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1、传感器及其应用技术前前 言言传感器是机电一体化系统中各种各样设备和装置的传感器是机电一体化系统中各种各样设备和装置的“感觉器感觉器官官”，它将各种各样形态各异的信息量转换成能够被直接检，它将各种各样形态各异的信息量转换成能够被直接检测的信息。在当今信息社会的时代，如果没有传感器，现代测的信息。在当今信息社会的时代，如果没有传感器，现代科学技术将无法发展。传感器在机电一体化系统中乃至整个科学技术将无法发展。传感器在机电一体化系统中乃至整个现代科学技术领域占有极其重要的地位。现代科学技术领域占有极其重要的地位。本书是为了适应机电一体化系统对传感器技术的需要而编写本书是为了适应机电一体化系统对传感器

2、技术的需要而编写的。在形形色色的传感器种类当中，选择了机电一体化系统的。在形形色色的传感器种类当中，选择了机电一体化系统常用的一些传感器作为重点进行介绍。在第一章介绍传感器常用的一些传感器作为重点进行介绍。在第一章介绍传感器基本概念的基础上，第二章至第七章介绍了按工作原理分类基本概念的基础上，第二章至第七章介绍了按工作原理分类的传感器；第八章至第十一章介绍了按用途分类的传感器，的传感器；第八章至第十一章介绍了按用途分类的传感器，第十二章介绍了代表传感器发展趋势的智能传感器。第十二章介绍了代表传感器发展趋势的智能传感器。下一页返回前前 言言传感器输出信号的调理是传感器应用不可缺少的重要环节，传感

3、器输出信号的调理是传感器应用不可缺少的重要环节，第十三章在介绍了传感器输出信号特点的基础上，介绍了对第十三章在介绍了传感器输出信号特点的基础上，介绍了对其进行调理所需要的各种技术。随着计算机技术的发展及其其进行调理所需要的各种技术。随着计算机技术的发展及其在机电系统中的重要作用，讨论传感器的应用技术必然要涉在机电系统中的重要作用，讨论传感器的应用技术必然要涉及到计算机技术和传感器技术相结合的技术及到计算机技术和传感器技术相结合的技术计算机检测计算机检测和控制技术，第十四章比较系统地介绍了传感器的计算机接和控制技术，第十四章比较系统地介绍了传感器的计算机接口技术基础，其中包括单片机、工业口技术基

4、础，其中包括单片机、工业PC机与传感器信号的检机与传感器信号的检测接口和控制信号的输出接口等有关技术。为了使读者对机测接口和控制信号的输出接口等有关技术。为了使读者对机电一体化系统中基于传感器的计算机检测技术的认识更加形电一体化系统中基于传感器的计算机检测技术的认识更加形象化和具体化，第十五章从不同的角度介绍了基于传感器的象化和具体化，第十五章从不同的角度介绍了基于传感器的计算机检测系统的应用实例，第十六章计算机检测系统的应用实例，第十六章相关实验以提供实验相关实验以提供实验中的实验指导参考。中的实验指导参考。上一页 下一页返回前前 言言全书由黄鸿主编，其中第三、四、五、六、七、八、九、十、全

5、书由黄鸿主编，其中第三、四、五、六、七、八、九、十、十二章、十六章由黄鸿编写，第一、二、十一、十三、十四、十二章、十六章由黄鸿编写，第一、二、十一、十三、十四、十五章由吴石增编写。本书承北京理工大学陈绿深教授和清十五章由吴石增编写。本书承北京理工大学陈绿深教授和清华大学尔桂花副教授审阅并提出宝贵意见，在此一并表示感华大学尔桂花副教授审阅并提出宝贵意见，在此一并表示感谢。谢。限于水平，书中的遗漏和错误请读者批评指正。限于水平，书中的遗漏和错误请读者批评指正。编著者编著者上一页 下一页返回目目 录录第一章第一章传感器技术基础传感器技术基础第二章第二章热电式传感器热电式传感器第三章第三章压电式传感器

6、压电式传感器第四章第四章光电式传感器光电式传感器第五章第五章磁电式传感器磁电式传感器第六章第六章电容式传感器电容式传感器第七章第七章半导体式传感器半导体式传感器第八章第八章速度传感器速度传感器上一页 下一页返回目目 录录第九章第九章机械位移传感器机械位移传感器第十章第十章物体位置传感器物体位置传感器第十一章第十一章电流电压传感器电流电压传感器第十二章第十二章智能式传感器智能式传感器第十三章第十三章传感器信号的调理技术传感器信号的调理技术第十四章第十四章基于传感器的计算机接口技术基于传感器的计算机接口技术基础基础第十五章第十五章传感器测控系统应用举例传感器测控系统应用举例第十六章第十六章传感器及

7、其应用技术实验传感器及其应用技术实验上一页返回第一章 传感器技术基础第一节 机电一体化系统中物理量的测量与传感器第二节 传感器的定义和组成第三节 传感器的分类第四节 传感器的基本特征第一节 机电一体化系统中物理量的测量与传感器下一页返回 机电一体化系统的当中，大量地涉及到许多物理量的测量，根据对这些物理量测量的参数，来判断系统中机电设备的运行状态，从而对其进行调节，使之达到人们所期望的结果，以使机电设备运行在正常的工作状态或最佳的工作状态。机电设备中被测量的物理量种类很多，但根据物理量的特性来分，可分为两大类：电量和非电量。电量是指物理学中的电学量，如电压、电流、电阻、电容、电感等；非电量是指

8、电量之外的一些物理量，如速度、加速度、转速、温度、湿度、压力、流量、位移、重量、位置、色彩，等等。第一节 机电一体化系统中物理量的测量与传感器上一页 下一页返回科学技术的迅猛发展，使当今世界进入了信息化的时代。信息技术融入到机电设备当中，造就了机电一体化技术。机电一体化技术是机械技术与微电子技术、计算机技术、信息技术相结合的综合性高新技术。要把机电一体化系统设备中的物理量准确可靠的测量出来，以电信号的方式输入给计算机或其它电子设备，必须依赖电测量的方法。相对而言，电量的电测量比较容易，使用电工仪表和电子仪器就可以对一般的电量直接进行测量。对于非电量就不能直接使用电工仪表和电子仪器进行测量，而原

9、有的对非电量的测量方法已不能适应机电一体化系统的要求。这就要求对原有的非电量第一节 机电一体化系统中物理量的测量与传感器上一页 下一页返回测量方法加以改进和提高，采用新技术新方法。采用传感技术的非电量电测方法，就是人们在实践中不断摸索和提高，从而发展起来的测量方法。采用传感技术对非电量进行电测的方法，就是把被测非电量转换成与之有一定关系的电量，再进行测量的方法。实现这种转换技术的器件就是传感器。采用传感器对非电量进行电测具有以下的特点：（1）可进行微量检测，精度高、速度快。（2）可实现远距离遥测及遥控。（3）可实现无损检测。（4）能连续进行测量、记录和显示。第一节 机电一体化系统中物理量的测量

10、与传感器上一页返回（5）可采用计算机技术对测量数据进行运算、存储和处理，并根据处理结果对被测量对象进行工作状态的控制。（6）测量安全可靠。传感器不但在非电量的测量方面起着非常重要的作用。即使在电量的测量方面也往往不可缺少。例如在对电路中电压、电流的测量和控制。在很多情况下，就需要非接触式的测量方法，于是人们发明了互感式的电流传感器和电压传感器，在电量的测量当中起着非常重要的作用。由此可见，不管是对非电量的测量，还是对电量的测量都离不开传感器的支持，传感器是当今科学发展中不可缺少的自动化元件。第二节 传感器的定义和组成下一页返回从广义角度来讲,传感器是一种以一定的精确度把被测量转换为与之有确定对

11、应关系的、便于应用的某种物理量的测量器件或装置。这一定义包含了以下几方面的意思：（1）传感器是一种测量器件或装置，能完成检测任务。（2）它的输入量是某一被测量的量，在机电一体化系统中为物理量。（3）它的输出量是便于应用的某种物理量，在各种信号中便于传输、转换处理和显示的信号莫过于电信号，所以在机电一体化系统中传感器测量的输出采用电信号。（4）输出量与输出量之间有对应关系，并且有一定精确度。第二节 传感器的定义和组成上一页 下一页返回中华人民共和国国家标准（GB665-87）对传感器的定义也作了类同的阐述和规定，它对传感器的定义是：能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置

12、，通常由敏感元件和转换元件组成。其中敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分；转换元件是指传感器中能将敏感元件感受或响应的被测量转化成适于传输和测量的电信号部分。上面这般叙述，不但给传感器下了个定义，同时还阐明了传感器的组成。但从广义来讲，典型的传感器一般由敏感元件、转换元件、转换电路三部分组成。典型组成框图如图1-1所示：第二节 传感器的定义和组成上一页 下一页返回敏感元件：它是直接感受和响应被测量，并输出与被测量有一定对应关系的某一物理量的元件。转换元件：敏感元件的输出量就是它的输入量，它把输入量转换成电路参数量。但这个电路参数量往往需经转换后，才能被后续电路所应用。转换电路：它接

13、受转换元件所转换成的电路参数量，并把它转换成后续电路所能应用的电信号。第二节 传感器的定义和组成上一页 下一页返回图1-1框图所示的传感器的组成，是一般典型传感器的组成框图。实际上，有些传感器很简单，有些则较复杂。最简单的传感器只由一个敏感元件（兼转换元件）组成，它感受被测量时直接输出电量，如热电偶就是这样。如图1-2所示，两种不同材料A和B，一端连接在一起，放在被测温度中T，另一端与电位差计相接，温度为T0，则在回路中将产生一个与温度T、T0有关的电动势，从而进行温度测量。另外一些传感器只需有敏感元件和转换元件组成，不需要转换电路，如图1-3所示的压电式加速度传感器就属于此类。其中，质量m是

14、敏感元件，压电片是转换元件。第二节 传感器的定义和组成上一页返回敏感元件与转换元件在结构上时常是装在一起的，转换电路为了减小外界的干扰和影响也希望和它们装在一起，但由于空间的限制或者其它原因，转换电路常装载于测控箱内。尽管如此，由于不少传感器要在通过转换电路之后才能输出可用的电信号，从而决定了转换电路是传感器的组成部分之一。第三节 传感器的分类下一页返回传感器技术涉及到许多学科，它的分类方法很多，但在机电系统中常用的分类方法有两种，一种按被测的物理量来分；另一种是按传感器的工作原理来分。按被测物理量划分的传感器，常见的有：温度传感器、速度传感器、加速度传感器、压力传感器、位移传感器、流量传感器

15、、液位传感器、力传感器、扭矩传感器等。按照工作原理来分，可分为：（1）电学式传感器第三节 传感器的分类上一页 下一页返回电学式传感器是非电量电测技术当中应用较多的一种传感器，常用的有电阻式传感器、电容式传感器和电感式传感器，以及由此而派生出来的电触式、差动变压器、压磁式、容栅式、瓷电式等。电阻式传感器是利用变阻器将被测非电量转换为电阻信号的原理制成，一般有电位器式、触点变阻式、电阻应变片以及压阻式传感器。电容式传感器是利用改变电容的几何尺寸或改变介质的性质和含量，从而使电容量发生变化的原理制成。第三节 传感器的分类上一页 下一页返回电感式传感器是利用改变磁路几何尺寸、磁体位置来改变电感或互感的

16、电感量的原理而制成。磁电式传感器是利用电磁感应原理，把被测非电量转换成电量制成。（2）光电式传感器它是利用光电器件的光电效应和光学原理制成，它在非电量测量中占有重要的地位。主要用于光强、位移、转速、等参数的测量。（3）热电式传感器第三节 传感器的分类上一页 下一页返回它是利用某些物质的热电效应制成，主要用于温度的测量。（4）压电式传感器它是利用某些物质的压电效应制成。它是一种发电式的传感器，主要用于力加速度和振动等参数的测量。（5）半导体式传感器半导体式传感器是利用半导体的压阻效应、内光电效应、磁电效应等原理而制成，主要用于温度、湿度、压力、加速度、磁场等的测量。第三节 传感器的分类上一页返回

17、（4）其它原理的传感器有些传感器的工作原理具有两种以上原理的复合形式，如不少半导体式传感器就是几种不同原理传感器的复合形式。有的传感器不属于前5类，则可列入第6类。如微波式、射线式传感器等等。另外，根据传感器输出信号的形式，是模拟信号还是数字信号，也可分为模拟传感器和数字传感器等。第四节 传感器的基本特征下一页返回在运用机电一体化系统的设备进行科学试验和生产的过程中，需要对各种各样的参数进行检测和控制。它要求传感器能感受被测物理量，并将其转换成与被测物理量有一定函数关系的电量。传感器能否将这些处于不断变动当中的物理量不失真地变换成相应的电量，取决于传感器的基本特性。这里所说的基本特性主要是输出

18、与输入之间的关系。传感器的这一基本特性可用静态特性和动态特性来描述，当输入量为常量或变化极慢时，这一关系，就称为静态特性；当输入量随时间变化时，这一关系就称为动态特性。第四节 传感器的基本特征上一页 下一页返回一传感器的静态特性传感器的静态特性是指传感器的被测量数值处于稳定状态时，传感器输出与输入的关系。传感器静态特性的主要技术指标有：线性度、灵敏度、迟滞和重复性。1线性度传感器的输出与输入的关系在不考虑迟滞、蠕变等因素的情况下，其静态特性可用下面线性方程式来表示：1-1第四节 传感器的基本特征上一页 下一页返回式中：Y输出量；x 输入量；a0零点输出；a1理论灵敏度；a2、a3、a4an非线

19、性项系数。各项系数不同，决定了特性曲线的具体形式。但是传感器的输出与输入的关系都程度不同的存在着非线性问题，它用线性度来表示这一特性。传感器线性度是指输出-输入特性曲线与理论直线之间的最大偏差与输出满度值之比，即：第四节 传感器的基本特征上一页 下一页返回 (1-2)式中：rL线性度；max最大非线性绝对误差；Ym输出满度值。线性度又称为非线性误差.我们通常总是希望传感器的输出-输入特性曲线为线性，但实际的输出-输入特性只能接近线性，实际曲线与理论之间存在的偏差就是传感器的非线性误差。第四节 传感器的基本特征上一页 下一页返回2灵敏度 传感器的灵敏度是指传感器在稳定条件下，输出变化量Y和输入变

20、化量X的比值，其表达式为：（1-3）式中：K灵敏度，线性传感器的灵敏度是个常数；Y输出变化量X输入变化量3迟滞第四节 传感器的基本特征上一页 下一页返回 3迟滞传感器输入量增大行程期间（正行程）和输入量减小行程期间（反行程），输出-输入特性曲线不重合称为迟滞。迟滞误差一般以正反行程间输出的最大偏差与满量程输出的百分数来表示，其表达式为：(1-4)迟滞误差的另一名称叫回程误差，它是由于传感器机械部分不可避免地存在着间隙、摩擦及松动等原因所产生。第四节 传感器的基本特征上一页 下一页返回4重复性重复性是指传感器输入量按同一方向作全量程重复测量所得的输出-输入特性曲线不一致的程度。设正行程的最大重复

21、性偏差为Rmax1，反行程的最大重复性偏差为Rmax2，重复性偏差取这两个最大偏差中之较大者Rmax1，则重复性以Rmax与满量程输出Ym之比的百分数来表示，即(1-5)二传感器的动态特性第四节 传感器的基本特征上一页 下一页返回在实际的测量过程中，大量的被测物理量是随时间变化的动态信号。这就要求传感器的输出不仅能精确地反映被测量的大小，还要能正确的表现出被测量随时间变化的规律。这就要求了解传感器的动态特性。传感器的动态特性是指在测量动态信号时传感器的输出反映被测量的大小和随时间变化的特性。总的说来，传感器动态特性取决于传感器本身，另一方面也与被测量的变化形式有关。一般来说，传感器的动态特性的

22、主要技术指标有：频率特性、响应时间、临界速度等。第四节 传感器的基本特征上一页 下一页返回传感器一般有若干环节所组成。这些环节，可能是模拟环节，也可能是数字环节。有些传感器可能兼有两种环节，这时就要分别研究不同环节的动态特性，其中薄弱者决定了整个传感器的动态特性。周期性的复杂周期输入正弦周期输入动态特性还与被测量的变化相关。动态测量输入信号可按以下分类：第四节 传感器的基本特征上一页 下一页返回第四节 传感器的基本特征上一页 下一页返回在研究动态特性时，要根据有“规律性”的输入来鉴别传感器的响应特性。对于复杂周期输入信号可以分解为各种谐波，所以用正弦周期输入信号来代替。其它瞬变输入一般可用阶跃

23、输入来代替。为此，动态测量输入信号的“标准”输入只有三种：正弦周期输入、阶跃输入和线性输入。对于那些不符合三种“标准”的输入，要进行细分，以相对微观的过程找出符合三种“标准”的变化规律进行处理。(一)模拟式传感器的动态特性为了分析模拟式传感器的动态特性，首先要建立它的数学模型，求出传递函数。第四节 传感器的基本特征上一页 下一页返回一般情况下，传感器输出信号y与被测量x之间的关系可用下面函数表达式进行表达：(1-6)对于大多数传感器在其工作点附近一定范围内，其数学模型可用线性微分方程来表示，即：(1-7)第四节 传感器的基本特征上一页 下一页返回设x(t)、y(t)的初始条件为零，对上式两边逐

24、项进行拉式变换，可得：(1-8)由此可求出初始条件下输出信号的拉式变换Y(s)与输入信号拉式变换X(s)的比值 (1-9)这一比值W(s)被定义为传感器的传递函数，第四节 传感器的基本特征上一页 下一页返回传递函数是拉式变换算子s的有理分式，所有系数an.a1、a0及bn.b1、b0都是实数，这是由传感器的结构参数决定的。分子的阶次m不能大于分母的阶次n，这是由物理条件决定的。分母的阶次用来代表传感器的特性，n=0时称为零阶，n=1时称为一阶，n=2时称为二阶，更大时称为高阶。以上讨论了模拟式传感器一般情况下的动态特性数学模型和传递函数的函数表达式。但在实际测量当中，还要根据不同传感器的特性来

25、建立具体的数学模型和传递函数，来讨论和处理它们的动态特性。第四节 传感器的基本特征上一页返回（二）数字式传感器的动态特性 对数字式传感器而言，其主要问题就是在工作中不要丢数，为达到这一目的，输入量的变化速度就是一个关键性的因素。因此，对数字式传感器动态特性的主要要求只有一项，即输入量的临界速度。数字式传感器可分为增量码式、绝对码式、频率式几种。不同形式的细分电路不尽相同，后续电路也不相同，影响临界速度的因素也不会相同。一般来说，主要影响因素有：（1）模拟环节的频率特性；（2）细分电路的影响能力；（3）逻辑部件的响应时间；（4）采样频率等。图1-1 典型传感器的组成框图 返回图1-2 热电偶返回

26、 图1-3 压电式加速度传感器 返回第二章第二章 热电式传感器热电式传感器第一节第一节热电偶传感器热电偶传感器第二节第二节热电阻传感器热电阻传感器第三节第三节热敏电阻热敏电阻第四节第四节石英温度传感器石英温度传感器第五节第五节半导体温度传感器半导体温度传感器第六节第六节集成温度传感器集成温度传感器第七节第七节温度传感器应用电路实例温度传感器应用电路实例第一节第一节 热电偶传感器热电偶传感器一一热电偶的工作原理及构成热电偶的工作原理及构成把两根不同材料的导体或半导体把两根不同材料的导体或半导体A、B连接成一个闭合回路，连接成一个闭合回路，如如图图21所示，当两导体两个接点所示，当两导体两个接点1

27、和和2处于不同温度处于不同温度T和和T0时，则在两导体间产生热电势，回路中有一定的电流。利用时，则在两导体间产生热电势，回路中有一定的电流。利用这种热电效应所构成的传感器称为热电偶。这种热电效应所构成的传感器称为热电偶。常用的热电偶由两根不同的导线组成，它们的一段焊接在一常用的热电偶由两根不同的导线组成，它们的一段焊接在一起，叫做热端（又称测量端）放到被测介质中；不联接的两起，叫做热端（又称测量端）放到被测介质中；不联接的两个自由端叫做冷端（又称参比端），与测量仪表相联接，如个自由端叫做冷端（又称参比端），与测量仪表相联接，如图图22所示。所示。下一页返回第一节第一节 热电偶传感器热电偶传感器

28、当热端与冷端有温度差时，回路中即有热电势产生，测量仪当热端与冷端有温度差时，回路中即有热电势产生，测量仪表便根据热电偶的热电势测出被测介质的温度。这里，热电表便根据热电偶的热电势测出被测介质的温度。这里，热电偶的热电势是随着介质的温度变化而变化的，其量值关系可偶的热电势是随着介质的温度变化而变化的，其量值关系可由式（由式（21）所表示：）所表示：式中：式中：热电偶的热电势，单位热电偶的热电势，单位V；温度为温度为T时的热电势，单位时的热电势，单位V；温度为温度为T0时的热电势，单位时的热电势，单位V。上一页 下一页返回（21）第一节第一节 热电偶传感器热电偶传感器热电势是由两种导体的接触电势和

29、单一导体的温差电势所组热电势是由两种导体的接触电势和单一导体的温差电势所组成。热电势的大小与两种导体材料的性质及结点温度有关，成。热电势的大小与两种导体材料的性质及结点温度有关，而与电极的几何尺寸无关。而与电极的几何尺寸无关。在通常的测量中要求冷端的温度恒定，此时热电偶的热电势在通常的测量中要求冷端的温度恒定，此时热电偶的热电势就是被测温度的单值函数，即：就是被测温度的单值函数，即：二二常用的热电偶常用的热电偶组成热电偶的两根热偶丝叫热电极，根据热电效应原理，任组成热电偶的两根热偶丝叫热电极，根据热电效应原理，任何两种不同质的导体都可以作为热电极组成热电偶。但实际何两种不同质的导体都可以作为热

30、电极组成热电偶。但实际情况并非如此，对它们还必须经过严格的选择。热电极材料情况并非如此，对它们还必须经过严格的选择。热电极材料应满足以下要求：应满足以下要求：(1)制成热电偶的热电势应该较大，热电势和被测温度之间尽制成热电偶的热电势应该较大，热电势和被测温度之间尽量地呈线形关系；量地呈线形关系；(2)化学稳定性好，不易氧化和腐蚀；化学稳定性好，不易氧化和腐蚀；(3)复现性好，响应速度快。复现性好，响应速度快。上一页 下一页返回（22）第一节第一节 热电偶传感器热电偶传感器根据以上要求，适于制作热电偶的材料有根据以上要求，适于制作热电偶的材料有300多种，到目前多种，到目前为止，国际电工委员会已

31、将其中七种推荐为标准化热电偶。为止，国际电工委员会已将其中七种推荐为标准化热电偶。下面介绍几种广泛使用的热电偶：下面介绍几种广泛使用的热电偶：1铂铑铂热电偶铂铑铂热电偶其正极是由其正极是由90%铂和铂和10%铑的合金铂铑丝制成，纯铂为负铑的合金铂铑丝制成，纯铂为负极。它具有测量精度高、稳定性好、抗氧化性能好等特点。极。它具有测量精度高、稳定性好、抗氧化性能好等特点。它可在它可在1300以下内长期使用，短期可测以下内长期使用，短期可测1600高温。高温。LB热电偶材料为贵金属，成本较高。热电偶材料为贵金属，成本较高。2铜铜康铜热电偶康铜热电偶纯铜为正极，负极为纯铜为正极，负极为60%铜和铜和40

32、%镍的康铜合金，但测量镍的康铜合金，但测量0以下温度时，极性相反。该类热电偶属低温热电偶，主要以下温度时，极性相反。该类热电偶属低温热电偶，主要用于用于200300范围内温度的测量。它具有稳定性好、范围内温度的测量。它具有稳定性好、均匀性好，但电极容易老化的特点。均匀性好，但电极容易老化的特点。上一页 下一页返回第一节第一节 热电偶传感器热电偶传感器3镍铬镍铬镍硅热电偶镍硅热电偶镍铬为正极，镍硅为负极。测量温度范围为镍铬为正极，镍硅为负极。测量温度范围为50130。它的化学稳定性较高，复制性好，产生热电势大，线性好，它的化学稳定性较高，复制性好，产生热电势大，线性好，价格便宜。价格便宜。4镍铬

33、考铜热电偶镍铬考铜热电偶其正极是镍铬合金，负极是镍铜的合金考铜。它适宜于其正极是镍铬合金，负极是镍铜的合金考铜。它适宜于800以下温度的测量。它的特点是热电势大、灵敏度高、以下温度的测量。它的特点是热电势大、灵敏度高、抗氧化性能好，价格低。抗氧化性能好，价格低。5铂铑铂铑30铂铑铂铑6热电偶热电偶其正极是其正极是70%铂和铂和30%铑的合金，负极是铑的合金，负极是94%铂和铂和6%铑的合金。它具有测量精度高、稳定性好和抗氧化性铑的合金。它具有测量精度高、稳定性好和抗氧化性能强的特点。它可以在能强的特点。它可以在1600下长期使用，适用于高温测下长期使用，适用于高温测量。量。上一页 下一页返回第

34、一节第一节 热电偶传感器热电偶传感器6钨铼钨铼5钨铼钨铼20热电偶热电偶其正极是其正极是95%钨和钨和5%铼的合金，负极是铼的合金，负极是80%钨和钨和20%铼的合金。它是一种较好的超高温热电偶，其最高使铼的合金。它是一种较好的超高温热电偶，其最高使用温度受绝缘材料的限制，一般可达用温度受绝缘材料的限制，一般可达2400，在真空中用，在真空中用裸丝测量时可用到更高的温度测量。它的性能稳定，可在裸丝测量时可用到更高的温度测量。它的性能稳定，可在氧气中连续使用氧气中连续使用100小时，真空中使用小时，真空中使用8小时，精度稳定在小时，精度稳定在1%以内。以内。三三热电偶的温度补偿热电偶的温度补偿热

35、电偶的输出电势是冷热两端温度差的函数，只有当其冷热电偶的输出电势是冷热两端温度差的函数，只有当其冷端温度保持不变的情况下，热电势才是被测温度的单值函端温度保持不变的情况下，热电势才是被测温度的单值函数。一般将数。一般将T作为被测温度端（热端），作为被测温度端（热端），T0作为参比温度端作为参比温度端（冷端）。通常要求（冷端）。通常要求T0保持为保持为0，但在实际使用时，由于，但在实际使用时，由于热电偶的两端离的很近，冷端又暴露在空气中，受其环境热电偶的两端离的很近，冷端又暴露在空气中，受其环境温度的影响，冷端的温度很难保持恒定的温度的影响，冷端的温度很难保持恒定的0，于是就产生，于是就产生了热

36、电偶冷端补偿的问题。下面介绍两种常用的进行温度了热电偶冷端补偿的问题。下面介绍两种常用的进行温度补偿的方法。补偿的方法。上一页 下一页返回第一节第一节 热电偶传感器热电偶传感器1冷端导线延伸补偿法冷端导线延伸补偿法为了使热电偶的冷端温度保持恒定（最好为为了使热电偶的冷端温度保持恒定（最好为0），常用导），常用导线将热电偶的冷端延伸出来，使其置于恒温环境中如线将热电偶的冷端延伸出来，使其置于恒温环境中如图图23所示。延伸用的导线在一定温度范围内（所示。延伸用的导线在一定温度范围内（01000）。）。应具有和所连热电偶相同的热电偶相同的热电性能。应具有和所连热电偶相同的热电偶相同的热电性能。2电桥

37、补偿法电桥补偿法利用不平衡电桥所产生的电势来补偿热电偶因冷端温度变利用不平衡电桥所产生的电势来补偿热电偶因冷端温度变化所引起热电势变化进行补偿的方法称为电桥补偿法。它化所引起热电势变化进行补偿的方法称为电桥补偿法。它由电阻温度系数很小的锰铜丝制成的电阻由电阻温度系数很小的锰铜丝制成的电阻R1、R2、R3，和，和温度系数较大的铜丝制成的电阻温度系数较大的铜丝制成的电阻RT连接成如连接成如图图24所示的所示的不平衡电桥。电桥的不平衡电桥。电桥的4个电阻均和热电偶的冷端处在同一个个电阻均和热电偶的冷端处在同一个环境温度，但由于环境温度，但由于RT的阻值随环境温度变化而变化，使电的阻值随环境温度变化而

38、变化，使电桥产生的不平衡电压的大小和极性随着环境温度的变化而桥产生的不平衡电压的大小和极性随着环境温度的变化而变化，从而达到自动补偿的目的。变化，从而达到自动补偿的目的。上一页返回第二节第二节 热电阻传感器热电阻传感器一一热电阻的工作原理热电阻的工作原理导体或半导体的电阻常随温度变化而变化的现象称为热电阻导体或半导体的电阻常随温度变化而变化的现象称为热电阻效应，利用具有热电阻效应的导体或半导体制成的传感器叫效应，利用具有热电阻效应的导体或半导体制成的传感器叫做热电阻传感器。做热电阻传感器。热电阻传感器按电阻温度特性的不同可分为金属热电阻和热电阻传感器按电阻温度特性的不同可分为金属热电阻和半导体

39、热电阻两大类。金属热电阻其电阻温度特性表现为半导体热电阻两大类。金属热电阻其电阻温度特性表现为当温度升高时其电阻增大，而半导体热电阻随温度升高其电当温度升高时其电阻增大，而半导体热电阻随温度升高其电阻反而减小。一般把金属热电阻称为热电阻，而把半导体热阻反而减小。一般把金属热电阻称为热电阻，而把半导体热电阻称为热敏电阻。电阻称为热敏电阻。热电阻传感器的主要特点是：热电阻传感器的主要特点是：测量精度高测量精度高测量范围大测量范围大易于在自动测量和远距离测量中使用易于在自动测量和远距离测量中使用与热电偶传感器相比，与热电偶传感器相比，没有参比端误差问题。没有参比端误差问题。下一页返回第二节第二节 热

40、电阻传感器热电阻传感器热电阻传感器一般常用于热电阻传感器一般常用于200500温度的测量，随着温度的测量，随着技术的发展，其测量范围也在不断扩展，低温方面已成功地技术的发展，其测量范围也在不断扩展，低温方面已成功地应用于应用于13k的温度测量，高温方面也出现了多种用于的温度测量，高温方面也出现了多种用于10001300温度测量的传感器。温度测量的传感器。二二热电阻材料及特点热电阻材料及特点热电阻有热电阻丝、绝缘骨架、引出导线等部件组成，其中热电阻有热电阻丝、绝缘骨架、引出导线等部件组成，其中热电阻丝是热电阻的主体。热电阻丝的材料应具备以下特点：热电阻丝是热电阻的主体。热电阻丝的材料应具备以下特

41、点：（1）大而稳定的温度系数，以便提高热电阻的灵敏度；）大而稳定的温度系数，以便提高热电阻的灵敏度；（2）大的电阻率，以减小电阻体的体积；）大的电阻率，以减小电阻体的体积；（3）在测量范围内，要有稳定的化学和物理性能；）在测量范围内，要有稳定的化学和物理性能；（4）热容量尽量小，以提高热电阻的响应速度；）热容量尽量小，以提高热电阻的响应速度；（5）良好的输出特性，即电阻随温度的变化接近于线性关系。）良好的输出特性，即电阻随温度的变化接近于线性关系。上一页 下一页返回第二节第二节 热电阻传感器热电阻传感器根据上述要求，纯金属是制造热电阻的主要材料。目前，广根据上述要求，纯金属是制造热电阻的主要材

42、料。目前，广泛使用的热电阻材料有铂、铜、镍、铁等。这些材料的电阻泛使用的热电阻材料有铂、铜、镍、铁等。这些材料的电阻率与温度的关系，一般都可近似用下面的二次方程来描述；率与温度的关系，一般都可近似用下面的二次方程来描述；式中：式中：电阻率；电阻率；t温度，单位温度，单位；a、b、c由实验确定的常量。由实验确定的常量。三三常用热电阻常用热电阻1铂热电阻铂热电阻铂是一种贵金属，它的性能稳定、重复性好、精度高，由它铂是一种贵金属，它的性能稳定、重复性好、精度高，由它做成的热电阻是一种国际公认的成熟产品，在工业中得到了做成的热电阻是一种国际公认的成熟产品，在工业中得到了广泛的应用。铂电阻的使用温度范围

43、是广泛的应用。铂电阻的使用温度范围是200650，其，其阻值与温度变化的关系可近似用下式表示：阻值与温度变化的关系可近似用下式表示：上一页 下一页返回（23）第二节第二节 热电阻传感器热电阻传感器在在2000范围内范围内（24）在在0650范围内范围内（25）式中：式中：R0、Rt分别为分别为0和和时的电阻值，单位时的电阻值，单位。对于常用的工业铂电阻：对于常用的工业铂电阻：A4.273501012/4B5.802107/2C3.90802103/上一页 下一页返回第二节第二节 热电阻传感器热电阻传感器2.铜热电阻铜热电阻由于铂是贵金属，使得铂热电阻造价较高，为此，在一些精由于铂是贵金属，使得

44、铂热电阻造价较高，为此，在一些精度要求不高而且被测温度较低的场合，一般采用铜热电阻。度要求不高而且被测温度较低的场合，一般采用铜热电阻。铜热电阻的主要性能特点为铜热电阻的主要性能特点为:（1）测量范围）测量范围50180；（2）在测量范围内有良好的电阻）在测量范围内有良好的电阻温度线性关系；温度线性关系；（3）与铂电阻相比，电阻的温度系数高，电阻率低；）与铂电阻相比，电阻的温度系数高，电阻率低；（4）工艺性好，价格便宜；）工艺性好，价格便宜；（5）容易氧化，不适宜于在腐蚀性介质下工作。在使用温度）容易氧化，不适宜于在腐蚀性介质下工作。在使用温度范围内，铜热电阻的特性方程为：范围内，铜热电阻的特

45、性方程为：（26）式中：式中：Rt铜热电阻在铜热电阻在时电阻值，单位时电阻值，单位；R0铜热电阻在铜热电阻在0时的电阻值，单位时的电阻值，单位；温度系数，铜一般为温度系数，铜一般为4.25103/4.28103/上一页返回第三节第三节 热敏电阻热敏电阻一一热敏电阻的工作原理热敏电阻的工作原理上一节以提到把半导体热电阻称为热敏电阻，它的特性与金上一节以提到把半导体热电阻称为热敏电阻，它的特性与金属构成的热电阻有明显的不同，其主要表现为以下两点：属构成的热电阻有明显的不同，其主要表现为以下两点：（1）金属热电阻其阻值随温度按照近似的线性关系缓慢变化，）金属热电阻其阻值随温度按照近似的线性关系缓慢变

46、化，而半导体热电阻的阻值随温度的升高而成非线性急剧变化。而半导体热电阻的阻值随温度的升高而成非线性急剧变化。（2）金属热电阻有正的温度系数，其阻值随温度升高而增大，）金属热电阻有正的温度系数，其阻值随温度升高而增大，而半导体热电阻中的大多数具有负的温度系数，其阻值随温而半导体热电阻中的大多数具有负的温度系数，其阻值随温度升高而急剧减小，只有少数具有正的温度系数。度升高而急剧减小，只有少数具有正的温度系数。下一页返回第三节第三节 热敏电阻热敏电阻图图25给出了具有负温度系数的热敏电阻与金属热电阻相对给出了具有负温度系数的热敏电阻与金属热电阻相对照的温度特性曲线，它反映了半导体热敏电阻和金属热电阻

47、照的温度特性曲线，它反映了半导体热敏电阻和金属热电阻以上两点显著不同的特性。由该图可知热敏电阻与金属电阻以上两点显著不同的特性。由该图可知热敏电阻与金属电阻相比灵敏度极高，在温度变化相同的情况下，热敏电阻阻值相比灵敏度极高，在温度变化相同的情况下，热敏电阻阻值的变化约为铂热电阻的的变化约为铂热电阻的10倍以上，为此它可以用来测量很小倍以上，为此它可以用来测量很小的温度差异，具有较高的灵敏度。的温度差异，具有较高的灵敏度。半导体热敏电阻绝大多数具有负温度系数的特性，这是因为半导体热敏电阻绝大多数具有负温度系数的特性，这是因为半导体是载流子（电子、空穴）导电方式所致。由于半导体半导体是载流子（电子

48、、空穴）导电方式所致。由于半导体中载流子的数目远比金属中的自由电子少的多，所以它的电中载流子的数目远比金属中的自由电子少的多，所以它的电阻率很大。随着温度的升高，半导体中参加导电的载流子数阻率很大。随着温度的升高，半导体中参加导电的载流子数目就会增多，其导电率随之增加，它的电阻率也就降低了。目就会增多，其导电率随之增加，它的电阻率也就降低了。至于有少数的半导体热敏电阻具有正的温度系数，那是它们至于有少数的半导体热敏电阻具有正的温度系数，那是它们的载流子随温度的升高反而减少的特性所引起的。的载流子随温度的升高反而减少的特性所引起的。上一页 下一页返回第三节第三节 热敏电阻热敏电阻热敏电阻就是根据

49、半导体的电阻值随温度显著变化的特性制热敏电阻就是根据半导体的电阻值随温度显著变化的特性制成的热敏元件。大多数热敏电阻是由各种氧化物按一定比例成的热敏元件。大多数热敏电阻是由各种氧化物按一定比例混合烧结而成的。混合烧结而成的。二二热敏电阻的特点和主要参数热敏电阻的特点和主要参数1.特点特点相对一般的金属热电阻来说，热敏电阻的主要特点如下：相对一般的金属热电阻来说，热敏电阻的主要特点如下：(1)电阻温度系数大，灵敏度高，比一般金属电阻大电阻温度系数大，灵敏度高，比一般金属电阻大10100倍；倍；(2)结构简单，体积小，可以测量点温度；结构简单，体积小，可以测量点温度；(3)电阻率高，热惯性小，适宜

50、动态测量；电阻率高，热惯性小，适宜动态测量；(4)阻值与温度的变化呈线性关系阻值与温度的变化呈线性关系(5)测量范围较小，不宜在高温下使用，一般说来，其测量测量范围较小，不宜在高温下使用，一般说来，其测量范围在范围在50350之间；之间；(6)稳定性和互换性较差。稳定性和互换性较差。上一页 下一页返回第三节第三节 热敏电阻热敏电阻2.主要参数主要参数热敏电阻有以下几项主要参数热敏电阻有以下几项主要参数:(1)初始电阻初始电阻R（），热敏电阻的阻值与绝对温度），热敏电阻的阻值与绝对温度T有如下有如下的近似关系：的近似关系：式中：式中：R0、RT分别是当环境温度为分别是当环境温度为T0、T时的电阻