传感检测技术及其应用

传感检测技术及其应用2023/7/291第1页，课件共48页，创作于2023年2月第八章热电式传感器及应用热电式传感器概念利用转换元件的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。分类

热电阻传感器：温度的变化转化为电阻变化。金属热电阻式传感器简称为热电阻。半导体热电阻式传感器简称为热敏电阻。热电偶传感：将温度变化转换为热电势变化。

2023/7/292第2页，课件共48页，创作于2023年2月8.1热电阻传感器及应用

热电阻传感器的原理是基于热电阻效应:物质的电阻率随温度变化而变化的现象。一、热电阻材料的特点及性能电阻温度系数高，以提高其灵敏度。电阻率（比电阻）高，以减少电阻尺寸。热容量要小，以提高其响应速度。物理和化学性能稳定。线性度好。良好的工艺性。目前最广泛使用的热电阻丝材料是铜（Cu)和铂(Pt)，另外随着低温和超低温测量技术的发展，已开始采用铟、锰等作为热电阻的材料。2023/7/293第3页，课件共48页，创作于2023年2月

1.铂热电阻铂热电阻性能稳定、重复性好、精度高，所以在工业上得到了广泛应用。其测量范围一般为-200～650℃。数学模型：当温度t在-200℃～0℃时：当温度t在0℃～640℃时：

式中：Rt—铂热电阻在t℃时的电阻值；R0—铂热电阻在0℃时的电阻值；A—系数（3.96847×10-3/℃）；B—系数（-5.847×10-7/℃）；C—系数（-4.22×10-12/℃）2023/7/294第4页，课件共48页，创作于2023年2月2.铜热电阻由于铂是贵重金属,因此,在一些测量精度要求不高且温度较低的场合,普遍采用铜热电阻进行温度测量，其测量范围一般为-50～150℃。数学模型：模型1：在精确计算时，常用多项来表示式中：A—系数（4.28899×10-3/℃）；B—系数（-2.133×10-7/℃）C—系数（1.233×10-9/℃）模型2：为了计算简单，常用二项式来计算α0为在初始温度t0℃为时的温度系数。2023/7/295第5页，课件共48页，创作于2023年2月二、热电阻种类及接线方式热电阻丝状热电阻薄膜热电阻厚膜热电阻在工业应用中，敏感元件多放置在工作现场，而仪表、控制室则距离较远，因此必须考虑长距离传送的引线影响问题。工业中常用二线制、三线制、四线制电桥。1.二线制r1=r2=r,I1=I2=I,Vs=e1-e2e1=I1(r1+Rt+r2)=I(2r+Rt)e2=I2R4=IR42023/7/296第6页，课件共48页，创作于2023年2月Vs=e1-e2=I(2r+Rt)-IR4=I(Rt-R4)+2Ir2Ir为引线电阻的影响。2.三线制若I1=I2=I,r1=r2=r3=r则有e1=I1(r1+Rt+r3)=I(2r+Rt)e2=I2(RD+r2+r3)=I(2r+RD)所以VS=e1-e2=I(RD-Rt)2023/7/297第7页，课件共48页，创作于2023年2月4.四线制r1=r2=r3=r4如右图，e1=I(Rt+r4)e2=Ir4则Vs=e1-e2=IRt2023/7/298第8页，课件共48页，创作于2023年2月三、铂热电阻应用的基本电路1.恒流工作电路e1e22023/7/299第9页，课件共48页，创作于2023年2月如图8－3所示。运放A1组成I－V变换电路，运放A2组成反相输入端比例放大器。所谓恒流工作电路是指流过铂电阻RT的电流为规定的恒定值。若设流过铂电阻RT（t）的恒定电流为IIN，则根据电路结构可作传递函数图如图8－3－1所示。则2023/7/2910第10页，课件共48页，创作于2023年2月根据运放条件，流过铂电阻RT（t）电流与流过R1的电流相等。若IIN=1mA,VR=2V,根据图8－3中A1的外围电路，IIN=(VR－e1)/R1=1mA，则e1=VR－IINR1=2－1mA×1kΩ=1V可以通过调节R2、RP1、R3，使e2=1V。运放A1同相端电位e2的存在，可以抵消其输出端电压eOUT对反相端的偏置，即因0度时eOUT不为零而产生的偏置，使之在0度时运放A1的输出电压eOUT位零：eOUT=e2－IINRT(0)＝1－1mA×1kΩ=0铂电阻方程、电路方程为2023/7/2911第11页，课件共48页，创作于2023年2月所以设输入温度范围为。当t=500度，可由eOUT求出A1的满度输出及灵敏度分别为若要求电路输出电压VOUT的温度灵敏度为10mV/度，则可求得A2的放大倍数为2023/7/2912第12页，课件共48页，创作于2023年2月若R4=10kΩ，R5＝24kΩ，则RP2=3.2kΩ这样，0度时输出0V，500度时输出5V。若取对应0度输出电压为0V，和500度对应电压为5V的连线为拟合直线，并令250度的输出在拟合直线的中点，则可求得在250度时输出相对最大满刻度输出的相对非线性误差约为2％，如图所示。所以精确测量时，应对非线性进行线性化校正。2023/7/2913第13页，课件共48页，创作于2023年2月由VOUT可知，恒流工作基本方程的输出电压二次项系数为负值，因此必须采用正反馈对二次非线性项进行补偿，如图8－4所示。由运放A3对运放A1组成的I－V变换器的输出信号eOUT反相后形成电流负反馈，输入运放A1的反相输入端。根据电路可求得反馈电流I’IN及反馈系数为由于A1的同相端接地，而在0度时输出电压不为零。为了在0度时使电路的输出电压VOUT为零，对运放2023/7/2914第14页，课件共48页，创作于2023年2月2023/7/2915第15页，课件共48页，创作于2023年2月A2的反相端引入偏置电路RP1、R6,使0度时运放A2的反相电位为零，从而使电路输出电压VOUT为零。由此可以求得在0度时运放A1的输出电压eOUT（0）与偏置量的关系2023/7/2916第16页，课件共48页，创作于2023年2月运放A2组成反向端输入放大器。根据上述对电路各环节的分析，可画出电路传递函数方框图如图所示。根据方框图可求出电路输出为：2023/7/2917第17页，课件共48页，创作于2023年2月要使VOUT(t)在0°C时为零，必须有则VOUT(t)为这样2500°C时，VOUT(t)＝2.5V,落在拟合直线的中点上。可以把2％的误差降到0.1%。2023/7/2918第18页，课件共48页，创作于2023年2月2.恒压工作电路eOUT2023/7/2919第19页，课件共48页，创作于2023年2月如图所示电桥，RP1为调零电阻，要求R8、R9并联阻值等于0°C时热电阻的阻值RT(0)，在0°C时电桥平衡。当温度不为0°C时，电桥的输出电压为：设放大电路的放大倍数为A电路的输出电压为2023/7/2920第20页，课件共48页，创作于2023年2月灵敏度为10mV/°C

，则放大电路的放大倍数为可取R7=2M，R6=14M,RP2=5M。由eOUT可以算出0～5000°C温度范围内，电桥输出电压灵敏度为1.416mV/°C，若要求电路电压输出这样，可以计算出0～500°C温度范围温度点所对应的输出电压，可以描绘出输入－输出曲线，并可以计算出每点的非线性度，从而画出非线性度曲线，最大非线性度约为4％。2023/7/2921第21页，课件共48页，创作于2023年2月可以看出，恒压工作方式在没有进行非线性校正时的非线性误差，比恒流工作方式未非线性校正的非线性误差大。因此，应用时需要进行线性化校正。采用电压正反馈进行非线性校正的电路如图8-6所示。正反馈电压由电路的输出电压VOUT经R3、RP3、R4分压获得。反馈电压与电源电压串联相加，经运放A1作为电桥工作电压VB。设反馈电压为UO’，则反馈系数为2023/7/2922第22页，课件共48页，创作于2023年2月2023/7/2923第23页，课件共48页，创作于2023年2月根据电路图中各环节的工作原理，可以画出如图所示传递函数框图。2023/7/2924第24页，课件共48页，创作于2023年2月由传递函数方框图，可求得电路的输出为：又所以有2023/7/2925第25页，课件共48页，创作于2023年2月这样，在0～500°C温度范围，通过选择合适的G2和β，就能使最大非线性误差降到0.3%。2023/7/2926第26页，课件共48页，创作于2023年2月8.2热敏电阻传感器及应用

热敏电阻是由金属氧陶瓷半导体化物材料经成形、烧结等工艺制成的对温度敏感的元件。一、热敏电阻分类及结构热敏电阻(Thermistor)常分为三类：负温度系数热敏电阻(NTC－NegativeTemperatureCoefficientThermistor)，其阻值随温度上升而减小。使用温度范围为－50℃~＋300℃，主要用于温度测量；正温度系数热敏电阻(PTC－PositiveTem-PeratureCoefficientThermistor),其阻值随温度上升而增大，具有开关特性，－50℃~＋150℃

；临界温度热敏电阻(CTR－CriticalTemperatureResistor)2023/7/2927第27页，课件共48页，创作于2023年2月,也具有开关特性，使用温度范围为0℃~＋300℃。热敏电阻有珠粒状、圆柱状和圆片状。二、热敏电阻的特性及特点NTC和PTC特性曲线如图所示。2023/7/2928第28页，课件共48页，创作于2023年2月热敏电阻与热电阻相比，其特点为：（1）灵敏度高，约为热电阻的10倍；（2）体积小，重量轻，热惯量小，适用于点温度测量和动特测量；（3）阻值大，不需要考虑引线带来的误差；（4）工作寿命长；（5）非线性误差大，常需要进行非线性补偿。三、热敏电阻的线性化化1.串联电阻法串联电阻的大小为ERTR1选择的平衡点温度，一般为测温区间的中点附近。2023/7/2929第29页，课件共48页，创作于2023年2月2.并联电阻法并联定值电阻R1，则复合电阻为RTR13.电桥法如图所示，在测量范围不大时，可以获得较满意的结果。2023/7/2930第30页，课件共48页，创作于2023年2月串联在热敏电阻中的R的最佳值为四、测量电路1.串联测量电路路2023/7/2931第31页，课件共48页，创作于2023年2月五、热敏电阻应用2.电桥测量电路1.温度控制2.温度测量3.其它应用2023/7/2932第32页，课件共48页，创作于2023年2月8.3热电偶传感器及应用热电偶传感器是目前接触式测温中应用最广泛的热电式传感器，其特点为：结构简单、制造方便、测温范围宽、热惯性小、准确度高、输出信号便于运距离传输等。以热电效应为工作原理而制成的感温元件，称为热电偶。一、热电效应及热电偶工作定律1.热电效应

将两种不同性质的导体A、B组成闭合回路，如图。若结点（1）、（2）处于不同的温度时，两者之间将产生一热电势，在回路中形成一定大小的电流，2023/7/2933第33页，课件共48页，创作于2023年2月这种现象称为热电效应。热电效应产生的热电势由接触电势和温差电势两部分组成。接触电势：温差电势：结论：（1）如果热电偶两电极的材料相同，即NA=NB,σA=σB，虽然两端温度不同，但闭合回路的总热电势仍为零。因此，热电偶必须用两种不同的材料作电极。（2）如果热电偶两电极材料不同，而热电偶两端的温度相同，即T=T0，闭合回路中也不产生热电势。2023/7/2934第34页，课件共48页，创作于2023年2月1.工作定律（1）中间导体定律导体A、B组成的热电偶，当引入第三导体时，只要保持其两端温度相同，则对回路总热电势无影响，这就是中间导体定律。利用该定律可以将第三导体换成毫伏表，只要保证两个结点温度一致，就可以完成热电势测量而不影响热电偶输出。（2）连接导体定律回路总热电势等于热电偶电势EAB(T,Tn)与连接导线电势EA’B’(Tn,T0)的代数和。2023/7/2935第35页，课件共48页，创作于2023年2月连接导体定律是工业上运用补偿导线进行温度测量的理论基础。用公式表示为（3）中间温度定律对于图8－29，当导体A与A’、B与B’材料分别相同时，连接导体定律为回路总热电势等于EAB(T,Tn)与的代数和。Tn称为中间温度。（4）参考电极定律2023/7/2936第36页，课件共48页，创作于2023年2月参考电极C与各电极配对时总热电势为与两电极A、B配对后电势之差。二、热电偶材料、分类及结构1.热电偶材料2.热电偶分类3.热电偶的结构三、补偿导线与冷端补偿1.补偿导线2023/7/2937第37页，课件共48页，创作于2023年2月2.冷端补偿（1）冷端温度补偿器（2）PN结温度传感器冷端补偿2023/7/2938第38页，课件共48页，创作于2023年2月（3）二端集成传感器补偿四、热电偶的放大电路2023/7/2939第39页，课件共48页，创作于2023年2月五、非线性校正电路非线性校正的方法之一采用多项式，设温度为T，则热电偶的热电势E可表示为K型热电偶的热电势近似表达式为2023/7/2940第40页，课件共48页，创作于2023年2月当温度为600°C，热电势为24.903mV时，根据上式可得Vout=600mV。若要获得6000mV输出电压，把上式乘以10，则有当温度为300°C，热电势为12.207mV时，可得

而温度为600°C，热电势为24.902mV时