【正文】 第二章 熱電傳感器 第一節(jié) 概 論 第二節(jié) 熱電偶溫度傳感器 第三節(jié) 熱敏電阻溫度傳感器 第四節(jié) IC溫度傳感器 第五節(jié) 其他溫度傳感器 通過本章的學(xué)習(xí)了解溫度傳感器的作用、地位、分類和發(fā)展趨勢；掌握熱電偶三定律及相關(guān)計(jì)算；掌握熱敏電阻不同類型的特點(diǎn)及應(yīng)用場合；掌握集成溫度傳感器使用方法；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 2022多年前，就開始為檢測溫度進(jìn)行了各種努力，并開始使用溫度傳感器檢測溫度。 ?人類社會(huì)中，工業(yè)、農(nóng)業(yè)、商業(yè)、科研、國防、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 ,溫度測量點(diǎn)要占全部測量點(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，人類離不開溫度，當(dāng)然也離不開溫度傳感器。 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，簡稱溫標(biāo)。 ?熱力學(xué)溫標(biāo) ?國際實(shí)用溫標(biāo) ?攝氏溫標(biāo) ?華氏溫標(biāo) 如果在式中再規(guī)定一個(gè)條件 ,就可以通過卡諾循環(huán)中的傳熱量來完全地確定溫標(biāo) 。 1954年 ， 國際計(jì)量會(huì)議選定 水的三相點(diǎn)為 ， 并以它的 1/ ，這樣熱力學(xué)溫標(biāo)就完全確定了 ， 即 T=(Q1/Q2)。 1848年威廉 湯姆首先提出以熱力學(xué)第二定律為基礎(chǔ) ， 建立溫度僅與熱量有關(guān) ， 而與物質(zhì)無關(guān)的熱力學(xué)溫標(biāo) 。 因是開爾文總結(jié)出來的 ， 故又稱開爾文溫標(biāo) ， 用符號 K表示 。 它是國際基本單位制之一 。 根據(jù)熱力學(xué)中的卡諾定理 ， 如果在溫度 T1的熱源與溫度為 T2的冷源之間實(shí)現(xiàn)了卡諾循環(huán) ， 則存在下列關(guān)系式 1．熱力學(xué)溫標(biāo) Q1——熱源給予熱機(jī)的傳熱量 Q2——熱機(jī)傳給冷源的傳熱量 2121TT ?為解決國際上溫度標(biāo)準(zhǔn)的同意及實(shí)用問題 ， 國際上協(xié)商決定 ， 建立一種既能體現(xiàn)熱力學(xué)溫度 （ 即能保證一定的準(zhǔn)確度 ） ， 又使用方便 、 容易實(shí)現(xiàn)的溫標(biāo) ， 即國際實(shí)用溫標(biāo) International Practical Temperature Scale of 1968(簡稱 IPTS68)， 又稱國際溫標(biāo) 。 2．國際實(shí)用溫標(biāo) 注意：攝氏溫度的分度值與開氏溫度分度值相同，即溫度間隔 1K=1℃ 。 T0是在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下冰的融化溫度， T0 = K。水的三相點(diǎn)溫度比冰點(diǎn)高出 K。 1968年國際實(shí)用溫標(biāo)規(guī)定熱力學(xué)溫度是基本溫度，用 t表示，其單位是開爾文，符號為 K。 1K定義為水三相點(diǎn)熱力學(xué)溫度的 1/，水的三相點(diǎn)是指純水在固態(tài)、液態(tài)及氣態(tài)三項(xiàng)平衡時(shí)的溫度，熱力學(xué)溫標(biāo)規(guī)定三相點(diǎn)溫度為 K，這是建立溫標(biāo)的惟一基準(zhǔn)點(diǎn)。 氫 氧 三相點(diǎn) 沸點(diǎn) 水 三相點(diǎn) 沸點(diǎn) 鋅 凝固點(diǎn) 銀 凝固點(diǎn) 金 凝固點(diǎn) 物質(zhì) 三相點(diǎn) 平衡狀態(tài) 溫 度 T68/K T68/℃ 沸點(diǎn) 25/76atm 沸點(diǎn) 沸點(diǎn) 國際實(shí)用溫標(biāo)（ IPTS68）的固定點(diǎn) 四個(gè)溫度段：規(guī)定各溫度段所使用的標(biāo)準(zhǔn)儀器 ① 低溫鉑電阻溫度計(jì) （ —） ； ② 鉑電阻溫度計(jì) （ —） ； ③ 鉑銠 鉑熱電偶溫度計(jì) （ —） ； ④ 光測溫度計(jì) （ ） 。 國際實(shí)用開爾文溫度與國際實(shí)用攝氏溫度分別用符號 T68和 t68來區(qū)別（一般簡寫為 T與 t）。 3．?dāng)z氏溫標(biāo) 是工程上最通用的溫度標(biāo)尺 。 攝氏溫標(biāo)是在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓 (即 101325Pa)下將水的冰點(diǎn)與沸點(diǎn)中間劃分一百個(gè)等份 ， 每一等份稱為攝氏一度 (攝氏度 ， ℃ )， 一般用小寫字母 t表示 。 與熱力學(xué)溫標(biāo)單位開爾文并用 。 攝氏溫標(biāo)與國際實(shí)用溫標(biāo)溫度之間的關(guān)系如下： 4．華氏溫標(biāo) 目前已用得較少，它規(guī)定在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下冰的融點(diǎn)為32華氏度，水的沸點(diǎn)為 212華氏度，中間等分為 180份，每一等份稱為華氏一度，符號用 ℉ ，它和攝氏溫度的關(guān)系如下： T=t+ K t= ℃ m=+32 ℉ n= 5/9 (m32) ℃ 二、溫度傳感器的特點(diǎn)與分類 ? 隨物體的熱膨脹相對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； ? 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 測和處理，且隨溫度呈線性變化； ?除溫度以外，特性對其它物理量的靈敏度要低； ?特性隨時(shí)間變化要小； ?重復(fù)性好，沒有滯后和老化； ?靈敏度高，堅(jiān)固耐用，體積小，對檢測對象的影響要?。? ?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； ?無危險(xiǎn)性，無公害等。 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)：傳感器直接與被測物體接觸進(jìn)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，特別是被測物體熱容量較小時(shí)，測量精度較低。因此采用這種方式要測得物體的真實(shí)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(jìn)行遙測。其制造成本較高，測量精度卻較低。優(yōu)點(diǎn)是：不從被測物體上吸收熱量；不會(huì)干擾被測對象的溫度場；連續(xù)測量不會(huì)產(chǎn)生消耗；反應(yīng)快等。 物理現(xiàn)象 體積熱膨脹 電阻變化 溫差電現(xiàn)象 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 晶體管特性變化 可控硅動(dòng)作特性變化 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) 2. 玻璃制水銀溫度計(jì) 6. 氣體壓力溫度計(jì) 1． 熱鐵氧體 2． FeNiCu合金 熱電偶、測溫電阻器、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) 見表下內(nèi)容 測 溫 范 圍 溫度傳感器分類 (1) 分 類 特 征 傳 感 器 名 稱 測溫范圍寬、 輸出小 測溫電阻器、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 測溫范圍窄、 輸出大 熱敏電阻 指數(shù)型 函數(shù) 開關(guān)型 特性 特定溫度、輸出大 感溫鐵氧體、雙金屬溫度計(jì) 測 溫 特 性 溫度傳感器分類 (2) 分 類 特 征 傳 感 器 名 稱 測定精度 177。 ～177。 ℃ 鉑測溫電阻、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 測定精度 177。 ～177。 5℃ 熱電偶 、 測溫電阻器 、 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 絕對值 測定用 管理溫度測定用 相對值 177。 1～177。 5℃ 測 定 精 度 溫度傳感器分類 (3) 此外，還有 微波測溫溫度傳感器、噪聲測溫溫度傳感器、溫度圖測溫溫度傳感器、熱流計(jì)、射流測溫計(jì)、核磁共振測溫計(jì)、穆斯保爾效應(yīng)測溫計(jì)、約瑟夫遜效應(yīng)測溫計(jì)、低溫超導(dǎo)轉(zhuǎn)換測溫計(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： ℃ 。 改進(jìn)后可連續(xù)工作 2022h， 失效率小于 1％ ， 使用期為 10年 。 2． 管纜熱電阻 測溫范圍為 20～＋ 500℃ ， 最高上限為 1000℃ ， 精度為 。 （－）接觸式溫度傳感器 3． 陶瓷熱電阻 測量范圍為 –200～ +500℃ ， 精度為 、 。 4． 超低溫?zé)犭娮? 兩種碳電阻 ， 可分別測量 –～253℃ ～ ℃ 的溫度 。 5． 熱敏電阻器 適于在高靈敏度的微小溫度測量場合使用 。 經(jīng)濟(jì)性好 、 價(jià)格便宜 。 l． 輻射高溫計(jì) 用來測量 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)測溫通用光譜高溫計(jì) ,其測量范圍為 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) 。 目前國外有可測到 5000℉ 的產(chǎn)品 。 4． 激光溫度傳感器 適用于遠(yuǎn)程和特殊環(huán)境下的溫度測量 。 如 NBS公司用氦氖激光源的激光做光反射計(jì)可測很高的溫度 ， 精度為 1％ 。 美國麻省理工學(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 Browa Borer研究中心用激光溫度傳感器可測幾千開 (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 溫差熱電偶（簡稱熱電偶）是目前溫度測量中使用最普遍的傳感元件之一。它除具有 結(jié)構(gòu)簡單，測量范圍寬、準(zhǔn)確度高、熱慣性小，輸出信號為電信號 便于遠(yuǎn)傳或信號轉(zhuǎn)換等優(yōu)點(diǎn)外，還能用來測量流體的溫度、測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 ★ 熱電偶的選擇、安裝使用和校驗(yàn) 兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體 A和 B組合成 如圖所示閉合