傳感檢測技術(shù)及其應(yīng)用

傳感檢測技術(shù)及其應(yīng)用2023/6/161第一頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期六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。

2023/6/162第二頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期六8.1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。2023/6/163第三頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期六

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-200～650℃。數(shù)學模型：當溫度t在-200℃～0℃時：當溫度t在0℃～640℃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)（3.96847×10-3/℃）；B—系數(shù)（-5.847×10-7/℃）；C—系數(shù)（-4.22×10-12/℃）2023/6/164第四頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期六2.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行溫度測量，其測量范圍一般為-50～150℃。數(shù)學模型：模型1：在精確計算時，常用多項來表示式中：A—系數(shù)（4.28899×10-3/℃）；B—系數(shù)（-2.133×10-7/℃）C—系數(shù)（1.233×10-9/℃）模型2：為了計算簡單，常用二項式來計算α0為在初始溫度t0℃為時的溫度系數(shù)。2023/6/165第五頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期六二、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，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=IR42023/6/166第六頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期六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=I1(r1+Rt+r3)=I(2r+Rt)e2=I2(RD+r2+r3)=I(2r+RD)所以VS=e1-e2=I(RD-Rt)2023/6/167第七頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期六4.四線制r1=r2=r3=r4如右圖，e1=I(Rt+r4)e2=Ir4則Vs=e1-e2=IRt2023/6/168第八頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期六三、鉑熱電阻應(yīng)用的基本電路1.恒流工作電路e1e22023/6/169第九頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期六如圖8－3所示。運放A1組成I－V變換電路，運放A2組成反相輸入端比例放大器。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8－3－1所示。則2023/6/1610第十頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期六根據(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8－3中A1的外圍電路，IIN=(VR－e1)/R1=1mA，則e1=VR－IINR1=2－1mA×1kΩ=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，使之在0度時運放A1的輸出電壓eOUT位零：eOUT=e2－IINRT(0)＝1－1mA×1kΩ=0鉑電阻方程、電路方程為2023/6/1611第十一頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期六所以設(shè)輸入溫度范圍為。當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2023/6/1612第十二頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期六若R4=10kΩ，R5＝24kΩ，則RP2=3.2kΩ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)對非線性進行線性化校正。2023/6/1613第十三頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期六由VOUT可知，恒流工作基本方程的輸出電壓二次項系數(shù)為負值，因此必須采用正反饋對二次非線性項進行補償，如圖8－4所示。由運放A3對運放A1組成的I－V變換器的輸出信號eOUT反相后形成電流負反饋，輸入運放A1的反相輸入端。根據(jù)電路可求得反饋電流I’IN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2023/6/1614第十四頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期六2023/6/1615第十五頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期六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2023/6/1616第十六頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期六運放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：2023/6/1617第十七頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期六要使VOUT(t)在0°C時為零，必須有則VOUT(t)為這樣2500°C時，VOUT(t)＝2.5V,落在擬合直線的中點上?？梢园?％的誤差降到0.1%。2023/6/1618第十八頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期六2.恒壓工作電路eOUT2023/6/1619第十九頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期六如圖所示電橋，RP1為調(diào)零電阻，要求R8、R9并聯(lián)阻值等于0°C時熱電阻的阻值RT(0)，在0°C時電橋平衡。當溫度不為0°C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2023/6/1620第二十頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期六靈敏度為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0～5000°C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0～500°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％。2023/6/1621第二十一頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期六可以看出，恒壓工作方式在沒有進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)用時需要進行線性化校正。采用電壓正反饋進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2023/6/1622第二十二頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期六2023/6/1623第二十三頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期六根據(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。2023/6/1624第二十四頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期六由傳遞函數(shù)方框圖，可求得電路的輸出為：又所以有2023/6/1625第二十五頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期六這樣，在0～500°C溫度范圍，通過選擇合適的G2和β，就能使最大非線性誤差降到0.3%。2023/6/1626第二十六頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期六8.2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：負溫度系數(shù)熱敏電阻(NTC－NegativeTemperatureCoefficientThermistor)，其阻值隨溫度上升而減小。使用溫度范圍為－50℃~＋300℃，主要用于溫度測量；正溫度系數(shù)熱敏電阻(PTC－PositiveTem-PeratureCoefficientThermistor),其阻值隨溫度上升而增大，具有開關(guān)特性，－50℃~＋150℃

；臨界溫度熱敏電阻(CTR－CriticalTemperatureResistor)2023/6/1627第二十七頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期六,也具有開關(guān)特性，使用溫度范圍為0℃~＋300℃。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。2023/6/1628第二十八頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期六熱敏電阻與熱電阻相比，其特點為：（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。2023/6/1629第二十九頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期六2.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。2023/6/1630第三十頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期六串聯(lián)在熱敏電阻中的R的最佳值為四、測量電路1.串聯(lián)測量電路路2023/6/1631第三十一頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期六五、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2023/6/1632第三十二頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期六8.3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、準確度高、輸出信號便于運距離傳輸?shù)?。以熱電效?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，2023/6/1633第三十三頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期六這種現(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,σA=σB，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。2023/6/1634第三十四頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期六1.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EA’B’(Tn,T0)的代數(shù)和。2023/6/1635第三十五頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期六連接導(dǎo)體定律是工業(yè)上運用補償導(dǎo)線進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8－29，當導(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于EAB(T,Tn)與的代數(shù)和。Tn稱為中間溫度。（4）參考電極定律2023/6/1636第三十六頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期六參考電極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2023/6/1637第三十七頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期六2.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2023/6/1638第三十八頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期六（3）二端集成傳感器補償四、熱電偶的放大電路2023/6/1639第三十九頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期六五、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式為2023/6/1640第四十頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期六當溫度為600°C，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，則有當溫度為300°C，熱電勢為12.207mV時，可得

而溫度為600°C，熱電勢為24.902mV時由上述可知：溫度