传感器与检测技术(2)

第二篇过程参数检测技术客观物理量光学转换气液转换机械转换电气转换机械参数机械测试法光学测试法光学参数气液测试法气液参数电测法电参数电阻、电容、电感电压、电流力位移力光电移动力气液的压力变化力电阻的变化（明暗条纹的变化）FxF反光镜FPF应变片传感器的定义根据中华人民共和国国家标准（GB7665-87）传感器（Transducer/Sensor）：能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件和装置。包含的概念：①传感器是测量装置，能完成检测任务；②它的输入量是某一被测量，可能是物理量，也可能是化学量、生物量等；③它的输出量是某种物理量，这种量要便于传输、转换、处理、显示等等，这种量可以是气、光、电量，但主要是电量；④输出输入有对应关系，且应有一定的精确程度。传感器的组成敏感元件直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的物理量。转换元件敏感元件的输出就是它的输入，抟换成电路参量。转换电路上述电路参数接入基本转换电路，便可转换成电量输出。敏感元件转换元件转换电路被测量电量传感器的分类按传感器的输入量（即被测参数）进行分类：位移、速度、温度、压力传感器等。按传感器的工作原理进行分类：应变式、电容式、电感式、压电式、热电式传感器等。4温度检测4.1测温方法及温标4.2接触式测温4.3非接触式测温4.4光纤温度传感器4.5测温实例4.1.1测温原理及方法一、温度的基本概念和测量方法温度是一个基本物理量。是国际单位制7个基本物理量之一。温度的宏观概念是冷热程度的表示。温度的微观概念是大量分子运动平均强度的表示。测温原理利用合适物体某一物理性质随温度变化的已知特性，通过与被测对象的热交换，测量相关物理量从而确定被测对象的温度。测温方式–接触式：传热和对流，热接触;破坏被测对象热平衡，存在置入误差，对测温元件要求高。–非接触式：热辐射;响应快，对被测对象干扰小，可测高温、运动对象，强电磁干扰、强腐蚀。测温方式类别原理典型仪表测温范围/℃接触式测温膨胀类利用液体、气体的热膨胀及物质的蒸气压变化玻璃液体温度计-100～600压力式温度计-100～500利用两种金属的热膨胀差双金属温度计-80～600热电类利用热电效应热电偶-200～1800电阻类固体材料的电阻随温度变化铂热电阻-260～850铜热电阻-50～150热敏电阻-50～300其他电学类半导体器件的温度效应集成温度传感器-50～150晶体的固有频率随温度而变化石英晶体温度计-50～120光纤类利用光纤的温度特性或作为传光介质光纤温度传感器-50～400非接触式测温光纤辐射温度计200～4000辐射类利用普朗克定律光电高温计800～3200辐射传感器400～2000比色温度计500～3200温度检测方法的分类4.1.2温标温标：衡量温度的标尺，规定温度读数起点及温度的基本单位。经验温标：利用物质体膨胀与温度的关系制定的。–华氏温标tF：冰点32°F，水沸点212°F。中间等分180份。–摄氏温标tC：冰点0℃，水沸点100℃。中间等分100份。321.8FCtt换算关系：4.1.2.1国际实用温标热力学温标符号T90,单位K。是英国物理学家开尔文(Kelvin)于1848年以热力学第二定律为基础所引出的与测温物质无关的温标。1954年确定以水的三相点作为热力学温标的基本固定点。1990国际温标（ITS-90)单位K的大小定义为水三相点热力学温度的1/273.16。同时使用国际摄氏度符号t90，单位摄氏度℃9090273.15tT4.1.2.2温标的传递将国际实用温标传递到普通测温仪表上。比较法：将标准温度计与被校温度计同时放入检定装置，由标准温度计测量温值来确定被校温度计精度。将两种不同材料的导体A和B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。4.2.1热电偶测温4.2.1.1测温原理一、热电效应4.2接触式测温热电势产生的原因（1）温差电势两端温差→两端的自由电子具有不同的动能→动能大的自由电子就会向温度低的一段扩散。失去了电子的这一端就处于正电位，而低温端由于得到电子处于负电位。这样两端就形成了电位差，称为温差电动势。MABT0T热端冷端接触电势两种导体接触的时候，由于导体内的自由电子密度不同，电子密度大的导体向电子密度小的导体扩散，在扩散达到动态平衡时就形成了一个电位差。这个电位差称为接触电动势。扩散BAnn扩散电场)(TEAB漂移AB闭合回路中产生的总热电势：000,TABABABABTETTSdTeTeTT,T0为接点温度，TT0;SAB为塞贝克系数由热电极材料和接点温度决定。0ABeTC0,ABABETTeTCT0一定时：热电势由温度T决定。通常温差电势远小于接触电势，可忽略。总结：T端：测量端或热端T0端：参比端或冷端热电势大小只与热电极材料及两端温度有关，与热偶丝的粗细长短无关。热电极材料确定以后，热电势大小只与温度有关。热电效应原理4.2.1.2热电偶的应用定则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。2)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。0000000000()()()0()()()0()()()()()TABBCACTABBCACBCACABTABABEeTeTeTTTEeTeTeTeTeTeTEeTeT此时总电势：时，可知代入得：意义：回路中引入连接导线和仪表，接入导线和仪表后不会影响回路中的热电势。3)中间温度定则在热电偶测温回路中，Tc为热电极上某一点的温度，热电偶AB在接点温度为T、T0时的热电势eAB(T,T0)等于热电偶AB在接点温度T、Tc和Tc、T0时的热电势eAB(T,Tc)和eAB(Tc,T0)的代数和，即00,,,ABABCABCETTETTETT中间温度定律的应用2)根据这个定律，可以连接与热电偶热电特性相近的导体A′和B’，将热电偶冷端延伸到温度恒定的地方，这就为热电偶回路中应用补偿导线提供了理论依据。00(,)(,)(,)ABnABABnETTETTETT1)为制定分度表奠定了理论基础。已知温度T0=0℃时的热电势-温度关系，可求得参考温度不为0℃时的热电势。4)参考电极定则若两种导体A、B分别与第三种导体C组成热电偶的热电势已知，则A、B组成的热电偶也可知。000(,)(,)(,)ABACBCETTETTETTBAABCC0TT(1084.5,0)13.967,(1084.5,0)8.354(1084.5,0)13.9678.3545.613()ACBCABEmVEmVEmV如已知：可求得：标准电极：铂4.2.1.3常用工业热电偶基本要求：1）测温范围内热电性能稳定。2）测温范围内物理化学性能稳定。3）热电偶随温度变化率足够大。4）热电特性接近单值线性或近似线性。5）电导率高，电阻温度系数小。6）机械性能好，复制性好、工艺简单、价格低。常用热电偶与热电势关系曲线0℃时，热电偶的热电势均为0什么热电偶测温上限高？什么热电偶灵敏度高？什么热电偶线性差？热电偶的分度表不同金属组成的热电偶，温度与热电动势之间有不同的函数关系，线性较差，一般采用查表法。分度表：通过实验的方法来确定，并将不同温度下测得的结果列成表格，编制出热电势与温度的对照表，即（表4-4）。前提：冷端温度为0℃。中间值按内插法计算:()MLMLHLHLEEttttEE一、铂铑合金、铂系列热电偶贵金属热电偶（B、R、S型)优点：温区宽，测温高，精度高。缺点：热电势小，热电特性非线性较大，价格贵。二、廉价金属热电偶由价廉的合金或纯金属构成（K、N、E、T、J型)。优点：性能稳定，热电势大，热电特性线性好，复现性好，高温抗氧化能力强。缺点：不适用过高温度。三、难融合金热电偶钨铼合金材料（WRe3-WRe25、WRe5-WRe26)优点：测温上限高，而且稳定性好，价格便宜。缺点：钨铼热电偶极易氧化，含碳气氛中容易生成稳定的碳化物，以致降低其灵敏度并引起脆断适于在惰性或干燥氢气中使用。4.2.1.4工业热电偶结构型式（1）普通型热电偶热容量大，热惯性大，温度变化响应慢。（2）铠装热电偶接线盒固定装置B-B金属导管绝缘材料热电极A放大ABB将热电偶丝、绝缘材料和金属套管组合装配后，拉伸加工而成。优点：测温端热容量小，动态响应快；机械强度高，挠性好，可安装在结构复杂的装置上。为何要处理参比端（冷端温度）？4.2.1.5热电偶参比端温度的处理1）查分度表，需满足T0=0℃,但参比端温度通常不能保持为0℃，且受热源影响经常不恒定，会引入误差。2）冷端温度过高，热电势偏小。应想办法消除或补偿热电偶冷端损失。补偿导线法的测量回路1—测温接点；2—补偿导线；3—冷端；4—铜导线；5—测温仪表补偿导线与被补偿热电偶有相同的电势-温度关系。（1）补偿导线法采用补偿导线与热电偶连接，使热电偶参比端远离热源。常用补偿导线热电偶和补偿导线实物图2）参比端温度测量计算法参比端温度不是0℃。需要对热电偶回路的测量电势值E（T，T0）加以修正。当工作端温度为T时:1)分度表可查E(T0,0)。2)根据中间温度定则得到：00(,0)(,)(,0)ETETTET3)根据E(T,0)并由分度表求得被测温度。例1：用铜-康铜热电偶测某一温度T，参比端在室温环境T0中，测得热电动势E(T，T0)=1.999mV，又用室温计测出T0=21℃,试求被测温度。3）参比端恒温法4）补偿电桥法000(,)(,)UabCabETTTETTURU恒定值利用不平衡电桥产生相应电势，补偿热电偶由于参比端温度变化而引起的热电势变化。Rcu与热电偶参比端同温20℃时电桥平衡。⑸零点迁移法应用领域：如果冷端温度T0不是0℃，但十分稳定（如恒温车间或有空调的场所）。实质：在测量结果中人为地加一个恒定值，如电动势EAB(T0,0)，从而调整指示仪表上零点的。（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)热电偶测温线路（1）测单点温度例2:用镍铬-镍硅热电偶测量物体温度，该物体在不同时刻温度分别为15℃，0℃，-15℃，测量仪表所处温度为15℃，热电偶直接与仪表相连。问在上述时刻仪表测得的热电势分别是多少?(2)测量两点间温度差（反向串联）显示仪表ABAB1t2t只能是同一分度号的热电偶1020102012(,)(,)(,)(,)(,)TABBAABABABEEttEttEttEttEtt如正向串联热电偶有何作用?例3:用两只K型热电偶测量两点温差,连线如图所示,已知T1=420℃,T0=30℃,测得两点温差电势为15.24mV,试求两点温差为多少?(3)测量多点温度平均值(并联)特点：当有一只热电偶烧断时，难以觉察出来。当然，它也不会中断整个测温系统的工作。热电偶的并联测温线路图显示仪表1t2tABABAB3tRTE1E2E3ERR1231020301230(,)(,)(,)33(,)3ABABABTABEEEETTETTETTETTTET（4）测量多点温度之和(正向串联)前提:热电偶参数相同，且具有良好的线性特征。用途:用于求平均温度。热电偶的串联测温线路图显示仪表1t2tABABAB3t0tTE1E2E3E优点：热电动势大，仪表的灵敏度大大增加，且可立即可以发现热电偶有断路。缺点：只要有一支热电偶断路，整个测温系统将