传感器在工程检测中的应用

1、（优选）传感器在工程检测中的应用第一页，共三十二页。1热力学温标根据理想气体的热力学定律得到(高中物理)。单位：开尔文(K) 国际温标(a)国际温标是建立在热力学温标基础上的，它们本质上是一致的。故其单位也为开尔文(K) 。国际温标(热力学温标)T与摄氏温标t的关系： T=t+273.15 (b)根据一些物质的熔点，沸点和三相点的热力学温度，定义了11个可以复现的温度点。 (c)规定了4个温度段的标准仪器。.13.82K273.15K，低温铂电阻温度计;. 273.15K903.89K，铂电阻温度计;. 903.89K1337.58K，铂铑-铂热电偶温度计; .1337.58K，光测温度计。第

2、二页，共三十二页。22. 温度的测量方法(参见表15-1)(1)接触式测量。优点：(a)结构简单，价格便宜; (b)工作可靠(精度高)。(2)非接触式测量。缺点：(a)特殊场合，接触式测量不适用; (b)接触测量会影响被测物的温度场。优点: (a)可用于高温,强腐蚀等场所;(b)不会影响被测物的温度场。缺点: (a)结构较复杂； (b)精度低。(对表15-1进行说明)第三页，共三十二页。3二. 膨胀式温度传感器(体积式)1. 液体膨胀式（略）原理：双金属片的弯曲效应2. 固体膨胀式而且温度变化越大，弯曲得就越厉害。可见：根据双金属片的弯曲方向和程度就可测出温度的变化。第四页，共三十二页。4 3

3、.气体膨胀式原理：气体V一定时，p/T=C。可见测出p，就可测出T。第五页，共三十二页。5三. 热电偶传感器1.结构T：测量端(热端或工作端); T0：自由端(冷端或参考端) 。热电偶：两不同的半导体或者导体接成的一闭合回路。热电效应：不同A、B，在接触点TT0，则回路产生热电势(接触电势和温差电电势)的现象。2.工作原理：热电效应第六页，共三十二页。6(1) 接触电势接触点T处:接触点T0处:同理可得到此处也存在上为正的电势eAB(T0)第七页，共三十二页。7(2) 温差电势A导体:B导体:同理可得到B也存在左为正的电势eA(T,T0)第八页，共三十二页。8(3) 回路总电势 eAB(T,

4、T0)=eAB(T)+eB(T, T0)-eAB(T0)-eA(T, T0) 温差电势接触电势，于是 eAB(T, T0) eAB(T)-eAB(T0)(4) 测温原理参考端T0恒定，eAB(T0)=C，故eAB(T, T0) =eAB(T)-C=f (T)回路总电势只与T有关，反之测出总电势，就可测出T。热电偶测温原理第九页，共三十二页。92.热电偶的基本定律(1) 均质导体定律条件：热电偶导体A、B都是均质导体但A、B之间是不同材质证明:结论：热电势只与A、B的接触温度T、T0及材质有关。 与A、B尺寸形状和各处温度无关。可见，热电势只与T、T0及NAT，NBT，NAT0，NBT0有关。与

5、T、T0 和A、B材质有关,与尺寸形状无关故可得结论，且热电势与A、B尺寸形状无关。第十页，共三十二页。10证明: 热电势与各处温度无关。设A中间有一点温度TC：TCT，TCT0。TC处接触电势：可见，对于均质材料，其它点的温度不产生接触电势。实际指导意义: 实际中冷端和热端温度不一样，故它们之间的温度是变化的。但由均质定律，只要热电偶是均质材料，则不需要考虑中间温度的变化。第十一页，共三十二页。11(2) 中间导体定律A、B组成的热电偶中接入第三种导体C，且满足条件：C的接入两端温度相等；证明: C接入冷端T0(或者热端T)。结论：热电势不变。第十二页，共三十二页。12证明: C接入A的中间

6、(或B的中间)。实际指导意义: 测量热电势时，必须要接入电压表或者测量电路。但由中间导体定律，只要两接入点温度相等，则热电势不变。第十三页，共三十二页。13 热电偶AB在接点温度t、tc和tc、t0时的热电势为eAB(t, tc)和eAB(tc, t0)，则在t、t0时的热电势eAB(t, t0)为证明:(3) 中间温度定律第十四页，共三十二页。14应用:利用分度表求T00时，标准热电偶的热电势。例：利用表15-3求S型热电偶T0=30，T=1150时的热电势。解:在补偿导线上的应用补偿导线：如冷端和热端相距较远，热电偶无法连接它们，则需要在热电偶和冷端间加补偿导线(如图中AB)。设两接入点温

7、度都为tC，则热电势为第十五页，共三十二页。15热电势不变(a) A与A，B与B是相同导体，则 、式明显满足，故此时热电势不变。(b) A与A,B与B不是相同导体，则 式式A与 , B与 满足式，则称A与 ,B与 热电特性相似。第十六页，共三十二页。16结论：补偿导线不影响热电势的条件(a)两接入点温度相等(都为tC )。(b) A与 ，B与 是相同的导体(或热电特性相似)。第十七页，共三十二页。17(4) 参考电极定律 A、B、C导体组成热电偶AB、AC、BC，如果AB、AC的热电势已知，则BC的热电势为证明:第十八页，共三十二页。18应用：利用标准电偶的分度表某些非标准热电偶的热电势。例：

8、利用书上分度表计算镍硅-铜镍热电偶在T0=0,T=30时的热电势.解:由表15-5，知由表15-6，知第十九页，共三十二页。19(1)8种标准热电偶3. 热电偶类型第二十页，共三十二页。20(2)分度表：标准热电偶在T0=0时的热电势值表15-315-6给出了S、B、K、E型的分度表。4. 热电偶的结构形式(1)普通型热电偶第二十一页，共三十二页。21(2)铠装热电偶主要优点：测温端热容量小，动态响应快。 机械强度高，挠性好， 可安装在结构复杂的装置上。(3)薄膜热电偶主要优点：热接点可以做得很小(可薄到0.010.1m)， 具有热容量小， 反应时间可达到微秒级，适用于微小面积上的表面温度以及

9、快速变化的动态温度测量。第二十二页，共三十二页。225.热电偶的补偿导线及冷端补偿(1) 补偿导线 适用范围：测温端和处理电路所在的控制室较远(可达几十米，而热电偶为35cm2m)。 补偿方法:(a)热电偶较便宜(镍、铜、铁)，补偿导线与热电偶材料一致。(b)热电偶较贵(铂)，补偿导线用热电特性相似的廉价金属代替。第二十三页，共三十二页。23(2)冷端补偿：T00时，如何利用分度表。冷端0恒温法： 冷端放入装满冰水混合物中。冷端温度修正法：利用中间温度定律进行修正第二十四页，共三十二页。24(b)工作原理:热电偶回路总电势e总= eAB(T)- eAB(T0)+UAB.T0=0时，调整RCu使

10、得UAB=0，则 e总= eAB(T)- eAB(0)(a)结构：锰铜电阻R1、 R2 、R3(温度系数很小)；铜电阻RCu (温度系数较大)；稳压电源。补偿电桥法.T0e总= eAB(T)- eAB(T0)+UAB变化很小。即 e总eAB(T)- eAB(0) ，这相当于冷端温度恒定为0。第二十五页，共三十二页。256. 热电偶测温线路(1)典型电路图15-17 热电偶典型测温线路普通测温线路； (b) 带有补偿器的测温线路；(c) 具有温度变送器的测温线路； (d) 具有一体化温度变送器的测温线路第二十六页，共三十二页。26(2) 热电偶的串并联(a)同向串联：E总=E1+E2+E3+En

11、，测几个温度之和。(b)反向串联：E总=E1-E2，测2个温度之差。第二十七页，共三十二页。27r1、r2、r3、r4是相同热电偶电阻，RL是仪表电阻。(c)并联:等效电路如右于是有 r1=r2=r3=r4=rRL测平均温度第二十八页，共三十二页。28四.热电阻传感器热电阻 ：金属热电阻。热敏电阻：半导体热电阻。热电阻传感器：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。1.常用热电阻(1)铂热电阻 特点：(a)精度高、稳定性好、性能可靠 。(b)温度范围为-200+850。特性方程:(a) -2000内：Rt=R01+At+Bt2+Ct3(t-100)(b)0850内： Rt = R0(1+At+Bt2)Rt和R0分别为t和0时铂电阻值; A,B和C为常数。第二十九页，共三十二页。29(2)铜热电阻 特性方程: Rt=R0 (1+t)Rt和R0分别为t和0时电阻值; 为铜热电阻的电阻温度系数。特点：(a)测量精度不高; (b)温度范围为50+150，不适宜在高温下工作;(c)铜热电阻线性好， 价格便宜。第三十页，共三十二页。302.热电阻的结构(1)结构：电阻体、 绝