第34节温度传感器.ppt

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1、重点掌握,热电偶式传感器（重点）,热电阻式热电传感器（重点）,第2.3.4节 温度传感器,温度检测方法温度传感器工作原理,连续监测井下各类热源的温度变化，也是矿井火灾监测的一种有效方式。目前普遍应用的是热电传感器。热电传感器是一种将温度变化变换为电量变化的敏感元件，当敏感元件温度发生变化时，元件的电阻、电动势以及磁导都可能相应发生变化。这种变化一般呈单值关系，测试仪器结构都较简单。目前以温度电阻和温度电动势型式应用的较为普遍。近年来由热敏半导体材料制成的热敏电阻传感器获得了广泛的应用。,温度检测方法,热电偶式传感器（重点）,热电阻式热电传感器（重点）,热敏电阻传感器,红外火源探测仪,（一）热电

2、偶式传感器,1、热电效应,两种不同的导体（或半导体）如A/B，组成闭合回路，当A、B相接的两个节点温度不同时（tt0），则在回路中产生一个热电动势，这种现象通常称作热电效应。A、B组件称热电偶，每个单件称热电极。两个接点中，一端称工作端（测量端或热端）如t端；另一端称自由端（参比端或冷端）如t0端。,热电动势（或称热电势）是由接触电势和温差电势两部分组成。,（一）热电偶式传感器,1）接触电势,（一）热电偶式传感器,图1 接触电势,两种不同的导体A、B互相接触时，由于不同材料的自由电子密度不同，在接合处会发生电子扩散。由于两个方向的电子扩散速率不同，使A、B形成静电场Es。扩散过程结束，当A、B

3、间电子数达到动态平衡时，在A、B之间形成一电位差，称为接触电动势。,接触电动势的大小取决于两种不同导体的性质和接触点的温度，与材料几何形状和接触点的位置无关。,1）接触电势,（一）热电偶式传感器,（1）,2）温差电势,图2 温差电势,温差电势：在同一导体的两端因其温度不同而产生的一种热电势。由于两端温差的存在、高温端电子能量比低温端电子能量大。因而，高温端失去电子带正电荷，低温端获得电子带负电，这样，在导体内从高温端到低温端形成一个静电场。,（一）热电偶式传感器,当静电场形成并两端电子数达到动态平衡时，在导体两端便产生一个相应的电位差，即（Ut-Ut0），该电位差称温差电动势。,（2）,（一）

4、热电偶式传感器,2）温差电势,3）热电偶回路总热电动势,（一）热电偶式传感器,总热电势是接触电势和温差电势之和。即：,（3）,由于温差电势比接触电势小得多，故可略去。则：,（4）,3）热电偶回路总热电动势,（一）热电偶式传感器,又因tt0，故t端电势eAB(t)在总电势中占较大比重，所以，总电势eAB(t、t0)的方向取决于eAB(t)的方向。将式（1-4）用函数关系式表示则有：,（5）,当热电偶材料一定时，热电偶总电势eAB(t、t0)是温度t和t0的函数差。式（5）是热电偶测温的基本公式。,3）热电偶回路总热电动势,（一）热电偶式传感器,如果使冷断温度t0固定（通过一点的补偿措施），则总电

5、动势成为t的单值函数。,这就是说，热电偶回路的总电动势只随一个端点温度（t）的变化而变化。工程上就利用这一原理，用热电偶去测试温度及其变化。,热电阻测量温度是依着导体电阻随温度变化的原理而工作的。目前广泛应用的热电阻测温材料是铂、铜、镍等合金。在低温和超低温条件下，则采用碳、锰、铟等作为电阻元件的材料。,（二）热电阻式热电传感器,（二）热电阻式热电传感器,1、铂电阻,铂电阻的化学稳定性好，耐高温、易提纯，因而，通常采用铂电阻作为一般温度计量仪器的温标基准。1968年“国际实用温标”规定：在259.34630.74的范围内，以铂电阻作为基准器。目前国内统一使用的标准铂电阻有R0100和R050两

6、种。,（二）热电阻式热电传感器,1、铜电阻,铜电阻与温度几乎成线性关系，如果测温范围较小而精度要求不高时，采用铜热电阻比较经济。铜电阻与温度的关系式为：,式中，Rt-铜的温度为t时的电阻值；R0-铜的温度为0时的电阻值；-铜电阻在0时的温度系数，一般=4.2510-3/,缺点：铜电阻易于氧化，只能用于低温和无侵蚀的工作环境中。另外，铜的电阻率较小，故一般元件体积偏大。目前工业用的铜电阻R053。,热敏电阻是用半导体材料制成的，与金属电阻比较有若干优点：（1）阻值程度变化大、对温度变化反应灵敏、耐腐蚀、体积小、自身阻值大、以及因热惰性小，使反应速度快等。比如，大多数金属电阻在温度变化1时，阻值变

7、化一般为0.40.6，而热敏电阻每摄氏度阻值变化可达36，这就大大提高了元件测试的灵敏度。（2）由于自身阻值大、连接引线电阻对测量精确度的影响就较小，这就为远距离监测提供了充分的条件。两点是热敏电阻最突出的特点。但目前采用的热敏元件线性和互换性都较差，允许测量范围也较小，急需进一步改进。,（三）热敏电阻传感器,（三）热敏电阻传感器,一般采用负电阻温度系数较大的固体多晶半导体氧化物的混合物制成热敏电阻元件，如氧化铝、氧化铜、氧化锰等。热敏半导体阻值与温度呈指数规律变化，其变化规律为：,式中，Rt-温度为度时热敏电阻值；A、B-常数，由具体材料和制造工艺决定（查表）；t-温度。,例如，已知在温度t

8、0时的电阻为R0，则求温度t时的电阻Rt时，可用下式计算：,（三）热敏电阻传感器,式中，B是常数，取15003000；e是自然对数，为2.71828；t、t0-温度，单位K。,为了达到遥测时的必要精度，在矿山井下使用热电阻或热敏电阻监测温度时，通常采用三导线电路，从而避免导线过长而引起的测量误差。,（三）热敏电阻传感器,图3 三导线桥式电路测温原理,1-被测点；2-引线,如图3所示，两根引线接入两对应桥臂之中，环境条件变化引起的变化量在两引线上相同，因而相互抵消，故不会造成遥测时的测量误差。,利用红外辐射原理制成的测温、报警、控制的监测仪器，均已广泛的应用于各个行业。实践证明，这是一直较为理想

9、的测控手段。,（四）红外火源探测仪,1.工作原理,（四）红外火源探测仪,红外火源探测仪是一种非接触式测温仪表。它能将煤炭自燃发火的红外辐射能接收过来，并变换为电量，再通过一定单元显示、报警或远距离传送。采用这类仪器可预知火源变化状态，研究自燃发火规律，并能提前采取必要的防灭火措施。,1.工作原理,（四）红外火源探测仪,Rb为红外敏感元件，接收红外辐射能；R0是补偿元件，它被罩壳隐蔽起来，不吸收红外辐射能；Eb和Ec组成偏置电源。,图4火源探测仪探头电路,1:被测点；2:引线,当Rb接收红外辐射能时，Rb阻值下降，电桥失去平衡，输出电压信号耦合到前置放大器放大，再经处理和转换环节由显示器输出，或

10、输送到报警等电路。Rb阻值下降或电压信号输出的强弱由红外辐射能量决定，而接收的红外辐射能量的多少与被测点温度高低有关，所以，仪器显示的数据就直接反映了测点温度值及其变化状态。,1.工作原理,（四）红外火源探测仪,2.仪器的主要技术指标,（四）红外火源探测仪,（1）仪器按电阻分压式衰减可分为三档工作，即：第一档测量012；第二档测量050；第三档测量0100；（2）最小鉴别值为0.5；（3）视场范围为1.51.5；（4）可测目标面积：距离5m时可测目标面积为50cm2。目标充满视场时测数准确；（5）仪器由探头和仪表箱两部分组成，二者用蛇皮管连接，总重约2700g。,3.矿用产品YRH300矿用本

11、质安全型红外热像仪,（四）红外火源探测仪,YRH300红外热成像生命探测仪(本安型)北京凌天世纪自动化技术有限公司,北京鑫辉锐达科技有限公司RH250矿用本质安全型红外热像仪,（1）YRH300矿用本质安全型红外热像仪产品为国内首次应用于煤矿井下的防爆型矿用产品。该产品是集红外热像仪技术及煤矿用防爆技术为一体的高性能矿用安全检测产品。（2）应用范围：检测煤矿井下隐性火区分布、火源的位置，预防大面积的顶板冒落和采区透水，探测瞎炮位置分布、采煤机组与液压支架实时工作状态，非接触性检测井下中央与采区变电所各种开关、接头、变压器的事故隐患，水泵、局扇、防爆电机及动力设备（动力电缆）的温升，运输机及运输

12、皮带的发热状态。,3.矿用产品YRH300矿用本质安全型红外热像仪,（四）红外火源探测仪,（3）功能 1）用户能够通过高精度的2.5英寸液晶屏快速地观测到红外图像并确定被测目标是否存在潜在隐患。单键存图功能避免了用户重复的工作，同时也可以在现场与同伴一起观测和分析图像。2）YRH300能对各种矿业设备进行准确地非接触式温度测量。自动捕捉最高温和最低温功能，以及温度报警功能使得RH250能更好地应用于矿业检测领域。3）YRH300提供双屏显示，除了主屏显示外，还有一个装在揭盖上的小型液晶屏。当揭盖合上后，用户能从小屏上读出温度数据。,3.矿用产品YRH300矿用本质安全型红外热像仪,（四）红外火

13、源探测仪,（3）功能 4）YRH300能够自动捕捉屏幕显示的最高温度和最低温度。5）YRH300带有半透明菜单显示功能，用户可以在分析模式下观测整个红外热图，并且该热像仪还能够通过用户的设定实现自动关机功能。6）YRH300热像仪的前端装有激光定位器，用户能够通过该装置轻易地确定观测目标的位置 7）YRH300可通过标准的usb接口将所存图像快速地传入计算机或pda中。8）轻便、耐用的索尼标准锂电池保证了YRH300的长时间不间断工作。,3.矿用产品YRH300矿用本质安全型红外热像仪,（四）红外火源探测仪,（4）技术参数表 型号：YRH300视场角/最小焦距：3828.5/0.1m 空间分辨率：4.4mrad 热灵敏度：50/60 hz 100 mk 探测器类型：焦平面(Focal plane array)非制冷微热型探测器 分辨率：160120 工作波长：7.514um 焦距调节方式：手动 液晶显示屏：2.5高分辨率彩色液晶显示屏(Thin Film Transistor 薄膜晶体管)视频输出 rs170 eia/ntsc或ccir/pal复合视频 测温范围 0 至+250 精度 2或者温度读数的2%,3.矿用产品YRH300矿用本质安全型红外热像仪,（四）红外火源探测仪,