【正文】 第二章 溫度檢測 本章主要內(nèi)容：測溫原理及方法 溫標及測溫方法 電阻式溫度傳感與測試 熱電偶溫度計 輻射式溫度計 光導纖維溫度計 集成溫度傳感技術(shù) 自然界中幾乎所有的物理化學過程都與溫度緊密相關(guān)，因此溫度是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科學試驗以及日常生活中需要普遍進行測量和控制的一個重要物理量。 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)值的標尺叫 溫標 。它規(guī)定了溫度的讀數(shù)起點（零點）和測量溫度的基本單位。目前國際上用得較多的溫標有華氏溫標、攝氏溫標、熱力學溫標 . 溫標及測溫方法 （ 1）溫度與溫標 ?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。 ?是物體分子運動平均動能大小的標致（微觀） ?溫標：溫度標尺（定量） ?起點、基本單位 溫標 ?經(jīng)驗溫標： 根據(jù)物體熱脹冷縮現(xiàn)象制定 ?攝氏溫標： 在標準大氣壓下，冰點 0176。 C，水的沸點 100 176。 C，中間 100等分，每份為攝氏 1度，符號為 ℃ 。 ?華式溫標： 在標準大氣壓下，冰點 32176。 F，水的沸點 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 ?國際實用溫標： 是一種協(xié)議溫標， 熱力學溫度符號： T（ T90） 單位：開爾文，符號為 K。 1K = 水的三相點熱力學溫度的 1/ 熱力學溫度是以水的三相點來定義的，規(guī)定水的三相點的溫度為 攝氏溫度 t 和 熱力學溫度 T 的關(guān)系： t＝ T－ ?國際溫標（熱力學溫標） ：根據(jù)卡諾循環(huán)原理建立，實際難以實現(xiàn)。（ PV=RT） ? 表 91 各溫標間的換算關(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，進行充分的熱交換，達到熱平衡后，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： 測溫儀表結(jié)構(gòu)比較簡單、工作可靠，且價格低廉； 測量精度較高，穩(wěn)定性好； ? 缺點： 因測溫元件與被測介質(zhì)需要進行充分的熱交換，需要一定的時間才能達到熱平衡，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)\動物體進行測量； 測溫范圍受感溫材料性質(zhì)的限制，不能應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： 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： 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； 反應速度一般比較快，幾乎不存在測量滯后，便于測量運動物體的溫度和快速變化的溫度； 因為非接觸，所以可在高溫、腐蝕、有毒等惡劣環(huán)境中使用。 ? 缺點： 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： 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以上被認為是超高溫 熱電阻和熱敏電阻 ? 利用導體和半導體的電阻隨溫度變化這一性質(zhì)做成的溫度計稱為電阻溫度計 。大多數(shù)金屬在溫度升高 1 ?C 時電阻將增加 ％～ ％。但半導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?則導線電阻 r 對測量無影響 熱電阻測溫 — 缺點及實際問題 ?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 10％甚至 50％ 措施：采用 三線式或四線式 接法。 ?響應速度慢； ?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等半導體材料的氧化物采用不同比例配方、高溫燒結(jié)而成，燒結(jié)表面玻璃封裝。 （一）熱敏電阻的優(yōu)點： 1 結(jié)構(gòu)簡單、體積小、可測點溫度； 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個數(shù)量級 ， 具有很大 負溫度系數(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 經(jīng)驗公式 。 ?(三 ) 使用注意事項 ： ? 注意自熱效應 ? 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 代替單個熱敏電阻 ?利用電子裝置中其他部件的特性進行 綜合修正 。 ?計算修正法 ：線性插值法分段計算 ? 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 RR2＋ RtR1RTR3Rt / ℃R＝ R3 / / ( R2＋ Rt)oR R R3的 溫 度 系 數(shù)近 似 為 零Rt 具 有 負 溫度 系 數(shù)R1R3R2RtRT利用包含熱敏電阻的 線性化網(wǎng)絡 代替單個熱敏電阻 : (四 )、熱敏電阻的應用 :(P31) ? 溫度測量 ? 溫度補償 ? 溫度控制 ? 過熱保護 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 應用實例：基于熱敏電阻的電機過熱保護器： Rt1 Rt2 Rt3 ：熱敏電阻 (NTC) ，安裝在三相繞組附近 溫度低時 ：電阻高 三極管不導通 繼電器不吸合 電機運行 溫度高時 ：電阻低 三極管導通 繼電器吸合 電機停止 2022/6/1 傳感器原理及應用 熱敏電阻的應用 恒溫控制電路 ? Rt為熱敏電阻， A為比較器，當環(huán)境溫度達到 T℃ 時，輸出信號實現(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 傳感器原理及應用 熱敏電阻的應用 2022/6/1 傳感器原理及應用 降溫報警器 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 ：結(jié)構(gòu)簡單，測量范圍寬、準確度高、熱慣性小， 輸出信號為電信號， 便于遠傳或信號轉(zhuǎn)換等優(yōu)點，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 ? 兩種不同的導體或半導體 A和 B組合成如圖所示閉合回路，若導體 A和 B的連接處溫度不同（設 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 。 熱端 冷端 B 一、熱電效應 ? 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。 ? 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體的 接觸電勢 和單一導體的 溫差電勢 所組成。熱電動勢的大小與兩種導體材料的 性質(zhì)及接點溫度有關(guān) 。 熱端 冷端 B ? 導體 A， B 稱為 熱電極 。 ? 接點 T通常是焊接在一起的，測量時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 T0要求溫度恒定，稱為 參考端（或冷端） 。 ?