傳感器與智能檢測(cè)技術(shù) 課件 2.1+2.2 溫標(biāo)+膨脹與壓力式溫度計(jì)

溫度是確定物質(zhì)狀態(tài)的最重要參數(shù)之一1輸電線(xiàn)路測(cè)溫實(shí)驗(yàn)室溫度監(jiān)控冶金溫度測(cè)量火箭羽焰溫度測(cè)量2溫度傳感器

在物理學(xué)發(fā)展的道路上，測(cè)量永遠(yuǎn)是唯一的可以依賴(lài)的向?qū)?，物理科學(xué)大廈是以測(cè)量為基礎(chǔ)的。

——普朗克2溫度傳感器2.1

溫標(biāo)及測(cè)溫方法2.2膨脹與壓力式溫度計(jì)2.3電阻式溫度傳感器2.4熱電偶傳感器2.5

輻射式溫度傳感器2.6其它測(cè)溫傳感器2024/7/922.1溫標(biāo)與測(cè)溫方法一、基本概念溫度宏觀(guān)上，表征物體冷熱程度的物理量；溫標(biāo)衡量溫度高低、表示溫度數(shù)值的一套規(guī)則。微觀(guān)上，表征物體內(nèi)部分子無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)的劇烈程度。建立現(xiàn)代溫標(biāo)必具備的條件：固定的溫度點(diǎn)（基準(zhǔn)點(diǎn)）測(cè)溫儀器溫標(biāo)方程（內(nèi)插公式）2024/7/93熱平衡兩個(gè)冷熱程度不同的物體相接觸后會(huì)產(chǎn)生熱交換，熱交換結(jié)束后兩物體處于熱平衡狀態(tài)，此時(shí)它們的溫度相同溫標(biāo)經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo)熱力學(xué)溫標(biāo)理想氣體溫標(biāo)國(guó)際實(shí)用溫標(biāo)由特定的測(cè)溫質(zhì)和測(cè)溫量確定的溫標(biāo)。華氏溫標(biāo)攝氏溫標(biāo)由熱力學(xué)第二定律確定的溫標(biāo)。特點(diǎn)：與選用的測(cè)溫介質(zhì)的性質(zhì)無(wú)關(guān)，克服了經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo)隨測(cè)溫介質(zhì)而變的缺陷由玻意耳—馬略特定律（理想氣體狀態(tài)方程）確定的溫標(biāo)。2024/7/94攝氏溫度和華氏溫度的關(guān)系：

這是一種協(xié)議溫標(biāo)，用來(lái)統(tǒng)一各國(guó)之間的溫度計(jì)量。具備的條件：①盡可能的接近熱力學(xué)（開(kāi)氏）溫度；②復(fù)現(xiàn)精度高，各國(guó)均能以很高的精度復(fù)現(xiàn)同樣的溫標(biāo)；③用于復(fù)現(xiàn)溫標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)使用方便、性能穩(wěn)定。發(fā)展：第一個(gè)國(guó)際溫標(biāo)是1927年國(guó)際計(jì)量大會(huì)決定采用的，“1927國(guó)際溫標(biāo)”,后來(lái)又不斷改進(jìn)修訂，相繼有1948國(guó)際溫標(biāo)、1968國(guó)際實(shí)用溫標(biāo)和1990國(guó)際實(shí)用溫標(biāo)。國(guó)際實(shí)用溫標(biāo)2024/7/95目前推行的是1990年國(guó)際實(shí)用溫標(biāo)ITS-90：

熱力學(xué)溫度用符號(hào)T90表示，單位為開(kāi)爾文，符號(hào)為K。攝氏溫度的符號(hào)為t90，單位是攝氏度，符號(hào)為℃。溫標(biāo)的傳遞2024/7/96在國(guó)際溫標(biāo)ITS-90中，對(duì)溫度范圍作了規(guī)定：把整個(gè)溫標(biāo)分成4個(gè)溫區(qū)，各個(gè)溫區(qū)的范圍、使用的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)溫儀器分別為：a)0.65～5.0K，用3He或4He蒸氣壓溫度計(jì)；b)3.0～24.5561K，用3He或4He定容氣體溫度計(jì)；c)13.803K～961.78℃，用鉑電阻溫度計(jì)；d)961.78℃以上，用光學(xué)或光電高溫計(jì)；利用物體的某一物理性質(zhì)（物理性質(zhì)隨溫度變化的特性）將其作成溫度敏感元件，通過(guò)溫度敏感元件與被測(cè)對(duì)象的熱交換，測(cè)量相關(guān)的物理量，即可間接的獲取被測(cè)對(duì)象的溫度值。溫度測(cè)量原理2024/7/971.接觸式測(cè)量

測(cè)溫元件直接與被測(cè)對(duì)象相接觸，主要依靠傳導(dǎo)和對(duì)流進(jìn)行熱交換，當(dāng)傳熱量相等時(shí)，二者溫度相等。

優(yōu)點(diǎn)：

測(cè)溫精度相對(duì)較高；直觀(guān)可靠；測(cè)溫儀表結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、價(jià)格相對(duì)較低缺點(diǎn)：響應(yīng)慢

感溫元件影響被測(cè)溫度場(chǎng)的分布；接觸不良會(huì)帶來(lái)測(cè)溫誤差；具有腐蝕性或溫度太高的被測(cè)介質(zhì)對(duì)感溫元件性能和

壽命會(huì)產(chǎn)生不利影響；不適合測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體。

典型類(lèi)型：熱電偶、熱電阻、熱膨脹式、集成溫度傳感器2024/7/98二、測(cè)溫方法的分類(lèi)2.非接觸式測(cè)量感溫元件不與被測(cè)對(duì)象直接接觸，而是通過(guò)接受被測(cè)物體的某個(gè)與溫度相關(guān)的特征量實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量的方法。優(yōu)點(diǎn)：

不改變被測(cè)物體的溫度場(chǎng)分布；具有較高的測(cè)溫上限；

熱慣性小，便于測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體的溫度及快速變化的溫度。典型類(lèi)型：電渦流式、輻射式、超聲波式2024/7/99接觸式與非接觸式測(cè)溫特點(diǎn)比較方式

接觸式

非接觸式（輻射法）

測(cè)量條件

感溫元件要與被測(cè)對(duì)象良好接觸；感溫元件的加入幾乎不改變對(duì)象的溫度；被測(cè)溫度不超過(guò)感溫元件能承受的上限溫度;被測(cè)對(duì)象不對(duì)感溫元件產(chǎn)生腐蝕

需準(zhǔn)確知道被測(cè)對(duì)象表面發(fā)射率；被測(cè)對(duì)象的輻射能充分照射到檢測(cè)元件上

測(cè)量范圍

特別適合1200℃以下、熱容大、無(wú)腐蝕性對(duì)象的連續(xù)在線(xiàn)測(cè)溫，對(duì)高于l300℃以上的溫度測(cè)量較困難原理上測(cè)量范圍可以從超低溫到極高溫，但1000℃以下，測(cè)量誤差大，能測(cè)運(yùn)動(dòng)物體和熱容小的物體溫度

精度

工業(yè)用表通常為1.0、0.5、0.2及0.1級(jí)，實(shí)驗(yàn)室用表可達(dá)0.01級(jí)通常為1.0、1.5、2.5級(jí)

響應(yīng)速度相對(duì)較慢，大多在1秒以上快，通常不高于1秒鐘

其它特點(diǎn)

整個(gè)測(cè)溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、可靠、維護(hù)方便、價(jià)格低廉，儀表讀數(shù)直接反映被測(cè)物體實(shí)際溫度；可方便地組成多路集中測(cè)量與控制系統(tǒng)

整個(gè)測(cè)溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大、調(diào)整麻煩、價(jià)格昂貴；儀表讀數(shù)通常只反映被測(cè)物體表現(xiàn)溫度(需進(jìn)一步轉(zhuǎn)換)；不易組成測(cè)溫、控溫一體化的溫度控制裝置2024/7/910表2.1.2常用測(cè)溫方法、類(lèi)型及特點(diǎn)測(cè)溫方式傳感器類(lèi)型測(cè)量范圍/℃特點(diǎn)接觸式熱膨脹式水銀-38~350簡(jiǎn)單方便，易損壞(水銀污染)雙金屬-80~600結(jié)構(gòu)緊湊，牢固可靠壓力液體-40~200耐振，堅(jiān)固，價(jià)格低廉氣體-120~550蒸汽50~200熱電阻鉑-260~960準(zhǔn)確度及靈敏度均較好，需注意環(huán)境溫度影響銅-50~150熱敏電阻-50~350體積小，響應(yīng)快，靈敏度高，線(xiàn)性差，注意環(huán)境溫度影響熱電偶國(guó)際通用的包含B、E、J、K、N、R、S、T八個(gè)系列，如B：鉑銠30—鉑銠6等-270~1800，特殊類(lèi)型的上限可超過(guò)3000種類(lèi)多，適應(yīng)性強(qiáng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，經(jīng)濟(jì)方便，應(yīng)用廣泛；自發(fā)電型傳感器，測(cè)量時(shí)可以不需外加電源，可直接驅(qū)動(dòng)動(dòng)圈式儀表；測(cè)溫范圍廣非接觸式光學(xué)高溫計(jì)700~3200非接觸測(cè)溫，不干擾被測(cè)溫場(chǎng)輻射影響小，應(yīng)用簡(jiǎn)便；響應(yīng)快，測(cè)溫范圍大，大多易受外界干擾，標(biāo)定困難，準(zhǔn)確度略低熱探測(cè)器-50~3200光子（電）探測(cè)器0~3500其它示溫涂料單/多變色可逆/不可逆示溫涂料60~1300用顏色或其他現(xiàn)象變化來(lái)指示物體表面溫度及溫度分布，可用于示溫報(bào)警或美化生活等物理現(xiàn)象

體積熱膨脹

電阻變化熱電效應(yīng)導(dǎo)磁率變化電容變化壓電效應(yīng)超聲波傳播速度變化物質(zhì)顏色P–N結(jié)電動(dòng)勢(shì)晶體管特性變化可控硅動(dòng)作特性變化熱、光輻射種類(lèi)銅/鉑熱電阻、熱敏電阻熱電偶BaSrTiO3陶瓷石英晶體振動(dòng)器超聲波溫度計(jì)示溫涂料液晶半導(dǎo)體二極管晶體管半導(dǎo)體集成電路溫度傳感器可控硅輻射溫度傳感器光學(xué)高溫計(jì)1.氣體溫度計(jì) 2.玻璃制水銀溫度計(jì)3.玻璃制有機(jī)液體溫度計(jì)4.雙金屬溫度計(jì)5.液體壓力溫度計(jì)6.氣體壓力溫度計(jì)1．

熱鐵氧體2．

Fe-Ni-Cu合金三、測(cè)溫儀器的分類(lèi)

按照溫度測(cè)量范圍，可分為超低溫、低溫、中高溫和超高溫溫度測(cè)量。超低溫一般是指0～10K，低溫指10～800K，中溫指800～1900K，高溫指1900～2800K的溫度，2800K以上被認(rèn)為是超高溫。注意2024/7/9132.2膨脹與壓力式溫度計(jì)一、膨脹式溫度計(jì)利用物質(zhì)熱脹冷縮現(xiàn)象，通過(guò)測(cè)量物質(zhì)膨脹或收縮量來(lái)反映被測(cè)溫度的溫度計(jì)液體膨脹式溫度計(jì)

利用液體的熱脹冷縮現(xiàn)象典型應(yīng)用：玻璃管溫度計(jì)玻璃管溫度計(jì)是由液體儲(chǔ)囊，毛細(xì)管，刻度標(biāo)尺和膨脹室四部分組成。1-液體儲(chǔ)囊

2-毛細(xì)管

3-刻度標(biāo)尺

4-膨脹室2024/7/914玻璃管液體溫度計(jì)的特點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：測(cè)量準(zhǔn)確、讀數(shù)直觀(guān)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉，使用方便缺點(diǎn)：易碎、不能遠(yuǎn)傳信號(hào)和自動(dòng)記錄等2024/7/915按照基本結(jié)構(gòu)形式不同，玻璃液體溫度計(jì)可分為：棒式、內(nèi)標(biāo)式、外標(biāo)式根據(jù)所填充的工作液體不同，可分為水銀溫度計(jì)和有機(jī)液體溫度計(jì)兩類(lèi)。玻璃管液體溫度計(jì)的分類(lèi)：水銀溫度計(jì)不粘玻璃，不易氧化，容易獲得較高精度，在相當(dāng)大的范圍內(nèi)（－38～356℃）保持液態(tài)，在200℃以下，其膨脹系數(shù)幾乎和溫度呈線(xiàn)性關(guān)系，所以可作為精密的標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)。固體膨脹式溫度計(jì)：應(yīng)用固體線(xiàn)膨脹原理測(cè)溫典型應(yīng)用：雙金屬片溫度計(jì)。原理：利用線(xiàn)膨脹系數(shù)差別較大的兩種金屬材料制成雙層片狀元件，在溫度變化時(shí)因彎曲變形而使其另一端有明顯位移，借此帶動(dòng)指針在溫度刻度盤(pán)上移動(dòng)。應(yīng)用2024/7/916雙金屬溫度計(jì)二、壓力式溫度計(jì)根據(jù)封閉系統(tǒng)的液體或氣體受熱后壓力變化的原理1-溫包；2-毛細(xì)導(dǎo)管；3-壓力計(jì)根據(jù)工作物質(zhì)的不同，可分