第七章_温度检测方法

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1、第七章 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 其他温度传感器通过本章的学习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 ；掌握热敏电阻不同类型的特点及应用场合；掌 握集成温度传感器使用方法；了解其他温度传感 器工作原理。1 本章课件是在吉林大学王君的课件基础 上修改而成。2第一节 概 论 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。l温度是与人类生活息息相关的物理量。 l在2000多年前，就开始为检测温度进行了各种努力， 并开始使

2、用温度传感器检测温度。l人类社会中，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。l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。因此，人类离不开温度，当然也离不开温度传感器。3一、温度的基本概念u热力学温标 u国际实用温标 u摄氏温标 u华氏温标4如果在式中再规定一个条件,就可以通过卡诺循环中的 传热量来完全地确定温标。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， 这样热力学温标就完全确定了，即T=273.16(Q1/Q2)。1848年威廉汤姆首先提出以热力学第二定律为基础，

3、建 立温度仅与热量有关，而与物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 。 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5为解决国际上温度标准的同意及实用问题，国际上协商 决定，建立一种既能体现热力学温度（即能保证一定的 准确度），又使用方便、容易实现的温标，即国际实用 温标International Practical Temperature Scale of 1968(简 称IPTS-68)，又称国际温标。2国际实用

4、温标注意：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 = 273.15 K。水的三相点温度比冰点高出0.01 K。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。6氢氧三相点 沸点54.361 90.188-218.798 -182.962水三相点 沸点273.16 373.150.01 100.0锌凝固点692.73419

5、.58银凝固点1235.08961.93金凝固点1337.581064.43物质三相点平衡状态温 度T68/KT68/ 13.81 7.042 20.8 27.102-259.31 -256.108 -252.87 -246.048沸点25/76atm 沸点 沸点国际实用温标（IPTS-68）的固定点7四个温度段：规定各温度段所使用的标准仪器低温铂电阻温度计（13.81K273.15K）；铂电阻温度计（273.15K903.89K）；铂铑-铂热电偶温度计（903.89K1337.58K）；光测温度计（1337.58K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（

6、一般简写为T与t）。 83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 Kt=T-273.15 m=1.8n+32 n= 5/9 (m-32) 9二、温度传感器的特点与分类10物 理 现 象体积热膨胀 电

7、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 颜色 PN结电动势晶体管特性变化可控硅动作特性变化热、光辐射种 类铂测温电阻、热敏电阻热电偶BaSrTiO3陶瓷石英晶体振动器超声波温度计示温涂料 液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 光学高温计1.气体温度计 2. 玻璃制水银温度计 3.玻璃制有机液体温度计 4.双金属温度计 5.液体压力温度计 6. 气体压力温度计1 热铁氧体 2 Fe-Ni-Cu合金11热电偶、测温电阻器、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

8、集成电路传感器、可控硅分 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10001500光学高温计、辐射传感器 、热电偶 中高温用 传感器5001000光学高温计、辐射传感器、 热电偶 中温用 传感器0500低温用 传感器-2500极低温用 传感器-270-250BaSrTiO3陶瓷晶体管、热敏电阻、 压力式玻璃温度计见表下内容测 温 范 围温度传感器分类(1)12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、 压力式温度计、玻璃制温度计线性型测温范围窄 、 输出大热

9、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(2)13分 类特 征传 感 器 名 称测定精度 0.10.5铂测温电阻、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 0.55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、可控硅绝对值 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(3)14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

10、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。三、温度传感器的发展概况151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，特别是测量速度。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。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、网络化的温度传感 器。 温度传感器的主要发展方向16温差热电偶（简称热电偶）是目前温度测量中使用最 普遍的传感元件之一。它除具有结构简单，测量范围 宽、准确度高、热惯性小，输出

11、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。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17两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 TT0），则在此闭合回路中就有电流产生，也 就是说回路中有电动势存在，这种现象叫做热 电效应。这种现象早在1821年首先由西拜克（ Seeback）发现,所以又称西拜克效应。热电偶原理图TT0AB一、热电偶的工作原理回路中所产生的电 动势，叫

12、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181. 接触电势接触电势原理图+ABTeAB(T)-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 =1.610-19C；k波尔兹曼常数， k =1.3810-23 J/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。19AeA(T,To )ToTeA(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 =2V/。2. 温差电势温差电

13、势原理图20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TT0，则必存在着两个接触电势和两个温差 电势，回路总电势：T0TeAB(T)eAB(T0)eA(T,T0)eB(T,T0)AB3. 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。21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 势的关系并做成分度表，以供备查。由公式可得

14、 ：EAB(T, T0)= EAB(T)-EAB(T0)= EAB(T)-EAB(0)-EAB(T)-EAB(T0)= 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。22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)

15、才能组合成热 电偶；相同材料不会产生热电势，因为当A、B 两种导体是同一种材料时，ln(NA/NB)=0，也即 EAB(T，T0)=0。23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24E总=EAB（T）+EBC（T）+ECA（T）= 0三种不同导体组成的热电偶回路TABCTT2. 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。如图，由A、B、C三种材料组成的闭合回路，则25两点结论：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