試驗(yàn)九溫度傳感器設(shè)計(jì)性試驗(yàn)講義

實(shí)驗(yàn)九溫度傳感器設(shè)計(jì)傳感器是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將檢測感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號(hào)或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲(chǔ)、顯示、記錄和控制等要求。它是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測和自動(dòng)控制的首要環(huán)節(jié)。傳感器一般由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和基本轉(zhuǎn)換電路三部分組成。其中，敏感元件用于感知被測量，并輸出與被測量成確定關(guān)系的某一物理量；轉(zhuǎn)換元件將敏感元件的輸出量轉(zhuǎn)換成電路參量；轉(zhuǎn)換電路將上述電路參量轉(zhuǎn)換成電學(xué)量進(jìn)行輸出。物理學(xué)中的溫度用以表征物體的冷熱程度。而溫度在具體的計(jì)量時(shí)，一般需要通過物體隨溫度變化的某些特性來間接測量。溫度傳感器就是將溫度信息轉(zhuǎn)換成易于傳遞和處理的電信號(hào)的傳感器。在科技日新月異的今天，溫度傳感器的應(yīng)用尤其廣泛。在工業(yè)方面，溫度傳感器可應(yīng)用于各種對(duì)溫度有要求的產(chǎn)業(yè)，如金屬冶煉，用于控制加熱熔爐的溫度以及冷卻金屬；航天領(lǐng)域，用于檢測頂流罩、航天服等的耐熱及耐寒程度等。在化學(xué)方面，關(guān)于對(duì)溫度有嚴(yán)格要求的化學(xué)反應(yīng)，需要高精度的溫度傳感器幫助控制反應(yīng)過程中的特定溫度。在農(nóng)業(yè)方面，溫度傳感器可以應(yīng)用在溫室培養(yǎng)的溫度控制，對(duì)于農(nóng)作物新品種開發(fā)及溫室栽培起著重要作用。在軍事方面，可應(yīng)用溫度傳感器對(duì)熱源進(jìn)行探測，起到偵查作用。在醫(yī)療方面，溫度傳感器可用于體溫探熱器等探測體溫的儀器?！緦?shí)驗(yàn)?zāi)康摹?、了解Pt100箱電阻、Cu50銅電阻的溫度特性及其測溫原理。2、學(xué)習(xí)運(yùn)用不同的溫度傳感器設(shè)計(jì)測溫電路?！緦?shí)驗(yàn)原理】熱電阻傳感器是利用導(dǎo)體的電阻隨溫度變化的特性，對(duì)溫度和溫度有關(guān)的參數(shù)進(jìn)行檢測的裝置。熱電阻測溫是基于金屬導(dǎo)體的電阻值隨溫度的增加而增加這一特性來進(jìn)行溫度測量的。大多數(shù)熱電阻在溫度升高1℃時(shí)電阻值將增加0.4%?0.6%。熱電阻大都由純金屬材料制成，目前應(yīng)用最多的是鉑和銅，此外，現(xiàn)在也逐漸采用鎳、鎰和銠等材料制造熱電阻。能夠用于制作熱電阻的金屬材料必須具備以下特性：（1）電阻溫度系數(shù)要盡可能大和穩(wěn)定，電阻值與溫度之間應(yīng)具有良好的線性關(guān)系；（2）電阻率高，熱容量小，反應(yīng)速度快；（3）材料的復(fù)現(xiàn)性和工藝性好，價(jià)格低；（4）在測量范圍內(nèi)物理和化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定。1、Pt100箱電阻的測溫原理金屬箱具有電阻溫度系數(shù)大，感應(yīng)靈敏；電阻率高，元件尺寸?。浑娮柚惦S溫度變化基本呈線性關(guān)系；在測溫范圍內(nèi)，物理、化學(xué)性能穩(wěn)定，長期復(fù)現(xiàn)性好，測量精度高，是目前公認(rèn)制造熱電阻的最好材料。但箱在高溫下，易受還原性介質(zhì)的污染，使鉑絲變脆并改變電阻與溫度之間的線性關(guān)系，因此使用時(shí)應(yīng)裝在保護(hù)套管中。利用箱的此種物理特性制成的傳感器稱為箱電阻溫度傳感器。鉑電阻溫度傳感器精度高，穩(wěn)定性好，應(yīng)用溫度范圍廣，是中低溫區(qū)（-200?650℃）最常用的一種溫度檢測器，不僅廣泛應(yīng)用于工業(yè)測溫，

而且被制成各種標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)(涵蓋國家和世界基準(zhǔn)溫度)供計(jì)量和校準(zhǔn)使用。通常使用的伯電阻溫度傳感器零度阻值為100Q，電阻變化率為0.3851Q/C。按IEC751國際標(biāo)準(zhǔn)，溫度系數(shù)TCR=0.003851，Pt100(Ro=100Q)、Pt1000(Ro=1000Q)為統(tǒng)一設(shè)計(jì)型箱電阻。TOC\o"1-5"\h\zTCR=(R100-R0)/(R0x100) (1)Pt100在100℃時(shí)標(biāo)準(zhǔn)電阻值R100=138.51Q，Pt1000在100℃標(biāo)準(zhǔn)電阻值R100=1385.1Q。Pt100箱電阻的阻值隨溫度變化而變化滿足下列公式：Rt=R0[1+At+Bt2+C(t-100)t3] -200<t<0℃ (2)Rt=R0(1+At+Bt2) 0<t<850℃ (3)Rt表示t℃時(shí)的電阻值；R0表示0℃時(shí)的電阻值。公式(2)和(3)中A、B、C的系數(shù)分別為：A=3.90802x10-3C-1；B=-5.802x10-7C-2；C=-4.27350x10-12C-4。伯電阻溫度傳感器在電路連接上通常采用三線制：在熱電阻的根部的一端連接一根引線，另一端連接兩根引線，這種方式通常與電橋配套使用，可以較好的消除引線電阻的影響，是工業(yè)過程控制中的最常用的引線方式(如圖1所示)。三線制接法要求引出的三根導(dǎo)線截面積和長度均相同，測量伯電阻的電路一般是不平衡電橋，珀電阻作為電橋的一個(gè)橋臂電阻，將導(dǎo)線一根接到電橋的電源端，其余兩根分別接到伯電阻所在的橋臂及與其相鄰的橋臂上，當(dāng)橋路平衡時(shí)，通過計(jì)算可知：nRRrR(4)R=13+—1一r(4)tRR2 2當(dāng)R1=R2時(shí)，導(dǎo)線電阻的變化對(duì)測量結(jié)果沒有任何影響，這樣就消除了導(dǎo)線電阻帶來的測量誤差。圖1圖1三線制電路圖2、Cu50銅電阻溫度特性原理銅電阻測溫原理與鉑電阻一樣，利用導(dǎo)體電阻隨溫度變化的特性。而銅熱電阻測溫范圍小，在-50?150℃范圍內(nèi)，穩(wěn)定性好，便宜；但體積大，機(jī)械強(qiáng)度較低。銅電阻在測溫范圍內(nèi)電阻值和溫度呈線性關(guān)系，溫度系數(shù)大，適用于無腐蝕介質(zhì)。通常用于測量精度不高的場合。銅電阻有R=50Q和R=100Q兩種，它們的分度號(hào)為Cu50和Cu100。常用的銅電阻Cu50在-50?150℃以內(nèi)，電阻R與溫度t的關(guān)系為：tRt=R0（1+at） （5）式中R0為溫度為0℃時(shí)的電阻值（Cu50在0℃時(shí)的電阻值為R0=50Q）.a是電阻溫度系數(shù)，a=4.25?4.28x10-3/℃。銅電阻通常是用直徑為0.1mm的絕緣銅絲繞在絕緣骨架上，再用樹脂保護(hù)，當(dāng)被測介質(zhì)中有溫度梯度存在時(shí)，所測得的溫度是感溫元件所在范圍內(nèi)介質(zhì)層中的平均溫度。銅電阻與鉑電阻測溫接線方法相同，一般也是三線制?！緦?shí)驗(yàn)儀器】DH-SJ型溫度傳感器實(shí)驗(yàn)裝置，DH-VC1直流恒壓恒流源，九孔板，數(shù)字萬用表。一.DH-SJ5溫度傳感器實(shí)驗(yàn)裝置DH-SJ5型溫度傳感器（圖2）實(shí)驗(yàn)裝置是以分離的溫度傳感器探頭元器件，單個(gè)電子元件，以九孔板為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)來測量溫度的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)裝置。該實(shí)驗(yàn)裝置提供了多種測溫方法，自行設(shè)計(jì)測溫電路來測量溫度傳感器的溫度特性。實(shí)驗(yàn)配有鉑電阻Pt100、熱敏電阻（NTC和PTC）、銅電阻Cu50、銅-康銅熱電偶、PN結(jié)、AD590和LM35等溫度傳感器。圖2DH-SJ5型溫度傳感器.本實(shí)驗(yàn)裝置采用智能溫度控制器控溫。具有以下的特點(diǎn)：1、控溫精度高、范圍廣、加熱所需的溫度可自由設(shè)定，采用數(shù)字顯示。2、使用低電壓恒流加熱、安全可靠、無污染。加熱電流連續(xù)可調(diào)。3、本儀器提供的是單個(gè)分離的溫度傳感器，形象直觀，給實(shí)驗(yàn)帶來了很大的方便，可對(duì)不同傳感器的溫度特性進(jìn)行比較，更易于掌握它們的溫度特性。4、采用九孔板作為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，提供設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。5、加熱爐配有風(fēng)扇，在做降溫實(shí)驗(yàn)過程中可采用風(fēng)扇快速降溫。.溫控儀與恒溫爐的連線連線見上圖2所示：Pt100帶紅色端頭的做控溫用，控溫Pt100的插頭與溫控儀上的插座顏色對(duì)應(yīng)得相連接。紅f紅；黃f黃；藍(lán)f藍(lán)。警告：在做實(shí)驗(yàn)中或做完實(shí)驗(yàn)后，禁止打開恒溫爐的外罩恒溫爐！二、DH-VC1直流恒壓恒流源該電源是專門為九孔板物理設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)而設(shè)計(jì)的。該電源可以提供：①0?30V,0.5A的電壓源；②0?240mA的電流源；③±3.3V,±5V,±8V,±12V,±15V的電壓源。并且其體積小，重量輕，避免了使用多種電源帶來的管理和使用上的不便。主要技術(shù)指標(biāo)：1、工作環(huán)境條件：溫度范圍5℃?35℃，相對(duì)濕度25%?85%。2、額定工作電源電壓：?220V±10%，50Hz。3、0?30V，0.5A電壓源：短路電流0.5A，電壓范圍0?30±1V，電壓紋波Vp-p<1mV。4、0?240mA，19V電流源：電流范圍0?240±10mA，開路電壓19±1V，電流紋波<1pAo5、±3.3V,±5V，±8V,±12V,±15V電壓源：精度±0.1V，最大輸出電流250mA，紋波Vp-p<1mV。三、九孔板九孔板的面板結(jié)構(gòu)如下圖3所示。日字型的結(jié)構(gòu)中每個(gè)插孔都是相互連通的。但任何兩個(gè)日字型結(jié)構(gòu)之間是不導(dǎo)通的。田字型的結(jié)構(gòu)中每個(gè)插孔都是相互連通的。但兩任何個(gè)田字型結(jié)構(gòu)之間是不導(dǎo)通的。一字型的結(jié)構(gòu)中每個(gè)插孔都是相互連通的。但兩個(gè)一字型結(jié)構(gòu)之間是不導(dǎo)通的。我們可以用元器件，導(dǎo)線和連接器等連接成我們需要的電路。圖3九孔板結(jié)構(gòu)圖【實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟】

號(hào)50號(hào)50電流輸出)直流恒壓恒流源圖4恒流法接線圖.按照?qǐng)D4接線。帶紅色端頭的控溫Pt100放入恒溫爐中，三色引線連接到溫度傳感實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)應(yīng)位置上。用DH-VC1直流恒壓恒流源來提供I0=1mA直流電流，用萬用表測量取樣電阻R0兩端電壓為1V。（調(diào)節(jié)DH-VC1上恒流源的電流粗調(diào)、細(xì)調(diào)旋鈕使其兩端的電壓為1V，注意：將電壓由0?1V緩慢調(diào)節(jié)。）.將溫度傳感器（熱電阻）直接插在溫度傳感器實(shí)驗(yàn)裝置的恒溫爐中。通過數(shù)字萬用表測量熱電阻兩端的電壓進(jìn)而得出不同溫度下的電阻（由URt/I0=Rt）。通過溫控儀加熱，在不同的溫度下，觀察Pt100箱電阻和Cu50銅電阻的阻值的變化，從室溫到100℃，每隔5c（或自定度數(shù)）測一個(gè)數(shù)據(jù)，將測量數(shù)據(jù)逐一記錄在表格內(nèi)。.以溫度為橫軸，以電阻值為縱軸，按等精度作圖的方法，用所測的各對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)作出Rt-t曲線。.分析比較它們的溫度特性。注：由于降溫過程時(shí)間較長，所以可以Pt100伯電阻升溫過程中測量，Cu50銅電阻降溫過程中測量，以節(jié)省實(shí)驗(yàn)時(shí)間。【注意事項(xiàng)】1、開機(jī)前要將DH-VC1直流恒壓恒流源的電流粗調(diào)、電流細(xì)調(diào)旋鈕逆時(shí)針旋到底。2、DH-SJ溫度傳感器實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)定溫度時(shí)，溫度上限不能超過120℃；加熱到預(yù)設(shè)溫度后，即刻將加熱電流檔位打到關(guān)，然后風(fēng)扇電流檔位打到開，加熱電流逆時(shí)針調(diào)節(jié)到最小，再把溫度設(shè)定到室溫或室溫以下。3、Pt100箱電阻和Cu50銅電阻兩個(gè)電阻的導(dǎo)線嚴(yán)禁拉扯，以免斷線，影響測量。【預(yù)習(xí)思考題】.比較Pt100箱電阻和Cu50銅電阻作為溫度傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)？.在實(shí)驗(yàn)操作過程中，為什么要用萬用表測量取樣電阻R0兩端電壓并使之調(diào)整為IV？.實(shí)驗(yàn)過程中如何消除引線電阻對(duì)測量結(jié)果的影響？【數(shù)據(jù)處理】.列表記錄Pt100箱電阻和Cu50銅電阻的溫度和電壓值。.計(jì)算Pt100箱電阻和Cu50銅電阻在不同溫度下的電阻值。.繪制兩種材料電阻隨溫度變化的曲線。.用逐差法計(jì)算Cu50銅電阻的電阻隨溫度變化的線性方程Rt=R0（1+at）。Pt100箱電阻數(shù)