測控傳感器溫側量學習課程

1、 溫度是諸多物理現(xiàn)象中具有代表性的物理量，是現(xiàn)代生活中不可溫度是諸多物理現(xiàn)象中具有代表性的物理量，是現(xiàn)代生活中不可缺少的信息內(nèi)容，更是科學實驗與工業(yè)過程控制中檢測的重要參數(shù)缺少的信息內(nèi)容，更是科學實驗與工業(yè)過程控制中檢測的重要參數(shù)。 許多生產(chǎn)過程和日常生活都是在一定溫度范圍內(nèi)進行的，需要溫許多生產(chǎn)過程和日常生活都是在一定溫度范圍內(nèi)進行的，需要溫度參數(shù)和溫度控制。如家用電器有：電飯煲、電冰箱、空調(diào)、微波度參數(shù)和溫度控制。如家用電器有：電飯煲、電冰箱、空調(diào)、微波爐這些家用電器中都少不了溫度傳感器。爐這些家用電器中都少不了溫度傳感器。隨著測溫技術的發(fā)展，測溫范圍和精度都有很大的提高，新型溫隨著測溫技

2、術的發(fā)展，測溫范圍和精度都有很大的提高，新型溫度傳感器不斷出現(xiàn)，如光纖、微波、超聲波、核磁共振（度傳感器不斷出現(xiàn)，如光纖、微波、超聲波、核磁共振（NQRNQR）等）等都獲得廣泛應用。都獲得廣泛應用。測溫系統(tǒng)主要由兩部分組成：傳感器及轉換顯示。測溫系統(tǒng)主要由兩部分組成：傳感器及轉換顯示。感溫元件轉換顯示R Rt tT第1頁/共45頁第一頁，編輯于星期三：九點 八分。溫度與溫 標p 溫度（Temperature）是表示物體冷熱程度的物理量，微觀上來講是物體分子熱運動的劇烈程度。攝氏溫標華氏溫標國際溫標 p 用來量度物體溫度數(shù)值的標尺叫溫標。它規(guī)定了溫度的讀數(shù)起點（零點）和測量溫度的基本單位。p 國

3、際上用得較多的溫標有華氏溫標(F)、攝氏溫標（C）、熱力學溫標(K)和國際實用溫標。p 從分子運動論觀點看，溫度是物體分子平均平動動能的標志, 是大量分子熱運動的集體表現(xiàn)，含有統(tǒng)計意義。第2頁/共45頁第二頁，編輯于星期三：九點 八分。物物理理現(xiàn)現(xiàn)象象體積熱膨脹電阻變化溫差電現(xiàn)象導磁率變化電容變化壓電效應超聲波傳播速度變化物質(zhì) 顏色PN結電動勢晶體管特性變化可控硅動作特性變化熱、光輻射種種類類熱電偶BaSrTiO3陶瓷石英晶體振動器超聲波溫度計示溫涂料 液晶半導體二極管晶體管半導體集成電路溫度傳感器可控硅輻射溫度傳感器 光學高溫計1.氣體溫度計氣體溫度計 2. 玻璃制水銀溫度計玻璃制水銀溫度計

4、3.玻璃制有機液體溫度計玻璃制有機液體溫度計 4.雙金屬溫度計雙金屬溫度計5.液體壓力溫度計液體壓力溫度計 6. 氣體壓力溫度計氣體壓力溫度計1.熱鐵氧體熱鐵氧體 2.Fe-Ni-Cu合金合金鉑測溫電阻、熱敏電阻第3頁/共45頁第三頁，編輯于星期三：九點 八分。u 本章將介紹一些測量溫度和溫度變化的裝置，測量溫度的裝置稱為溫度計，被用于高溫場合下測量溫度的裝置稱為高溫計。u 溫度計的類型很多，它們主要是利用以下原理進行溫度測量的： 液體受熱膨脹原理； 金屬受熱膨脹原理； 電阻隨溫度變化原理； 熱電動勢隨溫度變化原理； 物質(zhì)的熱輻射原理。第4頁/共45頁第四頁，編輯于星期三：九點 八分。6.1

5、液體膨脹溫度計n 液體膨脹溫度計的工作原理是：當溫度變化時，某種液體的體積變化較大，而相比之下，某種固體的體積變化量卻相對很小，液體的膨脹量可以以溫度變化的形式標定。n液體玻璃管溫度計清楚地說明了這個原理，在升高相同溫度時，玻璃的膨脹量相對于大多數(shù)液體的膨脹量來說是非常小的。第5頁/共45頁第五頁，編輯于星期三：九點 八分。6.1 .1 液體玻璃管溫度計p 圖示是一種典型的液體玻璃管溫度計。p 是一個中間是毛細管、兩端封閉的玻璃管。中間內(nèi)腔是一個裝有某種液體的圓柱形毛細管，在毛細管的下端有一個儲液腔，稱作感溫泡。p 毛細管一直通到頂部以提供一個液體的膨脹空間。p 當溫度計受熱時，液體膨脹，液柱

6、升高，液體的上部是真空或一種氣體，當液體膨脹時將受壓石刻度標定在柱狀管的表面，毛細管內(nèi)液體的高度與所側溫度成正比。第6頁/共45頁第六頁，編輯于星期三：九點 八分。u 液體玻璃管溫度計中常用的液體有水銀、酒精或合成油等。u 還有一些其他的液體，適合于更特殊的條件，如由于水銀有毒，從安全性出發(fā)，在一些易破損的情況下不使用水銀(萬一破裂時傷害人體)。u 溫度計中液體的選擇取決于所測溫度的范圍，在測量范圍內(nèi)，要求其保證不結冰、不氣化，而且體積的變化應該與溫度的變化成線性關系。u水銀玻璃管溫度計的測溫范圍大約是323783K（-50510 ），而酒精玻璃管溫度計大約是193343K(-80+70)。第

7、7頁/共45頁第七頁，編輯于星期三：九點 八分。p 液體玻璃管溫度計主要用于在醫(yī)學上測量人或動物的體溫，一個常見的應用是在家庭和氣象方面測量氣溫。p 高精度的水銀溫度計被用作標準（1、2等）溫度計。p 液體玻璃管溫度計價格低廉，使用方便，工作可靠，但易破碎，需要小心操作，應放置在不易被其他物體碰撞及免受振動的地方。p 它對快速的溫度變化反應遲鈍，只能用于近距離讀數(shù)，準確性在很大程度上依賴于讀數(shù)者的經(jīng)驗，且不適合于表面溫度的測量，p 在工業(yè)上的應用很有限(有時也有應用，比如側量管線溫度)。第8頁/共45頁第八頁，編輯于星期三：九點 八分。液體金屬管溫度計u 液體金屬管溫度計與液體玻璃管溫度計的工

8、作原理相同，即液體的膨脹可以用溫度的單位來標定。u 圖示是一個典型的液體金屬管溫度計。它有一個金屬感溫泡(不銹鋼)，里面是液體，常用水銀或酒精。感溫泡有時工作在壓力作用下。第9頁/共45頁第九頁，編輯于星期三：九點 八分。u金屬感溫泡與毛細管相連，與液體玻璃管溫度計不同的是，溫度值不是通過毛細管里的液柱升高來讀取，而是用柔性管連接到波登壓力表上讀取，并以溫度的形式反映出來。u當溫度升高時其內(nèi)部的液體膨脹，波登管隨之會輕微地變直，齒輪和聯(lián)動裝置將放大此形變量并傳給指針，這個指針能夠在刻度盤上轉動，直接指示出溫度值。u 液體金屬管溫度計的主要優(yōu)點是比液體玻璃管溫度計結實，適合于較遠距離測量(可達到

9、約35m)，但波登管或柔性毛細管的溫度變化易產(chǎn)生誤差，而且比液體玻璃管溫度計的價格更高。u 液體金屬管溫度計的主要應用是在化工廠、車輛工程以及某種金屬熔液(熔化狀態(tài))的溫度測量。第10頁/共45頁第十頁，編輯于星期三：九點 八分。6.2 金屬膨脹及雙金屬片溫度計n 雙金屬片溫度計是常見的利用金屬膨脹原理測量溫度的傳感器。n 雙金屬片由兩個長度相同但材料不同的金屬片通過鉚接、焊接、或粘接固定在一起組成，兩個金屬片的膨脹系數(shù)不同。膨脹系數(shù)較小的鐵鎳合金片和另一個膨脹系數(shù)較高的金屬(如黃銅)片組成。n 雙金屬片傳感器用于自動調(diào)溫器和雙金屬測溫計中，也應用于機電元件。第11頁/共45頁第十一頁，編輯于

10、星期三：九點 八分。雙金屬自動調(diào)溫器(溫控器)u 雙金屬片可以被固定在電路中，以便當其受熱彎曲，或冷卻變直時它能夠接通或斷開電路中的觸點，以控制電路的閉合或斷開。u溫控器就是利用這種原理控制加熱裝置的。u除了家用溫控器外，其他溫控開關的典型應用還有電熨斗、浸入式熱水器、魚缸、烤箱和電爐。第12頁/共45頁第十二頁，編輯于星期三：九點 八分。雙金屬片溫度計u 工業(yè)用雙金屬溫度計主要的元件是一個用兩種或多種金屬片疊壓在一起組成的多層金屬片。u 能自動連續(xù)記錄氣溫變化的儀器，為提高測溫靈敏度，通常將雙金屬溫度計金屬片雙金屬溫度計制成螺旋卷形狀。u 當多層金屬片的溫度改變時，各層金屬膨脹或收縮量不等，

11、使得螺旋卷卷起或松開。u 螺旋卷的一端固定而另一端和一可以自由轉動的指針相連，兩種金屬在溫度變化時體積變化量不一樣，因此會發(fā)生彎曲。u 將其一端固定，另一端隨溫度變化而發(fā)生位移，位移量與氣溫接近線性關系。第13頁/共45頁第十三頁，編輯于星期三：九點 八分。n 雙金屬片溫度計用于側量烤箱、熱水管道、蒸汽室的溫度測量。它緊湊而結實，無需電源，價格低廉，可以測量238873K(35+600)的溫度。n 雙金屬片老化的影響，需要定期校準，不能應用于遠程測量，對溫度變化的反應也較慢。第14頁/共45頁第十四頁，編輯于星期三：九點 八分。6.3 熱電阻p 大多數(shù)金屬的電阻隨著其溫度的升高而增大，電阻和溫

12、度的關系在一定的范圍內(nèi)成線性關系，并且可以用下式來表示：式中 R0在0時導體的電阻，單位為； Rt在T時導體的電阻，單位為； 材料的電阻溫度系數(shù)，單位為-1電阻溫度系數(shù) ，此系數(shù)隨材料的不同而變化。第15頁/共45頁第十五頁，編輯于星期三：九點 八分。常用金屬的電阻溫度系數(shù)第16頁/共45頁第十六頁，編輯于星期三：九點 八分。熱電阻溫度計 按IEC（國際電工委員會 ）標準 鉑熱電阻阻值與溫度變化范圍之間的關系近似為：-200O +0850 式中： 0RtR為溫度 00 C和 0tC時的電阻值A、B、C 為常數(shù)，t值的大小與有關為 的公稱值00 C0R2301100tRRAtBtC tt201t

13、RRAtBt1、鉑熱電阻第17頁/共45頁第十七頁，編輯于星期三：九點 八分。0010 ,100RR分度號分別為：PtPt1010、PtPt100 100 目前我國規(guī)定工業(yè)用鉑熱電阻有兩種公稱值：國際溫標ITS90ITS90標準中, A、B、C 常數(shù)規(guī)定為；3721243.9083 10/5.775 10/4.183 10/ACBCCC 2301100tRRAtBtC tt201tRRAtBt第18頁/共45頁第十八頁，編輯于星期三：九點 八分。第19頁/共45頁第十九頁，編輯于星期三：九點 八分。 2、 銅熱電阻u 銅電阻的缺點是電阻率小銅電阻的缺點是電阻率小.所以制成相同阻值的電阻時，所以

14、制成相同阻值的電阻時，銅電阻絲要細，這樣機械強度就不高，或者就要長，使體積銅電阻絲要細，這樣機械強度就不高，或者就要長，使體積增大。此外銅很容易氧化，所以它的工作上限為增大。此外銅很容易氧化，所以它的工作上限為150 C 。但銅電阻價格便宜，因此仍被廣泛采用。但銅電阻價格便宜，因此仍被廣泛采用。u 在一般測量精度要求不高、溫度較低的場合，普遍地在一般測量精度要求不高、溫度較低的場合，普遍地使用銅電阻。它可用來測量使用銅電阻。它可用來測量50150 C 的溫度，在的溫度，在這溫度范圍內(nèi)，銅電阻和溫度呈線性關系：這溫度范圍內(nèi)，銅電阻和溫度呈線性關系：式中，第20頁/共45頁第二十頁，編輯于星期三：

15、九點 八分。(1) 二線制：在熱電阻的兩端各連接一根導線來引出電阻信號的方式叫二線制：這種引線方法很簡單，但由于連接導線必然存在引線電阻r，r大小與導線的材質(zhì)和長度的因素有關，因此這種引線方式只適用于測量精度較低的場合 (2) 三線制：在熱電阻的根部的一端連接一根引線，另一端連接兩根引線的方式稱為三線制，這種方式通常與電橋配套使用，可以較好的消除引線電阻的影響，是工業(yè)過程控制中的最常用的。 (3) 四線制：在熱電阻的根部兩端各連接兩根導線的方式稱為四線制，其中兩根引線為熱電阻提供恒定電流I，把R轉換成電壓信號U，再通過另兩根引線把U引至二次儀表?？梢娺@種引線方式可完全消除引線的電阻影響，主要用

16、于高精度的溫度檢測。熱電阻的測量電路第21頁/共45頁第二十一頁，編輯于星期三：九點 八分。熱電阻二線制接法第22頁/共45頁第二十二頁，編輯于星期三：九點 八分。熱電阻三線制接法第23頁/共45頁第二十三頁，編輯于星期三：九點 八分。第24頁/共45頁第二十四頁，編輯于星期三：九點 八分。用4線制接法消除引線電阻的影響第25頁/共45頁第二十五頁，編輯于星期三：九點 八分。第26頁/共45頁第二十六頁，編輯于星期三：九點 八分。熱敏電阻溫度計熱敏電阻的特點熱敏電阻的特點 1 1電阻溫度系數(shù)的范圍甚寬電阻溫度系數(shù)的范圍甚寬 有正、負溫度系數(shù)和在某一特定溫度區(qū)域內(nèi)阻值突變的三種有正、負溫度系數(shù)和

17、在某一特定溫度區(qū)域內(nèi)阻值突變的三種熱敏電阻元件。電阻溫度系數(shù)的絕對值比金屬大熱敏電阻元件。電阻溫度系數(shù)的絕對值比金屬大1010100100倍左右。倍左右。 2 2材料加工容易、性能好材料加工容易、性能好 可根據(jù)使用要求加工成各種形狀，特別是能夠作到小型化。目可根據(jù)使用要求加工成各種形狀，特別是能夠作到小型化。目前，最小的珠狀熱敏電阻其直徑僅為前，最小的珠狀熱敏電阻其直徑僅為 0.2mm0.2mm。 3 3阻值在阻值在1 110M10M之間可供自由選擇之間可供自由選擇 使用時，一般可不必考慮線路引線電阻的影響；由于其功耗小、使用時，一般可不必考慮線路引線電阻的影響；由于其功耗小、故不需采取冷端溫

18、度補償，所以適合于遠距離測溫和控溫使用。故不需采取冷端溫度補償，所以適合于遠距離測溫和控溫使用。 第27頁/共45頁第二十七頁，編輯于星期三：九點 八分。 4 4穩(wěn)定性好穩(wěn)定性好 商品化產(chǎn)品已有商品化產(chǎn)品已有3030多年歷史，加之近年在材料與工藝上不斷得到多年歷史，加之近年在材料與工藝上不斷得到改進。據(jù)報道，在改進。據(jù)報道，在0.010.01的小溫度范圍內(nèi)，其穩(wěn)定性可達的小溫度范圍內(nèi)，其穩(wěn)定性可達0.00020.0002的的精度。相比之下，優(yōu)于其它各種溫度傳感器。精度。相比之下，優(yōu)于其它各種溫度傳感器。 5 5原料資源豐富，價格低廉原料資源豐富，價格低廉 燒結表面均已經(jīng)玻璃封裝。故可用于較惡劣

19、環(huán)境條件；另燒結表面均已經(jīng)玻璃封裝。故可用于較惡劣環(huán)境條件；另外由于熱敏電阻材料的遷移率很小，故其性能受磁場影響很小，外由于熱敏電阻材料的遷移率很小，故其性能受磁場影響很小，這是十分可貴的特點。這是十分可貴的特點。第28頁/共45頁第二十八頁，編輯于星期三：九點 八分。 MF12MF12型型NTCNTC熱敏電阻熱敏電阻聚脂塑料封裝熱敏電阻聚脂塑料封裝熱敏電阻第29頁/共45頁第二十九頁，編輯于星期三：九點 八分。 玻璃封裝玻璃封裝NTCNTC熱敏電阻熱敏電阻MF58 MF58 型熱敏電阻型熱敏電阻第30頁/共45頁第三十頁，編輯于星期三：九點 八分。 貼片式貼片式NTCNTC熱敏電阻熱敏電阻第

20、31頁/共45頁第三十一頁，編輯于星期三：九點 八分。熱敏電阻的類型熱敏電阻的類型熱敏電阻有熱敏電阻有負溫度系數(shù)負溫度系數(shù)（NTCNTC: : negative temperature coefficient ）和）和正正溫度系數(shù)溫度系數(shù)（PTCPTC: : positive temperature coefficient ）之分。）之分。NTCNTC又可分為兩大類：又可分為兩大類： 第一類用于測量溫度，它的電阻值與溫度之間呈嚴格的負指數(shù)關第一類用于測量溫度，它的電阻值與溫度之間呈嚴格的負指數(shù)關系；系； 第二類為突變型（第二類為突變型（CTR: CTR: critical temperatur

21、e coefficient ）。）。當溫度上升到某臨界點時，其電阻值突然下降當溫度上升到某臨界點時，其電阻值突然下降 。第32頁/共45頁第三十二頁，編輯于星期三：九點 八分。負電阻溫度系數(shù)負電阻溫度系數(shù)熱敏電阻的溫度特性熱敏電阻的溫度特性R RT T、R RT0T0溫度為溫度為T T、T T0 0時熱敏電阻器的電阻值；時熱敏電阻器的電阻值； B BN N NTCNTC熱敏電阻的材料常數(shù)。熱敏電阻的材料常數(shù)。011exp0TTBRRNTTNTCNTC的電阻的電阻溫度關系的一般數(shù)學表達式為：溫度關系的一般數(shù)學表達式為：如果以如果以lnlnR RT T、1/1/T T分別作為縱坐標和橫坐標，則上式

22、是一條斜率分別作為縱坐標和橫坐標，則上式是一條斜率為為B BN N ，通過點，通過點(1/(1/T T，lnlnR RT T) )的一條直線的一條直線, ,如圖。如圖。0ln11ln0TNTRTTBR第33頁/共45頁第三十三頁，編輯于星期三：九點 八分。 為了使用方便，常取環(huán)境溫度為為了使用方便，常取環(huán)境溫度為2525作為參考溫度（即作為參考溫度（即T T0 0=25=25），則），則NTCNTC熱敏電阻器的電阻熱敏電阻器的電阻溫度關系式：溫度關系式：29811exp25TBRRNT02550751001250.511.522.533.5(25C,1)RT / RT0-T特性曲線RT/R25

23、T第34頁/共45頁第三十四頁，編輯于星期三：九點 八分。熱敏電阻的測量電路熱敏電阻的測量電路(a) (a) 分壓測量電路分壓測量電路 (b) (b) 電橋測量電路電橋測量電路00111lnTTUTBUT測量電路的輸出電壓值與被測溫度的關系為測量電路的輸出電壓值與被測溫度的關系為: : 第35頁/共45頁第三十五頁，編輯于星期三：九點 八分。熱敏電阻的恒溫控制電路第36頁/共45頁第三十六頁，編輯于星期三：九點 八分。6.4 熱電偶 熱電偶是利用金屬的溫差電動勢測溫 特點：耐高溫、精度高，可測量上千度； 結構：為兩種不同類型的金屬導體，導體兩端分別接在一起構成閉合回路，當兩個結點溫度不等有溫差時（TT0），回路里會產(chǎn)生熱電勢，形成電流，這種現(xiàn)象稱為熱電效應。利用這種效應，只要知道一端結點溫度，通過熱電勢就可以測出另一端結點的溫度。第37頁/共45頁第三十七頁，編輯于星期三：九點 八分?；鶞庶c或稱（冷端）T0，固定溫度的接點，恒定在某一標準溫度；冷端標準溫度為冰點（0）。 測溫點或稱（熱端）T，待測溫度的接點，置于被測溫度場中。熱電偶冷端冰點測溫方法熱電偶冷端冰點測溫方法 這種將溫度轉換成熱電動勢的傳感器稱熱電偶，金屬電極稱熱電極; 金屬的熱電勢由兩部分組成：接觸電勢、