泛?？蓽y(cè)攝氏零下幾十度到零上幾千度的溫度范圍。（2）紅外測(cè)溫種類紅外測(cè)溫主要有主動(dòng)式和被動(dòng)式兩種。1）主動(dòng)式。主動(dòng)式紅外檢測(cè)是利用紅外輻射源對(duì)被測(cè)物照射。被測(cè)物對(duì)紅外光進(jìn)行吸收、反射和透射后，使紅外光發(fā)生了變化，此變化與被測(cè)物的某些參數(shù)有關(guān)，由此實(shí)現(xiàn)檢測(cè)。2）被動(dòng)式。被動(dòng)式紅外檢測(cè)是被測(cè)物本身就是紅外輻射源，利用其輻射特性檢測(cè)紅外輻射能實(shí)現(xiàn)溫度的測(cè)量；或把物體各個(gè)點(diǎn)輻射能大小轉(zhuǎn)換成熱圖象；或利用氣體輻射在紅外波段有固定的譜線完成氣體分析等。（3）紅外輻射溫度計(jì)應(yīng)用實(shí)例常見的紅外輻射溫度計(jì)的測(cè)溫范圍可以從-30℃到3000℃，可根據(jù)需要選擇不同的規(guī)格。（a）表面溫度測(cè)量示意圖（b）內(nèi)部原理結(jié)構(gòu)圖3-41紅外輻射溫度計(jì)的外形結(jié)構(gòu)與原理框圖1－便攜式紅外輻射溫度計(jì)；2－紅色瞄準(zhǔn)激光束；3－濾光片；4－聚焦透鏡圖3-41（a）是電動(dòng)機(jī)表面溫度測(cè)量示意圖。測(cè)試時(shí)，按下手槍形測(cè)量?jī)x的開關(guān)，槍口射出一束低功率的紅色激光，自動(dòng)匯聚到被測(cè)物上（瞄準(zhǔn)用）。被測(cè)物發(fā)出的紅外輻射能量就能準(zhǔn)確地聚焦在紅外輻射溫度計(jì)“槍口”內(nèi)部的光電池上。紅外輻射溫度計(jì)內(nèi)部的CPU根據(jù)距離、被測(cè)物表面黑度輻射系數(shù)、水蒸氣及粉塵吸收修正系數(shù)、環(huán)境溫度以及被測(cè)物輻射出來的紅外光強(qiáng)度等諸多參數(shù)，計(jì)算出被測(cè)物體的表面溫度。其反應(yīng)速度只需0.5s，有峰值、平均值顯示及保持功能，可與計(jì)算機(jī)串行通信。廣泛用于鐵路機(jī)車軸溫檢測(cè)，冶金、化工、高壓輸變電設(shè)備、熱加工流水線表面溫度測(cè)量，還可快速測(cè)量人體溫度。紅外線氣體分析儀：是根據(jù)氣體對(duì)紅外線具有選擇性的吸收的特性來對(duì)氣體成分進(jìn)行分析的。紅外熱成像紅外無損探傷紅外檢測(cè)在軍事上的應(yīng)用紅外線商品導(dǎo)購紅外線節(jié)能控制器紅外線防盜報(bào)警器幾種氣體對(duì)紅外線的透射光譜3.3.4光纖傳感器及溫度檢測(cè)光纖傳感器（FOSFiberOpticalSensor）是20世紀(jì)70年代中期發(fā)展起來的一種基于光導(dǎo)纖維的新型傳感器。它是光纖和光通信技術(shù)迅速發(fā)展的產(chǎn)物，它與以電為基礎(chǔ)的傳感器有本質(zhì)區(qū)別。光纖傳感器用光作為敏感信息的載體，用光纖作為傳遞敏感信息的媒質(zhì)。因此，它同時(shí)具有光纖及光學(xué)測(cè)量的特點(diǎn)。①電絕緣性能好。②抗電磁干擾能力強(qiáng)。③非侵入性。④高靈敏度。⑤容易實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)信號(hào)的遠(yuǎn)距離監(jiān)控。光纖耐腐蝕，在水中、溶液中、化學(xué)氣體中也能使用。特別是由于它不受電磁感應(yīng)的影響，不用擔(dān)心出現(xiàn)火花，因此，在煤礦、石油和氣體貯藏所等易燃易爆環(huán)境下，也可正常進(jìn)行測(cè)量。光纖傳感器可測(cè)量位移、速度、加速度、液位、應(yīng)變、壓力、流量、振動(dòng)、溫度、電流、電壓、磁場(chǎng)等物理量。1.光纖簡(jiǎn)介

光的全反射實(shí)驗(yàn)光纖呈圓柱形，它由玻璃纖維芯（纖芯）和玻璃包皮（包層）兩個(gè)同心圓柱的雙層結(jié)構(gòu)組成。纖芯材料為直徑5～75μm的以二氧化硅為主，摻雜微量元素的石英玻璃；包層是用低折射率的玻璃或塑料制成，直徑100～200μm。圖3-42光纖的結(jié)構(gòu)光的反射、折射

當(dāng)一束光線以一定的入射角θ1從介質(zhì)1射到介質(zhì)2的分界面上時(shí)，一部分能量反射回原介質(zhì)；另一部分能量則透過分界面，在另一介質(zhì)內(nèi)繼續(xù)傳播。

（2）原理：光在光纖中的全反射

各種裝飾性光導(dǎo)纖維

發(fā)光二極管產(chǎn)生多種顏色的光線，通過光導(dǎo)纖維傳導(dǎo)到東方明珠球體的表面。在計(jì)算機(jī)控制下，可產(chǎn)生動(dòng)態(tài)圖案。上海東方明珠光纖傳感器外形

(1)光纖的結(jié)構(gòu)

所以，為滿足光在光纖內(nèi)的全內(nèi)反射，光入射到光纖端面的入射角θi應(yīng)滿足一般光纖所處環(huán)境為空氣，則n0=1，這樣式（5）可表示為實(shí)際工作時(shí)需要光纖彎曲，但只要滿足全反射條件，光線仍然繼續(xù)前進(jìn)。可見這里的光線“轉(zhuǎn)彎”實(shí)際上是由光的全反射所形成的。（5）（6）光纜的外形及光纖的拉制

(3)光纖的種類A.按材料分：玻璃光纖和塑料光纖B.按傳輸模式分：?jiǎn)文９饫w：纖芯直徑很?。?~10m），只能傳播一個(gè)模；多模光纖：纖芯直徑較大（50m以上），能傳播幾百個(gè)以上的模。C.按折射率分布規(guī)律分：a.梯度型(也稱漸變型)，也稱自聚焦光纖b.階躍型(也稱臺(tái)階型)c.單孔型塑料光纖塑料光纖由光導(dǎo)塑膠材料以及PVC護(hù)套組成。我們通常根據(jù)塑料光纖外形尺寸小以及光束直徑窄的特點(diǎn)，來選擇適合的光纖。塑料光纖一般用于檢測(cè)小元件，譬如IC芯片上的針腳。塑料光纖的長(zhǎng)度可隨意切割，因此塑料光纖訂貨時(shí)并沒有必要對(duì)長(zhǎng)度進(jìn)行詳細(xì)說明。一般來說，為了在應(yīng)用中獲得最佳的光強(qiáng)效果，往往截取塑料光纖至最佳長(zhǎng)度。因?yàn)檫@樣可以將光纖內(nèi)的“光損耗”降至最低。光纖的標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度為2m。玻璃光纖玻璃光纖由特殊應(yīng)用的護(hù)套以及內(nèi)部細(xì)小的玻璃光束組成。有四種標(biāo)準(zhǔn)類型的護(hù)套可選：不銹鋼、硅、PVC及金屬硅材料。玻璃光纖的直徑往往比塑料光纖要大，且檢測(cè)距離更遠(yuǎn)。不銹鋼材質(zhì)護(hù)套類型的玻璃光纖能夠承受的最高溫度為482℃。單模光纖單模光纖