熱電式傳感器傳感器PPT演示課件(PPT 110頁)

1、第十二章 熱電式傳感器12.1 概述12.2 熱電偶測溫傳感器12.3 熱電阻式傳感器12.4 半導(dǎo)體P-N結(jié)測溫傳感器12.5 集成溫度傳感器12.6 非接觸式溫度測量系統(tǒng)下一頁返 回1第1頁，共110頁。1. 熱電效應(yīng) 12.2 熱電偶測溫傳感器12.2.1 熱電偶的工作原理 先看一個實驗熱電偶工作原理演示 結(jié)論：當(dāng)兩個結(jié)點溫度不相同時，回路中將產(chǎn)生電動勢。 熱電極A右端稱為：自由端（參考端、冷端） 左端稱為：測量端（工作端、熱端） 熱電極B熱電勢AB2第2頁，共110頁。 熱電偶的工作原理是基于物體的熱電效應(yīng)。由兩種不同材料的導(dǎo)體A和B 組成閉合回路。當(dāng)兩個結(jié)點溫度不同時，回路中將產(chǎn)生電

2、動勢。如果將回路中接入一個毫安表，則毫安表的指針將發(fā)生偏轉(zhuǎn)。這種現(xiàn)象即稱為熱電效應(yīng)或塞貝克效應(yīng)。兩種不同材料的導(dǎo)體所組成的回路稱為“熱電偶”。組成熱電偶的導(dǎo)體稱為“熱電極”。熱電偶所產(chǎn)生的電動勢稱為熱電動勢。熱電偶的兩個結(jié)點中，置于溫度為T的被測對象中的結(jié)點稱之為測量端，又稱為工作端或熱端，而置于參考溫度為T0的另一結(jié)點稱之為參考端，又稱自由端或冷端。3第3頁，共110頁。（1 ）接觸電動勢接觸電勢溫差電勢 若金屬A的自由電子濃度大于金屬B的，則在同一瞬間由A擴(kuò)散到B的電子將比由B擴(kuò)散到A的電子多，因而A對于B因失去電子而帶正電，B獲得電子而帶負(fù)電，在接觸處便產(chǎn)生電場。A、B之間便產(chǎn)生了一定的

3、接觸電動勢。熱電勢 EAB( T,T0 )4第4頁，共110頁。接觸電動勢的大小與兩種金屬的材料、接點的溫度有關(guān)，與導(dǎo)體的直徑、長度及幾何形狀無關(guān)。 對于溫度為T的結(jié)點，有下列接觸電動勢公式：上式說明接觸電動勢的大小與接點溫度的高低及導(dǎo)體中的電子密度有關(guān)。 5第5頁，共110頁。回路的總接觸電動勢為：上式說明接觸電動勢的大小與接點溫度的高低及導(dǎo)體的性質(zhì)有關(guān)。如果兩接觸點的溫度相同，盡管兩接觸點處都存在接觸電勢，但回路中總接觸電勢等于零。 6第6頁，共110頁。 對于任何一種金屬，當(dāng)其兩端溫度不同時，兩端的自由電子濃度也不同，溫度高的一端濃度大，具有較大的動能；溫度低的一端濃度小，動能也小。因此

4、高溫端的自由電子要向低溫端擴(kuò)散，高溫端因失去電子而帶正電，低溫端得到電子而帶負(fù)電，形成溫差電動勢，又稱湯姆森電動勢。（2）溫差電動勢7第7頁，共110頁。溫差電動勢的大小取決于導(dǎo)體的材料及兩端的溫度。導(dǎo)體A兩端的溫差電動勢可用下式表示：eA（T，T0）導(dǎo)體A兩端溫度分別為T、T0時形成的溫差電動勢；T、T0高、低溫端的絕對溫度；A湯姆遜系數(shù)，表示導(dǎo)體A兩端的溫度差為1時所產(chǎn)生的溫差電動勢。8第8頁，共110頁。同樣導(dǎo)體B兩端的溫差電動勢如下式所示： 回路的總的溫差電勢為： 上式說明溫差電動勢的大小與接點溫度的高低及導(dǎo)體的性質(zhì)有關(guān)。如果兩接觸點的材料相同，盡管兩個導(dǎo)體都存在溫差電勢，但回路中總溫

5、差電勢等于零。 9第9頁，共110頁。圖12-4 閉合回路總的熱電勢ABTT0-eA(T,T0)eB(T,T0)eAB(T)eAB(T0)(3) 回路總電動勢10第10頁，共110頁。 由于在金屬中自由電子數(shù)目很多，溫度對自由電子密度的影響很小，故溫差電動勢可以忽略不計，在熱電偶回路中起主要作用的是接觸電動勢，則 有在標(biāo)定熱電偶時，一般使T0為常數(shù)，則 11第11頁，共110頁。 熱電偶回路的熱電動勢只與組成熱電偶的材料及兩端接點的溫度有關(guān)；與熱電偶的長度、粗細(xì)、形狀無關(guān)。2. 熱電偶基本性質(zhì) 只有用不同性質(zhì)的材料才能組合成熱電偶，相同材料不會產(chǎn)生熱電動勢。 因為當(dāng)A、B兩種導(dǎo)體是同一種材料時

6、， ln（nA/nB）=0，所以EAB（T，T0）=0。12第12頁，共110頁。 只有當(dāng)熱電偶兩端溫度不同時，不同材料組成的熱電偶才能有熱電動勢產(chǎn)生；當(dāng)熱電偶兩端溫度相同時，不同材料組成的熱電偶也不產(chǎn)生熱電動勢，即EAB（T，T0）=0。 導(dǎo)體材料確定后，熱電動勢的大小只與熱電偶兩端的溫度有關(guān)。如果使eAB（T0）=常數(shù)，則回路熱電動勢EAB（T， T0 ）就只與溫度T有關(guān)，而且是T的單值函數(shù)，這就是利用熱電偶測溫的基本原理。13第13頁，共110頁。 對于有幾種不同材料串聯(lián)組成的閉合回路，若各接點溫度分別為T1、T2TN ，閉合回路總的熱電動勢為： 14第14頁，共110頁。3. 熱電偶基

7、本定律 (1) 均質(zhì)導(dǎo)體定律 如果熱電偶回路中的兩個熱電極材料相同，無論兩接點的溫度如何，熱電動勢均為零；反之，如果有熱電動勢產(chǎn)生，兩個熱電極的材料則一定是不同的。 根據(jù)這一定律，可以檢驗兩個熱電極材料的成分是否相同(稱為同名極檢驗法)，也可以檢查熱電極材料的均勻性。15第15頁，共110頁。(2) 中間導(dǎo)體定律在熱電偶回路中接入第三種導(dǎo)體C，只要第三種導(dǎo)體的兩接點溫度相同，則回路中總的熱電動勢不變。右圖回路中的總電動勢為： T0T0BTAC16第16頁，共110頁。如果回路中三個接點的溫度都相同，即TT0，則回路總電動勢必為零，即：即則17第17頁，共110頁。如果按右圖接入第三種導(dǎo)體C，則

8、回路中的總電動勢為：T1CT0T1TBA而所以18第18頁，共110頁。(3) 標(biāo)準(zhǔn)電極定律如果兩種導(dǎo)體分別與第三種導(dǎo)體組成的熱電偶所產(chǎn)生的熱電動勢已知，則由這兩種導(dǎo)體組成的熱電偶所產(chǎn)生的熱電動勢也就可知。T0TEAB (T,T0)ABT0TEAC(T,T0)ACT0TEBC (T,T0)BC19第19頁，共110頁。兩式相減得：20第20頁，共110頁。若一個熱電偶由A、B、C三種導(dǎo)體組成，且回路中三個接點的溫度都相同，則回路總電動勢必為零，即： 或21第21頁，共110頁。即導(dǎo)體A與B組成的熱電偶的熱電動勢也可知。代入上式可得：22第22頁，共110頁。解：由標(biāo)準(zhǔn)電極定律，鎳鉻和考銅熱電偶

9、的熱電動勢應(yīng)等于鎳鉻合金與純鉑熱電偶與考銅與純鉑熱電偶的熱電動勢的差，即例 熱端為100、冷端為0時，鎳鉻合金與純鉑組成的熱電偶的熱電動勢為2.95mV，而考銅與純鉑組成的熱電偶的熱電動勢為-4.0mV，求鎳鉻和考銅組合而成的熱電偶所產(chǎn)生的熱電動勢。2.95mV-(-4.0mV)=6.95mV23第23頁，共110頁。BBA Tn T T0 AAB(4) 中間溫度定律熱電偶在兩接點溫度分別為T、T0時的熱電動勢等于該熱電偶在接點溫度分別為T、Tn和接點溫度分別為Tn、T0時的相應(yīng)熱電動勢的代數(shù)和。24第24頁，共110頁。證明：即：對于冷端溫度不是零度時，熱電偶如何分度表的問題提供了依據(jù)。25

10、第25頁，共110頁。當(dāng)Tn=0時，則：上式說明：只要A、B組成的熱電偶在冷端溫度為零時的“熱電動勢 溫度”關(guān)系已知，則它在冷端溫度不為零時的熱電動勢即可知。26第26頁，共110頁。 中間溫度定律表明：當(dāng)在原來熱電偶回路中分別引入與導(dǎo)體材料A、B相同熱電特性的材料C、D即引入所謂補償導(dǎo)線時，只要它們之間連接的兩點溫度相同，則總回路的熱電動勢與兩連接點溫度無關(guān)，只與熱電偶兩端的溫度有關(guān)。27第27頁，共110頁。熱電偶補償導(dǎo)線接線圖ABTTnTnCDT0T0M由于A與C、B與D的熱電特性相同，由熱電偶的基本性質(zhì)可知：eAC（Tn）= eBD（Tn）=0，則回路總電動勢為:28第28頁，共110

11、頁。PT100分度表溫度阻值溫度阻值溫度阻值溫度阻值-5080.3120107.7990134.71160161.05-4084.2730111.67100138.51170164.77-3088.2240115.54110142.29180168.48-2092.1650119.40120146.07190172.17-1096.0960123.24130149.83200175.86010070127.08140153.5810103.9080130.90150157.3329第29頁，共110頁。12.2.2 常用熱電偶的結(jié)構(gòu)1. 普通工業(yè)用裝配式熱電偶圖12-9 工業(yè)用裝配式熱電偶結(jié)構(gòu)

12、示意圖接線盒保險套管絕緣套管熱電偶絲30第30頁，共110頁。1322鎧裝（或套管式）熱電偶的結(jié)構(gòu)由熱電偶絲、絕緣材料，金屬套管三者拉細(xì)組合而成一體。又由于它的熱端形狀不同，可分為兩種形式如圖。圖12-1 鎧裝熱電偶斷面結(jié)構(gòu)示意1 金屬套管; 2絕緣材料; 3熱電極 (a)接殼式(b)絕緣式圖12-11 接殼式與絕緣式熱電偶斷面結(jié)構(gòu)示意圖31第31頁，共110頁。3快速反應(yīng)薄膜熱電偶用真空蒸鍍等方法使兩種熱電極材料蒸鍍到絕緣板上而形成薄膜裝熱電偶。其熱接點極薄(0.010.lm)。4123快速反應(yīng)薄膜熱電偶1熱電極; 2熱接點;3絕緣基板; 4引出線特別適用于對壁面溫度的快速測量。反應(yīng)時間僅為

13、幾ms。 32第32頁，共110頁。 4快速消耗微型熱電偶 可測鋼水的溫度。用直徑為0.050.lmm的鉑銠10一鉑銠30熱電偶裝在U型石英管中，再鑄以高溫絕緣水泥，外面再用保護(hù)鋼帽所組成。14235678911101鋼帽； 2石英； 3紙環(huán)； 4絕熱泥；5冷端； 6棉花；7絕緣紙管； 8補償導(dǎo)線；9套管； 10塑料插座； 11簧片與引出線33第33頁，共110頁。12.2.3 熱電偶材料 用作熱電極的材料應(yīng)具備下面的條件： 溫度測量范圍廣。要求在規(guī)定的溫度測量范圍內(nèi)有較高的測量精確度，有較大的熱電動勢。溫度與熱電動勢的關(guān)系是單值函數(shù)，最好是呈線性關(guān)系。 性能穩(wěn)定。要求在規(guī)定的溫度測量范圍內(nèi)使

14、用時熱電性能穩(wěn)定，均勻性和復(fù)現(xiàn)性好。34第34頁，共110頁。 物理化學(xué)性能好。要求在規(guī)定的溫度測量范圍內(nèi)有良好的化學(xué)穩(wěn)定性、抗氧化性或抗還原性能。滿足上述條件的熱電偶材料并不很多。我國把性能符合專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或國家標(biāo)準(zhǔn)并具有統(tǒng)一分度表的熱電偶材料稱為定型熱電偶材料。35第35頁，共110頁。從1988年1月1日起，我國熱電偶和熱電阻的生產(chǎn)全部按國際電工委員會（IEC）的標(biāo)準(zhǔn)，并指定S、B、E、K、R、J、T七種標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶為我國統(tǒng)一設(shè)計型熱電偶。但其中的R型（鉑銠13-鉑）熱電偶，因其溫度范圍與S型（鉑銠10-鉑）重合,我國沒有生產(chǎn)和使用。12.2.4 熱電偶的種類1. 標(biāo)準(zhǔn)型熱電偶36第36頁，

15、共110頁。(1) 鉑銠30-鉑銠6熱電偶（分度號B）它的正極是鉑銠絲(鉑70%，銠30%)，負(fù)極也是鉑銠絲(鉑94%，銠6%)，俗稱雙鉑銠。測量溫度最高長期可達(dá)1600，短期可達(dá)1800。優(yōu)點是材料性能穩(wěn)定，測量精度高，測溫上限高。缺點是在還原性氣體中易被侵蝕，成本高。 37第37頁，共110頁。(2) 鉑銠10-鉑熱電偶（分度號S）正極是鉑銠絲(鉑90%，銠l0%)，負(fù)極是純鉑絲。測量溫度最高長期可達(dá)1300，短期可達(dá)1600，一般用來測量1000以上的高溫。優(yōu)點是材料性能穩(wěn)定；測量準(zhǔn)確度較高，可做成標(biāo)準(zhǔn)熱電偶或基準(zhǔn)熱電偶；抗氧化性強，宜在氧化性、惰性氣氛中工作。38第38頁，共110頁。

16、缺點是在高溫還原性氣體中（如氣體中含C、H2等）易被侵蝕，需要用保護(hù)套管；另外其熱電極材料屬貴金屬，成本較高，熱電勢也較弱。國際溫標(biāo)中規(guī)定它為630.741064.43溫度范圍內(nèi)復(fù)現(xiàn)溫標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)儀器。39第39頁，共110頁。正極是鎳鉻合金(88.489.7鎳、910鉻，0.6硅，0.3錳，0.40.7鈷)，負(fù)極為鎳硅(鎳95.797鎳,23硅,0.40.7鈷)。測溫范圍為-200+1300。優(yōu)點是測溫范圍很寬、熱電動勢與溫度關(guān)系近似線性、熱電動勢大、高溫下抗氧化能力強、價格低，所以在工業(yè)上應(yīng)用廣泛。(3) 鎳鉻-鎳硅熱電偶（分度號K）40第40頁，共110頁。缺點是熱電動勢的穩(wěn)定性和精度較B型

17、或S型熱電偶差，在還原性氣體和含有SO2、H2S等氣體中易被侵蝕。測量溫度長期可達(dá)1000，短期可達(dá)1300。(4) 鎳鉻-銅鎳熱電偶（分度號E）正極是鎳鉻合金，負(fù)極是銅鎳合金(銅55%，鎳45%)。測溫范圍為-200+1000。優(yōu)點是熱電動勢較其他常用熱電偶大。適宜在氧化性或惰性氣氛中工作。41第41頁，共110頁。 正極是鐵,負(fù)極是銅鎳合金。測溫范圍-200+1300。 其特點是價格低、熱電動勢較大（僅次于E型熱電偶）、靈敏度高（約為53V/）、線性度好、價格便宜，可在800以下的還原介質(zhì)中使用。主要缺點是鐵極易氧化。 (5) 鐵-銅鎳熱電偶（分度號J）42第42頁，共110頁。 正極是銅

18、，負(fù)極是銅鎳合金，測溫范圍為-200+400，熱電勢略高于鎳鉻-鎳硅熱電偶，約為43V/。優(yōu)點是精度高、復(fù)現(xiàn)性好、穩(wěn)定性好、價格便宜。缺點是銅極易氧化，故在氧化性氣氛中使用時，一般不能超過300。(6) 銅-銅鎳熱電偶（分度號T） 在0-100范圍內(nèi)，銅-銅鎳熱電偶已被定為三級標(biāo)準(zhǔn)熱電偶，用以檢測低溫儀表的精度，誤差不超過0.1。43第43頁，共110頁。 銥和銥合金熱電偶： 如銥50銠銥10釕、銥銠40-銥、銥銠60-銥熱電偶。它能在氧化環(huán)境中測量高達(dá)2100的高溫，且熱電動勢與溫度關(guān)系線性好。2. 非標(biāo)準(zhǔn)型熱電偶 鎢錸熱電偶： 60年代發(fā)展起來的，是目前一種較好的高溫?zé)犭娕?，可使用在真空?/p>

19、性氣體介質(zhì)或氫氣介質(zhì)中，但高溫抗氧能力差。 國產(chǎn)鎢錸3-鎢錸25、鎢錸-鎢錸20熱電偶使用溫度范圍在3002000，分度精度為1。主要用于鋼水連續(xù)測溫、反應(yīng)堆測溫等場合。44第44頁，共110頁。 金鐵鎳鉻熱電偶 主要用在低溫測量，可在2273K范圍內(nèi)使用，靈敏度約為10V。 鈀鉑銥15熱電偶 是一種高輸出性能的熱電偶，在1398時的熱電勢為47.255mV，比鉑銠10鉑熱電偶在同樣溫度下的熱電勢高出3倍，因而可配用靈敏度較低的指示儀表，常應(yīng)用于航空工業(yè)。45第45頁，共110頁。 12.2.5 熱電偶的冷端補償方法 1. 冷端恒溫法(1) 冰點槽法 將熱電偶的冷端置于冰點槽內(nèi)(冰水混合物)，

20、使冷端溫度處于0，如圖所示。為了避免冰水導(dǎo)電引起兩個連接點短路，必須把連接點分別置于兩個玻璃試管里，浸入同一冰點槽，使相互絕緣。這種裝置通常用于實驗室或精密的溫度測量。46第46頁，共110頁。mVABT銅導(dǎo)線銅導(dǎo)線試管補償導(dǎo)線熱電偶冰點槽冰水溶液T0儀表補償導(dǎo)線圖12-13 冰點槽法47第47頁，共110頁。(2) 其他恒溫器 將熱電偶的冷端置于各種恒溫器內(nèi)，使之保持溫度恒定，避免由于環(huán)境溫度的波動而引入誤差。這類恒溫器可以是盛有變壓器油的容器，利用變壓器油的熱惰性恒溫；也可以是電加熱的恒溫器。這類恒溫器的溫度不是0，所以最后還需對熱電偶進(jìn)行冷端溫度修正。48第48頁，共110頁。2. 補償

21、導(dǎo)線法 利用補償導(dǎo)線，將熱電偶的冷端延伸到溫度恒定的場所(如儀表室)。 根據(jù)中間溫度定律，只要熱電偶的兩個熱電極分別與兩補償導(dǎo)線的接點溫度一致，就不會影響熱電動勢的輸出。49第49頁，共110頁。 若冷端溫度恒定，但并非0，要使測出的熱電動勢只反映熱端的實際溫度，則必須對溫度進(jìn)行修正。修正公式如下：3. 計算修正法50第50頁，共110頁。4. 電橋補償（又稱冷端補償器）法圖12-14 補償電橋T0I2I1+ERSRTR3R1R2ATT0BU回路輸出電壓為: U= E（T，T0）+(UTU3)只要能滿足下式即可達(dá)到自動補償?shù)哪康?51第51頁，共110頁。如果熱電偶的冷端溫度變化范圍為0+50

22、，熱電偶選用鉑銠10-鉑。查分度表得出E為0.299mV，因此補償電阻Rt的阻值可以根據(jù)上式求出。 52第52頁，共110頁。5. 顯示儀表零位調(diào)整法當(dāng)熱電偶通過補償導(dǎo)線連接顯示儀表時，如果熱電偶冷端溫度不是0，但十分穩(wěn)定（如恒溫車間或有空調(diào)的場所），可預(yù)先將有零位調(diào)整器的顯示儀表的指針從刻度的初始值調(diào)至已知的冷端溫度值上，這時顯示儀表的示值即為被測量的實際溫度值。53第53頁，共110頁。6. 軟件處理法對于計算機(jī)系統(tǒng)，不必全靠硬件進(jìn)行熱電偶冷端處理。例如冷端溫度恒定但不為0的情況，只需在采樣后加一個與冷端溫度對應(yīng)的常數(shù)即可。對于T0經(jīng)常波動的情況，可利用熱敏電阻或其它傳感器把T0信號輸入計

23、算機(jī)，按照運算公式設(shè)計一些程序，便能自動修正。 54第54頁，共110頁。12.2.6 熱電偶測溫線路 1. 測量某一點的溫度流過測溫毫伏表的電流為:圖12-15 單點測溫線路TnT0T0TnCDMRLEABT55第55頁，共110頁。2. 測量兩點之間的溫度差圖12-16 測兩點溫差線路AT2儀表BT1CDT0T0BAC回路內(nèi)的總電動勢為:因為故56第56頁，共110頁。3. 熱電偶并聯(lián)線路 圖12-17 并聯(lián)測量線路T1R1T0T2R2T0T3R3T0儀表ABABAB每只熱電偶的輸出為：回路總的熱電動勢為:57第57頁，共110頁。4. 熱電偶串聯(lián)線路圖12-18 串聯(lián)測量線路T0DCCT

24、0DT1T2儀表T3ABDCABAB因為所以58第58頁，共110頁。 熱電阻是利用導(dǎo)體材料的電阻隨溫度變化而變化的特性來實現(xiàn)對溫度的測量的。 12.3 熱電阻式傳感器 熱電阻是中低溫區(qū)最常用的一種溫度檢測器。它的主要特點是測量精度高，性能穩(wěn)定。其中鉑熱電阻的測量精確度是最高的，它不僅廣泛應(yīng)用于工業(yè)測溫，而且被制成標(biāo)準(zhǔn)的基準(zhǔn)儀。 應(yīng)用于-200600范圍內(nèi)的溫度測量 59第59頁，共110頁。熱電阻電阻體絕緣套管接線盒60第60頁，共110頁。熱電阻的材料要求：電阻溫度系數(shù)要大；電阻率盡可能大，熱容量要小，在測量范圍內(nèi)，應(yīng)具有穩(wěn)定的物理和化學(xué)性能；電阻與溫度的關(guān)系最好接近于線性；應(yīng)有良好的可加

25、工性，且價格便宜。61第61頁，共110頁。12.3.1 熱電阻的類型1. 裝配式熱電阻 2. 鎧裝熱電阻 3. 端面熱電阻4. 隔爆型熱電阻62第62頁，共110頁。12.3.2 常用的幾種熱電阻1. 鉑熱電阻 鉑電阻阻值與溫度變化之間的關(guān)系可以近似用下式表示，在0850范圍內(nèi)，金屬鉑的電阻值與溫度的關(guān)系為：63第63頁，共110頁。在-2000范圍內(nèi)，金屬鉑的電阻值與溫度的關(guān)系為：0時的電阻值 t時的電阻值 64第64頁，共110頁。A、B、C分度系數(shù)其中：A=3.9684710-2/； B=-5.84710-7/2； C=-4.2210-12/3) 可以看出，它們的高次項很小。鉑電阻在0

26、100時的最大非線性偏差小于0.5；R0不同，Rt與t 的關(guān)系也不同。 65第65頁，共110頁。鉑容易提純，其物理、化學(xué)性能在高溫和氧化性介質(zhì)中很穩(wěn)定。鉑電阻的輸出 輸入特性接近線性，且測量精度高，所以它能用作工業(yè)測溫元件和作為溫度標(biāo)準(zhǔn)。按國際溫標(biāo)IPTS-68規(guī)定，在-259.34630.73溫域內(nèi)，以鉑電阻溫度計作基準(zhǔn)器。66第66頁，共110頁。在-50150范圍內(nèi)，銅電阻化學(xué)、物理性能穩(wěn)定，輸出 輸入特性接近線性，價格低廉。2. 銅熱電阻銅電阻阻值與溫度變化之間的關(guān)系可近似表示為：銅電阻的缺點是電阻率低，體積大，熱慣性大，在100以上時易氧化。67第67頁，共110頁。 銦電阻 銦電

27、阻用99.999%高純度的銦絲繞成電阻，適宜在-269-258溫度范圍內(nèi)使用。實驗證明，在4.2K15K范圍內(nèi)，銦電阻靈敏度比鉑電阻高10倍。銦電阻的缺點是材料軟，復(fù)制性差。 3. 其他熱電阻68第68頁，共110頁。 錳電阻 錳電阻適宜在-271-210溫度范圍內(nèi)使用。其優(yōu)點是在2K 63K溫度范圍內(nèi)電阻隨溫度變化大，靈敏度高。錳電阻的缺點是材料脆，難拉成絲。 碳電阻 碳電阻適宜在-273-268.5溫度范圍內(nèi)使用。其優(yōu)點是熱容量小，靈敏度高，價格低廉，操作簡便。但是碳電阻的熱穩(wěn)定性較差。 69第69頁，共110頁。Rt為熱電阻, r1 、r2、r3為引線電阻, R1 、R2為兩橋臂電阻,R

28、1=R2 ,R3為調(diào)整電橋的精密電阻。M表內(nèi)阻很大，故電流近似為零。當(dāng)UA=UB時電橋平衡。若使r1=r2 ,則R3=Rt,就可消除引線電阻的影響。1. 三線式電橋連接法12.3.3 熱電阻測量線路R1R2R3Rtr1r3r2EABM圖12-19 三線接法70第70頁，共110頁。2. 四線式電阻測量電路圖12-20 四線式測量線路r1r2r3r4RtIVIMEM電壓表恒流源因IVIM,IV0,又EM=E+IV（ r2+r3 ）由上式知引線電阻r1 r4將不引起測量誤差。電壓表的值EM可認(rèn)為是熱電阻Rt上的壓降，據(jù)此可計算出微小溫度變化。71第71頁，共110頁。12.3.4 熱敏電阻 熱敏電

29、阻是利用半導(dǎo)體的電阻值隨溫度的變化而顯著變化的特性實現(xiàn)測溫的。半導(dǎo)體熱敏電阻有很高的電阻溫度系數(shù)，其靈敏度比熱電阻高得多。而且體積可以做得很小，故動態(tài)特性好，特別適于在-100300之間測溫。 熱敏電阻的缺點是互換性較差，另外其熱電特性是非線性的。72第72頁，共110頁。1 熱敏電阻的結(jié)構(gòu) 熱敏電阻是由一些金屬氧化物，如鈷（Co）、錳（Mn）、鎳（Ni）等的氧化物采用不同比例配方，高溫?zé)Y(jié)而成。其形狀有珠狀、片狀、桿狀、墊圈狀等。（b）片狀（c）桿狀（d）墊圈狀圖12-21 熱敏電阻的結(jié)構(gòu)類型（a）珠狀玻璃殼熱敏電阻引線73第73頁，共110頁。 2 熱敏電阻的基本參數(shù)2.1. 標(biāo)稱電阻RH

30、標(biāo)稱電阻值是熱敏電阻在250.2、零功率時的阻值，也叫冷電阻。2.2. 材料常數(shù)BN材料常數(shù)是表征負(fù)溫度系數(shù)(NTC)熱敏電阻器材料的物理特性常數(shù)。BN值決定于材料的激活能E，它們之間滿足下面的函數(shù)關(guān)系式74第74頁，共110頁。2.3. 電阻溫度系數(shù)熱敏電阻的溫度每變化1時電阻值的變化率叫做熱敏電阻的電阻溫度系數(shù)。 即：2.4. 耗散系數(shù)H熱敏電阻器溫度每變化1所耗散的功率變化量。 75第75頁，共110頁。2.5. 時間常數(shù)熱敏電阻器在零功率測量狀態(tài)下，當(dāng)環(huán)境溫度突變時電阻器的溫度變化量從開始到最終變量的63.2所需的時間稱為熱敏電阻的時間常數(shù) 2.6. 最高工作溫度Tmax熱敏電阻器在規(guī)

31、定的技術(shù)條件下長期連續(xù)工作所允許的最高溫度。76第76頁，共110頁。 熱敏電阻主要有三種類型，即正溫度系數(shù)型(PTC)、負(fù)溫度系數(shù)型(NTC)、和臨界溫度系數(shù)型(CTR)。CTR臨界熱敏電阻有一突變溫度，此特性可用于自動控溫和報警電路中。3 熱敏電阻的主要特性1081021041060圖12-22 三類熱敏電阻的溫度特性溫度（）電阻（）NTCCTRPTC408012016018077第77頁，共110頁。NTC熱敏電阻的阻值-溫度關(guān)系為：1). NTC熱敏電阻的電阻 溫度特性BN 為熱敏電阻的材料常數(shù)，一般BN 為2000600K，高溫下BN 將增大。78第78頁，共110頁?；虮硎緸椋簣D1

32、2-23 NTC熱敏電阻器的電阻-溫度曲線-101/T(C-1)10510410310201030507085100120LnRT圖中直線的斜率就是熱敏電阻的材料常數(shù)BN。 79第79頁，共110頁。不同材料的BN不同，右圖為不同BN的RT /R25T特性曲線RT/R2502550751250.51.522.531(1，25C)T（C）100為了使用方便，常取環(huán)境溫度為25作為參考溫度（即T0=25），則NTC熱敏電阻器的電阻 溫度關(guān)系式可寫成：80第80頁，共110頁。2. PTC熱敏電阻的電阻 溫度特性PTC的電阻 溫度特性是利用正溫度系數(shù)熱敏材料在居里點附近結(jié)構(gòu)發(fā)生相變引起導(dǎo)電率突變獲得

33、的，如圖所示。圖12-25 PTC的電阻溫度曲線T225010001000010010020015010050T（）T1電阻（）81第81頁，共110頁。由實驗得到：在工作溫度范圍內(nèi)，PTC的電阻 溫度特性可近似用下面的公式表示：對上式取對數(shù)得：圖12-26 lnRT -T特性曲線 mRTLnRT2LnRT1T2T1lnRrBPLnRT0mr圖線的斜率即為BP： 82第82頁，共110頁。 對熱敏電阻進(jìn)行線性化處理的最簡單方法是用溫度系數(shù)很小的精密電阻與熱敏電阻串或并聯(lián)構(gòu)成電阻網(wǎng)絡(luò)(常稱為線性化網(wǎng)絡(luò))代替單個熱敏電阻，其等效電阻與溫度呈一定的線性關(guān)系。12.3.4 熱敏電阻輸出特性的線性化處理

34、83第83頁，共110頁。 圖中熱敏電阻Rt與補償電阻Rx 串聯(lián),串聯(lián)后的等效電阻R= Rt +Rx ，只要Rx 的阻值選擇適當(dāng)，可使溫度在某一范圍內(nèi)與電阻的倒數(shù)成線性關(guān)系，所以電流I與溫度T成線性關(guān)系。ERxRt串聯(lián)補償電路RxRt+RxRt溫度電阻84第84頁，共110頁。Rt/RxRxRt電阻溫度并聯(lián)補償電路RxRt圖中熱敏電阻Rt與補償電阻Rx并聯(lián)，其等效電阻R= Rt / Rx 。由圖可知，R與溫度的關(guān)系曲線便顯得比較平坦。因此可以在某一溫度范圍內(nèi)得到線性的輸出特性。85第85頁，共110頁。12.6 非接觸式溫度測量系統(tǒng)12.6.1 幅射測溫的基本原理12.6.2 光譜輻射溫度計1

35、2.6.3 比色高溫計12.6.4 紅外測溫12.6.5 紅外成像測溫儀86第86頁，共110頁。任何物體，其溫度超過絕對零度，都會以電磁波的形式向周圍輻射能量。這種電磁波是由物體內(nèi)部帶電粒子在分子和原子內(nèi)振動產(chǎn)生的，其中與物體本身溫度有關(guān)傳播熱能的那部分輻射，稱為熱輻射。而把能對被測物體熱輻射能量進(jìn)行檢測，進(jìn)而確定被測物體溫度的儀表，通稱為輻射式溫度計。輻射式溫度計的感溫元件不需和被測物體或被測介質(zhì)直接接觸。87第87頁，共110頁。幅射測溫的基本原理輻射式溫度計的感溫元件通常工作在屬于可見光和紅外光的波長區(qū)域。輻射式溫度計的感溫元件使用的波長范圍為0.340m。相關(guān)概念：絕對黑體：在任何溫

36、度下，均能全部吸收輻射到它上面的任何輻射能量選擇吸收體：對輻射能的吸收(或輻射)除與溫度有關(guān)外，還與波長有關(guān)灰體：吸收(或輻射)本領(lǐng)與波長無關(guān)88第88頁，共110頁。如果波長與溫度T滿足C2(T)1，則可把普朗克公式簡化為維恩(Wien)公式。在溫度低于3000K，對于波長較短的可見光，用維恩公式替代普朗克公式產(chǎn)生的誤差1。89第89頁，共110頁。圖12-14 黑體的光譜輻射曲線 90第90頁，共110頁。從圖中可以看到如下一些規(guī)律：每條曲線均有一個極大值，而且這個極值是隨著溫度升高而向波長短的方向移動；不同溫度下的曲線，其曲線峰值點的波長 m和溫度T均滿足維恩位移定律。實驗和理論分析表明

37、，黑體的總輻射能力與溫度的關(guān)系滿足斯蒂藩一玻耳茲曼定律：91第91頁，共110頁。綜上所述，任何實際物體的總輻射亮度與溫度的四次方成正比；通過測量物體的輻射亮度就可得到該物體的溫度，這就是輻射測量的基本原理。92第92頁，共110頁。光譜輻射溫度計依據(jù)物體光譜輻射出射度或輻射亮度和其溫度T的關(guān)系，可以測出物體的溫度。目前國內(nèi)外使用的光譜輻射溫度計都是根據(jù)被測物體的光譜輻射亮度來確定物體的溫度。分類：光學(xué)高溫計光電高溫計硅輻射溫度計93第93頁，共110頁。光學(xué)高溫計特點：結(jié)構(gòu)較簡單，使用方便，適用于1000 K3500 K范圍的溫度測量，其精度通常為1.0級和l.5級，可滿足一般工業(yè)測量的精度

38、要求。它被廣泛用于高溫熔體、高溫窯爐的溫度測量。用光學(xué)高溫計測量被測物體的溫度時，讀出的數(shù)值將不是該物體的實際溫度，而是這個物體此時相當(dāng)于絕對黑體的溫度，即所謂的“亮度溫度”。94第94頁，共110頁。亮度溫度：在波長為 、溫度為T時，某物體的輻射亮度L與溫度為TL的絕對黑體的亮度L0 相等，則稱TL為這個物體在波長為時的亮度溫度。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為 在常用溫度和波長范圍內(nèi)，通常用維恩公式來近似表示光譜輻射亮度，這時上式成為 光學(xué)高溫計是在波長為的單色波長下獲得的亮度。這樣，物體的真實溫度為 95第95頁，共110頁。光學(xué)高溫計通常采用0.66土0.01m的單一波長，將物體的光譜輻射亮度L 和標(biāo)準(zhǔn)光源的光譜輻射亮度進(jìn)行比較，確定待測物體的溫度。光學(xué)高溫計有三種形式：燈絲隱滅式光學(xué)高溫計恒定亮度式光學(xué)高溫計光電亮度式光學(xué)高溫計96第96頁，共110頁。燈絲隱滅式光學(xué)高溫計原理：由人眼對熱輻射體和高溫計燈泡在單一波長附近的光譜范圍的輻射亮度進(jìn)行判斷，調(diào)節(jié)燈泡的亮度使其在背景中隱滅或消失而實現(xiàn)溫度測量的。WGGZ型光學(xué)高溫計的示意圖如下圖所示：97第97頁，共110頁。光電高溫計優(yōu)點：結(jié)構(gòu)相對較簡單，靈敏度高，測量范圍廣，使用方便。缺點：光學(xué)高溫計在測量物體的溫度