傳感器與檢測技術(shù)課件第六章溫度傳感器3

輻射式溫度傳感器是利用物體的輻射能隨溫度變化的原理制成的。是一種非接觸式測溫方法，只要將傳感器與被測對象對準(zhǔn)即可測量其溫度的變化。1）傳感器與被測對象不接觸，不會干擾被測對象的溫度場，故可測量運動物體的溫度，且可進行遙測。2）由于傳感器與被測對象不在同一環(huán)境中，不會受到被測介質(zhì)性質(zhì)的影響，所以可以測量腐蝕性、有毒物體、帶電體的溫度，測溫范圍廣，理論上無測溫上限限制。3）在檢測時傳感器不必和被測對象進行熱量交換，所以測量速度快，響應(yīng)時間短，適于快速測溫。4）由于是非接觸測量，測量精度不高，測溫誤差大。與接觸式溫度傳感器相比，具有以下特點：輻射溫度傳感器是利用斯蒂芬·彼爾茲曼全輻射定理研制出的。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：由上式可知，物體溫度越高，輻射功率就越大，只要知道物體的溫度，就可以計算出它所發(fā)射的功率，反之，如果測量出物體所發(fā)射出來的輻射功率，就可利用上式確定物體的溫度。全波長輻射能力物體的絕對溫度斯蒂芬·彼爾茲曼常數(shù)根據(jù)所采用測量方法的差異，非接觸式溫度傳感器可分為：全輻射式溫度傳感器亮度式溫度傳感器比色式溫度傳感器一、全輻射式溫度傳感器能全部吸收投射到它表面的輻射能量的物體稱為黑體；能全部反射的物體稱為鏡體；能全部透過的物體稱為透明體；能部分反射、部分吸收的物體稱為灰體。

全輻射溫度傳感器利用物體在全光譜范圍內(nèi)總輻射能量與

溫度的關(guān)系測量溫度。一、全輻射式溫度傳感器絕對黑體的全輻射能與溫度的關(guān)系為：波爾茲曼系數(shù)熱力學(xué)溫度灰體的全輻射能與溫度的關(guān)系為：若灰體在某一溫度T時的全輻射能跟絕對黑體在溫度TF時全輻射能相等，則TF稱為該灰體的輻射溫度。所以知道了物體的全輻射系數(shù)εT（查表）和用輻射溫度計測得輻射溫度Tr，根據(jù)上式可得到物體的真實溫度T。一、全輻射式溫度傳感器一、全輻射式溫度傳感器被測物的輻射能量經(jīng)物鏡

聚焦到熱電堆的靶心鉑片上，將輻射能轉(zhuǎn)化為熱能，再由熱電堆變成熱電動勢，再由顯示儀表顯示出熱電動勢的大小，由熱電動勢

數(shù)值可知所測溫度的大小。這種傳感器適用于遠(yuǎn)距離，不能直接接觸的高溫物體，其測溫范圍為（100~2000）℃二、亮度式溫度傳感器亮度式溫度傳感器利用物體的單色輻射亮度隨溫度變化的原理，并以被測物體光譜的一個狹窄區(qū)域內(nèi)的亮度與標(biāo)準(zhǔn)輻射體的亮度進行比較來測量溫度。測溫原理物體在波長λ下的亮度Lλ和它的光譜輻射出射強度Eλ成正比。

全輻射體：

實際物體：亮度溫度：在波長為λ的單色輻射中，若物體在溫度T時的亮度Lλ和全輻射體在溫度Ts時的亮度L0λ相等，則把Ts稱為被測物體在波長λ時的亮度溫度。

被測物體實際溫度T

和亮度溫度Ts

之間的關(guān)系：∵

0<ελ<1，∴

測到的亮度溫度總是低于物體真實溫度的，即Ts<T

。二、亮度式溫度傳感器常用的亮度傳感器：燈絲隱滅式亮度傳感器光電式亮度傳感器二、亮度式溫度傳感器常用的亮度傳感器：燈絲隱滅式亮度傳感器光電式亮度傳感器見課本圖6-14WGG2型光學(xué)高溫計測量范圍：700~2000℃可用于冶金、化工和機械等工業(yè)生產(chǎn)過程中，測量冶煉、燒鑄、軋鋼、玻璃熔窖、鍛打、熱處理的溫度。WGG2型光學(xué)高溫計二、亮度式溫度傳感器特點：這種傳感器量程較寬，有較高的測量精度，一般用于測量（700~3200）℃范圍的澆鑄、軋鋼、鍛壓、熱處理時的溫度三、比色溫度傳感器測溫原理：當(dāng)溫度變化時，物體的最大單色輻射出射度將向波長增大或減小的方向移動。使兩個固定波長λ1和λ2下的光譜輻射出射度比值變化。因此，測出兩者比值即可知被測溫度。由于是比較兩個波長的亮度，故稱之為“比色測溫法”三、比色溫度傳感器用此法進行測量時，儀表顯示的溫度為“比色溫度”。定義為：非黑體輻射的兩個波長λ1、λ2的亮度Lλ1T和Lλ2T之比值等于絕對黑體相應(yīng)的亮度Lλ1T和Lλ2T之比值時，絕對黑體的溫度稱為該非黑體的比色溫度，以Tp表示，它與非黑體的真實溫度T的關(guān)系為：三、比色溫度傳感器若比色溫度計所選波長很接近，則單色輻射黑度系數(shù)也十分接近，所測比色溫度近似等于真實溫度，這是比色高溫計很重要的優(yōu)點。三、比色溫度傳感器比色高溫計比其它輻射式高溫計的測溫準(zhǔn)確度高。因為中間介質(zhì)（水蒸氣、CO、CO2等）的吸收，對單色輻射強度比值的影響較??；因比色溫度接近于實際溫度，如對被測物體無法得知其全輻射系數(shù)時，當(dāng)然用比色溫度來代替實際溫度比其它方法更準(zhǔn)第四節(jié)半導(dǎo)體溫度傳感器第四節(jié)半導(dǎo)體溫度傳感器半導(dǎo)體溫度傳感器以半導(dǎo)體P-N結(jié)的正向壓降或反向壓降保持不變時，正向電流和反向電流都隨著溫度的變化而變化，而當(dāng)正向電流保持不變時，P-N結(jié)的正向壓降隨溫度的變化近似于線性變化，大約以-2mV/℃的斜率隨溫度變化。因此，利用P-N結(jié)的這一特性，可以對溫度進行測量。半導(dǎo)體溫度傳感器利用晶體二極管和晶體三極管作為感溫

元件，二極管感溫元件利用P-N結(jié)在恒定電流下，其正向壓降與溫度之間的近似線性來實現(xiàn)，測量誤差較大。三極管能較容易地解決這一問題。第四節(jié)半導(dǎo)體溫度傳感器①原理：根據(jù)晶體管原理,處于正向工作狀態(tài)的晶體三極管,其發(fā)射極電流和發(fā)射結(jié)電壓能很好地符合下面關(guān)系式中,IE為發(fā)射極電流,UBE為發(fā)射結(jié)壓降,Ise為發(fā)射結(jié)的反向飽和電流。因為在室溫時,kT/q=26mV左右,因此,在一般發(fā)射結(jié)正向偏置的條件下,都能滿足UBE>>kT/q的條件,這時上式可以近似為

對上式取對數(shù),得

由上式可知,溫度T與發(fā)射結(jié)壓降UBE有對應(yīng)關(guān)系,我們可根據(jù)這一關(guān)系通過測量UBE來測量溫度T值,且在溫度不太高的情況下,兩者近似成線性關(guān)系,其靈敏度為第四節(jié)半導(dǎo)體溫度傳感器

圖8.13為硅半導(dǎo)體晶體管的基極—發(fā)射極間電壓UBE和集電極電流IC關(guān)系的溫度特性。UBE具有大約-2.3mV/℃的溫度系數(shù)，利用這一現(xiàn)象可以制成高精度、超小型的溫度傳感器，測溫范圍為-50-200℃左右。

圖8.13UBE與IC的溫度特性②溫度特性第四節(jié)半導(dǎo)體溫度傳感器集成電路（IC）溫度傳感器是近期開發(fā)的，把溫度傳感器與后續(xù)的放大器等用集成化技術(shù)制作在同一基片上而成的，集傳感與放大為一體的功能器件。這種傳感器輸出特性的線性關(guān)系好，測量精度也比較高，使用起來方便，越來越受到人們的重視。它的缺點是靈敏度較低。

IC溫度傳感器的設(shè)計原理是,對于集電極電流比一定的兩個晶體管,其UBE之差ΔUBE與溫度有關(guān)。集成（IC）溫度傳感器（如AD590，美國模擬器件公司）第四節(jié)半導(dǎo)體溫度傳感器圖8.20電流輸出型IC溫度傳感器原理圖電流輸出型IC溫度傳感器原理圖如下圖所示。第四節(jié)半導(dǎo)體溫度傳感器

IC設(shè)計時,取V2發(fā)射極面積為V4發(fā)射極面積的8倍,于是根據(jù)式(8.17)得電阻R上的電壓輸出為

圖中集電極電流由UT/R決定,電路中流過的電流為流過R的電流的2倍。取R=358Ω,則可獲得靈敏度為1μA/K的溫度傳感器。第四節(jié)半導(dǎo)體溫度傳感器簡單、價廉，可制成半導(dǎo)體溫度計，測溫范圍0~50℃二極管溫度傳感器三極管溫度傳感器精度高、測溫范圍寬，在（-50~150）℃之間，可用于工業(yè)、醫(yī)療等領(lǐng)域的儀器或系統(tǒng)第四節(jié)半導(dǎo)體溫度傳感器1.下圖給出了一種測溫電路，其中RT=2R0（1+0.01t）（KΩ）為感溫?zé)犭娮?，RB為可調(diào)電阻，U為工作電壓。（其中G為檢流計）（1）基于該測溫電路的工作機理，請給出調(diào)節(jié)電阻RB隨溫度變化的關(guān)系。（2）若測溫范圍為20~40℃，R0=10KΩ，試計算RB的變化范圍。習(xí)題2.一種測溫電路的測溫范圍為0℃~200℃，其電路圖如下。圖中Rt=10（1+0.005t)KΩ為感溫?zé)犭娮?；R0=10KΩ，工作電壓E=10V，M、N兩點的電位差為輸出電壓UMN。（1）寫出UMN的數(shù)學(xué)表達(dá)式；（2）求0℃到100℃