一温度的检测.docx

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一温度的检测

酒泉职业技术学院

教案

（2014～2015学年第二学期）

课程名称信息检测与控制

教　　师朱良学

系　（部）机电工程系

专　　业机电一体化、电气自动化

班　　级13机电、13电气

酒泉职业技术学院《信息检测与控制》学习领域教案

NO：

1

班级

13机电、13电气

周次

时间

节次

复习提问

大家对传感器在生活中的应用有哪些了解？

学习情境

温度的检测

课程内容

检测技术与传感器的认知

课时

2

学习目标

1.掌握检测技术的基本概念

2.掌握检测系统和传感器的组成并了解各组成部分的作用

3.了解检测技术的作用、地位、发展方向及检测系统的主要应用

主要内容（*重点、难点）

教学设计与组织

重点：

检测系统和传感器的组成及各组成部分的作用

难点：

【教学设计】

1.提问，引入新课

2.讲授新课

3.难点突破：

由传感器的作用来讲解检测系统的组成

4.课堂小结

5.布置作业

【教学组织】

分析法、讲授法、举例法

教学地点

教学仪器设备

教学楼402；教学楼301

教学及参考资料

练习与习题

《传感器与检测技术》

学习情境一温度的检测

任务一：

检测技术与传感器的认知

检测技术作为信息科学的一个重要分支，与计算机技术、自动控制技术和通信技术等一起构成了信息技术的完整学科。

在人类进入信息时代的今天，人们的一切社会活动都是以信息获取与信息转换为中心，传感器作为信息获取与信息转换的重要手段，是信息科学最前端的一个阵地，是实现信息化的基础技术之一。

没有传感器就没有现代科学技术，以传感器为核心的检测系统就像神经和感官一样，源源不断地向人类提供宏观与微观世界的种种信息，成为人们认识自然、改造自然的有利工具。

一、传感器与检测技术的作用和地位

（一）检测系统与人体系统的对比

传感器是系统对外猎取信息的窗口。

（二）检测技术的应用

1.检测技术在工业生产领域的应用

（1）在线检测：

零件尺寸、产品缺陷、装配定位等。

（2）离线检测：

零件参数、尺寸与形位公差、品质参数等。

2.检测技术在汽车中的应用

（1）汽车传感器：

汽车电子控制系统的信息源，关键部件，核心技术内容。

（2）发动机：

对发动机工作状况进行精确控制温度、压力、位置、转速、流量、气体浓度和爆震传感器等。

（3）底盘：

控制变速器系统、悬架系统、动力转向系统、制动防抱死系统等，如车速、踏板、加速度、节气门、发动机转速、水温、油温等。

（4）车身：

提高汽车的安全性、可靠性和舒适性等，如温度、湿度、风量、日照、加速度、车速、测距、图象等。

3.检测技术在日常生活中的应用

（1）家用电器：

空调、冰箱、电饭煲、可视对讲、可视电话、数码相机及数码摄像机的自动对焦等。

（2）办公商务：

扫描仪等。

（3）医疗卫生：

数字体温计、电子血压计、血糖测试仪等。

二、基本概念

（一）测量

测量是指将被测量（未知量）与同性质的标准量通过专门的技术和设备进行比较，从而获得被测量是标准量的多少倍的过程。

（二）检验

检验只需分辨出参数量值所归属的某一范围带，以此判别被测参数是否合格或者现象是否存在。

（三）计量

计量也是一种测量，一般指用精度更高的标准量具、器具或标准仪器对送检品的鉴定测量。

（四）检测

检测是人们为了对被测对象所包含的信息进行定性的了解和定量的掌握所采取的一系列技术措施，是更为广泛的测量。

（五）检测技术

检测技术是对生产过程和运动对象实施定性检查和定量测量的技术。

（六）自动检测与转换技术

自动检测与转换技术是能够自动的完成整个检测处理过程的技术。

三、检测系统简介

（一）检测系统的组成

1.检测系统的组成

2.检测系统的组成及功能

传感器：

完成信息的获取。

测量电路：

转换。

输出单元：

显示和处理。

（二）传感器

1.定义

能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。

其定义包含四层含义：

①测量装置：

完成信息的获取任务。

②输入量：

是某一被测量，可能是物理量，也可能是化学量、生物量等；

③输出量：

是某种，便于传输、转换、处理、显示的物理量，可以是气、光、电量，主要是电量；

④一定的精确度：

输出输入有对应关系，且应有一定的精确程度。

补充：

物理量：

如光、电、力、热、磁、声。

化学量：

如PH、成份。

生物量：

酶、葡萄糖。

2.功用

传感器功用：

一感二传,即感受被测信息,并传送出去。

3.组成

（1）敏感元件：

是直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。

（2）转换元件：

敏感元件的输出就是它的输入，它把输入转换成电路参量。

（3）转换电路：

上述电路参数接入基本转换电路（简称转换电路），便可转换成电量输出。

4.分类

按传感器的工作机理：

分为物理型、化学型、生物型等。

按构成原理：

分为结构型与物性型两大类。

根据传感器的能量转换情况：

可分为能量控制型和能量转换型。

四、发展趋势

1.不断提高传感器检测水平

2.拓展测量范围，提高检测精度和可靠性

3.推进新的检测方法，发展非接触法检测技术

4.实现检测系统智能化

课后分析及小结

教研室主任签名

累计课时

2

酒泉职业技术学院《信息检测与控制》学习领域教案

NO：

2

班级

13机电、13电气

周次

时间

节次

复习提问

1.传感器由哪几部分组成，各部分的作用是什么？

2.检测系统由哪几部分组成？

学习情境

温度的检测

课程内容

轧钢机的温度检测

课时

2

学习目标

1.掌握热电偶传感器的特点和工作原理

2.掌握热电偶的四个基本定律和他们的实际应用

3.掌握热电偶的冷端补偿方法

主要内容（*重点、难点）

教学设计与组织

重点：

1.热电偶的工作原理

2.热电偶的四个基本定律和实际应用

难点：

热电偶的基本定律的应用

【教学设计】

1.提问

2.引入新课

3.讲授新课

4.课堂小结

5.布置作业

【教学组织】

分析法、讲授法、举例法

教学地点

教学仪器设备

教学楼409；教学楼403

教学及参考资料

练习与习题

《传感器与检测技术》

学习情境一温度的检测

任务二：

轧钢机的温度检测

一、任务提出

轧钢机的加热炉的炉温在950℃—1200℃之间，并且炉温要随时跟随轧机节奏的变化来调节。

根据加热炉的温度范围，可选择热电偶传感器。

二、知识准备

（一）温度和温标

1.温度

温度是表征物体冷热程度的物理量。

2.温标

温度的数值表示方法成为温标。

有摄氏温标、华氏温标、热力学温标、国际温标。

（二）热电偶传感器

热电偶传感器是一种自发电式传感器，测量时不需要外加电源，直接将被测量转换成电动势输出。

使用十分方便，常用作测量炉子、管道内的气体或液体的温度及固体的表面温度。

热电偶传感器的测温范围很广，常用热电偶测温范围为－50℃～+1600℃，特殊情况下－270℃～2800℃。

补充内容：

将非电能量转化为电能量，只转化能量本身，并不转化能量信号的传感器，称为有源传感器，也称为能量转换性传感器或换能器。

常常配合有电压测量电路和放大器，如压电式，热电式，磁电式等。

与之相对应的是无源传感器，这是按照能量观点来分类的。

1.特点

⑴温度测量范围宽；

⑵性能稳定，准确可靠；

⑶信号可以远传和记录；

⑷结构简单，使用方便；

⑸测量端可以做得很小，可用来测“点”的温度；

⑹热容量小，因此反应速度很快。

2.热电偶的外形结构、种类和特性

（1）外形

（2）结构

（3）分类

①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。

②结构分类：

分为普通热电偶和铠装热电偶。

3.热电偶的工作原理

（1）热电效应

在两种不同的导体（或半导体）A和B组成的闭合回路中，如果它们两个接点的温度不同，则回路中产生一个方向和大小与导体的材料及两接点的温度有关的电动势，这种效应就是热电效应，或称为温差电效应，又称塞贝克效应。

（2）几个概念

①热电偶：

两种不同导体A、B组成的闭合回路。

②热电极：

导体A或B。

③热电动势：

闭合回路中的电动势。

④测量端：

又称工作端或热端，置于被测温度T中的一端。

⑤参考端：

又称自由端或冷端。

置于很定温度T0中的一端。

（3）热电动势的组成

①接触电动势：

接触电势的大小与温度高低及导体中的电子密度有关。

温度越高，接触电动势越大；两种导体电子密度的比值越大，接触电动势也越大。

②温差电动势：

是在同一导体的两端因其温度不同而产生的一种热电动势。

③总电动势

热电偶的总电动势为接触电动势和温差电动势之和：

4.热电偶的基本定律

（1）均质导体定律

由一种均质导体或半导体组成的闭合回路，不论其截面、长度如何以及各处的温度如何，热电偶回路内的总热电动势均为零。

应用：

检查热电极成分是否相同。

（2）中间导体定律

在热电偶回路中，接入第三种导体C，只要第三种导体两端温度相同，则热电偶所产生的总热电动势保持不变。

应用：

在回路中接入仪表，不影响回路的电动势。

（3）标准电极定律

两种导体A,B分别与参考电极C组成热电偶，如果他们所产生的热电动势为已知，A和B两极配对后的热电动势也就已知。

应用：

测得各种金属与纯铂组成的热电动势，则各种金属相互组成的热电偶的热电动势也可知。

（4）中间温度定律

在热电偶回路中，两接点温度为T，T0时的热电动势，等于该热电偶接点温度为T，Ta和Ta，T0时热电动势的代数和。

EAB（T,T0）=EAB（T,Ta）+EAB（Ta,T0）

应用：

为补偿导线的使用提供了理论依据。

三、任务实施

（一）合理选择热电偶传感器的类型

选择（温度范围）

（二）正确使用热电偶传感器

1.热电偶冷端补偿的原因

（1）热电偶热电势的大小是热端温度和冷端的函数差，为保证输出热电势是被测温度的单值函数，必须使冷端温度保持恒定。

（2）热电偶分度表给出的热电势是以冷端温度0℃为依据，否则会产生误差。

2.冷端补偿方法

（1）0℃恒温法：

把热电偶的冷端置于冰水混合物容器里，使T0=0℃。

这种办法仅限于科学实验中使用。

（2）补偿导线法

（3）计算修正法

当热电偶冷端温度不是0℃，而是t0时，根据热电偶中温度定律，可得热电动势的计算校正公式：

（4）补偿电桥法

利用不平衡电桥产生热电势补偿热电偶因冷端温度变化而引起热电势的变化值。

不平衡电桥由R1、R2、R3（锰铜丝绕制）、RCu（铜丝绕制）四个桥臂和桥路电源组成。

设计时在0℃下使电桥平衡（R1=R2=R3=RCu），此时Uab=0，电桥对仪表读数无影响。

（5）机械仪表零点调整法

（三）测量炉温电路

课后分析及小结

教研室主任签名

累计课时

4

酒泉职业技术学院《信息检测与控制》学习领域教案

NO：

3

班级

13机电、13电气

周次

时间

节次

复习提问

1.热电偶的基本定律有哪几条？

2.热电偶的工作原理是什么？

学习情境

温度的检测

课程内容

管道温度的检测

课时

4

学习目标

1.掌握热电阻的特点、工作原理和测量电路

2.掌握热电阻的测量电路

主要内容（*重点、难点）

教学设计与组织

重点：

热电阻的工作原理和测量电路

难点：

热电阻的测量电路

【教学设计】

5

【教学组织】

分析法、讲授法、举例法、

教学地点

教学仪器设备

教学楼409；教学楼403；实训室

温度源、温度传感器实验模块、K/E型热电偶、Cu50热电阻、直流源、电压表

教学及参考资料

练习与习题

《传感器与检测技术》

学习情境一温度检测

任务三：

管道温度的检测

一、任务提出

工业生产中，各种釜、液体和其他管道都要进行温度的检测与控制，它们的温度范围一般在0℃～+500℃之间，因此可选择热电阻传感器。

二、知识准备

将温度变化转换为电阻变化的称为热电阻传感器。

热电阻传感器是利用导体或半导体的电阻率随温度的变化而变化的原理制成的。

（一）热电阻的外形、结构及性能

1.热电阻的外形

2.热电阻的结构形式

热电阻一般由测温元件、保护管和接线盒3部分组成。

3.热电阻的主要技术性能

（1）热电阻材料的性能要求

①电阻值的变化与温度的变化线性要好。

②电阻温度系数α要大且保持常数。

α越大灵敏度越高，纯金属的α比合金要高，所以一般采用纯金属作为热电阻。

③电阻率要大，

④在测温范围内物理及化学性质稳定。

⑤价格便宜。

（2）常用热电阻的主要技术性能

（二）热电阻测温原理及特点

1.原理

温度升高，金属内部原子晶格的振动加剧，从而使金属内部的自由电子通过金属导体时的阻碍增大，宏观上表现出电阻率变大，电阻值增加，我们称其为正温度系数，即电阻值与温度的变化趋势相同。

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。

2.分类

电阻是测量温度的敏感元件，包括金属导体和半导体两种。

使用最广泛的热电阻材料是铂和铜。

（1）铂电阻

铂易于提纯，在高温和氧化性介质中物理化学性质稳定，电阻率较大，能耐较高的温度；制成的铂电阻输出－输入特性接近线性。

铂电阻制成的温度计，除作温度标准外，还广泛应用于高精度的工业测量。

由于铂为贵金属，一般在测量精度要求不高和测温范围较小时，均采用铜电阻。

（2）铜电阻

铜在-50～150℃范围内铜电阻化学、物理性能稳定，输出－输入特性接近线性，价格低廉。

当温度高于100℃时易被氧化，因此适用于温度较低和没有浸蚀性的介质中工作。

3.测温范围

－200℃～+650℃。

4.特点

（1）优点：

准确度高；灵敏度高；中低温下（5000C以下），输出信号比热电偶大；输出电信号，便于远传和切换。

（2）缺点：

不能测量太高温度；热惯性大；只能测量平均温度；需要外供电源，连接导线产生测量误差。

三、任务实施

（一）合理选择热电阻的类型

选用铂热电阻作为测温传感器。

（二）正确使用热电阻传感器

1.电桥测量电路的采用

热电阻型传感器Rt的输出信号为热电阻值的变化。

为便于处理，通常需设计一个四臂电桥，把随被测温度变化的热电阻阻值转换成电压信号。

2.三线制连接法

（三）动手操作

1.首先根据温控仪表型号，仔细阅读“温控仪表操作说明”，学会基本参数设定。

2.将CGQ-04温度源模块上的220V加热输入接线柱与主控箱面板温度控制系统中的加热输出接线柱连接。

3.将温度源中“冷却输入”与主控箱中“冷却开关”连接，同时“风机电源”和主控箱中“+2~+24V”电源输出连接（此时电源旋钮打到最大位置），闭合温度源开关。

4.将热电偶插入模块温度源的一个传感器安置孔中。

将K或E型热电偶自由端引线插入主控箱面板的传感器插孔中，红线为正极，琴键开关打到对应位置。

5.Cu50热电阻加热段插入温度源的另一个插孔中，尾部红色为正端，插入试验模块的a端，尾部黑色线插入b端，a端接电源+2V，b端与差动运算放大器的Vi1一端相接，桥路的另一端和差动放大器的另一端Vi2相接。

6.打开主控台及CGQ-04温度源电源开关，设定温度控制值为40℃，当温度控制在40℃开始记录电压表读数，重新设定温度值为40℃+n△t，△t=5℃，n=1.....10，每隔1n读出数显表输出电压与温度值。

记下数显表上的读数，填入下表：

T（℃）

V（mv）

四、检查评价

1.学生对自己和小组成员的工作态度和过程质量进行评价。

2.检查任务完成情况，并派学生代表演示实验的现象及结果。

3.对学生的工作情况和工作结果进行检查、点评和总结。

提问：

铜的电阻与温度呈线性关系Rt=R0（1+at）的温度范围是？

（-50℃至+150℃）

温度系数为多少？

课后分析及小结

教研室主任签名

累计课时

8

酒泉职业技术学院《信息检测与控制》学习领域教案

NO：

4

班级

13机电、13电气

周次

时间

节次

复习提问

1.热电阻的工作原理是什么？

2.热电阻实际应用时测量电路采用什么方式？

学习情境

温度的检测

课程内容

电冰箱的温度检测

课时

2

学习目标

1.掌握热敏电阻的工作原理和性能

2.掌握热敏电阻的测量电路

主要内容（*重点、难点）

教学设计与组织

重点：

热敏电阻的工作原理和测量电路

难点：

热敏电阻的测量电路

【教学设计】

1.提问

2.引入新课

3.讲授新课

4.课堂小结

5.布置作业

【教学组织】

分析法、讲授法、举例法、

教学地点

教学仪器设备

教学楼409；教学楼403

教学及参考资料

练习与习题

《传感器与检测技术》

学习情境一温度检测

任务四：

电冰箱的温度检测

一、任务提出

测温范围为-30℃～+50℃，而且要求体积小，价格低，因此可选用热敏电阻作为测温传感器。

二、知识准备

热敏电阻是利用半导体材料的电阻值随温度的变化而显著变化的特性实现测温的。

半导体热敏电阻有很高的电阻温度系数，其灵敏度比热电阻高得多，故动态特性好。

而且体积可以做得很小，特别适于在-50℃～350℃之间测温。

热敏电阻的缺点是其热电特性是非线性的。

（一）热敏电阻的外形结构及符号

1.热敏电阻的外形

2.热敏电阻的外形结构

（二）热敏电阻的工作原理

利用半导体的电阻值随温度显著变化的特性制成由金属氧化物和化合物按不同的配方比例烧结。

（三）热敏电阻的分类

1.负温度系数（NTC）热敏电阻

NTC热敏电阻是指具有负温度系数的热敏电阻。

是使用单一高纯度材料、具有接近理论密度结构的高性能陶瓷。

因此，在实现小型化的同时，还具有电阻值、温度特性波动小、对各种温度变化响应快的特点，可进行高灵敏度、高精度的检测。

工作原理：

NTC是NegativeTemperatureCoefficient的缩写，意思是负的温度系数，泛指负温度系数很大的半导体材料或元器件，所谓NTC热敏电阻器就是负温度系数热敏电阻器。

它是以锰、钴、镍和铜等金属氧化物为主要材料，采用陶瓷工艺制造而成的。

这些金属氧化物材料都具有半导体性质，因为在导电方式上完全类似锗、硅等半导体材料。

温度低时，这些氧化物材料的载流子（电子和孔穴）数目少，所以其电阻值较高；随着温度的升高，载流子数目增加，所以电阻值降低。

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%。

NTC热敏电阻器可NTC热敏电阻器广泛用于测温、控温、温度补偿等方面．

2.正温度系数（PTC）热敏电阻

PTC是PositiveTemperatureCoefficient的缩写，意思是正的温度系数，泛指正温度系数很大的半导体材料或元器件。

通常我们提到的PTC是指正温度系数热敏电阻，简称PTC热敏电阻。

PTC热敏电阻是一种典型具有温度敏感性的半导体电阻，超过一定的温度（居里温度）时，它的电阻值随着温度的升高呈阶跃性的增高。

工作原理：

陶瓷材料通常用作高电阻的优良绝缘体，而陶瓷PTC热敏电阻是以钛酸钡为基，掺杂其它的多晶陶瓷材料制造的，具有较低的电阻及半导特性。

通过有目的的掺杂一种化学价较高的材料作为晶体的点阵元来达到的：

在晶格中钡离子或钛酸盐离子的一部分被较高价的离子所替代，因而得到了一定数量产生导电性的自由电子。

对于PTC热敏电阻效应，也就是电阻值阶跃增高的原因，在于材料组织是由许多小的微晶构成的，在晶粒的界面上，即所谓的晶粒边界（晶界）上形成势垒，阻碍电子越界进入到相邻区域中去，因此而产生高的电阻。

这种效应在温度低时被抵消：

在晶界上高的介电常数和自发的极化强度在低温时阻碍了势垒的形成并使电子可以自由地流动。

而这种效应在高温时，介电常数和极化强度大幅度地降低，导致势垒及电阻大幅度地增高，呈现出强烈的PTC效应。

补充：

PTC热敏电阻制造流程：

将能够达到电气性能和热性能要求的混合物（酸钡和二氧化钛以及其它的材料）量、混合再湿法研磨，脱水干燥后干压成型制成圆片形、长方形、圆环形、蜂窝状的毛坯。

这些压制好的毛坯在较高的温度下（1400℃左右）烧结成陶瓷，然后上电极使其金属化，根据其电阻值分档检测。

按照成品的结构形式钎焊封装或装配外壳，之后进行最后的全面检测。

3.突变（PTC）、临界温度系数（CTR）热敏电阻

三、任务实施

（一）合理选择热敏电阻的类型

选用负温度系数热敏电阻作为测温传感器。

（二）正确使用热敏电阻传感器

1.热敏电阻的挑选

2.热敏电阻的测量电路

3.管道温度测量

利用热敏电阻上的热量消耗和介质流速的关系可以测量流量、流速、风速等。

四、检查评价

根据出勤情况、上课情况、回答问题质量及作业完成质量综合评价本任务的教学效果。

课后分析及小结

教研室主任签名

累计课时

10

酒泉职业技术学院《信息检测与控制》学习领域教案

NO：

5

班级

13机电、13电气

周次

时间

节次

复习提问

1.热敏电阻的工作原理是什么？

2.热敏电阻分为几类？

学习情境

温度的检测

课程内容

1.空调的温度检测

2.非接触式体温检测

课时

4

学习目标

1.掌握常用集成温度传感器的性能

2.掌握红外辐射的基本知识和特性

主要内容（*重点、难点）

教学设计与组织

重点：

1.集成温度传感器的性能

2.红外辐射的基本知识和特性

难点：

红外辐射的本质

【教学设计】

1.提问

2.引入新课

3.讲授新课

4.课堂小结

5.布置作业

【教学组织】

分析法、讲授法、举例法

教学地点

教学仪器设备

教学楼409；教学楼403；实训室

教学及参考资料

练习与习题

《传感器与检测技术》

学习情境一温度的检测

任务五：

空调器的温度检测

一、任务提出

只有多个感温探头精确检测到的温度送入控制其处理以后，才能精确控制空调的运行。

本任务选用集成温度传感器作为测温传感器。

二、知识准备

（一）集成温度传感器

1.定义

集成温度传感器就是在一块极小的半导体芯片上集成了包括温度敏感器件、信号放大电路、温度补偿电路、基准电源电路等在内的各个单元，它使传感器和集成电路融为一体。

2.分类

集成温度传感器按信号输出形式分为：

电流型、电压型。

集成温度传感器按输入量分为模拟集成温度传感器和数字集成温度传感器两类。

3.特点

集成温度传感器与传统的热电阻、热电偶温度传感器相比最大的优点是：

线性度好、灵敏度高、输出信号大，且规范化标准化。

但是价格比热敏电阻要高，