工程測試技術(shù)

1、工程測試技術(shù)第三章 傳感器原理及應用本章學習要求：了解傳感器的分類；掌握常用傳感器測量原理；了解測量電路；了結(jié)智能傳感器的概念；了解典型傳感器的應用。工程測試技術(shù)本章目錄3.1 概述（4學時）3.2 電阻式傳感器3.3 電感式傳感器（2學時）3.4 電容式傳感器3.5 磁電式傳感器3.6 壓電式傳感器3.7 熱電式傳感器（2學時）3.8 光電式傳感器（2學時）3.9 其它類型的傳感器3.10 傳感器選用原則2工程測試技術(shù)傳感器分類工作機理分類電阻式電感式光電式壓電式電容式變阻器式應變片式熱敏式光敏式磁阻式氣敏式自感式互感式磁電式極距變化型面積變化型介質(zhì)變化型渦流式可變磁阻型熱電式半導體式電阻絲

2、式機械式3工程測試技術(shù)3.7 熱電式傳感器利用熱電效應制作的傳感器。熱電偶是工業(yè)和試驗室中溫度測量應用最多的器件，它的特點是測溫范圍寬、測量精度高、性能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡單，且動態(tài)響應較好；輸出直接為電信號，可以遠傳，便于集中檢測和自動控制。4工程測試技術(shù)3.7.1 熱電效應 1821年德國物理學家T.J. Seebeck發(fā)現(xiàn)將兩種不同材料的導體串接成一個閉合回路，當兩個接點溫度不同時，在回路中就會產(chǎn)生熱電勢，形成電流，此現(xiàn)象稱為熱電效應，又稱塞貝克效應。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。5工程測試技術(shù)1. 接觸電勢K - 玻耳茲曼常數(shù)；e - 電子電荷量；T - 接觸處的溫

3、度；NA，NB - 分別為導體A和B的自由電子密度。B自由電子擴散EAB接觸電勢的形成過程NANBNBNA6工程測試技術(shù)2. 溫差電勢（湯姆遜電勢） - 湯姆遜系數(shù)，它表示溫度為1時所產(chǎn)生的電動勢值，它與材料的性質(zhì)有關(guān)。7工程測試技術(shù)3. 熱電偶回路的總熱電勢8工程測試技術(shù)4. 結(jié)論熱電極A和B為同一種材料時，NA=NB，A=B，則有，EAB(T, T0)=0；若熱電偶兩端處于同一溫度下， T=T0，則有，EAB(T, T0)=0 。熱電勢是T和T0的溫度函數(shù)的差，而不是溫度的函數(shù)。當T0=0時，則有：9工程測試技術(shù)熱電勢存在必須具備兩個條件：兩種不同的金屬材料組成熱電偶；它的兩端存在溫差。當

4、冷端溫度T0恒定（如T0=0）時，E與T之間有唯一對應的單值函數(shù)關(guān)系，因此就可以用測量到的熱電勢E來得到對應的溫度值T。熱電偶熱電勢的大小，只與導體A和B的材料和冷熱端的溫度有關(guān)，與導體的粗細長短及兩導體接觸面積無關(guān)。10工程測試技術(shù)3.7.2 熱電偶的基本定律1 均質(zhì)導體定律由一種均質(zhì)導體組成的閉合回路，不論導體的橫截面積、長度以及溫度分布如何均不產(chǎn)生熱電動勢。如果熱電偶的熱電極是非勻質(zhì)導體，在不均勻溫度場中測溫時將造成測量誤差。所以熱電偶材料的均勻性是衡量熱電偶質(zhì)量的重要技術(shù)指標之一。TT011工程測試技術(shù)2. 中間導體定律在熱電偶回路中接入第三種材料的導體，只要其兩端的溫度相等，該導體的

5、接入就不會影響熱電偶回路的總熱電動勢。TT0V為用測量儀表測量回路的熱電動勢提供理論依據(jù)。12工程測試技術(shù)3. 中間溫度定律兩種均質(zhì)導體A, B組成熱電偶，當其兩接點處在溫度T和Tn時，產(chǎn)生的熱電動勢為EAB(T, Tn)而當兩接點的溫度處在Tn和T0時產(chǎn)生的熱電動勢為EAB(Tn, T0)，則此熱電偶處在溫度T和T0兩接點的熱電動勢EAB(T, T0)應為：為在熱電偶分度和工業(yè)測量溫度中使用補償導線提供了理論基礎(chǔ)。13工程測試技術(shù)3.7.3 熱電偶的冷端處理和補償熱電偶的熱電勢大小不僅與熱端溫度的有關(guān)，而且也與冷端溫度有關(guān)，只有當冷端溫度恒定，才能通過測量熱電勢的大小得到熱端的溫度。熱電偶的

6、冷端處理和補償: 當熱電偶冷端處在溫度波動較大的地方時，必須首先使用補償導線將冷端延長到一個溫度穩(wěn)定的地方，再考慮將冷端處理為。14工程測試技術(shù)1. 補償導線熱電偶補償導線功能：其一實現(xiàn)了冷端遷移；其二是降低了電路成本。組成：補償導線合金絲、絕緣層、護套和屏蔽層。補償導線又分為延長型和補償型兩種 延長形：補償導線合金絲的名義化學成分及熱電勢標稱值與配用的熱電偶相同。補償型：其合金絲的名稱化學成分與配用的熱電偶不同，但其熱電勢值在100以下時與配用的熱電偶的熱電勢標稱值相同。15工程測試技術(shù)使用補償導線時注意問題：補償導線只能用在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)（0100）；熱電偶和補償導線的兩個接點處要保持溫

7、度相同；不同型號的熱電偶配有不同的補償導線；補償導線的正、負極需分別與熱電偶正、負極相連。16工程測試技術(shù)2. 常用的幾種冷端處理方法1). 熱電偶冷端溫度恒溫法適用于實驗室中的精確測量和檢定熱電偶時使用。17工程測試技術(shù)2). 計算修正法在實際應用中，熱電偶的參比端往往不是0 ，而是環(huán)境溫度，這時測量出的回路熱電勢要小，因此必須加上環(huán)境溫度與冰點之間溫差所產(chǎn)生的熱電勢后才能符合熱電偶分度表的要求?？捎檬覝赜嫓y出環(huán)境溫度T1，從分度表中查出E(T1, 0)值，然后加上熱電偶回路熱電勢E(T, T1)，得到E(T, 0)值，反查分度表即可得到準確的被測溫度值。18工程測試技術(shù)計算示例用鎳鉻-鎳硅

8、(K型)熱電偶測溫，熱電偶參比端溫度為30。測得的熱電勢為28mV，求熱端溫度。反查K分度表 T=701.5計算修正曲線 19工程測試技術(shù)3). 冷端補償電橋法利用直流不平衡電橋產(chǎn)生的電勢來補償熱電偶冷端溫度變化而引起的熱電勢的變化值。20工程測試技術(shù)3.7.4 標準化熱電偶為了得到實用性好，性能優(yōu)良的熱電偶，其熱電極材料需具有以下性能： (1) 優(yōu)良的熱電特性；(2) 良好的物理性能 ；(3) 優(yōu)良的化學性能 ；(4) 優(yōu)良的機械性能 ；(5) 足夠的機械強度和長的使用壽命；(6) 制造成本低，價值比較便宜。21工程測試技術(shù)1. 標準化熱電偶工藝上比較成熟，能批量生產(chǎn)、性能穩(wěn)定、應用廣泛，具

9、有統(tǒng)一分度表并已列入國際和國家標準文件中的熱電偶。標準化熱電偶可以互相交換，精度有一定的保證。國際電工委員會（IEC）共推薦了8種標準化熱電偶，分度號為：S, R, B, K, N, E, T和J。22工程測試技術(shù)2. 標準化熱電偶技術(shù)數(shù)據(jù)熱電偶名稱分度號新熱電極識別E(100,0)(mV)測溫范圍（）允許偏差極性識別長期短期使用溫度允差 鉑銠10-鉑S正亮白較硬0.6460130016006001.5負亮白柔軟6000.25% 鉑銠13-鉑R正較硬0.6470130016006001.5負柔軟11000.25% 鉑銠30-鉑銠10B正較硬0.0330160018006009004負稍軟800

10、0.5% 鎳鉻-鎳硅K正不親磁4.0960120013002.5負稍親磁1.5% 鎳鉻硅-鎳硅N正不親磁2.774-200120013002.5或0.75%負稍親磁 鎳鉻-康銅E正暗綠6.319-200760850-409002.5或0.75%負亮黃 銅-康銅T正紅色4.279-2003504001負銀白色 鐵-康銅J正親磁5.269-40600750-407502.5或0.75%負不親磁23工程測試技術(shù)3. 標準化熱電偶的特性種類優(yōu)點缺點B適于測量1000以上的高溫；常溫下熱電動勢極小，可不用補償導線；抗氧化、耐化學腐蝕。在中低溫領(lǐng)域熱電動勢小，不能用于600以下；靈敏度低；熱電動勢的線性不

11、好。R、S精度高、穩(wěn)定性好，不易劣化；抗氧化、耐化學腐蝕；可作標準。靈敏度低；不適用于還原性氣氛(尤其是H2、金屬蒸氣)；熱電動勢的線性不好；價格高。K熱電動勢線性好；1000下抗氧化性能良好；在廉金屬熱電偶中穩(wěn)定性更好。不適用于還原性氣氛；同貴金屬熱電偶相比時效變化大；因短程有序結(jié)構(gòu)變化而產(chǎn)生誤差E靈敏度最高；同J型相比，耐熱性能良好；兩極非磁性。不適用于還原性氣氛；熱導率低具有微滯后現(xiàn)象。T熱電勢線性好；低溫特性好；產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性好；可用于還原性氣氛使用溫度低；銅正極易氧化；熱傳導誤差大。24工程測試技術(shù)3.7.5 熱電偶結(jié)構(gòu)型式為保證熱電偶的正常工作，熱電偶的兩極之間以及與保護套管之間都需要良好的電絕緣，而且耐高溫、耐腐蝕和沖擊的外保護套管也是必不可少的。 1. 普通型裝配式結(jié)構(gòu) 2. 柔性安裝型鎧裝結(jié)構(gòu)25工程測試技術(shù)1. 普通型裝配式1-接線柱；2-接線座；3-絕緣套管；4-熱電極1-測量端；2-熱電極；3-絕緣套管；4-保護管；5-接線盒26工程測試技術(shù)2. 柔性安裝型鎧裝結(jié)構(gòu)測量端的熱容量小，響應速度快，繞性好，可彎曲，可以安裝在狹窄或結(jié)構(gòu)復雜的測