溫度傳感器的應(yīng)用

關(guān)于溫度傳感器的應(yīng)用第1頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月Page2溫度傳感器的類型TemplateforMicrosoftPowerPoint第2頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月Page3溫度傳感器的測溫范圍第3頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月Page4用比較法測量各種量（如電阻、電容、電感等）的儀器。最簡單的是由四個(gè)支路組成的電路。各支路稱為電橋的“臂”。如圖電路中有一電阻為未知（Ｒ2），一對(duì)角線中接入直流電源Ｕ，另一對(duì)角線接入檢流計(jì)Ｇ?？梢酝ㄟ^調(diào)節(jié)各已知電阻的值使Ｇ中無電流通過，則電橋平衡，未知電阻Ｒ2＝Ｒ1·Ｒ４/Ｒ3。圖2中，非平衡電橋的BD兩端接負(fù)載電阻為Ro的電壓表。該電橋不需要調(diào)平衡，只要測量輸出電壓Uo或電流Io，就可得到Rx值。當(dāng)負(fù)載電阻Ro→∞（即電橋輸出處于開路狀態(tài)）時(shí)，Io=0，電橋輸出端接數(shù)字電壓表或高輸入阻抗放大器時(shí)屬這種情況。電橋第4頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月Page5電橋R0較大時(shí)，I0趨向于零

因Io=0，故I1=I4，I2=I3，根據(jù)分壓原理，輸出電壓Uo為：即設(shè)室溫t=t0時(shí)，Rx=Rx0，當(dāng)溫度t=t0+Dt時(shí)，Rx=Rx0+DRx，由（4-22-3）式求得電壓Uo為：第5頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月Page6測溫原理由于溫度變化而引起的溫度傳感器的阻值變化較小，通常采用電橋構(gòu)成放大器。當(dāng)溫度傳感器的阻值發(fā)生變化時(shí)，電橋的兩臂出現(xiàn)不平衡。這使得電橋輸出一個(gè)毫幅級(jí)的電壓而供中間級(jí)放大器放大，再經(jīng)后續(xù)電路測量。電橋輸出電壓的值可以通過下式求得：

第6頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月Page7熱電阻傳感器熱電阻：電阻值隨溫度變化的溫度檢測元件。金屬熱電阻的阻值與溫度的關(guān)系：

RT=R0[1+a(T-T0)+b(T-T0)2...]

式中，Rt為溫度t時(shí)的阻值；Rt0為溫度t0（通常t0=0℃）時(shí)對(duì)應(yīng)電阻值；α為溫度系數(shù)。

半導(dǎo)體熱電阻的阻值與溫度的關(guān)系：

RT=AeB/t

式中Rt為溫度為t時(shí)的阻值；A、B取決于半導(dǎo)體材料的結(jié)構(gòu)的常數(shù)。

第7頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月Page8采用熱電阻構(gòu)成的測溫儀器有電橋、直流電位差計(jì)、電子式自動(dòng)平衡計(jì)量儀器、動(dòng)圈比率式計(jì)量儀器、動(dòng)圈式計(jì)量儀器、數(shù)字溫度計(jì)等用熱電阻進(jìn)行溫度測量時(shí)的接法有四線式接法、三線式接法、二線式接法第8頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月Page9熱電阻傳感器的四線式接法為了消除熱電阻測量電路中電阻體內(nèi)

導(dǎo)線以及連線引起的誤差，在右圖所

示的電橋及直

流電位差計(jì)或數(shù)字電壓

表中，熱電阻體采用４線連接方式，

這樣，可用于對(duì)標(biāo)準(zhǔn)電阻溫度計(jì)進(jìn)行

校正，并能對(duì)溫度進(jìn)行高精度的測

量。

如圖所示為熱電阻傳感器構(gòu)成的電橋測溫計(jì)。圖中，Ｒｘ為熱電阻體構(gòu)成的電阻元

件，Ｇ為檢流計(jì)或微電流檢測器，Ｒ為固定電阻，R１～Ｒ４為平衡調(diào)節(jié)電阻，S為切換開關(guān),L1、L2為熱電阻體內(nèi)導(dǎo)線。

檢流計(jì)上部的電壓:VGU=[RX/(RX+R)]U

下部的電壓：VGD=[R4/(R3+R4)]U

檢流計(jì)的電壓：VG=VGU-VGD={(RXR3-R4R)/[(R3+R4)(R+RX)]}.U

由上式可見只要RX的值發(fā)生變化，則VG發(fā)生變化

第9頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月Page10另一種四線式接法右圖中R為固定電阻，R１～Ｒ４為平衡調(diào)節(jié)電

阻，S為切換開關(guān),L1、L2為熱電阻體內(nèi)導(dǎo)線。

設(shè)R1的左半部分電阻為R10,右半部分電阻為R11.R2的左半部分電阻為R20,右半部分電阻為R21.R3的左半部分為R30,右半部分為R31.當(dāng)S接到A時(shí)：檢流計(jì)的左半部分電壓為：VGL=[(R30+R10)/(R+R10+R30)]U右半部分電壓為：VGR=[(RX+R21)/(RX+R21+R)]U則檢流計(jì)和R11、R20兩邊的電壓為：

VG=VGL-VGR={(R21R30+RR30-RXR1-RRX)/[(R+R1+R30)(RX+R21+R)]}U當(dāng)S接到B時(shí)：檢流計(jì)的左半部分電壓為：VGL=[(R30+R10+RX)/(R+R10+R30+RX)]U右半部分電壓為：VGR=[R21/(R21+R)]U則檢流計(jì)和R11、R20兩邊的電壓為：

VG=VGL-VGR={(R21R-RR30-R10R-RRX)/[(R+R10+R30+RX)(R21+R)]}

第10頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月Page11熱電阻構(gòu)成電位差計(jì)或數(shù)字電壓表Ｒｘ為熱電阻體構(gòu)成的電阻元件，ＲＳ為標(biāo)準(zhǔn)電阻，Ｒｈ為電流調(diào)節(jié)電阻，Ｓ為切換開關(guān)。

VRs=[RS/(Rh+RS+RX)]UVRx=[Rx/(Rh+RS+RX)]U

通過電位差計(jì)或數(shù)字電壓表測出VRs與VRx的差值從而確定出溫度第11頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月Page12溫度傳感器的三線式接法

采用３線式連接方式時(shí)使用的導(dǎo)線必須是材質(zhì)、線徑、長度及電阻值相等，而且在全長導(dǎo)線內(nèi)溫度分布相同。這種方式可以消除熱溫度傳感器電阻內(nèi)導(dǎo)線及連線引起的大部分誤差，一般的溫度測量大都采用這種接線方式。不難算出檢流計(jì)兩邊的電壓為：

VG={(RRx-RR3)/[(Rx+R)(R+R1)]}U圖a）為電橋或動(dòng)圈式計(jì)量儀器圖ｂ）為帶放大器的動(dòng)圈式計(jì)量儀器放大器兩輸入端的電壓為：

V={(RRx-RR3)/[(Rx+R)(R+R1)]}U第12頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月Page13圖ｃ）為電子自動(dòng)平衡式計(jì)量儀器，圖ｄ）為數(shù)字式溫度計(jì)

設(shè)RP上端的電壓為RPU,下端電壓為RPD,圖C)中放大器兩邊的電壓為：

UA=[(2RPD+Rx-R-RP)/(2RP+2R+Rx)]U第13頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月Page14三線式接法能消除誤差的原理PT100引出的三根導(dǎo)線截面積和長度均

相同(即r1=r2=r3)，測量鉑電阻的電路

一般是不平衡電橋，鉑電阻(Rpt100)作

為電橋的一個(gè)橋臂電阻，將導(dǎo)線一根(r1)

接到電橋的電源端，其余兩根(r2、r3)

分別接到鉑電阻所在的橋臂及與其相鄰

的橋臂上，這樣兩橋臂都引入了相同阻

值的引線電阻，電橋處于平衡狀態(tài)，引

線線電阻的變化對(duì)測量結(jié)果沒有任何影

響。第14頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月Page15熱電阻傳感器的二線式接法右圖所示電路為采用２線式連接方式，

這種接線方式不能消除連線電阻隨溫度

變化引起的誤差，為此，應(yīng)確保連線電

阻值遠(yuǎn)低于測溫的熱電阻值。一定要將

外部的電阻值調(diào)整到計(jì)量儀器說明書中

提供的標(biāo)稱值。外部電阻是指接在計(jì)量

儀器的測量端子外側(cè)的導(dǎo)線及測溫?zé)犭?/p>

阻體內(nèi)導(dǎo)線所組成的電路的電阻，不包

括由熱電阻體構(gòu)成的電阻元件的電阻。

采用熱電阻進(jìn)行高精度的溫度測量時(shí)，

不希望采用２線式連接方式，即使采用也要使用電阻補(bǔ)償導(dǎo)線

檢流計(jì)兩邊的電壓為：UG={(RxR-RRP)/[(R+Rx)(R+RP)]}U

第15頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月Page16

采用電阻補(bǔ)償導(dǎo)線的２線式連接方式采用這種2線式接法和三線式接法有同樣的效果圖a）為電橋或動(dòng)圈式測溫計(jì)，圖b）為電子自動(dòng)平衡式計(jì)量儀器第16頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月Page173線式鉑熱電阻實(shí)用電路第17頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月Page18

相關(guān)計(jì)算(起始值)

由于A1放大器的虛短和虛段特性,V+=V-,I+=I-=0,則RA和RB兩端的電壓為穩(wěn)壓管兩端的電壓，即是5V,所以VT1集電極的電流為：i=5/(RA||RB)=1mART的初始阻值為：RT=100ΩB點(diǎn)電壓為：VB=1(mA)X(2r+100)b點(diǎn)電壓為：VA=1(mA)X(r+100)先討論r對(duì)電路的影響(此時(shí)R0=R1=0)：從B點(diǎn)看，則b點(diǎn)電壓為0，此時(shí),V+=V-=0,流過R2和R3電流相同，則增益為：A1=-(R3/R2)(1+R5/R4)=-(1+R5/R4)

從b點(diǎn)看，則B點(diǎn)電壓為0，由虛短和虛斷特性，且R2=R3增益為：A2=(1+R3/R2)(1+R5/R4)=2(1+R5/R4)則輸出為：U0=VBA1+VAA2=100(1+R5/R4)

當(dāng)溫度無變化時(shí)電路輸出電壓為0：B'點(diǎn)的電壓為(此時(shí)此時(shí)R0=R1≠0)：VB'=1(mA)X(2r+200)，從B'點(diǎn)看到的增益和從B看到的增益相同，而且b點(diǎn)增益也不變。則輸出電壓為：U0=VB'A1+VAA2=0第18頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月Page19相關(guān)計(jì)算（動(dòng)態(tài)值）當(dāng)溫度變化時(shí)，設(shè)電阻值變化為?R.由前面知道：VB'=1(mA)X(2r+200+?R) VA=1(mA)X(r+100+?R)

電路的增益不變，則電路的輸出值：U0=VB'A1+VAA2

=-(1+R5/R4)

X1(mA)X(2r+200+?R)+2(1+R5/R4)X1(mA)X(r+100+?R)=-(1+R5/R4)?R(mV)

可見，電路輸出信號(hào)的增益主要取決于R5/R4的比值。調(diào)節(jié)R5/R4的比值就可以改變電路增益的大小。圖第19頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月Page20

電容的作用濾波電容用在電源整流電路中，用來濾除交流成分。使輸出的直流更平滑。去耦電容用在放大電路中不需要交流的地方，用來消除自激，使放大器穩(wěn)定工作。旁路電容用在有電阻連接時(shí)，接在電阻兩端使交流信號(hào)順利通過。在數(shù)字電路中由于電路有很高的頻率，就對(duì)電流的需求忽高忽低，使得電源有了一定頻率的變化。所以在一般的數(shù)字IC的電源旁路都有去耦電容，大小一般為0.1uF.0.1μF的去耦電容對(duì)于10MHz以下的噪聲有較好的去耦效果，對(duì)40MHz以上的噪聲幾乎不起作用。1μF、10μF的電容，并行共振頻率在20MHz以上，去除高頻噪聲的效果要好一些.對(duì)于同一個(gè)電路來說，旁路（bypass）電容是把輸入信號(hào)中的高頻噪聲作為濾除對(duì)象，把前級(jí)攜帶的高頻雜波濾除，而去耦（decoupling）電容也稱退耦電容，是把輸出信號(hào)的干擾作為濾除對(duì)象。第20頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月Page21熱電偶傳感器熱敏電阻加熱時(shí)，溫度從Ｔａ變化到Ｔ０時(shí)，熱敏電阻的溫度Ｔｕ為：

Ｔｕ＝Ｔａ＋0.632（Ｔ０－Ｔａ）

這種熱響應(yīng)特性如圖所示。圖中，熱敏電阻冷卻時(shí)從Ｔ０變到Ｔａ，或加熱時(shí)從Ｔａ變到Ｔ０時(shí)，冷卻或加熱到Ｔ０與Ｔａ間溫度差的63.2％需要的時(shí)間稱為熱時(shí)間常數(shù)τ。第21頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月Page22熱敏電阻的基本連接方式圖ａ是１個(gè)熱敏電阻ＲＴ與１個(gè)電阻ＲＳ的并聯(lián)方式，這可簡單構(gòu)成線性電路，若在５０℃以下的范圍內(nèi)，其非線性可抑制在±１％以內(nèi)，并聯(lián)電阻ＲＳ的阻值為熱敏電阻ＲＴ的阻值ＲＲＴ的0.35倍。圖ｂ和圖ｃ為合成電阻方式，溫度系數(shù)小，適用于寬范圍的溫度測量，測量精度也較高。圖ｄ為比率式，電路構(gòu)成簡單，具有較好的線性。第22頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月Page23右圖是采用熱敏電阻的溫度測量電路，圖ａ為并聯(lián)方式，熱敏電阻ＲＴ與電阻ＲＳ并聯(lián)，輸出ＵＯ為：U0=()Ub

式中，ＲＴＨ＝ＲＲＴ//ＲＳ。由于這種電路非常簡單，電源電壓的變化會(huì)直接影響輸出，因此，工作電源一般采用穩(wěn)壓電源。圖ｂ)為橋接方式，熱敏電阻作為橋的一臂，輸出為橋路之差，即為:

Ｕ0＝()Ua

式中，ＲＴＨ＝ＲＲＴ//ＲＳ。用熱敏電阻構(gòu)成的測溫計(jì)第23頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月Page24

圖c用熱敏電阻作為運(yùn)算放大器的反饋電阻的測溫電路，電路中2.5V基準(zhǔn)電壓與電阻形成的電流變換為與熱敏電阻阻值變化相應(yīng)的電壓，這作為運(yùn)算放大器A1的輸出電壓。該輸出電壓再經(jīng)運(yùn)算放大器A2后會(huì)被扣除一定的偏置電壓，于是A2的輸出電壓信號(hào)與溫度相對(duì)應(yīng)。該電路的熱敏電阻直接接在運(yùn)算放大器構(gòu)成的反相放大電路中，易受到外部感應(yīng)噪聲的影響，因此，重要的是熱敏電阻回路的布線要盡量短。根據(jù)繼承運(yùn)算放大器的性質(zhì)不難算得：

U0=

圖d是熱敏電阻與比較器組合的電路，其電路若達(dá)到設(shè)定溫度，則比較器A1開始工作，A1應(yīng)具有適當(dāng)時(shí)滯特性，這樣，電路就具有較好的快關(guān)特性。U+=[(1.5+RP)/(1.5+RP+RT||Rs)]UccU-=(1/2)UccU+>U-時(shí)比較器開始工作。

第24頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月Page25熱電敏的數(shù)字式體溫計(jì)第25頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月Page26熱電偶傳感器熱電偶：一端結(jié)合在一起的一對(duì)不同材料的導(dǎo)體，并應(yīng)用其熱電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)溫度測量的敏感元件。

如圖，若使T0為給定的恒定溫度，如趨為00C,則熱電動(dòng)勢僅為T一端（稱為測量端）溫度T的單值函數(shù)。則電動(dòng)勢電壓為：

EAB=(T,T0)=eAB(T)-f(T0)=f(T)-0=Φ(T)第26頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月Page27熱電偶的優(yōu)點(diǎn)熱電偶是將溫度變換為電量進(jìn)行檢測，因此方便紀(jì)律與控制。價(jià)廉而且容易買到，測量方法簡便而且精度高，測量時(shí)間也比較短。測量溫度范圍較寬，可以根據(jù)靈敏度與壽命選用熱電偶的種類與線徑?？梢詼y量較小物體的溫度以及狹窄所處的溫度。被測物體與計(jì)量儀器件的距離可較遠(yuǎn)，途中即使局部發(fā)生溫度變化，對(duì)測量值幾乎沒有影響第27頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月Page28熱電偶的缺點(diǎn)能使用的熱電偶的種類受到測量場環(huán)境的限制。除需要絕緣管和保護(hù)管以外，還需要基準(zhǔn)點(diǎn)或基準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)補(bǔ)償。精度限定為測量溫度或裸線溫度的0.2%左右。高溫或長期使用時(shí)由于環(huán)境的影響使其性能下降，因此，需要定期檢查與更換。組裝時(shí)手接觸或機(jī)油等使熱電偶受到污染而影響其壽命，出現(xiàn)測溫節(jié)點(diǎn)的短線故障以及外電路的短路事故。第28頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月Page29熱電偶實(shí)際應(yīng)用時(shí)要滿足以的條件熱電動(dòng)勢應(yīng)較大。高溫或低溫使用時(shí)，熱電動(dòng)勢穩(wěn)定，而且壽命長。耐熱性號(hào)，在高溫時(shí)還能保證有足夠的機(jī)械強(qiáng)度。耐腐蝕性強(qiáng)，對(duì)空氣等的環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)。對(duì)于同種類熱電偶的芯線其特性均勻，互換性強(qiáng)。價(jià)廉而且容易買到第29頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月Page30基準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)熱電偶的熱電勢由熱電偶的兩觸點(diǎn)間誤差決定，為此，需要設(shè)定作為基準(zhǔn)的結(jié)點(diǎn)，即基準(zhǔn)結(jié)點(diǎn)。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)點(diǎn)用冷結(jié)點(diǎn)，然而，這個(gè)冷結(jié)點(diǎn)的溫度變化并不意味著時(shí)測量的溫度。因此，要確定不同方式的基準(zhǔn)結(jié)點(diǎn)，即冰點(diǎn)式基準(zhǔn)結(jié)點(diǎn)、電子冷卻式基準(zhǔn)結(jié)點(diǎn)、恒溫式基準(zhǔn)結(jié)點(diǎn)、補(bǔ)償式基準(zhǔn)結(jié)點(diǎn)和室溫式基準(zhǔn)結(jié)點(diǎn)等。如右圖為冰點(diǎn)式基準(zhǔn)結(jié)點(diǎn)。由于冰水保持熱平衡，因此，基準(zhǔn)結(jié)點(diǎn)就保持在冰點(diǎn)處。第30頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月Page31補(bǔ)償式基準(zhǔn)結(jié)點(diǎn)恒溫槽式基準(zhǔn)結(jié)點(diǎn)是用溫度調(diào)節(jié)器將基準(zhǔn)結(jié)點(diǎn)的溫度調(diào)整為恒定溫度，這時(shí)，用溫度計(jì)測量基準(zhǔn)結(jié)點(diǎn)的溫度，需要對(duì)基準(zhǔn)結(jié)點(diǎn)的溫度進(jìn)行補(bǔ)償。如右圖，這是在測量儀器的一部分測量電路中，采用溫度系數(shù)較大的基準(zhǔn)結(jié)點(diǎn)補(bǔ)償電阻RC,將基準(zhǔn)結(jié)點(diǎn)的溫度變化引起的電壓變化加到熱電偶的熱電勢中對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償?shù)姆绞?，工作電源采用電池或穩(wěn)壓二極管構(gòu)成的穩(wěn)壓電源。第31頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月Page32對(duì)基準(zhǔn)溫度結(jié)點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)償對(duì)于基準(zhǔn)結(jié)點(diǎn)溫度校正為00C的熱電偶溫度計(jì)，若使用時(shí)其基準(zhǔn)結(jié)點(diǎn)溫度為t0（0C），則溫度結(jié)點(diǎn)