機械工程測試技術(shù)（第3版）課件：發(fā)電式傳感器及其應用

發(fā)電式傳感器及其應用

發(fā)電式傳感器及其應用內(nèi)容概要5.1壓電式傳感器5.2磁電式傳感器5.3霍爾傳感器5.4熱電偶傳感器5.5紅外探測器傳感器電參數(shù)電阻電容電感電信號電壓電流電荷壓電傳感器原理

利用壓電材料的壓電效應，將被測量的變化轉(zhuǎn)換成感生的電荷量變化實現(xiàn)測量。5.1壓電式傳感器測量的物理量——測量那些最終能變成力的物理量

力、力矩和壓力振動加速度、聲音特點：響應快、頻帶寬、靈敏度高結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠;不適合靜態(tài)、準靜態(tài)信號的測量5.1壓電式傳感器2.壓電效應外力作用下在壓電材料一定方向的兩個表面產(chǎn)生電荷壓電效應分：

正壓電效應：施加外力后表面產(chǎn)生電荷現(xiàn)象為正壓電效應逆壓電效應：施加電壓后，材料會產(chǎn)生機械變形的現(xiàn)象為逆壓電效應傳感器利用正壓電效應當動態(tài)力變?yōu)殪o態(tài)力時，電荷將由于表面漏電而很快泄漏、消失;當力的方向改變時，電荷的極性隨之改變;輸出電壓的頻率與動態(tài)力的頻率相同.為什么壓電傳感器不宜測量靜態(tài)量？5.1壓電式傳感器5.1壓電式傳感器3.壓電元件及等效電路天然石英晶體資源稀少，實用中多用高溫燒結(jié)成的壓電陶瓷將壓電陶瓷片以X軸為法線的兩個面安裝好電極和引線就構(gòu)成了壓電元件?？梢暈閮蓸O板上聚集異性電荷，中間為絕緣體的電容器電荷源

電壓源FFq電極壓電晶片Cou＝q/Co等效電路為5.1壓電式傳感器4.結(jié)構(gòu)形式兩片、多片壓電材料串并聯(lián)組成，提高靈敏度并聯(lián)接法：電容量大、時間常數(shù)大，響應慢測量緩變信號適合電荷輸出串聯(lián)接法：電容量小、時間常數(shù)小，響應快測量快變信號適合電壓輸出5.壓電傳感器調(diào)理電路（1）測量壓電傳感器電荷信號的電壓放大器AAQQCRuiuiCaRaCcCiRi壓電傳感器電纜一般放大器簡化等效電路

等效電容：等效電阻：電荷：

若作用于壓電元件上的力表示為，經(jīng)推導可得：

方程特解的模為：等效電容及電阻上電壓為：5.1壓電式傳感器放大器輸入端電壓反應傳感器信號大小電壓放大器測量電路的不足在高頻范圍內(nèi)（），有：，即：

電壓放大器的輸入電壓受系統(tǒng)等效電容的影響，該電容越大，輸入電壓越小。在工程實際測量中，電纜電容會因電纜長度不同而不同，使得壓電傳感器的靈敏度成為電纜長度的函數(shù)，給測量帶來不確定因素。由于電壓放大器自身存在著上述電壓靈敏度隨頻率及電纜電容變化的不足之處，因此只用于精度要求不高的測量中。在低頻范圍內(nèi)（<<1），有：，即：

電壓放大器的輸入電壓是頻率的函數(shù)，隨著頻率的下降而下降。當頻率等于零時，輸入電壓等于零，可見，壓電傳感器配用電壓放大器時，不可以用于靜態(tài)測量。5.1壓電式傳感器一種具有電容負反饋的、輸入阻抗非常高的高增益運算放大器。輸入端電壓

輸出端電壓開環(huán)增益很大，

因為運放的輸入電阻很大，并忽略傳感器電阻泄漏電荷

電荷放大器能將壓電傳感器輸出的電荷轉(zhuǎn)換為電壓（Q/U轉(zhuǎn)換器），但并無放大電荷的作用，只是一種習慣叫法。（2）測量壓電傳感器電荷信號的

電荷放大器5.1壓電式傳感器輸入端電壓

可見：電荷放大器的輸出電壓與傳感器的電荷量成正比，并且與電纜分布電容及頻率無關(guān)電荷放大器的靈敏度取決于Cf——靈敏度的選擇，分檔切換常做高精度測量放大器下限截止頻率

為保持下限頻率不變Rf作用：穩(wěn)定直流工作點；與cf同步變化，確保反饋電路時間常數(shù)不變。5.1壓電式傳感器加速度計電纜電荷放大器5.1壓電式傳感器電荷放大器靈敏度輸入范圍低通濾波5.1壓電式傳感器

隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，ICP（integratedcircuitspiezoelectric）傳感器得到了快速發(fā)展。

將傳統(tǒng)的電荷放大器集成于傳感器內(nèi)部，所有阻抗變換和放大工作都在傳感器內(nèi)部完成，最后以低阻抗電壓方式輸出信號。

由于壓電元件與放大電路距離非常近，并一同封裝在金屬殼體內(nèi)，有效屏蔽了干擾信號，信噪比高，特別適合現(xiàn)場測試和在線監(jiān)測。3）ICP集成放大器4mA左右恒流源給放大器供電，供電電纜同時作為信號輸出線。5.1壓電式傳感器內(nèi)裝IC壓電加速度傳感器內(nèi)裝微型IC-集成電路放大器低阻抗輸出，抗干擾，噪聲小性能價格比高，安裝方便，尤其適于多點測量穩(wěn)定可靠、抗潮濕、抗粉塵、抗有害氣靈敏度：100mV/g量程：50g頻率范圍：0.5-8000Hz（±10%)安裝諧振點:30kHz分辨率：0.0002g重量：8mg線性：≤1%輸出偏壓：8-12VDC恒定電流：2-20mA輸出阻抗：＜150Ω激勵電壓：18-30VDC5.1壓電式傳感器6壓電傳感器的優(yōu)缺點優(yōu)點它具有很高的剛度，測量過程中變形甚小，是一種近乎理想的測力元件尺寸與重量很小，可以小到只有零點幾克，因而使用中對被測對象的附加質(zhì)量小固有頻率高，可以高達數(shù)萬赫茲，線性好橫向干擾?。ㄗ畲蟛怀^5%），可做成多向測力儀響應快、靈敏度高、信噪比大、結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠缺點調(diào)理特殊、不宜做靜態(tài)測量需經(jīng)常校正靈敏度5.1壓電式傳感器7.壓電傳感器的應用壓電式壓力傳感器12345壓電轉(zhuǎn)換元件傳感器體彈性膜片電極引線P原理：利用正壓電效應，將壓力轉(zhuǎn)換成電荷量實現(xiàn)測量測量動態(tài)力：機械結(jié)構(gòu)的拉伸和壓縮力5.1壓電式傳感器壓電式加速度傳感器結(jié)構(gòu)敏感元件：彈簧、質(zhì)量、阻尼系統(tǒng)轉(zhuǎn)換元件：壓電元件轉(zhuǎn)換電路：電荷放大器、阻抗變換器S是彈簧，M是質(zhì)量塊，B是基座，P是壓電元件，R是夾持環(huán)幾種加速度傳感器結(jié)構(gòu)(a)中心安裝壓縮型(b)環(huán)形剪切型5.1壓電式傳感器加速度與力同時測量的復合式壓電式傳感器阻抗頭：同時給出同一個點動態(tài)加速度和力的傳感器機械阻抗：響應加速度/激振力

8770A5型阻抗頭量程靈敏度頻率范圍加速度±5g1000mV/g1Hz~4kHz力±5Ib1000mV/Ib5.1壓電式傳感器壓電加速度計安裝螺栓安裝——可測量強振動和高頻率振動絕緣螺栓或者云母片絕緣相連粘結(jié)劑連結(jié)磁鐵座相連——常用、較小的振動測量臘膜粘附手持探棒與振動表面接觸1）應減小電纜噪聲

產(chǎn)生原因：電纜芯與絕緣體間、金屬屏蔽套與絕緣體間因滑移摩擦和分離，產(chǎn)生靜電荷感應干擾。

減小方法：固定好傳感器的引出電纜和選用低噪聲電纜。2）應減小接地回路噪聲

產(chǎn)生原因：不同電位處多點接地，形成了接地回路和回路電流。減小方法：傳感器與被測對象絕緣連接，并使測試系統(tǒng)同一點接地。壓電（陶瓷/晶體）式傳感器應用時注意事項：固定電纜單點接地5.1壓電式傳感器5.2磁電式傳感器1.磁電式傳感器測量原理：利用電磁感應原理N匝線圈與磁鐵相對運動、切割磁力線，感應出正比于運動速度的電壓磁通Ф變化率取決于：磁場強度B——固定線圈運動速度磁路磁阻分類：1）動圈式(線圈運動)：常用于測量直線運動速度或振動速度.2）變磁阻式：常用于測量角速度或轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速、扭矩；當線圈匝數(shù)N、磁場強度B、磁場中的導體長度L為常數(shù)時，感應電動勢與速度成正比：

1）動圈式磁電傳感器工作原理特點：輸出功率大，可直接放大，調(diào)理電路簡單性能穩(wěn)定頻響10～1000Hz。一般測量直線運動速度

測角速度型

可否測量角速度？5.2磁電式傳感器磁電式速度傳感器動態(tài)特性下限頻率受固有頻率影響。為了擴大下限可測頻率，固有頻率應該盡可能低，但可能存在體積過大、重力場中靜變形過大、易受交叉振動干擾。因此，固有頻率一般取10～15Hz。上限頻率受到安裝頻率影響。接觸桿與被測物體表面的接觸（安裝）共振頻率決定工作頻率：15～1000Hz阻尼比：阻尼比（0.5-0.7），可擴展頻率下限比較5.2磁電式傳感器原理：永久磁鐵產(chǎn)生確定強度的磁場，磁鐵與線圈均不動，被測量使磁路磁阻變化，引起磁通變化而使線圈產(chǎn)生脈沖感應電勢。典型代表：齒圈齒頂與極軸的間隙變化導致磁路磁阻變化。

一般測量角速度或轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速缺點：

對轉(zhuǎn)軸有阻力矩；低速時輸出信號較小，故不適用于低轉(zhuǎn)速測量。永久磁鐵線圈齒圈引線間隙極軸2）變磁阻磁電式傳感器工作原理5.2磁電式傳感器1）通過測頻測量轉(zhuǎn)速的原理式中：m－軸每轉(zhuǎn)一圈傳感器發(fā)出信號個數(shù)T－頻率計測量信號的時間間隔；N－T秒內(nèi)頻率計所顯示的信號個數(shù)。

時基選擇開關(guān)的選擇原則是使頻率計所顯示的讀數(shù)與實際轉(zhuǎn)速相等。一種測量頻率和時間的電子儀器——脈沖信號的調(diào)理2.轉(zhuǎn)速測量中常用的數(shù)字式頻率計誤差：±1個字缺點：轉(zhuǎn)速較低時誤差較大。產(chǎn)生時標信號時基選擇開關(guān)60控制時間被測軸轉(zhuǎn)速的一般表達式為：5.2磁電式傳感器2）通過測周期測量轉(zhuǎn)速的原理

讓被測信號來控制計數(shù)閘門的開啟（如每轉(zhuǎn)一個），使儀器內(nèi)石英晶體振蕩器所產(chǎn)生的高頻信號進入計數(shù)器（標準信號）。

此方法可以提高低速測量精度。產(chǎn)生時標信號時基選擇開關(guān)控制時間若顯示器的讀數(shù)為N，標準時間信號的周期為T0，則被測信號的周期Tx為：

被測信號的頻率f為：5.2磁電式傳感器轉(zhuǎn)速：分類：

動圈式、變磁阻式測量電路：

動圈式輸出可直接放大，變磁阻式可用數(shù)字式頻率計優(yōu)點：能夠直接測量線速度和角速度；輸出功率大，可用于遠距離測量；結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠。缺點：動圈式下限頻率高，一般為10~15Hz；變磁阻式對轉(zhuǎn)軸有阻力矩低速時輸出信號較??；不宜在高溫及強磁場的環(huán)境中工作。常用的直接測量位移及加速度的傳感器有哪些？為什么？5.2磁電式傳感器永久磁鐵線圈齒圈引線間隙極軸5.2磁電式傳感器3.應用磁電式速度傳感器（1）絕對速度傳感器-接觸式組成：磁路系統(tǒng)、慣性質(zhì)量、彈簧阻尼、線圈原理：殼體振動→磁鋼隨之振動→芯軸相對靜止→線圈切割磁力線→線圈中感應電勢感應電勢E=kV，式中k取決于磁感應強度、線圈長度和匝數(shù),V為絕對振動速度彈簧片芯軸線圈磁鋼阻尼環(huán)殼體5.2磁電式傳感器（2）相對速度傳感器-接觸式頂桿——彈簧——工作線圈——另一試件殼體——磁鐵——另一試件輸出電壓：正比相對速度測量頻率：0～1kHz1-頂桿2-限幅器3-彈簧4-永久磁鐵5-工作線圈6-彈簧7-電勢輸出5.2磁電式傳感器磁電式轉(zhuǎn)速傳感器原理：變磁阻輸入：轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速輸出：感應一個個電勢脈沖特點：

可靠、穩(wěn)定、有源傳感器

不適應于低轉(zhuǎn)速永久磁鐵線圈齒圈引線間隙極軸5.2磁電式傳感器磁電式扭矩傳感器相位差與扭轉(zhuǎn)角成正比，扭轉(zhuǎn)角反應扭矩大小。5.3霍爾傳感器1.霍爾傳感器工作原理——霍爾效應金屬或半導體薄片置于磁場中，當有電流流過時，在垂直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生電動勢——霍爾電壓

霍爾電壓UH與通過電流I和磁感應強度B成正比kH是霍爾靈敏度，與霍爾元件厚度有關(guān)，d越小，就越大（薄膜霍爾元件d為1μm左右）5.3霍爾傳感器2.霍爾元件

由于金屬材料的霍爾效應很微弱，一般采用半導體材料

N型半導體材料：鍺、硅、銻化銦、砷化銦特性尺寸小、特別是厚度很小，可以放到磁場的空隙中，因而很方便；輸出靈敏度可達12mV/(mA·T)建立霍爾電勢的時間極短（10-12~10–14s），高頻測量應用直接測量：磁場B、電流I間接測量：位移、厚度、重量、轉(zhuǎn)速5.3霍爾傳感器3霍爾傳感器的測量電路和誤差補償霍爾傳感器的測量電路電源E給霍爾元件提供工作電流I以及磁場B

串聯(lián)的電阻Rw用來調(diào)節(jié)工作電流的大小（達到規(guī)定值）RL是霍爾元件的負載電阻，通常是放大器的輸入電阻或表頭電阻。

UH是輸出電壓

5.3霍爾傳感器霍爾元件的誤差補償實際使用中，影響霍爾元件精度的主要因素是：不等位電動勢：當霍爾元件的工作電流為I，磁場強度為0時，測得的霍爾電動勢并不為0。溫度誤差：霍爾電動勢大小隨溫度發(fā)生變化。5.3霍爾傳感器（1）不等電位誤差原因及解決辦法不等位電動勢產(chǎn)生的原因（制造工藝和材料）霍爾電極安裝位置不對稱或不在同一等電位面上（b、d）半導體材料電阻率不均勻或幾何尺寸不均勻激勵電極接觸不良造成激勵電流不均勻分布電極不對稱

電橋等效電路補償辦法在電阻值較大處并聯(lián)調(diào)節(jié)電阻并聯(lián)相鄰的調(diào)節(jié)電阻增加電路對稱性5.3霍爾傳感器（2）溫度誤差產(chǎn)生原因及補償辦法溫度誤差原因半導體材料的載流子濃度、遷移率、電阻率、霍爾系數(shù)隨溫度變化。對于正溫度效應的霍爾原件，溫度升高引起霍爾元件輸入電阻增大，使控制電流變化造成誤差。

補償辦法選擇溫度系數(shù)小的霍爾元件采用恒流源減小元件內(nèi)阻隨溫度變化引起的工作電流變化在電流端并聯(lián)分流電阻5.3霍爾傳感器4應用開關(guān)型霍爾傳感器原理在傳感器內(nèi)用稀土磁鋼給霍爾器件建立初始磁場傳感器前面有鐵磁物體時，引起該磁場發(fā)生變化霍爾器件檢測、轉(zhuǎn)換成一個交變信號，內(nèi)置電路進行放大、整形，輸出應用：測量轉(zhuǎn)速、流速、位置等5.3霍爾傳感器測轉(zhuǎn)速、流速對轉(zhuǎn)軸有無阻力矩？1輸入軸；2轉(zhuǎn)盤；

3小磁鐵；4霍爾傳感器為什么多個磁極？測流速測轉(zhuǎn)速5.3霍爾傳感器測位置——發(fā)動機曲軸位置檢測飛輪上有12個槽，4個槽為一組，分為三組，每組相隔120°，每組中的每個槽也相隔20°飛輪上每組槽通過霍爾傳感器時，傳感器將產(chǎn)生四個脈沖信號每組信號可被用來確定兩缸活塞的位置，控制噴油和點火

軟磁鐵片4上下移動，控制流經(jīng)霍爾板的磁通量，目的是度量軟磁鐵片的位置。檢測霍爾電壓的電子線路只產(chǎn)生0V和12V兩個高低電平?；魻栃摻z斷絲檢測裝置1—鋼絲繩2—霍爾元件3—永久磁鐵5.3霍爾傳感器霍爾式損傷檢測結(jié)構(gòu)：永久磁鐵+鋼絲繩+霍爾元件原理：鋼絲繩中的斷絲會改變永久磁鐵產(chǎn)生的磁場霍爾元件檢測磁場變化，產(chǎn)生一個脈動電壓信號——斷絲根數(shù)及斷絲位置還有什么方法可測裂紋？霍爾式位移傳感器

當通入電流i于導線ab中，由霍爾效應分析可知，霍爾元件左半產(chǎn)生的霍爾電勢VH1和右半產(chǎn)生的霍爾電勢VH2方向相反。當霍爾元件相對于磁極有位移時，c、d兩端輸出電壓差(VH1-VH2)

正比于位移大小。適于測量微位移和機械振動。i5.3霍爾傳感器霍爾傳感器特性歸納：（1）一般為半導體材料。由于純金屬中自由電子濃度過高，霍爾效應很微弱，不具有實用價值，所以霍爾元件常用的是各種半導體材料。（2）尺寸小、特別是厚度很?。ū∧せ魻栐為1μm左右），可以放到磁場的空隙中，因而很方便；材料的厚度越小，KH就越大，則靈敏度就越大。（3）輸出信號大，靈敏度可達12mV/mA-T。（如外加磁場是o.1T，控制電流若為20mA，則霍爾電壓可達24mV。)（4）輸出電阻小，只有0.5_100歐姆；（5）建立霍爾電勢的時間極短（10-12_10–14s），因此所測外界信號頻率可以很高，頻率可以從直流到兆赫。缺點：靈敏度受溫度影響較大，使用中必須采取措施減小溫度誤差。5.3霍爾傳感器5.4熱電偶傳感器1.熱電偶測溫原理：熱電效應當不同材料的兩導體Ａ和Ｂ的兩個結(jié)點處溫度不同時，則回路中產(chǎn)生熱電勢熱電偶的熱電勢是由接觸電勢和溫差電勢兩部分組成：接觸電勢：接觸點電子密度不相同而形成的電位差eAB

(t)溫差電勢：金屬導體兩端溫度不同而產(chǎn)生的熱電勢eA(t,t0)——等溫時為零導體A導體B高溫端t低溫端t0一般來講，溫差電勢遠遠小于接觸電勢，則回路熱電勢可簡化為：K和e分別為波茲曼常數(shù)和電子電量；

NA和NB分別為導體A、B的自由電子密度。AEA(T0,T1)＝0T0T11）均質(zhì)導體定律:

在用同一種均質(zhì)材料組成的回路中，不論材料的截面積是否一致，無論各處的溫度分布如何，該回路中的總熱電勢等于零。

推論：

(1)若要構(gòu)成一熱電偶，必須采用兩種不同性質(zhì)的材料。

(2)由同一種材料組成的閉合回路存在溫差時，若回路中產(chǎn)生熱電勢便說明該材料是不均勻的。此定律可作為檢驗材質(zhì)均勻性的原則。2.熱電偶測溫基本定律5.4熱電偶傳感器T0EB(T,T0)EA(T,T0)CTABT0EAB(T)ECA(T0)EBC(T0)2）中間金屬定律:

在熱電偶回路中加入第三種導體，只要其兩端溫度相同，熱電偶產(chǎn)生的熱電勢保持不變。不受第三金屬接入的影響。由此定律可得出如下結(jié)論：

(1)

可以在熱電偶回路中接入儀表（儀表接線處溫度相同），以便檢測熱電勢的大小從而測出溫度。

(2)任何金屬A或B對另一種金屬C的熱電勢為已知，則該兩種金屬組成的熱電偶的熱電勢為它們對金屬C熱電勢的代數(shù)和。即：因此可以簡化熱電偶的選配工作。該兩點溫度相同5.4熱電偶傳感器應用：開路熱電偶

只要A、B電極接入處溫度一致，任意焊接、任意連接工作端t參考端t0金屬壁面工作端t參考端t0液態(tài)金屬熱電偶與電測顯示裝置連接的兩種基本電路.5.4熱電偶傳感器工作端t參考端t0工作端t參考端t0溫度相同T03）中間溫度定律:

熱電偶在接點溫度為T、T0時的熱電勢等于該熱電偶在接點溫度為T、Tn和Tn、T0時相應的熱電勢的代數(shù)和，即由中間溫度定律可進行溫差測量：只要分別知道T與Tn溫度相對于參比溫度T0下的電勢，則對應于T和Tn溫差下的熱電勢便為已知。TT0TnABBATT0BA5.4熱電偶傳感器材料選定之后，熱電勢的大小僅與兩端溫度差有關(guān)---非線性關(guān)系。

如果固定一個端點溫度T0，則熱電勢就建立了與測量溫度T有關(guān)的對應關(guān)系。分度表：

材料選定、T0固定，將E——T關(guān)系列成專門表格，叫做熱電偶分度表。特點：

1）不同材料組成的熱電偶具有不同的分度表。

2）不同的冷端（自由端）溫度T0具有不同的分度表。通常取T0

為0℃，對于低溫熱電偶T0

為0K

。

3）分度表是由大量科學實驗總結(jié)出來的。3.溫度與電勢之間關(guān)系——分度表5.4熱電偶傳感器工作端溫度℃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

鉑銠-鉑熱電偶分度表（自由端溫度為0℃）例如：5.4熱電偶傳感器5.4熱電偶傳感器4.熱電偶冷端溫度補償冷端（參考/比端、自由端）——t0熱電偶熱電勢的大小不僅與工作端溫度有關(guān)，而且與冷端溫度有關(guān)只有當冷端溫度不變時，熱電勢才是熱端溫度的單值函數(shù)保證冷端溫度不變的溫度補償1)定點法——冰浴法把冷端置于恒溫器中，使其維持在一恒定溫度下，最常用冰槽精度很高，比較麻煩，僅限于實驗室用mVABA’B’TCC’儀表銅導線試管補償導線熱電偶冰點槽冰水溶液T05.4熱電偶傳感器2)冷端溫度修正法——查表補償法根據(jù)中間溫度定律，在環(huán)境溫度Tn下：EAB（T,0）=EAB（T,Tn）+EAB（Tn,0）實際測量的熱電勢是EAB（T,Tn）,查表得出EAB（Tn,0）后，即可根據(jù)公式求得所需要的EAB（T,0），從而查表得到待測溫度T。BBA

Tn

T

0AABe(t,0℃)=e(t,t0)+△e5.4熱電偶傳感器5.4熱電偶傳感器3)補償電橋法——在熱電偶回路中串聯(lián)一電勢U=e(t0,0)原理：電橋輸出與環(huán)境溫度（冷端）變化成正比，補償環(huán)境溫度對熱電偶的影響在0oC時，電橋平衡，輸出為U=0如果環(huán)境溫度上升，熱電偶輸出熱電勢數(shù)值要降低電橋中橋臂電阻Rcu隨溫度上升而增大，使電橋輸出電壓增加，它與前者迭加可起到補償作用eUt0t0tbdaR1cRsRCuteR3R25.4熱電偶傳感器5.熱電勢的測量方法1）動圈式儀表測量熱電勢由熱電偶、補償電路、外電路可調(diào)電阻和動圈儀表組成；用調(diào)整電阻調(diào)節(jié)外線路電阻達到規(guī)定的15Ω

則可從儀表直接讀出熱電勢值由于內(nèi)阻會造成電壓降，影響精度，用于精度要求不高的工業(yè)測量場合。動圈式儀表實際上是測量電流的儀表。不僅可以與熱電偶配接，還可與熱電阻、霍爾傳感器配接。5.4熱電偶傳感器2）直流電位差計測量熱電勢借用天平零示值稱重原理設定標準電勢：電阻R已知；規(guī)定流經(jīng)其上的電流I（可通過RJ使其達到規(guī)定值）；則在R上電壓降可以確定。

5.4熱電偶傳感器6.熱電偶分類熱電偶材料性能要求：物理化學性能穩(wěn)定、電阻溫度系數(shù)小、機械性能好、靈敏度高、復現(xiàn)性好、線性關(guān)系等熱電偶分類按熱電勢的性能可分為：常用熱電偶和特殊熱電偶按其適應的溫度范圍不同可分為：高、中溫熱電偶和低溫熱電偶按其結(jié)構(gòu)型式不同可分為：鎧裝式、插入式和裸線式熱電偶

一般熱電偶的靈敏度隨溫度降低而明顯下降，這是熱電偶進行低溫測量的主要困難。熱電偶結(jié)構(gòu)5.4熱電偶傳感器5.4熱電偶傳感器常用熱電偶分類及其性能名稱特點測溫范圍靈敏度鉑銠－鉑熱電偶——中高溫度計物理化學性能穩(wěn)定，測量精度高，常用于精密溫度測量和作為基準溫度計使用300℃~1300℃室溫下6uV/℃鎳鉻－鎳硅熱電偶——中高溫度計化學性能很穩(wěn)定，靈敏度高、成本低，價格低廉100℃~1000℃室溫下41uV/℃鎳鉻－康銅熱電偶——中低溫溫度計綜合了鎳鉻－鎳硅熱電偶和銅－康銅熱電偶的一些優(yōu)點——靈敏度高、價格便宜液氮溫區(qū)80K～500℃室溫下70uV/℃銅－康銅熱電偶——中低溫溫度計性能穩(wěn)定，復現(xiàn)性好，而且價格便宜80K～室溫室溫下40uV/℃鎳鉻－金鐵熱電偶——中低溫溫度計穩(wěn)定性好，熱導率低，適合于低溫測量1K～30K1K下10uV/℃5.4熱電偶傳感器歸納熱電偶特點：弱信號：～mv非線性熱慣性：接近于一階慣性環(huán)節(jié)熱電偶優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、制作方便、價格低廉、測溫范圍寬（1K到3000K）測溫精確度較高，高溫特性好流體、固體及表面溫度均可用它測量微型熱電偶可用于快速及動態(tài)溫度測量熱電偶缺點：需要恒定的冷端溫度1.原理：紅外輻射(熱電式或光電式：光-熱-電）紅外線輻射的峰值點隨著物體溫度的降低而轉(zhuǎn)向波長較長的一邊；絕對溫度2000K以下（低溫和常溫）的光譜曲線峰值點對應的波長為紅外線。因此，紅外線測試技術(shù)得到廣泛的應用。

任何物體的溫度高于絕對零度以上時，都會因自身的分子運動而向外輻射能量。物體溫度愈高，則輻射到空間去的能量愈多。普朗克定律輻射強度與波長及溫度之間的關(guān)系人體會發(fā)出紅外波嗎？5.5紅外探測器紅外線是其中之一,波長在0.76～100μm2.紅外探測器分類：（1）熱探測器——熱電效應：

熱探測器吸收紅外輻射后產(chǎn)生溫升，伴隨發(fā)生某些物理性能的變化。

測量這些物理性能的變化就可以測量出它吸收的能量或功率。

分為：熱敏電阻、熱電偶型、氣動型、熱釋電型（2）光子探測器——光電效應：

基于半導體材料的光電效應。利用入射光子直接與束縛電子相互作用。

分為：光電、光電導及光生伏打等探測器。5.5紅外探測器5.5紅外探測器（1）熱探測器：1)熱電偶型：多對熱電偶串連相接——熱電堆輻射能→紅外輻射透鏡→熱端材料：銀─鉍、錳─康銅；或鍍膜和光刻技術(shù)制造薄膜熱電堆（銻─鉍）熱電偶冷端置于環(huán)境溫度下熱端涂上黑層置于輻射中5.5紅外探測器2)氣動型——吸收紅外輻射后，氣室的氣體溫度升高、體積增大、

柔鏡凸起柔性鏡移動→光柵圖像－柵狀光欄相對位移→改變光量→光電管該探測器光譜響應波段很寬：從可見光到微波（不局限于紅外波）響應時間為15ms用于實驗室內(nèi)，作為其他紅外器件的標定基準紅外輻射透鏡透紅外窗口吸收薄膜氣室柔鏡可見光源光柵光柵圖像反射鏡反射鏡光電管透鏡5.5紅外探測器

鐵電體絕緣電阻負載入射到結(jié)內(nèi)的光子產(chǎn)生電子空穴對

5.5紅外探測器

光子探測器5.5紅外探測器3.紅外探測器性能比較性能熱