检测与转换技术第5章

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1、第五章 电能量传感器,第一节 热电偶 一、热电偶测温的基本原理 (1)理论基础,高温端,低温端,两种不同的金属构成的能产生温差热电势的装置 称为热电偶。,1.赛贝尔（Seebeck）效应(热电势)1821年赛贝尔发现了铜、铁这两种金属的温差电现象。即在这两种金属构成的闭合回路中，对两个接头的中一个加热即可产生电流。在冷接头处，电流从铁流向铜。由于冷、热两个端（接头）存在温差而产生的电势差，就是温差热电势。这种由两种不同的金属构成的能产生温差热电势的装置称为热电偶。实验指出，当A、B两种不同的金属所构成的热电偶温差热电势为：,热电效应,多数的金属材料AB在10-2 V10-3 V 。而其 a 约

2、为10-6伏/度，b 约为10-8伏/度，所以在即在。温度不太高温差不太大、精度要求不高时可以近似认为：,2.温差热电势的物理基础（经典电子论） 接触电势（电位差）珀耳帖（Peltier）电势,产生原因： 不同金属的逸出功(电势)不同。 不同金属单位体积内自由电子数目不同。, 温差电势 汤姆逊（Thomoson）电势,产生原因：金属导体两端的温度不同，则其自由电子的浓度亦不相同，温度高的一端浓度较大（动能较大，大于逸出功的电子数目较多），因此高温端的自由电子将向低温端扩散，高温端失去电子带正电，低温端得到多余的电子带负电，从而形成温差电势差：,当这两种金属构成回路，两端的温度分别为T、T0时则

3、两端的电势差为：,汤姆逊系数, 总温差热电势根据经典电子论，总温差热电势应为接触电势与温差电势之和。,接触电势,eAB(T)=,kT ln nA,e nB,温差电势,eA(T,T0)= NA dt,T0,T 1,回路总电势,EAB(T,T0)=eAB(T)+eB(T,T0)-eAB(T0)-eA(T,T0),d(NA t),dt,k,e, 几点讨论 如果组成热电偶的两个电极的材料相同，即使是两结点的温度不同也不会产生热电势。 组成热电偶的两个电极的材料虽然不相同，但是两结点的温度相同也不会产生热电势。 由不同电极材料A、B组成的热电偶，当冷端温度 T0 恒定时，产生的热电势在一定的温度范围内仅

4、是热端温度 T 的单值函数。,热电偶的基本定律1.中间导体定律 将由A、B两种导体组成的热电偶的冷端（T0端）断开而接入的三种导体C后，只要冷、热端的T0 、T 保持不变，则回路的总热电势不变。,此定律具有特别重要的实用意义，因为用热电偶测温时必须接入仪表(第三种材料)，根据此定律，只要仪表两接入点的温度保持一致(T0 )仪表的入就不会影响热电势。而且A、B结点的焊接方法也可以是任意的。,测量仪表及引线作为第三种导体的热电偶回路,2.参考电极定律（标准电极定律）如果两种导体A、B分别与第三种导体C所组成的热电偶所产生的热电势是已知的，则这两种导体所组成的热电偶的热电势也是已知的，且,证明：,根

5、据此定律，可以便于给出所有热电偶材料的有关参数（与标准电极C间的aAC、bAC），方便热电偶电极的选配。,3. 中间温度定律在热电偶回路中，如果电极A、B在热端（温度为 T ）相连接，而在温度较低的一侧分别与导线A|、B|相连接，接点温度均为Tn， A|、B|在冷端（温度为T0 ）相连接，则回路的总热电势将等于热电偶的A、B的热电势AB(T ，Tn )与连接导线在(Tn 、T0 )下的热电势A|B| (Tn，T0 )的代数和，即：,证明：作业,利用这一特点可以允许热电偶的冷端不受T0=0的限制而成为自由端(温度可为任意的Tn T )，测得AB(T ，Tn )后，可以用另一个已知的电动势A|B|

6、 (Tn，T0 )来修正 由于Tn可测得，所以A|B| (Tn，T0 ) 也是已知的，可以方便使用。因为在很多测量现场，T0=0的条件不能得到很好的满足，利用此规律，只要Tn可测得就可以进行精确测温。,中间温度定律的应用,根据这个定律，可以连接与热电偶热电特性相近的导体A和B，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论依据。 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, 利用热电偶这一性质, 可对参考端温度不为0的热电势进行修正。,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

7、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。,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 铠装型热电偶 薄膜热电偶等。 ,3. 热电偶的结构形式,普通型热电偶结构,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。,铠装型热电偶,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。,工程用热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

8、现性好，便于成批生产，有良好的互换性。,4. 热电偶类型,国际电工委员会（IEC）向世界各国推荐7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。,标准化热电偶的主要性能和特点,标准化热电偶的主要性能和特点,5. 热电偶的补偿导线及冷端温度的补偿方法当热端温度为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：,eAB(t,0)= eAB(t,t0)+eAB(t0，0),由此可见，eAB(t0，0)是冷端温度t0的函数，因此需要对热电偶冷端

9、温度进行处理。,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。,(1) 热电偶补偿导线,解决办法：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,在实验室及精密测量中，通常把冷端放入0恒温器或装满冰水混合物的容器中，以便冷端温度保持0。这是一种理想的补偿方法，但工业中使用极为不便。,(2) 冷端0恒温法,当冷端温度t0不等于0，需要对热电偶回路的测量电势值eAB（t，t0）加以修正。当工作端温度为t时，分度表可

10、查eAB(t,0)与eAB(t0,0)。根据中间温度定律得到：,eAB(t,0)= eAB(t,t0)+eAB(t0，0),(3) 冷端温度修正法,例子用镍铬-镍硅热电偶测量加热炉温度。已知冷端温度t0=30，测得热电势eAB（t，t0）为33.29mV, 求加热炉温度。 解：查镍铬-镍硅热电偶分度表得eAB（30，0）1.203 mV。 可得,eAB（t，0）= eAB(t,t0)+eAB(t0,0)=33.29+1.203=34.493mV,由镍铬-镍硅热电偶分度表得t=829.8。,(4) 冷端温度自动补偿法（电桥补偿法）,热电偶典型测温线路 普通测温线路； (b) 带有补偿器的测温线路

11、； (c) 具有温度变送器的测温线路； (d) 具有一体化温度变送器的测温线路,3. 热电偶测温线路,测量某一点的温度,特殊情况下，热电偶可以串联或并联使用，但只能是同一分度号的热电偶，且冷端应在同一温度下。如热电偶正向串联， 可获得较大的热电势输出和提高灵敏度；在测量两点温差时，可采用热电偶反向串联；利用热电偶并联可以测量平均温度。,测量两点间温度差（反向串联）,测量平均温度（并联或正向串联）,特点：当有一只热电偶烧断时，难以觉察出来。当然，它也不会中断整个测温系统的工作。,优点：热电动势大，仪表的灵敏度大大增加，且避免了热电偶并联线路存在的缺点，可立即可以发现有断路。缺点：只要有一支热电偶

12、断路，整个测温系统将停止工作。,第二节 磁电传感器,基本原理 磁电感应定律 传感器结构 温度影响,磁电感应式传感器,磁电感应式传感器又称磁电式传感器， 是利用电磁感应原理将被测量（如振动、位移、转速等）转换成电信号的一种传感器。它不需要辅助电源， 就能把被测对象的机械量转换成易于测量的电信号，是一种有源传感器。 由于它输出功率大， 且性能稳定，具有一定的工作带宽（101000 Hz），所以得到普遍应用。,2.1 磁电感应式传感器工作原理根据电磁感应定律， 当导体在稳恒均匀磁场中，沿垂直磁场方向运动时，导体内产生的感应电势为,(5-1),式中: B稳恒均匀磁场的磁感应强度； l导体有效长度； v

13、导体相对磁场的运动速度。,当一个W匝线圈相对静止地处于随时间变化的磁场中时，设穿过线圈的磁通为，则线圈内的感应电势e与磁通变化率d/dt有如下关系：,根据以上原理，人们设计出两种磁电式传感器结构：变磁通式和恒磁通式。变磁通式又称为磁阻式， 图5-1是变磁通式磁电传感器，用来测量旋转物体的角速度。,(5-2),图5-1（a）为开磁路变磁通式：线圈、磁铁静止不动， 测量齿轮安装在被测旋转体上，随被测体一起转动。每转动一个齿， 齿的凹凸引起磁路磁阻变化一次，磁通也就变化一次， 线圈中产生感应电势，其变化频率等于被测转速与测量齿轮上齿数的乘积。这种传感器结构简单，但输出信号较小，且因高速轴上加装齿轮较

14、危险而不宜测量高转速的场合。,图5-1(b)为闭磁路变磁通式传感器，它由装在转轴上的内齿轮和外齿轮、永久磁铁和感应线圈组成，内外齿轮齿数相同。 当转轴连接到被测转轴上时，外齿轮不动，内齿轮随被测轴而转动，内、外齿轮的相对转动使气隙磁阻产生周期性变化，从而引起磁路中磁通的变化，使线圈内产生周期性变化的感应电动势。 显然， 感应电势的频率与被测转速成正比。,图5-1 变磁通式磁电传感器结构图 (a) 开磁路； (b) 闭磁路,图5-2 恒定磁通式磁电传感器结构原理图 （a） 动圈式； (b) 动铁式,磁路系统产生恒定的直流磁场，磁路中的工作气隙固定不变，因而气隙中磁通也是恒定不变的。 其运动部件可

15、以是线圈（动圈式），也可以是磁铁（动铁式），动圈式（图5-2（a）和动铁式（图5-2(b)）的工作原理是完全相同的。 当壳体随被测振动体一起振动时，由于弹簧较软，运动部件质量相对较大， 当振动频率足够高（远大于传感器固有频率）时，运动部件惯性很大，来不及随振动体一起振动， 近乎静止不动，振动能量几乎全被弹簧吸收，永久磁铁与线圈之间的相对运动速度接近于振动体振动速度，磁铁与线圈的相对运动切割磁力线， 从而产生感应电势为,(5-3),式中：B0工作气隙磁感应强度； l每匝线圈平均长度； W线圈在工作气隙磁场中的匝数； v相对运动速度。,2.2 磁电感应式传感器基本特性 温度对磁电式传感器的影响在磁电式传感器的输出回路中接入指示器，在指示器中流过的电流为：,I=,e,R+Rd,R 为传感器的线圈电阻,Rd 为指示器的内阻,当温度增加t时，指示器的电流I可表示为：,I=,e(1-t),R(1+t)+R1(1+t)+R2 (1+2t),第三节 压电传感器,y,x,Fx,Fx,压电传感器的工作原理,图3-2 石英晶体 (a) 晶体外形； (b) 切割方向； (c) 晶片,Px=d11x =,d11Fx,lb,X 方向受力：,Y 方向受力：,Py=d12Y =,