《傳感器與檢測技術(shù)》課件匯 廣教版 項(xiàng)目1-4 傳感器與測量技術(shù)基礎(chǔ)-物位檢測

項(xiàng)目1傳感器與檢測技術(shù)基礎(chǔ)任務(wù)1.1認(rèn)識(shí)傳感器

任務(wù)1.2認(rèn)識(shí)測量及數(shù)據(jù)處理

任務(wù)1.3認(rèn)識(shí)傳感器接口電路任務(wù)1.1認(rèn)識(shí)傳感器1.1.1傳感器的定義、組成與分類1.傳感器的定義傳感器是指能感受被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置。

任務(wù)1.1認(rèn)識(shí)傳感器2.傳感器的組成傳感器是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測和自動(dòng)控制的首要環(huán)節(jié)，有時(shí)也可以稱為換能器、檢測器、探頭等，通常由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和測量電路三部分組成。任務(wù)1.1認(rèn)識(shí)傳感器電位器式壓力原理表示意圖a)原理示意圖b)外形圖1－彈簧管2－電位器3－電刷4－傳動(dòng)機(jī)構(gòu)（齒輪-齒條）任務(wù)1.1認(rèn)識(shí)傳感器3.傳感器的分類傳感器的種類名目繁多，分類不盡相同。按輸入量即測量對(duì)象的不同分類輸入量分別為溫度、壓力、位移、速度、濕度、光線、氣體等非電量時(shí)，則相應(yīng)的傳感器稱為溫度傳感器、壓力傳感器、稱重傳感器等。按工作(檢測)原理分類檢測原理指傳感器工作時(shí)所依據(jù)的物理效應(yīng)、化學(xué)效應(yīng)和生物效應(yīng)等機(jī)理。有電阻式、電容式、電感式、壓電式、電磁式、磁阻式、光電式、壓阻式、熱電式、核輻射式、半導(dǎo)體式等傳感器。按傳感器能量轉(zhuǎn)換情況分類可分為能量變換型(發(fā)電型)傳感器和能量控制型(參量型)傳感器兩種。任務(wù)1.1認(rèn)識(shí)傳感器1.1.2傳感器的基本特性

傳感器的基本特性是指傳感器的輸入-輸出關(guān)系特性，是傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)作用關(guān)系的外部特性表現(xiàn)。不同的傳感器有不同的內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)，決定了它們具有不同的外部特性。

傳感器所測量的物理量基本上有兩種形式穩(wěn)態(tài)（靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)）信號(hào)不隨時(shí)間變化（或變化很緩慢）靜態(tài)特性動(dòng)態(tài)（周期變化或瞬態(tài)）信號(hào)隨時(shí)間變化動(dòng)態(tài)特性任務(wù)1.1認(rèn)識(shí)傳感器1.靜態(tài)特性傳感器的靜態(tài)特性是它在穩(wěn)態(tài)信號(hào)作用下的輸入-輸出關(guān)系。靜態(tài)特性所描述的傳感器的輸入-輸出關(guān)系式中不含時(shí)間變量。靈敏度分辨力線性度遲滯重復(fù)性漂移靜態(tài)特性的主要指標(biāo)任務(wù)1.1認(rèn)識(shí)傳感器1）靈敏度(Sensitivity)

靈敏度是傳感器在穩(wěn)態(tài)下輸出量變化對(duì)輸入量變化的比值。用S

來表示：任務(wù)1.1認(rèn)識(shí)傳感器2）分辨力(Resolution)指傳感器能檢出被測信號(hào)的最小變化量。當(dāng)被測量的變化小于分辨力時(shí)，傳感器對(duì)輸入量的變化無任何反應(yīng)。對(duì)數(shù)字儀表而言，如果沒有其他附加說明，可以認(rèn)為該表的最后一位所表示的數(shù)值就是它的分辨力。將分辨力除以儀表的滿量程就是儀表的分辨率，分辨率常以百分比或幾分之一表示，是量綱為1的數(shù)。右表的分辨力為多少？分辨力=0.1A分辨率=0.1A÷99.9≈0.1%任務(wù)1.1認(rèn)識(shí)傳感器3）線性度（Linearity）

線性度又稱非線性誤差，是指傳感器實(shí)際特性曲線與擬合直線（有時(shí)也稱理論直線）之間的最大偏差與傳感器量程范圍內(nèi)的輸出之百分比。將傳感器輸出起始點(diǎn)與滿量程點(diǎn)連接起來的直線作為擬合直線，這條直線稱為端基理論直線，按上述方法得出的線性度稱為端基線性度。

線性度的計(jì)算公式如下：

式中

ΔLmax——最大非線性偏差；

ymax

-ymin——輸出范圍。

端基線性度示意圖1-擬合直線y=Kx+b2-實(shí)際特性曲線任務(wù)1.1認(rèn)識(shí)傳感器4）遲滯（Hysteresis）

遲滯又稱為回差或變差，是指在規(guī)定的測量范圍內(nèi)，輸入量增大行程期間和輸入量減小行程期間，任一被測量值處輸出量的最大差值，也就是指傳感器的正向特性和反向特性不一致程度?？捎孟率奖硎荆?/p>

式中

ΔHmax——最大非線性偏差；

ymax

-ymin——輸出范圍。某位移傳感器遲滯特性曲線1-正向特性2-反向特性任務(wù)1.1認(rèn)識(shí)傳感器5）重復(fù)性（Repeatability）

重復(fù)性是指當(dāng)傳感器在相同工作條件下，輸入量按同一方向全量程連續(xù)多次測試時(shí),所得特性曲線不一致的程度。如圖所示，正行程的最大重復(fù)性偏差為ΔRmax1，反行程的最大重復(fù)性偏差為ΔRmax2。重復(fù)性誤差取這兩個(gè)最大偏差中較大的一個(gè)（設(shè)為ΔRmax），再與滿量程輸出的百分比表示，即：

任務(wù)1.1認(rèn)識(shí)傳感器6）漂移（DriftorShift）

漂移是指傳感器在輸入量不變的情況下，輸出量隨時(shí)間變化的現(xiàn)象。漂移將影響傳感器的穩(wěn)定性或可靠性。一是傳感器自身結(jié)構(gòu)參數(shù)發(fā)生老化，如零點(diǎn)漂移（簡稱零漂）二是在測試過程中周圍環(huán)境（如溫度、濕度、壓力等）發(fā)生變化，最常見的是溫度漂移（簡稱溫漂）產(chǎn)生漂移的原因漂移任務(wù)1.1認(rèn)識(shí)傳感器2.動(dòng)態(tài)特性傳感器動(dòng)態(tài)特性是指傳感器的輸入為隨時(shí)間變化的信號(hào)時(shí)，其輸出與輸入之間的關(guān)系。傳感器的輸入信號(hào)是隨時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)信號(hào)，這時(shí)就要求傳感器能時(shí)刻精確地跟蹤輸入信號(hào)，按照輸入信號(hào)的變化規(guī)律輸出信號(hào)。當(dāng)傳感器輸入信號(hào)的變化緩慢時(shí)，是容易跟蹤的，但隨著輸入信號(hào)的變化加快，傳感器隨動(dòng)跟蹤性能會(huì)逐漸下降。輸入信號(hào)變化時(shí)，引起輸出信號(hào)也隨時(shí)間變化，這個(gè)過程稱為響應(yīng)。任務(wù)1.1認(rèn)識(shí)傳感器1.1.3傳感器的標(biāo)定與校準(zhǔn)標(biāo)定利用某種標(biāo)準(zhǔn)儀器對(duì)新研制或生產(chǎn)的傳感器進(jìn)行技術(shù)檢定和標(biāo)度；它是通過實(shí)驗(yàn)建立傳感器輸入量與輸出量間的關(guān)系，并確定不同使用條件下的誤差關(guān)系或測量精度。校準(zhǔn)校準(zhǔn)是指對(duì)使用或儲(chǔ)存一段時(shí)間后的傳感器性能進(jìn)行再次測試和校正，校準(zhǔn)的方法和要求與標(biāo)定相同。任務(wù)1.1認(rèn)識(shí)傳感器

任務(wù)1.2認(rèn)識(shí)測量及數(shù)據(jù)處理

任務(wù)1.3認(rèn)識(shí)傳感器接口電路任務(wù)1.2認(rèn)識(shí)測量及數(shù)據(jù)處理1.2.1檢測技術(shù)及自動(dòng)檢測系統(tǒng)1.檢測技術(shù)檢測是利用各種物理、化學(xué)效應(yīng)，選擇合適的方法和裝置，將生產(chǎn)、科研、生活中的有關(guān)信息通過檢查與測量的方法賦予定性或定量結(jié)果的過程。能夠自動(dòng)地完成整個(gè)檢測處理過程的技術(shù)稱為自動(dòng)檢測技術(shù)。

檢測與計(jì)量不同。計(jì)量是指利用精度等級(jí)更高的標(biāo)準(zhǔn)量具、器具或標(biāo)準(zhǔn)儀器，對(duì)被測樣品、樣機(jī)進(jìn)行考核性質(zhì)的非實(shí)時(shí)、離線的測量。而檢測是指在生產(chǎn)、實(shí)驗(yàn)等現(xiàn)場，利用某種合適的檢測儀器或綜合測試系統(tǒng)對(duì)被測對(duì)象進(jìn)行在線、連續(xù)的測量。2.自動(dòng)檢測系統(tǒng)自動(dòng)檢測系統(tǒng)是指在物理量的測試中，能自動(dòng)地按照一定的程序選擇測量對(duì)象，獲得測量數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，最后將結(jié)果顯示或記錄下來的系統(tǒng)。一個(gè)完整的檢測系統(tǒng)通常由傳感器、測量電路、顯示記錄裝置、數(shù)據(jù)處理裝置和執(zhí)行機(jī)構(gòu)等幾部分組成，分別完成信息獲取、轉(zhuǎn)換、顯示、處理和控制等功能。任務(wù)1.2認(rèn)識(shí)測量及數(shù)據(jù)處理（1）傳感器。傳感器已在任務(wù)1.1中詳細(xì)介紹過，本任務(wù)不再贅述。（2）信號(hào)調(diào)理電路。信號(hào)調(diào)理電路包括放大（或衰減）電路、濾波電路、隔離電路等。放大電路的作用是把傳感器輸岀的電量變成具有一定驅(qū)動(dòng)和傳輸能力的電壓、電流或頻率等信號(hào)，以推動(dòng)后級(jí)的顯示器、數(shù)據(jù)處理裝置及執(zhí)行機(jī)構(gòu)。（3）顯示裝置。顯示裝置是人機(jī)聯(lián)系的重要環(huán)節(jié)，主要作用是使人們了解被測量的大小或變化的過程。常用的有模擬顯示、數(shù)字顯示和圖像顯示三種。任務(wù)1.2認(rèn)識(shí)測量及數(shù)據(jù)處理（4）數(shù)據(jù)處理裝置。數(shù)據(jù)處理裝置用于對(duì)測試所得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、運(yùn)算、邏輯判斷、變換，以及對(duì)動(dòng)態(tài)測試結(jié)果做頻譜分析（包括幅值譜分析、功率譜分析）、相關(guān)分析等，完成這些工作必須釆用計(jì)算機(jī)技術(shù)。（5）執(zhí)行機(jī)構(gòu)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)是運(yùn)動(dòng)部件，通常釆用電力驅(qū)動(dòng)、氣壓驅(qū)動(dòng)和液壓驅(qū)動(dòng)等幾種方式。任務(wù)1.2認(rèn)識(shí)測量及數(shù)據(jù)處理任務(wù)1.2認(rèn)識(shí)測量及數(shù)據(jù)處理1.2.2測量與測量誤差1.測量的概念測量是人們借助專門的技術(shù)和設(shè)備，通過實(shí)驗(yàn)的方法，把被測量與單位標(biāo)準(zhǔn)量進(jìn)行比較，以確定出被測量是標(biāo)準(zhǔn)量的多少倍數(shù)的過程，所得的倍數(shù)就是測量值。測量結(jié)果可用一定的數(shù)值表示，也可以用一條曲線或某種圖形表示。但無論其表現(xiàn)形式如何，測量結(jié)果應(yīng)包括兩部分：比值和測量單位。測量過程的核心就是比較。2.測量方法實(shí)現(xiàn)被測量與標(biāo)準(zhǔn)量比較得出比值的方法，稱為測量方法。針對(duì)不同測量任務(wù)進(jìn)行具體分析以找出切實(shí)可行的測量方法，對(duì)測量工作是十分重要的。對(duì)于測量方法，從不同角度，有不同的分類方法。（1）根據(jù)被測量是否隨時(shí)間變化，可分為靜態(tài)測量和動(dòng)態(tài)測量。例如，用激光干涉儀對(duì)建筑物的緩慢沉降作長期監(jiān)測就屬于靜態(tài)測量；又如，用光導(dǎo)纖維陀螺儀測量火箭的飛行速度和方向就屬于動(dòng)態(tài)測量。任務(wù)1.2認(rèn)識(shí)測量及數(shù)據(jù)處理（2）根據(jù)測量的手段不同，可分為直接測量和間接測量。用儀表直接讀取被測量的測量結(jié)果，稱為直接測量。間接測量的過程比較復(fù)雜，首先要對(duì)幾個(gè)與被測量有確定函數(shù)關(guān)系的量進(jìn)行直接測量，將測量值代入函數(shù)關(guān)系式y(tǒng)=f(x1，x2，x3，…)，經(jīng)過計(jì)算求得被測量。（3）根據(jù)測量結(jié)果的顯示方式，可分為模擬式測量和數(shù)字式測量。目前多采用數(shù)字式測量。（4）根據(jù)測量時(shí)是否與被測對(duì)象接觸，可分為接觸式測量和非接觸式測量。（5）為了監(jiān)視生產(chǎn)過程或在生產(chǎn)流水線上監(jiān)測產(chǎn)品質(zhì)量的測量稱為在線測量；反之，稱為離線測量。任務(wù)1.2認(rèn)識(shí)測量及數(shù)據(jù)處理（6）根據(jù)測量的方式來分，又可分為偏位式測量、零位式測量和微差式測量。①偏位式測量：在測量過程中，被測量作用于儀表內(nèi)部的比較裝置，使該比較裝置產(chǎn)生偏移量，直接用儀表的偏移量表示被測量的測量方式稱為偏位式測量。②零位式測量：在測量過程中，被測量與儀表內(nèi)部的標(biāo)準(zhǔn)量相比較，當(dāng)測量系統(tǒng)達(dá)到平衡時(shí)，用已知標(biāo)準(zhǔn)量的值決定被測量的值，這種測量方式稱為零位式測量。③微差式測量：微差式測量法綜合了偏位式測量法速度快和零位式測量法準(zhǔn)確度高的優(yōu)點(diǎn)。這種測量方法預(yù)先使被測量與測量裝置內(nèi)部的標(biāo)準(zhǔn)量取得平衡，當(dāng)被測量有微小變化時(shí)，測量裝置失去平衡。任務(wù)1.2認(rèn)識(shí)測量及數(shù)據(jù)處理3.測量誤差及表達(dá)方式

在一定條件下被測物理量客觀存在的實(shí)際值，稱為真值，真值是一個(gè)理想的概念。在實(shí)際測量時(shí)，由于實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)設(shè)備的不完善、周圍環(huán)境的影響以及人們認(rèn)識(shí)能力所限等因素，使得測量值與其真值之間不可避免地存在著差異。測量值與真值之間的差值稱為測量誤差。

測量誤差可用絕對(duì)誤差表示，也可用相對(duì)誤差表示。任務(wù)1.2認(rèn)識(shí)測量及數(shù)據(jù)處理（1）絕對(duì)誤差絕對(duì)誤差是指測量值與真值之間的差值，它反映了測量值偏離真值的多少，即Δx=Ax-A0

（1-5）式(1-5)中A0為被測量真值，Ax為被測量實(shí)際值。由于真值的不可知性，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，常用實(shí)際真值（或約定真值）A代替，即用被測量多次測量的平均值或上一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)儀器測得的示值作為實(shí)際真值，故有Δx=Ax-A

（1-6）任務(wù)1.2認(rèn)識(shí)測量及數(shù)據(jù)處理（2）相對(duì)誤差

相對(duì)誤差能夠反映測量值偏離真值的程度，用相對(duì)誤差通常比其絕對(duì)誤差能更好地說明不同測量的精確程度。它有以下三種常用形式：①實(shí)際相對(duì)誤差。實(shí)際相對(duì)誤差是指絕對(duì)誤差Δx與被測量真值A(chǔ)0的百分比，用γA表示，即

（1-7）任務(wù)1.2認(rèn)識(shí)測量及數(shù)據(jù)處理②示值(標(biāo)稱)相對(duì)誤差。示值相對(duì)誤差是指絕對(duì)誤差Δx與被測量實(shí)際值A(chǔ)x的百分比，用γx表示，即

（1-8）任務(wù)1.2認(rèn)識(shí)測量及數(shù)據(jù)處理③引用(滿度)相對(duì)誤差。引用相對(duì)誤差是指絕對(duì)誤差Δx與儀表滿度值A(chǔ)m的百分比，用γm表示，即

（1-9）任務(wù)1.2認(rèn)識(shí)測量及數(shù)據(jù)處理由于γm是用絕對(duì)誤差Δx與一個(gè)常量Am(量程上限)的比值所表示的，所以實(shí)際上給出的是絕對(duì)誤差，這也是應(yīng)用最多的表示方法。當(dāng)|Δx|取最大值時(shí)，其滿度相對(duì)誤差常用來確定儀表的精度等級(jí)S,精度等級(jí)數(shù)值就是取γm絕對(duì)值并省略百分號(hào)得到的，即

（1-10）任務(wù)1.2認(rèn)識(shí)測量及數(shù)據(jù)處理例如，若γm=l.5%，則精度等級(jí)S=1.5級(jí)。為統(tǒng)一和方便使用，國家標(biāo)準(zhǔn)GB776-76(測量指示儀表通用技術(shù)條件》規(guī)定，測量指示儀表的精度等級(jí)S分為0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5.0七個(gè)等級(jí)，這也是工業(yè)檢測儀器(系統(tǒng))常用的精度等級(jí)。例如用5.0級(jí)的儀表測量，其絕對(duì)誤差的絕對(duì)值不會(huì)超過儀表量程的5%。滿度相對(duì)誤差中的分子、分母均由儀表本身性能所決定，所以它是衡量儀表性能優(yōu)劣的一種簡便實(shí)用的方法。任務(wù)1.2認(rèn)識(shí)測量及數(shù)據(jù)處理【例1-2】某溫度計(jì)的量程范圍為0℃～500℃,校驗(yàn)時(shí)該表的最大絕對(duì)誤差為6℃,試確定該儀表的精度等級(jí)?！窘狻扛鶕?jù)題意知|Δx|m=6℃,Am=500℃，代入式(1-8)中可得

該溫度計(jì)的基本誤差介于1.0%與1.5%之間，因此該表的精度等級(jí)應(yīng)定為1.5級(jí)。任務(wù)1.2認(rèn)識(shí)測量及數(shù)據(jù)處理【例1-3】現(xiàn)有精度等級(jí)為0.5級(jí)的0℃～300℃和1.0級(jí)的0℃～100℃的兩個(gè)溫度計(jì)，欲測量80℃的溫度，試問選用哪一個(gè)溫度計(jì)好？為什么？【解】0.5級(jí)溫度計(jì)測量時(shí)可能出現(xiàn)的最大絕對(duì)誤差和測量80℃可能出現(xiàn)的最大示值相對(duì)誤差分別為任務(wù)1.2認(rèn)識(shí)測量及數(shù)據(jù)處理1.0級(jí)溫度計(jì)測量時(shí)可能出現(xiàn)的最大絕對(duì)誤差和測量80℃可能出現(xiàn)的最大示值相對(duì)誤差分別為根據(jù)計(jì)算結(jié)果,顯然用1.0級(jí)溫度計(jì)比0.5級(jí)溫度計(jì)測量時(shí)，示值相對(duì)誤差反而小。因此在選用儀表時(shí),不能單純追求高精度，而是應(yīng)兼顧精度等級(jí)和量程。任務(wù)1.2認(rèn)識(shí)測量及數(shù)據(jù)處理4.測量誤差的分類（1）按被測量與時(shí)間關(guān)系劃分①靜態(tài)誤差。被測量穩(wěn)定不變時(shí)所產(chǎn)生的測量誤差稱為靜態(tài)誤差。②動(dòng)態(tài)誤差。被測量隨時(shí)間迅速變化時(shí)，系統(tǒng)的輸出量在時(shí)間上卻跟不上輸入量的變化，這時(shí)所產(chǎn)生的誤差稱為動(dòng)態(tài)誤差。任務(wù)1.2認(rèn)識(shí)測量及數(shù)據(jù)處理（2）按誤差表現(xiàn)的規(guī)律劃分根據(jù)測量數(shù)據(jù)中的誤差所呈現(xiàn)的規(guī)律，將誤差分為三種，即系統(tǒng)誤差、隨機(jī)誤差和粗大誤差。這種分類方法便于測量數(shù)據(jù)的處理。①系統(tǒng)誤差。對(duì)同一被測量進(jìn)行多次重復(fù)測量時(shí)，若誤差固定不變或者按照一定規(guī)律變化，這種誤差稱為系統(tǒng)誤差。②隨機(jī)誤差。對(duì)同一被測量進(jìn)行多次重復(fù)測量時(shí)，若誤差的大小隨機(jī)變化、不可預(yù)知，這種誤差稱為隨機(jī)誤差。③粗大誤差。測量結(jié)果明顯地偏離其實(shí)際值所對(duì)應(yīng)的誤差，稱為粗大誤差或疏忽誤差，又叫過失誤差。這類誤差是由于測量者疏忽大意或環(huán)境條件的突然變化而引起的。任務(wù)1.2認(rèn)識(shí)測量及數(shù)據(jù)處理任務(wù)1.2認(rèn)識(shí)測量及數(shù)據(jù)處理1.2.3測量數(shù)據(jù)處理在實(shí)際測量工作中，所測得的數(shù)據(jù)并不一定十分理想。為了能得到較精確的測量結(jié)果，應(yīng)對(duì)多次測量的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與處理。測量結(jié)果的數(shù)據(jù)處理可以按照下列步驟進(jìn)行：1.將一系列等精度測量的數(shù)據(jù)xi（i=1,2,…,n）按先后順序列成表格(在測量時(shí)應(yīng)盡可能消除系統(tǒng)誤差)。2.求出測量數(shù)據(jù)xi的算術(shù)平均值

x。3.計(jì)算出各測量值的殘余誤差Vi(Vi=xi-

x),并列入表中每個(gè)測量數(shù)值旁。4.檢查

Vi=0（i=1～n）的條件是否滿足。若不滿足，說明計(jì)算有錯(cuò)誤，須再計(jì)算。5.在每個(gè)殘余誤差旁列出Vi2，然后利用公式（1-10）求出方均根誤差

。

（1-10）6.判別是否存在粗大誤差（即是否有|Vi|＞3

）,若有，應(yīng)舍去此數(shù)，然后從步驟2開始重新計(jì)算。7.在確定不存在粗大誤差（即|Vi|≤3

）后，利用公式（1-11）求出算術(shù)平均值的標(biāo)準(zhǔn)差

。

（1-11）8.寫出最后的測量結(jié)果x=

x±3

，并注明置信概率（99.7%）。任務(wù)1.2認(rèn)識(shí)測量及數(shù)據(jù)處理任務(wù)1.1認(rèn)識(shí)傳感器

任務(wù)1.2認(rèn)識(shí)測量及數(shù)據(jù)處理

任務(wù)1.3認(rèn)識(shí)傳感器接口電路任務(wù)1.3認(rèn)識(shí)傳感器接口電路1.3.1傳感器輸出信號(hào)的特點(diǎn)由于傳感器種類繁多，其輸出信號(hào)也各不相同。所以了解傳感器輸出信號(hào)的特點(diǎn)對(duì)于接口電路尤其重要。傳感器接口電路的特點(diǎn)主要表現(xiàn)為：1.傳感器輸出信號(hào)的形式多樣化，有電阻、電感、電荷、電壓等。2.傳感器輸出信號(hào)微弱，不易于檢測。3.傳感器的輸出阻抗較高，會(huì)產(chǎn)生較大的信號(hào)衰減。4.傳感器輸出信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍寬，輸出信號(hào)會(huì)受到環(huán)境因素的影響，影響到測量的精度。任務(wù)1.3認(rèn)識(shí)傳感器接口電路1.3.2常見傳感器接口電路1.放大電路傳感器輸出信號(hào)一般比較微弱，因此在大多數(shù)情況下需要使用放大電路。放大電路主要將傳感器輸出的微弱的直流信號(hào)或交流信號(hào)放大到合適的程度。放大電路一般采用運(yùn)算放大器構(gòu)成。任務(wù)1.3認(rèn)識(shí)傳感器接口電路（1）反相放大器圖1-13所示是反相放大器的基本電路。輸入電壓加到運(yùn)算放大器的反相輸入端，輸出電壓經(jīng)RF反饋到反相輸入端。輸出電壓為：

（1-12）反相放大器的放大倍數(shù)取決于RF與R1的比值，負(fù)號(hào)表示輸出電壓與輸入電壓反相。該放大電路應(yīng)用廣泛。任務(wù)1.3認(rèn)識(shí)傳感器接口電路（2）同相放大器圖1-14所示是同相放大器的基本電路。輸入電壓加到運(yùn)算放大器的同相輸入端，，輸出電壓經(jīng)RF反饋到反相輸入端。輸出電壓為：

（1-13）同相放大器的放大倍數(shù)取決于RF與R1的比值，輸出電壓與輸入電壓同相。任務(wù)1.3認(rèn)識(shí)傳感器接口電路（3）差動(dòng)放大器圖1-15為差動(dòng)放大器的基本電路。兩個(gè)輸入信號(hào)分別加到運(yùn)算放大器的同相輸入端和反相輸入端，輸出電壓經(jīng)RF反饋到反相輸入端。若R1=R2，R3=RF，則輸出電壓為：

（1-14）差動(dòng)放大器的優(yōu)點(diǎn)是抑制共模信號(hào)的能力和抗干擾能力強(qiáng)。任務(wù)1.3認(rèn)識(shí)傳感器接口電路2.阻抗匹配器

傳感器輸出阻抗都比較高，比一般電壓放大電路的輸入阻抗要大得多，若將傳感器直接與放大電路進(jìn)行連接，則信號(hào)衰減很大，甚至不能正常工作。常常使用高輸入阻抗和低輸出阻抗的阻抗匹配器。常用的阻抗匹配器是半導(dǎo)體阻抗匹配器、場效應(yīng)管阻抗匹配器及集成電路阻抗匹配器等。

半導(dǎo)體阻抗匹配器，實(shí)際上是共集電極放大電路，又稱為射極輸出器。射極輸出器的輸出相位與輸入相位相同，放大倍數(shù)略小于1，輸入阻抗高，輸出阻抗低。場效應(yīng)管阻抗匹配器的輸入阻抗高達(dá)1012Ω以上，而且其結(jié)構(gòu)簡單、體積小，得到了廣泛的應(yīng)用。任務(wù)1.3認(rèn)識(shí)傳感器接口電路3.電橋電路

電橋電路是傳感器系統(tǒng)中經(jīng)常使用的轉(zhuǎn)換電路，主要用來把電阻、電容、電感的變化轉(zhuǎn)換為電壓或電流。根據(jù)其供電電源性質(zhì)的不同，可分為直流電橋、交流電橋。直流電橋主要用于電阻式傳感器，交流電橋可用于電阻、電容及電感式傳感器。

電橋的基本電路如圖1-16所示，阻抗Z構(gòu)成電橋電路的橋臂，橋路的一對(duì)角線接工作電源，另一對(duì)角線是輸出端。

電橋的輸出電壓為

（1-15）任務(wù)1.3認(rèn)識(shí)傳感器接口電路當(dāng)電橋的輸出電壓為0時(shí)，電橋平衡，由此可知電橋的平衡條件為R1R3=R2R4或R1/R2=R4/R3。當(dāng)電橋的四個(gè)橋臂的阻抗由于被測量引起變化時(shí)，電橋平衡被打破，此時(shí)電橋的輸出與被測量有直接對(duì)應(yīng)關(guān)系。

任務(wù)1.3認(rèn)識(shí)傳感器接口電路4.電荷放大器

有些傳感器輸出的信號(hào)是電荷量的變化，要將其轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，可采用電荷放大器。電荷放大器是一種帶電容負(fù)反饋的高輸入阻抗、高放大倍數(shù)的運(yùn)算放大器，其輸出電壓只取決于輸入電荷與負(fù)反饋電容。

任務(wù)1.3認(rèn)識(shí)傳感器接口電路1.3.3傳感器與計(jì)算機(jī)的接口

實(shí)際應(yīng)用中傳感器與計(jì)算機(jī)的接口通常包含硬件接口和軟件接口兩部分。硬件接口上通常有開關(guān)量接口方式、數(shù)字量接口方式和模擬量接口方式三種。

開關(guān)量輸入接口的主要指標(biāo)是抗干擾能力和可靠性，如果是接點(diǎn)開關(guān)量通常需要考慮硬件消抖或軟件消抖，而無接點(diǎn)開關(guān)量信號(hào)，要考慮輸入電路中接入比較器。數(shù)字接口方式可通過三態(tài)門緩沖器或并行接口芯片傳送給計(jì)算機(jī)。模擬量接口方式可分為電壓輸出變化型、電流輸出變化型及阻抗變化型三種。

軟件接口功能通常指的是如何把計(jì)算機(jī)連接的外部傳感器輸出信號(hào)讀取到計(jì)算機(jī)內(nèi)部的相關(guān)程序，如溫度采集系統(tǒng)中溫度信號(hào)的讀取程序等。項(xiàng)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(xiàng)目3溫度檢測項(xiàng)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(dāng)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(dòng)勢、磁性能、頻率、光學(xué)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(huì)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(jìn)行充分的熱交換而達(dá)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(dá)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(diǎn)是可以測量運(yùn)動(dòng)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(yīng)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(jì)初人們開始利用溫度進(jìn)行測量。在半導(dǎo)體技術(shù)的支持下，本世紀(jì)相繼開發(fā)了半導(dǎo)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(xiàng)目重點(diǎn)介紹熱電阻、熱敏電阻傳感器、熱電耦、工作原理和應(yīng)用。任務(wù)2.1基于熱電阻的溫度測量電路任務(wù)導(dǎo)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(jī)摸上去非常的熱，主機(jī)的風(fēng)扇也不轉(zhuǎn)了，也開不了機(jī)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(dǎo)致環(huán)境溫度升高時(shí)風(fēng)扇不轉(zhuǎn)。好學(xué)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(gè)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(diǎn)。用于測量-200℃～+500℃范圍內(nèi)的溫度。相關(guān)知識(shí)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(dǎo)體的電阻值隨溫度的增加而增加這一特性來進(jìn)行溫度測量的。熱電阻大都由純金屬材料制成，目前應(yīng)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(rèn)的成熟產(chǎn)品，它性能穩(wěn)定、重復(fù)性好、精度高，所以在工業(yè)用溫度傳感器中得到了廣泛應(yīng)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(jìn)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(jià)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(shí)2.溫度

溫度是國際單位制七個(gè)基本量之一，是一個(gè)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(jī)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(duì)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(biāo)（℃）攝氏溫標(biāo)把在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下冰的熔點(diǎn)定為零度（0℃）,水的沸點(diǎn)定為100度（100℃）。在這兩固定點(diǎn)間劃分一百等分，每一等分為1攝氏度，符號(hào)為t(2)華氏溫標(biāo)（℉）它規(guī)定在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，冰的熔點(diǎn)為32℉,水的沸點(diǎn)為212℉，兩固定點(diǎn)間劃分180個(gè)等分，每一等分為1華氏度，符號(hào)為θ。它與攝氏溫標(biāo)的關(guān)系式如下:相關(guān)知識(shí)3.溫標(biāo)(3)熱力學(xué)溫標(biāo)（K）熱力學(xué)溫標(biāo)是建立在熱力學(xué)第二定律基礎(chǔ)上的最科學(xué)的溫標(biāo)，是由開爾文（Kelvin）根據(jù)熱力學(xué)定律提出來的，因此又稱開氏溫標(biāo)。它的符號(hào)是T，單位是開爾文（K）。熱力學(xué)溫標(biāo)規(guī)定分子運(yùn)動(dòng)停止（即沒有熱存在）時(shí)的溫度為絕對(duì)零度，水的三相點(diǎn)（氣、液、固三態(tài)同時(shí)存在且進(jìn)入平衡狀態(tài)時(shí)的溫度）的溫度為273.16K,把從絕對(duì)零度到水的三相點(diǎn)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(diǎn)的溫度為273.15K,所以現(xiàn)在沿用這個(gè)規(guī)定，用下式進(jìn)行開氏溫度和攝氏溫度的換算t/℃=T/K-273.15 相關(guān)知識(shí)3.溫標(biāo)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(yīng)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(dòng)加劇.從而使金屬內(nèi)部的自由電子通過金屬導(dǎo)體時(shí)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(yīng)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(hù)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(xì)長，具有能彎曲、抗沖擊、便于安裝、壽命長等特點(diǎn)。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?？蓪⑵湔迟N在被測高溫物體上測量局部溫度，具有熱容量小、反應(yīng)快的特點(diǎn)。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(biāo)1.鉑電阻目前國內(nèi)統(tǒng)一設(shè)計(jì)的工業(yè)用鉑電阻的R0值有10Ω、100Ω等兩種，分度號(hào)分別用PT10、PT100表示。實(shí)際使用時(shí)，可根據(jù)分度號(hào)査相應(yīng)的分度表以獲得Rt與t的關(guān)系。當(dāng)溫度t在-200℃～0℃范圍內(nèi)時(shí)，鉑的電阻值與溫度的關(guān)系可表示為：當(dāng)溫度t在-200℃～0℃范圍內(nèi)時(shí)，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(shí)的電阻值；R0—熱電阻在0℃時(shí)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(shí)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(jì)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(yīng)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(hào)分別用BA1和BA2表示，使用分度表時(shí)，只要知道熱電阻Rt值，便可查得對(duì)應(yīng)溫度值。目前工業(yè)用鉑電阻分度號(hào)為Pt10和Pt100,后者更常用。2.1.2熱電阻的主要技術(shù)指標(biāo)2.1.2熱電阻的主要技術(shù)指標(biāo)2.銅電阻銅電阻的特點(diǎn)是價(jià)格便宜(而鉑是貴重金屬)、純度高、重復(fù)性好、電阻溫度系數(shù)大其測溫范圍為-50℃～150℃，當(dāng)溫度再高時(shí)，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(biāo)

銅熱電阻的主要缺點(diǎn)是電阻率小(僅為鉑的一半左右)，所以制成一定電阻時(shí)與鉑材料相比，銅電阻要細(xì)，造成機(jī)械強(qiáng)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(qiáng)、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(hào)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(xué)穩(wěn)定性差，不易提純，重復(fù)性和線性度差，目前應(yīng)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(fù)性較好等優(yōu)點(diǎn)。銦電阻是一種高精度低溫?zé)犭娮?，銦的熔點(diǎn)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(biāo)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(gè)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(shí)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(jìn)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(diǎn)）距儀表之間總有一定距離，則其連接導(dǎo)線的電阻也會(huì)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(dǎo)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(shí)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(jìn)行精密測量時(shí)，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(gè)橋臂上，其接觸電阻與檢流計(jì)G串聯(lián)，接觸電阻的不穩(wěn)定不會(huì)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(jì)。2.1.3熱電阻的測量電路任務(wù)實(shí)施

1.熱電阻的選型

溫度傳感器是工業(yè)上應(yīng)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(hào)為Pt100,即鉑熱電阻在0℃時(shí)電阻為100Ω,在-200℃時(shí)候電阻為18.52Ω,在200℃時(shí)候電阻為175.86Ω,在800℃時(shí)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(shí)選用Pt100的熱電阻性價(jià)比較高.2.電路方案3.電路原理任務(wù)實(shí)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(fèi)用低,但是引線電阻以及引線電阻的變化會(huì)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(dāng)Pt100的電阻值和VR2的電阻值不相等時(shí)，電橋輸出一個(gè)mV級(jí)的壓差信號(hào)，這個(gè)壓差信號(hào)經(jīng)過運(yùn)放LM324放大后輸出期望大小的電壓信號(hào)，該信號(hào)可直接連AD轉(zhuǎn)換芯片。差動(dòng)放大電路中R3=R4，R5=R6,放大倍數(shù)=R5/R3。運(yùn)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小；（2）改變R5/R3的比值可改變電壓信號(hào)的放大倍數(shù)，以便滿足設(shè)計(jì)者對(duì)溫度范圍的要求；（3）放大電路需接成負(fù)反饋方式，否則放大電路不能正常工作；（4）VR為滑動(dòng)變阻器，調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器的阻值大小可以改變溫度的零點(diǎn)設(shè)定，例如，Pt100的零點(diǎn)溫度為0℃，即0℃時(shí)電阻為100Ω，當(dāng)阻值調(diào)節(jié)到109.855Ω時(shí)，溫度的零點(diǎn)就被設(shè)在了25℃。測量滑動(dòng)變阻器的阻值時(shí)須在沒有接入電路時(shí)調(diào)節(jié)，這是因?yàn)榻尤腚娐泛鬁y量的電阻值發(fā)生了改變；任務(wù)實(shí)施（5）理論上,運(yùn)放輸出的電壓為輸入壓差信號(hào)乘以放大倍數(shù)，但實(shí)際在電路工作時(shí)測量輸出電壓與輸入壓差信號(hào)并非由這樣的關(guān)系，壓差信號(hào)比理論值小很多實(shí)際輸出信號(hào)為:4.096×（Rpt100/(R1+Rpt100)-Rvr2/(R1+Rvr2))式中電阻值以電路工作時(shí)量取的為準(zhǔn).（6）電橋的正電源必須接穩(wěn)定的參考基準(zhǔn)，因?yàn)槿绻苯咏覸CC，當(dāng)電網(wǎng)波動(dòng)造成VCC發(fā)生波動(dòng)時(shí)，運(yùn)放輸出的信號(hào)也會(huì)發(fā)生改變，此時(shí)再到VCC未發(fā)生波動(dòng)時(shí)建立的溫度-電阻表中去查表求值時(shí)就不正確了，這可以根據(jù)上式進(jìn)行計(jì)算得知任務(wù)實(shí)施知識(shí)拓展1.基于金屬熱電阻的流量檢測金屬熱電阻傳感器進(jìn)行溫度測量的主要特點(diǎn)是精度高，適用于測低溫（測高溫時(shí)常用熱電偶傳感器），便于遠(yuǎn)距離、多點(diǎn)、集中測量和自動(dòng)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(fēng)速等。利用鉑熱電阻測量氣體流量（即熱電阻流量計(jì)原理）如圖2-11所示。知識(shí)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(gè)相鄰橋臂上。測量電路在流體靜止時(shí)處于平衡狀態(tài)，橋路輸出為零。當(dāng)氣體流動(dòng)時(shí)，介質(zhì)會(huì)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(yīng)的變化，使電橋失去平衡，產(chǎn)生一個(gè)與流量變化相對(duì)應(yīng)的不平衡信號(hào)，并由檢流計(jì)P顯示出來，檢流計(jì)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(dǎo)入：小能在王老師的指導(dǎo)下完成了測溫電路后對(duì)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(jì)一個(gè)水溫控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)當(dāng)魚缸水溫過低時(shí)候自動(dòng)加熱，水溫過高了自動(dòng)報(bào)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(duì)于不同溫度有不同的電阻值的特性來得到。通過實(shí)際側(cè)量，得到所要求溫度上下限對(duì)應(yīng)的電阻值（本次使用的熱敏電阻為負(fù)溫度系數(shù)即溫度越高阻值越低）。電路的實(shí)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(yùn)算放大器來控制輸出，從而得到對(duì)水溫上下限的控制。最后經(jīng)過后續(xù)電路，完成亮燈和報(bào)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(shí)的標(biāo)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(fù)溫度系數(shù)的NTC熱敏電阻，它的電阻值與溫度之間呈負(fù)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(xué)溫度為T時(shí)的電阻值；R0—NTC熱敏電阻在熱力學(xué)溫度為T0時(shí)的電阻值，T0設(shè)定為298K（25℃）。B—NTC熱敏電阻的溫度常數(shù)。負(fù)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(zhǔn)確度和一致性可達(dá)0.1%。NTC熱敏電阻的離散性較小，測量準(zhǔn)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(shí)的標(biāo)稱阻值為10KΩ,在30℃時(shí)阻值可能高達(dá)130KΩ。；而在100℃時(shí)，可能只有800Ω,相差兩個(gè)數(shù)量級(jí)，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(dāng)被測溫度上升到某臨界點(diǎn)時(shí)，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(shí)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(diǎn)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(hù)作用。當(dāng)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(dá)到材料的居里點(diǎn)（臨界溫度轉(zhuǎn)折點(diǎn)）時(shí)，PTC熱敏電阻的阻值會(huì)陡然增加，可用于制作自恢復(fù)熔斷器。大功率的PTC陶瓷熱敏電阻還可以用于電熱暖風(fēng)機(jī)。當(dāng)PCT熱敏電阻的溫度達(dá)到設(shè)定值（例如190℃）時(shí)，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(fēng)機(jī)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(hào)

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(biāo)稱阻值一般指環(huán)境溫度為25℃時(shí)熱敏電阻的電阻值。在直標(biāo)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(duì)于PTC熱敏電阻的應(yīng)用來說，將電阻值開始陡峭地增高時(shí)的溫度定義為居里溫度。居里溫度點(diǎn)所對(duì)應(yīng)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(shí)的阻值變化率，單位為%/℃。（5）時(shí)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(dāng)熱敏電阻達(dá)到穩(wěn)定值的63.2%所需的時(shí)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(shí)所允許的電流值上限。超過IM時(shí)，可能引起自熱，嚴(yán)重時(shí)燒毀。（7）額定功率PM熱敏電阻長期、連續(xù)接到電源上時(shí)，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(dòng)機(jī)保護(hù)PTC熱敏電阻的主要技術(shù)指標(biāo)如表2-2所示。2.2.3熱敏電阻的主要參數(shù)任務(wù)實(shí)施1.傳感器的選型我們使用的熱敏電阻為負(fù)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(dǎo)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(dǎo)電能力越強(qiáng)，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(dǎo)電機(jī)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(fù)溫度系數(shù)之分，本實(shí)驗(yàn)所用的101為負(fù)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(shí)的電阻值，a與β為與半導(dǎo)體性能有關(guān)的常數(shù)，T為熱敏電阻的熱力學(xué)溫度。經(jīng)實(shí)際測量，30℃時(shí)熱敏電阻阻值達(dá)到95Ω，而80℃時(shí)達(dá)到22Ω。任務(wù)實(shí)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(jì)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(shí)驗(yàn)采用的熱敏電阻的阻值范圍約為0-100Ω，30℃時(shí)熱敏電阻阻值達(dá)到95Ω，而80℃時(shí)達(dá)到22Ω。由于該實(shí)驗(yàn)選用的熱敏電阻是負(fù)系數(shù)的，通過感應(yīng)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(shí)，接入電路的電阻將會(huì)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(shí)，VT2放大器正向輸入大于反向輸入，VT2導(dǎo)通，LED2紅燈亮表示溫度過高報(bào)警；降低熱敏電阻的外界溫度，此時(shí)，熱敏電阻接入電路的電阻值變大，當(dāng)達(dá)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(fù)向輸入，下端VT2的正向輸入小于負(fù)向輸入，上端VT1導(dǎo)通，下端VT2截止。此時(shí)，LED1綠燈亮顯示溫度過低報(bào)警。任務(wù)實(shí)施

任務(wù)實(shí)施3.信號(hào)處理電路我們采用了LM324四運(yùn)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(yùn)算放大器，除電源共用以外，四組運(yùn)放相互獨(dú)立。每一組運(yùn)放都可以用圖一所示的符號(hào)來表示，它共有5個(gè)引出腳，其中“+”、“-”為兩個(gè)信號(hào)出入端“V+”、“V-”為正、負(fù)電源端，“V0”為輸出端。兩個(gè)信號(hào)輸入端中，Vi-（-）為反相入端，表示運(yùn)放輸出端V0的信號(hào)與該輸入端的相位相反；Vi+(+)為同相輸入端，表示運(yùn)放輸出端V0的信號(hào)與該輸入端的相位相同。LM324的引腳排列見圖2-18。任務(wù)實(shí)施4．電路調(diào)試嚴(yán)格按照?qǐng)D2-16所示連接電路圖，LM324的4腳接+5V，11腳接地。焊接時(shí)應(yīng)注意以下幾個(gè)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(fù)極。或使用萬用表測量。（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(yīng)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(yáng)聲器的極性已標(biāo)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(dǎo)通或截止，進(jìn)而紅色二極管亮?xí)r，實(shí)現(xiàn)高溫報(bào)警，即溫度上限報(bào)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(shí)，實(shí)現(xiàn)低溫報(bào)警，即溫度下限報(bào)警。知識(shí)拓展

1.PTC熱敏電阻用于電動(dòng)機(jī)過載保護(hù)PTC熱敏電阻用于電動(dòng)機(jī)過載保護(hù)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(dòng)機(jī)的三相定子繞組中。MZ6PTC熱敏電阻在20℃時(shí)的阻值小于300Ω,轉(zhuǎn)折溫度點(diǎn)為±5℃時(shí)的阻值分別為小于1kΩ和大于4kΩ。

知識(shí)拓展電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，Rt較小，Ib較大，晶體管V導(dǎo)通，繼電器KA線圈得電，常開觸點(diǎn)閉合。當(dāng)電動(dòng)機(jī)過載、斷相或某一相短路時(shí)，電動(dòng)機(jī)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(shí)，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(dǎo)致Ib減小，Ic隨之減小，V截止，KA線圈失電，觸點(diǎn)釋放，給電動(dòng)機(jī)控制電路一個(gè)報(bào)警信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)過熱保護(hù)作用?？梢愿鶕?jù)不同電動(dòng)機(jī)的絕緣等級(jí)（見表2-2）及允許溫升來選擇PTC熱敏電阻的型號(hào)，從而確定繼電器KA的動(dòng)作點(diǎn)該電路的溫度轉(zhuǎn)折點(diǎn)（控溫點(diǎn)溫度）Tk的重復(fù)性好，保護(hù)效果優(yōu)于“雙金屬片熱繼電器”知識(shí)拓展2.可恢復(fù)熔絲可恢復(fù)熔絲外形如圖2-20所示。在可恢復(fù)熔絲（也稱可恢復(fù)保險(xiǎn)絲）本體中，聚合樹脂均勻分布在導(dǎo)電氧化物周圍。在正常電流下，PTC熱敏電阻內(nèi)部的導(dǎo)電粒子構(gòu)成鏈狀導(dǎo)電通路，呈現(xiàn)低阻狀態(tài)。當(dāng)電路發(fā)生短路或過載時(shí)，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(dǎo)電粒子構(gòu)成的鏈狀導(dǎo)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(hù)作用。當(dāng)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(dǎo)電粒子重新形成導(dǎo)電通路，PTC熱敏電阻恢復(fù)為低阻狀態(tài)?？苫謴?fù)熔絲能承受多次過電流?？苫謴?fù)熔絲的額定電流范圍可以從50mA到50A,動(dòng)作時(shí)間在10～100ms之間。知識(shí)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(bào)警如圖3-18所示將NTC熱敏電阻置于汽車燃油箱中的某個(gè)高度位置，在檢測電路中加12V電壓，有微小電流流過Rt，Rt會(huì)產(chǎn)生微熱。當(dāng)燃油液位高于報(bào)警下限時(shí)，燃油帶走Rt的熱量，Rt的溫度較低，電阻值較大。反之，當(dāng)燃油液面降低到報(bào)警下限時(shí)，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(dāng)Rt的阻值下降到一定值時(shí)，與Rt串聯(lián)的紅色LED亮，產(chǎn)生油位報(bào)警信號(hào)。R1用于限流，在測量裝置發(fā)生短路故障時(shí)，流過短路點(diǎn)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(dǎo)入：今天剛大學(xué)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(xùn)。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(jī)進(jìn)行軋制，被加熱坯料不斷從爐尾送入爐內(nèi)，在機(jī)械傳動(dòng)裝置的帶動(dòng)下不斷前進(jìn)，邊前進(jìn)邊加熱，經(jīng)過預(yù)熱段、加熱段和均熱段，當(dāng)達(dá)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(jìn)行軋制。加熱爐的溫度控制過程一般分為預(yù)熱、加熱和均熱三個(gè)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(shí)，坯料的溫度為室溫或700℃左右；出爐時(shí)，溫度在1120～1250℃。由于工藝對(duì)溫度的要求各有不同，所以要對(duì)溫度進(jìn)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(xùn)后廖廠長給新進(jìn)員工安排了一個(gè)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(jì)和制作，并實(shí)現(xiàn)溫度的補(bǔ)償與控制。2.3.1熱電偶的工作原理1.熱電效應(yīng)將兩種不同成分的導(dǎo)體組成一個(gè)閉合回路，如圖2-22所示，當(dāng)閉合回路的兩個(gè)結(jié)點(diǎn)分別置于不同的溫度場中時(shí)，回路中將產(chǎn)生一個(gè)電勢，這種現(xiàn)象稱為“熱電效應(yīng)”。熱電效應(yīng)是1821年由Seeback發(fā)現(xiàn)的，故又稱為賽貝克效應(yīng)。兩種導(dǎo)體組成的回路稱為“熱電偶”，這兩種導(dǎo)體稱為“熱電極”，產(chǎn)生的電勢則稱為“熱電勢”，熱電偶的兩個(gè)結(jié)點(diǎn)，一個(gè)稱為測量端（工作端或熱端），另一個(gè)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(dǎo)體的接觸電勢，另一部分是單一導(dǎo)體的溫差電勢。2.3.1熱電偶的工作原理

2.接觸電勢當(dāng)A和B兩種不同材料的導(dǎo)體接觸時(shí)，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(gè)方向上擴(kuò)散的速率就不一樣。假設(shè)導(dǎo)體A的自由電子密度大于導(dǎo)體B的自由電子密度，則導(dǎo)體A擴(kuò)散到導(dǎo)體B的電子數(shù)要比導(dǎo)體B擴(kuò)散到導(dǎo)體A的電子數(shù)大。所以導(dǎo)體A失去電子帶正電荷，導(dǎo)體B得到電子帶負(fù)電荷。于是，在A、B兩導(dǎo)體的接觸界面上便形成一個(gè)由A到B的電場，如圖2-23（a）所示。該電場的方向與擴(kuò)散進(jìn)行的方向相反，它將引起反方向的電子轉(zhuǎn)移，阻礙擴(kuò)散作用的繼續(xù)進(jìn)行。當(dāng)擴(kuò)散作用與阻礙擴(kuò)散作用相等時(shí)，即自導(dǎo)體A擴(kuò)散到導(dǎo)體B的自由電子數(shù)與在電場作用下自導(dǎo)體B到導(dǎo)體A的自由電子數(shù)相等時(shí)，便處于一種動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。在這種狀態(tài)下，A與B兩導(dǎo)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(dǎo)體材料、結(jié)點(diǎn)的溫度有關(guān)，與導(dǎo)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(dòng)勢如圖2-23(b)所示，將某一導(dǎo)體兩端分別置于不同的溫度場、中，在導(dǎo)體內(nèi)部,熱端自由電子具有較大的動(dòng)能，向冷端移動(dòng)，從而使熱端失去電子,帶正電荷，冷端得到電子帶負(fù)電荷。這樣，導(dǎo)體兩端便產(chǎn)生了一個(gè)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(dòng)，最后達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。這樣，導(dǎo)體兩端便產(chǎn)生了電勢，我們稱為溫差電動(dòng)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(diǎn)處的溫度如何，總熱電勢為0；（2）如果兩結(jié)點(diǎn)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(diǎn)的溫度有關(guān)，而與熱電偶的形狀尺寸無關(guān)，當(dāng)熱電偶兩電極材料固定后，熱電勢便是兩結(jié)點(diǎn)電勢差；（4）如果使冷端溫度保持不變，則熱電動(dòng)勢便成為熱端溫度T的單一函數(shù)。用實(shí)驗(yàn)方法求取這個(gè)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(dòng)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(shí)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(hù)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(shí)的連接形式可分為固定螺紋連接、固定法蘭連接、活動(dòng)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(jiān)實(shí)組合體，如2-25所示。它可以做得很細(xì)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(diǎn)是測溫端熱容量小、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、機(jī)械強(qiáng)度高、撓性好、可安裝在結(jié)構(gòu)復(fù)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(xué)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(yīng)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?cè)诒粶y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(dǎo)體定律

由一種均質(zhì)導(dǎo)體組成的閉合回路中，不論導(dǎo)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(dǎo)體組成，熱電偶的熱電動(dòng)勢僅與兩結(jié)點(diǎn)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(dǎo)體，在不均勻溫度場中測溫時(shí)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(biāo)之一。熱電偶基本定理2.中間導(dǎo)體定律在熱電偶中接入第3種均質(zhì)導(dǎo)體，只要第3種導(dǎo)體的兩結(jié)點(diǎn)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(dǎo)體C,設(shè)導(dǎo)體A與B結(jié)點(diǎn)處的溫度為T0,A與C、B與C兩結(jié)點(diǎn)處的溫度為,則回路中的熱電勢為熱電偶基本定理3．標(biāo)準(zhǔn)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(duì)的熱電動(dòng)勢，那么任何兩種熱電極配對(duì)時(shí)的熱電動(dòng)勢均可利用該定律計(jì)算，而不需要逐個(gè)進(jìn)行測定。在實(shí)際應(yīng)用中，由于純箱絲的物理化學(xué)性能穩(wěn)定、熔點(diǎn)高、易提純，所以目前常用純鈕絲作為標(biāo)準(zhǔn)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(bǔ)償導(dǎo)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(bǔ)償導(dǎo)線，便可使熱電偶的參考端延長，使之遠(yuǎn)離熱源到達(dá)一個(gè)溫度相對(duì)穩(wěn)定的地方而不會(huì)影響測溫的準(zhǔn)確性。該定律是參考端溫度計(jì)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(shí)際熱電偶測溫回路中，利用熱電偶這一性質(zhì)，可對(duì)參考端溫度不為0℃的熱電勢進(jìn)行修正。例：鎳鉻-鎳硅熱電偶，工作時(shí)其自由端溫度為30℃，測得熱電勢為39.17mV,求被測介質(zhì)的實(shí)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(shí)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(shí)際測溫時(shí)，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(jì)的。工業(yè)中一般是采用補(bǔ)償導(dǎo)線來延長熱電偶的冷端，使之遠(yuǎn)離高溫區(qū)，將熱電偶的冷端延長到溫度相對(duì)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(yīng)熱電偶的熱電特性相近的材料做成的補(bǔ)償導(dǎo)線連接熱電偶，將信號(hào)送到控制室，如圖2-30所示(其中、為補(bǔ)償導(dǎo)線）。它通常由兩種不同性質(zhì)的廉價(jià)金屬導(dǎo)線制成，而且在0℃～100℃溫度范圍內(nèi)，要求補(bǔ)償導(dǎo)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(dǎo)線傳送熱電偶信號(hào)，同時(shí)對(duì)不同分度號(hào)的熱電偶其采用的補(bǔ)償導(dǎo)線也不同。常用熱電偶的補(bǔ)償導(dǎo)線列于表2-4。根據(jù)中間溫度定律，只要熱電偶和補(bǔ)償導(dǎo)線的兩個(gè)結(jié)點(diǎn)溫度一致，是不會(huì)影響熱電勢輸出的。熱電偶基本定理

使用補(bǔ)償導(dǎo)線必須注意以下幾個(gè)問題：（1）兩根補(bǔ)償導(dǎo)線與兩個(gè)熱電極的結(jié)點(diǎn)必須具有相同的溫度。（2）只能與相應(yīng)型號(hào)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(shí)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(jìn)行電路設(shè)計(jì)與制作，最后進(jìn)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(shí)，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(zhǔn)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(shí)際使用過程中，要定期進(jìn)行校驗(yàn)。常用的校驗(yàn)方法是用標(biāo)準(zhǔn)熱電偶與被校驗(yàn)熱電偶在同一校驗(yàn)爐或恒溫水槽中進(jìn)行比對(duì)。任務(wù)實(shí)施2.測量電路設(shè)計(jì)熱電偶爐溫測量轉(zhuǎn)換電路如圖2-31所示，采用LM35D對(duì)熱電偶的基準(zhǔn)結(jié)點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)償溫度。模擬調(diào)試時(shí)溫度變化范圍為0～500℃，所以此電路作用是把溫度變?yōu)橄鄳?yīng)的0～5V電壓。除放大電路以外，還有傳感器斷線檢測電路與基準(zhǔn)點(diǎn)補(bǔ)償電路，而線性處理功能由計(jì)算機(jī)進(jìn)行。熱電偶的輸出信號(hào)極小，溫度每變化1℃,傳感器輸出約40電壓變化量。因此，運(yùn)算放大器要采用高靈敏度的運(yùn)算放大器，這里釆用的是AD707J運(yùn)算放大器。知識(shí)拓展

3.電路調(diào)試（1）按照電路圖2-31所示，將各元件焊接到實(shí)驗(yàn)板上，并檢査正確性。（2）將儀器放大器輸出端S與毫伏表連接，接入熱電偶，接通電源。（3）打開加熱開關(guān)，將熱電偶工作端插入電加熱爐內(nèi)。隨著加熱器溫度上升，觀察毫伏表的讀數(shù)變化并記錄。（4）因?yàn)闊犭娕祭涠藴囟炔粸?℃,用溫度計(jì)讀出熱電偶參考端所處的室溫，對(duì)所測的熱電勢用公式進(jìn)行修正，并査閱熱電偶分度表，求出加熱端溫度。（5）繼續(xù)加熱，將溫度逐步提高到70℃、90℃、110℃、130℃和150℃,重復(fù)上述步驟，觀察熱電偶的測溫性能。知識(shí)拓展1.熱電偶燃?xì)鉄崴鞣老ㄑb置

燃?xì)鉄崴鞯氖褂冒踩灾陵P(guān)重要。在燃?xì)鉄崴髦性O(shè)置有防止熄火裝置、防止缺氧不完全燃燒裝置、防缺水空燒安全裝置及過熱安全裝置等，涉及多種傳感器。防熄火、防缺氧不完令燃燒的安全裝置中使用了熱電偶，如圖2-32所示。

拓展知識(shí)

當(dāng)使用者打開熱水龍頭時(shí)，自來水壓力使燃?xì)夥峙淦髦械囊鸸茌敋饪自谳^短的一段時(shí)間里與燃?xì)夤艿澜油?，噴射出燃?xì)?。與此同時(shí)高壓點(diǎn)火電路發(fā)出10～20kV的高電壓，通過放電針點(diǎn)燃主燃燒室火焰。熱電偶1被燒紅，產(chǎn)生正的熱電動(dòng)勢，使電磁閥線圈（該電磁閥的電動(dòng)力由極性電磁鐵產(chǎn)生，對(duì)正向電壓有很高的靈敏度）得電，燃?xì)飧挠呻姶砰y進(jìn)入主燃室。當(dāng)外界氧氣不足時(shí)，主燃燒室不能充分燃燒（此時(shí)將產(chǎn)生大量有毒的一氧化碳），火焰變紅且上升，在遠(yuǎn)離火孔的地方燃燒（稱為離焰）。熱電偶1的溫度必然降低，熱電動(dòng)勢減小，而熱電偶2被拉長的火焰加熱，產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢與熱電偶1產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢反向串聯(lián)，相互抵消，流過電磁閥線圈的電流小于額定電流，甚至產(chǎn)生反向電流，使電磁閥關(guān)閉，起到缺氧保護(hù)作用。當(dāng)啟動(dòng)燃?xì)鉄崴鲿r(shí)，若因某種原因無法點(diǎn)燃主燃燒室火焰，由于電磁閥線圈得不到熱電偶1提供的電流，處于關(guān)閉狀態(tài)，從而避免了煤氣的大量溢出。煤氣灶熄火保護(hù)裝置也釆用相似的原理拓展知識(shí)2.熱電偶溫度計(jì)圖2-33是由熱電偶放大器AD594構(gòu)成的熱電偶溫度計(jì)電路，該電路適用于電鍍工藝流水線以及溫度測量范圍在0℃～150℃內(nèi)的各種場合。拓展知識(shí)

AD594是美國AnalogDevices公司生產(chǎn)的具有基準(zhǔn)點(diǎn)補(bǔ)償功能的熱電偶放大集成電路，適用于各種型號(hào)的熱電偶。AD594集成塊內(nèi)部電路框圖如圖2-34所示，主要由兩個(gè)差動(dòng)放大器、一個(gè)高增益主放大器和基準(zhǔn)點(diǎn)補(bǔ)償器以及熱電偶斷線檢測電路等組成。該IC釆用14腳雙列式封裝，其各引腳功能見表2-4。拓展知識(shí)

在圖2-33中，J型熱電偶的一對(duì)導(dǎo)線末端點(diǎn)作為熱電偶的連接點(diǎn),它是AD594進(jìn)行補(bǔ)償?shù)慕狱c(diǎn)。此點(diǎn)必須與AD594保持相同的溫度，AD594外殼和印制板在1腳和14腳用銅箔進(jìn)行熱接觸，熱電偶的引線接到它的外殼引線上，從而保持均溫。當(dāng)熱電偶的一條或兩條引線斷開時(shí)，AD594的12腳變?yōu)榈碗娖?，通過TTL門電路IC3就會(huì)控制報(bào)警電路發(fā)出報(bào)警聲，提示用戶熱電偶出現(xiàn)了斷線故障。熱電偶的溫度每變化1℃，AD594集成電路的9腳就有10mV的電壓輸出，該電壓經(jīng)1Ω電阻加至數(shù)字顯示電路ICL7107CPL的31腳。ICL7107CPL是一塊顯示器驅(qū)動(dòng)控制專用數(shù)字顯示集成電路，其31腳輸入的模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，經(jīng)譯碼后輸出驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)LED顯示器以顯示當(dāng)前檢測到的溫度。項(xiàng)目3重力和壓力的檢測任務(wù)3.1基于電阻應(yīng)變式傳感器的電子秤設(shè)計(jì)

任務(wù)3.2基于壓阻式傳感器的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)吸氣壓力檢測

任務(wù)3.3基于壓電式傳感器的物體壓力檢測任務(wù)3.1基于電阻應(yīng)變式傳感器的電子秤設(shè)計(jì)3.1.1電阻應(yīng)變片的工作原理

導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料在外界力的作用下，會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形，其電阻值也將隨著發(fā)生變