实验五十五 温度传感器特性的研究.doc

实验十九 温度传感器特性的研究随着现代测量、控制和自动化技术的发展，传感器技术越来越受到人们的重视，传感器在各个领域中的作用也日益显著。传感器是将各种非电量(包括物理量、化学量、生物量等)按一定规律转换成便于处理和传输的另一种物理量(一般为电量)的装置。传感器的种类很多，有温度传感器、压力传感器、位移传感器、速度传感器、加速度传感器、湿度传感器等。在各种温度传感器中，把温度转换为电势和电阻的方法最为普遍，本实验首先讨论将温度转换为电势的传感器热电偶的温度特性，然后讨论将温度转换为电阻的传感器热电阻的温度特性。实 验 目 的（1）掌握补偿法测电动势的基本原理，学会用UJ-31型低电势电位差计测定热电偶的温差电动势。（2）掌握热电偶温度计的定标以及用热电偶温度计测温的原理。BAtt0图1 热电偶原理图（3）研究热电阻的温度特性。（4）掌握非平衡电桥的工作原理，学会用非平衡电桥测量热电阻的阻值。练习一 热电偶传感器温度与温差电动势关系的测量一 实 验 原 理1. 热电偶测温原理t0t_+铜线康铜线测量仪器图2 热电偶测温原理图热电偶是利用热电效应制成的温度传感器。热电偶亦称温差电偶，如图1所示。它是由A、B两种不同材料的金属丝的端点彼此紧密接触而组成的。当两个接点处于不同温度时，在回路中就有直流电动势产生，该电动势称温差电动势或热电动势。当组成热电偶的材料一定时，温差电动势EX仅与两接点处的温度有关，并且两接点的温差在一定的温度范围内有如下近似关系式： (1)式中称为温差电系数，对于不同金属组成的热电偶,是不同的，其数值就等于两接点温度差为1C时所产生的电动势。G图3 补偿法原理图为了测量温差电动势，就需要在图1的回路中接入测量仪器，本实验选用的是铜康铜组成的热电偶（铜康铜热电偶在低温下使用较为普遍，测量范围为-200+200）。由于其中有一根金属丝和引线材料一样，都是铜，因此没有影响热电偶原来的性质，即没有影响它在一定的温差下应有的电动势值。如图2所示，把铜与康铜的两个焊点一端置于待测温度处（热端），另一端作为冷端（本实验处于室温状态），将铜线截断后与测量仪器相连，这样就组成一个热电偶温度计。只要测得相应的温差电动势，再根据事先校正好的曲线或数据就可求出待测温度。热电偶温度计的优点是热容量小，灵敏度高，反应迅速，测温范围广，还能直接把非电学量温度转换成电学量。因此，在自动测温、自动控温等系统中得到广泛应用。2. 补偿法原理KG图4 电位差计原理图RX补偿法是一种准确测量电动势（电压）的有效方法。如图3所示，设为一连续可调的标准电源电动势（电压），而EX为待测电动势，调节使检流计G示零（即回路电流），则。上述过程的实质是，不断地用已知标准电动势（电压）与待测的电动势（电压）进行比较，当检流计指示电路中的电流为零时，电路达到平衡补偿状态，此时被测电动势与标准电动势相等，这种方法称为补偿法。这和用一把标准的米尺来与被测物体（长度）进行比较，测出其长度的基本思想一样。但其比较判别的手段有所不同，补偿法用示值为零来判定。但电动势连续可调的标准电源很难找到，那么怎样才能简单地获得连续可调的标准电动势（电压）呢？简单的设想是：让一阻值连续可调的标准电阻上流过一恒定的工作电流，则该电阻两端的电压便可作为连续可调的标准电动势。3.电位差计原理电位差计就是一种用补偿法思想设计的测量电动势（电压）的仪器。图4是一种直流电位差计的原理简图。它由三个基本回路构成：工作电流调节回路，由工作电源、限流电阻、标准电阻和组成；校准回路，由标准电池、平衡指示仪G、标准电阻组成；测量回路，由待测电动势EX，检流计G,标准电阻组成。通过测量未知电动势EX的两个操作步骤，可以清楚地了解电位差计的原理。（1）“校准”：图中开关K拨向标准电动势侧，取为一预定值（对应标准电势值V），调节Rp使平衡指示仪G示零，使工作电流回路内的RX中流过一个已知的“标准”电流，且。（2）“测量”：将开关K拨向未知电动势EX一侧，保持不变，调节滑动触头B，使检流计示零，则。被测电压与补偿电压极性相顶且大小相等，因而互相补偿（平衡）。这种测的方法叫补偿法。补偿法具有以下优点： 电位差计是一电阻分压装置，它将被测电动势EX和一标准电动势直接比较。的值仅取决于及EN，因而测量准确度较高。 在上述“校准”和“测量”两个步骤中，平衡指示仪两次示零，表明测量时既不从校准回路内的标准电动势源中吸取电流，也不从测量回路中吸取电流。因此，不改变被测回路的原有状态及电压等参量，同时可避免测量回路导线电阻及标准电势的内阻等对测量准确度的影响，这是补偿法测量准确度较高的另一个原因。二 实验仪器UJ-31型直流低电势电位差计，FB-203型多挡恒流智能控温实验仪，FB204型标准电势与待测低电势，YJ24-A型直流稳压电源，ZGD2-C型平衡指示仪。三 实 验 内 容（1）熟悉UJ-31型电位差计各旋钮的功能，掌握测量电动势的基本要领，参见图30-5。（2）正确连线。注意电源及电动势的“+”、“-”极。（3）平衡指示仪灵敏度置3挡，将输入端短路，调节调零旋钮，使平衡指示仪指针示零。（4）测量不同温度下的热电偶温差电动势（图标见图30-5，操作步骤见表1）。（5）对热电偶进行定标，并求出热电偶的温差电系数：每隔10 oC左右测一组，共测810组。（6）实验完毕切断所有仪器电源，拆线时先拆含源器件和电源输出端的导线。表 1 测试步骤表图标及名称作用、特点及操作注意事项校准RN：标准电动势补偿盘“校准”前根据标准电势电动势，将盘旋至对应位置，即工作电流调节盘、置“标准”位置，先按“粗”按钮，调节粗、中调节盘，使检流计示零；再按 “细”按钮，调节中、细调节盘，使检流计再示零测量倍率选择开关未知电压测量盘读数倍率（1或10），本实验倍率选1I、II、III：测量盘置“未知1”或“未知2”位置，先按“粗”按钮，调节、测量盘，使检流计示零、再按 “细”按钮，调节、测量盘，使检流计再示零（测量未知电压用的、测量盘，已按倍率1时的mV 电压值分度，可直接读数）四 数据与结果1. 热电偶定标数据记录（表2）表2 数据表室温t0=_oC EN =1.0186V序 号12345678910温度t ()电动势（mV）2. 作出热电偶定标曲线用直角坐标纸作EX -t曲线。定标曲线为不光滑的折线，相邻点应直线相连，这样在两个校正点之间的变化关系用线性内插法予以近似，从而得到除校正点之外其它点的电动势和温度之间的关系。所以，作出了定标曲线，热电偶便可以作为温度计使用了。3. 求铜康铜热电偶的温差电系数在本实验温度范围内，-函数关系近似为线性，即。所以，在定标曲线上可给出线性化后的平均直线，从而求得。在直线上取两点,（不要取原来测量的数据点，并且两点间尽可能相距远一些），求斜率 即为所求的。的理论值为0.0436mVoC，求测量结果的相对误差E。 练习二 热电阻传感器温度与电阻关系的测量xRR=4C图6 非平衡电桥原理图一 实验原理1. 热电阻测温原理绝大多数金属具有正的电阻温度系数，温度越高，电阻越大。利用这一规律可制成温度传感器，称为热电阻。铜电阻与温度近似呈线性关系特性，温度系数大。铜电阻的测温范围一般为-50+150，其阻值与温度的关系可用下式表示 (2)其中为铜电阻在温度时的电阻值，为铜电阻在温度0时的电阻值，为铜电阻的电阻温度系数。本实验热电阻为铜电阻（Cu50）。 2. 非平衡电桥的原理平衡电桥一般用于测量相对稳定状态的物理量，而热电阻的阻值随温度的变化而连续变化，所以要用非平衡电桥进行测量。非平衡电桥原理如图6所示：A、C接电源，B、D之间接一负载电阻，只要测量电桥输出、，即可得到值。（1）电桥分类 等臂电桥： 输出对称电桥，也称卧式电桥：， R2=R3=R，且RR。 电源对称电桥，也称为立式电桥：R1=R2=R，且RR。（2）输出电压当负载电阻Rg，即电桥输出处于开路状态时，仅有电压输出，并用表示，本仪器电压输出接数字表即属此情况。根据分压原理，上的电压为： (3)同理上的电压为： (4)则输出电压为： (5)当满足条件： (6)则电桥输出电压，即电桥处于平衡状态，(6)式就称为电桥的平衡条件。为了测量的准确性，在测量的起点，电桥必须预调平衡，这样可使输出电压只与其中一臂的电阻有关。若、固定，为温度的函数，则当温度从时，因电桥不平衡产生的电压输出为 (7)若电阻变化很小，即，则上式可简化为 (8)由此可得三种桥式的输出为：等臂电桥 (9)卧式电桥 (10) 立式电桥 (11)由此可见，三种电桥的输出均与成线性比例关系。注意上述公式中的和R均为预调平衡后的电阻值。测量得到电压输出后，通过上述公式运算得到，从而求得。等臂电桥、卧式电桥输出电压比立式电桥的高，因此灵敏度也高，但立式电桥测量范围大，可以通过选择、R来扩大测量范围，、R差距越大，测量范围也越大。（3）*输出功率当负载较小时，电桥不仅有电压输出，也有电流输出，即有功率输出，此种电桥也为功率桥。图7(a)为功率桥的原理图，应用有源端口网络定理可简化为图7(b)。UBD为BD间的开路电压，由(5)式表示，图7(b)中的R是有源端口网络等值支路中的电阻，其阻值等于该网络端电阻，如图7(c)， (12)rRR=BDUE=)(a)(c)(b图7 输出功率原理图B由图7(b) 可知，流经负载的电流为： / (13)当时，即 (14)这是功率桥的平衡条件，和（12）式一致，也就是说功率输出与电压输出的平衡条件是一致的。最大输出功率时，电桥的灵敏度最高。当电桥的负载电阻等于输出电阻（电源内阻），即阻抗匹配时， (15)则电桥输出功率最大。此时电桥的输出电流由式(30-13)得： (16)输出电压为 (17)当桥臂的电阻有增量时，可以得到三种桥式的电流、电压和功率变化。测量时都要预调平衡，平衡时的、均为0，电流、电压、功率变化都是相对与平衡状态而言的。当电阻增量较小时,即满足 Ri时,不同桥式的三组公式分别为:等臂电桥： (18) (19) (20)卧式电桥： (21) (22) (23)立式电桥： (24) (25) (26)由式(18)-( 26)可知，当 Ri时，三种桥式的电流、电压变化均与电阻变化率成线性比例。测量得到和后，再通过上述相关公式运算得到相应的和，然后运用公式 (27)得到后，就可得到。若采用功率表达公式，先计算，则可直接从得到。二 实 验 仪 器FQJ-1型非平衡直流电桥，FB-203型多档恒流智能控温实验仪。三 实 验 内 容用非平衡电桥电压输出形式测量Cu50的（本实验采用卧式电桥测量）（1）确定各臂电阻值。设室温时的铜电阻阻值为（用万用表测量），使，选择（供参考，可自行设计）。（2）预调平衡。将待测电阻接至、调至选择阻值，调至，功能转化开关置电压输出，按下G、B开关，微调，使电压输出。(调节、时，关闭非平衡电桥电源，将功能转化开关置平衡，测量时将功能转化开关置非平衡、电压挡。)（3）升高温度，每隔10 oC左右测一组，共测810组。四 数 据 与 结 果（1）热电阻（Cu50）电阻值与温度记录见表3表3 数据记录室温 ，序 号12345678910温度 (oC)电压 (V)（2）根据(30-10)式求出各点的，再根据求出值，然后作图。用图解法求出0时的电阻值和电阻温度系数(斜率)。（3）的理论值为4.2889910-3(/)，求测量结果的相对误差E。 五 思 考 题（1）补偿法的基本原理是什么？从分析电位差计基本线路中三个回路的作用入手，说明补偿法的优点。（2）校准（或测量）时，如果无论怎样调节电流调节盘（或测量盘），电流计总偏向一侧，可能有哪几种原因？（3）等臂电桥、卧式电桥和立式电桥在