测控传感器温侧量.pptx

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1、 温度是诸多物理现象中具有代表性的物理量，是现代生温度是诸多物理现象中具有代表性的物理量，是现代生活中不可缺少的信息内容，更是科学实验与工业过程控制中活中不可缺少的信息内容，更是科学实验与工业过程控制中检测的重要参数。检测的重要参数。许多生产过程和日常生活都是在一定温度范围内进行的，许多生产过程和日常生活都是在一定温度范围内进行的，需要温度参数和温度控制。如家用电器有：电饭煲、电冰箱、需要温度参数和温度控制。如家用电器有：电饭煲、电冰箱、空调、微波炉这些家用电器中都少不了温度传感器。空调、微波炉这些家用电器中都少不了温度传感器。随着测温技术的发展，测温范围和精度都有很大的提高，随着测温技术的发

2、展，测温范围和精度都有很大的提高，新型温度传感器不断出现，如光纤、微波、超声波、核磁共新型温度传感器不断出现，如光纤、微波、超声波、核磁共振（振（NQRNQR）等都获得广泛应用。）等都获得广泛应用。测温系统主要由两部分组成：传感器及转换显示。测温系统主要由两部分组成：传感器及转换显示。现场现场 控制室控制室感温元件转换显示E E E Et t t tR Rt tT第1页/共45页温度与温 标p 温度（Temperature）是表示物体冷热程度的物理量，微观上来讲是物体分子热运动的剧烈程度。摄氏温标华氏温标国际温标 p 用来量度物体温度数值的标尺叫温标。它规定了温度的读数起点（零点）和测量温度的

3、基本单位。p 国际上用得较多的温标有华氏温标(F)、摄氏温标（C）、热力学温标(K)和国际实用温标。p 从分子运动论观点看，温度是物体分子平均平动动能的标志,是大量分子热运动的集体表现，含有统计意义。第2页/共45页物物理理现现象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PN结电动势晶体管特性变化可控硅动作特性变化热、光辐射种种类类热电偶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.气体温度计气体温度计 2.玻璃制水银温度计玻璃制水银温度计3.玻璃制有机液体温度

4、计玻璃制有机液体温度计 4.双金属温度计双金属温度计5.液体压力温度计液体压力温度计 6.气体压力温度计气体压力温度计1.热铁氧体热铁氧体 2.Fe-Ni-Cu合金合金铂测温电阻、热敏电阻第3页/共45页u 本章将介绍一些测量温度和温度变化的装置，测量温度的装置称为温度计，被用于高温场合下测量温度的装置称为高温计。u 温度计的类型很多，它们主要是利用以下原理进行温度测量的：液体受热膨胀原理；金属受热膨胀原理；电阻随温度变化原理；热电动势随温度变化原理；物质的热辐射原理。第4页/共45页6.1 液体膨胀温度计n 液体膨胀温度计的工作原理是：当温度变化时，某种液体的体积变化较大，而相比之下，某种固

5、体的体积变化量却相对很小，液体的膨胀量可以以温度变化的形式标定。n液体玻璃管温度计清楚地说明了这个原理，在升高相同温度时，玻璃的膨胀量相对于大多数液体的膨胀量来说是非常小的。第5页/共45页6.1.1 液体玻璃管温度计p 图示是一种典型的液体玻璃管温度计。p 是一个中间是毛细管、两端封闭的玻璃管。中间内腔是一个装有某种液体的圆柱形毛细管，在毛细管的下端有一个储液腔，称作感温泡。p 毛细管一直通到顶部以提供一个液体的膨胀空间。p 当温度计受热时，液体膨胀，液柱升高，液体的上部是真空或一种气体，当液体膨胀时将受压石刻度标定在柱状管的表面，毛细管内液体的高度与所侧温度成正比。第6页/共45页u 液体

6、玻璃管温度计中常用的液体有水银、酒精或合成油等。u 还有一些其他的液体，适合于更特殊的条件，如由于水银有毒，从安全性出发，在一些易破损的情况下不使用水银(万一破裂时伤害人体)。u 温度计中液体的选择取决于所测温度的范围，在测量范围内，要求其保证不结冰、不气化，而且体积的变化应该与温度的变化成线性关系。u水银玻璃管温度计的测温范围大约是323783K（-50510 ），而酒精玻璃管温度计大约是193343K(-80+70)。第7页/共45页p 液体玻璃管温度计主要用于在医学上测量人或动物的体温，一个常见的应用是在家庭和气象方面测量气温。p 高精度的水银温度计被用作标准（1、2等）温度计。p 液体

7、玻璃管温度计价格低廉，使用方便，工作可靠，但易破碎，需要小心操作，应放置在不易被其他物体碰撞及免受振动的地方。p 它对快速的温度变化反应迟钝，只能用于近距离读数，准确性在很大程度上依赖于读数者的经验，且不适合于表面温度的测量，p 在工业上的应用很有限(有时也有应用，比如侧量管线温度)。第8页/共45页液体金属管温度计u 液体金属管温度计与液体玻璃管温度计的工作原理相同，即液体的膨胀可以用温度的单位来标定。u 图示是一个典型的液体金属管温度计。它有一个金属感温泡(不锈钢)，里面是液体，常用水银或酒精。感温泡有时工作在压力作用下。第9页/共45页u金属感温泡与毛细管相连，与液体玻璃管温度计不同的是

8、，温度值不是通过毛细管里的液柱升高来读取，而是用柔性管连接到波登压力表上读取，并以温度的形式反映出来。u当温度升高时其内部的液体膨胀，波登管随之会轻微地变直，齿轮和联动装置将放大此形变量并传给指针，这个指针能够在刻度盘上转动，直接指示出温度值。u 液体金属管温度计的主要优点是比液体玻璃管温度计结实，适合于较远距离测量(可达到约35m)，但波登管或柔性毛细管的温度变化易产生误差，而且比液体玻璃管温度计的价格更高。u 液体金属管温度计的主要应用是在化工厂、车辆工程以及某种金属熔液(熔化状态)的温度测量。第10页/共45页6.2 金属膨胀及双金属片温度计n 双金属片温度计是常见的利用金属膨胀原理测量

9、温度的传感器。n 双金属片由两个长度相同但材料不同的金属片通过铆接、焊接、或粘接固定在一起组成，两个金属片的膨胀系数不同。膨胀系数较小的铁镍合金片和另一个膨胀系数较高的金属(如黄铜)片组成。n 双金属片传感器用于自动调温器和双金属测温计中，也应用于机电元件。第11页/共45页双金属自动调温器(温控器)u 双金属片可以被固定在电路中，以便当其受热弯曲，或冷却变直时它能够接通或断开电路中的触点，以控制电路的闭合或断开。u温控器就是利用这种原理控制加热装置的。u除了家用温控器外，其他温控开关的典型应用还有电熨斗、浸入式热水器、鱼缸、烤箱和电炉。第12页/共45页双金属片温度计u 工业用双金属温度计主

10、要的元件是一个用两种或多种金属片叠压在一起组成的多层金属片。u 能自动连续记录气温变化的仪器，为提高测温灵敏度，通常将双金属温度计金属片双金属温度计制成螺旋卷形状。u 当多层金属片的温度改变时，各层金属膨胀或收缩量不等，使得螺旋卷卷起或松开。u 螺旋卷的一端固定而另一端和一可以自由转动的指针相连，两种金属在温度变化时体积变化量不一样，因此会发生弯曲。u 将其一端固定，另一端随温度变化而发生位移，位移量与气温接近线性关系。第13页/共45页n 双金属片温度计用于侧量烤箱、热水管道、蒸汽室的温度测量。它紧凑而结实，无需电源，价格低廉，可以测量238873K(35+600)的温度。n 双金属片老化的

11、影响，需要定期校准，不能应用于远程测量，对温度变化的反应也较慢。第14页/共45页6.3 热电阻p 大多数金属的电阻随着其温度的升高而增大，电阻和温度的关系在一定的范围内成线性关系，并且可以用下式来表示：式中 R0在0时导体的电阻，单位为；Rt在T时导体的电阻，单位为；材料的电阻温度系数，单位为-1电阻温度系数，此系数随材料的不同而变化。第15页/共45页常用金属的电阻温度系数第16页/共45页热电阻温度计按IEC（国际电工委员会）标准 铂热电阻阻值与温度变化范围之间的关系近似为：-200O +0850 式中：为温度 和 时的电阻值A、B、C 为常数，t值的大小与有关为 的公称值1、铂热电阻第

12、17页/共45页分度号分别为：PtPt1010、PtPt100 100 目前我国规定工业用铂热电阻有两种公称值：国际温标ITS90ITS90标准中,A、B、C 常数规定为；第18页/共45页第19页/共45页 2、铜热电阻u 铜电阻的缺点是电阻率小铜电阻的缺点是电阻率小.所以制成相同阻值的电阻所以制成相同阻值的电阻时，铜电阻丝要细，这样机械强度就不高，或者就要长，时，铜电阻丝要细，这样机械强度就不高，或者就要长，使体积增大。此外铜很容易氧化，所以它的工作上限为使体积增大。此外铜很容易氧化，所以它的工作上限为150 C。但铜电阻价格便宜，因此仍被广泛采用。但铜电阻价格便宜，因此仍被广泛采用。u

13、在一般测量精度要求不高、温度较低的场合，普遍在一般测量精度要求不高、温度较低的场合，普遍地使用铜电阻。它可用来测量地使用铜电阻。它可用来测量50150 C 的温度，的温度，在这温度范围内，铜电阻和温度呈线性关系：在这温度范围内，铜电阻和温度呈线性关系：式中，第20页/共45页(1)二线制：在热电阻的两端各连接一根导线来引出电阻信号的方式叫二线制：这种引线方法很简单，但由于连接导线必然存在引线电阻r，r大小与导线的材质和长度的因素有关，因此这种引线方式只适用于测量精度较低的场合(2)三线制：在热电阻的根部的一端连接一根引线，另一端连接两根引线的方式称为三线制，这种方式通常与电桥配套使用，可以较好

14、的消除引线电阻的影响，是工业过程控制中的最常用的。(3)四线制：在热电阻的根部两端各连接两根导线的方式称为四线制，其中两根引线为热电阻提供恒定电流I，把R转换成电压信号U，再通过另两根引线把U引至二次仪表。可见这种引线方式可完全消除引线的电阻影响，主要用于高精度的温度检测。热电阻的测量电路第21页/共45页热电阻二线制接法第22页/共45页热电阻三线制接法第23页/共45页第24页/共45页用4线制接法消除引线电阻的影响第25页/共45页第26页/共45页热敏电阻温度计热敏电阻的特点热敏电阻的特点 1 1电阻温度系数的范围甚宽电阻温度系数的范围甚宽 有正、负温度系数和在某一特定温度区域内阻值突

15、变的三种有正、负温度系数和在某一特定温度区域内阻值突变的三种热敏电阻元件。电阻温度系数的绝对值比金属大热敏电阻元件。电阻温度系数的绝对值比金属大1010100100倍左右。倍左右。2 2材料加工容易、性能好材料加工容易、性能好 可根据使用要求加工成各种形状，特别是能够作到小型化。可根据使用要求加工成各种形状，特别是能够作到小型化。目前，最小的珠状热敏电阻其直径仅为目前，最小的珠状热敏电阻其直径仅为 0.2mm0.2mm。3 3阻值在阻值在1 110M10M之间可供自由选择之间可供自由选择 使用时，一般可不必考虑线路引线电阻的影响；由于其功耗使用时，一般可不必考虑线路引线电阻的影响；由于其功耗小

16、、故不需采取冷端温度补偿，所以适合于远距离测温和控温使小、故不需采取冷端温度补偿，所以适合于远距离测温和控温使用。用。第27页/共45页 4 4稳定性好稳定性好 商品化产品已有商品化产品已有3030多年历史，加之近年在材料与工艺上不多年历史，加之近年在材料与工艺上不断得到改进。据报道，在断得到改进。据报道，在0.010.01的小温度范围内，其稳定性可的小温度范围内，其稳定性可达达0.00020.0002的精度。相比之下，优于其它各种温度传感器。的精度。相比之下，优于其它各种温度传感器。5 5原料资源丰富，价格低廉原料资源丰富，价格低廉 烧结表面均已经玻璃封装。故可用于较恶劣环境条件；另烧结表面

17、均已经玻璃封装。故可用于较恶劣环境条件；另外由于热敏电阻材料的迁移率很小，故其性能受磁场影响很小，外由于热敏电阻材料的迁移率很小，故其性能受磁场影响很小，这是十分可贵的特点。这是十分可贵的特点。第28页/共45页 MF12MF12型型NTCNTC热敏电阻热敏电阻聚脂塑料封装热敏电阻聚脂塑料封装热敏电阻第29页/共45页 玻璃封装玻璃封装NTCNTC热敏电阻热敏电阻MF58 MF58 型热敏电阻型热敏电阻第30页/共45页 贴片式贴片式NTCNTC热敏电阻热敏电阻第31页/共45页热敏电阻的类型热敏电阻的类型热敏电阻有热敏电阻有负温度系数负温度系数（NTCNTC:negative tempera

18、ture coefficient）和）和正温度系数正温度系数（PTCPTC:positive temperature coefficient ）之分。）之分。NTCNTC又可分为两大类：又可分为两大类：第一类用于测量温度，它的电阻值与温度之间呈严格的负第一类用于测量温度，它的电阻值与温度之间呈严格的负指数关系；指数关系；第二类为突变型（第二类为突变型（CTR:CTR:critical temperature coefficient）。）。当温度上升到某临界点时，其电阻值突然下降当温度上升到某临界点时，其电阻值突然下降 。第32页/共45页负电阻温度系数负电阻温度系数热敏电阻的温度特性热敏电阻的

19、温度特性R RT T、R RT0T0温度为温度为T T、T T0 0时热敏电阻器的电阻值；时热敏电阻器的电阻值；B BN N NTCNTC热敏电阻的材料常数。热敏电阻的材料常数。NTCNTC的电阻的电阻温度关系的一般数学表达式为：温度关系的一般数学表达式为：如果以如果以lnlnR RT T、1/1/T T分别作为纵坐标和横坐标，则上式是一条斜率分别作为纵坐标和横坐标，则上式是一条斜率为为B BN N ，通过点，通过点(1/(1/T T，lnlnR RT T)的一条直线的一条直线,如图。如图。第33页/共45页 为了使用方便，常取环境温度为为了使用方便，常取环境温度为2525作为参考温度（即作为

20、参考温度（即T T0 0=25=25），则），则NTCNTC热敏电阻器的电阻热敏电阻器的电阻温度关系式：温度关系式：02550751001250.511.522.533.5(25C,1)RT/RT0-T特性曲线RT/R25T第34页/共45页热敏电阻的测量电路热敏电阻的测量电路(a)(a)分压测量电路分压测量电路 (b)(b)电桥测量电路电桥测量电路测量电路的输出电压值与被测温度的关系为测量电路的输出电压值与被测温度的关系为:第35页/共45页热敏电阻的恒温控制电路第36页/共45页6.4 热电偶热电偶是利用金属的温差电动势测温 特点：耐高温、精度高，可测量上千度；结构：为两种不同类型的金属导

21、体，导体两端分别接在一起构成闭合回路，当两个结点温度不等有温差时（TT0），回路里会产生热电势，形成电流，这种现象称为热电效应。利用这种效应，只要知道一端结点温度，通过热电势就可以测出另一端结点的温度。第37页/共45页 基准点或称（冷端）T0，固定温度的接点，恒定在某一标准温度；冷端标准温度为冰点（0）。测温点或称（热端）T，待测温度的接点，置于被测温度场中。热电偶冷端冰点测温方法热电偶冷端冰点测温方法 这种将温度转换成热电动势的传感器称热电偶，金属电极称热电极;金属的热电势由两部分组成：接触电势、温差电势第38页/共45页安装螺纹安装螺纹安装法兰安装法兰第39页/共45页铠装型热电偶外形铠

22、装型热电偶外形铠装型热电偶可长达上百米铠装型热电偶可长达上百米薄壁金属薄壁金属 保护套保护套管（铠体）管（铠体）第40页/共45页热电偶冷端温度补电路热电偶冷端温度补电路+-在在040或或-2020的范围起补偿作用的范围起补偿作用第41页/共45页隐丝式光学高温计6.5 热辐射温度计u 隐丝式光学高温计使用了人眼能看到的电磁波辐射，因此被测物体，如火炉必须足以让人们看到它发光(辐射)。通常其温度等于或高于923K(650)。u 隐丝式光学高温计是将被测物体所发出的可见电磁辐射光与某一灯丝发出的光进行比较，通过测量灯丝亮度达到测量温度的目的。第42页/共45页红外高温计u 红外高温计允许远程测量，与隐丝式高温计相比，较少依赖使用者的判断力。u它是用仪器(如热电偶或热电堆)测量物体所发射的红外电磁射线，从而测量物体温度的。第43页/共45页本章小结 本章主要学习了温度的定义以及测量温度常用的仪器和测量技术。热能是一种以几种形式影响物质状态的能量，我们正是利用物质的这些状态变化，通过各种方法测量物体温度的。我们所学习的温度计有多种设计和不同的测量范围，温度计的选择与其性能的局限性以及需要测量温度的类型和范围有关。除了我们上述所讨论的，还有一些其他的测温仪器、技术。通过本章的介绍，希望可为今后学习温度测量打下一个良好的基础。第44页/共45页感谢您的观看。第45页/共45页