简明大学物理实验教程 课件 ch7 温度传感器综合与设计性实验

第七章温度传感器综合与设计性实验物理学-实验-高等学校-教材简明大学物理实验教程01温度传感器及DH-SJ5实验装置PARTONE一、温度传感器(一）电阻式温度传感器电阻式温度传感器是利用导体或半导体的电阻率随温度而变化的原理制成的。按照其制造材料来分，电阻式温度传感器可分为金属热电阻（简称热电阻）和半导体热电阻（简称热敏电阻)。一、温度传感器(二）半导体温度传感器PN结半导体温度传感器是利用半导体PN结的温度特性制成的。其工作原理是PN结两端的电压随着温度的升高而减小。PN结半导体温度传感器具有灵敏度高、线性好、热响应快和体积轻巧且价格低廉等特点，尤其是温度数字化、温度控制及用微机进行温度实时信号处理等方面，乃是其他温度传感器所不能比拟的。目前，结型温度传感器主要以硅为材料，原因是硅材料易于实现功能化，即将测温单元和恒流、放大等电路组合成一块集成电路。结型温度传感器在不少仪表里用来进行温度补偿，特别适合对电子仪器或家用电器的过热保护，也常用于简单的温度显示和控制。不过由于PN结受耐热性能和特性范围的限制，只能用来测量150℃以下的温度。一、温度传感器(三）热电偶传感器将两种不同的金属丝一端熔合起来，如果给它们的联结点和基准点之间提供不同的温度，就会产生电动势，称为热电动势，这种现象叫作塞贝克效应。利用这种原理制成的传感器叫作热电偶传感器，简称热电偶。热电偶数字显示测温技术是当前生产实际中常用的测试方法，它比一般的温度计测温方法有着测量精度高、测量范围广、性能稳定、结构简单、使用方便等优点；其次，它的电量数字化还可以对工业生产自动化中的温度量直接起着监控作用。一、温度传感器(三）热电偶传感器1.热电偶传感器测温基本原理将两种不同材料的导体或半导体A和B焊接起来，构成一个闭合回路，如图7-1所示。若导体A和B的两结点温度T

和T0

不同时，即两结点之间存在温差时，则在该回路中就会产生电动势，因而在国路中将有一定大小的电流流动，这种现象称为热电效应。此电动势的大小除了与材料本身的性质有关,还决定于结点间的温差。一、温度传感器(三）热电偶传感器1.热电偶传感器测温基本原理由热电效应产生的电动势包括接触电动势和温差电动势。接触电动势是由于两种不同导体的自由电子密度不同而在接触处形成的电动势。其数值取决于两种不同导体材料的特性和接触点的温度。温差电动势是同一导体的两端因其温度不同而产生的一种电动势。其产生的机理为:高温端的电子能量要比低温端的电子能量大，从高温端跑到低温端的电子数比从低温端跑到高温端的要多，结果高温端因失去电子而带正电，低温端因获得多余的电子而带负电，在导体两端便形成温差电动势。一、温度传感器(三）热电偶传感器2．热电偶传感器的优点(1）测量精度高。因热电偶直接与被测对象接触，不受中间介质的影响。(2）测量范围广。测温范围极宽，从-270℃的极低温度到2600℃的超高温度都可以测量，而且在600～2000℃的温度范围内可以进行精确的测量（600℃以下时，铂电阻的测量精度更高)。某些特殊热电偶最低可测量-269℃（如金铁镍铬)，最高可达+2800℃（如钨-睐)。(3）构造简单，使用方便。热电偶通常是由两种不同的金属丝组成的，而且不受大小和开头的限制，外有保护套管，使用起来非常方便。(4）测温精度高、准确、可靠、性能稳定、热惯性小。通常用于高温炉的测量和快速测量方面。一、温度传感器(三）热电偶传感器3．铜-康铜热电偶的特点及结构常用热电偶可分为标准热电偶和非标准热电偶两大类。我国从1988年1月1日起，热电偶和热电阻全部按EC国际标准生产，并指定S、B、E、K、R、J、T七种标准化热电偶为我国统一设计型热电偶，实验室通常采用的热电偶传感器是铜-康铜热电偶。铜-康铜热电偶是一种常用的低温热电偶，其正极为纯Cu，负极为CuNi合金(Cu60%Ni40%)。铜-康铜价格低廉，且在低温下有较好的稳定性，可测-200℃的低温。在0~100°C范围内，铜-康铜热电偶被选定为三级标准热电偶，用于制作低温测量仪表。热电偶的几个概念。热电极：闭合回路中的导体或半导体A、B，称为热电极;工作端：两个结点中温度高的一端，称为工作端；参比端:两个结点中温度低的一端，称为参比端(自由端)。一、温度传感器(三）热电偶传感器3．铜-康铜热电偶的特点及结构为了保证热电偶可靠、稳定地工作，对它的结构要求如下：(1）组成热电偶的两个热电极的焊接必须牢固。(2）两个热电极彼此之间应很好地绝缘，以防短路。(3）补偿导线与热电偶自由端的连接应方便可靠。(4）保护套管应能保证热电极与有害介质充分隔离。一、温度传感器(三）热电偶传感器4．热电偶冷端的温度补偿由于热电偶的材料一般都比较贵重（特别是采用贵金属时)，而测温点到仪表的距离都很远，为了节省热电偶材料、降低成本，通常采用补偿导线把热电偶的参比端（冷端）延伸到温度比较稳定的控制室内，连接到仪表端子上。必须指出，热电偶补偿导线的作用只起延伸热电极、使热电偶的冷端移动到控制室的仪表端子上，它本身并不能消除冷端温度变化对测温的影响，不起补偿作用。因此，还需采用其他修正方法来补偿冷端温度t≠0℃时对测温的影响。在使用热电偶补偿导线时必须注意型号相配，极性不能接错，补偿导线与热电偶连接端的温度不能超过100℃。如图7-2所示，在热电阻的两端各连接一根导线来引出电阻信号的方式叫作二线制。这种引线方法很简单，但由于连接导线必然存在引线电阻r，r大小与导线的材质和长度有关，因此这种引线方式只适用于测量精度较低的场合。二、热电阻引线的三种方式1二线制如图7-3所示，在热电阻根部一端连接一根引线，另一端连接两根引线的方式称为三线制。这种方式通常与电桥配套使用，可以较好地消除引线电阻的影响，是工业过程控制中的最常用的引线电阻。二、热电阻引线的三种方式2三线制如图7-4所示，在热电阻根部的两端各连接两根导线的方式称为四线制，其中两根引线为热电阻提供恒定电流I，把R转换成电压信号U，再通过另两根引线把U引至二次仪表。可见这种引线方式可完全消除引线的电阻影响，主要用于高精度的温度检测。二、热电阻引线的三种方式3四线制(一）概述三、DH-SJ5型温度传感器实验装置DH-SJ5型温度传感器实验装置是以分离的温度传感器探头元器件、单个电子元件及以九孔板为实验平台来测量温度的设计性实验装置。该实验装置提供了多种测温方法，自行设计测温电路来测量温度传感器的温度特性。本实验装置采用智能温度控制器控温，具有以下特点:(1）控温精度高、测温范围广，加热所需的温度可自由设定，采用数字显示。(2)使用低电压恒流加热，安全可靠、无污染，加热电流连续可调。(3）本实验装置提供的是单个分离的温度传感器，形象直观，给实验带来了很大的方便，可对不同传感器的温度特性进行比较，更易于掌握它们的温度特性。(4）采用九孔板作为实验平台，提供设计性实验。(5）加热炉配有风扇，在做降温实验过程中可采用风扇快速降温。(6）整体结构设计新颖、紧凑合理，外形美观大方。电源电压：AC220V土10%(50/60Hz)；工作环境：温度0～40℃，相对湿度<80%的无腐蚀性场合；控温范围：室温~120C；温度控制精度：土0.2℃；分辨率：0.1℃；控制方式：先进的PD控制。(二）主要技术指标三、DH-SJ5型温度传感器实验装置(三）温控仪与恒温炉的连线三、DH-SJ5型温度传感器实验装置Pt100带红色端头的作控温用，控温Pt100的插头与温控仪上的插座颜色对应地相连接。即，红→红，黄→黄，蓝→蓝，如图7-5所示。警告:在做实验中或做完实验后，禁止手触传感器的钢甲护套！禁止打开恒温炉的外罩！02冷却法测量金属的比热容PARTTWO实验目的010203学会使用热电偶测量温度，学会用冷却法测量金属的比热容；以铜为标准样品，测量铁(或铝)样品在100℃时的比热容;了解金属的冷却速率与环境温差的关系，以及进行测量的实验条件。实验仪器实验仪器DH4603型冷却法金属比热容测量仪。牛顿在1701年发现，一个物体所损失的热量的速率与物体和其周围环境间的温度差是成比例的。所谓的损失热量的速率被称为散热速率或冷却速率，即当物体表面温度与周用存在温度差时，物体单位时间从单位面积散失的热量。牛顿认为散热速率与温度差成正比。牛顿冷却定律给出了温度高于周围环境的物体向周围媒质传递热量逐渐冷却时所遵循的规律。根据牛顿冷却定律用冷却法测定金属或液体的比热容是热学中常用的方法之一。实验原理实验原理实验原理实验原理实验原理03温度传感器设计性实验PARTTHERE1.研究Pt100铂电阻、Cu50铜电阻和热敏电阻(NTC和PTC)的温度特性及其测温原理。2.研究比较不同温度传感器的温度特性及其测温原理。3.掌握单臂电桥及非平衡电桥的原理及其应用。4.了解温度控制的最小微机控制系统。5.掌握实验中单片机在温度实时控制、数据采集、数据处理等方面的应用6.学习运用不同的温度传感器设计测温电路。实验目的实验原理1Pt100铂电阻的测温原理实验原理1Pt100铂电阻的测温原理实验原理2热敏电阻温度特性原理(NTC型)实验原理2热敏电阻温度特性原理(NTC型)实验原理3铜电阻测温原理与铂电阻一样，是