傳感檢測技術(shù)及其應(yīng)用

1、傳感檢測技術(shù)及其應(yīng)用 2022/8/311第1頁，共48頁，2022年，5月20日，16點49分，星期日第八章 熱電式傳感器及應(yīng)用熱電式傳感器概念 利用轉(zhuǎn)換元件的電磁參量隨溫度變化的特性，對溫度和與溫度有關(guān)的參量進(jìn)行檢測的裝置。分類 熱電阻傳感器：溫度的變化轉(zhuǎn)化為電阻變化。金屬熱電阻式傳感器簡稱為熱電阻。 半導(dǎo)體熱電阻式傳感器簡稱為熱敏電阻。 熱電偶傳感： 將溫度變化轉(zhuǎn)換為熱電勢變化。 2022/8/312第2頁，共48頁，2022年，5月20日，16點49分，星期日8.1熱電阻傳感器及應(yīng)用 熱電阻傳感器的原理是基于熱電阻效應(yīng):物質(zhì)的電阻率隨溫度變化而變化的現(xiàn)象。一、熱電阻材料的特點及性能電阻

2、溫度系數(shù)高，以提高其靈敏度。電阻率（比電阻）高，以減少電阻尺寸。熱容量要小，以提高其響應(yīng)速度。物理和化學(xué)性能穩(wěn)定。線性度好。良好的工藝性。 目前最廣泛使用的熱電阻絲材料是銅（Cu)和鉑(Pt)，另外隨著低溫和超低溫測量技術(shù)的發(fā)展，已開始采用銦、錳等作為熱電阻的材料。2022/8/313第3頁，共48頁，2022年，5月20日，16點49分，星期日 1.鉑熱電阻 鉑熱電阻性能穩(wěn)定、重復(fù)性好、精度高，所以在工業(yè)上得到了廣泛應(yīng)用。其測量范圍一般為-200650。 數(shù)學(xué)模型：當(dāng)溫度t在-2000時： 當(dāng)溫度t在0640時： 式中：Rt鉑熱電阻在t 時的電阻值；R0鉑熱電阻在0 時的電阻值；A系數(shù)（3.

3、9684710-3/ ）；B系數(shù)（-5.84710-7/ ）； C系數(shù)（-4.2210-12/ ）2022/8/314第4頁，共48頁，2022年，5月20日，16點49分，星期日2 .銅熱電阻 由于鉑是貴重金屬,因此,在一些測量精度要求不高且溫度較低的場合,普遍采用銅熱電阻進(jìn)行溫度測量，其測量范圍一般為-50150。數(shù)學(xué)模型：模型1：在精確計算時，常用多項來表示式中：A系數(shù)（4.2889910-3/ ）； B系數(shù)（-2.13310-7/ ） C系數(shù)（1.23310-9/ ） 模型2：為了計算簡單，常用二項式來計算0為在初始溫度t0為時的溫度系數(shù)。2022/8/315第5頁，共48頁，2022

4、年，5月20日，16點49分，星期日二、熱電阻種類及接線方式熱電阻絲狀熱電阻薄膜熱電阻厚膜熱電阻 在工業(yè)應(yīng)用中，敏感元件多放置在工作現(xiàn)場，而儀表、控制室則距離較遠(yuǎn)，因此必須考慮長距離傳送的引線影響問題。工業(yè)中常用二線制、三線制、四線制電橋。1.二線制r1=r2=r,I1=I2=I,Vs=e1-e2e1=I1(r1+Rt+r2)=I(2r+Rt)e2=I2R4=IR42022/8/316第6頁，共48頁，2022年，5月20日，16點49分，星期日Vs=e1-e2=I(2r+Rt)-IR4=I(Rt-R4)+2Ir2Ir為引線電阻的影響。2.三線制若I1=I2=I,r1=r2=r3=r 則有e1

5、=I1(r1+Rt+r3) =I(2r+Rt)e2=I2(RD+r2+r3) =I(2r+RD)所以VS=e1-e2 =I(RD-Rt)2022/8/317第7頁，共48頁，2022年，5月20日，16點49分，星期日4.四線制r1=r2=r3=r4如右圖，e1=I(Rt+r4) e2=Ir4則Vs=e1-e2=IRt2022/8/318第8頁，共48頁，2022年，5月20日，16點49分，星期日三、鉑熱電阻應(yīng)用的基本電路1.恒流工作電路e1e22022/8/319第9頁，共48頁，2022年，5月20日，16點49分，星期日如圖83所示。運放A1組成IV變換電路，運放A2組成反相輸入端比例

6、放大器。所謂恒流工作電路是指流過鉑電阻RT的電流為規(guī)定的恒定值。若設(shè)流過鉑電阻RT（t）的恒定電流為IIN，則根據(jù)電路結(jié)構(gòu)可作傳遞函數(shù)圖如圖831所示。則2022/8/3110第10頁，共48頁，2022年，5月20日，16點49分，星期日根據(jù)運放條件，流過鉑電阻RT（t）電流與流過R1的電流相等。若IIN=1mA,VR=2V,根據(jù)圖83中A1的外圍電路，IIN=(VRe1)/R1=1mA，則e1=VRIINR1=21mA1k=1V 可以通過調(diào)節(jié)R2、RP1、R3，使e2=1V。運放A1同相端電位e2的存在，可以抵消其輸出端電壓eOUT對反相端的偏置，即因0度時eOUT不為零而產(chǎn)生的偏置，使之

7、在0度時運放A1的輸出電壓eOUT位零： eOUT=e2IINRT(0)11mA1k=0鉑電阻方程、電路方程為2022/8/3111第11頁，共48頁，2022年，5月20日，16點49分，星期日所以設(shè)輸入溫度范圍為 。當(dāng)t=500度，可由eOUT求出A1的滿度輸出及靈敏度分別為若要求電路輸出電壓VOUT的溫度靈敏度為10mV/度，則可求得A2的放大倍數(shù)為2022/8/3112第12頁，共48頁，2022年，5月20日，16點49分，星期日若R4=10k，R524k，則RP2=3.2k 這樣，0度時輸出0V，500度時輸出5V。若取對應(yīng)0度輸出電壓為0V，和500度對應(yīng)電壓為5V的連線為擬合直

8、線，并令250度的輸出在擬合直線的中點，則可求得在250度時輸出相對最大滿刻度輸出的相對非線性誤差約為2，如圖所示。所以精確測量時，應(yīng)對非線性進(jìn)行線性化校正。2022/8/3113第13頁，共48頁，2022年，5月20日，16點49分，星期日由VOUT可知，恒流工作基本方程的輸出電壓二次項系數(shù)為負(fù)值，因此必須采用正反饋對二次非線性項進(jìn)行補償，如圖84所示。由運放A3對運放A1組成的IV變換器的輸出信號eOUT反相后形成電流負(fù)反饋，輸入運放A1的反相輸入端。根據(jù)電路可求得反饋電流IIN及反饋系數(shù)為由于A1的同相端接地，而在0度時輸出電壓不為零。為了在0度時使電路的輸出電壓VOUT為零，對運放2

9、022/8/3114第14頁，共48頁，2022年，5月20日，16點49分，星期日2022/8/3115第15頁，共48頁，2022年，5月20日，16點49分，星期日A2的反相端引入偏置電路RP1、R6,使0度時運放A2的反相電位為零，從而使電路輸出電壓VOUT為零。由此可以求得在0度時運放A1的輸出電壓 eOUT（0）與偏置量的關(guān)系 2022/8/3116第16頁，共48頁，2022年，5月20日，16點49分，星期日運放A2組成反向端輸入放大器。根據(jù)上述對電路各環(huán)節(jié)的分析，可畫出電路傳遞函數(shù)方框圖如圖所示。根據(jù)方框圖可求出電路輸出為：2022/8/3117第17頁，共48頁，2022年

10、，5月20日，16點49分，星期日要使VOUT(t)在0C時為零，必須有則VOUT(t)為這樣250 0C時， VOUT(t)2.5V,落在擬合直線的中點上。可以把2的誤差降到0.1%。2022/8/3118第18頁，共48頁，2022年，5月20日，16點49分，星期日2.恒壓工作電路eOUT2022/8/3119第19頁，共48頁，2022年，5月20日，16點49分，星期日如圖所示電橋，RP1為調(diào)零電阻，要求R8、R9并聯(lián)阻值等于0C時熱電阻的阻值RT(0)，在0C時電橋平衡。 當(dāng)溫度不為0C時，電橋的輸出電壓為：設(shè)放大電路的放大倍數(shù)為A電路的輸出電壓為2022/8/3120第20頁，共

11、48頁，2022年，5月20日，16點49分，星期日靈敏度為10mV/ C ，則放大電路的放大倍數(shù)為可取R7=2M，R6=14M,RP2=5M。由eOUT可以算出0500 0C溫度范圍內(nèi)，電橋輸出電壓靈敏度為1.416mV/C，若要求電路電壓輸出這樣， 可以計算出0500 C溫度范圍溫度點所對應(yīng)的輸出電壓，可以描繪出輸入輸出曲線，并可以計算出每點的非線性度，從而畫出非線性度曲線，最大非線性度約為4。2022/8/3121第21頁，共48頁，2022年，5月20日，16點49分，星期日可以看出，恒壓工作方式在沒有進(jìn)行非線性校正時的非線性誤差，比恒流工作方式未非線性校正的非線性誤差大。因此，應(yīng)用時

12、需要進(jìn)行線性化校正。 采用電壓正反饋進(jìn)行非線性校正的電路如圖8-6所示。正反饋電壓由電路的輸出電壓VOUT經(jīng)R3、RP3、R4分壓獲得。反饋電壓與電源電壓串聯(lián)相加，經(jīng)運放A1作為電橋工作電壓VB。設(shè)反饋電壓為UO，則反饋系數(shù)為2022/8/3122第22頁，共48頁，2022年，5月20日，16點49分，星期日2022/8/3123第23頁，共48頁，2022年，5月20日，16點49分，星期日根據(jù)電路圖中各環(huán)節(jié)的工作原理，可以畫出如圖所示傳遞函數(shù)框圖。2022/8/3124第24頁，共48頁，2022年，5月20日，16點49分，星期日由傳遞函數(shù)方框圖，可求得電路的輸出為：又所以有2022/

13、8/3125第25頁，共48頁，2022年，5月20日，16點49分，星期日這樣， 在0500 C溫度范圍，通過選擇合適的G2和，就能使最大非線性誤差降到0.3%。2022/8/3126第26頁，共48頁，2022年，5月20日，16點49分，星期日8.2熱敏電阻傳感器及應(yīng)用 熱敏電阻是由金屬氧陶瓷半導(dǎo)體化物材料經(jīng)成形、燒結(jié)等工藝制成的對溫度敏感的元件。一、熱敏電阻分類及結(jié)構(gòu) 熱敏電阻(Thermistor)常分為三類：負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻(NTCNegative TemperatureCoefficient Thermistor)，其阻值隨溫度上升而減小。使用溫度范圍為50300 ，主要用于溫

14、度測量；正溫度系數(shù)熱敏電阻(PTCPositive Tem-Perature Coefficient Thermistor),其阻值隨溫度上升而增大，具有開關(guān)特性， 50150 ；臨界溫度熱敏電阻(CTRCritical Temperature Resistor)2022/8/3127第27頁，共48頁，2022年，5月20日，16點49分，星期日,也具有開關(guān)特性，使用溫度范圍為0300 。 熱敏電阻有珠粒狀、圓柱狀和圓片狀。二、熱敏電阻的特性及特點 NTC和PTC特性曲線如圖所示。2022/8/3128第28頁，共48頁，2022年，5月20日，16點49分，星期日熱敏電阻與熱電阻相比，其特

15、點為：（1）靈敏度高，約為熱電阻的10倍；（2）體積小，重量輕，熱慣量小，適用于點溫度測量和動特測量；（3）阻值大，不需要考慮引線帶來的誤差；（4）工作壽命長；（5）非線性誤差大，常需要進(jìn)行非線性補償。三、熱敏電阻的線性化化1.串聯(lián)電阻法串聯(lián)電阻的大小為ERTR1選擇的平衡點溫度，一般為測溫區(qū)間的中點附近。2022/8/3129第29頁，共48頁，2022年，5月20日，16點49分，星期日2.并聯(lián)電阻法并聯(lián)定值電阻R1，則復(fù)合電阻為RTR13.電橋法如圖所示，在測量范圍不大時，可以獲得較滿意的結(jié)果。2022/8/3130第30頁，共48頁，2022年，5月20日，16點49分，星期日串聯(lián)在熱

16、敏電阻中的R的最佳值為四、測量電路1.串聯(lián)測量電路路2022/8/3131第31頁，共48頁，2022年，5月20日，16點49分，星期日五、熱敏電阻應(yīng)用2.電橋測量電路1.溫度控制2.溫度測量3.其它應(yīng)用2022/8/3132第32頁，共48頁，2022年，5月20日，16點49分，星期日8.3 熱電偶傳感器及應(yīng)用 熱電偶傳感器是目前接觸式測溫中應(yīng)用最廣泛的熱電式傳感器，其特點為：結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、測溫范圍寬、熱慣性小、準(zhǔn)確度高、輸出信號便于運距離傳輸?shù)取?以熱電效應(yīng)為工作原理而制成的感溫元件，稱為熱電偶。一、熱電效應(yīng)及熱電偶工作定律1.熱電效應(yīng) 將兩種不同性質(zhì)的導(dǎo)體A、B組成閉合回路，如

17、圖。若結(jié)點（1）、（2）處于不同的溫度時，兩者之間將產(chǎn)生一熱電勢，在回路中形成一定大小的電流，2022/8/3133第33頁，共48頁，2022年，5月20日，16點49分，星期日這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。熱電效應(yīng)產(chǎn)生的熱電勢由接觸電勢和溫差電勢兩部分組成。接觸電勢：溫差電勢：結(jié)論：（1）如果熱電偶兩電極的材料相同，即NA=NB,A=B，雖然兩端溫度不同，但閉合回路的總熱電勢仍為零。因此，熱電偶必須用兩種不同的材料作電極。（2）如果熱電偶兩電極材料不同，而熱電偶兩端的溫度相同，即T=T0，閉合回路中也不產(chǎn)生熱電勢。2022/8/3134第34頁，共48頁，2022年，5月20日，16點49分，星期

18、日1.工作定律（1）中間導(dǎo)體定律導(dǎo)體A、B組成的熱電偶，當(dāng)引入第三導(dǎo)體時，只要保持其兩端溫度相同，則對回路總熱電勢無影響，這就是中間導(dǎo)體定律。利用該定律可以將第三導(dǎo)體換成毫伏表，只要保證兩個結(jié)點溫度一致，就可以完成熱電勢測量而不影響熱電偶輸出。（2）連接導(dǎo)體定律回路總熱電勢等于熱電偶電勢EAB(T,Tn)與連接導(dǎo)線電勢EAB(Tn,T0)的代數(shù)和。2022/8/3135第35頁，共48頁，2022年，5月20日，16點49分，星期日連接導(dǎo)體定律是工業(yè)上運用補償導(dǎo)線進(jìn)行溫度測量的理論基礎(chǔ)。用公式表示為（3）中間溫度定律對于圖829，當(dāng)導(dǎo)體A與A、B與B材料分別相同時，連接導(dǎo)體定律為回路總熱電勢等

19、于EAB(T,Tn)與 的代數(shù)和。Tn稱為中間溫度。（4）參考電極定律2022/8/3136第36頁，共48頁，2022年，5月20日，16點49分，星期日參考電極C與各電極配對時總熱電勢為與兩電極A、B配對后電勢之差。二、熱電偶材料、分類及結(jié)構(gòu)1.熱電偶材料2.熱電偶分類3.熱電偶的結(jié)構(gòu)三、補償導(dǎo)線與冷端補償1.補償導(dǎo)線2022/8/3137第37頁，共48頁，2022年，5月20日，16點49分，星期日2.冷端補償（1）冷端溫度補償器（2）PN結(jié)溫度傳感器冷端補償2022/8/3138第38頁，共48頁，2022年，5月20日，16點49分，星期日（3）二端集成傳感器補償四、熱電偶的放大電

20、路2022/8/3139第39頁，共48頁，2022年，5月20日，16點49分，星期日五、非線性校正電路非線性校正的方法之一采用多項式，設(shè)溫度為T，則熱電偶的熱電勢E可表示為K型熱電偶的熱電勢近似表達(dá)式為2022/8/3140第40頁，共48頁，2022年，5月20日，16點49分，星期日當(dāng)溫度為600C，熱電勢為24.903mV時，根據(jù)上式可得Vout=600mV。若要獲得6000mV輸出電壓，把上式乘以10，則有當(dāng)溫度為300C，熱電勢為12.207mV時，可得 而溫度為600C，熱電勢為24.902mV時由上述可知：溫度與輸出電壓為良好的線性關(guān)系。因此，線性化電路的關(guān)鍵是求平方的運算。2022/