全国电子专业人才设计与技能大赛电子组装、调试与开发大赛
---------传感元器件
1．NTC 负温度系数热敏电阻
热敏电阻分为三类：正温度系数热敏电阻（PTC ），负温度系数热敏电阻（NTC ），临界温度电阻器（CTR ）。
图1-39 NTC 负温度系数热敏电阻
负温度系数热敏电阻器如图1-39所示。其电阻值随温度的增加而减小。NTC 热敏电阻器在室温下的变化范围在10O ～1000000欧姆，温度系数-2%～-6.5%。
⑴ 负温度系数热敏电阻温度方程
)(T f =ρ T B T e A /'=ρ T B T B T
T Ae e S l A S l R //'===ρ 其中：l A A '=
该关系式是经验公式，只在额定温度 TN 或额定电阻阻值 RN 的有限范围内才具有一定的精确度，因为材料常数B 本身也是温度 T 的函数。NTC 热敏电阻器在室温下的变化范围在10O ～1000000欧姆，温度系数-2%～-6.5%。
已知温度T 、额定温度T N 和R25即可求的热敏电阻阻值R T 。
⑵ 负温度系数热敏电阻主要特性
电阻温度系数σ
dT
dR R T T 1=σ 微分式（），可得 2T B -
=σ 热敏电阻的温度系数是负值。
-----温度测量电桥应用 温度测量电桥的A 点所在的桥臂的电阻是固定的，故A U 是固定的。B 点所在的桥臂的电阻t R 随温度变化，故B U 是变动的。电阻t R 为负温度系数热敏电阻，t R =1.5K 指NTC 热敏电阻的标称电阻值R25。为了方便取2R 与t R 成比例，这里取K R R t 5.12==，同时，1311212
E E R R R A U =+=
，得Ω=7501R 。
在前面已知条件下，推导13’3P R R R +=： 约束条件：① U U U U U B A i ??+-=??-，② 13
1
E A U =。 由测量电桥平衡0=-=B A i U U U 时，得Ω==+=750113’3R R R R P 。 又由1'3
1131E R t R t R E U U U B A i +-=-=，得R p R R R ?±Ω=+=75013'3。故取K R P 11=。
温度控制电路如图3-15所示，由测量电桥、测量放大器、滞回比较器及驱动电路等组成。由于温度的不同，因而在测量电桥的A 、B 点时会产生不同的电压差，这个差值经过测量放大器放大后进入到滞回比较器的反相输入端，与比较电压U R 比较后，由滞回比较器输出信号进行加热或停止加热。
⑴ 温度控制器电路
温度控制器电路如图3-7所示。
图3-7 温度控制器电路
⑵ 电路原理分析
由测量电桥、测量放大器、滞回比较器及驱动电路等组成。
测量电桥的A 点所在的桥臂的电阻是固定的，故A U 是固定的。B
点所在的桥臂的电阻t R 随温度变化，故B U 是变动的。由于温度的
不同，因而在测量电桥的A 、B 点时会产生不同的电压差，这个差值
经过测量放大器放大后进入到滞回比较器的反相输入端，与比较电压U R 比较后，由滞回比较器输出信号进行加热或停止加热。继电器J 可进一步推动交流接触器。
滞回电压比较器的比较电压U R 代表设定的温度，如图3-7示，o R TH U R R R U R R R U ?++?+=13
1212131213。由滞回电压比较器特性可知，当E U 变化越过TH U 时，滞回电压比较器输出会翻转。改变比较电压U R 能改变控温的范围，控温的精度由滞回比较器的滞环宽
度确定。
比较电压U R 与温度t R 的关系：
om R TH U R R R U R R R U ?++?+=131212131213
)()(1'
31211131212131213E R R R E R R R A U U A AU U R R R U R R R U t t B A AB om R E +-+=-==?++?+= 令1211'1E R R R A
E +=，131312
R R R m +=； 整理得：
1'3'31312'113121'3'111E R R R mA U R R mE U R R E R R R mA mE U t
om om t t
R +--=-+-= (3-10) 由式(3-10)可知，比较电压U R 与温度t R 存在对应关系。
温度t ↑，t R ↓，使B U ↓，而B A U U -↑。经测量放大器的放大，E U ↑，当温度由0t 上升到达2t （与U R 对应），即温度t 到达设定值2t ，滞回比较器输出信号F U 使驱动电路复合管截止，继电器J 失电，停止加温。
温度t ↓，t R ↑，使B U ↑，而B A U U -↓。经测量放大器的放大，E U ↓，当温度下降达2t （与U R 对应），即温度t 下降低于设定值2t ，滞回比较器输出信号F U 使驱动电路复合管导通，继电器J 得电，进行加温。
2．热释电红外线传感器
普通人体会发射10μm 左右的特定波长红外线，用专门设计的传感器就可以针对性的检测这种红外线的存在与否。当人体红外线照射到传感器上后，因热释电效应将向外释放电荷，后续电路经检测、放大、处理后就能产生控制信号。如图1-39所示，这种专门设计的探头只对波长为10μm 左右的红外辐射敏感，所以除人体以外的其他物体不会引发探头动作。
探头内包含两个互相串联或并联的热释电元，而且制成的两个电极化方向正好相反，环境背景辐射对两个热释元件几乎具有相同的作用，使其产生释电效应相互抵消，于是探测器无信号输出。一旦人侵入探测区域内，人体红外辐射通过部分镜面聚焦，并被热释电元接收，但是两片热释电元接收到的热量不同，热释电也不同，不能抵消，于是输出检测信号。 为了增强敏感性并降低白光干扰，通常在探头的辐射照面覆盖有特殊的菲泥尔滤光透镜，菲泥尔滤光片根据性能要求不同，具有不同的焦距（感应距离），从而产生不同的监控视场，视场越多，控制越严密。传感器的光谱范围为1～10μm ，中心为6μm ，均处于红外波段，是由装在TO-5型金属外壳的硅窗的光学特性所决定。
主要参数：工作电压 2.2～15V ；工作电流 8.5～24μA ；视场 139°×126°
红外热释电传感器管脚图如图1-40所示，它是一种检测人体发射红外线而输出电信号的传感器。
图1-40 红外热释电传感器管脚图
菲涅尔透镜是由聚烯烃材料注压而成的薄片，镜片表面一面为光面，另一面刻录了由小到大的同心圆，它的纹理是利用光的干涉及扰射和根据相对灵敏度和接收角度要求来设计的，透
镜的要求很高，一片优质的透镜必须是表面光洁，纹理清晰，其厚度一般在 1mm 左右，特性为面积较大，厚度薄及侦测距离远
菲涅尔透镜作用有两个：一是聚焦作用，即将热释红外信号折射（反射）在PIR上，第二个作用是将探测区域内分为若干个明区和暗区，使进入探测区域的移动物体能以温度变化的形式在PIR上产生变化热释红外信号。
⑴红外热释电传感器应用电路:
①基本工作原理
功能：利用热释电红外器件直接探测来自移动的生物体的红外辐射。图为使用SD02型热释电人体红外传感器组成的放大检测电路。
电路使用LM324四运放分别构成IC（A）、IC（B）两级高倍放大器，SD02检测到的人体红外线微弱信号后，从2脚输出极微弱的电信号输入到同相放大器IC（A），再从1脚输出一定
幅度的信号，再经电容C6耦合到反相放大器IC（B）进一步放大，放大倍数约2500。为适应热释电人体红外传感器的负载能力，要求高输入阻抗的放大器，故采用同相放大器。
IC（C）、IC（D）构成窗口比较器，当IC（B）电压幅度在UA到UB之间时，IC（C）、IC （D）均无输出；当IC（B）输出电压大于UA时，IC（C）输出高电平；当IC（B）输出电压小于UB时，IC（D）输出高电平，经D1、D2隔离后分别输出，以控制后续报警及控制电路。R11用于设定窗口的阈值电平，调节R11可调节检测器的灵敏度。当有人在热释电检测电路的有效范围内走动时，将引起LED1和LED2的交替闪烁。电路中，运放LM324无论是作放大器还是比较器，都采用了单电源。在传感器无信号时，IC（A）的静态输出电压为0.4V～1V左右；IC（B）在静态时，由于同相端电位为2.5V，故直流输出电平为2.5V；而两个比较器IC（C）和（D）的基准电位则由电阻R10、R11和R12的大小确定。
②电路组装要求
Ⅰ. 按图电路组装。实验室试验时，不必加菲涅耳透镜，直接用SD02检测人体运动。将手臂在传感器前移动，观察两只发光二极管点亮与熄灭的对应情况，分析检测电路的工作状态。
Ⅱ. 如电路不工作，可由前至后逐级测量各级输出端有无变化的电压信号，以判断电路及各级工作状态，排除故障（检测时注意PY的预热时间）。
⑵课堂作业
①电路中电容C4、C5的作用是什么？电容C1和C8的作用是甚么？去掉C1和C8对传感器信号有否影响？请试一试。
②②对电路适当接续，组成自动报警，发出"有电危险，请勿靠近"的语音，语音集成电路的使用方法参见第二单元课题三语音提示和告警电路。
⑶课外制作与阅读
①为防止电路在实际应用时频繁动作，请用时基电路555设计一个延时触发电路，要求当传感器检测到人体信号时，5秒后执行控制动作。
②
3．超声波和超声波传感器
超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器，用来测量物体的距离。首先，超声波传感器会发射一组高频声波，一般为40-45KHz，当声波遇到物体后，就会被反弹回，并被接受到。通过计算声波从发射到返回的时间，再乘以声波在媒介中的传播速度（344米/秒，空气中），就可以获得物体相对于传感器的距离值了。
超声波探头主要由压电晶片组成，既可以发射超声波，也可以接收超声波。
超声探头的核心是其塑料外套或者金属外套中的一块压电晶片。构成晶片的材料可以有许多种。晶片的大小，如直径和厚度也各不相同，因此每个探头的性能是不同的。超声波传感器的主要性能指标包括：
（1）工作频率。工作频率就是压电晶片的共振频率。当加到它两端的交流电压的频率和晶片的共振频率相等时，输出的能量最大，灵敏度也最高。
（2）工作温度。由于压电材料的居里点一般比较高，特别是诊断用超声波探头使用功率较小，所以工作温度比较低，可以长时间地工作而不失效。医疗用的超声探头的温度比较高，需要单独的制冷设备。
（3）灵敏度。主要取决于制造晶片本身。机电耦合系数大，灵敏度高；反之，灵敏度低。
1．超声波发射电路
发射电路主要由U1(74LS04/CD4069)和超声波发生换能器组成，单片机端口P3.4输出40KHz 方波信号一路经一级反向器后送超声波发生换能器T的一个电极，另一路经两级反向器后送超声波发生换能器T的另一个电极。用这种推挽形式将方波信号加到超声波发生换能器T的两端，
可以提高超声波发射强度。输出端采用两个反向器并联，用以提高驱动能力。
超声波传感器用万用表直接测试是没有什么反映的。要想测试超声波传感器的好坏可以照图1-42所示，搭一个音频振荡电路，当C1为3900pF 时，在反相器8脚与10脚间可产生一个
1.9kHz 左右的音频信号。把要检测的超声波传感器（发射和接收）接在8脚与10脚之间；如果传感器能发出音频声音，基本就可以确定此超声波传感器是好的。
2． 超声波接收电路
集成电路CX2016A 是一款红外线检波接收专用芯片，考虑到红外遥控常用的载波频率38KHz 与测距的超声波频率40KHz 较为接近，用其制作超声波检测接收电路。
3．超声波测距的算法
距离计算公式：
)(2
12t c s d ??==
4. 压力传感器
常用的压力传感器有:电阻应变片压力传感器、半导体应变片压力传感器、压阻式压力传感器、电感式压力传感器、电容式压力传感器、谐振式压力传感器及电容式加速度传感器等。
压阻式压力传感器：一种将被测件上的应变力变化转换成为一种电信号的敏感器件。它是压阻式应变压力传感器的主要组成部分之一。
电阻应变片应用最多的是金属电阻应变片和半导体应变片两种。金属电阻应变片又有丝状应变片和金属箔状应变片两种，如图1-43所示金属电阻应变片的结构示意图，它由基体材料、金属应变丝或应变箔、绝缘保护片和引出线等部分组成。通常是将应变片通过特殊的粘和剂紧密的粘合在产生力学应变基体上，当基体受力发生应力变化时，电阻应变片也一起产生形变，使金属电阻应变片的阻值发生改变，从而使加在应变金属电阻上的电压发生变化,即可获得应变金属丝的应变情况。
金属电阻应变丝的结构示意图
金属导体的电阻值可用下式表示： Rp=ρ*L/S
式中：ρ——金属导体的电阻率（Ω·cm2/m ）
S——导体的截面积（cm2） L——导体的长度（m）
这种应变片在受力时产生的阻值变化通常较小，一般这种应变片都组成应变电桥，并通过后续的仪用放大器进行放大，再传输给处理电路（通常是A/D转换和CPU）显示或执行机构。如图1-44所示
压阻式应变压力传感器的主要由电阻应变片按照惠斯通电桥原理组成。
惠斯通电桥是采用比较法的思想对未知电阻进行测量的。测量时选择一定的比例臂数值（R1/R2）并将电桥调整平衡，就可以将待测电阻（Rx ）与标准电阻（R0）进行比较，从而确定待测电阻的阻值
5．直流电机驱动电路
(a) OCL 功放电路 (b) BTL 功放电路
BTL 电路也称为平衡桥式功放电路。它由两组对称的OTL 或OCL 电路组成，负载接在两组OTL 或OCL 电路输出端之间，即负载两端都不接地。BTL 电路的主要特点有：可采用单电源供电，两个输出端直流电位相等，无直流电流通过负载，与OTL 、OCL 电路相比，在相同电源电压、相同负载情况下，BTL 电路输出电压可增大一倍，输出功率可增大四倍，这意味着在较低的电源电压时也可获得较大的输出功率。
例2-2 试计算BTL 电路直流电机电枢驱动直流
解：⑴ 列方程组 7.0)1(7.01411++++=B B a I R I R U β
3
127.0R U U I C CC B --= 212R U U I C CC R -=
2211R B B C I I I I +==β
22B C I I β=
⑵ 解方程组，由已知4321、R 、R 、R Ua 、a、cc ,用万用表测量β值，得:
411)1(4.1R R Ua I B β++-= )(17.0323213B R C I R R R R Ucc U β-++= )(7.017.03232323
B R B I R R R R Ucc R Ucc I β-+---= 直流电机电流=)(7.017.032323223B R B
C I R R R R Ucc R Ucc I I ββββ
β-+---== 由于选择8550和8050三极管为功放管，故选择输入额定电流小的电机。
1. 热电偶用于温度测量电路
1.1热电偶工作原理：
热电偶是一种感温元件，热电偶由两种不同成份的均质金属导体组成，形成两个热电极端。温度较高的一端为工作端或热端，温度较低的一端为自由端或冷端，自由端通常处于某个恒定的温度下。当两端存在温度梯度时，回路中就会有电流通过，此时两端之间就存在塞贝克电动势—热电动势，这就是所谓的塞贝克效应。测得热电动势后, 即可知道被测介质的温度。
热电偶温度测量由如图所示三部分组成：
⑴ 热电偶
⑵ 毫伏测量电路或毫伏测量仪表
⑶ 连接热电偶和毫伏测量电路的补偿导线与铜线
图1-1
1.2 热电偶温度测量电路：
图1-2
原理如图1-2所示，热电偶产生的毫伏信号经放大电路后由VT 端输出。它可作为A/D 转换接口芯片的模拟量输入。
第1级反相放大电路，根据运算放大器增益公式：
111101
2L L O U R U R U ?-=?-= 增益为10。
第2级反相放大电路，根据运算放大器增益公式：
1110
1200561O O O VT U RW R U R RW U V ?+-=?+-===）（
增益为20。
总增益为200，由于选用的热电偶测温范围为0～200℃变化，热电动势0～10mV对应放大电路的输出电压为0～2V。
A/D转换接口芯片最好用5G14433，它是三位半双积分A/D，其最大输入电压为1999mV和1999V两档(由输入的基准电压VR决定)。我们应选择1999V档，这样5G14433转换结果(BCD码)和温度值成一一对应关系。如读到的BCD码为01、00、01、05，则温度值为101℃。因此，用5G14433 A/D芯片的话，你可以将转换好的A/D结果(BCD码)右移一位(除以10)后直接作为温度
值显示在显示器上。
如果A/D转换芯片用ADC0809，则在实验前期，应先做两张表格：一、放大电路的输出电压和温度的对应关系，一一测量并记录下来制成表格；二、ADC0809的转换结果(数字量)和输入的模拟电压一一对应关系记录下来并制成表格，然后将这两张表格综合成温度值和数字值的一一对应关系表存入系统内存中，最后，编制并调试实验程序，程序中将读到的A/D转换结果(数字
量)通过查表转换成温度值在显示器上显示。
1.3 热电偶温度测量电路调试
热电偶温度测量电路板上VT插孔可以与万用表直接相连，结果为模拟量调试。也可和5G14433的模拟量输入端VX相连。用ADC0809做A/D转换时，ADC0809的IN0连到温度测量电路的VT插孔，结果为数字量调试。
将热电偶置于沸水中，调整温度测量电路板的电位器RW1，使输入到A/D转换芯片的电压为1.0V，再在沸水中逐渐加入冷水，输入电压随水温变化而变化，用万用表或示波器测试放大器的工作状态，使放大器输出电压随水温在0～1V变化。
如果将热电偶端靠近电铬铁，由于电铬铁的温度较高，达到热电偶的最高温度值。因此，输入到A/D芯片的电压范围可以达到为0～2V。
2．电阻应变片用于压力测量电路
2．1 电阻应变片的工作原理
⑴电阻应变片特性
电阻应变片是一种电阻式传感元件，金属电阻应变片的工作原理是附在基体材料上应变电阻随机械形变而产生阻值变化的现象，俗称为电阻应变效应。
金属导体的电阻值可用下式表示：
R=ρ×L/S
式中：ρ——金属导体的电阻率（Ω·cm2/m）
S——导体的截面积（cm2）
L——导体的长度（m）
以金属丝应变电阻为例，当金属丝受外力作用时，其长度和截面积都会发生变化，从上式中可很容易看出，其电阻值即会发生改变，假如金属丝受外力作用而伸长时，其长度增加，而截面积减少，电阻值便会增大。当金属丝受外力作用而压缩时，长度减小而截面增加，电阻值则会减小。只要测出加在电阻的变化（通常是测量电阻两端的电压），即可获得应变金属丝的应变情况。
应变片电阻值的相对变化量ΔR/R近似地正比于所受力F，实验表明在弹性形变范围内，在一定的非线性度允许的情况下可以认为：
ΔR/R≈K0ε
⑵压力测量原理
通常是将电阻应变片通过特殊的粘和剂紧密的粘合在产生力学应变基体上，如图2-1所示，当基体受力发生应力变化时，电阻应变片也一起产生形变，使应变片的阻值发生改变，从而使加在电阻上的电压发生变化，就可以计算出应变基体上受外力的大小。
图2-1 金属电阻应变丝的结构示意图
这种应变片在受力时产生的阻值变化通常较小，一般这种电阻应变片都组成应变电桥，并通过后续的测量放大器进行放大，再传输给处理电路（通常是A/D转换和CPU）显示或执行机构。2．2 电阻应变片压力电桥测量电路
图2-2 电阻应变片压力电桥测量电路
原理如图2-2所示，电桥平衡（即电阻应变片未受力F作用）时，R24=R25=R26=RT=R,此时
电桥输出为0，当电阻应变片受力后，RT 发生变化，电桥输出不为0。
CC CC CC CC AB U K U R R U R R R U R R R R U 4
4222120ε=?≈?+?=-?+?+=）（）（ 测量放大器
图3-4 测量放大器
① 当Ui+=0时, A1同相输入，A2反相输入
)1(3029'1R R U U i +=- )(30
31'2R R U U i --= （3-1） ② 当Ui-=0时, A2同相输入，A1反相输入
)(3029"1R R U U i +-= )1(30
31"2R R U U i +=+ （3-2） ③ 总的输出：
)()1(30293029"1'11R R U R R U U U U i i +--+=+= )()1(30
313031"2'22R R U R R U U U U i i -+-+=+= )1)(()(21
191820182211910R R R R R U R R U U +++-= 由于K R 1030=、K R R 13129==、K R R R 10212018===、K R 10019=；则： ))(
(35120R R U U U -=； 代入U1、U2，化简得：
))(21)((3510R R R R U U U g i i +-=-+ ))(21()(3
510R R R R U U U A g i i V +=-=-+ （3-3） 选15
3=R R ，则：)21()(10g i i V R R U U U A +=-=-+ )21()(30
290R R U U U A i i V +=-=-+ 总增益为120，
2.3 电阻应变片压力电桥测量电路调试
压力电桥测量电路板上VP插孔可以与万用表直接相连，结果为模拟量调试。也可和5G14433的模拟量输入端VX相连。用ADC0809做A/D转换时，ADC0809的IN0连到温度测量电路的VT 插孔，结果为数字量调试。
以克为单位砝码加在应变基体上（弹簧片上），万用表测量VP插孔的电压，将得到与砝码重量的对应的电压。
图2-2中VP输出接ADC0809转换电路的通道0(IN0)插孔，即压力测量电路的输出接ADC0809模拟量输入端通道0。编写并调试一个程序，使得ADC0809通道0输入的模拟电压经ADC0809转换再通过数字滤波和量纲转换后，将实时地测量到加在应变基体上（弹簧片上）的砝码重量
显示在实验系统的显示器上。
3．声光控延时开关
1.元器件
⑴ 4011：CD4011四重与非门
⑵可控硅T。可控硅可选用1A、3A、6A、10A、12A单向可控硅。
检测：用R×1档，将红表笔接可控硅的负极，黑表笔接可控硅的正极，这时表针无读数；然后用黑表笔触一下可控硅的栅极，这时表针有读数。黑表笔马上离开，这时表针仍有读数。
⑶驻极体BM。收录机用的小话筒。
检测：用R×100档，将红表笔接驻极体外壳S极、黑表笔接驻极体的S极，这时表针读数540Ω；然后用口对着驻极体吹气，若表针有摆动说明该驻极体是好的，表针摆动越大灵敏度越高。
⑷光敏电阻RG。
检测：无光照射时RG阻值大于100MΩ，有光照射时光敏电阻RG阻值为20K以下。
2.电路原理
桥式整流负载为可控硅及可控硅控制电路，可控硅导通则灯亮。可控硅控制电路须满足声、
光、延时控制。
R1与C2平滑滤波，提供12V 直流电压给CD4011和三极管VT 。
⑴ 三极管VT 组成声控电路
声控信号由VT 集电极输入与非门U1A ，三极管VT 工作于截止和饱和二种状态，
①
A V I CC
B μ49
.33.119.37.0==-= V I R U U B CC C 8.28.1816004.010047125-=-=??-=?-=β
三极管VT 工作于饱和状态，集电极输出低电平。
② 静态是BM 阻值550Ω，分压B D U V U ==?+=
7.01210000
550550 C1
⑵ 光敏电阻RG 和电阻R4组成分压式光控电路
白天光照射RG ，光敏电阻RG 阻值为20K 以下，RG 的分压为七十分之一的电源电压，即RG 的分压为低电平。低电平封锁住与非门U1A ，阻止声控信号输入与非门U1A 。
夜晚无光照射RG ，光敏电阻RG 阻值大于100M Ω，RG 的分压为十二分之十的电源电压，即RG 的分压为高电平。高电平打开与非门U1A ，开放声控信号输入与非门U1A 。
⑶ 二极管VD6、电容C3和电阻R7组成延时控制电路
① 声控信号产生后，与非门U1B 输出高电平则VD6导通，输出高电平给电容C3充电，达到高电平。高电平向后面的与非门U1C 传送，使与非门U1D 输出高电平给可控硅栅极，可控硅导通。
② 声控信号消失后，与非门U1B 输出低电平，由于电容C3上高电平不能突变，VD6反偏而截止。电容C3高电平维持与非门U1D 输出高电平给可控硅栅极。同时C3通过电阻R7放电，逐渐达到低电平，产生放电延时。经延时后，与非门U1D 输出低电平给可控硅栅极，关断可控硅。
3. 电路检测与调试
⑴ 声控电路检测与调试
无声时，检测驻极体电压U D ，VT 集电极输出电压。
有声时，检测驻极体电压U D ，VT 集电极输出电压。
⑵ 分压式光控电路检测与调试
无光照射RG时，检测RG的分压。
有光照射RG时，检测RG的分压。
⑶延时控制电路检测与调试
先检测有声时，检测电容C3的电压和与非门U1D输出电平。消失后，检测电容C3的电压变化和与非门U1D输出电平变化。
4．单总线温度传感器DS18B20
DS18B20是DALLAS公司生产的单总线式数字温度传感器，它特别适用于构成多点温度测控系统，可直接将温度转化成串行数字信号（提供9位二进制数字）给单片机处理，且在同一总线上可以挂接多个传感器芯片。它具有3引脚TO－92小体积封装形式，温度测量范围为－55℃～＋125℃，可编程为9位～12位A/D转换精度，测温分辨率可达0.0625℃，被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出，其工作电源既可在远端引入，也可采用寄生电源方式产生，多个DS18B20可以并联到3根或2根线上，CPU只需一根端口线就能与多个DS18B20通信，占用微处理器的端口较少，可节省大量的引线和逻辑电路。以上特点使DS18B20非常适用于远距离多点温度检测系统。
⑴ DS18B20外形及引脚说明
外形及引脚如图2所示：
图2 管脚排列图
在TO-92和SO-8的封装中引脚有所不同，具体差别请查阅PDF手册，在TO-92封装中引脚分配如下：
1（GND）：地
2（DQ）：单线运用的数据输入输出引脚
3（VDD）：可选的电源引脚
⑵ DS18B20工作过程及时序
燕山大学 传感器原理及应用课程设计题目：热电阻温度传感器器 学院（系）电气工程学院 年级专业： 12级自动化仪表 学号： 120103020133 学生姓名：马冰卿 指导教师：童凯 教师职称：教授
一、概述 1.1 热电阻温度传感器简介 热电阻温度传感器是利用导体或半导体的电阻值随温度变化而变化的原理进行测温的一种传感器温度计。 热电阻温度传感器分为金属热电阻和半导体热敏电阻两大类。热电阻广泛用于测量-200~+850°C范围内的温度，少数情况下，低温可测至1K，高温达1000°C。 热电阻传感器由热电阻、连接导线及显示仪表组成，热电阻也可以与温度变送器连接，将温度转换为标准电流信号输出。 用于制造热电阻的材料应具有尽可能大和稳定的电阻温度系数和电阻率，输出最好呈线性，物理化学性能稳定，复线性好等。目前最常用的热电阻有铂热电阻和铜热电阻。 1.2 pt100热电阻简介 pt100是铂热电阻，它的阻值跟温度的变化成正比。PT100的阻值与温度变化关系为：当PT100温度为0℃时它的阻值为100欧姆，在100℃时它的阻值约为138.5欧姆。它的工业原理：当PT100在0摄氏度的时候他的阻值为100欧姆，它的阻值会随着温度上升而成匀速增长的。
二、工作原理 2.1 热电阻工作原理 与热电偶的测温原理不同的是，热电阻是基于电阻的热效应进行温度测量的，即电阻体的阻值随温度的变化而变化的特性。因此，只要测量出感温热电阻的阻值变化，就可以测量出温度。目前主要有金属热电阻和半导体热敏电阻两类。下面以铂电阻温度传感器为例：Pt100 是电阻式温度传感器，测温的本质其实是测量传感器的电阻，通常是将电阻的变化转换成电压或电流等模拟信号，然后再将模拟信号转换成数字信号，再由处理器换算出相应温度。 金属热电阻的电阻值和温度一般可以用以下的近似关系式表示，即 ()[]010t t Rt Rt -+=α （1） 式中，Rt 为温度t 时的阻值；Rt0为温度t0（通常t0=0℃）时对应电阻值α为温度系数。 半导体热敏电阻的阻值和温度关系为： t e Rt B A = （2） 式中Rt 为温度为t 时的阻值；A 、B 取决于半导体材料的结构的常数。相比较而言，热敏电阻的温度系数更大，常温下的电阻值更高（通常在数千欧以上），但互换性较差，非线性严重，测温范围只有-50～300℃左右，大量用于家电和汽车用温度检测和控制。金属热电阻一般适用于-200～500℃范围内的温度测量，其特点是测 量准确、稳定性好、性能可靠，在程控制中的应用极其广泛。热电阻是把温度变化转换为电阻值变化的一次元件，通常需要把电阻信号通过引线传递到计算机控制装置或者其它一次仪表上。 2.2 接线方式 采用pt100测温一般有三种接线方式：二线制、三线制、四线制。 ① 二线制接法:这种接法不考虑PT100电缆的导线电阻，将A/D 采样端与电流源的正极输出端接在一起，这种接法由于没有考虑测温电缆的电阻，因此只能适用于测温距离较近的场合。
《自动检测技术及仪表》课程设计报告 热电偶温度计的测温原理、选型及其应用 学院： 班级： 姓名： 学号：
目录 一摘要 (3) 二热电偶温度计的测温原理 (3) 2.1 热电偶的测温原理 (3) 2.2 接触电势 (4) 2.3 温差电势 (4) 2.4 热电偶温度计闭合回路的总热电势 (4) 三热电偶温度计的组成结构及其作用和特 (5) 3.1 热电偶温度计的组成结构 (5) 3.2 热电偶温度计的作用及特点 (6) 四热电偶温度计测温技术中涉及到的定则 (7) 4.1 均质导体定则 (7) 4.2 中间导体定则 (7) 4.3 连接导体和中间温度定则 (8) 五热电偶温度计的误差分析及选型 (8) 5.1 影响测量误差的主要因素 (8) 5.1.1插入深度 (8) 5.1.2响应时间 (9) 5.1.3热辐射 (10) 5.1.4冷端温度 (11) 5.2 热电偶温度计的选型 (11) 六现场安装及其注意事项 (13) 七总结 (13) 八参考文献 (15)
一、摘要 热电偶温度计是一种最简单﹑最普通，测温范围最广的温度传感器，是科研﹑生产最常用的温度传感器。在使用时不注意，也会引起较大测量误差。针对当前存在的问题，详细探讨影响测量误差的主要因素：热电偶插入深度﹑响应时间﹑热辐射及冷端温度等因素对测量的影响；在使用时应该怎样选择热电偶温度计，以及使用时的一些安装注意事项，这对提高测量精度，延长热电偶寿命，都有一定的意义。 二、热电偶温度计的测温原理 热电偶温度计是一种感温元件 , 把温度信号转换成热电动势信号 , 通过电气仪表转换成被测介质的温度。 热电偶测温的基本原理是两种不同成份的均质导体组成闭合回路 , 当两端温度不同时 , 回路中就会产生电势，这种现象称为热电效应（或者塞贝克效应）。两种不同成份的均质导体为热电极，温度较高的一端为工作端，温度较低的一端为自由端，自由端通常处于某个恒定的温度下。根据热电动势与温度的函数关系 , 制成热电偶分度表；分度表是自由端温度在 0°C 时的条件下得到的，不同的热电偶具有不同的分度表。在热电偶回路中接入第三种金属材料时 , 只要该材料两个接点的温度相同 , 热电偶所产生的热电势将保持不变，即不受第三种金属接入回路中的影响。因此 , 在热电偶测温时 , 可接入测量仪表 , 测得热电动势后 , 即可知道被测介质的温度。 热电偶温度计测温原理图如图所示： 其中，T是热端、工作端或者测量端， T
Pt100热电阻的测温电路 [摘要] 热电阻测温是基于金属导体的电阻值随温度的增加而增加这一特性来进行温度测量的。热电阻大都由纯金属材料制成，目前应用最多的是铂和铜，此外，现在已开始采用镍、锰和铑等材料制造热电阻。 热电阻传感器主要是利用电阻值随温度变化而变化这一特性来测量温度及与温度有关的参数。在温度检测精度要求比较高的场合，这种传感器比较适用。目前较为广泛的热电阻材料为铂、铜、镍等，它们具有电阻温度系数大、线性好、性能稳定、使用温度范围宽、加工容易等特点。用于测量-200℃～+500℃范围内的温度。 温度测量系统应用广泛，涉及到各行各业的各个方面，在各种不同的领域中都占有重要的位置。从降低开放成本扩大适用范围、系统运行的稳定性、可靠性出发，设计一种以Pt100铂热电阻为温度信号采集元件的传感器温度测量系统。才测量系统不但可以测量室内的温度，还可以测量液体等的温度，在实际应用中，该系统运行稳定、可靠，电路设计简单实用。 [关键字] 传感器 Pt100热电阻温度测量
目录 1 前言 (4) 1．1 传感器概况 (4) 1．2 设计目的 (7) 2 设计要求 (8) 2．1 设计内容 (8) 2．2 设计要求 (9) 3 原器件清单 (10) 4 Pt100热电阻的测温电路 (11) 4．1 总体电路图 (11) 4．2 工作原理 (11) 5 Pt100热电阻测温电路的原理及实现 (12) 5．1 测温电路的工作原理 (12) 5．2 测温电路的实现 (14) 5．3 测量结果及结果分析 (15) 6 制作过程及注意事项 (16) 6．1 制作过程 (16) 6．2 注意事项 (17) 7 总结 (18) 8 致谢 (19) 参考文献 (20)
燕山大学 课程设计说明书题目：基于热电偶的温度测量电路设计 学院（系）：电气工程学院 年级专业： 学号： 学生姓名： 指导教师： 教师职称：
燕山大学课程设计（论文）任务书 院（系）：电气工程学院基层教学单位： 学号学生姓名专业（班级）设计题目基于热电偶的温度测量电路设计 设 计技术参数 设计基于运算放大器的热电偶传感器输出信号调理电路以及冷端补偿电路。自选一款热电偶，对其在500到1200度测温范围内的输出信号进行放大。输出信号为直流0到2.5V 设计要求1:完成题目的理论设计模型；2完成电路的multisim仿真； 工 作 量1：完成一份设计说明书(其中包括理论设计的相关参数以及仿真结果）； 2：提交一份电路原理图；
工作计划周一，查阅资料； 周二到周四，理论设计及计算机仿真；周五，撰写设计说明书； 参考资料1：基于运算放大器和模拟集成电路的设计；2：模拟电子技术； 3：电路理论； 4：数字电子技术； 指导教师签字基层教学单位主任签字 说明：此表一式四份，学生、指导教师、基层教学单位、系部各一份。 2011年6 月26 日燕山大学课程设计评审意见表
指导教师评语： 成绩： 指导教师： 年月日答辩小组评语：
成绩： 组长： 年月日课程设计总成绩： 答辩小组成员签字： 年月日
目录 第1章摘要 (2) 第2章引言 (2) 第3章电路结构设计 (2) 3.1 热电偶的工作原理 (2) 3.2 冷端补偿电路设计 (5) 3.3 运算放大器的设计 (6) 第4章参数设计及运算 (8) 4.1 补偿电路的计算 (8) 4.2 运算放大器的计算 (9) 4.3 仿真器仿真图示 (10) 心得体会 (12) 参考文献 (13)
热电偶的原理及现象 一、实验目的：了解热电偶测温原理。 二、基本原理：1821年德国物理学家赛贝克（T?J?Seebeck）发现和证明了两种不同材料的导体A和B组成的闭合回路，当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。这种物理现象称为热电效应（塞贝克效应）。 热电偶测温原理是利用热电效应。如图21—1所示，热电偶就是将A和B二种不同金属材料的一端焊接而成。A和B称为热电极，焊接 的一端是接触热场的T端称为工作端或测量端， 也称热端；未焊接的一端处在温度T0称为自由端 或参考端，也称冷端(接引线用来连接测量仪表的图21—1热电偶 两根导线C是同样的材料，可以与A和B不同种材料)。T与T0的温差愈大，热电偶的输出电动势愈大；温差为0时，热电偶的输出电动势为0；因此，可以用测热电动势大小衡量温度的大小。国际上，将热电偶的A、B热电极材料不同分成若干分度号，并且有相应的分度表即参考端温度为0℃时的测量端温度与热电动势的对应关系表；可以通过测量热电偶输出的热电动势值再查分度表得到相应的温度值。热电偶一般用来测量较高的温度，应用在冶金、化工和炼油行业，用于测量、控制较高的温度。 本实验只是定性了解热电偶的热电势现象，实验仪所配的热电偶是由铜—康铜组成的简易热电偶，分度号为T。实验仪有二个热电偶，它们封装在悬臂双平行梁上、下梁的上、下表面中，二个热电偶串联在一起，产生热电势为二者之和。 三、需用器件与单元：机头平行梁中的热电偶、加热器；显示面板中的F/V表(或电压表)、-15V电源；调理电路面板中传感器输出单元中的热电偶、加热器；调理电路单元中的差动放大器；室温温度计（自备）。 四、实验步骤： 1、热电偶无温差时差动放大器调零：将电压表量程切换到2V档，按图21—2示意接线，检查接线无误后合上主、副电源开关。将差动放大器的增益电位器顺时针方向缓慢转到底（增益为101倍），再逆时针回转一点点（防电位器的可调触点在极限端点位置接触不良）；再调节差动放大器的调零旋钮，使电压表显示0V左右，再将电压表量程切换到200mV档继续调零，使电压表显示0V。并记录下自备温度计所测的室温tn。
北京邮电大学 电子电路综合设计实验 课题名称：热电阻温度测量系统的设计与实现
索引 一、概要 1.1、课题名称 热电阻温度测量系统的设计与实现 1.2、报告摘要 为了实现利用热敏电阻测量系统温度，设计实验电路。利用热电阻100为温度测量单元，系统主要包括传感电路、放大电路、滤波电路、转换电路和显示电路五个单元构成。通过包含热敏电阻的电桥电路实现温度信号向电信号的转换，利用三运放差分电路实现放大差模信号抑制共模信号并通过二极管显示二进制数来显示温度值。此电路可以定量的显示出温度的与转换器输入电压的关系，再通过量化就可以实现温度测量的功能。报告中首先给出设计目标和电路功能分析，然后讨论各级电路具体设计和原理图，最后总结本次实验并给出了电路图。 1.3、关键字 测量温度热敏电阻差分放大低通滤波转换 二、设计任务要求 （1）了解掌握热电阻的特性和使用方法。 （2）了解数模转换电路的设计和实现方法。 （3）了解电子系统设计的方法和基本步骤。 （4）设计一个利用热电阻100 为温度测量元件设计一个电子测温系统，用发光二极管显示的输出状态，并模拟测温（实际上实验室给的是300）， 用软件绘制完整的电路原理图（）。 三、设计思路与总体结构图
图1：热电阻温度测量的系统原理框图 如图将系统划分为传感器电路、放大电路、滤波电路、转换电路显示器和电源电路共六个单元。传感器是由100及若干精密电阻和电位器构成的电桥电路组成；放大器是有运放324构成仪表放大器，具有较高的共模抑制比和输入阻抗；滤波电路采用高精度07二阶低通有源滤波器；模数转换电路是用0804进行设计，并利用555N产生频率为1到1.3的时钟信号来使数模转换电路实现实时同步；显示电路由发光二极管构成；电源电路采用变压器、稳压模块和整流桥等器件进行设计。 四、分块电路和总体电路的设计 4.1、温度传感器电路设计 4.1.1铂热电阻 热电阻是利用温度变化是自身阻值随之变化的特性来测量温度的，工业上广泛的用于测量中低温区（-200℃—500℃）的温度。 铂热电阻在氧化性介质中，甚至在高温下，物理、化学性质都比较稳定，因此具有较好的稳定性和测量精度，主要用于高精度温度测量和标准测温装置中。 铂热电阻与温度的关系，在0—630.74℃以内为 在-190-0以内为： 式中为t时的电阻值；是0时的电阻值；t为任意温度值；A、B、C为 分度系数，，。 但是实际实验中的使用的是300，而且根据在实验室的实际测量300在20℃时是325Ω，而且其阻值随着温度的升高而降低。 4.1.2热电阻温度传感器的接入方式 热电阻由于精度高、性能稳定等优点在工业测试中得到广泛应用。流过热电阻的电流一般为4-5，不能过大，否则产生热量过多而导致影响测量精度。
全国电子专业人才设计与技能大赛电子组装、调试与开发大赛 ---------传感元器件 1．NTC 负温度系数热敏电阻 热敏电阻分为三类：正温度系数热敏电阻（PTC ），负温度系数热敏电阻（NTC ），临界温度电阻器（CTR ）。 图1-39 NTC 负温度系数热敏电阻 负温度系数热敏电阻器如图1-39所示。其电阻值随温度的增加而减小。NTC 热敏电阻器在室温下的变化范围在10O ～1000000欧姆，温度系数-2%～-6.5%。 ⑴ 负温度系数热敏电阻温度方程 )(T f =ρ T B T e A /'=ρ T B T B T T Ae e S l A S l R //'===ρ 其中：l A A '= 该关系式是经验公式，只在额定温度 TN 或额定电阻阻值 RN 的有限范围内才具有一定的精确度，因为材料常数B 本身也是温度 T 的函数。NTC 热敏电阻器在室温下的变化范围在10O ～1000000欧姆，温度系数-2%～-6.5%。 已知温度T 、额定温度T N 和R25即可求的热敏电阻阻值R T 。 ⑵ 负温度系数热敏电阻主要特性 电阻温度系数σ
dT dR R T T 1=σ 微分式（），可得 2T B - =σ 热敏电阻的温度系数是负值。 -----温度测量电桥应用 温度测量电桥的A 点所在的桥臂的电阻是固定的，故A U 是固定的。B 点所在的桥臂的电阻t R 随温度变化，故B U 是变动的。电阻t R 为负温度系数热敏电阻，t R =1.5K 指NTC 热敏电阻的标称电阻值R25。为了方便取2R 与t R 成比例，这里取K R R t 5.12==，同时，1311212 E E R R R A U =+= ，得Ω=7501R 。 在前面已知条件下，推导13’3P R R R +=： 约束条件：① U U U U U B A i ??+-=??-，② 13 1 E A U =。 由测量电桥平衡0=-=B A i U U U 时，得Ω==+=750113’3R R R R P 。 又由1'3 1131E R t R t R E U U U B A i +-=-=，得R p R R R ?±Ω=+=75013'3。故取K R P 11=。 温度控制电路如图3-15所示，由测量电桥、测量放大器、滞回比较器及驱动电路等组成。由于温度的不同，因而在测量电桥的A 、B 点时会产生不同的电压差，这个差值经过测量放大器放大后进入到滞回比较器的反相输入端，与比较电压U R 比较后，由滞回比较器输出信号进行加热或停止加热。 ⑴ 温度控制器电路 温度控制器电路如图3-7所示。
1．热电偶测温基本原理 将两种不同材料的导体或半导体A和B焊接起来，构成一个闭合回路。当导体A和B 的两个执着点1和2之间存在温差时，两者之间便产生电动势,因而在回路中形成一个大小的电流,这种现象称为热电效应。热电偶就是利用这一效应来工作的。 A,B 两种导体，一端通过焊接形成结点，为工作端，位于待测介质。另一端接测温仪表，为参考端。为更好地理解下面的内容，我们将以上测温回路中形成的热电动势表示为EAB(T1,T0),理解为：A、B两种导体组成的热电偶，工作端温度为T1,参考端温度为T0，形成的热电动势为EAB(T1,T0)。 需要特别强调的是：热电偶测温，归根结底是测量热电偶两端的热电动势。测量仪表能够让我们看到温度数值，是因为它已经将热电动势转换成了温度。 图中，工作端温度T1, A、B与C、D连接处温度为T2，测量仪表端(参考端)温度为T0。 我们可以把总回路的总电动势E 分成两段热电动势的和，即A、B为一段，热电动势为EAB(T1,T2)，C、D为另一段，热电动势为ECD(T2,T0), 即： E= EAB(T1,T2)+ ECD(T2,T0) (热电偶中间导体定律) (1)
在上图中，如果C、D的材质和A、B完全一样，即C即为A，D即为B,相当于热电偶A、B 在T2(中间温度)处产生了一个连接点，此时，回路总电势为： E= EAB(T1,T2)+ EAB(T2,T0)= EAB(T1,T0) (热电偶中间温度定律) (2) 从式(2)我们可以看出，只要是相同的热电偶，中间产生了连接点，则总电势与连接点的温度(中间温度)无关，而只与工作端和参考端的温度有关。这正是我们希望得到的。我们在热电偶布线中，不需要考虑中间有没有连接点，也不需要考虑连接点的温度，而是和一根热电偶连接到介质和测量仪表一样。 再来比较式(2)和式(1)。如果我们能找到某种材料C、D，它能满足： ECD(T2,T0)= EAB(T2,T0) (3) 则式(1)成为： E= EAB(T1,T2)+ ECD(T2,T0)= EAB(T1,T2)+ EAB(T2,T0)= EAB(T1,T0) (4) 满足式(3)的材料C、D我们称为热电偶A、B的补偿导线。 式(4)还告诉我们，使用了补偿导线，我们将T2延伸到了T0，但最后我们的测量结果与T2无关，这样我们也可以理解为，因为我们使用了导线C、D，是它补偿了T2处连接所产生的附加电势，而使得我们最终测量不需要再考虑T2，这也是C、D为什么叫补偿导线的原因， 2．热电偶冷端的温度补偿 由于热电偶的材料一般都比较贵重（特别是采用贵金属时），而测温点到仪表的距离都很远，为了节省热电偶材料，降低成本，通常采用补偿导线把热电偶的冷端（自由端）延伸到温度比较稳定的控制室内，连接到仪表端子上。必须指出，热电偶补偿导线的作用只起延伸热电极，使热电偶的冷端移动到控制室的仪表端子上，它本身并不能消除冷端温度变化对测温的影响，不起补偿作用。因此，还需采用其他修正方法来补偿冷端温度t0≠0℃时对测温的影响。 在使用热电偶补偿导线时必须注意型号相配，极性不能接错，补偿导线与热电偶连接端的温度不能超过100℃。
热电偶是工业上最常用的温度检测元件之一，热电偶工作原理是基于赛贝克(seeback)效应,即两种不同成分的导体两端连接成回路，如两连接端温度不同，则在回路内产生热电流的物理现象。其优点是： ①测量精度高。因热电偶直接与被测对象接触，不受中间介质的影响。 ②测量范围广。常用的热电偶从-50~+1600℃均可边续测量，某些特殊热电偶最低可测到-269℃（如金铁镍铬），最高可达+2800℃（如钨-铼）。 ③构造简单，使用方便。热电偶通常是由两种不同的金属丝组成，而且不受大小和开头的限制，外有保护套管，用起来非常方便。 1．热电偶测温基本原理 将两种不同材料的导体或半导体A和B焊接起来，构成一个闭合回路，如图所示。当导体A和B的两个执着点1和2之间存在温差时，两者之间便产生电动势,因而在回路中形成一个大小的电流,这种现象称为热电效应。热电偶就是利用这一效应来工作的。 常用的热电偶材料有： 热电偶分度号热电极材料 正极负极 S 铂铑10 纯铂 R 铂铑13 纯铂 B 铂铑30 铂铑6 K 镍铬镍硅 T 纯铜铜镍 J 铁铜镍 N 镍铬硅镍硅 E 镍铬铜镍 2．热电偶的种类及结构形成
（1）热电偶的种类 常用热电偶可分为标准热电偶和非标准热电偶两大类。所调用标准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、并有统一的标准分度表的热电偶，它有与其配套的显示仪表可供选用。非标准化热电偶在使用范围或数量级上均不及标准化热电偶，一般也没有统一的分度表，主要用于某些特殊场合的测量。 标准化热电偶我国从1988年1月1日起，热电偶和热电阻全部按IEC国际标准生产，并指定S、B、E、K、R、J、T七种标准化热电偶为我国统一设计型热电偶。 (2)热电偶的结构形式为了保证热电偶可靠、稳定地工作，对它的结构要求如下： ①组成热电偶的两个热电极的焊接必须牢固； ②两个热电极彼此之间应很好地绝缘，以防短路； ③补偿导线与热电偶自由端的连接要方便可靠； ④保护套管应能保证热电极与有害介质充分隔离。 3．热电偶冷端的温度补偿 由于热电偶的材料一般都比较贵重（特别是采用贵金属时），而测温点到仪表的距离都很远，为了节省热电偶材料，降低成本，通常采用补偿导线把热电偶的冷端（自由端）延伸到温度比较稳定的控制室内，连接到仪表端子上。必须指出，热电偶补偿导线的作用只起延伸热电极，使热电偶的冷端移动到控制室的仪表端子上，它本身并不能消除冷端温度变化对测温的影响，不起补偿作用。因此，还需采用其他修正方法来补偿冷端温度t0≠0℃时对测温的影响。 在使用热电偶补偿导线时必须注意型号相配，极性不能接错，补偿导线与热电偶连接端的温度不能超过100℃。 热电偶冷端补偿原理 热电偶测量温度时要求其冷端（测量端为热端，通过引线与测量电路连接的端称为冷端）的温度保持不变，其热电势大小才与测量温度呈一定的比例关系。若测量时，冷端的（环境）温度变化，将影响严重测量的准确性。在冷端采取一定措施补偿由于冷端温度变化造成的影响称为热电偶的冷端补偿。 热电偶的冷端补偿通常采用在冷端串联一个由热电阻构成的电桥。电桥的三个桥臂为标准电阻，另外有一个桥臂由（铜）热电阻构成。当冷端温度变化（比如升高），热电偶产生的热电势也将变化（减小），而此时串联电桥中的热电阻阻值也将变化并使电桥两端的电压也发生变化（升高）。如果参数选择得好且接线正确，电桥产生的电压正好与热电势随温度变化而变化的量相等，整个热电偶测量回路的总输出电压（电势）正好真实反映了所测量的温度值。这就是热电偶的冷端补偿原理。
铂电阻温度传感器是利用其电阻和温度成一定函数关系而制成的温度传感器,由于其测量准确度高、测量范围大、复现性和稳定性好等,被广泛用于中温(-200℃～650℃)范围的温度测量中。 PT100是一种广泛应用的测温元件，在-50~600℃℃范围内具有其他任何温度传感器无可比拟的优势，包括高精度、稳定性好、抗干扰能力强等。由于铂电阻的电阻值与温度成非线性关系，所以需要进行非线性校正。校正分为模拟电路校正和微处理器数字化校正，模拟校正有很多现成的电路，其精度不高且易受温漂等干扰因素影响，数字化校正则需要在微处理系统中使用，将Pt电阻的电阻值和温度对应起来后存入EEPROM中，根据电路中实测的AD值以查表方式计算相应温度值。 常用的Pt电阻接法有三线制和两线制，其中三线制接法的优点是将PT100的两侧相等的的导线长度分别加在两侧的桥臂上，使得导线电阻得以消除。常用的采样电路有两种：一为桥式测温电路，一为恒流源式测温电路。其中图1为三线制桥式测温电路，图2为两线制桥式测温电路，图3为恒流源式测温电路。下面分别对桥式电路和恒流源式电路的原理在设计过程中应注意事项进行说明（注：这两个电路本人均有采用及试验，证明可行） 一、桥式测温电路 桥式测温的典型应用电路如图1所示（图1和图2均为桥式电路，分别画出来是为了说明两线制接法和三线制接法的区别）。 测温原理：电路采用TL431和电位器VR1调节产生4.096V的参考电源；采用R1、R2、VR2、Pt100构成测量电桥（其中R1＝R2，VR2为100Ω
精密电阻），当Pt100的电阻值和VR2的电阻值不相等时，电桥输出一个mV级的压差信号，这个压差信号经过运放LM324放大后输出期望大小的电压信号，该信号可直接连AD转换芯片。差动放大电路中R3＝R4、R5＝R6、放大倍数＝R5/R3，运放采用单一5V供电。 设计及调试注意点： 1. 同幅度调整R1和R2的电阻值可以改变电桥输出的压差大小； 2. 改变R5/R3的比值即可改变电压信号的放大倍数，以便满足设计者对温度范围的要求 3. 放大电路必须接成负反馈方式，否则放大电路不能正常工作 4. VR2也可为电位器，调节电位器阻值大小可以改变温度的零点设定，例如Pt100的零点温度为0℃，即0℃时电阻为100Ω，当电位器阻值调至109.885Ω时，温度的零点就被设定在了25℃。测量电位器的阻值时须在没有接入电路时调节，这是因为接入电路后测量的电阻值发生了改变。 5. 理论上，运放输出的电压为输入压差信号×放大倍数，但实际在电路工作时测量输出电压与输入压差信号并非这样的关系，压差信号比理论值小很多，实际输出信号为 4.096*(RPt100/(R1+RPt100)- RVR2/(R1+RVR2)) （1） 式中电阻值以电路工作时量取的为准。 6. 电桥的正电源必须接稳定的参考基准，因为如果直接VCC的话，当网压波动造成VCC发生波动时，运放输出的信号也会发生改变，此时再到以VCC未发生波动时建立的温度-电阻表中去查表求值时就不正确
热电阻与热电偶的测量原理及区别 热电偶是工业上最常用的温度检测元件之一。其优点是： ①测量精度高。因热电偶直接与被测对象接触，不受中间介质的影响。 ②测量范围广。常用的热电偶从-50——+1600℃均可边续测量，某些特殊热电偶最低可测到-269℃（如金铁镍铬），最高可达+2800℃（如钨-铼）。 ③构造简单，使用方便。热电偶通常是由两种不同的金属丝组成，而且不受大小和开头的限制，外有保护套管，用起来非常方便。 1．热电偶测温基本原理 将两种不同材料的导体或半导体A和B焊接起来，构成一个闭合回路。当导体A和B的两个执着点1和2之间存在温差时，两者之间便产生电动势,因而在回路中形成一个大小的电流,这种现象称为热电效应。热电偶就是利用这一效应来工作的。 2．热电偶的种类及结构形成 （1）热电偶的种类 常用热电偶可分为标准热电偶和非标准热电偶两大类。所调用标准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、并有统一的标准分度表的热电偶，它有与其配套的显示仪表可供选用。非标准化热电偶在使用范围或数量级上均不及标准化热电偶，一般也没有统一的分度表，主要用于某些特殊场合的测量。标准化热电偶 我国从1988年1月1日起，热电偶和热电阻全部按IEC国际标准生产，并指定S、B、E、K、R、J、T七种标准化热电偶为我国统一设计型热电偶。 （2）热电偶的结构形式为了保证热电偶可靠、稳定地工作，对它的结构要求如下： ①组成热电偶的两个热电极的焊接必须牢固； ②两个热电极彼此之间应很好地绝缘，以防短路； ③补偿导线与热电偶自由端的连接要方便可靠； ④保护套管应能保证热电极与有害介质充分隔离。 3．热电偶冷端的温度补偿 由于热电偶的材料一般都比较贵重（特别是采用贵金属时），而测温点到仪表的距离都很远，为了节省热电偶材料，降低成本，通常采用补偿导线把热电偶的冷端
热电偶测量原理 摘要：温度，无论是在工业还是农业生产过程中都属于很普遍又很重要的指标。测量温度信号使用各种类型的温度传感器实现，如热电偶（TC）、热电阻（RTD）、热敏电阻（NTC）等。本文主要介绍热电偶测量原理及其类型，以及对热电偶选取的简单介绍。 一、何为热电偶 两种不同材料的导体或半导体（通常称为热点极）两端接合（接合点A与B）形成回路时候，当两端的接合点T A≠T B时，在回路中就会产生电动势，通过温度差变化引起电动势的变化称为热电效应，该电动势又被称为热电势，如图 1所示。由于该热电势是由两种不同的导体材料产生的，又称之为热电偶。由热电偶的定义可以发现，热电偶可将温度直接转化电信号，使得测量可以很容易简单的进行。 图 1 热电效应原理 二、热电偶类型 对于热电偶热电势的产生需要达到如下条件： 1.两种不同材料的导体或半导体； 2.温度差的产生，即TA≠TB； 改变T A（称之为测量端，也叫热端）结点温度时，保持T B（称之为参考端，也叫冷端）处于一恒温状态，就能通过热电势与温度关系得出该两种材料所形成的热电偶分度表，由于热电势指的是E AB（T A，T B），两端接合点温度差所对应的电势差有关，而温度差相同但温度段不同时对应的信号大小也是不一致的，例如0~50℃和50~100℃的温度差相同，但信号大小却是不相同，为了准确测量温度信号就必须把其中一头的温度固定下来，通常分度表的T B一般为0℃。所以从理论上讲，任何两种导体都可以配制为热电偶，但得到的并不全是满足测量需求的，如测温精度、测温范围、测温瞬变程度等。在多年的时间测试了许多种热电材料组合的热电特性，经过百多年的发展已经对产品的规格及性能都已标准化。目前常用的热电偶类型有8种，S、R、B、E、T、J、K、N。其中S、R、B属于贵金属材料热电偶；E、T、J、K、N属于廉金属材料热电偶。对于热电偶类型所选用的材料均可在网上找到对应资料。 对于不同型号类型热电偶拥有自己所测量的最优温度区间，将在后续选取中进一步介绍。 三、热电偶测量原理 四个热电偶基本经验定律： 1.均质导体定律：由同一种均质材料两端焊接组成闭合回路时，无论导体两端及其截面温度如何分布，均不产生接触电势，而温差电势相互抵消，总电势为零； 2.中间导体定律：在热电偶回路中接入中间导体（第三导体），只要中间导体两端温度相同，中间导体的引入对热电偶回路的总电势没有影响；
热电阻的测温电路公司标准化编码 [QQX96QT-XQQB89Q8-NQQJ6Q8-MQM9N]
Pt100热电阻的测温电路 [摘要] 热电阻测温是基于金属导体的电阻值随温度的增加而增加这一特性来进行温度测量的。热电阻大都由纯金属材料制成，目前应用最多的是铂和铜，此外，现在已开始采用镍、锰和铑等材料制造热电阻。 热电阻传感器主要是利用电阻值随温度变化而变化这一特性来测量温度及与温度有关的参数。在温度检测精度要求比较高的场合，这种传感器比较适用。目前较为广泛的热电阻材料为铂、铜、镍等，它们具有电阻温度系数大、线性好、性能稳定、使用温度范围宽、加工容易等特点。用于测量-200℃～+500℃范围内的温度。 温度测量系统应用广泛，涉及到各行各业的各个方面，在各种不同的领域中都占有重要的位置。从降低开放成本扩大适用范围、系统运行的稳定性、可靠性出发，设计一种以Pt100铂热电阻为温度信号采集元件的传感器温度测量系统。才测量系统不但可以测量室内的温度，还可以测量液体等的温度，在实际应用中，该系统运行稳定、可靠，电路设计简单实用。 [关键字] 传感器 Pt100热电阻温度测量
目录 1 前言 (4) 1．1 传感器概况 (4) 1．2 设计目的 (7) 2 设计要求 (8) 2．1 设计内容 (8) 2．2 设计要求 (9) 3 原器件清单 (10) 4 Pt100热电阻的测温电路 (11) 4．1 总体电路图 (11) 4．2 工作原理 (11) 5 Pt100热电阻测温电路的原理及实现 (12) 5．1 测温电路的工作原理 (12) 5．2 测温电路的实现 (14) 5．3 测量结果及结果分析 (15) 6 制作过程及注意事项 (16) 6．1 制作过程 (16) 6．2 注意事项 (17) 7 总结 (18) 8 致谢 (19) 参考文献 (20)
热电偶测温控制显示系统 指导书 项目成员: 周海云
刘叶 李勇 项目班级：工业控制091班 项目指导老师：陈勇宏老师 2011年4月28日 目录 第一章：实验的目的及原理 1.1 实验目的 (01) 1.2 实验原理 (01) 1.3 实验计划 (01) 第二章：实验重要元件介绍 2.1 热电偶原理及应用 (02) 2.1.1 热电偶简 (02) 2.1.2 热电偶测温原理 (02) 2.1.3 有关热电偶测温的基本原则 (03) 2.1.4 常用热电偶 (04) 2.2 ICL7107 A/D数模转换器 (04) 2.2.1 ICL7107 的简介 (04) 2.2.2 辨认引脚 (04) 2.2.3 牢记关键点的电压 (05) 2.2.4 注意芯片 (05) 2.2.5 注意接地引脚 (06) 2.3 LM324 运算放大器 (06)
2.3.1 LM324 的简介 (06) 2.3.2 LM324 引脚图 (06) 第三章：热电偶测温系统的调试 3.1 调试的方法 (07) 3.2 注意事项 (07) 3.3 实验数据 (07) 3.3.1 温度上升时的数据 (07) 3.3.2 问的下降时的数据 (08) 实训总结 (09) 附录 (10) 第一章 实验的目的及原理 1.1 实验目的 1）了解热电偶测温的原理、方法及应用，注意事项。 2）了解热电偶测温系统的焊接方法及注意事项。 3）了解热电偶测温系统的调试方法及注意事项。 4）了解一些A/D转换芯片（ICL7107、DH7107GP、ICL7106、DH7106）。 1.2 实验原理 由热电偶热电效应产生的电流经电路处理转变成电压信号，并经过二级放大，放大至正比与温度的电压，送至ICL7107 31#脚，最后由数码管显示热电偶测量到的温度值。
热电偶测温原理 教育知识 热电偶测温原理与检定 前言 热电偶是热电效应理论的具体应用，它在温度测量中得到了广泛的应用。热电偶具有结构简单，容易制造，使用方便和测量精度高等优点。 本论文阐述了热电偶的测温原理、热电偶的安装使用方法以及热电偶检定等方面，特别重点讨论了热电偶的测温原理和检定方法，以便能重点突出本论文的写作目的及观点。通过撰写此论文，使自己能更进一步地掌握和熟悉这些关于热电偶的知识点，为以后在工作岗位上的实践和对热电偶进一步的讨论中打下坚实而有力的基础。 撰写人：王彭 2006年1月12日 摘要：热电偶的测温原理是将两种不同材料的导体或半导体A和B焊接起来，构成一个闭合回路。当导体A和B之间存在温差时，两者之间便产生电动势,因而在回路中形成一个大小的电流,这种现象称为热电效应。热电偶就是利用这一效应来工作的。 关键词：原理，使用，检定，实例 热电偶测温原理与检定 第一章热电偶测温原理及正确使用 第一节热电偶的测温原理 在1821年德国医生塞贝克在实验中发现热电效应以来，经珀尔帖、汤姆逊以及开尔文等科学家的大量研究，热电效应理论得到了不断的发展，并日趋完善。热电偶是热电效应的具体应用之一，它在温度测量中得到了广泛的应用，热电偶具有结构简单、容易制造、使用方便和测量精度高等优点。可用于快速测温、点温测量和表面测量等，但是热电偶也存在着不足的地方，如使用的参考端温度必须恒定，否则将歪曲测量结果；在高温或长期使用中，因受被测介质或气氛的作用（如氧化、还原等）而发生劣化，降低使用寿命。尽管如此，热电偶
仍在工业生产和科研活动中起着举足轻重的作用。下面我们从三个热电效应的阐述中来讨论热电偶的测温原理。 一、塞贝克效应和塞贝克电势 热电偶为什么能用来测量温度呢？这就是从热能和电能的相互转化的热电现象说起。在1821年，塞贝克通过实验发现一对异质金属A、B组成的闭合回路（如图1—1）中，如果对接点a加热，那么，a,b两接点的温度就会不同，温度不同，就会有电流产生，使得接在电路中的电流表发生偏转。这一现象现今称为温差电效应或塞贝克效应，相应的电势称为温差热电势或塞贝克电势，它在热电偶回路中产生的电流称为热电流。Ａ、Ｂ称为热电极，接点a是用焊接的方法连接一起的，测温时，将它置于被测温度场中，称为测量端或者工作端，接点b一般要求恒定在某一温度称为参考端或自由端。 A A T a b T0 图１—１塞贝克效应示意图 不同的导体材料的电子密度不同，即使相同的导体材料，温度不同，其电子密度也不相同，当异质金属Ａ、Ｂ组成闭合回路，由于接点a、b的温度不同（设Ｔ>Ｔ０），则同一导体温度高的地方自由电子密度大，温度低的地方自由电子密度小，即ＮＡ,Ｔ>ＮＡ,T0；ＮＢ,T>ＮＢ,T0。由于两金属导体的自由电子密度不同（设ＮＡ，T>NB，T；ＮＡ，T0>NB，T0）,所以在闭合回路中，自由电子密度大的要向自由电子密度小的区域扩散，这样在回路中就产生了“净”电荷流动，即回路中有电动势eＡB，这就是产生塞贝克电动势原因。实验证明，当热电极材料一定后，则热电势仅与两接点的温度有关，即： dEＡB(T,T0)=SＡBdT (1—1) 式中：SＡB——热电势率或塞贝克系数，其随热电极材料和两接点温度而定。 当两接点的温度分别为T，T0时，回路的热电势为： EＡB（T，T0）= SＡBdT=eＡB (T)- eＡB (T0) （1—2） 式中：eＡB (T)，eＡB (T0)——接点a,b的分热电势或分塞贝克电势 式（1—2）中角标A、B表示不同的热电极材料，按正极写在前，负极写在后的顺序排列。当温度T>T0时，eＡB(T)与总电动势的方向一致，eＡB (T0)与总热电动势的方向相反。如果接点的分热电势角标颠倒，它不会改变分热电势的大小，而改变热电势的方向，即： eＡB (T0)=- eBＡ(T0) （1—3） 代入式（1—2）得： EＡB（T，T0）= eＡB (T)+ eBＡ(T0) （1—4） 由此可知，热电偶回路的总热电动势的大小仅与热电极的材料和两接点的温度有关，与热电极中间温度分布无关。 对于已定的热电偶，当其参考端温度T0恒定时，eＡB（T0）为一常数，则热电势EＡB（T，T0）仅是测量端温度的函数，即：
温度是一个非常重要的物理量，因为它直接影响燃烧、化学反应、发酵、烘烤、蒸馏、浓度、挤压成形、结晶以及空气流动等物理和化学过程。温度控制失误就可能引起生产安全、产品产量等一系列问题。因此对温度的检测的意义就越来越大。温度采集控制系统在工业生产、科学研究和人们的生化领域中，得到了广泛应用。在工业生产过程中，很多时候都需要对温度进行严格的监控，以使得生产能够顺利的进行，产品的质量才能够得到充分的保证。使用自动温度控制系统可以对生产环境的温度进行自动控制，保证生产的自动化、智能化能够顺利、安全进行，从而提高企业的生产效率。本课程设计采用金属热电阻温度计进行测温，工业中常采用三线制接法，尤其是在测温范围窄，导线长，架设铜导线途中温度发生变化等情况。并通过ADC0809模数转换后经单片机送显示。 关键词：热电阻 ADC0809 AT89C52 显示
引言 (1) 一.系统原理及原理图 (1) 1.系统原理 (1) （1）温度检测与处理 (1) （2）模数转换 (2) （3）温度显示 (2) 2.系统原理图 (2) 二.温度检测模块的设计 (2) 1.电阻温度计简介 (2) 2.温度检测及信号处理 (3) 三．模数转换 (3) 1.模数转换简介 (3) 2.ADC0809简介…………………………………………4. 3.单片机与ADC0809的连接 (4) 四．显示及声光报警电路 (5) 五．系统总电路图 (6) 六．总结 (8) 体会 (9) 参考文献 (10)
引言 自动控制系统在各个领域尤其是工业领域中有着极其广泛的应用，温度控制是控制系统中最为常见的控制类型之一。随着单片机技术的飞速发展，通过单片机对被控对象进行控制日益成为今后自动控制领域的一个重要发展方向，电流、电压、温度、压力、流量、流速和开关量都是常用的主要被控参数。例如：在冶金工业、化化工生产、电力工程、造纸行业、机械制造和食品加工等诸多领域中，人们都需要对各类加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉中的温度进行监测和控制。采用MCS-51单片机对温度进行控制，不仅具有控制方便、组太简单和灵活性大等优点，而且可以把幅度提高被控温度的技术指标，从而能够大大提高产品的质量和数量。因此，单片机对温度的控制问题是一个工业中经常会遇到的问题。温度控制在我们的日常生活中是非常有用的，我们利用温度控制来更好的为我们的生活工作所服务，随着单片机行业的迅速发展，将会有更好的温度控制仪的出现。一．系统原理及原理图 1．系统原理 该电阻温度检测系统由三部分组成：温度检测与处理，模数转换，温度显示。（1）温度检测与处理 电阻式温度计是利用物质在温度变化时本身电阻也随着发生变化的特性来测量温度的。当被测介质中有温度阶梯存在时，所所测得温度是感温元件所在范围介质中的平均温度。尽管导体或半导体材料的电阻值对温度的变化都有一定的依赖关系，但适用于制作温度检测元件的并不多，作为热电阻必须满足以下要求： ①要有尽可能大而且稳定的电阻温度系数 ②电阻率要大，以便在同样灵敏度下减小元件的尺寸 ③电阻随温度变化要有单值函数关系，最好呈线性关系 ④在电阻的使用温度范围内，其化学和物理性能稳定，在加工时要有较好的工艺性 ⑤材料要易于提纯，要能分批复制而不改变其性能，要有良好的相互互换性
1、2两点的温度不同时，回路中就会产生热电势，因而?就有电流产生，电流表就会?发生偏转，这一现象称为热?电效应（塞贝克效应），产生的电势、电流分别叫热电?势、热电流。 热电偶温度计属于接触式温度测量仪表。是根据热电效应即塞贝克效应原理来测量温度的，是温度测量仪表中常用的测温元件。将不同材料的导体A、B接成闭合回路,接触测温点的一端称测量端,一端称参比端。若测量端和参比端所处温度t和t0 不同,则在回路的A、B之间就产生一热电势EAB(t，t0 ),这种现象称为塞贝克效应，即热电效应。EAB大小随导体A、B的材料和两端温度t和t0 而变,这种回路称为原型热电偶。在实际应用中，将A、B的一端焊接在一起作为热电偶的测量端放到被测温度t处，而将参比端分开，用导线接入显示仪表，并保持参比端接点温度t0稳定。显示仪表所测电势只随被测温度而t变化。 第一节热电偶的测温原理 在1821年德国医生塞贝克在实验中发现热电效应以来，经珀尔帖、汤姆逊以及开尔文等科学家的大量研究，热电效应理论得到了不断的发展，并日趋完善。热电偶是热电效应的具体应用之一，它在温度测量中得到了广泛的应用，热电偶具有结构简单、容易制造、使用方便和测量精度高等优点。可用于快速测温、点温测量和表面测量等，但是热电偶也存在着不足的地方，如使用的参考端温度必须恒定，否则将歪曲测量结果；在高温或长期使用中，因受被测介质或气氛的作用（如氧化、还原等）而发生劣化，降低使用寿命。尽管如此，热电偶仍在工业生产和科研活动中起着举足轻重的作用。下面我们从三个热电效应的阐述中来讨论热电偶的测温原理。 一、塞贝克效应和塞贝克电势 热电偶为什么能用来测量温度呢？这就是从热能和电能的相互转化的热电现象说起。在1821年，塞贝克通过实验发现一对异质金属A、B组成的闭合回路（如图1-1）中，如果对