传感器与检测技术课件第六章-温度传感器-3

第六章 温度传感器
第四节 第三节
半导体温度传感器 非接触式温度传感器
第四节 半导体温度传感器 半导体温度传感器以半导体P-N结的正向压降或反向压降 保持不变时，正向电流和反向电流都随着温度的变化而变化， 而当正向电流保持不变时，P-N结的正向压降随温度的变化近 似于线性变化，大约以-2mV/℃的斜率随温度变化。 因此，利用P-N结的这一特性，可以对温度进行测量。 半导体温度传感器利用晶体二极管和晶体三极管作为感温 元件，二极管感温元件利用P-N结在恒定电流下，其正向压降与 温度之间的近似线性来实现，测量误差较大。 三极管能较容易地解决这一问题。
第六章 温度传感器 三、比色温度传感器
第三节
非接触式温度传感器
用此法进行测量时，仪表显示的温度为“比色温度”。
定义为：非黑体辐射的两个波长λ1、λ2的亮度L λ1T和L λ2T 之比值等于绝对黑体相应的亮度L λ1T和L λ2T之比值时，绝对 黑体的温度称为该非黑体的比色温度，以Tp表示，它与非 黑体的真实温度T的关系为：
R0
R0
第六章 温度传感器
第三节
非接触式温度传感器
3.图示为一种测温范围为0℃~100℃的测温电路，其中Rt=10 （1+0.02t)KΩ为感温热电阻；R0、 Rs均为常值电阻， n为正整数，E为工作电压，M、N两点的电位差为输出电压， 问： （1）如果t= 0℃时，输出电压为0， Rs应取多少？ （2）给出该测温电路的输出特征方程。
第六章 温度传感器
第三节
非接触式温度传感器
2.一种测温电路的测温范围为0℃~200℃，其电路图如下。 图中Rt=10（1+0.005t)KΩ为感温热电阻；R0= 10KΩ，工作 电压E=10V，M、N两点的电位差为输出电压UMN。 （1）写出UMN的数学表达式； （2）求0℃到100℃时，测量电路的灵敏度。 Rt R0
第六章 温度传感器
第四节 第三节
半导体温度传感器 非接触式温度传感器
电流输出型IC温度传感器原理图如下图所示。
v
U be U be 4 U be 2
kT I1 R ln q
VT1 I1 VT2 UT R
VT3 I1 VT4
图8.20 电流输出型IC温度传感器原理图
第六章 温度传感器 •
半导体温度传感器 非接触式温度传感器
集成（IC）温度传感器（如AD590，美国模拟器件公司 ） • 集成电路（IC）温度传感器是近期开发的，把温度传感器 与后续的放大器等用集成化技术制作在同一基片上而成的，集 传感与放大为一体的功能器件。这种传感器输出特性的线性关 系好，测量精度也比较高，使用起来方便，越来越受到人们的 重视。它的缺点是灵敏度较低。 • IC温度传感器的设计原理是,对于集电极电流比一定的两 个晶体管,其UBE之差ΔUBE与温度有关。
第三节
非接触式温度传感器
见课本图6-14
第六章 温度传感器 WGG2型光学高温计
第三节
非接触式温度传感器
第六章 温度传感器 WGG2型光学高温计
ห้องสมุดไป่ตู้
第三节
非接触式温度传感器
测量范围：700 ~ 2000 ℃
可用于冶 金、化工和机 械等工业生产 过程中，测量 冶炼、烧铸、 轧钢、玻璃熔 窖、锻打、热 处理的温度。
第六章 温度传感器 二极管温度传感器
第四节 第三节
半导体温度传感器 非接触式温度传感器
简单、价廉，可制成半导体温度计，测温范围0~50℃ 三极管温度传感器 精度高、测温范围宽，在（-50~150）℃之间，可用于工业、 医疗等领域的仪器或系统
第六章 温度传感器
第三节
非接触式温度传感器 习题
1.下图给出了一种测温电路，其中RT=2R0（1+0.01t）（KΩ） 为感温热电阻，RB为可调电阻，U为工作电压。（其中G为 检流计） （1）基于该测温电路的工作机理，请给出调节电阻RB随温度 变化的关系。 （2）若测温范围为20~40℃，R0=10 KΩ，试计算RB的变化 范围。
0 <ελ< 1，
∵
∴
测到的亮度温度总是低于物体真实温度的，即
Ts < T 。
第六章 温度传感器 二、亮度式温度传感器 常用的亮度传感器： 灯丝隐灭式亮度传感器 光电式亮度传感器
第三节
非接触式温度传感器
第六章 温度传感器 二、亮度式温度传感器 常用的亮度传感器： 灯丝隐灭式亮度传感器 光电式亮度传感器
第六章 温度传感器 亮度温度：
第三节
非接触式温度传感器
在波长为λ的单色辐射中，若物体在温度 T 时的亮度 Lλ和全 辐射体在温度 Ts 时的亮度 L0λ相等，则把 Ts 称为被测物体 在波长λ时的亮度温度。 被测物体实际温度 T 和亮度温度 Ts 之间的关系：
L（T） L0（Ts）
1 1 1 ln TS T C 2
第六章 温度传感器 一、全辐射式温度传感器
第三节
非接触式温度传感器
T r TT
4
4
则T TF 4
1
T
所以知道了物体的全辐射系数εT（查表）和用辐射温 度计测得辐射温度Tr，根据上式可得到物体的真实温 度T。
黑体 r 1 ε
灰体0 r 1 ε Tr T
第六章 温度传感器 一、全辐射式温度传感器 被测物的辐射能量经物镜 聚焦到热电堆的靶心铂片 上，将辐射能转化为热能， 再由热电堆变成热电动势， 再由显示仪表显示出热电 动势的大小，由热电动势 数值可知所测温度的大小。
dU BE k IE a ln 常数 dT q I se
第六章 温度传感器 ②温度特性
第四节 第三节
半导体温度传感器 非接触式温度传感器
图8.13为硅半导体晶体管的基极—发射极间电压UBE和集电极电流 IC关系的温度特性。UBE具有大约-2.3mV/ ℃的温度系数，利用这一现 象可以制成高精度、超小型的温度传感器，测温范围为-50-200 ℃左右。 •
第三节
非接触式温度传感器
这种传感器适用于远距离，不能 直接接触的高温物体，其测温 范围为（100~2000）℃
第六章 温度传感器 二、亮度式温度传感器 测温原理
第三节
非接触式温度传感器
亮度式温度传感器利用物体的单色辐射亮度随温度变化的 原理，并以被测物体光谱的一个狭窄区域内的亮度与标准辐 射体的亮度进行比较来测量温度。
第四节 第三节
半导体温度传感器 非接触式温度传感器
IC设计时,取V2发射极面积为V4发射极面积的8倍,于是 根据式(8.17)得电阻R上的电压输出为
kT UT ln8 0.1792mV / K q
图中集电极电流由UT/R决定,电路中流过的电流 为流过R的电流的2倍。取R=358Ω,则可获得灵敏度为 1μA/K的温度传感器。
第六章 温度传感器
第四节 第三节
半导体温度传感器 非接触式温度传感器
• ①原理：根据晶体管原理,处于正向工作状态的晶体三极管,其 发射极电流和发射结电压能很好地符合下面关系
I E I se (e
流。
qU BE kT
1)
式中,IE为发射极电流,UBE为发射结压降,Ise为发射结的反向饱和电 因为在室温时,kT/q=26mV左右,因此,在一般发射结正向 偏置的条件下,都能满足UBE>>kT/q的条件,这时上式可 qU BE 以近似为
第六章 温度传感器
第三节
非接触式温度传感器
根据所采用测量方法的差异，非接触式温度传感器可分为： 全辐射式温度传感器 亮度式温度传感器
比色式温度传感器
第六章 温度传感器 一、全辐射式温度传感器
第三节
非接触式温度传感器
全辐射温度传感器利用物体在全光谱范围内总辐射能量与 温度的关系测量温度。
能全部吸收投射到它表面的辐射能量的物体称为黑体； 能全部反射的物体称为镜体； 能全部透过的物体称为透明体； 能部分反射、部分吸收的物体称为灰体。
ln( 1 2 ) 1 1 T Tp C2 (1 1 1 2 )
第六章 温度传感器 三、比色温度传感器
第三节
非接触式温度传感器
ln( 1 2 ) 1 1 T Tp C2 (1 1 1 2 )
若比色温度计所选波长 1和2很接近，则单色辐射黑度系数
1 02
35 38 3 5.8 K 30 0 25 5.2 .5 22 3.3
10
IC / A
12 4 .7
1 0－2 1 0－4 1 0－6 0
0 .2
0 .4
17 6.8
0 .6 UBE / V
0 .8
77 .5
1 .0
1 .2
图8.13 UBE与IC的温度特性
第六章 温度传感器
第四节 第三节
第六章 温度传感器
第三节
非接触式温度传感器
辐射式温度传感器是利用物体的辐射能随温度变化的原 理制成的。是一种非接触式测温方法，只要将传感器与被测 对象对准即可测量其温度的变化。
第六章 温度传感器
第三节
非接触式温度传感器
与接触式温度传感器相比，具有以下特点：
1）传感器与被测对象不接触，不会干扰被测对象的温度场， 故可测量运动物体的温度，且可进行遥测。 2）由于传感器与被测对象不在同一环境中，不会受到被测 介质性质的影响，所以可以测量腐蚀性、有毒物体、带 电体的温度，测温范围广，理论上无测温上限限制。 3）在检测时传感器不必和被测对象进行热量交换，所以测 量速度快，响应时间短，适于快速测温。 4）由于是非接触测量，测量精度不高，测温误差大。
第六章 温度传感器 一、全辐射式温度传感器
第三节
非接触式温度传感器
绝对黑体的全辐射能与温度的关系为：
E ( , T ) T
4
热力学温度
波尔兹曼系数
灰体的全辐射能与温度的关系为 ：
E
T
( , T ) T E ( , T ) T T
4
若灰体在某一温度T时的全辐射能跟绝对黑体在温 度TF时全辐射能相等，则TF称为该灰体的辐射温度。
I E I see
U BE
kT
•
对上式取对数,得
kT I E ln q I se
第六章 温度传感器
第四节 第三节
半导体温度传感器 非接触式温度传感器
k IE 令a ln 常数，则 q I se
U BE aT
由上式可知,温度T与发射结压降UBE有对应关系,我们可根据 这一关系通过测量UBE来测量温度T值,且在温度不太高的情况下, 两者近似成线性关系,其灵敏度为
第六章 温度传感器 二、亮度式温度传感器 特点：
第三节
非接触式温度传感器
这种传感器量程较宽，有较高的测量精度，一般用于测量 （700~3200）℃范围的浇铸、轧钢、锻压、热处理时的温 度
第六章 温度传感器 三、比色温度传感器 测温原理：
第三节
非接触式温度传感器
当温度变化时，物体的最大单色辐射出射度将向波长增大 或减小的方向移动。使两个固定波长λ1和λ2下的光谱辐射 出射度比值变化。 因此，测出两者比值即可知被测温度。 由于是比较两个波长的亮度，故称之为“比色测温法”
ε 和ε 也十分接近，所测比色温度近似等于真实温度， λ1 λ2
这是比色高温计很重要的优点。
第六章 温度传感器
I 1 R2 R4 第三节 R 非接触式温度传感器 R R
x
R2

1
I 2
3
第六章 温度传感器 三、比色温度传感器
第三节
非接触式温度传感器
比色高温计比其它辐射式高温计的测温准确度高。 因为中间介质（水蒸气、CO、CO2等）的吸收，对单色辐射 强度比值的影响较小； 因比色温度接近于实际温度，如对被测物体无法得知其全辐射 系数时，当然用比色温度来代替实际温度比其它方法更准
第六章 温度传感器
第三节
非接触式温度传感器
物体在波长λ下的亮度Lλ和它的光谱辐射出射强度Eλ成正比。
L CE C C1 e
全辐射体： 实际物体：
5 ( C2 T )
L0 CE0 CC1 e
5 ( C2 Ts )
5 ( C2 T )
L CE C C1 e
第六章 温度传感器
第三节
非接触式温度传感器
辐射温度传感器是利用斯蒂芬〃彼尔兹曼全辐射定理 研制出的。其数学表达式为：
全波长辐 射能力
E0 T
斯蒂芬〃彼 尔兹曼常数
4
物体的绝 对温度
由上式可知，物体温度越高，辐射功率就越大，只要 知道物体的温度，就可以计算出它所发射的功率，反之， 如果测量出物体所发射出来的辐射功率，就可利用上式 确定物体的温度。