傳感器原理-溫度傳感器

傳感器技術(shù)溫度傳感器

第一節(jié)概論第二節(jié)熱電偶溫度傳感器

通過(guò)本章的學(xué)習(xí)了解溫度傳感器的作用、地位、分類和發(fā)展趨勢(shì)；掌握熱電偶三定律及相關(guān)計(jì)算；了解其他溫度傳感器工作原理。第一節(jié)概論溫度傳感器是實(shí)現(xiàn)溫度檢測(cè)和控制的重要器件。在種類繁多的傳感器中，溫度傳感器是應(yīng)用最廣泛、發(fā)展最快的傳感器之一。溫度是與人類生活息息相關(guān)的物理量。在2000多年前，就開(kāi)始為檢測(cè)溫度進(jìn)行了各種努力，并開(kāi)始使用溫度傳感器檢測(cè)溫度。人類社會(huì)中，工業(yè)、農(nóng)業(yè)、商業(yè)、科研、國(guó)防、醫(yī)學(xué)及環(huán)保等部門都與溫度有著密切的關(guān)系。工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化流程,溫度測(cè)量點(diǎn)要占全部測(cè)量點(diǎn)的一半左右。溫度是反映物體冷熱狀態(tài)的物理參數(shù)。因此，人類離不開(kāi)溫度，當(dāng)然也離不開(kāi)溫度傳感器。

一、溫度的基本概念熱平衡：溫度是描述熱平衡系統(tǒng)冷熱程度的物理量。分子物理學(xué)：溫度反映了物體內(nèi)部分子無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)的劇烈程度。能量：溫度是描述系統(tǒng)不同自由度間能量分配狀況的物理量。表示溫度大小的尺度是溫度的標(biāo)尺，簡(jiǎn)稱溫標(biāo)。熱力學(xué)溫標(biāo)國(guó)際實(shí)用溫標(biāo)攝氏溫標(biāo)華氏溫標(biāo)

二、溫度傳感器的特點(diǎn)與分類

隨物體的熱膨脹相對(duì)變化而引起的體積變化；蒸氣壓的溫度變化；電極的溫度變化熱電偶產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)；光電效應(yīng)熱電效應(yīng)介電常數(shù)、導(dǎo)磁率的溫度變化；物質(zhì)的變色、融解；強(qiáng)性振動(dòng)溫度變化；熱放射；熱噪聲。1

溫度傳感器的物理原理(11)特性與溫度之間的關(guān)系要適中，并容易檢測(cè)和處理，且隨溫度呈線性變化；除溫度以外，特性對(duì)其它物理量的靈敏度要低；特性隨時(shí)間變化要??；重復(fù)性好，沒(méi)有滯后和老化；靈敏度高，堅(jiān)固耐用，體積小，對(duì)檢測(cè)對(duì)象的影響要??；機(jī)械性能好，耐化學(xué)腐蝕，耐熱性能好；能大批量生產(chǎn)，價(jià)格便宜；無(wú)危險(xiǎn)性，無(wú)公害等。2.溫度傳感器應(yīng)滿足的條件3.溫度傳感器的種類及特點(diǎn)

接觸式溫度傳感器非接觸式溫度傳感器接觸式溫度傳感器的特點(diǎn)：傳感器直接與被測(cè)物體接觸進(jìn)行溫度測(cè)量，由于被測(cè)物體的熱量傳遞給傳感器，降低了被測(cè)物體溫度，特別是被測(cè)物體熱容量較小時(shí)，測(cè)量精度較低。因此采用這種方式要測(cè)得物體的真實(shí)溫度的前提條件是被測(cè)物體的熱容量要足夠大。非接觸式溫度傳感器主要是利用被測(cè)物體熱輻射而發(fā)出紅外線，從而測(cè)量物體的溫度，可進(jìn)行遙測(cè)。其制造成本較高，測(cè)量精度卻較低。優(yōu)點(diǎn)是：不從被測(cè)物體上吸收熱量；不會(huì)干擾被測(cè)對(duì)象的溫度場(chǎng)；連續(xù)測(cè)量不會(huì)產(chǎn)生消耗；反應(yīng)快等。熱電偶、測(cè)溫電阻器、熱敏電阻、感溫鐵氧體、石英晶體振動(dòng)器、雙金屬溫度計(jì)、壓力式溫度計(jì)、玻璃制溫度計(jì)、輻射傳感器、晶體管、二極管、半導(dǎo)體集成電路傳感器、可控硅分類特征傳感器名稱超高溫用傳感器1500℃以上光學(xué)高溫計(jì)、輻射傳感器高溫用傳感器1000～1500℃光學(xué)高溫計(jì)、輻射傳感器、熱電偶中高溫用傳感器500～1000℃光學(xué)高溫計(jì)、輻射傳感器、熱電偶中溫用傳感器0～500℃低溫用傳感器-250～0℃極低溫用傳感器-270～-250℃BaSrTiO3陶瓷晶體管、熱敏電阻、壓力式玻璃溫度計(jì)見(jiàn)表下內(nèi)容

測(cè)溫范圍溫度傳感器分類(1)分類特征傳感器名稱測(cè)溫范圍寬、輸出小測(cè)溫電阻器、晶體管、熱電偶半導(dǎo)體集成電路傳感器、可控硅、石英晶體振動(dòng)器、壓力式溫度計(jì)、玻璃制溫度計(jì)線性型測(cè)溫范圍窄、輸出大熱敏電阻指數(shù)型函數(shù)開(kāi)關(guān)型特性特定溫度、輸出大感溫鐵氧體、雙金屬溫度計(jì)

測(cè)溫特性溫度傳感器分類(2)分類特征傳感器名稱測(cè)定精度±0.1～±0.5℃鉑測(cè)溫電阻、石英晶體振動(dòng)器、玻璃制溫度計(jì)、氣體溫度計(jì)、光學(xué)高溫計(jì)溫度標(biāo)準(zhǔn)用測(cè)定精度±0.5～±5℃熱電偶、測(cè)溫電阻器、熱敏電阻、雙金屬溫度計(jì)、壓力式溫度計(jì)、玻璃制溫度計(jì)、輻射傳感器、晶體管、二極管、半導(dǎo)體集成電路傳感器、可控硅絕對(duì)值測(cè)定用管理溫度測(cè)定用相對(duì)值±1～±5℃

測(cè)定精度溫度傳感器分類(3)

此外，還有微波測(cè)溫溫度傳感器、噪聲測(cè)溫溫度傳感器、溫度圖測(cè)溫溫度傳感器、熱流計(jì)、射流測(cè)溫計(jì)、核磁共振測(cè)溫計(jì)、穆斯保爾效應(yīng)測(cè)溫計(jì)、約瑟夫遜效應(yīng)測(cè)溫計(jì)、低溫超導(dǎo)轉(zhuǎn)換測(cè)溫計(jì)、光纖溫度傳感器等。這些溫度傳感器有的已獲得應(yīng)用，有的尚在研制中。公元1600年，伽里略研制出氣體溫度計(jì)。一百年后，研制成酒精溫度計(jì)和水銀溫度計(jì)。隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)發(fā)展的需要，相繼研制出金屬絲電阻、溫差電動(dòng)式元件、雙金屬式溫度傳感器。1950年以后，相繼研制成半導(dǎo)體熱敏電阻器。最近，隨著原材料、加工技術(shù)的飛速發(fā)展、又陸續(xù)研制出各種類型的溫度傳感器。三、溫度傳感器的發(fā)展概況接觸式溫度傳感器非接觸式溫度傳感器1．常用熱電阻范圍：-260～＋850℃；精度：0.001℃。改進(jìn)后可連續(xù)工作2000h，失效率小于1％，使用期為10年。2．管纜熱電阻

測(cè)溫范圍為-20～＋500℃，最高上限為1000℃，精度為0.5級(jí)。（－）接觸式溫度傳感器3．陶瓷熱電阻測(cè)量范圍為–200～+500℃，精度為0.3、0.15級(jí)。4．超低溫?zé)犭娮鑳煞N碳電阻，可分別測(cè)量–268.8～253℃-272.9～272.99℃的溫度。5．熱敏電阻器適于在高靈敏度的微小溫度測(cè)量場(chǎng)合使用。經(jīng)濟(jì)性好、價(jià)格便宜。l．輻射高溫計(jì)用來(lái)測(cè)量1000℃以上高溫。分四種：光學(xué)高溫計(jì)、比色高溫計(jì)、輻射高溫計(jì)和光電高溫計(jì)。2．光譜高溫計(jì)前蘇聯(lián)研制的YCI—I型自動(dòng)測(cè)溫通用光譜高溫計(jì),其測(cè)量范圍為400～6000℃,它是采用電子化自動(dòng)跟蹤系統(tǒng),保證有足夠準(zhǔn)確的精度進(jìn)行自動(dòng)測(cè)量。

（二）非接觸式溫度傳感器3．超聲波溫度傳感器特點(diǎn)是響應(yīng)快(約為10ms左右)，方向性強(qiáng)。目前國(guó)外有可測(cè)到5000℉的產(chǎn)品。4．激光溫度傳感器適用于遠(yuǎn)程和特殊環(huán)境下的溫度測(cè)量。如NBS公司用氦氖激光源的激光做光反射計(jì)可測(cè)很高的溫度，精度為1％。美國(guó)麻省理工學(xué)院正在研制一種激光溫度計(jì)，最高溫度可達(dá)8000℃，專門用于核聚變研究。瑞士BrowaBorer研究中心用激光溫度傳感器可測(cè)幾千開(kāi)(K)的高溫。

1．超高溫與超低溫傳感器，如+3000℃以上和–250℃以下的溫度傳感器。

2．提高溫度傳感器的精度和可靠性。

3．研制家用電器、汽車及農(nóng)畜業(yè)所需要的價(jià)廉的溫度傳感器。

4．發(fā)展新型產(chǎn)品，擴(kuò)展和完善管纜熱電偶與熱敏電阻；發(fā)展薄膜熱電偶；研究節(jié)省鎳材和貴金屬以及厚膜鉑的熱電阻；研制系列晶體管測(cè)溫元件、快速高靈敏CA型熱電偶以及各類非接觸式溫度傳感器。

5．發(fā)展適應(yīng)特殊測(cè)溫要求的溫度傳感器。

6．發(fā)展數(shù)字化、集成化和自動(dòng)化的溫度傳感器。

（三）溫度傳感器的主要發(fā)展方向熱電偶是目前溫度測(cè)量中使用最普遍的傳感元件之一。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，測(cè)量范圍寬、準(zhǔn)確度高、熱慣性小，輸出信號(hào)為電信號(hào)，還用來(lái)測(cè)量流體的溫度、測(cè)量固體以及固體壁面的溫度。微型熱電偶還可用于快速及動(dòng)態(tài)溫度的測(cè)量。第二節(jié)熱電偶溫度傳感器★熱電偶的工作原理★熱電偶回路的性質(zhì)★熱電偶的常用材料與結(jié)構(gòu)★冷端處理及補(bǔ)償各種熱電偶先看一個(gè)實(shí)驗(yàn)——熱電偶工作原理演示

結(jié)論：當(dāng)兩個(gè)結(jié)點(diǎn)溫度不相同時(shí)，回路中將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。

熱電極A右端：自由端參考端冷端一、熱電偶的工作原理

左端：測(cè)量端工作端熱端熱電極B熱電勢(shì)AB從實(shí)驗(yàn)到理論：熱電效應(yīng)

1821年，德國(guó)物理學(xué)家西拜克用兩種不同金屬組成閉合回路，并用酒精燈加熱其中一個(gè)接觸點(diǎn)（稱為結(jié)點(diǎn)），發(fā)現(xiàn)放在回路中的指南針發(fā)生偏轉(zhuǎn)（說(shuō)明什么？），如果用兩盞酒精燈對(duì)兩個(gè)結(jié)點(diǎn)同時(shí)加熱，指南針的偏轉(zhuǎn)角反而減小（又說(shuō)明什么？）。顯然，指針的偏轉(zhuǎn)說(shuō)明回路中有電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生并有電流在回路中流動(dòng)，電流的強(qiáng)弱與兩個(gè)結(jié)點(diǎn)的溫差有關(guān)。

兩種不同類型的金屬導(dǎo)體，導(dǎo)體兩端分別接在一起構(gòu)成閉合回路，當(dāng)兩個(gè)結(jié)點(diǎn)溫度不等有溫差時(shí)，回路里會(huì)產(chǎn)生熱電勢(shì)，形成電流，這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。利用這種效應(yīng)，只要知道一端結(jié)點(diǎn)溫度，就可以測(cè)出另一端結(jié)點(diǎn)的溫度。熱電效應(yīng)兩種不同的金屬互相接觸時(shí)，由于不同金屬內(nèi)自由電子的密度不同，在兩金屬A和B的接觸點(diǎn)處會(huì)發(fā)生自由電子的擴(kuò)散現(xiàn)象。自由電子將從密度大的金屬A擴(kuò)散到密度小的金屬B，使A失去電子帶正電，B得到電子帶負(fù)電，從而產(chǎn)生熱電勢(shì)。

自由電子＋ABeAB（

T）T1.接觸電勢(shì)對(duì)于任何一種金屬，當(dāng)其兩端溫度不同時(shí)，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(dòng)能；溫度低的一端濃度小，動(dòng)能也小。因此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(dòng)勢(shì)，又稱湯姆森電動(dòng)勢(shì)。2.溫差電勢(shì)1、熱電偶回路的熱電動(dòng)勢(shì)只與組成熱電偶的材料及兩端接點(diǎn)的溫度有關(guān)；與熱電偶的形狀無(wú)關(guān)。二.熱電偶基本性質(zhì)2、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(huì)產(chǎn)生熱電動(dòng)勢(shì)。3、只有當(dāng)熱電偶兩端溫度不同時(shí)，不同材料組成的熱電偶才能有熱電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生。4、導(dǎo)體材料確定后，熱電動(dòng)勢(shì)的大小只與熱電偶兩端的溫度有關(guān),是T的單值函數(shù)，這就是利用熱電偶測(cè)溫的基本原理。三、熱電偶基本定律

1、均質(zhì)導(dǎo)體定律如果熱電偶回路中的兩個(gè)熱電極材料相同，無(wú)論兩接點(diǎn)的溫度如何，熱電動(dòng)勢(shì)均為零.根據(jù)這一定律，可以檢驗(yàn)兩個(gè)熱電極材料的成分是否相同(稱為同名極檢驗(yàn)法)，也可以檢查熱電極材料的均勻性。熱電偶的分度表

——熱電偶的線性較差，多數(shù)情況下采用查表法直接從熱電偶的分度表查溫度與熱電勢(shì)的關(guān)系時(shí)的約束條件是：自由端（冷端）溫度必須為0C。四、熱電偶的結(jié)構(gòu)和種類（1）熱電極（2）絕緣套（3）保護(hù)套管（4）接線盒與介質(zhì)隔離，優(yōu)良傳熱性能防止電極間短路

氧化鋁管、耐火陶瓷鋁合金熱電性質(zhì)穩(wěn)定物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定電阻溫度系數(shù)小、電阻率高輸出熱電勢(shì)大、輸出呈線性復(fù)制性好、工藝簡(jiǎn)單、價(jià)格低

貴金屬普通金屬1、熱電偶的結(jié)構(gòu)普通裝配型熱電偶的外形鎧裝型熱電偶外形法蘭鎧裝型熱電偶可長(zhǎng)達(dá)上百米薄壁金屬保護(hù)套管（鎧體）

鎧裝型熱電偶橫截面鎧裝型熱電偶

鎧裝熱電偶的制造工藝：把熱電極材料與高溫絕緣材料預(yù)置在金屬保護(hù)管中、運(yùn)用同比例壓縮延伸工藝、將這三者合為一體，制成各種直徑、規(guī)格的鎧裝偶體，再截取適當(dāng)長(zhǎng)度、將工作端焊接密封、配置接線盒即成為柔軟、細(xì)長(zhǎng)的鎧裝熱電偶。

鎧裝熱電偶特點(diǎn)：內(nèi)部的熱電偶絲與外界空氣隔絕，有著良好的抗高溫氧化、抗低溫水蒸氣冷凝、抗機(jī)械外力沖擊的特性。鎧裝熱電偶可以制作得很細(xì)，能解決微小、狹窄場(chǎng)合的測(cè)溫問(wèn)題，且具有抗震、可彎曲、超長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。

31隔爆型熱電偶外形厚壁保護(hù)管壓鑄的接線盒電纜線32隔爆型熱電偶

結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：隔爆熱電偶的接線盒在設(shè)計(jì)時(shí)采用防爆的特殊結(jié)構(gòu)，它的接線盒是經(jīng)過(guò)壓鑄而成的，有一定的厚度、隔爆空間，機(jī)構(gòu)強(qiáng)度較高；采用螺紋隔爆接合面，并采用密封圈進(jìn)行密封，因此，當(dāng)接線盒內(nèi)一旦放弧時(shí)，不會(huì)與外界環(huán)境的危險(xiǎn)氣體傳爆，能達(dá)到預(yù)期的防爆、隔爆效果。

使用場(chǎng)合：工業(yè)用的隔爆型熱電偶多用于化學(xué)工業(yè)自控系統(tǒng)中（由于在化工生產(chǎn)廠、生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)常伴有各種易燃、易爆等化學(xué)氣體或蒸汽，如果用普通熱電偶則非常不安全、很容易引起環(huán)境氣體爆炸）。332、