梧州学院

“传感器与检测技术”课程设计

报告书

题目：温度传感器           

课程：传感器与检测技术     

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目录

一、设计简介... 2

二、主要原理和设备... 3

三、设计方法和步骤... 5

3.1器具材料的选择:. 5

3.2恒流源的设计:. 5

3.3实验步骤：... 6

四、数据记录... 6

五、问题和解决办法... 7

六、误差分析：... 8

七、总结... 8

八、参考文献... 9

温度传感器设计说明

【内容摘要】

对我们所设计的温度传感器的原理进行说明，阐述我们电路设计的原因以及我们具体的实验过程，之后对其进行分析，总结。我们的设计在低温环境下铜热电阻的阻值具有良好的线性，温度的改变导致铜热电阻两端电压的改变，通过对输出电流和电压表两端初始电压的控制，从电压表中可以得到当前温度值得读数

【关键字】 稳压二极管 恒流源 铜热电阻 四线制接法测量电路

一、设计简介

温度是一个与人们的生活环境、生产活动密切相关，也是仪器科学和各类工程设计中必须精确测定的重要物理量。随着科学技术的发展，使得测温技术迅速发展，测温范围不断拓宽，测温精度不断提高，新的温度传感器不断出现，如光纤温度传感器、微波温度传感器、超声波温度传感器等。由于检测温度的传感器种类不同，采用的测量电路和要求不同，执行器、开关等的控制方式不同，所以相应的硬件和软件也就不同。但对于初次涉足电子产品的设计、制作来说，了解并实践一下传感器选择与测控电路的设计、制作的基本过程是很有必要的。

二、主要原理和设备

本传感器分为两大部分：恒流源和温度探测部分。首先利用恒流源输出恒定电流，温度探测部分随着温度的变化而电阻发生变化，由于电流恒定，铜热电阻的阻值和温度成线性关系，铜热电阻两端的电压又和其电阻成线性关系，于是铜热电阻的电压与其所测的温度值成线性关系。由于直接铜热电阻一定会存在一定的电阻值，所以只要有电流通过，铜热电阻两端的电压值就不会为零，于是我们改变电压表的接线方法，将原来接在铜热电阻两端改变成一端接在铜热电阻和三极管集电极之间，一端接在200欧姆变电器中间的引脚，通过调整恒压源的输出，我们使得电压表示数的变化和铜热电阻两端的温度变化刚好对应相等，即铜热电阻升高或降低1°，电压表的示数刚好升高1,通过调节200Ω的变电器，我们可以调节对电压表进行调零，即可以使得温度为0°时电压表的示数为0。

实验原理：如下图所示

实际焊接出的实物：如下图

1.热电阻式传感器（铜热电阻）：在一些测量精度要求不高且温度较低的场合，普遍采用铜热电阻进行温度测量，测量范围一般为-50℃到150℃。在此温度范围内线性关系好，灵敏度高，价格便宜，复现性好。随着被测温度升高，铜热电阻电阻的温度也会相应增大。

2.恒流源：采用恒流源，使得加在铜热电阻两端的电流恒定不变（本次实验恒定在4.6mA）。当铜热电阻随着温度变化时，铜热电阻两端的电压与加在两端的电阻呈线性变化。

3.四线制接法：在精密测量中，测量电路采用四线制接法，即金属热电阻两端各焊出两根引出线，其中，两根引线为热电阻提供恒定电流I，把Rt（热电阻值）转换成热电压U，再通过另外两根引线把U引至仪表，如图所示。尽管导线上有电阻r，但是，电流在导线上形成的压降Ir不在电压测量范围之内。在电压测量回路中，虽然有导线电阻r，但是没有电流，因为电位差计测量时不取电流。所以，四根导线的电阻r对测量均无影响。这种接法不仅可以消除热电阻与测量仪表之间连接导线电阻的影响，而且可以消除测量线路中寄生电势引起的测量误差，多用于标准计量。

三、设计方法和步骤

3.1器具材料的选择:

12v电源（8节额定电压为1.5V的干电池）;一个100Ω的铜热电阻;一个放大三百多倍的NPN型S9014三极管;一个稳压值为5.1v，功率为0.5W的稳压二级管;一个1k欧姆和一个200欧姆的变电器;一个万用表（用电压档）;一块洞洞板;短导线若干。

3.2设计思路过程：

（1）采用普通电源进行试验，电路如图所示，经过过计算得出公式：，才发现电压与铜热电阻的温度并不呈线性变化，其中原因是存在电源内阻和导线电阻。

（2）根据之前分析的结果，采用恒流源可以得到公式：U=kIT+bI(其中k、b、I为常量)，可以使得铜热电阻的电压值和其温度值呈线性变化。如图所示

（3）经过查资料思考，恒流源具体电路图如下：

最初设计的是不可调恒流源，后面发现因为随着温度探测部分电路设计的变化，很有可能要调整输出电流值，于是将原来接在反射极的430Ω电阻改变成1000Ω的变电器，以此可以调节输出电流。

（4）初步的的完整传感器设计图如下：

此传感器电路图没有考虑到电压表的读数不能为0，即传感器为0度是，其两端还是有电压存在，所以电压表的读数虽然能够随温度升高而增大，但是不能等于温度值，即从电压表上不能直接读出传感器的温度，还需减掉一个差值。

（5）更改了电压表的接线点，最终设计出的电路图如下：

该电路既考虑到了恒流源输出的电流值大小需要调节的问题，又消除了电压表读数和温度值得差值，使用此电路制作出的温度传感器可以直接读出当前的温度值。理论上调节电流值为4.67ma，通过改变R2变电器中间引脚的接入阻值将电压表的读数调成和当前温度一样的示数，则之后测得的电压表读数即为所测物体的温度。

3.3恒流源的设计:

本次设计中采用NPN型三极管、5.1V稳压二极管作为恒流源制作的关键部件。

（1）NPN型三极管在放大状态中基极电流是微安级别的，相对于集电极和发射极电流毫安级别可以忽略不计。根据公式

集电极电流=发射极电极+基极电流

所以，在本次实验中，集电极电流=发射极电流。

（2）在基极和发射极之间加上一个5.1V稳压管，并通过可变电阻进行调节，令可变电阻为935Ω，即恒定电流为5.1V÷935Ω=4.6mA。

（3）又因为发射极电流=集电极电流，所以集电极电流即通过铜热电阻两端电流也是4.6mA。通过四线制接法，用万用表测量铜热电阻两端的电压，因为铜热电阻在0℃时，就存在着50Ω，所以一开始就在铜热电阻存在电压。为了让电压表的示数和温度的读数一致，我们巧妙的改变原本和稳压管串联的定值电阻为变电器，并将原本接在铜热电阻两端的电压表改成一端接在铜热电阻和三极管的集电极之间，一端接在后面串联的变电器的中间引脚。这样一来，我们就可以对电压表的示数进行调零，即零时，对应的电压表读数也为零。

3.4实验步骤：

（1）在实验开始前，首先对电流进行计算，使得温度每上升1℃，电压示数上升1mV,本次实验中采用4.67mA的电流。之后调节好电压表示数，使得示数和室温一致。

（2）将铜热电阻和温度计一起放入同一杯热水中，当两个表示数都稳定后，对两个表示数进行读数，进行对比。

（3）加入冷水后，搅匀水，再次对水温进行读数进行对比。

（4）将铜热电阻和温度计都从水中拔出，在室温环境下，对两表的示数进行读数，并进行对比。

（5）记录数据，并对数据进行分析和对比，之后对电路做出调节。

四、数据记录

五、问题和解决办法

1.导线在开始接线时，直接用手搅在一起，但是接触不良会导致电阻增大，最终导致数据结果偏大。

解决方法：在确定电路无误后，我们决定采用漏斗板来焊接电路，使得电路更加简洁和美观，同时也解决了用手直接接线所产生的问题。

2.三极管和稳压二极管的方向接错了，导致数据出错。

解决方法：用万用表分别测量三极管的基极、发射极以及集电极之间的电压进行判断。了解稳压二极管的工作原理，稳压二极管需反接后，才能达到稳压效果。

3.稳压管不稳压

解决方法：在电流没有达到其允许通过的最大电流是，通过稳压管的电流越大，稳压管的稳压效果越好，通过查阅资料，发现我们使用的5.1v稳压二极管的功率为0.5w，计算后得出可以通过其最大电流为98毫安，但是我们之前中与稳压管串联的电阻值为1.2k，导致经过稳压二极管的电流过小，从而不再稳压，于是我们将该电阻改为了200Ω的电阻，这样通过稳压二极管的电流增大很多，稳压二极管得以稳定工作

六、误差分析：

当温度到70℃时相差2℃-3℃，而18℃至50℃之间相差不过1℃。

原因：

（1）电源能量耗散的差不多时，导致恒流设计也会出现不稳定的现象。

（2）因为电位计示数是mV量程，电路的接线不牢固，产生较大波动。

（3）更据对铜热电阻阻值和温度对应关系的测量，电流要求是4.67mA，同样量程较小，不精确的变电器调节的电流值不能达到理想的电流值。若输出电流大于4.67，则根据公式电压=电阻x电流，低温时误差不明显，随着温度升高累计误差就会增大，导致高温时时所产生的误差较大。

七、总结

温度传感器的整体设计大致如上文所述，经过分析可知该思路是可行的。随着电子技术的不断发展，按着此思路设计的温度传感器的性能也一定会越来越好。经过此次设计，我们进一步了解了一些传感器的知识，这有利于我以后深入学习或参加工作。从原理图到实际做出来的传感器，这期间的过程从无到有，运用自己所学到的知识，使得对传感器应用更加深刻。虽然做出来的是原理较为简单的温度传感器，但是从电路的设计和实际各个参数的调试，量程的选择到实际电路的焊接，我们都学到了很多，也参阅了许多资料，咨询了相关方面比较精通的同学，让我们收货颇丰。

八、参考文献

【1】徐科军.传感器与接口检测.第三版.电子工业出版社

【2】百度文库中的相关资料

 

第二篇：温度传感器硬件电路图