传感器检测技术与仪表课件(完整版)

1、传感器检测技术与仪表2022/8/282第一章. 绪论引言1.1传感器1.2传感器基本特性1.3传感器技术发展趋势1.4变送器1.5 传感器的标定和校准引言对传感器进行标定，目的是根据试验数据确定传感器的各项性能指标，实际上也是确定传感器的测量精度。标定传感器时，所用的测量仪器的精度至少要比被标定的传感器的精度高一个等级。这样，通过标定确定的传感器的静态性能指标才是可靠的，所确定的精度才是可信的。传感器的标定分为静态特性标定和动态特性标定。1.1传感器 传感器是检测系统与被测对象直接发生联系的器件或装置，其作用是感受被测参量的变化并按照一定规律和精确度将其转换为与之有确定关系、便于应用的某种物

2、理量信号。1.1.1传感器含意：传感器是测量装置，能完成信息采集任务；它的输入量是某一被测量，可能是物理量、化学量、生物量等；它的输出是某种物理量，这种量要便于传输、转换、处理、显示等，输出物理量可是气、光、电量，但主要是电量；输出输入有对应关系，且应有一定的精确度。1.1.2传感器组成图1-1 传感器组成框图1.1.3传感器的分类表1-1 传感器的分类1.1.4传感器的作用与地位传感器为感知、获取与检测信息的窗口，一切科学研究与自动化生产过程要获取的信息，都要通过传感器获取并通过它转换为容易传输与处理的电信号，所以传感器的作用与地位就特别重要了。“没有传感器就没有现代科学技术”已为全世界所公

3、认。若将计算机比喻为人的大脑，那么传感器则可以比喻为人的感觉器官。1.2传感器基本特性表1-2传感器的主要性能指标1.2.1传感器静(态)特性 所谓静（态）特性是传感器在稳态（输入量为常量，或变化极慢时）输入信号作用下，传感器输出与输入信号之间的关系，一般用曲线、数学表达式或表格表示。衡量静态特性的主要参数1.测量范围2.线性度3.灵敏度4.分辨率5.灵敏限6.迟滞7.重复性8.稳定性1.2.2传感器动(态)特性1.传感器的动态特性所谓静（态）特性是传感器在稳态（输入量为常量，或变化极慢时）输入信号作用下，传感器输出与输入信号之间的关系，一般用曲线、数学表达式或表格表示；当输入量随时间较快地变

4、化时，这一关系就称为动（态）特性，动态特性是传感器输出随时间变化的响应特性。2.传感器动态特性的研究方法研究动态特性可以从时域和频域两个方面分别采用瞬态响应法和频率响应法来分析。表1-3传感器动态测量输入信号由于输入信号的时间函数是各种各样的，在时域内研究传感器的动态特性时，只能研究几种特性的输入时间函数如阶跃函数、脉冲函数和斜波函数等的响应特性。通常取输入为阶跃信号时的输出响应。一阶系统：动态性能可以用一阶微分方程来描述；二阶系统：动态性能可以用二阶微分方程来描述。3.一阶传感器动态特性图1-8一阶传感器阶跃输入的响应曲线4.二阶传感器动态特性图1-9二阶传感器的单位阶跃响应5.过渡过程与传

5、感器的阶跃响应特性指标图1-10二阶传感器的阶跃响应特性指标6.传感器的频率响应特性(a) 幅频特性 (b) 相频特性图1-11一阶传感器幅频特性和相频特性6.传感器的频率响应特性（a）幅频特性 （b）相频特性图1-12二阶传感器的频率特性1.3传感器技术发展趋势传感器技术的主要发展动向，是开展基础研究，发现新现象，开发传感器的新材料和新工艺，进一步实现传感器的集成化与多功能化。当前技术水平下的传感器系统正向着微小型化、智能化、多功能化和网络化的方向发展。1.4变送器变送器（transmitter）是在传感器的基础上，将物理测量信号或普通电信号（非标准的输出信号）转换成标准信号或能够以通讯协议

6、方式输出的设备。变送器的传统输出直流电信号有0-5V、0-10V、1-5V、0-20mA、4-20mA等，目前工业上最广泛采用的是用420mA电流来传输模拟量。1.4.4变送器技术指标表1-4 电流电压变送器的技术指标1.5 传感器的标定和校准 对传感器进行标定，目的是根据试验数据确定传感器的各项性能指标，实际上也是确定传感器的测量精度。标定传感器时，所用的测量仪器的精度至少要比被标定的传感器的精度高一个等级。这样，通过标定确定的传感器的静态性能指标才是可靠的，所确定的精度才是可信的。 传感器的标定分为静态特性标定和动态特性标定。1.5.1静态特性标定静态标定过程步骤：将传感器全量程（测量范围

7、）分成若干等间距区间；根据传感器量程分点情况，由小到大逐渐递增标准量值输入，记录与各输入值对应的输出值；将输入值由大到小逐渐递减，同时记录下与各输入值相对应的输出值；按过程、，对传感器进行正、反行程往复循环多次测试，将得到的输入输出测试数据用表格或曲线表示；对测试数据进行处理，根据处理结果可确定传感器的线性度、灵敏度、滞后和重复性等静态特性指标。1.5.2动态静态特性标定 传感器动态特性标定主要研究传感器的动态响应，而与动态响应有关的参数，一阶传感器只有一个时间常数 ，二阶传感器则有固有频率 和阻尼比 两个参数。标准激励信号可以采用阶跃信号、正弦信号、随机信号和脉冲信号。一般采用阶跃信号响应法

8、。 1.一阶传感器的动态特性标定图1-13一阶传感器时间常数的求法 2.二阶传感器的动态特性标定图1-14欠阻尼（ Cx2各点电压波形图2-33脉冲凋宽型电路各点电压波形2.4.8相敏检波电路图2-34相敏检波电路原理图相敏检波电路（a） 、 为正半周时等效电路 (c) 、 为负半周时等效电路图2-35相敏检波电路原理图-衔铁在中间位置 相敏检波电路（a） 、 为正半周时等效电路 (b) 、 为负半周时等效电路图2-36相敏检波电路原理图-衔铁在零位以上 相敏检波电路（a）u1为负半周、u2为正半周时等效电路 (b) u1为正半周、u2为负半周时等效电路图2-37相敏检波电路原理图-衔铁在零位

9、以下 2.5.1误差的基本概念2.5.2误差的分类及来源2.5.3精密度、精确度、准确度2.5.4粗大误差、系统误差和随机误差的处理2.5.5多次等精度测量结果的表达2.5.6测量误差的合成2.5.7测量误差的分配2.5.8有效数字2.5.9数据处理实例2.5误差分析及数据处理基础2.5.1误差的基本概念1. 误差的表示误差（error）指测量值与真值之差。误差常用绝对误差（absolute error）和相对误差（relative error）表示。（2-45） （2-46）2.5.2误差的分类及来源1. 按误差的表示方法分类（1）绝对误差（2）相对误差（3）满度（引用）相对误差（4）示值相

10、对误差（5）测量精度2. 按误差的使用条件分类（1）基本误差 （2）附加误差 3. 按误差的性质分类（1）粗大误差（Gross error）（2）系统误差（systematic error）（3）随机误差（random error）4. 按被测量与时间的关系分类静态误差和动态误差5. 仪表的误差示值误差、基值误差、零值误差、2.5.3精密度、精确度、准确度（a）（b）（c）图2-38 精密度、准确度、精确度概念2.5.4粗大误差、系统误差和随机误差的处理（1）粗大误差的发现和剔除：首先应设法判断是否存在，若存在粗大误差，必须将其剔除。检测人员应当严格认真，避免过失。（2）系统误差的发现、修正或

11、减小：系统误差的性质决定了它不可能通过增加测量次数来消除。可以通过选择较好的检测系统、提高操作水平等技术措施使得检测系统完善，予以消除或补偿系统误差；也可在发现系统误差后用修正值的方法予以修正。（3）随机误差的减小或消除：引起原因是很多，难以掌握或暂时未能掌握的微小因素， 一般无法控制,不能用简单的修正值来修正。2.5.4粗大误差、系统误差和随机误差的处理1. 随机误差的处理随机误差的正态分布的概率密度函数图2-39正态分布方程式关系曲线图2.5.4粗大误差、系统误差和随机误差的处理算术平均值 算术平均值是诸测量值的最可信赖的表达，为测量的最佳估计值，它可以作为等精度多次测量的结果。标准差 图

12、2-40不同的正态分布曲线 2.5.4粗大误差、系统误差和随机误差的处理测量的极限误差2.系统误差的根源、发现和消除（2）系统误差的发现 实验对比法 残余误差观察法准则检查法（3）系统误差的消除在测量结果中进行修正消除系统误差的根源在测量系统中采用补偿措施 实时反馈修正 2.5.4粗大误差、系统误差和随机误差的处理3. 粗大误差的发现和剔除常用准则： 3准则（ 拉依达准则）肖维勒准则格拉布斯准则2.5.5多次测量结果的表达1. 等精度测量数据处理方法例2.3对某物体长度测量11次，测量的数据如表2-3。表2-3 例题1.3数据2. 不等精度测量数据处理方法次数1234567891011长度（c

13、m）20.7220.7520.7120.65 20.62 20.7020.45 20.6220.6720.7420.732.5.6测量误差的合成1. 随机误差的合成2. 系统误差的合成3. 随机误差与系统误差的合成= 2.5.7测量误差的分配工程上，通常首先根据等误差原则进行分配，即令每个直接测量值的系统误差（绝对误差表示） ，标准差 。2.5.8有效数字1.有效数字所谓有效数字，是实际能够测量的数字。在测量过程中可以把有效数字的位数定义为与仪表精度相符的测量值的位数。有效数字的位数决定于测量仪表的精度，只有数据中的最后一位是可疑数字，所以根据测量值的记录结果便可以推知所用仪表的精度。2. 数

14、据处理时数字修约规定“四舍六入五成双”3. 测量值的记录及运算正确记录测量值正确表达分析结果2.5.9数据处理实例例2.4本章小结本章重点介绍了检测概念及检测系统组成、常用检测方法、常用检测与转换电路、误差分析及数据处理。测量系统是传感器与测量仪表、变换装置等的有机组合。检测对象、检测环境和被测量不同，相应的有不同检测方法；另外，从不同角度出发，检测方法有不同分类方法。在信号检测技术中，常用的中间转换电路有电桥、放大器、滤波器、调频电路、阻抗匹配电路等。误差是客观存在的，数据处理过程中，首先应发现剔除粗大误差，然后发现、修正或减小系统误差，最后利用随机误差性质进行处理。通过本章的学习，读者可以

15、了解检测基本概念、检测系统组成，掌握常用检测方法和检测与转换电路，误差分析及数据处理方法。作业：习题二检测系统主要由哪几部分组成？自动测试系统可以分成哪几类？传感器的组成、作用是什么？测量方法有哪几种分类方法？各种方法概念是什么？误差有哪几种分类方法？各种方法概念是什么？何谓传感器的静态和动态特性？衡量传感器静态特性和动态特性的主要参数有哪些？为什么被测量的真值是无法测量的？4.5V和4.50V这两个测量值有什么不同吗？常规工业仪表以电流方式互相配接，为什么？标准输出电流信号有010mA和420mA两种，其中420mA的标准输出电流被广泛地应用。为什么？，工业上应用的电流型V/I变送器实际使用

16、两线制的传感器越来越多，为什么？某温度传感器给定相对误差为2%，满量程输出为100，求可能出现的最大误差（），当传感器使用在满刻度时，计算可能产生的相对误差，并说明使用传感器量程选用必要性。第2章检测技术基本知识作业2.52.62.82.92.102.112.12谢谢聆听！2022/8/28传感器检测技术与仪表2022/8/2883第三章. 温度检测引言3.1温度检测基本知识3.2热膨胀式温度计3.3 热电偶温度计3.4热电阻温度计3.5辐射式温度计3.6 新型温度传感器3.7温度传感器工程应用实例引言 温度是国际单位制（SI）七个基本物理量之一，也是四大热工当量之一。温度一般占全部过程参数的

17、50%左右。因而，准确测量和控制温度，对于获得正确的科研数据和保证产品质量都十分重要。例如，在金属冶炼过程中，若温度得以准确的测量和控制，则耗能可降低17%，生产率可提高18%，产量可增加15%。3.1温度检测基本知识 温度定义：度量系统热平衡状态的物理量。它反映物体冷热程度，是物体分子运动平均动能大小的标志。3.1.1温标概念：用来量度物体温度高低的标尺，它是温度的数值表示方法。一个温标主要包括两个方面的内容：一是给出温度数值化的一套规则和方法，例如规定温度的读数起点(零点)；二是给出温度的测量单位。建立温标必须具备三个条件：固定的温度点（基准点） 测温仪器（确定测温质和测温量 ） 温标方程

18、（内插公式）常用温标：经验温标，热力学温标，国际实用温标1、经验温标：借助于某一种物质的物理量与温度变化的关系，用实验方法或经验公式所确定的温标。如根据液体(水银)受热后体积膨胀的性质确定温标。华氏温标-1714年，荷兰人华伦海特把一定浓度的盐水凝固时的温度定为0度,在标准大气压下水的冰点为32度，水的沸点为212度，中间划分为180等分，每一等分为一华氏度。摄氏温标：1742年，由瑞典摄尔休提出。标准大气压下水的冰点定位零度，把水的沸点定位100度。=(9/5) +32。 经验温标的缺点：1）局限性：适用于某一温度计，应用范围有限。2）随意性：2、热力学温标（开尔文温标） K：19世纪中叶，

19、英国人开尔文提出，符号为T，单位为开尔文（符号为K）。已由1927年国际计量大会采纳作为国际统一的基本温标。它有一个绝对零度，低于零度的温度不可能存在。绝对零度时的温度定义为0K。t=T-273.15热力学温标的局限性：特点：不与某一特定的温度计相联系，并与测温物质的性质无关，是由卡诺定理推导出来的，所以用热力学温标所表示的热力学温度被认为是最理想的温度数值。热力学中的卡诺热机是一种理想的机器，实际上并不存在，因此热力学温标是一种纯理论的理想温标，无法直接实现。国际实用温标该温标选择一些固定点温度作为温标基准点；规定了不同温度范围内的基准仪器；固定点温度间采用内插公式，这些公式建立了标准仪器示

20、值与国际温标数值间的关系。随着科学技术的发展，固定点温度的数值和基准仪器的准确度会越来越高，内插公式的精度也会不断提高，因此国际温标准确度会不断提高，并尽可能接近热力学温标。 第一个国际温标是1927年建立的，记为ITS-27。1948年、1968年和1990年进行了几次较大修改， ITS-48、 ITS-68和 ITS-90。目前我国已开始采用ITS-90 。国际温标以下列三个条件为基础：要求尽可能接近热力学温标；要求复现准确度高，世界各国均能以很高的准确度加以复现，以确保温度值的统一；用于复现温标的标准温度计，使用方便，性能稳定。3.1.2 温度测量仪表的分类测温仪表的分类：按测温范围分：

21、高温计（600）、温度计（ 600）按用途分：标准仪表、实用仪表按工作原理分：膨胀式温度计利用物体的热膨胀来测温。压力式温度计利用密闭容器中物质受热后体积膨胀而压力升高的原理来测温的。热电偶温度计利用导体的热电效应来测温的。热电阻温度计利用电阻随温度的变化特性来测温的。辐射式高温计利用物体表面辐射与温度的关系来测温的。按测量方式分：接触式温度计、非接触式温度计高温计辐射式温度计测温仪表按使用范围分按测量方式分接触式测温仪表非接触式测温仪表温度计按测温原理分膨胀式温度计压力式温度计热电偶温度计热电阻温度计半导体温度计3.2热膨胀式温度计 定义：基于物体受热时产生膨胀的原理分类：液体膨胀式、固体膨

22、胀式和气体膨胀式三类。3.2.1.玻璃液体温度计：水银温度计、酒精温度计 玻璃液体温度计的结构基本上是由装有感温液(或称测温介质)的感温泡、玻璃毛细管和刻度标尺三部分组成。感温泡位于温度计的下端，是玻璃液体温度计感温的部分，可容纳绝大部分的感温液，所以也称为贮液泡。 常用的有水银以及甲苯、乙醇和煤油等有机液体。玻璃毛细管是连接在感温泡上的中心细玻璃管，感温液体随温度的变化在里面移动。标尺是将分度线直接刻在毛细管表面，同时标尺上标有数字和温度单位符号，用来表明所测温度的高低。 3.2.2压力温度计压力式温度计：基于物体受热时产生膨胀后引起密封容器中的压力变化来指示温度。工作介质不同分为：气体、液

23、体和蒸汽式压力温度计。温包：感受温度的变化毛细管：传递压力的变化（D0=1.25mm，D i= 0.15 0.5mm）弹簧管：压力表的弹性元件3.2.3 双金属温度计 其感温元件是用两片线膨胀系数不同的金属片叠焊在一起而制成的，由于两片金属片的膨胀长度不同而产生弯曲，温度越高产生的线膨胀长度差就越大，因而引起弯曲的角度就越大。如图所示。 3.3 热电偶温度计3.3.1热电偶工作原理演示 结论：当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。上述现象称为热电现象，1821年赛贝克发现的，也称赛贝克效应 热电极A右端称为：自由端（参考端、冷端） 左端称为：测量端（工作端、热端） 热电极B热电势AB热电

24、势由单一导体温差电势和两种导体接触电势组成：1）、温差电势：一根导体两端温度不同产生的热电动势.原因：同一根导体中电子从高温端向低温端迁移而引起的电动势。接触电势：两种不同导A、B接触时产生.原因:两种不同导体的电子密度不同，从而在接触点处发生电子扩散而形成的电动势.设NANB 接触电势的大小与接触点的温度高低及导体电子密度有关. 回路总电动势：A的电子密度大于B，tt0，则回路中存在着四个电势, 在实际使用中，只要保持冷端温度为t0，根据仪表测得的热电动势EAB(t,t0)，就计算出被测温度t或者通过分度表查出所对应的被测温度t。 3.3.2 基本定律1. 均匀导体定律 定律内容：由一种均匀

25、导体（或半导体）组成的闭合回路，不论温度如何分布，都不能产生电动势。2. 中间导体定律定律内容：不同材料组成的闭合回路中，若各种材料接触点的温度都相同，则回路中热电势的总和等于零。3、 中间温度定律定律内容： 热电偶在两接点温度t1、t3时的热电动势等于接点温度分别为t1、t2和t2、t3 的两支同性质热电偶的热电动势的代数和。+At1t2BE1+At3BE2+At1t3E3=E1+E23.3.3热电偶结构1、普通型热电偶（装配式结构）组成：热电极、绝缘管、保护套管、接线盒。特点：热惯性大，响应慢。2、 铠装型热电偶 将热电偶丝、绝缘材料和金属保护套管三者组合装配后，经拉伸加工而成的一种坚实的

26、组合体。特点：热惯性小，响应块，可弯曲（最长可达100m）,柔性好，可安装在狭窄或结构复杂的测量场合。3、 薄膜热电偶由两种金属薄膜连接而成。 1）特点： 微小面积上的温度测量；动态响应快，可测瞬变的表面温度。 2)应用： (1)如将热电极材料直接蒸镀到被测表面，可测微秒级变化的温度。 (2)如制成针状，针尖为热端，可测量点的温度3.3.4热电偶材料1.热电极材料及性质：1）物理性质稳定，其热电性质不随时间变化。2）化学性质稳定，不易被氧化和腐蚀。3）灵敏度和线性度好。4）电导率高，电阻温度系数小。5）复制性好，以便交换。6）价格便宜。2.标准化热电偶标准化热电偶：是指制造工业较成熟，应用广泛

27、，能成批生产、性能优良而稳定并已列入专业或国家工业标准化文件中的那些热电偶标准化热电偶具有互换性。 从1988年1月1日起，我国热电偶和热电阻的生产全部按国际电工委员会（IEC）的标准，并指定S、B、E、K、R、J、T七种标准化热电偶为我国统一设计型热电偶。 铂铑10-铂热电偶（分度号S） 铂铑13-铂热电偶（分度号R） 铂铑30-铂铑6热电偶（分度号B） 镍铬一镍硅（镍铬一镍铝）热电偶（分度号K） 镍铬一康铜热电偶（分度号E） 铁一康铜热电偶（分度号J） 铜一康铜热电偶（分度号T） 镍铬一金铁热电偶（分度号NiCrAuFe0.07）及铜一金铁热电偶（分度号CuAuFe0.07）3.非标准化热

28、电偶 在某些特殊场合：高温、低温、超低温、高真空和有核辐射等被测对象中使用。1 ）钨莱系热电偶2 ）铱佬系热电偶3 ）铂钼5铂钼0.1热电偶4） 非金属热电偶特点：不具有互换性，没有统一分度3.3.5热电偶冷端温度的处理方法 工业上的常用的各种热电偶的温度热电势关系曲线是在冷端温度保持0的情况下得到的，而且与其配套使用仪表也是根据这仪关系曲线进行刻度的。而实践测量时，冷端温度往往高于0，且是不断变化的，从而使测量结果产生误差。所以使热电偶冷端的温度保持0，或进行一定的修正得到准确的测量结果的做法称为冷端温度补偿。热电偶冷端温度的补偿方法：1、计算法2、冰点槽法3、补偿导线法4、仪表机械调零法5

29、、补偿电桥法（冷端补偿器）3.3.6 .热电偶常见误差分析1.安装不当引入的误差2.绝缘变差而引入的误差3.热惰性引入的误差4.热阻误差3.4热电阻温度计 工业上广泛应用热电阻温度计来测量200 500 之间的温度。优点：热电阻温度计的特点是准确度高；在中低温下（ 500以下）测温, 它的输出信号比热电偶的要大得多,故灵敏度高；热电阻温度计的输出是电信号，因此便于信号的远传和实现多点切换测量。3.4.1热电阻的测温原理原理：通过测阻值变化反应温度。分类：电阻是测量温度的敏感元件，包括金属导体和半导体两种。测温范围：200+5000C优点：准确度高。灵敏度高。中低温下（5000C以下），输出信号

30、比热电偶大。输出电信号, 便于远传和切换。缺点：不能测量太高温度。热惯性大。只能测量平均温度。需要外供电源，连接导线产生测量误差。 热电阻温度计是基于金属导体或半导体电阻值与温度是一定函数关系的原理实现温度测量。基本关系式为：Rt=R01+At+Bt2+Ct3 式中： R1、R0分别为t和0时的阻值；A、B、C分别为与金属材料有关的常数。 电阻温度系数的定义是：温度变化l时电阻值的相对变化量，用来表示，单位是-1，根据定义，用下式表示：3.4 热电阻材料与结构3.4.1热电阻材料 工业用的热电阻材料有铂、铜、铁、镍。铁难提纯，我国目前只生产铂、铜、镍.测温热电阻材料必须满足：1）电阻温度系数大

31、电阻系数：温度变化1 0C时电阻值的相对变化量.2）在测温范围内物理及化学性质稳定。3）有较大的电阻率。（电阻体积小）。4）线性度好。5）复现性好，6）价格便宜。1、铂电阻特点：稳定性好、准确度高、性能可靠。原因：铂在氧化气氛、甚至高温下物理、化学性质非常稳定测温范围：13.8033K-961.78 0C应用：广泛应用于工业和实验室中注意：铂在还原性气氛尤其在高温还原性气氛中，容易被污染，导致铂丝变脆，并改变电阻与温度间的关系。因此必须用保护套管把电阻体与有害气氛隔离。工业用铂电阻温度计 -20000850其中：A=3.9083*10-13/ B=-5.775*10-7/ C=-4.183*1

32、0-12/国产标准化工业铂电阻的分度号：Pt10和Pt100。2 、铜电阻特点：电阻值与温度关系几乎线性，电阻温度系数较大，材料易提纯，价格较便宜。测温范围：50-150 0C应用范围：测量准确度要求不是很高，温度较低的场合。缺点：250 0C以上容易氧化，故只能在低温及没有腐蚀的介质中应用，铜的电阻率较小，=0.017.mm2/m，铜的热电阻体积较大。国产标准化工业铜电阻的分度号：Cu10和Cu100。铜热电阻与温度的关系为 Rt=R0（1+At+Bt2+Ct3） 式中R1、R0分别为t和0时的阻值；A、B、C分别为常数，A=4.2889910-31/，B=-2.13310-71/2，C=1

33、.23310-91/3。3.半导体热敏电阻半导体热敏电阻是利用某些半导体材料的电阻值随温度的升高而减小(或升高)的特性制成的。 大多数的半导体热敏电阻具有负温度系数，称为NTC型热敏电阻，其阻值与温度的关系可用下列公式表示：RT , R0热敏电阻在绝对温度T，T0时的阻值( )； B 热敏电阻材料常数，与金属热电阻相比，半导体热敏电阻优点： （1) 电阻温度系数，灵敏度高。 （2）电阻率很大，体积很小，连接导线电阻变化的影响可忽略。 （3）结构简单，可测量点的温度。 （4）热惯性小，响应快。缺点：（1）互换性差；（2）电阻和温度的关系不稳定，随时间变化。 3.4.2热电阻结构1、 普通型 由热

34、电阻体、引出线、绝缘骨架、保护套管、接线盒等部分组成2、 铠装热电阻工艺：将电阻体（感温元件)焊到由金属保护套管，绝缘材料和金属导线三者拉伸而成的细管导线上形成的，然后再外面再焊一段短管做保护套管，在热电阻体与保护套管之间填满绝缘材料，最后焊上封头。3.4.5热电阻阻值测量在热电阻与显示仪表的实际连接中，由于其间的连接导线长度较长，导线本身的电阻会与热电阻串联在一起，造成测量误差。如果每根导线的电阻为r，则加到热电阻上的绝对误差为2r，而且这个误差并非定值，是随着导线所处的环境温度而变化的，所以在工业应用时，为避免或减少导线电阻对测量的影响，常常采用三线制、四线制的连接方式来解决。国产热电阻的

35、引出线有二线制、三线制和四线制三种。3.5辐射式温度计接触式测温常用于-1001800温度的测量，优点：方法简单、可靠，测量精度高。缺点：由于需进行充分的热接触，测量时需有一定的响应时间（滞后），而且使用时往往会破坏被测对象的热平衡，产生附加误差。非接触式测温 温度敏感元件不与被测对象接触，而是通过热辐射进行热交换，由热辐射能的大小计算出被测对象的温度。优点：测量上限高（3200） ，速度快。缺点：测量误差较大。3.5.1 测温原理 物体处于绝对零度以上时，都会以一定波长电磁波的任何形式向外辐射能量。非接触式温度仪表就是利用物体的辐射能量随其温度而变化的原理制成的。 测量时，只需把温度计光学接

36、收系统对准被测物体，而不必与物体接触，因此可以测量运动物体的温度并不会破坏物体的温度场。此外，由于感温元件只接收辐射能，不必达到被测物体的实际温度，从理论上讲，它没有上限，可以测量高温。1 .热辐射测温的基本定律1）、普朗克定律（单色辐射强度定律） 辐射出射度M：离开辐射源表面一点处的面单元上的辐射能量除以该单元面积，称为该点的辐射出射度，单位为瓦/米2(W/m2)。 全幅射体的辐射出射度M0与波长和温度T关系斯忒藩波尔兹曼定律（全辐射强度定律，也称为四次方定律）1） M0与M0的关系M0是波长 从0 之间全部光谱辐射出射度的总和2 ）M0的公式（斯忒潘玻耳兹曼定律:)2. 辐射测温的常用方法

37、1、亮度测温定义：测出物体在某一波长上的辐射能量，经辐射率 后确定被测物体的温度。优点：结构简单、使用方便、灵敏度高、抗干扰。缺点：有一定偏差。2、全辐射测温定义：测出物体在整个波长范围内的辐射能量，经辐射率 后确定被测物体的温度。优点：结构简单、使用方便缺点：容易受环境干扰。3、比色测温定义：测出物体在两个特定波长范围上的辐射能量之比，经辐射率 后确定被测物体的温度。优点：偏差小缺点：结构复杂。3.5.2光学高温计1光学高温计 由普朗克定律知道，物体的光谱辐射出射率M与温度有关，而物体在高温下会发光，称亮度，因亮度L与光谱辐射出射率M成正比，故通过测物体亮度L可求物体的温度。亮度温度Ts ：

38、当物体在辐射波长为 ，温度为时T，其光谱辐射亮度L和黑体在辐射波长为 ，温度为Ts时的光谱辐射亮度L0相等，则把Ts称为这个物体在波长下的亮度温度。隐丝式利用调节电阻来改变高温灯泡的工作电流，当灯丝的亮度与被测物体的亮度一致时，灯泡的亮度就代表了被测物体的亮度温度。恒定亮度式利用减光楔来改变被测物体的亮度，使它与恒定亮度温度的高温灯泡相比较，当两者亮度相等时，根据减光楔旋转的角度来确定被测物体的亮度温度。由于隐丝式光学高温计的结构和使用方法都优于恒定亮度式，所以应用广泛。2.光电高温计1） 光学高温计的问题：测量时要手动平衡亮度；人判定平衡点，平衡点还可能因人而易；故它不是连续性测量仪表，应用

39、受限制。2 ）其工作原理：光电器件代替人眼，作为仪表的感受件感受辐射源的亮度变化，并转换成与亮度成比例的电信号。此信号经电子放大器放大后被测量，其大小对应被测物体的温度。光电高温计时自动连续测温仪表。3.5.3 全辐射高温计根据全辐射强度定理，即物体的总辐射强度与物体温度的四次方成正比的关系来进行测量的。组成：辐射感温器和显示仪表两部分。可用于测量40020000C的高温，多为现场安装式结构。为适应现场高温环境的要求，可在辐射感温器外加装水冷夹套。辐射高温计测量的温度称为辐射温度，被测对象为非黑体时，要通过修正才能得到非黑体的真实温度。 4.4 比色高温计 因为实际物体的单色黑度系数和全辐射黑

40、度系数的数值相差很大，但是对同一物体的不同波长的单色黑度系数来说，其比值的变化却很小。所以用比色温度计测得的温度称为比色温度，它与物体的真实温度很接近，一般可以不进行校正。原理：通过测量热辐射体在两个或两个以上波长的光谱辐射亮度之比来测量温度。3.5.5 红外温度计 红外测温仪是利用热辐射体在红外波段的辐射通量来测量温度的。当物体的温度低于1000时, 它向外辐射的不再是可见光而是红外光了, 可用红外探测器检测温度。如采用分离出所需波段的滤光片, 可使红外测温仪工作在任意红外波段.1. 测量原理与结构 红外测温仪由光学系统、光电探测器、信号放大器及信号处理、显示输出等部分组成。光学系统汇聚其视

41、场内的目标红外辐射能量，红外能量聚集在光电探测器上并转变为相应的电信号，该信号再经换算转变为被测目标的温度值。目标环境探测器显示及输出453SP1 470EMS ?85红外测温仪测人体温度的优点 非接触性，在测量人体温度时不用接触到对方，免除传染危险，保障安全。 快速测温，准确读数，适用于快速排查大量人群。 测量体温时不用进入对方耳道，不须耳套更换，干净卫生。 激光定位，准确测量目标部位的温度，可测额头、腋下、体表等各处体温。 可设定温度限制，超过限制温度时发出声音警报，准确排查人群中体温异常者。 红外测温对人体毫无伤害性。3.6 新型温度传感器3.6.1半导体PN结型温度传感器 PN结温度传

42、感器是一种半导体敏感器件, 它实现温度与电压的转换。在常温范围内兼有热电偶，铂电阻，和热敏电阻的各自优点，同时它克服了这些传统测温器件的某些固有缺陷，是自动控制和仪器仪表工业不可缺少的基础元器件之一。在-50200温区内有着及其广泛的用途。特别在温室大棚水产养殖医疗器械家电等领域的应用。我们将不断开发创新, 致力于特殊，边沿领域的应用，满足不同用途的需求。3.6.2 集成温度传感器 集成温度传感器是利用晶体管PN结的电流电压特性与温度的关系，把敏感元件、放大电路和补偿电路等部分集成化，封装在同一壳体里的一种一体化温度检测元件。它除了与半导体热敏电阻一样有体积小、反应快的优点外，还具有线性好、性

43、能高、价格低等特点。 它的输出形式分为电压型和电流型两种。1.电流型集成温度传感器 电流输出型温度传感器能产生一个与绝对温度成正比的电流作为输出, AD590是电流输出型温度传感器的的典型产品，2.电压型集成温度传感器3.数字温度传感器数字温度传感器就是能把温度物理量和湿度物理量，通过温、湿度敏感元件和相应电路转换成方便计算机、plc、智能仪表等数据采集设备直接读取得数字量的传感器。下面以DS18B20为例作简单介绍。DS18B20数字温度传感器接线方便，封装成后可应用于多种场合，如管道式，螺纹式，磁铁吸附式，不锈钢封装式，型号多种多样，有LTM8877，LTM8874等等。主要根据应用场合的

44、不同而改变其外观。3.7温度传感器工程应用实例3.7.2温度传感器在汽车中应用第3章作业3.23.43.113.123.133.15谢谢聆听！2022/8/28传感器检测技术与仪表2022/8/281584. 压力传感器引言4.1压力基本概念4.2压力传感器分类选型与发展4.3应变式压力计4.4电容式压力传感器4.5电感式压力传感器4.6压磁式压力传感器4.7电势输出式压力传感器4.8谐振式压力传感器4.9重载型压力传感器4.10压力传感器工程应用实例引言压力与生产、科研、生活等方面密切相关。在工业自动化生产过程中，压力更是重要工艺参数之一。正确测量和控制压力是保障生产过程安全和优质运行的重要

45、环节。压力传感器是工业实践、仪器仪表控制中应用最广泛的传感器之一，同流量、液位、温度传感器一同构成了支撑工业自动化的四大传感器，被广泛应用于空间流体测量、汽车、航空、航海、冶金、机械、机器人等各种工业自控环境领域，涉及水利水电、铁路交通、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业。4.1压力基本概念物理学中，压力指垂直作用于物体表面上的力，或是气体对于固体/液体表面的垂直作用力，或是液体对于固体表面的垂直作用力；物体的单位面积上受到的压力叫做压强。压力的方向始终和受力物体的接触面相垂直。国际单位中，压力的单位牛顿（N）。压强的单位是帕斯卡（Pa）。1N的力垂直均匀作

46、用在1m2面积上，所形成的“压强”为1Pa，1Pa=1N/。帕斯卡是很小的压强单位。检测领域和工程技术中压力和压强不严格区分，将物理学中的压强也称为压力。但是必须明确压力和压强不是一个物理量。在看工程类书籍时，区分方法是看它所使用的物理单位。本书中的压力指压强。工程技术界还广泛使用其他压力单位，主要有工程大气压(at)、标准大气压(atm)、约定毫米汞柱(mmHg)等，气象学中还用“巴(bar)”等为压力单位。4.1压力基本概念表4-1 压强单位换算兆帕（MPa）磅/平方英寸（psi）千克力/平方厘米（kgf/c）巴（bar）标准大气压（at m）毫米汞柱（mmHg）114510.2109.8

47、 0.00689510.07030.0689 0.068 0.114.5031.019710.9870.10132514.6961.03331.01331760133.32（Pa）14.1压力基本概念压力分类：1.大气压：地球周围大气因重力而产生的压力。2.差压（压差）：两处压力之间的差值（符号是Pd）。3.绝对压力：介质（液体、气体或蒸汽）所处空间的所有压力。4.表压力（相对压力）：如果绝对压力和大气压的差值是一个正值，那么这个正值就是表压力（其符号表示是Pg），表压力0。5.密 封 压 ：以标准大气压（101325Pa）为基准来表示的压力（符号是Ps）。6.负压（真空表压力）：和“表压力“

48、相对应，如果绝对压力和大气压的差值是一个负值，那么这个负值就是负压力，负压力0。负压也叫真空度。7.静态压力：一般理解为“不随时间变化的压力，或者是随时间变化较缓慢的压力，即在流体中不受流速影响而测得的表压力值”。8.动态压力：和“静态压力”相对应，“随时间快速变化的压力，即动压是指单位体积的流体所具有的动能大小。”4.1压力基本概念大气压、差压、绝对压力、表压、真空度相互之间关系如图4-1所示。据压力分类，测量压力的传感器也常分为绝对压力传感器、差压传感器和表压传感器。图4-1 各种压力之间的相互关系4.2压力传感器分类选型与发展4.2.1压力传感器分类表4-2 压力传感器分类压力引起物理量

49、的变化电阻压阻式压力传感器广义的压阻式压力传感器指压力变化引起阻值变化的传感器，主要有金属应变片压力传感器、半导体应变片压力传感器、蓝宝石压力传感器、陶瓷压力传感器、半导体压电阻型压力传感器。狭义的压阻式传感器是压力式传感器的一种，又称为扩散硅压力传感器。半导体压电阻抗扩散压力传感器扩散硅压力传感器，在薄片表面形成半导体变形压力，通过外力(压力)使薄片变形而产生压电阻抗效果，从而使阻抗的变化转换成电信号。电容静电容量型压力传感器静电容量型压力传感器，是将玻璃的固定极和硅的可动极相对而形成电容，将通过外力(压力)使可动极变形所产生的静电容量的变化转换成电气信号。电容式加速度传感器 电容式加速度传

50、感器是基于电容原理的极距变化型的电容传感器，其中一个电极是固定的，另一变化电极是弹性膜片。弹性膜片在外力（气压、液压等）作用下发生位移，使电容量发生变化。这种传感器可以测量气流（或液流）的振动速度（或加速度），还可以进一步测出压力。电感电感式压力传感器 电感式压力传感器是用电感线圈电感量变化来测量压力的仪表。常见的有气隙式和差动变压器式两种结构形式。气隙式的工作原理是被测压力作用在膜片上使之产生位移，引起差动电感线圈的磁路磁阻发生变化，这时膜片距磁心的气隙一边增加，另一边减少，电感量则一边减少，另一边增加，由此构成电感差动变化，通过电感组成的电桥输出一个与被测压力相对应的交流电压。体积小、结构

51、简单，适宜在有振动或冲击的环境中使用。差动变压器式的工作原理是被侧压力作用在弹簧管_L，使之产生与压力成正比的位移，同时带动连接在弹簧管末端的铁心移动，使差动变压器的两个对称的和反向串接的次级绕组失去平衡，输出一个与被测压力成正比的电压.也可以输出标准电流信号与电动单元组合仪表联用构成自动控制系统。频率谐振式压力传感器利用谐振元件把被测压力转换成频率信号。有振弦式压力传感器（见振弦式传感器）、振筒式压力传感器（见振筒式传感器）、振膜式压力传感器（见振膜式传感器）和石英晶体谐振式压力传感器（见石英晶体谐振式传感器）。电荷/电压压电效应压电压力传感器霍尔效应霍尔式压力传感器4.2压力传感器分类选型

52、与发展4.2.2压力传感器选型1.压力传感器的性能指标表4-3压力传感器性能指标额定压力范围满足标准规定值的压力范围，即在最高和最低温度之间，传感器输出符合规定工作特性的压力范围。在实际应用时传感器所测压力在该范围之内。最大压力范围指传感器能长时间承受的、且不引起输出特性永久改变的最大压力。为提高线性和温度特性，一般半导体压力传感器都大幅度减小额定压力范围。因此，即使在额定压力以上连续使用也不会损坏。一般最大压力是额定压力最高值的2-3倍。损坏压力指能够加在传感器上且不使传感器元件或传感器外壳损坏的最大压力。线性度指在工作压力范围内，传感器输出与压力之间直线关系的最大偏离。压力迟滞在室温下及工

53、作压力范围内，从最小工作压力和最大工作压力趋近某一压力时，传感器输出之差。温度范围分为补偿温度范围和工作温度范围。补偿温度范围是由于施加了温度补偿，精度进入额定范围内的温度范围。工作温度范围是保证压力传感器能正常工作的温度范围。4.2压力传感器分类选型与发展2.压力传感器技术参数表4-4 压力传感器的技术参数参数量程灵敏度灵敏度温度系数非线性工作温度范围滞后输入电阻重复性输出电阻蠕变安全过载零点输出绝缘电阻零点温度系数推荐激励电压单位MPamV/V%FS/%FS%FS%FS%FS/30min%FS%FSM%FS/V指标示例15-2001.00.050.030.020.03+0.020.0340

54、0100.020.0335050.02150% FSS 25000(50VDC)0.0310V-15V4.2压力传感器分类选型与发展4.2.2压力传感器选型3.压力传感器选型用语表4-5 压力传感器的选型时常用语标准压以大气压为标准表示的压力大小，大于大气压的叫正压；小于大气压的叫负压。绝对压以绝对真空为标准表示的压力大小。相对压对比较对象(标准压)而言的压力大小。大气压指大气压力。标准大气压(1atm)相当于高度为水银柱的压力。真空指低于大气压的压力状态。1Torr=1/760气压(atm)。检测压力范围指传感器的适应压力范围。可承受压力当恢复到检测压力时，其性能不下降的可承受压力。往返精度

55、当一定温度()下，当增加、减少压力时、用检测压力的全标度值去除输出进行反转的压力值而得到的动作点的压力变动值。精度在一定温度()下，施加零压力和额定压力，用全量程值去除偏离输出电流规定值(4mA、20mA)的值而得到的值。单位用%FS表示。线性模拟输出对检测压力呈线性变化，但与理想直线相比有偏差。用对全量程值的百分数表示，这种偏差的值叫线性，。磁滞(线性)用零电压和额定电压在输出电流(或电压)值间画出理想直线，把电流(或电压)值与理想电流(或电压)值之差作为误差求出，再求出压力上升时和下降时的误差值。用全量程的电流(或电压)值去除上述差的绝对值的最大值，所得的值即为磁滞。单位用%FS表示。换言

56、之，用压力的全量程值去除输出ON点压力与OFF点压力之差所得的值即是磁滞。非腐蚀性气体指空气中含有的物质(氮、二氧化碳等)与惰性气体(氩、氖等) 。4.2压力传感器分类选型与发展4.2.3压力传感器误差与标定1.压力传感器的误差（1）零点偏置（2）量程（3）偏移量误差（4）灵敏度误差（5）零点温度偏移（6）灵敏度温度偏移（7）线性误差（8）重复性误差（9）迟滞误差（10）比率变化量4.2压力传感器分类选型与发展4.2.3压力传感器误差与标定2.压力传感器的标定与误差补偿一点标定法：这种标定方法通过消除传递函数零点处的漂移来补偿偏移量误差，这类标定方法通常称为自动归零。偏移量标定通常在零压力下进

57、行，特别是差动传感器在标称条件下差动压力通常为0。标定时压力的选取决定其获取最佳精度的压力范围，标定点必须根据目标压力范围加以选择，而压力范围可以不与工作范围相一致。灵敏度标定在数学模型中通常采用单点标定法进行。三点标定法：线性误差通常都具有一致的形式，它可以通过计算典型实例的平均线性误差，确定多项式函数(ax2+bx+c)的参数而得到。确定了a、b 和c 后得到的模型对于相同类型的传感器都是有效的。此法可不需第3个标定点而有效地补偿线性误差。4.2压力传感器分类选型与发展4.2.4压力传感器接线方法压力传感器的接线方式一般有两线制、三线制、四线制，有的还有五线制的。两线制：一根线连接电源正极

58、，另一根线也就是信号线经过仪表连接到电源负极，这种是最简单的。三线制：在两线制基础上加了一根线，这根线直接连接到电源的负极，较两线制麻烦一点。四线制：两根是电源输入端，另外两根是信号输出端。四线制的多半是电压输出而不是420mA电流输出，420mA输出的是压力变送器，多数做成两线制的。压力传感器的信号输出有些是没有经过放大的，满量程输出只有几十毫伏，而有些压力传感器在内部有放大电路，满量程输出为02V。五线制：与四线制相差不大，五线制传感器较少。4.2压力传感器分类选型与发展4.2.5压力传感器发展及应用领域1.压力传感器的发展2.压力传感器应用领域（1）液压系统（2）安全控制系统（3）注塑模

59、具（4）监测矿山压力（5）促进睡眠（6）压缩机，空调制冷设备4.3应变式压力计4.3.1电阻应变片式压力传感器1.电阻应变片电阻应变片应用最多的是金属应变片和半导体应变片两种。通常所说的应变片指金属应变片。金属应变片又有丝式应变片、金属箔式应变片和薄膜式三种，如图4-2所示。1一电阻丝 2一金属箔 3一薄膜 4基片 5-引线（a)金属丝式 （b)金属箔式 （c)薄膜式图4-2 金属电阻应变片结构示意图4.3应变式压力计4.3.1电阻应变片式压力传感器2.电阻应变片工作原理图4-3金属丝的拉伸对于金属应变电阻，/很小，可以忽略，则 。 。对半导体应变电阻， /很大，此时1+2可以忽略，则 。4.

60、3应变式压力计4.3.1电阻应变片式压力传感器3.应变片的特性参数（1） 应变片的电阻值R0（2） 应变片的灵敏系数K0（3） 横向效应（4） 机械滞后（5）零点漂移和蠕变4.3应变式压力计4.3.1电阻应变片式压力传感器4.温度误差及其补偿环境温度改变引起电阻变化的主要因素有两方面：一方面是应变片电阻丝的温度系数；另一方面是电阻丝材料与试件材料的线膨胀系数不同。（1）电阻温度系数（2）试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数不同。由于温度变化而引起的总电阻变化 虚假应变输出4.3应变式压力计4.3.1电阻应变片式压力传感器4.温度误差及其补偿为了消除温度误差，可以采取多种补偿措施。(1)自补偿法（I