熱電偶的電阻特性

熱電偶的電阻特性熱電偶(thermocouple)是溫度測量儀表中常用的測溫元件，它直接測量溫度，并把溫度信號轉(zhuǎn)換成熱電動勢信號，通過電氣儀表(二次儀表)轉(zhuǎn)換成被測介質(zhì)的溫度。各種熱電偶的外形常因需要而極不相同，但是它們的基本結(jié)構(gòu)卻大致相同，通常由熱電極、絕緣套保護(hù)管和接線盒等主要部分組成，通常和顯示儀表、記錄儀表及電子調(diào)節(jié)器配套使用。在工業(yè)生產(chǎn)過程中，溫度是需要測量和控制的重要參數(shù)之一。在溫度測量中，熱電偶的應(yīng)用極為廣泛，它具有結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、測量范圍廣、精度高、慣性小和輸出信號便于遠(yuǎn)傳等許多優(yōu)點(diǎn)。另外，由于熱電偶是一種有源傳感器，測量時不需外加電源，使用十分方便，所以常被用作測量爐子、管道內(nèi)的氣體或液體的溫度及固體的表面溫度。1.1熱電偶工作原理：熱電偶是一種感溫元件，熱電偶由兩種不同成份的均質(zhì)金屬導(dǎo)體組成，形成兩個熱電極端。溫度較高的一端為工作端或熱端，溫度較低的一端為自由端或冷端，自由端通常處于某個恒定的溫度下。當(dāng)兩端存在溫度梯度時，回路中就會有電流通過，此時兩端之間就存在塞貝克電動勢一熱電動勢，這就是所謂的塞貝克效應(yīng)。測得熱電動勢后，即可知道被測介質(zhì)的溫度。熱電偶溫度測量由如圖所示三部分組成：⑴熱電偶⑵毫伏測量電路或毫伏測量儀表⑶連接熱電偶和毫伏測量電路的補(bǔ)償導(dǎo)線與銅線熱電偶圖1-1熱電偶溫度測量電路:

原理如圖1-2所示，熱電偶產(chǎn)生的毫伏信號經(jīng)放大電路后由VT端輸出。它可作為A/D轉(zhuǎn)換接口芯片的模擬量輸入。第1級反相放大電路，根據(jù)運(yùn)算放大器增益公式：U=_R2xUli=—10xU01 R1 L1增益為10。第2級反相放大電路，根據(jù)運(yùn)算放大器增益公式:VVT=（RWVVT=（RW1+R6）x金=一 xU1001增益為20?？傇鲆鏋?00,由于選用的熱電偶測溫范圍為0?200°C變化，熱電動勢0?10mV對應(yīng)放大電路的輸出電壓為0?2V。A/D轉(zhuǎn)換接口芯片最好用5G14433,它是三位半雙積分A/D，其最大輸入電壓為1999mV和1999V兩檔（由輸入/ccgx/index.html的基準(zhǔn)電壓VR決定）。我們應(yīng)選擇1999V檔，這樣5G14433轉(zhuǎn)換結(jié)果（BCD碼）和溫度值成——對應(yīng)關(guān)系。如讀到的BCD碼為01、00、01、05，則溫度值為101C。因此，用5G14433A/D芯片的話，你可以將轉(zhuǎn)換好的A/D結(jié)果（BCD碼）右移一位（除以10）后直接作為溫度值顯示在顯示器上。如果A/D轉(zhuǎn)換芯片用ADC0809，則在實(shí)驗(yàn)前期，應(yīng)先做兩張表格：一、放大電路的輸出電壓和溫度的對應(yīng)關(guān)系， 測量并記錄下來制成表格；二、ADC0809的轉(zhuǎn)換結(jié)果（數(shù)字量）和輸入的模擬電壓一一對應(yīng)關(guān)系記錄下來并制成表格，然后將這兩張表格綜合成溫度值和數(shù)字值的一一對應(yīng)關(guān)系表存入系統(tǒng)內(nèi)存中，最后，編制并調(diào)試實(shí)驗(yàn)程序，程序中將讀到的A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果（數(shù)字量）通過查表轉(zhuǎn)換成溫度值在顯示器上顯示。1.3熱電偶溫度測量電路調(diào)試熱電偶溫度測量電路板上VT插孔可以與萬用表直接相連，結(jié)果為模擬量調(diào)試。也可和5G14433的模擬量輸入端VX相連。用ADC0809做A/D轉(zhuǎn)換時,ADC0809的IN0連到溫度測量電路的VT插孔，結(jié)果為數(shù)字量調(diào)試。將熱電偶置于沸水中，調(diào)整溫度測量電路板的電位器RW1,使輸入到A/D轉(zhuǎn)換芯片的電壓為1.0V,再在沸水中逐漸加入冷水，輸入電壓隨水溫變化而變化，用萬用表或示波器測試放大器的工作狀態(tài)，使放大器輸出電壓隨水溫在0?1V變化。如果將熱電偶端靠近電鉻鐵，由于電鉻鐵的溫度較高，達(dá)到熱電偶的最高溫度值。因此，輸入到A/D芯片的電壓范圍可以達(dá)到為0?2V。5.壓力傳感器常用的壓力傳感器有：電阻應(yīng)變片壓力傳感器、半導(dǎo)體應(yīng)變片壓力傳感器、壓阻式壓力傳感器、電感式壓力傳感器、電容式壓力傳感器、諧振式壓力傳感器及電容式加速度傳感器等。壓阻式壓力傳感器：一種將被測件上的應(yīng)變力變化轉(zhuǎn)換成為一種電信號的敏感器件。它是壓阻式應(yīng)變壓力傳感器的主要組成部分之一。電阻應(yīng)變片應(yīng)用最多的是金屬電阻應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片兩種。金屬電阻應(yīng)變片又有絲狀應(yīng)變片和金屬箔狀應(yīng)變片兩種，如圖1-43所示金屬電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)示意圖，它由基體材料、金屬應(yīng)變絲或應(yīng)變箔、絕緣保護(hù)片和引出線等部分組成。通常是將應(yīng)變片通過特殊的粘和劑緊密的粘合在產(chǎn)生力學(xué)應(yīng)變基體上，當(dāng)基體受力發(fā)生應(yīng)力變化時，電阻應(yīng)變片也一起產(chǎn)生形變，使金屬電阻應(yīng)變片的阻值發(fā)生改變，從而使加在應(yīng)變金屬電阻上的電壓發(fā)生變化，即可獲得應(yīng)變金屬絲的應(yīng)變情況。金屬電阻應(yīng)變絲的結(jié)構(gòu)示意圖金屬導(dǎo)體的電阻值可用下式表示：Rp=p*L/S式中：p 金屬導(dǎo)體的電阻率（Q?cm2/m）S——導(dǎo)體的截面積（cm2） L——導(dǎo)體的長度（m）這種應(yīng)變片在受力時產(chǎn)生的阻值變化通常較小，一般這種應(yīng)變片都組成應(yīng)變電橋，并通過后續(xù)的儀用放大器進(jìn)行放大，再傳輸給處理電路（通常是A/D轉(zhuǎn)換和CPU）顯示或執(zhí)行機(jī)構(gòu)。如圖1-44所示電阻應(yīng)變片用于壓力測量電路2.1電阻應(yīng)變片的工作原理⑴電阻應(yīng)變片特性電阻應(yīng)變片是一種電阻式傳感元件，金屬電阻應(yīng)變片的工作原理是附在基體材料上應(yīng)變電阻隨機(jī)械形變而產(chǎn)生阻值變化的現(xiàn)象，俗稱為電阻應(yīng)變效應(yīng)。金屬導(dǎo)體的電阻值可用下式表示：R=pXL/S式中：p 金屬導(dǎo)體的電阻率（Q?cm2/m）S——導(dǎo)體的截面積（cm2）L——導(dǎo)體的長度（m）以金屬絲應(yīng)變電阻為例，當(dāng)金屬絲受外力作用時，其長度和截面積都會發(fā)生變化，從上式中可很容易看出，其電阻值即會發(fā)生改變，假如金屬絲受外力作用而伸長時，其長度增加，而截面積減少，電阻值便會增大。當(dāng)金屬絲受外力作用而壓縮時，長度減小而截面增加，電阻值則會減小。只要測出加在電阻的變化（通常是測量電阻兩端的電壓），即可獲得應(yīng)變金屬絲的應(yīng)變情況。應(yīng)變片電阻值的相對變化量△R/R近似地正比于所受力F,實(shí)驗(yàn)表明在彈性形變范圍內(nèi)，在一定的非線性度允許的情況下可以認(rèn)為：△R/R~K0：

⑵壓力測量原理壓阻式應(yīng)變壓力傳感器的主要由電阻應(yīng)變片按照惠斯通電橋原理組成。應(yīng)變片在受力時產(chǎn)生的阻值變化通常較小，一般這種電阻應(yīng)變片都組成應(yīng)變電橋，并通過后續(xù)的測量放大器進(jìn)行放大，再傳輸給處理電路（通常是A/D轉(zhuǎn)換和CPU）顯示或執(zhí)行機(jī)構(gòu)。圖3-4圖3-4測量放大器惠斯通電橋是采用比較法的思想對未知電阻進(jìn)行測量的。測量時選擇一定的比例臂數(shù)值（R1/R2）并將電橋調(diào)整平衡，就可以將待測電阻（Rx）與標(biāo)準(zhǔn)電阻（R0）進(jìn)行比較，從而確定待測電阻的阻值原理如圖2-2所示，電橋平衡（即電阻應(yīng)變片未受力 F作用）時，R24=R25=R26=RT=R，此時電橋輸出為0,當(dāng)電阻應(yīng)變片受力后，RT發(fā)生變化，電橋輸出不為0。UAB_(R+AR-2R+AUAB_(R+AR-2R+AR2ccAR2(2R+AR)UCCAR4RUCCK￡

—0-4UCC測量放大器當(dāng)Ui+=0時，A1同相輸入，A2反相輸入RU'=—U(于)RU'=—U(于)i-R30U'=U(1+i)1 i- R30(3-1)當(dāng)Ui-=0時，A2同相輸入，A1反相輸入RU”=—U (RU”=—U (29)1 i+RU"=U(1+ 31)i+R

(3—2)總的輸出:R RU=U'+U"=U(1+f)-U(T9)i+R30R30=U(1+i+R31)-UR30(i+R30R30=U(1+i+R31)-UR30(R31)30R=-U(-19)+U1R212(R+R20R R—18——)(1+—19)R2118由于R=10K、30R29=R=1K3118二R20二R二10K、R二100K；貝V：21 19R=(U-U)(5)；\ 2 1八R丿3代入U1、U2,化簡得:U0=(U-U.)(1代入U1、U2,化簡得:U0=(U-U.)(1+i-則:AV2R、，R、4)(5)RRg3U0=(1+(U.+-U.)i+ i—UA= 0-V(U.+-U.)i+ i—g(12R、，R、

卜 4)(■)RRg3(3—3)0—(U 0—(U -U)i+ i-門2R、=(1+d)R30總增益為120,2.2電阻應(yīng)變片壓力電橋測量電路TVCC+12V1R22J100R25120R24120LM324~2 R19100E_>―y——I I—_I I R16 100KDW2ETBQ12010KR26120LM324-1R29IKR30R31IK2.2電阻應(yīng)變片壓力電橋測量電路TVCC+12V1R22J100R25120R24120LM324~2 R19100E_>―y——I I—_I I R16 100KDW2ETBQ12010KR26120LM324-1R29IKR30R31IK9108M324-3SR1710KM324-3El410K10M324-3R12100KEVP10K丿E20*R1810K1000FR151000FR1319.1K9.1KT10C3C51000FC4圖2-2電阻應(yīng)變片壓力電橋測量電路2.3電阻應(yīng)變片壓力電橋測量電路調(diào)試壓力電橋測量電路板上VP插孔可以與萬用表直接相連，結(jié)果為模擬量調(diào)試。也可和5G14433的模擬量輸入端VX相連。用ADC0809做A/D轉(zhuǎn)換時，ADC0809的IN0連到溫度測量電路的VT插孔，結(jié)果為數(shù)字量調(diào)試。以克為單位砝碼加在應(yīng)變基體上(彈簧片上)，萬用表測量VP插孔的電壓，將得到與砝碼重量的對應(yīng)的電壓。圖2-2中VP輸出接ADC0809轉(zhuǎn)換電路的通道O(INO)插孔，即壓力測量電路的輸出接ADC0809模擬量輸入端通道0。編寫并調(diào)試一個程序，使得ADC0809通道0輸入的模擬電壓經(jīng)ADC0809轉(zhuǎn)換再通過數(shù)字濾波和量綱轉(zhuǎn)換后，將實(shí)時地測量到加在應(yīng)變基體上(彈簧片上)的砝碼重量顯示在實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的顯示器上。元器件(1)4011：CD4011四重與非門⑵可控硅T?？煽毓杩蛇x用1A、3A、6A、10A、12A單向可控硅。檢測：用RX1檔，將紅表筆接可控硅的負(fù)極，黑表筆接可控硅的正極，這時表針無讀數(shù)；然后用黑表筆觸一下可控硅的柵極，這時表針有讀數(shù)。黑表筆馬上離開，這時表針仍有讀數(shù)。⑶駐極體BM。收錄機(jī)用的小話筒。檢測：用RX100檔，將紅表筆接駐極體外殼S極、黑表筆接駐極體的S極，這時表針讀數(shù)540Q；然后用口對著駐極體吹氣，若表針有擺動說明該駐極體是好的，表針擺動越大靈敏度越高。⑷光敏電阻RG。檢測：無光照射時RG阻值大于100MQ，有光照射時光敏電阻RG阻值為20K以下。

電路原理橋式整流負(fù)載為可控硅及可控硅控制電路，可控硅導(dǎo)通則燈亮?？煽毓杩刂齐娐讽殱M足聲、光、延時控制。R1與C2平滑濾波，提供12V直流電壓給CD4011和三極管VT。⑴三極管VT組成聲控電路聲控信號由VT集電極輸入與非門U1A，三極管VT工作于截止和飽和二種狀態(tài)，V-V-0.711.3CCU二U—R5xpI二12—47X100x0.004二16—18.8=-2.8VC CC B三極管VT工作于飽和狀態(tài)，集電極輸出低電平。②靜態(tài)是BM阻值550Q，分壓U二550 x12二0.7V二Ud550+10000 bC1⑵光敏電阻RG和電阻R4組成分壓式光控電路白天光照射RG,光敏電阻RG阻值為20K以下，RG的分壓為七十分之一的電源電壓，即RG的分壓為低電平。低電平封鎖住與非門U1A，阻止聲控信號輸入與非門U1A。夜晚無光照射RG,光敏電阻RG阻值大于100MQ，RG的分壓為十二分之十的電源電壓，即RG的分壓為高電平。高電平打開與非門U1A,開放聲控信號輸入與非門U1A。⑶二極管VD6、電容C3和電阻R7組成延時控制電路聲控信號產(chǎn)生后，與非門U1B輸出高電平則VD6導(dǎo)通，輸出高電平給電容C3充電，達(dá)到高電平。高電平向后面的與非門U1C傳送，使與非門U1D輸出高電平給可控硅柵極，可控硅導(dǎo)通。聲控信號消失后，與非門U1B輸出低電平，由于電容C3上高電平不能突變，VD6反偏而截