第三章 常用傳感器及其調(diào)理電路

1、第三章第三章 常用傳感器及其調(diào)理電路常用傳感器及其調(diào)理電路常用傳感器及其調(diào)理電路傳感器概述金屬溫度傳感器熱電偶熱敏電阻霍爾傳感器磁阻傳感器電場測量探頭電渦流傳感器壓電傳感器光電傳感器電容式傳感器電感式傳感器差動傳感器與測量電橋傳感器概述傳感器概述傳感器的地位和作用傳感器的地位和作用人的感官：人的感官：眼睛眼睛 耳朵耳朵 鼻子鼻子 舌頭舌頭 皮膚皮膚視覺、聽覺、嗅覺、味覺、觸覺視覺、聽覺、嗅覺、味覺、觸覺傳感器的地位和作用傳感器的地位和作用傳感器傳感器1 1信號調(diào)理信號調(diào)理數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)采采集集卡卡計計算算機(jī)機(jī)顯顯示示被測量被測量X X1 1傳感器傳感器2 2信號調(diào)理信號調(diào)理被測量被測量X X2 2傳

2、感器傳感器n n信號調(diào)理信號調(diào)理被測量被測量X Xn n被測量被測量X X電氣參量電氣參量非電氣參量非電氣參量獲取信獲取信號號信號變信號變換換預(yù)濾波預(yù)濾波A/DA/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換多路轉(zhuǎn)多路轉(zhuǎn)換換信號分信號分析、處析、處理理傳感器處于測量系統(tǒng)的最前傳感器處于測量系統(tǒng)的最前端，起著獲取信息與轉(zhuǎn)換信端，起著獲取信息與轉(zhuǎn)換信息的重要作用。息的重要作用。傳感器的作用與地位傳感器的作用與地位 傳感器處于研究對象與測量系統(tǒng)的接口位傳感器處于研究對象與測量系統(tǒng)的接口位置置,是檢測系統(tǒng)與控制系統(tǒng)感知、獲取與檢測是檢測系統(tǒng)與控制系統(tǒng)感知、獲取與檢測信息的窗口。信息的窗口。 一切科學(xué)研究與自動化生產(chǎn)過程要獲取的一切科學(xué)

3、研究與自動化生產(chǎn)過程要獲取的信息，都要通過傳感器獲取并通過它轉(zhuǎn)換為容信息，都要通過傳感器獲取并通過它轉(zhuǎn)換為容易傳輸與處理的電信號。易傳輸與處理的電信號。 80年代以來，世界各國都將傳感器技術(shù)列年代以來，世界各國都將傳感器技術(shù)列為為重點發(fā)展的高技術(shù)重點發(fā)展的高技術(shù)，倍受重視。，倍受重視。傳感器的定義和內(nèi)涵傳感器的定義和內(nèi)涵定義：定義： 能感受規(guī)定的被測量并按一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的能感受規(guī)定的被測量并按一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置。器件或裝置。內(nèi)涵：內(nèi)涵： 傳感器對規(guī)定的被測量具有最大的靈敏度和最好的選擇性。傳感器對規(guī)定的被測量具有最大的靈敏度和最好的選擇性。（電氣量或非電量）

4、。（電氣量或非電量）。 輸出信號中載有被測量信息，能夠遠(yuǎn)距離傳送、接收和處理輸出信號中載有被測量信息，能夠遠(yuǎn)距離傳送、接收和處理(常見：電信號、光信號和氣動信號）。常見：電信號、光信號和氣動信號）。 輸入輸出關(guān)系有規(guī)律，可復(fù)現(xiàn)。輸入輸出關(guān)系有規(guī)律，可復(fù)現(xiàn)。按被測量（輸入量）的性質(zhì)分類按被測量（輸入量）的性質(zhì)分類機(jī)械量機(jī)械量 位移、力、位移、力、( (角角) )速度、加速度、重量等；速度、加速度、重量等；電氣量電氣量 電壓、電流、功率、頻率等；電壓、電流、功率、頻率等；熱工量熱工量 溫度、壓力、流量、液位、物位、流速等；溫度、壓力、流量、液位、物位、流速等；化學(xué)量化學(xué)量 濃度、粘度、濕度、氣體的

5、組分、液體的組分等；濃度、粘度、濕度、氣體的組分、液體的組分等；光學(xué)量光學(xué)量 光強(qiáng)、光通量、輻射能量等；光強(qiáng)、光通量、輻射能量等；生物量生物量 血糖、血壓、酶等；血糖、血壓、酶等；按輸出量的性質(zhì)分類按輸出量的性質(zhì)分類電參數(shù)型傳感器：輸出量為電參量，如電阻式、電感式和電容式電參數(shù)型傳感器：輸出量為電參量，如電阻式、電感式和電容式電量型傳感器：輸出量為電量，如熱電式、壓電式、光電式、磁電式等。電量型傳感器：輸出量為電量，如熱電式、壓電式、光電式、磁電式等。按能量關(guān)系分類按能量關(guān)系分類能量轉(zhuǎn)換型能量轉(zhuǎn)換型 被測對象能量轉(zhuǎn)化為輸出信號能量，如熱電偶、光電池等。被測對象能量轉(zhuǎn)化為輸出信號能量，如熱電偶、

6、光電池等。能量控制型能量控制型 需要外部提供激勵源，如需要外部提供激勵源，如R R、L L、C C電參數(shù)型傳感器。電參數(shù)型傳感器。傳感器分類傳感器分類按被測信號到輸出信號轉(zhuǎn)化方式分類結(jié)構(gòu)型 以轉(zhuǎn)換元件結(jié)構(gòu)參數(shù)變化實現(xiàn)信號轉(zhuǎn)換，一般包括敏感元件和變換器。物性型 以轉(zhuǎn)換元件物理特性變化實現(xiàn)信號轉(zhuǎn)換，如測溫電阻，熱電偶按輸出信號分類模擬式傳感器 輸出量為模擬信號，如電壓、電流、數(shù)字式傳感器 輸出量為數(shù)字信號，如脈沖、編碼、傳感器分類傳感器分類傳感器的一般組成傳感器的一般組成敏感元件敏感元件：又叫彈性元件，如梁、膜片、柱、筒、環(huán)等，直接感受被測量，將力、重量、位移、力矩等轉(zhuǎn)化為中間變量，如膜片的變形和

7、應(yīng)力；轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換元件：將彈性敏感元件的輸出的中間變量轉(zhuǎn)化為電參量的變化，如電阻式，電感式、電容式；轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路：調(diào)理電路，一般轉(zhuǎn)化為電量； 傳感器的一般組成傳感器的一般組成敏感元件：氣膜盒，直接感受被 測量；轉(zhuǎn)換元件：磁芯與電感線圈；轉(zhuǎn)換電路：通過磁芯的變化， 引起轉(zhuǎn)換電路輸出 電信號的變化。氣體壓力傳感器的示意圖氣體壓力傳感器的示意圖傳感器：物理量傳感器：物理量 另一種物理量另一種物理量變送器變送器: :傳感器調(diào)理電路輸出規(guī)一化傳感器調(diào)理電路輸出規(guī)一化 （輸出標(biāo)準(zhǔn)信號的傳感器）（輸出標(biāo)準(zhǔn)信號的傳感器）變送器目標(biāo)：將各種物理量轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)信號。變送器目標(biāo)：將各種物理量轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)

8、信號。國際標(biāo)準(zhǔn)信號：國際標(biāo)準(zhǔn)信號： 電流標(biāo)準(zhǔn)電流標(biāo)準(zhǔn)4 420mA(DC)20mA(DC)( (電流信號抗干擾能力強(qiáng)，一般用于傳輸距離較長的情況。電流信號抗干擾能力強(qiáng)，一般用于傳輸距離較長的情況。) ) 電壓標(biāo)準(zhǔn)電壓標(biāo)準(zhǔn)1 15V(DC)5V(DC)( (適于傳輸給多個其他測量環(huán)節(jié)適于傳輸給多個其他測量環(huán)節(jié)) ) 氣動標(biāo)準(zhǔn)氣動標(biāo)準(zhǔn)2020100kPa100kPa變送器概述變送器概述電量變送器：電壓、電流、頻率、相位、功率等。非電量變送器：溫度、壓力、流量等 常用變送器種類常用變送器種類金屬溫度傳感器金屬溫度傳感器 工作原理：工作原理：利用金屬導(dǎo)體的電阻值隨溫度變化的特性，制成測量溫度的傳感器。

9、 金屬熱電阻金屬熱電阻( (鉑電阻、銅電阻鉑電阻、銅電阻) )金屬溫度傳感器金屬溫度傳感器金屬熱電阻工作原理金屬熱電阻工作原理金屬熱電阻測溫的基礎(chǔ)：金屬熱電阻測溫的基礎(chǔ)： 金屬導(dǎo)體電阻率隨溫度升高而增大，具金屬導(dǎo)體電阻率隨溫度升高而增大，具有正的溫度系數(shù)。有正的溫度系數(shù)。 工業(yè)上一般用來測量工業(yè)上一般用來測量2001000范圍的溫度。范圍的溫度。 金屬導(dǎo)體電阻隨溫度變化情況要求：要求：（1）溫度系數(shù)、電阻率較高）溫度系數(shù)、電阻率較高 提高靈敏度，體積小，提高靈敏度，體積小，反應(yīng)快反應(yīng)快（2）理化性能穩(wěn)定）理化性能穩(wěn)定 提高穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，復(fù)現(xiàn)性好提高穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，復(fù)現(xiàn)性好 （3）良好的輸入）

10、良好的輸入-輸出特性輸出特性 線性線性/接近線性，測量準(zhǔn)接近線性，測量準(zhǔn)確度高確度高（4）良好的工藝性）良好的工藝性 批量生產(chǎn)，降低成本批量生產(chǎn)，降低成本材料：材料：純金屬純金屬 -鉑、銅、鉑、銅、鎳、鐵鎳、鐵 （5）較大的測溫范圍）較大的測溫范圍 特別是在低溫范圍特別是在低溫范圍金屬熱電阻材料與要求金屬熱電阻材料與要求優(yōu)點：優(yōu)點：0 +850： )1(20BtAtRRt0 - 200： )100(1 320ttCBtAtRRt應(yīng)用：應(yīng)用：(1) 在高溫和氧化介質(zhì)中性能極為穩(wěn)定，易于在高溫和氧化介質(zhì)中性能極為穩(wěn)定，易于提純，工藝性好提純，工藝性好(2) 輸入輸出特性接近線性輸入輸出特性接近線性

11、缺點：缺點： 貴重金屬，成本較高；溫度系數(shù)較小貴重金屬，成本較高；溫度系數(shù)較小標(biāo)準(zhǔn)溫度計，高精度工業(yè)測溫，高低溫測試標(biāo)準(zhǔn)溫度計，高精度工業(yè)測溫，高低溫測試 ；可用于溫度基準(zhǔn)和標(biāo)準(zhǔn)傳遞可用于溫度基準(zhǔn)和標(biāo)準(zhǔn)傳遞構(gòu)成：構(gòu)成： 金屬鉑絲繞制成線圈金屬鉑絲繞制成線圈(3) 測量精度高。測量精度高。鉑電阻鉑電阻(Pt)Pt100R0：0時的溫度時的溫度 標(biāo)準(zhǔn)值標(biāo)準(zhǔn)值(Pt100, Pt50) 特點：特點：-50 150： )1 (320CtBtAtRRt應(yīng)用：應(yīng)用：(1) 易于提純，易于提純，在在-50 150范圍內(nèi)性能穩(wěn)定范圍內(nèi)性能穩(wěn)定，價格低價格低 (2) 輸入輸出特性接近線性輸入輸出特性接近線性:(

12、1) 電阻率低（為鉑電阻的電阻率低（為鉑電阻的1/6），體積較大），體積較大(2) 高溫易被氧化，易被腐蝕高溫易被氧化，易被腐蝕(3) 測量精度低于鉑電阻。測量精度低于鉑電阻。小范圍小范圍;較低溫度較低溫度;測量精度要求較低測量精度要求較低;沒有水分和腐蝕性介質(zhì)；代替鉑沒有水分和腐蝕性介質(zhì)；代替鉑 銅電阻銅電阻(Cu)構(gòu)成：構(gòu)成： 金屬銅絲繞制成線圈金屬銅絲繞制成線圈R0：0時的溫度時的溫度 標(biāo)準(zhǔn)值標(biāo)準(zhǔn)值(Cu50, Cu100)缺點：缺點：鐵電阻和鎳電阻鐵電阻和鎳電阻鐵電阻和鎳電阻: 優(yōu)點：鐵和鎳這兩種金屬的電阻溫度系數(shù)較高、電阻率較大，故可作成體積小，靈敏度高的電阻溫度計。 缺點：容易氧化

13、，化學(xué)穩(wěn)定性差，不易提純，復(fù)制性差，而且電阻值與溫度的線性關(guān)系差。幾種金屬熱電阻的溫度特性幾種金屬熱電阻的溫度特性幾種純金屬的電阻相對變化率與溫度變化間關(guān)系熱電阻技術(shù)參數(shù)熱電阻技術(shù)參數(shù)分度號：分度號： 國家國家19881988年開始采用年開始采用IECIEC標(biāo)準(zhǔn)，工業(yè)用鉑電阻和銅標(biāo)準(zhǔn)，工業(yè)用鉑電阻和銅電阻電阻R R0 0有有100100和和5050歐姆兩種，分度號分別為：歐姆兩種，分度號分別為： 鉑電阻：鉑電阻：Pt100Pt100，Pt50Pt50 銅電阻：銅電阻：Cu100Cu100，Cu50Cu50R Rt t和溫度和溫度t t對應(yīng)關(guān)系列成表格，稱為對應(yīng)關(guān)系列成表格，稱為分度表分度表熱電

14、阻類別分度號鉑電阻Pt1001.385 0.01100 0.1Pt1001.385 0.0150 0.5銅電阻Cu1001.428 0.01100 0.05Ct501.428 0.0150 0.050100/ RR/0R分度號、相應(yīng)規(guī)格及允許誤差靈敏度靈敏度 （溫度系數(shù)） 上式求微分，得at=A+2Bt3Ct2 A。 鉑電阻at 3.910-3/ 銅電阻at 4.310-3/tRRaT熱電阻技術(shù)參數(shù)熱電阻技術(shù)參數(shù)230(1)tRRAtBtCt鉑電阻鉑電阻A=3.90810-3/ B=-5.80110-7/2，C=-4.27310-12/3銅電阻銅電阻A=4.28910-3/ B=-2.1331

15、0-7/2，C=1.23310-9/3 熱電阻類別測量范圍（）分度號允許偏差 鉑電阻-200+420Pt100A級 Pt50B級 銅電阻-50+100Ct50/ t)002. 015. 0(tt)005. 03 . 0(tt) t100 . 63 . 0(t3n測量范圍及測量精度測量范圍及測量精度n允通電流：允通電流： 通過熱電阻中的工作電流應(yīng)小于通過熱電阻中的工作電流應(yīng)小于5mA5mA，以避免，以避免自熱效應(yīng)產(chǎn)生影響自熱效應(yīng)產(chǎn)生影響n時間常數(shù)時間常數(shù) 有四個級別：有四個級別： I I級級 ：(90(90180)s180)s II II級：級：(30(3090)s90)s III III級：級

16、：(10(1030)s30)s IV IV級：級：10s10s熱電阻技術(shù)參數(shù)熱電阻技術(shù)參數(shù)測量電路測量電路n恒流源法 熱電阻溫度傳感器常用雙恒流源調(diào)理電路，將由溫度引起的電阻值的變化轉(zhuǎn)換為電壓信號。特別適合于對熱電阻型溫度傳感器的輸出進(jìn)行R/U變換。 雙恒流源調(diào)理電路輸出電壓為： 經(jīng)測量放大器放大后得到： k為放大器的放大倍數(shù)。測量放大器用于雙恒流源電路輸出的放大調(diào)理 tNRRRuuu0 00 000(1)R IATR II R AToutRuk u 測量電路測量電路n 平衡電橋法平衡電橋法 平衡電橋法如圖所示。在圖中，如果平衡電橋法如圖所示。在圖中，如果電阻電阻R1=R2，當(dāng)熱電阻，當(dāng)熱電阻

17、Rt阻值隨溫度變化阻值隨溫度變化時，調(diào)節(jié)可調(diào)電阻時，調(diào)節(jié)可調(diào)電阻Rw，使電橋處于平衡，使電橋處于平衡狀態(tài)，則有狀態(tài)，則有熱電偶熱電偶熱電偶型溫度傳感器工作原理熱電偶型溫度傳感器工作原理 利用熱電效應(yīng)將被測物理量（溫度）直接轉(zhuǎn)換為電勢。屬于能量轉(zhuǎn)換型傳感器。是應(yīng)用非常廣泛的測溫傳感器。 工作原理： 將兩種不同材料的金屬導(dǎo)體串接成閉合回路，當(dāng)兩個結(jié)點處于不同溫度即TT0時，導(dǎo)體在回路中產(chǎn)生與兩結(jié)點有關(guān)的溫差熱電勢的現(xiàn)象，稱為溫差電效應(yīng)（塞貝克效應(yīng)）。 熱電效應(yīng)示意圖熱電效應(yīng)示意圖熱電偶型溫度傳感器工作原理熱電偶型溫度傳感器工作原理閉合回路中兩種導(dǎo)體叫熱電極；兩個結(jié)點中，一個稱工作端（或測量端、熱端

18、）（T），另一個叫自由端（或參考端、冷端）（T0）。由這兩種導(dǎo)體的組合并將溫度轉(zhuǎn)換成熱電動勢的傳感器叫做熱電偶。熱電動勢是由兩種導(dǎo)體的接觸電勢和單一導(dǎo)體的溫差電動勢所組成。不同金屬導(dǎo)體接觸，在接觸表面形成一個穩(wěn)定的電位差，叫做接觸電動勢。大小可表示為大小可表示為 ： BAABNNekTTeln)(熱電效應(yīng)熱電效應(yīng)接觸電動勢接觸電動勢式中： k波爾茲曼常數(shù)，為1.3810-16； T 接觸處的絕對溫度； e 電子電荷數(shù)； NA、NB 金屬A、 B的自由電子密度。自由電子密度不同自由電子密度不同擴(kuò)散擴(kuò)散電勢電勢 （帕爾帖效應(yīng)）（帕爾帖效應(yīng)）熱電效應(yīng)熱電效應(yīng)溫差電動勢溫差電動勢在一根勻質(zhì)的金屬導(dǎo)體中

19、，如果兩端溫度不同，則在導(dǎo)體內(nèi)部也會產(chǎn)生電勢，稱為溫差電勢（湯姆遜效應(yīng)）溫差電勢的形成是由于導(dǎo)體內(nèi)高溫端自由電子的動能比低溫端自由電子的動能大，高溫端自由電子的擴(kuò)散速率比低溫端自由電子的擴(kuò)散速率大，溫度較高的一 邊因失去電子而帶正電，溫度較低的一邊因得到電子而帶負(fù)電，從而形成了電位差。 TATTA BdTTE0),(0 當(dāng)導(dǎo)體兩端的溫度分別為T、T0時，溫差電勢可由下式表示：式中式中 AA導(dǎo)體的湯姆遜系數(shù)導(dǎo)體的湯姆遜系數(shù)熱電效應(yīng)熱電效應(yīng)綜上所述，對于勻質(zhì)導(dǎo)體綜上所述，對于勻質(zhì)導(dǎo)體A、B組成的熱電偶，其組成的熱電偶，其總電勢為接觸電勢與溫差總電勢為接觸電勢與溫差電勢之和。用式子可表示電勢之和。用

20、式子可表示為：為： TBATTABABABdTETETTE)()()(),(000 熱電效應(yīng)熱電效應(yīng) 熱電效應(yīng)結(jié)論:如果熱電偶兩電極材料相同，則雖兩端溫度不同。但總輸出電如果熱電偶兩電極材料相同，則雖兩端溫度不同。但總輸出電勢仍為零。因此勢仍為零。因此必須由兩種不同的材料才能構(gòu)成熱電偶必須由兩種不同的材料才能構(gòu)成熱電偶。如果熱電偶兩結(jié)點溫度相同，則回路中的總電勢必等于零。因如果熱電偶兩結(jié)點溫度相同，則回路中的總電勢必等于零。因此此必須溫度必須溫度(TT0)不同才能構(gòu)成熱電偶。不同才能構(gòu)成熱電偶。熱電勢的大小只與材料和結(jié)點溫度有關(guān)，與熱電偶的尺寸、形熱電勢的大小只與材料和結(jié)點溫度有關(guān)，與熱電偶的

21、尺寸、形狀及沿電極溫度分布無關(guān)。狀及沿電極溫度分布無關(guān)。 TBATTABABABdTETETTE)()()(),(000 熱電偶定理熱電偶定理均質(zhì)導(dǎo)體定律均質(zhì)導(dǎo)體定律中間導(dǎo)體定律中間導(dǎo)體定律標(biāo)準(zhǔn)電極定律標(biāo)準(zhǔn)電極定律中間溫度定律中間溫度定律均質(zhì)導(dǎo)體定律均質(zhì)導(dǎo)體定律 由同一種均 質(zhì)導(dǎo)體或半導(dǎo)體組成的閉合回路，不論導(dǎo)體的截面積和長度如何，也不論各處的溫度分布如何，都不能產(chǎn)生熱電勢。 中間導(dǎo)體定律中間導(dǎo)體定律 在熱電偶回路中接入第三種材料的導(dǎo)線，只要其兩端的溫度相等，第三導(dǎo)線的引入不會影響熱電偶的熱電動勢。 B A T T0 T0 C可換為儀表、連接導(dǎo)線或測量電路?？蓳Q為儀表、連接導(dǎo)線或測量電路。C如

22、果已知熱電極A、B分別與熱電極C組成的熱電偶在(T，T0)時的熱電勢分別為EAC(T，T0)和EBC(T，T0)，如圖所示。則在相同的溫度下，由A、B兩種熱電極配對后的熱電勢EAB(T，T0)可按下式計算：EAB(T，T0)EAC(T，T0)EBC(T，T0) 熱電極熱電極C稱為標(biāo)準(zhǔn)電極。稱為標(biāo)準(zhǔn)電極。標(biāo)準(zhǔn)電極通常采用純鉑絲制成，因為鉑容易提純，熔點高，性能標(biāo)準(zhǔn)電極通常采用純鉑絲制成，因為鉑容易提純，熔點高，性能穩(wěn)定。穩(wěn)定。標(biāo)準(zhǔn)電極定理標(biāo)準(zhǔn)電極定理 當(dāng)熱電偶的兩個節(jié)點溫度為T，T1時,熱電勢為EAB(T,T1)； 當(dāng)熱電偶的兩個節(jié)點溫度為T1，T0時, 熱電勢為EAB(T1,T0)； 當(dāng)熱電偶

23、的兩個節(jié)點溫度為T，T0時, 熱電勢為 0110,)( ,)( ,)ABABABET TET TET T（中間溫度定律中間溫度定律11( ,),0)( ,0)ABABABET TETET（兩端點在任意溫度時的熱電勢為：兩端點在任意溫度時的熱電勢為：中間溫度定律中間溫度定律舉例已知A、B組成的熱電偶在（1000C，00C）時熱電勢為1mV A、B組成的熱電偶在（10000C，00C）時熱電勢為10mV 則它們在（10000C，1000C）時的熱電勢為： 10-1=9mV 該定律該定律為分度表的制定提供了理論依據(jù)為分度表的制定提供了理論依據(jù)，只要列出參考，只要列出參考溫度與溫度與0時熱電勢和溫度關(guān)

24、系，可計算出參考溫度不為時熱電勢和溫度關(guān)系，可計算出參考溫度不為0的熱電勢。的熱電勢。熱電偶的主要技術(shù)參數(shù)熱電偶的主要技術(shù)參數(shù) 分度號與分度表 分度號(S,R,B,K,E,J,T,N)代表熱電偶的類型。 S 型（鉑銠 10- 鉑） R 型（鉑銠 13- 鉑） B 型（鉑銠 30- 鉑銠 6 ） K 型（鎳鉻 - 鎳硅（鎳鋁） E 型（鎳鉻 銅鎳(康銅)） J 型（鐵 - 銅鎳） T 型（銅 - 銅鎳） N 型（鎳鉻硅 - 鎳硅鎂）。 熱電偶的靜態(tài)特性在國家標(biāo)準(zhǔn)中由分度表給出：分度表是用表格的方式列出溫度與熱電動勢的對應(yīng)關(guān)系。 熱電偶的主要技術(shù)參數(shù)熱電偶的主要技術(shù)參數(shù)鎳鉻鎳鉻-鎳硅鎳硅(分度號分

25、度號:K)熱電偶分度表熱電偶分度表 參考端溫度為參考端溫度為0攝氏度攝氏度熱電偶的主要技術(shù)參數(shù)熱電偶的主要技術(shù)參數(shù)允許誤差允許誤差 熱電偶的熱電勢 溫度關(guān)系對分度表的最大偏差。根據(jù)允許誤差將熱電偶分為1、2、3級(表44）。 測量范圍測量范圍 不同材料的熱電偶，有不同的使用溫度極限。 熱響應(yīng)時間熱響應(yīng)時間 也稱時間常數(shù)，用來表示熱電偶對溫度變化響應(yīng)快慢的熱惰性參數(shù)。熱響應(yīng)時間用 或0.5表示。 冷端溫度補(bǔ)償冷端溫度補(bǔ)償 熱電偶輸出的電動勢是兩結(jié)點溫度差的函數(shù)。作為被測溫度端，T0作為參考溫度端（冷端）通常要求T0保持為0，但在實際中做到這一點很困難，于是產(chǎn)生了熱電偶冷端補(bǔ)償問題。0恒溫法冷端溫

26、度實時測量計算修正法（計算機(jī)自動采集系統(tǒng)常用此法）補(bǔ)償導(dǎo)線法自動補(bǔ)償法 0恒溫法恒溫法 將熱電偶冷端置于將熱電偶冷端置于00的恒溫器內(nèi)，使的恒溫器內(nèi)，使其工作狀態(tài)與分度表狀態(tài)一致，測出電勢其工作狀態(tài)與分度表狀態(tài)一致，測出電勢后查分度表直接得到熱端溫度值。后查分度表直接得到熱端溫度值。 00恒溫器：恒溫器：冰水混合物、半導(dǎo)體致冷器。冰水混合物、半導(dǎo)體致冷器。冷端溫度實時測量計算修正法 無須保持冷端溫度無須保持冷端溫度T T0 0恒定，而是采用其它測溫手段實時測量當(dāng)前冷端恒定，而是采用其它測溫手段實時測量當(dāng)前冷端溫度溫度T T0 0，進(jìn)行補(bǔ)償，進(jìn)行補(bǔ)償, ,步驟如下步驟如下( (以以T T型熱電偶

27、為例）型熱電偶為例） ： E EABAB( (T T, 0)=, 0)= E EABAB( (T T, , T T0 0)+)+ E EABAB( (T T0 0,0) ,0) （1 1）測）測T T0 0，若若T T0 0 =40 =40。（2 2）測）測E EABAB( (T T, , T T0 0) )2.202mV2.202mV（3 3）查分度表：）查分度表： E EABAB( (T T0 0,0) ,0) E EABAB( (4040,0),0)1.611mV1.611mV（4 4）加法運(yùn)算：）加法運(yùn)算： E EABAB( (T T, 0)=, 0)= E EABAB( (T T,

28、, T T0 0)+)+ E EABAB( (T T0 0,0) ,0) = = E EABAB( (T T, , 4040)+)+ E EABAB( (4040,0),0)2.202+1.6112.202+1.6113.813mV3.813mV（5 5）查分度表：）查分度表： E EABAB( (T T, 0)=, 0)= 3.813mV3.813mV 熱端溫度熱端溫度T T =90 =90即被測溫度。即被測溫度。 補(bǔ)償導(dǎo)線法補(bǔ)償導(dǎo)線法原因： 工業(yè)應(yīng)用時，被測點與指示儀表之間往往有很長距離，但熱電偶材料較貴，尺寸不能過長。 由于熱電偶長度有限，參考端溫度將受到被測介質(zhì)和周圍 環(huán)境影響，很難保

29、持0度，而且是波動的。 補(bǔ)償導(dǎo)線就是用一定范圍內(nèi)熱電性質(zhì)與熱電偶相近的材料制成導(dǎo)線。用它將熱電偶的參考端延長到需要的地方，不會對熱電偶回路引入超出允許的附加測溫誤差。補(bǔ)償導(dǎo)線作用：是將熱電偶的冷端移至離熱源較遠(yuǎn)且溫度較為穩(wěn)定的地點，從而消除冷端溫度變化的影響。 補(bǔ)償導(dǎo)線必須具備的基本條件是：在補(bǔ)償溫度范圍內(nèi)，由補(bǔ)償導(dǎo)線材料C,D構(gòu)成的熱偶與測溫?zé)崤加邢嗤姆侄戎?，即?EAB(T,0)=ECD(T,0) 如果AB材料的熱偶能一直延伸到T0處的話，產(chǎn)生的熱電勢應(yīng)為EAB(T1，T0）它可以理解由兩部分組成： EAB(T,T0)=EAB(T,T0)+ EAB(T0,T0) =EAB(T,T0)+

30、ECD(T0,T0)補(bǔ)償導(dǎo)線法補(bǔ)償導(dǎo)線法 注意： 補(bǔ)償導(dǎo)線只能與相應(yīng)型號的熱電偶配用； 極性不能接反，否則會造成更大的誤差；補(bǔ)償導(dǎo)線與電極連接處兩結(jié)點的溫度必須相同，且不得超過規(guī)定范圍。 隨著熱電偶的標(biāo)準(zhǔn)化，補(bǔ)償導(dǎo)線也形成了標(biāo)準(zhǔn)系列。國際電工委員會也制定了國際標(biāo)準(zhǔn)，適合于標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶使用。補(bǔ)償導(dǎo)線法補(bǔ)償導(dǎo)線法常用補(bǔ)償導(dǎo)線常用補(bǔ)償導(dǎo)線常用補(bǔ)償導(dǎo)線常用補(bǔ)償導(dǎo)線補(bǔ)償導(dǎo)補(bǔ)償導(dǎo)線線型型 號號配用的熱電偶配用的熱電偶分分 度度 號號補(bǔ)補(bǔ) 償償 導(dǎo)導(dǎo) 線線補(bǔ)償導(dǎo)線顏色補(bǔ)償導(dǎo)線顏色正正 極極負(fù)負(fù) 極極正極正極負(fù)極負(fù)極SCSCKCKCEXEXJXJXTXTXS(鉑銠鉑銠10- -鉑鉑)K(鎳鉻鎳鉻- -鎳硅鎳硅

31、)E(鎳鉻鎳鉻- -康銅康銅)J(鐵鐵- -康銅康銅)T(銅銅- -康銅康銅)SPC(銅銅)KPC(銅銅)EPX(鎳鉻鎳鉻)JPX(鐵鐵)TPX(銅銅)SNC(康銅康銅)KNC(康銅康銅)ENX(康銅康銅)JNX(康銅康銅)TNX(康銅康銅)紅紅紅紅褐綠褐綠紅紅紅紅白白白白白白白白白白自動補(bǔ)償法自動補(bǔ)償法(冷端溫度自動補(bǔ)償法冷端溫度自動補(bǔ)償法) 基本方法：在熱電偶回路中串入一個自動補(bǔ)償?shù)碾妱觿?，自動補(bǔ)償熱電偶測量過程中因冷端溫度不為0或變化而引起熱電勢的變化值。 常用自動補(bǔ)償電橋，如圖。Ubd =EAB(T0,0)EAB(T,T0)+Ubd=EAB(T,0)T自動補(bǔ)償法自動補(bǔ)償法(冷端溫度自動

32、補(bǔ)償法冷端溫度自動補(bǔ)償法) 【例】單臂電橋作為鎳鉻鎳硅熱電偶冷端溫度自動補(bǔ)償器，補(bǔ)償溫度范圍040 （要求T0=40 能完全補(bǔ)償），Rt為銅電阻，電阻溫度系數(shù)4.28x10-3/ ,計算冷端溫度補(bǔ)償電橋供電電壓Uac。T自動補(bǔ)償法自動補(bǔ)償法(冷端溫度自動補(bǔ)償法冷端溫度自動補(bǔ)償法)【解】測溫單臂電橋的輸入-輸出關(guān)系式為2114CuCuACBDaTaUU當(dāng)T0 =40時，由熱偶分度表知EAB= 1.611mV。調(diào)節(jié)Rg使UAC供電時電橋輸出的不平衡電壓UBD能在T0 =40實現(xiàn)完全補(bǔ)償反算所要求的電橋供電電壓UAC0BU(T =40 C)=E(40,0)=1.611mVBDA)2T(1T）40=(

33、T 4000BDACCuCuaaUU334 1.6114.28 104014.28 1040240.862mV（）熱電偶的測溫電路熱電偶的測溫電路 熱電偶產(chǎn)生的熱電勢通常在毫伏級范圍，可以直接與顯示熱電偶產(chǎn)生的熱電勢通常在毫伏級范圍，可以直接與顯示儀表儀表(如動圈式毫伏表、電子電位差計、數(shù)字表等如動圈式毫伏表、電子電位差計、數(shù)字表等)配套使用，配套使用，也可與溫度變送器配套，轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電流信號。也可與溫度變送器配套，轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電流信號。熱電偶典型測溫線路熱電偶典型測溫線路熱電偶測溫線路熱電偶測溫線路在特殊情況下，熱電偶可以串聯(lián)或并聯(lián)使用，但只能是在特殊情況下，熱電偶可以串聯(lián)或并聯(lián)使用，但只能是

34、同一分度號的熱電偶，且冷端應(yīng)在同一溫度下。同一分度號的熱電偶，且冷端應(yīng)在同一溫度下。 為了獲得較大的熱電勢輸出和提高靈敏度或測量多點溫為了獲得較大的熱電勢輸出和提高靈敏度或測量多點溫度之和，可以采用熱電偶正向串聯(lián)（圖度之和，可以采用熱電偶正向串聯(lián)（圖a）；）； 采用熱電偶反向串聯(lián)可以測量兩點間的溫差采用熱電偶反向串聯(lián)可以測量兩點間的溫差（圖（圖b） ； 利用熱電偶并聯(lián)可以測量多點平均溫度利用熱電偶并聯(lián)可以測量多點平均溫度（圖（圖c） t1 t0 t0 t0 t0 t0 E1 E2 E3 En t2 t3 tn (a) (b) (c) 熱敏電阻熱敏電阻熱敏電阻熱敏電阻熱敏電阻熱敏電阻采用半導(dǎo)體熱

35、電阻，其測量范圍一般為-100到+300。常見的熱敏電阻包括：負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻(NTC)、正溫度系數(shù)熱敏電阻(PTC)、臨界溫度系數(shù)熱敏電阻（CTR）（在某一溫度時，電阻急劇降低，因此可作為溫度開關(guān)） 熱敏電阻的實物圖片熱敏電阻熱敏電阻n基本原理基本原理R=Aexp(B T)熱敏電阻溫度-電阻特性n靈敏度靈敏度1tR RdRTR dT2tBT n熱敏電阻基本特性熱敏電阻基本特性負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻的伏安特性熱敏電阻熱敏電阻n熱敏電阻應(yīng)用特點熱敏電阻應(yīng)用特點優(yōu)點優(yōu)點u具有很高的負(fù)電阻溫度系數(shù)，靈敏度比熱電阻高一個數(shù)量級（為熱電阻10100倍）；u因為它是半導(dǎo)體材料制成，所以常溫下其阻值大，測溫時

36、可以忽略引線電阻的影響； u體積可以做得很小，可以測溫量點溫度，動態(tài)特性好，適于動態(tài)測溫；u成本低、易于維護(hù)、使用壽命長，因此適于現(xiàn)場測溫 缺點缺點分散性大、非線性大、長期穩(wěn)定性差以及互換性不好霍爾傳感器霍爾傳感器霍爾傳感器霍爾傳感器霍爾效應(yīng)霍爾效應(yīng)霍爾元件及應(yīng)用霍爾元件及應(yīng)用霍爾電流傳感器霍爾電流傳感器霍爾效應(yīng)：霍爾效應(yīng)：金屬導(dǎo)體或半導(dǎo)體薄片處于磁場中，金屬導(dǎo)體或半導(dǎo)體薄片處于磁場中，當(dāng)垂直于磁場方向有電流流過時，在垂直于電流當(dāng)垂直于磁場方向有電流流過時，在垂直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生電動勢的現(xiàn)象。和磁場的方向上將產(chǎn)生電動勢的現(xiàn)象?；魻栃?yīng)霍爾效應(yīng)NMBFLiv v+EHFH霍爾效應(yīng)霍爾效

37、應(yīng)FH = -eEH = -eUHbFL = evBFL = -FHi = -j bd =-nev bdUH = bvBn材料的電子（載流子）濃度。材料的電子（載流子）濃度。e電子（載流子）電荷量；電子（載流子）電荷量；j電流密度；電流密度；inebd （1）（2）霍爾效應(yīng)霍爾效應(yīng) UHKHBi 其中其中KH為霍爾片的靈敏度，與溫度、材料的性質(zhì)、形狀有關(guān)。為霍爾片的靈敏度，與溫度、材料的性質(zhì)、形狀有關(guān)。如果磁場與薄片法線有夾角如果磁場與薄片法線有夾角： UHKHBI cos HHiBiBURnedd 兩橫側(cè)間的霍爾電壓：兩橫側(cè)間的霍爾電壓：H1Rne 為為霍爾系數(shù)。霍爾系數(shù)。其中其中( )HH

38、iBlURfdb（3）（4）當(dāng)當(dāng)l/b較小時較小時,需考慮形狀系數(shù)需考慮形狀系數(shù):霍爾元件霍爾元件 具有霍爾效應(yīng)的元件稱具有霍爾效應(yīng)的元件稱霍爾元件霍爾元件。霍爾傳感器由霍爾元?；魻杺鞲衅饔苫魻栐M成。件組成。金屬材料的自由電子濃度金屬材料的自由電子濃度n很高，因此很高，因此RH很小，使輸出很小，使輸出UH很小。很小。半導(dǎo)體的電子濃度半導(dǎo)體的電子濃度n適中，適中，霍爾傳感器中的霍爾霍爾傳感器中的霍爾元件都是由半導(dǎo)體材料構(gòu)成元件都是由半導(dǎo)體材料構(gòu)成,多用多用N型半導(dǎo)體材料。型半導(dǎo)體材料?；魻栐奖。ɑ魻栐奖。╠越?。?，越?。?，KH越大，所以一般霍爾元件越大，所以一般霍爾元件都比較薄。都比

39、較薄。HHHIBIBURK BInedd 霍爾元件調(diào)理電路霍爾元件調(diào)理電路 霍爾元件的基本測量電霍爾元件的基本測量電路如圖所示。路如圖所示。 激勵電流由電源激勵電流由電源E供給，供給，可變電阻可變電阻RP用來調(diào)節(jié)激勵電用來調(diào)節(jié)激勵電流流I的大小。的大小。RL為輸出霍爾為輸出霍爾電勢電勢UH的負(fù)載電阻。通常它的負(fù)載電阻。通常它是顯示儀表、記錄裝置或放是顯示儀表、記錄裝置或放大器的輸入阻抗。大器的輸入阻抗?；魻栐幕緶y量電路霍爾元件的基本測量電路 霍爾片霍爾片 四極引線四極引線 殼體殼體霍爾元件結(jié)構(gòu)霍爾元件結(jié)構(gòu) 霍爾傳感器是一種霍爾傳感器是一種磁傳感器磁傳感器和和磁電轉(zhuǎn)換磁電轉(zhuǎn)換元件，檢測元件

40、，檢測磁場及其變化，另外各種與磁場有關(guān)的場合都可以應(yīng)用。磁場及其變化，另外各種與磁場有關(guān)的場合都可以應(yīng)用。 霍爾式傳感器的應(yīng)用霍爾式傳感器的應(yīng)用（1 1）直接測磁場強(qiáng)度（）直接測磁場強(qiáng)度（I I恒定）；恒定）；（2 2）衍生：電流、電壓、微小位移、壓力、速度、加速度、）衍生：電流、電壓、微小位移、壓力、速度、加速度、振動等（需附加磁場振動等（需附加磁場B B） 應(yīng)用范圍：應(yīng)用范圍：UH=KHBI使用霍爾片測量磁場時，片中的電流應(yīng)保持恒定，故應(yīng)采用恒流供電方式。霍爾效應(yīng)法測量磁場的范圍很寬，場強(qiáng)范圍可從8 81010- -2 27710107 7A/mA/m。它的準(zhǔn)確度一般為15%。采取減小誤差

41、（不等位電勢誤差、溫度誤差）的措施后，可提高到0.1%以上；而測量電壓或電流通常準(zhǔn)確度在10.1?；魻柺絺鞲衅鞯膽?yīng)用霍爾式傳感器的應(yīng)用1 1）體積小，重量輕，功耗小，可靠性好；）體積小，重量輕，功耗小，可靠性好；2 2）響應(yīng)頻率高（可達(dá)）響應(yīng)頻率高（可達(dá)1MHZ1MHZ）；）；3 3）非接觸式、可用于特殊應(yīng)用環(huán)境；）非接觸式、可用于特殊應(yīng)用環(huán)境；4 4）易于集成。）易于集成。線性、非機(jī)械、半導(dǎo)體線性、非機(jī)械、半導(dǎo)體應(yīng)用特點：應(yīng)用特點：霍爾式傳感器的應(yīng)用霍爾式傳感器的應(yīng)用缺點：缺點：受溫度影響較大，轉(zhuǎn)換效率較低。受溫度影響較大，轉(zhuǎn)換效率較低。a a）對移）對移 b b）側(cè)移）側(cè)移 c c）旋轉(zhuǎn)）

42、旋轉(zhuǎn) d d）遮斷）遮斷應(yīng)用實例位移、速度霍爾式位移傳感器原理示意圖霍爾式位移傳感器原理示意圖應(yīng)用實例應(yīng)用實例位移、速度位移、速度 利用霍爾元件測地磁場，用于尋北、空間姿態(tài)等。利用霍爾元件測地磁場，用于尋北、空間姿態(tài)等。應(yīng)用實例應(yīng)用實例霍爾電子羅盤霍爾電子羅盤霍爾電流傳感器霍爾直測式電流傳感器霍爾直測式電流傳感器霍爾磁補(bǔ)式電流傳感器霍爾磁補(bǔ)式電流傳感器特點：直流，交流，脈沖（沖擊）電流均可測特點：直流，交流，脈沖（沖擊）電流均可測 非接觸（隔離）非接觸（隔離）1霍爾直測式電流傳感器霍爾直測式電流傳感器霍爾直測式電流傳感器霍爾直測式電流傳感器 UHKHIB已知KH，HB/，S，L，N，由HLNI

43、c計算IcKH易受溫度影響, 精度不高。精度不高。2霍爾磁補(bǔ)式電流傳感器霍爾磁補(bǔ)式電流傳感器直到直到HpHs時時Is不不再增加，這時霍爾再增加，這時霍爾片就達(dá)到零磁通檢片就達(dá)到零磁通檢測。測。磁平衡時，磁平衡時，N NpI IpI IsN Ns計算計算IpIp某型號某型號Hall磁補(bǔ)式電流傳感器磁補(bǔ)式電流傳感器典型技術(shù)指標(biāo)典型技術(shù)指標(biāo)額定電流額定電流 （100A100A） 額定電流測量值額定電流測量值 （100mA100mA）測量范圍測量范圍 （0 0150A150A） 內(nèi)阻內(nèi)阻 （3030）頻率范圍頻率范圍 （0 0100kHz100kHz） 電流電壓電流電壓 (15V)(15V)線性度線性

44、度 （0.10.1） 絕緣性能絕緣性能 （3KV3KV）穿孔尺寸穿孔尺寸 ( 10mm) 10mm) 匝數(shù)比匝數(shù)比 （1 1：1000)1000) 2霍爾磁補(bǔ)式電流傳感器霍爾磁補(bǔ)式電流傳感器霍爾鉗形電流表霍爾鉗形電流表 將磁芯做成張合結(jié)構(gòu)，在磁芯開口處放置霍爾器件，將磁芯做成張合結(jié)構(gòu)，在磁芯開口處放置霍爾器件，將環(huán)形磁芯夾在被測電流流過的導(dǎo)線外，即可測出其中流將環(huán)形磁芯夾在被測電流流過的導(dǎo)線外，即可測出其中流過的電流。這種鉗形表既可測交流也可測直流。過的電流。這種鉗形表既可測交流也可測直流。 磁阻傳感器磁阻傳感器磁阻傳感器磁阻傳感器磁阻效應(yīng)磁阻效應(yīng)置于磁場中的載流金屬導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料，其電阻值

45、隨磁場變化的現(xiàn)象，稱為磁致電阻變化效應(yīng)，簡稱為磁阻效應(yīng)。利用磁阻效應(yīng)制成的元件稱為磁敏電阻，也稱MR元件。磁阻效應(yīng)與材料性質(zhì)、幾何形狀等因素有關(guān)。22220001( /)0.273 Bk Bf LW式中， B為磁感應(yīng)強(qiáng)度； 材料在磁感應(yīng)強(qiáng)度為B時的電阻率； 0 材料在磁感應(yīng)強(qiáng)度為0時的電阻率； 載流子的遷移率；K比例系數(shù)；L、W磁敏電阻的長(沿電流方向)和寬；f(L/W) 磁敏電阻的形狀效應(yīng)系數(shù)。磁阻傳感器磁阻傳感器磁阻元件的主要特性磁阻元件的主要特性u靈敏度特性靈敏度特性 KRB/R0u磁場磁場-電阻特性電阻特性 N極 0.2 0.1 0 0.1 0.2 0.3 R/ 1000 500 S極

46、 B/T 15 RB R0 10 5 溫度(25) 弱磁場下呈平方特性變化 強(qiáng)場下呈直線特性變化 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 B/T 0.3 磁敏電阻磁場-電阻特性磁阻傳感器磁阻傳感器u電阻電阻-溫度特性溫度特性 103 8 4 2 102 4 2 10 6 -40 0 20 60 100 溫度/ 電阻變化率% 磁敏電阻的電阻-溫度特性u標(biāo)稱阻值和額定功率標(biāo)稱阻值和額定功率 電阻值通常為50500，額定功率在環(huán)境溫度低于80時一般為幾毫瓦u頻率特性頻率特性 工作頻率范圍通常在1MHz10MHz磁阻傳感器磁阻傳感器磁敏電阻的應(yīng)用磁敏電阻的應(yīng)用 RC RB N S

47、磁敏電阻 VT1 VCC UO 磁敏電阻組成的無觸點開關(guān)電路電場測量探頭電場測量探頭電場測量探頭電場測量探頭電場強(qiáng)度儀電場強(qiáng)度儀一般由探頭或傳感器、模擬或數(shù)字顯示的信號處理電路組成的檢測器以及探頭到檢測器的信號傳輸通道（導(dǎo)線或光纖等）三部分組成電場強(qiáng)度測量探頭按工作原理分為3大類：懸浮體型；地參考型和光電型懸浮體型探頭懸浮體型探頭懸浮體場強(qiáng)儀探頭203Qr E203Ir E 電場測量探頭地參考場強(qiáng)儀地參考場強(qiáng)儀地參考型探頭0QSE0ISE電場測量探頭電場測量探頭光電場強(qiáng)儀光電場強(qiáng)儀光電探頭/(1sin)/2tiIIM電渦流傳感器電渦流傳感器電渦流傳感器電渦流傳感器工作原理工作原理調(diào)理電路調(diào)理電

48、路應(yīng)用舉例應(yīng)用舉例工作原理工作原理 金屬導(dǎo)體置于變化著的磁場中，導(dǎo)體內(nèi)就會產(chǎn)金屬導(dǎo)體置于變化著的磁場中，導(dǎo)體內(nèi)就會產(chǎn)生漩渦狀感應(yīng)電流，稱之為生漩渦狀感應(yīng)電流，稱之為電渦流或渦流電渦流或渦流。這種現(xiàn)。這種現(xiàn)象稱為象稱為渦流效應(yīng)渦流效應(yīng)。 電渦流式傳感器是一種建立在電渦流式傳感器是一種建立在渦流效應(yīng)原理渦流效應(yīng)原理上上的傳感器，可以對表面為金屬導(dǎo)體的物體實現(xiàn)多種的傳感器，可以對表面為金屬導(dǎo)體的物體實現(xiàn)多種物理量的非接觸測量，如位移、振動、厚度、轉(zhuǎn)速、物理量的非接觸測量，如位移、振動、厚度、轉(zhuǎn)速、應(yīng)力、硬度等。這種傳感器可用于無損探傷。應(yīng)力、硬度等。這種傳感器可用于無損探傷。 工作原理工作原理 將一

49、個通以正弦交變電流I1，頻率為f，外半徑為r的扁平線圈置于金屬導(dǎo)體附近，則線圈周圍空間將產(chǎn)生一個正弦交變磁場H1，使金屬導(dǎo)體中感應(yīng)電渦流I2，I2又產(chǎn)生一個與H1方向相反的交變磁場H2，如圖所示。根據(jù)愣次定律，H2的反作用必然削弱線圈的磁場H1。由于磁場H2的作用，渦流要消耗一部分能量，導(dǎo)致傳感器線圈的等效阻抗發(fā)生變化。線圈阻抗的變化取決于被測金屬導(dǎo)體的電渦流效應(yīng)。 電渦流效應(yīng)既與被測體的電阻率 、磁導(dǎo)率以及幾何形狀有關(guān)，還與線圈的幾何參數(shù)、線圈中激磁電流頻率f有關(guān)，同時還與線圈與導(dǎo)體間的距離x有關(guān)。電渦流作用原理電渦流作用原理工作原理工作原理 【例】被測材料不變，電流頻率不變，阻抗Z為距離x

50、的單值函數(shù)，可制成電渦流距離傳感器。傳感器線圈受電渦流影響時的等效阻抗Z的函數(shù)關(guān)系式為： Z=f (, , f, x) 測量原理：如果保持上式中其他參數(shù)不變，而只使其中一個參數(shù)發(fā)生變化，則傳感器線圈的阻抗Z就僅僅是這個參數(shù)的單值函數(shù)。通過與傳感器配用的測量電路測出阻抗Z的變化量，即可實現(xiàn)對該參數(shù)的測量。工作原理工作原理 為了說明傳感器的工作原理與基本特性，一般采用如圖示的為了說明傳感器的工作原理與基本特性，一般采用如圖示的電渦流傳感器的簡化模型。在簡化模型中，假定電渦流僅分布電渦流傳感器的簡化模型。在簡化模型中，假定電渦流僅分布在環(huán)體之內(nèi)，并且把在被測金屬導(dǎo)體上形成的電渦流等效為一在環(huán)體之內(nèi)，

51、并且把在被測金屬導(dǎo)體上形成的電渦流等效為一個短路環(huán)。個短路環(huán)。工作原理工作原理1 11 12112222jjjj0R IL IMIUMIR IL I&式中式中 線圈激磁電流角頻率；線圈激磁電流角頻率； R1、L1線圈電阻和電感；線圈電阻和電感； L2短路環(huán)等效電感；短路環(huán)等效電感； R2短路環(huán)等效電阻；短路環(huán)等效電阻； M互感系數(shù)。互感系數(shù)。解得等效阻抗解得等效阻抗Z的表達(dá)式為的表達(dá)式為:22221121222222222221eqeqjjUMMZRRLLRLRLIRL&Req線圈受電渦流影響后的等效電阻線圈受電渦流影響后的等效電阻:22eq1222222MRRRRLLeq線圈

52、受電渦流影響后的等效電感線圈受電渦流影響后的等效電感:22eq1222222MLLLRL線圈的等效品質(zhì)因數(shù)線圈的等效品質(zhì)因數(shù)Q值為值為:eqeqLQR工作原理工作原理 被測參數(shù)變化，既能引起線圈阻抗被測參數(shù)變化，既能引起線圈阻抗Z的變化，也能引起線圈電感的變化，也能引起線圈電感L，電阻，電阻R和線圈品質(zhì)因數(shù)和線圈品質(zhì)因數(shù)Q值的變化。所以選用值的變化。所以選用Z，L、R、Q的任一的任一參數(shù)，并將其轉(zhuǎn)化為電量，即可達(dá)到測量的目的。參數(shù)，并將其轉(zhuǎn)化為電量，即可達(dá)到測量的目的。工作原理工作原理 |M、R1，R2，L1，L2變化會引起等效Z，Q,L,R變化|M與距離x相關(guān)， 用于測量位移、振幅，厚度等。

53、|R1，R2與傳感線圈、金屬導(dǎo)體的電導(dǎo)率有關(guān)，且電導(dǎo)率是溫度函數(shù)。 用于表面溫度,材質(zhì)判別等。|L1，L2與金屬導(dǎo)體的磁導(dǎo)率有關(guān)。 用于測量應(yīng)力、硬度。 電渦流傳感器的基本特性電渦流傳感器的基本特性電渦流強(qiáng)度與距離的關(guān)系電渦流強(qiáng)度與距離的關(guān)系電渦流密度與距離曲線電渦流的軸向貫穿深度電渦流的軸向貫穿深度hddeJJ0fhr0電渦流密度主要分布在表面附近，被測體電阻率越大，相對磁導(dǎo)率越小，以及傳感器線圈的激磁電流頻率越低，則電渦流貫穿深度h越大 調(diào)理電路調(diào)理電路 由渦流式傳感器的工作原理可知，被測量數(shù)變化可以轉(zhuǎn)換成傳感器線圈的品質(zhì)因素Q、等效阻抗Z和等效電感L，電阻R的變化。調(diào)理電路的任務(wù)是把這些

54、種參數(shù)轉(zhuǎn)換為電壓或電流輸出,主要類型包括：|利用Q值的轉(zhuǎn)換電路使用較少。|利用z的轉(zhuǎn)換電路一般用交流電橋，它屬于調(diào)幅電路。|利用L的轉(zhuǎn)換電路一般用諧振電路，根據(jù)輸出是電壓幅值還是電壓頻率，諧振電路又分為調(diào)幅和調(diào)頻兩種。 調(diào)理電路 1) 電橋電橋Z1，Z2為線圈阻抗，它們可以是差動式傳感器的兩個線圈阻抗，也可以一個是傳感器線圈，另一個是平衡用的固定線圈。它們與電容C1，C2，電阻R1，R2組成電橋的四個臂。電源u由振蕩器供給，振蕩頻率根據(jù)渦流式傳感器的需求選擇。電橋?qū)⒎从尘€圈阻抗的變化，把線圈阻抗變化轉(zhuǎn)換成電壓幅值的變化。渦流式傳感器電橋2) 調(diào)幅式電路調(diào)幅式電路由傳感器線圈L、電容器C和石英晶

55、體組成的石英晶體振蕩電路如圖所示。石英晶體振蕩器起恒流源的作用，給諧振回路提供一個頻率(f0)穩(wěn)定的激勵電流io，LC回路輸出電壓為：oo()UifZ式中，式中，Z為為LC回路的阻抗?；芈返淖杩?。調(diào)幅式測量電路示意圖調(diào)幅式測量電路示意圖調(diào)理電路調(diào)理電路3）調(diào)頻式電路 傳感器線圈接入LC振蕩回路，當(dāng)傳感器與被測導(dǎo)體距離x改變時，在渦流影響下，傳感器的電感變化，將導(dǎo)致振蕩頻率的變化，該變化的頻率是距離x的函數(shù)，即f=L(x)，該頻率可由數(shù)字頻率計直接測量。12( )fL x C調(diào)理電路調(diào)理電路振蕩頻率為：振蕩頻率為：電渦流式傳感器的應(yīng)電渦流式傳感器的應(yīng)用用1) 低頻透射式渦流厚度傳感器低頻透射式渦

56、流厚度傳感器透射式渦流厚度傳感器的結(jié)構(gòu)原理如圖所示。在被測金屬板的上方設(shè)有發(fā)射傳感器線圈L1，在被測金屬板下方設(shè)有接收傳感器線圈L2。當(dāng)在L1上加低頻電壓U1時，L1上產(chǎn)生交變磁通1，若兩線圈間無金屬板，則交變磁通直接耦合至L2中，L2產(chǎn)生感應(yīng)電壓U2。如果將被測金屬板放入兩線圈之間，則L1線圈產(chǎn)生的磁場將導(dǎo)致在金屬板中產(chǎn)生電渦流，并將貫穿金屬板，此時磁場能量受到損耗，使到達(dá)L2的磁通將減弱為1，從而使L2產(chǎn)生的感應(yīng)電壓U2下降。金屬板越厚，渦流損失就越大，電壓U2就越小。因此，可根據(jù)U2電壓的大小得知被測金屬板的厚度。U2與金屬板厚度關(guān)系電渦流式傳感器的應(yīng)用電渦流式傳感器的應(yīng)用2) 電渦流式

57、轉(zhuǎn)速傳感器電渦流式轉(zhuǎn)速傳感器電渦流式轉(zhuǎn)速傳感器工作原理如圖所示。在軟磁材料制成的輸入軸上加工一鍵槽，在距輸入表面d0處設(shè)置電渦流傳感器，輸入軸與被測旋轉(zhuǎn)軸相連。電渦流式轉(zhuǎn)速傳感器工作原理圖電渦流式轉(zhuǎn)速傳感器工作原理圖壓電式壓力傳感器壓電式壓力傳感器壓電式傳感器壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)壓電材料壓電材料壓電傳感器壓電傳感器等效電路等效電路壓電傳感器壓電傳感器調(diào)理電路調(diào)理電路壓電式傳感器的應(yīng)用壓電式傳感器的應(yīng)用壓電式傳感器壓電式傳感器l壓電式傳感器是一種有源的機(jī)電傳感器。它的工作原理是基于壓電材料的壓電效應(yīng)。壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng): 某些晶體或多晶陶瓷，當(dāng)沿著一定方向受到外力作用時，內(nèi)部就產(chǎn)生

58、極化現(xiàn)象，同時在某兩個表面上產(chǎn)生符號相反的電荷；當(dāng)外力去掉后，又恢復(fù)到不帶電狀態(tài)；當(dāng)作用力方向改變時，電荷的極性也隨著改變；晶體受力所產(chǎn)生的電荷量與外力的大小成正比。逆壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng) 對晶體施加一定電場，晶體本身將產(chǎn)生機(jī)械變形，外電場撤離，變形也隨著消失。 壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)|壓電式傳感器大都是利用壓電材料的壓電效應(yīng)制成的。壓電轉(zhuǎn)換元件受力變形的狀態(tài)可分為圖示的幾種基本形式。壓電材料壓電材料 選用合適的壓電材料是設(shè)計高性能傳感器的關(guān)鍵。一般應(yīng)考慮以下幾個方面： 轉(zhuǎn)換性能：具有較高的耦合系數(shù)或具有較大的壓電常數(shù)； 機(jī)械性能：壓電元件作為受力元件，希望它的機(jī)械強(qiáng)度高、機(jī)械剛度大。以期獲得寬的線性

59、范圍和高的固有振動頻率；電性能：希望具有高的電阻率和大的介電常數(shù)，以期望減弱外部分布電容的影響并獲得良好的低頻特性； 溫度和濕度穩(wěn)定性要好：具有較高的居里點、以期望得到寬的工作溫度范圍；時間穩(wěn)定性：壓電特性不隨時間蛻變。壓電材料壓電材料常用壓電材料可以分為三類：常用壓電材料可以分為三類： 壓電晶體壓電晶體（石英晶體（石英晶體SiO2 ）壓電陶瓷壓電陶瓷（鈦酸鋇（鈦酸鋇(BaTiO3)、鋯鈦酸鉛、鋯鈦酸鉛(PZT)、鈮鎂酸鉛（、鈮鎂酸鉛（Pb MgNbO3 ）高分子壓電材料高分子壓電材料（如聚二氟乙烯（如聚二氟乙烯(PVF2)和聚氯乙烯和聚氯乙烯(PVC) 石英晶體化學(xué)式為SiO2，是單晶體結(jié)構(gòu)

60、。圖中表示了天然結(jié)構(gòu)的石英晶體外形，它是一個正六面體。石英晶體各個方向的特性是不同的。 其中縱向軸z稱為光軸，經(jīng)過六面體棱線并垂直于光軸的x稱為電軸，與x和z軸同時垂直的軸y稱為機(jī)械軸。 通常把沿電軸x方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為“縱向壓電效應(yīng)”， 而把沿機(jī)械軸y方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為“橫向壓電效應(yīng)”。 而沿光軸z方向的力作用時不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。 石英晶體石英晶體石英晶體石英晶體如圖示，石英晶體是規(guī)則的六角棱柱體。有三個晶軸：Z軸：又稱光軸，與晶體的縱軸線方向一致；X軸：又稱電軸，它通過六面體相對的兩個棱線并垂直于光軸；Y軸：又稱機(jī)械軸，它垂直于兩個相對的晶軸棱面。 z x y o o z