《傳感器與檢測技術(shù)》課件 項目2 溫度的檢測

項目2溫度檢測任務(wù)2.1基于熱電阻的溫度測量電路

任務(wù)2.2基于熱敏電阻的水溫上下限控制

任務(wù)2.3基于熱電偶的冶金加熱爐溫度檢測項目3溫度檢測項目背景溫度傳感器是通過物體隨溫度變化而改變某種特性來間接測量的。不少材料、元件的特性都隨溫度的變化而變化，所以能作溫度傳感器的材料相當多。溫度傳感器隨溫度而引起物理參數(shù)變化的有：膨脹、電阻、電容、而電動勢、磁性能、頻率、光學特性及熱噪聲等等。隨著生產(chǎn)的發(fā)展，新型溫度傳感器還會不斷涌現(xiàn)。由于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中溫度測量的范圍極寬，從零下幾百度到零上幾千度，而各種材料做成的溫度傳感器只能在一定的溫度范圍內(nèi)使用溫度傳感器與被測介質(zhì)的接觸方式分為兩大類：接觸式和非接觸式。接觸式溫度傳感器需要與被測介質(zhì)保持熱接觸，使兩者進行充分的熱交換而達到同一溫度。這一類傳感器主要有電阻式、熱電偶、PN結(jié)溫度傳感器等。非接觸式溫度傳感器無需與被測介質(zhì)接觸，而是通過被測介質(zhì)的熱輻射或?qū)α鱾鞯綔囟葌鞲衅?，以達到測溫的目的。這一類傳感器主要有紅外測溫傳感器。這種測溫方法的主要特點是可以測量運動狀態(tài)物質(zhì)的溫度（如慢速行使的火車的軸承溫度，旋轉(zhuǎn)著的水泥窯的溫度）及熱容量小的物體（如集成電路中的溫度分布）。溫度傳感器是最早開發(fā)，應用最廣的一類傳感器。溫度傳感器的市場份額大大超過了其他的傳感器。從17世紀初人們開始利用溫度進行測量。在半導體技術(shù)的支持下，本世紀相繼開發(fā)了半導體熱電偶傳感器、PN結(jié)溫度傳感器和集成溫度傳感器。本項目重點介紹熱電阻、熱敏電阻傳感器、熱電耦、工作原理和應用。任務(wù)2.1基于熱電阻的溫度測量電路任務(wù)導入：盛夏的下午，剛上大一的小能正在自己宿舍里用電腦在做作業(yè)，突然電腦熄屏了，電腦主機摸上去非常的熱，主機的風扇也不轉(zhuǎn)了，也開不了機了。小能急忙抱著電腦找到了自己的電工老師王老師，經(jīng)過王老師的檢查，原來是溫度檢測的電路壞了，導致環(huán)境溫度升高時風扇不轉(zhuǎn)。好學的小能一聽非常感興趣。什么是溫度檢測電路呢？由那些元件組成呢？在老師的講解下，小能了解了測溫電路的工作和熱電阻的工作原理。于是他決定自己用熱電阻制作一個測溫電路。熱電阻傳感器主要是利用電阻值隨溫度變化而變化這一特性來測量溫度及與溫度有關(guān)的參數(shù)。在溫度檢測精度要求比較高的場合，這種傳感器比較適用。目前較為廣泛的熱電阻材料為鉑、銅、鎳等，它們具有電阻溫度系數(shù)大、線性好、性能穩(wěn)定、使用溫度范圍寬、加工容易等特點。用于測量-200℃～+500℃范圍內(nèi)的溫度。相關(guān)知識1.熱電式傳感器

熱電式傳感器是一種將溫度變化轉(zhuǎn)換為電量變化的裝置。在各種熱電式傳感器中，把溫度量轉(zhuǎn)換為電勢和電阻的方法最為普遍。其中將溫度轉(zhuǎn)換為電勢的熱電式傳感器叫熱電偶，將溫度轉(zhuǎn)換為電阻值的熱電式傳感器叫熱電阻。熱電阻測溫是基于金屬導體的電阻值隨溫度的增加而增加這一特性來進行溫度測量的。熱電阻大都由純金屬材料制成，目前應用最多的是鉑和銅。此外，現(xiàn)在已開始采用銦、鎳、錳和銠等材料制造熱電阻。鉑熱電阻是一種國際公認的成熟產(chǎn)品，它性能穩(wěn)定、重復性好、精度高，所以在工業(yè)用溫度傳感器中得到了廣泛應用。它的測溫范圍一般為-200℃～850℃，鉑熱電阻的阻值與溫度之間的關(guān)系近似線性。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，普遍釆用銅熱電阻進行溫度的測量，它的測量范圍一般為-50℃～150℃。銅熱電阻的工藝性好，價格便宜，但它易氧化，不適于在腐蝕性介質(zhì)或高溫下工作。相關(guān)知識2.溫度

溫度是國際單位制七個基本量之一，是一個與人們生活環(huán)境有著密切關(guān)系的物理量，是“工質(zhì)熱力”重要參數(shù)之一，也是在生產(chǎn)、科研、生活中需要測量和控制的重要物理量。比如空調(diào)溫度、窯爐溫度、機車軸溫、蔬菜大棚溫度等的檢測與控制，其目的是測量和顯示被測對象的溫度，并將其控制在所需要的上、下限之間，從而滿足生產(chǎn)、科研、生活的需要。(1)攝氏溫標（℃）攝氏溫標把在標準大氣壓下冰的熔點定為零度（0℃）,水的沸點定為100度（100℃）。在這兩固定點間劃分一百等分，每一等分為1攝氏度，符號為t(2)華氏溫標（℉）它規(guī)定在標準大氣壓下，冰的熔點為32℉,水的沸點為212℉，兩固定點間劃分180個等分，每一等分為1華氏度，符號為θ。它與攝氏溫標的關(guān)系式如下:相關(guān)知識3.溫標(3)熱力學溫標（K）熱力學溫標是建立在熱力學第二定律基礎(chǔ)上的最科學的溫標，是由開爾文（Kelvin）根據(jù)熱力學定律提出來的，因此又稱開氏溫標。它的符號是T，單位是開爾文（K）。熱力學溫標規(guī)定分子運動停止（即沒有熱存在）時的溫度為絕對零度，水的三相點（氣、液、固三態(tài)同時存在且進入平衡狀態(tài)時的溫度）的溫度為273.16K,把從絕對零度到水的三相點之間的溫度均勻分為273.16格，每格為1K。由于以前曾規(guī)定冰點的溫度為273.15K,所以現(xiàn)在沿用這個規(guī)定，用下式進行開氏溫度和攝氏溫度的換算t/℃=T/K-273.15 相關(guān)知識3.溫標2.1.1鉑熱電阻的工作原理

用萬用表測量一只100W/220V白熾燈的電阻值，可以發(fā)現(xiàn)其冷態(tài)阻值只有幾十歐姆，但是用公484Ω,兩者相差許多倍。由此可知，金屬絲在不同溫度式R=U2/P算得到的額定熱態(tài)電阻值應為下的電阻是不相同的，溫度升高，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力增大，宏觀上表現(xiàn)為電阻率變大。大多數(shù)金屬的溫度系數(shù)為正溫度系數(shù)，即電阻值與溫度的變化趨勢相同。可以利用金屬的電阻值隨溫度升高而增大這一特性來測量溫度。目前較為廣泛應用的熱電阻材料是鉑和銅，它們的電阻溫度系數(shù)在(3-5)范圍內(nèi)。作為熱電阻材料，通常希望其具有電阻溫度系數(shù)大、線性好、性能穩(wěn)定、使用溫度范圍寬、加工容易

：2.1.1鉑熱電阻的結(jié)構(gòu)

按鉑熱電阻的結(jié)構(gòu)類型分類，有裝配式、鎧裝式、薄膜式等。

裝配式鉑熱電阻由感溫元件（金屬電阻絲）、支架、引岀線、保護套管及接線盒等基本部分組成，為避免電感分量，電阻絲常采用雙線并繞，制成無感電阻。裝配式鉑熱電阻的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2-2所示，其外形及結(jié)構(gòu)如圖2-3所示。鎧裝式鉑熱電阻外形及結(jié)構(gòu)如圖2-4所示，比較細長，具有能彎曲、抗沖擊、便于安裝、壽命長等特點。薄膜式鉑熱電阻如圖2-5所示。它是利用真空鍍膜法或用糊漿印刷燒結(jié)法使鋁金屬薄膜附著在耐高溫基底上，其尺寸可以小到幾平方毫米。可將其粘貼在被測高溫物體上測量局部溫度，具有熱容量小、反應快的特點。2.1.1鉑熱電阻的結(jié)構(gòu)

2.1.2熱電阻的主要技術(shù)指標1.鉑電阻目前國內(nèi)統(tǒng)一設(shè)計的工業(yè)用鉑電阻的R0值有10Ω、100Ω等兩種，分度號分別用PT10、PT100表示。實際使用時，可根據(jù)分度號査相應的分度表以獲得Rt與t的關(guān)系。當溫度t在-200℃～0℃范圍內(nèi)時，鉑的電阻值與溫度的關(guān)系可表示為：當溫度t在-200℃～0℃范圍內(nèi)時，鉑的電阻值與溫度的關(guān)系可表示為：式中Rt—熱電阻在溫度為t時的電阻值；R0—熱電阻在0℃時的電阻值；A、B、C—溫度系數(shù)。A=3.98647×10-3;B=-5.847×10-7;C=-4.22×10-12。分度表

熱電阻R的阻值,不僅與t有關(guān)，還與其在0℃時的電阻值R0有關(guān)，即在同樣溫度下R0取值不同，Rt的值也不同。目前國內(nèi)統(tǒng)一設(shè)計的工業(yè)用鉑電阻的R0值有46Ω和100Ω。等幾種，并將R0與t相應關(guān)系列成表格形式，稱為分度表,如表2-1所示。上述兩種鉑電阻的分度號分別用BA1和BA2表示，使用分度表時，只要知道熱電阻Rt值，便可查得對應溫度值。目前工業(yè)用鉑電阻分度號為Pt10和Pt100,后者更常用。2.1.2熱電阻的主要技術(shù)指標2.1.2熱電阻的主要技術(shù)指標2.銅電阻銅電阻的特點是價格便宜(而鉑是貴重金屬)、純度高、重復性好、電阻溫度系數(shù)大其測溫范圍為-50℃～150℃，當溫度再高時，裸銅就發(fā)生氧化。在上述測溫范圍內(nèi)，銅的電阻值與溫度呈線性關(guān)系，可表示為：2.1.2熱電阻的主要技術(shù)指標

銅熱電阻的主要缺點是電阻率小(僅為鉑的一半左右)，所以制成一定電阻時與鉑材料相比，銅電阻要細，造成機械強度不高，或銅電阻要長則體積較大，而且銅電阻容易氧化，測溫范圍小。因此，銅電阻常用于介質(zhì)溫度不高、腐蝕性不強、測溫元件體積不受限制的場合。銅電阻R0的值有50Ω和100Ω兩種，分度號分別為Cu50、Cul00。3.其他熱電阻除了鉑和銅熱電阻外，還有鎳和鐵材料的熱電阻。鎳和鐵的電阻溫度系數(shù)大，電阻率高，可用于制成體積大、靈敏度高的熱電阻。但由于容易氧化，化學穩(wěn)定性差，不易提純，重復性和線性度差，目前應用還不多近年來在低溫和超低溫測量方面，開始采用一些較為新穎的熱電阻，例如銠鐵電阻、銦電阻、錳電阻、碳電阻等。銠鐵電阻是以含0.5%銠原子的銠鐵合金絲制成的，常用于測量0.3～20K范圍內(nèi)的溫度，具有較高的靈敏度和穩(wěn)定性、重復性較好等優(yōu)點。銦電阻是一種高精度低溫熱電阻，銦的熔點約為429K,在4.2～15K溫域內(nèi)其靈敏度比鉑高10倍，故可用于鉑熱電阻不能使用的測溫范圍。2.1.2熱電阻的主要技術(shù)指標2.1.3熱電阻的測量電路

最常用的熱電阻測溫電路是電橋電路，如圖2-6所示。圖中R1、R2、R3和Rt（或Rq、RM）組成電橋的四個橋臂，其中Rt是熱電阻Rq和RM分別是調(diào)零和調(diào)滿刻度的調(diào)整電阻（電位器）。測量時先將切換S扳到“1”位置，調(diào)節(jié)Rq使儀表指示為零，然后將S扳到“3”位置，調(diào)節(jié)RM使儀表指示到滿刻度，做這種調(diào)整后再將S扳到“2”位置，則可進行正常測量。由于熱電阻本身電阻值較?。ㄍǔ＜s為100Ω以內(nèi)），而熱電阻安裝處（測溫點）距儀表之間總有一定距離，則其連接導線的電阻也會因環(huán)境溫度的變化而變化，從而造成測量誤差。為了消除導線電阻的影響，一般采用三線制連接法，如圖2-7所示。圖2-7(a)的熱電阻有三根引出線，而圖2-7(b)的熱電阻只有兩根引出線，但都采用了三線制連接法。采用三線制接法，引線的電阻分別接到相鄰橋臂上且電阻溫度系數(shù)相同,因而溫度變化時引起的電阻變化亦相同，使引線電阻變化產(chǎn)生的附加誤差減小。2.1.3熱電阻的測量電路

在進行精密測量時，常采用四線制連接法，如圖2-8所示。由圖可知，調(diào)零電阻Rq分為兩部分，分別接在兩個橋臂上，其接觸電阻與檢流計G串聯(lián)，接觸電阻的不穩(wěn)定不會影響電橋的平衡和正常工作狀態(tài)，其測量電路常配用雙電橋或電位差計。2.1.3熱電阻的測量電路任務(wù)實施

1.熱電阻的選型

溫度傳感器是工業(yè)上應用最多的一款傳感器，但是我們市面上見的大多溫度傳感器的芯體是Pt100，而不是Pt1000或者其他芯體。這是什么原因呢？工業(yè)用熱電阻一般采用Pt10、Pt100、Pt1000、Cu50、Cu100。鉑熱電阻的測溫范圍一般在-200℃～+800℃,銅熱電阻為-40℃～+140℃。如果用鉑做成熱電阻,其分度號為Pt100,即鉑熱電阻在0℃時電阻為100Ω,在-200℃時候電阻為18.52Ω,在200℃時候電阻為175.86Ω,在800℃時候電阻為375.70Ω.Pt1000比Pt100精度要好,但成本較高,一般情況下,測溫范圍在-200℃～+450℃時選用Pt100的熱電阻性價比較高.2.電路方案3.電路原理任務(wù)實施

本電路熱電阻的引線制方式為二線制,二線制度引線方式簡單,費用低,但是引線電阻以及引線電阻的變化會帶來附加誤差.二線制適用與引線不長,測溫精度要求較低的場所。

二線制是用電橋法測量，最后給出的是溫度值與模擬量輸出值的關(guān)系。電流回路和電壓測量回路合二為一。電路采用TL431和電位器VR1調(diào)節(jié)產(chǎn)生4.096V的參考電源：采用R1，R2，VR2，Pt100構(gòu)成測量電橋（其中R1=R2,VR2為100Ω精密電阻），當Pt100的電阻值和VR2的電阻值不相等時，電橋輸出一個mV級的壓差信號，這個壓差信號經(jīng)過運放LM324放大后輸出期望大小的電壓信號，該信號可直接連AD轉(zhuǎn)換芯片。差動放大電路中R3=R4，R5=R6,放大倍數(shù)=R5/R3。運放采用單一5V供電。

4.電路調(diào)試（1）同幅度調(diào)整R1和R2的電阻值可以改變電橋輸出的壓差大?。唬?）改變R5/R3的比值可改變電壓信號的放大倍數(shù)，以便滿足設(shè)計者對溫度范圍的要求；（3）放大電路需接成負反饋方式，否則放大電路不能正常工作；（4）VR為滑動變阻器，調(diào)節(jié)滑動變阻器的阻值大小可以改變溫度的零點設(shè)定，例如，Pt100的零點溫度為0℃，即0℃時電阻為100Ω，當阻值調(diào)節(jié)到109.855Ω時，溫度的零點就被設(shè)在了25℃。測量滑動變阻器的阻值時須在沒有接入電路時調(diào)節(jié)，這是因為接入電路后測量的電阻值發(fā)生了改變；任務(wù)實施（5）理論上,運放輸出的電壓為輸入壓差信號乘以放大倍數(shù)，但實際在電路工作時測量輸出電壓與輸入壓差信號并非由這樣的關(guān)系，壓差信號比理論值小很多實際輸出信號為:4.096×（Rpt100/(R1+Rpt100)-Rvr2/(R1+Rvr2))式中電阻值以電路工作時量取的為準.（6）電橋的正電源必須接穩(wěn)定的參考基準，因為如果直接接VCC，當電網(wǎng)波動造成VCC發(fā)生波動時，運放輸出的信號也會發(fā)生改變，此時再到VCC未發(fā)生波動時建立的溫度-電阻表中去查表求值時就不正確了，這可以根據(jù)上式進行計算得知任務(wù)實施知識拓展1.基于金屬熱電阻的流量檢測金屬熱電阻傳感器進行溫度測量的主要特點是精度高，適用于測低溫（測高溫時常用熱電偶傳感器），便于遠距離、多點、集中測量和自動控制。利用熱電阻上的熱量消耗和介質(zhì)流速的關(guān)系可以測量流量、流速、風速等。利用鉑熱電阻測量氣體流量（即熱電阻流量計原理）如圖2-11所示。知識拓展

圖2-11中，熱電阻探頭Rt1放置在氣體流路中央位置，它所耗散的熱量與被測介質(zhì)的平均流速成正比；另一熱電阻Rt2放置在溫度與被測介質(zhì)相同、但不受介質(zhì)流速影響的連通室中，它們分別接在電橋的兩個相鄰橋臂上。測量電路在流體靜止時處于平衡狀態(tài)，橋路輸出為零。當氣體流動時，介質(zhì)會將熱量帶走，從而使Rt1和Rt2的散熱情況不一樣，致使的阻值發(fā)生相應的變化，使電橋失去平衡，產(chǎn)生一個與流量變化相對應的不平衡信號，并由檢流計P顯示出來，檢流計的刻度值可以做成氣體流量大小數(shù)值。任務(wù)2.1基于熱電阻的溫度測量電路

任務(wù)2.2基于熱敏電阻的水溫上下限控制

任務(wù)2.3基于熱電偶的冶金加熱爐溫度檢測任務(wù)2.2基于熱敏電阻的水溫上下限控制

任務(wù)導入：小能在王老師的指導下完成了測溫電路后對各類檢測溫度的傳感器產(chǎn)生了著濃厚的興趣。這回小能又遇到跟溫度相關(guān)難題了，恰逢寒冬臘月，小能宿舍里養(yǎng)的幾條熱帶魚岌岌可危。于是小能決定用熱敏電阻設(shè)計一個水溫控制系統(tǒng)，實現(xiàn)當魚缸水溫過低時候自動加熱，水溫過高了自動報警和降溫。以此保證魚兒安全過冬。水溫上下限的確定：根據(jù)熱敏電阻對于不同溫度有不同的電阻值的特性來得到。通過實際側(cè)量，得到所要求溫度上下限對應的電阻值（本次使用的熱敏電阻為負溫度系數(shù)即溫度越高阻值越低）。電路的實現(xiàn)：主要通過NTC傳感器的作用，將溫度引起的阻值變化轉(zhuǎn)化為電勢的變化，再經(jīng)過集成運算放大器來控制輸出，從而得到對水溫上下限的控制。最后經(jīng)過后續(xù)電路，完成亮燈和報警系統(tǒng)。2.2.1熱敏電阻的類型與特性1.NTC熱敏電阻NTC熱敏電阻研制得較早，也較成熟。最常見的是由多種金屬氧化物，如錳、鈷、鐵、鎳、銅等氧化物混合燒結(jié)而成.其25℃時的標稱阻值視氧化物的比例而定，可以在0.1Ω至1MΩ范圍內(nèi)選擇。根據(jù)不同的用途，NTC熱敏電阻又可分為兩大類：第一類為負溫度系數(shù)的NTC熱敏電阻，它的電阻值與溫度之間呈負指數(shù)關(guān)系，如圖2-12中的曲線2所示，關(guān)系式為:

式中Rt—NTC熱敏電阻在熱力學溫度為T時的電阻值；R0—NTC熱敏電阻在熱力學溫度為T0時的電阻值，T0設(shè)定為298K（25℃）。B—NTC熱敏電阻的溫度常數(shù)。負指數(shù)型NTC熱敏電阻的B值由制造工藝、氧化物含量等因數(shù)決定。B值的范圍從1000到10000,其準確度和一致性可達0.1%。NTC熱敏電阻的離散性較小，測量準確度較高，用戶可根據(jù)需要選擇。例如，某系列NTC熱敏電阻在25℃時的標稱阻值為10KΩ,在30℃時阻值可能高達130KΩ。；而在100℃時，可能只有800Ω,相差兩個數(shù)量級，可用于空調(diào)、電熱水器等在0-100℃范圍內(nèi)作測溫元件。第二類為突變型NTC熱敏電阻，又稱臨界溫度型（CTR熱敏電阻）。當被測溫度上升到某臨界點時，其電阻值突然下降，可抑制各種電子電路的浪涌電流。例如，在整流回路串聯(lián)一只突變型NTC熱敏電阻，可減小上電時的沖擊電流。各種熱敏電阻的特性曲線示意圖如圖2-12所示。2.2.1熱敏電阻的類型與特性2.PTC熱敏電阻典型的PTC熱敏電阻是在鈦酸鋇中摻入其他金屬離子，以改變其溫度系數(shù)和臨界點溫度，它的溫度-電阻特性曲線呈非線性，如圖2-12中的曲線4所示。它在電子線路中可起限電流、短路保護作用。當流過PTC熱敏電阻的電流超過一定限度或PTC熱敏電阻感受到的溫度達到材料的居里點（臨界溫度轉(zhuǎn)折點）時，PTC熱敏電阻的阻值會陡然增加，可用于制作自恢復熔斷器。大功率的PTC陶瓷熱敏電阻還可以用于電熱暖風機。當PCT熱敏電阻的溫度達到設(shè)定值（例如190℃）時，PTC熱敏電阻的阻值急劇上升，流過PTC熱敏電阻的電流減小，使暖風機的溫度基本恒定于設(shè)定值上，提高了安全性。近年來還研制出摻有大量雜質(zhì)的Si單晶PTC熱敏電阻。它的電阻變化接近線性，如圖2-12中的曲線3所示，其最高工作溫度上限約為140℃。2.2.1熱敏電阻的類型與特性2.2.1熱敏電阻的類型與特性2.2.2熱敏電阻的結(jié)構(gòu)與符號

熱敏電阻可根據(jù)使用要求，封裝加工成各種形狀的探頭，如圓片形、柱形、珠形、鎧裝式、厚膜式、貼片式等，如圖2-13所示。各種熱敏電阻的外形如2-14所示2.2.3熱敏電阻的主要參數(shù)（1）標稱阻值一般指環(huán)境溫度為25℃時熱敏電阻的電阻值。在直標法中，阻值直接印在熱敏電阻上，如：20kΩ等，見圖2-13b；另一種是用數(shù)字表示，共三位，前兩位為有效數(shù)字，最后一位數(shù)為的10的冪數(shù)。例如：473表示47×103見圖2-13a。（2）B值是反映NTC熱敏電阻阻值隨溫度變化的參數(shù)，量綱為1。B值越大，表示NTC熱敏電阻的靈敏度越高。（3）居里溫度TK對于PTC熱敏電阻的應用來說，將電阻值開始陡峭地增高時的溫度定義為居里溫度。居里溫度點所對應的PTC熱敏電阻RTK=Rmin，Rmin為PTC熱敏電阻的最小阻值。（4）電阻溫度系數(shù)α它表示溫度變化1℃時的阻值變化率，單位為%/℃。（5）時間常數(shù)τ是描述熱敏電阻熱慣性的參數(shù)。將初始溫度為T0的熱敏電阻突然置于溫度為t的介質(zhì)中，當熱敏電阻達到穩(wěn)定值的63.2%所需的時間為τ，τ越小，表明熱敏電阻的熱慣性越小。（6）最大工作電流IM熱敏電阻在低阻態(tài)時所允許的電流值上限。超過IM時，可能引起自熱，嚴重時燒毀。（7）額定功率PM熱敏電阻長期、連續(xù)接到電源上時，所允許的消耗功率。2.2.3熱敏電阻的主要參數(shù)

某電子公司的MZ6電動機保護PTC熱敏電阻的主要技術(shù)指標如表2-2所示。2.2.3熱敏電阻的主要參數(shù)任務(wù)實施1.傳感器的選型我們使用的熱敏電阻為負溫度系數(shù)熱敏電阻，特別適用于-100～300℃之間測溫，在較小的溫度范圍內(nèi)，其電阻-溫度特性曲線是一條指數(shù)曲線，即隨著溫度的升高阻值不斷減小。由于熱敏電阻是由半導體材料制成的，其中的載流子數(shù)目是隨溫度的升高按指數(shù)規(guī)律迅速增加的。載流子數(shù)目越多，導電能力越強，其電阻率也就越小，因此熱敏電阻的電阻值歲溫度的升高將按指數(shù)規(guī)律迅速減小。這和金屬中自由電子的導電機制恰好相反，金屬中的電阻值是隨著溫度的上升而緩慢增大的。熱敏電阻有正溫度系數(shù)，臨界溫度系數(shù)與負溫度系數(shù)之分，本實驗所用的101為負溫度系數(shù)（NTC）,在較小的溫度范圍內(nèi)，其電阻-溫度特性曲線是一條指數(shù)曲線，可表示為：式中，為溫度為t時的電阻值，a與β為與半導體性能有關(guān)的常數(shù)，T為熱敏電阻的熱力學溫度。經(jīng)實際測量，30℃時熱敏電阻阻值達到95Ω，而80℃時達到22Ω。任務(wù)實施

2.電路原理圖電路整體的組成和原理圖如圖2-152-16所示：

根據(jù)設(shè)計要求以及熱敏電阻的工作原理，電路采用12V電源電壓作為工作電壓，本次實驗采用的熱敏電阻的阻值范圍約為0-100Ω，30℃時熱敏電阻阻值達到95Ω，而80℃時達到22Ω。由于該實驗選用的熱敏電阻是負系數(shù)的，通過感應外界溫度的變化來改變自身電阻值。溫度越高，熱敏電阻的電阻值越小，溫度越低，熱敏電阻的電阻值越大。如圖，熱敏電阻感受溫度高于80℃時，接入電路的電阻將會小于20Ω，通過電路分壓作用，LM324輸入端電壓約為6V，在LM324的輸出端可知，VT1放大器正向輸入值小于反向輸入，VT1截止，此時，VT2放大器正向輸入大于反向輸入，VT2導通，LED2紅燈亮表示溫度過高報警；降低熱敏電阻的外界溫度，此時，熱敏電阻接入電路的電阻值變大，當達到92Ω以后，由于電路前端分壓作用，使得VT1的正向輸入大于負向輸入，下端VT2的正向輸入小于負向輸入，上端VT1導通，下端VT2截止。此時，LED1綠燈亮顯示溫度過低報警。任務(wù)實施

任務(wù)實施3.信號處理電路我們采用了LM324四運放集成電路。它采用14腳雙列直插塑料封裝，其內(nèi)部包含四組形式完全相同的運算放大器，除電源共用以外，四組運放相互獨立。每一組運放都可以用圖一所示的符號來表示，它共有5個引出腳，其中“+”、“-”為兩個信號出入端“V+”、“V-”為正、負電源端，“V0”為輸出端。兩個信號輸入端中，Vi-（-）為反相入端，表示運放輸出端V0的信號與該輸入端的相位相反；Vi+(+)為同相輸入端，表示運放輸出端V0的信號與該輸入端的相位相同。LM324的引腳排列見圖2-18。

任務(wù)實施4．電路調(diào)試嚴格按照圖2-16所示連接電路圖，LM324的4腳接+5V，11腳接地。焊接時應注意以下幾個方面：（1）發(fā)光二極管的極性不能搞混，腳長的一端為正極，另一端為負極?；蚴褂萌f用表測量。（2）LM324不能直接焊接在電路板上，那樣的話既不容易調(diào)試，還容易燒壞片子，應焊接8腳的集成電路管座，在焊接完成后將LM324插于管座上。（3）揚聲器的極性已標出，注意不能反接。焊接完成后的電路基本不用調(diào)試，用高于80度的熱水給NTC傳感器加熱，其電阻發(fā)生變化，使管腳2、3與管腳5、6的電壓發(fā)生變化，從而使LM324的第一組或第二組導通或截止，進而紅色二極管亮時，實現(xiàn)高溫報警，即溫度上限報警；用低于25度的冷水給NTC傳感器冷卻，綠色二極管發(fā)光時，實現(xiàn)低溫報警，即溫度下限報警。知識拓展

1.PTC熱敏電阻用于電動機過載保護PTC熱敏電阻用于電動機過載保護控制電路如圖3-19所示，Rta、Rtb、Rtc是特性相同的MZ6型熱敏電阻，分別用環(huán)氧樹脂固定在電動機的三相定子繞組中。MZ6PTC熱敏電阻在20℃時的阻值小于300Ω,轉(zhuǎn)折溫度點為±5℃時的阻值分別為小于1kΩ和大于4kΩ。

知識拓展電動機正常運行時，Rt較小，Ib較大，晶體管V導通，繼電器KA線圈得電，常開觸點閉合。當電動機過載、斷相或某一相短路時，電動機繞組的溫度急劇升高。任何一相繞組超過轉(zhuǎn)折溫度Tk（例如115℃）時，由于三只PTC熱敏電阻串聯(lián)，只要任何一只Rt阻值急劇增大，都將導致Ib減小，Ic隨之減小，V截止，KA線圈失電，觸點釋放，給電動機控制電路一個報警信號，從而實現(xiàn)過熱保護作用?？梢愿鶕?jù)不同電動機的絕緣等級（見表2-2）及允許溫升來選擇PTC熱敏電阻的型號，從而確定繼電器KA的動作點該電路的溫度轉(zhuǎn)折點（控溫點溫度）Tk的重復性好，保護效果優(yōu)于“雙金屬片熱繼電器”知識拓展2.可恢復熔絲可恢復熔絲外形如圖2-20所示。在可恢復熔絲（也稱可恢復保險絲）本體中，聚合樹脂均勻分布在導電氧化物周圍。在正常電流下，PTC熱敏電阻內(nèi)部的導電粒子構(gòu)成鏈狀導電通路，呈現(xiàn)低阻狀態(tài)。當電路發(fā)生短路或過載時，PTC熱敏電阻產(chǎn)生較大的熱量，使聚合樹脂熔化，體積迅速增大，切斷導電粒子構(gòu)成的鏈狀導電通路，使PTC熱敏電阻呈現(xiàn)高阻狀態(tài)，從而使流過PTC熱敏電阻的電流迅速減小，起短路保護作用。當PTC熱敏電阻溫度降低后，聚合樹脂重新冷卻結(jié)晶，體積收縮，導電粒子重新形成導電通路，PTC熱敏電阻恢復為低阻狀態(tài)。可恢復熔絲能承受多次過電流?？苫謴腿劢z的額定電流范圍可以從50mA到50A,動作時間在10～100ms之間。知識拓展3.NTC用于汽車油箱油位判斷突變型NTC熱敏電阻用于汽車油位報警如圖3-18所示將NTC熱敏電阻置于汽車燃油箱中的某個高度位置，在檢測電路中加12V電壓，有微小電流流過Rt，Rt會產(chǎn)生微熱。當燃油液位高于報警下限時，燃油帶走Rt的熱量，Rt的溫度較低，電阻值較大。反之，當燃油液面降低到報警下限時，Rt暴露在空氣中，Rt的熱量散發(fā)比在液體中慢，所以溫度升高，Rt阻值降低。當Rt的阻值下降到一定值時，與Rt串聯(lián)的紅色LED亮，產(chǎn)生油位報警信號。R1用于限流，在測量裝置發(fā)生短路故障時，流過短路點的電流不超過15mA,可以避免電火花引發(fā)燃油燃燒。NTC熱敏電阻在汽車中還用于冷卻水溫的測量等。任務(wù)2.1基于熱電阻的溫度測量電路

任務(wù)2.2基于熱敏電阻的水溫上下限控制

任務(wù)2.3基于熱電偶的冶金加熱爐溫度檢測任務(wù)2.3基于熱電偶的冶金加熱爐溫度檢測任務(wù)導入：今天剛大學畢業(yè)后小能入職了一家軋鋼廠，廖廠長在給新入職的員工們做技術(shù)培訓。廖廠長說到：在軋鋼工業(yè)領(lǐng)域中加熱爐是主要的工藝設(shè)備，其作用是把鋼坯加熱后送往軋機進行軋制，被加熱坯料不斷從爐尾送入爐內(nèi)，在機械傳動裝置的帶動下不斷前進，邊前進邊加熱，經(jīng)過預熱段、加熱段和均熱段，當達到所要求的溫度范圍后，且坯料內(nèi)外溫度均勻，即可出鋼進行軋制。加熱爐的溫度控制過程一般分為預熱、加熱和均熱三個階段。爐內(nèi)加熱過程的溫度場特性主要由加熱鋼種和產(chǎn)品用途來決定。一般情況下，鋼坯入爐時，坯料的溫度為室溫或700℃左右；出爐時，溫度在1120～1250℃。由于工藝對溫度的要求各有不同，所以要對溫度進行精確測量。根據(jù)冶金加熱爐的溫度測量范圍，可選擇熱電偶來檢測溫度。培訓后廖廠長給新進員工安排了一個任務(wù)，利用熱電偶傳感器完成冶金加熱爐測溫電路的設(shè)計和制作，并實現(xiàn)溫度的補償與控制。2.3.1熱電偶的工作原理1.熱電效應將兩種不同成分的導體組成一個閉合回路，如圖2-22所示，當閉合回路的兩個結(jié)點分別置于不同的溫度場中時，回路中將產(chǎn)生一個電勢，這種現(xiàn)象稱為“熱電效應”。熱電效應是1821年由Seeback發(fā)現(xiàn)的，故又稱為賽貝克效應。兩種導體組成的回路稱為“熱電偶”，這兩種導體稱為“熱電極”，產(chǎn)生的電勢則稱為“熱電勢”，熱電偶的兩個結(jié)點，一個稱為測量端（工作端或熱端），另一個稱為參考端（自由端或冷端）。熱電勢由兩部分組成，一部分是兩種導體的接觸電勢，另一部分是單一導體的溫差電勢。2.3.1熱電偶的工作原理

2.接觸電勢當A和B兩種不同材料的導體接觸時，由于兩者內(nèi)部單位體積的自由電子數(shù)目不同（即電子密度不同），因此，電子在兩個方向上擴散的速率就不一樣。假設(shè)導體A的自由電子密度大于導體B的自由電子密度，則導體A擴散到導體B的電子數(shù)要比導體B擴散到導體A的電子數(shù)大。所以導體A失去電子帶正電荷，導體B得到電子帶負電荷。于是，在A、B兩導體的接觸界面上便形成一個由A到B的電場，如圖2-23（a）所示。該電場的方向與擴散進行的方向相反，它將引起反方向的電子轉(zhuǎn)移，阻礙擴散作用的繼續(xù)進行。當擴散作用與阻礙擴散作用相等時，即自導體A擴散到導體B的自由電子數(shù)與在電場作用下自導體B到導體A的自由電子數(shù)相等時，便處于一種動態(tài)平衡狀態(tài)。在這種狀態(tài)下，A與B兩導體的接觸處產(chǎn)生了電位差，稱為接觸電勢。接觸電勢的大小與導體材料、結(jié)點的溫度有關(guān)，與導體的直徑、長度及幾何形狀無關(guān)。接觸電勢大小為：2.3.1熱電偶的工作原理

2.3.1熱電偶的工作原理3.溫差電動勢如圖2-23(b)所示，將某一導體兩端分別置于不同的溫度場、中，在導體內(nèi)部,熱端自由電子具有較大的動能，向冷端移動，從而使熱端失去電子,帶正電荷，冷端得到電子帶負電荷。這樣，導體兩端便產(chǎn)生了一個由熱端指向冷端的靜電場，該靜電場阻止電子從熱端向冷端移動，最后達到動態(tài)平衡。這樣，導體兩端便產(chǎn)生了電勢，我們稱為溫差電動勢。即2.3.1熱電偶的工作原理

4.熱電偶的電勢2.3.1熱電偶的工作原理

綜上所述，可以得出以下結(jié)論：（1）如果熱電偶兩材料相同，則無論結(jié)點處的溫度如何，總熱電勢為0；（2）如果兩結(jié)點處的溫度相同，盡管A、B材料不同，總熱電勢為0；（3）熱電偶熱電勢的大小，只與組成熱電偶的材料和兩結(jié)點的溫度有關(guān)，而與熱電偶的形狀尺寸無關(guān)，當熱電偶兩電極材料固定后，熱電勢便是兩結(jié)點電勢差；（4）如果使冷端溫度保持不變，則熱電動勢便成為熱端溫度T的單一函數(shù)。用實驗方法求取這個函數(shù)關(guān)系。通常令T0=0℃，然后在不同的溫差T-T0情況下，精確地測定出回路總熱電動勢，并將所測得的結(jié)果列成表格稱為熱電偶分度表，供使用時查閱。2.3.2熱電偶的結(jié)構(gòu)和類型1.普通型熱電偶工業(yè)上普通型熱電偶使用最多，它一般由熱電極、絕緣套管、保護管和接線盒組成,其結(jié)構(gòu)如圖2-24所示。普通型熱電偶按其安裝時的連接形式可分為固定螺紋連接、固定法蘭連接、活動法蘭連接、無固定裝置等多種形式2.3.2熱電偶的結(jié)構(gòu)和類型

2.鎧裝型熱電偶鎧裝型熱電偶又稱套管熱電偶。它是由熱電偶絲、絕緣材料和金屬套管三者經(jīng)拉伸加工而成的堅實組合體，如2-25所示。它可以做得很細很長，使用中隨需要能任意彎曲。鎧裝型熱電偶的主要優(yōu)點是測溫端熱容量小、動態(tài)響應快、機械強度高、撓性好、可安裝在結(jié)構(gòu)復雜的裝置上，因此被廣泛用在許多工業(yè)部門中。3.薄膜熱電偶

用真空蒸鍍（或真空濺射）、化學涂層等工藝，將熱電極材料沉積在絕緣基板上形成一層金屬薄膜。熱電偶測量端既小又薄（厚度一般為0.01～0.1m）,因而熱慣性小，反應快，可用于測量瞬變的表面溫度和微小面積上的溫度。如圖2-26所示，其結(jié)構(gòu)有片狀、針狀和把熱電極材料直接蒸鍍在被測表面上等三種。所用的電極類型有鐵-康銅、鐵鎳、銅-康銅、鎳鉻-鎳硅等。測溫范圍為-200℃～300℃熱電偶基本定理

1．均質(zhì)導體定律

由一種均質(zhì)導體組成的閉合回路中，不論導體的截面和長度如何以及各處的溫度分布如何，都不能產(chǎn)生熱電勢。這一定律說明，熱電偶必須采用兩種不同材料的導體組成，熱電偶的熱電動勢僅與兩結(jié)點的溫度有關(guān)，而與熱電極的分布無關(guān)。如果熱電偶的熱電極是非勻質(zhì)導體，在不均勻溫度場中測溫時將造成測量誤差。所以，熱電極材料的均勻性是衡量熱電偶質(zhì)量的重要技術(shù)指標之一。熱電偶基本定理2.中間導體定律在熱電偶中接入第3種均質(zhì)導體，只要第3種導體的兩結(jié)點溫度相同，則熱電偶的熱電勢不變。如圖2-27所示，在熱電偶中接入第3種導體C,設(shè)導體A與B結(jié)點處的溫度為T0,A與C、B與C兩結(jié)點處的溫度為,則回路中的熱電勢為熱電偶基本定理3．標準電極定律（參考電極定律）熱電偶基本定理

參考電極定律大大簡化了熱電偶的選配工作。只要獲得有關(guān)熱電極與參考電極配對的熱電動勢，那么任何兩種熱電極配對時的熱電動勢均可利用該定律計算，而不需要逐個進行測定。在實際應用中，由于純箱絲的物理化學性能穩(wěn)定、熔點高、易提純，所以目前常用純鈕絲作為標準電極。熱電偶基本定理

4.中間溫度定律熱電偶基本定理

中間溫度定律為在工業(yè)測量溫度中使用補償導線提供了理論基礎(chǔ)，只要選配與熱電偶熱電特性相同的補償導線，便可使熱電偶的參考端延長，使之遠離熱源到達一個溫度相對穩(wěn)定的地方而不會影響測溫的準確性。該定律是參考端溫度計算修正法的理論依據(jù)，其等效示意圖如圖2-29所示。熱電偶基本定理

在實際熱電偶測溫回路中，利用熱電偶這一性質(zhì)，可對參考端溫度不為0℃的熱電勢進行修正。例：鎳鉻-鎳硅熱電偶，工作時其自由端溫度為30℃，測得熱電勢為39.17mV,求被測介質(zhì)的實際溫度。解：由T0=0℃,查鎳鉻-鎳硅熱電偶分度表，E(30,0)=1.2mV,又知(T,30)=39.17mV,所以E(T,0)=E(30,0)+E(T,30)=1.2mV+39.17mV=40.37mV。再用40.37mV反查分度表得977,即被測介質(zhì)的實際溫度。熱電偶基本定理

熱電偶基本定理5.熱電偶的冷端遷移實際測溫時，由于熱電偶長度有限，自由端溫度將直接受到被測物溫度和周圍環(huán)境溫度的影響。例如，熱電偶安裝在電爐壁上，而自由端放在接線盒內(nèi)，電爐壁周圍溫度不穩(wěn)定，波及接線盒內(nèi)的自由端，造成測量誤差。雖然可以將熱電偶做得很長，但這將提高測量系統(tǒng)的成本，是很不經(jīng)濟的。工業(yè)中一般是采用補償導線來延長熱電偶的冷端，使之遠離高溫區(qū)，將熱電偶的冷端延長到溫度相對穩(wěn)定的地方。

熱電偶基本定理由于熱電偶一般都是較貴重的金屬，為了節(jié)省材料，采用與相應熱電偶的熱電特性相近的材料做成的補償導線連接熱電偶，將信號送到控制室，如圖2-30所示(其中、為補償導線）。它通常由兩種不同性質(zhì)的廉價金屬導線制成，而且在0℃～100℃溫度范圍內(nèi)，要求補償導線和所配熱電偶具有相同的熱電特性。由此可知，我們不能用一般的銅導線傳送熱電偶信號，同時對不同分度號的熱電偶其采用的補償導線也不同。常用熱電偶的補償導線列于表2-4。根據(jù)中間溫度定律，只要熱電偶和補償導線的兩個結(jié)點溫度一致，是不會影響熱電勢輸出的。熱電偶基本定理

使用補償導線必須注意以下幾個問題：（1）兩根補償導線與兩個熱電極的結(jié)點必須具有相同的溫度。（2）只能與相應型號的熱電偶配用，而且必須滿足工作范圍。（3）極性切勿接反。任務(wù)實施

小能要利用熱電偶制作爐溫檢測電路，首先要了解熱電偶測溫電路的工作原理和選擇合適的熱電偶，再進行電路設(shè)計與制作，最后進行電路的調(diào)試1.傳感器選型根據(jù)加熱爐的測溫范圍和使用要求，結(jié)合熱電偶的相關(guān)知識，選用鎳鉻-鎳硅（K型）熱電偶作為測溫傳感器。熱電偶安裝在管道的中心線位置上，并使測量端面面向流體，使測量端充分與被測介質(zhì)接觸，提高測量的準確性。由于熱電偶長期處于高溫環(huán)境下易氧化變質(zhì)而引起測量精度下降，為保證測量精度，熱電偶在實際使用過程中，要定期進行校驗。常用的校驗方法是用標準熱電偶與被校驗熱電偶在同一校驗爐或恒溫水槽