電氣檢測技術(新6)

4.3電容式傳感器

工作原理：

利用電容器的原理，將一些非電物理量轉化為電容量，實現非電量向電量的轉化及測量。

應用領域：

廣泛用于位移、振動、角度、加速度等機械量的精密測量，且逐步擴大應用于壓力、液面、成分含量等方面的測量。

特點：

結構簡單，體積小，分辨率高，可進行非接觸測量等。1一、基本工作原理

電容式傳感器是一個具有可變參數的電容器。忽略邊緣效應，可得到平板電容器的電容為：

-----平行板間介質的相對介電常數

-----真空介電常數

-----平行板間介質的介電常數

-----兩平行板所覆蓋的面積

-----兩平行板之間的距離

-----電容量234

電容式傳感器的分類：

變面積型、變間隙型、變介電常數型實際的使用中，電容式傳感器通常以改變平行板極間的距離來進行測量，因為這樣獲得的測量靈敏度要高于改變其他參數的電容傳感器的靈敏度。改變平行板間距的電容傳感器可以測量微米數量級的位移，而改變面積的傳感器只適用于測量厘米數量級的位移。

5變面積式電容傳感器

圖a是平板形直線位移式結構，其中極板1可以左右移動，稱為動極板。極板2固定不動，稱為定極板。圖b是同心圓筒形變面積式傳感器。外圓筒不動，內圓筒在外圓筒內作上、下直線運動。圖c是一個角位移式的結構。極板1的軸由被測物體帶動而旋轉一個角位移

度時，兩極板的遮蓋面積A就減小，因而電容量也隨之減小。6二、電容式傳感器的結構類型及主要特性1、變間隙型

電容的電容量：

電容的相對變化量：傳感器的靈敏度為：

電容傳感器的電容相對變化實際關系：

7說明：

1、從靈敏度公式中可看出，當板極間的初始距離d較小時，對于同樣的板極間距離變化△d所引起的電容量的變化△C可以增大，從而使傳感器的輸出靈敏度提高；不過當板極間初始距離d過小時，容易引起電容器被擊穿；

2、一般電容式傳感器的初始電容在之間，板極間距離在范圍內，最大位移應該小于間距的1/10。

3、這種結構非線性誤差較大82、變面積型

變面積型(角位移變面積型、板狀線位移變面積型、筒狀線位移變面積型）電容傳感器的電容量的變化值與位移（角位移、線位移）呈線性關系。3、變介電常數型

改變電容極板之間的介電常數，用于測量物位、含水量和成分等。9

因為各種介質的相對介電常數不同，所以在電容器兩極板間插入不同介質時，電容器的電容量也就不同。

幾種介質的相對介電常數104、差動電容式傳感器

初始：

差動電容傳感器的電容變化為：

11

三、測量電路

電容式傳感器的測量電路較多，通常采用的包括電橋電路、調頻電路、差動脈沖調寬電路以及運算放大器電路等。

121、電橋電路

電橋采用穩(wěn)定頻率、穩(wěn)定幅度、固定波形的信號源(低內阻)激勵，經電流放大和相敏整流得到直流輸出信號。

13

電橋平衡條件為：

電橋輸出電壓為：

-------為電容的耗損電阻

------為差動電容的變化量

-------電容的初始值

-------、的等效阻抗

142、調頻電路

調頻測量電路就是把電容式傳感器作為振蕩器諧振回路的一部分，當輸入變化導致電容量發(fā)生變化時，振蕩器的振蕩頻率就發(fā)生變化。

15振蕩器的頻率為：

-------為振蕩回路的固有電容；

-------為傳感器引線的分布電容；

-------為傳感器的電容

-------為傳感器電容的變化量16

被測信號為0時，傳感器電容的變化為0，振蕩器的固有頻率為：被測信號不為0時，傳感器電容的變化為，振蕩器的輸出頻率為：

頻率的變化通過鑒頻器后變換為振幅的變化，幅值經過一定的放大后就可以進行輸出。

173、差動脈沖調寬電路

C1、C2為差動電容傳感器A1、A2為比較器

D為雙穩(wěn)態(tài)RS觸發(fā)器Ur為參考電壓18電路說明：初態(tài)：A：高電位；B：低電位；R、S：低電平

1、A高電位時，對電容C1充電，G處于低電位，當C1上的電壓(F點電壓)滿足時，比較器A1輸出高電平，A1保持輸出低電平，即觸發(fā)器的控制輸入端S=1、R=0，觸發(fā)器翻轉、；

2、時，B點高電位，給電容C2充電，當時，比較器A2輸出高電平，由于電容C1放電后，比較器A1輸出低電平，觸發(fā)器的控制輸入端S=0、R=1，觸發(fā)器翻轉：、；

3、上述過程不斷重復。19波形圖：20

A、B端輸出一個脈寬受C1、C2調制的方波，C1=C2時，由于充放電的時間相同，輸出占空比1：1的方波，此方波的平均值為0，當C1≠C2時，電容的充放電時間不同，方波的占空比發(fā)生改變，A、B間輸出電壓的平均值不再為0，經過LPF平滑濾波后，輸出電壓為：

U1為觸發(fā)器的輸出高電平，T1、T2分別為C1、C2的充電時間。

21輸出電壓為：

差動電容的變化使充電時間不同，從而觸發(fā)器輸出端的方波脈寬不同而產生輸出。結論：不論是變間隙型還是變面積型電容傳感器均能獲得線性輸出。

22變間隙型電容傳感器：差動電容器發(fā)生變化時，可得到傳感器輸出電壓為：變面積型的電容傳感器：差動電容器發(fā)生變化時，可得到傳感器輸出電壓為：23脈沖調寬電路具有如下特點：

1)不需要特殊電路，只要經過低通濾波器就可以得到較大的直流輸出。

2)不需要高頻發(fā)生器。

3)由于低通濾波器的作用，對輸出矩形波的純度要求不高。244、運算放大器電路

利用運放的高增益、高輸入阻抗的特點，可克服變間隙型電容傳感器特性的非線性情況，使其輸出信號能與輸入機械位移呈線性關系，選用高輸入阻抗的運放，根據運放的工作原理，可以得到下式成立：25

可見，輸出電壓的幅值與電容式傳感器動片的機械位移d成線性關系，這就從原理上克服了單個變間隙型電容傳感器特性的非線性誤差問題。需要指出的是，由于放大器增益有限，且輸入阻抗也不會為無窮大，所以仍然具有一定的非線性誤差。為了防止干擾和減小雜散分布電容的影響，必須采取特殊措施即所謂的驅動電纜技術。

26四、電容傳感器的特點及應用范圍

電容傳感器的特點：結構簡單，靈敏度高，分辨率高，能感受0.01um甚至更小的位移，無反作用，需要的動作能量低，動態(tài)響應好，可實現無接觸測量，能在惡劣的環(huán)境下工作；

缺點：輸出特性非線性，受分布電容影響大。但是隨著新工藝，新材料問世，特別是電子技術的發(fā)展，使干擾和寄生電容等問題不斷得到解決，因此越來越廣泛地應用于各種測量中。27應用：

1、測量直線位移、角位移、振動振幅(可測微小振幅)。2、測量高頻振動振幅、精密軸系回轉精度、加速度等機械量。

3、測量壓力、差壓、液位、料面、成分含量(如油、糧食、木材的含水量)及非金屬材料的涂層、油膜的厚度。

4、測量電介質的溫度、密度、厚度等。

5、作為位置信號發(fā)生器。

6、采用單邊式電容傳感器，把被測物作為電容器的一個電極，另一個電極則在傳感器內，它可以用來測定料位、振動振幅，具有測量精度高，快速準確的特點。

2829電容式液位計

棒狀電極（金屬管）外面包裹聚四氟乙烯套管，當被測液體的液面上升時，引起棒狀電極與導電液體之間的電容變大。

聚四氟乙烯外套30電容式液位限位傳感器液位限位傳感器與液位變送器的區(qū)別在于：它不給出模擬量，而是給出開關量。當液位到達設定值時，它輸出低電平。但也可以選擇輸出為高電平的型號。31液位限位傳感器的設定

智能化液位傳感器的設定方法十分簡單：用手指壓住設定按鈕，當液位達到設定值時，放開按鈕，智能儀器就記住該設定。正常使用時，當水位高于該點后，即可發(fā)出報警信號和控制信號。設定按鈕32濕敏電容

利用具有很大吸濕性的絕緣材料作為電容傳感器的介質，在其兩側面鍍上多孔性電極。當相對濕度增大時，吸濕性介質吸收空氣中的水蒸氣，使兩塊電極之間的介質相對介電常數大為增加（水的相對介電常數為80），所以電容量增大。

33濕敏電容外形吸水高分子薄膜34濕敏電容模塊及傳感器外形35電容式接近開關

被檢測物體可以是導電體、介質損耗較大的絕緣體、含水的物體（例如飼料、人體等）；可以是接地的，也可以是不接地的。調節(jié)接近開關尾部的靈敏度調節(jié)電位器，可以根據被測物不同來改變動作距離。

36電容式接近開關外形齊平式非齊平式37全密封防水式遠距離式（大量程）38溫度傳感器的種類及特點

接觸式溫度傳感器非接觸式溫度傳感器接觸式溫度傳感器的特點：傳感器直接與被測物體接觸進行溫度測量，由于被測物體的熱量傳遞給傳感器，降低了被測物體溫度，特別是被測物體熱容量較小時，測量精度較低。因此采用這種方式要測得物體的真實溫度的前提條件是被測物體的熱容量要足夠大。非接觸式溫度傳感器主要是利用被測物體熱輻射而發(fā)出紅外線，從而測量物體的溫度，可進行遙測。其制造成本較高，測量精度卻較低。優(yōu)點是：不從被測物體上吸收熱量；不會干擾被測對象的溫度場；連續(xù)測量不會產生消耗；反應快等。39物理現象

體積熱膨脹

電阻變化溫差電現象導磁率變化電容變化壓電效應超聲波傳播速度變化物質顏色P–N結電動勢晶體管特性變化可控硅動作特性變化熱、光輻射種類鉑測溫電阻、熱敏電阻熱電偶BaSrTiO3陶瓷石英晶體振動器超聲波溫度計示溫涂料液晶半導體二極管晶體管半導體集成電路溫度傳感器可控硅輻射溫度傳感器光學高溫計1.氣體溫度計2.玻璃制水銀溫度計3.玻璃制有機液體溫度計4.雙金屬溫度計5.液體壓力溫度計6.氣體壓力溫度計1．

熱鐵氧體2．

Fe-Ni-Cu合金40熱電偶、測溫電阻器、熱敏電阻、感溫鐵氧體、石英晶體振動器、雙金屬溫度計、壓力式溫度計、玻璃制溫度計、輻射傳感器、晶體管、二極管、半導體集成電路傳感器、可控硅分類特征傳感器名稱超高溫用傳感器1500℃以上光學高溫計、輻射傳感器高溫用傳感器1000～1500℃光學高溫計、輻射傳感器、熱電偶中高溫用傳感器500～1000℃光學高溫計、輻射傳感器、熱電偶中溫用傳感器0～500℃低溫用傳感器-250～0℃極低溫用傳感器-270～-250℃BaSrTiO3陶瓷晶體管、熱敏電阻、壓力式玻璃溫度計見表下內容

測溫范圍溫度傳感器分類(1)41分類特征傳感器名稱測溫范圍寬、輸出小測溫電阻器、晶體管、熱電偶半導體集成電路傳感器、可控硅、石英晶體振動器、壓力式溫度計、玻璃制溫度計線性型測溫范圍窄、輸出大熱敏電阻指數型函數開關型特性特定溫度、輸出大感溫鐵氧體、雙金屬溫度計

測溫特性溫度傳感器分類(2)42分類特征傳感器名稱測定精度±0.1～±0.5℃鉑測溫電阻、石英晶體振動器、玻璃制溫度計、氣體溫度計、光學高溫計溫度標準用測定精度±0.5～±5℃熱電偶、測溫電阻器、熱敏電阻、雙金屬溫度計、壓力式溫度計、玻璃制溫度計、輻射傳感器、晶體管、二極管、半導體集成電路傳感器、可控硅絕對值測定用管理溫度測定用相對值±1～±5℃

測定精度溫度傳感器分類(3)43

此外，還有微波測溫溫度傳感器、噪聲測溫溫度傳感器、溫度圖測溫溫度傳感器、熱流計、射流測溫計、核磁共振測溫計、穆斯保爾效應測溫計、約瑟夫遜效應測溫計、低溫超導轉換測溫計、光纖溫度傳感器等。這些溫度傳感器有的已獲得應用，有的尚在研制中。44公元1600年，伽里略研制出氣體溫度計。一百年后，研制成酒精溫度計和水銀溫度計。隨著現代工業(yè)技術發(fā)展的需要，相繼研制出金屬絲電阻、溫差電動式元件、雙金屬式溫度傳感器。1950年以后，相繼研制成半導體熱敏電阻器。最近，隨著原材料、加工技術的飛速發(fā)展、又陸續(xù)研制出各種類型的溫度傳感器。溫度傳感器的發(fā)展概況451．常用熱電阻范圍：-260～＋850℃；精度：0.001℃。改進后可連續(xù)工作2000h，失效率小于1％，使用期為10年。2．管纜熱電阻

測溫范圍為-20～＋500℃，最高上限為1000℃，精度為0.5級。（－）接觸式溫度傳感器3．陶瓷熱電阻測量范圍為–200～+500℃，精度為0.3、0.15級。4．超低溫熱電阻兩種碳電阻，可分別測量–268.8～253℃-272.9～272.99℃的溫度。5．熱敏電阻器適于在高靈敏度的微小溫度測量場合使用。經濟性好、價格便宜。46l．輻射高溫計用來測量1000℃以上高溫。分四種：光學高溫計、比色高溫計、輻射高溫計和光電高溫計。2．光譜高溫計前蘇聯研制的YCI—I型自動測溫通用光譜高溫計,其測量范圍為400～6000℃,它是采用電子化自動跟蹤系統,保證有足夠準確的精度進行自動測量。

（二）非接觸式溫度傳感器3．超聲波溫度傳感器特點是響應快(約為10ms左右)，方向性強。目前國外有可測到5000℉的產品。4．激光溫度傳感器適用于遠程和特殊環(huán)境下的溫度測量。如NBS公司用氦氖激光源的激光做光反射計可測很高的溫度，精度為1％。美國麻省理工學院正在研制一種激光溫度計，最高溫度可達8000℃，專門用于核聚變研究。瑞士BrowaBorer研究中心用激光溫度傳感器可測幾千開(K)的高溫。

47

1．超高溫與超低溫傳感器，如+3000℃以上和–250℃以下的溫度傳感器。

2．提高溫度傳感器的精度和可靠性。

3．研制家用電器、汽車及農畜業(yè)所需要的價廉的溫度傳感器。

4．發(fā)展新型產品，擴展和完善管纜熱電偶與熱敏電阻；發(fā)展薄膜熱電偶；研究節(jié)省鎳材和貴金屬以及厚膜鉑的熱電阻；研制系列晶體管測溫元件、快速高靈敏CA型熱電偶以及各類非接觸式溫度傳感器。

5．發(fā)展適應特殊測溫要求的溫度傳感器。

6．發(fā)展數字化、集成化和自動化的溫度傳感器。

（三）溫度傳感器的主要發(fā)展方向484.4熱電偶傳感器

(溫差)熱電偶能滿足溫度測量的各種要求，其結構簡單，測溫精度高，測溫范圍寬(-269--2800℃)，響應時間較快，穩(wěn)定性較好，在測溫領域得到廣泛的應用。輸出信號為電信號便于遠傳或信號轉換等優(yōu)點外，還能用來測量流體的溫度、測量固體以及固體壁面的溫度。工業(yè)熱電偶結構示意圖1－接線盒；2－保護套管3―絕緣套管4―熱電偶絲123449熱電偶安裝圖50一、熱電偶的測溫原理

熱電效應：兩種不同的導體或半導體接成如圖的閉合回路，把兩個接點分別置于溫度各為t及t0(t>t0)的熱源中，該回路中產生一個電動勢，該電動勢稱為熱電動勢。

A、B為熱電極，兩個接點，一個叫做工作端或熱端(t)，另一個稱為自由端或冷端（t0

）。

熱電動勢的大小是由組成熱電偶的兩種導體的接觸電動勢和單一導體的溫差電動勢組成，熱電動勢的大小與這兩種導體的材料及節(jié)點溫度值有關。511、接觸電動勢

A、B接觸時，由于材料不同，(設A的自由電子密度為，B為，且)，因此，A擴散到B中的電子較多，A失電子帶正電，B得電子帶負電，接觸處產生接觸電場，該電場阻礙電子擴散，達到電子漂移的動態(tài)平衡，接觸電勢大小取決于導體的性質及接觸點的溫度值，與金屬尺寸無關。該接觸電勢為：

k–波爾茲曼常數

t–溫度值e-電子電荷量522、溫差電動勢

由于導體兩端溫度不同產生的一種電動勢。高溫端電子的能量大，向低溫端漂移，在高溫端由于失電子而帶正電，低溫端帶負電，在同一導體的兩端形成溫差電動勢，溫差電動勢用如下的形式表示：及分別為導體A及B在兩端溫度為t及t0時的溫差電動勢。533、熱電偶回路的熱電動勢

設工作端溫度為t，冷端溫度t0，取方向為參考正方向，則回路的總電動勢為：

T0TeAB(T)eAB(T0)eA(T,T0)eB(T,T0)AB54說明：

金屬中，自由電子的數目極多，溫度不能顯著的改變它的自由電子的濃度，所以同一金屬中，溫差電動勢極小，可忽略，因此熱電偶回路中起決定作用的是兩個接點處產生的與材料及該處溫度都有關的接觸電動勢，上式可以寫成：

實際工程應用中，一般就采用上式來表示回路的熱電動勢，該電勢比較精確。

55

實際使用標定熱電偶時，使t0為常數，此時，熱電偶的電勢可寫為：上式表明，熱電偶回路的一個端點保持溫度不變，回路的總電動勢只隨另一個端點的溫度變化而變化，兩個端點的溫差越大，回路的總熱電勢也越大。工程測量中，不同類型的熱電偶，溫度與輸出電勢間的函數關系不同，用實驗方法求得這個函數關系。通常令t0=0℃，在不同的溫差(t-t0)情況下，精確測出回路總熱電勢，繪制成表格或曲線，獲得熱電偶的分度表。56導體材料確定后，熱電勢的大小只與熱電偶兩端的溫度有關。如果使EAB(T0)=常數，則回路熱電勢EAB(T，T0)就只與溫度T有關，而且是T的單值函數，這就是利用熱電偶測溫的原理。只有當熱電偶兩端溫度不同,熱電偶的兩導體材料不同時才能有熱電勢產生。熱電偶回路熱電勢只與組成熱電偶的材料及兩端溫度有關；與熱電偶的長度、粗細無關。只有用不同性質的導體(或半導體)才能組合成熱電偶；相同材料不會產生熱電勢，因為當A、B兩種導體是同一種材料時，ln(NA/NB)=0，也即EAB(T，T0)=0。57二、熱電偶的基本特性

1、回路熱電勢大小只與組成熱電偶的金屬材料及接點處溫度有關，與熱電偶形狀、大小無關。因此燒斷的熱電偶經焊接后可以再使用。

2、同種金屬或半導體制成的熱電偶回路，回路總電勢為零。熱電偶必須采用兩種不同的材料。根據這一結論，可驗證金屬材料是否勻質。

3、如果熱電偶兩接點處的溫度相同，盡管A、B材料不同，熱電偶回路總電勢為零。

4、熱電偶AB的熱電勢與A、B的中間溫度無關，只與接點處的溫度有關。

585、中間導體定律：熱電偶回路中接入第三種材料的導線，只要接入的第三種材料的導線兩端的溫度相等，該導線的引入不會影響回路的熱電勢。據此，可將第三種導線換成測試儀表或連接導線，只要保持兩接點處溫度相等，就可以對熱電勢進行測量而不影響的結果。這一結論，使采用開路熱電偶對液態(tài)金屬和金屬壁面進行溫度測量成為可能。將液態(tài)金屬或金屬壁面看作是接入熱電偶回路的第三種金屬，只要兩熱電極插入點溫度相同，就對測量精度不產生影響。59

6、當接點處溫度為t，t0時，用導體A、B組成的熱電偶的熱電勢等于AC熱電偶和CB熱電偶的熱電勢總和。即：60

三、熱電偶冷端溫度補償

為使熱電勢與被測溫度成單值函數關系，需把熱電偶冷端的溫度保持恒定，并消除冷端不為0℃所產生的誤差。由于熱電偶分度表是以冷端溫度0℃為標準的，故實際使用時應注意這一點。下面介紹幾種常用的方法。

61

1、補償導線法補償導線是在一定溫度范圍內(0-100℃)，其熱電性能與其所連接的熱電偶的熱電性能相同的一種廉價的導線。補償導線的作用：

1)用廉價的補償導線作為貴金屬熱電偶的延長線，節(jié)約貴金屬；

2)將冷端遷移至離被測對象(熱源)較遠且環(huán)境溫度較恒定的地方，便于冷端溫度的修正和減小測量誤差；

3)用較粗的補償導線作為熱電偶的延長線，減小熱電偶回路的內阻，以利顯示儀表的正常工作。62

使用補償導線時注意點：

1)各種補償導線只能與相應型號的熱電偶配用；使用時必須同極性相連；

2)熱電偶與補償導線連接處的溫度不應超過100℃,否則會由于熱電特性不同帶來新的誤差；

3)只有當延長后的冷端的溫度值恒定或所配用的儀表本身具有冷端的溫度自動補償裝置，應用補償導線的方法才有意義。因此熱電偶的冷端一定要合理地進行處理。

在熱電偶的補償導線使用中，必須要同極性連接，當極性接反時，將會帶來很大的誤差。

632、冷端溫度的修正方法

分度表在冷端溫度0℃時獲得，所配套儀表根據分度表進行標定，在冷端溫度不為0℃時，需對儀表的示值進行修正，獲得正確的讀數。修正公式為：

EAB(t,t0)是測量獲得的熱電動勢。冷端的誤差△為：誤差△不為零，但為定值，是可以找出變化規(guī)律的系統誤差，只要在回路中加入相應的修正電壓，或加入適當的的修正電路，該誤差是完全可以被消除的。

643、冷端恒溫法

4、補償電橋法

65四、常用熱電偶及其特性

1、鉑銠—鉑熱電偶(S)

鉑銠—鉑熱電偶屬于貴金屬熱電偶，該種熱電偶的正極為鉑銠合金，該熱電偶能測量較高的溫度，能長時間在0-1300℃的環(huán)境中進行測量，短時間可測到1600℃，可用于高溫及精密測量。缺點：在還原性氣體中易受損壞，材料為貴金屬，成本較高。662、鎳鉻—鎳鋁(鎳鉻—鎳硅)

為非貴金屬熱電偶中性能最穩(wěn)定的一種，應用最廣。正極為鎳鉻。高溫下抗氧化的能力很強，可長期工作在1000℃的環(huán)境中，短時間內可工作在1300℃的環(huán)境中。線性度好，接近直線，熱電動勢大(相同溫差下，熱電勢為鉑銠—鉑熱電偶的4-5倍)，價格便宜，是工業(yè)生產中最常用的熱電偶。鎳鋁電極在長期高溫使用時較易氧化，用鎳硅來取代鎳鋁，鎳硅電極的抗氧化性及熱電性能要優(yōu)于鎳鋁。我國采用鎳鉻—鎳硅作為標準熱電偶，用來檢定工業(yè)用鎳鉻—鎳鋁熱電偶。這種熱電偶易受還原性氣體的影響，在不加保護的情況，只能用于低于500℃的工作環(huán)境中。673、鎳鉻—錳白銅熱電偶(E)

68五、熱電偶常用測量電路

1、基本測量電路

2、溫差測量電路

3、平均溫度測量電路

4、溫度求和電路

691、基本測量電路

C、D為補償導線，冷端溫度為T0，E為銅導線(實際使用時，補償導線一直延伸到配用儀表的接線端子，此時冷端溫度即為儀表接線端子處的環(huán)境溫度)，M為測量用毫伏表，或數字儀表，如采用數字儀表來測量熱電勢，須加入適當的放大電路?；芈房偀犭妱轂镋AB(T,T0)，則流過毫伏表的電流為：

式中：RZ為熱電偶內阻，RC為導線(包括銅線，補償導線)內組，RM為儀表的內阻(包括負載電阻)。

702、溫差測量電路

C、D為補償導線，熱電性質分別與A、B相同

71六熱電偶實際測溫電路

熱電偶所輸出的熱電勢一般很小，每度只有幾十微伏，且熱電勢在整個測量范圍內一般是非線性的。熱電勢是熱電偶工作端(熱端)相對自由端(冷端)而產生的，因此使用熱電偶測量溫度時，選擇或設計相應的測量電路必須要考慮三件事：

1、采用什么樣的放大電路？

2、非線性誤差如何校正?3、冷端如何處理?

721、熱電偶放大電路

設測量的溫度范圍為：0-600℃

輸出量程電壓為：0-6V

查表可得，K型熱電偶的輸出電壓---溫度對應如下：溫度：溫差電勢(mV)：001004.0952008.13730012.20760024.902

可以看出，在量程內，輸出是非線性的。

73

設計放大電路如下：74電路說明：

1)電阻R1和電容C構成一階無源低通濾波器對輸入信號濾波，A1是同相輸入的比例放大器，采用高精度、低溫漂的OP07運算放大器；

2)為獲得量程輸出，放大電路的增益為：選取：R2=510歐、R3=120千歐、W1=3千歐即可。

75

3)濾波電容若有較大的漏電流，將產生很大的偏移電壓。例如，若C1有0.2uA的漏電流，則會產生的附加偏移電壓200uV，該附加電壓經放大輸出后，會帶來較大的測溫誤差；

4)電路產生較大的非線性誤差，t=300℃，實際的輸出電壓為：12.207mV*240.95=2.941V，此時的非線性誤差約為1%，對于精密測量是不允許的，需進行非線性校正。

762、非線性校正

熱電偶的熱電勢輸出與溫度不成線性，可用下式表示：

a0為零點輸出，a1為靈敏度系數，a2、…、an為非線性項系數。因此只要設計冪運算電路就可以進行非線性校正，一般而言，電路運算冪次越高，線性精度越高，不過冪次越高，電路的響應時間以及價格也越高。通常取二次方冪，就可以達到很高的校正精度。77

K型熱電偶的近似式可由最小二乘法求出(教材P175)，也可由切比雪夫方程求出，如下：(0-600℃，0-6V輸出)

式中，VIN熱電勢，V0為輸出電壓。

t=300℃時，熱電勢為：12.207mV，根據校正式，得到校正后電壓為：2992.2mV，相當于溫度為299.2℃，t=600℃時，熱電勢為：24.902mV，根據校正式，得到輸出電壓為：6001.2mV，相當于溫度為：600.1℃。此時只要設計一個平方計算電路，就可以實現熱電偶輸出電壓的非線性校正。為提高運算速度，平方運算電路通常由專用器件完成。783、平方運算專用器件AD538

4、冷端補償794.5熱電阻傳感器

熱電阻是利用導體的電阻值隨溫度的變化而變化的特性(熱阻效應)來進行溫度測量的。應用極為廣泛，可用來測量溫度、真空度，可以作為溫度補償、過負荷保護、火災報警、氣體和液體成分分析以及溫度控制等。測量用的熱電阻材料必須具備以下特點：

1、電阻溫度系數要盡可能大和穩(wěn)定，電阻率高；

2、電阻與溫度之間關系最好成線性；

3、在較寬的測量范圍內具有穩(wěn)定的物理和化學性質。

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熱電阻傳感器分為金屬熱電阻和半導體熱電阻兩大類。熱電阻傳感器主要用來測量與溫度有關的一些參數。對于金屬熱電阻，目前應用得較多的材料有鉑以及銅。熱電阻由電阻體、保護套和接線盒等部件組成。其結構形式可以根據實際使用情況制作成各種形狀，通常都是將雙線電阻絲繞在用石英、云母陶瓷和塑料等材料制成的骨架上，它們可以測量-200-500℃的溫度。81一、常用熱電阻及特性

1、鉑電阻(鉑電阻與溫度的關系)：

-200--0℃之間，阻值溫度關系為：

0--650℃之間，阻值溫度關系為：

式中：

Rt

---t℃時鉑電阻的電阻；

R0---0℃時鉑電阻的電阻；82

鉑電阻是利用高純鉑絲制成，其物理、化學性能在高溫和氧化性介質中很穩(wěn)定，因此能用作工業(yè)測溫元件和作為溫度標準。鉑電阻的技術特性表見P157。

由于鉑的穩(wěn)定性好，又可以得到純度非常高的鉑絲，所以，標準熱電阻一般均采用鉑電阻，而且鉑電阻也是所有測溫器件中精度最高的一種。工業(yè)用鉑電阻一般由直徑的純鉑絲繞在平板型支架上，用銀導線作為引出線。

832、銅電阻

測量精度不太高，測溫范圍不大的情況下，可以采用銅電阻來替代鉑電阻，可降低成本。工業(yè)用銅電阻的測溫范圍為：-50-150℃，阻值溫度關系函數為：式中：Rt、R0的意義同上84

測溫范圍在0-100℃之間時，可用下面的阻值溫度關系函數來近似表示：式中溫度系數取為：

銅電阻的缺點是電阻率較低，電阻體的體積較大，熱慣性也較大，在100℃以上易氧化，因此只能用于低溫以及無侵蝕性的環(huán)境中。

85二、測量及校正電路

實際電路中，采用電