第34节温度传感器.ppt

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1、热电偶式传感器热电偶式传感器（重点）（重点）热电阻式热电传感器热电阻式热电传感器（重点）（重点）温度检测方法温度检测方法 温度传感器工作原理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灾监测的一种有效方式。目前普遍应用的是热电传感器。传感器。热电传感器是一种将温度变化变换为电量变化的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。这电阻、电动势以及磁导都可能相应发生变化。这种变化

2、一般呈单值关系，测试仪器结构都较简单。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。阻传感器获得了广泛的应用。温度检测方法温度检测方法热电偶式传感器热电偶式传感器（重点）（重点）热电阻式热电传感器热电阻式热电传感器（重点）（重点）热敏电阻传感器热敏电阻传感器红外火源探测仪红外火源探测仪 1 1、热电效应、热电效应两种不同的导体（或半导体）如两种不同的导体（或半导体）如A/BA/B，组成闭合回路，当，组成闭合回路，

3、当A A、B B相接的两个节点温度不同时（相接的两个节点温度不同时（tttt0 0），则在回路中产生一个），则在回路中产生一个热电动势热电动势，这种现象通常称作，这种现象通常称作热电效应热电效应。A A、B B组件称组件称热电偶热电偶，每个单件称热电极。两个接点中，一端，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）如称工作端（测量端或热端）如t t端；另一端称自由端（参比端端；另一端称自由端（参比端或冷端）如或冷端）如t t0 0端。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。1 1）接触电势接触电势图图1 1 接触电势接触电势两种不同的导体两种不同的导体A A、

4、B B互相接触互相接触时，由于不同材料的自由电子时，由于不同材料的自由电子密度不同，在接合处会发生电密度不同，在接合处会发生电子扩散。由于两个方向的电子子扩散。由于两个方向的电子扩散速率不同，使扩散速率不同，使A A、B B形成静形成静电场电场E Es s。扩散过程结束，当。扩散过程结束，当A A、B B间电子数达到动态平衡时，在间电子数达到动态平衡时，在A A、B B之间形成一之间形成一电位差电位差，称为，称为接触电动势接触电动势。接触电动势的大小接触电动势的大小取决于取决于两种不同导体的性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质和接触点的温度，与材料几何形状和接触点的位

5、置无关。位置无关。1）接触电势接触电势UUeUUeBtBtttBAtAtttA0000、（1 1）2 2）温差电势温差电势图图2 2 温差电势温差电势温差电势温差电势：在同一导体的两端：在同一导体的两端因其温度不同而产生的一种热因其温度不同而产生的一种热电势。电势。由于两端温差的存在、高温端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。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因而，高温端失去电子带正电荷，低温端获得电子带负电，荷，低温端获得电子带负电，这样，在导体内从高温端到低这样，在导体内从高温端到低温端形成一个温端形成一个静电场静电场。当静电场形成并两端电子数达到动态

6、平衡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，即时，在导体两端便产生一个相应的电位差，即（U Ut t-U Ut0t0），该电位差称），该电位差称温差电动势温差电动势。UUeUUeBtBtttBAtAtttA0000、（2 2）2）温差电势温差电势3 3）热电偶回路总热电动势热电偶回路总热电动势 总热电势是总热电势是接触电势接触电势和和温差电势温差电势之和。即：之和。即：eeeettAtABttBtABttABE0000)(、（3 3）由于温差电势比接触电势小得多，故可略去。则：由于温差电势比接触电势小得多，故可略去。则：eetABtABttABE00)(、（4

7、 4）3）热电偶回路总热电动势热电偶回路总热电动势 又因又因t t t t0 0，故，故t t端电势端电势e eAB(AB(t t)在总电势中占较大比重，在总电势中占较大比重，所以，总电势所以，总电势e eAB(AB(t t、t t0)0)的方向取决于的方向取决于e eAB(AB(t t)的方向。的方向。将式（将式（1-41-4）用函数关系式表示则有：）用函数关系式表示则有：0)(00tftfEeetABtABttAB、（5 5）当热电偶材料一定时，热电偶总电势当热电偶材料一定时，热电偶总电势e eAB(AB(t t、t t0)0)是温度是温度t t和和t t0 0的函数差。式（的函数差。式（

8、5 5）是热电偶测温的）是热电偶测温的基本公式。基本公式。3）热电偶回路总热电动势热电偶回路总热电动势 如果使冷断温度如果使冷断温度t t0 0固定（通过一点的补偿措施），固定（通过一点的补偿措施），则总电动势成为则总电动势成为t t的单值函数。的单值函数。)()(0tctfEttAB、这就是说，这就是说，热电偶回路的总电动势只随一个端点温度热电偶回路的总电动势只随一个端点温度（t t）的变化而变化）的变化而变化。工程上就利用这一原理，用热电偶去。工程上就利用这一原理，用热电偶去测试温度及其变化。测试温度及其变化。热电阻测量温度是依着热电阻测量温度是依着导体电阻随温度变化的原导体电阻随温度变化

9、的原理理而工作的。而工作的。目前广泛应用的热电阻测温材料是目前广泛应用的热电阻测温材料是铂、铜、镍铂、铜、镍等等合金。在低温和超低温条件下，则采用碳、锰、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。铟等作为电阻元件的材料。1、铂电阻铂电阻 铂电阻的化学稳定性好，耐高温、易提纯，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因而，通常采用铂电阻作为一般温度计量仪器的温标基准。温标基准。19681968年年“国际实用温标国际实用温标”规定：在规定：在259.34259.34630.74630.74的范围内，以铂电阻作为基的范围内，以铂电阻作为

10、基准器。目前国内统一使用的标准铂电阻有准器。目前国内统一使用的标准铂电阻有R R0 0100100和和R R0 05050两种。两种。1、铜电阻铜电阻 铜电阻与温度几乎成线性关系，如果测温范围较小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：温度的关系式为：tRRt10式中，式中，R Rt t-铜的温度为铜的温度为t t时的电阻值；时的电阻值；R R0 0-铜的温度为铜的温度为00时的电时的电阻值；阻值；-铜电阻在铜电阻在00时的温度系数，一般时的温度系数，一般=4.25=4.2510

11、10-3-3/缺点缺点：铜电阻易于氧化，只能用于低温和无侵蚀的：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偏大。目前工业用的铜电阻R R0 05353。热敏电阻是用半导体材料制成的，与金属电阻比较有热敏电阻是用半导体材料制成的，与金属电阻比较有若干若干优点优点：（1 1）阻值程度变化大、对温度变化反应灵敏、耐腐蚀、）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。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

12、阻在温度变化比如，大多数金属电阻在温度变化11时，阻值变化一般时，阻值变化一般为为0.40.40.60.6，而热敏电阻每摄氏度阻值变化可达，而热敏电阻每摄氏度阻值变化可达3 36 6，这就大大提高了元件测试的灵敏度。，这就大大提高了元件测试的灵敏度。（2 2）由于自身阻值大、连接引线电阻对测量精确度的）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。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。两点是热敏电阻最突出的特点。但但目前采用的热敏元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，急需进一件线性和互换性都较差

13、，允许测量范围也较小，急需进一步改进。步改进。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。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：热敏半导体阻值与温度呈指数规律变化，其变化规律为：tBtAR 式中，式中，R Rt t-温度为度时热敏电阻值；温度为度时热敏电阻值；A A、B-B-常数，由具体材常数，由具体材料和制造工艺决定（查表）；料和制造工艺决定（查表）；t t-温度。温度。例如，已知在温度例如，已知在温度t t0 0时的电阻

14、为时的电阻为R R0 0，则求温度，则求温度t t时时的电阻的电阻R Rt t时，可用下式计算：时，可用下式计算：0110ttBteRR式中，式中，B B是常数，取是常数，取1500150030003000；e e是自然对数，为是自然对数，为2.718282.71828；t t、t t0 0-温度，单位温度，单位K 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。过长而引起的测量误差。图图3 3 三导线桥式电路测温原理

15、三导线桥式电路测温原理1-1-被测点；被测点；2-2-引线引线如图如图3 3所示，两根引线接入两对应桥臂之中，环境条件变所示，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。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，这是一直较为理想的测控手段。证明，这是一直较为理想的测控手段。1.1.工作原理工作原理 红外火源探测仪是一种红外火源探测仪是一

16、种非接触式测温仪表非接触式测温仪表。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究自燃发火规律，并能提前采取必要的防灭火措施。施。1.工作原理工作原理R Rb b为红外为红外敏感元件敏感元件，接收，接收红外辐射能；红外辐射能；R R0 0是是补偿元件补偿元件，它被罩壳，它被罩壳隐蔽起来，不吸收红外辐隐蔽起来，不吸收红外辐射能；射能；E Eb b和和E Ec c组成组成偏置电源偏置电源。图图4 4火源探测仪探头电路火源探测仪探头电路1:1:被测点；被测点；2:2:引线引线当当R Rb b接收红外辐射能时，接收红外辐射能时，R Rb b阻值阻值下降，电桥失去平衡，输出电压下降，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，经处理和转换环节由显示器输出，或输送到报警等电路。或输送到报警