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1、温度传感器的应用,Page 2,温度传感器的类型,Template for Microsoft PowerPoint,Page 3,温度传感器的测温范围,Page 4,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=
2、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,Page 5,电桥,R0较大时，I0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 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：,Page 6,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，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。这使得电桥输出一 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。 电桥输出电压的值可以通过下式求得：,Page 7,热电阻传感器,热电
3、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： RT=R01+a(T-T0)+b(T-T0)2. 式中，Rt为温度t时的阻值；Rt0为温度t0（通常t0=0）时对应电阻值；为温度系数。 半导体热电阻的阻值与温度的关系： RT=AeB/t 式中Rt为温度为t时的阻值；A、B取决于半导体材料的结构的常数。,Page 8,采用热电阻构成的测温仪器有电桥、直流电位差计、电子式 自动平衡计量仪器、动圈比率式计量仪器、动圈式计量仪器、 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、三线式接法、 二线式接法,Page 9,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
4、体内 导线以及连线引起的误差，在右图所 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。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,L1、L2为热电阻体内导线。 检流计上部的电压: VGU=RX/(RX+R)U 下部的电压： VGD=R4/(R3+R4)U 检流计的电压： VG=VGU-VGD=(RXR3-R4R)/(R3+R4)(R+RX).U 由上式可见只要RX的值发生变化，则VG发生变化,Page 1
5、0,另一种四线式接法,右图中R为固定电阻， R为平衡调节电 阻，S为切换开关,L1、L2为热电阻体内导线。 设R1的左半部分电阻为R10,右半部分电阻为R11. R2的左半部分电阻为R20,右半部分电阻为R21.R3 的左半部分为R30,右半部分为R31. 当S接到A时： 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：VGR=(RX+R21)/(RX+R21+R)U 则检流计和R11、R20两边的电压为： VG=VGL-VGR=(R21R30+RR30-RXR1-RRX)/(R+R1+R30)(RX+R21+R)U 当S接到B时： 检流计的左半部
6、分电压为：VGL=(R30+R10+RX)/(R+R10+R30+RX)U 右半部分电压为：VGR=R21/(R21+R)U 则检流计和R11、R20两边的电压为： VG=VGL-VGR=(R21R-RR30-R10R-RRX)/(R+R10+R30+RX)(R21+R),Page 11,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出 VRs与VRx的差值从而确定出温度,Page 12,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
7、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： VG=(RRx-RR3)/(Rx+R)(R+R1)U 图a）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 放大器两输入端的电压为： V=(RRx-RR3)/(Rx+R)(R+R1)U,Page 13,图）为电子自动平衡式计量仪器 ，图）为数字式温度计 设RP上端的电压为RPU,下端电压为RPD, 图C)中放大器两边的电压为： UA=(2RPD+Rx-R-RP)/(2RP+2R+Rx)U,P
8、age 14,三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。,Page 15,热电阻传感器的二线式接法,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
9、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，即使采用也要使用电阻补偿导线 检流计两边的电压为： UG =(RxR-RRP)/(R+Rx)(R+RP)U,Page 16,采用电阻补偿导线的线式连接方式,采用这种2线式接法和三线式接法有同样的效果 图a）为电桥或动圈式测温计，图b）为电子自动平衡式计量仪器,Page 17,3线式铂热电阻实用电路,Page 18,相关计算 (起始值),由于A1放大器的虚短和虚段特性,
10、V+=V-,I+=I-=0 ,则RA和RB两端的电压为稳压管两端的电压，即是5V ,所以VT1集电极的电流为：i=5/(RA|RB)=1mA RT的初始阻值为：RT=100 B点电压为：VB=1(mA)X(2r+100) b点电压为：VA=1(mA)X(r+100) 先讨论r对电路的影响(此时R0=R1=0)： 从B点看，则b点电压为0，此时,V+=V-=0,流过R2和R3电流相同，则增益为： A1= -(R3/R2)(1+R5/R4)=-(1+R5/R4) 从b点看，则B点电压为0，由虚短和虚断特性，且R2=R3增益为： A2=(1+R3/R2)(1+R5/R4)=2(1+R5/R4) 则输
11、出为：U0=VBA1+VAA2=100(1+R5/R4) 当温度无变化时电路输出电压为0： B点的电压为(此时此时R0=R10)：VB=1(mA)X(2r+200)，从B点看到的增益和从B看到的增益相同，而且b点增益也不变。 则输出电压为：U0=VBA1+VAA2=0,Page 19,相关计算（动态值）,当温度变化时，设电阻值变化为R. 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： U0=VBA1+VAA2 =-(1+R5/R4) X1(mA)X(2r+200+R)+2(1+R5/R4)X1(mA)X(r+100+R
12、) =-(1+R5/R4)R(mV) 可见，电路输出信号的增益主要取决于R5/R4的比值。调节R5/R4的比值 就可以改变电路增益的大小。,图,Page 20,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。 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IC的电源旁路都有去耦电容，大小一般为0.1uF. 0.1F的去耦电容对于10MHz以下的噪声有较好的去耦效果，对40MHz
13、以上的噪声几乎不起作用。1F、10F的电容，并行共振频率在20MHz以上，去除高频噪声的效果要好一些. 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，是把输出信号的干扰作为滤除对象。,Page 21,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： 0.632（） 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63.2需要的时间称为热时间常数。,Page 22,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
14、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0.35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。,Page 23,右图是采用热敏电阻的温度测量电路， 图为并联方式，热敏电阻与电阻 并联，输出为： U0=( )Ub 式中，/。由于这种电 路非常简单，电源电压的变化会直接影 响输出，因此，工作电源一般采用稳压 电源。 图)为桥接方式，热敏电阻作为桥 的一臂，输出为桥路之差，即为: 0 ( )Ua 式中，/。,用热敏电阻构成的测温计,Page 24,图c用热敏电阻作为运算放大器的
15、反馈电阻的测温电路，电路中2.5V基准电压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A1的输出电压。该输出电压再经运算放大器A2后会被扣除一定的偏置电压，于是A2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： U0= 图d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A1开始工作，A1应具有适当时滞特性，这样，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)U
16、cc U+U-时比较器开始工作。,Page 25,热电敏的数字式体温计,Page 26,热电偶传感器,热电偶：一端结合在一起的一对不同材 料的导体，并应用其热电效应实现温度 测量的敏感元件。 如图，若使T0为给定的恒定温度，如趋为00C,则热电动势仅为T一端（称为测量端）温度T的单值函数。 则电动势电压为： EAB=(T,T0)=eAB(T)-f(T0)=f(T)-0=(T),Page 27,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。 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。 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，对测量值几乎没有影响,Page 28,热电偶的缺点,能使用的热电偶的种类受
