【正文】 第二章 溫度檢測 本章主要內(nèi)容：測溫原理及方法 溫標(biāo)及測溫方法 電阻式溫度傳感與測試 熱電偶溫度計(jì) 輻射式溫度計(jì) 光導(dǎo)纖維溫度計(jì) 集成溫度傳感技術(shù) 自然界中幾乎所有的物理化學(xué)過程都與溫度緊密相關(guān)，因此溫度是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)試驗(yàn)以及日常生活中需要普遍進(jìn)行測量和控制的一個(gè)重要物理量。 溫度 是表征物體冷熱程度的物理量。溫度只能通過物體隨溫度變化的某些特性來間接測量，而用來量度物體溫度數(shù)值的標(biāo)尺叫 溫標(biāo) 。它規(guī)定了溫度的讀數(shù)起點(diǎn)（零點(diǎn)）和測量溫度的基本單位。目前國際上用得較多的溫標(biāo)有華氏溫標(biāo)、攝氏溫標(biāo)、熱力學(xué)溫標(biāo) . 溫標(biāo)及測溫方法 （ 1）溫度與溫標(biāo) ?溫度定義 ?對物體或系統(tǒng)的冷熱程度的衡量（宏觀）的物理量。 ?是物體分子運(yùn)動平均動能大小的標(biāo)致（微觀） ?溫標(biāo)：溫度標(biāo)尺（定量） ?起點(diǎn)、基本單位 溫標(biāo) ?經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo)： 根據(jù)物體熱脹冷縮現(xiàn)象制定 ?攝氏溫標(biāo)： 在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，冰點(diǎn) 0176。 C，水的沸點(diǎn) 100 176。 C，中間 100等分，每份為攝氏 1度，符號為 ℃ 。 ?華式溫標(biāo)： 在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，冰點(diǎn) 32176。 F，水的沸點(diǎn) 212 176。 F，中間 180等分，每份為華氏 1度，符號為 oF。 攝氏溫度 t 和華氏溫度 θ之間的關(guān)系： 5 ( 3 2 )9t ???T(176。 F)=t(176。 C)x9/5+32 ?國際實(shí)用溫標(biāo)： 是一種協(xié)議溫標(biāo)， 熱力學(xué)溫度符號： T（ T90） 單位：開爾文，符號為 K。 1K = 水的三相點(diǎn)熱力學(xué)溫度的 1/ 熱力學(xué)溫度是以水的三相點(diǎn)來定義的，規(guī)定水的三相點(diǎn)的溫度為 攝氏溫度 t 和 熱力學(xué)溫度 T 的關(guān)系： t＝ T－ ?國際溫標(biāo)（熱力學(xué)溫標(biāo)） ：根據(jù)卡諾循環(huán)原理建立，實(shí)際難以實(shí)現(xiàn)。（ PV=RT） ? 表 91 各溫標(biāo)間的換算關(guān)系 （ 2）測溫方法 一、接觸式測溫 傳感器和被測對象直接接觸，進(jìn)行充分的熱交換，達(dá)到熱平衡后，敏感元件與被測對象具有相同溫度，傳感器的輸出即反映了被測溫度的高低。 —— 傳導(dǎo)換熱 按照感溫元件是否與被測介質(zhì)接觸，分為兩大類： ? 優(yōu)點(diǎn)： 測溫儀表結(jié)構(gòu)比較簡單、工作可靠，且價(jià)格低廉； 測量精度較高，穩(wěn)定性好； ? 缺點(diǎn)： 因測溫元件與被測介質(zhì)需要進(jìn)行充分的熱交換，需要一定的時(shí)間才能達(dá)到熱平衡，所以存在測溫的延遲現(xiàn)象，有較大的滯后，不宜于快速變化的溫度測量或?qū)\(yùn)動物體進(jìn)行測量； 測溫范圍受感溫材料性質(zhì)的限制，不能應(yīng)用于很低或很高的溫度測量。溫度太高或腐蝕性介質(zhì)對感溫元件的性能和壽命會產(chǎn)生不利影響。 感溫元件影響被測溫度場的分布，且接觸不良等因素都會帶來測量誤差。 接觸式測溫方法的優(yōu)缺點(diǎn)： 二、非接觸式測溫 利用被測對象的熱輻射能量隨溫度的變化而變化的原理，通過測量一定距離處被測物體發(fā)出的熱輻射強(qiáng)度來確定被測對象的溫度。 —— 輻射換熱 （傳感器不需和被測對象接觸） ? 優(yōu)點(diǎn)： 測溫范圍廣，不受測溫上限的限制，也不會破壞被測物體的溫度場； 反應(yīng)速度一般比較快，幾乎不存在測量滯后，便于測量運(yùn)動物體的溫度和快速變化的溫度； 因?yàn)榉墙佑|，所以可在高溫、腐蝕、有毒等惡劣環(huán)境中使用。 ? 缺點(diǎn)： 受到物體的發(fā)射率、測量距離、煙塵和水氣等外界因素的影響，其測量精度較低。 非接觸式測溫方法的優(yōu)缺點(diǎn)： 按照溫度測量范圍，可分為超低溫、低溫、中溫、高溫和超高溫溫度測量。 ?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 熱電阻和熱敏電阻 ? 利用導(dǎo)體和半導(dǎo)體的電阻隨溫度變化這一性質(zhì)做成的溫度計(jì)稱為電阻溫度計(jì) 。大多數(shù)金屬在溫度升高 1 ?C 時(shí)電阻將增加 ％～ ％。但半導(dǎo)體電阻一般隨溫度升高而減小，其靈敏度比金屬高，每升高 1 ?C ，電阻約減小 2％～ 6％。 ? 目前由純金屬制造的熱電阻的主要材料是鉑、銅和鎳，它們已得到廣泛的應(yīng)用。 電阻式溫度傳感器 金屬熱電阻傳感器 一 、熱電阻類型 :金屬熱電阻主要有鉑電阻、銅電阻和鎳電阻等 ,其中鉑電阻和銅電阻最為常見。 鉑熱電阻： 在 200～ 0℃ 的范圍內(nèi) 在 0～ 850℃ 的范圍內(nèi) 銅熱電阻：可表示為 工業(yè)熱電阻 鎧裝式熱電阻 ? 二、熱電阻的結(jié)構(gòu) :熱電阻主要由電阻體、絕緣套管和接線盒等組成。 熱電阻測溫 — 如何測量熱電阻？ 312R T DRRRR?直流電橋的平衡條件 ? 三 、熱電阻傳感器的測量電路 三線制 四線制 2 4 11()tR R r R rRR????1 2 4( ) ( )tR R r R R r? ? ?平衡： 三線制 : uA 1R 2R4RtRrrrEE：電橋電源； 2r：相鄰臂 12RR?若 241tRRRR?則導(dǎo)線電阻 r 對測量無影響 熱電阻測溫 — 缺點(diǎn)及實(shí)際問題 ?引線電阻的影響：引線也有阻值，且隨環(huán)境溫度變化，影響可達(dá) 10％甚至 50％ 措施：采用 三線式或四線式 接法。 ?響應(yīng)速度慢； ?自熱問題：熱電阻測量需外加電源，電流流過熱電阻使其發(fā)熱從而改變阻值。 措施： 限制電流不超過 6mA。 半導(dǎo)體熱敏電阻器 (Semiconductor thermal resisitor) ? 近年來 ， 幾乎所有的家用電器產(chǎn)品都裝有微處理器 ， 溫度控制完全智能化 ， 這些溫度傳感器幾乎都使用 熱敏電阻 。 ? 熱敏電阻是利用半導(dǎo)體材料的電阻率隨溫度變化而變化的性質(zhì)制成的 。 ? 熱敏電阻用鈷 Co、錳 Mn、鎳 Ni等半導(dǎo)體材料的氧化物采用不同比例配方、高溫?zé)Y(jié)而成，燒結(jié)表面玻璃封裝。 （一）熱敏電阻的優(yōu)點(diǎn)： 1 結(jié)構(gòu)簡單、體積小、可測點(diǎn)溫度； 2 電阻溫度系數(shù)大，靈敏度高（ 10倍）； 3 電阻率高、熱慣性小、適宜動態(tài)測量。 4 測量范圍窄，目前只能達(dá)到 50～ 300176。 C 玻璃殼 熱敏電阻 引線 （ a）珠狀 （ b）片狀 （ c）桿狀 （ d）墊圈狀 貼片式 薄膜式 大功率 （ 二 ） 分類： 按熱敏電阻的阻值隨溫度變化的典型特性分為三類： (1) 正溫度系數(shù)熱敏電阻器 （ PTC） (Positive Temperature Coefficient) 電阻值隨溫度升高而增大的電阻器 ， 用于恒溫 、 加熱控制或溫度開關(guān) (2) 負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器 （ NTC） (Negative Temperature Coefficient) 電阻值隨溫度升高而下降的熱敏電阻器 。 多用于溫度測量和補(bǔ)償。 (3) 突變型臨界溫度系數(shù)熱敏電阻器 （ CTR） (Critical Temperature Resister) 在某一特性溫度下電阻值會發(fā)生突變 ， 在隨溫度升高而降低 3～ 4個(gè)數(shù)量級 ， 具有很大 負(fù)溫度系數(shù) 。 用于溫度開關(guān) 。 1 2 3 4 鉑絲 40 60 120 160 0 100 101 102 103 104 105 106 RT/Ω 溫度 T/186。C 熱敏電阻的電阻 溫度特性曲線 1NTC； 2CTR； 34 PTC 0011e x pTRR TT?????????溫度測量中主要采用 NTC，溫度特性如下： RT、 R0—— 溫度為 T、 T0時(shí)熱敏電阻器的電阻值； —— NTC熱敏電阻的材料常數(shù)。 由測試結(jié)果表明，不管是由氧化物材料，還是由單晶體材料制成的 NTC熱敏電阻器，在不太寬的溫度范圍（小于 450℃ ），都能利用該式，它僅是一個(gè) 經(jīng)驗(yàn)公式 。 ?(三 ) 使用注意事項(xiàng) ： ? 注意自熱效應(yīng) ? 熱敏電阻溫度特性的非線性（指數(shù)規(guī)律） 措施： ?利用包含熱敏電阻的 線性化網(wǎng)絡(luò) 代替單個(gè)熱敏電阻 ?利用電子裝置中其他部件的特性進(jìn)行 綜合修正 。 ?計(jì)算修正法 ：線性插值法分段計(jì)算 ? 穩(wěn)定性和老化問題：工藝、選擇 圖 熱敏電阻的線性化網(wǎng)絡(luò) RR2＋ RtR1RTR3Rt / ℃R＝ R3 / / ( R2＋ Rt)oR R R3的 溫 度 系 數(shù)近 似 為 零Rt 具 有 負(fù) 溫度 系 數(shù)R1R3R2RtRT利用包含熱敏電阻的 線性化網(wǎng)絡(luò) 代替單個(gè)熱敏電阻 : (四 )、熱敏電阻的應(yīng)用 :(P31) ? 溫度測量 ? 溫度補(bǔ)償 ? 溫度控制 ? 過熱保護(hù) 電阻式溫度傳感器：利用物體的電阻隨溫度的變化的特性來測溫的。 熱電阻：測溫范圍，一般 200～ 850176。 C 熱敏電阻：測溫范圍 50～ 300176。 C 外加電源；自熱；引線電阻等問題。熱敏電阻比熱電阻靈敏度高。非線性。 溫度測量 汽車水溫測量 自動熱水器 電冰箱等家用電器的溫度控制 應(yīng)用實(shí)例：基于熱敏電阻的電機(jī)過熱保護(hù)器： Rt1 Rt2 Rt3 ：熱敏電阻 (NTC) ，安裝在三相繞組附近 溫度低時(shí) ：電阻高 三極管不導(dǎo)通 繼電器不吸合 電機(jī)運(yùn)行 溫度高時(shí) ：電阻低 三極管導(dǎo)通 繼電器吸合 電機(jī)停止 2022/6/1 傳感器原理及應(yīng)用 熱敏電阻的應(yīng)用 恒溫控制電路 ? Rt為熱敏電阻， A為比較器，當(dāng)環(huán)境溫度達(dá)到 T℃ 時(shí)，輸出信號實(shí)現(xiàn)自動調(diào)溫控制。 ? 同相端輸入有 RP、 R R3分壓確定作比較電平， RP可調(diào)節(jié)比較器的比較電平，從而調(diào)節(jié)所需控制溫度。 2022/6/1 傳感器原理及應(yīng)用 熱敏電阻的應(yīng)用 2022/6/1 傳感器原理及應(yīng)用 降溫報(bào)警器 熱電勢式測溫傳感器（熱電偶） ? 熱電偶（ thermocouple） 是目前溫度測量中使用最普遍的傳感元件之一。 ? 特點(diǎn) ：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)，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態(tài)溫度的測量。 工作原理 ? 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回路，若導(dǎo)體 A和 B的連接處溫度不同（設(shè) T＞T0），則在此閉合回路中就有電流產(chǎn)生，也就是說回路中有電動勢存在，這種現(xiàn)象叫做 熱電效應(yīng) 。 熱端 冷端 B 一、熱電效應(yīng) ? 這種現(xiàn)象早在 1821年首先由西拜克（ See－back）發(fā)現(xiàn) ,所以又稱西拜克效應(yīng)。 ? 回路中所產(chǎn)生的電動勢，叫 熱電動勢 . ? 熱電動勢是由兩種導(dǎo)體的 接觸電勢 和單一導(dǎo)體的 溫差電勢 所組成。熱電動勢的大小與兩種導(dǎo)體材料的 性質(zhì)及接點(diǎn)溫度有關(guān) 。 熱端 冷端 B ? 導(dǎo)體 A， B 稱為 熱電極 。 ? 接點(diǎn) T通常是焊接在一起的，測量時(shí)將它置于測溫場所感受被測溫度，故稱為 測量端（或工作端，熱端） 。 ? 接點(diǎn) T0要求溫度恒定，稱為 參考端（或冷端） 。 ?