传感器原理和应用温度传感器热电阻.ppt

关于传感器原理与应用温度传感器热电阻第一张，PPT共五十一页，创作于2022年6月温度传感器温度传感器 n将温度转换为电势电势的热电式传感器叫做热电偶热电偶，n将温度转换为电阻值电阻值的热电式传感器叫做热电阻热电阻（金属）（金属）n半导体半导体集成温度传感器AD590n热敏电阻热敏电阻（半导体，陶瓷）n热释电红外红外传感器第二张，PPT共五十一页，创作于2022年6月4.2 热电阻热电阻part 1.原理原理第三张，PPT共五十一页，创作于2022年6月金属热电阻金属热电阻n利用导体电阻率随温度变化的特性制成的传感器叫做热电阻传热电阻传感器感器，它主要用于对温度和与温度有关的参量进行检测。n测温范围主要在中、低温度区（-200650摄氏度）。第四张，PPT共五十一页，创作于2022年6月金属热电阻的结构金属热电阻的结构n热电阻由电阻体电阻体、保护套保护套和接线盒接线盒等主要部件组成，其中电阻体是热电阻的最主要部分。n通常情况下是将双线电阻丝绕在石英、云母陶瓷和塑料等材料制成的骨架上；n保护套主要有玻璃、陶瓷或金属等类型，主要用于防止有害气体腐蚀，防止氧化（尤其是铜热电阻），防止水分侵入造成漏电影响阻值。第五张，PPT共五十一页，创作于2022年6月热电阻材料的特性要求热电阻材料的特性要求n电阻的温度系数要大温度系数要大，以便提高热电阻的灵敏度；n电阻率尽可能大电阻率尽可能大，以便在相同灵敏度下减小电阻体的尺寸。n热电容要尽可能小热电容要尽可能小，以便提高热电阻的相应速度。n在整个测量温度的范围内，应具有稳定的物理和化学性质稳定的物理和化学性质。n电阻与温度的关系最好接近线性关系线性关系。n具有良好的可加工性，并且价格便宜。目前使用最广泛的热电阻材料是铂铂和铜铜第六张，PPT共五十一页，创作于2022年6月金属热电阻的工作原理金属热电阻的工作原理n大多数金属导体金属导体的电阻都随温度的变化而变化。n当温度升高温度升高时，金属内部原子晶格的振动加剧，从而使金属内部的自由电子通过金属导体时的阻碍增大，宏观上表现出电阻电阻率变大率变大，电阻值加剧。n热电阻是利用物质的变化特性制成的，将温度的变化量变换成与之有一定关系的电阻值的变化量，通过对电阻值的测量实现对温度的测量。第七张，PPT共五十一页，创作于2022年6月铂铂热电阻热电阻n由于铂的物理化学性质都非常稳定，是目前制造热电阻的最好材料。n铂电阻主要作为标准电阻标准电阻温度计广泛应用于温度基准、标准的传递。n其长时间稳定的复现性可达10-4K，是目前测温复现最好的一种温度计。按照IEC（国际电工委员会）标准，铂电阻的测温范围是-200850。第八张，PPT共五十一页，创作于2022年6月铂铂热电阻热电阻-特性方程特性方程n当温度t为-2000时，n当温度t为0850时，R0和Rt分别表示为温度0和温度为t时的电阻值。A、B、C为温度系数，在国际温标ITS-90标准中，常数A、B、C被分别规定为：第九张，PPT共五十一页，创作于2022年6月n金属热电阻的阻值与R0有关，要确定热电阻Rt与温度T的关系，首先要确定电阻R0的值，R0为金属热电阻在0时的标称值。R0不同，Rt与温度T的关系特性是不同的。n目前我国规定工业用铂热电阻有两种公称值，即R0=10和R0=100，分度号分别为Pt10和Pt100。第十张，PPT共五十一页，创作于2022年6月铜铜热电阻热电阻n在测量精度不太高、测量范围不大的情况下，可以采用铜热电阻进行测温。它的测量范围是-50150。n其中，a为铜电阻的温度系数，在测量精度不太高、测量范围不大的情况下，可以采用铜热电阻进行测温。它的测量范围是-50150。第十一张，PPT共五十一页，创作于2022年6月n铜电阻有两种分度号，分别为：qCu50 （R0=50）和 Cu100（R0=100）n优点优点：电阻温度系数较大，线性度好，价格便宜。n缺点缺点：电阻率较低，电阻体的体积较大，热惯性较大，稳定性较差，在100以上时容易氧化，因此只能用于低温及无水分、无腐蚀性的介质中。第十二张，PPT共五十一页，创作于2022年6月其他热电阻其他热电阻n铟电阻铟电阻：q用99.999%高纯度的铟丝绕成电阻，可在室温至4.2K温度范围内使用。q实验证明，在4.2K15K温度范围内，铟电阻的灵敏度比铂电阻高10倍。q其缺点是：材料软，复制性差。n锰电阻：锰电阻：q在263K温度范围内，电阻随温度变化较大，灵敏度高。q缺点：材料脆，难拉成丝。n碳电阻：碳电阻：q适合用液氮温域的温度测量，价廉，对磁场不敏感。q缺点：热稳定性较差。第十三张，PPT共五十一页，创作于2022年6月金属热电阻的测量电路金属热电阻的测量电路n金属热电阻广泛应用在缸体、油管、水管、纺机、空调、热水器等狭小空间狭小空间工业设备的测温与控制。n汽车空调、冰箱、冷柜、饮水机、咖啡机及恒温等场合恒温等场合也经常使用。第十四张，PPT共五十一页，创作于2022年6月4.2 热电阻热电阻part 2.测量电路测量电路第十五张，PPT共五十一页，创作于2022年6月热电阻测量电路热电阻测量电路电压源电压源仪用放大器仪用放大器第十六张，PPT共五十一页，创作于2022年6月【复习】差分放大器【复习】差分放大器由虚短可知：有虚断可知，运放输入端没有电流输入，则R5a、Rw和R5b为串联，通过的电流：由运放A3虚断可知：由运放A3虚短可知：当：第十七张，PPT共五十一页，创作于2022年6月放大电路输出电压的极性问题放大电路输出电压的极性问题负系数负系数电压源电压源仪用仪用放大器放大器负系数负系数第十八张，PPT共五十一页，创作于2022年6月4.2 热电阻热电阻part 2.1 Cu50 测量电路测量电路第十九张，PPT共五十一页，创作于2022年6月【回顾】【回顾】第第3章章 力学传感器力学传感器_1_金属应变式金属应变式_2_测量电路测量电路第二十张，PPT共五十一页，创作于2022年6月【回顾】【回顾】第第3章章 力学传感器力学传感器_1_金属应变式金属应变式_2_测量电路测量电路第二十一张，PPT共五十一页，创作于2022年6月【回顾】【回顾】第第3章章 力学传感器力学传感器_1_金属应变式金属应变式_2_测量电路测量电路Why？第二十二张，PPT共五十一页，创作于2022年6月热电阻是否可以忽略非线性项热电阻是否可以忽略非线性项仪用仪用放大器放大器电压源电压源对于等臂电桥，电桥输出的相对电压为：对于Cu热电阻：可以忽略吗？可以忽略吗？第二十三张，PPT共五十一页，创作于2022年6月热电阻是否可以忽略非线性项热电阻是否可以忽略非线性项100时相对误差是：时相对误差是：【结论】相对误差就很大【结论】相对误差就很大了，非线性影响不能忽略！了，非线性影响不能忽略！【现象】【现象】温度越高输出电压越大！温度越高输出电压越大！输出电压越大误差越大！输出电压越大误差越大！第二十四张，PPT共五十一页，创作于2022年6月n【思考】是否可以用电桥的输出电压Vt进行非线性补偿？热电阻的非线性校正热电阻的非线性校正n【思考】由于Vo与Vt是线性关系，如果可以用电桥的输出电压Vt进行非线性补偿，是否可以更进一步用Vo进行非线性补偿？仪用仪用放大器放大器电压源电压源第二十五张，PPT共五十一页，创作于2022年6月热电阻的非线性校正热电阻的非线性校正如果令如果令公式变形公式变形希望希望该部分为该部分为1非线性校正完成非线性校正完成第二十六张，PPT共五十一页，创作于2022年6月热电阻的非线性校正热电阻的非线性校正仪用仪用放大器放大器电压源电压源Vref反馈电路第二十七张，PPT共五十一页，创作于2022年6月热电阻的非线性校正热电阻的非线性校正仪用仪用放大器放大器第二十八张，PPT共五十一页，创作于2022年6月热电阻的非线性校正热电阻的非线性校正nDz是稳压二极管（齐纳管），被反向击穿，特点是在反向击穿后，无论通过的电流时多少，稳压管上两端的电压保持恒定。n运放构成了一个反相比例放大器。n具体到本电路可以使用叠加原理叠加原理进行分析。n【思考】q推导出电桥供电电压的表达式。q值通过配置哪些电阻从而进行设置？第二十九张，PPT共五十一页，创作于2022年6月电路分析1叠加定理叠加定理纯反相放大器纯反相放大器第三十张，PPT共五十一页，创作于2022年6月电路分析2叠加定理叠加定理第三十一张，PPT共五十一页，创作于2022年6月电路分析2反相放大器反相放大器第三十二张，PPT共五十一页，创作于2022年6月电路分析-叠加定理负号怎么办？负号怎么办？第三十三张，PPT共五十一页，创作于2022年6月电路分析电路分析负电压负电压第三十四张，PPT共五十一页，创作于2022年6月4.2 热电阻热电阻part 2.2 Pt100测量电路测量电路第三十五张，PPT共五十一页，创作于2022年6月Pt100热电阻的测量电路热电阻的测量电路n【要求】q设计一个Pt100热电阻测量电路，要求输出电压范围是0.5V,4.5V，对应的温度范围是0,100。n温度灵敏度：第三十六张，PPT共五十一页，创作于2022年6月Pt100热电阻的测量电路热电阻的测量电路n恒流法测温电路无论Rt是否变化，流经的电流不发生变化在国际温标ITS-90标准中，常数A、B、C被分别规定为：1mA恒流源恒流源要求的灵敏度是40mv/这里只有0.4mV/需要进行放大需要进行放大非线性非线性容后再议第三十七张，PPT共五十一页，创作于2022年6月灵敏度的灵敏度的100倍增益放大倍增益放大n反向放大器恒流源恒流源实现100倍的增益第三十八张，PPT共五十一页，创作于2022年6月【复习】加法器nPort+与Port-虚断，则有：虚短n当：第三十九张，PPT共五十一页，创作于2022年6月零点平移恒流源恒流源加法器加法器调整参数，调整参数，使其为使其为500mv高次项高次项做负贡献做负贡献第四十张，PPT共五十一页，创作于2022年6月高阶非线性校正高阶非线性校正温度越高，温度越高，误差越大误差越大温度越高，温度越高，Vo1幅值越高幅值越高利用利用Vo1反馈抑制反馈抑制非线性非线性自行分析第四十一张，PPT共五十一页，创作于2022年6月4.2 热电阻热电阻part 3.接线误差消除接线误差消除第四十二张，PPT共五十一页，创作于2022年6月热电阻的连接法热电阻的连接法n由于热电阻的阻值较小，所以导线电阻值不可忽略，故此在实际使用时，金属热电阻的连接方法不同，其测量精度也不同。n测量电路经常采用电桥电路，热电阻的内部引线方式有二线二线制、三线三线制、四线四线制三种。第四十三张，PPT共五十一页，创作于2022年6月两线制两线制n在热电阻感温元件的两端各连一根导线的引线形式为两线制。这种两线制热电阻配线简单，安装费用低，但要带进引线电阻的附加误差。n采用两线制的测温电桥如下图所示，q(a)为接线示意图，q(b)为等效原理图。n从图中可以看出热电阻两引线电阻Rw一起构成电桥测量臂，这样当引线电阻随沿线环境温度改变引起的阻值变化量2Rw和热电阻随被测温度变化的增量值Rt一起成为有效信号转换成测量信号电压，从而影响温度测量精度。第四十四张，PPT共五十一页，创作于2022年6月n由欧姆定律可得：n当Rr=Rt时，电桥平衡，V0=-I2*2rn从V0的表达式可以看出，引线电阻的影响十分明显，两线制接线法的误差很大。第四十五张，PPT共五十一页，创作于2022年6月三线制三线制n构成如图所示测量电桥，n可以消除内引线电阻的影响，测量精度高于两线制。n目前三线制在工业检测中应用最广。n而且，在测温范围窄或导线长，或导线途中温度易发生变化的场合必须考虑采用三线制。第四十六张，PPT共五十一页，创作于2022年6月n由欧姆定律可得：n当Rr=Rt时，电桥平衡，I1=I2，V0=0.n可见三线制接线法可以很好的消除引线电阻，提高热电阻的精度。第四十七张，PPT共五十一页，创作于2022年6月四线制四线制n在热电阻感温元件的两端各连两根引线，此种引线形式称为四线制热电阻。n此种引线方式不仅可以消除内引线电阻的影响，而且在连接导线阻值相同时，可以消除该电阻的影响。热端热端冷端冷端测量电路不是电桥结构测量电路不是电桥结构第四十八张，PPT共五十一页，创作于2022年6月n四线测量用两条附加的测试线提供恒定电流，另两条测试线测量未知电阻的电压降，在电压表输入阻抗足够高的条件下，电流几乎不流电流几乎不流过电压表过电压表，这样可以精确测量未知电阻上的压降，计算得到电阻值。第四十九张，PPT共五十一页，创作于2022年6月讨论：-个人观点n本质本质，应该是电流回路电流回路和电压测量回路电压测量回路是否分开接线的问题。q2线n电流回路和电压测量回路合二为一。n精度较差。q3线n电流回路的参考位和电压测量回路的参考位为一条线。n精度稍好。q4线n电流回路和电压测量回路完全独立分开。n精度高。第五十张，PPT共五十一页，创作于2022年6月感感谢谢大大家家观观看看第五十一张，PPT共五十一页，创作于2022年6月