传感器及检测技术教学设计6温度检测.docx

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传感器及检测技术教学设计6温度检测

项目五温度检测

教学目的：

1、能认识各种温度传感器，了解温度传感器的分类和特性。

2、能了解热电偶的工作原理。

3、能掌握热电偶的冷端补偿方法。

4、会使用热电偶分度表。

5、了解热电阻、热敏电阻和集成温度传感器的特点、工作原理和测量电路。

6、了解红外辐射的基本知识和特性。

7、能理解各种温度传感器的应用电路。

课型：

新授课

课时：

5个项目，安排12个课时。

教学重点：

热电偶的外形结构、种类和特性；热电偶工作原理；热电偶、热电极、热电势、测量端、参考端的概念；热电势的组成；热电偶的基本定律；热电阻的主要技术性能；热电阻的工作原理，热敏电阻的分类；AD590系列集成温度传感器。

教学难点：

热电偶的种类和特性；热电偶工作原理；热电偶的基本定律；热电阻的主要技术性能；热电阻的工作原理，热敏电阻的分类；AD590系列集成温度传感器的主要特性和引脚功能；红外探测器的分类和特点；描述热电偶的四个基本定律和它们的实用价值；热电偶产生热电势的原因和条件是什么；简要描述使用的测温传感器的原理、接线和注意事项等；用红外传感器设计一台防盗装置，画出它的示意图，并说明工作原理。

教学过程：

1.教学形式：

讲授课，教学组织采用课堂整体讲授和分组演示。

2.教学媒体：

采用启发式教学、案例教学等教学方法。

教学手段采用多媒体课件、视频等媒体技术。

作业处理：

完成项目后的思考题。

板书设计：

本课标题

温度检测

课次

2

授课方式

理论课□讨论课□习题课□其他□

课时安排

12

学分

共2分

授课对象

院系、专业：

任课教师

教学基本内容

教学方法及教学手段

课堂导入

温度是表征物体冷热程度的物理量。

在工农业生产、科学研究和日常生活中，温度是需要测量和控制的重要参数之一。

从热平衡的观点来看，两个冷热程度不同的物体相互接触就会发生热交换，直到两个物体达到同一温度，处于热平衡状态为止，此时这两个物体的温度相等。

从微观来看，温度的高低反映了物体内部分子运动的平均动能大小。

温度高，分子动能大，运动剧烈；温度低，分子动能小，运动缓慢。

参考以下形式：

1.衔接导入

2.悬念导入

3.情景导入

4.激疑导入

5.演示导入

6.实例导入

7.其他形式

温度的数值表示方法称为温标。

它规定了温度的读数的起点（即零点）以及温度的单位。

各类温度计的刻度均由温标确定。

目前主要使用的温标有摄氏温标、华氏温标、热力学温标和国际温标等。

温度传感器就是一种利用敏感元件的电磁参数随温度变化而变化的特性来测量温度的装置。

测量温度的传感器很多，常用的有热电偶、热电阻、热敏电阻、PN结测温集成电路和红外辐射测温传感器等。

其中将温度的变化转换为电势输出的温度传感器为热电偶，将温度的变化转换为电阻输出的温度传感器为热电阻。

按热电阻材料性质的不同，又分为金属热电阻和半导体热电阻两大类，前者简称热电阻，后者的灵敏度比前者高十倍以上，所以又称为热敏电阻。

基本知识汇总

任务一轧钢炉的温度检测

热电偶传感器是一种自发电式传感器，测量时不需要外加电源，直接将被测量转换成电势输出。

使用十分方便，常被用作测量炉子、管道内的气体或液体的温度及固体的表面温度。

它的测温范围很广，常用的热电偶测温范围为－50～1600℃，某些特殊热电偶最低可测－270℃，最高可达2800℃。

它具有结构简单、制造方便、测量范围广、精度高、惯性小和输出信号便于远传等许多优点。

一、热电偶的外形结构、种类和特性

（一）常用热电偶的外形

各种普通装配型热电偶的外形如图52所示。

各种铠装型热电偶的外形如图53所示。

各种防爆型热电偶的外形如图54所示

（二）热电偶的结构

（三）　热电偶的分类

1、热电偶的结构分类

（1）　普通热电偶

普通热电偶一般由热电极、绝缘套管、保护套管和接线盒等几部分组成。

常用于测量气体、蒸气和各种液体等介质的温度。

（2）　铠装热电偶

铠装热电偶又称缆式热电偶，此种热电偶是将热电极、绝缘材料连同保护管一起拉制成型，经焊接密封和装配等工艺制成的坚实的组合体。

可做得很细、很长，可弯曲，外径小到1～3mm。

主要特点是测量端热容量小、动态响应快、绕性好、强度高。

2热电偶的种类

（1）　标准型热电偶

1．本课程是机电一体化、自动控制、电气自动化、应用电子等专业的一门专业课程。

要求学生能认识常用传感器，掌握其工作原理、输出特性、误差补偿，理解各种测量转换电路，了解传感器的典型应用等知识，达到能正确使用常用传感器的目的。

2．检测技术的主要内容包括了自动检测系统中的信息提取、信息转换以及信息处理。

需要一定的测量理论、测量方法，相应的测量工具、装置，以及对测量结果进行正确的处理分析。

它涵盖了传感器技术、误差理论、测试计量技术、抗干扰技术以及电量间的互相转换技术等。

3．本课程教学内容的组织与安排：

　由实例引入，按照“任务提出”“相关知识”“任务实施”“其他案例”“训练一下”几个部分递进完成。

采用任务引领的项目课程教学，将检测技术与传感器的技能和知识点融入项目的工作任务之中，在符合工作过程的基础上，充分考虑了学习者的认知心理过程，将课程内容划分为九个项目，再具化为多个工作任务的教学内容。

从检测的对象着手，选择合适的传感器，通过认识该类传感器的外形、性能指标，再到测量原理的介绍，在掌握基本知识的基础上，介绍相应的测量转换电路、信号处理电路，来完成该类检测任务。

再安排一个训练，供学习者在实践中掌握知识、提高技能。

2、热电偶的种类

（1）　标准型热电偶

标准型热电偶是指国家标准规定了其热电势与温度的关系、允许误差、并有相应分度表的热电偶。

（2）　非标准型热电偶

非标准型热电偶的复现性差，没有统一的分度表，主要用于扩展高温和低温的测量以及特殊场合的测量。

二、热电偶工作原理

（一）　热电效应

由两种不同成分的导体组成一个闭合回路，当闭合回路的两个接点分别置于不同的温度场中，回路中产生一个

方向和大小与导体的材料及两接点的温度有关的电动势，这种效应称为“热电效应”，或称温差电效应。

由于这种效应是1821年德国物理学家赛贝克首先发现的，故又称为赛贝克效应。

（二）　几个概念

1、热电偶

导体A、B组成的回路称为热电偶。

2、热电极

两种导体A、B称为热电极。

3、热电势

闭合回路中的电势称为热电势。

4、测量端

置于被测温度（T）中的一端称为测量端，又称工作端或热端。

5、参考端

置于恒定温度（T0）中的一端称为参考端，又称自由端或冷端。

（三）　热电势的组成

热电势由两种导体的接触电动势和单一导体的温差电动势两部分组成。

1、接触电动势

2、温差电动势

3、总电动势

接触电动势与温差电动势之和为热电偶的总电势。

三、热电偶的基本定律

（一）　均质导体定律

如果热电偶回路中的两个热电极材料相同，无论两接点的温度如何，热电偶回路内的总热电动势均为零。

应用：

　由于两相同的热电极材料间无自由电子的扩散运动，总电动势为零，因此它可用于检查热电极成分是否相同。

（二）　中间导体定律

在热电偶A、B回路中接入第三种导体C，如图57所示，只要第三种导体的两接点温度相同，则回路中总的电动势不变。

（三）　标准电极定律

如果两种导体A、B分别与第三种导体C组成的热电偶的热电动势已知，则由这两种导体组成的热电偶的热电动势也就已知应用：

　测得各种金属与纯铂组成的热电动势，则各种金属相互组成的热电偶的热电动势也可知了

（四）　中间温度定律

热电偶在两接点温度T、T0时的热电动

势等于该热电偶在接点温度为T、Tn和Tn、T0时的相应热电动势的代数和

应用：

　为补偿导线的使用提供了理论依据。

任务二管道温度的检测

一热电阻的外形、结构及性能

（一）热电阻的外形

（二）　热电阻的结构形式

热电阻一般由测温元件（电阻体或电阻丝）、保护管和接线盒三部分组成，

（三）　热电阻的主要技术性能

1、热电阻材料的性能要求

①　电阻值的变化与温度的变化线性要好。

②　电阻温度系数α要大且保持常数。

α越大，灵敏度越高，纯金属的α比合金要高，所以一般采用纯金属作为热电阻。

③　电阻率ρ要大。

ρ越大，在相同灵敏度下，热电阻体积越小，热惯性越小，反应速度越快。

④　在测温范围内，材料的物理、化学性能稳定。

⑤　材料价格便宜，容易加工。

2、常用热电阻的主要性能

二、热电阻的工作原理

大多数金属在温度升高时，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，表现为电阻值增大。

当温度升高1℃时，电阻值增加0．4％～0．6％，热电阻就是利用金属材料的电阻值随温度升高而增大的这一特性来测量温度的。

测温时，先将温度的变化转换为电阻值的变化，由于阻值变化很小，因此要通过后续的测量电桥再转换成电压信号送至显示仪表显示或记录被测温度。

任务三电冰箱温度检测

一热敏电阻的外形结构及符号

（一）　各种热敏电阻的外形

（二）　各种热敏电阻的外形结构及符号

二、　热敏电阻的工作原理

半导体材料的电阻率温度系数有从－（1～6）％/℃～60％/℃范围内的各种数值，它为金属材料的温度系数的10～100倍。

热敏电阻就是利用半导体材料的电阻值随温度的变化而显著变化的这一特性制成的测温传感器。

三、热敏电阻的分类

三热敏电阻的分类

（一）　负温度系数热敏电阻NTC

它是电阻率ρ随着温度的增加比较均匀地减小的热敏电阻。

主要用于温度测量和补偿，测温范围一般为-50～350℃，温度系数为－（1～6）％/℃。

（二）　正温度系数热敏电阻PTC

它是一种新型的测温器件，温度变化与电阻率变化之间成线性关系。

（三）　PTC（突变）、CTR热敏电阻

它是电阻率ρ随着温度的变化而变化，当超过某一温度值时，电阻率发生急剧变化的热敏电阻。

它具有开关特性，适用于在某一较窄温度范围内做温度控制开关或监测使用。

任务四空调器的温度检测

一、AD590系列集成温度传感器

（一）　AD590的外形和符号

AD590是电流输出型集成温度传感器，其输出电流与环境绝对温度成正比，可直接制成绝对温度仪。

它有I、J、K、L、M等五个型号。

其系列产品的外形及符号如图532所示。

它共有三个管脚：

　1脚为正极，2脚为负极，3脚接管壳。

使用时将3脚接地，可起屏蔽作用。

（二）　主要特性

①　测温范围：

　－55～150℃。

②　非线性：

　I：

　±3℃；J：

　±1．5℃；K：

　±0．8℃；L：

　±0．4℃；M：

　±0．3℃。

③　二端器件：

　电压输入，电流输出。

④　额定温度系数：

　1μA/K。

⑤　额定输出电流（25℃）：

　298．2μA。

⑥　最大正向电压：

　44V。

⑦　最大反向电压：

　－20V。

（三）　典型使用

AD590工作时，只要在其两端加上一定的工作电压，它的输出电流就随温度变化而变化，其线性电流输出为

（二）　主要特性

①　测温范围：

　－55～150℃。

②　非线性：

　I：

　±3℃；J：

　±1．5℃；K：

　±0．8℃；L：

　±0．4℃；M：

　±0．3℃。

③　二端器件：

　电压输入，电流输出。

④　额定温度系数：

　1μA/K。

⑤　额定输出电流（25℃）：

　298．2μA。

⑥　最大正向电压：

　44V。

⑦　最大反向电压：

　－20V。

（三）　典型使用

D590工作时，只要在其两端加上一定的工作电压，它的输出电流就随温度变化而变化，其线性电流输出为IμA/K，经电流电压转换电路输出10mV/K。

由于AD590是一种电流型的温度传感器，它具有较强的抗干扰能力，特别适用于远距离温度测量和控制