模块4 发电传感器

模块4发电传感器

本模块学习的主要内容：1、热电偶传感器

2、霍尔式传感器

3、压电式传感器热处理温控系统动画演示单元1热电偶传感器一、热电偶传感器的工作原理1.热电势效应

符号两种不同材料组成闭合回路结点温度不同热电势效应动画演示热电偶的热电动势EAB(T，T0)接触电动势EAB（也称珀尔电动势）温差电动势E(T，T0)（也称汤姆逊电动势）总热电动势为两者之代数和。

（1）中间导体定律在热电偶回路中接入第三种材料的导体，只要其两端的温度相等，该导体的接入就不会影响热电偶回路的总热电动势。2.热电偶回路的主要性质

EABC(T，T0)=EAB(T，T0)

（C两端接点温度相同）

CABTT0应用举例:测量液态金属的平均温度金属壁面进行温度测量（2）中间温度定律

热电偶AB在接点温度为T1、T3时的热电动势，等于热电偶在接点温度为T1、T2和T2、T3时的热电动势总和

EAB(T1，T3)=EAB(T1，T2)+EAB(T2，T3)

T1T3ABT1T2ABT2T3AB=+当工作端和自由端温度为T和T0时，用导体A、B组成热电偶的热电动势等于AC热电偶和CB热电偶的热电动势的代数和。或（3）标准电极定律二、热电偶的结构及种类1.热电偶的结构热电极绝缘套管保护套管接线盒热电偶外形和结构图接线盒引出线套管

不锈钢保护管

固定螺纹

热电偶工作端（热端）

标准热电偶2.热电偶的种类普通型热电偶标准化热电偶铠装热电偶非标准化热电偶普通热电偶的外形铠装型热电偶可长达上百米铠装型热电偶外形小形K型热电偶其他热电偶外形三、热电偶自由端温度的补偿热电偶在测温过程中，为了保证输出热电动势是被测温度的单一函数，必须保持自由端（冷端）的温度恒定。由热电偶分度表可知：显示仪表都是以热电偶的自由端温度等于0

C为条件的。如果自由端温度不是0

C，尽管被测温度不变，热电动势也将随自由端温度而变化，必须消除或补偿这一测量误差。

铂铑10－铂热电偶分度表分度号：S

（自由端温度为0

C）IPTS-68/℃热电动势(μV)IPTS-68/℃0123456789010203040506070809010011005511317323529936543250257364571956111917924130537143950958065372711671251852473123784465165876607341672131191254318385453523594667742227813719726032539146053060267574927841422032663313984675376096827573390148210273338405474544616690764389515421627934541248155162369777244101161222286351419488558631704780501071672282923584254955666387127870102030405060708090100110

1.仪表调零修正法在T0基本不变的情况下，仪表预先机械调零到T0处，即仪表预先输入E（T0，0

C）则指针指向T0

。指针被预调到室温（40

C）可补偿冷端损失

补偿方法有仪表调零修正法、自由端温度自动补偿、补偿导线延引电极等。2.自由端温度自动补偿一般采用电桥补偿法：在热电偶回路中串入一个自动补偿的电位差信号来补偿热电势的变化值。E（t，0

C）=E（t，t0）+Uab

XT－WBC热电偶冷端补偿器常用的国产冷端补偿器性能比较表型号配用热电偶补偿范围(℃)电桥平衡时温度(℃)电源(V)内阻(Ω)功耗(VA)补偿误差（mV）WBC－01铂铑10－铂0～5020～2201＜8±0.045WBC－02镍铬－镍硅(铝)±0.16WBC－03镍铬－考铜±0.18WBC-57-LB铂铑10－铂0～402041＜0.25±(0.015+0.0015Δt)①WBC-57-EU镍铬－镍硅(铝)±(0.04+0.004Δt)WBC-57-EA镍铬－考铜±(0.065+0.0065Δt)①Δt为与20

C之差的温度数值。3.补偿导线延引电极自由端高温热源的影响自由端温度要求变化不大热电偶做得长，贵重金属的耗费加大。（1）问题的提出（2）解决办法温度范围（0

C～100

C）热电特性相近的材料自由端延长，用补偿导线相连A’B’屏蔽层保护层补偿导线外形图常用热电偶补偿导线的特性配用热电偶正-负补偿导线正-负导线外皮颜色100℃热电势（mV）150℃热电势（mV）20℃时的电阻率(Ω·m)正负铂铑10－铂铜－铜镍①红绿0.645±0.023＜0.0484×10-6镍铬－镍硅铜－康铜红蓝4.095±0.156.137±0.20＜0.634×10-6镍铬－考铜镍铬－考铜红黄6.95±0.3010.69±0.38＜1.25×10-6钨铼5－钨铼20铜－铜镍②红蓝1.337±0.045－－【例1】如图为铂铑10－铂（S）热电偶，A’、B’为补偿导线，温度t1=50

C，t2=0

C，t3=30

C，

t0＝0

C。（1）当U0=934μV时，求被测点温度t。（2）如果A’、B’改为铜导线，此时U0=810μV，再求温度t。【解题】（1）根据中间导体定律：U2＝U0而A’、B’为补偿导线，视同热电偶A、B所以EAB(t，t2)＝U2＝U0＝934（μV）∵t2=0

C∴直接查表可得温度t=138

C（2）根据中间导体定律：U1＝U0EAB(t，t1)＝U1＝U0，根据中间温度定律EAB(t，

0

C)＝EAB(t，t1)＋EAB(t1，

0

C)

＝U0＋EAB(50

C，0

C)

＝1109μV直接查表可得温度t=160

C四、热电偶的测温线路及热电势的测量1.热电偶的测温线路冷端温度相同热电动势与温度呈线性关系注意：2.热电偶热电动势的测量动圈式仪表电位差计电子电位差计微机识别，输出显示

测量方式：XCZ系列指针式显示仪表电路图1－热电偶2－补偿导线3－冷端补偿器4－外接调整电阻5－铜导线6－动圈7－张丝8－磁钢（极靴）9－指针10－刻度面板

电位差计热电偶测温电路图线路电阻对测量结果有没有影响？提问：XMZ系列智能

数字显示仪表外形图五、热电偶温度变送器模块

将热电偶的冷端补偿、信号放大、线性化处理、电压/电流转换、断偶处理、反接保护、限流保护等电路经过集成化处理后直接产生工业标准电流信号，并且与被检测的温度量成线性关系的这样的装置称为热电偶温度变送器。K型热电偶温度变送器实物图

一般热电偶温度变送器放大转换为4～20mA电流输出信号。右图所示K型热电偶温度变送器测温温度范围有0~400℃、0~600℃、0～800℃、0～1100℃和0～1300℃几种；输出信号为4～20mA；电源为24V直流电；精度为0.5%FS。作为新一代测温仪表可广泛应用于冶金、石油、化工、电力、轻工、纺织、食品、国防以及科研等工业部门。六、热电偶传感器的应用案例1.燃气热水器火焰温度测量燃气热水器的使用安全性至关重要。在燃气热水器中设置有防止熄火装置、防止缺氧不完全燃烧装置、防缺水空烧安全装置及过热安全装置等。燃气热水器防熄火防缺氧动画1-燃气进气管；2-引火管；3-高压放电针；4-主燃烧器5-电磁阀线圈；A1、B1-热电偶1；A2、B2-热电偶2打开热水龙头时，自来水压力使燃气分配器中的引火管输气孔在较短的一段时间里与燃气管道接通，喷射出燃气。与此同时高压点火电路发出10～20kV的高电压，通过放电针点燃主燃烧室火焰。热电偶1被烧红，产生正的热电势，使电磁阀线圈得电，燃气改由电磁阀进入主燃室。燃气热水器防熄火、防缺氧示意图1-燃气进气管；2-引火管；3-高压放电针；4-主燃烧器；5-电磁阀线圈；A1、B1-热电偶1；A2、B2-热电偶2

当外界氧气不足时，主燃烧室不能充分燃烧，火焰变红且上升，在远离火孔的地方燃烧（称为离焰）。热电偶1的温度必然降低，热电势减小，而热电偶2被拉长的火焰加热，产生的热电势与热电偶1产生的热电势反向串联，相互抵消，流过电磁阀线圈的电流小于额定电流，甚至产生反向电流，使电磁阀关闭，起到缺氧保护作用。当启动燃气热水器时，若某种原因无法点燃主燃烧室火焰，由于电磁阀线圈得不到热电偶1提供的电流，处于关闭状态，从而避免了煤气的大量溢出。煤气灶熄火保护装置也采用相似的原理。在一般流速下气流与感温元件之间的放热系数α比同样流速下的液体小得多，使得气流与感温元件间换热困难，误差增大。工程上常用抽气式热电偶来达到这一目的。抽气式热电偶示意图l-遮蔽罩；2-热电偶；3-节流装置；4-喷嘴2.高温气体温度测量

当高压蒸汽或压缩空气从喷嘴4喷出后，在喷嘴出口处产生负压，从而可把高温气体从炉膛或槽道中高速抽走。这样在热电偶热接点处形成了高速气流，增大了气体与热电偶热接点间的放热系数。抽气的速度越大，α越大，测量误差就越小。一、霍尔元件的工作原理及结构1．霍尔效应

单元2

霍尔式传感器

霍尔电压UH为：

e——电子电量

KH——霍尔元件灵敏度式中n——载流子数浓度KH＝1/ned霍尔效应动画演示

2．材料及结构特点材料输出特性温度情况锑化铟输出大温度影响大锗元件输出小温度性能和线性度较好砷化铟输出较大温度的影响较小，线性度较好小结：砷化铟为霍尔元件的材料得到普遍应用霍尔元件示意图（a）霍尔元件结构示意图（b）图形符号（c）外形

霍尔元件外形图3．基本电路

在实际使用时，I或B或两者同时作为信号输入，而输出信号则正比于I或B或两者乘积。注意：时间短（约10-12s～10-14s之间）频率高（几千兆赫）。二、霍尔式传感器的应用类型（1）利用霍尔电势正比于磁感强度的特性来测量磁场及与之有关的电量和非电量。如磁场计、方位计、电流计、微小位移计、非接触开关等。

（3）利用霍尔电势正比于激励电流与磁感应强度乘积的规律制成乘算器、除算器、开方器、功率计等，也可以作混频、调制、斩波、解调等用途。

（2）利用霍尔电势正比于激励电流的特性可制作回转器、隔离器、电流控制装置等。

霍尔特斯拉计（高斯计）霍尔元件

在被测转速的转轴上安装一个转盘，也可选取机械系统中的一个齿轮，将开关型霍尔元件及磁路系统靠近齿盘，随着转盘的转动，磁路的磁阻也周期性地变化，测量霍尔元件输出的脉冲频率就可以确定被测物的转速。三、霍尔式传感器的应用案例1.霍尔式传感器转速测量霍尔传感器转速测量示意图1-输入轴；2-转盘；3-小磁铁；4-霍尔传感器霍尔转速测量动画演示

转速n与脉冲频率f关系满足：（4-6）式中：z—齿盘每圈齿数；

n—转速（单位：r/min）霍尔转速传感器转速测量系统

上图所示是利用霍尔传感器组成转速测量系统，系统由霍尔转速传感器及转速显示仪表（也称转速二次仪表）构成，其中转速显示仪表包括电源电路、计频电路、运算电路、显示电路等。霍尔式微压力传感器原理示意图

2.霍尔式微压力传感器

1-磁路；2-霍尔元件；3-波纹膜盒；4-杠杆；5-外壳

被测压力P使波纹膜盒膨胀，带动杠杆向上移动，从而使霍尔元件在磁路系统中运动，改变了霍尔元件所感受的磁场大小及方向，引起霍尔电势的大小和极性的变化。由于波纹膜盒及霍尔元件的灵敏度很高，所以可用于测量微小压力的变化。霍尔钳形电流表的使用叉形钳形表漏磁稍大，但使用方便用钳形表测量电动机的相电流3.霍尔钳形电流表单元3压电式传感器

压电传感器振动分析动画演示

压电式传感器是一种典型的自发电式传感器，它由传力机构、压电元件和测量转换电路组成。压电元件是力敏感元件，它也可以测量最终能变换为力的那些非电物理量，如压力、加速度等。一、基本工作原理1．压电效应电介质在沿一定方向上受到外力

产生变形

外力去掉，回到不带电状态

内部产生极化现象，表面产生电荷

压电效应动画演示逆压电效应极化方向上施加交变电场

产生机械变形

去外加电场，变形消失

逆压电效应动画演示2．压电材料的主要特性指标（1）压电材料石英晶体外形图

压电晶体是一种单晶体例如：石英晶体；酒石酸钾钠等

压电材料分为：压电晶体、压电陶瓷和有机压电材料三种。①压电晶体天然形成的石英晶体外形图②压电陶瓷压电陶瓷是一种人工制造的多晶体例如：钛酸钡、锆钛酸铅、铌酸锶等

压电陶瓷外形图高分子压电材料外形图③有机压电材料

有机压电材料属于新一代的压电材料主要有压电半导体和高分子压电材料。

（2）压电材料的主要特性指标①压电系数d

表示压电材料产生电荷与作用力的关系。一般为单位作用力下产生电荷的多少。单位为C/N（库仑/牛顿）。②刚度H

压电材料的刚度是它固有频率的重要参数。③介电常数ε

这是决定压电晶体固有电容的主要参数，而固有电容影响传感器工作频率的下限值。④电阻R

它是压电晶体的内阻，它的大小决定其泄漏电流。⑤居里点

压电效应消失的温度转变点。二、测量转换电路1．压电元件的等效电路提问：压电式传感器能用于静态测量吗？提示：电荷有无泄漏？转换电路的输入阻抗是否无限大？注意：无放大电荷的作用（Q/U转换器）输出电压仅与输入电荷和反馈电容有关电缆长度影响小2.测量转换电路

压电式传感器的输出是电荷信号或者是电压信号，因此与之相配的转换电路也有电荷放大器和电压放大器两种形式。由于电压放大器中的输出电压与电缆电容有关，故目前采用电荷放大器。根据推到可以得到电荷放大器的输出电压UO与电荷Q的关系为：电荷放大器等效电路电荷放大器外形图三、压电式传感器的结构和应用1．压电元件常用的结构形式并联接法示意图C’＝2CU’＝U