电能量传感器

关于电能量传感器第1页，讲稿共90页，2023年5月2日，星期三5.1

热电偶

本节学习的主要内容有:1.了解热电偶的工作原理

2.了解热电偶的分类及特点

3.掌握热电偶冷端的温度补偿第2页，讲稿共90页，2023年5月2日，星期三5.1

热电偶

1、它属于自发电型传感器：测量时可以不需外加电源，可直接驱动动圈式仪表；

2、测温范围广：下限可达-270C，上限可达1800C以上；

3、各温区中的热电势均符合国际计量委员会的标准。

热电偶的优点：第3页，讲稿共90页，2023年5月2日，星期三5.1

热电偶先看一个实验——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。

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第4页，讲稿共90页，2023年5月2日，星期三5.1

热电偶一.热电偶的工作原理热电偶是基于热电效应工作的温差电动势同一导体的两端因其温度不同而产生的一种热电势。接触电动势（帕尔帖电势）

eAB(T)、eAB(T0)

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。++++----ABe接触电势的产生eAB(T)或eAB(T0)ABeAB(T)eAB(T0)第5页，讲稿共90页，2023年5月2日，星期三5.1

热电偶热电偶的工作原理热电偶回路中产生的总电动势EAB（T，T0）可写成：

EAB(T,T0)=eAB(T)+eB(T,T0)-eAB(T0)-eA(T,T0)第6页，讲稿共90页，2023年5月2日，星期三5.1

热电偶EAB(T,T0)=eAB(T)—c=f(T)温差电动势远小于接触电势，又T〉T0，所以

EAB(T,T0)的方向取决于eAB(T)的方向。自由电子密度大的为正极。EAB(T,T0)=eAB(T)—eAB(T0)=f(T)T0固定，则：第7页，讲稿共90页，2023年5月2日，星期三5.1

热电偶二.关于热电偶回路的几点结论1、若A、B材料相同，热电势为02、若T=T0，则热电势为04、中间温度定律ABTT0中间温度定律EAB（T，T0）=EAB（T，Tn)+EAB(Tn,T0)（4-6）AB=TTn+ABTT03、热电偶AB的热电势与AB材料的中间温度无关，只与接触点温度有关第8页，讲稿共90页，2023年5月2日，星期三5.1

热电偶二.关于热电偶回路的几点结论中间温度定律为制定热电偶分度表奠定了基础。EAB（T，0°）=EAB（T，Tn)+EAB(Tn,0°)计算测量查表由EAB（T，0°）查表得T值。第9页，讲稿共90页，2023年5月2日，星期三5.1

热电偶查分度表有E（30，0）=0.173mV反查分度表有T=830℃，测量端实际温度为830℃用S型热电偶测量某一温度，若参比端温度Tn=30℃，测得的热电势E(T,Tn)=7.5mV，求测量端实际温度T。第10页，讲稿共90页，2023年5月2日，星期三5.1

热电偶二.关于热电偶回路的几点结论

在热电偶测温回路内,接入第三种导体,只要第三种导体（导线）两端温度相同,则对回路的总热电势没有影响。5、中间导体定律BACT0T0T第11页，讲稿共90页，2023年5月2日，星期三

回路中的总热电势等于各接点的接触电势之和。

EABC(T,T0)=eAB(T)+eBC(T0)+eCA(T0)

当T=T0

时,有

eBC(T0)+eCA(T0)=—eＡＢ(T0)ＥＡＢＣ(T,T0)=eAB(T)—eAB(T0)=EAB(T,T0)证明（4-7）5.1

热电偶第12页，讲稿共90页，2023年5月2日，星期三6、标准电极定律EAB（T，T0）=EAC（T，T0）+ECB（T，T0）标准电极C用纯铂丝制成。可简化热电偶的选配工作。T0TACTBTCAB+=T0T0

标准电极定律示意图5.1

热电偶第13页，讲稿共90页，2023年5月2日，星期三5.1

热电偶第14页，讲稿共90页，2023年5月2日，星期三三.工业热电偶5.1

热电偶

八种国际通用热电偶：

B:铂铑30—铂铑6R:铂铑13—铂

K:镍铬—镍硅

N:镍铬硅—镍硅

E:镍铬—铜镍

J:铁—铜镍

T:铜—铜镍

S:铂铑10—铂

用于制造铂热电偶的各种铂热电偶丝第15页，讲稿共90页，2023年5月2日，星期三5.1

热电偶几种常用热电偶的测温范围及热电势

分度号名称测量温度范围1000C热电势/mVB铂铑30－铂铑650～1820C4.834R铂铑13—铂-50～1768C10.506S铂铑10—铂-50～1768C9.587K镍铬－镍铬(铝)-270～1370C41.276E镍铬－铜镍(康铜)－270～800C——?5种热电偶的测温范围与热电势各有什么特点？第16页，讲稿共90页，2023年5月2日，星期三5.1

热电偶几种常用热电偶的热电势与温度的关系曲线分析

哪几种热电偶的测温上限较高？结论：哪几种热电偶的线性较差？哪一种热电偶的灵敏度较高？哪一种热电偶的灵敏度较低？为什么所有的曲线均过原点（零度点）？第17页，讲稿共90页，2023年5月2日，星期三5.1

热电偶热电偶的分度表

——热电偶的线性较差，多数情况下采用查表法

我国从1991年开始采用国际计量委员会规定的“1990年国际温标”（简称ITS-90）的新标准。按此标准，制定了相应的分度表，并且有相应的线性化集成电路与之对应。

直接从热电偶的分度表查温度与热电势的关系时的约束条件是：自由端（冷端）温度必须为0C。第18页，讲稿共90页，2023年5月2日，星期三几种冷端处理方法：1.补偿导线法2.冷端温度校正法3.冰浴法4.冷端补偿电桥法四.热电偶的冷端处理和补偿5.1热电偶第19页，讲稿共90页，2023年5月2日，星期三为何要对冷端进行补偿？只有T0恒定，热电势与温度T成线性关系。

冷端温度受环境影响变化，造成测量误差。5.1热电偶热电偶输出的电动势是两结点温度差的函数。Ｔ作为被测温度端，T0作为参比温度端（冷端）通常要求T0保持为0℃，但在实际中做到这一点很困难，于是产生了热电偶冷端补偿问题。第20页，讲稿共90页，2023年5月2日，星期三5.1热电偶采用与热电偶热电特性相同或相近的补偿导线。1.补偿导线法要求第21页，讲稿共90页，2023年5月2日，星期三5.1热电偶

使用热电偶专用连接器热电偶插头插孔补偿线第22页，讲稿共90页，2023年5月2日，星期三2.冷端温度校正法

实际使用中，热电偶的冷端往往不是0℃，而是环境温度Tn，这时测得的热电势值为中间温度定律测出查热电偶分度表，得到被测热源的温度T。分度表查出计算由5.1热电偶第23页，讲稿共90页，2023年5月2日，星期三3.冰浴法（0℃恒温法）

可直接从仪表中读出热电势值，查分度表得出被测点的温度值。冷端温度处理冰点槽法5.1热电偶由于冰融化较快，所以一般只适用于实验室中第24页，讲稿共90页，2023年5月2日，星期三4.补偿电桥法（冷端温度自动补偿法）补偿电桥法是利用不平衡电桥产生的不平衡电压作为补偿信号,

来自动补偿热电偶测量过程中冷端温度变化而引起热电势的变化值。

补偿电桥铜电阻与热电偶参考端处在同一环境温度。

室温时电桥平衡

R1R3=R2RCu

此时UAB=05.1热电偶第25页，讲稿共90页，2023年5月2日，星期三冷端补偿电桥法5.1

热电偶第26页，讲稿共90页，2023年5月2日，星期三UbaEAB(T,T0)EAB(T0+△T,T0)

冷端补偿电桥法等效电路示意图5.1

热电偶第27页，讲稿共90页，2023年5月2日，星期三普通装配型热电偶的外形安装螺纹安装法兰第28页，讲稿共90页，2023年5月2日，星期三普通装配型热电偶的结构放大图接线盒引出线套管固定螺纹（出厂时用塑料包裹）热电偶工作端（热端）不锈钢保护管第29页，讲稿共90页，2023年5月2日，星期三铠装型热电偶外形法兰铠装型热电偶可长达上百米薄壁金属保护套管（铠体）BA绝缘材料铠装型热电偶横截面第30页，讲稿共90页，2023年5月2日，星期三铠装型热电偶

铠装热电偶的制造工艺：把热电极材料与高温绝缘材料预置在金属保护管中、运用同比例压缩延伸工艺、将这三者合为一体，制成各种直径、规格的铠装偶体，再截取适当长度、将工作端焊接密封、配置接线盒即成为柔软、细长的铠装热电偶。

铠装热电偶特点：内部的热电偶丝与外界空气隔绝，有着良好的抗高温氧化、抗低温水蒸气冷凝、抗机械外力冲击的特性。铠装热电偶可以制作得很细，能解决微小、狭窄场合的测温问题，且具有抗震、可弯曲、超长等优点。第31页，讲稿共90页，2023年5月2日，星期三隔爆型热电偶外形厚壁保护管压铸的接线盒电缆线第32页，讲稿共90页，2023年5月2日，星期三隔爆型热电偶

结构特点：隔爆热电偶的接线盒在设计时采用防爆的特殊结构，它的接线盒是经过压铸而成的，有一定的厚度、隔爆空间，机械强度较高；采用螺纹隔爆接合面，并采用密封圈进行密封，因此，当接线盒内一旦放弧时，不会与外界环境的危险气体传爆，能达到预期的防爆、隔爆效果。

使用场合：工业用的隔爆型热电偶多用于化学工业自控系统中（由于在化工生产厂、生产现场常伴有各种易燃、易爆等化学气体或蒸汽，如果用普通热电偶则非常不安全、很容易引起环境气体爆炸）。第33页，讲稿共90页，2023年5月2日，星期三其他热电偶外形小形K型热电偶第34页，讲稿共90页，2023年5月2日，星期三

定义利用电磁感应原理(发电机原理）将被测量（如振动、位移、转速等）转换成电信号的一种传感器。直接将机械能转换为电能。变磁通的开磁路式或闭磁路的磁电式传感器。恒磁通的动圈式与动铁式磁电式传感器。类型5.2磁电式传感器第35页，讲稿共90页，2023年5月2日，星期三磁电式传感器的工作原理

法拉第电磁感应定律（发电机原理）：N匝线圈在磁场中做切割磁力线运动或穿过线圈的磁通量变化时，线圈中产生的感应电动势E与磁通Ф的变化率关系如下感应电动势与线速度或角速度成正比。5.2磁电式传感器第36页，讲稿共90页，2023年5月2日，星期三磁电式传感器结构图5.2磁电式传感器第37页，讲稿共90页，2023年5月2日，星期三加积分电路可测位移（振幅）；加微分电路可测加速度。RCCRU0eU0e图(a)积分电路图(b)微分电路5.2磁电式传感器第38页，讲稿共90页，2023年5月2日，星期三磁路系统产生恒定的直流磁场。气隙不变，磁通不变。磁铁与线圈之间相对切割磁力线运动。

一、恒磁通式磁电传感器特点5.2磁电式传感器第39页，讲稿共90页，2023年5月2日，星期三二、变磁通（磁阻式）磁电传感器开磁路和闭磁路。结构分类测量旋转物体的转速。应用（1）开磁路式磁电传感器工作原理传感器的线圈和磁铁部分静止不动，测量齿轮（导磁材料制成）安装在被测转轴上，随之一起转动。5.2磁电式传感器第40页，讲稿共90页，2023年5月2日，星期三当齿轮旋转时，齿的凹凸引起磁阻的变化，使磁通变化，在线圈中感应出交变电动势，其频率等于齿轮的齿数与转速的乘积，即当齿数Z已知，测得感应电势的频率f就可以知道被测轴的转速n。

（r/min）（4-33）（4-34）5.2磁电式传感器第41页，讲稿共90页，2023年5月2日，星期三开磁路磁阻式转速传感器1-转轴2-软铁3-线圈4-齿轮5-永久磁铁输出电势的频率取决与磁通的变化频率。5.2磁电式传感器第42页，讲稿共90页，2023年5月2日，星期三(2)闭磁路式磁电传感器工作原理磁电感应式转速传感器1-转轴2-转子3-永久磁铁4-线圈5-定子5.2磁电式传感器第43页，讲稿共90页，2023年5月2日，星期三测量时，当定子与转子齿凸凸相对时，气隙最小，磁阻最小，磁通最大；当转子与定子的齿凸凹相对时，气隙最大，磁阻最大，磁通最小。磁阻周期性变化导致磁通周期性地变化，在线圈中感应出近似正弦波的电动势信号，测得感应电势的频率即可算出转速。

转子和定子的环形端部都均匀铣出等间距的一些齿和槽。要求工作原理（r/min）5.2磁电式传感器第44页，讲稿共90页，2023年5月2日，星期三特点实现力与电荷的转换。5.3

压电传感器、超声波发送器。单片机、钟表晶体振荡逆压电效应振动交变电场超声波接收器。防盗、引爆、声控灯、压电效应电荷、电压力®®第45页，讲稿共90页，2023年5月2日，星期三一、压电式传感器的工作原理压电效应FE+x压电效应_y逆压电效应压电效应原理示意图5.3

压电传感器第46页，讲稿共90页，2023年5月2日，星期三1、石英晶体压电效应正六面体。

石英晶体各个方向的特性是不同的。在直角坐标系中，它有三个轴。电轴（X轴）：穿过六棱柱的棱线，垂直于Z轴（光轴）。垂直于此轴面上的压电效应最强。(1)石英晶体的结构机械轴（Y轴）：垂直于棱柱面。

5.3

压电传感器第47页，讲稿共90页，2023年5月2日，星期三在电场沿X向作用下，沿该轴方向的机械变形最大。光轴（Z轴）：垂直于XY。光线沿该轴通过石英晶体时，无折射，在此方向加外力，无压电效应现象。5.3

压电传感器第48页，讲稿共90页，2023年5月2日，星期三hlb5.3

压电传感器第49页，讲稿共90页，2023年5月2日，星期三(2)、力与电荷的关系当在电轴方向施加作用力时,在与电轴x垂直的平面上将产生电荷,其大小为

qx=d11fx

产生的电荷与几何尺寸无关。纵向压电效应。

沿机械轴y方向施加作用力fy,则仍在与x轴垂直的平面上产生电荷qx,其大小为lblb5.3

压电传感器第50页，讲稿共90页，2023年5月2日，星期三式中:d12——y轴方向受力的压电系数,d12=－d11;

l、h——晶体切片长度和厚度。产生的电荷与几何尺寸有关。压电效应为横向压电效应。5.3

压电传感器第51页，讲稿共90页，2023年5月2日，星期三

电荷符号与受力方向的关系5.3

压电传感器第52页，讲稿共90页，2023年5月2日，星期三(3)压电效应的物理解释石英晶体sio2，3个硅离子Si4+离子,6个氧离子O2-。两两成对。微观分子结构为一个正六边形。（1）未受外力作用时,正、负离子正好分布在正六边形的顶角上,形成三个互成120°夹角的电偶极矩P1、P2、P3。P1+P2+P3=0。正负电荷中心重合，晶体垂直X轴表面不产生电荷。呈中性。5.3

压电传感器第53页，讲稿共90页，2023年5月2日，星期三5.3

压电传感器第54页，讲稿共90页，2023年5月2日，星期三（2）受x轴方向的压力作用时,此时正负电荷重心不再重合,电偶极矩在x方向上的分量由于P1的减小和P2、P3的增加而不等于零,即（P1+P2+P3）>0。在x轴的正方向出现正电荷,电偶极矩在y方向上的分量仍为零,不出现电荷。（3）受到沿y轴方向的压力作用时,P1增大,P2、P3

减小。在垂直于x轴正方向出现负电荷,在y轴方向上不出现电荷。5.3

压电传感器第55页，讲稿共90页，2023年5月2日，星期三（4）沿z轴方向施加作用力,晶体在x方向和y方向所产生的形变完全相同,所以正负电荷中心保持重合,电偶极矩矢量和等于零。这表明沿z轴方向施加作用力,晶体不会产生压电效应。当作用力fx、fy的方向相反时,电荷的极性也随之改变。石英晶体的优点：介电和压电常数的温度稳定性好。多用在校准用的标准传感器或精度很高的传感器中。也用于钟表及微机中的晶振(逆压电效应)。5.3

压电传感器第56页，讲稿共90页，2023年5月2日，星期三2、压电陶瓷的压电效应

在无外电场作用时,电畴在晶体中杂乱分布,它们的极化效应被相互抵消,压电陶瓷内极化强度为零。因此原始的压电陶瓷呈中性,不具有压电性质。（1）未加电场晶粒内自发极化方向一致的小区域称之为电畴。显微镜观察。5.3

压电传感器第57页，讲稿共90页，2023年5月2日，星期三

压电陶瓷的极化5.3

压电传感器第58页，讲稿共90页，2023年5月2日，星期三（2）加电场（极化处理）（20—30kV/cm的直流电场）电畴的极化方向转向，基本与电场方向一致。

去掉外电场，材料具备压电性能，陶瓷片对外不表现极性。陶瓷极化的两端的束缚电荷与在陶瓷片的电极表面吸附一层外界的自由电荷方向相反，数值相等。5.3

压电传感器第59页，讲稿共90页，2023年5月2日，星期三二、压电元件的等效电路及连接方式1、压电元件的等效电路压电元件两电极之间的压电陶瓷或石英晶体为绝缘体，构成一个电容器，其电容量为压电传感器可等效成一个电压源U和一个电容相串联的电路，可等效成一个电荷源与一个电容相并联的电路产生的电压与电荷的关系为5.3

压电传感器第60页，讲稿共90页，2023年5月2日，星期三(a)电荷源(b)电压源压电传感器等效电路5.3

压电传感器第61页，讲稿共90页，2023年5月2日，星期三5.3

压电传感器第62页，讲稿共90页，2023年5月2日，星期三1、传感器不宜测量静态物理量，宜测高频动态量。使用时应该注意的问题2、电缆不宜过长，否则，CC加大，使传感器的电压灵敏度下降。3、要使电压灵敏度为常数，应使压电片与前置放大器的连接导线为定长，以保证CC不变。4、测量低频信号，应增大前置放大器的输入电阻，使测量回路的时间常数增大，保证有较高的灵敏度。5.3

压电传感器第63页，讲稿共90页，2023年5月2日，星期三2、连接方式

并联方式

输出电荷大，时间常数大，适合测慢变信号，以电荷为输出的场合。串联方式

输出电压大，电容、时间常数小，适合以电压为输出，高输入阻抗的场合。5.3

压电传感器第64页，讲稿共90页，2023年5月2日，星期三（a)并联结构

(b)串联结构

压电元件的连接方式5.3

压电传感器第65页，讲稿共90页，2023年5月2日，星期三三、压电式传感器的应用连接方式：采用并联接法。1、压电式加速度传感器要求：为使压电片电荷与力之间成线性关系，压电片需有一定的预压力，保证接触面均匀接触。（1）结构（2）工作原理5.3

压电传感器第66页，讲稿共90页，2023年5月2日，星期三

压电式加速度传感器工作原理框图质量块m压电元件d,k前置放大Au,Aq提高灵敏度的措施采用较大的压电常数的材料。多片压电片组合。5.3

压电传感器第67页，讲稿共90页，2023年5月2日，星期三

检测原理

检测时传感器用胶粘贴在玻璃上,然后通过电缆和报警电路相连。压电传感器把玻璃振动波转换成电压输出。输出电压经放大、带通滤波、比较等处理后提供给报警系统。带通滤波使玻璃振动频率范围内的输出电压信号通过，其它频段的信号滤除。2、压电式玻璃破碎报警器5.3

压电传感器第68页，讲稿共90页，2023年5月2日，星期三比较器作用是当传感器输出信号高于设定的阈值时,输出报警信号,驱动报警执行机构工作。如进行声光报警。放大带通滤波执行机构比较玻璃传感器

压电式玻璃破碎报警电路框图5.3

压电传感器第69页，讲稿共90页，2023年5月2日，星期三一、工作原理（“光生伏特效应”）光照射到大面积PN结的P区，当光子能量大于P区半导体的禁带宽度时，表面产生光生电子空穴对，由于浓度差，电子向N区扩散，到达PN结，在结电场的作用下，越过PN结到达N区，P区失去电子带正电荷，N区得到电子带负电荷。光电池是一种直接将光能转换为电能的光电器件。5.4光电池第70页，讲稿共90页，2023年5月2日，星期三PN----＋－uAmV

光电池工作原理图输出电流输出电压5.4光电池第71页，讲稿共90页，2023年5月2日，星期三光电池外形光敏面5.4光电池第72页，讲稿共90页，2023年5月2日，星期三能提供较大电流的大面积光电池外形5.4光电池第73页，讲稿共90页，2023年5月2日，星期三其他光电池及在照度测量中的应用柔光罩下面为圆形光电池5.4光电池第74页，讲稿共90页，2023年5月2日，星期三光电池在动力方面的应用太阳能赛车太阳能电动机模型太阳能硅光电池板5.4光电池第75页，讲稿共90页，2023年5月2日，星期三光电池在动力方面的应用（续）太阳能发电5.4光电池第76页，讲稿共90页，2023年5月2日，星期三光电池在动力方面的应用（续）光电池在人造卫星上的应用5.4光电池第77页，讲稿共90页，2023年5月2日，星期三二、光电池的基本特性1）光谱特性在入射光照度一定时，光电元件的相对灵敏度随光波波长的变化而变化，一种材料只对一定波长范围的人射光敏感，这就是光谱特性。硅光电池光谱特性使用时应根据光源性质选择光电池5.4光电池第78页，讲稿共90页，2023年5月2日，星期三二、光电池的基本特性2）光照特性

短路电流在很大范围内与光照强度成线性关系,光电池工作于短路电流状态，可做检测元件。

开路电压（负载电阻RL无限大时）与光照度的关系是非线性的,

并且当照度在2000lx时趋于饱和了。光电池工作于开路电压状态，可做开关元件。5.4光电池第79页，讲稿共90页，2023年5月2日，星期三硅光电池开路电压和短路电流与光照的关系硅光电池在不同光照下光照特性5.4光电池第80页，讲稿共90页，2023年5月2日，星期三硅光电池频率特性3）频率特性表征光电器件的动态性能，反映了交变光照下器件的输出特性。5.4光电池第81页，讲稿共90页，2023年5月2日，星期三

硅光电池温度特性4）温度特性

光电器件随所处环境温度的变化，其光电效应的外在表现会发生变化。注意温度补偿问题5.4光电池第82页，讲稿共90页，2023年5月2日，星期三三、光电池的应用自动干手器原理图1、光电池在自动干手器中的应用+12VJMJ112V2A901251KL39470uf4001～5.4光电池第83页，讲稿共90页，2023年5月2日，星期三

手放入干手器时，手遮住灯泡发出的光，光电池不受光照，晶体管基极正偏而导通，继电器吸合。风机和电热丝通电，热风吹出烘手。手干抽出后，灯泡发出光直接照射到光电池上，产生光生电动势，使三极管基射极反偏而截止，继电器释放，从而切断风机和电热丝的电源。光照度定义为单位面积上所接收的光的辐射能量。单位勒克斯。Lx(W/m2)5.4光电池第84页，讲稿共90页，2023年5月2日，星期三

光电式数字转速表工作原理图2．脉冲式光电传感器