传感器及检测技术教案

1、绪论教学基本要求学会传感器的基础知识。掌握各类传感器的基本特性和工作原理、典型测量电路。了解各类传感器的典型应用。传感器处于研究对象与测试系统的接口位置,即检测与控制系统之首。因此，传感器成为感知、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，都要通过传感器获取并通过它转换为容易传输与处理的电信号。所以，80年代以来，世界各国都将传感器技术列为重点发展的高技术，倍受重视。传感器技术是材料学、力学、电学、磁学、微电子学、光学、声学、化学、生物学、精密机械、仿生学、测量技术、半导体技术、计算机技术、信息处理技术、乃至系统科学、人工智能、自动化技术等众多学科相互交叉的综合性高新技术

2、密集型前沿技术，广泛应用于航空航天、兵器、信息产业、机械、电力、能源、交通、冶金、石油、建筑、邮电、生物、医学、环保、材料、灾害预测预防、农林渔业、食品、烟酒制造、建筑、汽车、舰船、机器人、家电、公共安全等领域。 传感器技术与通信技术、计算机技术构成信息科学技术的三大支柱。21世纪是人类全面进入信息电子化的时代，随着人类探知领域和空间的拓展，使得人们需要获得的自然信息的种类日益增加，需要信息传递的速度加快，信息处理能力增强，因此要求与此相对应的信息获取技术即传感技术必须跟上信息化发展的需要。1、 自动检测与自动控制系统在电力、冶金、石化、化工等流程工业中，生产线上设备运行状态关系到整个生产线流

3、程。通常建立24小时在线监测系统。 石化企业输油管道、储油罐等压力容器的破损和泄露检测。图示为汽车出厂检验原理框图，测量参数包括润滑油温度、冷却水温度、燃油压力及发动机转速等。通过对抽样汽车的测试，工程师可以了解产品质量。2、 汽车与传感器 高级轿车需要用传感器对温度、压力、位置、距离、转速、加速度、湿度、电磁、光电、振动等进行实时准确的测量，一般需要301 00种传感器。3、传感器与家用电器自动电饭锅、吸尘器、空调器、电子热水器、风干器、电熨斗、电风扇、洗衣机、洗碗机、照相机、电冰箱、电视机、录像机、家庭影院全自动洗衣机中的传感器：衣物重量传感器，衣质传感器，水温传感器，水质传感器，透光率光

4、传感器(洗净度) 液位传感器，电阻传感器(衣物烘干检测)。楼宇控制与安全防护为使建筑物成为安全、健康、舒适、温馨的生活、工作环境，并能保证系统运行的经济性和管理的智能化。在楼宇中应用了许多测试技术，如闯入监测、空气监测、温度监测、电梯运行状况。图示为某公司楼宇自动化系统。该系统分为：电源管理、安全监测、照明控制、空调控制、停车管理、水/废水管理和电梯监控。4、 传感器在机器人上的应用机械手、机器人中的传感器 转动/移动位置传感器、力传感器、视觉传感器、听觉传感器、接近距离传感器、触觉传感器、热觉传感器、嗅觉传感器。 AGV自动送货车 超声波测距传感器、判断建筑物内人和物所在位置；红外线色彩传感

5、器运动轨迹和AGV小车位置识别；条形码传感器，货品识别。2003年9月，全球现场直播埃及金字塔世界最古老石棺的考古挖掘进程，可能揭开古埃及金字塔内部结构之谜。一个小机器人通过了埃及最大的金字塔内一条狭窄的通道，试图揭开4600年前的秘密。它的探秘之行以发现了又一道封闭的石门而告终。 5、 传感器在生物医学上的应用对人体的健康状况进行诊断需要进行多种生理参数的测量。 国内已经成功地开发出了用于测量近红外组织血氧参数的检测仪器。人类基因组计划的研究也大大促进了对酶、免疫、微生物、细胞、DNA、RNA、蛋白质、嗅觉、味觉和体液组份以及血气、血压、血流量、脉搏等传感器的研究。 7、传感器与环境保护保护

6、环境和生态平衡，实现可持续发展，必须进行大气监测和江河湖海水质检测，需要大量用于污水流量、PH值、电导、浊度、COD、BOD、TP、TN、矿物油、氰化物、氨氮、总氮、总磷、金属离子浓度特别是重金属离子浓度以及风向、风速、温度、湿度、工业粉尘、烟尘、烟气、SO2、NO、O3、CO等参数测量的传感器，这些传感器中大多数亟待开发。 9、 军事领域先进的科学技术总是最先被应用于战争。以坦克、飞机、军舰为标志的作战平台是传统的主战兵器，各类传感器不过是配属的保障设施。而当前由信息技术发展推动的军事革命把重点从作战平台转向如何观察战场、怎样传递所观察到的战场情况、怎样运用那些性能优越的精确武器的问题上来，

7、从重视军舰、坦克和飞机转为重视信息获取技术和信息获取装置的作用，传感器、通信以及精确制导武器等已在战争中至关重要的作用。海湾战争中，伊拉克在科威特战区部署了4280辆坦克，多国部队只有3800辆坦克。但结果是伊拉克的坦克89被毁，而多国部队的坦克仅损失20辆。这种悬殊的损毁比，正是由于双方信息优势及精确制导武器方面的明显差距造成的。由近期的几场高技术条件下的局部战争可以看到，随着新军事革命浪潮的到来，高度信息化的武器平台已经开始发挥战场主导作用。数字化战争需要利用全方位、多手段的传感器系统感知和收集战场各种信息，对这些信息进行判读、分析、综合与管理，实现“传感器-控制器-武器”一体化。战场生物

8、传感器不但能准确识别各种生化战剂，而且可与计算机配合，及时提出最佳防护和治疗方案，还可通过测定炸药、火箭推进剂的降解情况来发现敌人库存弹药的数量和位置，成为侦察的有效手段。 在未来战争中，新一代精确化和智能化的常规武器和电子武器可能在实质上取代核武器的位置。智能武器把巨大的杀伤力和极高的精确性相结合，将会使军事机构思考未来战争的方式发生革命。 高技术常规武器成为比核武器更可靠的手段，打了不用管的制导炮弹能像导弹那样捕捉和跟踪目标，射程远，威力大，价格低，命中率高，具有子母弹的打击能力，以及破甲弹、动能弹的攻击方式。 10、传感器与农业21世纪的农业将是知识密集、技术密集的产业，设施农业可以有效

9、提高农业生产效益和增强抗灾能力，借助温室及其配套装置来调节和控制作物生产环境条件，摆脱自然制约，以达到高产、高效、优质。信息获取手段是实现高水平设施农业的关键技术之一，设施农业用传感器的品种较多，主要用于温度、湿度、土壤干燥度、CO2、光照度、土壤养分等参数的测量。信息获取技术还在农田和果园生产、农业生物学研究、农药残留量检测等方面得到了广泛的应用。第一章 检测技术基础 1. 传感器的定义传感器是指能感受规定的被测量并按一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。所以传感器又称为敏感元件、检测器件、转换器件等。传感器的输出量通常是电信号，它便于传输、转换、处理、显示等。电信号有很多形式，如电压、电

10、流、电容、电阻等，输出信号的形式通常由传感器的原理确定。如在电子技术中的热敏元件、磁敏元件、光敏元件及气敏元件，在机械测量中的转矩、转速测量装置，在超声波技术中的压电式换能器等都可以统称为传感器。2. 传感器的基本组成 传感器的基本功能是检测信号和进行信号转换，因此传感器通常由敏感元件和转换元件构成。 3. 传感器的分类 一般情况下，对某一物理量的测量可以使用不同的传感器，而同一传感器又往往可以测量不同的多种物理量。所以，传感器从不同的角度有许多分类方法。目前一般采用两种分类方法：一种是按被测参数分类，如对温度、压力、位移、速度等的测量，相应的有温度传感器、压力传感器、位移传感器、速度传感器等

11、；另一种是按传感器的工作原理分类。按检测对象：温度、压力、位移等。按传感器原理或反应效应：光电、压电、热阻等。按传感器材料分类：半导体，有机、无机材料，生物材料。按应用领域：化工、纺织、电力、交通等。按输出信号形式：模拟和数字。2.2传感器的基本特性在检测控制系统和科学实验中，需要对各种参数进行检测和控制，而要达到比较优良的控制性能，则必须要求传感器能够感测被测量的变化并且不失真地将其转换为相应的电量，这种要求主要取决于传感器的基本特性。传感器的基本特性主要分为静态特性和动态特性。一静态特性：是指传感器的输入为不随时间变化的恒定信号或缓慢变化时，传感器的输出与输入之间的关系。传感器的静态特性可

12、以用代数方程和其特性指标来描述。1. 数学描述：如果不考虑迟滞及蠕变效应，其静态特性可用下列代数方程来表示：蠕变：固体材料在保持应力不变的条件下，应变随时间延长而增加的现象。式中 决定特性曲线的形状和位置的系数，一般通过传感器的校准试验数据经曲线拟合求得，可正可负。理想线性情况下：传感器的静态特性指标主要是通过校准试验来获取的。所谓校准试验，就是在规定的试验条件下，利用一定等级的校准设备，给传感器加上标准的输入量而测出其相应的输出量，如此进行反复测试，得到输出-输入数据一般用表列出或曲线画出。2. 特性指标：主要包括线性度、灵敏度、迟滞、重复性、分辨力、漂移、稳定性、阈值等。(1)线性度：反应

13、传感器输出量与输入量之间数量关系的线性程度，指传感器输出量与输入量之间的实际关系曲线偏离拟合直线的程度。定义为在全量程范围内实际特性曲线与拟合直线之间的最大偏差值max 与满量程输出值之比。线性度也称为非线性误差，用 表示即： (2)灵敏度：灵敏度是传感器静态特性的一个重要指标，其定义为输出量的增量y与引起该增量的相应输入量增量x之比。用S表示灵敏度，即，它表示单位输入量的变化所引起传感器输出量的变化，显然，灵敏度S值越大，表示传感器越灵敏，如下图所示。对线性传感器：S是一个常数，对非线性传感器，S是个变量，表示某一工作点的灵敏度。(3)迟滞：传感器在输入量由小到大(正行程)及输入量由大到小(

14、反行程)变化期间其输入输出特性曲线不重合的现象称为迟滞，如图所示。对于同一大小的输入信号，传感器的正反行程输出信号大小不相等，这个差值称为迟滞差值。迟滞误差: 传感器在全量程范围内最大的迟滞差值与满量程输出值之比，用表示，即 产生迟滞现象的主要原因是由于传感器敏感元件材料的物理性质和机械零部件的缺陷所造成的。例如弹性敏感元件弹性滞后、运动部件摩擦、传动机构的间隙、紧固件松动等。迟滞误差又称为回差或变差。(4)重复性：重复性是指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程度，如图所示。重复性误差：属于随机误差，常用标准差计算，也可用正反行程中最大重复差值计算。即：（1）

15、或（2）公式（1）中 分别求出全部校准数据与其相应行程的标准偏差，然后计算。前的系数取2时，误差完全依正态分布，置信率95%；取3时置信率99.73%(5)分辨力：用来表示传感器或仪表装置能够检测被测量最小变化量的能力，通常以最小量程的单位值表示。当被测量变化值小于分辨力时，传感器无反应。(6)漂移：传感器的漂移是指在输入量不变的情况下，传感器输出量随着时间变化，此现象称为漂移。产生漂移的原因有两个方面：一是传感器自身结构参数；二是周围环境(如温度、湿度等)。最常见的漂移是温度漂移，即周围环境温度变化而引起输出量的变化，温度漂移主要表现为温度零点漂移和温度灵敏度漂移。温度漂移通常用传感器工作环

16、境温度偏离标准环境温度(一般为20)时的输出值的变化量与温度变化量之比()来表示，即 式中 t工作环境温度t与偏离标准环境温度之差，即；传感器在环境温度t时的输出；传感器在环境温度时的输出。(7)稳定性: 传感器在相当长的时间内仍保持其性能的能力，在室温条件下，经过规定的时间间隔后，传感器的输出与起始标定时的输出之间的差异。(8)阈值：传感器产生可测输出变化量时的最小被测输入量值。二. 动态特性动态特性是指传感器的输入为随时间变化的信号时，传感器的输出与输入之间的关系。传感器的动态特性可通过动态数学模型和动态特性指标来描述。在实际检测中大量的被测量是随时间变化的动态信号，传感器的输出不仅需要能

17、精确测量被测量的大小，而且能显示被测量随时间变化的规律。评价一个传感器的优劣，须从静态和动态两方面的特性来衡量。1. 动态数学模型的描述：由于被测量是随时间变化的动态信号，用线性常系数微分方程来描述传感器输出量与输入量的动态关系： （2-1）式中与传感器的结构特性有关的常系数，对于常见的传感器，其动态模型通常可用零阶、一阶、二阶的常微分方程来描述，分别称为零阶系统、一阶系统、二阶系统。零阶系统：当式（2-1）中除了外，其他系数均为零，则，即 ，传感器静态灵敏度或放大系数，系统为零阶系统。一阶系统：当式（2-1）中除了外，其他系数均为零，则即为 ，系统为一阶系统或惯性系统。时间常数， 静态灵敏度

18、。不带套管热电偶测温系统可看作一介系统。 二阶系统：二阶系统的微分方程：，改写为：阻尼比，静态灵敏度，系统的固有频率。二阶系统分为两种情况：二阶惯性系统（特征方程为两个负实根）和二阶振荡系统（特征方程为一对带实部的共轭复根）。如带有套管热电偶、RLC振荡电路均可看作二阶系统。用微分方程作为传感器的数学模型的优点是：通过求解微分方程容易分清暂态分量和稳态分量。求解微分方程很麻烦，通常用传递函数来研究传感器的动态特性。2. 动态特性的主要指标：研究传感器的动态特性有时需要从时域对传感器的响应和过度过程进行分析，在进行时域分析时常用的标准输入信号有阶跃信号和脉冲信号。时域单位阶跃响应性能指标和频域频

19、率特性性能指标。单位阶跃响应性能指标l 二阶传感器：二阶传感器的单位阶跃响应在很大程度上取决于阻尼比和固有频率。 由传感器结构参数决定，它即为等幅振荡的频率，越高，传感器的响应越快。如图1所示为衰减振荡的二阶传感器输出的单位阶跃响应曲线，单位阶跃响应的性能指标主要有： 二阶传感器的单位阶跃响应曲线峰值时间振荡峰值所对应的时间；最大超调量响应曲线偏离稳态值的最大值；上升时间响应曲线从稳态值的10%上升到稳态值的90%所需的时间；延迟时间响应曲线上升到稳态值的50%所需的时间；调节时间响应曲线进入并且不再超出误差带所需要的最短时间。误差带通常规定为稳态值的5% 或2% ；稳态误差系统响应曲线的稳态

20、值与希望值之差。l 一阶传感器如图2所示 为一阶传感器输出的单位阶跃响应曲线，单位阶跃响应的性能指标主要有：时间常数一阶传感器输出上升到稳态值的63.2%所需的时间；延迟时间传感器输出达到稳态值的50%所需的时间；上升时间传感器输出达到稳态值的90%所需的时间。 一阶传感器的单位阶跃响应曲线 一、二阶传感器时域动态响应特性 频域频率特性性能指标一阶传感器频率特性如图所示，主要指标：时间常数、截止频率。截止频率：幅值下降到，它反映传感器的响应速度，截止频率越高，传感器的响应速度越快。对一阶传感器，其截止频率为。2.3 传感器的标定和校准一.基本概念1.标定：是利用某种标准器具对新研制或生产的传感

21、器进行全面的技术检定和标度。2.校准：是指对传感器在使用中和储存后进行的性能再次测试。标定的基本方法是利用标准仪器产生已知的非电量并输入到待标定的传感器中，然后将传感器的输出量与输入的标准量进行比较从而得到一系列标准数据或者曲线。实际应用中输入的标准量可以用标准传感器检测得到，即将待标定的传感器与标准传感器进行比较。传感器的标定是通过实验建立传感器输入量与输出量之间的关系。同时，确定出不同使用条件下的误差关系。二. 传感器的标定工作分类(1)新研制的传感器需进行全面技术性能的检定，用检定数据进行量值传递，同时检定数据也是改进传感器设计的重要依据。(2) 经过一段时间的储存或使用后对传感器的复测

22、工作。对传感器进行标定，是根据实验数据确定传感器的各项性能指标，实际上也是确定传感器的测量精度。标定传感器时，所用的测量仪器的精度至少要比被标定的传感器的精度高一个等级。这样，通过标定确定的传感器的静态性能指标才是可靠的，所确定的精度才是可信的。三. 静态标定静态标定是指在输入信号不随时间变化的静态标准条件下，对传感器的静态特性如灵敏度、线性度、滞后和重复性等指标的检定。静态标定的目的是确定传感器的静态特性指标，如线性度、灵敏度、滞后和重复性等。四动态标定动态标定主要是研究传感器的动态响应。常用的标准激励信号源是正弦信号和阶跃信号。动态标定的目的是确定传感器的动态特性参数，如频率响应、时间常数

23、、固有频率和阻尼比等。五. 标定过程步骤(1) 将传感器全量程(测量范围)分成若干等间距点。(2)根据传感器量程分点情况，由小到大逐渐一点一点地输入标准量值，并记录下与各输入值相对应的输出值。(3)将输入值由大到小一点一点的减小，同时记录下与各输入值相对应的输出值。(4)按(2)、(3)所述过程，对传感器进行正、反行程往复循环多次测试，将得到的输出与输入测试数据用表格列出或画成曲线。(5)对测试数据进行必要的处理，根据处理结果就可以确定传感器的线性度、灵敏度、滞后和重复性等静态特性指标。第2 温度检测温度是一个很重要的物理量，自然界中的任何物理、化学过程都紧密地与温度都联系。在国民经济各部门，

24、如电力、化工、机械、冶金、农业、医学等以及人们的日常生活中，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。温度是表征物体或系统的冷热程度的物理量。温度单位是国际单位制中七个基本单位之一。从能量角度来看，温度是描述系统不同自由度间能量分配状况的物理量；从热平衡观点来看，温度是描述热平衡系统冷热程度的物理量；从分子物理学角度来看，温度反应了系统内部分子无规则运动的剧烈程度。检测温度的传感器与敏感元件很多，本章在简单介绍温标及测温方法的基础上，重点介绍膨胀式温度测量、电阻式温度传感与测试、热电偶温度计、辐射式温度计、石英晶体测温传感器、光导纤维温度计

25、、薄膜热传感器、集成温度传感技术等测温原理及方法。并以高精度K型热电偶数字温度仪表和红外热辐射温度仪表为例简述测温系统的构成。2.1 温标及测温方法2.1.1 温标为了保证温度量值的统一，必须建立一个用来衡量温度高低的标准尺度，这个标准尺度称为温标。温度的高低必须用数字来说明，温标就是温度的一种数值表示方法，并给出了温度数值化的一套规则和方法，同时明确了温度的测量单位。人们一般是借助于随温度变化而变化的物理量（如体积、压力、电阻、热点势等）来定义温度数值，建立温标和制造各种各样的温度检测仪表。下面对常用温标作一简介。一、 经验温标借助于某一种物质的物理量与温度变化的关系，用实验的方法或经验公式

26、所确定的温标称为经验温标。常用的有摄氏温标、华氏温标和列氏温标。1.摄氏温标摄氏温标是把在标准大气压下水的冰点定为零摄氏度，把水的沸点定为100摄氏度的一种温标。在零摄氏度到100摄氏度之间进行100等分，每一等分为1摄氏度，温度符号为。2.华氏温标华氏温标是以当地的最低温度为零华氏度（起点），人体温度为100华氏度，中间等分为100等分，每一等分为1华氏度。后来，人们规定标准大气压下的纯水的冰点温度为32华氏度，水的沸点定为212华氏度，中间划分为180等分。每一等分称为1华氏度。单位符号为。3.列氏温标列氏温标规定标准大气压下纯水的冰融点为0列氏度，水沸点为80列氏度。中间等分为80等分，

27、每一等分分为1列氏度。单位符号为R。摄氏、华氏、列氏温度之间的换算关系为（2.1.1） （2.1.1）式中 C摄氏温度值； F华氏温度值； R列氏温度值。摄氏温标、华氏温标都是用水银作为温度计的测温介质，而列氏温标则是用水和酒精的混合物来作为测温物质的。但它们就是依据液体受热膨胀的原理来建立温标和制造温度计的。忧郁不同物质的性质不同，它们受热膨胀的情况也不同，故上述三种温标难以统一。二、热力学温标1848年威廉汤姆首先提出以热力学第二定律为基础，建立温度仪与热量有关而与物质无关的热力学温标。因是开尔文总结出来的，故又称为开尔文温标，用符号K表示、用于热力学中的卡诺热机是一种理想的几期，实际上能

28、够实现卡诺循环的可逆热机是没有的。所以说，热力学温标是一种理想温标，是不可能实现的温标。三、国际实用温标为了解决国际上温度标准的统一及实用问题，国际上协商决定，建立一种既能体现热力学温度（即能保证一定的准确度），又使用方便、容易实现的温标。这就是国际实用温标，又称国际温标。1968年国际实用温标规定热力学温度是基本温度，用符号T表示，其单位为开尔文，符号位L。1K定义为水三相电热力学的1/273.16，水三相点是指化学纯水在固态、液态及气态三项平衡时的温度，热力学温标规定三相点温度为273.16K。另外，可使用摄氏度，用符号t表示t=T-T0 (2.1.2) 这里摄氏温度的分度值与开氏温度分度

29、值相同，即温度间隔1K等于1。T0是在标准大气压下冰的融化温度，T0=273.15K。即水的三相点的温度比冰点高出0.01K，由于水的三相点温度易于复现，复现精度高，而且保存方便，这是冰点不能比拟的，所以国际实用温度规定，建立温标的唯一基准点为谁的三相点。2.1.2 温度检测的主要方法及分类 温度检测方法一般可以分为两大类，即接触测量法和非接触测量法。接触测量法是测温敏感元件直接与被测介质接触，使被测介质与测温敏感元件进行充分热交换，使两者具有同一温度，达到测量的目的。非接触测量法是利用物质的热辐射原理，测温敏感元件不与被测介质接触，通过辐射和对流实现热交换，达到测量的目的。各种检测方法各有自

30、己的特点和各自的测温范围，常用的测温方法、类型及特点如表2.1.1所示。2. 2 电阻式温度传感器热电阻温度传感器是利用导体或半导体的电阻率随温度变化而变化的原理制成的，实现了将温度变化转化为元件电阻的变化。它主要用于对温度和温度有关的参数进行检测。若按其制造材料来分，有金属（铂、铜和镍）热电阻及半导体热电阻（称为热敏电阻）。下面分别对这两种热电阻进行介绍。2.3.1 金属热电阻传感器一 、热电阻类型金属热电阻主要有铂电阻、铜电阻和镍电阻等，其中铂热电阻和铜热电阻最为常见。1.铂热电阻 铂易于提纯，复制性好好，在氧化介质中，甚至高温下，其物理化学性质极其稳定，但在还原性介质中，特别是高温下很容

31、易被从氧化物中还原出来的蒸汽所污染，使铂丝变脆，并改变了它的电阻与温度的关系。此外，铂是一种贵重金属，价格较贵，尽管如此，从对热电阻的要求来衡量，铂在极大的程度上能满足要求，所以仍然是制造基准热电阻、标准热电阻和工业用热电阻的最好材料。至于它在还原性介质中不稳定的特点可用保护套管设法避免或减轻，铂电阻温度计的使用范围是200850，在铂热电阻和温度的关系如下： 在2000的范围内 Rt=R01+At+Bt2+C(t-100)t3 （2.3.1） 在0850的范围内 Rt=R0(1+At+Bt2) (2.3.2) 式中 Rt温度为t时的阻值; R0温度为0时的阻值；A 常数，为3.9080210

32、-3-1；B常数，为-5.80210-7-2; C常数，为-4.2735010-12 -4。 2.铜热电阻 铜热电阻的温度系数比铂大，价格低，而且易于提纯，但存在着电阻率小，机械强度差等弱点。在测量精度要求不是很高，测量范围较小的情况下，经常采用。 铜热电阻在-50150的使用范围内其电阻值与温度的关系几乎是线性的，可表示为Rt =R0(1+t)式中 Rtt时的阻值； R00时的阻值； 铜电阻的电阻温度系数，=4.2510314.281031 二、热电阻的结构 热电阻主要由电阻体、绝缘套管和接线盒等组成。其结构如图2.3.1所示。电阻体的主要组成部分为：电阻丝、引出线、骨架等。 1.电阻丝 由

33、于铂的电阻率较大，而且相对机械强度较大，通常铂丝的直径在（0.030.07）mm0.005mm之间。可单层绕制，若铂丝太细，电阻体可做得小，但强度低，若铂丝粗，虽强度大，但电阻体打了，热惰性也大，成本高。由于铜的机械强度较低，电阻丝的直径需较大，一般为（0.10.005）mm的漆包铜线或丝包线分层绕在骨架上，并涂上绝缘层而成。由于铜电阻的温度低，故可以重叠多层绕制，一般多用双绕法，即两根丝平行绕制，在末端把两个头焊接起来，这样工作电流从一根热电阻丝进入，从另一根丝反向出来，形成两个电流方向相反的线圈，其磁场方向相反，产生的电感就互相抵消，故又称无感绕法。这种双绕法也有利于引线的引出。 2. 骨

34、架 热电阻丝是绕制在骨架上的，骨架用来支持和固定电阻丝。骨架应使用电绝缘性能好，高温下机械强度高，体膨胀系数小，物理化学性能稳定，对热电阻丝无污染的材料制造，常用的是云母、石英、陶瓷、玻璃及塑料等。 3. 引出线 引出线的直径应当比热电阻丝大几倍，尽量减小引出线的电阻，增加引出线的机械强度和连接的可靠性。对于工业用的铂热电阻一般采用1mm的银丝作为引出线。对于标准的铂热电阻则可采用0.3mm的铂丝作为引出线。对于铜热电阻则常用0.5mm的铜线。 在骨架上绕制好热电阻丝，并焊好引线之后，在其外面加上云母片进行保护，在装入保护套管中，并和接线盒外部导线相连接，即得到热电阻传感器。 三、热电阻传感器

35、的测量电路 热电阻传感器的测量电路常用电桥电路，由于工业用热电阻安装在生产现场，离控制室较远，因此热电阻的引出线对测量结果有较大影响。为了减小或消除引出线电阻的影响，目前，热电阻Rt引出线的连接方式经常采用三线制和四线制，如图2.3.2所示。 1.三线制 在电阻体的一端连接两根引出线，另一端连接一根引出线，此种引出线形式称为三线制。当热电阻和电桥配合使用时，这种引出线方式可以较好地消除引出线电阻的影响，提高测量精度。所以工业热电阻多采用这种方法。 2.四线制在电阻体的两端各连接两根引出线称为四线制，这种引出线方式不仅消除连接线电阻的影响，而且可以消除测量电路中寄生电势引起的误差。这种引出线方式

36、主要用于高精度温度测量。2.3.2 半导体热敏电阻传感器热敏电阻是利用半导体材料的电阻率随温度变化而变化的性质制成的。其常用的半导体材料有铁、镍、锰、钴、钼、钛、镁、铜等的氧化物或其他化合物，根据产品性能的不同，进行不同的配比烧结而成。 一、特性热敏电阻的主要特性有温度特性和伏安特性。1.温度特性热敏电阻按其性能可分为负温度系数NTC型热敏电阻、正温度系数PTC型热敏电阻和临时温度CTR型热敏电阻三种。NTC型、PTC型、CTR型三类热敏电阻的特性如图2.3.3所示，半导体热敏电阻就是利用这种性质来测量温度的。现以负温度系数NTC型热敏电阻为例进行说明。用于测量的NTC型热敏电阻，在较小的温度

37、范围内，其电阻-温度特性关系为是表征热敏电阻材料性能的重要参数。 2.伏安特性 我们把静态情况下热敏电阻上的端电压与通过热敏电阻的电流之间的关系称为伏安特性。它是热敏电阻的重要特性，如图2.3.4所示。 由图2.3.4可见，热敏电阻只有在小电流范围内端电流和电压关系符合欧姆定律；但当电流增加到一定数值时，元件由于温度升高而阻值下降，故电压反而下降，因此，要根据热敏电阻的允许功耗线来确定电流，在测温中电流不能选得太高。 二、热敏电阻的主要参数 选用热敏电阻除要考虑其特性、结构形式、尺寸、工作温度以及一些特殊要求外，还要重点考虑热敏电阻的主要参数，它不仅是设计的主要依据，同时对热敏电阻的正确使用有

38、很强的指导意义。 1.标称电阻值Rh 它是指环境温度为250.2时测得的电阻值，又称冷电阻，单位为。 2.耗散系数H 它是指热敏电阻的温度变化与周围介质的温度相差1时，热敏电阻所耗散的功率，单位为W/。在工作范围内，当环境温度变化时，H随之而变，此外，H大小还和电阻体的结构、形状及所处环境（如介质、密度、状态）有关，因为这些会影响电阻体的热传导。 3.电阻温度系数a 热敏电阻的温度变化1时电阻值的变化率。通常指温标为20时的温度系数，单位为（%）-1。 2.3电阻温度传感器 394.热容C热敏电阻的温度变化1时，所需吸收或释放的热能，单位为j/5.能量灵敏度G它是指热敏电阻的阻值变化1%时所需

39、耗散的功率,单位为W,与耗散系数H、电阻温度系数a之间的关系如下：G=（H/a）100 （2.3.6）6.时间常数它是指温度系数为To的热敏电阻，在忽略其通过电流所产生热量的作用下，突然置于温度为T的介质中，热敏电阻的温度增量达到T=0.63（TTo）时所需时间，它与电容C和耗散系数H之间的关系如下：=C/H （2.3.7）7.额定功率P热敏电阻在规定的条件下,长期连续负荷工作所允许的消耗功率,在此功率下,阻体自身温度不会超过其连续工作所允许的最高温度,单位为W。三、热敏电阻的特点热敏电阻同其他测温元件相比具有以下特点:1.灵敏度高。半导体的电阻温度系数比金属大,一般是金属的十几倍,因此可大大

40、降低对仪器、仪表的要求。2.体积小、热惯性小、结构简单，可根据不同要求，制成各种形状。3.化学稳定性好，机械性能好，价格低廉，寿命长。4.热敏电阻的缺点是复现性和互换性差，非线性严重。测温范围较窄，目前只能达到-50300。四、热敏电阻的应用由于热敏电阻具有许多优点，所以应用范围很广，可用于温度测量、温度控制、温度补偿、稳压稳幅、自动增益调整、气体和液体分析、火灾报警、过荷保护等方面。下面介绍几种主要用法。1.温度测量图2.3.5所示是热敏电阻测温原理图，测量范围为-50300，误差小于0.5吗，图中S1为工作选择开关，“0”、“1”、“2”分别为电压断开、校正、工作三个状态。工作前根据开关S

41、2选择量程,将开关S1置于“1”处,调节电位计Rw使检流计G指示满刻度，然后将S1置于“2”，热敏电阻被接入测量电桥进行测量。2.温度补偿仪表中通常用的一些零件，多数是用金属丝制成的，例如线圈、线绕电阻等，金属一般具有正的温度系数，采用负的温度系数热敏电阻进行补偿，可以抵消由于温度变化所产生的误差。实际应用时，将负温度系数的热敏电阻与锰铜丝电阻并联后再与补偿元件串联，如图2.3.6所示3.温度控制用热敏电阻与一个电阻相串联，并加上恒定的电压，当周围介质温度升到某一数值时，电路中的电流可以有十分之几毫安突变为几十毫安。因此，可以用继电器的热敏电阻代替不随温度变化的电阻。当温度升高到一定值时，继电

42、器动作，继电器的动作反应温度的大小，所以热敏电阻可做温度控制。4.过热保护过热保护分直接保护和间接保护两种。对小电流场合，可把热敏电阻直接串入负载中，防止过热损坏以保护器件。对大电流场合，可通过继电器、晶体管电路等来保护。无论哪种情况，热敏电阻都与被保护器件紧密结合在一起，充分热交换，一旦过热，起保护作用。图2.3.7为几种过热保护实例。2.3薄膜热传感器薄膜热传感器是随着人们对温度信息获取的手段要求越来越高，对温度传感器的超小型化的要求越来越迫切而产生的。由于薄膜热电阻的性能优良，可以替代传统的结构型热传感器，适用于物体表面、快速和小间隙场所的温度测量，因而被广泛地应用于冶金、化工、能源、交

43、通、机电、仪器仪表和科学实验等领域。 2.3.1 金属薄膜热电阻n 基片n 敏感膜n 引线n Wn L 1、薄膜热传感器的结构2.薄膜热电阻的测温机理 铂热电阻在2000范围内的电阻与温度的关系近似地表示，即2.4 热电偶传感器2.4.1 热电偶测量原理 热电偶是目前应用最广泛、发展比较完善的温度传感器,他在很多方面都具备了一种理想温度传感器的条件。一、 热电偶的特点1. 温度测量范围广随着科学技术的发展，目前热电偶的品种较多，他可以测量自-271到+2800以至更高的温度。2. 性能稳定、准确可靠在正确的使用情况下，热电偶的性能是很稳定的，其精度高，测量准确可靠。3. 信号可以远传和记录由于

44、热电偶能将温度信号转换成电压信号，因此可以远距离传递，也可以集中检测和控制。此外，热电偶的结构简单，使用方便，其测量端能做得很小。因此，可以用它来测量“点”的温度。又由于它的电容量小，因此反应速度很快。二、 热电偶的分类1 按热电偶材料分类有廉金属、贵金属、难熔金属和非金属四大类。廉金属中有铁-康铜、铜-康铜、镍铬-考铜、镍铬-康铜、镍铬-镍硅（镍铝）等；贵金属中有铂铑10-铂、铂铑30-铂铑6及有铂铑系以及铱铑系、铱钌系和铂铱系等；难熔金属中有钨铼系、钨钼系、铱钨系和铌钛系等；非金属中又二碳化钨-二炭化钼、石墨-碳化物等。2 按用途和结构分类热电偶按照用途和结构分为普通工业用和专用分类普通工

45、业用的热电偶分为直行，角形和锥形（其中包括无固定装置、螺纹固定装置和法兰固定装置等品种）。专用的热电偶分为钢水测量的消耗式热电偶、多点式热电偶和表面测温热电偶等。三、 热电偶的测温原理热电偶测温是基于热电效应。在两种不同的导体（或半导体）A和B组成的闭合回路中，如果他们两个结点的温度不同，则回路中产生一个电动势，通常我们称这种电动势为热电势，这种现象就是热电效应，如图2.4.1所示。在图2.4.1所示的回路中，两种丝状的不同导体（或半导体）组成的闭合回路，称之为热电偶。导体A和B称之为热电偶的热电极或热偶丝。热电偶的两个结点中，至于温度为T的被测对象中的结点称之为测量端，又称工作端或热端；而温

46、度为参考温度To的另一结点称之为参比端或参考端，又称自由端和冷端。热电偶产生的热电是由接触电势和温差电视两部分组成。1.接触电势接触电势就是由于两种不同导体的自由电子密度不同而在接触处形成的电动势，又称帕尔贴（peltier）电势。在两种不同导体A、B接触时，由于材料不同，两者有不同的电子密度，如NANB，则在时间内，从导体A扩散到导体B的自由电子数比相反方向的多，即自由电子主要从导体A扩散到导体B，这时A导体因失去电子数比相反方向的多，即自由电子主要从导体的A扩散到导体B，这时A导体因失去电子而带正电，B导体因得到电子而带负电，如图2.4.2所示。因此，在接触面上形成了自A到B的内部静电场，

47、产生了电位差，即接触电势。但他不会不断增加，而是很快的稳定在某个值，这是因为电子扩散运动而建立的内部静电场或电动势将产生相反方向的漂移运动，加速电子在反方向的转移，使从B到A的电子速率加快，并阻止电子扩散运动的继续进行，最后达到动态平衡，即单位时间内从A扩散的电子数目等于反方向漂移的电子数目，此时在一定温度（T）下的接触电势EAB(T)也就不发生变化而稳定在某个值上，如图2.4.2所示。其大小可表示为由上式可知，接触电势的大小与温度高低及导体中的电子密度有关，温度越高，接触电势越大；两种导体电子密度的比值越大，接触电势也就越大。2.温差电势温差电势是在同一导体的两端引起温度不同而产生的一种热电

48、势，又称汤姆逊（thomson）电势。设导体两端的温度分别为T和To（TTo），由于高温端（T）的电子能量比低温端（To）的电子能量大，因而从高温端跑到低温端的电子数比从低温端跑到高温段的电子数要多，结果高温端失去电子而带正电荷，低温端得到电子而带负电荷，从而形成了一个从高温端指向低温的静电场。此时，在导体的两端就产生了一个相应的电势差，这就是温差电势，如图2.4.3所示。其大小可根据物理学电磁场理论得3.热电偶回路的热电势金属导体A、B组成热电偶回路时，总的热电势包括两个接触电视和两个温差电势，即由于温差电势比接触电势小，又TTo，所以在总电势EAB(T,To)中，以导体A、B在T端的接触电

49、势所占的比重最大，故总电势的方向取决于该方向，这样对上式进行整理得由上式可知，热电偶总电势与电子密度NA、NB及两结点温度T、To有关。电子密度不仅取决于热电偶材料的特性，且随温度的变化而变化，它并非是常数，所以，当热电偶材料一定时，热电偶的总电势成为温度T和To的函数差，即如果使冷端温度To固定，则对一定材料的热电偶，其总电势就只与温度T成单值函数关系，即由此可得有关热电偶的几个结论：（1）热电偶必须采用两种不同材料作为电极，否则无论热电偶两端温度如何，热电偶回路总热电势为零（2）尽管采用两种不同的金属，若热电偶的两结点温度相等，即T=To，回路总电势为零。（3）热电偶A、B的热电势只与结点

50、温度有关，与材料A、B的中间各处温度无关。四、热电偶基本定律1.均质导体定律由一种均质导体或半导体组成的闭合回路，不论其截面、长度如何以及各处的温度如何分布，都不会产生热电势，即热电偶必须采用两种不同的材料作为电极。2.中间导体定律在热电偶回路中，介入第三种导体C，如图2.4.4所示，只有这第三种导线两端温度相同，则热电偶所产生的热电势保持不变。即第三种导体C的引入对热电偶回路的总电势没有影响。热电偶回路接入中间导体C后热电偶回路的总热电势为同理，热电偶回路中接入多种导体后，只要保证接入的每种导体的两端温度相同，则对热电偶的热电势没有影响。根据热电偶这一性质，可以在热电偶的回路中引入各种仪表和

51、连接导线等。如在热电偶的自由端接入一个测量热电偶的仪表，并保证两个结点的温度相等，就可以对热电势进行测量，而且不影响热电势的输出。3.中间温度定律在热电偶回路中，两结点温度为T、To时的热电势等于该热电偶在结点温度为T、Ta和Ta、To时热电势的代数和，即根据这一定律，只要给出自由端为0时的热电容和温度关系，就可以求出冷端为任意温度To时的热电偶热电势，即4.标准电极定律如图2.4.5所示，当温度为T、To时，用导体A、B组成的热电偶的热电势等于AC热电偶和CB热电偶的热电势之代数和，即导体C称为标准电极，故把这一定律称为标准电极定律。2.4.2 热电极材料及常用热电偶一、热电极材料根据上述热

52、电偶的测温原则，理论上任何两种导体均可配成热电偶，但因实际测温时对测量精度及使用等有一定要求，故对制造热电偶的热点极材料也有一定要求。除满足上述对温度传感器的一般要求外，还应注意如下要求：1.在测温范围内，热点性质稳定，不随时间和被测介质而变化，物理化学性能稳定，不易氧化和腐蚀。2.电导率要高，并且电阻温度系数要小。3.他们组成的热电偶的热电势随温度的变化率要大，并且希望该变化率在测温范围内接近常数。4.材料的机械强度要高，复制性好，复制工艺要简单，价格便宜。完全满足上述条件要求的材料很难找到，故一般只根据被测量温度的高低选择适当的热电极材料。下面分别介绍国内生产的几种常用热电偶。它们分别为标

53、准化热电偶与非标准化热电偶。标准化热电偶是指国家标准规定了其热电势与温度的关系和允许误差，并有统一的标准分度表二、标准热电偶1.铂铑10-铂热电偶（S型）这是一种贵金属热电偶，有直径为0.5mm以下的铂铑合金丝（铂90%，铑10%）或纯铂丝制成。由于容易得到高纯度的铂和铂铑，故这种热电偶的复制精度和测量准确度较高，可用于精密温度测量。在氧化性或中性介质中具有较好的物理化学稳定性，在1300以下范围内可长时间使用。其主要缺点是金属材料的价格昂贵；热点性小，而且热电特性曲线非线性较大；在高温时容易受还原气体所发出的蒸气和金属蒸气的侵害而变质，失去测量精度。2.铂铑30-铂铑60热电偶（B型）他也是

54、贵金属热电偶，长期使用的最高温度可达1600，短期使用可达到1800，它宜在氧化性和中性介质中使用，在真空中可短期使用。他不能在还原性介质及含有金属或非金属蒸气的介质中使用，除非外面套有合适的非金属保护管才能使用。它具有铂铑10-铂的各种优点，其抗污染能力强。其主要缺点是灵敏度低、热电势小，因此冷端40以上使用时，可不必进行冷端温度补偿。3.镍铬-镍硅（镍铬-镍铝）热电偶（K型）由镍铬与镍硅制成，热电偶丝直径一般为1.2mm2.5mm。镍铬为正极，镍硅为负极。该热电偶化学性较高，可在氧化性介质或中性介质中长时间的测量900以下的温度，短期测量可达1200；如果用于还原性介质中，就会很快的受到腐

55、蚀，在此情况下只能用于测量500以下温度。这种热电偶具有复制性好，产生热电势大，线性好，价格便宜等优点。虽然测量精度偏低，但完全能满足工业测量要求，是工业生产中最常用的一种热电偶。4.镍铬-康铜热电偶（E型）其正极为镍铬合金，9%10%铬，0.4%硅其余为镍；负极为康铜，56%铜，44%硅。镍铬-康铜热电偶的热电势是所有热电偶中最大的，如EA（100.0）=6.95mV，比铂铑-铂热电偶高了十倍左右，其热电特性的线性也好，价格又便宜。它的缺点是不能用高温，长期使用高温上限为600，短期使用可达800；另外，康铜容易氧化而变质，使用是应加保护套管。以上几种标准热电偶的温度与电势特性曲线如图2.4.6所示。虽然曲线描述方式在 宏观上容易看出不少特点，但是靠曲线查