現(xiàn)代檢測技術(shù)導(dǎo)論-4 能量檢測現(xiàn)代檢測技術(shù)導(dǎo)論-4 電能量檢測

現(xiàn)代檢測技術(shù)導(dǎo)論Hefei

Institutes

of

Physical

Science第四章 電能量檢測熱電偶傳感器壓電式傳感器磁電式傳感器電能量檢測系統(tǒng)的工作原理Hefei

Institutes

of

Physical

Science電能量檢測系統(tǒng)中的傳感器屬于能量轉(zhuǎn)換型傳感器，傳感器可以在無須外加電源的情況下將被測量轉(zhuǎn)換為電信號一般信號比較弱，需采用轉(zhuǎn)換電路將其電能信號進(jìn)行放大常見的有：熱電偶、壓電傳感器、磁電傳感器等熱電偶傳感器是一種將溫度的變化轉(zhuǎn)換為電勢變化的傳感器。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、動態(tài)性能好、測溫范圍廣（-180～2800℃）廣泛應(yīng)用于冶金、電力、石化等行業(yè)Hefei

Institutes

of

Physical

Science4.1熱電偶傳感器導(dǎo)體熱電效應(yīng)：將兩種不同的金屬構(gòu)成一個閉合回路，當(dāng)兩個接點(diǎn)溫度不同時（T>T0），回路中會產(chǎn)生熱電勢，這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)√A、B稱為熱電極√T端稱為熱端（工作端），T0端稱為冷端（自由端）√熱電勢的大小由兩種材料的接觸電勢和單一材料的溫差電勢決定4.1.1熱電偶測溫原理Hefei

Institutes

of

Physical

Science接觸電勢：當(dāng)兩種不同的導(dǎo)體緊密接觸時，由于其內(nèi)部自由電子密度不同，設(shè)NA>NB，使由導(dǎo)體A擴(kuò)散到導(dǎo)體B中的自由電子比由導(dǎo)體B擴(kuò)散到導(dǎo)體A中的自由電子多。導(dǎo)體A因失去電子帶正電，導(dǎo)體B因得到電子帶負(fù)電，從而在接觸處形成一定的電位差，稱為接觸電勢√反過來，接觸電勢形成的電場將阻礙電子的進(jìn)一步擴(kuò)散，當(dāng)電子的擴(kuò)散能力和電場的阻力平衡時，電子擴(kuò)散達(dá)到動平衡√接觸電勢的大小與兩種導(dǎo)體材料的性質(zhì)及接觸點(diǎn)的溫度有關(guān)Hefei

Institutes

of

Physical

Science溫差電勢是同一種導(dǎo)體的兩端因溫度不同而產(chǎn)生的熱電勢√設(shè)均質(zhì)導(dǎo)體，兩端溫度不同，電子能量不同。高溫端的電子能量大，電子從高溫端向低溫端擴(kuò)散的數(shù)量多，從而在導(dǎo)體兩端形成一定的電位差，稱為溫差電勢√反過來，溫差電勢形成的電場將阻礙電子的進(jìn)一步擴(kuò)散，當(dāng)電子的擴(kuò)散能力和電場的阻力平衡時，電子擴(kuò)散達(dá)到動平衡√溫差電勢的大小與材料的性質(zhì)及兩端點(diǎn)的溫度有關(guān)Hefei

Institutes

of

Physical

Science熱電偶回路的熱電勢√回路熱電勢由兩個接觸電勢eAB(T)和eAB(T0)、兩個溫差電勢eA(T,T0)和eB(T,T0)組成√回路的熱電勢√若，A、B兩個電極材料相同，回路的熱電勢為零；熱電偶兩個端點(diǎn)溫度相同，回路的熱電勢為零√回路的熱電勢只與兩電極的導(dǎo)體材料和兩端點(diǎn)的溫度有關(guān)√溫差電勢比接觸電勢小得多，可以忽略Hefei

Institutes

of

Physical

Science中間溫度定律：熱電偶的熱電勢只與兩電極的導(dǎo)體材料和兩端點(diǎn)的溫度有關(guān)，與溫度沿電極的分布即電極的形狀無關(guān)√設(shè)熱電偶回路中存在中間溫度Tn，則回路總熱電勢√根據(jù)中間溫度定律，只需得到冷端溫度為零時，工作端在各溫度下的熱電勢√在使用過程中，當(dāng)冷端溫度不為零時，可根據(jù)中間溫度定律進(jìn)行溫度計算4.1.2熱電偶的基本定理Hefei

Institutes

of

Physical

Science中間導(dǎo)體定律√利用熱電偶測溫時，必然引入導(dǎo)線和測量電路（放大器等）√中間導(dǎo)體定律表明，在熱電偶回路中，只要接入的第三導(dǎo)體兩端溫度相等，對回路的總熱電勢沒有影響Hefei

Institutes

of

Physical

Science標(biāo)準(zhǔn)電極定律√用導(dǎo)體A、B組成的熱電偶的電勢等于用A、C組成的熱電偶和用C、B組成的熱電偶的熱電勢的代數(shù)和√鉑的性能穩(wěn)定，標(biāo)準(zhǔn)電極C用鉑絲制成√只要得到各種電極對鉑絲電極的熱電勢，就可以用標(biāo)準(zhǔn)電極定理算出任兩種材料配成熱電偶后的熱電勢值√可大大簡化熱電偶的選配工作Hefei

Institutes

of

Physical

Science√使用熱電偶測溫時，必須固定冷端溫度，其輸出的熱電勢才是熱端溫度的單值函數(shù)√實(shí)際使用中，熱電偶兩端距離很近，冷端受熱源和環(huán)境的影響，既不為零，也不恒定，因此需要對冷端進(jìn)行處理和補(bǔ)償補(bǔ)償導(dǎo)線法√采用與熱電偶熱電特性相同或相近的補(bǔ)償導(dǎo)線將熱電偶的原冷端引至溫度恒定的新冷端

延長型：對廉價的熱電偶，采用延長型，即采用與熱電偶電極材料相同的補(bǔ)償導(dǎo)線延伸冷端

補(bǔ)償型：對貴金屬熱電偶，采用補(bǔ)償型，即采用與熱電偶熱電特性相近的補(bǔ)償導(dǎo)線延伸冷端Hefei

Institutes

of

Physical

Science4.1.3

熱電偶的冷端處理和補(bǔ)償0℃恒溫法（冰浴法）√在實(shí)驗室及精密測量中，通常將冷端放入冰水混合容器中，使冷端溫度保持0℃√0℃恒溫法精度高，但使用中需冰水共存，多用于實(shí)驗室Hefei

Institutes

of

Physical

Science冷端修正法√實(shí)際使用中，熱電偶的冷端往往不是0℃，而是環(huán)境溫度Tn√這時測得的熱電勢為EAB(T,Tn)，√用測溫儀測得環(huán)境溫度Tn，得到EAB(Tn,0)√使用中間溫度定律得到Hefei

Institutes

of

Physical

Science冷端溫度自動補(bǔ)償法（電橋補(bǔ)償法）√利用不平衡電橋產(chǎn)生的不平衡電壓作為補(bǔ)償信號，自動補(bǔ)償熱電偶測量過程中因冷端溫度不為零或變化而引起的熱電勢的變化√電橋由3個溫度系數(shù)較小的錳銅絲繞制的電阻R1R2R3和電阻溫度系數(shù)較大的銅絲繞制的電阻RCu組成√銅電阻和熱電偶冷端處于同一溫度環(huán)境√室溫時電橋平衡√當(dāng)冷端溫度升高時RCu增大，a點(diǎn)電位下降；冷端溫度升高，兩端溫度減小，熱電偶的熱電勢減小√設(shè)計回路使兩者的變化相等，可實(shí)現(xiàn)兩端溫度補(bǔ)償Hefei

Institutes

of

Physical

Science測量兩點(diǎn)之間的溫差√用兩只型號相同的熱電偶，配相同的補(bǔ)償導(dǎo)線，反向串接測量溫度和√同類型熱電偶同向串聯(lián)4.1.4

熱電偶實(shí)用測溫電路Hefei

Institutes

of

Physical

Science測量平均溫度√用幾只型號相同的熱電偶并聯(lián)在一起Hefei

Institutes

of

Physical

Science實(shí)用測溫電路√電路具有傳感器斷線報警、冷端溫度補(bǔ)償√100M電阻為斷線檢測電阻，正常時，熱電偶輸出送入放大器，熱電偶斷線時，電源電壓經(jīng)過100M電阻加到放大器同向端，使放大器飽和√10K電阻和10uF電容，構(gòu)成低通濾波器濾除高頻干擾√冷端補(bǔ)償電路由R1R2R3和溫度傳感器組成√調(diào)整R2，使U0t等于熱電偶的冷端修正值√根據(jù)中間溫度定律√使用溫度傳感器，可減小冷端溫度在一定范圍內(nèi)變化帶來的影響Hefei

Institutes

of

Physical

Science20150323，第四次課開始壓電式傳感器是基于某些介質(zhì)材料（石英晶體和壓電陶瓷）的壓電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)力與電荷的雙向轉(zhuǎn)換分為正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)優(yōu)點(diǎn)：體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、動態(tài)性能好用于測量動態(tài)力、機(jī)械沖擊與振動Hefei

Institutes

of

Physical

Science4.2壓電式傳感器√當(dāng)某些電介質(zhì)在受到一定方向的壓力或拉力產(chǎn)生形變時，其內(nèi)部發(fā)生極化現(xiàn)象，在表面產(chǎn)生電荷；若去掉外力，它們又重現(xiàn)回到不帶電狀態(tài)，這種將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)√在電介質(zhì)兩個電極上加交流電壓，壓電元件會產(chǎn)生機(jī)械振動；當(dāng)去掉交變電壓時，振動消失，這種將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)，也稱電致伸縮效應(yīng)√常見的壓電材料有石英晶體和壓電陶瓷√利用正壓電效應(yīng)可制成引爆器、聲控裝置、超聲波接收器等√利用逆壓電效應(yīng)可制成晶體振蕩器、超聲波發(fā)送器Hefei

Institutes

of

Physical

Science4.2.1

熱電傳感器的工作原理壓電傳感器可等效為一個電荷源與一個電容相并聯(lián)的電路；也可等效為一個電壓源與一個電容相串聯(lián)的電路為了增大傳感器的靈敏度，壓電傳感器采用壓電元件串聯(lián)或并聯(lián)構(gòu)成√

并聯(lián)方式：

（電壓源）輸出電荷大，時間常數(shù)大，適用于測量慢變信號，以電荷為輸出的場合√

串聯(lián)方式：

（電流源）輸出電壓大，時間常數(shù)小，適用于以電壓為輸出的場合Hefei

Institutes

of

Physical

Science由于壓電元件的輸出信號非常弱，需把壓電傳感器接于高阻抗的前置放大器前置放大器有兩個作用：1、把傳感器的高輸出阻抗變化為低輸出阻抗2、放大傳感器輸出的微弱信號壓電傳感器的輸出可以是電壓，也可以是電荷。因此，實(shí)際的測量電路有電壓放大器電路和電荷放大器電路Hefei

Institutes

of

Physical

Science4.2.2

壓電傳感器的測量電路電壓放大器√Ri、Ci為放大器輸入電阻和電容，Ra、Ca為傳感器電阻和電容，Cc為導(dǎo)線電容√當(dāng)作用在壓電元件上的力為靜態(tài)力時，由于電荷會通過放大器的輸入電阻和傳感器本身的泄漏電阻漏掉，所以前置放大器的輸出電壓為零√壓電傳感器和壓電放大器配合使用時，電纜不宜過長，否則Cc加大，傳感器電壓靈敏度下降√測量低頻信號，應(yīng)增大前置傳感器的輸入電阻，使測量回路的時間常數(shù)加大，保證有較高的靈敏度Hefei

Institutes

of

Physical

Science電荷放大器√具有深度電容負(fù)反饋的高增益放大器√Cf為反饋電容√A為放大器開環(huán)增益√電荷放大器的輸出電壓與電纜電容無關(guān)（即與電纜長度無關(guān)），與輸出電荷成正比Hefei

Institutes

of

Physical

Science壓電式加速度傳感器√壓電元件由兩片壓電壓電片并聯(lián)組成√輸出端一端接壓電片中間的金屬片上另一端直接和基座相連√壓電片上放質(zhì)量塊，用彈簧壓緊，對壓電元件施加預(yù)載荷√使用時，通過底座將傳感器和試件剛性連接，使傳感器與試件同頻振動√質(zhì)量塊使壓電元件受到一個正比于加速度的交變力的作用，傳感器的輸出與加速度成正比Hefei

Institutes

of

Physical

Science4.2.3

壓電傳感器的應(yīng)用壓電引信：由壓電元件和電雷管組成√壓電元件安裝在彈丸頭部，電雷管設(shè)置在彈丸尾部，通過導(dǎo)線連接√平時，保險開關(guān)S處于a，電雷管E處于保險狀態(tài)。壓電元件即使受壓，其產(chǎn)生的通過R釋放，不會引爆電雷管√彈丸發(fā)射后，音信起爆裝置解除保險，開關(guān)S從a斷開與b接通，處于工作狀態(tài)√當(dāng)彈丸與接觸時，碰撞壓力使壓電元件產(chǎn)生電荷，引爆電雷管，進(jìn)而引起彈丸爆炸√優(yōu)點(diǎn)：不需配置電源Hefei

Institutes

of

Physical

Science磁電式傳感器是通過磁電作用將被測量（振動、位移、速度、磁場強(qiáng)度）轉(zhuǎn)換為電信號的一種傳感器利用導(dǎo)體和磁場相對運(yùn)動產(chǎn)生感應(yīng)電勢的電磁感應(yīng)原理，可制成各種磁電感應(yīng)式傳感器利用半導(dǎo)體材料的霍爾效應(yīng)可制成霍爾器件Hefei

Institutes

of

Physical

Science4.3磁電式傳感器利用電磁感應(yīng)定律將運(yùn)動速度轉(zhuǎn)換為感應(yīng)電動勢輸出優(yōu)點(diǎn)：不需輔助電源、輸出功率較大，檢測電路簡單、性能穩(wěn)定可用于測量轉(zhuǎn)動、振動等根據(jù)實(shí)現(xiàn)磁通變化的方式不同，可分為恒磁通的動圈式或動鐵式，變磁通的開磁路式或閉磁路式磁電傳感器Hefei

Institutes

of

Physical

Science4.3.1

磁電感應(yīng)式傳感器恒磁通磁電感應(yīng)式傳感器√磁電式傳感器為結(jié)構(gòu)型傳感器，當(dāng)結(jié)果參數(shù)確定后，感應(yīng)電動勢與線速度或角速度成正比√磁電式傳感器適合測量動態(tài)量√在電路中接入積分電路，輸出與位移成正比√在電路中接入微分電路，輸出與加速度成正比Hefei

Institutes

of

Physical

Science變磁通磁電感應(yīng)式傳感器√也稱變磁阻式磁電傳感器，常用來測量轉(zhuǎn)速開磁路式磁電傳感器√傳感器的線圈、磁鐵靜止，導(dǎo)磁材料制成的測量齒輪安裝在被測轉(zhuǎn)軸上√安裝時，將永磁鐵產(chǎn)生的磁力線通過軟鐵端部對準(zhǔn)齒輪的齒頂√當(dāng)齒輪轉(zhuǎn)動時，齒的凹凸引起磁阻的變化，使磁通變化，在線圈中感應(yīng)出交變電動勢√頻率等于轉(zhuǎn)速與齒數(shù)的乘積√開磁路轉(zhuǎn)速傳感器結(jié)構(gòu)簡單，但輸出信號較小Hefei

Institutes

of

Physical

Science閉磁路式磁電傳感器√轉(zhuǎn)子與轉(zhuǎn)軸緊固，轉(zhuǎn)軸與被測物相連√轉(zhuǎn)子與定子用純鐵制成，它們和永磁鐵構(gòu)成磁路系統(tǒng)√轉(zhuǎn)子和定子的環(huán)形端部都均勻銑出等間距的齒和槽√測量時，被測物帶動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，當(dāng)轉(zhuǎn)子和定子齒凸凸相對時，氣隙最小，磁阻最小，磁通最大當(dāng)轉(zhuǎn)子和定子齒凸凹相對時，氣隙最大，磁阻最大，磁通最小√隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，磁通周期性變化，在線圈中感應(yīng)出近似正弦波的電動勢信號，經(jīng)施密特電路整形變?yōu)榫匦蚊}沖信號Hefei

Institutes

of

Physical

Science√霍爾傳感器是利用霍爾效應(yīng)原理實(shí)現(xiàn)磁電轉(zhuǎn)換，從而將被測物理量轉(zhuǎn)換為電動勢√霍爾效應(yīng)：將半導(dǎo)體薄片置于磁場中，若在薄片控制極通過電流，將在輸出電極產(chǎn)生電動勢，此現(xiàn)象為霍爾效應(yīng)，產(chǎn)生的電動勢稱為霍爾電勢√優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高、線性度好、穩(wěn)定性高、體積小4.3.2

霍爾傳感器Hefei

Institutes

of

Physical

Science霍爾元件的基本測量電路√四端型器件√一對控制電極√一對輸出電極√控制電流由電壓源提供，RW調(diào)節(jié)控制電流大小Hefei

Institutes

of

Physical

Science霍爾元件主要參數(shù)√輸入電阻Ri和輸出電阻Ro：Ri控制極之間的電阻，Ro輸出極電阻√額定控制電流I0和最大允許控制電流：當(dāng)霍爾元件通過控制電流使其在空氣中產(chǎn)生10℃溫升時，對應(yīng)的控制電流稱為額定控制電流

元件最大溫升限制所對應(yīng)的控制電流稱為最大允許控制電流√不等位電勢U0和不等位電阻r0

在額定控制電流下，不加外磁場時，霍爾輸出電極空載輸出電勢為不等位電勢。產(chǎn)生不等位電勢的原因是兩個霍爾電極沒有安裝到同一等位面上不等位電勢U0與額定控制電流I0之比，稱為不等位電阻r0Hefei

Institutes

of

Physical

Science不等位電勢誤差的補(bǔ)償√不等位電勢是零位誤差，可采用電橋平衡原理補(bǔ)償√霍爾元件可以等效為四臂電橋，R1-R4為電極間的等效電阻√理想情況下，不等位電勢為零電橋平衡，相當(dāng)于R1-R4相等√若不等位電勢不為零，相當(dāng)于R1-R4不全相等。可根據(jù)輸出電極兩點(diǎn)電位的高低，判斷應(yīng)在哪個橋臂上并聯(lián)電阻，使電橋平衡，從而消除不等位電勢√一般在阻值較大的橋