传感器原理及应用第三章温度传感器

传感器与测试技术
现代生活中准确的温度是不可缺少的信息内容，如 家用电器有：电饭煲、电冰箱、空调、微波炉这些 家用电器中都少不了温度传感器。
EXIT
ch3 温度传感器
传感器与测试技术
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。
在2000多年前，就开始为检测温度进行了各种努力，并开始使
EXIT
ch3 温度传感器
传感器与测试技术
几种温标的对比
EXIT
ch3 温度传感器
传感器与测试技术
二、温度传感器的特点与分类
1、温度传感器的物理原理
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。
热电势 温差电动势（同一导体）
温差电动势 接触电动势
接触电势的大小与温度高低及导体中的电子密度有关。
EXIT
ch3 温度传感器
传感器与测试技术
回路总电势：
E AB (T , T0 ) e AB (T ) e AB (T0 ) e A (T , T0 ) eB (T , T0 )
N AT kT N AT kT0 ln ln e N BT e N BT
EAB（T1, T3）=EAB（T1, T2）+EAB（T2, T3）
A
T1
B A
T2
B
EXIT
A B
T3
ch3 温度传感器
传感器与测试技术
当在原来热电偶回路中分别引入与导体材料A、B同样热电 特性的材料A′、B′(如图)即引入所谓补偿导线时，当 EAA΄(T2)=EBB΄(T2)，则回路总电动势为
EAB=EAB(T1)–EAB(T0)
只要T1、T0不变，接入AˊBˊ后不管接点温度T2如何变化， 都不影响总热电势。这便是引入补偿导线原理。 T0 T2 A’ A T1 E
热电偶补偿 导线接线图
B
T2
B’
EXIT
T0
ch3 温度传感器
传感器与测试技术
热电偶可以测量上千度高温，并且精度高、性能好，这是其 它温度传感器无法替代的
Βιβλιοθήκη Baidu
接 触 式 测 温 仪 表
压力式 温度计 玻璃管 液体 温度计 热电阻 温度计 热电偶 温度计
1~2.5
0.1~2.5
0.5~3.0
0.5~1.0
EXIT
ch3 温度传感器
传感器与测试技术
（续）
测量方式 仪表名称 测温原理 精度范围 特点 测温范围/℃
非 接 触 式 测 温 仪 表
物体单色辐射 光 学 强度及亮度随 高温计 温度变化
国际标准生产，并指定S、B、E、K、R、J、T等标准化热电偶为 我国统一设计型热电偶。
EXIT
ch3 温度传感器
10 工作端 温度 OC +0 100 200 300 400 500 600 700 0.397 4.508 8.537 12.623 16.818 21.066 25.327 29.547 1.203 4.919 8.938 13.039 17.241 21.493 25.751 29.965 1.203 5.327 9.341 13.456 17.664 21.919 26.176 30.383 20 30 40 50
标准热电偶：是指国家标准规定了其热电势与温度的关系、允
许误差、并有统一的标准分度表的热电偶，它有 与其配套的显示仪表可供选用。 非标准化热电偶：在使用范围或数量级上均不及标准化热电 偶，一般也没有统一的分度表，主要用于某
些特殊场合的测量。 我国从1988年1月1日起，标准化热电偶和热电阻全部按IEC
EXIT
ch3 温度传感器
传感器与测试技术
2、温度传感器的分类
温度传感器的种类很多，分类方法有多种。

根据所用测温物质的不同和测温范围不同 有煤油温度计、酒精温度计、水银温度计、气体温度计、 电阻温度计、温差温度计、辐射温度计、光测温度计等等。 按价格和性能可分为： • 热膨胀温度传感器，有液体、气体的玻璃式温度计、体温 计，结构简单，应用广泛； • 家电、汽车上使用的传感器，价格便宜、用量大、成本低、 性能差别不大； • 工业上使用的温度传感器，性能价格差别比较大，因为传 感器的精度直接关系到产品质量和控制过程，通常价格比 较昂贵。
EXIT
ch3 温度传感器
传感器与测试技术
按工作原理主要有以下几类： • 热电偶：利用金属温差电动势，有耐高温、精度高的特点； • 热电阻：利用导体随温度变化，测温不高； • 热敏电阻：利用半导体材料随温度变化测温，体积小、灵敏
度高、稳定性差；
• 集成温度传感器：利用晶体管PN结电流、电压随温度变化，
T EXIT
T0
V
ch3 温度传感器
传感器与测试技术
3. 中间温度定律
如果不同的两种导体材料组成热电偶回路 , 其接点温度分 别为T1、T2(如图所示)时,则其热电势为EAB(T1, T2)；当接点温 度为T2、T3时，其热电势为EAB(T2, T3)；当接点温度为T1、T3时， 其热电势为EAB(T1, T3)，则
热力学温度是国际上公认的最基本温度 我国目前实行的是1990年国际温标(ITS—90） （P104） • 定义国际开尔文温度（T90） 国际摄氏温度（t90）； T90 ：单位（K）开尔文 t90 ：单位（°C）摄氏 两者关系为： T=t+273.15 K t=T-273.15 ℃ • 规定各温度段所使用的标准仪器
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，则回路热电势EAB(T，T0)就只与温度T有 关，而且是T的单值函数，这就是利用热电偶测温的原理。 若电极材料确定，冷端温度保持恒定，此时 EAB(T,T0)= f(T)
EXIT
ch3 温度传感器
传感器与测试技术
二、热电偶回路的性质 1. 均质导体定律
非接触式温度传感器（热辐射）
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。
（P106~P107 表3-2、3-3）
EXIT
ch3 温度传感器
传感器与测试技术
度、测量固体以及固体壁面点的温度。微型热电偶还 可用于快速及动态温度的测量。
EXIT
ch3 温度传感器
传感器与测试技术
一、热电偶的工作原理
1、热电效应 将两种不同材料的导体A和B串接成一个闭合回路， 当两个接点温度不同时，在回路中就会产生热电势，形成 电流，此现象称为热电效应。
热电极
测量端
工作端
热端
接触式与非接触式测温方法及其特点
测量方式 仪表名称 双金属 温度计 测温原理 固体热膨胀变形 量随温度变化 气(汽)体、液体 在定容条件下， 压力随温度变化 液体热膨胀体积 量随温度变化 金属或半导体电 阻值随温度变化 热电效应 精度范围 1~2.5 特点 结构简单，指示清楚，读数 方便；精度较低，不能远传 结构简单可靠，可较远距离 传输<50 m；精度较低，受环境温 度影响较大 结构简单，精度较高；读数 不便，不能远传 精度高；便于远传；需外加 电源 测温范围大，精度高，便于 远传；低温测量精度较差 测温范围/℃ -100~600 一般-80~600 0~600 一般0~300 -200~600 一般-100~600 -258~1200 一般-200~650 -269~2800 一般200~1800
ch3 温度传感器
传感器与测试技术
第三章
温度传感器
教学目的与要求：要求学生了解集成温度传感器的原理及
应用;掌握热电偶、热敏电阻、铂电阻等
常用测温传感器的原理、特性及应用。
教学重点：热电偶、热敏电阻、铂电阻的工作电路及应用 教学难点：热电偶的冷端温度补偿、热电阻的三线制接法
EXIT
ch3 温度传感器
0 0

T
T0
( A B )dT
NAT、NAT0——导体A在结点温度为T和T0时的电子密度； NBT、NBT0——导体B在结点温度为T和T0时的电子密度；
σA
、σB——导体A和B的汤姆逊系数。
EXIT
ch3 温度传感器
传感器与测试技术
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。
由一种均质导体组成的闭合回路，不论其导体是否存在温 度梯度，回路中没有电流 ( 即不产生电动势 ) ；反之，如果有电 流流动，此材料则一定是非均质的，即热电偶必须采用两种不 同材料作为电极。
2. 中间导体定律
一个由几种不同导体材料连接成的闭合回路，只要它们彼此 连接的接点温度相同，则此回路各接点产生的热电势的代数和 为零。 在热电偶回路中接入第三种材料的导体，只要其两端的温度 相等，该导体的接入就不会影响热电偶回路的总热电动势。
参考端 自由端 冷端
EXIT
ch3 温度传感器
传感器与测试技术
热电偶工作原理演示
热电极A
左端称为： 测量端 （工作端、 热端）
热电势
A
热电极B
右端称为： 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。
EXIT
ch3 温度传感器
传感器与测试技术
接触电动势（不同导体）（主要）
ch3 温度传感器
传感器与测试技术
介绍几种温度测量方法
示温涂料（变色涂料）
EXIT
装满热水后图案变得 清晰可辨
ch3 温度传感器
传感器与测试技术
变色涂料在电脑内部温度中的示温作用
CPU散热风 扇
温度升高后变为红色
低温时显示蓝 色
EXIT
ch3 温度传感器
传感器与测试技术 不需要电源，耐用；但感温部 件体积较大。
传感器与测试技术
60 70 80
热电动势/mV 1.611 5.733 9.745 13.874 18.088 22.346 26.599 30.799 2.022 6.137 10.151 14.292 18.513 22.772 27.022 31.214 2.436 6.539 10.560 14.712 18.938 23.198 27.445 31.629 2.850 6.939 10.969 15.132 19.363 23.624 27.867 32.042 3.263 7.338 11.381 15.552 19.788 24.050 28.288 32.455
结构简单，携带方便，不破坏 200~3200 1.0~1.5 对象温度场；易产生目测主观误差， 一般600~2 400 外界反射辐射会引起测量误差
辐 射 物体全辐射能 高温计 随温度变化
1.5
结构简单，稳定性好，光路上 100~3 200 环境介质吸收辐射，易产生测量误 一般700~2 000 差
EXIT
有专用集成电路，体积小、响应快、价 廉，测量150℃以下温度。
EXIT
ch3 温度传感器
传感器与测试技术
按测温方法不同： 接触式温度传感器：（热平衡）
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，测量精度降低。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。
体积热膨胀式
气体的体积与热力 学温度成正比
EXIT
ch3 温度传感器
传感器与测试技术
红外温度计
EXIT
ch3 温度传感器
传感器与测试技术
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
用温度传感器检测温度。
人类社会中，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。 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。
EXIT
ch3 温度传感器
传感器与测试技术
一、温度的基本概念
热力学温标 国际实用温标 摄氏温标 华氏温标
三、热电偶的种类与结构
热电偶材料应满足： 物理性能稳定，热电特性不随时间改变； 化学性能稳定，以保证在不同介质中测量时不被腐蚀； 热电势高，导电率高，且电阻温度系数小； 便于制造；
复现性好，便于成批生产。
EXIT
ch3 温度传感器
传感器与测试技术
1、种类
常用热电偶可分为标准热电偶和非标准热电偶两大类。