第2章传感器技术

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1、第二章第二章 传感器技术传感器技术数据采集技术与系统设计数据采集技术与系统设计课件课件2.1 传感器概述传感器概述2.2 温度传感器温度传感器2.3 电阻应变传感器电阻应变传感器2.4 压电传感器压电传感器2.5 电容传感器电容传感器第二章第二章 传感器技术传感器技术数据采集技术与系统设计数据采集技术与系统设计课件课件 传感器是将被测量的某一量按一定规律转换为另外一种与之有确定对应关系的、便于应用的物理量的器件或装置。 2.1 传感器概述传感器概述第二章第二章 传感器技术传感器技术数据采集技术与系统设计数据采集技术与系统设计课件课件2.1 传感器概述传感器概述一、传感器的地位与作用第二章第二章

2、 传感器技术传感器技术数据采集技术与系统设计数据采集技术与系统设计课件课件 传感器是人类五官的外延。 传感器是连接外界刺激和测控系统的接口。 传感器是现代科学和技术的起点。2.1 传感器概述传感器概述一、传感器的地位与作用 专家认为：蒸汽机带来了工业革命；计算机带来了信息革命；传感器将带来自动化革命。专家预言：谁掌握了传感器技术谁就能够支配新时代。 第二章第二章 传感器技术传感器技术数据采集技术与系统设计数据采集技术与系统设计课件课件 世界各国都十分重视传感器技术的发展。相信不久的将来，传感器技术将会出现一个飞跃，达到与其重要地位相称的新水平。 2.1 传感器概述传感器概述一、传感器的地位与作

3、用第二章第二章 传感器技术传感器技术数据采集技术与系统设计数据采集技术与系统设计课件课件2.1 传感器概述传感器概述二、传感器的组成 敏感元件敏感元件：直接感受被测量，并输出与被测量有确定关系的某一物理量的元件。 转换元件转换元件：负责把输入的敏感元件输出物理量转换为电路参数。 转换电路路：把电路参数接入转换电路，转换为电量输出。 第二章第二章 传感器技术传感器技术数据采集技术与系统设计数据采集技术与系统设计课件课件2.1 传感器概述传感器概述三、传感器的分类1.按照被被测物理量的不同，传感器可分为： 温度传感器、压力传感器、速度传感器、流量传感器、线位移传感器等。2.按照工作原理分类： 电阻

4、式、电容式、电感式：利用电阻、电容、电感的参数变化实现信号变换。 压电式、磁电式、热电式、光电式：分别利用压电、电磁感应、热电、光电效应实现信号变换。第二章第二章 传感器技术传感器技术数据采集技术与系统设计数据采集技术与系统设计课件课件2.1 传感器概述传感器概述三、传感器的分类3.按照能量关系分类： 能量转换型：传感器输出量的能量直接由被测量能量转换而来。如压电、热电、光电、霍尔传感器。 能量控制型。传感器输出量的能量由外部能源提供，但受输入量控制。如电阻、电感、电容等电路参量传感器。 第二章第二章 传感器技术传感器技术数据采集技术与系统设计数据采集技术与系统设计课件课件2.1 传感器概述传

5、感器概述四、传感器的一般特性 传感器的输入与输出特性是传感器的基本特性。 根据被测非电量的不同，传感器表现出来的输入输出特性也不相同。 如果被测非电量是基本不随时间变化或者变化很小的物理量，称为静态量-静态特性； 如果被测非电量是随时间变化而变化的物理量，称为动态量-动态特性。 第二章第二章 传感器技术传感器技术数据采集技术与系统设计数据采集技术与系统设计课件课件2.1 传感器概述传感器概述四、传感器的一般特性1.静态特性(1)线性度：传感器的线性度是指传感器的输出与输入之间的线性程度。理想传感器输入输出之间是线性关系；非理想的传感器，输入被测量输出量传感器的灵敏度非线性项的待定系数零位输出第

6、二章第二章 传感器技术传感器技术数据采集技术与系统设计数据采集技术与系统设计课件课件2.1 传感器概述传感器概述四、传感器的一般特性1.静态特性(1)线性度拟合直线：拟合直线：如果传感器非线性的次方不高，输入量变化范围较小时，可用一条直线(切线或割线)近似地代表实际曲线的一段，使传感器输出输入特性线性化。这时所采用的直线称为拟合直线。 第二章第二章 传感器技术传感器技术数据采集技术与系统设计数据采集技术与系统设计课件课件设拟合直线方程为：y = kx + b标定点与直线的偏差为：使均方差最小，即：令一阶偏导数为零：2.1 传感器概述传感器概述四、传感器的一般特性1.静态特性(1)线性度:最小二

7、乘法 设有一组测量值（X1，Y1）、（X2，Y2）、.、（Xn，Yn）第二章第二章 传感器技术传感器技术数据采集技术与系统设计数据采集技术与系统设计课件课件解方程得两个未知量 b、k的表达式如下：最后求出传感器的线性度表达式： 将b、k值代入直线方程Y=b+kx，并求出 Y=b+kx第二章第二章 传感器技术传感器技术数据采集技术与系统设计数据采集技术与系统设计课件课件2.1 传感器概述传感器概述四、传感器的一般特性1.静态特性(2)灵敏度:是指传感器的被测物理量是静态量时，输出量增量与引起输出量增量的输入量增量的比值。对于线性传感器，它的灵敏度就是它的静态特性的斜率，即第二章第二章 传感器技术

8、传感器技术数据采集技术与系统设计数据采集技术与系统设计课件课件2.1 传感器概述传感器概述四、传感器的一般特性1.静态特性(3)迟滞：传感器在正(输入量增大)反(输入量减小)行程期间输出输入特性曲线不重合的现象称为迟滞。产生原因是传感器敏感元件材料的物理性质和机械零部件的缺陷，例如弹性敏感元件的弹性滞后、运动部件摩擦、传动机构的间隙、紧固件松动等。 第二章第二章 传感器技术传感器技术数据采集技术与系统设计数据采集技术与系统设计课件课件2.1 传感器概述传感器概述四、传感器的一般特性1.静态特性(4)重复性（同向行程差/量程）：传感器在输入量按同一方向作全量程连续多次变化时，所得特性曲线不一致的

9、程度。重复性误差属于随机误差，常用标准偏差表示，即 第二章第二章 传感器技术传感器技术数据采集技术与系统设计数据采集技术与系统设计课件课件2.1 传感器概述传感器概述四.传感器的一般特性2.动态特性 在实际测量中，被测物理量一般都是动态信号，这就要求传感器不仅能精确反映被测量的大小，而且还能正确再现被测量随时间的变化规律。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， 它反映输出值真实再现变化着的输入量的能力。 对绝大多数传感器，都可以简化为一阶或者二阶系统，因此一阶和二阶传感器是最基本的。 传感器动态特性的研究可以从时域和频域两个方面来进行，通常采用瞬态响应法和频率响应法。 第二

10、章第二章 传感器技术传感器技术数据采集技术与系统设计数据采集技术与系统设计课件课件2.1 传感器概述传感器概述四.传感器的一般特性2.动态特性(1)瞬态响应特性 一阶传感器的单位阶跃响应 一阶传感器的单位阶跃响应通式：传递函数：阶跃信号：第二章第二章 传感器技术传感器技术数据采集技术与系统设计数据采集技术与系统设计课件课件2.1 传感器概述传感器概述四.传感器的一般特性2.动态特性(1)瞬态响应特性 一阶传感器的单位阶跃响应 从理论上看只有 时传感器才能达到稳定值，但实际上， 时输出已经达到稳定值的98.2%，可以认为已经达到稳态值。 可以看到， 越小，响应曲线越接近输入阶跃信号曲线，所以是一

11、阶传感器重要的性能参数。 不带保护套管的热电偶是典型的一阶传感器。 传感器存在惯性，它的输出不能立即复现输入信号，而是从零开始，按指数规律上升，最终到达稳定值。第二章第二章 传感器技术传感器技术数据采集技术与系统设计数据采集技术与系统设计课件课件2.1 传感器概述传感器概述四.传感器的一般特性2.动态特性(1)瞬态响应特性二阶传感器的单位阶跃响应 该响应主要取决于阻尼比和固有频率。固有频率由传感器主要结构参数决定，它越高，传感器的响应越快。当它为常数时，传感器的响应取决于阻尼比。第二章第二章 传感器技术传感器技术数据采集技术与系统设计数据采集技术与系统设计课件课件2.1 传感器概述传感器概述四

12、.传感器的一般特性2.动态特性(1)瞬态响应特性二阶传感器的单位阶跃响应 为临界阻尼，超调量为100，产生等幅振荡，达不到稳态； 为过阻尼，无超调也无振荡，但达到稳态所需时间较长； 为欠阻尼，衰减振荡，达到稳态值所需时间随的减小而加长。响应时间最短。但实际使用中，为了兼顾有短的上升时间和小的超调量，一般传感器都设计成欠阻尼式的，阻尼比一般取0.60.8之间。带保护套管的热电偶是典型的二阶传感器。 第二章第二章 传感器技术传感器技术数据采集技术与系统设计数据采集技术与系统设计课件课件2.1 传感器概述传感器概述四.传感器的一般特性2.动态特性(2)瞬态响应特性瞬态响应的特性指标时间常数是一阶传感

13、器动态特性的重要参数 上升时间tr：传感器输出由稳态值的10%达到90所需时间。响应时间ts：系统从阶跃输入开始到输出值进入稳态值所规定的范围内所需时间。峰值时间tp：阶跃响应曲线达到第一个峰值所需要的时间。超调量：传感器输出超过稳态值的最大值，常用相对于稳态值的百分比表示。 第二章第二章 传感器技术传感器技术数据采集技术与系统设计数据采集技术与系统设计课件课件2.1 传感器概述传感器概述四.传感器的一般特性2.动态特性（2）频率响应特性：传感器对正弦输入信号的响应特性。 零阶传感器的频率响应 零阶传感器的传递函数为 零阶传感器的频率特性为 可见，零阶传感器的输入和输出成正比，与信号频率无关。

14、故不存在峰值和相位失真，具有理想的动态特性。 第二章第二章 传感器技术传感器技术数据采集技术与系统设计数据采集技术与系统设计课件课件2.1 传感器概述传感器概述四.传感器的一般特性2.动态特性（2）频率响应特性 一阶传感器的频率响应 频率特性表达式幅频特性相频特性第二章第二章 传感器技术传感器技术数据采集技术与系统设计数据采集技术与系统设计课件课件2.1 传感器概述传感器概述四.传感器的一般特性2.动态特性（2）频率响应特性 一阶传感器的频率响应 时间常数越小，频率响应特性越好。当 时， 传感器的输出与输入近似为线性关系，相位差 与频率成正比，输出比较真实地反映输入的变化规律。第二章第二章 传

15、感器技术传感器技术数据采集技术与系统设计数据采集技术与系统设计课件课件2.1 传感器概述传感器概述四.传感器的一般特性2.动态特性（2）频率响应特性 二阶传感器的频率响应 第二章第二章 传感器技术传感器技术数据采集技术与系统设计数据采集技术与系统设计课件课件2.1 传感器概述传感器概述四.传感器的一般特性2.动态特性（2）频率响应特性 二阶传感器的频率响应 传感器的频率响应特性的好坏主要取决于传感器的固有频率和阻尼比。当 时， 很小，此时，传感器的输出再现了输入的波形。通常固有频率至少应大于被测信号频率的35倍，即第二章第二章 传感器技术传感器技术数据采集技术与系统设计数据采集技术与系统设计课

16、件课件2.1 传感器概述传感器概述四.传感器的一般特性2.动态特性（2）频率响应特性频率响应特性指标 频带频带：传感器增益保持在一定值内的频率范围为传感器频带或通频带。一般是对数幅频特性曲线上幅值衰减3dB时所对应的频率范围，对应有上、下截止频率。 时间常数时间常数：用时间常数来表征一阶传感器的动态特性。越小，频带越宽。 固有固有频率率：二阶传感器的固有频率表征了其动态持性。 第二章第二章 传感器技术传感器技术数据采集技术与系统设计数据采集技术与系统设计课件课件2.2 温度传感器温度传感器一、温度与温标 温度是工业生产和科学实验中一个非常重要的参数。 温度不能直接加以测量，只能借助于冷热不同的

17、物体之间的热交换，以及物体的某些物理性质随着冷热程度不同而变化的特性间接测量。 温标就是温度的数值表示。各种温度计和温度传感器的温度数值均由温标确定。 我国目前实行的是1990年国际温标(ITS90)，它同时定义国际开尔文温度和国际摄氏温度，两者之间的关系为： 第二章第二章 传感器技术传感器技术数据采集技术与系统设计数据采集技术与系统设计课件课件二、金属热电阻 热电阻是利用导体的电阻值随温度变化而改变这一特性而制成的温度传感器。纯金属是热电阻的主要制造材料，要求热电阻材料应具有以下特性：电阻温度系数要大而且稳定，以便提高热电阻的灵敏度； 电阻率尽可能大，以便在相同的灵敏度下减小电阻体的体积；

18、热容量小，以提高热电阻的响应速度； 电阻值与温度之间应具有良好的线性关系； 在整个测量范围内，应具有稳定的物理和化学性质； 材料的复现性和公益性好，价格低。 目前在工业中应用最广的是铜和铂，并已制成标准测温热电阻。2.2 温度传感器温度传感器1. 热电阻的性能第二章第二章 传感器技术传感器技术数据采集技术与系统设计数据采集技术与系统设计课件课件2.铂：易于提纯，在氧化性介质中，甚至在高温下其物理、化学性质都很稳定，但在还原气氛中容易被侵蚀变脆，因此一定要加保护套管。在0850范围内可用下式表示 Rt=R0（1+At+Bt2） 在-2000范围内为 Rt=R01+At+Bt2+C(t-100）t

19、3式中：R0、Rt、分别为0及t时铂电阻的电阻值；而系数A、B、C由试验法求出，分别为： A=3.968 4710-3（）-1； B=-5.84710-7（）-2； C=-4.2210-12（）-4。二、金属热电阻2.2 温度传感器温度传感器第二章第二章 传感器技术传感器技术数据采集技术与系统设计数据采集技术与系统设计课件课件 铂的纯度常以R100/R0来表示，R100表示在标准大气压冰沸点时的电阻，R0表示在0时铂电阻值。国际温标规定，作为基准器的铂电阻其R100/R0不得小于1.3925，对于一般工程上常用的铂电，其R100/R0为1.391，比值越大，表示纯度越高、电阻温度系数越大。 R

20、0分为50和100等，分度号分别为Pt50和Pt100，其阻值和温度的关系可查阅相关分度表。在实际测量中，只要测得铂热电阻的阻值Rt，便可以从分度表中查出对应的温度值。 二、金属热电阻2.2 温度传感器温度传感器2.铂：第二章第二章 传感器技术传感器技术数据采集技术与系统设计数据采集技术与系统设计课件课件 铂热电阻传感器一般是由直径为0.05mm0.07mm的铂丝绕在片形云母骨架上做成，铂丝的引线采用银线。 二、金属热电阻2.2 温度传感器温度传感器2.铂：第二章第二章 传感器技术传感器技术数据采集技术与系统设计数据采集技术与系统设计课件课件3.铜热电阻 铂热电阻价格高，通常在一些测量精度要求

21、不高而且测量温度较低（如-50150）时，可采用铜热电阻，其电阻温度系数较大，容易提纯，价格低廉；但其电阻率较小，约为铂热电阻的1/5.8，因而铜电阻的电阻丝细而且长，其机械强度较低，体积较大，此外铜电阻易被氧化，不宜在侵蚀性介质中使用。 二、金属热电阻2.2 温度传感器温度传感器在-50150温度范围内，铜热电阻与温度之间的关系如下 Rt=R01+At+Bt2+Ct3式中:R0、Rt分别为0及t时铜电阻的电阻值（）；系数A、B、C由实验确定，分别为 A=4.288 9910-3（）-1； B=-2.13310-7（ ）-2 C=-1.23310-9（）-3。第二章第二章 传感器技术传感器技术

22、数据采集技术与系统设计数据采集技术与系统设计课件课件 我国生产的铜热电阻按其初始电阻R0的不同，有50 和100两种，分度号为Cu50和Cu100，其材料的百度电阻比W（100）=R100/R0（R100，R0分别为100和0时铜热电阻的阻值）不得小于1.425。二、金属热电阻2.2 温度传感器温度传感器3.铜热电阻第二章第二章 传感器技术传感器技术数据采集技术与系统设计数据采集技术与系统设计课件课件4.热电阻应用问题二、金属热电阻2.2 温度传感器温度传感器 在常温及低温区范围内，铂电阻具有较高的测温精度，常用于该温区精密温度的测量。铜热电阻精度中等，价格低廉，适合测温范围-50C+150C

23、。 由于铂电阻和铜电阻等阻值较小，因此连接导线的电阻以及接触电阻会对其测温精度产生较大的影响，采用二线制接法，将会把接触电阻和引线电阻引入桥臂，从而对测温的精度产生影响，为消除这些影响，根据测量的电流端和电压端原理，通常采用三线制和四线制接法。第二章第二章 传感器技术传感器技术数据采集技术与系统设计数据采集技术与系统设计课件课件4.热电阻应用问题（1）热电阻温度测量的接线方法 二、金属热电阻2.2 温度传感器温度传感器二线制三线制第二章第二章 传感器技术传感器技术数据采集技术与系统设计数据采集技术与系统设计课件课件四线制 其中R1-R4为接线电阻和接触电阻，采用恒流源对铂电阻供电，Vo输出接高

24、输入阻抗放大器，以减小测量电流对其产生的影响，这种线路一般用于需精密测温和作温度较正时使用。二、金属热电阻2.2 温度传感器温度传感器4.热电阻应用问题（1）热电阻温度测量的接线方法R1R2R3R4RtRi第二章第二章 传感器技术传感器技术数据采集技术与系统设计数据采集技术与系统设计课件课件4.热电阻应用问题（2）热电阻电桥测温系统 二、金属热电阻2.2 温度传感器温度传感器 A为差分放大器，SM为伺服电机，Rw为电位器。电桥式中处于自动平衡状态。当被测温度发生变化时，差分放大器A的输出不为零，使伺服电机SM带动电位器Rw的电刷移动，直到电桥重新自动处于平衡状态。 这种方法的特点是测温系统也纳

25、入了负反馈。该测温系统具有测温快速，线形范围大，抗干扰能力强等优点。热电阻自动平衡电桥测温系统第二章第二章 传感器技术传感器技术数据采集技术与系统设计数据采集技术与系统设计课件课件三、半导体热敏电阻2.2 温度传感器温度传感器 热敏电阻是利用半导体的电阻值随温度变化而改变的温度传感器。大部分半导体热敏电阻是由各种氧化物按一定比例混合，经高温烧结而成。多数热敏电阻具有负的温度系数，即当温度升高时其电阻值下降。第二章第二章 传感器技术传感器技术数据采集技术与系统设计数据采集技术与系统设计课件课件三、半导体热敏电阻2.2 温度传感器温度传感器热敏电阻具有下述优点：电阻温度系数绝对值大，因而灵敏度高，

26、测量线路简单，甚至不用放大器便可输出几伏的电压。体积小、质量轻、热惯性小。本身电阻值大，不需要考虑引线长度带来的误差，因此适于远距离测量。热敏电阻产品已系列化，便于设计选用。工作寿命长，而且价格便宜。热敏电阻的不足：非线性差，在电路上要进行线性化补偿。 稳定性差，并有老化现象。 热敏电阻一般不适于高精度温度测量及控制场合，但在范围较小时，也可获得较好的精度。家电、复印机、电子体温计等产品中做测温元件。 第二章第二章 传感器技术传感器技术数据采集技术与系统设计数据采集技术与系统设计课件课件三、半导体热敏电阻2.2 温度传感器温度传感器1、热敏电阻的特性 典型热敏电阻的温度特性曲线如图。 半导体热

27、敏电阻随温度变化的典型特性有三种类型，即PTC热敏电阻（电阻温度系数为正）、NTC电阻（电阻温度系数为负）和在某一特定温度下电阻值发生突然变化的临界温度电阻CTR。第二章第二章 传感器技术传感器技术数据采集技术与系统设计数据采集技术与系统设计课件课件三、半导体热敏电阻2.2 温度传感器温度传感器1、热敏电阻的特性 NTC热敏电阻随温度变化的特性为缓慢型，适合在稍宽的温度范围内用作温度测量元件，是目前使用的主要的热敏电阻； PTC和CTR突变型热敏电阻的温度范围较窄，一般用于恒温加热控制或温度开关，也用于彩色电视机中作自动消磁元件，有一些功率PTC元件作为发热元件用。PTC缓变型热敏电阻可用作温

28、度补偿或温度测量。第二章第二章 传感器技术传感器技术数据采集技术与系统设计数据采集技术与系统设计课件课件三、半导体热敏电阻2.2 温度传感器温度传感器1、热敏电阻的特性NTC热敏电阻的电阻值R与温度T(K) 的关系为 R=R0 expB（1/T-1/T0）式中：R0为温度是T0（K）时的电阻值；B为常数，一般为3000（K）5000（K）。 由上式看出,电阻与温度的关系是指数曲线。如果将温度曲线换算成电阻值变化率为3%-5%，约为铂电阻的十倍，这说明热敏电阻的灵敏度是很高的。 一般的NTC热敏电阻的测量范围为-50+300,而一些高温热敏电阻可测+700，一些低温热敏电阻可测到-250。第二章

29、第二章 传感器技术传感器技术数据采集技术与系统设计数据采集技术与系统设计课件课件三、半导体热敏电阻2.2 温度传感器温度传感器2、热敏电阻的线性化 由于热敏电阻具有较大的非线性特性，一般需要经过线性化电路，图是一种简单的线性化电路，在测量温度范围不大时，可获得较满意的的结果。例如，测量范围为100时期非线性误差为3左右；若在50范围内，误差为0.6；若在30范围内，则可降到0.05。电源电压的变动会影响输出，所以必须采用稳压电源。 第二章第二章 传感器技术传感器技术数据采集技术与系统设计数据采集技术与系统设计课件课件3.热敏电阻应用于温度控制 如图是一恒定温度控制电路，其中Rw是温度调节电阻，

30、Rt为NTC热敏电阻，A为比较器。当Rt所处环境温度升高，Rt电阻下降，比较器同相端电压低于反相端电压，比较器输出一个低电平，控制加热器停止加热；三、半导体热敏电阻2.2 温度传感器温度传感器而当Rt所处环境温度下降，Rt阻值升高，比较器输出一个高电平，通过驱动电路驱动加热器开始加热。调节Rw可选择不同温度的恒温控制。利用热敏电阻还可以实现流量、液面的控制，也可用于稳流电路、电机过荷保护等场合。 第二章第二章 传感器技术传感器技术数据采集技术与系统设计数据采集技术与系统设计课件课件四、热电偶2.2 温度传感器温度传感器 热电偶是一种将温度变化转变为电势变化的传感器，它是温度测量中使用最广泛的传

31、感器之一，其测量温区宽，一般在-1802800的温度范围内均可使用；测量的准确度和灵敏度都较高，尤其在高温范围内，有较高的精度。 第二章第二章 传感器技术传感器技术数据采集技术与系统设计数据采集技术与系统设计课件课件四、热电偶2.2 温度传感器温度传感器 1.测温原理 热电偶热电偶是指由两种不同的金属A和B构成一个闭合回路，当两个接触端温度不同，即 时，回路中会产生热电势 ，如图所示。其中，T称为热端，T0称为冷端（自由端或参比端），A和B称为热电极，热电势的大小是由两种材料的接触电势和单一材料的温差电势所决定的。第二章第二章 传感器技术传感器技术数据采集技术与系统设计数据采集技术与系统设计课

32、件课件四、热电偶2.2 温度传感器温度传感器 1.测温原理 接触电势接触电势：由于两种不同金属内部的自由电子密度不同，当两种金属材料A和B接触时，自由电子就要从密度大的金属材料A扩散到密度低的金属材料B中，从而产生电子的扩散现象。当扩散达到平衡时，金属材料A由于失去电子而带正电荷，金属材料B由于得到电子而带负电荷。于是，在AB接触处就形成了一定的电位差，这就是接触电势。 第二章第二章 传感器技术传感器技术数据采集技术与系统设计数据采集技术与系统设计课件课件四、热电偶2.2 温度传感器温度传感器 1.测温原理 温差电势温差电势：在同一金属材料A中，当金属材料两端的温度不同，即 时,两端电子能量就

33、不同。温度高的一端电子能量大，则电子就从高温端向低温端扩散的数量多，最后达到平衡。这样，在金属材料A的两端也形成一定的电位差，即温差电势。 第二章第二章 传感器技术传感器技术数据采集技术与系统设计数据采集技术与系统设计课件课件四、热电偶2.2 温度传感器温度传感器 1.测温原理 热电偶回路的总热电势总热电势: :在两种金属材料A和B组成的热电偶回路中，两接触点的温度分别为T和T0，且TT0，则回路总热电势将由四部分组成，两个温差电势和两个接触电势。 第二章第二章 传感器技术传感器技术数据采集技术与系统设计数据采集技术与系统设计课件课件四、热电偶2.2 温度传感器温度传感器 1.测温原理 当 时

34、， ，此时 ，可以看到，热电势与温度值之间是单值函数关系，所以可以用测量得到的热电势来得到对应的温度值。 第二章第二章 传感器技术传感器技术数据采集技术与系统设计数据采集技术与系统设计课件课件四、热电偶2.2 温度传感器温度传感器2. 常用热电偶 理论上讲，任何两种不同材料的导体都可以组成热电偶，但为了准确可靠地测量温度，对组成热电偶的材料必须经过严格的选择。工程上用于热电偶的材料应满足以下条件：p热电势变化尽量大；p热电势与温度关系尽量接近线性关系；p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。 实际上并非所有材料都能满足上述要求。第二章第二章 传感器技术传感器技术数

35、据采集技术与系统设计数据采集技术与系统设计课件课件四、热电偶2.2 温度传感器温度传感器2. 常用热电偶 目前在国际上被公认比较好的热电材料只有几种,如铂铑、铂、镍铬、镍硅、铜、铜镍等。国际电工委员会(IEC)向世界各国推荐8种标准化热电偶（T、E、J、K、N、B、R、S），它们已列入工业标准化文件中，具有统一的分度表。我国从1988年开始采用IEC标准生产热电偶。常用热电偶的主要性能和特点请参阅相关文献。（1）低温测量T型（-200+300）（2）中温测量E型（-200+800）、 J型（-200+750）（2）高温测量K型（0+1300）（2）超高温测量B型（+500+1700）、R和S型

36、（0+1600）第二章第二章 传感器技术传感器技术数据采集技术与系统设计数据采集技术与系统设计课件课件四、热电偶2.2 温度传感器温度传感器2. 常用热电偶 常用热电偶一般做成棒型，其整体主要由热电极、绝缘管、保护管、接线盒等几部分组成，其中热电极是测温的敏感器件。热电偶常以所用的热电极材料种类来命名，如铂铑铂热电偶、镍铬镍硅热电偶、铜铜镍热电偶等。 第二章第二章 传感器技术传感器技术数据采集技术与系统设计数据采集技术与系统设计课件课件四、热电偶2.2 温度传感器温度传感器3.热电偶的应用问题： 理论上讲，在热电偶回路中接入第三种材料导体时，只要第三种导体两端与热电偶接触的地方温度相同，第三种

37、导体的接入就不会影响热电势，这一性质叫做“中中间导体定律体定律”。根据这一性质，才可以在回路中接入各种仪表及连接线，也允许使用任意焊接方法来焊制热电偶的节点，而不必担心它们是否会对热电势造成影响。 第二章第二章 传感器技术传感器技术数据采集技术与系统设计数据采集技术与系统设计课件课件四、热电偶2.2 温度传感器温度传感器3.热电偶的应用问题：T A T0CCBEAB(T,T0)“标准电极定律标准电极定律”： 第三种金属C作成的标准电极与电极A、B分别配对后的热电势之差等于两电极A、B配对后的电动势。 工程上常用铂作标准电极。第二章第二章 传感器技术传感器技术数据采集技术与系统设计数据采集技术与

38、系统设计课件课件四、热电偶2.2 温度传感器温度传感器3.热电偶的应用问题： 热电偶在使用中的另一个重要问题是如何解决自由端温度补偿自由端温度补偿，因为热电偶的输出热电势不仅与工作端的温度有关，而且也与自由端的温度有关。平常使用时，热电偶两端输出的热电势对应的温度值只是相对于自由端温度的一个相对温度值，而自由端的温度又常常不是零度，因此该温度值已叠加了一个自由端温度。为了直接得到一个与被测对象温度(工作端温度)对应的热电势，热电偶使用时常采取冷端补偿的办法，把冷端放在恒温或者温度波动小的地方。 如利用冰水混合物作为冷端补偿，将冷端维持在0，那么利用输出的电动势Vo可直接在分度表上查得被测的温度

39、值。第二章第二章 传感器技术传感器技术数据采集技术与系统设计数据采集技术与系统设计课件课件2.2 温度传感器温度传感器四、热电偶3.热电偶的应用问题：热电偶的结构形式热电偶的结构形式为了保证热电偶可靠、稳定地工作，对它的结构要求如下：组成热电偶的两个热电极的焊接必须牢固； 两个热电极彼此之间应很好地绝缘，以防短路； 补偿导线与热电偶自由端的连接要方便可靠； 保护套管应能保证热电极与有害介质充分隔离。 按热电偶的用途不同，常制成以下几种形式。第二章第二章 传感器技术传感器技术数据采集技术与系统设计数据采集技术与系统设计课件课件2.2 温度传感器温度传感器四、热电偶3.热电偶的应用问题：(1) 普

40、通型热电偶 普通型热电偶是使用最多的，主要用来测量气体、蒸汽和液体等介质的温度。根据测温范围及环境的不同，所用的热电偶电极和保护套管的材料也不同，但因使用条件基本类似，所以这类热电偶已标准化、系列化。按其安装时的连接方法可分为螺纹连接和法兰连接两种。 第二章第二章 传感器技术传感器技术数据采集技术与系统设计数据采集技术与系统设计课件课件2.2 温度传感器温度传感器四、热电偶3.热电偶的应用问题：(2) 铠装热电偶 铠装热电偶又称缆式热电偶，是由热电极、绝缘材料（通常为电熔氧化镁）和金属保护管三者结合，经控制而成一个坚实的整体。铠装热电偶有单支（双芯）和双支（四芯）之分，其测量端有露头型、接壳型

41、和绝缘型三种基本形式。 铠装热电偶的参比端（接线盒）形式有简易式、防水式、防溅式、接插式和小接线盒式等。铠装热电偶具有体积小、精度高、动态响应快、耐振动、耐冲击、机械强度高、可挠性好，便于安装等优点，已广泛应用在航空、原子能、电力、冶金和石油化工等部门。第二章第二章 传感器技术传感器技术数据采集技术与系统设计数据采集技术与系统设计课件课件2.2 温度传感器温度传感器四、热电偶3.热电偶的应用问题：(3) 表面热电偶 表面热电偶主要用来测量圆弧形表面温度。它的测温结构分为凸形、弓形和针形。图为直柄式弓形热电偶结构示意图。第二章第二章 传感器技术传感器技术数据采集技术与系统设计数据采集技术与系统设

42、计课件课件2.2 温度传感器温度传感器四、热电偶3.热电偶的应用问题：（4） 薄膜式热电偶 薄膜式热电偶是用真空蒸镀的方法，将热电极沉积蓄沉积在绝缘基板上而成的热电偶。加采用蒸镀工镀工艺，所以热电偶可以做得很薄，而且尺寸可做得很小。 它的特点是热容量小，响应速度快，适合于测量微小面积上的瞬变温度。第二章第二章 传感器技术传感器技术数据采集技术与系统设计数据采集技术与系统设计课件课件2.2 温度传感器温度传感器四、热电偶3.热电偶的应用问题：（5）快速消耗型热电偶 这是一种专为测量钢水及熔融金属温度而设计的特殊热电偶，其结构如图2-32所示。热电极由直径0.050.1mm的铂铑10-铂铑30(或

43、钨铼6-钨铼20)等材料制成,且装在外径为1mm的U形石英管内,构成测温的敏感元件.其外部有绝缘良好的纸管、保护管及高温绝热水泥加以保护和固定。它的特点是：当其插入钢水后，保护帽瞬即熔化，热电偶工作端即刻暴露于钢水中，由于石英管和热电偶热容量都很小，因此能很快反映出钢水的温度，反应时间一般为46秒。在测出温度后，热电偶和石英保护管都被烧坏，因此它只能一次性使用。这种热电偶可直接用补偿导线接到专用的快速电子电位差计上，直接读取钢水温度。第二章第二章 传感器技术传感器技术数据采集技术与系统设计数据采集技术与系统设计课件课件五、集成电流型温度传感器AD5902.2 温度传感器温度传感器 集成温度传感

44、器是利用晶体管PN结的电流电压特性与温度的关系，把感温PN结及有关电子线路集成在一个小硅片上，构成一个小型化、一体化的专用集成电路片。 集成温度传感器具有体积小、反应快、线性好、价格低等优点，由于PN结受耐热性能和特性范围的限制，目前它只能用来测150以下的温度。 AD590是美国AD公司生产的一种电流集成型温度传感器，是目前应用广泛的一种集成温度传感器。它内部有放大电路，再配上相应的外电路，可以方便地构成各种应用电路。 第二章第二章 传感器技术传感器技术数据采集技术与系统设计数据采集技术与系统设计课件课件五、集成电流型温度传感器AD5902.2 温度传感器温度传感器1.主要技术参数：（1）测

45、温范围为55150；（2）工作电压为430V，由于AD590是一种恒流源形式的温度传感器，只需在其二端加上一定工作电压则其输出电流随温度变化而变化，其线性电流输出为1uA/K，即温度每变化1，其输出电流变化1uA，因此在25时，其输出电流为298.2uA。（3）精度：经过激光平衡调整，AD590的校准精度可达0.5，全温区范围线性度可达0.3(AD590M)，当其在10温区范围内校正后测量，精度可达0.1，在全温区范围内(-55+145)使用,精度也可高达1。第二章第二章 传感器技术传感器技术数据采集技术与系统设计数据采集技术与系统设计课件课件五、集成电流型温度传感器AD5902.2 温度传感

46、器温度传感器2.主要特性：伏安特性电流与温度成正比温度特性55150呈线性第二章第二章 传感器技术传感器技术数据采集技术与系统设计数据采集技术与系统设计课件课件五、集成电流型温度传感器AD5902.2 温度传感器温度传感器2.主要特性：连接负载RL480us的低电平主机释放总线开始接收-I/O上升沿之后1560us-DS18B20发60240us的低电平存在信号。写数据：写数据：将数据线从高电平拉低。15us内数据送出，1560us内采样数据。在开始另一写周期前需有1us以上的高电平恢复期。读数据：读数据：将数据线从高电平拉低1us以上再升为高电平产生读起始信号。主机在下降沿后的15us内完成

47、读。每个读周期最短持续期为60us。各个读周期值见需有1us以上的高电平恢复期。第二章第二章 传感器技术传感器技术数据采集技术与系统设计数据采集技术与系统设计课件课件六、数字集成温度传感器DS18B202.2 温度传感器温度传感器4.工作过程与注意事项 （3）注意事项必须严格按照时序对DS18B20进行操作；管脚必须确保焊牢，寄生电源工作方式时应将VDD与GND焊在一起。使用屏蔽双绞线作为测温电缆。第二章第二章 传感器技术传感器技术数据采集技术与系统设计数据采集技术与系统设计课件课件六、数字集成温度传感器DS18B202.2 温度传感器温度传感器5.应用DS18B20的温度控制器第二章第二章

48、传感器技术传感器技术数据采集技术与系统设计数据采集技术与系统设计课件课件六、数字集成温度传感器DS18B202.2 温度传感器温度传感器5.应用DS18B20的温度控制器 基于DS18B20的温度测量装置电图如图所示。温度传感器DS18B20将被测环境温度转化成带符号的数字信号（以十六位补码形式，占两个字节），传感器可置于离装置150米以内的任何地方，输出脚I/O直接与单片机的P3.4相连，R1为上拉电阻，传感器采用外部电源供电。89C2051是整个装置的控制核心，89C2051内带1K字节的FlashROM，用户程序存放在这里。显示器模块由四位一体的共阳数码管和4个9012组成。系统程序分传

49、感器控制程序和显示器程序两部分，传感器控制程序是按照DS18B20的通信协议编制。系统的工作是在程序控制下，完成对传感器的读写和对温度的显示。第二章第二章 传感器技术传感器技术数据采集技术与系统设计数据采集技术与系统设计课件课件 电阻应变式传感器是目前应用最广泛的传感器之一。所谓电阻应变式传感器，是指将电阻应变片粘贴到各种弹性元件上，从而构成直接测量应变（应力）的传感器。 电阻应变式传感器具有以下特点特点： 精度高，测量范围广； 使用寿命长，性能稳定可靠； 结构简单，体积小，重量轻； 频率响应好，既可用于静态测量又可用于动态测量； 价格低廉，品种多样，便于选择和大量使用。 2.3 电阻应变式传

50、感器电阻应变式传感器第二章第二章 传感器技术传感器技术数据采集技术与系统设计数据采集技术与系统设计课件课件2.3 电阻应变式传感器电阻应变式传感器 金属导体在外力作用下会发生机械形变，而它的电阻值会随着其机械形变而变化的现象，称为金属的电阻应变效应金属的电阻应变效应。 金属电阻应变传感器是利用金属电阻应变片将应变转换为电阻变化的传感器，传感器由在弹性元件上粘贴电阻应变敏感元件构成。当被测物理量作用在弹性元件上，弹性元件的变形引起应变敏感元件的阻值变化，通过转换电路转变成电量输出，电量变化的大小反映了被测物理量的大小。应变式电阻传感器是目前测量力、力矩、压力、加速度、重量等参数应用最广泛的传感器

51、。1.原理一、金属电阻应变传感器第二章第二章 传感器技术传感器技术数据采集技术与系统设计数据采集技术与系统设计课件课件2.3 电阻应变式传感器电阻应变式传感器1.原理一、金属电阻应变传感器第二章第二章 传感器技术传感器技术数据采集技术与系统设计数据采集技术与系统设计课件课件2.3 电阻应变式传感器电阻应变式传感器1.原理一、金属电阻应变传感器金属材料中，应力产生应变，应变导致电阻变化。第二章第二章 传感器技术传感器技术数据采集技术与系统设计数据采集技术与系统设计课件课件2.3 电阻应变式传感器电阻应变式传感器2.结构一、金属电阻应变传感器 敏感栅是应变片的核心部分，它粘贴在绝缘的基片上，其上再

52、粘贴起保护作用的覆盖层，两端焊接引出导线。 金属电阻应变片的敏感栅有丝式、箔式和薄膜式三种。 箔式应变片箔式应变片是利用光刻、腐蚀等工艺制成一种很薄的金属箔栅，其厚度一般在0.0030.01mm。其优点是散热条件好，允许通过的电流较大，可制成各种所需的形状，便于批量生产。薄膜应薄膜应变片变片是采用真空蒸发或真空沉淀等方法在薄的绝缘基片上形成0.1um以下的金属电阻薄膜的敏感栅，最后再加上保护层。它的优点是应变灵敏度系数大，允许电流密度大，工作范围广。 第二章第二章 传感器技术传感器技术数据采集技术与系统设计数据采集技术与系统设计课件课件2.3 电阻应变式传感器电阻应变式传感器二、半导体电阻应变

53、传感器 半导体应变片是用半导体材料制成的。其工作原理是基于半导体材料的半导体材料的压阻效应压阻效应。所谓压阻效应是指半导体材料在某一轴向受外力作用时，其电阻率发生变化的现象。 半导体应变片突出优点是灵敏度高，比金属丝式高5080倍，动态响应好。但它有温度系数大，应变时非线性比较严重等缺点。 第二章第二章 传感器技术传感器技术数据采集技术与系统设计数据采集技术与系统设计课件课件2.4 压电传感器压电传感器 压电式传感器的工作原理是基于某些介质材料的压电压电效应效应，是典型的有源传感器。当材料受力作用而变形时，其表面会有电荷产生，从而实现非电量测量。 压电式传感器具有体积小、重量轻、工作频带宽等特

54、点，因此在各种动态力、机械冲击与振动的测量，以及声学、医学、力学、宇航等方面都得到了非常广泛的应用。 第二章第二章 传感器技术传感器技术数据采集技术与系统设计数据采集技术与系统设计课件课件2.4 压电传感器压电传感器一、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，其内部就产生极化现象，同时在它的两个表面上便产生符号相反的电荷，当外力去掉后，其又重新恢复到不带电状态，这种现象就是压电效应压电效应。 如图所示。当在x轴方向上对压电晶体施加一压力F时，在垂直于x轴的晶体表面上产生电荷Q。电荷Q的大小可以表示为 第二章第二章 传感器技术传感器技术数据采集技术与系统设计数据采集技术与系统设计

55、课件课件2.4 压电传感器压电传感器二、压电传感器 压电晶体受力而使晶体的两个表面产生正负电荷，由于测量回路的输入阻抗总不可能为无穷大，所以要进行静态测量必然会引起电荷静态测量必然会引起电荷的泄漏的泄漏。由于压电材料在交变力的作用下，电荷可以不断得到补充，因而可以给回路提供一定的电流，所以适于动态测量适于动态测量。压电晶体受力时，在一个板上出现正电荷，另一个板上出现等量负电荷，而中间为绝缘体，因此可以把它看作是一个电容器。 第二章第二章 传感器技术传感器技术数据采集技术与系统设计数据采集技术与系统设计课件课件2.4 压电传感器压电传感器二、压电传感器 由于压电传感器的输出信号非常微弱，一般要将

56、电信号进行放大才能测量，而压电片内阻相当高，所以通常要将传感器输出先由低噪声电缆送入高输入阻抗的前置放大器，然后再经过一般的放大、检波或通过功率放大至数据采集设备。其中，前置放大器的主要作用是将压电传感器的高阻抗输出变成低阻抗输出（即阻抗变换阻抗变换）。 第二章第二章 传感器技术传感器技术数据采集技术与系统设计数据采集技术与系统设计课件课件2.5 电容式传感器电容式传感器 电容传感器是利用被测量的变化引起传感器电容量的变化来工作的。电容式传感器除了可用于位移量的测量外，还广泛用于振动、加速度等机械量的精密测量。 电容式传感器的特点特点如下： 输入量小而灵敏度高； 电参量相对变化大； 动态特性好

57、； 非接触式测量； 能量损耗小； 结构简单，适应性好。 电容式传感器的缺点缺点：非线性大，电缆分布电容影响大。 电容式传感器根据其测量原理不同又可分为三种：变极距式、变面积式和变介质式。 第二章第二章 传感器技术传感器技术数据采集技术与系统设计数据采集技术与系统设计课件课件2.5 电容式传感器电容式传感器一、变间隙式电容传感器 初始电容变化后电容 变间距式电容传感器只有在 很小时才有近似的线性关系，一般最大位移应小于间隙的110。 第二章第二章 传感器技术传感器技术数据采集技术与系统设计数据采集技术与系统设计课件课件2.5 电容式传感器电容式传感器二、变面积式电容变换器 初始电容极板有相对位移后的电容量 特点：传感器输出为线性；传感器灵敏度与初始极距成反比，减小极距可以提高灵敏度；可以做成差动形式，以提高灵敏度。 第二章第二章 传感器技术传感器技术数据采集技术与系统设计数据采集技术与系统设计课件课件2.5 电容式传感器电容式传感器三、变介电常数式电容变换器 初始电容介质变化后电容变化量与电介质介电常数的移动量成线性关系。