发电式传感器及其应用

1、测试技术测试技术 发电式传感器及其应用发电式传感器及其应用(4)第五章第五章内容内容 n压电式传感器压电式传感器n磁电式传感器磁电式传感器n光电式传感器光电式传感器n固态图像传感器固态图像传感器n霍尔传感器霍尔传感器n热电偶传感器热电偶传感器n红外探测器红外探测器1 1 压电式传感器压电式传感器压电效应压电效应外力作用下在压电材料表面产生电荷外力作用下在压电材料表面产生电荷F+q等效电路等效电路两极板上聚集异性电荷，中间为绝缘体的电容器两极板上聚集异性电荷，中间为绝缘体的电容器压电材料：石英晶体、钛酸钡、锆钛酸铅等压电材料：石英晶体、钛酸钡、锆钛酸铅等.ooququ CCFFq电极压电晶片Co

2、 uq/CoQCaua=Q/Cau0Caua=Q/Ca电荷源电荷源 电压源电压源 1 1 压电式传感器压电式传感器结构形式结构形式两片、四片两片、四片压电材料压电材料串并联组成，提高串并联组成，提高灵敏度灵敏度并联接法：并联接法：电容量大、时间常数大，响应慢电容量大、时间常数大，响应慢测量缓变信号测量缓变信号适合电荷输出适合电荷输出串联接法：串联接法：电容量小、时间常数小，响应快电容量小、时间常数小，响应快测量快变信号测量快变信号适合电压输出适合电压输出1 1 压电式传感器压电式传感器测量测量电荷易泄漏，适宜作电荷易泄漏，适宜作动态测量动态测量电荷测量：电荷测量：电荷放大器电荷放大器（电容反馈

3、放大器）（电容反馈放大器） 如果放大器开环增益如果放大器开环增益A足够大足够大 uo-qe/Cf电荷放大器的输出电压与传感器的电荷量成正比，电荷放大器的输出电压与传感器的电荷量成正比，并且并且与电缆分布电容无关与电缆分布电容无关电荷放大器的灵敏度取决于电荷放大器的灵敏度取决于Cf灵敏度的选择灵敏度的选择常做高精度测量常做高精度测量feoiofoiieicaCACqAuuAuCuuuCqCCCC).1(.)(.加速度计加速度计 电缆电缆 电荷放大器电荷放大器1 1 压电式传感器压电式传感器测量测量电荷测量：电荷测量：电荷放大器电荷放大器 灵敏度灵敏度输入范围输入范围低通滤波低通滤波1 1 压电式

4、传感器压电式传感器测量测量电压测量：电压测量：阻抗变换放大阻抗变换放大压电传感器的压电传感器的内阻抗内阻抗Ra很高很高，输出的信号微弱，输出的信号微弱测量电路测量电路F阻抗变换：低阻抗输出阻抗变换：低阻抗输出F微弱信号进行放大微弱信号进行放大F连接电缆改变（长度、布线）连接电缆改变（长度、布线）Cc影响电影响电压灵敏度值压灵敏度值F电压灵敏度随被测信号频率而变电压灵敏度随被测信号频率而变F不可以用于静态测量、测量精度不高不可以用于静态测量、测量精度不高QCaua=Q/Cau0Caua=Q/Ca电荷源电荷源 电压源电压源 加速度计加速度计 电缆电缆 阻抗变换、放大阻抗变换、放大uaCaCcCiR

5、aRiR1R2+-uaCaCRuiui/1caiaiaiaCCCRRRCsR CUUsR C12(1)oiRUUR1 1 压电式传感器压电式传感器优缺点优缺点优点优点它具有很高的它具有很高的刚度刚度，测量过程中变形甚小，是一种近乎，测量过程中变形甚小，是一种近乎理想的测力元件理想的测力元件尺寸与尺寸与重量重量很小，可以小到只有零点几克，因而使用中很小，可以小到只有零点几克，因而使用中对被测对象的附加质量小对被测对象的附加质量小固有固有频率频率高，可以高达数万赫兹，线性好高，可以高达数万赫兹，线性好横向干扰小（最大不超过横向干扰小（最大不超过5%5%），可做成多向测力仪），可做成多向测力仪响应快

6、、灵敏度高、信噪比大、结构简单、性能可靠响应快、灵敏度高、信噪比大、结构简单、性能可靠缺点缺点调理特殊、不宜做静态测量调理特殊、不宜做静态测量需经常校正灵敏度需经常校正灵敏度1 1 压电式传感器压电式传感器压电式压力传感器压电式压力传感器测量方法测量方法动态动态电压测量：电压测量：电压放大器电压放大器频率、电缆影响频率、电缆影响电荷电荷测量：测量：电荷放大器电荷放大器高精度测量高精度测量1 1 压电式传感器压电式传感器12345压电转换元件压电转换元件传感器体传感器体弹性膜片弹性膜片电极电极引线引线P压电式加速度传感器压电式加速度传感器结构结构敏感元件：弹簧、质量敏感元件：弹簧、质量转换元件：

7、压电元件转换元件：压电元件转换电路：电荷放大器、阻抗变换器转换电路：电荷放大器、阻抗变换器 S S是弹簧，是弹簧，M M是是质块质块，B B是是基座，基座，P P是是压电元件压电元件，R R是夹持环是夹持环 几种加速度传感器结构几种加速度传感器结构 (a)(a)中心安装压缩型中心安装压缩型 (b)(b)环形剪切型环形剪切型 (c)(c)三角剪切型三角剪切型 1 1 压电式传感器压电式传感器压电式传感器压电式传感器 内装内装IC 压电加速度传感器压电加速度传感器 内装微型内装微型IC-IC-集成电路放大器集成电路放大器 低阻抗输出，抗干扰，噪声小低阻抗输出，抗干扰，噪声小 性能价格比高，安装方便

8、，尤其适性能价格比高，安装方便，尤其适于多点测量于多点测量 稳定可靠、抗潮湿、抗粉尘、抗有稳定可靠、抗潮湿、抗粉尘、抗有害气害气 灵敏度：灵敏度：100mV/g 100mV/g 量程：量程：50g 50g 频率范围：频率范围：0.5-8000Hz0.5-8000Hz（10%) 10%) 安装谐振点安装谐振点:30kHz :30kHz 分辨率：分辨率：0.0002g 0.0002g 重量：重量：8gm 8gm 线性：线性：1% 1% 输出偏压：输出偏压：8-12VDC 8-12VDC 恒定电流：恒定电流：2-20mA2-20mA 输出阻抗：输出阻抗：150 150 激励电压：激励电压：18-30

9、VDC18-30VDC1 1 压电式传感器压电式传感器 压电加速度计压电加速度计安装安装p螺栓安装螺栓安装可测量强振动和高频率振动p绝缘螺栓或者云母片绝缘相连绝缘螺栓或者云母片绝缘相连p腊膜粘附腊膜粘附p手持探棒与振动表面接触手持探棒与振动表面接触p磁铁座相连磁铁座相连常用、较小的常用、较小的振动测量振动测量p粘结剂连结粘结剂连结 1 1 压电式传感器压电式传感器压电式传感器压电式传感器 阻抗头：同时给出同一个点动态加阻抗头：同时给出同一个点动态加速度和力的传感器速度和力的传感器 机械阻抗：响应机械阻抗：响应加速度加速度/激振激振力力 8770A5型阻抗头型阻抗头 量程量程 灵敏度灵敏度 频率

10、范围频率范围加速度加速度 5g 1000 mV/g 1Hz 4kHz 力力 5Ib 1000 mV/Ib 1 1 压电式传感器压电式传感器2 2 磁电式传感器磁电式传感器电磁感应原理电磁感应原理N匝线圈与磁铁相对运动、切割磁力线匝线圈与磁铁相对运动、切割磁力线，感应出正比于运，感应出正比于运动速度的电压动速度的电压 磁通磁通变化率取决于：变化率取决于：磁场强度磁场强度B 固定固定线圈运动速度线圈运动速度磁路磁阻磁路磁阻测量：磁电式传感器输出功率较大、零位及性能稳定测量：磁电式传感器输出功率较大、零位及性能稳定调理电路一般较简单调理电路一般较简单工作频率一般为工作频率一般为101000Hzdtd

11、Ne 分类分类p动圈式动圈式线圈运动速度线圈运动速度磁场为常数磁场为常数直线运动速度直线运动速度p变磁阻变磁阻磁路磁阻变化磁路磁阻变化齿圈和极轴组成的磁路中齿圈和极轴组成的磁路中磁阻磁阻发生发生变化，其结果使磁通量周期性增减变化，其结果使磁通量周期性增减感应电压取决：转速、探头端面距感应电压取决：转速、探头端面距齿顶间隙齿顶间隙测量角速度或转轴的转速测量角速度或转轴的转速dtdxNBLe2 2 磁电式传感器磁电式传感器磁电式速度传感器磁电式速度传感器n绝对绝对速度传感器速度传感器组成：组成：磁路系统、惯性质量、弹簧阻尼磁路系统、惯性质量、弹簧阻尼 线圈线圈壳体振动壳体振动磁钢随之振动磁钢随之振

12、动芯轴相对静芯轴相对静止止线圈切割磁力线线圈切割磁力线线圈中感应电势线圈中感应电势感应电势感应电势E=kVE=kV，式中，式中k k为取决于磁感应强为取决于磁感应强度、线圈长度和匝数度、线圈长度和匝数,V,V为绝对振动速度为绝对振动速度弹簧片弹簧片芯轴芯轴线圈线圈磁钢磁钢阻尼环阻尼环壳体壳体2 2 磁电式传感器磁电式传感器磁电式速度传感器磁电式速度传感器n绝对绝对速度传感器速度传感器动态特性：二阶系统动态特性：二阶系统固有频率应该尽可能低固有频率应该尽可能低，但实现有很大困难，但实现有很大困难 由于结构上的原因，固有频率一般取由于结构上的原因，固有频率一般取101015Hz15Hz工作频率：工

13、作频率：15151000Hz1000Hz阻尼比：阻尼环产生磁阻尼力阻尼比：阻尼环产生磁阻尼力（0.50.70.50.7）222221)(nnnjH2 2 磁电式传感器磁电式传感器磁电式速度传感器磁电式速度传感器n相对相对速度传感器速度传感器芯轴芯轴顶杆顶杆另一试件另一试件壳体壳体顶杆：相对速度顶杆：相对速度输出电压：正比相对速度输出电压：正比相对速度测量频率：测量频率：0 01kHz1kHz2 2 磁电式传感器磁电式传感器磁电式转速传感器磁电式转速传感器n变磁阻变磁阻n输出：输出：感应一个电势脉冲感应一个电势脉冲n可靠、稳定、有源传感器可靠、稳定、有源传感器n不适应于低转速不适应于低转速2 2

14、 磁电式传感器磁电式传感器永久磁铁永久磁铁线圈线圈齿圈齿圈引线引线间隙间隙极轴极轴磁电式扭矩传感器磁电式扭矩传感器2 2 磁电式传感器磁电式传感器光电效应光电效应 在光的照射下，激发物体的在光的照射下，激发物体的电子运动电子运动的现象的现象外光电效应：外光电效应：光能光能 光电流信号光电流信号 电子逸出电子逸出内光电效应内光电效应 改变导电性能改变导电性能3 3 光电式传感器光电式传感器光敏三极管光敏三极管光电器件光电器件光电发射器件：光电发射器件：光电管、光电倍增管光电管、光电倍增管半导体光电器件半导体光电器件光敏电阻、光敏二极管光敏电阻、光敏二极管材料的材料的电阻电阻随光照强度的增加而减小

15、随光照强度的增加而减小光电池光电池电流源：材料硒、硅、锗等电流源：材料硒、硅、锗等, ,受光照产生受光照产生光电动势光电动势光敏晶体管光敏晶体管光线通过孔到达光线通过孔到达PN结，获得较大的集电流输出结，获得较大的集电流输出 光敏二极管光敏二极管3 3 光电式传感器光电式传感器光电器件应用光电器件应用p几种设计方式几种设计方式3 3 光电式传感器光电式传感器光电式转速传感器光电式转速传感器n测量原理测量原理通过敏感元件来通过敏感元件来检测光通量的强检测光通量的强弱弱，从而产生与被测轴转速成比，从而产生与被测轴转速成比例的电脉冲信号例的电脉冲信号n实际应用实际应用反射式光电传感器反射式光电传感器

16、透射式光电传感器透射式光电传感器n优点优点测速范围可达每分钟几十万转测速范围可达每分钟几十万转对被测轴无干扰对被测轴无干扰光源光源光电元件光电元件转轴转轴反光面反光面透镜透镜透镜透镜透镜透镜半透反光膜半透反光膜反射式光电传感器3 3 光电式传感器光电式传感器反射式表面粗糙度光电传感器反射式表面粗糙度光电传感器n测量原理测量原理敏感元件敏感元件检测表面反射光通检测表面反射光通量的强弱量的强弱，以反映其表面光，以反映其表面光滑的程度滑的程度n实际应用实际应用工件表面缺陷或粗糙度检查工件表面缺陷或粗糙度检查3 3 光电式传感器光电式传感器反射法测量原理反射法测量原理1. 光源光源 2. 物镜物镜 3

17、. 被测工被测工件件 4 聚光镜聚光镜 5 光电元件光电元件123451光 源 ; 2物 镜 ; 3被 测 工 件 ; 4聚 光 镜 ; 5光 电 元 件 光电耦合器光电耦合器p组成：组成：发光元件与光敏元件封装光电转换p优点：优点：无机械触点、噪音低、执行动作快、体积小、寿命长无机械触点、噪音低、执行动作快、体积小、寿命长p分类：分类：光电隔离器和光电开关光电隔离器和光电开关3 3 光电式传感器光电式传感器 光电隔离器光电隔离器p组成：组成：发光二极管LED和光敏晶体管p优点：优点：LEDLED辐射能量能有效地耦合到光敏晶体管辐射能量能有效地耦合到光敏晶体管p应用应用输入、输出端隔离输入、输

18、出端隔离解决信号传输中多地问题解决信号传输中多地问题电平转换电平转换提高驱动能力以及抗干扰能力提高驱动能力以及抗干扰能力3 3 光电式传感器光电式传感器 光电开关光电开关p组成：组成：发光二极管发光二极管LED被测体调制被测体调制光敏晶体管光敏晶体管p分类分类对射式对射式反射式反射式p用途用途：计数、有无：计数、有无3 3 光电式传感器光电式传感器光电元件光电元件发射光源发射光源CCDCCD图像传感器图像传感器CCD（Charge Coupled Device）电荷耦合器件电荷耦合器件CCD 组成组成：类似类似马赛克马赛克的的网格网格MOS电容器电容器、聚光镜片以及、聚光镜片以及底层的测量矩阵

19、底层的测量矩阵MOSMOS（Metal Oxide SemiconductorMetal Oxide Semiconductor）电容器电容器像素、像点、感光点像素、像点、感光点构成：在构成：在P PSiSi衬底上淀积金属而构成的一只电容器衬底上淀积金属而构成的一只电容器工作原理：工作原理：在光照射下，感光小单元在光照射下，感光小单元积聚光生载流子积聚光生载流子电荷电荷PSi金属金属氧化物氧化物载流子载流子/电荷电荷势阱势阱表表面面势势4 4 图像传感器图像传感器CCDCCD图像传感器图像传感器CCD功能：功能：根据光的强弱积聚相应的电荷，由测量矩阵根据光的强弱积聚相应的电荷，由测量矩阵读出读

20、出分类：线型、面型或圆型分类：线型、面型或圆型CCD厂商：厂商：SONY、Philips、Kodak、Matsushita、Fuji线型线型CCD传感器传感器1CCD转移寄存器转移寄存器 2转移控制栅转移控制栅 3积蓄控制电极积蓄控制电极4PD阵列（阵列（1728） SH转移控制栅输入端转移控制栅输入端 RS复位控制复位控制 4 4 图像传感器图像传感器CMOSCMOS图像感光器图像感光器pCMOSCMOS（Complement Metal Oxide Complement Metal Oxide SemiconductorSemiconductor）互补金属氧化物互补金属氧化物场效应场效应p

21、CMOSCMOS经加工经加工可以作为图像传感器可以作为图像传感器每个象素由四个每个象素由四个晶体管晶体管与一个感光二极管构成与一个感光二极管构成 CCD难以比拟的优势难以比拟的优势：单一电源运单一电源运作作（省电、标准生产、便宜）（省电、标准生产、便宜） 缺点：信噪比差、缺点：信噪比差、敏感度不够敏感度不够比比CCD传感器低传感器低10倍感光度倍感光度p应用：应用：图像输入设备图像输入设备 电脑、笔记本电脑、掌上电脑、扫描仪、电脑、笔记本电脑、掌上电脑、扫描仪、数码相机、摄像机、指纹认证等数码相机、摄像机、指纹认证等900万像素万像素CMOS 4 4 图像传感器图像传感器铝板宽度的自动检测铝板

22、宽度的自动检测组成 两个CCD线型传感器1、2 测量L1、 L2，已知Lm L 传感器3激光源：补偿由于板厚变化而造成的测量误差 对于2m宽的热轧板，最终测量精度可达板宽的土0.025。4 4 图像传感器图像传感器二维零件尺寸在线检测二维零件尺寸在线检测二维零件尺寸的在线检测二维零件尺寸的在线检测CCD摄像机摄像机：零件轮廓形状零件轮廓形状扫描扫描零件的轮廓形状零件的轮廓形状的的可重构可重构零件的各部分尺寸零件的各部分尺寸的计算的计算4 4 图像传感器图像传感器三角法测量三角法测量4 4 图像传感器图像传感器轮廓测量轮廓测量原理：原理： 激光激光X X平面光幕平面光幕轮廓线轮廓线反射反射光幕光

23、幕2 2维维CMOSCMOS阵列阵列信号处理器信号处理器剖面图形剖面图形(X(X为轮廓线的长度，为轮廓线的长度，Z Z为轮廓线的高低为轮廓线的高低) ) 通过移动被测物体或传感器通过移动被测物体或传感器3 D3 D 半导体激光半导体激光 透镜透镜 平面光幕平面光幕 被测体被测体 被测体被测体 镜片镜片 2 维维 CMOS 阵列阵列 信号处理器信号处理器 测量光幕测量光幕反射光幕反射光幕4 4 图像传感器图像传感器机器人视觉系统机器人视觉系统p组成：机器手组成：机器手 CCD图像传感器图像传感器p功能功能识别目标识别目标空间定位空间定位引导机器手引导机器手处理目标（处理目标（分类、搬运和装配）4

24、 4 图像传感器图像传感器机器人目标定位系统压电式传感器压电式传感器压电效应：力压电效应：力电荷电荷结构形式（串、并联）、测量电路（电压、电荷测量）结构形式（串、并联）、测量电路（电压、电荷测量）应用：加速度计、安装应用：加速度计、安装磁电式传感器磁电式传感器电磁感应：磁通变化在线圈回路产生感应电势电磁感应：磁通变化在线圈回路产生感应电势变磁通方法：线圈运动、磁阻变化变磁通方法：线圈运动、磁阻变化应用应用：（绝对：（绝对/ /相对）相对）速度传感器、转速传感器速度传感器、转速传感器光电式传感器光电式传感器光电效应：外光电效应、内光电效应光电效应：外光电效应、内光电效应几种设计方式：转速、表面测

25、量、光电开关几种设计方式：转速、表面测量、光电开关图像传感器图像传感器CCDCCD、CMOSCMOS优缺点优缺点应用：三角法测量应用：三角法测量形状检测形状检测回顾回顾霍尔效应霍尔效应 金属或半导体金属或半导体薄片薄片置于磁场中，当有电流流过时，在垂置于磁场中，当有电流流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生直于电流和磁场的方向上将产生电动势电动势霍尔电压霍尔电压霍尔电压霍尔电压U UH H与通过与通过电流电流I I和磁感应强度和磁感应强度B B成正比成正比d d越小，越小，k kH H就越大（薄膜霍尔元件就越大（薄膜霍尔元件d d为为1m1m左右）左右） 磁场磁场B 工作工作 电流电流 I

26、感应电势感应电势 半导体薄片半导体薄片 lxbxd 霍尔电势霍尔电势UH HHUBK I5 5 霍尔传感器霍尔传感器霍尔元件霍尔元件 N N型半导体材料：锗、硅、锑化铟、砷化铟型半导体材料：锗、硅、锑化铟、砷化铟特性特性尺寸小、特别是尺寸小、特别是厚度很小厚度很小，可以放到磁场的空隙中，因而很方便；，可以放到磁场的空隙中，因而很方便；输出信号大，灵敏度可达输出信号大，灵敏度可达12mV/mA-T12mV/mA-T输出电阻小输出电阻小，只有，只有0.51000.5100欧姆欧姆建立霍尔电势的时间极短（建立霍尔电势的时间极短（1010-12-1210101414s s），高频测量），高频测量应用应

27、用 直接测量：磁场直接测量：磁场B B、电流、电流I I 间接测量：位移、厚度、重量、转速间接测量：位移、厚度、重量、转速5 5 霍尔传感器霍尔传感器开关型霍尔传感器开关型霍尔传感器p原理原理在传感器内用在传感器内用稀土磁钢稀土磁钢给霍尔器件建立初始磁场给霍尔器件建立初始磁场磁偏置磁偏置传感器前面有铁磁物体时，引起该磁场发生变化传感器前面有铁磁物体时，引起该磁场发生变化霍尔器件检测、转换成一个交变信号，内置电路进行放大、霍尔器件检测、转换成一个交变信号，内置电路进行放大、整形，输出整形，输出开关型霍尔传感器开关型霍尔传感器OCH41输入频率：输入频率：0 020KHz 20KHz 输出信号：输

28、出信号：0 020V20V矩形脉冲矩形脉冲工作电源：工作电源：12V 12V 24VDC/20mA 24VDC/20mA 推荐安装间隙推荐安装间隙0.80.81.2 mm1.2 mm5 5 霍尔传感器霍尔传感器霍尔式转速传感器霍尔式转速传感器p测转速、流速测转速、流速5 5 霍尔传感器霍尔传感器开关型霍尔传感器开关型霍尔传感器p测位置测位置发动机曲轴位置检测发动机曲轴位置检测飞轮上有飞轮上有1212个槽，个槽，4 4个槽为一组，分为三个槽为一组，分为三组，每组相隔组，每组相隔120120，每组中的每个槽也，每组中的每个槽也相隔相隔2020飞轮上每组槽通过传感器时，传感器将产飞轮上每组槽通过传感

29、器时，传感器将产生四个脉冲信号生四个脉冲信号每组信号，可被每组信号，可被ECUECU用来确定两缸活塞的用来确定两缸活塞的位置位置各个缸活塞接近上止点的时刻各个缸活塞接近上止点的时刻控制喷油和点火控制喷油和点火5 5 霍尔传感器霍尔传感器触发轮齿式霍尔曲轴位置传感器触发轮齿式霍尔曲轴位置传感器 霍尔电流传感器霍尔电流传感器p结构：带有结构：带有缝隙缝隙的环形电磁铁的环形电磁铁+霍霍尔元件尔元件p原理：电磁铁缝隙中磁场大小与通原理：电磁铁缝隙中磁场大小与通入电流成正比入电流成正比霍尔元件检测霍尔元件检测p漏磁影响消除：第二个线圈的连接漏磁影响消除：第二个线圈的连接方式是使得它的磁场对抗第一个线方式

30、是使得它的磁场对抗第一个线圈的磁场作用。合成的磁感应强度圈的磁场作用。合成的磁感应强度则用一霍尔传感器来探测则用一霍尔传感器来探测磁场强度磁场强度霍尔电压霍尔电压调节电流调节电流I I2 200磁场磁场II2 2=N=N1 1/N/N2 2.I.I1 15 5 霍尔传感器霍尔传感器N1IlN2I2 霍尔式损伤检测霍尔式损伤检测p结构：永久磁铁结构：永久磁铁+钢丝绳钢丝绳+霍尔元件霍尔元件p原理：原理：钢丝绳中的断丝会改钢丝绳中的断丝会改变永久磁铁产生的磁场变永久磁铁产生的磁场p霍尔霍尔元件检测磁场变化，元件检测磁场变化，产产生一个脉动电压信号生一个脉动电压信号断断丝根数及断丝位置丝根数及断丝位

31、置霍尔效应钢丝断丝检测装置1钢丝绳 2霍尔元件 3永久磁铁5 5 霍尔传感器霍尔传感器热电效应热电效应 当当不同材料不同材料的两导体和的的两导体和的两个结点处温度不同两个结点处温度不同时时，则回路中产生热电势，则回路中产生热电势n接触电势接触电势：接触点电子密度不相同而形成的电位差：接触点电子密度不相同而形成的电位差e eABAB（t t）n温差电势：温差电势：金属导体两端温度不同而可产生的热电金属导体两端温度不同而可产生的热电势势e eA A（t,tt,t0 0）等温时为零等温时为零n热电偶回路热电势热电偶回路热电势 e eABAB（t,tt,t0 0）金属金属A A和温度和温度t t分别表

32、示热电偶的正极和分别表示热电偶的正极和测量端测量端, ,后面的金属后面的金属B B和温度和温度t t0 0分别表示热电偶的负极和参分别表示热电偶的负极和参考端考端 0000,ttetettetetteAABBABAB导导体体A导导体体B teAB 0teAB0,tteA0,tteB高温端高温端t低温端低温端t06 热电偶传感器热电偶传感器中间导体中间导体定律定律 在热电偶回路中加入第三种导体在热电偶回路中加入第三种导体C C，只要其两端温度相同，热电偶产，只要其两端温度相同，热电偶产生的热电势保持不变生的热电势保持不变不受第三金属接入的影响不受第三金属接入的影响6 热电偶传感器热电偶传感器Ct

33、 tABt t0 0t t0 0eAB(t)eBC(t0)eCA(t0)eB(t, t0)eA(t, t0)00,ttetteABABC 可以在热电偶回路中接入仪表以便检测热可以在热电偶回路中接入仪表以便检测热电势的大小从而测出温度电势的大小从而测出温度 相对另一种相对另一种金属金属C（标准电极）（标准电极）的热电势为的热电势为已知的金属已知的金属A和和B，它们组成的热电偶，其，它们组成的热电偶，其热电势为它们对金属热电势为它们对金属C热电势的代数和热电势的代数和 建立通用建立通用（相对标准电极）（相对标准电极）分度表分度表000000,ABACCBABACBCet tet tet tet t

34、et tet t热电偶连接热电偶连接接入仪表接入仪表开路开路热电偶热电偶 只要只要A、B电极接入处温度一致电极接入处温度一致 任意焊接、任意连接任意焊接、任意连接工作端工作端t参考端参考端t0工作端工作端t参考端参考端t0工作端工作端t参考端参考端t0金属壁面金属壁面工作端工作端t参考端参考端t0液态金属液态金属6 热电偶传感器热电偶传感器冷端温度冷端温度补偿补偿冷端：参考冷端：参考/比端、自由端比端、自由端t0热电偶的热电势的大小不仅与工作端温热电偶的热电势的大小不仅与工作端温度有关，而且与冷端温度有关度有关，而且与冷端温度有关只有当只有当冷端温度不变冷端温度不变时，热电势才是热时，热电势才

35、是热端温度的单值函数端温度的单值函数n定点法定点法恒温法恒温法把冷端置于恒温器中，使其维持在一恒把冷端置于恒温器中，使其维持在一恒定温度下，最常用冰槽定温度下，最常用冰槽精度很高，比较麻烦，仅限于实验室用精度很高，比较麻烦，仅限于实验室用)(,0tCtftteAB 水水 银银 温温 度度 计计 试试 管管 变变 压压 器器 油油 冰冰 水水 化化 合合 物物 6 热电偶传感器热电偶传感器冷端温度补偿冷端温度补偿n补偿电桥法补偿电桥法 在热电偶回路中在热电偶回路中串联一电势串联一电势U=e(t0,0)原理：电桥输出与原理：电桥输出与环境温度环境温度/冷端变化冷端变化成正比成正比 补偿补偿环境环境

36、温度对热电偶的影响温度对热电偶的影响电桥补偿：电桥补偿：在在0C时，电桥平衡，输出为时，电桥平衡，输出为U=0如果如果环境温度上升环境温度上升，热电偶输出热电偶输出热电势数值要热电势数值要降低降低电桥中桥臂电阻电桥中桥臂电阻Rcu随温度上升而增大，使电桥输出随温度上升而增大，使电桥输出电压增加电压增加，它与前者迭加可起到补偿作用，它与前者迭加可起到补偿作用eUt0t0tbdaR1cRsRCuteR3R26 热电偶传感器热电偶传感器热电偶分类热电偶分类n热电偶热电偶材料性能材料性能要求要求 物理化学性能稳定、电阻温度系数小、机械性能好、灵敏度高、物理化学性能稳定、电阻温度系数小、机械性能好、灵敏

37、度高、复现性好、线性关系等复现性好、线性关系等n热电偶分类热电偶分类按其热电势与温度的关系以及使用性能可分为：按其热电势与温度的关系以及使用性能可分为：常用热电偶和特常用热电偶和特殊热电偶殊热电偶按其适应的温度范围不同可分为：按其适应的温度范围不同可分为：高、中温热电偶和低温热电偶高、中温热电偶和低温热电偶按其结构型式不同可分为：按其结构型式不同可分为：铠装式、插入式和裸线式热电偶铠装式、插入式和裸线式热电偶 一般热电偶的一般热电偶的灵敏度随温度降低而明显下降灵敏度随温度降低而明显下降。这是热电偶进行低。这是热电偶进行低温测量的主要困难温测量的主要困难.6 热电偶传感器热电偶传感器热电偶分类热

38、电偶分类分度号分度号6 热电偶传感器热电偶传感器热电偶分类热电偶分类6 热电偶传感器热电偶传感器名称名称特点特点测温范围测温范围灵敏度灵敏度铂铑铂热电偶铂铑铂热电偶中高温度计中高温度计物理化学性能稳定，测量精物理化学性能稳定，测量精度高，常用于精密温度测量度高，常用于精密温度测量和作为基准温度计使用和作为基准温度计使用30030013001300室温下室温下6 uV/6 uV/镍铬镍硅热电偶镍铬镍硅热电偶中高温度计中高温度计化学性能很稳定，灵敏度高、化学性能很稳定，灵敏度高、成本低，价格低廉成本低，价格低廉10010010001000室温下室温下41 uV/41 uV/镍铬康铜热电偶镍铬康铜热

39、电偶中低温温度计中低温温度计综合了镍铬镍硅热电偶和综合了镍铬镍硅热电偶和铜康铜热电偶的一些优点铜康铜热电偶的一些优点灵敏度高、价格便宜灵敏度高、价格便宜液氮温区液氮温区80K80K500500室温下室温下70 uV/70 uV/铜康铜热电偶铜康铜热电偶中低温温度计中低温温度计性能稳定，复现性好，而且性能稳定，复现性好，而且价格便宜价格便宜80K80K室温室温室温下室温下40uV/40uV/镍铬金铁热电偶镍铬金铁热电偶中低温温度计中低温温度计稳定性好，热导率低，适合稳定性好，热导率低，适合于低温测量于低温测量1K1K30K30K1K1K下下10 uV/10 uV/为铜康的为铜康的3030倍倍16

40、.273 KC热热电电偶偶分分度度表表6 热电偶传感器热电偶传感器e(t, 0)= e(t, t0)+e(t0,0)热电偶优点热电偶优点结构简单、制作方便、价格低廉、测温范围宽、正结构简单、制作方便、价格低廉、测温范围宽、正确度高确度高流体、固体、及表面温度均可用它测量流体、固体、及表面温度均可用它测量微型热电偶可用于快速及动态温度测量微型热电偶可用于快速及动态温度测量热电偶缺点：热电偶缺点：需要恒定的冷端温度需要恒定的冷端温度6 热电偶传感器热电偶传感器红外辐射红外辐射7 7 红外探测器红外探测器红外辐射红外辐射温度温度辐射辐射电磁波电磁波温度在绝对零度以上的物体，都会因自身的分子运动而辐射

41、出温度在绝对零度以上的物体，都会因自身的分子运动而辐射出红外线红外线，波长在，波长在0.760.76100m100m物体温度愈高，则辐射到空间去的能量愈多物体温度愈高，则辐射到空间去的能量愈多波长下降波长下降 红外探测器：红外辐射能转换为电能红外探测器：红外辐射能转换为电能 分类：热探测器、光子探测器分类：热探测器、光子探测器 红外线黑体辐射强度与波长及温度之间的关系黑体辐射强度与波长及温度之间的关系7 7 红外探测器红外探测器热探测器：热探测器：热电偶型、气动型、热释电型热电偶型、气动型、热释电型p热电偶型：热电偶型：多对热电偶串连相接多对热电偶串连相接辐射能辐射能红外辐射透镜红外辐射透镜热

42、端热端材料：银材料：银铋、锰铋、锰康铜；镀膜和光刻技术制造薄膜热电堆，锑康铜；镀膜和光刻技术制造薄膜热电堆，锑铋铋7 7 红外探测器红外探测器热电偶冷端置于环境温度下热电偶冷端置于环境温度下热点涂上热点涂上黑层黑层置于辐射中置于辐射中 红外辐射红外辐射透镜透镜透红外窗口透红外窗口吸收薄膜吸收薄膜气室气室柔镜柔镜可见光源可见光源光栅光栅光栅图光栅图像像反射镜反射镜反射镜反射镜光电管光电管透镜透镜热探测器：热探测器：热电偶型、气动型、热释电型热电偶型、气动型、热释电型p气动型气动型吸收红外辐射后，吸收红外辐射后，气室气室的气体温度升高、体积增大的气体温度升高、体积增大柔性镜移动柔性镜移动光栅图像栅

43、状光栏光栅图像栅状光栏相对位移相对位移改变光量改变光量光电管光电管光谱响应波段很宽：从可见光到微波；响应时间为光谱响应波段很宽：从可见光到微波；响应时间为15ms用于实验室内，作为其他红外器件的标定基准用于实验室内，作为其他红外器件的标定基准 7 7 红外探测器红外探测器铁电体绝缘电阻负载热探测器：热探测器：热电偶型、气动型、热释电型热电偶型、气动型、热释电型p热释电型热释电型热释电效应：热释电效应：在红外辐射下，由于温度升高，引起在红外辐射下，由于温度升高，引起铁电体铁电体极化强度下极化强度下降，即降，即表面电荷减少表面电荷减少，这相当释放一部分电荷，这相当释放一部分电荷 转换元件：转换元件

44、：热释电晶体热释电晶体（锆钛酸铅等（锆钛酸铅等 ）转换电路：转换电路：热释电晶体热释电晶体与负载电阻联接，在红外辐射下，负载与负载电阻联接，在红外辐射下，负载电阻两端就有信号输出电阻两端就有信号输出自动门自动门/水龙头水龙头/安检安检7 7 红外探测器红外探测器光子探测器 光子探测器光子探测器photon detector 辐射能量是以微粒形式存在的辐射能量是以微粒形式存在的光子或光子或量子量子光电效应：光电效应：光子与半导体材料直接作用，产光子与半导体材料直接作用，产生生内光电效应内光电效应，使得载流子，使得载流子(电子空穴对电子空穴对)增加增加而产生光致电动势而产生光致电动势 光电、光电导

45、及光生伏打光电、光电导及光生伏打等探测器等探测器探测率高、响应快（微秒探测率高、响应快（微秒/纳秒级）纳秒级）选择性：光子能量与选择性：光子能量与波长波长有关系，所以有关系，所以光子探测器仅对具有足够能量的光子有光子探测器仅对具有足够能量的光子有响应，存在着对光谱响应的选择性响应，存在着对光谱响应的选择性光子探测器通常在光子探测器通常在低温条件低温条件下工作下工作测温仪、航空扫描仪、热象仪测温仪、航空扫描仪、热象仪 入射到结内的光子产生电子空穴对 7 7 红外探测器红外探测器红外探测器比较红外探测器比较性能性能热点堆热点堆气动型气动型热释电型热释电型光子探测器光子探测器响应波段响应波段可见光到微波可见光到微波 138m214m探测率探测率1x1091x1010(3-10)1010(0.1-5)1010响应时间响应时间15ms10-2s10-5s工作温度工作温度300K70300K应用应用其它红外器件其它红外器件标定基准标定基准光谱仪、测温光谱仪、测温仪、红外摄像仪、红外摄像测温仪、航空扫测温仪、航空扫描仪、热象