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1、溫度的測量,工程訓練之一,工程訓練溫度的測量,6-1,第六講溫度的測量引言,溫度的測量是生活中有很多應用,工程訓練溫度的測量,6-2,第六講溫度的測量引言溫度的測量方法,溫度會引起什么變化？ 金屬熱電阻：溫度/熱量電阻 熱電偶：溫度/熱量溫差電動勢 半導體熱敏電阻：溫度/熱量電阻 紅外釋熱測溫：溫度紅外熱輻射 色溫法：溫度金屬顏色變化 石英：溫度石英震蕩頻率 形變,工程訓練溫度的測量,6-3,第六講溫度的測量引言,由于傳感器本身存在熱容以及傳熱介質含有熱阻，這導致了溫度測量的特殊問題熱慣量。因此，對溫度傳感器有特殊的要求。 有些傳感器輸出是電流信號，如果想得到電壓信號，必須進行流壓轉換。 傳感
2、器或測量系統(tǒng)測量的結果應該是可信的。對此的檢驗過程稱為標定。 而由于存在系統(tǒng)誤差，需要對測量電路校準來消除。,工程訓練溫度的測量,6-4,第六講溫度的測量本講內容（2課時）,溫度系統(tǒng)的熱慣量 傳感器的標定 測量系統(tǒng)的校準 溫度傳感器 AD590測溫電路 訓練內容1：熱電阻阻值隨溫度的變化 訓練內容1：熱電阻測溫電路 訓練內容2：用AD590測溫電路測體溫,工程訓練溫度的測量,6-5,6.1 溫度系統(tǒng)的熱慣量熱容、熱阻及熱慣量,熱容：物體溫度發(fā)生變化需要吸熱或放熱DQ=CmDt C為比熱容，m為質量，Dt為溫度變化 熱阻：表征了介質的傳熱能力，即介質傳熱的快慢 系統(tǒng)具有熱容量，傳熱介質有熱阻 溫
3、度升降需要經歷一定的時間 此種性質稱為系統(tǒng)的熱慣量 熱容量越大，熱阻越大熱慣量越大,工程訓練溫度的測量,6-6,6.1 溫度系統(tǒng)的熱慣量溫度傳感器的特殊要求,傳感器的外殼和內部材料具有一定熱容和熱阻 傳感器具有一定的熱慣量傳感器與被測物達到熱平衡需要一定的時間 傳感器熱慣量過大的危害 不能迅速反映被測溫度的變化 傳感器吸熱和放熱會干擾被測系統(tǒng)的溫度 溫度傳感器的熱慣量要盡可能小 體積要小，材料比熱容要?。?使用導熱良好的封裝材料（熱阻?。?工程訓練溫度的測量,6-7,6.2 傳感器的標定對傳感器的要求,線性度好 無滯環(huán)誤差 重復性好 精度適中,工程訓練溫度的測量,6-8,6.2 傳感器的標定標
4、定的過程及目的,標定：傳感器的輸入輸出關系是已知的，傳感器或測量系統(tǒng)測量的結果應該是可信的。對此的檢驗過程稱為標定。 標定的過程：用待標定的傳感器對標準物理量進行測量，記錄一系列的對應量值，并由此得到傳感器的線性度、精度、靈敏度、遲滯特性、重復性等。 標定的目的：檢驗傳感器輸出信號值與被測量值之間的對應關系,工程訓練溫度的測量,6-9,6.2 傳感器的標定對標定的進一步說明,傳感器的標定是對個體（某個傳感器） 標定的目的是檢驗傳感器的輸入輸出關系，而不是建立輸入輸出關系。如果是建立輸入輸出關系，稱為測試） 標定的結果用于調整系統(tǒng)的參數或者傳感器的輸入輸出關系式的參數，以提高系統(tǒng)的精度 傳感器使
5、用一段時間之后，一般要重新標定,工程訓練溫度的測量,6-10,6.2 傳感器的標定標準物理量的生成辦法,標準設備：配有高精度的傳感器、高精度的測量系統(tǒng)及控制裝置，可以提供高精度的標準被測量，一般至少比傳感器精度高一個數量級，這個被測量對于傳感器來說可以看成理想的。 此時標定的實質：進行待標定傳感器與標準傳感器之間的比較 如：溫度溫箱；重量標準質量原器、砝碼；長度塊規(guī) 其它辦法：標準大氣壓下水的冰點作為0，沸點作為100,工程訓練溫度的測量,6-11,6.3 測量系統(tǒng)的校準,校準的原因：系統(tǒng)存在誤差，如元件的不精確（R、L、C、運放等），環(huán)境的影響 校準的目的：消除系統(tǒng)誤差。 校準的方法：調節(jié)
6、R、L、C 及其配比等 測量系統(tǒng)的校準： 調零點（或量程下限） 調滿度（或量程上限） 測量系統(tǒng)進行零點或滿度校準時，必須保證被測量達到并穩(wěn)定在對應值。 已調整好的零點和滿度應保持不變,工程訓練溫度的測量,6-12,6.4 幾種常用的溫度傳感器金屬熱電阻,原理：在一定溫度范圍內，金屬材料的電阻與溫度成一定函數關系。 純金屬：Rt = R0（1+ a t + b t2 + ） 熱電阻材料： 要求：線性度好、特性穩(wěn)定、測量范圍寬 主要是鉑、銅、鎳等。 負面效應： 如果連接導線很長，導線的電阻受環(huán)境溫度影響會造成測量誤差，通常要采取補償措施來消除這種誤差,工程訓練溫度的測量,6-13,6.4 幾種常用
7、的溫度傳感器 熱電阻的測溫電路,差動放大10倍,電橋,工程訓練溫度的測量,6-14,訓練內容1：熱電阻測溫電路訓練項目（P52，圖6-1，50）,連接電橋，并調平衡： 在面包板上連接電橋； 在室溫下調節(jié)電位器，使電橋平衡； 用手給熱電阻加熱，用示波器或萬用表觀察電橋輸出電壓的變化情況。 接入差動放大器： 電橋的兩個輸出端接到自制溫度電路板上差動放大器兩個輸入端。 給熱電阻加熱，用示波器或萬用表觀察電橋輸出電壓的變化情況。,工程訓練溫度的測量,6-15,訓練電路板簡介,,,工程訓練溫度的測量,6-16,,,訓練內容1：熱電阻測溫電路訓練項目（P52，圖6-1，10）,,,,,,,,,,,接線
8、要求： 橫平豎直 避免交叉 少用導線,直流電源的使用： 開啟之前逆時針旋到底 “跟蹤”按下,電阻的讀取 色環(huán) 萬用表 面包板P28,工程訓練溫度的測量,6-17,6.4 幾種常用的溫度傳感器半導體熱敏電阻,原理：半導體的導電能力受溫度影響較大 優(yōu)點：半導體熱敏電阻的阻值較大，即使用長達數千米的連接導線，導線電阻通常也可以忽略不計。 缺點：大多數半導體熱敏電阻阻值與溫度的關系不是線性的。半導體熱敏電阻的伏安特性也多是非線性的。 測溫電路：電橋,工程訓練溫度的測量,6-18,6.4 幾種常用的溫度傳感器半導體集成溫度傳感器,感溫器件：熱敏晶體管，采用硅半導體集成工藝而制成 特點：集成了溫度補償或非
9、線性補償電路，感溫范圍很寬，線性度較好。 按輸出量分類： 電流型：如AD590 電壓型 頻率型,工程訓練溫度的測量,6-19,6.5 AD590 測溫電路AD590的性能和主要參數,AD590的特性：溫控電流源 I(A) = T(K) t()T(K)I(mA) -273.1600 0273.16273.16 100373.16373.16 工作電壓：430V 工作范圍： AD590JH：070,工程訓練溫度的測量,6-20,6.5 AD590 測溫電路測溫電路的設計目標,目標：I(mA) = T(K)；uo(V)=0.05t() t()T(K)I(A)uo(V) 0273.16273.160
10、100373.16373.165 需要做的工作： 把電流I轉換為電壓uo（流壓轉換） 0時輸出0V； 100時輸出5V；,工程訓練溫度的測量,6-21,6.5 AD590 測溫電路簡單的流壓轉換,問題：隨著溫度的升高，電流增大，uo很大，造成AD590的工作電壓降低，甚至低于它的穩(wěn)定工作電壓 解決思路：最好使AD590的工作電壓恒定,工程訓練溫度的測量,6-22,6.5 AD590 測溫電路AD590構成的測溫電路,完成：流壓轉換 uo = iR提供0電位點以及R運放 完成：0時輸出0V i = iA - i0 = iA- 273.16mA選擇適當R1 完成：100時輸出5V 選擇適當的R2,
11、工程訓練溫度的測量,6-23,流壓轉換,6.5 AD590 測溫電路AD590構成的測溫電路,0補償,,Rw1：零點校準（調零） Rw2：滿度校準（調滿度）,工程訓練溫度的測量,6-24,6.5 AD590 測溫電路測溫電路的校準,為什么需要校準？ 因為電路中的元件（如R、C、L、運放等）含有誤差，導線含有電阻，為了使測量電路可以得到精確的測量值，必須對這些誤差進行補償。 AD590測溫電路中的電位器Rw1、Rw2就是起補償作用的 AD590測溫電路的校準過程 零點校準：0輸出0V。要求將AD590置于0的環(huán)境中，調節(jié)Rw1，使 uo = 0V。 滿度校準：100輸出5V。要求將AD590置于
12、100的環(huán)境中，調節(jié)反饋電阻Rw2，使 uo = 5V 。 這些可調元件的參數一經調定就不允許再變動。,工程訓練溫度的測量,6-25,訓練內容2：用AD590測量體溫操作步驟（P48，30）,連接電路之前，先調節(jié) R2=50kW； 注意：應把 R2 從電路中斷開 連接電路； 使用當前室溫校準電路（如室溫為20，即：使輸出 uo=1.00V ） 測量手的體溫，記錄測量值。 uo = V； t = ,工程訓練溫度的測量,6-26,訓練內容2：用AD590測量體溫接線示意圖（P54）,,,,,,電路的檢測方法： 檢查電源供電是否正常？ 檢查電路中各點的電壓； 有問題，檢查連接點導線,直流電源
13、的使用： 開啟之前逆時針旋到底 “跟蹤”按下,,,,工程訓練溫度的測量,6-27,訓練電路板簡介,,,工程訓練溫度的測量,6-28,訓練內容2：用AD590測量體溫誤差分析,測量中主要存在什么誤差？ 10V電源是否準確，否則無法產生準確的 273.16mA 的抵消電流 傳感器 元件：如電阻、運放等,工程訓練溫度的測量,6-29,思考：如何實現“壓流轉換”,請思考并畫出電路圖。 如果思考不出來，請查閱相關的書籍。,工程訓練溫度的測量,6-30,思考：,手掌和臺燈都可以看作恒溫熱源。用恒溫熱源對溫度傳感器加熱，測溫系統(tǒng)的輸出信號上升需要一定的時間，這是什么原因？ 為什么希望溫度傳感器的熱慣量小？
14、圖62電路中R1和R2的值能夠計算，并且在調節(jié)時能夠用儀器測量，為什么還要用在標準溫度下校準零點和滿度？ 如果放大器輸出不足以帶動磁電式電壓表指針偏轉，應如何解決？ 有哪些因素影響溫度測量的精度？,溫度傳感器具有熱慣量 溫度傳感器能更快地跟隨被測物的溫度變化 消除系統(tǒng)誤差 若輸出電壓太小，可以增加一級運放；若輸出功率不夠，做功率放大； 傳感器精度；傳感器的特性（線性度等）；系統(tǒng)誤差；環(huán)境影響（室溫、風等）,工程訓練溫度的測量,6-31,本講小結,溫度測量存在特殊問題熱慣量，所以，設計傳感器時體積要小，并選用導熱性能好的材料。 傳感器要進行標定，以驗證可用信號與被測量之間的對應關系。 測量系統(tǒng)在使用前必須校準，以消除系統(tǒng)誤差。 AD590相當于溫控電流源： I(mA) = T(K) 如果要轉換為電壓，必須作流壓轉換。常使用運放來完成。,工程訓練溫度的測量,6-32,教學中常見的問題,,工程訓練溫度的測量,6-33,教學安排2課時（講課：；實驗：）,,
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