发电式传感器及其应用

发电式传感器及其应用第一页，共82页内容压电式传感器磁电式传感器光电式传感器图像传感器霍尔传感器热电偶传感器红外探测器传感器电参数电阻电容电感电信号电压电流电荷第二页，共82页1.原理：利用压电材料的压电效应，将被测量的变化转换成感生的电荷量变化实现测量敏感元件——力敏感元件——压电材料——石英晶体、压电陶瓷

压电陶瓷比石英晶体的压电灵敏度高得多（数百倍），而制造成本却较低，因此目前国内外生产的压电元件绝大多数都采用压电陶瓷（钛酸钡、锆钛酸铅等）。

测量的物理量测量那些最终能变成力的物理量

力，力矩和压力振动加速度，声音特点：响应快、灵敏度高、结构简单、性能可靠;不适合静态、准静态信号的测量

5.1.1压电式传感器基本原理F+q什么类型传感器可测静态量？第三页，共82页压电陶瓷外形

5.1.1压电式传感器基本原理压电陶瓷及其换能器外形第四页，共82页5.1.1压电式传感器基本原理压电效应:外力作用下在压电材料一定方向的两个表面产生电荷压电效应分为：正压电效应：上述现象为正压电效应，传感器利用正压电效应。逆压电效应：在电介质的极化方向上施加交变电压，它就会产生机械变形。当去掉外加电场时，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应。六角形晶柱第五页，共82页当动态力变为静态力时，电荷将由于表面漏电而很快泄漏、消失;当力的方向改变时，电荷的极性随之改变;输出电压的频率与动态力的频率相同.5.1.1压电式传感器基本原理为什么压电传感器不宜测量静态量？第六页，共82页2.压电传感器等效电路两极板上聚集异性电荷，中间为绝缘体的电容器FFq电极压电晶片Cou＝q/Co5.1.1压电式传感器基本原理第七页，共82页3.结构形式为了提高灵敏度，可用多片压电材料串、并联组成。并联接法：电容量大、时间常数大，响应慢

测量缓变信号适合电荷输出串联接法：电容量小、时间常数小，响应快

测量快变信号适合电压输出5.1.1压电式传感器基本原理第八页，共82页5.1.2压电式传感器的应用123451－压电转换元件2－传感器体

3－弹性膜片4－电极5－引线1.压电式压力传感器原理：利用正压电效应，将压力转换成电荷量实现测量测量动态力：机械结构的拉伸和压缩力第九页，共82页5.1.2压电式传感器的应用2.压电加速度计原理：利用正压电效应，将加速度转换成电荷量实现测量典型加速度计特性参数：

频响范围：1Hz～22KHz

量程：0～2000g适用温度：－150～＋260℃，灵敏度：5～72mv/g优点：尺寸小、重量轻、频响宽、坚固耐用，应用广泛缺点：低频性能差，不适用静态测量；阻抗高，测量噪声大

1－压电元件2－预压弹簧

3－外壳4－质量块5－基座比较力传感器与加速度传感器结构的最大区别？因此：是常用的高频振动测量传感器！第十页，共82页5.1.2压电式传感器的应用压电加速度计结构形式压缩式剪切式弯曲式弯曲式灵敏度高体积大机械强度差固有频率低，低频测量剪切式灵敏度高横向灵敏度小容易小型化固有频率高，高频测量压缩式结构简单装配方便是目前常用的结构形式第十一页，共82页5.1.2压电式传感器的应用压电加速度计安装(a)直接螺栓固定：测量强振和高频率振动，比较常用

(b)绝缘连接：减少振动表面电干扰(c)腊膜粘附：不牢靠(d)手持接触：适合低频（<1000Hz）振动,误差大(e)磁铁吸附：方便可靠，适合小振动，比较常用(f-g)粘结剂连结：需表面处理第十二页，共82页

（1）内装IC压电加速度传感器

特点内装微型IC-集成电路放大器低阻抗输出，抗干扰，噪声小性能价格比高，安装方便，尤其适于多点测量稳定可靠、抗潮湿、抗粉尘、抗有害气典型加速度计特性参数灵敏度：100mV/g量程：50g频率范围：0.5-8000Hz（±10%)安装谐振点:30kHz分辨率：0.0002g

线性：≤1%输出偏压：8-12VDC

恒定电流：2-20mA

输出阻抗：＜150Ω激励电压：18-30VDC5.1.2压电式传感器的应用典型压电加速度计第十三页，共82页（2）复合式压电传感器——机械阻抗测量头

同时测量同一个点动态加速度和力的传感器机械阻抗：响应加速度/激振力

如：8770A5型阻抗头量程灵敏度频率范围加速度

±5g1000mV/g1Hz~4kHz

力

±5Lb1000mV/Lb

5.1.2压电式传感器的应用第十四页，共82页

压电（陶瓷/晶体）式传感器的优点具有很高的刚度，即很高的机械阻抗，测量过程中变形甚小，是一种近乎理想的测力元件；尺寸与重量很小，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；固有频率高，可以高达数万赫兹，因此测量频率范围大，一般几kHz.线性好；做成多向测力仪时，其横向干扰小（最大不超过5%，一般在3%以下）；响应快、灵敏度高、信噪比大、结构简单、性能可靠。

压电（陶瓷/晶体）式传感器的缺点不能用于静态测量，对于静态信号，压阻式比压电式好；需经常校正灵敏度;调理特殊：输出电信号是很微弱的电荷，而且传感器本身有很大内阻，故输出能量甚微，通常将压电式传感器的输出信号先输入到具有高输入阻抗的前置放大器.5.1.2压电式传感器的应用第十五页，共82页5.1.2压电式传感器的应用问题：

检测一个旋转机械的转子及轴承的振动，一般采用什么传感器？

采用电涡流传感器测量转子振动（径向及轴向）采用压电式加速度测量轴承振动第十六页，共82页5.1.2压电式传感器的应用1）应减小电缆噪声

产生原因：电缆芯与绝缘体间、金属屏蔽套与绝缘体间因滑移摩擦和分离，产生静电荷感应干扰。

减小方法：固定好传感器的引出电缆和选用低噪声电缆。2）应减小接地回路噪声

产生原因：不同电位处多点接地，形成了接地回路和回路电流。减小方法：传感器与被测对象绝缘连接，并使测试系统同一点接地。压电（陶瓷/晶体）式传感器应用时注意事项：固定电缆单点接地第十七页，共82页可用于波形分析报警的高分子压电踏脚板

5.1.2压电式传感器的应用3.高分子压电材料及其应用

高分子压电材料是近年来发现的一种新型智能材料（如PVDF）。其压电特性并不是很好，但它易于大批量生产，且具有面积大、柔软不易破碎等优点，可用于微压测量和机器人的触觉。鞋跟发电机第十八页，共82页N匝线圈与磁铁相对运动、切割恒定磁场磁力线，产生感应电动势：磁通Ф变化率取决于：

磁场强度B，线圈运动速度，磁路磁阻分类：1）动圈式(线圈运动)：常用于测量直线运动速度或振动速度.2）变磁阻式：常用于测量角速度或转轴转速、扭矩；5.2.1磁电式传感器基本工作原理1.原理：利用电磁感应原理。第十九页，共82页当线圈匝数N、磁场强度B、磁场中的导体长度L为常数时，感应电动势与速度成正比：

5.2.1磁电式传感器基本工作原理2.动圈式磁电传感器及其应用特点：输出功率大，调理电路简单，性能稳定，频响10～1000Hz。第二十页，共82页磁电式速度传感器动态特性下限频率受固有频率影响。为了扩大下限可测频率，固有频率应该尽可能低，但可能存在体积过大、重力场中静变形过大、易受交叉振动干扰。因此，固有频率一般取10～15Hz。上限频率受到安装频率影响。接触杆与被测物体表面的接触（安装）共振频率决定工作频率：15～1000Hz阻尼比：阻尼比（0.5-0.7），可扩展频率下限5.2.2磁电式传感器的应用

可见，要实现不失真测量对幅频特性的要求，速度传感器应工作在频率比大于1的频段；最佳阻尼比可提高测量频率范围。比较第二十一页，共82页1）动圈式磁电绝对速度传感器组成：磁钢、惯性质量、弹簧、磁阻尼环、线圈壳体振动

磁钢随之振动芯轴相对静止线圈切割磁力线线圈中感应电势感应电势E=kV，k取决于磁感应强度、线圈长度和匝数,V为绝对振动速度弹簧片芯轴线圈磁钢阻尼环壳体5.2.2磁电式传感器的应用

第二十二页，共82页

2）动圈式磁电相对速度传感器

芯轴为顶杆壳体与顶杆间产生相对速度输出电压：正比相对速度测量频率：5Hz～1kHz1、顶杆2、拱形簧片3、磁钢4、线圈5、引出线6、壳体5.2.2磁电式传感器的应用

将壳体固定于一试件，通过压缩弹簧片，使顶杆另一端顶住另一试件，则线圈在磁场中运动速度就是两试件的相对速度，可为相对速度计。第二十三页，共82页原理：永久磁铁产生确定强度的磁场，磁铁与线圈均不动，被测量使磁路磁阻变化，引起磁通变化而使线圈产生感应电势。典型代表：磁电式传感器测转速齿圈齿顶与极轴的间隙变化导致磁路磁阻变化。缺点：

对转轴有阻力矩；低速时输出信号较小，故不适用于低转速测量。永久磁铁线圈齿圈引线间隙极轴5.2.2磁电式传感器的应用3.变磁阻磁电式传感器及其应用第二十四页，共82页1）变磁阻磁电式转速传感器OD9001磁电式转速传感器测量频响范围为3Hz-10kHz输出的波型近似正弦波，输出信号幅值大小与转速成正比，与探头端面距齿顶间距的大小成反比高灵敏度、高抗干扰性不需供电5.2.2磁电式传感器的应用第二十五页，共82页2）变磁阻磁电式扭矩传感器5.2.2磁电式传感器的应用

电压u1和u2的相位差与扭转轴的扭转角成正比，而扭转角又与扭矩成正比，故通过测量相位差就可求得扭矩。第二十六页，共82页优点：能够直接测量线速度和角速度；输出功率大，可用于远距离测量；结构简单，工作可靠。缺点：动圈式下限频率高，一般为10~15Hz；变磁阻式对转轴有阻力矩，低速时输出信号较小；不宜在高温及强磁场的环境中工作。

测角速度型

5.2.2磁电式传感器的应用4.磁电式传感器的优缺点常用的直接测量位移及加速度的传感器？第二十七页，共82页5.3.1光电式传感器基本工作原理原理：基于光电子元件（半导体）的光电效应。每个光子具有能量，用光照射某一物体时，会发生光子与物体的能量交换，产生的电效应为光电效应。分类：

外光电效应：在光照作用下，物体内的电子从物体表面逸出的现象。

光照后会产生光电流；

光电元件：光电管、光电倍增管

内光电效应：在光照作用下，物体的电阻率发生改变的现象。

光电元件：光敏电阻

光生伏打效应：在光照射下能使物质产生一定方向的电动势的效应。

光电元件：光电池、光敏晶体管第二十八页，共82页2.光电器件及其性能光电管：光电管由阴极及阳极组成。

原理：当阴极受到适当波长的光线照射时便发射电子，电子被带正电位的阳极所吸引，这样在光电管内就有电子流，在外电路中便产生了电流。

光电管接收的入射光通量与输出的光电流成比例关系（线性关系）。5.3.1光电式传感器工作原理光电倍增管：在阴极和阳极之间装了若干级“倍增极”，它在电子轰击下能反射更多电子，目的是提高灵敏度。

适合在微弱光下使用，但不能接收强光刺激，否则易于损坏。

光电阴极光电阳极第二十九页，共82页

光敏电阻

电阻随光照强度的增加而减小.

两个重要参数：

暗电阻——未受光照时电阻。越大越好，一般是兆欧数量级；

亮电阻——受光照时的电阻。越小越小，一般为千欧数量级。1)光照特性亮电阻与光照强度之间的关系称为光敏电阻的光照特性;

光敏电阻的光照特性为非线性特性，因此，常用作开关电路；

2)

灵敏度光敏电阻对于不同波长的入射光的灵敏度不同；

硫化镉、硒化镉适用于可见光（0.4-0.75μm)

硫化铅、硒化铅适用于红外光（波长大于可见光）

5.3.1光电式传感器工作原理第三十页，共82页光电池（光敏二极管）：

光照在较大面积的PN结上，能使其产生一定方向的电动势，即：直接把光能转换成电能。1)光照特性可跟踪KHz光频率变化;

开路电压与光照强度为非线性关系；

短路电流与光照强度为线性关系；因此,一般用作电流源.2)

灵敏度光电池对不同波长的入射光的灵敏度不同：

硅光电池适用波长范围：0.4-1.1μm

硒光电池适用波长范围：0.3-0.6μm光敏二极管5.3.1光电式传感器工作原理第三十一页，共82页光敏晶体管（光敏三极管）：光敏晶体管的光照在发射极与基极之间的PN结上，集电极会产生较大电流，把光能转换成电能。1)光照特性可跟踪MHz光频率变化;

输出电流的大小随光照强度的增加而增加，线性度没有光敏二极管好。2)灵敏度光敏晶体管对不同波长的灵敏度不同，且与入射光的方向有关。

硅管常用可见光测量

锗管常用红外光测量光敏三极管5.3.1光电式传感器工作原理第三十二页，共82页光电元件共性:

(1)每种光电元件均有其自身的光谱特性（适用波长），使用时必须注意与光源匹配。(2)光学与电学性质受温度影响很大。(3)光电元件的电信号可达mA

级。5.3.1光电式传感器工作原理特点：

非接触测量，适应环境能力强；需要光路系统，构成复杂测量的物理量

转速，形状，信号隔离器，开关量第三十三页，共82页5.3.2光电式传感器的应用3.光电传感器的应用1)光电式转速传感器测量原理通过敏感元件来控制照于光电元件光通量的强弱，从而产生与被测轴转速成比例的电脉冲信号，再转化成相应的转速值。优点测速范围宽，可达每分钟几十万转非接触测量，对被测轴无影响使用方便与磁电式比较？第三十四页，共82页5.3.2光电式传感器的应用光电式转速传感器的类型光源光电元件转轴反光面透镜透镜透镜半透反光膜反射式光电传感器透射式光电传感器第三十五页，共82页5.3.2光电式传感器的应用

2)光电耦合器原理

利用发光元件与接受光信号的光敏元件封装为一体而构成电－光－电转换的器件

输入信号为加到发光器件上的电信号，其输出信号为光敏元件的输出电信号。特点

无机械触点、噪音低、执行动作快、体积小、寿命长光电元件发射光源ST180A单光束红外光电传感器(红外发射二极管和光敏晶体管组成)

第三十六页，共82页5.3.2光电式传感器的应用(1)光电隔离器

发光二极管LED和光敏晶体管封装于一个管壳内，使LED辐射能量能有效地耦合到光敏晶体管上。目的：隔离输入与输出端两部分，使各自独立供电和独立接地；实现（1）将输入与输出两部分分开，提高抗干扰能力。(2)电平转换，提高驱动能力例如：发光二极管发出的光照射光电三极管的基极，使其受光导通。将输入5伏信号提高到12伏输出信号，提高了驱动能力。使输入与输出实现电隔离，提高了系统的抗干扰能力。第三十七页，共82页5.3.2光电式传感器的应用(2)光电开关原理：通过将光的强度变化转变为电信号变化、实现控制的一种电子开关。结构种类：对射式、反光板反射式、扩散反射式特点：适应性强，对金属和非金属都适用非接触、无触点、无机械磨损、无电火花安全、可靠、长寿命（a）对射式光电开关

(b)反射式光电开关

(c)扩散式光电开关第三十八页，共82页5.3.2光电式传感器的应用3)反射式表面粗糙度光电传感器

光源1发光，被测工件3表面反射，光电元件5接收。被测表面有缺陷或粗糙度低时，光电元件接受的光通量变小，输出光电流就小。被测工件在工作台上左右、前后移动，实现整个表面的扫描测量。

反射法测量原理1.光源2.物镜3.被测工件4聚光镜5光电元件第三十九页，共82页5.3.2光电式传感器的应用4）透射式光电测孔径传感器光源1发光，投过被测工件2的孔，由发光元件3接收。被测孔径尺寸变化时，光电元件接收的光通量随之变化，其输出的光电流大小可确定被测孔径大小。适用于小直径通孔和外径检测

透射法测量原理1光源2被测物体3光电元件第四十页，共82页1.电荷耦合器件工作原理固态图像传感器是一种固态集成元件，核心是电荷耦合器件（CCD）；电荷耦合器件由多个“金属-氧化物-半导体(MOS)”电容器件以阵列形式排列在衬底材料上组成，能存储及转移由光产生的信号电荷.CCD功能：

光生电荷、积蓄电荷、转移电荷光生电荷：每一个单元是一个光电传感器。在光照射下，光子穿过透明电极及氧化层，进入P型Si衬底，生成光生载流子——电荷；积蓄电荷与光照强度及积蓄时间成正比；转移电荷：控制栅按要求在各单元施加电压，正向电压使其产生耗尽区——吸收信号电荷的势阱；电压大小决定势阱吸收或转移电荷能力；

积蓄电荷与控制栅依次工作5.4.1图像传感器基本原理第四十一页，共82页5.4.1图像传感器基本原理线型CCD传感器1－CCD转移寄存器2－转移控制栅3－积蓄控制电极4－PD阵列（1728）SH－转移控制栅输入端RS－复位控制－漏极输出OS－图像信号输出OG－输出控制器固态图像传感器按其像素排列分为线型、面型或圆型等线型：1024、1728、2048、4096像素面型：32×32，100×100，320×244，490×400像素第四十二页，共82页

2.固态图像传感器特点及应用特点工作介质是光线，非接触、远距离测量小型、质轻、高速、高灵敏、高稳定性、高寿命可在危险地点或人不易到达场所测量

应用图像检测——照相、摄像、传真、文字识别、图像识别物体检测——有/无、形状、尺寸、位置5.4.2图像传感器的工程应用第四十三页，共82页5.4.2图像传感器的工程应用1）热轧铝板宽度的自动检测热轧铝板宽度自动检测原理图

两个CCD线型传感器1和2分别测知L1、L2，已知Lm

可求宽度LCCD传感器3用于补偿板厚变化造成的测量误差。可在线实时自动测量，测量精度可达板宽（2m）的土0.025％如何检测？第四十四页，共82页5.4.2图像传感器的工程应用2）二维零件尺寸的在线检测CCD线阵式摄像机作二维零件尺寸的在线检测CCD摄像机逐行扫过零件的整个面积

零件轮廓形状被转换成逐行数据(电平信号)进行存储

处理存储的数据可重构零件轮廓形状，并计算零件各部分尺寸注意：要求传送带与零件的光照对比度明显

第四十五页，共82页霍尔效应半导体薄片置于磁场中，当有电流流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势——霍尔电势霍尔电压UH与通过电流I和磁感应强度B成正比厚度d越小，霍尔灵敏度kH就越大（薄膜霍尔元件d为1μm左右）5.5.1霍尔传感器基本工作原理1.原理：基于某些半导体材料的霍尔效应（一种磁电效应）。第四十六页，共82页霍尔元件

一般为半导体材料。N型半导体：锗、硅、锑化铟、砷化铟应用

直接测量：磁场B、电流I

间接测量：位移、厚度、重量、转速原理

外界被测量（位移、厚度、重量、转速等）引起磁场变化5.5.1霍尔传感器基本工作原理2.霍尔传感器性能第四十七页，共82页

霍尔元件灵敏度受温度影响较大：

--半导体材料的特性受温度影响，温度升高增大：

--温度升高引起霍尔元件输入电阻增大，使控制电流变化造成误差。

控制办法：

——采用温度系数较小的材料——采用补偿电路补偿(目的是使KHI之积保持不变)5.5.1霍尔传感器基本工作原理IR0cbauH1）恒流源提供恒定控制电流I，减少温度误差；2）温度升高，KH增大；3）输入电路并联分流电阻R0，当霍尔元件的输入电阻随温度升高而增加时，旁路分流电阻自动地加强分流，减少了霍尔元件的控制电流I；适当选取分流电阻大小，就可以提高输出电压的温度稳定性。第四十八页，共82页在传感器内用磁钢给霍尔器件建立磁场铁磁性齿经过霍尔器件前方时，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、整形、输出5.5.2霍尔传感器的应用1）霍尔式转速传感器对转轴有无阻力矩？

第四十九页，共82页5.5.2霍尔传感器的应用几种霍尔式转速传感器1输入轴；2转盘；

3小磁铁（随转盘旋转）；4霍尔传感器为什么采取很多小磁铁？第五十页，共82页5.5.2霍尔传感器的应用2）霍尔位置传感器霍尔传感器测量物体位置1—带集成电路的霍尔探测器2—永磁铁3—导磁铁片4—软磁铁片

软磁铁片4上下移动，控制流经霍尔板的磁通量，目的是度量软磁铁片的位置。检测霍尔电压的电子线路只产生0V和12V两个高低电平。

可用作终端位置开关，无接触地监测机器部件的位置。被测物第五十一页，共82页5.5.2霍尔传感器的应用3）霍尔式损伤传感器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

钢丝绳通过霍尔元件时，钢丝绳中的断丝改变永久磁铁产生的磁场，会在霍尔板中产生一个脉动电压信号。

对该脉动信号进行放大和后续处理，可确定断丝根数及断丝位置。还有什么方法可测裂纹？第五十二页，共82页5.5.2霍尔传感器的应用4）霍尔式位移传感器

当通入电流i于导线ab中，由霍尔效应分析可知，霍尔元件左半产生的霍尔电势VH1和右半产生的霍尔电势VH2方向相反。当霍尔元件相对于磁极有位移时，c、d两端输出电压差(VH1-VH2)

正比于位移大小。适于测量微位移和机械振动。i霍尔元件、被测物第五十三页，共82页霍尔式压力传感器

5.5.2霍尔传感器的应用5）霍尔式压力传感器第五十四页，共82页霍尔传感器特性归纳：（1）一般为半导体材料。由于纯金属中自由电子浓度过高，霍尔效应很微弱，不具有实用价值，所以霍尔元件常用的是各种半导体材料。（2）尺寸小、特别是厚度很小（薄膜霍尔元件d为1μm左右），可以放到磁场的空隙中，因而很方便；材料的厚度越小，KH就越大，则灵敏度就越大。（3）输出信号大，灵敏度可达12mV/mA-T。（如外加磁场是o.1T，控制电流若为20mA，则霍尔电压可达24mV。)（4）输出电阻小，只有0.5_100欧姆；（5）建立霍尔电势的时间极短（10-12_10–14s），因此所测外界信号频率可以很高，频率可以从直流到兆赫。缺点：灵敏度受温度影响较大，使用中必须采取措施减小温度误差。5.5.2霍尔传感器的应用第五十五页，共82页5.6.1热电偶传感器原理1.原理：

利用热电效应，将温度信号转换成电势（毫伏）信号，实现温度的测量特点：测温范围宽（1K到3000K）；测温精确度较高，高温特性好；体积、热容量及热惯性小，响应快；结构简单，价格便宜，应用广泛。应用：可测量点温度和壁面温度，可用于动态温度测量。

工程中常见的热电偶传感器与热电阻测温方法的区别？第五十六页，共82页热电势构成：

热电偶的热电势是由接触电势和温差电势两部分组成：5.6.1热电偶传感器原理导体A导体B高温端t低温端t0接触电势

两种金属导体由于材料不同，内部电子密度就不同，接触在一起发生自由电子的扩散现象，在两导体之间形成的电位差。温差电势

一种金属导体两端温度不同，导体中自由电子能量就不同，在导体中能量大的电子就会向低能级区扩散，在导体的两端形成电位差。两个关键因素！第五十七页，共82页AEA(T0,T1)＝0T0T11）均质导体定律:

在用同一种均质材料组成的回路中，不论材料的截面积是否一致，无论各处的温度分布如何，该回路中的总热电势等于零。

推论：

(1)若要构成一热电偶，必须采用两种不同性质的材料。

(2)由同一种材料组成的闭合回路存在温差时，若回路中产生热电势便说明该材料是不均匀的。此定律可作为检验材质均匀性的原则。5.6.1热电偶传感器原理2.热电偶测温基本定律第五十八页，共82页T0EB(T,T0)EA(T,T0)CTABT0EAB(T)ECA(T0)EBC(T0)2）中间金属定律:

在热电偶回路中加入第三种导体，只要其两端温度相同，热电偶产生的热电势保持不变。不受第三金属接入的影响。由此定律可得出如下结论：

(1)

可以在热电偶回路中接入仪表（仪表接线处温度相同），以便检测热电势的大小从而测出温度。

(2)任何金属A或B对另一种金属C的热电势为已知，则该两种金属组成的热电偶的热电势为它们对金属C热电势的代数和。即：因此可以简化热电偶的选配工作。5.6.1热电偶传感器原理该两点温度相同第五十九页，共82页开路热电偶只要A、B电极接入处温度一致工作端t参考端t0工作端t参考端t0工作端t参考端t0金属壁面工作端t参考端t0液态金属热电偶与电测显示装置连接的两种基本电路：5.6.1热电偶传感器原理第六十页，共82页3）中间温度定律:

热电偶在接点温度为T、T0时的热电势等于该热电偶在接点温度为T、Tn和Tn、T0时相应的热电势的代数和，即

由中间温度定律可进行温差测量：只要已知T与Tn温度相对于参比温度T0下的电势，则对应于T和Tn温差下的热电势便为已知。TT0TnABBATT0BA5.6.1热电偶传感器原理第六十一页，共82页

如果材料选定之后，热电势的大小仅与两端温度有关---非线性关系。

如果固定一个端点温度T0，则热电势就建立了与测量温度T有关的对应关系。分度表：

材料选定、T0固定，将E——T关系列成专门表格，叫做热电偶分度表。特点：

1.不同材料组成的热电偶具有不同的分度表。

2.选择不同的T0具有不同的分度表。通常取T0

为0℃，对于低温热电偶T0

为0K

。

3.分度表是由大量科学实验总结出来的。5.6.1热电偶传感器原理温度与电势之间关系——分度表第六十二页，共82页5.6.1热电偶传感器原理工作端温度℃0102030405060708090

E(mV)00.0000.0560.1130.1730.2350.2990.3640.4310.5000.571

1000.6430.7170.7920.8690.9461.0251.1061.1871.2691.352

2001.4361.5211.6071.6931.7301.8671.9552.0442.1342.224

3002.3152.4072.4982.5912.6842.7772.8712.9653.0603.156

4003.2503.3463.4413.5383.6343.7313.8283.9254.0234.121

5004.2204.3184.4184.5174.6174.7174.8174.9185.0195.121

6005.2225.3245.4275.5305.6335.7355.8395.9436.0466.151

7006.2566.3616.4666.5726.6776.7846.8916.9997.1057.213

8007.3227.4307.5397.6487.7577.8677.9788.0888.1998.310

9008.4218.5348.6468.7588.8718.9859.0989.2129.3269.441

10009.5569.6719.7879.90210.01910.13610.25210.37010.48810.605

表

铂铑-铂热电偶分度表（自由端温度为0℃）例如：第六十三页，共82页冷端温度冷端（参考/比端、自由端）——t0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，只有当冷端温度不变时，热电势才是热端温度的单值函数。5.6.1热电偶传感器原理定点法——恒温法把冷端置于恒温器中，使其维持在一恒定温度下，最常用冰槽精度很高，比较麻烦，仅限于实验室用实际应用中一般对冷端采取温度补偿法。T0mvT0ABCCT第六十四页，共82页冷端温度补偿1——补偿电桥法——在热电偶回路中串联一电势U=e(t0,0)原理：电桥输出与环境温度（冷端变化）成正比，补偿环境温度对热电偶的影响。具体分析：在0ºC时，电桥平衡，输出为U=0如果环境温度上升，热电偶输出热电势数值要降低与此同时，电桥中桥臂电阻Rcu随温度上升而增大，使电桥输出电压增加，它与前者迭加可起到补偿作用eUt0t0tbdaR1cRsRCuteR3R25.6.1热电偶传感器原理第六十五页，共82页e(t,0℃)=e(t,t0)+△e5.6.1热电偶传感器原理冷端温度补偿2——查表修正法第六十六页，共82页5.6.2热电偶的分类热电偶电极材料的要求

物理化学性质稳定，电阻温度系数小，力学性能好；

组成的热电偶灵敏度高，复现性好；

热电势与温度的线性度好。热电偶分类方法

按热电势与温度关系以及使用性能：

常用热电偶和特殊热电偶。

按适用的温度范围：

高、中温热电偶和低温热电偶。

按结构形式：铠装式、插入式和裸线式热电偶。第六十七页，共82页5.6.2热电偶的分类热电偶结构第六十八页，共82页热电偶材料及特性名称特点测温范围灵敏度铂铑－铂热电偶——中高温度计物理化学性能稳定，测量精度高，常用于精密温度测量和作为基准温度计使用300℃~1300℃室温下6uV/℃镍铬－镍硅热电偶——中高温度计化学性能很稳定，灵敏度高、成本低，价格低廉100℃~1000℃室温下41uV/℃镍铬－康铜热电偶——中低温温度计综合了镍铬－镍硅热电偶和铜－康铜热电偶的一些优点——灵敏度高、价格便宜液氮温区80K～500℃室温下70uV/℃铜－康铜热电偶——中低温温度计性能稳定，复现性好，而且价格便宜80K～室温室温下40uV/℃镍铬－金铁热电偶——中低温温度计稳定性好，热导率低，适合于低温测量1K～300K1K下10uV/℃为铜康的30倍5.6.2热电偶的分类第六十九页，共82页热电偶优点结构简单、制作方便、价格低廉、测温范围宽、精确度高流体、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热电偶缺点：需要恒定的冷端温度灵敏度随温度降低而明显下降，这是热电偶进行低温测量的主要困难.5.6.3热电偶的特点热电偶特点弱信号：～mv非线性热惯性：接近于一阶惯性环节第七十页，共82页原理：红外辐射(热电式或光电式：光-热-电）红外线辐射的峰值点随着物体温度的降低而转向波长较长的一边；绝对温度2000K以下（低温和常温）的光谱曲线峰值点对应的波长为红外线。因此，红外线测试技术得到广泛的应用。5.7.1红外探测器基本工作原理

任何物体的温度高于绝对零度以上时，都会因自身的分子运动而向外辐射能量。

物体温度愈高，则辐射到空间去的能量愈多。

辐射能量还与波长有关。普朗克定律辐射强度与波长及温度之间的关系第七十一页，共82页红外探测器分类：（1）热探测器——热电效应：

热探测器吸收红外辐射后产生温升，然后伴随发生某些物理性能的变化。测量这些物理性能的变化就可以测量出它吸收的能量或功率。

分为：热敏电阻、热电偶型、气动型、热释电型（2）光子探测器——光电效应：基于半导体材料的光电效应。利用入射光子直接与束缚电子相互作用，一般有光电、光电导及光生伏打等探测器。5.7.1红外探测器基本工作原理第七十二页，共82页（1）热探测器：1）热电偶型：热电堆（多对热电偶串连相接）

物体辐射红外波

红外辐射透镜

热端涂上黑层置于辐射中吸收辐射功率产生热电势材料：银-铋、锰-康铜、或锑和铋

用真空镀膜和光刻技术制造热电堆响应时间从数毫秒到数十毫秒

5.7.1红外探测器