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温度传感器
1.温度传感器概述
温度传感器(temperaturetransducer)是指能感受温度并转换成可用输出信号的传感器。
温度传感器是温度测量仪表的核心部分,品种繁多。
按测量方式可分为接触式和非接触式两大类,按照传感器材料及电子元件特性分为热电阻和热电偶两类。
温度传感器有四种主要类型:
热电偶、热敏电阻、电阻温度检测器(RTD)和IC温度传感器。
1.热电偶
热电偶由两个不同材料的金属线组成,在末端焊接在一起。
对这个连接点加热,在它们不加热的部位就会出现电位差。
这个电位差的数值与不加热部位测量点的温度有关,和这两种导体的材质有关。
这种现象可以在很宽的温度范围内出现,如果精确测量这个电位差,再测出不加热部位的环境温度,就可以准确知道加热点的温度。
由于它必须有两种不同材质的导体,所以称之为热电偶。
不同材质做出的热电偶使用于不同的温度范围,它们的灵敏度也各不相同。
热电偶的灵敏度是指加热点温度变化1℃时,输出电位差的变化量。
对于大多数金属材料支撑的热电偶而言,这个数值大约在5~40微伏/℃之间。
2.热敏电阻
热敏电阻是用半导体材料,大多为负温度系数,即阻值随温度增加而降低。
温度变化会造成大的阻值改变,因此它是最灵敏的温度传感器。
但热敏电阻的线性度极差,并且与生产工艺有很大关系。
制造商给不出标准化的热敏电阻曲线。
热敏电阻体积非常小,对温度变化的响应也快。
但热敏电阻需要使用电流源,小尺寸也使它对自热误差极为敏感。
热敏电阻在两条线上测量的是绝对温度,有较好的精度,但它比热偶贵,可测温度范围也小于热偶。
一种常用热敏电阻在25℃时的阻值为5kΩ,每1℃的温度改变造成200Ω的电阻变化。
注意10Ω的引线电阻仅造成可忽略的0.05℃误差。
它非常适合需要进行快速和灵敏温度测量的电流控制应用。
尺寸小对于有空间要求的应用是有利的,但必须注意防止自热误差。
3.电阻传感器
电阻传感器热电阻温度传感器是利用导体或半导体的电阻值随温度变化而变化的原理进行测温的一种传感器温度计。
热电阻温度传感器分为金属热电阻和半导体热敏电阻两大类。
热电阻广泛用于测量-200~+850°C范围内的温度,少数情况下,低温可测至1K,高温达1000°C。
热电阻传感器由热电阻、连接导线及显示仪表组成,热电阻也可以与温度变送器连接,将温度转换为标准电流信号输出。
用于制造热电阻的材料应具有尽可能大和稳定的电阻温度系数和电阻率,输出最好呈线性,物理化学性能稳定,复线性好等。
目前最常用的热电阻有铂热电阻和铜热电阻。
热电阻是把温度变化转换为电阻值变化的一次元件,通常需要把电阻信号通过引线传递到计算机控制装置或者其它一次仪表上。
工业用热电阻安装在生产现场,与控制室之间存在一定的距离,因此热电阻的引线对测量结果会有较大的影响。
4.IC温度传感器
IC温度传感器又包括模拟输出和数字输出两种类型。
IC传感器能提供各种功能界面的组合。
因为这些装置在不断的改进,系统设置人员将看到更多的应用效果-新的特点以及传感器在系统中显示的特殊界面的新方法。
最终,芯片的设计水平会达到在一块芯片上集成更多的电子元件后就可确保温度传感器能含有更多的新功能和更为特别的界面。
热敏电阻和硅温度传感器都被广泛地用做模拟输出温度传感器。
硅温度传感器的线性比热敏电阻的要好得多。
然而,在狭窄的温度范围内,热敏电阻也能提供合理的线性和好的灵敏度。
很多早期被热敏电阻构建的电路,现在已过时,目前已用硅温度传感器所替代。
硅温度传感器可采用不同的刻度输出形式,例如,在输出转换上它可以用K、0C和0F表示。
具有数字I/O接口的温度传感器。
这些装置包括数字接口(允许与微控制器进行通讯)。
该接口可传送数字到微处理器,该接口也能接受到微控制器的指令。
这些指令常常是温度的域值,即温度如果越限,就会在温度传感器IC上产生一个数字信号(它将对微控制器产生一个中断)。
微控制器然后就能调节风扇速度或调整微处理器,使温度处于控制之中。
这类装置可广泛使用,在这些应用中,可进行遥控温度测量。
为了进行遥控测量,大部分高性能CPUs都包括一个onchip转换器,该转换器可提供温度的模拟电压值。
这类传感器的另一个重要特点是当所测得温度处不在高限和低限之间的范围时具有中断微处理器的能力。
在其它的传感器中,当测量温度值越过高限或低限时(不能同时有两值),一个中断信号应被产生。
2.设计目的
在当今信息时代,人们在日常生活,生产过程中,主要依靠检测技术对信息提取,筛选和传输,来实现制动控制,自动调节。
温度的测量是生产生活中时常需要的工作,进入21世纪后,温度传感器正朝着高精度、多功能、总线标准化、高可靠性及安全性、开发虚拟传感器和网络传感器、研制单片测温系统等高科技的方向迅速发展。
通过课程设计使学生对传感器应用技术的知识有全面的掌握,加深对该课程知识的理解,培养学生综合运用所学理论知识分析和解决实际问题的能力,也是对前期理论与实践教学效果的检验。
通过课程设计使学生对工程设计有初步的认识,增强学生的识图、绘图能力,培养学生独立工作的能力。
通过本次设计使学生熟悉工程设计的思维方式和步骤,并了解如何进一步根据确定的设计方案选择元器件,使设计的方案在功能上和经济上均可行。
3.设计题目
温度报警器,即当温度高于某值时,通过热敏电阻阻值的变化引起控制电势的变化,通过比较电路和转换电路的作用,使自动发出声光报警。
4.设计思路
4.1设计方案框图
图3.1
根据传感器的原理构成和设计需要,各部分元件分别选用下列元器件:
测温电路由敏感元件、转换元件和测量电路构成,测量电路选用电桥,辅助电源选用直流电源。
敏感元件:
负温度系数热敏电阻。
转换元件:
负温度系数热敏电阻将温度转换成电量。
测量电路的种类:
电桥。
电桥法方便、准确。
辅助电源的种类:
15伏特直流稳压电源、220交流电源。
4.2设计原理
4.21总体电路工作原理
当温度上升时,Rt电阻阻值减小,使得电桥不平衡,输出电压量减小,通过运放送给比较放大器,当送给比较放大器的电压量低于给定值时,当比较放大器输出电压为低电平,晶闸管关断,原来被短路的报警回路工作,电路灯亮、铃响,报警电路报警。
当比较放大器输出电压为高电平,晶闸管导通,原来被短路的报警回路停止工作,电路灯灭、铃不响,报警电路停止报警。
4.22各个单元电路工作原理
一.温度测量
当温度变化时,Rt电阻阻值也随之变小,电桥对臂乘积不等,电桥不平衡,输出电量增加,由公式{U0=(Ui/4)*(△Rt/R1),Ui=[15/(R5+R6)]*R6}算得输出电压U0,送入比较放大器,进行比较。
二.比较放大器
正端电压由测量电路送来,即电桥输出电压U0,当U0大于负端时,比较放大器高电平导通,当正端电压低于负端时,比较放大器低电平截止。
三.报警电路
R9、R10为分压电阻,避免晶闸管短路时烧毁电源及元器件。
声光报警元件分别为蜂鸣器、LED,与R9串联成报警回路。
正常工作时,比较放大器信号送来后,触发晶闸管道通,报警回路被短路,当温度升高时,比较放大器输出低电平,晶闸管VD截止,报警回路导通,灯和铃导通,报警。
4.3电路原理图
4.31单元电路原理图
(1)温度测量
图3.1
(2)比较放大器
图3.2
(3)报警电路
图3.3
4.32报警电路原理图
图3.4
5.设计说明
(1)该传感器的技术性能和使用条件
该传感器可用于液体、气体、固体、固溶体和火灾报警等方面,使用简单方便。
通常测量范围在25至100℃之间。
这种测量电路精确可达0.1℃,感温时间至少10秒以下。
适用于初始温度≥25℃,升高到某一程度报警的系统。
(2)工作原理
Rt为热敏电阻,初始Rt=R1=R2=R3=10k,电桥平衡,即25℃时。
R5、R6、R9、R10、为分压电阻。
可通过Rp设置报警温度。
当温度升高,Rt电阻阻值减小,从而电桥输出量随之变化,[U0=(Ui/4)*(△Rt/R1),Ui=[15/(R5+R6)]*R6].输出量送入比较放大器进行比较,当其值小于比较放大器R8上电压时,比较放大器输出截止,报警回路由短路状态变为导通,灯和铃导通,报警成功。
(3)报警温度的设置与计算
Rt为负温度系数热敏电阻,阻值变化如下:
温度°C
电阻值KΩ
温度°C
电阻值KΩ
-50
329.2
25
10
-30
111.3
30
8.313
-10
42.45
50
4.61
0
27.28
80
1.669
10
17.96
100
0.9735
图4.1
将要设定的报警温度对应的阻值带入公式中U0=(Ui/4)*(△Rt/R1),(R1阻值已知,Ui=[15/(R5+R6)]*R6),求出电桥输出电压U0,然后改变滑动变阻器电阻阻值,使R8的电压等于U0,(UR8=15/RP2+R8),即比较放大器的比较电压,当温度高于设置温度,U0小于UR8,比较放大器输出低电平,VD截至,报警电路报警。
(4)误差分析
热敏电阻会有一定的时间延时,从而间接的影响了整个报警系统的灵敏和准确性能。
(5)技术展望
本报警系统只适用于温度由低升高到某一温度上限的报警,随着更多的需求,如某一温度之间的报警需要,可进一步的改进成上、下限温度报警系统,同时改进灵敏程度,并进一步的减少误差量等等.
6.系统仿真
图5.1电路仿真原理图
初始时,Rt=R1=R2=R3=10k,电桥平衡,即25℃时。
表1输出为1.668V。
图5.2
设置当温度为30度,使温度报警器报警,此时Rt阻值为8.313K,得到电桥输出约为1.356V。
图5.3
调节滑动变阻器,使得表2的电压与表3的电压相当,当表2的电压小于表3的电压时,报警器发出报警声。
图5.4
此时报警器发出报警声,嘀嘀嘀~~~,小灯一闪一闪。
图5.5
7.设计心得总结
通过这次课程设计,使我学到了很多东西。
同时也发现了自身存在的不足之处,在本次课程设计当中,进一步熟练地运用了multisim这个仿真软件,但是在设计当中发现了很多不足之处,就是在这个仿真软件当中找不到热敏电阻,在寻求老师和同学无果的情况下,采用了用滑动变阻器代替热敏电阻,虽然两者之间存在误差,热敏电阻阻值与温度呈现非线性关系,而滑动变阻器是一个近似线性元件。
用滑动变阻器代替热敏电阻可实现温度在小范围变化的温度测量,希望multisim软件开发者能改进升级这个软件让它的功能更加强大。
在这次课设当中,通过XX以及查阅一些资料得知热敏电阻的一些特性,有些热敏电阻的特性呈现的是负温度系数,即随着温度的升高,电阻值减小,而有的是呈现正温度系数,即随着温度的升高,电阻值增加。
在日常生活当中,随处可见由热敏电阻制作的产品,比如楼层顶部的消防报警器,还有电饭锅,电磁炉等一些日常家庭生活用品。
学好传感器这门课,可以学到很多东西,理论与实际相结合,将所学知识运用到实际当中会有很大的收获。
8.参考文献
[1]陈杰,黄鸿.《传感器与检测技术》.高等教育出版社,2002.
[2]李英顺.《现代传感检测技术》.中国水利水电出版社,2009.
[3]曾芳.《电力电子技术》.西安电子科技大学出版社,2004.
[4]沈聿农.《传感器及应用技术》.化学工业出版社,2003.
[5]张洪润.《传感器原理及技术》.清华大学出版社,2008.
[6]郁有文.《传感器原理及工程应用》.西安电子科技大学出版社,2007
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