温度控制模块设计毕业设计.docx
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温度控制模块设计毕业设计
南京信息职业技术学院
毕业设计（论文）开题报告
系部机电工程系
专业机电一体化
姓名罗瑞东
学号20612p21
题目传感技术应用实验台的研制
（温度测量实验模块的设计）
指导教师贺道坤
毕业设计（论文）中文摘要
温度模块设计
摘要：
温度是一个和人们生活生产有着密切相关的物理量。
是我们在生活中需要测量和控制的物理量。
通过所学我们知道其有温度效应，因此，我们温度传感器的工作原理就利用一些金属、半导体等材料与温度有关的特性，来对物体进行测量。
在测量过程中，我们将传感器、变送器、显示仪表组装在一块面板上构成我们的测温模块。
在此之前我们要先绘制出整个测温系统的构成图。
在组装过程中我们要对传感器、变送器、显示仪表等进行选择，根据元器件的材料、价格、使用难易、实用性等选择出一套适合我们的材料和元器件。
做成模块之后我们要进行调校和实验，并将结果记录，完成实验报告，以便以后使用。
关键词：
温度传感器工作原理选择模块实验报告
毕业设计（论文）外文摘要
Title:
TemperatureModuleDesign
Abstract:
Temperatureisaproductionandpeople'slivesarecloselyrelatedtophysicalquantities.Inlifeweneedtomeasureandcontrolthephysical.Weknowthatthroughthestudyofitstemperatureeffect,sowetheworkingprincipleofthetemperaturesensorontheuseofsomemetals,semiconductorsandothermaterialsandtemperature-relatedcharacteristics,tomeasureobjects.Inthemeasurementprocess,wewillbesensors,transmitters,showinganinstrumentpanelassemblyinthetemperatureofourmodule.Priortothiswemustfirstmapoutthecompositionoftheentiretemperaturemeasurementsystemdiagram.Intheassemblyprocess,wewanttosensors,transmitters,indicatinginstrumentssuchasoptions,accordingtothematerialcomponents,price,easeofuse,practicality,suchasasuitablechoiceofmaterialsandcomponentsus.Madeafterthemoduletoadjustandwewouldliketoexperiment,andtheresultsrecorded,thereportofthecompletionoftheexperimentinordertolateruse.
keywords:
TemperaturesensorWorkingPrincipleChooseModule
ExperimentalReport
1．引言
传感器的定义及其重要性传感器是一种测量装置，它能感受或响应规定的被测量，并按照一定的规律转换成可用输出，以满足信息的传输、处理、储存、记录、显示和控制等要求。
在被称为信息化社会的今天，人们对科学技术方面的要求也就更加的严格。
若将信息化社会与人体相比拟，电子计算机便相当于人的大脑。
大脑是要通过人的五种感觉器官（视觉、听觉、嗅觉、味觉和触觉）感受外界刺激并作出反响的。
“感官”这种受刺激的元件就是传感器，故传感器又称为“电五官”。
传感器能把各种物理量、化学量、生物量和状态量变换成有用信号，便于远距离传输、处理、储存和控制。
传感器是实现自动检测和自动控制的首要环节，如果没有传感器对原始参数进行精确可靠的测量，那么无论是信号转换、信息处理，或者是最佳数据的显示与控制，都将成为一句空话。
可以说，没有精确可靠的传感器，就没有精确可靠的自动检测和控制系统。
近代微电子技术和计算机为信息的的转换和处理提供了极其完善的手段，近代检测与控制系统正经历着重大的变革，但是，如果没有各种传感器去检测大量原始数据并提供信息，那么，电子计算机也无法发挥其应有的作用。
传感器的发展传感器的使用已经有相当长的历史。
过去人们把它叫做变换器或换能器，它不仅是技术产品中的老成员，又是科技发展中的新秀。
其发展方兴未艾，前途无量。
早期一测量物理量为主的传感器，如电位器、应变式和电感应式传感器等都是利用机械结构的温度或变形来完成非电量到电量的变换。
由于新材料、新工艺、新原理的出现，机械结构传感器在精度、稳定性等方面有了很大的提高，最近新出现的谐振式、石英电容式这样一些稳定可靠的高精度传感器。
迄今为止，结构型传感器在国防、工业自动化、自动检测等许多领域中仍占有较大的比重。
随着各种半导体材料和功能材料的发展，利用材料的压阻、湿敏、热敏、光敏、磁敏及气敏等效应，可把温度、湿度、光量、气体成分等物理量变换成电量，由此研制成的传感器叫做物性传感器。
大量的半导体材料、功能陶瓷和功能有机聚合物，为物性传感器的发展提供了坚实的物质基础。
更由于宽广的市传统的单功能传感器，此类传感器称之为只能传感器。
还有许多利用新原理之作的各种新型传感器不断的涌现出来。
如一种响应速度极快的红外探测器，就是根据超导体量子力学的隧道效应（约瑟夫效应）制成的传感器，它对光通信的贡献非常大。
又如图像装置中的电荷耦合器件（CCD）就是能把光学图像信号转换成电信号的一种功能传感器。
综上，人们正竞相发展小型化，集成化，智能化的传感器，并且为不断的满足测试技术的各种需要而努力开拓新型的传感器。
2.温度测量原理和温度传感器的类型及其特点
温度是一个和人们生活环境有着密切关系的物理量也是一种在生产、科研、生活中需要测量和控制的重要物理量。
温度概念是以热平衡为基础的。
如果两个相接触的物体温度不相同，它们会产生热交换，热量将从温度高的物体向温度低的物体传递，直到两物体达到相同的温度。
常用的各种材料和元器件的性能大都会随着温度的变化而变化，具有一定的温度效应。
温度效应又通过物理现象表现出来。
而温度测量则是利用物理现象。
如物体的体积热膨胀、接触热电动势、电阻的变化、PN结结电压、温度—颜色变化、光辐射、热辐射。
2．1测温传感器的分类
温度传感器是利用一些金属、半导体等材料与温度有关的特性而制成。
这些特性包括：
热膨胀、电阻、电容、磁性、热电势、热噪声、弹性及光学特性。
测量温度的传感器很多，常用的有热电偶、热电阻、PN结测温集成电路、红外辐射温度计等。
其分类方法也很多。
1）按照用途分类可分为基准温度计和工业温度计；
2）按照测量方法分类可分为接触式和非接触式；
①接触式温度传感器包括热电偶、热电阻、PN结温度传感器、热敏晶体管、可控硅和集成温度传感器。
②非接触式包括利用塞贝克（seebeck）效应制成的红外吸收型温度传感器和MOSFET红外探测器。
非接触温度式传感器还可以进一步分成量子型和成热型。
a量子型非接触型温度传感器包括利用光电导效应和光生伏特效应器件。
b成热型有测辐射器件。
a’按工作原理又可分为膨胀式、电阻式、热电式、辐射式等等；
b’按输出方式分有自发电型、非电测型。
2．2常用温度传感器的类型及其特点
常用的有热电阻、热电偶、PN结测温集成电路、红外辐射温度计。
2.2.1热电阻传感器
工作原理：
当温度变化时，热电阻材料的电阻值随着温度的变化而变化，这样用测量电路可将变化的电阻值转化成电信号输出，从而得到被测温度。
热电阻的基本参数：
1标称电阻（R0）：
标称电阻是指金属热电阻在0℃时的电阻值，用R0表示。
2分度表与分度号（W100）：
分度表是指以表格形式表示热电阻的电阻—温度对照表。
分度号是分度表的代号，一般用热电阻的金属材料的化学符号和0℃时的电阻值表示，如Pt100，表示金属材料为铂，0℃时的电阻值为100Ω。
3温度测量范围及允许偏差范围
4XX电阻比（W100）：
热电阻在100℃时的电阻R0之比，用W100表示，即W100=R100/R10显然，W100愈大，热电阻的灵敏度愈高。
例如Pt100的铂热电阻，零度的名义值为100Ω，允许误差A级0.06Ω，电阻比W100（R100/R0）=1.385，允许偏差为0.001。
5热响应时间（τ）：
当温度发生阶跃变时，热电阻的电阻值变化至相当于该阶跃变化的某个规定百分比所需要的时间，称为热电阻的响应时间，通常用τ（s）表示τ越小越好。
τ小表示热电阻的响应特性好。
6额定工作电流：
指热电阻连续工作所允许通过的最大电流，一般为2mA～5mA。
热电阻按性质不同，可分为金属热电阻和半导体热电阻两大类。
前者仍简称热电阻；而后者灵敏度比前者高十倍以上，所以又称热敏电阻。
a金属热电阻
金属热电阻按其结构类型可分为普通型，铠装型，薄膜型
普通型热电阻由感温组件（金属电阻丝）、支架、引线、保护套管及接线盒等基本部分组成。
为避免电感分量，电阻丝常采用双线并绕，制成无感电阻。
国内统一设计的工业用铂热电阻在0℃时的阻值R0有25Ω、100Ω等几种，分度号分别用Pt25、Pt100等表示,薄膜型铂热电阻有100Ω、1000Ω等数种。
同样，铜热电阻在0℃的阻值R050Ω、100Ω两种。
b半导体热电阻
热敏电阻按其温度系数可分为：
负温度系数热敏电阻（NTC），正温度系数热敏电阻（PTC）。
根据用途不同NTC又可分为两大类：
测量温度，突变型（CTR）
所谓正温度系数是指电阻的变化趋势与温度的变化趋势相同；所谓负温度系数是指当温度上升时，电阻值反而下降的变化特性。
热敏电阻一般由金属氧化物组成，近年来还研制出掺有大量杂质的Si单晶PTC。
在热电阻传感器中，铂采用特殊的结构可以制成标准温度计，它的适用温度范围为-200～+960℃；铜电阻价廉并且线性较好，但高温易氧化，故只适用于温度较低（-50～+150℃）和没有侵蚀性的环境中。
热敏电阻可以根据使用要求，封装加工成各种形状的探头，如圆片型、珠型、柱型、铠装型、薄膜型、厚膜型等。
这种温度传感器的温度敏感组件主要是电阻体，电阻体一般是由金属导体组成。
金属导体的电阻随着温度的升高而增大，可通过测量电阻值的大小得到所测量温度值。
通过测量电阻值而获得温度的一般方法是电桥测量法。
电桥测量法有平衡法和不平衡法。
2.2.2热电偶传感器
热电极和热电偶的种类繁多，我国从1991年采用ITS—1990的新标准。
按此标准，共有八种标准化了的通用热电偶。
表示热电偶时一般写在前面的为热电极的正极，写在后面的为负极对于每一种热电偶，还制定了，相应的分度表。
名称
分度号
测温范围/℃
100℃时的热电动势/mV
1000℃时的热电动势/mV
铂铑13—铂铑6
B
50～1820
0.033
4.834
铂铑13—铂
R
-50～1768
0.647
10.506
铂铑10—铂
S
-50～1768
0.646
9.587
镍铬—镍硅
K
-270～1370
4.096
41.276
镍铬硅—镍铬
N
-270～1300
2.744
36.256
镍铬—铜镍（锰白铜）
E
-270～800
6.319
---
铁—铜镍（锰白铜）
J
-210～760
5.269
---
铜—铜镍（锰白铜）
T
-270～400
4.279
---
热电偶的结构形式：
普通型热电偶，铠装热电偶，薄膜热电偶。
普通型热电偶按安装固定方式又可以分为：
固定法兰式、活动法兰式、固定螺纹式、焊接固定式和无专门固定式
普通热电偶主要由热电极、绝缘套管（绝缘子）、保护套管和接线盒等组成。
在实际测量温度时，冷端温度常随环境温度变化而变化，这样t0不但不是0℃，而且也不恒定，因此将产生误差，一般情况下，冷端温度均高于0℃，热电动势总是偏小。
消除或补偿这个损失的方法，常用以下几种：
①冷端恒温法
②计算修正法
③仪表机械零点调整法
④电桥补偿法
⑤利用半导体集成温度传感器测量冷端温度的方法
2.2.3PN结测温集成电路
工作原理：
流过PN结正向电流一定后，其正向压降UF与温度T成比例。
主要技术参数：
①标称工作电流：
环境温度为25℃时通过PN结的工作电流。
②标称正向压降：
指在25℃时PN结在标称工作电流下的正向电压值。
③灵敏度：
PN结正向压降随温度的变化率。
典型值是温度每升高1℃，PN结正向电压下降2mV。
④非线性误差与线性度：
指在一定的各种电流模式下，PN结的UF—T特性对线性的偏差。
线性度则是非线性误差与工作温度范围的百分比。
⑤互换性误差（△UF）：
不同PN结温度传感器互换时其UF之间的误差。
⑥耗散系数：
PN结温度传感器每变化1℃时所耗散的功率变化量。
⑦时间常数：
指PN结温度传感器完成温度变化的63.2%所需要的时间。
PN结温度器有两种形式：
二极管温度传感器和三极管温度器。
PN结温度传感器的主要特点是：
线性度较好、尺寸小、热响应时间短（约为0.2s～2s）、灵敏度高（约为2mV/℃）测量范围小（-50℃～+150℃）、互换性较差
PN结温度传感器在电子电路中可以用做自动增益控制、音量控制、过热和超载保护，广泛用于工业自动化控制、航空航天、深海探测、医疗卫生等领域的温度测量与控制。
2.2.4红外辐射温度计
工作原理：
它是利用测量物体所辐射出来的辐射能量来测量物体温度。
其理论依据是斯缔芬—玻尔兹曼定律：
物体的温度越高，它所辐射出来的能量越多。
红外温度传感器的测量温度特点：
1、非接触测量
2、灵敏度高（分辨率可达0.1℃以上）
3、反映速度快（一般在零点几秒以内）
4、测温范围广（-50℃～+3500℃）
3.温度传感器的应用事例
温度上一个与我们生活息息相关的物理量。
在生活中我们经常与温度打交道。
温度传感器在其中起了一定的作用。
下面我介绍以下温度传感器的应用实例。
3.1电饭锅限温器
它主要由热敏铁氧体、永磁体、拉簧及连杆等组成，使用时，打开电源的同时连杆向上推动永磁体克服弹簧的拉力，使永磁体和热敏铁氧体吸合。
当被加热物体温度超过限定的温度时，热敏铁氧体失去磁性，永磁体不在对热敏铁氧体有吸力，此时在弹簧的拉力下，连杆向下运动，并同时切断加热电源。
3.2浴池水温控制器
用锅炉蒸汽将水加热的浴池，要使水温达到适宜的温度，常用人工调节蒸汽阀门并靠人的知觉探知水温，很不方便。
浴池水温控制器可实现水温的自动控制。
恒温控制器
将温度设定在一定范围当温度上升或下降到某值时传感器将启动控制加热或停止加热。
此外温度传感器还应用于火药燃烧气体温度的测量、数字式温度计、电子体温计、CPU过热报警器、彩色显像管消磁。
一些技术精确度高的温度传感器还用于电力、化工、石油、冶金、航天航空、机械制造、粮食存储、酒类生产等领域。
4.温度测试设计
4.1被测对象设计
由于是在学校实验室内进行教学性质的实验，所以我们要选择成本小，便于观察，温度容易控制可以反复利用的物体。
我们的实验台要种实开发多验器材，我们为了节省资源，可以与其他实验共用同一个器件。
上述条件我们最终确定选择水作为被测量对象，用透明玻璃容器盛放水，用加热棒控制水温。
在设计容器尺寸时候要考虑加热棒放置的位置，我们将加热棒固定在容器的侧面，约为容器高度的1/2处，因为容器盛放水加热的时候，液面不能超过容器体积的2/3，而加热棒必须在液面以下，且不能接触容器底面。
将加热棒固定时要注意密封，使水不能外流。
还要考虑的是温度传感器的放置问题，传感器经常使用，不便固定，但在使用时，不得将其与加热棒接触，出现测量误差，建议在进行温度测量时将温度传感器与加热棒隔开一定距离，并用便于拆装的固定装置将其固定
玻璃容器设计如下
4.2测温系统构成图
注：
在有些测温系统中可以由温度传感器直接输送到显示仪表，进而读出数据，不需要温度变送器，有些显示仪表中自带温度变送器。
5.温度传感器的选型
根据以上我们对温度传感器的分类了解，以及我们实验的场所与目的。
我们选择价格比较低廉，设备维护方便，零件能够快速修复，而且我们在《自动检测与转换技术》中学到的温度传感器。
由于我们所选择的被测对象是水，被测对象的温度需要记录、报警,水的温度在0℃～100℃，水有一定的腐蚀性。
传感器中PN结法和红外测量是我们没有接触到的，而且成本较高。
我们决定采用Pt100和热电偶作为我们测量时候所用传感器。
使用Pt100，首先它的价格便宜，使用方便，而且我们经常接触、使用。
水对于它不会造成损害。
它的主要技术参数如下：
铂电阻物理化学性能稳定，抗氧化性能强，温度精度高。
在-200℃到0℃范围内的阻温特性是Rt=R0[1+a1t+a2t2+a3t（t-100℃）t3],
在0℃～850℃范围内的阻温特性是Rt=R0（1+a1T+a2t2）.
电阻率为（0.0981～0.106）Ω·m×10^6
（0～100）℃间电阻温度系数α为0.00385/（1/℃）
Pt100的外型
Pt100的接线图
热电偶的主要结构包括：
热电极、绝缘套管（绝缘子）、保护套管和接线盒。
其主要功能如下：
热电极：
在温度较高，要求精度高和时间常数小的情况下其工作端是焊接在一起的，焊接方式有V形焊、平行焊和交叉焊。
绝缘套管：
用来防止两根热电极短路。
一般为圆形或椭圆形，中间有一个、两个或四个小孔，大小右热电极的直径而定。
保护管：
保护管的作用是热电极与被测介质隔离，使之免受化学侵蚀或机械损伤。
接线盒：
接线盒供连接热电偶和测量仪表之用，一般为铝合金。
它的外形结构如下：
1、内电极2、绝缘材料3、薄壁金属保护套管4、屏蔽层
6.温度变送器的选型
由于传感器转换的信号一般较弱，而且信号的类型一定合适，因此需要将其放大、转换为标准信号，以便被后继电路接收。
将传感器输出信号变换到标准信号的器件称为变送器；变送器和转换器的作用分别是将各种工艺变量（温度、压力、流量、液位）和电气信号（电压、电流、频率、气压）转换成统一的标准信号。
温度变送器于各种热电偶或热电阻配合使用，将温度信号转换成统一的标准信号。
作为指示，记录仪或调节器的输入信号，从而实现对温度变量的显示、记录、或自动控制。
温度变送器有两线制和四线制之分，各类变送器有三个品种：
直流毫伏变送器、热电阻温度变送器、热电偶温度变送器。
6.1四线制温度变送器
1、在热电偶和热电阻温度变送器采用线性化电路，从而使变送器的输出信号和被测温度信号是线性信号，便于作为指示和记录。
2、变送器的输入、输出之间具有隔离变压器，并采用了安全火花防爆措施，故居有良好的抗干扰能力，且能测量来自危险场所的直流毫伏或温度信号。
三种变送器在线路上的结构都可分为量程范围和放大单元两个部分。
（方框图中，空心箭头表示供电回路，实心箭头表示信号回路，毫伏输入信号Ui或由测温组件送来的反应温度大小的输入信号Et与桥路部分的输出部分Uz′及回馈信号Uf′相迭加，送入运算放大器，放大了的电压信号再由功率放大器和隔离输出电路转换成统一的4～20毫安培直流电流Io和1～5伏的直流电压Uo输出。
改型变送器主要性能指针：
基本误差±0.5百分比，环境温度每变化25℃附加的误差不超过±0.5%，负载电阻在0～100欧姆范围变化时，附加误差不超过±0.5%。
6.2两线制温度变送器
两线制温度变送器结构简单，安装方便，可用于对防爆要求不高的场合。
各个品种的原理和结构大致相同。
两线制温度变送器由输入回路、反馈回路、放大器及稳压源等部分组成。
为了使用方便，现在生产有带热电阻一体化的温度变送器，由温度传感器与两线制温度变送器模块组成。
温度变送器模块显示器可直接装在传感器的接线盒上。
7.显示仪表的选型及其相关参数
在此次实验中，我们使用的是直流电源，是一般的民用电压220V,在实验室做教学演示。
综合考虑，选取了CD系列温度控制器。
它采用开关电源和表面贴装技术，因而仪表具有重量轻、体积小巧、性能可靠、抗干扰强等优点。
产品容易购买，而且不需要专门制定，通用性强。
可以选用多种输入模式，操作简单
7.1CD800的主要特点
a通用输入：
用户可以通过仪表表面按键自行选择热电偶，热电阻，直流电压，直流电流等不同的14种输入信号。
b具有位式控制ON/OFF，PID反作用（加热），PID正作用（制冷）。
c二组报警输出。
d自整定PID控制或手动调整PID。
e用户可选多种输出模式。
f无须后备电源，内部设定数据保存10年以上。
7.2CD800技术参数
CD800技术参数如下表
测量误差
0.5%F.S±1dig
控制精度
±1℃
控制输出
继电器输出，无触点电压输出，0—20mACD标准信号输出，4—20mACD标准信号输出，PV变送输出4—20mACD标准信号
继电器触点负载
3A/250VAC
电源电压
90～250VAC50/60Hz
抗干扰能力
IEC8013级
7.3CD800仪表外型尺寸及安装尺寸
型号
A
B
C
D
E
CD800
160
80
65
156
76
面板含义及操作流程
面板图
面板介绍
NO.
面板文字
内容说明
1
PV
测量值/模式显示
2
SV
设定值/模式内容显示
3
AT
PID自整定指示灯
4
SET
一般参数设定键/菜单下翻键
5
＜
位左移键/内部参数设定键
6
AL1
报警1输出指示灯
7
AL2
报警2输出指示灯
8
OUT
主输出指示灯
9
∧
增加键
10
∨
减小键
7.4CD800操作流程
仪表接线无误后通电，工作在测量状态下，数码管上排显示测量值（PV），下排显示设定值（SV）。
在测量状态按一下“SET”键,下排数码管个位闪烁，通过“温度键”和“增加键”及“减小键”凋整设定值，调整好后按下“SET”返回测量状态
在测量状态下按住“SET”键5秒钟，则进入一般资料的设定，“SET”键则依次显示（AL1,AL2,ATU,P,I,D,PB,LCK）各参数，通过“温度键”和“增加键”及“减小键”调整每一入参数的值
若要启动自整定只须将其中参数“ATU”的值设为“1”就可以了。
退出一般数据设定时，需按住“SET”键5秒钟或等待15秒无按键操作，则自动退出一般数据设定。
进人内部数据的设定须将一般数据里的参数（LCK）的值设为（2010）,回到测量状态下按住“＜”键5秒钟，则进入内部数据设定，退出内部数据设定时，需按往“SET”键5秒针或等特15秒无按键操作，则自动退出内部
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