温度的测量课件

1、XIAN JIAOTONG UNIVERSITY温度的测量课件温度的测量课件1-0温度的测量温度的测量工程训练工程训练之一之一Industry Training Center温度的测量课件6-1第六讲第六讲温度的测量温度的测量引言引言温度的测量是生活中有很多应用温度的测量是生活中有很多应用Industry Training Center温度的测量课件6-2第六讲第六讲温度的测量温度的测量引言引言温度的测量方法温度的测量方法温度会引起什么变化？温度会引起什么变化？金属金属热电阻：温度热电阻：温度/热量热量电阻电阻热电偶：热电偶：温度温度/热量热量温差电动势温差电动势半导体热敏电阻：温度半导体热敏

2、电阻：温度/热量热量电阻电阻红外释热测温：温度红外释热测温：温度红外热辐射红外热辐射色温法：温度色温法：温度金属颜色变化金属颜色变化石英：温度石英：温度石英震荡频率石英震荡频率形变形变Industry Training Center温度的测量课件6-3第六讲第六讲温度的测量温度的测量引言引言由于传感器本身存在热容以及传热介质含有热由于传感器本身存在热容以及传热介质含有热阻，这导致了温度测量的特殊问题阻，这导致了温度测量的特殊问题热惯量热惯量。因此，对温度传感器有特殊的要求。因此，对温度传感器有特殊的要求。有些传感器输出是电流信号，如果想得到电压有些传感器输出是电流信号，如果想得到电压信号，必须

3、进行信号，必须进行流压转换流压转换。传感器或测量系统测量的结果应该是可信的。传感器或测量系统测量的结果应该是可信的。对此的对此的检验检验过程称为过程称为标定标定。而由于存在系统误差，需要对测量电路而由于存在系统误差，需要对测量电路校准校准来来消除。消除。Industry Training Center温度的测量课件6-4第六讲第六讲温度的测量温度的测量本讲内容（本讲内容（2课时）课时）温度系统的热惯量温度系统的热惯量传感器的标定传感器的标定测量系统的校准测量系统的校准温度传感器温度传感器AD590测温电路测温电路训练内容训练内容1：热电阻阻值随温度的变化：热电阻阻值随温度的变化训练内容训练内容

4、1：热电阻测温电路：热电阻测温电路训练内容训练内容2：用：用AD590测温电路测体温测温电路测体温Industry Training Center温度的测量课件6-56.1 温度系统的热惯量温度系统的热惯量热容、热阻及热惯量热容、热阻及热惯量热容：物体温度发生变化需要吸热或放热热容：物体温度发生变化需要吸热或放热D DQ=CmD DtC为比热容，为比热容，m为质量，为质量，D Dt为温度变化为温度变化热阻：表征了介质的热阻：表征了介质的传热能力传热能力，即介质传，即介质传热的快慢热的快慢系统具有系统具有热容量热容量，传热介质有，传热介质有热阻热阻温度升降需要经历一定的时间温度升降需要经历一定的

5、时间此种性质称为系统的此种性质称为系统的热惯量热惯量热容量越大，热阻越大热容量越大，热阻越大热惯量越大热惯量越大Industry Training Center温度的测量课件6-66.1 温度系统的热惯量温度系统的热惯量温度传感器的特殊要求温度传感器的特殊要求传感器的外壳和内部材料具有一定热容和热阻传感器的外壳和内部材料具有一定热容和热阻传感器具有一定的传感器具有一定的热惯量热惯量传感器与被测物达到热平衡需要一定的时间传感器与被测物达到热平衡需要一定的时间传感器热惯量过大的危害传感器热惯量过大的危害不能迅速反映被测温度的变化不能迅速反映被测温度的变化传感器吸热和放热会干扰被测系统的温度传感器吸

6、热和放热会干扰被测系统的温度温度传感器的热惯量要尽可能小温度传感器的热惯量要尽可能小体积要小，材料比热容要小；体积要小，材料比热容要小；使用导热良好的封装材料（热阻小）使用导热良好的封装材料（热阻小）Industry Training Center温度的测量课件6-76.2 传感器的标定传感器的标定对传感器的要求对传感器的要求线性度好线性度好无滞环误差无滞环误差重复性好重复性好精度适中精度适中Industry Training Center温度的测量课件6-86.2 传感器的标定传感器的标定标定的过程及目的标定的过程及目的标定：传感器的输入输出关系是标定：传感器的输入输出关系是已知已知的，的，

7、传感器或测量系统测量的结果应该是可信传感器或测量系统测量的结果应该是可信的。对此的的。对此的检验检验过程称为标定。过程称为标定。标定的过程：用标定的过程：用待标定的传感器待标定的传感器对对标准物标准物理量理量进行进行测量测量，记录一系列的对应量值，记录一系列的对应量值，并由此得到传感器的线性度、精度、灵敏并由此得到传感器的线性度、精度、灵敏度、迟滞特性、重复性等。度、迟滞特性、重复性等。标定的目的：标定的目的：检验检验传感器输出信号值与被传感器输出信号值与被测量值之间的对应关系测量值之间的对应关系Industry Training Center温度的测量课件6-96.2 传感器的标定传感器的标

8、定对标定的进一步说明对标定的进一步说明传感器的标定是对传感器的标定是对个体个体（某个传感器）（某个传感器）标定的目的是标定的目的是检验检验传感器的输入输出关系，传感器的输入输出关系，而不是建立输入输出关系。如果是建立输而不是建立输入输出关系。如果是建立输入输出关系，称为测试）入输出关系，称为测试）标定的结果用于调整系统的参数或者传感标定的结果用于调整系统的参数或者传感器的输入输出关系式的参数，以提高系统器的输入输出关系式的参数，以提高系统的精度的精度传感器使用一段时间之后，一般要重新标传感器使用一段时间之后，一般要重新标定定Industry Training Center温度的测量课件6-10

9、6.2 传感器的标定传感器的标定标准物理量的生成办法标准物理量的生成办法标准设备：配有标准设备：配有高精度高精度的传感器、高精度的测的传感器、高精度的测量系统及控制装置，可以量系统及控制装置，可以提供高精度的标准被提供高精度的标准被测量测量，一般，一般至少比传感器精度高一个数量级至少比传感器精度高一个数量级，这个被测量对于传感器来说可以看成这个被测量对于传感器来说可以看成理想理想的。的。此时标定的实质：进行待标定传感器与标准传感器此时标定的实质：进行待标定传感器与标准传感器之间的之间的比较比较如：温度如：温度温箱；重量温箱；重量标准质量原器、砝码；标准质量原器、砝码；长度长度块规块规其它办法：

10、标准大气压下水的冰点作为其它办法：标准大气压下水的冰点作为0，沸，沸点作为点作为100Industry Training Center温度的测量课件6-116.3 测量系统的校准测量系统的校准校准的原因：系统存在误差，如元件的不精确校准的原因：系统存在误差，如元件的不精确（R、L、C、运放等），环境的影响、运放等），环境的影响校准的目的：校准的目的：消除系统误差消除系统误差。校准的方法：调节校准的方法：调节 R、L、C 及其配比等及其配比等测量系统的校准：测量系统的校准：调零点调零点（或量程下限）（或量程下限）调满度调满度（或量程上限）（或量程上限）测量系统进行零点或满度校准时，必须保证被测量

11、系统进行零点或满度校准时，必须保证被测量达到并测量达到并稳定稳定在对应值。在对应值。已调整好的零点和满度应保持不变已调整好的零点和满度应保持不变 Industry Training Center温度的测量课件6-126.4 几种常用的温度传感器几种常用的温度传感器金属热电阻金属热电阻原理：在一定温度范围内，金属材料的电阻与原理：在一定温度范围内，金属材料的电阻与温度成一定温度成一定函数关系函数关系。纯金属：纯金属：Rt = R0（1+ a a t + b b t2 + ）热电阻材料：热电阻材料：要求：线性度好、特性稳定、测量范围宽要求：线性度好、特性稳定、测量范围宽主要是铂、铜、镍等。主要是铂

12、、铜、镍等。负面效应：负面效应：如果连接导线很长，导线的电阻受环境温度影如果连接导线很长，导线的电阻受环境温度影响会造成测量误差，通常要采取响会造成测量误差，通常要采取补偿补偿措施来消措施来消除这种误差除这种误差Industry Training Center温度的测量课件6-136.4 几种常用的温度传感器几种常用的温度传感器 热电阻的测温电路热电阻的测温电路差动放大差动放大10倍倍电桥电桥Industry Training Center温度的测量课件6-14训练内容训练内容1：热电阻测温电路：热电阻测温电路训练项目（训练项目（P52P52，图，图6-16-1，5050）连接电桥，并调平衡：

13、连接电桥，并调平衡：在面包板上连接电桥；在面包板上连接电桥；在室温下调节电位器，使电桥平衡；在室温下调节电位器，使电桥平衡；用手给热电阻加热，用示波器或万用表观察用手给热电阻加热，用示波器或万用表观察电桥输出电压的变化情况。电桥输出电压的变化情况。接入差动放大器：接入差动放大器：电桥的两个输出端接到自制温度电路板上差电桥的两个输出端接到自制温度电路板上差动放大器两个输入端。动放大器两个输入端。给热电阻加热，用示波器或万用表观察电桥给热电阻加热，用示波器或万用表观察电桥输出电压的变化情况。输出电压的变化情况。Industry Training Center温度的测量课件6-15训练电路板简介训练

14、电路板简介Industry Training Center温度的测量课件6-16训练内容训练内容1：热电阻测温电路：热电阻测温电路训练项目（训练项目（P52P52，图，图6-16-1，1010）直流电源直流电源10k5.1k 3k接线要求：接线要求：横平竖直横平竖直避免交叉避免交叉少用导线少用导线直流电源的使用：直流电源的使用： 开启之前开启之前逆时针逆时针旋到底旋到底 “跟踪跟踪”按下按下电阻的读取电阻的读取色环色环万用表万用表面包板面包板P28Industry Training Center温度的测量课件6-176.4 几种常用的温度传感器几种常用的温度传感器半导体热敏电阻半导体热敏电阻原

15、理：半导体的原理：半导体的导电能力导电能力受温度影响较大受温度影响较大优点：半导体热敏电阻的优点：半导体热敏电阻的阻值较大阻值较大，即使，即使用长达数千米的连接导线，导线电阻通常用长达数千米的连接导线，导线电阻通常也可以忽略不计。也可以忽略不计。缺点：大多数半导体热敏电阻阻值与温度缺点：大多数半导体热敏电阻阻值与温度的关系不是线性的。半导体热敏电阻的伏的关系不是线性的。半导体热敏电阻的伏安特性也多是非线性的。安特性也多是非线性的。测温电路：测温电路：电桥电桥Industry Training Center温度的测量课件6-186.4 几种常用的温度传感器几种常用的温度传感器半导体集成温度传感器

16、半导体集成温度传感器感温器件：热敏晶体管，采用硅半导体集感温器件：热敏晶体管，采用硅半导体集成工艺而制成成工艺而制成特点：集成了温度补偿或非线性补偿电路，特点：集成了温度补偿或非线性补偿电路，感温范围很宽，线性度较好。感温范围很宽，线性度较好。按输出量分类：按输出量分类：电流型：如电流型：如AD590电压型电压型频率型频率型 Industry Training Center温度的测量课件6-196.5 AD590 测温电路测温电路AD590AD590的性能和主要参数的性能和主要参数 AD590的特性：温控电流源的特性：温控电流源I(A) = T(K)t()T(K)I(m mA)-273.160

17、00273.16273.16100373.16373.16 工作电压：工作电压：430V 工作范围：工作范围：AD590JH：070型号型号工作范围工作范围AD590I、J、K、L、M070AD590A、B、C-2570AD590S、T、U-55125Industry Training Center温度的测量课件6-206.5 AD590 测温电路测温电路测温电路的设计目标测温电路的设计目标目标：目标：I(m mA) = T(K)；uo(V)=0.05t()t()T(K)I(A)uo(V)0273.16273.160100373.16373.165需要做的工作：需要做的工作：把电流把电流I转换

18、为电压转换为电压uo（流压转换）（流压转换） 0时输出时输出0V；100时输出时输出5V；Industry Training Center温度的测量课件6-216.5 AD590 测温电路测温电路简单的流压转换简单的流压转换问题：随着温度的升高，电流问题：随着温度的升高，电流增大，增大，uo很大，造成很大，造成AD590的的工作电压降低，甚至低于它的工作电压降低，甚至低于它的稳定工作电压稳定工作电压解决思路：最好解决思路：最好使使AD590的工的工作电压恒定作电压恒定Industry Training Center温度的测量课件6-226.5 AD590 测温电路测温电路AD590AD590构

19、成的测温电路构成的测温电路 完成完成：流压转换流压转换 uo = iR提供提供0电位点以及电位点以及R运放运放 完成完成：0时输出时输出0V i = iA - - i0 = iA- - 273.16m mA选择适当选择适当R1 完成完成：100时输出时输出5V 选择适当的选择适当的R211036.6273.16VRkAm2550100VRkAmIndustry Training Center温度的测量课件6-23流压转换流压转换6.5 AD590 测温电路测温电路AD590AD590构成的测温电路构成的测温电路0补偿补偿 20otuV 001005otuVRw1：零点校准（调零）：零点校准（调

20、零）Rw2：满度校准（调满度）：满度校准（调满度）Industry Training Center温度的测量课件6-246.5 AD590 测温电路测温电路测温电路的校准测温电路的校准为什么需要校准？为什么需要校准？因为电路中的元件（如因为电路中的元件（如R、C、L、运放等）含有误、运放等）含有误差，导线含有电阻，为了使测量电路可以得到精确差，导线含有电阻，为了使测量电路可以得到精确的测量值，必须对这些的测量值，必须对这些误差误差进行进行补偿补偿。AD590测温电路中的电位器测温电路中的电位器Rw1、Rw2就是起补偿作用就是起补偿作用的的AD590测温电路的校准过程测温电路的校准过程零点校准零

21、点校准：0输出输出0V。要求将。要求将AD590置于置于0的的环境中，调节环境中，调节Rw1，使，使 uo = 0V。满度校准满度校准：100输出输出5V。要求将。要求将AD590置于置于100的环境中，调节反馈电阻的环境中，调节反馈电阻Rw2，使，使 uo = 5V 。这些可调元件的参数一经调定就不允许再变动。这些可调元件的参数一经调定就不允许再变动。Industry Training Center温度的测量课件6-25训练内容训练内容2：用：用AD590测量体温测量体温操作步骤（操作步骤（P48P48，3030）连接电路之前，先调节连接电路之前，先调节 R2=50k ；注意：应把注意：应把

22、 R2 从电路中断开从电路中断开连接电路；连接电路；使用当前室温校准电路（如室温为使用当前室温校准电路（如室温为20，即：使输出即：使输出 uo=1.00V ）测量手的体温，记录测量值。测量手的体温，记录测量值。uo = V； t = Industry Training Center温度的测量课件6-26直流电源直流电源训练内容训练内容2：用：用AD590测量体温测量体温接线示意图（接线示意图（P54P54）示波器示波器电路的检测方法：电路的检测方法：检查电源供电是否正常？检查电源供电是否正常？检查电路中各点的电压；检查电路中各点的电压；1. 有问题，检查有问题，检查连接点连接点导线导线直流电

23、源的使用：直流电源的使用： 开启之前开启之前逆时针逆时针旋到底旋到底 “跟踪跟踪”按下按下Industry Training Center温度的测量课件6-27训练电路板简介训练电路板简介Industry Training Center温度的测量课件6-28训练内容训练内容2：用：用AD590测量体温测量体温误差分析误差分析测量中主要存在什么误差？测量中主要存在什么误差？10V电源是否准确，否则无法产生准确的电源是否准确，否则无法产生准确的 273.16m mA 的抵消电流的抵消电流传感器传感器元件：如电阻、运放等元件：如电阻、运放等Industry Training Center温度的测量课件6-29思考：思考：如何实现如何实现“压流转换压流转换”请思考并画出电路图。请思考并画出电路图。如果思考不出来，请查阅相关的书籍。如果思考不出来，请查阅相关的书籍。Industry Training Center温度的测量课件6-30思考：思考：手掌和台灯都可以看作恒温热手掌和台灯都可以看作恒温热源。用恒温热源对温度传感器源。用恒温热源对温度传感器加热，测温系统的输出信号上加热，测温系统的输出信号上升需要一定的时间，这是什么升需要一定的时间，这是什么原因？原因？为什么希望温度传感器的热惯为什么希望温度传感器的热惯量小？量小？图图62电路中电路中R1和和R2的值能够的