传感器与自动检测技术(第二版)全书课件整本书电子教案.ppt

,传感器与自动检测技术,吴旗主编,出版发行,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,传感器与自动检测技术,吴旗主编,出版发行,普通高等教育,“,十一五,”,国家级规划教材,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,传感器与自动检测技术,吴旗主编,出版发行,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,传感器与自动检测技术,吴旗主编,出版发行,普通高等教育,“,十一五,”,国家级规划教材,传感器与自动检测技术,（第二版）,普通高等教育,“,十一五,”,国家级规划教材,第一章,传感器与自动检测技术的基本概念,本章学习的主要内容：,1.,传感器简述,2.,自动检测系统概述,3.,测量误差与精度,4.,检测系统中的,弹性敏感元件,普通高等教育,“,十一五,”,国家级规划教材,1,1,传感器简述,一、传感器的定义与组成,传感器是能感受规定的被测量并按照一定规律转换成有用输出电信号的器件或装置。,敏感元件,传感元件,测量转换电路,非电量,被测量,非电量,电参量,电量,传感器组成框图,普通高等教育,“,十一五,”,国家级规划教材,二、,传感器的,分类及命名,（,1,）按工作,原理划分,参量传感器,发电传感器,特殊传感器,电阻式传感器,电感式传感器,电容式传感器等,热电偶传感器,压电式传感器,霍尔式传感器等,超声波探头,激光检测等,1.,分类,普通高等教育,“,十一五,”,国家级规划教材,（,2,）按被测量,性质来分,机械量传感器,热工量传感器,成分量传感器,状态量传感器,探伤传感器等,如：扭力传感器、,倾角传感器等,如：温度传感器、,流量传感器等,如：气敏传感器等,如：各种接近开关,等,如：超声波探伤仪等,普通高等教育,“,十一五,”,国家级规划教材,（,3,）按输出量种类来分,模拟传感器,数字传感器,（,4,）按传感器结构来分,直接传感器,补偿传感器,差动传感器,普通高等教育,“,十一五,”,国家级规划教材,传感器常常按工作原理及被测量性质两种分类方式合二为一进行命名。,例如：,电感式位移传感器,光电式转速计,压电式加速度计,光电式转速计,（,2,）命名,普通高等教育,“,十一五,”,国家级规划教材,1.,精度,三、传感器的基本特性,精度分为准确度,和精密度,（,a,）准确度高而精密度低,（,b,）准确度低而精密度高,（,c,）精确度高,普通高等教育,“,十一五,”,国家级规划教材,2,稳定性,（,1,）稳定度,则稳定度为,1.3,mV,/,h,。,【,例,1,】,某仪表电压指示值每小时变化,1.3mV,（,2,）环境影响系数,则环境影响系数表达为,0.02,mA,/,（,V,10%,）,【,例,2,】,某仪表由于电源电压变化,10%,而引起指示,值变化,0.02,mA,普通高等教育,“,十一五,”,国家级规划教材,3,可靠性,表征传感器,可靠性,最基本的尺度是,可靠度,，它是衡量传感器能够正常工作并完成其功能的程度,。,例如：三菱公司生产的,F,系列,PLC,的可靠性就很高，,平均无故障时间高达,30,万小时,关于可靠性问题本课程将在第八章第二节中介绍,普通高等教育,“,十一五,”,国家级规划教材,（,1,）线性度,传感器输出输入的实际特性曲线和拟合直线之间的最大偏差与输出量程范围之比。,输入输出特性,动态特性,静态特性,线性度,灵敏度,迟滞,分辨率,4,输入输出特性,普通高等教育,“,十一五,”,国家级规划教材,线性度概念动画演示,线性度表达式为,普通高等教育,“,十一五,”,国家级规划教材,（,2,）灵敏度,传感器在稳定标准条件下，输出变化量与输入变化量的比值,（,3,）迟滞,传感器的正向特性与反向特性的不一致程度。,普通高等教育,“,十一五,”,国家级规划教材,（,5,）动态特性,反映了当被测量随时间迅速变化时，指示值与被测量值之间的关系。,（,4,）分辨率与分辨力,【,例,3,】,一光栅传感器，测量长度,10,mm,，最小测,量距离,0.1,um,则,分辨率,为,0.1,，,分辨力,为,0.1,um,普通高等教育,“,十一五,”,国家级规划教材,四、对传感器的要求,对传感器的具体要求因使用条件不同而异，主要从基本特性、使用性能、方便程度等方面提出要求。,一般要求传感器特性好、性能优、使用方便易维修；体积小、重量轻、价格便宜寿命长。,普通高等教育,“,十一五,”,国家级规划教材,1,2,自动检测系统概述,一、自动检测系统的组成,传感器,转换电路,显示记录,数据处理,执行机构,被测量,普通高等教育,“,十一五,”,国家级规划教材,自动检测系统组成的动画演示,普通高等教育,“,十一五,”,国家级规划教材,二、自动检测系统的功能,1,变换功能,2,选择功能,选择有用输入信号,抑制其它一切无用影响因素,普通高等教育,“,十一五,”,国家级规划教材,3,比较功能,4,显示功能,模拟式仪表，比较过程由测量者在读数时执行,数字仪表,标准量比较，然后变换成数码,指针的转动指示,图像显示,三、自动检测系统的基本特性,自动检测系统的基本特性与传感器的基本特性相似。,数字值及符号文字显示,记录笔移动的痕迹,普通高等教育,“,十一五,”,国家级规划教材,1,3,测量误差与精度,、测量误差的基本概念,检测包括：检查与测量。测量过程实际上是一个比较过程。测量误差为测量值与真值之间的偏差。,（,1,）真值,（,2,）约定真值,（,3,）实际值,（,4,）标称值（示值）,（,5,）测量误差,有关测量的部分名词术语：,普通高等教育,“,十一五,”,国家级规划教材,二、误差的分类,1.,按表示方法划分,2.,按误差出现的规律划分,绝对误差,相对误差,系统误差,随机误差,粗大误差,实际相对误差,标称相对误差,满度相对误差,普通高等教育,“,十一五,”,国家级规划教材,3.,按被测量随时间变化的速度划分,4.,按使用条件划分,静态误差,动态误差,基本误差,附加误差,普通高等教育,“,十一五,”,国家级规划教材,（,1,）绝对误差,某采购员分别在,A,、,B,、,C,三家商店购买,100,kg,牛肉干、,10,kg,牛肉干、,1,kg,牛肉干，发现均缺少约,0.5,kg,，但该采购员对,C,家卖牛肉干的商店意见最大，是何原因？,【,例,1,】,普通高等教育,“,十一五,”,国家级规划教材,（,2,）相对误差,实际相对误差,标称相对误差,满度（或引用）相对误差,普通高等教育,“,十一五,”,国家级规划教材,当,取为,m,时，满度（或引用）相对误差就被用来确定仪表的精度等级,S,：,我国电工仪表等级分为七级，即：,0.1,、,0.2,、,0.5,、,1.0,、,1.5,、,2.5,、,5.0,级,普通高等教育,“,十一五,”,国家级规划教材,【,例,2,】,今有,0.5,级的,0,300,和,1.0,级的,0,100,两,个温度计，要测,80,的温度，试问采用哪一,个温度计好？,解：用,0.5,级仪表测量时，最大标称相对误差为：,用,1.0,级仪表测量时，最大标称相对误差为：,显然本例中用,1.0,级仪表比用,0.5,级仪表更合适。,普通高等教育,“,十一五,”,国家级规划教材,三、仪表精度与测量精度,1,仪表精度与测量精度的关系,测量精度是实际相对误差（基本误差,+,附加误差），而仪表精度是最大引用相对误差。,2,附加误差对实际测量精度的影响,普通高等教育,“,十一五,”,国家级规划教材,【,例,3】,上例中,1.0,级温度仪表最大标称相对误差为,1.25,，若电源电压变化为,10,时产生,的附加误差,0.5,，试估算实际测量误差,解：按最坏的情况考虑，每次误差都达到技术指标,规定的极限值，即：,这样处理的结果比较符合实际情况。,基本误差,附加误差,求其均方根值为：,普通高等教育,“,十一五,”,国家级规划教材,1,4,检测系统中的弹性敏感元件,变形：物体因外力作用而改变原来的尺寸或形状,弹性变形：外力去掉后能完全恢复其原来的尺寸,和形状的变形,弹性元件：具有弹性变形这类特性的物体,弹性敏感元件：在传感器中用于测量的弹性元件,普通高等教育,“,十一五,”,国家级规划教材,一、弹性敏感元件的基本特性,1,刚度,2,灵敏度,灵敏度为,常数,，此弹性特性是,线性,例：木块刚度小，铁块刚度大,弹性特性曲线图,普通高等教育,“,十一五,”,国家级规划教材,二、弹性敏感元件的形式及应用范围,1,弹性敏感,元件的形式,变换力,变换压力,等截面轴,环状弹性敏感元件,悬臂梁,扭转轴,弹簧管,波纹管,等截面薄板,波纹膜片和膜盒,薄壁圆筒和薄壁半球,普通高等教育,“,十一五,”,国家级规划教材,2,变换力的弹性敏感元件,（,1,）等截面轴,力,F,应变,等截面轴受,力动画演示,等截面轴示意图,普通高等教育,“,十一五,”,国家级规划教材,（,2,）环状弹性敏感元件,较小力,F,应变,环状弹性敏感元件受力动画演示,普通高等教育,“,十一五,”,国家级规划教材,（,3,）悬臂梁,悬臂梁是一端固定另一端自由的弹性敏感元件。,悬臂梁受,力动画演示,悬臂梁示意图,力,F,应变,或 力,F,位移,x,普通高等教育,“,十一五,”,国家级规划教材,（,4,）扭转轴,转矩,T,应变,扭转轴受力动画演示,扭转轴示意图,普通高等教育,“,十一五,”,国家级规划教材,3,变换压力的弹性敏感元件,（,1,）弹簧管,压力,p,中心角角位移,弹簧管受力动画演示,普通高等教育,“,十一五,”,国家级规划教材,（,2,）波纹管,压力,p,自由端的位移,x,波纹管受力动画演示,波纹管示意图,普通高等教育,“,十一五,”,国家级规划教材,（,3,）等截面薄板,（,4,）波纹膜片和膜盒,压力,p,位移,x,压力差,p,位移,x,等截面薄板示意图,膜盒示意图,应变,压力,p,或者,普通高等教育,“,十一五,”,国家级规划教材,（,5,）薄壁圆筒和薄壁半球,压力,p,应变,薄壁圆筒和薄壁半球示意图,普通高等教育,“,十一五,”,国家级规划教材,休 息 一 下,普通高等教育,“,十一五,”,国家级规划教材,光敏电阻,铂电阻测温传感器,普通高等教育,“,十一五,”,国家级规划教材,电感式传感器,普通高等教育,“,十一五,”,国家级规划教材,陶瓷压力电容传感器,硅电容差压传感器,普通高等教育,“,十一五,”,国家级规划教材,普通装配型热电偶,普通高等教育,“,十一五,”,国家级规划教材,压电式振动加速度传感器,普通高等教育,“,十一五,”,国家级规划教材,霍尔接近开关,霍尔电流传感器,普通高等教育,“,十一五,”,国家级规划教材,超声波传感器,普通高等教育,“,十一五,”,国家级规划教材,激光测距仪,激光扫描传感器,普通高等教育,“,十一五,”,国家级规划教材,扭力传感器,倾角传感器,普通高等教育,“,十一五,”,国家级规划教材,pt,100,温度传感器,涡轮流量传感器,普通高等教育,“,十一五,”,国家级规划教材,乙炔传感器,半导体气敏传感器,普通高等教育,“,十一五,”,国家级规划教材,电感式接近开关,普通高等教育,“,十一五,”,国家级规划教材,超声波探伤仪,普通高等教育,“,十一五,”,国家级规划教材,温湿度计,指针千分表,普通高等教育,“,十一五,”,国家级规划教材,数字人体称重仪,数字压力变送器,普通高等教育,“,十一五,”,国家级规划教材,指针千分表,普通高等教育,“,十一五,”,国家级规划教材,数字压力变送器,普通高等教育,“,十一五,”,国家级规划教材,内,窥,镜,图,像,显,示,系,统,普通高等教育,“,十一五,”,国家级规划教材,心电图仪,传感器与自动检测技术,（第二版）,第二章 参量传感器,本章学习的主要内容：,1.,电阻应变式传感器,2.,热电阻传感器,3.,气敏、湿敏电阻传感器,4.,差分变压器式传感器,5.,电涡流式传感器,6.,电容式传感器,2,1,电阻应变式传感器,弹性敏感元件（或试件）,电阻应变式传感器是一种电阻传感器。,电阻应变片,测量转换电路,材料应变的测量,一、应变效应,导体或半导体材料受力,机械变形,电阻值发生变化,由电工学知，有一长度为,l,、截面积为,A,、半径为,r,、电阻率为,的金属单丝，阻值为,:,金属丝受拉时，,l,变长、,r,变小，导致,R,变大。,实验证明,K,灵敏度，,其中金属在,2,3.6,；半导体在,100,上下。,应变片原理动画演示,二、结构类型与粘贴,金属应变片,半导体应变片,金属丝式,箔式,薄膜式,1,结构类型,l,称应变片的 标距或工作基长,B,称应变片的 工作宽度,b,l,称应变片的规格,（,1,）金属丝式,1,引线,2,、,3,基底,4,敏感元件,（,2,）箔式,通过光刻、腐蚀而成,散热条件好,电流密度、灵敏度高,可制任意形状。,（,3,）薄膜式,真空蒸镀技术制成，,在薄的绝缘基片上蒸镀金属材料薄膜，最后加保护层形成。,硅薄膜式测风传感器,或者：根据半导体硅制成的薄膜在受应变时其电阻改变的原理制作并封装后形成的相应物理量的薄膜式应变电阻传感器。,（,4,）半导体应变片,半导体应变片外形,应变片主要性能指标一览表,参数名称,电阻,灵敏度,电阻温度系数,1/,0,C,极限工作温度,0,C,最大工作电流,mA,PZ-120,型,120,1.9,2.1,20,10,-6,-10,40,20,PJ-120,型,120,1.9,2.1,20,10,-6,-10,40,20,BX-200,型,200,1.9,2.2,-30,60,25,BA-120,型,120,1.9,2.2,-30,200,25,BB-350,型,350,1.9,2.2,-30,170,25,PBD-1K,型,1000,10%,140,5%,0.4%,60,15,PBD-120,型,120,10%,120,5%,0.2%,u,22,）：,U,ac,U,da,则,I,mA,=,I,1,I,2,0,（,3,）铁芯下移,(,u,21,u,22,),：,U,ac,U,da,则,I,mA,=,I,1,I,2,0,判别了位移方向和大小,同理，半波电流,电压输出差分整流电路,全波电压输出型,差分整流电路及后续电路,钢板厚度的测量,五、差分变压器式传感器的应用,以,YST,1,型差分压力变送器为例,1,接头,2,膜盒,3,导线,4,印刷线路板,5,差分线圈,6,衔铁,7,电源变压器,8,罩壳,9,指示灯,10,安装座,11,底座,YST,1,型差分压力变送器线路原理图,变压,整流,滤波,多谐,振荡器,差分,变压器,差分整流电路,输出显示,YST,1,型差分压力变送器线路原理框图,2,5,电涡流式传感器,电涡流式传感器的特点：,可以实现非接触测量；,灵敏度高、抗干扰能力强；,频率响应宽、体积小等。,电涡流在我们日常生活中应用,干净、高效的电磁炉,电涡流探雷器,一、基本工作原理,电涡流线圈与金属板的距离,x,减小,电涡流线圈的等效电感,L,减小、等效电阻,R,增大,X,L,的变化比,R,的变化大得多,流过电涡流线圈的电流,i,1,增大。,电涡流效应动画演示,等效电路,原理示意图,i,i,ie,e,原线圈,L,变化,当传感器与被测导体靠近时，传感器的等效阻抗,Z,将发生变化，可表示为：,可用函数式表示如下：,电磁炉内部的励磁线圈,电磁炉的工作原理图,二、结构与测量转换电路,电涡流探头外形,交变磁场,1,电涡流式传感器的结构,电涡流探头内部结构,1,线圈,2,线圈管架,3,壳体,4,输出电缆,5,接插件,6,瓷罩,表,2,5,CZF,1,系列传感器的性能,分析上表请得出结论：,探头的直径与测量范围及分辨力之间有何关系？,型号,线性范围,/,m,线圈外径,/,mm,分辨力,/,m,线性误差,(,),使用温度,/,CZF,1-1000,1000,7,1,3,-15+80,CZF,1-3000,3000,15,3,3,-15+80,CZF,1-5000,5000,28,5,3,-15+80,（,1,）调幅式（,AM,）电路,2,测量转换电路,调幅式转换电路原理框图,并联谐振回路的谐振频率,设电涡流线圈的电感量,L,=0.8,mH,，微调电容,C,0,=200,pF,，求振荡器的频率,f,。,（,2,）调频（,FM,）式电路,(100,kHz,1,MHz,）,调频式转换电路原理框图,（,1,）应用场合,定量测量：金属材料的厚度、尺寸、形状、电导率、磁导率、表面因素、距离等。,定性测量：开关、报警等。,三、电涡流式传感器的应用,1,位移测量,（,2,）几种实例,420,mA,电涡流位移传感器外形图,（,3,）传感器外形,V,系列电涡流位移传感器外形图,V,系列电涡流位移传感器性能一览表,（摘自洞头开关厂资料）,（,4,）四线制电涡流位移传感器的接线说明,2.,振幅测量,偏心和振动检测,汽轮机叶片测试,3,转速测量,转速测量类型,1,传感器,2,被测体,转速,n,（单位为,r,/,min,）的计算公式为,电涡流传感器转速测量动画演示,齿轮转速测量示意图,【,例,】,下图中，设齿数,z,=48,，测得频率,f,=120,Hz,，求该齿轮的转速,n,。,用于,ABS,系统的速度传感器,4,电涡流表面探伤,手持式裂纹测量仪,油管探伤,用掌上型电涡流探伤仪检测飞机裂纹,电涡流传感器探伤检测动画演示,5,厚度测量,测量前，可先用电涡流测厚仪对标准厚度的镀层和铜箔作出“厚度输出”电压的标定曲线，以便测量时对照。,电涡流涂层厚度仪,电涡流传感器测量厚度动画演示,该测厚仪与前面镀层测厚有何区别？,其它应用,电涡流传感器计数动画演示,电涡流传感器轴心轨迹测量动画演示,2,6,电容式传感器,电容传感器液位计,一、工作原理及结构形式,电容传感器的理想公式为,d,极板间距离；,A,极板面积；,电容极板间介质的介电常数。,改变,d,、,A,、,三个参量中的任意一个量，均可使平板电容的电容量,C,改变。,固定三个参量中的两个，可以做成三种类型的电容传感器。,电容传感器声波测量动画演示,几种不同电容式传感器的原理结构图,1,变极距式电容传感器,变极距式电容传感器原理动画演示,变极距式电容传感器结构及特性曲线,结构示意图,1,定极板,2,动极板,电容量与极板距离的关系,2,变面积式电容式传感器,变面积式电容传感器的输出特性是线性的，灵敏度是常数。这一类传感器多用于检测直线位移、角位移、尺寸等参量。,x,a),),/,1,(,),/,1,(,0,0,p,q,p,q,e,e,-,=,-,=,=,C,d,S,C,d,S,C,x,3,变介电常数电容式传感器,变介电常数电容式传感器原理动画演示,经推导可知变介电常数式电容传感器其电容与位移或液体高度成线性关系，可由以下表达式表示：,其中,A,、,B,均为与结构和介质有关的常数,三种电容式传感器比较表,类型,变间隙,变面积,变介电常数,应用场合,线位移,角位移或较大线位移,物位、湿度、密度,是否线性,非线性关系。灵敏度也不是常数。,线性关系,线性关系,1,变压器电桥电路,二、测量转换电路,缺点：由于电路输出为交流电，应进行相敏检波,后，才能辨别位移方向。,对于变间隙式差分电容传感器经分析推导可得：,优点：把变间隙式电容传感器的位移与电容的非线,性关系,转化为位移与输出电压的线性关系。,可得：,2,调频电路,3,脉冲宽度调制电路,经分析推导得：,脉冲调宽电路具有以下五方面的特点：,消除了非线性；,不需要相敏检波即能获得较大的直流输出；,电路只采用直流电源，不需要频率发生器；,频率对输出无影响；,对输出矩形波纯度要求不高。,公式与变压器电桥形式相同，但变压器电桥输出的是交流电，而脉冲调宽电路输出的是直流电。,1,压力测量,电容式压力传感器结构图,三、电容式传感器的应用,高压侧进气口,低压侧进气口,电子线路位置,内部不锈钢膜片的位置,电容式差压变送器外形图,电容式差压变送器内部结构图,1,高压侧进气口,2,低压侧进气口,3,过滤片,4,空腔,5,柔性不锈钢波纹,隔离膜片,6,导压硅油,7,凹形玻璃圆片,8,镀金凹形电极,9,弹性平膜片,10,腔,各种电容式差压变送器外形图,利用电容差压变送器测量液体的液位,差压变送器,施加在高压侧腔体内的压力与液位成正比：,p,=,g h,投入式电容水位计外形图,家用电器压力检测示意图,2,加速度测量,电容传感器加速度测量动画演示,电容式加速度传感器,1,绝缘体,2,固体电极,3,质量块（动电极）,4,弹簧片,硅微加工加速度传感器原理,1,加速度测试单元,2,信号处理电路,3,衬底,4,底层多晶硅（下,电极）,5,多晶硅悬臂梁,6,顶层多晶硅（上,电极）,硅微加工电容加速度传感器,微加工三轴加速度传感器,技术指标：,灵敏度：,500m,V,/,g,量程：,10,g,频率范围：,0.5-2000,Hz,安装谐振点,:8,kHz,分辨力：,0.00004,g,重量：,200,g,安装螺纹：,M,5,mm,线性误差：,1%,加速度传感器在汽车中的应用,装有传感器的假人,气囊,汽车气囊的保护作用,使用加速度传感器可以在汽车发生碰撞时，经控制系统使气囊迅速充气。,利用加速度传感器实现延时起爆的钻地炸弹,传感器安装位置,3,转速测量,电容传感器转速测量动画演示,电容料位测量示意图,1,极棒,2,容器壁,4,料位和液位测量,AM,90,系列电容物位仪,聚四氟乙烯外套,液位计,设定按钮,电容式油量表原理图,电容式接近开关外形图,齐平式,非齐平式,5,电容式接近开关,M,18,M,30,40,mm,40,mm x,40,mm,工作距离,5 mm,10 mm,20 mm,20 mm,工作电压,10-65,V DC,10-65,V DC,，,20-250,V AC,10-65,V DC,，,20-250,V AC,10-65,V DC,，,20-250,V AC,导线数量,3,线制,2,、,4,线制,2,、,4,线制,2,、,4,线制,输出,pnp,pnp,pnp,pnp,常开触点,常开、常闭触点，常开和常闭接点，常开或常闭接点,常开和常闭接点，常开或常闭接点,常开和常闭接点，常开或常闭接点,安装,嵌入式,嵌入式,嵌入式,嵌入式,连接,电缆,电缆,接线端子格,接线端子格,接线端子格,SIMATIC PXC,200,电容式接近开关使用一览表,电容式接近开关,SIMATIC PXC,是非接触型传感器，适用于具有各种形状和表面的导电和非导电金属，可测量传导和非传导性物料，如固体、粉末或液体等。,奶盒中的牛奶检测,电容式接近开关在液位测量控制中的使用,电容指纹识别动画演示,6,其它测量,电容角位移测量动画演示,电容传感器地应力测量动画演示,电容地应力传感器安装动画演示,三星,SPH,V,6800,手机采用电容传感器控制某些功能，取代了部分机械按键,普通高等教育,“,十一五,”,国家级规划教材,传感器与自动检测技术,（第二版）,普通高等教育,“,十一五,”,国家级规划教材,第三章 发电传感器,本章学习的主要内容：,1.,热电偶传感器,2.,霍尔式传感器,3.,压电式传感器,普通高等教育,“,十一五,”,国家级规划教材,热处理温控系统动画演示,3,1,热电偶传感器,普通高等教育,“,十一五,”,国家级规划教材,一、热电偶传感器的工作原理,1.,热电势效应,符号,两种不同材料,结点温度不同,组成闭合回路,热电势效应动画演示,普通高等教育,“,十一五,”,国家级规划教材,热电偶的热电动势,E,AB,(,t,，,t,0,),接触电动势,E,AB,（也称珀尔电动势）,温差电动势,E,(,t,，,t,0,),（也称汤姆逊电动势）,总热电动势为两者之,代数和。,普通高等教育,“,十一五,”,国家级规划教材,（,1,）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。,2.,热电偶回路的主要性质,E,ABC,（,t,，,t,0,）,=,E,AB,（,t,，,t,0,）,（,C,两端接点温度相同）,C,A,B,t,t,0,普通高等教育,“,十一五,”,国家级规划教材,应用举例,:,测量液态金,属的平均温度,金属壁面进行温度测量,普通高等教育,“,十一五,”,国家级规划教材,（,2,）中间温度定律,热电偶,AB,在接点温度为,t,1,、,t,3,时的热电动势，等于热电偶在接点温度为,t,1,、,t,2,和,t,2,、,t,3,时的热电动势总和,E,AB,(,t,1,t,3,)=,E,AB,(,t,1,t,2,)+,E,AB,(,t,2,t,3,),t,1,t,3,A,B,t,1,t,2,A,B,t,2,t,3,A,B,=,+,普通高等教育,“,十一五,”,国家级规划教材,当工作端和自由端温度为,t,和,t,0,时，用导体,A,、,B,组成热电偶的热电动势等于,AC,热电偶和,CB,热电偶的热电动势的代数和。,或,（,3,）,标准电极定律,普通高等教育,“,十一五,”,国家级规划教材,【,例,1】,如图为铂铑,10,铂（,S,）热电偶，,A,、,B,为补,偿导线，温度,t,1,=50,，,t,2,=0,，,t,3,=30,，,t,0,0,。,（,1,）当,U,0,=934,V,时，求被测点温度,t,。,（,2,）如果,A,、,B,改为铜导线，此时,U,0,=810,V,，再求,温度,t,。,普通高等教育,“,十一五,”,国家级规划教材,【,分析,】,（,1,）根据中间导体定律：,U,2,U,0,而,A,、,B,为补偿导线，视同热电偶,A,、,B,所以,E,AB,(t,t,2,),U,2,U,0,934,（,V,）,t,2,=,0,，直接查表可得温度,t=,138,（,2,）根据中间导体定律：,U,1,U,0,E,AB,(,t,t,1,),U,1,U,0,，根据中间温度定律,E,AB,(,t,0,),E,AB,(t,t,1,),E,AB,(,t,1,0,),U,0,E,AB,(50,0,),1109,V,直接查表可得温度,t=,160,普通高等教育,“,十一五,”,国家级规划教材,二、热电偶的种类及结构,1.,热电偶的结构,热电极,绝缘套管,保护套管,接线盒,热电偶外形和结构图,普通高等教育,“,十一五,”,国家级规划教材,接线盒,引出线套管,不锈钢,保护管,固定螺纹,热电偶工作端（热端）,标准热电偶,普通高等教育,“,十一五,”,国家级规划教材,2.,热电偶,的种类,普通型热电偶,标准化,热电偶,铠装热电偶,非标准化热电偶,普通高等教育,“,十一五,”,国家级规划教材,三、热电偶自由端温度的补偿,热电偶在测温过程中，为了保证输出热电动势是,被测温度的单一函数，必须保持自由端（冷端）,的温度恒定。,热电偶的分度表,由图表可知：根显示仪表都是以热电偶的自由端,温度等于,0,为条件的。,如果自由端温度不是,0,，,尽管被测温度不变，,热电动势也将随自由端温度而变化，必须消除或,补偿这一测量误差。,普通高等教育,“,十一五,”,国家级规划教材,（,1,）仪表调零修正法,在,t,0,基本不变的情况下，仪表预先机械调零到,t,0,处，即仪表预先输入,E,（,t,0,，,0,）,则指针指向,t,0,。,指针被预调到室温（,40,C,）可补偿冷端损失,1.,补偿方法,普通高等教育,“,十一五,”,国家级规划教材,（,2,）冷端温度自动补偿,一般采用电桥补偿法：在热电偶回路中串入一个自动补偿的电位差信号来补偿热电势的变化值。,E,（,t,，,0,）,=E,（,t,，,t0,）,+U,ab,XT,WBC,热电偶冷端补偿器,普通高等教育,“,十一五,”,国家级规划教材,常用的国产冷端补偿器性能比较表,型 号,配用热电偶,补偿范围,(),电桥平衡时温度,(),电源,(V),内阻,(),功耗,(VA),补偿误差（,mV,）,WBC,01,铂铑,10,铂,0,50,20,220,1,8,0.045,WBC,02,镍铬镍硅,(,铝,),0.16,WBC,03,镍铬考铜,0.18,WBC-57-LB,铂铑,10,铂,0,40,20,4,1,0.25,(0.015+0.0015t),WBC-57-EU,镍铬镍硅,(,铝,),(0.04+0.004t),WBC-57-EA,镍铬考铜,(0.065+0.0065t),t,为与,20,之差的温度数值。,普通高等教育,“,十一五,”,国家级规划教材,2.,补偿导线延引电极,自由端高温热源的影响,自由端温度要求基本保持恒定,热电偶做得长，贵重金属的耗费加大。,（,1,）问题的提出,（,2,）解决办法,温度范围（,0,100,）,热电特性相近的材料,自由端延长，用补偿导线相连,普通高等教育,“,十一五,”,国家级规划教材,A,B,屏蔽层,保护层,补偿导线外形图,普通高等教育,“,十一五,”,国家级规划教材,常用热电偶补偿导线的特性,配用热电偶正,-,负,补偿导线,正,-,负,导线外皮颜色,100,热电势,（,mV,）,150,热电势,（,mV,）,20,时的电阻率,(,m,),正,负,铂铑,10,铂,铜铜镍,红,绿,0.645,0.023,1.029,+0.024,-0.055,0.0484,10,-6,镍铬,镍硅,铜康铜,红,蓝,4.095,0.15,6.137,0.20,0.634,10,-6,镍铬,考铜,镍铬考铜,红,黄,6.95,0.30,10.69,0.38,1.25,10,-6,钨铼,5,钨铼,20,铜铜镍,红,蓝,1.337,0.045,普通高等教育,“,十一五,”,国家级规划教材,四、热电偶的应用,1.,热电偶的测温线路,冷端温度相同,热电动势与温度呈线性关系,注意：,普通高等教育,“,十一五,”,国家级规划教材,2.,热电偶热电动势的测量,动圈式仪表,电位差计,电子电位差计,微机识别，输出显示,测量方式：,普通高等教育,“,十一五,”,国家级规划教材,XCZ,系列指针式显示仪表电路图,1,热电偶,2,补偿导线,3,冷端补偿器,4,外接调整电阻,5,铜导线,6,动圈,7,张丝,8,磁钢（极靴）,9,指针,10,刻度面板,普通高等教育,“,十一五,”,国家级规划教材,电位差计热电偶测温电路图,线路电阻对测量结果有没有影响？,提问：,普通高等教育,“,十一五,”,国家级规划教材,XMZ,系列智能数字显示仪表外形图,普通高等教育,“,十一五,”,国家级规划教材,一、霍尔元件的工作原理及结构,1,霍尔效应,3,2,霍尔式传感器,霍尔电压,U,H,为：,e,电子电量,K,H,霍尔元件灵敏度,式中,n,载流子数浓度,K,H,1/,ned,霍尔效应动画演示,普通高等教育,“,十一五,”,国家级规划教材,霍尔元件示意图,（,a,）霍尔元件结构示意图 （,b,）图形符号 （,c,）外形,普通高等教育,“,十一五,”,国家级规划教材,霍尔元件图片,普通高等教育,“,十一五,”,国家级规划教材,3,基本电路,注意：时间短（约,10,-12,s,10,-14,s,之间）,频率高（几千兆赫）。,普通高等教育,“,十一五,”,国家级规划教材,二、霍尔元件的基本参数与温度误差的补偿,1,基本参数,（,1,）输入电阻,R,i,；,（,2,）输出电阻,R,0,；,（,3,）最大激励电流,I,M,；,（,4,）灵敏度,K,H,；,（,5,）最大磁感应强度,B,M,；,（,6,）不等位电势；,（,7,）霍尔电势温度系数,普通高等教育,“,十一五,”,国家级规划教材,2,温度误差及其补偿,半导体对温度很敏感,特性参数为温度的函数,产生原因：,处理方法：,普通高等教育,“,十一五,”,国家级规划教材,三、集成霍尔元件,1.,线性型集成霍尔元件,普通高等教育,“,十一五,”,国家级规划教材,线性型集成霍尔元件,输出特性,普通高等教育,“,十一五,”,国家级规划教材,2.,开关型集成霍尔元件,输出特性,普通高等教育,“,十一五,”,国家级规划教材,1,应用类型,四、霍尔式传感器的应用,（,1,）利用霍尔电势正比于磁感强度的特性来测量磁场及与之有关的电量和非电量。如磁场计、方位计、电流计、微小位移计、非接触开关等。,（,3,）利用霍尔电势正比于激励电流与磁感应强度乘积的规律制成乘算器、除算器、开方器、功率计等，也可以作混频、调制、斩波、解调等用途。,（,2,）利用霍尔电势正比于激励电流的特性可制作回转器、隔离器、电流控制装置等。,普通高等教育,“,十一五,”,国家级规划教材,霍尔特斯拉计（高斯计）,霍尔元件,普通高等教育,“,十一五,”,国家级规划教材,霍尔角位移测量动画演示,1,2.,应用举例,（,1,）角位移测量仪,普通高等教育,“,十一五,”,国家级规划教材,霍尔角位移测量动画演示,2,普通高等教育,“,十一五,”,国家级规划教材,霍尔转速测量动画演示,（,2,）霍尔转速表,普通高等教育,“,十一五,”,国家级规划教材,霍尔式微压力传感器原理示意图,（,3,）霍尔式微压力传感器,普通高等教育,“,十一五,”,国家级规划教材,霍尔钳形电流表的使用,叉形,钳形表漏磁,稍大，但使用方便,用,钳形表测量 电动机的相电流,（,4,）霍尔钳形电流表,普通高等教育,“,十一五,”,国家级规划教材,3,3,压电式传感器,压电传感器振动分析动画演示,普通高等教育,“,十一五,”,国家级规划教材,一、基本工作原理,1,压电效应,电介质在沿一定方向上受到外力,产生变形,外力去掉，回到不带电状态,内部产生极化现象，表面产生电荷,压电效应动画演示,普通高等教育,“,十一五,”,国家级规划教材,2.,逆压电效应,极化方向上施加交变电场,产生机械变形,去外加电场，变形消失,逆压电效应动画演示,普通高等教育,“,十一五,”,国家级规划教材,3,压电材料,（,1,）压电晶体,石英晶体外形图,压电晶体是一种单晶体,例如：,石英晶体；酒石酸钾钠等,普通高等教育,“,十一五,”,国家级规划教材,天然形成的石英晶体外形图,普通高等教育,“,十一五,”,国家级规划教材,（,2,）压电陶瓷,压电陶瓷是一种人工制造的多晶体,例如：钛酸钡、锆钛酸铅、铌酸锶等,压电陶瓷外形图,普通高等教育,“,十一五,”,国家级规划教材,高分子压电材料外形图,（,3,）有机压电材料,有机压电材料属于新一代的压电材料,主要有压电半导体和高分子压电材料,普通高等教育,“,十一五,”,国家级规划教材,4,压电材料的主要特性指标,（,1,）压电系数,d,（,2,）刚度,H,（,3,）介电常数,（,4,）电阻,R,（,5,）居里点,普通高等教育,“,十一五,”,国家级规划教材,二、测量转换电路,1,压电元件的等效电路,提问：,压电式传感器能用于静态测量吗？,提示：,电荷有无泄漏？,转换电路的输入阻抗是否无限大？,普通高等教育,“,十一五,”,国家级规划教材,无放大电荷的作用,（,Q,/,U,转换器）,输出电压仅与输入电荷和反馈电容有关,电缆长度影响小,2.,电荷放大器,注意：,电荷放大器等效电路,普通高等教育,“,十一五,”,国家级规划教材,电荷放大器外形图,普通高等教育,“,十一五,”,国家级规划教材,三、压电式传感器的结构和应用,1,压电元件常用的结构形式,并联接法,C,2,C,U,U,Q,=2,Q,（,1,）串联,（,2,）并联,U,2,U,Q,=,Q,普通高等教育,“,十一五,”,国家级规划教材,2,压电式传感器的应用,（,1,）压电式力传感器,压电式力传感器测力动画演示,普通高等教育,“,十一五,”,国家级规划教材,（,2,）压电式加速度传感器,1,基座,2,引出电极,3,压电晶片,4,质量块,5,弹簧,6,壳体,普通高等教育,“,十一五,”,国家级规划教材,压电式振动加速度传感器,普通高等教育,“,十一五,”,国家级规划教材,休 息 一 下,普通高等教育,“,十一五,”,国家级规划教材,铠装型热电偶可 长达上百米,铠装型热电偶外形,普通高等教育,“,十一五,”,国家级规划教材,普通热电偶的外形,普通高等教育,“,十一五,”,国家级规划教材,小形,K,型热