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第15章传感器在工程检测中的应用第15章传感器在工程检测中的应用15.1温度测量15.2压力测量15.3流量测量15.4物位测量15.5气体成分测量15.6振动测量第15章传感器在工程检测中的应用15.1温度测量15.1.11.温度与温标温度:表征物体冷热程度的物理量。温标:温度不能直接加以测量，只能借助于冷热不同的物体之间的热交换，以及物体的某些物理性质随着冷热程度不同而变化的特性间接测量。为了定量地描述温度的高低，必须建立温度标尺就是温度的数值表示。早期的经验温标（摄氏温标和华氏温标），理论上的热力学温标，当前世界通用的是国际温标。热力学温标是以热力学第二定律为基础的一种理论温标，热力学温标确定的温度数值为热力学温度（符号为T），单位为开尔文（符号为K）。第15章传感器在工程检测中的应用国际温标是国际协议性温标，它是一个既能体现热力学温标（即保证较高的准确度），使用方便，又容易实现的温标。建立国际温标需要三个必要条件：一是要有定义温度的固定点，一般利用一些纯物质可复现的平衡态温度作为定义温度的固定点；二是要有在不同温度范围内复现温度的基准仪器，如标准铂电阻温度计、标准光学高温计等；三是要有固定点温度间的内插公式，这些公式建立了标准仪器示值与国际温标数值间的关系。第15章传感器在工程检测中的应用国际温标自1927年拟定以来几经修改而不断完善，目前实行的是1990年的国际温标（ITS—90），它取代了早先推行的IPTS—68。国际温标规定仍以热力学温度作为基本温度，1K等于水三相点热力学温度的1/273.16。它同时定义国际开尔文温度（符号T90）和国际摄氏温度（符号t90），T90和t90之间的关系为t90/℃=T90/K-273.15(15-1)第15章传感器在工程检测中的应用2.温度测量的主要方法和分类(1)温度传感器的组成在工程中无论是简单的还是复杂的测温传感器，就测量系统的功能而言，通常由现场的感温元件和控制室的显示装置两部分组成，如图15-1所示。简单的温度传感器往往是把温度传感器和显示器组成一体的，对这样一种传感器一般在现场使用。图15–1温度传感器组成框图第15章传感器在工程检测中的应用(2)温度测量方法及分类测量方法按感温元件是否与被测介质接触，可以分成接触式测温与非接触式测温两大类。接触式测温特点：使温度敏感元件和被测介质相接触，当被测介质与感温元件达到热平衡时，温度敏感元件与被测介质的温度相等。这类温度传感器具有结构简单、工作可靠、精度高、稳定性好、价格低廉等优点，是目前应用最多的一类。接触式非接触式测温第15章传感器在工程检测中的应用非接触式测温特点：其方法是应用物体的热辐射能量随温度的变化而变化的原理。众所周知，物体辐射能的大小与温度有关，并且以电磁波形式向四周辐射，当选择合适的接收检测装置时，便可测得被测对象发出的热辐射能量并且转换成可测量和显示的各种信号，实现温度的测量。非接触式温度传感器理论上不存在接触式温度传感器的测量滞后和应用范围上的限制，可测高温、腐蚀、有毒、运动物体及固体、液体表面的温度，不干扰被测温度场，但精度较低，使用不太方便。第15章传感器在工程检测中的应用表15–1温度测量方法及其传感器第15章传感器在工程检测中的应用表15–1温度测量方法及其传感器第15章传感器在工程检测中的应用物理现象体积热膨胀电阻变化温差电现象导磁率变化电容变化压电效应超声波传播速度变化物质颜色P–N结电动势晶体管特性变化可控硅动作特性变化热、光辐射种类铂测温电阻、热敏电阻热电偶BaSrTiO3陶瓷石英晶体振动器超声波温度计示温涂料液晶半导体二极管晶体管半导体集成电路温度传感器可控硅辐射温度传感器光学高温计1.气体温度计2.玻璃制水银温度计3.玻璃制有机液体温度计4.双金属温度计5.液体压力温度计6.气体压力温度计1．热铁氧体2．Fe-Ni-Cu合金第15章传感器在工程检测中的应用热电偶、测温电阻器、热敏电阻、感温铁氧体、石英晶体振动器、双金属温度计、压力式温度计、玻璃制温度计、辐射传感器、晶体管、二极管、半导体集成电路传感器、可控硅分类特征传感器名称超高温用传感器1500℃以上光学高温计、辐射传感器高温用传感器1000～1500℃光学高温计、辐射传感器、热电偶中高温用传感器500～1000℃光学高温计、辐射传感器、热电偶中温用传感器0～500℃低温用传感器-250～0℃极低温用传感器-270～-250℃BaSrTiO3陶瓷晶体管、热敏电阻、压力式玻璃温度计见表下内容测温范围温度传感器分类(1)第15章传感器在工程检测中的应用分类特征传感器名称测温范围宽输出小测温电阻器、晶体管、热电偶半导体集成电路传感器、可控硅、石英晶体振动器、压力式温度计、玻璃制温度计线性型测温范围窄输出大热敏电阻指数型函数开关型特性特定温度输出大感温铁氧体、双金属温度计测温特性温度传感器分类(2)第15章传感器在工程检测中的应用分类特征传感器名称测定精度±0.1～±0.5℃铂测温电阻、石英晶体振动器、玻璃制温度计、气体温度计、光学高温计温度标准用测定精度±0.5～±5℃热电偶、测温电阻器、热敏电阻、双金属温度计、压力式温度计、玻璃制温度计、辐射传感器、晶体管、二极管、半导体集成电路传感器、可控硅绝对值测定用管理温度测定用相对值±1～±5℃测定精度温度传感器分类(3)第15章传感器在工程检测中的应用15.1.2膨胀式温度传感器1.液体膨胀式液体膨胀式是利用液体受热后体积膨胀的原理来测量温度的。在有刻度的细玻璃管里充入液体（称为工作液，如水银、酒精等）就构成了液体膨胀式温度计（又称玻璃管液体温度计），如图15－2所示。玻璃管液体温度计结构简单，使用方便，精确度高，价格低廉。这种温度计远不能算传感器，它只能就地指示温度。玻璃管液体温度计按用途可分为工业、标准和实验室三种。工业用的玻璃管液体温度计，它一般做成内标尺式的，在玻璃管外面有金属保护套管，避免使用时碰伤。其尾部有直的或弯成90°角及135°角的，如图15-3所示。第15章传感器在工程检测中的应用图15–2玻璃管液体温度计(a)外标尺式；(b)内标尺式图15－3工业用玻璃管液体温度计第15章传感器在工程检测中的应用玻璃管液体温度计还可以做成电接点式，对设定的某一温度发出开关信号或进行位式控制，有固定式和可调式两种。图15－4所示为可调式电接点温度计的结构图，它有两根引出线，一根与感温泡中的水银相通，另一根与毛细管中的铂丝相通。旋转顶部的调节螺母，可使毛细管内的铂丝根据设定温度上下移动，当升至设定温度时，铂丝与水银柱接通，反之断开，这种温度计既可指示，又能发出通断信号，常用于温度测量和双位控制。第15章传感器在工程检测中的应用图15－4可调式电接点温度计第15章传感器在工程检测中的应用2.固体膨胀式固体膨胀式是利用膨胀系数不一样的两种金属，在经受同样的温度变化时，其长度的变化量不同的原理来测量温度的。长度差值ΔL与温度的关系为tLL)(21（15－2）L——金属材料的长度；β1,β2——分别为两种金属的线膨胀系数；Δt——温度变化量。第15章传感器在工程检测中的应用图15－5双金属片的基本结构固体膨胀式温度计中用得比较多的是双金属温度计，双金属片由两种线膨胀系数差别比较大的金属紧固结合而成，一端固定，一端自由，见图15－5。当温度升高时，膨胀系数大的金属片伸长量大，使整个双金属片向膨胀系数小的一面金属片弯曲，温度越高，弯曲程度越大。双金属片的弯曲程度与温度的高低有对应的关系，从而可用双金属片的弯曲程度来指示温度。固体膨胀式温度计第15章传感器在工程检测中的应用图15－6双金属温度计结构示意图固体膨胀式温度计为提高灵敏度，常把双金属片作成螺旋形。图15－6为双金属温度计的结构示意图，螺旋形双金属片一端固定，另一端连接指针轴，当温度变化时，双金属片弯曲变形，通过指针轴带动指针偏转显示温度。它常用于测量-80～600℃范围的温度，抗震性能好，读数方便，但精度不太高，用于工业过程测温，上下限报警和控制。第15章传感器在工程检测中的应用图15–7压力式温度计结构示意图3.气体膨胀式气体膨胀式是利用封闭容器中的气体压力随温度升高而升高的原理来测温的，利用这种原理测温的温度计又称压力计式温度计，如图15-7所示。温包、毛细管和弹簧管三者的内腔构成一个封闭容器，其中充满工作物质（如气体常为氮气），工作物质的压力经毛细管传给弹簧管，使弹簧管产生变形，并由传动机构带动指针，指示出被测温度的数值。温包毛细管弹簧管封闭容器第15章传感器在工程检测中的应用温包内的工作物质也可以是液体（如甲醇、二甲苯、甘油等）或低沸点液体的饱和蒸气（如乙醚、氯乙烷、丙酮等），温度变化时，温包内液体受热膨胀使液体或饱和蒸气压力发生变化，属液体膨胀式的压力温度计。压力温度计结构简单，抗振及耐腐蚀性能好，与微动开关组合可作温度控制器用，但它的测量距离受毛细管长度限制，一般充液体可达20m，充气体或蒸气可达60m。第15章传感器在工程检测中的应用两种不同材料的导体（或半导体）组成一个闭合回路(如图15-8所示)，当两接点温度T和T0不同时，则在该回路中就会产生电动势，这种现象称为热电效应,该电动势称为热电势。这两种不同材料的导体或半导体的组合称为热电偶，导体A、B称为热电极。两个接点，一个称热端，又称测量端或工作端，测温时将它置于被测介质中;另一个称冷端，又称参考端或自由端，它通过导线与显示仪表相连。15.1.31.热电偶测温原理图15–8热电偶回路第15章传感器在工程检测中的应用实验----热电偶工作原理演示热电极A右端称为：自由端（参考端、冷端）左端称为：测量端（工作端、热端）热电极B热电势AB第15章传感器在工程检测中的应用图15–9热电偶测温系统简图第15章传感器在工程检测中的应用第15章传感器在工程检测中的应用从实验到理论：热电效应•1821年，德国物理学家赛贝克用两种不同金属组成闭合回路，并用酒精灯加热其中一个接触点（称为结点），发现放在回路中的指南针发生偏转（说明什么？），如果用两盏酒精灯对两个结点同时加热，指南针的偏转角反而减小（又说明什么？）。显然，指南针的偏转说明回路中有电动势产生并有电流在回路中流动，电流的强弱与两个结点的温差有关。第15章传感器在工程检测中的应用通过以上演示得出结论——有关热电偶热电势的讨论•将两种不同的导体（或半导体）A、B组合成闭合回路。若两结点处温度不同，则回路中将有电流流动，即回路中有热电动势存在。•此电动势的大小除了与材料本身的性质有关以外,还决定于结点处的温差，这种现象称为热电效应或西拜克效应。•热电偶就是根据此原理设计制作的将温差转换为电势量的热电式传感器。热电效应产生的热电势是由接触电势和温差电势两部分组成的。第15章传感器在工程检测中的应用接触电势是由于两种不同导体的自由电子密度不同而在接触处形成的电动势。两种导体接触时，自由电子由密度大的导体向密度小的导体扩散，在接触处失去电子一侧带正电，得到电子一侧带负电，扩散达到动平衡时，在接触面的两侧就形成稳定的接触电势。接触电势的数值取决于两种不同导体的性质和接触点的温度。+ABTeAB(T)-BAABNNekTTeln)(接触电势原理图接触电势的大小与温度高低及导体中的电子密度有关。第15章传感器在工程检测中的应用式中：K——波尔兹曼常数k=1.38×10-23J/K；e——单位电荷电量e=1.6×10-19C；NAT、NBT和NAT0、NBT0——温度分别为T和T0时，A、B两种材料的电子密度。001)(1)(00BTATABBTATABNNneKTTeNNneKTTe(15-3)(15-4)热端冷端两接点的接触电势eAB(T)和eAB（T0）可表示为第15章传感器在工程检测中的应用温差电势是同一导体的两端因温度不同而产生的一种电动势。同一导体的两端温度不同时，高温端的电子能量要比低温端的电子能量大，因而从高温端跑到低温端的电子数比从低温端跑到高温端的要多，结果高温端因失去电子而带正电