申忠如电气测量技术传感器1

1、1/201/20第五章第五章 传感器及其应用传感器及其应用2/202/2021传感器的理解传感器的理解 （美国）（美国） 科学技术名词术语词典科学技术名词术语词典“传感器是把传感器是把 输入信号变成不同形式输出信号的装置输入信号变成不同形式输出信号的装置”。 美国仪表学会美国仪表学会“传感器是把被测量变换为有用信号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件和电路组合在一起的机构”。 国标（国标（gb7665-87）“能够感受规定的被测量并按能够感受规定的被测量并按 照一定规律在转换

2、成可用输出信号的器件或装置，即是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的、便于应用的某种物理量的测量的装置”。（1）定义）定义3/203/2031传感器的理解传感器的理解 功能层面功能层面; 组成层面组成层面; 技术层面技术层面.（2） 作用作用 敏感作用敏感作用信号拾取；信号拾取； 变换作用变换作用电量（非电量）电量（非电量）/电量电量.（3） 几点认识几点认识（4） 变送器？变送器？4/204/2042传感器的组成传感器的组成 图图5-1 传感器

3、的组成框图传感器的组成框图（1）敏感元件）敏感元件：直接感受被测量，输出与被测量有确定直接感受被测量，输出与被测量有确定 的关系；的关系；（2）转换电路）转换电路：将非电量或电量直接转换成易于测量的将非电量或电量直接转换成易于测量的 电量；电量；（3）辅助机构）辅助机构：主要包括辅助电路以及将各部分结合在主要包括辅助电路以及将各部分结合在 一起的辅助机构一起的辅助机构 .5/205/2052传感器的组成传感器的组成 图图5-2 气体压力传感器示意图气体压力传感器示意图6/206/2063传感器的分类传感器的分类 结构型传感器结构型传感器基于其机械结构的工作原理，利用某些基于其机械结构的工作原理

4、，利用某些 物理规律实现非电量到电量的转换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）按传感器的结构或物性效应分类 物性型传感器物性型传感器基于材料所具有的内在特性及效应，把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被测量直接转换为电量.分类方法分类方法:（1）按测量原理（结构或物性效应）分类；按测量原理（结构或物性效应）分类； （2）按输入的物理量分类；）按输入的物理量分类； （3）按应用范围分类；）按应用范围分类； （4）按工作电源分类）按工作电源分类.7/207/203传感器的分类传感器的分类 压力传感器、振动传感器、压力传感器、振动传感器、 位移传

5、感器位移传感器（2）按传感器输入的物理量分类）按传感器输入的物理量分类（3）按传感器的应用范围分类）按传感器的应用范围分类光学传感器、医学传感器、光学传感器、医学传感器、 气象传感器气象传感器（4）按传感器的工作电源分类）按传感器的工作电源分类有源传感器和无源传感器有源传感器和无源传感器8/208/204传感器的特性参数传感器的特性参数 线性度线性度; 迟滞迟滞; 重复性重复性; 灵敏度灵敏度; 阈值、分辨力；阈值、分辨力； 稳定性稳定性.9/209/205常用传感器的原理及其应用常用传感器的原理及其应用5.1 温度传感器温度传感器10/2010/20接触式温度传感器接触式温度传感器非接触式温

6、度传感器非接触式温度传感器原理原理依据传感器与被测物体进行物理接触，发依据传感器与被测物体进行物理接触，发生热交换，达到温度平衡来测得温度生热交换，达到温度平衡来测得温度依据物体在不同温度辐射的能依据物体在不同温度辐射的能量不同来测得温度量不同来测得温度特点特点 用于多种场合的温度测量用于多种场合的温度测量 可测低温和超低温，可测低温和超低温，15001500以下较易测以下较易测 量，测高温受限量，测高温受限 响应速度较慢响应速度较慢 结构简单、可靠，精度较高（结构简单、可靠，精度较高（1%1%1%）5.1 温度传感器温度传感器5常用传感器的原理及其应用常用传感器的原理及其应用11/2011/

7、205常用传感器的原理及其应用常用传感器的原理及其应用12/2012/20125常用传感器的原理及其应用常用传感器的原理及其应用5.1.1 热电偶测温热电偶测温 baablne)(nnktte（1 1）工作原理）工作原理热电转化现象热电转化现象热电效应热电效应热电势热电势 温差电势温差电势 接触电势接触电势 接触电势接触电势形成原因形成原因表达形式表达形式影响因素影响因素导体材料、温度，与导体的形状和尺寸无关导体材料、温度，与导体的形状和尺寸无关.k 波尔兹曼常量；波尔兹曼常量； e 电子电量；电子电量；n a、n b导体的自由电子密度导体的自由电子密度电子扩散而形成电子扩散而形成是两种不同的

8、导体连接成一闭是两种不同的导体连接成一闭合回路而制成的温度计合回路而制成的温度计.13/2013/20135常用传感器的原理及其应用常用传感器的原理及其应用 温差电势温差电势e a(t, t0 )t( (高高) )t0( (低低) )图图 温差电势原理温差电势原理ae形成原因形成原因表达形式表达形式影响因素影响因素导体两端温度不同而产生的导体两端温度不同而产生的ttttte0d),(a0aa 导体导体a的汤姆逊系数，表示的汤姆逊系数，表示 温差为温差为1时产生的电势值时产生的电势值.材料性质、导体两端的温差材料性质、导体两端的温差14/2014/205常用传感器的原理及其应用常用传感器的原理及

9、其应用),()(),()(),(0a0ab0bab0abttetettetette设设t t0，则，则回路总电势回路总电势接触电势远大于温差电势接触电势远大于温差电势)()(),(0abab0abtetettectette)(),(ab0ab参考端参考端测量端测量端15/2015/20155常用传感器的原理及其应用常用传感器的原理及其应用（2 2）热电偶的）热电偶的 4 4 个基本定律个基本定律bat t0 0 图图 热电偶的应用回路热电偶的应用回路t t0 0 t t 均质导体定律均质导体定律由均匀导体组成闭合回路，则不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，均论此导体是否存在

10、温度梯度，均不产生电动势，即回路中无电流。不产生电动势，即回路中无电流。 应用价值应用价值: :可以检查热电偶材料的均匀性可以检查热电偶材料的均匀性 mvt t1 1 t t1 1 ab16/2016/205常用传感器的原理及其应用常用传感器的原理及其应用 在热电偶回路中加入第在热电偶回路中加入第3 3种导体材料时，如果种导体材料时，如果两接点的温度相同，则对整个回路的热电势无影响。两接点的温度相同，则对整个回路的热电势无影响。 中间导体定律中间导体定律bat t0 0 图图 第第3 3种材料接入热电偶回路种材料接入热电偶回路t t c t t1 1 at t1 1 )()()()(),(1c

11、a1ca0abab0abctetetetette)()(1ca1atetec),()()(),(0ab0abab0abcttetetette应用价值应用价值：可在热电偶回路中接入连接线、仪表可在热电偶回路中接入连接线、仪表, ,只要保证它们与连只要保证它们与连接热电偶的接点温度相等接热电偶的接点温度相等, ,就不会影响热电偶的输出结果就不会影响热电偶的输出结果. .17/2017/20175常用传感器的原理及其应用常用传感器的原理及其应用 中间温度定律中间温度定律当热电偶冷端处于恒定的中间温度当热电偶冷端处于恒定的中间温度 t1 t0(0) t1 t 时，时，总电势为总电势为),(),(),(

12、011ab0abttettetteabbat t1 1 t t 热电偶输出的热 电 势如何获得被测温度如何获得被测温度 t ？应用价值应用价值：依据这一定律，不必使热电偶冷端保持为依据这一定律，不必使热电偶冷端保持为0，而，而只需把冷端恒定在某一中间温度只需把冷端恒定在某一中间温度t1，然后通过二次，然后通过二次查热电偶分度表即可得到实际被测温度。查热电偶分度表即可得到实际被测温度。 18/2018/20185常用传感器的原理及其应用常用传感器的原理及其应用 冷端延长线定律冷端延长线定律冷端延长线冷端延长线在一定温度范围内和热电偶具有相同热电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

13、特性的便宜材料a、b做成的延长线做成的延长线. . 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.应用价值应用价值：在测温仪表距离测温点较远的场合在测温仪表距离测温点较远的场合,热电热电偶在使用时可采用冷端延长线偶在使用时可采用冷端延长线. bat2 图图 冷端延长线接入热电偶回路冷端延长线接入热电偶回路t1 t abbat1 t t2 补偿接点的温度补偿接点的温度19/2019/20195常用传感器的原理及其应用常用传感器的原理及其应用（3 3）热电偶常用材料）热电偶常用材料 基本要求基本要求 线性度线性度 测温范围测温范围 稳定性稳定性

14、灵敏度灵敏度 复现性复现性 常用材料常用材料镍铬镍铬康铜热电偶（康铜热电偶（e）：测温范围）：测温范围 -200900镍铬镍铬镍硅热电偶（镍硅热电偶（k）：测温范围）：测温范围 -201200铂铑铂铑10铂热电偶（铂热电偶（s）：测温范围）：测温范围 -501600铜铜 康铜热电偶康铜热电偶 （t）：测温范围）：测温范围 -200400铁铁 镍铜热电偶镍铜热电偶 （j）：测温范围）：测温范围 -40750+ -20/2020/20205常用传感器的原理及其应用常用传感器的原理及其应用（4 4）热电偶的结构）热电偶的结构 普通热电偶普通热电偶 结构结构 由热电偶丝、绝缘套管、保护套管和连线盒组成

15、由热电偶丝、绝缘套管、保护套管和连线盒组成. 特点特点 响应速度慢（响应速度慢（10s）.普通热电偶普通热电偶21/2021/20215常用传感器的原理及其应用常用传感器的原理及其应用（4 4）热电偶的结构）热电偶的结构 铠装热电偶铠装热电偶 结构结构 “热电偶丝热电偶丝+绝缘材料绝缘材料+金属套管金属套管”三者组合而成一三者组合而成一体体. 特点特点 小型化（小型化（d=0.2512mm）、寿命长、热惯性小）、寿命长、热惯性小. 动态响应快，时间常数可达标动态响应快，时间常数可达标0.01s。铠装热电偶铠装热电偶22/2022/20225常用传感器的原理及其应用常用传感器的原理及其应用（4

16、4）热电偶的结构）热电偶的结构 薄膜热电偶薄膜热电偶 结构结构 用真空蒸镀方法将两种热电极材料蒸镀到绝缘板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层，形成薄膜形状热电偶. 特点特点 热惯性很小，反应时间为微秒级，特别适用于测热惯性很小，反应时间为微秒级，特别适用于测 量物体壁面温度，测温范围在量物体壁面温度，测温范围在300以下以下.薄膜热电偶薄膜热电偶23/2023/20235常用传感器的原理及其应用常用传感器的原理及其应用（5 5）热电偶的配套测温仪表）热电偶的配套测温仪表24/20

17、24/205常用传感器的原理及其应用常用传感器的原理及其应用 为什么要进行冷端补偿？为什么要进行冷端补偿？ 热电偶分度表都是以冷端温度为热电偶分度表都是以冷端温度为0时给出的，如欲时给出的，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 使冷端温度保持为使冷端温度保持为0； 冷端温度难以稳定在冷端温度难以稳定在0.（6）热电偶测温的冷端补偿）热电偶测温的冷端补偿 冷端恒温冷端恒温 冷端延长线冷端延长线 冷端补偿器冷端补偿器冷端补偿方法冷端补偿方法?u =-eab（t1,t0） eab（t,t0）= eab（t,t1）+ eab（t1,t0）

18、25/2025/20255常用传感器的原理及其应用常用传感器的原理及其应用图图 热电偶补偿电桥热电偶补偿电桥26/2026/20265常用传感器的原理及其应用常用传感器的原理及其应用（7）热电偶使用注意事项）热电偶使用注意事项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？热电偶的线性化方法？27/2027/2027 延长线使用只能与相应型号的热电偶配用；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；大的误差； 延长线的热电极连接处两结点温度必须相同，且不能延长线的热电极连接处

19、两结点温度必须相同，且不能 超过规定的范围超过规定的范围(一般小于一般小于150)。如何正确使用冷端延长线？如何正确使用冷端延长线？28/2028/20如何正确使用冷端延长线？如何正确使用冷端延长线？dmm温度计温度计（+）（-）tx补偿接点补偿接点tc1+-补偿线补偿线tc2t0基准接点基准接点dmm温度计温度计（+）（-）tx补偿接点补偿接点tc1+-tc250补偿线补偿线基准接点基准接点t0tc1dmm温度计温度计（+）（-）tx补偿接点补偿接点tc+-补偿线补偿线300t0基准接点基准接点29/2029/20热电偶的线性化方法热电偶的线性化方法 ？ 制作线性化电路制作线性化电路 用软件

20、线性化用软件线性化 用专用线性化集成电路。用专用线性化集成电路。 nnttte 2210放放 大大 电电 路：路：ad594(与与j型热电偶配套型热电偶配套) ad595(与与k型热电偶配套型热电偶配套) 热电偶ad594ad595ad538线性化电路：线性化电路：ad538显示仪表30/2030/2030 热电偶本身的误差；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延长线的连接引入的误差; 电路误差。电路误差。热电偶的测温误差？热电偶的测温误差？31/2031/205常用传感器的原理及其应用常用传感器的原理及其应用智

21、能多段可编程温度控制器智能多段可编程温度控制器 热电偶温控仪表的校准方法？热电偶温控仪表的校准方法？32/2032/205常用传感器的原理及其应用常用传感器的原理及其应用 主要技术参数主要技术参数 显示方式：显示方式：8 8位位ledled数码显示数码显示 最多时间设定段数：最多时间设定段数：2020段段 单段升时间范围：单段升时间范围：0 09999分分9999秒秒 最多继电器输出量：最多继电器输出量：1010路路 输出方式：继电器，触头容量输出方式：继电器，触头容量7a/220vac7a/220vac 功耗：功耗：8va8va 工作环境：电源工作环境：电源 220v 220v10%10%，50hz50hz2hz2hz 温度温度 0 050;50;相对湿度相对湿度 90% 90% 无腐蚀性气体无腐蚀性气体. . 33/2033/20335常用传感器的原理及其应用常用传感器的原理及其应用5.1.2 集成温度传感器集成温度传感器（）ad590