温度传感器的应用

温度传感器的应用 温度传感器的应用 温度传感器的类型 温度传感器的测温范围 电桥 用比较法测量各种量(如电阻、电容、电感等)的仪器。最简单的是由四个支路组成的电路。各支路称为电桥的“臂”。如图电路中有一电阻为未知(,2)，一对角线中接入直流电源,，另一对角线接入检流计,。可 ,,以通过调节各已知电阻的值使,中无电流通过，则电桥平衡，未知电阻,21??,,/,3。 图2中，非平衡电桥的BD两端接负载电阻为Ro的电压表。该电桥不需要调平衡，只要测量输出电压Uo或电流Io，就可得到Rx值。 当负载电阻Ro??(即电桥输出处于开路状态)时，Io 0，电桥输出端接数字电压 电桥 R0较大时，I0趋向于零 因Io 表或高输入阻抗放大器时属这种情况。 0，故I1 I4，I2 I3，根据分压原理，输出电压Uo为: 即 设室温t t0时，Rx Rx0，当温度t t0+D t时，Rx Rx0+DRx，由(4-22-3)式求得电压Uo为: 测温原理 由于温度变化而引起的温度传感器的阻值变化较小，通常采用电桥构成放大器。当温度传感器的阻值发生变化时，电桥的两臂出现不平衡。这使得电桥输出一 个毫幅级的电压而供中间级放大器放大，再经后续电路测量。 电桥输出电压的值可以通过下式求得: 热电阻传感器 热电阻:电阻值随温度变化的温度检测元件。 金属热电阻的阻值与温度的关系: RT R0[1+a T-T0 +b T-T0 2...] 式中，Rt为温度t时的阻值;Rt0为温度t0(通常t0 0?)时对应电阻值;α 为温度系数。 半导体热电阻的阻值与温度的关系: RT AeB/t 式中Rt为温度为t时的阻值;A、B取决于半导体材料的结构的常数。 采用热电阻构成的测温仪器有电桥、直流电位差计、电子式 自动平衡计量仪器、动圈比率式 计量仪器、动圈式计量仪器、 数字温度计等 用热电阻进行温度测量时的接法有四线式接法、三线式接法、 二线式接法 热电阻传感器的四线式接法 为了消除热电阻测量电路中电阻体内 导线以及连线引起的误差，在右图所 示的电桥及直 流电位差计或数字电压 表中，热电阻体采用,线连接方式， 这样，可用于对标准电阻温度计进行 校正，并能对温度进行高精度的测 量。 如图所示为热电阻传感器构成的电桥测温计。图中，,,为热电阻体构成的电阻元 件，,为检流计或微电流检测器，,为固定电阻，R,,,,为平衡调节电阻，S为切换开关,L1、L2为热电阻体内导线。 检流计上部的电压: VGU VGD [R4/ R3+R4 ]U [RX/ RX+R ]U 下部的电压: 检流计的电压: VG VGU-VGD RXR3-R4R /[ R3+R4 R+RX ] .U 由上 另一种四线式接法 式可见只要RX的值发生变化，则VG发生变化 右图中R为固定电阻， R,,,,为平衡调节电 阻，S为切换开关,L1、L2为热电阻体内导线。 设R1的左半部分电阻为R10,右半部分电阻为R11. R2的左半部分电阻为R20,右半部分电阻为R21.R3 的左半部分为R30,右半部分为R31. 当S接到A时: 检流计的左半部分电压为:VGL [ R30+R10 / R+R10+R30 ]U 右半部分电压为:VGR [ RX+R21 / RX+R21+R ]U 则检流计和R11、R20两边的电压为: VG VGL-VGR R21R30+RR30-RXR1-RRX /[ R+R1+R30 RX+R21+R ] U 当S接到B时: 检流计的左半部分电压为:VGL [ R30+R10+RX / R+R10+R30+RX ]U 右半部分电压为:VGR [R21/ R21+R ]U 则检流计和R11、R20两边的电压为: VG VGL-VGR R21R-RR30-R10R-RRX /[ R+R10+R30+RX R21+R ] 热电阻构成电位差计或数字电压表 ,,为热电阻体构成的电阻元件，,,为标准电阻，,,为电流调节电阻，,为切换开关。 VRs [RS/ Rh+RS+RX ]U VRx [Rx/ Rh+RS+RX ]U 通过电位差计或数字电压表测出 VRs与VRx的差值从而确定出温度 温度传感器的三线式接法 图;)为电子自动平衡式计 量仪器 ，图,)为数字式温度计 设RP上端的电压为RPU,下端电压为RPD, 图C 中放大器两边的电压为: UA [ 2RPD+Rx-R-RP / 2RP+2R+Rx ]U 三线式接法能消除误差的原理 PT100引出的三根导线截面积和长度均 相同 即r1 r2 r3 ，测量铂电阻的电路 一般是不平衡电桥，铂电阻 Rpt100 作 为电桥的一个桥臂电阻，将导线一根 r1 接到电桥的电源端，其余两根 r2、r3 分别接到铂电阻所在的桥臂及与其相邻 的桥臂上，这样两桥臂都引入了相同阻 值的引线电阻，电桥处于平衡状态，引 线线电阻的变化对测量结果没有任何影 响。 热电阻传感器的二线式接法 右图所示电路为采用,线式连接方 这种接线方式不能消除连线电阻随温度 变化引起的误差，为此，应式， 确保连线电 阻值远低于测温的热电阻值。一定要将 外部的电阻值调整到 仪器的测量端计量仪器说明书中 提供的标称值。外部电阻是指接在计量 子外侧的导线及测温热电 阻体内导线所组成的电路的电阻，不包 括由热电阻体构成的电阻元件的电阻。 采用热电阻进行高精度的温度测量时， 不希望采用,线式连接方式，即使采用也要使用电阻补偿导线 检流计两边的电压为: UG RxR-RRP /[ R+Rx R+RP ] U 采用电阻补偿导线的,线式连接方式 采用这种2线式接法和三线式接法有同样的效果 图a)为电桥或动圈式测温计，图b)为电子自动平衡式计量仪器 3线式铂热电阻 实用电路 相关计算 起始值 由于A1放大器的虚短和虚段特性,V+ V-,I+ I- 0 ,则RA和RB两端的电压为稳压管两端的电压，即是5V ,所以VT1集电极的电流为:i 5/ RA||RB 1mA RT的初始阻值为:RT 100Ω B点电压为:VB 1 mA X 2r+100 b点电压为:VA 1 mA X r+100 先讨论r对电路的影响 此时R0 R1 0 : 从B点看，则b 点电压为0，此时,V+ V- 0,流过R2和R3电流相同，则增益为: A1 - R3/R2 1+R5/R4 - 1+R5/R4 从b点看，则B点电压为0，由虚 短和虚断特性，且R2 R3增益为: A2 1+R3/R2 1+R5/R4 2 1+R5/R4 则输出为:U0 VBA1+VAA2 100 1+R5/R4 当温度无变化时电路输出电压为0: B'点的电压为 此时此时R0 R1?0 :VB' 1 mA X 2r+200 ，从B'点看到的增益和从B看到的增益相同，而且b点增益也不变。 则输出电压为:U0 VB'A1+VAA2 0 相关计算(动态值) 当温度变化时，设电阻值变化为?R. 由前面知道:VB' 1 mA X 2r+200+?R VA 1 mA X r+100+?R 电路的增益不变，则电路的输出值: U0 VB'A1+VAA2 - 1+R5/R4 X1 mA X 2r+200+?R +2 1+R5/R4 X1 mA X r+100+?R 1+R5/R4 ?R mV 可见，电路输出信号的增益主要取决于R5/R4的比值。- 调节R5/R4的比值 就可以改变电路增益的大小。 电容的作用 滤波电容用在 去耦电容用在放电源整流电路中，用来滤除交流成分。使输出的直流更平滑。 大电路中不需要交流的地方，用来消除自激，使放大器稳定工作。 旁路电容用在有电阻连接时，接在电阻两端使交流信号顺利通过。 在数字电路中由于电路有很高的频率，就对电流的需求忽高忽低，使得电源有了一定频率的变化。所以在一般的数字IC的电源旁路都有去耦电容，大小一般为0.1uF. 0.1μF的去耦电容对于10MHz以下的噪声有较好的去耦效果，对40MHz以上的噪声几乎不起作用。1μF、10μF的电容，并行共振频率在20MHz以上，去除高频噪声的效果要好一些. 对于同一个电路来说，旁路(bypass)电容是把输入信号中的高频噪声作为滤除对象，把前级携带的高频杂波滤除，而去耦(decoupling) 电容也称退耦电容，