傳感器原理和應用溫度傳感器熱電阻

1、關(guān)于傳感器原理與應用溫度傳感器熱電阻第一張，PPT共五十一頁，創(chuàng)作于2022年6月溫度傳感器 將溫度轉(zhuǎn)換為電勢的熱電式傳感器叫做熱電偶，將溫度轉(zhuǎn)換為電阻值的熱電式傳感器叫做熱電阻（金屬）半導體集成溫度傳感器AD590熱敏電阻（半導體，陶瓷）熱釋電紅外傳感器第二張，PPT共五十一頁，創(chuàng)作于2022年6月4.2 熱電阻part 1. 原理第三張，PPT共五十一頁，創(chuàng)作于2022年6月金屬熱電阻利用導體電阻率隨溫度變化的特性制成的傳感器叫做熱電阻傳感器，它主要用于對溫度和與溫度有關(guān)的參量進行檢測。測溫范圍主要在中、低溫度區(qū)（-200650攝氏度）。第四張，PPT共五十一頁，創(chuàng)作于2022年6月金屬熱

2、電阻的結(jié)構(gòu)熱電阻由電阻體、保護套和接線盒等主要部件組成，其中電阻體是熱電阻的最主要部分。通常情況下是將雙線電阻絲繞在石英、云母陶瓷和塑料等材料制成的骨架上；保護套主要有玻璃、陶瓷或金屬等類型，主要用于防止有害氣體腐蝕，防止氧化（尤其是銅熱電阻），防止水分侵入造成漏電影響阻值。第五張，PPT共五十一頁，創(chuàng)作于2022年6月熱電阻材料的特性要求電阻的溫度系數(shù)要大，以便提高熱電阻的靈敏度；電阻率盡可能大，以便在相同靈敏度下減小電阻體的尺寸。熱電容要盡可能小，以便提高熱電阻的相應速度。在整個測量溫度的范圍內(nèi)，應具有穩(wěn)定的物理和化學性質(zhì)。電阻與溫度的關(guān)系最好接近線性關(guān)系。具有良好的可加工性，并且價格便宜

3、。目前使用最廣泛的熱電阻材料是鉑和銅第六張，PPT共五十一頁，創(chuàng)作于2022年6月金屬熱電阻的工作原理大多數(shù)金屬導體的電阻都隨溫度的變化而變化。當溫度升高時，金屬內(nèi)部原子晶格的振動加劇，從而使金屬內(nèi)部的自由電子通過金屬導體時的阻礙增大，宏觀上表現(xiàn)出電阻率變大，電阻值加劇。熱電阻是利用物質(zhì)的變化特性制成的，將溫度的變化量變換成與之有一定關(guān)系的電阻值的變化量，通過對電阻值的測量實現(xiàn)對溫度的測量。第七張，PPT共五十一頁，創(chuàng)作于2022年6月鉑熱電阻由于鉑的物理化學性質(zhì)都非常穩(wěn)定，是目前制造熱電阻的最好材料。鉑電阻主要作為標準電阻溫度計廣泛應用于溫度基準、標準的傳遞。其長時間穩(wěn)定的復現(xiàn)性可達10-4

4、K，是目前測溫復現(xiàn)最好的一種溫度計。按照IEC（國際電工委員會）標準，鉑電阻的測溫范圍是-200850。第八張，PPT共五十一頁，創(chuàng)作于2022年6月鉑熱電阻 - 特性方程當溫度t為-2000時，當溫度t為0850時，R0和Rt分別表示為溫度0和溫度為t時的電阻值。A、B、C為溫度系數(shù)，在國際溫標ITS-90標準中，常數(shù)A、B、C被分別規(guī)定為：第九張，PPT共五十一頁，創(chuàng)作于2022年6月金屬熱電阻的阻值與R0有關(guān)，要確定熱電阻Rt與溫度T的關(guān)系，首先要確定電阻R0的值，R0為金屬熱電阻在0時的標稱值。R0不同，Rt與溫度T的關(guān)系特性是不同的。目前我國規(guī)定工業(yè)用鉑熱電阻有兩種公稱值，即R0=1

5、0和R0=100，分度號分別為Pt10和Pt100。第十張，PPT共五十一頁，創(chuàng)作于2022年6月銅熱電阻在測量精度不太高、測量范圍不大的情況下，可以采用銅熱電阻進行測溫。它的測量范圍是-50150。其中，a為銅電阻的溫度系數(shù)，在測量精度不太高、測量范圍不大的情況下，可以采用銅熱電阻進行測溫。它的測量范圍是-50150。第十一張，PPT共五十一頁，創(chuàng)作于2022年6月銅電阻有兩種分度號，分別為：Cu50 （R0=50）和 Cu100（R0=100）優(yōu)點：電阻溫度系數(shù)較大，線性度好，價格便宜。缺點：電阻率較低，電阻體的體積較大，熱慣性較大，穩(wěn)定性較差，在100以上時容易氧化，因此只能用于低溫及無

6、水分、無腐蝕性的介質(zhì)中。第十二張，PPT共五十一頁，創(chuàng)作于2022年6月其他熱電阻銦電阻：用99.999%高純度的銦絲繞成電阻，可在室溫至4.2K溫度范圍內(nèi)使用。實驗證明，在4.2K15K溫度范圍內(nèi)，銦電阻的靈敏度比鉑電阻高10倍。其缺點是：材料軟，復制性差。錳電阻：在263K溫度范圍內(nèi)，電阻隨溫度變化較大，靈敏度高。缺點：材料脆，難拉成絲。碳電阻：適合用液氮溫域的溫度測量，價廉，對磁場不敏感。缺點：熱穩(wěn)定性較差。第十三張，PPT共五十一頁，創(chuàng)作于2022年6月金屬熱電阻的測量電路金屬熱電阻廣泛應用在缸體、油管、水管、紡機、空調(diào)、熱水器等狹小空間工業(yè)設(shè)備的測溫與控制。汽車空調(diào)、冰箱、冷柜、飲水

7、機、咖啡機及恒溫等場合也經(jīng)常使用。第十四張，PPT共五十一頁，創(chuàng)作于2022年6月4.2 熱電阻part 2. 測量電路第十五張，PPT共五十一頁，創(chuàng)作于2022年6月熱電阻測量電路電壓源儀用放大器第十六張，PPT共五十一頁，創(chuàng)作于2022年6月【復習】差分放大器由虛短可知：有虛斷可知，運放輸入端沒有電流輸入，則R5a、Rw和R5b為串聯(lián)，通過的電流：由運放A3虛斷可知：由運放A3虛短可知：當：第十七張，PPT共五十一頁，創(chuàng)作于2022年6月放大電路輸出電壓的極性問題負系數(shù)電壓源儀用放大器負系數(shù)第十八張，PPT共五十一頁，創(chuàng)作于2022年6月4.2 熱電阻part 2.1 Cu50 測量電路第

8、十九張，PPT共五十一頁，創(chuàng)作于2022年6月【回顧】第3章 力學傳感器_1_金屬應變式_2_測量電路第二十張，PPT共五十一頁，創(chuàng)作于2022年6月【回顧】第3章 力學傳感器_1_金屬應變式_2_測量電路第二十一張，PPT共五十一頁，創(chuàng)作于2022年6月【回顧】第3章 力學傳感器_1_金屬應變式_2_測量電路Why？第二十二張，PPT共五十一頁，創(chuàng)作于2022年6月熱電阻是否可以忽略非線性項儀用放大器電壓源對于等臂電橋，電橋輸出的相對電壓為：對于Cu熱電阻：可以忽略嗎？第二十三張，PPT共五十一頁，創(chuàng)作于2022年6月熱電阻是否可以忽略非線性項100時相對誤差是：【結(jié)論】相對誤差就很大了，非

9、線性影響不能忽略！【現(xiàn)象】溫度越高輸出電壓越大！輸出電壓越大誤差越大！第二十四張，PPT共五十一頁，創(chuàng)作于2022年6月【思考】是否可以用電橋的輸出電壓Vt進行非線性補償？熱電阻的非線性校正【思考】由于Vo與Vt是線性關(guān)系，如果可以用電橋的輸出電壓Vt進行非線性補償，是否可以更進一步用Vo進行非線性補償？儀用放大器電壓源第二十五張，PPT共五十一頁，創(chuàng)作于2022年6月熱電阻的非線性校正如果令公式變形希望該部分為1非線性校正完成第二十六張，PPT共五十一頁，創(chuàng)作于2022年6月熱電阻的非線性校正儀用放大器電壓源Vref反饋電路第二十七張，PPT共五十一頁，創(chuàng)作于2022年6月熱電阻的非線性校正

10、儀用放大器第二十八張，PPT共五十一頁，創(chuàng)作于2022年6月熱電阻的非線性校正Dz是穩(wěn)壓二極管（齊納管），被反向擊穿，特點是在反向擊穿后，無論通過的電流時多少，穩(wěn)壓管上兩端的電壓保持恒定。運放構(gòu)成了一個反相比例放大器。具體到本電路可以使用疊加原理進行分析。【思考】推導出電橋供電電壓的表達式。值通過配置哪些電阻從而進行設(shè)置？第二十九張，PPT共五十一頁，創(chuàng)作于2022年6月電路分析1疊加定理純反相放大器第三十張，PPT共五十一頁，創(chuàng)作于2022年6月電路分析2疊加定理第三十一張，PPT共五十一頁，創(chuàng)作于2022年6月電路分析2反相放大器第三十二張，PPT共五十一頁，創(chuàng)作于2022年6月電路分析-

11、疊加定理負號怎么辦？第三十三張，PPT共五十一頁，創(chuàng)作于2022年6月電路分析負電壓第三十四張，PPT共五十一頁，創(chuàng)作于2022年6月4.2 熱電阻part 2.2 Pt100測量電路第三十五張，PPT共五十一頁，創(chuàng)作于2022年6月Pt100熱電阻的測量電路【要求】設(shè)計一個Pt100熱電阻測量電路，要求輸出電壓范圍是0.5V,4.5V，對應的溫度范圍是0,100。溫度靈敏度：第三十六張，PPT共五十一頁，創(chuàng)作于2022年6月Pt100熱電阻的測量電路恒流法測溫電路無論Rt是否變化，流經(jīng)的電流不發(fā)生變化在國際溫標ITS-90標準中，常數(shù)A、B、C被分別規(guī)定為：1mA恒流源要求的靈敏度是40mv

12、/這里只有0.4mV/需要進行放大非線性容后再議第三十七張，PPT共五十一頁，創(chuàng)作于2022年6月靈敏度的100倍增益放大反向放大器恒流源實現(xiàn)100倍的增益第三十八張，PPT共五十一頁，創(chuàng)作于2022年6月【復習】加法器Port+與Port-虛斷，則有：虛短當：第三十九張，PPT共五十一頁，創(chuàng)作于2022年6月零點平移恒流源加法器調(diào)整參數(shù)，使其為500mv高次項做負貢獻第四十張，PPT共五十一頁，創(chuàng)作于2022年6月高階非線性校正溫度越高，誤差越大溫度越高，Vo1幅值越高利用Vo1反饋抑制非線性自行分析第四十一張，PPT共五十一頁，創(chuàng)作于2022年6月4.2 熱電阻part 3. 接線誤差消除

13、第四十二張，PPT共五十一頁，創(chuàng)作于2022年6月熱電阻的連接法由于熱電阻的阻值較小，所以導線電阻值不可忽略，故此在實際使用時，金屬熱電阻的連接方法不同，其測量精度也不同。測量電路經(jīng)常采用電橋電路，熱電阻的內(nèi)部引線方式有二線制、三線制、四線制三種。第四十三張，PPT共五十一頁，創(chuàng)作于2022年6月兩線制在熱電阻感溫元件的兩端各連一根導線的引線形式為兩線制。這種兩線制熱電阻配線簡單，安裝費用低，但要帶進引線電阻的附加誤差。采用兩線制的測溫電橋如下圖所示，(a)為接線示意圖，(b)為等效原理圖。從圖中可以看出熱電阻兩引線電阻Rw一起構(gòu)成電橋測量臂，這樣當引線電阻隨沿線環(huán)境溫度改變引起的阻值變化量2

14、Rw和熱電阻隨被測溫度變化的增量值Rt一起成為有效信號轉(zhuǎn)換成測量信號電壓，從而影響溫度測量精度。第四十四張，PPT共五十一頁，創(chuàng)作于2022年6月由歐姆定律可得：當Rr=Rt時，電橋平衡， V0=-I2*2r從V0的表達式可以看出，引線電阻的影響十分明顯，兩線制接線法的誤差很大。第四十五張，PPT共五十一頁，創(chuàng)作于2022年6月三線制構(gòu)成如圖所示測量電橋，可以消除內(nèi)引線電阻的影響，測量精度高于兩線制。目前三線制在工業(yè)檢測中應用最廣。而且，在測溫范圍窄或?qū)Ь€長，或?qū)Ь€途中溫度易發(fā)生變化的場合必須考慮采用三線制。第四十六張，PPT共五十一頁，創(chuàng)作于2022年6月由歐姆定律可得：當Rr=Rt時，電橋平衡，I1=I2，V0=0.可見三線制接線法可以很好的消除引線電阻，提高熱電阻的精度。第四十七張，PPT共五十一頁，創(chuàng)作于2022年6月四線制在熱電阻感溫元件的兩端各連兩根引線，此種引線形式稱為四線制熱電阻。此種引線方式不僅可以消除內(nèi)引線電阻的影響，而且在連接導線阻值相同時，可以消除該電阻的影響。熱端冷端測量電路不是電橋結(jié)構(gòu)第四十八張，PPT共五十一頁，創(chuàng)作于2022年6月四線測量用兩條附加的測試線提供恒定電流，另兩條測試線測量未知電阻的電壓降，在電壓表輸入阻抗足夠高的條件