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1、第第4章章 信号检测技术信号检测技术一、传感器概述一、传感器概述二、长度及位移检测二、长度及位移检测三、角度及角位移检测三、角度及角位移检测四、确定测距四、确定测距五、力五、力/压力检测压力检测六、速度六、速度/加速度检测加速度检测七、温度检测七、温度检测八、流量检测八、流量检测九、电磁量检测九、电磁量检测十、视觉检测系统十、视觉检测系统一、传感器概述一、传感器概述1、传感器的基本概念、传感器的基本概念人的五官：人的五官：眼睛眼睛 耳朵耳朵 鼻子鼻子 舌头舌头 皮肤皮肤视觉、听觉、嗅觉、味觉、触觉视觉、听觉、嗅觉、味觉、触觉定义：定义：被测量：物理量、化学量、生物量被测量：物理量、化学量、生物
2、量 规律：确定规律，可以重复（线性、非线性、周期）规律：确定规律，可以重复（线性、非线性、周期）可用信号：便于处理和传输的非噪声信号可用信号：便于处理和传输的非噪声信号（电信号、光信号（电信号、光信号）R例：热敏电阻例：热敏电阻-温度变更温度变更-电阻变电阻变更更传感器：传传感器：传-传递信息；感传递信息；感-感受被测量；器感受被测量；器-器器件件传感器是一种把特定的被测信息量依据确定规律转换成为可用传感器是一种把特定的被测信息量依据确定规律转换成为可用信号输出的器件或装置。信号输出的器件或装置。感觉：感觉：功功 能能传感器传感器一、传感器概述一、传感器概述2、传感器的构成型式、传感器的构成型
3、式转换电路：转换电路：例：电桥、放大器、振荡器、阻抗变换器、脉冲调宽电路等。例：电桥、放大器、振荡器、阻抗变换器、脉冲调宽电路等。被测量被测量被测量被测量敏感敏感元件元件转换转换电路电路敏感元件：敏感元件：感受被测量变更，并输出相对应的电信号感受被测量变更，并输出相对应的电信号例：电阻应变片（应变例：电阻应变片（应变-电阻）电阻）把转换元件输出的电信号变换成为便于记录、显示、处理和把转换元件输出的电信号变换成为便于记录、显示、处理和限制的可用信号的电路，限制的可用信号的电路，又称又称“信号调理电路信号调理电路”或或 “测量电路测量电路”又称又称“转换元件转换元件”或或 “变换元件变换元件”传感
4、器传感器二、长度及线位移检测二、长度及线位移检测1、电感式位移传感器、电感式位移传感器W-线圈匝数线圈匝数Rm-磁路总磁阻磁路总磁阻li-各段导磁体的长度各段导磁体的长度ui-各段导磁体的磁导率各段导磁体的磁导率Ai-各段导磁体的截面积各段导磁体的截面积二、长度及线位移检测二、长度及线位移检测(1)变气隙式变气隙式电感位移传感器电感位移传感器基本形式基本形式思索：灵敏度？思索：灵敏度？线性度？线性度？线圈线圈铁芯铁芯衔铁衔铁改进方法？改进方法？差动式差动式(2)(2)变面积式变面积式(3)(3)螺管式螺管式二、长度及线位移检测二、长度及线位移检测(2)变面积式变面积式(3)螺管式螺管式蔡萍教材
5、P40 图3-5二、长度及线位移检测二、长度及线位移检测电感位移传感器电感位移传感器意大利意大利Marposs:二、长度及线位移检测二、长度及线位移检测电感位移传感器电感位移传感器中国中原量仪中国中原量仪:二、长度及线位移检测二、长度及线位移检测2、光栅位移传感器、光栅位移传感器（Grating）二、长度及线位移检测二、长度及线位移检测(1)光栅传感器原理光栅传感器原理(莫尔条纹莫尔条纹)构成：构成：叠合叠合主光栅主光栅指示光栅指示光栅夹角夹角明暗相间条纹明暗相间条纹莫尔条纹莫尔条纹移动移动条纹宽度：条纹宽度：W-栅距，栅距，a-线宽，线宽，b-缝宽缝宽W=a+b，a=b=W/2 主光栅主光栅
6、-标尺光栅，定光栅；标尺光栅，定光栅；指示光栅指示光栅-动光栅动光栅二、长度及线位移检测二、长度及线位移检测莫尔条纹特性：莫尔条纹特性：方向性：垂直于角平分线方向性：垂直于角平分线 与光栅移动方向垂直与光栅移动方向垂直同步性：光栅移动一个栅距同步性：光栅移动一个栅距 莫尔条纹移动一个间距莫尔条纹移动一个间距放大性：夹角放大性：夹角很小很小 BW 光学放大光学放大 提高灵敏度提高灵敏度精确性：误差平均效应精确性：误差平均效应 克服个别克服个别/局部误差局部误差 提高精度提高精度 二、长度及线位移检测二、长度及线位移检测(2)光栅传感器特点光栅传感器特点 精度高：测长精度高：测长(0.2+210-
7、6L)m，测角，测角0.1量程大：透射式量程大：透射式-光栅尺长（光栅尺长（几几十米十米响应快：可用于动态测量响应快：可用于动态测量增量式：增量码测量增量式：增量码测量 计数计数 断电断电数据消逝数据消逝要求高：对环境要求高要求高：对环境要求高温度、湿度、灰尘、振动、温度、湿度、灰尘、振动、移动精度移动精度成本高：电路困难成本高：电路困难 二、长度及线位移检测二、长度及线位移检测(3)光栅传感器结构光栅传感器结构 1 主光栅尺（定光栅）主光栅尺（定光栅）2 指示光栅（动光栅）指示光栅（动光栅）3 光电元件光电元件4 透镜透镜5 光源光源透射式结构：透射式结构：反射式结构：反射式结构：光源光源
8、指示光栅指示光栅 透射透射 主光栅主光栅 光电元件光电元件光源光源 主光栅主光栅 反射反射 指示光栅指示光栅 光电元件光电元件二、长度及线位移检测二、长度及线位移检测(4)代表性产品：代表性产品：德国德国Heidenhain（海德汉）：（海德汉）：封闭式：量程封闭式：量程3000mm，辨别力，辨别力0.1 m开放式：量程开放式：量程1440mm，辨别力，辨别力0.01 m开放式：量程开放式：量程270mm 辨别力辨别力1nm二、长度及线位移检测二、长度及线位移检测英国英国Renishaw（雷尼绍）：（雷尼绍）：量程：随意量程：随意辨别力：辨别力：0.1 m 0.01 m中国长春光机所：中国长春
9、光机所：量量 程：程：1000mm辨别力：辨别力：0.01 m精精 度：度：2 m二、长度及线位移检测二、长度及线位移检测2、光学干涉、光学干涉（Interference）干涉原理（单频干涉）：干涉原理（单频干涉）：两束同频光束在空间相遇会发生干涉条纹，其亮暗程度取两束同频光束在空间相遇会发生干涉条纹，其亮暗程度取决于两束光间的相位差决于两束光间的相位差 亮条：亮条：暗条：暗条：=2=2k k,k k=0,1,l,2,=0,1,l,2,相消干涉相消干涉=2=2k k,k k=0,1,l,2,=0,1,l,2,相长干涉相长干涉 二、长度及线位移检测二、长度及线位移检测结构：结构：实现要点实现要点
10、:（1）单一光源）单一光源光光源源视察屏、视察屏、光电接收光电接收固定固定反射镜反射镜被测物体被测物体半透半反镜半透半反镜（4）分光镜（半透半反）分光镜（半透半反）（5）固定参考反射镜）固定参考反射镜（2）被测物体）被测物体（3）光电接收）光电接收二、长度及线位移检测二、长度及线位移检测双频双频激光干涉位移传感器激光干涉位移传感器测量原理：测量原理：激光器发出一束激光，激光器发出一束激光，含有两束偏振光：含有两束偏振光：左旋光，频率左旋光，频率f1 右旋光，频率右旋光，频率f2，振幅相同，振幅相同，频率相差约频率相差约2MHz。激光束激光束分光器分光器参考光束参考光束测量光束测量光束光电检测光
11、电检测/4波片波片渥氏棱镜渥氏棱镜f2f2光电检测光电检测f1f1角锥棱镜角锥棱镜参考信号参考信号测量信号测量信号f f2 2-f-f1 1f ff f1 1f f1 1f f2 2-(f-(f1 1 f)f)二、长度及线位移检测二、长度及线位移检测激光干涉位移传感器激光干涉位移传感器HP5528A Laser interferometer：量程：量程：100m 辨别力：辨别力：0.01 m三、角度及角位移检测三、角度及角位移检测1、确定码光电编码器、确定码光电编码器原理：平行光源原理：平行光源码盘码盘 光电元件光电元件电信号输出电信号输出 码盘：光学玻璃，透光码盘：光学玻璃，透光/不透光不透
12、光 照相腐蚀照相腐蚀 要求：分度精确（工艺）、阴暗交替边缘陡峭（工艺、材质）要求：分度精确（工艺）、阴暗交替边缘陡峭（工艺、材质）光源：光源：LED 光学系统光学系统 平行光平行光 投影精确投影精确 光电元件：硅光电池，光电晶体管光电元件：硅光电池，光电晶体管 滞后滞后 响应速度响应速度 码道：位数码道：位数每个码道对应一个光电元件每个码道对应一个光电元件辨别率辨别率 角度辨别率：角度辨别率：=360/2n n-码道数（位数）码道数（位数）组成：组成：光源、码盘、光电元件光源、码盘、光电元件 增加码道、增大码盘尺寸增加码道、增大码盘尺寸 有限有限提高精度提高精度光学细分光学细分 附加码道附加码
13、道三、角度及角位移检测三、角度及角位移检测测量电路测量电路：编码码制编码码制：十进制码十进制码-0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 二进制码二进制码-0000 0001 0010 0011 0100 格格 雷雷 码码-循环码：相邻两数只有一位不同循环码：相邻两数只有一位不同 每次只有一位变更每次只有一位变更转换转换 放大放大 足够电平足够电平，驱动，驱动整形整形 接近志向方波接近志向方波 细分细分 提高辨别率（光学提高辨别率（光学+电路）电路）多位码同时动作多位码同时动作同步误差同步误差错码错码读数直观，不易电路处理读数直观，不易电路处理直观，易于后续电路和计算机处理直观，易于后续电路和计
14、算机处理角度位置二进制码十进制码格雷码0.022.545.067.590.0112.5135.0157.5180.0202.5225.0247.5270.0292.5315.0337.5ABCDEFGHIJKLMNOp0000000100100011010001010110011110001001101010111100110111101111012345678910111213141500000001001100100110011101010100110011011111111010101011100110004位确定码光电编码器码制位确定码光电编码器码制三、角度及角位移检测三、角度及角位移
15、检测特点特点：摩擦轮摩擦轮编码器编码器小范围确定位置测量小范围确定位置测量-角度、直线位置角度、直线位置小范围位移、速度检测小范围位移、速度检测结构简洁、精度高、辨别率高，牢靠性好，结构简洁、精度高、辨别率高，牢靠性好，应用：应用：例：直线例：直线 旋转旋转 360 干脆数字量输出干脆数字量输出-数字传感器，数字传感器，确定码确定码-确定角位置传感器确定角位置传感器测量范围有限（测量范围有限（360），），速度不高（最高几千转速度不高（最高几千转/分），怕振动分），怕振动-丢数丢数连接连接-弹性连轴结弹性连轴结三、角度及角位移检测三、角度及角位移检测2、增量码光电编码器、增量码光电编码器结构：
16、结构：与确定编码器类似与确定编码器类似码道：最外码道：最外-增量码道：透光扇形区增量码道：透光扇形区辨别率辨别率 中间中间-辨向码道：错开半个扇形区辨向码道：错开半个扇形区 最内最内-零位码道：透光狭缝零位码道：透光狭缝基准脉冲基准脉冲应用应用：相对位置测量：相对位置测量-角度、直线位置，角度、直线位置，位移、速度测量位移、速度测量 特点：结构简洁、精度高、辨别率高，牢靠性好，特点：结构简洁、精度高、辨别率高，牢靠性好，脉冲数字输出，测量范围无限脉冲数字输出，测量范围无限 速度不高（最高几千转速度不高（最高几千转/分）分）怕振动怕振动-丢数丢数三、角度及角位移检测三、角度及角位移检测3、圆光栅
17、传感器、圆光栅传感器工作原理工作原理：莫尔条纹技术：莫尔条纹技术类型类型：(1)直线莫尔条纹：条纹直线莫尔条纹：条纹-直线直线(2)圆型莫尔条纹：条纹圆型莫尔条纹：条纹-圆型圆型RENISHAW 圆光栅：角度辨别率为0.01 系统精度为 0.7(a)径向光栅径向光栅-圆弧形莫尔条纹圆弧形莫尔条纹光栅：两块，径向刻线，栅距角相同，偏心叠合光栅：两块，径向刻线，栅距角相同，偏心叠合条纹宽度不是定值，随位置不同而不同。条纹宽度不是定值，随位置不同而不同。在位于偏心的垂直位置上，条纹近似垂直于栅线，称横向莫尔条纹在位于偏心的垂直位置上，条纹近似垂直于栅线，称横向莫尔条纹在沿着偏心方向上，条纹近似地平行
18、于栅线，称纵向莫尔条纹在沿着偏心方向上，条纹近似地平行于栅线，称纵向莫尔条纹其他位置上上，称为斜向莫尔条纹其他位置上上，称为斜向莫尔条纹条纹：在不同区域栅线的交角不同，不同曲率半径圆弧条纹：在不同区域栅线的交角不同，不同曲率半径圆弧三、角度及角位移检测三、角度及角位移检测光栅：两块完全相同，环形刻线，偏心叠合，光栅：两块完全相同，环形刻线，偏心叠合，(b)切向光栅切向光栅-环形莫尔条纹环形莫尔条纹光栅：两块，切向刻线，切向相同，栅距角相同，光栅：两块，切向刻线，切向相同，栅距角相同，基圆半径不同，栅线面相对同心叠合，基圆半径不同，栅线面相对同心叠合，条纹：是以光栅中心为圆心的同心圆簇，条纹：是
19、以光栅中心为圆心的同心圆簇，宽度也不是定值，随位置不同而不同。宽度也不是定值，随位置不同而不同。特点：具有全光栅平均效应，用于高精度角度测量和分度。特点：具有全光栅平均效应，用于高精度角度测量和分度。(c)环形光栅环形光栅-辐射形莫尔条纹辐射形莫尔条纹条纹：近似直线并成辐射方向，称为辐射形莫尔条纹。条纹：近似直线并成辐射方向，称为辐射形莫尔条纹。四、确定测距四、确定测距1、电涡流测距、电涡流测距(1)工作原理工作原理:交变电流交变电流传感器线圈传感器线圈被测导体被测导体交变磁场交变磁场H1电涡流电涡流交变磁场交变磁场H2参数变更参数变更(电感、阻抗、电感、阻抗、品质因素等品质因素等)输出信号输
20、出信号四、确定测距四、确定测距保持其他参数不变，只变更一个参数保持其他参数不变，只变更一个参数-测量，测量，变更因素：变更因素：被测导体被测导体-几何形态、电导率、磁导率几何形态、电导率、磁导率 线圈线圈-几何参数、电流大小和频率、几何参数、电流大小和频率、其他其他-线圈与导体距离线圈与导体距离测量原理：测量原理：电涡流密度径向分布电涡流密度径向分布涡流密度不等：涡流密度不等：电涡流分布电涡流分布：深度：深度：高频激励高频激励-表面薄层，表面薄层，铜导体，铜导体，1MHz频率，深度频率，深度0.07mm径向：径向：有限范围有限范围-圆环形圆环形-涡流环涡流环 D=d时：密度最大时：密度最大D=
21、1.8d：下降为：下降为5%D3.5d）思索：思索：激励频率凹凸有什么影响？激励频率凹凸有什么影响？四、确定测距四、确定测距日本日本Keynce量程：量程：50mm精度精度0.03%四、确定测距四、确定测距2、激光测距传感器、激光测距传感器(1)激光测距特点：激光测距特点：测量距离可达几公里甚至几十公里（主要手段）测量距离可达几公里甚至几十公里（主要手段）(2)激光测距方法：飞行时间法、相位差法激光测距方法：飞行时间法、相位差法(a)飞行时间法：飞行时间法：被测距离被测距离:c-光速光速 t-来回飞行时间来回飞行时间(b)相位差法：相位差法：被测距离被测距离:c-光速光速 f0-脉冲频率脉冲频
22、率 -相位差相位差激光器激光器被测目标被测目标原理：激光器发出单个激光脉冲原理：激光器发出单个激光脉冲原理：激光器发出连续激光脉冲原理：激光器发出连续激光脉冲激光器激光器被测目标被测目标特点：对时间测量精度要求高，适于测量超长距离（地球特点：对时间测量精度要求高，适于测量超长距离（地球-月球：辨别力达到月球：辨别力达到1m）特点：测量精度高，测量范围大（短距离特点：测量精度高，测量范围大（短距离 超长距离）超长距离）（相机自动调焦）四、确定测距四、确定测距范围：范围：0.2 300m 分辨力：分辨力：3mm德国俫卡手持式：德国俫卡手持式：范围：范围：0.2 200m分辨力：分辨力：0.2mm美
23、国美国bushwell 单目军用单目军用范围：范围：1000m分辨力：分辨力：1m四、确定测距四、确定测距3、超声测距传感器、超声测距传感器超声测距原理：超声测距原理：被测距离被测距离:c-声速声速 t-来回飞行时间来回飞行时间应用：适于大目标、近距离、一般精度测距应用：适于大目标、近距离、一般精度测距 手持测距仪手持测距仪-盲人导盲盲人导盲 汽车倒车雷达汽车倒车雷达-汽车平安汽车平安 工业应用工业应用-超声测量液位、物位超声测量液位、物位特点：超声波束发散，测量范围小特点：超声波束发散，测量范围小 波束聚焦困难，测量精度低波束聚焦困难，测量精度低 测量目标不能太小；测量目标不能太小；超生探头
24、超生探头被测目标被测目标超声波传感器（超声波探头），是实现声电转换的装置（超声换能器）超声波传感器（超声波探头），是实现声电转换的装置（超声换能器）这种装置能够放射超声波，同时还可以接收超声回波，并转换成电信号。这种装置能够放射超声波，同时还可以接收超声回波，并转换成电信号。五、温度检测五、温度检测1、概述、概述 温度温度分类分类:应用应用:测温测温接触测温接触测温非接触测温非接触测温热辐射测温热辐射测温热传导测温热传导测温压电效应压电效应热阻效应热阻效应热电势效应热电势效应金金 属属热电阻热电阻半导体半导体热敏电阻热敏电阻热电偶热电偶温温 度度传感器传感器压电陶瓷（热释电效应）压电陶瓷（热释
25、电效应）敏感元件敏感元件 电参数电参数光电效应光电效应红外温度传感器红外温度传感器、光纤温度传感器、光纤温度传感器热电阻热电阻电涡流传感器电涡流传感器PNPN结热电效应结热电效应热敏二极管热敏二极管/三极管三极管、集成温度传感器集成温度传感器工作原理：工作原理：(1)热电阻原理与特性热电阻原理与特性:要求：要求：（1）温度系数、电阻率较高）温度系数、电阻率较高 提高灵敏度，体积小，反应快提高灵敏度，体积小，反应快（2）理化性能稳定）理化性能稳定 提高稳定性和精确性，复现性好提高稳定性和精确性，复现性好 （3）良好的输入）良好的输入-输出特性输出特性 线性线性/接近线性，测量精度高接近线性，测量
26、精度高（4）良好的工艺性）良好的工艺性 批量生产，降低成本批量生产，降低成本材料：纯金属材料：纯金属-铂、铜、镍、铁铂、铜、镍、铁（5）较大的测温范围）较大的测温范围 特殊是在低温范围特殊是在低温范围五、温度检测五、温度检测2、热电阻、热电阻原理：热能原理：热能 热电阻热电阻 电阻值电阻值温度温度 热电阻热电阻 阻值阻值 特点：特点：0 +850：0 -200：应用：应用：(1)在高温顺氧化介质中性能极为稳定，在高温顺氧化介质中性能极为稳定，易于提纯，工艺性好易于提纯，工艺性好(2)输入输出特性接近线性输入输出特性接近线性(4)珍贵金属，成本较高珍贵金属，成本较高标准温度计，高精度工业测温，凹
27、凸温测试标准温度计，高精度工业测温，凹凸温测试 构成：构成：金属铂丝金属铂丝(0.020.07mm)绕制成线圈绕制成线圈(3)测量精度高：测量精度高：0:1、0100:0.5、100650:0.5%五、温度检测五、温度检测Pt100：R0：0时的温度时的温度 标准值标准值(Pt100,Pt500)(2)铂电阻铂电阻(Pt)特点：特点：-50 180：应用：应用：(1)易于提纯，在易于提纯，在-50 150范围内性能稳定，价格低范围内性能稳定，价格低 (2)输入输出特性接近线性输入输出特性接近线性:(3)电阻率低（为铂电阻的电阻率低（为铂电阻的1/6），体积较大），体积较大(Cu50,Cu100
28、)(4)高温易被氧化，易被腐蚀高温易被氧化，易被腐蚀(5)测量精度低于铂电阻：测量精度低于铂电阻：-5050:0.5、50150:1%小范围，较低温度，测量精度要求低，没有浸蚀性介质，代替铂小范围，较低温度，测量精度要求低，没有浸蚀性介质，代替铂 五、温度检测五、温度检测构成：构成：金属铂丝金属铂丝(0.020.07mm)绕制成线圈绕制成线圈(3)铜电阻铜电阻(Cu)R0：0时的温度时的温度 标准值标准值材料：材料：特点：特点：分类：分类：（1）温度系数大）温度系数大 灵敏度高灵敏度高 （为热电阻（为热电阻10100倍）倍）（2）结构简洁，体积小）结构简洁，体积小 可以测量点温度可以测量点温度
29、（3）电阻率高、热惯性小）电阻率高、热惯性小 适于动态测温适于动态测温（4）易于维护、运用寿命长）易于维护、运用寿命长 适于现场测温适于现场测温（5）互换性差，非线性严峻，精度低）互换性差，非线性严峻，精度低 正温度系数热敏电阻正温度系数热敏电阻(PTC)负温度系数热敏电阻负温度系数热敏电阻(NTC)临界温度系数热敏电阻临界温度系数热敏电阻(CTR)半导体半导体-半导体热电阻半导体热电阻（6）成本低，应用广泛）成本低，应用广泛 3、热敏电阻热敏电阻 五、温度检测五、温度检测非线性非线性 热敏电阻的应用热敏电阻的应用家用电器家用电器电熨斗、电冰箱、电饭煲、洗衣机、电暖壶、烘干机、电电熨斗、电冰箱
30、、电饭煲、洗衣机、电暖壶、烘干机、电烤箱、空调机、电热毯、热水器、热得快、电磁炉、烤箱、空调机、电热毯、热水器、热得快、电磁炉、汽车电子汽车电子电子喷油嘴、空调机、发电机防热装置、电热座椅电子喷油嘴、空调机、发电机防热装置、电热座椅测量仪器测量仪器流量计、风速表、真空计、浓度计、湿度计、空气传感器、流量计、风速表、真空计、浓度计、湿度计、空气传感器、环境监测仪、环境监测仪、办公设备办公设备复印机、传真机、打印机、扫描仪复印机、传真机、打印机、扫描仪农业园艺农业园艺温室控制、人工气候箱、烘干系统、温室控制、人工气候箱、烘干系统、医疗器具医疗器具体温计、人工透析、散热系统体温计、人工透析、散热系统
31、工业生产工业生产电动机过热保护、电动机过热保护、五、温度检测五、温度检测应用实例：基于热敏电阻的电机过酷爱护器：应用实例：基于热敏电阻的电机过酷爱护器：Rt1 Rt2 Rt3：热敏电阻：热敏电阻(NTC)，安装在三相绕组旁边，安装在三相绕组旁边 温度低时温度低时：电阻高：电阻高 三极管不导通三极管不导通 继电器不吸合继电器不吸合 电机运行电机运行温度高时温度高时：电阻低：电阻低 三极管导通三极管导通 继电器吸合继电器吸合 电机停止电机停止五、温度检测五、温度检测4、热电偶热电偶 五、温度检测五、温度检测(1)工作原理工作原理:两种不同导体构成闭合回路两种不同导体构成闭合回路两个节点（两个节点（
32、A A、B B）温度不同）温度不同热电势热电势温差电势：温差电势：A-温差系数温差系数 TA,TB-A、B两节点确定温度两节点确定温度 k-波尔兹曼常数波尔兹曼常数 e-电子电荷电子电荷NA,NB-导体导体AB的自由电子密度的自由电子密度材料材料T-节点确定温度节点确定温度 接触电势：接触电势：不同导体不同导体自由电子密度不同自由电子密度不同扩散扩散电势电势（帕尔帖）（帕尔帖）同一导体同一导体两端温度不同两端温度不同电子迁移（高电子迁移（高 低）低）电势电势 若两种导体相同：若两种导体相同：A=B E=0若两端无温差：若两端无温差：T=T0 E=0 两种状况两种状况 导体不同导体不同两端温差两
33、端温差条件条件(2)常用热电偶材料：常用热电偶材料：五、温度检测五、温度检测材料材料测温范围测温范围特点特点应用应用铂铹铂铹10纯铂纯铂0 1000 准确性高，成本高准确性高，成本高工业工业铱铹铱铹10纯铱纯铱0 2100 科学研究科学研究铱铹铱铹40铂铹铂铹400 1900 氧化、中性气体氧化、中性气体镍铁镍铁镍铜镍铜50 500 50 无电势无电势火灾报警火灾报警镍铬镍铬康铜康铜-200 900 各种场合各种场合镍铬镍铬镍硅镍硅-50 1300 电势大，线性好电势大，线性好各种场合、常用各种场合、常用铜铜康铜康铜-200 400 各种场合各种场合镍铬镍铬金铁金铁-270 10 低温低温铜铜
34、金铁金铁-270 -250 灵敏度高灵敏度高低温低温(3)热电偶结构：热电偶结构：五、温度检测五、温度检测a)一般热电偶：一般热电偶：应用：测量气体、蒸汽、液体等介质温度应用：测量气体、蒸汽、液体等介质温度结构：结构：1-热电极热电极 2-绝缘套管绝缘套管 3-爱护套管爱护套管 4-接线盒接线盒 b)铠装热电偶：铠装热电偶：结构：热电极结构：热电极+绝缘材料绝缘材料 +金属爱护套金属爱护套特点：瘦长特点：瘦长(13mm)，可以弯曲，挠性好，强度高，可以弯曲，挠性好，强度高 测端热容量小，动态响应快测端热容量小，动态响应快(0.01s)，应用：适于狭小空间、点温度应用：适于狭小空间、点温度c)其
35、他热电偶：其他热电偶：薄膜热电偶、浸入式热电阻、薄膜热电偶、浸入式热电阻、(4)热电偶的冷端补偿热电偶的冷端补偿 热电势热电势:a)恒温法：恒温法：测测 温温:获得获得T T0固定固定 T0=0（冷端）（冷端）冷冷 端：干扰、波动端：干扰、波动 T0 0 误差误差 冷端温度补偿冷端温度补偿标准大气压下，冷端标准大气压下，冷端 冰水混合液（保温容器）冰水混合液（保温容器）b)系数修正法：系数修正法：T00 精确计算精确计算 修正修正T：测端温度：测端温度 T0：参考端（冷端）温度：参考端（冷端）温度Tn：测量温度：测量温度 k：修正系数（表：修正系数（表7-5）五、温度检测五、温度检测恒温限制恒
36、温限制 0 试验室（半导体制冷器）试验室（半导体制冷器）冷端温度补偿方法：冷端温度补偿方法：d)电桥补偿法：电桥补偿法：全臂电桥：全臂电桥：R1,R2,R3-锰铜线绕制电阻（固定电阻）锰铜线绕制电阻（固定电阻）R4-铜线绕制补偿电阻（热电阻）铜线绕制补偿电阻（热电阻）R-限流电阻限流电阻 E-电桥电源电桥电源平衡：平衡：调整调整R4，使得电桥输出，使得电桥输出 Uab=0补偿：补偿：冷端温度冷端温度热电偶输出热电势热电偶输出热电势ExR4 失衡失衡 Uab 若若Ex=Uab 输出不变输出不变c)延长电极法：延长电极法：须要长线传输信号须要长线传输信号热电偶长度热电偶长度1米左右米左右延长电极延
37、长电极(补偿导线补偿导线)拉大测端与冷短距离拉大测端与冷短距离方法：延长电极与热电偶的材质尽可能接近，方法：延长电极与热电偶的材质尽可能接近，延长电极与热电偶的两个节点温度相等延长电极与热电偶的两个节点温度相等五、温度检测五、温度检测PNPN结温度特性：结温度特性：热量热量PN半导体半导体PN结结 分子热运动分子热运动热电流热电流电子电子N空穴空穴P温度越高温度越高 热电流愈大热电流愈大特点：辨别力高（特点：辨别力高（0.1%），精度高；），精度高；体积小，重量轻体积小，重量轻具有多种输出形式，便于运用，具有多种输出形式，便于运用，批量生产，价格便宜批量生产，价格便宜集成化、智能化、微型化集成
38、化、智能化、微型化应用：电气元件内置测温、集成测温传感器应用：电气元件内置测温、集成测温传感器5、热敏晶体管与集成温度传感器热敏晶体管与集成温度传感器 五、温度检测五、温度检测(1)原理与特点：原理与特点：(2)热敏二极管热敏二极管 正向压降：正向压降：U U0 0：0K0K时的电压时的电压k k:波尔兹曼常数波尔兹曼常数e e:电子电荷电子电荷I I:PN:PN结正向电流结正向电流D D、：常数常数T T:温度温度特点：当电流特点：当电流I恒定，在确定温度范围内，恒定，在确定温度范围内，U T（线性）（线性）应用：常温检测应用：常温检测-CPU内置的热敏二极管内置的热敏二极管(英特尔奔腾英特
39、尔奔腾 M M 处理处理)温度范围小，一般几十度以内温度范围小，一般几十度以内-常温常温五、温度检测五、温度检测(3)热敏三极管热敏三极管 BeBe结导通电压：结导通电压：U U0 0：0K0K时的电压时的电压k k:波尔兹曼常数波尔兹曼常数e e:电子电荷电子电荷I Ic c:集电极电流集电极电流、：常数：常数特点：当电流特点：当电流I恒定，在确定温度范围内，恒定，在确定温度范围内，Ube T（线性）（线性）应用：大范围测温应用：大范围测温测温范围大（几百度），精度较低测温范围大（几百度），精度较低五、温度检测五、温度检测(4)集成温度传感器集成温度传感器 测温部分：测温部分：特点：当电流特点：当电流Ic1、Ic2恒定，恒定，Ube T（线性）（线性）应用：集成测温、智能测温应用：集成测温、智能测温集成度高集成度高-测温环节测温环节+放大放大+恒流恒流+补偿补偿+典型：典型：AD590生产商：生产商：AD公司公司封封 装：双端器件装：双端器件测测 温：温：-55150 灵敏度：灵敏度：1A/K非线性：非线性：0.3(F.S.)五、温度检测五、温度检测