第三章傳感器2

1、二二 電容式傳感器電容式傳感器 第三章第三章 信號的獲取信號的獲取3.2 參數(shù)型傳感器二、電容式傳感器二、電容式傳感器 1 1、電容式傳感器變換原理電容式傳感器變換原理 電容式傳感器是將被測量（如尺寸、壓力等）的電容式傳感器是將被測量（如尺寸、壓力等）的變化轉(zhuǎn)換成電容變化量的一種傳感器。實(shí)際上變化轉(zhuǎn)換成電容變化量的一種傳感器。實(shí)際上, ,它本身它本身（或和被測物）就是一個(gè)可變電容器。（或和被測物）就是一個(gè)可變電容器。 。極板之間的距離極板之間的距離；，極板的相互覆蓋面積極板的相互覆蓋面積；空氣中，空氣中，介質(zhì)的介電常數(shù)，在介質(zhì)的介電常數(shù)，在；真空介電常數(shù)，真空介電常數(shù)，式中：式中：mmAmFA

2、C,1/10854. 8212000 上式表明，當(dāng)被測量上式表明，當(dāng)被測量、A A或或發(fā)生變化時(shí)，都會引起發(fā)生變化時(shí)，都會引起電容的變化。根據(jù)電容器參數(shù)變化的特性，電容式傳感器電容的變化。根據(jù)電容器參數(shù)變化的特性，電容式傳感器可分為可分為極距變化型、面積變化型和介質(zhì)變化型極距變化型、面積變化型和介質(zhì)變化型三種，其中三種，其中極距變化型和面積變化型應(yīng)用較廣。極距變化型和面積變化型應(yīng)用較廣。 + A a)a)極距極距變化型變化型+AC0+二、電容式傳感器二、電容式傳感器 駐極體電容傳聲器駐極體電容傳聲器 它采用聚四氟乙烯材料作為振動膜片。這種材它采用聚四氟乙烯材料作為振動膜片。這種材料經(jīng)特殊電處理

3、后，表面永久地駐有極化電荷，取料經(jīng)特殊電處理后，表面永久地駐有極化電荷，取代了電容傳聲器極板，故名為駐極體電容傳聲器。代了電容傳聲器極板，故名為駐極體電容傳聲器。特點(diǎn)是體積小、性能優(yōu)越、使用方便。特點(diǎn)是體積小、性能優(yōu)越、使用方便。 二、電容式傳感器二、電容式傳感器 b)b)面積變化型面積變化型AC0角位移型角位移型+二、電容式傳感器二、電容式傳感器 22220202rSrCrA 靈敏度為：靈敏度為：AC0平面線位移型平面線位移型二、電容式傳感器二、電容式傳感器 柱面線位移型柱面線位移型. .AC0 面積變化型優(yōu)點(diǎn)是輸入輸出成線性關(guān)系，與極距面積變化型優(yōu)點(diǎn)是輸入輸出成線性關(guān)系，與極距變化型相比靈

4、敏度較低，適用于較大直線位移或角位變化型相比靈敏度較低，適用于較大直線位移或角位移測量。移測量。二、電容式傳感器二、電容式傳感器 產(chǎn)品產(chǎn)品. .陶瓷電容壓力傳感器陶瓷電容壓力傳感器 液體壓力液體壓力作用在陶作用在陶瓷膜片的瓷膜片的表面，使表面，使膜片產(chǎn)生膜片產(chǎn)生 位移。位移。 壓力變送器壓力變送器二、電容式傳感器二、電容式傳感器 c) c) 介質(zhì)變化型介質(zhì)變化型AC0二、電容式傳感器二、電容式傳感器 產(chǎn)品產(chǎn)品. .電容式液位傳感器（液位計(jì)電容式液位傳感器（液位計(jì)/ /料位計(jì)）料位計(jì)）二、電容式傳感器二、電容式傳感器 電容式接近開關(guān)電容式接近開關(guān)振蕩電路振蕩電路被測物體被測物體 感應(yīng)電極感應(yīng)電極

5、被測電容被測電容測量頭構(gòu)成電容器的一個(gè)極板，測量頭構(gòu)成電容器的一個(gè)極板，另一個(gè)極板是物體本身，當(dāng)物體另一個(gè)極板是物體本身，當(dāng)物體移向接近開關(guān)時(shí)，物體和接近開移向接近開關(guān)時(shí)，物體和接近開關(guān)的介電常數(shù)發(fā)生變化，使得和關(guān)的介電常數(shù)發(fā)生變化，使得和測量頭相連的電路狀態(tài)也隨之發(fā)測量頭相連的電路狀態(tài)也隨之發(fā)生變化生變化. .接近開關(guān)的檢測物體，接近開關(guān)的檢測物體，并不限于金屬導(dǎo)體，也可以是絕并不限于金屬導(dǎo)體，也可以是絕緣的液體或粉狀物體。緣的液體或粉狀物體。二、電容式傳感器二、電容式傳感器 三、電容式傳感器三、電容式傳感器 3 3 測量電路測量電路a)a)電橋電路電橋電路 三、電容式傳感器三、電容式傳感器

6、 將電容傳感器作為橋路的一部分，由電容變化將電容傳感器作為橋路的一部分，由電容變化轉(zhuǎn)換為電橋的電壓輸出，通常采用電阻、電容轉(zhuǎn)換為電橋的電壓輸出，通常采用電阻、電容或電感、電容組成的交流電橋或電感、電容組成的交流電橋b) b) 諧振電路諧振電路 LCf210三、電容式傳感器三、電容式傳感器 c) c) 直流極化電路（又稱靜壓電容傳感器電路）直流極化電路（又稱靜壓電容傳感器電路） 彈性膜片在外力（氣壓、液壓等）作用下發(fā)生位移，使電容彈性膜片在外力（氣壓、液壓等）作用下發(fā)生位移，使電容量發(fā)生變化。電容器接于具有直流極化電壓量發(fā)生變化。電容器接于具有直流極化電壓E E0 0 的電路中，的電路中，電容的

7、變化由高阻值電阻電容的變化由高阻值電阻R R轉(zhuǎn)化為電壓變化。轉(zhuǎn)化為電壓變化。三、電容式傳感器三、電容式傳感器 顯然，輸出電壓顯然，輸出電壓與膜片位移速度與膜片位移速度成正比，則可測成正比，則可測量氣流（或液流）量氣流（或液流）的振動速度，進(jìn)的振動速度，進(jìn)而得到壓力而得到壓力。d) d) 調(diào)頻電路調(diào)頻電路 傳感器電容是振蕩器諧振回路的一部分，當(dāng)輸入傳感器電容是振蕩器諧振回路的一部分，當(dāng)輸入量使傳感器電容量發(fā)生變化時(shí)，振蕩器的震蕩頻率量使傳感器電容量發(fā)生變化時(shí)，振蕩器的震蕩頻率發(fā)生變化，頻率的變化經(jīng)過鑒頻電路變?yōu)殡妷鹤兓?，發(fā)生變化，頻率的變化經(jīng)過鑒頻電路變?yōu)殡妷鹤兓?，再?jīng)過放大后由記錄器或顯示儀表

8、指示。再經(jīng)過放大后由記錄器或顯示儀表指示。 三、電容式傳感器三、電容式傳感器 e) e) 運(yùn)算放大電路運(yùn)算放大電路 極距變化型電容傳感器的極距變化與電容變化量極距變化型電容傳感器的極距變化與電容變化量成非線性關(guān)系，導(dǎo)致電容傳感器的應(yīng)用受到一定限成非線性關(guān)系，導(dǎo)致電容傳感器的應(yīng)用受到一定限制。為此采用比例運(yùn)算放大器電路可得到輸出電壓制。為此采用比例運(yùn)算放大器電路可得到輸出電壓與位移量的線性關(guān)系。與位移量的線性關(guān)系。三、電容式傳感器三、電容式傳感器 電感式傳感器是基于電磁感應(yīng)原理，它是把被電感式傳感器是基于電磁感應(yīng)原理，它是把被測量轉(zhuǎn)化為電感量的一種裝置。測量轉(zhuǎn)化為電感量的一種裝置。分類分類: :

9、電感式傳感器電感式傳感器自感型自感型可變磁阻型可變磁阻型渦流式渦流式互感型互感型四、電感式傳感器四、電感式傳感器 差動變壓器式電感傳感器差動變壓器式電感傳感器四、電感式傳感器四、電感式傳感器 1 1、自感型、自感型可變磁阻式可變磁阻式 可變磁阻式傳感器的結(jié)構(gòu)原理如圖所可變磁阻式傳感器的結(jié)構(gòu)原理如圖所示，它由線圈示，它由線圈1 1、鐵芯、鐵芯2 2及銜鐵及銜鐵3 3組成。鐵芯組成。鐵芯和銜鐵由導(dǎo)磁材料制成和銜鐵由導(dǎo)磁材料制成, , 在鐵芯和銜鐵之在鐵芯和銜鐵之間有氣隙間有氣隙, , 氣隙厚度為氣隙厚度為, , 傳感器的運(yùn)動傳感器的運(yùn)動部分與銜鐵相連。當(dāng)銜鐵移動時(shí)部分與銜鐵相連。當(dāng)銜鐵移動時(shí), ,

10、 氣隙厚氣隙厚度度發(fā)生改變發(fā)生改變, , 引起磁路中磁阻變化引起磁路中磁阻變化, , 從從而導(dǎo)致電感線圈的電感值變化而導(dǎo)致電感線圈的電感值變化, , 因此只要因此只要能測出這種電感量的變化能測出這種電感量的變化, , 就能確定銜鐵就能確定銜鐵位移量的大小和方向。位移量的大小和方向。 2022年4月15日星期五四、電感式傳感器四、電感式傳感器 1 1、自感型、自感型可變磁阻式可變磁阻式 2022年4月15日星期五根據(jù)電感定義根據(jù)電感定義, , 線圈中電感量可由下式確定線圈中電感量可由下式確定: : L=L= 式中：式中： 線圈總磁通；線圈總磁通； I I通過線圈的電流通過線圈的電流; ; 線圈的

11、匝數(shù)線圈的匝數(shù); ; 穿過線圈的磁通。穿過線圈的磁通。由磁路歐姆定律由磁路歐姆定律, , 得：得：式中式中: Rm: Rm磁路總磁阻磁路總磁阻ININmRIN四、電感式傳感器四、電感式傳感器 1 1、自感型、自感型可變磁阻式可變磁阻式 對于變隙式傳感器對于變隙式傳感器, , 因?yàn)闅庀逗苄∫驗(yàn)闅庀逗苄? , 所以可以認(rèn)為氣隙中的磁所以可以認(rèn)為氣隙中的磁場是均勻的。若忽略磁路磁損場是均勻的。若忽略磁路磁損, , 則磁路總磁阻為則磁路總磁阻為 RmRm= = 式中式中: : 鐵芯與銜鐵的導(dǎo)磁率鐵芯與銜鐵的導(dǎo)磁率; ; L L鐵芯與銜鐵的導(dǎo)磁長度鐵芯與銜鐵的導(dǎo)磁長度; ; A A鐵芯與銜鐵的導(dǎo)磁面積鐵

12、芯與銜鐵的導(dǎo)磁面積; ; 0 0空氣的導(dǎo)磁率空氣的導(dǎo)磁率; ; A0 A0 氣隙導(dǎo)磁橫截面積氣隙導(dǎo)磁橫截面積 氣隙的寬度氣隙的寬度002AAL四、電感式傳感器四、電感式傳感器 1 1、自感型、自感型可變磁阻式可變磁阻式 2022年4月15日星期五因?yàn)橐驗(yàn)?， 故磁路總磁阻可近似為故磁路總磁阻可近似為 Rm Rm 即即上式表明上式表明, , 當(dāng)線圈匝數(shù)為常數(shù)時(shí)當(dāng)線圈匝數(shù)為常數(shù)時(shí), , 電感電感L L僅僅是磁路中磁僅僅是磁路中磁阻阻RmRm的函數(shù)的函數(shù), , 只要改變只要改變或或A0A0均可導(dǎo)致電感變化均可導(dǎo)致電感變化, , 因此變磁阻因此變磁阻式傳感器又可分為變氣隙厚度式傳感器又可分為變氣隙厚度

13、的傳感器和變氣隙面積的傳感器和變氣隙面積A0A0的傳的傳感器。使用最廣泛的是變氣隙厚度感器。使用最廣泛的是變氣隙厚度式電感傳感器。式電感傳感器。0002Au2002ANL 成正比。成正比。積積成反比，而與導(dǎo)磁截面成反比，而與導(dǎo)磁截面與氣隙與氣隙結(jié)論：自感量結(jié)論：自感量0AL 1 1 自感型自感型-可變磁阻式可變磁阻式可變導(dǎo)磁面積型可變導(dǎo)磁面積型四、電感式傳感器四、電感式傳感器 2002ANL 原理原理: :電磁感應(yīng)電磁感應(yīng)。0.1一般取），范圍是（的變化線性誤差，若不是常數(shù)，為了減小2：此時(shí)傳感器的靈敏度為成反比，與時(shí)，變化當(dāng)固定)1(00020020SANSLA1 1 自感型自感型-可變磁阻

14、式可變磁阻式四、電感式傳感器四、電感式傳感器 圖圖4 48 8所示是變隙電感式壓力所示是變隙電感式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)圖。傳感器的結(jié)構(gòu)圖。 它由膜盒、它由膜盒、 鐵鐵芯、芯、 銜鐵及線圈等組成銜鐵及線圈等組成, , 銜鐵與銜鐵與膜盒的上端連在一起。膜盒的上端連在一起。 當(dāng)壓力進(jìn)入膜盒時(shí)當(dāng)壓力進(jìn)入膜盒時(shí), , 膜盒頂端膜盒頂端在壓力在壓力P P的作用下產(chǎn)生與壓力的作用下產(chǎn)生與壓力P P大小大小成正比的位移。于是銜鐵也發(fā)生移成正比的位移。于是銜鐵也發(fā)生移動動, , 從而使氣隙發(fā)生變化從而使氣隙發(fā)生變化, , 流過線流過線圈的電流也發(fā)生相應(yīng)的變化圈的電流也發(fā)生相應(yīng)的變化, , 電流電流表指示值就反映了被

15、測壓力的大小。表指示值就反映了被測壓力的大小。1 1 自感型自感型-可變磁阻式可變磁阻式四、電感式傳感器四、電感式傳感器 2：此時(shí)傳感器的靈敏度為成正比，與時(shí)，變化當(dāng)固定)2(0200NSALA1 1 自感型自感型-可變磁阻式可變磁阻式四、電感式傳感器四、電感式傳感器 四、電感式傳感器四、電感式傳感器二、自感型二、自感型 1 1、可變磁阻式、可變磁阻式 常用可變磁阻式傳感器的典型結(jié)構(gòu)有常用可變磁阻式傳感器的典型結(jié)構(gòu)有: :可變導(dǎo)磁面積型、可變導(dǎo)磁面積型、差動型、單螺管線圈型、雙螺管線圈差動型差動型、單螺管線圈型、雙螺管線圈差動型。雙螺管線圈。雙螺管線圈差動型，較之單螺管線圈型有較高靈敏度及線性

16、，被用于差動型，較之單螺管線圈型有較高靈敏度及線性，被用于電感測微計(jì)上，其測量范圍為電感測微計(jì)上，其測量范圍為0 0300m300m，最小分辨力為，最小分辨力為0.5m0.5m。這種傳感器的線圈接于電橋上，構(gòu)成兩個(gè)橋臂，。這種傳感器的線圈接于電橋上，構(gòu)成兩個(gè)橋臂，線圈電感線圈電感L L1 1、L L2 2 隨鐵芯位移而變化，其輸出特性如下圖所隨鐵芯位移而變化，其輸出特性如下圖所示。示。 圖圖4 49 9所示為變隙式差動電感所示為變隙式差動電感壓力傳感器。它由壓力傳感器。它由C C形彈簧管、形彈簧管、銜鐵、鐵芯和線圈等組成。銜鐵、鐵芯和線圈等組成。 當(dāng)被測壓力進(jìn)入當(dāng)被測壓力進(jìn)入C C形彈簧管形彈

17、簧管時(shí)時(shí),C,C形彈簧管產(chǎn)生變形形彈簧管產(chǎn)生變形, , 其自其自由端發(fā)生位移由端發(fā)生位移, , 帶動與自由端帶動與自由端連接成一體的銜鐵運(yùn)動連接成一體的銜鐵運(yùn)動, , 使線使線圈圈1 1和線圈和線圈2 2中的電感發(fā)生大小中的電感發(fā)生大小相等、符號相反的變化相等、符號相反的變化, ,即一個(gè)即一個(gè)電感量增大電感量增大, ,另一個(gè)電感量減小。另一個(gè)電感量減小。電感的這種變化通過電橋電路轉(zhuǎn)換成電壓輸出。由于輸出電壓與電感的這種變化通過電橋電路轉(zhuǎn)換成電壓輸出。由于輸出電壓與被測壓力之間成比例關(guān)系被測壓力之間成比例關(guān)系, , 所以只要用檢測儀表測量出輸出電壓所以只要用檢測儀表測量出輸出電壓, , 即可得知

18、被測壓力的大小即可得知被測壓力的大小1 1 自感型自感型-可變磁阻式可變磁阻式四、電感式傳感器四、電感式傳感器 渦電流式傳感器的變換原理是利用金屬導(dǎo)體在交流磁場中渦電流式傳感器的變換原理是利用金屬導(dǎo)體在交流磁場中的的渦電流效應(yīng)渦電流效應(yīng)。2 2 渦流式渦流式四、電感式傳感器四、電感式傳感器 線圈自感量線圈自感量L L的大小與金屬板的電阻率的大小與金屬板的電阻率、磁導(dǎo)率、磁導(dǎo)率、厚度、厚度h h、金屬板與線圈的距離、金屬板與線圈的距離、激勵(lì)電流角頻率、激勵(lì)電流角頻率等參數(shù)有關(guān)。等參數(shù)有關(guān)。若改變其中的某兩項(xiàng)參數(shù)，而固定其它參數(shù)不變，就可根若改變其中的某兩項(xiàng)參數(shù)，而固定其它參數(shù)不變，就可根據(jù)渦流的

19、變化測量該參數(shù)。據(jù)渦流的變化測量該參數(shù)。 渦電流式電感傳感器主要用于位移、振動、轉(zhuǎn)速、距渦電流式電感傳感器主要用于位移、振動、轉(zhuǎn)速、距離、厚度等參數(shù)的測量。下圖是用渦流式傳感器測厚和用離、厚度等參數(shù)的測量。下圖是用渦流式傳感器測厚和用渦流式傳感器進(jìn)行零件計(jì)數(shù)的例子。渦流式傳感器進(jìn)行零件計(jì)數(shù)的例子。 ),( hfL 2 2 渦流式渦流式四、電感式傳感器四、電感式傳感器 原線圈的等效阻抗原線圈的等效阻抗Z Z變化：變化：),(ZZ 四、電感式傳感器四、電感式傳感器 四、電感式傳感器四、電感式傳感器 案例：無損探傷案例：無損探傷原理裂紋檢測，缺陷造成渦流變化。油管檢測油管檢測四、電感式傳感器四、電感

20、式傳感器 2 2 互感型互感型-差動變壓器差動變壓器四、電感式傳感器四、電感式傳感器 1 1、把被測的非電量變化轉(zhuǎn)換為線圈互感量變化的傳感器稱、把被測的非電量變化轉(zhuǎn)換為線圈互感量變化的傳感器稱為為互感式傳感器互感式傳感器。2 2、這種傳感器是根據(jù)變壓器的基本原理制成的、這種傳感器是根據(jù)變壓器的基本原理制成的, , 并且次級并且次級繞組都用差動形式連接繞組都用差動形式連接, , 故稱故稱差動變壓器式傳感器差動變壓器式傳感器。3 3、差動變壓器結(jié)構(gòu)形式較多、差動變壓器結(jié)構(gòu)形式較多, , 有有變隙式、變隙式、 變面積式和螺線變面積式和螺線管式管式等等, , 但其工作原理基本一樣。非電量測量中但其工作

21、原理基本一樣。非電量測量中, , 應(yīng)用最多應(yīng)用最多的是螺線管式差動變壓器的是螺線管式差動變壓器, , 它可以測量它可以測量1 1100mm100mm范圍內(nèi)的機(jī)范圍內(nèi)的機(jī)械位移械位移, , 并具有測量精度高并具有測量精度高, , 靈敏度高靈敏度高, , 結(jié)構(gòu)簡單結(jié)構(gòu)簡單, , 性能可性能可靠等優(yōu)點(diǎn)靠等優(yōu)點(diǎn) 互感型電感式傳感器是利用互感互感型電感式傳感器是利用互感M M 的變化來反映被測量的變化來反映被測量的變化。其實(shí)質(zhì)是一個(gè)輸出電壓可變的變壓器。當(dāng)變壓器的變化。其實(shí)質(zhì)是一個(gè)輸出電壓可變的變壓器。當(dāng)變壓器初級線圈初級線圈W W 輸入穩(wěn)定交流電壓輸入穩(wěn)定交流電壓i i后，次級線圈后，次級線圈W0便會

22、有感應(yīng)便會有感應(yīng)電壓電壓e e0 0輸出，該電壓隨被測量的變化而變化。輸出，該電壓隨被測量的變化而變化。 dtdiMe 0M比例系數(shù)，是互比例系數(shù)，是互感量，其大小與兩線圈感量，其大小與兩線圈的相對位置及周圍介質(zhì)的相對位置及周圍介質(zhì)的導(dǎo)磁能力等因素有關(guān)，的導(dǎo)磁能力等因素有關(guān)，它表征兩線圈之間的耦它表征兩線圈之間的耦合程度。合程度。 2 2 互感型互感型-差動變壓器差動變壓器四、電感式傳感器四、電感式傳感器 互感型傳感器常用的是差動變壓器式，其結(jié)構(gòu)形式多為螺互感型傳感器常用的是差動變壓器式，其結(jié)構(gòu)形式多為螺管形，主要由線圈、鐵芯和活動銜鐵三部分組成。線圈包管形，主要由線圈、鐵芯和活動銜鐵三部分組

23、成。線圈包括一個(gè)初級線圈和兩個(gè)反接的次級線圈，當(dāng)初級線圈輸入括一個(gè)初級線圈和兩個(gè)反接的次級線圈，當(dāng)初級線圈輸入交流激勵(lì)電壓時(shí)，次級線圈將產(chǎn)生感應(yīng)電動勢交流激勵(lì)電壓時(shí)，次級線圈將產(chǎn)生感應(yīng)電動勢e e1 1和和e e2 2。由。由于兩個(gè)次級線圈極性反接，因此，傳感器的輸出電壓為兩于兩個(gè)次級線圈極性反接，因此，傳感器的輸出電壓為兩者之差，即者之差，即e e0 0=e=e1 1-e-e2 2 。 2 2 互感型互感型-差動變壓器差動變壓器四、電感式傳感器四、電感式傳感器 差動變壓器式傳感器使用要注意的問題：差動變壓器式傳感器使用要注意的問題： (1)差動變壓器式傳感器輸出的電壓是交流量，其輸出差動變壓

24、器式傳感器輸出的電壓是交流量，其輸出值只能反應(yīng)鐵芯位移的大小，而不能反應(yīng)移動的方向；值只能反應(yīng)鐵芯位移的大小，而不能反應(yīng)移動的方向； (2)傳感器輸出電壓存在一定的零點(diǎn)殘余電壓，即使活傳感器輸出電壓存在一定的零點(diǎn)殘余電壓，即使活動銜鐵位于中間位置時(shí)，輸出也不為零，這是由于兩個(gè)次動銜鐵位于中間位置時(shí)，輸出也不為零，這是由于兩個(gè)次級線圈的結(jié)構(gòu)不對稱以及初級線圈銅損電阻、鐵磁材質(zhì)不級線圈的結(jié)構(gòu)不對稱以及初級線圈銅損電阻、鐵磁材質(zhì)不均勻、線圈間分布電容等原因所造成的。均勻、線圈間分布電容等原因所造成的。 解決方法解決方法：后接電路應(yīng)采用既能反應(yīng)鐵芯位移方向，：后接電路應(yīng)采用既能反應(yīng)鐵芯位移方向，又能補(bǔ)

25、償零點(diǎn)殘余電壓的又能補(bǔ)償零點(diǎn)殘余電壓的差動直流輸出電路差動直流輸出電路。 特點(diǎn)特點(diǎn)：差動變壓器式傳感器精度可高達(dá)：差動變壓器式傳感器精度可高達(dá)0.lm0.lm，線圈，線圈變化范圍可擴(kuò)大到變化范圍可擴(kuò)大到l00mml00mm，結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定性好，被廣泛，結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定性好，被廣泛應(yīng)用于直線位移測量及其它壓力、振動等參量的測量。應(yīng)用于直線位移測量及其它壓力、振動等參量的測量。 2 2 互感型互感型-差動變壓器差動變壓器四、電感式傳感器四、電感式傳感器 差動變壓器差動變壓器測量電路：測量電路：圖所示為一種用于小位移測量的差動相敏檢波電路工作原理。圖所示為一種用于小位移測量的差動相敏檢波電路工作原理。

26、在沒有輸入信號時(shí)，鐵心處于中間位置，調(diào)節(jié)電阻在沒有輸入信號時(shí)，鐵心處于中間位置，調(diào)節(jié)電阻R，使零點(diǎn)，使零點(diǎn)殘余電壓減??；當(dāng)有輸入信號時(shí)，鐵心移上或移下，器輸出電殘余電壓減?。划?dāng)有輸入信號時(shí)，鐵心移上或移下，器輸出電壓經(jīng)交流放大、相敏檢波、濾波后得到直流輸出，由表指示輸壓經(jīng)交流放大、相敏檢波、濾波后得到直流輸出，由表指示輸入位移量大小和方向。入位移量大小和方向。四、電感式傳感器四、電感式傳感器 差動變壓器位移傳感器差動變壓器位移傳感器四、電感式傳感器四、電感式傳感器 案例：案例：板的厚度測量板的厚度測量 四、電感式傳感器四、電感式傳感器 案例：案例：張力測量張力測量四、電感式傳感器四、電感式傳感

27、器 1 1、定義：、定義： 發(fā)電型傳感器是將被測物理量轉(zhuǎn)化為電源性發(fā)電型傳感器是將被測物理量轉(zhuǎn)化為電源性參量，如電勢、電荷等。參量，如電勢、電荷等。 發(fā)電型傳感器實(shí)際上是一種能量轉(zhuǎn)換元件發(fā)電型傳感器實(shí)際上是一種能量轉(zhuǎn)換元件。2 2、分類、分類 磁電型傳感器磁電型傳感器 壓電型傳感器壓電型傳感器 熱電型傳感器熱電型傳感器 光電型傳感器光電型傳感器4.3 發(fā)電型傳感器n磁電感應(yīng)式傳感器磁電感應(yīng)式傳感器又稱磁電式傳感器，又稱磁電式傳感器，n 是利用電磁感應(yīng)原理將被測量（如振動、位移、是利用電磁感應(yīng)原理將被測量（如振動、位移、轉(zhuǎn)速等）轉(zhuǎn)換成電信號的一種傳感器。它轉(zhuǎn)速等）轉(zhuǎn)換成電信號的一種傳感器。它不需

28、要輔不需要輔助電源助電源， 就能把被測對象的機(jī)械量轉(zhuǎn)換成易于測就能把被測對象的機(jī)械量轉(zhuǎn)換成易于測量的電信號，是一種量的電信號，是一種無源傳感器無源傳感器。 由于它輸出功由于它輸出功率大，率大， 且性能穩(wěn)定，具有一定的工作帶寬（且性能穩(wěn)定，具有一定的工作帶寬（10101000 Hz1000 Hz），所以得到普遍應(yīng)用。），所以得到普遍應(yīng)用。一一 磁電式傳感器磁電式傳感器4.3 發(fā)電型傳感器1.1.變換原理變換原理: : 磁電式傳感器是把被測量的物理量轉(zhuǎn)換為感磁電式傳感器是把被測量的物理量轉(zhuǎn)換為感應(yīng)電動勢的一種轉(zhuǎn)換器。應(yīng)電動勢的一種轉(zhuǎn)換器。dtdNe感應(yīng)線圈的感應(yīng)電動勢感應(yīng)線圈的感應(yīng)電動勢e e為為

29、磁通變化率與磁場強(qiáng)度、磁阻、線圈運(yùn)動速度有磁通變化率與磁場強(qiáng)度、磁阻、線圈運(yùn)動速度有關(guān)，改變其中一個(gè)因素，都會改變感應(yīng)電動勢。關(guān)，改變其中一個(gè)因素，都會改變感應(yīng)電動勢。 ),(mdtdRB一一 磁電式傳感器磁電式傳感器4.3 發(fā)電型傳感器2 2 分類分類 磁磁電電式式動圈式動圈式磁阻式磁阻式線速度型線速度型角速度型角速度型N一一 磁電式傳感器磁電式傳感器2.12.1恒定磁通式恒定磁通式 結(jié)構(gòu)：磁路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：磁路系統(tǒng) 恒定直流磁場恒定直流磁場 氣隙中磁通恒定；氣隙中磁通恒定； 圖圖1 1 恒磁通磁電式傳感器恒磁通磁電式傳感器 結(jié)構(gòu)原理圖結(jié)構(gòu)原理圖（a a）動圈式）動圈式; ;（b b）動鐵式）動

30、鐵式 原理：線圈與磁場相對運(yùn)動（動圈式原理：線圈與磁場相對運(yùn)動（動圈式/ /動鐵式）動鐵式）v v 感應(yīng)電動勢感應(yīng)電動勢e e 式中，式中，N N工作線圈匝數(shù)；工作線圈匝數(shù)；B B0 0工作氣隙中磁感應(yīng)強(qiáng)度；工作氣隙中磁感應(yīng)強(qiáng)度；l l0 0每匝線圈的有效長度。每匝線圈的有效長度。VV線圈與磁場的相對運(yùn)動速度；線圈與磁場的相對運(yùn)動速度； 線圈運(yùn)動方向與磁場方向的夾角線圈運(yùn)動方向與磁場方向的夾角原理和結(jié)構(gòu)原理和結(jié)構(gòu)一一 磁電式傳感器磁電式傳感器)90(sin0000ovlNBevlNBe動圈式傳感器動圈式傳感器 線速度型線速度型一一 磁電式傳感器磁電式傳感器角速度型角速度型測速電機(jī)測速電機(jī)一一

31、磁電式傳感器磁電式傳感器2.2 2.2 變磁通式變磁通式1.1.開磁路變磁通式轉(zhuǎn)速傳感器結(jié)構(gòu)：如圖（開磁路變磁通式轉(zhuǎn)速傳感器結(jié)構(gòu)：如圖（a a）所示。）所示。圖圖 變磁通磁電式傳感器變磁通磁電式傳感器1-1-被測旋轉(zhuǎn)體；被測旋轉(zhuǎn)體；2-2-測量齒輪；測量齒輪；3-3-線圈；線圈；4-4-軟鐵；軟鐵；5-5-永久磁鐵永久磁鐵原理：磁阻變化原理：磁阻變化 線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動勢線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動勢 輸出周期感應(yīng)脈沖信號輸出周期感應(yīng)脈沖信號 f f=Z=Zn n/60 /60 式中，式中，Z Z齒輪的齒數(shù)；齒輪的齒數(shù)；n n轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速(r/min)(r/min)；f f感應(yīng)脈沖信號頻率感應(yīng)脈沖信號頻率 這種

32、傳感器結(jié)構(gòu)簡單，但輸出信號較小，且因高速軸上加裝齒輪較危險(xiǎn)這種傳感器結(jié)構(gòu)簡單，但輸出信號較小，且因高速軸上加裝齒輪較危險(xiǎn)而不宜測量高轉(zhuǎn)速的場合。而不宜測量高轉(zhuǎn)速的場合。原理和結(jié)構(gòu)原理和結(jié)構(gòu)一一 磁電式傳感器磁電式傳感器磁阻式傳感器磁阻式傳感器 磁電式車速傳感器磁電式車速傳感器一一 磁電式傳感器磁電式傳感器1.1.變換原理變換原理: :壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)+并聯(lián)并聯(lián)+串聯(lián)串聯(lián) 某些物質(zhì)，如石英，受到外力作用時(shí)，不僅幾何尺某些物質(zhì)，如石英，受到外力作用時(shí)，不僅幾何尺寸會發(fā)生變化，而且內(nèi)部會被極化，表面產(chǎn)生電荷；當(dāng)寸會發(fā)生變化，而且內(nèi)部會被極化，表面產(chǎn)生電荷；當(dāng)外力去掉時(shí)，又重新回到原來的狀態(tài)，這種現(xiàn)象

33、稱為壓外力去掉時(shí)，又重新回到原來的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。用來測力、壓力及加速度等。電效應(yīng)。用來測力、壓力及加速度等。F+q=DF二、壓電式傳感器二、壓電式傳感器 一種可逆型換能器，可將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，又一種可逆型換能器，可將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，又可將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能?？蓪㈦娔苻D(zhuǎn)化為機(jī)械能。2 2、壓電效應(yīng)的形式、壓電效應(yīng)的形式 從石英晶體中切下一個(gè)平行六面體并使其晶面分別平從石英晶體中切下一個(gè)平行六面體并使其晶面分別平行于行于Z-ZZ-Z、Y-YY-Y、X-XX-X軸線。若對其施力，則有幾種不同的效軸線。若對其施力，則有幾種不同的效應(yīng)。通常把沿電軸應(yīng)。通常把沿電軸( (X X軸軸) )方

34、向施加壓力產(chǎn)生的壓電效應(yīng)稱為方向施加壓力產(chǎn)生的壓電效應(yīng)稱為“縱向效應(yīng)縱向效應(yīng)”，把沿機(jī)械軸，把沿機(jī)械軸( (Y Y軸軸) )方向施加壓力產(chǎn)生的壓電方向施加壓力產(chǎn)生的壓電效應(yīng)稱為效應(yīng)稱為“橫向效應(yīng)橫向效應(yīng)”，沿相對兩棱施加剪切力，沿相對兩棱施加剪切力產(chǎn)生的壓產(chǎn)生的壓電效應(yīng)稱為電效應(yīng)稱為“切向效應(yīng)切向效應(yīng)”。二、壓電式傳感器二、壓電式傳感器3 3、壓電材料、壓電材料 把具有壓電效應(yīng)的物質(zhì)稱為把具有壓電效應(yīng)的物質(zhì)稱為壓電材料壓電材料( (或稱為壓電元件或稱為壓電元件) )。常見的壓電材料可分為以下三類：常見的壓電材料可分為以下三類： （1 1）壓電單晶）壓電單晶 壓電單晶為單晶體，常用的有石英晶體（

35、壓電單晶為單晶體，常用的有石英晶體（SiO2SiO2），鈮酸鋰），鈮酸鋰（LiNbO3LiNbO3），鉭酸鋰（），鉭酸鋰（LiTaO2LiTaO2）等。）等。 （2 2）壓電陶瓷）壓電陶瓷 現(xiàn)在常用的是現(xiàn)在常用的是PZTPZT鋯鈦酸鉛系列壓電陶瓷，其具有制作方便，成本鋯鈦酸鉛系列壓電陶瓷，其具有制作方便，成本低等優(yōu)點(diǎn)。低等優(yōu)點(diǎn)。 （3 3）有機(jī)壓電薄膜）有機(jī)壓電薄膜 這類壓電材料具有面積大、柔軟不易破碎等優(yōu)點(diǎn)，可用于微壓測量這類壓電材料具有面積大、柔軟不易破碎等優(yōu)點(diǎn)，可用于微壓測量和機(jī)器人的觸覺，常用的是二氟乙烯和機(jī)器人的觸覺，常用的是二氟乙烯PVdFPVdF。 二、壓電式傳感器二、壓電式傳感

36、器4 4、壓電式傳感器及其等效電路、壓電式傳感器及其等效電路 1 1、壓電式傳感器、壓電式傳感器 最簡單的壓電式傳感器是在壓電晶片的兩個(gè)工作面上進(jìn)最簡單的壓電式傳感器是在壓電晶片的兩個(gè)工作面上進(jìn)行金屬蒸鍍，形成金屬膜，構(gòu)成兩個(gè)電極。當(dāng)壓電晶片受到行金屬蒸鍍，形成金屬膜，構(gòu)成兩個(gè)電極。當(dāng)壓電晶片受到壓力壓力F F的作用時(shí)，分別在兩個(gè)極板上積聚數(shù)量相等而極性相的作用時(shí)，分別在兩個(gè)極板上積聚數(shù)量相等而極性相反的電荷，形成電場。反的電荷，形成電場。 壓電傳感器可以看作是一個(gè)電荷源，壓電傳感器可以看作是一個(gè)電荷源，也可以看成是一個(gè)電壓源。也可以看成是一個(gè)電壓源。 如果施加于壓電晶片的外力不變，如果施加于

37、壓電晶片的外力不變，在極板上積聚的電荷與力的關(guān)系為：在極板上積聚的電荷與力的關(guān)系為：二、壓電式傳感器二、壓電式傳感器。和壓電效應(yīng)的形式有關(guān)和壓電效應(yīng)的形式有關(guān)壓電常數(shù)，與材料壓電常數(shù)，與材料壓力；壓力；電荷；電荷；式中：式中： ccdFqFdq二、壓電式傳感器二、壓電式傳感器4 4、壓電式傳感器及其等效電路、壓電式傳感器及其等效電路 由于壓電式傳感器的輸出電信號很微弱，通常先把傳感器信由于壓電式傳感器的輸出電信號很微弱，通常先把傳感器信號先輸入到高輸入阻抗的號先輸入到高輸入阻抗的前置放大器前置放大器中，經(jīng)過阻抗交換以后，方中，經(jīng)過阻抗交換以后，方可用一般的放大檢波電路再將信號輸入到指示儀表或記

38、錄器中。可用一般的放大檢波電路再將信號輸入到指示儀表或記錄器中。 前置放大器的作用有兩點(diǎn)：前置放大器的作用有兩點(diǎn)： 一、將傳感器的高阻抗輸出變換為低阻抗輸出；一、將傳感器的高阻抗輸出變換為低阻抗輸出； 二、放大傳感器輸出的微弱電信號。二、放大傳感器輸出的微弱電信號。 前置放大器電路有兩種形式：前置放大器電路有兩種形式： 1 1、電阻反饋的、電阻反饋的電壓放大器電壓放大器，其輸出電壓與輸入電壓，其輸出電壓與輸入電壓( (即傳感即傳感器的輸出器的輸出) )成正比。成正比。 2 2、電容反饋的、電容反饋的電荷放大器電荷放大器，其輸出電壓與輸入電荷成正比。，其輸出電壓與輸入電荷成正比。4 4、壓電式傳

39、感器及其等效電路、壓電式傳感器及其等效電路 二、壓電式傳感器二、壓電式傳感器 2 2、等效電路、等效電路 利用壓電式傳感器測量靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)量值時(shí)，必須采取一利用壓電式傳感器測量靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)量值時(shí)，必須采取一定的措施，使電荷從壓電晶片上經(jīng)測量電路的漏失減小到足夠定的措施，使電荷從壓電晶片上經(jīng)測量電路的漏失減小到足夠小程度。而在動態(tài)力作用下，電荷可以得到不斷補(bǔ)充，可以供小程度。而在動態(tài)力作用下，電荷可以得到不斷補(bǔ)充，可以供給測量電路一定的電流，故給測量電路一定的電流，故壓電傳感器適宜作動態(tài)測量。壓電傳感器適宜作動態(tài)測量。 。泄漏電流，泄漏電流，電容，電容，電容上的電壓；電容上的電壓；電荷；電荷；式

40、中：式中：0,RuiiCCCCCuqidtCuqica 4 4、壓電式傳感器及其等效電路、壓電式傳感器及其等效電路 二、壓電式傳感器二、壓電式傳感器 2 2、等效電路、等效電路 在實(shí)際應(yīng)用中，常常將兩片或兩片以上的晶片粘結(jié)在一起。在實(shí)際應(yīng)用中，常常將兩片或兩片以上的晶片粘結(jié)在一起。粘結(jié)的方法有粘結(jié)的方法有并聯(lián)并聯(lián)和和串聯(lián)串聯(lián)。并聯(lián)方法兩片壓電晶片的負(fù)電荷集。并聯(lián)方法兩片壓電晶片的負(fù)電荷集中在中間電極上，正電荷集中在兩側(cè)的電極上，傳感器的電容中在中間電極上，正電荷集中在兩側(cè)的電極上，傳感器的電容量大、輸出電荷量大，適用于量大、輸出電荷量大，適用于電荷量電荷量輸出信號。串聯(lián)方法正電輸出信號。串聯(lián)方

41、法正電荷集中于上極板，負(fù)電荷集中于下極板，傳感器本身的電容量荷集中于上極板，負(fù)電荷集中于下極板，傳感器本身的電容量小、響應(yīng)快、輸出電壓大，適用于小、響應(yīng)快、輸出電壓大，適用于電壓量電壓量輸出信號。輸出信號。 并并聯(lián)聯(lián)串串聯(lián)聯(lián)4 4、壓電式傳感器及其等效電路、壓電式傳感器及其等效電路 1 1、電阻反饋的電壓放大器、電阻反饋的電壓放大器 采用電壓式放大器時(shí)，輸出電壓與電容有關(guān)系，即：采用電壓式放大器時(shí)，輸出電壓與電容有關(guān)系，即： 電容中的電纜對地電容受電纜電容中的電纜對地電容受電纜C Cc c的長度和形態(tài)影響，的長度和形態(tài)影響，會對輸出電壓造成較大的誤差。會對輸出電壓造成較大的誤差。電容，電容，式

42、中：式中：icaCCCCCCqu 二、壓電式傳感器二、壓電式傳感器4 4、壓電式傳感器及其等效電路、壓電式傳感器及其等效電路 2 2、電容反饋的電荷放大器、電容反饋的電荷放大器 fafaoficafiofoiicaiaCqACAquCCCCACAuuCuuCCCuq 時(shí)，可得：時(shí)，可得：當(dāng)當(dāng))(,)()( 上式表明，在一定情上式表明，在一定情況下，電荷放大器的輸出況下，電荷放大器的輸出電壓與傳感器的電荷量成電壓與傳感器的電荷量成正此，并且與電纜分布電容無關(guān)。因此，采用電荷放大器時(shí)，正此，并且與電纜分布電容無關(guān)。因此，采用電荷放大器時(shí)，即使連接電纜長度在百米以上，其靈敏度也無明顯變化，這即使連接

43、電纜長度在百米以上，其靈敏度也無明顯變化，這是電荷放大器的突出優(yōu)點(diǎn)。是電荷放大器的突出優(yōu)點(diǎn)。 二、壓電式傳感器二、壓電式傳感器5 5、應(yīng)用、應(yīng)用 1 1、直接應(yīng)用、直接應(yīng)用 壓電效應(yīng)是一種力壓電效應(yīng)是一種力電荷的轉(zhuǎn)換，因此可直接用作電荷的轉(zhuǎn)換，因此可直接用作力的測量，測量范圍力的測量，測量范圍1010-3-3N N到到10104 4KNKN。 2 2、間接應(yīng)用、間接應(yīng)用 最典型的是壓電式加速度傳感器，簡稱為加速度計(jì)。最典型的是壓電式加速度傳感器，簡稱為加速度計(jì)。它是借助于一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的質(zhì)量塊，將加速度轉(zhuǎn)換為力以后再它是借助于一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的質(zhì)量塊，將加速度轉(zhuǎn)換為力以后再作用在壓電元件上從而得到電量輸出。

44、作用在壓電元件上從而得到電量輸出。 注意：（注意：（1 1）橫向輸出和橫向靈敏度。）橫向輸出和橫向靈敏度。 （2 2）及時(shí)校準(zhǔn)。）及時(shí)校準(zhǔn)。 二、壓電式傳感器二、壓電式傳感器產(chǎn)品產(chǎn)品壓力變送器壓力變送器加速度計(jì)加速度計(jì)力傳感器力傳感器 二、壓電式傳感器二、壓電式傳感器案例：飛機(jī)模態(tài)分析案例：飛機(jī)模態(tài)分析二、壓電式傳感器二、壓電式傳感器1 1、定義、定義 熱電式傳感器是把溫度轉(zhuǎn)換為電量的一種傳感器，熱電式傳感器是把溫度轉(zhuǎn)換為電量的一種傳感器，其變換是金屬的熱電效應(yīng)其變換是金屬的熱電效應(yīng)。 最常用的熱電式傳感器是熱電偶傳感器最常用的熱電式傳感器是熱電偶傳感器2 2、熱電偶測溫原理、熱電偶測溫原理

45、熱電效應(yīng)熱電效應(yīng)：兩種不同材料的導(dǎo)體（或半導(dǎo)體）組成：兩種不同材料的導(dǎo)體（或半導(dǎo)體）組成一個(gè)閉合回路，當(dāng)兩接點(diǎn)溫度一個(gè)閉合回路，當(dāng)兩接點(diǎn)溫度T T和和T0T0不同時(shí)，則在該回路不同時(shí)，則在該回路中就會產(chǎn)生電動勢的現(xiàn)象。中就會產(chǎn)生電動勢的現(xiàn)象。三、熱電式傳感器三、熱電式傳感器熱電勢、熱電偶、熱電極熱電勢、熱電偶、熱電極熱端（測量端或工作端）、冷端（參考端或自由端）熱端（測量端或工作端）、冷端（參考端或自由端） 同一導(dǎo)體的兩端因其溫度不同而產(chǎn)生的一種電動勢。同一導(dǎo)體的兩端因其溫度不同而產(chǎn)生的一種電動勢。 在熱電偶測溫回路內(nèi)，接入第三種導(dǎo)體時(shí)，只要第三在熱電偶測溫回路內(nèi)，接入第三種導(dǎo)體時(shí)，只要第三種

46、導(dǎo)體的兩端溫度相同，則對回路的總熱電勢沒有影響。種導(dǎo)體的兩端溫度相同，則對回路的總熱電勢沒有影響。中間導(dǎo)體定律 應(yīng)用：利用熱電偶進(jìn)行測溫，必須在回路中引入連接導(dǎo)利用熱電偶進(jìn)行測溫，必須在回路中引入連接導(dǎo)線和儀表，接入導(dǎo)線和儀表后不會影響回路中的熱電勢。線和儀表，接入導(dǎo)線和儀表后不會影響回路中的熱電勢。3 3、熱電偶基本定律、熱電偶基本定律C0AB00( , )( )( )( , )ABABABEt tEtEtEt t三、熱電式傳感器三、熱電式傳感器三、熱電式傳感器三、熱電式傳感器測量儀表及引線作為第三種導(dǎo)體的熱電偶回路 中間導(dǎo)體定律應(yīng)用3 3、熱電偶基本定律、熱電偶基本定律中間溫度定律eAB(

47、t,t0)=eAB(t,tc)+eAB(tc,t0) 在熱電偶測溫回路中，在熱電偶測溫回路中，tc為熱為熱電極上某一點(diǎn)的溫度，熱電偶電極上某一點(diǎn)的溫度，熱電偶AB在接點(diǎn)溫度為在接點(diǎn)溫度為t、t0時(shí)的熱電勢時(shí)的熱電勢eAB(t, t0)等于熱電偶等于熱電偶AB在接點(diǎn)溫度在接點(diǎn)溫度t、tc和和tc、t0時(shí)的熱電勢時(shí)的熱電勢eAB(t, tc)和和eAB(tc, t0)的代數(shù)和，即的代數(shù)和，即 三、熱電式傳感器三、熱電式傳感器3 3、熱電偶基本定律、熱電偶基本定律中間溫度定律中間溫度定律 根據(jù)這個(gè)定律，可以連接與熱電偶熱電特性相近的導(dǎo)體根據(jù)這個(gè)定律，可以連接與熱電偶熱電特性相近的導(dǎo)體A和和B，將熱電

48、偶冷端延伸到溫度恒定的地方，這就為熱將熱電偶冷端延伸到溫度恒定的地方，這就為熱電偶回路中應(yīng)用電偶回路中應(yīng)用補(bǔ)償導(dǎo)線補(bǔ)償導(dǎo)線提供了理論依據(jù)。提供了理論依據(jù)。 該定律是該定律是參考端溫度計(jì)算修正參考端溫度計(jì)算修正法的理論依據(jù)。在實(shí)際熱電法的理論依據(jù)。在實(shí)際熱電偶測溫回路中偶測溫回路中, 利用熱電偶這一性質(zhì)利用熱電偶這一性質(zhì), 可對參考端溫度不為可對參考端溫度不為0的熱電勢進(jìn)行修正。的熱電勢進(jìn)行修正。中間溫度定律應(yīng)用三、熱電式傳感器三、熱電式傳感器3 3、熱電偶基本定律、熱電偶基本定律三、熱電式傳感器三、熱電式傳感器3 3、熱電偶基本定律、熱電偶基本定律標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)體（電極）定律0C0C0( , )( ,

49、 )( , )ABABEt tEt tEt t 通常選用高純鉑絲通常選用高純鉑絲作標(biāo)準(zhǔn)電極作標(biāo)準(zhǔn)電極 只要測得它與各種只要測得它與各種金屬組成的熱電偶金屬組成的熱電偶的熱電動勢，則各的熱電動勢，則各種金屬間相互組合種金屬間相互組合成熱電偶的熱電動成熱電偶的熱電動勢就可根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)電勢就可根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)電極定律計(jì)算出來。極定律計(jì)算出來。三、熱電式傳感器三、熱電式傳感器3 3、熱電偶基本定律、熱電偶基本定律均質(zhì)導(dǎo)體定律 由兩種均質(zhì)導(dǎo)體組成的熱電偶，其熱電動勢的大小由兩種均質(zhì)導(dǎo)體組成的熱電偶，其熱電動勢的大小只與兩材料及兩接點(diǎn)溫度有關(guān)，與熱電偶的大小尺寸、只與兩材料及兩接點(diǎn)溫度有關(guān)，與熱電偶的大小尺寸、形狀及

50、沿電極各處的溫度分布無關(guān)。即熱電偶必須由兩形狀及沿電極各處的溫度分布無關(guān)。即熱電偶必須由兩種不同性質(zhì)的均質(zhì)材料構(gòu)成。種不同性質(zhì)的均質(zhì)材料構(gòu)成。 意義：有助于檢驗(yàn)兩個(gè)熱電極材料成分是否相同及材料的均勻有助于檢驗(yàn)兩個(gè)熱電極材料成分是否相同及材料的均勻性。性。 三、熱電式傳感器三、熱電式傳感器4 4、熱電偶的結(jié)構(gòu)與種類、熱電偶的結(jié)構(gòu)與種類 為了適應(yīng)不同生產(chǎn)對象的測溫要求和條件，熱電偶為了適應(yīng)不同生產(chǎn)對象的測溫要求和條件，熱電偶的結(jié)構(gòu)形式有：的結(jié)構(gòu)形式有：普通型熱電偶普通型熱電偶特殊熱電偶特殊熱電偶鎧裝型熱電偶鎧裝型熱電偶薄膜熱電偶等薄膜熱電偶等 普通型熱電偶結(jié)構(gòu) 接線盒熱電極熱端絕緣管保護(hù)管三、熱電

51、式傳感器三、熱電式傳感器4 4、熱電偶的結(jié)構(gòu)與種類、熱電偶的結(jié)構(gòu)與種類 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：測溫端熱容量小，動態(tài)響應(yīng)快；機(jī)械強(qiáng)度高，撓性好，可安裝在結(jié)構(gòu)復(fù)雜的裝置上。 鎧裝型熱電偶三、熱電式傳感器三、熱電式傳感器4 4、熱電偶的結(jié)構(gòu)與種類、熱電偶的結(jié)構(gòu)與種類薄膜熱電偶 特點(diǎn)特點(diǎn)：熱接點(diǎn)可以做得很?。╩），具有熱容量小、反應(yīng)速度快（s）等特點(diǎn)，適用于微小面積上的表面溫度以及快速變化的動態(tài)溫度測量。 三、熱電式傳感器三、熱電式傳感器4 4、熱電偶的結(jié)構(gòu)與種類、熱電偶的結(jié)構(gòu)與種類三、熱電式傳感器三、熱電式傳感器4 4、熱電極材料的選取、熱電極材料的選取 性能穩(wěn)定性能穩(wěn)定 溫度測量范圍廣溫度測量范圍廣 物理化學(xué)

52、性能穩(wěn)定物理化學(xué)性能穩(wěn)定 導(dǎo)電率要高，并且電阻溫度系數(shù)要小導(dǎo)電率要高，并且電阻溫度系數(shù)要小 材料的機(jī)械強(qiáng)度要高，復(fù)制性好、復(fù)制工藝簡單，材料的機(jī)械強(qiáng)度要高，復(fù)制性好、復(fù)制工藝簡單，價(jià)格便宜價(jià)格便宜 工程用熱電偶材料應(yīng)滿足條件工程用熱電偶材料應(yīng)滿足條件：熱電勢變化盡量：熱電勢變化盡量大，熱電勢與溫度關(guān)系盡量接近線性關(guān)系，物理、化大，熱電勢與溫度關(guān)系盡量接近線性關(guān)系，物理、化學(xué)性能穩(wěn)定，易加工，復(fù)現(xiàn)性好，便于成批生產(chǎn)，有學(xué)性能穩(wěn)定，易加工，復(fù)現(xiàn)性好，便于成批生產(chǎn)，有良好的互換性。良好的互換性。 三、熱電式傳感器三、熱電式傳感器4 4、熱電極材料的選取、熱電極材料的選取標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶的主要性能和特點(diǎn)標(biāo)

53、準(zhǔn)化熱電偶的主要性能和特點(diǎn) 熱電偶名稱正熱電極負(fù)熱電極分度號測溫范圍特點(diǎn)鉑銠30鉑銠6鉑銠30鉑銠6B01700（超高溫）適用于氧化性氣氛中測溫，測溫上限高，穩(wěn)定性好。在冶金、鋼水等高溫領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。鉑銠10鉑鉑銠10純鉑S01600（超高溫）適用于氧化性、惰性氣氛中測溫，熱電性能穩(wěn)定，抗氧化性強(qiáng)，精度高，但價(jià)格貴、熱電動勢較小。常用作標(biāo)準(zhǔn)熱電偶或用于高溫測量。鎳鉻鎳硅鎳鉻合金鎳硅K2001200（高溫）適用于氧化和中性氣氛中測溫，測溫范圍很寬、熱電動勢與溫度關(guān)系近似線性、熱電動勢大、價(jià)格低。穩(wěn)定性不如B、S型熱電偶，但是非貴金屬熱電偶中性能最穩(wěn)定的一種。鎳鉻康銅鎳鉻合金銅鎳合金E2009

54、00（中溫）適用于還原性或惰性氣氛中測溫，熱電動勢較其他熱電偶大，穩(wěn)定性好，靈敏度高，價(jià)格低。鐵康銅鐵銅鎳合金J200750（中溫）適用于還原性氣氛中測溫，價(jià)格低，熱電動勢較大，僅次于E型熱電偶。缺點(diǎn)是鐵極易氧化。銅康銅銅銅鎳合金T200350（低溫）適用于還原性氣氛中測溫，精度高，價(jià)格低。在2000可制成標(biāo)準(zhǔn)熱電偶。缺點(diǎn)是銅極易氧化。 特殊情況下，熱電偶可以串聯(lián)或并聯(lián)使用，但只能特殊情況下，熱電偶可以串聯(lián)或并聯(lián)使用，但只能是同一分度號的熱電偶，且冷端應(yīng)在同一溫度下。如熱是同一分度號的熱電偶，且冷端應(yīng)在同一溫度下。如熱電偶正向串聯(lián)，電偶正向串聯(lián)， 可獲得較大的熱電勢輸出和提高靈敏度；可獲得較大

55、的熱電勢輸出和提高靈敏度；在測量兩點(diǎn)溫差時(shí)，可采用熱電偶反向串聯(lián)；利用熱電在測量兩點(diǎn)溫差時(shí)，可采用熱電偶反向串聯(lián)；利用熱電偶并聯(lián)可以測量平均溫度。偶并聯(lián)可以測量平均溫度。三、熱電式傳感器三、熱電式傳感器4 4、熱電極材料的選取、熱電極材料的選取測量兩點(diǎn)間溫度差（反向串聯(lián)）測量兩點(diǎn)間溫度差（反向串聯(lián)）102012( , )( , )( , )TABABABEEt tEt tEt t三、熱電式傳感器三、熱電式傳感器測量平均溫度（并聯(lián)或正向串聯(lián)） 特點(diǎn)：當(dāng)有一只熱電偶燒斷時(shí)，難以特點(diǎn)：當(dāng)有一只熱電偶燒斷時(shí)，難以覺察出來。當(dāng)然，它也不會中斷整個(gè)覺察出來。當(dāng)然，它也不會中斷整個(gè)測溫系統(tǒng)的工作。測溫系統(tǒng)的

56、工作。優(yōu)點(diǎn)：熱電動勢大，儀表的靈敏度大大增加，優(yōu)點(diǎn)：熱電動勢大，儀表的靈敏度大大增加，且避免了熱電偶并聯(lián)線路存在的缺點(diǎn)，可立且避免了熱電偶并聯(lián)線路存在的缺點(diǎn)，可立即可以發(fā)現(xiàn)有斷路。缺點(diǎn)：只要有一支熱電即可以發(fā)現(xiàn)有斷路。缺點(diǎn)：只要有一支熱電偶斷路，整個(gè)測溫系統(tǒng)將停止工作。偶斷路，整個(gè)測溫系統(tǒng)將停止工作。12310203012301230( , )( , )( , )33(,3 )(, )33ABABABTABABEEEEt tEt tEt tEEtttttttEt0123102030012301230( , )( , )( , )(,3 )(, )TABABABtABABEEEEEt tEt t

57、Et tEttttEttt t三、熱電式傳感器三、熱電式傳感器 常用爐溫測量控制系統(tǒng)如圖所示。毫伏定值器給出給定溫度的相常用爐溫測量控制系統(tǒng)如圖所示。毫伏定值器給出給定溫度的相應(yīng)毫伏值，熱電偶的熱電勢與定值器的毫伏值相比較，若有偏差應(yīng)毫伏值，熱電偶的熱電勢與定值器的毫伏值相比較，若有偏差則表示爐溫偏離給定值，此偏差經(jīng)放大器送入調(diào)節(jié)器，再經(jīng)過晶則表示爐溫偏離給定值，此偏差經(jīng)放大器送入調(diào)節(jié)器，再經(jīng)過晶閘管觸發(fā)器推動晶閘管執(zhí)行器來調(diào)整電爐絲的加熱功率，直到偏閘管觸發(fā)器推動晶閘管執(zhí)行器來調(diào)整電爐絲的加熱功率，直到偏差被消除，從而實(shí)現(xiàn)控制溫度。差被消除，從而實(shí)現(xiàn)控制溫度。三、熱電式傳感器三、熱電式傳感器

58、5 5、熱電偶的應(yīng)用、熱電偶的應(yīng)用二、熱電阻傳感器二、熱電阻傳感器 熱電阻傳感器是利用導(dǎo)體的電阻值隨溫度變化而變化熱電阻傳感器是利用導(dǎo)體的電阻值隨溫度變化而變化的原理進(jìn)行測溫的的原理進(jìn)行測溫的。 熱電阻廣泛用來測量熱電阻廣泛用來測量200200850850范圍內(nèi)的溫度，少范圍內(nèi)的溫度，少數(shù)情況下，低溫可測量至數(shù)情況下，低溫可測量至1K1K，高溫達(dá)，高溫達(dá)10001000。標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻。標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)的精確度高，作為復(fù)現(xiàn)國際溫標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)儀器。溫度計(jì)的精確度高，作為復(fù)現(xiàn)國際溫標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)儀器。 三、熱電式傳感器三、熱電式傳感器熱電阻的結(jié)構(gòu) 電阻絲采用雙線并繞法繞制在具有一定形狀的云母、電阻絲采用雙線并繞

59、法繞制在具有一定形狀的云母、石英或陶瓷塑料支架上，支架起支撐和絕緣作用石英或陶瓷塑料支架上，支架起支撐和絕緣作用。 三、熱電式傳感器三、熱電式傳感器 1. 常用熱電阻 對用于制造熱電阻材料的要求：對用于制造熱電阻材料的要求： 具有盡可能大和穩(wěn)定的電阻溫度系數(shù)和電阻率具有盡可能大和穩(wěn)定的電阻溫度系數(shù)和電阻率 R-tR-t關(guān)系最好成線性關(guān)系最好成線性 物理化學(xué)性能穩(wěn)定物理化學(xué)性能穩(wěn)定 容易加工、價(jià)格盡量便宜等。容易加工、價(jià)格盡量便宜等。 目前最常用的熱電阻有鉑熱電阻和銅熱電阻。目前最常用的熱電阻有鉑熱電阻和銅熱電阻。 三、熱電式傳感器三、熱電式傳感器 (1) 鉑熱電阻 鉑熱電阻的特點(diǎn)是精度高、穩(wěn)定

60、性好、性能可靠，所鉑熱電阻的特點(diǎn)是精度高、穩(wěn)定性好、性能可靠，所以在溫度傳感器中得到了廣泛應(yīng)用。以在溫度傳感器中得到了廣泛應(yīng)用。 按按IECIEC標(biāo)準(zhǔn)，鉑熱電阻的使用溫度范圍為標(biāo)準(zhǔn)，鉑熱電阻的使用溫度范圍為-200-200850850。三、熱電式傳感器三、熱電式傳感器 目前我國規(guī)定工業(yè)用鉑熱電阻有目前我國規(guī)定工業(yè)用鉑熱電阻有R R0 0=10=10和和R R0 0=100=100兩兩種。種。 (2) 銅熱電阻 在一些測量精度要求不高且溫度較低的場合，可采用銅在一些測量精度要求不高且溫度較低的場合，可采用銅熱電阻進(jìn)行測溫，熱電阻進(jìn)行測溫， 它的測量范圍為它的測量范圍為-50-50150150。