第3章 温度传感器

2020/4/29
17
双金属温度计的结构
可以做成轴向型、径向型、135º型及万向 型。连接方式有：可动外螺纹、可动内螺 纹、固定螺纹、固定法兰、卡套螺纹、卡 套法兰、无固定安装等连接。
2020/4/29
图3-5 带表头的双金属温度计的结构 18
工业恒温器
双金属温度计的结构
手动复位双金属
高温双金属 2020/4/29
2020/4/29
9
温度的测量方法
接触式——感温元件与被测对象接触，彼此进行热量交换，使 感温元件与被测对象处于同一环境温度下，感温元件感受到的冷 热变化即是被测对象的温度。常用的接触式测温的温度传感器主 要有热膨胀式温度传感器、热电偶、热电阻、热敏电阻、半导体 温度传感器等。
非接触式——利用物体表面的热辐射强度与温度的关系来测量 温度的。通过测量一定距离处被测物体发出的热辐射强度来确定 被测物的温度。常见的非接触式测温传感器有：辐射高温计、光 学高温计、比色高温计、热红外辐射温度传感器等。
第3章 温度传感器
主讲：
主要内容
3.1 温标及温度的测量方法 3.2 膨胀式温度计 3.3 电阻式温度传感器 3.4 热电偶温度传感器 3.5 集成温度传感器 3.6 辐射式温度传感器
2020/4/29
2
3.1 温标及温度的测量方法 3.2 膨胀式温度计
2020/4/29
3
学习目的
掌握温度的概念 熟悉温标的概念，常用温标的种类 掌握温度的测量方法及特点 熟悉膨胀式温度计的种类 掌握各种膨胀式温度计的工作原理 了解膨胀式温度计测温范围
主要材 料 —— 铂和 铜 。
Rt
显示 仪表
图 3-9 金属热电阻传感器测量示意图
2020/4/29
30
1. 铂热电阻的电阻-温度特性
铂电阻的特点是测温精度高，稳定性好，所以在温度传感器中得到了广泛应用。 铂电阻的测量范围为 -200～850℃。 在-200 ～ 0 ℃的温度范围内为：Rt=R0[1+At+Bt2+Ct3(t-100)] 在 0 ～ 850℃的温度范围内为： Rt=R0(1+At+Bt2)
温度(℃) 430 440 450 460 470 480 490 500 510 520 530 540 550 560 570 580 590 600 610 620 630
R0（0℃）=100Ω
电阻值(Ω) 温度(℃) 电阻值(Ω) 257.38 640 326.48 260.78 650 329.64 264.18 660 332.79 267.56 670 335.93 270.93 680 339.06 274.29 690 342.18 277.64 700 345.28 280.98 710 348.38 284.30 720 351.46 287.62 730 354.53 290.92 740 357.59 294.21 750 360.64 297.49 760 363.67 300.75 770 366.70 304.01 780 369.71 307.25 790 372.71 310.49 800 375.70 313.71 810 378.68 316.92 820 381.65 320.12 830 384.60 323.30 840 387.55
60.26
110
-90
64.30
120
-80
68.33
130
-70
72.33
140
-60
76.33
150
－50
80.31
160
－40
84.27
170
－30
88.22
180
－20
92.16
190
－10
96.09
200
0
100.00
210
电阻值(Ω) 103.90 107.79 111.67 115.54 119.40 123.24 127.08 130.90 134.71 138.51 142.29 146.07 149.83 153.58 157.33 161.05 164.77 168.48 172.17 175.86 179.53
体积热膨胀式温度传感器
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
25
3.3 电阻式温度传感器
2020/4/29
26
学习要点
掌握电阻式温度传感器工作原理 熟悉电阻式温度传感器的种类 掌握铂、铜金属热电阻传感器的电阻温度特性 熟悉热电阻传感器的测量电路 掌握半导体热敏电阻的分类及应用
内锅
温温度度到小达于10130±0℃2 时℃时
加热盘
微动开关
煮饭 按钮
磁钢盒 磁钢杠杆
220v
图3-7 双金属控制电饭锅温度
随着饭温的下降，当低于65℃时，双金属恒温器的常闭触点自动复位闭合， 于是加热器又通电工作，锅内的饭又开始升温；但当高于65℃时，该触点 又断开。如此循环，就使锅内的米饭温度始终保持在65℃上下。
6
华氏温标（℉） 温 标 摄氏温标(℃）
热力学温标（K）
2020/4/29
3.1.1 温 标
在标准大气压下，冰的熔点为32度，水的沸点为 212度，中间划分180等分，每等分为华氏1度， 符号为F。
在标准大气压下，冰的熔点为0度，水的沸点为 100度，中间划分100等分，每等分为摄氏1度， 符号为t。
式中Rt和R0分别为t℃和0℃时的铂电阻值；A、B、和C为常数，其数值为 A = 3.9684*10-3/℃ B = - 5.847*10-7/℃ C = - 4.22*10-12/℃
2020/4/29
31
1. 铂热电阻的电阻-温度特性
0℃时的铂电阻值
R0 10、R0 50、R0 100
分度号分别为Pt10、Pt50、Pt100，其 中Pt100最常用。铂热电阻不同分度号 对应有相应分度表，即Rt-t的关系。
的测量，测温范围为-30℃～+300℃。
体
温 酒精温度计——量度范围约为-114℃～78℃。
度
计 煤油温度计——量度范围约为-30℃～150℃。
平常看到装有红色工作物质的温度计，温度计的刻度在100℃以下， 一般都是煤油温度计，而不是酒精温度计。
2020/4/29
15
3.2.2 固体膨胀式温度计
工作原理——利用膨胀系数不同的两种金属材料牢固地粘贴在一起制成的。 典型的固体膨胀式温度计是双金属温度传感器，如图3-3所示。
铂热电阻分度表
温度(℃) 220 230 240 250 260 270 280 290 300 310 320 330 340 350 360 370 380 390 400 410 420
电阻值(Ω) 183.19 186.84 190.47 194.10 197.71 201.31 204.90 208.48 212.05 215.61 219.15 222.68 226.21 229.72 233.21 236.70 240.18 243.64 247.09 250.53 253.96
8
3.1.2 温度的测量方法
温度不能直接测量，需要借助于某种物体的物理参数随温度冷热不同而明显变 化的特性进行间接测量。
温度传感器就是通过测量某些物理量参数随温度的变化而间接测量温度的。 温度传感器是由温度敏感元件（感温元件）和转换电路组成的，如图3-1所示。
温度
感温元件
转换电路
温度显示
图3-1 温度传感器的组成框图
规定分子运动停止时的温度为绝对零度(0K),符号为T。 热力学温标的零点—绝对零度，是宇宙低温的极限，宇 宙间一切物体的温度可以无限地接近绝对零度但不能达 到绝对零度（如宇宙空间的温度为0.2K）。
7
3.1.1 温 标
三种温标的换算关系为 tc TK 273.15
9 tF 5 tC 32
2020/4/29
2020/4/29
23
气体膨胀式温度计根据填充物的不同（氮气、氯甲烷、水银），可分为 气体压力式温度计、蒸汽压力式温度计和液体压力式温度计。
测温范围为-100℃～+700℃。 主要用于远距离设备的气体、液体、蒸汽的温度测量，也能用于温度控
制和有爆炸危险场所的温度测量。
2020/4/29
24
2020/4/29
2020/4/29
32
分度号Pt100
温度(℃) 电阻值(Ω) 温度(℃)
-200
18.52
10
-190
22.83
20
-180
27.10
30
-170
31.34
40
-160
35.54
50
-150
39.72
60
-140
43.88
70
-130
48.00
80
-120
52.11
90
-110
56.19
100
-100
测温范围——膨胀式温度计可以测量-200～700℃范围的温度。在机械热 处理测温中，常用于测量碱槽、油槽、法兰槽、淬火槽及低温干燥箱的 温度，也广泛用于测量设备、管道和容器的温度。
特点——这种温度计结构简单，制造和使用方便，价格低，但外壳薄脆、 易损坏，大部分不适于远距离测温，必须接触测量。
2020/4/29
2020/4/29
22
3.2.3 气体膨胀式温度计
气体膨胀式温度计是基于密封在容 器中的气体和液体受热后体积膨胀， 压力随温度变化而变化的原理测温的， 所以该温度计又称为压力式温度计。
图3-8 气体膨胀式温度计
当温包受热后，其内部的工作介质温度升高，体积膨胀，压力增大， 此压力经毛细管传到弹簧管内，使弹簧管产生变形，并由传动机构 带动指针偏转，指示相应的温度值。
2020/4/29
4
3.1 温标及温度的测量方法
温度——表征物体冷热程度的物 理量，是物体内部分子无规则剧烈 运动程度的标志,分子运动越剧烈， 温度就越高。
2020/4/29
5wk.baidu.com
3.1.1 温 标
用来量度物体温度数值的标尺叫温标。它规定了温度的读数起点 （零点）和测量温度的基本单位。
2020/4/29
2020/4/29
27
3.3 电阻式温度传感器
电阻式温度传感器是利用导体或半导体材料的电阻值随温度变化而变化的 原理来测量温度的，即材料的电阻率随温度的变化而变化，这种现象称为 热电阻效应。
当温度升高时，虽然自由电子数目基本不变（当温度变化范围不是很大 时），但每个自由电子的动能将增加，因而在一定的电场作用下，要使这 些杂乱无章的电子作定向运动就会遇到更大的阻力，导致金属电阻值随温 度的升高而增加。
2020/4/29
10
接触测量
2020/4/29
11
非接触测量
红外线测温仪
红外线测温
2020/4/29
12
3.2 膨胀式温度计
工作原理——利用物体受热体积膨胀的原理而制成的，多用于现场测量 及显示。
分类——按选用的物质不同，可分为液体膨胀式温度计、固体膨胀式温 度计、气体膨胀式温度计3种类型。
图3-3 双金属片工作原理 2020/4/29
图3-4 双金属温度计
16
3.2.2 固体膨胀式温度计
双金属温度计测温范围为-100℃～+600℃，探头长度可以达到1米长,可用于 测量液体、蒸汽及气体介质温度。
特点：现场显示温度，直观方便，抗震性能好，结构简单，牢固可靠，使用 寿命长，但精度不高。
13
3.2.1 玻璃液体温度计
将酒精、水银、煤油等液体充入到透明有刻度的玻璃吸管中，两端 密封，就制成玻璃液体温度计。它是利用玻璃感温泡内的液体受热 体积膨胀与玻璃体积膨胀之差来测量温度的。
2020/4/29
14
3.2.1 玻璃液体温度计
玻 水银温度计——大多用于液体、气体及粉状固体温度
璃 液
2020/4/29
28
由金属导体铂、铜、镍等制成的测温元件称为金属热电阻
分
传感器，简称热电阻传感器
类
由半导体材料制成的测温元件称为热敏电阻
2020/4/29
29
3.3.1 金属热电阻传感器
工作原理—— 利用金属导体的电阻值随温度的变化而变化的原理进 行测温的。
测温范围—— -220850℃范围内的温度，少数情况下，低温可测量 至1K（-272℃），高温可测量至1000℃。
图(3-5b）其他双金属系列
双金属基本系列 19
双金属温度传感器常用于恒温箱、加热炉、电饭锅（电饭煲）电熨斗等温度控制
图3-6 双金属温度传感器用于控制温度示意图
2020/4/29
20
图中的感温磁钢是用感温磁性材料制成的温控元件，它的磁导率随本身温度的变化而呈非线形变化。在 锅内温度小于100℃时，感温磁钢具有磁性，而与永久磁铁吸合，电流通过加热器加热。当锅内温度超过 感温磁钢的居里点(103±2℃)时，感温磁钢失去磁性，结果因永磁体的重力及弹簧的作用力下，导致开 关触点分离，电路断开，加热器停止加热，起到自动限温作用。但它在断电后不能自动复位。