物理量典型传感器：热与电磁测量的技术解析

# 物理量典型传感器：热与电磁测量的技术解析 ## 1. 热学量传感器 ### 1.1 热电偶信号处理电路 在热电偶信号处理方面，有多种典型电路可供选择。对于 J 型热电偶，AD594 和 AD596 电路是常用的单块热电偶信号处理电路，带有内部等温端子块；而对于 K 型热电偶，则可使用 AD595 和 AD597 电路，这些电路能实现高达 0.5%的温度测量精度。 现代的热电偶信号处理电路，如 AD8496 和 AD8497 电路，专为 J 型和 K 型热电偶设计，输出电压变化为 5 mV/°C，并且具备对热电偶参考端温度波动的温度补偿功能。 通用的温度传感器信号处理电路，例如 LTC 298x 系列电路，支持电阻和半导体温度传感器（包括热电偶）的两线和四线连接。除了 24 位 delta sigma A/D 转换器外，这些电路还包含内部 EPROM 存储器，能够以高达 0.1°C 的精度对温度传感器的转换特性进行数字线性化。 ### 1.2 非接触式温度传感器 非接触式温度测量通常使用 pyrometers（高温计），其工作原理是测量温度高于绝对零度（-273°C）的任何物体所发射的辐射能量。绝对黑体在 1 平方米面积上 1 秒内辐射的能量由 Stefan - Boltzmann 定律确定： \[E = \epsilon \cdot \sigma \cdot \Theta^4\] 其中，\(\epsilon\) 是被测物体的发射率，\(\Theta\) 是其绝对温度，\(\sigma = 5.67 \times 10^{-8} W \cdot m^{-2} \cdot K^{-4}\) 是 Stefan - Boltzmann 常数。物体的发射率不仅取决于温度，还与被测物体表面的颜色和类型有关。 | 材料 | 发射率 | 材料 | 发射率 | | --- | --- | --- | --- | | 氧化青铜 (200°C) | 0.61 | 氧化铜 (130°C) | 0.76 | | 木材 (70°C) | 0.94 | 铅 (40°C) | 0.43 | | 抛光铝 (100°C) | 0.09 | 塑料: PE, PP, PVC (20°C) | 0.94 | | 重度氧化铝 (93°C) | 0.21 | 玻璃 (90°C) | 0.83 | | 铬 (40°C) | 0.08 | 氧化锌 (400°C) | 0.11 | | 抛光铬 (150°C) | 0.06 | 铸铁 (100°C) | 0.80 | | 抛光铜 (40°C) | 0.03 | 钢 (20°C) | 0.77 | 从波长范围的角度来看，高温计可分为全波段和波段高温计： - **全波段高温计**：工作在 2.5 - 20μm 的波长范围内。这些高温计使用热电堆电池（Thermopile），由约 30 毫米厚的带材组成；或者使用由 MgO、MnO、NO、TiO₂ 和 Tl₂SeAs₂Te₃ 氧化物组成的电阻温度传感器，这些氧化物沉积在陶瓷物品上；还可使用基于 PbTiO₃ 和 PbZrO₃ 的热释电传感器，当温度变化时利用自发极化原理工作。 - **单色高温计**：基于窄波段（从几十纳米到几毫米）的热辐射发射强度来测量物体温度。对于波长范围在 \(l_1 - l_2\) 内的这种频率受限辐射的总辐射能量，有如下公式： \[L_{e, \lambda_1 - \lambda_2} = \int_{\lambda_1}^{\lambda_2} \epsilon_{\lambda} \cdot L_{\lambda} d\lambda\] 其中，\(\epsilon_{\lambda}\) 是物体的光谱发射率，\(L_{\lambda}\) 是光谱辐射密度。由于确定这些量存在困难，在这些高温计的校准过程中引入了有效发射率值 \(e_{ef}\)。 - **双波段高温计**：根据两种不同波长 \(l_1\) 和 \(l_2\) 的热辐射发射强度来确定物体温度。基于普朗克定律，被测物体的温度可以用以下方程表示： \[\frac{1}{\Theta_s} = \frac{1}{\Theta_p} - \frac{c_2}{\lambda_1 - \lambda_2} \cdot \ln \frac{\epsilon_{\lambda_1}}{\epsilon_{\lambda_2}}\] 其中，\(\epsilon_{l_1}\) 和 \(\epsilon_{l_2}\) 是被测物体在波长 \(l_1\) 和 \(l_2\) 处的发射率。使用这些高温计可以在 -50 到 3500°C 的范围内测量温度，精度可达几摄氏度。 ### 1.3 热像仪 为了研究温度图像，例如电机的机械部件及其绕组，会使用热像仪。热像仪由一个光学系统和一个带有光电二极管矩阵的平面图像传感器组成。这些传感器使用 CCD（电荷耦合器件）结构。在这些热像仪的光学系统的焦点处，通常放置一个由锗透镜形成的平面矩阵 FPA（焦平面阵列），例如分辨率为 480 × 640 像素，能够在 20 - 160°C 的温度范围内测量温度场的分布，精度为几摄氏度。为了抑制噪声，高质量热像仪的 FPA 矩阵会通过帕尔贴电池冷却到 -30°C。 ### 1.4 热能传感器 热能传感器基于测量载热介质传输的热输出原理工作，载热介质通常是热水或蒸汽。热输出由载热介质的质量流量 \(Q_m\) 与测量系统输入和输出处的热含量 \(i_1\)、\(i_2\) 之差的乘积确定： \[P_q = Q_m \cdot (i_1 - i_2)\] 载热介质的热含量由其比热容 \(c_p\) 和温度 \(\vartheta\) 的乘积确定： \[i = c_p \cdot \vartheta\] 如果用体积流量 \(Q_v\) 与载热介质的比密度 \(\rho\) 的乘积来表示质量流量 \(Q_m\)，则热输出为： \[P_q = Q_v \cdot \rho_1 \cdot c_{p1} \cdot \vartheta_1 - Q_v \cdot \rho_2 \cdot c_{p2} \cdot \vartheta_2\] 如果载热介质是水，在 20 - 150°C 的工作温度范围内，其密度和比热容的乘积实际上可以认为与温度无关。这个乘积可以用热系数 \(k_{\vartheta}\) 代替，从而可以用近似关系表示传输的热输出： \[P_q \approx Q_v \cdot k_{\vartheta} \cdot (\vartheta_1 - \vartheta_2)\] 热用户消耗的热能由热输出在时间段 \(\Delta T = t_2 - t_1\) 内的时间积分确定： \[Q_q = \int_{t_1}^{t_2} P_q(t) dt\] 热能和热功率测量系统通常由温度传感器 S1、S2 测量供应和排出介质的温度，它们的信号差与体积流量计的信号在乘法器中相乘。热能由该信号的时间积分确定，该信号决定了传输的热功率。这些热能传感器使用电阻或半导体温度传感器来测量温度，使用涡轮、超声波或热质量流量传感器来测量体积流量。工业生产的带有超