温度传感噐(传感器教学课件)(共116张PPT)

水的冰点定为零度，水的沸点定为100度，在这两
固定点之间划分一百个等份，每一等份称为摄氏
一度(摄氏度，℃)。摄氏温标是工程上最通用的温 度标尺。一般用小写字母t表示。
❖ 华氏温标〔℉〕
❖
规定在标准大气压下冰的熔点为32华氏度，水的
沸点为212华氏度，两固定点间等分为180份，每一等
份称为F华=氏1.一8t+度3，2 单位用℉， 它和t摄= 5氏/9温(f度-32的) 关℃系：
热电偶测温的主要优点
❖ 1、它属于自发电型传感器：测量时可以不需外加电源
，可直接驱动动圈式仪表；
❖ 2、测温范围广：下限可达-270C ，上限可达 1800C以上；
❖ 3、各温区中的热电势均符合国际计量委员会的标 准。
温度传感器——热电偶
一、 热电偶的工作原理
热电极A
热电势
测量端
工作端
A
热端
热电极B
Temperature Scale of 1968)
❖
ITS-90(1990年1月1日起全世界范围采用)
❖
国际实用温标规定热力学温度是根本温度。
❖ ● 1K定义为水三相点热力学温度的1/273.16，即 热力学温标规定水的三相点温度为273.16 K，这是建 立温标的惟一基准点。
❖ ● 摄氏温度分度值与开氏温度分度值相同，即温 度间隔1℃=1K。
使电子反方向移动，最后到达动态平衡。这样，导体
两端产生电位差，即温差电动势。
❖ 。
温差电动势大小取决于导体材料及两端温度
温度传感器——热电偶
❖ 热电偶回路的总电动势 ❖ 由导体材料A、B组成的闭合回路，如果导体A的电子
密度大于导体B的电子密度，且两接点温度不相等，分 别为T、 T0，如果T＞T0 ，那么必存在着两个接触电势 和两个温差电势，回路总电势：
电阻式温 电阻变
度计
化
热电阻 热敏电阻
热电式温 热电效
度计
应
辐射式温
热电偶 辐射源温度传
温度传感器——温度测量
❖ 温度传感器的开展概况
❖
公元1600年，伽里略研制出气体温度
计。一百年后，研制成酒精温度计和水银温度计
。随着现代工业技术开展的需要，相继研制出金
属丝电阻、温差电动式元件、双金属式温度传感
B:铂铑30—铂铑6、R:铂铑13—铂、S:铂铑10—铂、 K:镍铬—镍硅、N:镍铬硅—镍硅、E:镍铬—铜镍、 J: 铁—铜镍、T:铜—铜镍
用于制造热电偶的各 种热电偶丝
温度传感器——热电偶
2、几种常用热电偶的测温范围与热电势
分度号
名称
测量温度范围
B
铂铑30－铂铑6
50～1820 C
R
铂铑13—铂
〕时的温度为绝对零度，水的三相点〔气、液、固
三态并存，且进入平衡状态〕温度为273.16K，把 从绝对零度到水的三相点之间的温度均匀分为
273.16格，每格为1K。
❖
由于以前曾规定冰点温度为273.15K，故
现在沿用这个规定进行换算。
Tt27.135
温度传感器——温度测量
❖ 国际实用温标〔K〕
❖
IPTS-68(International Practical
能量：温度是描述系统不同自由度间能量分配 状况的物理量。
温度传感器——温度测量
温标：温度的数值表示方法称为温标。
它规定了温度的读数的起点〔即零点〕以及温度的单位。各 类温度计的刻度均由温标确定。
目前常用的温标有：摄氏温标、华氏温标、热力学温标等。
温度传感器——温度测量
❖ 摄氏温标〔℃〕
❖
摄氏温标是在标准大气压(即101325Pa)下将
❖ 回路中所产生的热电势由两局部组成，一局部是两种导 体的接触电动势，另一局部是单一导体的温差电动势。
温度传感器——热电偶
❖ 接触电动势
❖ 当A和B两种不同材料的导体接触时，由于两者内 部单位体积的自由电子数目不同〔电子密度不同〕， 那么电子在两个方向上扩散的速率就不同。
❖ 接触电势的大小与温度上下及导体中的电子密度〔 导体材料〕有关。与导体的直径、长度、几何形状无 关。
自由端
参考端 冷端
B
结论：
当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。
温度传感器——热电偶
1821年，德国物理学家赛贝克用两种不 同金属组成闭合回路，并用酒精灯加热其 中一个接触点〔称为结点〕，发现放在回 路中的指南针发生偏转〔说明什么？〕， 如果用两盏酒精灯对两个结点同时加热， 指南针的偏转角反而减小〔又说明什么？ 〕。
温度传感器——热电偶
A＋
T
eAB〔 T 〕
自由 电子
温度传感器——热电偶
❖ 温差电动势
❖
导体A、B将其两端分别置于不同温度场中〔T
＞T0〕，在导体内部，热端自由电子具有较大动能，
向冷端移动，从而使热端失去电子带正电，冷端得到
电子带负电。因此，导体两端便产生一个由热端指向
冷端的静电场，该电场阻止电子从热端继续到冷端并
沸点 90.188 -182.962
三相点 273.16 0.01
沸点 373.15 100.0
凝固点 692.73 419.58
凝固点 1235.08 961.93
凝固点 1337.58 1064.43
几种温标的比照
人体正常体温为37C ，相当 于华氏温度多少度？
温度传感器——温度测量
❖ 温度传感器的分类 按用途分类：基准温度计、工业温度计；
温差热电偶〔简称热电偶〕是目前温度测量中使用 最普遍的传感元件之一。
它具有结构简单，制造方便、测量范围宽、准确度高 、热惯性小，输出信号为电信号便于远传或信号转换等优 点。测量时不需外加电源，使用十分方便，常用来测量炉 子、管道内的气体或液体温度，测量固体以及固体壁面的 温度。微型热电偶还可用于快速及动态温度的测量。
温度传感器——热电偶
➢ 导体材料确定后，热电势的大小只与热电偶两端的温度有关。如果使 EAB(T0)=常数，那么回路热电势EAB(T，T0)就是T的单值函数，这就是利用 热电偶测温的原理。
➢
➢
这一关系式在实际测温中得到广泛应用。因为冷端温度恒定，热
电偶产生的热电势只随热端温度的变化而变化，即一定的热电势对应一定的
温度，故只需用测量热电势的方法就可到达测温的目的。
➢
对于各种不同金属组成的热电偶，温度与热电势间有不同的函数
关系，一般用实验方法求取这个函数关系。通常令t0=0℃，然后在不同温差
下精确测定出回路总热电势，并将所测结果列成表格〔热电偶分度表〕供使
用查询。
温度传感器——热电偶
二、热电偶的结构与种类
1、种类——八种国际通用热电偶：
温度传感器——温度测量
温度标志着物质 内部大量分子无规那 么运动的剧烈程度。 温度越高，表示物体 内局部子热运动越剧 烈。
模拟图：在一个密闭的空间里，气体分子在高温时 的运动速度比低温时快！
温度传感器——温度测量
热平衡：温度是描述热平衡系统冷热程度的物 理量。
分子物理学：温度反映了物体内局部子无规那 么运动的剧烈程度。
学习内容
认识传感器 温度传感器 力传感器 位移传感器
光电传感器
传知万物 感创未来
温度传感器
传知万物 感创未来
热电偶 热电阻与热敏电阻
集成温度传感器
温度传感器——温度测量
❖ 温度是反映物体冷热状态的物理参数。
❖ 温度是诸多物理现象中具有代表性的物理量，现代生产和生活中 温度的检测应用非常普遍：
家用电器、火灾报警、医疗卫生、天气预报 …… 炼钢、气象、太空、军事……
比较查出的3个热电势，可以看出热电势是否线 热敏电阻开展迅速，由于其性能得到不断改进，稳定性已大为提高，在许多场合下〔-40～＋350℃〕热敏电阻已逐渐取代传统的温度传感器。
性？
K热电偶 分度表
由于是非线性 的，因而在实 际应用中要通 过分度表的查 表而非公式计 算来得到被测 温度值。
温度传感器——热电偶
温度传感器——温度测量
热力学温标是建立在 热力学第二定律根底上的 最科学的温标，是由开尔 文〔Kelvin〕根据热力学 定律提出来的，因此又称 开氏温标。它的符号是T， 单位是开尔文〔K〕 。
威廉·汤姆逊·开尔文勋爵像
温度传感器——温度测量
❖ 热力学温标〔K〕
❖
热力学温标规定分子运动停止〔即没有热存在
按测量方法分类：接触式温度计、非接触式温度计 ； 按输出方式分类：自发电型温度计、非电测型温度计 ；
按工作原理分类：膨胀式温度计、电阻式温度计、
热电式温度计、辐射式温度计等；
温度传感器——温度测量
按工作原理分类：
名称
膨胀式温 度计
工作原 理
体积热 膨胀
典型示例
玻璃制水银温 度计
液体压力温度 计
气体压力温度 计
3、热电偶的结构——普通装配型热
电偶的外形
安装 螺纹
安装法 兰
温度传感器—
〔出厂时用塑料包裹〕
不锈钢保护管
工作端〔热端〕
1
23
4
工业热电偶结构示意图
1－接线盒；2－保险套管；3―绝缘套管；4―热电偶丝
铠装型热电偶外形
铠装型热电偶可 长达上百米
绝缘 材料
AB
薄壁金属 保护套管 〔铠体〕
器。1950年以后，相继研制成半导体热敏电阻器
。最近，随着原材料、加工技术的飞速开展、又
陆续研制出各种类型的温度传感器。
温度传感器——温度测量
❖ 温度传感器的开展方向
❖ 1．超高温与超低温传感器，如+3000℃以上– 250℃以下。
❖ 2．提高温度传感器的精度和可靠性。 ❖ 3．研制家用电器、汽车及农畜业所需要的价廉的温
热电偶的分度表，查出：-80 C、0 C、80 C时的热电 温差电动势大小取决于导体材料及两端温度。
电阻值随温度升高而下降的电阻，简称NTC热敏电阻。 热电阻与热敏电阻
势。 999mV，又用室温计测出t0=21℃,求t？
1．正温度系数热敏电阻〔PTC〕 温标：温度的数值表示方法称为温标。 ITS-90(1990年1月1日起全世界范围采用) 按用途分类：基准温度计、工业温度计； 摄氏温标是工程上最通用的温度标尺。
-50～1768 C
S
铂铑10—铂
-50～1768 C
K 镍铬－镍铬 (铝) -270～1370 C
1000C 热电势/
mV 4.834
10.506
9.587
41.276
温度传感器——热电偶
几种常用热电偶的热 电势与温度的关系曲 线分析 ：
哪几种热电偶的 测温上限较高？哪 一种热电偶的灵敏 度较高？哪一种热 电偶的灵敏度较低？ 哪几种热电偶的线 性较差？
显然，指南针的偏转说明回路中有 电动势产生并有电流在回路中流动，电 流的强弱与两个结点的温差有关。
温度传感器——热电偶
❖ 将两种不同成分的导体或半导体A和B组合成一个闭合 回路，当闭合回路的两个接点分别置于不同的温度场中时〔 设T＞T0〕，回路中将产生一个电动势，该电动势的方向和 大小与导体的材料及两接点的温度有关，这种现象叫做热电 效应。
得清晰可辨
变色涂料在电脑内部温度中的示温作用
温度升高后变为红色
CPU散 热风扇
低温时显示 蓝色
体积热膨胀式
不需要电源，耐用；但感温 部件体积较大。
气体的体积与热 力学温度成正比
红外温度计
温度传感器——热电偶
❖ 热电偶的工作原理
❖ 热电偶的结构与种类 ❖ 热电偶的三大定律 ❖ 热电偶的应用
热电偶测温
温度传感器——热电偶
❖ 实践证明，热电偶回路中起主要作用的是接触 电势，温差电势只占极小局部，可忽略不计。
温度传感器——热电偶
➢ 热电偶回路热电势只与组成热电偶的材料及两端温 度有关；与热电偶的长度、粗细无关。
➢ 只有用不同性质的导体(或半导体)才能组合成热电偶；相
同材料不会产生热电势。
➢ 只有当热电偶两端温度不同,且热电偶的两导体材料不 同时才能有热电势产生。
为什么所有的曲线均过原点〔零度点〕？
温度传感器——热电偶
查热电偶的分度表
EAB〔T1, T3〕=EAB〔T1, T2〕+EAB〔T2, T3〕 -270～1370 C
假设热电偶的冷端温度为0 C，请根据镍铬-镍硅〔K〕 几种常用热电偶的热电势与温度的关系曲线分析 ：
因此，需要对热电偶进行冷端补偿 6．开展数字化、集成化和自动化的温度传感器。
度传感器。
❖ 4．开展新型产品，扩展和完善管缆热电偶与热敏 电阻；开展薄膜热电偶；研究节省镍材和贵金属以及 厚膜铂的热电阻；研制系列晶体管测温元件、快速高 灵敏CA型热电偶以及各类非接触式温度传感器。
❖ 5．开展适应特殊测温要求的温度传感器。
介绍几种温度测量方法
示温涂料〔变色涂料〕 装满热水后图案变
温度传感器——温度测量
❖ 国际实用温标 〔IPTS-68〕的 固定点
物质
氢
氧 水 锌 银 金
平衡状态
温度
T/K
t/℃
三相点 13.81 -259.31
沸点 25/7 6atm
7.042
-256.108
沸点
20.8 -252.87
沸点 27.102 -246.048
三相点 54.361 -218.798