检测与转换-第三章 发电传感器

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》吴旗主编高等教育出版社HIGHEREDUCATIONPRESS第三章发电传感器发电传感器的基本原理是把被测量的变化直接转换为电压量或电流量的变化，然后通过对此信号的放大处理并把此信号检测出来，从而达到测量被测量的目的。本章主要学习常用发电传感器的工作原理、测量转换电路及一些应用实例。包括：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《传感器与自动检测技术》吴旗主编高等教育出版社HIGHEREDUCATIONPRESS热处理温控系统§3－1热电偶传感器普通高等教育“十一五”国家级规划教材《传感器与自动检测技术》吴旗主编高等教育出版社HIGHEREDUCATIONPRESS一、热电偶传感器的工作原理1、热电势效应将两种不同材料的导体构成一闭合回路，由于两结点温度不同产生电动势,回路产生电流的现象称为热电势效应。符号T0端称为自由端或冷端。T端称为工作端或热端A导体B导体普通高等教育“十一五”国家级规划教材《传感器与自动检测技术》吴旗主编高等教育出版社HIGHEREDUCATIONPRESS热电效应的本质是热电偶本身吸收了外部的热能，在内部转换为电能的一种物理现象。热电偶的热电动势EAB(t，t0)等于接触电动势EAB（也称珀尔电动势）与温差电动势E(t，t0)（也称汤姆逊电动势）之和。),(),(00ttEEttEABAB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》吴旗主编高等教育出版社HIGHEREDUCATIONPRESS（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EABC(T,T0)=EAB(T,T0)（C两端接点温度相同）CABtt0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》吴旗主编高等教育出版社HIGHEREDUCATIONPRESS中间导体定律应用举例：a）可以引入各种仪表、连接导线等，也允许采用任意的焊接方法来焊制热电偶b）可以采用开路热电偶对液态金属和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《传感器与自动检测技术》吴旗主编高等教育出版社HIGHEREDUCATIONPRESS),(),(),(000TTETTETTECBACAB当工作端和自由端温度为T和T0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。),(),(),(000TTETTETTEBCACAB或（2）标准电极定律普通高等教育“十一五”国家级规划教材《传感器与自动检测技术》吴旗主编高等教育出版社HIGHEREDUCATIONPRESS（3）中间温度定律热电偶AB在接点温度为T1、T3时的热电动势，等于热电偶在接点温度为T1、T2和T2、T3时的热电动势总和EAB(T1,T3)=EAB(T1,T2)+EAB(T2,T3)T1T3ABT1T2ABT2T3AB=+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》吴旗主编高等教育出版社HIGHEREDUCATIONPRESS二、热电偶的种类及结构1、热电偶的结构普通型热电偶是工程实际中最常用的一种型式，其结构由热电极、绝缘套管、保护套管和接线盒四部分组成。2、热电偶的种类根据热电偶的用途、结构和安装形式有各种类型热电偶，常用的热电偶有:标准化和非标准化热电偶,普通型热电偶,铠装热电偶。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》吴旗主编高等教育出版社HIGHEREDUCATIONPRESS普通装配型热电偶的外形普通高等教育“十一五”国家级规划教材《传感器与自动检测技术》吴旗主编高等教育出版社HIGHEREDUCATIONPRESS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）普通铠装热电偶的结构普通高等教育“十一五”国家级规划教材《传感器与自动检测技术》吴旗主编高等教育出版社HIGHEREDUCATIONPRESS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《传感器与自动检测技术》吴旗主编高等教育出版社HIGHEREDUCATIONPRESS小形K型热电偶其他热电偶外形普通高等教育“十一五”国家级规划教材《传感器与自动检测技术》吴旗主编高等教育出版社HIGHEREDUCATIONPRESS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。为了消除或补偿由于自由端温度不恒定而引入的测量误差，常用以下几种方法。必要性1、仪表调零修正法在t0基本不变的情况下，仪表预先机械调零到t0处，即仪表预先输入E（t0，0℃）则指针指向t0。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》吴旗主编高等教育出版社HIGHEREDUCATIONPRESS指针被预调到室温（40C）可补偿冷端损失普通高等教育“十一五”国家级规划教材《传感器与自动检测技术》吴旗主编高等教育出版社HIGHEREDUCATIONPRESS2、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）+Uab电桥补偿法是利用直流电桥的不平衡电压来补偿热电偶因自由端温度变化而引起的热电动势变化值。XT-WBC热电偶冷端补偿器原理普通高等教育“十一五”国家级规划教材《传感器与自动检测技术》吴旗主编高等教育出版社HIGHEREDUCATIONPRESS3、延引电极法为了使热电偶自由端不受高温热源的影响，自由端温度基本保持恒定或波动较小，可把热电偶做得很长，这样势必使用贵重金属的热电偶耗费加大。采用在一定温度范围内(0℃～100℃)与工作热电偶的热电特性相近的材料制成导线，用它将热电偶的自由端延长至所需要的地方，用补偿导线制成的热电偶与工作热电偶相连，它既可把工作热电偶的原自由端延长到新的自由端，节省了贵重金属，又不会由于引入该导线而给工作热电偶带来测量误差。原因处理方法普通高等教育“十一五”国家级规划教材《传感器与自动检测技术》吴旗主编高等教育出版社HIGHEREDUCATIONPRESSA’B’屏蔽层保护层补偿导线外形普通高等教育“十一五”国家级规划教材《传感器与自动检测技术》吴旗主编高等教育出版社HIGHEREDUCATIONPRESS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（Ω·m）正负铂铑10－铂铜－铜镍①红绿0.645±0.0231.029+0.024-0.055＜0.0484×10-6镍铬－镍硅铜－康铜红蓝4.095±0.156.137±0.20＜0.634×10-6镍铬－考铜镍铬－考铜红黄6.95±0.3010.69±0.38＜1.25×10-6钨铼5－钨铼20铜－铜镍②红蓝1.337±0.045－－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》吴旗主编高等教育出版社HIGHEREDUCATIONPRESS四、热电偶的应用1、热电偶的测温线路（1）两点间温度之和的测量使用多根热电偶串联测温时，就能成倍地提高总的热电动势的输出，大大提高测量的灵敏度。优点普通高等教育“十一五”国家级规划教材《传感器与自动检测技术》吴旗主编高等教育出版社HIGHEREDUCATIONPRESS（2）两点间温度之差的测量应注意对于测量两点间温度之和及温度之差两个同型号的热电偶其冷端温度必须相同，并且它们的热电动势都与温度呈线性关系，否则将产生测量误差。注意普通高等教育“十一五”国家级规划教材《传感器与自动检测技术》吴旗主编高等教育出版社HIGHEREDUCATIONPRESS2、热电偶热电动势的测量热电偶输出的热电动势与被测温度有对应关系，热电动势的测量可用动圈式仪表、电位差计、电子电位差计，或通过微机识别后输出显示温度值。用电位差计测量时，是采用标准电压来平衡热电动势的。标准电压与热电动势方向相反，回路中没有电流。因此，线路电阻对测量结果没有影响。小结普通高等教育“十一五”国家级规划教材《传感器与自动检测技术》吴旗主编高等教育出版社HIGHEREDUCATIONPRESSXCZ系列指针式显示仪表XC系列动圈式仪表测量机构的核心部件是一个磁电式毫伏计。动圈式仪表与热电偶配套测温时，热电偶、连接导线（补偿导线）、调整电阻和显示仪表组成了一个闭合回路。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《传感器与自动检测技术》吴旗主编高等教育出版社HIGHEREDUCATIONPRESSXMZ系列智能数字显示仪表外形普通高等教育“十一五”国家级规划教材《传感器与自动检测技术》吴旗主编高等教育出版社HIGHEREDUCATIONPRESS热处理温控系统普通高等教育“十一五”国家级规划教材《传感器与自动检测技术》吴旗主编高等教育出版社HIGHEREDUCATIONPRESS一、霍尔元件的工作原理及结构1．霍尔效应霍尔电压UH为：IBKnedIBUHH＝式中n——半导体单位体积中的载流子数e——电子电量KH——霍尔元件灵敏度，KH＝1/ned结论§3－2霍尔式传感器普通高等教育“十一五”国家级规划教材《传感器与自动检测技术》吴旗主编高等教育出版社HIGHEREDUCATIONPRESS2．材料及结构特点霍尔元件一般采用具有N型的锗、锑化铟和砷化铟等半导体单晶材料制成。1.锑化铟元件的输出较大，但受温度的影响也较大。2.锗元件的输出虽小，但它的温度性能和线性度却比较好。3.砷化铟元件的输出信号没有锑化铟元件大，但是受温度的影响却比锑化铟的要小，而且线性度也较好。采用砷化铟为霍尔元件的材料得到普遍应用。特点小结普通高等教育“十一五”国家级规划教材《传感器与自动检测技术》吴旗主编高等教育出版社HIGHEREDUCATIONPRESS霍尔元件结构（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《传感器与自动检测技术》吴旗主编高等教育出版社HIGHEREDUCATIONPRESS3．基本电路由于建立霍尔效应所需的时间很短（约10-12s～10-14s之间），因此控制电流为交流时，频率可以很高（几千兆赫）。注意普通高等教育“十一五”国家级规划教材《传感器与自动检测技术》吴旗主编高等教育出版社HIGHEREDUCATIONPRESS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Ri；（2）输出电阻R0；（3）最大激励电流IM；（4）灵敏度KH；（5）最大磁感应强度BM；（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《传感器与自动检测技术》吴旗主编高等教育出版社HIGHEREDUCATIONPRESS2．温度误差及其补偿霍尔元件是由半导体制成的，因半导体对温度很敏感，霍尔元件的载流子迁移率、电阻率和霍尔系数都随温度而变化，因而使霍尔元件的特性参数（如霍尔电势和输入、输出电阻等）成为温度的函数，导致霍尔传感器产生温度误差。（a）输入回路补偿电路（b）输出回路补偿电路（c）正温度系数热敏电阻的补偿电路原因处理方法普通高等教育“十一五”国家级规划教材《传感器与自动检测技术》吴旗主编高等教育出版社HIGHEREDUCATIONPRESS三、集成霍尔元件集成霍尔元件可分为线性型和开关型两大类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《传感器与自动检测技术》吴旗主编高等教育出版社HIGHEREDUCATIONPRESS开关型集成霍尔元件的外形及内部电路普通高等教育“十一五”国家级规划教材《传感器与自动检测技术》吴旗主编高等教育出版社HIGHEREDUCATIONPRESS四、霍尔式传感器