传感器及其自动检测第3章.ppt

,普通高等教育“十一五”国家级规划教材,传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 HIGHER EDUCATION PRESS,第三章 发电传感器,本章学习的主要内容：1、热电偶传感器 2、霍尔式传感器 3、压电式传感器,普通高等教育“十一五”国家级规划教材,传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 HIGHER EDUCATION PRESS,热处理温控系统动画演示,31 热电偶传感器,普通高等教育“十一五”国家级规划教材,传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 HIGHER EDUCATION PRESS,一、热电偶传感器的工作原理,1、热电势效应,符号,两种不同材料结点温度不同组成闭合回路,热电势效应动画演示,普通高等教育“十一五”国家级规划教材,传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 HIGHER EDUCATION PRESS,热电偶的热电动势EAB(t，t0)接触电动势EAB（也称珀尔帖电动势）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。,普通高等教育“十一五”国家级规划教材,传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 HIGHER EDUCATION PRESS,（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）,普通高等教育“十一五”国家级规划教材,传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 HIGHER EDUCATION PRESS,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,普通高等教育“十一五”国家级规划教材,传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 HIGHER EDUCATION PRESS,（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),=,+,普通高等教育“十一五”国家级规划教材,传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 HIGHER EDUCATION PRESS,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,普通高等教育“十一五”国家级规划教材,传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 HIGHER EDUCATION PRESS,【例1】如图为铂铑10铂（S）热电偶，A、B为补 偿导线，温度t1=50，t2=0，t3=30，t00。（1）当U0=934V时，求被测点温度t。（2）如果A、B改为铜导线，此时U0=810V，再求 温度t。,普通高等教育“十一五”国家级规划教材,传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 HIGHER EDUCATION PRESS,【分析】,（1）根据中间导体定律：U2U0而A、B为补偿导线，视同热电偶 A、B所以 EAB(t,t2)U2U0934（V）t2=0，直接查表可得温度t=138,（2）根据中间导体定律：U1U0EAB(t,t1)U1U0，根据中间温度定律EAB(t,0)EAB(t,t1)EAB(t1,0)U0EAB(50,0)1109V 直接查表可得温度t=160,普通高等教育“十一五”国家级规划教材,传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 HIGHER EDUCATION PRESS,二、热电偶的种类及结构,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,普通高等教育“十一五”国家级规划教材,传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 HIGHER EDUCATION PRESS,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,普通高等教育“十一五”国家级规划教材,传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 HIGHER EDUCATION PRESS,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,普通高等教育“十一五”国家级规划教材,传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 HIGHER EDUCATION PRESS,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。,热电偶的分度表,由图表可知：根显示仪表都是以热电偶的自由端 温度等于0 为条件的。,如果自由端温度不是0，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。,普通高等教育“十一五”国家级规划教材,传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 HIGHER EDUCATION PRESS,（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）则指针指向t0。,指针被预调到室温（40 C）可补偿冷端损失,1、补偿方法,普通高等教育“十一五”国家级规划教材,传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 HIGHER EDUCATION PRESS,（2）冷端温度自动补偿,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）=E（t，t0）+Uab,XTWBC热电偶冷端补偿器,普通高等教育“十一五”国家级规划教材,传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 HIGHER EDUCATION PRESS,常用的国产冷端补偿器性能比较表,t为与20之差的温度数值。,普通高等教育“十一五”国家级规划教材,传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 HIGHER EDUCATION PRESS,2、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基本保持恒定热电偶做得长，贵重金属的耗费加大。,（1）问题的提出,（2）解决办法,温度范围（0100）热电特性相近的材料自由端延长，用补偿导线相连,普通高等教育“十一五”国家级规划教材,传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 HIGHER EDUCATION PRESS,A,B,屏蔽层,保护层,补偿导线外形图,普通高等教育“十一五”国家级规划教材,传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 HIGHER EDUCATION PRESS,常用热电偶补偿导线的特性,普通高等教育“十一五”国家级规划教材,传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 HIGHER EDUCATION PRESS,四、热电偶的应用,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：,普通高等教育“十一五”国家级规划教材,传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 HIGHER EDUCATION PRESS,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：,普通高等教育“十一五”国家级规划教材,传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 HIGHER EDUCATION PRESS,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,普通高等教育“十一五”国家级规划教材,传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 HIGHER EDUCATION PRESS,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：,普通高等教育“十一五”国家级规划教材,传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 HIGHER EDUCATION PRESS,XMZ系列智能数字显示仪表外形图,普通高等教育“十一五”国家级规划教材,传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 HIGHER EDUCATION PRESS,一、霍尔元件的工作原理及结构,1霍尔效应,32 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,KH1/ned,霍尔效应动画演示,普通高等教育“十一五”国家级规划教材,传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 HIGHER EDUCATION PRESS,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,普通高等教育“十一五”国家级规划教材,传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 HIGHER EDUCATION PRESS,霍尔元件图片,普通高等教育“十一五”国家级规划教材,传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 HIGHER EDUCATION PRESS,3基本电路,注意：时间短（约10-12s10-14s之间）频率高（几千兆赫）。,普通高等教育“十一五”国家级规划教材,传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 HIGHER EDUCATION PRESS,二、霍尔元件的基本参数与温度误差的补偿,1基本参数,（1）输入电阻Ri；,（2）输出电阻R0；,（3）最大激励电流IM；,（4）灵敏度KH；,（5）最大磁感应强度BM；,（6）不等位电势；,（7）霍尔电势温度系数,普通高等教育“十一五”国家级规划教材,传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 HIGHER EDUCATION PRESS,2温度误差及其补偿,半导体对温度很敏感特性参数为温度的函数,产生原因：,处理方法：,普通高等教育“十一五”国家级规划教材,传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 HIGHER EDUCATION PRESS,三、集成霍尔元件,1.线性型集成霍尔元件,普通高等教育“十一五”国家级规划教材,传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 HIGHER EDUCATION PRESS,线性型集成霍尔元件输出特性,普通高等教育“十一五”国家级规划教材,传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 HIGHER EDUCATION PRESS,2.开关型集成霍尔元件,输出特性,普通高等教育“十一五”国家级规划教材,传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 HIGHER EDUCATION PRESS,1应用类型,四、霍尔式传感器的应用,（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。,普通高等教育“十一五”国家级规划教材,传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 HIGHER EDUCATION PRESS,霍尔特斯拉计（高斯计）,霍尔元件,普通高等教育“十一五”国家级规划教材,传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 HIGHER EDUCATION PRESS,霍尔角位移测量动画演示1,2、应用举例,（1）角位移测量仪,普通高等教育“十一五”国家级规划教材,传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 HIGHER EDUCATION PRESS,霍尔角位移测量动画演示2,普通高等教育“十一五”国家级规划教材,传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 HIGHER EDUCATION PRESS,霍尔转速测量动画演示,（2）霍尔转速表,普通高等教育“十一五”国家级规划教材,传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 HIGHER EDUCATION PRESS,霍尔式微压力传感器原理示意图,（3）霍尔式微压力传感器,普通高等教育“十一五”国家级规划教材,传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 HIGHER EDUCATION PRESS,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,（4）霍尔钳形电流表,普通高等教育“十一五”国家级规划教材,传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 HIGHER EDUCATION PRESS,33 压电式传感器,压电传感器振动分析动画演示,普通高等教育“十一五”国家级规划教材,传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 HIGHER EDUCATION PRESS,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,普通高等教育“十一五”国家级规划教材,传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 HIGHER EDUCATION PRESS,2.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,普通高等教育“十一五”国家级规划教材,传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 HIGHER EDUCATION PRESS,3压电材料,（1）压电晶体,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,普通高等教育“十一五”国家级规划教材,传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 HIGHER EDUCATION PRESS,天然形成的石英晶体外形图,普通高等教育“十一五”国家级规划教材,传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 HIGHER EDUCATION PRESS,（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,普通高等教育“十一五”国家级规划教材,传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 HIGHER EDUCATION PRESS,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,普通高等教育“十一五”国家级规划教材,传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 HIGHER EDUCATION PRESS,4压电材料的主要特性指标,（1）压电系数d,（2）刚度H,（3）介电常数,（4）电阻R,（5）居里点,普通高等教育“十一五”国家级规划教材,传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 HIGHER EDUCATION PRESS,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？,普通高等教育“十一五”国家级规划教材,传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 HIGHER EDUCATION PRESS,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.电荷放大器,注意：,电荷放大器等效电路,普通高等教育“十一五”国家级规划教材,传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 HIGHER EDUCATION PRESS,电荷放大器外形图,普通高等教育“十一五”国家级规划教材,传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 HIGHER EDUCATION PRESS,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,C2C,UU,Q=2Q,（1）串联,（2）并联,U2U,Q=Q,普通高等教育“十一五”国家级规划教材,传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 HIGHER EDUCATION PRESS,2压电式传感器的应用,（1）压电式力传感器,压电式力传感器测力动画演示,普通高等教育“十一五”国家级规划教材,传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 HIGHER EDUCATION PRESS,（2）压电式加速度传感器,1基座 2引出电极3压电晶片 4质量块 5弹簧 6壳体,普通高等教育“十一五”国家级规划教材,传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 HIGHER EDUCATION PRESS,压电式振动加速度传感器,普通高等教育“十一五”国家级规划教材,传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 HIGHER EDUCATION PRESS,休 息 一 下,普通高等教育“十一五”国家级规划教材,传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 HIGHER EDUCATION PRESS,铠装型热电偶可 长达上百米,铠装型热电偶外形,普通高等教育“十一五”国家级规划教材,传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 HIGHER EDUCATION PRESS,普通热电偶的外形,普通高等教育“十一五”国家级规划教材,传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 HIGHER EDUCATION PRESS,小形K型热电偶,其他热电偶外形,普通高等教育“十一五”国家级规划教材,传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 HIGHER EDUCATION PRESS,铂铑10铂热电偶分度表分度号：S（自由端温度为0）,