传感器与检测技术2温度的测量及温度传感器

为零时对应的温度——绝对零度与水的三相点温度分为273． 16份，每份为1 K (Kelvin) 。
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测温方法分类及其特点
根据传感器的测温方式，温度基本测量方法通常可分成接触式 和非接触式两大类。
接触式温度测量 非接触式温度测量
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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。
令Δ Uab＝Δ EAB（T0） 图5－５ 电桥补偿示意图 得U0＝EAB（T）－EAB（20℃）
U0＝EAB（T）－〔EAB（T0）+Δ EAB（T0）〕+Δ Uab
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4）延伸导线法
5）采用不需要冷端补偿的热电偶 冷端温度在300℃以下的镍钴—镍铝热电偶，50℃以 下的镍铁—镍铜热电偶及铂铑30—铂铑6热电偶
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6）补正系数修正法

工程上经常采用补正系数实现补偿。
设工作端温度为T1，冷端温度为T0，现场实际温度为T，则
T＝T1+kT0
目前工业用铂电阻分度号为Pt100和Pt10，其中Pt100更 为常用。
当 200 t 0 ℃时 R t R0 1 At Bt2 Ct3 t 100
当 0 t 850 ℃时
R t R0 1 At Bt2
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普通工业用热电偶 热电偶通常主要由四部分组成 (如图6-12所示)：热电极
、绝缘管、保护管和接线盒。
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铠装热电偶
铠装热电偶又称套管热电偶。它是由热电偶丝、 绝缘材料和金属 套管三者经拉伸加工而成的坚实组合体, 如图 2-10所示。它可以做得很 细很长, 使用中随需要能任意弯曲。铠装热电偶的主要优点是测温端热 容量小, 动态响应快, 机械强度高, 挠性好, 可安装在结构复杂的装置上, 因此被广泛用在许多工业部门中
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非接触式温度测量
感温元件不与被测对象直接接触，而是通过接受被测 物体的热辐射能实现热交换，据此测出被测对象的温 度;
非接触式测温具有不改变被测物体的温度分布，热惯 性小，测温上限可设计得很高，便于测量运动物体的 温度和快速变化的温度等优点。
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从热平衡的观点看，温度可以作为物体内部分子无规则热运动 剧烈程度的标志；
温度与人们日常生活紧密相关。
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温标
为了保证温度量值的准确和利于传递，需要建立一个衡量 温度的统一标准尺度，即温标。
利用一些物质的某些物性(诸如尺寸、密度、硬度、弹性模 量、辐射强度等)随温度变化的规律，通过这些量来对温度 进行间接测量。
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4.热电偶的组成材料及分度表
分度表：热电偶的热电动势与温度的关系表 http://www.hxytech.com
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2.2.3热电偶测温及温度补偿
1.热电偶测温基本电路
a 热电偶测一点温度
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图5－4 中间导体定律 http://www.hxytech.com
②中间温度定律
热电偶在接触点温度为T,T0时的回路电势，等于该热电 偶在接触点温度为T,Tn和Tn，T0时回路电势之代数和。
EAB（T,T0）＝EAB（T,Tn）+EAB（Tn，T0） 若T0＝0，则有
EAB（T，0）＝EAB（T，Tn）+EAB（Tn，0）
测量环境温度 T0<T<Tn
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查分度表
③参考电极定律
金属A和B之间的电动势等于金属A、C和C、B组成热电偶的热电 动势之和。（C为标准电极）（如图2-8）所示
EAB (T ,T0 ) EAC (T ,T 0) ECB (T ,T0 )
导体C被称为标准电极，通常用纯铂（Pt）作标准电极
1． 热铁氧体 2． Fe-Ni-Cu合金
BaSrTiO3陶瓷
石英晶体振动器
种
超声波温度计
类
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 http://www.hxytech.com
光学高温计
接触式温度测量
测温精度相对较高，直观可靠及测温仪表价格相对较低；
由于感温元件与被测介质直接接触，从而要影响被测介质热 平衡状态，而接触不良则会增加测温误差；被测介质具有腐 蚀性及温度太高亦将严重影响感温元件性能和寿命等缺点。
主要内容
1
2.1 温度测量概述
2
2.2 热电偶传感器
3
2.3 金属热电阻传感器
4
2.4 集成温度传感器
5
2.5 半导体热敏电阻
6
2.6 温度传感器的应用
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1
2.1 温度测量概述
温度是国际单位制给出的基本物理量之一，它是工农业生产、 科学试验中需要经常测量和控制的主要参数；
0
AT0
E (T ) E (T ) ln ln AB
AB o
q N q N http://www.hxytech.com
BT
BT
0
当热电偶导体A和B材料一定时，回路总电动势成为 热端和冷端的温度的函数。在实际测温中，把冷端置于 某一恒温下，此时冷端接触电势为一常数，回路总电势 仅决定于热端接触电势，即只与热端温度有关，两者之 间是单值的函数关系。
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2.2.1 热电偶测温原理 1、热电效应 塞贝克效应（1821/德国）
两种不同金属导线组成一闭合回路，若两接头处维 持一温差，回路中就有电流和电动势产生。
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2. 珀尔帖效应
2、两种导体的接触电势
将同温度的两种不同的金属互相接触，由于不同金
（5－13）
式中k——为热电偶温度修正系数，其值决定于热电偶种
类和被测的温度范围 。
7）用集成温度传感器AD590作为冷端补偿元件
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温度检测系统
8）冷端温度的智能补偿
利用单片机或计算机，可以实现温度监测、控制、误差修正 与冷端温度补偿一体化和智能化。
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(3)薄膜热电偶 薄膜热电偶是由两种 薄膜热电极材料, 用真空蒸镀、 化学 凃层等办法蒸镀到绝缘基板上面制成 的一种特殊热电偶, 如图 1 - 10 所示。 薄膜热电偶的热接点可以做得很小 （可薄到0.01~0.1μm）, 具有热容量 小, 反应速度快等的特点, 热相应时间 达到微秒级, 适用于微小面积上的表 面温度以及快速变化的动态温度测量。
当： EAB(T0) C
则： EAB (T ,To ) EAB (T ) C f (T )
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4.热电偶的基本定律 ①中间导体定律
当插入第三种金属时，只要两端温度相同，就不会 使热电偶的电动势发生变化。
EAB(T,T0 ) EABC(T,T0 )
体积热膨胀
物
理
电阻变化
现 温差电现象 象 导磁率变化
电容变化
压电效应
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
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
铂测温电阻、热敏电阻
热来自百度文库偶
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2.2.2热电偶结构结构形式及材料
热电偶分类及特性
为了得到实用性好，性能优良的热电偶，其热电极材料需具有 以下性能： (1)优良的热电特性； (2)良好的物理性能 ； (3)优良的化学性能 ； (4)优良的机械性能 ； (5)足够的机械强度和长的使用寿命； (6)制造成本低，价值比较便宜。
⑴. 导体A温差电动势
T
⑵.
EA(T To )
导体B温差电动势
To

Adt
T
EB (T To ) To Bdt
4. 回路总电势
EAB (T ,To ) EAB (T ) EAB (To ) EA(T To ) EB (T To )
kT N kT N AT
属内自由电子的密度不同，在它们的接点处会产生接触
电动势。
⑴. 热端接触电动势
E AB (T )

kT q
In
N AT N BT
⑵. 冷端接触电动势
E AB (To )

kTo q
In
N ATo N BTo
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3. 汤姆逊效应
同一种导体因其两端的温度不同会产生温差电势。
热电阻主要缺点是需要电源激励、有（会影响测量精度）自热 现象以及测量温度不能太高。
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2.3.1 热电阻的温度特性
1.铂电阻的电阻-温度特性
铂电阻(IEC)的电阻率较大，电阻—温度关系呈非线性， 但测温范围广，精度高，且材料易提纯，复现性好；在 氧化性介质中，甚至高温下，其物理、化学性质都很稳 定。
各类温度检测方法构成的测温仪表的大体测温范围
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2
热电偶传感器
热电偶是工业和装备试验中温度测量应用最多的 器件，它的特点：
测温范围宽 测量精度高 性能稳定 结构简单 且动态响应较好
输出直接为电信号，可以远传，便于集中检测和 自动控制
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3
2.3 金属热电阻传感器
基于热电阻原理测温是根据金属导体或半导体的电阻值随温度 变化的性质，将电阻值的变化转换为电信号，从而达到测温的 目的。
用于制造热电阻的材料，要求电阻率、电阻温度系数要大，热 容量、热惯性要小，电阻与温度的关系最好近于线性。
热电阻测温的优点是信号灵敏度高、易于连续测量、可以远传 、无需参比温度；金属热电阻稳定性高、互换性好、准确度高 ，可以用作基准仪表。
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常用的修正或补偿方法
1）冰浴法 将热电偶冷端置于冰水中，使冷端
保持恒定的0℃，它可以使冷端温度误 差完全消失。 2）冷端温度修正法
EAB（T，0）＝EAB（T，Tn）+EAB（Tn，0）
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3）冷端补偿器法（电桥补偿法）
式中Rt和R0分别为t℃和0℃时铂电阻值; A、 B和C为常数。 在ITS-90 中, 这些常数规定为:
摄氏温度和华氏温度的关系为
T ℉ = t℃ + 32
(6-1)
式中 T——华氏温度值;
t——摄氏温度值。
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热力学温标
热力学温标是由开尔文(Ketvin)在1848年提出的，以卡诺循环 (Carnot cycle)为基础。
热力学温标是国际单位制中七个基本物理单位之一。 热力学温标为了在分度上和摄氏温标相一致，把理想气体压力
测量两点温度差
b 热电偶测两点温差(串联）
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测多点温度的平均值
与热电偶相配套的测量与显示仪表： 毫伏计、电子电位差计、数字测温指示仪 http://www.hxytech.com
2. 热电偶冷端温度补偿
为什么要进行冷端温度补偿？ 1.在测温时，冷端温度T0随着环境温度变化，因 而产生测量误差，故应采取补偿措施。 2.分度表是在T0＝0℃时测得的，使用时，只有满 足T0＝0℃的条件才能使用分度表
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经验温标
华氏温标 1714年德国人法勒海特(Fahrenheit)以水银为测温介质
，制成玻璃水银温度计。 按照华氏温标，则水的冰点为32℉，沸点为212℉
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摄氏温标
1740年瑞典人摄氏(Celsius)提出在标准大气压下，把水 的冰点规定为0度，水的沸点规定为100度。