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論文參考(基于銅電阻的數(shù)值溫度計(jì)的設(shè)計(jì))-資料下載頁

2025-06-07 06:53本頁面
  

【正文】 0+= (510) T3=30+= (511) (2) 代入 BT=CT2+DT+E+50,求 BT。 (3) 將數(shù)值代入 R=5exp {(BTI/TI/)},求 R。 *T :~ (512) 圖 52 電阻 —溫度特性圖 電阻溫度系數(shù)所謂電阻溫度系數(shù) (α),是指在任意溫度下 103溫度變化 1℃時的零負(fù)載電阻變化率。電阻溫度系數(shù) (α)與 B 值的關(guān)系,可以將公式 (52)微分得到: (513) 這里 α前的負(fù)號 (- ),表示當(dāng)溫度上升時,零負(fù)載電阻降低 [5]。 隨環(huán)境溫度變化的熱響應(yīng)時間常數(shù) 熱響應(yīng)時間常數(shù)是指:在零負(fù)載狀態(tài)下,當(dāng)熱敏電阻的環(huán)境溫度發(fā)生急劇變化時,熱敏電阻元件產(chǎn)生最初溫度與最終溫度兩者溫度差的 %的溫度變 化所需的時間。熱敏電阻的環(huán)境溫度從 T1變?yōu)?T2時,經(jīng)過時間 t與熱敏電阻的溫度 T之間的關(guān)系如式 (514)。 T= (T1T2)exp(t/τ)+T2 (514) 即: T= (T2T1){1exp(t/τ)}+T1 (515) 常數(shù) τ被稱為熱響應(yīng)時間常數(shù)。 上式中,若令 t=τ時,則 : (TT1)/(T2T1)= (516) 換言之,正如上面的定義所述,熱敏電阻產(chǎn)生初始溫度差 %的溫度變化所需的時間即為熱響應(yīng)時間常數(shù) [5]。經(jīng)過時間與熱敏電阻溫度變化率的關(guān)系如下表所示: 表 51 熱響應(yīng)時間常數(shù) t (T T1)/( T2 T1) τ % 2τ % 3τ % 4τ % 5τ % 根據(jù)上表,畫出其時間 —溫度特征曲線如圖 53: 圖 53 時間 —溫度特征曲線 表 51的記錄值為下列測定條件下的典型值: (1) 靜止空氣中環(huán)境溫度從 50℃ 至 25℃ 變化時,熱敏電阻的溫度變化至 ℃所需時間。 (2) 軸向引腳、徑向引腳型在出廠狀態(tài)下測定。 另外應(yīng)注意,散熱系數(shù)、熱響應(yīng)時間常數(shù)隨環(huán)境溫度、組裝條件不同而變化 [6]。 根據(jù)以上分析,負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻的 B值與阻值 —溫度的變化關(guān)系如圖 54和圖 55所示: 圖 54 B值相同而阻值不同的 RT 特性曲線示意圖 圖 55 阻值相同而 B值不相同的 NTC熱敏電阻 RT特性 曲線示意圖 經(jīng)過以上分析可以知道:熱敏電阻的非線性使得它很難用相關(guān)的電路來進(jìn)行補(bǔ)償,但如果使用微處理器,就能很好的解決這個問題。實(shí)踐證明因電路的離散性,直接使用公式的誤差會很大。使用數(shù)字工具只需簡單地測量溫度和模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果之間的關(guān)系,通過實(shí)測有限個數(shù)據(jù)點(diǎn),在 Matlab軟件中可以通過編寫一個程序,使用四階多項(xiàng)式擬合可滿足實(shí)際應(yīng)用的要求。但在要求不高的一般應(yīng)用中考慮到單片機(jī)的運(yùn)行速度有限以及浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算能力的問題??梢栽谝欢ǖ臏囟确秶鷥?nèi)假定溫度與阻值成線性關(guān)系,以簡化計(jì)算。 測量電路的設(shè) 計(jì) 直流電橋是一種精密的電阻測量電路,具有重要的應(yīng)用價值。按電橋的測量方式可分為平衡電橋和非平衡電橋。平衡電橋是把待測電阻與標(biāo)準(zhǔn)電阻進(jìn)行比較,通過調(diào)節(jié)電橋平衡,從而測得待測電阻值,如單臂直流電橋 (惠斯登電橋 )、雙臂直流電橋 (開爾文電橋 )。它們只能用于測量具有相對穩(wěn)定狀態(tài)的物理量,而在實(shí)際工程中和科學(xué)實(shí)驗(yàn)中,很多物理量是連續(xù)變化的,只能采用非平衡電橋才能測量;非平衡電橋的基本原理是通過橋式電路來測量電阻,根據(jù)電橋輸出的不平衡電壓,再進(jìn)行運(yùn)算處理,從而得到引起電阻變化的其它物理量,如溫度、壓力、形變等 [6]。 在這里我們則著重研究溫度對熱敏電阻阻值的影響,而我這里所使用的是非平衡電橋測量法。非平衡電橋原理如圖 56所示: 圖 56 非平衡電橋原理圖 B、 D之間為一個負(fù)載電阻 Rg,只要測量電橋輸出 Vg、 Ig,就可得到 Rx值,并求得輸出功率[1]。 電橋的分類 (1)等臂電橋: R1=R2=R3=R4 (2)輸出對稱電橋,也稱臥式電橋: R1=R4=R, R2=R3=R′。且 R≠R′。 (3)電源對稱電橋,也稱為立式電橋: R1=R2=R′, R3=R4=R。且 R≠R′。 電橋的 狀態(tài) 當(dāng)負(fù)載電阻 Rg→∞ ,即電橋輸出處于開路狀態(tài)時, Ig=0,僅有電壓輸出并用 U0表示,原理如圖 56所示。根據(jù)分壓原理, ABC半橋的電壓降為 Us,通過 R R4兩臂的電流為: (517) 則 R4上之電壓降為: (518) 同理 R3上的電壓降為 : (519) 輸出電壓 U0為 UBC與 UDC之差 : (520) 當(dāng)滿足條件 R1R3=R2R4時,電橋輸出 U0=0,即電橋處于平衡狀態(tài)。為了測量的準(zhǔn)確性,在測量的起始點(diǎn),電橋必須調(diào)至平衡,稱為預(yù)調(diào)平衡 [5]。若 R R R3固定, R4為待測電阻 R4=Rx,則當(dāng) R4→ R4+△ R時,因電橋不平衡而產(chǎn)生的電壓輸出為: (521) 電橋的輸出電壓 (1)等臂電橋 R1=R2=R3=R4=R 則: (522) (2)臥式電橋 R1=R4=R, R2=R3=R′,且 R≠ R′則: (523) (3)立式電橋 R1=R2=R′, R3=R4=R,且 R≠ R′則: (524) 當(dāng)電阻增量△ R較小時,即滿足△ R<< R時,上面 (522)~ (524)三個公式的分母中含△ R項(xiàng)可略去,公式可得以簡化。 注意:上式中的 R和其 R′均為預(yù)調(diào)平衡后的電阻。測量得到電壓輸出后,通過上述公式運(yùn)算得△ R/R或△ R,從而求得 R4=R4+△ R或 Rx=Rx+△ R。 等臂電橋、臥式電橋輸出電壓比立式電橋高,因此靈敏度也高,但立式電橋測量范圍大,可以通過選擇 R、 R′來擴(kuò)大測量范圍, R、 R′差距愈大,測量范圍也愈大 [6]。 電橋的輸出功率 當(dāng)負(fù)載電阻 Rg較小 時,則電橋不僅有電壓輸出 Ug,也有電流輸出 Ig,也就是說有功率輸出,此種電橋也稱為功率橋??蓽y出 Ig和 Ug。功率橋可以表示為圖 56 a)。應(yīng)用有源端口網(wǎng)絡(luò)定理,功率橋可以簡化為圖 56 b)所示電路 [6]。 a) b) c) 圖 57 功率橋電路 UBD為 DB之間的開路電壓,由 (520)式表示,圖 57 b)中的 R″是有源一端網(wǎng)絡(luò)等值支路中的電阻,其值等于該 網(wǎng)絡(luò)的輸入端電阻 R r,如圖 57 c)所示。開路電流 Ig為: = (525) 當(dāng) Ig=0時則有: , 即: (526) 這是功率橋的平衡條件,與公式 (522)一致,也就是說功率輸出與電壓輸出的平衡條件是一致的。最大功率輸出時,電橋的靈敏度最高 [5]。當(dāng)電橋的負(fù)載電阻 Rg等于輸出電阻 (電源內(nèi)阻 )即阻抗匹配時: (527) 則電橋輸出功率最大。此時電橋的輸出電流由公式 (525)得: (528) 輸出電壓為: (529) 當(dāng)橋臂 R4的電阻臂有增量△ R時,我們可以得到三種橋式的電流、電壓和功率變化。測量時都需要預(yù)調(diào)平衡,平衡時的 Ig、 Ug、 Pg均為 0,電流、電壓、功率變化都是相對平衡狀態(tài)時講的[1]。以下是三種橋式的三組公式: (1) 等臂電橋 R1=R2=R3=R4=R,則有: (530) (531) (532) (2)臥式電橋 R1=R4=R, R2=R3=R′,則有: (533) (534) (535) (3)立式電橋 R1=R2=R′, R3=R4=R, △ R4=△ R,則有: (536) (537) (538) 測得△ Ig和△ Ug后,很方便可求得功率△ Pg,通過上述相關(guān)公式可運(yùn)算到相應(yīng)的△ RI和△ RV,然后可以運(yùn)用以下公式得 到電阻增量: (539) 由此得到△ R后,同理可得 RX=R4+△ R。當(dāng)電阻增量△ R較小時,即滿足△ R<< R時,上面(530)~ (538)的公式的分母含△ R項(xiàng)可略去,公式便得以簡化 [6]。 測量電橋電路的設(shè)計(jì) 經(jīng)過以上分析可以知道:立式電橋測量范圍大,可以通過選擇 R、 R′來擴(kuò)大測量范圍。在此我選用的立式電橋法進(jìn)行測量。在測量之前必須進(jìn)行預(yù)調(diào)平衡。經(jīng)過實(shí)際測量,我使用的熱敏電阻在 0℃ 時的電阻值是 ,所以電橋電路就以此作為電路系統(tǒng)的預(yù)平衡點(diǎn)。電路參數(shù)及電橋接法如下圖 58所示: 圖 58 測溫電橋電路 當(dāng)溫度為 0℃ 時 ,該電橋處于平衡狀態(tài),電橋的輸出端電壓差值△ U為 0V。此時,經(jīng)過 A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換出來的 8位數(shù)據(jù)應(yīng)該是 0x00。 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路 ADC0804芯片的特點(diǎn) ADC0804是用 CMOS集成工藝制成的逐次比較型模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。分辨率為 8位,輸入電壓范圍為 0~ 5V,增加某些外部電路后,輸入模擬電壓可為 5V。該芯片內(nèi)有輸出數(shù)據(jù)鎖存 器,當(dāng)與計(jì)算機(jī)連接時,轉(zhuǎn)換電路的輸出可以直接連接在 CPU數(shù)據(jù)總線上,無須附加邏輯接口電路。它的引腳功能如表 52所示,它的芯片規(guī)格及引腳說明如圖 59所示。 表 52 ADC0804引腳功能說明 VCC:電源供應(yīng)以及作為電路的參考電壓。 圖 59 ADC0804的規(guī)格及引腳說明圖 VREF:輔助參考電壓。 CLK IN, CLK R:時鐘輸入或接振蕩元件 (R, C),頻率應(yīng)限制在 100kHz~ 1460kHz /WR:用來啟動轉(zhuǎn)換的控制當(dāng)/WR自高變?yōu)榈碗娖綍r,轉(zhuǎn)換器被清除;當(dāng) /WR回到高電平時,轉(zhuǎn)換正式啟動。 /CS:芯片選擇信號。 DB0~ DB7: 8位并行數(shù)字輸出。 /RD:外部讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果的控制腳輸出信號。 VIN(+), VIN():差動模擬電壓輸入。輸入單端正電壓時, VIN()接地。 /INTR:中斷請求信號輸出,低電平。 AGND, DGND:模擬信號以及數(shù)字信號接地。 在使用 ADC0804芯片之前,為了測試它的功能是否完好,可以先在面包板上搭建一個如圖
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