自动检测技术及应用22检测教案第二章第二节第六节.docx
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自动检测技术及应用22检测教案第二章第二节第六节
第二章电阻传感器Ⅱ
课题：
热电阻测温传感器原理及应用
课时安排：
2
课次编号：
4
教材分析
难点：
仪表的标定
重点：
工程项目设计及计算
教学目的和要求
1、了解热电阻传感器的工作原理；
2、掌握仪表的标定方法；
3、掌握三线制仪表的概念；
4、了解热电阻电桥差动放大器的设计。
采用教学方法和实施步骤：
讲授、课堂讨论、分析
教具：
各种热敏电阻
各教学环节和内容
演示并提问：
（1）用打火机烧一只小型Pt100的端部（或一段电阻丝），用数字欧姆表观察其阻值变化趋势，请同学回答是正温度特性还是负温度特性？
（2）通常情况下，超期使用的220V家用电灯泡是在_____烧毁？
A.关灯瞬间；B.开灯瞬间；C.正常工作半小时后。
为什么？
（3）CRT式（解释什么是CRT）电视机经常开和关，利弊如何？
（有何利处？
有何弊处？
）
利用超导现象来解释以下论述：
温度升高，金属内部原子晶格的振动加剧，从而使金属内部的自由电子通过金属导体时的阻力增大，宏观上表现出电阻率变大，电阻值增大，我们称其为正温度系数，即电阻值与温度的变化趋势相同。
热电阻的主要技术性能指标比较：
表2-2热电阻的主要技术性能
材料
铂（WZP）
铜（WZC）
使用温度范围/℃
-200～+960
-50～+150
电阻率/（m10-6）
0.098～0.106
0.017
0～100℃间电阻
温度系数（平均值）/℃-1
0.00385
0.00428
化学稳定性
在氧化性介质中较稳定，不能在还原性介质中使用，尤其在高温情况下
超过100℃易氧化
特性
特性近于线性、性能稳定、准确度高
线性较好、价格低廉、体积大
应用
适于较高温度的测量，可作标准测温装置
适于测量低温、无水分、无腐蚀性介质的温度
课堂提问：
分析表2-2，相同阻值的铜热电阻和铂热电阻的外形比较，____的体积较大？
为什么？
ITS-90标准：
国内统一设计的工业用铂热电阻在0℃时的阻值R0值有25Ω、100Ω等，分度号分别用Pt25、Pt100等表示。
薄膜型铂热电阻有100Ω、1000Ω等数种。
热电阻的阻值Rt与温度t的关系可用下面的一般表达式表示：
Rt=R0（1+At+Bt2+Ct3+Dt4）（2-11）
课堂提问
（1）若为理想线性型热电阻，则表达式应为：
Rt=___________________
热电阻分度表：
热电阻的阻值Rt与t之间并不完全呈线性关系。
因此必须每隔一度测出铂热电阻和铜热电阻在规定的测温范围内的Rt与t之间的对应电阻值，并列成表格，如附录C。
（请同学翻到P343）
课堂提问
（1）为什么Cu50的分度表格数比Pt的分度表少很多？
（2）查附录C，铂热电阻在0℃时的阻值为_____Ω，与型号有何关系？
100℃时的阻值为_____Ω，200℃时的阻值为_____Ω，说明该Pt100是否线性？
在理想线性的情况下，200℃时的阻值应为_____Ω。
二、热敏电阻
1.热敏电阻的类型及特性
热敏电阻（Thermistor）按其温度系数可分为负温度系数热敏电阻（NTC）和正温度系数热敏电阻（PTC）两大类。
正温度系数：
电阻的变化趋势与温度的变化趋势相同。
负温度系数：
当温度上升时，电阻值反而下降。
NTC的电阻值与温度之间的负指数关系：
图2-15中的曲线2，关系式为：
RT=R0
（2-13）
式中RT——NTC在热力学温度为T时的电阻值；
R0——NTC在热力学温度为T0时的电阻值，T0设定在298K（25℃）；
B——NTC的温度常数。
课堂提问
（1）为什么公式2-13中的温度以T表示，而不以t表示？
设某电阻传感器的温度特性方程为RT=R0lg（1＋T），请画出特性曲线，并与图2-15中的曲线2比较它们的灵敏度变化趋势。
突变型：
又称临界温度型（CTR）。
当温度上升到某临界点时，其电阻值突然下降，可用于各种电子电路中抑制浪涌电流。
图2-15各种热敏电阻的特性曲线
1－突变型NTC2－负指数型NTC
3－线性型PTC4－突变型PTC
PTC热敏电阻：
它的温度-电阻特性曲线呈非线性，如图2-15中的曲线4或曲线1所示。
它在电子线路中多起限流、保护作用。
课堂提问某NTC的特性如图曲线1所示。
将它与电视机的显像管的灯丝串连，求：
（1）在室温（25℃）时的阻值为_____Ω，在150℃时的阻值为_____Ω。
（2）电视机上电的瞬间，流过显像管灯丝的电流接近于_____。
当该PTC的温度上升到150℃（PTC与一个专用加热电阻封装在一个壳体内），显像管的灯丝电流显著_____（增大/减小）。
采用该电路，可以达到使显像管_____（快/慢）启动的目的。
图2-16热敏电阻的外形、结构及符号
a）圆片形热敏电阻b）柱形热敏电阻c）珠形热敏电阻d）铠装型
e）厚膜型f）贴片式g）图形符号
1－热敏电阻2－玻璃外壳3－引出线4－纯铜外壳5－传热安装孔
解释什么是铠装型、厚膜型、贴片式
2．热敏电阻的应用
（１）热敏电阻测温为提高测温灵敏度，应使用_____（铂热电阻/PTC/NTC）作为测温元件。
非线性应如何纠正？
_________________________。
（2）热敏电阻用于温度补偿；
标定：
仪表电路必须先进行调零再调满度，最后再验证刻度盘中其他各点的误差是否在允许范围内。
在带微机的情况下，可用软件修正之。
讲解标定过程。
热敏电阻体温表原理图
a）桥式电路b）调频式电路c）数字式体温表
1－热敏电阻2－指针式显示器3－调零电位器4－调满度电位
上述的“调零”、“标定”的概念是作为检测技术人员必须掌握的最基本技术，必须在实践环节反复训练类似的调试基本功。
热敏电阻与继电器的接线图
课堂提问在图2-18过热保护电路中，Rt应选用________（PTC/NTC）。
设该热敏电阻的特性如图曲线1所示，继电器KA的阻值为400Ω，求：
当Rt所处环境为150℃时，流过KA的电流IKA约等于________________________________________mA。
第六节工程项目设计实例
——利用铂热电阻测控电烘箱温度
一、课题要求和主要性能指标：
小型电源变压器真空浸漆的必要性：
什么是真空浸漆：
把待浸工件放在一个密闭的容器中抽真空，然后通过压差法把浸渍液注入其中，再施加一定的压力使浸渍液彻底地浸透工件的缝隙。
目的：
把绕组间的可能的空气尽量排除，用绝缘漆填满气隙，提高耐压和绝缘电阻，并固定绕组减少磁通变化造成的绕组机械振动和滋滋声。
解释热风循环烘箱
电烘箱使用隔爆型温度传感器，并自动测量、控制电烘箱的温度。
技术指标：
1．电烘箱电源：
三相380V，额定功率为10kW。
2．数字温度表：
显示温度范围为0～199.9℃，准确度优于1％，
课堂提问：
数显表的分辨力为多少？
最大绝对误差为多少？
分辨力的数值
Δm＝199.9℃×1％≈2.0℃
3．烘干温度100～130℃。
温度传感器的输出信号作A/D转换后，送单片机作运算处理；
4．单片机根据用户设定的温度上限值控制电烘箱的温度。
温度控制误差为±3℃。
二、设计方案及步骤
什么是工程设计：
设计是人类的一种重要创造活动，现代设计是把各种技术成果转化为生产力的一种手段和方法。
具体地说，设计是针对预定的目标经过一系列的规划、分析和决策，产生相应的文字、数据、图形等信息的过程。
如服装设计、建筑设计、机械设计、电气设计等。
设计之后的成果通过实践或实施转化为某项工程或产品。
什么是工程设计过程：
工程设计过程是对工程系统提出“如何去做”的研究与设计过程,也可称为系统综合。
它包括设计师对硬件、软件和系统接口的设计综合，以及对试验工程和生产制造工程的设计综合。
这一过程的目标是保证能够按照工程总要求或研制任务书的要求进行，必须综合设计队伍中各门类专业专家的工作成果，使整个系统达到设计指标，并在可靠性、稳定性、抗干扰等方面达到国家标准。
系统工程的综合过程，依靠具有不同知识结构和工程背景的工程系统工程设计师、传统工程设计师、系统分析工程师、专门工程专业工程师、结构集成设计师、试验工程师、生产制造工程师、计算机辅助设计工程师和技术支持工程师组成的团队进行益优化，保障合理、均衡的工程设计。
必须更多地依靠熟悉传统工程设计的工程师，如结构、电器、动力、无线电等专业的设计师，以及结构集成设计师，在工程研制阶段后期和生产阶段、生产、试验和综合技术保障工程师成为重要的设计力量。
设计者拿到工程项目后，首先必须仔细研究系统的技术指标。
然后进行方案选择。
设计是一个“设计——评价——再设计”的反复迭代、不断优化的过程，如图所示。
诸多的问题可能是矛盾的，设计实际上也是一个折中的过程。
1．温度传感器的选择
（1）水银温度计；
（2）铂热电阻：
有铠装式、装配式、隔爆式等。
隔爆热电阻：
在化工厂和其他生产现场，常伴随有各种易燃、易爆等化学气体、蒸气等。
在本项目中，绝缘漆蒸气属于可燃性气体，如果使用普通的装配型铂电阻较不安全，有可能引发爆炸。
因此，在这些场合必须使用隔爆热电阻。
隔爆式热电阻与装配式热电阻的主要区别：
隔爆式产品的接线盒（外壳）在设计上采用防爆特殊结构，用高强度铝合金压铸而成，并具有足够的内部空间、壁厚和机械强度，橡胶密封圈的热稳定性等均符合国家防爆标准。
当接线盒内部的爆炸性混合气体发生爆炸时，其内压不会破坏接线盒，由此产生的热能也不能向外扩散（传爆）。
防爆标志：
图2-36隔爆型热电阻的防爆标志表示方法
电气设备分为两类：
Ⅰ类：
煤矿井下用电气设备；Ⅱ类：
工厂用电气设备。
隔爆热电阻的防爆等级按其适用于爆炸性气体混合物最大安全间隙分为A、B、C三级。
隔爆热电阻的温度组别按其外露部分最高表面温度分为T1～T6六组，对应的温度如表2-4所示。
表2-4隔爆热电阻的温度组别
温度组别
允许最高表面温度/℃
T1
450
T2
300
T3
200
T4
135
T5
100
T6
85
结论：
dⅡBT2型Pt100隔爆型热电阻可作为本项目的测温传感器。
2．测量桥路设计方案的选择
方案一：
二线制电桥测量电路的缺点：
（1）引线的电阻将使原来已调好平衡的电桥失去了平衡，需重新调零。
（2）在测量过程中，气温升高时，引线电缆受环境温度影响，铜质电缆线的电阻与热电阻一样，阻值也会升高，叠加在Rt的变化上，引起测量误差，且无法纠正。
图2-28热电阻测量的转换电路
a）二线制单臂电桥测量电路b）四线制恒流源测量电路c）三线制单臂电桥测量电路
1－连接电缆2－屏蔽层3－恒流源RP1－调零电位器RP2－调满度电位器
方案二：
四线制恒流测量电路
由于输出电压是直接从Rt两端引出的，所以激励电流Ii在r1a、r1b上的压降就不被包括到Uo中，因此可以克服引线电阻的影响。
四线制测量电路的缺点是：
A/D转换器得到的电压中，本底电压Uo0所占比例较大，而反映温度变化的ΔUo相对较小，降低了系统的分辨力。
方案三：
三线制电桥测量电路
热电阻Rt用三根导线①、②、③引至测温电桥。
其中两根引线的内阻（r1、r4）分别串入测量电桥相邻两臂的R1、R4上，引线的长度变化不影响电桥的平衡，所以可以避免因连接导线电阻受环境影响而引起的测量误差。
ri与激励源Ei串联，不影响电桥的平衡，可通过调节RP2来微调电桥的满量程输出电压。
三芯屏蔽线：
为了减小环境电、磁场的干扰，最好采用三芯屏蔽线，并将屏蔽线的金属网状屏蔽层接大地。
结论：
三线制电桥测量电路的稳定性较好，灵敏度较高，所以我们采用第三个方案。
3．电桥的调零电路设计
为了尽量减小误差，提高灵敏度，我们取R2＝R3＝R4等于R1的初始值（100Ω）。
由于元件的误差等原因，安装完成的电桥仍存在微小的不平衡，因此必须在电桥中加入一个调零电位器。
本案例采用并联调零法。
RP1的阻值：
应大于桥臂电阻的50倍以上（例如10kΩ），以免影响电桥的线性度和灵敏度。
4．放大电路的设计
减法差动放大电路：
只对b、d两点的输入电压之差Uo1＝Ud－Ub才有放大作用，叠加在Ud、Ub上的对地共模电压将自动抵消，基本不会在放大器的输出电压Uo2中反映出来。
放大倍数：
K＝Rf/R11。
共模信号：
施加到放大器输入端的、大小相等相位相反的干扰信号。
选择低温漂运算放大器OP-07，它的共模抑制比可达80dB以上。
低通滤波电容：
Cf、C2应严格配对
Cf、C2容量对电路的影响：
数值越大，对交流干扰的滤波效果越好，但放大器的响应速度就越慢。
上升时间计算：
ι＝Rf×Cf。
若Rf取200kΩ，Cf取0.1μF，则放大器的上升时间约为200ms，可较好地滤除50Hz（20ms）的串模干扰。
5．放大器四个电阻阻值的计算
K＝Rf/R11。
当t＝100℃时，Uo1＝0.45V，希望此时放大器的输出Uo2＝1.00V，则要求K＝Rf/R11必须为2.22。
Rf的取值：
由于运算放大器的负载电流为毫安级，所以Rf的取值一般应大于10kΩ。
但考虑到非理想运放的输入失调电流和失调电压以及输入偏置电流均不为零，所以Rf也不应超过1MΩ。
在本设计中，还考虑到必须滤除50Hz的干扰，所以有Rf·Cf≥10T50Hz=200ms。
当Cf取0.47μF时，Rf和R13可取整数值510kΩ，则R11和R12的理论值为230k，取标称值220kΩ。
此时放大器的增益与理论设计值略有偏差，可以依靠改变RP2的阻值（约100Ω）来进行微调。
电阻的标称值：
电阻和电容标称规格及应用
E数列电阻元件的规格
电阻器、电容器标称值系列通常采用E系列。
E系列是一种由几何级数构成的数列。
源自Electricity的第一个字母，它是以
＝1.5、12√10＝1.2、24√10＝1.1为公比的几何级数，分别称为E6系列、E12系列和E24系列。
E6系列适用于允差±20%的电阻和电容器数值；
E12系列适用于允差±10%的电阻和电容器数值；
E24系列适用于允差±5%的电阻和电容器数值。
E6系列、E12系列、E24系列在大于等于1，小于10的范围内：
E6系列则是在相同的范围内，确定了6个值；
E12系列则是在相同的范围内，确定了12个值；
E24系列是按照几何级数，确定了24个值。
E系列标称值选取示意图
E241.0、1.1、1.2、1.3、1.5、1.6、1.8、2.0、2.2、2.4、2.7、3.0、3.3、3.6、3.9、4.3、4.7、5.1、5.6、6.2、6.87.5、8.2、9.1；
E121.0、1.2、1.5、1.8、2.2、2.7、3.3、3.9、4.7、5.6、6.8、8.2；
E61.0、1.5、2.2、3.3、4.7、6.8（也是电容器的规格）
电阻色环
颜色
第1位数字
第2位数字
第3位数字
倍率
允许偏差
黑
0
0
0
100
－
综
1
1
1
101
+1％
红
2
2
2
102
+2％
橙
3
3
3
103
－
黄
4
4
4
104
－
绿
5
5
5
105
+0.5％
蓝
6
6
6
106
+0.25％
紫
7
7
7
107
+0.10％
灰
8
8
8
－
－
白
9
9
9
－
－
金
－
－
－
0.1
+5％
银
－
－
－
0.01
+10％
课堂提问：
说出：
若某五环电阻的色标为“棕红黑橙棕”，则该电阻的阻值为_______kΩ，误差为_______％。
桥路电源取标称电压选择：
电压的标称值：
三端固定正、负输出集成稳压器型号为：
正：
7805、06、08、09、12、15、18、24
负：
7905、06、08、09、12、15、18、24
后缀为L:
100mA；M：
500mA；T:
1.5A；K:
3A
课堂提问：
说出：
若系统需要1.3A，12V电压，应选取_______型号的三端稳压器。
为了减小因激励电流引起的发热和温漂，本项目折中选取：
12V。
6．加热回路的控制电路
请学生画出控制电路。
未开“电控设备”课程的班级略！
三、系统的调试和测试
1．电桥调零
将铂热电阻置于冰水混合物中，将不共地的12.00V电源施加到电桥的电源端子上，RP2置于最小值，反复调节“调零电位器”RP1，使放大器的输出Uo2为零。
2．测量系统的调满度和校验
将铂热电阻置于100℃的沸水中一段时间，在两者达到温度平衡后，调节“调满度电位器”RP2，使Uo2为1.00V。
再将铂热电阻置于电烘箱中，从20℃开始，缓慢升高温度，每隔10℃，用最小分度为0.1℃的200℃水银温度计校对，直至199℃为止。
记录放大器的输出测量值及非线性误差，为“铂热电阻软件线性化程序”提供纠偏数据。
3．工频干扰的测试（未学过共模抑止比的班级：
略）
将电桥的b、d端短路，将有效值为10V的50Hz交流电压一端接到短路点，另一端接地。
用示波器观察运放输出端的50Hz交流电压，其峰峰值应小于20
mV。
如果超过该值较多，应检查低通滤波电容Cf与C2的配对情况以及Rf/R11是否严格等于R13/R12。
课堂提问：
1、测试系统应先调零还是先调满度？
2、并联在运放反馈电阻两端的反馈电容的容量越大，则对50Hz工频干扰的滤波效果就越_______，但对输入电压的快速响应能力就越_______。
课外学习指导
安排每周二下午进行答疑
课堂补充作业
1、（该题仅本科生做）将下图带焊片铠装型热电阻，用不锈钢螺钉固定于电热水器储水箱内胆上。
设R0＝1MΩ，T0＝25℃，B＝5000，根据公式（2-13），即RT=R0
，用计算器计算：
若电热水器储水箱温度如上图所示，T0＝________℃，则
NTC的阻值RT=_________________Ω。
（57．8kΩ）
2、应变片测力的工程项目设计
将一片如表2-1所示的PZ-120型应变片粘贴在承重受压钢柱的表面，并接入由另外3个120Ω固定电阻组成的不平衡电桥。
由于该应变片的电阻变化量较小，电桥的输出电压为毫伏数量级，因此必须由一个放大器A1给予放大。
请参考图图2-37c，计算该电路的参数。
为了能调整输出电压的大小，在图2-37c的右边，再连接一个如图所示的反相放大器A2。
请根据以下已知条件和提示完成本项目的设计。
（见课堂作业）
课外作业
P55：
2，4，5
检测教学目标实现程度
考察学生能否了解不同热电阻的用途和利用厂方给出的NTC参数，计算其阻值，从而为单片机编程提供依据。
本节的教学力图使学生掌握电桥放大器的设计方法从而移植到其他类似的工程项目设计中去。
升级会员 