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1、传感器与检测技术第1页，共93页，编辑于2022年，星期三第2页，共93页，编辑于2022年，星期三传感器的定义传感器的定义l根据中华人民共和国国家标准（根据中华人民共和国国家标准（GB7665-87GB7665-87）l传感器（传感器（Transducer/SensorTransducer/Sensor）：能感受）：能感受规定的被测量规定的被测量并按照并按照一定的规律一定的规律转换成转换成可用输出信号可用输出信号的器件和装置。的器件和装置。第3页，共93页，编辑于2022年，星期三包含的概念：包含的概念：传感器是测量装置，能完成检测任务；传感器是测量装置，能完成检测任务；它的输入量是某一被测
2、量，可能是物理量，也可能是化学量、生它的输入量是某一被测量，可能是物理量，也可能是化学量、生物量等；物量等；它的输出量是某种物理量，这种量要便于传输、转换、处理、显它的输出量是某种物理量，这种量要便于传输、转换、处理、显示等等，这种量可以是气、光、电量，但主要是电量；示等等，这种量可以是气、光、电量，但主要是电量；输出输入有对应关系，且应有一定的精确程度。输出输入有对应关系，且应有一定的精确程度。第4页，共93页，编辑于2022年，星期三传感器的组成传感器的组成敏感元件敏感元件 直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的物理量。直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的物理量。转换元件转换元件
3、 敏感元件的输出就是它的输入，抟换成电路参量。敏感元件的输出就是它的输入，抟换成电路参量。转换电路转换电路 上述电路参数接入基本转换电路，便可转换成电量输出。上述电路参数接入基本转换电路，便可转换成电量输出。敏感敏感元件元件转换转换元件元件转换转换电路电路被测量被测量电量电量第5页，共93页，编辑于2022年，星期三传感器的分类传感器的分类l按传感器的输入量（即按传感器的输入量（即被测参数被测参数）进行分类：）进行分类：位移、速度、温度、压力传感器等。位移、速度、温度、压力传感器等。l按传感器的按传感器的工作原理工作原理进行分类进行分类 ：应变式、电容式、电感式、压电式、热电应变式、电容式、电
4、感式、压电式、热电式传感器等。式传感器等。第6页，共93页，编辑于2022年，星期三4 4 温度检测温度检测4.14.1测温方法及温标测温方法及温标4.2 4.2 接触式测温接触式测温4.3 4.3 非接触式测温非接触式测温4.4 4.4 光纤温度传感器光纤温度传感器4.5 4.5 测温实例测温实例第7页，共93页，编辑于2022年，星期三4.1.1 4.1.1 测温原理及方法测温原理及方法一、温度的基本概念和测量方法一、温度的基本概念和测量方法 温度是一个基本物理量。是国际单位制温度是一个基本物理量。是国际单位制7 7个基本物理量之一。个基本物理量之一。温度的宏观概念是冷热温度的宏观概念是冷
5、热 程度的表示。程度的表示。温度的微观概念是大量温度的微观概念是大量 分子运动平均强度的表示。分子运动平均强度的表示。第8页，共93页，编辑于2022年，星期三测温原理测温原理l 利用合适物体某一利用合适物体某一物理性质物理性质随温度变化的已知特性，通随温度变化的已知特性，通过与被测对象的过与被测对象的热交换热交换，测量相关物理量从而确定被测对，测量相关物理量从而确定被测对象的温度。象的温度。测温方式测温方式接触式：传热和对流，热接触接触式：传热和对流，热接触;破坏被测对象热平衡，存在破坏被测对象热平衡，存在置入误差，对测温元件要求高。置入误差，对测温元件要求高。非接触式：热辐射非接触式：热辐
6、射;响应快，对被测对象干扰小，可测高温、响应快，对被测对象干扰小，可测高温、运动对象，强电磁干扰、强腐蚀。运动对象，强电磁干扰、强腐蚀。第9页，共93页，编辑于2022年，星期三测温方式测温方式类别类别原理原理典型仪表典型仪表测温范围测温范围/接触式接触式测温测温膨胀类膨胀类利用液体、气体的热膨胀及利用液体、气体的热膨胀及物质的蒸气压变化物质的蒸气压变化玻璃液体温度计玻璃液体温度计-100-100600600压力式温度计压力式温度计-100-100500500利用两种金属的热膨胀差利用两种金属的热膨胀差双金属温度计双金属温度计-80-80600600热电类热电类利用热电效应利用热电效应热电偶热
7、电偶-200-20018001800电阻类电阻类固体材料的电阻随温度变化固体材料的电阻随温度变化铂热电阻铂热电阻-260-260850850铜热电阻铜热电阻-50-50150150热敏电阻热敏电阻-50-50300300其他电学其他电学类类半导体器件的温度效应半导体器件的温度效应集成温度传感器集成温度传感器-50-50150150晶体的固有频率随温度而变化晶体的固有频率随温度而变化石英晶体温度计石英晶体温度计-50-50120120光纤类光纤类利用光纤的温度特性利用光纤的温度特性或作为传光介质或作为传光介质光纤温度传感器光纤温度传感器-50-50400400非接触式测非接触式测温温光纤辐射温度
8、计光纤辐射温度计20020040004000辐射类辐射类利用普朗克定律利用普朗克定律光电高温计光电高温计80080032003200辐射传感器辐射传感器40040020002000比色温度计比色温度计50050032003200温度检测方法的分类温度检测方法的分类第10页，共93页，编辑于2022年，星期三4.1.2 4.1.2 温标温标l温标：衡量温度的标尺，规定温度读数起点及温度的基温标：衡量温度的标尺，规定温度读数起点及温度的基本单位。本单位。l经验温标：经验温标：利用利用物质体物质体膨胀与温度的关系制定的。膨胀与温度的关系制定的。华氏温标华氏温标t tF F：冰点：冰点32F32F，水
9、沸点，水沸点212F212F。中间等分。中间等分180180份。份。摄氏温标摄氏温标t tC C：冰点：冰点00，水沸点，水沸点100100。中间等分。中间等分100100份。份。换算关系：换算关系：第11页，共93页，编辑于2022年，星期三4.1.2.14.1.2.1国际实用温标国际实用温标 热力学温标热力学温标l 符号符号T T9090,单位单位K K。l 是英国物理学家开尔文是英国物理学家开尔文 (Kelvin)(Kelvin)于于18481848年以热力年以热力 学第二定律为基础所引出学第二定律为基础所引出 的的与测温物质无关的温标与测温物质无关的温标。第12页，共93页，编辑于20
10、22年，星期三l 1954 1954年确定以水的三相点作为热力学温标的基本固定年确定以水的三相点作为热力学温标的基本固定点。点。19901990国际温标（国际温标（ITS-90)ITS-90)l单位单位K K的大小定义为水三相点热力学温度的的大小定义为水三相点热力学温度的1/273.161/273.16。同时使用国际摄氏度符号同时使用国际摄氏度符号t t9090，单位摄氏度，单位摄氏度第13页，共93页，编辑于2022年，星期三4.1.2.2 4.1.2.2 温标的传递温标的传递l 将国际实用温标传递到普通测温仪表上。将国际实用温标传递到普通测温仪表上。l 比较法：将标准温度计与被校温度计同时
11、放比较法：将标准温度计与被校温度计同时放入检定装置，由标准温度计测量温值来确定被入检定装置，由标准温度计测量温值来确定被校温度计精度。校温度计精度。第14页，共93页，编辑于2022年，星期三 将两种不同材料的导体将两种不同材料的导体A A和和B B串接成一个闭合回路，当两个接点温度不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，又同时，在回路中就会产生热电势，形成电流，此现象称为热电效应，又称塞贝克效应。称塞贝克效应。l4.2.1 4.2.1 热电偶测温热电偶测温l4.2.1.14.2.1.1测温原理测温原理l一、热电效应一、热电效应 4.2
12、4.2接触式测温接触式测温第15页，共93页，编辑于2022年，星期三热电势产生的原因热电势产生的原因（1 1 1 1）温差电势）温差电势）温差电势）温差电势 两端温差两端温差两端的自由电子具有不同的动能两端的自由电子具有不同的动能动能大动能大的自由电子就会向温度低的一段扩散。失去了电子的这的自由电子就会向温度低的一段扩散。失去了电子的这一端就处于正电位，而低温端由于得到电子处于负电位。一端就处于正电位，而低温端由于得到电子处于负电位。这样两端就形成了电位差，称为温差电动势。这样两端就形成了电位差，称为温差电动势。M热端冷端第16页，共93页，编辑于2022年，星期三接触电势接触电势l 两种导
13、体接触的时候，由于导体内的自由电子密度不同，电两种导体接触的时候，由于导体内的自由电子密度不同，电子密度大的导体向电子密度小的导体扩散，在扩散达到动态平衡子密度大的导体向电子密度小的导体扩散，在扩散达到动态平衡时就形成了一个电位差。这个电位差称为接触电动势。时就形成了一个电位差。这个电位差称为接触电动势。扩散扩散扩散扩散电场电场漂移漂移第17页，共93页，编辑于2022年，星期三闭合回路中产生的总热电势：闭合回路中产生的总热电势：T,TT,T0 0为接点温度，为接点温度，TTTT0 0;S SABAB为塞贝克系数由热电极材料和接点温度决定。为塞贝克系数由热电极材料和接点温度决定。T T0 0一
14、定时：一定时：热电势由温度热电势由温度T T决定。决定。通常温差电势远小于接触电势，可忽略。通常温差电势远小于接触电势，可忽略。第18页，共93页，编辑于2022年，星期三总结：总结：lT T 端：测量端或热端端：测量端或热端lT T0 0端：参比端或冷端端：参比端或冷端l 热电势大小只与热电势大小只与热电极材热电极材 料料及及两端温度两端温度有关，与热偶丝有关，与热偶丝 的粗细长短无关。热电极材料的粗细长短无关。热电极材料 确定以后，热电势大小只与温确定以后，热电势大小只与温 度有关。度有关。热电效应原理热电效应原理第19页，共93页，编辑于2022年，星期三4.2.1.2 4.2.1.2
15、热电偶的应用定则热电偶的应用定则l1)1)均质导体定律均质导体定律l 由一种均质导体组成的闭合回路，不论导体的横截由一种均质导体组成的闭合回路，不论导体的横截面积、长度以及温度分布如何均不产生热电动势。面积、长度以及温度分布如何均不产生热电动势。l2)2)中间导体定律中间导体定律l 在热电偶回路中接入第三种材料的导体，只要其两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。总热电动势。第20页，共93页，编辑于2022年，星期三 意义：回路中引入连接导线和仪表，接入导线和仪表后意义：回路中引
16、入连接导线和仪表，接入导线和仪表后不会影响回路中的热电势。不会影响回路中的热电势。第21页，共93页，编辑于2022年，星期三3)3)中间温度定则中间温度定则 在在热热电电偶偶测测温温回回路路中中，T Tc c为为热热电电极极上上某某一一点点的的温温度度，热热电电偶偶ABAB在在接接点点温温度度为为T T、T T0 0时时的的热热电电势势e eABAB(T,T,T T0 0)等等于于热热电电偶偶ABAB在在接接点点温温度度T T、T Tc c和和T Tc c、T T0 0时时的的热热电电势势e eABAB(T,T,T Tc c)和和e eABAB(T Tc c,T T0 0)的的代代数和，即数
17、和，即 第22页，共93页，编辑于2022年，星期三中间温度定律的应用中间温度定律的应用 2)2)根根据据这这个个定定律律，可可以以连连接接与与热热电电偶偶热热电电特特性性相相近近的的导导体体A A和和B B，将将热热电电偶偶冷冷端端延延伸伸到到温温度度恒恒定定的的地地方方，这这就就为为热热电电偶偶回回路路中应用补偿导线提供了理论依据。中应用补偿导线提供了理论依据。1)1)为制定分度表奠定了理论基础。已知温度为制定分度表奠定了理论基础。已知温度T T0 0=0=0时的时的热电势热电势-温度关系，可求得参考温度不为温度关系，可求得参考温度不为00时的热电势。时的热电势。第23页，共93页，编辑于
18、2022年，星期三4)4)参考电极定则参考电极定则l 若两种导体若两种导体A A、B B分别与第三种导体分别与第三种导体C C组成热电偶的热组成热电偶的热电势已知，则电势已知，则A A、B B组成的热电偶也可知。组成的热电偶也可知。标准电极：铂标准电极：铂第24页，共93页，编辑于2022年，星期三4.2.1.3 4.2.1.3 常用工业热电偶常用工业热电偶l基本要求：基本要求：l 1 1）测温范围内热电性能稳定。）测温范围内热电性能稳定。l 2 2）测温范围内物理化学性能稳定。）测温范围内物理化学性能稳定。l 3 3）热电偶随温度变化率足够大。）热电偶随温度变化率足够大。l 4 4）热电特性
19、接近单值线性或近似线性。）热电特性接近单值线性或近似线性。l 5 5）电导率高，电阻温度系数小。）电导率高，电阻温度系数小。l 6 6）机械性能好，）机械性能好，复制性好、工艺简单、价复制性好、工艺简单、价格低。格低。第25页，共93页，编辑于2022年，星期三常用热电偶与热电势关系曲线常用热电偶与热电势关系曲线00时，热电偶的热电势均为时，热电偶的热电势均为0 0什么热电偶测温上限高？什么热电偶测温上限高？什么热电偶灵敏度高？什么热电偶灵敏度高？什么热电偶线性差？什么热电偶线性差？第26页，共93页，编辑于2022年，星期三热电偶的分度表热电偶的分度表l 不同金属组成的热电偶，温度与热电动势
20、之间有不不同金属组成的热电偶，温度与热电动势之间有不同的函数关系，线性较差，一般采用查表法。同的函数关系，线性较差，一般采用查表法。l 分度表：通过实验的方法来确定，并将不同温度分度表：通过实验的方法来确定，并将不同温度下测得的结果列成表格，编制出热电势与温度的对照下测得的结果列成表格，编制出热电势与温度的对照表，即（表表，即（表4-44-4）。）。l 前提：冷端温度为前提：冷端温度为00。中间值按内插法计算中间值按内插法计算:第27页，共93页，编辑于2022年，星期三一、铂铑合金、铂系列热电偶一、铂铑合金、铂系列热电偶l贵金属热电偶（贵金属热电偶（B B、R R、S S型型)l优点：温区宽
21、，测温高，精度高。优点：温区宽，测温高，精度高。l缺点：热电势小，热电特性非线缺点：热电势小，热电特性非线 性较大，价格贵。性较大，价格贵。第28页，共93页，编辑于2022年，星期三二、廉价金属热电偶二、廉价金属热电偶l由价廉的合金或纯金属构成（由价廉的合金或纯金属构成（K K、N N、E E、T T、J J型型)。l优点：性能稳定，热电势大，热电特性线性好，优点：性能稳定，热电势大，热电特性线性好，复现性好，高温抗氧化能力强。复现性好，高温抗氧化能力强。l缺点：不适用过高温度。缺点：不适用过高温度。第29页，共93页，编辑于2022年，星期三三、难融合金热电偶三、难融合金热电偶l钨铼合金材
22、料（钨铼合金材料（WRWRe3e3-WR-WRe25e25、WRWRe5e5-WR-WRe26e26)l优点：测温上限高，而且稳定性好，价格便宜。优点：测温上限高，而且稳定性好，价格便宜。l缺点：钨铼热电偶极易氧化，含碳气氛中容易缺点：钨铼热电偶极易氧化，含碳气氛中容易生成稳定的碳化物，以致降低其灵敏度并引起生成稳定的碳化物，以致降低其灵敏度并引起脆断适于在惰性或干燥氢气中使用。脆断适于在惰性或干燥氢气中使用。第30页，共93页，编辑于2022年，星期三4.2.1.4 4.2.1.4 工业热电偶结构型式工业热电偶结构型式（1 1）普通型热电偶）普通型热电偶热容量大，热惯性大，温度变化响应慢。热
23、容量大，热惯性大，温度变化响应慢。第31页，共93页，编辑于2022年，星期三 （2 2）铠装热电偶）铠装热电偶 将热电偶丝、绝缘材将热电偶丝、绝缘材料和金属套管组合装配料和金属套管组合装配后，拉伸加工而成。后，拉伸加工而成。优点：测温端热容量优点：测温端热容量小，动态响应快；机械小，动态响应快；机械强度高，挠性好，可安强度高，挠性好，可安装在结构复杂的装置上。装在结构复杂的装置上。第32页，共93页，编辑于2022年，星期三为何要处理参比端（冷端温度）？为何要处理参比端（冷端温度）？4.2.1.5 4.2.1.5 热电偶参比端温度的处理热电偶参比端温度的处理1 1）查分度表，需满足）查分度表
24、，需满足T T0 0=0,=0,但参比端温度通常但参比端温度通常不能保持为不能保持为00，且受热源影响经常不恒定，会引，且受热源影响经常不恒定，会引入误差。入误差。2 2）冷端温度过高，热电势偏小。应想办法消除或）冷端温度过高，热电势偏小。应想办法消除或补偿热电偶冷端损失。补偿热电偶冷端损失。第33页，共93页，编辑于2022年，星期三补偿导线法的测量回路补偿导线法的测量回路11测温接点；测温接点；22补偿导线；补偿导线；33冷端；冷端；44铜导线；铜导线；55测温仪表测温仪表 补偿导线与被补偿补偿导线与被补偿热电偶有相同的电势热电偶有相同的电势-温度关系。温度关系。（1 1）补偿导线法）补偿
25、导线法采用补偿导线与热电偶连接，使热电偶参比端远离热源。采用补偿导线与热电偶连接，使热电偶参比端远离热源。第34页，共93页，编辑于2022年，星期三常用补偿导线常用补偿导线 第35页，共93页，编辑于2022年，星期三热电偶和补偿导线实物图热电偶和补偿导线实物图第36页，共93页，编辑于2022年，星期三2 2）参比端温度测量计算法）参比端温度测量计算法l 参比端温度不是参比端温度不是00。需要对热电偶回路的测量电需要对热电偶回路的测量电势值势值E E（T T，T T0 0）加以修正。当工作端温度为）加以修正。当工作端温度为T T时时:l 1)1)分度表可查分度表可查E(TE(T0 0,0)
26、,0)。l 2)2)根据中间温度定则得到：根据中间温度定则得到：3)3)根据根据E(T,0)E(T,0)并由分度表求得被测温度。并由分度表求得被测温度。第37页，共93页，编辑于2022年，星期三例例1 1：用用铜铜-康康铜铜热热电电偶偶测测某某一一温温度度T T，参参比比端端在在室室温温环环境境T T0 0中中，测测得得热热电电动动势势E(TE(T，T T0 0)=1.999mV1.999mV，又又用用室温计测出室温计测出T T0 0=21,=21,试求被测温度。试求被测温度。第38页，共93页，编辑于2022年，星期三3 3）参比端恒温法）参比端恒温法第39页，共93页，编辑于2022年，
27、星期三4 4）补偿电桥法）补偿电桥法 利用不平衡电桥产生利用不平衡电桥产生相应电势，补偿热电偶相应电势，补偿热电偶由于参比端温度变化而由于参比端温度变化而引起的热电势变化。引起的热电势变化。R Rcucu与热电偶参比端同温与热电偶参比端同温2020时电桥平衡。时电桥平衡。第40页，共93页，编辑于2022年，星期三 零点迁移法零点迁移法l 应用领域：如果冷端温度应用领域：如果冷端温度T T0 0不是不是00，但，但十分稳定（如恒温车间或有空调的场所）。十分稳定（如恒温车间或有空调的场所）。l 实质：在测量结果中人为地加一个恒定值，实质：在测量结果中人为地加一个恒定值，如电动势如电动势E EAB
28、AB(T T0 0,0),0)，从而调整指示仪表上零，从而调整指示仪表上零点的。点的。第41页，共93页，编辑于2022年，星期三（a)a)普通测温线路；普通测温线路；(b)(b)带有补偿器的测温线路；带有补偿器的测温线路；(c)(c)具有温度变送器的测温线路具有温度变送器的测温线路 (d)(d)具有一体化温度变送器的测温线路具有一体化温度变送器的测温线路热电偶测温线路热电偶测温线路（1 1）测单点温度）测单点温度第42页，共93页，编辑于2022年，星期三l例例2:2:用镍铬用镍铬-镍硅热电偶测量物体温度，该物镍硅热电偶测量物体温度，该物体在不同时刻温度分别为体在不同时刻温度分别为1515，
29、00，-15-15，测量仪表所处温度为测量仪表所处温度为1515，热电偶直接与仪表，热电偶直接与仪表相连。问在上述时刻仪表测得的热电势分别是相连。问在上述时刻仪表测得的热电势分别是多少多少?第43页，共93页，编辑于2022年，星期三(2)(2)测量两点间温度差（反向串联）测量两点间温度差（反向串联）只能是同一分度号的热电偶只能是同一分度号的热电偶如正向串联热电偶有何作用如正向串联热电偶有何作用?第44页，共93页，编辑于2022年，星期三l例例3:3:用两只用两只K K型热电偶测量两点温差型热电偶测量两点温差,连线如图连线如图所示所示,已知已知T T1 1=420,T=420,T0 0=30
30、,=30,测得两点温差电测得两点温差电势为势为15.24mV,15.24mV,试求两点温差为多少试求两点温差为多少?第45页，共93页，编辑于2022年，星期三(3)(3)测量多点温度平均值测量多点温度平均值(并联并联)l 特点：当有一只热电特点：当有一只热电偶烧断时，难以觉察偶烧断时，难以觉察出来。当然，它也不出来。当然，它也不会中断整个测温系统会中断整个测温系统的工作。的工作。第46页，共93页，编辑于2022年，星期三（4 4）测量多点温度之和）测量多点温度之和(正向串联正向串联)l前提前提:热电偶参数相同，且具有良好的线性特征。热电偶参数相同，且具有良好的线性特征。l用途用途:用于求平
31、均温度。用于求平均温度。优点：热电动势大，仪表的灵优点：热电动势大，仪表的灵敏度大大增加，且可立即可以敏度大大增加，且可立即可以发现热电偶有断路。发现热电偶有断路。缺点：只要有一支热电偶断路，缺点：只要有一支热电偶断路，整个测温系统将停止工作。整个测温系统将停止工作。第47页，共93页，编辑于2022年，星期三热电偶的校验热电偶的校验l 校验的方法是用标准热电偶与被校验热电校验的方法是用标准热电偶与被校验热电偶装在同一校验炉中进行对比，误差超过规定偶装在同一校验炉中进行对比，误差超过规定允许值为不合格。允许值为不合格。第48页，共93页，编辑于2022年，星期三4.2.2 4.2.2 热电阻测
32、温热电阻测温l原理原理:基于导体或半导体的电阻值随温度而变化的特性。基于导体或半导体的电阻值随温度而变化的特性。l分金属热电阻和热敏电阻两类。分金属热电阻和热敏电阻两类。4.2.2.1 4.2.2.1 金属热电阻金属热电阻 基本特性：一般阻值随温度增加而增加，呈现基本特性：一般阻值随温度增加而增加，呈现正温度系正温度系数数。第49页，共93页，编辑于2022年，星期三第50页，共93页，编辑于2022年，星期三（1 1）热电阻材料）热电阻材料材料选择的要求：材料选择的要求：（1 1）阻值随温度变化成单值连续关系。）阻值随温度变化成单值连续关系。（2 2）有尽可能大的电阻温度系数。）有尽可能大的
33、电阻温度系数。电阻温度系数电阻温度系数（3 3）有较大的电阻率。（）有较大的电阻率。（R R0 0时阻值需要为固定值）。时阻值需要为固定值）。（4 4）测温范围内物理化学性能稳定。）测温范围内物理化学性能稳定。（5 5）复现性好，复制性强。）复现性好，复制性强。与金属纯度有关与金属纯度有关第51页，共93页，编辑于2022年，星期三材料的选择材料的选择第52页，共93页，编辑于2022年，星期三铂热电阻铂热电阻l使用范围使用范围-200-850-200-850。l电阻与温度关系：电阻与温度关系：其中，其中，R R（t t）、）、R R0 0 温度为温度为 t t 和和 0 0 时的电阻；时的电
34、阻；A A、B B、C C 为常数：为常数：A=3.908310A=3.908310-3-3-1-1；B=-5.8410B=-5.8410-7-7-2-2；C=-4.2210C=-4.2210-12-12 -4-4第53页，共93页，编辑于2022年，星期三 铂热电阻有铂热电阻有R R0 0=10=10和和R R0 0=100=100两种，它们的分度号两种，它们的分度号分别为分别为Pt10Pt10和和Pt100Pt100，其中以，其中以Pt100Pt100为常用。为常用。分度表：分度表：R R0 0=10=10 和和100100 时的时的 R Rt tt t关系。关系。第54页，共93页，编辑
35、于2022年，星期三铜热电阻铜热电阻l 使用范围：使用范围：-40-140-40-140l 有有R R0 0=50=50和和R R0 0=100=100两种，它们的分度号分别为两种，它们的分度号分别为Cu50Cu50和和Cu100Cu100。l 电阻与温度关系：电阻与温度关系：其中，其中，A A、B B、C C为常数：为常数：A=4.2889910A=4.2889910-3-3-1-1 B=-2.13310 B=-2.13310-7-7-2-2 C=1.23310 C=1.23310-9-9-3-3第55页，共93页，编辑于2022年，星期三（3 3）热电阻结构）热电阻结构l普通型热电阻普通型
36、热电阻电阻丝采用无感绕法：对折后双绕在绝缘支架上。电阻丝采用无感绕法：对折后双绕在绝缘支架上。铠装热电阻铠装热电阻 铠装电缆铠装电缆+感温元件感温元件 第56页，共93页，编辑于2022年，星期三（4 4）热电阻测量电路）热电阻测量电路l l 引线电阻随温度的变化带来附加误差。引线电阻随温度的变化带来附加误差。两线制两线制两线制两线制控制室控制室控制室控制室生产现场生产现场生产现场生产现场指示仪表指示仪表指示仪表指示仪表r rr rR R1 1）两线制）两线制当当2r/R102r/R10-3-3时，引线电阻的影响才可以忽略。时，引线电阻的影响才可以忽略。第57页，共93页，编辑于2022年，星
37、期三2 2）三线制）三线制l电桥平衡时电桥平衡时导线电阻导线电阻 r r 对测量无影响。对测量无影响。第58页，共93页，编辑于2022年，星期三平衡电桥法平衡电桥法l 当热电阻当热电阻R Rt t阻值随温度变化时，调节电位器阻值随温度变化时，调节电位器R Rw w的电的电刷位置刷位置x x，使电桥处于平衡状态，则有，使电桥处于平衡状态，则有L L、R R0 0：电位器有效长度和总电阻：电位器有效长度和总电阻X X：电刷位置：电刷位置第59页，共93页，编辑于2022年，星期三3 3）四线制）四线制（1 1）不受其它条件约束；）不受其它条件约束；（2 2）精度最高。）精度最高。第60页，共93
38、页，编辑于2022年，星期三4.2.2.2 4.2.2.2 热敏电阻热敏电阻l用金属氧化物或半导体材料作为电阻体的温敏元件。用金属氧化物或半导体材料作为电阻体的温敏元件。优点：（优点：（1 1）结构简单、体积小、可测点温度；）结构简单、体积小、可测点温度；（2 2）电阻温度系数大，灵敏度高（）电阻温度系数大，灵敏度高（1010倍）；倍）；（3 3）电阻高、热惯性小、适宜动态测量。）电阻高、热惯性小、适宜动态测量。缺点：非线性高，单一品种测量范围窄。缺点：非线性高，单一品种测量范围窄。第61页，共93页，编辑于2022年，星期三热敏电阻外型热敏电阻外型MF58MF58型热敏电阻型热敏电阻贴片式热
39、敏电阻贴片式热敏电阻各类非标热敏电阻各类非标热敏电阻第62页，共93页，编辑于2022年，星期三数数字字温温度度计计第63页，共93页，编辑于2022年，星期三CPUCPU温度测量温度测量第64页，共93页，编辑于2022年，星期三热敏电阻的温度特性热敏电阻的温度特性l负温度系数热敏电阻：负温度系数热敏电阻：NTCNTCl正温度系数热敏电阻：正温度系数热敏电阻：PTCPTCl临界温度系数热敏电阻：临界温度系数热敏电阻：CTRCTR温度检测主要用负温度系数温度检测主要用负温度系数NTCNTC。PTC,CRTPTC,CRT通常利用特定温度下阻通常利用特定温度下阻值急剧变化特性构成温度开关器件。值急
40、剧变化特性构成温度开关器件。第65页，共93页，编辑于2022年，星期三 NTC NTC的的 R-T R-T 特性特性B:B:取决于半导体材料和结构的常数。取决于半导体材料和结构的常数。T T0 0:一般取一般取25C25C。第66页，共93页，编辑于2022年，星期三NTCNTC的温度系数的温度系数T TA:A:T T不是常数。不是常数。B:TB:T；T T；低温段比高温段灵敏。；低温段比高温段灵敏。C:BC:B越大越大,灵敏度越高。灵敏度越高。第67页，共93页，编辑于2022年，星期三4.2.3 4.2.3 集成温度传感器集成温度传感器l晶体管基极晶体管基极射极正向压降随温度升高而减少。
41、射极正向压降随温度升高而减少。V1 V1、V2V2：镜像管。：镜像管。V3V3、V4V4：温度：温度检测用晶体管，检测用晶体管，二者发射极面积二者发射极面积比为比为m m。第68页，共93页，编辑于2022年，星期三4.34.3非接触式测温非接触式测温l主要是利用光辐射来测量物体温度。主要是利用光辐射来测量物体温度。l4.3.1 4.3.1 辐射测温原理辐射测温原理l 辐射的定义辐射的定义l 电磁辐射波谱电磁辐射波谱第69页，共93页，编辑于2022年，星期三l 当物体接受到辐射能量以后，根据物体本身的性质，当物体接受到辐射能量以后，根据物体本身的性质，会发生部分能量吸收、透射和反射。会发生部
42、分能量吸收、透射和反射。吸收率；吸收率；透射率；透射率；反射率。反射率。辐射能的分配辐射能的分配第70页，共93页，编辑于2022年，星期三l 绝对黑体绝对黑体：在任何温度下，均能全部吸收：在任何温度下，均能全部吸收辐射到它上面的任何辐射能量。辐射到它上面的任何辐射能量。透透明明体体：照照射射到到物物体体上上的的辐辐射射能能全全部部透透射射过去，既无吸收又无反射。过去，既无吸收又无反射。镜体、白体镜体、白体：照射到物体上的辐射能全部照射到物体上的辐射能全部反射出去。若物体表现平整光滑，反射具有一反射出去。若物体表现平整光滑，反射具有一定规律，则该物体称之为定规律，则该物体称之为“镜体镜体”；若
43、反射无；若反射无一定规律，则该物体称为一定规律，则该物体称为“绝对白体绝对白体”或者简或者简称为称为“白体白体”。第71页，共93页，编辑于2022年，星期三l 对于一般工程材料来讲，对于一般工程材料来讲，0 0而而+=1+=1，称为，称为灰体。灰体。l 人造黑体模型：人造黑体模型：第72页，共93页，编辑于2022年，星期三l4.3.1.1 4.3.1.1 普朗克定律：绝对黑体的单色辐射强度普朗克定律：绝对黑体的单色辐射强度E E0 0与波长与波长及温度及温度T T的关系为：的关系为：4.3.1.2 4.3.1.2 维恩位移定律：单色辐射维恩位移定律：单色辐射强度的峰值强度的峰值波长波长m
44、m与与温度温度T T的关系为：的关系为：当黑体的温度升高时，辐射本领的最大值向短波方向移动。当黑体的温度升高时，辐射本领的最大值向短波方向移动。黑体辐射定律黑体辐射定律第73页，共93页，编辑于2022年，星期三l 任何实际物体的任何实际物体的总辐射亮度总辐射亮度与与温度的四次方温度的四次方成正成正比；通过测量物体的辐射亮度就可得到该物体的温比；通过测量物体的辐射亮度就可得到该物体的温度。度。4.3.1.3 4.3.1.3 绝对黑体的全辐射定律绝对黑体的全辐射定律在全波波长内对辐射强度在全波波长内对辐射强度E E0 0积分得：积分得：第74页，共93页，编辑于2022年，星期三辐射能力的修正辐
45、射能力的修正l实际物体多数不是黑体，辐射能力低于黑体，辐实际物体多数不是黑体，辐射能力低于黑体，辐射特性接近黑体。射特性接近黑体。l黑度系数黑度系数：灰体和黑体的辐射能力之比。：灰体和黑体的辐射能力之比。第75页，共93页，编辑于2022年，星期三4.3.2 4.3.2 辐射测温仪表的基本组成及常用方法辐射测温仪表的基本组成及常用方法辐射测温仪表主要组成框图辐射测温仪表主要组成框图辐射测温常用方法：辐射测温常用方法：亮度法，全辐射法，比色法，多色法。亮度法，全辐射法，比色法，多色法。第76页，共93页，编辑于2022年，星期三4.3.3 4.3.3 辐射测温仪表辐射测温仪表4.3.3.1 4.
46、3.3.1 光电高温计光电高温计光电高温计的工作原理光电高温计的工作原理11物镜；物镜；22孔径；孔径；3 3，55孔；孔；44光电器件；光电器件；66遮光板；遮光板；77调制片；调制片；88永久磁铁；永久磁铁；99激磁绕组；激磁绕组；1010透镜；透镜；1111反射镜；反射镜；1212观察孔；观察孔；1313前置放大器；前置放大器；1414主放大器；主放大器；1515反馈灯；反馈灯；1616电位差计；电位差计；1717被测物体被测物体v通过测量某一通过测量某一波长下物体辐射波长下物体辐射亮度的变化测知亮度的变化测知其温度。其温度。第77页，共93页，编辑于2022年，星期三4.3.3.2 4
47、.3.3.2 辐射温度计辐射温度计依据全辐射定律，敏感元件感受物体的全辐射能量依据全辐射定律，敏感元件感受物体的全辐射能量来测知物体的温度来测知物体的温度透镜式和反射镜式的示意透镜式和反射镜式的示意11光阑；光阑；22检测元件；检测元件；33输出端子；输出端子；44外壳；外壳；55反射聚光镜；反射聚光镜；66透镜透镜第78页，共93页，编辑于2022年，星期三4.3.3.3 4.3.3.3 比色温度计比色温度计 利用被测对象的两个不同波长（或波段）光谱辐射亮度之利用被测对象的两个不同波长（或波段）光谱辐射亮度之比实现辐射测温。比实现辐射测温。单通道型比色温度计原理单通道型比色温度计原理11物镜
48、；物镜；22调制盘；调制盘；33检测元件；检测元件；44放大器；放大器；55计算电路；计算电路；66显示仪表；显示仪表；77马达；马达；88滤光片滤光片第79页，共93页，编辑于2022年，星期三4.3.4 4.3.4 辐射测温仪表的表观温度辐射测温仪表的表观温度l 表观温度表观温度:指在仪表工作波长范围内，温度为指在仪表工作波长范围内，温度为T T的辐射体的辐的辐射体的辐射情况与温度为射情况与温度为T TA A的黑体的辐射情况相等，则的黑体的辐射情况相等，则T TA A就是该辐射体就是该辐射体的表观温度。的表观温度。l4.3.4.1 4.3.4.1 亮度温度亮度温度亮度相等原则亮度相等原则:
49、其中其中,物体亮度物体亮度:黑体亮度黑体亮度:第80页，共93页，编辑于2022年，星期三可推得可推得:若若和和T TL L已知已知,可求得物体的真实温度可求得物体的真实温度T T。第81页，共93页，编辑于2022年，星期三4.3.4.2 4.3.4.2 辐射温度辐射温度l全辐射能量相等原则：全辐射能量相等原则：辐射温度计测出的实际温度为：辐射温度计测出的实际温度为：第82页，共93页，编辑于2022年，星期三4.3.4.3 4.3.4.3 比色温度比色温度l亮度比相等原则。亮度比相等原则。物体的实际温度为：物体的实际温度为：第83页，共93页，编辑于2022年，星期三4.4 4.4 光纤温
50、度传感器光纤温度传感器l光纤：光导纤维。光纤：光导纤维。多层介质结构多层介质结构的对称圆柱体的对称圆柱体 利用光在玻璃或塑料制成的纤维中的全反射原理而利用光在玻璃或塑料制成的纤维中的全反射原理而达成的光传导工具。达成的光传导工具。第84页，共93页，编辑于2022年，星期三l敏感元件（或能量传输介质）：光纤。敏感元件（或能量传输介质）：光纤。l型式：功能型和非功能型。型式：功能型和非功能型。l特点：电绝缘性能好，可弯曲，可实现不带电的全光探头。特点：电绝缘性能好，可弯曲，可实现不带电的全光探头。l构成：光源激励、光源、光纤（含敏感元件）、光检测器、构成：光源激励、光源、光纤（含敏感元件）、光检