常用傳感器的工作原理及應(yīng)用92040

1、僅供個人參考第三章常用傳感器的工作原理及應(yīng)用教學(xué)要求1掌握各種傳感器的工作原理。2熟悉各種傳感器的測量電路。3掌握各種傳感器的應(yīng)用。For personal use only in study and research; not for commercial use教學(xué)手段多媒體課件多種傳感器演示教學(xué)重點(diǎn)各種傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域教學(xué)課時15 學(xué)時For personal use only in study and research; not for commercial use教學(xué)內(nèi)容3.1電阻式傳感器For personal use only in study and research; not

2、 for commercial use應(yīng)變：物體在外部壓力或拉力作用下發(fā)生形變的現(xiàn)象彈性應(yīng)變：當(dāng)外力去除后，物體能夠完全恢復(fù)其尺寸和形狀的應(yīng)變彈性元件：具有彈性應(yīng)變特性的物體電阻應(yīng)變式傳感器利用電阻應(yīng)變片將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻值變化的傳感器。工作原理： 當(dāng)被測物理量作用于彈性元件上， 彈性元件在力、 力矩或壓力等的作用下發(fā)生變形，產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)變或位移， 然后傳遞給與之相連的應(yīng)變片， 引起應(yīng)變片的電阻值變化，通過測量電路變成電量輸出。輸出的電量大小反映被測量的大小。結(jié)構(gòu)：應(yīng)變式傳感器由彈性元件上粘貼電阻應(yīng)變片構(gòu)成。應(yīng)用：廣泛用于力、力矩、壓力、加速度、重量等參數(shù)的測量。1電阻應(yīng)變效應(yīng)電阻應(yīng)變片的工作原

3、理是基于應(yīng)變效應(yīng)，即導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料在外界力的作用下產(chǎn)生機(jī)械變形時，其電阻值相應(yīng)發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為“應(yīng)變效應(yīng)”。2電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)引線覆蓋層基片bl電阻絲式敏感柵不得用于商業(yè)用途僅供個人參考金屬電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)3應(yīng)變片的粘貼技術(shù)（自學(xué)）4電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用（ 1）應(yīng)變式力傳感器被測物理量：荷重或力主要用途：作為各種電子稱與材料試驗(yàn)機(jī)的測力元件、發(fā)動機(jī)的推力測試、水壩壩體承載狀況監(jiān)測等。力傳感器的彈性元件：柱式、筒式、環(huán)式、懸臂式等（ 2主要用來測量流動介質(zhì)的動態(tài)或靜態(tài)壓力應(yīng)變片壓力傳感器大多采用膜片式或筒式彈性元件。（ 3感壓膜感受上面液體的壓力。（ 4）用于物體加速度的測量。依據(jù)：

4、a=F/m。21431 等強(qiáng)度梁；2 質(zhì)量塊；3 殼體；4 電阻應(yīng)變敏感元體電阻應(yīng)變式加速度傳感器結(jié)構(gòu)圖3.2 電容式傳感器由絕緣介質(zhì)分開的兩個平行金屬板組成的平板電容器，如果不考慮邊緣效應(yīng)，其電容量為SCd當(dāng)被測參數(shù)變化使得S、d 或 發(fā)生變化時，電容量C 也隨之變化。如果保持其中兩個參數(shù)不變， 而僅改變其中一個參數(shù)， 就可把該參數(shù)的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化，通過測量電路就可轉(zhuǎn)換為電量輸出。電容式傳感器可分為變極距型、變面積型和變介電常數(shù)型三種。1變間隙型電容傳感器Adr不得用于商業(yè)用途僅供個人參考變間隙式電容式傳感器當(dāng)傳感器的 r 和 S為常數(shù)，初始極距為d0 時，初始電容量C0 為0r S

5、C0d0若電容器極板間距離由初始值d0 縮小了C C0C在式中，若d/ d0<<1 時，則展成級數(shù)：d2dC C01d0d0d，電容量增大了C0r SC0d0dd1d3d0dd0C0 1d0此時 C與d 近似呈線性關(guān)系， 所以變極距型電容式傳感器只有在d/ d0 很小時， 才有近似的線性關(guān)系。另外，在 d0 較小時， 對于同樣的d 變化所引起的C可以增大， 從而使傳感器靈敏度提高。但 d0 過小， 容易引起電容器擊穿或短路。 為此， 極板間可采用高介電常數(shù)的材料 （云母、 塑料膜等）作介質(zhì) , 如圖所示，此時電容 C變?yōu)椋篠Cd0d g0 g0式中： g云母的相對介電常數(shù)，g=7；

6、 0空氣的介電常數(shù)， 0=1；d0空氣隙厚度；dg云母片的厚度。gd g0d 0放置云母片的電容器云母片的相對介電常數(shù)是空氣的 7 倍，其擊穿電壓不小于 1000 kV/mm，而空氣僅為 3 kV/mm。因此有了云母片，極板間起始距離可大大減小。一般變極板間距離電容式傳感器的起始電容在20100pF 之間， 極板間距離在 25200m 的范圍內(nèi)。最大位移應(yīng)小于間距的1/10 ， 故在微位移測量中應(yīng)用最廣。2被測量通過動極板移動引起兩極板有效覆蓋面積S 改變，從而得到電容量的變化。當(dāng)動極板相對于定極板沿長度方向平移x 時，則電容變化量為C CC00 r x bd式中 C0=0 r ba/ d 為

7、初始電容。電容相對變化量為CxC0a不得用于商業(yè)用途僅供個人參考這種形式的傳感器其電容量C與水平位移x 呈線性關(guān)系adbxS直線位移型電容傳感器原理圖3Dd此時變換器電容值為：xHh1電容式液位變換器結(jié)構(gòu)原理圖2 1h 21( H h) 2 H 2 h( 1 )2 h( 1 )C1n D1n D1n DC01n D1n Dddddd式中： C0由變換器的基本尺寸決定的初始電容值, 即2HC0D1n可見：此變換器的電容增量正比于被測液位高度h。1運(yùn)算放大器由于運(yùn)算放大器的放大倍數(shù)非常大，而且輸入阻抗Zi 很高 ,運(yùn)算放大器的這一特點(diǎn)可以作為電容式傳感器的比較理想的測量電路。如圖所示。由運(yùn)算放大器

8、工作原理可得：U oCU iCx如果傳感器是一只平板電容，則Cx= S/ d，代入，可得U oU iC dS式中“”號表示輸出電壓Uo 的相位與電源電壓反相?？梢娺\(yùn)算放大器的輸出電壓與極板間距離 d 成線性關(guān)系。運(yùn)算放大器式電路雖解決了單個變極板間距離式電容傳感器的非線性問題，注意條件：要求 Zi 及放大倍數(shù)足夠大。 為保證儀器精度， 還要求電源電壓Ui 的幅值和固定電容C值穩(wěn)定。ICxcx不得用于商業(yè)用途I cbCIi?U iAU o僅供個人參考運(yùn)算放大器式電路原理圖2二極管雙 T 交流電橋e 是高頻電源， 它提供了幅值為U的對稱方波， VD1、 VD2為特性完全相同的兩只二極管，固定電阻

9、R1=R2=R， C1、C2 為傳感器的兩個差動電容。V D2BR2V D1AR1eC1C2R L(a)R1R 2R1R2?UI2C2?UC 1I1RLC 1I1RLI 2C2?(b)(c)二極管雙 T 交流電橋當(dāng)傳感器沒有輸入時，1= 2。C C電路工作原理：當(dāng) e 為正半周時，二極管VD1導(dǎo)通、 VD2截止，于是電容C1 充電，其等效電路如圖（ b）所示；在隨后負(fù)半周出現(xiàn)時，電容1 上的電荷通過電阻1，負(fù)載電阻 L 放CRR電，流過 RL 的電流為 I 1。當(dāng) e 為負(fù)半周時， VD2導(dǎo)通、 VD1截止，則電容 C2 充電，其等效電路如圖（c）所示；在隨后出現(xiàn)正半周時，2 通過電阻2，負(fù)載

10、電阻L 放電，流過L 的電流為I2 。CRRR電流 I 1=I 2，且方向相反，在一個周期內(nèi)流過RL 的平均電流為零。若傳感器輸入不為0，則 1 2,12, 此時在一個周期內(nèi)通過L 上的平均電流不C C IIR為零， 因此產(chǎn)生輸出電壓，輸出電壓在一個周期內(nèi)平均值為U oI LRL1T I 1 (t)I 2 (t ) dtRLT0R( R 2RL ) RLUf (C1 C2 )(R RL)式中 , f 為電源頻率。當(dāng) RL 已知，式中R( R2RL )RLM(常數(shù))( RRL)2不得用于商業(yè)用途僅供個人參考則上式可改寫為U oUfM (C1C2 )可知，輸出電壓Uo 不僅與電源電壓幅值和頻率有關(guān)

11、，而且與T 形網(wǎng)絡(luò)中的電容C1 和 C2 的差值有關(guān)。當(dāng)電源電壓確定后，輸出電壓Uo 是電容 C1 和 C2 的函數(shù)。電路的靈敏度與電源電壓幅值和頻率有關(guān)，故輸入電源要求穩(wěn)定。3調(diào)頻電路把電容式傳感器作為振蕩器諧振回路的一部分, 當(dāng)輸入量導(dǎo)致電容量發(fā)生變化時，振蕩器的振蕩頻率就發(fā)生變化?？蓪㈩l率作為輸出量用以判斷被測非電量的大小，但此時系統(tǒng)是非線性的，不易校正， 因此必須加入鑒頻器，將頻率的變化轉(zhuǎn)換為電壓振幅的變化， 經(jīng)過放大就可以用儀器指示或記錄儀記錄下來。1電容式壓力傳感器2電容式加速度傳感器3.3 電感式傳感器電感式傳感器的工作原理是基于電磁感應(yīng)原理， 它把被測量轉(zhuǎn)化為電感量變化的一種裝

12、置。按照轉(zhuǎn)換方式的不同可分為自感式（包括可變磁阻式與渦流式）和互感式（差動變壓器式）兩種。不得用于商業(yè)用途僅供個人參考自感式電感傳感器主要有變間隙型、 變面積型和螺管型三種類型。 由線圈、 鐵芯和銜鐵三部分組成。鐵芯和銜鐵由導(dǎo)磁材料制成。在鐵芯和銜鐵之間有氣隙， 傳感器的運(yùn)動部分與銜鐵相連。 當(dāng)銜鐵移動時， 氣隙厚度 發(fā)生改變， 引起磁路中磁阻變化， 從而導(dǎo)致電感線圈的電感值變化， 因此只要能測出這種電感量的變化，就能確定銜鐵位移量的大小和方向。1變間隙型電感傳感器2變面積型電感傳感器3螺管型電感傳感器4差動式電感傳感器為了減小非線性誤差，實(shí)際測量中廣泛采用差動式電感傳感器。5自感式傳感器的測

13、量電路電感式傳感器的測量電路有交流電橋式、變壓器式交流電橋以及諧振式等。把被測的非電量變化轉(zhuǎn)換為線圈互感變化的傳感器稱為互感式傳感器。這種傳感器是根據(jù)變壓器的基本原理制成的，并且次級繞組用差動形式連接，故稱差動變壓器式傳感器。差動變壓器結(jié)構(gòu)形式：變隙式、變面積式和螺線管式等。在非電量測量中，應(yīng)用最多的是螺線管式差動變壓器，它可以測量1 100mm機(jī)械位移，并具有測量精度高、靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠等優(yōu)點(diǎn)。1互感式傳感器的工作原理互感式傳感器的工作原理類似變壓器的作用原理。2差動變壓器的結(jié)構(gòu)類型螺線管式差動變壓器結(jié)構(gòu)r1r2a? I1?E2aR LL 1aL2aU oUr2b?E2bL2b差

14、動變壓器等效電路3差動變壓器式傳感器測量電路問題：（ 1）差動變壓器的輸出是交流電壓 ( 用交流電壓表測量， 只能反映銜鐵位移的大小， 不能反映移動的方向 ) ；不得用于商業(yè)用途僅供個人參考（ 2）測量值中將包含零點(diǎn)殘余電壓。為了達(dá)到能辨別移動方向和消除零點(diǎn)殘余電壓的目的，實(shí)際測量時，常常采用差動整流電路和相敏檢波電路。(1)差動整流電路這種電路是把差動變壓器的兩個次級輸出電壓分別整流，然后將整流的電壓或電流的差值作為輸出。(2)相敏檢波電路1差動變壓器式力傳感器2沉筒式液位計(jì)3.4 壓電式傳感器某些電介質(zhì)， 當(dāng)沿著一定方向?qū)ζ涫┝Χ顾冃螘r，內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象， 同時在它的兩個表面上便產(chǎn)生

15、符號相反的電荷，當(dāng)外力去掉后，又重新恢復(fù)到不帶電狀態(tài)。這種現(xiàn)象稱壓電效應(yīng)。 當(dāng)作用力方向改變時，電荷的極性也隨之改變。有時人們把這種機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的現(xiàn)象，稱為“正壓電效應(yīng)” 。相反，當(dāng)在電介質(zhì)極化方向施加電場，這些電介質(zhì)也會產(chǎn)生幾何變形，這種現(xiàn)象稱為“逆壓電效應(yīng)” （電致伸縮效應(yīng)） 。具有壓電效應(yīng)的材料稱為壓電材料。1單晶壓電晶體石英晶體化學(xué)式為SiO2 ，是單晶體結(jié)構(gòu)。圖示為天然結(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

16、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)。zzzboooyxcyxyxa(a)(b)(c)石英晶體(a)晶體外形； (b)切割方向； (c)晶片2壓電陶瓷是人工制造的多晶體壓電材料。材料內(nèi)部的晶粒有許多自發(fā)極化的電疇，它有一定的極化方向，從而存在電場。在無外電場作用時，電疇在晶體中雜亂分布，它們各自的極化效應(yīng)被相互抵消， 壓電陶瓷內(nèi)極化強(qiáng)度為零。 因此原始的壓電陶瓷呈中性， 不具有壓電性質(zhì)。在陶瓷上施加外電場時，電疇的極化方向發(fā)生轉(zhuǎn)動，趨向于按外電場方向的排列，從而使材料得到極化。外

17、電場愈強(qiáng)，就有更多的電疇更完全地轉(zhuǎn)向外電場方向。讓外電場強(qiáng)度大到使材料的極化達(dá)到飽和的程度，即所有電疇極化方向都整齊地與外電場方向一致時，當(dāng)不得用于商業(yè)用途僅供個人參考外電場去掉后， 電疇的極化方向基本變化， 即剩余極化強(qiáng)度很大， 這時的材料才具有壓電特性。3新型壓電材料新型壓電材料主要有有機(jī)壓電薄膜和壓電半導(dǎo)體等。4等效電路由壓電元件的工作原理可知，壓電式傳感器可以看作一個電荷發(fā)生器。同時，它也是一個電容器， 晶體上聚集正負(fù)電荷的兩表面相當(dāng)于電容的兩個極板， 極板間物質(zhì)等效于一種介質(zhì)，則其電容量為Ca式中：A壓電片的面積；r0 Add壓電片的厚度； r 壓電材料的相對介電常數(shù)。因此，壓電傳感

18、器可以等效為一個與電容相串聯(lián)的電壓源。如圖（ a）所示，電容器上的電壓 Ua、電荷量 q 和電容量 Ca 三者關(guān)系為U aqCa壓電傳感器也可以等效為一個電荷源。如圖（b）所示。CauaqC a(a)(b)壓電元件的等效電路（ a）電壓源（ b）電荷源壓電傳感器在實(shí)際使用時總要與測量儀器或測量電路相連接，因此還需考慮連接電纜的等效電容 Cc，放大器的輸入電阻 Ri , 輸入電容 Ci 以及壓電傳感器的泄漏電阻 Ra。這樣，壓電傳感器在測量系統(tǒng)中的實(shí)際等效電路，如圖所示。C aUaR aCcR iCiqCeRaC cRiC i(a)(b)壓電傳感器的實(shí)際等效電路（ a） 電壓源（ b）電荷源壓電

19、傳感器本身的內(nèi)阻抗很高，而輸出能量較小，因此它的測量電路通常需要接入一個高輸入阻抗前置放大器。其作用為： 一是把它的高輸出阻抗變換為低輸出阻抗；二是放大傳不得用于商業(yè)用途僅供個人參考感器輸出的微弱信號。 壓電傳感器的輸出可以是電壓信號， 也可以是電荷信號， 因此前置放大器也有兩種形式：電壓放大器和電荷放大器。1. 電壓放大器（阻抗變換器）下圖（ a）、 (b ）是電壓放大器電路原理圖及其等效電路。在圖（ b）中，電阻 R=RaRi/(Ra+Ri) ，電容 C=Cc+Ci，而 ua=q/Ca ，若壓電元件受正弦力 f=Fm sin t 的作用，則其電壓為U adFm sin t U m sint

20、CaUm=dFm/Ca；式中： Um壓電元件輸出電壓幅值，d壓電系數(shù)。C aCaAuaReC eRiC iuou aRCu i(a)(b)（ a） 放大器電路（ b） 等效電路2電荷放大器常作為壓電傳感器的輸入電路，由一個反饋電容Cf 和高增益運(yùn)算放大器構(gòu)成。由于運(yùn)算放大器輸入阻抗極高，放大器輸入端幾乎沒有分流，故可略去Ra 和 Ri 并聯(lián)電阻。quoudC f式中 ： uo 放大器輸出電壓；ucf反饋電容兩端電壓。CrAqC au oC eCi電荷放大器等效電路1主要由石英晶片、絕緣套、電極、上蓋及基座等組成。2不得用于商業(yè)用途僅供個人參考主要由壓電元件、質(zhì)量塊、預(yù)壓彈簧、基座及外殼等組成。

21、整個部件裝在外殼內(nèi)，并由螺栓加以固定。3.5 霍爾傳感器霍爾傳感器是一種磁電式傳感器。它是利用霍爾元件基于霍爾效應(yīng)原理而將被測量轉(zhuǎn)換成電動勢輸出的一種傳感器。由于霍爾元件在靜止?fàn)顟B(tài)下，具有感受磁場的獨(dú)特能力，并且具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、噪聲小、頻率范圍寬 ( 從直流到微波 ) 、動態(tài)范圍大 ( 輸出電勢變化范圍可達(dá) 1000:1) 、壽命長等特點(diǎn)，因此獲得了廣泛應(yīng)用。例如，在測量技術(shù)中用于將位移、力、加速度等量轉(zhuǎn)換為電量的傳感器；在計(jì)算技術(shù)中用于作加、減、乘、除、開方、乘方以及微積分等運(yùn)算的運(yùn)算器等。霍爾元件賴以工作的物理基礎(chǔ)是霍爾效應(yīng)。1霍爾效應(yīng)半導(dǎo)體薄片置于磁感應(yīng)強(qiáng)度為B 的磁場中，磁場方向

22、垂直于薄片，當(dāng)有電流I 流過薄片時，在垂直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生電動勢E ，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。H流入激勵電流端的電流I 越大、作用在薄片上的磁場強(qiáng)度B 越強(qiáng)，霍爾電勢也就越高。霍爾電勢 EH 可表示為： EH =KH IBkH 為靈敏度系數(shù)，與載流材料的物理性質(zhì)和幾何尺寸有關(guān)，表示在單位磁感應(yīng)強(qiáng)度和單位控制電流時的霍爾電勢的大小。2霍爾元件的結(jié)構(gòu)及特性霍爾元件是一種四端元件。 比較常用的霍爾元件有三種結(jié)構(gòu)： 單端引出線型、 臥式型和雙端引出線型。3.5.3集成霍爾電路霍爾集成電路可分為線性型和開關(guān)型兩大類。1線性型霍爾集成電路是將霍爾元件和恒流源、線性差動放大器等做在一個芯片上，輸出電

23、壓為伏級，比直接使用霍爾元件方便得多。較典型的線性型霍爾器件如UGN3501等。2開關(guān)型霍爾集成電路是將霍爾元件、穩(wěn)壓電路、放大器、施密特觸發(fā)器、OC門（集電極開路輸出門）等電路做在同一個芯片上。當(dāng)外加磁場強(qiáng)度超過規(guī)定的工作點(diǎn)時，OC門由高阻態(tài)變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)，輸出變?yōu)榈碗娖?；?dāng)外加磁場強(qiáng)度低于釋放點(diǎn)時，OC門重新變?yōu)楦咦钁B(tài)，輸出高電平。較典型的開關(guān)型霍爾器件如UGN3020等。3.5.4霍爾傳感器的應(yīng)用霍爾電勢是關(guān)于I 、 B、三個變量的函數(shù)，即EH=KHIB cos。利用這個關(guān)系可以使其中兩個量不變， 將第三個量作為變量，或者固定其中一個量，其余兩個量都作為變量。這使得霍爾傳感器有許多用途。1

24、電流的測量2位移的測量3角位移及轉(zhuǎn)速的測量4運(yùn)動位置的測量另外還有霍爾特斯拉計(jì)（高斯計(jì)） 、霍爾傳感器用于測量磁場強(qiáng)度、霍爾轉(zhuǎn)速表、霍爾式接近開關(guān)等。3.6 熱敏傳感器熱敏傳感器主要有熱電式和熱電阻式。不得用于商業(yè)用途僅供個人參考熱電偶作為溫度傳感器，測得與溫度相應(yīng)的熱電動勢，由儀表顯示出溫度值。它廣泛用來測量 -200 1300范圍內(nèi)的溫度，特殊情況下，可測至 2800的高溫或 4K 的低溫。它具有結(jié)構(gòu)簡單， 價格便宜，準(zhǔn)確度高，測溫范圍廣等特點(diǎn)。由于熱電偶將溫度轉(zhuǎn)化成電量進(jìn)行檢測，使溫度的測量、控制、以及對溫度信號的放大，變換都很方便，適用于遠(yuǎn)距離測量和自動控制。1熱電偶工作原理熱電效應(yīng)：

25、兩種不同材料的導(dǎo)體（或半導(dǎo)體）組成一個閉合回路，當(dāng)兩接點(diǎn)溫度T 和T0 不同時，則在該回路中就會產(chǎn)生電動勢的現(xiàn)象。由兩種導(dǎo)體的組合并將溫度轉(zhuǎn)化為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（珀?duì)栙N電勢） 和單一導(dǎo)體的溫差電勢（湯姆遜電勢）所組成。熱電動勢的大小與兩種導(dǎo)體材料的性質(zhì)及接點(diǎn)溫度有關(guān)。接觸電動勢 : 由于兩種不同導(dǎo)體的自由電子密度不同而在接觸處形成的電動勢。溫差電動勢 : 同一導(dǎo)體的兩端因其溫度不同而產(chǎn)生的一種電動勢。導(dǎo)體內(nèi)部的電子密度是不同的，當(dāng)兩種電子密度不同的導(dǎo)體A 與 B 接觸時，接觸面上就會發(fā)生電子擴(kuò)散， 電子從電子密度高的導(dǎo)體流向密度低的導(dǎo)體。電子擴(kuò)散的速率

26、與兩導(dǎo)體的電子密度有關(guān)并和接觸區(qū)的溫度成正比。設(shè)導(dǎo)體A 和 B 的自由電子密度為NA和 NB，且 NANB，電子擴(kuò)散的結(jié)果使導(dǎo)體 A 失去電子而帶正電， 導(dǎo)體 B 則獲得電子而帶負(fù)電， 在接觸面形成電場。這個電場阻礙了電子的擴(kuò)散，達(dá)到動平衡時，在接觸區(qū)形成一個穩(wěn)定的電位差，即接觸電勢，其大小為式中， k玻耳茲曼常數(shù)，k=1.38 × 10-23J/K ；e電子電荷量，e 1.6 × 10-19 C ；T接觸處的溫度，K；NA， NB分別為導(dǎo)體A 和 B 的自由電子密度。因?qū)w兩端溫度不同而產(chǎn)生的電動勢稱為溫差電勢。由于溫度梯度的存在，改變了電子的能量分布，高溫（ T）端電子

27、將向低溫端（ T0）擴(kuò)散，致使高溫端因失去電子帶正電，低溫端因獲電子而帶負(fù)電。 因而在同一導(dǎo)體兩端也產(chǎn)生電位差， 并阻止電子從高溫端向低溫端擴(kuò)散， 于是電子擴(kuò)散形成動平衡，此時所建立的電位差稱為溫差電勢即湯姆遜電勢，它與溫度的關(guān)系為式中 為湯姆遜系數(shù)，表示溫差 1所產(chǎn)生的電動勢值，其大小與材料性質(zhì)及兩端的溫度有關(guān)。導(dǎo)體 A 和 B 組成的熱電偶閉合電路在兩個接點(diǎn)處有兩個接觸電勢eAB(T) 與 eAB(T0) ，又因?yàn)?T T0，在導(dǎo)體 A 和 B 中還各有一個溫差電勢。 所以閉合回路總熱電動勢 EAB(T,T0) 應(yīng)為接觸電動勢和溫差電勢的代數(shù)和，即：對于已選定的熱電偶， 當(dāng)參考溫度恒定時，

28、 總熱電動勢就變成測量端溫度T 的單值函數(shù)，即 EAB( ,T0)=f(T) 。這就是熱電偶測量溫度的基本原理。在實(shí)際測溫時，必須在熱電偶閉合回路中引入連接導(dǎo)線和儀表。2熱電偶基本定律（ 1）中間導(dǎo)體定律不得用于商業(yè)用途僅供個人參考在熱電偶回路中接入第三種材料的導(dǎo)體，只要其兩端的溫度相等，該導(dǎo)體的接入就不會影響熱電偶回路的總熱電動勢。根據(jù)這一定則， 可以將熱電偶的一個接點(diǎn)斷開接入第三種導(dǎo)體，也可以將熱電偶的一種導(dǎo)體斷開接入第三種導(dǎo)體，只要每一種導(dǎo)體的兩端溫度相同，均不影響回路的總熱電動勢。在實(shí)際測溫電路中，必須有連接導(dǎo)線和顯示儀器，若把連接導(dǎo)線和顯示儀器看成第三種導(dǎo)體，只要他們的兩端溫度相同，

29、則不影響總熱電動勢。（ 2）中間溫度定律在熱電偶測溫回路中，t c 為熱電極上某一點(diǎn)的溫度，熱電偶AB在接點(diǎn)溫度為t 、t 0 時的熱電勢 eAB( t, t 0) 等于熱電偶 AB在接點(diǎn)溫度 t 、tc 和 tc 、t 0 時的熱電勢 eAB( t, t c) 和 eAB( tc , t 0) 的代數(shù)和，即eAB( t,t0)= eAB( t,tc)+ eAB( tc , t 0)（ 3）標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)體（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)生的熱電動勢已知，則由這兩種導(dǎo)體組成的熱電偶所產(chǎn)生的熱電動勢也就已知，這個定律就稱為標(biāo)準(zhǔn)電極定律。（ 4）均質(zhì)導(dǎo)體定律由一種均質(zhì)導(dǎo)體組成的閉合

30、回路， 不論導(dǎo)體的橫截面積， 長度以及溫度分布如何均不產(chǎn)生熱電動勢。 如果熱電偶的兩根熱電極由兩種均質(zhì)導(dǎo)體組成，那么，熱電偶的熱電動勢僅與兩接點(diǎn)的溫度有關(guān)， 與熱電偶的溫度分布無關(guān)； 如果熱電極為非均質(zhì)電極， 并處于具有溫度梯度的溫場時， 將產(chǎn)生附加電勢， 如果僅從熱電偶的熱電動勢大小來判斷溫度的高低就會引起誤差。3熱電偶的材料與結(jié)構(gòu)（ 1）熱電偶的材料。適于制作熱電偶的材料有300 多種，其中廣泛應(yīng)用的有4050 種。國際電工委員會向世界各國推薦8 種熱電偶作為標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶，我國標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶也有8 種。分別是：鉑銠10-鉑( 分度號為 S) 、鉑銠 13- 鉑 (R) 、鉑銠 30- 鉑銠

31、6(B) 、鎳鉻 - 鎳硅 (K) 、鎳鉻 - 康銅 (E) 、鐵 -康銅 (J) 、銅 - 康銅 (T) 和鎳鉻硅 - 鎳硅 (N) 。（ 2）熱電偶的結(jié)構(gòu)普通型熱電偶：主要用于測量氣體、蒸氣和液體等介質(zhì)的溫度。鎧裝熱電偶：由金屬保護(hù)套管、絕緣材料和熱電極三者組合成一體的特殊結(jié)構(gòu)的熱電偶。薄膜熱電偶：用真空蒸鍍的方法，把熱電極材料蒸鍍在絕緣基板上而制成。測量端既小又薄，厚度約為幾個微米左右，熱容量小，響應(yīng)速度快，便于敷貼。4熱電偶冷端的溫度補(bǔ)償根據(jù)熱電偶測溫原理，只有當(dāng)熱電偶的參考端的溫度保持不變時，熱電動勢才是被測溫度的單值函數(shù)。我們經(jīng)常使用的分度表及顯示儀表，都是以熱電偶參考端的溫度為0

32、為先決條件的。 但是在實(shí)際使用中，因熱電偶長度受到一定限制，參考端溫度直接受到被測介質(zhì)與環(huán)境溫度的影響，不僅難于保持0，而且往往是波動的，無法進(jìn)行參考端溫度修正。因此，要使變化很大的參考端溫度恒定下來，通常采用以下方法：（ 1） 0恒溫法（ 2）冷端溫度修正法（ 3）補(bǔ)償導(dǎo)線法5熱電偶測溫線路1熱電阻不得用于商業(yè)用途僅供個人參考溫度升高， 金屬內(nèi)部原子晶格的振動加劇，從而使金屬內(nèi)部的自由電子通過金屬導(dǎo)體時的阻礙增大，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相同。電阻溫度計(jì)是利用導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻值隨溫度的變化來測量溫度的元件，它由熱電阻體（感溫元件）

33、，連接導(dǎo)線和顯示或紀(jì)錄儀表構(gòu)成。習(xí)慣上將用作標(biāo)準(zhǔn)的熱電阻體稱為標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)， 而將工作用的熱電阻體直接稱為熱電阻。他們廣泛用來測量-200850 范圍內(nèi)的溫度，少數(shù)情況下，低溫可至1K，高溫可達(dá)1000。在常用的電阻溫度計(jì)中，標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)的準(zhǔn)確度最高，并作為國際溫標(biāo)中961.78 以下內(nèi)插用標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)。同熱電偶相比，具有準(zhǔn)確度高，輸出信號大，靈敏度高，測溫范圍廣，穩(wěn)定性好, 輸出線性好等特性；但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，尺寸較大，因此熱相應(yīng)時間長，不適于測量體積狹小和溫度瞬變區(qū)域。熱電阻按感溫元件的材質(zhì)分金屬與半導(dǎo)體兩類。金屬導(dǎo)體有鉑、銅、鎳、銠鐵及鉑鈷合金等，在工業(yè)生產(chǎn)中大量使用的有鉑、銅兩種熱電阻；半導(dǎo)體有鍺、碳和熱敏電阻等。按準(zhǔn)確度等級分為標(biāo)準(zhǔn)電阻溫度計(jì)和工業(yè)熱電阻。按結(jié)構(gòu)分為薄膜型和鎧裝型等。(1) 鉑熱電阻鉑的物理化學(xué)性能極為穩(wěn)定，并有良好的工藝性。以鉑作為感溫元件具有示值穩(wěn)定，測量準(zhǔn)確度高等優(yōu)點(diǎn)，其使用范圍是 200 850。除作為溫度標(biāo)準(zhǔn)外，還