温度传感器的应用

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,温度传感器的应用,温度传感器的类型,Template for Microsoft PowerPoint,温度传感器的测温范围,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，I,o,=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,R,0,较大时，I,0,趋向于零,因,I,o,=0，故I,1,=I,4,，I,2,=I,3,，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,：,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：,热电阻传感器,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：,R,T,=R,0,1+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：,R,T,=Ae,B/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。,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,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,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:,V,GU,=R,X,/(R,X,+R)U,下部的电压：,V,GD=,R4/(R3+R4)U,检流计的电压：,V,G,=V,GU,-V,GD,=(R,X,R,3,-R,4,R)/(R,3,+R,4,)(R+R,X,).U,由上式可见只要R,X,的值发生变化，则V,G,发生变化,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：,V,GL,=(R,30,+R10)/(R+R,10,+R,30,)U,右半部分电压为：,V,GR,=(R,X,+R21)/(R,X,+R,21,+R)U,则检流计和R11、R20两边的电压为：,V,G,=V,GL,-V,GR,=(R,21,R,30,+RR,30,-R,X,R,1,-RR,X,)/(R+R,1,+R,30,)(R,X,+R,21,+R)U,当S接到B时：,检流计的左半部分电压为：,V,GL,=(R,30,+R,10,+R,X,)/(R+R,10,+R,30,+R,X,)U,右半部分电压为：,V,GR,=R,21,/(R,21,+R)U,则检流计和R11、R20两边的电压为：,V,G,=V,GL,-V,GR,=(R,21,R-RR,30,-R,10,R-RR,X,)/(R+R,10,+R,30,+R,X,)(R,21,+R),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。,V,Rs,=R,S,/(R,h,+R,S,+R,X,)U,V,Rx,=R,x,/(R,h,+R,S,+R,X,)U,通过电位差计或数字电压表测出 V,Rs,与V,Rx,的差值从而确定出温度,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：,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,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R,PU,下端电压为R,PD,图C)中放大器两边的电压为：,U,A,=(2R,PD,+R,x,-R-R,P,)/(2R,P,+2R+R,x,)U,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。,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：,U,G,=(R,x,R-RR,P,)/(R+Rx)(R+R,P,)U,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,3线式铂热电阻实用电路,相关计算(起始值),由于A1放大器的虚短和虚段特性,V,+,=V,-,I,+,=I,-,=0,则R,A,和R,B,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 R,T,的初始阻值为：,R,T,=100,B点电压为：,V,B,=1(mA)X(2r+100),b点电压为：,V,A,=1(mA)X(r+100),先讨论r对电路的影响(此时,R,0,=R,1,=0,)：,从B点看，则b点电压为0，此时,V,+,=V,-,=0,流过R,2,和R,3,电流相同，则增益为：,A,1,=-(R,3,/R,2,)(1+R,5,/R,4,)=-(1+R,5,/R,4,),从b点看，则B点电压为0，由虚短和虚断特性，且,R,2,=R,3,增益为：,A,2,=(1+R,3,/R,2,)(1+R,5,/R,4,)=2(1+R,5,/R,4,),则输出为：,U0=V,B,A,1,+V,A,A,2,=100(1+R,5,/R,4,),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,R,0,=R,1,0,)：,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=V,B,A,1,+V,A,A,2,=0,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,)V,A,=1(mA)X(r+100+,R,),电路的增益不变，则电路的输出值,：,U0=V,B,A,1,+V,A,A,2,=-(1+R,5,/R,4,),X1(mA)X(2r+200+,R,)+2(1+R,5,/R,4,)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R5/R4的比值。调节R5/R4的比值 就可以改变电路增益的大小。,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。,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。,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,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。,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：,U,0,=()U,b,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,图c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)Ucc,U+U-,时比较器开始工作。,热电敏的数字式体温计,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T,0,为给定的恒定温度，如趋为0,0,C,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：,E,AB,=(T,T,0,)=e,AB,(T)-f(T,0,)=f(T)-0=,(T),热电偶的优点,热电偶是将温度变换为电量进行检测，因此