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1、传感器技传感器技术术 传感器技术、信息技术、计算机技术传感器技术、信息技术、计算机技术 并列称为支撑整个现代信息产业的三大支柱。并列称为支撑整个现代信息产业的三大支柱。 它们分别是智能系统的它们分别是智能系统的“感官”、“神经”、“大脑”“感官”、“神经”、“大脑” 辅助电源辅助电源 敏感元件敏感元件 转换元件转换元件 测量电路测量电路 被测量被测量 敏感元件：敏感元件：直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。 转换元件转换元件：敏感元件的输出就是它的输入，它把输入转换成电路参量。：敏感元件的输出就是它的输入，它把
2、输入转换成电路参量。 测量电路测量电路：上述电路参数接入测量电路，便可转换成便于显示、记录、控制和：上述电路参数接入测量电路，便可转换成便于显示、记录、控制和 处理的有用电信号的电路处理的有用电信号的电路。 （一）传感器的组成（一）传感器的组成 电信号电信号 一、传感器基础知识一、传感器基础知识 （二）分类（二）分类 （三）传感器选用原则（三）传感器选用原则 （四）测量方法（四）测量方法 1.直接测量和间接测量直接测量和间接测量 按测量手段按测量手段 直接测量直接测量 间接测量间接测量 2.偏差式测量、零位式测量和微差式测量偏差式测量、零位式测量和微差式测量 获得测量值的方式分获得测量值的方式
3、分 偏差式测量偏差式测量 零位式测量零位式测量 微差式测量微差式测量 （五）测量误差（五）测量误差 1.按误差表示方式分类按误差表示方式分类 2.按误差出现的规律（误差性质）分按误差出现的规律（误差性质）分 （六）传感器的基本特性（六）传感器的基本特性 理想情况下传感器应该具有的特点理想情况下传感器应该具有的特点 1、对特定输入信号敏感；、对特定输入信号敏感； 2、输出与输入间最好是线性关系；、输出与输入间最好是线性关系； 3、实时反映输入变化。、实时反映输入变化。 传感器传感器 外界影响外界影响 冲振冲振 电磁场电磁场 输入输入 线线 性性 滞滞 后后 灵敏度灵敏度 分辨率分辨率 稳定性稳定
4、性(零漂零漂) 温漂温漂 各种干扰稳定性各种干扰稳定性 输出输出 供电供电 温度温度 重复性重复性 误差因素误差因素 1、测量范围、上下限及量程、测量范围、上下限及量程 灵敏度：是指传感器或检测系统在稳态下输出量变化Y和 引起此变化的输入的变化量X的比值。 XYS2 2、灵敏度、灵敏度 传感器的分辨率是指在规定测量范围内所能检测输入量的最小变化量传感器的分辨率是指在规定测量范围内所能检测输入量的最小变化量 。 minX3 3、分辨率、分辨率 当被测量的变化值小于分辨率时，检测系统对输入量的变化无任何反应。当被测量的变化值小于分辨率时，检测系统对输入量的变化无任何反应。 通常用相对误差 来表示，
5、即： %100maxFSYL L 线性度是用实测系统输入线性度是用实测系统输入-输出特性曲线与其拟合直线输出特性曲线与其拟合直线 之间的最大偏差。之间的最大偏差。又称为非线性误差。又称为非线性误差。 4 4、线性度、线性度 无论采用何种传感器，测得的值不可能无限精确，测量值与客观存无论采用何种传感器，测得的值不可能无限精确，测量值与客观存 在的真实值之间总会存在着一定的差异，这种差异就是误差。在的真实值之间总会存在着一定的差异，这种差异就是误差。 5 5、误差、误差 设被测量的真值（真正的大小）为a，测得值为x，误差为，则： xa= 传感器在正向传感器在正向( (输入量增大输入量增大) )和反
6、和反 向向( (输入量减小输入量减小) )行程期间行程期间, ,输入输入- - 输出特性曲线的不一致的程度。输出特性曲线的不一致的程度。 %100FSmaxHY是正、反行程输出值间的最大差值。是正、反行程输出值间的最大差值。 max其大小是以满量程输出其大小是以满量程输出Y YFSFS的百分数表示：的百分数表示： 6 6、迟滞（回差滞环）现象、迟滞（回差滞环）现象 %100FSmaxRY7 7、重复性、重复性 重复性是指传感器在输入量按同一方向做全量程多次测试 时，所得特性曲线不一致性的程度 。 输出最大不重复误差:max传感器的稳定性一般是指长期稳定性。 传感器使用一段时间后，其性能保持不变
7、的能力称为稳定性。影响传感器长期稳定性的因素除其本身结构外，主要是使用环境。 稳定性稳定性 在外界的干扰下，输出量会发生与输入量无关的变化，包括零点漂移和灵敏度漂移等。 时间漂移、温度漂移时间漂移、温度漂移 动态特性 传感器的动态特性是指其输出对随时间变化的输入量的响应特性。 传感器的动态特性取决于：传感器的动态特性取决于： 传感器本身传感器本身 被测量的变化形式被测量的变化形式 性能要求：性能要求： 二、热电偶二、热电偶温度传感器温度传感器 热电偶：直接测得温度并转换为与温度相应的热电动势。热电偶：直接测得温度并转换为与温度相应的热电动势。 （一）测温原理（一）测温原理 1 1、热电效应、热
8、电效应 电极：电极：A、B 接点：接点：1、2 1-测量端或热端测量端或热端 2-参考端或冷端参考端或冷端 当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势E EABAB( ( T,TT,T0 0 ) )，从而形成，从而形成热电流，这现象称为热电效应热电流，这现象称为热电效应 。 热电极热电极A A 右端：自由端右端：自由端 （参考端、冷端）（参考端、冷端） 左端：测量端左端：测量端 （工作端、热端）（工作端、热端） 热电极热电极B B 热电势热电势 A B 热电现象的演示热电现象的演示 热电效应产生的条件：热电效应产生的条件： （1 1）、两种不同导体（）
9、、两种不同导体（A A和和B B）；）； （2 2）、组成闭合回路；）、组成闭合回路； （3 3）、两接点有温差。）、两接点有温差。 2 2、接触电势接触电势 产生原理：产生原理：若金属若金属A A的自由电子浓度大于金属的自由电子浓度大于金属B B的，则在同一瞬间的，则在同一瞬间由由A A扩散到扩散到B B的电子将比由的电子将比由B B扩散到扩散到A A的电子多，因而的电子多，因而A A对于对于B B因失去电因失去电子而带正电，子而带正电，B B获得电子而带负电，在接触处便产生电场。获得电子而带负电，在接触处便产生电场。A A、B B之之间便产生了一定的接触电动势。间便产生了一定的接触电动势。
10、 接触电动势的大小：接触电动势的大小： 与两种金属的材料、接点的温度有关，与两种金属的材料、接点的温度有关， 与导体的直径、长度及几何形状无关。与导体的直径、长度及几何形状无关。 EAB( T )或或EAB( T0 ) 产生原理：产生原理：对于任何一种金属，当其两端温度不同时，两端的自由电子浓对于任何一种金属，当其两端温度不同时，两端的自由电子浓度也不同，温度高的一端浓度大，具有较大的动能；温度低的一端浓度小，动度也不同，温度高的一端浓度大，具有较大的动能；温度低的一端浓度小，动能也小。因此高温端的自由电子要向低温端扩散，高温端因失去电子而带正电，能也小。因此高温端的自由电子要向低温端扩散，高
11、温端因失去电子而带正电，低温端得到电子而带负电，形成温差电动势，又称汤姆森电动势。低温端得到电子而带负电，形成温差电动势，又称汤姆森电动势。 3 3、温差电势、温差电势 温差电动势的大小取决于导体的材料及两端的温度。温差电动势的大小取决于导体的材料及两端的温度。 EA ( T ， T0 )或或EB (T ， T0 ) 闭合回路总的热电势闭合回路总的热电势 A B T T0 - - EA( (T, ,T0) ) EB( (T, ,T0) ) EAB( (T) ) EAB( (T0) ) 3 3、回路总电动势、回路总电动势 0000,TTETTETETETTEABABABAB由于在金属中自由电子数
12、目很多，温度对自由电子密度的影响很小，故温由于在金属中自由电子数目很多，温度对自由电子密度的影响很小，故温 差电动势可以忽略不计，在热电偶回路中起主要作用的是接触电动势。差电动势可以忽略不计，在热电偶回路中起主要作用的是接触电动势。 00,TETETTEABABAB 热电偶回路的热电动势只与组成热电偶的材料及两端接点的温度有关；热电偶回路的热电动势只与组成热电偶的材料及两端接点的温度有关； 与热电偶的长度、粗细、形状无关。与热电偶的长度、粗细、形状无关。 结论：热电偶基本性质结论：热电偶基本性质 只有用不同性质的材料才能组合成热电偶，相同材料不会产生热电动势。只有用不同性质的材料才能组合成热电
13、偶，相同材料不会产生热电动势。 因为当因为当A A、B B两种导体是同一种材料时，两种导体是同一种材料时，E EABAB（T T，T T0 0）=0=0。 导体材料确定后，热电动势的大小只与热电偶两端的温度有关。如果使导体材料确定后，热电动势的大小只与热电偶两端的温度有关。如果使e eABAB （T T0 0）= =常数，则回路热电动势常数，则回路热电动势E EABAB（T T， T T0 0 ）就只与温度）就只与温度T T有关，而且是有关，而且是T T的单的单 值函数，这就是利用热电偶测温的基本原理。值函数，这就是利用热电偶测温的基本原理。 只有当热电偶两端温度不同时，不同材料组成的热电偶才
14、能有热电动势产只有当热电偶两端温度不同时，不同材料组成的热电偶才能有热电动势产 生；当热电偶两端温度相同时，不同材料组成的热电偶也不产生热电动势，即生；当热电偶两端温度相同时，不同材料组成的热电偶也不产生热电动势，即 E EABAB（T T，T T0 0）=0=0。 对于有几种不同材料串联组成的闭合回路，若各接点温度分别为T1、 T2TN ，闭合回路总的热电动势为： NNABCABNABTETEEE 21T（二）热电偶基本定律（二）热电偶基本定律 1.中间导体定律中间导体定律 在热电偶回路中接入第三种导体在热电偶回路中接入第三种导体C，只要第三种导体的，只要第三种导体的两接点温两接点温 度相同
15、度相同，则回路中总的热电动势不变。，则回路中总的热电动势不变。 右图回路中的总电动势为：右图回路中的总电动势为： 0CA0BCAB0ABCTeTeTeTTE，如果回路中三个接点的温度都相同，即如果回路中三个接点的温度都相同，即TT0，则，则 回路总电动势必为零，即：回路总电动势必为零，即： ( )( )( )0=+0CA0BC0ABTeTeTe 0AB0CA0BCTeTeTe即即 0TTETeTeTTEAB0ABAB0ABC，则则 电位计电位计 (2) 中间温度定律中间温度定律 热电偶在两接点温度分别为热电偶在两接点温度分别为T T、T T0 0时的热电动势等于该热电偶在接点温度分时的热电动势等于该热电偶在接点温度分 别为别为T T、T Tn n和接点温度分别为和接点温度分别为T Tn n、T T0 0时的相应热电动势的代数和。时的相应热电动势的代数和。 ()()()00+=TTETTETTEnABnABAB，应用：对于冷端温度不是零度时，热电偶如何
