第二章温度传感器

第2章 温度检测
温度是表征物体或系统的冷热程度 的物理量。温度单位是国际单位制中七 个基本单位之一。本章在简单介绍温标 及测温方法的基础上，重点介绍膨胀式 温度测量、电阻式温度传感与测试、热 电偶温度计、辐射式温度计、光导纤维 温度计、集成温度传感技术等测温原理 及方法。
2.1 温标及测温方法

2.3 薄膜热传感器Biblioteka 2.3.1 金属薄膜热电阻

1、薄膜热传感器的结构
敏感 膜

基 片

引 线

W

L
2.3 薄膜热传感器
2、薄膜热电阻的测温机理
铂热电阻在－200～0℃范围内的电阻与温 度的关系近似地表示，即
Rt R0 [1 At Bt 2 C (t 100 oC )t 3 ]



2.2 电阻式温度传感器

2、热电阻的结构:热电阻主要由电阻体、绝缘套 管和接线盒等组成。

3 、热电阻传感器的测量电路 (1)三线制 (2)四线制
2.2 电阻式温度传感器
2.2 电阻式温度传感器


2.2.2 半导体热敏电阻传感器 热敏电阻是利用半导体材料的电阻率随 温度变化而变化的性质制成的。 1、特性：温度特性和伏安特性
温度检测电路
＋15 V R3 20 k
2.8 集成数字温度传感器
2.8.3电流型集成温度传感器AD590 1、性能特点 线性电流输出 工作温度范围 两端器件 工作电压 器件本身与外壳绝缘 2、简单应用：温度测量
2.8 集成数字温度传感器

2.8.4 数字输出型传感器DS1820
1、DS1820 的主要特性 2、DS1820 的结构 内部结构：64位光刻ROM、温度传感器 、 非挥发的温度报警触发器HT和HL、配置寄存器。
2.6 石英晶体测温传感器

石英晶体谐振器的等效电路

温度与频率的关系
fT f 0 A(T T0 ) B(T T0 ) 2 C (T T0 ) 3 f0
2.6 石英晶体测温传感器

石英晶体数字温度计的原理框图如图
晶体基准振 荡器
计数间隔
数字显示 计数器
f－f0
f
f±f0
NTC型、PTC型、CTR型三类热敏电阻的特性曲线 如图
2.2 电阻式温度传感器

2、热敏电阻的主要参数
标称电阻值RH、耗散系数H、 电阻温度系数α 、 热容量C、 时间常数τ
2.2 电阻式温度传感器
3、热敏电阻的特点: 灵敏度高,体积小、热贯性小、结构简单，化学稳定 性好，机械性能强，价格低廉，寿命长，热敏电阻 的缺点是复现性和互换性差，非线性严重，测温范 围较窄，目前只能达到-50～300℃。 4、热敏电阻的应用: （1）温度测量 （2）温度补偿 （3）温度控制 （4）过热保护

3、热电偶的测温原理:
热电偶测温是基于热电效应，在两种不同的导体 （或半导体）A和B组成的闭合回路中，如果它们两个 接点的温度不同，则回路中产生一个电动势，通常我 们称这种现象为热电势，这种现象就是热电效应 。
2.4 热电偶传感器

当热电偶材料一定时，热电偶的总电势成为温度T和T0 的函数差。即
2.5 辐射式温度传感器
2.全辐射法:全辐射法是指被测对象投射到检测元件上的 是对应全波长范围的辐射能量，而能量的大小与被测对 象温度之间的关系是由斯忒藩—波耳兹曼所描述的一种辐
射测温方法，典型测温传感器是辐射温度计（热电堆）。
2.5 辐射式温度传感器
3.比色法:被测对象的两个不同波长的光谱辐射能量投 射到一个检测元件上，或同时投射到两个检测元件上， 根据它们的比值与被测对象温度之间的关系实现辐射 测温的方法，比值与温度之间的关系由两个不同波长 下普朗克公式之比表示，典型测温传感器是比色温度 计。
E AB (T , T0 ) f (T ) f (T0 )

如果使冷端温度T0固定,则对一定材料的热电偶，其总 电 势就只与温度T成单值函数关系，即
E AB (T , T0 ) f (T ) C (T )
2.4 热电偶传感器

由此可得有关热电偶的几个结论 (1)热电偶必须采用两种不同材料作为电极， 否则无论热 电偶两端温度如何，热电偶回路 总热电势为零。 (2)尽管采用两种不同的金属，若热电偶两 接点温度相等， 即T=T0，回路总电势为零。 (3)热电势只与结点温度有关，与中间各处 温度无关。
四端电压输出型传感器框图:
U＋ 10 mV/ K 输入 6.85 V PTAT 电路 － 运放 ＋ 50 k 输出
U－
2.8 集成数字温度传感器

基本应用电路
＋15 V R1 8.2 k U＋ U＋ 输入 输出 U－ (a ) 正电源 Uo (10 mV / K) 输入 输出 U－ Uo ( －10 mV / K)
2.1 温标及测温方法

2.1.2 温度检测的主要方法及分类
温度检测方法一般可以分为两大类，即 接触测量法和非接触测量法。常用的测温方 法、类型及特点如表2.1.1所示。
2.2 电阻式温度传感器
热电阻温度传感器是利用导体或半导体的电阻率随 温度的变化而变化的原理制成的，实现了将温度的变化 转化为元件电阻的变化。有金属（铂、铜和镍）热电阻 及半导体热电阻（称为热敏电阻）。 2.2.1 金属热电阻传感器 1、热电阻类型:金属热电阻主要有铂电阻、铜电阻和镍 电阻等,其中铂电阻和铜电阻最为常见。 (1) 铂热电阻： 在-200～0℃的范围内 在0～850℃的范围内 (2) 铜热电阻：可表示为
2.5 辐射式温度传感器

2.5.2 辐射测温方法
1.亮度法:是指被测对象投射到检测元件上的是被限制在某 一特定波长的光谱辐射能量，而能量的大小与被测对象温 度之间的关系是普朗克公式所描述的一种辐射测温方法， 即比较被测物体与参考源在同一波长下的光谱亮度，并使 二者的亮度相等，从而确定被测物体的温度，典型测温传 感器是光学高温计。
2.7 光纤传感器
2、工作原理:光纤工作的基础是光的全反射。
n2 c sin ( ) n1
1

当端面入射的光满足全反射条件时
2 n2 2 2 n0 sin 0 n1 (1 2 ) 2 (n12 n2 ) n1 1 1
即使用时应使入射光处于2θ c的光锥角内，光纤 才能理想地导光。否则，这些光线便从包层中逸 出而产生漏光。 3、光纤分类:按传输的模式分为单模和多模两类。
2.8 集成数字温度传感器
集成温度传感器是利用晶体管PN结的电流与电 压特性与温度的关系，把敏感元件、放大电路和补 偿电路等部分集成化，并把它们装封在同一壳体里 的一种一体化温度检测元件。一般只能用来测50℃ 以下的温度。

2.8.1 集成温度传感器工作原理及分类
1、工作原理
R2 KT Uo ln n R1 q
晶体探 头
振荡器
混频器
低通滤波 器
2.7 光纤传感器

2.7.1 光纤传感原理
1、光纤结构:光纤为玻璃光纤，其结构如图所 示，它由导光的纤芯及其周围的包层组成， 包层的外面常有塑料或橡胶等保护套。包层 折射率n1略小于纤芯折射率n2，它们的相对折 射率差Δ
1 n2 n1

通常Δ 为0.005～0.14这样的构造可以保证入 射到光纤内的光波集中在芯子内传播。
－15 V (b ) 负电源
2.8 集成数字温度传感器

＋15 V R1 12 k U＋ 输入 输出 U－ Rw 5k R2 5.6 k －15 V (a ) －15 V (b ) C R3 27 k R4 39 k Uo (10 mV / ℃) U＋ 输入 输出 U－ R1 7.5 k R2 20 k － Rw 100 k ＋ Uo (10 mV / ℃)
2.5 辐射式温度传感器
3、辐射基本定律 （1）普朗克定律:普朗克定律揭示了在各种不同温度下黑 体辐射能量按波长分布的规律，其关系式 C1 4 E0 ( , T ) E T C 0 5 T e 1
2
（2）斯忒藩-波耳兹曼定律:斯忒藩--波耳兹曼定律确定了 黑体的全辐射与温度的关系如上。 此式表明，黑体的全辐射能是和它的绝对温度的四 次方成正比，所以这一定律又称为四次方定律。 把灰体全辐射能 E与同一温度下黑体全辐射能E0相比较， 得到物体的另一个特征量ε
2、计算法: 3、补偿电桥法:补偿电桥法是利用不平衡电桥产生的电 势来补偿热电偶因冷端温度变化而引起的热电势变化值， 如图所示。 4、冰浴法
5、软件处理法
2.4 热电偶传感器
2.4.5 热电偶常用测温线路 1、测量某点温度的基本电路 2、测量两点之间温度差的测温电路 3、测量多点的测温线路 4、测量平均温度的测温线路:其缺点是当某一 热电偶烧断时，不能很快地觉察出来。 5、测量几点温度之和的测温线路:优点是热电 偶烧坏时可立即知道，还可获得较大的热电 动势。
2.5 辐射式温度传感器
2.5.1 辐射测温的物理基础
辐射式温度传感器是利用物体的辐射能随温度 变化的原理制成的。 1、热辐射:物体受热，激励了原子中带电粒子，使 一部分热能以电磁波的形式向空间传播，它不需要 任何物质作媒介（即在真空条件下也能传播），将 热能传递给对方，这种能量的传播方式称为热辐射 （简称辐射），传播的能量叫辐射能。辐射能量的 大小与波长、温度有关。 2、黑体:所谓黑体是指能对落在它上面的辐射能量 全部吸收的物体。
2.8 集成数字温度传感器
2、分类 电压型、电流型、数字输出型，典型的电 压型集成电路温度传感器有μPC616A／C， LM135，AN670l等；典型的电流型集成电路温 度传感器为AD590，LM134；典型的数字输出 型传感器有DS1B820，ETC-800等。