传感器与检测技术-教材课件.ppt

1、第9章 温度检测技术 温度是国际单位制给出的基本物理量之一，它是工农业生产、科学试验中需要经常测量和控制的主要参数。从热平衡的观点看，温度可以作为物体内部分子无规则热运动剧烈程度的标志。温度与人们日常生活紧密相关。第第9章章 温度检测技术温度检测技术 9.1 概述概述9.2 接触式测温方法接触式测温方法9.3 辐射法测温辐射法测温第第9章章 温度检测技术温度检测技术 为了保证温度量值的准确和利于传递，需要建立一个衡量温度的统一标准尺度，即温标。利用一些物质的某些物性(诸如尺寸、密度、硬度、弹性模量、辐射强度等)随温度变化的规律，通过这些量来对温度进行间接测量。经验温标1热力学温标2绝对气体温标

2、3国际实用温标4华氏温标 1714年德国人法勒海特(Fahrenheit)以水银为测温介质，制成玻璃水银温度计。按照华氏温标，则水的冰点为32，沸点为212。摄氏温标 1740年瑞典人摄氏(Celsius)提出在标准大气压下，把水的冰点规定为0度，水的沸点规定为100度。摄氏温度和华氏温度的关系为 T =t+32 式中 T华氏温度值;t摄氏温度值。热力学温标是由开尔文(Ketvin)在1848年提出的，以卡诺循环(Carnot cycle)为基础。热力学温标是国际单位制中七个基本物理单位之一。热力学温标为了在分度上和摄氏温标相一致，把理想气体压力为零时对应的温度绝对零度与水的三相点温度分为27

3、3.16份，每份为1 K(Kelvin)。从理想气体状态方程入手，来复现热力学温标叫绝对气体温标。由波义耳定律：当气体的体积为恒定(定容)时，其压强就是温度的单值函数。这样就有：PVRT2211TPTP指导思想：尽可能地接近热力学温标，复现精度要高，制作较容易，性能稳定，使用方便；1989年7月第77届国际计量委员会批准建立了新的国际温标，简称ITS-90。ITS-90基本内容：1、重申国际实用温标单位仍为K，1 K等于水的三相点等于水的三相点时温度值的时温度值的1/273.16；2、把水的三相点时温度值定义为水的三相点时温度值定义为0.01（摄氏度），同时相应把绝对零度修订为把绝对零度修订为

4、-273.15；国际摄氏温度和国际实用温度关系为：9090273.15tTITS-90基本内容：3、把整个温标分成4个温区，其相应的标准仪器如下：0.655.0K，用3He和4He蒸汽温度计；3.024.5561K，用3He和4He定容气体温度计；13.803K961.78，用铂电阻温度计；961.78以上，用光学或光电高温计；4、新确认和规定17个固定点温度值以及借助依据这些固定点和规定的内插公式分度的标准仪器来实现整个热力学温标。见表9-1所示：表9-1 ITS-90温标17固定点温度 9.1.2 9.1.2 测温方法分类及其特点测温方法分类及其特点 根据传感器的测温方式，温度基本测量方法

5、通常可分成接触式和非接触式两大类。9.1.2 9.1.2 标定标定标准值法标准值法1 用适当的方法建立起一系列国际温标定义的固定温度点(恒温)作标准值，把被标定温度计(或传感器)依次置于这些标准温度值之下，记录下温度计的相应示值(或传感器的输出)，并根据国际温标规定的内插公式对温度计(传感器)的分度进行对比记录，从而完成对温度计的标定；被定后的温度计可作为标准温度计来测温度。9.1.2 9.1.2 标定标定标准表法标准表法2 把被标定温度计(传感器)与已被标定好的更高一级精度的温度计(传感器)，紧靠在一起，共同置于可调节的恒温槽中，分别把槽温调节到所选择的若干温度点，比较和记录两者的读数，获得

6、一系列对应差值，经多次升温，降温、重复测试，若这些差值稳定，则把记录下的这些差值作为被标定温度计的修正量，就成了对被标定温度计的标定。接触式与非接触式测温特点比较测量条件接触式接触式：感温元件要与被测对象良好接触；感温元件的加入几乎不改变对象的温度；被测温度不超过感温元件能承受的上限温度;被测对象不对感温元件产生腐蚀非接触式非接触式：知道被测对象表面发射率；被测对象的辐射能充分照射到检测元件上测量范围接触式接触式：1200以下、热容大、无腐蚀性，对象的连续在线测温非接触式非接触式：从超低温到极高温，但1000以下，测量误差大接触式与非接触式测温特点比较精 度接触式接触式：通常为1.0、0.5、

7、0.2及0.1级非接触式非接触式：通常为1.0、1.5、2.5级 响应速度接触式接触式：慢，通常为几十秒到几分钟非接触式非接触式：快，通常为23秒钟 其它特点接触式：接触式：结构简单、体积小、可靠、维护方便、价格低廉非接触式：非接触式：结构复杂、体积大、调整麻烦、价格昂贵各种温度检测方法及其测温范围第第9章章 温度检测技术温度检测技术 9.1 概述概述9.2 接触式测温方法接触式测温方法9.3 辐射法测温辐射法测温9.2 接触式测温方法 根据测温转换的原理，接触式测温可分为：1、膨胀式、膨胀式(包括液体和固体膨胀式包括液体和固体膨胀式)2、热阻式、热阻式(包括金属热电阻和半导体热电阻包括金属热

8、电阻和半导体热电阻)3、热电式、热电式(包括热电偶和包括热电偶和PN结结)9.2.1 热膨胀式测温方法 基于物体受热时产生膨胀的原理，分为液体液体膨胀式膨胀式和固体膨胀式固体膨胀式两类。按膨胀基体膨胀基体可分成：液体膨胀式玻璃温度计玻璃温度计、液体或气体膨胀式压力温度计压力温度计及固体膨胀式双双金属温度计金属温度计 特点：1、测量范围大都在-50550内2、用于温度测量或控制精度要求较低较低，不需自不需自动记录动记录的场合。1.压力温度计 压力温度计是根据一定质量的液体、气体、蒸汽在体积不变的条件下体积不变的条件下其压力与温度呈确定函数关系压力与温度呈确定函数关系的原理实现其测温功能的。特点：

9、特点：强度大、不易破损、读数方便，但准确度较低、耐腐蚀性较差测温范围下限能达-100以下，上限最高可达600一般用于汽车、拖拉机、内燃机、汽轮机的油、水系统的温度测量 1.压力温度计感温介质因被测温度的高低而导致其体积膨胀或收缩造成压力的增减，压力传给弹簧管，指针偏转，指示出温度。毛细管愈长，则温度计响应愈慢，管愈细，则准确度愈高 1.压力温度计测温范围-2060,0100,20120,60160温包插入深度(mm)150280（尾长12M）8,10,13,14不锈钢管温包材料8,10,13,14钢管 8,10,13,14不锈钢管毛细管材料铜质毛细管 包塑毛细管 不锈钢毛细管安装方式WTZ-2

10、80M272可动外螺纹材料：铜，铁，不锈钢尾长1M20M20M特殊加工技术参数精度等级：1.5，2.5触头容量：220V/1A（无感负载10VA）安装孔尺寸4-118mm 6-158mm2.双金属温度计当温度变化时，因双金属片的两种不同材料线膨胀系数差异相对很大而产生不同的膨胀和收缩，导致双金属片产生弯曲变形。基于固体受热膨胀原理，测量温度通常是把两片线膨胀系数差异相对很大的金属片叠焊在一起，构成双金属片感温元件（俗称双金属温度计）。2.双金属温度计双金属温度计的感温双金属元件的形状有平面螺旋型和直线螺旋型两大类，其测温范围大致为 -80600，精度等级通常为1.5级左右。双金属温度计抗振性好

11、，读数方便，但精度不太高，只能用做一般的工业用仪表。9.2.2 热阻式测温技术 基于热电阻原理测温是根据金属导体或半导体的电阻值随温度变化的性质，将电阻值的变化转换为电信号，从而达到测温的目的。热电阻的材料：电阻率、电阻温度系数要大，热容量、热惯性要小，电阻与温度的关系最好近于线性；物理、化学性质要稳定，复现性好，易提纯，同时价格尽可能便宜。优点：信号灵敏度高、易于连续测量、可以远传（与热电偶相比）、无需参比温度；金属热电阻稳定性高、互换性好、准确度高，可以用作基准仪表。缺点：需要电源激励、有自热现象（会影响测量精度）以及测量温度不能太高。常用热电阻种类主要有铂电阻、铜电阻和半导体热敏电阻。9

12、.2.2 热阻式测温技术 铂电阻测温 铂电阻(IEC)的电阻率较大，电阻温度关系呈非线性，但测温范围广，精度高，且材料易提纯，复现性好；在氧化性介质中，甚至高温下，其物理、化学性质都很稳定。目前工业用铂电阻分度号为Pt100和Pt10，其中Pt100更为常用。铂电阻与温度的关系当 时 当 时 铂电阻测温 2000t 0850t 2301100R tRAtBtCtt 201R tRAtBt式中 R0温度为零时铂热电阻的电阻值 R（t）温度为t时铂热电阻的电阻值；A=3.9080210-3 B=-5.801910-7 C=-4.2735010-12热电阻的结构铂电阻测温 热电阻感温元件是用来感受温

13、度的电阻器。它是热电阻的核心部分，由电阻丝及绝缘骨架构成。作为热电阻丝材料应具备如下条件：电阻温度系数大、线性好、性能稳定；电阻温度系数大、线性好、性能稳定；使用温度范围广、加工方便；使用温度范围广、加工方便；固有电阻大，互换性好，复制性强。固有电阻大，互换性好，复制性强。铂电阻测温 热电阻的引线形式 热电阻的内引线是出厂时自身具备的引线，其功能是使感温元件能与外部测量及控制装置相连接。热电阻的外引线有两线制、三线制及四线制三种，如图9-4所示。铂电阻测温 铂电阻测温 1.两线制测量电桥 2.三线制测量电桥 3.四线制测量原理 RTD为被测热电阻，通过四根电阻引线将热电阻引入测量设备中，各引线

14、电阻为RLEAD；恒流源I加到RTD的两端，RTD另两端接入电压表VM，由于电压表具有极高的输入电阻（通常高于100 M），因此流经电压表的电流可忽略不计，VM两端电压完全等于RTD两端的电压，流经RTD的电流完全等于恒流源电流I。由此可见，RTD的电阻值精确等于U/I，与引线电阻无关。3.四线制测量原理 该测量原理的误差主要来自于恒流源的精度、电压表的测量精度、引线的固有热电势。可采用如下措施提高测量精度：在电流回路中加入一具有极低温度系数的高精密电阻作为采样电阻，测量该采样电阻上的电压值VS进而精确得到恒流源的电流值I，从而消除由于温漂、失调等因素造成的恒流源误差；变换恒流源极性测量热电阻

15、，可大大抑制热电势的影响。铜电阻和热敏电阻测温 铜电阻 铜电阻(WZC)的电阻值与温度的关系几乎呈线性呈线性，其材料易提纯，价格低廉易提纯，价格低廉；但因其电阻率较低（仅为铂的1/2左右）而体积较大，热响应慢；另因铜在250以上温度本身易于氧化易于氧化，故通常工业用铜热电阻（分度号分别为Cu50和和Cul00）一般其工作温度范围为-40120。其电阻值与温度的关系为：当时50150t 2301R tRAtBtCt铜电阻和热敏电阻测温 热敏电阻的优点：灵敏度高灵敏度高，其灵敏度比热电阻要大12个数量级；很好地与各种电路匹配，而且远距离测量时几乎无需考虑连线电阻的影响几乎无需考虑连线电阻的影响；体

16、积小体积小；热惯性小，响应速度快，适用于快速变化快速变化的测量场合；结构简单坚固结构简单坚固，能承受较大的冲击、振动。热敏电阻的缺点：阻值与温度的关系非线性严重；元件的一致性差，互换性差；元件易老化，稳定性较差；除特殊高温热敏电阻外，绝大多数热敏电阻仅适合0150范围，使用时必须注意。铜电阻和热敏电阻测温 9.2.3 热电偶测温 热电偶是工业和武备试验中温度测量应用最多的器件。特点：测温范围宽、测量精度高、性能稳定、结构简单，且动态响应较好；输出直接为电信号，可以远传，便于集中检测和自动控制。1.热电偶测温原理 热电偶的测温原理基于热电效应。将两种不同的导体A和B连成闭合回路，当两个接点处的温

17、度不同时，回路中将产生热电势，由于这种热电效应现象是1821年塞贝克（Seeback）首先发现提出，故又称塞贝克效应（如图9-8所示）。热电偶闭合回路中产生的热电势由两种电势组成：温差电势和接触电势。温差电势是指同一热电极两端因温度不同而产生的电势。接触电势是指两热电极由于材料不同而具有不同的自由电子密度，而热电极接点接触面处就产生自由电子的扩散现象，当达到动态平衡时，在热电极接点处便产生一个稳定电势差。1.热电偶测温原理 热电偶两热电极分别叫 A（正极）和B（负极），0TT、0TT1.热电偶测温原理 0000ABABABABETTETETETTETT，其中温差电势EA（T，T0）和EB（T，

18、T0）比接触电势小很多，可忽略不计，且EAB（T0）总与EAB（T）的方向相反，上式简化为：00ABABABETTETET，2.热电偶分类及特性 为了得到实用性好，性能优良的热电偶，其热电极材料需具有以下性能：(1)优良的热电特性；(2)良好的物理性能；(3)优良的化学性能；(4)优良的机械性能；(5)足够的机械强度和长的使用寿命；(6)制造成本低，价值比较便宜。工业用热电偶测温范围2.热电偶分类及特性 3.热电偶结构 普通工业用热电偶 热电偶通常主要由四部分组成(如图9-11所示)：热电极、绝缘管、保护管和接线盒。铠装热电偶铠装热电偶，是将热电偶丝和绝缘材料一起紧压在金属保护管中制成的热电偶

19、。3.热电偶结构 优点：测量温度范围宽，响应速度快，挠性好、安装使用力便，使用寿命长，机械强度、耐压性能好，铠装热电偶外径尺寸范围宽，铠装热电偶的长度可以做得很长。4.热电偶温度测量 优点：改善热电偶测温线路的机械与物理性能降低测量线路的成本节省贵金属材料，便于安装与敷设；若用直径粗、电导系数大的补偿导线，还可减少测量回路电阻。补偿导线使用注意事项如下：各种补偿导线只能与相应型号的热电偶匹配使用；补偿导线与热电偶连接点的温度，不得超过规定的使用温度范围；由于补偿导线与电极材料通常并不完全相同，因此两连接点温度必须相同；在需高精度测温场合，处理测量结果时应加上补偿导线的修正值，以保证测量精度。4

20、.热电偶温度测量 参比端处理我们经常使用的热电偶分度表，都是以热电偶参比端为0条件下制作的。在工业测温现场一般不能使参比端保持0。现在由于计算机尤其是微处理器和单片机推广普及，因而，智能化测温仪普遍按下述以软件为主的补偿方式：当热电偶的测量端和参比端温度分别为t、t1，假定t1t0=0，则热电动势0110ABABABEttEttEtt，4.热电偶温度测量 例9.1：用K型热电偶测炉温时，测得参比端温度t138；测得测量端和参比端间的热电动势E(t,38)29.90 mV，试求实际炉温。解由K型分度表查得E(38，0)1.53 mV，由式(6-11)可得到：E(t，0)E(t,t1)+E(t1,

21、0)29.90+1.53=31.43 mV再查K型分度表，由31.43 mV查得到实际炉温755。4.热电偶温度测量 4.热电偶温度测量 上述例子，若参比端不作修正，则按所测测量端和参比端间的热电动势E(t,32)29.90 mV查K型分度表得对应的炉温718，与实际炉温755相差37，由此产生的相对误差约为5%。由此可见，如果不考虑参比端温度修正、补偿有时将产生相当大的（温度）测量误差。9.1 概述概述9.2 接触式测温方法接触式测温方法9.3 辐射法测温辐射法测温第第9章章 温度检测技术温度检测技术 9.3 辐射法测温 任何物体，其温度超过绝对零度，都会以电磁波的形式向周围辐射能量。这种电

22、磁波是由物体内部带电粒子在分子和原子内振动产生的，其中与物体本身温度有关传播热能的那部分辐射，称为热辐射。能对被测物体热辐射能量进行检测，进而确定被测物体温度的仪表，通称为辐射式温度计。9.3 辐射法测温 9.3.1 9.3.1 辐射测温的基本原理辐射测温的基本原理9.3.2 辐射测温方法及其仪表9.3.3 红外测温与红外成像测温仪9.3.1 辐射测温的基本原理辐射式温度计的感温元件通常工作在属于可见光和红外光的波长区域。辐射式温度计的感温元件使用的波长范围为0.340m。相关概念：绝对黑体：在任何温度下，均能全部吸收辐射到它上面的任何辐射能量。选择吸收体：对辐射能的吸收(或辐射)除与温度有关

23、外，还与波长有关。灰体：吸收(或辐射)本领与波长无关。如果波长与温度T满足C2(T)1，则可把普朗克公式简化为维恩(Wien)公式。在温度低于3000K，对于波长较短的可见光，用维恩公式替代普朗克公式产生的误差1。210/5CTCLTe，9.3.1 辐射测温的基本原理9.3.1 辐射测温的基本原理 从图中可以看到如下一些规律：每条曲线均有一个极大值，而且这个极值是随着温度升高而向波长短的方向移动；不同温度下的曲线，其曲线峰值点的波长 m和温度T均满足维恩位移定律。实验和理论分析表明，黑体的总辐射能力与温度的关系满足斯蒂藩一玻耳兹曼定律：9.3.1 辐射测温的基本原理40)(TTM综上所述，任何

24、实际物体的总辐射亮度与温度的四次方成正比；通过测量物体的辐射亮度就可得到该物体的温度，这就是辐射测量的基本原理。1.光谱辐射温度计2.比色高温计 光学高温计光电高温计硅辐射温度计9.3.2 辐射测温方法及其仪表 依据物体光谱辐射出射度或辐射亮度和其温度T的关系，可以测出物体的温度。目前国内外使用的光谱辐射温度计都是根据被测物体的光谱辐射亮度来确定物体的温度。光谱辐射温度计 1.光学高温计 特点：结构较简单，使用方便，适用于1000 K3500 K范围的温度测量，其精度通常为1.0级和l.5级，可满足一般工业测量的精度要求。它被广泛用于高温熔体、高温窑炉的温度测量。用光学高温计测量被测物体的温度

25、时，读出的数值将不是该物体的实际温度，而是这个物体此时相当于绝对黑体的温度，即所谓的“亮度温度”。亮度温度：在波长为、温度为T时，某物体的辐射亮度L与温度为TL的绝对黑体的亮度L0 相等，则称TL为这个物体在波长为时的亮度温度。数学表达式为 通常用维恩公式维恩公式来近似表示光谱辐射亮度 光学高温计是在波长为的单色波长下获得的亮度。实际温度为),(),(),(),(00LTLTLTTL2211/55(,)LCTCTCCTee 22lnCTTCTLL1.光学高温计 光学高温计通常采用0.660.01m的单一波长，将物体的光谱辐射亮度L 和标准光源的光谱辐射亮度进行比较，确定待测物体的温度。光学高温

26、计有三种形式：灯丝隐灭式光学高温计灯丝隐灭式光学高温计恒定亮度式光学高温计恒定亮度式光学高温计光电亮度式光学高温计光电亮度式光学高温计1.光学高温计 灯丝隐灭式光学高温计 原理：由人眼对热辐射体和高温计灯泡在单一波长附近的光谱范围的辐射亮度进行判断，调节灯泡的亮度使其在背景中隐灭或消失而实现温度测量的。WGGZ型光学高温计的示意图如下图所示：2.光电高温计 优点：结构相对较简单，灵敏度高，测量范围广，使用方便。缺点：光学高温计在测量物体的温度时，由于要靠手动调节灯丝的亮度，由眼睛判别灯丝的“隐灭”，故观察误差较大，也无法实现自动检测和记录。光电高温计与光学高温计相比，主要优点有：灵敏度高精确度

27、高使用波长范围不受限制光电探测器的响应时间短便于自动测量与控制2.光电高温计 3.辐射温度计 辐射温度计是根据全辐射定律，基于被测物体的辐射热效应进行工作的。辐射温度计由辐射敏感元件辐射敏感元件、光学系统光学系统、显示仪显示仪表表及辅助装置辅助装置等几大部分组成。辐射温度计与光学高温计一样是按绝对黑体进行温度分度的，因此用它测量非绝对黑体的具体物体温度时，仪表上的温度指示值将不是该物体的真实温度，我们称该温度为此被测物体的辐射温度。辐射温度计的敏感元件，分光电型与热敏型两大类。3.辐射温度计 光电型：光电倍增管、硅光电池、锗光电二极管等。特点是响应速度极快，光电特性曲线一致性不好。热敏型：热敏

28、电阻、热电堆等。特点是对响应波长无选择性，灵敏度高，热电特性曲线一致性好，响应时间常数较大，通常为0.01s1s。3.辐射温度计 辐射高温计光学系统的作用是聚集被测物体的辐射能。其形式有透射型和反射型两大类。辐射高温计的测量仪表按显示方式可分为自动平自动平衡式衡式、动圈式动圈式和数字式数字式三类。辐射高温计的辅助装置主要包括水冷却水冷却和烟尘防烟尘防护装置护装置。与光学高温计相比较，辐射高温计的测量误差要大一些。3.辐射温度计 比色温度定义为：绝对黑体辐射的两个波长1和2的亮度比等于被测辐射体在相应波长下的亮度比时，绝对黑体的温度就称为这个被测辐射体的比色温度。绝对黑体，对应于波长1与2的光谱

29、辐射亮度之比R，可用下式表示：2010LLR52122111()BCTe比色高温计 根据比色温度的定义，应用维恩公式，可导出物体的真实温度和其比色温度的关系：通常1和2为比色高温计出厂时统一标定的定值，由制造厂家选定。例如选0.8m的红光和lm的红外光。)11(),(),(ln1121221CTTTTB比色高温计 与光谱辐射温度计相比，比色高温计的准确度通常较高、更适合在烟雾、粉尘大等较恶劣环境恶劣环境下工作。国产WDSII 光电比色高温计的原理示意图如图9-15所示。比色高温计 比色高温计 9.3.3 红外测温与红外成像测温仪红外辐射红外辐射俗称红外线，它是一种人眼看不见的光线。红外辐射的物

30、理本质是热辐射。物体的温度越高，辐射出来的红外线越多，红外辐射的能量就越强。红外测温的特点：接触测温反应速度快灵敏度高准确度较高范围广泛9.3.3 红外测温与红外成像测温仪红外测温原理 全辐射测温是测量物体所辐射出来的全波段辐射能量来决定物体的温度。它是斯蒂芬玻尔兹曼定律的应用，定律表达式为 W物体单位面积所发射的辐射功率，数值上等于物体的全波辐射出射度；物体表面的法向比辐射率；斯蒂芬玻尔兹曼常数；T 物体的绝对温度(K)。4WT9.3.3 红外测温与红外成像测温仪红外辐射测温仪结构原理如图9-16所示9.3.3 红外测温与红外成像测温仪红外成像原理：红外摄像管：将物体的红外辐射红外辐射转换成电信号电信号，经过电子系统放大处理，再还原为光学像的成像装置。红外变像管：把物体红外图像变成可见图像的电真空器件，主要由光电阴极光电阴极、电子光学系统电子光学系统和荧荧光屏光屏三部分组成，均安装在高度真空的密封玻璃壳内。固态图像变换器：由许多小单元（称为像元或像素）组成的受光面，各像素将感受的光像转换为电信号后顺序输出的一种大规模集成光电器件。9.3.3 红外测温与红外成像测温仪9.3.3 红外测温与红外成像测温仪9.3.3 红外测温与红外成像测温仪