温度测量传感器课件

实用传感器技术教程实用传感器技术教程2024/7/71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子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。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结式传感结式传感器器；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于是基于热平衡热平衡原理，即测温敏感元件必须与被测原理，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。如水银温度计、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。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测原理，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，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(t100)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v3.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v4.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v4.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 电阻式温度传感器的测量电路电阻式温度传感器的测量电路v1.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R1R1，分母中R1/R1可忽略，并考虑到平衡条件，则上式可写为图图2-3 2-3 不平衡直流电桥不平衡直流电桥2.1.3 电阻式温度传感器的测量电路电阻式温度传感器的测量电路v2.不平衡电桥电压灵敏度不平衡电桥电压灵敏度v如果将电桥电压灵敏度定义为 ，从定义式可见，对于相同的敏感元件相对变化量，Ku越大，电桥的输出电压就越高。由式（2-6）可得 （2-7）由式（2-7）可知：v（1）电桥电压灵敏度正比于电桥供电电压，供电电压越高，电桥电压灵敏度越高，但供电电压的提高受到应变片允许功耗的限制，所以要作适当选择。v（2）电桥电压灵敏度是桥臂电阻比值n的函数，恰当地选择桥臂比n的值，可保证电桥具有较高的电压灵敏度。2.1.3 电阻式温度传感器的测量电路电阻式温度传感器的测量电路v3.测量电阻接线方式测量电阻接线方式v由于常用的金属热电阻的阻值不高，所以在使用热电阻测量时，引线电阻和接触电阻都不可避免地带来测量误差。为减小测量过程中引线带来的附加误差，根据测量情况可将电阻引线方式分为三种。v（1）两线制v（2）三线制v（3）四线制图图2-4 2-4 热电阻的引线方式热电阻的引线方式2.1.4 工业热电阻命名方法工业热电阻命名方法第一部分：主称第二部分：类别第三部分：结构字母含义字母含义数字含义数字含义数字含义数字含义WZ热电阻温度仪表P铂电阻2双支偶丝1无固定装置2防喷式接线盒0保护管直径：162固定螺纹3活动法兰4固定法兰5活络管接头C铜电阻单支偶丝6固定螺纹锥式3防水式接线盒1保护管直径：127直形管接头8固定螺纹管接头9活动螺纹管接头表表2-5 2-5 装配热电阻装配热电阻型号命名方法型号命名方法2.1.5 电阻式温度传感器应用电阻式温度传感器应用v1.三线桥式测温电路三线桥式测温电路v该电路测温元件选择金属热电阻，测量电路采用不平衡电桥和仪表放大器。不平衡电桥由高精度电阻R1R3与铂热电阻Rt组成。热电阻采用三线方式连接，RW1、RW2、RW3是连接导线等效电阻。电源Uc为测量桥路提供工作电流。从图2-5中可见，由于RW1、RW2的存在使得电桥桥臂发生了变化，RW1和Rt组成一个桥臂，RW2和R3组成另一个桥臂。因为电缆线的型号和长度相同，RW1和RW2相等，根据式2-4可以得出这个新桥路的输出电压表达式为图图2-5 2-5 三线桥式测温电路三线桥式测温电路2.1.5 电阻式温度传感器应用电阻式温度传感器应用v2.铂电阻恒流源测温电铂电阻恒流源测温电路路v图2-6所示为铂电阻恒流源测温电路。图中A1、Ur、Rt、RP1等组成了恒流源电路，为热电阻Rt提供工作电流。Ur为2V的基准电压，作为恒流源的基准。Rt采用标称值为1k的铂热电阻。图图2-6 2-6 铂电阻恒流源测温电路铂电阻恒流源测温电路2.1.5 电阻式温度传感器应用电阻式温度传感器应用v3.铂电阻线性化电路铂电阻线性化电路图图2-7 2-7 铂电阻温度特性铂电阻温度特性图图2-8 2-8 铂电阻线性化测温电路铂电阻线性化测温电路2.1.5 电阻式温度传感器应用电阻式温度传感器应用v4.铂电阻温度控制仪电路铂电阻温度控制仪电路图图2-9 2-9 铂电阻温度控制仪铂电阻温度控制仪2.1.5 电阻式温度传感器应用电阻式温度传感器应用v5.带有自动监视功能的温度控制器电路带有自动监视功能的温度控制器电路图图2-10 2-10 带有自动监视功能的温控器电路带有自动监视功能的温控器电路2.2 热电偶温度传感器热电偶温度传感器v2.2.1 工作原理及基本定律v1.工作原理工作原理v将两种不同的导体A和B串接成一个闭合回路，若导体A和B的两接点处的温度不同，两者之间便会产生电动势，这种现象称为热电效应。由此效应产生的电动势，通常称为热电动势。热电偶就是利用这一效应来工作的。v热电偶的结构如图2-11所示，由导体A和B组成的热电偶回路，材料A和B称为热电极；接点T端称为测量端，或工作端；另一个接点T0称为参考端或冷端、自由端。可以证明，如果材料A、B确定，当温度T T0 时，则回路的总的热电势表示为：EAB（T，T0）=f（T）f（T0）图图2-11 2-11 热电偶原理图热电偶原理图2.2.1 工作原理及基本定律工作原理及基本定律v1.工作原理工作原理v热电势的大小只与热电偶两端接电的温度有关，如果T0已知且恒定，则f（T0）为常数，总回路热电势EAB（T，T0）只是工作端温度T的单值函数。v结论：（1）若热电偶两电极材料相同，则无论两接点温度如何，回路总电势为零。（2）若热电偶接点温度相同，即使A和B材料不同，回路总电势仍为零。（3）热电势的大小只与热电极的材料和两端温度有关，与热电偶的几何尺寸、形状等无关。（4）同样材料的热电极，其温度和电势的关系是一样的，因此热电极材料相同的热电偶可以互换。2.2.1 工作原理及基本定律工作原理及基本定律v2.基本定律基本定律（1）中间导体定律v在热电偶电路中接入第三种导体C，只要导体C两端温度相等，则热电偶回路产生的总热电势就不变。根据该定律可知，当利用热电偶进行测温时，将连接导线视为中间导体，只要保证其两端温度相同，则对测量结果没有影响。中间导体定律如图2-12所示。（2）中间温度定律 v如果热电偶AB两结点的温度分别为T和T0，则所产生的热电势等于热电偶AB两结点温度为T和Tn与热电偶AB结点温度为Tn和T0时所产生的热电势的代数和，用公式表示为v EAB（T，T0）=EAB（T，Tn）+EAB（Tn，T0）图图2-12 2-12 中间导体定律中间导体定律2.2.1 工作原理及基本定律工作原理及基本定律v2.基本定律基本定律v（3）参考电极定律 v当热电偶回路的两个结点温度为T和T0时，用导体AB组成的热电偶的热电势等于热电偶AC和热电偶CB的热电势的代数和，即v EAB（T，T0）=EAC（T，T0）+ECB（T，T0）v导体C称为标准电极，这一规律称为参考电极定律。图图2-13 2-13 参考电极定律参考电极定律2.2.1 工作原理及基本定律工作原理及基本定律v（3）参考电极定律 v【例2.1】S型热电偶在工作时自由端温度T0=30，现测得热电偶电动势为7.5mV，求被测介质实际温度。v解：由题意热电偶测得的电势为E(T,30)，即E(T,30)=7.5mV，其中T为被测介质实际温度。由分度表可查到E(30,0)=0.173mV，则 E(T,0)=E(T,30)+E(30,0)=7.5+0.173=7.673 mV再由分度表中查出与其对应的实际温度为830。2.2.2 热电偶结构热电偶结构v1.普通型热电偶普通型热电偶v普通型结构的热电偶在工业中使用最多，主要用于测量气体、蒸汽和液体等介质的温度，可根据测量条件和测量范围来选用。为了防止有害介质对热电极的侵蚀，工业用的热电偶一般都有保护套。普通型热电偶结构见图2-14。v绝缘套管用来防止电极短路，其材料要根据使用的温度范围和绝缘要求确定，常用氧化铝和耐火陶瓷。不锈钢套管是为了将电极与被测对象隔离开，以防止受到化学腐蚀或机械损伤。对保护套管的要求是热传导性好、热容量小、耐腐蚀并且具有一定的机械强度图图2-14 2-14 普通热电偶结构普通热电偶结构2.2.2 热电偶结构热电偶结构v2.铠装热电偶铠装热电偶v铠装热电偶的结构如图2-15所示，它是将热电极、绝缘材料和金属保护管组合在一起，经拉伸加工成为一个坚实的组合体。它具有很大的可挠性，其最小弯曲半径通常是热电偶直径的5倍。此外它还具有测温端热容量较小、动态响应较快、强度高、寿命长及适应性强等优点，适用于结构复杂的部位的温度测量，因此在工业中得到了广泛的应用。图图2-15 2-15 铠装热电偶结构铠装热电偶结构2.2.2 热电偶结构热电偶结构v3、薄膜热电偶、薄膜热电偶v薄膜热电偶是一种先进的测量瞬变温度的传感器。它是将两种薄膜热电极材料，通过真空蒸镀、化学涂层等方法蒸镀到绝缘基板上面制成的一种特殊热电偶。它的测温原理与普通丝式热电偶相似，由于薄膜热电偶的热接点多为微米级的薄膜（电极为厚度0.010.1m），与普通热电偶比较，它具有热容量小、响应迅速等特点，所以能够准确地测量瞬态温度的变化。2.2.3热电偶的冷端补偿方法热电偶的冷端补偿方法v由热电偶测温原理可知，热电偶的热电势的大小不仅与工作端的温度有关，而且与冷端温度有关，是工作端和冷端温度的函数差。只有当热电偶的冷端温度保持不变，热电势才是被测温度的单值函数。工程技术上使用的热电偶分度表中的热电势值是根据冷端温度为0而制作的。但在实际使用时，由于热电偶的工作端与冷端离得很近，冷端又暴露于空气，容易受到环境温度的影响，因而冷端温度很难保持恒定。2.2.3热电偶的冷端补偿方法热电偶的冷端补偿方法v1.补偿导线法补偿导线法v图2-16所示为补偿导线法示意图。在图中，A、B为补偿导线，它所产生的热电势为EAB(T0,T0),回路总电势为EAB(T,T0)+E AB(T0,T0),根据补偿导线的性质，有v EAB(T0,T0)=EAB(T0,T0)v则由热电偶的中间温度定律可得回路总电势v E=EAB(T,T0)+EAB(T0,T0)=EAB(T,T0)v因此，补偿导线AB可视为热电偶电极AB的延长，使热电偶的自由端从T0处移到T0处，热电偶回路的热电势只与T和T0有关，T0的变化不再影响总电势。图图2-16 2-16 补偿导线法示意图补偿导线法示意图2.2.3热电偶的冷端补偿方法热电偶的冷端补偿方法v1.补偿导线法补偿导线法在使用补偿导线时必须注意下列问题：（1）补偿导线只能在规定的温度范围内（一般为0100）与热电偶的热电特性相同或相近；（2）不同型号的热电偶有不同的补偿导线；（3）热电偶与补偿导线连接的两个接点要保持相同的温度；（4）补偿导线有正负极之分，需要分别与热电偶的正负极相连；（5）补偿导线的作用只是延伸热电偶的自由端，当自由端温度T00时，还需要进行其它补偿与修正。补偿导线型号配用热电偶型号补偿导线绝缘层颜色正极负极正极负极SCSSPC（铜）SNC（铜镍）红绿KCKKPC（铜）KNC（康铜）红蓝KXKKPX（镍铬）KNX（镍硅）红黑EXEEPX（镍铬）ENX（铜镍）红棕JXJJPX（铁）JNX（铜镍）红紫TXTTPX（铜）TNX（铜镍）红白表表2-6 2-6 常用热电偶补偿导线常用热电偶补偿导线2.2.3热电偶的冷端补偿方法热电偶的冷端补偿方法v【例2.2】有一个热电偶测温系统，如图2-17所示。其热电偶两个热电极的材料为镍铬镍硅，A、B分别为配镍铬镍硅热电偶的补偿导线，测量系统配用K型热电偶的温度显示仪表来显示被测温度大小。设T=300，T0=50，T0=20。求：测量回路的总电势以及温度显示仪表的读数。如果补偿导线为普通铜导线，则测量回路的总电势和温度显示值是多少。图图2-17 2-17 热电偶测温电路热电偶测温电路2.2.3热电偶的冷端补偿方法热电偶的冷端补偿方法v解：由题意可知，使用热电偶的分度号为K型，则总的回路电势为v E=EK(T,T0)+EK补(T0,T0)+E补（T0,0）v式中，EK(T,T0)为热电偶产生的热电势；EK补(T0,T0)为配K型热电偶的补偿导线产生的电势；E补（T0,0）为补偿电桥提供的电势。由于补偿导线和补偿电桥都是配K型热电偶的，因此，这两部分产生的电势可近似为EK(T0,T0)和EK（T0,0），所以总电势可写成v E=EK(T,T0)+EK(T0,T0)+EK（T0,0）=EK(T,0)v显然，仪表的读数是300。查K型热电偶的分度表，得E=12.209mV。v当补偿导线是普通铜导线时，因为是一种导体铜，所以不产生电动势，即等于0，则回路总电动势为v E=EK(T,T0)+E补（T0,0）=EK(300,50)+EK（20,0）v =（12.209-2.023）+（0.798-0）=10.984（mV）v查K型分度表，得显示温度值为270.3。2.2.3热电偶的冷端补偿方法热电偶的冷端补偿方法v2、热电势修正法、热电势修正法v在实际工况环境中，当热电偶冷端温度不是0时，而是 Tn时，根据热电偶中间温度定律，可得热电动势的计算校正公式为：v E(T,0)=E(T,Tn)+E(Tn,0)v因此只要知道了热电偶参比端的温度Tn，就可以从分度表中查出对应于Tn时的热电动势E(Tn,0)，然后将这个热电动势值与显示仪表所测得读数值E(T,Tn)相加，得出的结果就是热电偶的参比端温度为0时，对应于测量端的温度为T 时的热电动势E(T,0)，最后就可以从分度表中查得对应于E(T,0)的温度，这个温度的数值就是热电偶测量端的实际温度。v3、0恒温法恒温法v为了测温准确，可以把热电偶的冷端置于冰水混合物的容器里，保证使冷端温度为0。这种办法测量最为直接，但是在现场测量时，要保证冷端温度保持在0不变十分困难，所以该方法常用于在实验室中进行的测量。2.2.3热电偶的冷端补偿方法热电偶的冷端补偿方法v4、冷端温度自动补偿法、冷端温度自动补偿法v（1）硬件电路补偿法v1）电桥补偿法图图2-18 2-18 电桥补偿法示意图电桥补偿法示意图2.2.3热电偶的冷端补偿方法热电偶的冷端补偿方法v2）集成电路补偿法图图2-20 2-20 利用利用TMP35TMP35补偿的热电偶测温电路补偿的热电偶测温电路图图2-19 2-19 利用利用AD592AD592补偿的热电偶测温电路补偿的热电偶测温电路2.2.3热电偶的冷端补偿方法热电偶的冷端补偿方法v2）集成电路补偿法图图2-21 2-21 利用利用MAX6675MAX6675补偿的热电偶测温电路补偿的热电偶测温电路2.2.3热电偶的冷端补偿方法热电偶的冷端补偿方法v（2）计算修正法v若自由端温度为T0时，测得物体温度为T，则被测物体的真实温度近似为：v T=T+KT0v式中，K为热电偶的修正系数，如表2-7中所示。工作端温度热电偶种类铜-康铜镍铬-康铜铁-康铜镍铬-镍硅铂铑-铂01.001.001.001.001.00201.001.001.001.001.001000.860.901.001.000.822000.770.830.991.000.723000.700.810.990.980.694000.680.830.980.980.665000.650.791.021.000.636000.650.781.000.960.627000.800.911.000.668000.800.821.000.599000.841.000.5610001.070.5511001.110.5312000.5313000.5214000.5215000.522.2.4 热电偶的测量误差热电偶的测量误差v1.分度误差分度误差 v热电偶的分度是指将热电偶置于给定温度下测定其热电势，以确定热电势与温度的对应关系（ET关系）。可见，实际的热电偶特性与标准分度表并不完全一致，这就带来了分度误差。v2.仪表误差及接线误差仪表误差及接线误差 v用热电偶测温时，必须有与之配套的仪表进行显示或记录。它们的误差必然会带入测量结果，这种误差与所选用仪表的精度和仪表的量程有关。v3.干扰和漏电误差干扰和漏电误差 v用热电偶测温时，由于周围电场和磁场的干扰，往往会造成热电偶回路中的附加电势，引起测量误差，常用冷端接地或屏蔽等方法消除误差。v不少绝缘材料随温度升高阻值下降，尤其是在1500以上的高温时，其绝缘性能显著下降，可能造成热电势分流输出。v4.动态误差动态误差v当测温时，指示的温度值始终跟不上被测介质温度变化值，这种测量瞬变温度时由滞后引起的误差，称为动态测温误差。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：普通型热电偶特殊热电偶铠装型热电偶薄膜热电偶等。热电偶的结构与种类热电偶的结构与种类普通型热电偶结构 优优点点：测温端热容量小，动态响应快；机械强度高，挠性好，可安装在结构复杂的装置上。铠装型热电偶薄膜热电偶 特特点点：热接点可以做得很小（m），具有热容量小、反应速度快（s）等特点，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。2.2.5 常用热电偶及热电偶命名方法常用热电偶及热电偶命名方法v1.标准化热电偶标准化热电偶型号电极材料测温范围（）型号电极材料测温范围（）S铂铑10-铂-501768N镍铬硅-镍硅-2701300R铂铑13-铂-501768E镍铬-康铜-2701000B铂铑30-铂铑601820J铁-康铜-2101200K镍铬-镍硅-2701372T铜-康铜-270400表表2-8 2-8 标准化热电偶参数标准化热电偶参数2.2.5 常用热电偶及热电偶命名方法常用热电偶及热电偶命名方法v2.热电偶命名方法热电偶命名方法第一部分：主称第二部分：类别第三部分：结构字母含义字母含义数字含义数字含义数字含义数字含义WR热电偶温度仪表M镍铬硅镍硅2双支偶丝1无固定装置2防喷式接线盒0保护管直径：162固定螺纹N镍铬镍硅3活动法兰1保护管直径：204固定法兰E镍铬铜镍5活络管接头2保护管直径：16（高铝质管）单支偶丝6固定螺纹锥式3防水式接线盒C铜铜镍7直形管接头3保护管直径：20（高铝质管）8固定螺纹管接头F铁铜镍9活动螺纹管接头表表2-9 2-9 装配热电偶型号命名方法装配热电偶型号命名方法2.2.6 热电偶应用电路热电偶应用电路v1.热电偶的线性校正电路热电偶的线性校正电路（1）多项式线性校正法v设温度为T，各项系数为a0，a1，aN，则热电偶电动势E可表示为E=a0+a1T+a2T2 aN TN。实现高次幂运算电路，就可构成线性校正电路。幂次越高，精度越高，电路越复杂，相应速度越慢。实际上只要取到2次幂就可以获得足够的精度。vK型热电偶放大电路输出600mV时的2次幂近似校正计算式可表达为vUOUT=-0.776+24.9952UIN-0.0347332UIN2（mV）（2）平方运算专用集成电路AD538线性化校正法v线性化电路的关键是求平方运算，AD538不用外接元件就可构成平方运算的线性校正电路。AD538精度为0.5，动态范围宽。输出电压UOUT满足一下函数关系2.2.6 热电偶应用电路热电偶应用电路v（3）K型热电偶线性校正电路图图2-22 2-22 采用采用AD538AD538的热电偶线性校正电路的热电偶线性校正电路2.2.6 热电偶应用电路热电偶应用电路v2、用、用J型热电偶实现范围为型热电偶实现范围为0600的测温电路的测温电路图图2-23 J2-23 J型热电偶型热电偶0 0600600测温电路测温电路2.3 集成温度传感器集成温度传感器v2.3.1 集成温度传感器分类与特点v1.模拟集成温度传感器模拟集成温度传感器v目前模拟集成温度传感器主要分为两大类：一类为电压型集成温度传感器；另一类为电流型集成温度传感器。v电压型集成温度传感器是将温度传感器、基准电压、缓冲放大器集成在同一芯片上，制成一个两端器件。v电流型集成温度传感器是把线性集成电路和薄膜工艺元件集成在一块芯片上，再通过激光修版微加工技术，制造出性能优良的测温传感器。v2.数字温度传感器数字温度传感器v智能温度传感器内部包含温度传感器、AD转换器、信号处理器、存储器和接口电路。v智能温度传感器的特点是能输出温度数据及相关的温度控制量，适配各种微控制器。2.3.2 集成温度传感器应用集成温度传感器应用v1.电压输出集成温度传感器电压输出集成温度传感器LMX35及应用及应用vLMX35传感器引脚排列如图2-24所示。v（1）性能与特点v它属于电压输出式精密集成温度传感器，电压温度系数为+10mVK，输出电压与热力学温度成正比。v测温精度高，测温范围宽。经过校准后，LM135在+25 的测温精度可达0.3，LM135的测温范围是-55+150，LM235为-40+125，LM335为-40+100。v动态阻抗低。当工作电流为0.45mA 时，其动态阻抗仅为0.50.6。v价格低，易校准。图图2-24 LMX352-24 LMX35引脚排列引脚排列2.3.2 集成温度传感器应用集成温度传感器应用v1.电压输出集成温度传感器电压输出集成温度传感器LMX35及应用及应用v（2）应用v用LM335系列测量温度的3种典型电路如图2-25所示。图2-25(a)为基本U0测温电路，其特点是电路非常简单，但由于未加温度校准电路，因此测温误差较大，在+25就有0.52的误差。图2-25(b)中，LM335的调整端(ADJ)接10k精密多圈电位器RP1的滑动触头，在+25时调整RP1，可使输出电压U0=2.982V。经校准后可以提高传感器的测量精度。图2-25(c)是在图2-25(b)的基础上改进而成的。图图2-25 LM3352-25 LM335典型应用电路典型应用电路2.3.2 集成温度传感器应用集成温度传感器应用v1.电压输出集成温度传感器电压输出集成温度传感器LMX35及应用及应用v（2）应用v图2-26中所示就是输出电压与摄氏温度成正比的应用电路。LM336是精密基准电压源，它的稳压值为2.5V。该基准电压经过运算放大器LM308放大后输出电压值为2.7315V。LM335测温输出电压与该电压相差之后为该电路的输出电压，就是与摄氏温度成正比的电压。图图2-26 LMX352-26 LMX35摄氏温度测量电路摄氏温度测量电路2.3.2 集成温度传感器应用集成温度传感器应用v2.电流输出集成温度传感器电流输出集成温度传感器AD590及应及应用用v（1）AD590性能与特点v它的主要特性如下：v流过器件的电流(A)等于器件所处环境的热力学温度(开尔文)度数。电流变化1A，相当于温度变化1K。vAD590的测温范围为-55+150。vAD590的电源电压范围为4V30V。AD590可以承受44V正向电压和20V反向电压。v输出电阻大于10M。v精度高。AD590共有I、J、K、L、M五档，其中M档精度最高，在-55+150范围内，非线性误差为0.3。图图2-27 AD5902-27 AD590引脚排列引脚排列2.3.2 集成温度传感器应用集成温度传感器应用v2.电流输出集成温度传感器电流输出集成温度传感器AD590及应及应用用v（2）AD590应用v图2-28是AD590的基本连接方式。其中图2-28(a)是简单连接方式，温度的变化引起电流I的变化，通过电阻R1和R2转换为电压得到U0=1mV/K。图2-28(b)中是最低温度检测电路，图中将三个AD590串接（也可多于或少于三个），并通过一只10k电阻取电压，由于是串联，所以流过电阻上的电流是由处于最低温度的那一只AD590决定。因此从电阻上得到的电压反映的只是最低温度，其灵敏度为10mV/K。图2-28(c)是检测平均温度的基本接法，将几个AD590并联，通过一只电阻取样，可以得到不同AD590处的平均温度。图图2-28 AD5902-28 AD590的基本连接方式的基本连接方式2.3.2 集成温度传感器应用集成温度传感器应用v2.电流输出集成温度传感器电流输出集成温度传感器AD590及应用及应用v（2）AD590应用v图2-29是典型的摄氏温度检测电路。其设计思想是利用运算放大器的虚地概念，将AD590电流输出支路与产生273.15的常数支路在虚地点叠加，从而将开氏温度转换为摄氏温度。图中MC1403输出2.5V电压基准，通过R1和RP1得到273.15A电流在运放反相输入端与AD590在0时产生的273.15A相互抵消，从而得到灵敏度为100mV/的摄氏温度输出。图图2-29 AD5902-29 AD590摄氏温度检测电路摄氏温度检测电路2.3.2 集成温度传感器应用集成温度传感器应用v3.基于基于1-wire接口的数字温度传感器接口的数字温度传感器DS18B20及应用及应用图图2-30 DS18B202-30 DS18B20引脚排列引脚排列图图2-31 DS18B202-31 DS18B20构成的多点测温电路构成的多点测温电路2.3.2 集成温度传感器应用集成温度传感器应用v4.基于基于SPI总线接口的智能温度传感器总线接口的智能温度传感器LM74及应用及应用图图2-32 LM742-32 LM74引脚排列引脚排列图图2-33 LM742-33 LM74组成的温度采集系统组成的温度采集系统图图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v5.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vMAX6626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。vMAX6626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，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v5.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v5.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）应用图图2-36 MAX66262-36 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v2.4.1 红外测温原理v1.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抗干扰能力强。2.4.1 红外测温原理红外测温原理v2.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v3.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。2.4.1 红外测温原理红外测温原理v3.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v3.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-5035000.521.5ms25s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