Transcript 第3章

第三章
发电传感器
本章学习的主要内容：
1、热电偶传感器
2、霍尔式传感器
3、压电式传感器
《自动检测技术》
§3－1 热电偶传感器
热处理温控系统动画演示
《自动检测技术》
一、热电偶传感器的工作原理
1、热电势效应
两种不同材料
结点温度不同
组成闭合回路
符号
《自动检测技术》
热电势效应动画演示
热电偶的热电动势EAB(t，t0)
接触电动势EAB（也称珀尔帖电动势）
温差电动势E(t，t0)（也称汤姆逊电动势）
总热电动势为两者之代数和。
EAB (t , t0 )  EAB  E(t , t0 )
《自动检测技术》
2、热电偶回路的主要性质
（1）中间导体定律
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，该导体的接入就不会影响热电
偶回路的总热电动势。
A
EABC（t，t0）= EAB（t，t0）
（C两端接点温度相同）
《自动检测技术》
C
t
B
t0
应用举例:
金属壁面进
行温度测量
《自动检测技术》
测量液态金
属的平均温度
（2）中间温度定律
热电偶AB在接点温度为t1、t3时的热电动势，
等于热电偶在接点温度为t1、t2和t2、t3时的热电动
势总和
A
t1
B
A
t3
=
t1
B
A
t2
+
t2
EAB(t1,t3) = EAB(t1,t2) + EAB(t2,t3)
《自动检测技术》
B
t3
（3）标准电极定律
当工作端和自由端温度为t和t0时，用导体A、B
组成热电偶的热电动势等于AC 热电偶和CB热电偶的
热电动势的代数和。
EAB (t , t0 )  EAC (t , t0 )  ECB (t , t0 )
或
EAB (t, t0 )  EAC (t, t0 )  EBC (t , t0 )
《自动检测技术》
【例1】如图为铂铑10－铂（S）热电偶，A’、B’为补
偿导线，温度t1=50℃，t2=0℃，t3=30℃，
t0＝0℃。
（1）当U0=934μV时，求被测点温度t。
（2）如果A’、B’改为铜导线，此时U0=810μV，再求
温度t。
《自动检测技术》
【分析】
（1）根据中间导体定律：U2＝U0
而A’、B’为补偿导线，视同热电偶 A、B
所以 EAB(t,t2)＝U2＝U0＝934（μV）
∵ t2=0℃，∴ 直接查表可得温度t=138 ℃
（2）根据中间导体定律：U1＝U0
EAB(t,t1)＝U1＝U0，根据中间温度定律
EAB(t, 0℃)＝EAB(t,t1)＋EAB(t1, 0℃)
＝U0＋EAB(50℃, 0℃)＝1109μV
直接查表可得温度t =160 ℃
《自动检测技术》
二、热电偶的种类及结构
1、热电偶的结构
热电极
绝缘套管
保护套管
接线盒
热电偶外形和结构图
《自动检测技术》
接线盒
热电偶工作端（热端）
引出线套管
不锈钢保护管
固定螺纹
标准热电偶
《自动检测技术》
普通型热电偶
标准化热电偶
2、热电偶
的种类
铠装热电偶
非标准化热电偶
《自动检测技术》
三、热电偶自由端温度的补偿
热电偶在测温过程中，为了保证输出热电动势是
被测温度的单一函数，必须保持自由端（冷端）
的温度恒定。
热电偶的分度表
由图表可知：根显示仪表都是以热电偶的自由端
温度等于0 ℃为条件的。
如果自由端温度不是0 ℃，尽管被测温度不变，
热电动势也将随自由端温度而变化 ，必须消除或
补偿这一测量误差。
《自动检测技术》
1、补偿方法
（1）仪表调零修正法
在t0基本不变的情况下，仪表预先机械调零到t0
处，即仪表预先输入E（t0，0℃）则指针指向t0 。
指针被预
调到室温
（40 C ）
可补偿冷
端损失
《自动检测技术》
（2）冷端温度自动补偿
一般采用电桥补偿法：在热电偶回路中串入一
个自动补偿的电位差信号来补偿热电势的变化值。
E（t，0℃）=E（t，t0）+Uab
《自动检测技术》
XT－WBC热电偶冷端补偿器
常用的国产冷端补偿器性能比较表
型
号
配用热电偶
补偿
范围
(℃)
电桥
平衡 电源 内阻
(V) (Ω)
时温
度(℃)
功耗
(VA)
补偿误差（mV）
WBC－01
铂铑10－铂
±0.045
WBC－02
镍铬－镍硅
(铝)
WBC－03
镍铬－考铜
±0.18
WBC-57LB
铂铑10－铂
±(0.015+0.0015Δt)
①
WBC-57EU
镍铬－镍硅
(铝)
WBC-57EA
镍铬－考铜
0～50
0～40
20
20
～
220
4
① Δt为与20℃之差的温度数值。
《自动检测技术》
1
1
＜8
＜
0.25
±0.16
±(0.04+0.004Δt)
±(0.065+0.0065Δt)
2、补偿导线延引电极
（1）问题的提出
自由端高温热源的影响
自由端温度要求基本保持恒定
热电偶做得长，贵重金属的耗费加大。
（2）解决办法
温度范围 （0℃～100℃）
热电特性相近的材料
自由端延长，用补偿导线相连
《自动检测技术》
A’
B’
屏蔽层
保护层
补偿导线外形图
《自动检测技术》
常用热电偶补偿导线的特性
导线外
皮颜色
100℃热电
势
（mV）
150℃热电
势
（mV）
20℃时的电
阻率(Ω·m)
铂铑10－铂 铜－铜镍① 红
0.645±0.
绿
023
1.029+0.024-
＜
0.0484×10-6
镍铬－
镍硅
铜－康铜
红
蓝
4.095±0.
15
6.137±0.20
镍铬－
考铜
镍铬－考铜 红
黄
6.95±0.3
0
10.69±0.38 ＜1.25×10-6
钨铼5－
钨铼20
铜－铜镍② 红
蓝
1.337±0.
045
配用热电
偶正-负
补偿导线
正-负
正
负
《自动检测技术》
0.055
－
＜
0.634×10-6
－
四、热电偶的应用
1. 热电偶的测温线路
注意： 冷端温度相同
热电动势与温度呈线性关系
《自动检测技术》
2. 热电偶热电动势的测量
测量方式：
动圈式仪表
电位差计
电子电位差计
微机识别，输出显示
《自动检测技术》
1－热电偶
2－补偿导线
3－冷端补偿器
4－外接调整电阻
5－铜导线
6－动圈
7－张丝
8－磁钢（极靴）
9－指针
10－刻度面板
XCZ系列指针式显示仪表电路图
《自动检测技术》
提问：
线路电阻对测量
结果有没有影响 ？
电位差计热电偶测温电路图
《自动检测技术》
XMZ系列智能
数字显示仪表外形图
《自动检测技术》
§3－2 霍尔式传感器
一、霍尔元件的工作原理及结构
1．霍尔效应
霍尔电压UH为：
IB
U H＝
 K H IB
ned
式中 n ——载流子数浓度
e ——电子电量
KH——霍尔元件灵敏度
霍尔效应动画演示
《自动检测技术》
KH＝1/ned
（a）霍尔元件结构示意图 （b）图形符号 （c）外形
霍尔元件示意图
《自动检测技术》
霍尔元件图片
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3．基本电路
注意：时间短（约10-12s～10-14s之间）
频率高（几千兆赫）。
《自动检测技术》
二、霍尔元件的基本参数与温度误差的补偿
1．基本参数
（1）输入电阻Ri；
（2）输出电阻R0；
（3）最大激励电流IM；
（4）灵敏度KH；
（5）最大磁感应强度BM；
（6）不等位电势；
（7）霍尔电势温度系数
《自动检测技术》
2．温度误差及其补偿
产生原因：
半导体对温度很敏感
特性参数为温度的函数
处理方法：
《自动检测技术》
三、集成霍尔元件
1. 线性型集成霍尔元件
《自动检测技术》
线性型集成霍尔元件输出特性
《自动检测技术》
2. 开关型集成霍尔元件
输出特性
《自动检测技术》
四、霍尔式传感器的应用
1．应用类型
（1）利用霍尔电势正比于磁感强度的特性来测量
磁场及与之有关的电量和非电量。如磁场计、方位
计、电流计、微小位移计、非接触开关等。
（2）利用霍尔电势正比于激励电流的特性可制作回
转器、隔离器、电流控制装置等。
（3）利用霍尔电势正比于激励电流与磁感应强度乘
积的规律制成乘算器、除算器、开方器、功率计等，
也可以作混频、调制、斩波、解调等用途。
《自动检测技术》
霍尔元件
霍尔特斯拉计（高斯计）
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2、应用举例
（1）角位移
测量仪
霍尔角位移测量动画演示1
《自动检测技术》
霍尔角位移测量动画演示2
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（2）霍尔转速表
霍尔转速测量动画演示
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（3）霍尔式微压力传感器
霍尔式微压力传感器原理示意图
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（4）霍尔钳形电流表
叉形钳形表漏磁
稍大，但使用方便
用钳形表测量
电动机的相电流
霍尔钳形电流表的使用
《自动检测技术》
§3－3 压电式传感器
压电传感器振动分析动画演示
《自动检测技术》
一、基本工作原理
1．压电效应
电介质在沿一定方向上受到外力
产生变形
内部产生极化现象，表面产生电荷
外力去掉，回到不带电状态
《自动检测技术》
压电效应动画演示
2. 逆压电效应
极化方向上施加交变电场
产生机械变形
去外加电场，变形消失
逆压电效应动画演示
《自动检测技术》
3．压电材料
（1）压电晶体
压电晶体是一种单晶体
例如：
石英晶体；
酒石酸钾钠
等
石英晶体外形图
《自动检测技术》
天然形成的石英晶体外形图
《自动检测技术》
（2）压电陶瓷
压电陶瓷是一种人工制造的多晶体
例如：钛酸钡、锆钛酸铅、铌酸锶等
压电陶瓷外形图
《自动检测技术》
（3）有机压电材料
有机压电材料属于新一代的压电材料
主要有压电半导体和高分子压电材料
高分子压电材料外形图
《自动检测技术》
4．压电材料的主要特性指标
（1）压电系数d
（2）刚度H
（3）介电常数ε
（4）电阻R
（5）居里点
《自动检测技术》
二、测量转换电路
1．压电元件的等效电路
提问： 压电式传感器能用于静态测量吗？
提示： 电荷有无泄漏？
转换电路的输入阻抗是否无限大？
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2. 电荷放大器
Q
UO  －
Cf
注意：
无放大电荷的作用
（Q/U转换器）
输出电压仅与输入
电荷和反馈电容有关
电缆长度影响小
电荷放大器等效电路
《自动检测技术》
电荷放大器外形图
《自动检测技术》
三、压电式传感器的结构和应用
1．压电元件常用的结构形式
（1）串联
U’＝2U
Q’=Q
（2）并联
C’＝2C
U’＝U
Q’=2Q
并联接法
《自动检测技术》
2．压电式传感器的应用
（1）压电式力传感器
压电式力传感器
测力动画演示
《自动检测技术》
（2）压电式加速度传感器
1－基座 2－引出电极
3－压电晶片 4－质量块 5－弹簧 6－壳体
《自动检测技术》
压电式振动加速度传感器
《自动检测技术》
铠装型热电偶可
长达上百米
铠装型热电偶外形
《自动检测技术》
普通热电偶的外形
《自动检测技术》
小形K型热电偶
其他热电偶外形
《自动检测技术》
铂铑10－铂热电偶分度表
分度号：S
（自由端温度为0℃）
热 电 动 势 (μV)
IPTS68℃
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
0
－1
－2
－3
－4
－5
－6
－7
－8
－9
0
55
113
173
235
299
365
432
502
573
645
719
5
61
119
179
241
305
371
439
509
580
653
727
11
67
125
185
247
312
378
446
516
587
660
734
16
72
131
191
254
318
385
453
523
594
667
742
22
78
137
197
260
325
391
460
530
602
675
749
27
84
142
203
266
331
398
467
537
609
682
757
33
90
148
210
273
338
405
474
544
616
690
764
38
95
154
216
279
345
412
481
551
623
697
772
44
101
161
222
286
351
419
488
558
631
704
780
50
107
167
228
292
358
425
495
566
638
712
787
《自动检测技术》
IPTS68℃
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110