1.3温度传感器基础知识

湖南铁道职业技术学院1.3温度传感器基础知识1.3.1温度的基本概念1.3.2温度传感器特点与分类1.3.3热电偶温度传感器1.3.4热敏电阻温度传感器1.3.5IC温度传感器1.3.6数字输出型IC温度传感器1.3.7其他温度传感器湖南铁道职业技术学院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在家电产品的控制中，温度的检测也是无处不在温度是反映物体冷热状态的物理参数。1.3温度传感器基础知识湖南铁道职业技术学院1.3.1温度的基本概念热平衡：温度是描述热平衡系统冷热程度的物理量分子物理学：温度反映了物体内部分子无规则运动的剧烈程度能量：温度是描述系统不同自由度间能量分配状况的物理量温标：表示温度大小的尺度是温度的标尺湖南铁道职业技术学院热力学温标国际实用温标摄氏温标华氏温标温标湖南铁道职业技术学院1848年威廉·汤姆首先提出以热力学第二定律为基础，建立温度仅与热量有关，而与物质无关的热力学温标。根据热力学中的卡诺定理，如果在温度T1的热源与温度为T2的冷源之间实现了卡诺循环，则存在下列关系式。Q1——热源给予热机的传热量Q2——热机传给冷源的传热量2121QQTT1954年，国际计量会议选定水的三相点为273.16，并以它的1/273.16定为一度，这样热力学温标就完全确定了，即T=273.16(Q1/Q2)。1）热力学温标湖南铁道职业技术学院1968年国际实用温标规定热力学温度是基本温度，用t表示，其单位是开尔文，符号为K。1K定义为水三相点热力学温度的1/273.16，水的三相点是指纯水在固态、液态及气态三项平衡时的温度，热力学温标规定三相点温度为273.16K，这是建立温标的惟一基准点。2）国际实用温标湖南铁道职业技术学院是工程上最通用的温度标尺。摄氏温标是在标准大气压(即101325Pa)下将水的冰点与沸点中间划分一百个等份，每一等份称为摄氏一度(摄氏度℃)，一般用小写字母t表示。与热力学温标单位开尔文并用。摄氏温标与国际实用温标温度之间的关系如下：T=t+273.15Kt=T-273.15℃3）摄氏温标湖南铁道职业技术学院规定在标准大气压下冰的融点为32华氏度，水的沸点为212华氏度，中间等分为180份，每一等份称为华氏一度，符号用℉，它和摄氏温度的关系如下：m=1.8n+32℉n=5/9(m-32)℃4）华氏温标湖南铁道职业技术学院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1.3.2温度传感器特点与分类1）温度传感器的物理原理湖南铁道职业技术学院特性与温度之间的关系要适中，并容易检测和处理，且随温度呈线性变化除温度以外，特性对其它物理量的灵敏度要低特性随时间变化要小重复性好，没有滞后和老化灵敏度高，坚固耐用，体积小，对检测对象的影响小机械性能好，耐化学腐蚀，耐热性能好能大批量生产，价格便宜无危险性，无公害等2）温度传感器应满足的条件湖南铁道职业技术学院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。3）温度传感器的种类及特点湖南铁道职业技术学院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合金湖南铁道职业技术学院1．常用热电阻范围：-260～＋850℃；精度：0.001℃。改进后可连续工作2000h，失效率小于1％，使用期为10年。2．管缆热电阻测温范围为-20～＋500℃，最高上限为1000℃，精度为0.5级。3．陶瓷热电阻测量范围为–200～+500℃，精度为0.3、0.15级。4．超低温热电阻两种碳电阻，可分别测量–268.8～253℃-272.9～272.99℃的温度。5．热敏电阻器适于在高灵敏度的微小温度测量场合使用。经济性好、价格便宜。接触式温度传感器湖南铁道职业技术学院l．辐射高温计用来测量1000℃以上高温。分四种：光学高温计、比色高温计、辐射高温计和光电高温计。2．光谱高温计前苏联研制的YCI—I型自动测温通用光谱高温计,其测量范围为400～6000℃，它是采用电子化自动跟踪系统，保证有足够准确的精度进行自动测量。3．超声波温度传感器特点是响应快(约为10ms左右)，方向性强。目前国外有可测到5000℉的产品。4．激光温度传感器适用于远程和特殊环境下的温度测量。如NBS公司用氦氖激光源的激光做光反射计可测很高的温度，精度为1％。美国麻省理工学院在研制一种激光温度计，最高温度可达8000℃，专门用于核聚变研究。瑞士BrowaBorer研究中心用激光温度传感器可测几千开(K)的高温。非接触式温度传感器湖南铁道职业技术学院1．超高温与超低温传感器，如+3000℃以上和–250℃以下的温度传感器。2．提高温度传感器的精度和可靠性。3．研制家用电器、汽车及农畜业所需要的价廉的温度传感器。4．发展新型产品，扩展和完善管缆热电偶与热敏电阻；发展薄膜热电偶；研究节省镍材和贵金属以及厚膜铂的热电阻；研制系列晶体管测温元件、快速高灵敏CA型热电偶以及各类非接触式温度传感器。5．发展适应特殊测温要求的温度传感器。6．发展数字化、集成化和自动化的温度传感器。温度传感器的主要发展方向湖南铁道职业技术学院温差热电偶（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。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。1.3.3热电偶传感器湖南铁道职业技术学院★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1.3.3热电偶传感器湖南铁道职业技术学院两种不同的导体或半导体A和B组合成如图所示闭合回路，若导体A和B的连接处温度不同（设T＞T0），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－back）发现,所以又称西拜克效应。回路中所产生的电动势，叫热电势。热电势由两部分组成，即温差电势和接触电势热端冷端1）热电偶的工作原理湖南铁道职业技术学院+ABTeAB(T)-BAABNNekTTeln)(eAB(T)——导体A、B结点在温度T时形成的接触电动势；e——单位电荷，e=1.6×10-19C；k——波尔兹曼常数，k=1.38×10-23J/K；NA、NB——导体A、B在温度为T时的电子密度。接触电势的大小与温度高低及导体中的电子密度有关。（1）接触电势湖南铁道职业技术学院AeA(T,To)ToTeA(T，T0)——导体A两端温度为T、T0时形成的温差电动势；T，T0——高低端的绝对温度；σA——汤姆逊系数，表示导体A两端的温度差为1℃时所产生的温差电动势，例如在0℃时，铜的σ=2μV/℃。dTTTeTTAA0),(0温差电势原理图（2）温差电势湖南铁道职业技术学院由导体材料A、B组成的闭合回路，其接点温度分别为T、T0,如果T＞T0，则必存在着两个接触电势和两个温差电势，回路总电势：BTATNNekTln00ln0BTATNNekTdTTTBA0)(),(),()()(),(0000TTeTTeTeTeTTEBAABABAB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。（3）回路总电势湖南铁道职业技术学院根据电磁场理论得EAB(T,T0)=EAB(T)-EAB(T0)=f(T)-C=g(T)由于NA、NB是温度的单值函数dTNNekTTETTBAAB0ln),(0在工程应用中，常用实验的方法得出温度与热电势的关系并做成表格，以供备查。由公式可得：EAB(T,T0)=EAB(T)-EAB(T0)=EAB(T)-EAB(0)-[EAB(T)-EAB(T0)]=EAB(T，0)-EAB(T0，0)热电偶的热电势，等于两端温度分别为T和零度以及T0和零度的热电势之差。湖南铁道职业技术学院结论：1、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2、只有用不同性质的导体(或半导体)才能组合成热电偶；相同材料不会产生热电势，因为当A、B两种导体是同一种材料时，ln(NA/NB)=0，也即EAB(T，T0)=03、只有当热电偶两端温度不同，热电偶的两导体材料不同时才能有热电势产生4、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5、对于有几种不同材料串联组成的闭合回路，接点温度分别为T1、T2、…、Tn，冷端温度为零度的热电势。其热电势为E=EAB（T1）+EBC（T2）+…+ENA（Tn）湖南铁道职业技术学院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。(1)均质导体定律2）热电偶回路的性质湖南铁道职业技术学院E总=EAB（T）+EBC（T）+ECA（T）=0三种不同导体组成的热电偶回路TABCTT(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。由A、B、C三种材料组成的闭合回路，则湖南铁道职业技术学院两点结论：A.将第三种材料C接入由A、B组成的热电偶回路，如图，则图a中的A、C接点2与C、A的接点3，均处于相同温度T0之中，此回路的总电势不变，即同理，图b中C、A接点2与C、B的接点3，同处于温度T0之中，此回路的电势也为：T2T1AaBC23EABaAT023ABEABT1T2CT0EAB（T1,T2）=EAB（T1）-EAB（T2）(a)(b)T0T0EAB(T1,T2)=EAB(T1)-EAB（T2）第三种材料接入热电偶回路图湖南铁道职业技术学院ET0T0TET0T1T1T根据上述原理，可以在热电偶回路中接入电位计E，只要保证电位计与连接热电偶处的接点温度相等，就不会影响回路中原来的热电势。湖南铁道职业技术学院EAB（T,T0）=EAC（T,T0）+ECB（T,T0）B.如果任意两种导体材料的热电势是已知的，它们的冷端和热端的温度又分别相等，它们相互间热电势的关系为：湖南铁道职业技术学院(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