第2章温度检测传感器.docx
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第2章温度检测传感器
第2章温度检测传感器
温度测量传感器的主要内容
温度检测的主要方法和分类
热电偶及其测温原理
热电阻及其测温原理
温度变送器简介
其它温度检测仪表简介
温度检测仪表的选用和安装
温度是与人类生活息息相关的物理量。
在2000多年前，就开始为检测温度进行了各种努力，并开始使用温度传感器检测温度。
人类社会中，工业、农业、商业、科研、国防、医学及环保等部门都与温度有着密切的关系。
工业生产自动化流程，温度测量点要占全部测量点的一半左右。
温度是反映物体冷热状态的物理参数。
因此，人类离不开温度，当然也离不开温度传感器。
温度传感器是实现温度检测和控制的重要器件。
在种类繁多的传感器中，温度传感器是应用最广泛、发展最快的传感器之一。
温度的基本概念
热平衡：
温度是描述热平衡系统冷热程度的物理量。
分子物理学：
温度反映了物体内部分子无规则运动的剧烈程度。
能量：
温度是描述系统不同自由度间能量分配状况的物理量。
温标：
表示温度大小的尺度是温度的标尺。
热力学温标thermodynamictemperaturescale
1848年威廉·汤姆首先提出:
以热力学第二定律为基础，建立温度仅与热量有关，而与物质无关的热力学温标，又称开尔文温标（scaleofKelvin），用符号K表示。
它是国际基本单位制之一。
根据热力学中的卡诺定理，如果在温度T1的热源与温度为T2的冷源之间实现了卡诺循环，则存在下列关系式
Q1——热源给予热机的传热量
Q2——热机传给冷源的传热量
如果在式中再规定一个条件,就可以通过卡诺循环中的传热量来完全地确定温标。
1954年，国际计量会议选定水的三相点为273.16，并以它的1/273.16定为一度，这样热力学温标就完全确定了，即T=273.16（Q1/Q2）。
国际实用温标InternationalPracticalTemperatureScale
为解决国际上温度标准的同意及实用问题，国际上协商决定，建立一种既能体现热力学温度（即能保证一定的准确度），又使用方便、容易实现的温标，即国际实用温标（简称IPTS-68），又称国际温标。
1968年国际实用温标规定热力学温度是基本温度，用t表示，其单位是开尔文，符号为K。
1K定义为水三相点热力学温度的1/273.16，水的三相点是指纯水在固态、液态及气态三项平衡时的温度，热力学温标规定三相点温度为273.16K，这是建立温标的惟一基准点。
注意：
摄氏温度的分度值与开氏温度分度值相同，即温度间隔1K=1℃。
T0是在标准大气压下冰的融化温度，T0=273.15K。
水的三相点温度比冰点高出0.01K。
四个温度段：
规定各温度段所使用的标准仪器
①低温铂电阻温度计（13.81K—273.15K）；
②铂电阻温度计（273.15K—903.89K）；
③铂铑-铂热电偶温度计（903.89K—1337.58K）；
④光测温度计（1337.58K以上）。
国际实用开尔文温度与国际实用摄氏温度分别用符号T68和t68来区别（一般简写为T与t）。
摄氏温标Celsiustemperaturescale
是工程上最通用的温度标尺。
摄氏温标是在标准大气压（即101325Pa）下将水的冰点与沸点中间划分一百个等份，每一等份称为摄氏一度（摄氏度，℃），一般用小写字母t表示。
与热力学温标单位开尔文并用。
摄氏温标与国际实用温标温度之间的关系：
T=t+273.15Kt=T-273.15℃
华氏温标Fahrenheittemperaturescale
目前使用较少，规定在标准大气压下冰的融点为32华氏度，水的沸点为212华氏度，中间等分为180份，每一等份称为华氏一度，符号℉，与摄氏温度的关系：
m=1.8n+32℉
n=5/9（m-32）℃
2.1温度检测方法和分类
测温方式
测温方式
测温仪表
测温范围℃
主要特点
接
触
式
膨胀式
玻璃液体
－100～600
结构简单、使用方便、测量准确、价格低廉；测量上限和精度受玻璃质量的限制，易碎，不能远传
接
触
式
膨胀式
双金属
－80～600
结构紧凑、可靠；测量精度低、量程和使用范围有限
接
触
式
热电效应
热电偶
－200～1800
测温范围广、测量精度高、便于远距离、多点、集中检测和自动控制，应用广泛；需自由瑞温度补偿，在低温段测量精度较低
接
触
式
热阻效应
铂电阻
－200～600
测量精度高，便于远距离、多点、集中检测和自动控制，应用广泛；不能测高温
接
触
式
热阻效应
铜电阻
－50～150
测量精度高，便于远距离、多点、集中检测和自动控制，应用广泛；不能测高温
接
触
式
热阻效应
半导体热敏电阻
－50～150
灵敏度高、体积小、结构简单、使用方便；互换性较差，测量范围有一定限制
非接触式
非接触式
辐射式红外线式
0～3500
不破坏温度场，测温范围大，响应块，可测运动物体的温度；易受外界环境的影响，标定较困难
温度传感器的特点与分类
1 温度传感器的物理原理（11）
随物体的热膨胀相对变化而引起的体积变化；
蒸气压的温度变化；
电极的温度变化
热电偶产生的电动势；
光电效应
热电效应
介电常数、导磁率的温度变化；
物质的变色、融解；
强性振动温度变化；
热放射；
热噪声。
2.温度传感器应满足的条件
特性与温度之间的关系要适中，并容易检测和处理，且随温度呈线性变化；
除温度以外，特性对其它物理量的灵敏度要低；
特性随时间变化要小；
重复性好，没有滞后和老化；
灵敏度高，坚固耐用，体积小，对检测对象的影响要小；
机械性能好，耐化学腐蚀，耐热性能好；
能大批量生产，价格便宜；
无危险性，无公害等。
3.温度传感器的种类及特点
接触式温度传感器
非接触式温度传感器
接触式温度传感器的特点：
传感器直接与被测物体接触进行温度测量，由于被测物体的热量传递给传感器，降低了被测物体温度，特别是被测物体热容量较小时，测量精度较低。
因此采用这种方式要测得物体的真实温度的前提条件是被测物体的热容量要足够大。
非接触式温度传感器主要是利用被测物体热辐射而发出红外线，从而测量物体的温度，可进行遥测。
其制造成本较高，测量精度却较低。
优点是：
不从被测物体上吸收热量；不会干扰被测对象的温度场；连续测量不会产生消耗；反应快等。
温度传感器的发展概况
公元1600年，伽里略研制出气体温度计。
一百年后，研制成酒精温度计和水银温度计。
随着现代工业技术发展的需要，相继研制出金属丝电阻、温差电动式元件、双金属式温度传感器。
1950年以后，相继研制成半导体热敏电阻器。
最近，随着原材料、加工技术的飞速发展、又陆续研制出各种类型的温度传感器。
接触式温度传感器
非接触式温度传感器
（－）接触式温度传感器
1．常用热电阻
范围：
-260～＋850℃；精度：
0.001℃。
改进后可连续工作2000h，失效率小于1％，使用期为10年。
2．管缆热电阻测温范围为-20～＋500℃，最高上限为1000℃，精度为0.5级。
3．陶瓷热电阻测量范围为–200～+500℃，精度为0.3、0.15级。
4．超低温热电阻两种碳电阻，可分别测量–268.8～253℃-272.9～272.99℃的温度。
5．热敏电阻器适于在高灵敏度的微小温度测量场合使用。
经济性好、价格便宜。
（二）非接触式温度传感器
l．辐射高温计用来测量1000℃以上高温。
分四种：
光学高温计、比色高温计、辐射高温计和光电高温计。
2．光谱高温计前苏联研制的YCI—I型自动测温通用光谱高温计,其测量范围为400～6000℃,是采用电子化自动跟踪系统,保证有足够准确的精度进行自动测量。
3．超声波温度传感器特点是响应快（约为10ms左右），方向性强。
目前国外有可测到5000℉的产品。
4．激光温度传感器适用于远程和特殊环境下的温度测量。
如NBS公司用氦氖激光源的激光做光反射计可测很高的温度，精度为1％。
美国麻省理工学院正在研制一种激光温度计，最高温度可达8000℃，专门用于核聚变研究。
瑞士BrowaBorer研究中心用激光温度传感器可测几千开（K）的高温。
（三）温度传感器的主要发展方向
1．超高温与超低温传感器，如+3000℃以上和–250℃以下的温度传感器。
2．提高温度传感器的精度和可靠性。
3．研制家用电器、汽车及农畜业所需要的价廉的温度传感器。
4．发展新型产品，扩展和完善管缆热电偶与热敏电阻；发展薄膜热电偶；研究节省镍材和贵金属以及厚膜铂的热电阻；研制系列晶体管测温元件、快速高灵敏CA型热电偶以及各类非接触式温度传感器。
5．发展适应特殊测温要求的温度传感器。
6．发展数字化、集成化和自动化的温度传感器。
2.2热电阻及其测温原理
热电阻的测温原理
工业上常用的金属热电阻
热电阻的信号连接方式
热电阻的结构型式
在工业应用中，热电偶一般适用于测量500℃以上的较高温度。
对于500℃以下的中、低温度，热电偶输出的热电势很小，这对二次仪表的放大器、抗干扰措施等的要求就很高，否则难以实现精确测量；而且，在较低的温度区域，冷端温度的变化所引起的相对误差也非常突出。
所以测量中、低温度，一般使用热电阻温度测量仪表较为合适。
——热电阻的测温原理
热电阻是基于电阻的热效应进行温度测量的，即电阻体的阻值随温度的变化而变化的特性。
因此，只要测出感温热电阻的阻值变化，就可以测量出被测温度。
目前，主要有金属热电阻和半导体热敏电阻两类。
金属热电阻：
金属热电阻的电阻值和温度一般可以用以下的近似关系式表示：
金属热电阻：
金属热电阻的电阻值和温度一般可以用以下的近似关系式表示：
式中，为温度t时对应的电阻值
半导体热敏电阻：
半导体热敏电阻的阻值和温度的关系为：
式中，为温度t时对应的电阻值
A、B是取决于半导体材料和结构的常数
金属热电阻和半导体热敏电阻的比较：
热敏电阻的温度系数更大，常温下的电阻值更高（通常在数千欧以上），但互换性较差，非线性严重，测温范围只有－50～300℃左右，大量用于家电和汽车用温度检测和控制。
金属热电阻一般适用于测量－200～500℃范围内的温度测量，其特点测量准确、稳定性好、性能可靠，在过程控制领域中的应用极其广泛。
热敏电阻与热电阻相比，其特点是：
①电阻温度系数绝对值大，因而灵敏度高，其电阻温度系数要比金属大10～100倍以上，能检测出10-6℃的温度变化，测量线路简单，甚至不用放大器便可输出几伏的电压。
②体积小，重量轻，热惯量小，可以测量点温度，适宜动态测量，能够测量其他温度计无法测量的空隙、腔体及生物体内血管的温度。
③本身电阻值大，使用方便，电阻值可在0.1～100kΩ间任意选择，不需要考虑引线长度带来的误差，因此适于远距离测量。
④热敏电阻工作温度范围宽，常温器件适用于-55℃～315℃，高温器件适用温度高于315℃（目前最高可达到2000℃），低温器件适用于-273℃～55℃。
产品已系列化，便于设计选用。
⑤工作寿命长，而且价格便宜，易加工成复杂的形状，可大批量生产。
⑥非线性大，在电路上要进行线性化补偿。
⑦稳定性稍差，并有老化现象。
⑧同—型号有3％~5％的阻值误差。
——工业上常用的金属热电阻
从电阻随温度的变化来看，大部分金属导体都有这种性质，但并不是都能用作测温热电阻，作为热电阻的金属材料一般要求：
尽可能大而且稳定的温度系数、电阻率要大、在使用的温度范围内具有稳定的化学和物理性能、材料的复制性好、电阻值随温度变化要有单值函数关系（最好呈线性关系）。
我国最常用的铂热电阻有R0＝10Ω、R0＝100Ω和R0＝1000Ω等几种，
它们的分度号分别为Pt10、Pt100和Pt1000；
铜热电阻有R0＝50Ω和R0＝100Ω两种，
分度号分别为Cu50和Cu100
其中Pt100和Cu50的应用更为广泛
常用热电阻
铂热电阻、铜热电阻、镍热电阻。
电阻类型
型号
型号
分度号
分度号
零度时电阻
测量范围
电阻类型
旧
新
旧
新
零度时电阻
测量范围
铂电阻
WZB
WZP
BA1
46
-200-+550
铂电阻
WZB
WZP
BA2
100
-200-+550
铂电阻
WZB
WZP
PT100
100
-200-+550
铜电阻
WZG
WZC
G
53
150度以下
铜电阻
WZG
WZC
CU50
50
150度以下
铜电阻
WZG
WZC
CU100
100
150度以下
国际上大约有14种热电阻，国内主要是CU50与PT100。
——热电阻的信号连接方式
热电阻是把温度变化转换为电阻值变化的一次元件，通常需要把电阻信号通过引线传递到计算机控制装置或者其它二次仪表上。
常用的引线方式有三种：
热电阻是把温度变化转换为电阻值变化的一次元件，通常需要把电阻信号通过引线传递到计算机控制装置或者其它二次仪表上。
常用的引线方式有三种：
热电阻是把温度变化转换为电阻值变化的一次元件，通常需要把电阻信号通过引线传递到计算机控制装置或者其它二次仪表上。
常用的引线方式有三种：
二线制：
在热电阻的两端各连接一根导线来引出电阻信号。
这种引线方式最简单.但由于连接导线必然存在引线电阻r，r的大小与导线的材质和长度等因素有关很明显，图中的连接导线的电阻会引起附加误差.因此，这种引线方式只适用于测量精度要求较低的场合。
三线制：
在热电阻根部的一端连接一根引线，另一端连接两根引线的方式称为这种方式通常与电桥配套使用，可以较好地消除引线电阻的影响，是工业过程中最常用的引线方式。
事实上电桥上R1＝R2>>Rt、R3，经过设计可以使两个桥臂上的电流相等，均为I，且I几乎不受Rt的影响
三线制的连接，每根线上同样也存在导线电阻r
此时，Ui＝UAC＝？
？
可以起到调零的作用
四线制：
在热电阻根部两端各连接两根导线的方式称为四线制，其中两根引线为热电阻提供恒定电流Is，把Rt转换为电压信号Ui，再通过另两根引线把Ui引至二次仪表。
可见这种引线方式可以完全消除引线电阻的影响，主要用于高精度的温度检测。
——热电阻的结构形式
热电阻广泛应用于各种条件下的温度测量，尤其适用于500℃以下较低温度的测量，普通型热电阻和铠装型热电阻是实际应用最广泛的两种结构。
普通型热电阻
普通型热电阻主要由电阻体、绝缘管、保护套管和接线盒等主要部分组成。
绝缘管用于防止两根电极短路保护套管用于保护热电极不受化学腐蚀和机械损伤,材料的选择因工作条件而定
普通型热电阻主要有法兰式和螺纹式两种安装方式
铠装型热电阻
铠装型热电阻是由热电阻、绝缘材料和金属套管三者经过拉伸加工成型的
金属套管一般为铜、不锈钢、镍基高温合金等
保护套管和热电极之间填充绝缘材料粉末，常用的绝缘材料有氧化镁、氧化铝等。
铠装型热电阻可以做得很细，一般为2～8mm，在使用中可以随测量需要任意弯曲。
铠装热电阻具有动态响应快、机械强度高、抗震性好、可弯曲等优点，可安装在结构较复杂的装置上，应用十分广泛。
热敏电阻温度传感器
热敏电阻是利用某种半导体材料的电阻率随温度变化而变化的性质制成的。
在温度传感器中应用最多的有热电偶、热电阻（如铂、铜电阻温度计等）和热敏电阻。
热敏电阻发展最为迅速，由于其性能得到不断改进，稳定性已大为提高，在许多场合下（-40～＋350℃）热敏电阻已逐渐取代传统的温度传感器。
一、热敏电阻的特点与分类
（一）热敏电阻的特点
1．电阻温度系数的范围甚宽
2．材料加工容易、性能好
3．阻值在1～10M之间可供自由选择
4．稳定性好
5．原料资源丰富，价格低廉
（二）热敏电阻的分类
1．正温度系数热敏电阻器（PTC）
电阻值随温度升高而增大的电阻器，简称PTC热敏阻器。
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器（NTC）
电阻值随温度升高而下降的热敏电阻器简称NTC热敏电阻器。
它的材料主要是一些过渡金属氧化物半导体陶瓷。
3.突变型负温度系数热敏电阻器（CTR）
该类电阻器的电阻值在某特定温度范围内随温度升高而降低3～4个数量级，即具有很大负温度系数。
其主要材料是VO2并添加一些金属氧化物。
二、热敏电阻的基本参数
1.标称电阻（NominalResistance）R25（冷阻）
2.材料常数（MaterialConstant）BN
表征负温度系数（NTC）材料的物理特性常数。
BN值决定于材料的激活能∆E，BN值随温度升高略有增加。
3.电阻温度系数（ThermalCoefficientofResistance）（%/℃）
热敏电阻的温度变化1℃时电阻值的变化率。
4.耗散系数（DissipationConstant）H
热敏电阻器温度变化1℃所耗散的功率变化量。
5.时间常数（TimrConstant）τ
在零功率测量状态下，当环境温度突变时电阻器的温度变化量从开始到最终变量的63.2％所需的时间。
6.最高工作温度Tmax
在规定的技术条件下长期连续工作所允许的最高温度
7.最低工作温度Tmin
在规定的技术条件下能长期连续工作的最低温度。
8.转变点温度Tc
热敏电阻器的电阻一温度特性曲线上的拐点温度，主要指正电阻温度系数热敏电阻和临界温度热敏电阻。
9.额定功率（RatedPower）PE
热敏电阻器在规定的条件下，长期连续负荷工作所允许的消耗功率。
在此功率下,它自身温度不应超过Tmax
10.测量功率（MeasuredPower）P0
热敏电阻器在规定的环境温度下,受到测量电流加热而引起的电阻值变化不超过0.1％时所消耗的功率。
11.工作点电阻RG
在规定的温度和正常气候条件下，施加一定的功率后使电阻器自热而达到某一给定的电阻值。
12.工作点耗散功率PG
电阻值达到RG时所消耗的功率。
13.功率灵敏度KG
热敏电阻器在工作点附近消耗功率lmW时所引起电阻的变化，在工作范围内，KG随环境温度的变化略有改变。
14.稳定性
热敏电阻在各种气候、机械、电气等使用环境中，保持原有特性的能力。
15.热电阻值RH
指旁热式热敏电阻器在加热器上通过给定的工作电流时,电阻器达到热平衡状态时的电阻值。
16.加热器电阻值Rr
指旁热式热敏电阻器的加热器，在规定环境温度条件下的电阻值。
17.最大加热电流Imax
指旁热式热敏电阻器上允许通过的最大电流。
18.标称工作电流I
指在环境温度25℃时，旁热式热敏电阻器的电阻值被稳定在某一规定值时加热器内的电流。
19.标称电压
在规定温度下标称工作电流所对应的电压值。
20.元件尺寸
指热敏电阻器的截面积A、电极间距离L和直径d。
三、热敏电阻器主要特性
（一）热敏电阻器的电阻——温度特性（RT—T）
ρT—T与RT—T特性曲线一致。
热敏电阻的电阻--温度特性曲线1-NTC；2-CTR；3-4PTC
1负电阻温度系数（NTC）热敏电阻器的温度特性
NTC的电阻—温度关系的一般数学表达式为：
RT、RT0——温度为T、T0时热敏电阻器的电阻值；
BN——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。
如果以lnRT、1/T分别作为纵坐标和横坐标，则上式是一条斜率为BN，通过点（1/T，lnRT）的一条直线,如图。
2.正电阻温度系数（PTC）热敏电阻器的电阻—温度特性
其特性是利用正温度热敏材料，在居里点附近结构发生相变引起导电率突变来取得的，典型特性曲线如图
PTC热敏电阻的工作温度范围较窄，在工作区两端，电阻—温度曲线上有两个拐点：
Tp1和Tp2。
当温度低于Tp1时，温度灵敏度低；当温度升高到Tp1后，电阻值随温度值剧烈增高（按指数规律迅速增大）；当温度升到Tp2时，正温度系数热敏电阻器在工作温度范围内存在温度Tc，对应有较大的温度系数αtp。
经实验证实：
在工作温度范围内，正温度系数热敏电阻器的电阻—温度特性可近似用下面的实验公式表示：
式中RT、RT0——温度分别为T、T0时的电阻值；
BP——正温度系数热敏电阻器的材料常数。
若对上式取对数，则得：
以lnRT、T分别作为纵坐标和横坐标，得到下图。
若对上式微分，可得PTC热敏电阻的电阻温度系数αtp
可见：
正温度系数热敏电阻器的电阻温度系数αtp，正好等于它的材料常数BP的值。
（二） 测温用的热敏电阻器
1、各种热敏电阻传感器结构
温度检测用的各种热敏电阻器探头
1—热敏电阻；2—铂丝；3—银焊；4—钍镁丝；5—绝缘柱；6—玻璃
2、 测表面电阻用的热敏电阻器安装方法
图为测表面温度用的热敏电阻器的各种安装方式。
（三）热敏电阻作温度补偿用
由热敏电阻器RT和与温度无关的线性电阻器R1和R2串并联组成，补偿温度范围为T1～T2。
对于晶体管低频放大器和功率放大器电路的温度补偿，可用下列公式确定热敏电阻器的型号：
T0为25℃αtn=-BN/T2
IC温度传感器
集成温度传感器利用PN结的电流、电压特性与温度的关系测温，一般测量温度范围在150℃以下。
集成温度传感器把热敏晶体管和外围电路、放大器、偏置电路及线性电路制作在同一芯片上；
利用发射极电流密度在恒定比率下工作的晶体管对的基极—发射极之间电压VBE的差与温度呈线性关系。
一、IC温度传感器的分类
电压型IC温度传感器电流型IC温度传感器数字输出型IC温度传感器
二、IC温度传感器的测温原理
K——波尔滋蔓常数；T——绝对温度;γ——V1、V2发射极面积比。
q——电子电荷量；ΔVBE正比于绝对温度T，只要保证I1/I2恒定，
就可以使ΔVBE与T为单值函数。
因此，可利用电流I与Tk的正比关系，通过电流的变化来测量温度的大小。
I∝Tk
三、IC温度传感器的主要特性
（一）电压输出型集成温度传感器
AN6701S有四个引脚，三种连线方式：
（a）正电源供电，（b）负电源供电，（c）输出极性颠倒。
电阻RC用来调整25℃下的输出电压，使其等于5V，RC的阻值在3~30kΩ范围内。
这时灵敏度可达109~110mV/℃，在-10~80℃范围内基本误差不±1℃。
（二）电流型温度传感器
电流输出型典型集成温度传感器有AD590（美国AD公司生产），国内同类产品SG590。
器件电源电压4～30V，测温范围-50～+150℃。
1．伏安特性
工作电压：
4V～30V，I为一恒流值输出，I∝Tk，即
I=KT·TK
KT——标定因子，AD590的标定因子为1μA/℃
2．温度特性
其温度特性曲线函数是以Tk为变量的n阶多项式之和，省略非线性项后则有:
I=KT·Tc＋273.2Tc——摄氏温度；I的单位为μA。
可见，当温度为0℃时，输出电流为273.2μA。
在常
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