北航传感器原理17

传感器技术及应用——几种典型的模拟式传感器(六)李成2013.05.23思考题(第4讲：几种典型的模拟式传感器)1.知识点：温度——温标——温度传感器（热电阻、热电偶）——热阻效应、热电效应——传感器信号检测课程回顾：思考题(第4讲：几种典型的模拟式传感器)2.建立温标的三个基本条件？课程回顾：思考题(第4讲：几种典型的模拟式传感器)3.热电阻与热电偶相比具有那些特点？课程回顾：思考题(第4讲：几种典型的模拟式传感器)4.Pt热电阻的应用特点课程回顾：思考题(第4讲：几种典型的模拟式传感器)课程回顾：5.简述负温度系数热敏电阻的工作原理，画出工作特性示意图，说明使用中应注意的主要问题。思考题(第4讲：几种典型的模拟式传感器)6.画出热电偶的工作原理图。课程回顾：仪器科学与光电工程学院SchoolofInstru.Sci.&Opto-electro.Eng.4.1概述4.2电位器式传感器4.3应变式传感器4.4压阻式传感器4.5热电式传感器4.6电容式传感器4.7变磁路传感器4.8压电式传感器第4讲：几种典型的模拟式传感器仪器科学与光电工程学院SchoolofInstru.Sci.&Opto-electro.Eng.结论：当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。热电极A右端称：自由端（参考端或冷端）左端称：测量端（工作端或热端）热电极B热电势AB热电偶的工作机理4.5.3热电偶测温仪器科学与光电工程学院SchoolofInstru.Sci.&Opto-electro.Eng.(1)热电极:闭合回路中的导体或半导体A、B；(2)热电偶:闭合回路中的导体或半导体A、B的组合；(3)工作端:两个接点中温度高的一端；(4)参比端:两个接点中温度低的一端；(5)热电动势:两导体的接触电势和单一导体的温差电势之和。4.5.3热电偶测温基本概念仪器科学与光电工程学院SchoolofInstru.Sci.&Opto-electro.Eng.热电偶的工作机理4.5.3热电偶测温两种导体的接触电势)()(ln)(TnTneKTTeBAAB•eAB(T)为A、B两种不同材料在温度为T时的接触电动势,V；•K为玻耳兹曼常数,K=1.38*10-23J/K；•e为电子电荷,e=1.6*10-19C；•nA(T)、nB(T)为A、B两种材料在温度T时的自由电子密度。仪器科学与光电工程学院SchoolofInstru.Sci.&Opto-electro.Eng.热电偶两结点所产生的总的热电势等于热端热电势与冷端热电势之差，是两个结点的温差Δt的函数：EAB（T，T0）=eAB（T）-eAB（T0）热电势大致与两个结点的温差Δt成正比热电偶的工作机理4.5.3热电偶测温两种导体回路的接触电势仪器科学与光电工程学院SchoolofInstru.Sci.&Opto-electro.Eng.热电偶的工作机理4.5.3热电偶测温单一导体的温差电势TTAdTTTe0),(0eA(T，T0)——导体A两端温度差为T和T0时形成的温差电势，Vσ——汤姆逊系数，表示单一导体两端温度差为1℃时所产生的温差电势，与材料性质及两端温度有关。TTAAAtndneKTTe0)(1),(0仪器科学与光电工程学院SchoolofInstru.Sci.&Opto-electro.Eng.总热电势的影响因素？接触热电势（帕尔贴效应）热电偶的工作机理4.5.3热电偶测温温差热电势（汤姆逊效应）回路中总的热电势仪器科学与光电工程学院SchoolofInstru.Sci.&Opto-electro.Eng.4.5.3热电偶测温几点讨论要求:热电极材料不同；结点温度不同。仪器科学与光电工程学院SchoolofInstru.Sci.&Opto-electro.Eng.4.5.3热电偶测温1234工业热电偶结构示意图1－接线盒；2－保护套管；3―绝缘套管；4―热电偶丝Q：热电偶在工程上如何应用？仪器科学与光电工程学院SchoolofInstru.Sci.&Opto-electro.Eng.热电偶的线性较差，多数情况下采用查表法我国从1991年开始采用国际计量委员会规定的“1990年国际温标”（简称ITS-90）的新标准。制定了相应的分度表，有相应的线性化集成电路与之对应。直接从热电偶的分度表查温度与热电势的关系时的约束条件是：自由端（冷端）温度必须为0C。分度表4.5.3热电偶测温仪器科学与光电工程学院SchoolofInstru.Sci.&Opto-electro.Eng.由热电势查热端温度值设冷端为0C，根据以下电路中的毫伏表的示值及K热电偶的分度表，查出热端的温度tx。分度表4.5.3热电偶测温仪器科学与光电工程学院SchoolofInstru.Sci.&Opto-electro.Eng.热电偶的基本定律中间温度定律中间导体定律标准电极定律4.5.3热电偶测温仪器科学与光电工程学院SchoolofInstru.Sci.&Opto-electro.Eng.热电偶的基本定律中间温度定律中间导体定律标准电极定律4.5.3热电偶测温0CABCAB0ABTTETTETTE，，，CT—中间温度中间温度定律为制定热电势分度表奠定了理论基础。只要求得参考温度为0℃时的热电势与温度的关系，就可利用上式求出参考温度不等于0℃时的热电势。仪器科学与光电工程学院SchoolofInstru.Sci.&Opto-electro.Eng.热电偶的基本定律中间温度定律中间导体定律标准电极定律4.5.3热电偶测温0AB0ABCTTETTE，，0ABC0ABCTTETTTE，，，仪器科学与光电工程学院SchoolofInstru.Sci.&Opto-electro.Eng.热电偶的工作机理4.5.3热电偶测温AB1T0T2热电偶示意图ABT0T测量仪表或电路热电偶与测量仪表连接示意图中间导体的应用Q：中间导体还存在那些应用？仪器科学与光电工程学院SchoolofInstru.Sci.&Opto-electro.Eng.热电偶的工作机理(中间导体)4.5.3热电偶测温根据中间导体定律，可以用开路热电偶对液态金属或金属壁面测温。仪器科学与光电工程学院SchoolofInstru.Sci.&Opto-electro.Eng.热电偶的基本定律中间温度定律中间导体定律标准电极定律4.5.3热电偶测温0CB0AC0ABTTETTETTE，，，0BC0ACTTETTE，，选配两种材料A，B构成热电偶标准电极C通常采用纯铂丝制。只要测得它与各种金属组成的热电偶的热电动势，则各种金属间相互组合成热电偶的热电动势就可根据标准电极定律计算出来。仪器科学与光电工程学院SchoolofInstru.Sci.&Opto-electro.Eng.热电偶的误差及补偿热电偶测温使用中注意的问题——热电偶的分度误差——仪表误差及接线误差——干扰和漏电误差——热电偶的动态误差4.5.3热电偶测温冷端补偿；冷端接地或加电磁屏蔽。电阻值小受温度影响弱的引线；热电极制造工艺的提高；仪器科学与光电工程学院SchoolofInstru.Sci.&Opto-electro.Eng.1.冰点器法（0℃恒温法）：热电偶的冷端补偿4.5.3热电偶测温仪器科学与光电工程学院SchoolofInstru.Sci.&Opto-electro.Eng.4.5.3热电偶测温水浴法接线原理仪器科学与光电工程学院SchoolofInstru.Sci.&Opto-electro.Eng.2.恒温槽法（或修正法）：T0≠0℃→精确计算→修正T：被测温度），＋，，0()()0(00TETTETE电压表读数查表得出热电偶的冷端补偿4.5.3热电偶测温仪器科学与光电工程学院SchoolofInstru.Sci.&Opto-electro.Eng.)0,(),()0,,(000TETTETTEABABAB查表EAB实际测量查表TT0=0CT0=恒温中间温度定律T2.恒温槽法（或修正法）：热电偶的冷端补偿4.5.3热电偶测温仪器科学与光电工程学院SchoolofInstru.Sci.&Opto-electro.Eng.比较查出的3个热电势是否线性？镍铬-镍硅K热电偶工作时其自由端温度为30℃，测得热电势为23.702mV，求被测介质的实际温度？4.5.3热电偶测温仪器科学与光电工程学院SchoolofInstru.Sci.&Opto-electro.Eng.举例：利用补偿导线法进行测温，热电偶为K偶，补偿导线为铜-康铜，热电偶输出热电势为41.092mV;补偿导线输出热电势为2.478mV；恒温端温度为20℃；试问此时真实的温度应为多少？解：根据补偿导线法E=EAB(T,T0)+EA’B’(T0,T0’)EAB(T0,T0’)=EA’B’(T0,T0’)=2.478mVEAB(T,T0)=41.092mVEA’B’(T0’,0)=EA’B’(20,0)=EAB(20,0)=0.789mVE=E(T,0)=41.092+2.478+0.789=44.359T=f(44.359)=1080℃仪器科学与光电工程学院SchoolofInstru.Sci.&Opto-electro.Eng.例：用动圈仪表配合热电偶测温时，如果把仪表的机械零点调到室温TH的刻度上，在热电动势为零时，指针指示的温度值并不是0℃而是TH。因为热电偶的冷端温度已是TH，则只有当热端温度T=TH时，才能使EAB(T,TH)=0，这样，指示值就和热端的实际温度一致了。这种办法非常简便，而且一劳永逸，只要冷端温度总保持在TH不变，指示值就永远正确。3.零点迁移法应用领域：如果冷端不是0℃，但十分稳定（如恒温车间或有空调的场所）。热电偶的冷端补偿4.5.3热电偶测温仪器科学与光电工程学院SchoolofInstru.Sci.&Opto-electro.Eng.需要长线传输信号热电偶长度1米左右补偿导线拉大测端与冷短距离方法：补偿导线与热电极在0～100℃范围内热电性质相同补偿导线与热电极的两个连接点温度相等TT1T0此时测量值为:0,TTE冷端温度补偿热电偶的冷端补偿4.5.3热电偶测温4.补偿导线法：仪器科学与光电工程学院SchoolofInstru.Sci.&Opto-electro.Eng.A’B’屏蔽层保护层热电偶的补偿导线4.5.3热电偶测温仪器科学与光电工程学院SchoolofInstru.Sci.&Opto-electro.Eng.5.电桥补偿法：热电偶的冷端补偿4.5.3热电偶测温仪器科学与光电工程学院SchoolofInstru.Sci.&Opto-electro.Eng.热电偶测温回路（测量某一点的温度）4.5.3热电偶测温热电偶典型测温线路(a)普通测温线路；(b)带有补偿器的测温线路；(c)具有温度变送器的测温线路；(d)具有一体化温度变送器的测温线路补偿器温度变送器温度变送器显示仪表显示仪表显示仪表显示仪表tAB补偿导线(a)tAB补偿导线(c)tAB补偿导线(b)tAB铜导线(d)仪器科学与光电工程学院SchoolofInstru.Sci.&Opto-electro.Eng.热电偶测量的接口电路热电偶的输出电压极小，其值为几十μV／℃，用低失调电压运放进行放大。调增益热电偶专用集成电路：AD594/AD5954.5.3热电偶测温仪器科学与光电工程学院SchoolofInstru.Sci.&Opto-electro.Eng.热电偶的串并联4.5.3热电偶测温在特殊情况下，热电偶可以串联或并联使用，但只能是同一分度号的热电偶，且冷端应在同一温度下。如为了获得较大的热电势输出和提高灵敏度或测量多点温度之和，可以采用热电偶正向串联；采用热电偶反向串联可以测量两点间的温差；而利用热电偶并联可以测量多点平均温度。图所示为热电偶串、并联测温的