常用温度传感器测量电路设计实验指导书剖析

常用温度传感器测量电路设计

实

验

指

导

书

自动化工程学院

常用温度传感器测量电路设计实验指导书

一、实验目的：

本实验要求设计并制作一个常用温度传感器测量电路，要求测量温度在

常温～100℃之间，输出为电压信号。该电路即可用于热电阻温度测量也可用于热电偶温度测量。

二、基本原理:

温度测量过程原理：

图1：温度测量过程原理

温度测量过程原理如图1所示:

信号采集：由热电偶或热电阻传感器负责将被测体的相关物理量转化为电信号。信号处理部分：负责对信号进行放大，整形，降噪,标准化等处理。

输出显示部分：负责对处理后的各种信号进行可视化处理，便于人们直观的读出相关的物理量。该部分可以是计算机或数码管或显示仪表等。

该实验只涉及信号采集，信号处理部分的相关电路设计，安装，调试等内容。

设计思路:

温度检测电路总体设计思路：如图2所示，被测物体温度经过温度传感器元件以及相关转换电路转化为电压信号，经后续放大电路放大调节后输出，再用数字显示表头显示检测到的温度信号。

图2温度检测电路组成

传感器部分：

热电偶传感器：是将A和B二种不同金属材料的一端焊接而成如图3。A和B称为热电极，焊接的一端是接触热场的T端称为工作端或测量端，也称热端；未焊

称为自由端或参考端，也称冷端(接引线用来连接测量仪表接的一端处在温度T

的两根导线C是同样的材料，可以与A和B不同种材料)。 T与T

的温差愈大，

热电偶的输出电动势愈大；温差为0时，热电偶的输出电动势为0；因此，可以用测热电动势大小衡量温度的大小。国际上，将热电偶的A、B热电极材料不同分成若干分度号，如常用的Ｋ(镍铬-镍硅或镍铝)、Ｅ(镍铬-康铜)、Ｔ(铜-康铜)等等，并且有相应的分度表即参考端温度为0℃时的测量端温度与热电动势的对应关系表；可以通过测量热电偶输出的热电动势值再查分度表得到相应的温度值。实验中用分度号为K的热电偶。

表1：K热电偶温度与输出电压的关系

0000

式中：E(t, t

0)---热电偶测量端温度为ｔ，参考端温度为t

=0℃时的热电势值；

E(t, t

0＇)---热电偶测量温度ｔ，参考端温度为t

＇不等于0℃时的热电势值；

E(t

0＇, t

)---热电偶测量端温度为t

＇，参考端温度为t

=0℃时的热电势值。

例：用一支分度号为Ｋ(镍铬-镍硅)热电偶测量温度源的温度，工作时的参考端

温度(室温) t

＇=20℃，而测得热电偶输出的热电势(经过放大器放大的信号，

假设放大器的增益A=10)32.7mv，则E(t, t

＇)=32.7mV/10=3.27mV，那么热电偶测得温度源的温度是多少呢?

解：由表1 查得：

E(t

0＇, t

)=E(20,0)=0.798mV

已测得 E(t, t

＇)=32.7mV/10=3.27mV

故 E(t, t

0)=E(t, t

＇)+E(t

＇, t

)= 3.27mV+0.798mV=4.068mV

热电偶测量温度源的温度可以从分度表中查出，与 4.068mV所对应的温度是100℃。

铂电阻：是将0.05～0.07ｍｍ的铂丝绕在线圈骨架上封装在玻璃或陶瓷内构成，图4是铂热电阻的结构图。

在0～500℃以内，它的电阻Rt与温度t的关系为：Rt=Ro(1+At+Bt2)，式中： Ro 系温度为0℃时的电阻值(本实验的铂电阻Ro＝100Ω)。A＝3.9684×10－3／℃，B＝－5.847×10－7／℃2。铂电阻一般是三线制，其中一端接一根引线另一端接二根引线，主要为远距离测量消除引线电阻对桥臂的影响(近距离可用二线制，导线电阻忽略不计)。

图4铂热电阻结构

实际测量时将铂电阻随温度变化的阻值通过电桥转换成电压的变化量输出，再

经放大器放大后直接用电压表显示，如图5所示。

图5热电阻信号转换原理图

图中△V=V1-V2；

V1=［R3/(R3+Rt)］Vc；

V2=［R4/(R4+R1+RW1)］Vc；

△V=V1-V2=｛［R3/(R3+Rt)］－［R4/(R4+R1+RW1)］｝Vc；

Pt100热电阻一般应用在冶金、化工行业及需要温度测量控制的设备上，适用

于测量、控制＜600℃的温度。

本实验由于受到温度源及安全上的限制，所做的实验温度值＜100℃。

表2：Pt100 铂电阻分度表(t—Rt对应值)

分度号：Pt100R o=100Ωα=0.003910

表2是该传感器在不同温度下的电阻值。测量电桥在4V供电情况下温度为100℃时，电桥两端可获得约30mV电压。

信号处理部分：

由于直接从传感器获得的信号一般都很微小，既难以直接精确测量，又不便直接处理。因此，必须采用后续电路，将小信号转换成更大的电压信号或电流信号，以便于测量与处理。

差分放大电路

我们采用差分放大电路对电压进行放大，我们先讨论简单的差动放大器，如图6所示,Vi1、 Vi2为输入，Vo为输出。

Vi1

Vi2

图6 基本差动放大器

输出电压

Vo=-V

i1+(1+)V

i2

本实验中运算放大器采用OP07芯片,OP07芯片是一种低噪声，非斩波稳零的双极性运算放大器集成电路。由于OP07具有非常低的输入失调电压，同时具有输入偏置电流低和开环增益高的特点，这种低失调、高开环增益的特性使得OP07特别适用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号等方面。OP07管脚图如图7所示。