传感器与检测技术ppt课件.ppt

,第二篇 过程参数检测技术,传感器的定义,根据中华人民共和国国家标准（GB7665-87）传感器（Transducer/Sensor）：能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件和装置。,包含的概念：, 传感器是测量装置，能完成检测任务； 它的输入量是某一被测量，可能是物理量，也可能是化学量、生物量等； 它的输出量是某种物理量，这种量要便于传输、转换、处理、显示等等，这种量可以是气、光、电量，但主要是电量； 输出输入有对应关系，且应有一定的精确程度。,传感器的组成,敏感元件 直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的物理量。转换元件 敏感元件的输出就是它的输入，抟换成电路参量。转换电路 上述电路参数接入基本转换电路，便可转换成电量输出。,传感器的分类,按传感器的输入量（即被测参数）进行分类： 位移、速度、温度、压力传感器等。 按传感器的工作原理进行分类 ： 应变式、电容式、电感式、压电式、热电式传感器等。,4 温度检测,4.1.1 测温原理及方法,一、温度的基本概念和测量方法 温度是一个基本物理量。是国际单位制7个基本物理量之一。 温度的宏观概念是冷热 程度的表示。 温度的微观概念是大量 分子运动平均强度的表示。,测温原理,利用合适物体某一物理性质随温度变化的已知特性，通过与被测对象的热交换，测量相关物理量从而确定被测对象的温度。测温方式接触式：传热和对流，热接触;破坏被测对象热平衡，存在置入误差，对测温元件要求高。非接触式：热辐射;响应快，对被测对象干扰小，可测高温、运动对象，强电磁干扰、强腐蚀。,温度检测方法的分类,4.1.2 温标,温标：衡量温度的标尺，规定温度读数起点及温度的基本单位。经验温标：利用物质体膨胀与温度的关系制定的。 华氏温标tF：冰点32F，水沸点212F。中间等分180份。摄氏温标tC：冰点0，水沸点100。中间等分100份。,换算关系：,4.1.2.1国际实用温标,热力学温标 符号T90,单位K。 是英国物理学家开尔文 (Kelvin)于1848年以热力 学第二定律为基础所引出 的与测温物质无关的温标。,1954年确定以水的三相点作为热力学温标的基本固定点。,1990国际温标（ITS-90),单位K的大小定义为水三相点热力学温度的1/273.16。,同时使用国际摄氏度符号t90，单位摄氏度,4.1.2.2 温标的传递,将国际实用温标传递到普通测温仪表上。 比较法：将标准温度计与被校温度计同时放入检定装置，由标准温度计测量温值来确定被校温度计精度。,将两种不同材料的导体A和B串接成一个闭合回路，当两个接点温度不同时，在回路中就会产生热电势，形成电流，此现象称为热电效应，又称塞贝克效应。,4.2.1 热电偶测温4.2.1.1测温原理一、热电效应,4.2接触式测温,热电势产生的原因,（1）温差电势,两端温差两端的自由电子具有不同的动能动能大的自由电子就会向温度低的一段扩散。失去了电子的这一端就处于正电位，而低温端由于得到电子处于负电位。这样两端就形成了电位差，称为温差电动势。,接触电势,两种导体接触的时候，由于导体内的自由电子密度不同，电子密度大的导体向电子密度小的导体扩散，在扩散达到动态平衡时就形成了一个电位差。这个电位差称为接触电动势。,闭合回路中产生的总热电势：,T,T0为接点温度，TT0;SAB为塞贝克系数由热电极材料和接点温度决定。,T0一定时：,热电势由温度T决定。,通常温差电势远小于接触电势，可忽略。,总结：,T 端：测量端或热端T0端：参比端或冷端 热电势大小只与热电极材 料及两端温度有关，与热偶丝 的粗细长短无关。热电极材料 确定以后，热电势大小只与温 度有关。,热电效应原理,4.2.1.2 热电偶的应用定则,1)均质导体定律 由一种均质导体组成的闭合回路，不论导体的横截面积、长度以及温度分布如何均不产生热电动势。2)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。,意义：回路中引入连接导线和仪表，接入导线和仪表后不会影响回路中的热电势。,3)中间温度定则,在热电偶测温回路中，Tc为热电极上某一点的温度，热电偶AB在接点温度为T、T0时的热电势eAB(T, T0)等于热电偶AB在接点温度T、Tc和Tc、T0时的热电势eAB(T, Tc)和eAB(Tc, T0)的代数和，即,中间温度定律的应用,2)根据这个定律，可以连接与热电偶热电特性相近的导体A和B，将热电偶冷端延伸到温度恒定的地方，这就为热电偶回路中应用补偿导线提供了理论依据。,1)为制定分度表奠定了理论基础。已知温度T0=0时的热电势-温度关系，可求得参考温度不为0时的热电势。,4)参考电极定则,若两种导体A、B分别与第三种导体C组成热电偶的热电势已知，则A、B组成的热电偶也可知。,4.2.1.3 常用工业热电偶,基本要求： 1）测温范围内热电性能稳定。 2）测温范围内物理化学性能稳定。 3）热电偶随温度变化率足够大。 4）热电特性接近单值线性或近似线性。 5）电导率高，电阻温度系数小。 6）机械性能好，复制性好、工艺简单、价格低。,常用热电偶与热电势关系曲线,0时，热电偶的热电势均为0,什么热电偶测温上限高？,什么热电偶灵敏度高？,什么热电偶线性差？,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，线性较差，一般采用查表法。 分度表：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（表4-4）。 前提：冷端温度为0。,中间值按内插法计算:,一、铂铑合金、铂系列热电偶,贵金属热电偶（B、R、S型)优点：温区宽，测温高，精度高。缺点：热电势小，热电特性非线 性较大，价格贵。,二、廉价金属热电偶,由价廉的合金或纯金属构成（K、N、E、T、J型)。优点：性能稳定，热电势大，热电特性线性好，复现性好，高温抗氧化能力强。缺点：不适用过高温度。,三、难融合金热电偶,钨铼合金材料（WRe3-WRe25、WRe5-WRe26)优点：测温上限高，而且稳定性好，价格便宜。缺点：钨铼热电偶极易氧化，含碳气氛中容易生成稳定的碳化物，以致降低其灵敏度并引起脆断适于在惰性或干燥氢气中使用。,4.2.1.4 工业热电偶结构型式,（1）普通型热电偶,热容量大，热惯性大，温度变化响应慢。,（2）铠装热电偶,将热电偶丝、绝缘材料和金属套管组合装配后，拉伸加工而成。 优点：测温端热容量小，动态响应快；机械强度高，挠性好，可安装在结构复杂的装置上。,为何要处理参比端（冷端温度）？,4.2.1.5 热电偶参比端温度的处理,1）查分度表，需满足T0=0,但参比端温度通常不能保持为0，且受热源影响经常不恒定，会引入误差。2）冷端温度过高，热电势偏小。应想办法消除或补偿热电偶冷端损失。,补偿导线法的测量回路1测温接点；2补偿导线；3冷端；4铜导线；5测温仪表,补偿导线与被补偿热电偶有相同的电势-温度关系。,（1）补偿导线法,采用补偿导线与热电偶连接，使热电偶参比端远离热源。,常用补偿导线,热电偶和补偿导线实物图,2）参比端温度测量计算法,参比端温度不是0。需要对热电偶回路的测量电势值E（T，T0）加以修正。当工作端温度为T时: 1)分度表可查E(T0,0)。 2)根据中间温度定则得到：,3)根据E(T,0)并由分度表求得被测温度。,例1：用铜-康铜热电偶测某一温度T，参比端在室温环境T0中，测得热电动势E(T，T0)=1.999mV，又用室温计测出T0=21,试求被测温度。,3）参比端恒温法,4）补偿电桥法,利用不平衡电桥产生相应电势，补偿热电偶由于参比端温度变化而引起的热电势变化。,Rcu与热电偶参比端同温20时电桥平衡。, 零点迁移法,应用领域：如果冷端温度T0不是0，但十分稳定（如恒温车间或有空调的场所）。 实质：在测量结果中人为地加一个恒定值，如电动势EAB(T0,0) ，从而调整指示仪表上零点的。,（a)普通测温线路； (b) 带有补偿器的测温线路；(c)具有温度变送器的测温线路 (d)具有一体化温度变送器的测温线路,热电偶测温线路,（1）测单点温度,例2:用镍铬-镍硅热电偶测量物体温度，该物体在不同时刻温度分别为15，0，-15，测量仪表所处温度为15，热电偶直接与仪表相连。问在上述时刻仪表测得的热电势分别是多少?,(2)测量两点间温度差（反向串联）,只能是同一分度号的热电偶,如正向串联热电偶有何作用?,例3:用两只K型热电偶测量两点温差,连线如图所示,已知T1=420,T0=30,测得两点温差电势为15.24mV,试求两点温差为多少?,(3)测量多点温度平均值(并联),特点：当有一只热电偶烧断时，难以觉察出来。当然，它也不会中断整个测温系统的工作。,（4）测量多点温度之和(正向串联),前提:热电偶参数相同，且具有良好的线性特征。用途:用于求平均温度。,优点：热电动势大，仪表的灵敏度大大增加，且可立即可以发现热电偶有断路。缺点：只要有一支热电偶断路，整个测温系统将停止工作。,热电偶的校验,校验的方法是用标准热电偶与被校验热电偶装在同一校验炉中进行对比，误差超过规定允许值为不合格。,4.2.2 热电阻测温,原理:基于导体或半导体的电阻值随温度而变化的特性。分金属热电阻和热敏电阻两类。4.2.2.1 金属热电阻 基本特性：一般阻值随温度增加而增加，呈现正温度系数。,（1）热电阻材料,材料选择的要求：（1）阻值随温度变化成单值连续关系。（2）有尽可能大的电阻温度系数。 电阻温度系数（3）有较大的电阻率。（R0时阻值需要为固定值）。（4）测温范围内物理化学性能稳定。（5）复现性好，复制性强。,与金属纯度有关,材料的选择,铂热电阻,使用范围-200-850。电阻与温度关系：,其中，R（t）、R0 温度为 t 和 0 时的电阻； A、B、C 为常数： A = 3.908310-3-1； B = -5.8410-7-2； C = -4.2210-12 -4,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。,分度表： R0=10和100时的 Rtt关系。,铜热电阻,使用范围：-40-140 有R0=50和R0=100两种，它们的分度号分别为Cu50和Cu100。 电阻与温度关系：,其中，A、B、C为常数： A = 4.2889910-3-1 B = -2.13310-7-2 C = 1.23310-9-3,（3）热电阻结构,普通型热电阻,电阻丝采用无感绕法：对折后双绕在绝缘支架上。,铠装热电阻 铠装电缆+感温元件,（4）热电阻测量电路,引线电阻随温度的变化带来附加误差。,1）两线制,当2r/R10-3时，引线电阻的影响才可以忽略。,2）三线制,电桥平衡时,导线电阻 r 对测量无影响。,平衡电桥法,当热电阻Rt阻值随温度变化时，调节电位器Rw的电刷位置x，使电桥处于平衡状态，则有,L、R0：电位器有效长度和总电阻X：电刷位置,3）四线制,（1）不受其它条件约束；（2）精度最高。,4.2.2.2 热敏电阻,用金属氧化物或半导体材料作为电阻体的温敏元件。,优点：（1）结构简单、体积小、可测点温度； （2）电阻温度系数大，灵敏度高（10倍）； （3）电阻高、热惯性小、适宜动态测量。缺点：非线性高，单一品种测量范围窄。,热敏电阻外型,MF58型热敏电阻,贴片式热敏电阻,各类非标热敏电阻,数字温度计,CPU温度测量,热敏电阻的温度特性,负温度系数热敏电阻：NTC正温度系数热敏电阻：PTC临界温度系数热敏电阻：CTR,温度检测主要用负温度系数NTC。,PTC,CRT通常利用特定温度下阻值急剧变化特性构成温度开关器件。, NTC的 R-T 特性,B:取决于半导体材料和结构的常数。,T0:一般取25C。,NTC的温度系数T,A:T不是常数。B:T；T；低温段比高温段灵敏。C:B越大,灵敏度越高。,4.2.3 集成温度传感器,晶体管基极射极正向压降随温度升高而减少。,V1、V2：镜像管。 V3、V4：温度检测用晶体管， 二者发射极面积比为m。,4.3非接触式测温,主要是利用光辐射来测量物体温度。4.3.1 辐射测温原理 辐射的定义 电磁辐射波谱,当物体接受到辐射能量以后，根据物体本身的性质，会发生部分能量吸收、透射和反射。,吸收率；透射率；反射率。,辐射能的分配,绝对黑体：在任何温度下，均能全部吸收辐射到它上面的任何辐射能量。 透明体：照射到物体上的辐射能全部透射过去，既无吸收又无反射。 镜体、白体：照射到物体上的辐射能全部反射出去。若物体表现平整光滑，反射具有一定规律，则该物体称之为“镜体”；若反射无一定规律，则该物体称为“绝对白体”或者简称为“白体”。,对于一般工程材料来讲，0而+ =1，称为灰体。 人造黑体模型：,4.3.1.1 普朗克定律：绝对黑体的单色辐射强度E0与波长及温度T的关系为：,4.3.1.2 维恩位移定律：单色辐射强度的峰值波长m与温度T的关系为：,当黑体的温度升高时，辐射本领的最大值向短波方向移动。,黑体辐射定律,任何实际物体的总辐射亮度与温度的四次方成正比；通过测量物体的辐射亮度就可得到该物体的温度。,4.3.1.3 绝对黑体的全辐射定律,在全波波长内对辐射强度E0积分得：,辐射能力的修正,实际物体多数不是黑体，辐射能力低于黑体，辐射特性接近黑体。黑度系数：灰体和黑体的辐射能力之比。,4.3.2 辐射测温仪表的基本组成及常用方法,辐射测温仪表主要组成框图,辐射测温常用方法： 亮度法，全辐射法，比色法，多色法。,4.3.3 辐射测温仪表,4.3.3.1 光电高温计,光电高温计的工作原理1物镜；2孔径；3，5孔；4光电器件；6遮光板；7调制片；8永久磁铁；9激磁绕组；10透镜；11反射镜；12观察孔；13前置放大器；14主放大器；15反馈灯；16电位差计；17被测物体,通过测量某一波长下物体辐射亮度的变化测知其温度。,4.3.3.2 辐射温度计,依据全辐射定律，敏感元件感受物体的全辐射能量来测知物体的温度,透镜式和反射镜式的示意1光阑；2检测元件；3输出端子；4外壳；5反射聚光镜；6透镜,4.3.3.3 比色温度计,利用被测对象的两个不同波长（或波段）光谱辐射亮度之比实现辐射测温。,单通道型比色温度计原理1物镜；2调制盘；3检测元件；4放大器；5计算电路；6显示仪表；7马达；8滤光片,4.3.4 辐射测温仪表的表观温度,表观温度:指在仪表工作波长范围内，温度为T的辐射体的辐射情况与温度为TA的黑体的辐射情况相等，则TA就是该辐射体的表观温度。4.3.4.1 亮度温度,亮度相等原则:,可推得:,若和TL已知,可求得物体的真实温度T。,4.3.4.2 辐射温度,全辐射能量相等原则：,辐射温度计测出的实际温度为：,4.3.4.3 比色温度,亮度比相等原则。,物体的实际温度为：,4.4 光纤温度传感器,光纤：光导纤维。,利用光在玻璃或塑料制成的纤维中的全反射原理而达成的光传导工具。,敏感元件（或能量传输介质）：光纤。型式：功能型和非功能型。特点：电绝缘性能好，可弯曲，可实现不带电的全光探头。构成：光源激励、光源、光纤（含敏感元件）、光检测器、光电转换及处理系统、连接件。,4.4.1 液晶光纤温度传感器,原理：液晶的“热色”效应。 液晶片颜色随温度变化而变化，反射率因此变化。光通过不同颜色液晶片，光强发生变化，可知相应温度。,测温范围：-50-250。,4.4.2 荧光光纤温度传感器,荧光光纤温度传感器是由多模光纤和在其顶部安装的荧光物体(膜)组成。,荧光强度型,荧光余辉型,4.4.3 半导体光纤温度传感器,原理：半导体的光吸收响应随温度而变化，根据透过半导体的光强变化检测温度。,半导体材料透光率与温度的特性,特定波长g，温度升高，光强减弱。,半导体光纤温度传感器的装置简图及探头结构1光源；2光纤；3探头；4光探测器；5不锈钢套；6半导体吸收元件,4.4.4 光纤辐射温度计,原理和分类与普通的辐射测温仪表类似。,光纤辐射温度计1光纤头；2耦合器；3光纤；4信号处理单元,光纤敏感探头的多种形式(a)直型(b)楔型(c)带透镜型(d)黑体型,4.5.1 管道内流体温度的测量,接触式测温测点位置；插入深度；减少高温管道测点的热损失。,几种常见测温元件安装方式,4.5 测温实例,4.5.2 烟道中烟气温度的测量,减低套管的导热误差和向周围环境的辐射误差可抽气加大流速，增强对流换热，减少辐射误差。,测温元件外围加热屏蔽罩1外壁；2屏蔽罩；3温度计,抽气装置的示意图,4.5.3 非接触法测量物体表面温度,提高测量准确性的措施：1）合理选择测量距离。2）减小发射率影响。3）减少光路传输损失。4）减低背景辐射影响。,