温度传感器介绍教学内容

温度传感器1.温度测量接触式温度传感器非接触式温度传感器接触式温度传感器的特点：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。1、温度测量概述物理现象体积热膨胀电阻变化温差电现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、光辐射种类铂测温电阻、热敏电阻热电偶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1．热铁氧体2．Fe-Ni-Cu合金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红外温度计2热电偶传感器热电偶在温度的测量中应用十分广泛。它构造简单，使用方便，测温范围宽，并且有较高的精确度和稳定性。2.1热电偶测温原理1.热电效应两种不同材料的导体组成一个闭合回路时，若两接点温度不同，则在该回路中会产生电动势。这种现象称为热电效应，该电动势称为热电势。看一个实验——热电偶工作原理演示结论：当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。热电极A自由端（参考端、冷端）测量端（工作端、热端）热电极B热电势AB结点产生热电势的微观解释及图形符号两种不同的金属互相接触时，由于不同金属内自由电子的密度不同，在两金属A和B的接触点处会发生自由电子的扩散现象。自由电子将从密度大的金属A扩散到密度小的金属B，使A失去电子带正电，B得到电子带负电，从而产生热电势。自由电子＋ABeAB（T）T热电偶的分度表热电偶的线性较差，多数情况下采用查表法我国从1991年开始采用国际计量委员会规定的“1990年国际温标”（简称ITS-90）的新标准。按此标准，制定了相应的分度表，并且有相应的线性化集成电路与之对应。直接从热电偶的分度表查温度与热电势的关系时的约束条件是：自由端（冷端）温度必须为0C。K热电偶的分度表比较查出的3个热电势，可以看出热电势是否线性？2.2热电偶的结构形式与热电偶材料1．热电偶的种类（1）普通型热电偶普通装配型热电偶的外形安装螺纹安装法兰普通装配型热电偶的结构放大图接线盒引出线套管固定螺纹（出厂时用塑料包裹）热电偶工作端（热端）不锈钢保护管（2）铠装热电偶（缆式热电偶）铠装热电偶是将热电偶丝与电熔氧化镁绝缘物溶铸在一起，外表再套不锈钢管等构成。这种热电偶耐高压、反应时间短、坚固耐用。铠装型热电偶铠装热电偶的制造工艺：把热电极材料与高温绝缘材料预置在金属保护管中、运用同比例压缩延伸工艺、将这三者合为一体，制成各种直径、规格的铠装偶体，再截取适当长度、将工作端焊接密封、配置接线盒即成为柔软、细长的铠装热电偶。铠装热电偶特点：内部的热电偶丝与外界空气隔绝，有着良好的抗高温氧化、抗低温水蒸气冷凝、抗机械外力冲击的特性。铠装热电偶可以制作得很细，能解决微小、狭窄场合的测温问题，且具有抗震、可弯曲、超长等优点。铠装型热电偶1-热电极；2-绝缘材料；3-金属套管；4-接线盒；5-固定装置铠装型热电偶外形法兰铠装型热电偶可长达上百米薄壁金属保护套管（铠体）BA绝缘材料铠装型热电偶横截面（3）薄膜热电偶用真空镀膜技术或真空溅射等方法，将热电偶材料沉积在绝缘片表面而构成的热电偶称为薄膜热电偶。测温范围为-200~500℃。测量端既小又薄，热容量小，响应速度快。适用于测量微小面积上的瞬变温度。薄膜热电偶（4）表面热电偶主要用于现场流动的测量，广泛用于纺织、印染、造纸、塑料及橡胶工业；探头有各种形状(弓形、薄片形等)，以适应于不同物体表面测温用。在其把手上装有动圈式仪表，读数方便。测量温度范围有0~250℃和0~600℃两种。（5）防爆热电偶在石油、化工、制药工业中，生产现场有各种易然、易爆等化学气体，这时需要采用防爆热电偶。它采用防爆型接线盒，有足够的内部空间、壁厚及机械强度，其橡胶密封圈的热稳定性符合国家的防爆标准。因此，即使接线盒内部爆炸性混合气体发生爆炸时，其压力也不会破坏接线盒，其产生的热能不能向外扩散传爆，可达到可靠的防爆效果。隔爆型热电偶外形厚壁保护管压铸的接线盒电缆线其他热电偶外形小形K型热电偶2.热电偶组成材料及分度表为了准确可靠地进行温度测量，必须对热电偶组成材料严格选择。目前工业上常用的四种标准化热电偶材料为:铂铑30－铂铑6、铂铑10－铂、镍铬－镍硅镍铬－铜镍（我国通常称为镍铬－康铜）。组成热电偶的两种材料写在前面的为正极，后面的为负极。热电偶的热电动势与温度之关系表，称之为分度表。八种国际通用热电偶：B:铂铑30—铂铑6、R:铂铑13—铂、S:铂铑10—铂、K:镍铬—镍硅、N:镍铬硅—镍硅、E:镍铬—铜镍、J:铁—铜镍、T:铜—铜镍用于制造铂热电偶的各种铂热电偶丝几种常用热电偶的测温范围及热电势分度号名称测量温度范围1000C热电势/mVB铂铑30－铂铑650～1820C4.834R铂铑13—铂-50～1768C10.506S铂铑10—铂-50～1768C9.587K镍铬－镍铬(铝)-270～1370C41.276E镍铬－铜镍(康铜)－270～800C——5种热电偶的测温范围与热电势各有什么特点？（1）补偿导线补偿导线是指在一定的温度范围内(0~150℃)，其热电性能与相应热电偶的热电性能相同的廉价导线。采用补偿导线，可将热电偶的自由端延伸到远离高温区的地方，从而使自由端的温度相对稳定。由此可见，使用补偿导线可以节约大量的贵重金属，减小热电偶回路的电阻，而且柔软易弯便于敷设安装，但必须指出，使用补偿导线仅能延长热电偶的自由端，对测量电路不起任何温度补偿作用。2.3热电偶测温及参考端温度补偿补偿导线外形A’B’屏蔽层保护层1)计算修正法用普通室温计算出参比端实际温度TH，利用公式计算例用铜-康铜热电偶测某一温度T，参比端在室温环境TH中，测得热电动势EAB(T，TH)=1.999mV，又用室温计测出TH=21℃,查此种热电偶的分度表可知，EAB(21,0)=0.832mV，故得EAB(T，0)=EAB(T，21)+EAB(21，T0)=1.999+0.832=2.831(mV)再次查分度表，与2.831mV对应的热端温度T=68℃。EAB(T,T0)=EAB(T,TH)+EAB(TH,T0)（2）冷端温度补偿用螺丝刀调节仪表面板上的“机械零点”，使指针指到气温t0（图中为40C）的刻度上。机械零点指针被预调到室温（40C）可补偿冷端损失2)机械零位调整法3)冰浴法冰浴法接线图1—被测流体管道2—热电偶3—接线盒4—补偿导线5—铜质导线6—毫伏表7—冰瓶8—冰水混合物9—试管10—新的冷端4)冷端补偿器法(补偿电桥法)国产WBC型冷端温度补偿器的工作原理图电桥补偿法XT-WBC热电偶冷端补偿器金属热电阻传感器一般称作热电阻传感器，是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。金属热电阻的主要材料是铂和铜。热电阻广泛用来测量-220～+850℃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℃。3热电阻式传感器3.1常用热电阻取一只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。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。铂电阻的应用范围为-200～+850℃。铂电阻的电阻—温度特性方程，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)易提纯、复现性好的金属材料才可用于制作热电阻热电阻的主要技术性能热敏电阻的外形、结构及符号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—传热安装孔薄膜型及普通型铂热电阻薄膜铂电阻是使用最新的薄膜技术而制造的温度传感器。与其他类型的热电阻比较，此产品具有适于大批量生产，一致性好，成本低及尺寸小等特点。小型铂热电阻防爆型铂热电阻隔爆型热电阻通过特殊结构的接线盒，能把内部爆炸性混合气体因受到火花或电弧等影响而发生的爆炸局限在接线盒内，生产现场不会引起爆炸。汽车用水温传感器及水温表铜热电阻学习查“铂热电阻分度表”铂热电阻分度表应为130.90铂电阻温度显示、变送器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3.3热敏电阻半导体热敏电阻简称热敏电阻，是一种新型的半导体测温元件。热敏电阻是利用某些金属氧化物或单晶锗、硅等材料，按特定工艺制成的感温元件。热敏电阻可分为三种类型，即：正温度系数（PTC）热敏电阻负温度系数（NTC）热敏电阻在某一特定温度下电阻值会发生突变的临界温度电阻器（CTR）。热敏电阻的（Rt—t）特性1-负指数型NTC；2-突变型NTC；3-突变型PTC；4-线性型PTC各种热敏电阻的特性曲线热敏电阻外形MF12型NTC热敏电阻聚脂塑料封装热敏电阻其他形式的热敏电阻玻璃封装NTC热敏电阻MF58型热敏电阻其他形式的热敏电阻带安装孔的热敏电阻大功率PTC热敏电阻其他形式的热敏电阻（续）贴片式NTC热敏电阻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）非标热敏电阻非标热敏电阻（续）非标热敏电阻（续）热敏电阻温度面板表热敏电阻LCD热敏电阻体温表NTC热敏电阻主要用于温度测量和补偿。PTC突变型热敏电阻主要用作温度开关，PTC缓变型热敏电阻主要用于在较宽的温度范围内进行温度补偿或温度测量。CTR热敏电阻主要用作温度开关。2.3.4热敏电阻的应用1．温度测量用于测量温度的热敏电阻一般结构较简单，价格较低廉。没有外面保护层的热敏电阻只能应用在干燥的地方；密封的热敏电阻不怕湿气的侵蚀，可以用在较恶劣的环境下。由于热敏电阻的阻值较大，故其连接导线的电阻和接触电阻可以忽略，使用时采用二线制即可。2．温度补偿热敏电阻可在一定的温度范围内对某些元件进行温度补偿。例如，动圈式仪表表头中的动圈由铜线绕成，温度升高，其电阻值增大，引起测量误差，为此可在动圈回路中串入由负温度系数热敏电阻组成的电阻网络，从而抵消由于温度引起的误差。实际应用时，将负温度系数的热敏电阻与锰铜丝电阻并联后再与被补偿元件串联。热敏电阻用于CPU的温度测量（参考小熊在线公司资料）热敏电阻对晶体管电路的补偿热敏电阻对正温度系数电阻的补偿热敏电阻用于电热水器的温度控制