传感器与检测技术第3章温度传感器

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1、第3章 温度检测技术,内容提要,介绍温度的检测方法及其特点，通过对接触式温度检测（热电阻、热敏电阻、热电偶、集成温度传感器）及非接触式温度检测器（光学高温计、辐射温度计、红外温度传感器、光纤温度传感器）工作原理的分析，详细地介绍了温度测量的各种方法及应用技术。 通过本章学习，要求学会利用各种测温元件实现温度的接触式和非接触式测量。,3.1 概述,3.1.1 温度与温标 1. 摄氏温标 摄氏温标规定:在标准大气压下纯水的冰融点为0，水沸点为100，在0100之间分一百等份，每一等份定义为1摄氏度。 单位符号为，变量符号记作t。,2. 华氏温标,华氏温标规定:在标准大气压下纯水的冰融点为32，水沸

2、点为212，中间180等份，每一等份定义为1华氏度。 单位符号为F，变量符号记作tF。,3. 热力学温标,1848年，威廉.汤姆首先提出的； 热力学温标又称开氏温标； 是以热力学第二定律为基础的理论温标，与物体任何物理性质无关，是国际统一的基本温标。 单位符号为K，变量符号记作T。 热力学温标有一个绝对零度，它规定分子运动停止时的温度为绝对零度，因此它又称为绝对温标。,热力学第二定理的表述,热不可能自发地、不付代价地从低温物体传到高温物体(不可能使热量由低温物体传递到高温物体，而不引起其他变化，这是按照热传导的方向来表述的)。 不可能从单一热源取热，把它全部变为功而不产生其他任何影响(这是从能

3、量消耗的角度说的,它说明第二类永动机是不可能实现的）。,4. 国际实用温标,国际温标:简称IPTS-68 （International practical Termperture scale of 1968）， 温标单位大小定义:为水三相点（固、液、气三相并存）的热力学温度的1/273.16 单位符号为K（开尔文），变量符号记作T90。 T90：1990年国际温标（ITS90）定义的国际开尔文温度。,摄氏温标与华氏温标的换算关系为： 摄氏温标与华氏温标：摄氏温标与国际实用温标：,3.1.2 温度检测的主要方法及特点,1. 温度检测的主要方法 （1）利用物质热膨胀与温度关系测温 用以测温的选择物

4、体可以是固体、气体或液体，其受热后体积膨胀，在一定温度范围内体积变化与温度变化呈连续、单值的关系，且复现性好。 如双金属温度计、压力式温度计和玻璃液体温度计。 （2）利用热效应测温 两种不同的导体两端短接形成闭合回路，当两接点处于不同温度时，回路中出现热电势。 利用这一原理制成生产中广泛使用的热电偶温度计。,（3）利用导体或半导体的电阻与温度关系测温 对于铂、铜等金属导体或半导体热敏电阻，其阻值随温度变化发生相应变化，根据R-t关系测量温度。 如铂电阻温度计。 （4）利用热辐射原理测温 物体辐射能随温度而变化，利用这一性质制成选择物质不与被测物质相接触而测温的辐射式温度计。 如单色辐射高温计、

5、光学高温计和比色高温计等。,在温度检测系统中，感受温度变化的元件称为感温元件； 将温度转换成电量（如电压、电阻等）输出的仪表称为温度传感器。 习惯上，按测温范围不同，将600以上的测温仪表称为高温计；把测量600以下的测温仪表称为温度计。 根据感温元件与被测物质是否接触，将温度检测仪表分为接触式和非接触式两大类。,2. 各种测温方法的特点,表3-1,3.2 接触式温度检测技术,接触式测温的方法:使温度敏感元件与被测对象相接触，使其进行充分的热交换，当热交换平衡时，温度敏感元件与被测对象的温度相等 常用的接触式测温仪表: 将温度转化为非电量:热膨胀式 将温度转化为电量: 热电阻 热敏电阻 热电偶

6、,3.2.1 热电阻及温度检测,原理:金属（包括合金）导体或金属氧化物半导体的电阻值随温度变化而改变，通过对其阻值的测量可以推算出被测物体的温度。 特性方程： 测温范围：-200+850 优点：测量范围宽、精度高、稳定性好等。,RT，R0：热电阻在T，0时的电阻值；A、B：热电阻的电阻温度系数（1/） T：被测温度,金属电阻相对温度系数 定义：温度从0变化到100 时，电阻值得相对变化率为： 电阻率 表示单位体积时的电阻值,1. 金属热电阻,（1）金属热电阻的特性要求 一般对金属热电阻材料的要求是： 高且稳定的电阻温度系数，电阻值与温度之间具有良好的线性关系； 热容量小、反应速度快； 材料的复

7、现性和工艺性好，便于批量生产，降低成本； 在使用范围内，其化学和物理性能稳定。,（2）热电阻材料,目前使用纯金属材质的有铂（Pt）、铜（Cu）、镍（Ni）和钨（W）等；合金材质的有铑铁及铂钴等。 它们随温度变化的曲线如图3-1所示。,（3）常用热电阻,1）铂热电阻。 测温范围：-200+850 铂热电阻的特性方程为： 在-2000的温度范围内 在0850的温度范围内 有Pt10和Pt100两种。 Pt10热电阻感温元件是用较粗的铂丝绕制而成，主要用于650以上测温区。 Pt100热电阻主要用于650以下测温区。 铂热电阻精度高、线性好、测温范围宽，稳定性和复现性好，但价格高。,Rt=R01+A

8、t+Bt2+Ct3(t-100),Rt = R0(1+At+Bt2),在ITS90 中，这些常数规定为A=3.908310-13/ B=-5.77510-7/2 C=-4.18310-12/4,铂电阻分度表,（3）常用热电阻,2）铜热电阻。 测温范围:-40+140， 特性方程为： Rt=R0（1+t） =4.2810-3/ 有Cu50和Cu100两种。 铜热电阻线性好，价格低，但电阻率低，因而体积大，热响应慢。,铜热电阻的分度表 分度号：Cu50,3）热电阻感温元件的结构,（a）装配式热电阻 （b）铠装式热电阻,（c）热电阻外形,内部引线方式,2. 热电阻测温电路,（1）二线测温电路,（2）

9、三线测温电路,（3）四线测温电路,3.2.2 热敏电阻及温度检测,热敏电阻是其电阻值随温度变化而显著变化的半导体电阻。 它与金属热电阻相比: 电阻温度系数大、灵敏度高（比一般金属热电阻大10100倍）； 结构简单、体积小，可以测量点温度； 电阻率高、热惯性小，适宜动态测量； 阻值与温度变化呈作线性关系； 稳定性和互换性较差等特点。,（1）热敏电阻的分类,按温度特性可分为: 正温度系数（PTC）热敏电阻 负温度系数（NTC）热敏电阻 临界温度系数（CTC）热敏电阻,图3-6 半导体热敏电阻特性,彩色显像管消磁,220v 50HZ,热敏电阻各种材料的使用温度范围如表3-3所示。,（2）热敏电阻的外

10、形及应用领域,图3-7 常用的热敏电阻的外形 （a）玻璃罩式； （b）垫圈式；（c）圆片式；（d）棒状； （e）片式,RT,R5,R6,R3,(R1),En,+,+,U2,2. 热敏电阻测温电路,1）热敏电阻测温 图为热敏电阻温度计的原理图。,3.热敏电阻的应用,2）热敏电阻用于温度补偿 热敏电阻可在一定的温度范围内对某些元件进行温度补偿。,3）热敏电阻用于温度控制 热敏电阻传感器组成的热敏继电器作为电动机过热保护，如图所示。,8.3.2 热敏电阻的应用,温度控制,3.2.3 热电偶及温度检测,1. 热电偶的工作原理 热电效应：两种不同材料的导体（或半导体）组成一个闭合回路，当两接点温度T和T

11、0不同时，则在该回路中就会产生电动势的现象。 热电偶是由两种不同的导体A和B组成闭合回路构成，如图所示。,实验-热电偶工作原理演示,热电极A,右端称为：自由端（参考端、冷端）,左端称为：测量端（工作端、热端）,热电极B,热电势,A,B,1)接触电动势,接触电动势的数值取决于两种不同导体的材料特性和接触点的温度。 两接点的接触电动势eAB(T)和eAB（T0）可表示为,含义：由于两种不同导体的自由电子密度不同而在接触处形成的电动势。,eAB(T)导体A、B结点在温度T 时形成的接触电动势； q0单位电荷， e =1.610-19C； k波尔兹曼常数， k =1.3810-23 J/K ； NA、

12、NB 导体A、B在温度为T 时的电子密度。,A,eA(T,To),To,T,eA(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； A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 =2V/。,2) 温差电势,温差电势原理图,同一导体的两端因其温度不同而产生的一种电动势,T0,T,eAB(T),eAB(T0),eA(T,T0),eB(T,T0),A,B,3) 回路总电势,影响因素取决于材料和接点温度，与形状、尺寸等无关 两热电极相同时，总电动势为0 两接点温度相同时，总电动势为0 对于已选定的热电偶，当参考端温度T0恒定时，eAB

13、(T0)=c为常数，则总的热电动势就只与温度T成单值函数关系，即,eAB(T,T0)=eAB(T)c=f(T),可见：只要测出eAB（T,T0）的大小，就能得到被测温度T，这就是利用热电偶测温的原理。,结论, 均质导体定律 由两种均质导体组成的热电偶，其热电动势的大小只与两材料及两接点温度有关，与热电偶的大小尺寸、形状及沿电极各处的温度分布无关。 即热电偶必须由两种不同性质的均质材料构成。,意义： 有助于检验两个热电极材料成分是否相同及材料的均匀性。,2. 热电偶基本定律,在热电偶测温回路内，接入第三种导体时，只要第三种导体的两端温度相同，则对回路的总热电势没有影响。, 中间导体定律,应用：利

14、用热电偶进行测温，必须在回路中引入连接导线和仪表，接入导线和仪表后不会影响回路中的热电势。,T2,T1,A a,B,C,2,3,EAB a,A,T0,2,3,A,B,EAB,T1,T2,C,T0,(a),(b),T0,T0,第三种材料接入热电偶回路图,测量仪表及引线作为第三种导体的热电偶回路,图3-9 热电偶结构示意图, 中间温度定律,EAB（T1, T3）=EAB（T1, T2）+EAB（T2, T3）,用途：制定热电式分度表奠定理论基础，参考温度0,例: 用（S型）热电偶测量某一温度，若参比端温度T0=30，测得的热电势E(T,Tn)=7.5mV，求测量端实际温度T。,查分度表有E（30，

15、0）= 0.173 mV,反查分度表有T=830，测量端实际温度为830,S型(铂铑10-铂)热电偶分度表,3. 热电偶的材料及特性参数,（3）热电偶的结构形式及安装工艺,1）热电偶的结构形式。,图3-10 热电偶的外形,工业用热电偶 下图为典型工业用热电偶结构示意图。它由热电偶丝、绝缘套管、保护套管以及接线盒等部分组成。实验室用时，也可不装保护套管，以减小热惯性。,常用热电偶的结构类型,铠装式热电偶（又称套管式热电偶）,优点是小型化（直径从12mm到0.25mm）、寿命、热惯性小，使用方便。 测温范围在1100以下的有：镍铬镍硅、镍铬考铜铠装式热电偶。,断面如图所示。它是由热电偶丝、绝缘材料

16、，金属套管三者拉细组合而成一体。又由于它的热端形状不同，可分为四种型式如图。,图3.2-12 铠装式热电偶断面结构示意图 1 金属套管; 2绝缘材料; 3热电极 (a)碰底型; (b)不碰底型; (c)露头型; (d)帽型,薄膜型热电偶,片状薄膜型热电偶如图3-11所示，它采用真空蒸镀法将两种电极材料蒸镀到绝缘基板上，上面再蒸镀一层二氯化硅薄膜作为绝缘和保护层。 图3-11 铁镍薄膜热电偶,2）热电偶的安装工艺,为确保测量的准确性，应根据工作压力、温度、介质等方面因素，选择合理的热电偶结构和安装方式； 选择测温点要具有代表性，即热电偶的工作端不应放置在被测介质的死角，应处于管道流速最大处； 要

17、合理确定插入深度。一般管道安装取150200mm，设备上安装取小于等于400mm； 管道安装通常使工作端处于管道中心线1/3管道直径区域内。,在安装中常采用直插、斜插（45角）等插入方式，如管道较细，宜采用斜插。在斜插和管道肘管（弯头处）安装时，其端部应对着被测介质的流向（逆流），不要与被测介质形成顺流。几种插入方式安装如图3-12所示。 图3-12 热电偶插入方式 1垫片；245角连接头；3直形连接头, 对于在管道公称直径DN80mm的管道上安装热电偶时，可以采用扩大管，其安装方式如图3-13所示。 图3-13 热电偶在扩大管上的安装 1垫片；245角连接头；3扩大管,在测炉膛温度时，应避免

18、热电偶与火焰直接接触，避免安装在炉门旁或与被加热物体距离过近之处。在高温设备上测温时，应尽量垂直安装； 热电偶的接线盒引出线孔应向下，以防密封不良而使水汽、灰尘与脏物落入，影响测量精度； 为减少测温滞后，可在保护外套管与保护管之间加装传热良好的填充物，如变压器油（150）或铜屑、石英砂（150）等。,4.热电偶使用的温度与线径的关系 表3-5,5.补偿导线,使用补偿导线应注意的事项: 热电性能与相应热电偶的热电特性相同的廉价导线; 各种补偿导线只能与相应型号的热电偶配用,而且必须在规定的温度范围内使用; 注意极性,不能接反; 延长线与热电偶连接的两个结点,其温度必须相同.,被测点与基准结点之间

19、距离相当长时，热电偶端子到基准结点间可用导线连接，这种导线称为补偿导线。,常用补偿导线,(1) 冷端0恒温法 (冰浴法),图3-17 冰浴法接线图 1被测流体管道；2热电偶（测温结点）；3接线盒；4补偿导线；5铜导线；6毫伏表；7冰瓶；8冰水混合物；9试管；10新冷端（基准结点）,6.冷端处理及补偿, 机械零位调整法。,当热电偶与动圈式仪表配套使用时，若热电偶的冷端温度比较恒定，对测量准确度要求不高时，可在仪表未工作前将仪表机械零位调至冷端温度处。, 电桥补偿法。,1热电偶；2补偿导线；3铜导线；4指示仪表；5冷端补偿器 可购买与被补偿热电偶对应型号的补偿电桥。, 计算修正法。,4. 热电偶实

20、用测量电路,（1）测量某点温度的基本电路 热电偶直接和仪表配用的测温电路如图3-18所示。 图3-18 热电偶基本测温电路,（2）热电偶反向串联电路,图3-19 热电偶反向串联测量电路,（3）热电偶并联电路,图3-20 热电偶并联测量电路,（4）热电偶串联电路,图3-21 热电偶多点温度求和电路,5热电偶的定期校验,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，误差超过规定允许值为不合格。 工业热电偶的允许偏差，见表3-6所示。,图3-22 热电偶校验图 1-调压变压器； 2-管式电炉； 3标准热电偶； 4-被校热电偶； 5-冰瓶； 6-切换开关； 7-测试仪表； 8-试管,

21、3.2.4 集成温度传感器及温度检测,原理:利用晶体管PN结的正向压降随温度升高而降低的特性，将晶体管的PN结作为感温元件，把敏感元件、放大电路和补偿电路等部分集成，并把它们封装在同一壳体里的一种一体化温度检测元件。,1. AD590及其应用,AD590是电流型两端集成温度传感器。 AD590的主要特征如下： 线性电流输出：1A/K； 测温范围宽：-55+150； 二端器件：电压输入，电流输出； 精度高：0.5； 线性度好：在整个测温范围内非线性误差小于0.3 工作电压范围宽：430V。 功耗低：1.5mW+5V+25； 输出阻抗高：710M。 特别适于进行运动测量。,电流型温度传感器 伏安特

22、性 工作电压：4V30V，I 为一恒流值输出，ITk，即 KT标定因子，AD590的标定因子为1A/,I = KT TK,2温度特性 其温度特性曲线函数是以Tk为变量的n阶多项式之和，省略非线性项后则有: Tc摄氏温度；I 的单位为A。 可见，当温度为0时，输出电流为273.2A。在常温25时，标定输出电流为298.2A。,I=KTTc273.2,（2）AD590的外形和基本测温电路,AD590采用金属壳3脚封装。 （a）外形 （b）符号 图3-23 AD590外形与符号,1脚为电源正端V+， 2脚为电流输出端V-， 3脚为管壳，一般不用。,（3）AD590的应用电路,图3-25 AD590的

23、串并联使用 图3-24 AD590的基本应用电路 （a）串联使用；（b）并联使用,AD590的测温电路。,图3-26 AD590的测温及转换电路,（4）AD590的应用实例,A/D转换和显示电路。,用MC14433实现的A/D转换和显示电路 图3-27 A/D转换和显示电路,2. LM35及其应用,常用的电压输出型集成温度传感器有LM135系列和LM35两大类。 LM135系列的工作方式类似于齐纳二极管，其反向击穿电压随绝对温度以+10mV/K的比例变化，工作电流为0.45mA，动态阻抗仅为1，便于和测量仪表配接。LM135测温范围为-55+150，LM235和LM335测温范围分别为-40+

24、125和 -40+100； LM35具有很高的工作精度和较宽的线性工作范围，其输出电压与摄氏温度线性成比例。从使用角度来说，LM35相比用开尔文标准的线性温度传感器更具有优势，LM35无需外部校准或微调，可以提供1/4的常用的室温精度，LM35从电源吸收的电流很小（约60A），且几乎是不变，所以芯片自身几乎没有散热的问题。,（1）LM35特性 工作电压：直流430V； 工作电流：小于133A； 输出电压：+6V-1.0V； 输出阻抗：1mA负载时0.1； 精度：0.5精度（在+25时）； 漏泄电流：小于60A； 比例因数：线性+10.0mV/； 非线性值：1/4； 校准方式：直接用摄氏温度校准

25、； 封装：密封TO-46、塑料TO-92、贴片SO-8和TO-220，如图3-28所示； 使用温度范围：-35+150额定范围。,（a）TO-46 （b）TO-92 （c）SO-8 （d）TO-220 图3-28 LM35的封装形式,（2）LM35的应用,1）基本应用电路。 图3-29 采用LM35构成的传感器电路 （a）单电源电路；（b）双电源电路,2）温度/频率转换电路。,图3-30 采用LM35D的温度/频率转换电路,3. DS18B20智能温度控制器及其应用,（1）DS18B20性能特点 采用单总线专用技术，被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出，无须经过其它变换电路； 测温范围

26、为-55+125，测量分辨率为0.0625； 内含64位经过激光修正的只读存储器ROM；适配各种单片机或系统机； 用户可分别设定各路温度的上、下限； 其工作电源既可在远端引入，也可采用寄生电源方式产生。 DS18B20非常适用于远距离多点温度检测系统。,（2）DS18B20的封装形式及内部结构,DQ为数字信号输入/输出端；GND为电源地；VDD为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）。 图3-31 DS18B20的管脚与封装,DS18B20内部结构如图3-32所示，主要由64位光刻ROM、温度传感器和温度传感器的存储单元三部分组成。 图3-32 DS18B20内部结构,2）温度传感器。

27、DS18B20中的温度传感器可完成对温度的测量，并以二进制补码读数形式输出。以12位数字转换（0.0625/LSB）为例：转换后得到的12位数据，存放在DS18B20的两个8bit的RAM中，二进制中的前面5位是符号位（用S表示），如果测得的温度大于0，这5位为“0”，只要将测到的数值乘于0.0625即可得到实际温度值；如果温度小于0，这5位为“1”，测到的数值需要取反加1再乘于0.0625即可得到实际温度值。两个8bit RAM格式如表3-7所示。 在DS18B20的-55+125测温范围内对应的数字输出如表3-8所示。,表3-8 在测温范围内温度与对应数字输出的关系表,3）温度传感器的存储

28、单元。DS18B20温度传感器的内部存储器用于存放所测得的温度信息，包括一个高速暂存RAM和一个非易失性的可电擦除的E2PROM。其中E2PROM存放高低温报警触发器TH、TL和配置寄存器。 暂存存储器包含了8个连续字节，其分布如表3-9所示。前两个字节是测得的温度信息，第一个字节的内容是温度的低八位，第二个字节是温度的高八位。第三个和第四个字节是TH、TL的易失性拷贝，第五个字节是结构寄存器的易失性拷贝，这三个字节的内容在每一次上电复位时被刷新。第六、七、八个字节用于内部计算。第九个字节是冗余检验字节。,表3-9 DS18B20暂存寄存器分布,高低温报警触发器TH和TL、配置寄存器均由一个字

29、节的E2PROM组成，使用一个存储器功能命令可对TH、TL或配置寄存器写入。其中配置寄存器的格式如下：,低五位一直都是“1”，TM是测试模式位，用于设置DS18B20在工作模式还是在测试模式。在DS18B20出厂时该位被设置为0，用户不要去改动。R1和R0用来设置分辨率，如表3-10所示（DS18B20出厂时被设置为12位）：,表3-10 分辨率设置表,（3）测温步骤 根据DS18B20的通讯协议，主机控制DS18B20完成温度转换必须经过三个步骤：每一次读写之前都要对DS18B20进行复位，复位成功后发送一条ROM指令，最后发送RAM指令，这样才能对DS18B20进行预定的操作。复位要求主C

30、PU将数据线下拉500s，然后释放，DS18B20收到信号后等待1660s左右，后发出60240s的低脉冲，主CPU收到此信号表示复位成功。,（4）DS18B20与单片机的典型接口,图3-33 DS18B20与8031的典型连接 （a）寄生电源方式；（b）外接电源方式,采用寄生电容供电的温度检测系统,89C51,DS1820,DS1820,DS1820,P1.0,P1.1,P1.2,Tx,Rx,+5V,GND,VDD,P1.1作输出口用，相当于Tx P1.2作输入口用，相当于Rx,（5）DS18B20使用中注意事项 1）由于DS18B20与微处理器间采用串行数据传送。因此，在对DS18B20进

31、行读写编程时，必须严格的保证读写时序，否则将无法读取测温结果。在进行系统程序设计时，最好采用汇编语言实现。 2）单总线上所挂DS18B20超过8个时，就需要解决微处理器的总线驱动问题，在进行多点测温系统设计时要特别注意。,3）连接DS18B20的总线电缆是有长度限制的。试验中，当采用普通信号电缆传输长度超过50m时，读取的测温数据将发生错误。当将总线电缆改为双绞线带屏蔽电缆时，正常通讯距离可达150m，当采用每米绞合次数更多的双绞线带屏蔽电缆时，正常通讯距离进一步加长。因此，在用DS18B20进行长距离测温系统设计时要充分考虑总线分布电容和阻抗匹配问题。 4）在DS18B20测温程序设计中，向

32、DS18B20发出温度转换命令后，程序总要等待DS18B20的返回信号，一旦某个DS18B20接触不好或断线，当程序读该DS18B20时，将没有返回信号，程序进入死循环。在进行DS18B20硬件连接和软件设计时要综合考虑。 测温电缆线建议采用屏蔽4芯双绞线，其中一对线接地线与信号线，另一组接VCC和地线，屏蔽层在电源端单点接地。,3.3 非接触式温度检测技术,非接触式测温的方法:利用被测对象的热辐射能量随其温度的变化而变化的原理，通过测量一定距离处被测物体发出的热辐射强度来确定被测对象的温度。 常见的传感器有:光学高温计、辐射温度计、光纤温度传感器、红外温度传感器等。 优点:不存在测量滞后和温

33、度范围的限制，可测高温、腐蚀、有毒、运动物体及固体、液体表面的温度，不影响被测物体的温度场； 缺点:易受被测对象热辐射率的影响，测量精度低，测量距离和中间介质对测量结果都有较大影响。,3.3.1 光学高温计(optical pyrometer),可用来测量8003200 的高温 勒夏特列/勒夏特利埃（Le Chatelier,Henri Louis），法国化学家。 根据物体的辐射随着温度上升而变化制成的。 直接将物体的颜色和比色表对照就可以判断其温度。 现代的高温计分析物体热辐射的峰值来判断其温度，不需要参照物，精度进一步提高。,WGG2-201型光学高温计,图3-34 WGG2-201型光学

34、高温计外形和原理图 1物镜；2吸收玻璃；3灯泡；4红色虑光片；5目镜；6指示仪表；7滑线电阻；E电源；R1刻度调整电阻,产品说明： 此光学高温计能在环境温度10-50,相对湿度不大於85%的情况下连续工作 物镜与目标之间的距离不小于700mm 标尺长度不小于90mm 净重约1.8kg,（a）电流过低 （b）平衡 （c）电流过高 图3-35 亮度平衡示意图,3.3.2 辐射温度计,辐射温度计:是根据全辐射强度定理即物体的总辐射强度与物体温度的四次方成正比的关系来进行测量的。 辐射温度计由辐射感温器和显示仪表两部分组成，它可用来测量4002000的高温，多为现场安装式结构，为适应现场高温环境的要求

35、，可在辐射感温器外加装水冷夹套。 辐射高温计测量的温度称为辐射温度（TF），被测对象为非黑体时，要通过修正才能得到非黑体的真实温度。,（a）热电堆结构 （b）自动补偿器 图3-36 热电堆结构和补偿光阑 （a）：1云母基片；2受热靶面；3热电偶丝；4引出线 （b）：1补偿片；2双金属片,图3-37 辐射感温器结构图 1物镜；2外壳；3补偿光阑；4座架；5热电堆；6接线柱； 7穿线套；8盖；9目镜；10校正片；11小齿轮,3.3.3 红外传感器及温度检测,凡是存在于自然界中的物体，都会辐射出红外线，只是其红外线的波长不同而已。 如人体温度为3637，所辐射的红外线波长为910m（属于远红外线区）

36、， 物体被加热到400700时，其所辐射的红外线波长为35m（属于中红外线区）。 利用被测物体辐射的红外线实现检测的技术就是红外检测技术。,1. 红外传感器的分类,红外传感器（也称红外探测器）是能将红外辐射能转换成电能的光敏器件，用来检测物体辐射的红外线。从工作原理和性能上红外传感器可分为热电型和量子型两类，如表3-12所示。,2. 热释电红外传感器,（1）热释电效应 热释电效应:当一些晶体受热时，在晶体两端将会产生数量相等而符号相反的电荷，这种由于热变化产生的电极化现象。 （2）热释电效应红外线光敏元件的材料 能产生热释电效应的晶体称为热释电体，又称热电元件。,（3）热释电红外传感器,热释电

37、红外传感器的结构及内部电路如图3-38所示。 图3-38 热释红外传感器结构图,热释电红外传感器可用作人体探测和测温，其响应波长范围为215m，测温范围可达-801500。,3. 量子型红外传感器,（1）PbS红外光敏元件及工作原理 光电导效应; PbS光敏元件的阻值发生变化; 电阻的变化引起PbS光敏元件两电极间电压的变化。 图3-39 PbS红外光敏元件结构图,3. 量子型红外传感器,（2）ZnSb红外光敏元件及工作原理 红外光照射在ZnSb元件的PN结上时，因光生伏特效应，在ZnSb光敏元件两端产生电动势，此电动势的大小与光照强度成正比。 图3-40 ZnSb红外光敏元件结构图,4. 红

38、外传感器使用中应注意的问题, 必须首先注意了解红外传感器的性能指标和应用范围，掌握它的使用条件； 必须关注传感器的工作温度，一般要选择能在室温下工作的红外传感器，便于维护； 适当调整红外传感器的工作点。一般情况下，传感器有一个最佳工作点。只有工作在最佳偏流工作点时，红外传感器的信噪比最大。实际工作点最好稍低于最佳工作点； 选用适当前置放大器与红外传感器配合，以获取最佳探测效果； 调制频率与红外传感器的频率响应相匹配； 传感器光学部分不能用手摸、擦，防止损伤与沾污； 传感器存放时注意防潮、防振、防腐。,5红外测温传感器,红外测温传感器原理:利用物体的辐射能量随其温度而变化。 （1）红外测温的特点

39、 红外测温是远距离和非接触测温 红外测温反应速度快 红外测温灵敏度 红外测温准确度较高 红外测温范围广泛,（2）红外测温种类,红外测温主要有主动式和被动式两种。 1）主动式。利用红外辐射源对被测物照射。被测物对红外光进行吸收、反射和透射后，使红外光发生了变化，此变化与被测物的某些参数有关，由此实现检测。 2）被动式。被测物本身就是红外辐射源，利用其辐射特性检测红外辐射能实现温度的测量；或把物体各个点辐射能大小转换成热图象；或利用气体辐射在红外波段有固定的谱线完成气体分析等。,（2）被动式红外报警器 被动式红外报警器主要由光学系统、热释电红外传感器、信号滤波和放大、信号处理和报警电路等几部分组成

40、。,（3）红外辐射温度计应用实例,（a）表面温度测量示意图 （b）内部原理结构 图3-41 红外辐射温度计的外形结构与原理框图 1便携式红外辐射温度计；2红色瞄准激光束；3滤光片；4聚焦透镜,3.3.4 光纤传感器及温度检测,光纤传感器用光作为敏感信息的载体，用光纤作为传递敏感信息的媒质。 同时具有光纤及光学测量的特点。 电绝缘性能好。 抗电磁干扰能力强。 非侵入性。 高灵敏度。 容易实现对被测信号的远距离监控。 光纤耐腐蚀，在水中、溶液中、化学气体中也能使用。特别是由于它不受电磁感应的影响，不用担心出现火花，因此，在煤矿、石油和气体贮藏所等易燃易爆环境下，也可正常进行测量。,光导纤维的导光能

41、力取决于纤芯和包层的性质， 纤芯折射率n1略大于包层折射率n2（ n1 n2 ）。,(1) 光纤的结构,100 200m,包层,玻璃纤维,尼龙外层,涂敷层,纤芯,外层直径1mm,（2）光纤的传光原理,图3-43 光的折射与反射,光纤导光示意图,由斯奈尔（Snell）定律：,当 就能产生全反射。 可见，光纤临界入射角的大小是由光纤本身的性质（n1、n2）决定的，与光纤的几何尺寸无关。,若满足 n0=1,即,当在临界状态时 ,（3）光纤的分类,按折射率变化分类有：阶跃折射率和渐变折射率光纤； 按传播模式分类有：单模和多模光纤； 按材料分类有：高纯度石英玻璃光纤、多组分玻璃光纤、塑料光纤；,2. 光

42、纤传感器,（1）光纤传感器的结构原理 （a）传统传感器 （b）光纤传感器 图3-44 光纤传感器与传统传感器的结构,根据光纤在传感器中的作用分类。, 功能型（全光纤型）光纤传感器。 非功能型（或称传光型）光纤传感器。,（2）光纤传感器的分类,3. 光纤传感器在温度检测中的应用,光纤温度传感器主要是功能型，利用多种光学效应在光纤受到外界温度的影响时，会使在光纤中传输的某些光参数发生变化，即可得到温度值。 对功能型光纤温度传感器可根据敏感部分所发的光是否有效来分类，有发光型和受光型两种。 受光型，即光源发的光通过光纤送到敏感部分，敏感部分接收到由于温度变化而产生的状态变化，再通过光纤返回到受光部分

43、。 发光型主要有光致发光式与黑体辐射式；受光型有热膨胀式、光吸收式、干涉式和偏振光式。,（1）遮光式光纤温度传感器,图3-47 热膨胀式光纤温度传感器,（2）光吸收式光纤温度传感器,图3-48 半导体光吸收端的温度变化 图3-49 光吸收式光纤温度传感器的结构,图3-50 半导体吸收式光纤温度传感器原理图,（3）干涉式光纤温度传感器,图3-51 干涉式温度传感器,传感器的信号臀和参考臂由单模光纤组成，参考臂置于恒温器中，一般认为，它在测温过程中光程始终保持不变，而信号臂在温度的作用下，长度与折射率会发生变化。信号臂的相位为 （3-6） 式中：为光源波长；n为纤芯折射率；L为光纤长度。 对上式进

44、行微分，可求出单位长度上的相位变化。,（4）偏振光式光纤温度传感器,图3-52 偏振光式温度传感器的结构,3.4 选择温度传感器需考虑的问题,对温度传感器的选用，需考虑以下几个方面的问题： 被测对象的温度是否需记录、报警和自动控制，是否需要远距离测量和传送； 测温范围的大小和精度要求； 测温元件大小是否适当； 在被测对象温度随时间变化的场合，测温元件的滞后能否适应测温要求； 被测对象的环境条件对测温元件是否有损害； 价格如何，使用是否方便。,思考题与习题,1温度传感器分为接触式和非接触式两类，试分别说明各自的传感器机理。 2试说明热电偶的测温原理。 3国际标准规定的热电偶有哪几种?各有什么特点

45、? 4热电偶与显示仪表连接时，为什么要采用补偿导线?使用补偿导线的原则是什么? 5热电偶的冷端温度补偿有几种方法? 6用镍铬镍硅热电偶测量炉温时，冷端温度t020，由电子电位差计测得热电势为37.724mV，由镍铬镍硅热电偶K的分度表可查得EAB（t0，0）=0.802mV，试求炉温t为多少?,7用分度号为K的热电偶测量温度，动圈表的指示温度为500，而这时的冷端温度为60，试问被测物体的实际温度为多少?若设法使冷端温度保持在20，此时动圈表的指示值为多少? 8画出用3支热电偶共用一台仪表分别测量T1、T2和T3的测温电路。若用3支热电偶共用一台仪表测量T1、T2和T3的平均温度，电路又如何连接? 9使用热电阻测温时，为什么要采用三线制?与热电偶比较，热电阻测温有什么特点? 10光纤温度传感器有哪几种类型？试说明各自的测温原理。 11选择温度传感器时需要注意哪些问题？,