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1、教学目的与要求：要求学生了解集成温度传感器的原理及 应用;掌握热电偶、热敏电阻、铂电阻等 常用测温传感器的原理、特性及应用。 教学重点：热电偶、热敏电阻、铂电阻的工作电路及应用 教学难点：热电偶的冷端温度补偿、热电阻的三线制接法,第三章 温度传感器,现代生活中准确的温度是不可缺少的信息内容，如家用电器有：电饭煲、电冰箱、空调、微波炉这些家用电器中都少不了温度传感器。,第一节 概 论,温度是与人类生活息息相关的物理量。 在2000多年前，就开始为检测温度进行了各种努力，并开始使用温度传感器检测温度。 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。 工业生产自动
2、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。,我国目前实行的是1990年国际温标(ITS90） （P104） 定义国际开尔文温度（T90） 国际摄氏温度（t90）； T90 ：单位（K）开尔文 t90 ：单位（C）摄氏 两者关系为：,热力学温度是国际上公认的最基本温度,热力学温标 国际实用温标 摄氏温标 华氏温标,一、温度的基本概念,t=T-273.15 ,T=t+273.15 K,规定各温度段所使用的标准仪器,几种温标的对比,二、温度传感器的特点与分类,随物体的热膨胀相对变化而引起的体积变化； 蒸气压的温度变
3、化； 电极的温度变化 热电偶产生的电动势； 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,根据所用测温物质的不同和测温范围不同 有煤油温度计、酒精温度计、水银温度计、气体温度计、电阻温度计、温差温度计、辐射温度计、光测温度计等等。,2、温度传感器的分类,温度传感器的种类很多，分类方法有多种。,按价格和性能可分为： 热膨胀温度传感器，有液体、气体的玻璃式温度计、体温 计，结构简单，应用广泛； 家电、汽车上使用的传感器，价格便宜、用量大、成本低、 性能差别不大； 工业上使用的温度传感器，性能价格差别比较大，因
4、为传 感器的精度直接关系到产品质量和控制过程，通常价格比 较昂贵。,按工作原理主要有以下几类： 热电偶：利用金属温差电动势，有耐高温、精度高的特点； 热电阻：利用导体随温度变化，测温不高； 热敏电阻：利用半导体材料随温度变化测温，体积小、灵敏 度高、稳定性差； 集成温度传感器：利用晶体管PN结电流、电压随温度变化， 有专用集成电路，体积小、响应快、价 廉，测量150以下温度。,按测温方法不同：,接触式温度传感器：（热平衡） 传感器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，测量精度降低。因此采用这种方式要测得物体的真实温度的前
5、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（热辐射） 利用被测物体热辐射而发出红外线，从而测量物体的温度，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；反应快等。,（P106P107 表3-2、3-3）,接触式与非接触式测温方法及其特点,（续）,介绍几种温度测量方法,示温涂料（变色涂料）,装满热水后图案变得清晰可辨,变色涂料在电脑内部温度中的示温作用,CPU散热风扇,低温时显示蓝色,温度升高后变为红色,体积热膨胀式,不需要电源，耐用；但感温部件体积较大。,气体的体积与热力学温度成正比,红外温度计,温差热电
6、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点的温度。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,1、热电效应,将两种不同材料的导体A和B串接成一个闭合回路，当两个接点温度不同时，在回路中就会产生热电势，形成电流，此现象称为热电效应。,一、热电偶的工作原理,热电偶工作原理演示,结论：当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。,热电极A,右端称为：自由端（参考端、冷端）,左端称为：测量端（工作端、热端）,热电极B,热电势
7、,A,B,接触电动势（不同导体）（主要） 热电势 温差电动势（同一导体）,接触电势的大小与温度高低及导体中的电子密度有关。,接触电动势,温差电动势,回路总电势：,T0,T,eAB(T),eAB(T0),eA(T,T0),eB(T,T0),A,B,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。,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。,热电偶回路热电势只与组成
8、热电偶的材料及两端温度有关；与热电偶的长度、粗细无关。,若电极材料确定，冷端温度保持恒定，此时,EAB(T,T0)= f(T),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,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。,在热电偶回路中接入第三种材料的导体，只要其两端的温度 相等，该导体的接入就不会影响热电偶回路的总热电动势。,3. 中间
9、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）,A,B,T1,T2,T2,A,B,T0,T0,热电偶补偿导线接线图,E,只要T1、T0不变，接入AB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),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
10、(如图)即引入所谓补偿导线时，当EAA(T2)=EBB(T2)，则回路总电动势为,热电偶材料应满足： 物理性能稳定，热电特性不随时间改变； 化学性能稳定，以保证在不同介质中测量时不被腐蚀； 热电势高，导电率高，且电阻温度系数小； 便于制造； 复现性好，便于成批生产。,三、热电偶的种类与结构,热电偶可以测量上千度高温，并且精度高、性能好，这是其它温度传感器无法替代的,常用热电偶可分为标准热电偶和非标准热电偶两大类。 标准热电偶：是指国家标准规定了其热电势与温度的关系、允 许误差、并有统一的标准分度表的热电偶，它有 与其配套的显示仪表可供选用。 非标准化热电偶：在使用范围或数量级上均不及标准化热电
11、 偶，一般也没有统一的分度表，主要用于某 些特殊场合的测量。,我国从1988年1月1日起，标准化热电偶和热电阻全部按IEC国际标准生产，并指定S、B、E、K、R、J、T等标准化热电偶为我国统一设计型热电偶。,1、种类,8种标准化热电偶型号 分度号 热电偶 分度表温区 S 铂铑10铂 -501768 R 铂铑13铂 501768 B 铂铑30铂铑6 01820 K 镍铬镍硅 -2701372 N 镍铬硅镍硅 -2701300 E 镍铬 铜镍合金（康铜） -2701000 J 铁铜镍合金（康铜） -2101200 T 铜铜镍合金（康铜） -270400,普通热电偶：测量气体、蒸汽、液体等，棒形结构
12、； 薄膜热电偶：用于火箭、飞机喷嘴温度测量，结构较薄； 铠装热电偶：用以测量狭小对象，结构细长、可弯曲； 表面热电偶：用于弧形表面物体测温； 消耗式热电偶：主要用于钢水温度测量。,a)普通热电偶 b)薄膜热电偶 c)铠装热电偶,2、结构,典型工业用热电偶结构示意图 它由热电偶丝、绝缘套管、保护套管以及接线盒等部分组成。 实验室用时，也可不装保护套管，以减小热惯性。,铠装式热电偶（又称套管式热电偶）,优点是小型化（直径从12mm到0.25mm）、寿命、热惯性小，使用方便。,断面如图所示。它是由热电偶丝、绝缘材料，金属套管三者拉细组合而成一体。,铠装式热电偶断面结构示意图 1 金属套管; 2绝缘材
13、料; 3热电极 (a)碰底型; (b)不碰底型; (c)露头型; (d)帽型,普通装配型热电偶的外形,安装 螺纹,安装 法兰,普通装配型热电偶 的结构放大图,接线盒,引出线套管,固定螺纹 （出厂时用塑料包裹）,热电偶工作端（热端）,不锈钢保护管,铠装型热电偶外形,法兰,铠装型热电偶可 长达上百米,薄壁金属 保护套管（铠体）,铠装型热电偶横截面,快速反应薄膜热电偶 用真空蒸镀等方法使两种热电极 材料蒸镀到绝缘板上而形成薄膜 装热电偶。如图，其热接点极薄 (0.010.lm),4,1,2,3,快速反应薄膜热电偶 1热电极; 2热接点; 3绝缘基板; 4引出线,因此，特别适用于对壁面温度的快速测量。
14、安装时,用粘结剂将它粘结在被测物体壁面上。测温范围在300以下；反应时间仅为几ms。,快速消耗微型热电偶 下图为一种测量钢水温度的热电偶。它是用直径为0.050.lmm的铂铑10一铂铑30热电偶装在U型石英管中，再铸以高温绝缘水泥，外面再用保护钢帽所组成。这种热电偶使用一次就焚化，但它的优点是热惯性小，只要注意它的动态标定，测量精度可达土57。,1,4,2,3,5,6,7,8,9,11,10,快速消耗微型 1钢帽； 2石英； 3纸环； 4绝热泥；5冷端； 6棉花； 7绝缘纸管； 8补偿导线；9套管； 10塑料插座； 11簧片与引出线,冷端温度补偿方法 冰点槽法 计算修正法 补正系数法 零点迁移
15、法 冷端补偿器法 软件处理法,四、冷端处理及补偿,热电偶热电势的大小是热端温度和冷端的函数差，为保证输 出热电势是被测温度的单值函数，必须使冷端温度保持恒定； 热电偶分度表给出的热电势是以冷端温度0为依据，否则会 产生误差。,把热电偶的参考端置于冰水混合物容器里，使T0=0。这 种办法仅限于科学实验中使用。为了避免冰水导电引起两个连 接点短路，必须把连接点分别置于两个玻璃试管里，浸入同一 冰点槽，使相互绝缘。,mV,A,B,A,B,T,C,C,仪表,铜导线,试管,补偿导线,热电偶,冰点槽,冰水溶液,T0,1. 冰点槽法,用普通室温计算出参考端实际温度TH，利用公式计算 例：用铜-康铜热电偶测某一温度T，参考端在室温环境TH中，测得热电动势EAB(T，TH)=1.999mV，又用室温计测出TH=21,查此种热电偶的分度表可知，EAB(21,0)=0.832mV，故得 EAB(T，0)=EAB(T，21)+EAB(21，T0) =1.999+0.832 =2.831(mV) 再次查分度
