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1、项目一 温度传感器,2.1 温度测量概述 2.2 热电偶传感器 2.3 热电阻式传感器 2.4 集成温度传感器 2.5 其他温度传感器,温度传感器是实现温度检测和控制的重要器件。在种类繁多的传感器中，温度传感器是应用最广泛、发展最快的传感器之一。工业生产自动化流程，温度测量点要占全部测量点的一半左右。,温度是反映物体冷热状态的物理参数。,温度标志着物质内部大量分子无规则运动的剧烈程度。温度越高，表示物体内部分子热运动越剧烈。,模拟图：在一个密闭的空间里，气体分子在高温时的运动速度比低温时快！,低温,高温,2.1.1 温度测量,接触式温度传感器 非接触式温度传感器,接触式温度传感器的特点：传感器
2、直接与被测物体接触进行温度测量，由于被测物体的热量传递给传感器，降低了被测物体温度，特别是被测物体热容量较小时，测量精度较低。因此采用这种方式要测得物体的真实温度的前提条件是被测物体的热容量要足够大。,非接触式温度传感器主要是利用被测物体热辐射而发出红外线，从而测量物体的温度，可进行遥测。其制造成本较高，测量精度却较低。优点是：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。,2.1 温度测量概述,随物体的热膨胀相对变化而引起的体积变化； 蒸气压的温度变化； 电极的温度变化 热电偶产生的电动势； 光电效应 热电效应 介电常数、导磁率的温度变化； 物质的变色、融
3、解； 强性振动温度变化； 热放射； 热噪声。,温度传感器的物理原理,此外，还有微波测温温度传感器、噪声测温温度传感器、温度图测温温度传感器、热流计、射流测温计、核磁共振测温计、穆斯保尔效应测温计、约瑟夫逊效应测温计、低温超导转换测温计、光纤温度传感器等。这些温度传感器有的已获得应用，有的尚在研制中。,2.1.2 温标,热平衡：温度是描述热平衡系统冷热程度的物理量。 分子物理学：温度反映了物体内部分子无规则运动的剧烈程度。 能量：温度是描述系统不同自由度间能量分配状况的物理量。 温标：表示温度大小的尺度是温度的标尺。,1848年威廉汤姆首先提出以热力学第二定律为基础，建立温度仅与热量有关，而与物
4、质无关的热力学温标。因是开尔文总结出来的，故又称开尔文温标，用符号K表示。它是国际基本单位制之一。,1热力学温标,2国际实用温标,1968年国际实用温标规定热力学温度是基本温度，用t表示，其单位是开尔文，符号为K。1K定义为水三相点热力学温度的1/273.16，水的三相点是指纯水在固态、液态及气态三项平衡时的温度，热力学温标规定三相点温度为273.16 K，这是建立温标的惟一基准点。,3摄氏温标,是工程上最通用的温度标尺。摄氏温标是在标准大气压(即101325Pa)下将水的冰点与沸点中间划分一百个等份，每一等份称为摄氏一度(摄氏度，)，一般用小写字母 t 表示。与热力学温标单位开尔文并用。 摄
5、氏温标与国际实用温标温度之间的关系如下：,4华氏温标,目前已用得较少，它规定在标准大气压下冰的融点为32华氏度，水的沸点为212华氏度，中间等分为180份，每一等份称为华氏一度，符号用，它和摄氏温度的关系如下：,T= t+273.15 K,t =T-273.15 ,m=1.8n+32 ,n= 5/9 (m-32) ,几种温标的对比,正常体温为37 C ，相当于华氏温度多少度？,公元1600年，伽里略研制出气体温度计。一百年后，研制成酒精温度计和水银温度计。随着现代工业技术发展的需要，相继研制出金属丝电阻、温差电动式元件、双金属式温度传感器。1950年以后，相继研制成半导体热敏电阻器。最近，随着
6、原材料、加工技术的飞速发展、又陆续研制出各种类型的温度传感器。,温度传感器的发展概况,示温涂料（变色涂料）,装满热水后图案变得清晰可辨,变色涂料在电脑内部温度中的示温作用,CPU散热风扇,低温时显示蓝色,温度升高后变为红色,体积热膨胀式,不需要电源，耐用；但感温部件体积较大。,气体的体积与热力学温度成正比,红外温度计,2.2 热电偶传感器 热电偶在温度的测量中应用十分广泛。它构造简单，使用方便，测温范围宽，并且有较高的精确度和稳定性。 2.2.1 热电偶测温原理 1.热电效应 两种不同材料的导体组成一个闭合回路时，若两接点温度不同，则在该回路中会产生电动势。这种现象称为热电效应，该电动势称为热
7、电势。,看一个实验热电偶工作原理演示,结论：当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。,热电极A,自由端（参考端、冷端）,测量端（工作端、热端）,热电极B,热电势,A,B,热电偶回路,图1.1 热电偶回路,接触电动势,含义：由于两种不同导体的自由电子密度不同而在接触处形成的电动势。,接触电动势的数值取决于两种不同导体的材料特性和接触点的温度。 两接点的接触电动势EAB(T)和EAB（T0）可表示为,同一导体的两端因其温度不同而产生的一种电动势。,大小表示： EA (T，T0)和EB (T，T0 ）,温差电动势,机理：高温端的电子能量要比低温端的电子能量大，从高温端跑到低温端的电子数比从低温端
8、跑到高温端的要多，结果高温端因失去电子而带正电， 低温端因获得多余的电子而带负电，在导体两端便形成温差电动势。,注意两种电动势表示方法,热电偶回路中产生的总热电势,EAB(T, T0)=EAB(T)EB(T,T0)EAB(T0)EA(T,T0),通常，温差电动势极小，可忽略不计，热电偶的热电势可表示为：,EAB(T, T0)=EAB(T)EAB(T0),1、影响因素取决于材料和接点温度，与形状、尺寸等无关,EAB(T,T0)=EAB(T)c=f(T),可见：只要测出EAB（T,T0）的大小，就能得到被测温度T，这就是利用热电偶测温的原理。,总结：,2、两热电极相同时，总电动势为0,3、两接点温
9、度相同时，总电动势为0,4、对于已选定的热电偶，当参考端温度T0恒定时，EAB(T0)=c为常数，则总的热电动势就只与温度T成单值函数关系，即, 热电偶的特点： 1、属于自发电型传感器，测量时可不加外接电源驱动动圈式仪表。,2、测温范围广，-2701800摄氏度。,3、各温区中的热电势均符合国际计量委员会标准。,热电偶的分度表,热电偶的线性较差，多数情况下采用查表法,我国从1991年开始采用国际计量委员会规定的“1990年国际温标”（简称ITS-90）的新标准。按此标准，制定了相应的分度表，并且有相应的线性化集成电路与之对应。,直接从热电偶的分度表查温度与热电势的关系时的约束条件是：自由端（冷
10、端）温度必须为0C。,K热电偶的分度表,（1）、均质导体定律 由一种导体组成的闭合回路，无论截面和形状如何，都不能产生电动势。由两种均质导体组成的热电偶，其热电动势的大小只与两材料及两接点温度有关，与热电偶的大小尺寸、形状及沿电极各处的温度分布无关。即热电偶必须由两种不同性质的均质材料构成。 ,意义： 有助于检验两个热电极材料成分是否相同及材料的均匀性。 ,2、 热电偶基本定律,在热电偶测温回路内，接入第三种导体时，只要第三种导体的两端温度相同，则对回路的总热电势没有影响。,（2）、中间导体定律,应用：利用热电偶进行测温，必须在回路中引入连接导线和仪表，接入导线和仪表后不会影响回路中的热电势。
11、,测量仪表及引线作为第三种导体的热电偶回路,（3）、标准导体（电极）定律,标准导体定律的意义,通常选用高纯铂丝作标准电极 只要测得它与各种金属组成的热电偶的热电动势，则各种金属间相互组合成热电偶的热电动势就可根据标准电极定律计算出来。,（4）、中间温度定律,EAB(t,t0)=EAB(t,tc)+EAB(tc,t0),在热电偶测温回路中，tc为热电极上某一点的温度，热电偶AB在接点温度为t、t0时的热电势EAB(t, t0)等于热电偶AB在接点温度t、tc和tc、t0时的热电势EAB(t, tc)和EAB(tc, t0)的代数和，即,例如：EAB(t,0)=EAB(t,20)+EAB(20,t
12、0),中间温度定律,中间温度定律的应用,根据这个定律，可以连接与热电偶热电特性相近的导体A和B，将热电偶冷端延伸到温度恒定的地方，这就为热电偶回路中应用补偿导线提供了理论依据。,该定律是参考端温度计算修正法的理论依据。在实际热电偶测温回路中, 利用热电偶这一性质, 可对参考端温度不为0的热电势进行修正。,2.2.2 热电偶的结构形式与热电偶材料 1热电偶的种类 （1）普通型热电偶,普通装配型热电偶的外形,安装螺纹,安装法兰,普通装配型热电偶的 结构放大图,接线盒,引出线套管,固定螺纹 （出厂时用塑料包裹）,热电偶工作端（热端）,不锈钢保护管,（2）铠装热电偶（缆式热电偶） 铠装热电偶是将热电偶
13、丝与电熔氧化镁绝缘物溶铸在一起，外表再套不锈钢管等构成。 这种热电偶耐高压、反应时间短、坚固耐用。,铠装型热电偶,铠装热电偶的制造工艺：把热电极材料与高温绝缘材料预置在金属保护管中、运用同比例压缩延伸工艺、将这三者合为一体，制成各种直径、规格的铠装偶体，再截取适当长度、将工作端焊接密封、配置接线盒即成为柔软、细长的铠装热电偶。 铠装热电偶特点：内部的热电偶丝与外界空气隔绝，有着良好的抗高温氧化、抗低温水蒸气冷凝、抗机械外力冲击的特性。铠装热电偶可以制作得很细，能解决微小、狭窄场合的测温问题，且具有抗震、可弯曲、超长等优点。,铠装型热电偶,1-热电极；2-绝缘材料； 3-金属套管；4-接线盒；
14、5-固定装置,铠装型热电偶外形,法兰,铠装型热电偶可 长达上百米,薄壁金属 保护套管（铠体）,铠装型热电偶横截面,（3）薄膜热电偶 用真空镀膜技术或真空溅射等方法，将热电偶材料沉积在绝缘片表面而构成的热电偶称为薄膜热电偶。 测温范围为-200500。测量端既小又薄，热容量小，响应速度快。适用于测量微小面积上的瞬变温度。,薄膜热电偶,（4）表面热电偶 主要用于现场流动的测量，广泛用于纺织、印染、造纸、塑料及橡胶工业；探头有各种形状(弓形、薄片形等)，以适应于不同物体表面测温用。在其把手上装有动圈式仪表，读数方便。测量温度范围有0250和0600两种。 （5）防爆热电偶 在石油、化工、制药工业中，
15、生产现场有各种易然、易爆等化学气体，这时需要采用防爆热电偶。它采用防爆型接线盒，有足够的内部空间、壁厚及机械强度，其橡胶密封圈的热稳定性符合国家的防爆标准。因此，即使接线盒内部爆炸性混合气体发生爆炸时，其压力也不会破坏接线盒，其产生的热能不能向外扩散传爆，可达到可靠的防爆效果。,隔爆型热电偶外形,厚壁保护管,压铸的接线盒,电缆线,其他热电偶外形,小形K型热电偶,2.热电偶组成材料及分度表 为了准确可靠地进行温度测量，必须对热电偶组成材料严格选择。 目前工业上常用的四种标准化热电偶材料为: 铂铑30铂铑6、 铂铑10铂、 镍铬镍硅 镍铬铜镍（我国通常称为镍铬康铜）。 组成热电偶的两种材料写在前面
16、的为正极，后面的为负极。 热电偶的热电动势与温度之关系表，称之为分度表。,八种国际通用热电偶： B:铂铑30铂铑6 、R:铂铑13铂 、 S:铂铑10铂、 K:镍铬镍硅 、 N:镍铬硅镍硅、 E:镍铬铜镍、 J:铁铜镍、 T:铜铜镍,用于制造铂热电偶的各种铂热电偶丝,几种常用热电偶的测温范围及热电势,5种热电偶的测温范围与热电势各有什么特点？,1、热电偶的温度补偿 当热端温度为t时，分度表所对应的热电势EAB(t, 0)与热电偶实际产生的热电势EAB(t,t0)之间的关系可根据中间温度定律得到下式：,EAB(t,0)= EAB(t,t0)+EAB(t0，0),由此可见，EAB(t0，0)是冷端温度t0的函数，因此需要对热电偶冷端温度进行处理。,2.2.3 热电偶测温及参考端温度补偿,在实验室及精密测量中，通常把冷端放入0恒温器或装满冰水混合物的容器中，以便冷端温度保持0。 这是一种
