1、 传感与检测技术模块一 传感器及检测基本知识模块学习目标：模块学习目标：1.掌握传感器的概念、作用、分类和主要技术参数；2.了解传感器在各工程领域中的应用和发展趋势；3.掌握测量误差的定义、分类和表示形式；4.能进行测量误差和准确度的计算；5.掌握检测和转换电路的电路形式、原理和作用；6.能正确选用检测和转换电路。项目一项目一 传感器基本知识传感器基本知识 任务描述：任务描述：通过教材、参考书、网络搜集传感器的应用实例，加深对传感器基本知识的理解。学习目标：学习目标：1.掌握传感器的定义，明确传感器是什么；2.了解按不同分类方法分类传感器的种类；3.理解传感器主要技术参数的含义；4.了解传感器
2、的主要应用领域和发展趋势。学习准备：学习准备：资料：通过教学参考书和网络搜集传感器及应用的相关知识。任务一任务一 认识传感器认识传感器 知识准备：知识准备：1传感器的定义 传感器类似人的眼、鼻和口，是用来获取外界各种信息的元件。传感器就是利用物理、化学或生物效应，把被测的物理量、化学量、生物量等非电量转换为电量的器件或装置。在自动化控制系统中，传感器相当于是系统的感觉器官，传感器能快速、精确地获取各类信息，系统正是靠对这些信息的分析处理实现决策控制，使整个系统有序工作。传感器可以检测的信息范围很广，常见的输入、输出量和转换原理如表1-1所示。任务一任务一 认识传感器认识传感器 表1-1 传感器
3、的输入、输出量和转换原理任务一任务一 认识传感器认识传感器 2传感器的组成与分类（1）传感器的组成传感器一般由敏感元件、转换元件和转换电路三部分组成，如图1-1所示。任务一任务一 认识传感器认识传感器（2）传感器的分类（1）按被测量分类，可分为力学量、光学量、磁学量、几何学量、运动学量、流速与流量、液面、热学量、化学量、生物量传感器等。这种分类有利于选择传感器、应用传感器（2）按照工作原理分类，可分为电阻式、电容式、电感式，光电式，光栅式、热电式、压电式、红外、光纤、超声波、激光传感器等。这种分类有利于研究、设计传感器，有利于对传感器的工作原理进行阐述。（3）按敏感材料不同分为半导体传感器、陶
4、瓷传感器、石英传感器、光导纤推传感器、金属传感器、有机材料传感器、高分子材料传感器等。这种分类法可分出很多种类。（4）按照传感器输出量的性质分为摸拟传感器、数字传感器。其中数字传感器便干与计算机联用，且抗干扰性较强，例如脉冲盘式角度数字传感器、光栅传感器等。传感器数字化是今后的发展趋势。（5）按应用场合不同分为工业用，农用、军用、医用、科研用、环保用和家电用传感器等。若按具体便用场合，还可分为汽车用、船舰用、飞机用、宇宙飞船用、防灾用传感器等。（6）根据使用目的的不同，又可分为计测用、监视用，位查用、诊断用，控制用和分析用传感器等。任务一任务一 认识传感器认识传感器.传感器的特性与主要技术参数
5、（1）反映传感器静态特性的性能指标 静态特性是指检测系统的输入为不随时间变化的恒定信号时，系统的输出与输入之间的关系。表征传感器静态特性的主要参数有：线性度、灵敏度、分辨力、迟滞、重复性、漂移等，传感器的参数指标决定了传感器的性能以及选用传感器的原则。任务一任务一 认识传感器认识传感器（2)反映传感器动态特性的性能指标 动态特性是指检测系统的输入为随时间变化的信号时，系统的输出与输入之间的关系。主要动态特性的性能指标有时域单位阶跃响应性能指标和频域频率特性性能指标。任务一任务一 认识传感器认识传感器 任务实施：任务实施：观察常用传感器实物，认识传感器。任务二任务二 了解传感器的应用领域了解传感
6、器的应用领域 1传感器在制造业中的应用 2传感器在汽车中的应用 3传感器在生活中的应用 4传感器在机器人上的应用 5传感器在医学上的应用 6传感器在环境监测中的应用 7传感器在航空及航天领域的应用 8传感器在遥感技术中的应用任务二任务二 了解传感器的应用领域了解传感器的应用领域 任务实施：任务实施：每名同学结合自己搜集的一个传感器应用实例，说明传感器的种类、作用和传感器在应用中要满足哪些技术参数要求。任务三任务三 了解传感器的发展趋势了解传感器的发展趋势 1.微型化 2.智能化 3.无线网络化 4.集成化 5.多样化任务三任务三 了解传感器的发展趋势了解传感器的发展趋势 任务实施：任务实施：结
7、合对传感器发展趋势的认识，展望未来传感器在生产、生活中的应用。任务评价：任务评价：表1-2 任务评价表项目二 传感器的测量误差和准确度 任务描述：任务描述：进行测量误差和准确度的计算。学习目标：学习目标：1.掌握测量误差的定义和分类；2.理解绝对误差、相对误差和准确度的定义；3.能进行绝对误差和相对误差的计算；4.能进行准确度的计算。学习准备：学习准备：资料：通过教学参考书和网络搜集测量误差和准确度的相关知识。任务一任务一 识记误差的类型识记误差的类型 知识准备：知识准备：1.测量误差的定义 测量结果与真实值之间的差值称为测量误差。2.测量误差的分类（1）根据产生测量误差的原因，可以将测量误差
8、分为系统误差、偶然误差和粗大误差三大类。任务一任务一 识记误差的类型识记误差的类型 1）系统误差 在相同测量条件下多次测量同一物理量，其误差大小和符号能够恒定不变或按照一定规律变化的测量误差，称为系统误差。系统误差表征测量的准确度。2）偶然误差 在相同测量条件下多次测量同一物理量，其误差大小和符号都不确定，呈无规律的随机性，此类误差称为偶然误差。偶然误差又称随机误差，通常用精密度表征随机误差的大小。准确度和精密度统称为精确度，简称精度。3）粗大误差 是测量过程中测量者的失误或受到突然且强大的干扰所引起的误差。含有粗大误差的测量数值是坏值，应该剔除。任务一任务一 识记误差的类型识记误差的类型（2
9、）根据被测量与时间的关系测量误差分为静态误差和动态误差。1）静态误差 测量过程中被测量不随时间变化时所产生的测量误差称为静态误差。2）动态误差 测量过程中被测量在随时间变化过程中所产生的测量误差称为动态误差。动态误差是由于检测系统对输入信号的滞后或对输入信号中不同频率成分所产生不同的衰减或延迟所造成的。动态误差值等于动态测量和静态测量所得误差的差值。任务一任务一 识记误差的类型识记误差的类型 任务实施：任务实施：从系统误差、偶然误差产生的原因分析如何减小。任务二任务二 计算误差计算误差 知识准备：知识准备：测量误差的表示形式有绝对误差和相对误差两种。（1）绝对误差 测量值Ax与被测量真值A0之
10、间的差值，称为绝对误差，用符号表示，计算为：Ax-A0 （1.1）式中：绝对误差；Ax测量值；A0被测真值。任务二任务二 计算误差计算误差 由于被测量的真值A0是不知道的，所以用标准表测得的真值A来替代。这样绝对误差定义为：Ax-A （1.2）式中：A标准表的指示值，称为实际值。请注意：1）绝对误差是有正、负的。当测量值大于实际值时，绝对误差为正；当测量值小于实际值时，绝对误差为负。2）绝对误差的单位与被测量的单位相同。3）绝对误差和误差的绝对值不能混为一谈。任务二任务二 计算误差计算误差（2）相对误差 相对误差用百分数的形式表示，又有实际相对误差、示值（标称）相对误差、满度（引用）相对误差之
11、分。1)实际相对误差：它等于绝对误差与实际值的百分比。用 表示，表达式为：（1.3）式中：实际相对误差；A0 实际值。%1000任务二任务二 计算误差计算误差 2)示值（标称）相对误差：它等于绝对误差与示值的百分比。用 表示，表达式为：（1.4）式中：示值（标称）相对误差；Ax 示值。%100 xx任务二任务二 计算误差计算误差 3）满度（引用）相对误差：它等于绝对误差与仪表满量程值的百分比。用 表示，表达式为：（1.5）式中：实际相对误差；Am实际值。%100mn任务二任务二 计算误差计算误差 任务实施：任务实施：完成下面两题计算。1、某电路中的电流为10mA，用甲电流表测量时的读数为9.8
12、mA，用乙电流表测量时其读数为10.3mA。试求两次测量的绝对误差。2、电压表甲测量实际值为100V的电压时，实测值为101V；电压表乙测量实际值为1000V的电压时，实测值为998V。试求两次测量的相对误差，并判断哪次测量的准确度高。任务三任务三 计算准确度计算准确度 知识准备：知识准备：传感器和测量仪表的误差是以准确度表示的。准确度常用最大引用误差S%来表示，即:(1.6)式中:为绝对误差最大值;为满度值。%100AmmSmAm任务三任务三 计算准确度计算准确度 任务实施：任务实施：完成下面两题计算。1、校验一只满度值为100V的电压表，发现50V处的误差最大，其值为1V，求该表的准确度等
13、级？2、试问用1.5 级的（0-100）的和1.0 级的（0-500）的两个温度计测量80的水，哪个准确度高？任务评价：任务评价：表1-3 任务评价表项目三项目三 检测电路基本知识检测电路基本知识 任务描述：任务描述：完成PT100检测电路的设计。学习目标：学习目标：1.掌握检测电路的作用和对检测电路要求；2.能根据需要正确选用检测电路。学习准备：学习准备：资料：搜集检测和转换电路实例和PT100的技术资料。任务一 明确检测电路的作用 知识准备：知识准备：1检测和转换电路的作用 完成传感器输出信号处理的各种接口电路统称为传感器检测电路。传感器检测电路利用传感器把被测量信息捡取出来，并转换成测量
14、仪表或仪器所能接收的信号，再进行测量以确定量值的过程；或转换成执行器所能接收的信号，实现对被测物理量的控制。任务一 明确检测电路的作用 2对检测和转换电路的要求（1）尽可能提高包括传感器和接口电路在内的整体效率，为了不影响或尽可能地少影响被测对象的本来状态，要求从被测对象上获得的能量越小越好。（2）具有一定的信号处理能力。（3）提供传感器多需要的驱动电源。（4）尽可能完善抗干扰和抗高压冲击保护机制。这种机制包括输入端的保护、前后级电路隔离、模拟和数字滤波等。任务一 明确检测电路的作用 任务实施：任务实施：列举实际电路说明检测和转换电路的作用。任务二任务二 选用检测和转换电路选用检测和转换电路
15、知识准备：知识准备：传感器输出的信号有电阻、电感、电荷和电压等多样形式，输出信号微弱，动态范围宽，且传感器的输出阻抗较高。因此，传感器的输出信号会产生较大的衰减，易受环境因素的影响，不易于检测。根据传感器输出信号的不同特点，要采取不同的处理方法，传感器信号的处理主要由检测和转换电路来完成，典型的检测和转换电路主要有以下几种。任务二任务二 选用检测和转换电路选用检测和转换电路 1.阻抗匹配器 传感器输出阻抗都比较高，为防止信号的衰减，常常采用高输入阻抗的阻抗匹配器作为传感器输入到测量系统的前置电路。常用的阻抗匹配器有半导体管阻抗匹配器，场效应管阻抗匹配器，运算放大器阻抗匹配器。半导体管阻抗匹配器
16、，实际上是一个半导体管共集电极电路，又称为射极输出器。场效应管是一种电平驱动元件，栅漏极间电流很小，其输入阻抗可高达 1012 以上，可作阻抗匹配器。运算放大器阻抗匹配器。任务二任务二 选用检测和转换电路选用检测和转换电路 2.电桥电路 1）直流电桥 电桥的输出电压可由下式给出，即：UOUT =电桥的平衡条件为：R2R4=R1R3)()(32413142RRRRRRRRU任务二任务二 选用检测和转换电路选用检测和转换电路 2）交流电桥 测量时一个元件的阻抗增加，另一个元件的阻抗减小，假定Z1=Z0+Z，Z2=Z0-Z，则电桥的输出电压为：UZZUZZZUOUT0002)212(任务二任务二 选
17、用检测和转换电路选用检测和转换电路 3.放大电路 传感器的输出信号一般比较微弱，因而在大多数情况下都需要放大电路。目前检测系统中的放大电路，除特殊情况外，一般都采用运算放大器构成。任务二任务二 选用检测和转换电路选用检测和转换电路 1)反相放大器 2)同相放大器 3)差动放大器(a)反向放大器（b）同相放大器（c）差动放大器 图1-3 放大电路任务二任务二 选用检测和转换电路选用检测和转换电路 4.电荷放大器 压电式传感器输出的信号是电荷量的变化，配上适当的电容后，输出电压可高达几十伏到数百伏，但信号功率却很小，信号源的内阻也很大。因此压电式传感器使用的放大器应采用输入阻抗高、输出阻抗低的电荷
18、放大器。任务二任务二 选用检测和转换电路选用检测和转换电路 5.传感器与放大电路配接的示例 图1-5 应变电桥配接的放大电路 任务二任务二 选用检测和转换电路选用检测和转换电路 6.噪声的抑制 1)噪声产生的根源 a.内部噪声:内部带电微粒的无规则运动产生。b.外部噪声:由传感器检测系统外部人为或自然干扰造成。2）噪声的抑制方法 a.选用质量好的元器件。b.屏蔽c.接地d.隔离 e.滤波任务二任务二 选用检测和转换电路选用检测和转换电路 任务实施：任务实施：完成PT100检测电路的设计。任务评价：任务评价：表1-4 任务评价表 传感与检测技术模块二 温度传感器的应用模块二模块二 温度传感器的应
19、用温度传感器的应用 模块学习目标：模块学习目标：1.掌握温度传感器的种类、特性、主要参数和选用方法；2.能熟练对温度传感器进行检测；3.能正确安装使用温度传感器；4.能分析温度传感器的信号检测和转换电路工作原理，并能进行熟练调试。项目一 热敏电阻在冰箱温度控制中的应用 任务描述：任务描述：利用热敏电阻制作和调试冰箱温度测量电路，测温范围-1030时误差不大于1。项目一 热敏电阻在冰箱温度控制中的应用 学习目标：学习目标：1.能根据热敏电阻温度传感器特性正确选用热敏电阻；2.能识别和检测热敏电阻质量；3.能分析热敏电阻测温电路的信号检测和转换电路的工作原理；4.掌握温度表测温电路的调试方法。项目
20、一 热敏电阻在冰箱温度控制中的应用 学习准备：学习准备：工具：电烙铁、镊子、偏口钳、螺丝刀等常用电子装接工具。仪器、仪表：稳压电源、万用表、水银温度计。项目一 热敏电阻在冰箱温度控制中的应用 器件、材料：表2-1元件、材料清单序号名称型号单位数量1热敏电阻NTC10K个12集成运算放大器LM358个13微调电位器5k个24电压表头5V个15电阻20K个26电阻10K个27电阻51K个28电阻200K个29盛水容器大于1升个110焊锡丝米111电路板或面包板75mm*150mm块12导线 米213松香盒1项目一 热敏电阻在冰箱温度控制中的应用 任务一热敏电阻的识别、检测和选用任务一热敏电阻的识别
21、、检测和选用 知识准备：知识准备：1.热敏电阻的特性 热敏电阻由金属氧化物或陶瓷半导体材料经成型、烧结等工艺制成或由碳化硅材料制成按其特性来说可分为两类一类是其阻值随温度升高而增大称为正温度系数热敏电阻PTC另一类是其阻值随温度的升高而减小称为负温度系数热敏电阻NTC。项目一 热敏电阻在冰箱温度控制中的应用 NTC热敏电阻的阻值R与温度TK之间的关系式为:Rt=R0exp(B1/T-1/T0)（2.1）式中：R0热力学温度为T0K时的电阻值 B为常数一般为30005000。不同型号NTC热敏电阻的测温范围不同一般为-50+300。项目一 热敏电阻在冰箱温度控制中的应用 2.热敏电阻温度传感器的
22、优缺点 优点：灵敏度高(即温度每变化一度时电阻值的变化量大)价格低廉。项目一 热敏电阻在冰箱温度控制中的应用 缺点:（1）线性度较差尤其是突变型正温度系数热敏电阻PTC的线性度很差通常作为开关器件用于温度开关、限流或加热元件负温度系数热敏电阻NTC经过采取工艺措施线性有所改善在一定温度范围内可近似为线性当作温度传感器可用于小温度范围内的低精度测量如空调器、冰箱等。项目一 热敏电阻在冰箱温度控制中的应用（2）互换性差。由于制造上的分散性同一型号不同个体的热敏电阻其特性不尽相同R0相差3%5%B值相差3%左右。通常测试仪表和传感器由厂方配套调试、供应出厂后不可互换。3存在老化、阻值缓变现象。因此以
23、热敏电阻为传感器温度仪表一般每23年需要校验一次。项目一 热敏电阻在冰箱温度控制中的应用 应用热敏电阻器时，必须对它的几个比较重要的参数进行测试。一般来说，热敏电阻器对温度的敏感性高，所以不宜用表来测量它的阻值。这是因为万用表的工作电流比较大，流过热敏电阻器时会发热而使阻值改变。但用万用表也可简易判断热敏电阻器能否工作，具体热敏电阻器的检测方法如下：项目一 热敏电阻在冰箱温度控制中的应用 将万用表拨到欧姆挡（视标称电阻值确定挡位），用鳄鱼夹代替表笔分别夹住热敏电阻器的两个引脚，记下此时的阻值；然后用手捏住热敏电阻器，观察万用表示数，此时会看到显示的数据（指针会慢慢移动）随着温度的升高而改变，这
24、表明电阻值在逐渐改变（负温度系数热敏电阻器阻值会变小，正温度系数热敏电阻器阻值会变大）。当阻值改变到一定数值时，显示数据会（指针）逐渐稳定。若环境温度接近体温，则采用这种方法就不灵。这时可用电烙铁或者开水杯靠近或紧贴热敏电阻器进行加热，同样会看到阻值改变。这样，则可证明这只温度系数热敏电阻器是好的。项目一 热敏电阻在冰箱温度控制中的应用 用万用表检测负温度系数热敏电阻器时，需要注意热敏电阻器上的标称阻值与万用表的读数不一定相等。这是由于标称阻值是用专用仪器在25的条件下测得的，而用万用表测量时有一定的电流通过热敏电阻器而产生热量，而且环境温度不一定正是25，所以不可避免地会产生误差。项目一 热
25、敏电阻在冰箱温度控制中的应用 任务实施：任务实施：检测并记录热敏电阻的好坏。任务二热敏电阻式温度表电路制作（可用万能电路板制作任务二热敏电阻式温度表电路制作（可用万能电路板制作电路，也可用面包板或模块制作电路。）电路，也可用面包板或模块制作电路。）知识准备：知识准备：1、焊接方法：（1）准备施焊 准备好焊锡丝和烙铁。此时特别强调的施烙铁头部要保持干净，即可以沾上焊锡（俗称吃锡）。项目一 热敏电阻在冰箱温度控制中的应用（2）加热焊件 将烙铁接触焊接点，注意首先要保持烙铁加热焊件各部分，例如印制板上引线和焊盘都使之受热，其次要注意让烙铁头的扁平部分（较大部分）接触热容量较大的焊件，烙铁头的侧面或边
26、缘部分接触热容量较小的焊件，以保持焊件均匀受热。项目一 热敏电阻在冰箱温度控制中的应用（3）熔化焊料 当焊件加热到能熔化焊料的温度后将焊丝置于焊点，焊料开始熔化并润湿焊点。（4）移开焊锡 当熔化一定量的焊锡后将焊锡丝移开。（5）移开烙铁 当焊锡完全润湿焊点后移开烙铁，注意移开烙铁的方向应该是大致45的方向。项目一 热敏电阻在冰箱温度控制中的应用2.焊接注意事项（1）选用合适的焊锡，应选用焊接电子元件用的低熔点焊锡丝。（2）助焊剂，用25%的松香溶解在75%的酒精（重量比）中作为助焊剂。（3）电烙铁使用前要上锡，具体方法是：将电烙铁烧热，待刚刚能熔化焊锡时，涂上助焊剂，再用焊锡均匀地涂在烙铁头上
27、，使烙铁头均匀的吃上一层锡。（4）焊接方法，把焊盘和元件的引脚用细砂纸打磨干净，涂上助焊剂。用烙铁头沾取适量焊锡，接触焊点，待焊点上的焊锡全部熔化并浸没元件引线头后，电烙铁头沿着元器件的引脚轻轻往上一提离开焊点。项目一 热敏电阻在冰箱温度控制中的应用（5）焊接时间不宜过长，否则容易烫坏元件，必要时可用镊子夹住管脚帮助散热。（6）焊点应呈正弦波峰形状，表面应光亮圆滑，无锡刺，锡量适中。（7）焊接完成后，要用酒精把线路板上残余的助焊剂清洗干净，以防炭化后的助焊剂影响电路正常工作。（8）集成电路应最后焊接，电烙铁要可靠接地，或断电后利用余热焊接。或者使用集成电路专用插座，焊好插座后再把集成电路插上去
28、。项目一 热敏电阻在冰箱温度控制中的应用项目一 热敏电阻在冰箱温度控制中的应用任务实施：任务实施：按图2-3将电路焊接在实验板上认真检查电路正确无误后接好热敏电阻和电压表头。任务三热敏电阻式温度表电路调试任务三热敏电阻式温度表电路调试知识准备：知识准备：由固定电阻R1、R2、热敏电阻RT及R3+VR1构成测温电桥把温度的变化转化成微弱的电压变化再由运算放大器LM358进行差动放大运算放大器的输出端接5V的直流电压表头用来显示温度值。电阻R1与热敏电阻RT的节点接运放的反相输入端当被测温度升高时该点电位降低运放输出电压升高表头指针偏转角度增大以指示较高的温度值反之当被测温度降低时表头指针偏转角度
29、减小以指示较低的温度值。项目一 热敏电阻在冰箱温度控制中的应用 VR1用于调“0”VR2用于调节放大器的增益即分度值。调试方法步骤如下：1准备盛水容器、冷水、60以上热水、水银温度计、搅棒等。把传感器和水银温度计放入盛水容器中接通电路电源。加入冷水和热水不断搅动通过调节冷、热水比例使水温为20。调节电路的VR1使表头指针正向偏转，然后回调VR1使指针返回指针刚刚指到0V刻度上时停止调节(表头指示的起点为定为20)。2.容器中加热水和冷水不断搅动把水温调整到30通过调节电路的VR2使表头指针指在5V刻度上。3.重复1、2步骤23次调试完成。电压表头指示的电压值乘以2再加上20就等于所测温度。项目
30、一 热敏电阻在冰箱温度控制中的应用 4.检验在2030范围内的任一温度点水银温度计的读数与指针式温度表的读数是否一致误差应不大于1。注意调试过程中要不断搅动以使传感器与水银温度计感受同一温度同时要要等水银温度计的读数稳定后再调试电路。由于热敏电阻是一个电阻电流流过它时会产生一定的热量因此电路设计时应确保流过热敏电阻的电流不能太大以防止热敏电阻自热过度否则系统测量的是热敏电阻发出的热度而不是被测介质的温度。项目二PN结温度传感器在温室大棚中的应用 任务描述：任务描述：本项目利用PN结温度传感器制作和调试温室大棚温度测量电路，测温范围-4050时误差不大于1。项目二PN结温度传感器在温室大棚中的应
31、用 学习目标：学习目标：1.能根据PN结温度传感器特性正确选用PN结温度传感器；2.能识别和检测PN结温度传感器质量；3.能分析PN结温度传感器测温电路的信号检测和转换电路的工作原理；4.掌握PN结温度传感器应用电路的调试方法。项目二PN结温度传感器在温室大棚中的应用 学习准备：学习准备：工具：电烙铁、镊子、偏口钳、螺丝刀等常用电子装接工具。仪器、仪表：稳压电源、万用表、水银温度计。器件、材料：项目二PN结温度传感器在温室大棚中的应用表2-3元件、材料清单序号名称型号单位数量1PN结温度传感器2DWM1型个12集成运算放大器LM358个13微调电位器5k个24电压表头5V个15电阻20K个26
32、电阻10K个27电阻51K个28电阻200K个29盛水容器大于1升个110焊锡丝米111电路板或面包板75mm*150mm块12导线 米213松香盒1项目二PN结温度传感器在温室大棚中的应用 任务一任务一PN结温度传感器的识别、检测和选用结温度传感器的识别、检测和选用 知识准备：知识准备：PN结温度传感器是利用PN结的电压随温度成近似线性变化这一特性实现对温度的检测、提主制和补偿等功能。可直接用半导体二极管或将半导体三极管接成二极管（将三极管的集电极与基极短接，利用BE结作为感温器件）做成PN结温度传感器。这种传感器的测温范围为-50150C。与其他的温度传感器相比有较好的线性度，且尺寸小，响
33、应快，只敏度高，热时间常数小，因此用途较广。项目二PN结温度传感器在温室大棚中的应用 例如硅管的PN结的结电压在温度每升高1C时，下降约2mV(而一般热电偶的温度灵敏度仅为3-50V/C)，在一定的电流下，PN结的正向电压与温度之间的线性关系更接近理论推导值。例如砷化镓和硅温敏二极管在1-400K范围内的温度特性表现为良好的线性。项目二PN结温度传感器在温室大棚中的应用 1.温敏二极管的基本特性项目二PN结温度传感器在温室大棚中的应用 对于不同的工作电流，温敏二极管的基本特性，即UF-T关系是不同的；但是UF-T之间总是线性关系。如图2-4 DWM1型温敏二极管，在恒流下，UF-T在-50+1
34、50范围内，呈很好的线性关系。温敏三极管，晶体管发射结上的正向电压随温度上升而近似线性下降，这种特性与二极管十分相似。晶体管的T-UBE关系比二极管的TU关系更符合理想情况，所以表现出更好的电压-温度线性关系。项目二PN结温度传感器在温室大棚中的应用 2PN结温度传感器的特点 优点：灵敏地高，线性好，价格低廉 缺点：特性随个体不同而有差异，一致性差。项目二PN结温度传感器在温室大棚中的应用 3PN结温度传感器的检测方法 检测温敏二极管的极性，可以通过二极管管脚的长短进行判断，长脚为正极，短脚为负极；若管脚已做处理，不能直观判断，可以选用MF10型万用表，将其挡位开关拨到欧姆挡R100，用鳄鱼夹
35、代替表笔分别夹住温敏二极管的两引脚，若测得阻值一大一小，则管子是正常的。项目二PN结温度传感器在温室大棚中的应用 3PN结温度传感器的检测方法 阻值小的那次，黑色表笔接的是温敏二极管的正极，红色表笔接的是二极管的负极。在环境温度明显低于体温时，进行读数；用手捏住热敏二极管，可看到表针指示的阻值逐渐减小；松开手后，阻值加大，逐渐复原。这样的热敏二极管可以选用（最高工作温度100左右）。项目二PN结温度传感器在温室大棚中的应用 任务实施：任务实施：检测并记录PN结温度传感器的好坏。任务二任务二PN结温度传感器式温度表电路制作结温度传感器式温度表电路制作（可用万能电路板制作电路，也可用面包（可用万能
36、电路板制作电路，也可用面包板或模块制作电路。）板或模块制作电路。）项目二PN结温度传感器在温室大棚中的应用 知识准备：知识准备：PN结温度传感器是有极性的，有正负之分。流过PN结温度传感器的电流可选用100uA左右。PN结温度传感器在0时的输出电压不是为0伏，而是700mv左右，并随着温度的升高而降低。PN结温度传感器在常温区使用（-50200）温度范围的选取应按实际需要来确定。PN结温度传感器的输出信号较大，每度有2mv左右，因此可依据实际应用情况是否要加放大电路的。项目二PN结温度传感器在温室大棚中的应用项目二PN结温度传感器在温室大棚中的应用 任务实施：任务实施：按图2-5将电路焊接在实
37、验板上认真检查电路正确无误后接好PN结温度传感器和电压表头。项目二PN结温度传感器在温室大棚中的应用 任务三任务三PN结温度传感器式温度表电路调试结温度传感器式温度表电路调试 知识准备：知识准备：由固定电阻R1、R2、温敏二极管VD1及R3+VR1构成测温电桥把温度的变化转化成微弱的电压变化再由运算放大器LM358进行差动放大运算放大器的输出端接5V的直流电压表头用来显示温度值。电阻R1与温敏二极管VD1的节点接运放的反相输入端当被测温度升高时该点电位降低运放输出电压升高表头指针偏转角度增大以指示较高的温度值反之当被测温度降低时表头指针偏转角度减小以指示较低的温度值。项目二PN结温度传感器在温
38、室大棚中的应用 VR1用于调“0”VR2用于调节放大器的增益即分度值。调试方法步骤如下：1准备盛水容器、冷水、60以上热水、水银温度计、搅棒等。把做好防水措施的温敏二极管和水银温度计放入盛水容器中接通电路电源。加入冷水和热水不断搅动通过调节冷、热水比例使水温为20。调节电路的VR1使表头指针正向偏转，然后回调VR1使指针返回指针刚刚指到0V刻度上时停止调节(表头指示的起点为定为20)。项目二PN结温度传感器在温室大棚中的应用 2.容器中加热水和冷水不断搅动把水温调整到30通过调节电路的VR2使表头指针指在5V刻度上。3.重复1、2步骤23次调试完成。电压表头指示的电压值乘以2再加上20就等于所
39、测温度。4.检验在2030范围内的任一温度点水银温度计的读数与指针式温度表的读数是否一致误差应不大于1。项目二PN结温度传感器在温室大棚中的应用 任务实施：任务实施：按照上述步骤进行电路调试，并将结果填在下表内。项目三 热电偶在输油管道温度测量中的应用 任务描述：任务描述：利用热电偶制作和调试温度表电路，测温范围-50100时误差不大于1。项目三 热电偶在输油管道温度测量中的应用 学习目标：学习目标：1.能根据热电偶温度传感器特性正确选用热电偶；2.能识别和检测热电偶质量；3.能分析热电偶测温电路的信号检测和转换电路的工作原理；4.掌握温度表测温电路的调试方法。项目三 热电偶在输油管道温度测量
40、中的应用 学习准备：学习准备：工具：电烙铁、镊子、偏口钳、螺丝刀等常用电子装接工具。仪器、仪表：稳压电源、万用表、水银温度计。器件、材料：项目三 热电偶在输油管道温度测量中的应用表2-6元件、材料清单序号名称型号单位数量1热电偶铜-康铜个12集成运算放大器LM324个23微调电位器500个14电压表头5V个15电阻10K个26电阻9.1K个27电阻100K个18电阻200K个19电容0.1vf个210盛水容器大于1升个111焊锡丝米112电路板或面包板75mm*150mm块13导线 米214松香盒1项目三 热电偶在输油管道温度测量中的应用 任务一热电偶的识别、检测和选用任务一热电偶的识别、检测
41、和选用 知识准备：知识准备：热电偶传感器的实物如图2-6所示项目三 热电偶在输油管道温度测量中的应用项目三 热电偶在输油管道温度测量中的应用 热电偶原理 两种不同材料的导体(或半导体)A与B的两端分别相接形成闭合回路，就构成了热电偶，如图2-7所示。项目三 热电偶在输油管道温度测量中的应用项目三 热电偶在输油管道温度测量中的应用 当两接点分别放置在不同的温度T和T0时，则在电路中就会产生热电动势，形成回路电流。这种现象称为赛贝克效应，或称为热电效应。产生的热电动势由两个接点的接触电动势和同一导体的温差电动势两部分组成，但因在热电偶闭合回路中两个温差电动势相互抵消，故热电动势就等于接触电动势E(
42、T，T0)。热电动势E的大小随T和T0的变化而变化，三者之间具有确定的函数关系，因而测得热电动势的大小就可以推算出被测温度。项目三 热电偶在输油管道温度测量中的应用 热电偶就是基于这一原理来测温的。热电偶通常用于高温测量，置于被测温度介质中的一端(温度为T)称为热端或工作端；另一端(温度为T0)称为冷端或自由端，冷端通过导线与温度指示仪表相连。根据热电动势与温度的函数关系，制成热电偶分度表，分度表是自由端温度在0时的条件下得到的，不同的热电偶具有不同的分度表。热电偶两根导体(或称热电极)的选材不仅要求热电动势要大，以提高灵敏度，又要具有较好的热稳定性和化学稳定性。常用的热电偶有：铂铑-铂、铜-
43、铜镍、镍铬-镍硅等。项目三 热电偶在输油管道温度测量中的应用 2、关于热电偶的三个基本定律（1）均质导体定律 由同一种均质导体(或半导体)两端焊接组成闭合回路，无论导体截面如何及温度如何分布，将不产生接触电动势，温差电动势相抵消，回路中总电势为零。可见，热电偶必须由两种不同的均质导体或半导体构成。若热电极材料不均匀，由于温度梯度存在，将会产生附加热电动势。项目三 热电偶在输油管道温度测量中的应用（2）中间温度定律 热电偶回路两接点(温度为T、T0)间的热电动势，等于热电偶在温度为T、T1时的热电动势与在温度为T、T0时的热电动势的代数和。T1称为中间温度。由于热电偶ET之间通常呈非线性关系，当
44、冷端温度不为0时，不能利用已知回路实际热电动势E(T，T0)直接查表求取热端温度值；也不能利用已知回路实际热电动势E(T，T0)查表得到温度值后，再加上冷端温度来求得热端被测温度值，必须按中间温度定律进行修正。项目三 热电偶在输油管道温度测量中的应用（3）中间导体定律在热电偶回路中接入中间导体(第三导体C，如图2-14(a)所示)，只要中间导体两端温度相同(均为T1)，中间导体的引入对热电偶回路总电动势没有影响。依据中间导体定律，在热电偶实际测温应用中，常采用将热端焊接、冷端断开后连接的导线，与温度指示仪表连接构成测温回路，如图2-8所示。项目三 热电偶在输油管道温度测量中的应用项目三 热电偶
45、在输油管道温度测量中的应用 热电偶温度传感器的特性 当热电偶的热端温度为T、冷端温度为T1时，构成热电偶的两根导体A、B之间的热电动势E为 E=(l)/e1n(A)式中，为玻耳兹曼常量；A、分别导体A、B的电子密度。可见热电动势与热电偶热、冷端之间的温差成正比，与构成热电偶导体的材料有关，而与其粗细、长短无关。同时也可以看到，只有当冷端温度1=才能根据热电动势的大小确定热端温度，但实际上冷端的温度是随环境温度变化而变化的，因此实际应用中需对冷端进行温度补偿。项目三 热电偶在输油管道温度测量中的应用4.热电偶的种类及结构形式1）热电偶的分类常用热电偶可分为标准化和非标准化两大类。所谓标准化热电偶
46、温度传感器是指国家标准规定了其热电动势与温度的关系、允许误差、并有统一的标准分度表的热电偶温度传感器，它有与其配套的显示仪表可供选用。非标准化热电偶温度传感器在使用范围或数量级上均不及标准化热电偶温度传感器，一般也没有统一的分度表，主要用于某些特殊场合的测量。我国从1988年1月1日起，热电偶温度传感器和热电阻温度传感器全部按IEC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温度传感器。项目三 热电偶在输油管道温度测量中的应用 2)热电偶的结构形式 热电偶的基本结构是热电极、绝缘材料和保护管；并与显示仪表、记录仪表或计算机等配套使用。在现场使用中根据环境
47、，被测介质等多种因素研制成适合各种环境的热电偶。热电偶简单分为装配式热电偶，铠装式热电偶和特殊形式热电偶；按使用环境细分有耐高温热电偶，耐磨热电偶，耐腐热电偶，耐高压热电偶，隔爆热电偶，铝液测温用热电偶，循环硫化床用热电偶，水泥回转窑炉用热电偶，阳极焙烧炉用热电偶，高温热风炉用热电偶，汽化炉用热电偶，渗碳炉用热电偶，高温盐浴炉用热电偶，铜、铁及钢水用热电偶，抗氧化钨铼热电偶，真空炉用热电偶等。项目三 热电偶在输油管道温度测量中的应用 热电偶温度传感器的优缺点 热电偶温度传感器是工业上最常用的温度检测元件之一。其优点，测量精度高；因热电偶温度传感器直接与被测对象接触，不受中间介质的影响；温度测量
48、范围广。常用的热电偶温度传感器在-50+1600范围内均可连续测量，某些特殊热电偶最低可测到-269(如金-铁镍铬热电偶)，最高可达+2800(如钨-铼热电偶)。性能可靠，机械强度高。使用寿命长，安装方便。项目三 热电偶在输油管道温度测量中的应用 热电偶温度传感器的优缺点 热电偶的缺点，灵敏度低，热电偶的灵敏度很低，如型热电偶温度每变化时，电压变化只有大约40，因此对后续的信号放大电路要求较高。热电偶往往用贵金属制成，价格较贵。项目三 热电偶在输油管道温度测量中的应用 任务实施：任务实施：检测并记录热电偶的好坏。任务二热电偶式电路安装任务二热电偶式电路安装 知识准备：知识准备：1.、热电偶的安
49、装方式项目三 热电偶在输油管道温度测量中的应用项目三 热电偶在输油管道温度测量中的应用 电路制作：在实际测温中，冷端温度常随工作环境温度而变化，为了使热电动势与被测温度间呈单值函数关系，必须对冷端进行补偿。常用的补偿方法有以下几种。0恒温法：把热电偶的冷端放入装满冰水混合物的保温容器(0恒温槽)中，使冷端保持0。这种方法常在实验室条件下使用。项目三 热电偶在输油管道温度测量中的应用 硬件补偿法：热电偶在测温的同时，再利用其他温度传感器（如PN结）检测热电偶冷端温度，再由差动运算放大器对两者温度对应的电动势或电压进行合成，输出被测温度对应的热电动势，在换算成被测温度。补偿导线法：由不同导体材料制
50、成、在一定温度范围内(一般在100以下)具有与所眶乏万奉电偶的热电动势的标称值相同的一对带绝缘层的导线叫做补偿导线。项目三 热电偶在输油管道温度测量中的应用 为了简化测温电路，对冷端温度的补偿通常采用补偿导线法。必须指出，当热电偶与指示仪表的两根导线选用相同材料时，其作用只是用来把热电动势传递到控制室的仪表端子上，本身并不能消除冷端温度变化对测温的影响，故不起补偿作用。因此，在工程实际这两根导线采用了不同材料的专门导线补偿导线，使两根补偿导线构成新的热电动势补偿热电偶。项目三 热电偶在输油管道温度测量中的应用项目三 热电偶在输油管道温度测量中的应用 任务实施：任务实施：按图2-12将电路焊接在
