溫度傳感器的溫度系數(shù)測(cè)量

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1．了解溫度傳感器的溫度特性；

2．了解溫度傳感器電路的靜態(tài)特性；

3．學(xué)習(xí)測(cè)量溫度傳感器電路的輸出—輸入特性，并測(cè)定鉑電阻（熱敏電阻）的溫度系數(shù)。

鉑電阻（熱敏電阻），溫度傳感器，數(shù)字萬用表(3位半)，溫度計(jì)，保溫杯，導(dǎo)線。

傳感器是能感受規(guī)定的被測(cè)量并依照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置，尋常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。通過傳感器將溫度、壓力、濕度等非電學(xué)量轉(zhuǎn)換為電壓等電學(xué)量進(jìn)行檢測(cè)，作為現(xiàn)代信息技術(shù)的基礎(chǔ)——一傳感器技術(shù)越來越廣泛地應(yīng)用在非電學(xué)量測(cè)量和智能檢測(cè)、自動(dòng)控制系統(tǒng)中。使用電阻型傳感器時(shí)(如：溫度、壓力等)，經(jīng)常用到非平衡電橋電路，本試驗(yàn)用非平衡電橋和鉑電阻溫度傳感器組成測(cè)溫電路，測(cè)量此電路的輸出—輸入特性，并測(cè)定鉑電阻的溫度系數(shù)。

1．鉑電阻溫度傳感器的溫度特性

當(dāng)溫度變化時(shí)，導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻值隨溫度而變化，這稱為熱電阻效應(yīng)。根據(jù)電阻與溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過測(cè)量電阻值的變化可以檢測(cè)溫度的改變，由此可制成熱電阻溫度傳感器．一般將金屬材料的電阻溫度傳感器稱作熱電阻；半導(dǎo)體材料的則稱作熱敏電阻。

尋常金屬材料的電阻值隨溫度升高而增大．這是由于溫度越高，晶格振動(dòng)越猛烈，從而使電子和晶格的相互作用越強(qiáng)，因此金屬熱電阻一般具有正溫度系數(shù)．常用的熱電阻材料有銅和鉑。

工業(yè)用鉑熱電阻(Ptl0、Pt100、Pt1000)廣泛用來測(cè)量一200~850℃范圍的溫度．在少數(shù)狀況下，低溫可測(cè)至一272℃(1K)，高溫可測(cè)至1000℃．標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)的確鑿度最高，可作為國(guó)際溫標(biāo)中961.78℃以下內(nèi)插用標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)。它具有確鑿度高、靈敏度高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。

工業(yè)鉑熱電阻溫度特性如下：

在-200~0℃時(shí)，

RT?R0[1?AT?BT在0~850℃時(shí)，

2RT?R0(1?AT?BT).(2)

2

?C(T?100C)T].(1)

3在(1)式和(2)式中，RT為溫度T時(shí)的鉑電阻阻值，R0為0℃時(shí)的鉑電阻阻值，式中系數(shù)為A=3.9083×10-3℃-1，B=－5.775×10-7℃-1，C=－4.183×10℃

在－200~850℃時(shí),B級(jí)工業(yè)鉑熱電阻有關(guān)技術(shù)參數(shù)如下：測(cè)溫度允許偏差/℃：±（0.30+0.005│T│）；

電阻比W100（R100/R0）：1.385±0.001。

當(dāng)T＝0℃時(shí)，R0＝100Ω；T＝100℃時(shí)，R100＝138.5Ω。在0～100℃范圍內(nèi)(2)式可近似為

1

-12

-1

RT?R0(1?A1T),（3）式中A1為正溫度系數(shù)，約3.85×103℃。

使用鉑電阻測(cè)溫時(shí)，可根據(jù)需要將其封裝成不同形狀的溫度傳感器。試驗(yàn)用鉑電阻封裝在不銹鋼管中，位于前端約1cm處。使用本卷須知請(qǐng)參見附錄。

2．傳感器電路非線性特性的線性化當(dāng)傳感器的輸入量處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，傳感器的輸出－輸入特性稱為靜態(tài)特性。靜態(tài)特性包括：線性度、靈敏度、分辯率、閾值、遲滯和重復(fù)性，這里僅介紹前三項(xiàng)。

使用傳感器進(jìn)行非電量測(cè)量時(shí)，總希望被測(cè)物理量和輸出電學(xué)量之間滿足線性關(guān)系。然而實(shí)際中，兩個(gè)物理量之間嚴(yán)格滿足線性關(guān)系的狀況并不多見。有(2)式可知，鉑電阻阻值和溫度并非嚴(yán)格滿足線性關(guān)系。尋常采取一些措施，使傳感器輸出－輸入線性在一定范圍內(nèi)、一定條件下得以改善，這稱作傳感器非線性特性的線性化，在傳感器應(yīng)用中這是十分重要的問題。

改善傳感器輸出－輸入特性的方法好多，大多是在電路上增加線性校正環(huán)節(jié)。在傳感器非線性特性不十分突出時(shí)，常采用直線擬合的方法使其“線性化〞。取定擬合直線的方法不止一種，其中精度最高的是最小二乘法擬合。本試驗(yàn)正是采用了這種方法。

測(cè)量傳感器電路的輸出－輸入特性，以確定其對(duì)應(yīng)關(guān)系，尋常稱作標(biāo)定（或校正）。在使用傳感器時(shí)，這是重要的試驗(yàn)步驟。本試驗(yàn)標(biāo)定的方法如下：首先在測(cè)溫范圍下限（如T＝0℃）測(cè)量鉑電阻阻值，然后在調(diào)整并測(cè)出溫度范圍上限（如T＝100℃）的鉑電阻阻值；然后在測(cè)溫范圍之內(nèi)，取若干點(diǎn)進(jìn)行線性校正，即改變溫度，測(cè)量鉑電阻阻值R和T；再將數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，即可確定R和T的對(duì)應(yīng)關(guān)系，由擬合直線的斜率即可求出鉑電阻的溫度系數(shù)A。

經(jīng)過標(biāo)定之后，以后測(cè)量時(shí)根據(jù)R即可知道待測(cè)溫度。若結(jié)合橫流源可以將得到的鉑電阻兩端的電壓作為前級(jí)信號(hào)送到運(yùn)算放大器放大，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器可以制成數(shù)字溫度計(jì)；也可以構(gòu)成智能檢測(cè)和控制系統(tǒng)，將R和T的擬合關(guān)系寫入微處理器，使輸出－輸入非線性得到改善。需要注意的是：標(biāo)定時(shí)檢測(cè)儀表的精度應(yīng)高于被測(cè)對(duì)象。本試驗(yàn)只是學(xué)習(xí)測(cè)量方法。另外，由于鉑電阻阻值和溫度的對(duì)應(yīng)數(shù)值查表可得，也可以根據(jù)R—T的關(guān)系進(jìn)行校準(zhǔn)。

3．傳感器檢測(cè)電路的靈敏度和分辯率靈敏度：線性傳感器的校準(zhǔn)線的斜率就是靜態(tài)靈敏度，他說傳感器的輸出量變化（Δy）和輸入量變化（Δx）之比，即K=ΔyΔx--1

。

對(duì)于非線性傳感器，其靈敏度可以用擬合直線的斜率表示。在試驗(yàn)中，假使R—T擬合直線斜率K＝3.10Ω/℃，其含義為：當(dāng)溫度變化1℃時(shí)，ΔR＝3.10Ω。對(duì)于非線性特別明顯的傳感器，其靈敏度可以用dy/dx來表示，顯然它是x的函數(shù)。

傳感器電路的靈敏度與傳感器本身的靈敏度、檢測(cè)儀表以及檢測(cè)電路的有關(guān)參數(shù)有關(guān)，例如試驗(yàn)中電壓的大小、檢測(cè)R的歐姆表的靈敏度等。與平衡電橋類似，過分強(qiáng)調(diào)靈敏度高不一定是必要的。需要注意的是電橋靈敏度是否能夠滿足測(cè)量精度的要求，以及電路中元件、儀表精度是否匹配。

分辯率：當(dāng)傳感器的輸入從非零的任意值緩慢增加，只有在超過某一輸入增量后輸出才有變化，這個(gè)輸入增量稱為傳感器的分辯率。分辯率說明白傳感器的最小可測(cè)量出的輸入變量。

2

1．觀測(cè)鉑電阻的溫度特性

用萬用表測(cè)量Pt1000鉑電阻溫度傳感器在室溫下的阻值；再用手握住傳感器，觀測(cè)阻值變化并記錄觀測(cè)結(jié)果。

2．測(cè)量鉑電阻的R－T關(guān)系，并求出鉑電阻的溫度系數(shù)

將鉑電阻和溫度計(jì)一同插入裝有沸水的保溫杯中，測(cè)量溫度范圍上限時(shí)的T和R，

然后當(dāng)溫度每下降5℃時(shí)測(cè)量一下溫度T和電阻R直至室溫（測(cè)量數(shù)據(jù)不少于20組），試驗(yàn)中溫度計(jì)應(yīng)不斷攪拌使水溫均勻。

3．?dāng)M合后的R－T曲線測(cè)量人體溫度，并和溫度計(jì)測(cè)量的結(jié)果進(jìn)行比較用測(cè)量得到的R－T數(shù)據(jù)進(jìn)行直線擬合。然后用手握住鉑電阻，當(dāng)讀數(shù)穩(wěn)定后記錄R，并從R－T圖上讀出對(duì)應(yīng)的溫度TR，然后用手握住溫度計(jì)，待讀數(shù)穩(wěn)定后記錄溫度

TT，與TR進(jìn)行比較計(jì)算百分差。

表格一：

室溫條件下鉑電阻的阻值：（Ω）手握住鉑電阻時(shí)鉑電阻的阻值：（Ω）

表格二：溫度T（℃）電阻R（Ω）溫度T（℃）電阻R（Ω）050555106015702075258030853590409545100

擬合R－T直線

表格三：

鉑電阻測(cè)量人體溫度時(shí)阻值

R（Ω）

TR－TTTT?273查R－T圖得到的人體溫度

TR（℃）

溫度計(jì)測(cè)出的人體溫度TT

（℃）

百分差?100%?

1．試驗(yàn)中哪些因素會(huì)影響試驗(yàn)結(jié)果？如何盡量消除這些因素的影響？

3

厚膜鉑電阻元件特性：

1、線性：鉑的材料特性，電阻值對(duì)溫度的變化幾乎是線性，此特性使得客戶能確切地依據(jù)事先定義的曲線，計(jì)算待測(cè)物溫度，并設(shè)計(jì)其應(yīng)用電路。也正是此特性，元件具有可互換性的卓越特色。

2、廣泛的溫度測(cè)量范圍：由于鉑的特性穩(wěn)定