传感检测技术及其应用 第8章

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如图8－3所示。运放A1组成I－V变换电路，运放 A2组成反相输入端比例放大器。所谓恒流工作电路 是指流过铂电阻RT的电流为规定的恒定值。若设流 过铂电阻RT（t）的恒定电流为IIN，则根据电路结 构可作传递函数图如图8－3－1所示。
I IN
RT (t )
eOUT
e2
R5 RP 2 VOUT R4
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连接导体定律是工业上运用补偿导线进行温度测量的 理论基础。用公式表示为 E ABBA (T , Tn , T0 ) E AB (T , Tn ) E AB (Tn , T0 )
（3）中间温度定律 对于图8－29，当导体A与A’、B与B’材料分别相同时 ，连接导体定律为 E AB (T , Tn , T0 ) E AB (T , Tn ) E AB (Tn , T0 ) 回路总热电势等于EAB(T,Tn)与 E AB (Tn , T0 ) 的代数和 。Tn称为中间温度。 （4）参考电极定律
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r1 I1 6 e1
R1
Vs=e1-e2=I(2r+Rt)-IR4=I(Rt-R4)+2Ir 2Ir为引线电阻的影响。 2.三线制 若I1=I2=I,r1=r2=r3=r 则有e1=I1(r1+Rt ) +（I1+I2）r3 = (3Ir+IRt) R e2=I2(RD+r2)+(I1+I2)r3 = (3Ir+IRD) 所以VS=e1-e2 =I(RD-Rt)
B ( T 1 ) T
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热敏电阻与热电阻相比，其特点为： （1）灵敏度高，约为热电阻的10倍； （2）体积小，重量轻，热惯量小，适用于点温度 测量和动特测量； （3）阻值大，不需要考虑引线带来的误差； （4）工作寿命长； （5）非线性误差大，常需要进行非线性补偿。
三、热敏电阻的线性化化 1.串联电阻法 串联电阻的大小为
R1 RT (T0 ) B 2T0 B 2T0
RT E R1
选择的平衡点温度，一般为测温区间的中点附近。
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2.并联电阻法 并联定值电阻R1，则复合电阻为
Rc (T ) R1 RT (T ) R1 RT (T )
RT R1
3.电桥法 如图所示，在测量范围不大时，可以获得较满意的 结果。
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这种现象称为热电效应。热电效应 产生的热电势由接触电势和温差电 势两部分组成。 接触电势： 温差电势： 结论： （1）如果热电偶两电极的材料相同，即NA=NB,σA =σ B，虽然两端温度不同，但闭合回路的总热电势仍 为零。因此，热电偶必须用两种不同的材料作电极。 （2）如果热电偶两电极材料不同，而热电偶两端的 温度相同，即T=T0，闭合回路中也不产生热电势。
若要求电路输出电压VOUT的温度灵敏度为10mV/度 ，则可求得A2的放大倍数为
R5 RP 2 10mV / C A2 2.720 R4 3.676mV / C
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若R2=10kΩ，R5＝24kΩ，则RP2=3.2kΩ 若取对应0度输出电压为0V，和500度对应电压为5V 的连线为拟合直线，并令250度的输出在拟合直线的 中点，则可求得在250度时输出相对最大满刻度输出 的相对非线性误差约为2％，如图所示。所以精确测 量时，应对非线性进行线性化校正。
eOUT
R5 VIN R6 RP1
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2.恒压工作电路
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8.2热敏电阻传感器及应用
热敏电阻是由金属氧陶瓷半导体化物材料经成 形、烧结等工艺制成的对温度敏感的元件。 一、热敏电阻分类及结构 热敏电阻(Thermistor)常分为三类： 负温度系数热敏电阻(NTC－Negative Temperature Coefficient Thermistor)，其阻值随温度上升而减 小。使用温度范围为－50℃~＋300 ℃，主要用于温 度测量；正温度系数热敏电阻(PTC－Positive TemPerature Coefficient Thermistor),其阻值随温度上 升而增大，具有开关特性， －50℃~＋150 ℃ ；临界 温度热敏电阻(CTR－Critical Temperature Resistor)
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1.铂热电阻 铂热电阻性能稳定、重复性好、精度高，所以 在工业上得到了广泛应用。其测量范围一般为200～650℃。 数学模型：当温度t在-200 ℃～0 ℃时：
Rt R0[1 At Bt 2 Ct 3 (t 100)]
当温度t在0 ℃～640 ℃时：
Rt R0[1 At Bt 2 ]
Rt R0[1 At Bt 2 Ct 3 ]
式中：A—系数（4.28899×10-3/ ℃ ）； B—系数（-2.133×10-7/ ℃ ） C—系数（1.233×10-9/ ℃ ） 模型2：为了计算简单，常用二项式来计算 Rt R0[1 0 (t t0 )] α 0为在初始温度t0℃为时的温度系数。
R5 RP 2 I IN RT (t ) e2 R4
R5 RP 2 (3.96847103 T 0.5847106 T 2 ) R4
0 C ~ 500 C 。当t=500度，可由 设输入温度范围为 eOUT求出A1的满度输出及灵敏度分别为
eOUT 1.83806V ) ( k 3.676m V / C
I
' IN
R2 eOUT eOUT 4 105 eOUT R3 ( R4 RP 2 ) R2 R3 ( R4 RP 2 )

由于A1的同相端接地，而在0度时输出电压不为零。 为了在0度时使电路的输出电压VOUT为零，对运放
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对运放A2的反相端引入偏置电路RP1、R6,使0度时运 放A2的反相电位为零，从而使电路输出电压VOUT为 零。由此可以求得在0度时运放A1的输出电压 eOUT（0）与偏置量的关系
% 2 500
250
t C
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由VOUT可知，恒流工作基本方程的输出电压二次项 系数为负值，因此必须采用正反馈对二次非线性项进 行补偿，如图8－4所示。由运放A3对运放A1组成的 I－V变换器的输出信号eOUT反相后形成电流负反馈 ，输入运放A1的反相输入端。根据电路可求得反馈 电流I’IN及反馈系数为
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8.1热电阻传感器及应用
热电阻传感器的原理是基于热电阻效应:物质的电 阻率随温度变化而变化的现象。 一、热电阻材料的特点及性能 电阻温度系数高，以提高其灵敏度。 电阻率（比电阻）高，以减少电阻尺寸。 热容量要小，以提高其响应速度。 物理和化学性能稳定。 线性度好。 良好的工艺性。 目前最广泛使用的热电阻丝材料是铜（Cu)和铂 (Pt)，另外随着低温和超低温测量技术的发展，已 开始采用铟、锰等作为热电阻的材料。
RT (t ) 1000 1 3.96847103 T 5.847107 T 2 )() ( eOUT e2 I IN RT (t ) (3.96847103 T 0.5847106 T 2 )
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所以 VOUT
I1 R1 r1 e1
VB
I2 R2
VS
e2
t
r2
C1
RD
C2
r3
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4.四线制 r1=r2=r3=r4 如右图，e1=I(Rt+r4) e2=Ir4 则Vs=e1-e2=IRt
r1 r2
e1
Rt
e2
r3
VS
I
r4
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三、铂热电阻应用的基本电路 1.恒流工作电路
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二、热电阻种类及接线方式 丝状热电阻 热电阻 薄膜热电阻 厚膜热电阻 在工业应用中，敏感元件多放置在工作现场， 而仪表、控制室则距离较远，因此必须考虑长距离传 送的引线影响问题。工业中常用二线制、三线制、四 线制电桥。 1.二线制 r1=r2=r,I1=I2=I,Vs=e1-e2 e1=I1(r1+Rt+r2)=I(2r+Rt) e2=I2R4=IR4
传感检测技术及其应用 第二篇 典型传感器的原理 及其应用技术
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第八章 热电式传感器及应用
热电式传感器概念 利用转换元件电磁参量随温度变化的特性，对温 度和与温度有关的参量进行检测的装置。 分类 热电阻传感器：温度的变化转化为电阻变化。 金属热电阻式传感器简称为热电阻。 半导体热电阻式传感器简称为热敏电阻。 热电偶传感： 将温度变化转换为热电势变化。
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串联在热敏电阻中的R的最佳值为
R RM ( RL RH ) 2 RL RH RL RH 2 RM
四、测量电路 1.串联测量电路路
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2.电桥测量电路
五、热敏电阻应用 1.温度控制
2.温度测量
3.其它应用
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8.3 热电偶传感器及应用
E AB (T , T0 ) E AC (T , T0 ) EBC (T , T0 )
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参考电极C与各电极配对时总热电势 为与两电极A、B配对后电势之差。 二、热电偶材料、分类及结构 1.热电偶材料 2.热电偶分类 3.热电偶的结构 三、补偿导线与冷端补偿 1.补偿导线