第章材料成形及控制工程中常用的传感器PPT课件.ppt

第二章机电控制技术中常用的传感器 测控技术与仪器教研室 1 被测量电参数测量电路显示记录 机电控制中的检测涉及非电量过程参数和机械参数 传感器 选择合适的传感器 2 传感器是测量技术的关键环节 也是自动控制系统实现闭环反馈控制的前提条件 3 一 传感器的作用 2 1传感器的基本概念 信息的源头 非电量 电量 4 传感元件 被测非电量 二 传感器的定义与组成 敏感元件 基本转换电路 电量 1 定义 传感器是将被测非电量信号转换为与之有确定对应关系电量输出的器件或装置 也称变换器 换能器 探测器和检测器 2 组成 辅助电路 5 右图是一种气体压力传感器 膜盒2的下半部与壳体1固接 上半部通过连杆与磁芯4相连 磁芯4置于两个电感线圈3中 电感线圈接入转换电路5 这里的膜盒就是敏感元件 感受被测压力p 其外部与大气压力pa相通 当p作用时 引起膜盒上半部移动 改变相应的位移量 敏感元件 转换元件 基本转换电路 6 转换元件 它把敏感元件的输出转换成电路参量 图中转换元件是可变电感线圈3 它把输入的位移量转换成电感的变化 基本转换电路 将传感器输出的信号转换为便于显示 记录 处理和控制的信号 常用的信号处理电路包括放大 滤波 调制 A D和D A转换等 敏感元件 直接感受被测量 并将被测量转换成与之有确定关系的某一物理量 一般为非电量 的元件 7 1 按被测物理量分类2 按测量时传感器与被测对象接触与否进行分类3 按传感器的工作原理分类4 按输出信号的性质分类 三 传感器的分类及对它的一般要求 最常用的分类方法有 8 各种传感器 由于原理 结构不同 使用环境 条件 目的也不尽相同 其技术指标因此不可能相同 但是有些一般要求却基本上是共同的 包括 可靠性 静态精度 动态性能 灵敏度 分辨力 量程 抗干扰能力 能耗 成本 对被测对象的影响等 传感器的一般要求 技术指标 9 1 开发新型传感器2 开发新材料3 采用新工艺4 提高传感器的可靠性 延长其使用寿命5 提高传感器集成化 多功能化与智能化的程度 四 传感器的发展趋势和方向 10 2 2热电式传感器 热电式传感器 温度变化电量变化 在工业生产过程和机械加工过程中 温度是常见的需要测量和控制的重要参数之一 传感器 11 接触式测温 基于热平衡原理 接触温度场 二者进行热交换 如 热电偶 热电阻温度传感器 因此存在滞后现象 接触式测温简单 可靠 精度较高 受材料耐高温性能的限制 测温范围在 250 1800 非接触式测温 无需接触被测体 利用物体的热辐射能量随温度变化而变化的原理实现测量 类型有 光电高温传感器 红外辐射温度传感器 光纤高温传感器等 测温速度快 可对运动体进行测温 测温范围在600 6000 但误差较大 根据传感器的测温方式 温度基本测量方法通常可分成接触式和非接触式两大类 12 各类温度检测方法构成的测温仪表的大体测温范围 13 2 2 1热电偶传感器 热电偶是工程上应用最广泛的温度传感器 优点 结构简单 制作容易 精度高 温度测量范围宽 动态响应特性好 输出信号便于远传 使用方便 测温范围 100 1300 在温度测量中占有重要的地位 应用 测量炉子或管道的气体 液体的温度或固体的表面温度 14 热电偶的测温原理基于热电效应 将两种不同的导体A和B连成闭合回路 当两个接点处的温度不同时 回路中将产生热电势 由于这种热电效应现象是1823年塞贝克 Seeback 首先发现提出 故又称塞贝克效应 一 热电偶测温原理 15 一 热电偶测温原理 图中的闭合回路称为热电偶 导体A和B称为热电偶的热电极 热电偶的两个接点中 置于被测介质 温度为T 中的接点称为工作端或热端 置于温度为参考温度T0的一端称为参考端或冷端 1 热电偶的结构 16 2 热电效应 两种不同材料的导体 或半导体 组成一个闭合回路 当两接点温度T和T0不同时 则在该回路中就会产生电动势的现象 热电动势 来源 接触电动势和温差电动势 热电偶 两种材料的组合体 热电极 A B两导体 热端 测量端或工作端 冷端 参考端或自由端 17 3 两种导体的接触电动势 接触电动势的数值取决于两种不同导体的材料特性和接触点的温度 两接点的接触电动势EAB T 和EAB T0 可表示为 含义 由于两种不同导体的自由电子密度不同而在接触处形成的电动势 接触电动势的大小与导体的材料 接点的温度有关 而与导体的直径 长度 几何形状等无关 如果传感器设计好了 即导体A B已经选定 则接触电势只与温度有关 18 同一导体的两端因其温度不同而产生的一种电动势 大小表示 4 单一导体的温差电动势 机理 高温端的电子能量要比低温端的电子能量大 从高温端跑到低温端的电子数比从低温端跑到高温端的要多 结果高温端因失去电子而带正电 低温端因获得多余的电子而带负电 在导体两端便形成温差电动势 如果传感器设计好了 即导体A B已经选定 则接触电势只与温度有关 19 5 热电偶回路中产生的总热电势 EAB T T0 eAB T eB T T0 eAB T0 eA T T0 忽略温差电动势 热电偶的热电势可表示为 热电偶回路有四个电动势 两个接触电动势 两个温差电动式 实践证明 热电偶回路所产生的电动势主要是由接触电动势引起的 温差电动势所占比例极小 可以忽略不计 又因为EAB t 和EAB t0 的极性相反 假设导体A的电子密度大于导体B的电子密度 则A为正极 B为负极 因此回路的总电动势为 AB T T0 eAB T eAB T0 20 AB T T0 因此测得热电势的值 即可知道温度T的大小 利用热电偶这一性质可以用来测温 当参考端温度T0恒定时 AB T T0 f T C 即总的热电势只与热端温度T成单值函数关系 但是在实际应用过程中 这样做很麻烦 即必须通过繁杂的计算才能得到温度T 工程上有没有比较简便的方法呢 可知 热电势的大小反映两个接点的温度差 根据 21 例如 镍铬 镍硅热电偶分度表 参考端温度为0 实际应用中 为了简便 温度与热电势之间的关系是通过热电偶分度表来确定的 分度表是在参考端温度T0为0 时 通过实验建立起来的热电势与工作端温度T之间的数值对应关系 通过查表可以查得输出热电势相对应的工作端温度T 避免了繁杂的运算 22 1 热电偶回路的热电动势只与组成热电偶的材料及两端接点的温度有关 与热电偶的形状无关 热电偶基本性质 2 只有用不同性质的材料才能组合成热电偶 相同材料不会产生热电动势 3 只有当热电偶两端温度不同时 不同材料组成的热电偶才能有热电动势产生 4 导体材料确定后 热电动势的大小只与热电偶两端的温度有关 是T的单值函数 这就是利用热电偶测温的基本原理 23 二 热电偶基本定律 1 均质导体定律如果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 根据这一定律 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均匀性 24 2 中间导体定律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点温度相同 则回路中总的热电动势不变 右图回路中的总电动势为 如果回路中三个接点的温度都相同 即T T0 则回路总电动势必为零 即 25 即 则 如果按右图接入第三种导体C 则回路中的总电动势为 而 所以 意义 可用电气测量仪表直接测量热电势 可焊接热电偶 26 3 标准电极定律如果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也就可知 27 两式相减得 1 若一个热电偶由A B C三种导体组成 且回路中三个接点的温度都相同 则回路总电动势必为零 即 28 或 即导体A与B组成的热电偶的热电动势也可知 代入 1 式可得 29 4 中间温度定律热电偶在两接点温度分别为T T0时的热电动势等于该热电偶在接点温度分别为T Tn和接点温度分别为Tn T0时的相应热电动势的代数和 30 证明 即 对于冷端温度不是零度时 热电偶如何分度表的问题提供了依据 31 三 热电偶实用测量电路 1 单点温度的测温线路 A B为热电偶 C D为补偿导线 冷端温度T0 E为铜导线 M为毫伏表 32 2 测量两点之间温差的测温线路 两只热电偶型号相同 配用相同的补偿导线 结果为 T T1 T2 EAB t1 t0 EAB t2 t0 EAB t1 t2 因此 热电偶反向串联 可测量两点温差 查分度表可得温差 33 3 测量平均温度的测温线路 同型号的热电偶并联 34 4 热电偶正向串联 测量几点温度之和的测温线路 必须是相同型号的热电偶 可提高灵敏度 测量微小温度 和获得较大的热电势输出 35 5 若干只热电偶共同一台仪表的测温线路 在多点温度测量时 若干只热电偶通过模拟切换开关 共同连接到一台测量仪表上 可节省显示仪表 实现多点测温 同样 热电偶型号须相同 36 各种热电偶 37 2 2 2热电阻传感器 一 概述热电阻传感器是利用导体或半导体的电阻值随温度变化而变化的原理进行测温的 优点 1 测量精度高 2 有较大的低温测量范围 200 500 3 与热电偶相比 它没有冷端的误差问题 缺点 不能测太高的温度 金属热电阻体积大 热惯性大 不能测点温 半导体热敏电阻复现性和高温稳定性较差 38 分类 热电阻传感器分为金属热电阻和半导体热电阻两大类 一般把金属热电阻称为热电阻 把半导体热电阻称为热敏电阻 39 二 金属热电阻材料和常用热电阻热电阻 电阻体 最主要部分 绝缘套管 内引线作为制作热电阻的材料要求有 电阻温度系数要大 以提高热电阻的灵敏度 电阻率尽可能大 以便减小电阻体尺寸 热容量要小 以便提高热电阻的响应速度 在测量范围内 应具有稳定的物理和化学性能 R t关系最好接近于线性 应有良好的可加工性 复现性好 且价格便宜 目前最常用的热电阻有铂热电阻和铜热电阻 40 各种热电阻 41 1 铂热电阻热电特性 精度高 稳定性好 性能可靠 在温度传感器中得到了广泛应用 按ITS 1990标准 铂热电阻的适用温度范围为 259 34 630 74 42 在 190 0 的温度范围内 在0 630 74 的温度范围内 式中Rt和R0分别为t 和0 时铂电阻值 A B和C为常数 铂热电阻的特性方程 43 由铂热电阻的特性方程可知 热电阻在温度t时的电阻值Rt与R0有关 目前我国规定工业用铂热电阻有R0 10 和R0 100 两种 它们的分度号分别为Pt10和Pt100 其中以Pt100为常用 为了避免繁杂的计算 铂热电阻的分度号有相应的分度表 即Rt t的关系表 这样在实际测量中 只要测得热电阻的阻值Rt 便可从分度表上查出对应的温度值 44 45 2 铜热电阻由于铂是贵重金属 因此 在一些测量精度要求不高且温度较低的场合 可采用铜热电阻代替进行测温 它的测量范围为 50 150 铜热电阻在测量范围内其电阻值与温度的关系几乎是线性的 可近似地表示为 Rt R0 1 t 式中 为铜热电阻的电阻温度系数 取 4 28 10 3 46 铜热电阻特点 线性好 价格便宜 但它易氧化 不适宜在腐蚀性介质或高温下工作 从上式可知 铜热电阻Rt也与R0有关 它的两种分度号为Cu50 R0 50 和Cu100 R0 100 Rt R0 1 t 47 铜热电阻结构示意图 铂热电阻结构示意图 48 2 2 3热敏电阻 一 热敏电阻的特点 电阻温度系数大 灵敏度高 比一般金属电阻大4 9倍 结构简单 体积小 可以测量点温度 电阻率高 热惯性小 适宜动态测量 但阻值与温度变化呈非线性关系 稳定性和互换性较差 一般不能用于350 以上的高温检测 热敏电阻是用半导体材料制成的热敏器件 49 二 热敏电阻的结构 热敏电阻主要由热敏探头1 引线2 壳体3构成 如图a所示 50 三 热敏电阻类型 正温度系数 PTC 负温度系数 NTC 临界温度系数 CTR 51 PTC热敏电阻 正温度系数钛酸钡掺合稀土元素烧结而成用途 彩电消磁 各种电器设备的过热保护 发热源的定温控制 限流元件 CTR热敏电阻 负温度系数以三氧化二钒与钡 硅等氧化物 在磷 硅氧化物的弱还原气氛中混合烧结而成用途 温度开关 NTC热敏电阻 很高的负电阻温度系数主要由Mn Co Ni Fe Cu等过渡金属氧化物混合烧结而成应用 点温 表面温度 温差 温场等测量自动控制及电子线路的热补偿线路 52 各种热敏电阻外形 MF12型NTC热敏电阻 聚脂塑料封装热敏电阻 53 玻璃封装NTC热敏电阻 MF58型热敏电阻 54 带安装孔的热敏电阻 大功率PTC热敏电阻 贴片式NTC热敏电阻 55 常温时 D正常工作 温度过高 RT减小 9013