電子感測技術(shù)第二章

1、2.12.1溫度檢測溫度檢測rfc45)32(95攝氏數(shù)值攝氏數(shù)值華氏數(shù)值華氏數(shù)值列氏數(shù)值列氏數(shù)值0f0c0r第第2 2章章 傳感器及檢測技術(shù)傳感器及檢測技術(shù)溫度表征冷熱程度，能量分布和分子運動烈度溫度表征冷熱程度，能量分布和分子運動烈度2.1.1溫標溫標溫標給出溫度數(shù)值、單位和計算規(guī)則溫標給出溫度數(shù)值、單位和計算規(guī)則1、經(jīng)驗溫標、經(jīng)驗溫標計算規(guī)則計算規(guī)則 單位單位 2 2、國際溫標、國際溫標t=t0+c絕對溫度絕對溫度273kt=0 0c時，時，t=t0（水三相點溫度）（水三相點溫度）t=0k時，時，c=-273 0c冷到極點，分子不動，能量為零。冷到極點，分子不動，能量為零。間隔間隔10c

2、=1k ( (開爾文開爾文) )2.1.2 溫度傳感器的介紹溫度傳感器的介紹型式（輸出量）型式（輸出量）敏感材料或元器件敏感材料或元器件膨脹式（可用非電量）膨脹式（可用非電量）水銀、紅酒精（常見）水銀、紅酒精（常見）雙金屬、液壓、氣壓（三態(tài)位移）雙金屬、液壓、氣壓（三態(tài)位移）熱阻式（間接電量）熱阻式（間接電量）熱電阻（金屬、穩(wěn)定）熱電阻（金屬、穩(wěn)定）熱敏電阻熱敏電阻熱電式（電量）熱電式（電量）集成電路集成電路熱電偶（金屬、有源）熱電偶（金屬、有源）輻射式（電量）輻射式（電量）光學高溫計光學高溫計紅外測溫儀紅外測溫儀其它（有用信號）其它（有用信號）微波傳感器微波傳感器光纖傳感器光纖傳感器（示教、

3、實訓）（示教、實訓）非接觸式非接觸式（半導體半導體、靈敏）、靈敏）重點介紹：半導體、熱電偶、紅外測溫儀重點介紹：半導體、熱電偶、紅外測溫儀1 1、半導體溫度傳感器、半導體溫度傳感器半導體具有熱敏性、光敏性和參雜性半導體具有熱敏性、光敏性和參雜性,可構(gòu)成高靈敏度溫度傳感器可構(gòu)成高靈敏度溫度傳感器熱敏效應，改變半熱敏效應，改變半導體或?qū)w或pnpn結(jié)的電阻結(jié)的電阻小范圍的阻溫關(guān)系小范圍的阻溫關(guān)系: :（1 1）熱敏電阻）熱敏電阻4060120 1600107101102103104105106t(.cm)溫度溫度(c)ntcctrptc)t1t1(b0t0err非線性非線性、測量范圍窄、復現(xiàn)性和互

4、換性差、測量范圍窄、復現(xiàn)性和互換性差靈敏度高靈敏度高、體小價廉、使用方便，多用于、體小價廉、使用方便，多用于:溫度測量溫度測量:r由電橋變成由電橋變成u溫度補償溫度補償:ntc型與正溫度系數(shù)元器件串、并聯(lián)型與正溫度系數(shù)元器件串、并聯(lián)溫度控制：與繼電器或開關(guān)元器件串、并聯(lián)溫度控制：與繼電器或開關(guān)元器件串、并聯(lián)過限保護：串或并入保護器件中過限保護：串或并入保護器件中書中圖書中圖2.2、2.3為其中一例為其中一例(2).集成溫度傳感器集成溫度傳感器 以以pn結(jié)作為敏感元件，與放大器、電橋和補結(jié)作為敏感元件，與放大器、電橋和補償電路等集成化，并把它們封裝在同一殼體里償電路等集成化，并把它們封裝在同一殼

5、體里改善了半導體的改善了半導體的缺點缺點：測溫測溫范圍增范圍增大大 復現(xiàn)性復現(xiàn)性和和互換性互換性較較好好保持了半導體的保持了半導體的優(yōu)點優(yōu)點：靈敏度高：靈敏度高 體小價廉體小價廉 使用方便使用方便書中圖書中圖2.4為為ad590用法之一：用法之一：i0與與t成正比成正比 )tt (su0ab參考參考( (冷冷) )端端tt(+a)(b)t0t0測量測量( (熱熱) )端端b(-)熱電勢熱電勢靈敏度靈敏度被測溫度被測溫度參考溫度參考溫度兩種金屬兩種金屬兩端溫差兩端溫差2 2、熱電偶溫度計、熱電偶溫度計（1）工作原理）工作原理缺點缺點:要求冷端溫度要求冷端溫度t0=0或恒定或恒定t0優(yōu)點優(yōu)點:穩(wěn)定

6、性好，溫度范圍大穩(wěn)定性好，溫度范圍大 uab rarbrtrsabtu0t0et0r（2）主要應用）主要應用一個測點溫，冷端要補償一個測點溫，冷端要補償t02abt1t01abt2abt1batnt01bt1at02bt2at03bt3ar1r2r3二個測溫差，二個測溫差，同極串電表同極串電表三個相并聯(lián)，三個相并聯(lián)，三點平均值三點平均值多個相串聯(lián)，多個相串聯(lián)，多點溫度和多點溫度和)m(t2898m3、紅外線熱輻射的檢測、紅外線熱輻射的檢測（1）紅外線（）紅外線（ =0.751000m）及其特點（物）及其特點（物體紅外輻射能量正比于它的吸收量）體紅外輻射能量正比于它的吸收量）熱電型熱電型ssm

7、m0光電型光電型靈敏度低，常溫使用靈敏度低，常溫使用靈敏度高，低溫工作靈敏度高，低溫工作多用于非接觸測量，其特點：多用于非接觸測量，其特點：a.不破壞測溫現(xiàn)場，對被測溫度無影響。不破壞測溫現(xiàn)場，對被測溫度無影響。b.不必達到被測物體的溫度，所以測溫快，不必達到被測物體的溫度，所以測溫快， 且無測溫上限。且無測溫上限。c.被測物體的熱輻射能與溫度的關(guān)系由被測物體的熱輻射能與溫度的關(guān)系由 實驗方法確定，因此定標較復雜。實驗方法確定，因此定標較復雜。 （2 2）紅外線測溫儀舉例）紅外線測溫儀舉例l結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)l定標：定標：u0=4v1mv ， 200 0 被測物47fa1a2a3a410cmrtntc6

8、mw紅外線聚光鏡遮光板電機晶體mosfetdsg光學系統(tǒng)傳感器測量電路u2u4uo調(diào)滿調(diào)滿 用熱敏電阻進行補償用熱敏電阻進行補償線性線性u0=-20mv/校零校零afp （工程大氣壓）帕斯卡10at)(p1a2.2.1壓力概念及單位壓力概念及單位 1、壓力表現(xiàn)為壓強、壓力表現(xiàn)為壓強 )(p1m1)(n1a2帕斯卡牛頓2.2壓力檢測壓力檢測2 2、絕對和相對壓力的關(guān)系、絕對和相對壓力的關(guān)系比較比較差壓差壓表壓表壓正壓正壓負壓負壓相同點相同點相對壓力相對壓力表壓，表壓， 以以p0為參考為參考不同點不同點p=p2-p1 p0=p-p0p00 p00 差壓差壓表壓表壓p1p2p0負壓負壓(p0-p)正

9、壓正壓(p-p0)大氣壓大氣壓0（真空）（真空）p金屬金屬 （穩(wěn)定性好）（穩(wěn)定性好） 半導體半導體 （靈敏度高）（靈敏度高）應變電阻片應變電阻片2.2.2壓力傳感器的介紹壓力傳感器的介紹（1）壓阻式）壓阻式（2）壓電式：）壓電式：（3）磁電式：）磁電式：霍耳（霍耳（hall）元件）元件（4）其它）其它壓電石英、壓電陶瓷、壓電半導體壓電石英、壓電陶瓷、壓電半導體應變電阻片應變電阻片壓力壓力彈性元件彈性元件位移位移應變電阻片應變電阻片r電橋電橋u電子測量電子測量壓力壓力敏感元件敏感元件轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路壓強壓強1、應變電阻片及其用法、應變電阻片及其用法（1）單臂電橋的溫度補償單臂電橋的溫度補償 和壓

10、力測量和壓力測量rrrrr1r1uababu單單、 雙臂電橋雙臂電橋應變電阻應變電阻應變電阻應變電阻4us4受力，rruuuuabab2usrr2uuuuabab，rruuuuababu rrrrrrr r壓縮壓縮拉伸拉伸壓縮壓縮拉伸拉伸ab全橋電路全橋電路（2）雙臂）雙臂（3）全橋電路進行雙梁檢測）全橋電路進行雙梁檢測us （4）測壓系統(tǒng)實例）測壓系統(tǒng)實例多通道調(diào)制型應變儀測壓系統(tǒng)多通道調(diào)制型應變儀測壓系統(tǒng) 組成：電阻片傳感器、多通道應變儀（多路電橋、信號處理）組成：電阻片傳感器、多通道應變儀（多路電橋、信號處理）rrriu其中一路電橋其中一路電橋放大放大放大放大傳感器傳感器r rr rrr

11、長電纜長電纜檢檢 波波濾濾 波波多多路路電電橋橋信信號號處處理理器器記錄儀記錄儀載波載波 振蕩振蕩現(xiàn)場定標現(xiàn)場定標高端調(diào)滿高端調(diào)滿低端校零低端校零中段線性中段線性iubikuhh2、霍耳（、霍耳（hall）元件）元件霍耳電壓霍耳電壓b霍耳效應霍耳效應uhii + + + +n型 當恒流源供電時當恒流源供電時uh=(kh i)b ,可用于：可用于：（1）測量磁場大小和方向）測量磁場大小和方向（2）可測線中大電流）可測線中大電流ib105a （3）利用）利用uh=（khkb）iib， 可做成乘法器等?？勺龀沙朔ㄆ鞯取b0（4）做成）做成hall壓力計壓力計線性線性 當環(huán)境溫度當環(huán)境溫度升升降降時

12、，串入正溫度系數(shù)時，串入正溫度系數(shù)的熱敏電阻的熱敏電阻rt也將也將增增減減，使，使u0保持不變保持不變（5）hall元件的溫度補償元件的溫度補償 rtrlihu0i02.3流量檢測流量檢測 aqvvmqq質(zhì)量流量的累積質(zhì)量流量的累積總量總量 n1iimit0mm)tq(dtqq(kg)在在t t時間內(nèi)，流量比較平穩(wěn)時間內(nèi)，流量比較平穩(wěn)2.3.1流量及測量方法流量及測量方法1、流量的概念及單位、流量的概念及單位 (1) 體積體積流量流量 (2) 質(zhì)量質(zhì)量流量流量(m2m/s=m3/s) (m3/skg/m3=kg/s) （1）流管中放置障礙物使其產(chǎn)生壓力變化，）流管中放置障礙物使其產(chǎn)生壓力變化，

13、 也能產(chǎn)生渦流、旋流和振動等現(xiàn)象。也能產(chǎn)生渦流、旋流和振動等現(xiàn)象。（2）流體沖擊流管中的活動體，使其產(chǎn)生轉(zhuǎn)）流體沖擊流管中的活動體，使其產(chǎn)生轉(zhuǎn) 動或位移。動或位移。（3）流體切割磁力線，管外器件將產(chǎn)生感應）流體切割磁力線，管外器件將產(chǎn)生感應 電動勢。電動勢。（4）流體帶走熱量，流體中的溫度因流動而）流體帶走熱量，流體中的溫度因流動而 發(fā)生變化。發(fā)生變化。2、測量依據(jù)和方法、測量依據(jù)和方法（5）流體中放入示蹤劑或流體中的不均）流體中放入示蹤劑或流體中的不均 勻介質(zhì)再現(xiàn)，測量流管內(nèi)兩點相關(guān)變勻介質(zhì)再現(xiàn)，測量流管內(nèi)兩點相關(guān)變 化量?；俊＃?）流體改變電波或超聲波的頻率）流體改變電波或超聲波的頻率,

14、使其使其 接收頻率接收頻率fr與發(fā)射頻率與發(fā)射頻率ft不同，產(chǎn)生不同，產(chǎn)生 了多卜勒（了多卜勒（doppler）頻移。）頻移。 trdfff2v1qkp201)(21ak2.3.2體積流量和質(zhì)量流量的檢測體積流量和質(zhì)量流量的檢測 1、差壓式流量計、差壓式流量計 流管流管rp節(jié)流孔節(jié)流孔差壓計差壓計p1p2 短路閥短路閥1v1v差壓差壓系數(shù)系數(shù)2 2、電磁式流量計、電磁式流量計 流速產(chǎn)生感應電動勢流速產(chǎn)生感應電動勢 vdbu bu4ddbu)2d(vaq2v恒磁場恒磁場 v2qku db4k2系數(shù)系數(shù)nsb磁極電極u v22v1qkqkupupkm1q21kkk3、質(zhì)量流量計、質(zhì)量流量計（1）推

15、導式質(zhì)推導式質(zhì) 量流量計量流量計質(zhì)量流量質(zhì)量流量系數(shù)系數(shù)差壓式差壓式電磁式電磁式 u pp2 電極電極vqm電電極極p1p1mqkvqk（2 2）超聲波直接式質(zhì)量流量計）超聲波直接式質(zhì)量流量計 t1順流傳到順流傳到r2的時間的時間vcosvhts1vcosvhts2hv2t1t1fff21212fhv流速hvttfffscos2112121cos2fhvs聲速流管流管 d 探頭探頭1t1探頭探頭2t2流速流速vhr2r1t2逆流傳到逆流傳到r1的時間的時間頻率差頻率差頻率和頻率和ssvk質(zhì)量流量質(zhì)量流量 vaqms2mkcos16)dh(k與流體的密度與流體的密度成正比成正比ffkm結(jié)構(gòu)常數(shù)結(jié)

16、構(gòu)常數(shù)s2kcos2fh2fhd42.42.4光學量測量和光纖傳感器光學量測量和光纖傳感器 2.4.1光學量測量方法和傳感器光學量測量方法和傳感器 1、測量方法和類型測量方法和類型 光光 源源光光 路路光光/ 電電測量電路測量電路xxxy（1）輻射式）輻射式光源本身光源本身x對光源作用對光源作用（2）位移式）位移式（4）微彎式）微彎式（3）插入式）插入式被測被測x反射的光線量反射的光線量光線穿透光線穿透x的出射量的出射量穿過穿過x的部分光線量的部分光線量光線被光線被x分成二態(tài)分成二態(tài)不同光強125ie0i0光強或光通量0ssmm（c ） 伏安特性（d ） 光(電)照特性（e ）光譜特性或u光r

17、iu0+- -光電池（ b)光電勢型iu0r+光敏電阻光 (a)光電導型e 2 2、光電傳感器應用舉例、光電傳感器應用舉例 (1)(1)光電耦合器（光電耦合器（eoe器件）器件） (2)(2)光電開關(guān)器件光電開關(guān)器件 光光電信號輸入電信號輸入u0jj1光敏電阻光敏電阻+- -em 電機電機 (3)(3)熱釋電元件（晶體）熱釋電元件（晶體）(4)ccd(4)ccd圖像傳感器圖像傳感器gs濾光片濾光片紅外線紅外線+_us晶晶體體電子勢阱電子勢阱金屬電極金屬電極氧化物氧化物(sio2)半導體半導體( ( p p型硅型硅 ) )光線光線+正偏壓正偏壓纖芯直徑約為纖芯直徑約為5m單模單模傳感功能型傳感功

18、能型纖芯直徑纖芯直徑50多模多模傳光非功能型傳光非功能型m2.4.2光纖傳感器光纖傳感器1、光纖結(jié)構(gòu)和傳光原理光纖結(jié)構(gòu)和傳光原理（1）光纖結(jié)構(gòu)）光纖結(jié)構(gòu)導光纖芯折射率為導光纖芯折射率為n1 f fn1n2外套外套入射光源入射光源入射光源入射光源n0包層包層出射光線出射光線 f fn n0 0纖芯纖芯周圍包層折射率為周圍包層折射率為n2 n1層外空氣折射率為層外空氣折射率為n012 2、光纖傳感器的工作類型、光纖傳感器的工作類型（2）光纖位移式）光纖位移式（1）輻射式）輻射式橫向橫向sd縱向縱向sd角度角度sd差動差動sdddu+v光源光源傳光光纖傳光光纖abt熱電偶熱電偶（3 3）插入式：）插

19、入式：入射光纖入射光纖出射光纖出射光纖被測物被測物(a)(a)反射式反射式被被測測物物入射光纖入射光纖出射光纖出射光纖被測物被測物入射光纖入射光纖出射光纖出射光纖(b)(b)透射式透射式入射光纖入射光纖出射光纖出射光纖(c)(c)遮光式遮光式被測物被測物出射光纖出射光纖入射光纖入射光纖(d)(d)開關(guān)式開關(guān)式(4)(4)微彎損耗式微彎損耗式( (傳感型傳感型) )2-52-5模擬信號處理模擬信號處理2.5.1模擬信號處理電路的結(jié)構(gòu)模擬信號處理電路的結(jié)構(gòu) n1n2nik1xk2y1y2kiy1 1、直接型、直接型 信噪比信噪比 n3xns傳輸系數(shù)傳輸系數(shù)k k1 1=k=k2 2=k=k3 3=1=1；干擾噪聲；干擾噪聲n n1 1=n=n2 2=n=n3 3=n=n2 2、平衡型、平衡型- - y- -kkkxnnny1y2yx- - yn3xnsyn3調(diào)（較困難）（較困難）3 3、差動型、差動型kkk3y1y2ynnn3xx-x)6(n3xnx2ns倍至少k k3 3=k=1=k=1，n n3 3=n=n，y y1 1=k(x+n)=k(x+n)，y=2x+ny=2x+n y y2 2=k(-x