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1、1项目 4 温度传感器及其应用2温度的基本概念温度是反映物体冷热状态的物理参数，是与人类生活息息相关的物理量。社会活动中，工业、农业、商业、科研、国防、医学及环保等部门都与温度有着密切的关系。工业生产自动化流程，温度测量占全部测量的 50 左右。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。3温度传感器应满足的条件1、传感器特性与温度之间的关系要适中，并容易检测和处理，且随温度呈线性变化；2、除温度以外，传感器特性对其它物理量的灵敏度要低；3、传感器特性随时间变化要小，重复性好，没有滞后和老化；4、灵敏度高，坚固耐用，体积小，对
2、检测对象的影响要小；5、机械性能好，耐化学腐蚀，耐热性能好；6、能大批量生产，价格便宜，无危险性，无公害等。4温度传感器的分类及特点 分类： 1、接触式温度传感器2、非接触式温度传感器接触式温度传感器特点：传感器直接与被测物体接触进行温度测量，由于被测物体与传感器的热量相互传递，改变了被测物体温度，测量精度较低。采用此方式测得物体真实温度的前提条件是被测物体的热容量足够大。非接触式温度传感器特点：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。其制造成本较高，测量精度却较低。优点：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。5热电偶、测温电阻器、
3、热敏电阻、感温铁氧体、石英晶体振动器、双金属温度计、压力式温度计、玻璃制温度计、辐射传感器、晶体管、二极管、半导体集成电路传感器、晶闸管分 类 特 征 传 感 器 名 称超高温用传感器 1500 以上 光学高温计、辐射传感器高温用传感器 1000 1500光学高温计、辐射传感器、热电偶中高温用传感器 500 1000 光学高温计、辐射传感器、热电偶中温用传感器 0 500低温用传感器 0极低温用传感器 敏电阻、压力式玻璃温度计见表下内容测温范围温度传感器分类 (2)6分 类 特 征 传 感 器 名 称测温范围宽输出小测温电阻器、晶体管、热电偶半导体集成电路传感器、可控硅、石英晶体振动器、压力式
4、温度计、玻璃制温度计线性型测温范围窄输出大 热敏电阻指数型函数开关型特性特定温度输出大 感温铁氧体、双金属温度计测温特性温度传感器分类 (3)7分 类 特 征 传 感 器 名 称测定精度 测温电阻、石英晶体振动器、玻璃制温度计、气体温度计、光学高温计温度标准用测定精度 5热电偶 、 测温电阻器 、 热敏电阻 、 双金属温度计 、 压力式温度计 、 玻璃制温度计 、 辐射传感器 、 晶体管 、 二极管 、 半导体集成电路传感器 、 晶闸管 。绝对值测定用管理温度测定用相对值 1 5测定精度温度传感器分类 (4)8物理现象体积热膨胀电阻变化温差电现象导磁率变化电容变化压电效应超声波传播速度变化物质
5、 颜色P辐射种类铂测温电阻、热敏电阻热电偶晶半导体二极管晶体管半导体集成电路温度传感器可控硅辐射温度传感器 . 体压力温度计 4. 触式温度传感器1常用热电阻 测温范围： 850 ；精度：。改进后可连续工作 2000h，失效率小于 1，使用期为 10年。2管缆热电阻 测温范围： 500 ，最高上限为 1000 ，精度为 陶瓷热电阻 测量范围为 200 +500 ，超低温热电阻 两种碳电阻，可分别测量 53 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使用。经济性好、价格便宜。102、非接触式温度传感器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
6、计和光电高温计。2光谱高温计 俄罗斯研制的 其测量范围为 400 6000, 采用电子化自动跟踪系统 ,保证有足够准确的精度自动测量。3超声波温度传感器 特点：响应快 (约为 10，方向性强。目前国外有可测到 5000 （华氏温标）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 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 K)的高温。113、温度传感器的主要发展方向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廉价的温度传感器
7、。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的热电阻；研制系列晶体管测温元件、快速高灵敏发展适应特殊测温要求的温度传感器。成化和自动化的温度传感器。 热电偶温度传感器温差热电偶 （简称热电偶）属于接触式热电动势型传感器，是目前温度测量中使用最普遍的传感元件之一。热电偶除具有结构简单，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等优点外，还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。13两种不同的导体或半导体 组合成闭合回路，若导体的连接处温度不同（设 T 则在此闭合回路中有电
8、流产生，即回路中有电动势存在，这种现象叫做热电效应。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 电偶式温度传感器工作原理 14接触电势大小与温度高低及导体中的电子密度有关。+A BT ) )导体 A、 时形成的接触电动势； e单位电荷 e =10k波尔兹曼常数， k =10；导体 A、 时的电子密度。接触电势原理图1. 接触电势公式中将0即为 、 )0)15总温差电动势：A ,体 A、 、 ， 低端的绝对温度；A、 B汤姆逊系数，表示导体 A、 时所产生的温差电动势，例如在 0 时，铜的 =2V/ 。A 0),( 0 温差电势原理图2. 温差电势B 0),(
9、 0 T 0)(, 00 163. 回路总电势由导体材料 A、 其接点温度分别为 T、果 T 则必存在着两个接触电势和两个温差电势 ，回路总电势：),(),()()(),( 0000 00导体 和 导体 和 A 、 B导体 的汤姆逊系数。A0)( 17根据电磁场理论得：由于 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。由公式可得：热电偶的热电势，等于两端温度分别为 T 和零度以及 , )0 )=f(T )-C=g(T )0( 0, )0)= )-0)= ， 0)0， 0)4、热电偶的热电势18结 论 (4点 )：1、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；
10、与热电偶的长度、粗细无关。2、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，因为当 A、 A/0，也即 ， 0。3、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。4、 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 0)=常数 ， 则回路热电势 ， 只与温度 而且是 这就是利用热电偶测温的原理 。19热电偶回路的定律1. 均质导体定律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
11、材料作为电极 。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点温度相同，则此回路各接点产生的热电势的代数和为零。20根据 中间导体定律 ，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，接入的方式见下图所示。热电偶组成、分类及其特点1、热电偶的基本组成 热电偶种类很多，其结构及外形也不尽相同，但基本组成大致相同。通常由热电极、绝缘材料、接线盒和保护套等组成。222、热电偶的分类 常用热电偶按结构分类有以下类型：1工业用普通热电偶2铠装式热电偶（又称套管式热电偶）3快速反应薄膜热电偶4并联型热电偶5串联
12、型热电偶23铠装式热电偶的结构 24薄膜热电偶的结构 25串并联热电偶的联接 26热电偶温度传感器的补偿校正方法 以摄氏温度表示的热电偶的输出电动势仅反映出两个结点之间的温度差，为了使输出电动势能正确反映被测温度的真实值，要求参考端温度 ，如果用热电偶测温时自由端温度不为 0 ，且又不适当处理，就必然产生测量误差。因此，必须对参考端温度采用一定方法进行处理校正。热电偶温度传感器常用的校正方法：1、恒温法 2、温度修正法3、电桥补偿法 4、冷端补偿法5、电位补偿法等。27电位补偿法对热电偶参考端的温度处理 电阻式温度传感器电阻式传感器分为金属热电阻式和热敏电阻式两大类。金属热电阻传感器一般称作热电阻传感器，是利用金属导体的电阻值随温度的变化而变化的原理进行测温的。半导体热敏电阻简称热敏电阻，是一种新型的半导体测温元件，热敏电阻是利用某些金属氧化物或单晶锗、硅等材料，按特定工艺制成的感温元件。金属热电阻式温度传感器1、热电阻传感器的基本结构最基本的热电阻传感器由热电阻、连接导线及显示仪表组成，如图所示。热
