常用传感器及其调理电路PPT学习课件

1、第三章第三章 常用传感器及其调理电路常用传感器及其调理电路 常用传感器及其调理电路 传感器概述 金属温度传感器 热电偶 热敏电阻 霍尔传感器 磁阻传感器 电场测量探头 电涡流传感器 压电传感器 光电传感器 电容式传感器 电感式传感器 差动传感器与测量电桥 传感器概述传感器概述 传感器的地位和作用传感器的地位和作用 人的感官：人的感官：眼睛眼睛 耳朵耳朵 鼻子鼻子 舌头舌头 皮肤皮肤 视觉、听觉、嗅觉、味觉、触觉视觉、听觉、嗅觉、味觉、触觉 传感器的地位和作用传感器的地位和作用 传感器传感器1 1信号调理信号调理 数数 据据 采采 集集 卡卡 计计 算算 机机 显显 示示 被测量被测量X X1

2、1 传感器传感器2 2信号调理信号调理 被测量被测量X X2 2 传感器传感器n n信号调理信号调理 被测量被测量X Xn n 被测量被测量X X 电气参量电气参量 非电气参量非电气参量 获取信号获取信号 信号变换信号变换 预滤波预滤波 A/DA/D转换转换 多路转换多路转换 信号分析、信号分析、 处理处理 传感器处于测量系统的最前端，起着获传感器处于测量系统的最前端，起着获 取信息与转换信息的重要作用。取信息与转换信息的重要作用。 传感器的作用与地位传感器的作用与地位 传感器处于研究对象与测量系统的接口位置传感器处于研究对象与测量系统的接口位置,是检测系统与是检测系统与 控制系统感知、获取与

3、检测信息的窗口。控制系统感知、获取与检测信息的窗口。 一切科学研究与自动化生产过程要获取的信息，都要通过一切科学研究与自动化生产过程要获取的信息，都要通过 传感器获取并通过它转换为容易传输与处理的电信号。传感器获取并通过它转换为容易传输与处理的电信号。 80年代以来，世界各国都将传感器技术列为年代以来，世界各国都将传感器技术列为重点发展的高重点发展的高 技术技术，倍受重视。，倍受重视。 传感器的定义和内涵传感器的定义和内涵 定义：定义： 能感受规定的被测量并按一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。 内涵： 传感器对规定的被测量具有最大的灵敏度和最好的选择性。（电气量或非电 量）。 输出信号

4、中载有被测量信息，能够远距离传送、接收和处理(常见：电信号、 光信号和气动信号）。 输入输出关系有规律，可复现。 按被测量（输入量）的性质分类 机械量 位移、力、( (角) )速度、加速度、重量等； 电气量 电压、电流、功率、频率等； 热工量 温度、压力、流量、液位、物位、流速等； 化学量 浓度、粘度、湿度、气体的组分、液体的组分等； 光学量 光强、光通量、辐射能量等； 生物量 血糖、血压、酶等； 按输出量的性质分类 电参数型传感器：输出量为电参量，如电阻式、电感式和电容式 电量型传感器：输出量为电量，如热电式、压电式、光电式、磁电式等。 按能量关系分类 能量转换型 被测对象能量转化为输出信号

5、能量，如热电偶、光电池等。 能量控制型 需要外部提供激励源，如R R、L L、C C电参数型传感器。 传感器分类传感器分类 按被测信号到输出信号转化方式分类 结构型 以转换元件结构参数变化实现信号转换，一般包括敏感元件和变换 器。 物性型 以转换元件物理特性变化实现信号转换，如测温电阻，热电偶 按输出信号分类 模拟式传感器 输出量为模拟信号，如电压、电流、 数字式传感器 输出量为数字信号，如脉冲、编码、 传感器分类传感器分类 传感器的一般组成传感器的一般组成 敏感元件敏感元件：又叫弹性元件，如梁、膜片、柱、筒、环等，直接感受被 测量，将力、重量、位移、力矩等转化为中间变量，如膜片的变形和应 力

6、； 转换元件转换元件：将弹性敏感元件的输出的中间变量转化为电参量的变化，如 电阻式，电感式、电容式； 转换电路转换电路：调理电路，一般转化为电量； 传感器的一般组成传感器的一般组成 敏感元件：气膜盒，直接感受被 测量； 转换元件：磁芯与电感线圈； 转换电路：通过磁芯的变化， 引起转换电路输出 电信号的变化。 气体压力传感器的示意图气体压力传感器的示意图 传感器：物理量传感器：物理量 另一种物理量另一种物理量 变送器变送器: :传感器调理电路输出规一化传感器调理电路输出规一化 （输出标准信号的传感器）（输出标准信号的传感器） 变送器目标：将各种物理量转换成统一的标准信号。变送器目标：将各种物理量

7、转换成统一的标准信号。 国际标准信号：国际标准信号： 电流标准电流标准4 420mA(DC)20mA(DC) ( (电流信号抗干扰能力强，一般用于传输距离较长的情况。电流信号抗干扰能力强，一般用于传输距离较长的情况。) ) 电压标准电压标准1 15V(DC)5V(DC) ( (适于传输给多个其他测量环节适于传输给多个其他测量环节) ) 气动标准气动标准2020100kPa100kPa 变送器概述变送器概述 电量变送器：电压、电流、频率、相位、功率等。 非电量变送器：温度、压力、流量等 常用变送器种类常用变送器种类 金属温度传感器金属温度传感器 工作原理：工作原理：利用金属导体的电阻值随温度变化

8、的特性，制成测量温度的传感器。 金属热电阻金属热电阻( (铂电阻、铜电阻铂电阻、铜电阻) ) 金属温度传感器金属温度传感器 金属热电阻工作原理金属热电阻工作原理 金属热电阻测温的基础：金属热电阻测温的基础： 金属导体电阻率随温度升高而增大，具有正的温度系金属导体电阻率随温度升高而增大，具有正的温度系 数。数。 工业上一般用来测量工业上一般用来测量2001000范围的温度。范围的温度。 金属导体电阻随温度变化情况 要求：要求： （1）温度系数、电阻率较高）温度系数、电阻率较高 提高灵敏度，体积小，反应快提高灵敏度，体积小，反应快 （2）理化性能稳定）理化性能稳定 提高稳定性和准确性，复现性好提高

9、稳定性和准确性，复现性好 （3）良好的输入）良好的输入-输出特性输出特性 线性线性/接近线性，测量准确度高接近线性，测量准确度高 （4）良好的工艺性）良好的工艺性 批量生产，降低成本批量生产，降低成本 材料：材料：纯金属纯金属 -铂、铜、铂、铜、镍、铁镍、铁 （5）较大的测温范围）较大的测温范围 特别是在低温范围特别是在低温范围 金属热电阻材料与要求金属热电阻材料与要求 优点：优点： 0 +850： )1( 2 0 BtAtRR t 0 - 200： )100(1 32 0 ttCBtAtRR t 应用：应用： (1) 在高温和氧化介质中性能极为稳定，易于提纯，工艺性在高温和氧化介质中性能极为

10、稳定，易于提纯，工艺性 好好 (2) 输入输出特性接近线性输入输出特性接近线性 缺点：缺点： 贵重金属，成本较高；温度系数较小贵重金属，成本较高；温度系数较小 标准温度计，高精度工业测温，高低温测试标准温度计，高精度工业测温，高低温测试 ； 可用于温度基准和标准传递可用于温度基准和标准传递 构成：构成：金属铂丝绕制成线圈金属铂丝绕制成线圈 (3) 测量精度高。测量精度高。 铂电阻铂电阻(Pt) Pt100 R0：0时的温度时的温度 标准值标准值(Pt100, Pt50) 特点：特点： -50 150： )1( 32 0 CtBtAtRR t 应用：应用： (1) 易于提纯，易于提纯，在在-50

11、 150范围内性能稳定范围内性能稳定，价格低价格低 (2) 输入输出特性接近线性输入输出特性接近线性: (1) 电阻率低（为铂电阻的电阻率低（为铂电阻的1/6），体积较大），体积较大 (2) 高温易被氧化，易被腐蚀高温易被氧化，易被腐蚀 (3) 测量精度低于铂电阻。测量精度低于铂电阻。 小范围小范围;较低温度较低温度;测量精度要求较低测量精度要求较低;没有水分和腐蚀性介质；代替铂没有水分和腐蚀性介质；代替铂 铜电阻铜电阻(Cu) 构成：构成：金属铜丝绕制成线圈金属铜丝绕制成线圈 R0：0时的温度时的温度 标准值标准值(Cu50, Cu100) 缺点：缺点： 铁电阻和镍电阻铁电阻和镍电阻 铁电阻

12、和镍电阻: 优点：铁和镍这两种金属的电阻温度系数较高、电阻率较大，故可作 成体积小，灵敏度高的电阻温度计。 缺点：容易氧化，化学稳定性差，不易提纯，复制性差，而且电阻值 与温度的线性关系差。 几种金属热电阻的温度特性几种金属热电阻的温度特性 几种纯金属的电阻相对变化率与温度变化间关系 热电阻技术参数热电阻技术参数 分度号：分度号： 国家19881988年开始采用IECIEC标准，工业用铂电阻和铜电阻R R0 0有100100和 5050欧姆两种，分度号分别为： 铂电阻：Pt100Pt100，Pt50Pt50 铜电阻：Cu100Cu100，Cu50Cu50 R Rt t和温度t t对应关系列成表

13、格，称为分度表 热电阻类别分度号 铂电阻 Pt1001.385 0.01100 0.1 Pt1001.385 0.0150 0.5 铜电阻 Cu1001.428 0.01100 0.05 Ct501.428 0.0150 0.05 0100 / RR/ 0 R 分度号、相应规格及允许误差 灵敏度灵敏度 （温度系数） 上式求微分，得at=A+2Bt3Ct2 A。 铂电阻at 3.910-3/ 铜电阻at 4.310-3/ / t RR a T 热电阻技术参数热电阻技术参数 23 0 (1) t RRA tB tC t 铂电阻铂电阻A=3.90810-3/ B=-5.80110-7/2，C=-4.

14、27310-12/3 铜电阻铜电阻A=4.28910-3/ B=-2.13310-7/2， ，C=1.233 10-9/3 热电阻类别测量范围（）分度号允许偏差 铂电阻-200+420 Pt100A级 Pt50B级 铜电阻-50+100Ct50 /t )002.015.0(tt )005.03.0(tt ) t100.63.0(t 3 n测量范围及测量精度测量范围及测量精度 n允通电流：允通电流： 通过热电阻中的工作电流应小于通过热电阻中的工作电流应小于5mA5mA，以避免自热效应产生影响，以避免自热效应产生影响 n时间常数时间常数 有四个级别：有四个级别： I I级级 ：(90(90180)

15、s180)s II II级：级：(30(3090)s90)s III III级：级：(10(1030)s30)s IV IV级：级：10s10s 热电阻技术参数热电阻技术参数 测量电路测量电路 n恒流源法 热电阻温度传感器常用双恒流源调理电路，将由温度引起的电 阻值的变化转换为电压信号。特别适合于对热电阻型温度传感器的 输出进行R/U变换。 双恒流源调理电路输出电压为： 经测量放大器放大后得到： k为放大器的放大倍数。 测量放大器用于双恒流源电路输出的放大调理 tN RRR uuu 0000 00 (1)R IATR I I R AT outR uku 测量电路测量电路 n 平衡电桥法 平衡电

16、桥法如图所示。在图中，如果电阻R1=R2，当 热电阻Rt阻值随温度变化时，调节可调电阻Rw，使电桥 处于平衡状态，则有 热电偶热电偶 热电偶型温度传感器工作原理热电偶型温度传感器工作原理 利用热电效应将被测物理量（温度）直接转换 为电势。属于能量转换型传感器。是应用非常广 泛的测温传感器。 工作原理： 将两种不同材料的金属导体串接成闭合回 路，当两个结点处于不同温度即TT0时，导体在 回路中产生与两结点有关的温差热电势的现象， 称为温差电效应（塞贝克效应）。 热电效应示意图热电效应示意图 热电偶型温度传感器工作原理热电偶型温度传感器工作原理 闭合回路中两种导体叫热电极； 两个结点中，一个称工作

17、端（或测量端、热端）（T），另一个叫自由端 （或参考端、冷端）（T0）。 由这两种导体的组合并将温度转换成热电动势的传感器叫做热电偶。 热电动势是由两种导体的接触电势和单一导体的温差电动势所组成。 不同金属导体接触，在接触表面形成一个稳定的电位差，叫做接触电 动势。大小可表示为 ： B A AB N N e kT Teln)( 热电效应热电效应接触电动势接触电动势 式中： k波尔兹曼常数，为1.3810-16； T 接触处的绝对温度； e 电子电荷数； NA、NB 金属A、 B的自由电子密度。 自由电子密度不同自由电子密度不同扩散扩散电势电势 （帕尔帖效应）（帕尔帖效应） 热电效应热电效应温差

18、电动势温差电动势 在一根匀质的金属导体中，如果两端温度不同，则在导体内部也会产生 电势，称为温差电势（汤姆逊效应） 温差电势的形成是由于导体内高温端自由电子的动能比低温端自由电子 的动能大，高温端自由电子的扩散速率比低温端自由电子的扩散速率大， 温度较高的一 边因失去电子而带正电，温度较低的一边因得到电子而 带负电，从而形成了电位差。 TA T TA B dTTE 0 ),( 0 当导体两端的温度分别为T、T0时， 温差电势可由下式表示： 式中式中 AA导体的汤姆逊系数导体的汤姆逊系数 热电效应热电效应 综上所述，对于匀质导体A、B组成 的热电偶，其总电势为接触电势与 温差电势之和。用式子可表

19、示为： TBA T TA BA BA B dTETETTE)()()(),( 0 00 热电效应热电效应 热电效应结论: 如果热电偶两电极材料相同，则虽两端温度不同。但总输出电势仍为零。因此必 须由两种不同的材料才能构成热电偶。 如果热电偶两结点温度相同，则回路中的总电势必等于零。因此必须温度(TT0) 不同才能构成热电偶。 热电势的大小只与材料和结点温度有关，与热电偶的尺寸、形状及沿电极温度分 布无关。 TBA T TABABAB dTETETTE)()()(),( 0 00 热电偶定理热电偶定理 均质导体定律 中间导体定律 标准电极定律 中间温度定律 均质导体定律均质导体定律 由同一种均

20、质导体或半导体组成的闭合回路，不论导体 的截面积和长度如何，也不论各处的温度分布如何，都不能产生 热电势。 中间导体定律中间导体定律 在热电偶回路中接入第三种材料的导 线，只要其两端的温度相等，第三导线的 引入不会影响热电偶的热电动势。 B A T T0 T0 C可换为仪表、连接导线或测量电路。可换为仪表、连接导线或测量电路。 C 如果已知热电极A、B分别与热电极C组成的热电偶在(T，T0)时的热电势分别 为EAC(T，T0)和EBC(T，T0)，如图所示。则在相同的温度下，由A、B两种热电极 配对后的热电势EAB(T，T0)可按下式计算： EAB(T，T0)EAC(T，T0)EBC(T，T0

21、) 热电极热电极C称为标准电极。称为标准电极。 标准电极通常采用纯铂丝制成，因为铂容易提纯，熔点高，性能稳定。标准电极通常采用纯铂丝制成，因为铂容易提纯，熔点高，性能稳定。 标准电极定理标准电极定理 当热电偶的两个节点温度为T，T1时,热电势为EAB(T,T1)； 当热电偶的两个节点温度为T1，T0时, 热电势为EAB(T1,T0)； 当热电偶的两个节点温度为T，T0时, 热电势为 0110 ,)(,)(,) ABABAB ET TET TETT（ 中间温度定律中间温度定律 11 (,), 0)(, 0) ABABAB ET TETET（ 两端点在任意温度时的热电势为：两端点在任意温度时的热电

22、势为： 中间温度定律中间温度定律 举例 已知A、B组成的热电偶在（1000C，00C）时热电势为1mV A、B组成的热电偶在（10000C，00C）时热电势为10mV 则它们在（10000C，1000C）时的热电势为： 10-1=9mV 该定律该定律为分度表的制定提供了理论依据为分度表的制定提供了理论依据，只要列出参考温度与，只要列出参考温度与0时热电势时热电势 和温度关系，可计算出参考温度不为和温度关系，可计算出参考温度不为0的热电势。的热电势。 热电偶的主要技术参数热电偶的主要技术参数 分度号与分度表 分度号(S,R,B,K,E,J,T,N)代表热电偶的类型。 S 型（铂铑 10- 铂）

23、R 型（铂铑 13- 铂） B 型（铂铑 30- 铂铑 6 ） K 型（镍铬 - 镍硅（镍铝） E 型（镍铬 铜镍(康铜)） J 型（铁 - 铜镍） T 型（铜 - 铜镍） N 型（镍铬硅 - 镍硅镁）。 热电偶的静态特性在国家标准中由分度表给出：分度表是用表格的 方式列出温度与热电动势的对应关系。 热电偶的主要技术参数热电偶的主要技术参数 镍铬-镍硅(分度号:K)热电偶分度表 参考端温度为0摄氏度 热电偶的主要技术参数热电偶的主要技术参数 允许误差 热电偶的热电势 温度关系对分度表的最大偏差。根据允许误差将热 电偶分为1、2、3级(表44）。 测量范围 不同材料的热电偶，有不同的使用温度极限

24、。 热响应时间 也称时间常数，用来表示热电偶对温度变化响应快慢的热惰性参数。 热响应时间用 或0.5表示。 冷端温度补偿冷端温度补偿 热电偶输出的电动势是两结点温度差的函数。作为被测温度端，T0作为 参考温度端（冷端）通常要求T0保持为0，但在实际中做到这一点很困难，于 是产生了热电偶冷端补偿问题。 0恒温法 冷端温度实时测量计算修正法（计算机自动采集系统常用此法） 补偿导线法 自动补偿法 0恒温法恒温法 将热电偶冷端置于将热电偶冷端置于00的恒温器内，使其工作状态与分度表状态一致，测出电势后查分度表的恒温器内，使其工作状态与分度表状态一致，测出电势后查分度表 直接得到热端温度值。直接得到热端

25、温度值。 00恒温器：恒温器：冰水混合物、半导体致冷器。冰水混合物、半导体致冷器。 冷端温度实时测量计算修正法 无须保持冷端温度T T0 0恒定，而是采用其它测温手段实时测量当前冷端温度T T0 0，进行补偿, , 步骤如下( (以T T型热电偶为例） ： E EAB AB( (T T, 0)= , 0)= E EAB AB( (T T, , T T0 0)+)+ E EAB AB( (T T0 0,0) ,0) （1 1）测T T0 0，若T T0 0 =40 =40。 （2 2）测E EAB AB( (T T, , T T0 0) )2.202mV2.202mV （3 3）查分度表： E

26、EAB AB( (T T0 0,0) ,0) E EAB AB( (40 40,0),0)1.611mV1.611mV （4 4）加法运算： E EAB AB( (T T, 0)= , 0)= E EAB AB( (T T, , T T0 0)+)+ E EAB AB( (T T0 0,0) ,0) = = E EAB AB( (T T, , 4040)+)+ E EAB AB( (40 40,0),0)2.202+1.6112.202+1.6113.813mV3.813mV （5 5）查分度表： E EAB AB( (T T, 0)= , 0)= 3.813mV3.813mV 热端温度T T

27、 =90 =90即被测温度。 补偿导线法补偿导线法 原因： 工业应用时，被测点与指示仪表之间往往有很长距离，但热电偶材料较 贵，尺寸不能过长。 由于热电偶长度有限，参考端温度将受到被测介质和周围 环境影响， 很难保持0度，而且是波动的。 补偿导线就是用一定范围内热电性质与热电偶相近的材料制成导线。用它将 热电偶的参考端延长到需要的地方，不会对热电偶回路引入超出允许的附加测 温误差。 补偿导线作用：是将热电偶的冷端移至离热源较远且温度较为稳定的地点，从 而消除冷端温度变化的影响。 补偿导线必须具备的基本条件是：在补偿温度范围内，由补偿导线材料 C,D构成的热偶与测温热偶有相同的分度值，即： EA

28、B(T,0)=ECD(T,0) 如果AB材料的热偶能一直延伸到T0处的话，产生的热电势应为EAB(T1， T0）它可以理解由两部分组成： EAB(T,T0)=EAB(T,T0)+ EAB(T0,T0) =EAB(T,T0)+ ECD(T0,T0) 补偿导线法补偿导线法 注意： 补偿导线只能与相应型号的热电偶配用； 极性不能接反，否则会造成更大的误差； 补偿导线与电极连接处两结点的温度必须相同，且不得超过规定范围。 随着热电偶的标准化，补偿导线也形成了标准系列。国际电工委员会 也制定了国际标准，适合于标准化热电偶使用。 补偿导线法补偿导线法 常用补偿导线常用补偿导线 常用补偿导线 补偿导补偿导线

29、线 型型 号号 配用的热电偶配用的热电偶 分分 度度 号号 补补 偿偿 导导 线线补偿导线颜色补偿导线颜色 正正 极极负负 极极正极正极负极负极 SCSC KCKC EXEX JXJX TXTX S(铂铑铂铑10- -铂铂) K(镍铬镍铬- -镍硅镍硅) E(镍铬镍铬- -康铜康铜) J(铁铁- -康铜康铜) T(铜铜- -康铜康铜) SPC(铜铜) KPC(铜铜) EPX(镍铬镍铬) JPX(铁铁) TPX(铜铜) SNC(康铜康铜) KNC(康铜康铜) ENX(康铜康铜) JNX(康铜康铜) TNX(康铜康铜) 红红 红红 褐绿褐绿 红红 红红 白白 白白 白白 白白 白白 自动补偿法自动

30、补偿法(冷端温度自动补偿法冷端温度自动补偿法) 基本方法：在热电偶回路中串入一个自动补偿的电动势，自动补偿热电偶测 量过程中因冷端温度不为0或变化而引起热电势的变化值。 常用自动补偿 电桥，如图。 Ubd =EAB(T0,0)EAB(T,T0)+Ubd=EAB(T,0) T 自动补偿法自动补偿法(冷端温度自动补偿法冷端温度自动补偿法) 【例】单臂电桥作为镍铬镍硅热电偶冷端温度自动补偿器，补偿温度范围0 40 （要求T0=40 能完全补偿），Rt为铜电阻，电阻温度系数4.28x10- 3/ ,计算冷端温度补偿电桥供电电压Uac。 T 自动补偿法自动补偿法(冷端温度自动补偿法冷端温度自动补偿法)

31、【解】测温单臂电桥的输入-输出关系式为 2 1 1 4 Cu Cu AC BD a Ta U U 当T0 =40时，由热偶分度表知EAB= 1.611mV。调节Rg使UAC供电时电桥输出的不平衡电 压UBD能在T0 =40实现完全补偿 反算所要求的电桥供电电压UAC 0B U(T =40 C )=E(40,0)=1.611m V B DA ) 2 T (1 T ）40=(T 4 0 0 0BD AC Cu Cu a a U U 3 3 41.6114.281040 1 4.2810402 40.862m V （） 热电偶的测温电路热电偶的测温电路 热电偶产生的热电势通常在毫伏级范围，可以直接与

32、显示仪表热电偶产生的热电势通常在毫伏级范围，可以直接与显示仪表(如动圈式毫伏表、如动圈式毫伏表、 电子电位差计、数字表等电子电位差计、数字表等)配套使用，也可与温度变送器配套，转换成标准电流信配套使用，也可与温度变送器配套，转换成标准电流信 号。号。 热电偶典型测温线路热电偶典型测温线路 热电偶测温线路热电偶测温线路 在特殊情况下，热电偶可以串联或并联使用，但只能是同一分度号的热电在特殊情况下，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。偶，且冷端应在同一温度下。 为了获得较大的热电势输出和提高灵敏度或测量多点温度之和，可以采用为了获得较大的热电势输出和提高灵

33、敏度或测量多点温度之和，可以采用 热电偶正向串联（图热电偶正向串联（图a）；）； 采用热电偶反向串联可以测量两点间的温差采用热电偶反向串联可以测量两点间的温差（图（图b） ； 利用热电偶并联可以测量多点平均温度利用热电偶并联可以测量多点平均温度（图（图c） t1 t0 t0 t0 t0 t0 E1 E2 E3 En t2 t3 tn (a) (b) (c) 热敏电阻热敏电阻 热敏电阻热敏电阻 热敏电阻热敏电阻采用半导体热电阻，其测量范围一般为-100到+300。 常见的热敏电阻包括：负温度系数热敏电阻(NTC)、正温度系数热敏电阻(PTC)、临 界温度系数热敏电阻（CTR）（在某一温度时，电阻

34、急剧降低，因此可作为温度开 关） 热敏电阻的实物图片 热敏电阻热敏电阻 n基本原理基本原理 R =A exp( B T ) 热敏电阻温度-电阻特性 n灵敏度灵敏度 1 t R RdR TR dT 2 t B T n热敏电阻基本特性热敏电阻基本特性 负温度系数热敏电阻的伏安特性 热敏电阻热敏电阻 n热敏电阻应用特点热敏电阻应用特点 优点优点 u具有很高的负电阻温度系数，灵敏度比热电阻高一个数量级（为热电阻 10100倍）； u因为它是半导体材料制成，所以常温下其阻值大，测温时可以忽略引线电阻 的影响； u体积可以做得很小，可以测温量点温度，动态特性好，适于动态测温； u成本低、易于维护、使用寿命

35、长，因此适于现场测温 缺点缺点 分散性大、非线性大、长期稳定性差以及互换性不好 霍尔传感器霍尔传感器 霍尔传感器霍尔传感器 霍尔效应霍尔效应 霍尔元件及应用霍尔元件及应用 霍尔电流传感器霍尔电流传感器 霍尔效应：霍尔效应：金属导体或半导体薄片处于磁场中，当垂直于磁场方金属导体或半导体薄片处于磁场中，当垂直于磁场方 向有电流流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势的向有电流流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势的 现象。现象。 霍尔效应霍尔效应 N M B FL i v v + + + + EH FH 霍尔效应霍尔效应 FH = -eEH = -e UH b FL = evB FL

36、 = -FH i = -j bd =-nev bd UH = bvB n材料的电子（载流子）浓度。材料的电子（载流子）浓度。 e电子（载流子）电荷量；电子（载流子）电荷量；j电流密度；电流密度； i nebd （1） （2） 霍尔效应霍尔效应 UHKHBi 其中其中KH为霍尔片的灵敏度，与温度、材料的性质、形状有关。为霍尔片的灵敏度，与温度、材料的性质、形状有关。 如果磁场与薄片法线有夹角如果磁场与薄片法线有夹角： UHKHBI cos HH iBiB UR nedd 两横侧间的霍尔电压：两横侧间的霍尔电压： H 1 R ne 为为霍尔系数。霍尔系数。 其中其中 () HH iBl URf d

37、b （3） （4） 当当l/b较小时较小时,需考虑形状系数需考虑形状系数: 霍尔元件霍尔元件 具有霍尔效应的元件称具有霍尔效应的元件称霍尔元件霍尔元件。霍尔传感器由霍尔元件组成。霍尔传感器由霍尔元件组成。 金属材料的自由电子浓度金属材料的自由电子浓度n很高，因此很高，因此RH很小，使输出很小，使输出UH很小。很小。半导体的半导体的 电子浓度电子浓度n适中，适中，霍尔传感器中的霍尔元件都是由半导体材料构成霍尔传感器中的霍尔元件都是由半导体材料构成,多用多用N型型 半导体材料。半导体材料。 霍尔元件越薄（霍尔元件越薄（d越小），越小），KH越大，所以一般霍尔元件都比较薄。越大，所以一般霍尔元件都比

38、较薄。 HHH IBIB URKBI nedd 霍尔元件调理电路霍尔元件调理电路 霍尔元件的基本测量电路如图所示。霍尔元件的基本测量电路如图所示。 激励电流由电源激励电流由电源E供给，可变电阻供给，可变电阻RP 用来调节激励电流用来调节激励电流I的大小。的大小。RL为输出霍为输出霍 尔电势尔电势UH的负载电阻。通常它是显示仪的负载电阻。通常它是显示仪 表、记录装置或放大器的输入阻抗。表、记录装置或放大器的输入阻抗。 霍尔元件的基本测量电路霍尔元件的基本测量电路 霍尔片霍尔片 四极引线四极引线 壳体壳体 霍尔元件结构霍尔元件结构 霍尔传感器是一种霍尔传感器是一种磁传感器磁传感器和和磁电转换磁电转

39、换元件，检测磁场及其变化，另外元件，检测磁场及其变化，另外 各种与磁场有关的场合都可以应用。各种与磁场有关的场合都可以应用。 霍尔式传感器的应用霍尔式传感器的应用 （1 1）直接测磁场强度（）直接测磁场强度（I I恒定）；恒定）； （2 2）衍生：电流、电压、微小位移、压力、速度、加速度、振动等（需附加磁场）衍生：电流、电压、微小位移、压力、速度、加速度、振动等（需附加磁场B B） 应用范围：应用范围： UH=KHBI 使用霍尔片测量磁场时，片中的电流应保持恒定，故应采用恒流供电方式。 霍尔效应法测量磁场的范围很宽，场强范围可从8 81010-2 -27 710107 7A/mA/m。它的 准

40、确度一般为15%。采取减小误差（不等位电势误差、温度误差）的措施后， 可提高到0.1%以上；而测量电压或电流通常准确度在10.1。 霍尔式传感器的应用霍尔式传感器的应用 1 1）体积小，重量轻，功耗小，可靠性好；）体积小，重量轻，功耗小，可靠性好； 2 2）响应频率高（可达）响应频率高（可达1MHZ1MHZ）；）； 3 3）非接触式、可用于特殊应用环境；）非接触式、可用于特殊应用环境； 4 4）易于集成。）易于集成。 线性、非机械、半导体应用特点：应用特点： 霍尔式传感器的应用霍尔式传感器的应用 缺点：缺点：受温度影响较大，转换效率较低。受温度影响较大，转换效率较低。 a a）对移）对移 b

41、b）侧移）侧移 c c）旋转）旋转 d d）遮断）遮断 应用实例位移、速度 霍尔式位移传感器原理示意图霍尔式位移传感器原理示意图 应用实例应用实例位移、速度位移、速度 利用霍尔元件测地磁场，用于寻北、空间姿态等。利用霍尔元件测地磁场，用于寻北、空间姿态等。 应用实例应用实例霍尔电子罗盘霍尔电子罗盘 霍尔电流传感器 霍尔直测式电流传感器 霍尔磁补式电流传感器 特点：直流，交流，脉冲（冲击）电流均可测特点：直流，交流，脉冲（冲击）电流均可测 非接触（隔离）非接触（隔离） 1霍尔直测式电流传感器霍尔直测式电流传感器 霍尔直测式电流传感器霍尔直测式电流传感器 UHKHIB 已知KH，HB/，S，L，N

42、， 由HLNIc计算IcKH易受温度影响, 精度不高。精度不高。 2霍尔磁补式电流传感器霍尔磁补式电流传感器 直到直到HpHs时时Is不再增加，不再增加， 这时霍尔片就达到零磁通这时霍尔片就达到零磁通 检测。检测。 磁平衡时，磁平衡时， N NpI IpI IsN Ns 计算计算IpIp 某型号某型号Hall磁补式电流传感器磁补式电流传感器 典型技术指标典型技术指标 额定电流 （100A100A） 额定电流测量值 （100mA100mA） 测量范围 （0 0150A150A） 内阻 （3030） 频率范围 （0 0100kHz100kHz） 电流电压 (15V)(15V) 线性度 （0.10.

43、1） 绝缘性能 （3KV3KV） 穿孔尺寸 ( 10mm) 10mm) 匝数比 （1 1：1000)1000) 2霍尔磁补式电流传感器霍尔磁补式电流传感器 霍尔钳形电流表霍尔钳形电流表 将磁芯做成张合结构，在磁芯开口处放置霍尔器件，将环形磁芯夹在被将磁芯做成张合结构，在磁芯开口处放置霍尔器件，将环形磁芯夹在被 测电流流过的导线外，即可测出其中流过的电流。这种钳形表既可测交流也测电流流过的导线外，即可测出其中流过的电流。这种钳形表既可测交流也 可测直流。可测直流。 磁阻传感器磁阻传感器 磁阻传感器磁阻传感器 磁阻效应磁阻效应 置于磁场中的载流金属导体或半导体材料，其电阻值随磁场变化的现象，称为磁

44、致电阻变 化效应，简称为磁阻效应。利用磁阻效应制成的元件称为磁敏电阻，也称MR元件。磁阻效 应与材料性质、几何形状等因素有关。 22220 00 1(/)0.273 B k BfL W 式中， B为磁感应强度； 材料在磁感应强度为B时的电阻率； 0 材料在磁感应强度为0时的电阻率； 载流子的迁移率； K比例系数； L、W磁敏电阻的长(沿电流方向)和宽； f(L/W) 磁敏电阻的形状效应系数。 磁阻传感器磁阻传感器 磁阻元件的主要特性磁阻元件的主要特性 u灵敏度特性灵敏度特性 KRB/R0 u磁场磁场-电阻特性电阻特性 N极 0.2 0.1 0 0.1 0.2 0.3 R/ 1000 500 S

45、极 B/T 15 RB R0 10 5 温度(25) 弱磁场下呈平方特性变化 强场下呈直线特性变化 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 B/T 0.3 磁敏电阻磁场-电阻特性 磁阻传感器磁阻传感器 u电阻电阻-温度特性温度特性 10 3 8 4 2 10 2 4 2 10 6 -40 0 20 60 100 温 度 / 电阻变化率% 磁敏电阻的电阻-温度特性 u标称阻值和额定功率标称阻值和额定功率 电阻值通常为50500，额定功率在环境温度低于80时一般为几毫瓦 u频率特性频率特性 工作频率范围通常在1MHz10MHz 磁阻传感器磁阻传感器 磁敏电阻的应用磁敏电阻的应用

46、 RC RB N S 磁敏电阻 VT1 VCC UO 磁敏电阻组成的无触点开关电路 电场测量探头电场测量探头 电场测量探头电场测量探头 电场强度仪电场强度仪一般由探头或传感器、模拟或数字显示的信号处理电路组成的检测 器以及探头到检测器的信号传输通道（导线或光纤等）三部分组成 电场强度测量探头按工作原理分为3大类：悬浮体型；地参考型和光电型 悬浮体型探头悬浮体型探头 悬浮体场强仪探头 2 0 3Qr E 2 0 3Ir E 电场测量探头 地参考场强仪地参考场强仪 地参考型探头 0 QSE 0 ISE 电场测量探头电场测量探头 光电场强仪光电场强仪 光电探头 /(1sin) / 2 ti IIM

47、电涡流传感器电涡流传感器 电涡流传感器电涡流传感器 工作原理工作原理 调理电路调理电路 应用举例应用举例 工作原理工作原理 金属导体置于变化着的磁场中，导体内就会产生漩涡状感应电流，金属导体置于变化着的磁场中，导体内就会产生漩涡状感应电流， 称之为称之为电涡流或涡流电涡流或涡流。这种现象称为。这种现象称为涡流效应涡流效应。 电涡流式传感器是一种建立在电涡流式传感器是一种建立在涡流效应原理涡流效应原理上的传感器，可以对上的传感器，可以对 表面为金属导体的物体实现多种物理量的非接触测量，如位移、振动、表面为金属导体的物体实现多种物理量的非接触测量，如位移、振动、 厚度、转速、应力、硬度等。这种传感

48、器可用于无损探伤。厚度、转速、应力、硬度等。这种传感器可用于无损探伤。 工作原理工作原理 将一个通以正弦交变电流I1，频率为f，外半径为r的 扁平线圈置于金属导体附近，则线圈周围空间将产生一 个正弦交变磁场H1，使金属导体中感应电涡流I2，I2又产 生一个与H1方向相反的交变磁场H2，如图所示。根据愣 次定律，H2的反作用必然削弱线圈的磁场H1。由于磁场 H2的作用，涡流要消耗一部分能量，导致传感器线圈的 等效阻抗发生变化。线圈阻抗的变化取决于被测金属导 体的电涡流效应。 电涡流效应既与被测体的电阻率 、磁导率以及几 何形状有关，还与线圈的几何参数、线圈中激磁电流频 率f有关，同时还与线圈与导

49、体间的距离x有关。 电涡流作用原理电涡流作用原理 工作原理工作原理 【例】被测材料不变，电流频率不变，阻抗Z为距离x的单值函数，可制 成电涡流距离传感器。 传感器线圈受电涡流影响时的等效阻抗Z的函数关系式为： Z=f (, , f, x) 测量原理：如果保持上式中其他参数不变，而只使其中一个参数发生变化， 则传感器线圈的阻抗Z就仅仅是这个参数的单值函数。通过与传感器配用的 测量电路测出阻抗Z的变化量，即可实现对该参数的测量。 工作原理工作原理 为了说明传感器的工作原理与基本特性，一般采用如图示的电涡流传感器的简化为了说明传感器的工作原理与基本特性，一般采用如图示的电涡流传感器的简化 模型。在简

50、化模型中，假定电涡流仅分布在环体之内，并且把在被测金属导体上形成模型。在简化模型中，假定电涡流仅分布在环体之内，并且把在被测金属导体上形成 的电涡流等效为一个短路环。的电涡流等效为一个短路环。 工作原理工作原理 111121 12222 jj jj0 R IL IM IU M IRIL I & & 式中式中 线圈激磁电流角频率；线圈激磁电流角频率； R1、L1线圈电阻和电感；线圈电阻和电感； L2短路环等效电感；短路环等效电感； R2短路环等效电阻；短路环等效电阻； M互感系数。互感系数。 解得等效阻抗解得等效阻抗Z的表达式为的表达式为: 2222 1 1212 222222 22221 e

51、qe q j j UMM ZRRLL RLRLI RL & & Req线圈受电涡流影响后的等效电阻线圈受电涡流影响后的等效电阻: 22 eq12 222 22 M RRR RL Leq线圈受电涡流影响后的等效电感线圈受电涡流影响后的等效电感: 22 eq12 222 22 M LLL RL 线圈的等效品质因数线圈的等效品质因数Q值为值为: e q e q L Q R 工作原理工作原理 被测参数变化，既能引起线圈阻抗被测参数变化，既能引起线圈阻抗Z的变化，也能引起线圈电感的变化，也能引起线圈电感L，电阻，电阻R和线圈品质因和线圈品质因 数数Q值的变化。所以选用值的变化。所以选用Z，L、R、Q的任

52、一参数，并将其转化为电量，即可达到测量的目的。的任一参数，并将其转化为电量，即可达到测量的目的。 工作原理工作原理 |M、R1，R2，L1，L2变化会引起等效Z，Q,L,R变化 |M与距离x相关， 用于测量位移、振幅，厚度等。 |R1，R2与传感线圈、金属导体的电导率有关，且电导率是温度函数。 用于表面温度,材质判别等。 |L1，L2与金属导体的磁导率有关。 用于测量应力、硬度。 电涡流传感器的基本特性电涡流传感器的基本特性 电涡流强度与距离的关系电涡流强度与距离的关系 电涡流密度与距离曲线 电涡流的轴向贯穿深度电涡流的轴向贯穿深度 h d d eJJ 0 f h r 0 电涡流密度主要分布在

53、表面附近，被测体电阻率越 大，相对磁导率越小，以及传感器线圈的激磁电流 频率越低，则电涡流贯穿深度 h越大 调理电路调理电路 由涡流式传感器的工作原理可知，被测量数变化可以转换成传感器线圈 的品质因素Q、等效阻抗Z和等效电感L，电阻R的变化。调理电路的任务是 把这些种参数转换为电压或电流输出,主要类型包括： |利用Q值的转换电路使用较少。 |利用z的转换电路一般用交流电桥，它属于调幅电路。 |利用L的转换电路一般用谐振电路，根据输出是电压幅值还是电压频率，谐 振电路又分为调幅和调频两种。 调理电路 1) 电桥电桥 Z1，Z2为线圈阻抗，它们可以是差动式传感器的两个线圈阻抗，也可以一个是 传感器

54、线圈，另一个是平衡用的固定线圈。它们与电容C1，C2，电阻R1，R2组 成电桥的四个臂。电源u由振荡器供给，振荡频率根据涡流式传感器的需求选 择。电桥将反映线圈阻抗的变化，把线圈阻抗变化转换成电压幅值的变化。 涡流式传感器电桥 2) 调幅式电路调幅式电路 由传感器线圈L、电容器C和石英晶体组 成的石英晶体振荡电路如图所示。石英晶 体振荡器起恒流源的作用，给谐振回路提 供一个频率(f0)稳定的激励电流io，LC回路 输出电压为： oo ()UifZ 式中，式中，Z为为LC回路的阻抗。回路的阻抗。 调幅式测量电路示意图调幅式测量电路示意图 调理电路调理电路 3）调频式电路 传感器线圈接入LC振荡回

55、路，当传感器与被 测导体距离x改变时，在涡流影响下，传感器的 电感变化，将导致振荡频率的变化，该变化的 频率是距离x的函数，即f=L(x)，该频率可由数 字频率计直接测量。 1 2() f Lx C 调理电路调理电路 振荡频率为：振荡频率为： 电涡流式传感器的应用电涡流式传感器的应用 1) 低频透射式涡流厚度传感器低频透射式涡流厚度传感器 透射式涡流厚度传感器的结构原理如图所示。 在被测金属板的上方设有发射传感器线圈L1，在被测金属板下方 设有接收传感器线圈L2。当在L1上加低频电压U1时，L1上产生交变 磁通1，若两线圈间无金属板，则交变磁通直接耦合至L2中，L2产 生感应电压U2。如果将被

56、测金属板放入两线圈之间，则L1线圈产生 的磁场将导致在金属板中产生电涡流，并将贯穿金属板，此时磁场 能量受到损耗，使到达L2的磁通将减弱为1，从而使L2产生的感 应电压U2下降。金属板越厚，涡流损失就越大，电压U2就越小。 因此，可根据U2电压的大小得知被测金属板的厚度。 U2与金属板厚度关系 电涡流式传感器的应用电涡流式传感器的应用 2) 电涡流式转速传感器电涡流式转速传感器 电涡流式转速传感器工作原理如图所示。在软磁材料制成的输入轴上加工一键槽，在距输 入表面d0处设置电涡流传感器，输入轴与被测旋转轴相连。 电涡流式转速传感器工作原理图电涡流式转速传感器工作原理图 压电式压力传感器压电式压

57、力传感器 压电式传感器 压电效应压电效应 压电材料压电材料 压电传感器压电传感器等效电路等效电路 压电传感器压电传感器调理电路调理电路 压电式传感器的应用压电式传感器的应用 压电式传感器压电式传感器 l压电式传感器是一种有源的机电传感器。它的工作原理是基于压电材料的压 电效应。 压电效应压电效应 正压电效应: 某些晶体或多晶陶瓷，当沿着一定方向受到外力作用时，内部就产生极 化现象，同时在某两个表面上产生符号相反的电荷；当外力去掉后，又恢复 到不带电状态；当作用力方向改变时，电荷的极性也随着改变；晶体受力所 产生的电荷量与外力的大小成正比。 逆压电效应 对晶体施加一定电场，晶体本身将产生机械变形

58、，外电场撤离，变形也 随着消失。 压电效应压电效应 |压电式传感器大都是利用压电材料的压电效应制成的。压电转换元件受力变形的 状态可分为图示的几种基本形式。 压电材料压电材料 选用合适的压电材料是设计高性能传感器的关键。一般应考虑以下几个 方面： 转换性能：具有较高的耦合系数或具有较大的压电常数； 机械性能：压电元件作为受力元件，希望它的机械强度高、机械刚度大。 以期获得宽的线性范围和高的固有振动频率； 电性能：希望具有高的电阻率和大的介电常数，以期望减弱外部分布电容 的影响并获得良好的低频特性； 温度和湿度稳定性要好：具有较高的居里点、以期望得到宽的工作温度范 围； 时间稳定性：压电特性不随

59、时间蜕变。 压电材料压电材料 常用压电材料可以分为三类： 压电晶体（石英晶体SiO2 ） 压电陶瓷（钛酸钡(BaTiO3)、锆钛酸铅(PZT)、铌镁酸铅（Pb MgNbO3 ） 高分子压电材料（如聚二氟乙烯(PVF2)和聚氯乙烯(PVC) 石英晶体化学式为SiO2，是单晶体结构。图中表 示了天然结构的石英晶体外形，它是一个正六面体。 石英晶体各个方向的特性是不同的。 其中纵向轴z称 为光轴，经过六面体棱线并垂直于光轴的x称为电轴， 与x和z轴同时垂直的轴y称为机械轴。 通常把沿电轴 x方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“纵向压 电效应”， 而把沿机械轴y方向的力作用下产生电荷 的压电效应称为

60、“横向压电效应”。 而沿光轴z方向 的力作用时不产生压电效应。 石英晶体石英晶体 石英晶体石英晶体 如图示，石英晶体是规则的六角棱柱体。有三个晶轴： Z轴：又称光轴，与晶体的纵轴线方向一致； X轴：又称电轴，它通过六面体相对的两个棱线并垂直于光轴； Y轴：又称机械轴，它垂直于两个相对的晶轴棱面。 z x y o o z x y b o a c z x y (a) 晶体外形晶体外形 (b) 切割方向切割方向 (c) 晶片晶片 石英晶体石英晶体 石英晶体石英晶体 y x P1 o P2 P3 _ _ _ _ _ _ x y A Fx P1 Fx B + + + + + + P2 P3 o x A