關于傳感器原理與應用溫度傳感器熱電阻溫度傳感器

將溫度轉換為電勢的熱電式傳感器叫做熱電偶，將溫度轉換為電阻值的熱電式傳感器叫做熱電阻（金屬）半導體集成溫度傳感器AD590熱敏電阻（半導體，陶瓷）熱釋電紅外傳感器第2頁,共51頁，2024年2月25日，星期天4.2熱電阻part1.原理第3頁,共51頁，2024年2月25日，星期天金屬熱電阻利用導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，它主要用于對溫度和與溫度有關的參量進行檢測。測溫范圍主要在中、低溫度區（-200~650攝氏度）。第4頁,共51頁，2024年2月25日，星期天金屬熱電阻的結構熱電阻由電阻體、保護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,共51頁，2024年2月25日，星期天熱電阻材料的特性要求電阻的溫度系數要大，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速度。在整個測量溫度的范圍內，應具有穩定的物理和化學性質。電阻與溫度的關系最好接近線性關系。具有良好的可加工性，并且價格便宜。目前使用最廣泛的熱電阻材料是鉑和銅第6頁,共51頁，2024年2月25日，星期天金屬熱電阻的工作原理大多數金屬導體的電阻都隨溫度的變化而變化。當溫度升高時，金屬內部原子晶格的振動加劇，從而使金屬內部的自由電子通過金屬導體時的阻礙增大，宏觀上表現出電阻率變大，電阻值加劇。熱電阻是利用物質的變化特性制成的，將溫度的變化量變換成與之有一定關系的電阻值的變化量，通過對電阻值的測量實現對溫度的測量。第7頁,共51頁，2024年2月25日，星期天鉑熱電阻由于鉑的物理化學性質都非常穩定，是目前制造熱電阻的最好材料。鉑電阻主要作為標準電阻溫度計廣泛應用于溫度基準、標準的傳遞。其長時間穩定的復現性可達10-4K，是目前測溫復現最好的一種溫度計。按照IEC（國際電工委員會）標準，鉑電阻的測溫范圍是-200~850℃。第8頁,共51頁，2024年2月25日，星期天鉑熱電阻----特性方程當溫度t為-200℃~0℃時，當溫度t為0℃~850℃時，R0和Rt分別表示為溫度0℃和溫度為t℃時的電阻值。A、B、C為溫度系數，在國際溫標ITS-90標準中，常數A、B、C被分別規定為：第9頁,共51頁，2024年2月25日，星期天金屬熱電阻的阻值與R0有關，要確定熱電阻Rt與溫度T的關系，首先要確定電阻R0的值，R0為金屬熱電阻在0℃時的標稱值。R0不同，Rt與溫度T的關系特性是不同的。目前我國規定工業用鉑熱電阻有兩種公稱值，即R0=10Ω和R0=100Ω，分度號分別為Pt10和Pt100。第10頁,共51頁，2024年2月25日，星期天銅熱電阻在測量精度不太高、測量范圍不大的情況下，可以采用銅熱電阻進行測溫。它的測量范圍是-50~150℃。其中，a為銅電阻的溫度系數，在測量精度不太高、測量范圍不大的情況下，可以采用銅熱電阻進行測溫。它的測量范圍是-50~150℃。第11頁,共51頁，2024年2月25日，星期天銅電阻有兩種分度號，分別為：Cu50（R0=50Ω）和Cu100（R0=100Ω）優點：電阻溫度系數較大，線性度好，價格便宜。缺點：電阻率較低，電阻體的體積較大，熱慣性較大，穩定性較差，在100℃以上時容易氧化，因此只能用于低溫及無水分、無腐蝕性的介質中。第12頁,共51頁，2024年2月25日，星期天其他熱電阻銦電阻：用99.999%高純度的銦絲繞成電阻，可在室溫至4.2K溫度范圍內使用。實驗證明，在4.2K~15K溫度范圍內，銦電阻的靈敏度比鉑電阻高10倍。其缺點是：材料軟，復制性差。錳電阻：在2~63K溫度范圍內，電阻隨溫度變化較大，靈敏度高。缺點：材料脆，難拉成絲。碳電阻：適合用液氮溫域的溫度測量，價廉，對磁場不敏感。缺點：熱穩定性較差。第13頁,共51頁，2024年2月25日，星期天金屬熱電阻的測量電路金屬熱電阻廣泛應用在缸體、油管、水管、紡機、空調、熱水器等狹小空間工業設備的測溫與控制。汽車空調、冰箱、冷柜、飲水機、咖啡機及恒溫等場合也經常使用。第14頁,共51頁，2024年2月25日，星期天4.2熱電阻part2.測量電路第15頁,共51頁，2024年2月25日，星期天熱電阻測量電路電壓源儀用放大器第16頁,共51頁，2024年2月25日，星期天【復習】差分放大器由虛短可知：有虛斷可知，運放輸入端沒有電流輸入，則R5a、Rw和R5b為串聯，通過的電流：由運放A3虛斷可知：由運放A3虛短可知：當：第17頁,共51頁，2024年2月25日，星期天放大電路輸出電壓的極性問題負系數電壓源儀用放大器負系數第18頁,共51頁，2024年2月25日，星期天4.2熱電阻part2.1Cu50測量電路第19頁,共51頁，2024年2月25日，星期天【回顧】第3章力學傳感器_1_金屬應變式_2_測量電路第20頁,共51頁，2024年2月25日，星期天【回顧】第3章力學傳感器_1_金屬應變式_2_測量電路第21頁,共51頁，2024年2月25日，星期天【回顧】第3章力學傳感器_1_金屬應變式_2_測量電路Why？第22頁,共51頁，2024年2月25日，星期天熱電阻是否可以忽略非線性項儀用放大器電壓源對于等臂電橋，電橋輸出的相對電壓為：對于Cu熱電阻：可以忽略嗎？？第23頁,共51頁，2024年2月25日，星期天熱電阻是否可以忽略非線性項100℃時相對誤差是：【結論】相對誤差就很大了，非線性影響不能忽略！【現象】溫度越高輸出電壓越大！輸出電壓越大誤差越大！第24頁,共51頁，2024年2月25日，星期天【思考】是否可以用電橋的輸出電壓Vt進行非線性補償？熱電阻的非線性校正【思考】由于Vo與Vt是線性關系，如果可以用電橋的輸出電壓Vt進行非線性補償，是否可以更進一步用Vo進行非線性補償？儀用放大器電壓源第25頁,共51頁，2024年2月25日，星期天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,共51頁，2024年2月25日，星期天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,共51頁，2024年2月25日，星期天熱電阻的非線性校正儀用放大器第28頁,共51頁，2024年2月25日，星期天熱電阻的非線性校正Dz是穩壓二極管（齊納管），被反向擊穿，特點是在反向擊穿后，無論通過的電流時多少，穩壓管上兩端的電壓保持恒定。運放構成了一個反相比例放大器。具體到本電路可以使用疊加原理進行分析。【思考】推導出電橋供電電壓的表達式。β值通過配置哪些電阻從而進行設置？第29頁,共51頁，2024年2月25日，星期天電路分析1疊加定理純反相放大器第30頁,共51頁，2024年2月25日，星期天電路分析2疊加定理第31頁,共51頁，2024年2月25日，星期天電路分析2反相放大器第32頁,共51頁，2024年2月25日，星期天電路分析--疊加定理負號怎么辦？第33頁,共51頁，2024年2月25日，星期天電路分析負電壓第34頁,共51頁，2024年2月25日，星期天4.2熱電阻part2.2Pt100測量電路第35頁,共51頁，2024年2月25日，星期天Pt100熱電阻的測量電路【要求】設計一個Pt100熱電阻測量電路，要求輸出電壓范圍是[0.5V,4.5V]，對應的溫度范圍是[0℃,100℃]。溫度靈敏度：第36頁,共51頁，2024年2月25日，星期天Pt100熱電阻的測量電路恒流法測溫電路無論Rt是否變化，流經的電流不發生變化在國際溫標ITS-90標準中，常數A、B、C被分別規定為：1mA恒流源要求的靈敏度是40mv/℃這里只有0.4mV/℃需要進行放大非線性容后再議第37頁,共51頁，2024年2月25日，星期天靈敏度的100倍增益放大反向放大器恒流源實現100倍的增益第38頁,共51頁，2024年2月25日，星期天【復習】加法器Port+與Port-虛斷，則有：虛短當：第39頁,共51頁，2024年2月25日，星期天零點平移恒流源加法器調整參數，使其為500mv高次項做負貢獻第40頁,共51頁，2024年2月25日，星期天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,共51頁，2024年2月25日，星期天4.2熱電阻part3.接線誤差消除第42頁,共51頁，2024年2月25日，星期天熱電阻的連接法由于熱電阻的阻值較小，所以導線電阻值不可忽略，故此在實際使用時，金屬熱電阻的連接方法不同，其測量精度也不同。測量電路經常采用電橋電路，熱電阻的內部引線方式有二線制、三線制、四線制三種。第43頁,共51頁，2024年2月25日，星期天兩線制在熱電阻感溫元件的兩端各連一根導線的引線形式為兩線制。這種兩線制熱電阻配線簡單，安裝費用低，但要帶進引線電阻的附加誤差。采用兩線制的測溫電橋如下圖所示，(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一起構成電橋測量臂， 這樣當引線電阻隨沿線環境溫度改變引起的阻值變化量2△Rw和熱電阻隨被測溫度變化的增量值△Rt一起成為有效信號轉換成測量信號電壓， 從而影響溫度測量精度。第44頁,共51頁，2024年2月25日，星期天由歐姆定律可得：當Rr=Rt時，電橋平衡，

V0=-I2*2r從V0的表達式可以看出，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,共51頁，2024年2月25日，星期天三線制構成如圖所示測量電橋，可以消除內引線電阻的影響，測量精度高于兩線制。目前三線制在工業檢測中應用最廣。而且，在測溫范圍窄或導線長，或導線途中溫度易發生變化的場合必須考慮采用三線制。第46頁,共51頁，2024年2月25日，星期天由歐姆定律可得：當Rr=Rt時，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,共51頁，2024年2月25日，星期天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引線電阻的影響，而且在連接導線阻值相同時，可以消除該電阻的影響。熱端冷端測量電路不是電橋結構第48頁,共51頁，2024年2月25日，星期天四線測量用兩條附加的測試線提供恒定電流，另兩條測試線測量未知電阻的電壓降，在電壓表輸入阻抗足夠高的條件下，電流幾乎不流過電