热电传感器:新品推荐 |上新!数字热电堆温度传感器来了

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摘要:

热电传感器:新品推荐|上新!数字热电堆温度传感器来了MRTD-3011是一款具有读出电路I2C的数字式热电堆传感器。热电堆芯片基于MEMS工艺将上百对热电偶串联而成,在测量物体温度时不需要直接接触,热电堆吸收从被测量物体发射的红外线能量,利用塞贝克原理,当目标与环境之间存在温度差时,传感器输出对应的电压,从而检测出目标的温度。MRTD-3011产品特点?全集成数

热电传感器:新品推荐 |上新!数字热电堆温度传感器来了  第1张

热电传感器:新品推荐 |上新!数字热电堆温度传感器来了

MRTD-3011 是一款具有读出电路 I2C 的数字式热电堆传感器。热电堆芯片基于MEMS工艺将上百对热电偶串联而成,在测量物体温度时不需要直接接触,热电堆吸收从被测量物体发射的红外线能量,利用塞贝克原理,当目标与环境之间存在温度差时,传感器输出对应的电压,从而检测出目标的温度。
MRTD-3011
产品特点
?全集成数字红外热电堆;
?TO-39 封装,小视角;
?免标定,I2C 接口,内部自动补偿温度;
?可设置的信号采样速度:可调16 阶速度 (0.02Hz~2KHz);
?内建高精度 20-Bit Sigma delta ADC, ENOB 可达 16-bit;
?芯片睡眠模式电流(2μA@ 25°C/VDD=3V);
数字热电堆温度传感器
数字热电堆温度传感器
MRTD-3011
技术指标
划重点
2.6V 至 5.5V 单电源连续运行;
稳定性好,工作温度:-20℃~85℃;
测温范围:-20~250℃;
测温精度:±2℃;
滤光片波长范围:5.5-14μm
主要应用
MRTD-3011款数字热电堆传感器适用于工业现场及其他多种领域温度检测,数字输出免标定,量程、角度可定制,有着广阔的应用空间。
#01工业现场测温
#02电力领域安全测温
#03家用电器温度测量与控制;
护发吹风机、微波炉、空调、烟机灶具等都可应用
温度传感器是各类传感器中常用的一种,从2020年疫情之后,开始频繁进入人们的视野中,如今的温度传感器外形非常小巧,这也使得他们能够灵活广泛地应用于不同领域中,为我们的生活提供各种便利。

热电传感器:热电传感器(1)——原理和定律

译者序Ⅲ
前言Ⅴ
第1章利用传感器的测量系统简介1
1.1一般概念和术语1
1.1.1测量系统1
1.1.2换能器、传感器和执行器2
1.1.3信号调节和显示3
1.1.4接口、数据域和变换4
1.2传感器的分类5
1.3通用输入输出配置9
1.3.1干扰输入和调整输入9
1.3.2补偿技术10
1.4测量系统的静态特性11
1.4.1精确度、精密度和灵敏度11
1.4.2其他特性:线性和分辨率14
1.4.3系统误差15
1.4.4随机误差16
1.5动态特性18
1.5.1零阶测量系统19
1.5.2一阶测量系统19
1.5.3二阶测量系统22
1.6传感器的其他特性26
1.6.1输入特性:阻抗27
1.6.2可靠性28
1.7初级传感器30
1.7.1温度传感器:双金属传感器31
1.7.2压力传感器32
1.7.3流速和流量传感器34
1.7.4液位传感器41
1.7.5力和转矩传感器42
1.7.6加速度和倾斜传感器43
1.7.7速度传感器44
1.8传感器使用的材料45
1.8.1导体、半导体和电介质47
1.8.2磁性材料50
1.9微传感器工艺52
1.9.1厚膜工艺52
1.9.2薄膜工艺53
1.9.3微机械加工工艺54
习题57
参考文献59
●传感器和信号调节目录●第2章电阻式传感器61
2.1电位器61
2.2应变计67
2.2.1基本原理:压阻效应67
2.2.2类型和应用71
2.3电阻式温度检测器74
2.4热敏电阻79
2.4.1模型79
2.4.2热敏电阻的类型和应用86
2.4.3线性化90
2.5磁敏电阻92
2.6光敏电阻(LDR)96
2.7电阻式湿度计101
2.8电阻式气体传感器103
2.9液体电导率传感器107
习题109
参考文献111
第3章电阻式传感器的信号调节113
3.1电阻的测量113
3.2分压器118
3.2.1电位器120
3.2.2用于热敏电阻123
3.2.3动态测量125
3.2.4分压器用的放大器126
3.3惠斯登电桥:平衡测量128
3.4惠斯登电桥:偏转测量130
3.4.1灵敏度和线性130
3.4.2电阻式传感器电桥的模拟线性化133
3.4.3传感器电桥的校准和平衡134
3.4.4差值测量、平均值测量和补偿135
3.4.5惠斯登电桥的电源139
3.4.6惠斯登电桥的检测方法142
3.5差动放大器和仪表放大器143
3.5.1差动放大器143
3.5.2利用两个运算放大器的仪表放大器148
3.5.3利用三个运算放大器的仪表放大器150
3.6干扰155
3.6.1干扰的类型和抑制155
3.6.2信号电路接地158
3.6.3屏蔽接地159
3.6.4隔离放大器163
习题165
参考文献173
第4章变电抗式传感器和磁电式传感器174
4.1电容式传感器174
4.1.1可变电容器174
4.1.2差动电容器181
4.2电感式传感器184
4.2.1变磁阻式传感器184
4.2.2涡流式传感器189
4.2.3线性可调差接变压器(LVDT)192
4.2.4可调变压器:自动同步器、分解器和感应同步器199
4.2.5磁弹性传感器和磁致伸缩传感器210
4.2.6威甘德(Wiegand)传感器和脉冲合金线传感器213
4.2.7饱和磁心(磁通闸门)传感器215
4.2.8超导量子干涉器件(SQUID)216
4.3磁电式传感器218
4.3.1基于法拉第定律的传感器218
4.3.2霍耳式传感器223
习题227
参考文献229
第5章变抗式传感器的信号调节232
5.1问题和解决方案232
5.2交流电桥236
5.2.1灵敏度和线性236
5.2.2电容性电桥的模拟线性化239
5.2.3交流放大器和电源去耦240
5.2.4静电屏蔽和有源屏蔽245
5.2.5交直流信号变换器247
5.3载波放大器和相干检波251
5.3.1载波放大器的工作原理和结构251
5.3.2相敏检波器257
5.3.3在线性可调差接变压器中的应用261
5.4供电容式传感器使用的特殊信号调节器263
5.5分解器数字变换器和数字分解器变换器266
5.5.1自动同步器分解器变换器266
5.5.2数字分解器变换器269
5.5.3分解器数字变换器270
习题271
参考文献275
第6章有源传感器277
6.1热电式传感器:热电偶277
6.1.1可逆的热电效应277
6.1.2常用的热电偶281
6.1.3实用的热电偶定律284
6.1.4热电偶回路中的冷端补偿287
6.2压电式传感器290
6.2.1压电效应290
6.2.2压电材料293
6.2.3应用294
6.3热电式传感器300
6.3.1热电效应300
6.3.2热电材料302
6.3.3辐射定律:普朗克定律、维恩定律和斯忒藩玻尔兹曼定律302
6.3.4应用304
6.4光电式传感器306
6.4.1光电效应306
6.4.2材料和应用307
6.5电化学传感器308
习题311
参考文献314
第7章有源传感器的信号调节316
7.1斩波放大器和低漂移放大器316
7.1.1运算放大器中的失调和漂移316
7.1.2斩波放大器322
7.1.3自动调零放大器323
7.1.4组合放大器325
7.1.5仪表放大器的失调和漂移326
7.2静电计放大器和互阻抗放大器327
7.2.1互阻抗放大器328
7.2.2通过积分进行电流测量331
7.2.3设计静电计电路时的注意事项332
7.3电荷放大器333
7.4放大器的噪声338
7.4.1噪声的基础知识339
7.4.2运算放大器的噪声342
7.4.3互阻抗放大器的噪声349
7.4.4电荷放大器的噪声350
7.4.5仪表放大器的噪声352
7.5电阻器的噪声和漂移354
7.5.1固定电阻器的漂移354
7.5.2可调电阻器(电位器)的漂移356
7.5.3电阻器的噪声357
习题358
参考文献363
第8章数字式传感器和智能传感器365
8.1位置编码器365
8.1.1增量位置编码器365
8.1.2绝对位置编码器372
8.2谐振式传感器376
8.2.1基于石英谐振器的传感器377
8.2.2表面声波(SAW)传感器382
8.2.3振动金属丝应变计383
8.2.4振动圆筒传感器384
8.2.5数字式流量计385
8.3可变振荡器387
8.3.1正弦振荡器388
8.3.2张弛振荡器389
8.3.3可变CMOS振荡器391
8.3.4可变振荡器的线性393
8.4变换成频率、周期或持续时间395
8.4.1电压频率变换395
8.4.2检测量频率直接变换397
8.4.3检测量持续时间直接变换400
8.5传感器微控制器直接连接402
8.5.1频率测量402
8.5.2周期和时间间隔测量404
8.5.3计算和补偿407
8.5.4速度测量——数字式转速计408
8.6传感器的通信系统409
8.6.1电流遥测术:4mA~20mA电流环路411
8.6.2同时进行模拟和数字通信412
8.6.3传感器总线:现场总线413
8.7智能传感器415
习题417
参考文献420
第9章其他检测方法422
9.1基于半导体结的传感器422
9.1.1基于半导体结的温度计422
9.1.2磁敏二极管和磁敏晶体管428
9.1.3光电二极管428
9.1.4位置灵敏探测器(PSD)436
9.1.5光电晶体管437
9.1.6半导体结核辐射探测器438
9.2基于MOSFET的传感器440
9.3电荷耦合式传感器和CMOS图像传感器442
9.3.1工作原理442
9.3.2CCD和CMOS图像传感器的类型及应用446
9.4光纤传感器449
9.4.1光纤的基础知识449
9.4.2光纤传感器技术和应用450
9.5超声波传感器454
9.5.1超声波传感器的基础知识454
9.5.2基于超声波的检测方法和应用456
9.6生物传感器458
习题460
参考文献463
习题答案465热电传感器:新品推荐 |上新!数字热电堆温度传感器来了  第2张

热电传感器:热电偶传感器

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热电偶传感器
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热电偶传感器是工业中使用最为普遍的接触式测温装置。这是因为热电偶具有性能稳定、测温范围大、信号可以远距离传输等特点,并且结构简单、使用方便。热电偶能够将热能直接转换为电信号,并且输出直流电压信号,使得显示、记录和传输都很容易。
[1]
中文名
热电偶传感器
类 型
感温元件
特 点
装配简单,更换方便
结构要求
两个热电极的焊接必须牢固
目录
1
基本介绍
2
热电偶
3
特点
4
构造
5
工作原理
6
分类
7
选型标准
热电偶传感器基本介绍
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语音
热电偶是一种感温元件,是一种仪表。它直接测量温度,并把温度信号转换成热电动势信号, 通过电气仪表(二次仪表)转换成被测介质的温度。热电偶测温的基本原理是两种不同成份的材质导体组成闭合回路,当两端存在温度梯度时,回路中就会有电流通过,此时两端之间就存在电动势——热电动势,这就是所谓的塞贝克效应(Seebeck effect)。两种不同成份的均质导体为热电极,温度较高的一端为工作端,温度较低的一端为自由端,自由端通常处于某个恒定的温度下。根据热电动势与温度的函数关系, 制成热电偶分度表; 分度表是自由端温度在0℃时的条件下得到的,不同的热电偶具有不同的分度表。
[2]
在热电偶回路中接入第三种金属材料时,只要该材料两个接点的温度相同,热电偶所产生的热电势将保持不变,即不受第三种金属接入回路中的影响。因此,在热电偶
热电偶传感器
测温时,可接入测量仪表, 测得热电动势后,即可知道被测介质的温度。
热电偶传感器热电偶
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语音
热电偶测量温度时要求其冷端(测量端为热端,通过引线与测量电路连接的端称为冷端)的温度保持不变,其热电势大小才与测量温度呈一定的比例关系。若测量时,冷端的(环境)温度变化,将严重影响测量的准确性。在冷端采取一定措施补偿由于冷端温度变化造成的影响称为热电偶的冷端补偿正常。附:热电偶冷端补偿计算方法:从毫伏到温度:测量冷端温度,换算为对应毫伏值,与热电偶的毫伏值相加,换算出温度。 从温度到毫伏:测量出实际温度与冷端温度,分别换算为毫伏值,相减後得出毫伏值,即得温度
热电偶传感器特点
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◆装配简单,更换方便◆压簧式感温元件,抗震性能好◆测量范围大(-200℃~1300℃,特殊情况下-270℃~2800℃)◆ 机械强度高,耐压性能好◆ 耐高温可达2800度
热电偶传感器构造
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热电偶的结构形式为了保证热电偶可靠、稳定地工作,对它的结构要求如下:①组成热电偶的两个热电极的焊接必须牢固;②两个热电极彼此之间应很好地绝缘,以防短路;③补偿导线与热电偶自由端的连接要方便可靠;④保护套管应能保证热电极与有害介质充分隔离。
热电偶传感器工作原理
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两种不同成份的导体(称为热电偶丝材或热电极)两端接合成回路,当两个接合点的温度不同时,在回路中就会产生电动势,这种现象称为热电效应,而这种电动势称为热电势。热电偶就 是利用这种原理进行温度测量的,其中,直接用作测量介质温度的一端叫做工作端(也称为测量端),另一端叫做冷端(也称为补偿端);冷端与显示仪表或配套仪表连接,显示仪表会指出热电偶所产生的热电势。  热电偶实际上是一种能量转换器,它将热能转换为电能,用所产生的热电势测量温度,对于热电偶的热电势,应注意如下几个问题:  1:热电偶的热电势是热电偶工作端的两端温度函数的差,而不是热电偶冷端与工作端,两端温度差的函数;  2 :热电偶所产生的热电势的大小,当热电偶的材料是均匀时,与热电偶的长度和直径无关,只与热电偶材料的成份和两端的温差有关;3:当热电偶的两个热电偶丝材料成份确定后,热电偶热电势的大小,只与热电偶的温度差有关;若热电偶冷端的温度保持一定,这进热电偶的热电势仅是工作端温度的单值函数。将两种不同材料的导体或半导体A和B焊接起来,构成一个闭合回路。当导体A和B的两个执着点1和2之间存在温差时,两者之间便产生电动势,因而在回路中形成一个大小的电流,这种现象称为热电效应。热电偶就是利用这一效应来工作的。
热电偶传感器分类
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常用热电偶可分为标准热电偶和非标准热电偶两大类。所调用标准热电偶是指国家标准规定了其热电势与温度的关系、允许误差、并有统一的标准分度表的热电偶,它有与其配套的显示仪表可供选用。非标准化热电偶在使用范围或数量级上均不及标准化热电偶,一般也没有统一的分度表,主要用于某些特殊场合的测量。标准化热电偶我国从1988年1月1日起,热电偶和热电阻全部按IEC国际标准生产,并指定S、B、E、K、R、J、T七种标准化热电偶为我国统一设计型热电偶。常用热电偶型号 热电偶分度号热电极材料 使用温度( ℃)S 铂铑合金(铑含量10 %) 纯铂 0-1600R 铂铑合金(铑含量13 %) 纯铂 0-1600B 铂铑合金(铑含量30%) 铂铑合金(铑含量6% ) 0-1800K 镍铬镍硅 0-1300T 纯铜 铜镍 0-350J 铁 铜镍 0-+500N 镍铬硅 镍硅 0-+800E 镍铬 铜镍 0-600热电偶的种类: 装配热电偶,铠装热电偶,端面热电偶,压簧固定热电偶,高温热电偶,铂铑热电偶,防腐热电偶,耐磨热电偶,高压热电偶,特殊热电偶,手持式热电偶,微型热电偶,贵金属热电偶 ,快速热电偶,钨铼热电偶,单芯铠装热电偶等等。从理论上讲,任何两种不同导体(或半导体)都可以配制成热电偶,但是作为实用的测温元件,对它的要求是多方面的。为了保证工程技术中的可靠性,以及足够的测量精度,并不是所有材料都能组成热电偶,一般对热电偶的电极材料,基本要求是:(1)、在测温范围内,热电性质稳定,不随时间而变化,有足够的物理化学稳定性,不易氧化或腐蚀;(2)、 电阻温度系数小,导电率高,比热小;(3)、测温中产生热电势要大,并且热电势与温度之间呈线性或接近线性的单值函数关系;(4)、材料复制性好,机械强度高,制造工艺简单,价格便宜。
热电偶传感器选型标准
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语音
选择热电偶要根据使用温度范围、所需精度、使用气氛、测定对象的性能、响应时间和经济效益等综合考虑。1、测量精度和温度测量范围的选择使用温度在1300~1800℃,要求精度又比较高时,一般选用B型热电偶;要求精度不高,气氛又允许可用钨铼热电偶,高于1800℃一般选用钨铼热电偶;使用温度在1000~1300℃要求精度又比较高可用S型热电偶和N型热电偶;在1000℃以下一般用K型热电偶和N型热电偶,低于400℃一般用E型热电偶;250℃下以及负温测量一般用T型电偶,在低温时T型热电偶稳定而且精度高。2、使用气氛的选择S型、B型、K型热电偶适合于强的氧化和弱的还原气氛中使用,J型和T型热电偶适合于弱氧化和还原气氛,若使用气密性比较好的保护管,对气氛的要求就不太严格。3、耐久性及热响应性的选择线径大的热电偶耐久性好,但响应较慢一些,对于热容量大的热电偶,响应就慢,测量梯度大的温度时,在温度控制的情况下,控温就差。要求响应时间快又要求有一定的耐久性,选择铠装偶比较合适。4、测量对象的性质和状态对热电偶的选择运动物体、振动物体、高压容器的测温要求机械强度高,有化学污染的气氛要求有保护管,有电气干扰的情况下要求绝缘比较高。选型流程:型号--分度号—防爆等级—精度等级—安装固定形式—保护管材质—长度或插入深度产品选型及订货须知:1、在选用及订货时,请注明:2 产品型号2 分度号2 保护管材料及直径2 保护管总长L及置入深度I2 固定装置型式2 产品实际测量范围2、螺纹式固定装置型式在订货时不标注均为固定外螺纹M27×2,(其余螺纹固定型式均需注明)3、因用户特殊需要而与上述产品型号不符者,需要专门制造的产品,请注明您的特殊技术要求,来(或函)与我公司有关责任部门联系特殊订货。热电偶传感器冷端的温度补偿由于热电偶的材料一般都比较贵重(特别是采用贵金属时),而测温点到仪表的距离都很远,为了节省热电偶材料,降低成本,通常采用补偿导线把热电偶的冷端(自由端)延伸到温度比较稳定的控制室内,连接到仪表端子上。必须指出,热电偶补偿导线的作用只起延伸热电极,使热电偶的冷端移动到控制室的仪表端子上,它本身并不能消除冷端温度变化对测温的影响,不起补偿作用。因此,还需采用其他修正方法来补偿冷端温度t0≠0℃时对测温的影响。在使用热电偶补偿导线时必须注意型号相配,极性不能接错,补偿导线与热电偶连接端的温度不能超过100℃。
词条图册
更多图册
参考资料
1.

祝诗平.传感器与检测技术:北京大学出版社,中国林业出版社,2006年
2.

林德杰.化工仪表及自动化:机械工业出版社,2011.8
热电传感器:新品推荐 |上新!数字热电堆温度传感器来了  第3张

热电传感器:热电式传感器

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1、第7章 热电式传感器 7.17.1 热电偶 7.27.2 热电阻 7.37.3 热敏电阻 7.47.4 集成温度传感器 7.57.5 热电式传感器的应用 前序 测温重要性、温度概念与测量方法 温度测量在工业应用中的重要性 温度温度是工业生产中常见的工艺参数之一,是工业生产中常见的工艺参数之一, 任何任何物理物理变化和变化和化学化学反应过程都与温度密切相反应过程都与温度密切相 关,因此关,因此温度控制温度控制是生产自动化的重要任务。是生产自动化的重要任务。 如冶金、机械、如冶金、机械、热处理、热处理、食品、化工食品、化工以及玻璃、以及玻璃、 陶瓷和耐火材料陶瓷和耐火材料等各类工业生产过程中广泛使

2、等各类工业生产过程中广泛使 用各种加热炉、热处理炉、反应炉等。用各种加热炉、热处理炉、反应炉等。 非电量:温度、压力、流量、物位、液位、成份、物性等测量 电量:电压、电流、功率、频率、相位等测量 工艺参数还有那些工艺参数还有那些? 温度概念与测量方法 反映了物体冷热的程度,与自然界中的各种物反映了物体冷热的程度,与自然界中的各种物 理和化学过程相联系。理和化学过程相联系。 温度概念的建立及测量:温度概念的建立及测量:以热平衡为基础。以热平衡为基础。 温度最本质的性质:温度最本质的性质:当两个冷热程度不同的物当两个冷热程度不同的物 体接触后就会产生导热换热,换热结束后两物体接触后就会产生导热换热

3、,换热结束后两物 体处于热平衡状态,则它们具有相同的温度。体处于热平衡状态,则它们具有相同的温度。 测量方法测量方法:接触式测温和非接触式测温:接触式测温和非接触式测温 温度概念与测量方法温度概念与测量方法 常用的接触式测温仪表:常用的接触式测温仪表: (1) 膨胀式温度计。膨胀式温度计。 (2) 热电阻温度计。热电阻温度计。 (3)热电偶温度计。热电偶温度计。 (4)其他原理的温度计。其他原理的温度计。 特点:特点: 优点:优点:直观、可靠,测量仪表也比较简单。直观、可靠,测量仪表也比较简单。 温度概念与测量方法 缺点:缺点: 1. 由于敏感元件必须与被测对象接触,在接触由于敏感元件必须与被

4、测对象接触,在接触 过程中就可能破坏被测对象的过程中就可能破坏被测对象的温度场温度场分布,从分布,从 而造成测量误差。而造成测量误差。 2. 有的测温元件不能和被测对象充分接触,不有的测温元件不能和被测对象充分接触,不 能达到充分的能达到充分的热平衡热平衡,使测温元件和被测对象,使测温元件和被测对象 温度不一致,也会带来误差。温度不一致,也会带来误差。 3. 在接触过程中,介质腐蚀性,高温时对测温在接触过程中,介质腐蚀性,高温时对测温 元件的影响,影响测温元件元件的影响,影响测温元件可靠性可靠性和和工作寿命工作寿命。 是那类误差是那类误差? 温度概念与测量方法 非接触测温非接触测温 温度敏感元

5、件不与被测对象接触,而是通过温度敏感元件不与被测对象接触,而是通过辐辐 射能量射能量进行热交换,由辐射能的大小来推算被进行热交换,由辐射能的大小来推算被 测物体的温度。测物体的温度。 任何物体处于绝对零度以上时,都会以一任何物体处于绝对零度以上时,都会以一 定波长电磁波的形式向外辐射能量。辐射式测定波长电磁波的形式向外辐射能量。辐射式测 温仪表就是利用物体的辐射能量随其温度而变温仪表就是利用物体的辐射能量随其温度而变 化的原理制成的。化的原理制成的。 温度概念与测量方法 常用的非接触式测温仪表:常用的非接触式测温仪表: (1) 辐射式温度计:基于普朗克定理辐射式温度计:基于普朗克定理 光电高温

6、计,辐射传感器,比色温度计。光电高温计,辐射传感器,比色温度计。 (2) 光纤式温度计:光纤的温度特性、传光介质。光纤式温度计:光纤的温度特性、传光介质。 光纤温度传感器,光纤辐射温度计。光纤温度传感器,光纤辐射温度计。 优点:优点:不与被测物体接触,不破坏原有的温度不与被测物体接触,不破坏原有的温度 场,在被测物体为场,在被测物体为运动运动物体时尤为适用。物体时尤为适用。 缺点:缺点:精度一般精度一般不高不高。 温度概念与测量方法 热电式传感器热电式传感器 输入量输入量输出量输出量 温度温度 热电式热电式传感器传感器示意图示意图 电磁参数变化电磁参数变化 测量电路测量电路 电阻电阻、磁导磁导

7、或或电电 势势等的变化等的变化 电量电量 温度传感器的概述 将温度转换为电势大小的热电式传感器叫将温度转换为电势大小的热电式传感器叫热电偶热电偶; 将温度转换为电阻值大小的热电式传感器叫做将温度转换为电阻值大小的热电式传感器叫做热电阻热电阻。 7.1 热电偶 热电偶是工程上应用热电偶是工程上应用最最广泛的温度传感器。广泛的温度传感器。 它构造简单,使用方便,具有较高的准确度、稳它构造简单,使用方便,具有较高的准确度、稳 定性及复现性,温度测量范围宽,在温度测量中定性及复现性,温度测量范围宽,在温度测量中 占有重要的地位。占有重要的地位。 另外,由于热电偶是一种另外,由于热电偶是一种有源有源传感

8、器,测量传感器,测量 时不需外加电源,使用十分方便,所以常被用作时不需外加电源,使用十分方便,所以常被用作 测量炉子、管道内的气体或液体的温度及固体的测量炉子、管道内的气体或液体的温度及固体的 表面温度。表面温度。 7.1 热电偶 结论:当两个结点温度不相同时,回路中将产生电动势。结论:当两个结点温度不相同时,回路中将产生电动势。 热热电极电极A A 右端称为:右端称为: 自由端自由端 (参考端、(参考端、 冷端)冷端) 左端称为:左端称为: 测量端(工测量端(工 作端、热端)作端、热端) 热热电极电极B B 热电势热电势 A A B B 上一页下一页返 回 热电热电偶的测温测温原理 7.1

9、热电偶 7.1.1 7.1.1 热电效应热电效应 两种不同的金属两种不同的金属A A和和B B构成如图构成如图7-17-1所示的闭合所示的闭合 回路,如果将它们的两个接点中的一个进行加回路,如果将它们的两个接点中的一个进行加 热,使其温度为热,使其温度为T T,而另一点置于室温,而另一点置于室温T T0 0中,中, 则在回路中会产生热电势,用则在回路中会产生热电势,用 来表示,来表示, 这一现象称为这一现象称为热电效应热电效应。 0 ( ,) AB ET T 图图7-1 7-1 热电效应原理图热电效应原理图 7.1 热电偶 通常把两种不同金属的这种组合叫做通常把两种不同金属的这种组合叫做热电偶

10、热电偶, A A、B B叫做叫做热电极热电极,温度高的接点叫做热端或工,温度高的接点叫做热端或工 作端,而温度低的接点叫做冷端或自由端。作端,而温度低的接点叫做冷端或自由端。 由理论分析知道,热电效应产生的热电式是由由理论分析知道,热电效应产生的热电式是由 接触电势接触电势和和温差电势温差电势两部分组成。两部分组成。 1. 1. 接触电势接触电势 接触电势是由于两种不同导体的自由电子密度接触电势是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。如图不同而在接触处形成的电动势。如图7-27-2所示。所示。 7.1 热电偶 图图7-2 7-2 接触电动势接触电动势 浓度不同,电子进行扩

11、散浓度不同,电子进行扩散 动态平衡状态下,动态平衡状态下,A A和和B B两金属之间便产生一定的两金属之间便产生一定的接触电接触电 势势,该接触电势的数值取决于两种不同导体的性质和接,该接触电势的数值取决于两种不同导体的性质和接 触点的温度。两接点的接触电势触点的温度。两接点的接触电势eABeAB(T T)可表示为:可表示为: 7.1 热电偶 式中:式中: k- k-玻耳兹曼常数(玻耳兹曼常数(k=1.38k=1.38 J/K J/K);); T T - -接触面的绝对温度;接触面的绝对温度; e e - -单位电荷量(单位电荷量(e=1.6e=1.6 C C);); N NA A- -金属电

12、极金属电极A A的自由电子密度;的自由电子密度; N NB B- -金属电极金属电极B B的自由电子密度。的自由电子密度。 ( )ln A AB B NkT eT eN 23 10 19 10 7.1 热电偶 2 2温差电势温差电势 温差电势温差电势(又称汤姆森电势)是同一导体的两端因(又称汤姆森电势)是同一导体的两端因 其温度不同而产生的一种热电势。其温度不同而产生的一种热电势。 温度不同,浓度不同,电子进行扩散温度不同,浓度不同,电子进行扩散 0 0 ( ,) T A T e T TdT 关键这个是啥呢?关键这个是啥呢? 7.1 热电偶 - -汤姆逊系数汤姆逊系数,它表示温度为,它表示温度

13、为11时所产生的电时所产生的电 动势值,它与材料的性质有关。动势值,它与材料的性质有关。 综上所述,在由两种不同金属组成的闭合回路综上所述,在由两种不同金属组成的闭合回路 中,当两端点的温度不同时,回路中产生的热中,当两端点的温度不同时,回路中产生的热 电势等于上述电位差的代数和,如图电势等于上述电位差的代数和,如图7-37-3所示:所示: 图图7-3 7-3 热电偶回路的总热电势热电偶回路的总热电势 7.1 热电偶 7.1 热电偶 0 0000 000 0 ( ,)( )( ,)()( ,) ( )() ( ,)( ,) ()ln() ABABAABB ABABAB T A AB T B E

14、T TeTe T TeTe T T eTeTe T Te T T Nk TTdt eN 式中:式中: 、 分别为温度分别为温度T T和和 下的下的接触电势接触电势; ; 、 和和 为为A A和和B B的的温差电势温差电势。当热电极。当热电极A A和和B B为同一种材为同一种材 料时料时N NA A=N=NB B, A A==B B,则,则 。若热电偶两端处。若热电偶两端处 于同一温度下,即于同一温度下,即T=TT=T0 0,则,则 。 ( ) AB eT 0 () AB eT 0 T 0 ( ,) A e T T 0 ( ,) B e T T 0 ( ,)0 AB ET T 0 ( ,)0

15、 AB ET T 所以热电势存在必须具备两个条件:所以热电势存在必须具备两个条件:一是两种一是两种 不同的金属材料组成热电偶;二是它的两端存不同的金属材料组成热电偶;二是它的两端存 在温差。在温差。 7.1 热电偶 实践证明实践证明在总热电势中,温差电势比接触电势小在总热电势中,温差电势比接触电势小 很多,可忽略不计,热电偶的热电势可表示为:很多,可忽略不计,热电偶的热电势可表示为: 对于已选定的热电偶,当参考端温度恒定时,对于已选定的热电偶,当参考端温度恒定时, 为常数,则总的热电动势就只与温度为常数,则总的热电动势就只与温度T T成单值函成单值函 数关系,即数关系,即: : 000 ( ,

16、)( )()()ln A ABABAB B Nk ET TeTeTTT eN 0 () AB eTc 0 ( ,)( )( ) ABAB ET TeTcf T 电动势只是与导体电动势只是与导体A A和和B B的材料有关,与冷热端的温度的材料有关,与冷热端的温度 有关,与导体的粗细长短及两导体接触面积无关。有关,与导体的粗细长短及两导体接触面积无关。 烧断的热电偶可重新焊接,用于测温。烧断的热电偶可重新焊接,用于测温。 7.1 热电偶 实际应用中,热电势与温度之间关系是通过热实际应用中,热电势与温度之间关系是通过热 电偶电偶分度表分度表来确定的。分度表是在参考端温度来确定的。分度表是在参考端温度

17、 为为00时,通过实验建立起来的热电势与工作端时,通过实验建立起来的热电势与工作端 温度之间的数值对应关系,书中表温度之间的数值对应关系,书中表7-17-1到表到表7-47-4是是 几种常见热电偶的分度表。几种常见热电偶的分度表。 S S型(铂铑型(铂铑1010- -铂)热电偶分度表铂)热电偶分度表 B B型(铂铑型(铂铑3030- -铂铑铂铑6 6)热电偶分度表)热电偶分度表 K K型(镍镉型(镍镉- -镍硅)热电偶分度表镍硅)热电偶分度表 E E型(镍镉型(镍镉- -铜镍)热电偶分度表铜镍)热电偶分度表 7.1 热电偶 7.1.2 7.1.2 热电偶基本定律热电偶基本定律 1 1中间导体定

18、律中间导体定律 利用热电偶进行测温,必须在回路中引入连接导线利用热电偶进行测温,必须在回路中引入连接导线 和仪表,接入导线和仪表后会不会影响回路中的热和仪表,接入导线和仪表后会不会影响回路中的热 电势呢?中间导体定律说明,在热电偶测温回路内,电势呢?中间导体定律说明,在热电偶测温回路内, 接入第三种导体,只要其两端温度相同,则对回路接入第三种导体,只要其两端温度相同,则对回路 的总热电势没有影响的总热电势没有影响。 接入第三种导体回路如下图接入第三种导体回路如下图7-47-4所示。所示。 7.1 热电偶 图图7-4 7-4 热电偶中加入第三种材料热电偶中加入第三种材料 由于温差电势可忽略不计,

19、则回路中的总热电由于温差电势可忽略不计,则回路中的总热电 势等于各接点的接触电势之和,即势等于各接点的接触电势之和,即: : 0AB00 ( ,)( )e()()(76) ABCBCCA ET TeTTeT 7.1 热电偶 当当T=TT=T0 0时,有:时,有: (7-77-7) 将式(将式(7-77-7)代入式()代入式(7-67-6)得:)得: (7-87-8) BC0CA0AB0 e(T ) + e (T )=-e(T ) ABC0ABAB0AB0 E(T,T )=e(T) - e(T )=E(T,T ) 同理,加入第四、第五种导体后,只要加入的导同理,加入第四、第五种导体后

20、,只要加入的导 体两端体两端温度相等温度相等,同样不影响回路中的总热电势。,同样不影响回路中的总热电势。 但是,如果接入第三种材料的两端但是,如果接入第三种材料的两端温度不等温度不等,热电,热电 偶回路的总热电势将会偶回路的总热电势将会发生变化发生变化。其变化大小,取。其变化大小,取 决于材料的性质和接点的温度。决于材料的性质和接点的温度。 7.1 热电偶 2. 2. 参考电极定律参考电极定律 如图如图7-57-5所示,当结点温度为所示,当结点温度为 T T,T T0 0时,用导体时,用导体A A,B B组成的组成的 热电偶的热电动势等于热电偶的热电动势等于ACAC热电热电 偶和偶和CBCB热

21、电偶的热电动势的代热电偶的热电动势的代 数和,即:数和,即: AB0AC0CB0 E(T,T )E(T,T )E(T,T ) 图图7-5 7-5 参考电极定律原理图参考电极定律原理图 7.1 热电偶 参考电极的实用价值在于:参考电极的实用价值在于:它可大大简化它可大大简化 热电偶的选配工作。热电偶的选配工作。 用作参考电极(标准电极)的材料,目前用作参考电极(标准电极)的材料,目前 主要为主要为纯铂纯铂丝材,因为铂的熔点高,易提丝材,因为铂的熔点高,易提 纯,且在高温与常温时的物理、化学性能纯,且在高温与常温时的物理、化学性能 都比较稳定。都比较稳定。 只要测得各种金属与纯铂组成的热电只要测得

22、各种金属与纯铂组成的热电 偶的热电动势,则各种金属之间相互组合偶的热电动势,则各种金属之间相互组合 而成的热电偶的热电动势可直接计算。而成的热电偶的热电动势可直接计算。 7.1 热电偶 例如:热端为例如:热端为,冷端为,冷端为00时,镍铬合金时,镍铬合金 与纯铂组成的热电偶的热电动势为与纯铂组成的热电偶的热电动势为2.95mV2.95mV,考,考 铜与纯铂组成的热电偶的热电动势为铜与纯铂组成的热电偶的热电动势为-4.0mV-4.0mV; 则镍铬和考铜组合成的热电偶所产生的热电动则镍铬和考铜组合成的热电偶所产生的热电动 势:势:2.95mV-(-4.0mV)=6.95mV2.95mV

23、-(-4.0mV)=6.95mV 各种电偶材料各种电偶材料 7.1 热电偶 3. 3. 中间温度定律中间温度定律 在热电偶回路中,两接点温度为在热电偶回路中,两接点温度为T,T0时的热电时的热电 势,等于该热电偶在接点势,等于该热电偶在接点T、Ta和和Ta、T0时的热时的热 电势之和,如图电势之和,如图7-6所示所示: 由上图可得:由上图可得: AB0ABaABa0 E(T,T )=E(T,T )+E(T ,T ) 图图7-67-6中间温度定律示意图中间温度定律示意图 7.1 热电偶 根据这一定律,只要给出自由端根据这一定律,只要给出自由端00时的热电时的热电 势和温度关系,就可求出冷端为任

24、意温度势和温度关系,就可求出冷端为任意温度T T0 0的的 热电偶电动势。它是制定热电偶分度表的理论热电偶电动势。它是制定热电偶分度表的理论 基础。在实际热电偶测温回路中,利用热电偶基础。在实际热电偶测温回路中,利用热电偶 这一性质,可对参考端温度不为这一性质,可对参考端温度不为00的热电势的热电势 进行进行修正修正。 下面看一个例子下面看一个例子 例:用(例:用(S S型)热电偶测量某一温度,若参比端温型)热电偶测量某一温度,若参比端温 度度T Tn n=30=30,测得的热电势测得的热电势E(T,TnE(T,Tn)=7.5mV)=7.5mV,求测求测 量端实际温度量端实际温度T T。 )(

25、),(),( 0,0 TTETTETTE nn CTCTTTE nn 030 00 ,)中,(在 查分度表有查分度表有E(30,0)=0.173 mV mVTTE n 5 . 7),( mVETETE673.7173.05 .7)0 ,30(300),(),( 反查分度表有反查分度表有T=830T=830,测量端实际温度为测量端实际温度为 7.1 热电偶 7.1 热电偶 7.1.37.1.3热电偶的结构形式热电偶的结构形式 为了适应不同生产对象的测温要求和条件,热为了适应不同生产对象的测温要求和条件,热 电偶的结构形式有普通型热电偶、铠装型热电电偶的结构形式有普通型热电偶、铠装型

26、热电 偶和薄膜热电偶等。偶和薄膜热电偶等。 1 1普通型热电偶普通型热电偶 图图7-7 7-7 普通型热电偶结构普通型热电偶结构 7.1 热电偶 普通型结构热电偶工业上使用最多,它一般由热电极、绝普通型结构热电偶工业上使用最多,它一般由热电极、绝 缘套管、保护管和接线盒组成。缘套管、保护管和接线盒组成。 2 2铠装热电偶铠装热电偶 铠装热电偶又称套管热电偶。它是由热电偶丝、绝缘铠装热电偶又称套管热电偶。它是由热电偶丝、绝缘 材料和金属套管三者经拉伸加工而成的坚实组合体,如图材料和金属套管三者经拉伸加工而成的坚实组合体,如图7- 7- 8 8所示。所示。 7.1 热电偶 铠装热电偶优点:铠装热电

27、偶优点: 铠装热电偶具有能弯曲、耐高压、热响应铠装热电偶具有能弯曲、耐高压、热响应 时间快和坚固耐用等许多优点,它和工业用装时间快和坚固耐用等许多优点,它和工业用装 配式热电偶一样,作为测量温度的配式热电偶一样,作为测量温度的变送器变送器,通,通 常和显示仪表、记录仪表和电子调节器配套使常和显示仪表、记录仪表和电子调节器配套使 用,同时亦可作为装配式热电偶的感温元件用,同时亦可作为装配式热电偶的感温元件。 3. 3. 薄膜热电偶薄膜热电偶( (略略) ) 7.1 热电偶 7.1.4 7.1.4 热电偶温度补偿方法热电偶温度补偿方法 热电偶的热电势的大小与热端温度有关,与冷端温度有关,热电偶的热

28、电势的大小与热端温度有关,与冷端温度有关, 只有当冷端温度恒定,才可通过测量热电势的大小得到热端只有当冷端温度恒定,才可通过测量热电势的大小得到热端 温度。热电偶电路中最大的问题是温度。热电偶电路中最大的问题是冷端的问题冷端的问题。即如何选即如何选 择测温的参考点。择测温的参考点。 热电偶的冷端处理和补偿热电偶的冷端处理和补偿: : 当热电偶冷端处在温度波动较大的地方时,必须首当热电偶冷端处在温度波动较大的地方时,必须首 先使用补偿导线将冷端延长到一个温度稳定的地方,再先使用补偿导线将冷端延长到一个温度稳定的地方,再 考虑将冷端处理为考虑将冷端处理为。 几种冷端处理方法: 1. 热电偶冷端温度

29、恒温法热电偶冷端温度恒温法 2. 补偿导线法补偿导线法 3. 计算修正法计算修正法 4. 冷端补偿电桥法冷端补偿电桥法 7.1 热电偶 1. 热电偶冷端温度恒温法热电偶冷端温度恒温法 (1 1)冰水保温瓶方式冰水保温瓶方式(冰点器方式)(冰点器方式): :将热电偶的冷端置将热电偶的冷端置 于冰水保温瓶中,获得热电偶冷端的参考温度。于冰水保温瓶中,获得热电偶冷端的参考温度。 (2 2)恒温槽方式恒温槽方式: : 即将冷端置于恒温槽中,如恒定温度为即将冷端置于恒温槽中,如恒定温度为T T 0 0,则冷端的误差,则冷端的误差 为:为: 所以需对热电偶进行冷端温度修正。所以需对热电偶进行冷端温度修正。

30、 2. 补偿导线法补偿导线法 由于受到材料价格的限制不可能做很长,而要使其由于受到材料价格的限制不可能做很长,而要使其 冷端不受测温对象的温度影响,必须使冷端远离温度冷端不受测温对象的温度影响,必须使冷端远离温度 对象,采用补偿导线可以做到这一点。对象,采用补偿导线可以做到这一点。 ( ,)( ,0)(,0)E T TE TE T 7.1 热电偶 所谓所谓补偿导线补偿导线,实际上是一对材料化学,实际上是一对材料化学 成分不同的导线,在成分不同的导线,在0 温度范围内与温度范围内与 配接的热电偶有一致的热电特性,但价格相配接的热电偶有一致的热电特性,但价格相 对要便宜。

31、若我们利用补偿导线,将热电偶对要便宜。若我们利用补偿导线,将热电偶 的冷端延伸到温度恒定的场所的冷端延伸到温度恒定的场所( (如仪表室如仪表室) ), 其实质是相当于将热电极延长。根据其实质是相当于将热电极延长。根据中间导中间导 体定律体定律,只要热电偶和补偿导线的二个接点,只要热电偶和补偿导线的二个接点 温度一致,是不会影响热电动势输出的。温度一致,是不会影响热电动势输出的。 7.1 热电偶 使用补偿导线时注意问题:使用补偿导线时注意问题: 补偿导线只能用在规定的温度范围内(补偿导线只能用在规定的温度范围内(0-1500-150);); 热电偶和补偿导线的两个接点处要保持热电偶和补偿导线的两

32、个接点处要保持温度相同温度相同,不不 同型号的热电偶配有不同的补偿导线;同型号的热电偶配有不同的补偿导线; 补偿导线正、负极需分别与热电偶正、负极相连;补偿导线正、负极需分别与热电偶正、负极相连; 补偿导线的作用是对热电偶冷端延长。补偿导线的作用是对热电偶冷端延长。 7.1 热电偶 3. 计算修正法计算修正法 热电偶的分度表是按冷端温度为热电偶的分度表是按冷端温度为0 0度分度的,度分度的, 但在实际应用中,热电偶的参比端往往不是但在实际应用中,热电偶的参比端往往不是0 0度,度, 而是环境温度,这时测量出的回路热电势要小,而是环境温度,这时测量出的回路热电势要小, 因此必须加上环境温度与冰点

33、之间温差所产生因此必须加上环境温度与冰点之间温差所产生 的热电势后才能符合热电偶分度表的要求。的热电势后才能符合热电偶分度表的要求。 可用室温计测出环境温度可用室温计测出环境温度T1T1,从分度表中,从分度表中 查出的查出的E(T1,0)E(T1,0)值,然后加上热电偶回路热电势值,然后加上热电偶回路热电势 E(T,T1)E(T,T1),得到,得到E(T,0)E(T,0)值,反查分度表即可得到值,反查分度表即可得到 准确的被测温度值。准确的被测温度值。 7.1 热电偶 例:用镍铬例:用镍铬-镍硅镍硅(K(K型型) )热电偶测温,热电偶参比热电偶测温,热电偶参比 端温度为端温度为3030。测得的

34、热电势为。测得的热电势为28mV28mV,求热端温度。,求热端温度。 mVE203. 1)0 ,30(mVTE28)30,( mVmVmVTE203.. 128)0 ,( 反查K分度表 T=701.5 7.1 热电偶 7.1 热电偶 4. 冷端补偿电桥法冷端补偿电桥法 补偿电桥法是利用不平衡电桥产生的不平衡电压作为补偿电桥法是利用不平衡电桥产生的不平衡电压作为 补偿信号,来自动补偿热电偶测量过程中因参考端温补偿信号,来自动补偿热电偶测量过程中因参考端温 度不为度不为00或变化而引起热电势的变化值。或变化而引起热电势的变化值。 图图7-10 7-10 冷端补偿器原理图冷端补偿器原理图

35、7.1 热电偶 如图如图7-107-10所示,不平衡电桥由三个电阻温度系所示,不平衡电桥由三个电阻温度系 数较小的锰铜丝绕制的电阻数较小的锰铜丝绕制的电阻R R1 1、R R2 2、R R3 3电阻温电阻温 度系数较大的铜丝绕制的电阻度系数较大的铜丝绕制的电阻R RCuCu和稳压电源组和稳压电源组 成。补偿电桥与热电偶参考端处在同一环境温成。补偿电桥与热电偶参考端处在同一环境温 度,但由于度,但由于R RCuCu的阻值随环境温度变化而变化,的阻值随环境温度变化而变化, 如果适当选择桥臂电阻和桥路电流,就可以使如果适当选择桥臂电阻和桥路电流,就可以使 电桥产生的不平衡电压电桥产生的不平衡电压U

36、UABAB补偿由于参考端温补偿由于参考端温 度变化引起的热电势度变化引起的热电势E EABAB(T T,T T0 0)变化量,从变化量,从 而达到自动补偿的目的。而达到自动补偿的目的。 P399实验中使用负温度系数的热电阻来构建温度补偿电路 7.1 热电偶 7.1.5 7.1.5 热电偶测温电路热电偶测温电路 热电偶测温时,它可以直接与显示仪表(如电子电位热电偶测温时,它可以直接与显示仪表(如电子电位 差计、数字表等)配套使用,也可与温度变送器配套,差计、数字表等)配套使用,也可与温度变送器配套, 转换成标准电流信号,图转换成标准电流信号,图7-117-11为典型的热电偶测温线路。为典型的热电

37、偶测温线路。 如用一台显示仪表显示多点温度时,可按图如用一台显示仪表显示多点温度时,可按图7-127-12连接,连接, 这样可节约显示仪表和补偿导线。这样可节约显示仪表和补偿导线。 图图7-11 7-11 热电偶测温典型电路热电偶测温典型电路 7.1 热电偶 图图7-12 7-12 多点测温电路多点测温电路 7.1 热电偶 特殊情况下,热电偶可以串联或并联使用,但只能是特殊情况下,热电偶可以串联或并联使用,但只能是同同 一分度号一分度号的热电偶,且参考端应在同一温度下。如热电偶的热电偶,且参考端应在同一温度下。如热电偶 正向串联,可获得较大的热电势输出和提高灵敏度。在测正向串联,可获得较大的热

38、电势输出和提高灵敏度。在测 量两点温差时,可采用热电偶反向串联。利用热电偶并联量两点温差时,可采用热电偶反向串联。利用热电偶并联 可以测量平均温度。热电偶串、并联线路如图可以测量平均温度。热电偶串、并联线路如图7-137-13所示。所示。 (a a)热电偶串联线路)热电偶串联线路 (b b)热电偶反向串联线路)热电偶反向串联线路 (c c)热电偶并联线路)热电偶并联线路 图图7-13 7-13 热电势串并联线路热电势串并联线路 同型号热电偶同型号热电偶 相同的补偿导线相同的补偿导线 两冷端温度相同两冷端温度相同 当其中一支热电偶当其中一支热电偶 断路时,不会中断整个断路时,不会中断整个 测温系

39、统的工作。但察觉测温系统的工作。但察觉 不到有一支已坏不到有一支已坏 热电动势大,仪表的灵敏度热电动势大,仪表的灵敏度 大为增加。缺点是大为增加。缺点是 只要有一支热电偶断路,只要有一支热电偶断路, 整个测量系统便无法工作整个测量系统便无法工作 7.2 热电阻传感器 热电阻传感器热电阻传感器是利用导体的电阻值随温度是利用导体的电阻值随温度 变化而变化的原理进行测温的。变化而变化的原理进行测温的。 热电阻传感器的测量精度高;有较大的测量范热电阻传感器的测量精度高;有较大的测量范 围,它可测量围,它可测量的温度;易于使用的温度;易于使用 在自动测量和远距离测量中。在自动测量

40、和远距离测量中。 热电阻由电阻体、保护套和接线盒等部件组成。热电阻由电阻体、保护套和接线盒等部件组成。 其结构形式可根据实际使用制作成各种形状。其结构形式可根据实际使用制作成各种形状。 作为热电阻的材料要求:作为热电阻的材料要求: 电阻温度系数要大,以提高热电阻的灵敏度;电阻温度系数要大,以提高热电阻的灵敏度; 电阻率尽可能大,以便减小电阻体尺寸;电阻率尽可能大,以便减小电阻体尺寸; 热容量要小,以便提高热电阻的响应速度;热容量要小,以便提高热电阻的响应速度; 在测量范围内,应具有稳定的物理和化学性能;在测量范围内,应具有稳定的物理和化学性能; 电阻与温度的关系最好接近于线性;电阻与温度的关系

41、最好接近于线性; 应有良好的可加工性,且价格便宜。应有良好的可加工性,且价格便宜。 使用最广泛的热电阻材料是铂和铜。使用最广泛的热电阻材料是铂和铜。 7.2 热电阻传感器 热电阻的工作原理:热电阻的工作原理:温度升高,金属内部原子晶格的振动加温度升高,金属内部原子晶格的振动加 剧,从而使金属内部的自由电子通过金属导体时的阻碍增剧,从而使金属内部的自由电子通过金属导体时的阻碍增 大,宏观上表现出电阻率变大,电阻值增加,我们称其为大,宏观上表现出电阻率变大,电阻值增加,我们称其为 正温度系数,即电阻值与温度的变化趋势相同。正温度系数,即电阻值与温度的变化趋势相同。 取一只取一只 100W/220V

42、 100W/220V 灯泡,用万用表测量其电阻值,灯泡,用万用表测量其电阻值, 可以发现其冷态阻值只有几十欧姆,而计算得到的额定热态可以发现其冷态阻值只有几十欧姆,而计算得到的额定热态 电阻值应为电阻值应为 。 7.2 热电阻传感器 7.2 热电阻传感器 7.2.1 7.2.1 常用热电阻常用热电阻 目前最常用的热电阻有铂热电阻和铜热电阻。目前最常用的热电阻有铂热电阻和铜热电阻。 1 1铂电阻铂电阻 铂热电阻的测量精确度是铂热电阻的测量精确度是最高的最高的,稳定性好、性能,稳定性好、性能 可靠,广泛应用于工业测温。按可靠,广泛应用于工业测温。按IPTS-68IPTS-68标准,在标

43、准,在 -259.34+630.74 -259.34+630.74温域内,以铂电阻温度计作为温域内,以铂电阻温度计作为基基 准仪。准仪。 一流企业做标准,二流?三流呢?一流企业做标准,二流?三流呢? 7.2 热电阻传感器 铂热电阻的温度特性,在铂热电阻的温度特性,在0 0630. . 74以内为:以内为: 在在-190-以内为:以内为: 2 01 t RRAtBt 23 01 (100) t RRAtBtC tt 式中:式中: R Rt t温度为温度为t t时的阻值;时的阻值; R R0 0温度为温度为0 0度时的阻值;度时的阻值; A A分度系数,取分度系数,取3.940

44、3.940 / /; B B分度系数,取分度系数,取-5.84-5.84 / / ; C C分度系数,取分度系数,取-4.22-4.22 / / 。 3 10 7 10 12 10 2 4 7.2 热电阻传感器 热电阻在温度热电阻在温度t t时的电阻值与时的电阻值与R R0 0有关。目前我国有关。目前我国 规定工业用铂热电阻有规定工业用铂热电阻有R R0 0=50=50和和R R0 0=100=100两种,两种, 它们的它们的分度号分度号分别为分别为Pt50Pt50和和Pt100Pt100,其中以,其中以Pt100Pt100 为常用。铂热电阻不同分度号亦有相应分度表,为常用。铂热电阻不同分度号

45、亦有相应分度表, 即即RtRtt t的关系表,这样在实际测量中,只要测的关系表,这样在实际测量中,只要测 得热电阻的阻值得热电阻的阻值R Rt t,便可从分度表上查出对应,便可从分度表上查出对应 的温度值。书中表的温度值。书中表7-57-5是是Pt100Pt100热电阻的分度特热电阻的分度特 性表。性表。 7.2 热电阻传感器 铂热电阻中的铂丝纯度用电阻比铂热电阻中的铂丝纯度用电阻比WW表示,它表示,它 是铂热电阻在是铂热电阻在时电阻值时电阻值R R与与00时电阻时电阻 值值R R0 0之比。按之比。按IECIEC标准,工业使用的铂热电阻标准,工业使用的铂热

46、电阻 的的WW..3850。 PT100PT100具有正温度系数,通常用白金线绕制完具有正温度系数,通常用白金线绕制完 成后,放入保护管中,保护管可用玻璃,不锈成后,放入保护管中,保护管可用玻璃,不锈 钢等材料制成,为了配合不同的测试环境,可钢等材料制成,为了配合不同的测试环境,可 使用不同的长度与外径,保护管内空隙以氧化使用不同的长度与外径,保护管内空隙以氧化 物陶瓷及黏合剂填充。图物陶瓷及黏合剂填充。图7-147-14所示为几种常见所示为几种常见 的包装。的包装。 7.2 热电阻传感器 (a)(a)缠绕在云母棒的缠绕在云母棒的PT100 (b)PT100 (b)封入

47、玻璃中的封入玻璃中的PT100 (c)PT100 (c)不锈钢包装保护管的剖面不锈钢包装保护管的剖面 图图7-14 PT1007-14 PT100几种常见的包装几种常见的包装 铠装式铂电阻铠装式铂电阻 7.2 热电阻传感器 2 2铜电阻铜电阻 由于由于铂铂是贵重金属材料,因此,在一些测量精度要是贵重金属材料,因此,在一些测量精度要 求不高且温度较低的场合,可采用铜热电阻进行测求不高且温度较低的场合,可采用铜热电阻进行测 温,它的测量范围为温,它的测量范围为-50-。铜热电阻在测量。铜热电阻在测量 范围内其电阻值与温度的关系几乎是线性的,可近范围内其电阻值与温度的关系几乎是线性的

48、,可近 似地表示为:似地表示为: 0 (1)(7 14) t RRt 7.2 热电阻传感器 铜热电阻线性好,价格便宜,但它电阻率较铜热电阻线性好,价格便宜,但它电阻率较 低,且在低,且在以下易氧化,不适宜在腐蚀性介以下易氧化,不适宜在腐蚀性介 质或高温下工作。铜热电组的两种分度号为质或高温下工作。铜热电组的两种分度号为Cu50Cu50 (R R0=500=50)和)和Cu100Cu100(R100=100R100=100)。)。 Cu50 Cu50分度分度 表见课本。表见课本。 7.2 热电阻传感器 7.2.2 7.2.2 热电阻传感器的引线方式热电阻传感器的引线方式 热电阻测温精

49、度高、适于测热电阻测温精度高、适于测低温低温。传感器的测量。传感器的测量 电路经常使用电桥,其中精度较高的是自动电桥。电路经常使用电桥,其中精度较高的是自动电桥。 由于热电阻的电阻值很小,所以导线电阻值不可由于热电阻的电阻值很小,所以导线电阻值不可 忽略。热电阻传感器内部引线方式有两线制、忽略。热电阻传感器内部引线方式有两线制、 三三 线制和四线制线制和四线制3 3种,如图种,如图7 所示。所示。 图图7-15 7-15 内部引线方式内部引线方式 7.2 热电阻传感器 二线制中引线电阻对测量二线制中引线电阻对测量影响大影响大,用于测温精度,用于测温精度 不高场合。不高场合。 三线制可

50、以减小热电阻与测量仪表之间连接导线三线制可以减小热电阻与测量仪表之间连接导线 的电阻因的电阻因环境温度变化环境温度变化所引起的测量误差。所引起的测量误差。 四线制可以完全消除引线电阻对测量的影响,用四线制可以完全消除引线电阻对测量的影响,用 于于高精度高精度温度检测。工业用铂电阻测温常采用三温度检测。工业用铂电阻测温常采用三 线制和四线制连接法。线制和四线制连接法。 图图7-167-16和图和图7-177-17分别为三线制和四线制电桥连接测分别为三线制和四线制电桥连接测 量电路。量电路。 7.2 热电阻传感器 图图7-16 7-16 热电阻测温电桥的三线制接法热电阻测温电桥的三线制接法 G G

51、是检流计,是检流计,R1R1、R2R2、R3R3是固定电阻,是固定电阻, R1=R3R1=R3, r1r1、r2r2、r3r3是是 引线电阻,引线电阻,RaRa是零位调节精密电阻,是零位调节精密电阻,RtRt是热电阻。当是热电阻。当U UA A=U=UB B 时,电桥平衡,调节时,电桥平衡,调节RaRa,可消除引线电阻的影响。,可消除引线电阻的影响。 7.2 热电阻传感器 图图7-17 7-17 热电阻测温电桥的四线制接法热电阻测温电桥的四线制接法 7.2 热电阻传感器 7.2.3 7.2.3 几种常用的热电阻传感器测量电路几种常用的热电阻传感器测量电路 1 1PT100PT100的测量电路的

52、测量电路 图图7-18 PT100 7-18 PT100 转换电路转换电路 7.2 热电阻传感器 图图7-19 7-19 铂电阻恒电流工作电路铂电阻恒电流工作电路 7.2 热电阻传感器 2 2恒电流工作方式下恒电流工作方式下TRRA102BTRRA102B铂电阻的基本测铂电阻的基本测 量电路量电路 图图7-20 7-20 铂电阻恒电流工作电路铂电阻恒电流工作电路 7.2 热电阻传感器 3 3恒电压工作方式下恒电压工作方式下TRRA102BTRRA102B铂电阻的基本测铂电阻的基本测 量电路量电路 图图7-21 7-21 恒电压工作电路恒电压工作电路 7.2 热电阻传感器 图图7-22 7-22

53、 恒电压工作电路恒电压工作电路 7.2 热电阻传感器 4 4电流为电流为420mA420mA的铂电阻环形测量电路的铂电阻环形测量电路 图图7-237-23 用铂电阻制作的用铂电阻制作的420mA420mA的环路器电路的环路器电路 7.2 热电阻传感器 5 5测温范围为测温范围为的带有线性化电路的环形的带有线性化电路的环形 电流电路电流电路 图图7-24 7-24 用于铂电阻的测温范围为用于铂电阻的测温范围为的的420mA420mA电流环形电路电流环形电路 7.2 热电阻传感器 图图7-26 7-26 电路的非线性误差电路的非线性误差图图7-25 7-25 铂电阻

54、的铂电阻的3 3线式连接法线式连接法 7.3 热敏电阻 本节介绍半导体的电阻值随温度变化的一种本节介绍半导体的电阻值随温度变化的一种 热敏元件(热敏电阻)。热敏元件(热敏电阻)。 热敏电阻是由一些金属氧化物热敏电阻是由一些金属氧化物, , 采用不同比例的采用不同比例的 配方,经高温烧结而成,然后采用不同的封装形配方,经高温烧结而成,然后采用不同的封装形 式制成珠状、片状、杆状、垫圈状等各种形状。式制成珠状、片状、杆状、垫圈状等各种形状。 热敏电阻具有以下优点:电阻温度系数大,灵热敏电阻具有以下优点:电阻温度系数大,灵 敏度高;结构简单;电阻率高,热惯性小;敏度高;结构简单;电阻率高,热惯性小;

55、 但它阻值与温度变化呈非线性,且稳定性和互换但它阻值与温度变化呈非线性,且稳定性和互换 性较差。性较差。 7.3 热敏电阻 7.3.1 7.3.1 热敏电阻的温度特性热敏电阻的温度特性 按半导体电阻随温度变化的典型特性分为三种类型:即负按半导体电阻随温度变化的典型特性分为三种类型:即负 电阻温度系数热敏电阻(电阻温度系数热敏电阻(NTCNTC),正电阻温度系数热敏电),正电阻温度系数热敏电 阻(阻(PTCPTC)和在在某一特定温度下电阻值会发生突变的临界)和在在某一特定温度下电阻值会发生突变的临界 温度电阻器(温度电阻器(CTRCTR)。它们的特性曲线如同)。它们的特性曲线如同7-267-26

56、所示。所示。 图图7-27 7-27 各种热敏电阻的特性各种热敏电阻的特性 7.3 热敏电阻 由图由图7-187-18可见,使用可见,使用CTRCTR型热敏电阻组成控制开型热敏电阻组成控制开 关是十分理想的。在温度测量中,则主要采用关是十分理想的。在温度测量中,则主要采用 NTCNTC或或PTCPTC型热敏电阻,但使用最多的是型热敏电阻,但使用最多的是NTCNTC型型 热敏电阻。负温度系数的热敏电阻的阻值与温度热敏电阻。负温度系数的热敏电阻的阻值与温度 的关系可表示为:的关系可表示为: 式中:式中: R RT T、R R0 0温度温度T T、T T0 0时的阻值;时的阻值; T T热力学温度;

57、热力学温度; B B热敏电阻材料常数,一般取热敏电阻材料常数,一般取K6000K。 若定义若定义 为热敏电阻的温度系数为热敏电阻的温度系数 ,则由,则由 式得:式得: 0 11 () 0 B TT T RR e 0(1 ) t RRt 0(1 ) t RRt 1 T T dR RdT 7.3 热敏电阻 2 1 T T dRB a RdTT B B和和 值是表征热敏电阻材料性能的两个重要参数,热敏电阻的值是表征热敏电阻材料性能的两个重要参数,热敏电阻的 电阻温度系数比金属丝的高很多,所以它的灵敏度很高。但热电阻温度系数比金属丝的高很多,所以它的灵敏度很高。但热 敏电阻非线

58、性严重,所以实际使用时要对其进行线性化处理。敏电阻非线性严重,所以实际使用时要对其进行线性化处理。 7.3 热敏电阻 7.3.27.3.2热敏电阻输出特性的线性化处理热敏电阻输出特性的线性化处理 热敏电阻值随温度变化呈指数规律,其非线性非常严重。热敏电阻值随温度变化呈指数规律,其非线性非常严重。 线性变换常用的方法有:线性变换常用的方法有: 1 1线性化网络线性化网络 对热敏电阻进行线性化处理的最简单方法是用温度系数对热敏电阻进行线性化处理的最简单方法是用温度系数 很小的精密电阻与热敏电阻串联或并联构成电阻网络代替很小的精密电阻与热敏电阻串联或并联构成电阻网络代替 单个热敏电阻,其等效电阻与温

59、度呈一定的线性关系。图单个热敏电阻,其等效电阻与温度呈一定的线性关系。图 7-287-28是两种最简单的线性化方法。是两种最简单的线性化方法。 7.3 热敏电阻 图图7-28 7-28 常用补偿电路常用补偿电路 7.3 热敏电阻 2 2计算修正法计算修正法 大部分传感器的输出特性都存在非线性,因此实大部分传感器的输出特性都存在非线性,因此实 际使用时都必须对其进行线性化处理,其方法有际使用时都必须对其进行线性化处理,其方法有 硬件(电子线路)法和软件(程序)法。硬件(电子线路)法和软件(程序)法。 在带有微处理器的测量系统中,就可以用软件对在带有微处理器的测量系统中,就可以用软件对 传感器进行

60、处理。当已知热敏电阻的实际特性和传感器进行处理。当已知热敏电阻的实际特性和 要求的理想特性时,可以用线性插值等方法将特要求的理想特性时,可以用线性插值等方法将特 性分段并把分段点的值存放在计算机的内存中,性分段并把分段点的值存放在计算机的内存中, 计算机将根据热敏电阻的实际输出值进行校正计计算机将根据热敏电阻的实际输出值进行校正计 算,给出要求的输出值。算,给出要求的输出值。 7.4 集成温度传感器 集成温度传感器是利用晶体管集成温度传感器是利用晶体管PNPN结的电结的电 流电压特性与温度的关系,把感温流电压特性与温度的关系,把感温PNPN结及有关结及有关 电子线路集成在一个小硅片上,构成一个

61、小型电子线路集成在一个小硅片上,构成一个小型 化、一体化的专用集成电路片。化、一体化的专用集成电路片。 集成温度传感器具有体积小、反应快、线性好、集成温度传感器具有体积小、反应快、线性好、 价格低等优点,由于价格低等优点,由于PNPN结受耐热性能和特性范结受耐热性能和特性范 围的限制,它只能用来测围的限制,它只能用来测以下的温度。以下的温度。 7.4 集成温度传感器 7.4.1 7.4.1 基本工作原理基本工作原理 目前在集成温度传感器中,都采用一对非常匹目前在集成温度传感器中,都采用一对非常匹 配的差分对管作为温度敏感元件。图配的差分对管作为温度敏感元件。图7-297-29是集成

62、是集成 温度传感器基本原理图。温度传感器基本原理图。 图图7-29 7-29 集成温度传感器基本原理集成温度传感器基本原理 7.4 集成温度传感器 其中其中VTVT1 1和和VTVT2 2是互相匹配的晶体管,是互相匹配的晶体管,I I1 1和和I I2 2分分 别是别是VTVT1 1和和VTVT2 2管的集电极电流,由恒流源提供。管的集电极电流,由恒流源提供。 VTVT1 1和和VTVT2 2管的两个发射极和基极电压之差管的两个发射极和基极电压之差UbUb e e可用下式表示,即:可用下式表示,即: 121 212 ln()ln() IAEIKTKT U qIAEqI 式中:式中:k k- -

63、是波尔兹曼常数;是波尔兹曼常数;q q- -是电子电荷量;是电子电荷量; - -是是VT1VT1和和 VT2VT2管发射结的面积之比。管发射结的面积之比。 从式中看出,如果保证从式中看出,如果保证I I1 1/I/I2 2恒定,则恒定,则UbeUbe就与温度就与温度T T成成 单值线性函数关系。这就是集成温度传感器的基本工作原单值线性函数关系。这就是集成温度传感器的基本工作原 理,在此基础上可设计出各种不同电路以及不同输出类型理,在此基础上可设计出各种不同电路以及不同输出类型 的集成温度传感器。的集成温度传感器。 7.4 集成温度传感器 7.4.2 7.4.2 集成温度传感器的信号输出方式集成

64、温度传感器的信号输出方式 1 1电压输出型电压输出型 电压输出型集成温度传感电压输出型集成温度传感 器原理电路图如图器原理电路图如图7-307-30所所 示。当电流示。当电流I I1 1恒定时,通恒定时,通 过改变过改变R R1 1的阻值,可实现的阻值,可实现 I I1 1=I=I2 2,当晶体管的,当晶体管的 1 1 图图7-30 7-30 电压输出型电路原理图电压输出型电路原理图 时,电路的输出电压可由时,电路的输出电压可由 下式确定,即:下式确定,即: 2 022 11 .ln be URKT UI R RRq 7.4 集成温度传感器 2 2电流输出型电流输出型 图图7-317-31为电

65、流输出型集成温为电流输出型集成温 度传感器的原理电路图。度传感器的原理电路图。VT1VT1 和和VT2VT2是结构对称的两个晶体是结构对称的两个晶体 管,作为恒流源负载,管,作为恒流源负载,VT3VT3和和 VT4VT4管是测温用的晶体管,其管是测温用的晶体管,其 中中VT3VT3管的发射结面积是管的发射结面积是VT4VT4管管 的的8 8倍,即倍,即r r=8=8。流过电路的。流过电路的 图图7-31 7-31 电流输出型电路原理图电流输出型电路原理图 总电流总电流Ir Ir为:为: 1 22 2ln be UKT II RqR 7.4 集成温度传感器 7.4.3 AD5907.4.3 AD

66、590集成温度传感器应用实例集成温度传感器应用实例 AD590AD590是应用广泛的一种集成温度传感器,由于它内是应用广泛的一种集成温度传感器,由于它内 部有放大电路,再配上相应外电路,方便地构成各部有放大电路,再配上相应外电路,方便地构成各 种应用电路。下面介绍种应用电路。下面介绍AD590AD590几种简单的应用线路。几种简单的应用线路。 1 1温度测量电路温度测量电路 图图7-327-32是一个简单的测温电是一个简单的测温电 路。路。AD590AD590在在2525(298.2K298.2K) 时,理想输出电流为时,理想输出电流为298.2298.2 A A, 但实际上存在一定误差,可以但实际上存在一定误差,可以 图图7-32 7-32 简单的测量电路简单的测量电路 在外电路中进行修正。在外电路中进行修正。 7.4 集成温度传感器 图图7-33 7-33 简单的温控电路简单的温控电路 7.4 集成温度传感器 3. 3. 热电偶参考端补偿电路热电偶参考端补偿电路 该种补偿电路如图该种补偿电路如图7-347-34所所 示。示。AD590AD590应与热电偶参应与热电偶参 考端处于同一

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