温度传感实验课件
33页1、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,
2、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:/ 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
3、。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
4、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、2.7
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