I-1溫度測(cè)量方法(P64)課件

溫度的測(cè)量方法1溫度的測(cè)量方法常用的溫度測(cè)量方法有：1）熱電偶；2）熱電阻；3）熱敏電阻；4）PN結(jié)及集成溫度傳感器；5）晶體振蕩器；6）紅外。2熱電偶測(cè)溫一、熱電偶熱電偶是將溫度量轉(zhuǎn)換為電勢(shì)大小的熱電式傳感器。（溫度→電勢(shì)）廣泛地用于測(cè)量100℃—1300℃范圍內(nèi)的溫度，也可以測(cè)量更高或者更低范圍內(nèi)溫度。

結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、精度高、熱慣性（熱容量）小。3熱電偶測(cè)溫如圖所示，兩種不同材料A和B，兩端連接在一起，一端溫度為T，另外一端溫度為T0（設(shè)T>T0）。這時(shí)在這個(gè)回路中將產(chǎn)生一個(gè)與溫度T、T0以及導(dǎo)體材料性質(zhì)有關(guān)的電勢(shì)EAB(T,T0)。在測(cè)量技術(shù)中，把由兩種材料構(gòu)成的上述熱電變換元件稱為熱電偶。A、B導(dǎo)體稱為熱電極；兩個(gè)接點(diǎn)：一個(gè)為熱端（T），又稱為工作端。另一個(gè)為冷端（T0），又稱為自由端或參考端。5熱電偶測(cè)溫實(shí)驗(yàn)證明：回路的總電勢(shì)為：式中aAB為熱電勢(shì)率或者賽貝克系數(shù)。其值隨熱電極材料和兩接點(diǎn)溫度而定（即對(duì)于固定的熱電偶也不是常數(shù)）。后來研究指出：熱電效應(yīng)產(chǎn)生的熱電勢(shì)EAB(T,T0)是由珀?duì)柼≒eltier）效應(yīng)和湯姆遜（Thomson）效應(yīng)引起的。6熱電偶測(cè)溫A、珀?duì)柼≒eltier）效應(yīng)這樣，A失去電子帶正電，B得到電子帶負(fù)電，直至在接觸點(diǎn)處建立了強(qiáng)度充分的電場(chǎng)，能夠阻止電子擴(kuò)散從而達(dá)到平衡。兩種不同金屬的接觸處產(chǎn)生的電勢(shì)稱為珀?duì)柼妱?shì)，又稱為接觸電勢(shì)。其大小由兩金屬的特性和接觸處溫度決定。將同溫度的兩種不同的金屬相互接觸，如圖所示。由于不同金屬內(nèi)自由電子密度不同，在兩金屬A、B的接觸處會(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。7熱電偶測(cè)溫由于與的方向相反，故回路的接觸電勢(shì)為：9熱電偶測(cè)溫B、湯姆遜（Thomson）效應(yīng)假設(shè)在一均質(zhì)棒狀導(dǎo)體的一端加熱，如圖所示。則沿著次棒狀導(dǎo)體有溫度梯度，導(dǎo)體內(nèi)自由電子將從溫度高的一端向溫度低的一端擴(kuò)散，并在溫度較低的一端集聚起來，使棒內(nèi)建立一個(gè)電場(chǎng)。當(dāng)電場(chǎng)對(duì)電子的作用力與擴(kuò)散力相平衡時(shí)，擴(kuò)散作用停止。電場(chǎng)產(chǎn)生的電勢(shì)稱為湯姆遜電勢(shì)，或者溫差電勢(shì)。10熱電偶測(cè)溫當(dāng)均質(zhì)導(dǎo)體兩端的溫度分別是T、T0時(shí)，溫差電勢(shì)為：式中，為湯姆遜系數(shù)，它表示溫差為1度時(shí)所產(chǎn)生的電勢(shì)值。其大小與材料性質(zhì)和導(dǎo)體兩端的平均溫度有關(guān)。11熱電偶測(cè)溫綜上所述，熱電極A、B組成的熱電偶回路，當(dāng)接點(diǎn)溫度T>T0時(shí)，其總熱電勢(shì)為：——熱端的分熱電勢(shì)；——冷端的分熱電勢(shì)。13熱電偶測(cè)溫由上可知，當(dāng)兩接點(diǎn)的溫度相同時(shí)：無湯姆遜電勢(shì)，。

珀?duì)柼妱?shì)大小相等方向相反，所以。當(dāng)兩個(gè)相同的金屬組成熱電偶時(shí)，兩接點(diǎn)溫度雖然不同，但是兩個(gè)湯姆遜電勢(shì)大小相等方向相反，而兩接點(diǎn)處的珀?duì)柼妱?shì)皆為零，所以回路總電勢(shì)仍為零。14熱電偶測(cè)溫1）如果熱電偶兩個(gè)電極的材料相同，兩個(gè)接點(diǎn)的溫度雖不同，不會(huì)產(chǎn)生電勢(shì)；2）如果兩個(gè)電極的材料不同，但是兩接點(diǎn)溫度相同，也不會(huì)產(chǎn)生電勢(shì)；當(dāng)熱電偶的兩個(gè)電極材料不同，且A、B固定后，熱電勢(shì)EAB（T,T0）便為熱電偶熱端溫度T的函數(shù)。即

當(dāng)T0保持不變，即E(T0)為常數(shù)時(shí)，則熱電勢(shì)便是熱電偶熱端溫度T的函數(shù)。熱電勢(shì)和熱端溫度T有單值對(duì)應(yīng)關(guān)系，這就是熱電偶測(cè)溫的基本公式。15熱電偶測(cè)溫B、中間導(dǎo)體定律在熱電偶回路中插入第三、第四……種導(dǎo)體時(shí)，只要插入導(dǎo)體的兩端溫度相等，且插入導(dǎo)體是均質(zhì)的，則無論插入導(dǎo)體的溫度分布如何，都不會(huì)影響原來熱電偶的熱電勢(shì)大小。因此，我們可以將毫伏表接入熱電偶回路，并保證兩個(gè)連接點(diǎn)溫度一直，就可以對(duì)熱電勢(shì)進(jìn)行測(cè)量，而不影響熱電偶的輸出。17熱電偶測(cè)溫C、中間溫度定律熱電偶在接點(diǎn)溫度為T、T0時(shí)的熱電勢(shì)等于該熱電偶在接點(diǎn)溫度為T、Tn和Tn、T0時(shí)相應(yīng)的熱電勢(shì)的代數(shù)和。即若T0＝0℃，則有可見，熱電偶的輸出實(shí)際上是一個(gè)與兩點(diǎn)之間溫度差ΔT和參考端溫度相關(guān)的信號(hào)，要知道工作端的溫度，還必須知道參考端的溫度。18熱電偶測(cè)溫?zé)犭娕茧妱?shì)的大小與熱電極材料及兩接點(diǎn)的溫度有關(guān)，只有在材料一定，其冷端溫度T0保持不變的情況下，其熱端電勢(shì)EAB(T,T0)才是其工作端溫度T的單值函數(shù)。19熱電偶測(cè)溫因此熱電偶應(yīng)用的最大問題是冷端的問題。即如何選擇測(cè)溫的參考點(diǎn)。歷來采用的冷端有三種：1、冰水保溫瓶方式（冰點(diǎn)器方式）將熱電偶的冷端置于冰水保溫瓶中，獲取熱電偶冷端的參考溫度。21熱電偶測(cè)溫2、恒溫槽方式（冷端溫度修正法）即將冷端置于恒溫槽中，如恒定溫度為T℃，則冷端的誤差Δ為：其中，T為被測(cè)溫度?？梢?，雖然Δ<>0，但是一個(gè)定值。只要在測(cè)量回路中加入相應(yīng)的修正電壓即可達(dá)到完全補(bǔ)償?shù)哪康?。常用的恒溫溫度?0℃和0℃等。22熱電偶測(cè)溫實(shí)際工程應(yīng)用中，很多情況下冷端溫度不太可能一直保持不變，因此，必須采取一定的措施。3、冷端溫度自動(dòng)補(bǔ)償法——可適用于冷端溫度變化的場(chǎng)合。設(shè)計(jì)一個(gè)溫度補(bǔ)償電路，把冷端溫度變化產(chǎn)生的熱電勢(shì)變化抵消掉。一般是在熱電偶和測(cè)量裝置間接入一個(gè)直流不平衡電橋，，也稱為冷端溫度補(bǔ)償器。當(dāng)熱電偶冷端溫度變化導(dǎo)致回路總電勢(shì)變化時(shí)，補(bǔ)償器感應(yīng)冷端溫度變化，產(chǎn)生一個(gè)電位差，其值正好等于熱電偶冷端變化的電勢(shì)，兩者相互抵消以達(dá)到自動(dòng)補(bǔ)償?shù)哪康?。不同的冷端補(bǔ)償器要和不同的熱電偶配合使用。23熱電偶測(cè)溫3、鎳鉻(＋)—考銅(－)熱電偶特點(diǎn)是熱電勢(shì)大。4、銅—康銅熱電偶用于-200℃—200℃的溫度測(cè)量，0℃以下，銅為＋，0℃以上，銅為－。25熱電阻測(cè)溫二、熱電阻把對(duì)溫度的測(cè)量轉(zhuǎn)化為對(duì)隨著溫度變化的電阻的測(cè)量。熱電阻由金屬材料制成，大多數(shù)的金屬導(dǎo)體的電阻，都具有隨溫度變化的特性。Rt、R0——熱電阻在t℃和0℃時(shí)的電阻值a——熱電阻的溫度系數(shù)（/℃）。26熱電阻測(cè)溫對(duì)于絕大多數(shù)的金屬，a并不是一個(gè)常數(shù)，而是一個(gè)溫度的函數(shù)。但是在一定的范圍內(nèi)，可以近似地看作常數(shù)。不同的金屬導(dǎo)體，a保持常數(shù)所對(duì)應(yīng)的溫度范圍不同。比較適合作為熱電阻的材料有：鉑、銅、鐵和鎳。一般純金屬的值比合金的高，所以一般采用純金屬作熱電阻元件。27熱電阻測(cè)溫鉑的純度用W(100)來表示：R100——水沸點(diǎn)（100℃）時(shí)的電阻值R0——水冰點(diǎn)（0℃）時(shí)的電阻值

W(100)越大，表示鉑絲純度越高。目前技術(shù)水平已經(jīng)達(dá)到W(100)=1.3932，對(duì)應(yīng)的鉑絲純度為99.9995％。工業(yè)用的鉑電阻的純度W(100)在1.387-1.390之間。29熱電阻測(cè)溫對(duì)于W(100)=1.389，有A=3.94851×10-3/℃，B=-5.851×10-7/℃2，C=-4.04×10-12/℃4對(duì)于W(100)=1.391，有A=3.96847×10-3/℃，B=-5.847×10-7/℃2，C=-4.22×10-12/℃4

鉑電阻一般由直徑50－70um的鉑絲繞在片形的云母支架上，鉑絲的引線采用銀引線。常用的有Pt50、Pt100、Pt300三種。（0℃時(shí)的電阻值）30熱電阻測(cè)溫2、銅熱電阻銅絲可以用來測(cè)量-50℃－150℃范圍內(nèi)的溫度。在此范圍內(nèi)，銅絲的線性關(guān)系好，靈敏度比鉑電阻高，容易得到高純度材料，復(fù)制性能好。缺點(diǎn)：銅易于氧化，一般只能用于150℃以下的測(cè)量及沒有水分和無侵蝕性介質(zhì)的溫度測(cè)量。銅的電阻率較低，電阻體的體積較大，熱慣性也較大。 31熱電阻測(cè)溫通常利用二項(xiàng)式計(jì)算在t℃時(shí)銅的電阻值：Rt、R0——熱電阻在t℃和0℃時(shí)的電阻值A(chǔ)0——在初始溫度t℃時(shí)的溫度系數(shù)（/℃）A0＝4.25－4.28×10-3/℃。工業(yè)中使用的標(biāo)準(zhǔn)化銅電阻有G（0℃時(shí)53Ω）、Cu50、Cu100三種。32熱電阻測(cè)溫3、鐵和鎳熱電阻這兩種金屬的電阻溫度系數(shù)較高，電阻率較大，故可以制成靈敏度高、體積小的測(cè)溫元件。但是它們易于氧化，不易提純，復(fù)制性差，而且電阻值與溫度的線性關(guān)系差，目前應(yīng)用不多。33熱敏電阻測(cè)溫三、熱敏電阻一般說來，半導(dǎo)體比金屬具有更大的電阻溫度系數(shù)。半導(dǎo)體熱敏電阻包括：正溫度系數(shù)（PTC）熱敏電阻負(fù)溫度系數(shù)（NTC）熱敏電阻臨界溫度系數(shù)（CTR）熱敏電阻34熱敏電阻測(cè)溫PTC熱敏電阻主要采用BaTO3系列的材料當(dāng)溫度在一定范圍時(shí)，其電阻值隨著溫度增加朝正的方向快速變化。其用途主要是彩電消磁，各種電器設(shè)備的過熱保護(hù)，發(fā)熱源的定溫控制，也可以作為限流元件使用。35熱敏電阻測(cè)溫NTC熱敏電阻具有很高的負(fù)電阻溫度系數(shù)，特別適用于-100－300℃之間測(cè)溫。某些高溫?zé)崦綦娮杩蛇_(dá)到700℃；低溫?zé)崦綦娮杩梢赃_(dá)到-250℃。廣泛地應(yīng)用于點(diǎn)溫、表面溫度、溫差、溫場(chǎng)等測(cè)量中。同時(shí)也廣泛地應(yīng)用在自動(dòng)控制及電子線路的熱補(bǔ)償線路中。我們討論地主要是這種熱敏電阻。36熱敏電阻測(cè)溫CTR熱敏電阻采用VO2系列的材料，在某個(gè)溫度值上電阻值急劇變化。具有類似開關(guān)的特性。其用途主要用作溫度開關(guān)。37熱敏電阻測(cè)溫1）熱敏電阻的主要特征1、溫度特征熱敏電阻的基本特征是電阻與溫度之間的關(guān)系，其曲線是一條指數(shù)曲線，可用下式表示：RT——溫度為T時(shí)的電阻值；A——與熱敏電阻尺寸、形式、以及它的半導(dǎo)體物理性能有關(guān)的常數(shù)；B——與半導(dǎo)體物理性能有關(guān)的常數(shù)T——半導(dǎo)體的絕對(duì)溫度。38熱敏電阻測(cè)溫若已知兩個(gè)電阻值R1和R2以及相應(yīng)的溫度值T1和T2，便可以求出A、B兩個(gè)常數(shù)。將A值代入表達(dá)式，可以獲得以電阻R1作為參數(shù)的溫度特性表達(dá)式：39熱敏電阻測(cè)溫通常取20℃時(shí)的熱敏電阻值為R1，稱為額定電阻，記作R20；取相應(yīng)于100℃時(shí)的電阻R100作為R2，此時(shí)將T1＝293K，T2＝373K代入可得：一般廠商都在此溫度下測(cè)量電阻值，從而求得B值（一般在3000－5000之間）。通過B值和R20值就確定了熱敏電阻的溫度特性。稱B為熱敏電阻材料常數(shù)。40熱敏電阻測(cè)溫?zé)崦綦娮柙谄浔旧頊囟茸兓?℃時(shí)，電阻值的相對(duì)變化量，稱為熱敏電阻的溫度系數(shù)。即：a值和B值都是表示熱敏電阻靈敏度的參數(shù)，熱敏電阻的溫度系數(shù)比金屬高很多，所以它的靈敏度很高。一般來講，在室溫附近，其靈敏度為鉑電阻的12倍。41熱敏電阻測(cè)溫?zé)崦綦娮璧闹饕獏?shù)1）標(biāo)稱電阻值RH，即環(huán)境溫度（25±0.2℃）時(shí)測(cè)得的電阻值，又稱冷電阻。2）電阻溫度系數(shù)，即熱敏電阻的溫度變化1℃時(shí)的變化率，通常指溫度為20℃時(shí)的溫度系數(shù)，單位為％/℃。42熱敏電阻測(cè)溫3）耗散系數(shù)H（即熱阻的倒數(shù)），指熱敏電阻的溫度與周圍介質(zhì)的溫度相差1℃時(shí)所耗散的功率。4）熱容量C，熱敏電阻的溫度變化1℃所需吸收或者釋放的熱量，單位J/℃。5）時(shí)間常數(shù)，即熱熱量和耗散系數(shù)之比：43熱敏電阻測(cè)溫?zé)崦綦娮璧奶攸c(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：電阻溫度系數(shù)大，靈敏度高，熱容量小，響應(yīng)速度快，而且分辨率很高，可以達(dá)到10-4℃；缺點(diǎn)：互換性差，熱電特性非線性大。可以用溫度系數(shù)很小的電阻與熱敏電阻串聯(lián)或者并聯(lián)，使得等效電阻與溫度在一定的范圍內(nèi)是線性的。44熱敏電阻測(cè)溫型號(hào)用途標(biāo)準(zhǔn)阻值25℃（kΩ）材料常數(shù)B額定功率（W）時(shí)間常數(shù)（s）耗散系數(shù)（mW/℃）MF-11溫度補(bǔ)償0.01-152200-33000.5<=60=>5MF-13溫度補(bǔ)償0.82-3002200-33000.25<=85=>4MF-16溫度補(bǔ)償10-10003900-56000.5<=1157-7.6RRC2測(cè)控溫6.8-10003900-56000.4<=207-7.6RRC7B測(cè)控溫3-1003900-45000.03<=0.57-7.6RRP7-8作可變電阻器30-603900-45000.25<=0.40.25RRW2穩(wěn)定振幅6.8-5003900-45000.03<=0.5<=0.2常用的熱敏電阻主要型號(hào)和參數(shù)：45電阻的測(cè)量方法電阻的測(cè)量通常是將電阻轉(zhuǎn)換為直流電壓后再對(duì)電壓進(jìn)行測(cè)量。這種轉(zhuǎn)換基本上可以歸結(jié)為四種基本的原理：1）恒流法；2）電橋法；3）補(bǔ)償法；4）比率法。我們只介紹前兩種方法。46電阻的測(cè)量方法恒流法恒流法的基本原理是讓一個(gè)已知的標(biāo)準(zhǔn)的恒定電流通過被測(cè)電阻Rx，則電阻兩端的電壓Us正比于被測(cè)電阻。恒流法是數(shù)字式萬用表中最常用的測(cè)量電阻的方法。由于產(chǎn)生恒流的方法不同，又可以分為電位降法、比例運(yùn)算器法、積分運(yùn)算器法和自舉法。47電阻的測(cè)量方法1）電位降法由恒流源產(chǎn)生恒定電流I，電位降法較適合于測(cè)量低值電阻，此時(shí)必須考慮引線及接觸電阻的影響，一般采用四線法。48電阻的測(cè)量方法四線法49電阻的測(cè)量方法小電阻測(cè)量的突出問題是分辨率，提高分辨率的方法是增大工作電流和采用高分辨率的AD轉(zhuǎn)換器。電位降法的主要誤差因素是：基準(zhǔn)電壓的不穩(wěn)及紋波等引起的恒流源電流的變化，以及由于不同大小的被測(cè)電阻值使恒定電流亦跟著有微小的變化（即負(fù)載效應(yīng)），從而造成讀數(shù)誤差。50電阻的測(cè)量方法2）比例運(yùn)算器法如圖所示，RN為標(biāo)準(zhǔn)電阻，UN為基準(zhǔn)電壓源，被測(cè)電阻Rx接在反饋回路中，假設(shè)運(yùn)放為理想運(yùn)放，于是存在關(guān)系式：當(dāng)基準(zhǔn)源UN和標(biāo)準(zhǔn)電阻RN為定值時(shí)，運(yùn)算放大器的輸出電壓與被測(cè)電阻Rx成正比。為了保證Rx的測(cè)量精度，放大器的開環(huán)增益必須充分大，漂移足夠小，輸入阻抗盡量高。51電阻的測(cè)量方法由于流過Rx的電流同樣在引線上造成壓降，因而帶來誤差，為此利用比例運(yùn)算法測(cè)量電阻時(shí)也應(yīng)采用四線法。由于運(yùn)放的輸入阻抗很高，rb上可以認(rèn)為無電流流過。又由于輸出Uo接至AD轉(zhuǎn)換器在其輸入阻抗足夠大的情況下，也可以認(rèn)為rd上無電流流過。所以3和4間的電壓近似為1和2間的電壓。從而減小了引線電阻對(duì)Rx的影響。當(dāng)然，RN支路引入了ra也會(huì)帶來一定的誤差。52電阻的測(cè)量方法比例運(yùn)算法一般適合于幾百歐姆至幾十兆歐的中值電阻的測(cè)量。3）積分運(yùn)算器法對(duì)于高值電阻的測(cè)量可以采用積分運(yùn)算器法，這種方法能夠以0.1％的精度對(duì)109－1014Ω的電阻作數(shù)字測(cè)量。53電阻的測(cè)量方法4）自舉法自舉法原理如圖所示。54電阻的測(cè)量方法二、電橋法自電橋測(cè)量原理問世至今的一百六十余年以來，在制造材料、電路結(jié)構(gòu)、技術(shù)特性、平衡調(diào)節(jié)方式與讀取測(cè)量結(jié)果等多方面，都取得了顯著的進(jìn)步。根據(jù)電橋工作狀態(tài)和特性劃分為平衡電橋與不平衡電橋和線性電橋與非線性電橋；由橋臂元件的導(dǎo)電、供電屬性分為有源電橋和無源電橋。55電阻的測(cè)量方法對(duì)于熱電阻的測(cè)量多使用電橋法。56晶體管和集成溫度傳感器四、晶體管和集成溫度傳感器是利用PN結(jié)的伏安特性與溫度之間的關(guān)系而研制的一種固態(tài)傳感器?？捎糜跍y(cè)量-50℃－150℃的溫度。57晶體管和集成溫度傳感器工作原理：PN結(jié)的伏安特性可以用下式表示：式中，I——PN結(jié)正向電流；U——PN結(jié)正向壓降；Is——PN結(jié)反向飽和電流；q——電子電荷量（1.6×10-19C）；T——絕對(duì)溫度；k——波爾茲曼常數(shù)。58晶體管和集成溫度傳感器在室溫下，T≈300K，kT/q≈2