温度传感器及工程应用

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1、第3章 温度传感器及工程应用 3.1 温度测量概述 3.2 热电阻传感器 3.3 热敏电阻传感器 3.4 热电偶传感器 3.5 集成温度传感器 3.6 辐射式温度传感器 3.7 温度传感器工程应用案例 第3章 温度传感器及工程应用 返回主目录 第3章 温度传感器及工程应用 温度是工农业生产和科学实验中一个非常重要的参数， 许多生产过程都是在一定的温度范围内进行的。比如，人们 为了在炎热的夏天工作环境舒适，就要用空调。空调的作用 就是实时不断地检测房间里的温度，当房间温度高于设定温 度（比如26）时，就启动制冷系统使房间温度下降，当降 到设定温度以下时，制冷系统停止工作，等待温度上升，当 温度又

2、上升到设定温度以上时，制冷系统又开始工作；这样 周而复始的不断工作，就把房间里的温度控制在设定温度附 近。在这个空调系统中，温度传感器起着重要的作用。下面 就温度传感器及其工程应用作一介绍。 第3章 温度传感器及工程应用 3.1 温度测量概述 3.1.1 温度与温标 温度是表征物体冷热程度的物理量。为了定量地描述温 度的高低，就建立了温标，温标就是温度的标尺。它有多种 ，比如摄氏温标，华氏温标，热力学温标等。当前世界通用 的是1990年制定的国际标准(即国际协议ITS-90)。该协议中规 定了两种温标，一种是开尔文温标，用符号T90表示，单位是 开尔文(K)。另一种是摄氏温标，用符号t90表示

3、，单位是摄氏 度()。T90和t90之间的关系为 在实际应用中，一般直接用T和t代替T90和t90。 (3-1) 第3章 温度传感器及工程应用 3.1.2 温度测量方法和分类 1. 温度测量方法 温度测量通常是利用冷热不同的物体之间热交换原理以 及某些物体特性随着冷热程度不同而变化的特点来进行的。 测量温度的器件称作温度测量仪表，工程上用的通常分为现 场温度传感器和控制室显示仪表两部分（见图3-1）。且现场 用的温度传感器称作一次仪表，而控制室用的显示仪表称作 二次仪表。 现场部分 控制室部分 温度传感器显示仪表 t 图图3-1 温度测测量仪仪表的组组成 第3章 温度传感器及工程应用 可分为接

4、触式测量与非接触式测量两大类。 1）接触式测量 接触式测量是使感温元件和被测介质相接触，当被测 介质与感温元件达到热平衡时，感温元件与被测介质的温度 相等。这类温度传感器具有结构简单、工作可靠、精度高、 稳定性好、价格低廉等优点，是目前被广泛应用。 2）非接触式测量 非接触式测量是应用物体的热辐射能量随温度的变化 而变化的原理进行的。若选择合适的接收检测装置，便可测 得被测对象发出的热辐射能量，实现温度的测量。它可测高 温、腐蚀、有毒、运动等物体表面的温度，不干扰被测温度 场，但精度较低，使用不太方便。 2. 温度测量方法的分类 第3章 温度传感器及工程应用 3.2 热电阻传感器 热电阻传感器

5、是中、低温区（850以下）最常用的一种 温度检测器。 3.2.1 热电阻的测温原理 导体或半导体材料的电阻率随温度变化而明显变化的现 象称作热敏效应。利用金属导体的热敏效应制成的测温元件 称作热电阻。利用半导体材料的热敏效应制成的测温元件称 作热敏电阻。热电阻的测温原理就是基于金属材料的热敏效 应。热电阻传感器是利用导体的电阻值随温度变化而变化的 原理进行测温的。常见的热电阻材料是金属铂和铜。 第3章 温度传感器及工程应用 1. 铂热电阻 铂热电阻的特点是精度高、稳定性好、性能可靠，所以 在温度测量中得到了广泛应用。按IEC标准，纯铂热电阻的测 温范围是-200+850。 在-2000的温度范

6、围内，铂热电阻的特性方程为 R(t)=R01+At+Bt2+Ct3(t-100) 在0850的温度范围内为 R(t) = R0(1+At+Bt2) 式中：R(t)和R0分别为t和0时铂电阻值；A、B和C是与铂 金纯度有关的常数。 (3-3) (3-2) 第3章 温度传感器及工程应用 由此可知，铂热电阻的阻值与铂金的纯度有关，为描述 铂热电阻的纯度常用电阻比W(100)来表示，即 W(100)=R100/R0 式中，R100为铂热电阻在100时的电阻值；R0 为铂热电阻在 0时的电阻值。 电阻比W(100)越大，代表铂金纯度越高，按IEC标准, 工 业上使用的铂热电阻应满足W(100)1.385

7、0。使用测温范围是 -200650。目前技术水平可达到W(100)=1.3930，其对应铂 金纯度为99.9995%。 (3-4) 第3章 温度传感器及工程应用 从式(32)和式(33)看出，铂热电阻的阻值与温度t呈非线 性关系。其阻值大小与R0和t有关。为方便用户使用，通常把 这种关系做成表格称作分度表。目前我国生产的工业用 热电阻型号是WZX，其中W表示温度仪表，Z表示热电阻，X 表示感温材料。例如WZP就表示铂热电阻，它有R0=10、 100和1000等多种, 它们的分度号分别为Pt10、Pt100和 Pt1000, 其中以Pt100最为常用。铂热电阻不同分度号亦有相应 分度表，对于W(

8、100)=1.3850的铂热电阻，它的常数 A=3.908310-3/，B=5.77510-7/2，C=4.18310-12/4。 其Pt100的分度表见表32。 第3章 温度传感器及工程应用 表32 铂热电阻Pt100的分度表 分度号：Pt100 (R0=100) 第3章 温度传感器及工程应用 2. 铜热电阻 由于铂是贵重金属。因此, 在一些测量精度要求不高且温 度较低的场合, 可采用铜热电阻进行测温, 它的测量范围为 -50+150。其电阻值与温度的关系几乎是线性的, 可近似地 表示为： R(t)=R0（1+t） 式中：=4.2810-3/ 为铜热电阻的电阻温度系数。 目前我国生产的工业用

9、铜热电阻型号是WZC，其分度号 也有两种，分别为Cu50(R0=50)和Cu100（R100=100）。 铜热电阻线性度好, 价格便宜, 但它易氧化, 不适宜在腐蚀 性介质或高温下工作。 (3-5) 第3章 温度传感器及工程应用 3.2.3 常用热电阻传感器的结构 热电阻传感器的结构随用途不同而异。其主要部件是电 阻体。而电阻体是由电阻丝和电阻支架组成。电阻丝采用双 线无感绕法绕制在具有一定形状的云母、石英或陶瓷塑料支 架上, 支架起支撑和绝缘作用, 引出线通常采用直径1mm的银 丝或镀银铜丝，它们的内部结构示意图如图3-2所示。 图3-2热电阻体结构示意图 第3章 温度传感器及工程应用 目前

10、，我国工业用热电阻传感器有普通热电阻、铠装热 电阻、端面热电阻和防暴热电阻等多种封装形式，普通热电 阻传感器的封装结构如下图3-3所示。它由电阻体、绝缘管、 保护套管、引线和接线盒等部分组成。 图3-3 工业用普通热电阻传感器封装结构示意图 第3章 温度传感器及工程应用 3.2.4 热电阻传感器测温电路 1. 直流电桥测温转换电路 用热电阻传感器测温时, 测量 电路经常采用直流电桥(见图3-4) 。显然有 当 Uab=0时，称作电桥平衡，则有 即 图3-4直流电桥测量转换电路 式（3-7）称作电桥的平衡条件。 (3-7) 第3章 温度传感器及工程应用 用电桥测温时，将R4换成热电阻传感器R(t

11、)，R2和R3取固 定电阻，R1取可变电阻器Rp，用于调电桥平衡的。若取Rp=R2 =R3 =R0（R0为热电阻在0时的电阻值），则在0时电桥平 衡，在温度t时，直流电桥输出电压UAB为 式（3-8）说明，当恒压源电压U一定时，则UAB是热电 阻R(t)的函数。若读出电压UAB的值，便可求出R(t)的值，根 据热电阻的温度特性表达式或分度表就可计算出被测温度t 的值。 (38) 第3章 温度传感器及工程应用 当热电阻与测量电桥相隔距 离较远时，连接导线电阻R不能 忽略。设连接导线的电阻为R1和 R2。则实际的电桥测温转换电路 如图35(a)所示。假设R1=R2=R 。若仍选取Rp=R2 =R3

12、 =R0，则电 桥在0时就不平衡了，且在温度 t时，直流电桥的不平衡输出电 压UAB为 (39) 图35 (a) 两线制接法 这种接法适合于R(t)与直流电桥较近或测温精度不高的场合。 第3章 温度传感器及工程应用 为了削弱连接导线电阻R1 、R2对转换结果的影响，热电 阻引线可采用三线制，接入电 桥的连线方式如图35(b)所示 。这时电桥的不平衡输出电压 UAB为 图35 (b) 三线制接法 将式(39)和上式比较可知，三线制接法大大减少了连接导线 电阻对测量结果的影响。因此工业上多数采用三线制接法。 第3章 温度传感器及工程应用 2. 集成运放测温转换电路 在电桥转换电路中，不管是采用两线

13、制还是三线制接法， 电桥的不平衡输出电压不但与引线电阻有关，而且还与热电 阻R(t)不呈线性关系。这给计算带来了麻烦。为了解决这个问 题，可用集成放大测温转换电路。其电路结构如图36所示。 图36 集成运算放大器测温转换电路 第3章 温度传感器及工程应用 图36(a)为两线制接法。考虑到两连接导线电阻R1=R2=R ，由集成运放电路知识可知，该电路的输出电压Uo为 式中，R1为固定电阻；U为直流输入电压。 图36(b)是四线制接法的集成运放测温转换电 路。图中 R1、R2、R3和R4分别是热电阻R(t)四根引线的等效电阻。 由于R3和R4中无电流，所以开路电压Uo为 (311) (312) 由

14、式(312)可以看出，开路电压Uo不但与R(t)呈线性关系，而 且与引线电阻大小没有任何关系。 第3章 温度传感器及工程应用 3.3 热敏电阻 3.3.1 热敏电阻的测温原理 它是基于半导体材料的热敏效应，即利用半导体材料的 电阻率随温度变化而明显变化的原理。它具有以下特点。 (1) 灵敏度高，温度系数比热电阻大10100倍以上； (2) 电阻率大，体积小，元件尺寸可做到直径0.2mm； (3) 热惯性小，适于测量点温、表面温度及快速变化的温度； (4) 结构简单、机械性能好。可根据不同要求，制成各种形状 。 (5) 电阻是非线性，只在某一较窄温度范围内有较好的线性度 ，由于是半导体材料，其复

15、现性和互换性较差。 第3章 温度传感器及工程应用 3.3.2 热敏电阻的分类及特性 图3-7 热敏电阻的温度特性 由图37可知，NTC热敏电阻的温度特性变化单一，在实 际的测温中被广泛采用。下面重点介绍NTC热敏电阻的主要 特性。 按照阻值随温度变化的特 性分类，热敏电阻可分为正 温度系数（PTC）、负温度系 数（NTC）和临界温度系数 （CTR）3种类型，其特性如 图3-7所示。 第3章 温度传感器及工程应用 1. NTC热敏电阻的温度特性 由材料学可知，NTC热敏电阻值随温度变化的特性近似符 合指数规律，其表达式为 (313 ) 式中，T为热力学温度（K）；R(T)为热敏电阻在温度T时的电 阻值（）；A为温度T趋于无穷时的电阻值（）；B为热敏 电阻的材料常数（K）。 A、B的数值可通过实验方法获得。 比如，若测得电阻R(T1