溫度測量傳感器

1、2022-5-281實用傳感器技術教程實用傳感器技術教程第第2章章 溫度測量傳感器溫度測量傳感器2.5 2.5 溫度測量傳感器性能比較溫度測量傳感器性能比較2.4 2.4 紅外測溫技術紅外測溫技術2.3 2.3 集成溫度傳感器集成溫度傳感器2.2 2.2 熱電偶溫度傳感器熱電偶溫度傳感器2.1 2.1 電阻式溫度傳感器電阻式溫度傳感器溫標的基本概念溫標的基本概念 溫標的基本概念溫標的基本概念 u 溫度溫度是表征物體冷熱程度的物理量，它體現(xiàn)了物體內(nèi)部分是表征物體冷熱程度的物理量，它體現(xiàn)了物體內(nèi)部分子運動狀態(tài)的特征。子運動狀態(tài)的特征。u溫度是不能直接測量的。只能通過物體隨溫度變化的某些特溫度是不能

2、直接測量的。只能通過物體隨溫度變化的某些特性（如體積、長度、電阻等）來間接測量。性（如體積、長度、電阻等）來間接測量。熱電式傳感器熱電式傳感器將將溫度溫度變化變化轉換成轉換成電量電量（電阻、電勢等）。（電阻、電勢等）。u將溫度變化轉換為將溫度變化轉換為電阻電阻變化的元件主要有變化的元件主要有熱電阻熱電阻和和熱敏電阻熱敏電阻；u將溫度變化轉換為將溫度變化轉換為電勢電勢的傳感器主要有的傳感器主要有熱電偶熱電偶和和PN結式傳結式傳感器感器；u將將熱輻射熱輻射轉換為電學量的器件有轉換為電學量的器件有熱電探測器、紅外探測器熱電探測器、紅外探測器等。等。熱電式傳感器熱電式傳感器 u接觸式測溫接觸式測溫是基

3、于是基于熱平衡熱平衡原理，即測溫敏感元件必須與被原理，即測溫敏感元件必須與被測介質(zhì)接觸，是兩者處于平衡狀態(tài)，具有同一溫度。如水銀溫度測介質(zhì)接觸，是兩者處于平衡狀態(tài)，具有同一溫度。如水銀溫度計、熱敏電阻、熱電偶等。計、熱敏電阻、熱電偶等。u非接觸式測溫非接觸式測溫是利用是利用熱輻射熱輻射原理，測溫的敏感元件不與被原理，測溫的敏感元件不與被測介質(zhì)接觸，利用物體的熱輻射隨溫度變化的原理測定物體溫度，測介質(zhì)接觸，利用物體的熱輻射隨溫度變化的原理測定物體溫度，故又稱輻射測溫。如輻射溫度計，紅外測溫儀等。故又稱輻射測溫。如輻射溫度計，紅外測溫儀等。按測溫方法不同，熱電式傳感器分為接觸式和非接觸式兩按測溫方

4、法不同，熱電式傳感器分為接觸式和非接觸式兩種。種。熱電式傳感器分類熱電式傳感器分類 測溫方法比較測溫方法比較 常用熱電式傳感器常用熱電式傳感器 測溫測溫方式方式傳感器類型傳感器類型測溫范圍測溫范圍()()精度精度(%)(%)特點特點常用熱電式傳感器常用熱電式傳感器 2.1 電阻式溫度傳感器電阻式溫度傳感器v 電阻式溫度傳感器是利用導體或半導體的電阻率隨溫度變化而變化的原理制成的，它將溫度變化轉化為元件電阻的變化，通過測量電阻間接地測量溫度或者與溫度有關的參數(shù)。v 按照其制造材料來分，電阻式溫度傳感器可分為金屬熱電阻（簡稱熱電阻）及半導體熱電阻(簡稱熱敏電阻)兩種。2.1.1 金屬熱電阻金屬熱電

5、阻1.金屬熱電阻材料的特點金屬熱電阻材料的特點作為測量用的熱電阻材料必須具備以下特點：v 具有高溫度系數(shù)和高電阻率，這樣在同樣的測試條件下可提高測量靈敏度，減小傳感器的體積和重量；v 在較寬的測量范圍內(nèi)具有穩(wěn)定的物理和化學性質(zhì)，保證在規(guī)定的測量范圍內(nèi)測量結果準確無誤；v 具有良好輸出特性，電阻阻值與溫度之間具有線性或近似線性關系的特性曲線；v 具有良好的工藝性，以便于批量生產(chǎn)，降低成本。2.1.1 金屬熱電阻金屬熱電阻2.常用金屬熱電阻常用金屬熱電阻（1）鉑電阻v 鉑電阻電阻值與溫度的關系為在0660范圍內(nèi) RtR0 (1+At+Bt2) 在-1900范圍內(nèi) RtR0 1+At+Bt2+C(t

6、100)t3 v 工業(yè)用的鉑電阻體，一般由直徑0.030.07mm的純鉑絲繞在平板形支架上，通常采用雙線電阻絲，引出線用銀導線。v 它能用作工業(yè)測溫元件和作為溫度標準，按國際溫標IPTS68規(guī)定，在-259.34630.74的溫度范圍內(nèi)，以鉑電阻溫度計作基準器。2.1.1 金屬熱電阻金屬熱電阻2.常用金屬熱電阻常用金屬熱電阻（2）銅電阻v 在-50150范圍內(nèi)，銅電阻與溫度的關系為 RtR0 (1+At+Bt2+Ct3) v 銅容易提純，在-50+150范圍內(nèi)銅電阻的物理、化學特性穩(wěn)定，輸入、輸出關系接近線性，且價格低廉。銅電阻的缺點是電阻率較低，僅為鉑電阻的16左右；電阻的體積較大，熱慣性也

7、較大，當溫度高于100時易氧化。因此，銅電阻只能適于在低溫和無侵蝕性的介質(zhì)中工作。v 常用的工業(yè)用銅電阻的R0值有50、100兩種，其分度號分別用Cu50、Cu100表示。2.1.1 金屬熱電阻金屬熱電阻3.熱電阻主要參數(shù)熱電阻主要參數(shù)v （1）熱電阻分度表與分度號。在工業(yè)上，將熱電阻的Rt值與溫度t的對應關系列成表格，稱為熱電阻分度表。制成電阻的金屬材料加上標稱電阻值即為其分度號。例如，Cu50、Pt100等。 v （2）允許偏差。允許偏差即熱電阻實際的電阻值與溫度關系偏離分度表的允許范圍。v （3）熱響應時間。當溫度發(fā)生階躍變化時，熱電阻的電阻值變化至相當于該階躍變化的某個規(guī)定百分比所需要

8、的時間，稱為熱響應時間，通常以表示。一般記錄變化50或90的響應時間分別為0.5與0.9。熱電阻的響應時間不僅與結構、尺寸及材質(zhì)有關，還與被測介質(zhì)的放熱系數(shù)、比熱等工作環(huán)境有關。v （4）額定電流。額定電流是指在測量電阻值時，允許在元件中連續(xù)通過的最大電流，一般為25mA。限制額定電流是為了減少熱電阻自熱效應引起的誤差，對熱電阻元件都規(guī)定了額定電流。2.1.1 金屬熱電阻金屬熱電阻3.熱電阻主要參數(shù)熱電阻主要參數(shù)名稱等級分度號測溫范圍()允許偏差()鉑熱電阻APt10-200850(0.15+0.002|T|)Pt100BPt10(0.30+0.005|T|)Pt100名稱分度號測溫范圍()允

9、許偏差()0時電阻值（）銅熱電阻Cu50-50150(0.30+0.006|T|)50.0000.050Cu100100.000.10表表2-1 2-1 鉑電阻技術參數(shù)鉑電阻技術參數(shù)表表2-2 2-2 銅電阻技術參數(shù)銅電阻技術參數(shù)2.1.1 金屬熱電阻金屬熱電阻4.使用注意事項使用注意事項v 工業(yè)上廣泛應用金屬熱電阻進行200600范圍的溫度測量。在使用時需要注意以下問題：（1）自熱誤差v 在使用金屬熱電阻測量溫度時，電阻要消耗一定的電功率，引起電阻值的變化，從而帶來測量誤差。所以在使用中應盡量減小由于電阻器通電產(chǎn)生的自熱而引起的誤差，一般是采取限制電流的辦法，通常允許通過電流應小于5mA。（

10、2）引線誤差v 由于熱電阻感溫元件到接線端子、接線端子到調(diào)理電路都需要連接引線，引線本身的電阻及接觸電阻相對于較低阻值的熱電阻，是不可忽略的。一方面它們影響熱電阻的零位值，另一方面它們隨溫度變化，帶來不確定的測量誤差。因此，測量電阻的引線通常采用三線式或四線式接法。2.1.2 半導體熱敏電阻半導體熱敏電阻1.熱敏電阻的特點及分類熱敏電阻的特點及分類（1）熱敏電阻的特點v 靈敏度高。熱敏電阻溫度系數(shù)的絕對值比金屬熱電阻大10100倍。 v 電阻值高。它的標稱電阻值有幾到十幾M之間的不同規(guī)格。因此在使用熱敏電阻時，一般不用考慮引線電阻的影響。v 結構簡單。熱敏電阻可根據(jù)使用要求加工成各種形狀，特別

11、是能夠做到小型化，目前的珠狀熱敏電阻的直徑僅為0.2mm。v 體積小，熱慣性小，響應時間短，響應時間通常為0.53s。v 化學穩(wěn)定性好，機械性能好，價格低廉，使用壽命長。v 缺點是阻值與溫度呈非線性關系，且互換性差。2.1.2 半導體熱敏電阻半導體熱敏電阻（2）熱敏電阻的分類 1）正溫度系數(shù)熱敏電阻（PTC）v 電阻值隨溫度升高而增大的熱敏電阻，稱為正溫度系數(shù)熱敏電阻。它的主要材料是摻雜的BaTiO3半導體陶瓷。2）負溫度系數(shù)熱敏電阻（NTC）v 電阻值隨溫度升高而減小的熱敏電阻，稱為負溫度系數(shù)熱敏電阻。它的主要材料是Mn、Co、Ni、Fe等金屬氧化物半導體。3）臨界溫度系數(shù)熱敏電阻（CTR）

12、v 該類電阻的電阻值在某特定溫度范圍內(nèi)隨溫度升高而降低34個數(shù)量級，即具有很大的溫度系數(shù)。其主要材料是VO2，并添加一些金屬氧化物。2.1.2 半導體熱敏電阻半導體熱敏電阻2.熱敏電阻的主要參數(shù)熱敏電阻的主要參數(shù)v（1）標稱電阻R25v（2）電阻溫度系數(shù)t（）v（3）耗散常數(shù)（mW）v（4）材料常數(shù)B v（5）時間常數(shù)2.1.2 半導體熱敏電阻半導體熱敏電阻v 3.熱敏電阻的主要特性熱敏電阻的主要特性v （1）熱敏電阻的電阻溫度特性v （2）熱敏電阻的伏安特性t()RT()4060120160010010110210310410510612340.111010010-710-610-510-4

13、10-302560V(V)I(mA)圖圖2-1 2-1 熱敏電阻電阻熱敏電阻電阻溫度特性曲線溫度特性曲線圖圖2-2 NTC2-2 NTC熱敏電阻伏安特性曲線熱敏電阻伏安特性曲線2.1.2 半導體熱敏電阻半導體熱敏電阻v 4.熱敏電阻命名方法及常用熱敏電阻熱敏電阻命名方法及常用熱敏電阻 第一部分：主稱第二部分：類別第三部分：用途第四部分：序號字母含義字母含義數(shù)字含義M敏感電阻MPTC0本部分由數(shù)字表示，不同企業(yè)之間命名方法有所區(qū)別，通常包括標稱值、B值、允許偏差及外形等1普通2限流34延遲5測溫6控溫7消磁89恒溫FNTC0特殊1普通2穩(wěn)壓3微波測量4旁熱式5測溫6控溫7抑制浪涌8線性9表表2-

14、3 2-3 熱敏電阻型號命名方法熱敏電阻型號命名方法2.1.2 半導體熱敏電阻半導體熱敏電阻型號標稱值R25B值（K）耗散系數(shù)（mw/）額定功率（mw）時間常數(shù)（S）工作溫度（）MF113.333K27004050650030-55125MF126.8K5000K42505050650030-55125MF521K1000K3100450025015-55125MF581.5K1388K3920460025020-55200MF720.7400635-55200表表2-4 2-4 常用熱敏電阻主要參數(shù)常用熱敏電阻主要參數(shù)v 4.熱敏電阻命名方法及常用熱敏電阻熱敏電阻命名方法及常用熱敏電阻 2.

15、1.3 電阻式溫度傳感器的測量電路電阻式溫度傳感器的測量電路v 1.不平衡直流電橋不平衡直流電橋v 當電橋為單臂工作時，如圖2-3 (b)所示，設初始狀態(tài)時電橋達到平衡，輸出電壓U0=0。此時電橋上的各電阻的阻值分別為R10、R20、R30、R40，并滿足R10R40= R20R30。即電橋的平衡條件為R20 /R10 =R40 /R30v 假設R1為敏感元件，且R1= R10+R1，其它電阻均保持不變。在這種情況下，橋路不平衡輸出電壓為v 設橋臂比n =R20 /R10，由于R116?N報警YYNYN圖圖2-34 2-34 溫度采集系統(tǒng)軟件流程圖溫度采集系統(tǒng)軟件流程圖 2.3.2 集成溫度傳

16、感器應用集成溫度傳感器應用v 5. 基于基于I2C總線接口的智能溫度傳感器總線接口的智能溫度傳感器MAX6626及應用及應用v MAX6626主要特性為：v 內(nèi)含溫度傳感器和12位AD轉換器，測溫范圍是-55+125，分辨力可達0.0625。在-40+80范圍內(nèi)的測溫誤差小于或等于3，完成一次溫度數(shù)據(jù)轉換大約需要133ms。 v 帶I2C串行總線接口。串行時鐘頻率范圍0400kHz。利用I2C總線地址選擇端(ADD)，可選擇4片MAX6626。v 當被測溫度超過上限tH時，報警輸出端(OT)被激活。芯片既可工作在比較模式，亦可工作在中斷模式。v MAX6626具有掉電模式，主機通過串行口將配置

17、寄存器的DO置成高電平時，芯片就進入此模式，這時除上電重啟動電路和串行接口以外，其余電路均不工作。 v 利用內(nèi)部的故障排隊計數(shù)器，能防止出現(xiàn)誤報警現(xiàn)象。v 電源電壓范圍是+3.0+5.5V，靜態(tài)工作電流約為1mA，在掉電模式下降至1A。2.3.2 集成溫度傳感器應用集成溫度傳感器應用v 5. 基于基于I2C總線接口的智能溫度傳感器總線接口的智能溫度傳感器MAX6626及應用及應用圖圖2-35 MAX66262-35 MAX6626引腳排列引腳排列1 1）引腳功能）引腳功能SDASDA：I I2 2C C總線數(shù)據(jù)線。總線數(shù)據(jù)線。SCLSCL：I I2 2C C總線時鐘輸入?？偩€時鐘輸入。ADDA

18、DD：I I2 2C C地址設置腳，其設置方式地址設置腳，其設置方式見表見表2-52-5。OTOT：溫度告警輸出，采用漏極開路：溫度告警輸出，采用漏極開路輸出。輸出。2.3.2 集成溫度傳感器應用集成溫度傳感器應用v 5. 基于基于I2C總線接口的智能溫度傳感器總線接口的智能溫度傳感器MAX6626及應用及應用v （2）應用ADDSDASCLVSGNDOTADDSDASCLVSGNDOTADDSDASCLVSGNDOTADDSDASCLVSGNDOTI/O1I/O2MCUMAX6626-1MAX6626-2MAX6626-3MAX6626-4VT1VT2VT3VT45.1k5.1k5.1k5.

19、1k1k1kVcc圖圖2-36 MAX66262-36 MAX6626組成的溫度測量系統(tǒng)組成的溫度測量系統(tǒng)2.4 紅外測溫技術紅外測溫技術v 2.4.1 紅外測溫原理v 1. 紅外線及紅外輻射紅外線及紅外輻射v 紅外輻射的物理本質(zhì)是熱輻射，自然界中的任何物體，只要它的溫度高于絕對零度，都會有一部分能量以電磁波形式向外輻射，物體的溫度越高，輻射出來的紅外線就越多，輻射的能量就越強。紅外線有如下特點：v 紅外線易于產(chǎn)生，容易接收；v 紅外發(fā)光二極管，結構簡單，易于小型化，且成本低； v 紅外線調(diào)制簡單，依靠調(diào)制信號編碼可實現(xiàn)多路控制； v 紅外線不能通過遮擋物，不會產(chǎn)生信號串擾等誤動作； v 功率

20、消耗小，反應速度快； v 對環(huán)境無污染，對人、物無損害； v 抗干擾能力強。2.4.1 紅外測溫原理紅外測溫原理v 2. 紅外測溫原理紅外測溫原理v 紅外測溫是輻射式測溫的一種，在自然界中，一切溫度高于絕對零度的物體都會輻射紅外線，描述黑體輻射光譜分布的普朗克公式和黑體全輻射度與溫度關系的斯蒂芬一玻耳茲曼定律是輻射測溫法的基本理論依據(jù)，其關系式為v E=T4 v 同時探測器還可測出絕對黑體對應最大光譜輻出量的峰值波長max，依據(jù)維恩位移定律可知，它與熱力學溫度T成反比，即 maxT=b。這說明輻射出較高能量分子的數(shù)量會成正比地增加，即波長越短，能量越高。若已知熱力學溫度T，則可判斷其峰值輻射波

21、長max；若測得一個黑體輻射時的max，則可推知該黑體的表面熱力學溫度T。v 通過測量物體自身輻射的紅外能量可準確確定物體的表面溫度，即按事先規(guī)定的時間周期把輸入信號轉變?yōu)楣庾V信號，再通過簡單分析定性地得到物質(zhì)的大概發(fā)射率，并計算出物體對應的黑體光強輻射度，從而得到實際物體的大概溫度。2.4.1 紅外測溫原理紅外測溫原理v 3. 紅外探測器類型紅外探測器類型v 紅外傳感器一般由光學系統(tǒng)、探測器、信號調(diào)理電路及顯示單元等組成。紅外探測器是紅外傳感器的核心。紅外探測器是利用紅外輻射與物質(zhì)相互作用所呈現(xiàn)的物理效應來探 測紅外輻射的。紅外探測器的種類很多，按探測機理的不同，可分為熱探測器和光子探測器兩

22、大類。v 熱探測器主要有四類：熱釋電型、熱敏電阻型、熱電阻型和氣體型。2.4.1 紅外測溫原理紅外測溫原理v 3. 紅外探測器類型紅外探測器類型v 熱釋電型探測器v 熱釋電型紅外探測器是根據(jù)熱釋電效應制成的，即電石、水晶、酒石酸鉀鈉、鈦酸鋇等晶體受熱產(chǎn)生溫度變化時，其原子排列將發(fā)生變化，晶體自然極化，在其兩表面產(chǎn)生電荷的現(xiàn)象稱為熱釋電效應。v 用此效應制成的“鐵電體”，其極化強度(單位面積上的電荷)與溫度有關。當紅外輻射照射到已經(jīng)極化的鐵電體薄片表面上時，引起薄片溫度升高，使其極化強度降低，表面電荷減少，這相當于釋放一部分電荷，所以叫做熱釋電型傳感器。2.4.1 紅外測溫原理紅外測溫原理v 3

23、. 紅外探測器類型紅外探測器類型v 光子探測器v 利用光子效應制成的紅外探測器稱為光子探測器，光子探測器的工作機理是利用入射光輻射的光子流與探測器材料中的電子互相作用，從而改變電子的能量狀態(tài)，引起各種電學現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱為光子效應。光子探測器有內(nèi)光電和外光電探測器兩種，后者又分為光電導、光生伏特和光磁電探測器等三種。2.4.2 紅外測溫技術的應用紅外測溫技術的應用v 目前應用紅外診斷技術的測試設備比較多，如紅外測溫儀、紅外熱電視、紅外熱像儀等。紅外熱電視、紅外熱像儀等設備利用熱成像技術將這種看不見的“熱像”轉變成可見光圖像，使測試效果直觀、靈敏度高、可靠性高。它能檢測出設備細微的熱狀態(tài)變化，準

24、確反映設備外部及內(nèi)部的發(fā)熱情況，對發(fā)現(xiàn)設備隱患非常有效。紅外診斷技術對電氣設備的早期故障缺陷及絕緣性能做出可靠的預測，實現(xiàn)對電氣設備的預防性試驗維修。紅外狀態(tài)監(jiān)測和診斷技術具有遠距離、不接觸、不取樣、不解體，又具有準確、快速、直觀等特點。同時，實時在線監(jiān)測和診斷技術幾乎可以覆蓋所有電氣設備各種故障的檢測。因此，紅外檢測技術的應用，對提高電氣設備的可靠性與有效性，提高運行經(jīng)濟效益，降低維修成本都有很重要的意義。2.5 溫度測量傳感器性能比較溫度測量傳感器性能比較傳感器類型測量范圍（）靈敏度線性度（F.S）精度分辨力（）響應時間（S）特點熱電阻鉑銅-2006601.540.3150.015150鉑電阻精度高、穩(wěn)定性好、性能可靠。銅電阻溫度系數(shù)大，在-50150范圍內(nèi)線性度好銅電阻易于氧化、電阻率較低、機械強度較差熱敏電阻-2807000.5100.001100.515熱敏電阻具有負溫度系數(shù)，其靈敏度遠高于金屬熱電阻、熱電偶及其它熱敏元件；體積小、熱慣性小、適合快速測量；電阻值較高，接入測量儀表后，導線電阻變化對測量結果影響較小；功耗低、過載能力強、工作溫度范圍寬、壽命長、價格便宜與溫度呈非線性關系，互換性差熱電偶-2