2009年下半年软考系统集成项目管理考试真题(上午)

传感器与自动检测大作业题目: 关于温度测量方法的分析班级：电子信息工程技术2班姓名：姚杰学号：201104382012年6月制前言温度（temperature）是表示物体冷热程度的物理量，微观上来讲是物体分子热运动的剧烈程度。

温度只能通过物体随温度变化的某些特性来间接测量，而用来量度物体温度数值的标尺叫温标。

它规定了温度的读数起点（零点）和测量温度的基本单位。

目前国际上用得较多的温标有华氏温标(°F)、摄氏温标（°C）、热力学温标(K)和国际实用温标。

从分子运动论观点看，温度是物体分子运动平均动能的标志。

温度是大量分子热运动的集体表现，含有统计意义。

对于个别分子来说，温度是没有意义的。

根据某个可观察现象（如水银柱的膨胀），按照几种任意标度之一所测得的冷热程度。

温度是物体内分子间平均动能的一种表现形式。

分子运动愈快，物体愈热，即温度愈高；分子运动愈慢，物体愈冷，即温度愈低。

从分子运动论观点看，温度是物体分子运动平均动能的标志。

温度是分子热运动的集体表现，含有统计意义。

对于真空而言，温度就表现为环境温度，是物体在该真空环境下，物体内分子间平均动能的一种表现形式。

物体在不同热源辐射下的不同真空里，物体的温度是不同的，这一现象为真空环境温度。

比如，物体在离太阳较近的太空中，温度较高，物体在离太阳较远的太空中，温度较低。

这是太阳辐射对太空环境温度的影响。

本文将由热电偶传感器、热电阻传感器、红外线传感器来测量温度。

编者2012年6月目录✧测温原理及方法✧温标✧热电偶传感器测量温度✧热电阻传感器测量温度✧红外传感器测量温度✧光纤温度传感器✧测温原理及方法原理选择合适的物体作为温度敏感元件，其某一物理性随温度而变化的特性为已知，通过温度敏感元件与被测对象的热交换，测量相关的物理量，即可确定被测对象的温度。

侧量方法按温度计感温部分是否与被测物体相接触分：接触式测温、非接触式测温。

①接触式测温：温度敏感元件与被测对象接触，依靠传热和对流进行热交换，当传热量为零时，二者温度相等。

为实现精确测量需要良好的热接触，它往往会破坏被测对象的热平衡，存在置入误差。

而且，对温度敏感元件的结构和性能要求较高。

②非接触式测温：温度敏感元件不与被测对象接触，而是通过热辐射进行热交换，或者是温度敏感元件接收被测对象的部分热辐射能，由热辐射能的大小推出被测对象的温度。

这种方法响应快，对被测对象干扰小，可测量高温、运动的被测对象和环境比较恶劣的场合。

✧温标温度只是表示物体的冷热程度，并没有数值化，为了定量分析，要给出温度数值的大小，给物体的冷热程度一定量的描述。

温标就是以此目的服务的。

温标是温度数值化的标尺，它给出了温度数值化的一套规则和方法，并明确了温度的测量单位和温度起点。

建立方法：建立温标就是规定温度的起点即基本单位。

一般是借助于随温度变化而变化的物理量（体积、压力、电阻和热电势等）来定义温度数值、建立温标的。

温标的分类1、经验温标：某以物质的性质作介质而定的温标。

如，水银作测温介质制成了摄氏和华氏温标；兰氏温标则用酒精和水混合作为介质（1）华氏温标：冰水融体为“32”，水的沸点为“212”，中间等分为180份，每份为1度，以°F 表示。

（2）兰氏温标：以水的冰点为“1000”，水的沸点为“1080”，中间等分为80份，每份为1度，以°R 表示。

（3）摄氏温标：以水的冰点为“0”，水的沸点为“100”，中间等分为100份，每份为1度，以°C 表示。

三个经验温标之间的换算关系如下：2、热力学温标：取卡诺机热换量Q 为测温参数的一种温标。

以复现性最好的水的三相点（固、液、气相平衡态）为参考点，且定义该点的温度为273.16K ，相应的热换量为Q ’，当测得热换量Q 后，可55(32)94o o o C F R=-=根据下式求得相应的温度：3、国际实用温标：为了实用而建立起来的国际协议性温标。

它应具备下述三个条件：（1）要有定义温度的固定点（一般是利用水、纯金属及液态气体的状态变化）；（2）要有复现温度的标准器[通常用标准铂电阻（-259.19~630.74°C)、标准铂铑热电偶（- 630.74~ 1064.43°C)及标准光学高温计（大于1063.43°C) ]；（3）要有定义点之间计算温度的内插方程式。

工程上，近似为:t=T-273(t 为摄氏温度，符号为°C ； T 为实用温标，单位是开尓文，符号为K ）热电偶传感器测量温度热电偶测温特点测温范围宽，性能稳定，有足够的测量精度，能够满足工业过程温度测量的需要；结构简单，动态响应好；输出为电信号，可以远传，便于集中检测和自动控制。

测温原理热电效应（或赛贝克效应）——将两种不同的导体或半导体连成'273.16QT Q闭合回路，当两个接点处的温度不同时，回路中将产生热电势的现象。

如图4-1两种丝状的不同导体（或）半导体组成的闭合回路称为热电偶。

导体A或B称为热电偶的热电极。

两个接点中，置于温度为T 的被测对象中的称为测量端（工作端或热端），温度为参考温度T0的接点称为参比端或参考端，也叫自由端或冷端。

测温时两电极焊在一起形成测量端，置于被测温度处。

而参比端一般要持恒定温度，与测量仪表相接。

在热电偶回路中接一毫伏表，通过测量发现，热电势与热电极的材料和两端的温差有关：热电势=接触电势+温差电势闭合电路产生的热电势（如图4-2）接触电势：指两种不同的导体相接触时，因各自的电子密度不同而产生电子扩散，当达到动态平衡后所形成的电势。

接触电势与导体性质和接触点的温度成正比。

温差电势：指同一导体的两端因温度不同而产生的电势，不同的导体具有不同的电子密度，所以它们的温差电势也不同。

4-2热电偶回路热电偶回路总热电动势热电偶回路总热电动势包括两个接触电动势和两个温度电动势，即),(),()()(),(0000t t e t t e t e t e t t E B A AB AB AB +--= 热电偶的应用定则①均质导体定则：同种均质导体（或半导体）组成的闭合回路，不论导体的截面和长度以及温度分布如何都不能产生热电势。

②中间导体定则：在热电偶回路中接入中间导体后，只要中间导体两端的温度相同，对热电偶回路的总热电势值没有影响。

③中间温度定则：热电偶AB 在接触温度为T 、T0时的热电势EAB(T 、T0)等于热电偶AB 在接点温度为T 、T0和TC 、T0的热电势EAB(T 、TC)和EAB(T 、T0)的代数和，即：常用工业热电偶热电极材料：常用的热电偶材料有铜、 铁、铂铹合金和镍铬合金等。

其一般有以下要求：①在测温范围内热电性能稳定； （不随时间和被测对象变化） ②在测温范围内物理化学性能稳定；③灵敏度高；（热电势随温度的变化率要足够大）④热电特性接近线性；⑤电导率高，电阻温度系数小，热电势足够大⑥机械性能好、易加工、价格便宜。

工业热电偶的结构形式为保证热电偶能正常工作，通常都用绝缘物和保护套管将其与被测介质相隔离。

热电偶的结构形式有普通型和铠装。

〃普通型热电偶 ：特点：热惯性大，对温度变化的响应慢。

〃铠装热电偶：将热电偶丝、绝缘材料和金属保护套管三者组合装配1-2-3-接线盒热电偶接点瓷绝缘套管不锈钢套管4-安装固定件5-引线口6-后，经拉伸加工而成的一种坚实的组合体。

结构形式多样：碰底型、不碰底型、露头型、帽型。

特点：外径细、热容量小、响应快、柔软可弯曲，可装在狭窄或结构复杂的场合。

热电阻传感器测量温度测温原理利用导体或半导体的电阻随温度变化的特性。

由导体或半导体制成的感温器件称为热电阻。

热电阻测温的优点是信号可以远传、灵敏度高、无需参比温度。

金属热电阻稳定性高、互换性好、准确度高。

其缺点是需要电源激励、有自热现象，影响测量精度。

金属热电阻热电阻材料选择要求①选择电阻随温度变化成单值连续关系的材料，最好是呈线性或平滑特性。

②有尽可能大的电阻温度系数③有较大的电阻率，以便制成小尺寸元件，减小测温热惯性。

④在测温范围内物理化学性质稳定。

⑤复现性好，复制性强，易于得到高纯物质，价格便宜。

＊目前使用较多的热电阻材料为铜、铂。

工业热电阻分为铂热热电阻和铜热热电阻。

热电阻结构有普通型、铠装型和薄膜型。

热敏电阻用金属氧化物或半导体材料作为电阻体的温敏元件。

温度系数：有正、负和临界温度系数三种。

其温度特性曲线如图所示。

温度检测用热敏电阻主要是负温度系数热敏电阻。

其余两种多用于温度开关器件集成温度传感器工作原理是利用半导体器件的温度特性：基极-发射极之间的正向压降随温度的升高而减少，故将PN结晶体管作感温元件并且与有关电子线路集成化可构成集成温度传感器。

已有系列产品，但集成温度传感器在工作时，必须与被测物体有良好的接触，其响应速度取决于热接触的条件。

红外传感器测量温度光测高温计利用受热物体的单色辐射强度随温度升高而增加的原理制成。

物体在高温下会发光，物体的亮度Bλ与其辐射强度Eλ成正比，即：B λ=CEλ。

所以受热物体的亮度大小反映了物体的温度数值。

主要是由装有红色滤光镜的望远镜及一组带有小灯泡、电流计与可变电阻的电路制成。

使用前，先建立灯丝不同亮度所对应温度与电流计上的读数的关系。

使用时，将望远镜对正待测物，调整电阻，使灯泡的亮度与待测物相同，这时从电流计便可读出待测物的温度了。

辐射温度计原理：斯蒂芬-玻耳兹曼定律（四次方定律），温度为T的绝对黑体，单位面积元在半球方向所发射的全部波长的辐射出射度与温度T 的四次方成正比，所有物体的全发射率εT均小于1，M0(T)=εTσT4(W/m)。

红外测温仪①热探测器。

基于热电效应，即入射辐射与探测器相互作用时引起探测元件的温度变化，进而引起探测器中与温度有关的电学性质变化。

常用的热探测器有热电堆型，热释电型及热敏电阻型。

②光探测器（量子型）。

基于光电效应, 即入射辐射与探测器相互作用时，激发电子。

光探测器的响应时间比热探测器短的多。

常用的光探测器有光敏电阻型（常用的光敏电阻有PbS，PbTe及HgCdTe等）及光生伏特型（即光电池）。

光纤温度传感器光纤温度传感器：是采用光纤作为敏感元件或传输介质而构成的新型测温仪表。

特点：是灵敏度高；电绝缘性好，可适用于强电磁干扰、强辐射的环境；体积小、重量轻、可弯曲；可实现不带电的全光型测头等。

组成：由光源激励、光源、光纤、光检测器、光电转换及处理系统和各种连接件等构成。

分类：按是否与被测物体接触分为接触式和非接触式按结构分为功能型和非功能型功能型传感器：是利用光纤的各种特性，光纤本身感受被测量的变化，光纤既是传输介质，又是敏感元件；非功能型传感器：又称传光型，由其他敏感元件感受被测量的变化，光纤仅作为光信号的传输介质。