THQWD温度传感器实验doc.docx

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THQWD温度传感器实验doc

THQWD-1型温度传感器特性测试实验

预习题

1、什么是热电偶？

什么是热电阻？

2、PID智能模糊+位式调节温度控制原理？

热电式温度传感器是一种将温度变化转化为电量变化的装置，利用敏感传感元件的电磁参数随温度变化的特性来达到测量温度的目的。

通常把被测温度变化转化为敏感元件的电阻、磁导或电势变化，再经过相应的测量电路输出电压或电流，然后由这些电参数的变化来表达被测温度的变化。

在各种热电式温度传感器中，以把温度转化为电阻和电势的方法最为普遍。

其中将温度转化为电势大小的热电式温度传感器叫热电偶，将温度转化为电阻值大小的热电式温度传感器叫热电阻。

这两种温度传感器目前在工业生产中已得到广泛应用。

另外利用半导体PN结与温度的关系，所研制的PN结型温度传感器在窄温场中，也得到十分广泛的应用。

THQWD-1型温度传感器特性测试实验仪由温度传感器特性测试加热源、温度控制与测量装置、传感器调理电路、热电偶冷端补偿电路、热敏电阻特性测试电路、温度传感器、直流稳压电源及冷却风扇组成。

温度控制装置采用PID智能温度调节器，具有PID智能温度控制加AI人工智能调节功能，可控硅调节输出，根据实验要求设定温度控制值，温度控制范围室温～120℃，控温精度±0.5℃。

温度测量装置采用热电阻Ptl00，测温范围0～200℃，温度显示最小分辨率0.1℃，测温精度±0.2℃。

利用本实验仪可以完成各种典型温度传感器特性测试实验。

实验一温度传感器温度控制实验

一、实验目的

1．了解PID智能模糊+位式调节温度控制原理；

2．学习PID智能温度调节器使用方法，用Ptl00作信号输入控制温度。

二、实验仪器

1．THOwD-1型温度传感器特性测试实验仪；

需用单元：

PID智能温度调节器、风扇电源、加热电源；

2．THOWD-1型温度传感器特性测试加热源；

3．Ptl00温度传感器。

三、实验原理

1．位式调节

位式调节（ON／（）FF）是一种简单的调节方式，常用于一些对控制精度不高的场合作温度控制，或用于报警。

位式调节仪表用于温度控制时，通常利用仪表内部的继电器控制外部的中问继电器再控制一个交流接触器来控制电热丝的通断达到控制温度的目的。

2．PID智能模糊调节

PID智能温度调节器采用人工智能调节方式，是采用模糊规则进行PID调节的一种先进的新型人工智能算法，能实现高精度控制，先进的自整定（Ar）功能使得无需设置控制参数。

在误差大时，运用模糊算法进行调节，以消除PII）饱和积分现象，当误差趋小时，采用PID算法进行调节，并能在调节中自动学习和记忆被控对象的部分特征以使效果最优化，具有无超调、高精度、参数确定简单等特点。

3．基本原理

由于温度具有滞后性，加热源为一滞后时间较长系统。

本实验仪采用PID智能模糊+位式双重调节控制温度。

用报警方式控制风扇开启与关闭，使加热源在尽可能短的时间内控制在某一温度值上，并能在实验结束后通过参数设置将加热源温度快速冷却下来，可以节约实验时间。

当温度源的温度发生变化时，温度源中的热电阻Ptl00的阻值发生变化，将电阻变化量作为温度的反馈信号输给PID智能温度调节器，经调节器的电阻一电压转换后与温度设定值比较再进行数字PID运算输出可控硅触发信号（加热）和继电器触发信号（冷却），使温度源的温度趋近温度设定值。

PID智能温度控制原理框图如图1—1所示。

图1—1PID智能温度控制原理框图

四、实验内容与步骤

加热源简介：

加热源为一小铁箱子，内部装有加热器和冷却风扇。

加热器上有两个测温孔，对应上面两个温度传感器插孔，其中一个用于温度控制，另一个用于温度测量；加热器电源线从铁箱子后面引出，实验时直接接至实验仪面板上“加热电源”（Ac0～220V），通过铁箱子上面“加热开关”通断，“加热开关”指示灯亮灭及明暗程度可以大致反映加热状态。

冷却风扇电源为Dc+24V，实验时用弱电连接线接至实验仪面板上“风扇电源”，“风扇电源”指示灯亮灭表示风扇运行状态。

加热源设计温度≤120℃。

温度传感器温度控制实验接线示意图如图1—2所示。

图1—2温度传感器温度控制实验接线示意图

1．将加热源电源线接至实验仪加热电源输出，将风扇电源（+24V）接至加热源风扇电源输入（注意电源极性不能接错）。

2．将其中一只Ptl00（用于温度控制）三端引线按插头颜色（两端蓝色，一端红色）插入调节器“Ptl00输入”插孔，Ptl00金属护套插入加热源其中一个“温度传感器插孔”（用于温度控制）。

3．将实验仪“电源开关”置于“开”，实验仪上电，此时调节器上显示窗PV显示室温值。

将加热源温度给定值SP设定在实验要控制的温度值（加热源温度设定范围为室温～120℃）上，上限报警（第一报警）AL一1、下限报警（第二报警）AL一2值设定在高于温度给定值SV0．5℃上。

4．将加热源“电源开关”置于“开”，电源指示灯亮，加热器被加热。

整个加热过程中，输出指示灯0uT通过亮／暗变化反映加热电压的大小，指示灯越亮，加热电压越大，反之越小。

上限报警（第一报警）AL一1指示灯通过亮灭反映冷却风扇运行状态，指示灯亮，风扇开启，反之关闭。

5．调节器经过两三次振荡后，温度显示值（PV）达到动态平衡，稳定在温度给定值（SV）左右。

6．更改Sv、AL一1、AL一2参数，根据实验需要将加热源温度控制在要控制的温度值上。

7．如果因环境温度变化或其它因素导致加热源温度控制效果不好，可以使用手动调节，设置输出功率的百分比，使加热源温度稳定。

8．实验结束，关闭所有电源，整理实验仪器。

五、实验报告

画出PID智能温度控制原理框图。

六、注意事项

1．实验前应仔细阅读PID智能温度调节器使用说明书。

2．除SP、AL一1、AL一2参数外，其它参数在实验仪出厂前均已设置好，一般情况下不要随意更改。

3．调节器在实验仪出厂前均已白整定，如果因长期使用或其它因素导致加热源温度控制效果不好，可以按照调节器使用说明重新白整定，使温度控制精确。

4．整个加热及温度控制过程中，不要随意将温度控制用传感器拿出。

七、思考题

1．温度控制受哪些因素影响?

实验二集成温度传感器（AD590）特性测试实验

一、实验目的

1．了解常用的集成温度传感器（AD590）测温基本原理；

2．学习常用的集成温度传感器（AD590）特性与应用。

二、实验仪器

1．THQWD一1型温度传感器特性测试实验仪；

需用单元：

PID智能温度调节器、风扇电源、加热电源、+5V直流稳压电源、直流数字电压表、温度传感器调理电路；

2．THQWD一1型温度传感器特性测试加热源；

3．铂热电阻Ptl00、集成温度传感器AD590。

三、实验原理

1．集成温度传感器

集成温度传感器是把温敏器件、偏置电路、放大电路及线性化电路集成在同一芯片上的温度传感器。

其特点是使用方便、外围电路简单、性能稳定可靠；不足的是测温范围较小、使用环境有一定的限制。

目前大量生产的集成温度传感器有电流输出型、电压输出型和数字输出型。

其工作温度范围约在一50℃～+150℃。

电流输出型具有输出阻抗高的优点，因此可以配合使用双绞线进行数百米远的精密温度遥感与遥测，而不必考虑长馈线上引起的信号损失和噪声问题；也可用在多点温度测量系统中，而不必考虑选择开关或多路转换器引入的接触电阻造成的误差。

电压输出型的优点是直接输出电压，且输出阻抗低，易于读出或与控制电路接口。

数字输出型的优点是便远传，抗干扰能力强，可直接与计算机测试系统接口。

2．集成温度传感器AD90

AD590能直接给出正比于绝对温度的理想线性输出，在一定温度下，相当于一个恒流源，一般用于-50℃一+150℃之问温度测量。

温敏晶体管的集电极电流恒定时，晶体管的基极一发射极电压与温度成线性关系。

为克服温敏晶体管Uh电压生产时的离散性、均采用了特殊的差分电路。

本实验仪采用电流输出型集成温度传感器AD590，在一定温度下，相当于一个恒流源。

因此不易受接触电阻、引线电阻、电压噪声的干扰，具有很好的线性特性。

AD590的灵敏度（标定系数）为1

A／K，只需要一种+4V～+30V电源（本实验仪用+5V），即可实现温度到电流的线性变换，然后在终端使用一只取样电阻（本实验中为传感器调理电路单元中R=1K）即可实现电流到电压的转换，使用十分方便。

电流输出型比电压输出型的测量精度更高。

AD590的特点：

（1）集成温度传感器AD590是将温敏晶体管与相应的辅助电路集成在同一芯片上，由生产厂家经过校正的温度传感器，不需要外围温度补偿和线性处理电路，接口简单，使用方便。

（2）使用的直流电源范同比较宽+4V～+30V

（3）由于生产时对芯片上的薄膜进行过激光校正，器件具有良好的互换性，在一55℃~+150℃范围内，精度为±1℃。

（4）由于输出阻抗高达10M

以上，抗干扰能力强，不受长距离传输线电压降的影响，信号传输距离可达100m以上。

AD590基本应用电路如图2—1所示。

图2．1AD590基本应用电路

四、实验内容与步骤

集成温度传感器AD590调理电路如图2．2所示。

图2—2集成温度传感器AD590调理电路原理图

1．将加热源电源线接至实验仪加热电源输出，将风扇电源（+24V）接至加热源风扇电源输入（注意电源极性不能接错）。

2．将其中一只Ptl00（用于温度控制）三端引线按插头颜色（两端蓝色，一端红色）插入调节器“Ptl00输入”插孔，Ptl00金属护套插入加热源其中一个插孔。

3．将AD590两端输出引线按插头颜色（一端红色，一端蓝色）插入温度传感器调理电路单元c、d插孔（红色对应c、蓝色对应d），AD590金属护套插入加热源另一个插孔。

4．将+5V直流稳压电源接至温度传感器调理电路单元c、GNDl插孔（+5V对应c，GNDl对应GNDl），给AD590供电；将±15V直流稳压电源接至+15V、GND3、一15V插孔，给仪器放大器供电。

5．将AD590输出电压（取样电阻R2=1K两端电压）接至仪器放大器输入Ui（d对应Ui一，GNDI对应Ui+），将仪器放大器输出Uol接至直流数字电压表输入Ui（Uol对应+，GND3对应一），电压表量程选择20V档。

6．将实验仪“电源开关”置于“开”，实验仪上电，此时调节器上显示窗PV显示室温值，电压表读数显示AD590在室温时的输出电压值。

将加热源温度给定值SP设定在40℃（加热源温度设定范围为室温～110℃）上，上限报警（第一报警）AL一1、下限报警（第二报警）AL一2值设定在高于温度给定值SV0.5℃上。

7．将增益调节电位器Rw2逆时针旋到底，即增益最小，增益一旦调节好后，实验过程中不要触碰电位器Rw2。

8．将加热源“电源开关”置于“开”，电源指示灯亮，加热器被加热。

当调节器温度显示值（PV）达到动态平衡，稳定在温度给定值（SV）左右时，记录电压表读数Vo（V）。

9．按△t=5℃设定加热源温度给定值SV，改变加热源温度，记录AD590在40～120℃温度下对应电压输出值Vo（v）。

将实验所得数据记录在表2—1中。

表2—1AD590特性测试实验数据记录表

t（℃）

VO（V）

10．AD590测温实验。

在实验步骤5中，将A13590输出电压（取样电阻R2=lK两端电压）接至直流数字电压表输入ui（d对应+，GNDl对应一），电压表量程选择2V档。

重复实验步骤6、7、8、9。

将实验数据记录在表2—2中。

表2—2AD590测温实验数据记录表

t（℃）

VO（V）

11．实验结束，关闭所有电源，整理实验仪器。

五、实验报告

1．根据表2一l所记录实验数据，绘制Vo（v）一t（℃）实验曲线，并计算非线性误差。

2．国际实用温标也称绝对温标，用符号T表示，单位是K（开尔文）。

绝对温度T与摄氏温度t的关系是：

T=（273．16+t）K≈（273+t）K，开氏温度和摄氏温度的分度值相同，即温度间隔1K相当于1℃。

AD590的灵敏度（标定系数）为1

A／K，实现温度到电流的线性变换，终端使用一只取样电阻R=1

A／℃，实现电流到电压的转换，则AD590电压输出灵敏度为1

A／K×1K

≈1mV／℃。

根据表2—2所记录实验数据，通过公式t=（1000Vo一273）℃计算摄氏温度值，并与对应实验温度值比较，计算相对误差。

六、注意事项

1．AD590输出有极性，应按插头颜色接线，接反则无输出。

2．增益一旦调节好后，实验过程中不要触碰电位器Rw2，否则改变仪器放大器放大倍数，增大非线性误差。

七、思考题：

用AD590测量摄氏温度，应注意什么?

实验三铂热电阻（Ptl00）特性测试实验

一、实验目的

1．了解铂热电阻测温基本原理；

2．学习铂热电阻特性与应用。

二、实验仪器

1．THQWD一1型温度传感器特性测试实验仪；

需用单元：

PID智能温度调节器、风扇电源、加热电源、+5V直流稳压电源、直流数字电压表、温度传感器调理电路；

2．THQWD一1型温度传感器特性测试加热源；

3．铂热电阻Ptl00。

三、实验原理

1．金属热电阻

（1）工作原理

金属热电阻传感器的感温元件是由纯金属组成。

当温度变化时，感温元件的电阻值随温度而变化，这样就可将变化的电阻值作为电信号输入测量仪表，通过测量电路的转换，即可得到被测温度。

实验表明，许多纯金属的电阻率在很宽的温度范围内可以用布洛赫一格林爱森公式描述，即

（3-1）

式中A——金属的特性常数；

M——金属的原子量；

HD——金属的德拜温度；

T——热力学温度，单位K。

当T>0.5HD时，上式可简化成式

（3-2）

由上式可见，在德拜温度附近的“高温”下，金属的电阻率与温度成正比。

图3-1测温电阻体材料的温度特性

制作热电阻的理想材料有铂、铜、镍等，它们的温度特性见图3-1。

（2）热电阻的基本技术参数与规格

①分度表与分度号分度表是以表格形式表示热电阻的分度特性，即电阻一温度对照表。

分度号是分度表的代号，一般用制成热电阻金属的化学元素符号和0℃时的电阻值表示，例如，Ptl00，金属材料为铂，0℃时的电阻值为100

。

②标称电阻标称电阻是指金属热电阻在0℃时的电阻值，用Ro表示。

⑧温度测量范围及允许偏差范围铂、铜热电阻的温度测量范围及以温度表示的允许偏差Et，见表3-1。

表3—1热电阻的分度表

④XX电阻比W100

热电阻在100~C时的电阻与在O~C的电阻比。

W100愈大热电阻的灵敏度愈高。

⑤热响应时间

当温度发生阶跃变化时，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，称为热响应时间，通常以

表示。

一般记录变化50％或90％的响应时间分别为

或

。

热电阻的响应时间不仅与结构、尺寸及材料有关，还与被测介质的放热系数、比热等工作环境有关。

⑥额定电流

是指连续通过热电阻的最大电流，一般为2mA～5mA。

（3）分类及适用范围

金属热电阻根据感温元件的材料及适用温度范围一般可分为铂热电阻、铜热电阻、镍热电阻和低温用热电阻等。

因为感温元件材料的不同，它们各自有不同的特点和使用温度范围。

2．铂热电阻

铂热电阻以金属铂作为感温元件。

它的特点是：

线性度好、测量准确、互换性好、抗振动冲击的性能好。

铂热电阻的使用温度范围是-200℃～850℃，其电阻与温度的关系为：

对于-200℃～0℃的温度范围有

（3-3）

对于0℃～850℃的温度范同有

（3-4）

式中，R0——温度为0℃时铂热电阻的电阻值；

Rt——温度为t℃时铂热电阻的电阻值。

上式中Ro的阻值对两线制铂热电阻不包括内引线的阻值。

当w100=1.385时，其常数A、B、C分别为

铂热电阻体结构如图3-2所示，一般由直径0.03～0.07mm的纯铂丝绕在平板形支架上，用银导线作引出线。

图3-2铂热电阻体结构

铂热电阻Ptl00的电阻温度特性（分度表）见表3-2。

表3-2铂热电阻分度表（分度号：

Ptl00，单位：

）

铂热电阻由于易于提纯，在氧化介质和高温下的物理化学性能极其稳定，工艺性好可拉成极细的丝。

因此，除用作一般的工业测温外，在国际实用温标中，作为从-259.34℃~630.74℃温度范围内的温度基准。

四、实验内容与步骤

铂热电阻Ptl00调理电路如图3-3所示。

图3-2铂热电阻Ptl00调理电路

1．将加热源电源线接至实验仪加热电源输出，将风扇电源（+24V）接至加热源风扇电源输入（注意电源极性不能接错）。

2．将其中一只Ptl00（用于温度控制）三端引线按插头颜色（两端蓝色，一端红色）插入调节器“Ptl00输入”插孔，Ptl00金属护套插入加热源其中一个插孔。

3．将另一只Ptl00（用于温度测量）三端引线按插头颜色（两端蓝色，一端红色）插入温度传感器调理电路单元e、f插孔（红色对应e、两端蓝色短接对应f），Ptl00金属护套插入加热源另一个插孔。

Ptl00、R3、R1、Rwl、R4组成直流单臂电桥。

4．将+5V直流稳压电源接至温度传感器调理电路单元e、GNDl插空（+5v对应e，GNDl对应GNDl），给直流电桥供电；将±15v直流稳压电源接至+15V、GND3、-15v插孔，给仪器放大器供电。

5．将直流电桥输出电压（f、电位器Rwf中间抽头两端电压）接至仪器放大器（f对应Ui+，电位器Rwf中间抽头对应ui-），将仪器放大器输出U01接至直流数字电压表（U01对应+，GND3对应。

），电压表量程选择2V档。

7．将实验仪“电源开关”置于“开”，实验仪上电，此时调节器上显示窗PV显示室温值。

将加热源温度给定值SP设定在40℃（加热源温度设定范围为室温～120℃）上，上限报警（第一报警）AL-1、下限报警（第二报警）AL-2值设定在高于温度给定值SV0.5℃上。

8．将增益调节电位器Rw2逆时针旋到底，即增益最小，增益一旦调节好后，实验过程中不要触碰电位器Rw2。

9．调节平衡电位器Rwl，使电压表读数显示为0，此时电桥灵敏度最大。

以室温为相对零点，电桥在室温下输出为零。

平衡一旦调节好后，实验过程中不要触碰电位器Rwl。

10．将加热源“电源开关”置于“开”，电源指示灯亮，加热器被加热。

当调节器温度显示值（PV）达到动态平衡，稳定在温度给定值（SV）左右时，记录电压表读数Vo（v）。

11．按△t=5℃设定加热源温度给定值SV，改变加热源温度，记录Ptl00在40～120℃温度下对应电压输出值Vo（V）。

将实验所得数据记录在表3-3中。

表3-3Ptl00特性测试实验数据记录表

t（℃）

VO（V）

五、实验报告

根据表3-3所记录实验数据，绘制Vo（V）一t（℃）实验曲线，并计算非线性误差。

六、注意事项

1．本实验用Ptl00为三线制输出，应按插头颜色接线，接入直流电桥时两端蓝色应短接。

2．增益、平衡一旦调节好后，实验过程中不要触碰电位器Rw2、Rwl，否则增大非线性误差。

七、思考题：

用热电阻Ptl00测温，误差主要来源于哪里?