傳感技術(shù)自學(xué)報(bào)告-“傳感技術(shù)”自學(xué)報(bào)告之一溫度測量傳感器設(shè)計(jì)報(bào)告姓名：班級：學(xué)號：2015年11月26日PAGEII---PAGEI-目錄第1章溫度測量文獻(xiàn)綜述 11.1溫度測量的意義 11.2溫度測量的現(xiàn)狀 21.2.1熱電偶傳感器21.2.2熱敏電阻傳感器31.2.3熱電阻傳感器5第2章總體方案設(shè)計(jì) 72.1方案一 72.2方案二 82.3方案分析對比 102.4小結(jié) 10第3章具體設(shè)計(jì)與特性分析 113.1傳感器設(shè)計(jì) 113.2轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì) 113.3傳感器總體分析 123.4使用條件和誤差補(bǔ)償 133.5仿真實(shí)驗(yàn) 133.6小結(jié) 13總結(jié) 14參考文獻(xiàn) 15心得體會16-PAGE10--PAGE15-溫度測量文獻(xiàn)綜述溫度測量的意義人類的生活離不開溫度，無論是在農(nóng)業(yè)、還是在醫(yī)療、或者是工業(yè)、氣象等領(lǐng)域，溫度與人類息息相關(guān)。而依靠人體自身的感官是不能精確的感受到一些細(xì)小的溫度變化的，應(yīng)此，溫度傳感器就在這種條件下應(yīng)運(yùn)而生。 在農(nóng)業(yè)上，利用溫度傳感器，可以預(yù)測即將到來的天氣變化，從而最大程度上避免農(nóng)作物遭受自然災(zāi)害的損失。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，可以通過對人體體溫的測量來判斷一個人是否患有某種疾病。在工業(yè)上，生產(chǎn)鋼鐵所用到的到高爐，其上就安裝有溫度傳感器，以便工廠隨時掌握鋼材的煉制情況。在氣象領(lǐng)域，溫度則更是一個極其重要的指標(biāo)，人們的日常生活必然受到天氣因素的影響，而溫度傳感器就是發(fā)布天氣預(yù)報(bào)時所依據(jù)的重要表征之一。由此可見，溫度傳感器已經(jīng)成為了人們生活中必不可少的一種傳感元件，也必將在以后的長久一段時間內(nèi)服務(wù)于人們的生活。一般來說，溫度傳感器常常以探頭，或者是探針的形式存在，因此其體積較小，安裝與更換也比較方便，自身精度較高，且穩(wěn)定性好，測溫范圍較大，根據(jù)分類不同，常用的熱電式傳感器的測溫范圍一般在-50度-800度之間，而采用鉑金作熱電材料的熱電式傳感器，其測量最高溫度，可以達(dá)到2300度左右，且穩(wěn)定性好，誤差范圍總體一般在+/-0.5-1度之間。因此，總體而言，溫度測量傳感器的測量精度是比較高的。但與此同時，溫度傳感器還存在一些較為普遍的問題：熱電極材料損耗較大，易發(fā)生老化。某些利用鉑金等貴金屬材料制成的熱電偶傳感器成本較高。熱電式傳感器中的熱電勢曲線是由其熱端溫度和冷端溫度同時決定的，同時，其輸出曲線按照冷端溫度為零度時作為參照，而實(shí)際應(yīng)用中，由于冷端暴露在空氣中，因此，冷端溫度不可能維持在0度保持不變，因此，勢必帶來測量上的誤差。 溫度測量的現(xiàn)狀自從1600年，伽利略發(fā)明氣體溫度計(jì)以來，溫度傳感器在制作工藝和精度上不斷超越前人，達(dá)到新的高度，我國自改革開放以來，在國內(nèi)外信息產(chǎn)業(yè)市場需求推動的情況下，研究人員研發(fā)了各式各樣的溫度傳感器，但與國外的技術(shù)相比，我國仍然處于研究的發(fā)展階段，相信伴隨著國內(nèi)一線科研人員的不斷努力，我國在溫度傳感器上的仍然是有較大潛力的。目前：常用的溫度傳感器主要分為以下幾種：這里，我們結(jié)合《傳感技術(shù)》一書中的內(nèi)容，選取熱電偶傳感器、熱敏電阻傳感器以及熱電阻溫度傳感器進(jìn)行介紹。熱電偶傳感器<1>熱電偶傳感器概述：熱電偶傳感器是基于熱電效應(yīng)工作的。熱電效應(yīng)指的是將兩種不同材料的導(dǎo)體A和B串接成一個閉合回路，當(dāng)兩個節(jié)點(diǎn)溫度不同時，在回路中就會產(chǎn)生熱電勢，形成電流。熱電偶傳感器原理圖如下：熱電偶傳感器其熱電勢是由接觸電勢和溫差電勢組成的，其中，接觸電勢指的是：由于不同金屬導(dǎo)體材料具有的自由電子密度不同，當(dāng)兩種不同的金屬導(dǎo)體接觸時，會在其接觸面上發(fā)生電子擴(kuò)散，從而產(chǎn)生電勢差。如上圖所示。而溫差電勢指的是：因?qū)w兩端溫度不同而產(chǎn)生的電勢差，其原理是由于溫度梯度的存在改變了電子的排布情況，使得高溫端電子向低溫端擴(kuò)散形成電勢差的這樣一個過程，如下圖所示：因此，熱電偶回路中的總電勢為:當(dāng)參考端溫度恒定時，總的熱電動勢就變成了測量端溫度T的單值函數(shù)，這也就是熱電偶傳感器測量溫度的基本原理。<2>熱電偶傳感器的分類:按照熱電偶結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行分類：普通型熱電偶、鎧裝型熱電偶、薄膜熱電偶等。按照熱電偶材料進(jìn)行分類：鉑-銠合金熱電偶、純銅-銅鎳熱電偶、鐵-銅鎳熱電偶等。<3>熱電偶傳感器的特點(diǎn):◆裝配簡單，更換方便◆壓簧式感溫元件，抗震性能好◆測量范圍大（－200℃～1300℃,特殊情況下－270℃～2800℃）◆機(jī)械強(qiáng)度高，耐壓性能好◆耐高溫可達(dá)2800度熱敏電阻傳感器<1>熱敏電阻傳感器概述:熱敏電阻是利用半導(dǎo)體材料的阻值隨溫度變化而發(fā)生變化的原理來進(jìn)行工作的，它的主體是利用鐵、鈷、鎳等材料進(jìn)行聯(lián)結(jié)燒制而成的，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，熱敏電阻的穩(wěn)定性也在不斷提高。而熱敏電阻本身則是熱敏電阻傳感器的主要構(gòu)成。<2>熱敏電阻傳感器的分類：按照熱敏電阻的溫度特性可分為:負(fù)電阻溫度系數(shù)(NTC)型傳感器和正電阻溫度系數(shù)(PTC)溫度傳感器.其中，負(fù)電阻溫度特性傳感器的電阻——溫度關(guān)系曲線(在室溫為25度的情況下)為:在一般條件下，其表達(dá)式為：式中，RT、RT0代表溫度為T、T0時熱敏電阻器的電阻值；BN代表NTC熱敏電阻的材料常數(shù)。實(shí)驗(yàn)表明，在溫度小于450度時，這個公式都是成立的，因此它可以作為一個小范圍內(nèi)的近似公式。同樣，正電阻溫度特性傳感器的電阻——溫度關(guān)系曲線(在室溫為25度的情況下)為:它的特性是利用正溫度熱敏材料在居里點(diǎn)附近電導(dǎo)率發(fā)生突變的情況來取得的。它的溫度—電阻特性也可以用一下的公式進(jìn)行近似表示：式中RT、RT0——溫度分別為T、T0時的電阻值；BP——正溫度系數(shù)熱敏電阻器的材料常數(shù)。<3>熱敏電阻傳感器的特點(diǎn):◆靈敏度高，感應(yīng)溫度范圍小?！魣?jiān)固、耐用性好。◆價格低廉，性價比高◆部分電阻采用玻璃封裝的方法，消除空氣中濕氣的影響。熱電阻傳感器<1>熱電阻傳感器的概述:與熱敏電阻類似，同樣也是利用電阻的阻值隨溫度變化而發(fā)生變化的原理，但與熱敏電阻不同的是，它所用的材料一般為金屬單質(zhì)，且其本身熱電阻變化僅與電阻本身的性質(zhì)有關(guān)。而熱敏電阻自身是一種半導(dǎo)體元件。<2>熱電阻傳感器的分類：按照其組成電阻的金屬材料進(jìn)行分類，并沒有其他特別的分類方法，總體說來可以分為鉑熱電阻和銅熱電阻。以下是鉑熱電阻和銅熱電阻的一些主要參數(shù)：熱電阻傳感器的主要原理如下：其中，電阻絲采用雙線繞制法在具有一定形狀的云母、石英或陶瓷塑料支架上，支架起到了支撐或絕緣的作用。鉑熱電阻溫度——電阻相關(guān)公式:(1)在-200度到0度的范圍內(nèi)：(2)在0度到650度的范圍內(nèi):銅熱電阻溫度——電阻相關(guān)公式:其中，A、B、C為常數(shù)，常取A＝(4.25～4.28)×10-3/℃<3>熱電阻傳感器的特點(diǎn):◆電阻溫度系數(shù)較大，以提高熱電阻靈敏度◆熱容量小，以提高熱電阻響應(yīng)速度◆在測量范圍內(nèi)具有穩(wěn)定的物理和化學(xué)性能◆輸出電阻與溫度的關(guān)系接近于線性◆具有良好的可加工性，且價格便宜◆電阻率大，以減小加工尺寸。//本章給出的各項(xiàng)內(nèi)容要求有參考文獻(xiàn)支持，要求將參考文獻(xiàn)標(biāo)注在相應(yīng)位置。參考文獻(xiàn)包括著作、教材、論文、技術(shù)報(bào)告、說明書、網(wǎng)頁等。//總體方案設(shè)計(jì)本章給出至少2種方案的詳細(xì)原理，并選擇其一作為第3章設(shè)計(jì)內(nèi)容。方案一熱電式金屬材料鑒別儀設(shè)計(jì)原理:熱點(diǎn)式金屬材質(zhì)鑒別儀是一種利用熱點(diǎn)效應(yīng)設(shè)計(jì)的無損檢測裝置。同時，而金屬的熱電勢包括溫差電勢和接觸電勢，其中，溫差電勢與導(dǎo)體的材料和兩端溫度有關(guān)，因?yàn)樵撾妱莺苄?，因此，可以認(rèn)為該電勢僅與導(dǎo)體材料性質(zhì)有關(guān)。（2）設(shè)計(jì)思路:（3）原理框圖：（4）詳細(xì)說明：由實(shí)驗(yàn)原理和示意圖可知：上圖所示的金屬材料鑒別儀，它的兩個電極由相同材料構(gòu)成，其中一個電極被均勻加熱，當(dāng)被測金屬與兩個電極進(jìn)行接觸時形成兩組熱電回路，一組被測金屬與銅電極形成熱點(diǎn)回路，另一組由康銅和銅組成的熱點(diǎn)回路，由于電極均勻加熱，而絕緣體又具有良好的導(dǎo)熱性，因而兩組熱點(diǎn)回路具有相同的接點(diǎn)溫度（T、T0），其相應(yīng)電勢為:設(shè)，兩組熱點(diǎn)回路電勢的比值為Y，則：由此可見，Y值只隨著被測金屬σx的和Nx的值得變化而發(fā)生變化，溫度變化對Y值基本沒有影響。方案二窄溫區(qū)單個熱敏電阻溫度傳感器的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)原理:對測量范圍在5攝氏度以內(nèi)的窄溫區(qū)，如果誤差要求不太高，可以用一個熱敏電阻，使其在等間隔的三個溫度點(diǎn)上誤差為零，其設(shè)計(jì)思路如下圖所示。（2）設(shè)計(jì)思路:（3）原理框圖:（4）詳細(xì)說明:對于上圖中的a電路，假設(shè)Ta、Tb、Tc為三個等間隔的溫度點(diǎn)，Ra、Rb、Rc分別為溫度Ta、Tb、Tc時所對應(yīng)的電阻值。因此，其等效電阻為：由等間隔線性化條件得到： Rpa、Rpb、Rpc分別是Ta、Tb、Tc時并聯(lián)等效電阻，將（1）式代入（2）式中可以得到， 對上圖中的b電路可以用類似方法進(jìn)行推導(dǎo)，取電源E為定值，可得：利用等間隔線性化條件，得：將式（5）代入式（6）后可得：此式與（3）式完全相同，線性化電阻R為：方案分析對比綜合討論過后，我們認(rèn)為，方案二在對傳感器進(jìn)行加工方面都較方案一容易實(shí)現(xiàn)一些，同時，方案二的實(shí)驗(yàn)結(jié)論也更容易得到，因?yàn)樵诜桨敢恢?，雖然熱電勢可以近似看做只與金屬材料本身有關(guān)，但實(shí)際上，金屬本身由于氧化性而在表面形成的包膜容易影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果，從而造成較大的誤差，而在實(shí)驗(yàn)二中，我們只需要通過取溫度——電阻關(guān)系曲線上的等間距點(diǎn)并加以一定的數(shù)學(xué)分析與運(yùn)算就可以得出結(jié)論，因此，我們最終還是將方案二保留到了下一個環(huán)節(jié)當(dāng)中。小結(jié)本章中，通過對兩個具體的熱電式傳感器的分析使我了解到了更多的有關(guān)熱電式傳感器方面的應(yīng)用，同時，也對熱電式傳感器有了更大的探索興趣，例如，方案一中利用熱電阻對金屬材料的無傷探測可以運(yùn)用在考古領(lǐng)域，從而能在很大程度上保護(hù)文物，方案二中單熱敏電阻測量溫度的方案，在一定的小范圍之內(nèi)還是有較高的精確度的，因此，它完全可以運(yùn)用在我們的日常生活當(dāng)中，對于冰箱冷藏室溫度的測量，其原理簡單，且易于實(shí)現(xiàn)，在測量范圍不大的領(lǐng)域是一個很不錯的選擇。具體設(shè)計(jì)與特性分析傳感器設(shè)計(jì)傳感器設(shè)計(jì)框圖及原理在上一章節(jié)中的方案二中已經(jīng)進(jìn)行闡述，根據(jù)下圖中熱敏電阻的溫度特性曲線可以制作成一個測量范圍在0-50攝氏度之間的溫度傳感器。通過測量阻值的變化情況就可以獲得近似的溫度——電阻擬合曲線，如圖3-1所示：轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)參考方案二中的電路圖b，可看做單熱敏電阻的基本電路，同時，被測溫度的量的變化可以通過外接萬用表實(shí)現(xiàn)輸出，將熱敏電阻的阻值所對應(yīng)的電壓通過差動式放大器進(jìn)行比較，從而最終得出熱敏電阻此時的阻值大小，在取得三個等間距點(diǎn)以后，多次進(jìn)行測量即可繪制出相應(yīng)的溫度——電阻特性曲線，從而完成窄溫溫度傳感器的測量工作。最終得出以下轉(zhuǎn)換電路圖:圖3-2傳感器總體分析方案二中b電路圖熱敏電阻Rf與常量電阻R是串聯(lián)的，電阻R兩端的電壓Er隨著溫度的增加而增加，設(shè)，電源電壓E保持在1.0V，則R兩端的電壓為：在實(shí)驗(yàn)條件下，分別取三次等間隔點(diǎn)，即：Ta=3攝氏度，Tb=25攝氏度，Tc=47攝氏度的情況下，經(jīng)測量得出Ra=44460歐姆，Rb=18600歐姆，Rc=8699歐姆，代入上式中可得：Ea=0.232749V，Eb=0.420328V，Ec=0.607909V，同樣可以算出給定溫度范圍內(nèi)所對應(yīng)的電壓值。在0-50攝氏度的測量中，溫度變化量為：R兩端電壓變化量e為0.441184V，為使放大器輸出電壓發(fā)生變化，0.01V與溫度變化1攝氏度相對應(yīng)，則要求放大器的增益G如下所示：使用條件和誤差補(bǔ)償使用條件：小范圍高精度的溫度測量。誤差補(bǔ)償：任意誤差點(diǎn)Ta上的輸出電壓Ea為：因此，在任意一點(diǎn)Ta上的溫度誤差為：仿真實(shí)驗(yàn)利用Multisim軟件進(jìn)行仿真的電路圖由3.2節(jié)中電路圖所示。熱敏電阻Rt與固定電阻R并聯(lián)后的等效電阻Rp可用方案二中的（1）式計(jì)算，進(jìn)行仿真后可以得到如下的線性化擬合溫度——阻值特性：圖3-3小結(jié)本章中，我們完成了對窄溫?zé)崦綦娮鑲鞲衅鬟M(jìn)行的設(shè)計(jì)與仿真，在輸出的轉(zhuǎn)化電路上采用了差動式運(yùn)算放大器的結(jié)構(gòu)以便更直觀地觀測熱敏電阻與常量電阻的阻值差，構(gòu)思巧妙，同時，仿真實(shí)驗(yàn)的擬合結(jié)果也與實(shí)驗(yàn)結(jié)果較為吻合，因此，采用該種放大電路可在0-50攝氏度的小范圍溫度測量中給人們帶來比較大的便利。結(jié)論經(jīng)過上述設(shè)計(jì)及仿真后可以得到如下結(jié)論：<1>熱敏電阻傳感器的熱電勢與溫差電勢和接觸電勢有關(guān)，由于溫差電勢本身的問題，因此，其最終的熱電勢大小可看做與自身熱電阻材料的性質(zhì)有關(guān)。<2>本次設(shè)計(jì)的窄溫金屬溫度傳感器具有如下優(yōu)缺點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：設(shè)計(jì)原理簡單，思路清晰。電路結(jié)構(gòu)易實(shí)現(xiàn)，易裝配在小范圍溫度測量時精度較高，至少能保證小數(shù)點(diǎn)后三位的有效精度。成本低廉，適用于日常生活中的一些溫度測量。結(jié)果采用數(shù)字化顯示，清晰直觀。缺點(diǎn)：1.待測金屬表面氧化膜可能會影響最終的測量結(jié)果。2.由于溫差電勢依然存在，