传感器应用(正在出版中)重点

1、、八前言传感器是电子智能设备中不可缺少的部分， 也是自动控制领域检测信号的手段。 应用电 子技术、 机电一体化、 自动控制等专业的学生必须掌握传感器的使用技能。 目前各类传感器 教材都偏重于理论的讲授，缺乏实践技能的训练，不适合高职院校的学生。本教材顺应高等职业教育的发展， 根据高职高专人才培养目标的要求， 注重实践技能的 培养。 全书共分三个部分 ,第一篇讲授传感器基本知识 ,为后面的项目制作提供理论基础 .第二 篇进行传感器应用电路制作 ,共分 5 个项目，通过电子温度计的制作、电子秤的制作、测距 仪的制作、流量计的制作、厚度测试仪的制作5 个项目的实施，介绍了常用的温度、压力、位移、 厚

2、度、流量等传感器的原理、 结构以及使用方法。 每一个项目都提供了详细的应用电 路，学生边学边做、边做边学，教、学、做一体，全面训练学生的实践技能。第三篇介绍一 些新型传感器 ,让学生了解传感器领域的新技术 .本书由李敏担任第一主编 ,夏继军担任第二主编 ,宋武、温锦辉担任副主编。本书教学情 景 3、教学情景 4 由李敏编写，教学情景 1 、教学情景 2、第三篇由夏继军编写，第一篇、 教学情景 5 由宋武编写， 教学情景 6由温锦辉编写。 本书编写过程中， 得到了许多专家和同 行的大力支持和帮助，在此一并表示衷心感谢。由于时间仓促和水平有限，书中难免存在错误和不妥之处，恳请广大读者批评指正。编者

3、2011年 2 月目录第一篇 传感器的基础知识 错 误！未定义书签。一、传感器的定义 错 误！未定义书签。二、传感器的分类 错 误！未定义书签。三、传感器的基本特性 错 误！未定义书签。四、传感器发展展望 错 误！未定义书签。五、传感器的标定 错 误！未定义书签。第二篇 常见传感器应用电路制作 4学习情境 1：电子温度计的制作 4【学习情境要求】 4【学习情境目标】 4【知识准备】 5一热电偶传感器工作原理 5二热电偶的基本定律 6三热电偶的材料、结构及种类 6四热电偶的冷端补偿 9五工程应用 12【热电偶的性能测试】 13【电子温度计电路组装与调试】 15【知识拓展】 17一热电阻传感器测量

4、温度 17二红外传感器测量温度 19【课外作业】 21【附表】常用热电阻、热电偶分度表 22学习情境 2：电子秤的制作 错 误！未定义书签。【学习情境要求】 错 误！未定义书签。【学习情境目标】 错 误！未定义书签。【知识准备】 错 误！未定义书签。一电阻应变片的种类与结构 错 误！未定义书签。二应变片的工作原理 错 误！未定义书签。三应变片的常用材料及粘贴技术 错误！未定义书签。四测量电路 错 误！未定义书签。五电阻应变片温度误差及补偿 错误！未定义书签。【应变片的性能测试】 错 误！未定义书签。【电子秤的电路组装与调试】 错 误！未定义书签。【知识拓展】 错 误！未定义书签。一自感式传感器

5、 错 误！未定义书签。二互感式传感器 错 误！未定义书签。【课外作业】 错 误！未定义书签。学习情境 3：测距仪的制作 错 误！未定义书签。【学习情境要求】 错 误！未定义书签。【学习情境目标】 错 误！未定义书签。【知识准备】 错 误！未定义书签。一超声检测的物理基础 错 误！未定义书签。二超声波探头 错 误！未定义书签。三超声波检测技术的应用 错 误！未定义书签。【超声波传感器的性能测试】 错 误！未定义书签。【测距仪电路组装及调试】 错 误！未定义书签。一压电传感器 错 误！未定义书签。二光电传感器 错 误！学习情境 4：厚度测试仪的制作 错 误！【学习情境要求】 错 误！【学习情境目标

6、】 错 误！【知识准备】 错 误！一霍尔元件工作原理 错 误！二霍尔元件的主要特性参数 错 误！三霍尔元件的测量电路及补偿 错误！四霍尔传感器的应用 错 误！【霍尔传感器的性能测试】 错 误！【测厚仪电路组装及调试】 错 误！【知识拓展】 错 误！一光纤传感器 错 误！二电容传感器 错 误！三微波传感器 错 误！【课外作业】 错 误！学习情境 5：流量计的制作 错 误！学习情境要求 错误！ 学习情境目标 错 误！知识准备 错误！一 . 差压式流量计测量流量的工作原理 错 误！二 . 差压式流量计 错 误！三 . 差压计 错 误！差压式流量计传感器性能检测 错误！流量计测量电路组装及调试 错误！

7、知识拓展 错误！一、容积式流量计测流量 错 误！二、速度式流量计测流量 错 误！三、质量流量计 错 误！课外作业】 错 误！学习情境 6：灭火机器人的制作传感器的综合应用 错误！【学习情境要求】 错 误！【学习情境目标】 错 误！灭火机器人电路组装与调试】 错 误！一确定系统方案 错 误！搭建各电路单元 错 误！第三篇 新型传感器介绍 错 误！一、微波传感器 错 误！二、图像传感器 错 误！未定义书签。 未定义书签。 未定义书签。 未定义书签。 未定义书签。 未定义书签。 未定义书签。 未定义书签。 未定义书签。 未定义书签。 未定义书签。 未定义书签。 未定义书签。 未定义书签。 未定义书签

8、。 未定义书签。 未定义书签。 未定义书签。 未定义书签。 未定义书签。 未定义书签。 未定义书签。 未定义书签。 未定义书签。 未定义书签。 未定义书签。 未定义书签。 未定义书签。 未定义书签。 未定义书签。 未定义书签。 未定义书签。 未定义书签。 未定义书签。 未定义书签。 未定义书签。 未定义书签。 未定义书签。 未定义书签。 未定义书签。三、生物传感器 错 误！第二篇 常见传感器应用电路制作学习情境 1：电子温度计的制作温度是基本物理量之一， 其表示物体的冷热程度， 自然界中任何物理、 化学过程都紧密 地与温度相联系。 它是工农业生产和科学实验中需要经常测量和控制的主要参数， 也是

9、与人 们日常生活紧密相关的一个重要物理量。在国民经济各部门，如电力、化工、机械、冶金、 农业、 医疗等各部门以及人们日常生活中， 温度检测与控制是十分重要的。 在国防现代化及 科学技术现代化中，温度的精确检测及控制更是必不可少的。常用的温度检测传感器有：热电偶、热电阻、红外线及集成温度传感器等。温度传感 器有两种主要类型：一是接触式温度传感器，其具有体积小、准确度高、复现性和稳 定性好等优点， 但其测量上限受感温元件耐温程度的限制， 测温范围一般为 -270 1800 C,如热电偶、热电阻及集成温度传感器；二是非接触测温，其测量上限不受感温元件 耐温程度的限制，因而对最高可测温度原则上没有限制

10、。对于1800 C以上的高温，主要采用非接触测温方法， 如红外线温度传感器。 在工业生产中应用最多的是热电偶温 度传感器，现以热电偶温度传感器为例制作一个电子温度计。学习情境要求】1.制作一个电子温度计，测量范围为0C+100 C，其分辨力为1C,测量精度1 % RDt I字。2 .利用液晶显示测量值。学习情境目标】知识目标：1 .掌握热电偶的工作原理、常用的两个基本定律23456 能力目标：.熟悉工业热电偶的种类和几种常用热电偶的特性.掌握热电偶温度补偿原理及常用补偿方法.掌握常用铂、铜热电阻的特性和热电阻传感器的三线制接法.熟悉半导体热敏电二的特性及典型应用 .了解红外传感器测温知识1 .

11、能熟练使用热电偶传感器进行温度测量2 素质目标：.能熟练使用热电阻传感器进行温度测量1 .培养耐心细致的工作态度23.培养严谨扎实的工作作风 .培养团结协作的合作能力【知识准备】一.热电偶传感器工作原理热电偶温度传感器将被测温度转化为mV级热电动势信号输出，属于自发电型传感器，测温范围为-270 1800C。测温时需将热电偶通过连接导线与显示仪表相连接组成测温系 统，实现远距离温度自动测量、显示、记录、报警和控制等，图2.1所示的温度检测系统应用非常广泛。1.热电效应将两种不同的导体或半导体两端相接组成闭合回路，如图2.2所示，当两个接点分别置于不同温度t、to(tt o)中时，回路中就会产生

12、一个热电动势，这种现象称为热电效应。两 种导体称为热电极，所组成的回路称为热电偶，热电偶的两个工作端分别称为热端和冷端。热电偶测温系统示意图图2.1图2.2热电偶回路F面以导体为例说(2.2 )热电偶回路中导热电偶回路产生的热电动势由接触电动势和温差电动势两部分组成, 明热电动势的产生。(1) 接触电动势当A, B两种不同导体接触时，由于两者电子密度不同(设 NANB)，从A扩散到B的 电子数要比从B扩散到A的电子数多，于是在A、B接触面上形成了一个由 A到B的静电场。 该静电场的作用一方面阻碍了A导体电子的扩散运动，同时对B导体电子的扩散运动起促进作用，最后达到动态平衡状态。这时A, B接触

13、面所形成的电位差称为接触电动势，其大小分别用eAE(t)、eAE(to)表示。接触电动势的大小与接点处温度高低和导体的电子密度有关。温度越高，接触电动势越大；两种导体电子密度的比值越大，接触电动势越大。(2) 温差电动势将一根导体的两端分别置于不同的温度t、to (tto)中时，由于导体热端的自由电子具有较大的动能，使得从热端扩散到冷端的电子数比从冷端扩散到热端的多，于是在导体两端便产生了一个由热端指向冷端的静电场。与接触电势形成原理相同，在导体两端产生了温差电动势，分别用 eA(t , to )、eB(t , to)表示。温差电动势的大小与导体的电子密度及两端温度有关。2热电偶回路总热电动势

14、热电偶回路的总热电动势包括两个接触电动势和两个温差电动势，即Eab (t, to) =eAB (t)- eAB (to) - eA(t, to)+eB(t, to)(2.1 )由于热电偶的接触电动势远远大于温差电动势，且t to,所以总热电动势的方向取决于eAB(t)，故式(2.1)可以写为EAB(t, to)=eAB(t)-eAB(to)显然，热电动势的大小与组成热电偶的导体材料和两接点的温度有关。 体电子密度大的称为正极，所以A为正极，B为负极。当热电偶两电极材料确定后，热电动势便是两接点温度 t 和 to 的函数差，即EAB （t，to）=f（t） - f（to）（2.3 ）如果使冷端温

15、度 to 保持不变，热电动势就成为热端温度 t 的单一函数，即EAB（t, to）=f（t）-C=gt）（2.4 ）热电偶的热电动势与温度的对应关系通常使用热电偶分度表（见表2.3至表 2.6）查询。但应注意分度表是在 to=0 C时编制的。可见当冷端温度 to 恒定时，热电偶产生的热电动势只与热端的温度有关，即只要测得 热电动势，便可确定热端的温度 to 由此得到有关热电偶的几个结论： 热电偶必须采用两种不同材料作为电极，否则无论导体截面如何、温度分布如何， 回路中的总热电动势恒为零。 若热电偶两接点温度相同，尽管采用了两种不同的金属，回路总电动势恒为零。 热电偶回路总热电动势的大小只与材料

16、和接点温度有关，与热电偶的尺寸、形状无 关。二热电偶的基本定律1中间导体定律 在热电偶回路中接入第三种导体， 只要第三种导体和原导体的两接点温度相同， 则回路 中总的热电动势不变。热电偶的这种性质在工业生产中是很实用的， 例如可以将显示仪表或调节器作为第三种 导体直接接入回路中进行测量， 也可以将热电偶的两端不焊接而直接插入液态金属中或直接 焊在金属表面进行温度测量。如果接入的第三种导体两端温度不相等， 热电偶回路的热电动势将要发生变化， 变化量 的大小取决于导体的性质和接点的温度。 因此，在测量过程中必须接入的第三种导体不宜采 用与热电偶热电性质相差很大的材料， 否则， 一旦该材料两端温度有

17、所变化， 热电动势的变 化将会很大。2中间温度定律热电偶在两接点温度t, to时的热电动势等于该热电偶在接点温度为t, tn和tn, to时的热电动势的代数和，即EAB （t， to）=EAB（t， tn）+EAB（tn， to）（ 2.5 ）当 to=0, tn= to 时，上式可写成EAB （t， 0）=EAB（t， to） +EAB （to ， 0）（2.6 ）热电偶测温时通常冷端温度 toM0,这时就可以利用分度表和式 1.6求出Eab （t, 0）,从而 确定被测温度 t。同时， 中间温度定律也为补偿导线的使用提供了理论依据。 若热电偶的两热电极被两根 导体延长，只要接入的两根导体组

18、成的热电偶的热电特性与被延长的热电偶的热电特性同， 且它们之间连接的两点温度相同， 则总回路的热电动势与连接点温度无关， 只与延长以后的 热电偶两端的温度有关。热电偶的基本定律还有参比电极定律、均质导体定律。三热电偶的材料、结构及种类1热电偶材料 由金属的热电效应原理可知，热电偶的热电极可以是任意金属材料，但在实际应用中，用做热电极的材料应具备如下几方面的条件:(1) 测量范围广。要求在规定的温度测量范围内具有较高的测量精确度、较大的热电动 势，温度与热电动势的关系是单值函数。(2) 性能稳定。要求在规定的温度测量范围内使用时热电性能稳定，有较好的均匀性和 复现性。(3) 化学性能好。要求在规

19、定的温度测量范围内使用时有良好的化学稳定性、抗氧化或 抗还原性能，不产生蒸发现象。满足上述条件的热电偶材料并不很多。目前，我国大量生产和使用的、性能符合专业标准或国家标准并具有统一分度表的热电偶材料称为定型热电偶材料，共有6个品牌。它们分别是铂铑30-铂铑6、铂铑10-铂、镍铬一镍硅、镍铬一镍铜、镍铬一镍铝、铜一铜镍。此外， 我国还生产一些未定型的热电偶材料，如铂铑13 一铂、铱铑40-铱、钨铼5 一钨铼20及金铁热电偶、双铂钼热电偶等。这些非标热电偶应用于一些特殊条件下的测温，如超高温、极低温、高真空或核辐射等环境。2热电偶结构热电偶温度传感器广泛应用于工业生产过程中的温度测量，根据其用途和

20、安装位置不 同，它具有多种结构形式。(1)普通工业热电偶普通工业热电偶通常由热电极、绝缘管、保护套管和接线盒等几个主要部分组成，其结构如图2.3所示。L(总畏度)1 一测量端；2 一热电极；3 一绝缘管；4 一保护套管；5 一接线盒图2.3普通工业热电偶结构 热电极：又称偶丝，它是热电偶的基本组成部分。用普通金属做成偶丝，其直径一般为0.53.2mm ;用贵重金属做成的偶丝，直径一般为0.30.6mm。偶丝的长度由工作端插入在被测介质中的深度来决定，通常为3002000mm,常用的长度为 350mm。 绝缘管：又称绝缘子，是用于防止热电极之间及热电极与保护套之间互相短路而进行绝缘保护的零件。形

21、状一般为圆形或椭圆形，中间开有2个、4个或6个孔，偶丝穿孔而过。材料为黏土质、高铝质、刚玉质等，材料选用视使用的热电偶而定。 保护套管：保护套管是用于保护热电偶感温元件免受被测介质化学腐蚀和机械损伤 的装置，形状一般为圆柱形。保护套管应具有耐高温、耐腐蚀、导热性好的特性，可以用做保护套管的材料有金属、非金属及金属陶瓷三大类。金属材料有铝、黄铜、碳钢、不锈钢等，其中ICrl8Ni9Ti不锈钢是目前热电偶保护套管使用的典型材料；非金属材料有高铝质(A1 203的质量分数为85%90%)、刚玉质(A1 203的质量分数为99%)，使用温度都在1300 C以上； 金属陶瓷材料有氧化镁加金属钼，使用温度

22、在1700 C,且在高温下有很好的抗氧化能力，适用于钢水温度的连续测量。 接线盒：热电偶的接线盒用于固定接线座和连接外界导线，起着保护热电极免受外界环境侵蚀和保证外接导线与接线柱接触良好的作用。接线盒一般由铝合金制成，根据被测介质温度对象和现场环境条件要求，可设计成普通型、防溅型、防水型、防爆型等接线盒。(2)铠装热电偶它是由金属套管、绝缘材料和热电极经焊接密封和装配等工艺制成的坚实组合体。金属套管材料可以是铜、不锈钢(ICrl8Ni9Ti)或镍基高温合金(GH30)等；绝缘材料常使用电熔氧 化镁、氧化铝、氧化铍等的粉末；而热电极无特殊要求。套管中热电极有单支(双芯)、双支(四芯)，彼此间互不

23、接触。中国已生产S型、R型、B型、K型、E型、J型和铱铑40铱等铠装热电偶，套管最长可达100 m以上，管外径最细能达 0.25mm。铠装热电偶已达到标准化、系列化。铠装热电偶具有体积小、热容量小、动态响应快、可挠性好、柔软性良好、 强度高、耐压、耐震、耐冲击等许多优点，因此被广泛应用于工业生产过程。铠装热电偶接线盒的结构，根据不同的使用条件，有不同的形式，如简易式、带补偿导线式、插座式等，选用时可参考有关资料。3.热电偶种类(1)标准型热电偶所谓标准型热电偶是指制造工艺比较成熟、应用广泛、能成批生产、性能优良而稳定并已列入工业标准化文件中的热电偶。由于标准化文件对同一型号的标准型热电偶规定了

24、统一的热电极材料及其化学成分、热电性质和允许偏差，故同一型号的标准型热电偶互换性好， 具有统一的分度表，并有与其配套的显示仪表可供选用。国际电工委员会1975年向世界各国推荐了 7种标准型热电偶。我国生产的符合IEC标准的热电偶有6种，如表1.1所示。在热电偶的名称中，正极写在前面，负极写在后面。表2.1热电偶特性表名 称龙度号代号(L)loot时的热电幼驛(mV)特点B(LL-2)WRR50-12800.003懈点高，测据上堪髙性能勒定iooru 下梢电动势微小，可不餐考虑衿端补尚怖刚贲热电 动势小】只限于高温域的洲量分度号代呂UXTC时的撫电讷势f mV）特恵(PR)-50 1768G_6

25、47便用丄附皎高.榊匮岛，性龍锁运，垃现性好旧册 电动势不能在金JW利还陳性气屮便用.在高型 下性用特性盎趣草变坏，恤品贵；察用于SCLB-3.)WRP50-L76R0.646同上，性樋不如R翌捕电偶.种怏期収来作拘国际SH 标的法疋标相熱电偶K(EU-2)WRN13704;095杓电訪箱犬蚁性野，铉宦性好，价廉,侗材成駁硬， 在igyc關上悅期怔用会引猊黒电动势摞移】歩用于N13702.744& 榊靳里施电偶.各项性能忙于偶，适舟 3工业嘉HE(EA-2)WRK-270氐3円热电动勢比K璧热电偶大5魄左右,战性歸，耐高 说.价廉4世不能用于证慷性汽俸t券用十工业剧址铁-铜锐JUC)-2107

26、603.2W价辑低廉在还原性气怵山较粗定；程炖氛易堆膚型 和赣比耳爭冃于工灿测抵庸铜T(CK)WRC4.279输廉，加工性能好，高敬性小，宜腕程逹戦性好” 稍度岛：铜在高蟲时易般抵化，测魁匕腿低】券用F低 ifl城钢呈*可竹-濒加：迅吱的旷就标朮（2）非标准型热电偶非标准型热电偶包括铂铑系、铱铑系及钨铼系热电偶等。铂铑系热电偶有铂铑20 一铂铑5铂铑40 一铂铑20等一些种类，其共同的特点是性能稳定， 适用于各种高温测量。铱铑系热电偶有铱铑 40 一铱、铱铑60 一铱。这类热电偶长期使用的测温范围在2000 C以下，且热电动势与温度线性关系好。钨徕系热电偶有钨铼 3 一钨铼25,钨铼5 一钨铼

27、20等种类，最高使用温度受绝缘材料的限制，目前可达2 500C左右，主要用于钢水连续测温、反应堆测温等场合。（3）薄膜热电偶薄膜热电偶是由两种金属薄膜连接而成的一种特殊结构的热电偶，它的测量端既小又 薄，热容量很小，动态响应快，可用于微小面积的温度测量和快速变化的表面温度测量。薄膜热电偶测温时需用胶黏剂紧粘在被测物表面，所以热损失很小，测量精度高。由于使用温度受胶黏剂和衬垫材料限制，目前只能用于-200300 C范围内。四.热电偶的冷端补偿由热电偶的工作原理可知， 热电偶所产生的热电动势不仅与热端温度有关，而且还与冷端的温度有关。只有当冷端温度恒定时，热电动势才是热端温度的单值函数。由于热电偶

28、分度表是以冷端温度为 0C时做出的，因此在使用时要正确反映热端温度（被测温度），最好设法使冷端温度恒为 0 C,否则将产生测量误差。但在实际应用中，热电偶通常靠近被测对 象，且受到周围环境温度的影响，其冷端温度不可能恒定不变。为此，必须采取一些相应的措施进行补偿或修正，以消除冷端温度变化和不为0C所产生的影响。常用的方法有以下几种。1补偿导线法热电偶由于受到材料价格的限制一般做得比较短（除铠装热电偶外），冷端距测温对象很近，使冷端温度较高且波动较大，这时就需要采用补偿导线将冷端延伸至远离温度对象而 温度恒定的场所（如控制室或仪表室）。补偿导线由两种不同性质的廉价金属材料制成，在0150 C温度

29、范围内与配接的热电偶具有相同的热电特性。 补偿导线起到了延伸热电极的作用， 达到了移动热电偶冷端位置的 目的，如图2.4所示。A , B 一热电偶电极； A、B一补偿导线；to热电偶原冷端温度；to 一热电偶新冷端温度图2.4补偿导线在测温回路中的连接补偿导线的型号由两个字母组成，第一个字母与配用热电偶的型号相对应，第二个字母表示补偿导线的类型。补偿导线分为延伸型(X)和补偿型(C)两种。延伸型补偿导线选用的金属材料与热电极材料相同；补偿型补偿导线所选金属材料与热电极材料不同。表1.2列出了常用热电偶补偿导线。表2.2常用热电偶补偿导线补偿导址醛号配用撫电偶补偿寻红材料朴偿导线绝嫌展肅色正棍负

30、板正极负极SCS啊範昔金虹色KCK舉事合金红色竟色KXK紆色黒色EX红色JXJ铜輝台*红色TXT审棵合金红色白邑2 计算修正法在实际应用中，冷端温度并非一定为0C,所以测出的热电动势是不能正确反映热端实际温度的。为此，必须对温度进行修正。修正公式采用中间温度定律的式(2.6):Eab (t, 0)=Eab (t, to)+EAB(to , 0)【例】用镍铬一镍硅热电偶测炉温，当冷端温度为30C(且为恒定时)，测出热端温度为t时的热电动势为39.17 mV,求炉子的真实温度。解：设炉子真实温度为t，已知冷端温度to=30 C,则热电偶测得的热电势为E(t, to)=E(t, 30)=39.17

31、mV查镍铬一镍硅热电偶分度表：E(30, 0)=1.20 mV根据中间温度定律：E(t, 0)=E(t, 30)+E(30 , 0)=39.17+1.20=40.37 mV再查镍铬一镍硅热电偶分度表可知40.37 mV所对应的温度为 977C，因此炉子真实温度为：t=977C。3 显示仪表机械零位调整法当热电偶冷端温度已知且恒定时 （toM 0C）,工程上常用一种简单方便的机械零位调整 法，进一步对温度测量值进行校正。 即在未工作之前，预先将有零位调整器的温度显示仪表 的指针从刻度的初始值（机械零位）调至已知的冷端温度值上即可。调整仪表的机械零位相当于预先给仪表输入电动势Eab（to, 0）,

32、测量过程中热电偶回路产生热电势EAB（t，to），这时显示仪表接收的总热电势为 Eab（ to, 0），所以仪表的示值即为 被测温度。当冷端温度发生变化时，应及时断电，重新调整仪表的机械零点至新的冷端温度处。4 补偿电桥法补偿电桥法是利用不平衡电桥产生的不平衡电势去补偿因热电偶冷端温度变化而引起 的热电动势的变化，它可以自动地将冷端温度校正到补偿电桥的平衡点温度上。补偿器（补偿电桥）的应用如图1.5所示，桥臂电阻 Ri、R2、R3、Rcu与热电偶冷端处于相同的温度环境。Ri、R2、R3均为由锰铜丝绕制的 1Q电阻，Rcu是用铜导线绕制的温度 补偿电阻，经稳压电源提供的桥路直流电源E=4 V。R

33、s是限流电阻，阻值大小与配用的热电偶有关。1 一热电偶；2 一补偿导线；3 一铜导线；4 一补偿电桥图2.5热电偶冷端补偿电桥一般Rcu阻值应使不平衡电桥在20C（平衡点温度）时处于平衡，此时RC0 =1 Q，电桥平衡，不起补偿作用。冷端温度变化（设to减小）时，热电偶热电动势 Ex将变化E（t，to）-E（t，20）=E（20，to）， 此时电桥平衡被破坏。若适当选择Rcu的大小，使Uab= -E（20，to），与热电偶热电动势叠加后，则外电路总电动势 UAB = EAB（t，20）而不随冷端温度变化。如果采用仪表机械零位调整法 进行校正，则仪表机械零位应调至冷端温度补偿电桥的平衡点温度（2

34、0 C）处，这样即使冷端温度不断变化也不必重新调整。冷端补偿电桥可以单独制成补偿器通过外线与热电偶和后续仪表连接，而它更多是作为后续仪表的输入回路，与热电偶连接。5.冰浴法冰浴法通常用于实验室或精密的温度测量，如图2.6所示。将热电偶的冷端置于温度为 0C的恒温器内（如冰水混合物），使冷端温度处于 0C。AA;C图2.6冰浴法五.工程应用K型热电偶温度显示仪表1 000 C的加热炉，设热电偶20 C。要求分别用普通铜导【任务】在一个实际的镍铬一镍硅热电偶测温系统中，配用 (带补偿电桥)显示被测温度的大小。测温对象是炉膛温度为 冷端温度为50 C,显示仪表所在的控制室远离加热炉，室温为线和K型热

35、电偶补偿导线将热电偶与显示仪表连接进行测温，测量结果是多少？所测温度 数据是否能反映炉膛真实温度， 为什么？热电偶测温元件在安装时应注意什么？热电偶如何 校验？【实施方案】 在执行该任务前，必须弄清楚普通铜导线与补偿导线之间的本质差别。普通铜导线的作用是将现场热电偶所产生的热电势信号传递到控制室，仅此而已；而补偿导线起到了延伸热电极的作用， 与加长热电偶效果相当， 因此，补偿导线把热电偶的冷端位置移 动了。由镍铬-镍硅热电偶分度表可以查出热电偶相关数据。冷端温度为0C,热端温度为冷端温度为0C,热端温度为冷端温度为0C,热端温度为1 000C时的热电动势：E(1 000 , 0)=41.269

36、 mV50C时的热电动势：E(50, 0)=2.022 mV20C时的热电动势：E(20, 0)=0.798 mVt=1000 C,冷端 to=50 C。根据1. 用普通铜导线连接普通铜导线连接时，热电偶的热端感受加热炉炉膛温度 中间温度定律，热电偶测温系统所产生热电势为E(t, to)=E(1000, 50)=E(1000 , 0)- E(50, 0)=41.269-2.022= 39.247 ( mV)显示仪表接收39.247 mV电动势后，显示温度为948.4 0C。这时产生了测量误差：绝对误差 At=948.4-1000=-51.6 C相对误差 尸-5.16%2. 用补偿导线连接用补偿

37、导线连接后，热电偶的热端同样感受加热炉炉膛温度t=1000 C,而冷端己经被延长至仪表控制室内，所以这时to=20 C。同理，热电偶测温系统所产生热电动势为E(t, to) = E(1000 , 20)=E(1000 , 0)- E(20, 0)=41.269-0.798=40.471 ( mV)显示仪表接收40.471 mV电动势后，显示温度为979.6 C。测量误差为：绝对误差 At = 979.6 -1000= - 20.40C相对误差尸-2.04%可见，采用补偿导线连接时的测量结果更接近于真实温度，因此补偿导线广泛应用于工业测温场合。3. 补偿导线与其他补偿方法结合通过比较， 采用补偿

38、导线连接比用铜导线连接测量更准确， 但这时显示温度与炉膛的真 实温度之间仍然存在误差， 这就需要采用计算法、 机械零位调整法等其他补偿方法做进一步 校正。例如，采用机械零位调整法，在测量之前将显示仪表的机械零位调整到to=20 C,这时测温系统总热电势为 E（1000, 20）+E（20, 0）=E（1000, 0）=41.269 mV,显示温度为1 000 C。显然，在仅需粗略估计被测对象温度的场合，选用与热电偶型号一致的补偿导线即可； 若需准确测温，还须将多种补偿方法组合起来加以应用。【提示】 在使用补偿导线时必须注意以下问题： 补偿导线只能在规定的温度范围内（一般为0150 C）与热电偶

39、的热电特性相同或相近。 不同型号的热电偶有不同的补偿导线。 热电偶和补偿导线的两个接点处的温度应一致。 补偿导线的正、负极应与热电偶的正、负极分别对应连接。 补偿导线起延伸热电偶作用，可以将其温度变化的冷端移至温度恒定的场所。当冷端to和C时，还需进行其他补偿与修正。4. 热电偶测温元件的安装 安装地点要选择在便于施工维护、不易受外界损伤的位置。 应尽可能垂直安装，以防保护管在高温下变形。被测介质流动时，应将其安装在管 道中心线上，并与被测流体的方向相对。管道有弯道时，应尽量安装在管道弯曲处。 插入深度可按实际需要决定，但浸入介质中的长度应大于保护管外径的810倍。 露在设备外的部分应尽量短并

40、考虑加装保温层，以减小热量损失造成的测量误差。 安装在负压管道或容器上时，安装处应密封良好。 接线盒的盖子应尽量在上面，防止被水浸入。 若装在含有固体颗粒和流速很高的介质中时，为防止长期受冲刷而损坏，可在前面 加装保护管。 在管道上安装时，要在管道上安装插座，插座材料与管道材料一致。 承受压力的热电偶应保证密封良好。5. 热电偶校验一般采用计算机控制的高温炉连续检定。 根据被检对象要求接好线， 然后按类型选择键 （对应热电偶型号）确定标定方式（用标定键选择整百度或温标定义的固定点），再通过键盘键输入必要的参数。 按下运行键， 装置即可开始自动检定工况。 检定装置首先打印出输入 的参数，供检定人

41、员核对，然后自动控制升温到第 1 个预定的检定点。 待温度场稳定后， 按 第1 点至第 5点及第 5点至第 1点的顺序巡回采样， 计算并打印出该点的检定结果， 然后自 动升温到第 2 个检定点， 再进行检定打印， 直到最后一个检定点检定打印完毕， 这时检定装 置会显出“ END ”，同时发出音响报警，经过一定时间后将自动切断检定炉电源。【热电偶的性能测试】一测试目的了解热电偶的原理及现象。 （热电效应）二测试器材-15V 不可调直流稳压电源、差动放大器（增益最大） 、F/V 表（切换开关置 2V 挡）、加 热器、热电偶、水银温度计（自备） 、主副电源。三测试步骤1 熟悉热电偶原理：将两种不同的

42、导体或半导体两端相接组成闭合回路，当两个接点 分别置于不同温度 t、to（ tt 0）中时，回路中就会产生一个热电动势，这种现象称为热电 效应。两种导体称为热电极， 所组成的回路称为热电偶，热电偶的两个工作端分别称为热端和冷端。2熟悉热电偶在实验仪上的位置及符号，实验仪所配的热电偶是由铜一一康铜组成的 简易热电偶，分度号为 T,它封装在双孔悬臂梁的下片梁的加热器里面（不可见）。实验仪有两个热电偶，它封装在双平行梁的上片梁的上表面（在梁表面中间二根细金属丝焊成的一点，就是热电偶）和下片梁的下表面，二个热电偶串联在一起产生热电势为二者的总和。3按图2.7接线，开启主、副电源，调节差动放大器调零旋钮

43、，使F/V表显示零，记录下自备温度计的室温。电热偶 差放F/V表F/ V表显示值4将15V直流电源接入加热器的一端，加热器的另一端接地，观察 的变化，待显示值稳定不变时记录下F/V表显示的读数 E。5 温度测量：（1）用自备的温度计测出上梁表面热电偶处的温度ti并记录下来。（注意：温度计的测温探头不要触到应变片，只要触及热电偶处附近的梁体即可）。（2）用自备的温度计测出下梁表面加热器处的温度t2并记录下来。（注意：温度计的测温探头不要触到应变片，只要触及热电偶处附近的梁体即可）。6 .根据热电偶的热电势与温度之间的关系式：Eab（t,to）=Eab（t,t n）+Eab（t n,to）其中：t

44、热电偶的热端（工作端或称测温端）温度；tn 热电偶的冷端（自由端即热电势输出端）温度也就是室温； to0C。热端温度为t,冷端温度为室温时热电势。Eab（t,tn）=（f/v显示表E）/100 x 2（100为差动放大器的放大倍数，2为二个热电偶串联）。热端温度为室温，冷端温度为0C,铜康铜的热电势：Eab（t n,to）:查附表的热电偶自由端为0C时的热电势和温度的关系即铜-康铜热电偶分度表，得到室温（温度计测得）时 热电势。计算：热端温度为t，冷端温度为 0 C时的热电势，Eab（t,to）,根据计算结果，查分度表得到温度to7热电偶测得温度值与自备温度计测得温度值相比较。（注意：本实验仪

45、所配的热电偶为简易热电偶，并非标准热电偶，只要了解热电势现象）。&实验完毕，关闭主、副电源，尤其是加热器一15V电源（自备温度计测出温度后马上拆去-15V电源连接线），其他旋钮置原始位置。四测试结果表2.3热电偶原理检测数据表to室温tn热端温度(上梁)ti热端温度(下梁)t2电动势E0 C0 C0 C将测试数据填入上表2.3中，验证公式 Eab(t,to)=Eab(t,tn)+Eab(tn,to)是否成立。【电子温度计电路组装与调试】步骤1确定系统方案利用热电偶温度传感器组成的测量电路测出温度变化的电压信号，以模拟信号的方式传送到前置差动放大电路，差动放大器电路把传感器输出的微弱信号进行一定

46、倍数的放大，然后送如A/D转换器中。再由A/D转换电路把接收到的模拟信号转换成数字信号，传送到显示电路，最后由显示电路显示数据。步骤2搭建各电路单元1 热电偶温度传感器的测量电路电热偶差放F/”表丄图2.72.差动放大电路h图2.8到郸机AID梏人3. AID转换电路及显示电路（单片机）传胭解.f克一iX-IIT105.膩T时-PWPB和PD1PB跚GPEAiAMlP8W7血PAJJPFD吨PUPMPC1PA7JSCLFWVMPktmP馬ZPAMNTPA4ITNR0SQ 隹nMANJPB啊PB1/M1OKIPC2PC1VSSKO4B4.K25 DLEV岬L2.L-0、pfl ElW LEblH

47、LED!iM；炉 I.H:i-.niUM LEDIM Ll-D(nrir-K图2.9步骤3 电路调试在实际工作中，要求电路的供电电压为5V 5%如果测量显示值大于某一个超限值，对应的控制端口就会立即输出高电平。传感器一般都有一定的误差，可以微调一下前置放大电路中的电位器来校正。如果传感器发生开路故障，显示就会出现+5V，如果传感器及其引线发生了短路，显示就会立即出现0V。为了防止传感器出现开路或者短路之后可能会引起的不良后果，此时， 控制输出端口都会优先关闭。【知识拓展】一.热电阻传感器测量温度除热电偶传感器外，热电阻温度传感器也是一种应用非常广泛的热电式传感器。利用导体或半导体的电阻值随温度

48、的变化而变化的特性来测量温度的感温元件叫热电阻。它可用于测量-200500 C范围内的温度。目前热电阻的应用范围已扩展到 15K的超低温领域，同时 在10001200 C温度范围内也有足够好的特性。1金属热电阻大多数金属导体的电阻都具有随温度变化的特性。其特性方程式如下Rt=Rol+ at-to)( 2.7)式中，Rt, Ro分别为热电阻在tC和0C时的电阻值，a为热电阻的电阻温度系数(1/C)。对于绝大多数金属导体，a并不是一个常数，而是温度的函数。但在一定的温度范围内，a可近似地看做一个常数。不同的金属导体，a保持常数所对应的温度范围不同。选做感温元件的材料应满足如下要求：材料的电阻温度系

49、数 a要大。a越大，热电阻的灵敏度越高；纯金属的a比合金的高，所以一般均采用纯金属做热电阻元件；在测温范围内，材料的物理、化学性质应稳定；在测温范围内，a保持常数，便于实现温度表的线性刻度特性；具有比较大的电阻率，以利于减 小热电阻的体积，减小热惯性；特性复现性好，容易复制。比较适合以上要求的材料有铂、铜、铁和镍。铂热电阻铂的物理、化学性能非常稳定，是目前制造热电阻的最好材料。铂电阻主要作为标准电阻温度计，广泛应用于温度的基准、标准的传递。它的长时间稳定的复现性可达10-4K,是目前测温复现性最好的一种温度计。铂的纯度通常用 W(100)表示，即R 00W(100)=-R7式中，Rioo为水沸

50、点(100 C)时的电阻值，Ro为水冰点(0C)时的电阻值。W(100)越高，表示铂丝纯度越高。国际实用温标规定：作为基准器的铂电阻，其比值W(100)不得小于1.3925。目前技术水平已达到W(100)=1.393 0,与之相应的铂纯度为99.9995%,工业用铂电阻的纯度 W(100)为1.387-1.390。铂丝的电阻值与温度之间的关系在0630.755 C范围内时Rt=R(1+At+Bt )(2.8)在-1900 C范围内时23Rt=R0 1+At+Bt +C(t-100)t :(2.9)式中，Rt, R0分别为温度tC和0C时铂的电阻值，A, B, C为常数，对于 W(100)=1.

51、391 有 A=3.968 47 X 10 -3/ C, B= -5.847 10-7/C 2, C= -4.22 氷0-% 4。目前，我国常用的铂电阻有两种，分度号Pt100和Pt10,最常用的是Pt100, R(0 C )=100.00 Q,分度表见附表。铂电阻一般由直径为 0.050.07 mm的铂丝绕在片形云母骨架上，铂丝的引线采用银线，引线用双孔瓷绝缘套管绝缘，如图2.10所示。I(a)截面图(b)结构图1 一银引出线；2 一铂丝；3 一锯齿形云母骨架：4 一保护用云母片；5 一银绑带；6 一铂电阻横断面；7 一保护套管；8 一石英骨架图2.10铂热电阻的构造(2)铜电阻当测量精度要

52、求不高，温度范围在-50150C的场合，普遍采用铜电阻。铜电阻阻值与温度呈线性关系，可用下式表示Rt=Ro(l+ a)(2.10)式中，Rt为tC时的电阻值，R0为0C时的电阻值，a为铜电阻温度系数，a=4.25 X 10-3/C-3 o4.28 X0 /Co铜热电阻体的结构如图 2.11所示，它由直径约为 0.1mm的绝缘电阻丝双绕在圆柱形塑 料支架上。为了防止铜丝松散，整个元件经过酚醛树脂(环氧树脂)的浸渍处理，以提高其 导热性能和机械固紧性能。铜丝绕组的线端与镀银铜丝制成的引出线焊牢，并穿以绝缘套管或直接用绝缘导线与之焊接。/1J1 4、1./ 1L1l 一线圈骨架；2 一铜热电阻丝；3

53、 一补偿组；4 一铜引出线图2.11铜热电阻体目前，我国工业上用的铜电阻分度号为Cu50和Cu100,其R(0 C )分别为50Q 和 100 Q铜电阻的电阻比 R(100C )/R(0 C )=1.428 .002。分度表见附表。(3) 其他热电阻随着科学技术的发展，近年来对于低温和超低温测量提出了迫切的要求，开始出现一些新型热电阻，如铟电阻、锰电阻等。 铟电阻它是一种高精度低温热电阻。铟的熔点约为150C在4.215K温度域内其灵敏度比铂的高10倍，故可用于不能使用铂的低温范围。其缺点是材料很软，复制性很差。 锰电阻在263K的低温范围内，锰电阻的阻值随温度变化很大，灵敏度高：在21 6K的温度范围内，电阻率随温度平方变化。磁场对锰电阻的影响不大，且有规律。锰电阻的缺点是脆性很大，难以控制成丝。2 半导体热敏电阻半导体热敏电阻是利用半导体的电阻值随温度显著变化的特性制成的。在一定的范围内通过测量热敏电阻阻值的变化情况， 就可以确定被测介质的温度变化情况。 其特点是灵敏度 高、体积小、反应快。半导体热敏电阻基本可以分为两种类型。 负温度系数热