《测试技术》第四章传感器的基本类型及其工作原理解读优秀PPT.ppt

第四章第四章 传感器的基本类型传感器的基本类型及其工作原理及其工作原理动力装置电控技术探讨所动力装置电控技术探讨所1.概概 述；述；2.电阻式传感器；电阻式传感器；3.电感式传感器；电感式传感器；4.电容式传感器；电容式传感器；5.压电式传感器；压电式传感器；6.磁电式传感器。磁电式传感器。7.热电式传感器；热电式传感器；8.光电式传感器；光电式传感器；9.霍尔传感器；霍尔传感器；10.数字式传感器；数字式传感器；11.传感器信号处理电路。传感器信号处理电路。帮助电源帮助电源敏感元件敏感元件转换元件转换元件基本转换电路基本转换电路被测量被测量电量电量敏感元件，是干脆感受被测量，并输出与被测量成确定关敏感元件，是干脆感受被测量，并输出与被测量成确定关 系的系的某一物理量的元件。某一物理量的元件。转换元件转换元件，敏感元件的输出就是它的输入，它把输入转换成电路，敏感元件的输出就是它的输入，它把输入转换成电路参量。参量。基本转换电路：基本转换电路：上述电路参数接入基本转换电路（简称转换电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。路），便可转换成电量输出。传感器的组成传感器的组成 第一节第一节.概概 述述传感器的分类传感器的分类 第一节第一节.概概 述述（1）按被测物理量分类）按被测物理量分类（2）按测量原理分类）按测量原理分类（3）按输出信号性质分类）按输出信号性质分类被测量为压力、温度、速度等物理量，相应的为压力被测量为压力、温度、速度等物理量，相应的为压力传感器、温度传感器等传感器、温度传感器等基于物理学现象，如电阻式传感器、电感式传感器、基于物理学现象，如电阻式传感器、电感式传感器、电容式传感器、压电式传感器等电容式传感器、压电式传感器等模拟式传感器、数字式传感器模拟式传感器、数字式传感器其次节其次节.电阻式传感器电阻式传感器n 电阻式传感器：将被测的量转变为电阻变更的一种传感器。电阻式传感器：将被测的量转变为电阻变更的一种传感器。一、金属应变式传感器一、金属应变式传感器金属电阻应变计效应：金属导体（电阻丝）的电阻值随其变形金属电阻应变计效应：金属导体（电阻丝）的电阻值随其变形（伸长或缩短）而发生变更的一种物理现象。（伸长或缩短）而发生变更的一种物理现象。已知导体（一根圆截面的金属丝）的电阻：已知导体（一根圆截面的金属丝）的电阻：dlF金属丝的原始电阻金属丝的原始电阻金属丝的原始电阻率金属丝的原始电阻率金属丝的原始长度金属丝的原始长度金属丝的原始横截面积金属丝的原始横截面积上式中：上式中：为导体的轴向应变量为导体的轴向应变量 ；为导体的横向应变量为导体的横向应变量 由材料力学得：由材料力学得：式中：式中：为材料的泊松比，大多数金属材料的泊松比为为材料的泊松比，大多数金属材料的泊松比为 0.30.5 左右左右可得到：可得到：上式说明：电阻应变效应主要取决于它的几何应变和本身特有的导电性能上式说明：电阻应变效应主要取决于它的几何应变和本身特有的导电性能其次节其次节.电阻式传感器电阻式传感器一、金属应变式传感器一、金属应变式传感器设金属丝在外力作用下沿轴线伸长，伸长量设为设金属丝在外力作用下沿轴线伸长，伸长量设为 l，并因此截面，并因此截面积变更积变更 A，电阻率的变更为，电阻率的变更为 ，相应的电阻变更为，相应的电阻变更为 dR 。对。对式式 全微分得电阻变更率全微分得电阻变更率 dR/R 为：为：其次节其次节.电阻式传感器电阻式传感器一、金属应变式传感器一、金属应变式传感器1引出线引出线 2敏感栅敏感栅 3覆盖层覆盖层 4基底基底（a）金属丝短接式；（）金属丝短接式；（b）金属箔式；）金属箔式；（c）用于扭矩测量；（）用于扭矩测量；（d）用于流体压力测量）用于流体压力测量其次节其次节.电阻式传感器电阻式传感器一、金属应变式传感器一、金属应变式传感器粘贴技术粘贴技术（1）（2）（3）（4）（5）（6）其次节其次节.电阻式传感器电阻式传感器一、金属应变式传感器一、金属应变式传感器粘贴技术粘贴技术（7）（8）（9）（10）（11）（12）为构件线胀系数为构件线胀系数其次节其次节.电阻式传感器电阻式传感器一、金属应变式传感器一、金属应变式传感器温度误差温度误差温度误差温度误差 温度变更引起的应变片电阻变更温度变更引起的应变片电阻变更 温度变更引起应变片变形，产生附加应变温度变更引起应变片变形，产生附加应变附加应变的影响附加应变的影响构件的线胀伸长量为构件的线胀伸长量为应变片处于自由状态应变片处于自由状态为应变片线胀系数为应变片线胀系数应变片产生附加变形应变片产生附加变形温度对电阻的影响温度对电阻的影响温度引起的电阻变更温度引起的电阻变更其次节其次节.电阻式传感器电阻式传感器一、金属应变式传感器一、金属应变式传感器温度补偿温度补偿温度补温度补偿方法偿方法 桥路补偿法桥路补偿法 应变片自补偿法应变片自补偿法选择特定的应变片选择特定的应变片接受双金属敏感栅自补偿应变片接受双金属敏感栅自补偿应变片热敏电阻补偿热敏电阻补偿应变片测量电路应变片测量电路取值取值 则有：则有：其次节其次节.电阻式传感器电阻式传感器一、金属应变式传感器一、金属应变式传感器温度补偿温度补偿选择材料时满足选择材料时满足其次节其次节.电阻式传感器电阻式传感器一、金属应变式传感器一、金属应变式传感器应变片自补偿应变片自补偿 选择特定的应变片选择特定的应变片 接受双金属敏感栅自补偿应变片接受双金属敏感栅自补偿应变片选择材料时满足选择材料时满足则可实现则可实现温度补偿温度补偿双金属丝敏感栅双金属丝敏感栅 热敏电阻补偿法热敏电阻补偿法其次节其次节.电阻式传感器电阻式传感器二、半导体式压阻传感器二、半导体式压阻传感器很多固体材料受到应力作用，电阻率会发生变更，称为压阻效应很多固体材料受到应力作用，电阻率会发生变更，称为压阻效应半导体材料的压阻效应最为明显，如硅半导体材料的压阻效应最为明显，如硅/锗压阻式传感器锗压阻式传感器）结构图）主要元件硅环）结构图）主要元件硅环 压力传感器压力传感器其次节其次节.电阻式传感器电阻式传感器二、半导体式压阻传感器二、半导体式压阻传感器压阻式加速度传感器压阻式加速度传感器当质量块受加速度作用时，硅梁根部受应力作用当质量块受加速度作用时，硅梁根部受应力作用.其次节其次节.电阻式传感器电阻式传感器电阻应变式力传感器电阻应变式力传感器电阻应变式力传感器电阻应变式力传感器电阻式压力传感器电阻式压力传感器电阻式压力传感器电阻式压力传感器其次节其次节.电阻式传感器电阻式传感器三、电位计式传感器三、电位计式传感器n 用于角位移和线位移测量的电阻式传感器用于角位移和线位移测量的电阻式传感器n 这类传感器通常以电位计的形式接入测量电路，称为这类传感器通常以电位计的形式接入测量电路，称为电位计式传感器电位计式传感器其次节其次节.电阻式传感器电阻式传感器三、电位计式传感器三、电位计式传感器电位计式传感器原理图电位计式传感器原理图非线性相对误差非线性相对误差 为：为：令令与与 呈非线性关系呈非线性关系非线性相对误差非线性相对误差其次节其次节.电阻式传感器电阻式传感器三、电位计式传感器三、电位计式传感器当位移量当位移量 时时,得最大相对误差得最大相对误差 为为负载电阻负载电阻 越大，相对误差越小越大，相对误差越小 四、气敏传感器四、气敏传感器其次节其次节.电阻式传感器电阻式传感器五、湿敏传感器五、湿敏传感器n 半导体气敏元件与被测气体接触后，会造成半导体性质半导体气敏元件与被测气体接触后，会造成半导体性质的变更，以此特性来检测气体的成分的传感器，称为气敏传的变更，以此特性来检测气体的成分的传感器，称为气敏传感器。感器。n 有些材料的电阻值会随空气湿度的变更而变更，利用此有些材料的电阻值会随空气湿度的变更而变更，利用此原理制成的传感器，称为湿敏电阻传感器。原理制成的传感器，称为湿敏电阻传感器。第三节第三节.电感式传感器电感式传感器 电感式传感器，利用线圈自感或互感的变更，把被测物电感式传感器，利用线圈自感或互感的变更，把被测物理量如位移、振动、压力、流量等转换为线圈上电感量变理量如位移、振动、压力、流量等转换为线圈上电感量变更的传感器。更的传感器。电感式传感器电感式传感器互感式电感传感器互感式电感传感器自感式电感传感器自感式电感传感器变气隙式电感传感器变气隙式电感传感器变截面式电感传感器变截面式电感传感器螺管式电感传感器螺管式电感传感器第三节第三节.电感式传感器电感式传感器一、自感式电感传感器一、自感式电感传感器 变气隙式电感传感器变气隙式电感传感器自感式电感传感器的结构自感式电感传感器的结构线圈电感量线圈电感量线圈匝数；线圈匝数；磁路的总磁阻磁路的总磁阻假如气隙厚度假如气隙厚度 较小，则较小，则总磁阻值为：总磁阻值为：第三节第三节.电感式传感器电感式传感器一、自感式电感传感器一、自感式电感传感器 变气隙式电感传感器变气隙式电感传感器灵敏度灵敏度S为为变隙式电压传感器变隙式电压传感器的的L-特性特性 难度可见难度可见值越小，灵值越小，灵敏度越高敏度越高 为了保证线性度，变气为了保证线性度，变气隙式传感器只能工作在一隙式传感器只能工作在一段比较小的区域内段比较小的区域内第三节第三节.电感式传感器电感式传感器一、自感式电感传感器一、自感式电感传感器 变气隙式电感传感器的应用变气隙式电感传感器的应用变隙电感式压力传感器结构图变隙电感式压力传感器结构图 第三节第三节.电感式传感器电感式传感器一、自感式电感传感器一、自感式电感传感器 变气隙式电感传感器的应用变气隙式电感传感器的应用变隙式差动电感压力传感器变隙式差动电感压力传感器 第三节第三节.电感式传感器电感式传感器一、自感式电感传感器一、自感式电感传感器 变截面式电感传感器变截面式电感传感器123 被测物体带动衔铁作线位移或角位移时，磁路被测物体带动衔铁作线位移或角位移时，磁路中气隙截面积发生变更，变更量为中气隙截面积发生变更，变更量为A 上式中，线圈匝数上式中，线圈匝数 ，气隙厚度，气隙厚度 不变，不变，L是气隙截面积是气隙截面积 A的函数的函数 灵敏度灵敏度变截面式变截面式第三节第三节.电感式传感器电感式传感器一、自感式电感传感器一、自感式电感传感器 螺管式电感传感器螺管式电感传感器rx螺旋管螺旋管铁心铁心单线圈螺管型传感器结构图单线圈螺管型传感器结构图l 螺管型自感传感器：单线圈和差动式螺管型自感传感器：单线圈和差动式 单线圈螺管型传感器主要包括：螺管线圈和圆柱形铁芯单线圈螺管型传感器主要包括：螺管线圈和圆柱形铁芯 传传感感器器工工作作时时，因因铁铁芯芯在在线线圈圈中中伸伸入入长长度度的的变变更更，引引起起螺螺管管线线圈圈自自感感值值的的变变更更，当当用用恒恒流流源源激激励励时时，则则线线圈圈的的输输出出电电压压与与铁芯的位移量有关铁芯的位移量有关螺管线圈内磁场分布曲线螺管线圈内磁场分布曲线rxl1.00.80.60.40.20.2 0.4 0.60.81.0H（）INlx（l）u 铁芯在起先插入铁芯在起先插入（x=0）或几乎离开线圈时）或几乎离开线圈时的灵敏度，比铁芯插入线的灵敏度，比铁芯插入线圈的圈的1/2长度时的灵敏度小长度时的灵敏度小得多。这说明只有在线圈得多。这说明只有在线圈中段才有可能获得较高的中段才有可能获得较高的灵敏度，并且有较好的线灵敏度，并且有较好的线性特性。性特性。第三节第三节.电感式传感器电感式传感器一、自感式电感传感器一、自感式电感传感器 螺管式电感传感器螺管式电感传感器第三节第三节.电感式传感器电感式传感器一、互感式电感传感器一、互感式电感传感器 把把被被测测的的非非电电量量变变更更转转换换为为线线圈圈互互感感变变更更的的传传感感器器称称为为互互感感式式传传感感器器。这这种种传传感感器器是是依依据据变变压压器器的的基基本本原原理理制制成成的的，并并且且次次级级绕绕组组用用差差动动形形式式连连接接，故故称称差差动动变变压压器器式式传传感器。感器。差差动动变变压压器器结结构构形形式式较较多多，有有变变隙隙式式、变变面面积积式式和和螺螺线线管管式式等等。在在非非电电量量测测量量中中，应应用用最最多多的的是是螺螺线线管管式式差差动动变变压压器器，它它可可以以测测量量1-100mm机机械械位位移移，并并具具有有测测量量精精度度高高、灵敏度高、灵敏度高、结构简洁、性能牢靠等优点。结构简洁、性能牢靠等优点。第三节第三节.电感式传感器电感式传感器一、互感式电感传感器一、互感式电感传感器 变隙式差动变压器结构变隙式差动变压器结构变隙式差动变压器结构示意图变隙式差动变压器结构示意图第三节第三节.电感式传感器电感式传感器一、互感式电感传感器一、互感式电感传感器 螺线管式差动变压器螺线管式差动变压器螺线管式差动变压器结构示意图螺线管式差动变压器结构示意图第三节第三节.电感式传感器电感式传感器一、互感式电感传感器一、互感式电感传感器 变面积式差动变压器变面积式差动变压器变面积式差动变压器结构示意图变面积式差动变压器结构示意图第三节第三节.电感式传感器电感式传感器一、互感式电感传感器一、互感式电感传感器 工作原理工作原理工作原理变隙式差动变压器工作原理变隙式差动变压器 u 闭磁路变隙式差动变压器的结构如右图所示，在A、B两个铁芯上绕有W1a=W1b=W1的两个初级绕组和W2a=W2b=W2两个次级绕组。两个初级绕组的同名端顺向串联，而两个次级绕组的同名端则反相串联。第三节第三节.电感式传感器电感式传感器一、互感式电感传感器一、互感式电感传感器变隙式差动变压器输出特性变隙式差动变压器输出特性 变隙式差动变压器等效电路变隙式差动变压器等效电路 第四节第四节.电容式传感器电容式传感器 电容式传感器是将被测物理量的位移转换为电容量的变更，再通电容式传感器是将被测物理量的位移转换为电容量的变更，再通过配套的测量电路，将电容的变更转换为电信号输出。过配套的测量电路，将电容的变更转换为电信号输出。上式中：上式中：0 真空的介电常数；真空的介电常数；s 极板的遮盖面积；极板的遮盖面积；极板间相对介电系数；极板间相对介电系数；两平行极板间的距离。两平行极板间的距离。两极板间的电容量两极板间的电容量第四节第四节.电容式传感器电容式传感器一、变极板间隙型电容传感器一、变极板间隙型电容传感器传感器固定一块极板，而使另一传感器固定一块极板，而使另一块极板移动，从而来变更间隙块极板移动，从而来变更间隙以引起电容的变更以引起电容的变更设间隙有一变更量设间隙有一变更量，则有：，则有：电容传感器的灵敏度电容传感器的灵敏度 实际应用中为提高传感器的灵实际应用中为提高传感器的灵敏度，常接受差动式结构敏度，常接受差动式结构第四节第四节.电容式传感器电容式传感器二、变面积型电容传感器二、变面积型电容传感器变更电容器极板面积获得电容传感器输出变更变更电容器极板面积获得电容传感器输出变更第四节第四节.电容式传感器电容式传感器三、变介电常数型电容传感器三、变介电常数型电容传感器输出电容输出电容C与液面高度成线性关系与液面高度成线性关系容器内介质的介电常数容器内介质的介电常数容器上面气体介质介电常数容器上面气体介质介电常数第四节第四节.电容式传感器电容式传感器此方法可用来对不同材料如此方法可用来对不同材料如纸、塑料膜、合成纤维等的纸、塑料膜、合成纤维等的厚度进行测定厚度进行测定三、变介电常数型电容传感器三、变介电常数型电容传感器 应用应用此方法可用来测量位移此方法可用来测量位移第五节第五节.压电式传感器压电式传感器一些物质在外力作用下表面会产生电荷；一些物质在外力作用下表面会产生电荷；压电传感器工作原理，基于某些物质的压电效应；压电传感器工作原理，基于某些物质的压电效应；压电传感器是力敏感元件，主要用于测量可转换成力的物理压电传感器是力敏感元件，主要用于测量可转换成力的物理量，如压力、加速度等。量，如压力、加速度等。一、工作原理一、工作原理 压电效应压电效应u 压电效应：某些电介质，当沿着确定方向对其施力而使它变形压电效应：某些电介质，当沿着确定方向对其施力而使它变形时，内部就产生极化现象，同时在它的两个表面上便产生符号相时，内部就产生极化现象，同时在它的两个表面上便产生符号相反的电荷，当外力去掉后，又重新复原到不带电状态。反的电荷，当外力去掉后，又重新复原到不带电状态。u 压电材料受力变形，在表面产生电荷压电材料受力变形，在表面产生电荷 正压电效应正压电效应 u 压电材料通电压，材料变形压电材料通电压，材料变形 逆压电效应逆压电效应 u 压电材料压电材料u 压电晶体压电晶体u 压电陶瓷压电陶瓷第五节第五节.压电式传感器压电式传感器F F F FF FF F 一、工作原理一、工作原理 压电效应压电效应压电效应示意图压电效应示意图压电效应的可逆性压电效应的可逆性 逆压电效应逆压电效应电能电能电能电能机械能机械能机械能机械能正压电效应正压电效应第五节第五节.压电式传感器压电式传感器(a)晶体外形；晶体外形；(b)切割方向；切割方向；(c)晶片晶片 一、工作原理一、工作原理 石英晶体石英晶体x方向方向,为电轴；为电轴；y方向方向,为力轴；为力轴；Z方向方向,为光轴为光轴.第五节第五节.压电式传感器压电式传感器二、工作原理二、工作原理 压电元件连接方式压电元件连接方式(a)相同极性端粘结相同极性端粘结(b)不同极性端粘结不同极性端粘结 并联接法输出电荷大，本身电容并联接法输出电荷大，本身电容大，大，时间常数大，适宜用在测量时间常数大，适宜用在测量慢变信号并且以电荷作为输出量的慢变信号并且以电荷作为输出量的场合。场合。串联接法输出电压大，本身电容串联接法输出电压大，本身电容小，适宜用于以电压作输出信号，小，适宜用于以电压作输出信号，并且测量电路输入阻抗很高的场合。并且测量电路输入阻抗很高的场合。第五节第五节.压电式传感器压电式传感器二、工作原理二、工作原理 压电传感器的测量电路压电传感器的测量电路u 压电传感器本身的内阻抗很高，而输出能量较小，因此它的压电传感器本身的内阻抗很高，而输出能量较小，因此它的测量电路通常须要接入一个高输入阻抗前置放大器。测量电路通常须要接入一个高输入阻抗前置放大器。u 前置放大器作用：一是把它的高输出阻抗变换为低输出阻抗；前置放大器作用：一是把它的高输出阻抗变换为低输出阻抗；二是放大传感器输出的微弱信号。二是放大传感器输出的微弱信号。u 压电传感器的输出可以是电压信号，也可以是电荷信号，因压电传感器的输出可以是电压信号，也可以是电荷信号，因此前置放大器也有两种形式：电压放大器和电荷放大器。此前置放大器也有两种形式：电压放大器和电荷放大器。第五节第五节.压电式传感器压电式传感器二、工作原理二、工作原理 电压放大器电压放大器等效等效等效电阻等效电阻传感器的电容值传感器的电容值传感器的绝缘电阻传感器的绝缘电阻传感器的分布电容传感器的分布电容放大器的输入电阻放大器的输入电阻放大器的输入电容放大器的输入电容等效电容等效电容第五节第五节.压电式传感器压电式传感器二、工作原理二、工作原理 电压放大器电压放大器压电常数压电常数总电荷量总电荷量经电阻经电阻 R 漏掉，获得电压漏掉，获得电压 e，作用在晶片上的交变力作用在晶片上的交变力使电容使电容 C充电获得电压充电获得电压 e，第五节第五节.压电式传感器压电式传感器二、工作原理二、工作原理 电压放大器电压放大器作用在压电晶片上的是交变力作用在压电晶片上的是交变力解微分方程得解微分方程得不适合测静态信号不适合测静态信号输出随输出随 F 变更，高频特性好变更，高频特性好 与与 成正比，低频特性差成正比，低频特性差 第五节第五节.压电式传感器压电式传感器二、工作原理二、工作原理 电荷放大器电荷放大器n电荷放大器是与输出电荷量成正电荷放大器是与输出电荷量成正的前置放大器。的前置放大器。n将压电传感器视为将压电传感器视为电荷源电荷源。放大器的输入端电压放大器的输入端电压放大器的输出端电压放大器的输出端电压u输出仅与电荷量输出仅与电荷量 Q 和反馈电容和反馈电容 Cf 有关，与增益有关，与增益 A 和分和分布电容布电容 Cc 无关无关.第六节第六节.磁电式传感器磁电式传感器磁电式传感器，把被测参数的变更转换为感应电动势磁电式传感器，把被测参数的变更转换为感应电动势的传感器。的传感器。具有具有 匝线圈的感应电动势匝线圈的感应电动势 的值，取决于穿过线圈的值，取决于穿过线圈的磁通量的变华率，即的磁通量的变华率，即感应电动势感应电动势磁通量变更率磁通量变更率线圈匝数线圈匝数磁场强度磁场强度磁路磁阻磁路磁阻线圈的运动速度线圈的运动速度第六节第六节.磁电式传感器磁电式传感器（1）传感器线圈在磁场中作直线运动，感应电动）传感器线圈在磁场中作直线运动，感应电动 势势 为：为：，磁场气隙磁感应强度；，磁场气隙磁感应强度；，线圈导线总的长度；，线圈导线总的长度；，线圈和磁铁间相对运动的线速度；，线圈和磁铁间相对运动的线速度；，运动方向和磁感应矢量间的夹角。，运动方向和磁感应矢量间的夹角。（2）传感器线圈在磁场中作旋转运动，感应电动）传感器线圈在磁场中作旋转运动，感应电动 势势 为：为：第六节第六节.磁电式传感器磁电式传感器 ，磁场气隙磁感应强度；，磁场气隙磁感应强度；，线圈导线总的截面积；，线圈导线总的截面积；，线圈和磁铁间相对运动的角速度；，线圈和磁铁间相对运动的角速度；，运动方向和磁感应矢量间的夹角。，运动方向和磁感应矢量间的夹角。（3）传感器的输出以感应电动势的频率）传感器的输出以感应电动势的频率 表示：表示：，输出信号频率；，输出信号频率；，被测件的转速，被测件的转速(r/min)；，圆周上的齿数。，圆周上的齿数。第六节第六节.磁电式传感器磁电式传感器u 几乎全部物质的电阻率都随本身温度的变更而变更几乎全部物质的电阻率都随本身温度的变更而变更 热电阻效应热电阻效应u 依据电阻和温度之间的函数关系，可以将温度变更量转换为相应的依据电阻和温度之间的函数关系，可以将温度变更量转换为相应的电参量，从而实现温度的电测量电参量，从而实现温度的电测量u 利用这一原理制成的温度敏感元件称为热电阻利用这一原理制成的温度敏感元件称为热电阻u 热电阻材料可分为金属热电阻和半导体热电阻热电阻材料可分为金属热电阻和半导体热电阻热电式传感器，将温度变更转化为电量变更的传感器。热电式传感器，将温度变更转化为电量变更的传感器。第七节第七节.热电式传感器热电式传感器最常用的两种：最常用的两种：热电阻：将温度变更转换为电阻变更的传感器热电阻：将温度变更转换为电阻变更的传感器 热电偶：将温度变更转化为电动势变更热电偶：将温度变更转化为电动势变更一、热电阻式传感器一、热电阻式传感器一、热电阻式传感器一、热电阻式传感器 金属热电阻金属热电阻第七节第七节.热电式传感器热电式传感器金属热电阻阻值金属热电阻阻值，温度为，温度为 t 时电阻值时电阻值在在0630.74范围内可用下式表示范围内可用下式表示，温度为，温度为 0 时电阻值时电阻值，导体的电阻温度系数，导体的电阻温度系数金属热电阻例金属热电阻例 铂电阻铂电阻在在-1900范围内为范围内为第七节第七节.热电式传感器热电式传感器金属热电阻例金属热电阻例 铜电阻铜电阻铜电阻阻值铜电阻阻值在在-50150的温度范围内，铜电阻与温度呈线性关系，其的温度范围内，铜电阻与温度呈线性关系，其电阻与温度的函数表达式为电阻与温度的函数表达式为 热电阻的结构：热电阻的结构：（1）一般热电阻）一般热电阻（2）铠装热电阻）铠装热电阻（3）薄膜热电阻）薄膜热电阻第七节第七节.热电式传感器热电式传感器一、热电阻式传感器一、热电阻式传感器 半导体热电阻半导体热电阻半导体热电阻阻值，随温度上升而以指数关系急剧下降半导体热电阻阻值，随温度上升而以指数关系急剧下降半导体电阻阻值半导体电阻阻值，在某一温度，在某一温度 时的电阻值时的电阻值，确定温度为，确定温度为 T 时的电阻值时的电阻值，常数，常数 按物理特性，可分为三类：按物理特性，可分为三类：（）负温度系数的热敏电阻，多用于温度测量和补偿；（）负温度系数的热敏电阻，多用于温度测量和补偿；（）正温度系数的热敏电阻，用于恒温、加热限制或温度开关；（）正温度系数的热敏电阻，用于恒温、加热限制或温度开关；（）临界温度系数的热敏电阻，用于温度开关。（）临界温度系数的热敏电阻，用于温度开关。热电效应原理图热电效应原理图 热电效应：热电效应：两种两种不同不同的金属的金属A和和B构成闭合回路，将两个接点构成闭合回路，将两个接点中的一个进行加热，使其温度为中的一个进行加热，使其温度为T，而另一点置于室温，而另一点置于室温T0中，则中，则在回路中会产生热电势，形成热电流，这一现象称为在回路中会产生热电势，形成热电流，这一现象称为热电效应热电效应 热电偶：热电偶：通常把两种不同金属的这种组合叫做通常把两种不同金属的这种组合叫做热电偶热电偶，A、B叫做叫做热电极热电极，温度高的接点叫做，温度高的接点叫做热端或工作端热端或工作端，而温度低的接点，而温度低的接点叫做叫做冷端或自由端冷端或自由端B BA AT T0 0T T第七节第七节.热电式传感器热电式传感器二、热电偶二、热电偶接触电势接触电势温差电势温差电势热电势热电势 EAB(T,T0)A AB BT TT0-eA(T,T0)eB(T,T0)eAB(T)eAB(T0)闭合回路总的热电势闭合回路总的热电势第七节第七节.热电式传感器热电式传感器二、热电偶二、热电偶 热电势热电势第七节第七节.热电式传感器热电式传感器二、热电偶二、热电偶 四条基本定律四条基本定律1.均质材料定律均质材料定律 2.假如热电偶回路中的两个热电极材料相同，无论两假如热电偶回路中的两个热电极材料相同，无论两接点的温度如何，热电动势均为零；反之，假如有热电动势接点的温度如何，热电动势均为零；反之，假如有热电动势产生，两个热电极的材料则确定是不同的。产生，两个热电极的材料则确定是不同的。依据这确定律，可以检验两个热电极材料的成分是否依据这确定律，可以检验两个热电极材料的成分是否相同（称为同名极检验法），也可以检查热电极材料的匀相同（称为同名极检验法），也可以检查热电极材料的匀整性。整性。第七节第七节.热电式传感器热电式传感器T0T0BTACT1CT0T1TBA材料材料C在在A和和B之间之间材料材料C在某一种导体中间在某一种导体中间2.中间导体定律中间导体定律在热电偶回路中接入第三种导体在热电偶回路中接入第三种导体C，只要第三种导体的两接，只要第三种导体的两接点温度相同，则回路中总的热电动势不变。点温度相同，则回路中总的热电动势不变。二、热电偶二、热电偶 四条基本定律四条基本定律第七节第七节.热电式传感器热电式传感器二、热电偶二、热电偶 四条基本定律四条基本定律B BB BA ATTn nTT T T0 0A AA AB B3.中间温度定律中间温度定律热电偶在热电偶在两接点温度两接点温度分别为分别为T、T0时的热电动势等于该热电时的热电动势等于该热电偶在偶在接点温度接点温度分别为分别为T、Tn和接点温度分别为和接点温度分别为Tn、T0时的相时的相应热电动势的代数和。应热电动势的代数和。即：即：二、热电偶二、热电偶 四条基本定律四条基本定律第七节第七节.热电式传感器热电式传感器4.标准电极定律标准电极定律假如两种导体分别与第三种导体组成的热电偶所产生的假如两种导体分别与第三种导体组成的热电偶所产生的热电动势已知，则由这两种导体组成的热电偶所产生的热电动势已知，则由这两种导体组成的热电偶所产生的热电动势也就可知热电动势也就可知T0TEAB(T,T0)ABT0TEAC(T,T0)ACT0TEBC(T,T0)BC三种导体分别组成的热电偶三种导体分别组成的热电偶第七节第七节.热电式传感器热电式传感器二、热电偶二、热电偶 常用热电偶的结构常用热电偶的结构（1）一般装配式热电偶）一般装配式热电偶接线盒接线盒保险套管保险套管绝缘套管绝缘套管热电偶丝热电偶丝1323214（2）铠装热电偶）铠装热电偶（3）薄膜热电偶）薄膜热电偶第七节第七节.热电式传感器热电式传感器二、热电偶二、热电偶 对热电极材料的要求对热电极材料的要求 测温范围内热电性能稳定，测量结果不随时间变更测温范围内热电性能稳定，测量结果不随时间变更 测量范围内，电极材料有足够的物理化学稳定性测量范围内，电极材料有足够的物理化学稳定性 热电势大，并与温度成单值线性关系热电势大，并与温度成单值线性关系 电阻温度系数小电阻温度系数小 材料复制性好，制造简洁，价格便宜材料复制性好，制造简洁，价格便宜材料热电性质材料热电性质 纯金属简洁复制，但热电动势小纯金属简洁复制，但热电动势小 合金的热电动势不大，复制也困难合金的热电动势不大，复制也困难 半导体热电势大，电阻的温度系数太小，复制也较困难半导体热电势大，电阻的温度系数太小，复制也较困难第七节第七节.热电式传感器热电式传感器二、热电偶二、热电偶 热电偶冷端温度补偿热电偶冷端温度补偿 当冷端温度恒定，热电偶产生的热电动势只随热端（工当冷端温度恒定，热电偶产生的热电动势只随热端（工作端作端T）温度的变更而变更，确定的热电动势对应着确定的）温度的变更而变更，确定的热电动势对应着确定的温度温度 冷端冷端T0受四周环境温度的影响，难以自行保持为受四周环境温度的影响，难以自行保持为0或或某确定值。因此，为减小测量误差，需对热电偶冷端实行某确定值。因此，为减小测量误差，需对热电偶冷端实行补偿措施，使其温度恒定补偿措施，使其温度恒定B BA AT T0 0T T热电效应原理图热电效应原理图第七节第七节.热电式传感器热电式传感器二、热电偶二、热电偶 冷端恒温法冷端恒温法 mV mVA AB BT T铜导线铜导线铜铜导导线线试试管管热电偶热电偶冰点槽冰点槽冰水溶液冰水溶液T T0 0仪表仪表冷端恒温法冷端恒温法 冰点槽法冰点槽法二、热电偶二、热电偶 补偿导线法补偿导线法第七节第七节.热电式传感器热电式传感器mVABT铜导线铜导线铜铜导导线线试试管管补偿导线补偿导线热电偶热电偶冰点槽冰点槽冰水溶液冰水溶液T0仪表仪表补偿导线补偿导线补偿导线法补偿导线法第七节第七节.热电式传感器热电式传感器二、热电偶二、热电偶 冷端补偿器法冷端补偿器法T0I2I1+ERSRTR3R1R2ATT0BUu 回路输出电压为回路输出电压为:U=E(T，T0)+(UAUB)u 只要能满足下式即可达只要能满足下式即可达到自动补偿的目的到自动补偿的目的 二、热电偶二、热电偶 冷端温度校正法冷端温度校正法第七节第七节.热电式传感器热电式传感器 若冷端温度恒定，但并非若冷端温度恒定，但并非0，要使测出的热电动势只，要使测出的热电动势只 反映热端的实际温度反映热端的实际温度 Tl，则必需对温度进行修正。，则必需对温度进行修正。修正公式如下：修正公式如下：查表查表查表查表实测实测第七节第七节.热电式传感器热电式传感器二、热电偶二、热电偶 热电动势的测量热电动势的测量TnT0T0TnRiMRLERtT测温电压计测温电压计单点测温线路单点测温线路 流过测温流过测温电压计电压计的电流为的电流为：第八节第八节.光电式传感器光电式传感器一、工作原理一、工作原理 光电传感器光电传感器，将光信号转换为电信号的传感器，将光信号转换为电信号的传感器 工作原理工作原理，利用某些金属或半导体物质的，利用某些金属或半导体物质的光电效应特性光电效应特性光电效应分为三类：光电效应分为三类：外光电效应，在光线作用下电子逸出物质表面，如光电管、光电外光电效应，在光线作用下电子逸出物质表面，如光电管、光电 AA倍增管倍增管 内光电效应，在光线作用下物体电阻率变更，光敏电阻内光电效应，在光线作用下物体电阻率变更，光敏电阻 光生伏特效应，在光线作用下物特产生确定方向电动势，光电光生伏特效应，在光线作用下物特产生确定方向电动势，光电AA池、光敏晶体管池、光敏晶体管第八节第八节.光电式传感器光电式传感器一、工作原理一、工作原理 光电传感器的几种形式光电传感器的几种形式 辐射源辐射源 A 发出的光通量干脆作用到光电元件上，并转换为发出的光通量干脆作用到光电元件上，并转换为电信号电信号 应用，光电高温计、比色高温计应用，光电高温计、比色高温计 光通量通过被测物体光通量通过被测物体 B 到达光电元件上，光电元件上的光到达光电元件上，光电元件上的光通量反映了被测物体对光的吸取程度通量反映了被测物体对光的吸取程度 应用，透光式烟度计应用，透光式烟度计第八节第八节.光电式传感器光电式传感器一、工作原理一、工作原理 光电传感器的几种形式光电传感器的几种形式 物体表面物体表面 C 反射光通量，光电元反射光通量，光电元件感受反射的光通量度件感受反射的光通量度 应用，测应用，测量物体表面粗糙度量物体表面粗糙度 光线被物体光线被物体 D 所阻挡，光电元件所阻挡，光电元件感受的光通量随物体感受的光通量随物体 D 的位移发生的位移发生变更变更 应用，测量位移应用，测量位移 光电元件反应出在单位时间内，光电元件反应出在单位时间内，通过光脉冲的数量通过光脉冲的数量 应用，光电转应用，光电转速计速计第八节第八节.光电式传感器光电式传感器二、光电转换元件二、光电转换元件 光电管光电管 光光阳极阳极光电阴极光电阴极光窗光窗光电管结构光电管结构 结构：光电管它们由阴极和阳极构成，密封在一只真空玻璃管内。阴极装在玻璃管内壁上，涂有光电放射材料。阳极置于玻璃管的中心 原理：光电管的阴极受光照射后，向真空放射光电子，光电子向阳极作加速运动，形成空间电子流，光电流的数值取决于阴极的灵敏度与光强第八节第八节.光电式传感器光电式传感器二、光电转换元件二、光电转换元件 光电管基本特性光电管基本特性 光谱特性，不同波长的光照射光电管，光电管上产生大光谱特性，不同波长的光照射光电管，光电管上产生大小不同的光电流，光电流小不同的光电流，光电流 I 与光波长与光波长 的关系曲线称为光的关系曲线称为光谱特性曲线谱特性曲线 光电特性，光电管在固定阳极电压下，光通量光电特性，光电管在固定阳极电压下，光通量 与光电与光电流流 I 之间的关系，称为光电特性之间的关系，称为光电特性 伏安特性，光电管在光通量伏安特性，光电管在光通量 确定的状况下，阳极电压确定的状况下，阳极电压与阳极电流的关系，称为伏安特性与阳极电流的关系，称为伏安特性第八节第八节.光电式传感器光电式传感器二、光电转换元件二、光电转换元件 光敏电阻光敏电阻光导效应，由于光线照射强弱而导致半导体电阻值变更的光导效应，由于光线照射强弱而导致半导体电阻值变更的现象现象暗电阻，光敏电阻在室条件下，无光照时具有的电阻值，暗电阻，光敏电阻在室条件下，无光照时具有的电阻值，称为暗电阻（称为暗电阻（1M），此时流过的电流称为暗电流），此时流过的电流称为暗电流亮电阻，光敏电阻在确定光照下所具有的电阻称其为在该亮电阻，光敏电阻在确定光照下所具有的电阻称其为在该光照下的亮电阻（光照下的亮电阻（1k），此时流过的电流称为亮电流），此时流过的电流称为亮电流光电流光电流=亮电流亮电流 暗电流暗电流第八节第八节.光电式传感器光电式传感器二、光电转换元件二、光电转换元件 光敏电阻光敏电阻 光照特性，在确定的偏压下，光光照特性，在确定的偏压下，光敏电阻的光电流与照射光强之间的敏电阻的光电流与照射光强之间的关系，称为光敏电阻的光照特性关系，称为光敏电阻的光照特性 光谱特性，表征光敏电阻对不同光谱特性，表征光敏电阻对不同波长的光其灵敏度不同的性质波长的光其灵敏度不同的性质第八节第八节.光电式传感器光电式传感器二、光电转换元件二、光电转换元件 光敏电阻光敏电阻 温度特性，光照确定的条件下，温度特性，光照确定的条件下，光敏电阻的阻值随温度的上升而下光敏电阻的阻值随温度的上升而下降降 伏安特性，在确定光照度下，光伏安特性，在确定光照度下，光敏电阻两端所加的电压与其光电流敏电阻两端所加的电压与其光电流之的关系，称为伏安特性之的关系，称为伏安特性第八节第八节.光电式传感器光