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1、第二章第二章 温度检测温度检测本章主要内容：测温原理及方法本章主要内容：测温原理及方法 温标及测温方法温标及测温方法 电阻式温度传感与测试电阻式温度传感与测试 热电偶温度计热电偶温度计 辐射式温度计辐射式温度计 光导纤维温度计光导纤维温度计 集成温度传感技术集成温度传感技术自然界中几乎一切的物理化学过程都与温度严密相关，自然界中几乎一切的物理化学过程都与温度严密相关，因此温度是工农业消费、科学实验以及日常生活中需求因此温度是工农业消费、科学实验以及日常生活中需求普遍进展丈量和控制的一个重要物理量。普遍进展丈量和控制的一个重要物理量。温度是表征物体冷热程度的物理量。温度只能经过物温度是表征物体冷
2、热程度的物理量。温度只能经过物体随温度变化的某些特性来间接丈量，而用来量度物体体随温度变化的某些特性来间接丈量，而用来量度物体温度数值的标尺叫温标。它规定了温度的读数起点零温度数值的标尺叫温标。它规定了温度的读数起点零点和丈量温度的根本单位。目前国际上用得较多的温点和丈量温度的根本单位。目前国际上用得较多的温标有华氏温标、摄氏温标、热力学温标标有华氏温标、摄氏温标、热力学温标.2.1 2.1 温标及测温方法温标及测温方法 1温度与温标温度与温标q温度定义温度定义q对物体或系统的冷热程度的衡量宏观的物理对物体或系统的冷热程度的衡量宏观的物理量。量。q是物体分子运动平均动能大小的标致微观是物体分子
3、运动平均动能大小的标致微观q温标：温度标尺定量温标：温度标尺定量q起点、根本单位起点、根本单位温标温标q阅历温温标：根据物体：根据物体热胀冷冷缩景象制定景象制定q摄氏温氏温标：q在在规范大气范大气压下，冰点下，冰点0C，水的沸点，水的沸点100C，中，中间100等分，每份等分，每份为摄氏氏1度，符号度，符号为。q华式温式温标：q在在规范大气范大气压下，冰点下，冰点32F，水的沸点，水的沸点212F，中，中间180等分，每份等分，每份为华氏氏1度，符号度，符号为oF。q摄氏温度氏温度t和和华氏温度氏温度之之间的关系：的关系：T(F)=t(C)x9/5+32q国际适用温标：是一种协议温标，国际适用
4、温标：是一种协议温标，q热力学温度符号：热力学温度符号：TT90单位：开尔单位：开尔文，符号为文，符号为K。1K=水的三相点热力学水的三相点热力学温度的温度的1/273.16q热力学温度是以水的三相点来定义的，规热力学温度是以水的三相点来定义的，规定水的三相点的温度为定水的三相点的温度为273.16Kq摄氏温度摄氏温度t和和热力学温度热力学温度T的关系：的关系：qtT273.15q国际温标热力学温标：根据卡诺循环原国际温标热力学温标：根据卡诺循环原理建立，实践难以实现。理建立，实践难以实现。PV=RTn表表9-1各温标间的换算关系各温标间的换算关系2 2测温方法测温方法一、接触式一、接触式测温
5、温传感器和被感器和被测对象直接接触，象直接接触，进展充分展充分的的热交交换，到达，到达热平衡后，敏感元件与被平衡后，敏感元件与被测对象具有一象具有一样温度，温度，传感器的感器的输出即反映了出即反映了被被测温度的高低。温度的高低。传导换热按照感温元件能否与被测介质接触，分为两大类：按照感温元件能否与被测介质接触，分为两大类：优点：点： 1、测温温仪表构造比表构造比较简单、任、任务可靠，且价可靠，且价钱低廉；低廉； 2、丈量精度、丈量精度较高，高，稳定性好；定性好； 缺陷：缺陷： 1、因、因测温元件与被温元件与被测介介质需求需求进展充分的展充分的热交交换，需求一定的需求一定的时间才干到达才干到达热
6、平衡，所以存在平衡，所以存在测温的延温的延迟景景象，有象，有较大的滞后，不宜于快速大的滞后，不宜于快速变化的温度丈量或化的温度丈量或对运运动物体物体进展丈量；展丈量； 2、测温范温范围受感温受感温资料性料性质的限制，不能运用于很的限制，不能运用于很低或很高的温度丈量。温度太高或腐低或很高的温度丈量。温度太高或腐蚀性介性介质对感温元件感温元件的性能和寿命会的性能和寿命会产生不利影响。生不利影响。 3、感温元件影响被、感温元件影响被测温度温度场的分布，且接触不良等的分布，且接触不良等要素都会要素都会带来丈量来丈量误差。差。接触式测温方法的优缺陷：接触式测温方法的优缺陷：二、非接触式二、非接触式测温
7、温利用被利用被测对象的象的热辐射能量随温度的射能量随温度的变化而化而变化的原理，化的原理，经过丈量一定丈量一定间隔隔处被被测物体物体发出出的的热辐射射强度来确定被度来确定被测对象的温度。象的温度。辐射射换热传感器不需和被感器不需和被测对象象接触接触优点：点： 1、测温范温范围广，不受广，不受测温上限的限制，也不会破坏温上限的限制，也不会破坏被被测物体的温度物体的温度场； 2、反响速度普通比、反响速度普通比较快，几乎不存在丈量滞后，便快，几乎不存在丈量滞后，便于丈量运于丈量运动物体的温度和快速物体的温度和快速变化的温度；化的温度； 3、由于非接触，所以可在高温、腐、由于非接触，所以可在高温、腐蚀
8、、有毒等、有毒等恶劣劣环境中运用。境中运用。缺陷：缺陷： 遭到物体的遭到物体的发射率、丈量射率、丈量间隔、烟隔、烟尘和水气等外界要和水气等外界要素的影响，其丈量精度素的影响，其丈量精度较低。低。 非接触式测温方法的优缺陷：非接触式测温方法的优缺陷： 按照温度丈量范围，可分为超低温、低按照温度丈量范围，可分为超低温、低温、中温、高温暖超高温温度丈量。温、中温、高温暖超高温温度丈量。超低温普通是指超低温普通是指010K低温指低温指10800K中温指中温指8001900K高温指高温指19002800K的温度的温度2800K以上被以为是超高温以上被以为是超高温热电阻和热敏电阻热电阻和热敏电阻利用导体和
9、半导体的电阻随温度变化这一性质做利用导体和半导体的电阻随温度变化这一性质做成的温度计称为电阻温度计。大多数金属在温度成的温度计称为电阻温度计。大多数金属在温度升高升高1 C 时电阻将添加时电阻将添加0.40.6。但半导体。但半导体电阻普通随温度升高而减小，其灵敏度比金属高，电阻普通随温度升高而减小，其灵敏度比金属高，每升高每升高1 C ，电阻约减小，电阻约减小26。目前由纯金属制造的热电阻的主要资料是铂、铜目前由纯金属制造的热电阻的主要资料是铂、铜和镍，它们已得到广泛的运用。和镍，它们已得到广泛的运用。2.2 2.2 电阻式温度传感器电阻式温度传感器 2.3.1 2.3.1 金属金属热电热电阻
10、阻传传感器感器 一一 、热电热电阻阻类类型型: :金属金属热电热电阻主要有阻主要有铂电铂电阻、阻、铜铜电电阻和阻和镍电镍电阻等阻等, ,其中其中铂电铂电阻和阻和铜电铜电阻最阻最为为常常见见。 1 1、铂热电铂热电阻：阻： 在在-200-20000的范的范围围内内 在在0 0850850的范的范围围内内 2 2、铜热电铜热电阻：可表示阻：可表示为为 工业热电阻工业热电阻铠装式热电阻铠装式热电阻二、热电阻的构造二、热电阻的构造: :热电阻主要由电阻体、热电阻主要由电阻体、绝缘套管和接线盒等组成。绝缘套管和接线盒等组成。热电阻阻测温温如何丈量如何丈量热电阻？阻？直流电桥的平衡条件直流电桥的平衡条件三
11、三 、热电阻传感器的丈量电路、热电阻传感器的丈量电路 1 1、三线制、三线制 2 2、四线制、四线制平衡：平衡：平衡：平衡：三线制三线制:uAE：电桥电源；：电桥电源；2r：相邻臂：相邻臂导线电导线电阻阻阻阻rr对对丈量无影响丈量无影响丈量无影响丈量无影响热电阻阻测温温缺陷及缺陷及实践践问题q引线电阻的影响：引线也有阻值，且随环境温度引线电阻的影响：引线也有阻值，且随环境温度变化，影响可达变化，影响可达10甚至甚至50q措施：采用三线式或四线式接法。措施：采用三线式或四线式接法。q呼应速度慢；呼应速度慢；q自热问题：热电阻丈量需外加电源，电流流过热自热问题：热电阻丈量需外加电源，电流流过热电阻
12、使其发热从而改动阻值。电阻使其发热从而改动阻值。措施：限制电流不超越措施：限制电流不超越6mA。2.2.2 半导体热敏电阻器半导体热敏电阻器 (Semiconductor thermal resisitor) (Semiconductor thermal resisitor)近近年年来来，几几乎乎一一切切的的家家用用电电器器产产品品都都装装有有微微处处置置器器，温温度度控控制制完全智能化，完全智能化，这这些温度些温度传传感器几乎都运用感器几乎都运用热热敏敏电电阻。阻。 热热敏敏电电阻阻是是利利用用半半导导体体资资料料的的电电阻阻率率随随温温度度变变化化而而变变化化的的性性质质制成的。制成的。
13、热热敏敏电电阻阻用用钴钴CoCo、锰锰MnMn、镍镍NiNi等等半半导导体体资资料料的的氧氧化化物物采采用用不不同同比例配方、高温比例配方、高温烧结烧结而成，而成，烧结烧结外表玻璃封装。外表玻璃封装。一一热敏敏电阻的阻的优点：点： 1 1 构造构造简单、体、体积小、可小、可测点温度；点温度； 2 2 电阻温度系数大，灵敏度高阻温度系数大，灵敏度高1010倍；倍； 3 3 电阻率高、阻率高、热惯性小、适宜性小、适宜动态丈量。丈量。 4 4 丈量范丈量范围窄，目前只能到达窄，目前只能到达-50-50300C300C玻璃壳玻璃壳热敏电阻热敏电阻引线引线a a珠状珠状珠状珠状b b片状片状片状片状c
14、c杆状杆状杆状杆状d d垫垫圈状圈状圈状圈状贴片式贴片式薄膜式薄膜式大功率大功率二分二分类： 按按热敏敏电阻阻的的阻阻值随随温温度度变化化的的典典型型特特性分性分为三三类： (1) (1) 正温度系数正温度系数热敏敏电阻器阻器PTCPTC (Positive Temperature Coefficient) (Positive Temperature Coefficient) 电阻阻值随温度升高而增大的随温度升高而增大的电阻器，阻器， 用于恒温、加用于恒温、加热控制或温度开关控制或温度开关(2) (2) 负负温度系数温度系数热热敏敏电电阻器阻器 NTCNTC (Negative Tempera
15、ture Coefficient) (Negative Temperature Coefficient) 电电阻阻值值随温度升高而下降的随温度升高而下降的热热敏敏电电阻器。阻器。 多用于温度丈量和多用于温度丈量和补偿补偿。(3) (3) 突突变变型型临临界温度系数界温度系数热热敏敏电电阻器阻器 CTRCTR (Critical Temperature Resister) (Critical Temperature Resister)在在某某一一特特性性温温度度下下电电阻阻值值会会发发生生突突变变，在在随随温温度度升升高高而而降降低低3 34 4个个数数量量级级，具具有有很很大大负负温温度度系数
16、。用于温度开关。系数。用于温度开关。1 12 23 34 4铂丝铂丝40406060120120 1601600 010100 010101 110210210103 3104104105105106106RT/RT/温度温度T/CT/C热敏电阻的电阻热敏电阻的电阻-温度特性曲线温度特性曲线1-NTC1-NTC；2-CTR2-CTR； 3-4 PTC 3-4 PTC温度丈量中主要采用温度丈量中主要采用NTCNTC，温度特性如下：，温度特性如下：RTRT、R0R0温度温度为为T T、T0T0时热时热敏敏电电阻器的阻器的电电阻阻值值； NTC NTC热热敏敏电电阻的阻的资资料常数。料常数。由由测试
17、结测试结果果阐阐明，不明，不论论是由氧化物是由氧化物资资料，料，还还是由是由单单晶体晶体资资料制成的料制成的NTCNTC热热敏敏电电阻器，在不太阻器，在不太宽宽的温度范的温度范围围 小于小于450450 ，都能利用，都能利用该该式，它式，它仅仅是一个是一个阅历阅历公式。公式。 ( (三三) ) 运用本卷运用本卷须须知：知： 留意自留意自热热效效应应 热热敏敏电电阻温度特性的非阻温度特性的非线线性性 指数指数规规律律 措施：措施：利用包含利用包含热热敏敏电电阻的阻的线线性化网性化网络络替代替代单单个个热热敏敏电电阻阻利用利用电电子安装中其他部件的特性子安装中其他部件的特性进进展展综综合修正。合修
18、正。计计算修正法：算修正法：线线性插性插值值法分段法分段计计算算 稳稳定性和老化定性和老化问题问题：工：工艺艺、选择选择图2.15 热敏电阻的线性化网络利用包含热敏电阻的线性化网络替代单个热敏电阻利用包含热敏电阻的线性化网络替代单个热敏电阻:(四四)、热热敏敏电电阻的运用阻的运用:(P31)1、温度丈量、温度丈量2、温度、温度补偿补偿3、温度控制、温度控制4、过热维护过热维护电阻式温度传感器：利用物体的电阻随温度的变化的特性来测温的。热电阻：测温范围，普通-200850C热敏电阻：测温范围-50300C外加电源；自热；引线电阻等问题。热敏电阻比热电阻灵敏度高。非线性。温度丈量汽车水温丈量自动热
19、水器电冰箱等家用电器的温度控制运用运用实例：基于例：基于热敏敏电阻的阻的电机机过热维护器：器：Rt1 Rt2 Rt3 ：热热敏敏电电阻阻(NTC) ，安装在三相，安装在三相绕组绕组附近附近 温度低温度低时：电阻高阻高三极管不三极管不导通通继电器不吸合器不吸合电机运机运转温度高温度高时：电阻低阻低三极管三极管导通通继电器吸合器吸合电机停机停顿2024/7/20传感器原理及运用热敏电阻的运用热敏电阻的运用2 2、恒温控制、恒温控制电电路路RtRt为热为热敏敏电电阻，阻，A A为为比比较较器，器，当当环环境温度到达境温度到达TT时时，输输出信号出信号实现实现自自动调动调温控制。温控制。 同相端同相端
20、输输入有入有RPRP、R2R2、R3R3分分压压确定作比确定作比较电较电平，平，RPRP可可调调理比理比较较器的比器的比较电较电平，从而平，从而调调理所需控理所需控制温度。制温度。2024/7/20传感器原理及运用热敏电阻的运用热敏电阻的运用2024/7/20传感器原理及运用降温报警器降温报警器2.4 2.4 热电势式测温传感器热电偶热电势式测温传感器热电偶热电偶偶thermocouple是目前温度丈量中运用是目前温度丈量中运用最普遍的最普遍的传感元件之一。感元件之一。特点：构造特点：构造简单，丈量范，丈量范围宽、准确度高、准确度高、热惯性小，性小，输出信号出信号为电信号，便于信号，便于远传或
21、信号或信号转换等等优点，点，还能用来丈量流体的温度、丈量固体以能用来丈量流体的温度、丈量固体以及固体壁面的温度。微型及固体壁面的温度。微型热电偶偶还可用于快速及可用于快速及动态温度的丈量。温度的丈量。2.4.1 2.4.1 任务原理任务原理两种不同的两种不同的导体或半体或半导体体A A和和B B组合成如下合成如下图闭合合回路，假回路，假设导体体A A和和B B的的衔接接处温度不同温度不同设T TT0T0，那么在此，那么在此闭合回路中就有合回路中就有电流流产生，也就生，也就是是说回路中有回路中有电动势存在，存在，这种景象叫做种景象叫做热电效效应。热电偶原理图热电偶原理图T TT0T0A AB B
22、热端热端冷端冷端B B一、一、热电效效应这种景象早在种景象早在18211821年首先由西拜克年首先由西拜克SeeSeebackback发现, ,所以又称西拜克效所以又称西拜克效应。回路中所回路中所产生的生的电动势，叫，叫热电动势. .热电动势是由两种是由两种导体的接触体的接触电势和和单一一导体体的温差的温差电势所所组成。成。热电动势的大小与两种的大小与两种导体体资料的性料的性质及接点温度有关。及接点温度有关。热电偶原理图热电偶原理图T TT0T0A AB B热端热端冷端冷端B B导体体A A，B B 称称为热电极。极。接点接点T T通常是通常是焊接在一同的，丈量接在一同的，丈量时将它置于将它置
23、于测温温场所感受被所感受被测温度，故称温度，故称为丈量端或任丈量端或任务端，端，热端端。接点接点T0T0要求温度恒定，称要求温度恒定，称为参考端或冷端。参考端或冷端。由两种由两种导体的体的组合并将温度合并将温度转化化为热电动势的的传感感器叫做器叫做热电偶。偶。 热电偶原理图热电偶原理图T TT0T0A AB B热端热端冷端冷端B B二、接触电势的构成缘由分析：二、接触电势的构成缘由分析：导体内部的体内部的电子密度是不同的，当两种子密度是不同的，当两种电子密度不子密度不同的同的导体体A A与与B B接触接触时，接触面上就会，接触面上就会发生生电子分散，子分散，电子从子从电子密度高的子密度高的导体
24、流向密度低的体流向密度低的导体。体。电子分散的速率与两子分散的速率与两导体的体的电子密度有关并和接触子密度有关并和接触区的温度成正比。区的温度成正比。接触电势原理图接触电势原理图+ +A AB BT TeAB(T )eAB(T )- -设导体体A A和和B B的自在的自在电子密度子密度为NANA和和NBNB，且，且NANANBNB，电子分散的子分散的结果使果使导体体A A失去失去电子而子而带正正电，导体体B B那么那么获得得电子而子而带负电，在接触面构成，在接触面构成电场。这个个电场妨碍了妨碍了电子的分散，到达子的分散，到达动平衡平衡时，在，在接触区构成一个接触区构成一个稳定的定的电位差，即接
25、触位差，即接触电势帕帕尔贴电势PeltierPeltier。接触电势原理图接触电势原理图+ +A AB BT TeAB(T )eAB(T )- -eAB(T)eAB(T)导导体体A A、B B结结点在温度点在温度T T 时时构成的接触构成的接触电动势电动势；ee单单位位电电荷，荷， e =1.610-19C e =1.610-19C；kk波波尔尔兹兹曼常数，曼常数， k =1.3810-23 J/K k =1.3810-23 J/K ；NANA、NB NB 导导体体A A、B B在温度在温度为为T T 时时的的电电子密度。子密度。接触接触电势电势的大小与温度高低及的大小与温度高低及导导体中的体
26、中的电电子密度有关。子密度有关。产生接触生接触电势：温差温差电势：因：因导体两端温度不同而体两端温度不同而产生的生的电动势。AeA(T,To)ToT温差电势原理图温差电势原理图由于温度梯度的存在，改由于温度梯度的存在，改动了了电子子的能量分布，高温的能量分布，高温(T(T端端电子将向子将向低温端低温端(T0(T0分散，致使高温端因分散，致使高温端因失去失去电子子带正正电，低温端因，低温端因获得得电子而子而带负电。因此在同一因此在同一导体两端也体两端也产生生电位差，位差，并阻止并阻止电子从高温端向低温端分散，子从高温端向低温端分散，最最终电子分散构成子分散构成动平衡，此平衡，此时所所建立的建立的
27、电位差称位差称为温差温差电势即即汤姆姆逊电势(Thomoson) (Thomoson) 。EA(TEA(T，T0)T0)导导体体A A两端温度两端温度为为T T、T0T0时时构成的构成的 温差温差电动势电动势；T T，T0 T0 高低端的高低端的绝对绝对温度；温度； 导导体体A A在温度在温度为为T T时时的自在的自在电电子数子数温差温差电势：回路回路总电势：由由导体体资料料A A、B B组成成的的闭合合回回路路，其其接接点点温温度度分分别为T T、T0,T0,假假设T TT0T0，那那么么必必存存在在着着两个接触两个接触电势和两个温差和两个温差电势。T0TeAB(T)eAB(T0)eA(T,
28、T0)eB(T,T0)ABT0TeAB(T)eAB(T0)eA(T,T0)eB(T,T0)ABNATNAT、NAT0NAT0导导体体A A在在结结点温度点温度为为T T和和T0T0时时的的电电子密度；子密度； NBTNBT、NBT0NBT0导导体体B B在在结结点温度点温度为为T T和和T0T0时时的的电电子密度；子密度；A A 、BB导导体体A A和和B B的的汤汤姆姆逊逊系数。系数。注：在工程运用中，常用注：在工程运用中，常用实验的方法得出温度与的方法得出温度与热电势的关系并做成表格，以供的关系并做成表格，以供备查。 假假设设冷端温度冷端温度 固定固定 那么那么EAB(T,T0)EAB(T
29、,T0)成成为为T T的的单值单值函数。函数。 忽略温差忽略温差电势电势，那么，那么总电势为总电势为：EAB(T,T0)=EAB(T )-EAB(T0 EAB(T,T0)=EAB(T )-EAB(T0 ) )EAB(T,T0)=EAB(T)-EAB(T0)EAB(T,T0)=EAB(T)-EAB(T0) =EAB(T)-EAB(0)-EAB(T0)- =EAB(T)-EAB(0)-EAB(T0)-EAB(0) EAB(0) =EAB(T =EAB(T，0)-EAB(T00)-EAB(T0，0)0)推推论：热电偶的偶的热电势可以可以为等于两端温度分等于两端温度分别为 T T 和零度以及和零度以及
30、T0T0和零度的和零度的热电势之差。之差。五点五点结论：1 1、热电偶回路偶回路热电势只与只与组成成热电偶的偶的资料料及两端温度有关；与及两端温度有关；与热电偶的偶的长度、粗度、粗细无无关。关。2 2、只需用不同性、只需用不同性质质的的导导体体( (或半或半导导体体) )才干才干组组合成合成热电热电偶；一偶；一样资样资料不会料不会产产生生热电势热电势，由于当，由于当A A、B B两两种种导导体是同一种体是同一种资资料料时时，ln(NA/NB)=0ln(NA/NB)=0，也即，也即EAB(TEAB(T，T0)=0T0)=0。4 4、热热电电偶偶A A、B B在在接接点点温温度度为为T1 T1 、
31、T3T3时时的的热热电电势势，等等于于此此热热电电偶偶在在接接点点温温度度为为T1T1、T2T2与与T2T2、T3T3两两个个不不同形状下的同形状下的热电势热电势之和。之和。3 3、只需当、只需当热电热电偶两端温度不同偶两端温度不同, ,热电热电偶的两偶的两导导体体资资料不同料不同时时才干有才干有热电势产热电势产生。生。5 5、导导体体资资料料确确定定后后，热热电电势势的的大大小小只只与与热热电电偶偶两两端端的的温温度度有有关关。假假设设使使EAB(T0)=EAB(T0)=常常数数，那那么么回回路路热热电电势势EAB(TEAB(T，T0)T0)就就只只与与温温度度T T有有关关，而而且且是是T
32、 T的的单单值值函数，函数，这这也是利用也是利用热电热电偶偶测测温的原理。温的原理。 1 1、均、均质导质导体定律体定律 该该定律内容是：由一种均定律内容是：由一种均质导质导体或半体或半导导体体组组成的成的闭闭合回路，不合回路，不论导论导体或半体或半导导体体的截面的截面积积、长长度和各度和各处处温度分布如何，都不能温度分布如何，都不能产产生生热电势热电势。该该定律已在定律已在实际实际分析中分析中得到得到证证明，并可得出如下明，并可得出如下结论结论： 1 1 热电热电偶必需由两种不同性偶必需由两种不同性质质的的资资料构成。料构成。 2 2 由一种由一种资资料料组组成的成的闭闭合回路存在温差合回路
33、存在温差时时，回路如，回路如产产生生热电势热电势，便，便阐阐明明该资该资料是料是不均匀的。据此，可不均匀的。据此，可检查热电检查热电极极资资料的均匀性。料的均匀性。2.4.2 热电偶回路的性质热电偶回路的性质2. 2. 中中间导间导体定律体定律 或第三方或第三方导导体定律体定律 当在当在A A、B B资资料料组组成的成的热电热电偶回路中接入第三偶回路中接入第三导导体体C C时时, ,只需引入的第三只需引入的第三导导体体C C两端温度一两端温度一样样, ,那那么此么此导导体的引入不会改体的引入不会改动总电势动总电势EAB(T,T0)EAB(T,T0)的大小。的大小。图2.3 热电偶回路中引入第三
34、导体 此定律在此定律在实践中的运用：践中的运用：根据上述原理，可以在根据上述原理，可以在热电偶回路中接入偶回路中接入电位位计E E，只需保，只需保证电位位计与与衔接接热电偶偶处的接点温度相等，的接点温度相等，就不会影响回路中原来的就不会影响回路中原来的热电势，接入的方式，接入的方式见以以下下图所示。所示。 ET0T0TET0T1T1T电位计接入热电偶回路电位计接入热电偶回路EAB(T,T0)=EAC(T,T0) EBC(T,T0)(2.10)T0TEBA(T,T0)BAT0TEAC(T,T0)ACT0TEBC (T,T0)CB3 3、规规范范热电热电极定律极定律 假假设设两种两种导导体体(A,
35、B)(A,B)分分别别与第三种与第三种导导体体(C)(C)组组成成热电热电偶所偶所产产生的生的热电势热电势知，那么由知，那么由这这两个两个导导体体组组成的成的热电热电偶在一偶在一样样的冷的冷热热端温度下端温度下产产生的生的热电势热电势可表示可表示为为：证明：明：EAC(T,T0)=EAC(TEAC(T,T0)=EAC(T- EAC(T0- EAC(T0EBC(T,T0)=EBC(TEBC(T,T0)=EBC(T- EBC(T0- EBC(T0将上二式相减得：将上二式相减得：注：通常用注：通常用纯铂(Pt)(Pt)作作为规范范热电极。极。3. 3. 中中间间温度定律温度定律假假设设不同的两种不同
36、的两种导导体体资资料料组组成成热电热电偶回路偶回路, ,当当接接点点温温度度为为T1T1、T2T2时时, ,其其热热电电势势为为EAB(T1, EAB(T1, T2)T2)；当当接接点点温温度度为为T2T2、T3T3时时，其其热热电电势势为为EAB(T2, EAB(T2, T3)T3)；当当接接点点温温度度为为T1T1、T3T3时时，其其热热电电势势为为EAB(T1, EAB(T1, T3)T3)，那么，那么EAB(T1,T3)=EAB(T1,T2)+EAB(T2,T3)BBA T2 T1 T3 AAB中间温度定律图示中间温度定律图示必要性：必要性：热电偶偶的的输出出电压与与温温度度成成非非线
37、性性关关系系。对于于任任何何一一种种实践践的的热电偶偶, ,并并不不是是由由准准确确的的关关系系式式表表示示其其特特性性, ,而而是是用用特特性性分分度度表表。为了了便便于于一一致致, ,普普通通手手册册上上所所提提供供的的热电偶偶特特性性分分度度表表, ,是是在在坚持持热电偶偶冷冷端端温温度度T0=0T0=0的的条条件件下下，给出出热电势与与热端端温温度度的的数数值对照。照。但但在在实践践丈丈量量中中, ,热电偶偶的的冷冷端端温温度度将将受受环境境温温度度或或热源源温温度度的的影影响响, ,并并不不为00。为了了运运用用特特性性分分度度表表对热电偶偶进展展标定定, ,实现对温温度度的的准准确
38、确丈丈量量, ,对冷冷端端温温度度变化化所所引引起起的的温温度度误差差, ,必必需需采采用用相相应的的冷冷端端处置置或或补偿措措施。施。2.4.3 2.4.3 冷端处置及补偿冷端处置及补偿1 1、冰点槽法、冰点槽法(0(0恒温法恒温法) )实实施方法：把施方法：把热电热电偶的参比端置于冰水混合物偶的参比端置于冰水混合物 容器里，使容器里，使T0=0T0=0。注：注： 它它能能使使冷冷端端温温度度误误差差得得到到完完全全的的抑抑制制。但但有有一一定定局限性，局限性，仅仅限于科学限于科学实验实验中运用。中运用。 为为了了防防止止冰冰水水导导电电引引起起两两个个衔衔接接点点短短路路，必必需需把把衔衔
39、接接点点分分别别置置于于两两个个玻玻璃璃试试管管里里，浸浸入入同同一一冰冰点点槽槽，使其相互使其相互绝缘绝缘。mVmVA AB BAABBT TC CCC仪仪表表表表铜铜导导线线试试管管管管补偿导线补偿导线热电热电偶偶偶偶冰点槽冰点槽冰点槽冰点槽冰水溶液冰水溶液冰水溶液冰水溶液T0T02 2、 零点迁移法冷端恒温法零点迁移法冷端恒温法实施方法：冷端置于恒温器内施方法：冷端置于恒温器内( (如恒温如恒温车间或有空或有空调 的的场所所) )，虽不是不是00，但非常，但非常稳定。定。本本质：在丈量：在丈量结果中人果中人为地加一个恒定地加一个恒定值，由于冷端，由于冷端温度温度稳定不定不变，电动势EAB
40、(TH,0)EAB(TH,0)是常数，利用指示是常数，利用指示仪表上表上调整零点的方法，或在回路中参与相整零点的方法，或在回路中参与相应的修正的修正电压而而实现补偿。 3 3、冷端、冷端补偿补偿器法器法利利用用不不平平衡衡电电桥桥产产生生热热电电势势补补偿偿热热电电偶偶因因冷冷端端温温度度变变化而引起化而引起热电势热电势的的变变化化值值。 冷端补偿器冷端补偿器 mVmVEAB(T,T0EAB(T,T0) )T0T0T0T0T TA AB B+ + +- -a ab bU UUabUabRCuRCuR1R1R2R2R3R3R R不平衡不平衡电桥电桥由由R1、R2、R3(锰铜丝绕锰铜丝绕制，温度系
41、数制，温度系数为为零零)、RCu(铜丝绕铜丝绕制，其制，其值值随温度随温度变变化化)四个四个桥桥臂和臂和桥桥路路电电源源组组成。成。桥桥臂臂RCu必需和必需和热电热电偶的冷端接近，使偶的冷端接近，使处处于同一温度之下。于同一温度之下。通常通常设计设计在在20下使下使电桥电桥平衡平衡(R1=R2=R3=RCu)，此，此时时Uab=0，电桥对仪电桥对仪表表读读数无影响。数无影响。 冷端补偿器冷端补偿器 mVmVEAB(T,T0EAB(T,T0) )T0T0T0T0T TA AB B+ + +- -a ab bU UUabUabRCuRCuR1R1R2R2R3R3R R当当T0T0上升上升时，RCu
42、RCu增大，增大，UabUab上升，当上升，当T0=TnT0=Tn时电势U U为：而而补偿器器选择的的RCuRCu产生的生的UabUab为：所以所以输出出电压U U坚持不持不变B4 4、补偿导线法、补偿导线法 热电偶补偿热电偶补偿导线接线图导线接线图ABT1T2T2AT0T0EB 当当热电热电偶冷端的温度由于受偶冷端的温度由于受热热端温度的影响在很大端温度的影响在很大范范围围内内变变化化时时, ,直接采用冷端温度直接采用冷端温度补偿补偿法将很困法将很困难难。 采用采用补偿导线补偿导线将冷端将冷端远远移至温度移至温度变变化比化比较较平平缓缓的的环环境中境中, , 再采用上述的再采用上述的补偿补偿
43、方法方法进进展展补偿补偿。5 、冷端温度计算校正法、冷端温度计算校正法普通与热电偶配套运用的指示仪表刻度是根据分普通与热电偶配套运用的指示仪表刻度是根据分度表取值，而分度表是在度表取值，而分度表是在 时得到的，所时得到的，所以当以当 ，指示仪的示值就必需加以修正，指示仪的示值就必需加以修正，修正方法如下：修正方法如下：丈量仪表值丈量仪表值校正值校正值真实值真实值例：例：S型热电偶在任务时自在端温度型热电偶在任务时自在端温度 ，现测得热电偶的电势为现测得热电偶的电势为7.5mV，求被测介质的实，求被测介质的实践温度。践温度。知，热电偶测得的电势为知，热电偶测得的电势为 即即 其中其中 为被测介质
44、温度。为被测介质温度。由分度表可查得由分度表可查得 那么：那么：由表由表2.4.1分度表可查的分度表可查的 对应的温度对应的温度为为 ，那么被测介质的实践温度为，那么被测介质的实践温度为 。6. 6. 软软件件处处置法置法对对于于计计算算机机系系统统，不不用用全全靠靠硬硬件件进进展展热热电电偶偶冷冷端端处处置置。例例如如冷冷端端温温度度恒恒定定但但不不为为00的的情情况况，只只需需在在采采样样后后加加一一个个与与冷冷端端温温度度对对应应的的常常数数即即可。可。 热电偶资料应满足：热电偶资料应满足： 物理性能稳定，热电特性不随时间改动；物理性能稳定，热电特性不随时间改动； 化学性能稳定，以保证在
45、不同介质中丈量时不被腐蚀；化学性能稳定，以保证在不同介质中丈量时不被腐蚀； 热电势高，导电率高，且电阻温度系数小；热电势高，导电率高，且电阻温度系数小； 便于制造；便于制造； 复现性好，便于成批消费。复现性好，便于成批消费。一、热电偶的常用资料与构造一、热电偶的常用资料与构造2.4.4 2.4.4 常用热电偶的特性常用热电偶的特性 1铂铂铑热电偶(S型) 分度号LB3工业用热电偶丝：0.5mm，实验室用可更细些。正极：铂铑合金丝,用90铂和10铑(分量比)冶炼而成。负极：铂丝。丈量温度：长期：1300、短期：1600。特点： 资料性能稳定，丈量准确度较高；可做成规范热电偶 或基准热电偶。用途：
46、实验室或校验其它热电偶。 丈量温度较高，普通用来丈量1000以上高温。 在高温复原性气体中如气体中含Co、H2等易被侵 蚀，需求用维护套管。 资料属贵金属，本钱较高。 热电势较弱。 一热电偶常用资料一热电偶常用资料 2镍铬镍硅(镍铝)热电偶(K型) 分度号EU2工业用热电偶丝： 1.22.5mm，实验室用可细些。正极：镍铬合金(用88.489.7镍、910铬，0.6硅，0.3锰，0.40.7钴冶炼而成)。负极：镍硅合金(用95.797镍,23硅,0.40.7钴冶炼而成)。丈量温度：长期1000，短期1300。特点： 价钱比较廉价，在工业上广泛运用。 高温下抗氧化才干强，在复原性气体和含有SO2
47、， H2S等气体中易被侵蚀。 复现性好，热电势大，但精度不如WRLB。 3镍铬考铜热电偶(E型) 分度号为EA2工业用热电偶丝:1.22mm，实验室用可更细些。正极：镍铬合金负极：考铜合金用56铜，44镍冶炼而成。丈量温度：长期600，短期800。特点： 价钱比较廉价，工业上广泛运用。 在常用热电偶中它产生的热电势最大。 气体硫化物对热电偶有腐蚀作用。考铜易氧化变 质，适于在复原性或中性介质中运用。 4铂铑30铂铑6热电偶(B型) 分度号为LL2正极：铂铑合金用70铂，30铑冶炼而成。负极：铂铑合金用94铂，6铑冶炼而成。丈量温度：长期可到1600，短期可达1800。特点： 资料性能稳定，丈量
48、精度高。 复原性气体中易被侵蚀。 低温热电势极小，冷端温度在50以下可不加补偿。 本钱高。 几种持殊用途的热电偶1铱和铱合金热电偶 如铱50铑铱10钌热电偶它能在氧化气氛中丈量高达2100的高温。2钨铼热电偶 是60年代开展起来的，是目前一种较好的高温热电偶，可运用在真空惰性气体介质或氢气介质中，但高温抗氧才干差。国产钨铼-钨铼20热电偶运用温度范围3002000分度精度为1。3金铁镍铬热电偶 主要用在低温丈量，可在2273K范围内运用，灵敏度约为10V。4钯铂铱15热电偶 是一种高输出性能的热电偶，在8时的热电势为47.255mV，比铂铂铑10热电偶在同样温度下的热电势高出3倍，因此可配用灵
49、敏度较低的指示仪表，常运用于航空工业。 6 6铜康康铜热电偶，分度号偶，分度号MKMK 热电偶的偶的热电势略高于略高于镍铬- -镍硅硅热电偶，偶，约为43V/43V/。复。复现性好，性好，稳定性好，精度高，价定性好，精度高，价钱廉价。缺陷是廉价。缺陷是铜易氧化，广泛用于易氧化，广泛用于20K20K473K473K的低温的低温实验室丈量中。室丈量中。 5 5铁康康铜热电偶，分度号偶，分度号TK TK 灵敏度高，灵敏度高，约为53V/53V/，线性度好，价性度好，价钱廉价，可廉价，可在在800800以下的复原介以下的复原介质中运用。主要缺陷是中运用。主要缺陷是铁极易氧化，采用极易氧化，采用发蓝处置
50、后可提高抗置后可提高抗锈蚀才干。才干。 二、热电偶分类二、热电偶分类(按照构造按照构造)：普通型：普通型构造普通型：普通型构造热电偶工偶工业上运用最多上运用最多, 它它普通由普通由热电极、极、绝缘套管、套管、维护管和接管和接线盒盒组成。成。丈量液体和气体的温度。丈量液体和气体的温度。铠装装缆式式热电偶：偶： 特点是丈量特点是丈量结热容量小，容量小，热惯性小，性小，动态呼呼应快，快，挠性好，性好，强度高，抗震性好。度高，抗震性好。适用于普通型不能丈量的空适用于普通型不能丈量的空间温度。温度。薄膜薄膜热电偶：偶：薄膜薄膜热电偶是由两种薄膜偶是由两种薄膜热电极极资料料, 用真空蒸用真空蒸镀、 化学凃
51、化学凃层等方法蒸等方法蒸镀到到绝缘基板上面制成的一种特殊基板上面制成的一种特殊热电偶偶, 薄膜薄膜热电偶的偶的热接点可以做得很小可薄到接点可以做得很小可薄到0.010.1m。特点是特点是热容量小，容量小，时间常数小，反响速度快。主常数小，反响速度快。主要用于丈量固体外表小面要用于丈量固体外表小面积瞬瞬时变化的温度。化的温度。热电偶的并偶的并联：把几个一把几个一样型号的型号的热电偶的同性偶的同性电极参考端并极参考端并联在一同，各个在一同，各个热电偶的丈量偶的丈量结处于不同温度下，于不同温度下，其其输出出电动势为各个各个热电偶偶热电动势的平均的平均值。可用于丈量平均温度。可用于丈量平均温度。热电偶
52、的衔接方式：热电偶的衔接方式：串串联热电偶：偶：又称又称热电堆。把假堆。把假设干个一干个一样型号的型号的热电偶串偶串联在在一同，一切丈量端一同，一切丈量端处在同一温度，一切参考端在同一温度，一切参考端处在同一温度，在同一温度，输出出电动势是每个是每个电动势之和。之和。如如热电偶正向串偶正向串联, 可可获得得较大的大的热电势输出和提高出和提高灵敏度。灵敏度。在丈量两点温差在丈量两点温差时, 可采用可采用热电偶反向串偶反向串联。热电偶测温原理：热电效应。测温范围：-271C2800C温度信号转换为电压信号。非线性；热电偶根本定律：均质导体定律、中间导体定律、中间温度定律、规范电极定律。热电偶冷端温
53、度补偿：补偿导线法、计算法、补偿电桥法、冰浴法、软件处置法。2.5 2.5 辐射式温度传感器辐射式温度传感器2.5.1 2.5.1 辐辐射射测测温的物理根底温的物理根底 辐辐射式温度射式温度传传感器是利用物体的感器是利用物体的辐辐射能随温度射能随温度变变化的原理制成的。化的原理制成的。一、一、热辐热辐射射: :物体受物体受热热，鼓励了原子中，鼓励了原子中带电带电粒子，使一部粒子，使一部分分热热能以能以电电磁波的方式向空磁波的方式向空间传间传播，它不需求任何物播，它不需求任何物质质作媒介作媒介 即在真空条件下也能即在真空条件下也能传传播播 ，将，将热热能能传传送送给对给对方，方，这这种能量的种能
54、量的传传播方式称播方式称为热辐为热辐射射 简简称称辐辐射射 ，传传播的能播的能量叫量叫辐辐射能。射能。辐辐射能量的大小与波射能量的大小与波长长、温度有关。、温度有关。 二、黑体二、黑体: :所所谓谓黑体是指能黑体是指能对对落在它上面的落在它上面的辐辐射能量全部射能量全部吸收的物体。吸收的物体。 三、灰体三、灰体 ：能部分反射或吸收：能部分反射或吸收红红外外辐辐射的物体称射的物体称为为灰体。灰体。 非接触测温利用光辐射来丈量物体温度 1、任何物体温度高于绝对零度-273.16C时，都将有热辐射，温度越高，那么发射到周围空间的能量就越多。 2、辐射能以动摇方式表现出来，其波长的范围极广，从短波、x
55、光、紫外光、可见光、红外光不断到电磁波。 3、温度丈量中主要是可见光和红外光，由于此类能量被接纳以后，多转变为热能，使物体的温度升高，所以普通就称为热辐射。 辐射测温特点： 非接触丈量 - 不影响被测温度分布 呼应速度快：对高速运动物体测温。 灵敏度高，能分辨微小的温度变化； 丈量范围广(-101300C)； 抗干扰才干强，无需修正。2.5.2热辐射测温根本原理热辐射测温根本原理式中，式中， 波波长，m m ； T T 黑体温度，黑体温度，K K ； c1 c1 第一第一辐射常数，射常数，3.74210-16 3.74210-16 W W m2m2； c2 c2 第二第二辐射常数，射常数，1.
56、438810-2 W1.438810-2 W K K； 1、普朗克定律：提示了各种不同温度下黑体、普朗克定律：提示了各种不同温度下黑体辐射能量按波长分布的规律，其关系式为辐射能量按波长分布的规律，其关系式为温度升高：温度升高：单色辐射强度随温度升单色辐射强度随温度升高而添加；高而添加；总辐射能量添加；总辐射能量添加；峰值波长减小。峰值波长减小。每每一一条条曲曲线线下下的的面面积积表表示示该该温温度度下下物物体体辐辐射射能能量量的的总总和和，与与温温度度的的四四次方成正比。次方成正比。2、斯忒藩玻耳兹曼定律：确定了黑体全辐射与温度的关系。、斯忒藩玻耳兹曼定律：确定了黑体全辐射与温度的关系。斯忒藩
57、玻耳兹曼常数，斯忒藩玻耳兹曼常数，2实践物体的热辐射实践物体的热辐射 黑度，它反映了物体接近黑体的程度。0 1 2 3 4 5 1700K1500K1300K1100K3、维恩位移定律、维恩位移定律每条曲线的峰值叫最大单色每条曲线的峰值叫最大单色辐射强度，与峰值对应的波辐射强度，与峰值对应的波长用长用 表示。表示。向短波方向挪动， 与 的关系如下：这些定律反映出热辐射的量值随温度的升高而迅速添加这些定律反映出热辐射的量值随温度的升高而迅速添加,而而且热辐射的峰值波长也随温度的升高而向短波方向挪动且热辐射的峰值波长也随温度的升高而向短波方向挪动热辐射的规律在现代科学技术上的运用很广泛，它是测高温
58、、热辐射的规律在现代科学技术上的运用很广泛，它是测高温、遥感、红外追踪等技术的物理根底。遥感、红外追踪等技术的物理根底。2.5.2 2.5.2 辐射测温方法辐射测温方法1.1.亮度法亮度法: :比较被测物体与参考源在同一比较被测物体与参考源在同一波长下的光谱亮度，并使二者的亮度相等，波长下的光谱亮度，并使二者的亮度相等，从而确定被测物体的温度，典型测温传感从而确定被测物体的温度，典型测温传感器是光学高温计。器是光学高温计。l一物镜；2灰色吸收玻璃；3一灯泡；4一目镜；5一红色滤光片；6一显示仪表优点点：构构造造简单，运运用用方方便便，测温温范范围广广70032007003200，普普通通可可满
59、足足工工业测温温的的准准确确度度要要求。求。缺缺陷陷：人人眼眼察察看看，并并需需用用手手动平平衡衡，因因此此不不能能实现快快速速 丈丈量量和和自自动记录，且且丈丈量量结果果带有有客客观性。性。 2. 2.全辐射法全辐射法: :全辐射法是指被测对象投射到全辐射法是指被测对象投射到检测元件上的是对应全波长范围的辐射能检测元件上的是对应全波长范围的辐射能量，而能量的大小与被测对象温度之间的量，而能量的大小与被测对象温度之间的关系是由斯忒藩关系是由斯忒藩-波耳兹曼所描画的一种波耳兹曼所描画的一种辐射测温方法，典型测温传感器是辐射温辐射测温方法，典型测温传感器是辐射温度计热电堆。度计热电堆。辐射高温计由
60、辐射传感器和显示仪表组成，辐射传感器又由光学系统与辐射变换器两部分构成。前者的作用是接纳并聚集辐射能；后者把辐射能转换成相应的电信号以便由显示部分直接显示温度值。光学系统有透射式、反射式和混合式几类。辐射变换器主要有热电式和光电式两种。 全辐射温度计全辐射温度计部分辐射温度计部分辐射温度计 为了提高仪表的灵敏度，有时热敏元件不为了提高仪表的灵敏度，有时热敏元件不是采用热电堆，而是采用光电池、光敏电是采用热电堆，而是采用光电池、光敏电阻以及其它的一些红外探测元件，这些元阻以及其它的一些红外探测元件，这些元件和热电堆相比具有光谱选择性，它们仅件和热电堆相比具有光谱选择性，它们仅能对某一波长范围的光
61、谱产生效应。因此能对某一波长范围的光谱产生效应。因此它们对丈量的要求是，只能使任务光谱仅它们对丈量的要求是，只能使任务光谱仅限于一定的光谱范围内，称此类辐射温度限于一定的光谱范围内，称此类辐射温度计为部分辐射温度计。计为部分辐射温度计。如：红外温度传感器如：红外温度传感器3.3.比色法比色法: :被测对象的两个不同波长的光谱辐射被测对象的两个不同波长的光谱辐射能量投射到一个检测元件上，或同时投射到能量投射到一个检测元件上，或同时投射到两个检测元件上，根据它们的比值与被测对两个检测元件上，根据它们的比值与被测对象温度之间的关系实现辐射测温的方法，比象温度之间的关系实现辐射测温的方法，比值与温度之
62、间的关系由两个不同波长下普朗值与温度之间的关系由两个不同波长下普朗克公式之比表示，典型测温传感器是比色温克公式之比表示，典型测温传感器是比色温度计。度计。 式中式中 M1 M1、M2M2分分别为别为在波在波长长11和和22下的光下的光谱辐谱辐射出射度；射出射度； 1 1 、22物体在波物体在波长长11和和22时时的光的光谱发谱发射率；射率； T T物体的温度。物体的温度。经经整理，可得整理，可得比色温度的概念：温度比色温度的概念：温度为为T T的物体在波的物体在波长长11和和22下的光下的光谱辐谱辐射出射度的比射出射度的比值值，与温度与温度为为TcTc的全的全辐辐射体在同射体在同样样的波的波长
63、长11和和22下的光下的光谱辐谱辐射出射度的比射出射度的比值值假假设设相相等，那么把全等，那么把全辐辐射体的温度称射体的温度称为该为该物体的比色温度。根据物体的比色温度。根据该该定定义义，经过经过推推导导可得可得出物体温度出物体温度T T与它的比色温度与它的比色温度TcTc的关系的关系为为981011127643211，5硅光电池；2，4滤光片；3分光镜；6场镜；7视场光栏；8物镜；9反射镜；10倒象镜； 11回零信号接纳元件；12目镜。双通道光电比色温度计5非接触式测温辐射测温非接触式测温辐射测温红外线辐射温度计红外线辐射温度计 红红外外辐辐射温度射温度计计既可用于高温丈量，又可用于冰点以下
64、既可用于高温丈量，又可用于冰点以下的温度丈量，所以是的温度丈量，所以是辐辐射温度射温度计计的开展的开展趋势趋势。市售的。市售的红红外外辐辐射温度射温度计计的温度范的温度范围围可以从可以从-303000-303000。激光激光激光激光仅仅用用用用于瞄准于瞄准于瞄准于瞄准 红外线辐射温度计在非接红外线辐射温度计在非接触温度丈量中的运用触温度丈量中的运用集成集成IC温度温度丈量丈量辐射式温度传感器：利用物体的辐射能随温度变化的原理测温的。非接触丈量 - 不影响被测温度分布 呼应速度快：对高速运动物体测温。 灵敏度高，能分辨微小的温度变化； 丈量范围广(-101300C)； 抗干扰才干强，无需修正。2
65、.7光光纤纤传传感感器器光光纤纤传传感感器器是是20世世纪纪70年年代代中中期期开开展展起起来来的的一一种种新新技技术术，它是伴随着光它是伴随着光纤纤及光通及光通讯讯技技术术的开展而逐的开展而逐渐渐构成的。构成的。光光纤纤传传感感器器和和传传统统的的各各类类传传感感器器相相比比有有一一定定的的优优点点，如如不不受受电电磁磁干干扰扰，体体积积小小，分分量量轻轻，可可绕绕曲曲，灵灵敏敏度度高高，耐耐腐腐蚀蚀，高高绝绝缘缘强强度度，防防爆爆性性好好，集集传传感感与与传传输输于于一一体体，能能与与数数字字通通讯讯系系统统兼容等。兼容等。光光纤纤传传感感器器能能用用于于温温度度、压压力力、应应变变、位位
66、移移、速速度度、加加速速度度、磁磁、电电、声声和和PH值值等等70多多个个物物理理量量的的丈丈量量，在在自自动动控控制制、在在线线检检测测、缺缺点点诊诊断断、平平安安报报警警等等方方面面具具有有极极为为广广泛泛的的运运用用潜潜力力和和开展前景。开展前景。2.7.1光纤构造及其传光原理光纤构造及其传光原理1.光导纤维光导纤维(光纤光纤)构造构造光纤的根本构造光纤的根本构造由由纤芯芯和和包包层组成成。纤芯芯和和包包层通通常常由由不不同同掺杂的的石石英英玻玻璃璃制制成成。纤芯芯的的折折射射率率n1略略大大于于包包层的的折折射射率率n2，光光纤的的导光光才才干干取取决决于于纤芯芯和和包包层的的性性质。
67、在在包包层外外面面还常常有有一一层维护套套，多多为尼尼龙资料，以添加机械料，以添加机械强度。度。 2. 光纤传光原理光纤传光原理光线入射角小于、 等于和大于临界角时界面上发生的反射 在几何光学中，我们知道当光线以较小的入射角 ， 为临界角，由光密媒质折射率为 射入光疏媒质折射率为 ，折射角 满足斯乃尔Snell法那么： 为光纤外界介质的折射率。 假设要在纤芯和包层的界面上发生全反射， 那么界面上的光线临界折射角c=90，即 c=90。 而 当=c=90时，有 所以，为满足光在光纤内的全内反射， 光入射到光纤端面的入射角i应满足 普通光纤所处环境为空气，那么n0=1，这款式8-8可表示为 实践任
68、务时需求光纤弯曲，但只需满足全反射条件，光线依然继续前进。可见这里的光线“转弯实践上是由光的全反射所构成的。 光纤根本特性光纤根本特性数值孔径数值孔径NA数值孔径数值孔径NA定义为定义为 数值孔径是表征光纤集光身手的一个重要参数，即反映光纤接纳光量的多少。其意义是：无论光源发射功率有多大，只需入射角处于2c的光椎角内，光纤才干导光。如入射角过大， 光线便从包层逸出而产生漏光。光纤的NA越大，阐明它的集光才干越强，普通希望有大的数值孔径，这有利于提高耦合效率； 但数值孔径过大，会呵斥光信号畸变。所以要适中选择数值孔径的数值，如石英光纤数值孔径普通为0.20.4。 光光纤传感器的任感器的任务原理原
69、理光光纤传感感器器原原理理实践践上上是是研研讨光光在在调制制区区内内，外外界界信信号号温温度度、压力力、应变、位位移移、振振动、电场等等与与光光的的相相互互作作用用，即即研研讨光光被被外外界界参参数数的的调制制原原理理。外外界界信信号号能能够引引起起光光的的强度度、波波长、频率率、相相位位、偏偏振振态等等光光学学性性质的的变化化，从从而而构构成成不不同同的的调制。制。光光纤传感器普通分感器普通分为两大两大类：功功能能型型传感感器器(传感感型型传感感器器):利利用用光光纤本本身身的的某某种种敏敏感感特特性性或或功能制成的功能制成的传感器。感器。非非功功能能型型传感感器器(传光光型型传感感器器):
70、光光纤仅仅起起传输光光的的作作用用，它它在光在光纤端面或中端面或中间加装其它敏感元件感受被丈量的加装其它敏感元件感受被丈量的变化。化。光光纤传感器的感器的组成成 光光纤传感感器器由由光光源源、敏敏感感元元件件光光纤或或非非光光纤的的、光探、光探测器、信号器、信号处置系置系统以及光以及光纤等等组成。成。 由由光光源源发出出的的光光经过源源光光纤引引到到敏敏感感元元件件，被被测参参数数作作用用于于敏敏感感元元件件，在在光光的的调制制区区内内，使使光光的的某某一一性性质遭遭到到被被丈丈量量的的调制制，调制制后后的的光光信信号号经接接纳光光纤耦耦合合到到光光探探测器器，将将光光信信号号转换为电信信号号
71、， 最最后后经信信号号处置得到所需求的被丈量。置得到所需求的被丈量。 光纤传感器组成表示图光纤传感器组成表示图a传感型功能型；传感型功能型；b传光型传光型非功能型非功能型光光纤温度温度传感器感器根据任根据任务原理它可分原理它可分为相位相位调制型、光制型、光强调制型和偏振光型等。制型和偏振光型等。半半导体光吸收型光体光吸收型光纤温度温度传感器构造原理感器构造原理图(光光强调制型制型) 半半导导体光吸收器是光敏感元件，在一定的波体光吸收器是光敏感元件，在一定的波长长范范围围内，它内，它对对光的吸收随光的吸收随温度温度T T变变化而化而变变化。透射化。透射过过半半导导体体资资料的光料的光强强随温度而
72、随温度而变变化，探化，探测测器器检测输检测输出光出光强强的的变变化即到达丈量温度的目的。化即到达丈量温度的目的。 维护维护管内管内为为高温光高温光纤纤低温光低温光纤光纤温度传感器光纤温度传感器 2.9 2.9 集成温度传感器集成温度传感器 集成温度传感器是利用晶体管集成温度传感器是利用晶体管PNPN结的结的电流与电压特性与温度的关系，把敏感元电流与电压特性与温度的关系，把敏感元件、放大电路和补偿电路等部分集成化，件、放大电路和补偿电路等部分集成化，并把它们装封在同一壳体里的一种一体化并把它们装封在同一壳体里的一种一体化温度检测元件。温度检测元件。集成温度集成温度传传感器感器集集成成温温度度传传
73、感感器器是是利利用用晶晶体体管管PN结结的的电电流流电电压压特特性性与与温温度度的的关关系系,把把感感温温PN结结及及有有关关电电子子线线路路集集成成在在一一个个小小硅硅片片上上,构构成成一一个个小小型型化化、一一体体化化的的公公用用集集成成电电路路片片。集集成成温温度度传传感感器器具具有有体体积积小小、反反响响快快、线线性性好好、价价钱钱低低等等优优点点,由由于于PN结结受受耐耐热热性性能能和和特特性范性范围围的限制的限制,它只能用来它只能用来测测150以下的温度。以下的温度。1根本任根本任务务原理原理目目前前在在集集成成温温度度传传感感器器中中,都都采采用用一一对对非非常常匹匹配配的的差差
74、分分对对管管作作为为温温度度敏敏感感元元件件。图图1-18是是集集成成温温度度传传感器根本原理感器根本原理图图。图1-18 集成温度传感器根本原理其中T1和T2是相互匹配的晶体管,I1和I2分别是T1和T2管的集电极电流, 由恒流源提供。T1和T2管的两个发射极和基极电压之差Vbe可用下式表示, 即: 式中k-是波尔兹曼常数; q-是电子电荷量; T-是绝对温度; r -是T1和T2管发射结的面积之比。 从式中看出, 假设保证I1/I2恒定, 那么Vbe就与温度T成单值线性函数关系。这就是集成温度传感器的根本任务原理, 在此根底上可设计出各种不同电路以及不同输出类型的集成温度传感器。 1 集成
75、温度传感器的信号输出方式 (1)电压输出型电压输出型集成温度传感器原理电路图如图 1 - 19 所示。 当电流I1恒定时, 经过改动R1的阻值, 可实现I1=I2, 当晶体管的1时, 电路的输出电压可由下式确定, 即: 假设取R1=940, R2=30K, r=37, 那么电路输出的温度系数为: 假设取R1=940, R2=30K, r=37, 那么电路输出的温度系数为: 2电流输出型图 1 - 20 为电流输出型集成温度传感器的原理电路图。 T1和T2是构造对称的两个晶体管, 作为恒流源负载, T3和T4管是测温用的晶体管, 其中T3管的发射结面积是T4管的8倍, 即r=8。流过电路的总电流
76、IT为: 式中当R和r一定时, 电路的输出电流与温度有良好的线性关系。 假设取R为358, 那么电路输出的温度系数为: 电流输出型典型的集成温度传感器有美国AD公司消费的AD590, 我国产的SG590也属于同类型产品。 根本电路与图 1 - 20一样, 只是添加了一些启动电路, 防止电源反接以及使左右两支路对称的附加电路, 以进一步地提高性能。 AD590的电源电压430V可测温度范围-50+150。灵敏度1uA/K 传输间隔达100m 2 AD590集成温度传感器运用实例 AD590是运用广泛的一种集成温度传感器, 由于它内部有放大电路, 再配上相应外电路,方便地构成各种运用电路。 (1)
77、温度丈量电路 图 1 - 21 是一个简单的测温电路。 AD590在25298.2K时, 理想输出电流为298.2A, 但实践上存在一定误差, 可以在外电路中进展修正。将AD590串联一个可调电阻, 在知温度下调整电阻值, 使输出电压UT满足1mV/k的关系如25时, UT应为298.2mV。调整好以后, 固定可调电阻, 即可由输出电压VT读出AD590所处的热力学温度。 第二章 温度检测一、温度检测方法 接触式测温 非接触式测温 接触式测温 接触式测温是使温度敏感元件和被测温度对象相接触, 当被测温度与感温元件到达热平衡时, 温度敏感元件与被测温度对象的温度相等非接触式测温 非接触式测温方法
78、是运用物体的热辐射能量随温度的变化而变化的原理。 。 电阻式温度计 热电偶温度计 辐射式温度传感器 a) 金属资料热电阻b) 半导体资料热敏电阻灵敏度高于热电阻、非线性、受温度影响大)NTC负温度系数热敏电阻PTC正温度系数热敏电阻CTR临界温度系数热敏电阻1、电阻式温度传感器热电阻温度传感器是利用导体或半导体的电阻值随温度的变化而变化的原理制成的，实现了将温度的变化转化为元件电阻的变化。有金属铂、铜和镍热电阻及半导体热电阻称为热敏电阻 c) 丈量丈量电电路路电电阻温度阻温度计计的丈量的丈量电电路最常用的是路最常用的是电桥电电桥电路，路，精度精度较较高的是自高的是自动电桥动电桥。为为消除由于消
79、除由于衔衔接接导线电导线电阻随阻随环环境温度境温度变变化而呵化而呵斥的丈量斥的丈量误误差，常采用三差，常采用三线线和四和四线衔线衔接法。接法。RtR3rrrR1R2RtR3rrR1R22、热电偶温度传感器1热电效应 (P41) 将两种不同的导体或半导体衔接成闭合回路，假设两个衔接点温度不同，回路中会产生一个电动势。此电势称为热电势。这种景象就是热电效应。a) 接触电势 是由于两种不同导体的自在电子密度不同而在接触处构成的电动势。 b) 温差电动势 是同一导体的两端因其温度不同而产生的一种热电势。接触电势原理图接触电势原理图+ +A AB BT TeAB(T eAB(T ) )- -AeA(T,
80、To)ToT温差电势原理图温差电势原理图T0TeAB(T)eAB(T0)eA(T,T0)eB(T,T0)ABC回路总电势回路总电势忽略温差电势，那么总电势为：假设冷端温度 固定2热电偶根本定律 P44)该该定律内容是：由一种均定律内容是：由一种均质导质导体或半体或半导导体体组组成的成的闭闭合回路，合回路，不不论导论导体或半体或半导导体的截面体的截面积积、长长度和各度和各处处温度分布如何，都温度分布如何，都不能不能产产生生热电势热电势。该该定律已在定律已在实际实际分析中得到分析中得到证证明，并可得明，并可得出如下出如下结论结论： 1 1热电热电偶必需由两种不同性偶必需由两种不同性质质的的资资料构
81、成。料构成。 2 2由一种由一种资资料料组组成的成的闭闭合回路存在温差合回路存在温差时时，回路如，回路如产产生生热电势热电势，便，便阐阐明明该资该资料是不均匀的。据此，可料是不均匀的。据此，可检查热电检查热电极极资资料的均匀性。料的均匀性。1 1、均、均质导质导体定律体定律2. 2. 中中间导间导体定律体定律 或第三方或第三方导导体定律体定律 当在当在A A、B B资资料料组组成的成的热电热电偶回路中接入第三偶回路中接入第三导导体体C C时时, ,只需引入的第三只需引入的第三导导体体C C两端温度一两端温度一样样, ,那那么此么此导导体的引入不会改体的引入不会改动总电势动总电势EAB(T,T0
82、)EAB(T,T0)的大小。的大小。EAB(T,T0)=EAC(T,T0)EBC(T,T0)T0TEBA(T,T0)BAT0TEAC(T,T0)ACT0TEBC (T,T0)CB3 3、规规范范热电热电极定律极定律 假假设设两种两种导导体体(A,B)(A,B)分分别别与第三种与第三种导导体体(C)(C)组组成成热电热电偶所偶所产产生的生的热电势热电势知，那么由知，那么由这这两个两个导导体体组组成的成的热电热电偶在一偶在一样样的冷的冷热热端温度下端温度下产产生的生的热电势热电势可表示可表示为为：4、中间温度定律 热电偶回路中，两结点温度为 、 时的热电势等于该热电偶在结点温度为 、 和 、 时热
83、电势的代数和，即 根据这一定律，只需给出自在端为 时的热电势和温度关系，就可求出冷端为恣意温度 时的热电偶热电势，即必要性：必要性：热电偶偶的的输出出电压与与温温度度成成非非线性性关关系系。对于于任任何何一一种种实践践的的热电偶偶, ,并并不不是是由由准准确确的的关关系系式式表表示示其其特特性性, ,而而是是用用特特性性分分度度表表。为了了便便于于一一致致, ,普普通通手手册册上上所所提提供供的的热电偶偶特特性性分分度度表表, ,是是在在坚持持热电偶偶冷冷端端温温度度T0=0T0=0的的条条件件下下，给出出热电势与与热端端温温度度的的数数值对照。照。但但在在实践践丈丈量量中中, ,热电偶偶的的
84、冷冷端端温温度度将将受受环境境温温度度或或热源源温温度度的的影影响响, ,并并不不为00。为了了运运用用特特性性分分度度表表对热电偶偶进展展标定定, ,实现对温温度度的的准准确确丈丈量量, ,对冷冷端端温温度度变化化所所引引起起的的温温度度误差差, ,必必需需采采用用相相应的的冷冷端端处置置或或补偿措措施。施。3热电偶的冷端补偿1 1、冰点槽法、冰点槽法(0(0恒温法恒温法) )实实施方法：把施方法：把热电热电偶的参比端置于冰水混合物偶的参比端置于冰水混合物 容器里，使容器里，使T0=0T0=0。mVmVA AB BAABBT TC CCC仪仪表表表表铜铜导导线线试试管管管管补偿导线补偿导线热
85、电热电偶偶偶偶冰点槽冰点槽冰点槽冰点槽冰水溶液冰水溶液冰水溶液冰水溶液T0T02 2、 零点迁移法冷端恒温法零点迁移法冷端恒温法实施方法：冷端置于恒温器内施方法：冷端置于恒温器内( (如恒温如恒温车间或有空或有空调 的的场所所) )，虽不是不是00，但非常，但非常稳定。定。本本质：在丈量：在丈量结果中人果中人为地加一个恒定地加一个恒定值，由于冷端，由于冷端温度温度稳定不定不变，电动势EAB(TH,0)EAB(TH,0)是常数，利用指示是常数，利用指示仪表上表上调整零点的方法，或在回路中参与相整零点的方法，或在回路中参与相应的修正的修正电压而而实现补偿。 3 3、冷端、冷端补偿补偿器法器法利利用
86、用不不平平衡衡电电桥桥产产生生热热电电势势补补偿偿热热电电偶偶因因冷冷端端温温度度变变化而引起化而引起热电势热电势的的变变化化值值。 冷端补偿器冷端补偿器 mVmVEAB(T,T0EAB(T,T0) )T0T0T0T0T TA AB B+ + +- -a ab bU UUabUabRCuRCuR1R1R2R2R3R3R R不平衡不平衡电桥电桥由由R1、R2、R3(锰铜丝绕锰铜丝绕制，温度系数制，温度系数为为零零)、RCu(铜丝绕铜丝绕制，其制，其值值随温度随温度变变化化)四个四个桥桥臂和臂和桥桥路路电电源源组组成。成。桥桥臂臂RCu必需和必需和热电热电偶的冷端接近，使偶的冷端接近，使处处于同一
87、温度之下。于同一温度之下。通常通常设计设计在在20下使下使电桥电桥平衡平衡(R1=R2=R3=RCu)，此，此时时Uab=0，电桥对仪电桥对仪表表读读数无影响。数无影响。 冷端补偿器冷端补偿器 mVmVEAB(T,T0EAB(T,T0) )T0T0T0T0T TA AB B+ + +- -a ab bU UUabUabRCuRCuR1R1R2R2R3R3R R当当T0T0上升上升时，RCuRCu增大，增大，UabUab上升，当上升，当T0=TnT0=Tn时电势U U为：而而补偿器器选择的的RCuRCu产生的生的UabUab为：所以所以输出出电压U U坚持不持不变B4 4、补偿导线法、补偿导线法
88、 热电偶补偿热电偶补偿导线接线图导线接线图ABT1T2T2AT0T0EB 当当热电热电偶冷端的温度由于受偶冷端的温度由于受热热端温度的影响在很大端温度的影响在很大范范围围内内变变化化时时, ,直接采用冷端温度直接采用冷端温度补偿补偿法将很困法将很困难难。 采用采用补偿导线补偿导线将冷端将冷端远远移至温度移至温度变变化比化比较较平平缓缓的的环环境中境中, , 再采用上述的再采用上述的补偿补偿方法方法进进展展补偿补偿。5 、冷端温度计算校正法、冷端温度计算校正法普通与热电偶配套运用的指示仪表刻度是根据分普通与热电偶配套运用的指示仪表刻度是根据分度表取值，而分度表是在度表取值，而分度表是在 时得到的
89、，所时得到的，所以当以当 ，指示仪的示值就必需加以修正，指示仪的示值就必需加以修正，修正方法如下：修正方法如下：丈量仪表值丈量仪表值校正值校正值真实值真实值集成温度传感器是利用晶体管PN结的电流电压特性与温度的关系, 把感温PN结及有关电子线路集成在一个小硅片上, 构成一个小型化、一体化的公用集成电路片。3、集成温度传感器电流输出型集成温度传感器电流输出型集成温度传感器AD590任务原理：输出电流与温度成比例的电流源。任务原理：输出电流与温度成比例的电流源。5、光纤是传感器 1传光原理 2 光光纤传纤传感器的任感器的任务务原理原理光光纤纤传传感感器器原原理理实实践践上上是是研研讨讨光光在在调调
90、制制区区内内，外外界界信信号号 温温度度、压压力力、应应变变、位位移移、振振动动、电电场场等等 与与光光的的相相互互作作用用，即即研研讨讨光光被被外外界界参参数数的的调调制制原原理理。外外界界信信号号能能够够引引起起光光的的强强度度、波波长长、频频率率、相相位位、偏偏振振态态等等光光学学性性质质的的变变化化，从从而而构构成成不不同同的的调调制。制。光光纤传纤传感器普通分感器普通分为为两大两大类类：功功能能型型传传感感器器(传传感感型型传传感感器器):利利用用光光纤纤本本身身的的某某种种敏敏感感特特性性或或功能制成的功能制成的传传感器。感器。非非功功能能型型传传感感器器(传传光光型型传传感感器器):光光纤纤仅仅仅仅起起传传输输光光的的作作用用，它它在光在光纤纤端面或中端面或中间间加装其它敏感元件感受被丈量的加装其它敏感元件感受被丈量的变变化。化。光纤传感器组成表示图光纤传感器组成表示图a传感型功能型；传感型功能型；b传光型传光型非功能型非功能型
