第1章温度传感器

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1、第1章 温度传感器1.1 温度传感器概述 1.2 膨胀式温度传感器 1.3 热电阻传感器 1.4 热电偶传感器 1.5 集成温度传感器返回主目录第1章 温度传感器1.1 温度传感器概述1、 温度与温标温度是工业生产和科学实验中一个非常重要的参数。 物体的许多物理现象和化学性质都与温度有关。许多生产过程 都是在一定的温度范围内进行的, 需要测量温度和控制温度。 随着科学技术的发展, 对温度的测量越来越普遍, 而且对温度测量的准确度也有更高的要求。 温度是表征物体冷热程度的物理量。温度不能直接加以测 量, 只能借助于冷热不同的物体之间的热交换, 以及物体的某些物理性质随着冷热程度不同而变化的特性间

2、接测量。 温标： 为了定量地描述温度的高低, 必须建立温度标尺, 即温标。 温标就是温度的数值表示。各种温度计和温度传感器的温度数 值均由温标确定。历史上提出过多种温标, 如早期的经验温 标（摄氏温标和华氏温标）, 理论上的热力学温标, 当前世界通用的国际温标。 华氏温标：德国Fahrenheit 华伦海特 将水、冰、盐混合 物定为0。F；健康人体温100。F。以此定标，后来发现水的 冰点为32。F沸点212 。 F，作差分成180等份，每一份就为1 。 F摄氏温标：瑞典摄西阿斯 将冰水混合物定为0 。 C，沸点 100 。 C，作差分成100等份，每一份就为1 。 C 热力学温标：（又称绝对

3、温标）英国开尔文 确定的温度 数值为热力学温度（符号为T）, 单位为开尔文（符号为K）, 1 K等于水三相点热力学温度。 换算关系：K。C273.15；。F1.8。C32 2 温度测量的主要方法和分类(1) 温度传感器的组成在工程中无论是简单的还是复杂的测温传感器, 就测量系统的功能而言, 通常由现场的感温元件和控制室的显示装置两部分组成, 如图 1 - 1 所示。简单的温度传感器往往是温度传感器和显示组成一体的, 一般在现场使用。 (2) 温度测量方法及分类测量方法按感温元件是否与被测介质接触, 可以分成接触式与非接触式两大类。 接触式测温方法是使温度敏感元件和被测温度对象相接触, 当被测温

4、度与感温元件达到热平衡时, 温度敏感元件与被测温度对象的温度相等。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。这类测温 方法的温度传感器主要有: 基于物体受热体积膨胀性质的膨胀式温度传感器，基于导体或半导体电阻值随温度变化的电 阻式温度传感器， 基于热电效应的热电偶温度传感器。 非接触式测温方法是应用物体的热辐射能量随温度的变化而变化的原理。物体辐射能量的大小与温度有关, 并且以电磁波形式向四周辐射, 当选择合适的接收检测装置时, 便可测得被测对象发出的热辐射能量并且转换成可测量和显示的 各种信号, 实现温度的测量。这类测温方法的温度传感器主要有光电高温传感器、红

5、外辐射温度传感器、光纤高温传感器等。非接触式温度传感器理论上不存在热接触式温度传感 器的测量滞后和在温度范围上的限制, 可测高温、 腐蚀、 有毒、 运动物体及固体、 液体表面的温度, 不干扰被测温度场, 但精度较低, 使用不太方便。 1.2 膨胀式温度传感器根据液体、 固体、 气体受热时产生热膨胀的原理, 这类温度传感器有液体膨胀式、 固体膨胀式和气体膨胀式。 1、 液体膨胀式在有刻度的细玻璃管里充入液体（称为工作液, 如水银、 酒精等）构成液体膨胀式温度计。常用的有水银玻璃温度计和电接点式温度计, 这种温度计远不能算传感器, 它只能就地指示温度。 电接点式温度计可对设定的某一温度发出开关信号

6、或进 行位式控制, 有固定式和可调式两种。 图 1 - 2 所示为可调电 接点式温度计, 其中一根铂丝接在毛细管下部固定处,另一根 铂丝根据设定温度可以上下移动, 当升至设定温度时, 铂丝与 水银柱接通, 反之断开, 这种既可指示, 又能发出通断信号, 常 用于温度测量和双位控制。 2 固体膨胀式固体膨胀式是以双金属元件作为温度敏感元件受热而产生膨 胀变形来测温的。 它由两种线膨胀系数不同的金属紧固结合 而成双金属片, 为提高灵敏度常作成螺旋形。图 1 -3 为双金属温度计的结构示意图。螺旋形双金属片一端固定, 另一端连接指针轴, 当温度变化时, 双金属片弯曲变形, 通过指针轴带动指针偏转显示

7、温度。 它 常用于测量-80600范围的温度, 抗震性能好，读数方 便, 但精度不太高, 用于工业过程测温、 上下限报警和控制。3 气体膨胀式气体膨胀式是利用封闭容器中的气体压力随温度升高而 升高的原理来测温的, 利用这种原理测温的温度计又称压力计 式温度计, 如图 1 - 4 所示。温包、毛细管和弹簧管三者的内腔 构成一个封闭容器, 其中充满工作物质（如气体常为氮气）, 工 作物质的压力经毛细管传给弹簧管, 使弹簧管产生变形, 并由传 动机构带动指针, 指示出被测温度的数值。压力温度计结构简单、抗振及耐腐蚀性能好, 与微动开关组 合可作温度控制器用, 但它的测量距离受毛细管长度限制, 一般充

8、液体可达20m, 充气体或蒸汽可达60m。1.3 热电阻传感器热电阻传感器是利用导体或半导体的电阻值随温度变化而变化的原理进行测温的。热电阻传感器分为金属热电阻和半导体热电阻两大类, 一般把金属热电阻称为热电阻, 而把半导体热电阻称为热敏电阻。 热电阻广泛用来测量 -200+850范围内的温度, 少数情况下, 低温可测量至1K, 高温达1000。标准铂电阻温度计的精确度高, 并作为复现国际温标的标准仪器。要求 ：（1）温度系数、电阻率较高 提高灵敏度，体积小，反应快（2）理化性能稳定 提高稳定性和准确性，复现性好 （3）良好的输入-输出特性 线性/接近线性，测量精度高（4）良好的工艺性 批量生

9、产，降低成本材料：纯金属 -铂、铜、镍、铁 （5）较大的测温范围 特别是在低温范围原理：热能 热电阻 电阻值温度 热电阻 阻值1 常用热电阻用于制造热电阻的材料应具有尽可能大和稳定的电阻温 度系数和电阻率, R-t 关系最好成线性, 物理化学性能稳定, 复 现性好等。 目前最常用的热电阻有铂热电阻和铜热电阻。 (1)铂热电阻 铂热电阻的特点是精度高、稳定性好、性能 可靠, 所以在温度传感器中得到了广泛应用。按IEC标准, 铂热 电阻的使用温度范围为-200+850。 铂热电阻的特性方程为在-2000的温度范围内:Rt=R01+At+Bt2+Ct3(t-100) 在0850的温度范围内: Rt

10、= R0(1+At+Bt2) 式中Rt和R0分别为t和0时铂电阻值; A、 B和C为常 数。 在ITS-90 中, 这些常数规定为: A=3.9684710-3/B=-5.84710-7/2C=-4.2210-12/4从上式看出, 热电阻在温度t时的电阻值与R0 有关。目前 我国规定工业用铂热电阻有R0=10和R0=100两种, 它们的 分度号分别为Pt10和Pt100, 其中以Pt100为常用。铂热电阻不同 分度号亦有相应分度表, 即Rt-t 的关系表, 这样在实际测量中, 只要测得热电阻的阻值Rt, 便可从分度表上查出对应的温度 值。 Pt100的分度表见表 1 - 7 。 Pt100：P

11、t100 在0时阻值R0100 100时查上 表为138.5 温度每变化一度，铂电阻值变化0.385（ 绝对变化）特点：0 +850： 0 - 200： 应用：(1) 在高温和氧化介质中性能极为稳定 ，易于提纯，工艺性好(2) 输入输出特性接近线性(4) 贵重金属，成本较高标准温度计，高精度工业测温，高低温测试 构成：金属铂丝(0.020.07mm)绕制成线圈(3) 测量精度高：0: 1、0100: 0.5、100650: 0.5%R0：0时的温度 标准值(Pt100, Pt500) (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

12、, 它的测量范 围为-50+150。 铜热电阻在测量范围内其电阻值与温度的关系几乎是 线性的, 可近似地表示为: Rt=R0（1+t） 式中为铜热电阻的电阻温度系数, 取=4.2810-3/。 铜热电组的两种分度号为Cu50(R0=50)和Cu100（ R100=100）。铜热电阻线性好, 价格便宜, 但它易氧化, 不适宜在腐 蚀性介质或高温下工作。特点：-50 180： 应用：(1) 易于提纯，在-50 150范围内性能稳定，价格低 (2) 输入输出特性接近线性:(3) 电阻率低（为铂电阻的1/6），体积较大 (Cu50, Cu100)(4) 高温易被氧化，易被腐蚀(5) 测量精度低于铂电阻

13、：-5050: 0.5、50150: 1%小范围，较低温度，测量精度要求低，没有浸蚀性介质，代替铂 构成： 金属铜丝(0.020.07mm)绕制成线圈R0：0时的温度 标准值2.热电阻的结构工业用热电阻的结构如图 1 - 16 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。 电阻体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, 它与接 线盒柱相接, 以便与外接线路相连而测量显示温度 。用热电阻传感器进行测温时, 测量电路经常采用 电桥电路。 而热电阻

14、与检测仪表相隔一段距离, 因此热电 阻的引线对测量结果有较大的影响。3.基本测量电路电桥电路什么是电桥？有哪些特点？ 四个元件首尾相接，四个结点中相对的结点分做电源和 信号输出。 电桥平衡状态：当信号输出为0（无信号） 时，称电桥平衡。 条件：Z1/Z4=Z2/Z3或Z1Z3=Z2Z4温度对热电阻的影响是电阻的增量；温度为0时，阻值 不为0。此时，常借助电桥电路使t0时，电桥平衡 输出为0。当温度变化时，使电桥输出线性反映温度的 变化量。 4.几种应用电路两线制、 三线制和四线制三种, 如图所示。 热电阻内部引线方式有两线制、 三线制和四线制三种, 如 图 所示。 二线制中引线电阻对测量影响大

15、, 用于测温精度不高场合。三线制可以减小热电阻与测量仪表之间连接导线的 电阻因环境温度变化所引起的测量误差。 四线制可以完全消 除引线电阻对测量的影响, 用于高精度温度检测。二线制中引线电阻对测量影响大, 用于测温精度 不高场合。R1R3R2(RT+2r) 三线制可以减小热电阻与测量仪表之间连接导线的电阻 因环境温度变化所引起的测量误差。R1(R3+r)=R2(RT+r) 得取R1=R2.则RT=R3(令R3和RT相匹配) 电桥应保持平衡。 材料：特点：分类：（1）温度系数大 灵敏度高（为热电阻10100倍） （2）结构简单，体积小 可以测量点温度 （3）电阻率高、热惯性小 适于动态测温 （4）易于维护、使用寿命长 适于现场测温（5）互换性差，非线性严重，精度低 正温度系数热敏电阻(PTC)负温度系数热敏电阻(NTC)临界温度系数热敏电阻(CTR) 半导体 - 半导体热电阻（6）成本低，应用广泛 3、热敏电阻 非线性 4 热敏电阻的应用家用电电器电电熨斗、电电冰箱、电饭煲电饭煲 、洗衣机、电电暖壶壶、烘干机、电电 烤箱、空调调机、电热电热 毯、热热水器、热热得快、电电磁炉、汽车电车电 子电电子喷喷油嘴、空调调机、发电发电 机防热热