电子系统设计教学（温州大学）非电量测量

1、第九章 非电量测量【教学目标和要求】 了解非电量及其检测的分类，非电量测量的组成与根本工作原理及传感器的分类。 掌握传感器的特性，了解非电量测量的应用。温州大学物理与电子信息工程学院 授课章节：第9章 非电量测量 9.1 非电量及其检测的分类9.1.1 非电量的分类非电量主要可归纳为以下四类:(1)热工量：温度、比热；压力、压强；流量、流速；物位、液位等(2)机械量：位移、尺寸；力、力矩；重量；转速、振动、加速度等(3)物理和成分量：气、液体化学成分、酸碱度、浓度、硬度、密度等(4)状态量：颜色、透明度、磨损量、裂纹、缺陷、泄漏等温州大学物理与电子信息工程学院 授课章节：第9章 非电量测量 9

2、.1 非电量及其检测的分类9.1.2 非电量检测的分类(1)电磁检测:电阻式、电感式、电容式、磁电式、热电式、压电式等(2)光学检测:光电式、激光式、红外线式、光栅式、光导纤维式等 (3)超声波检测(4)同位素检测(5)微波检测(6)电化学检测温州大学物理与电子信息工程学院 授课章节：第9章 非电量测量 9.1 非电量及其检测的分类9.1.3 非电量检测的主要优点1.便于实现连续测量2.便于实现远距离测量和集中控制3.便于实现静态和动态测量4.便于实现大范围测量5.便于实现计算机辅助检测温州大学物理与电子信息工程学院 授课章节：第9章 非电量测量 9.2 非电量测量的组成与根本原理温州大学物理

3、与电子信息工程学院 授课章节：第9章 非电量测量 9.3 传感器的分类1.根据传感器感应外界信息所依据的根本效应分类： a、物理传感器；b、化学传感器；c、生物传感器2.按工作原理分类：应变式、电容式、电感式、磁电式、压电式、热电式等3.根据传感器使用的敏感材料分类：半导体传感器、光纤传感器、陶瓷传感器、金属传感器等4.按照被测量分类：力学量传感器、热量传感器、磁传感器、光传感器等温州大学物理与电子信息工程学院 授课章节：第9章 非电量测量 9.3 传感器的分类5.按能量关系分类：能量控制型如电桥测量电阻温度变化等、能量转换型如热电偶6.按传感器是利用场的定律还是利用物质的定律分类：结构型传感

4、器、物理型传感器、复合型传感器7.按是否依靠外加能源工作分类：有源传感器、无源传感器8.按输出量是模拟量还是数字量分类9.按内部结构和工艺分类温州大学物理与电子信息工程学院 授课章节：第9章 非电量测量 9.4 传感器的特性1.传感器的静态特性(1)线性度：评价输入与输出非线性程度的参数温州大学物理与电子信息工程学院 授课章节：第9章 非电量测量 9.4 传感器的特性1.传感器的静态特性(1)线性度例：试求以下一组数据的各种线性度：x123456y2.204.005.987.910.1012.051)理论绝对线性度，给定方程为y=2.0 x;2)端点线性度； 解：理论线性度： 端点线性度： 由

5、两端点做拟和直线 中间四点与拟合直线误差：温州大学物理与电子信息工程学院 授课章节：第9章 非电量测量 9.4 传感器的特性(2)迟滞误差(回程误差):传感器在正反行程中输出输入曲线不重合温州大学物理与电子信息工程学院 授课章节：第9章 非电量测量 9.4 传感器的特性(3)重复性：传感器在输入按同一方向连续屡次变动时所得输出特性曲线不一致的程度温州大学物理与电子信息工程学院 授课章节：第9章 非电量测量 9.4 传感器的特性(4)灵敏度与灵敏度误差(5)分辨力与阈值(6)稳定性(7)温度稳定性(8)抗干扰稳定性(9)静态误差温州大学物理与电子信息工程学院 授课章节：第9章 非电量测量 9.4

6、 传感器的特性2.传感器的动态特性(1)传感器的频率响应特性频响范围温州大学物理与电子信息工程学院 授课章节：第9章 非电量测量 9.4 传感器的特性(2)传感器的阶跃响应特性温州大学物理与电子信息工程学院 授课章节：第9章 非电量测量 9.4 传感器的特性3.集成传感器的性能特点(1)集成传感器 与传统的由分立元件构成的传感器相比，集成传感器具有功能强、精度高、响应速度快、体积小、微功耗、价格低、适合远距离信号传输等特点。集成传感器的外围电路简单，具有很高的性价比，为实现测控系统的优化设计创造了有利条件。(2)智能传感器具有自动调零、自动校准、自动标定功能具有逻辑判断和信息处理功能具有自诊断

7、功能具有组态功能，使用灵活具有数据存储和记忆功能具有双向通信功能温州大学物理与电子信息工程学院 授课章节：第9章 非电量测量 9.4 传感器的特性(3)集成化智能传感器高精度宽量程多功能自适应能力强可靠性高、寿命长，具有自检与自校准功能微功耗高信噪比超小型化、微型化温州大学物理与电子信息工程学院 授课章节：第9章 非电量测量 温度的测量热电偶测温原理热电效应：两种不同材料的导体或半导体组成一个闭合回路，当两接点温度T和T0不同时，那么在该回路中就会产生电动势的现象。热电势、热电偶、热电极热端测量端或工作端、冷端参考端或自由端温州大学物理与电子信息工程学院 授课章节：第9章 非电量测量 9.5

8、非电量测量的应用 热电偶回路 温州大学物理与电子信息工程学院 授课章节：第9章 非电量测量 接触电动势 接触电动势的数值取决于两种不同导体的材料特性和接触点的温度。 两接点的接触电动势eAB(T)和eABT0可表示为 含义：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。温州大学物理与电子信息工程学院 授课章节：第9章 非电量测量 同一导体的两端因其温度不同而产生的一种电动势。大小表示： 温差电动势 机理：高温端的电子能量要比低温端的电子能量大，从高温端跑到低温端的电子数比从低温端跑到高温端的要多，结果高温端因失去电子而带正电， 低温端因获得多余的电子而带负电，在导体两端便形成温差电

9、动势。温州大学物理与电子信息工程学院 授课章节：第9章 非电量测量 热电偶回路中产生的总热电势 eAB(T, T0)=eAB(T)eB(T,T0)eAB(T0)eA(T,T0) 忽略温差电动势，热电偶的热电势可表示为： 温州大学物理与电子信息工程学院 授课章节：第9章 非电量测量 影响因素取决于材料和接点温度，与形状、尺寸等无关两热电极相同时，总电动势为0两接点温度相同时，总电动势为0对于已选定的热电偶，当参考端温度T0恒定时，eAB(T0)=c为常数，那么总的热电动势就只与温度T成单值函数关系，即 可见：只要测出eABT,T0的大小，就能得到被测温度T，这就是利用热电偶测温的原理。 讨论:温

10、州大学物理与电子信息工程学院 授课章节：第9章 非电量测量 热电偶的分度表不同金属组成的热电偶，温度与热电动势之间有不同的函数关系，一般通过实验的方法来确定，并将不同温度下测得的结果列成表格，编制出热电势与温度的对照表，即分度表。供查阅使用，每10分档 。中间值按内插法计算。温州大学物理与电子信息工程学院 授课章节：第9章 非电量测量 S型(铂铑10-铂)热电偶分度表 温州大学物理与电子信息工程学院 授课章节：第9章 非电量测量 工程用热电偶材料应满足条件：热电势变化尽量大，热电势与温度关系尽量接近线性关系，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。 热电偶的种类 国

11、际电工委员会IEC向世界各国推荐8种标准化热电偶已列入工业标准化文件中，具有统一的分度表。我国已采用IEC标准生产热电偶，并按标准分度表生产与之相配的显示仪表。温州大学物理与电子信息工程学院 授课章节：第9章 非电量测量 标准化热电偶的主要性能和特点 热电偶名称正热电极负热电极分度号测温范围特点铂铑30铂铑6铂铑30铂铑6B01700（超高温）适用于氧化性气氛中测温，测温上限高，稳定性好。在冶金、钢水等高温领域得到广泛应用。铂铑10铂铂铑10纯铂S01600（超高温）适用于氧化性、惰性气氛中测温，热电性能稳定，抗氧化性强，精度高，但价格贵、热电动势较小。常用作标准热电偶或用于高温测量。镍铬镍硅

12、镍铬合金镍硅K2001200（高温）适用于氧化和中性气氛中测温，测温范围很宽、热电动势与温度关系近似线性、热电动势大、价格低。稳定性不如B、S型热电偶，但是非贵金属热电偶中性能最稳定的一种。镍铬康铜镍铬合金铜镍合金E200900（中温）适用于还原性或惰性气氛中测温，热电动势较其他热电偶大，稳定性好，灵敏度高，价格低。铁康铜铁铜镍合金J200750（中温）适用于还原性气氛中测温，价格低，热电动势较大，仅次于E型热电偶。缺点是铁极易氧化。铜康铜铜铜镍合金T200350（低温）适用于还原性气氛中测温，精度高，价格低。在2000可制成标准热电偶。缺点是铜极易氧化。温州大学物理与电子信息工程学院 授课章

13、节：第9章 非电量测量 常用炉温测量控制系统如下图。毫伏定值器给出给定温度的相应毫伏值，热电偶的热电势与定值器的毫伏值相比较，假设有偏差那么表示炉温偏离给定值，此偏差经放大器送入调节器，再经过晶闸管触发器推动晶闸管执行器来调整电炉丝的加热功率，直到偏差被消除，从而实现控制温度。热电偶的应用温州大学物理与电子信息工程学院 授课章节：第9章 非电量测量 热电阻传感器 热电阻传感器是利用导体的电阻值随温度变化而变化的原理进行测温的。 热电阻广泛用来测量200850范围内的温度，少数情况下，低温可测量至1K，高温达1000。标准铂电阻温度计的精确度高，作为复现国际温标的标准仪器。 温州大学物理与电子信

14、息工程学院 授课章节：第9章 非电量测量 1. 常用热电阻 对用于制造热电阻材料的要求： 具有尽可能大和稳定的电阻温度系数和电阻率 R-t关系最好成线性 物理化学性能稳定 容易加工、价格尽量廉价等。 目前最常用的热电阻有铂热电阻和铜热电阻。 温州大学物理与电子信息工程学院 授课章节：第9章 非电量测量 (1) 铂热电阻 铂热电阻的特点是精度高、稳定性好、性能可靠，所以在温度传感器中得到了广泛应用。 按IEC标准，铂热电阻的使用温度范围为-200850。铂热电阻的特性方程为： 在-1900的温度范围内 Rt=R01+At+Bt2+Ct3(t-100) 温州大学物理与电子信息工程学院 授课章节：第

15、9章 非电量测量 在0630.74的温度范围内 Rt = R0(1+At+Bt2) 在ITS90 中，这些常数规定为 A=3.9710-3/ B=-5.8510-7/2 C=-4.2210-12/4 温州大学物理与电子信息工程学院 授课章节：第9章 非电量测量 可见：热电阻在温度t时的电阻值与0时的电阻值R0有关。 目前我国规定工业用铂热电阻有R0=10和R0=100两种，它们的分度号分别为Pt10和Pt100，其中以Pt100为常用。 铂热电阻不同分度号亦有相应分度表，即Rt-t的关系表，这样在实际测量中，只要测得热电阻的阻值Rt，便可从分度表上查出对应的温度值。温州大学物理与电子信息工程学

16、院 授课章节：第9章 非电量测量 铂电阻分度表 温州大学物理与电子信息工程学院 授课章节：第9章 非电量测量 (2) 铜热电阻 在一些测量精度要求不高且温度较低的场合，可采用铜热电阻进行测温， 它的测量范围为-50150。 铜热电阻在测量范围内其电阻值与温度的关系几乎是线性的，可近似地表示为Rt=R01+t =4.254.2810-3/ 两种分度号：Cu50(R0=50)和Cu100R0=100。 温州大学物理与电子信息工程学院 授课章节：第9章 非电量测量 铜热电阻的分度表 温度/0102030405060708090电阻/050.0047.8545.7043.5541.4039.24050

17、.0052.1445.2856.4258.5660.7062.8464.9867.1269.2610071.4073.5475.6877.8379.9882.13分度号：Cu50 温州大学物理与电子信息工程学院 授课章节：第9章 非电量测量 热敏电阻热敏电阻是利用半导体某些金属氧化物如NiO,MnO2, CuO,TiO2)的电阻值随温度显著变化这一特性制成的一种热敏元件，其特点是电阻率随温度而显著变化。一般测温范围：50 30036温州大学物理与电子信息工程学院 授课章节：第9章 非电量测量 1 热敏电阻的电阻温度特性大多数：负温度系数。热敏电阻在不同值时的电阻温度特性，温度越高，阻值越小，且

18、有明显的非线性。NTC热敏电阻具有很高的负电阻温度系数，特别适用于：100300之间测温。PTC热敏电阻的阻值随温度升高而增大，且有斜率最大的区域，当温度超过某一数值时，其电阻值朝正的方向快速变化。其用途主要是彩电消磁、各种电器设备的过热保护等。CTR也具有负温度系数，但在某个温度范围内电阻值急剧下降，曲线斜率在此区段特别陡，灵敏度极高。主要用作温度开关。各种热敏电阻的阻值在常温下很大，不必采用三线制或四线制接法，给使用带来方便。37温州大学物理与电子信息工程学院 授课章节：第9章 非电量测量 根本特性38热敏电阻热电特性曲线 热敏电阻的伏安特性 温州大学物理与电子信息工程学院 授课章节：第9

19、章 非电量测量 集成温度传感器 AD590是一种两端式恒流器件，它输出的电流值正比于所测的绝对温度，鼓励电压可以在430V范围内变化，测温范围为-55150。AD590具有标准化的输出、固有的线性关系，因此易于使用。测量电路不需要电桥，不需要低电平测量设备和线性化电路，又因为它是电流输出，因而便于远距离传送，不会因线路压降或感应噪声电压产生大的温差，同时对鼓励电压也不太敏感。 一AD590 550 150 273.2AI/ ATC / CAD590温度特性曲线温州大学物理与电子信息工程学院 授课章节：第9章 非电量测量 AD590测温放大电路 温州大学物理与电子信息工程学院 授课章节：第9章

20、非电量测量 集成温度传感器 二单片集成温度传感器DS18B20 美国DALLAS公司推出的DS18B20使用了在板专利技术，全部传感器和各种数字转换电路都被集成在一起，其外形如一只三极管，3个引脚分别是电源、地和数据线。测温范围为-55125，增量为0.5。输出温度有9位二进制数表示，无须A/D转换、放大等电路。温度转换时间典型值为200ms。可以设置温度警报系统。一条数据线可与主机通信，不需外接元件，并且可用数据线供电寄生电源。由于每一个DS18B20有惟一的64位序列号，因此，总线上可挂接多相DS18B20，非常方便地构成单线多点温度测量系统。 温州大学物理与电子信息工程学院 授课章节：第9章 非电量测量 DS18B20指令简介 温州大学物理与电子信息工程学院 授课章节：第9章 非电量测量 温州大学物理与电子信息工程学院 授课章节：第9章 非电量测量 9.5 非电量测量的应用接触式测温电路1.热电阻测温