传感器及实用检测技术

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2.补偿导线

1)补偿导线作用

定义:在一定温度范围内(包括常温),具有与所匹配的热电偶热电势标称值相同的、带有绝缘层的导线称为补偿导线。

作用:其作用是将热电偶的参考端延长到远离热源或环境温度较恒定的地方,以补偿它们与热电偶连接处的温度变化所产生的误差。

补偿导线的优点:降低测量线路的成本。当热电偶与仪表的距离很远时,可用补偿导线代替贵金属热电偶。

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EABBA(T,Tn,T0)=EAB(T,Tn)+EAB(Tn,T0)EABB'A'(T,Tn,T0)=EAB(T,Tn)+EA'B'(Tn,T0)如果A′与B′能起到补偿热电势的作用,即EABBA(T,Tn,T0)=EABB'A'(T,Tn,T0)则EAB(T,T0)=EA'B'(T,T0)

因此,能满足式(2－5)的连接导线,就能起到补偿导线的作用。图2－18补偿导线的原理

图2－18(b)所示回路的总热电势为由热电偶测温原理可知,图2－18(a)所示回路的总热电势为2)补偿原理(2－5)第3页/共61页

3)补偿导线的型号

补偿导线的型号通常分为SC、RC、NC、KAC、KCB、KX、EX、JX、TX、NX其中,型号第一个字母与所配用热电偶的分度号相对应。后面的字母“X”表示为延长型补偿导线;字母“C”表示为补偿型补偿导线。第4页/共61页

3.热电偶的结构

热电偶的结构通常分为普通型和铠装型。

工业用普通型热电偶的结构类似金属热电阻的结构(见图2－3),通常将两种材料的热电极的一端焊接或扭结,分别套上单芯或双芯绝缘瓷管,装在外保护套内,并配一个接线端子盒。

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铠装热电偶是由热电极、绝缘体及外保护管组合成一体的细长套管式热电偶。

热电极作为保护管的芯体,周围填以绝缘材料,并经滚压制成,其外径为1～3mm,壁厚为0.1～0.6mm,长度可达百米,见图2－19。第7页/共61页图2－19铠装热电偶结构第8页/共61页

铠装热电偶突出的优点：挠性好、弯曲自如,弯曲半径为套管的直径的两倍,可以安装在难以安装常规热电偶的地方,如密封的热处理罩内或工件箱内。第9页/共61页2.3.4热电偶参考端温度补偿

1.热电偶参考端温度的影响

由热电偶测温原理可知:EAB(T,To)=EAB(T)-EAB(T0)

如果参考端温度保持恒定,那么,热电势就变成测量端温度的单值函数。我们经常使用的分度表及显示仪表,都是以热电偶参考端为0℃作先决条件的。因此,在使用时必须保证这一条件,否则就不能直接应用分度表。因此,要想办法把变化很大的参考端温度恒定下来，通常采用补偿导线法及参考端自温度恒定法来达到这一目的。

第10页/共61页热电偶参考端温度补偿:

1.参考端的形式：1)冰点式参考端，

2)电子式参考端，3)恒

温槽式参考端，4)补偿式参考端，

2..参考端温度计算修正法

3..仪表机械零点调整法

4.补偿电桥法

5.利用半导体集成温度传感器测量冷端温度的方法第11页/共61页

2.参考端的形式

表2－11热电偶参考端形式第12页/共61页

1)冰点式参考端

常用的冰点瓶是在保温瓶内盛满冰水混合物而制成的,该装置如图2－20所示。值得注意的是,冰水混合物并不一定就是0℃,只有在冰水两相界面处才是0℃。第13页/共61页图2－20冰点装置第14页/共61页

2)电子式参考端

利用半导体制冷的原理冷却密闭的水槽,从而把参考端温度保持在0℃的。电子式冰点装置的优点是体积小、操作简单,槽内温度的稳定性取决于控温系统,一般在±0.05℃以内。

3)恒温槽式参考端

恒温槽式是利用温度调节器将参考端温度保持恒定。第15页/共61页

4)补偿式参考端

当热电偶的两接点温度分别为t、tn时,热电势为EAB(t,tn)=EAB(t,tn)-EAB(tn,t0)如果在线路中串一电势u=EAB(tn,t0),则显示仪表总的输入电势为EAB(t,tn)+u=EAB(t,t0)这样就可以得到准确的测量结果。所谓补偿式参考端,实质就是一个可产生直流信号EAB(tn,t0)的毫伏发生器,也称参考端(冷端)温度补偿器。它的内部结构通常是一个不平衡电桥,因此,也称补偿电桥法。把它串接在热电偶测温回路中,就可以自动补偿热电偶参考端温度变化的影响,十分方便,广泛用于工业仪表。第16页/共61页

3.参考端温度计算修正法（利用了中间温度定律）

以上介绍的是当参考端不为0℃时,如何使之恒定的方法。当参考端温度恒定不变或变化很小而又不为0℃时,可采用计算法(或称热电势修正法)进行修正。由热电偶测温原理可知,热电偶实际的热电势应为测量值与修正值之和:EAB(t,t0)=EAB(t,tl)+EAB(t1,t0)式中EAB(t,t1)——当参考端温度为t1时,显示仪表的数值;EAB(t1,t0)——参考端温度为t0时热电动势值的修正值。T1T1CBAT第17页/共61页

例如用镍铬－镍硅(K型)热电偶测炉温时,冷端温度t0=30℃,在直流毫伏表上测得电势为38.505mV,试求炉温。

查K型热电偶分度表,得到EK(30℃,0℃)=1.203mV,从而

EＫ（Ｔ,o℃）=EＫ（Ｔ,３０℃）+EＫ（３０℃，０℃）

=(38.505+1.203)mV=39.708mV由如表2－12所示的Ｋ型热电偶分度表得到t=960℃。

第18页/共61页表2-12K型热偶分度表（参考端为0℃）第19页/共61页

4.仪表机械零点调整法

当热电偶与动圈式仪表配套使用时,若热电偶的冷端温度比较恒定,可将动圈仪表的机械零点调整至热电偶冷端所处的t0处,这相当于在输入热电偶的热电势前就给仪表输入一个热电势E(ｔ0,0℃)。这样,仪表在使用时所指示的值为

E(ｔ,ｔ０)＋E(ｔ０,0℃)。

t0ｔ第20页/共61页

5.补偿电桥法

补偿电桥法是利用不平衡电桥产生的不平衡电压,来补偿热电偶因自由端温度变化而引起的热电势的变化值,线路如图2－21所示。补偿电桥中的3个桥臂电阻R1、R2、R3为锰铜精密电阻,另一桥臂电阻RCu由铜丝制成,为一正温度变化的热电阻。一般用补偿导线将热电偶的自由端延伸至补偿电桥处,使补偿电桥与热电偶自由端具有相同温度。第21页/共61页图2－21具有补偿电桥的热电偶测温电路

电桥通常在20℃时平衡(R1=R2=R3=RCu20),此时Uab=0,电桥对仪表的读数无影响。当周围环境温度大于20℃时,热电偶的自由端温度升高,热电势减少,电桥由于RCu阻值的增加而使b点电位高于a点电位。在b、a对角线间有一不平衡电压Uba>0输出,它与热电偶的热电势叠加送入测量仪表。第22页/共61页

6.利用半导体集成温度传感器测量冷端温度的方法

在计算修正法中,首先必须测出冷端温度,才有可能进行计算修正。现在普遍使用半导体集成温度传感器来测量室温,它具有体积小、集成度高、准确度高、线性好、输出信号大、无需冷端补偿、不需要进行标定、热容量小、外围电路简单等优点。从而用计算修正法进行冷端温度补偿。第23页/共61页2.3.5热电偶的应用及测温线路

1.测温线路的连接形式

热电偶测温线路由热电偶组件、显示仪表及中间连接部分(热电转换器、补偿导线等)组成。根据不同的要求,其连接方式有A、B、C、D、E及F六种。

图2－22所示为热电偶、测量仪表、热/电转换器(将热电偶的热电势转换成统一信号的装置)、补偿接点和参考端的关系。第24页/共61页图2－22测量线路的连接图第25页/共61页

2.测温线路

测温线路在实际应用中要根据要求选择不同方式。

串联线路(如图2－23所示)的总热电势大(为各单只热电势之和),E(T,T0)=E总/n

优点：测温精度大于单只热电偶,利用它做成热电堆,可感受微弱信号。第26页/共61页图2－23热电偶串联线路图E(T,T0)=E总/n第27页/共61页

并联线路(如图2－24所示)的总热电势小(为各单只热电势之和的平均值),

优点：但当某只热电偶断掉时,测温系统依旧工作。

图2－24热电偶并联线路图第28页/共61页3.测温仪表

表2－13第29页/共61页第30页/共61页

4.热电偶的应用

(1)管道温度的测量:为了使管道的气流充分与热电偶产生热交换,普通装配式热电偶应尽可能垂直向下插入管道中。

(2)金属表面温度的测量:在机械、冶金、能源、国防等部门,经常涉及金属表面温度的测量。第31页/共61页

2.4集成温度传感器

1.集成温度传感器的测温原理

将温度敏感元件及放大、运算和补偿等电路采用微电子技术和集成工艺集成在一片芯片上,从而可构成集测量、放大、电源供电回路于一体的高性能集成温度传感器。第32页/共61页

集成温度传感器的测温基础是PN结的温度特性。硅二极管或晶体管的PN结在结电流ID一定时,正向电压ＵＤ以-2mV／℃变化。在激励电流为零点几毫安、环境温度为20℃时,其UD值约600mV。当环境温度从20℃增加到120℃时,其正向电压降UD约降低了200mV。

二极管正向电压与温度之间的关系如图2－25所示。

电路的测温范围可以在－50～150℃之间工作。

由图中的恒电流负载线(图中的0.5mA水平线)与不同温度下的正向电压曲线交点的间隔可以看出,半导体硅材料的PN结正向导通电压与温度变化呈线性关系,所以可将感受到温度变化转换成电压的变化量。第33页/共61页图2－25二极管正向电压与温度之间的关系图中的0.5mA水平线对应硅材料的PN结正向导通电压与温度变化呈线性关系，所以可将感受到温度变化转换成电压的变化量。当环境温度从20℃增加到120℃时,其正向电压降UD约降低了200mV。第34页/共61页

2.集成温度传感器内部的测温简化电路分析

集成温度传感器内部多将一个三极管的集电极与基极短接,构成温度特性更好的PN结,如图2－26中的VT1所示。集成温度传感器内部除了PN结之外,还有恒流源(如图中的VT3、VT4)、放大器、输出级等电路。

第35页/共61页图2－26简化的集成温度传感器测温原理电路（错误电路）VT1和VT2是错的第36页/共61页图2－26简化的集成温度传感器测温原理电路（正）第37页/共61页在集成温度传感器内部,两只测温晶体管(VT1、VT2)的B－E结压降的不饱和值UBE之差ΔＵＢＥ(即R上的压降)与热力学温度Ｔ成正比:式中:k——玻尔兹曼常数;

q——电子电荷绝对值;

JC1、JC2——两只晶体管的集电极电流密度,由制造工艺决定,为固定值。

后续放大电路将R上的电压降放大、处理,就可以得到与温度成正比的电压或电流输出,有时还可输出串行或并行数字脉冲信号。ΔUBE=㏑第38页/共61页

3.集成温度传感器的类型

集成温度传感器类型可分为:模拟型和数字型。

模拟型的输出信号形式有:电压型和电流型两种。

电压型的灵敏度多为10mV/℃(以摄氏温度0℃作为电压的零点);电流型的灵敏度多为1μA/K(以热力学温度０K作为电流的零点)。

数字型集成温度传感器又可以分为:开关输出型、并行输出型、串行输出型等几种不同的形式。第39页/共61页

1)AD590电流输出型温度传感器

AD590是电流输出型温度传感器的典型产品,近年来,还开发出一系列改进型,如AD592等。图2－27(a)为AD590的封装示意图(第三脚为空脚)。

AD590的基本应用电路如图2－27(b)所示。AD590的温度系数是1μA/℃,在25℃时的额定输出电流为298μA。它的测温范围为-55～＋150℃,在整个测温范围内的误差小于0.5℃(AD592为±0.3℃)。

第40页/共61页图2－27

AD590的测量电路

（a)AD592外形;(b)基本测温线路;(c)摄氏温度转换电路改正输出电压第41页/共61页

2)数字输出型集成温度传感器

基于数字总线的单片集成温度传感器内部包含高达上万个晶体管,能将测温PN结传感器、高精度放大器、多位A/D转换器、逻辑控制电路、总线接口等做在一块芯片中,

采用数字信号传输优点：不会产生模拟信号传输时因电压衰减造成的误差,抗电磁干扰能力也比模拟传输强得多。第42页/共61页

3)专用热电偶冷端温度补偿芯片

MAX6675:是专门用于对工业中最常用的镍鉻－镍硅K型热电偶进行温度补偿的芯片。它能将补偿后的热电势转换为代表温度的数字脉冲,从SPI串行接口输出。

工作温度：必须高于0℃,低于125℃。

它将产生41.6μV/℃的补偿电压,(41.6μV×125=5.20mv)查对48页表2－12。

MAX6675的SPI总线串行信号时序图如图2－29所示。

第43页/共61页表2-12K型热偶分度表（参考端为0℃）第44页/共61页MAX6675与单片机构成的热电偶冷端补偿及测量显示电路：

功能:(1)非线性修正：查片内存储器中的K型热电偶分度表,进行非线性修正。

(2)声光报警：当热电偶开路时,T+、T-端无法构成回路,SO端将输出报警标志位信号,由单片机驱动声光报警。

第45页/共61页图2－28

MAX6675构成的热电偶冷端补偿及测量显示电路框图

第46页/共61页 2.5温度传感器的工程设计实例

1.课题要求和主要性能指标

某电子公司生产小型电源变压器,重要的工艺之一为真空浸漆并利用红外线烘干。烘干箱的原配测温器件为水银温度计,现希望改为隔爆型温度传感器,并自动测量和控制烘干箱的温度。

具体技术指标及要求为：烘箱电源为三相380V,额定功率为10kW;数字温度表显示温度范围为0～199.9℃;准确度优于1%,分辨力为小数点后1位;温度传感器的信号作A/D转换后,送单片机作运算处理,单片机设定的温度上限值控制烘箱的温度,温度控制误差为±3℃。

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2.设计方案及步骤

1)传感器的选择

水银温度计不能直接输出电信号,选择铂热电阻作为测温传感器。铂热电阻的型号和结构繁多,有铠装式、装配式、隔爆式等。在本项目中,绝缘漆蒸汽属于可燃性气体,因此,在这些场合必须使用隔爆热电阻。隔爆式产品的接线盒(外壳)在设计上采用防爆特殊结构,用高强度铝合金压铸而成。

第48页/共61页图2－30隔爆型热电阻的防爆标志表示典型的隔爆式热电阻的防爆标志表示方法如图2－30所示。第49页/共61页

2)测量桥路设计方案的选择

热电阻的测量转换电路的设计可以有以下三种方案。

方案一:二线制电桥测量电路。

电路如图2－31(a)所示。在测量过程中,气温升高时,引线电缆受环境温度影响,阻值也会升高,叠加在热电阻的变化上,引起测量误差,且无法纠正。第50页/共61页

方案二:四线制恒流测量电路。

图2－31(b)为热电阻的四线制测量电路。恒流源的恒定激励电流流过Rt,在Rt上产生压降Uo=IiRt。输出电压Uo的变化量与被测温度变化引起的电阻变化量成正比,这种形式可以克服引线电阻的影响,但降低了系统的分辨力。

方案三:三线制电桥测量电路。

考虑到电桥接口箱距离烘箱有一定距离,引线电阻的温度漂移将引起电桥的测量误差。为了消除和减小引线电阻的影响,采用三线制单臂电桥,如图2－31(c)所示。为了减小环境电磁场的干扰,最好采用三芯屏蔽线,并将屏蔽线的金属网状屏蔽层接大地。

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3)电桥的调零电路设计

由于元件的误差等原因,安装完成的电桥仍存在微小的不平衡,因此必须在电桥中加入一个调零电位器。本案例采用并联调零法,如图2－31(c)中的RP1所示,其阻值应大于桥臂电阻的50倍以上,以免影响电桥的线性度和灵敏度。

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4)放大电路的设计

如图2－31(c)的右半部分所示。在本设计中,我们选择低温漂运算放大器OP－07,它的共模抑制比可达80dB以上。

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5)放大器四个电阻阻值的计算

按图2－31的说明,该放大器的增益K=Rf/R11。