傳感器與檢測技術(shù)第3章溫度傳感器

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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，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（光學高溫計、輻射溫度計、紅外溫度傳感器、光纖溫度傳感器）工作原理的分析，詳細地介紹了溫度測量的各種方法及應(yīng)用技術(shù)。 通過本章學習，要求學會利用各種測溫元件實現(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 1. 攝氏溫標 攝氏溫標規(guī)定:在標準大氣壓下純水的冰融點為0，水沸點為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,華氏溫標規(guī)定:在標準大氣壓下純水的冰融點為32，

2、水沸點為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. 熱力學溫標,1848年，威廉.湯姆首先提出的； 熱力學溫標又稱開氏溫標； 是以熱力學第二定律為基礎(chǔ)的理論溫標，與物體任何物理性質(zhì)無關(guān)，是國際統(tǒng)一的基本溫標。 單位符號為K，變量符號記作T。 熱力學溫標有一個絕對零度，它規(guī)定分子運動停止時的溫度為絕對零度，因此它又稱為絕對溫標。,熱力學第二定理的表述,熱不可能自發(fā)地、不付代價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是不可能實現(xiàn)的）。,4. 國際實用溫標,國際溫標:簡稱IPTS-68 （International practical Termperture scale of 1968）， 溫標單位大小定義:為水三相點（固、液、氣三相并存）的熱力學溫度的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（ITS90）定義的國際開爾文溫度。,攝氏溫標與華氏溫標的換算關(guān)系為： 攝氏溫標與華氏溫標：攝氏溫標與國際實用溫標：,,,3.1.2 溫度檢測的主要方法及特點,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、壓力式溫度計和玻璃液體溫度計。 （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，當兩接點處于不同溫度時，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。,,（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。 （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。 如單色輻

5、射高溫計、光學高溫計和比色高溫計等。,,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。 習慣上，按測溫范圍不同，將600以上的測溫儀表稱為高溫計；把測量600以下的測溫儀表稱為溫度計。 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,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，使其進行充分的熱交換，當熱交換平衡時，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：測量范圍寬、精度高、穩(wěn)定性好等。,RT，R0：熱電阻在T，0時的電阻值；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，電阻值得相對變化率為： 電阻率 表示單位體積時的電阻值,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。,（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的原理圖。,,,,,,3.熱敏電阻的應(yīng)用,2）熱敏電阻用于溫度補償 熱敏電阻可在一定的溫度范圍內(nèi)對某些元件進行溫度補償。,,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、動機過熱保護，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）組成一個閉合回路，當兩接點溫度T和T0不同時，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。,實驗----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的溫度。 兩接點的接觸電動勢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)點在溫度T 時形成的接觸電動勢； 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時所產(chǎn)生的溫差電動勢，例如在0時，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溫度，與形狀、尺寸等無關(guān) 兩熱電極相同時，總電動勢為0 兩接點溫度相同時，總電動勢為0 對于已選定的熱電偶，當參考端溫度T0恒定時，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： 有助于檢驗兩個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，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、保護套管以及接線盒等部分組成

16、。實驗室用時，也可不裝保護套管，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，宜采用斜插。在斜插和管道肘管（彎頭處）安裝時，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，可以采用擴大管，其安裝方式如圖3-13所示。 圖3-13 熱電偶在擴大管上的安裝 1墊片；245角連接頭；3擴大管,,在測爐膛溫度時，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，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，可在保護外套管與保護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.補償導(dǎo)線,使用補償導(dǎo)線應(yīng)注意的事項: 熱電性能與相應(yīng)熱電偶的熱電特性相同的廉價導(dǎo)線; 各種補償導(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結(jié)點,其溫度必須相同.,被測點與基準結(jié)點之間距離相當長時，熱電偶端子到基準結(jié)點間可用導(dǎo)線連接，這種導(dǎo)線稱為補償導(dǎo)線。,常用補償導(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）；3接線盒；4補償導(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（基準結(jié)點）

20、,6.冷端處理及補償, 機械零位調(diào)整法。,當熱電偶與動圈式儀表配套使用時，若熱電偶的冷端溫度比較恒定，對測量準確度要求不高時，可在儀表未工作前將儀表機械零位調(diào)至冷端溫度處。, 電橋補償法。,1熱電偶；2補償導(dǎo)線；3銅導(dǎo)線；4指示儀表；5冷端補償器 可購買與被補償熱電偶對應(yīng)型號的補償電橋。, 計算修正法。,4. 熱電偶實用測量電路,（1）測量某點溫度的基本電路 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 熱電偶多點溫度求和電路,5熱電偶的定期校驗,校驗的方法是用標準熱電偶與被校驗熱電偶裝在同一校驗爐中進行對比，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 熱電偶校驗圖 1-調(diào)壓變壓器； 2-管式電爐； 3標準熱電偶； 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。 特別適于進行運動測量。,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標定因子，AD590的標定因子為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階多項式之和，省略非線性項后則有: Tc攝氏溫度；I 的單位為A。 可見，當溫度為0時

23、，輸出電流為273.2A。在常溫25時，標定輸出電流為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)用實例,A/D轉(zhuǎn)換和顯示電路。,用MC14433實現(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相比用開爾文標準的線性溫度傳感器更具有優(yōu)勢，LM35無需外部校準或微調(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?。s60A），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負載時0.1； 精度：0.5精度（在+25時）； 漏泄電流：小于60A； 比例因數(shù)：線性+10.0mV/； 非線性值：1/4； 校準方式：直接用攝氏溫度校準； 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 采用單總線專用技術(shù)，被測溫度用符號擴展的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；適配各種單片機或系統(tǒng)機； 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端引入，也可采用寄生電源方式產(chǎn)生。 DS18B20非常

27、適用于遠距離多點溫度檢測系統(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，并以二進制補碼讀數(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8bit的RAM中，二進制中的前面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即可得到實際溫度值。兩個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，包括一個高速暫存RAM和一個非易失性的可電擦除的E2PROM。其中E2PROM存放高低溫報警觸發(fā)器TH、TL和配置寄存器。 暫存存儲器包含了

29、8個連續(xù)字節(jié)，其分布如表3-9所示。前兩個字節(jié)是測得的溫度信息，第一個字節(jié)的內(nèi)容是溫度的低八位，第二個字節(jié)是溫度的高八位。第三個和第四個字節(jié)是TH、TL的易失性拷貝，第五個字節(jié)是結(jié)構(gòu)寄存器的易失性拷貝，這三個字節(jié)的內(nèi)容在每一次上電復(fù)位時被刷新。第六、七、八個字節(jié)用于內(nèi)部計算。第九個字節(jié)是冗余檢驗字節(jié)。,,表3-9 DS18B20暫存寄存器分布,,高低溫報警觸發(fā)器TH和TL、配置寄存器均由一個字節(jié)的E2PROM組成，使用一個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，主機控制DS18B20完成溫度轉(zhuǎn)換必須經(jīng)過三個步驟：每一次讀寫之前都要對DS18B20進行復(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，相當于Tx P1.2作輸入口用，相當于Rx,,,,（5）DS18B20使用中注意事項 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進行讀寫編程時，必須嚴格的保證讀寫時序，否則將無法讀取測溫結(jié)果。在進行系統(tǒng)程序設(shè)計時，最好采用匯編語言實現(xiàn)。 2）單總

32、線上所掛DS18B20超過8個時，就需要解決微處理器的總線驅(qū)動問題，在進行多點測溫系統(tǒng)設(shè)計時要特別注意。,,3）連接DS18B20的總線電纜是有長度限制的。試驗中，當采用普通信號電纜傳輸長度超過50m時，讀取的測溫數(shù)據(jù)將發(fā)生錯誤。當將總線電纜改為雙絞線帶屏蔽電纜時，正常通訊距離可達150m，當采用每米絞合次數(shù)更多的雙絞線帶屏蔽電纜時，正常通訊距離進一步加長。因此，在用DS18B20進行長距離測溫系統(tǒng)設(shè)計時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DS18B20接觸不好或斷線，當程

33、序讀該DS18B20時，將沒有返回信號，程序進入死循環(huán)。在進行DS18B20硬件連接和軟件設(shè)計時要綜合考慮。 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)出的熱輻射強度來確定被測對象的溫度。 常見的傳感器有:光學高溫計、輻射溫度計、光纖溫度傳感器、紅外溫度傳感器等。 優(yōu)點:不存在測量滯后和溫度范圍的限制，可測高溫、腐蝕、有毒、運動物體及固體、液體表面的溫度，不影響被測物體的溫度場； 缺點: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 光學高溫計(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，精度進一步提高。,,,WGG2-201型光學高溫計,圖3-34 WGG2-201型光學高溫計外形和原理圖 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： 此光學高溫計能在環(huán)境溫度10-50,相對濕度不大於85%的情況下連續(xù)工作 物鏡與目標之間的距離不小于700mm 標尺長度不小于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,輻射溫度計:是根據(jù)全輻射強度定理即物體的總輻射強度與物體溫度的四次方成正比的關(guān)系來進行測量的。 輻射溫度計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。 輻射高溫計測量的溫度稱為輻射溫度（TF），被測對象為非黑體

36、時，要通過修正才能得到非黑體的真實溫度。,,（a）熱電堆結(jié)構(gòu) （b）自動補償器 圖3-36 熱電堆結(jié)構(gòu)和補償光闌 （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（屬于遠紅外線區(qū)）， 物體被加熱到400700時，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):當一些晶體受熱時，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-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，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； 適當調(diào)整紅外傳感器的工作點。一般情況下，傳感器有一個最佳工作點。只有工作在最佳偏流工作點時，紅外傳感器的信噪比最大。實際工作點最好稍低于最佳工作點； 選用適當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； 傳感器光學部分不能用手摸、擦，防止損傷與沾污； 傳感器存放時注意防潮、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 紅外測溫是遠距離和非接觸

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現(xiàn)溫度的測量；或把物體各個點輻射能大小轉(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）被動式紅外報警器 被動式紅外報警器主要由光學系統(tǒng)、熱釋電紅外傳感器、信號濾波和放大、信號處理和報警電路等幾部分組成。,（3）紅外輻射溫度計應(yīng)

41、用實例,（a）表面溫度測量示意圖 （b）內(nèi)部原理結(jié)構(gòu) 圖3-41 紅外輻射溫度計的外形結(jié)構(gòu)與原理框圖 1便攜式紅外輻射溫度計；2紅色瞄準激光束；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)。 同時具有光纖及光學測量的特點。 電絕緣性能好。 抗電磁干擾能力強。 非侵入性。 高靈敏度。 容易實現(xiàn)對被測信號的遠距離監(jiān)控。 光纖耐腐蝕，在水中、溶液中、化學氣體中也能使用。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 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,,,,當在臨界狀態(tài)時 ,,（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，利用多種光學效應(yīng)在光纖受到外界溫度的影響時，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，需考慮以下幾個方面的問題： 被測對象的溫度是否需記錄、報警和自動控制，是否需要遠距離測量和傳送； 測溫范圍的大小和精度要求； 測溫元件大小是否適當； 在被測對象溫度隨時間變化的場合，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； 價格如何，使用是否方便。,思考題與習題,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理。 2試說明熱電偶的測溫原理。 3國際標準規(guī)定的熱電偶有哪幾種?各有什么特點? 4熱電偶與顯示儀表連接時，為什么要采用補償導(dǎo)線?使用補償導(dǎo)線的原則是什么? 5熱電偶的冷端溫度補償有幾種方法? 6用鎳鉻鎳硅熱電偶測量爐溫時，冷端溫度t020，由電子電位差計測得熱電勢為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，而這時的冷端溫度為60，試問被測物體的實際溫度為多少?若設(shè)法使冷端溫度保持在20，此時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，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? 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選擇溫度傳感器時需要注意哪些問題？,