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1、第3章 溫度檢測技術(shù),,,內(nèi)容提要,介紹溫度的檢測方法及其特點(diǎn)，通過對接觸式溫度檢測（熱電阻、熱敏電阻、熱電偶、集成溫度傳感器）及非接觸式溫度檢測器（光學(xué)高溫計(jì)、輻射溫度計(jì)、紅外溫度傳感器、光纖溫度傳感器）工作原理的分析，詳細(xì)地介紹了溫度測量的各種方法及應(yīng)用技術(shù)。 通過本章學(xué)習(xí)，要求學(xué)會利用各種測溫元件實(shí)現(xiàn)溫度的接觸式和非接觸式測量。,3.1 概述,3.1.1 溫度與溫標(biāo) 1. 攝氏溫標(biāo) 攝氏溫標(biāo)規(guī)定:在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下純水的冰融點(diǎn)為0，水沸點(diǎn)為100，在0100之間分一百等份，每一等份定義為1攝氏度。 單位符號為，變量符號記作t。,2. 華氏溫標(biāo),華氏溫標(biāo)規(guī)定:在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下純水的冰融點(diǎn)為32，

2、水沸點(diǎn)為212，中間180等份，每一等份定義為1華氏度。 單位符號為F，變量符號記作tF。,3. 熱力學(xué)溫標(biāo),1848年，威廉.湯姆首先提出的； 熱力學(xué)溫標(biāo)又稱開氏溫標(biāo)； 是以熱力學(xué)第二定律為基礎(chǔ)的理論溫標(biāo)，與物體任何物理性質(zhì)無關(guān)，是國際統(tǒng)一的基本溫標(biāo)。 單位符號為K，變量符號記作T。 熱力學(xué)溫標(biāo)有一個(gè)絕對零度，它規(guī)定分子運(yùn)動停止時(shí)的溫度為絕對零度，因此它又稱為絕對溫標(biāo)。,熱力學(xué)第二定理的表述,熱不可能自發(fā)地、不付代價(jià)地從低溫物體傳到高溫物體(不可能使熱量由低溫物體傳遞到高溫物體，而不引起其他變化，這是按照熱傳導(dǎo)的方向來表述的)。 不可能從單一熱源取熱，把它全部變?yōu)楣Χ划a(chǎn)生其他任何影響(這是

3、從能量消耗的角度說的,它說明第二類永動機(jī)是不可能實(shí)現(xiàn)的）。,4. 國際實(shí)用溫標(biāo),國際溫標(biāo):簡稱IPTS-68 （International practical Termperture scale of 1968）， 溫標(biāo)單位大小定義:為水三相點(diǎn)（固、液、氣三相并存）的熱力學(xué)溫度的1/273.16 單位符號為K（開爾文），變量符號記作T90。 T90：1990年國際溫標(biāo)（ITS90）定義的國際開爾文溫度。,攝氏溫標(biāo)與華氏溫標(biāo)的換算關(guān)系為： 攝氏溫標(biāo)與華氏溫標(biāo)：攝氏溫標(biāo)與國際實(shí)用溫標(biāo)：,,,3.1.2 溫度檢測的主要方法及特點(diǎn),1. 溫度檢測的主要方法 （1）利用物質(zhì)熱膨脹與溫度關(guān)系測溫 用以測溫

4、的選擇物體可以是固體、氣體或液體，其受熱后體積膨脹，在一定溫度范圍內(nèi)體積變化與溫度變化呈連續(xù)、單值的關(guān)系，且復(fù)現(xiàn)性好。 如雙金屬溫度計(jì)、壓力式溫度計(jì)和玻璃液體溫度計(jì)。 （2）利用熱效應(yīng)測溫 兩種不同的導(dǎo)體兩端短接形成閉合回路，當(dāng)兩接點(diǎn)處于不同溫度時(shí)，回路中出現(xiàn)熱電勢。 利用這一原理制成生產(chǎn)中廣泛使用的熱電偶溫度計(jì)。,,（3）利用導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻與溫度關(guān)系測溫 對于鉑、銅等金屬導(dǎo)體或半導(dǎo)體熱敏電阻，其阻值隨溫度變化發(fā)生相應(yīng)變化，根據(jù)R-t關(guān)系測量溫度。 如鉑電阻溫度計(jì)。 （4）利用熱輻射原理測溫 物體輻射能隨溫度而變化，利用這一性質(zhì)制成選擇物質(zhì)不與被測物質(zhì)相接觸而測溫的輻射式溫度計(jì)。 如單色輻

5、射高溫計(jì)、光學(xué)高溫計(jì)和比色高溫計(jì)等。,,在溫度檢測系統(tǒng)中，感受溫度變化的元件稱為感溫元件； 將溫度轉(zhuǎn)換成電量（如電壓、電阻等）輸出的儀表稱為溫度傳感器。 習(xí)慣上，按測溫范圍不同，將600以上的測溫儀表稱為高溫計(jì)；把測量600以下的測溫儀表稱為溫度計(jì)。 根據(jù)感溫元件與被測物質(zhì)是否接觸，將溫度檢測儀表分為接觸式和非接觸式兩大類。,2. 各種測溫方法的特點(diǎn),表3-1,3.2 接觸式溫度檢測技術(shù),接觸式測溫的方法:使溫度敏感元件與被測對象相接觸，使其進(jìn)行充分的熱交換，當(dāng)熱交換平衡時(shí)，溫度敏感元件與被測對象的溫度相等 常用的接觸式測溫儀表: 將溫度轉(zhuǎn)化為非電量:熱膨脹式 將溫度轉(zhuǎn)化為電量: 熱電阻

6、 熱敏電阻 熱電偶,3.2.1 熱電阻及溫度檢測,原理:金屬（包括合金）導(dǎo)體或金屬氧化物半導(dǎo)體的電阻值隨溫度變化而改變，通過對其阻值的測量可以推算出被測物體的溫度。 特性方程： 測溫范圍：-200+850 優(yōu)點(diǎn)：測量范圍寬、精度高、穩(wěn)定性好等。,RT，R0：熱電阻在T，0時(shí)的電阻值；A、B：熱電阻的電阻溫度系數(shù)（1/） T：被測溫度,,金屬電阻相對溫度系數(shù) 定義：溫度從0變化到100 時(shí)，電阻值得相對變化率為： 電阻率 表示單位體積時(shí)的電阻值,1. 金屬熱電阻,（1）金屬熱電阻的特性要求 一般對金屬熱電阻材料的要求是： 高且穩(wěn)定的電阻溫度系數(shù)，電阻值與溫度之間具有良好的

7、線性關(guān)系； 熱容量小、反應(yīng)速度快； 材料的復(fù)現(xiàn)性和工藝性好，便于批量生產(chǎn)，降低成本； 在使用范圍內(nèi)，其化學(xué)和物理性能穩(wěn)定。,（2）熱電阻材料,目前使用純金屬材質(zhì)的有鉑（Pt）、銅（Cu）、鎳（Ni）和鎢（W）等；合金材質(zhì)的有銠鐵及鉑鈷等。 它們隨溫度變化的曲線如圖3-1所示。,（3）常用熱電阻,1）鉑熱電阻。 測溫范圍：-200+850 鉑熱電阻的特性方程為： 在-2000的溫度范圍內(nèi) 在0850的溫度范圍內(nèi) 有Pt10和Pt100兩種。 Pt10熱電阻感溫元件是用較粗的鉑絲繞制而成，主要用于650以上測溫區(qū)。 Pt100熱電阻主要用于650以下測溫區(qū)。 鉑熱電阻精度高、線性好、測溫范圍寬

8、，穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性好，但價(jià)格高。,Rt=R01+At+Bt2+Ct3(t-100),Rt = R0(1+At+Bt2),在ITS90 中，這些常數(shù)規(guī)定為A=3.908310-13/ B=-5.77510-7/2 C=-4.18310-12/4,鉑電阻分度表,（3）常用熱電阻,2）銅熱電阻。 測溫范圍:-40+140， 特性方程為： Rt=R0（1+t） =4.2810-3/ 有Cu50和Cu100兩種。 銅熱電阻線性好，價(jià)格低，但電阻率低，因而體積大，熱響應(yīng)慢。,銅熱電阻的分度表 分度號：Cu50,,,,3）熱電阻感溫元件的結(jié)構(gòu),（a）裝配式熱電阻 （b）

9、鎧裝式熱電阻,,,,（c）熱電阻外形,內(nèi)部引線方式,2. 熱電阻測溫電路,,（1）二線測溫電路,,（2）三線測溫電路,,,,,（3）四線測溫電路,,,3.2.2 熱敏電阻及溫度檢測,熱敏電阻是其電阻值隨溫度變化而顯著變化的半導(dǎo)體電阻。 它與金屬熱電阻相比: 電阻溫度系數(shù)大、靈敏度高（比一般金屬熱電阻大10100倍）； 結(jié)構(gòu)簡單、體積小，可以測量點(diǎn)溫度； 電阻率高、熱慣性小，適宜動態(tài)測量； 阻值與溫度變化呈作線性關(guān)系； 穩(wěn)定性和互換性較差等特點(diǎn)。,（1）熱敏電阻的分類,按溫度特性可分為: 正溫度系數(shù)（PTC）熱敏電阻 負(fù)溫度系數(shù)（NTC）熱敏電阻 臨界溫度系數(shù)（CTC）熱敏電阻,圖3-6 半導(dǎo)體

10、熱敏電阻特性,彩色顯像管消磁,,220v 50HZ,熱敏電阻各種材料的使用溫度范圍如表3-3所示。,（2）熱敏電阻的外形及應(yīng)用領(lǐng)域,,,圖3-7 常用的熱敏電阻的外形 （a）玻璃罩式； （b）墊圈式；（c）圓片式；（d）棒狀； （e）片式,,,RT,R5,R6,,,,,,,,,,,,,,,,,,,R3,(R1),En,,,,,+,,+,,U2,2. 熱敏電阻測溫電路,1）熱敏電阻測溫 圖為熱敏電阻溫度計(jì)的原理圖。,,,,,,3.熱敏電阻的應(yīng)用,2）熱敏電阻用于溫度補(bǔ)償 熱敏電阻可在一定的溫度范圍內(nèi)對某些元件進(jìn)行溫度補(bǔ)償。,,3）熱敏電阻用于溫度控制 熱敏電阻傳感器組成的熱敏繼電器作為電

11、動機(jī)過熱保護(hù)，如圖所示。,,,,,8.3.2 熱敏電阻的應(yīng)用,溫度控制,,3.2.3 熱電偶及溫度檢測,1. 熱電偶的工作原理 熱電效應(yīng)：兩種不同材料的導(dǎo)體（或半導(dǎo)體）組成一個(gè)閉合回路，當(dāng)兩接點(diǎn)溫度T和T0不同時(shí)，則在該回路中就會產(chǎn)生電動勢的現(xiàn)象。 熱電偶是由兩種不同的導(dǎo)體A和B組成閉合回路構(gòu)成，如圖所示。,實(shí)驗(yàn)----熱電偶工作原理演示,熱電極A,右端稱為：自由端（參考端、冷端）,,,左端稱為：測量端（工作端、熱端）,,熱電極B,,熱電勢,A,B,,1)接觸電動勢,接觸電動勢的數(shù)值取決于兩種不同導(dǎo)體的材料特性和接觸點(diǎn)的溫度。 兩接點(diǎn)的接觸電動勢eAB(T)和eAB（T0）可表示為,含義：由

12、于兩種不同導(dǎo)體的自由電子密度不同而在接觸處形成的電動勢。,eAB(T)導(dǎo)體A、B結(jié)點(diǎn)在溫度T 時(shí)形成的接觸電動勢； q0單位電荷， e =1.610-19C； k波爾茲曼常數(shù)， k =1.3810-23 J/K ； NA、NB 導(dǎo)體A、B在溫度為T 時(shí)的電子密度。,,A,eA(T,To),,To,T,eA(T，T0)導(dǎo)體A兩端溫度為T、T0時(shí)形成的溫差電動勢； T，T0高低端的絕對溫度； A湯姆遜系數(shù)，表示導(dǎo)體A兩端的溫度差為1時(shí)所產(chǎn)生的溫差電動勢，例如在0時(shí)，銅的 =2V/。,,,,,2) 溫差電勢,溫差電勢原理圖,同一導(dǎo)體的兩端因其溫度不同而產(chǎn)生的一種電動勢,,,T0,T,eAB(T),e

13、AB(T0),eA(T,T0),eB(T,T0),A,B,,,,,,,,,,,3) 回路總電勢,影響因素取決于材料和接點(diǎn)溫度，與形狀、尺寸等無關(guān) 兩熱電極相同時(shí)，總電動勢為0 兩接點(diǎn)溫度相同時(shí)，總電動勢為0 對于已選定的熱電偶，當(dāng)參考端溫度T0恒定時(shí)，eAB(T0)=c為常數(shù)，則總的熱電動勢就只與溫度T成單值函數(shù)關(guān)系，即,eAB(T,T0)=eAB(T)c=f(T),可見：只要測出eAB（T,T0）的大小，就能得到被測溫度T，這就是利用熱電偶測溫的原理。,結(jié)論, 均質(zhì)導(dǎo)體定律 由兩種均質(zhì)導(dǎo)體組成的熱電偶，其熱電動勢的大小只與兩材料及兩接點(diǎn)溫度有關(guān)，與熱電偶的大小尺寸、形狀及沿電極各處的溫度

14、分布無關(guān)。 即熱電偶必須由兩種不同性質(zhì)的均質(zhì)材料構(gòu)成。,意義： 有助于檢驗(yàn)兩個(gè)熱電極材料成分是否相同及材料的均勻性。,2. 熱電偶基本定律,在熱電偶測溫回路內(nèi)，接入第三種導(dǎo)體時(shí)，只要第三種導(dǎo)體的兩端溫度相同，則對回路的總熱電勢沒有影響。, 中間導(dǎo)體定律,應(yīng)用：利用熱電偶進(jìn)行測溫，必須在回路中引入連接導(dǎo)線和儀表，接入導(dǎo)線和儀表后不會影響回路中的熱電勢。,,T2,T1,A a,B,C,2,3,EAB a,A,T0,2,3,A,B,EAB,T1,T2,C,T0,(a),(b),T0,T0,第三種材料接入熱電偶回路圖,測量儀表及引線作為第三種導(dǎo)體的熱電偶回路,圖3-9 熱電偶結(jié)構(gòu)示意圖, 中間溫度

15、定律,,EAB（T1, T3）=EAB（T1, T2）+EAB（T2, T3）,用途：制定熱電式分度表奠定理論基礎(chǔ)，參考溫度0,例: 用（S型）熱電偶測量某一溫度，若參比端溫度T0=30，測得的熱電勢E(T,Tn)=7.5mV，求測量端實(shí)際溫度T。,查分度表有E（30，0）= 0.173 mV,反查分度表有T=830，測量端實(shí)際溫度為830,S型(鉑銠10-鉑)熱電偶分度表,,,,3. 熱電偶的材料及特性參數(shù),（3）熱電偶的結(jié)構(gòu)形式及安裝工藝,1）熱電偶的結(jié)構(gòu)形式。,圖3-10 熱電偶的外形,工業(yè)用熱電偶 下圖為典型工業(yè)用熱電偶結(jié)構(gòu)示意圖。它由熱電偶絲、絕緣套管、保護(hù)套管以及接線盒等部分組成

16、。實(shí)驗(yàn)室用時(shí)，也可不裝保護(hù)套管，以減小熱慣性。,常用熱電偶的結(jié)構(gòu)類型,鎧裝式熱電偶（又稱套管式熱電偶）,優(yōu)點(diǎn)是小型化（直徑從12mm到0.25mm）、壽命、熱慣性小，使用方便。 測溫范圍在1100以下的有：鎳鉻鎳硅、鎳鉻考銅鎧裝式熱電偶。,斷面如圖所示。它是由熱電偶絲、絕緣材料，金屬套管三者拉細(xì)組合而成一體。又由于它的熱端形狀不同，可分為四種型式如圖。,圖3.2-12 鎧裝式熱電偶斷面結(jié)構(gòu)示意圖 1 金屬套管; 2絕緣材料; 3熱電極 (a)碰底型; (b)不碰底型; (c)露頭型; (d)帽型,,薄膜型熱電偶,片狀薄膜型熱電偶如圖3-11所示，它采用真空蒸鍍法將兩種電極材料蒸鍍到絕緣基板上

17、，上面再蒸鍍一層二氯化硅薄膜作為絕緣和保護(hù)層。 圖3-11 鐵鎳薄膜熱電偶,2）熱電偶的安裝工藝,為確保測量的準(zhǔn)確性，應(yīng)根據(jù)工作壓力、溫度、介質(zhì)等方面因素，選擇合理的熱電偶結(jié)構(gòu)和安裝方式； 選擇測溫點(diǎn)要具有代表性，即熱電偶的工作端不應(yīng)放置在被測介質(zhì)的死角，應(yīng)處于管道流速最大處； 要合理確定插入深度。一般管道安裝取150200mm，設(shè)備上安裝取小于等于400mm； 管道安裝通常使工作端處于管道中心線1/3管道直徑區(qū)域內(nèi)。,,在安裝中常采用直插、斜插（45角）等插入方式，如管道較細(xì)，宜采用斜插。在斜插和管道肘管（彎頭處）安裝時(shí)，其端部應(yīng)對著被測介質(zhì)的流向（逆流），不要與被測介質(zhì)

18、形成順流。幾種插入方式安裝如圖3-12所示。 圖3-12 熱電偶插入方式 1墊片；245角連接頭；3直形連接頭,, 對于在管道公稱直徑DN80mm的管道上安裝熱電偶時(shí)，可以采用擴(kuò)大管，其安裝方式如圖3-13所示。 圖3-13 熱電偶在擴(kuò)大管上的安裝 1墊片；245角連接頭；3擴(kuò)大管,,在測爐膛溫度時(shí)，應(yīng)避免熱電偶與火焰直接接觸，避免安裝在爐門旁或與被加熱物體距離過近之處。在高溫設(shè)備上測溫時(shí)，應(yīng)盡量垂直安裝； 熱電偶的接線盒引出線孔應(yīng)向下，以防密封不良而使水汽、灰塵與臟物落入，影響測量精度； 為減少測溫滯后，可在保護(hù)外套管與保護(hù)管之間加裝傳熱良好的填充物，如變壓器油（150）或銅屑、石英

19、砂（150）等。,,4.熱電偶使用的溫度與線徑的關(guān)系 表3-5,5.補(bǔ)償導(dǎo)線,使用補(bǔ)償導(dǎo)線應(yīng)注意的事項(xiàng): 熱電性能與相應(yīng)熱電偶的熱電特性相同的廉價(jià)導(dǎo)線; 各種補(bǔ)償導(dǎo)線只能與相應(yīng)型號的熱電偶配用,而且必須在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)使用; 注意極性,不能接反; 延長線與熱電偶連接的兩個(gè)結(jié)點(diǎn),其溫度必須相同.,被測點(diǎn)與基準(zhǔn)結(jié)點(diǎn)之間距離相當(dāng)長時(shí)，熱電偶端子到基準(zhǔn)結(jié)點(diǎn)間可用導(dǎo)線連接，這種導(dǎo)線稱為補(bǔ)償導(dǎo)線。,常用補(bǔ)償導(dǎo)線,,(1) 冷端0恒溫法 (冰浴法),圖3-17 冰浴法接線圖 1被測流體管道；2熱電偶（測溫結(jié)點(diǎn)）；3接線盒；4補(bǔ)償導(dǎo)線；5銅導(dǎo)線；6毫伏表；7冰瓶；8冰水混合物；9試管；10新冷端（基準(zhǔn)結(jié)點(diǎn)）

20、,6.冷端處理及補(bǔ)償, 機(jī)械零位調(diào)整法。,當(dāng)熱電偶與動圈式儀表配套使用時(shí)，若熱電偶的冷端溫度比較恒定，對測量準(zhǔn)確度要求不高時(shí)，可在儀表未工作前將儀表機(jī)械零位調(diào)至冷端溫度處。, 電橋補(bǔ)償法。,1熱電偶；2補(bǔ)償導(dǎo)線；3銅導(dǎo)線；4指示儀表；5冷端補(bǔ)償器 可購買與被補(bǔ)償熱電偶對應(yīng)型號的補(bǔ)償電橋。, 計(jì)算修正法。,4. 熱電偶實(shí)用測量電路,（1）測量某點(diǎn)溫度的基本電路 熱電偶直接和儀表配用的測溫電路如圖3-18所示。 圖3-18 熱電偶基本測溫電路,,（2）熱電偶反向串聯(lián)電路,圖3-19 熱電偶反向串聯(lián)測量電路,,（3）熱電偶并聯(lián)電路,,,,圖3-20 熱電偶并聯(lián)測量電路,（4）熱電偶串聯(lián)電路,,圖

21、3-21 熱電偶多點(diǎn)溫度求和電路,5熱電偶的定期校驗(yàn),校驗(yàn)的方法是用標(biāo)準(zhǔn)熱電偶與被校驗(yàn)熱電偶裝在同一校驗(yàn)爐中進(jìn)行對比，誤差超過規(guī)定允許值為不合格。 工業(yè)熱電偶的允許偏差，見表3-6所示。,,,,圖3-22 熱電偶校驗(yàn)圖 1-調(diào)壓變壓器； 2-管式電爐； 3標(biāo)準(zhǔn)熱電偶； 4-被校熱電偶； 5-冰瓶； 6-切換開關(guān)； 7-測試儀表； 8-試管,3.2.4 集成溫度傳感器及溫度檢測,原理:利用晶體管PN結(jié)的正向壓降隨溫度升高而降低的特性，將晶體管的PN結(jié)作為感溫元件，把敏感元件、放大電路和補(bǔ)償電路等部分集成，并把它們封裝在同一殼體里的一種一體化溫度檢測元件。,1. AD590及其應(yīng)用,AD590是電

22、流型兩端集成溫度傳感器。 AD590的主要特征如下： 線性電流輸出：1A/K； 測溫范圍寬：-55+150； 二端器件：電壓輸入，電流輸出； 精度高：0.5； 線性度好：在整個(gè)測溫范圍內(nèi)非線性誤差小于0.3 工作電壓范圍寬：430V。 功耗低：1.5mW+5V+25； 輸出阻抗高：710M。 特別適于進(jìn)行運(yùn)動測量。,電流型溫度傳感器 伏安特性 工作電壓：4V30V，I 為一恒流值輸出，ITk，即 KT標(biāo)定因子，AD590的標(biāo)定因子為1A/,I = KT TK,2溫度特性 其溫度特性曲線函數(shù)是以Tk為變量的n階多項(xiàng)式之和，省略非線性項(xiàng)后則有: Tc攝氏溫度；I 的單位為A。 可見，當(dāng)溫度為0時(shí)

23、，輸出電流為273.2A。在常溫25時(shí)，標(biāo)定輸出電流為298.2A。,I=KTTc273.2,（2）AD590的外形和基本測溫電路,AD590采用金屬殼3腳封裝。 （a）外形 （b）符號 圖3-23 AD590外形與符號,1腳為電源正端V+， 2腳為電流輸出端V-， 3腳為管殼，一般不用。,（3）AD590的應(yīng)用電路,圖3-25 AD590的串并聯(lián)使用 圖3-24 AD590的基本應(yīng)用電路 （a）串聯(lián)使用；（b）并聯(lián)使用,AD590的測溫電路。,圖3-26 AD590的測溫及轉(zhuǎn)換電路,（4）AD590的應(yīng)用實(shí)例,A/D轉(zhuǎn)換和顯示電路。,用MC14433實(shí)現(xiàn)的A/D轉(zhuǎn)換和顯示電路

24、 圖3-27 A/D轉(zhuǎn)換和顯示電路,2. LM35及其應(yīng)用,常用的電壓輸出型集成溫度傳感器有LM135系列和LM35兩大類。 LM135系列的工作方式類似于齊納二極管，其反向擊穿電壓隨絕對溫度以+10mV/K的比例變化，工作電流為0.45mA，動態(tài)阻抗僅為1，便于和測量儀表配接。LM135測溫范圍為-55+150，LM235和LM335測溫范圍分別為-40+125和 -40+100； LM35具有很高的工作精度和較寬的線性工作范圍，其輸出電壓與攝氏溫度線性成比例。從使用角度來說，LM35相比用開爾文標(biāo)準(zhǔn)的線性溫度傳感器更具有優(yōu)勢，LM35無需外部校準(zhǔn)或微調(diào)，可以提供1/4的常用的室溫精度，LM

25、35從電源吸收的電流很小（約60A），且?guī)缀跏遣蛔儯孕酒陨韼缀鯖]有散熱的問題。,,（1）LM35特性 工作電壓：直流430V； 工作電流：小于133A； 輸出電壓：+6V-1.0V； 輸出阻抗：1mA負(fù)載時(shí)0.1； 精度：0.5精度（在+25時(shí)）； 漏泄電流：小于60A； 比例因數(shù)：線性+10.0mV/； 非線性值：1/4； 校準(zhǔn)方式：直接用攝氏溫度校準(zhǔn)； 封裝：密封TO-46、塑料TO-92、貼片SO-8和TO-220，如圖3-28所示； 使用溫度范圍：-35+150額定范圍。,,（a）TO-46 （b）TO-92 （c）SO-8 （d）TO-220 圖3-28 LM35的封裝

26、形式,,（2）LM35的應(yīng)用,1）基本應(yīng)用電路。 圖3-29 采用LM35構(gòu)成的傳感器電路 （a）單電源電路；（b）雙電源電路,2）溫度/頻率轉(zhuǎn)換電路。,圖3-30 采用LM35D的溫度/頻率轉(zhuǎn)換電路,3. DS18B20智能溫度控制器及其應(yīng)用,（1）DS18B20性能特點(diǎn) 采用單總線專用技術(shù)，被測溫度用符號擴(kuò)展的16位數(shù)字量方式串行輸出，無須經(jīng)過其它變換電路； 測溫范圍為-55+125，測量分辨率為0.0625； 內(nèi)含64位經(jīng)過激光修正的只讀存儲器ROM；適配各種單片機(jī)或系統(tǒng)機(jī)； 用戶可分別設(shè)定各路溫度的上、下限； 其工作電源既可在遠(yuǎn)端引入，也可采用寄生電源方式產(chǎn)生。 DS18B20非常

27、適用于遠(yuǎn)距離多點(diǎn)溫度檢測系統(tǒng)。,（2）DS18B20的封裝形式及內(nèi)部結(jié)構(gòu),DQ為數(shù)字信號輸入/輸出端；GND為電源地；VDD為外接供電電源輸入端（在寄生電源接線方式時(shí)接地）。 圖3-31 DS18B20的管腳與封裝,,DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3-32所示，主要由64位光刻ROM、溫度傳感器和溫度傳感器的存儲單元三部分組成。 圖3-32 DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu),,2）溫度傳感器。DS18B20中的溫度傳感器可完成對溫度的測量，并以二進(jìn)制補(bǔ)碼讀數(shù)形式輸出。以12位數(shù)字轉(zhuǎn)換（0.0625/LSB）為例：轉(zhuǎn)換后得到的12位數(shù)據(jù)，存放在DS18B20的兩個(gè)8bit的RAM中，二進(jìn)制中的前面5位是

28、符號位（用S表示），如果測得的溫度大于0，這5位為“0”，只要將測到的數(shù)值乘于0.0625即可得到實(shí)際溫度值；如果溫度小于0，這5位為“1”，測到的數(shù)值需要取反加1再乘于0.0625即可得到實(shí)際溫度值。兩個(gè)8bit RAM格式如表3-7所示。 在DS18B20的-55+125測溫范圍內(nèi)對應(yīng)的數(shù)字輸出如表3-8所示。,,表3-8 在測溫范圍內(nèi)溫度與對應(yīng)數(shù)字輸出的關(guān)系表,,3）溫度傳感器的存儲單元。DS18B20溫度傳感器的內(nèi)部存儲器用于存放所測得的溫度信息，包括一個(gè)高速暫存RAM和一個(gè)非易失性的可電擦除的E2PROM。其中E2PROM存放高低溫報(bào)警觸發(fā)器TH、TL和配置寄存器。 暫存存儲器包含了

29、8個(gè)連續(xù)字節(jié)，其分布如表3-9所示。前兩個(gè)字節(jié)是測得的溫度信息，第一個(gè)字節(jié)的內(nèi)容是溫度的低八位，第二個(gè)字節(jié)是溫度的高八位。第三個(gè)和第四個(gè)字節(jié)是TH、TL的易失性拷貝，第五個(gè)字節(jié)是結(jié)構(gòu)寄存器的易失性拷貝，這三個(gè)字節(jié)的內(nèi)容在每一次上電復(fù)位時(shí)被刷新。第六、七、八個(gè)字節(jié)用于內(nèi)部計(jì)算。第九個(gè)字節(jié)是冗余檢驗(yàn)字節(jié)。,,表3-9 DS18B20暫存寄存器分布,,高低溫報(bào)警觸發(fā)器TH和TL、配置寄存器均由一個(gè)字節(jié)的E2PROM組成，使用一個(gè)存儲器功能命令可對TH、TL或配置寄存器寫入。其中配置寄存器的格式如下：,,低五位一直都是“1”，TM是測試模式位，用于設(shè)置DS18B20在工作模式還是在測試模式。在DS18

30、B20出廠時(shí)該位被設(shè)置為0，用戶不要去改動。R1和R0用來設(shè)置分辨率，如表3-10所示（DS18B20出廠時(shí)被設(shè)置為12位）：,表3-10 分辨率設(shè)置表,,（3）測溫步驟 根據(jù)DS18B20的通訊協(xié)議，主機(jī)控制DS18B20完成溫度轉(zhuǎn)換必須經(jīng)過三個(gè)步驟：每一次讀寫之前都要對DS18B20進(jìn)行復(fù)位，復(fù)位成功后發(fā)送一條ROM指令，最后發(fā)送RAM指令，這樣才能對DS18B20進(jìn)行預(yù)定的操作。復(fù)位要求主CPU將數(shù)據(jù)線下拉500s，然后釋放，DS18B20收到信號后等待1660s左右，后發(fā)出60240s的低脈沖，主CPU收到此信號表示復(fù)位成功。,（4）DS18B20與單片機(jī)的典型接口,圖3-33 DS1

31、8B20與8031的典型連接 （a）寄生電源方式；（b）外接電源方式,,,采用寄生電容供電的溫度檢測系統(tǒng),,,,89C51,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,DS1820,DS1820,DS1820,P1.0,P1.1,P1.2,Tx,Rx,+5V,,,GND,VDD,P1.1作輸出口用，相當(dāng)于Tx P1.2作輸入口用，相當(dāng)于Rx,,,,（5）DS18B20使用中注意事項(xiàng) 1）由于DS18B20與微處理器間采用串行數(shù)據(jù)傳送。因此，在對DS18B20進(jìn)行讀寫編程時(shí)，必須嚴(yán)格的保證讀寫時(shí)序，否則將無法讀取測溫結(jié)果。在進(jìn)行系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)時(shí)，最好采用匯編語言實(shí)現(xiàn)。 2）單總

32、線上所掛DS18B20超過8個(gè)時(shí)，就需要解決微處理器的總線驅(qū)動問題，在進(jìn)行多點(diǎn)測溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)要特別注意。,,3）連接DS18B20的總線電纜是有長度限制的。試驗(yàn)中，當(dāng)采用普通信號電纜傳輸長度超過50m時(shí)，讀取的測溫?cái)?shù)據(jù)將發(fā)生錯(cuò)誤。當(dāng)將總線電纜改為雙絞線帶屏蔽電纜時(shí)，正常通訊距離可達(dá)150m，當(dāng)采用每米絞合次數(shù)更多的雙絞線帶屏蔽電纜時(shí)，正常通訊距離進(jìn)一步加長。因此，在用DS18B20進(jìn)行長距離測溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮總線分布電容和阻抗匹配問題。 4）在DS18B20測溫程序設(shè)計(jì)中，向DS18B20發(fā)出溫度轉(zhuǎn)換命令后，程序總要等待DS18B20的返回信號，一旦某個(gè)DS18B20接觸不好或斷線，當(dāng)程

33、序讀該DS18B20時(shí)，將沒有返回信號，程序進(jìn)入死循環(huán)。在進(jìn)行DS18B20硬件連接和軟件設(shè)計(jì)時(shí)要綜合考慮。 測溫電纜線建議采用屏蔽4芯雙絞線，其中一對線接地線與信號線，另一組接VCC和地線，屏蔽層在電源端單點(diǎn)接地。,3.3 非接觸式溫度檢測技術(shù),非接觸式測溫的方法:利用被測對象的熱輻射能量隨其溫度的變化而變化的原理，通過測量一定距離處被測物體發(fā)出的熱輻射強(qiáng)度來確定被測對象的溫度。 常見的傳感器有:光學(xué)高溫計(jì)、輻射溫度計(jì)、光纖溫度傳感器、紅外溫度傳感器等。 優(yōu)點(diǎn):不存在測量滯后和溫度范圍的限制，可測高溫、腐蝕、有毒、運(yùn)動物體及固體、液體表面的溫度，不影響被測物體的溫度場； 缺點(diǎn):易受被測對象熱

34、輻射率的影響，測量精度低，測量距離和中間介質(zhì)對測量結(jié)果都有較大影響。,,3.3.1 光學(xué)高溫計(jì)(optical pyrometer),可用來測量8003200 的高溫 勒夏特列/勒夏特利埃（Le Chatelier,Henri Louis），法國化學(xué)家。 根據(jù)物體的輻射隨著溫度上升而變化制成的。 直接將物體的顏色和比色表對照就可以判斷其溫度。 現(xiàn)代的高溫計(jì)分析物體熱輻射的峰值來判斷其溫度，不需要參照物，精度進(jìn)一步提高。,,,WGG2-201型光學(xué)高溫計(jì),圖3-34 WGG2-201型光學(xué)高溫計(jì)外形和原理圖 1物鏡；2吸收玻璃；3燈泡；4紅色慮光片；5目鏡；6指示儀表；7滑線電阻；E電源；R1刻

35、度調(diào)整電阻,,產(chǎn)品說明： 此光學(xué)高溫計(jì)能在環(huán)境溫度10-50,相對濕度不大於85%的情況下連續(xù)工作 物鏡與目標(biāo)之間的距離不小于700mm 標(biāo)尺長度不小于90mm 凈重約1.8kg,,（a）電流過低 （b）平衡 （c）電流過高 圖3-35 亮度平衡示意圖,3.3.2 輻射溫度計(jì),輻射溫度計(jì):是根據(jù)全輻射強(qiáng)度定理即物體的總輻射強(qiáng)度與物體溫度的四次方成正比的關(guān)系來進(jìn)行測量的。 輻射溫度計(jì)由輻射感溫器和顯示儀表兩部分組成，它可用來測量4002000的高溫，多為現(xiàn)場安裝式結(jié)構(gòu)，為適應(yīng)現(xiàn)場高溫環(huán)境的要求，可在輻射感溫器外加裝水冷夾套。 輻射高溫計(jì)測量的溫度稱為輻射溫度（TF），被測對象為非黑體

36、時(shí)，要通過修正才能得到非黑體的真實(shí)溫度。,,（a）熱電堆結(jié)構(gòu) （b）自動補(bǔ)償器 圖3-36 熱電堆結(jié)構(gòu)和補(bǔ)償光闌 （a）：1云母基片；2受熱靶面；3熱電偶絲；4引出線 （b）：1補(bǔ)償片；2雙金屬片,,圖3-37 輻射感溫器結(jié)構(gòu)圖 1物鏡；2外殼；3補(bǔ)償光闌；4座架；5熱電堆；6接線柱； 7穿線套；8蓋；9目鏡；10校正片；11小齒輪,3.3.3 紅外傳感器及溫度檢測,凡是存在于自然界中的物體，都會輻射出紅外線，只是其紅外線的波長不同而已。 如人體溫度為3637，所輻射的紅外線波長為910m（屬于遠(yuǎn)紅外線區(qū)）， 物體被加熱到400700時(shí)，其所輻射的紅外線波長為35m（屬于中紅外線區(qū)）。

37、 利用被測物體輻射的紅外線實(shí)現(xiàn)檢測的技術(shù)就是紅外檢測技術(shù)。,,,1. 紅外傳感器的分類,紅外傳感器（也稱紅外探測器）是能將紅外輻射能轉(zhuǎn)換成電能的光敏器件，用來檢測物體輻射的紅外線。從工作原理和性能上紅外傳感器可分為熱電型和量子型兩類，如表3-12所示。,2. 熱釋電紅外傳感器,（1）熱釋電效應(yīng) 熱釋電效應(yīng):當(dāng)一些晶體受熱時(shí)，在晶體兩端將會產(chǎn)生數(shù)量相等而符號相反的電荷，這種由于熱變化產(chǎn)生的電極化現(xiàn)象。 （2）熱釋電效應(yīng)紅外線光敏元件的材料 能產(chǎn)生熱釋電效應(yīng)的晶體稱為熱釋電體，又稱熱電元件。,（3）熱釋電紅外傳感器,熱釋電紅外傳感器的結(jié)構(gòu)及內(nèi)部電路如圖3-38所示。 圖3-38 熱釋紅外傳感器

38、結(jié)構(gòu)圖,,,熱釋電紅外傳感器可用作人體探測和測溫，其響應(yīng)波長范圍為215m，測溫范圍可達(dá)-801500。,,,3. 量子型紅外傳感器,（1）PbS紅外光敏元件及工作原理 光電導(dǎo)效應(yīng); PbS光敏元件的阻值發(fā)生變化; 電阻的變化引起PbS光敏元件兩電極間電壓的變化。 圖3-39 PbS紅外光敏元件結(jié)構(gòu)圖,3. 量子型紅外傳感器,（2）ZnSb紅外光敏元件及工作原理 紅外光照射在ZnSb元件的PN結(jié)上時(shí)，因光生伏特效應(yīng)，在ZnSb光敏元件兩端產(chǎn)生電動勢，此電動勢的大小與光照強(qiáng)度成正比。 圖3-40 ZnSb紅外光敏元件結(jié)構(gòu)圖,4. 紅外傳感器使用中應(yīng)注意的問題

39、, 必須首先注意了解紅外傳感器的性能指標(biāo)和應(yīng)用范圍，掌握它的使用條件； 必須關(guān)注傳感器的工作溫度，一般要選擇能在室溫下工作的紅外傳感器，便于維護(hù)； 適當(dāng)調(diào)整紅外傳感器的工作點(diǎn)。一般情況下，傳感器有一個(gè)最佳工作點(diǎn)。只有工作在最佳偏流工作點(diǎn)時(shí)，紅外傳感器的信噪比最大。實(shí)際工作點(diǎn)最好稍低于最佳工作點(diǎn)； 選用適當(dāng)前置放大器與紅外傳感器配合，以獲取最佳探測效果； 調(diào)制頻率與紅外傳感器的頻率響應(yīng)相匹配； 傳感器光學(xué)部分不能用手摸、擦，防止損傷與沾污； 傳感器存放時(shí)注意防潮、防振、防腐。,5紅外測溫傳感器,紅外測溫傳感器原理:利用物體的輻射能量隨其溫度而變化。 （1）紅外測溫的特點(diǎn) 紅外測溫是遠(yuǎn)距離和非接觸

40、測溫 紅外測溫反應(yīng)速度快 紅外測溫靈敏度 紅外測溫準(zhǔn)確度較高 紅外測溫范圍廣泛,（2）紅外測溫種類,紅外測溫主要有主動式和被動式兩種。 1）主動式。利用紅外輻射源對被測物照射。被測物對紅外光進(jìn)行吸收、反射和透射后，使紅外光發(fā)生了變化，此變化與被測物的某些參數(shù)有關(guān)，由此實(shí)現(xiàn)檢測。 2）被動式。被測物本身就是紅外輻射源，利用其輻射特性檢測紅外輻射能實(shí)現(xiàn)溫度的測量；或把物體各個(gè)點(diǎn)輻射能大小轉(zhuǎn)換成熱圖象；或利用氣體輻射在紅外波段有固定的譜線完成氣體分析等。,（2）被動式紅外報(bào)警器 被動式紅外報(bào)警器主要由光學(xué)系統(tǒng)、熱釋電紅外傳感器、信號濾波和放大、信號處理和報(bào)警電路等幾部分組成。,（3）紅外輻射溫度計(jì)應(yīng)

41、用實(shí)例,（a）表面溫度測量示意圖 （b）內(nèi)部原理結(jié)構(gòu) 圖3-41 紅外輻射溫度計(jì)的外形結(jié)構(gòu)與原理框圖 1便攜式紅外輻射溫度計(jì)；2紅色瞄準(zhǔn)激光束；3濾光片；4聚焦透鏡,3.3.4 光纖傳感器及溫度檢測,光纖傳感器用光作為敏感信息的載體，用光纖作為傳遞敏感信息的媒質(zhì)。 同時(shí)具有光纖及光學(xué)測量的特點(diǎn)。 電絕緣性能好。 抗電磁干擾能力強(qiáng)。 非侵入性。 高靈敏度。 容易實(shí)現(xiàn)對被測信號的遠(yuǎn)距離監(jiān)控。 光纖耐腐蝕，在水中、溶液中、化學(xué)氣體中也能使用。特別是由于它不受電磁感應(yīng)的影響，不用擔(dān)心出現(xiàn)火花，因此，在煤礦、石油和氣體貯藏所等易燃易爆環(huán)境下，也可正常進(jìn)行測量。,

42、光導(dǎo)纖維的導(dǎo)光能力取決于纖芯和包層的性質(zhì)， 纖芯折射率n1略大于包層折射率n2（ n1 n2 ）。,(1) 光纖的結(jié)構(gòu),100 200m,包層,玻璃纖維,尼龍外層,涂敷層,纖芯,,,外層直徑1mm,,,,,,,,,（2）光纖的傳光原理,圖3-43 光的折射與反射,光纖導(dǎo)光示意圖,由斯奈爾（Snell）定律：,當(dāng) 就能產(chǎn)生全反射。 可見，光纖臨界入射角的大小是由光纖本身的性質(zhì)（n1、n2）決定的，與光纖的幾何尺寸無關(guān)。,,若滿足 n0=1,即,,,,當(dāng)在臨界狀態(tài)時(shí) ,,（3）光纖的分類,按折射率變化分類有：階躍折射率和漸變折射率光纖； 按傳播模式分類有：單模和多模光纖； 按材料分類有：高

43、純度石英玻璃光纖、多組分玻璃光纖、塑料光纖；,2. 光纖傳感器,（1）光纖傳感器的結(jié)構(gòu)原理 （a）傳統(tǒng)傳感器 （b）光纖傳感器 圖3-44 光纖傳感器與傳統(tǒng)傳感器的結(jié)構(gòu),根據(jù)光纖在傳感器中的作用分類。, 功能型（全光纖型）光纖傳感器。 非功能型（或稱傳光型）光纖傳感器。,（2）光纖傳感器的分類,3. 光纖傳感器在溫度檢測中的應(yīng)用,光纖溫度傳感器主要是功能型，利用多種光學(xué)效應(yīng)在光纖受到外界溫度的影響時(shí)，會使在光纖中傳輸?shù)哪承┕鈪?shù)發(fā)生變化，即可得到溫度值。 對功能型光纖溫度傳感器可根據(jù)敏感部分所發(fā)的光是否有效來分類，有發(fā)光型和受光型兩種。 受光型，即光源發(fā)的光通過光纖送到敏感部分，

44、敏感部分接收到由于溫度變化而產(chǎn)生的狀態(tài)變化，再通過光纖返回到受光部分。 發(fā)光型主要有光致發(fā)光式與黑體輻射式；受光型有熱膨脹式、光吸收式、干涉式和偏振光式。,（1）遮光式光纖溫度傳感器,圖3-47 熱膨脹式光纖溫度傳感器,,（2）光吸收式光纖溫度傳感器,圖3-48 半導(dǎo)體光吸收端的溫度變化 圖3-49 光吸收式光纖溫度傳感器的結(jié)構(gòu),,,圖3-50 半導(dǎo)體吸收式光纖溫度傳感器原理圖,,（3）干涉式光纖溫度傳感器,圖3-51 干涉式溫度傳感器,,,傳感器的信號臀和參考臂由單模光纖組成，參考臂置于恒溫器中，一般認(rèn)為，它在測溫過程中光程始終保持不變，而信號臂在溫度的作用下，長度與折射率會發(fā)生變化。信號

45、臂的相位為 （3-6） 式中：為光源波長；n為纖芯折射率；L為光纖長度。 對上式進(jìn)行微分，可求出單位長度上的相位變化。,,,（4）偏振光式光纖溫度傳感器,圖3-52 偏振光式溫度傳感器的結(jié)構(gòu),,,3.4 選擇溫度傳感器需考慮的問題,對溫度傳感器的選用，需考慮以下幾個(gè)方面的問題： 被測對象的溫度是否需記錄、報(bào)警和自動控制，是否需要遠(yuǎn)距離測量和傳送； 測溫范圍的大小和精度要求； 測溫元件大小是否適當(dāng)； 在被測對象溫度隨時(shí)間變化的場合，測溫元件的滯后能否適應(yīng)測溫要求； 被測對象的環(huán)境條件對測溫元件是否有損害； 價(jià)格如何，使用是否方便。,思考題與習(xí)題,1溫度傳感器分為接觸式和非接觸式

46、兩類，試分別說明各自的傳感器機(jī)理。 2試說明熱電偶的測溫原理。 3國際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的熱電偶有哪幾種?各有什么特點(diǎn)? 4熱電偶與顯示儀表連接時(shí)，為什么要采用補(bǔ)償導(dǎo)線?使用補(bǔ)償導(dǎo)線的原則是什么? 5熱電偶的冷端溫度補(bǔ)償有幾種方法? 6用鎳鉻鎳硅熱電偶測量爐溫時(shí)，冷端溫度t020，由電子電位差計(jì)測得熱電勢為37.724mV，由鎳鉻鎳硅熱電偶K的分度表可查得EAB（t0，0）=0.802mV，試求爐溫t為多少?,,7用分度號為K的熱電偶測量溫度，動圈表的指示溫度為500，而這時(shí)的冷端溫度為60，試問被測物體的實(shí)際溫度為多少?若設(shè)法使冷端溫度保持在20，此時(shí)動圈表的指示值為多少? 8畫出用3支熱電偶共用一臺儀表分別測量T1、T2和T3的測溫電路。若用3支熱電偶共用一臺儀表測量T1、T2和T3的平均溫度，電路又如何連接? 9使用熱電阻測溫時(shí)，為什么要采用三線制?與熱電偶比較，熱電阻測溫有什么特點(diǎn)? 10光纖溫度傳感器有哪幾種類型？試說明各自的測溫原理。 11選擇溫度傳感器時(shí)需要注意哪些問題？,