1、第2章 温度传感器及其应用案例 2.1 温度测量概述温度测量概述 2.2 热电阻传感器热电阻传感器 2.3 热敏电阻传感器热敏电阻传感器 2.4 热电偶传感器热电偶传感器 2.5 集成温度传感器集成温度传感器 2.6 辐射式温度传感器辐射式温度传感器 2.7 温度测量与控制系统应用案例温度测量与控制系统应用案例第第2章章 温度传感器及其应用案例温度传感器及其应用案例返回主目录第2章 温度传感器及其应用案例第第2章章 温度传感器及其应用案例温度传感器及其应用案例温度是工农业生产和科学实验中一个非常重要的参数。物体的许多物理现象和化学性质都与温度有关，许多生产过程都是在一定的温度范围内进行的，需要
2、测量温度和控制温度。比如，人们为了在炎热的夏天工作环境舒适，就要用空调。空调的作用就是实时不断地检测房间里的温度，当房间温度高于设定温度（比如26）时，空调启动制冷系统使房间温度下降，当降到设定温度以下时，制冷系统停止工作，等待温度上升，当温度又上升到设定温度以上时，制冷系统又开始工作；这样周而复始的不断工作，就把房间里的温度控制在设定温度26附近，保证了房间温度舒适如春。在这个空调系统中，温度传感器起着重要的作用。下面就温度传感器及其工程应用作一介绍。第2章 温度传感器及其应用案例2.1 温度测量概述温度测量概述 2.1.1 温度与温标温度与温标 温度是表征物体冷热程度的物理量。为了定量地描
3、述温度的高低，必须建立温度标尺(温标)，温标就是温度的数值表示。各种温度计和温度传感器的温度数值均由温标确定。温标有多种，比如摄氏温标，华氏温标，热力学温标等等。当前世界通用的是国际协议ITS-90中规定的国际温标，它是1990年制定的标准。该协议中规定了两种温标，一种是开尔文温标，它是以热力学第二定律为基础的一种理论温标，其温度数值为热力学温度(符号为T90)，单位为开尔文(符号为K)。另一种是摄氏温标，它是以冰水混合物为零点的一种温标，其温度数值为摄氏温度(符号为t90)，单位为摄氏度(符号为)。T90和t90之间的关系为 (2-1)在实际应用中，一般直接用T和t代替T90和t90。16.
4、273/9090KTCt第2章 温度传感器及其应用案例 2.1.2 温度测量方法和分类温度测量方法和分类 1.温度测量方法 温度测量通常都是借助于一种器件，利用冷热不同的物体之间热交换原理，以及物体的某些物理性质随着冷热程度不同而变化的特性进行测量的。这种器件就称作温度测量仪表，它通常由现场的温度传感器和控制室的显示仪表两部分组成，如图2-1所示。工程上通常又把温度传感器称作一次仪表，而把控制室的显示仪表部分称作二次仪表。简单的温度测量仪表往往是把温度传感器和显示器组成一体，这种温度测量仪表一般用于现场测温。现场部分 控制室部分温度传感器显示仪表t图2-1 温度测量仪表的组成第2章 温度传感器
5、及其应用案例 按感温元件是否与被测介质接触，可分为接触与非接触两大类。接触式测温是使感温元件和被测介质相接触，当被测介质与感温元件达到热平衡时，感温元件与被测介质的温度相等。这类温度传感器具有结构简单、工作可靠、精度高、稳定性好、价格低廉等优点，是目前应用最多的一类。非接触式测温是应用物体的热辐射能量随温度的变化而变化的原理进行的。众所周知，物体辐射能量的大小与温度有关，并且以电磁波形式向四周辐射，当选择合适的接收检测装置时，便可测得被测对象发出的热辐射能量，并且转换成可测量和显示的各种信号，实现温度的测量。非接触式温度传感器理论上不存在接触式温度传感器的测量滞后和应用范围上的限制，可测高温、
6、腐蚀、有毒、运动物体及固体、液体表面的温度，不干扰被测温度场，但精度较低，使用不太方便。2.温度测量方法的分类第2章 温度传感器及其应用案例2.2 热电阻传感器热电阻传感器 热电阻传感器是中、低温区（850以下）最常用的一种温度检测器。它的主要特点是测量精度高，性能稳定，广泛应用于工业和民用的测温及控制中，而且有的还可被制成标准的基准仪，用于对其他测温器件的校准。2.2.1 热电阻的测温原理导体或半导体材料的电阻率随温度变化而明显变化的现象称作热敏效应。利用金属导体的热敏效应制成的测温元件称作热电阻。利用半导体材料的热敏效应制成的测温元件称作热敏电阻。热电阻的测温原理就是基于金属材料的热敏效应
7、。热电阻传感器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。常见的热电阻材料是金属铂和铜。第2章 温度传感器及其应用案例 1.铂热电阻 铂热电阻的特点是精度高、稳定性好、性能可靠，所以在温度测量中得到了广泛应用。按IEC标准，纯铂热电阻的测温范围是-200+850。在-2000的温度范围内：Rt=R01+At+Bt2+Ct3(t-100)在0850的温度范围内：Rt=R0(1+At+Bt2)式中：Rt和R0分别为t和0时铂电阻值；A、B和C为常数。在ITS-90 中,这些常数规定为：A=3.908310-3/，B=-5.77510-7/2 C=-4.18310-12/4 第2章 温度传感
8、器及其应用案例从上式看出,在温度t时的电阻值与R0 有关。目前我国生产的工业用热电阻型号是WZX，其中W表示温度仪表，Z表示热电阻，X表示感温材料。例如WZP就表示铂热电阻，它有R0=10、100两种,它们的分度号分别为Pt10和Pt100,其中以Pt100为常用。铂热电阻不同分度号亦有相应分度表,即Rt-t 的关系表,Pt100的分度表见表 2-2。事实上，铂热电阻的测温精度与铂金的纯度和内应力大小有关，其测量精度常用电阻比W100来表示,它是铂热电阻在100时电阻值R100与0时电阻值R0之比。即 W100=R100/R0 (W100越大，代表纯度越高，内应力越小，故测量精度也就越高）按I
9、EC标准,工业上使用的铂热电阻应满足W1001.3850。第2章 温度传感器及其应用案例第2章 温度传感器及其应用案例 2.铜热电阻 由于铂是贵重金属。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温,它的测量范围为-50+150。其电阻值与温度的关系几乎是线性的,可近似地表示为：Rt=R0（1+t）式中：=4.2810-3/为铜热电阻的电阻温度系数。目前我国生产的工业用铜热电阻型号是WZC，其分度号也有两种，分别为Cu50(R0=50)和Cu100（R100=100）。铜热电阻线性度好,价格便宜,但它易氧化,不适宜在腐蚀性介质或高温下工作。第2章 温度传感器及其应用案例2
10、.2.3 常用热电阻传感器的结构常用热电阻传感器的结构热电阻传感器的结构随用途不同而异。其主要部件是电阻体。而电阻体是由电阻丝和电阻支架组成。电阻丝采用双线无感绕法绕制在具有一定形状的云母、石英或陶瓷塑料支架上,支架起支撑和绝缘作用,引出线通常采用直径1mm的银丝或镀银铜丝，它们的内部结构示意图如图2-2所示。图2-2 第2章 温度传感器及其应用案例 目前，我国工业用热电阻传感器有普通热电阻、铠装热电阻、端面热电阻和防暴热电阻等多种封装形式，普通热电阻传感器的封装结构如图2-3所示。它由电阻体、绝缘管、保护套管、引线和接线盒等部分组成。图图2-3 工业用普通热电阻传感器封装结构示意图工业用普通
11、热电阻传感器封装结构示意图 第2章 温度传感器及其应用案例2.2.4 热电阻传感器测温电路热电阻传感器测温电路 用热电阻传感器测温时,测量电路经常采用直流电桥见图2-4(a)。显然有：当 或 时 Uab=0，称作电桥平衡。用电桥测温时，将R4换成热电阻传感器Rt，R2和R3取固定电阻，R1取可变电阻器，用于调电桥平衡的，其测量电路如图2-4(b)所示，其中r为连接导线的等效电阻。忽略连接导线的等效电阻r，取R=R1=R2=R3=R0（R0为热电阻在0时的电阻值），则在0时电桥平衡，在温度t时，直流电桥输出电压Uab如下 URRRRRRU)(212343ab4231RRRR3421RRRRURR
12、RRU)(2-ttab第2章 温度传感器及其应用案例(a)直流电桥原理图 (b)两线式接法 (c)三线式接法 (d)四线式接法图2-4 热电阻的连接方式第2章 温度传感器及其应用案例 当热电阻与测量电桥相隔距离较远时，连接导线电阻r不能忽略，若采用此种连接方式，其连接导线电阻r和热电阻Rt在同一个桥臂中。对测量结果有较大的影响，这种连接方式通常用于Rt与直流电桥较近或测温精度不高的场合。为了减少引线电阻对测量结果的影响，热电阻的引线方式通常有两线制、三线制和四线制三种。具体测量电路见图2-4(b)(c)(d)在三线式接法中，热电阻的连接导线电阻r分布在相邻的两个桥臂中，可以减小热电阻与测量仪表
13、之间因连接导线电阻所引起的测量误差，但不能完全消除。在工业上用热电阻测温时，被广泛采用。若要彻底消除连接导线电阻r对测量结果的影响，不能采用直流电桥，而是采用恒流源供电的四线式接法，如图2-4(d)所示。四线制接法可以完全消除引线电阻对测量结果的影响，一般用于高精度温度检测场合。第2章 温度传感器及其应用案例2.3 热敏电阻热敏电阻 通常热敏电阻是由某些金属氧化物和其他化合物按不同比例混合后烧制而成。2.3.1 热敏电阻的测温原理热敏电阻的测温原理 它的测温原理是基于半导体材料的热敏效应，即利用半导体材料的电阻率随温度变化而明显变化的原理。它与热电阻相比具有以下特点。(1)灵敏度高，温度系数比
14、热电阻大10100倍以上；(2)电阻率大，体积小，元件尺寸可做到直径0.2mm；(3)热惯性小，适于测量点温、表面温度及快速变化的温度；(4)结构简单、机械性能好。可根据不同要求，制成各种形状。(5)电阻是非线性，只在某一较窄温度范围内有较好的线性度，由于是半导体材料，其复现性和互换性较差。第2章 温度传感器及其应用案例2.3.2 热敏电阻的分类与符号热敏电阻的分类与符号 目前有两种分类方法：按照阻值随温度变化的特性分类，热敏电阻基本可分为正温度系数（PTC）、负温度系数（NTC）和临界温度系数（CTR）3种类型，其特性如图2-5所示。按照结构分类，热敏电阻分为直热式和旁热式两种，一般直热式为
15、两端器件，而旁热式为四端器件，它除了半导体外还有金属丝绕制的加热器，。其符号如图2-6所示图图2-5 热敏电阻的温度特性热敏电阻的温度特性 图图2-6 热敏电阻的外形及电路符号热敏电阻的外形及电路符号 第2章 温度传感器及其应用案例2.3.4 热敏电阻的型号和主要参数热敏电阻的型号和主要参数第2章 温度传感器及其应用案例2.4 热电偶传感器热电偶传感器 热电偶是工程上应用最广泛的温度传感器。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。图2-7 热电偶结构原理图2.4.1 热电偶测温原理热电偶测温原理 A、B 两种不同的导体（或半导体）组成
16、一个闭合回路,如图2-7所示。当两接点温度T和T0不同时，则在该回路中就会产生电动势。这种现象成为热电效应。该电动势称为热电动势。这两种不同的导体或半导体的组合就称为热电偶。热电偶的测温原理就是基于热点效应。第2章 温度传感器及其应用案例 热电偶的两个接点,一个称为工作端(热端)，另一个称为自由端(冷端)。它所产生的热电势由两部分组成，即 温差电势和接触电势。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。接触电势的大小取决于两种不同导体的性质和接触点的温度。其数值可用下式计算)()(ln)(0000TNTNeKTTEBAAB)()(ln)(TNTNeKTTEBAAB式中：
17、K 为波尔兹曼常数；e 为单位电荷电量；NA(t)、NB(t)分别是导体A、B在温度为t 时的电子密度。第2章 温度传感器及其应用案例温差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。当同一导体的两端温度不同时,高温端的电子能量要比低温端的电子能量大,因而从高温端跑到低温端的电子数比从低温端跑到高温端的要多,结果高温端因失去电子而带正电,低温端因获得多余的电子而带负电,因此,在导体两端便形成接触电势,其大小由下面公式给出:dtdtttNdtNeKTTEATTAA)()(1),(00dtdtttNdtNeKTTEBTTBB)()(1),(00式中：为电极A两端温度分别为T和时的温差电势；为
18、电极B两端温度分别为T和时的温差电势；NAt和NBt分别为A和B两种导体的电子密度，是温度的函数。0TTEA，0TTEB，第2章 温度传感器及其应用案例假设NA NB，T T0，由图2-8可知，热电偶回路中产生的总热电势为 EAB(T,T0)=EAB(T)+EB(T,T0)EAB(T0)EA(T,T0)图图2-8 热电效应原理图热电效应原理图A+B EAB(T)EAB(T0)EA(T,T0)EB(T,T0)TT0 对于已选定的热电偶来说，A、B材料一定，热电势EAB(T,T0)仅是温度T和T0的函数。若冷端温度T0=0，则总的热电势就只是温度T的单值函数，即 EAB(T,T0)=EAB(T，0
19、)=f(T)此式表明，只要测量出EAB(T,0)的大小，就可知道T，这就是热电偶的测温原理。在用热电偶测温时，通常冷端温度T0不为0，而是室温。为了解决这个问题，还需要掌握热电偶的基本定律。下面介绍几个常用热电偶定律。第2章 温度传感器及其应用案例2.4.2 热电偶的基本定律热电偶的基本定律1.均质导体定律均质导体定律 由一种均质导体组成的闭合回路中,不论导体的截面和长度如何，各处的温度分布如何,都不能产生热电势。这条定理说明,热电偶必须由两种不同性质的匀质材料构成。且热电偶的热电势仅与两接点的温度有关，而与沿热电极的温度分布无关。如果热电偶的电极是非匀质导体，当导体上存在温差时，将会有附加电
20、动势产生。从而造成测量误差。所以，热电极材料的均匀性是衡量热电偶质量的重要技术指标之一。第2章 温度传感器及其应用案例 2.中间导体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。这条定律说明，利用热电偶测温时，可以在回路中引入连接导线和仪表，只要保证接点处温度相同，就不会影响回路中的热电势。图2-9为第三种导体C接入热电偶回路的两种形式。图图2-9热电偶回路接入第三种导体的情况热电偶回路接入第三种导体的情况 第2章 温度传感器及其应用案例 3.中间温度定律中间温度定律 在热电偶测温回路中，设Tc为热电偶极板上某一点的温度。热电偶AB在接点温
21、度为T、T0时的热电势EAB(T,T0)等于热电偶AB在接点温度T、Tc和Tc、T0时的热电势EAB(T,Tc)和EAB(Tc,T0)的代数和，即 ),(),(),(00TTETTETTECABCABAB 该定律是对参考端温度计算修正的理论依据。利用这一性质，可对参考端温度不为0的热电势进行修正。另外根据这个定律，可以连接与热电偶热电特性相近的导体A和B(见图2-10所示)，将热电偶冷端延伸到温度恒定的地方，这就是热电偶使用补偿导线的理论依据。图图2-10 中间温度定律中间温度定律 第2章 温度传感器及其应用案例 2.4.3 热电偶的常用类型及特点热电偶的常用类型及特点 理论上讲,任何两种不同
22、材料的导体都可以组成热电偶,但为了准确可靠地测量温度,对组成热电偶的材料必须经过严格的选择。工程上用于热电偶的材料应满足以下条件：热电势变化尽量大,热电势与温度关系尽量接近线性关系，物理、化学性能稳定,易加工,复现性好,便于成批生产,有良好的互换性。目前国际上被公认比较好的热电偶材料只有几种。国际电工委员会（IEC）向世界各国推荐8种标准化热电偶。所谓标准化热电偶是指已列入（IEC）工业标准文件中,并具有统一分度表的热电偶。目前我国也已开始采用IEC标准生产热电偶。下表是我国生产的几种热电偶的主要性能和特点。第2章 温度传感器及其应用案例热电偶名称及型号分度号允许偏差特点等级使用温度()最大允
23、差值()铜康铜(铜铜镍)WRCT403500.5或0.004|t|测温范围是-200400，测温精度高，稳定性好，价格低廉。1或0.0075|t|镍铬康铜(镍铬铜镍)WREE408001.5或0.004|t|测温范围是-200900，性能稳定，灵敏度高，价格低廉409002.5或0.0075|t|铁康铜(铁铜镍)WRFJ407501.5或0.004|t|用于氧化、还原气氛中测温，亦可在真空、中性气氛中测温，稳定性好，灵敏度高，价格低廉2.5或0.0075|t|镍铬镍硅WRNK4010001.5或0.004|t|测温范围为2001300。用于氧化和中性气氛中测温。若外加保护管，也可在还原气氛中短
24、期使用4012002.5或0.0075|t|镍铬硅镍硅WRMN4010001.5或0.004|t|测温范围为2001300，性能稳定，测温精度适中4012002.5或0.0075|t|铂铑10铂WRPS011001100160011+(t-1100)3测温范围为01600，适用于氧化气氛中测温，使用温度高，性能稳定，精度高，但价格贵060060016001.50.0025t铂铑30铂铑6WRRB60018000.0025t测温范围为01800，适用于氧化气氛中测温，稳定性好。冷端在050范围内，可以不补偿600800800180040.005t 铂铑13铂WRQR060060016001.50
25、.0025t同S型第2章 温度传感器及其应用案例 表中所列的热电偶名称中，前者为正极，后者为负极。括号内的名称为国际标准名称，最大允差值一栏中列出两种的取最大者。普通型热电偶的型号主要用三个字母表示，第一个字母W表示温度仪表，第二个字母R表示热电偶，第三个字母表示感温元件材料。铠装热电偶的型号主要用四个字母表示，前三个字母意义与普通型一样，第四个字母为K。目前工业上常用的有四种标准化热电偶,即铂铑30-铂铑6,铂铑10-铂，镍铬-镍硅和镍铬-铜镍（我国通常称为镍铬-康铜）热电偶，它们的分度表如下所示：第2章 温度传感器及其应用案例第2章 温度传感器及其应用案例第2章 温度传感器及其应用案例第2
26、章 温度传感器及其应用案例第2章 温度传感器及其应用案例2.4.4 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,热电偶的结构形式有普通型热电偶、铠装型热电偶和薄膜热电偶等。1.普通型热电偶普通型热电偶 普通型热电偶在工业上使用最多,它一般由热电极、绝缘套管、保护管和接线盒组成，其结构如图211(a)所示。按其安装时与设备的连接形式可分为固定螺纹连接、固定法兰连接、活动法兰连接、无固定装置等多种形式。图图2-11(a)普通型热电偶结构普通型热电偶结构第2章 温度传感器及其应用案例 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、绝缘材料和金属套管三
27、者经拉伸加工而成的坚实组合体,如图2-11(b)所示。铠装热电偶的突出优点是挠性好，它可以做得很细很长,使用中随需要能任意弯曲，可以安装在难以安装常规热电偶、结构复杂的装置上。铠装热电偶结构坚实，抗冲击和抗震性能好，能在高压及震动场合下使用。第2章 温度传感器及其应用案例 3.薄膜热电偶薄膜热电偶 薄膜热电偶是由两种薄膜热电极材料,用真空蒸镀、化学凃层等办法蒸镀到绝缘基板上面制成的一种特殊热电偶,如图 2-12 所示。薄膜热电偶的热接点可以做得很小（可薄到0.010.1m）,具有热容量小,反应速度快等的特点,热相应时间达到微秒级,适用于微小面积上的表面温度以及快速变化的动态温度测量。1热电极
28、2热接点3绝缘基板4引出线图图2-12 薄膜热电偶传感器结构薄膜热电偶传感器结构第2章 温度传感器及其应用案例 2.4.5 热电偶的冷端处理方法热电偶的冷端处理方法 从热电偶测温基本公式可以看到,对某一种热电偶来说热电偶产生的热电势只与工作端温度t和自由端温度t0有关,即：EAB(t,t0)=EAB(t)-EAB(t0)而热电偶的分度表是以t0=0作为基准进行分度的,而在实际使用过程中,参考端温度往往不为0,那么工作端温度为t 时,分度表所对应的热电势EAB(t,0)与热电偶实际产生的热电势EAB(t,t0)之间的关系可根据中间温度定律得到下式：EAB(t,0)=EAB(t,t0)+EAB(t
29、0,0)由此可知，要想利用分度表计算被测温度t，必须知道EAB(t0,0)。为此，在用热电偶测温时，需要对热电偶参考端温度进行处理。第2章 温度传感器及其应用案例 1.冷端温度修正法冷端温度修正法由上面分析可知，EAB(t,0)=EAB(t,t0)+EAB(t0,0)只要知道参考端温度t0，就可以从热电偶的分度表中查出修正值EAB(t0,0)。进而可计算出修正后的热电势EAB(t,0),最后可从分度表中查出被测实际温度t值。这种处理方法就叫做冷端温度修正法。举例：举例：用镍铬镍硅（K型）热电偶测量某加热炉温度。已知冷端温度 ，测得热电势为38.107mV，求加热炉温度。解：解：查镍铬镍硅热电偶
30、分度表2-9得由上式得查镍铬镍硅热电偶分度表2-9得t=950。mV203.1030，ABEmV310.39203.1107.380000，tEttEtEABABAB300t第2章 温度传感器及其应用案例 2.热电偶补偿导线热电偶补偿导线 冷端温度修正法的关键是参考端温度t0要比较稳定。为此，需要把热电偶的冷端引到远离现场数十米的控制室里。而热电偶一般都做得比较短，为了不影响测量结果，根据中间温度定律，通常采用补偿导线来解决这个问题。补偿导线一般是由两种不同性质的廉价金属制成,而且在0100范围内，可与所配热电偶具有相同的热电特性。常用热电偶的补偿导线如表 2-10 所示第2章 温度传感器及其
31、应用案例 3.参考端参考端0恒温法恒温法 既然可以把冷端引到温度比较稳定的控制室里，显然，把冷端引到温度为0的恒温箱中效果会更好。这种方法就叫做参考端0恒温法，由于0是冰水混合物，故又称作冰浴法。如图2-14(a)所示。在实验室及精密测量中，通常采用此种方法。第2章 温度传感器及其应用案例 4.冷端温度自动补偿法（补偿电桥法）冷端温度修正法虽然能解决冷端温度不为0的问题，但当冷端温度发生变化时仍然导致测量不准的问题。在工程应用环境里，冷端温度不变是相对的，变化是绝对的。为实现更精确的温度测量，一般采用冷端温度补偿电桥法解决这个问题。补偿电桥结构如图2-15所示。它由三个电阻温度系数较小的锰铜丝
32、绕制的电阻r1、r2、r3及温度系数较大的铜丝绕制的铜热电阻rcu和稳压电源组成。第2章 温度传感器及其应用案例 它是利用不平衡电桥产生的不平衡电压Uab作为补偿信号，来自动补偿热电偶因冷端温度不为0和变化而引起热电势变化的。使用时，补偿电桥与热电偶冷端处在同一环境温度里，当冷端温度t0变化引起的热电势 变化时，由于rcu的阻值随冷端温度t0变化也变化，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Uab始终满足而 EAB(t,0)=EAB(t,t0)+EAB(t0,0)=EAB(t,t0)+Uab这样就可以使电桥产生的不平衡电压Uab补偿上由于参考端温度t0变化而引起热电势EAB(
33、t,t0)的变化量,从而达到自动补偿的目的。由于这种方法电路简单，使用方便，在工程测量中被广泛使用。0ttEAB，)0,(0tEUABab第2章 温度传感器及其应用案例 2.4.6 热电偶测温线路热电偶测温线路 用热电偶测温时，若热电偶与显示仪表距离较近，则它可以直接与显示仪表配套使用，如图2-16(a)所示。若热电偶与显示仪表距离较远，为了减少电压信号损失，通常通过温度变送器再与显示仪表配套使用，如图2-16(b)所示。温度变送器与热电偶或热电阻配合，可以把温度或温差信号转换成统一的标准电流信号（420mA或010mA）。这样既便于远距离传输，又确保了测量结果的准确度，还方便与其它标准设备的
34、连接。是目前广为使用的一种方式。第2章 温度传感器及其应用案例 在特殊情况下，热电偶可以串联或并联使用，但只能是同一分度号的热电偶，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几个点的的平均温度。热电偶串、并联接法如图 2-17 所示 第2章 温度传感器及其应用案例2.5 集成温度传感器集成温度传感器集成温度传感器是目前应用比较广泛的一种传感器，它有模拟和数字之分。是利用晶体管PN结的电流电压特性与温度的关系,把感温PN结及有关电子线路集成在一块小硅片上,构成一个小型化、一体化的专用集成电路芯片。它
35、具有体积小、反应快、线性好、价格低等优点,由于PN结受耐热性能和特性范围的限制,它只能用来测150以下的温度。本节就模拟集成温度传感器作一介绍。模拟集成温度传感器按照输出信号的形式可分为电流输出型、电压输出型、周期输出型、频率输出型和比率输出型等多种。它的输出量与温度呈线性关系，并且能以最简单的方式构成测温仪表或测温系统。模拟集成温度传感器的典型产品有电流输出型AD590、HTSl和电压输出型TMP17、LM35及LM135等。下面就介绍它们的测温原理。第2章 温度传感器及其应用案例图图2-18 集成温度传感器的工作原理集成温度传感器的工作原理其中V1和V2是互相匹配的晶体管，I1和I2分别是
36、V1和V2管的集电极电流,由恒流源提供。由电子技术知识可知，流过发射结的电流I可表示为 式中：k波尔兹曼常数；q电子电荷量；T热力学温度；A晶体管发射结的横截面积；Js发射结的反向饱和电流密度；2.5.1 测温原理及电路结构测温原理及电路结构 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2-18是集成温度传感器基本原理图。bebeUkTqsUkTqsAeJeII)1(第2章 温度传感器及其应用案例 V1和V2管的两个发射极和基极电压之差Ube可用下式表示,即：式中：K是波尔兹曼常数;q是电子电荷量;T是绝对温度;是V2和 V1管发射结的面积之比。从上式中看出,如果保
37、证I1/I2恒定,则Ube就与温度T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。TIIqKAAIIqKTUUUbebebe)ln()ln(21122121第2章 温度传感器及其应用案例 实际的感温核心电路如图2-19所示，V3和V4是结构对称的两个晶体管，它们组成镜像电流源（即I1=I2）。V1和V2是测温用的三极管，则流过电路的总电流IT为 ln2222qRkTRUIIbeT 上式说明，在一定的情况下，电路的输出总电流是温度T的单值函数。而的大小可在制作集成电路时设定。以此电路为核心，适当增加一些外围电路，把它们集
38、成在一小块芯片上就构成了集成温度传感器。比如下图就是集成温度传感器AD590的内部电路图。图图2-19 基本感温核心电路基本感温核心电路第2章 温度传感器及其应用案例AD590内部电路内部电路第2章 温度传感器及其应用案例2.5.2 常见集成温度传感器及其应用常见集成温度传感器及其应用 1AD590集成温度传感器及其应用集成温度传感器及其应用 AD590是美国AD公司生产的电流输出型集成温度传感器,我国产的SG590也属于同类型产品。它采用3引脚的金属壳封装，其中有一个引脚(Can)是接管壳的，使用时通常接地，也可不用。故属于二端器件。其外形及符号如图2-20所示。+Can(a)外形 (b)符
39、号图2-20 AD590的封装及符号 它的特点是输出电流与热力学温度T成正比，灵敏度是1 ，且在25(298.15K)时，输出电流恰好为298.15A。工作电压在430V范围内波动而不会产生较大的测温误差。它的测温范围为-50+150。下面介绍AD590的几种应用电路。K/A第2章 温度传感器及其应用案例 (1)基本测温电路 图2-21是AD590的三种基本接法。图图2-21 AD590的基本接法的基本接法第2章 温度传感器及其应用案例 其中，图(a)是最简单接法，由于它在25(298.15K)时，输出电流为298.15A，通过调整RP，可使输出电压UT满足1mV/K的关系(即在25时，调整R
40、P使UT为298.15m即可)。图(b)是最低温度检测接法，通过R=1K的电阻分压得到输出电压UT，其灵敏度为1mV/K。由于是串联，故流过R的电流由处于最低温度的AD590决定。图(c)是平均温度检测接法，由于是并联，故流过R的电流是三个AD590的电流之和，通过R=333.3的分压，即可获得三处温度的平均值。(2)摄氏温度检测电路 在实际的温度测量中，通常需要直接测量摄氏温度，而不是热力学温度。图2-22就是用AD590实现的摄氏温度检测电路。图图2-22 摄氏温度检测典型电路摄氏温度检测典型电路第2章 温度传感器及其应用案例 (3)热电偶参考端补偿电路 该种补偿电路如图2-23所示。AD
41、590应与热电偶参考端处于同一温度下。AD580是一个三端稳压器,其输出电压VOUT=2.5V。电路工作时,调整电阻R2使得 I1=t0（uA）这样在R1上产生一个随参考端温度t0变化的补偿电压U1=I1R1。当热电偶参考端温度为t0时，其热电势EAB(t0,0)St0，S为塞贝克系数（V/）。补偿时应使U1与EAB(t0,0)近似相等,即R1与塞贝克系数相等,不同分度号的热电偶,R1的阻值亦不同。图图2-23 热电偶冷端补偿电路热电偶冷端补偿电路第2章 温度传感器及其应用案例 2.集成温度传感器集成温度传感器LM135及其应用及其应用 LM135是一种易于定标的三端电压输出型集成温度传感器，
42、测温范围是-55+150，它也采用3引脚的金属壳封装，其引脚排列及符号如图2-24所示。ADJ引脚是调整端，供外部定标使用。当作为二端器件工作时，相当于一个稳压二极管，其反向击穿电压（即稳定的电压）正比于热力学温度，灵敏度为10mV/K，且在25(298.15K)时，输出电压为2.9815V。它相当于一个正比于热力学温度的恒压源。如果在25下定标，在100宽的范围内误差小于1。LM135广泛应用于温度测量、温度控制和热电偶冷端补偿等方面。ADJV+V+ADJ(a)外形 (b)符号图2-24 LM135的封装及符号第2章 温度传感器及其应用案例 (1)基本测温电路基本测温电路 图2-25为LM1
43、35的基本使用电路。其中，图2-25(a)为基本温度检测电路，R是限流电阻，一般为几千欧姆。输出电压U0。的灵敏度为10mV/K。LM135在25时的理想输出电压是2.9815V，但实际上存在一定的误差。图2-25(b)为可定标的温度检测电路。通过调节电位器RP，可使输出电压U0在25时为2.9815V，实现精确定标，以减小工艺偏差产生的影响。(a)不使用调整端 (b)使用调整端图图2-25 LM135的基本测温电路的基本测温电路第2章 温度传感器及其应用案例 (2)热电偶冷端补偿电路热电偶冷端补偿电路 图2-26所示是利用LM135进行热电偶冷端温度补偿的电路。图图2-26 LM135接地热
44、电偶冷端补偿电路接地热电偶冷端补偿电路第2章 温度传感器及其应用案例 图中LM329B参考电压源与LM135共同作用，在电阻R3上得到正比与摄氏温度的电压，适当选择R3的值，可使其温度系数刚好等于热电偶的塞贝克(Seebeck)系数。这个电压加在电压表的正端，可以抵消由于冷端漂移引入的误差，以实现对热电偶冷端温度的补偿。对于不同分度号的热电偶，由于塞贝克(Seebeck)系数不同，故R3也应取不同的值。第2章 温度传感器及其应用案例2.6 辐射式温度传感器辐射式温度传感器 任何物体处于热力学温度零度以上时，都会以一定波长电磁波的形式向外辐射能量，而且随着温度的升高，辐射能量也增大。辐射式温度传
45、感器就是利用物体的辐射能随温度变化而变化的原理进行测温的。它是一种非接触式测温传感器，与接触式测温相比，具有响应时间短，测温范围宽，没有测温上限，可以进行远距离遥测等优点。其缺点是不能测量物体内部的温度。辐射式温度传感器的工作原理是基于下面的几个热辐射基本定律。依据的定律不同，所设计的辐射式温度传感器也不同。因此，辐射式温度传感器有多种类型。根据普朗克定律设计的有光学高温计和光电高温计；根据全辐射定律(斯特芬玻尔兹曼定律)设计的有全辐射高温计；根据维恩定律设计的有比色温度计等。下面先介绍基本定律第2章 温度传感器及其应用案例 2.6.1 热辐射基本定律热辐射基本定律 1.普朗克普朗克(Plan
46、ck)定律定律 单位面积元的绝对黑体，其单色辐射出射度与热力学温度T和波长之间的关系为 式中：C1第一普朗克常数，C2第二普朗克常数，这个结论称作普朗克定律。若将它写成亮度的形式，则为 式中，为单色辐射亮度。显然，它是温度T的单值函数。温度T越高，同一波长的单色辐射出射亮度越强。151012TCeCTM，；mW107418.3161C；KW104388.122C151012TCeCTL，TL，0第2章 温度传感器及其应用案例 2.斯特芬斯特芬玻尔兹曼玻尔兹曼(Stefan-Boltzmann)定律定律 将光谱辐射出射度在整个波长进行积分即得全波辐射出射度，即 式中，0为斯特芬玻尔兹曼常数，0=
47、5.6703210-8W.m-2.K-4。上式表明，单位面积元的黑体，在半球方向上的全辐射出射度与它的绝对温度T的四次方成正比。这个结论称作斯特芬波尔兹曼定律。3.维恩维恩(Wien)定律定律 维恩定律是普朗克定律的简化形式，维恩定律可表示为 在3000K以下，维恩公式与普朗克公式的差别很小，用维恩公式代替普朗克公式，可以使计算和讨论大大简化。40000dTTMTM，TCeCTM2-510，第2章 温度传感器及其应用案例 2.62 辐射式温度传感器的应用辐射式温度传感器的应用 1.光学高温计光学高温计 光学高温计是利用辐射式温度传感器制作的一个高温检测装置。它的工作原理是基于普朗克定律。即物体
48、在高温下会发光，当温度高于700时就会明显发出可见光，具有一定的亮度。光学高温计就是利用各种物体在不同温度下辐射的光谱亮度不同这一原理工作的。光学高温计是工业中应用较广的一种非接触式测温传感器，用来测量7003200的高温。精密光学高温计可用于科学实验中的精密温度测试，标准光学高温计可作为复现国际温标的基准仪器。如果选一定波长(如 )的区域，则物体的辐射亮度与温度成单值函数关系，这就是光学高温计的设计原理。图2-27为我国生产的WGG2-201型灯丝隐灭式光学高温计的外形和原理图。测量精度为1.5级。m65.0第2章 温度传感器及其应用案例1-物镜；2-吸收玻璃；3-灯泡；4-红色滤光片；5-
49、目镜；6-指示仪器；7-滑线电阻图图2-27 WGG2-201型光学高温计外形及原理图型光学高温计外形及原理图 利用光学系统，将被测物体的辐射平面移到灯丝的平面上互相比较，调节滑线电阻改变灯丝电流的大小，从而改变标准灯泡的灯丝亮度，当灯丝亮度与被测物体的亮度相当时，灯丝分辨不出即隐灭，这时灯丝的亮度就是被测物体的亮度。第2章 温度传感器及其应用案例 2.全辐射高温计全辐射高温计 全辐射高温计也是利用辐射式温度传感器制作的一个高温检测装置。它的测温原理是斯特芬玻尔兹曼定律，即通过测量辐射体所有波长的辐射总能量来确定物体的温度，它可用于测量4002000的高温。全辐射高温计由辐射感温器和显示仪表两
50、部分组成，多为现场安装式结构。全辐射感温器的测温原理如图2-28(a)所示。聚光透镜1将物体发出的辐射能经过光阑2、光阑3聚集到受热片4上，受热片上镀上一薄层铂黑，以提高吸收辐射能的能力。在受热片上装有热电堆，热电堆由812支热电偶或更多支热电偶串联而成，热电偶的热端汇集到中心一点，见图2-28(b)所示。受热片接收到辐射能使其温度升高，热电堆输出的热电势与热电堆中心点温度有确定的关系，而受热片的温度高低与其接收的辐射能有关，即和辐射体的温度有关。第2章 温度传感器及其应用案例 全辐射高温计也是按绝对黑体分度的，它测得的是辐射温度，而实际物体不是黑体，所以物体的实际温度T与物体的辐射温度 有以
