第三章温度传感器

T1 Q1 T2 Q2
Q1——热源给予热机的传热量
Q2——热机传给冷源的传热量
如果在式中再规定一个条件,就可以通过卡诺循环中的 传热量来完全地确定温标。1954年，国际计量会议选 定水的三相点为273.16，并以它的1/273.16定为一度， 这样热力学温标就完全确定了，即T=273.16(Q1/Q2)。
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第二节 热电偶温度传感器
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。它除具有结构简单，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外，还能用来测量流体的温度、 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。
★热电偶的工作原理 ★热电偶回路的性质 ★热电偶的常用材料与结构 ★冷端处理及补偿 ★热电偶的选择、安装使用和校验
T=t+273.15 K
4．华氏温标Fahrenheit temperature scale
目前使用较少，规定在标准大气压下冰的融点为32华 氏度，水的沸点为212华氏度，中间等分为180份，每 一等份称为华氏一度，符号℉，与摄氏温度的关系： m=1.8n+32 ℉
n= 5/9 (m-32) ℃
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二、温度传感器的特点与分类 1 温度传感器的物理原理(11)
■理解热电效应定义，掌握热电偶三定律及相关计算， 热电偶冷端补偿原因及补偿方法
■掌握热敏电阻不同类型的特点、特性曲线及应用场合 ■掌握电流型、电压型、数字型三种集成温度传感器特 点、工作原理和使用方法
■了解其他温度传感器工作原理
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第一节 概 论
温度是反映物体冷热状态的物理参数。
温度是与人类生活息息相关的物理量。 温度检测始于2000多年前。 工业、农业、商业、科研、国防、医学及环保等部门 都与温度有着密切的关系。
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体积热膨胀
物 理 现 象
1.气体温度计 2. 玻璃制水银温度计 3.玻璃制有机液体温度计 4.双金属温度计 5.液体压力温度计 6. 气体压力温度计
电阻变化 温差电现象
导磁率变化 电容变化 压电效应
铂测温电阻、热敏电阻 热电偶
1． 热铁氧体 2． Fe-Ni-Cu合金
BaSrTiO3陶瓷
石英晶体振动器 超声波温度计 示温涂料 液晶 半导体二极管 晶体管半导体集成电路温度传感器 可控硅 辐射温度传感器 光学高温计
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四个温度段：规定各温度段所使用的标准仪器 ①低温铂电阻温度计（13.81K—273.15K）； ②铂电阻温度计（273.15K—903.89K）；
③铂铑-铂热电偶温度计（903.89K—1337.58K）；
④光测温度计（1337.58K以上）。
国际实用开尔文温度与国际实用摄氏温度分别 用符号T68和t68来区别（一般简写为T与t）。
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（二）非接触式温度传感器
l．辐射高温计 用来测量 1000℃以上高温。分四种： 光学高温计、比色高温计、辐射高温计和光电高温计。 2．光谱高温计 前苏联研制的YCI—I型自动测温通用 光谱高温计,其测量范围为400～6000℃,是采用电子化自 动跟踪系统,保证有足够准确的精度进行自动测量。 3．超声波温度传感器 特点是响应快(约为10ms左右) ，方向性强。目前国外有可测到5000℉的产品。 4．激光温度传感器 适用于远程和特殊环境下的温度 测量。如NBS公司用氦氖激光源的激光做光反射计可测 很高的温度，精度为1％。美国麻省理工学院正在研制 一种激光温度计，最高温度可达8000℃，专门用于核聚 变研究。瑞士Browa Borer研究中心用激光温度传感器 可测几千开(K)的高温。
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一、工作原理
两种不同的导体或半导体A和B组合成闭合回路， 若导体A和B的连接处温度不同（设 T ＞ T0 ）， 则在此闭合回路中就有电流产生，也就是说回 路中有电动势存在，这种现象叫做热电效应。 这种现象早在1821年首先由西拜克（See－back） 发现,所以又称西拜克效应。 回路中所产生的电动 势，叫热电势。热电 势 thermo-electric force 由两部分组成，即温 热端 冷端 差电势和接触电势。
热力学温标thermodynamic temperature scale 国际实用温标International practical temperature scale 摄氏温标 Celsius temperature scale 华氏温标Fahrenheit temperature scale
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（－）接触式温度传感器
1．常用热电阻 范围：-260～＋850℃；精度：0.001℃。改进后可连 续工作2000h，失效率小于1％，使用期为10年。 2．管缆热电阻 测温范围为-20～＋500℃，最高上限 为1000℃，精度为0.5级。
3．陶瓷热电阻 测量范围为–200～+500℃，精度为0.3、 0.15级。 4．超低温热电阻 两种碳电阻，可分别测量–268.8～ 253℃-272.9～272.99℃的温度。 5．热敏电阻器 适于在高灵敏度的微小温度测量场合 使用。经济性好、价格便宜。
测和
处理，且随温度呈线性变化 ▲除温度以外，特性对其它物理量的灵敏度要低 ▲特性随时间变化要小 ▲重复性好，没有滞后和老化 ▲灵敏度高，坚固耐用，体积小，对检测对象的 影响要小 ▲机械性能好，耐化学腐蚀，耐热性能好 ▲能大批量生产，价格便宜 ▲无危险性，无公害等
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3. 温度传感器的种类及特点 接触式温度传感器 非接触式温度传感器
温度传感器分类(2)
分类 特 征 传 感 器 名 称
测 温
线性型
测温电阻器、晶体管、热电偶 测温范围宽 半导体集成电路传感器、 可控硅、石英晶体振动器、 输出小 压力式温度计、玻璃制温度计 测温范围窄 输出大 特定温度 输出大
特 指数型 性 函数
开关型 特性
热敏电阻
感温铁氧体、双金属温度计
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温度传感器分类(3)
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2．国际实用温标
International Practical Temperature Scale
为解决国际上温度标准的同意及实用问题，国际上 协商决定，建立一种既能体现热力学温度（即能保证一 定的准确度），又使用方便、容易实现的温标，即国际 实用温标 (简称IPTS-68)，又称国际温标。 1968年国际实用温标规定热力学温度是基本温度， 用t表示，其单位是开尔文，符号为K。1K定义为水三 相点热力学温度的1/273.16，水的三相点是指纯水在固 态、液态及气态三项平衡时的温度，热力学温标规定三 相点温度为273.16 K，这是建立温标的惟一基准点。 注意：摄氏温度的分度值与开氏温度分度值相同，即温 度间隔1K=1℃。T0是在标准大气压下冰的融化温度， T0 = 273.15 K。水的三相点温度比冰点高出0.01 K。
工业生产自动化流程，温度测量点要占全部测量点的 一半左右。
因此，人类离不开温度，当然也离不开温度传感器。 温度传感器是实现温度检测和控制的重要器件。在种类 繁多的传感器中，温度传感器是应用最广泛、发展最快 的传感器之一。
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一、温度的基本概念
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：温度反映了物体内部分子无规则 运动的剧烈程度。 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。 温标：表示温度大小的尺度是温度的标尺。
随物体的热膨胀相对变化而引起的体积变化 蒸气压的温度变化 电极的温度变化 热电偶产生的电动势 光电效应 热电效应 介电常数、导磁率的温度变化 物质的变色、融解 强性振动温度变化 热放射 热噪声
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2.温度传感器应满足的条件
▲特性与温度之间的关系要适中，并容易检
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绝对值 测定用
此外，还有微波测温温度传感器、噪声 测温温度传感器、温度图测温温度传感器、 热流计、射流测温计、核磁共振测温计、 穆斯保尔效应测温计、约瑟夫逊效应测温 计、低温超导转换测温计、光纤温度传感 器等。这些温度传感器有的已获得应用， 有的尚在研制中。
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三、温wk.baidu.com传感器的发展概况
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 代工业技术发展的需要，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、加工技术的飞速发展、又陆 续研制出各种类型的温度传感器。 接触式温度传感器 非接触式温度传感器
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3．摄氏温标Celsius temperature scale
是工程上最通用的温度标尺。摄氏温标是在标准大气 压(即101325Pa)下将水的冰点与沸点中间划分一百个等 份，每一等份称为摄氏一度(摄氏度，℃)，一般用小写 字母t表示。与热力学温标单位开尔文并用。 摄氏温标与国际实用温标温度之间的关系： t=T-273.15 ℃
分 类
温度 标准用 特 征 测定精度 ±0.1～ ±0.5℃ 测定精度 ±0.5～ ±5℃ 传 感 器 名 称 铂测温电阻、石英晶体振动 器、玻璃制温度计、气体温 度计、光学高温计
测 定 精
热电偶、测温电阻器、热敏电 阻、双金属温度计、压力式温 度 度计、玻璃制温度计、辐射传 管理温度 相对值±1～ 感器、晶体管、二极管、半导 体集成电路传感器、可控硅 测定用 ±5℃
第三章 温度传感器
CH3 Temperature Sensor
概 论conspectus/summarize 热电偶温度传感器thermocouple 热敏电阻温度传感器thermistor IC温度传感器integrate circuit 其他温度传感器
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学习要点
■了解温度传感器的作用、地位、分类和发展趋势
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超声波传播速度变化 物质 颜色 P–N结电动势 晶体管特性变化 可控硅动作特性变化 热、光辐射
种 类
温度传感器分类(1)
分 类 超高温用 传感器 高温用 传感器 中高温用 传感器 中温用 传感器 低温用 传感器 极低温用 传感器 特 征 传 感 器 名 称 光学高温计、辐射传感器 1500℃以上
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（三）温度传感器的主要发展方向
1. 超高温与超低温传感器，如+3000℃以上和–250℃以 下的温度传感器。 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度传 感器。 4. 发展新型产品，扩展和完善管缆热电偶与热敏电阻； 发展薄膜热电偶；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. 发展适应特殊测温要求的温度传感器。 6. 发展数字化、集成化和自动化的温度传感器。
测 温 范 围
1000～1500℃ 光学高温计、辐射传感器、 热电偶 光学高温计、辐射传感器、 500～1000℃ 热电偶
0～500℃ -250～0℃
见表下内容
晶体管、热敏电阻、 压力式玻璃温度计 BaSrTiO3陶瓷
-270～-250℃
热电偶、测温电阻器、热敏电阻、感温铁氧体、石英晶体振 动器、双金属温度计、压力式温度计、玻璃制温度计、辐射 13 传感器、晶体管、二极管、半导体集成电路传感器、可控硅
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1．热力学温标thermodynamic temperature scale
1848年威廉· 汤姆首先提出:以热力学第二定律为基 础，建立温度仅与热量有关，而与物质无关的热力学温 标，又称开尔文温标(scale of Kelvin)，用符号K表示。 它是国际基本单位制之一 。 根据热力学中的卡诺定理，如果在温度T1的热源与温 度为T2的冷源之间实现了卡诺循环，则存在下列关系式
接触式温度传感器特点：传感器直接与被测物体接触进 行温度测量，由于被测物体的热量传递给传感器，降低 了被测物体温度，特别是被测物体热容量较小时，测量 精度较低。因此采用这种方式要测得物体的真实温度的 前提条件是被测物体的热容量要足够大。 非接触式温度传感器主要是利用被测物体热辐射而发出 红外线，从而测量物体的温度，可进行遥测。其制造成 本较高，测量精度却较低。优点是：不从被测物体上吸 收热量；不会干扰被测对象的温度场；连续测量不会产 生消耗；反应快等。