传感器原理和应用温度传感器热电阻

1、关于传感器原理与应用温度传感器热电阻第1页，共51页，2022年，5月20日，19点7分，星期四温度传感器 将温度转换为电势的热电式传感器叫做热电偶，将温度转换为电阻值的热电式传感器叫做热电阻（金属）半导体集成温度传感器AD590热敏电阻（半导体，陶瓷）热释电红外传感器第2页，共51页，2022年，5月20日，19点7分，星期四4.2 热电阻part 1. 原理第3页，共51页，2022年，5月20日，19点7分，星期四金属热电阻利用导体电阻率随温度变化的特性制成的传感器叫做热电阻传感器，它主要用于对温度和与温度有关的参量进行检测。测温范围主要在中、低温度区（-200650摄氏度）。第4页，共

2、51页，2022年，5月20日，19点7分，星期四金属热电阻的结构热电阻由电阻体、保护套和接线盒等主要部件组成，其中电阻体是热电阻的最主要部分。通常情况下是将双线电阻丝绕在石英、云母陶瓷和塑料等材料制成的骨架上；保护套主要有玻璃、陶瓷或金属等类型，主要用于防止有害气体腐蚀，防止氧化（尤其是铜热电阻），防止水分侵入造成漏电影响阻值。第5页，共51页，2022年，5月20日，19点7分，星期四热电阻材料的特性要求电阻的温度系数要大，以便提高热电阻的灵敏度；电阻率尽可能大，以便在相同灵敏度下减小电阻体的尺寸。热电容要尽可能小，以便提高热电阻的相应速度。在整个测量温度的范围内，应具有稳定的物理和化学性

3、质。电阻与温度的关系最好接近线性关系。具有良好的可加工性，并且价格便宜。目前使用最广泛的热电阻材料是铂和铜第6页，共51页，2022年，5月20日，19点7分，星期四金属热电阻的工作原理大多数金属导体的电阻都随温度的变化而变化。当温度升高时，金属内部原子晶格的振动加剧，从而使金属内部的自由电子通过金属导体时的阻碍增大，宏观上表现出电阻率变大，电阻值加剧。热电阻是利用物质的变化特性制成的，将温度的变化量变换成与之有一定关系的电阻值的变化量，通过对电阻值的测量实现对温度的测量。第7页，共51页，2022年，5月20日，19点7分，星期四铂热电阻由于铂的物理化学性质都非常稳定，是目前制造热电阻的最好

4、材料。铂电阻主要作为标准电阻温度计广泛应用于温度基准、标准的传递。其长时间稳定的复现性可达10-4K，是目前测温复现最好的一种温度计。按照IEC（国际电工委员会）标准，铂电阻的测温范围是-200850。第8页，共51页，2022年，5月20日，19点7分，星期四铂热电阻 - 特性方程当温度t为-2000时，当温度t为0850时，R0和Rt分别表示为温度0和温度为t时的电阻值。A、B、C为温度系数，在国际温标ITS-90标准中，常数A、B、C被分别规定为：第9页，共51页，2022年，5月20日，19点7分，星期四金属热电阻的阻值与R0有关，要确定热电阻Rt与温度T的关系，首先要确定电阻R0的值

5、，R0为金属热电阻在0时的标称值。R0不同，Rt与温度T的关系特性是不同的。目前我国规定工业用铂热电阻有两种公称值，即R0=10和R0=100，分度号分别为Pt10和Pt100。第10页，共51页，2022年，5月20日，19点7分，星期四铜热电阻在测量精度不太高、测量范围不大的情况下，可以采用铜热电阻进行测温。它的测量范围是-50150。其中，a为铜电阻的温度系数，在测量精度不太高、测量范围不大的情况下，可以采用铜热电阻进行测温。它的测量范围是-50150。第11页，共51页，2022年，5月20日，19点7分，星期四铜电阻有两种分度号，分别为：Cu50 （R0=50）和 Cu100（R0=

6、100）优点：电阻温度系数较大，线性度好，价格便宜。缺点：电阻率较低，电阻体的体积较大，热惯性较大，稳定性较差，在100以上时容易氧化，因此只能用于低温及无水分、无腐蚀性的介质中。第12页，共51页，2022年，5月20日，19点7分，星期四其他热电阻铟电阻：用99.999%高纯度的铟丝绕成电阻，可在室温至4.2K温度范围内使用。实验证明，在4.2K15K温度范围内，铟电阻的灵敏度比铂电阻高10倍。其缺点是：材料软，复制性差。锰电阻：在263K温度范围内，电阻随温度变化较大，灵敏度高。缺点：材料脆，难拉成丝。碳电阻：适合用液氮温域的温度测量，价廉，对磁场不敏感。缺点：热稳定性较差。第13页，共

7、51页，2022年，5月20日，19点7分，星期四金属热电阻的测量电路金属热电阻广泛应用在缸体、油管、水管、纺机、空调、热水器等狭小空间工业设备的测温与控制。汽车空调、冰箱、冷柜、饮水机、咖啡机及恒温等场合也经常使用。第14页，共51页，2022年，5月20日，19点7分，星期四4.2 热电阻part 2. 测量电路第15页，共51页，2022年，5月20日，19点7分，星期四热电阻测量电路电压源仪用放大器第16页，共51页，2022年，5月20日，19点7分，星期四【复习】差分放大器由虚短可知：有虚断可知，运放输入端没有电流输入，则R5a、Rw和R5b为串联，通过的电流：由运放A3虚断可知：

8、由运放A3虚短可知：当：第17页，共51页，2022年，5月20日，19点7分，星期四放大电路输出电压的极性问题负系数电压源仪用放大器负系数第18页，共51页，2022年，5月20日，19点7分，星期四4.2 热电阻part 2.1 Cu50 测量电路第19页，共51页，2022年，5月20日，19点7分，星期四【回顾】第3章 力学传感器_1_金属应变式_2_测量电路第20页，共51页，2022年，5月20日，19点7分，星期四【回顾】第3章 力学传感器_1_金属应变式_2_测量电路第21页，共51页，2022年，5月20日，19点7分，星期四【回顾】第3章 力学传感器_1_金属应变式_2_测

9、量电路Why？第22页，共51页，2022年，5月20日，19点7分，星期四热电阻是否可以忽略非线性项仪用放大器电压源对于等臂电桥，电桥输出的相对电压为：对于Cu热电阻：可以忽略吗？第23页，共51页，2022年，5月20日，19点7分，星期四热电阻是否可以忽略非线性项100时相对误差是：【结论】相对误差就很大了，非线性影响不能忽略！【现象】温度越高输出电压越大！输出电压越大误差越大！第24页，共51页，2022年，5月20日，19点7分，星期四【思考】是否可以用电桥的输出电压Vt进行非线性补偿？热电阻的非线性校正【思考】由于Vo与Vt是线性关系，如果可以用电桥的输出电压Vt进行非线性补偿，是

10、否可以更进一步用Vo进行非线性补偿？仪用放大器电压源第25页，共51页，2022年，5月20日，19点7分，星期四热电阻的非线性校正如果令公式变形希望该部分为1非线性校正完成第26页，共51页，2022年，5月20日，19点7分，星期四热电阻的非线性校正仪用放大器电压源Vref反馈电路第27页，共51页，2022年，5月20日，19点7分，星期四热电阻的非线性校正仪用放大器第28页，共51页，2022年，5月20日，19点7分，星期四热电阻的非线性校正Dz是稳压二极管（齐纳管），被反向击穿，特点是在反向击穿后，无论通过的电流时多少，稳压管上两端的电压保持恒定。运放构成了一个反相比例放大器。具体

11、到本电路可以使用叠加原理进行分析。【思考】推导出电桥供电电压的表达式。值通过配置哪些电阻从而进行设置？第29页，共51页，2022年，5月20日，19点7分，星期四电路分析1叠加定理纯反相放大器第30页，共51页，2022年，5月20日，19点7分，星期四电路分析2叠加定理第31页，共51页，2022年，5月20日，19点7分，星期四电路分析2反相放大器第32页，共51页，2022年，5月20日，19点7分，星期四电路分析-叠加定理负号怎么办？第33页，共51页，2022年，5月20日，19点7分，星期四电路分析负电压第34页，共51页，2022年，5月20日，19点7分，星期四4.2 热电阻

12、part 2.2 Pt100测量电路第35页，共51页，2022年，5月20日，19点7分，星期四Pt100热电阻的测量电路【要求】设计一个Pt100热电阻测量电路，要求输出电压范围是0.5V,4.5V，对应的温度范围是0,100。温度灵敏度：第36页，共51页，2022年，5月20日，19点7分，星期四Pt100热电阻的测量电路恒流法测温电路无论Rt是否变化，流经的电流不发生变化在国际温标ITS-90标准中，常数A、B、C被分别规定为：1mA恒流源要求的灵敏度是40mv/这里只有0.4mV/需要进行放大非线性容后再议第37页，共51页，2022年，5月20日，19点7分，星期四灵敏度的100

13、倍增益放大反向放大器恒流源实现100倍的增益第38页，共51页，2022年，5月20日，19点7分，星期四【复习】加法器Port+与Port-虚断，则有：虚短当：第39页，共51页，2022年，5月20日，19点7分，星期四零点平移恒流源加法器调整参数，使其为500mv高次项做负贡献第40页，共51页，2022年，5月20日，19点7分，星期四高阶非线性校正温度越高，误差越大温度越高，Vo1幅值越高利用Vo1反馈抑制非线性自行分析第41页，共51页，2022年，5月20日，19点7分，星期四4.2 热电阻part 3. 接线误差消除第42页，共51页，2022年，5月20日，19点7分，星期四

14、热电阻的连接法由于热电阻的阻值较小，所以导线电阻值不可忽略，故此在实际使用时，金属热电阻的连接方法不同，其测量精度也不同。测量电路经常采用电桥电路，热电阻的内部引线方式有二线制、三线制、四线制三种。第43页，共51页，2022年，5月20日，19点7分，星期四两线制在热电阻感温元件的两端各连一根导线的引线形式为两线制。这种两线制热电阻配线简单，安装费用低，但要带进引线电阻的附加误差。采用两线制的测温电桥如下图所示，(a)为接线示意图，(b)为等效原理图。从图中可以看出热电阻两引线电阻Rw一起构成电桥测量臂，这样当引线电阻随沿线环境温度改变引起的阻值变化量2Rw和热电阻随被测温度变化的增量值Rt

15、一起成为有效信号转换成测量信号电压，从而影响温度测量精度。第44页，共51页，2022年，5月20日，19点7分，星期四由欧姆定律可得：当Rr=Rt时，电桥平衡， V0=-I2*2r从V0的表达式可以看出，引线电阻的影响十分明显，两线制接线法的误差很大。第45页，共51页，2022年，5月20日，19点7分，星期四三线制构成如图所示测量电桥，可以消除内引线电阻的影响，测量精度高于两线制。目前三线制在工业检测中应用最广。而且，在测温范围窄或导线长，或导线途中温度易发生变化的场合必须考虑采用三线制。第46页，共51页，2022年，5月20日，19点7分，星期四由欧姆定律可得：当Rr=Rt时，电桥平衡，I1=I2，V0=0.可见三线制接线法可以很好的消除引线电阻，提高热电阻的精度。第47页，共51页，2022年，5月20日，19点7分，星期四四线制在热电阻感温元件的两端各连两根引线，此种引线形式称为四线制热电阻。此种引线方式不仅可以消除内引线电阻的影响，而且在连接导线阻值相同时，可以消除该电阻的影响。热端冷端测量电路不是电桥结构第48页，共51页，2022年，5月20日，19点7分，星期四四线测量用两条附加的测试线提供恒定电流，另两条测试线测量未知电阻的电压降，在电压表输入阻抗足够高的条件下，