1、2023-1-201实用传感器技术教程实用传感器技术教程第第2章章 温度测量传感器温度测量传感器2.5 2.5 温度测量传感器性能比较温度测量传感器性能比较2.4 2.4 红外测温技术红外测温技术2.3 2.3 集成温度传感器集成温度传感器2.2 2.2 热电偶温度传感器热电偶温度传感器2.1 2.1 电阻式温度传感器电阻式温度传感器温标的基本概念温标的基本概念 温标的基本概念温标的基本概念 u 温度温度是表征物体冷热程度的物理量，它体现了物体内部分是表征物体冷热程度的物理量，它体现了物体内部分子运动状态的特征。子运动状态的特征。u温度是不能直接测量的。只能通过物体随温度变化的某些特温度是不能
2、直接测量的。只能通过物体随温度变化的某些特性（如体积、长度、电阻等）来间接测量。性（如体积、长度、电阻等）来间接测量。热电式传感器热电式传感器将将温度温度变化变化转换成转换成电量电量（电阻、电势等）。（电阻、电势等）。u将温度变化转换为将温度变化转换为电阻电阻变化的元件主要有变化的元件主要有热电阻热电阻和和热敏电阻热敏电阻；u将温度变化转换为将温度变化转换为电势电势的传感器主要有的传感器主要有热电偶热电偶和和PN结式传结式传感器感器；u将将热辐射热辐射转换为电学量的器件有转换为电学量的器件有热电探测器、红外探测器热电探测器、红外探测器等。等。热电式传感器热电式传感器 u接触式测温接触式测温是基
3、于是基于热平衡热平衡原理，即测温敏感元件必须与被原理，即测温敏感元件必须与被测介质接触，是两者处于平衡状态，具有同一温度。如水银温度测介质接触，是两者处于平衡状态，具有同一温度。如水银温度计、热敏电阻、热电偶等。计、热敏电阻、热电偶等。u非接触式测温非接触式测温是利用是利用热辐射热辐射原理，测温的敏感元件不与被原理，测温的敏感元件不与被测介质接触，利用物体的热辐射随温度变化的原理测定物体温度，测介质接触，利用物体的热辐射随温度变化的原理测定物体温度，故又称辐射测温。如辐射温度计，红外测温仪等。故又称辐射测温。如辐射温度计，红外测温仪等。按测温方法不同，热电式传感器分为接触式和非接触式两按测温方
4、法不同，热电式传感器分为接触式和非接触式两种。种。热电式传感器分类热电式传感器分类 测温方法比较测温方法比较 常用热电式传感器常用热电式传感器 测温测温方式方式传感器类型传感器类型测温范围测温范围()()精度精度(%)(%)特点特点常用热电式传感器常用热电式传感器 2.1 电阻式温度传感器电阻式温度传感器v 电阻式温度传感器是利用导体或半导体的电阻率随温度变化而变化的原理制成的，它将温度变化转化为元件电阻的变化，通过测量电阻间接地测量温度或者与温度有关的参数。v 按照其制造材料来分，电阻式温度传感器可分为金属热电阻（简称热电阻）及半导体热电阻(简称热敏电阻)两种。2.1.1 金属热电阻金属热电
5、阻1.金属热电阻材料的特点金属热电阻材料的特点作为测量用的热电阻材料必须具备以下特点：v 具有高温度系数和高电阻率，这样在同样的测试条件下可提高测量灵敏度，减小传感器的体积和重量；v 在较宽的测量范围内具有稳定的物理和化学性质，保证在规定的测量范围内测量结果准确无误；v 具有良好输出特性，电阻阻值与温度之间具有线性或近似线性关系的特性曲线；v 具有良好的工艺性，以便于批量生产，降低成本。2.1.1 金属热电阻金属热电阻2.常用金属热电阻常用金属热电阻（1）铂电阻v 铂电阻电阻值与温度的关系为在0660范围内 RtR0(1+At+Bt2)在-1900范围内 RtR0 1+At+Bt2+C(t10
6、0)t3 v 工业用的铂电阻体，一般由直径0.030.07mm的纯铂丝绕在平板形支架上，通常采用双线电阻丝，引出线用银导线。v 它能用作工业测温元件和作为温度标准，按国际温标IPTS68规定，在-259.34630.74的温度范围内，以铂电阻温度计作基准器。2.1.1 金属热电阻金属热电阻2.常用金属热电阻常用金属热电阻（2）铜电阻v 在-50150范围内，铜电阻与温度的关系为 RtR0(1+At+Bt2+Ct3)v 铜容易提纯，在-50+150范围内铜电阻的物理、化学特性稳定，输入、输出关系接近线性，且价格低廉。铜电阻的缺点是电阻率较低，仅为铂电阻的16左右；电阻的体积较大，热惯性也较大，当
7、温度高于100时易氧化。因此，铜电阻只能适于在低温和无侵蚀性的介质中工作。v 常用的工业用铜电阻的R0值有50、100两种，其分度号分别用Cu50、Cu100表示。2.1.1 金属热电阻金属热电阻3.热电阻主要参数热电阻主要参数v（1）热电阻分度表与分度号。在工业上，将热电阻的Rt值与温度t的对应关系列成表格，称为热电阻分度表。制成电阻的金属材料加上标称电阻值即为其分度号。例如，Cu50、Pt100等。v（2）允许偏差。允许偏差即热电阻实际的电阻值与温度关系偏离分度表的允许范围。v（3）热响应时间。当温度发生阶跃变化时，热电阻的电阻值变化至相当于该阶跃变化的某个规定百分比所需要的时间，称为热响
8、应时间，通常以表示。一般记录变化50或90的响应时间分别为0.5与0.9。热电阻的响应时间不仅与结构、尺寸及材质有关，还与被测介质的放热系数、比热等工作环境有关。v（4）额定电流。额定电流是指在测量电阻值时，允许在元件中连续通过的最大电流，一般为25mA。限制额定电流是为了减少热电阻自热效应引起的误差，对热电阻元件都规定了额定电流。2.1.1 金属热电阻金属热电阻3.热电阻主要参数热电阻主要参数名称等级分度号测温范围()允许偏差()铂热电阻APt10-200850(0.15+0.002|T|)Pt100BPt10(0.30+0.005|T|)Pt100名称分度号测温范围()允许偏差()0时电阻
9、值（）铜热电阻Cu50-50150(0.30+0.006|T|)50.0000.050Cu100100.000.10表表2-1 2-1 铂电阻技术参数铂电阻技术参数表表2-2 2-2 铜电阻技术参数铜电阻技术参数2.1.1 金属热电阻金属热电阻4.使用注意事项使用注意事项v 工业上广泛应用金属热电阻进行200600范围的温度测量。在使用时需要注意以下问题：（1）自热误差v 在使用金属热电阻测量温度时，电阻要消耗一定的电功率，引起电阻值的变化，从而带来测量误差。所以在使用中应尽量减小由于电阻器通电产生的自热而引起的误差，一般是采取限制电流的办法，通常允许通过电流应小于5mA。（2）引线误差v 由
10、于热电阻感温元件到接线端子、接线端子到调理电路都需要连接引线，引线本身的电阻及接触电阻相对于较低阻值的热电阻，是不可忽略的。一方面它们影响热电阻的零位值，另一方面它们随温度变化，带来不确定的测量误差。因此，测量电阻的引线通常采用三线式或四线式接法。2.1.2 半导体热敏电阻半导体热敏电阻1.热敏电阻的特点及分类热敏电阻的特点及分类（1）热敏电阻的特点v 灵敏度高。热敏电阻温度系数的绝对值比金属热电阻大10100倍。v 电阻值高。它的标称电阻值有几到十几M之间的不同规格。因此在使用热敏电阻时，一般不用考虑引线电阻的影响。v 结构简单。热敏电阻可根据使用要求加工成各种形状，特别是能够做到小型化，目
11、前的珠状热敏电阻的直径仅为0.2mm。v 体积小，热惯性小，响应时间短，响应时间通常为0.53s。v 化学稳定性好，机械性能好，价格低廉，使用寿命长。v 缺点是阻值与温度呈非线性关系，且互换性差。2.1.2 半导体热敏电阻半导体热敏电阻（2）热敏电阻的分类 1）正温度系数热敏电阻（PTC）v 电阻值随温度升高而增大的热敏电阻，称为正温度系数热敏电阻。它的主要材料是掺杂的BaTiO3半导体陶瓷。2）负温度系数热敏电阻（NTC）v 电阻值随温度升高而减小的热敏电阻，称为负温度系数热敏电阻。它的主要材料是Mn、Co、Ni、Fe等金属氧化物半导体。3）临界温度系数热敏电阻（CTR）v 该类电阻的电阻值
12、在某特定温度范围内随温度升高而降低34个数量级，即具有很大的温度系数。其主要材料是VO2，并添加一些金属氧化物。2.1.2 半导体热敏电阻半导体热敏电阻2.热敏电阻的主要参数热敏电阻的主要参数v（1）标称电阻R25v（2）电阻温度系数t（）v（3）耗散常数（mW）v（4）材料常数B v（5）时间常数2.1.2 半导体热敏电阻半导体热敏电阻v 3.热敏电阻的主要特性热敏电阻的主要特性v（1）热敏电阻的电阻温度特性v（2）热敏电阻的伏安特性t()RT()4060120160010010110210310410510612340.111010010-710-610-510-410-302560V(V
13、)I(mA)图图2-1 2-1 热敏电阻电阻热敏电阻电阻温度特性曲线温度特性曲线图图2-2 NTC2-2 NTC热敏电阻伏安特性曲线热敏电阻伏安特性曲线2.1.2 半导体热敏电阻半导体热敏电阻v 4.热敏电阻命名方法及常用热敏电阻热敏电阻命名方法及常用热敏电阻 第一部分：主称第二部分：类别第三部分：用途第四部分：序号字母含义字母含义数字含义M敏感电阻MPTC0本部分由数字表示，不同企业之间命名方法有所区别，通常包括标称值、B值、允许偏差及外形等1普通2限流34延迟5测温6控温7消磁89恒温FNTC0特殊1普通2稳压3微波测量4旁热式5测温6控温7抑制浪涌8线性9表表2-3 2-3 热敏电阻型号
14、命名方法热敏电阻型号命名方法2.1.2 半导体热敏电阻半导体热敏电阻型号标称值R25B值（K）耗散系数（mw/）额定功率（mw）时间常数（S）工作温度（）MF113.333K27004050650030-55125MF126.8K5000K42505050650030-55125MF521K1000K3100450025015-55125MF581.5K1388K3920460025020-55200MF720.7400635-55200表表2-4 2-4 常用热敏电阻主要参数常用热敏电阻主要参数v 4.热敏电阻命名方法及常用热敏电阻热敏电阻命名方法及常用热敏电阻 2.1.3 电阻式温度传感器
15、的测量电路电阻式温度传感器的测量电路v 1.不平衡直流电桥不平衡直流电桥v 当电桥为单臂工作时，如图2-3(b)所示，设初始状态时电桥达到平衡，输出电压U0=0。此时电桥上的各电阻的阻值分别为R10、R20、R30、R40，并满足R10R40=R20R30。即电桥的平衡条件为R20/R10=R40/R30v 假设R1为敏感元件，且R1=R10+R1，其它电阻均保持不变。在这种情况下，桥路不平衡输出电压为v 设桥臂比n=R20/R10，由于R116?N报警YYNYN图图2-34 2-34 温度采集系统软件流程图温度采集系统软件流程图 2.3.2 集成温度传感器应用集成温度传感器应用v 5.基于基
16、于I2C总线接口的智能温度传感器总线接口的智能温度传感器MAX6626及应用及应用v MAX6626主要特性为：v 内含温度传感器和12位AD转换器，测温范围是-55+125，分辨力可达0.0625。在-40+80范围内的测温误差小于或等于3，完成一次温度数据转换大约需要133ms。v 带I2C串行总线接口。串行时钟频率范围0400kHz。利用I2C总线地址选择端(ADD)，可选择4片MAX6626。v 当被测温度超过上限tH时，报警输出端(OT)被激活。芯片既可工作在比较模式，亦可工作在中断模式。v MAX6626具有掉电模式，主机通过串行口将配置寄存器的DO置成高电平时，芯片就进入此模式，
17、这时除上电重启动电路和串行接口以外，其余电路均不工作。v 利用内部的故障排队计数器，能防止出现误报警现象。v 电源电压范围是+3.0+5.5V，静态工作电流约为1mA，在掉电模式下降至1A。2.3.2 集成温度传感器应用集成温度传感器应用v 5.基于基于I2C总线接口的智能温度传感器总线接口的智能温度传感器MAX6626及应用及应用图图2-35 MAX66262-35 MAX6626引脚排列引脚排列1 1）引脚功能）引脚功能SDASDA：I I2 2C C总线数据线。总线数据线。SCLSCL：I I2 2C C总线时钟输入。总线时钟输入。ADDADD：I I2 2C C地址设置脚，其设置方式地
18、址设置脚，其设置方式见表见表2-52-5。OTOT：温度告警输出，采用漏极开路：温度告警输出，采用漏极开路输出。输出。2.3.2 集成温度传感器应用集成温度传感器应用v 5.基于基于I2C总线接口的智能温度传感器总线接口的智能温度传感器MAX6626及应用及应用v（2）应用ADDSDASCLVSGNDOTADDSDASCLVSGNDOTADDSDASCLVSGNDOTADDSDASCLVSGNDOTI/O1I/O2MCUMAX6626-1MAX6626-2MAX6626-3MAX6626-4VT1VT2VT3VT45.1k5.1k5.1k5.1k1k1kVcc图图2-36 MAX66262-3
19、6 MAX6626组成的温度测量系统组成的温度测量系统2.4 红外测温技术红外测温技术v 2.4.1 红外测温原理v 1.红外线及红外辐射红外线及红外辐射v 红外辐射的物理本质是热辐射，自然界中的任何物体，只要它的温度高于绝对零度，都会有一部分能量以电磁波形式向外辐射，物体的温度越高，辐射出来的红外线就越多，辐射的能量就越强。红外线有如下特点：v 红外线易于产生，容易接收；v 红外发光二极管，结构简单，易于小型化，且成本低；v 红外线调制简单，依靠调制信号编码可实现多路控制；v 红外线不能通过遮挡物，不会产生信号串扰等误动作；v 功率消耗小，反应速度快；v 对环境无污染，对人、物无损害；v 抗
20、干扰能力强。2.4.1 红外测温原理红外测温原理v 2.红外测温原理红外测温原理v 红外测温是辐射式测温的一种，在自然界中，一切温度高于绝对零度的物体都会辐射红外线，描述黑体辐射光谱分布的普朗克公式和黑体全辐射度与温度关系的斯蒂芬一玻耳兹曼定律是辐射测温法的基本理论依据，其关系式为v E=T4 v 同时探测器还可测出绝对黑体对应最大光谱辐出量的峰值波长max，依据维恩位移定律可知，它与热力学温度T成反比，即 maxT=b。这说明辐射出较高能量分子的数量会成正比地增加，即波长越短，能量越高。若已知热力学温度T，则可判断其峰值辐射波长max；若测得一个黑体辐射时的max，则可推知该黑体的表面热力学
21、温度T。v 通过测量物体自身辐射的红外能量可准确确定物体的表面温度，即按事先规定的时间周期把输入信号转变为光谱信号，再通过简单分析定性地得到物质的大概发射率，并计算出物体对应的黑体光强辐射度，从而得到实际物体的大概温度。2.4.1 红外测温原理红外测温原理v 3.红外探测器类型红外探测器类型v 红外传感器一般由光学系统、探测器、信号调理电路及显示单元等组成。红外探测器是红外传感器的核心。红外探测器是利用红外辐射与物质相互作用所呈现的物理效应来探 测红外辐射的。红外探测器的种类很多，按探测机理的不同，可分为热探测器和光子探测器两大类。v 热探测器主要有四类：热释电型、热敏电阻型、热电阻型和气体型
22、。2.4.1 红外测温原理红外测温原理v 3.红外探测器类型红外探测器类型v 热释电型探测器v 热释电型红外探测器是根据热释电效应制成的，即电石、水晶、酒石酸钾钠、钛酸钡等晶体受热产生温度变化时，其原子排列将发生变化，晶体自然极化，在其两表面产生电荷的现象称为热释电效应。v 用此效应制成的“铁电体”，其极化强度(单位面积上的电荷)与温度有关。当红外辐射照射到已经极化的铁电体薄片表面上时，引起薄片温度升高，使其极化强度降低，表面电荷减少，这相当于释放一部分电荷，所以叫做热释电型传感器。2.4.1 红外测温原理红外测温原理v 3.红外探测器类型红外探测器类型v 光子探测器v 利用光子效应制成的红外
23、探测器称为光子探测器，光子探测器的工作机理是利用入射光辐射的光子流与探测器材料中的电子互相作用，从而改变电子的能量状态，引起各种电学现象，这种现象称为光子效应。光子探测器有内光电和外光电探测器两种，后者又分为光电导、光生伏特和光磁电探测器等三种。2.4.2 红外测温技术的应用红外测温技术的应用v 目前应用红外诊断技术的测试设备比较多，如红外测温仪、红外热电视、红外热像仪等。红外热电视、红外热像仪等设备利用热成像技术将这种看不见的“热像”转变成可见光图像，使测试效果直观、灵敏度高、可靠性高。它能检测出设备细微的热状态变化，准确反映设备外部及内部的发热情况，对发现设备隐患非常有效。红外诊断技术对电
24、气设备的早期故障缺陷及绝缘性能做出可靠的预测，实现对电气设备的预防性试验维修。红外状态监测和诊断技术具有远距离、不接触、不取样、不解体，又具有准确、快速、直观等特点。同时，实时在线监测和诊断技术几乎可以覆盖所有电气设备各种故障的检测。因此，红外检测技术的应用，对提高电气设备的可靠性与有效性，提高运行经济效益，降低维修成本都有很重要的意义。2.5 温度测量传感器性能比较温度测量传感器性能比较传感器类型测量范围（）灵敏度线性度（F.S）精度分辨力（）响应时间（S）特点热电阻铂铜-2006601.540.3150.015150铂电阻精度高、稳定性好、性能可靠。铜电阻温度系数大，在-50150范围内线
25、性度好铜电阻易于氧化、电阻率较低、机械强度较差热敏电阻-2807000.5100.001100.515热敏电阻具有负温度系数，其灵敏度远高于金属热电阻、热电偶及其它热敏元件；体积小、热惯性小、适合快速测量；电阻值较高，接入测量仪表后，导线电阻变化对测量结果影响较小；功耗低、过载能力强、工作温度范围宽、寿命长、价格便宜与温度呈非线性关系，互换性差热电偶-27028000.20.5102.550结构简单，感温部分热容量小，相对滞后较小，短时间可达到平衡，可对变化较快的温度进行连续测量灵敏度比热电阻低，500以下精度及稳定性较差半导体二极管-10050024mV0.40.10.050.50.22半导
26、体二极管与金属热电阻、热敏电阻相比，具有灵敏度高、线性好、体积小、时间常数小、输出阻抗稳定等优点集成电路-50200325 mV0.430.510.060.51集成电路温度传感器线性度好，精度较好，可将测温部分、激励电路及信号处理等集成一体，封装进小型管壳中，使用方便；信号便于远传缺点是灵敏度较低表表2-11 2-11 温度测量传感器性能比较温度测量传感器性能比较2.5 温度测量传感器性能比较温度测量传感器性能比较表表2-11 2-11 温度测量传感器性能比较温度测量传感器性能比较传感器类型测量范围（）灵敏度线性度（F.S）精度分辨力（）响应时间（S）特点热辐射红外线测温-5035000.52
27、1.5ms25s非接触测量，适用于远距离要求不接触的目标，响应速度快，分辨率高，测温范围宽受水气、烟雾、尘雾、尘埃等影响较大，受光波波段的影响大；测量绝对温度时，结构复杂光学高温计70060001415031010结构简单、量程比较宽、精度较高，使用方便人为误差大，不能远距离测量全辐射高温计70030001105结构简单、性能稳定、使用方便；可自动记录和远距离传送信号，非接触测量只适合测量高温；环境影响测温精度；连续测高温时，需要冷却；需要测量对象的辐射率已知并保持一定的状态光纤-402500152s半导体吸收型探头体积小、灵敏度高、工作可靠，适用于高压电力系统中的高温测量。测量范围-10300。光纤辐射高温型可测定位于光纤上任何位置的热点温度，用于监测大型电气设备内部热点温度情况，实现遥控。测量范围8002500光纤荧光温度传感器精度很高，连续测量偏差仅为0.04，但测温范围较窄，为070
