傳感器ch7 熱電式傳感器及其應(yīng)用

1、第7章 熱電式傳感器及其應(yīng)用 1 第7章 熱電式傳感器及其應(yīng)用 熱電式傳感器：熱電式傳感器：測(cè)量溫度的裝置或器件測(cè)量溫度的裝置或器件 利用材料或組件與溫度有關(guān)的物理特性，將溫度變化利用材料或組件與溫度有關(guān)的物理特性，將溫度變化 轉(zhuǎn)換為電信號(hào)變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)變化 第7章 熱電式傳感器及其應(yīng)用 2 第7章 熱電式傳感器及其應(yīng)用 熱電式傳感器：熱電式傳感器：測(cè)量溫度的裝置或器件測(cè)量溫度的裝置或器件 利用材料或組件與溫度有關(guān)的物理特性，將溫度變化利用材料或組件與溫度有關(guān)的物理特性，將溫度變化 轉(zhuǎn)換為電信號(hào)變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)變化 熱電偶傳感器熱電偶傳感器 熱電阻傳感器熱電阻傳感器 熱敏電阻熱敏電阻傳感器傳

2、感器 第7章 熱電式傳感器及其應(yīng)用 3 教學(xué)基本要求和重點(diǎn)教學(xué)基本要求和重點(diǎn) 掌握有關(guān)熱電偶、熱電阻和熱敏電阻的基本概念掌握有關(guān)熱電偶、熱電阻和熱敏電阻的基本概念 掌握三類熱電式傳感器的基本工作原理掌握三類熱電式傳感器的基本工作原理 掌握熱電偶的基本定律、基本類型、溫度補(bǔ)償方法掌握熱電偶的基本定律、基本類型、溫度補(bǔ)償方法 、使用熱電偶的測(cè)溫方法、使用熱電偶的測(cè)溫方法 掌握熱電阻的內(nèi)部引線方式及其適用場(chǎng)合掌握熱電阻的內(nèi)部引線方式及其適用場(chǎng)合 掌握熱敏電阻的電阻溫度特性掌握熱敏電阻的電阻溫度特性 會(huì)使用分度表會(huì)使用分度表 第7章 熱電式傳感器及其應(yīng)用 4 7.1 熱電偶傳感器 特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用

3、方便、精度高、熱慣性小，可測(cè)局特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、精度高、熱慣性小，可測(cè)局 部溫度和便于遠(yuǎn)程傳送等優(yōu)點(diǎn)。使用不同材質(zhì)制成的熱電部溫度和便于遠(yuǎn)程傳送等優(yōu)點(diǎn)。使用不同材質(zhì)制成的熱電 偶系列，可以滿足偶系列，可以滿足-200近近3000溫度測(cè)量的需要溫度測(cè)量的需要 由A、B兩種導(dǎo)體的組合并將溫度轉(zhuǎn)換 成熱電勢(shì)的裝置稱為熱電偶熱電偶。 第7章 熱電式傳感器及其應(yīng)用 5 接觸電勢(shì)接觸電勢(shì) 溫差電勢(shì)溫差電勢(shì) 接觸電勢(shì)接觸電勢(shì) 一、一、 熱電偶工作原理熱電偶工作原理 兩種不同的導(dǎo)體A和B組合成圖示閉合回路，當(dāng)兩個(gè)接觸端當(dāng)兩個(gè)接觸端T T0時(shí)，回路中會(huì)產(chǎn)生熱電勢(shì)時(shí)，回路中會(huì)產(chǎn)生熱電勢(shì)，這種現(xiàn)象叫做熱電效

4、應(yīng)熱電效應(yīng)。 1、熱電效應(yīng)：、熱電效應(yīng)： 熱電勢(shì)由兩種材料的接觸電勢(shì)和單一熱電勢(shì)由兩種材料的接觸電勢(shì)和單一 材料的溫差電勢(shì)決定材料的溫差電勢(shì)決定. 接觸電勢(shì)接觸電勢(shì) 溫差電勢(shì)溫差電勢(shì) (1)接觸電勢(shì)接觸電勢(shì)（帕爾貼電勢(shì)） 含義：由于兩種不同導(dǎo)體的自由電子 密度不同而在接觸處形成的電動(dòng)勢(shì)。 第7章 熱電式傳感器及其應(yīng)用 7 回路總接觸電勢(shì)回路總接觸電勢(shì) B A ABAB n n TT e k TETEln)()()( 00 接觸電動(dòng)勢(shì)的數(shù)值接觸電動(dòng)勢(shì)的數(shù)值： ln A AB B nkT ET en 0 0 ln A AB B kTn ET en 接觸電勢(shì)的大小與溫度高低及導(dǎo)體中的電子密度有關(guān)。接

5、觸電勢(shì)的大小與溫度高低及導(dǎo)體中的電子密度有關(guān)。 第7章 熱電式傳感器及其應(yīng)用 8 同一導(dǎo)體的兩端因其溫度不同而 產(chǎn)生的一種電動(dòng)勢(shì)。 (2) 溫差電動(dòng)勢(shì) T 0 T dT 第7章 熱電式傳感器及其應(yīng)用 9 0 0 ( ,) T BB T e T TdT eA(T，T0)導(dǎo)體導(dǎo)體A兩端溫度為兩端溫度為T(mén)、T0時(shí)形成的溫時(shí)形成的溫 差電動(dòng)勢(shì)；差電動(dòng)勢(shì)； T，T0高低端的絕對(duì)溫度；高低端的絕對(duì)溫度； A湯姆遜系數(shù)，表示導(dǎo)體湯姆遜系數(shù)，表示導(dǎo)體A兩端的溫度差為兩端的溫度差為 1時(shí)所產(chǎn)生的溫差電動(dòng)勢(shì)，例如在時(shí)所產(chǎn)生的溫差電動(dòng)勢(shì)，例如在0時(shí)，銅的時(shí)，銅的 =2V/。 dTTTe T T AA 0 ),( 0

6、 第7章 熱電式傳感器及其應(yīng)用 10 對(duì)于對(duì)于A A、B B導(dǎo)體構(gòu)成的閉合回路，總的湯姆遜電導(dǎo)體構(gòu)成的閉合回路，總的湯姆遜電 勢(shì)將為勢(shì)將為 0 00 ( ,)( ,)() T ABAB T ET TET TdT 這個(gè)電勢(shì)的大小只與這個(gè)電勢(shì)的大小只與A、B材料和兩結(jié)點(diǎn)溫度材料和兩結(jié)點(diǎn)溫度(T， T0)有關(guān)有關(guān) 第7章 熱電式傳感器及其應(yīng)用 11 熱電偶回路中產(chǎn)生的總熱電勢(shì) 0 0000 0 ( , )( )( ,)()( ,) () ln() ABABBABA T A AB T B eT TeTe T TeTe T T k TTn dT en 0 0 0 () ( , )ln() T A ABA

7、B T B k TTn eT TdT en 第7章 熱電式傳感器及其應(yīng)用 13 T0 eA(T,T0) eB(T,T0) A B 0 ),(),(),( 0 000 T T T BA BAAB d TTeTTeTTE 0 000 0 lnln0 AA BB nTnTk Tk T enTenT T0T eAB(T)eAB(T0) A B 0lnln)()(),( 0 00 00 Tn Tn e kT Tn Tn e kT TeTeTTE B A B A ABABAB 0 00 dTdT T T B T T A 00 ,TETETTE ABABAB 第7章 熱電式傳感器及其應(yīng)用 16 依據(jù)上述原理

8、，采用兩種不同導(dǎo)體的組合成為熱電偶。采依據(jù)上述原理，采用兩種不同導(dǎo)體的組合成為熱電偶。采 用焊接方法將兩種材料的接點(diǎn)連接在一起，此接點(diǎn)為稱為用焊接方法將兩種材料的接點(diǎn)連接在一起，此接點(diǎn)為稱為 測(cè)溫端或工作端。在測(cè)溫時(shí)，將其置入被測(cè)溫場(chǎng)中。當(dāng)被測(cè)溫端或工作端。在測(cè)溫時(shí)，將其置入被測(cè)溫場(chǎng)中。當(dāng)被 測(cè)溫場(chǎng)的溫度確定時(shí)，兩種材料的未連接端的溫度確定熱測(cè)溫場(chǎng)的溫度確定時(shí)，兩種材料的未連接端的溫度確定熱 電偶電勢(shì)的大小。一般要求未連接端恒定在某一溫度，因電偶電勢(shì)的大小。一般要求未連接端恒定在某一溫度，因 此，將其稱為參考端。此，將其稱為參考端。 接觸電勢(shì)接觸電勢(shì) 溫差電勢(shì)溫差電勢(shì) 熱電偶原理圖 TT0 A

9、 B 熱端熱端冷端冷端 測(cè)量端或工作端 參考端或自由端 第7章 熱電式傳感器及其應(yīng)用 17 2. 熱電偶基本定律熱電偶基本定律 兩種均質(zhì)金屬組成的熱電偶的電勢(shì)大小與熱兩種均質(zhì)金屬組成的熱電偶的電勢(shì)大小與熱 電極的直徑、長(zhǎng)度及沿?zé)犭姌O長(zhǎng)度方向上的溫度電極的直徑、長(zhǎng)度及沿?zé)犭姌O長(zhǎng)度方向上的溫度 分布無(wú)關(guān)，只與熱電極材料和溫度有關(guān)。分布無(wú)關(guān)，只與熱電極材料和溫度有關(guān)。 . . 均質(zhì)導(dǎo)體定律均質(zhì)導(dǎo)體定律 如果材質(zhì)不均勻，則當(dāng)熱電極上各處溫度不如果材質(zhì)不均勻，則當(dāng)熱電極上各處溫度不 同時(shí)，將產(chǎn)生同時(shí)，將產(chǎn)生附加熱電勢(shì)附加熱電勢(shì)，造成無(wú)法估計(jì)的測(cè)量，造成無(wú)法估計(jì)的測(cè)量 誤差，因此，熱電極材料的均勻性是衡量

10、熱電偶誤差，因此，熱電極材料的均勻性是衡量熱電偶 的重要指標(biāo)之一。的重要指標(biāo)之一。 在熱電偶回路中接入與另一種導(dǎo)體在熱電偶回路中接入與另一種導(dǎo)體 稱中間導(dǎo)體稱中間導(dǎo)體C，只要中間導(dǎo)體的兩，只要中間導(dǎo)體的兩 端溫度相同，熱電偶回路總電動(dòng)勢(shì)端溫度相同，熱電偶回路總電動(dòng)勢(shì) 不受中間導(dǎo)體接入的影響。不受中間導(dǎo)體接入的影響。 T T ABCABCABABC dTTeTeTeTTE 0 000 ),( 0 ),( 0 0 0 000 0 T T ABCABCAB TTABC dTTeTeTe TTE 000BCCAAB eTeTeT 第7章 熱電式傳感器及其應(yīng)用 19 0 00 ( ,) T ABCABA

11、BBA T ET TeTeTdT 0 ( ,) AB ET T 第7章 熱電式傳感器及其應(yīng)用 20 應(yīng)用應(yīng)用: ),(),(),( 00 TTETTETTTE nBAnABnBAAB ),(),(),( 00 TTETTETTTE nABnABnAB 當(dāng)當(dāng)A與與A、B與與B材料分別相同，則有材料分別相同，則有 熱電偶熱電偶兩接點(diǎn)（溫度為兩接點(diǎn)（溫度為T(mén)、T0）間的熱電勢(shì)，等于）間的熱電勢(shì)，等于 熱電偶在溫度為熱電偶在溫度為T(mén)、Tn時(shí)的熱電勢(shì)與在溫度為時(shí)的熱電勢(shì)與在溫度為T(mén)n、T0時(shí)時(shí) 的熱電勢(shì)的代數(shù)和（的熱電勢(shì)的代數(shù)和（ ）(Tn稱中間溫度稱中間溫度)。 第7章 熱電式傳感器及其應(yīng)用 22 中

12、間溫度定律的應(yīng)用中間溫度定律的應(yīng)用 根據(jù)這個(gè)定律，可以連接與熱電偶熱電特性相 近的導(dǎo)體，將熱電偶冷端延伸到溫度恒定的地方， 這就為熱電偶回路中應(yīng)用補(bǔ)償導(dǎo)線提供了理論依 據(jù)。 該定律是參考端溫度計(jì)算修正法的理論依據(jù)。在 實(shí)際熱電偶測(cè)溫回路中, 利用熱電偶這一性質(zhì), 可 對(duì)參考端溫度不為0的熱電勢(shì)進(jìn)行修正。 第7章 熱電式傳感器及其應(yīng)用 23 1、熱電偶類型、熱電偶類型 熱電極熱電極(偶絲偶絲)是熱電偶的主要組件，特點(diǎn)：是熱電偶的主要組件，特點(diǎn)： 有較大的輸出熱電勢(shì)及良好的線性關(guān)系； 穩(wěn)定的化學(xué)及物理性能； 電阻溫度系數(shù)小，電導(dǎo)率高； 材料要有一定的韌性，以利于制作等。 根據(jù)不同測(cè)溫需要，現(xiàn)在常用

13、熱電偶類型有： （1） 一般金屬型：一般金屬型：鎳鉻-鎳硅、銅-康銅、鎳鉻-康銅等； （2） 貴金屬型貴金屬型 ：鉑銠-鉑、鉑銠-鉑銠、銥銠-銥等； （3） 準(zhǔn)熔金屬型：準(zhǔn)熔金屬型：鎢錸-鎢錸等熱電偶。 二、 熱電偶的種類與結(jié)構(gòu) 第7章 熱電式傳感器及其應(yīng)用 24 將兩熱電極的一個(gè)端點(diǎn)緊密地焊接在一起組成接點(diǎn)就構(gòu) 成熱電偶。 熱電偶的結(jié)構(gòu)形式有： 普通型熱電偶 鎧裝型熱電偶 薄膜熱電偶 2、熱電偶的結(jié)構(gòu) 第7章 熱電式傳感器及其應(yīng)用 25 普通型熱電偶結(jié)構(gòu)：在測(cè)量時(shí)將測(cè)量端插入被測(cè)對(duì)象的 內(nèi)部，主要用于測(cè)量容器或管道內(nèi)氣體、流體等介質(zhì)的溫度。 其結(jié)構(gòu)主要包括：熱電極、絕緣子、保護(hù)管套、接線盒和

14、安 裝法蘭等。 第7章 熱電式傳感器及其應(yīng)用 26 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：測(cè)溫端熱容量小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快；機(jī)械強(qiáng)度高， 撓性好，可安裝在結(jié)構(gòu)復(fù)雜的裝置上。 鎧裝型熱電偶：由熱電偶絲、由熱電偶絲、 絕緣材料和金屬套管三者絕緣材料和金屬套管三者 經(jīng)經(jīng)拉伸加工拉伸加工而成的堅(jiān)實(shí)組合體而成的堅(jiān)實(shí)組合體, 它可以做得很細(xì)很長(zhǎng)它可以做得很細(xì)很長(zhǎng), 使用使用 中隨需要能任意彎曲。中隨需要能任意彎曲。 第7章 熱電式傳感器及其應(yīng)用 27 在露頭型的在露頭型的 測(cè)量端，套測(cè)量端，套 上一個(gè)保護(hù)上一個(gè)保護(hù) 帽，用銀焊帽，用銀焊 密封起來(lái)密封起來(lái) 碰底型碰底型 不碰底型不碰底型 露頭型露頭型 帽型帽型 測(cè)量端和套測(cè)量端和套 管焊在

15、一起，管焊在一起， 動(dòng)態(tài)響應(yīng)比動(dòng)態(tài)響應(yīng)比 不碰底型快，不碰底型快， 比露頭型慢比露頭型慢 測(cè)量端封閉在測(cè)量端封閉在 套管內(nèi)，熱電套管內(nèi)，熱電 極與套管之間極與套管之間 相互絕緣，這相互絕緣，這 是是種最常用種最常用 的形式的形式 測(cè)量端暴露在測(cè)量端暴露在 套管外，動(dòng)態(tài)套管外，動(dòng)態(tài) 響應(yīng)好，僅在響應(yīng)好，僅在 干燥的非腐蝕干燥的非腐蝕 性的介質(zhì)中使性的介質(zhì)中使 用用 第7章 熱電式傳感器及其應(yīng)用 28 薄膜熱電偶：采用真空鍍膜技術(shù)，將電偶材料沉積在絕 緣材料表面，構(gòu)成的熱電偶稱為薄膜熱電偶 測(cè)量范圍為測(cè)量范圍為-200500：熱電極材料多采用銅-康銅、鎳鉻-銅 等，用云母作絕緣基片，主要適用于各種

16、表面溫度的測(cè)量; 測(cè)量范圍為測(cè)量范圍為5001800：熱電極材料多用鎳鉻-鎳硅、鉑銠-鉑 等，用陶瓷作基片。 特點(diǎn)：特點(diǎn)：熱接點(diǎn)很?。╩），具有熱容量小、反應(yīng)速度快 （s），適用于微小面積上的表面溫度以及快速變化的動(dòng)態(tài) 溫度測(cè)量。 第7章 熱電式傳感器及其應(yīng)用 29 三、 熱電偶的冷端處理與溫度補(bǔ)償 熱電偶的熱電勢(shì)大小不僅與熱端溫度的有關(guān)，而且也與冷熱電偶的熱電勢(shì)大小不僅與熱端溫度的有關(guān)，而且也與冷 端溫度有關(guān)，當(dāng)冷端溫度恒定，通過(guò)測(cè)量熱電勢(shì)的大小可端溫度有關(guān)，當(dāng)冷端溫度恒定，通過(guò)測(cè)量熱電勢(shì)的大小可 以得到熱端的溫度。以得到熱端的溫度。 當(dāng)熱電偶冷端處在溫度波動(dòng)較大的地方時(shí)，必須首先使當(dāng)熱電偶

17、冷端處在溫度波動(dòng)較大的地方時(shí)，必須首先使 用補(bǔ)償導(dǎo)線將冷端延長(zhǎng)到一個(gè)溫度穩(wěn)定的地方，再考慮用補(bǔ)償導(dǎo)線將冷端延長(zhǎng)到一個(gè)溫度穩(wěn)定的地方，再考慮 將冷端處理為將冷端處理為。（。（ 第7章 熱電式傳感器及其應(yīng)用 30 熱電偶的分度表熱電偶的分度表 不同金屬組成的熱電偶，溫度與熱電動(dòng)勢(shì)之間有 不同的函數(shù)關(guān)系，一般通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法來(lái)確定， 并將不同溫度下測(cè)得的結(jié)果列成表格，編制出熱 電勢(shì)與溫度的對(duì)照表，即分度表。 供查閱使用，每10分檔 。中間值按內(nèi)插法內(nèi)插法計(jì)算 。 () ML MLHL HL EE tttt EE 第7章 熱電式傳感器及其應(yīng)用 31 S型型(鉑銠鉑銠10-鉑鉑)熱電偶分度表熱電偶分度表

18、第7章 熱電式傳感器及其應(yīng)用 32 第7章 熱電式傳感器及其應(yīng)用 33 + + 第7章 熱電式傳感器及其應(yīng)用 35 把參考端實(shí)際溫度Tn乘上系數(shù)k，加到由EAB(T，Tn)查分度 表所得的溫度上，成為被測(cè)溫度T。 3、補(bǔ)正系數(shù)修正法、補(bǔ)正系數(shù)修正法 TT n kT k為熱電偶的修正系數(shù)，見(jiàn)表為熱電偶的修正系數(shù)，見(jiàn)表 測(cè)量端溫度測(cè)量端溫度 ( (0 0C)C) 熱電偶類別熱電偶類別 銅銅康銅康銅鎳鉻鎳鉻康銅康銅鐵鐵考銅考銅鎳鉻鎳鉻鎳硅鎳硅鉑銠鉑銠10 10- -鉑 鉑 0 0 2020 100100 200200 300300 400400 500500 600600 700700 800800

19、 900900 10001000 11001100 12001200 13001300 14001400 15001500 16001600 1.001.00 1.001.00 0.860.86 0.770.77 0.700.70 0.680.68 0.650.65 0.650.65 1.001.00 1.001.00 0.900.90 0.830.83 0.810.81 0.830.83 0.780.78 0.780.78 0.800.80 0.800.80 1.001.00 1.001.00 1.001.00 1.001.00 0.990.99 0.990.99 0.980.98 1.02

20、1.02 1.001.00 0.910.91 0.820.82 0.840.84 1.001.00 1.001.00 1.001.00 1.001.00 0.980.98 0.980.98 1.001.00 1.001.00 0.960.96 1.001.00 1.001.00 1.071.07 1.111.11 1.001.00 1.001.00 0.820.82 0.720.72 0.690.69 0.660.66 0.630.63 0.620.62 0.600.60 0.590.59 0.560.56 0.550.55 0.530.53 0.530.53 0.520.52 0.520.5

21、2 0.530.53 0.530.53 第7章 熱電式傳感器及其應(yīng)用 36 對(duì)上例，參考端在室溫環(huán)境對(duì)上例，參考端在室溫環(huán)境Tn=30中，儀表測(cè)得的熱電中，儀表測(cè)得的熱電 勢(shì)為勢(shì)為EAB(T，30)28.344mV，查此熱電偶分度表知，溫，查此熱電偶分度表知，溫 度度T681，冷端溫度，冷端溫度Tn30，查表，查表k1，則真實(shí)溫，則真實(shí)溫 度度 T681130711() 與熱電勢(shì)修正法所得幾乎結(jié)果一致。因此，這種方法在工與熱電勢(shì)修正法所得幾乎結(jié)果一致。因此，這種方法在工 程上應(yīng)用較為廣泛程上應(yīng)用較為廣泛 第7章 熱電式傳感器及其應(yīng)用 37 根據(jù)連接導(dǎo)線定律，熱電偶回路的熱電勢(shì)為根據(jù)連接導(dǎo)線定律

22、，熱電偶回路的熱電勢(shì)為 ),(),(),( 00 TTETTETTTE n BA nABn BABA 合理選擇導(dǎo)線合理選擇導(dǎo)線A和和B 與熱與熱 電偶電偶A和和B相似，將參考端相似，將參考端 從從Tn延伸到延伸到T0處處 ，有：，有： 0 0 ( ,) ( ,)( ,) n ABAB ABnABn ET T T ET TET TAB B A 4、補(bǔ)償導(dǎo)線（延伸熱電極法）補(bǔ)償導(dǎo)線（延伸熱電極法） : 第7章 熱電式傳感器及其應(yīng)用 38 5、冷端溫度補(bǔ)償器、冷端溫度補(bǔ)償器 補(bǔ)償電橋的補(bǔ)償電橋的4個(gè)橋臂中有個(gè)橋臂中有 一個(gè)臂是銅電阻作為感溫一個(gè)臂是銅電阻作為感溫 元件，其余元件，其余3臂由阻值恒臂由

23、阻值恒 定的錳銅制成，串接在熱定的錳銅制成，串接在熱 電偶回路中電偶回路中 電橋輸出的直流信號(hào)和參考端溫度電橋輸出的直流信號(hào)和參考端溫度Tn的關(guān)系應(yīng)與配用的的關(guān)系應(yīng)與配用的 熱電偶的熱電特性一致。不平衡的電橋產(chǎn)生的電勢(shì)正好熱電偶的熱電特性一致。不平衡的電橋產(chǎn)生的電勢(shì)正好 為為EAB(Tn，T0)，輸出的電壓使參考端不是，輸出的電壓使參考端不是0時(shí)，得到自時(shí)，得到自 動(dòng)補(bǔ)償。冷端溫度補(bǔ)償器的直流電壓應(yīng)隨參考端溫度動(dòng)補(bǔ)償。冷端溫度補(bǔ)償器的直流電壓應(yīng)隨參考端溫度Tn 的變化而變化，并且在補(bǔ)償溫度范圍內(nèi)。的變化而變化，并且在補(bǔ)償溫度范圍內(nèi)。 第7章 熱電式傳感器及其應(yīng)用 39 6. 軟件處理法 對(duì)于智

24、能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，不必全靠硬件進(jìn)行熱電偶冷端處理。 T0恒定情況：恒定情況：在采樣后加一個(gè)與冷端溫度對(duì)應(yīng)的常數(shù)即可。 T0波動(dòng)情況：波動(dòng)情況：利用熱敏電阻或其它傳感器把冷端溫度T0輸入計(jì) 算機(jī)，按照運(yùn)算公式設(shè)計(jì)一些程序以便自動(dòng)修正。 第7章 熱電式傳感器及其應(yīng)用 40 標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶：標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶：工藝上比較成熟，能批量生產(chǎn)、性能穩(wěn)工藝上比較成熟，能批量生產(chǎn)、性能穩(wěn) 定、應(yīng)用廣泛，具有統(tǒng)一分度表并已列入國(guó)際和國(guó)家標(biāo)定、應(yīng)用廣泛，具有統(tǒng)一分度表并已列入國(guó)際和國(guó)家標(biāo) 準(zhǔn)文件中的熱電偶。標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶可以互相交換，精度準(zhǔn)文件中的熱電偶。標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶可以互相交換，精度 有一定的保證。有一定的保證。 國(guó)際電工委員

25、會(huì)（國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）共推薦了）共推薦了8種標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶種標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶 ： 按分度號(hào)主要有按分度號(hào)主要有S、R、B、N、K、E、J、T等等8種。種。 S、R、B屬于貴金屬熱電偶屬于貴金屬熱電偶 N、K、E、J、T屬于廉金屬熱電偶。屬于廉金屬熱電偶。 第7章 熱電式傳感器及其應(yīng)用 41 標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶特點(diǎn)比較標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶特點(diǎn)比較 熱電偶種類熱電偶種類優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)缺點(diǎn) B 適于測(cè)量1000以上的高溫 常溫下熱電動(dòng)勢(shì)極小，可不用補(bǔ)償導(dǎo)線 抗氧化、耐化學(xué)腐蝕 在中低溫領(lǐng)域熱電動(dòng)勢(shì)小，不能用于600以下 靈敏度低 熱電動(dòng)勢(shì)的線性不好 R、S 精度高、穩(wěn)定性好，不易劣化 抗氧化、耐化學(xué)腐蝕 可作標(biāo)準(zhǔn)

26、靈敏度低 不適用于還原性氣氛(尤其是H2、金屬蒸氣) 熱電動(dòng)勢(shì)的線性不好 價(jià)格高 N 熱電動(dòng)勢(shì)線性好 1200以下抗氧化性能良好 短程表序結(jié)構(gòu)變化影響小 不適用于還原性氣氛 同貴金屬勢(shì)電偶相比時(shí)效變化大 K K 熱電動(dòng)勢(shì)線性好 1000下抗氧化性能良好 在廉金屬熱電偶中穩(wěn)定性更好 不適用于還原性氣氛 同貴金屬熱電偶相比時(shí)效變化大 因短程有序結(jié)構(gòu)變化而產(chǎn)生誤差 E 在現(xiàn)有的熱電偶中，靈敏度最高 同J型相比，耐熱性能良好 兩極非磁性 不適用于還原性氣氛 熱導(dǎo)率低具有微滯后現(xiàn)象 J 可用于還原性氣氛 熱電動(dòng)勢(shì)較K型高20%左右 鐵正極易生銹 熱電特性漂移大 T 熱電動(dòng)勢(shì)線性好 低溫特性好 產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)

27、定性好 可用于還原性氣氛 使用溫度低 銅正極易氧化 熱傳導(dǎo)誤差大 第7章 熱電式傳感器及其應(yīng)用 42 2、爐溫測(cè)量控制系統(tǒng)、爐溫測(cè)量控制系統(tǒng) 溫度給定值 ADC 0809 功 率 放大器 8051 單 片 機(jī) DAC 0832 晶閘管 調(diào)壓器 晶閘管 溫 度 顯示電路 濾波 電路 放大電路熱電偶 加熱爐加熱爐 第7章 熱電式傳感器及其應(yīng)用 43 7.2 7.2 熱電阻傳感器熱電阻傳感器 熱電阻傳感器是利用導(dǎo)體的電阻隨溫度變化熱電阻傳感器是利用導(dǎo)體的電阻隨溫度變化 的特性，對(duì)溫度和溫度有關(guān)的參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)的特性，對(duì)溫度和溫度有關(guān)的參數(shù)進(jìn)行檢測(cè) 的裝置。的裝置。 根據(jù)阻值和根據(jù)阻值和 溫度的變化溫度

28、的變化 規(guī)律分類規(guī)律分類 第7章 熱電式傳感器及其應(yīng)用 44 一、金屬熱電阻 熱電阻效應(yīng)：熱電阻效應(yīng)：物質(zhì)的電阻隨溫度變化而變化的現(xiàn)象。物質(zhì)的電阻隨溫度變化而變化的現(xiàn)象。 )1 ( 32 0 CtBtAtRRt 金屬導(dǎo)體在金屬導(dǎo)體在t和和0時(shí)的電阻值時(shí)的電阻值 A、B、C是金屬導(dǎo)體電阻溫度系數(shù)，在一定的溫是金屬導(dǎo)體電阻溫度系數(shù)，在一定的溫 度范圍內(nèi)，度范圍內(nèi)，A、B、C可近似地視為一個(gè)常數(shù)可近似地視為一個(gè)常數(shù) 第7章 熱電式傳感器及其應(yīng)用 45 熱熱電阻傳感器的優(yōu)點(diǎn)：電阻傳感器的優(yōu)點(diǎn)： 1.測(cè)量精度高；測(cè)量精度高； 2.有較大的測(cè)量范圍；有較大的測(cè)量范圍； 3.易于使用在自動(dòng)測(cè)量和遠(yuǎn)距離測(cè)量中

29、。易于使用在自動(dòng)測(cè)量和遠(yuǎn)距離測(cè)量中。 4.與熱電偶相比，沒(méi)有參比端的誤差問(wèn)題。與熱電偶相比，沒(méi)有參比端的誤差問(wèn)題。 熱電阻傳感器：根據(jù)熱電阻效應(yīng)制成的傳感器。熱電阻傳感器：根據(jù)熱電阻效應(yīng)制成的傳感器。 第7章 熱電式傳感器及其應(yīng)用 46 2. 常用熱電阻 目前最常用的熱電阻有目前最常用的熱電阻有鉑熱電阻鉑熱電阻和和銅熱電阻銅熱電阻。 第7章 熱電式傳感器及其應(yīng)用 47 (1) 鉑熱電阻（200650） 鉑熱電阻的特點(diǎn)是精度高、穩(wěn)定性好、性能可靠，在溫 度傳感器中得到了廣泛應(yīng)用。 鉑熱電阻的特性方程：鉑熱電阻的特性方程： Rt=R01+At+Bt2+Ct3(t-100) -2000溫度范圍內(nèi):

30、0650的溫度范圍內(nèi)： Rt = R0(1+At+Bt2) A=3.9710-13/ B=-5.8510-7/2 C=-4.2210-12/4 熱電阻在溫度熱電阻在溫度t時(shí)的電阻時(shí)的電阻 值與值與0時(shí)的電阻值時(shí)的電阻值R0有有 關(guān)，與溫度關(guān)，與溫度t有關(guān)有關(guān) 第7章 熱電式傳感器及其應(yīng)用 48 在實(shí)際測(cè)量中，只要測(cè)得熱電阻的阻值Rt，便可從分度表 上查出對(duì)應(yīng)的溫度值。 從鉑從鉑電阻的特性方程看，熱電阻在溫度電阻的特性方程看，熱電阻在溫度t t的阻值與的阻值與R R0 0有關(guān)；有關(guān)； 目前我國(guó)規(guī)定工業(yè)用鉑熱電阻有目前我國(guó)規(guī)定工業(yè)用鉑熱電阻有R R0 0=10=10 和和R R0 0=100=10

31、0 兩種；兩種； 它們的分度號(hào)分別為它們的分度號(hào)分別為P Pt10 t10和 和P Pt100 t100， ，其中其中P Pt100 t100最為常用； 最為常用； 二者都有各自的分度表，即二者都有各自的分度表，即R Rt t與與t t的關(guān)系。的關(guān)系。 第7章 熱電式傳感器及其應(yīng)用 49 鉑電阻分度表鉑電阻分度表 第7章 熱電式傳感器及其應(yīng)用 50 (2) 銅熱電阻 應(yīng)應(yīng) 用：用：測(cè)量精度要求不高且溫度較低的場(chǎng)合 測(cè)量范圍：50150 優(yōu)優(yōu) 點(diǎn)：點(diǎn)： 溫度范圍內(nèi)線性關(guān)系好，靈敏度比鉑電阻高，容易提 純、加工，價(jià)格便宜，復(fù)制性能好。 缺缺 點(diǎn)：點(diǎn)： 易于氧化，一般只用于150以下的低溫測(cè)量和沒(méi)有

32、水 分及無(wú)侵蝕性介質(zhì)的溫度測(cè)量。 與鉑相比，銅的電阻率低，所以銅電阻的體積較大。 第7章 熱電式傳感器及其應(yīng)用 51 銅電阻的阻值與溫度之間的關(guān)系為銅電阻的阻值與溫度之間的關(guān)系為 )1 ( 0 tRRt 關(guān)系是線性的關(guān)系是線性的 工業(yè)上使用的標(biāo)準(zhǔn)化銅熱電阻的工業(yè)上使用的標(biāo)準(zhǔn)化銅熱電阻的R0 按國(guó)內(nèi)統(tǒng)一設(shè)計(jì)取按國(guó)內(nèi)統(tǒng)一設(shè)計(jì)取50和和100兩種，兩種， 分度號(hào)分別為分度號(hào)分別為Cu50和和Cu100， 相應(yīng)的分度表可查閱相關(guān)資料。相應(yīng)的分度表可查閱相關(guān)資料。 第7章 熱電式傳感器及其應(yīng)用 52 銅熱電阻的分度表 分度號(hào)：Cu50 0 50R 溫度 / 0102030405060708090 電阻/

33、 050.0050.0047.8545.7043.5541.4039.24 050.0050.0052.1445.2856.4258.5660.7062.8464.9867.1269.26 10071.4073.5475.6877.8379.9882.13 第7章 熱電式傳感器及其應(yīng)用 53 將電阻絲繞在將電阻絲繞在云母、石英、陶瓷、塑料等絕緣骨架云母、石英、陶瓷、塑料等絕緣骨架 上，經(jīng)過(guò)固定，外面再加上保護(hù)套管上，經(jīng)過(guò)固定，外面再加上保護(hù)套管 第7章 熱電式傳感器及其應(yīng)用 54 用熱電阻傳感器進(jìn)行測(cè)溫時(shí)，測(cè)量電路經(jīng)常采用電橋電路。 4、 熱電阻的測(cè)量電路 第7章 熱電式傳感器及其應(yīng)用 55

34、三線制三線制 第7章 熱電式傳感器及其應(yīng)用 56 四線制四線制 調(diào)零電位器調(diào)零電位器Ra的接觸電阻和檢流計(jì)串聯(lián)，這樣，接的接觸電阻和檢流計(jì)串聯(lián)，這樣，接 觸電阻的不穩(wěn)定不會(huì)破壞電橋的平衡和正常工作狀觸電阻的不穩(wěn)定不會(huì)破壞電橋的平衡和正常工作狀 態(tài)。態(tài)。 第7章 熱電式傳感器及其應(yīng)用 57 二、二、 熱敏電阻熱敏電阻 利用半導(dǎo)體的電阻值隨溫度顯著變化的特性制成,由金屬氧化 物和化合物按不同的配方比例燒結(jié) 優(yōu)優(yōu) 點(diǎn)：點(diǎn)： (1) 熱敏電阻的溫度系數(shù)比金屬大（49倍） (2) 電阻率大，體積小，熱慣性小，適于測(cè)量點(diǎn)溫、表面溫 度及快速變化的溫度。 (3) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、機(jī)械性能好。 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：線性度較

35、差，復(fù)現(xiàn)性和互換性較差。 第7章 熱電式傳感器及其應(yīng)用 58 1. 熱敏電阻分類熱敏電阻分類 l正溫度系數(shù)（正溫度系數(shù)（PTC） 用途：彩電消磁，各種電器設(shè)用途：彩電消磁，各種電器設(shè) 備的過(guò)熱保護(hù)，發(fā)熱源的定溫備的過(guò)熱保護(hù)，發(fā)熱源的定溫 控制，限流元件?？刂疲蘖髟?。 l臨界溫度系數(shù)（臨界溫度系數(shù)（CTR） 用途：溫度開(kāi)關(guān)用途：溫度開(kāi)關(guān) l負(fù)溫度系數(shù)（負(fù)溫度系數(shù)（NTC） 應(yīng)用：點(diǎn)溫、表面溫度、溫差、應(yīng)用：點(diǎn)溫、表面溫度、溫差、 溫場(chǎng)等測(cè)量、控制及電子線路溫場(chǎng)等測(cè)量、控制及電子線路 的熱補(bǔ)償線路的熱補(bǔ)償線路 第7章 熱電式傳感器及其應(yīng)用 59 2 2、熱敏電阻主要特性（僅討論、熱敏電阻主要特

36、性（僅討論NTCNTC熱敏電阻熱敏電阻 ） 溫度特性溫度特性 ) 11 ( 0 0 TT B T eRR B為熱敏電阻材料常數(shù)，一般為熱敏電阻材料常數(shù)，一般 為為2000K6000K，其大小取，其大小取 決于熱敏電阻的材料決于熱敏電阻的材料 伏安特性伏安特性 穩(wěn)態(tài)情況下，通過(guò)熱敏電穩(wěn)態(tài)情況下，通過(guò)熱敏電 阻的電流阻的電流I與其兩端的電壓與其兩端的電壓 U之間的關(guān)系稱為熱敏電阻之間的關(guān)系稱為熱敏電阻 的伏安特性的伏安特性 當(dāng)流過(guò)熱敏電阻的電流很小時(shí)，不足以使之加熱，電阻值只當(dāng)流過(guò)熱敏電阻的電流很小時(shí)，不足以使之加熱，電阻值只 決定于環(huán)境溫度，伏安特性是直線，遵循歐姆定律，主要用決定于環(huán)境溫度，伏

37、安特性是直線，遵循歐姆定律，主要用 來(lái)測(cè)溫。來(lái)測(cè)溫。 當(dāng)電流增大到一定值時(shí)，流過(guò)熱敏電阻的電流使溫度升高，當(dāng)電流增大到一定值時(shí)，流過(guò)熱敏電阻的電流使溫度升高， 出現(xiàn)負(fù)阻特性。其所能升高的溫度與環(huán)境條件出現(xiàn)負(fù)阻特性。其所能升高的溫度與環(huán)境條件(周圍介質(zhì)溫度周圍介質(zhì)溫度 及散熱條件及散熱條件)有關(guān)。當(dāng)電流和周圍介質(zhì)溫度一定時(shí)，熱敏電阻有關(guān)。當(dāng)電流和周圍介質(zhì)溫度一定時(shí)，熱敏電阻 的電阻值取決于介質(zhì)的流速、流量、密度等散熱條件。可用的電阻值取決于介質(zhì)的流速、流量、密度等散熱條件?？捎?它來(lái)它來(lái)測(cè)量流體速度和介質(zhì)密度測(cè)量流體速度和介質(zhì)密度。 第7章 熱電式傳感器及其應(yīng)用 61 3 3、熱敏電阻結(jié)構(gòu)、熱敏

38、電阻結(jié)構(gòu) 構(gòu)成：構(gòu)成：熱敏探頭、引線、殼體熱敏探頭、引線、殼體 二端和三端器件：二端和三端器件：為直熱式，即熱敏電阻直接由連接的電為直熱式，即熱敏電阻直接由連接的電 路獲得功率；路獲得功率； 四端器件：四端器件：旁熱式旁熱式 第7章 熱電式傳感器及其應(yīng)用 62 4 4、熱敏電阻主要參數(shù)、熱敏電阻主要參數(shù) （1） 標(biāo)稱阻值標(biāo)稱阻值RH 環(huán)境溫度為環(huán)境溫度為25時(shí)測(cè)得的電阻值，又稱冷電阻時(shí)測(cè)得的電阻值，又稱冷電阻 （2） 容量容量C 熱敏電阻的溫度變化熱敏電阻的溫度變化1所需吸收或釋放的熱量，單位為所需吸收或釋放的熱量，單位為 J。 （3） 時(shí)間常數(shù)時(shí)間常數(shù) 溫度為溫度為T(mén)0的熱敏電阻突然置于溫度

39、為的熱敏電阻突然置于溫度為T(mén)的介質(zhì)中，熱敏電的介質(zhì)中，熱敏電 阻阻值則從阻阻值則從R0變化到（變化到（RT0-RT)80%所需要的時(shí)間，稱為所需要的時(shí)間，稱為 熱敏電阻的時(shí)間常數(shù)。熱敏電阻的時(shí)間常數(shù)。 （4）額定功率）額定功率PE 指熱敏電阻在規(guī)定條件下指熱敏電阻在規(guī)定條件下,長(zhǎng)期連續(xù)使用所允許的耗散功長(zhǎng)期連續(xù)使用所允許的耗散功 率，單位為率，單位為W。 第7章 熱電式傳感器及其應(yīng)用 63 三、三、 熱電阻傳感器的應(yīng)用熱電阻傳感器的應(yīng)用 金屬熱電阻傳感器 200+500范圍的溫度測(cè)量 特點(diǎn)：精度高、適于測(cè)低溫。 半導(dǎo)體熱敏電阻傳感器 應(yīng)用范圍很廣，可在宇宙航船、醫(yī)學(xué)、 工業(yè)及家用電器等方面用作

40、測(cè)溫、控溫 、溫度補(bǔ)償、流速測(cè)量、液面指示等。 第7章 熱電式傳感器及其應(yīng)用 64 熱敏電阻用于CPU的溫度測(cè)量 熱敏電阻用于電熱水器的 溫度測(cè)量及控制 熱敏電阻體溫表熱敏電阻體溫表 第7章 熱電式傳感器及其應(yīng)用 65 1、大棚智能溫度監(jiān)控系統(tǒng)、大棚智能溫度監(jiān)控系統(tǒng) 設(shè)計(jì)要求：設(shè)計(jì)要求： 傳感器器選用：傳感器器選用： 控制電路設(shè)計(jì)：控制電路設(shè)計(jì)： 系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程：系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程： 第7章 熱電式傳感器及其應(yīng)用 66 信 號(hào) 放信 號(hào) 放 大 調(diào) 理大 調(diào) 理 電路電路 A / DA / D 轉(zhuǎn)轉(zhuǎn) 換電路換電路 時(shí)鐘時(shí)鐘 電路電路 鍵盤(pán)鍵盤(pán) 電路電路 AT89S51 AT89S51 顯示顯示 電路電

41、路 PT100PT100 溫室溫室 大棚大棚 降溫降溫 設(shè)備設(shè)備 第7章 熱電式傳感器及其應(yīng)用 67 2、汽車用水溫傳感器及水溫表、汽車用水溫傳感器及水溫表 銅熱銅熱電阻電阻 第7章 熱電式傳感器及其應(yīng)用 68 3、功率晶體管的保護(hù)電路、功率晶體管的保護(hù)電路 正溫度系數(shù)熱敏電阻正溫度系數(shù)熱敏電阻RT接在晶體管的基極電路，若接在晶體管的基極電路，若 功率晶體管功率晶體管VT2異常發(fā)熱，當(dāng)溫度傳到異常發(fā)熱，當(dāng)溫度傳到RT后，后，RT的阻的阻 值增大，基極電流就減小，從而抑制值增大，基極電流就減小，從而抑制VT2的集電極電的集電極電 流增大，流增大，VT2得到保護(hù)得到保護(hù) 第7章 熱電式傳感器及其應(yīng)

42、用 69 利用半導(dǎo)體PN結(jié)的電流電壓與溫度有關(guān)的特性。 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：輸出線性好、測(cè)量精度高, 傳感驅(qū)動(dòng)電路、 信號(hào)處理電路等都與溫度傳感部分集成在一起, 封 裝后的組件體積小,使用方便,價(jià)格便宜。 7.3 集成溫度傳感器 電壓型電壓型IC溫度傳感器；溫度傳感器； 電流型電流型IC溫度傳感器，溫度傳感器， 數(shù)字輸出型數(shù)字輸出型IC溫度傳感器。溫度傳感器。 第7章 熱電式傳感器及其應(yīng)用 70 一、電壓輸出型集成溫度傳感器 AN6701S是日本松下公司生產(chǎn)的電壓輸出型集成溫度 傳感器，它有四個(gè)引腳，三種連線方式三種連線方式：(a)正電源 供電，(b)負(fù)電源供電，(c)輸出極性顛倒。電阻RC用 來(lái)調(diào)整

43、25下的輸出電壓，使其等于5V，RC的阻值 在330k范圍內(nèi)。這時(shí)靈敏度可達(dá)109110mV/， 在-1080范圍內(nèi)基本誤差不1。 輸出 AN6701 (a) 1 2 4 3 RC 515V AN6701 輸出 (c) 10kRC3 1 2 4 515V - + + 100k10k 100k AN6701 (b) 2 1 3 輸出 4 515V RC 第7章 熱電式傳感器及其應(yīng)用 71 輸 出 電 壓 /V 0 2 4 6 8 10 12 20020406080 RC=100k RC=10k RC=1k 溫度/C AN6701S的輸入特性 在-1080范圍內(nèi)，RC的值與輸出特性的關(guān)系如下圖。

44、AN6701S有很好的線性，非線性誤差不超過(guò)0.5%。若在25 時(shí)借助RC將輸出電壓調(diào)整到5V，則RC的值約在330k間， 相應(yīng)的靈敏度為109110mV/。校準(zhǔn)后，在-1080范圍內(nèi)， 基本誤差不超過(guò)1。這種集成 傳感器在靜止空氣中的時(shí)間常數(shù) 為24s，在流動(dòng)空氣中為11s。電 源電壓在515V間變化，所引起 的測(cè)溫誤差一般不超過(guò)2。 整個(gè)集成電路的電流值一般為 0.4mA，最大不超過(guò)0.8mA （RL=時(shí)）。 第7章 熱電式傳感器及其應(yīng)用 72 二、電流型溫度傳感器AD590 工作電壓：4V30V，I 為一恒流值輸出，IT，即 I = KT T KT標(biāo)定因子，AD590的標(biāo)定因子為1A/

45、4V30V 0 I/A U/V AD590伏安特性曲線 -55 +25 +150 218 298 423 第7章 熱電式傳感器及其應(yīng)用 73 55 0 150 273.2A I/ A TC / C AD590溫度特性曲線 溫度特性曲線函數(shù): I=KTTc273.2 Tc攝氏溫度；I 的單位為A。 可見(jiàn)，當(dāng)溫度為0時(shí)，輸出電流為273.2A。在 常溫25時(shí)，標(biāo)定輸出電流為298.2A。 第7章 熱電式傳感器及其應(yīng)用 74 溫度控制 溫度測(cè)量 第7章 熱電式傳感器及其應(yīng)用 75 第7章 熱電式傳感器及其應(yīng)用 76 多點(diǎn)溫度測(cè)量 第7章 熱電式傳感器及其應(yīng)用 77 美國(guó)DALLAS公司生產(chǎn)的單總線數(shù)

46、字溫度傳感器DS1820，可 把溫度信號(hào)直接轉(zhuǎn)換成串行數(shù)字信號(hào)供微機(jī)處理。 三、數(shù)字輸出型IC溫度傳感器 DS1820DS1820的特性的特性 u 單線接口：僅需一根口線與MCU連接； u 無(wú)需外圍元件； u 由總線提供電源； u 測(cè)溫范圍為-55125，精度為0.5； u 九位溫度讀數(shù)； u A/D變換時(shí)間為200ms； u 用戶可任意設(shè)置溫度上、下限報(bào)警值，且能夠識(shí)別具體 報(bào)警傳感器。 第7章 熱電式傳感器及其應(yīng)用 78 DS 1820 123 GNDI/O VDD (a) PR35封裝 DS1820的管腳排列 DS1820 1 2 3 4 5 6 7 8 I/O GND (b) SOIC

47、封裝 NC NC NC NC VDD NC 第7章 熱電式傳感器及其應(yīng)用 79 采用寄生電容供電的溫度檢測(cè)系統(tǒng) 89C51 DS1820DS1820DS1820 P1.0 P1.1 P1.2 Tx Rx +5V GNDVDD P1.1作輸出口用，相當(dāng)于Tx P1.2作輸入口用，相當(dāng)于Rx 第7章 熱電式傳感器及其應(yīng)用 80 7.4 熱輻射溫度傳感器熱輻射溫度傳感器 非接觸式溫度測(cè)量則是根據(jù)物體輻射溫度的測(cè)量原理 實(shí)現(xiàn)的。 在生物醫(yī)學(xué)測(cè)量中應(yīng)用范圍非常廣泛。例如醫(yī)用紅外 熱像儀, 它可用于人體多個(gè)部位(頭部、頸部、心血管 、脊椎、四肢血管、乳腺、前列腺、胃腸道等) 和多 種疾病(疼痛, 乳腺癌、

48、肺肝癌、胰腺癌、血管瘤等腫 瘤, 燒傷、放射線灼傷等) 的診斷。 第7章 熱電式傳感器及其應(yīng)用 81 一熱輻射溫度檢測(cè)原理 只要溫度高于絕對(duì)零度，物體都有一定波長(zhǎng) 的電磁輻射，或者說(shuō)能量輻射，熱量輻射等 。輻射溫度檢測(cè)就是基于這個(gè)原理實(shí)現(xiàn)非接 觸式溫度測(cè)量。 二. 熱輻射探測(cè)器 熱輻射探測(cè)器有不同種類，采用晶體，陶瓷 和半導(dǎo)體等材料作感應(yīng)元件。工作波長(zhǎng)在 0.1m20m的紅外光區(qū)域，也稱為紅外探 測(cè)器。 第7章 熱電式傳感器及其應(yīng)用 82 熱輻射測(cè)量?jī)x的構(gòu)成原理熱輻射測(cè)量?jī)x的構(gòu)成原理 由光學(xué)系統(tǒng)，斬波器，紅外探測(cè)器，放大器等組成測(cè)量系 統(tǒng)， 測(cè)量系統(tǒng)獲取紅外信號(hào)。 為斬波器提供脈沖信號(hào)的脈沖發(fā)

49、生器，工作脈沖頻率1.2Hz 。 獲取斬波器表面溫度的基準(zhǔn)溫度測(cè)量，采用熱敏傳感器測(cè) 量溫度。 第7章 熱電式傳感器及其應(yīng)用 83 熱輻射探測(cè)器只能檢測(cè)溫度差，不能直接測(cè)量物體的 溫度，采用斬波器后，熱輻射探測(cè)器接收的信號(hào)就是 被測(cè)物體與斬波器表面的溫度差， 每個(gè)周期T內(nèi)，A/D轉(zhuǎn)換器采樣兩次，第一次為t1時(shí)間 間隔，A/D轉(zhuǎn)換器采樣物體輻射信號(hào)。第二次為t4時(shí)間 間隔，A/D轉(zhuǎn)換器采樣斬波器表面的溫度。 第7章 熱電式傳感器及其應(yīng)用 84 采樣各信號(hào)送計(jì)算機(jī)處理，計(jì)算機(jī)考慮不同物體具有 不同輻射率，修正計(jì)算以便得到精確的結(jié)果。 輻射率,例如水為0.95,人體皮膚為0.98，石英玻璃為 0.7

50、5,塑料為0.95等。 紅外輻射探測(cè)應(yīng)用于各類輻射計(jì)、光譜儀及紅外和熱 成像方面。醫(yī)療儀器中用于非接觸測(cè)溫和熱像圖儀器 方面。熱像圖法適用于診斷乳腺癌、皮膚癌、甲狀腺 癌、末梢血管閉塞或狹窄等各種疾病。由于它實(shí)現(xiàn)非 接觸溫度測(cè)量和熱成像，所以具有廣闊的應(yīng)用前景。 第7章 熱電式傳感器及其應(yīng)用 85 醫(yī)用紅外熱像儀一般由：鏡頭、紅外探測(cè)器、醫(yī)用紅外熱像儀一般由：鏡頭、紅外探測(cè)器、 信號(hào)處理單元和顯示部分組成信號(hào)處理單元和顯示部分組成 只要溫度高于絕對(duì)零度，物體都由一定波長(zhǎng)的只要溫度高于絕對(duì)零度，物體都由一定波長(zhǎng)的 電磁波輻射，熱輻射溫度檢測(cè)就是基于這個(gè)原電磁波輻射，熱輻射溫度檢測(cè)就是基于這個(gè)原

51、理實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量的。理實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量的。 第7章 熱電式傳感器及其應(yīng)用 86 紅外熱圖紅外熱圖 正常人頭部遠(yuǎn)紅外熱圖 正常的人體上部遠(yuǎn)紅外熱像， 鎖骨處及淋巴處代謝旺盛， 出現(xiàn)正常均勻的熱區(qū)，兩乳 正常溫度微低 第7章 熱電式傳感器及其應(yīng)用 87 紅外熱圖紅外熱圖 正常人體的腹部，兩側(cè)溫度 分布基本對(duì)稱，臍部為正常 的熱區(qū)，脂肪厚的地方溫度 較低，兩乳為正常微冷區(qū) 正常人的腿部，雙腿基本對(duì) 稱，雙足由于負(fù)重過(guò)久而血 流不暢，導(dǎo)致低溫。 第7章 熱電式傳感器及其應(yīng)用 88 紅外熱圖紅外熱圖 在乳腺早期癌變?cè)谌橄僭缙诎┳兩形葱纬擅黠@的腫塊時(shí)，尚未形成明顯的腫塊時(shí)，其局部組織即其局部組織即 會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的

52、變化，如局部血管增生、擴(kuò)張、迂曲（熱會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的變化，如局部血管增生、擴(kuò)張、迂曲（熱 圖顯示為血管倒粗或環(huán)狀和網(wǎng)狀血管），局部組織代謝圖顯示為血管倒粗或環(huán)狀和網(wǎng)狀血管），局部組織代謝 旺盛，其溫度即可升高。箭頭處即為乳腺癌區(qū)。旺盛，其溫度即可升高。箭頭處即為乳腺癌區(qū)。 第7章 熱電式傳感器及其應(yīng)用 89 紅外熱圖紅外熱圖 左乳確診乳腺癌，遠(yuǎn)紅外熱像顯示，血管明顯 增粗、代謝旺盛。整體溫度明顯高于右乳。乳 窩處的熱區(qū)為正常的升溫。 第7章 熱電式傳感器及其應(yīng)用 90 紅外熱圖紅外熱圖 左側(cè)熱圖為一乳腺 癌患者，內(nèi)部有明 顯的腫塊，已經(jīng)壞 死，右邊為X光圖 片，互相印證，X 光中的亮的部分為 已經(jīng)

53、壞死的腫瘤。 第7章 熱電式傳感器及其應(yīng)用 91 紅外熱圖紅外熱圖 靜脈曲張患者的腿部遠(yuǎn)紅外熱像， 血管明顯增溫、增粗，箭頭所指 處尤為明顯。 第7章 熱電式傳感器及其應(yīng)用 92 紅外熱圖紅外熱圖 脈管炎患者的腿部遠(yuǎn)紅外熱像 圖，患腿由于血管疾病而血流 不暢，導(dǎo)致低溫。 第7章 熱電式傳感器及其應(yīng)用 93 紅外熱圖紅外熱圖 靜脈炎是靜脈血管發(fā)炎， 熱圖表現(xiàn)為局部熱區(qū)明 顯擴(kuò)大。脈管炎是中小 動(dòng)脈血管壁發(fā)炎引起的 肢端發(fā)涼，壞疽，從熱 圖反應(yīng)手足部及前下肢 溫度偏低。 第7章 熱電式傳感器及其應(yīng)用 94 紅外熱圖紅外熱圖 左膝關(guān)節(jié)軟組織炎。熱 圖顯示左膝關(guān)節(jié)局部團(tuán) 狀增溫（箭頭所示）， 溫差0.

54、71.2不等。 第7章 熱電式傳感器及其應(yīng)用 95 紅外熱圖紅外熱圖 某些糖尿病患者會(huì)出現(xiàn)一種 稱之為“糖尿病足”的并發(fā) 癥。它的病理變化是糖尿病 后期全身性血管狹窄，尤其 以下肢血管狹窄為甚，血管 明顯減少，致使局部組織缺 血缺氧，最后發(fā)展為不可逆 的組織壞死，不得不進(jìn)行外 科截肢手術(shù)。 第7章 熱電式傳感器及其應(yīng)用 96 紅外熱圖紅外熱圖 雷諾氏病，雙手缺血，溫度較 正常溫度低 23。手指與手 背溫差梯度較大。手指平均溫 度較手背平均低 23。 第7章 熱電式傳感器及其應(yīng)用 97 紅外熱圖紅外熱圖 雷諾氏病，雙手彌漫性高溫 充血，手指的平均溫度較手 背溫度高23度。手指與手 背溫度呈異常的

55、反相性熱圖 像分布。 第7章 熱電式傳感器及其應(yīng)用 98 紅外熱圖紅外熱圖 腱鞘炎，熱圖顯示：右手 第五掌骨病灶區(qū)溫度增高， 范圍局限，溫差0.81.2。 第7章 熱電式傳感器及其應(yīng)用 99 紅外熱圖紅外熱圖 腦血栓患者的遠(yuǎn)紅外熱圖，該患 者熱像檢查顯示： 左頸動(dòng)脈的分 支顳淺動(dòng)脈、上頜動(dòng)脈面動(dòng)脈所 分布區(qū)域（前額區(qū)、兩側(cè)區(qū)、面 頰級(jí)口周）均呈低溫缺血狀，提 示左頸動(dòng)脈附壁血栓形成。 第7章 熱電式傳感器及其應(yīng)用 100 紅外熱圖紅外熱圖 強(qiáng)直性脊柱炎（AS) 患者的脊 背熱像圖，以后正中線的棘突 為中心的自頸背至腰骶部的異 常熱區(qū)，如同一條彩帶。 第7章 熱電式傳感器及其應(yīng)用 101 紅外熱

56、圖紅外熱圖 腰肌勞損，腰椎體兩旁韌 帶呈條索狀增溫，病變范 圍局限（箭頭所示），溫 差在0.71.0。 第7章 熱電式傳感器及其應(yīng)用 102 紅外熱圖紅外熱圖 肝癌患者的腹部遠(yuǎn)紅外熱 像圖，肝部明顯代謝旺盛， 溫度升高，此人的右乳也 有些增生跡象。 第7章 熱電式傳感器及其應(yīng)用 103 紅外熱圖紅外熱圖 頸椎病熱圖，能顯示出相應(yīng) 骨贅壓迫椎動(dòng)脈，即椎間盤(pán) 變性變薄后椎動(dòng)脈發(fā)生彎曲 致局部血流量減少（呈低溫 區(qū)）或骨贅刺激交感纖維或 星狀神經(jīng)節(jié)，引起椎動(dòng)脈收 縮，呈局部供血不足，并致 其所轄部位營(yíng)養(yǎng)障礙。 第7章 熱電式傳感器及其應(yīng)用 104 基本臨床應(yīng)用基本臨床應(yīng)用 靜脈攝影 結(jié)合常規(guī)的攝影技

57、術(shù)紅外攝影方法可以顯示 出靜脈曲張的特征性異常表現(xiàn)。它表現(xiàn)為在 正常小腿上能見(jiàn)到比較細(xì)直的分枝，形成多 邊形的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。在靜脈曲張病例中，常見(jiàn) 到蜿蜒彎曲的分枝增粗成靜脈小島，它在紅 外照片中清楚地顯示出來(lái)，而用普通攝影或 肉限是看不出來(lái)的。 第7章 熱電式傳感器及其應(yīng)用 105 基本臨床應(yīng)用基本臨床應(yīng)用 血液循環(huán)的研究 利用紅外照片來(lái)記錄乳房和腹部淺表靜脈的圖形和 大小變化，可以研究血液運(yùn)行狀況。例如，初產(chǎn)婦 和多產(chǎn)婦在妊娠時(shí)，紅外照片上的血流狀況是不一 樣的。 由于血液中各種成分對(duì)紅外光的吸收作用不同，可 作臨床疾病的更深入研究。 腎上腺索對(duì)正常人和高血壓病人有影響，這可從指 甲的紅外照片

58、上反映出來(lái)。 此外，紅外照片還可探索結(jié)核菌素和其它皮膚試驗(yàn) 的反應(yīng)。 第7章 熱電式傳感器及其應(yīng)用 106 基本臨床應(yīng)用基本臨床應(yīng)用 透照技術(shù) 采用黑白和彩色紅外透照技術(shù)檢查兒童頭顱 疾病，不僅毫無(wú)痛苦，而且比腦室造影檢查 安全。其中彩色紅外透照方法特別有價(jià)值。 因?yàn)樗梢酝瑫r(shí)把可見(jiàn)光和紅外光的透射部 分記錄下來(lái)，而且在照片上顯示出重要的顏 色差別。用這種方法可以將腦積水與更為嚴(yán) 重的腦內(nèi)積水加以監(jiān)別。 第7章 熱電式傳感器及其應(yīng)用 107 基本臨床應(yīng)用基本臨床應(yīng)用 肝病理學(xué) 紅外攝影對(duì)肝硬化的診斷有很大幫助，它可以把肝 硬化與肝癌等區(qū)別出來(lái)。早期的肝硬化，沒(méi)有明顯 的側(cè)支循環(huán)而晚期的肝病中有

59、非常清晰的分枝靜脈 圖像，成為肝硬化病癥的特征。 腫瘤的研究 應(yīng)用紅外攝影技術(shù)常可以發(fā)現(xiàn)腫瘤。生長(zhǎng)在體表上 或接近體表的早期惡性腫瘤，其周圍會(huì)有血管增多 或異常條紋，它表示了腫瘤血液的供給有不同程度 的增加。這可作為確定有否惡性瘤的輔助手段。 第7章 熱電式傳感器及其應(yīng)用 108 基本臨床應(yīng)用基本臨床應(yīng)用 乳腺癌 臨床上已證實(shí)，乳腺癌在紅外照片上顯示為 供血增多，病變一側(cè)可清晰看到肉眼不能見(jiàn) 到的靜脈充血。 皮膚病學(xué) 紅外攝影首先用于醫(yī)學(xué)方面的是檢查皮膚疾 病，它可以提供淺表痂皮下面愈合過(guò)程和皮 下靜脈情況。 第7章 熱電式傳感器及其應(yīng)用 109 紅外熱圖診斷方法紅外熱圖診斷方法 代謝旺盛、血液循環(huán)豐富的疾病： 炎癥、腫瘤等可出現(xiàn)較高溫的熱圖，惡性腫瘤 轉(zhuǎn)移和可能發(fā)生轉(zhuǎn)移的新部位熱圖，異常的高 溫區(qū)常高于臨界部