第11章 《自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)與自動(dòng)化儀表》傳感器之熱電傳感器

檢測(cè)技術(shù)與自動(dòng)化儀表第11章熱電式傳感器幾乎所有物體的電阻率都隨本身溫度的變化而變化——熱電阻效應(yīng)。根據(jù)電阻和溫度之間的函數(shù)關(guān)系，可以將溫度變化量轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電參量，從而實(shí)現(xiàn)溫度的電測(cè)量。利用這一原理之稱的溫度敏感元件稱為熱電阻。熱電阻材料可分為金屬熱電阻和半導(dǎo)體熱電阻。前者簡(jiǎn)稱熱電阻，后者簡(jiǎn)稱熱敏電阻。11.1熱電阻傳感器一、金屬熱電阻

溫度升高，金屬內(nèi)部原子晶格的振動(dòng)加劇，從而使金屬內(nèi)部的自由電子通過金屬導(dǎo)體時(shí)的阻礙增大，宏觀上表現(xiàn)出電阻率變大，電阻值增加，我們稱其為正溫度系數(shù)，即電阻值與溫度的變化趨勢(shì)相同。

11.1熱電阻傳感器

取一只100W/220V燈泡，用萬(wàn)用表測(cè)量其電阻值，可以發(fā)現(xiàn)其冷態(tài)阻值只有幾十歐姆，而計(jì)算得到的額定熱態(tài)電阻值應(yīng)為484

。

11.1熱電阻傳感器

熱電阻材料必須具有以下特點(diǎn)：(1)高溫度系數(shù)、高電阻率。這樣在同樣條件下可加快反應(yīng)速度，提高靈敏度，減小體積和重量。(2)化學(xué)、物理性能穩(wěn)定。以保證在使用溫度范圍內(nèi)熱電阻的測(cè)量準(zhǔn)確性。(3)良好的輸出特性。即必須有線性的或者接近線性的輸出。(4)良好的工藝性，以便于批量生產(chǎn)、降低成本。適宜制作熱電阻的材料有鉑、銅、鎳、鐵等。1.熱電阻材料的特點(diǎn)11.1熱電阻傳感器易提純、復(fù)現(xiàn)性好的金屬材料才可用于制作熱電阻

11.1熱電阻傳感器鉑、銅為應(yīng)用最廣的熱電阻材料。雖然鐵、鎳的溫度系數(shù)和電阻率均比鉑、銅要高，但由于存在著不易提純和非線性嚴(yán)重的缺點(diǎn)，因而用得不多。鉑容易提純，在高溫和氧化性介質(zhì)中化學(xué)、物理性能穩(wěn)定，制成的鉑電阻輸出－輸入特性接近線性，測(cè)量精度高。11.1熱電阻傳感器

熱電阻的主要技術(shù)性能

11.1熱電阻傳感器（1）鉑熱電阻0~660℃

-190℃~0℃

其中，Rt、R0——溫度為t℃和0℃時(shí)的電阻；

A、B、C為常數(shù)：A=3.940×10-2/℃B=-5.84×10-7/℃2C=-4.22×10-12/℃4鉑容易提純，其物理、化學(xué)性能在高溫和氧化性介質(zhì)中很穩(wěn)定。鉑電阻的輸出—

輸入特性接近線性，且測(cè)量精度高，所以它能用作工業(yè)測(cè)溫元件和作為溫度標(biāo)準(zhǔn)。按國(guó)際溫標(biāo)IPTS-68規(guī)定，在-259.34℃~630.73℃溫域內(nèi)，以鉑電阻溫度計(jì)作基準(zhǔn)器。2、常用熱電阻11.1熱電阻傳感器由上兩式可見，要確定電阻與溫度t的關(guān)系，首先要確定的數(shù)值。值不同時(shí)，與溫度t的關(guān)系不同。目前我國(guó)常用的鉑電阻有兩種，值分別為50Ω和l00Ω，確定了后將電阻值與溫度t的關(guān)系統(tǒng)一列成表格，稱其為鉑電阻的分度表，分度號(hào)分別為Pt100和Pt50。分度表制表方法為：當(dāng)在—200℃≤t≤0℃時(shí)，用式1；而當(dāng)0℃≤t≤650℃時(shí)，用式2，每隔1℃求取一個(gè)相應(yīng)的值，即可制成鉑熱電阻分度表。使用標(biāo)準(zhǔn)分度表時(shí)，只要知道熱電阻阻值，即可從分度表中取與對(duì)應(yīng)的溫度值t，最常用的是Pt100。11.1熱電阻傳感器（2）銅熱電阻其中，A、B、C為常數(shù)：A=4.28899×10-3/℃

B=-2.133×10-7/℃2C=1.233×10-9/℃3

-50℃~150℃

模型1：精確計(jì)算時(shí)模型2：簡(jiǎn)便計(jì)算，常用二項(xiàng)式計(jì)算其中，Rt、R0——溫度為

t℃

和

t0℃時(shí)的電阻；

——溫度為

t0℃

時(shí)的溫度系數(shù)。11.1熱電阻傳感器我國(guó)工業(yè)用銅熱電阻有兩種初始電阻值，和，分度號(hào)分別為Ｃu50和Ｃu100。根據(jù)式2可制成銅熱電阻的標(biāo)準(zhǔn)化分度表，

11.1熱電阻傳感器（3）其它熱電阻——

低溫、超低溫

11.1熱電阻傳感器3、熱電阻的結(jié)構(gòu)和類型熱電阻＝電阻體＋絕緣套管＋接線盒（1）普通型熱電阻11.1熱電阻傳感器(2)鎧裝熱電阻鎧裝熱電阻的結(jié)構(gòu)較為特殊。熱電阻體與保護(hù)套封裝成一個(gè)整體，它具有良好的機(jī)械性能，耐振動(dòng)與沖擊，有良好的撓性，便于安裝，不受有害介質(zhì)侵蝕，外徑尺寸可以做得很小，反應(yīng)速度快，適用于安裝在結(jié)構(gòu)復(fù)雜的設(shè)備上進(jìn)行測(cè)溫，并且使用壽命較長(zhǎng)。11.1熱電阻傳感器(3)薄膜熱電阻薄膜熱電阻是用真空鍍膜法將鉑直接蒸鍍?cè)谔沾苫w上制成的熱電阻，薄膜熱電阻減少了熱慣性，提高了靈敏度和響應(yīng)速度，適用于平面物體的表面溫度和動(dòng)態(tài)溫度的測(cè)量。11.1熱電阻傳感器

利用熱電阻測(cè)量溫度實(shí)際是測(cè)量熱電阻在工作狀態(tài)下的阻值，然后再由電阻和溫度之間的關(guān)系，求出被測(cè)溫度，所以整個(gè)測(cè)溫系統(tǒng)主要由熱電阻傳感器、測(cè)量電橋、顯示儀表及連接導(dǎo)線組成。由于熱電阻的阻值較小(幾歐姆到幾十歐姆范圍)，這樣熱電阻本體的引線電阻和連接導(dǎo)線的電阻會(huì)給溫度測(cè)量結(jié)果帶來很大的影響，例如，50Ω的鉑電阻，若導(dǎo)線電阻為1Ω，會(huì)產(chǎn)生5℃的測(cè)量誤差。為了解決這一問題，熱電阻的連接線路從二線制發(fā)展到三線制和四線制，11.1熱電阻傳感器兩線制

控制室生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)指示儀表r

r

Rt

采用三線制或四線制測(cè)量電路，可以克服長(zhǎng)連接導(dǎo)線的電阻在環(huán)境溫度變化時(shí)造成測(cè)量誤差。

注意：為了避免熱電阻中流過電流時(shí)產(chǎn)生加熱效應(yīng)，在設(shè)計(jì)電橋時(shí)要使流過熱電阻的電流盡量小些,一般要求小于10mA。4、熱電阻的測(cè)量電路

11.1熱電阻傳感器（1）三線式電橋連接法uAr：電橋電源；2r：相鄰臂平衡：導(dǎo)線電阻

r對(duì)測(cè)量無(wú)影響11.1熱電阻傳感器r1r2r3r4RtIVIMEM電壓表恒流源（2）四線式電阻測(cè)量電路因IVIM,IV0,又EM=E+IV（r2+r3

）由上式知引線電阻r1-r4將不引起測(cè)量誤差。電壓表的值EM可認(rèn)為是熱電阻Rt上的壓降，據(jù)此可計(jì)算出微小溫度變化。不受其它條件約束；恒流源I穩(wěn)定。11.1熱電阻傳感器5、熱電阻的應(yīng)用

鉑電阻溫度顯示、變送器11.1熱電阻傳感器旋轉(zhuǎn)式機(jī)械設(shè)定開關(guān)

撥碼式設(shè)定開關(guān)11.1熱電阻傳感器恒溫測(cè)量真空度

I恒溫容器被測(cè)介質(zhì)玻璃管鉑電阻絲11.1熱電阻傳感器二、熱敏電阻

熱敏電阻是利用半導(dǎo)體的電阻值隨溫度的變化而顯著變化的特性實(shí)現(xiàn)測(cè)溫的。半導(dǎo)體熱敏電阻有很高的電阻溫度系數(shù)，其靈敏度比熱電阻高得多。而且體積可以做得很小，故動(dòng)態(tài)特性好，特別適于在-100℃～300℃之間測(cè)溫。

熱敏電阻的缺點(diǎn)是互換性較差，另外其熱電特性是非線性的。11.1熱電阻傳感器1、熱敏電阻的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)

金屬氧化物：鈷Co、錳Mn、鎳Ni等的氧化物采用不同比例配方、高溫?zé)Y(jié)而成。玻璃殼熱敏電阻引線（a）珠狀

（b）片狀

（c）桿狀

（d）墊圈狀優(yōu)點(diǎn)：（1）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、可測(cè)點(diǎn)溫度；（2）電阻溫度系數(shù)大，靈敏度高（10倍）；（3）電阻率高、熱慣性小、適宜動(dòng)態(tài)測(cè)量。11.1熱電阻傳感器熱敏電阻的主要參數(shù)11.1熱電阻傳感器2、熱敏電阻的溫度特性

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

04080120160200106104102100溫度℃電阻CTR

NTC

PTC

可見CTR臨界熱敏電阻有一突變溫度，此特性可用于自動(dòng)控溫和報(bào)警電路中。11.1熱電阻傳感器（1）NTC的R-T特性

T

R試驗(yàn)求A、B：——0℃

（273.15K）——0℃

時(shí)的阻值11.1熱電阻傳感器NTC的伏安特性

I

U

電流較?。壕€性，歐姆定律

電流增加：阻值減小、非線性

電流較大：阻值減小超過電流增加

NTC的溫度系數(shù)

低溫段比高溫段靈敏

靈敏度比金屬熱電阻高（10倍）

11.1熱電阻傳感器30

線性化處理電阻網(wǎng)絡(luò)（線性化網(wǎng)絡(luò)）精密電阻與熱敏電阻串并聯(lián)1、串聯(lián)法AT

RT

R2、并聯(lián)法11.1熱電阻傳感器

NTC熱敏電阻生產(chǎn)最早、最成熟、使用范圍也廣，它特別適用于—100℃～300℃之間的溫度測(cè)量，目前己廣泛應(yīng)用于點(diǎn)溫、表面溫度、溫差、溫度場(chǎng)等測(cè)量中，同時(shí)也應(yīng)用在自動(dòng)控制及電子線路的熱補(bǔ)償電路中。11.1熱電阻傳感器（2）（PTC）熱敏電阻器的電阻—溫度特性:其特性是利用正溫度熱敏材料，在居里點(diǎn)附近結(jié)構(gòu)發(fā)生相變引起導(dǎo)電率突變來取得的，曲線如圖10000100010010050100150200250R20=120ΩR20=36.5ΩR20=12.2ΩPTC熱敏電阻器的電阻—溫度曲線T/oC電阻/ΩTp1Tp2Tc=175oC11.1熱電阻傳感器PTC熱敏電阻的工作溫度范圍較窄，在工作區(qū)兩端，電阻—溫度曲線上有兩個(gè)拐點(diǎn)：Tp1和Tp2。當(dāng)溫度低于Tp1時(shí)，溫度靈敏度低；當(dāng)溫度升高到Tp1后，電阻值隨溫度值劇烈增高（按指數(shù)規(guī)律迅速增大）；當(dāng)溫度升到Tp2時(shí)，正溫度系數(shù)熱敏電阻器在工作溫度范圍內(nèi)存在溫度Tc，對(duì)應(yīng)有較大的溫度系數(shù)αtp

。

改變PTC的材料成分，可以得到不同的居里溫度點(diǎn)。PTC熱敏電阻主要用于彩電消磁、各種電器設(shè)備的過載保護(hù)、發(fā)熱源的定溫控制，也可作為限流元件使用。11.1熱電阻傳感器熱敏電阻外形MF12型NTC熱敏電阻聚脂塑料封裝熱敏電阻3、熱敏電阻的應(yīng)用11.1熱電阻傳感器熱敏電阻溫度面板表

熱敏電阻

LCD11.1熱電阻傳感器熱敏電阻體溫表11.1熱電阻傳感器熱敏電阻體溫表的調(diào)試、標(biāo)定方法

調(diào)試時(shí)，應(yīng)該先調(diào)哪一只電位器，再調(diào)哪一只電位器？

11.1熱電阻傳感器熱敏電阻用于CPU的溫度測(cè)量11.1熱電阻傳感器熱敏電阻用于電熱水器的溫度控制11.1熱電阻傳感器A——

熱敏電阻——

平衡電阻電橋平衡電橋失衡測(cè)流速11.1熱電阻傳感器JT正常：Rt較大、BG不導(dǎo)通、

J不吸合T升高：Rt減小、BG導(dǎo)通、

J吸合應(yīng)用：電機(jī)過熱保護(hù)熱電式繼電器11.1熱電阻傳感器溫差熱電偶（簡(jiǎn)稱熱電偶）是目前溫度測(cè)量中使用最普遍的傳感元件之一。它除具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，測(cè)量范圍寬、準(zhǔn)確度高、熱慣性小，輸出信號(hào)為電信號(hào)便于遠(yuǎn)傳或信號(hào)轉(zhuǎn)換等優(yōu)點(diǎn)外，還能用來測(cè)量流體的溫度、測(cè)量固體以及固體壁面的溫度。微型熱電偶還可用于快速及動(dòng)態(tài)溫度的測(cè)量。11.2熱電偶溫度傳感器★熱電偶的工作原理★熱電偶回路的性質(zhì)★熱電偶的常用材料與結(jié)構(gòu)★冷端處理及補(bǔ)償各種熱電阻11.2熱電偶溫度傳感器工作原理演示

結(jié)論：當(dāng)兩個(gè)結(jié)點(diǎn)溫度不相同時(shí)，回路中將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。

熱電極A右端稱為：自由端（參考端、冷端）

一、熱電偶的工作原理左端稱為：測(cè)量端（工作端、熱端）

熱電極B熱電勢(shì)AB11.2熱電偶溫度傳感器從實(shí)驗(yàn)到理論：熱電效應(yīng)

1821年，德國(guó)物理學(xué)家賽貝克用兩種不同金屬組成閉合回路，并用酒精燈加熱其中一個(gè)接觸點(diǎn)（稱為結(jié)點(diǎn)），發(fā)現(xiàn)放在回路中的指南針發(fā)生偏轉(zhuǎn)（說明什么？），如果用兩盞酒精燈對(duì)兩個(gè)結(jié)點(diǎn)同時(shí)加熱，指南針的偏轉(zhuǎn)角反而減?。ㄓ终f明什么？）。顯然，指南針的偏轉(zhuǎn)說明回路中有電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生并有電流在回路中流動(dòng)，電流的強(qiáng)弱與兩個(gè)結(jié)點(diǎn)的溫差有關(guān)。

11.2熱電偶溫度傳感器兩種不同類型的金屬導(dǎo)體，導(dǎo)體兩端分別接在一起構(gòu)成閉合回路，當(dāng)兩個(gè)結(jié)點(diǎn)溫度不等有溫差時(shí)，回路里會(huì)產(chǎn)生熱電勢(shì)，形成電流，這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。利用這種效應(yīng)，只要知道一端結(jié)點(diǎn)溫度，就可以測(cè)出另一端結(jié)點(diǎn)的溫度。熱電效應(yīng)11.2熱電偶溫度傳感器

兩種不同的金屬互相接觸時(shí)，由于不同金屬內(nèi)自由電子的密度不同，在兩金屬A和B的接觸點(diǎn)處會(huì)發(fā)生自由電子的擴(kuò)散現(xiàn)象。自由電子將從密度大的金屬A擴(kuò)散到密度小的金屬B，使A失去電子帶正電，B得到電子帶負(fù)電，從而產(chǎn)生熱電勢(shì)。

自由電子＋ABeAB（

T）T1.接觸電勢(shì)11.2熱電偶溫度傳感器eAB(T)——導(dǎo)體A、B結(jié)點(diǎn)在溫度T時(shí)形成的接觸電動(dòng)勢(shì)；e——單位電荷，e=1.6×10-19C；

k——波爾茲曼常數(shù)，k=1.38×10-23J/K

；NA、NB

——導(dǎo)體A、B在溫度為T時(shí)的電子密度。接觸電勢(shì)的大小與溫度高低及導(dǎo)體中的電子密度有關(guān)。11.2熱電偶溫度傳感器對(duì)于任何一種金屬，當(dāng)其兩端溫度不同時(shí)，兩端的自由電子濃度也不同，溫度高的一端濃度大，具有較大的動(dòng)能；溫度低的一端濃度小，動(dòng)能也小。因此高溫端的自由電子要向低溫端擴(kuò)散，高溫端因失去電子而帶正電，低溫端得到電子而帶負(fù)電，形成溫差電動(dòng)勢(shì)，又稱湯姆森電動(dòng)勢(shì)。2.溫差電勢(shì)11.2熱電偶溫度傳感器AeA(T,To)ToTeA(T，T0)——導(dǎo)體A兩端溫度為T、T0時(shí)形成的溫差電動(dòng)勢(shì)；T，T0——高低端的絕對(duì)溫度；σA——湯姆遜系數(shù)，表示導(dǎo)體A兩端的溫度差為1℃時(shí)所產(chǎn)生的溫差電動(dòng)勢(shì)，例如在0℃時(shí)，銅的σ=2μV/℃。溫差電勢(shì)原理圖11.2熱電偶溫度傳感器由導(dǎo)體材料A、B組成的閉合回路，其接點(diǎn)溫度分別為T、T0,如果T＞T0，則必存在著兩個(gè)接觸電勢(shì)和兩個(gè)溫差電勢(shì)，回路總電勢(shì)：T0TeAB(T)eAB(T0)eA(T,T0)eB(T,T0)AB3.回路總電勢(shì)11.2熱電偶溫度傳感器由于在金屬中自由電子數(shù)目很多，溫度對(duì)自由電子密度的影響很小，故溫差電動(dòng)勢(shì)可以忽略不計(jì)，在熱電偶回路中起主要作用的是接觸電動(dòng)勢(shì)。則有在標(biāo)定熱電偶時(shí)，一般使T0為常數(shù)，則11.2熱電偶溫度傳感器1、熱電偶回路的熱電動(dòng)勢(shì)只與組成熱電偶的材料及兩端接點(diǎn)的溫度有關(guān)；與熱電偶的長(zhǎng)度、粗細(xì)、形狀無(wú)關(guān)。二、熱電偶基本性質(zhì)2、只有用不同性質(zhì)的材料才能組合成熱電偶，相同材料不會(huì)產(chǎn)生熱電動(dòng)勢(shì)。因?yàn)楫?dāng)A、B兩種導(dǎo)體是同一種材料時(shí)，ln（NA/NB）=0，所以EAB（T，T0）=0。3、只有當(dāng)熱電偶兩端溫度不同時(shí)，不同材料組成的熱電偶才能有熱電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生；當(dāng)熱電偶兩端溫度相同時(shí)，不同材料組成的熱電偶也不產(chǎn)生熱電動(dòng)勢(shì)，即EAB（T，T0）=0。11.2熱電偶溫度傳感器4、導(dǎo)體材料確定后，熱電動(dòng)勢(shì)的大小只與熱電偶兩端的溫度有關(guān)。如果使eAB（T0）=常數(shù)，則回路熱電動(dòng)勢(shì)EAB（T，T0

）就只與溫度T有關(guān)，而且是T的單值函數(shù)，這就是利用熱電偶測(cè)溫的基本原理。5、對(duì)于有幾種不同材料串聯(lián)組成的閉合回路，若各接點(diǎn)溫度分別為T1、T2……TN，閉合回路總的熱電動(dòng)勢(shì)為：11.2熱電偶溫度傳感器三、熱電偶基本定律1、均質(zhì)導(dǎo)體定律如果熱電偶回路中的兩個(gè)熱電極材料相同，無(wú)論兩接點(diǎn)的溫度如何，熱電動(dòng)勢(shì)均為零；反之，如果有熱電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生，兩個(gè)熱電極的材料則一定是不同的。根據(jù)這一定律，可以檢驗(yàn)兩個(gè)熱電極材料的成分是否相同(稱為同名極檢驗(yàn)法)，也可以檢查熱電極材料的均勻性。11.2熱電偶溫度傳感器2、中間導(dǎo)體定律在熱電偶回路中接入第三種導(dǎo)體C，只要第三種導(dǎo)體的兩接點(diǎn)溫度相同，則回路中總的熱電動(dòng)勢(shì)不變。T0T0BTAC右圖回路中的總電動(dòng)勢(shì)為：11.2熱電偶溫度傳感器如果回路中三個(gè)接點(diǎn)的溫度都相同，即T＝T0，則回路總電動(dòng)勢(shì)必為零，即：即則11.2熱電偶溫度傳感器T1CT0T1TBA如果按右圖接入第三種導(dǎo)體C，則回路中的總電動(dòng)勢(shì)為：而所以意義：可用電器測(cè)量?jī)x表直接測(cè)量熱電勢(shì)11.2熱電偶溫度傳感器3、標(biāo)準(zhǔn)電極定律如果兩種導(dǎo)體分別與第三種導(dǎo)體組成的熱電偶所產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)已知，則由這兩種導(dǎo)體組成的熱電偶所產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)也就可知。T0TEAB(T,T0)ABT0TEAC(T,T0)ACT0TEBC(T,T0)BC11.2熱電偶溫度傳感器兩式相減得：——（1）若一個(gè)熱電偶由A、B、C三種導(dǎo)體組成，且回路中三個(gè)接點(diǎn)的溫度都相同，則回路總電動(dòng)勢(shì)必為零，即：

11.2熱電偶溫度傳感器或即導(dǎo)體A與B組成的熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)也可知。代入（1）式可得：11.2熱電偶溫度傳感器解：由標(biāo)準(zhǔn)電極定律，鎳鉻和考銅熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)應(yīng)等于鎳鉻合金與純鉑熱電偶與考銅與純鉑熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)的差，即例熱端為100℃、冷端為0℃時(shí)，鎳鉻合金與純鉑組成的熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)為2.95mV，而考銅與純鉑組成的熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)為-4.0mV，求鎳鉻和考銅組合而成的熱電偶所產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)。2.95mV-(-4.0mV)=6.95mV11.2熱電偶溫度傳感器BBA

T2

T1

T3

AAB4、中間溫度定律熱電偶在兩接點(diǎn)溫度分別為T、T0時(shí)的熱電動(dòng)勢(shì)等于該熱電偶在接點(diǎn)溫度分別為T、Tn和接點(diǎn)溫度分別為Tn、T0時(shí)的相應(yīng)熱電動(dòng)勢(shì)的代數(shù)和。11.2熱電偶溫度傳感器證明：即：對(duì)于冷端溫度不是零度時(shí)，熱電偶如何分度表的問題提供了依據(jù)。11.2熱電偶溫度傳感器

當(dāng)Tn=0℃時(shí)，則：上式說明：只要A、B組成的熱電偶在冷端溫度為零時(shí)的“熱電動(dòng)勢(shì)—

溫度”關(guān)系已知，則它在冷端溫度不為零時(shí)的熱電動(dòng)勢(shì)即可知。意義：為制定分度表奠定了理論基礎(chǔ)11.2熱電偶溫度傳感器意義：運(yùn)用補(bǔ)償導(dǎo)線法進(jìn)行溫度測(cè)量的理論基礎(chǔ)5、連接導(dǎo)體定律熱電偶導(dǎo)體A、B分別與連接導(dǎo)線C、D相接，總熱電勢(shì)為兩部分的代數(shù)和。11.2熱電偶溫度傳感器熱電偶的分度表——熱電偶的線性較差，多數(shù)情況下采用查表法

我國(guó)從1991年開始采用國(guó)際計(jì)量委員會(huì)規(guī)定的“1990年國(guó)際溫標(biāo)”（簡(jiǎn)稱ITS-90）的新標(biāo)準(zhǔn)。按此標(biāo)準(zhǔn)，制定了相應(yīng)的分度表，并且有相應(yīng)的線性化集成電路與之對(duì)應(yīng)。直接從熱電偶的分度表查溫度與熱電勢(shì)的關(guān)系時(shí)的約束條件是：自由端（冷端）溫度必須為0C。11.2熱電偶溫度傳感器四、熱電偶結(jié)構(gòu)和種類（1）熱電極（2）絕緣套（3）保護(hù)套管（4）接線盒與介質(zhì)隔離，優(yōu)良傳熱性能防止電極間短路

氧化鋁管、耐火陶瓷鋁合金熱電性質(zhì)穩(wěn)定物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定電阻溫度系數(shù)小、電阻率高輸出熱電勢(shì)大、輸出呈線性復(fù)制性好、工藝簡(jiǎn)單、價(jià)格低

貴金屬普通金屬1、熱電偶的結(jié)構(gòu)11.2熱電偶溫度傳感器普通裝配型熱電偶外形安裝螺紋安裝法蘭11.2熱電偶溫度傳感器普通裝配型熱電偶結(jié)構(gòu)圖接線盒引出線套管固定螺紋（出廠時(shí)用塑料包裹）熱電偶工作端（熱端）不銹鋼保護(hù)管11.2熱電偶溫度傳感器鎧裝型熱電偶外形法蘭鎧裝型熱電偶可長(zhǎng)達(dá)上百米薄壁金屬保護(hù)套管（鎧體）BA絕緣材料鎧裝型熱電偶橫截面11.2熱電偶溫度傳感器

鎧裝熱電偶的制造工藝：

把熱電極材料與高溫絕緣材料預(yù)置在金屬保護(hù)管中、運(yùn)用同比例壓縮延伸工藝、將這三者合為一體，制成各種直徑、規(guī)格的鎧裝偶體，再截取適當(dāng)長(zhǎng)度、將工作端焊接密封、配置接線盒即成為柔軟、細(xì)長(zhǎng)的鎧裝熱電偶。

鎧裝熱電偶特點(diǎn)：

內(nèi)部的熱電偶絲與外界空氣隔絕，有著良好的抗高溫氧化、抗低溫水蒸氣冷凝、抗機(jī)械外力沖擊的特性。鎧裝熱電偶可以制作得很細(xì)，能解決微小、狹窄場(chǎng)合的測(cè)溫問題，且具有抗震、可彎曲、超長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。11.2熱電偶溫度傳感器隔爆型熱電偶外形厚壁保護(hù)管壓鑄的接線盒電纜線11.2熱電偶溫度傳感器

結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：隔爆熱電偶的接線盒在設(shè)計(jì)時(shí)采用防爆的特殊結(jié)構(gòu)，它的接線盒是經(jīng)過壓鑄而成的，有一定的厚度、隔爆空間，機(jī)構(gòu)強(qiáng)度較高；采用螺紋隔爆接合面，并采用密封圈進(jìn)行密封，因此，當(dāng)接線盒內(nèi)一旦放弧時(shí)，不會(huì)與外界環(huán)境的危險(xiǎn)氣體傳爆，能達(dá)到預(yù)期的防爆、隔爆效果。

使用場(chǎng)合：工業(yè)用的隔爆型熱電偶多用于化學(xué)工業(yè)自控系統(tǒng)中（由于在化工生產(chǎn)廠、生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)常伴有各種易燃、易爆等化學(xué)氣體或蒸汽，如果用普通熱電偶則非常不安全、很容易引起環(huán)境氣體爆炸）。11.2熱電偶溫度傳感器2、熱電偶的種類

從1988年1月1日起，我國(guó)熱電偶和熱電阻的生產(chǎn)全部按國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）的標(biāo)準(zhǔn)，并指定S、B、E、K、R、J、T七種標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶為我國(guó)統(tǒng)一設(shè)計(jì)型熱電偶。但其中的R型（鉑銠13-鉑）熱電偶，因其溫度范圍與S型（鉑銠10-鉑）重合,我國(guó)沒有生產(chǎn)和使用。11.2熱電偶溫度傳感器常用熱電偶的測(cè)溫范圍及熱電勢(shì)分度號(hào)

名稱測(cè)量溫度范圍1000C熱電勢(shì)/mVB鉑銠30－鉑銠650～1820C4.834R鉑銠13—鉑-50～1768C10.506S鉑銠10—鉑-50～1768C9.587K鎳鉻－鎳鉻(鋁)-270～1370C41.276E鎳鉻－銅鎳(康銅)－270～800C——?11.2熱電偶溫度傳感器五、熱電偶實(shí)用測(cè)量電路1、測(cè)量單點(diǎn)溫度——

熱電偶、補(bǔ)償導(dǎo)線和儀表內(nèi)阻11.2熱電偶溫度傳感器2、測(cè)量?jī)牲c(diǎn)之間的溫差儀表回路內(nèi)的總電動(dòng)勢(shì)為:因?yàn)?1.2熱電偶溫度傳感器3、測(cè)量平均溫度（并聯(lián)）儀表缺點(diǎn)：當(dāng)有一只熱電偶燒斷時(shí)，不易察覺。11.2熱電偶溫度傳感器4、測(cè)量幾點(diǎn)溫度之和（串聯(lián)）儀表11.2熱電偶溫度傳感器電路調(diào)試步驟：調(diào)零：T=0℃時(shí)調(diào)整調(diào)零電位器RP2使運(yùn)放輸出為零；調(diào)增益：溫度600℃時(shí)調(diào)節(jié)負(fù)反饋電阻，使運(yùn)放輸出在6V。600℃時(shí)，K型熱電偶熱電勢(shì)為E=24.902mv，放大器增益為6V/24.902mv=240.945，得到滿量程輸出6V。11.2熱電偶溫度傳感器六、冷端處理及補(bǔ)償原因熱電偶分度表給出的熱電勢(shì)是以冷端溫度0℃為依據(jù)，否則會(huì)產(chǎn)生誤差。熱電偶熱電勢(shì)的大小是熱端溫度和冷端的函數(shù)差，為保證輸出熱電勢(shì)是被測(cè)溫度的單值函數(shù)，必須使冷端溫度保持恒定；11.2熱電偶溫度傳感器把熱電偶的參比端置于冰水混合物容器里，使T0=0℃。這種辦法僅限于科學(xué)實(shí)驗(yàn)中使用。為了避免冰水導(dǎo)電引起兩個(gè)連接點(diǎn)短路，必須把連接點(diǎn)分別置于兩個(gè)玻璃試管里，浸入同一冰點(diǎn)槽，使相互絕緣。mVABA’B’TCC’儀表銅導(dǎo)線試管補(bǔ)償導(dǎo)線熱電偶冰點(diǎn)槽冰水溶液T01.冰點(diǎn)槽法11.2熱電偶溫度傳感器2.補(bǔ)償導(dǎo)線法利用補(bǔ)償導(dǎo)線，將熱電偶的冷端延伸到溫度恒定的場(chǎng)所(如儀表室)。根據(jù)中間溫度定律，只要熱電偶的兩個(gè)熱電極分別與兩補(bǔ)償導(dǎo)線的接點(diǎn)溫度一致，就不會(huì)影響熱電動(dòng)勢(shì)的輸出。例采用鎳鉻-鎳硅熱電偶測(cè)量爐溫。熱端溫度為800℃，冷端溫度為50℃。為了進(jìn)行爐溫的調(diào)節(jié)與顯示，必須將熱電偶產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)信號(hào)送到儀表室，儀表室的環(huán)境溫度恒為20℃。11.2熱電偶溫度傳感器首先由鎳鉻-鎳硅熱電偶分度表查出它在冷端溫度為0℃，熱端溫度分別為800℃、50℃、20℃時(shí)的熱電動(dòng)勢(shì)：E(800，0)＝33.277mV；如果熱電偶與儀表之間直接用銅導(dǎo)線連接，根據(jù)中間導(dǎo)體定律，輸入儀表的熱電動(dòng)勢(shì)為：E(50，0)＝2.022mV；E(20，0)=0.798mV。E(800，50)=E(800，0)-E(50，0)

=(33.277-2.022)mV=31.255mV查分度表知，對(duì)應(yīng)31.255mV的溫度是751℃。與爐內(nèi)真實(shí)溫度相差49℃。11.2熱電偶溫度傳感器計(jì)算修正法用普通室溫計(jì)算出參比端實(shí)際溫度TH，利用公式計(jì)算例用銅-康銅熱電偶測(cè)某一溫度T，參比端在室溫環(huán)境TH中，測(cè)得熱電動(dòng)勢(shì)EAB(T，TH)=1.979mV，又用室溫計(jì)測(cè)出TH=21℃,查此種熱電偶的分度表可知，EAB(21,0)=0.84mV，故得EAB(T，0)=EAB(T，21)+EAB(21，T0)=1.979+0.84=2.819(mV)再次查分度表，與2.819mV對(duì)應(yīng)的熱端溫度T=69℃。注意:既不能只按1.979mV查表，認(rèn)為T=49℃，也不能把49℃加上21℃，認(rèn)為T=70℃。EAB(T,T0)=EAB(T,TH)+EAB(TH,T0)11.2熱電偶溫度傳感器11.2熱電偶溫度傳感器4.補(bǔ)正系數(shù)法把參比端實(shí)際溫度TH乘上系數(shù)k，加到由EAB(T，TH)查分度表所得的溫度上，成為被測(cè)溫度T。用公式表達(dá)即

式中：T——為未知的被測(cè)溫度；T′——為參比端在室溫下熱電偶電勢(shì)與分度表上對(duì)應(yīng)的某個(gè)溫度；TH——室溫；k——為補(bǔ)正系數(shù)，其它參數(shù)見下表。例用鉑銠10－鉑熱電偶測(cè)溫，已知冷端溫度TH=35℃，這時(shí)熱電動(dòng)勢(shì)為11.348mV．查S型熱電偶的分度表，得出與此相應(yīng)的溫度T′=1150℃。再?gòu)南卤碇胁槌?，?duì)應(yīng)于1150℃的補(bǔ)正系數(shù)k=0.53。于是，被測(cè)溫度

T=1150+0.53×35=1168.3（℃）這種辦法稍簡(jiǎn)單些，比計(jì)算修正法誤差可能大一點(diǎn)，但不大于0.14％。T＝

T′＋

kTH11.2熱電偶溫度傳感器例用動(dòng)圈儀表配合熱電偶測(cè)溫時(shí)，如果把儀表的機(jī)械零點(diǎn)調(diào)到室溫TH的刻度上,在熱電動(dòng)勢(shì)為零時(shí)，指針指示的溫度值并不是0℃而是TH。而熱電偶的冷端溫度已是TH,則只有當(dāng)熱端溫度T=TH時(shí)，才能使EAB(T,TH)=0，這樣，指示值就和熱端的實(shí)際溫度一致了。這種辦法非常簡(jiǎn)便，而且一勞永逸，只要冷端溫度總保持在TH不變，指示值就永遠(yuǎn)正確。5.零點(diǎn)遷移法應(yīng)用領(lǐng)域：如果冷端不是0℃，但十分穩(wěn)定（如恒溫車間或有空調(diào)的場(chǎng)所）。實(shí)質(zhì)：在測(cè)量結(jié)果中人為地加一個(gè)恒定值，因?yàn)槔涠藴囟确€(wěn)定不變，電動(dòng)勢(shì)EAB(TH,0)是常數(shù)，利用指示儀表上調(diào)整零點(diǎn)的辦法，加大某個(gè)適當(dāng)?shù)闹刀鴮?shí)現(xiàn)補(bǔ)償。11.2熱電偶溫度傳感器6.冷端補(bǔ)償器法:利用不平衡電橋產(chǎn)生熱電勢(shì)補(bǔ)償熱電偶因冷端溫度變化而引起熱電勢(shì)的變化值。不平衡電橋由R1、R2、R3(錳銅絲繞制)、RCu(銅絲繞制)四個(gè)橋臂和橋路電源組成。設(shè)計(jì)時(shí)，在0℃下使電橋平衡(R1=R2=R3=RCu),此時(shí)Uab=0,電橋?qū)x表讀數(shù)無(wú)影響。冷端補(bǔ)償器的作用注意：橋臂RCu必須和熱電偶的冷端靠近，使處于同一溫度之下。

mVEAB(T,T0)T0T0TAB++-abUUabRCuR1R2R3RT0RCu

UaUabEAB(T,T0)供電4V直流，在0～40℃或-20～20℃的范圍起補(bǔ)償作用。注意，不同材質(zhì)的熱電偶所配的冷端補(bǔ)償器，其中的限流電阻R不一樣，互換時(shí)必須重新調(diào)整。11.2熱電偶溫度傳感器冷端溫度恒定T0：但T0不為0℃時(shí)，只需在采樣后加一個(gè)與冷端溫度對(duì)應(yīng)的常數(shù)即可。冷端溫度T0波動(dòng)：可利用熱敏電阻或其它傳感器把T0信號(hào)輸入計(jì)算機(jī)，按照運(yùn)算公式設(shè)計(jì)一些程序，便能自動(dòng)修正。后一種情況必須考慮輸入的采樣通道中除了熱電動(dòng)勢(shì)之外還應(yīng)該有冷端溫度信號(hào)，如果多個(gè)熱電偶的冷端溫度不相同，還要分別采樣，若占用的通道數(shù)太多，宜利用補(bǔ)償導(dǎo)線把所有的冷端接到同一溫度處，只用一個(gè)冷端溫度傳感器和一個(gè)修正T0的輸入通道就可以了。冷端集中，對(duì)于提高多點(diǎn)巡檢的速度也很有利。

7.軟件處理法11.2熱電偶溫度傳感器

11.3熱電式傳感器的應(yīng)用爐溫的自動(dòng)調(diào)節(jié)

爐溫的自動(dòng)記錄

11.3熱電式傳感器的應(yīng)用檢測(cè)技術(shù)與自動(dòng)化儀表12新型傳感器概述

從20世紀(jì)80年代以來，基于新型傳感效應(yīng)、新型敏感材料、新加工工藝的各種新型傳感器陸續(xù)出現(xiàn)，各種實(shí)用型器件也在不斷涌現(xiàn)和改善之中。新型傳感器如生物傳感器、微波傳感器、超聲波傳感器、機(jī)器人傳感器等等，已經(jīng)成為當(dāng)今信息技術(shù)中信息獲取的重要器件，在各種特定環(huán)境和特殊要求下，發(fā)揮巨大的作用。12.1生物傳感器一、基本概念生物傳感器通常是指由一種生物敏感部件和轉(zhuǎn)化器緊密結(jié)合,對(duì)特定種類化學(xué)物質(zhì)或生物活性物質(zhì)具有選擇性和可逆響應(yīng)的分析裝置。它是發(fā)展生物技術(shù)必不可少的一種先進(jìn)的檢測(cè)與監(jiān)控方法,也是對(duì)物質(zhì)在分子水平上進(jìn)行快速和微量分析的方法。工作原理生物傳感器的工作原理是待測(cè)物質(zhì)經(jīng)擴(kuò)散作用進(jìn)入固定生物膜敏感層，經(jīng)分子識(shí)別而發(fā)生生物學(xué)作用，產(chǎn)生的信息如光、熱、音等被相應(yīng)的信號(hào)轉(zhuǎn)換器變?yōu)榭啥亢吞幚淼碾娦盘?hào)，再經(jīng)二次儀表放大并輸出，以電極測(cè)定其電流值或電壓值，從而換算出被測(cè)物質(zhì)的量或濃度。12.1生物傳感器（1）將化學(xué)變化轉(zhuǎn)變成電信號(hào)例,酶催化特定物發(fā)生反應(yīng),從而使特定生成物的量有所增減.用能把這類物質(zhì)的量的改變轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的裝置和固定化酶耦合,即組成酶?jìng)鞲衅?。?）將熱變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào)固定化的生物材料與相應(yīng)的被測(cè)物作用時(shí)常伴有熱的變化。這類生物傳感器的工作原理是把反應(yīng)的熱效應(yīng)借熱敏電阻轉(zhuǎn)換為阻值的變化。12.1生物傳感器（3）將光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)

例如，過氧化氫酶,能催化過氧化氫發(fā)光,因此如設(shè)法將過氧化氫酶膜附著在光纖或光敏二極管的前端,再和光電流測(cè)定裝置相連,即可測(cè)定過氧化氫含量。還有很多細(xì)菌能與特定底物發(fā)生反應(yīng),產(chǎn)生熒光。也可以用這種方法測(cè)定底物濃度.上述三原理的生物傳感器共同點(diǎn)：都是將分子識(shí)別元件中的生物敏感物質(zhì)與待測(cè)物發(fā)生化學(xué)反應(yīng),將反應(yīng)后所產(chǎn)生的化學(xué)或物理變化再通過信號(hào)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)進(jìn)行測(cè)量,這種方式統(tǒng)稱為間接測(cè)量方式.12.1生物傳感器（4）直接產(chǎn)生電信號(hào)方式這種方式可以使酶反應(yīng)伴隨的電子轉(zhuǎn)移、微生物細(xì)胞的氧化直接(或通過電子遞體的作用)在電極表面上發(fā)生。根據(jù)所得的電流量即可得底物濃度。12.1生物傳感器二、生物傳感器分類

1、根據(jù)輸出信號(hào)的產(chǎn)生方式,可分為生物親合型、代謝型或催化型;2、根據(jù)信號(hào)轉(zhuǎn)換器可分為電化學(xué)生物傳感器、半導(dǎo)體生物傳感器、測(cè)熱型生物傳感器、測(cè)光型生物傳感器、測(cè)聲型生物傳感器等

3、根據(jù)生物分子識(shí)別元件上的敏感材料可分為酶?jìng)鞲衅?、微生物傳感器、免疫傳感器、組織傳感器、基因傳感器、細(xì)胞及細(xì)胞器傳感器。12.1生物傳感器

被測(cè)物質(zhì)與分子識(shí)別元件上的敏感物質(zhì)具有生物親合作用，即二者能特異地相結(jié)合，同時(shí)引起敏感材料的分子結(jié)構(gòu)和/或固定介質(zhì)發(fā)生變化。例如：電荷、溫度、光學(xué)性質(zhì)等的變化。反應(yīng)式可表示為：

S（底物）+R（受體）=SR生物親合型傳感器12.1生物傳感器

底物（被測(cè)物）與分子識(shí)別元件上的敏感物質(zhì)相作用并生成產(chǎn)物，信號(hào)轉(zhuǎn)換器將底物的消耗或產(chǎn)物的增加轉(zhuǎn)變?yōu)檩敵鲂盘?hào)，這類傳感器稱為代謝型傳感器，其反應(yīng)形式可表示為

S（底物）＋R（受體）=SR→P（生成物）

代謝型傳感器12.1生物傳感器生物傳感器的分類12.1生物傳感器三、組成部分一是生物分子識(shí)別元件(感受器),是具有分子識(shí)別能力的生物活性物質(zhì)(如組織切片、細(xì)胞、細(xì)胞器、細(xì)胞膜、酶、抗體、核酸、有機(jī)物分子等);二是信號(hào)轉(zhuǎn)換器(換能器),主要有電化學(xué)電極(如電位、電流的測(cè)量)、光學(xué)檢測(cè)元件、熱敏電阻、場(chǎng)效應(yīng)晶體管、壓電石英晶體及表面等離子共振器件等，當(dāng)待測(cè)物與分子識(shí)別元件特異性結(jié)合后,所產(chǎn)生的復(fù)合物(或光、熱等)通過信號(hào)轉(zhuǎn)換器變?yōu)榭梢暂敵龅碾娦盘?hào)、光信號(hào)等,從而達(dá)到檢測(cè)的目的。12.1生物傳感器敏感器件（分子識(shí)別元件）12.1生物傳感器四、生物傳感器優(yōu)點(diǎn)(1)根據(jù)生物反應(yīng)的特異性和多樣性,理論上可以制成測(cè)定所有生物物質(zhì)的傳感器,因而測(cè)定范圍廣泛(2)一般不需進(jìn)行樣品的預(yù)處理,它利用本身具備的優(yōu)異選擇性把樣品中被測(cè)組分的分離和檢測(cè)統(tǒng)一為一體，測(cè)定時(shí)一般不需另加其他試劑,使測(cè)定過程簡(jiǎn)便迅速,容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)分析(3)體積小、響應(yīng)快、樣品用量少,可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)在位檢測(cè)12.1生物傳感器(4)通常其敏感材料是固定化生物元件,可反復(fù)多次使用(5)準(zhǔn)確度高,一般相對(duì)誤差可達(dá)到1%以內(nèi)(6)可進(jìn)行活體分析(7)傳感器連同測(cè)定儀的成本遠(yuǎn)低于大型的分析儀,因而便于推廣普及(8)有的微生物傳感器能可靠地指示微生物培養(yǎng)系統(tǒng)內(nèi)的供氧狀況和副產(chǎn)物的產(chǎn)生，能得到許多復(fù)雜的物理化學(xué)傳感器綜合作用才能獲得的信息12.1生物傳感器1.食品分析五、應(yīng)用食品成分分析食品添加劑的分析農(nóng)藥和抗生素殘留量分析微生物和生物毒素的檢驗(yàn)食品鮮度的檢測(cè)12.1生物傳感器2.環(huán)境監(jiān)測(cè)水質(zhì)分析：一個(gè)典型應(yīng)用是測(cè)定生化需氧量（BOD），傳統(tǒng)方法測(cè)BOD需5天，且操作復(fù)雜。1977年Karube等首次報(bào)道了BOD微生物傳感器，只需15分鐘即能測(cè)出結(jié)果,連續(xù)使用壽命達(dá)17天；廢氣或環(huán)境大氣的監(jiān)測(cè)：可用于測(cè)定空氣中SO2、NOX、CO2、NH3、CH4等的含量；農(nóng)藥和抗生素殘留量的分析：用乙酰膽堿酯酶和丁酰膽堿酯酶為敏感材料制作的離子敏場(chǎng)效應(yīng)晶體管酶?jìng)鞲衅骺捎糜谑卟说葮悠分杏袡C(jī)磷農(nóng)藥DDVP和伏殺磷等的測(cè)定12.1生物傳感器3.生物醫(yī)學(xué)臨床應(yīng)用：用酶、免疫傳感器等生物傳感器來檢測(cè)體液中的各種化學(xué)成分，為醫(yī)生的診斷提出依據(jù)。生物醫(yī)藥：利用生物工程技術(shù)生產(chǎn)藥物時(shí)，將生物傳感器用于生化反應(yīng)的監(jiān)視，可以迅速地獲取各種數(shù)據(jù)，有效地加強(qiáng)生物工程產(chǎn)品的質(zhì)量管理。12.1生物傳感器4.軍事應(yīng)用

現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)往往是在核武器、化學(xué)武器、生物武器威脅下進(jìn)行的戰(zhàn)爭(zhēng)。偵檢、鑒定和檢測(cè)是進(jìn)行有效化學(xué)戰(zhàn)和生物戰(zhàn)防護(hù)的前提。由于具有高度特異性、靈敏性和能快速地探測(cè)化學(xué)戰(zhàn)劑和生物戰(zhàn)劑（包括病毒、細(xì)菌和毒素等）的特性，生物傳感器將是最重要的一類化學(xué)戰(zhàn)劑和生物戰(zhàn)劑偵檢器材。如煙堿乙酰膽堿受體生物傳感器和某種麻醉劑受體生物傳感器能在10s內(nèi)偵檢出10-9濃度級(jí)的生化戰(zhàn)劑，包括委內(nèi)瑞拉馬腦炎病毒、黃熱病毒、炭疽桿菌、流感病毒等。

12.1生物傳感器環(huán)境廢水BOD分析儀12.1生物傳感器手掌型葡萄糖分析儀12.1生物傳感器發(fā)酵罐主機(jī)計(jì)算機(jī)SBA-60型生物傳感在線分析系統(tǒng)12.1生物傳感器12.2微波傳感器一、微波概述

微波是波長(zhǎng)為1mm～1m的電磁波，可以細(xì)分為三個(gè)波段：分米波、厘米波、毫米波。微波既具有電磁波的性質(zhì)，又不同于普通無(wú)線電波和光波的性質(zhì)，是一種相對(duì)波長(zhǎng)較長(zhǎng)的電磁波。微波特點(diǎn)：①定向輻射的裝置容易制造；②遇到各種障礙物易于反射；③繞射能力差；④傳輸特性好，傳輸過程中受影響很小；⑤介質(zhì)對(duì)微波的吸收與介質(zhì)的介電常數(shù)成比例，水對(duì)微波的吸收作用最強(qiáng)。

二、微波傳感器的原理和組成

1、微波傳感器的測(cè)量原理及分類微波傳感器是利用微波特性來檢測(cè)某些物理量的器件或裝置。由發(fā)射天線發(fā)出微波，此波遇到被測(cè)物體時(shí)將被吸收或反射，使微波功率發(fā)生變化。若利用接收天線，接收到通過被測(cè)物體或由被測(cè)物體反射回來的微波，并將它轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再經(jīng)過信號(hào)調(diào)理電路，即可以顯示出被測(cè)量，實(shí)現(xiàn)了微波檢測(cè)。根據(jù)微波傳感器的原理，微波傳感器可以分為反射式和遮斷式兩類。

12.2微波傳感器（1）反射式微波傳感器反射式微波傳感器是通過檢測(cè)被測(cè)物反射回來的微波功率或經(jīng)過的時(shí)間間隔來測(cè)量被測(cè)量的。通常它可以測(cè)量物體的位置、位移、厚度等參數(shù)。（2）遮斷式微波傳感器遮斷式微波傳感器是通過檢測(cè)接收天線收到的微波功率大小來判斷發(fā)射天線與接收天線之間有無(wú)被測(cè)物體或被測(cè)物體的厚度、含水量等參數(shù)的。12.2微波傳感器

微波傳感器通常由微波發(fā)射器（即微波振蕩器）、微波天線及微波檢測(cè)器三部分組成。（1）微波振蕩器及微波天線微波振蕩器是產(chǎn)生微波的裝置。由于微波波長(zhǎng)很短，即頻率很高（300MHz～300GHz），要求振蕩回路中具有非常微小的電感與電容，因此不能用普通的電子管與晶體管構(gòu)成微波振蕩器。構(gòu)成微波振蕩器的器件有調(diào)速管、磁控管或某些固態(tài)器件，小型微波振蕩器也可以采用體效應(yīng)管。2、微波傳感器的組成12.2微波傳感器

由微波振蕩器產(chǎn)生的振蕩信號(hào)需要用波導(dǎo)管（管長(zhǎng)為10cm以上，可用同軸電纜）傳輸，并通過天線發(fā)射出去。為了使發(fā)射的微波具有尖銳的方向性，天線要具有特殊的結(jié)構(gòu)。常用的天線如圖所示，其中有喇叭形天線（圖（a）、（b））、拋物面天線（圖（c）、（d））、介質(zhì)天線與隙縫天線等。（a）扇形喇叭天線;(b)圓錐形喇叭天線;(c)旋轉(zhuǎn)拋物面天線;(d)拋物柱面天線12.2微波傳感器（2）微波檢測(cè)器

電磁波作為空間的微小電場(chǎng)變動(dòng)而傳播，所以使用電流-電壓特性呈現(xiàn)非線性的電子元件作為探測(cè)它的敏感探頭。與其它傳感器相比，敏感探頭在其工作頻率范圍內(nèi)必須有足夠快的響應(yīng)速度。作為非線性的電子元件，在幾兆赫以下的頻率通常可用半導(dǎo)體PN結(jié)，而對(duì)于頻率比較高的可使用肖特基結(jié)。在靈敏度特性要求特別高的情況下可使用超導(dǎo)材料的約瑟夫遜結(jié)檢測(cè)器、SIS檢測(cè)器等超導(dǎo)隧道結(jié)元件，而在接近光的頻率區(qū)域可使用由金屬-氧化物-金屬構(gòu)成的隧道結(jié)元件。

2、微波傳感器的組成

微波傳感器作為一種新型的非接觸傳感器具有如下特點(diǎn)：①有極寬的頻譜（波長(zhǎng)=1.0mm-1.0m）可供選用，可根據(jù)被測(cè)對(duì)象的特點(diǎn)選擇不同的測(cè)量頻率；②在煙霧、粉塵、水汽、化學(xué)氣氛以及高、低溫環(huán)境中對(duì)檢測(cè)信號(hào)的傳播影響極小，因此可以在惡劣環(huán)境下工作；③時(shí)間常數(shù)小，反應(yīng)速度快，可以進(jìn)行動(dòng)態(tài)檢測(cè)與實(shí)時(shí)處理，便于自動(dòng)控制；3、微波傳感器的特點(diǎn)12.2微波傳感器④測(cè)量信號(hào)本身就是電信號(hào)，無(wú)須進(jìn)行非電量的轉(zhuǎn)換，從而簡(jiǎn)化了傳感器與微處理器間的接口，便于實(shí)現(xiàn)遙測(cè)和遙控；⑤微波無(wú)顯著輻射公害。微波傳感器存在的主要問題是零點(diǎn)漂移和標(biāo)定尚未得到很好的解決。其次，使用時(shí)外界環(huán)境因素影響較多，如溫度、氣壓、取樣位置等。12.2微波傳感器三、微波傳感器的應(yīng)用1、微波液位傳感器

微波液位計(jì)

12.2微波傳感器

水分子是極性分子，常態(tài)下成偶極子形式雜亂無(wú)章地分布著。在外電場(chǎng)作用下，偶極子會(huì)形成定向排列。當(dāng)微波場(chǎng)中有水分子時(shí)，偶極子受場(chǎng)的作用而反復(fù)取向，不斷從電場(chǎng)中得到能量（儲(chǔ)能），又不斷釋放能量（放能），前者表現(xiàn)為微波信號(hào)的相移，后者表現(xiàn)為微波衰減。

使用微波傳感器，測(cè)量干燥物體與含一定水分的潮濕物體所引起的微波信號(hào)的相移與衰減量，就可以換算出物體的含水量。2、微波濕度傳感器12.2微波傳感器

下圖給出了測(cè)量酒精含水量的儀器框圖，圖中，MS產(chǎn)生的微波功率經(jīng)分功率器分成兩路，再經(jīng)衰減器A1、A2分別注入到兩個(gè)完全相同的轉(zhuǎn)換器T1、T2中。其中，T1放置無(wú)水酒精，T2放置被測(cè)樣品。相位與衰減測(cè)定儀（PT、AT）分別反復(fù)接通兩電路（T1和T2）輸出，自動(dòng)記錄與顯示它們之間的相位差與衰減差，從而確定樣品酒精的含水量。2、微波濕度傳感器12.2微波傳感器

微波測(cè)厚儀是利用微波在傳播過程中遇到被測(cè)物體金屬表面被反射，且反射波的波長(zhǎng)與速度都不變的特性進(jìn)行測(cè)厚的。微波測(cè)厚儀原理如圖所示，在被測(cè)金屬物體上下兩表面各安裝一個(gè)終端器。微波信號(hào)源發(fā)出的微波，經(jīng)過環(huán)行器A、上傳輸波導(dǎo)管傳輸?shù)缴辖K端器，由上終端器發(fā)射到被測(cè)物體上表面上，微波在被測(cè)物體上表面全反射后又回到上終端器，再經(jīng)過傳輸導(dǎo)管、環(huán)行器A、下傳輸波導(dǎo)管傳輸?shù)较陆K端器。由下終端器發(fā)射到被測(cè)物體下表面的微波，經(jīng)全反射后又回到下終端器，再經(jīng)過傳輸導(dǎo)管回到環(huán)行器A。因此被測(cè)物體的厚度與微波傳輸過程中的行程長(zhǎng)度有密切關(guān)系，當(dāng)被測(cè)物體厚度增加時(shí)，微波傳輸?shù)男谐涕L(zhǎng)度便減小。3、微波測(cè)厚儀12.2微波傳感器微波測(cè)厚儀原理圖3、微波測(cè)厚儀12.2微波傳感器

一般情況下，微波傳輸?shù)男谐涕L(zhǎng)度的變化非常微小。為了精確地測(cè)量出這一微小變化，通常采用微波自動(dòng)平衡電橋法，前面討論的微波傳輸行程作為測(cè)量臂，而完全模擬測(cè)量臂微波的傳輸行程設(shè)置一個(gè)參考臂（圖右部）。若測(cè)量臂與參考臂行程完全相同，則反相疊加的微波經(jīng)過檢波器C檢波后，輸出為零。若兩臂行程長(zhǎng)度不同，兩路微波疊加后不能相互抵消，經(jīng)檢波器后便有不平衡信號(hào)輸出。此不平衡差值信號(hào)經(jīng)放大后控制可逆電機(jī)旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)補(bǔ)償短路器產(chǎn)生位移，改變補(bǔ)償短路器的長(zhǎng)度，直到兩臂行程長(zhǎng)度完全相同，放大器輸出為零，可逆電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)為止。3、微波測(cè)厚儀12.2微波傳感器

微波無(wú)損檢測(cè)是綜合利用微波與物質(zhì)的相互作用，一方面微波在不連續(xù)界面處會(huì)產(chǎn)生反射、散射、透射，另一方面微波還能與被檢材料產(chǎn)生相互作用，此時(shí)的微波場(chǎng)會(huì)受到材料中的電磁參數(shù)和幾何參數(shù)的影響。通過測(cè)量微波信號(hào)基本參數(shù)的改變即可達(dá)到檢測(cè)材料內(nèi)部缺陷的目的。

4、微波無(wú)損檢測(cè)12.2微波傳感器

1.次聲波次聲波是頻率低于20赫茲的聲波，人耳聽不到，但可與人體器官發(fā)生共振，7~8Hz的次聲波會(huì)引起人的恐怖感，動(dòng)作不協(xié)調(diào)，甚至導(dǎo)致心臟停止跳動(dòng)。聲波的分類12.3超聲波傳感器2.可聞聲波美妙的音樂可使人陶醉。頻率在16~20KHz之間，能為人耳所聞的機(jī)械波，稱為聲波12.3超聲波傳感器3.超聲波蝙蝠能發(fā)出和聽見超聲波。高于20KHz的機(jī)械波，稱為超聲波12.3超聲波傳感器一、超聲波物理基礎(chǔ)

頻率高于20kHz的機(jī)械振動(dòng)波稱為超聲波。它的指向性很好，能量集中，因此穿透本領(lǐng)大，能穿透幾米厚的鋼板，而能量損失不大。在遇到兩種介質(zhì)的分界面（例如鋼板與空氣的交界面）時(shí)，能產(chǎn)生明顯的反射和折射現(xiàn)象，超聲波的頻率越高，其聲場(chǎng)指向性就愈好。超聲波的傳播波型主要可分為縱波、橫波、表面波等幾種。12.3超聲波傳感器縱波縱波：質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與波的傳播方向一致的波，它能在固體、液體和氣體介質(zhì)中傳播；12.3超聲波傳感器橫波橫波：質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向垂直于傳播方向的波，它只能在固體介質(zhì)中傳播；12.3超聲波傳感器表面波表面波：質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)介于橫波與縱波之間，沿著介質(zhì)表面?zhèn)鞑?，其振幅隨深度增加而迅速衰減的波，表面波只在固體的表面?zhèn)鞑ァ?2.3超聲波傳感器

超聲波的傳播速度與介質(zhì)密度和彈性特性有關(guān)。超聲波在氣體和液體中傳播時(shí)，由于不存在剪切應(yīng)力，所以僅有縱波的傳播，其傳播速度c為式中：ρ——介質(zhì)的密度；

Ba——絕對(duì)壓縮系數(shù)。上述的ρ、Ba都是溫度的函數(shù)，使超聲波在介質(zhì)中的傳播速度隨溫度的變化而變化。超聲波的傳播12.3超聲波傳感器在固體中，縱波、橫波及其表面波三者的聲速有一定的關(guān)系，通?？烧J(rèn)為橫波聲速為縱波的一半，表面波聲速為橫波聲速的90%。氣體中縱波聲速為344m/s，液體中縱波聲速在900～1900m/s。12.3超聲波傳感器傳播速度超聲波在液體、固體中衰減很小，穿透能力強(qiáng)，特別是不透光的固體能穿透幾十米；當(dāng)超聲波從一種介質(zhì)入射到另一種介質(zhì)時(shí)，在界面上會(huì)產(chǎn)生反射、折射和波形轉(zhuǎn)換。超聲波為直線傳播方式，頻率越高繞射越弱，但反射越強(qiáng)，利用這種性質(zhì)可以制成超聲波測(cè)距傳感器。超聲波在空氣中傳播速度較慢，為340m/s，這一特點(diǎn)使得超聲波應(yīng)用變得非常簡(jiǎn)單，可以通過測(cè)量波的傳播時(shí)間，測(cè)量距離、厚度等。12.3超聲波傳感器

聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，隨著傳播距離的增加，能量逐漸衰減，其衰減的程度與聲波的擴(kuò)散、散射及吸收等因素有關(guān)。其聲壓和聲強(qiáng)的衰減規(guī)律為式中：Px、Ix——距聲源x處的聲壓和聲強(qiáng)；

x——聲波與聲源間的距離；

α——衰減系數(shù)，單位為Np/cm（奈培/厘米）。超聲波的衰減12.3超聲波傳感器聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，能量的衰減決定于聲波的擴(kuò)散、散射和吸收。在理想介質(zhì)中，聲波的衰減僅來自于聲波的擴(kuò)散，即隨聲波傳播距離增加而引起聲能的減弱。散射衰減是指超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，固體介質(zhì)中的顆粒界面或流體介質(zhì)中的懸浮粒子使聲波產(chǎn)生散射，其中一部分聲能不再沿原來傳播方向運(yùn)動(dòng)，而形成散射。散射衰減與散射粒子的形狀、尺寸、數(shù)量、介質(zhì)的性質(zhì)和散射粒子的性質(zhì)有關(guān)。吸收衰減是由于介質(zhì)粘滯性，使超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)造成質(zhì)點(diǎn)間的內(nèi)摩擦，從而使一部分聲能轉(zhuǎn)換為熱能，通過熱傳導(dǎo)進(jìn)行熱交換，導(dǎo)致聲能的損耗。12.3超聲波傳感器二、超聲波傳感器（換能器）

超聲波換能器又稱超聲波探頭。超聲波換能器的工作原理有壓電式、磁致伸縮式、電磁式等數(shù)種，在檢測(cè)技術(shù)中主要采用壓電式。超聲波探頭又分為直探頭、斜探頭、雙探頭、表面波探頭、聚焦探頭、沖水探頭、水浸探頭、高溫探頭、空氣傳導(dǎo)探頭以及其他專用探頭等。

12.3超聲波傳感器

超聲波傳感器使用時(shí)的兩種形式：反射式、直射式c)反射式ＲＸＴＸＴＸＲＸa）兼用型ＴＸＲＸ專用型

直射式發(fā)射探頭（TX）接收探頭（RX）工作方式12.3超聲波傳感器等效電路C’

CLR等效電路電感性電容性頻率frfafr:L、C、R產(chǎn)生的串聯(lián)諧振頻率fa：L、C、C’產(chǎn)生的并聯(lián)諧振頻率電抗特性

超聲波傳感器可等效為一個(gè)RLC的串并聯(lián)諧振電路。由電抗特性可見中間是電感性，兩邊是電容性，這是超聲波傳感器所特有的。其中頻率低的fr：L、C、R產(chǎn)生的串聯(lián)諧振頻率；頻率高的fa：L、C、C’產(chǎn)生的并聯(lián)諧振頻率超聲波傳感器在串聯(lián)諧振頻率時(shí)阻抗最小。12.3超聲波傳感器各種超聲波探頭常用頻率范圍：0.5~10MHz，常見晶片直徑：5~30mm接觸式直探頭（縱波垂直入射到被檢介質(zhì)）

外殼用金屬制作，保護(hù)膜用硬度很高的耐磨材料制作，防止壓電晶片磨損。保護(hù)膜接插件12.3超聲波傳感器接觸式斜探頭

壓電晶片粘貼在與底面成一定角度（如30、45等）的有機(jī)玻璃斜楔塊上，當(dāng)斜楔塊與不同材料的被測(cè)介質(zhì)（試件）接觸時(shí)，超聲波將產(chǎn)生一定角度的折射，傾斜入射到試件中去，可產(chǎn)生多次反射，而傳播到較遠(yuǎn)處去。底部耐磨材料接插件12.3超聲波傳感器各種接觸式斜探頭常用頻率范圍：1-5MHz12.3超聲波傳感器超聲波探頭中的壓電陶瓷芯片

將數(shù)百伏的超聲電脈沖加到壓電晶片上，利用逆壓電效應(yīng)，使晶片發(fā)射出持續(xù)時(shí)間很短的超聲振動(dòng)波。當(dāng)超聲波經(jīng)被測(cè)物反射回到壓電晶片時(shí)，利用壓電效應(yīng)，將機(jī)械振動(dòng)波轉(zhuǎn)換成同頻率的交變電荷和電壓。12.3超聲波傳感器空氣超聲探頭12.3超聲波傳感器空氣超聲探頭外形12.3超聲波傳感器空氣超聲探頭外形12.3超聲波傳感器三、超聲波傳感器的應(yīng)用

當(dāng)超聲發(fā)射器與接收器分別置于被測(cè)物兩側(cè)時(shí)，這種類型稱為透射型。透射型可用于遙控器、防盜報(bào)警器、接近開關(guān)等。超聲發(fā)射器與接收器置于同側(cè)的屬于反射型，反射型可用于接近開關(guān)、測(cè)距、測(cè)液位或物位、金屬探傷以及測(cè)厚等。

12.3超聲波傳感器1、超聲波流量計(jì)12.3超聲波傳感器F1發(fā)射的超聲波先到達(dá)T1測(cè)量流量原理分類

時(shí)間差法測(cè)量流量原理：

在被測(cè)管道上下游的一定距離上，分別安裝兩對(duì)超聲波發(fā)射和接收探頭（F1，T1）、（F2，T2），其中F1，T1的超聲波是順流傳播的，而F2，T2的超聲波是逆流傳播的。由于這兩束超聲波在液體中傳播速度的不同，測(cè)量?jī)山邮仗筋^上超聲波傳播的時(shí)間差t，可得到流體的平均速度及流量。12.3超聲波傳感器F1發(fā)射的超聲波到達(dá)F2的時(shí)間較短時(shí)間差法測(cè)量流量原理：12.3超聲波傳感器F1、F2是完全相同的超聲探頭，安裝在管壁外面，通過電子開關(guān)的控制，交替地作為超聲波發(fā)射器與接收器用。首先由F1發(fā)射出第一個(gè)超聲脈沖，它通過管壁、流體及另一側(cè)管壁被F2接收，此信號(hào)經(jīng)放大后再次觸發(fā)F1的驅(qū)動(dòng)電路，使F1發(fā)射第二個(gè)聲脈沖。緊接著，由F2發(fā)射超聲脈沖，而F1作接收器，可以測(cè)得F1的脈沖重復(fù)頻率為f1。同理可以測(cè)得F2的脈沖重復(fù)頻率為f2。順流發(fā)射頻率f1與逆流發(fā)射頻率f2的頻率差

f與被測(cè)流速v成正比。F2F1頻率差法測(cè)量流量原理

12.3超聲波傳感器頻率差法測(cè)量流量原理

12.3超聲波傳感器同側(cè)式超聲波流量計(jì)的使用（參考北京菲波儀表有限公司資料）12.3超聲波傳感器超聲波流量計(jì)現(xiàn)場(chǎng)使用12.3超聲波傳感器2、超聲波多普勒測(cè)量車速12.3超聲波傳感器多普勒效應(yīng)

前進(jìn)方向的頻率升高

如果波源和觀察者之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，那么觀察者接收到的頻率和波源的頻率就不相同了，這種現(xiàn)象叫做多普勒效應(yīng)。測(cè)出f就可得到運(yùn)動(dòng)速度。12.3超聲波傳感器超聲波多普勒測(cè)量風(fēng)速風(fēng)

風(fēng)引起超聲波的頻率變大或變小12.3超聲波傳感器3.超聲波測(cè)距

空氣超聲探頭發(fā)射超聲脈沖，到達(dá)被測(cè)物時(shí)，被反射回來，并被另一只空氣超聲探頭所接收。測(cè)出從發(fā)射超聲波脈沖到接收超聲波脈沖所需的時(shí)間t，再乘以空氣的聲速（340m/s），就是超聲脈沖在被測(cè)距離所經(jīng)歷的路程，除以2就得到距離。

12.3超聲波傳感器發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路：

由反向器①②組成RC振蕩器經(jīng)門電路完成功率放大，經(jīng)CP耦合傳送給超聲波振子產(chǎn)生超聲發(fā)射信號(hào)。超聲波傳感器發(fā)射基本電路

超聲波傳感器測(cè)距基本電路主要由

振蕩發(fā)射電路、檢測(cè)電路兩部分組成：振蕩器頻率調(diào)整12.3超聲波傳感器超聲波傳感器接收電路檢測(cè)電路：

超聲波信號(hào)極微弱，需要增益高的放大電路用于檢測(cè)反射波，輸出的高頻信號(hào)電壓接檢波、放大、開關(guān)電路輸出或報(bào)警。100倍放大12.3超聲波傳感器

超聲波測(cè)距模塊：最大距離600cm，最小距離2cm

功放40KHzOSC

定時(shí)器前置放大檢波平方放大輸出VCC12V三位顯示器被測(cè)物發(fā)送，由555構(gòu)成多諧振蕩器，RC電路產(chǎn)生40KHz等幅波放大送功放輸出；接收，放大、檢波，信號(hào)處理根據(jù)被測(cè)物體的基準(zhǔn)距離設(shè)定反射脈沖時(shí)間，調(diào)整振蕩器觸發(fā)時(shí)間。定時(shí)器控制觸發(fā)電路和門電路。12.3超聲波傳感器4、超聲波測(cè)厚

雙晶直探頭中的壓電晶片發(fā)射超聲振動(dòng)脈沖，超聲脈沖到達(dá)試件底面時(shí)，被反射回來，并被另一只壓電晶片所接收。只要測(cè)出從發(fā)射超聲波脈沖到接收超聲波脈沖所需的時(shí)間t，再乘以被測(cè)體的聲速常數(shù)c，就是超聲脈沖在被測(cè)件中所經(jīng)歷的來回距離，再除以2，就得到厚度：12.3超聲波傳感器手持式超聲波測(cè)厚儀12.3超聲波傳感器某超聲波測(cè)厚儀指標(biāo)

顯示方法∶128*32LCD點(diǎn)陣液晶顯示（帶背光）

顯示位數(shù)：四位

測(cè)量范圍：0.8~200mm

示值精度：0.1mm

聲速范圍：1000-9999m/s

測(cè)量周期：2次/秒

自動(dòng)關(guān)機(jī)時(shí)間：90秒

電源：二節(jié)七號(hào)（AAA）電池，可連續(xù)工作不少于72小時(shí)

使用溫度：-10°C-40°C

存儲(chǔ)溫度：-20°C-70°C

外形尺寸：108x61x25mm

重量：230g（含電池）12.3超聲波傳感器超聲波測(cè)厚石料測(cè)厚12.3超聲波傳感器超聲波手持式測(cè)厚混凝土測(cè)厚木材測(cè)厚小提琴木料測(cè)厚12.3超聲波傳感器雙晶超聲波測(cè)厚探頭12.3超聲波傳感器雙晶超聲波測(cè)厚探頭12.3超聲波傳感器5、測(cè)量液位和物位

在液罐上方安裝空氣傳導(dǎo)型超聲發(fā)射器和接收器，根據(jù)超聲波的往返時(shí)間，就可測(cè)得液體的液面。

12.3超聲波傳感器超聲波測(cè)液位hhsh2ah2as超聲波在液體中傳播測(cè)量超聲波在空氣中傳播測(cè)量單換能器從發(fā)射到接收的時(shí)間：

t=2h/C傳感器到液面的距離：

h=ct/2雙換能器經(jīng)過的路程：

2S=ct液位高度：C：超聲波在介質(zhì)中傳播速度12.3超聲波傳感器超聲波測(cè)量液位和物位

喇叭形超聲發(fā)生器12.3超聲波傳感器6、超聲防盜報(bào)警器

圖中的上半部分為發(fā)射電路，下面為接收電路。發(fā)射器發(fā)射出頻率f=40kHz左右的超聲波。如果有人進(jìn)入信號(hào)的有效區(qū)域，相對(duì)速度為v，從人體反射回接收器的超聲波將由于多普勒效應(yīng)，而發(fā)生頻率偏移f。

12.3超聲波傳感器7、無(wú)損探傷

對(duì)缺陷的檢測(cè)手段有破壞性試驗(yàn)和無(wú)損探傷。由于無(wú)損探傷以不損壞被檢驗(yàn)對(duì)象為前提，所以得到廣泛應(yīng)用。無(wú)損檢測(cè)的方法有磁粉檢測(cè)法、電渦流法、熒光染色滲透法、放射線（x光、中子）照相檢測(cè)法、超聲波探傷法等。

12.3超聲波傳感器磁粉檢測(cè)法磁懸液磁粉檢測(cè)儀將磁懸液噴灑在工件表面，將磁粉檢測(cè)頭夾持在被測(cè)工件上，通以數(shù)百安培的電流，工件中將產(chǎn)生磁場(chǎng)，工件表面的裂紋可因磁粉的不均勻分布而顯示出來。12.3超聲波傳感器X光探傷

將x光發(fā)生器對(duì)準(zhǔn)被測(cè)位置，將感光片貼在物體背面，人離開后通上高壓電，再將感光片沖洗出影像，即可觀察到缺陷。12.3超聲波傳感器12.4機(jī)器人傳感器

“Ｒobot”一詞源出自捷克語(yǔ)“robota”，意謂“強(qiáng)迫勞動(dòng)”。1920年捷克斯洛伐克作家薩佩克寫了一個(gè)名為《洛桑萬(wàn)能機(jī)器人公司》的劇本,他把在洛桑萬(wàn)能機(jī)器人公司生產(chǎn)勞動(dòng)的那些家伙取名“Robot”,漢語(yǔ)音譯為“羅伯特”，捷克語(yǔ)意為“奴隸”——薩佩克把機(jī)器人的地位確定為只管埋頭干活、任由人類壓榨的奴隸，它們存在的價(jià)值只是服務(wù)于人類。一個(gè)極其偶然的原因,機(jī)器人開始有了知覺,它們不堪忍受人類的統(tǒng)治,向人類發(fā)動(dòng)攻擊,最后徹底毀滅了人類。“機(jī)器人”的名字也正式由此而生。能踢球的機(jī)器人12.4機(jī)器人傳感器對(duì)運(yùn)動(dòng)的球類有正確反應(yīng)的機(jī)器人能打網(wǎng)球的機(jī)器人機(jī)器人足球比賽12.4機(jī)器人傳感器能行走的機(jī)器人12.4機(jī)器人傳感器服務(wù)機(jī)器人機(jī)器人伴舞機(jī)器人奏樂12.4機(jī)器人傳感器可愛的小機(jī)器人能上臺(tái)階并避開障礙物的機(jī)器人能自己站起來的機(jī)器人12.4機(jī)器人傳感器排爆機(jī)器人我國(guó)沈陽(yáng)自動(dòng)化所研制的PXJ-2機(jī)器人也加入了公安部隊(duì)的行列。12.4機(jī)器人傳感器消防機(jī)器人

消防機(jī)器人作為特種消防設(shè)備可代替消防隊(duì)員接近火場(chǎng)實(shí)施有效的滅火救援、化學(xué)檢驗(yàn)和火場(chǎng)偵察。它的應(yīng)用將提高消防部隊(duì)撲滅特大惡性火災(zāi)的實(shí)戰(zhàn)能力，對(duì)減少國(guó)家財(cái)產(chǎn)損失和滅火救援人員的傷亡將產(chǎn)生重要的作用。12.4機(jī)器人傳感器

機(jī)器人輪椅主要有口令識(shí)別與語(yǔ)音合成、機(jī)器人自定位、動(dòng)態(tài)隨機(jī)避障、多傳感器信息融合、實(shí)時(shí)自適應(yīng)導(dǎo)航控制等功能。12.4機(jī)器人傳感器軍事機(jī)器人我國(guó)引進(jìn)的排爆機(jī)器人進(jìn)攻型機(jī)器人12.4機(jī)器人傳感器工業(yè)機(jī)器人核工業(yè)機(jī)器人汽車噴漆機(jī)器人12.4機(jī)器人傳感器機(jī)器人的手12.4機(jī)器人傳感器機(jī)械手在汽車加工中的應(yīng)用機(jī)械手能按照程序焊接和安裝汽車部件，是機(jī)器人的雛形。12.4機(jī)器人傳感器激光焊接機(jī)械手12.4機(jī)器人傳感器機(jī)器人大腦——主板機(jī)器人思想——程序機(jī)器人感知——傳感器機(jī)器人手腳——馬達(dá)機(jī)器人骨架——機(jī)械結(jié)構(gòu)機(jī)器人食物——電池1.機(jī)器人的組成12.4機(jī)器人傳感器2.傳感器在機(jī)器人中的應(yīng)用

機(jī)器人是由計(jì)算機(jī)控制的復(fù)雜機(jī)器，它具有類似人的肢體及感官功能；動(dòng)作程序靈活；有一定程度的智能；在工作時(shí)可以不依賴人的操縱。機(jī)器人傳感器在機(jī)器人的控制中起了非常重要的作用，正因?yàn)橛辛藗鞲衅?，機(jī)器人才具備了類似人類的知覺功能和反應(yīng)能力。

12.4機(jī)器人傳感器給機(jī)器人裝備什么樣的傳感器，對(duì)這些傳感器有什么要求，這是設(shè)計(jì)機(jī)器人感覺系統(tǒng)時(shí)遇到的首要問題。選擇機(jī)器人傳感器應(yīng)當(dāng)完全取決于機(jī)器人的工作需要和應(yīng)用特點(diǎn)。12.4機(jī)器人傳感器

機(jī)器人傳感器可分為內(nèi)部檢測(cè)傳感器和外部檢測(cè)傳感器兩大類。內(nèi)部檢測(cè)傳感器是以機(jī)器人本身的坐標(biāo)軸來確定其位置。它安裝在機(jī)器人自身中用來感知機(jī)器人自己的狀態(tài)，以調(diào)整和控制機(jī)器人的行動(dòng)。它通常由位置、加速度、速度及壓力傳感器組成。外界檢測(cè)傳感器用于機(jī)器人對(duì)周圍環(huán)境、目標(biāo)物的狀態(tài)特征獲取信息，使機(jī)器人和環(huán)境能發(fā)生交互作用，從而使機(jī)器人對(duì)環(huán)境有自校正和自適應(yīng)能力。外界檢測(cè)傳感器通常包括觸覺、接近覺、視覺、聽覺、嗅覺等傳感器。12.4機(jī)器人傳感器為得到更擬人的觸覺傳感器，進(jìn)行“人工皮膚”的研究，實(shí)際上也是一種由單個(gè)觸覺傳感器按一定形狀(如矩陣)組合在一起的陣列式觸覺傳感器。這種傳感器的密度較大、體積較小、精度較高，特別是接觸材料本身就是敏感材料，這些都是其它結(jié)構(gòu)的觸覺傳感器很難達(dá)到的。“人工皮膚”傳感器可用于表面形狀和表面特性的檢測(cè)。12.4機(jī)器人傳感器目前的“皮膚”觸覺傳感器的研究主要在兩個(gè)方面：一是選擇更為合適的敏感材料，現(xiàn)有的材料主要有導(dǎo)電橡膠、壓電材料、光纖等；二是將集成電路工藝應(yīng)用到傳感器的設(shè)計(jì)和制造中，使傳感器和處理電路—體化，得到大規(guī)模或超大規(guī)模陣列式觸覺傳感器。如圖12.22所示，為PVF2陣列式觸覺傳感器。12.4機(jī)器人傳感器PVF2陣列式觸覺傳感器

1—電氣接線

2—PVF2膜

3—識(shí)別對(duì)象

4—底座盒

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