課程設(shè)計電子溫度計的設(shè)計與制作

1、傳感器檢測技術(shù) 傳感器檢測技術(shù)傳感器檢測技術(shù) 機機電電工程系工程系: :彭彭細華細華 項目一：電子秤（重量測量） 項目二：聲光控單元 項目三：輪胎壓力測控 項目四：雞雛孵化室恒溫控制 項目五：電子溫度計的設(shè)計與制作 項目六：LEM霍爾電流傳感器傳感器檢測技術(shù)課程項目教學(xué)資源參考書目：參考書目：王春.簡易電子數(shù)字溫度計的制作J.考試周刊.2009(37). 謝文和.傳感技術(shù)及其應(yīng)用M.高等教育出版社，2010. 吳全全.項目教學(xué)法J.中國職業(yè)教育.2006(226) 網(wǎng)絡(luò)資源網(wǎng)絡(luò)資源: :東南大學(xué)傳感器精品課程:http:/ 教學(xué)思路設(shè)計教學(xué)思路設(shè)計明確目標明確目標自我探索自我探索 合作設(shè)計合作

2、設(shè)計展示評價展示評價 Lets GO項目教學(xué)目標項目教學(xué)目標掌握掌握4 4種溫度測量系統(tǒng)基本組成與工作原理種溫度測量系統(tǒng)基本組成與工作原理; ;掌握溫度測量數(shù)字溫度計組成掌握溫度測量數(shù)字溫度計組成 ;掌握利用普通二極管作溫度傳感器原理掌握利用普通二極管作溫度傳感器原理 。能夠組成合理的溫度檢測電路；能夠組成合理的溫度檢測電路；能設(shè)計基于普通二極管溫度傳感器信號轉(zhuǎn)換與放大電路能設(shè)計基于普通二極管溫度傳感器信號轉(zhuǎn)換與放大電路設(shè)計；設(shè)計；能利用溫度傳感器與數(shù)字電壓表組成數(shù)字溫度計。能利用溫度傳感器與數(shù)字電壓表組成數(shù)字溫度計。 養(yǎng)成良好的工作責(zé)任心和嚴謹?shù)墓ぷ髯黠L(fēng)；養(yǎng)成良好的工作責(zé)任心和嚴謹?shù)墓ぷ髯黠L(fēng)

3、； 培養(yǎng)良好的合作精神，創(chuàng)新精神和競爭意識。培養(yǎng)良好的合作精神，創(chuàng)新精神和競爭意識。 知識目標知識目標能力目標能力目標素質(zhì)目標素質(zhì)目標法蘭變送器充灌設(shè)備的研制7 72022-5-6v v 項目教學(xué)進程 成品調(diào)試成品調(diào)試 5 作品評價作品評價 7傳感器選取傳感器選取 1電路設(shè)計電路設(shè)計 2 小組演示小組演示 6 數(shù)字電壓表數(shù)字電壓表 3 焊接安裝焊接安裝 4溫度測試可以用哪些溫度測試工具？電子溫度計壓力溫度計壓力溫度計水水銀銀溫溫度度計計玻璃管溫度計原理：利用熱脹冷縮的來實現(xiàn)溫度測量的。利用熱脹冷縮的來實現(xiàn)溫度測量的。分類：煤油溫度計、水銀溫度計、紅鋼筆水溫度計。煤油溫度計、水銀溫度計、紅鋼筆水

4、溫度計。優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，測量精度相對較高，價格低廉結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，測量精度相對較高，價格低廉缺點：是測量上下限和精度受玻璃質(zhì)量與測溫介質(zhì)的性質(zhì)限制。是測量上下限和精度受玻璃質(zhì)量與測溫介質(zhì)的性質(zhì)限制。壓力式溫度計測試原理：利用封閉容器內(nèi)的液體，氣體利用封閉容器內(nèi)的液體，氣體或飽和蒸氣受熱后產(chǎn)生體積膨脹或壓力變化作為測信號或飽和蒸氣受熱后產(chǎn)生體積膨脹或壓力變化作為測信號基本結(jié)構(gòu)：由溫包、毛細管和指示表三部分組成。由溫包、毛細管和指示表三部分組成。優(yōu)點是：結(jié)構(gòu)簡單，機械強度高，不怕震動。價格低廉，結(jié)構(gòu)簡單，機械強度高，不怕震動。價格低廉，不需要外部能源。不需要外部能源。缺點是：測溫范圍

5、有限制，一般在測溫范圍有限制，一般在-80400;-80400;熱損失大熱損失大響應(yīng)時間較慢響應(yīng)時間較慢; ;儀表密封系統(tǒng)儀表密封系統(tǒng)( (溫包，毛細管，彈簧管溫包，毛細管，彈簧管) )損損壞難于修理，必須更換壞難于修理，必須更換; ;測量精度受環(huán)境溫度、溫包安裝測量精度受環(huán)境溫度、溫包安裝原理：利用金屬導(dǎo)體的電阻值隨溫度變化而變化的特性來利用金屬導(dǎo)體的電阻值隨溫度變化而變化的特性來進行溫度測量的進行溫度測量的優(yōu)點：測量精度高測量精度高; ;再現(xiàn)性好，又保持多年穩(wěn)定性、精確度再現(xiàn)性好，又保持多年穩(wěn)定性、精確度; ;響應(yīng)時間快響應(yīng)時間快; ;與熱電偶相比不需要冷端補償。與熱電偶相比不需要冷端補償

6、。缺點是：價格比熱電偶貴價格比熱電偶貴; ;需外接電源需外接電源; ;熱慣性大熱慣性大; ;避免使用避免使用在有機械振動的場合。在有機械振動的場合。 原理：熱電偶溫度計是由兩種不同材料的導(dǎo)體熱電偶溫度計是由兩種不同材料的導(dǎo)體A A、B(B(熱電熱電極極) )焊接而成的。熱端插入被測介質(zhì)中，另一端與導(dǎo)線連焊接而成的。熱端插入被測介質(zhì)中，另一端與導(dǎo)線連接，形成回路若兩端溫度不同，回路中就會產(chǎn)生熱電勢，接，形成回路若兩端溫度不同，回路中就會產(chǎn)生熱電勢，熱電勢兩端的函數(shù)差即反映溫度熱電勢兩端的函數(shù)差即反映溫度優(yōu)點是：體積小，安裝方便體積小，安裝方便; ;信號可遠傳作指示、控制用信號可遠傳作指示、控制用

7、; ;與壓力式溫度計相比響應(yīng)時間少與壓力式溫度計相比響應(yīng)時間少; ;測溫范圍寬，尤其體現(xiàn)測溫范圍寬，尤其體現(xiàn)在測高溫在測高溫; ;價格低，再現(xiàn)性好，精度高。價格低，再現(xiàn)性好，精度高。缺點是：熱電勢與溫度之間呈非線性關(guān)系熱電勢與溫度之間呈非線性關(guān)系; ;精度精度 比熱電阻比熱電阻低低; ;在同樣條件下，熱電偶接點容易老化在同樣條件下，熱電偶接點容易老化; ;冷端需要補償。冷端需要補償。 熱電偶傳感器熱電偶傳感器熱電阻傳感器熱電阻傳感器12熱電式傳感器的應(yīng)用熱電式傳感器的應(yīng)用3熱電式傳感器是利用轉(zhuǎn)換元件電磁參量隨溫度變化的特性，對溫度和與溫度有關(guān)的參量進行檢測的裝置。其中將溫度變化轉(zhuǎn)換為電阻變化的

8、稱為熱電阻傳感器；將溫度變化轉(zhuǎn)換為熱電勢變化的稱為熱電偶傳感器。熱電阻傳感器可分為金屬熱電阻式和半導(dǎo)體熱電阻式兩大類，前者簡稱熱電阻，后者簡稱熱敏電阻。熱電阻傳感器熱電阻傳感器熱電式傳感器熱電阻熱電阻1.熱電阻材料的特點熱電阻材料必須具有以下特點：(1).高溫度系數(shù)、高電阻率。這樣在同樣條件下可加快反應(yīng)速度，提高靈敏度，減小體積和重量。(2).化學(xué)、物理性能穩(wěn)定。以保證在使用溫度范圍內(nèi)熱電阻的測量準確性。(3).良好的輸出特性。即必須有線性的或者接近線性的輸出。(4).良好的工藝性，以便于批量生產(chǎn)、降低成本。熱電式傳感器3.常見熱電阻材料及其特性鉑、銅為應(yīng)用最廣的熱電阻材料。雖然鐵、鎳的溫度系

9、數(shù)和電阻率均比鉑、銅要高，但由于存在著不易提純和非線性嚴重的缺點，因而用得不多。鉑容易提純，在高溫和氧化性介質(zhì)中化學(xué)、物理性能穩(wěn)定，制成的鉑電阻輸出輸入特性接近線性，測量精度高。鉑電阻阻值與溫度變化之間的關(guān)系可以近似用下式表鉑電阻阻值與溫度變化之間的關(guān)系可以近似用下式表示：示：在在0 0630.74630.74范圍內(nèi)，金屬鉑的電阻值與溫度的關(guān)范圍內(nèi)，金屬鉑的電阻值與溫度的關(guān)系為：系為：1 320CtBtAtRRt)100(1 320tCBtAtRRt在在-190-19000范圍內(nèi)，金屬鉑的電阻值與溫度的關(guān)系為：范圍內(nèi)，金屬鉑的電阻值與溫度的關(guān)系為：A、B、C分度系數(shù)分度系數(shù)其中：其中：A=3.

10、9684710-2/； B=-5.84710-7/2； C=-4.2210-12/3) 可以看出，它們的可以看出，它們的高次項很小高次項很小。鉑電阻在。鉑電阻在0100時時的最大非線性偏差小于的最大非線性偏差小于0.5；R0不同，不同，Rt與與t 的關(guān)系的關(guān)系也不同。也不同。 鉑鉑容易提純，其物理、化學(xué)性能在高溫和氧化性介質(zhì)中容易提純，其物理、化學(xué)性能在高溫和氧化性介質(zhì)中很穩(wěn)定。鉑電阻的輸出很穩(wěn)定。鉑電阻的輸出 輸入特性接近線性，且測量輸入特性接近線性，且測量精度高，所以它能用作工業(yè)測溫元件和作為溫度標準。精度高，所以它能用作工業(yè)測溫元件和作為溫度標準。按國際溫標按國際溫標IPTS-68規(guī)定，

11、在規(guī)定，在-259.34630.73溫域溫域內(nèi)，以鉑電阻溫度計作基準器。內(nèi)，以鉑電阻溫度計作基準器。溫度溫度/0102030405060708090電阻值電阻值/-20017.28-10059.6555.5251.3847.2143.0238.8034.5630.2925.9821.65-0100.0096.0392.0488.0484.0380.1075.9671.9167.8463.750100.00103.96107.91110.85115.78119.70123.60127.49131.37135.24100139.10142.95146.78150.6054.41158.21162.

12、00165.78169.54173.29200177.03180.75186.48188.10191.88195.56159.23202.89206.53210.07300213.79217.40221.00224.59228.17231.76235.29238.83242.36245.88400249.38252.88256.36259.83263.29266.78270.18272.60277.01280.41500283.86287018290.55293.91297.25300.58303.90307.21310.50313.79600317.06320.22323.57326.803

13、30.03333.25溫度/0102030405060708090電阻值/-2007.95-10027.4425.5423.6321.7219.7917.8515.9013.9311.959.96-046.0044.1442.3440.5038.5636.8034.9433.0834.2129.33046.004708249.6451.4553.2655.0656.8658.6560.4362.2110063.9965.7667.5269.2871.0372.7874.5276.2677.9979.7120081.4383.1584.8686.5688.2689.9691.6493.3395.

14、0096.6830098.34100.01101.66103.31104.96106.60108.23109.86111.84113.10400114.72116.32117.93119.52121.11122.70124.28125.86127.94128.99500130.55132.10133.65135.20136.73138.27139.79141.32142.83144.34600145.85147.35148.84150.33151.81153.30tRRt10 銦電阻銦電阻銦電阻用銦電阻用99.999%高純度的銦絲繞成電阻，適宜在高純度的銦絲繞成電阻，適宜在-269-258溫度

15、范圍內(nèi)使用。實驗證明，在溫度范圍內(nèi)使用。實驗證明，在4.2K15K范圍內(nèi)，銦電阻靈敏度比鉑電阻高范圍內(nèi)，銦電阻靈敏度比鉑電阻高10倍。倍。銦電阻的缺點是材料軟，復(fù)制性差。銦電阻的缺點是材料軟，復(fù)制性差。 錳電阻適宜在錳電阻適宜在-271-210溫度范圍內(nèi)使用。其優(yōu)溫度范圍內(nèi)使用。其優(yōu)點是在點是在2K 63K溫度范圍內(nèi)電阻隨溫度變化大，靈敏溫度范圍內(nèi)電阻隨溫度變化大，靈敏度高。錳電阻的缺點是材料脆，難拉成絲。度高。錳電阻的缺點是材料脆，難拉成絲。碳電阻適宜在碳電阻適宜在-273-268.5溫度范圍內(nèi)使用。其溫度范圍內(nèi)使用。其優(yōu)點是熱容量小，靈敏度高，價格低廉，操作簡便。優(yōu)點是熱容量小，靈敏度高，

16、價格低廉，操作簡便。但是碳電阻的熱穩(wěn)定性較差。但是碳電阻的熱穩(wěn)定性較差。5 熱電阻的結(jié)構(gòu)主要特點：1、抗振性能好； 2、測溫精度高； 3、機械強度高； 4、耐壓性能好； 5、性能可靠穩(wěn)定； 6、零件分解性好； 7、維修方便； 8、更換易損件成本低； 主要特點：鎧裝電阻外保護管采用不銹鋼，內(nèi)充滿高密度氧化物質(zhì)絕緣體，因此它具有很強的抗污染和優(yōu)良的機械強度，適合安裝在環(huán)境惡劣的場合。鎧裝熱電阻通常由鎧裝鉑熱電阻感溫元件、安裝固定裝置和接線裝置等主要部件組成等熱響應(yīng)時間少，減小動態(tài)誤差；直徑小，長度不受限制； 主要特點：端面熱電阻感溫元件由特殊處理的電阻絲材繞制，緊貼在溫度計端面。它與一般軸向熱電阻

17、相比，能更正確和快速地反映被測端面的實際溫度，適用于測量軸瓦和其他機件的端面溫度。 主要特點：1、壓簧式感溫元件，抗振性能好； 2、測量精確度高； 3、機械強度高，耐壓性能好； 4、進口薄膜電阻元件，性能可靠穩(wěn)定； 二熱敏電阻二熱敏電阻熱敏電阻是利用熱敏電阻是利用半導(dǎo)體半導(dǎo)體的電阻值隨溫度的變化而顯著的電阻值隨溫度的變化而顯著變化的特性實現(xiàn)測溫的。半導(dǎo)體熱敏電阻有很高的電變化的特性實現(xiàn)測溫的。半導(dǎo)體熱敏電阻有很高的電阻溫度系數(shù)，其靈敏度比熱電阻高得多。而且體積可阻溫度系數(shù)，其靈敏度比熱電阻高得多。而且體積可以做得很小，故動態(tài)特性好，特別適于在以做得很小，故動態(tài)特性好，特別適于在-100300之

18、間測溫。之間測溫。熱敏電阻的缺點是熱敏電阻的缺點是互換性較差互換性較差，另外其，另外其熱電特性是非線熱電特性是非線性的。性的。熱敏電阻是由一些熱敏電阻是由一些金屬氧化物金屬氧化物，如鈷（，如鈷（Co）、錳）、錳（Mn）、鎳（）、鎳（Ni）等的氧化物采用不同比例配方，高）等的氧化物采用不同比例配方，高溫?zé)Y(jié)而成。其形狀有溫?zé)Y(jié)而成。其形狀有珠狀、片狀、桿狀、墊圈狀珠狀、片狀、桿狀、墊圈狀等。等。標稱電阻值是熱敏電阻在標稱電阻值是熱敏電阻在250.2、零功率時的阻值，、零功率時的阻值，也叫冷電阻。也叫冷電阻。材料常數(shù)是表征負溫度系數(shù)材料常數(shù)是表征負溫度系數(shù)(NTC)熱敏電阻器材料的物熱敏電阻器材料

19、的物理特性常數(shù)。理特性常數(shù)。BN值決定于材料的激活能值決定于材料的激活能E，它們之間，它們之間滿足下面的函數(shù)關(guān)系式滿足下面的函數(shù)關(guān)系式kEBN 熱敏電阻的溫度每變化熱敏電阻的溫度每變化1時電阻值的變化率叫做熱敏時電阻值的變化率叫做熱敏電阻的電阻溫度系數(shù)。電阻的電阻溫度系數(shù)。 即：即：TRR/熱敏電阻器溫度每變化熱敏電阻器溫度每變化1所耗散的功率變化量。所耗散的功率變化量。 熱敏電阻器在零功率測量狀態(tài)下，當(dāng)環(huán)境溫度突變時電熱敏電阻器在零功率測量狀態(tài)下，當(dāng)環(huán)境溫度突變時電阻器的溫度變化量從開始到最終變量的阻器的溫度變化量從開始到最終變量的63.2所需的時所需的時間稱為熱敏電阻的時間常數(shù)間稱為熱敏電

20、阻的時間常數(shù) 熱敏電阻器在規(guī)定的技術(shù)條件下長期連續(xù)工作所允許熱敏電阻器在規(guī)定的技術(shù)條件下長期連續(xù)工作所允許的最高溫度。的最高溫度。熱電式傳感器熱敏電阻的分類：熱敏電阻是用半導(dǎo)體材料制成的熱敏器件。按物理特性，可分為三類：(1).負溫度系數(shù)熱敏電阻(NTC)；(2).正溫度系數(shù)熱敏電組(PTC)；(3).臨界溫度系數(shù)熱敏電阻(CTR)。 熱敏電阻主要有三種類型，即正溫度系數(shù)型熱敏電阻主要有三種類型，即正溫度系數(shù)型(PTC)(PTC)、負、負溫度系數(shù)型溫度系數(shù)型(NTC)(NTC)、和臨界溫度系數(shù)型、和臨界溫度系數(shù)型(CTR)(CTR)。CTRCTR臨界熱敏電阻有一突變臨界熱敏電阻有一突變溫度，此

21、特性可用于自動控溫度，此特性可用于自動控溫溫和報警電路中。和報警電路中。NTC熱敏電阻的阻值熱敏電阻的阻值-溫度關(guān)系為：溫度關(guān)系為：T1-T1expBRR0N0TBN 為熱敏電阻的為熱敏電阻的材料常數(shù)材料常數(shù)，一般，一般BN 為為2000600K，高溫下高溫下BN 將增大。將增大。00NTlnR T1-T1B lnR或表示為：或表示為：圖中直線的斜率就是圖中直線的斜率就是熱敏電阻的材料常數(shù)熱敏電阻的材料常數(shù)BN。 不同材料的不同材料的BN不同，右不同，右圖圖為不同為不同BN的的RT /R25T特性特性曲線曲線為了使用方便，常取環(huán)境溫度為為了使用方便，常取環(huán)境溫度為25作為參考溫度（即作為參考溫

22、度（即T0=25），則），則NTC熱敏電阻器的電阻熱敏電阻器的電阻 溫度關(guān)系式可溫度關(guān)系式可寫成：寫成： 2981125-TBexpRRNTPTC的電阻的電阻 溫度特性溫度特性是利用正溫度系數(shù)熱敏材是利用正溫度系數(shù)熱敏材料料在居里點附近結(jié)構(gòu)發(fā)生在居里點附近結(jié)構(gòu)發(fā)生相變引起導(dǎo)電率突變相變引起導(dǎo)電率突變獲得獲得的，如圖所示。的，如圖所示。由實驗得到：在工作溫度范圍內(nèi)，由實驗得到：在工作溫度范圍內(nèi)，PTC的電阻的電阻 溫度溫度特性可近似用下面的公式表示：特性可近似用下面的公式表示： 00TTBexpRRPT 對上式取對數(shù)得：對上式取對數(shù)得： 00TPTRlnTTBRln 圖線的斜率即為圖線的斜率即為

23、BP： rR1212Pm mtanB TTRlnRlnTT法蘭變送器充灌設(shè)備的研制4646v 傳感器選取測量范圍：測量范圍：5050150150 電壓表量程：電壓表量程：0mV0mV200mV200mV 探頭電流：探頭電流：0.5mA0.5mA左右左右 冰點、沸點冰點、沸點校準準確校準準確 成本低廉成本低廉熱電阻溫度計熱電阻溫度計: :二極管二極管1N41481N41481 1 壓力式溫度計壓力式溫度計; ;2 2 熱電阻溫度計熱電阻溫度計; ;3 3 普通二極管普通二極管. .返回返回電源電路溫度傳感信號變換電路A/D數(shù)模轉(zhuǎn)換LED顯示譯碼數(shù)字電壓表v 電路設(shè)計電源電路溫度傳感信號變換電路A/D數(shù)模轉(zhuǎn)換LED顯示譯碼數(shù)字電壓表電源電路溫度傳感信號變換電路A/D數(shù)模轉(zhuǎn)換LED顯示譯碼數(shù)字電壓表電源電路溫度傳感信號變換電路A/D數(shù)模轉(zhuǎn)換LED顯示譯碼數(shù)字電壓表電源電路溫度傳感信號變換電路A/D數(shù)模轉(zhuǎn)換LED顯示譯碼數(shù)字電壓表電源電路溫度傳感信號變換電路A/D數(shù)模轉(zhuǎn)換LED顯示譯碼數(shù)