温度检测PPT课件.ppt

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1、第二章 温度检测,本章主要内容：测温原理及方法 温标及测温方法 电阻式温度传感与测试 热电偶温度计 辐射式温度计 光导纤维温度计 集成温度传感技术,自然界中几乎所有的物理化学过程都与温度紧密相关，因此温度是工农业生产、科学试验以及日常生活中需要普遍进行测量和控制的一个重要物理量。 温度是表征物体冷热程度的物理量。温度只能通过物体随温度变化的某些特性来间接测量，而用来量度物体温度数值的标尺叫温标。它规定了温度的读数起点（零点）和测量温度的基本单位。目前国际上用得较多的温标有华氏温标、摄氏温标、热力学温标.,2.1 温标及测温方法,（1）温度与温标,温度定义 对物体或系统的冷热程度的衡量（宏观）的

2、物理量。 是物体分子运动平均动能大小的标致（微观）,温标：温度标尺（定量） 起点、基本单位,温标,经验温标：根据物体热胀冷缩现象制定 摄氏温标： 在标准大气压下，冰点0C，水的沸点100 C，中间100等分，每份为摄氏1度，符号为。 华式温标： 在标准大气压下，冰点32F，水的沸点212 F，中间180等分，每份为华氏1度，符号为oF。 摄氏温度 t 和华氏温度 之间的关系：,T(F)=t(C)x9/5+32,国际实用温标：是一种协议温标， 热力学温度符号：T（T90）单位：开尔文，符号为K。 1K = 水的三相点热力学温度的1/273.16 热力学温度是以水的三相点来定义的，规定水的三相点的

3、温度为273.16K 摄氏温度t 和 热力学温度T 的关系： tT273.15,国际温标（热力学温标）：根据卡诺循环原理建立，实际难以实现。（PV=RT）,6,表9-1 各温标间的换算关系,（2）测温方法,一、接触式测温 传感器和被测对象直接接触，进行充分的热交换，达到热平衡后，敏感元件与被测对象具有相同温度，传感器的输出即反映了被测温度的高低。 传导换热,按照感温元件是否与被测介质接触，分为两大类：,优点： 1、测温仪表结构比较简单、工作可靠，且价格低廉； 2、测量精度较高，稳定性好； 缺点： 1、因测温元件与被测介质需要进行充分的热交换，需要一定的时间才能达到热平衡，所以存在测温的延迟现象

4、，有较大的滞后，不宜于快速变化的温度测量或对运动物体进行测量； 2、测温范围受感温材料性质的限制，不能应用于很低或很高的温度测量。温度太高或腐蚀性介质对感温元件的性能和寿命会产生不利影响。 3、感温元件影响被测温度场的分布，且接触不良等因素都会带来测量误差。,接触式测温方法的优缺点：,二、非接触式测温 利用被测对象的热辐射能量随温度的变化而变化的原理，通过测量一定距离处被测物体发出的热辐射强度来确定被测对象的温度。 辐射换热（传感器不需和被测对象接触）,优点： 1、测温范围广，不受测温上限的限制，也不会破坏被测物体的温度场； 2、反应速度一般比较快，几乎不存在测量滞后，便于测量运动物体的温度和

5、快速变化的温度； 3、因为非接触，所以可在高温、腐蚀、有毒等恶劣环境中使用。 缺点： 受到物体的发射率、测量距离、烟尘和水气等外界因素的影响，其测量精度较低。,非接触式测温方法的优缺点：,按照温度测量范围，可分为超低温、低温、中温、高温和超高温温度测量。 超低温一般是指010K 低温指10800K 中温指8001900K 高温指19002800K的温度 2800K以上被认为是超高温,热电阻和热敏电阻,利用导体和半导体的电阻随温度变化这一性质做成的温度计称为电阻温度计。大多数金属在温度升高1 C 时电阻将增加0.40.6。但半导体电阻一般随温度升高而减小，其灵敏度比金属高，每升高1 C ，电阻约

6、减小26。 目前由纯金属制造的热电阻的主要材料是铂、铜和镍，它们已得到广泛的应用。,2.2 电阻式温度传感器,2.3.1 金属热电阻传感器 一 、热电阻类型:金属热电阻主要有铂电阻、铜电阻和镍电阻等,其中铂电阻和铜电阻最为常见。 1、铂热电阻： 在-2000的范围内 在0850的范围内 2、铜热电阻：可表示为,工业热电阻,铠装式热电阻,二、热电阻的结构:热电阻主要由电阻体、绝缘套管和接线盒等组成。,热电阻测温如何测量热电阻？,直流电桥的平衡条件,18,19,三 、热电阻传感器的测量电路 1、三线制 2、四线制,20,平衡：,21,22,23,热电阻测温缺点及实际问题,引线电阻的影响：引线也有阻

7、值，且随环境温度变化，影响可达10甚至50 措施：采用三线式或四线式接法。 响应速度慢； 自热问题：热电阻测量需外加电源，电流流过热电阻使其发热从而改变阻值。,措施：限制电流不超过6mA。,25,2.2.2 半导体热敏电阻器,(Semiconductor thermal resisitor) 近年来，几乎所有的家用电器产品都装有微处理器，温度控制完全智能化，这些温度传感器几乎都使用热敏电阻。 热敏电阻是利用半导体材料的电阻率随温度变化而变化的性质制成的。 热敏电阻用钴Co、锰Mn、镍Ni等半导体材料的氧化物采用不同比例配方、高温烧结而成，烧结表面玻璃封装。,26,（一）热敏电阻的优点： 1 结

8、构简单、体积小、可测点温度； 2 电阻温度系数大，灵敏度高（10倍）； 3 电阻率高、热惯性小、适宜动态测量。 4 测量范围窄，目前只能达到-50300C,27,（二）分类： 按热敏电阻的阻值随温度变化的典型特性分为三类： (1) 正温度系数热敏电阻器（PTC） (Positive Temperature Coefficient) 电阻值随温度升高而增大的电阻器， 用于恒温、加热控制或温度开关,28,(2) 负温度系数热敏电阻器（NTC） (Negative Temperature Coefficient) 电阻值随温度升高而下降的热敏电阻器。 多用于温度测量和补偿。 (3) 突变型临界温度系

9、数热敏电阻器（CTR） (Critical Temperature Resister) 在某一特性温度下电阻值会发生突变，在随温度升高而降低34个数量级，具有很大负温度系数。用于温度开关。,29,30,温度测量中主要采用NTC，温度特性如下：,RT、R0温度为T、T0时热敏电阻器的电阻值； NTC热敏电阻的材料常数。 由测试结果表明，不管是由氧化物材料，还是由单晶体材料制成的NTC热敏电阻器，在不太宽的温度范围（小于450），都能利用该式，它仅是一个经验公式。,31,(三) 使用注意事项： 注意自热效应 热敏电阻温度特性的非线性（指数规律） 措施： 利用包含热敏电阻的线性化网络代替单个热敏电阻

10、 利用电子装置中其他部件的特性进行综合修正。 计算修正法：线性插值法分段计算 稳定性和老化问题：工艺、选择,32,图2.15 热敏电阻的线性化网络,利用包含热敏电阻的线性化网络代替单个热敏电阻:,33,(四)、热敏电阻的应用:(P31) 1、温度测量 2、温度补偿 3、温度控制 4、过热保护,34,电阻式温度传感器：利用物体的电阻随温度的变化的特性来测温的。,热电阻：测温范围，一般-200850C 热敏电阻：测温范围-50300C,外加电源；自热；引线电阻等问题。热敏电阻比热电阻灵敏度高。非线性。,35,温度测量,汽车水温测量 自动热水器 电冰箱等家用电器的温度控制,36,应用实例：基于热敏电

11、阻的电机过热保护器：,Rt1 Rt2 Rt3 ：热敏电阻(NTC) ，安装在三相绕组附近,温度低时 ：电阻高 三极管不导通 继电器不吸合 电机运行,温度高时 ：电阻低 三极管导通 继电器吸合 电机停止,37,热敏电阻的应用,2、恒温控制电路,Rt为热敏电阻，A为比较器，当环境温度达到T时，输出信号实现自动调温控制。 同相端输入有RP、R2、R3分压确定作比较电平，RP可调节比较器的比较电平，从而调节所需控制温度。,38,热敏电阻的应用,39,降温报警器,40,2.4 热电势式测温传感器（热电偶）,热电偶（thermocouple）是目前温度测量中使用最普遍的传感元件之一。 特点：结构简单，测量

12、范围宽、准确度高、热惯性小，输出信号为电信号，便于远传或信号转换等优点，还能用来测量流体的温度、测量固体以及固体壁面的温度。微型热电偶还可用于快速及动态温度的测量。,41,42,2.4.1 工作原理,两种不同的导体或半导体A和B组合成如图所示闭合回路，若导体A和B的连接处温度不同（设TT0），则在此闭合回路中就有电流产生，也就是说回路中有电动势存在，这种现象叫做热电效应。,一、热电效应,43,这种现象早在1821年首先由西拜克（Seeback）发现,所以又称西拜克效应。 回路中所产生的电动势，叫热电动势. 热电动势是由两种导体的接触电势和单一导体的温差电势所组成。热电动势的大小与两种导体材料的

13、性质及接点温度有关。,44,导体A，B 称为热电极。 接点T通常是焊接在一起的，测量时将它置于测温场所感受被测温度，故称为测量端（或工作端，热端）。 接点T0要求温度恒定，称为参考端（或冷端）。 由两种导体的组合并将温度转化为热电动势的传感器叫做热电偶。,45,二、接触电势的形成原因分析：,导体内部的电子密度是不同的，当两种电子密度不同的导体A与B接触时，接触面上就会发生电子扩散，电子从电子密度高的导体流向密度低的导体。 电子扩散的速率与两导体的电子密度有关并和接触区的温度成正比。,46,设导体A和B的自由电子密度为NA和NB，且NANB，电子扩散的结果使导体A失去电子而带正电，导体B则获得电

14、子而带负电，在接触面形成电场。 这个电场阻碍了电子的扩散，达到动平衡时，在接触区形成一个稳定的电位差，即接触电势（帕尔贴电势Peltier）。,47,eAB(T)导体A、B结点在温度T 时形成的接触电动势； e单位电荷， e =1.610-19C； k波尔兹曼常数， k =1.3810-23 J/K ； NA、NB 导体A、B在温度为T 时的电子密度。 接触电势的大小与温度高低及导体中的电子密度有关。,产生接触电势：,48,温差电势：因导体两端温度不同而产生的电动势。,由于温度梯度的存在，改变了电子的能量分布，高温(T）端电子将向低温端(T0）扩散，致使高温端因失去电子带正电，低温端因获得电子

15、而带负电。 因而在同一导体两端也产生电位差，并阻止电子从高温端向低温端扩散，最终电子扩散形成动平衡，此时所建立的电位差称为温差电势即汤姆逊电势(Thomoson) 。,49,EA(T，T0)导体A两端温度为T、T0时形成的 温差电动势； T，T0 高低端的绝对温度； 导体A在温度为T时的自由电子数,温差电势：,50,回路总电势： 由导体材料A、B组成的闭合回路，其接点温度分别为T、T0,如果TT0，则必存在着两个接触电势和两个温差电势。,51,NAT、NAT0导体A在结点温度为T和T0时的电子密度； NBT、NBT0导体B在结点温度为T和T0时的电子密度； A 、B导体A和B的汤姆逊系数。,5

16、2,注：在工程应用中，常用实验的方法得出温度与热电势的关系并做成表格，以供备查。,如果冷端温度 固定,则EAB(T,T0)成为T的单值函数。,忽略温差电势，则总电势为：,EAB(T,T0)=EAB(T )-EAB(T0 ),53,EAB(T,T0)=EAB(T)-EAB(T0) =EAB(T)-EAB(0)-EAB(T0)-EAB(0) =EAB(T，0)-EAB(T0，0),推论：热电偶的热电势可认为等于两端温度分别为 T 和零度以及T0和零度的热电势之差。,54,五点结论： 1、热电偶回路热电势只与组成热电偶的材料及两端温度有关；与热电偶的长度、粗细无关。,2、只有用不同性质的导体(或半导

17、体)才能组合成热电偶；相同材料不会产生热电势，因为当A、B两种导体是同一种材料时，ln(NA/NB)=0，也即EAB(T，T0)=0。,55,4、热电偶A、B在接点温度为T1 、T3时的热电势，等于此热电偶在接点温度为T1、T2与T2、T3两个不同状态下的热电势之和。,3、只有当热电偶两端温度不同,热电偶的两导体材料不同时才能有热电势产生。,5、导体材料确定后，热电势的大小只与热电偶两端的温度有关。如果使EAB(T0)=常数，则回路热电势EAB(T，T0)就只与温度T有关，而且是T的单值函数，这也是利用热电偶测温的原理。,56,1、均质导体定律 该定律内容是：由一种均质导体或半导体组成的闭合回

18、路，不论导体或半导体的截面积、长度和各处温度分布如何，都不能产生热电势。该定律已在理论分析中得到证明，并可得出如下结论： （1）热电偶必须由两种不同性质的材料构成。 （2）由一种材料组成的闭合回路存在温差时，回路如产生热电势，便说明该材料是不均匀的。据此，可检查热电极材料的均匀性。,2.4.2 热电偶回路的性质,57,2. 中间导体定律（或第三方导体定律）,当在A、B材料组成的热电偶回路中接入第三导体C时,只要引入的第三导体C两端温度相同,则此导体的引入不会改变总电势EAB(T,T0)的大小。,58,图2.3 热电偶回路中引入第三导体,59,此定律在实际中的应用： 根据上述原理，可以在热电偶回

19、路中接入电位计E，只要保证电位计与连接热电偶处的接点温度相等，就不会影响回路中原来的热电势，接入的方式见下图所示。,60,3、标准热电极定律 如果两种导体(A,B)分别与第三种导体(C)组成热电偶所产生的热电势已知，则由这两个导体组成的热电偶在相同的冷热端温度下产生的热电势可表示为：,61,证明： EAC(T,T0)=EAC(T）- EAC(T0） EBC(T,T0)=EBC(T）- EBC(T0） 将上二式相减得：,注：通常用纯铂(Pt)作为标准热电极。,62,3. 中间温度定律 如果不同的两种导体材料组成热电偶回路, 当接点温度为T1、T2时,其热电势为EAB(T1, T2)； 当接点温度

20、为T2、T3时，其热电势为EAB(T2, T3)； 当接点温度为T1、T3时，其热电势为EAB(T1, T3)，则,EAB(T1, T3)=EAB(T1, T2)+EAB(T2, T3),63,必要性： 热电偶的输出电压与温度成非线性关系。对于任何一种实际的热电偶,并不是由精确的关系式表示其特性,而是用特性分度表。为了便于统一,一般手册上所提供的热电偶特性分度表,是在保持热电偶冷端温度T0=0的条件下，给出热电势与热端温度的数值对照。 但在实际测量中,热电偶的冷端温度将受环境温度或热源温度的影响,并不为0。为了使用特性分度表对热电偶进行标定,实现对温度的准确测量,对冷端温度变化所引起的温度误差

21、,必须采用相应的冷端处理或补偿措施。,2.4.3 冷端处理及补偿,64,65,1、冰点槽法(0恒温法) 实施方法：把热电偶的参比端置于冰水混合物 容器里，使T0=0。 注： 它能使冷端温度误差得到完全的克服。但有一定局限性，仅限于科学实验中使用。 为了避免冰水导电引起两个连接点短路，必须把连接点分别置于两个玻璃试管里，浸入同一冰点槽，使其相互绝缘。,66,67,2、 零点迁移法（冷端恒温法）,实施方法：冷端置于恒温器内(如恒温车间或有空调 的场所)，虽不是0，但十分稳定。,实质：在测量结果中人为地加一个恒定值，因为冷端温度稳定不变，电动势EAB(TH,0)是常数，利用指示仪表上调整零点的办法，

22、或在回路中加入相应的修正电压而实现补偿。,68,3、冷端补偿器法 利用不平衡电桥产生热电势补偿热电偶因冷端温度变化而引起热电势的变化值。,69,不平衡电桥由R1、R2、R3(锰铜丝绕制，温度系数为零)、RCu(铜丝绕制，其值随温度变化)四个桥臂和桥路电源组成。 桥臂RCu必须和热电偶的冷端靠近，使处于同一温度之下。 通常设计在20下使电桥平衡(R1=R2=R3=RCu)，此时Uab=0 ，电桥对仪表读数无影响。,70,当T0上升时，RCu增大，Uab上升，当T0=Tn时电势U为：,而补偿器选择的RCu产生的Uab为：,所以输出电压U保持不变,71,B,4、补偿导线法,当热电偶冷端的温度由于受热

23、端温度的影响在很大范围内变化时,直接采用冷端温度补偿法将很困难。 采用补偿导线将冷端远移至温度变化比较平缓的环境中, 再采用上述的补偿方法进行补偿。,72,5 、冷端温度计算校正法,一般与热电偶配套使用的指示仪表刻度是根据分度表取值，而分度表是在 时得到的，所以当 ，指示仪的示值就必须加以修正，修正方法如下：,测量仪表值,校正值,真实值,73,例：S型热电偶在工作时自由端温度 ，现测得热电偶的电势为7.5mV，求被测介质的实际温度。,已知，热电偶测得的电势为 即 其中 为被测介质温度。 由分度表可查得 则：,由表2.4.1分度表可查的 对应的温度为 ，则被测介质的实际温度为 。,74,6. 软

24、件处理法 对于计算机系统，不必全靠硬件进行热电偶冷端处理。例如冷端温度恒定但不为0的情况，只需在采样后加一个与冷端温度对应的常数即可。,75,热电偶材料应满足： 物理性能稳定，热电特性不随时间改变； 化学性能稳定，以保证在不同介质中测量时不被腐蚀； 热电势高，导电率高，且电阻温度系数小； 便于制造； 复现性好，便于成批生产。,一、热电偶的常用材料与结构,2.4.4 常用热电偶的特性,76,1铂铂铑热电偶(S型) 分度号LB3 工业用热电偶丝：0.5mm，实验室用可更细些。 正极：铂铑合金丝,用90铂和10铑(重量比)冶炼而成。 负极：铂丝。 测量温度：长期：1300、短期：1600。 特点：

25、材料性能稳定，测量准确度较高；可做成标准热电偶 或基准热电偶。用途：实验室或校验其它热电偶。 测量温度较高，一般用来测量1000以上高温。 在高温还原性气体中（如气体中含Co、H2等）易被侵 蚀，需要用保护套管。 材料属贵金属，成本较高。 热电势较弱。,（一）热电偶常用材料,77,2镍铬镍硅(镍铝)热电偶(K型) 分度号EU2 工业用热电偶丝： 1.22.5mm，实验室用可细些。 正极：镍铬合金(用88.489.7镍、910铬，0.6硅，0.3锰，0.40.7钴冶炼而成)。 负极：镍硅合金(用95.797镍,23硅,0.40.7钴冶炼而成)。 测量温度：长期1000，短期1300。 特点： 价

26、格比较便宜，在工业上广泛应用。 高温下抗氧化能力强，在还原性气体和含有SO2， H2S等气体中易被侵蚀。 复现性好，热电势大，但精度不如WRLB。,78,3镍铬考铜热电偶(E型) 分度号为EA2 工业用热电偶丝:1.22mm，实验室用可更细些。 正极：镍铬合金 负极：考铜合金（用56铜，44镍冶炼而成）。 测量温度：长期600，短期800。 特点： 价格比较便宜，工业上广泛应用。 在常用热电偶中它产生的热电势最大。 气体硫化物对热电偶有腐蚀作用。考铜易氧化变 质，适于在还原性或中性介质中使用。,79,4铂铑30铂铑6热电偶(B型) 分度号为LL2 正极：铂铑合金（用70铂，30铑冶炼而成）。

27、负极：铂铑合金（用94铂，6铑冶炼而成）。 测量温度：长期可到1600，短期可达1800。 特点： 材料性能稳定，测量精度高。 还原性气体中易被侵蚀。 低温热电势极小，冷端温度在50以下可不加补偿。 成本高。,80,几种持殊用途的热电偶 （1）铱和铱合金热电偶 如铱50铑铱10钌热电偶它能在氧化气氛中测量高达2100的高温。 （2）钨铼热电偶 是60年代发展起来的，是目前一种较好的高温热电偶，可使用在真空惰性气体介质或氢气介质中，但高温抗氧能力差。国产钨铼-钨铼20热电偶使用温度范围3002000分度精度为1。 （3）金铁镍铬热电偶 主要用在低温测量，可在2273K范围内使用，灵敏度约为10V

28、。 （4）钯铂铱15热电偶 是一种高输出性能的热电偶，在1398时的热电势为47.255mV，比铂铂铑10热电偶在同样温度下的热电势高出3倍，因而可配用灵敏度较低的指示仪表，常应用于航空工业。,81,（6）铜康铜热电偶，分度号MK 热电偶的热电势略高于镍铬-镍硅热电偶，约为43V/。复现性好，稳定性好，精度高，价格便宜。缺点是铜易氧化，广泛用于20K473K的低温实验室测量中。,（5）铁康铜热电偶，分度号TK 灵敏度高，约为53V/，线性度好，价格便宜，可在800以下的还原介质中使用。主要缺点是铁极易氧化，采用发蓝处理后可提高抗锈蚀能力。,82,二、热电偶分类(按照结构)：,普通型：普通型结构

29、热电偶工业上使用最多, 它一般由热电极、绝缘套管、保护管和接线盒组成。测量液体和气体的温度。,83,铠装（缆式）热电偶： 特点是测量结热容量小，热惯性小，动态响应快，挠性好，强度高，抗震性好。 适用于普通型不能测量的空间温度。,84,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, 薄膜热电偶的热接点可以做得很小（可薄到0.010.1m）。 特点是热容量小，时间常数小，反应速度快。主要用于测量固体表面小面积瞬时变化的温度。,85,热电偶的并联： 把几个相同型号的热电偶的同性电极参考端并联在一起，各个热电偶的测量结处于不同温度

30、下，其输出电动势为各个热电偶热电动势的平均值。 可用于测量平均温度。,热电偶的连接形式：,86,串联热电偶： 又称热电堆。把若干个相同型号的热电偶串联在一起，所有测量端处在同一温度，所有参考端处在同一温度，输出电动势是每个电动势之和。 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。,87,88,热电偶测温原理：热电效应。,测温范围：-271C2800C,温度信号转换为电压信号。 非线性； 热电偶基本定律：均质导体定律、中间导体定律、中间温度定律、标准电极定律。 热电偶冷端温度补偿：补偿导线法、计算法、补偿电桥法、冰浴法、软件处理法。,2.5

31、 辐射式温度传感器,2.5.1 辐射测温的物理基础 辐射式温度传感器是利用物体的辐射能随温度变化的原理制成的。 一、热辐射:物体受热，激励了原子中带电粒子，使一部分热能以电磁波的形式向空间传播，它不需要任何物质作媒介（即在真空条件下也能传播），将热能传递给对方，这种能量的传播方式称为热辐射（简称辐射），传播的能量叫辐射能。辐射能量的大小与波长、温度有关。 二、黑体:所谓黑体是指能对落在它上面的辐射能量全部吸收的物体。 三、灰体 ：能部分反射或吸收红外辐射的物体称为灰体。,90,非接触测温利用光辐射来测量物体温度 1、任何物体温度高于绝对零度（-273.16C）时，都将有热辐射，温度越高，则发射

32、到周围空间的能量就越多。 2、辐射能以波动形式表现出来，其波长的范围极广，从短波、x光、紫外光、可见光、红外光一直到电磁波。 3、温度测量中主要是可见光和红外光，因为此类能量被接收以后，多转变为热能，使物体的温度升高，所以一般就称为热辐射。,91,辐射测温特点： 非接触测量 - 不影响被测温度分布 响应速度快：对高速运动物体测温。 灵敏度高，能分辨微小的温度变化； 测量范围广(-101300C)； 抗干扰能力强，无需修正。,92,2.5.2 热辐射测温基本原理,式中， 波长，m ； T 黑体温度，K ； c1 第一辐射常数，3.74210-16 Wm2； c2 第二辐射常数，1.438810-

33、2 WK；,1、普朗克定律：揭示了各种不同温度下黑体辐射能量按波长分布的规律，其关系式为,93,温度升高： 单色辐射强度随温度升高而增加； 总辐射能量增加； 峰值波长减小。,每一条曲线下的面积表示该温度下物体辐射能量的总和，与温度的四次方成正比。,2、斯忒藩玻耳兹曼定律：确定了黑体全辐射与温度的关系。,斯忒藩玻耳兹曼常数，,94,2实际物体的热辐射,黑度，它反映了物体接近黑体的程度。,95,3、维恩位移定律,每条曲线的峰值叫最大单色辐射强度，与峰值对应的波长用 表示。,向短波方向移动， 与 的关系如下：,这些定律反映出热辐射的量值随温度的升高而迅速增加,而且热辐射的峰值波长也随温度的升高而向短

34、波方向移动,热辐射的规律在现代科学技术上的应用很广泛，它是测高温、遥感、红外追踪等技术的物理基础。,2.5.2 辐射测温方法 1.亮度法:比较被测物体与参考源在同一波长下的光谱亮度，并使二者的亮度相等，从而确定被测物体的温度，典型测温传感器是光学高温计。,l一物镜；2灰色吸收玻璃；3一灯泡；4一目镜；5一红色滤光片；6一显示仪表,97,优点：结构简单，使用方便，测温范围广（7003200），一般可满足工业测温的准确度要求。 缺点：人眼观察，并需用手动平衡，因此不能实现快速 测量和自动记录，且测量结果带有主观性。,98,2.全辐射法:全辐射法是指被测对象投射到检测元件上的是对应全波长范围的辐射能

35、量，而能量的大小与被测对象温度之间的关系是由斯忒藩-波耳兹曼所描述的一种辐射测温方法，典型测温传感器是辐射温度计（热电堆）。,99,辐射高温计由辐射传感器和显示仪表组成，辐射传感器又由光学系统与辐射变换器两部分构成。前者的作用是接收并聚集辐射能；后者把辐射能转换成相应的电信号以便由显示部分直接显示温度值。光学系统有透射式、反射式和混合式几类。辐射变换器主要有热电式和光电式两种。,全辐射温度计,部分辐射温度计 为了提高仪表的灵敏度，有时热敏元件不是采用热电堆，而是采用光电池、光敏电阻以及其它的一些红外探测元件，这些元件和热电堆相比具有光谱选择性，它们仅能对某一波长范围的光谱产生效应。因此它们对测

36、量的要求是，只能使工作光谱仅限于一定的光谱范围内，称此类辐射温度计为部分辐射温度计。 如：红外温度传感器,3.比色法:被测对象的两个不同波长的光谱辐射能量投射到一个检测元件上，或同时投射到两个检测元件上，根据它们的比值与被测对象温度之间的关系实现辐射测温的方法，比值与温度之间的关系由两个不同波长下普朗克公式之比表示，典型测温传感器是比色温度计。,102,式中 M1、M2分别为在波长1和2下的光谱辐射出射度； 1 、2物体在波长1和2时的光谱发射率； T物体的温度。 经整理，可得 比色温度的概念：温度为T的物体在波长1和2下的光谱辐射出射度的比值，与温度为Tc的全辐射体在同样的波长1和2下的光谱

37、辐射出射度的比值如果相等，则把全辐射体的温度称为该物体的比色温度。根据该定义，经过推导可得出物体温度T与它的比色温度Tc的关系为,103,1，5硅光电池；2，4滤光片；3分光镜；6场镜；7视场光栏；8物镜；9反射镜；10倒象镜； 11回零信号接收元件；12目镜。,双通道光电比色温度计,5,104,非接触式测温（辐射测温）,红外线辐射温度计,红外辐射温度计既可用于高温测量，又可用于冰点以下的温度测量，所以是辐射温度计的发展趋势。市售的红外辐射温度计的温度范围可以从-303000。,激光仅用于瞄准,红外线辐射温度计在非接触温度测量中的应用,集成IC 温度测量,108,辐射式温度传感器：利用物体的辐

38、射能随温度变化的原理测温的。,非接触测量 - 不影响被测温度分布 响应速度快：对高速运动物体测温。 灵敏度高，能分辨微小的温度变化； 测量范围广(-101300C)； 抗干扰能力强，无需修正。,2.7 光 纤 传 感 器,光纤传感器是20世纪70年代中期发展起来的一种新技术， 它是伴随着光纤及光通信技术的发展而逐步形成的。 光纤传感器和传统的各类传感器相比有一定的优点，如不受电磁干扰，体积小，重量轻，可绕曲，灵敏度高，耐腐蚀， 高绝缘强度，防爆性好，集传感与传输于一体，能与数字通信系统兼容等。 光纤传感器能用于温度、压力、应变、位移、速度、加速度、磁、电、 声和PH值等70多个物理量的测量，在

39、自动控制、 在线检测、 故障诊断、安全报警等方面具有极为广泛的应用潜力和发展前景。,2.7.1 光纤结构及其传光原理 1. 光导纤维(光纤)结构,光纤的基本结构,由纤芯和包层组成。纤芯和包层通常由不同掺杂的石英玻璃制成。纤芯的折射率n1略大于包层的折射率n2，光纤的导光能力取决于纤芯和包层的性质。在包层外面还常有一层保护套，多为尼龙材料，以增加机械强度。,2. 光纤传光原理,光线入射角小于、 等于和大于临界角时界面上发生的反射,在几何光学中，我们知道当光线以较小的入射角（ ， 为临界角），由光密媒质（折射率为 ）射入光疏媒质（折射率为 ），折射角 满足斯乃尔（Snell）法则：,112,为光纤

40、外界介质的折射率。,113,若要在纤芯和包层的界面上发生全反射， 则界面上的光线临界折射角c=90，即 c=90。 而,当=c=90时，有,114,所以，为满足光在光纤内的全内反射， 光入射到光纤端面的入射角i应满足,一般光纤所处环境为空气，则n0=1，这样式（8-8）可表示为,实际工作时需要光纤弯曲，但只要满足全反射条件，光线仍然继续前进。可见这里的光线“转弯”实际上是由光的全反射所形成的。,115,光纤基本特性 数值孔径（NA） 数值孔径（NA）定义为,数值孔径是表征光纤集光本领的一个重要参数，即反映光纤接收光量的多少。其意义是：无论光源发射功率有多大，只有入射角处于2c的光椎角内，光纤才

41、能导光。如入射角过大， 光线便从包层逸出而产生漏光。光纤的NA越大，表明它的集光能力越强，一般希望有大的数值孔径，这有利于提高耦合效率； 但数值孔径过大，会造成光信号畸变。所以要适当选择数值孔径的数值，如石英光纤数值孔径一般为0.20.4。,光纤传感器的工作原理 光纤传感器原理实际上是研究光在调制区内，外界信号（温度、压力、应变、位移、 振动、电场等）与光的相互作用，即研究光被外界参数的调制原理。 外界信号可能引起光的强度、 波长、频率、相位、偏振态等光学性质的变化，从而形成不同的调制。 光纤传感器一般分为两大类： 功能型传感器(传感型传感器):利用光纤本身的某种敏感特性或功能制成的传感器。

42、非功能型传感器(传光型传感器):光纤仅仅起传输光的作用，它在光纤端面或中间加装其它敏感元件感受被测量的变化。,光纤传感器的组成 光纤传感器由光源、敏感元件（光纤或非光纤的）、光探测器、信号处理系统以及光纤等组成。 由光源发出的光通过源光纤引到敏感元件，被测参数作用于敏感元件，在光的调制区内，使光的某一性质受到被测量的调制，调制后的光信号经接收光纤耦合到光探测器，将光信号转换为电信号， 最后经信号处理得到所需要的被测量。,光纤传感器组成示意图 （a） 传感型（功能型）； （b） 传光型 （非功能型）,光纤温度传感器 根据工作原理它可分为相位调制型、光强调制型和偏振光型等。,半导体光吸收型光纤温度

43、传感器结构原理图 (光强调制型),半导体光吸收器是光敏感元件，在一定的波长范围内，它对光的吸收随温度T变化而变化。透射过半导体材料的光强随温度而变化，探测器检测输出光强的变化即达到测量温度的目的。,保护管内为高温光纤,低温光纤,光纤温度传感器,2.9 集成温度传感器,集成温度传感器是利用晶体管PN结的电流与电压特性与温度的关系，把敏感元件、放大电路和补偿电路等部分集成化，并把它们装封在同一壳体里的一种一体化温度检测元件。,122,集成温度传感器 集成温度传感器是利用晶体管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个小硅片上, 构成一个小型化、一体化的专用集成电路片。

44、 集成温度传感器具有体积小、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。 1 基本工作原理 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 1 -18 是集成温度传感器基本原理图。,123,图1-18 集成温度传感器基本原理,其中T1和T2是互相匹配的晶体管,I1和I2分别是T1和T2管的集电极电流, 由恒流源提供。T1和T2管的两个发射极和基极电压之差Vbe可用下式表示, 即: ,124,式中k-是波尔兹曼常数; q-是电子电荷量; T-是绝对温度; r -是T1和T2管发射结的面积之比。 从式中看出,

45、如果保证I1/I2恒定, 则Vbe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。 ,125,1 集成温度传感器的信号输出方式 (1)电压输出型电压输出型集成温度传感器原理电路图如图 1 - 19 所示。 当电流I1恒定时, 通过改变R1的阻值, 可实现I1=I2, 当晶体管的1时, 电路的输出电压可由下式确定, 即: 若取R1=940, R2=30K, r=37, 则电路输出的温度系数为: ,126,若取R1=940, R2=30K, r=37, 则电路输出的温度系数为: ,127,（2）电流输出型图 1 -

46、 20 为电流输出型集成温度传感器的原理电路图。 T1和T2是结构对称的两个晶体管, 作为恒流源负载, T3和T4管是测温用的晶体管, 其中T3管的发射结面积是T4管的8倍, 即r=8。流过电路的总电流IT为: 式中当R和r一定时, 电路的输出电流与温度有良好的线性关系。 若取R为358, 则电路输出的温度系数为:,128,129,电流输出型典型的集成温度传感器有美国AD公司生产的AD590, 我国产的SG590也属于同类型产品。 基本电路与图 1 - 20一样, 只是增加了一些启动电路, 防止电源反接以及使左右两支路对称的附加电路, 以进一步地提高性能。 AD590的电源电压430V可测温度

47、范围-50+150。 灵敏度1uA/K 传输距离达100m 2 AD590集成温度传感器应用实例 AD590是应用广泛的一种集成温度传感器, 由于它内部有放大电路, 再配上相应外电路,方便地构成各种应用电路。,130,131,(1)温度测量电路 图 1 - 21 是一个简单的测温电路。 AD590在25（298.2K）时, 理想输出电流为298.2A, 但实际上存在一定误差, 可以在外电路中进行修正。将AD590串联一个可调电阻, 在已知温度下调整电阻值, 使输出电压UT满足1mV/k的关系（如25时, UT应为298.2mV）。调整好以后, 固定可调电阻, 即可由输出电压VT读出AD590所

48、处的热力学温度。 ,132,133,第二章 温度检测,一、温度检测方法 接触式测温 非接触式测温,接触式测温 接触式测温是使温度敏感元件和被测温度对象相接触, 当被测温度与感温元件达到热平衡时, 温度敏感元件与被测温度对象的温度相等,非接触式测温 非接触式测温方法是应用物体的热辐射能量随温度的变化而变化的原理。 。,电阻式温度计 热电偶温度计,辐射式温度传感器,134,a) 金属材料热电阻,b) 半导体材料热敏电阻（灵敏度高于热电阻、非线性、受温度影响大),NTC负温度系数热敏电阻 PTC正温度系数热敏电阻 CTR临界温度系数热敏电阻,1、电阻式温度传感器,热电阻温度传感器是利用导体或半导体的

49、电阻值随温度的变化而变化的原理制成的，实现了将温度的变化转化为元件电阻的变化。有金属（铂、铜和镍）热电阻及半导体热电阻（称为热敏电阻）,135,c) 测量电路 电阻温度计的测量电路最常用的是电桥电路，精度较高的是自动电桥。 为消除由于连接导线电阻随环境温度变化而造成的测量误差，常采用三线和四线连接法。,136,2、热电偶温度传感器,1）热电效应 (P41) 将两种不同的导体或半导体连接成闭合回路，若两个连接点温度不同，回路中会产生一个电动势。此电势称为热电势。这种现象就是热电效应。,a) 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。,b) 温差电动势 是同一导体的两端因其温度不同而产生的一种热电势。,137,C）回路总电势,忽略温差电势，则总电势为：,如果冷端温度 固定,138,2）热电偶基本定律 （P44),该定