1、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
2、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 0200 ，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
3、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1THOwD-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；2THOWD-1 型温度传感器特性测试加热源；3Ptl00 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
4、丝的通断达到控制温度的目的。2PID 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
5、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 11 所示。图 11 PID 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
6、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”(Ac 0220V)，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 12 所示。图 12 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
7、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 SV 05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
8、(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
9、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1THQWD 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
10、压表、温度传感器调理电路；2THQWD 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
11、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 AD90AD590 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
12、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 AK，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
13、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 21 所示。图 21 AD590 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 22 所示。图 22 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，Ptl
14、00 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
15、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 SV 0.5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
16、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 40120温度下对应电压输出值 Vo(v)。将实验所得数据记录在表 21 中。表 21 AD590 特性测试实验数据记录表t()VO(V)10AD590 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 22 中。表 22 AD590 测温实验数据记录表t(
17、)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=(27316+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 AK ，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 AK1K 1mV 。根据表 22 所记录实验数据，通过公式
18、 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1AD590 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1THQWD 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；2TH
19、QWD 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 T0.5 HD 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
20、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 。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。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 31 热电阻的分度表百度电阻比 W100 热电阻在 100C 时的电阻与在 OC 的电阻比。W 100 愈大热电阻的灵敏度愈
21、高。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 。 5.09.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。额定电流 是指连续通过热电阻的最大电流，一般为 2mA5mA。(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
22、性好、抗振动冲击的性能好。铂热电阻的使用温度范围是-200850，其电阻与温度的关系为：对于-2000的温度范围有（3-3）对于 0850的温度范同有（3-4）式中，R 0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 0.030.07mm 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
23、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-259.34630.74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 Pt
24、l00(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
25、器放大器输出 U01 接至直流数字电压表(U 01 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 SV 0.5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
26、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 40120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 3-3 Ptl00 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?
