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传感器原理及应用（一） 工程物理系 工物22 方侨光 022041 【】T0不变，当加热结点时，热电偶的输出电势E会随温度T变化，通过测量此电势即可知道两端温差，从而实现温度的测量。 电势E和温度T之间的关系是利用分度表的形式来表达的，在制分度表时，通常采用热电偶的冷端温度T0=0℃条件下测得的，所以在使用热电偶时，只有满足T0=0℃的条件，才能直接使用分度表。在实际工况环境中，由于冷端温度不是0℃而是某一温度Tn，因此在使用分度表前要对所测电动势进行修正。 E(T，T0) = E(T，Tn) + E(Tn，T0) 即： 实际电动势 = 仪表指示值 + 温度修正值 式中E为热电偶的电动势，T为热电偶的热端温度，T0为热电偶参考端温度为0℃，Tn为热电偶参考端所处的温度。 实验结果 Tn=21.0℃ 查表得到修正值：E(Tn，T0)=0.832mV 加热前，电压表读数：0.008V 加热后，电压表读数：-0.171V 于是得到：E(T，Tn)=179/200mV=0.895mV 从而得到实际电动势：E(T，T0)=1.727mV 查表可得：T=42.7℃ 【】 式中B为热敏电阻常数。本实验所用的热敏电阻B=3200。 负温度系数的热敏电阻其特性可以表示为： 式中RT、RT0分别为温度T和T0时的电阻值。 因此当温度变化时热敏电阻阻值的变化将导致运放组成的压/阻变换电路的输出电压的变化，其关系可表示为： 式中UT、UT0分别为温度T和T0时的压/阻变换电路的输出电压值。 则根据上面两式： 实验结果 【】D有如下关系： 式中，Is为反向饱和电流，VD为PN结的正向压降，q为电子电荷量，K为玻耳兹曼常数，T为绝对温度。则： 因此，当保持ID不变时，PN结的正向压降与温度T成正比。 本实验所使用的是AD590电流型PN结集成温度传感器，其输出电流正比于绝对温度。0℃温度时输出电流为273.2μA，温度每变化1℃，输出电流变化1μA。AD590的输出电流通过1KΩ电阻变为电压信号，其单位为1mV/℃，因此0℃时1K电阻上已有273.2mV的电压输出。 实验结果 T0=294K T=320K=47℃ 【】 当在轴向受到拉力的作用时，长度增加了，截面积减少了，那么电阻将增加，则电阻相对变化可按下式求得： 。对于箔式应变片，电阻变化主要由应变产生。则： 式中：是材料的轴向线应变，用应变ε表示为：。是材料截面积的变化，用材料的泊松比=-及表示为： 由此可以看出，金属材料的电阻相对变化与其线应变ε正比，比例系数称为灵敏度，这就是金属材料的应变电阻效应。 电阻应变片的测量电路 从箔式应变片的工作原理可知，应变片测量应变是通过测量应变电阻相对变化来得到的。我们通常使用电桥电路作为应变片的测量电路，它可以把电阻的相对变化转化成电压的相对变化。如图所示，设电桥的输入电压为U,输出的电压为△U ，则： 设各桥臂的初始电阻为，因此电桥初始处于平衡状态，当四个桥臂电阻分别变为、、、时，则上式可得： 一般情况下，很小，既R〉〉i，则上式可变化为： 这样电阻变化率（或应变）与输出电压之间就近似为线性关系，这就是利用桥式电路测量电阻应变的工作原理。 箔式应变片的温度效应及应变电路的温度补偿 温度变化引起应变片阻值发生变化的原因是应变片电阻丝的温度系数及电阻丝与测试梁的膨胀系数不同，由此引起测试系统输出电压变化。 由于温度变化引入了测量误差，因此实用测试电路中必须进行温度补偿。用补偿片法是应变电桥温度补偿方法中的一种，即将补偿片与工作片成90°贴在测试梁上，如图（2）所示， R1为工作片，R2为补偿片，R1=R2。桥路如原来是平衡的，当温度变化引起两应变片的电阻变化△R1与△R2符号相同，数量相等，根据（2-1）式△U≈0，无电压输出，电桥仍满足平衡条件，达到了温度补偿的目的。测试梁受力时，R2不产生形变，仅有R1作为工作片。 实验步骤和结果 测试电路： 单桥 桥路状态 位移mm 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 上行电压mV -8 -13 -22 -29 -36 -44 -52 -60 -67 -72 下行电压mV 6 15 22 29 37 44 50 58 63 72 采用直线拟合的方法，求出其斜率即为灵敏度S。 S-=14.8mV/mm S+=14.3mV/mm S=14.6mV/mm 桥路状态 位移mm 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 上行电压mV -8