1、第第2章章 温度检测温度检测 温标及测温方法温标及测温方法 膨胀式温度计膨胀式温度计 电阻式温度传感器电阻式温度传感器 热电偶传感器热电偶传感器 辐射式温度传感器辐射式温度传感器 光纤传感器光纤传感器 薄膜热传感器薄膜热传感器 集成温度传感器集成温度传感器第第2章章 温度检测温度检测 温度是表征物体或系统的冷温度是表征物体或系统的冷热程度的物理量。温度单位是国热程度的物理量。温度单位是国际单位制中七个基本单位之一。际单位制中七个基本单位之一。本章在简单介绍温标及测温方法本章在简单介绍温标及测温方法的基础上，重点介绍膨胀式温度的基础上，重点介绍膨胀式温度测量、电阻式温度传感与测试、测量、电阻式温
2、度传感与测试、热电偶温度计、辐射式温度计、热电偶温度计、辐射式温度计、光导纤维温度计、集成温度传感光导纤维温度计、集成温度传感技术等测温原理及方法。技术等测温原理及方法。温度变送器温度变送器2.1 温标及测温方法温标及测温方法 2.1.1 温标温标 经验温标经验温标:摄氏温标，华氏温标，列氏摄氏温标，华氏温标，列氏温标。换算关系为温标。换算关系为 C=(5/9)(F-32)=(5/4)R 热力学温标热力学温标:又称为开尔文温标，用符号又称为开尔文温标，用符号K表示。表示。换算关系为换算关系为 K=273.15+C 国际实用温标国际实用温标 2.1 温标及测温方法温标及测温方法 2.1.2 温度
3、检测的主要方法及分类温度检测的主要方法及分类 温度检测方法一般可以分为两大类，即温度检测方法一般可以分为两大类，即接触接触测量法测量法和和非接触测量法非接触测量法。常用的测温方法、类。常用的测温方法、类型及特点如型及特点如表表2.1.1所所示。示。2.2 膨胀式温度计膨胀式温度计 膨胀式温度计分为膨胀式温度计分为液体膨胀式温度计液体膨胀式温度计和和固体膨胀式温度计固体膨胀式温度计两大类。两大类。2.2.1 双金属温度计双金属温度计 双金属温度计的双金属温度计的特点特点:抗震性能好，结构抗震性能好，结构简单，牢固可靠，读数方便，但它的精度不高，简单，牢固可靠，读数方便，但它的精度不高，测量范围也
4、不大。测量范围也不大。2.2 膨胀式温度计膨胀式温度计Bimetallic thermometer2.2 膨胀式温度计膨胀式温度计 Realizations of bimetallic thermometers2.2 膨胀式温度计膨胀式温度计电烤箱和电火锅上的温度调节与控制：电烤箱和电火锅上的温度调节与控制：2.2 膨胀式温度计膨胀式温度计 2.2.2 压力式温度计压力式温度计一、压力式温度计的结构与原理一、压力式温度计的结构与原理 二、充气体的压力温度计二、充气体的压力温度计:气体状态方程式气体状态方程式pV=mRT表表明，在密封容器内充以气体，就构成充气体的压力温明，在密封容器内充以气体，
5、就构成充气体的压力温度计。度计。三、充蒸汽的压力温度计三、充蒸汽的压力温度计:充蒸汽的压力温度计是根据充蒸汽的压力温度计是根据低沸点液体的饱和蒸气压只和气液分界面的温度有关低沸点液体的饱和蒸气压只和气液分界面的温度有关这一原理制成。这一原理制成。2.3 电阻式温度传感器电阻式温度传感器2.3.1 热电阻传感器热电阻传感器 测温基础：测温基础：多数金属的电阻率随温度升高而增大，多数金属的电阻率随温度升高而增大，具有正的温度系数。具有正的温度系数。特点特点:精度高，适宜于测低温。精度高，适宜于测低温。对金属材料要求：对金属材料要求：电阻温度系数大，电阻率大，热电阻温度系数大，电阻率大，热容量小；在
6、测温范围内有稳定的物理和化学性质；电容量小；在测温范围内有稳定的物理和化学性质；电阻与温度的关系最好近似于线性，或为平滑的曲线；阻与温度的关系最好近似于线性，或为平滑的曲线；容易加工，复制性好，价格便宜。容易加工，复制性好，价格便宜。热电阻温度传感器热电阻温度传感器是利用导体或半导体的电阻率随是利用导体或半导体的电阻率随温度的变化而变化的原理制成的，可将温度的变化转化温度的变化而变化的原理制成的，可将温度的变化转化为电阻的变化。由金属（铂、铜、镍等）材料制成的称为电阻的变化。由金属（铂、铜、镍等）材料制成的称为为热电阻热电阻；由半导体材料制成的称为；由半导体材料制成的称为热敏电阻热敏电阻。一、
7、一、铂电阻铂电阻 精度高，稳定性好，性能可靠。主要用作标准电阻精度高，稳定性好，性能可靠。主要用作标准电阻温度计，也常用于工业测量。铂电阻的温度计，也常用于工业测量。铂电阻的优缺点优缺点？0850：-2000：工业标准：工业标准：50/100/1000；Pt50/Pt100/Pt1000 分度表分度表及其应用及其应用)BA1(20tttRR)100C(BA1 320ttttRR391.10100RR铂电阻分度表：铂电阻分度表：注：手册上温度步长为注：手册上温度步长为1。必要时可。必要时可插值插值。后同！。后同！二、铜电阻铜电阻 铂是贵金属，价格昂贵，因此在测温范围比铂是贵金属，价格昂贵，因此在
8、测温范围比较小较小(-50+150)的情况下，可采用铜制成的情况下，可采用铜制成的测温电阻，称的测温电阻，称铜电阻铜电阻。铜电阻的。铜电阻的优缺点优缺点？工业标准：工业标准：50/100；Cu50/Cu100 分度表分度表及其应用及其应用)CBA1(320ttttRR425.10100RR铜电阻分度表：铜电阻分度表：分度号：分度号：Cu50，050R 温度温度/0102030405060708090电阻电阻/050.0047.8545.7043.5541.4039.24050.0052.1445.2856.4258.5660.7062.8464.9867.1269.2610071.4073.5
9、475.6877.8379.9882.13铂电阻传感器实物铂电阻传感器实物 铂电阻传感器实物（续）铂电阻传感器实物（续）耐磨、防腐热电阻传感器实物：耐磨、防腐热电阻传感器实物：装配式热电阻传感器实物：装配式热电阻传感器实物：软导线式热电阻传感器实物：软导线式热电阻传感器实物：三线制三线制（热电（热电阻的一端引出阻的一端引出一根线，另一一根线，另一端引出两根端引出两根线）。见后！线）。见后！三、铁电阻和镍电阻铁电阻和镍电阻 这两种金属的电阻温度系数较高、电阻率较这两种金属的电阻温度系数较高、电阻率较大，故可做成体积小，灵敏度高的电阻温度大，故可做成体积小，灵敏度高的电阻温度计，其计，其缺点缺点是
10、容易氧化，化学稳定性差，不是容易氧化，化学稳定性差，不易提纯，复制性差，且电阻值与温度的关系易提纯，复制性差，且电阻值与温度的关系线性差线性差。四种金属电阻温度特性比较四种金属电阻温度特性比较比较比较线性和灵敏线性和灵敏度（电阻的相对度（电阻的相对变化率）！变化率）！t/测低温和超低温的热电阻测低温和超低温的热电阻:国际制冷学会国际制冷学会:T120K为冷冻温区为冷冻温区;120KT0.3K为低温区为低温区;T0.3K为超低温区。为超低温区。常压下，液氦沸点常压下，液氦沸点4.2K，液氮沸点，液氮沸点77.3K。H.K.Onnes，1911，Hg，略低于，略低于4.2K，电阻突然，电阻突然消失
11、。后来发现很多其他材料也有类似现象。消失。后来发现很多其他材料也有类似现象。一些材料在某一低温下电阻消失的现象称为超导一些材料在某一低温下电阻消失的现象称为超导（superconducting）现象，相应的温度称为该超）现象，相应的温度称为该超导材料的临界温度导材料的临界温度Tc。超导材料有重要而广泛的用途，研究热点。超导材料有重要而广泛的用途，研究热点。Tc30K，液氦条件下工作（昂贵、复杂），称为低，液氦条件下工作（昂贵、复杂），称为低温超导材料。重点研究高温超导材料（温超导材料。重点研究高温超导材料（1986年到年到液液氮温区）。氮温区）。测低温和超低温的热电阻测低温和超低温的热电阻:超
12、导材料进展超导材料进展2019年年12月，月，中国科学院电中国科学院电工研究所与甘工研究所与甘肃长通电缆公肃长通电缆公司等合作研制司等合作研制成功成功75m、10.5 KV1500A交流高交流高温超导电缆，温超导电缆，并接入到甘肃并接入到甘肃长通电缆公司长通电缆公司6KV配电网中配电网中向车间供电运向车间供电运行。行。测低温和超低温的热电阻测低温和超低温的热电阻:铂电阻和铂电阻和铜电阻不适合测低温和超低温。铜电阻不适合测低温和超低温。铟电阻铟电阻：3004.2K，4.215K灵敏度比铂电灵敏度比铂电阻高阻高10倍。材料软，复制性差。倍。材料软，复制性差。锰电阻锰电阻：632K，灵敏度高。材，灵
13、敏度高。材料脆，难拉料脆，难拉丝。丝。碳电阻碳电阻：液氦温区，廉价，对磁场不敏感。：液氦温区，廉价，对磁场不敏感。热稳定性差。热稳定性差。2.3 电阻式温度传感器电阻式温度传感器四四 、热电阻传感器的测量电路、热电阻传感器的测量电路 1、三线制、三线制（为何采用三线制？）（为何采用三线制？）(条件？优点？条件？优点？)2.3 电阻式温度传感器电阻式温度传感器 1、三线制、三线制(条件？优点？条件？优点？)2.3 电阻式温度传感器电阻式温度传感器2、四线制、四线制（为何采用四线制？）（为何采用四线制？）(条件？优点？条件？优点？)2.3.2 热敏电阻传感器热敏电阻传感器 热敏电阻热敏电阻是用一种
14、是用一种半导体材料半导体材料制成的敏感元件，制成的敏感元件，其特点是电阻随温度变化而显著变化，能直接将温其特点是电阻随温度变化而显著变化，能直接将温度的变化转换为能量的变化。制造热敏电阻的材料度的变化转换为能量的变化。制造热敏电阻的材料很多，如锰、铜、镍、钴和钛等氧化物，它们按一很多，如锰、铜、镍、钴和钛等氧化物，它们按一定比例混合后压制成型，然后在高温下焙烧而成。定比例混合后压制成型，然后在高温下焙烧而成。热敏电阻具有灵敏度高、体积小、较稳定、制作简热敏电阻具有灵敏度高、体积小、较稳定、制作简单、寿命长、易于维护、动态特性好等单、寿命长、易于维护、动态特性好等优点优点，因此，因此得到较为广泛
15、的应用，尤其是应用于远距离测量和得到较为广泛的应用，尤其是应用于远距离测量和控制中。控制中。一、一、热敏电阻的分类热敏电阻的分类 正温度系数正温度系数/PTC(positive temperature coefficient)。用于彩电消磁、电器热保护、。用于彩电消磁、电器热保护、发热源的恒温控制、限流等。发热源的恒温控制、限流等。负温度系数负温度系数/NTC(negative temperature coefficient)。用于。用于测温测温、温度补偿等。、温度补偿等。一般一般不能并联使用！不能并联使用！临界温度系数临界温度系数/CTR(critical temperature risis
16、tor)（在某一特定温度下电阻值发生突（在某一特定温度下电阻值发生突变）。用作变）。用作温度开关温度开关。三类热敏电阻的特性：三类热敏电阻的特性：PTC、NTC系列热敏电阻实物：系列热敏电阻实物：恒温加热恒温加热 彩电消磁彩电消磁 电机延时启动电机延时启动 超大功率型超大功率型 NTC二、热敏电阻的主要参数二、热敏电阻的主要参数三、热敏电阻的特点三、热敏电阻的特点 优点优点：灵敏度高（温度系数较热电阻的大得：灵敏度高（温度系数较热电阻的大得多）、多）、体积小、热贯性小、结构简单、化学稳体积小、热贯性小、结构简单、化学稳定性好、机械性能强、价格低廉、寿命长。定性好、机械性能强、价格低廉、寿命长。
17、缺点缺点：复现性和互换性差、非线性严重、测温：复现性和互换性差、非线性严重、测温范围较窄、目前只能达到范围较窄、目前只能达到-50300。四、四、热敏电阻特性线性化热敏电阻特性线性化 串联补偿电阻串联补偿电阻 并联补偿电阻并联补偿电阻 它线性化电路它线性化电路 五、热敏电阻的应用五、热敏电阻的应用1、温度测量（点温计，体温表）、温度测量（点温计，体温表）2、温度补偿、温度补偿3、温度控制（举例）、温度控制（举例）4、过热保护、过热保护 点温计：点温计：利用热敏电阻对温度变化利用热敏电阻对温度变化的高度敏感性能，可以制成测的高度敏感性能，可以制成测量点温、反应迅速的量点温、反应迅速的点温计点温计
18、。点温计不仅可以用来测量一般点温计不仅可以用来测量一般的气体、液体或固体的温度，的气体、液体或固体的温度，而且还适宜于测量微小物体或而且还适宜于测量微小物体或物体局部的温度。例如，测量物体局部的温度。例如，测量运行中电机轴承的温度、晶体运行中电机轴承的温度、晶体管外管的温升、植物叶片温度、管外管的温升、植物叶片温度、人体内血液的温度等人体内血液的温度等。S1、S2均为同轴联动开关，均为同轴联动开关，S1选择选择“断开、校准、测量断开、校准、测量”，S2选择选择“量程量程”。R5、R6、RW作用作用？体温表：（体温表：（动画动画）温控电路：温控电路：Rt220V被控温度可调。被控温度可调。大功率
19、加热用晶闸管（可控硅）或三相加热。大功率加热用晶闸管（可控硅）或三相加热。在实践中，若精度要求不高，为降低成本、减小体积及在实践中，若精度要求不高，为降低成本、减小体积及减轻重量，常采用减轻重量，常采用简易直流电源简易直流电源!简易直流电源的具体简易直流电源的具体形式可根据需要而定。形式可根据需要而定。2.4 热电偶传感器热电偶传感器 热电偶作为敏感元件的热电偶作为敏感元件的主要优点主要优点：结构简单：其主体实际上是由两种不同性质的导体或结构简单：其主体实际上是由两种不同性质的导体或半导体互相绝缘并将一端焊接在一起而成的。半导体互相绝缘并将一端焊接在一起而成的。有较高的准确度有较高的准确度。测
20、量范围宽：常用的热电偶可测测量范围宽：常用的热电偶可测-501600；用；用特殊材料的热电极，可测特殊材料的热电极，可测-1802800。有良好的敏感度。有良好的敏感度。使用方便。使用方便。热电效应热电效应热电偶基本定律热电偶基本定律热电偶材料及常用热电偶热电偶材料及常用热电偶热电偶热电偶冷端温度补偿冷端温度补偿热电偶测温电路热电偶测温电路 2.4.1 热电效应热电效应 如图，由如图，由两段两段不同不同的的匀质匀质导体导体A、B组组合，能将温度合，能将温度信号转换成电势（或电流）信号的温度传感器称为信号转换成电势（或电流）信号的温度传感器称为热电热电偶偶。热电偶测温原理是。热电偶测温原理是热电
21、效应热电效应。热电效应热电效应也称为塞贝克效应。也称为塞贝克效应。热电势热电势也称为温差电也称为温差电势或塞贝克电势。回路中产生的电流称为势或塞贝克电势。回路中产生的电流称为热电流热电流。导体。导体A、B称为称为热电极热电极。测温时，结点。测温时，结点1置于测温点，称为置于测温点，称为测测量端量端(工作端工作端、热端热端)；结点；结点2通常保持某一恒定温度，通常保持某一恒定温度，称为称为参考端参考端(自由端自由端、冷端冷端)。两种导体的接触电势：两种导体的接触电势：测量测量端结点端结点的接触电势的接触电势为为 式中式中 k波尔兹曼常数，波尔兹曼常数，1.38010-23JK-1 T 接触处的绝
22、对温度接触处的绝对温度 e 电子电荷数，电子电荷数，1.60210-19C NA、NB 热电极热电极A、B的自由电子密度的自由电子密度BAABln)(NNekTTE 参考端结点参考端结点的接触电势的接触电势为为 热电偶热电偶中中的的接触电势接触电势为二者的代数和，即为二者的代数和，即 BA00ABln)(NNekTTEBA00ABABln)()()(NNTTekTETE 单一导体的温差电势：单一导体的温差电势：热电极热电极A的温差电势为的温差电势为 式式中中 A热电极热电极A的汤姆逊系数。的汤姆逊系数。同理同理，可得，可得热电极热电极B的的温差电势。温差电势。热电偶热电偶中的中的温差电势温差电
23、势为二者的代数和，即为二者的代数和，即 TTTTTE0d),(A0ATTTETTd)(),(0BA0AB 热电偶热电偶的的热电势热电势为接触电势与温差电势之和（后为接触电势与温差电势之和（后者相对较小），即者相对较小），即 若两热电极材料相同，即使两结点温度不同若两热电极材料相同，即使两结点温度不同(TT0)，热电势也为零。所以，两个热电极必须选用不同材料。热电势也为零。所以，两个热电极必须选用不同材料。若两结点温度相同，则热电势也为零。若两结点温度相同，则热电势也为零。热电势的大小只与热电极材料性质和结点温度有关，热电势的大小只与热电极材料性质和结点温度有关，与热电极的尺寸、形状及沿热电极温
24、度分布无关。与热电极的尺寸、形状及沿热电极温度分布无关。注注意意：若热电极不是匀质的，则沿热电极的温度梯度会：若热电极不是匀质的，则沿热电极的温度梯度会引起附加电势。引起附加电势。给定热电偶，给定热电偶，测温原理？测温原理？TNNTTekTTETTd)(ln)(),(0BABA00ABTTTTTE)(),(00AB2.4.2 热电偶的基本定律热电偶的基本定律中间导体定律中间导体定律标准电极定律标准电极定律连接导体定律连接导体定律中间温度定律中间温度定律 中间导体定律中间导体定律:在热电偶回路中，只要中间导体两端的温度相同，在热电偶回路中，只要中间导体两端的温度相同，那么接入中间导体后，对热电偶
25、回路的热电势无影那么接入中间导体后，对热电偶回路的热电势无影响，即响，即 EABC(T,T0)=EAB(T,T0)可接入仪表、降低焊接要求！可接入仪表、降低焊接要求！标准电极定律标准电极定律:如果将导体如果将导体C(热电极，一般为热电极，一般为纯铂丝纯铂丝)作为作为标准电极标准电极(也称也称参考电极参考电极)，并已知标准电极与任意导体配对，并已知标准电极与任意导体配对时的热电势，则在相同结点温度时的热电势，则在相同结点温度(T，T0)下，任意两下，任意两导体导体A、B组成的热电偶，其热电势可由下式求得：组成的热电偶，其热电势可由下式求得：EAB(T,T0)=EAC(T,T0)-EBC(T,T0
26、)可简化热电偶的可简化热电偶的选配！选配！连接导体定律连接导体定律:在热电偶回路中，如果热电极在热电偶回路中，如果热电极A、B分别与连接导线分别与连接导线A、B相连接，结点温度分别为相连接，结点温度分别为T、Tn、T0，那么，那么回路的热电势将等于热电偶的热电势回路的热电势将等于热电偶的热电势EAB(T,Tn)与连与连接导线接导线A、B在温度在温度Tn、T0 时热电势时热电势 EAB(T,Tn)的代数和，即的代数和，即 EABBA(T,Tn,T0)=EAB(T,Tn)+EAB(Tn,T0)中间温度定律：中间温度定律：热电偶在结点温度为热电偶在结点温度为T、T0时的热电势值时的热电势值EAB(T,T0)，等于热电偶在，等于热电偶在(T,Tn)、(Tn,T0)时时相应的热电势相应的热电势EAB(T,Tn)与与 EAB(Tn,T0)的代数的代数和，即和，即 EAB(T,Tn,T0)=EAB(T,Tn)+EAB(Tn,T0)中间温度定律与热电偶的分度表？中间温度定律与热电偶的分度表？应用举例应用举例：已知已知A、B组成的热电偶在（组成的热电偶在（100，0）时热电势为时热电势为1mV，且且A、B组成的热电偶在（组成的热电偶在（1000，0）时热电势为）时热电势为10mV，则它们在（则它们在（1000，100）时的热电势为：时的热电势为：10-1=9mV。
