温传感器的应用.pptx

温度传感器的类型温度传感器的类型Template for Microsoft PowerPoint第1页/共35页温度传感器的测温范围温度传感器的测温范围第2页/共35页用比较法测量各种量（如电阻、电容、电感等）的仪器。最简单的是由四个支路组成的电路。各支路称为电桥的“臂”。如图电路中有一电阻为未知（2），一对角线中接入直流电源，另一对角线接入检流计。可以通过调节各已知电阻的值使中无电流通过，则电桥平衡，未知电阻21/3。图2中，非平衡电桥的BD两端接负载电阻为Ro的电压表。该电桥不需要调平衡，只要测量输出电压Uo或电流Io，就可得到Rx值。当负载电阻Ro（即电桥输出处于开路状态）时，Io=0，电桥输出端接数字电压表或高输入阻抗放大器时属这种情况。电桥电桥第3页/共35页电桥电桥R0较大时，较大时，I0趋向于零趋向于零因Io=0，故I1=I4，I2=I3，根据分压原理，输出电压Uo为：即即设室温t=t0时，Rx=Rx0，当温度t=t0+D t时，Rx=Rx0+DRx，由（4-22-3）式求得电压Uo为：第4页/共35页测温原理测温原理由于温度变化而引起的温度传感器的阻值变化较小，由于温度变化而引起的温度传感器的阻值变化较小，通常采用电桥构成放大器。当温度传感器的阻值发通常采用电桥构成放大器。当温度传感器的阻值发生变化时，电桥的两臂出现不平衡。这使得电桥输生变化时，电桥的两臂出现不平衡。这使得电桥输出一出一 个毫幅级的电压而供中间级放大器放大，再经个毫幅级的电压而供中间级放大器放大，再经后续电路测量。后续电路测量。电桥输出电压的值可以通过下式求得：电桥输出电压的值可以通过下式求得：第5页/共35页热电阻传感器热电阻传感器热电阻：电阻值随温度变化的温度检测元件。热电阻：电阻值随温度变化的温度检测元件。金属热电阻的阻值与温度的关系：金属热电阻的阻值与温度的关系：RT=R01+a(T-T0)+b(T-T0)2.式中，式中，Rt为温度为温度t时的阻值；时的阻值；Rt0为温度为温度t0（通常（通常t0=0）时对应电阻值；）时对应电阻值；为温度系数。为温度系数。半导体热电阻的阻值与温度的关系：半导体热电阻的阻值与温度的关系：RT=AeB/t 式中式中Rt为温度为为温度为t时的阻值；时的阻值；A、B取决于半导体材料的结构的常数。取决于半导体材料的结构的常数。第6页/共35页采用热电阻构成的测温仪器有电桥、直流电位差计、电子采用热电阻构成的测温仪器有电桥、直流电位差计、电子式式 自动平衡计量仪器、动圈比率式计量仪器、动圈式计量仪自动平衡计量仪器、动圈比率式计量仪器、动圈式计量仪器、器、数字温度计等数字温度计等用热电阻进行温度测量时的接法有四线式接法、三线式接用热电阻进行温度测量时的接法有四线式接法、三线式接法、法、二线式接法二线式接法第7页/共35页热电阻传感器的四线式接法热电阻传感器的四线式接法为了消除热电阻测量电路中电阻体内 导线以及连线引起的误差，在右右图所 示的电桥及直 流电位差计或数字电压 表中，热电阻体采用线连接方式，这样，可用于对标准电阻温度计进行 校正，并能对温度进行高精度的测 量。如图所示为热电阻传感器构成的电桥测温计。如图所示为热电阻传感器构成的电桥测温计。图中，为热电阻体构成的电阻元 件，为检流计或微电流检测器，为固定电阻，R为平衡调节电阻，S为切换开关为切换开关,L1、L2为热电阻体内导线。为热电阻体内导线。检流计上部的电压检流计上部的电压:VGU=RX/(RX+R)U 下部的电压：下部的电压：VGD=R4/(R3+R4)U 检流计的电压：检流计的电压：VG=VGU-VGD=(RXR3-R4R)/(R3+R4)(R+RX).U 由上式可见只要由上式可见只要RX的值发生变化，则的值发生变化，则VG发生变化发生变化 第8页/共35页另一种四线式接法另一种四线式接法 右图中右图中R为固定电阻，为固定电阻，R为平衡调节电 阻，S为切换开关为切换开关,L1、L2为热电阻体内导线。为热电阻体内导线。设设R1的左半部分电阻为的左半部分电阻为R10,右半部分电阻为右半部分电阻为R11.的左半部分为的左半部分为R30,右半部分为右半部分为R31.当当S接到接到A时：时：检流计的左半部分电压为：检流计的左半部分电压为：VGL=(R30+R10)/(R+R10+R30)U 右半部分电压为：右半部分电压为：VGR=(RX+R21)/(RX+R21+R)U 则检流计和则检流计和R11、R20两边的电压为：两边的电压为：VG=VGL-VGR=(R21R30+RR30-RXR1-RRX)/(R+R1+R30)(RX+R21+R)U 当当S接到接到B时：时：检流计的左半部分电压为：检流计的左半部分电压为：VGL=(R30+R10+RX)/(R+R10+R30+RX)U 右半部分电压为：右半部分电压为：VGR=R21/(R21+R)U 则检流计和则检流计和R11、R20两边的电压为：两边的电压为：VG=VGL-VGR=(R21R-RR30-R10R-RRX)/(R+R10+R30+RX)(R21+R)第9页/共35页热电阻构成电位差计或数字电压表热电阻构成电位差计或数字电压表为热电阻体构成的电阻元件，为标准电阻，为电流调节电阻，为切换开关。VRs=RS/(Rh+RS+RX)U VRx=Rx/(Rh+RS+RX)U 通过电位差计或数字电压表测通过电位差计或数字电压表测出出 VRs与与VRx的差值从而的差值从而确定出温度确定出温度第10页/共35页温度传感器的三线式接法温度传感器的三线式接法 采用线式连接方式时使用的导线必须是材质、线径、长度及电阻值相等，而且在全长导线内温度分布相同。这种方式可以消除热 温度传感器电阻内导线及连线引起的大部分误差，一般的温度测量大都采用这种接线方式。不难算出检流计两边的电压为：不难算出检流计两边的电压为：VG=(RRx-RR3)/(Rx+R)(R+R1)U图图a）为电桥或动圈式计量仪器图）为电桥或动圈式计量仪器图）为带放大器的动圈式计量仪器为带放大器的动圈式计量仪器 放大器两输入端的电压为：放大器两输入端的电压为：V=(RRx-RR3)/(Rx+R)(R+R1)U第11页/共35页图图）为为电子自动平衡式计量仪器，图，图）为为数字式温度计 设设RP上端的电压为上端的电压为RPU,下端电压下端电压为为RPD,图图C)中放大器两边的电压为：中放大器两边的电压为：UA=(2RPD+Rx-R-RP)/(2RP+2R+Rx)U第12页/共35页三线式接法能消除误差的三线式接法能消除误差的原理PT100引出的三根导线截面积和长度均 相同(即r1=r2=r3)，测量铂电阻的电路 一般是不平衡电桥，铂电阻(Rpt100)作 为电桥的一个桥臂电阻，将导线一根(r1)接到电桥的电源端，其余两根(r2、r3)分别接到铂电阻所在的桥臂及与其相邻 的桥臂上，这样两桥臂都引入了相同阻 值的引线电阻，电桥处于平衡状态，引 线线电阻的变化对测量结果没有任何影 响。第13页/共35页热电阻传感器的二线式接法热电阻传感器的二线式接法右右图所示电路为采用线式连接方式，这种接线方式不能消除连线电阻随温度 变化引起的误差，为此，应确保连线电 阻值远低于测温的热电阻值。一定要将 外部的电阻值调整到计量仪器说明书中 提供的标称值。外部电阻是指接在计量 仪器的测量端子外侧的导线及测温热电 阻体内导线所组成的电路的电阻，不包 括由热电阻体构成的电阻元件的电阻。采用热电阻进行高精度的温度测量时，不希望采用线式连接方式，即使，即使采用也要使用电阻补偿导线采用也要使用电阻补偿导线 检流计两边的电压为：检流计两边的电压为：UG=(RxR-RRP)/(R+Rx)(R+RP)U 第14页/共35页 采用电阻补偿导线的线式连接方式采用这种采用这种2线式接法和三线式接法有线式接法和三线式接法有同样的效果同样的效果图图a）为电桥或动圈式测温计，图）为电桥或动圈式测温计，图b）为电子自动平衡式计量仪器）为电子自动平衡式计量仪器第15页/共35页3线式铂热电阻实用电路线式铂热电阻实用电路第16页/共35页相关计算相关计算(起始值起始值)由于由于A1放大器的虚短和虚段特性放大器的虚短和虚段特性,V+=V-,I+=I-=0,则则RA和和RB两端的电压为稳压管两端的电压为稳压管两端的电压，即是两端的电压，即是5V,所以所以VT1集电极的电流为：集电极的电流为：i=5/(RA|RB)=1mA RT的初的初始阻值为：始阻值为：RT=100 B点电压为：点电压为：VB=1(mA)X(2r+100)b点电压为：点电压为：VA=1(mA)X(r+100)先讨论先讨论r对电路的影响对电路的影响(此时此时R0=R1=0)：从从B点看，则点看，则b点电压为点电压为0，此时，此时,V+=V-=0,流过流过R2和和R3电流相同，则增益为：电流相同，则增益为：A1=-(R3/R2)(1+R5/R4)=-(1+R5/R4)从从b点看，则点看，则B点电压为点电压为0，由虚短和虚断特性，且，由虚短和虚断特性，且R2=R3增益为：增益为：A2=(1+R3/R2)(1+R5/R4)=2(1+R5/R4)则输出为：则输出为：U0=VBA1+VAA2=100(1+R5/R4)当温度无变化时电路输出电压为当温度无变化时电路输出电压为0：B点的电压为点的电压为(此时此时此时此时R0=R10)：VB=1(mA)X(2r+200)，从，从B点看到的增益点看到的增益和从和从B看到的增益相同，而且看到的增益相同，而且b点增益也不变。点增益也不变。则输出电压为：则输出电压为：U0=VBA1+VAA2=0第17页/共35页相关计算（动态值）相关计算（动态值）当温度变化时，设电阻值变化为当温度变化时，设电阻值变化为R.由前面知道由前面知道：VB=1(mA)X(2r+200+R)VA=1(mA)X(r+100+R)电路的增益不变，则电路的输出值电路的增益不变，则电路的输出值：U0=VBA1+VAA2 =-(1+R5/R4)X1(mA)X(2r+200+R)+2(1+R5/R4)X1(mA)X(r+100+R)=-(1+R5/R4)R(mV)可见，电路输出信号的增益主要取决于可见，电路输出信号的增益主要取决于R5/R4的比值。调节的比值。调节R5/R4的比值的比值 就可以改变电路增益的大小。就可以改变电路增益的大小。第18页/共35页 电容的作用电容的作用滤波电容用在电源整流电路中，用来滤除交流成分。使输出的直流更平滑。去耦电容用在放大电路中不需要交流的地方，用来消除自激，使放大器稳定工作。旁路电容用在有电阻连接时，接在电阻两端使交流信号顺利通过。l 在数字电路中由于电路有很高的频率，就对电流的需求忽高忽低，使得电源有了在数字电路中由于电路有很高的频率，就对电流的需求忽高忽低，使得电源有了一定频率的变化。所以在一般的数字一定频率的变化。所以在一般的数字IC的电源旁路都有去耦电容，大小一般为的电源旁路都有去耦电容，大小一般为0.1uF.l 0.1F的去耦电容对于的去耦电容对于10MHz以下的噪声有较好的去耦效果，对以下的噪声有较好的去耦效果，对40MHz以上的以上的噪声几乎不起作用。噪声几乎不起作用。1F、10F的电容，并行共振频率在的电容，并行共振频率在20MHz以上，去除高频以上，去除高频噪声的效果要好一些噪声的效果要好一些.l 对于同一个电路来说，旁路（对于同一个电路来说，旁路（bypass）电容是把输入信号中的高频噪声作为滤除）电容是把输入信号中的高频噪声作为滤除对象，把前级携带的高频杂波滤除，而去耦（对象，把前级携带的高频杂波滤除，而去耦（decoupling）电容也称退耦电容，）电容也称退耦电容，是把输出信号的干扰作为滤除对象。是把输出信号的干扰作为滤除对象。第19页/共35页热电偶传感器热电偶传感器热敏电阻加热时，温度从变化到时，热敏电阻的温度为：（）n 这种热响应特性如图所示。图中，热敏电阻冷却时从变到，或加热时从变到时，冷却或加热到与间温度差的需要的时间称为热时间常数。第20页/共35页热敏电阻的基本连接方式图是个热敏电阻与个电阻的并联方式，这可简单构成线性电路，若在以下的范围内，其非线性可抑制在以内，并联电阻的阻值为热敏电阻的阻值的倍。图和图为合成电阻方式，温度系数小，适用于宽范围的温度测量，测量精度也较高。图为比率式，电路构成简单，具有较好的线性。第21页/共35页右图是采用热敏电阻的温度测量电路，右图是采用热敏电阻的温度测量电路，图为并联方式，热敏电阻与图为并联方式，热敏电阻与电阻电阻 并联，输出并联，输出为：为：U0=()Ub 式中，式中，/。由于这。由于这种电种电 路非常简单，电源电压的变化会直路非常简单，电源电压的变化会直接影接影 响输出，因此，工作电源一般采用响输出，因此，工作电源一般采用稳压稳压 电源。电源。n图图)为桥接方式，热敏电阻作为桥为桥接方式，热敏电阻作为桥 的一臂，输出为桥路之差，即为的一臂，输出为桥路之差，即为:0()Ua 式中，式中，/。用热敏电阻构成的测温计用热敏电阻构成的测温计第22页/共35页 图图c用热敏电阻作为运算放大器的反馈用热敏电阻作为运算放大器的反馈电阻的测温电路，电路中电阻的测温电路，电路中2.5V基准电压基准电压与电阻形成的电流变换为与热敏电阻阻与电阻形成的电流变换为与热敏电阻阻值变化相应的电压，这作为运算放大器值变化相应的电压，这作为运算放大器A1的输出电压。该输出电压再经运算放的输出电压。该输出电压再经运算放大器大器A2后会被扣除一定的偏置电压，于后会被扣除一定的偏置电压，于是是A2的输出电压信号与温度相对应。该的输出电压信号与温度相对应。该电路的热敏电阻直接接在运算放大器构电路的热敏电阻直接接在运算放大器构成的反相放大电路中，易受到外部感应成的反相放大电路中，易受到外部感应噪声的影响，因此，重要的是热敏电阻噪声的影响，因此，重要的是热敏电阻回路的布线要尽量短。回路的布线要尽量短。根据继承运算放大器的性质不难算得：根据继承运算放大器的性质不难算得：U0=图图d是热敏电阻与比较器组合的电路，其是热敏电阻与比较器组合的电路，其电路若达到设定温度，则比较器电路若达到设定温度，则比较器A1开始开始工作，工作，A1应具有适当时滞特性，这样，应具有适当时滞特性，这样，电路就具有较好的快关特性。电路就具有较好的快关特性。U+=(1.5+RP)/(1.5+RP+RT|Rs)Ucc U-=(1/2)Ucc U+U-时比较器开始工作。时比较器开始工作。第23页/共35页热电敏的数字式体温计热电敏的数字式体温计第24页/共35页热电偶传感器热电偶传感器热电偶：一端结合在一起的一对不热电偶：一端结合在一起的一对不同材同材 料的导体，并应用其热电效应实现料的导体，并应用其热电效应实现温度温度 测量的敏感元件。测量的敏感元件。如图，若使如图，若使T0为给定的恒定温度，为给定的恒定温度，如趋为如趋为00C,则热电动势仅为则热电动势仅为T一端一端（称为测量端）温度（称为测量端）温度T的单值函数。的单值函数。则电动势电压为：则电动势电压为：EAB=(T,T0)=eAB(T)-f(T0)=f(T)-0=(T)第25页/共35页热电偶的优点热电偶的优点热电偶是将温度变换为电量进行检测，因此方便纪律与控制。热电偶是将温度变换为电量进行检测，因此方便纪律与控制。价廉而且容易买到，测量方法简便而且精度高，测量时间也比较短。价廉而且容易买到，测量方法简便而且精度高，测量时间也比较短。测量温度范围较宽，可以根据灵敏度与寿命选用热电偶的种类与线径。测量温度范围较宽，可以根据灵敏度与寿命选用热电偶的种类与线径。可以测量较小物体的温度以及狭窄所处的温度。可以测量较小物体的温度以及狭窄所处的温度。被测物体与计量仪器件的距离可较远，途中即使局部发生温度变化，对测被测物体与计量仪器件的距离可较远，途中即使局部发生温度变化，对测量值几乎没有影响量值几乎没有影响第26页/共35页热电偶的缺点热电偶的缺点能使用的热电偶的种类受到测量场环境的限制。能使用的热电偶的种类受到测量场环境的限制。除需要绝缘管和保护管以外，还需要基准点或基准节点补偿。除需要绝缘管和保护管以外，还需要基准点或基准节点补偿。精度限定为测量温度或裸线温度的精度限定为测量温度或裸线温度的0.2%左右。左右。高温或长期使用时由于环境的影响使其性能下降，因此，需要定期检查与高温或长期使用时由于环境的影响使其性能下降，因此，需要定期检查与更换。更换。组装时手接触或机油等使热电偶受到污染而影响其寿命，出现测温节点的组装时手接触或机油等使热电偶受到污染而影响其寿命，出现测温节点的短线故障以及外电路的短路事故。短线故障以及外电路的短路事故。第27页/共35页热电偶实际应用时要满足以的条件热电偶实际应用时要满足以的条件热电动势应较大。热电动势应较大。高温或低温使用时，热电动势稳定，而且寿命长。高温或低温使用时，热电动势稳定，而且寿命长。耐热性号，在高温时还能保证有足够的机械强度。耐热性号，在高温时还能保证有足够的机械强度。耐腐蚀性强，对空气等的环境适应性强。耐腐蚀性强，对空气等的环境适应性强。对于同种类热电偶的芯线其特性均匀，互换性强。对于同种类热电偶的芯线其特性均匀，互换性强。价廉而且容易买到价廉而且容易买到第28页/共35页基准节点基准节点热电偶的热电势由热电偶的两触热电偶的热电势由热电偶的两触点间误差决定，为此，需要设定点间误差决定，为此，需要设定作为基准的结点，即基准结点。作为基准的结点，即基准结点。这个标准的结点用冷结点，然而，这个标准的结点用冷结点，然而，这个冷结点的温度变化并不意味这个冷结点的温度变化并不意味着时测量的温度。因此，要确定着时测量的温度。因此，要确定不同方式的基准结点，即冰点式不同方式的基准结点，即冰点式基准结点、电子冷却式基准结点、基准结点、电子冷却式基准结点、恒温式基准结点、补偿式基准结恒温式基准结点、补偿式基准结点和室温式基准结点等。点和室温式基准结点等。如右图为冰点式基准结点。由于如右图为冰点式基准结点。由于冰水保持热平衡，因此，基准结冰水保持热平衡，因此，基准结点就保持在冰点处。点就保持在冰点处。第29页/共35页补偿式基准结点补偿式基准结点恒温槽式基准结点是用温度调节恒温槽式基准结点是用温度调节器将基准结点的温度调整为恒定器将基准结点的温度调整为恒定温度，这时，用温度计测量基准温度，这时，用温度计测量基准结点的温度，需要对基准结点的结点的温度，需要对基准结点的温度进行补偿。温度进行补偿。如右图，这是在测量仪器的一部如右图，这是在测量仪器的一部分测量电路中，采用温度系数较分测量电路中，采用温度系数较大的基准结点补偿电阻大的基准结点补偿电阻RC,将基将基准结点的温度变化引起的电压变准结点的温度变化引起的电压变化加到热电偶的热电势中对其进化加到热电偶的热电势中对其进行补偿的方式，工作电源采用电行补偿的方式，工作电源采用电池或稳压二极管构成的稳压电源。池或稳压二极管构成的稳压电源。第30页/共35页对基准温度结点进行补偿对基准温度结点进行补偿对于基准结点温度校正为对于基准结点温度校正为00C的热电偶温度计，若使用时其基准结点温度为的热电偶温度计，若使用时其基准结点温度为t0（0C），则温度结点温度），则温度结点温度t（0C）时，可采用以下三种方法求出：）时，可采用以下三种方法求出：1）若测量的热电动势为）若测量的热电动势为E(t，t0)（mV）,基准结点温度为基准结点温度为00C，测温结点的温度为，测温结点的温度为t（0C）及）及t0（0C）时，）时，各自热电势为各自热电势为Ett(mV)及及Et0(mV),则测温结点的温度则测温结点的温度t（0C）对应于下式中）对应于下式中E1（mV）时温度。）时温度。Et=E(t，t0)+E0 2)动圈式计量仪器用温度进行刻度时，通过指针调节装置进行调节，使其端子段结石的指示值为基准结点温动圈式计量仪器用温度进行刻度时，通过指针调节装置进行调节，使其端子段结石的指示值为基准结点温度度t0（0C）。若基准结点的温度变化，则用这种方法得到与上述同样的结果）。若基准结点的温度变化，则用这种方法得到与上述同样的结果 3）若热电偶的热电势特性曲线为线性时，测温结点的温度）若热电偶的热电势特性曲线为线性时，测温结点的温度t（0C）也可以为）也可以为 t=t+t0第31页/共35页图图1为简单的冷结点温度补偿前置放大为简单的冷结点温度补偿前置放大电路，冷结点补偿采用二极管争相压降。电路，冷结点补偿采用二极管争相压降。为确保电路稳定工作，采用稳压二极管。为确保电路稳定工作，采用稳压二极管。不难求得不难求得:由于由于15V电压有电压有10M的电阻，所以电的电阻，所以电流通过流通过R、R1、R2.电流为：电流为：I=-(V-)/220 则则 U0=(V-)-51XI n图图2为更精确的冷结点温度补偿前置放为更精确的冷结点温度补偿前置放 大电路大电路 LM321为更精确的放大器。为更精确的放大器。第32页/共35页测温电路的接线方式测温电路的接线方式第33页/共35页 集成温度传感器及其应用是单片双端集成温度传感器，得到广泛的应用，其特征如下：）线性电流输出：，正比于热力学温度。）宽温度范围：。）精度高：激光校准精度到（）。）线性好：满量程范围（）。）电源范围宽：。第34页/共35页感谢您的观看！第35页/共35页