1、华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院1工程测试技术主讲教师：来五星博士、副教授李锡文博士、教授实验教师：黄弢高级工程师办公电话： 87557415 87559004移动电话：13349831325, 18971072799电子邮件： 办公地址：新大楼东楼B305 新大楼东楼C306华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院2工程测试技术课件资料下载：课件资料下载：邮箱地址：邮箱地址： “机械工程测试机械工程测试”每个字拼音的第一个字母每个字拼音的第一个字母 密码：密码：111111注意下载时不要删除原始文件注意下载时不要删除原始文件 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院33第三章、传感器
2、原理及应用第三章、传感器原理及应用本章学习要求：本章学习要求：1. 了解传感器的分类了解传感器的分类 2. 掌握常用传感器测量原理掌握常用传感器测量原理3. 了解传感器测量电路了解传感器测量电路4. 了解传感器应用了解传感器应用工程测试技术基础工程测试技术基础华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院44第三章、传感器原理及应用第三章、传感器原理及应用测试技术是研究客观事物变化规律的方法（手段），测试技术是研究客观事物变化规律的方法（手段），是从客观事物中摄取有关信息的认识过程。是从客观事物中摄取有关信息的认识过程。华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院55典型的信息处理过程典型的信息处理过程
3、 信息信息 信息获取信息获取 信号分析信号分析 信号处理信号处理 对象对象 （静态）（静态） （动态）（动态）信号源传感器信号分析中间变换记 录第三章、传感器原理及应用第三章、传感器原理及应用华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院66第三章、传感器原理及应用第三章、传感器原理及应用美国美国Arecibo 305米射电望远镜米射电望远镜探索宇宙和太空：射电望远镜探索宇宙和太空：射电望远镜射电望远镜是主要接收天体射电波段辐射的望远镜。射电望远镜是主要接收天体射电波段辐射的望远镜。与传统的天文望远镜不同，射电望远镜不用眼睛去看，而是用耳朵与传统的天文望远镜不同，射电望远镜不用眼睛去看，而是用耳朵去
4、倾听，即倾听宇宙中发出的电磁波。去倾听，即倾听宇宙中发出的电磁波。英国人赖尔英国人赖尔(Ryle)获获1974年度诺贝尔物理学奖：发明应用合成孔径射电年度诺贝尔物理学奖：发明应用合成孔径射电天文望远镜进行射电天体物理学的开创性研究。天文望远镜进行射电天体物理学的开创性研究。华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院77根据量子力学原理，由于电子的隧道效应，金属中的电子并不完全局限于金属表面之内，电子云密度并不是在表面边界处突变为零。在金属表面以外，电子云密度呈指数衰减，衰减长度约为1nm。STM可以直接观测到材料表面的单个原子和原子在表面上的三维结构图像；其水平和垂直分辨率可以分别达到0.04n
5、m和0.01nm。STM可以在观测材料表面原子结构的同时得到材料表面的扫描隧道谱，可以研究材料表面的化学结构和电子状态。探索微观原子世界：扫描隧道显微镜探索微观原子世界：扫描隧道显微镜STM第三章、传感器原理及应用第三章、传感器原理及应用德国人比尼格德国人比尼格(Gerd Binnig)和瑞士人罗雷尔和瑞士人罗雷尔(Heinrich Rohrer)获获1986年年度诺贝尔物理学奖：设计第一台扫描隧道电子显微镜。度诺贝尔物理学奖：设计第一台扫描隧道电子显微镜。华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院88STM: Some ApplicationsMicrotopography and nanot
6、opographyOne turn mark on a diamond-turned Al substrate Surface ScienceSi(100) surfaceManipulation of AtomsIron atoms are placed on Cu(111) surface 第三章、传感器原理及应用第三章、传感器原理及应用华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院99身边的测试技术：汽车传感器 普通家用轿车上大约安装几十到近百只传感器。 豪华轿车上的传感器数量可多达二百余只。第三章、传感器原理及应用第三章、传感器原理及应用 发动机控制系统发动机控制系统 温度传感器温度传感器
7、压力传感器压力传感器 流量传感器流量传感器 位置和转速传感器位置和转速传感器 气体浓度传感器气体浓度传感器 爆震传感器爆震传感器 底盘和车身控制系统底盘和车身控制系统 导航系统导航系统华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院1010Nanotechnology, Nanomanufacturing & NanometrologyNanotechnology involves the manipulation of mater at the nanometer scale to create nanostructures with unique properties. Nanomanufactu
8、ring is an essential bridge between the discoveries of fundamental nanoscience and real-world nanotechnology-enabled products.Controllable, Predictable, Repeatable, Reliable, Scalable, and Economical.第三章、传感器原理及应用第三章、传感器原理及应用If a product cannot be measured, it cannot be manufactured.If a product cann
9、ot be manufactured safely, it should not be manufactured.If a product cannot be measured how would you know?华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院1111第三章、传感器原理及应用第三章、传感器原理及应用3.1 概述概述3.1.1 传感器定义传感器定义 传感器是借助于检测元件接收一种形式的信息，并传感器是借助于检测元件接收一种形式的信息，并按一定的规律将所获取的信息转换成另一种信息的装置。按一定的规律将所获取的信息转换成另一种信息的装置。 目前，传感器转换后的信号大多为电信号。因而从目前
10、，传感器转换后的信号大多为电信号。因而从狭义上讲，传感器是把外界输入的非电信号转换成电信狭义上讲，传感器是把外界输入的非电信号转换成电信号的装置。号的装置。物理量物理量电量电量华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院12123.1.2 传感器的构成传感器的构成 传感器一般由传感器一般由敏感器件敏感器件与与辅助器件辅助器件组成。组成。 敏感器件是传感器的核心，它的作用是直接感受被测物理量，并对信敏感器件是传感器的核心，它的作用是直接感受被测物理量，并对信号进行转换输出。号进行转换输出。 辅助器件则是对敏感器件输出的电信号进行放大、阻抗匹配，以便于辅助器件则是对敏感器件输出的电信号进行放大、阻抗匹
11、配，以便于后续仪表接入。后续仪表接入。 3.1 概述概述dV华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院13133.1.3 传感器的分类传感器的分类3.1 概述概述(1)(1)按被测物理量分类按被测物理量分类: :机械量：机械量：长度，厚度，位移，速度，加速度，旋转角，长度，厚度，位移，速度，加速度，旋转角， 转数，质转数，质(重重)量，压力量，压力(力力)，真空度，力矩，真空度，力矩， 风速，流速，流量。风速，流速，流量。声声: 声压，噪声。声压，噪声。磁磁: 磁通，磁场。磁通，磁场。温度温度: 温度，热量，比热。温度，热量，比热。光：光： 亮度，色彩。亮度，色彩。华中科技大学机械学院华中科技大
12、学机械学院14143.1 概述概述(2)(2)按工作的物理基础分类按工作的物理基础分类: : 机械式，电气式，光学式，流体式等。机械式，电气式，光学式，流体式等。3.1.3 传感器的分类传感器的分类华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院15153.1 概述概述(3)按信号变换特征按信号变换特征:物性型物性型: :依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来实现信号变换依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来实现信号变换. . 例如例如: :水银温度计水银温度计, ,压电测力计压电测力计. .结构型结构型: :依靠传感器结构参数的变化实现信号转变依靠传感器结构参数的变化实现信号转变. . 例如例如: :电
13、容式和电感式传感器电容式和电感式传感器. .73.1.3 传感器的分类传感器的分类华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院16163.1 概述概述(4)按敏感元件与被测对象之间的能量关系按敏感元件与被测对象之间的能量关系:能量转换型能量转换型: :直接由被测对象输入能量使其工作直接由被测对象输入能量使其工作. . 例如例如: :热电偶温度计热电偶温度计, ,压电式加速度计压电式加速度计. .能量控制型能量控制型: :从外部供给能量并由被测量控制外部供给能量的变化从外部供给能量并由被测量控制外部供给能量的变化. . 例如例如: :电阻应变片电阻应变片. .3.1.3 传感器的分类传感器的分类华中
14、科技大学机械学院华中科技大学机械学院17173.1 概述概述3.1.4 常见的被测物理量常见的被测物理量 机械量机械量: :长度长度, ,厚度厚度, ,位移位移, ,速度速度, ,加速度加速度, ,旋转角旋转角, ,转数转数, , 质量质量, ,重量重量, ,力力, ,压力压力, ,真空度真空度, ,力矩力矩, ,风速风速, ,流速流速, , 流量流量; ; 声声: : 声压声压, ,噪声噪声. . 磁磁: : 磁通磁通, ,磁场磁场. . 温度温度: : 温度温度, ,热量热量, ,比热比热. . 光：光： 亮度，色彩亮度，色彩华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院18第第3章章 传感器原
15、理及应用基础传感器原理及应用基础 主要传感器 3.2 电阻式传感器 3.2.1 变阻器式变阻器式 3.2.2 电阻应变式电阻应变式 3.2.3 热敏式热敏式 热电阻，半导体，双金属片热电阻，半导体，双金属片 （热电偶）（热电偶） 3.2.4 光敏式光敏式 3.2.5 磁敏式磁敏式 3.2.6 气敏式气敏式 3.3 电容式传感器 3.4 电感式传感器 3.5 压电式传感器 3.6 磁电式传感器 动圈式动圈式 磁阻式磁阻式华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院19第3章 传感器原理及应用基础 3.7 半导体传感器（磁感应式） 霍尔元件 磁阻元件 3.8 超声波检测传感器 3.9 光电传感器 3.
16、10 光纤传感器 3.11 CCD固态图象传感器 3.12 流量传感器 3.13 生物化学传感器 3.14 智能传感器 3.15 其它类型传感器 3.16 传感器特性及选用原则华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院20203.2 电阻式传感器电阻式传感器 电阻式传感器电阻式传感器是把被测量转换为电阻变化的一种传感器是把被测量转换为电阻变化的一种传感器 按工作的原理可分为按工作的原理可分为 3.2.1 变阻器式变阻器式 3.2.2 电阻应变式电阻应变式 3.2.3 热敏式热敏式 热电阻热电阻 半导体半导体 双金属温度计双金属温度计 （热电偶）（热电偶） 3.2.4 光敏式光敏式 3.2.5 磁
17、敏式磁敏式 3.2.6 气敏式气敏式第三章、传感器原理及应用第三章、传感器原理及应用华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院21211 2 3 132直线型直线型旋转型旋转型(1) 工作原理：工作原理：随接触位置的改变而改变电阻值。随接触位置的改变而改变电阻值。第三章、传感器原理及应用第三章、传感器原理及应用3.2.1 变阻器式传感器变阻器式传感器华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院2222 等效电路分析等效电路分析: Rp-总电阻;xp-变阻总长;RL负载电阻;x-电刷移动量.132xxpEinEoutRxRLRp-Rx)1)(1pxxLRpRxpxinLRxRxRpRLRpRinLRx
18、RLRxRxRpRinEEEoutE0 x 100%100%Output0负载效应负载效应3.2 电阻式传感器电阻式传感器华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院2323(2) 变阻器式传感器的性能参数变阻器式传感器的性能参数 1) 线性线性(或曲线的一致性或曲线的一致性); 4) 移动或旋转角度范围移动或旋转角度范围; 2) 分辨力分辨力; 5) 电阻温度系数电阻温度系数; 3) 整个电阻值的偏差整个电阻值的偏差; 6) 寿命寿命;(3)变阻器式传感器的分类变阻器式传感器的分类变阻器按电阻元件分单圈电位器直线滑动式电位器多圈电位器混合式电位器导电塑料电位器金属陶瓷电位器线绕电位器3.2 电阻
19、式传感器电阻式传感器按结构分华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院24(2) 变阻器式传感器的性能参数变阻器式传感器的性能参数: 1)线性线性(或曲线的一致性或曲线的一致性);4)移动或旋转角度范围移动或旋转角度范围; 2)分辨率分辨率; 5)电阻温度系数电阻温度系数; 3)整个电阻值的偏差整个电阻值的偏差; 6)寿命寿命;(3)变阻器式传感器的分类变阻器式传感器的分类3.2电阻式传感器电阻式传感器按按测量类型测量类型单圈电位器单圈电位器多圈电位器多圈电位器直线滑动式电位器直线滑动式电位器13华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院253.2电阻式传感器电阻式传感器按按制作方式分：制作方式分
20、：线绕电位器线绕电位器导电塑料电位器导电塑料电位器普通塑料基底普通塑料基底导电导电材料粉材料粉14华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院26按电阻元件分：按电阻元件分：3.2电阻式传感器电阻式传感器按电阻元件分混合式电位器线绕电位器带指针线带指针线绕电位器绕电位器多圈线绕多圈线绕电位器电位器金属陶瓷电位器属陶瓷单圈属陶瓷单圈型电位器型电位器 导电塑料电位器导电塑料电位器导电塑料电位器 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院27变阻器式传感器产品变阻器式传感器产品3.2电阻式传感器电阻式传感器15华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院2828(4) 变阻器式传感器的特点变阻器式传感器的特点
21、电阻器电阻器 制作制作 特点特点 绕线式绕线式 直径 0.012-0.1mm 的镍铬合金的精密电阻丝绕在绝缘的薄膜铜丝或绝缘胶木板等卷芯上而制作 电阻温度系数非常好， 为5-20*10-6/0C;精度 ,稳定性 ,重复性比薄膜式好,分辨力低于薄膜式 . 金属陶瓷式金属陶瓷式 电阻胶印在陶瓷基板上,并用高温烧制而成 . 分辨力高 ,环境适应性强前 , 电阻温度系数,为200*10-6/0C 左右. 导电导电-塑料式塑料式 将基板的树脂与电阻墨制成一体 ,或将电阻胶涂于薄膜基片上 . 分辨力 ,寿命,高速现响应特性好 ,电阻温度系数为400*10-6/0C 混合式混合式 导电性树脂涂于线绕式电阻元
22、件上 兼有绕线式和导电-塑料式的优点 ,电阻温度系数为150*10-6/0C 3.2 电阻式传感器电阻式传感器华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院2929(5) 应用应用例例1 1 重量的自动检测重量的自动检测-配料设备配料设备重量设定原材料 比较原理用弹簧将力转换为位移;再用变阻器将位移转换为电阻的变化3.2 电阻式传感器电阻式传感器华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院3030例例2 2 煤气包储量检测煤气包储量检测原理直接将代表煤气包储量的高度变化转换为钢丝的电阻变化煤气包钢丝特点：特点：（1）测量量程大；）测量量程大；（2）防爆；）防爆；（3）可靠；）可靠；（4）成本低。）成本低
23、。3.2 电阻式传感器电阻式传感器华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院3131例例3 3 玩具机器人（广州中鸣数码玩具机器人（广州中鸣数码 ）原理直接将关节驱动电机的转动角度变化转换为电阻器阻值变化3.2 电阻式传感器电阻式传感器华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院32案例：案例：汽车动力性检测汽车动力性检测3.2电阻式传感器电阻式传感器181.1.最高车速最高车速amaxamax(km/h(km/h) ) 2.2.加速能力加速能力t t（s s）3.3.最大爬坡度最大爬坡度I Imaxmax(%)(%)4.4.发动机最大输出功率发动机最大输出功率P Pmaxmax5.5.底盘输出最大
24、驱动功率底盘输出最大驱动功率DPmaxDPmax 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院333.2电阻式传感器电阻式传感器18动手做：动手做：用电位器、声卡做一个开用电位器、声卡做一个开门次数测量系统。门次数测量系统。参考：门磁探测器参考：门磁探测器EE1华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院34343.2.2 电阻应变式传感器电阻应变式传感器-应变片应变片 金属电阻应变片的工作原理是基于金属导体的应变金属电阻应变片的工作原理是基于金属导体的应变效应，即金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电效应，即金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着它所受机械变形阻值随着它所受机械变形(伸长
25、或缩短伸长或缩短)的变化而发生变的变化而发生变化的现象。化的现象。 3.2 电阻式传感器电阻式传感器华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院35351) 工作原理工作原理金属应变片的电阻金属应变片的电阻R为为AlRdRdAARdllRdR3.2 电阻式传感器电阻式传感器drdrldlRdrldrrldlrdR22232ERdR21电阻变化增量电阻变化增量dR为为2rA电阻丝面积电阻丝面积纵向应变纵向应变ldl泊松比泊松比ldlrdr/压阻系数压阻系数弹性模量弹性模量 E华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院36361) 工作原理工作原理(1) 当当 不变时不变时)21 ( RdAdldRAR
26、lR金属应变计金属应变计(2) 当当 变化时变化时ERRdddRdAlR半导体应变计半导体应变计3.2 电阻式传感器电阻式传感器ERdRdAARdllRdR21华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院37372) 金属应变计金属应变计有:丝式和箔式优点:稳定性和温度特性好.缺点:灵敏度系数小.应变计3.2 电阻式传感器电阻式传感器华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院38383) 半导体应变计优点：应变灵敏度大;体积小;能制成具有一定应变电阻的元件.缺点：温度稳定性和可重复性不如金属应变片。 应变计3.2 电阻式传感器电阻式传感器drdrldlRdR2简化为：简化为：dRdRE华中科技大学机
27、械学院华中科技大学机械学院39393) 应变片的主要参数应变片的主要参数 1）几何参数：表距）几何参数：表距L和丝栅宽度和丝栅宽度b，制造厂常用，制造厂常用bL 表示。表示。 2）电阻值：应变计的原始电阻值。）电阻值：应变计的原始电阻值。 3）灵敏系数：表示应变计变换性能的重要参数。）灵敏系数：表示应变计变换性能的重要参数。 4）其它表示应变计性能的参数（工作温度、滞后、）其它表示应变计性能的参数（工作温度、滞后、 蠕变、零漂以及疲劳寿命、横向灵敏度等）。蠕变、零漂以及疲劳寿命、横向灵敏度等）。 3.2 电阻式传感器电阻式传感器华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院403.2电阻式传感器电阻
28、式传感器4) 应变片测量电路应变片测量电路VER1R2R3R4ERRRRRRRRV)(324131428华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院413.2电阻式传感器电阻式传感器ERRRRRRRRV)(32413142令：令：RR 1dRRR4RRR32ERRdRRRRRdRRRV)()(RdRE4)21(RdR金属丝应变片：金属丝应变片：V与应变成线形关系，可以用电桥测量电压测量应变与应变成线形关系，可以用电桥测量电压测量应变9华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院423.2电阻式传感器电阻式传感器电阻应变片的选择、粘贴技术电阻应变片的选择、粘贴技术 1.目测电阻应变片有无折痕目测电阻应变
29、片有无折痕.断丝等断丝等 缺陷，有缺陷的应变片不能粘贴。缺陷，有缺陷的应变片不能粘贴。2.用数字万用表测量应变片电阻值大用数字万用表测量应变片电阻值大 小。同一电桥中各应变片之间阻值小。同一电桥中各应变片之间阻值 相差不得大于相差不得大于0.5欧姆。欧姆。3.试件表面处理：贴片处置用细纱纸打磨干净，用试件表面处理：贴片处置用细纱纸打磨干净，用 酒精棉球反复擦洗贴处，直到棉球无黑迹为止。酒精棉球反复擦洗贴处，直到棉球无黑迹为止。4.应变片粘贴应变片粘贴:在应变片基底上挤一小滴在应变片基底上挤一小滴502胶水，胶水， 轻轻涂抹均匀，立即放在应变贴片位置。轻轻涂抹均匀，立即放在应变贴片位置。10华中
30、科技大学机械学院华中科技大学机械学院433.2电阻式传感器电阻式传感器5.焊线焊线:用电烙铁将应变片的引线焊接到导引线上。用电烙铁将应变片的引线焊接到导引线上。6.用兆欧表检查应变片与试件之间的绝缘组织，应用兆欧表检查应变片与试件之间的绝缘组织，应 大于大于500M欧。欧。7.应变片保护：用应变片保护：用704硅橡胶覆于应变片上，防止硅橡胶覆于应变片上，防止 受潮。受潮。11华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院443.2电阻式传感器电阻式传感器电阻应变式传感器的应用：测力电阻应变式传感器的应用：测力12华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院453.2电阻式传感器电阻式传感器12标准产品标
31、准产品华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院46案例：案例：桥梁固有频率测量桥梁固有频率测量3.2电阻式传感器电阻式传感器14原理在桥中设置一三角形障碍物，利用汽车碍时的冲击对桥梁进行激励，再通过应变片测量桥梁动态变形，得到桥梁固有频率。华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院47案例：冲床生产记数案例：冲床生产记数和生产过程监测和生产过程监测3.2电阻式传感器电阻式传感器16华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院483.2电阻式传感器电阻式传感器16案例：机器人握力测量案例：机器人握力测量华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院493.2电阻式传感器电阻式传感器16案例：振动式地音入侵探
32、测器案例：振动式地音入侵探测器适合于金库、仓库、古建筑的防范，挖墙、打洞、爆适合于金库、仓库、古建筑的防范，挖墙、打洞、爆破等破坏行为均可及时发现。破等破坏行为均可及时发现。华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院503.2电阻式传感器电阻式传感器16华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院51电子称制作电子称制作3.2电阻式传感器电阻式传感器15E原理将物品重量通过悬臂梁转化结构变形再通过应变片转化为电量输出。华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院52温度测量物物理理现现象象 体积热膨胀体积热膨胀 电阻变化电阻变化温差电现象温差电现象导磁率变化导磁率变化电容变化电容变化压电效应压电效应超声
33、波传播速度变化超声波传播速度变化物质物质 颜色颜色PN结电动势结电动势晶体管特性变化晶体管特性变化可控硅动作特性变化可控硅动作特性变化热、光辐射热、光辐射种种类类铂测温电阻、热敏电阻铂测温电阻、热敏电阻热电偶热电偶BaSrTiO3陶瓷陶瓷石英晶体振动器石英晶体振动器超声波温度计超声波温度计示温涂料示温涂料 液晶液晶半导体二极管半导体二极管晶体管半导体集成电路温度传感器晶体管半导体集成电路温度传感器可控硅可控硅辐射温度传感器辐射温度传感器 光学高温计光学高温计1.气体温度计气体温度计 2. 玻璃制水银温度计玻璃制水银温度计3.玻璃制有机液体温度计玻璃制有机液体温度计 4.双金属温度计双金属温度计
34、5.液体压力温度计液体压力温度计 6. 气体压力温度计气体压力温度计1 热铁氧体热铁氧体 2 Fe-Ni-Cu合金合金华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院53温度测量*热电偶、测温电阻器、热电偶、测温电阻器、热敏电阻热敏电阻、感温铁氧体、石英晶体振、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10001500光学高温计
35、、辐射传感器、热电偶中高温用传感器5001000光学高温计、辐射传感器、热电偶中温用传感器0500低温用传感器-2500极低温用传感器-270-250BaSrTiO3陶瓷晶体管、热敏电阻、热敏电阻、压力式玻璃温度计见表下内容见表下内容* 测 温 范 围温度传感器分类华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院54热热电极电极A A自由端自由端( (参参考端、冷端考端、冷端) )测量端测量端( (工作工作端、热端）端、热端）热热电极电极B BAB热电偶传感器 1 热电偶测温原理p发现：两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势发现：两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势-热电效应，即热电动势。华中科
36、技大学机械学院华中科技大学机械学院55热电偶传感器 1 热电偶测温原理 热电偶回路热电偶回路 接触电动势: 两种材料的自由电子密度不同 温差电动势： 两个接点的温度不同 接触电动势：两接点的接触电动势eAB(T)和eAB（T0）为： lnAABBntktEtent 0000lnAABBntktEtentk-k-玻耳兹曼常数；玻耳兹曼常数；t-t-接触面的绝对温度；接触面的绝对温度；e-e-单位电荷量；单位电荷量； n nA A- -金属电极金属电极A A的自由电子密度的自由电子密度n nB B- -金属电极金属电极B B的自由电子密度的自由电子密度华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院56热
37、电偶传感器 温差电动势 同一导体的两端因其温度不同而产生的一种电动势。 机理：高温端的电子能量要比低温端的电子能量大，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，低温端因获得多余的电子而带负电，在导体两端便形成温差电动势。00( ,)TATeT TdT -汤姆逊系数，它表示温度为汤姆逊系数，它表示温度为1时所产生的电动势值，时所产生的电动势值， 它与材料的性质有关。它与材料的性质有关。 温差电势（汤姆逊电势）温差电势（汤姆逊电势） 静电场静电场扩散扩散热端热端电子电子冷端冷端电子电子设设TTTT0 0华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院57热电偶传感
38、器 温差电动势 大小表示： eA(T,T0)， eB(T,T0) 热电偶回路中产生的总热电势 忽略温差电动势，热电偶的热电势可表示为：eAB(T, T0)=eAB(T)eB(T,T0)eAB(T0)eA(T,T0) 00000000,lnlnABABABABAAABABBBEt tEtEt tEt tEtntntktktEtEtentent讨论：讨论：p影响因素取决于材料和接点温度，与形状、尺寸等无关；p两热电极相同时，总电动势为0；p两接点温度相同时，总电动势为0；p对于已选定的热电偶，当参考端温度T0恒定时，eAB(T0)=c为常数，则总的热电动势就只与温度T成单值函数关系，即 p可见：只
39、要测出可见：只要测出eAB(T,T0)的大小，就能得到被测温度的大小，就能得到被测温度T，这就是利，这就是利用热电偶测温的原理。用热电偶测温的原理。00( , )( )( )( )( )ABEt tf tf tf tCt华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院58热电偶传感器 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，一般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，即分度表。 供查阅使用，每10分档 。中间值按内插法计算。()MLMLHLHLEEttttEE华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院59热电偶传感器 S型(铂
40、铑10-铂)热电偶分度表华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院60热电偶传感器 2 热电偶的结构与种类 为了适应不同生产对象的测温要求和条件，热电偶的结构形式有： 普通型热电偶接线盒热电极热端绝缘管保护管安装螺纹安装螺纹安装法兰安装法兰华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院61热电偶传感器华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院62热电偶传感器华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院63热电偶传感器 铠装型热电偶: 由热电偶丝、热电偶丝、 绝缘材料和金属套管三者经拉伸加工而成绝缘材料和金属套管三者经拉伸加工而成的坚实组合体的坚实组合体, 它可以做得很细很长它可以做得很细很长, 使用中随需要
41、能任使用中随需要能任意弯曲。意弯曲。 优点优点：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。接线盒固定装置B-B金属导管绝缘材料热电极A放大ABB华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院64热电偶传感器 薄膜热电偶 特点：热接点可以做得很小（m），具有热容量小、反应速度快（s）等特点，适用于微小面积上的表面温度以及快速变化的动态温度测量。 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院65热电偶传感器 热电极材料的选取 性能稳定 温度测量范围广 物理化学性能稳定 导电率要高，并且电阻温度系数要小 材料机械强度要高，复制性好、复制工艺简单，价格便宜 热电偶的种类 工程用热
42、电偶材料应满足条件：热电势变化尽量大，热电势与温度关系尽量接近线性关系，物理、化学性能稳定，易加工，复现性好，便于成批生产，有良好的互换性。 国际电工委员会(IEC)向世界各国推荐8种标准化热电偶(已列入工业标准化文件中，具有统一的分度表)。我国已采用IEC标准生产热电偶，并按标准分度表生产与之相配的显示仪表。华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院66热电偶传感器八种国际通用热电偶： B:铂铑30铂铑6 、R:铂铑13铂 、 S:铂铑10铂 、 K:镍铬镍硅 、 N:镍铬硅镍硅 、 E:镍铬铜镍、 J:铁铜镍 、 T:铜铜镍 ； 用于制造用于制造铂铂热电偶热电偶的各种的各种铂铂热电偶丝热电偶
43、丝华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院67热电偶传感器分度号 名称 测量温度范围 1000C热电势/ mVB铂铑30铂铑6501820 C4.834R铂铑13铂-501768 C10.506S铂铑10铂-501768 C9.587K镍铬镍铬 (铝) -2701370 C41.276E镍铬铜镍 (康 铜)270800 C?几种常用热电偶的测温范围及热电势几种常用热电偶的测温范围及热电势华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院68热电偶名称正热电极负热电极分度号测温范围特点铂铑30铂铑6铂铑30铂铑6B01700（超高温）适用于氧化性气氛中测温，测温上限高，稳定性好。在冶金、钢水等高温领域得到
44、广泛应用。铂铑10铂铂铑10纯铂S01600（超高温）适用于氧化性、惰性气氛中测温，热电性能稳定，抗氧化性强，精度高，但价格贵、热电动势较小。常用作标准热电偶或用于高温测量。镍铬镍硅镍铬合金镍硅K2001200（高温）适用于氧化和中性气氛中测温，测温范围很宽、热电动势与温度关系近似线性、热电动势大、价格低。稳定性不如B、S型热电偶，但是非贵金属热电偶中性能最稳定的一种。镍铬康铜镍铬合金铜镍合金E200900（中温）适用于还原性或惰性气氛中测温，热电动势较其他热电偶大，稳定性好，灵敏度高，价格低。铁康铜铁铜镍合金J200750（中温）适用于还原性气氛中测温，价格低，热电动势较大，仅次于E型热电偶
45、。缺点是铁极易氧化。铜康铜铜铜镍合金T200350（低温）适用于还原性气氛中测温，精度高，价格低。在2000可制成标准热电偶。缺点是铜极易氧化。热电偶传感器 标准化热电偶的主要性能和特点华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院69C0AB00( , )( )( )( , )ABABABEt tEtEtEt t热电偶传感器 3 热电偶基本定律 中间导体定律：中间导体定律：在热电偶测温回路内，接入第三种导体时，只要第三种导体的两端温度相同，则对回路的总热电势没有影响。 应用：利用热电偶进行测温，必须在回路中引入应用：利用热电偶进行测温，必须在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连接
46、导线和仪表，接入导线和仪表后不会影响回路中的热电势。路中的热电势。华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院70热电偶传感器 测量仪表及引线作为第三种导体的热电偶回路 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院71eAB(t,t0)=eAB(t,tc)+eAB(tc,t0) 中间温度定律中间温度定律在热电偶测温回路中，tc为热电极上某一点温度，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 热电偶传感器中间温度定律 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院72热电偶传感器 中
47、间温度定律的应用 根据这个定律，可以连接与热电偶热电特性相近根据这个定律，可以连接与热电偶热电特性相近的导体的导体A和和B，将热电偶冷端延伸到温度恒定的地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方，这就为热电偶回路中应用补偿导线提供了理论依据。论依据。 该定律是参考端温度计算修正法的理论依据。在该定律是参考端温度计算修正法的理论依据。在实际热电偶测温回路中实际热电偶测温回路中, 利用热电偶这一性质利用热电偶这一性质, 可可对参考端温度不为对参考端温度不为0的热电势进行修正。的热电势进行修正。华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院73热电偶传感器 标准导体（电极
48、）定律 标准导体定律的意义 通常选用高纯铂丝作标准电极 只要测得它与各种金属组成的热电偶的热电动势，则各种金属间相互组合成热电偶的热电动势就可根据标准电极定律计算出来。 0C0C0( , )( , )( , )ABABEt tEt tEt t华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院74热电偶传感器 例子： 热端为100，冷端为0时，镍铬合金与纯铂组成的热电偶的热电动势为2.95mV，而铜与纯铂组成的热电偶的热电动势为4.0mV，则镍铬和铜组成的热电偶所产生的热电动势应为：2.95(4.0)=6.95(mV) 均质导体定律 由两种均质导体组成的热电偶，其热电动势的大小只与两材料及两接点温度有关，
49、与热电偶的大小尺寸、形状及沿电极各处的温度分布无关。即热电偶必须由两种不同性质的均质材料构成。 意义：有助于检验两个热电极材料成分是否相同及材料的均匀性。华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院75热电偶传感器 4 热电偶的冷端温度补偿 当热端温度为t时，分度表所对应的热电势eAB(t, 0)与热电偶实际产生的热电势eAB(t,t0)之间的关系可根据中间温度定律得到下式： 由此可见， eAB(t, 0)是冷端温度t0的函数，因此需要对热电偶冷端温度进行处理。eAB(t,0)= eAB(t,t0)+eAB(t0，0) 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院76热电偶传感器 a)热电偶补偿导线
50、热电偶一般做得较短， 一般为3502000mm。 在实际测温时，需要把热电偶输出的电势信号传输到远离现场数十米远的控制室里的显示仪表或控制仪表，这样, 冷端温度t0比较稳定。 解决办法：工程中采用一种补偿导线工程中采用一种补偿导线。在0100温度范围内，要求补偿导线和所配热电偶具有相同的热电特性。 常用补偿导线热电偶类型补偿导线类型补偿导线正极负极铂铑10铂铜铜镍合金铜铜镍合金（镍的质量分数为0.6%）镍铬镍硅I型：镍铬镍硅镍铬镍硅镍铬镍硅II型：铜康铜铜康铜镍铬康铜镍铬康铜镍铬康铜铁康铜铁康铜铁康铜铜康铜铜康铜铜康铜华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院77热电偶传感器 b) 冷端0恒温法
