传感技术第四章.ppt

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1、第四章 温度传感器,4.1 概述 4.2 红外温度传感器 4.3 光纤温度传感器,传感技术,温度是表征物体或系统冷热程度的基本物理量。温度单位是国际单位制中七种基本单位之一。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。,4.1 概述,根据传感器的测温方式，温度基本测量方法通常可分成接触式和非接触式两大类。接触式：接触式温度测量的特点是感温元件直接与被测对象相接触，两者进行充分的热交换，使两者具有同一温度，达到测量的目的。根据测温转换的原理，接触式测温又可分为膨胀式、热阻式、热电式等多

2、种形式。,4.1 概述,优点测温精度相对较高，测温系统结构简单、体积小、可靠、维护方便、价格低廉，仪表读数直接反映被测物体实际温度；可方便地组成多路集中测量与控制系统。缺点由于感温元件与被测介质直接接触，从而要影响被测介质热平衡状态，而接触不良则会增加测温误差；被测介质具有腐蚀性及温度太高亦将严重影响感温元件性能和寿命等缺点。,4.1 概述,4.1 概述,非接触式：非接触测量法是利用物质的热辐射原理，测温敏感元件不与被测介质接触，通过辐射和对流实现热交换，达到测量的目的。,4.1 概述,优点非接触式测温具有不改变被测物体的温度分布，热惯性小，测温上限可设计得很高，便于测量运动物体的温度和快速变

3、化的温度等优点。缺点整个测温系统结构复杂、体积大、调整麻烦、价格昂贵；仪表读数通常只反映被测物体表现温度(需进一步转换)；不易组成测温、控温一体化的温度控制装置。,4.2 红外温度传感器,任何物体只要其自身及周围的温度不是绝对零度，都会以电磁波的形式向周围辐射能量。这种电磁波是由物体内部带电粒子在分子和原子内振动产生的，其中与物体本身温度有关传播热能的那部分辐射，称为热辐射。它不需要任何物质作为媒介（真空中也传播）。物体温度越高，粒子被激励的越强烈，辐射能量越大。当与周围的温度相等时，辐射热量过程处于动平衡状态。,4.2 红外温度传感器,辐射能投射到物体表面上；一部分被物体吸收，一部分被反射，

4、另一部分透过物体。设外界投射到物体表面上的总能量为Q0，吸收QR，反射QP，透射Qt。比值QR/Q0，QP/Q0，Qt/Q0，分别称作该物体的吸收率，反射率和透射率。依次为，根据能量守恒定律，1，当1，=0，该物体称为绝对黑体，全吸收。,（1）红外辐射红外辐射俗称红外线，它是一种人眼看不见的光线。但实际上它和其他任何光线一样，也是一种客观存在的物质。任何物体，只要它的温度高于绝对零度，就有红外线向周围空间辐射。红外线是位于可见光中红光以外的光线，故称为红外线。它的波长范围大致在0.751000m的频谱范围之内。相对应的频率大致在4101431011 Hz之间，红外线与可见光、紫外线、x射线、射

5、线和微波、无线,4.2 红外温度传感器,电波一起构成了整个无限连续的电磁波谱。红外辐射的物理本质是热辐射。物体的温度越高，辐射出来的红外线越多，红外辐射的能量就越强。研究发现，太阳光谱各种单色光的热效应从紫色光到红色光是逐渐增大的，而且最大的热效应出现在红外辐射的频率范围内，因此人们又将红外辐射称为热辐射或热射线。,4.2 红外温度传感器,（2）红外测温的特点非接触测温。特别适合用于较远距离的高速运动物体、带电体、高温及高压物体的温度测量；反应速度快。它不需要与物体达到热平衡的过程，只要接收到目标的红外辐射即可测定温度，反映时间一般都在毫秒级甚至微秒级；,4.2 红外温度传感器,灵敏度高。由于

6、物体的辐射能量与温度的四次方成正比，因此物体温度微小的变化，就会引起辐射能量较大的变化，红外传感器即可迅速地检测出来；准确度较高。由于是非接触测量，不会破坏物体原来温度分布状况，因此测出的温度比较真实，其测量准确度可达到0.1以内，甚至更小；,4.2 红外温度传感器,测温范围广。可测摄氏零下几十度到零上几千度的温度范围；应用范围广。各种工业窑炉、热处理炉温度测量、感应加热过程中的温度测量，尤其是钢铁工业中的高速线材、无缝钢管轧制，有色金属连铸、热轧等过程的温度测量等；军事方面的应用如各种运载工具发动机内部温度测量、导弹红外（测温）制导、夜视仪等；在一般社会生活方面如快速非接触人体温度测量，防火

7、监测等等。,4.2 红外温度传感器,（3）红外测温原理 红外测温有几种方法，这里只介绍全辐射测温。全辐射测温是测量物体所辐射出来的全波段辐射能量来决定物体的温度。它是斯蒂芬玻尔兹曼定律的应用，定律表达式为,4.2 红外温度传感器,式中 W物体单位面积所发射的辐射功率；物体表面的法向比辐射率；斯蒂芬玻尔兹曼常数；T物体的绝对温度(K)。,4.2 红外温度传感器,4.2 红外温度传感器,红外测温传感器工作原理,红外测温传感器工作原理 红外测温传感器主要由光学系统、调制器、红外敏感器件、放大器和显示系统组成。微电机驱动调制盘使入射光的辐射功率按一定规律变化，把红外辐射调制成交变辐射，得到易于处理的交

8、流信号输出。,4.2 红外温度传感器,按探测机理的不同，红外探测器分为热探测器和光子探测器。(1)热探测器热探测器吸收红外辐射后，先引起温度升高。然后由于温度升高，伴随着发生某种物理性质的变化。如温度升高，体积膨胀等。测量这些物理性质的变化就可以确定被吸收的红外辐射的能量或者功率。常用的物理变化有下列四种，利用其中一种就可以制出一类红外探测器。,4.2.1 红外探测器,(a)温差电现象 把两种不同的金属丝或者半导体细线连接成一个封闭环。当一个接头吸收红外辐射，导致它的温度比另一个接头高时，环内就产生电动势。从电动势的大小可以测定接头所吸收的红外辐射功率。利用温差电现象制成的红外探测器，叫做热电

9、偶。若干个热电偶串联在一起，就成为热电堆。,4.2.1 红外探测器,(b)金属或半导体电阻的变化 当吸收红外辐射温度升高时，金属的电阻会增加，半导体的电阻反而减小。从它们电阻的变化可以测定被吸收的红外辐射功率。利用电阻变化制成的红外探测器，叫做电阻测辐射热计。(c)气体压强的变化 当吸收红外辐射温度升高时，气体在体积一定的条件下，压强增加。从压强的增加可以测定被吸收的红外辐射功率。这样的红外探测器，叫做气体探测器。,4.2.1 红外探测器,(d)热释电现象(简称热电现象)有些晶体，如硫酸三甘酞(TGS)、铌酸锶钡(SBN)等当受到红外辐射照射后温度升高时，在某个晶体方向上能够产生电压。由此，就

10、能测量出红外辐射功率。,4.2.1 红外探测器,(2)光子探测器光子探测器吸收光子后，本身发生电子状态的改变，从而引起几种电学现象，它们统称为光子效应。从光子效应的大小可以测定被吸收的光子数。利用光子效应制成的红外探测器统称为光子探测器。常用的光子效应有下列四种。,4.2.1 红外探测器,(a)光电子发射(光电效应)光照射在某些金属氧化物表面、半导体表面或金属表面上时，如果光子能量足够大，就能够使表面发射出电子。这一现象叫做光电子发射，又叫做光电效应。利用光电效应制成的可见光探测器和红外探测器，统称为光电子发射器件(PE器件)，其中有光电二极管和光电倍增管。,4.2.1 红外探测器,(b)光电

11、导 吸收能量足够大的光子后，半导体中有些电子和空穴能从原来不导电的束缚状态转变到能导电的自由状态，从而使半导体的电导增加。这种现象叫微光电导。利用半导体光电导制成的红外探测器品种最多，应用最广，统称为光电导探测器(PC器件)。,4.2.1 红外探测器,(c)光生伏特效应 半导体的p-n结(或p-i-n结，或金属与半导体接触区)及其附近，在吸收能量足够大的光子后，能释放出少数载流子(自由电子和空穴)。它们在结区域以外时，靠扩散进入结区域。在结区域中则受到结内静电场的作用，电子漂移到n区，空穴漂移到p区。如果p-n结短路，就产生反向电流。如果p区、n区开路。两端就产生电压。这叫做光生伏特效应。利用

12、光生伏待效应，制成的红外探测器，叫做光生伏特探测器(PV器件)。PV器件工作时不必加偏置电压。,4.2.1 红外探测器,(d)光电磁效应 在外加电场和磁场同时作用下，半导体的上表面吸收光子后，在上表面产生的电子空穴对，要向体内扩散。在扩散过程中，因受到强磁场的作用，电子和空穴各偏向一侧，因而产生电位差。这个现象就叫做光电磁效应。利用这个效应测量红外辐射的红外探测器叫做光电磁探测器(PEM器件)。,4.2.1 红外探测器,热探测器与光子探测器相比，热探测器有下列优点：(1)热探测器对各种波长都有响应，光子电探测器是一种对波长有选择的探测器，仅对具有足够能量的光子有响应，即存在一个波长限。光子探测

13、器只对它的长波限以下的一段波长区间有响应。(2)热探测器(除低温测辐射热计外)工作时不需要冷却，光子探测器则多数需要冷却。,4.2.1 红外探测器,但热探测器有下列缺点；(1)热探测器的响应度一般低于光子探测器，响应时间一般比光子探测器长。(2)热探测器的性能与器件尺才、形状，以及工艺细节等很有关系，因此，工艺要求较高，产品规格常不容易稳定。而光子探测器，工艺比较先进和定型，产品比较能够规格化。,4.2.1 红外探测器,热探测器有辐射热电偶、热电堆、热敏电阻及热释电探测器。薄膜热敏器件是二十世纪八十年代随着集成电路技术中的薄膜工艺发展，以及人们对温度信息获取向超小型化发展而产生的。替代传统结构

14、型温度传感器，适合于物体表面，快速和小间隙温度检测。,4.2.2 薄膜热电偶,4.2.2 薄膜热电偶,薄膜热电偶以陶瓷薄片作基体，厚度0.6mm，耐高温1600。在陶瓷基片有两0.2小孔。将0.2标准NiCrNiSi热电偶丝分别嵌入小孔，使其与小孔过渡配合，在陶瓷基片背面用高温无机绝缘胶固定热电偶丝，经过研磨使热电偶端面与陶瓷基片正面平齐，在其上溅射钽（Ta）薄膜，厚度0.7m，在钽膜片（吸收光辐射）上镀保护膜Si3N4（厚度0.1m）。,4.2.2 薄膜热电偶,其动态响应时间为50s，线性度好，可在1200下长期工作，可快速检测锻模具外壁面、燃气动力机壁面的瞬变温度，此外还可广泛应用于高空大

15、气环境的测量以及沸腾换热表面瞬态温度的快速检测等。,4.2.2 薄膜热电偶,热电堆是由许多热电偶串接起来组成的，相比热电偶有更大的输出热电势。热电堆是根据赛贝克效应，对半导体材料采用集成电路工艺和各向异性腐蚀的微细加工技术制成的，半导体材料的赛贝克系数比金属材料大，适合作温度传感器。半导体材料接受红外辐射能，把红外辐射能转换成热能，再转换成电信号输出。热电堆相当于若干薄膜热电偶串接，结电压相加，提高测温的响应度。,4.2.3 热电堆,早先的红外热电堆探测器是利用掩膜真空镀膜的方法，将热电偶材料沉积到塑料或陶瓷衬底上获得的，但器件的尺寸较大，且不易批量生产。随着微电子技术的蓬勃发展，提出了微电子

16、机械系统的概念，进而发展了微机械红外热电堆探测器。,4.2.3 热电堆,下图给出微机械红外热电堆芯片的基本结构。为建立热结区与冷结区的有效热传导，需要构建一定的隔热结构，现在主要通过薄膜来实现。应用的薄膜结构有两类，即封闭膜结构(图)和悬梁结构(图)，其中封闭膜是指热堆的支撑膜为整层的复合介质膜，一般为氮化硅与氧化硅复合膜。悬梁则是指周围为气氛介质所包围，一端固定、一端悬空的膜结构，其中膜亦为复合介质膜。,4.2.3 热电堆,封闭膜结构,悬梁结构,4.2.3 热电堆,热电堆、热结区以及红外吸收区都在膜上。热结位于红外吸收区附近,当吸收红外辐射之后,此处即成为高温区域；冷结区位于硅衬底上,经导热

17、性良好的单晶硅将热迅速散发,形成低温区域。,从隔热效果来说，悬梁更具优势，因为这种膜结构的周围是导热性能很差的气氛介质(如空气)，因此热耗散小，热阻高，隔热效果好，同时吸收的热可以沿着膜的方向，也就是热电偶对的方向作有效传导，故热电转换效率较好，灵敏度高；而对封闭膜而言，吸收红外辐射后，热可以沿着介质支撑膜传播，而并不完全沿着热偶对传播，故热耗散较大,热电转换效率低，灵敏度小。,4.2.3 热电堆,但从工艺制造过程以及成品率角度来说，封闭膜更具优势，因为这种膜结构的优点在于结构稳定，由于膜与基体处处相连，因此受应力影响小，制造过程中膜本身不易破裂，成品率高，易制造；而悬梁与基体间只通过固支一端

18、相连，另一端悬空，因此受应力的影响显著，制造过程中膜容易发生翘曲或破裂，故成品率较低，不易制造。这些薄膜结构都是利用硅的各向异性腐蚀而得到的，腐蚀孔呈金字塔型。,4.2.3 热电堆,从上述分析可以看出，悬梁结构和封闭膜结构各有优缺点，将这两种结构相结合，就可以集中这两种结构的优点，这就是斜拉悬梁支撑膜结构。这种结构的悬梁与硅基体成45度角，故名斜拉；悬梁一端固支，与硅基体1相连，另外一端仅有两点与基体1相连，红外吸收区5与热堆结构4在此悬梁上。红外吸收区5吸收红外辐射后，温度升高，构成热堆的热结区3，硅的导热性好，称为热堆的冷结区2，保持与周围环境相同的温度。,4.2.3 热电堆,4.2.3

19、热电堆,斜拉支撑膜的优点在于综合了封闭膜与悬梁结构的优点，由于非固支端与基体也有两点相连，因此具有封闭膜结构稳定，制作过程中膜结构不易被破坏，成品率高的优点；而这仅有的两点相连，对于导热的影响很小，因而秉承了悬梁结构的优点，热耗散小，隔热效果好，热阻高，热可以沿着热偶对有效传导，可提高热电转换效率，获得高的灵敏度，这种新的斜拉悬梁支撑膜结构，使得微机械热电堆红外探测器的整体性能得到较大提高。,4.2.3 热电堆,光纤温度传感器分为传光型（或称传输型，非功能型）和传感型（或称敏感型，功能型）两类。传光型利用光纤传输光信号，在光纤的一个端面上配置温度敏感元件，并与光纤耦合，构成传光型光纤温度传感器

20、。传感型利用光纤本身物理参数随温度变化而变换的特性，作为敏感元件构成传感型光纤温度传感器。,4.3 光纤温度传感器,传光型对温度检测灵敏度较低，但可靠性高，其中荧光吸收，热辐射类光纤温度传感器已达到实用水平。传感型灵敏度高，但对温度以外的机械量变化（如压力，振动等）也很敏感，抗干扰能力差，稳定性差。,4.3 光纤温度传感器,半导体光纤温度传感器是利用半导体材料的吸收光谱随温度变化而制成的。使用GaAs砷化镓半导体材料作为温度敏感元件，组成传感头部分，采用双光源系统，引入参考光源，有效消除了由于光纤间的连接所产生的微小轴向或横向位移误差对测量结果的影响，大幅度提高了系统的稳定性。,4.3.1 半

21、导体光纤温度传感器（传光型）,当GaAs研磨抛光到一定厚度(100m 左右)时，它的光透过率特性曲线如图所示。当温度升高时，透过率曲线向长波长方向移动，但曲线的形状不变。温度传感器正是利用了它的这种特性。假如将光源的发光光谱I1 叠加上去，就会发现随着温度的升高，透过GaAs 的光强在逐步减小。这样光探测器的输出电压也将随温度的升高而减小。因此，通过测量光探测器的输出电压即可达到测温的目的。,4.3.1 半导体光纤温度传感器（传光型）,4.3.1 半导体光纤温度传感器（传光型）,4.3.1 半导体光纤温度传感器（传光型）,由发光管稳压电源驱动砷化铝镓AlGaAs、砷磷化铟镓InGaAsP 两发

22、光二极管发光，控制电路控制光开关分时接收来自信号光源(AlGaAs)与参考光源(InGaAsP)发出的光束，首先是让信号光通过，探头中的GaAs 材料对光有吸收作用，透射光强与温度有关。然后是参考光通过,经过的路径和前面完全一样，只是由于探头中的GaAs 材料对它来说是完全透明的。两光束通过光纤传输后经光探测器把参考光束和信号光束转变为电信号，经前置放大、滤波后，通过A/D 接口到单片机，经处理后输出显示。,4.3.1 半导体光纤温度传感器（传光型）,光探头是由半导体材料GaAs 制作，其厚度约100m，两边抛光，镀增透膜，探头与光纤芯的连接如下图所示。,4.3.1 半导体光纤温度传感器（传光

23、型）,为了排除干扰，提高测量精度和稳定性，特别加入了一束参考光，即另外一个半导体发光二极管，其发光的光谱曲线如图中的I2 所示。由于它的光谱在砷化镓GaAs 材料的透过率曲线右边，砷化镓GaAs 材料对它不吸收，几乎完全透过，温度的变化对它的透过也几乎无影响。因此，可以把它作为参考光，来消除外界干扰和内部部件的老化的影响。,4.3.1 半导体光纤温度传感器（传光型）,荧光材料原子受到某一合适波长光的辐射而被激发时，发出辐射荧光。利用荧光物质所发出的荧光衰变时间随温度变化的特性可以制成温度传感器。将荧光物质均匀涂在被测物体表面上或使其与半导体材料掺杂。用输入光纤传输激励光，激励被测物体发出荧光，

24、利用晶体的荧光衰变时间来控制激励光源调制频率。当温度变化时，荧光衰变时间发生变化，从而改变了光源调制频率，若测出频率即可测出温度。,4.3.2 荧光衰变式光纤温度传感器（传光型）,4.3.2 荧光衰变式光纤温度传感器（传光型）,LED作为光源，光源发出的激发光（在一个频率上振荡）透过透镜2进入滤光器3，把长波部分滤去，然后经分光镜4和透镜5注入光纤射向晶体，激发荧光。返回的荧光由分光镜耦合到滤光镜7上。滤光器7的作用是抑制散射激励光。荧光经过透镜8聚焦进入探测器9转换成电信号。此信号经放大器10，相移器11和幅度控制器12，最后反馈到调制器1上控制LED的发光频率。,4.3.2 荧光衰变式光纤

25、温度传感器（传光型）,上述传感器的原理是利用晶体的荧光衰变时间随温度变化输出电信号改变光源（调制）频率，由时标计算器13测出光源（调制后）振动频率，即可确定温度。,4.3.2 荧光衰变式光纤温度传感器（传光型）,传感型光纤温度传感器不仅用光纤作为传输光路，而且用光纤作感温元件。利用光纤自身物理参数随温度变化而变化，从而使传输光的参数受到调制的特性，可以实现强度调制光纤温度传感器、相位调制光纤温度传感器。折射率调制是光强调制的一种形式，物体参数变化可以改变光纤的折射率。利用透明液体的折射率与温度有关，可制成温度传感器。,4.3.3 折射率调制式光纤温度传感器（传感型）,传感型光纤温度传感器不仅用

26、光纤作为传输光路，而且用光纤作感温元件。利用光纤自身物理参数随温度变化而变化，从而使传输光的参数受到调制的特性，可以实现强度调制光纤温度传感器、相位调制光纤温度传感器。折射率调制是光强调制的一种形式，物体参数变化可以改变光纤的折射率。利用透明液体的折射率与温度有关，可制成温度传感器。,4.3.3 折射率调制式光纤温度传感器（传感型）,一液芯光纤敏感元件 温敏元件是一段透明毛细管，其折射率为ns；内装折射率为nl的透明液体（液芯）。温敏元件两端与普通多模输入光纤3及输出光纤4串接，内芯折射率为n1，包层折射率为n2。液芯折射率nl对温度敏感。,4.3.3 折射率调制式光纤温度传感器（传感型）,4

27、.3.3 折射率调制式光纤温度传感器（传感型）,温敏元件为数值孔径随温度变化的液芯光纤。在某温度T1时，nsnl，数值孔径NA0；光从液体包层漏出，出射光强为零。当温度T2时，液体的折射率nl值随温度的升高而变化，与输入及输出光纤有相同的NA值。在T1T2温度内，液芯光纤数值孔径NA连续地从零增加到普通光纤的数值孔径。利用这种温度敏感效应，液芯可作敏感元件。,4.3.3 折射率调制式光纤温度传感器（传感型）,二折射率调制式传感器 光源发出的光波一路经分光镜和透镜进入输入光纤端部。另一路经探测器2转换成电信号送入主体仪器，由于采用透镜聚焦把光束引入光纤，使输入光束在整个数值孔径范围内产生激励。在

28、输入光纤远端串接(耦合)感温元件(液芯光纤)，根据被测温度T所确定的折射率变化，使部分光从输出光纤远端进入探测器1，由探测器1向主体仪器输入端提供光电信号。主体仪器利用输入的两个光电信号来,4.3.3 折射率调制式光纤温度传感器（传感型）,计算由温度T决定的正比于温度T的输出信号F(T)，这个量与光源温度无关，仅与由温度T决定的折射率变化有关。,4.3.3 折射率调制式光纤温度传感器（传感型）,相位调制光纤干涉仪制成的温度传感器以马赫泽德光纤干涉仪最为典型。马赫泽德光纤温度传感器 干涉仪包括激光器、扩束器、分束器、两个显微物镜、两根单模光纤、光探测器等。干涉仪工作时，激光器发出的激光束经分束器分别送入测量光纤和参考光纤，将两根光纤的输出端汇合在一起，则两束光产生干涉，从而出现干涉条纹的变化信息，并输入到适当的数据处理系统，最后得到测量结果。,4.3.4 相位调制式光纤温度传感器（传感型）,4.3.4 相位调制式光纤温度传感器（传感型）,