课程设计电子温度计的设计与制作

1、传感器检测技术 传感器检测技术传感器检测技术 机机电电工程系工程系: :彭彭细华细华 项目一：电子秤（重量测量） 项目二：声光控单元 项目三：轮胎压力测控 项目四：鸡雏孵化室恒温控制 项目五：电子温度计的设计与制作 项目六：LEM霍尔电流传感器传感器检测技术课程项目教学资源参考书目：参考书目：王春.简易电子数字温度计的制作J.考试周刊.2009(37). 谢文和.传感技术及其应用M.高等教育出版社，2010. 吴全全.项目教学法J.中国职业教育.2006(226) 网络资源网络资源: :东南大学传感器精品课程:http:/ 教学思路设计教学思路设计明确目标明确目标自我探索自我探索 合作设计合作

2、设计展示评价展示评价 Lets GO项目教学目标项目教学目标掌握掌握4 4种温度测量系统基本组成与工作原理种温度测量系统基本组成与工作原理; ;掌握温度测量数字温度计组成掌握温度测量数字温度计组成 ;掌握利用普通二极管作温度传感器原理掌握利用普通二极管作温度传感器原理 。能够组成合理的温度检测电路；能够组成合理的温度检测电路；能设计基于普通二极管温度传感器信号转换与放大电路能设计基于普通二极管温度传感器信号转换与放大电路设计；设计；能利用温度传感器与数字电压表组成数字温度计。能利用温度传感器与数字电压表组成数字温度计。 养成良好的工作责任心和严谨的工作作风；养成良好的工作责任心和严谨的工作作风

3、； 培养良好的合作精神，创新精神和竞争意识。培养良好的合作精神，创新精神和竞争意识。 知识目标知识目标能力目标能力目标素质目标素质目标法兰变送器充灌设备的研制7 72022-2-20v v 项目教学进程 成品调试成品调试 5 作品评价作品评价 7传感器选取传感器选取 1电路设计电路设计 2 小组演示小组演示 6 数字电压表数字电压表 3 焊接安装焊接安装 4温度测试可以用哪些温度测试工具？电子温度计压力温度计压力温度计水水银银温温度度计计玻璃管温度计原理：利用热胀冷缩的来实现温度测量的。利用热胀冷缩的来实现温度测量的。分类：煤油温度计、水银温度计、红钢笔水温度计。煤油温度计、水银温度计、红钢笔

4、水温度计。优点：结构简单，使用方便，测量精度相对较高，价格低廉结构简单，使用方便，测量精度相对较高，价格低廉缺点：是测量上下限和精度受玻璃质量与测温介质的性质限制。是测量上下限和精度受玻璃质量与测温介质的性质限制。压力式温度计测试原理：利用封闭容器内的液体，气体利用封闭容器内的液体，气体或饱和蒸气受热后产生体积膨胀或压力变化作为测信号或饱和蒸气受热后产生体积膨胀或压力变化作为测信号基本结构：由温包、毛细管和指示表三部分组成。由温包、毛细管和指示表三部分组成。优点是：结构简单，机械强度高，不怕震动。价格低廉，结构简单，机械强度高，不怕震动。价格低廉，不需要外部能源。不需要外部能源。缺点是：测温范

5、围有限制，一般在测温范围有限制，一般在-80400;-80400;热损失大热损失大响应时间较慢响应时间较慢; ;仪表密封系统仪表密封系统( (温包，毛细管，弹簧管温包，毛细管，弹簧管) )损损坏难于修理，必须更换坏难于修理，必须更换; ;测量精度受环境温度、温包安装测量精度受环境温度、温包安装原理：利用金属导体的电阻值随温度变化而变化的特性来利用金属导体的电阻值随温度变化而变化的特性来进行温度测量的进行温度测量的优点：测量精度高测量精度高; ;再现性好，又保持多年稳定性、精确度再现性好，又保持多年稳定性、精确度; ;响应时间快响应时间快; ;与热电偶相比不需要冷端补偿。与热电偶相比不需要冷端补

6、偿。缺点是：价格比热电偶贵价格比热电偶贵; ;需外接电源需外接电源; ;热惯性大热惯性大; ;避免使用避免使用在有机械振动的场合。在有机械振动的场合。 原理：热电偶温度计是由两种不同材料的导体热电偶温度计是由两种不同材料的导体A A、B(B(热电热电极极) )焊接而成的。热端插入被测介质中，另一端与导线连焊接而成的。热端插入被测介质中，另一端与导线连接，形成回路若两端温度不同，回路中就会产生热电势，接，形成回路若两端温度不同，回路中就会产生热电势，热电势两端的函数差即反映温度热电势两端的函数差即反映温度优点是：体积小，安装方便体积小，安装方便; ;信号可远传作指示、控制用信号可远传作指示、控制

7、用; ;与压力式温度计相比响应时间少与压力式温度计相比响应时间少; ;测温范围宽，尤其体现测温范围宽，尤其体现在测高温在测高温; ;价格低，再现性好，精度高。价格低，再现性好，精度高。缺点是：热电势与温度之间呈非线性关系热电势与温度之间呈非线性关系; ;精度精度 比热电阻比热电阻低低; ;在同样条件下，热电偶接点容易老化在同样条件下，热电偶接点容易老化; ;冷端需要补偿。冷端需要补偿。 热电偶传感器热电偶传感器热电阻传感器热电阻传感器12热电式传感器的应用热电式传感器的应用3热电式传感器是利用转换元件电磁参量随温度变化的特性，对温度和与温度有关的参量进行检测的装置。其中将温度变化转换为电阻变化

8、的称为热电阻传感器；将温度变化转换为热电势变化的称为热电偶传感器。热电阻传感器可分为金属热电阻式和半导体热电阻式两大类，前者简称热电阻，后者简称热敏电阻。热电阻传感器热电阻传感器热电式传感器热电阻热电阻1.热电阻材料的特点热电阻材料必须具有以下特点：(1).高温度系数、高电阻率。这样在同样条件下可加快反应速度，提高灵敏度，减小体积和重量。(2).化学、物理性能稳定。以保证在使用温度范围内热电阻的测量准确性。(3).良好的输出特性。即必须有线性的或者接近线性的输出。(4).良好的工艺性，以便于批量生产、降低成本。热电式传感器3.常见热电阻材料及其特性铂、铜为应用最广的热电阻材料。虽然铁、镍的温度

9、系数和电阻率均比铂、铜要高，但由于存在着不易提纯和非线性严重的缺点，因而用得不多。铂容易提纯，在高温和氧化性介质中化学、物理性能稳定，制成的铂电阻输出输入特性接近线性，测量精度高。铂电阻阻值与温度变化之间的关系可以近似用下式表铂电阻阻值与温度变化之间的关系可以近似用下式表示：示：在在0 0630.74630.74范围内，金属铂的电阻值与温度的关范围内，金属铂的电阻值与温度的关系为：系为：1 320CtBtAtRRt)100(1 320tCBtAtRRt在在-190-19000范围内，金属铂的电阻值与温度的关系为：范围内，金属铂的电阻值与温度的关系为：A、B、C分度系数分度系数其中：其中：A=3

10、.9684710-2/； B=-5.84710-7/2； C=-4.2210-12/3) 可以看出，它们的可以看出，它们的高次项很小高次项很小。铂电阻在。铂电阻在0100时时的最大非线性偏差小于的最大非线性偏差小于0.5；R0不同，不同，Rt与与t 的关系的关系也不同。也不同。 铂铂容易提纯，其物理、化学性能在高温和氧化性介质中容易提纯，其物理、化学性能在高温和氧化性介质中很稳定。铂电阻的输出很稳定。铂电阻的输出 输入特性接近线性，且测量输入特性接近线性，且测量精度高，所以它能用作工业测温元件和作为温度标准。精度高，所以它能用作工业测温元件和作为温度标准。按国际温标按国际温标IPTS-68规定

11、，在规定，在-259.34630.73温域温域内，以铂电阻温度计作基准器。内，以铂电阻温度计作基准器。温度温度/0102030405060708090电阻值电阻值/-20017.28-10059.6555.5251.3847.2143.0238.8034.5630.2925.9821.65-0100.0096.0392.0488.0484.0380.1075.9671.9167.8463.750100.00103.96107.91110.85115.78119.70123.60127.49131.37135.24100139.10142.95146.78150.6054.41158.21162

12、.00165.78169.54173.29200177.03180.75186.48188.10191.88195.56159.23202.89206.53210.07300213.79217.40221.00224.59228.17231.76235.29238.83242.36245.88400249.38252.88256.36259.83263.29266.78270.18272.60277.01280.41500283.86287018290.55293.91297.25300.58303.90307.21310.50313.79600317.06320.22323.57326.80

13、330.03333.25温度/0102030405060708090电阻值/-2007.95-10027.4425.5423.6321.7219.7917.8515.9013.9311.959.96-046.0044.1442.3440.5038.5636.8034.9433.0834.2129.33046.004708249.6451.4553.2655.0656.8658.6560.4362.2110063.9965.7667.5269.2871.0372.7874.5276.2677.9979.7120081.4383.1584.8686.5688.2689.9691.6493.3395

14、.0096.6830098.34100.01101.66103.31104.96106.60108.23109.86111.84113.10400114.72116.32117.93119.52121.11122.70124.28125.86127.94128.99500130.55132.10133.65135.20136.73138.27139.79141.32142.83144.34600145.85147.35148.84150.33151.81153.30tRRt10 铟电阻铟电阻铟电阻用铟电阻用99.999%高纯度的铟丝绕成电阻，适宜在高纯度的铟丝绕成电阻，适宜在-269-258温

15、度范围内使用。实验证明，在温度范围内使用。实验证明，在4.2K15K范围内，铟电阻灵敏度比铂电阻高范围内，铟电阻灵敏度比铂电阻高10倍。倍。铟电阻的缺点是材料软，复制性差。铟电阻的缺点是材料软，复制性差。 锰电阻适宜在锰电阻适宜在-271-210温度范围内使用。其优温度范围内使用。其优点是在点是在2K 63K温度范围内电阻随温度变化大，灵敏温度范围内电阻随温度变化大，灵敏度高。锰电阻的缺点是材料脆，难拉成丝。度高。锰电阻的缺点是材料脆，难拉成丝。碳电阻适宜在碳电阻适宜在-273-268.5温度范围内使用。其温度范围内使用。其优点是热容量小，灵敏度高，价格低廉，操作简便。优点是热容量小，灵敏度高

16、，价格低廉，操作简便。但是碳电阻的热稳定性较差。但是碳电阻的热稳定性较差。5 热电阻的结构主要特点：1、抗振性能好； 2、测温精度高； 3、机械强度高； 4、耐压性能好； 5、性能可靠稳定； 6、零件分解性好； 7、维修方便； 8、更换易损件成本低； 主要特点：铠装电阻外保护管采用不锈钢，内充满高密度氧化物质绝缘体，因此它具有很强的抗污染和优良的机械强度，适合安装在环境恶劣的场合。铠装热电阻通常由铠装铂热电阻感温元件、安装固定装置和接线装置等主要部件组成等热响应时间少，减小动态误差；直径小，长度不受限制； 主要特点：端面热电阻感温元件由特殊处理的电阻丝材绕制，紧贴在温度计端面。它与一般轴向热电

17、阻相比，能更正确和快速地反映被测端面的实际温度，适用于测量轴瓦和其他机件的端面温度。 主要特点：1、压簧式感温元件，抗振性能好； 2、测量精确度高； 3、机械强度高，耐压性能好； 4、进口薄膜电阻元件，性能可靠稳定； 二热敏电阻二热敏电阻热敏电阻是利用热敏电阻是利用半导体半导体的电阻值随温度的变化而显著的电阻值随温度的变化而显著变化的特性实现测温的。半导体热敏电阻有很高的电变化的特性实现测温的。半导体热敏电阻有很高的电阻温度系数，其灵敏度比热电阻高得多。而且体积可阻温度系数，其灵敏度比热电阻高得多。而且体积可以做得很小，故动态特性好，特别适于在以做得很小，故动态特性好，特别适于在-100300

18、之间测温。之间测温。热敏电阻的缺点是热敏电阻的缺点是互换性较差互换性较差，另外其，另外其热电特性是非线热电特性是非线性的。性的。热敏电阻是由一些热敏电阻是由一些金属氧化物金属氧化物，如钴（，如钴（Co）、锰）、锰（Mn）、镍（）、镍（Ni）等的氧化物采用不同比例配方，高）等的氧化物采用不同比例配方，高温烧结而成。其形状有温烧结而成。其形状有珠状、片状、杆状、垫圈状珠状、片状、杆状、垫圈状等。等。标称电阻值是热敏电阻在标称电阻值是热敏电阻在250.2、零功率时的阻值，、零功率时的阻值，也叫冷电阻。也叫冷电阻。材料常数是表征负温度系数材料常数是表征负温度系数(NTC)热敏电阻器材料的物热敏电阻器材

19、料的物理特性常数。理特性常数。BN值决定于材料的激活能值决定于材料的激活能E，它们之间，它们之间满足下面的函数关系式满足下面的函数关系式kEBN 热敏电阻的温度每变化热敏电阻的温度每变化1时电阻值的变化率叫做热敏时电阻值的变化率叫做热敏电阻的电阻温度系数。电阻的电阻温度系数。 即：即：TRR/热敏电阻器温度每变化热敏电阻器温度每变化1所耗散的功率变化量。所耗散的功率变化量。 热敏电阻器在零功率测量状态下，当环境温度突变时电热敏电阻器在零功率测量状态下，当环境温度突变时电阻器的温度变化量从开始到最终变量的阻器的温度变化量从开始到最终变量的63.2所需的时所需的时间称为热敏电阻的时间常数间称为热敏

20、电阻的时间常数 热敏电阻器在规定的技术条件下长期连续工作所允许热敏电阻器在规定的技术条件下长期连续工作所允许的最高温度。的最高温度。热电式传感器热敏电阻的分类：热敏电阻是用半导体材料制成的热敏器件。按物理特性，可分为三类：(1).负温度系数热敏电阻(NTC)；(2).正温度系数热敏电组(PTC)；(3).临界温度系数热敏电阻(CTR)。 热敏电阻主要有三种类型，即正温度系数型热敏电阻主要有三种类型，即正温度系数型(PTC)(PTC)、负、负温度系数型温度系数型(NTC)(NTC)、和临界温度系数型、和临界温度系数型(CTR)(CTR)。CTRCTR临界热敏电阻有一突变临界热敏电阻有一突变温度，

21、此特性可用于自动控温度，此特性可用于自动控温温和报警电路中。和报警电路中。NTC热敏电阻的阻值热敏电阻的阻值-温度关系为：温度关系为：T1-T1expBRR0N0TBN 为热敏电阻的为热敏电阻的材料常数材料常数，一般，一般BN 为为2000600K，高温下高温下BN 将增大。将增大。00NTlnR T1-T1B lnR或表示为：或表示为：图中直线的斜率就是图中直线的斜率就是热敏电阻的材料常数热敏电阻的材料常数BN。 不同材料的不同材料的BN不同，右不同，右图图为不同为不同BN的的RT /R25T特性特性曲线曲线为了使用方便，常取环境温度为为了使用方便，常取环境温度为25作为参考温度（即作为参考

22、温度（即T0=25），则），则NTC热敏电阻器的电阻热敏电阻器的电阻 温度关系式可温度关系式可写成：写成： 2981125-TBexpRRNTPTC的电阻的电阻 温度特性温度特性是利用正温度系数热敏材是利用正温度系数热敏材料料在居里点附近结构发生在居里点附近结构发生相变引起导电率突变相变引起导电率突变获得获得的，如图所示。的，如图所示。由实验得到：在工作温度范围内，由实验得到：在工作温度范围内，PTC的电阻的电阻 温度温度特性可近似用下面的公式表示：特性可近似用下面的公式表示： 00TTBexpRRPT 对上式取对数得：对上式取对数得： 00TPTRlnTTBRln 图线的斜率即为图线的斜率即

23、为BP： rR1212Pm mtanB TTRlnRlnTT法兰变送器充灌设备的研制4646v 传感器选取测量范围：测量范围：5050150150 电压表量程：电压表量程：0mV0mV200mV200mV 探头电流：探头电流：0.5mA0.5mA左右左右 冰点、沸点冰点、沸点校准准确校准准确 成本低廉成本低廉热电阻温度计热电阻温度计: :二极管二极管1N41481N41481 1 压力式温度计压力式温度计; ;2 2 热电阻温度计热电阻温度计; ;3 3 普通二极管普通二极管. .返回返回电源电路温度传感信号变换电路A/D数模转换LED显示译码数字电压表v 电路设计电源电路温度传感信号变换电路A/D数模转换LED显示译码数字电压表电源电路温度传感信号变换电路A/D数模转换LED显示译码数字电压表电源电路温度传感信号变换电路A/D数模转换LED显示译码数字电压表电源电路温度传感信号变换电路A/D数模转换LED显示译码数字电压表电源电路温度传感信号变换电路A/D数模转换LED显示译码数字电