第三章 电能量传感器

2024/6/11第三章电能量传感器能够将非电量转换成电能量的传感器称为有源传感器，也称为电能量传感器。本章将介绍几种常见的电能量传感器。§3.1热电偶§3.2压电传感器§3.3光电池3.1热电偶一、工作原理二、工业热电偶三、冷端补偿四、结构型式是工业上最常用的温度检测器件之一。优点：测量精度高。因热电偶直接与被测对象接触，不受中间介质的影响。测量范围广。常用的热电偶从-50～+1600℃均可连续测量，某些特殊热电偶最低可测到-269℃（如金铁镍铬），最高可达+2800℃（如钨-铼）。构造简单，使用方便。热电偶通常是由两种不同的金属组成，而且不受大小的限制，外有保护套管，使用非常方便；适用于远距离测量和自动控制。一.热电偶测温原理1）接触电势(珀尔帖效应)概念：将同温度的两种不同的金属互相接触，如图所示。由于不同金属内自由电子的密度不同，在两金属A和B的接触处会发生自由电子的扩散现象，自由电子将从密度大的金属A扩散到密度小的金属B，使A失去电子带正电．B得到电子带负电．直至在接点处建立了强度充分的电场，能够阻止电子扩散达到平衡为止。两种不同金属的接点处产生的电动势称为接触电势。此效应称为珀尔帖效应。接触电势原理图+ABTeAB(T)-根据电子理论:温度为T、T0处产生的接触电势方向相反，故回路的接触电势为：2）温差电势(汤姆逊效应)概念：假设在一匀质棒状导体的一端加热，如图所示，则沿此棒状导体有温度梯度导体内自由电子将从温度高的一端向温度低的一端扩散，并在温度较低一端积累起来，使棒内建立起一电场。当这电场对电子的作用力与扩散力相平衡时，扩散作用即停止。电场产生的电势称为汤姆逊电势或温差电势。AeA(T,To)ToT温差电势原理图

对于导体A、B组成的热电偶回路，当接点温度T＞T0时，回路的温差电势等于导体温差电势的代数和，即:

当匀质导体两端的温度分别是T、T0时，温差电势为:ABTT0-EA(T,T0)EB(T,T0)EAB(T)EAB(T0)用（S型）热电偶测量某一温度，若参比端温度T0=30℃，测得的热电势E(T,Tn)=7.5mV，求测量端实际温度T。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℃目前国内广泛使用的工业热电偶都具有标准化的分度号和分度表，也有非标准化的工业热电偶。分度号是以两个热电极的材料为基础命名的，表示一种特定类型的热电偶。热电偶的每种分度号都对应有一个分度表，它是相应类型热电偶的“电动势－温度特性”的表格形式，以冷端温度T0＝0℃为基础制定。我国标准化的分度号和分度表都是由中华人民共和国国家标准规定的。二、工业热电偶2024/6/112024/6/11最新的ITS-90国际温标实施以后，采用新温标的热电偶分度表国际标准IEC-584-1的修订版IEC-584-1-1995迟至1995年才公布。同年，由上海自动化仪表研究所和重庆仪表材料研究所共同制定了等同于采用IEC-584-1-1995的热电偶分度表国家标准GB/T16839.1-1997。1996年，重庆仪表材料研究所开始组织行业修订八项热电偶丝标准。1998年12月国家质量技术监督局批准发布，1999年7月1日起实施。原国家标准于1983制订，采用的是ITPS-68国际温标。表5-1标准化热电偶分类热电偶名称分度号热电极识别E（100,0）（mV）测温范围（℃）对分度表允许偏差（℃）新极性识别长期短期等级使用温度允差铂铑10-铂S正亮白较硬0.6460~13001600Ⅲ≤600±1.5℃负亮白柔软＞600±0.25%t铂铑13-铂R正较硬0.6470~13001600Ⅱ＜600±1.5℃负柔软＞1100±0.25%t铂铑30-铂铑B正较硬0.0330~16001800Ⅲ600~900±4℃负稍软＞800±0.5%t镍铬-镍硅K正不亲磁4.0960~12001300Ⅱ-40~1300±2.5℃或±0.75%t负稍亲磁Ⅲ-200~40±2.5℃或±1.5%t镍铬硅-镍硅N正不亲磁2.774-200~12001300Ⅰ-40~1100±1.5℃或±0.4%t负稍亲磁Ⅱ-40~1300±2.5℃或±0.75%t镍铬-康铜E正暗绿6.319-200~760850Ⅱ-40~900±2.5℃或±0.75%t负亮黄Ⅲ-200~40±2.5℃或±1.5%t铜-康铜T正红色4.279-200~350400Ⅱ-40~350±1℃或±0.75%t负银白色Ⅲ-200~40±1℃或±1.5%t铁-康铜J正亲磁5.269-40~600750Ⅱ-40~750±2.5℃或±0.75%t负不亲磁1.铂铑10-铂热电偶（S型）贵金属热电偶。电极线径规定为0.5mm， 正极（SP）的名义化学成分为铂铑合金 负极（SN）为纯铂，故俗称为单铂铑热电偶。 长期最高使用温度为1300℃，短期最高使用温度为1600℃。优点：准确度高，稳定性好，测温温区和使用寿命长，物理化学性能良好，在高温下抗氧化性能好，适用于氧化和惰性气氛中。缺点：热电率较小，灵敏度低，高温下机械强度下降，对污染敏感，贵金属材料昂贵，因此一次性投资较大。2.铂铑30-铂铑6（B型）为贵金属热电偶。热偶丝线径规定为0.5mm， 正极（BP）和负极（BN）的名义化学成分均为铂铑合金，只是含量不同，故俗称为双铂铑热电偶。 长期最高使用温度为1600℃，短期最高使用温度为1800℃。优点：准确度高，稳定性好，测温温区宽，使用寿命长等，适用于氧化性和惰性气氛中，也可短期用于真空中，但不适用于还原性气氛或含有金属或非金属蒸汽中；参比端不需进行冷端补偿，因为在0～50℃范围内热电势小于3µV。缺点：热电率较小，灵敏度低，高温下机械强度下降，抗污染能力差，贵金属材料昂贵。3.镍铬-镍硅热电偶（K型）使用量最大的廉金属热电偶，用量为其它热电偶的总和 正极（KP）的名义化学成分为：Ni:Cr=90:10， 负极（KN）的名义化学化学成分为Ni:Si=97:3。 其使用温度为-200～1300℃。优点：线性度好，热电势较大，灵敏度较高，稳定性和复现性均好，抗氧化性强，价格便宜。能用于氧化性和惰性气氛中。K型热电偶不能在高温下直接用于还原性或还原、氧化交替的气氛中，也不能用于真空中。4.镍铬-铜镍热电偶（E型）称为镍铬-康铜热电偶，也是一种廉价金属热电偶。 其正极（EP）为镍铬10合金，化学成分与KP相同，负极（EN）为铜镍合金，名义化学成分为55%的铜、45%的镍以及少量的钴、锰、铁等元素。该热电偶电动势之大，灵敏度之高属所有标准热电偶之最，宜制成热电偶堆来测量微小温度变化。E型热电偶可用于湿度较大的环境里，具有稳定性好，抗氧化性能高，价格便宜等优点。但不能在高温下用于硫、还原性气氛中。标准化热电偶热电势和温度的关系2024/6/11需要注意的是，图中的曲线看上去是线性的，而实际上是非线性的。这是因为热电偶的测量准确度比较高，其非线性难以通过曲线图表现出来。各种热电偶各具优缺点，选用时应根据使用的具体技术要求以及实际测温范围、测温状态、介质情况等因素综合考虑。表1标准化热电偶的特性热电偶种类优点缺点B适于测量1000℃以上的高温常温下热电动势极小，可不用补偿导线抗氧化、耐化学腐蚀在中低温领域热电动势小，不能用于600℃以下灵敏度低热电动势的线性不好R、S精度高、稳定性好，不易劣化抗氧化、耐化学腐蚀可作标准灵敏度低不适用于还原性气氛(尤其是H2、金属蒸气)热电动势的线性不好价格高N热电动势线性好1200℃以下抗氧化性能良好短程表序结构变化影响小不适用于还原性气氛同贵金属势电偶相比时效变化大K热电动势线性好1000℃下抗氧化性能良好在廉金属热电偶中稳定性更好不适用于还原性气氛同贵金属热电偶相比时效变化大因短程有序结构变化而产生误差E在现有的热电偶中，灵敏度最高同J型相比，耐热性能良好两极非磁性不适用于还原性气氛热导率低具有微滞后现象J可用于还原性气氛热电动势较K型高20%左右铁正极易生锈热电特性漂移大T热电动势线性好低温特性好产品质量稳定性好可用于还原性气氛使用温度低铜正极易氧化热传导误差大

表2非标准化热电偶名称热电极材料使用温度范围(℃)过热使用温度范围(℃)特征正极负极钨铼系WRe5、WRe3WRe26、WRe250～23003000适用于还原性、H2及惰性气体。质脆铂铑系PtRh20、PtRh40PtRh5、PtRh20300～15001100～160018001800在高温下使用，热电动势小，其它性能与R型相同铱铑系Ir、Ir、IrIrRh40、IrRh50、IrRh601100～20002100适用于真空、惰性气体及微氧化性气氛。质脆镍钼系NiNiMo180～1280/可用于还原性气氛，热电动势大钯铂系Pd、Pt及Au合金Au、Pd合金0～11001300耐磨性能强，热电动势的大小基本上与K型相同镍铬、金铁以Ni-Cr为主的合金含0.07mo1%Fe的合金0～300K/20K以下热电动势比较大，热电动势的线性好银金、金铁含Au为0.37mo1%的合金含0.03mo1%Fe的Au-Fe合金1～40K/热电动势小，受磁场影响三.冷端补偿

热电偶的热电势大小不仅与热端温度的有关，而且也与冷端温度有关，只有当冷端温度恒定，才能通过测量热电势的大小得到热端的温度。

热电偶的冷端处理和补偿:

当热电偶冷端处在温度波动较大的地方时，必须首先使用补偿导线将冷端延长到一个温度稳定的地方，再考虑将冷端处理为０℃。几种冷端处理方法：1.补偿导线法2.热电偶冷端温度恒温法3.计算修正法4.冷端补偿电桥法1.补偿导线法组成：补偿导线合金丝、绝缘层、护套和屏蔽层。热电偶补偿导线功能：其一实现了冷端迁移；其二是降低了电路成本。补偿导线又分为延长型和补偿型两种延长形：补偿导线合金丝的名义化学成分及热电势标称值与配用的热电偶相同，用字母“Ｘ”附在热电偶分度号后表示，补偿型：其合金丝的名称化学成分与配用的热电偶不同，但其热电势值在100℃以下时与配用的热电偶的热电势标称值相同，有字母“C”附在热电偶分度号后表示，

补偿导线的型号、线芯材质和绝缘层着色

补偿导线型号配用热电偶补偿导线的线芯材料绝缘层着色正极负极SC或RC铂铑10（铂铑）-铂SPC（铜）SNC（铜镍）红绿KC镍铬-镍硅KPC（铜）KNC（铜镍）红蓝KX镍铬-镍硅KPX（铜镍）KNX（镍硅）红黑NX镍铬硅-镍硅NPS（铜镍）NNX（镍硅）红灰EX镍铬-铜镍EPX（镍铬）ENX（铜镍）红棕JX铁-铜镍JPX（铁）JNX（铜镍）红紫TX铜-铜镍TPX（铜）TNX（铜镍）红白使用补偿导线时注意问题：补偿导线只能用在规定的温度范围内（0~100℃）；热电偶和补偿导线的两个接点处要保持温度相同；不同型号的热电偶配有不同的补偿导线；补偿导线的正、负极需分别与热电偶正、负极相连；补偿导线的作用是对热电偶冷端延长。2.热电偶冷端温度恒温法适用于实验室中的精确测量和检定热电偶时使用。3.计算修正法在实际应用中，热电偶的参比端往往不是，而是环境温度，这时测量出的回路热电势要小，因此必须加上环境温度与冰点之间温差所产生的热电势后才能符合热电偶分度表的要求。

可用室温计测出环境温度T1，从分度表中查出的E(T1,0)值，然后加上热电偶回路热电势E(T,T1)，得到E(T,0)值，反查分度表即可得到准确的被测温度值。用镍铬--镍硅(K型)热电偶测温，热电偶参比端温度为30℃。测得的热电势为28mV，求热端温度。反查K分度表T=701.5℃计算修正曲线2024/6/11此法的实质就是利用不平衡电桥产生的电动势来补偿因冷端温度变化而产生的热电动势的变化量。如图所示，补偿电桥由3个锰铜丝电阻R1、R2、R3以及1个铜丝电阻RCu这4个桥臂和桥路稳压电源E组成。其中，补偿电阻RCu必须与冷端感受相同的温度。通常取20℃时电桥平衡（R1＝R2＝R3＝RCu），a、b两点电位相等（Uab＝0），此时电桥对仪表读数无影响。R1

R2a

bRcu

R3mVE4.冷端补偿电桥法2024/6/11当环境温度高于20℃时，RCu增加，平衡被破坏，产生一个不平衡电压Uab（此时应有Ua＞Ub），它与热端电压叠加后送入仪表。

适当选择桥臂电阻和激励电流值，可在一定的温度范围内使得Uab正好补偿冷端温度变化所引起的热电动势的变化量，从而使仪表指示正确的温度值。当环境温度低于20℃时的情况是类似的，只是此时Ua＜Ub，即Uab＜0。补偿电桥已有定型产品，通常可在0～40℃范围内自动实现冷端补偿。由于补偿电桥通常都是设计在t0＝20℃时输出电势为0mV（补偿电桥处于平衡状态），故使用时应将显示仪表的示值机械零位调整到20℃。四.热电偶结构型式为保证热电偶的正常工作，热电偶的两极之间以及与保护套管之间都需要良好的电绝缘，而且耐高温、耐腐蚀和冲击的外保护套管也是必不可少的。

1.普通型装配式结构

2.柔性安装型铠装结构1.普通型装配式结构2.柔性安装型铠装结构测量端的热容量小，响应速度快，绕性好，可弯曲，可以安装在狭窄或结构复杂的测量场合，耐压、耐振、耐冲击常见的热电偶五.热电偶安装注意事项1.插入深度要求 测量端应有足够的插入深度，应使保护套管的测量端超过管道中心线5~10mm。2.注意保温 为防止传导散热产生测温附加误差，保护套管露在设备外部的长度应尽量短，并加保温层。3.防止变形 应尽量垂直安装。在有流速的管道中必须倾斜安装，若需水平安装时，则应有支架支撑。作业P149：1.2.如果我们要为一台使用温区在0-1500℃的高温空气烧结炉选择热电偶，请问哪一种规格的热电偶合适？为什么？若使用温区在0-1000℃的高温空气烧结炉呢？并请从网上查询相应的价格。3.如果用K型热电偶设计一台数字化测温仪，请简述所需的功能模块图，并简述其各自的功能。2024/6/11压电式传感器是一种典型的电能量传感器（有源传感器），从敏感元件来看也是结构最简单的一种。它以某些电介质的压电效应为基础，在外力的作用下在电介质的表面上产生电荷，从而实现非电量电测量的目的。显然它是一种力－电荷传感器。3.2压电传感器一、压电效应二、压电材料三、测量电路四、应用某些电介质，当沿一定方向对它施加压力时，其内部就会产生极化现象，同时在它的两个表面上产生符号相反的电荷；当外力去掉后，又会重新恢复不带电的状态。这种物理现象就称为压电效应。作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变。反之，当在电介质的极化方向上施加电场时，电介质也会产生变形，这种现象称为逆压电效应。具有压电效应的物质很多，例如，天然石英晶体和人造压电陶瓷都是最常用的压电晶体。以石英晶体为例讨论压电传感器的基本工作原理。一、压电效应石英晶体的压电效应理想形状：六棱柱，两端为对称的棱锥，共30个晶面。纵轴z-z称作光轴，通过六棱柱棱线而垂直于光轴的轴线x-x称作电轴，垂直于棱面的轴线y-y称作机械轴

--右螺旋法则。

通常从晶体上沿三轴线切下一个平行六面体切片，即其晶面分别平行z-z、y-y、x-x轴线。切片在受到沿不同方向的作用力时，会产生不同的极化作用，主要的压电效应有纵向效应、横向效应和切向效应三种。石英晶体产生压电效应的物理过程

每个晶体单元中，具有3个硅离子和6个氧离子，氧离子是成对的，构成六边的形状。在没有外力的作用时，电荷互相平衡，外部没有带电现象。

纵向压电效应：沿电轴(x轴)施加作用力，电荷出现在与x轴相垂直的表面上。产生的电荷量为：

qx=d11⋅Fx

其中，d11：纵向压电常数；Fx：作用力。

横向压电效应：沿机械轴(y轴)施加作用力，电荷仍出现在与x轴相垂直的表面上。产生的电荷量为：即横向压电效应产生的电荷与纵向压电效应产生的电荷极性相反。

切向压电效应：沿相对两棱加力(x轴或y轴施加剪切力)，晶体表面产生电荷的现象。

沿xx轴的剪切力产生的电荷出现在与yy轴垂直的表面上（电荷量与剪切力成正比，与晶片尺寸无关）；

沿yy轴的剪切力产生的电荷出现在与xx轴垂直的表面上（电荷量与剪切力成正比，与晶片尺寸无关）。

压电式传感器主要是利用纵向压电效应。压电常数dij有两个下标：i（i=1,2,3）——表示在i面上产生电荷，i＝1，2，3分别表示在垂直于x,y,z轴的晶面，即x,y,z面上产生电荷。j（j=1,2,3,4,5,6）——其中j＝1,2,3分别表示晶体沿x,y,z轴方向承受单向力；j＝4,5,6分别表示晶体在yz平面，zx平面和xy平面上承受剪切力。二、压电材料

1）压电单晶石英（SiO2）

天然或人工合成。具有良好的机械强度和压电效应。压电系数较小，但压电系数的时间和温度稳定性好。在20～200℃内，温度每升高1℃，压电系数仅减小0.016%，升高到，200℃

时，仅减小5%，达到573℃

时，失去压电特性，此温度称为石英的居里点。介电常数为4.5。

铌酸锂（LiNbO3）

居里点1210℃，具有良好的压电性，适用于

高温环境，但比石英脆，抗冲击性差。

钽酸锂（LiTaO3）

居里点666℃，压电常数为石英的3倍。

酒石酸钾钠（NaKC4H4O6•4H2O）

压电系数较大

，但机械强度低，机械强度、电阻率、居里点均较低，易受潮，性能不稳定。2)多晶压电陶瓷

压电陶瓷的压电常数一般比石英高数百倍。现代压电元件，大多采用压电陶瓷。钛酸钡（BaTiO3）

碳酸钡BaCO3和二氧化钛TiO2按1:1混合

烧结而成。压电常数约为石英的50倍,介电

常数高(1200)，居里点约120℃。锆钛酸铅（PZT）

系列压电陶瓷居里点300℃左右，压电常数

70～800×10-12C/N，性能和稳定性均超过钛

酸钡。其中有些产品可耐高温、高压。

3）高分子有机压电材料

聚二氟乙烯（PVF2）聚氟乙烯（PVF）聚氯乙烯（PVC)、聚偏二氟乙烯（PVDF）等。易于大量生产、面积大、柔软不易破碎，可制成阵列器件。用于微压和机器人触觉。

4）压电半导体

具有压电和半导体两种特性，易于集成。三、

测量电路压电式传感器及其等效电路压电器件相当于具有一定电容的电荷源，其电容：

假设一恒定力F作用于压电器件，产生电量q，则输出电压：压电传感器本身产生的电荷量很小，且传感器本身的内阻很大（压电元件漏电阻Ra一般在1013

～1014Ω以上），因此输出信号很微弱，给后续测量电路提出很高的要求。由于传感器的内阻及后续测量电路输入电阻Ri非无限大，电路将按指数规律放电，造成测量误差。电路放电时间常数τ=(Ra//Ri)⋅C≈Ri⋅C（一般Ra>>Ri），为了减小误差，Ri越大越好。显然，电荷泄漏使得利用压电传感器测量静态或准静态量非常困难。通常压电传感器适宜作动态测量。实际应用中为了增大输出值，压电传感器往往用两个或两个以上的晶体串联或并联：

并联时，输出电荷量大、电容大、时间常数大；

适宜测量缓变信号和以电荷输出的场合。

串联时，输出电压大、电容小、时间常数小。适宜测量高频信号和以电压输出的场合。测量电路

由于压电式传感器的输出电信号很微弱，通常先把传感器信号先输入到高输入阻抗的前置放大器:电压放大器或电荷放大器，对传感器输出的电压或电荷信号进行放大处理，并实现阻抗变换，将传感器的高输出阻抗变为放大器的低输出阻抗，再用一般的放大检波电路输入到指示仪表或记录器。

前置放大器的作用：放大信号、阻抗变换

当作用力频率ω与电路时间常数RC足够大时，显然:Uom和Su0与Cc有关，当改变电缆长度或布线方法时，Uom和Suo都会改变，从而导致测量误差。若压电器件上作用静态力（ω=0)，Uom和Su0均等于0。即压电传感器不能测量静态力。若被测量是准静态量，必须增大测量回路时间常数，以维持(ωRC)2>>1，，减少ω对Uom和Su0的影响。显然增加电容CC会降低灵敏度，而一般Ra很大，故只有增加Ri。Ri越大，低频响应越好。下限频率：对动态测量，ω较大，易满足(ωRC)2>>1，此时Uom和Su0近似与ω无关，即压电传感器具有良好的高频响应特性。2)电荷放大器电荷放大器是一个高增益带电容负反馈的运算放大器，其输入阻抗极高（1012Ω以上）。Rf Cf qCaRa Cc

Ri

Ci

Ua

图3.2.7电荷放大器等效电路（电荷源）

IC↑表明:在一定条件下，电荷放大器的输出电压与外力成正比，与反馈电容成反比，而与Ca、Cc和Ci无关。

电缆分布电容变化不会影响传感器灵敏度及测量结果是电荷放大器的突出优点。在电荷放大器的实际电路中，考虑到被测量的大小，以及后续放大电路不致因输入信号太大而导致饱和，反馈电容Cf的容量做成可选择的，选择范围在100～10000pF之间。选择不同的反馈电容，可改变前置放大器的输出大小。由于采用电容负反馈，电荷放大器对直流工作点相当于开环，因此零点漂移较大。为了减小零漂，使电荷放大器工作稳定，一般在反馈电容两端并联一个大的反馈电阻RF（约1010～1014Ω），作用是提供直流反馈。电荷放大器的时间常数RfCf很大（105s以上），因此其下限截止频率

低达3×10-6Hz。

电压放大器和电荷放大器比较：

电荷放大器电路复杂，价格昂贵，电压放大器反之；但电压放大器下限频率较高，灵敏度与电缆分布电容有关，选用时宜综合考虑。四、压电式传感器的应用压电式传感器的特点能量转换型（发电型）传感器;体积小，重量轻，刚性好，可以提高其固有频率，得到较宽的工作频率范围;灵敏度高，稳定性好，可靠。对应用纵向压电效应的传感器，电荷量与晶体的变形无关，因而灵敏度与传感器刚度无关;有比较理想的线性，且通常没有滞后现象;低频特性较差，主要用于动态测量.存在横向效应，影响测量结果;应用中要求采取严格的绝缘措施，并采用低电容、低噪声电缆;工作原理可逆.

应用

广泛应用于冲击、振动及动态力的测量。压电元件—质量块—弹簧系统装在圆形中心支柱上，支柱与基座连接，基座与测试对象连接。作业概念1:压电效应问题2:试说明石英晶体的压电机理。问题3:压电传感器的测量电路中为什么要加前置放大器？电荷放大器和电压放大器各有什么特点？问题4：常用压电材料有哪几种类