传感器检测技术与仪表全套电子整本书电子教案教学教程整套课件.pptx

单击此处编辑母版标题样式,abcd,单击此处编辑母版文本样式,abvd,第二级,第三级,第四级,第五级,#,单击此处编辑母版标题样式,abcd,单击此处编辑母版文本样式,abvd,第二级,第三级,第四级,第五级,#,单击此处编辑母版标题样式,abcd,单击此处编辑母版文本样式,abvd,第二级,第三级,第四级,第五级,#,单击此处编辑母版标题样式,abcd,单击此处编辑母版文本样式,abvd,第二级,第三级,第四级,第五级,#,单击此处编辑母版标题样式,abcd,单击此处编辑母版文本样式,abvd,第二级,第三级,第四级,第五级,#,单击此处编辑母版标题样式,abcd,单击此处编辑母版文本样式,abvd,第二级,第三级,第四级,第五级,#,单击此处编辑母版标题样式,abcd,单击此处编辑母版文本样式,abvd,第二级,第三级,第四级,第五级,#,单击此处编辑母版标题样式,abcd,单击此处编辑母版文本样式,abvd,第二级,第三级,第四级,第五级,#,单击此处编辑母版标题样式,abcd,单击此处编辑母版文本样式,abvd,第二级,第三级,第四级,第五级,#,单击此处编辑母版标题样式,abcd,单击此处编辑母版文本样式,abvd,第二级,第三级,第四级,第五级,#,单击此处编辑母版标题样式,abcd,单击此处编辑母版文本样式,abvd,第二级,第三级,第四级,第五级,#,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第六级,第七级,第八级,#,传感器检测技术与仪表,2025/1/6 周一,2,第一章,.,绪论,引言,1.1,传感器,1.2,传感器基本特性,1.3,传感器技术发展趋势,1.4,变送器,1.5,传感器的标定和校准,引言,对传感器进行标定，目的是根据试验数据确定传感器的各项性能指标，实际上也是确定传感器的测量精度。标定传感器时，所用的测量仪器的精度至少要比被标定的传感器的精度高一个等级。这样，通过标定确定的传感器的静态性能指标才是可靠的，所确定的精度才是可信的。,传感器的标定分为静态特性标定和动态特性标定。,1.1,传感器,传感器是检测系统与被测对象直接发生联系的器件或装置，其作用是感受被测参量的变化并按照一定规律和精确度将其转换为与之有确定关系、便于应用的某种物理量信号。,1.1.1,传感器,含意：传感器是测量装置，能完成信息采集任务；它的输入量是某一被测量，可能是物理量、化学量、生物量等；它的输出是某种物理量，这种量要便于传输、转换、处理、显示等，输出物理量可是气、光、电量，但主要是电量；输出输入有对应关系，且应有一定的精确度。,1.1.2,传感器组成,图,1-1,传感器组成框图,1.1.3,传感器的分类,表,1-1,传感器的分类,1.1.4,传感器的作用与地位,传感器为感知、获取与检测信息的窗口，一切科学研究与自动化生产过程要获取的信息，都要通过传感器获取并通过它转换为容易传输与处理的电信号，所以传感器的作用与地位就特别重要了。,“没有传感器就没有现代科学技术”已为全世界所公认。,若将计算机比喻为人的大脑，那么传感器则可以比喻为人的感觉器官。,1.2,传感器基本特性,表,1-2,传感器的主要性能指标,1.2.1,传感器静,(,态,),特性,所谓静（态）特性是传感器在稳态（输入量为常量，或变化极慢时）输入信号作用下，传感器输出与输入信号之间的关系，一般用曲线、数学表达式或表格表示。,衡量静态特性的主要参数,1.,测量范围,2.,线性度,3.,灵敏度,4.,分辨率,5.,灵敏限,6.,迟滞,7.,重复性,8.,稳定性,1.2.2,传感器动,(,态,),特性,1.,传感器的动态特性,所谓静（态）特性是传感器在稳态（输入量为常量，或变化极慢时）输入信号作用下，传感器输出与输入信号之间的关系，一般用曲线、数学表达式或表格表示；,当输入量随时间较快地变化时，这一关系就称为动（态）特性，动态特性是传感器输出随时间变化的响应特性。,2.,传感器动态特性的研究方法,研究动态特性可以从时域和频域两个方面分别采用瞬态响应法和频率响应法来分析。,表,1-3,传感器动态测量输入信号,由于输入信号的时间函数是各种各样的，在时域内研究传感器的动态特性时，只能研究几种特性的输入时间函数如阶跃函数、脉冲函数和斜波函数等的响应特性。通常取输入为阶跃信号时的输出响应。,一阶系统：动态性能可以用一阶微分方程来描述；二阶系统：动态性能可以用二阶微分方程来描述。,3.,一阶传感器动态特性,图,1-8,一阶传感器阶跃输入的响应曲线,4.,二阶传感器动态特性,图,1-9,二阶传感器的单位阶跃响应,5.,过渡过程与传感器的阶跃响应特性指标,图,1-10,二阶传感器的阶跃响应特性指标,6.,传感器的频率响应特性,(a),幅频特性,(b),相频特性,图,1-11,一阶传感器幅频特性和相频特性,6.,传感器的频率响应特性,（,a,）幅频特性 （,b,）相频特性,图,1-12,二阶传感器的频率特性,1.3,传感器技术发展趋势,传感器技术的主要发展动向，是开展基础研究，发现新现象，开发传感器的新材料和新工艺，进一步实现传感器的集成化与多功能化。当前技术水平下的传感器系统正向着微小型化、智能化、多功能化和网络化的方向发展。,1.4,变送器,变送器,（,transmitter,）是在传感器的基础上，将物理测量信号或普通电信号（非标准的输出信号）转换成标准信号或能够以通讯协议方式输出的设备。,变送器的传统输出直流电信号有,0-5V,、,0-10V,、,1-5V,、,0-20mA,、,4-20mA,等，目前工业上最广泛采用的是用,4,20mA,电流来传输模拟量。,1.4.4,变送器技术指标,表,1-4,电流电压变送器的技术指标,1.5,传感器的标定和校准,对传感器进行标定，目的是根据试验数据确定传感器的各项性能指标，实际上也是确定传感器的测量精度。标定传感器时，所用的测量仪器的精度至少要比被标定的传感器的精度高一个等级。这样，通过标定确定的传感器的静态性能指标才是可靠的，所确定的精度才是可信的。,传感器的标定分为静态特性标定和动态特性标定。,1.5.1,静态特性标定,静态标定过程步骤：,将传感器全量程（测量范围）分成若干等间距区间；,根据传感器量程分点情况，由小到大逐渐递增标准量值输入，记录与各输入值对应的输出值；,将输入值由大到小逐渐递减，同时记录下与各输入值相对应的输出值；,按过程、，对传感器进行正、反行程往复循环多次测试，将得到的输入输出测试数据用表格或曲线表示；,对测试数据进行处理，根据处理结果可确定传感器的线性度、灵敏度、滞后和重复性等静态特性指标。,1.5.2,动态静态特性标定,传感器动态特性标定主要研究传感器的动态响应，而与动态响应有关的参数，一阶传感器只有一个时间常数,，二阶传感器则有固有频率,和阻尼比,两个参数。标准激励信号可以采用阶跃信号、正弦信号、随机信号和脉冲信号。,一般采用阶跃信号响应法。,1.,一阶传感器的动态特性标定,图,1-13,一阶传感器时间常数的求法,2.,二阶传感器的动态特性标定,图,1-14,欠阻尼（,Cx2,各点电压波形,图,2-33,脉冲凋宽型电路各点电压波形,2.4.8,相敏检波电路,图,2-34,相敏检波电路原理图,相敏检波电路,（,a,）,、,为正半周时等效电路,(c),、,为负半周时等效电路,图,2-35,相敏检波电路原理图,-,衔铁在中间位置,相敏检波电路,（,a,）,、,为正半周时等效电路,(b),、,为负半周时等效电路,图,2-36,相敏检波电路原理图,-,衔铁在零位以上,相敏检波电路,（,a,）,u,1,为负半周、,u,2,为正半周时等效电路,(b)u,1,为正半周、,u,2,为负半周时等效电路,图,2-37,相敏检波电路原理图,-,衔铁在零位以下,2.5.1,误差的基本概念,2.5.2,误差的分类及来源,2.5.3,精密度、精确度、准确度,2.5.4,粗大误差、系统误差和随机误差的处理,2.5.5,多次等精度测量结果的表达,2.5.6,测量误差的合成,2.5.7,测量误差的分配,2.5.8,有效数字,2.5.9,数据处理实例,2.5,误差分析及数据处理基础,2.5.1,误差的基本概念,1.,误差的表示,误差（,error,）指测量值与真值之差。,误差常用绝对误差（,absolute error,）和相对误差（,relative error,）表示。,（,2-45,）,（,2-46,）,2.5.2,误差的分类及来源,1.,按误差的表示方法分类,（,1,）绝对误差,（,2,）相对误差,（,3,）满度（引用）相对误差,（,4,）示值相对误差,（,5,）测量精度,2.,按误差的使用条件分类,（,1,）基本误差,（,2,）附加误差,3.,按误差的性质分类,（,1,）粗大误差（,Gross error,）,（,2,）系统误差（,systematic error,）,（,3,）随机误差（,random error,）,4.,按被测量与时间的关系分类,静态误差和动态误差,5.,仪表的误差,示值误差、基值误差、零值误差、,2.5.3,精密度、精确度、准确度,（,a,）,（,b,）,（,c,）,图,2-38,精密度、准确度、精确度概念,2.5.4,粗大误差、系统误差和随机误差的处理,（,1,）粗大误差的发现和剔除,：首先应设法判断是否存在，若存在粗大误差，必须将其剔除。检测人员应当严格认真，避免过失。,（,2,）系统误差的发现,、修正或减小,：系统误差的性质决定了它不可能通过增加测量次数来消除。可以通过选择较好的检测系统、提高操作水平等技术措施使得检测系统完善，予以消除或补偿系统误差；也可在发现系统误差后用修正值的方法予以修正。,（,3,）随机误差的减小或消除,：引起原因是很多，难以掌握或暂时未能掌握的微小因素，一般无法控制,不能用简单的修正值来修正。,2.5.4,粗大误差、系统误差和随机误差的处理,1.,随机误差的处理,随机误差的正态分布的概率密度函数,图,2-39,正态分布方程式关系曲线图,2.5.4,粗大误差、系统误差和随机误差的处理,算术平均值,算术平均值是诸测量值的最可信赖的表达，为测量的最佳估计值，它可以作为等精度多次测量的结果。,标准差,图,2-40,不同,的正态分布曲线,2.5.4,粗大误差、系统误差和随机误差的处理,测量的极限误差,2.,系统误差的根源、发现和消除,（,2,）系统误差的发现,实验对比法,残余误差观察法,准则检查法,（,3,）系统误差的消除,在测量结果中进行修正,消除系统误差的根源,在测量系统中采用补偿措施,实时反馈修正,2.5.4,粗大误差、系统误差和随机误差的处理,3.,粗大误差的发现和剔除,常用准则：,3,准则（拉依达准则）,肖维勒准则,格拉布斯准则,2.5.5,多次测量结果的表达,1.,等精度测量数据处理方法,例,2.3,对某物体长度测量,11,次，测量的数据如表,2-3,。,表,2-3,例题,1.3,数据,2.,不等精度测量数据处理方法,次数,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,长度（,cm,）,20.72,20.75,20.71,20.65,20.62,20.70,20.45,20.62,20.67,20.74,20.73,2.5.6,测量误差的合成,1.,随机误差的合成,2.,系统误差的合成,3.,随机误差与系统误差的合成,=,2.5.7,测量误差的分配,工程上，通常首先根据等误差原则进行分配，即令每个直接测量值的系统误差（绝对误差表示）,，标准差,。,2.5.8,有效数字,1.,有效数字,所谓有效数字，是实际能够测量的数字。在测量过程中可以把有效数字的位数定义为与仪表精度相符的测量值的位数。有效数字的位数决定于测量仪表的精度，只有数据中的最后一位是可疑数字，所以根据测量值的记录结果便可以推知所用仪表的精度。,2.,数据处理时数字修约规定,“四舍六入五成双”,3.,测量值的记录及运算,正确记录测量值,正确表达分析结果,2.5.9,数据处理实例,例,2.4,本章小结,本章重点介绍了检测概念及检测系统组成、常用检测方法、常用检测与转换电路、误差分析及数据处理。,测量系统是传感器与测量仪表、变换装置等的有机组合。,检测对象、检测环境和被测量不同，相应的有不同检测方法；另外，从不同角度出发，检测方法有不同分类方法。,在信号检测技术中，常用的中间转换电路有电桥、放大器、滤波器、调频电路、阻抗匹配电路等。,误差是客观存在的，数据处理过程中，首先应发现剔除粗大误差，然后发现、修正或减小系统误差，最后利用随机误差性质进行处理。,通过本章的学习，读者可以了解检测基本概念、检测系统组成，掌握常用检测方法和检测与转换电路，误差分析及数据处理方法。,作业：习题二,检测系统主要由哪几部分组成？,自动测试系统可以分成哪几类？,传感器的组成、作用是什么？,测量方法有哪几种分类方法？各种方法概念是什么？,误差有哪几种分类方法？各种方法概念是什么？,何谓传感器的静态和动态特性？衡量传感器静态特性和动态特性的主要参数有哪些？,为什么被测量的真值是无法测量的？,4.5V,和,4.50V,这两个测量值有什么不同吗？,常规工业仪表以电流方式互相配接，为什么？,标准输出电流信号有,0,10mA,和,4,20mA,两种，其中,4,20mA,的标准输出电流被广泛地应用。为什么？,，,工业上应用的电流型,V/I,变送器实际使用两线制的传感器越来越多，为什么？,某温度传感器给定相对误差为,2%,，满量程输出为,100,，求可能出现的最大误差（），当传感器使用在满刻度时,，计算可能产生的相对误差，并说明使用传感器量程选用必要性。,第,2,章,检测技术基本知识,作业,2.5,2.6,2.8,2.9,2.10,2.11,2.12,谢谢聆听！,2025/1/6 周一,传感器检测技术与仪表,2025/1/6 周一,83,第三章,.,温度检测,引言,3.1,温度检测基本知识,3.2,热膨胀式温度计,3.3,热电偶温度计,3.4,热电阻温度计,3.5,辐射式温度计,3.6,新型温度传感器,3.7,温度传感器工程应用实例,引言,温度是国际单位制（,SI,）七个基本物理量之一，也是四大热工当量之一。温度一般占全部过程参数的,50%,左右。因而，准确测量和控制温度，对于获得正确的科研数据和保证产品质量都十分重要。例如，在金属冶炼过程中，若温度得以准确的测量和控制，则耗能可降低,17%,，生产率可提高,18%,，产量可增加,15%,。,3.1,温度检测基本知识,温度定义：度量系统热平衡状态的物理量。它反映物体冷热程度，是物体分子运动平均动能大小的标志。,3.1.1,温标,概念：用来量度物体温度高低的标尺，它是温度的数值表示方法。,一个温标主要包括两个方面的内容：一是给出温度数值化的一套规则和方法，例如规定温度的读数起点,(,零点,),；二是给出温度的测量单位。,建立温标必须具备三个条件：,固定的温度点（基准点）,测温仪器（确定测温质和测温量）,温标方程（内插公式）,常用温标：,经验温标，热力学温标，国际实用温标,1,、经验温标：借助于某一种物质的物理量与温度变化的关系，用实验方法或经验公式所确定的温标。如根据液体,(,水银,),受热后体积膨胀的性质确定温标。,华氏温标,-1714,年，荷兰人华伦海特把一定浓度的盐水凝固时的温度定为,0,度,在标准大气压下水的冰点为,32,度，水的沸点为,212,度，中间划分为,180,等分，每一等分为一华氏度。,摄氏温标：,1742,年，由瑞典摄尔休提出。标准大气压下水的冰点定位零度，把水的沸点定位,100,度。,=(9/5)+32,。,经验温标的缺点：,1,）局限性：适用于某一温度计，应用范围有限。,2,）随意性：,2,、热力学温标（开尔文温标）,K,：,19,世纪中叶，英国人开尔文提出，符号为,T,，单位为开尔文（符号为,K,）。已由,1927,年国际计量大会采纳作为国际统一的基本温标。它有一个绝对零度，低于零度的温度不可能存在。绝对零度时的温度定义为,0K,。,t=T-273.15,热力学温标的局限性：,特点：不与某一特定的温度计相联系，并与测温物质的性质无关，是由卡诺定理推导出来的，所以用热力学温标所表示的热力学温度被认为是最理想的温度数值。,热力学中的卡诺热机是一种理想的机器，实际上并不存在，因此热力学温标是一种纯理论的理想温标，无法直接实现。,国际实用温标,该温标选择一些固定点温度作为温标基准点；规定了不同温度范围内的基准仪器；固定点温度间采用内插公式，这些公式建立了标准仪器示值与国际温标数值间的关系。,随着科学技术的发展，固定点温度的数值和基准仪器的准确度会越来越高，内插公式的精度也会不断提高，因此国际温标准确度会不断提高，并尽可能接近热力学温标。,第一个国际温标是,1927,年建立的，记为,ITS-27,。,1948,年、,1968,年和,1990,年进行了几次较大修改，,ITS-48,、,ITS-68,和,ITS-90,。目前我国已开始采用,ITS-90,。,国际温标以下列三个条件为基础：,要求尽可能接近热力学温标；,要求复现准确度高，世界各国均能以很高的准确度加以复现，以确保温度值的统一；,用于复现温标的标准温度计，使用方便，性能稳定。,3.1.2,温度测量仪表的分类,测温仪表的分类：,按测温范围分：高温计（,600,）、温度计（,600,）,按用途分：标准仪表、实用仪表,按工作原理分：,膨胀式温度计,利用物体的热膨胀来测温。,压力式温度计,利用密闭容器中物质受热后体积膨胀而压力升高的原理来测温的。,热电偶温度计,利用导体的热电效应来测温的。,热电阻温度计,利用电阻随温度的变化特性来测温的。,辐射式高温计,利用物体表面辐射与温度的关系来测温的。,按测量方式分：接触式温度计、非接触式温度计,高温计,辐射式温度计,测温仪表,按使用范围分,按测量方式分,接触式,测温仪表,非接触式,测温仪表,温度计,按测温原理分,膨胀式温度计,压力式温度计,热电偶温度计,热电阻温度计,半导体温度计,3.2,热膨胀式温度计,定义：基于物体受热时产生膨胀的原理,分类：液体膨胀式、固体膨胀式和气体膨胀式三类。,3.2.1.,玻璃液体温度计：水银温度计、酒精温度计,玻璃液体温度计的结构基本上是由装有感温液,(,或称测温介质,),的感温泡、玻璃毛细管和刻度标尺三部分组成。感温泡位于温度计的下端，是玻璃液体温度计感温的部分，可容纳绝大部分的感温液，所以也称为贮液泡。,常用的有水银以及甲苯、乙醇和煤油等有机液体。玻璃毛细管是连接在感温泡上的中心细玻璃管，感温液体随温度的变化在里面移动。标尺是将分度线直接刻在毛细管表面，同时标尺上标有数字和温度单位符号，用来表明所测温度的高低。,3.2.2,压力温度计,压力式温度计：基于物体受热时产生膨胀后引起密封容器中的压力变化来指示温度。,工作介质不同分为：气体、液体和蒸汽式压力温度计。,温包：感受温度的变化,毛细管：传递压力的变化（,D,0,=1.2,5mm,，,D,i,=0.15,0.5mm,）,弹簧管：压力表的弹性元件,3.2.3,双金属温度计,其感温元件是用两片线膨胀系数不同的金属片叠焊在一起而制成的，由于两片金属片的膨胀长度不同而产生弯曲，温度越高产生的线膨胀长度差就越大，因而引起弯曲的角度就越大。如图所示。,3.3,热电偶温度计,3.3.1,热电偶工作原理演示,结论：当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。上述现象称为热电现象，,1821,年赛贝克发现的，也称赛贝克效应,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,A,B,热电势,由单一导体,温差电势,和两种导体,接触电势,组成：,1,）、温差电势：,一根导体两端温度不同产生的热电动势,.,原因：同一根导体中电子从高温端向低温端迁移而引起的电动势。,接触电势：,两种不同导,A,、,B,接触时产生,.,原因,:,两种不同导体的电子密度不同，从而在接触点处发生电子扩散而形成的电动势,.,设,N,A,N,B,接触电势的大小与接触点的温度高低及导体电子密度有关,.,回路总电动势：,A,的电子密度大于,B,，,tt,0,，则回路中存在着,四个电势,在实际使用中，只要,保持冷端温度为,t,0,，根据仪表测得的热电动势,E,AB,(,t,t,0,),，就计算出被测温度,t,或者通过分度表查出所对应的被测温度,t,。,3.3.2,基本定律,1.,均匀导体定律,定律内容：,由一种均匀导体（或半导体）组成的闭合回路，不论温度如何分布，都不能产生电动势。,2.,中间导体定律,定律内容：不同材料组成的闭合回路中，若,各种材料接触点的温度,都相同，则回路中热电势的总和等于零。,3,、中间温度定律,定律内容：热电偶在两接点温度,t,1,、,t,3,时的热电动势等于接点温度分别为,t,1,、,t,2,和,t,2,、,t,3,的两支同性质热电偶的热电动势的代数和。,+,A,t,1,t,2,B,E,1,+,A,t,3,B,E,2,+,A,t,1,t,3,E,3,=E,1,+E,2,3.3.3,热电偶结构,1,、普通型热电偶（装配式结构）,组成：热电极、绝缘管、保护套管、接线盒。,特点：热惯性大，响应慢。,2,、铠装型热电偶,将热电偶丝、绝缘材料和金属保护套管三者组合装配后，经拉伸加工而成的一种坚实的组合体。,特点：热惯性小，响应块，可弯曲（最长可达,100m,）,柔性好，可安装在狭窄或结构复杂的测量场合。,3,、薄膜热电偶,由两种金属薄膜连接而成。,1,）特点：微小面积上的温度测量；动态响应快，可测瞬变的表面温度。,2),应用：,(1),如将热电极材料直接蒸镀到被测表面，可测微秒级变化的温度。,(2),如制成针状，针尖为热端，可测量点的温度,3.3.4,热电偶材料,1.,热电极材料及性质：,1,）物理性质稳定，其热电性质不随时间变化。,2,）化学性质稳定，不易被氧化和腐蚀。,3,）灵敏度和线性度好。,4,）电导率高，电阻温度系数小。,5,）,复制性好,，以便交换。,6,）价格便宜。,2.,标准化热电偶,标准化热电偶：是指制造工业较成熟，应用广泛，能成批生产、性能优良而稳定并已列入专业或国家工业标准化文件中的那些热电偶,标准化热电偶具有互换性。,从,1988,年,1,月,1,日起，我国热电偶和热电阻的生产全部按国际电工委员会（,IEC,）的标准，并指定,S,、,B,、,E,、,K,、,R,、,J,、,T,七种标准化热电偶为我国统一设计型热电偶。,铂铑,10-,铂热电偶（分度号,S,）,铂铑,13-,铂热电偶（分度号,R,）,铂铑,30-,铂铑,6,热电偶（分度号,B,）,镍铬一镍硅（镍铬一镍铝）热电偶（分度号,K,）,镍铬一康铜热电偶（分度号,E,）,铁一康铜热电偶（分度号,J,）,铜一康铜热电偶（分度号,T,）,镍铬一金铁热电偶（分度号,NiCr,AuFe0.07,）及铜一金铁热电偶（分度号,Cu,AuFe0.07,）,3.,非标准化热电偶,在某些特殊场合：高温、低温、超低温、高真空和有核辐射等被测对象中使用。,1,）钨莱系热电偶,2,）铱佬系热电偶,3,）铂钼,5,铂钼,0.1,热电偶,4,）,非金属热电偶,特点：不具有互换性，没有统一分度,3.3.5,热电偶冷端温度的处理方法,工业上的常用的各种热电偶的温度,热电势关系曲线是在冷端温度保持,0,的情况下得到的，而且与其配套使用仪表也是根据这仪关系曲线进行刻度的。而实践测量时，冷端温度往往高于,0,，且是不断变化的，从而使测量结果产生误差。所以使热电偶冷端的温度保持,0,，或进行一定的修正得到准确的测量结果的做法称为冷端温度补偿。,热电偶冷端温度的补偿方法：,1,、计算法,2,、冰点槽法,3,、补偿导线法,4,、仪表机械调零法,5,、补偿电桥法（冷端补偿器）,3.3.6.,热电偶常见误差分析,1.,安装不当引入的误差,2.,绝缘,变差而引入的误差,3.,热惰性引入的误差,4.,热阻误差,3.4,热电阻温度计,工业上广泛应用,热,电阻温度计来测量,200,500,之间的温度。优点：,热,电阻温度计的特点是准确度高；,在中低温下（,500,以下）测温,它的输出信号比热电偶的要大得多,故灵敏度高；,热,电阻温度计的输出是电信号，因此便于信号的远传和实现多点切换测量。,3.4.1,热电阻的测温原理,原理：通过测阻值变化反应温度。,分类：电阻是测量温度的敏感元件，包括金属导体和半导体两种。,测温范围：,200+500,0,C,优点：,准确度高。,灵敏度高。中低温下（,500,0,C,以下），输出信号比热电偶大。,输出电信号,便于远传和切换。,缺点：,不能测量太高温度。,热惯性大。,只能测量平均温度。,需要外供电源，连接导线产生测量误差。,热电阻温度计是基于金属导体或半导体电阻值与温度是一定函数关系的原理实现温度测量。基本关系式为：,R,t,=R,0,1+At+Bt,2,+Ct,3,式中：,R,1,、,R,0,分别为,t,和,0,时的阻值；,A,、,B,、,C,分别为与金属材料有关的常数。,电阻温度系数的定义是：温度变化,l,时电阻值的相对变化量，用,来表示，单位是,-1,，根据定义，,用下式表示：,3.4,热电阻材料与结构,3.4.1,热电阻材料,工业用的热电阻材料有铂、铜、铁、镍。铁难提纯，我国目前只生产铂、铜、镍,.,测温热电阻材料必须满足：,1,）电阻温度系数大电阻系数：温度变化,1,0,C,时电阻值的相对变化量,.,2,）在测温范围内物理及化学性质稳定。,3,）有较大的电阻率。（电阻体积小）。,4,）线性度好。,5,）复现性好，,6,）价格便宜。,1,、铂电阻,特点：稳定性好、准确度高、性能可靠。,原因：铂在氧化气氛、甚至高温下物理、化学性质非常稳定,测温范围：,13.8033K-961.78,0,C,应用：广泛应用于工业和实验室中,注意：铂在还原性气氛尤其在高温还原性气氛中，容易被污染，导致铂丝变脆，并改变电阻与温度间的关系。因此必须用保护套管把电阻体与有害气氛隔离。,工业用铂电阻温度计,-200,0,0,850,其中：,A=3.9083*10,-13/,B=-5.775*10,-7,/,C=-4.183*10,-12,/,国产标准化工业,铂电阻的分度号：,P,t,10,和,P,t,100,。,2,、铜电阻,特点：电阻值与温度关系几乎线性，电阻温度系数较大，材料易提纯，价格较便宜。,测温范围：,50-,150,0,C,应用范围：测量准确度要求不是很高，温度较低的场合。,缺点：,250,0,C,以上容易氧化，故只能在低温及没有腐蚀的介质中应用，铜的电阻率较小，,=0.017.mm,2,/m,，铜的热电阻体积较大。,国产标准化工业,铜,电阻的分度号：,Cu10,和,Cu,100,。,铜热电阻与温度的关系为,R,t,=R,0,（,1+At+Bt,2,+Ct,3,）,式中,R,1,、,R,0,分别为,t,和,0,时的阻值；,A,、,B,、,C,分别为常数，,A=4.28899,10,-3,1/,，,B=-2.133,10,-7,1/,2,，,C=1.233,10,-9,1/,3,。,3.,半导体热敏电阻,半导体热敏电阻是利用某些半导体材料的电阻值随温度的升高而减小,(,或升高,),的特性制成的。,大多数的半导体热敏电阻具有负温度系数，称为,NTC,型热敏电阻，其阻值与温度的关系可用下列公式表示：,R,T,R,0,热敏电阻在绝对温度,T,，,T,0,时的阻值,(),；,B,热敏电阻材料常数，,与金属热电阻相比，半导体热敏电阻优点：,（,1),电阻温度系数，灵敏度高。,（,2,）电阻率,很大，体积很小，连接导线电阻变化的影响可忽略。,（,3,）结构简单，可测量点的温度。,（,4,）热惯性小，响应快。,缺点：,（,1,）互换性差；,（,2,）电阻和温度的关系不稳定，随时间变化。,3.4.2,热电阻结构,1,、普通型,由热电阻体、引出线、绝缘骨架、保护套管、接线盒等部分组成,2,、铠装热电阻,工艺：将电阻体（感温元件,),焊到由金属保护套管，绝缘材料和金属导线三者拉伸而成的细管导线上形成的，然后再外面再焊一段短管做保护套管，在热电阻体与保护套管之间填满绝缘材料，最后焊上封头。,3.4.5,热电阻阻值测量,在热电阻与显示仪表的实际连接中，由于其间的连接导线长度较长，导线本身的电阻会与热电阻串联在一起，造成测量误差。如果每根导线的电阻为,r,，则加到热电阻上的绝对误差为,2r,，而且这个误差并非定值，是随着导线所处的环境温度而变化的，所以在工业应用时，为避免或减少导线电阻对测量的影响，常常采用三线制、四线制的连接方式来解决。,国产热电阻的引出线有二线制、三线制和四线制三种。,3.5,辐射式温度计,接触式测温常用于,-100,1800,温度的测量，,优点：方法简单、可靠，测量精度高。,缺点：由于需进行充分的热接触，测量时需有一定的响应时间（滞后），而且使用时往往会破坏被测对象的热平衡，产生附加误差。,非接触式测温,温度敏感元件不与被测对象接触，而是通过热辐射进行热交换，由热辐射能的大小计算出被测对象的温度。,优点：测量上限高（,3200,），速度快。,缺点：测量误差较大。,3.5.1,测温原理,物体处于绝对零度以上时，都会以一定波长电磁波的任何形式向外辐射能量。非接触式温度仪表就是利用物体的辐射能量随其温度而变化的原理制成的。,测量时，只需把温度计光学接收系统对准被测物体，而不必与物体接触，因此可以测量运动物体的温度并不会破坏物体的温度场。此外，由于感温元件只接收辐射能，不必达到被测物体的实际温度，从理论上讲，它没有上限，可以测量高温。,1.,热辐射测温的基本定律,1,）、,普朗克定律（单色辐射强度定律）,辐射出射度,M,：,离开辐射源表面一点处的面单元上的辐射能量除以该单元面积，称为该点的辐射出射度，单位为瓦,/,米,2,(W/m,2,),。,全幅射体的辐射出射度,M,0,与波长,和温度,T,关系,斯忒藩波尔兹曼定律（全辐射强度定律，也称为四次方定律）,1,）,M,0,与,M,0,的关系,M,0,是波长,从,0 ,之间全部光谱辐射出射度的总和,2,）,M,0,的公式（斯忒潘,玻耳兹曼定律,:),2.,辐射测温的常用方法,1,、亮度测温,定义：测出物体在某一波长上的辐射能量，经辐射率,后确定被测物体的温度。,优点：结构简单、使用方便、灵敏度高、抗干扰。,缺点：有一定偏差。,2,、全辐射测温,定义：测出物体在整个波长范围内的辐射能量，经辐射率,后确定被测物体的温度。,优点：结构简单、使用方便,缺点：容易受环境干扰。,3,、比色测温,定义：测出物体在两个特定波长范围上的辐射能量之比，经辐射率,后确定被测物体的温度。,优点：偏差小,缺点：结构复杂。,3.5.2,光学高温计,1,光学高温计,由普朗克定律知道，物体的光谱辐射出射率,M,与温度有关，而,物体在高温下会发光，称亮度，因亮度,L,与光谱辐射出射率,M,成正比，,故通过测物体亮度,L,可求物体的温度,。,亮度温度,T,s,：,当物体在辐射波长为,，温度为时,T,，其光谱辐射亮度,L,和黑体在辐射波长为,，温度为,T,s,时的光谱辐射亮度,L,0,相等，则把,T,s,称为这个物体在波长,下的亮度温度。,隐丝式,利用调节电阻来改变高温灯泡的工作电流，当灯丝的亮度与被测物体的亮度一致时，灯泡的亮度就代表了被测物体的亮度温度。,恒定亮度式,利用减光楔来改变被测物体的亮度，使它与恒定亮度温度的高温灯泡相比较，当两者亮度相等时，根据减光楔旋转的角度来确定被测物体的亮度温度。由于隐丝式光学高温计的结构和使用方法都优于恒定亮度式，所以应用广泛。,2.,光电高温计,1,）,光学高温计的问题：测量时要手动平衡亮度；人判定平衡点，平衡点还可能因人而易；故它不是连续性测量仪表，应用受限制。,2,）其工作原理：,光电器件代替人眼，,作为仪表的感受件感受辐射源的亮度变化，并转换成与亮度成比例的电信号。此信号经电子放大器放大后被测量，其大小对应被测物体的温度。光电高温计时自动连续测温仪表。,3.5.3,全辐射高温计,根据全辐射强度定理，即物体的总辐射强度与物体温度的四次方成正比的关系来进行测量的。,组成：辐射感温器和显示仪表两部分。,可用于测量,400,20000C,的高温，多为现场安装式结构。,为适应现场高温环境的要求，可在辐射感温器外加装水冷夹套。辐射高温计测量的温度称为辐射温度，被测对象为非黑体时，要通过修正才能得到非黑体的真实温度。,4.4,比色高温计,因为实际物体的单色黑度系数和全辐射黑度系数的数值相差很大，但是对同一物体的不同波长的单色黑度系数来说，其比值的变化却很小。所以用比色温度计测得的温度称为比色温度，它与物体的真实温度很接近，一般可以不进行校正。,原理：通过测量热辐射体在两个或两个以上波长的光谱辐射亮度之比来测量温度。,3.5.5,红外温度计,红外测温仪是利用热辐射体在红外波段的辐射通量来测量温度的。当物体的温度低于1000时,它向外辐射的不再是可见光而是红外光了,可用红外探测器检测温度。如采用分离出所需波段的滤光片,可使红外测温仪工作在任意红外波段,.,1.,测量原理与结构,红外测温仪由光学系统、光电探测器、信号放大器及信号处理、显示输出等部分组成。光学系统汇聚其视场内的目标红外辐射能量，红外能量聚集在光电探测器上并转变为相应的电信号，该信号再经换算转变为被测目标的温度值。,目标,环境,探测器,显示及输出,453,SP1 470,EMS?85,红外测温仪测人体温度的优点,非接触性，在测量人体温度时不用接触到对方，免除传染危险，保障安全。,快速测温，准确读数，适用于快速排查大量人群。,测量体温时不用进入对方耳道，不须耳套更换，干净卫生。,激光定位，准确测量目标部位的温度，可测额头、腋下、体表等各处体温。,可设定温度限制，超过限制温度时发出声音警报，准确排查人群中体温异常者。,红外测温对人体毫无伤害性。,3.6,新型温度传感器,3.6.1,半导体,PN,结型温度传感器,PN,结温度传感器是一种半导体敏感器件,它实现温度与电压的转换。在常温范围内兼有热电偶，铂电阻，和热敏电阻的各自优点，同时它克服了这些传统测温器件的某些固有缺陷，是自动控制和仪器仪表工业不可缺少的基础元器件之一。在,-50,200,温区内有着及其广泛的用途。特别在温室大棚水产养殖医疗器械家电等领域的应用。我们将不断开发创新,致力于特殊，边沿领域的应用，满足不同用途的需求。,3.6.2,集成温度传感器,集成温度传感器是利用晶体管,PN,结的电流电压特性与温度的关系，把敏感元件、放大电路和补偿电路等部分集成化，封装在同一壳体里的一种一体化温度检测元件。它除了与半导体热敏电阻一样有体积小、反应快的优点外，还具有线性好、性能高、价格低等特点。,它的输出形式分为电压型和电流型两种。,1.,电流型集成温度传感器,电流输出型温度传感器能产生一个与绝对温度成正比的电流作为输出,AD590,是电流输出型温度传感器的的典型产品，,2.,电压型集成温度传感器,3.,数字温度传感器,数字温度传感器就是能把温度物理量和湿度物理量，通过温、湿度,敏感元件,和相应电路转换成方便计算机、,plc,、智能仪表等数据采集设备直接读取得数字量的传感器。下面以,DS18B20,为例作简单介绍。,DS18B20,数字温度传感器接线方便，封装成后可应用于多种场合，如管道式，螺纹式，磁铁吸附式，不锈钢封装式，型号多种多样，有,LTM8877,，,LTM8874,等等。主要根据应用场合的不同而改变其外观。,3.7,温度传感器工程应用实例,3.7.2,温度传感器在汽车中应用,第,3,章作业,3.2,3.4,3.11,3.12,3.13,3.15,谢谢聆听！,2025/1/6 周一,传感器检测技术与仪表,2025/1/6 周一,158,4.,压力传感器,引言,4.1,压力基本概念,4.2,压力传感器分类选型与发展,4.3,应变式压力计,4.4,电容式压力传感器,4.5,电感式压力传感器,4