传感器与检测技术项目教程模块三、温度检测(上)课件.ppt

本模块介绍“温度”、“温标” 等基本概念、热电阻、热敏电阻、热电偶、温度集成电路、防爆知识、安全栅的使用，还介绍了红外测温的原理及应用。,内容简介,今天是：2022年11月27日星期日,知识链接、温度与温标的基本概念项目一、铂热电阻项目二、热敏电阻项目三、热电偶项目四、集成温度传感器项目五、防爆技术与安全栅拓展阅读、红外测温,模块三、温度检测（上） 目录,知识链接、温度与温标的基本概念,一、温度测量的基本概念 温度标志着物质内部大量分子（或原子）无规则运动的剧烈程度。温度越高，表示物体内部分子（或原子）的热运动越剧烈。,模拟图：在一个密闭的空间里，气体分子在高温时的运动速度比低温时快！温度从微观上看，是物体分子运动平均动能大小的标志。,二、测温传感器分类,温度传感器按照用途可分为基准温度计和工业温度计；按照测量方法又可分为接触式和非接触式；按工作原理又可分为膨胀式、电阻式、热电式、辐射式等等；按输出方式分，有：自发电型、机械非电测型等。,現在時間是：09:01,气体膨胀式温度计,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，且随温度基本呈线性变化；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。,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，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，测量准确度较低。 优点：不从被测物体上吸收热量；不会干扰被测对象的温度场。,温度测量及传感器分类,表3-1 温度传感器的种类及特点,介绍几种温度测量方法,示温涂料（变色涂料）,装满热水后图案变得清晰可辨,示温变色贴,变色涂料在电脑内部温度中的示温作用,CPU散热风扇,低温时显示蓝色,温度升高后变为红色,体积热膨胀式,不需要电源，寿命长；但感温部件体积较大，只能抵近测量。,气体的体积与热力学温度成正比,红外温度计,温度是表征物体的冷热程度的物理量。为了定量分析，要给物体的冷热程度一个定量的描述。温标就是以此目的而建立的。温标是温度数值化的标尺，它给出了温度数值化的一套规则和方法，并明确了温度的测量单位和温度起点。温标的建立方法：借助于随温度变化而变化的物理量（体积、压力、电阻和热电动势等）来定义温度数值、建立温标。,三、温标,温度的数值表示方法称为温标,温标规定了温度的读数的起点（即零点）以及温度的单位。各类温度计的刻度均由温标确定。国际上规定的温标有：摄氏温标、华氏温标、热力学温标等。,华氏、摄氏、开氏温度比较,发展阶段：华氏温标摄氏温标开氏温标 华氏温标规定：标准大气压下冰融点为32度，水沸点为212度，两者中间分180格，每格为华氏1度，符号为。摄氏温标规定，标准大气压下冰融点为0度，水沸点为100度，两者中间分100格，每格为摄氏1度，符号为。华氏温标与摄氏温标的换算关系是：,例：摄氏温度为20时，华氏温度为32+36=68 开氏温标规定，温度不能为负值，起点为绝对零度，冰融点为273.15度，水沸点为373.15度，两者中间分100格，每格为1开，符号为K。 各种温标均有局限性，华氏温标和摄氏温标只能标定0100 的温度，而开氏温标的起点只是理论上存在，无法达到。,温标的发展,国际实用温标是一种协议温标，用来统一各国之间的温度计量。尽可能地接近热力学（开氏）温度； 各国均能以很高的准确度复现同样的温标；用于复现温标的标准温度计使用方便、性能稳定。第一个国际温标是1927年国际计量大会决定采用的，“1927国际温标”,后来又不断改进修订，相继有1948国际温标、 1968国际实用温标和1990国际实用温标。 目前推行的是1990年国际实用温标ITS-90： 热力学温度用符号T90表示,单位为开尔文，符号为K。 摄氏温度的符号为t90，单位是摄氏度，符号为。,国际实用温标,T90和t90的关系为：t90=T90-273.15 ，或 t /=T /K-273.15 例如:摄氏温度为0时，开尔文温度为273.15K,ITS-90国际实用温标由三部分组成： 定义固定点、内插标准仪器及内插公式。 定义的固定点是指： 某些纯物质的三相点（气、液、固共存）、熔点或凝固点、沸点这些固定点的指定温度值。 固定点间的温度用规定的内插标准仪器和内插公式来分度。,几种温标的对比,正常体温为37 ，相当于华氏温度多少度？,1990国际温标（ITS-90）,国际温度咨询委员会于1989年9月通过了1990年新的国际温标(ITS-90),并上报国际计量委员会批准。这个新国际温标于1990年1月1日起在全世界各国开始执行。新温标用“T(90)”代表热力学温度,其单位用 K 表示。我国的国家法定测温标准统一采用新的国际温，简称ITS-90,ITS-90定义了一系列温度的固定点，测量和重现这些固定点的标准仪器以及计算公式，例如水的三相点为273.16K（0.01）等。,热力学温标（K）,热力学温标是建立在热力学第二定律基础上的最科学的温标，是由开尔文（Kelvin）根据热力学定律提来的，因此又称开氏温标。它的符号是T，单位是开尔文（K） 。,威廉汤姆逊开尔文勋爵像,项目一、铂热电阻,【项目教学目标】 知识目标1）掌握铂热电阻的测温原理与方法。2）熟悉热电阻的型号。 技能目标1熟悉铂热电阻的组桥方法及与显示仪表的连接方法。2学会查铂热电阻分度表。,現在時間是：09:01,任务一 认识铂热电阻,金属热电阻的正温度系数温度升高，金属内部原子晶格的振动加剧，从而使金属内部的自由电子通过金属导体时的阻碍增大，宏观上表现出电阻率变大，电阻值增加，称其为正温度系数，即电阻值与温度的变化趋势相同。,测温热电阻可分为金属和半导体两大类。,金属丝电阻随温度增高而变大的演示,取一只 100W/220V 灯泡，用万用表测量其电阻值，可以发现其冷态阻值只有几十欧姆，而计算得到的额定热态电阻值应为484。请说明钨丝的温度系数的正负。,超导现象,1911年，荷兰物理学家昂内斯（Kamerlingh Onnes）在用液氦将汞的温度降到4.2K时，发现汞的电阻降为零。,昂内斯将这种现象称为物质的超导性。 昂内斯和其他科学家又陆续发现了其他一些金属也是超导体。昂内斯因为这项重大发现而获得1913年的诺贝尔物理学奖。,超导磁悬浮,易提纯、复现性好的金属材料才可用于制作热电阻,制作热电阻的材料必须具有电阻温度系数大、线性好、性能稳定、一致性好、使用温度范围宽、加工容易等特点。,（ ）,金属热电阻材料的主要技术性能,热电阻的阻值Rt与温度t的关系表达式,R t =R0(1+At+Bt 2+Ct 3+Dt 4),式中 R t 热电阻在t时的电阻值；R0热电阻在0时的电阻值；A、B、C、D温度系数,热电阻的阻值Rt与t之间并不完全呈线性关系。在规定的测温范围内，根据国际电工委员会（IEC）颁布的分度表数值，列出每隔1的Rt电阻值，这种表格称为热电阻分度表，见附录C。在工程中，若不考虑线性度误差的影响，有时也可以利用温度系数来近似计算热电阻的阻值Rt。即：R t =R0(1+t）,装配式铂热电阻,0时的电阻为100,接线盒,薄膜式铂热电阻,Pt1000薄膜热电阻在0时的电阻为1k，最大工作电流小于0.3mA。,在真空清洁室中，将铂金属喷射在陶瓷体上，然后用激光进行光刻和阻值的微调,再焊接两根引线。在铂金上涂上一层特殊的绝缘玻璃层。薄膜热电阻的响应时间只需几秒。,薄膜式铂热电阻工艺过程示意图,小型铂热电阻,防爆式铂热电阻,坚实的外壳起“隔爆”作用，工作电流控制在安全范围。,铠装式铂热电阻,1接线盒 2引出线密封管 3法兰盘 4柔性外套管（可达百米） 5测温端部,端面式热电阻及其在测温端面的安装,螺纹深入到被测物内部，能更快速地反映被测物的实际温度。,汽车用水温传感器及水温表,铜热电阻,学习查“铂热电阻分度表”,如何判断铂热电阻是否线性,铂电阻温度显示、变送器,上下限设定键,上限,下限,上上限,下下限,测量值,可设定温度的温度控制箱,旋转式机械 设定开关,拨码式 设定开关,不易被改动，适合车间使用,任务二 铂热电阻组桥方案一、二线制电桥,方案一：二线制电桥测量电路,R1为铂热电阻，R2、R3、R4为锰铜精密电阻(固定电阻)。电桥的调零在0的情况下进行。热电阻Rt被安装在测温点上,然后用连接导线连接到电桥的接线端子上。引线电阻r1a、r1b及其随长度和温度的变化将引起测量误差。,方案二：四线制恒流测量电路,恒流源Ii的恒定激励电流流过Rt，在R t上产生降压Uo=Ii R t。输出电压Uo的变化量Uo与被测温度变化引起的电阻变化量R成正比。,由于输出电压是直接从Rt两端引出的，所以激励电流Ii在r1a、r1b上的压降就不被包括到Uo中，因此可以克服引线电阻的影响。本底电压Uo0所占比例较大，而反映温度变化的Uo相对较小，降低了系统的分辨力。,方案三：三线制电桥测量电路,1连接电缆 2屏蔽层 RP1调零电位器 RP2调满度电位器,三线制电桥特点,采用三线制单臂电桥可以消除和减小引线电阻的影响。热电阻R t用三根导线、引至测温电桥。,图3-7 铂热电阻的三线制电桥测量电路1连接电缆 2屏蔽层 RP1调零电位器 RP2调满度电位器,三线制电桥特点（续）,其中两根引线的内阻（r1、r4）分别串入测量电桥相邻两臂的R1、R4上，(R1+r1)/R2=(R4+r4)/R3。引线的长度变化不影响电桥的平衡,所以可以避免因连接导线电阻受环境影响而引起的测量误差。,三线制电桥特点（续）,差动放大器的4个电阻的比例应上图右下角所示的公式,可以提高直流以及交流”共模干扰”的”共模抑制比”。,WP6200系列热电阻温度变送器的接线盒,SBWZ2系列三线制热电阻温度变送器的接线图,利用热丝（铂热电阻）测量气体流速（流量）,内置铂金热丝,利用热丝测量气体流速（流量）,内置铂金丝被加热到200,铂丝接入单臂电桥,t,v,项目二、热敏电阻测温,【项目教学目标】 知识目标1）掌握热敏电阻传感器的测温原理。2）熟悉热敏电阻的类型及特性。3）熟悉热敏电阻的基本应用电路。 技能目标1）掌握热敏电阻的选型方法。2）熟悉各种热敏电阻的应用,現在時間是：09:01,任务一、认识热敏电阻,热敏电阻分类：负温度系数热敏电阻NTC 正温度系数热敏电阻：PTC NTC又可分为两大类： 第一类的电阻值与温度之间呈严格的负指数关系，因此可用于测量温度：e是自然对数的底， e 2.718.,第二类为突变型（CTR）。当温度上升到某临界点时，其电阻值突然下降 ，可用于控制温度或抑制浪涌电流 。,NTC热敏电阻的材料与特性,以锰、钴、镍和铜等金属氧化物为主要材料, 采用陶瓷工艺制造而成。在低温时,这些氧化物材料的载流子(电子和空穴)数目少,所以其电阻值较高。随着温度的升高,载流子数目增加,所以电阻值降低。电阻率和温度系数随材料成分比例、烧结温度和结构状态不同而变化。,现在还出现了以碳化硅、硒化锡、氮化钽等为代表的非氧化物系列NTC热敏电阻材料。,热敏电阻的外形、结构及符号,a）圆片形 b）柱形 c）珠形 d）铠装型e）厚膜型 f）贴片式 g）图形符号1热敏电阻 2玻璃外壳 3引出线 4纯铜外壳 5传热安装孔,例：热敏电阻的 R01M， t025，B=4000,100 时的电阻值RT=67k。,结论：该NTC在100时的阻值大约只有25 时的1/15 。,PTC热敏电阻,在钛酸钡里掺杂其它的多晶陶瓷材料,压制成圆片等形状, 烧结而成PTC热敏电阻，属于临界温度型(CTR)。当温度上升到某临界点时,其电阻值突然上升,可用于电路的限流、过载保护。大功率PTC还可用作暖风机中的加热元件。,恒温加热用PTC热敏电阻,下图所示的四根曲线分别为哪一种热敏电阻？,热敏电阻的主要参数,（1）标称阻值R0：一般指环境温度为25时热敏电阻的电阻值。（2）B值：是反映NTC热敏电阻阻值随温度变化的灵敏度，量纲为1。（3）居里温度TK：电阻值陡峭地增高时的温度定义为居里温度。（4）电阻温度系数：它表示温度变化1时的阻值变化率，单位为%/。（5）时间常数：是描述热敏电阻热惯性的参数。（6）最大工作电流IM：在低阻态时所允许的电流值上限。（7）额定功率PM：热敏电阻长期、连续接到电源上时，所允许的消耗功率。,热敏电阻外形,MF12型 NTC热敏电阻,聚脂塑料封装热敏电阻,其他形式的热敏电阻,玻璃封装NTC热敏电阻,MF58 型热敏电阻,其他形式的热敏电阻,带安装孔的热敏电阻,大电流PTC热敏电阻,其他形式的热敏电阻（续）,贴片式NTC热敏电阻,其他形式的热敏电阻（续）,MF58型（珠形）高准确度负温度系数热敏电阻,MF5A-3型热敏电阻,各种非标热敏电阻,非标热敏电阻（续）,非标热敏电阻（续）,任务二、热敏电阻的应用热敏电阻式温度面板表,热敏电阻,LCD显示器,热敏电阻电子体温表,热敏电阻电子体温表的调试、标定方法,调试时，应该先调哪一只电位器，再调哪一只电位器？使用分隔刻度为0.1的高准确度温度计,校验本设计刻度中其他各点是否准确,并用单片机进行线性化显示.,a）桥式电路 b）调频式电路 c）数字式体温表1热敏电阻 2指针式显示器 3调零电位器 4调满度电位器,热敏电阻与电容器组成的RC多谐振荡器,多谐振荡器又称为矩形波发生器,去计算机的计数器,热敏电阻用于CPU的温度测量,.,热敏电阻用于电热水器的温度控制,PTC热敏电阻用于温度补偿,动圈式表头中的动圈由铜线绕制而成。当环境温度升高时，动圈的电阻增大，引起表头的指针偏转角减小。可以在动圈回路中串入由负温度系数NTC热敏电阻组成的电阻网络，从而抵消由于温度变化所产生的误差。,PTC可恢复熔断器,可恢复熔丝（也称可恢保险丝）本体中，聚合树脂均匀分布在导电氧化物周围。在正常电流下，PTC热敏电阻内部的导电粒子构成链状导电通路，呈现低阻状态。当电路发生短路或过载时，PTC热敏电阻产生较大的热量，使聚合树脂熔化，体积迅速增大，切断导电粒子构成的链状导电通路，使PTC热敏电阻呈现高阻状态，从而使流过PTC热敏电阻的电流迅速减小，起短路保护作用。,PTC热敏电阻用于继电器控制,在电动机的定子绕组中嵌入正温度突变型热敏电阻，并与继电器串联。当电动机过载时定子电流增大，引起发热。当温度大于突变点时，电路中的电流可以由几十毫安突变为十分之几毫安，因此继电器复位，触发电动机保护电路，从而实现过热保护。,由以上分析可知，必须使用正温度系数的突变型热敏电阻与继电器串联。温度突变点应略高于电动机最高工作壳温。KA为续流二极管。,PTC热敏电阻用于电动机过载保护控制,RtA、RtB、RtC分别用环氧树脂固定在电动机的三相定子绕组中。MZ6PTC热敏电阻在20时的阻值小于300，转折温度点TK为5时的阻值分别为小于1k和大于4k。,PTC热敏电阻用于电动机过载保护控制(续),任何一相绕组超过转折温度TK时，都将导致IB减小，V截止，KA线圈失电，触点释放，给电动机控制电路一个报警信号，从而实现过热保护作用。,NTC热敏电阻用于汽车油箱油位的判断,将NTC热敏电阻Rt置于汽车燃油箱中的某个高度位置，在检测电路中施加12V电压，限流电阻只允许微小电流流过Rt ， Rt会产生微热。当燃油液位高于报警下限时，燃油带走Rt的热量， Rt的温度较低，电阻值较大。,反之，当燃油液面降低到报警下限时，Rt暴露在空气中，Rt的热量散发比在液体中慢，所以温度升高，阻值降低。当Rt的阻值下降到一定值时，与Rt串联的红色LED亮，产生油位报警信号。,