申忠如《电气测量技术》传感器

第五章传感器及其应用,2,1传感器的理解,（美国）科学技术名词术语词典“传感器是把输入信号变成不同形式输出信号的装置”。美国仪表学会“传感器是把被测量变换为有用信号的一种装置。它包括敏感元件、变换电路以及把这些元件和电路组合在一起的机构”。国标（GB7665-87）“能够感受规定的被测量并按照一定规律在转换成可用输出信号的器件或装置，即是一种以一定的精度把被测量转换为与之有确定对应关系的、便于应用的某种物理量的测量的装置”。,（1）定义,3,1传感器的理解,功能层面;组成层面;技术层面.,（2）作用,敏感作用信号拾取；变换作用电量（非电量）/电量.,（3）几点认识,（4）变送器？,4,2传感器的组成,图5-1传感器的组成框图,（1）敏感元件：直接感受被测量，输出与被测量有确定的关系；（2）转换电路：将非电量或电量直接转换成易于测量的电量；（3）辅助机构：主要包括辅助电路以及将各部分结合在一起的辅助机构.,5,2传感器的组成,图5-2气体压力传感器示意图,6,3传感器的分类,结构型传感器基于其机械结构的工作原理，利用某些物理规律实现非电量到电量的转换.,（1）按传感器的结构或物性效应分类,物性型传感器基于材料所具有的内在特性及效应，把被测量直接转换为电量.,分类方法:（1）按测量原理（结构或物性效应）分类；（2）按输入的物理量分类；（3）按应用范围分类；（4）按工作电源分类.,3传感器的分类,压力传感器、振动传感器、位移传感器,（2）按传感器输入的物理量分类,（3）按传感器的应用范围分类,光学传感器、医学传感器、气象传感器,（4）按传感器的工作电源分类,有源传感器和无源传感器,4传感器的特性参数,线性度;迟滞;重复性;灵敏度;阈值、分辨力；稳定性.,5常用传感器的原理及其应用,5.1温度传感器,5.1温度传感器,5常用传感器的原理及其应用,5常用传感器的原理及其应用,12,5常用传感器的原理及其应用,5.1.1热电偶测温,（1）工作原理,热电转化现象热电效应,接触电势,形成原因,表达形式,影响因素,导体材料、温度，与导体的形状和尺寸无关.,k波尔兹曼常量；e电子电量；nA、nB导体的自由电子密度,电子扩散而形成,是两种不同的导体连接成一闭合回路而制成的温度计.,13,5常用传感器的原理及其应用,温差电势,形成原因,表达形式,影响因素,导体两端温度不同而产生的,A导体A的汤姆逊系数，表示温差为1时产生的电势值.,材料性质、导体两端的温差,5常用传感器的原理及其应用,设TT0，则回路总电势,接触电势远大于温差电势,热电偶的测温原理,测量端,15,5常用传感器的原理及其应用,（2）热电偶的4个基本定律,B,A,t0,图热电偶的应用回路,t0,t,均质导体定律,由均匀导体组成闭合回路，则不论此导体是否存在温度梯度，均不产生电动势，即回路中无电流。,应用价值:可以检查热电偶材料的均匀性,mV,t1,t1,A,B,5常用传感器的原理及其应用,在热电偶回路中加入第3种导体材料时，如果两接点的温度相同，则对整个回路的热电势无影响。,中间导体定律,B,A,t0,图第3种材料接入热电偶回路,t,C,t1,A,t1,应用价值：可在热电偶回路中接入连接线、仪表,只要保证它们与连接热电偶的接点温度相等,就不会影响热电偶的输出结果.,17,5常用传感器的原理及其应用,中间温度定律,当热电偶冷端处于恒定的中间温度t1t0(0)t1t时，总电势为,热电偶输出的热电势,如何获得被测温度t？,应用价值：依据这一定律，不必使热电偶冷端保持为0，而只需把冷端恒定在某一中间温度t1，然后通过二次查热电偶分度表即可得到实际被测温度。,18,5常用传感器的原理及其应用,冷端延长线定律,冷端延长线在一定温度范围内和热电偶具有相同热电特性的便宜材料A、B做成的延长线.,冷端延长线与热电偶相连不改变热电偶原来的输出结果.,应用价值：在测温仪表距离测温点较远的场合,热电偶在使用时可采用冷端延长线.,B,A,t2,图冷端延长线接入热电偶回路,t1,t,A,B,B,A,t1,t,t2,补偿接点的温度,19,5常用传感器的原理及其应用,（3）热电偶常用材料,基本要求,线性度,测温范围,稳定性,灵敏度,复现性,常用材料,镍铬康铜热电偶（E）：测温范围-200900,镍铬镍硅热电偶（K）：测温范围-201200,铂铑10铂热电偶（S）：测温范围-501600,铜康铜热电偶（T）：测温范围-200400,铁镍铜热电偶（J）：测温范围-40750,+-,20,5常用传感器的原理及其应用,（4）热电偶的结构,普通热电偶结构由热电偶丝、绝缘套管、保护套管和连线盒组成.特点响应速度慢（10s）.,普通热电偶,21,5常用传感器的原理及其应用,（4）热电偶的结构,铠装热电偶结构“热电偶丝+绝缘材料+金属套管”三者组合而成一体.特点小型化（d=0.2512mm）、寿命长、热惯性小.动态响应快，时间常数可达标0.01s。,铠装热电偶,22,5常用传感器的原理及其应用,（4）热电偶的结构,薄膜热电偶结构用真空蒸镀方法将两种热电极材料蒸镀到绝缘板上，上面再蒸镀一层二氧化硅作为绝缘和保护层，形成薄膜形状热电偶.特点热惯性很小，反应时间为微秒级，特别适用于测量物体壁面温度，测温范围在300以下.,薄膜热电偶,23,5常用传感器的原理及其应用,（5）热电偶的配套测温仪表,5常用传感器的原理及其应用,为什么要进行冷端补偿？热电偶分度表都是以冷端温度为0时给出的，如欲直接利用分度表根据显示仪表的读数求得温度，必须使冷端温度保持为0；冷端温度难以稳定在0.,（6）热电偶测温的冷端补偿,冷端恒温,冷端延长线,冷端补偿器,冷端补偿方法?,U=-EAB（t1,t0）,EAB（t,t0）=EAB（t,t1）+EAB（t1,t0）,25,5常用传感器的原理及其应用,图热电偶补偿电桥,26,5常用传感器的原理及其应用,（7）热电偶使用注意事项,如何正确使用冷端延长线？,热电偶的线性化方法？,27,延长线使用只能与相应型号的热电偶配用；延长线与热电偶连接时极性不能接反，否则会产生更大的误差；延长线的热电极连接处两结点温度必须相同，且不能超过规定的范围(一般小于150)。,如何正确使用冷端延长线？,如何正确使用冷端延长线？,热电偶的线性化方法？,制作线性化电路,用软件线性化,用专用线性化集成电路。,放大电路：AD594(与J型热电偶配套)AD595(与K型热电偶配套),热电偶,AD594AD595,AD538,线性化电路：AD538,显示仪表,30,热电偶本身的误差；冷端温度没有得到完全补偿而引入的误差;延长线的连接引入的误差;电路误差。,热电偶的测温误差？,5常用传感器的原理及其应用,智能多段可编程温度控制器,热电偶温控仪表的校准方法？,5常用传感器的原理及其应用,主要技术参数显示方式：8位LED数码显示最多时间设定段数：20段单段升时间范围：099分99秒最多继电器输出量：10路输出方式：继电器，触头容量7A/220VAC功耗：8VA工作环境：电源220V10%，50Hz2Hz温度050;相对湿度90%无腐蚀性气体.,33,5常用传感器的原理及其应用,5.1.2集成温度传感器,（）AD590,原理和结构,34,5常用传感器的原理及其应用,5.1.2集成温度传感器,AD590应用,温度/频率变换器,1,2,6,4,8,7,3,R,C,f0,NE555,VCC,AD590,35,5常用传感器的原理及其应用,5.1.2集成温度传感器,AD590应用,V0,V+,V-,R1,R2,R3,RW,AD590,AD590,1,2,I2,I1,10K,10K,51K,5M,温差测量,36,5常用传感器的原理及其应用,5.1.2集成温度传感器,（）LM35,37,5常用传感器的原