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1、传感技术自学报告“传感技术”自学报告之一温度测量传感器设计报告姓名：班级：学号：2015年11月26日不要删除行尾的分节符，此行不会被打印- -目录第1章 温度测量文献综述11.1 温度测量的意义11.2 温度测量的现状21.2.1 热电偶传感器.21.2.2 热敏电阻传感器.31.2.3 热电阻传感器.5第2章 总体方案设计72.1 方案一72.2 方案二82.3方案分析对比102.4 小结10第3章 具体设计与特性分析113.1 传感器设计113.2 转换电路设计113.3 传感器总体分析123.4 使用条件和误差补偿133.5 仿真实验133.6 小结13总结14参考文献15心得体会.1
2、6千万不要删除行尾的分节符，此行不会被打印。在目录上点右键“更新域”，然后“更新整个目录”。打印前，不要忘记把上面“Abstract”这一行后加一空行- I -第1章 温度测量文献综述1.1 温度测量的意义人类的生活离不开温度，无论是在农业、还是在医疗、或者是工业、气象等领域，温度与人类息息相关。而依靠人体自身的感官是不能精确的感受到一些细小的温度变化的，应此，温度传感器就在这种条件下应运而生。在农业上，利用温度传感器，可以预测即将到来的天气变化，从而最大程度上避免农作物遭受自然灾害的损失。在医学领域，可以通过对人体体温的测量来判断一个人是否患有某种疾病。在工业上，生产钢铁所用到的到高炉，其上
3、就安装有温度传感器，以便工厂随时掌握钢材的炼制情况。在气象领域，温度则更是一个极其重要的指标，人们的日常生活必然受到天气因素的影响，而温度传感器就是发布天气预报时所依据的重要表征之一。由此可见，温度传感器已经成为了人们生活中必不可少的一种传感元件，也必将在以后的长久一段时间内服务于人们的生活。一般来说，温度传感器常常以探头，或者是探针的形式存在，因此其体积较小，安装与更换也比较方便，自身精度较高，且稳定性好，测温范围较大，根据分类不同，常用的热电式传感器的测温范围一般在-50度-800度之间，而采用铂金作热电材料的热电式传感器，其测量最高温度，可以达到2300度左右，且稳定性好，误差范围总体一
4、般在+/- 0.5-1度之间。因此，总体而言，温度测量传感器的测量精度是比较高的。但与此同时，温度传感器还存在一些较为普遍的问题： 1. 热电极材料损耗较大，易发生老化。2. 某些利用铂金等贵金属材料制成的热电偶传感器成本较高。3. 热电式传感器中的热电势曲线是由其热端温度和冷端温度同时决定的，同时，其输出曲线按照冷端温度为零度时作为参照，而实际应用中，由于冷端暴露在空气中，因此，冷端温度不可能维持在0度保持不变，因此，势必带来测量上的误差。1.2 温度测量的现状自从1600年，伽利略发明气体温度计以来，温度传感器在制作工艺和精度上不断超越前人，达到新的高度，我国自改革开放以来，在国内外信息产
5、业市场需求推动的情况下，研究人员研发了各式各样的温度传感器，但与国外的技术相比，我国仍然处于研究的发展阶段，相信伴随着国内一线科研人员的不断努力，我国在温度传感器上的仍然是有较大潜力的。目前：常用的温度传感器主要分为以下几种：这里，我们结合传感技术一书中的内容，选取热电偶传感器、热敏电阻传感器以及热电阻温度传感器进行介绍。1.2.1 热电偶传感器热电偶传感器概述：热电偶传感器是基于热电效应工作的。热电效应指的是 将两种不同材料的导体A和B串接成一个闭合回路，当两个节点温度不同时，在回路中就会产生热电势，形成电流。热电偶传感器原理图如下：热电偶传感器其热电势是由接触电势和温差电势组成的，其中，接
6、触电势指的是：由于不同金属导体材料具有的自由电子密度不同，当两种不同的金属导体接触时，会在其接触面上发生电子扩散，从而产生电势差。如上图所示。而温差电势指的是：因导体两端温度不同而产生的电势差，其原理是由于温度梯度的存在改变了电子的排布情况，使得高温端电子向低温端扩散形成电势差的这样一个过程，如下图所示：因此，热电偶回路中的总电势为:当参考端温度恒定时，总的热电动势就变成了测量端温度T的单值函数，这也就是热电偶传感器测量温度的基本原理。热电偶传感器的分类:按照热电偶结构形式进行分类：普通型热电偶、铠装型热电偶、薄膜热电偶等。按照热电偶材料进行分类：铂-铑合金热电偶、纯铜-铜镍热电偶、铁-铜镍热
7、电偶等。热电偶传感器的特点:装配简单，更换方便压簧式感温元件，抗震性能好测量范围大（2001300,特殊情况下2702800） 机械强度高，耐压性能好 耐高温可达2800度1.2.2 热敏电阻传感器热敏电阻传感器概述:热敏电阻是利用半导体材料的阻值随温度变化而发生变化的原理来进行工作的，它的主体是利用铁、钴、镍等材料进行联结烧制而成的，随着科学技术的不断发展，热敏电阻的稳定性也在不断提高。而热敏电阻本身则是热敏电阻传感器的主要构成。热敏电阻传感器的分类：按照热敏电阻的温度特性可分为:负电阻温度系数(NTC)型传感器和正电阻温度系数(PTC)温度传感器.其中，负电阻温度特性传感器的电阻温度关系曲
8、线(在室温为25度的情况下)为:在一般条件下，其表达式为：式中，RT、RT0代表温度为T、T0时热敏电阻器的电阻值； BN 代表NTC热敏电阻的材料常数。实验表明，在温度小于450度时，这个公式都是成立的，因此它可以作为一个小范围内的近似公式。同样，正电阻温度特性传感器的电阻温度关系曲线(在室温为25度的情况下)为:它的特性是利用正温度热敏材料在居里点附近电导率发生突变的情况来取得的。它的温度电阻特性也可以用一下的公式进行近似表示：式中 RT、RT0温度分别为T、T0时的电阻值； BP正温度系数热敏电阻器的材料常数。热敏电阻传感器的特点:灵敏度高，感应温度范围小。坚固、耐用性好。价格低廉，性价
9、比高部分电阻采用玻璃封装的方法，消除空气中湿气的影响。1.2.3 热电阻传感器热电阻传感器的概述:与热敏电阻类似，同样也是利用电阻的阻值随温度变化而发生变化的原理，但与热敏电阻不同的是，它所用的材料一般为金属单质，且其本身热电阻变化仅与电阻本身的性质有关。而热敏电阻自身是一种半导体元件。热电阻传感器的分类：按照其组成电阻的金属材料进行分类，并没有其他特别的分类方法，总体说来可以分为铂热电阻和铜热电阻。以下是铂热电阻和铜热电阻的一些主要参数：热电阻传感器的主要原理如下：其中，电阻丝采用双线绕制法在具有一定形状的云母、石英或陶瓷塑料支架上，支架起到了支撑或绝缘的作用。-铂热电阻温度电阻相关公式:(
10、1)在-200度到0度的范围内：(2)在0度到650度的范围内:-铜热电阻温度电阻相关公式:其中，A、B、C为常数，常取A(4.254.28)10-3/热电阻传感器的特点:电阻温度系数较大，以提高热电阻灵敏度热容量小，以提高热电阻响应速度在测量范围内具有稳定的物理和化学性能输出电阻与温度的关系接近于线性具有良好的可加工性，且价格便宜电阻率大，以减小加工尺寸。/本章给出的各项内容要求有参考文献支持，要求将参考文献标注在相应位置。参考文献包括著作、教材、论文、技术报告、说明书、网页等。/第2章 总体方案设计本章给出至少2种方案的详细原理，并选择其一作为第3章设计内容。2.1 方案一 热电式金属材料
11、鉴别仪（1） 设计原理:热点式金属材质鉴别仪是一种利用热点效应设计的无损检测装置。同时，而金属的热电势包括温差电势和接触电势，其中，温差电势与导体的材料和两端温度有关，因为该电势很小，因此，可以认为该电势仅与导体材料性质有关。（2）设计思路:（3）原理框图：（4）详细说明：由实验原理和示意图可知：上图所示的金属材料鉴别仪，它的两个电极由相同材料构成，其中一个电极被均匀加热，当被测金属与两个电极进行接触时形成两组热电回路，一组被测金属与铜电极形成热点回路，另一组由康铜和铜组成的热点回路，由于电极均匀加热，而绝缘体又具有良好的导热性，因而两组热点回路具有相同的接点温度（T、T0），其相应电势为:设
12、，两组热点回路电势的比值为Y，则： 由此可见，Y值只随着被测金属x的和Nx的值得变化而发生变化，温度变化对Y值基本没有影响。2.2 方案二 窄温区单个热敏电阻温度传感器的设计（1） 设计原理:对测量范围在5摄氏度以内的窄温区，如果误差要求不太高，可以用一个热敏电阻，使其在等间隔的三个温度点上误差为零，其设计思路如下图所示。（2）设计思路:（3）原理框图: （4）详细说明: 对于上图中的a电路，假设Ta、Tb、Tc为三个等间隔的温度点，Ra、Rb、Rc分别为温度Ta、Tb、Tc时所对应的电阻值。因此，其等效电阻为： 由等间隔线性化条件得到：Rpa、Rpb、Rpc分别是Ta、Tb、Tc时并联等效电
13、阻，将（1）式代入（2）式中可以得到，对上图中的b电路可以用类似方法进行推导，取电源E为定值，可得：利用等间隔线性化条件，得：将式（5）代入式（6）后可得：此式与（3）式完全相同，线性化电阻R为：2.3 方案分析对比综合讨论过后，我们认为，方案二在对传感器进行加工方面都较方案一容易实现一些，同时，方案二的实验结论也更容易得到，因为在方案一中，虽然热电势可以近似看做只与金属材料本身有关，但实际上，金属本身由于氧化性而在表面形成的包膜容易影响实验结果，从而造成较大的误差，而在实验二中，我们只需要通过取温度电阻关系曲线上的等间距点并加以一定的数学分析与运算就可以得出结论，因此，我们最终还是将方案二保留到了下一个环节当中。2.4 小结本章中，通过对两个具体的热电式传感器的分析使我了解到了更多的有关热电式传感器方面的应用，同时，也对热电式传感器有了更大的探索兴趣，例如，方案一中利用热电阻对金属材料的无伤探测可以运用在考古领域，从而能在很大程度上保护文物，方案二中单热敏电阻测量温度的方案，在一定的小范围之内还是有较高的精确度的，因此，它完全可以运用在我们的日常生活当中，对于冰箱冷藏室温度的测量，其原理简单，且易于实现，在测量范围不大的领域是一个很不错的选择。第3章 具体设计
