传感器与检测技术温度的测量及温度传感器 PPT讲稿.ppt
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1、传感器与检测技术温度的测量及温度传感器 第1页,共62页,编辑于2022年,星期四http:/http:/主要内容2.2 热电偶偶传感器感器22.4 集成温度集成温度传感器感器42.5 半半导体体热敏敏电阻阻52.6 温度温度传感器的感器的应用用62.1 温度温度测量概述量概述1 2.3 金属金属热电阻阻传感器感器3第2页,共62页,编辑于2022年,星期四http:/温温度度是是国国际单位位制制给出出的的基基本本物物理理量量之之一一,它它是是工工农业生生产、科科学学试验中中需要需要经常常测量和控制的主要参数;量和控制的主要参数;从从热平平衡衡的的观点点看看,温温度度可可以以作作为物物体体内内
2、部部分分子子无无规则热运运动剧烈烈程程度度的的标志;志;温度与人温度与人们日常生活日常生活紧密相关。密相关。2.1 温度温度测量概述量概述1第3页,共62页,编辑于2022年,星期四http:/温温标为了保了保证温度量温度量值的准确和利于的准确和利于传递,需要建立一个衡量温度的,需要建立一个衡量温度的统一一标准尺度,即温准尺度,即温标。利用一些物利用一些物质的某些物性的某些物性(诸如如尺寸、密度、硬度、尺寸、密度、硬度、弹性模量、性模量、辐射射强度度等等)随温度随温度变化的化的规律,通律,通过这些量来些量来对温度温度进行行间接接测量。量。第4页,共62页,编辑于2022年,星期四http:/经
3、验温温标华氏温氏温标 1714年年德德国国人人法法勒勒海海特特(Fahrenheit)以以水水银为测温温介介质,制制成成玻玻璃水璃水银温度温度计。按照按照华氏温氏温标,则水的冰点水的冰点为32,沸点,沸点为212第5页,共62页,编辑于2022年,星期四http:/摄氏温氏温标 1740年瑞典人年瑞典人摄氏氏(Celsius)提出在提出在标准大气准大气压下,把水的冰点下,把水的冰点规定定为0度,水的沸点度,水的沸点规定定为100度。度。摄氏温度和氏温度和华氏温度的关系氏温度的关系为 T =t+32 (6-1)式中式中 T华氏温度氏温度值;t摄氏温度氏温度值。第6页,共62页,编辑于2022年,
4、星期四http:/热力学温力学温标热力学温力学温标是由开是由开尔文文(Ketvin)在在1848年提出的,以卡年提出的,以卡诺循循环(Carnot cycle)为基基础。热力学温力学温标是国是国际单位制中七个基本物理位制中七个基本物理单位之一。位之一。热力学温力学温标为了在分度上和了在分度上和摄氏温氏温标相一致,把理想气体相一致,把理想气体压力力为零零时对应的温度的温度绝对零度与水的三相点温度分零度与水的三相点温度分为27316份,份,每份每份为1 K(Kelvin)。第7页,共62页,编辑于2022年,星期四http:/ 测温方法分类及其特点根据根据传感器的感器的测温方式,温度基本温方式,温
5、度基本测量方法通常可分成量方法通常可分成接触式接触式和和非接触式非接触式两大两大类。接触式温度接触式温度测量量非接触式温度非接触式温度测量量第8页,共62页,编辑于2022年,星期四http:/物物理理现现象象体体积热膨膨胀电阻阻变化化温差温差电现象象导磁率磁率变化化电容容变化化压电效效应超声波超声波传播速度播速度变化化物物质颜色色PN结电动势晶体管特性晶体管特性变化化可控硅可控硅动作特性作特性变化化热、光、光辐射射种种类类铂测温温电阻、阻、热敏敏电阻阻热电偶偶BaSrTiO3陶瓷陶瓷石英晶体振石英晶体振动器器超声波温度超声波温度计示温涂料示温涂料液晶液晶半半导体二极管体二极管晶体管半晶体管半
6、导体集成体集成电路温度路温度传感器感器可控硅可控硅辐射温度射温度传感器感器光学高温光学高温计1.气体温度气体温度计2.玻璃制水玻璃制水银温度温度计3.玻璃制有机液体温度玻璃制有机液体温度计4.双金属温度双金属温度计5.液体液体压力温度力温度计6.气体气体压力温度力温度计1热铁氧体氧体2Fe-Ni-Cu合金合金第9页,共62页,编辑于2022年,星期四http:/接触式温度接触式温度测量量测温精度温精度相相对较高,直高,直观可靠及可靠及测温温仪表价格相表价格相对较低;低;由于感温元件与被由于感温元件与被测介介质直接接触直接接触,从而要影响被,从而要影响被测介介质热平衡状平衡状态,而接触不良,而接
7、触不良则会增加会增加测温温误差;被差;被测介介质具有具有腐腐蚀性及温度太性及温度太高高亦将亦将严重影响感温元件性能和寿命等缺点。重影响感温元件性能和寿命等缺点。第10页,共62页,编辑于2022年,星期四http:/非接触式温度非接触式温度测量量感温元件感温元件不与被不与被测对象直接接触象直接接触,而是通,而是通过接受被接受被测物体的物体的热辐射射能能实现热交交换,据此据此测出被出被测对象的温度象的温度;非接触式非接触式测温温具有不改具有不改变被被测物体的温度分布,物体的温度分布,热惯性小,性小,测温上限可温上限可设计得很高,得很高,便于便于测量运量运动物体的温度和快速物体的温度和快速变化的温
8、度等化的温度等优点。点。第11页,共62页,编辑于2022年,星期四http:/各各类温度温度检测方法构成的方法构成的测温温仪表的大体表的大体测温范温范围第12页,共62页,编辑于2022年,星期四http:/热电偶是工偶是工业和装和装备试验中温度中温度测量量应用最多的器用最多的器件,它的特点:件,它的特点:测温范温范围宽测量精度高量精度高性能性能稳定定结构构简单且且动态响响应较好好输出直接出直接为电信号信号,可以,可以远传,便于,便于集中集中检测和自和自动控制控制热电偶偶传感器感器2第13页,共62页,编辑于2022年,星期四http:/2.2.1 热电偶偶测温原理温原理1 1、热电效效应塞
9、贝克效应(塞贝克效应(塞贝克效应(塞贝克效应(1821/1821/1821/1821/德国)德国)德国)德国)两种不同金属导线组成一闭合回路,若两接头处维持两种不同金属导线组成一闭合回路,若两接头处维持两种不同金属导线组成一闭合回路,若两接头处维持两种不同金属导线组成一闭合回路,若两接头处维持一温差,回路中就有电流和电动势产生。一温差,回路中就有电流和电动势产生。一温差,回路中就有电流和电动势产生。一温差,回路中就有电流和电动势产生。第14页,共62页,编辑于2022年,星期四http:/2.2.珀珀尔帖效帖效应 将同温度的两种不同的金属互相接触,由于不同金属内自将同温度的两种不同的金属互相接
10、触,由于不同金属内自将同温度的两种不同的金属互相接触,由于不同金属内自将同温度的两种不同的金属互相接触,由于不同金属内自由电子的密度不同,在它们的接点处会产生接触电动势。由电子的密度不同,在它们的接点处会产生接触电动势。由电子的密度不同,在它们的接点处会产生接触电动势。由电子的密度不同,在它们的接点处会产生接触电动势。.冷端接触电动势冷端接触电动势冷端接触电动势冷端接触电动势.热端接触电动势热端接触电动势热端接触电动势热端接触电动势2、两种、两种导体的接触体的接触电势第15页,共62页,编辑于2022年,星期四http:/3.3.汤姆姆逊效效应同一种导体因其两端的温度不同会产生温差电势。同一种
11、导体因其两端的温度不同会产生温差电势。同一种导体因其两端的温度不同会产生温差电势。同一种导体因其两端的温度不同会产生温差电势。.导体导体导体导体A A A A温差电动势温差电动势温差电动势温差电动势.导体导体导体导体B B B B温差电动势温差电动势温差电动势温差电动势4.4.回路总电势回路总电势第16页,共62页,编辑于2022年,星期四http:/当热电偶导体当热电偶导体当热电偶导体当热电偶导体A A和和和和B B材料一定时,回路总电动势成为热端材料一定时,回路总电动势成为热端材料一定时,回路总电动势成为热端材料一定时,回路总电动势成为热端和冷端的温度的函数。在实际测温中,把冷端置于某一恒
12、和冷端的温度的函数。在实际测温中,把冷端置于某一恒和冷端的温度的函数。在实际测温中,把冷端置于某一恒和冷端的温度的函数。在实际测温中,把冷端置于某一恒温下,此时冷端接触电势为一常数,回路总电势仅决定于温下,此时冷端接触电势为一常数,回路总电势仅决定于温下,此时冷端接触电势为一常数,回路总电势仅决定于温下,此时冷端接触电势为一常数,回路总电势仅决定于热端接触电势,即只与热端温度有关,两者之间是单值的热端接触电势,即只与热端温度有关,两者之间是单值的热端接触电势,即只与热端温度有关,两者之间是单值的热端接触电势,即只与热端温度有关,两者之间是单值的函数关系。函数关系。函数关系。函数关系。则:则:当
13、:当:第17页,共62页,编辑于2022年,星期四http:/4.热电偶的基本定律偶的基本定律中间导体定律中间导体定律中间导体定律中间导体定律 当插入第三种金属时,只要两端温度相同,就不会使热当插入第三种金属时,只要两端温度相同,就不会使热当插入第三种金属时,只要两端温度相同,就不会使热当插入第三种金属时,只要两端温度相同,就不会使热电偶的电动势发生变化。电偶的电动势发生变化。电偶的电动势发生变化。电偶的电动势发生变化。图54中间导体定律第18页,共62页,编辑于2022年,星期四http:/ 热电偶在接触点温度偶在接触点温度为T,TT,T0 0时的回路的回路电势,等于,等于该热电偶在接触点偶
14、在接触点温度温度为T,TT,Tn n和和T Tn n,T T0 0时回路回路电势之代数和。之代数和。EAB(T,T0)EAB(T,Tn)+EAB(Tn,T0)若T00,则有EAB(T,0)EAB(T,Tn)+EAB(Tn,0)测量量环境温度境温度T0TTn查分度表分度表中中间温度定律温度定律第19页,共62页,编辑于2022年,星期四http:/金属金属A A和和B B之之间的的电动势等于金属等于金属A A、C C和和C C、B B组成成热电偶的偶的热电动势之之和。(和。(C C为标准准电极)(如极)(如图2-82-8)所示)所示导体体C被称被称为标准准电极,通常用极,通常用纯铂(Pt)作)作
15、标准准电极极参考参考电极定律极定律第20页,共62页,编辑于2022年,星期四http:/热电偶分类及特性为了得到了得到实用性好,性能用性好,性能优良的良的热电偶,其偶,其热电极材料需具有以下极材料需具有以下性能性能:(1)优良的良的热电特性;特性;(2)良好的物理性能良好的物理性能;(3)优良的化学性能良的化学性能;(4)优良的机械性能良的机械性能;(5)足足够的机械的机械强度和度和长的使用寿命;的使用寿命;(6)制造成本低,价制造成本低,价值比比较便宜。便宜。2.2.2热电偶结构结构形式及材料热电偶结构结构形式及材料第21页,共62页,编辑于2022年,星期四http:/普通工普通工业用用
16、热电偶偶 热电偶通常主要由四部分偶通常主要由四部分组成成(如如图6-12所示所示):热电极、极、绝缘管、管、保保护管和接管和接线盒。盒。第22页,共62页,编辑于2022年,星期四http:/第23页,共62页,编辑于2022年,星期四http:/铠装装热电偶偶铠装装热电偶又称套管偶又称套管热电偶。它是由偶。它是由热电偶偶丝、绝缘材料和金属材料和金属套管三者套管三者经拉伸加工而成的拉伸加工而成的坚实组合体合体,如如图 2-10所示。它可以做得很所示。它可以做得很细很很长,使用中随需要能任意弯曲。使用中随需要能任意弯曲。铠装装热电偶的主要偶的主要优点是点是测温端温端热容容量小量小,动态响响应快快
17、,机械机械强度高度高,挠性好性好,可安装在可安装在结构复构复杂的装置上的装置上,因因此被广泛用在此被广泛用在许多工多工业部部门中中第24页,共62页,编辑于2022年,星期四http:/第25页,共62页,编辑于2022年,星期四http:/(3)薄薄膜膜热电偶偶薄薄膜膜热电偶偶是是由由两两种种薄薄膜膜热电极极材材料料,用用真真空空蒸蒸镀、化化学学凃凃层等等办法法蒸蒸镀到到绝缘基基板板上上面面制制成成的的一一种种特特殊殊热电偶偶,如如图1-10所所示示。薄薄膜膜热电偶偶的的热接接点点可可以以做做得得很很小小(可可薄薄到到0.010.1m),具具有有热容容量量小小,反反应速速度度快快等等的的特特
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