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工程测试技术第三章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。华中科技大学材料学院工程测试技术2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传感器选用原则华中科技大学材料学院工程测试技术3传感器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华中科技大学材料学院工程测试技术43.7热电式传感器利用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。华中科技大学材料学院工程测试技术53.7.1热电效应1821年德国物理学家T.J.Seebeck发现将两种不同材料的导体串接成一个闭合回路，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，此现象称为热电效应，又称塞贝克效应。热电势的大小由两种材料的接触电势和单一材料的温差电势决定。华中科技大学材料学院工程测试技术61.接触电势K-玻耳兹曼常数；e-电子电荷量；T-接触处的温度；NA，NB-分别为导体A和B的自由电子密度。BAABNNekTTEln)(B自由电子扩散EAB接触电势的形成过程NANBNBNA华中科技大学材料学院工程测试技术72.温差电势（汤姆逊电势）δ-汤姆逊系数，它表示温度为1℃时所产生的电动势值，它与材料的性质有关。TTAdTTTe0),(0华中科技大学材料学院工程测试技术83.热电偶回路的总热电势TTBABABAABABBABAABABdtNNTTekTTeTTeTeTeTTeTeTTeTeTTE0)(ln)()],(),([)]()([),()(),()(),(00000000华中科技大学材料学院工程测试技术94.结论1.热电极A和B为同一种材料时，NA=NB，δA=δB，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：dtNNekTTfTEBATBAAB)(ln)()0,(0华中科技大学材料学院工程测试技术10热电势存在必须具备两个条件：两种不同的金属材料组成热电偶；它的两端存在温差。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。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。华中科技大学材料学院工程测试技术113.7.2热电偶的基本定律1均质导体定律由一种均质导体组成的闭合回路，不论导体的横截面积、长度以及温度分布如何均不产生热电动势。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。所以热电偶材料的均匀性是衡量热电偶质量的重要技术指标之一。TT0华中科技大学材料学院工程测试技术122.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。TT0V为用测量仪表测量回路的热电动势提供理论依据。华中科技大学材料学院工程测试技术133.中间温度定律两种均质导体A,B组成热电偶，当其两接点处在温度T和Tn时，产生的热电动势为EAB(T,Tn)而当两接点的温度处在Tn和T0时产生的热电动势为EAB(Tn,T0)，则此热电偶处在温度T和T0两接点的热电动势EAB(T,T0)应为：),(),(),(00TTETTETTEnABnABAB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。华中科技大学材料学院工程测试技术143.7.3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０℃。华中科技大学材料学院工程测试技术151.补偿导线热电偶补偿导线功能：其一实现了冷端迁移；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。补偿型：其合金丝的名称化学成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。华中科技大学材料学院工程测试技术16使用补偿导线时注意问题：补偿导线只能用在规定的温度范围内（0~100℃）；热电偶和补偿导线的两个接点处要保持温度相同；不同型号的热电偶配有不同的补偿导线；补偿导线的正、负极需分别与热电偶正、负极相连。华中科技大学材料学院工程测试技术172.常用的几种冷端处理方法1).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。华中科技大学材料学院工程测试技术182).计算修正法在实际应用中，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。)0,(),()0,(11TETTETE可用室温计测出环境温度T1，从分度表中查出E(T1,0)值，然后加上热电偶回路热电势E(T,T1)，得到E(T,0)值，反查分度表即可得到准确的被测温度值。华中科技大学材料学院工程测试技术19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。mVE203.1)0,30(mVTE28)30,(mVmVmVTE203.29203.128)0,(反查K分度表T=701.5℃计算修正曲线华中科技大学材料学院工程测试技术203).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电偶冷端温度变化而引起的热电势的变化值。华中科技大学材料学院工程测试技术213.7.4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)足够的机械强度和长的使用寿命；(6)制造成本低，价值比较便宜。华中科技大学材料学院工程测试技术221.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。华中科技大学材料学院工程测试技术232.标准化热电偶技术数据热电偶名称分度号新热电极识别E(100,0)(mV)测温范围（℃）允许偏差极性识别长期短期使用温度允差铂铑10-铂S正亮白较硬0.6460~13001600≤600±1.5℃负亮白柔软＞600±0.25%铂铑13-铂R正较硬0.6470~13001600＜600±1.5℃负柔软＞1100±0.25%铂铑30-铂铑10B正较硬0.0330~16001800600~900±4℃负稍软＞800±0.5%镍铬-镍硅K正不亲磁4.0960~12001300±2.5℃负稍亲磁±1.5%镍铬硅-镍硅N正不亲磁2.774-200~12001300±2.5℃或±0.75%负稍亲磁镍铬-康铜E正暗绿6.319-200~760850-40~900±2.5℃或±0.75%负亮黄铜-康铜T正红色4.279-200~350400±1℃负银白色铁-康铜J正亲磁5.269-40~600750-40~750±2.5℃或±0.75%负不亲磁华中科技大学材料学院工程测试技术243.标准化热电偶的特性种类优点缺点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；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。华中科技大学材料学院工程测试技术253.7.5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华中科技大学材料学院工程测试技术261.普通型装配式a)1-接线柱；2-接线座；3-绝缘套管；4-热电极b)1-测量端；2-热电极；3-绝缘套管；4-保护管；5-接线盒华中科技大学材料学院工程测试技术272.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。华中科技大学材料学院工程测试技术283.7.6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5~10mm。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。