大一下 instrumentation训练 （搭建温度测量电路）

指导老师：乐永康

合作者： 陈景莉

感谢：沈金辉 叶麦

以PT100或热电偶为传感器，搭建放大电路，完成简单的温度自动测量系统及定标。

拓展：在上述测量系统的基础上，搭建闭循环温度控制系统，探索各种控制方案的技术参数，讨论其优缺点。

PT100

定值电阻：100欧姆

可调电阻

开关电源

电源模块：NN2-05D05S

万用表

运算放大器：LM353P

七段码管：GY5101AB

LCD：FlamingoEDA

烧水小锅

温度计

没带实验记录本回家，型号有些网页上没有记录，开学之后再补充。 — 王思阳 2013/07/12 11:56

本实验利用一臂为铂热电阻的非平衡电桥，用其电压输出来表征温度变化；且用放大电路放大输出的电压信号；通过转化，连接到七段码管或液晶显示屏上，得到直接的温度显示。

依其增益（即输出信号和输入信号之间的比例系数）可区分为：

电压增益（voltage gain）、电流增益(current gain)、功率增益（power gain），或是其他的单位。

例如，一个转导放大器（transconductance amplifier）的增益单位是电导（输入电压与输出电流）。

在多数情况，输入和输出为相同的单位，增益无需标示出单位，虽然经常标示db（decibels）。

http://zh.wikipedia.org/zh-cn/运算放大器

怎样选择放大电路呢？ — 王思阳 2013/05/27 20:24

陈光梦《模拟电子学基础》最后一章“功能电路”讲的挺好的，图书馆有这本书~ — 叶麦 2013/05/30 07:20

在图书馆有很多放大电路的书，索书号：TN722开始。 — 沈金辉 2013/05/30 08:28

好。谢谢你们啦！ — 王思阳 2013/06/02 21:38

温度传感器一般是指将温度转化为电子数据的电子元件。

•（热电阻）使用电阻随温度变化的导电体制作的温度传感器。最常用的是使用铂，在0°C时电阻为100欧姆的元件（Pt100）

•半导体温度传感器，一般有放大和调整电路

•晶体振荡器，其振荡频率随温度变化，因此可以非常精确地测量温度

•（热电偶）使用热电效应测量温度的热电偶

•焦电性物质，其表面电荷密度随温度变化而变化，因此其表面电荷强度可以用来测量温度

•集成温度传感器 http://baike.baidu.com/view/1680846.htm

还有集成温度传感器，由有源器件制成，如AD590 — 叶麦 2013/05/27 12:08

我把它加上去了。谢谢 — 王思阳 2013/05/27 18:55

两种不同金属构成的回路中，如果两种金属的结点处温度不同，该回路中就会产生一个温差电动势。

不同的金属导体（或半导体）具有不同的自由电子密度，当两种不同的金属导体相互接触时，在接触面上的电子就会扩散以消除电子密度的差异。而电子的扩散速率与接触区的温度成正比，所以只要维持两金属间的温差，就能使电子持续扩散，在两块金属的另两个端点形成稳定的电压。由此产生的电压通常每开尔文温差只有几微伏。

塞贝克效应通常应用于热电偶，用来直接测量温差，或者将金属的一端设定到已知温度来测另一端的温度。

当几个温差电偶连接在一起时叫做热电堆，用来制造更大的电压。

参考资料：http://en.wikipedia.org/wiki/Thermocouple

热电偶电路：

请问如何测量电压差？电压表接在温度不同的两个节点处？几个温差电偶连接在一起”，请问是串联还是并联？有个图可能更好。 — 叶麦 2013/05/27 12:10

嗯嗯。我也觉得这里面自己还有些不太明白的。我再想想。（热点堆我觉得应该是串联，不过自己对具体的线路连接也不太懂，只是想着要获取更大的电压。） — 王思阳 2013/05/27 19:33

我的理解是这样的：热电偶测量温度的时候，不是利用一种金属在温度梯度的影响下产生的电压，而是将两种不同的金属产生的两个不同的电压值作比较，来得出温度情况的。也就是说，单单测量一种金属产生的电动势是不容易的。 — 王思阳 2013/05/27 19:39

一种被广泛应用的温度传感器，也被用来将热势差转换为电势差。

价格低廉，易于更换，有标准接口，而且具有很大的温度量程。主要的局限是精度，小于1摄氏度的系统精度通常较难达到。

当热电偶的正负极材料都确定以后，热电势的大小只与热电偶的两端温度有关。如果一段温度恒定（参比端），则热电势就只与热端温度有关。为了方便使用，常用的热电偶的热端温度所对应热电势的大小已经被制成标准表，称为热电偶的分度表，参比端温度为均为0°C。

热电偶测温原理及应用：

http://wenku.baidu.com/view/cff887094a7302768e993916.html

铂热电阻，一种温度传感器，以铂作感温材料的感温元件，由内引线和保护管组成。

铂热电阻是利用铂丝的电阻值随着温度的变化而变化这一基本原理设计和制作的。

安装：

•二线制：在铂热电阻的两端各连接一根导线来引出电阻信号的方式叫二线制：这种引线方法很简单，但由于连接导线必然存在引线电阻r，r大小和导线的材质和长度的因素有关，因此这种引线方式只适用于测量精度较低的场合。

•三线制：在铂热电阻的根部的一端连接一根引线，另一端连接两根引线的方式称为三线制，这种方式通常和电桥配套使用，可以较好的消除引线电阻的影响，是工业过程控制中的最常用的。

•四线制：在铂热电阻的根部两端各连接两根导线的方式称为四线制，其中两根引线为铂热电阻提供恒定电流I，把R转换成电压信号U，再通过另两根引线把U引至二次仪表。可见这种引线方式可完全消除引线的电阻影响，主要用于高精度的温度检测。

请问“二次仪表”是什么？电压表？电流表？为何能“完全消除引线电阻影响”？ — 叶麦 2013/05/27 12:14

我自己查到“二次仪表”接受转换器、传感器输入的信号，输出待测量。四线制的对称设计消除了接触电势的影响~

我从上到下地读你的留言，之前在看热电偶电路的问题，还没有看到这个问题这里来。嗯，谢谢啦。— 王思阳 2013/05/27 20:32

Pt100 含义为0℃时的电阻值约为100Ω。

100欧姆铂热电阻主要用于650℃以下的温区。

基本指标：

　　R（100℃） /R（0℃）叫作比值W100。

　　标准规定的允许偏差如下：

　　A 级――R（0℃）=100Ω ±0.06Ω ±(0.15+0.002｜t｜) ℃

　　B 级――R（0℃）=100Ω±0.12Ω ±(0.30+0.005｜t｜) ℃

　　比值W100=1.3850 A 级±0.0000006 B 级±0.00012

　　上式中“｜t｜”为实际温度的绝对值。

缺点：热惯性大，不能完成瞬时测量。

2013.7.6

几个问题：

1、打算先用万用表充当电桥中的电压表粗略测量。万用表示数很不稳定。在寻找原因中。

2、没有运算放大器。

3、输出值应当是放大后的电压值吗？那么还要查表来确定温度？如果要使显示值直接是温度值，是否还需要写点小程序什么的？

1、万用表的档位是多少？热敏电阻的阻值是否再不断变化？2、没有运放直接找乐老师呗，我记得245有个白色小盒子里有可能有。。。3、我觉得做完之后要先定标或者你让示数直接显示温度，这个物理实验下里有，好像是可以实现的。 — 沈金辉 2013/07/06 16:30

谢谢你沈金辉！真的在刷phylab喔。

1、那个万用表坏掉了。现在找了一个好的。

2、乐老师给了一个LM353P，现在没问题了。

3、打算用七段码管或者LCD作显示。定标什么的还暂时不大懂。我去物理实验下看看啦。 谢谢喔！ — 王思阳 2013/07/06 17:26

我一直在的，有问题随时发在网上 — 沈金辉 2013/07/06 18:33

谢谢！正在研究七段码管和LCD。学长有说明书吗？分别是FlamingoEDA和GY5101AB。 — 王思阳 2013/07/06 19:05

王思阳，一段时间做一件事情。做好一件事情了再考虑下一件。你现在看七段码管和LCD的资料，只会让你觉得不懂的太多了。明天上午到实验室后，若是只有你一人，先搭电桥，测量不同温度下，电桥的输出。我已在你们桌上放一支温度计和带金属水杯的电加热炉。若是两人都到了，完成能输出正负5伏的电源（注意安全！！！）。明天上午我可能不过来了，有事给我打电话。 — 乐永康 2013/07/06 22:43

好的乐老师！ — 王思阳 2013/07/07 07:40

最新进展：1、万用表初步测量步骤已完成，可以看到PT100随温度改变阻值后，电桥不再平衡。但线性性不大好。不过数据只有四组，比较少。2、已经顺利将220V交流电用开关电源和双路电源模块转成了+-5V（测出来是6V多）。接下来，需要做好运算放大器的电路。并连接到七段码换或者LCD上去。有一个问题，就是显示部分怎么接？ — 王思阳 2013/07/07 15:13

我觉得用电压表直接显示比较靠谱。。。 — 沈金辉 2013/07/14 09:55

我看了前面乐老师说的以为你在做温差发电，看到“已经顺利将220V交流电用开关电源和双路电源模块转成了+-5V”以为你在改造电源。不好意思，于是这边究竟在进行什么呢？以及能不能稍微说明一下这些和测温电路的关系？还是这些是延伸实验？我有点晕。。。没有看到关于改造电源的细节描述的样子，是怎么弄的呢？ — 姚文婕 2013/08/17 16:04

目标1）自制一个数字温度计；2）搭建温度控制系统。±5V的电源是给数字温度计中的信号放大电路等供电。 — 乐永康 2013/08/18 09:14

Type：NN2-05D05S

(双路2W电源模块DC-DC隔离模块 5V转正负5V)

在网络上查找了些资料，仍然不太清楚这个要怎么接。（好难找！）大家有没有要推荐的纸质资料呢？ — 王思阳 2013/06/04 10:07

输入电子元器件型号和“技术资料”或“说明书”，或“datasheet”或“Specification”，找起来容易一些。再找不到，可以去图书馆找找“电子元器件手册”。 — 乐永康 2013/06/04 11:23

— 沈金辉 2013/06/04 11:38

NN2-05D05S手册这是手册，你看看有没有用。 — 沈金辉 2013/06/04 11:40

学长太给力了！沈金辉，下次上传文档，文件名尽量用英语（或拼音），文件名宜更具体、明确一些。 — 乐永康 2013/06/04 12:10

在百度搜索“NN2-05D05S”，这个页面排在第三位！这意味着… — 乐永康 2013/06/04 12:18

哈哈。不过我上传文件总是显示不出文件名，看来我对wiki的使用还不是很熟悉啊。好吧，稍微尝试几次就好了。 — 沈金辉 2013/06/04 12:40

我觉得找资料也是一种能力，在最短的时间内找到自己要的东西，乐老师可以在组会的时候给我们介绍介绍一些常用的查找资料的方法。 — 沈金辉 2013/06/04 12:48

你理解的“上传文件的文件名”与我理解的不同，我下次也会说一下。查资料的确是个技术活。 — 乐永康 2013/06/04 12:57

我现在已经理解了wiki上对文件名的理解，代码这种的东西多试几次就熟了。 — 沈金辉 2013/06/04 13:18

哇！真的太给力了！！！谢谢乐老师和沈金辉学长指点啊！我也觉得，乐老师可不可以在组会上讲讲查找资料的方法呢？ — 王思阳 2013/06/04 14:04

找资料的方法很多，但是有些“偏方”还是需要自己摸索。。。 — 沈金辉 2013/06/04 14:10

•消除导线电阻影响

由于铂热电阻一般放置在测温现场，距离电路的其他部分较远，故连接铂热电阻的导线电阻较大，应尽力消除导线电阻的影响。

下面是消除导线电阻的一种接法：三线制接法。

说明：Rt为铂热电阻。r1 r2 r3为导线电阻。从后一个图可以直观看出，导线电阻对电桥平衡的影响。

•非线性补偿

由于PT100随温度变化的线性性质不够好，将通过设置实验参数，来改变输出的电压值与温度的关系，从而对Rt关于T的非线性得到补偿。

•放大电路

请问该电路测量温度，可以足够精细，以至于需要考虑导线的电阻吗？另外原理是什么（电压表示数与温度是怎样的关系）？后一个图好像有些问题，原本Rt引出r2 r3， 后一张图变成了Rt引出r2 ，r2接r3，串并联关系不一致；为何影响抵消？似乎没有那么直观。— 叶麦 2013/05/27 11:57

这个很像是物理实验下里的一个实验。。。 — 沈金辉 2013/05/27 13:37

没错，原理是非平衡电桥。问题是导线影响是如何抵消的。为什么只考虑那三根导线的电阻？别的导线的电阻呢？ — 叶麦 2013/05/27 17:00

叶麦学长，我不太理解你说的上下两个电路不一致的意思。我又检查了几遍，不知是哪里不一致呢？另外，考虑导线电阻的原因是，测量温度的铂热电阻要放置在测量现场（比如化学反应的炉子里之类的），而电路的另外的部分（二次仪表）一般离测温现场有一定的距离，导线比较长，所以考虑了导线电阻的影响。 — 王思阳 2013/05/27 18:38

抱歉是我犯了错误，两个图是一样的。 — 叶麦 2013/05/27 19:04

没关系。才发现学长提了好多问题，真好！刚刚我正在想热电偶的电路的问题。才发现好多都没有弄明白呢。 — 王思阳 2013/05/27 19:19

其实对非平衡电桥的电路理解的不太清楚。还有放大电路。都是现学现用的；网上搜索资料自己也没有什么经验，感觉磕磕绊绊的。学长有什么建议吗？谢谢。 — 王思阳 2013/05/27 19:22

我觉得磕磕绊绊是每个人都有的感觉正如你所说的，“好多事情都是要靠自己，用时间用双手去摸索的”。不过我和陈景莉说，做电路的时候可以叫上我，大家讨论一下可能进展快些~ — 叶麦 2013/05/27 20:00

嗯嗯，我会继续努力！如果你能来，那真是太好了。谢谢你！ — 王思阳 2013/05/27 20:18

热电偶比较难用，还是用热电阻吧，放大电路主要是放大某一个范围内的电阻变化（放大电路一般都是对电压信号进行放大吧？——乐永康），我觉得还需要设几个档位，否则测温的范围很有限，因为精度高了就会牺牲范围，范围大了就会牺牲精度，因此如果用换挡的方法可以既提高精度，又增加范围。 — 沈金辉 2013/05/27 20:34

有道理！谢谢提醒啊。也就是说改变实验参数吗？设档位是需要可变电阻吗？那如何做线路板呢？ — 王思阳 2013/05/27 20:42

对于学生做实验，我一直强调：应该去理解实验仪器的工作原理、灵敏度、精度、响应范围等。但对于做仪器来说，我是建议先做起来。完成了第一版，有了初步的结果，才会明白有哪些问题，怎么去改进！现实中也是如此，再有经验的设计师、工程师都不可能在开始的时候就考虑到所有的问题。 — 乐永康 2013/05/27 20:49

嗯，我也感觉瞻前顾后太多不是好事情。谢谢乐老师！我们将在本周尽快做起来。 — 王思阳 2013/05/27 21:29

我的意思是阻值变化引起电压变化，然后把电压信号放大。。。（我没有表述清楚） — 沈金辉 2013/05/27 23:31

悲剧地发现万用表坏了！ 100欧的电阻测到兆欧级别去了！

前几天大部分时间都花在打乒乓球上了（好高兴…….物理系进了前八强）。

实验计划要写下来了。

今天把整个电路设计完成。

已经八点多了。努力学习放大电路。唉。有点着急了。整个电路设计今晚弄不完了。

嗯，今天就到这里结束吧。放大电路和非线性补偿已经开始学习了。

明天晚上要去和乐老师讨论实验。一定会收获很多。（实验计划。）

今早和陈景莉讨论讨论。

今天一整天课比较多，没有花时间在课外实验上。

今晚在写量子论实验的预习报告。大约是心里面装着这个实验的缘故吧，今天写报告有一种更加深沉的、俨然做过好多实验的感觉。

写到这里，忽然想起一段话。

＂当某人不再盲目地沉浸在阅读印成铅字的天才的作品使之产生的那种自欺欺人的满足感之中，而是走进实验室去验证自己的一些新奇而切实的想法时，崇拜英雄的情结就会消退，取而代之的是自尊和自信。＂

第一次读的时候就被震惊到了。哈。

今天想到，做实验前也不必考虑得太多，一边做一边想，一边前进一边改进。

那么，先做热电阻的电路，设计电桥电路。

今天下午和陈景莉讨论讨论。

由于陈景莉有事情，讨论改在星期四。

下午看了一些有关热电阻电路设计及改良的文献资料，电路大致有眉目了。

今天是新的一周的开始。新的一周里要开始着手做温度测量电路的事情。

今天晚一些的时候把实验计划大致写好。

谨记：＂靡不有初，鲜克有终。＂

晚上的时候查了一些资料，把基本的东西梳理梳理清楚。放在＂理论知识＂里。

实验计划实验计划实验计划……原本以为会很容易地写出来，到晚上的时候意识到草草地写一个的话或许用处不大，若是改来改去的还会让人意志动摇也说不定。近三天把基本的东西想想清楚。再做计划。

今天就到这里吧。一切事情，开头的时候总是需要更多的耐心和付出。