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1、 温度传感器 第一节概论第二节热电偶温度传感器第三节热敏电阻温度传感器第四节IC温度传感器第五节其他温度传感器 了解温度传感器的作用 地位 分类和发展趋势 掌握热电偶三定律及相关计算 掌握不同类型热敏电阻的特点及应用场合 了解集成温度传感器使用方法 了解其他温度传感器工作原理 一 温度的基本概念 温度定义 一般来说 温度是反映物体冷热状态的物理量 分子物理学 温度反映了物体内部分子运动平均动能 分子运动越快 物体越热 温度越高 分子运动越慢 物体越冷 温度越低 这种现象被描述为一个物体的热势 或能量效应 温度的数值表示法叫做温标 热力学温标国际实用温标摄氏温标华氏温标 第一节概论 1927年第
2、七届国际计量大会确定为基本的温标 1954年 国际计量会议选定水的三相点为273 16 并以它的1 273 16定为一度 1960年第十一届国际计量大会规定热力学温度以开尔文为单位 简称 开 用K表示 热力学温标又称 开尔文温标 绝对温标 由开尔文首先提出的 建立在热力学第二定律基础上 和测温质无关的理想温标 根据定义 两个热力学温度的比值等于在这两个温度之间工作的可逆热机与热源交换的热量的比值 根据热力学中的卡诺定理 如果在温度T1的热源与温度为T2的冷源之间实现了卡诺循环 则存在下列关系式 1 热力学温标 Q1 热源给予热机的传热量Q2 热机传给冷源的传热量 为解决国际上温度标准的统一及实
3、用问题 国际上协商决定 建立一种既能体现热力学温度 保证一定的准确度 又使用方便 容易实现的温标 即国际实用温标InternationalPracticalTemperatureScaleof1968 简称IPTS 68 又称国际温标 2 国际实用温标 摄氏温度的分度值与开氏温度分度值相同 即温度间隔1K 1 T0是在标准大气压下冰的融化温度 T0 273 15K 水的三相点温度比冰点高出0 01K 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和压力 热力
4、学温标规定三相点温度为273 16K 这是建立温标的惟一基准点 3 摄氏温标 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 摄氏温标与国际实用温标温度之间的关系如下 4 华氏温标 国内用得较少 它规定在标准大气压下冰点温度为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 15K t T 273 15 F 1 8t 32 t 5 9 F 32 规定各温度段所使用的标准仪器 低温铂电
5、阻温度计 13 81K 273 15K 259 34 0 铂电阻温度计 273 15K 903 89K 0 630 74 铂铑 铂热电偶温度计 903 89K 1337 58K 630 74 1104 43 光测温度计 1337 58K 1104 43 以上 国际实用开尔文温度与国际实用摄氏温度分别用符号T68和t68来区别 一般简写为T与t 二 温度传感器的特点与分类 物体的热胀冷缩 气体压力变化 电极的温度变化热电偶产生电动势 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 融解 强性振动温度变化 热放射 热噪声 1温度传感器的物理原理 11 物理特性与温度之间的关系要适中 并且容
6、易检测和处理 且随温度呈线性变化 除温度以外 物理特性受其他因素影响较小 特性随时间变化要小 重复性好 没有滞后和老化 灵敏度高 坚固耐用 体积小 对检测对象的影响要小 机械性能好 耐化学腐蚀 耐热性能好 能大批量生产 价格便宜 无危险性 无公害等 2 温度传感器应满足的条件 8 温度传感器分类 1 温度传感器分类 2 此外 还有微波温度传感器 噪声温度传感器 温度图温度传感器 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 3 安测量方式分 接触式非接触式 接触式温度传感器 传感器
7、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 应用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 利用被测物体热辐射发出的红外线 测量物体的温度 可进行遥测 制造成本较高 测量精度却比较低 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 1 常用热电阻范围 260 850 精度 0 001 改进后可连续工作2000h 失效率小于1 使用期为10年 2 管缆热电偶测温范围为 20 500 最高上限为1000 接触式温度传感器 3 陶瓷热电阻测量范围为 200 5
8、00 4 超低温热电阻两种碳电阻 可分别测量 268 8 253 272 9 272 99 的温度 5 热敏电阻器适于在高灵敏度的微小温度测量场合 经济性好 价格便宜 l 辐射高温计用来测量1000 以上高温 分四种 光学高温计 比色高温计 辐射高温计和光电高温计 2 光谱高温计测温通用光谱高温计 测量范围为400 6000 采用电子化自动跟踪系统 保证有足够准确的精度 进行自动测量 二 非接触式温度传感器 3 超声波温度传感器特点是响应快 约为10ms左右 方向性强 目前国外有可测到2760 的产品 4 激光温度传感器适用于远程和特殊环境下的温度测量 如NBS公司用氦氖激光源做光反射计可测很
9、高的温度 精度为1 美国麻省理工学院正在研制一种激光温度计 最高温度可达8000 专门用于核聚变研究 瑞士BrowaBorer研究中心用激光温度传感器可测几千开 K 的高温 1 超高温与超低温传感器 如 3000 以上和 250 以下的温度传感器 2 提高温度传感器的精度和可靠性 3 研制家用电器 汽车及农畜业所需要的价廉的温度传感器 4 发展新型产品 扩展和完善管缆热电偶与热敏电阻 发展薄膜热电偶 研究节省镍材和贵金属以及厚膜铂热电阻 研制系列晶体管测温元件 快速高灵敏型热电偶以及各类非接触式温度传感器 5 发展适应特殊测温要求的温度传感器 6 发展数字化 集成化和自动化的温度传感器 三 温
10、度传感器的主要发展方向 热电偶 温差热电偶 温度测量中使用最普遍的传感元件 特点 结构简单 测量范围宽 准确度高 热惯性小 输出信号为电信号 便于远传或信号转换 能用来测量流体的温度 测量固体以及固体壁面的温度 微型热电偶还可用于快速及动态温度的测量 第二节热电偶温度传感器 热电偶的工作原理 热电偶回路的性质 热电偶的常用材料与结构 冷端处理及补偿 热电偶的选择 安装使用和校验 两种不同的导体或半导体A和B组合成如图所示闭合回路 若导体A和B的连接处温度不同 设T T0 则在此闭合回路中将有电流产生 也就是说回路中有电动势存在 这种现象叫做热电效应 这种现象在1821年由西拜克 See bac
11、k 发现 所以又称西拜克效应 一 热电偶的工作原理 回路中所产生的电动势 叫热电势 热电势由两部分组成 即温差电势和接触电势 热端 冷端 1 接触电势 eAB T 导体A B结点在温度T时形成的接触电动势 e 单位电荷 e 1 6 10 19C k 波尔兹曼常数 k 1 38 10 23J K NA NB 导体A B在温度为T时的电子密度 接触电势的大小与温度高低及导体中的电子密度有关 A eA T To To T eA T T0 导体A两端温度为T T0时形成的温差电动势 T T0 高低端的绝对温度 A 汤姆逊系数 表示导体A两端的温度差为1 时所产生的温差电动势 例如在0 时 铜的 2 V
12、 2 温差电势 温差电势原理图 由导体材料A B组成的闭合回路 其接点温度分别为T T0 如果T T0 则必存在着两个接触电势和两个温差电势 回路总电势 T0 T eAB T eAB T0 eA T T0 eB T T0 A B 3 回路总电势 NAT NAT0 导体A在结点温度为T和T0时的电子密度 NBT NBT0 导体B在结点温度为T和T0时的电子密度 A B 导体A和B的汤姆逊系数 根据电磁场理论得 结论 4点 EAB T T0 EAB T EAB T0 f T C g T 由于NA NB是温度的单值函数 在工程应用中 常用实验的方法得出温度与热电势的关系并做成表格 以供备查 由公式可
13、得 EAB T T0 EAB T EAB T0 EAB T EAB 0 EAB T0 EAB 0 EAB T 0 EAB T0 0 热电偶的热电势 等于两端温度分别为T和零度以及T0和零度的热电势之差 导体材料确定后 热电势的大小只与热电偶两端的温度有关 如果使EAB T0 常数 则回路热电势EAB T T0 就只与温度T有关 而且是T的单值函数 这就是利用热电偶测温的原理 只有当热电偶两端温度不同 热电偶的两导体材料不同时才能有热电势产生 热电偶回路热电势只与组成热电偶的材料及两端温度有关 与热电偶的长度 粗细无关 只有用不同性质的导体 或半导体 才能组合成热电偶 相同材料不会产生热电势 因
14、为当A B两种导体是同一种材料时 ln NA NB 0 也即EAB T T0 0 对于有几种不同材料串联组成的闭合回路 接点温度分别为T1 T2 Tn 冷端温度为零度的热电势 其热电势为E EAB T1 EBC T2 ENA Tn 由一种均质导体组成的闭合回路 不论其导体是否存在温度梯度 回路中没有电流 即不产生电动势 反之 如果有电流流动 此材料则一定是非均质的 即热电偶必须采用两种不同材料作为电极 二 热电偶回路的性质 1 均质导体定律 E总 EAB T EBC T ECA T 0 三种不同导体组成的热电偶回路 2 中间导体定律 一个由几种不同导体材料连接成的闭合回路 只要它们彼此连接的接
15、点温度相同 则此回路各接点产生的热电势的代数和为零 如图 由A B C三种材料组成的闭合回路 则 结论 l 将第三种材料C接入由A B组成的热电偶回路 如图 则图a中的A C接点2与C A的接点3 均处于相同温度T0之中 此回路的总电势不变 即同理 图b中C A接点2与C B的接点3 同处于温度T0之中 此回路的电势也为 T2 T1 Aa B C 2 3 EABa A T0 2 3 A B EAB T1 T2 C T0 EAB T1 T2 EAB T1 EAB T2 a b T0 T0 EAB T1 T2 EAB T1 EAB T2 第三种材料接入热电偶回路图 E T0 T0 T E T0 T
16、1 T1 T 电位计接入热电偶回路 根据上述原理 可以在热电偶回路中接入电位计E 只要保证电位计与连接热电偶处的接点温度相等 就不会影响回路中原来的热电势 接入的方式如下图所示 3 中间温度定律 如果不同的两种导体材料组成热电偶回路 其接点温度分别为T1 T2 如图所示 时 则其热电势为EAB T1 T2 当接点温度为T2 T3时 其热电势为EAB T2 T3 当接点温度为T1 T3时 其热电势为EAB T1 T3 则 EAB T1 T3 EAB T1 T2 EAB T2 T3 EAB T1 T3 EAB T1 0 EAB 0 T3 EAB T1 0 EAB T3 0 EAB T1 EAB T3 A B T1 T2 T2 A B T0 T0 热电偶补偿导线接线图 E 对于冷端温度不是零度时 热电偶如何分度的问题提供了依据 如当T2 0 时 则 只要T1 T0不变 接入A B 后不管接点温度T2如何变化 都不影响总热电势 这便是引入补偿导线原理 EAB EAB T1 EAB T0 说明 当在原来热电偶回路中分别引入与导体材料A B同样热电特性的材料A B 如图 即引入所谓补偿导线时 当E
