传感器应用技术（中篇共上中下3篇）

传感器应用技术主讲：赵焓项目四

基于电感式传感器接近式开关的设计与制作自感式传感器及应用自感式传感器电感式传感器是利用线圈自感或互感系数的变化来实现非电量电测的一种装置。利用电感式传感器，能对位移、压力、振动、应变、流量等参数进行测量。电感式传感器具有结构简单、灵敏度高、输出功率大、输出阻抗小、抗干扰能力强及测量精度高等一系列优点，因此在机电控制系统中得到广泛的应用。电感式传感器缺点是响应较慢,不宜于快速动态测量,而且传感器的分辨率与测量范围有关，测量范围大,分辨率低，反之则高。电感传感器包括自感式传感器、互感式传感器、电涡流式传感器。自感式传感器自感式传感器的工作原理自感式传感器式将被测量的变化转变成线圈自感的变化的传感器。电感传感器主要由线圈、铁芯和衔铁所组成，铁芯和衔铁由导磁材料如硅钢片或坡莫合金制成。根据电磁感应原理，当匝数为的N线圈中通以电流I时，就有该电流所产生的磁通量通过线圈，若通过每一圈的磁通量都是

，则有式中，L为线圈的自感系数。自感式传感器又根据磁路欧姆定律：自感式传感器改变任意一段磁路的几何参数或磁导率，均可使线圈自感系数发生变化。据此，自感式传感器又可进一步分为：气隙厚度可变的变隙式；磁通面积可变的变截面式；以及利用衔铁在螺管线圈中伸入长度的变化来改变线圈自感系数的螺管式电感传感器。衔铁移动磁路中气隙磁阻变化线圈的电感值变化自感式传感器1.变气隙式自感传感器自感式传感器通常，空气隙的厚度是比较小的（一般为0.1-1mm），因此可以认为气隙磁场是均匀的，若忽略磁路铁损，则磁路总磁阻为：变气隙型电感传感器结构原理自感式传感器设铁芯和衔铁的横截面积相同，且因气隙较小，可以认为气隙磁路的磁通面积与铁芯相同（即

）；若铁芯与衔铁采用同一种导磁材料（其相对磁导率为

），且磁路总长为

，则由式（4-5）可得自感式传感器对于变气隙型结构，其磁通面积为定值，又因线圈匝数也固定，所以为一常数。由式（4-7）可以看出，总线圈式变气隙型电感传感器的电感与气隙之间的对应关系是非线性的，其输出特性曲线如图-2所示。图-2单线圈式变气隙电感传感器的输出特性图-1变气隙型电感传感器结构原理自感式传感器变气隙型电感传感器的最大优点是灵敏度高，其主要缺点是线性范围小、自由行程小、制造装配困难、互换性差，因而限制了它的应用。图4-3差动式变气隙型电感传感器变截面型电感传感器是通过导磁截面积的变化而使电感变化的，其结构也有单线圈式（图4-4）和差动式（图4-5）两种形式。自感式传感器2.变截面型自感传感器自感式传感器图4-5所示的差动式变截面型电感传感器制成圆筒形，铁芯由上下磁环1组成，上、下线圈2也制成环形，磁芯（衔铁）3插入其中。上、下线圈通电时在中段气隙部分产生的磁通，由于方向相反而基本抵消。若忽略导体部分的磁阻，则线圈电感为自感式传感器式（4-14）表明，这类传感器输入量

与输出量

之间是有良好的线性关系。因此变截面型电感传感器由于具有较好的线性，因而测量范围可取大些；其自由行程可按需要安排，制造装配方便；其缺点是灵敏度较低。螺管型电感传感器的结构形式也可以分为单线圈式和差动式，图4-6为这两种形式的结构示意图。自感式传感器3.螺管型自感传感器自感式传感器自感式传感器的应用

在机床行业，自感式传感器得到广泛的应用。常用于位移，尺寸，压力力矩的测量，在计数，应变，流量，比重，金属定位以及无损探伤上也有很多应用。自感式传感器

自感式传感器的应用

在汽车制造行业电感式传感器是近距离定位金属物体的通用方式，因此在汽车制造业的冲压、焊装涂装、总装环节中被广泛应用。谢谢！传感器应用技术主讲：赵

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基于电感式传感器接近式开关的设计与制作

自感式传感器的转换电路自感式传感器把被测量的变化转变成了电感量的变化。为了测出电感量的变化，就要用转换电路把电感量的变化转换成电压（或电流）的变化，以便进一步放大和处理。最常用的转换电路有调幅、调频和调相电路。转换电路(1)交流电桥调幅电路的主要形式是交流电桥。关于交流电桥，已经在第三章介绍过，在此主要讨论自感式传感器中经常用到的变压器电桥。图4-7中，电桥的两臂为电源变压器次级线圈的两半（每半电压为

），另两臂是差动式电感传感器的两个线圈。考虑到传感器线圈不仅具有电感，而且线圈导线具有一定的电阻，所以用

和

来表示电感传感器两个线圈的阻抗。电桥对角线上

两点的电位差为空载输出电压。转换电路1.调幅电路转换电路下面分三种情况讨论：（1）当传感器的衔铁位于中间位置时，它在两个线圈中的插入深度相等，所以两线圈的电感相等，若两线圈绕制得十分对称，则其阻抗也相等，此时

代入上式得

。这说明当衔铁处于中间位置时，电桥平衡，没有输出电压。（2）当衔铁向上移动时，上线圈的磁阻减小，电感增大、阻抗增大，即

，而下线圈的磁阻增大、电感减小、阻抗随之减小，即

。代入式（4-15）得

转换电路转换电路(2)谐振式调幅电路图4-8所示是谐振式调幅电路。在谐振式调幅电路中，传感器L与电容C、变压器原边串联在一起，接入交流电源，变压器副边将有电压u0输出，输出电压的频率与电源频率相同，而幅值随着电感L而变化，图4-8(b)所示为输出电压u0与电感L的关系曲线，其中L0为谐振点的电感值，此电路灵敏度很高，但线性很差，适用于线性要求不高的场合。实际使用时，一般使用特性曲线一侧接近线性的一段。转换电路2.调频电路调频电路的基本原理是传感器电感L变化将引起输出电压频率的变化。一般是把传感器电感L和电容C接入一个振荡回路中，其振荡频率

,谐振式调幅电路如图4-9所示。当L变化时，振荡频率随之变化，根据f的大小即可测出被测量的值。图4-9（b）表示f与L的特性，它具有明显的非线性关系。该频率可由数字频率计直接测量，也可通过f—V转换，用数字电压表测量。转换电路3.调相电路调相电路就是把传感器电感L变化转换为输出电压相位

的变化。图4-10所示为一个相位电桥，一臂为传感器L，另一臂为固定电阻R。设计时使电感线圈具有高的品质因数。忽略损耗电阻，则电感线圈上压降uL与固定电阻上压降uR是两个相互垂直的分量。当电感L变化时，输出电压uo的幅值不变，相位角随之变化，与L的关系为:当L有了微小变化

后，输出相位变化为:图4-10（c）输出电压相位与电感的特性关系:转换电路谢谢！传感器应用技术主讲：赵

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基于电感式传感器接近式开关的设计与制作

零点残余电压及补偿

当两线圈的阻抗相等，即Z1=Z2时,电桥平衡,输出电压为零。由于传感器阻抗是一个复阻抗，因此为了达到电桥平衡，就要求两线圈的电阻相等，两线圈的电感也要相等。实际上这种情况是不能精确达到的，因而在传感器输入量为零时，电桥有一个不平衡输出电压ΔUo存在，也就是我们现在指的残余电压。零点残余电压及补偿零点残余电压及补偿此时尽管被测位移为零，而表头的指示却并不为零。如果零点残余电压的数值过大，则将使非线性误差增大。不同档位的放大倍数有显著差别，甚至造成放大器末级趋于饱和，使仪器不能正常工作，甚至不再反映被测量的变化。在仪器的放大倍数较大时，这点尤应注意。因此零点残余电压的大小是判别电感传感器质量的重要指标。零点残余电压及补偿零点残余电压主要由基波分量和高次谐波分量组成。1.产生零点残余电压的原因大致有如下两点：（1）由于两电感线圈的电气参数及导磁体几何尺寸不完全对称，在两电感线圈上的电压幅值和相位不同，从而形成零点残余电压的基波分量。（2）由于传感器导磁材料磁化曲线的非线性（如铁磁饱和、磁滞损耗），使激励电流与磁通波形不一致，从而形成零点残余电压的高次谐波分量。

零点残余电压及补偿2.零点残余电压的存在对传感器的影响：1.使得传感器输出特性在零点附近不灵敏，限制了分辨率的提高。2.零点残余电压太大，将使线性度变坏，灵敏度下降。3.会使放大器饱和，堵塞有用信号通过，致使仪器不再反映被测量的变化。

零点残余电压及补偿3.减小电感传感器零点残余电压的措施1）从设计和工艺上保证结构对称性为保证线圈和磁路的对称性，首先，要求提高加工精度，线圈选配成对，采用磁路可调节结构。其次，应选高磁导率、低矫顽力、低剩磁感应的导磁材料。并应经过热处理，消除残余应力，以提高磁性能的均匀性和稳定性。由高次谐波产生的因素可知，磁路工作点应选在磁化曲线的线性段。

零点残余电压及补偿2）选用合适的测量线路采用相敏检波电路不仅可鉴别衔铁移动方向，而且把衔铁在中间位置时，因高次谐波引起的零点残余电压消除掉。如图，采用相敏检波后衔铁反行程时的特性曲线由1变到2，从而消除了零点残余电压。

u0+x-x210相敏检波后的输出特性零点残余电压及补偿3．采用补偿线路补偿方法主要有：加串联电阻、加串联电容、加反馈电阻或反馈电容等。下图是几种补偿电路的例子。①由于两个次级线圈感应电压相位不同，并联电容可改变其一的相位，也可将电容C改为电阻，如图(a)。由于R的分流作用将使流入传感器线圈的电流发生变化，从而改变磁化曲线的工作点，减小高次谐波所产生的残余电压。图(b)中串联电阻R可以调整次级线圈的电阻分量。

零点残余电压及补偿②并联电位器W用于电气调零，改变两次级线圈输出电压的相位，如图所示。电容C(0.02μF)可防止调整电位器时使零点移动。

零点残余电压及补偿③接入R0(几百kΩ)或补偿线L0(几百匝)。绕在差动变压器的初级线圈上以减小负载电压，避免负载不是纯电阻而引起较大的零点残余电压。电路如图。

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基于电感式传感器接近式开关的设计与制作互感式传感器把被测的非电量变化转换为线圈互感变化的传感器称为互感式传感器。这种传感器是根据变压器的基本原理制成的，并且次级绕组用差动形式连接，故称差动变压器式传感器。差动变压器结构形式较多，有变隙式、变面积式和螺线管式等，下图为差动变压器的结构示意图。互感式传感器(a)、(b)变间隙式差动变压器(c)、(d)螺线管式差动变压器(e)、(f)变截面式差动变压器互感式传感器a、b两种结构的差动变压器，衔铁均为板形，灵敏度高，测量范围则较窄，一般用于测量几微米到几百微米的机械位移。对于位移在1mm至上百毫米的测量，常采用圆柱形衔铁的螺管型差动变压器，如c、d两种结构。e、f两种结构是测量转角的差动变压器，通常可测到几秒的微小位移。非电量测量中，应用最多的是螺线式差动变压器，它可以测量1～100mm范围内的机械位移，并具有测量精度高、灵敏度高、结构简单、性能可靠等优点。互感式传感器差动变压器的结构由铁芯、衔铁和线圈三部分组成。其结构虽有很多形式，但其工作原理基本相同。差动变压器上下两只铁芯均有一个初级线圈1和一个次级线圈2。上下两只初级线圈串联后接交流激励电压，两只次级线圈则按电势反相串接。互感式传感器螺管型差动变压器根据初、次级排列不同有二节式、三节式、四节式和五节式等形式。三节式的零点电位较小，二节式比三节式灵敏度高、线性范围大，四节式和五节式改善了传感器线性度。311212112212123(a)二节式(b)三节式(c)四节式(d)五节式差动变压器线圈各种排列形式1一次线圈；2二次线圈；3衔铁互感式传感器三段式螺管差动变压器结构示意图互感式传感器差动变压器输出电压曲线三段式螺管差动变压输出电压曲线如图所示：互感式传感器将两个匝数相等的次级绕组的同名端反向串联，当初级绕组加以激磁电压时，根据变压器的作用原理在两个次级绕组和中就会产生感应电势;如果工艺上保证变压器结构完全对称，则当活动衔铁处于初始平衡位置时，输出电压为零。当活动衔铁向某一个次级线圈方向移动时，则该次级线圈内磁通增大，使其感应电势增加，差动变压器有输出电压，其数值反映了活动衔铁的位移。互感式传感器螺线管式差动变压器等效电路如图，二次线圈开路时，一次线圈的电流为：互感式传感器二次绕组的感应动势为为：其有效值为：输出阻抗为：互感式传感器上式说明，当激磁电压的幅值和角频率、初级绕组的直流电阻及电感为定值时，差动变压器输出电压仅仅是初级绕组与两个次级绕组之间互感之差的函数。因此，只要求出互感和对活动衔铁位移x的关系式，再代入公式即可得到螺线管式差动变压器的基本特性表达式。下面分三种情况进行分析：(1)活动衔铁处于中间位置时故互感式传感器(2)活动衔铁向上移动故与同极性互感式传感器(3)活动衔铁向下移动故与同极性互感式传感器互感式传感器互感式传感器谢谢！传感器应用技术主讲：赵

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基于电感式传感器接近式开关的设计与制作电涡流式传感器及应用电涡流式传感器是利用金属导体中的涡流与激励磁场之间进行电磁能量传递而实现的，因此也必须有一个交变磁场的激励源（传感器线圈）。被测对象以某种方式调制磁场，从而改变激励线圈的电感。电涡流式传感器的工作原理是基于电涡流效应，电感线圈产生的磁力线经过金属导体时，金属导体就会产生感应电流，该电流的流线呈闭合回线，类似水涡形状，故称之为电涡流，这种现象称为电涡流效应。电涡流式传感器由一个线圈和与线圈邻近的金属体组成。电涡流式传感器（a）传感器激励线圈

（b）被测金属导体图3-1电涡流式传感器原理图

电涡流式传感器电涡流式传感器工作原理和等效电路如图所示：采用电涡流式传感器并配用相应的转换电路，可得到与该被测量相对应的电信号（电压、电流或频率）输出。这种方法常用来测量位移、金属体厚度、温度等参数，并可用作探伤。电涡流式传感器1.电涡流的径向形成范围线圈—导体系统产生的电涡流密度既是线圈与导体间距离x的函数，又是沿线圈半径方向r的函数。当导体间距离x一定时，电涡流密度

J与半径r的关系曲线如图所示。电涡流式传感器金属扁平线圈涡流区r/ras1hrasj

电涡流密度J与半径r的关系曲线①电涡流径向形成范围大约在传感器线圈外径ras的1.8～2.5倍范围内，且分布不均匀。②电涡流密度在ri=0处为零。

③电涡流的最大值在r=ras附近的一个狭窄区域内。④可以用一个平均半径为 的短路环来集中表示分散的电涡流。电涡流式传感器2.电涡流强度与距离的关系理论分析和实验都已证明，当x改变时，电涡流密度也发生变化，即电涡流强度随距离x的变化而变化。根据线圈—导体系统的电磁作用，可以得到金属导体表面的电涡流强度为：

电涡流式传感器

以上分析表明：①电涡流强度与距离x呈非线性关系，且随着x/ras的增加而迅速减小。②当利用电涡流式传感器测量位移时，只有在x/ras<<1(一般取0.05～0.15)的条件下才能得到较好的线性和较高的灵敏度。电涡流强度与距离归一化曲线电涡流式传感器3.电涡流的轴向贯穿深度所谓贯穿深度是指把电涡流强度减小到表面强度的1/e处的表面厚度。由于金属导体的趋肤效应，电涡流只存在于金属导体的表面薄层内,存在一个涡流区，并且导体中产生的电涡流强度是随导体厚度的增加按指数规律下降的。其按指数衰减分布规律可用下式表示：电涡流式传感器式中：d——金属导体中某一点与表面的距离；

Jd——沿H1轴向d处的电涡流密度；

J0——金属导体表面电涡流密度，即电涡流密度最大值；

h——电涡流轴向贯穿的深度（趋肤深度）。图中所示为电涡流密度轴向分布曲线。由图可见，电涡流密度主要分布在表面附近。电涡流式传感器传感器最常用的结构形式是采用扁平线圈，金属体与线圈平面平行放置。电涡流式传感器电涡流传感器电涡流式传感器电涡流在金属导体内的渗透深度为:说明电涡流在金属导体内的渗透深度与传感器线圈的激励信号频率有关。故电涡流式传感器可分为高频反射式和低频透射式两类。目前高频反射式电涡流传感器应用较广泛。电涡流式传感器的应用导体电阻率ρ、磁导率μ线圈激励电流的频率f1.高频反射式涡流传感器电涡流式传感器的应用2.低频透射式涡流厚度传感器电涡流式传感器的应用3.电涡流传感器测量位移电涡流式传感器的应用4.电涡流安全门电涡流式传感器的应用5.涡流探伤电涡流式传感器的应用5.涡流探伤原理裂纹检测，缺陷造成涡流变化。油管检测火车轮检测电涡流式传感器的应用6.转速测量电涡流式传感器的应用谢谢！传感器应用技术主讲：赵

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基于霍尔传感器的车速测量仪的设计与制作霍尔原理

讲授内容霍尔效应在应用技术中特别重要。人类日常生活中常用的很多电子器件都来自霍尔效应，仅汽车上广泛应用的霍尔器件就包括：信号传感器、ABS系统中的速度传感器、汽车速度表和里程表、液体物理量检测器、各种用电负载的电流检测及工作状态诊断、发动机转速及曲轴角度传感器等。霍尔效应霍尔效应是电磁效应的一种，这一现象是美国物理学家霍尔于1879年在研究金属时发现的。半导体薄片置于磁感应强度为B的磁场中，磁场方向垂直于薄片，当有电流I流过薄片时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势EH，这种现象称为霍尔效应。霍尔效应磁感应强度B为零时的情况ABCD霍尔效应当有图示方向磁场B作用时；作用在半导体薄片上的磁场强度B越强，霍尔电势也就越高。霍尔电势与输入电流I、磁感应强度B成正比，且当B的方向改变时，霍尔电势的方向也随之改变。如果所施加的磁场为交变磁场，则霍尔电势为同频率的交变电势。霍尔效应霍尔电势EH可用下式表示：EH=KHIB式中：kH为灵敏度系数，kH=RH/d，表示在单位磁感应强度和单位控制电流时的霍尔电动势的大小,与材料的霍尔系数和几何尺寸d有关；霍尔系数RH＝1/(nq)，由材料物理性质所决定，q为电子电荷量；n为材料中的电子浓度。金属材料中的自由电子浓度n很高，因此RH很小，不宜作霍尔元件。霍尔元件多用载流子迁移率大的N型半导体材料制作。另外，霍尔元件越薄(d越小)，kH就越大，所以通常霍尔元件都较薄。薄膜霍尔元件的厚度只有1左右。

霍尔效应中国科学家、中科院物理所方忠教授带领的团队在实验上实现了零磁场中的量子霍尔效应，利用其无耗散的边缘态发展新一代的低能耗晶体管和电子学器件，从而解决电脑发热问题和摩尔定律的瓶颈问题。这些效应可以制备低能耗的高速电子器件，例如极低能耗的芯片，进而可能促成高容错的全拓扑量子计算机的诞生——这意味着个人电脑未来可能得以更新换代。

霍尔元件材料霍尔系数等于霍尔片材料的电阻率与电子迁移率μ的乘积。若要霍尔效应强，则希望有较大的霍尔系数RH，因此要求霍尔片材料有较大的电阻率和载流子迁移率。一般金属材料载流子迁移率很高，但电阻率很小；而绝缘材料电阻率极高，但载流子迁移率极低.半导体材料才适于制造霍尔片。RH=μρ

霍尔元件材料目前常用的霍尔元件材料有：锗、硅、砷化铟、锑化铟等半导体材料。其中N型锗容易加工制造，其霍尔系数、温度性能和线性度都较好。N型硅的线性度最好，其霍尔系数、温度性能同N型锗。锑化铟对温度最敏感，尤其在低温范围内温度系数大，但在室温时其霍尔系数较大。砷化铟的霍尔系数较小，温度系数也较小，输出特性线性度好。霍尔元件材料下表所列为制作霍尔元件的几种半导体材料主要参数。

霍尔元件基本结构霍尔元件的结构很简单，它是由霍尔片、四根引线和壳体组成的，如下图所示。霍尔片是一块矩形半导体单晶薄片，引出四根引线：1、1′两根引线加激励电压或电流，称激励电极（控制电极）；2、2′引线为霍尔输出引线，称霍尔电极。霍尔元件的结构霍尔元件基本结构霍尔元件的壳体是用非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装的。在电路中，霍尔元件一般可用两种符号表示，如下图所示。

1-1’激励电极

2-2’霍尔电极

霍尔元件符号霍尔元件的测量电路霍尔元件的基本测量电路如下图所示。激励电流由电压源E供给，其大小由可变电阻来调节。

霍尔元件的基本测量电路霍尔元件的测量电路在实际应用中，要根据不同的使用要求采用不同的连接电路方式。如在直流激励电流情况下，为了获得较大的霍尔电压，可将几块霍尔元件的输出电压串联，如图（a）所示。在交流激励电流情况下，几块霍尔元件的输出可通过变压器结成如图（b）的形式，以增加霍尔电压或输出功率。霍尔元件的输出电路(a)直流激励(b)交流激励谢谢！传感器应用技术主讲：赵

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基于霍尔传感器的车速测量仪的设计与制作霍尔元件的特性参数和误差补偿霍尔额定激励电流I：当霍尔元件自身温升10℃时所流过的激励电流。霍尔最大允许激励电流Imax

:以元件允许最大温升为限制，所对应的激励电流。因霍尔电势随激励电流增加而线性增加，所以使用中希望选用尽可能大的激励电流，因而需要知道元件的最大允许激励电流。改善霍尔元件的散热条件，可以使激励电流增加。

霍尔元件的主要特性参数霍尔输入电阻Rin：霍尔控制电极间的电阻值。霍尔输出电阻Rout：霍尔输出电极间的电阻值。霍尔电极输出电势对电路外部来说相当于一个电压源，其电源内阻即为输出电阻。以上电阻值是在磁感应强度为零，且环境温度在20℃±5℃时所确定的。

霍尔元件的主要特性参数霍尔电势温度系数α:在一定磁感应强度和激励电流下，温度每变化1℃时，霍尔电势变化的百分率，它同时也是霍尔系数的温度系数。霍尔灵敏系数KH:在单位控制电流和单位磁感应强度作用下，霍尔器件输出端的开路电压，称为霍尔灵敏系数KH，霍尔灵敏系数KH的单位为V/（A·T）。

霍尔元件的主要特性参数

霍尔元件的零位误差是指在无外加磁场或无控制电流的情况下，霍尔元件产生输出电压并由此而产生的误差。它主要表现为以下几种具体形式。

零位误差及补偿1.不等位电动势：不等位电动势是零位误差中最主要的一种，它是当霍尔元件在额定控制电流(元件在空气中温升10℃所对应的电流)作用下，不加外磁场时，霍尔输出端之间的空载电动势。

零位误差及补偿当霍尔元件的激励电流为I时，若元件所处位置磁感应强度为零，则它的霍尔电势应该为零，但实际不为零。这时测得的空载霍尔电势称为不等位电势。

霍尔元件的主要特性参数不等位电势和不等位电阻

产生不等位电势现象的原因不等位电动势产生的原因是由于制造工艺不可能保证将两个霍尔电极对称地焊在霍尔片的两侧，致使两电极点不能完全位于同一等位面上。此外,霍尔片电阻率不均匀，或片厚薄不均匀，或控制电流极接触不良都将使等位面歪斜，如图所示，致使两霍尔电极不在同一等位面上而产生不等位电动势。

霍尔元件的主要特性参数不等位电势也可用不等位电阻表示，即式中：U0——不等位电势；

r0——不等位电阻；

I——激励电流。由式可以看出，不等位电势就是激励电流流经不等位电阻r0所产生的电压。

零位误差及补偿在理想情况下R1=R2=R3=R4，即可取得零位电动势为零(或零位电阻为零)，从而消除不等位电动势。实际上，若存在零位电动势，则说明此4个电阻不完全相等，即电桥不平衡。为使其达到平衡，可在阻值较大的桥臂上并联可调电阻RP或在两个臂上同时并联电阻RP和R。

霍尔元件零位误差补偿电路零位误差及补偿补偿电路法解决不等位电势现象2.寄生直流电势由于霍尔元件的电极不可能做到完全的欧姆接触，在控制电极板和霍尔电势板上都可能出现整流效应。因此，当元件通以交流控制电流（不加磁场）时，它的输出除了交流不等位电势外，还有一直流电势分量，此电势分量称为寄生直流电动势。产生寄生直流电势的原因：（1）控制电流与霍尔电势极的欧姆接触不良造成的整流效应；（2）由于霍尔电势极的焊点大小不一致，两焊点的热容量不一致产生温差，造成直流附加电势。

霍尔元件的主要特性参数减小寄生直流电势的措施：寄生直流电势是霍尔元件零位误差的一个组成部分，它的存在对于霍尔元件在交流情况下使用是有很大妨碍的，尤其是这个直流附加电势是随时间变化时，这将会导致输出漂移，为了减少寄生直流电势，在元件的制作和安装时，应尽量改善电极的欧姆接触性能和元件的散热条件。寄生直流电势是霍尔元件零位误差的一部分，一般在1mV以下，它是影响霍尔片温漂的原因之一。

霍尔元件的主要特性参数3.感应零电动势定义：当没有控制电流时，在交流或脉动磁场作用下产生的电势叫感应零电势Vi0。感应零电势大小与霍尔电极引线构成的感应面积A成正比，如图（a）所示。由电磁感应定律。

下式中B为感应强度。磁感应零电势补偿方法如图（b）（c），使霍尔电势极引线围成的感应面积A所产生的感应电势互相抵消。

零位误差及补偿4.霍尔元件控制电流产生自激场电动势自激场：当霍尔元件通以控制电流时，此电流就会产生磁场，这一磁场称为自激场。左右两半场相等，产生的电势方向相反而抵消，如图（a）所示。自激场零电势：实际应用时并非两半场相等，如图（b）分布量，因而有霍尔电势输出，这输出称为自激场零电势。克服自激场零电势措施：只要在安装过程中，适当安排控制电流引线就可以消除自激场零电势。

零位误差及补偿在上述的4种零位误差中，寄生直流电动势、感应零电动势以及自激场零电动势，是由于制作工艺上的原因而造成的误差，可以通过工艺水平的提高加以解决。而不等位电动势所造成的零位误差，则必须通过补偿电路给予克服。

霍尔元件结构及等效电路如图零位误差及补偿谢谢！传感器应用技术主讲：赵

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基于霍尔传感器的车速测量仪的设计与制作霍尔元件的温度特性及补偿方法霍尔元件是采用半导体材料制成的，因此它们的许多参数都具有较大的温度系数。当温度变化时，霍尔元件的载流子浓度、迁移率、电阻率及霍尔系数都将发生变化，从而使霍尔元件产生温度误差。

霍尔元件的温度特性霍尔元件的温度特性将温度每变化1℃时，霍尔元件输入电阻或输出电阻的相对变化率Rt/Ro称为内阻温度系数，用表示。将温度每变化1℃时，霍尔电压的相对变化率UHt/UH0称为霍尔电压温度系数，用表示。1.温度对内阻影响霍尔元件控制电流两端之间的输入电阻和霍尔电势两输入端的输出电阻。霍尔元件的材料不同，内阻与温度的关系不同，内阻与温度的关系如图所示。

霍尔元件的温度特性从图中可以看出锑化铟温度最敏感，其温度系数最大，低温范围内尤其明显，其次是硅，砷化铟的温度系数最小。图（b）中比较了HZ-1,2,3和HZ-4型元件内阻与温度的关系。HZ-1,2,3三种元件的温度系数在80℃左右开始由正变负，而HZ-4在120℃左右开始由正变负。

霍尔元件的温度特性2.温度对霍尔输出的影响

下图给出了各种材料的霍尔输出随温度变化的情况。可以看出锑化铟的变化最明显；硅的霍尔电势温度系数最小；其次是砷化铟和锗。HZ型元件的霍尔输出电势与温度关系如图（b）所示。当温度在50℃左右时，HZ-1,2,3输出的温度系数由正变负，而HZ-4则在80℃左右由正变负。此转折点的温度称为元件的临界温度。考虑到元件工作时的温升，工作温度还适当降低。

霍尔元件的温度特性1.采用恒流源和输入回路串联电阻

为了减小霍尔的温度误差，除选用温度系数较小的元件或采用恒温措施外，用恒流源供电往往可以得到明显的效果。恒流源供电的作用是减小元件内阻随温度变化而引起的控制电流的变化。但采用恒流源供电还不能完全解决霍尔电势的稳定问题，因此，还必须结合其他补偿电路。霍尔元件温度误差的补偿方法下图所示是一种既简单，又有较好的补偿效果的补偿线路。在该线路中，控制电流极并联一个合适的补偿电阻Ro，这个电阻起分流作用。当温度升高时，霍尔元件的内阻迅速增加，所以通过元件的电流减小，而通过补偿电阻Ro的电流却增加，这样利用元件内阻的温度特性和一个补偿电阻就能自动调节通过霍尔元件的电流大小，从而起到补偿作用。

1.采用恒流源和输入回路串联电阻

霍尔元件温度误差的补偿方法2.合理选择负载电阻RL的阻值霍尔电势的负载通常是放大器、显示器或记录仪的输入电阻，其值一定，可用串、并联电阻的方法使输出负载电压不变，但此时灵敏度将相应有所降低。霍尔元件温度误差的补偿方法2.合理选择负载电阻RL的阻值霍尔元件的输出电阻Ro和霍尔电动势UH都是温度的函数(设为正温度系数)，当霍尔元件接有负载RL时，在RL上的电压为：为了负载上的电压不随温度变化，应使dUL/d(t-t0)=0，即霍尔元件温度误差的补偿方法3.采用温度补偿元件(如热敏电阻、电阻丝)霍尔输出随温度升高而下降，只要能使控制电流随温度升高而上升，就能进行补偿。由于热敏电阻具有负温度系数，电阻丝具有正温度系数，可采用输入回路串接热敏电阻，输入回路并接电阻丝，

当温度上升时其阻值下降，从而使控制电流上升。霍尔元件温度误差的补偿方法3.采用温度补偿元件(如热敏电阻、电阻丝)输出端串接热敏电阻，对具有负温度系数的锑化铟材料霍尔元件进行温度补偿。负载RL上的霍尔电势随温度上升而下降的量被热敏电阻阻值减小所补偿。实际使用时，热敏电阻最好与霍尔元件封在一起或靠近，使它们温度变化一致。霍尔元件温度误差的补偿方法3.采用温度补偿元件(如热敏电阻、电阻丝)可采用输入端并接热敏电阻方式对输出具有正温度系数的霍尔元件进行温度补偿。电桥由温度系数低的电阻构成，在某一桥臂电阻上并联一热敏电阻。霍尔元件温度误差的补偿方法3.采用温度补偿元件(如热敏电阻、电阻丝)当温度变化时，热敏电阻将随温度变化而变化，使电桥的输出电压相应变化，仔细调节，调节电位器W1消除不等位电势即可补偿霍尔电势的变化，使其输出电压与温度基本无关。霍尔元件温度误差的补偿方法谢谢！传感器应用技术主讲：赵

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基于霍尔传感器的车速测量仪的设计与制作霍尔集成传感器及应用目前全球霍尔电流传感器的主要生产集中在欧美日地区，主要消费地区为中国，美国，欧洲，日本等地区。2020年，中国霍尔效应电流传感器市场规模达到了192.71百万美元。目前，我国仍需要大量进口高端的霍尔电流传感器以满足国内巨大的市场需求。

霍尔集成传感器按照输出信号的形式，可以分为开关型集成霍尔传感器和线性型集成霍尔传感器两种类型。霍尔集成传感器主要分为开关式和线性式两种。霍尔集成传感器霍尔开关集成传感器是利用霍尔效应与集成电路技术结合而制成的一种磁敏传感器，它能感知与磁信息有关的物理量，并以开关信号形式输出。霍尔开关集成传感器

其中，1为接地端，2为电源端，3为输出端。霍尔开关集成传感器内部由稳压电路、霍尔元件、放大器、整形电路、开路输出五部分组成。稳压电路可使传感器在较宽的电源电压范围内工作，开路输出可使传感器方便地与各种逻辑电路接口。

霍尔开关集成传感器当有磁场作用在传感器上时，霍尔元件输出霍尔电压VH，该电压经放大器放大后，送至施密特整形电路，当放大后的VH电压大于“开启”阈值时，施密特整形电路翻转，输出高电平，使半导体管导通——“开状态”。

霍尔开关集成传感器该曲线反映了外加磁场与传感器输出电平的关系。当外加磁感强度高于BOP时，输出电平由高变低，传感器处于开状态。当外加磁感强度低于BRP时，输出电平由低变高，传感器处于关状态。

霍尔开关集成传感器霍尔开关集成传感器基本用途有：汽车点火系统、保安系统、转速、里程测定、机械设备的限位开关、按钮开关、电流的检测与控制、位置及角度的检测，等等。

霍尔开关传感器的用途几种不同尺寸外形的霍尔开关霍尔开关集成传感器霍尔线性型集成传感器是将霍尔元件和恒流源、线性差动放大器等做在一个芯片上，输出电压为伏级，比直接使用霍尔元件方便得多。霍尔线性集成传感器的输出电压与外加磁场呈线性比例关系。

霍尔线性集成传感器单端输出的传感器是一个三端器件，它的输出电压对外加磁场的微小变化能做出线性响应，通常将输出电压连到外接放大器，将输出电压放大到较高的电平。其典型产品是SL3501T。

单端输出传感器的电路结构框图23输出+－稳压VCC1霍尔元件放大地H霍尔线性集成传感器双端输出的传感器是一个8脚双列直插封装的器件，它可提供差动射极跟随输出，还可提供输出失调调零。其典型产品是SL3501M。

稳压H3VCC地4输出输出18675

双端输出传感器的电路结构框图霍尔线性集成传感器下图所示为具有双端差动输出特性的线性霍尔器件UGN3501M的内部电路图和输出特性曲线图。当线性霍尔器件UGN3501M感受的磁场为正向时，输出为正；磁场为反方向时，输出为负，因此，使用起来更为方便。

霍尔线性集成传感器

霍尔线性传感器广泛用于位置、力、重量、厚度、速度、磁场、电流等的测量或控制。

霍尔线性集成传感器霍尔线性传感器的用途

由于霍尔传感器具有在静态状态下感受磁场的独特能力，而且它具有结构简单、体积小、重量轻、频带宽（从直流到微波）、动态特性好和寿命长、无触点等许多优点，因此在测量技术、自动化技术和信息处理等方面有着广泛应用。霍尔传感器的应用

归纳起来，霍尔传感器有三个方面的应用：①当控制电流不变时，使传感器处于非均匀磁场中，则传感器的霍尔电势正比于磁感应强度，利用这一关系可反映位置、角度或励磁电流的变化。②当控制电流与磁感应强度皆为变量时，传感器的输出与这两者乘积成正比。在这方面的应用有乘法器、功率计以及除法、倒数、开方等运算器，此外，也可用于混频、调制、解调等环节中。③若保持磁感应强度恒定不变，则利用霍尔电压与控制电流成正比的关系，可以组成回转器、隔离器和环行器等控制装置。霍尔传感器的应用霍尔传感器的应用1.位移的测量

右图是霍尔位移传感器的磁路结构示意图。在极性相反、磁场强度相同的两个磁钢的气隙中放置一块霍尔片，当霍尔片元件的控制电流I不变时，霍尔电势UH与磁感应强度成正比，霍尔电势与位移量成线性关系，霍尔电势的极性反应了元件位移的方向。

基于霍尔效应制成的位移传感器一般可用来测量1～2mm的小位移，其特点是惯性小，响应速度快。

霍尔传感器的应用2.压力的测量

右图是霍尔压力传感器的测量原理图。作为压力敏感元件的弹簧管，其一端固定，另一端安装着霍尔元件，当输入压力增加时，弹簧管伸长，使处于恒定梯度磁场中的霍尔元件产生相应的位移。从霍尔元件的输出即可线性地反映出压力的大小。

霍尔传感器的应用3.霍尔转速测量

利用霍尔元件或霍尔集成电路不但可以构成霍尔式位移传感器，实现对微小位移的测量，而且还可利用霍尔元件或霍尔集成电路构成霍尔式转速传感器，实现对转速的测量。

霍尔式转速传感器有多种结构形式，下给出了几种常用的结构形式。谢谢！传感器应用技术主讲：赵

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基于霍尔传感器的车速测量仪的设计与制作气敏传感器所谓半导体气敏传感器，是利用半导体气敏元件同气体接触，造成半导体性质变化，借此来检测特定气体的成分或看测量其浓度的传感器总称。早在20世纪30年代就已经发现氧化亚铜的电导率随水蒸气的吸附而发生变化，其后又发现许多其他金属氧化物也都具有气敏效应。这些金属氧化物都是利用陶瓷，简称半导磁。由于半导磁与半导体单晶相比具有工艺简单，价格低廉的优点，因此已经用它制作了多种具有使用价值的敏感元件。气敏传感器进入70年代，SnO2（氧化锡）半导体气敏元件发展很快。除推进烧结型SnO2气敏元件的应用研究之外，对薄膜型、厚薄膜型SnO2气敏元件进行了深入研究。尤其是对能够识别检测气体种类和浓度的选择性气敏器件，作了大量工作。气敏传感器氧化锡半导体气敏元件与其他类型气敏元件相比，具有如下特点：1、气敏元件阻值随检测气体浓度具有指数变化关系。2、SnO2材料的物理或化学稳定性较好。3、SnO2气敏元件对气体检测是可逆的，而且吸附时间短，可连续延长时间；4、元件结构简单、成本低、可靠性较好，机械性能良好；5、对气体检测不需要复杂的处理设备，信号处理可不用高倍数放大电路就可实现。气敏传感器SnO2的基本性质SnO2是一种白色粉末，密度为6.16~7.02g/cm3，熔点为1127℃，在更高温度下才能分解，沸点高于1900℃的金属氧化物。SnO2不溶于水，能溶于热强酸和碱。SnO2晶体结构是金红石型结构；具有正方晶系对称，其晶胞为体心正交平行六面体，体心和顶角由锡（Sn）离子占据。气敏传感器SnO2的气敏效应是在多晶SnO2材料上发现的。经实验发现，SnO2对多种气体具有气敏特性。用烧结法或制模法制备的多孔型SnO2半导体材料，其电导率随接触气体的种类而变化。一般吸附还原性气体时电导率升高，而吸附氧化性气体时其电导率降低。这种阻值变化情况如图所示。气敏传感器实验及理论分析表明，SnO2的气敏效应受下列一些主要因素的影响：1.SnO2结构组成对气敏效应的影响SnO2具有金红石型浸提结构，用于制作气敏元件的SnO2，一般都是偏离化学计量比的，在SnO2中氧空位或锡间隙原子。这种结构缺陷直接影响气敏器件特征。一般地说，SnO2中氧空位多，气敏效应明显。2.SnO2中添加物对气敏效应的影响实验证明，SnO2的添加物质，对其气敏效应有明显影响。3.烧结温度和加热温度对气敏效应的影响实验证明，制作元件的烧结温度和元件工作时的加热温度，对其气敏性能有明显影响。因此，利用元件这一特性可进行选择性检测。气敏传感器SnO2气敏元件的结构SnO2气敏元件主要有三种类型：烧结型、薄膜型和厚膜型。其中烧结型气敏元件时目前最成熟，应用最广泛的元件，这里仅对其结构加以介绍。烧结型SnO2气敏元件时以多孔质陶瓷SnO2为基材，采用传统制陶方法，进行烧结。烧结时埋入测量电极和加热丝，制成管芯，最后将电极和加热丝引线焊在管座上，并罩覆于二层不锈钢网中而制作元件，按其加热方式可分为直热式和旁热式两种。气敏传感器1.直热式SnO2气敏元件直热式元件又称为内热式，这种元件的结构示意如图（a），元件管芯由三部分组成：SnO2基体材料、加热丝、测量丝，它们都埋在SnO2基材内，工作时加热丝通电加热，测量丝用于测量元件的阻值。气敏传感器直热式气敏元件的优点是：制作工艺简单、成本低、功耗小，可以在高回路电压下使用，可制成价格低廉的可燃气体泄漏报警器。国内QN型和QM型气敏元件，日本弗加罗TGS109型气敏元件就是这种结构。直热式气敏元件的缺点是：热容量小，易受环境气流的影响；测量回路与加热回路间没有隔离，互相影响；加热丝在加热时和不加热状态下会产生涨缩，易造成与材料的接触不良。气敏传感器2.旁热式SnO2气敏元件这种元件的结构示意如图（a）。其管芯增加了一个陶瓷管，在管内放进高阻加热丝，管外涂梳状金电极作测量极，在金电极外涂SnO2材料。气敏传感器这种结构克服了直热式的缺点，其测量极与加热丝分开，加热丝不与气敏元件接触，避免了回路间的互相影响；元件热容量大，降低了环境气氛对元件加热温度的影响，并保持了材料结构的稳定性。所以。这种元件的稳定性，可靠性较直热式有所改进。目前国产QM-N5型气敏元件，日本弗加罗TGS812、813型气敏元件均采用这种结构。气敏传感器气敏传感器的应用半导体气敏元件由于灵敏度高、响应时间和恢复时间短、使用寿命长和成本低等优点，所以得到了广泛的应用。

这里以烧结型SnO2半导体气敏元件的应用为主，重点介绍了对可燃性气体、易燃和可燃性液体蒸汽泄漏的检测、报警和监控等方面的实际应用。气敏传感器1.检漏仪或称探测器它是利用气敏元件的气敏特性，将其作为电路中的气-电转换元件，配以相应的电路、指示仪或声光显示部分而组成的气体探测仪器。这类仪器通常都要求有高灵敏度。气敏传感器2.报警器这类仪器是对泄漏气体达到危险限值时自动进行报警的仪器。气敏传感器3.自动控制仪器：它是利用气敏元件的气敏特性实现电气设备自动控制的仪器。如电子灶烹调自动控制，换气扇自动换气控制等。气敏传感器4.测试仪器：它是利用气敏元件对不同气体具有不同的元件电阻--气体浓度关系来测量、确定气体种类和浓度的。（1）特定气体的检测。（2）混合气体的选择性检测。（3）环境气氛的检测。利用气敏元件来检测每种变化就可测定气氛的状态。气敏传感器谢谢！传感器应用技术主讲：赵

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基于霍尔传感器的车速测量仪的设计与制作湿敏传感器1.湿度与温度测量的意义：与温度相比，湿度的测量和控制虽然落后的多，然而近代工农业生产甚至人类的生活环境，对湿度测量与控制的要求愈来愈严格。

所谓湿度，就是空气中所含有水蒸气的量，空气可分为干燥空气和潮湿空气两类。理想状态的干燥空气只含有约78%的氮气、21%的氧和约占1%的其他气体成分而不应含水蒸气。湿敏传感器若将潮湿空气看成理想气体与水蒸气的混合气体，那么，它就应当符合道尔顿分压定律，即潮湿空气的全压就等于该混合物中各种气体分压之和。所以，设法测得水蒸气的分压，也就等于测出了空气的湿度。湿敏传感器2.湿度的测量方法及湿敏元件长期以来，人们积累了许多测量湿度的方法。这些方法测湿方便，应用广泛。但是，它们体积大、对湿度变化响应缓慢、特别是需要目测和查表换算等，是它们的共同缺点。随着现代科学技术的发展，一方面对湿度的测量提出精度高、速度快的要求，另方面又要求把湿度转换成电信号，以适应自动检测、自动控制的要求。于是，相继开发出基于不同工作原理的湿敏元件。湿敏传感器湿敏元件可分两类：一是水分子亲和力型湿敏元件，它是利用水分子有较大的偶极矩，因而易于附着并渗入固体表面内的现象而制成的湿敏元件；另一类与水分子亲和力毫无关系，称为非水分子亲和力型湿敏元件，到目前为止，前者多于后者。在湿度敏感元件发展过程中，金属氧化物半导体陶瓷材料由于具有较好的热稳定性及抗沾污的特点，因而相继出现了各种各样的烧结型半导体陶瓷湿度敏感元件。湿敏传感器（1）烧结型半导体陶瓷湿敏元件烧结型半导体陶瓷湿敏元件，由于具有使用寿命长，可在恶劣的条件下工作，可检测到1%RH的低湿状态、响应时间短、测量精度高、使用温度范围宽（低于150℃）以及湿滞环差较小等优点，所以它在当前湿敏元件生产和应用中，占有很重要的位置。湿敏传感器（2）MgCr2O4-TiO2半导体陶瓷湿度敏感元件在众多的金属氧化物半导体陶瓷湿度敏感元件中，由日本松下公司于1978年研制成功的用MgCr2O4-TiO2固溶体组成的多孔性半导体陶瓷，是一种较好的感湿材料。利用它制得的湿敏元件，具有使用范围宽、湿度温度系数小、响应时间短、特别是在对其进行多次加热清洗之后性能仍较稳定等诸多优点。目前，国内也有此类产品“SM-1型半导体湿敏元件”。湿敏传感器3.湿敏传感器的分类：湿敏传感器4.湿敏传感器的应用湿敏传感器广泛应用于各种场合的湿度检测、控制与报警。在军事、气象、农业、工业（特别是纺织、电子、食品工业）医疗、建筑以及家用电器等方面，湿敏传感器的应用必将日益扩大。湿敏传感器湿敏传感器还广泛用于仓库管理。为防止库中的食品、被服、武器弹药、金属材料以及仪器仪表等物品霉烂、生锈，必须设有自动去湿装置。有些物品如水果、种子、肉类等还需要在保证一定湿度的环境中。这些都需要自动湿度控制。一般自动湿度控制都利用湿度传感器的输出信号与一事先设定的标定值比较，实行有差调节。湿敏传感器谢谢！传感器应用技术主讲：梁

宸项目六热电式传感器热电偶的认识与基本原理1.热电偶简介热电偶温度传感器是一种感温元件，也是一种仪表。它直接测量温度，并把温度信号转换成热电动势信号，通过电气仪表（二次仪表）转换成被测介质的温度。热电偶测温的基本原理是两种不同材质导体组成闭合回路，当两端存在温度梯度时，回路中就会有电流通过，此时两端之间就存在电动势---热电动势，这就是所谓的塞贝克效应。1.热电偶简介当热电偶的两个热电偶丝材料确定后，热电偶所能产生的电动势的大小只与热电偶的温度差有关；若热电偶冷端的温度保持一定，热电偶的热电动势仅是工作端温度的单值函数。将两种不同材料的导体或半导体焊接起来，构成一个闭合回路，当导体接合点之间存在温差时，两者之间便产生与温差成比例的热电动势，因而在回路中形成热电流，该电流可直接驱动二次仪表显示被测介质温度值。2.常见热电偶为了适应不同测量对象的测温条件和要求，热电偶的结构形式有普通型热电偶、铠装型热电偶和薄膜型热电偶。2.常见热电偶热电偶经常被用在冶炼化工等高温生产过程中。

如在工作生活中被高温伤害，切记不可相信偏方，一定按照标准的处理方式来处理伤处并及时进行就医。1.根据烫伤部位的情况，选择使用冷水进行冲洗或者浸泡或者湿敷的办法，以快速降低创面的温度，从而减轻创面的疼痛感以及减轻热力对深部组织的进一步损伤。2.冷疗时间一般需要达到半个小时左右，或者直到创面疼痛明显减轻为止。3.然后可以使用湿毛巾或纱布对烫伤部位进行湿敷，及时至就近医院的烧伤科进行进一步处理创面。注意，在冷疗的过程中，我们尽可能的保护烫伤部位的水泡，不要将其弄破，以免导致创面出现疼痛以及加深等情况。3.热电偶回路的总电动势实际上，热电动势来源于两个方面：一部分由两种导体的接触电动势构成，另一部分是单一导体的温差电动势。接触电动势：不同导体的自由电子密度是不同的。当两种不同的导体A、B连接在一起时，由于两者内部单位体积的自由电子数目不同，因此，在A、B的接触处就会发生电子的扩散，且电子在两个方向上扩散的速率不相同。这种由于两种导体自由电子密度不同，而在其接触处形成的电动势称为接触电动势。接触电动势的大小与导体的材料、接点的温度有关，而与导体的直径、长度、几何形状等无关。两接点的接触电动势用符号EAB（t）表示为3.热电偶回路的总电动势温差电动势：对单一金属导体，如果将导体两端分别置于不同的温度场t，t0中（t>t0），在导体内部，热端的自由电子具有较大的动能，将更多地向冷端移动，导致热端失去电子带正电，冷端得到电子带负电，这样，导体两端将产生一个热端指向冷端的静电场。该电场阻止电子从热端继续向冷端转移，并使电子反方向移动，最终将达到动态平衡状态。这样，在导体两端产生电位差，称为温差电动势。温差电动势的大小取决于导体材料和两端的温度，可表示为3.热电偶回路的总电动势实践证明，热电偶回路中所产生的热电动势主要是由接触电动势引起的，温差电动势所占比例极小，可以忽略不计；因为EAB（t）和EAB（t0）的极性相反，假设导体A的电子密度大于导体B的电子密度，且A为正极、B为负极，因此回路的总电动势为·1）如果热电偶两电极相同，即nA(t)=nB（t）、nA(t0)=nB（t0），则无论两接点温度如何，总热电动势始终为0。4.热电偶热电势的几点结论

3）热电偶产生的热电动势大小与材料（nA，nB）和接点温度（t，t0）有关，与其尺寸、形状等无关。4）热电偶在接点温度为t1，t3时的热电动势，等于此热电偶在接点温度为t1，t2与t2，t3两个不同状态下的热电动势之和，即2）如果热电偶两接点温度相同，尽管A、B材料不同，回路中总电动势为0。谢谢！传感器应用技术主讲：梁

宸项目六热电式传感器热电偶基本定律和常用热电偶1.中间导体法则

如图所示，在热电偶测温回路内接入第三种导体C，只要其两端温度相同，则对回路的总热电动势没有影响。同理可证，若再插入第四种、第五种……均质导体，只要所插入的导体两端温度都与参考点相同，都不会影响原来热电势的大小。在实际热电偶测温应用中，测量仪表（如动圈式毫伏表、电子电位差计等）和连接导线可以作为第三种导体对待。

如右图所示，热电偶AB在接点温度为t、t0时的热电动势EAB（t，t0）等于它在接点温度t、tc和tc、t0时的热电动势EAB（t，tc）和EAB（tc，t0）的代数和，即2.中间温度定律中间温度定律为补偿导线的使用提供了理论依据。如果热电偶的两个电极通过连接两根导体的方式来延长，只要接入的两根导体的热电特性与被延长的两个电极的热电特性一致，且它们之间连接的两点间温度相同，则回路总的热电动势只与延长后的两端温度有关，与连接点温度无关。在实际测量中，利用该定律，还可以对参考端温度不为0℃的热电动势进行修正。如图所示，如果两种导体A、B分别与第三种导体C组成的热电偶所产生的热电动势已知，则由这两个导体A、B组成的热电偶产生的热电动势可由下式来确定，即在实际处理中，由于铂的物理化学性质稳定，通常选用高纯铂丝作标准电极，只要测得它与各种金属组成的热电偶的热电动势，则各种金属间相互组合成热电偶的热电动势就可根据标准电极定律计算出来。3.标准电极定律两种均质金属组成的热电偶的电势大小与热电极的直径、长度及沿热电极长度方向上的温度分布无关，只与热电极材料和温度有关。4.均质导体定律如果材质不均匀，则当热电极上各处温度不同时，将产生附加热电势，造成无法估计的测量误差。因此，热电极材料的均匀性是衡量热电偶的重要指标之一。为了适应不同测量对象的测温条件和要求，热电偶的结构形式有普通型热电偶、铠装型热电偶和薄膜型热电偶。（1）普通型热电偶普通型热电偶如图所示。它一般由热电极、绝缘管、保护管和接线盒等几个主要部分组成，在工业上使用最为广泛。5.常用热电偶的结构

（2）铠装型（Sheath）热电偶它是由热电极、绝缘材料和金属保护套管一起拉制加工而成的坚实缆状组合体，如图所示。它可以做得很细很长，使用中可根据需要任意弯曲；测温范围通常在1100℃以下。优点：测温端热容量小，因此热惯性小、动态响应快；寿命长，机械强度高，弯曲性好，可安装在结构复杂的装置上。5.常用热电偶的结构

5.常用热电偶的结构

（3）薄膜型热电偶它是将两种薄膜热电极材料用真空蒸镀、化学涂层等办法蒸镀到绝缘基板（云母、陶瓷片、玻璃及酚醛塑料纸等）上制成的一种特殊热电偶。薄膜热电偶的接点可以做得很小、很薄（0.01～0.1μm），具有热容量小、响应速度快（ms级）等特点。它适用于微小面积上的表面温度以及快速变化的动态温度的测量，测温范围在300℃以下。

5.常用热电偶的结构

热电偶传感器在冶炼的每一个环节，温度的控制上至关重要。在钢铁冶炼过程中，准确地控制冶炼温度可以明显提高产品质量，炼铁炼钢主要是靠水冷却，水的温度控制，铁水，钢水的温度控制都需要不同的热电偶传感器。5.常用热电偶的结构

二十年前，中国的钢铁产业虽然发展迅速，但与日本和德国的差距却是巨大的。有些特殊的钢材，要依靠先进的重型工艺，以中国当时的工业水平，根本不可能制造出这种特殊的钢材。可是我们的技术虽差，却有无限的自信，有永不停歇的毅力。近几年国内终于研制出一种特殊钢材，其技术已经超过了日德，业界称之为“手撕钢”。5.常用热电偶的结构

日本和德国一直垄断着手撕钢板，我们每年都要花大价钱从国外进口。市面上的价值比真正的黄金还要高，更重要的是花费了大量的资金，才购买到了一种并不是最好的。2016年，国家开始打破手撕钢铁的垄断，太钢集团作为主导进行了700多次的尝试，但都没有成功。最终太钢公司开发出比日德公司还要高的手工撕开钢板，厚度只有0.02mm，已经超越了国际标准。6.热点极材料的选取

根据金属的热电效应原理，理论上讲，任何两种不同材料的导体都可以组成热电偶，但为了准确可靠地测量温度，对组成热电偶的材料有严格的选择条件。在实际应用中，用作热电极的材料一般应具备以下条件：1）性能稳定。2）温度测量范围广。3）物理、化学性能稳定。4）电导率要高，并且电阻温度系数要小。5）材电料的机械强度要高，复制性好、复制工艺简单，价格便宜。7.热电偶的种类

目前，国际电工委员会（IEC）向世界各国推荐了8种标准化热电偶。下表是我国采用符合IEC标准的六种热电偶的主要性能和特点。工业上常用的四种标准化热电偶为B型、S型、K型和E型。谢谢！传感器应用技术主讲：梁

宸项目三热电式传感器热电偶冷端温度补偿1.补偿导线由热电偶的测温原理可以知道，热电偶产生的热电动势大小与两端温度有关，热电偶的输出电动势只有在冷端温度不变的条件下，才与工作端温度成单值函数关系。进行冷端温度补偿的方法一般有六种。补偿导线法热电偶的长度一般只有1m左右，要保证热电偶的冷端温度不变，可以把热电极加长，使自由端远离工作端，放置到恒温或温度波动较小的地方，但这种方法对于由贵金属材料制成的热电偶来说将使投资增加，解决的办法是采用一种称为补偿导线的特殊导线，将热电偶的冷端延伸出来，补偿导线实际上是一对与热电极化学成分不同的导线，在0～150℃温度范围内与配接的热电偶具有相同的热电特性，但价格相对便宜。1.补偿导线利用补偿导线将热电偶的冷端延伸到温度恒定的场所（如仪表室），且它们具有一致的热电特性，相当于将热电极延长，根据中间温度定律，只要热电偶和补偿导线的两个接触点温度一致，就不会影响热电动势的输出。1.补偿导线例1.采用镍铬-镍硅热电偶测量炉温。热端温度为800℃，冷端温度为50℃。为了进行炉温的调节与显示，必须将热电偶产生的热电动势信号送到仪表室，仪表室的环境温度恒为20℃。首先由镍铬-镍硅热电偶分度表查出它在冷端温度为0℃，热端温度分别为800℃、50℃、20℃时的热电动势：E(800，0)＝33.277mV；E(50，0)＝2.022mV；E(20，0)=0.798mV。如果热电偶与仪表之间直接用铜导线连接，根据中间导体定律，输入仪表的热电动势为：E(800，50)=E(800，0)-E(50，0)=(33.277-2.022)mV=31.255mV1.补偿导线查分度表知，对应31.255mV的温度是751℃。与炉内真实温度相差49℃。如果在热电偶与仪表之间用补偿导线连接，相当于将热电极延伸到仪表室，输入仪表的热电动势为查分度表知，对应32.479mV的温度是781℃，与炉内真实温度相差19℃。

E(800，20)=E(800，0)-E(20，0)=(33.277-0.798)mV=32.479mV2.冷端恒温法(1)冰点槽法将热电偶的冷端置于冰点槽内(冰水混合物)，使冷端温度处于0℃，如图所示。为了避免冰水导电引起两个连接点短路，必须把连接点分别置于两个玻璃试管里，浸入同一冰点槽，使相互绝缘。这种装置通常用于实验室或精密的温度测量。2.冷端恒温法(2)其他恒温器将热电偶的冷端置于各种恒温器内，使之保持温度恒定，避免由于环境温度的波动而引入误差。这类恒温器可以是盛有变压器油的容器，利用变压器油的热惰性恒温；也可以是电加热的恒温器。这类恒温器的温度不是0℃，所以最后还需对热电偶进行冷端温度修正。3.冷端温度校正法若冷端温度恒定，但并非0℃，要使测出的热电动势只反映热端的实际温度，则必须对温度进行修正。修正公式如下：

例2用镍铬-镍硅热电偶测某一水池内水的温度，测出的热电动势为2.436mV。再用温度计测出环境温度为30℃(且恒定)，求池水的真实温度。解：由镍铬-镍硅热电偶分度表查出E(30，0)=1.203mVE(T，0)=E(T，30)+E(30，0)=2.436mV+1.203mV=3.639mV所以：查分度表知其对应的实际温度为T=88℃。即池水的真实温度是88℃。4.自动补偿法自动补偿法也称电桥补偿法，它是在热电偶与仪表间加上一个补偿电桥，当热电偶冷端温度升高，导致回路总电动势降低时，这个电桥感受自由端温度的变化，产生一个电位差，其数值刚好与热电偶降低的电动势相同，两者互相补偿。这样，测量仪表上所测得的电动势将不随自由端温度而变化。自动补偿法解决了冷端温度校正法不适合连续测温的问题。如图所示，在热电偶和仪表间接一个电桥补偿器，其中R1、R2、R3固定，RT随t0变化。

当冷端t0升高时，热电动势降低，而补偿器中RT变化使ab间产生一个电位差，让其值正好补偿热电动势降低的量，达到自动补偿。5.显示仪表零位调整法当热电偶通过补偿导线连接显示仪表时，如果热电偶冷端温度不是0℃，但十分稳定（如恒温车间或有空调的场所），可预先将有零位调整器的显示仪表的指针从刻度的初始值调至已知的冷端温度值上，这时显示仪表的示值即为被测量的实际温度值。用螺丝刀调节仪表面板上的“机械零点”，使指针指到气温t0（图中为40

C）的刻度上。机械零点指针被预调到室温（40

C）可补偿冷端损失6.软件处理法对于计算机系统，不必全靠硬件进行热电偶冷端处理。例如冷端温度恒定但不为0℃的情况，只需在采样后加一个与冷端温度对应的常数即可。对于T0经常波动的情况，可利用热敏电阻或其它传感器把T0信号输入计算机，按照运算公式设计一些程序，便能自动修正。

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项目六热电式传感器热电阻热电阻定义热电阻是利用导体材料的电阻随温度变化而变化的特性来实现对温度的测量的。可分为金属热电阻式温度传感器和半导体热电阻式温度传感器，前者简称为热电阻或金属热电阻，后者简称为热敏电阻或半导体热敏电阻。热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器。它的主要特点是测量精度高，性能稳定。其中金属热电阻中铂热电阻的测量精确度是最高的，它不仅广泛应用于工业测温，而且被制成标准的基准仪。应用于-200~600℃范围内的温度测量

1.金属热电阻

金属热电阻是由电阻体、绝缘管和接线盒等主要部件组成，其中，电阻体是热电阻的最主要部分。金属热电阻作为反映电阻和温度关系的检测元件，要有尽可能大而且稳定的电阻系数（最好为常数），稳定的化学和物理性能，以及大的电阻率。作为测温用的热电阻材料应满足下列条件：较大的温度系数和较高的