傳感器原理與應(yīng)用溫度傳感器熱電阻

關(guān)于傳感器原理與應(yīng)用溫度傳感器熱電阻第1頁(yè)，講稿共51頁(yè)，2023年5月2日，星期三溫度傳感器

將溫度轉(zhuǎn)換為電勢(shì)的熱電式傳感器叫做熱電偶，將溫度轉(zhuǎn)換為電阻值的熱電式傳感器叫做熱電阻（金屬）半導(dǎo)體集成溫度傳感器AD590熱敏電阻（半導(dǎo)體，陶瓷）熱釋電紅外傳感器第2頁(yè)，講稿共51頁(yè)，2023年5月2日，星期三4.2熱電阻part1.原理第3頁(yè)，講稿共51頁(yè)，2023年5月2日，星期三金屬熱電阻利用導(dǎo)體電阻率隨溫度變化的特性制成的傳感器叫做熱電阻傳感器，它主要用于對(duì)溫度和與溫度有關(guān)的參量進(jìn)行檢測(cè)。測(cè)溫范圍主要在中、低溫度區(qū)（-200~650攝氏度）。第4頁(yè)，講稿共51頁(yè)，2023年5月2日，星期三金屬熱電阻的結(jié)構(gòu)熱電阻由電阻體、保護(hù)套和接線盒等主要部件組成，其中電阻體是熱電阻的最主要部分。通常情況下是將雙線電阻絲繞在石英、云母陶瓷和塑料等材料制成的骨架上；保護(hù)套主要有玻璃、陶瓷或金屬等類型，主要用于防止有害氣體腐蝕，防止氧化（尤其是銅熱電阻），防止水分侵入造成漏電影響阻值。第5頁(yè)，講稿共51頁(yè)，2023年5月2日，星期三熱電阻材料的特性要求電阻的溫度系數(shù)要大，以便提高熱電阻的靈敏度；電阻率盡可能大，以便在相同靈敏度下減小電阻體的尺寸。熱電容要盡可能小，以便提高熱電阻的相應(yīng)速度。在整個(gè)測(cè)量溫度的范圍內(nèi)，應(yīng)具有穩(wěn)定的物理和化學(xué)性質(zhì)。電阻與溫度的關(guān)系最好接近線性關(guān)系。具有良好的可加工性，并且價(jià)格便宜。目前使用最廣泛的熱電阻材料是鉑和銅第6頁(yè)，講稿共51頁(yè)，2023年5月2日，星期三金屬熱電阻的工作原理大多數(shù)金屬導(dǎo)體的電阻都隨溫度的變化而變化。當(dāng)溫度升高時(shí)，金屬內(nèi)部原子晶格的振動(dòng)加劇，從而使金屬內(nèi)部的自由電子通過(guò)金屬導(dǎo)體時(shí)的阻礙增大，宏觀上表現(xiàn)出電阻率變大，電阻值加劇。熱電阻是利用物質(zhì)的變化特性制成的，將溫度的變化量變換成與之有一定關(guān)系的電阻值的變化量，通過(guò)對(duì)電阻值的測(cè)量實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的測(cè)量。第7頁(yè)，講稿共51頁(yè)，2023年5月2日，星期三鉑熱電阻由于鉑的物理化學(xué)性質(zhì)都非常穩(wěn)定，是目前制造熱電阻的最好材料。鉑電阻主要作為標(biāo)準(zhǔn)電阻溫度計(jì)廣泛應(yīng)用于溫度基準(zhǔn)、標(biāo)準(zhǔn)的傳遞。其長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定的復(fù)現(xiàn)性可達(dá)10-4K，是目前測(cè)溫復(fù)現(xiàn)最好的一種溫度計(jì)。按照IEC（國(guó)際電工委員會(huì)）標(biāo)準(zhǔn)，鉑電阻的測(cè)溫范圍是-200~850℃。第8頁(yè)，講稿共51頁(yè)，2023年5月2日，星期三鉑熱電阻----特性方程當(dāng)溫度t為-200℃~0℃時(shí)，當(dāng)溫度t為0℃~850℃時(shí)，R0和Rt分別表示為溫度0℃和溫度為t℃時(shí)的電阻值。A、B、C為溫度系數(shù)，在國(guó)際溫標(biāo)ITS-90標(biāo)準(zhǔn)中，常數(shù)A、B、C被分別規(guī)定為：第9頁(yè)，講稿共51頁(yè)，2023年5月2日，星期三金屬熱電阻的阻值與R0有關(guān)，要確定熱電阻Rt與溫度T的關(guān)系，首先要確定電阻R0的值，R0為金屬熱電阻在0℃時(shí)的標(biāo)稱值。R0不同，Rt與溫度T的關(guān)系特性是不同的。目前我國(guó)規(guī)定工業(yè)用鉑熱電阻有兩種公稱值，即R0=10Ω和R0=100Ω，分度號(hào)分別為Pt10和Pt100。第10頁(yè)，講稿共51頁(yè)，2023年5月2日，星期三銅熱電阻在測(cè)量精度不太高、測(cè)量范圍不大的情況下，可以采用銅熱電阻進(jìn)行測(cè)溫。它的測(cè)量范圍是-50~150℃。其中，a為銅電阻的溫度系數(shù)，在測(cè)量精度不太高、測(cè)量范圍不大的情況下，可以采用銅熱電阻進(jìn)行測(cè)溫。它的測(cè)量范圍是-50~150℃。第11頁(yè)，講稿共51頁(yè)，2023年5月2日，星期三銅電阻有兩種分度號(hào)，分別為：Cu50（R0=50Ω）和Cu100（R0=100Ω）優(yōu)點(diǎn)：電阻溫度系數(shù)較大，線性度好，價(jià)格便宜。缺點(diǎn)：電阻率較低，電阻體的體積較大，熱慣性較大，穩(wěn)定性較差，在100℃以上時(shí)容易氧化，因此只能用于低溫及無(wú)水分、無(wú)腐蝕性的介質(zhì)中。第12頁(yè)，講稿共51頁(yè)，2023年5月2日，星期三其他熱電阻銦電阻：用99.999%高純度的銦絲繞成電阻，可在室溫至4.2K溫度范圍內(nèi)使用。實(shí)驗(yàn)證明，在4.2K~15K溫度范圍內(nèi)，銦電阻的靈敏度比鉑電阻高10倍。其缺點(diǎn)是：材料軟，復(fù)制性差。錳電阻：在2~63K溫度范圍內(nèi)，電阻隨溫度變化較大，靈敏度高。缺點(diǎn)：材料脆，難拉成絲。碳電阻：適合用液氮溫域的溫度測(cè)量，價(jià)廉，對(duì)磁場(chǎng)不敏感。缺點(diǎn)：熱穩(wěn)定性較差。第13頁(yè)，講稿共51頁(yè)，2023年5月2日，星期三金屬熱電阻的測(cè)量電路金屬熱電阻廣泛應(yīng)用在缸體、油管、水管、紡機(jī)、空調(diào)、熱水器等狹小空間工業(yè)設(shè)備的測(cè)溫與控制。汽車空調(diào)、冰箱、冷柜、飲水機(jī)、咖啡機(jī)及恒溫等場(chǎng)合也經(jīng)常使用。第14頁(yè)，講稿共51頁(yè)，2023年5月2日，星期三4.2熱電阻part2.測(cè)量電路第15頁(yè)，講稿共51頁(yè)，2023年5月2日，星期三熱電阻測(cè)量電路電壓源儀用放大器第16頁(yè)，講稿共51頁(yè)，2023年5月2日，星期三【復(fù)習(xí)】差分放大器由虛短可知：有虛斷可知，運(yùn)放輸入端沒(méi)有電流輸入，則R5a、Rw和R5b為串聯(lián)，通過(guò)的電流：由運(yùn)放A3虛斷可知：由運(yùn)放A3虛短可知：當(dāng)：第17頁(yè)，講稿共51頁(yè)，2023年5月2日，星期三放大電路輸出電壓的極性問(wèn)題負(fù)系數(shù)電壓源儀用放大器負(fù)系數(shù)第18頁(yè)，講稿共51頁(yè)，2023年5月2日，星期三4.2熱電阻part2.1Cu50測(cè)量電路第19頁(yè)，講稿共51頁(yè)，2023年5月2日，星期三【回顧】第3章力學(xué)傳感器_1_金屬應(yīng)變式_2_測(cè)量電路第20頁(yè)，講稿共51頁(yè)，2023年5月2日，星期三【回顧】第3章力學(xué)傳感器_1_金屬應(yīng)變式_2_測(cè)量電路第21頁(yè)，講稿共51頁(yè)，2023年5月2日，星期三【回顧】第3章力學(xué)傳感器_1_金屬應(yīng)變式_2_測(cè)量電路Why？第22頁(yè)，講稿共51頁(yè)，2023年5月2日，星期三熱電阻是否可以忽略非線性項(xiàng)儀用放大器電壓源對(duì)于等臂電橋，電橋輸出的相對(duì)電壓為：對(duì)于Cu熱電阻：可以忽略嗎？？第23頁(yè)，講稿共51頁(yè)，2023年5月2日，星期三熱電阻是否可以忽略非線性項(xiàng)100℃時(shí)相對(duì)誤差是：【結(jié)論】相對(duì)誤差就很大了，非線性影響不能忽略！【現(xiàn)象】溫度越高輸出電壓越大！輸出電壓越大誤差越大！第24頁(yè)，講稿共51頁(yè)，2023年5月2日，星期三【思考】是否可以用電橋的輸出電壓Vt進(jìn)行非線性補(bǔ)償？熱電阻的非線性校正【思考】由于Vo與Vt是線性關(guān)系，如果可以用電橋的輸出電壓Vt進(jìn)行非線性補(bǔ)償，是否可以更進(jìn)一步用Vo進(jìn)行非線性補(bǔ)償？?jī)x用放大器電壓源第25頁(yè)，講稿共51頁(yè)，2023年5月2日，星期三熱電阻的非線性校正如果令公式變形希望該部分為1非線性校正完成第26頁(yè)，講稿共51頁(yè)，2023年5月2日，星期三熱電阻的非線性校正儀用放大器電壓源Vrefβ反饋電路第27頁(yè)，講稿共51頁(yè)，2023年5月2日，星期三熱電阻的非線性校正儀用放大器第28頁(yè)，講稿共51頁(yè)，2023年5月2日，星期三熱電阻的非線性校正Dz是穩(wěn)壓二極管（齊納管），被反向擊穿，特點(diǎn)是在反向擊穿后，無(wú)論通過(guò)的電流時(shí)多少，穩(wěn)壓管上兩端的電壓保持恒定。運(yùn)放構(gòu)成了一個(gè)反相比例放大器。具體到本電路可以使用疊加原理進(jìn)行分析?！舅伎肌客茖?dǎo)出電橋供電電壓的表達(dá)式。β值通過(guò)配置哪些電阻從而進(jìn)行設(shè)置？第29頁(yè)，講稿共51頁(yè)，2023年5月2日，星期三電路分析1疊加定理純反相放大器第30頁(yè)，講稿共51頁(yè)，2023年5月2日，星期三電路分析2疊加定理第31頁(yè)，講稿共51頁(yè)，2023年5月2日，星期三電路分析2反相放大器第32頁(yè)，講稿共51頁(yè)，2023年5月2日，星期三電路分析--疊加定理負(fù)號(hào)怎么辦？第33頁(yè)，講稿共51頁(yè)，2023年5月2日，星期三電路分析負(fù)電壓第34頁(yè)，講稿共51頁(yè)，2023年5月2日，星期三4.2熱電阻part2.2Pt100測(cè)量電路第35頁(yè)，講稿共51頁(yè)，2023年5月2日，星期三Pt100熱電阻的測(cè)量電路【要求】設(shè)計(jì)一個(gè)Pt100熱電阻測(cè)量電路，要求輸出電壓范圍是[0.5V,4.5V]，對(duì)應(yīng)的溫度范圍是[0℃,100℃]。溫度靈敏度：第36頁(yè)，講稿共51頁(yè)，2023年5月2日，星期三Pt100熱電阻的測(cè)量電路恒流法測(cè)溫電路無(wú)論Rt是否變化，流經(jīng)的電流不發(fā)生變化在國(guó)際溫標(biāo)ITS-90標(biāo)準(zhǔn)中，常數(shù)A、B、C被分別規(guī)定為：1mA恒流源要求的靈敏度是40mv/℃這里只有0.4mV/℃需要進(jìn)行放大非線性容后再議第37頁(yè)，講稿共51頁(yè)，2023年5月2日，星期三靈敏度的100倍增益放大反向放大器恒流源實(shí)現(xiàn)100倍的增益第38頁(yè)，講稿共51頁(yè)，2023年5月2日，星期三【復(fù)習(xí)】加法器Port+與Port-虛斷，則有：虛短當(dāng)：第39頁(yè)，講稿共51頁(yè)，2023年5月2日，星期三零點(diǎn)平移恒流源加法器調(diào)整參數(shù)，使其為500mv高次項(xiàng)做負(fù)貢獻(xiàn)第40頁(yè)，講稿共51頁(yè)，2023年5月2日，星期三高階非線性校正溫度越高，誤差越大溫度越高，Vo1幅值越高利用Vo1反饋抑制非線性自行分析第41頁(yè)，講稿共51頁(yè)，2023年5月2日，星期三4.2熱電阻part3.接線誤差消除第42頁(yè)，講稿共51頁(yè)，2023年5月2日，星期三熱電阻的連接法由于熱電阻的阻值較小，所以導(dǎo)線電阻值不可忽略，故此在實(shí)際使用時(shí)，金屬熱電阻的連接方法不同，其測(cè)量精度也不同。測(cè)量電路經(jīng)常采用電橋電路，熱電阻的內(nèi)部引線方式有二線制、三線制、四線制三種。第43頁(yè)，講稿共51頁(yè)，2023年5月2日，星期三兩線制在熱電阻感溫元件的兩端各連一根導(dǎo)線的引線形式為兩線制。這種兩線制熱電阻配線簡(jiǎn)單，安裝費(fèi)用低，但要帶進(jìn)引線電阻的附加誤差。采用兩線制的測(cè)溫電橋如下圖所示，(a)為接線示意圖，(b)為等效原理圖。從圖中可以看出熱電阻兩引線電阻Rw一起構(gòu)成電橋測(cè)量臂， 這樣當(dāng)引線電阻隨沿線環(huán)境溫度改變引起的阻值變化量2△Rw和熱電阻隨被測(cè)溫度變化的增量值△Rt一起成為有效信號(hào)轉(zhuǎn)換成測(cè)量信號(hào)電壓， 從而影響溫度測(cè)量精度。第44頁(yè)，講稿共51頁(yè)，2023年5月2日，星期三由歐姆定律可得：當(dāng)Rr=Rt時(shí)，電橋平衡，

V0=-I2*2r從V0的表達(dá)式可以看出，引線電阻的影響十分明顯，兩線制接線法的誤差很大。第45頁(yè)，講稿共51頁(yè)，2023年5月2日，星期三三線制構(gòu)成如圖所示測(cè)量電橋，可以消除內(nèi)引線電阻的影響，測(cè)量精度高于兩線制。目前三線制在工業(yè)檢測(cè)中應(yīng)用最廣。而且，在測(cè)溫范圍窄或?qū)Ь€長(zhǎng)，或?qū)Ь€途中溫度易發(fā)生變化的場(chǎng)合必須考慮采用三線制。第46頁(yè)，講稿共51頁(yè)，2023年5月2日，星期三由歐姆定律可得：當(dāng)Rr=Rt時(shí)，電橋平衡，

I1=I2，V0=0.可見三線制接線法可以很好的消除引線電阻，提高熱電阻的精度。第47頁(yè)，講稿共51頁(yè)，2023年5月2日，星期三四線制在熱電阻感溫元件的兩端各連兩根引線，此種引線形式稱為四線制熱電阻。此種引線方式不僅可以消除內(nèi)引線電阻的影響，而且在連接導(dǎo)線阻值相同時(shí)，可以消除該電阻的影響。熱端冷端測(cè)量電路不是電橋結(jié)構(gòu)第48頁(yè)，講稿共51頁(yè)，2023年5月2日，星期三四線測(cè)量用兩條附加的測(cè)試線提供恒定電流，另兩條測(cè)試線測(cè)量未知電阻的電壓降，在電壓表輸入阻抗足夠高的條件下，電