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1、第十讲 温度测量,学习目的与要求 了解测量温度的方法，理解各种测量温度传感器的基本原理，了解各种传感器的组成、分类、特点及标定方法。 重点是热电偶、电阻式温度传感器。,第10章 温度传感器,本章要点 金属热电阻、热敏电阻 金属热电阻和热敏电阻的温度特性及应用； 热电偶 热电偶的热电效应、热电偶的结构和种类，热电偶测量电路； 其它温度传感器 1.非接触式 2.半导体式,温度是物理现象中具有代表性的物理量 现代生活中温度测量和控制是不可缺少的，如家用电器：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。,概述,现代工业中温度测量和控制是不可缺少的，,精确的烟草烘干,木材烘干,温度检测
2、的基本知识,温度：反映了物体冷热的程度，与自然界中的各种物理和化学过程相联系。 温度概念的建立及测量：以热平衡为基础的， 温度最本质的性质：当两个冷热程度不同的物体接触后就会产生导热换热，换热结束后两物体处于热平衡状态，则 它们具有相同的温度。 测量方法：接触式测温和非接触式测温,接触式测温 温度敏感元件与被测对象接触，经过换热后两者温度相等。 (1) 膨胀式温度计 (2) 热电阻温度计 (3) 热电偶温度计 (4) 其他原理的温度计,直观、可靠，测量仪表也比较简单,特点,非接触测温 温度敏感元件不与被测对象接触，而是通过辐射能量进行热交换，由辐射能的大小来推算被测物体的温度。 (1) 辐射式
3、温度计 (2) 光纤式温度计：,特点,不与被测物体接触，不破坏原有的温度场。精度一般不高。,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； 半导体温度传感器: 家电、汽车上使用的，价格便宜、用量大、成本低、性能差别不大； 金属、红外温度传感器: 工业上使用的，性能价格差别比较大，因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。,概述 各种热电阻,各种热电偶,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,基于1-WIRE总线的DB18B20型智能温度传感器,DB18B20引脚,电流输出型典型集成温度传感器有AD5
4、90（美国AD公司生产），国内同类产品SG590。 器件电源电压430V， 测温范围-50+150。,温 标,摄氏温标 -是把标准大气压下纯水的冰融点定为0度，纯水的沸点定为100度的一种温标。在0度和100度之间分成100等分，每一分为一摄氏度，符号为。 华氏温标 -规定在大气压下，纯水的冰融点为32度，纯水的沸点为212度，中间划分为180等分，每一分为一华氏度，符号为。,热力学温标 K -又称开尔文温标，单位为开尔文（K）。,国际实用温标 -是一种符合热力学温标又使用简单的温标。,最新温标是1990年国际温标 (ITS90):热力学温度（T）是基本物理量，单位为开尔文，定义为水三相点的热
5、力学温度的1/273.16 国际开尔文温度T90和国际摄氏温度t90 t90 /= T90 / K 273.15,我国目前实行的是1990年国际温标(ITS90） 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（）摄氏 两者关系为： t90/ = T90/ K 273.15 或 t/ = T/ K 273.15,应用热膨胀原理测温,测量原理,物体受热时产生膨胀,液体膨胀式温度计,固体膨胀式温度计,玻璃管温度计,双金属温度计,双金属温度计是把两种膨胀系数不同的金属薄片焊接在一起制成的。它是一种固体膨胀温度计。其结构简单、牢固，可将温度变化转换成
6、机械量变化，不仅用于测量温度，而且还用于温度控制装置（尤其是开关的“通断”控制），使用范围相当广泛。,双金属温度计,双金属温度计的工作原理,如图所示, 将其一端固定, 如果温度升高, 下面的金属B（例如黄铜）因热膨胀而伸长，上面的金属A（例如因瓦合金）却几乎不变，致使双金属偏向上翘。温度越高则产生的线膨胀差越大，引起的弯曲越大。,双金属温度计的结构,它的感温元件通常绕成螺旋型，一端固定，另一端连接指针轴。温度变化时，感温元件的弯曲率发生变化，并通过指针轴带动指针偏转，在刻度盘上显示出温度的变化。,温度升高，金属内部原子晶格的振动加剧，从而使金属内部的自由电子通过金属导体时的阻碍增大，宏观上表现
7、出电阻率变大，电阻值增加，我们称其为正温度系数，即电阻值与温度的变化趋势相同。,10.1 金属热电阻,金属热电阻一般用于-200+600温度测量；,取一只 100W/220V 灯泡，用万用表测量其电阻值，可以发现其冷态阻值只有几十欧姆，而计算得到的额定热态电阻值应为484 。,热电阻测温原理,导体或半导体的电阻值随温度变化,测量原理,不同热电阻阻值与温度变化之间的关系不完全相同。 例，铂热电阻阻值与温度变化之间的关系近似为：,-200O,+0850,式中：,为0C时电阻，其值是,在0630.74范围内，金属铂的电阻值与温度的关系为,在-50180范围内，金属铜的电阻值与温度的关系为,温度0时的
8、电阻值,温度t时的电阻值,铂测温电阻元件的电阻的温度特性,常用热电阻,铂电阻,电阻率较大，电阻-温度关系呈非线性，但测温范围广，精度高，且材料易提纯，复现性好,工业用铂电阻分度号为Pt100和Pt10,铜电阻,电阻值与温度的关系几乎呈线性，电阻温度系数也较大，而且其材料易提纯，价格比较便宜，但缺点是在100以上易被氧化,工业用铜热电阻的分度号为Cu50和Cu100,热电阻的主要技术性能,易提纯、复现性好的金属材料才可用于制作热电阻,热电阻温度计,应用于-200600范围内的温度测量,热电阻电阻体（最主要部分）绝缘套管接线盒,热电阻的材料要求： 电阻温度系数要大；电阻率尽可能大，热容量要小，在测
9、量范围内，应具有稳定的物理和化学性能；电阻与温度的关系最好接近于线性；应有良好的可加工性，且价格便宜。,热电阻结构,电阻的结构主要由不同材料的电阻丝绕制而成，为了避免通过交流电时产生感抗，或有交变磁场产生感应电动势，在绕制时采用双线无感绕制。,带保护管的铂测温结构示意图,热电阻结构,薄膜型及普通型铂热电阻,小型铂热电阻,防爆型铂热电阻,汽车用水温传感器及水温表,铜热电阻,铂热电阻分度表,铂电阻温度显示、变送器,可设定温度的温度控制箱,旋转式机械 设定开关,拨码式 设定开关,近年来，几乎所有的家用电器产品都装有微处理器，温度控制完全智能化，这些温度传感器几乎都使用热敏电阻。 热敏电阻用半导体材料
10、氧化复合烧结而成 主要材料有：Mn、Co、Ni、Cu、Fe氧化物,热敏电阻符号,10.2 热敏电阻,测温机理,陶瓷半导体材料的导电性取决于电子空穴的浓度。 在低温下，电子空穴的浓度很低，故电阻率很大，随着温度的升高，电子空穴的浓度按指数规律增加，电阻率迅速减小，其阻值特性为：,R0为温度为20 时的电阻值（）； RT为温度为T 时的电阻值（）； T热力学温度（K）； B热敏电阻常数（热敏材料与工艺有关, e 值为30004000K ）,热敏电阻有负温度系数（NTC）和正温度系数（PTC）之分，其特性曲线是非线性的。,式中，R温度T时探头的电阻值； R0参考温度T=273.15K时的电阻值； 材
11、料系数，e 值为30004000K,电阻温度系数,NTC又可分为两大类： 第一类用于测量温度，它的电阻值与温度之间呈严格的负指数关系； 第二类为突变型（CTR）。当温度上升到某临界点时，其电阻值突然下降 。,热敏电阻的外形、结构及符号,a）圆片型热敏电阻 b）柱型热敏电阻 c）珠型热敏电阻 d）铠装型 e）厚膜型 f）图形符号 1热敏电阻 2玻璃外壳 3引出线 4紫铜外壳 5传热安装孔,热敏电阻外形,MF12型 NTC热敏电阻,聚脂塑料封装热敏电阻,其他形式的热敏电阻,玻璃封装 NTC热敏电阻,MF58 型热敏电阻,其他形式的热敏电阻,带安装孔的热敏电阻,大功率PTC热敏电阻,其他形式的热敏电
12、阻（续）,贴片式NTC热敏电阻,其他形式的热敏电阻（续）,MF58型（珠形）高精度负温度系数热敏电阻,MF5A-3型热敏电阻,（参考深圳科蓬达电子有限公司资料）,非标热敏电阻,热敏电阻温度面板表,热敏电阻,LCD,由于热敏电阻与温度呈较强的非线性，使得它的测温范围和精度受到一定限制。 一般利用温度系数很小的金属电阻与热敏电阻串联或并联，使热敏电阻阻值在一定范围内呈线性关系。 热敏电阻测量的方法常用电桥法。,第8章 温度传感器,热敏电阻的应用,右图是一恒温电路，A为比较器，当环境温度达到T时，输出信号实现自动调温控制。 同相端输入有RP、R1、R2、R3分压确定作比较电平，RP可调节比较器的比较
13、电平，从而调节所需控制温度。,热敏电阻的恒温控制电路,第8章 温度传感器,近年来，几乎所有的家用电器产品都装有微处理器，温度控制完全智能化，这些温度传感器几乎都使用热敏电阻。,热敏电阻用于电热水器的温度控制,热敏电阻体温表,热敏电阻体温表的调试、标定方法,热敏电阻用于CPU的温度测量,（参考小熊在线公司资料）,小结：热敏电阻特点,灵敏度高：比一般的金属大10100倍。 热惯性小，动态测量。 结构简单，体积小。 多数热敏电阻具有负温度系数，温度升高电阻下降，同时灵敏度下降，所以热电阻限制了它在高温下使用。热敏电阻温度上限约400 。 热敏电阻最大的缺点是，产品一致性差，互换性不好，因此，一般不在
14、石油、钢铁、制造业上使用。,10.3 热电偶温度传感器 Thermoelectric Couple Sensors,科学家发现：,！两端温度不同的导体会产生电动势 ！两种不同的导体接在一起会产生电动势 ？能用来制作传感器吗,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。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，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。,10.3 热电偶温度传感器Thermoelectric Couple Sensors,热电偶的工作原理 热电偶回路的性质 热电偶
15、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,温度传感器原理与应用,两种不同类型的导体组合成闭合回路，若连接处温度不同，有温差时，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（Seebeck）发现，所以又称西拜克效应。,10.3.1 热电偶的工作原理,利用这种热电效应，只要知道一端结点温度，就可以测出另一端结点的温度。,固定温度的接点称基准点（冷端）T0 ，恒定在某一标准温度； 待测温度的接点称测温点（热端）T ，置于被测温度场中。 这种将温度转换成热电动势的传感器称为热电偶，金属称热电极。,热端,冷端,1
16、0.3.1 热电偶的工作原理,热电偶工作原理演示实验,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,自由端（参考端、冷端）,测量端（工作端、热端）,热电极B,热电势,A,B,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。,(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 =1.610-19C； 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。,热端,冷端,两种导体的接触电势 不同金属自由电子密度不同，当两种金属接触在一起时，在结点处会产生电子扩散，浓度大的
