传感器-第8章(电势型)

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1、第7章 电势型传感器 1,1、摄氏温标、华氏温标？他们之间怎么换算？,摄氏温标：是工程上最通用的温度标尺。摄氏温标是在标准大气压(即101325Pa)下将水的冰点与沸点中间划分一百个等份，每一等份称为摄氏一度(摄氏度，)，一般用小写字母t表示。与热力学温标单位开尔文并用。摄氏温标与国际实用温标温度之间的关系如下：,T=t+273.15 K,t=T-273.15 ,华氏温标：目前已用得较少，它规定在标准大气压下冰的融点为32华氏度，水的沸点为212华氏度，中间等分为180份，每一等份称为华氏一度，符号用，它和摄氏温度的关系如下：,m=1.8n+32 ,n= 5/9 (m-32) ,第8章 电势型

2、传感器 2,当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。,热电极A,自由端（参考端、冷端）,测量端（工作端、热端）,热电极B,热电势,A,B,2、什么是热电效应？热电偶的工作原理？,减小、电动势、电流、电流、温差,第8章 电势型传感器 2,热电偶两结点所产生的总的热电势等于热端热电势与冷端热电势之差，是两个结点的温差t 的函数： EAB（T，T0）=eAB （ T ）- eAB （ T0 ）,热电势大致与两个结点的温差t 成正比,第8章 电势型传感器 2,热电偶结点产生热电势的微观解释,闭合回路、密度、扩散、大、小,自由电子,A,B,eAB（ T ）,T,热电偶回路内产生的热电势由两部分组成：

3、 接触电势、温差电势,第8章 电势型传感器 2,接触电动势,假设两种金属A、B的自由电子密度分别为nA和nB, 且nAnB。当两种金属相接时，将产生自由电子的扩散现象。 达到动态平衡时，在A、B之间形成稳定的电位差，即接触电势eAB。,热电偶的接触电势,第8章 电势型传感器 2,温差电动势,导体中的自由电子，在高温端具有较大的动能，因而向低温端扩散，在导体两端产生了电势，这个电势称为单一导体的温差电势。 对于单一导体，如果两端温度分别为T、T0，且TT0。,单一导体温差电势,第8章 电势型传感器 2,热电偶的分度表,热电偶的线性较差，多数情况下采用查表法,我国从1991年开始采用国际计量委员会

4、规定的“1990年国际温标”（简称ITS-90）的新标准。按此标准，制定了相应的分度表，并且有相应的线性化集成电路与之对应。,直接从热电偶的分度表查温度与热电势的关系时的约束条件是：自由端（冷端）温度必须为0C。,第8章,K热电偶的分度表,比较查出的3个热电势，可以看出热电势是否线性？,第8章 电势型传感器 2,几种常用热电偶的热电势与温度的关系曲线分析,哪几种热电偶的测温上限较高？,哪几种热电偶的线性较差？,哪一种热电偶的灵敏度较高？,哪一种热电偶的灵敏度较低？,为什么所有的曲线均过原点（零度点）？,第8章 电势型传感器 3,3、什么是普通型热电偶、铠装热电偶、薄膜热电偶、表面热电偶、浸入式

5、热电偶？,第8章 电势型传感器 3,普通装配型热电偶的外形,安装螺纹,安装法兰,第8章 电势型传感器 3,普通装配型热电偶的结构放大图,接线盒,引出线套管,固定螺纹 （出厂时用塑料包裹）,热电偶工作端（热端）,不锈钢保护管,第8章 电势型传感器 3,铠装型热电偶,铠装热电偶的制造工艺：把热电极材料与高温绝缘材料预置在金属保护管中、运用同比例压缩延伸工艺、将这三者合为一体，制成各种直径、规格的铠装偶体，再截取适当长度、将工作端焊接密封、配置接线盒即成为柔软、细长的铠装热电偶。 铠装热电偶特点：内部的热电偶丝与外界空气隔绝，有着良好的抗高温氧化、抗低温水蒸气冷凝、抗机械外力冲击的特性。铠装热电偶可

6、以制作得很细，能解决微小、狭窄场合的测温问题，且具有抗震、可弯曲、超长等优点。,第8章 电势型传感器 3,铠装型热电偶,1-热电极； 2-绝缘材料； 3-金属套管； 4-接线盒； 5-固定装置；,第8章 电势型传感器 3,铠装型热电偶外形,法兰,铠装型热电偶可 长达上百米,薄壁金属 保护套管（铠体）,铠装型热电偶横截面,第8章 电势型传感器 3,薄膜热电偶,用真空镀膜技术或真空溅射等方法，将热电偶材料沉积在绝缘片表面而构成的热电偶称为薄膜热电偶。测温范围为-200500。测量端既小又薄，热容量小，响应速度快。适用于测量微小面积上的瞬变温度。,1测量接点 2铁膜 3铁丝 4镍丝 5接头夹具 6镍

7、膜 7衬架,第8章 电势型传感器 3,主要用于现场流动的测量，广泛用于纺织、印染、造纸、塑料及橡胶工业；探头有各种形状(弓形、薄片形等)，以适应于不同物体表面测温用。在其把手上装有动圈式仪表，读数方便。测量温度范围有0-250和0-600两种。,表面热电偶,第8章 电势型传感器 3,浸入式热电偶,浸入式热电偶主要用于测量钢水、铜水、铝水以及熔融合金的温度，主要特点是可以直接插入液态金属中进行测量。,第8章 电势型传感器 3,防爆热电偶,在石油、化工、制药工业中，生产现场有各种易然、易爆等化学气体，这时需要采用防爆热电偶。它采用防爆型接线盒，有足够的内部空间、壁厚及机械强度，其橡胶密封圈的热稳定

8、性符合国家的防爆标准。因此，即使接线盒内部爆炸性混合气体发生爆炸时，其压力也不会破坏接线盒，其产生的热能不能向外扩散传爆，可达到可靠的防爆效果。,第8章 电势型传感器 3,防爆热电偶,厚壁保护管,压铸的接线盒,电缆线,第8章 电势型传感器 4,热电偶测温的基本原理引导结论,热电偶回路热电势只与组成热电偶的材料及两端温度有关；与热电偶的长度、粗细无关； 只有用不同性质的导体(或半导体)才能组合成热电偶，相同材料不会产生热电势；由一种匀质导体所组成的闭合回路，不论导体的截面积如何及导体的各处温度分布如何，都不能产生热电势。 只有当热电偶两端温度不同,热电偶的两导体材料不同时才能有热电势产生；,第8

9、章 电势型传感器 4,导体材料确定后，热电势的大小只与热电偶两端的温度有关。在热电偶回路中接入第三种导体，只要该导体两端温度相等，则热电偶产生的总热电势不变。热电偶的这种性质在实用上有很重要的意义，它使我们可以方便地在回路中直接接入各种类型的显示仪表或调节器，也可以将热电偶的两端不焊接而直接插入液态金属中或直接焊在金属表面测量。,第8章 电势型传感器 4,0C恒温法,1被测流体管道 2热电偶 3接线盒 4补偿导线 5铜质导线 6毫伏表 7冰瓶 8冰水混合物 9试管 10新的冷端,第8章 电势型传感器 4,补偿导线,补偿导线是指在一定的温度范围内(0150)，其热电性能与相应热电偶的热电性能相同

10、的廉价导线。采用补偿导线，可将热电偶的自由端延伸到远离高温区的地方，从而使自由端的温度相对稳定。,第8章 电势型传感器 4,补偿导线外形,A,B,屏蔽层,保护层,第8章 电势型传感器 5,5、如图，在管道中的流体流向如箭头所示，请问怎么安装热电偶传感器检测流体温度，该选用什么类型的热电偶？,相反、前段、相反充分接触、产生热量,第8章 电势型传感器 6,6、介绍光电池的工作原理，并列举应用实例。,伏特效应 、电能,光敏面,第8章 电势型传感器 6,能提供较大电流的大面积光电池外形,第8章 电势型传感器 6,硒光电池,硒光电池的结构示意图如图7-5所示。用12mm厚的镀铁或铝板作为底板，其上覆盖一

11、层P型硒半导体，在上面浅镀一层半透明的金属薄膜(如黄金)。这层金属膜和底板就是硒光电池的两个电极。,第8章 电势型传感器 6,硒光电池,硒光电池的光谱响应区段为0.30.7m光波长，跟人眼睛相近，它在可见光范围内能分辨光的强弱。它的最大灵敏度波长与人类正常视觉的最大灵敏度波长非常接近。故硒光电池应用广泛，如用于曝光表、各式光度计和比色计等。,第8章 电势型传感器 6,硅光电池,硅光电池是在N硅片上渗入P型杂质形成一个大面积PN结而成。,第8章 电势型传感器 6,光电池在动力方面的应用,第8章 电势型传感器 6,光电池在动力方面的应用,太阳能赛车,太阳能电动机模型,太阳能 硅光电池板,第8章 电

12、势型传感器 6,其他光电池及在照度测量中的应用,柔光罩下面为圆形光电池,第8章 电势型传感器 7,7、什么是压电效应？压电传感元件？,压电传感元件是力敏感元件，所以它能测量最终能变换为力的那些物理量，例如力、压力、加速度等。 压电式传感器具有响应频带宽、灵敏度高、信噪比大、结构简单、工作可靠、重量轻等优点。在工程力学、生物医学、石油勘探、声波测井、电声学等许多技术领域中获得了广泛的应用。,第8章 电势型传感器 7,石英晶体压电效应,正压电效应（顺压电效应）：某些电介质，当沿着一定方向对其施力而使它变形时，内部就产生极化现象，同时在它的一定表面上产生电荷，当外力去掉后，又重新恢复不带电状态的现象

13、。当作用力方向改变时，电荷极性也随着改变。 逆压电效应（电致伸缩效应）：当在电介质的极化方向施加电场，这些电介质就在一定方向上产生机械变形或机械压力，当外加电场撤去时，这些变形或应力也随之消失的现象。,电能,机械能,正压电效应,逆压电效应,第8章 电势型传感器 7,天然结构石英晶体的理想外形是一个正六面体，在晶体学中它可用三根互相垂直的轴来表示，其中ZZ称为光轴；XX轴称为电轴；与XX轴和ZZ轴同时垂直的YY轴（垂直于正六面体的棱面）称为机械轴。,Z,X,Y,(a),(b),石英晶体 (a)理想石英晶体的外形 (b)坐标系,Z,Y,X,通常把沿电轴XX方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“纵向

14、压电效应”，而把沿机械轴YY方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“横向压电效应”，沿光轴ZZ方向受力则不产生压电效应。,第8章 电势型传感器 7,天然形成的石英晶体外形,第8章 电势型传感器 7,第8章 电势型传感器 8,8、什么是压电陶瓷的压电效应？,极化处理、强电场 、规则排列 、电畴基本保持趋向不变,第8章 电势型传感器 8,但是，当把电压表接到陶瓷片的两个电极上进行测量时，却无法测出陶瓷片内部存在的极化强度。这是因为陶瓷片内的极化强度总是以电偶极矩的形式表现出来，即在陶瓷的一端出现正束缚电荷，另一端出现负束缚电荷。由于束缚电荷的作用，在陶瓷片的电极面上吸附了一层来自外界的自由电荷。这些

15、自由电荷与陶瓷片内的束缚电荷符号相反而数量相等，它起着屏蔽和抵消陶瓷片内极化强度对外界的作用。所以电压表不能测出陶瓷片内的极化程度,第8章 电势型传感器 8,如果在陶瓷片上加一个与极化方向平行的压力F，如图，陶瓷片将产生压缩形变（图中虚线），片内的正、负束缚电荷之间的距离变小，极化强度也变小。因此，原来吸附在电极上的自由电荷，有一部分被释放，而出现放电荷现象。当压力撤消后，陶瓷片恢复原状(这是一个膨胀过程)，片内的正、负电荷之间的距离变大，极化强度也变大，因此电极上又吸附一部分自由电荷而出现充电现象。这种由机械效应转变为电效应，或者由机械能转变为电能的现象，就是正压电效应。,第8章 电势型传感器 8,同样，若在陶瓷片上加一个与极化方向相同的电场，如图，由于电场的方向与极化强度的方向相同，所以电场的作用使极化强度增大。这时，陶瓷片内的正负束缚电荷之间距离也增大，就是说，陶瓷片沿极化方向产生伸长形变（图中虚线）。同理，如果外加电场的方向与极化方向相反，则陶瓷片沿极化方向产生缩短形变。这种由于电效应而转变为机械效应或者由电能转变为机械能的现象，就是逆压电效应。, , , , ,极化方向,电场方向,第8章 电势型传感器 8,由此可见，压电陶瓷所以具有压电效应，是由于陶瓷内部存在自发极化。这些自发极化经过极化工序处理而被迫取向排列后，陶瓷内即存在剩余极化强度。如果外界的