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1、工程测试技术第三章第三章 传感器原理及应用传感器原理及应用本章学习要求：1.了解传感器的分类；2.掌握常用传感器测量原理；3.了解测量电路；4.了结智能传感器的概念；5.了解典型传感器的应用。工程测试技术华中科技大学材料学院本章目录本章目录3.1 概述（4学时）3.2 电阻式传感器3.3 电感式传感器（2学时）3.4 电容式传感器3.5 磁电式传感器3.6 压电式传感器3.7 热电式传感器（2学时）3.8 光电式传感器（2学时）3.9 其它类型的传感器3.10 传感器选用原则2工程测试技术华中科技大学材料学院传感器分类传感器分类工作机理分类工作机理分类电阻式电感式光电式压电式电容式变阻器式应变
2、片式热敏式光敏式磁阻式气敏式自感式互感式磁电式极距变化型面积变化型介质变化型涡流式可变磁阻型热电式半导体式电阻丝式机械式3工程测试技术华中科技大学材料学院3.7 热电式传感器热电式传感器利用热电效应热电效应制作的传感器。热电偶是工业和试验室中温度测量应用最多的器件，它的特点是测温范围宽、测量精度高、性能稳定、结构简单，且动态响应较好；输出直接为电信号，可以远传，便于集中检测和自动控制。4工程测试技术华中科技大学材料学院3.7.1 热电效应热电效应 1821年德国物理学家年德国物理学家T.J.Seebeck发现发现将两种将两种不同材料的导体串接成一个闭合回路，当两个接点不同材料的导体串接成一个闭
3、合回路，当两个接点温度不同时，在回路中就会产生热电势，形成电流，温度不同时，在回路中就会产生热电势，形成电流，此现象称为此现象称为热电效应，热电效应，又称又称塞贝克效应塞贝克效应。热电势的大小由两种材料的热电势的大小由两种材料的接触电势接触电势和单一材料的和单一材料的温温差电势差电势决定。决定。5工程测试技术华中科技大学材料学院1.1.接触电势接触电势K-玻耳兹曼常数；玻耳兹曼常数；e-电子电荷量；电子电荷量；T-接触处的温度；接触处的温度；NA，NB-分别为导体分别为导体A和和B的自由电子密度。的自由电子密度。B自由电子扩散EAB接触电势的形成过程NANBNBNA6工程测试技术华中科技大学材
4、料学院2.2.温差电势温差电势（汤姆逊电势）（汤姆逊电势）-汤姆逊系数，它表示温度为汤姆逊系数，它表示温度为1时所产生时所产生的电动势值，它与材料的性质有关。的电动势值，它与材料的性质有关。7工程测试技术华中科技大学材料学院3.3.热电偶回路的总热电势热电偶回路的总热电势8工程测试技术华中科技大学材料学院4.结论1.热电极A和B为同一种材料时，NA=NB，A=B，则有，EAB(T,T0)=0；2.若热电偶两端处于同一温度下，T=T0，则有，EAB(T,T0)=0。3.热电势是T和T0的温度函数的差，而不是温度的函数。当T0=0时，则有：9工程测试技术华中科技大学材料学院p热电势存在必须具备两个
5、条件：两种不同的金属材料组成热电偶；它的两端存在温差。p当冷端温度T0恒定（如T0=0）时，E与T之间有唯一对应的单值函数关系，因此就可以用测量到的热电势E来得到对应的温度值T。p热电偶热电势的大小，只与导体A和B的材料和冷热端的温度有关，与导体的粗细长短及两导体接触面积无关。10工程测试技术华中科技大学材料学院3.7.2 热电偶的基本定律热电偶的基本定律1 均质导体定律均质导体定律由一种均质导体组成的闭合回路，不论导体的由一种均质导体组成的闭合回路，不论导体的横截面积、长度以及温度分布如何均不产生热电动横截面积、长度以及温度分布如何均不产生热电动势。势。如果热电偶的热电极是非匀质导体，在不均
6、匀如果热电偶的热电极是非匀质导体，在不均匀温度场中测温时将造成测量误差。所以热电偶材料温度场中测温时将造成测量误差。所以热电偶材料的均匀性是衡量热电偶质量的重要技术指标之一。的均匀性是衡量热电偶质量的重要技术指标之一。TT011工程测试技术华中科技大学材料学院2.中间导体定律中间导体定律在热电偶回路中接入第三种材料的导在热电偶回路中接入第三种材料的导体，只要其两端的温度相等，该导体的接入体，只要其两端的温度相等，该导体的接入就不会影响热电偶回路的总热电动势。就不会影响热电偶回路的总热电动势。TT0V为用测量仪表测量回路的热电动势提供理为用测量仪表测量回路的热电动势提供理论依据。论依据。12工程
7、测试技术华中科技大学材料学院3.中间温度定律中间温度定律两种均质导体两种均质导体A,B组成热电偶，组成热电偶，当其两接点处在温度当其两接点处在温度T和和Tn时，产生时，产生的热电动势为的热电动势为EAB(T,Tn)而当两接点而当两接点的温度处在的温度处在Tn和和T0时产生的热电动势时产生的热电动势为为EAB(Tn,T0)，则此热电偶处在温，则此热电偶处在温度度T和和T0两接点的热电动势两接点的热电动势EAB(T,T0)应为：应为：为在热电偶分度和工业测量温度中使用补偿导为在热电偶分度和工业测量温度中使用补偿导线提供了理论基础。线提供了理论基础。13工程测试技术华中科技大学材料学院3.7.3 热
8、电偶的冷端处理和补偿热电偶的冷端处理和补偿热电偶的热电势大小不仅与热端温度的有关，而且也与冷端温度有关，只有当冷端温度恒定，才能通过测量热电势的大小得到热端的温度。热电偶的冷端处理和补偿:当热电偶冷端处在温度波动较大的地方时，必须首先使用补偿导线将冷端延长到一个温度稳定的地方，再考虑将冷端处理为。14工程测试技术华中科技大学材料学院1.补偿导线补偿导线热电偶补偿导线功能：l其一实现了冷端迁移；l其二是降低了电路成本。组成：补偿导线合金丝、绝缘层、护套和屏蔽层。补偿导线又分为延长型和补偿型两种 l延长形：补偿导线合金丝的名义化学成分及热电势标称值与配用的热电偶相同。l补偿型：其合金丝的名称化学成
9、分与配用的热电偶不同，但其热电势值在100以下时与配用的热电偶的热电势标称值相同。15工程测试技术华中科技大学材料学院使用补偿导线时注意问题：u补偿导线只能用在规定的温度范围内（0100）；u热电偶和补偿导线的两个接点处要保持温度相同；u不同型号的热电偶配有不同的补偿导线；u补偿导线的正、负极需分别与热电偶正、负极相连。16工程测试技术华中科技大学材料学院2.常用的几种冷端处理方法1).热电偶冷端温度恒温法热电偶冷端温度恒温法适用于实验室中的精确测量和检定热电偶时使用。适用于实验室中的精确测量和检定热电偶时使用。17工程测试技术华中科技大学材料学院2).计算修正法计算修正法在实际应用中，热电偶
10、的参比端往往不是在实际应用中，热电偶的参比端往往不是0 ，而是环境温度，这时测量出的回路热电势要小，因，而是环境温度，这时测量出的回路热电势要小，因此必须加上环境温度与冰点之间温差所产生的热电势此必须加上环境温度与冰点之间温差所产生的热电势后才能符合热电偶分度表的要求。后才能符合热电偶分度表的要求。可用室温计测出环境温度可用室温计测出环境温度T1，从分度表中查出，从分度表中查出E(T1,0)值，然后加上热电偶回路热电势值，然后加上热电偶回路热电势E(T,T1)，得到得到E(T,0)值，反查分度表即可得到准确的被测温值，反查分度表即可得到准确的被测温度值。度值。18工程测试技术华中科技大学材料学
11、院计算示例用镍铬-镍硅(K型)热电偶测温，热电偶参比端温度为30。测得的热电势为28mV，求热端温度。反查K分度表 T=701.5计算修正曲线 19工程测试技术华中科技大学材料学院3).冷端补偿电桥法冷端补偿电桥法利用直流不平衡电桥产生的电势来补偿热利用直流不平衡电桥产生的电势来补偿热电偶冷端温度变化而引起的热电势的变化值。电偶冷端温度变化而引起的热电势的变化值。20工程测试技术华中科技大学材料学院3.7.4 标准化热电偶标准化热电偶为了得到实用性好，性能优良的热电偶，其热电极材料需具有以下性能：(1)优良的热电特性；(2)良好的物理性能；(3)优良的化学性能；(4)优良的机械性能；(5)足够
12、的机械强度和长的使用寿命；(6)制造成本低，价值比较便宜。21工程测试技术华中科技大学材料学院1.标准化热电偶工艺上比较成熟，能批量生产、性能稳定、应用广泛，具有统一分度表并已列入国际和国家标准文件中的热电偶。标准化热电偶可以互相交换，精度有一定的保证。国际电工委员会（IEC）共推荐了8种标准化热电偶，分度号为：S,R,B,K,N,E,T和J。22工程测试技术华中科技大学材料学院2.标准化热电偶技术数据热电偶热电偶名称名称分度号分度号新新热电极识别热电极识别E(100,0)(mV)测温范围（测温范围（）允许偏差允许偏差极性极性识别识别长期长期短期短期使用温度使用温度允差允差 铂铑10-铂S正亮
13、白较硬0.6460130016006001.5负亮白柔软6000.25%铂铑13-铂R正较硬0.6470130016006001.5负柔软11000.25%铂铑30-铂铑10B正较硬0.0330160018006009004负稍软8000.5%镍铬-镍硅K正不亲磁4.0960120013002.5负稍亲磁1.5%镍铬硅-镍硅N正不亲磁2.774-200120013002.5或0.75%负稍亲磁 镍铬-康铜E正暗绿6.319-200760850-409002.5或0.75%负亮黄 铜-康铜T正红色4.279-2003504001负银白色 铁-康铜J正亲磁5.269-40600750-407502
14、.5或0.75%负不亲磁23工程测试技术华中科技大学材料学院3.标准化热电偶的特性种类种类优点优点缺点缺点B适于测量1000以上的高温；常温下热电动势极小，可不用补偿导线；抗氧化、耐化学腐蚀。在中低温领域热电动势小，不能用于600以下；灵敏度低；热电动势的线性不好。R、S精度高、稳定性好，不易劣化；抗氧化、耐化学腐蚀；可作标准。灵敏度低；不适用于还原性气氛(尤其是H2、金属蒸气)；热电动势的线性不好；价格高。K热电动势线性好；1000下抗氧化性能良好；在廉金属热电偶中稳定性更好。不适用于还原性气氛；同贵金属热电偶相比时效变化大；因短程有序结构变化而产生误差E灵敏度最高；同J型相比，耐热性能良好
15、；两极非磁性。不适用于还原性气氛；热导率低具有微滞后现象。T热电势线性好；低温特性好；产品质量稳定性好；可用于还原性气氛使用温度低；铜正极易氧化；热传导误差大。24工程测试技术华中科技大学材料学院3.7.5 热电偶结构型式为保证热电偶的正常工作，热电偶的两极之间以及与保护套管之间都需要良好的电绝缘，而且耐高温、耐腐蚀和冲击的外保护套管也是必不可少的。1.普通型装配式结构 2.柔性安装型铠装结构25工程测试技术华中科技大学材料学院1.1.普通型装配式普通型装配式a)1-接线柱；接线柱；2-接线座；接线座；3-绝缘套管；绝缘套管；4-热电极热电极b)1-测量端；测量端；2-热电极；热电极；3-绝缘
16、套管；绝缘套管；4-保护管；保护管；5-接线盒接线盒26工程测试技术华中科技大学材料学院2.2.柔性安装型铠装结构柔性安装型铠装结构测量端的热容量小，响应速度快，绕性好，可测量端的热容量小，响应速度快，绕性好，可弯曲，可以安装在狭窄或结构复杂的测量场合，耐弯曲，可以安装在狭窄或结构复杂的测量场合，耐压、耐振、耐冲击。压、耐振、耐冲击。27工程测试技术华中科技大学材料学院3.7.6 热电偶安装注意事项1.插入深度要求测量端应有足够的插入深度，应使保护套管的测量端超过管道中心线510mm。2.注意保温为防止传导散热产生测温附加误差，保护套管露在设备外部的长度应尽量短，并加保温层。3.防止变形应尽量
17、垂直安装。在有流速的管道中必须倾斜安装，若需水平安装时，则应有支架支撑。28工程测试技术华中科技大学材料学院9、静夜四无邻，荒居旧业贫。5月-235月-23Tuesday,May 16,202310、雨中黄叶树，灯下白头人。13:13:4713:13:4713:135/16/2023 1:13:47 PM11、以我独沈久，愧君相见频。5月-2313:13:4713:13May-2316-May-2312、故人江海别，几度隔山川。13:13:4713:13:4713:13Tuesday,May 16,202313、乍见翻疑梦，相悲各问年。5月-235月-2313:13:4713:13:47May
18、 16,202314、他乡生白发，旧国见青山。16 五月 20231:13:47 下午13:13:475月-2315、比不了得就不比，得不到的就不要。五月 231:13 下午5月-2313:13May 16,202316、行动出成果，工作出财富。2023/5/16 13:13:4713:13:4716 May 202317、做前，能够环视四周；做时，你只能或者最好沿着以脚为起点的射线向前。1:13:47 下午1:13 下午13:13:475月-239、没有失败，只有暂时停止成功！。5月-235月-23Tuesday,May 16,202310、很多事情努力了未必有结果，但是不努力却什么改变也没
19、有。13:13:4713:13:4713:135/16/2023 1:13:47 PM11、成功就是日复一日那一点点小小努力的积累。5月-2313:13:4713:13May-2316-May-2312、世间成事，不求其绝对圆满，留一份不足，可得无限完美。13:13:4713:13:4713:13Tuesday,May 16,202313、不知香积寺，数里入云峰。5月-235月-2313:13:4713:13:47May 16,202314、意志坚强的人能把世界放在手中像泥块一样任意揉捏。16 五月 20231:13:47 下午13:13:475月-2315、楚塞三湘接，荆门九派通。五月 23
20、1:13 下午5月-2313:13May 16,202316、少年十五二十时，步行夺得胡马骑。2023/5/16 13:13:4713:13:4716 May 202317、空山新雨后，天气晚来秋。1:13:47 下午1:13 下午13:13:475月-239、杨柳散和风，青山澹吾虑。5月-235月-23Tuesday,May 16,202310、阅读一切好书如同和过去最杰出的人谈话。13:13:4713:13:4713:135/16/2023 1:13:47 PM11、越是没有本领的就越加自命不凡。5月-2313:13:4713:13May-2316-May-2312、越是无能的人，越喜欢挑
21、剔别人的错儿。13:13:4713:13:4713:13Tuesday,May 16,202313、知人者智，自知者明。胜人者有力，自胜者强。5月-235月-2313:13:4713:13:47May 16,202314、意志坚强的人能把世界放在手中像泥块一样任意揉捏。16 五月 20231:13:47 下午13:13:475月-2315、最具挑战性的挑战莫过于提升自我。五月 231:13 下午5月-2313:13May 16,202316、业余生活要有意义，不要越轨。2023/5/16 13:13:4713:13:4716 May 202317、一个人即使已登上顶峰，也仍要自强不息。1:13:47 下午1:13 下午13:13:475月-23MOMODA POWERPOINTLorem ipsum dolor sit amet,consectetur adipiscing elit.Fusce id urna blandit,eleifend nulla ac,fringilla purus.Nulla iaculis tempor felis ut cursus.感感 谢谢 您您 的的 下下 载载 观观 看看专家告诉