3模塊三、溫度檢測(上)

機、電類

《傳感器與檢測技術項目教程》

模塊三、溫度檢測課件

統(tǒng)一書號：ISBN978-7-111-48817-0

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2015年2月版（作者：梁森、黃杭美、王明霄、王侃夫）3/4/20241本模塊介紹“溫度”、“溫標”等基本概念、熱電阻、熱敏電阻、熱電偶、溫度集成電路、防爆知識、安全柵的使用，還介紹了紅外測溫的原理及應用。內(nèi)容簡介今天是：3/4/20243/4/20242知識鏈接、溫度與溫標的基本概念項目一、鉑熱電阻項目二、熱敏電阻項目三、熱電偶項目四、集成溫度傳感器項目五、防爆技術與安全柵拓展閱讀、紅外測溫模塊三、溫度檢測（上）目錄進入進入進入進入進入進入3/4/20243低溫高溫知識鏈接、溫度與溫標的基本概念一、溫度測量的基本概念

溫度標志著物質(zhì)內(nèi)部大量分子（或原子）無規(guī)則運動的劇烈程度。溫度越高，表示物體內(nèi)部分子（或原子）的熱運動越劇烈。

模擬圖：在一個密閉的空間里，氣體分子在高溫時的運動速度比低溫時快！溫度從微觀上看，是物體分子運動平均動能大小的標志。3/4/20244二、測溫傳感器分類溫度傳感器按照用途可分為基準溫度計和工業(yè)溫度計；按照測量方法又可分為接觸式和非接觸式；按工作原理又可分為膨脹式、電阻式、熱電式、輻射式等等；按輸出方式分，有：自發(fā)電型、機械非電測型等。

現(xiàn)在時間是：12:19氣體膨脹式溫度計3/4/20245溫度傳感器應滿足的條件：特性與溫度之間的關系要適中，并容易檢測和處理，且隨溫度基本呈線性變化；除溫度以外，特性對其它物理量的靈敏度要低；特性隨時間變化要小；重復性好，沒有滯后和老化；靈敏度高，堅固耐用，體積小，對檢測對象的影響要小；機械性能好，耐化學腐蝕，耐熱性能好；能大批量生產(chǎn)，價格便宜；無危險性，無公害。3/4/20246溫度傳感器的種類及特點: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：傳感器直接與被測物體接觸進行溫度測量，由于被測物體的熱量傳遞給傳感器，降低了被測物體溫度，因此采用這種方式要測得物體的真實溫度的前提條件是被測物體的熱容量要足夠大。

非接觸式溫度傳感器：主要是利用被測物體熱輻射而發(fā)出紅外線，從而測量物體的溫度，可進行遙測。其制造成本較高，測量準確度較低。

優(yōu)點：不從被測物體上吸收熱量；不會干擾被測對象的溫度場。3/4/20247物理現(xiàn)象

體積熱膨脹

電阻變化溫差電動勢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P–N結電動勢晶體管特性變化晶閘管動作點變化熱、光輻射種類鉑測溫電阻、熱敏電阻熱電偶BaSrTiO3陶瓷石英晶體振蕩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熱敏晶閘管輻射溫度傳感器光學高溫計1.氣體溫度計2.玻璃制水銀溫度計3.玻璃制有機液體溫度計4.雙金屬溫度計5.液體壓力溫度計6.氣體壓力溫度計1．

熱鐵氧體2．

Fe-Ni-Cu合金

溫度測量及傳感器分類3/4/20248表3-1溫度傳感器的種類及特點所利用的物理現(xiàn)象傳感器類型測溫范圍/℃特點體積熱膨脹氣體膨脹溫度計液體壓力溫度計玻璃水銀溫度計雙金屬片溫度計-250～1000-200～350-50～350-50～300不需要電源，耐用；但感溫部件體積較大接觸熱電動勢鎢錸熱電偶鉑銠熱電偶其他熱電偶1000～2100200～1800-200～1200

自發(fā)電型，標準化程度高，品種多；須進行冷端溫度補償電阻的變化鉑熱電阻熱敏電阻-200～900-50～300

標準化程度高；但需要接入橋路才能得到電壓輸出PN結結電壓硅半導體二極管（半導體集成溫度傳感器）-50~150體積小，線性好，-2mV/℃；但測溫范圍小溫度-顏色示溫涂料示溫液晶-50～13000～100面積大，可得到溫度圖象；但易衰老，準確度低光輻射熱輻射紅外輻射溫度計光學高溫溫度計熱釋電溫度計-50～1500500～30000～1000非接觸式測量，反應快；但易受環(huán)境及被測體表面狀態(tài)影響3/4/20249介紹幾種溫度測量方法示溫涂料（變色涂料）裝滿熱水后圖案變得清晰可辨3/4/202410示溫變色貼3/4/202411變色涂料在電腦內(nèi)部溫度中的示溫作用CPU散熱風扇低溫時顯示藍色溫度升高后變?yōu)榧t色3/4/202412體積熱膨脹式

不需要電源，壽命長；但感溫部件體積較大，只能抵近測量。

氣體的體積與熱力學溫度成正比3/4/202413紅外溫度計3/4/202414溫度是表征物體的冷熱程度的物理量。為了定量分析，要給物體的冷熱程度一個定量的描述。溫標就是以此目的而建立的。溫標是溫度數(shù)值化的標尺，它給出了溫度數(shù)值化的一套規(guī)則和方法，并明確了溫度的測量單位和溫度起點。溫標的建立方法：借助于隨溫度變化而變化的物理量（體積、壓力、電阻和熱電動勢等）來定義溫度數(shù)值、建立溫標。三、溫標3/4/202415溫度的數(shù)值表示方法稱為溫標溫標規(guī)定了溫度的讀數(shù)的起點（即零點）以及溫度的單位。各類溫度計的刻度均由溫標確定。國際上規(guī)定的溫標有：攝氏溫標、華氏溫標、熱力學溫標等。華氏、攝氏、開氏溫度比較3/4/202416發(fā)展階段：華氏溫標→攝氏溫標→開氏溫標

華氏溫標規(guī)定：標準大氣壓下冰融點為32度，水沸點為212度，兩者中間分180格，每格為華氏1度，符號為℉。攝氏溫標規(guī)定，標準大氣壓下冰融點為0度，水沸點為100度，兩者中間分100格，每格為攝氏1度，符號為℃。華氏溫標與攝氏溫標的換算關系是：

例：攝氏溫度為20℃時，華氏溫度為32+36=68℉

開氏溫標規(guī)定，溫度不能為負值，起點為絕對零度，冰融點為273.15度，水沸點為373.15度，兩者中間分100格，每格為1開，符號為K。

各種溫標均有局限性，華氏溫標和攝氏溫標只能標定0℃～100℃的溫度，而開氏溫標的起點只是理論上存在，無法達到。溫標的發(fā)展3/4/202417國際實用溫標是一種協(xié)議溫標，用來統(tǒng)一各國之間的溫度計量。①盡可能地接近熱力學（開氏）溫度；②各國均能以很高的準確度復現(xiàn)同樣的溫標；③用于復現(xiàn)溫標的標準溫度計使用方便、性能穩(wěn)定。第一個國際溫標是1927年國際計量大會決定采用的，“1927國際溫標”,后來又不斷改進修訂，相繼有1948國際溫標、1968國際實用溫標和1990國際實用溫標。目前推行的是1990年國際實用溫標ITS-90：

熱力學溫度用符號T90表示,單位為開爾文，符號為K。

攝氏溫度的符號為t90，單位是攝氏度，符號為℃。國際實用溫標3/4/202418

T90和t90的關系為：t90=T90-273.15，或t/℃=T/K-273.15

例如:攝氏溫度為0℃時，開爾文溫度為273.15K

ITS-90國際實用溫標由三部分組成：

定義固定點、內(nèi)插標準儀器及內(nèi)插公式。定義的固定點是指：

某些純物質(zhì)的三相點（氣、液、固共存）、熔點或凝固點、沸點這些固定點的指定溫度值。

固定點間的溫度用規(guī)定的內(nèi)插標準儀器和內(nèi)插公式來分度。3/4/202419幾種溫標的對比正常體溫為37℃

，相當于華氏溫度多少度？3/4/2024201990國際溫標（ITS-90）

國際溫度咨詢委員會于1989年9月通過了1990年新的國際溫標(ITS-90),并上報國際計量委員會批準。這個新國際溫標于1990年1月1日起在全世界各國開始執(zhí)行。新溫標用“T(90)”代表熱力學溫度,其單位用K表示。我國的國家法定測溫標準統(tǒng)一采用新的國際溫，簡稱ITS-90ITS-90定義了一系列溫度的固定點，測量和重現(xiàn)這些固定點的標準儀器以及計算公式，例如水的三相點為273.16K（0.01℃）等。

3/4/202421熱力學溫標（K）熱力學溫標是建立在熱力學第二定律基礎上的最科學的溫標，是由開爾文（Kelvin）根據(jù)熱力學定律提來的，因此又稱開氏溫標。它的符號是T，單位是開爾文（K）。威廉·湯姆遜·開爾文勛爵像3/4/202422項目一、鉑熱電阻

【項目教學目標】?知識目標1）掌握鉑熱電阻的測溫原理與方法。2）熟悉熱電阻的型號。?技能目標1．熟悉鉑熱電阻的組橋方法及與顯示儀表的連接方法。2．學會查鉑熱電阻分度表。

回目錄現(xiàn)在時間是：12:193/4/202423任務一認識鉑熱電阻金屬熱電阻的正溫度系數(shù)溫度升高，金屬內(nèi)部原子晶格的振動加劇，從而使金屬內(nèi)部的自由電子通過金屬導體時的阻礙增大，宏觀上表現(xiàn)出電阻率變大，電阻值增加，稱其為正溫度系數(shù)，即電阻值與溫度的變化趨勢相同。

測溫熱電阻可分為金屬和半導體兩大類。3/4/202424金屬絲電阻隨溫度增高而變大的演示

取一只

100W/220V燈泡，用萬用表測量其電阻值，可以發(fā)現(xiàn)其冷態(tài)阻值只有幾十歐姆，而計算得到的額定熱態(tài)電阻值應為484Ω。請說明鎢絲的溫度系數(shù)的正負。3/4/202425超導現(xiàn)象

1911年，荷蘭物理學家昂內(nèi)斯（Kamerlingh

Onnes）在用液氦將汞的溫度降到4.2K時，發(fā)現(xiàn)汞的電阻降為零。昂內(nèi)斯將這種現(xiàn)象稱為物質(zhì)的超導性。昂內(nèi)斯和其他科學家又陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了其他一些金屬也是超導體。昂內(nèi)斯因為這項重大發(fā)現(xiàn)而獲得1913年的諾貝爾物理學獎。超導磁懸浮3/4/202426易提純、復現(xiàn)性好的金屬材料才可用于制作熱電阻

制作熱電阻的材料必須具有電阻溫度系數(shù)大、線性好、性能穩(wěn)定、一致性好、使用溫度范圍寬、加工容易等特點。（）3/4/202427金屬熱電阻材料的主要技術性能

3/4/202428熱電阻的阻值Rt與溫度t的關系表達式Rt=R0(1+At+Bt2+Ct3+Dt4)式中

Rt——熱電阻在t時的電阻值；R0——熱電阻在0℃時的電阻值；A、B、C、D——溫度系數(shù)熱電阻的阻值Rt與t之間并不完全呈線性關系。在規(guī)定的測溫范圍內(nèi)，根據(jù)國際電工委員會（IEC）頒布的分度表數(shù)值，列出每隔1℃的Rt電阻值，這種表格稱為熱電阻分度表，見附錄C。在工程中，若不考慮線性度誤差的影響，有時也可以利用溫度系數(shù)α來近似計算熱電阻的阻值Rt。即：Rt=R0(1+αt）3/4/202429裝配式鉑熱電阻

0℃時的電阻為100Ω接線盒3/4/202430薄膜式鉑熱電阻

Pt1000薄膜熱電阻在0℃時的電阻為1kΩ，最大工作電流小于0.3mA。在真空清潔室中，將鉑金屬噴射在陶瓷體上，然后用激光進行光刻和阻值的微調(diào),再焊接兩根引線。在鉑金上涂上一層特殊的絕緣玻璃層。薄膜熱電阻的響應時間只需幾秒。3/4/202431薄膜式鉑熱電阻工藝過程示意圖

3/4/202432小型鉑熱電阻

3/4/202433防爆式鉑熱電阻

堅實的外殼起“隔爆”作用，工作電流控制在安全范圍。3/4/202434鎧裝式鉑熱電阻

1－接線盒2－引出線密封管3－法蘭盤4－柔性外套管（可達百米）5－測溫端部3/4/202435端面式熱電阻及其在測溫端面的安裝螺紋深入到被測物內(nèi)部，能更快速地反映被測物的實際溫度。3/4/202436汽車用水溫傳感器及水溫表

銅熱電阻3/4/202437學習查“鉑熱電阻分度表”如何判斷鉑熱電阻是否線性3/4/202438鉑電阻溫度顯示、變送器上下限設定鍵上限下限上上限下下限測量值3/4/202439可設定溫度的溫度控制箱

旋轉(zhuǎn)式機械設定開關撥碼式設定開關不易被改動，適合車間使用3/4/202440任務二鉑熱電阻組橋

方案一、二線制電橋方案一：二線制電橋測量電路R1為鉑熱電阻，R2、R3、R4為錳銅精密電阻(固定電阻)。電橋的調(diào)零在0℃的情況下進行。熱電阻Rt被安裝在測溫點上,然后用連接導線連接到電橋的接線端子上。引線電阻r1a、r1b及其隨長度和溫度的變化將引起測量誤差。3/4/202441方案二：四線制恒流測量電路恒流源Ii的恒定激勵電流流過Rt，在Rt上產(chǎn)生降壓Uo=IiRt。輸出電壓Uo的變化量ΔUo與被測溫度變化引起的電阻變化量ΔR成正比。由于輸出電壓是直接從Rt兩端引出的，所以激勵電流Ii在r1a、r1b上的壓降就不被包括到Uo中，因此可以克服引線電阻的影響。本底電壓Uo0所占比例較大，而反映溫度變化的ΔUo相對較小，降低了系統(tǒng)的分辨力。3/4/202442方案三：三線制電橋測量電路1－連接電纜2－屏蔽層

RP1－調(diào)零電位器RP2－調(diào)滿度電位器3/4/202443三線制電橋特點采用三線制單臂電橋可以消除和減小引線電阻的影響。熱電阻Rt用三根導線①、②、③引至測溫電橋。圖3-7

鉑熱電阻的三線制電橋測量電路1－連接電纜2－屏蔽層RP1－調(diào)零電位器

RP2－調(diào)滿度電位器3/4/202444三線制電橋特點（續(xù)）其中兩根引線的內(nèi)阻（r1、r4）分別串入測量電橋相鄰兩臂的R1、R4上，(R1+r1)/R2=(R4+r4)/R3。引線的長度變化不影響電橋的平衡,所以可以避免因連接導線電阻受環(huán)境影響而引起的測量誤差。3/4/202445三線制電橋特點（續(xù)）差動放大器的4個電阻的比例應上圖右下角所示的公式,可以提高直流以及交流”共模干擾”的”共模抑制比”。3/4/202446WP6200系列熱電阻溫度變送器的接線盒SBWZ2系列三線制熱電阻溫度變送器的接線圖3/4/202447利用熱絲（鉑熱電阻）測量氣體流速（流量）內(nèi)置鉑金熱絲風3/4/202448利用熱絲測量氣體流速（流量）內(nèi)置鉑金絲被加熱到200℃風鉑絲接入單臂電橋tv3/4/202449項目二、熱敏電阻測溫

【項目教學目標】?知識目標1）掌握熱敏電阻傳感器的測溫原理。2）熟悉熱敏電阻的類型及特性。3）熟悉熱敏電阻的基本應用電路。?技能目標1）掌握熱敏電阻的選型方法。2）熟悉各種熱敏電阻的應用

回目錄現(xiàn)在時間是：12:193/4/202450任務一、認識熱敏電阻

熱敏電阻分類：負溫度系數(shù)熱敏電阻NTC

正溫度系數(shù)熱敏電阻：PTCNTC又可分為兩大類：第一類的電阻值與溫度之間呈嚴格的負指數(shù)關系，因此可用于測量溫度：e是自然對數(shù)的底，e≈2.718.第二類為突變型（CTR）。當溫度上升到某臨界點時，其電阻值突然下降，可用于控制溫度或抑制浪涌電流。3/4/202451NTC熱敏電阻的

材料與特性以錳、鈷、鎳和銅等金屬氧化物為主要材料,采用陶瓷工藝制造而成。在低溫時,這些氧化物材料的載流子(電子和空穴)數(shù)目少,所以其電阻值較高。隨著溫度的升高,載流子數(shù)目增加,所以電阻值降低。電阻率和溫度系數(shù)隨材料成分比例、燒結溫度和結構狀態(tài)不同而變化?，F(xiàn)在還出現(xiàn)了以碳化硅、硒化錫、氮化鉭等為代表的非氧化物系列NTC熱敏電阻材料。3/4/202452熱敏電阻的外形、結構及符號

a）圓片形

b）柱形

c）珠形

d）鎧裝型e）厚膜型

f）貼片式

g）圖形符號1－熱敏電阻2－玻璃外殼3－引出線4－純銅外殼5－傳熱安裝孔3/4/202453例：熱敏電阻的R0＝1MΩ，

t0＝25℃，B=4000,

100℃時的電阻值RT=67kΩ。結論：該NTC在100℃時的阻值大約只有25℃時的1/15

。3/4/202454PTC熱敏電阻在鈦酸鋇里摻雜其它的多晶陶瓷材料,壓制成圓片等形狀,燒結而成PTC熱敏電阻，屬于臨界溫度型(CTR)。當溫度上升到某臨界點時,其電阻值突然上升,可用于電路的限流、過載保護。大功率PTC還可用作暖風機中的加熱元件。恒溫加熱用PTC熱敏電阻

3/4/202455下圖所示的四根曲線分別為哪一種熱敏電阻？3/4/202456熱敏電阻的主要參數(shù)（1）標稱阻值R0：一般指環(huán)境溫度為25℃時熱敏電阻的電阻值。（2）B值：是反映NTC熱敏電阻阻值隨溫度變化的靈敏度，量綱為1。（3）居里溫度TK：電阻值陡峭地增高時的溫度定義為居里溫度。（4）電阻溫度系數(shù)α：它表示溫度變化1℃時的阻值變化率，單位為%/℃。（5）時間常數(shù)τ：是描述熱敏電阻熱慣性的參數(shù)。（6）最大工作電流IM：在低阻態(tài)時所允許的電流值上限。（7）額定功率PM：熱敏電阻長期、連續(xù)接到電源上時，所允許的消耗功率。3/4/202457熱敏電阻外形

MF12型NTC熱敏電阻聚脂塑料封裝熱敏電阻3/4/202458其他形式的熱敏電阻

玻璃封裝NTC熱敏電阻MF58型熱敏電阻3/4/202459其他形式的熱敏電阻

帶安裝孔的熱敏電阻大電流PTC熱敏電阻3/4/202460其他形式的熱敏電阻（續(xù)）

貼片式NTC熱敏電阻3/4/202461其他形式的熱敏電阻（續(xù)）

MF58型（珠形）高準確度負溫度系數(shù)熱敏電阻MF5A-3型熱敏電阻3/4/202462各種非標熱敏電阻3/4/202463非標熱敏電阻（續(xù)）

3/4/202464非標熱敏電阻（續(xù)）

3/4/202465任務二、熱敏電阻的應用

熱敏電阻式溫度面板表

熱敏電阻

LCD顯示器3/4/202466熱敏電阻電子體溫表

3/4/202467熱敏電阻電子體溫表的調(diào)試、標定方法

調(diào)試時，應該先調(diào)哪一只電位器，再調(diào)哪一只電位器？使用分隔刻度為0.1℃的高準確度溫度計,校驗本設計刻度中其他各點是否準確,并用單片機進行線性化顯示.a）橋式電路b）調(diào)頻式電路c）數(shù)字式體溫表1－熱敏電阻2－指針式顯示器3－調(diào)零電位器4－調(diào)滿度電位器3/4/202468熱敏電阻與電容器組成的RC多諧振蕩器

多諧振蕩器又稱為矩形波發(fā)生器去計算機的計數(shù)器Rtff3/4/202469熱敏電阻用于CPU的溫度測量

.3/4/202470熱敏電阻用于電熱水器的溫度控制

3/4/202471PTC熱敏電阻用于溫度補償

動圈式表頭中的動圈由銅線繞制而成。當環(huán)境溫度升高時，動圈的電阻增大，引起表頭的指針偏轉(zhuǎn)角減小?？梢栽趧尤芈分写胗韶摐囟认禂?shù)NTC熱敏電阻組成的電阻網(wǎng)絡，從而抵消由于溫度變化所產(chǎn)生的誤差。3/4/202472PTC可恢復熔斷器

可恢復熔絲（也稱可恢保險絲）本體中，聚合樹脂均勻分布在導電