温度传感实验课件

温度传感实验,李香莲,一、 开篇设问,（一） 预备问题,（二）学生容易出错的问题,1、在调节温度传感器的零点和量程时，为什么要先调节零点，后调节量程？,1、热敏电阻的什么特性决定它可以用来测温？,2、一般情况下，热敏电阻的电压温度关系并不是线性的，这会导致温度刻度不均匀，怎样才能克服这个问题？,（三）课后要思考的问题或扩展问题。,1分析本实验中的主要误差来源？,2用叠代法计算 RS 和 Rf 时，若先给 Rf 赋值，计算过程将如何发展？,二、背景介绍,（一）温度传感器,温度传感器是利用物质各种物理性质随温度变化的规律把温度转换为电量的传感器，它是最早开发，应用最广的一类传感器。按测量方式可分为接触式和非接触式两大类。,1、接触式温度传感器,常用的温度计有双金属温度计、玻璃液体温度计、压力式温度计、电阻温度计、热敏电阻和温差电偶等。,其检测部分与被测对象有良好的接触，又称温度计。一般测量精度较高。,它的敏感元件与被测对象互不接触，又称非接触式测温仪表。这种仪表可用来测量运动物体、小目标和热容量小或温度变化迅速（瞬变）对象的表面温度，也可用于测量温度场的温度分布。,2、非接触式温度传感器,最常用的非接触式测温仪表基于黑体辐射的基本定律，称为辐射测温仪表。辐射测温法包括亮度法、辐射法和比色法。,（http:/www.wiki.cn/wiki/%E6%B8%A9%E5%BA%A6%E4%BC%A0%E6%84%9F%E5%99%A8）,热敏电阻是利用半导体的电阻值随温度变化这一特性制成的一种热敏元件。其主要特点是：,（二）热敏电阻,1、灵敏皮高。一般金属当温度变化1时，其阻值变化 0.4 左右，而半导体热敏电阻变化可达 36；,2、体积小。珠形热敏电阻的探头的最小尺寸达0.2 mm，能测热电偶和其它温度计无法测量的空隙、腔体、内孔等处的温度，如人体血管内的温度等；,3、使用方便。热敏电阻阻值范围大，热惯性小，而且不像热电偶需要冷端补偿，不必考虑线路引线电阻和接线方式，容易实现远距离测量，功耗小。,（三）实验目的,1掌握测温元件的温度特性及其测量方法；,2了解各测温元件的工作原理；,3学会对温度电压变换电路各参数的设计。,三、实验原理,（一）测温元件原理,本实验主要使用的测温元件：MF11型2.7 半导体热敏电阻和晶体管PN结。它们的测温原理分别如下：,1MF11型2.7K半导体热敏电阻,材料：由一些过渡金属氧化物在一定的烧结条件下形成的半导体金属氧化物作为基本材料制成，具有P型半导体的特性。,特性：上述过渡金属氧化物在室温范围内基本上已全部电离，载流子浓度基本上与温度无关，此时主要考虑迁移率与温度的关系。随着温度的升高，迁移率增加，电阻率下降。是一种具有负温度系数的热敏电阻元件。,MF11型热敏电阻的电阻-温度特性（仅供参考）,上表可见，电阻随温度升高而变小，但不是线性的变化！,经过变换及定量的计算可以发现，两者之间是一种指数函数的关系：,其中 R0 和 B 是常数。,2PN结测温元件,流过晶体管 PN 结电流和其两端间的电压 V 满足以下的指数关系：,式中 q 为电子电荷，k 为波尔兹曼常数，T 是结温（绝对温度值），,（二）温度电压变换电路原理及参数设计,温度电压变换电路原理图,温度电压变换电路等效电路,由右图：,（1）,（2）,差分运放的输出电压：,V0- 和 V0+ 分别为 Es1 和 Es2 单独作用时对输出电压的贡献 。,其中 Vi+为 Es2 单独作用时运放同向输入端的对地电压。由于运放的输入阻抗很大，故：,（3）,（4）,（5）,（6）,由 (3)、(4)、(5) 及 (6)，得电压温度特性的数学表达式 :,一般的情况下，上式所表达的函数关系是非线性的，但通过适当选择电路参数可以使得这一关系和一直线关系近似。,设传感器的测温范围为 t1 至 t3 ，中值温度,电压温度特性的线性化就是选择适当的参数使这三个点在电压温度坐标系中落在通过原点的直线上。,（7）,若对应与这三个温度值的传感器输出电压分别为V01、 V02 和 V03，线性化条件要求,传感器的电路参数需要确定的有七个：,电阻,电桥的电源电压,传感器的最大输出电压,这些参数的选择和计算原则：,1、当温度为 t1 时，应有 V0 = V01=0，电桥应工作于平衡状态和差分运放电源电路参数应处于对称状态，要求,（8）,2、为了尽量减小热敏电阻中流过的电流所引起的发热对测量结果的影响， Va 的大小不应使 Rt 中的电流大于 1 mA。,3、传感器的最大输出电压值应与后面的显示仪表相匹配。,4、参数 Rs 和 Rf 可按式线性化条件的后两个关系式确定 。,（9）,（10）,Rg1i 、 Es1i是热敏电阻 Rt 所处环境温度为 ti (i=1,2,3)时按式（2）计算得的Rg1 、 Es1 值。,特别地，对于MF11型热敏电阻,除 t1、 t2 、t3 三点外线性化都会引起误差,t 是传感器探头所在环境处的实际温度值，是由实际温度按式（7）算出的输出电压值,（11）,四、实验仪器,（一） 实验仪器,TS-B型温度传感技术综合实验仪、2.7kMF11型半导体热敏电阻、晶体管PN结、数字万用表，恒温磁力搅拌器。,TS-B型温度传感技术综合实验仪,恒温磁力搅拌器,2.7kMF11型半导体热敏电阻,晶体管PN结,（二） 注意事项。,1、温度计、热敏电阻应尽量靠近，并且不能接触烧杯壁。,2、搅拌器不宜旋转太快，否则磁铁易打坏温度计。,3、放入水中加热前应检查连接元件的导线是否短路。,五、实验内容,（一） MF11型热敏电阻温度特性的测量,万用表的欧姆档直接测量其电阻变化。将热敏电阻置入温控加热炉中，从 25 开始每隔 5 记录其电阻值直至 65。,（二）温度电压变换电路的设计,电路测温范围为25 65。按照标准热敏电阻的阻值计算出来的参数：,1、在断电的情况下调节各电阻使之符合计算得到的值 ，在实验中注意保持不变。,2、把“电压输出”调至2V，并用导线把这一电压接至“Va”端。,3、把短路器插入标有“R”记号的一侧，使桥式输入电路的测量对角线两端与差分运放电路相连。,4、把热敏电阻接入带“热探头”标记的两个插孔中，然后把双刀双掷开关拨向右侧。,改变电阻所处的温度环境，记录表头所显示温度，与真实的温度相比较。,（三）PN结伏安特性的测量,PN结温度特性测试电路,1、将电压输出调节到 6 伏特，用导线接到 Vc 处。,2、用导线将W1的下端接地。,3、将PN结按极性接入电路。将连有一个接线插头的导线接到仪器面板的负极；连有两个接线插头的导线，一个接到仪器面板PN结的正极，一个接到万用表的正极（2000mv档）。,4、将差分运放器的输出端接到仪器面板右端的数字毫伏表上，该表上的示数反号后即为PN结上的电流，单位为微安 。,5、将温度控制在 65 附近，调节W1使PN结的电压与电流发生变化，记录下电压及与之相对应的电流。当电流随电压变化很快时,取点应密集一些,否则可以稀疏一点,记录范围应从电流的最小值记到电流的最大值。,6、将温度控制在室温附近,记录PN结的电流随电压变化的数据。,7、用作图法处理所得数据，将两个曲线画在一个图中。,（二）对实验数据处理的要求,（三）扩展内容,分析温度电压变换电路中电压与温度的关系与线性的偏离，提出改进的方案。,2、计算温度电压变换电路的误差，分析其原因。,1、根据测得的数据，在坐标纸上作图，画出各元件的温度特性曲线或伏安特性曲线。,2、张鼎、余兰山、 刘进 ，简易热敏电阻温度计的设计，高等函授学报(自然科学版)，2007年 21卷03期，5361页。,六、设计案例,1、王艳萍、 孔繁成，PN结温度传感特性及在温度测量中的应用，辽宁教育学院学报，1995年 05期 ，7173页。,七、最新进展,（一）低温温度传感器,在各类温度传感器中, 低温温度传感器约占5 %。低温领域的特殊性以及相关技术的复杂性, 增加了人们对低温温度的获得和准确测量的难度。近年来, 随着近代物理学和电子技术的发展, 低温温度传感器作为一门新兴技术, 不仅得到发达国家的普遍重视, 也一直是各发展中国家竞相进行研究开发的热点, 许多国家通过研究各种物理效应, 探索新的低温测量方法, 采用近代技术开发新产品, 扩大测温范围, 提高测量精度, 占领世界市场,并取得了新进展。,俄罗斯利用声速在气体中与温度的关系, 研制了电声气体温度计, 在2 K273 K温度范围内测定热力学温度的误差约为0.01 , 并可得到0.001 K0.0005 K的复现性, 研制的石英晶体音叉温度传感器, 测量范围412 K + 250 , 分辨力0.0001 K, 精度0.02 K0.2 K;,英国的低温气体温度计在2 K20 K温度范围内可达0.0005 K的精度; 澳大利亚定容气体温度计在2 K16 K温度范围内准确度达±0.003 K; 日本采用硅膜片内差气体温度计, 在4 K24 K范围内次级实现了ITS-90 ;,美国研制的25 欧低温标准铂电阻温度计, 电桥分辨率0.00002 , 利用KClO3 晶体共振温度计测量12 K297 K的温区, 综合误差为±0.001 K ±0.01 K, 利用电子在电阻体内部无规则热运动产生微小电流变化制成的“热噪声温度传感器”, 记录了最低为0.075 K的噪声温度, 理论上可测到千分之几开的温度;,意大利也利用电子热噪声求出绝对零度附近的温度, 精度达10 - 4 K。,（摘自王克军，国外低温温度传感器的研制现状）,光纤测温是20 世纪70 年代发展起来的一门新兴测温技术，其原理大体可分为两类：一是利用辐射式测温原理，光纤作为辐射能量的传输通道。二是光纤本身作为测温元件，利用其性(相位、偏振、强度等)对温度的敏感性进行测温。,（二）光纤测温技术,美国STOCKERYALE光纤传感器,光纤燃气流温度传感器,国外一些发达国家对光纤温度传感技术的应用研究已取得丰富成果, 不少光纤温度传感器系统已实用化, 成为替代传统温度传感器的商品。,与传统的温度传感器相比光纤测温具有很多优点:,*光波不产生电磁干扰, 也不怕电磁干扰, 易被各种光探测器件接收, 可方便地进行光电或电光转换, 易与高度发展的现代电子装置和计算机相匹配。,*光纤工作频率宽, 动态范围大, 是一种低损耗传输线,*光纤本身不带电, 体积小质量轻, 易弯曲, 抗辐射性能好, 特别适合于易燃、易爆、空间受严格限制及强电磁干扰等恶劣环境下使用。,八、相关文献,1、孟立凡、郑宾主编 ，传感器原理及技术 ，兵器工业出版社，128页。,2、王克军 ，国外低温温度传感器的研制现状，低温工程， 2002年 05期，49页。,3、周广丽、 鄂书林、 邓文渊，光纤温度传感器的研究和应用 ，光通信技术， 2007年 06期 ，54页。,