机械工程测试技术基础 第十讲温度检测

湖北工业大学机械学院第十讲温度测量学习目的与要求•了解测量温度的方法，理解各种测量温度传感器的基本原理，了解各种传感器的组成、分类、特点及标定方法。•重点是热电偶、电阻式温度传感器。湖北工业大学机械学院第10章温度传感器0R本章要点金属热电阻、热敏电阻金属热电阻和热敏电阻的温度特性及应用；热电偶热电偶的热电效应、热电偶的结构和种类，热电偶测量电路；其它温度传感器1.非接触式2.半导体式湖北工业大学机械学院温度是物理现象中具有代表性的物理量现代生活中温度测量和控制是不可缺少的，如家用电器：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。概述湖北工业大学机械学院现代工业中温度测量和控制是不可缺少的，精确的烟草烘干木材烘干湖北工业大学机械学院温度检测的基本知识温度：反映了物体冷热的程度，与自然界中的各种物理和化学过程相联系。温度概念的建立及测量：以热平衡为基础的，温度最本质的性质：当两个冷热程度不同的物体接触后就会产生导热换热，换热结束后两物体处于热平衡状态，则它们具有相同的温度。测量方法：接触式测温和非接触式测温湖北工业大学机械学院接触式测温温度敏感元件与被测对象接触，经过换热后两者温度相等。(1)膨胀式温度计(2)热电阻温度计(3)热电偶温度计(4)其他原理的温度计直观、可靠，测量仪表也比较简单特点非接触测温温度敏感元件不与被测对象接触，而是通过辐射能量进行热交换，由辐射能的大小来推算被测物体的温度。(1)辐射式温度计(2)光纤式温度计：特点不与被测物体接触，不破坏原有的温度场。精度一般不高。湖北工业大学机械学院热膨胀温度传感器:有液体、气体的玻璃式温度计、体温计，结构简单，应用广泛；•半导体温度传感器:家电、汽车上使用的，价格便宜、用量大、成本低、性能差别不大；•金属、红外温度传感器:工业上使用的，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。湖北工业大学机械学院概述各种热电阻湖北工业大学机械学院各种热电偶湖北工业大学机械学院体积热膨胀式不需要电源，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湖北工业大学机械学院基于1-WIRE总线的DB18B20型智能温度传感器DB18B20引脚电流输出型典型集成温度传感器有AD590（美国AD公司生产），国内同类产品SG590。器件电源电压4～30V，测温范围-50～+150℃。湖北工业大学机械学院温标摄氏温标℃---------是把标准大气压下纯水的冰融点定为0度，纯水的沸点定为100度的一种温标。在0度和100度之间分成100等分，每一分为一摄氏度，符号为℃。华氏温标℉---------规定在大气压下，纯水的冰融点为32度，纯水的沸点为212度，中间划分为180等分，每一分为一华氏度，符号为℉。热力学温标K---------又称开尔文温标，单位为开尔文（K）。国际实用温标---------是一种符合热力学温标又使用简单的温标。最新温标是1990年国际温标(ITS－90):热力学温度（T）是基本物理量，单位为开尔文，定义为水三相点的热力学温度的1/273.16国际开尔文温度T90和国际摄氏温度t90t90/℃==T90/K–273.15湖北工业大学机械学院我国目前实行的是1990年国际温标(ITS—90）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（℃）摄氏两者关系为：t90/℃=T90/K–273.15或t/℃=T/K–273.15湖北工业大学机械学院应用热膨胀原理测温测量原理物体受热时产生膨胀液体膨胀式温度计固体膨胀式温度计玻璃管温度计双金属温度计湖北工业大学机械学院•双金属温度计是把两种膨胀系数不同的金属薄片焊接在一起制成的。它是一种固体膨胀温度计。其结构简单、牢固，可将温度变化转换成机械量变化，不仅用于测量温度，而且还用于温度控制装置（尤其是开关的“通断”控制），使用范围相当广泛。双金属温度计湖北工业大学机械学院双金属温度计的工作原理•如图所示,将其一端固定,如果温度升高,下面的金属B（例如黄铜）因热膨胀而伸长，上面的金属A（例如因瓦合金）却几乎不变，致使双金属偏向上翘。温度越高则产生的线膨胀差越大，引起的弯曲越大。湖北工业大学机械学院双金属温度计的结构它的感温元件通常绕成螺旋型，一端固定，另一端连接指针轴。温度变化时，感温元件的弯曲率发生变化，并通过指针轴带动指针偏转，在刻度盘上显示出温度的变化。湖北工业大学机械学院温度升高，金属内部原子晶格的振动加剧，从而使金属内部的自由电子通过金属导体时的阻碍增大，宏观上表现出电阻率变大，电阻值增加，我们称其为正温度系数，即电阻值与温度的变化趋势相同。10.1金属热电阻金属热电阻一般用于-200～+600℃温度测量；]1[)](1[1121tRttRR湖北工业大学机械学院取一只100W/220V灯泡，用万用表测量其电阻值，可以发现其冷态阻值只有几十欧姆，而计算得到的额定热态电阻值应为484。湖北工业大学机械学院热电阻测温原理导体或半导体的电阻值随温度变化测量原理TR热电阻不同热电阻阻值与温度变化之间的关系不完全相同。例，铂热电阻阻值与温度变化之间的关系近似为：-200～O℃+0～850℃2301100tRRtbtctt201tRRtbt式中：0R为0C时电阻，其值是100湖北工业大学机械学院在0～630.74℃范围内，金属铂的电阻值与温度的关系为在-50～180℃范围内，金属铜的电阻值与温度的关系为)1(0tRRt]1[332210tttRRt温度0℃时的电阻值温度t℃时的电阻值-20002004006001234温度t[0C]电阻比R/R0铂测温电阻元件的电阻的温度特性湖北工业大学机械学院常用热电阻铂电阻电阻率较大，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，复现性好工业用铂电阻分度号为Pt100和Pt10铜电阻电阻值与温度的关系几乎呈线性，电阻温度系数也较大，而且其材料易提纯，价格比较便宜，但缺点是在100℃以上易被氧化工业用铜热电阻的分度号为Cu50和Cu100湖北工业大学机械学院热电阻的主要技术性能湖北工业大学机械学院易提纯、复现性好的金属材料才可用于制作热电阻湖北工业大学机械学院热电阻温度计应用于-200~600℃范围内的温度测量热电阻＝电阻体（最主要部分）＋绝缘套管＋接线盒热电阻的材料要求：电阻温度系数要大；电阻率尽可能大，热容量要小，在测量范围内，应具有稳定的物理和化学性能；电阻与温度的关系最好接近于线性；应有良好的可加工性，且价格便宜。湖北工业大学机械学院热电阻结构456湖北工业大学机械学院•电阻的结构主要由不同材料的电阻丝绕制而成，为了避免通过交流电时产生感抗，或有交变磁场产生感应电动势，在绕制时采用双线无感绕制。5mm云母铂线瓷器带保护管的铂测温结构示意图热电阻结构湖北工业大学机械学院薄膜型及普通型铂热电阻湖北工业大学机械学院小型铂热电阻湖北工业大学机械学院防爆型铂热电阻湖北工业大学机械学院汽车用水温传感器及水温表铜热电阻湖北工业大学机械学院铂热电阻分度表湖北工业大学机械学院铂电阻温度显示、变送器湖北工业大学机械学院可设定温度的温度控制箱旋转式机械设定开关拨码式设定开关湖北工业大学机械学院近年来，几乎所有的家用电器产品都装有微处理器，温度控制完全智能化，这些温度传感器几乎都使用热敏电阻。热敏电阻用半导体材料氧化复合烧结而成•主要材料有：Mn、Co、Ni、Cu、Fe氧化物热敏电阻符号10.2热敏电阻湖北工业大学机械学院测温机理陶瓷半导体材料的导电性取决于电子——空穴的浓度。在低温下，电子——空穴的浓度很低，故电阻率很大，随着温度的升高，电子——空穴的浓度按指数规律增加，电阻率迅速减小，其阻值特性为：)11(00TTeRRR0为温度为20℃时的电阻值（）；RT为温度为T时的电阻值（）；T热力学温度（K）；B热敏电阻常数（热敏材料与工艺有关,eβ值为3000~4000K）湖北工业大学机械学院)11(00TTeRR热敏电阻有负温度系数（NTC）和正温度系数（PTC）之分，其特性曲线是非线性的。式中，R——温度T时探头的电阻值；R0——参考温度T=273.15K时的电阻值；β——材料系数，eβ值为3000~4000K2/TRdTdR电阻温度系数湖北工业大学机械学院NTC又可分为两大类：第一类用于测量温度，它的电阻值与温度之间呈严格的负指数关系；第二类为突变型（CTR）。当温度上升到某临界点时，其电阻值突然下降。湖北工业大学机械学院热敏电阻的外形、结构及符号湖北工业大学机械学院a）圆片型热敏电阻b）柱型热敏电阻c）珠型热敏电阻d）铠装型e）厚膜型f）图形符号1—热敏电阻2—玻璃外壳3—引出线4—紫铜外壳5—传热安装孔湖北工业大学机械学院热敏电阻外形MF12型NTC热敏电阻聚脂塑料封装热敏电阻湖北工业大学机械学院其他形式的热敏电阻玻璃封装NTC热敏电阻MF58型热敏电阻湖北工业大学机械学院其他形式的热敏电阻带安装孔的热敏电阻大功率PTC热敏电阻湖北工业大学机械学院其他形式的热敏电阻（续）贴片式NTC热敏电阻湖北工业大学机械学院其他形式的热敏电阻（续）MF58型（珠形）高精度负温度系数热敏电阻MF5A-3型热敏电阻（参考深圳科蓬达电子有限公司资料）湖北工业大学机械学院非标热敏电阻湖北工业大学机械学院热敏电阻温度面板表热敏电阻LCD湖北工业大学机械学院•由于热敏电阻与温度呈较强的非线性，使得它的测温范围和精度受到一定限制。•一般利用温度系数很小的金属电阻与热敏电阻串联或并联，使热敏电阻阻值在一定范围内呈线性关系。•热敏电阻测量的方法常用电桥法。湖北工业大学机械学院第8章温度传感器热敏电阻的应用0R右图是一恒温电路，A为比较器，当环境温度达到T℃时，输出信号实现自动调温控制。同相端输入有RP、R1、R2、R3分压确定作比较电平，RP可调节比较器的比较电平，从而调节所需控制温度。热敏电阻的恒温控制电路湖北工业大学机械学院第8章温度传感器近年来，几乎所有的家用电器产品都装有微处理器，温度控制完全智能化，这些温度传感器几乎都使用热敏电阻。热敏电阻用于电热水器的温度控制湖北工业大学机械学院热敏电阻体温表湖北工业大学机械学院热敏电阻体温表的调试、标定方法湖北工业大学机械学院热敏电阻用于CPU的温度测量（参考小熊在线公司资料）湖北工业大学机械学院小结：热敏电阻特点灵敏度高：比一般的金属大10－100倍。热惯性小，动态测量。结构简单，体积小。多数热敏电阻具有负温度系数，温度升高电阻下降，同时灵敏度下降，所以热电阻限制了它在高温下使用。热敏电阻温度上限约400℃。热敏电阻最大的缺点是，产品一致性差，互换性不好，因此，一般不在石油、钢铁、制造业上使用。湖北工业大学机械学院10.3热电偶温度传感器ThermoelectricCoupleSensors科学家发现：！两端温度不同的导体会产生电动势！两种不同的导体接在一起会产生电动势？能用来制作传感器吗湖北工业大学机械学院温差热电偶（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。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，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。10.3热电偶温度传感器ThermoelectricCoupleSensors★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、安装使用和校验温度传感器原理与应用湖北工业大学机械学院两种不同类型的导体组合成闭合回路，若连接处温度不同，有温差时，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－beck）发现，所以又称西拜克效应。10.3.1热电偶的工作原理热