第03讲温度传感器概述PPT讲稿.ppt

第第03讲温度传感器概述讲温度传感器概述第1页，共32页，编辑于2022年，星期日国际单位制国际单位制1960年10月十一届国际计量大会确定了国际通用的国际单位制，简称SI制。SI制有七个基本单位：长度m，时间s，质量kg，热力学温度（Kelvin温度）K，电流单位A，光强度单位cd（坎德拉），物质量mol二个辅助单位：平面角弧度rad，立体角球面度Sr第2页，共32页，编辑于2022年，星期日CONTENTS2.1 2.1 温标及测温方法温标及测温方法2.2 2.2 膨胀式温度计膨胀式温度计2.3 电阻式温度传感器电阻式温度传感器电阻式温度传感器电阻式温度传感器2.4 2.4 热电偶传感器热电偶传感器热电偶传感器热电偶传感器第3页，共32页，编辑于2022年，星期日2.1温标及测温方法温标及测温方法2.1.1 温标 Temperature Scale 温标即是温度的数值表示法。温度计的建立都是以某一种温标为根据。1.经验温标Empirical Temperature Scale 2.热力学温标Thermodynamics Temperature Scale3.国际实用温标International Practical Temperature Scale 第4页，共32页，编辑于2022年，星期日1.经验温标Empirical Temperature Scale 2.热力学温标Thermodynamics Temperature Scale3.国际实用温标International Practical Temperature Scale第5页，共32页，编辑于2022年，星期日1848年年威威廉廉汤汤姆姆首首先先提提出出以以热热力力学学第第二二定定律律为为基基础础，建建立立温温度度仅仅与与热热量量有有关关，而而与与物物质质无无关关的的热热力力学学温温标标。因因是是开开尔尔文文总总结结出出来来的的，故故又又称称开开尔尔文文温温标标，用用符符号号K表表示示。它它是是国国际际基本单位制之一基本单位制之一。根根据据热热力力学学中中的的卡卡诺诺定定理理，如如果果在在温温度度T1的的热热源源与与温温度度为为T2的冷源之间实现了卡诺循环，则存在下列关系式的冷源之间实现了卡诺循环，则存在下列关系式1热力学温标热力学温标第6页，共32页，编辑于2022年，星期日如果在式中再规定一个条件,就可以通过卡诺循环中的传热量来完全地确定温标。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)。Q1热源给予热机的传热量 Q2热机传给冷源的传热量第7页，共32页，编辑于2022年，星期日为解决国际上温度标准的同意及实用问题，国际上协商决定，建立一种既能体现热力学温度（即能保证一定的准确度），又使用方便、容易实现的温标，即国际实用温标International Practical Temperature Scale of 1968(简称IPTS-68)，又称国际温标。2国际实用温标国际实用温标第8页，共32页，编辑于2022年，星期日注意：摄氏温度的分度值与开氏温度分度值相同，即温度间隔1K=1。T0是在标准大气压下冰的融化温度，T0=273.15 K。水的三相点温度比冰点高出0.01 K。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273.16 K，这是建立温标的惟一基准点。第9页，共32页，编辑于2022年，星期日国际实用温标（国际实用温标（IPTS-68）的固定点）的固定点物质平衡状态温 度T68/KT68/氢三相点沸点 25/76atm沸点沸点13.817.04220.827.102-259.31-256.108-252.87-246.048氧三相点沸点54.36190.188-218.798-182.962水三相点沸点273.16373.150.01100.0锌凝固点692.73419.58银凝固点1235.08961.93金凝固点1337.581064.43第10页，共32页，编辑于2022年，星期日四个温度段：规定各温度段所使用的标准仪器低温铂电阻温度计（13.81K273.15K）；铂电阻温度计（273.15K903.89K）；铂铑-铂热电偶温度计（903.89K1337.58K）；光测温度计（1337.58K以上）。国际实用开尔文温度与国际实用摄氏温度分别用符号T68和t68来区别（一般简写为T与t）。第11页，共32页，编辑于2022年，星期日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+273.15 Kt=T-273.15 3摄氏温标摄氏温标第12页，共32页，编辑于2022年，星期日4华氏温标华氏温标目前已用得较少，它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)第13页，共32页，编辑于2022年，星期日u随物体的热膨胀相对变化而引起的体积变化；随物体的热膨胀相对变化而引起的体积变化；u蒸气压的温度变化；蒸气压的温度变化；u电极的温度变化电极的温度变化u热电偶产生的电动势；热电偶产生的电动势；u光电效应光电效应u热电效应热电效应u介电常数、导磁率的温度变化；介电常数、导磁率的温度变化；u物质的变色、融解；物质的变色、融解；u强性振动温度变化；强性振动温度变化；u热放射；热放射；u热噪声。热噪声。1温度传感器的物理原理温度传感器的物理原理二、温度传感器的特点与分类二、温度传感器的特点与分类第14页，共32页，编辑于2022年，星期日2.温度传感器应满足的条件温度传感器应满足的条件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，对检测对象的影响要小；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。第15页，共32页，编辑于2022年，星期日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。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，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。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温度传感器的种类及特点第16页，共32页，编辑于2022年，星期日物理现象种类热、光辐射辐射温度传感器 光学高温计可控硅动作特性变化可控硅晶体管特性变化晶体管半导体集成电路温度传感器PN结电动势半导体二极管物质 颜色示温涂料 液晶超声波传播速度变化超声波温度计导磁率变化1热铁氧体 2Fe-Ni-Cu合金压电效应石英晶体振动器温差电现象热电偶电阻变化铂测温电阻、热敏电阻体积热膨胀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.气体压力温度计电容变化BaSrTiO3陶瓷第17页，共32页，编辑于2022年，星期日温度传感器分类分类分类特征特征传感器名称传感器名称测测 温温 范范 围围超高温用传感器超高温用传感器15001500以上以上光学高温计、辐射传感器光学高温计、辐射传感器高温用传感器高温用传感器1000100015001500光学高温计、辐射传感器、热电偶光学高温计、辐射传感器、热电偶中高温用传感器中高温用传感器50050010001000光学高温计、辐射传感器、热电偶光学高温计、辐射传感器、热电偶中温用传感器中温用传感器0 0500500低温用传感器低温用传感器2502500 0晶体管、热敏电阻、压力式玻璃温度晶体管、热敏电阻、压力式玻璃温度计计极低温用传感器极低温用传感器-270-270-250-250BaSrTiO3BaSrTiO3陶瓷陶瓷热电偶、测温电阻器、热敏电阻、感温铁氧体、石英晶体振动器、双金属温度计、压力式温度计、玻璃制温度计、辐射传感器、晶体管、二极管、半导体集成电路传感器、可控硅第18页，共32页，编辑于2022年，星期日温度传感器分类温度传感器分类(2)分类特征传感器名称测温特性线性型测温范围宽输出小测温电阻器、晶体管、热电偶半导体集成电路传感器、可控硅、石英晶体振动器、压力式温度计、玻璃制温度计指数型函数测温范围窄输出大热敏电阻开关型特性特定温度输出大感温铁氧体、双金属温度计第19页，共32页，编辑于2022年，星期日微波测温温度传感器噪声测温温度传感器温度图测温温度传感器热流计射流测温计核磁共振测温计穆斯保尔效应测温计约瑟夫逊效应测温计低温超导转换测温计光纤温度传感器等第20页，共32页，编辑于2022年，星期日三、温度传感器的发展概况三、温度传感器的发展概况公元1600年，伽里略研制出气体温度计。一百年后，研制成酒精温度计和水银温度计。随着现代工业技术发展的需要，相继研制出金属丝电阻、温差电动式元件、双金属式温度传感器。1950年以后，相继研制成半导体热敏电阻器。最近，随着原材料、加工技术的飞速发展、又陆续研制出各种类型的温度传感器。接触式温度传感器接触式温度传感器非接触式温度传感器非接触式温度传感器第21页，共32页，编辑于2022年，星期日（）接触式温度传感器（）接触式温度传感器1 1常用热电阻常用热电阻范围：范围：-260850；精度：；精度：0.001。改进后可连续工作。改进后可连续工作2000h，失效率小于，失效率小于1，使用期为，使用期为10年。年。2 2管缆热电阻管缆热电阻测温范围为测温范围为-20500，最高上限为，最高上限为1000，精度为，精度为0.5级。级。3 3陶瓷热电阻陶瓷热电阻测量范围为测量范围为200+500，精度为，精度为0.3、0.15级。级。4 4超低温热电阻超低温热电阻两种碳电阻，可分别测量两种碳电阻，可分别测量268.8253-272.9272.99的的温度。温度。5 5热敏电阻器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。便宜。第22页，共32页，编辑于2022年，星期日（二）非接触式温度传感器（二）非接触式温度传感器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YCII型自动测温通用光谱高温计,其测量范围为4006000,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。美国麻省理工学院正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Browa Borer研究中心用激光温度传感器可测几千开(K)的高温。第23页，共32页，编辑于2022年，星期日（三）温度传感器的主要发展方向（三）温度传感器的主要发展方向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。第24页，共32页，编辑于2022年，星期日2.22.2膨胀式温度计膨胀式温度计膨胀式温度计膨胀式温度计 第25页，共32页，编辑于2022年，星期日带温度补偿的液体压力式温度计（温包式温度计）带温度补偿的液体压力式温度计（温包式温度计）第26页，共32页，编辑于2022年，星期日2.2.1双金属温度计双金属温度计目前，双金属式温度传感器已被广泛应用于各种测温领域。这种温度传感器实际上是双金属式温度保护器。（一）工作原理将热膨胀系数不同的两种或两种以上金属(线、板、棒)压制成一体，当温度变化时，双金属产生变形，利用这种机械运动实现控温目的。第27页，共32页，编辑于2022年，星期日 提高电器、热源和应用仪器等的安全可靠性能，一般通过附加电压、靠过热、过电流等保护元件来实现。但这样使用时很不方便，出现事故后要更新保护元件。当应用双金属式传感器做保护元件时，如果马达、变压器等电器设备工作出现异常，不仅温度上升，而且工作电流也随之增加，此时双金属式温度传感器可通过本身的发热变形特性进行对工作电路的开、闭控制，这与恒温箱的工作原理基本相同。第28页，共32页，编辑于2022年，星期日01234567708090100 110 120 130 140工作温度/C电流/A电流负荷特性（玻璃型）电流负荷特性示意图1电流负荷特性 电流负荷特性如图所示。由于负载与传感器串联使用的，故应根据负载电流值来合理选用温度传感器。（二）特性（二）特性第29页，共32页，编辑于2022年，星期日过过电电流流的的工工作作时时间间特特性性如如图图所所示示。当当温温度度升升高高或或过过电电流流时时，电电路路自自动动断断开开。断断开开时时间间因因过过电电流流值值大大小小不不同同而而不不同同，要要根根据两者之间的关系选择所需要的产品。据两者之间的关系选择所需要的产品。124682010406080100101112131415T70T80T90T100T110T120T140T130电流/A电流应动时间/s2过电流的工作时间特性过电流的工作时间特性第30页，共32页，编辑于2022年，星期日3恢复温度 恢复温度是指电路断开后能够使仪器的过热温度自动下降，并能使之重新开始工作的温度。工作温度与恢复温度的差通常为15以上，一般按25设计。4工作温度和恢复温度的往返精度 工作温度和恢复温度的精度开始为1%，在额定负荷工作5000次后，精度为5%。第31页，共32页，编辑于2022年，星期日（三）（三）应用应用双金属式温度传感器用途很广。一般串联在保护电路中，可用于防止因过电流而造成事故。电路的过热、过电流保护；小马达、小型变压器等电气设备的保护。第32页，共32页，编辑于2022年，星期日