第4章信號檢測技術(shù)

1、第第4章章 信號檢測技術(shù)信號檢測技術(shù)一、傳感器概述一、傳感器概述二、長度及位移檢測二、長度及位移檢測三、角度及角位移檢測三、角度及角位移檢測四、絕對測距四、絕對測距五、力五、力/壓力檢測壓力檢測六、速度六、速度/加速度檢測加速度檢測七、溫度檢測七、溫度檢測八、流量檢測八、流量檢測九、電磁量檢測九、電磁量檢測十、視覺檢測系統(tǒng)十、視覺檢測系統(tǒng)一、傳感器概述一、傳感器概述1、傳感器的基本概念、傳感器的基本概念人的五官：人的五官：眼睛眼睛 耳朵耳朵 鼻子鼻子 舌頭舌頭 皮膚皮膚視覺、聽覺、嗅覺、味覺、觸覺視覺、聽覺、嗅覺、味覺、觸覺定義：定義：被測量：物理量、化學(xué)量、生物量被測量：物理量、化學(xué)量、生物

2、量 規(guī)律：確定規(guī)律，可以重復(fù)（線性、非線性、周期）規(guī)律：確定規(guī)律，可以重復(fù)（線性、非線性、周期）可用信號：便于處理和傳輸?shù)姆窃肼曅盘柨捎眯盘枺罕阌谔幚砗蛡鬏數(shù)姆窃肼曅盘?（電信號、光信號（電信號、光信號）R例：熱敏電阻例：熱敏電阻 - 溫度變化溫度變化 - 電阻變化電阻變化傳感器：傳傳感器：傳-傳遞信息；感傳遞信息；感-感受被測量；器感受被測量；器-器件器件傳感器是一種把特定的被測信息量按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成為可用傳感器是一種把特定的被測信息量按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成為可用信號輸出的器件或裝置。信號輸出的器件或裝置。感覺：感覺：功功 能能傳感器傳感器一、傳感器概述一、傳感器概述2、傳感器的構(gòu)成型式、傳感

3、器的構(gòu)成型式轉(zhuǎn)換電路：轉(zhuǎn)換電路：例：電橋、放大器、振蕩器、阻抗變換器、脈沖調(diào)寬電路等。例：電橋、放大器、振蕩器、阻抗變換器、脈沖調(diào)寬電路等。 被測量被測量被測量被測量敏感敏感元件元件轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換電路電路敏感元件：敏感元件：感受被測量變化，并輸出相對應(yīng)的電信號感受被測量變化，并輸出相對應(yīng)的電信號例：電阻應(yīng)變片（應(yīng)變例：電阻應(yīng)變片（應(yīng)變-電阻）電阻）把轉(zhuǎn)換元件輸出的電信號變換成為便于記錄、顯示、處理和把轉(zhuǎn)換元件輸出的電信號變換成為便于記錄、顯示、處理和控制的可用信號的電路，控制的可用信號的電路，又稱又稱“信號調(diào)理電路信號調(diào)理電路” 或或 “測量電路測量電路”又稱又稱“轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換元件” 或或 “變換元

4、件變換元件”傳感器傳感器二、長度及線位移檢測二、長度及線位移檢測1、電感式位移傳感器、電感式位移傳感器W-線圈匝數(shù)線圈匝數(shù)iiimmAulRRWL2Rm-磁路總磁阻磁路總磁阻li-各段導(dǎo)磁體的長度各段導(dǎo)磁體的長度ui-各段導(dǎo)磁體的磁導(dǎo)率各段導(dǎo)磁體的磁導(dǎo)率Ai-各段導(dǎo)磁體的截面積各段導(dǎo)磁體的截面積二、長度及線位移檢測二、長度及線位移檢測lAWuullAWuRWLAuluAlRrmm202020(1) 變氣隙式變氣隙式電感位移傳感器電感位移傳感器基本形式基本形式思考：靈敏度？思考：靈敏度？ 線性度？線性度？ l21線圈線圈鐵芯鐵芯銜鐵銜鐵改進(jìn)方法？改進(jìn)方法？差動式差動式(2) (2) 變面積式變面

5、積式(3) (3) 螺管式螺管式二、長度及線位移檢測二、長度及線位移檢測(2) 變面積式變面積式(3) 螺管式螺管式蔡萍教材P40 圖3-5二、長度及線位移檢測二、長度及線位移檢測電感位移傳感器電感位移傳感器意大利意大利Marposs:二、長度及線位移檢測二、長度及線位移檢測電感位移傳感器電感位移傳感器中國中原量儀中國中原量儀:二、長度及線位移檢測二、長度及線位移檢測2、光柵位移傳感器、光柵位移傳感器（Grating）二、長度及線位移檢測二、長度及線位移檢測(1) 光柵傳感器原理光柵傳感器原理 (莫爾條紋莫爾條紋) 構(gòu)成：構(gòu)成：疊合疊合主光柵主光柵指示光柵指示光柵夾角夾角明暗相間條紋明暗相間條

6、紋莫爾條紋莫爾條紋移動移動條紋寬度：條紋寬度： WWB)2/sin(2W-柵距，柵距， a-線寬，線寬， b-縫寬縫寬W=a+b ，a=b=W/2 主光柵主光柵-標(biāo)尺光柵，定光柵；標(biāo)尺光柵，定光柵；指示光柵指示光柵-動光柵動光柵二、長度及線位移檢測二、長度及線位移檢測莫爾條紋特性：莫爾條紋特性： 方向性：方向性：垂直于角平分線垂直于角平分線 與光柵移動方向垂直與光柵移動方向垂直同步性：同步性：光柵移動一個柵距光柵移動一個柵距 莫爾條紋移動一個間距莫爾條紋移動一個間距放大性：放大性：夾角夾角很小很小 BW 光學(xué)放大光學(xué)放大 提高靈敏度提高靈敏度準(zhǔn)確性：準(zhǔn)確性：誤差平均效應(yīng)誤差平均效應(yīng) 克服個別克

7、服個別/局部誤差局部誤差 提高精度提高精度 二、長度及線位移檢測二、長度及線位移檢測(2) 光柵傳感器特點(diǎn)光柵傳感器特點(diǎn) 精度高：測長精度高：測長(0.2+210-6L)m，測角，測角0.1量程大：透射式量程大：透射式-光柵尺長（光柵尺長（幾十幾十米米響應(yīng)快：可用于動態(tài)測量響應(yīng)快：可用于動態(tài)測量增量式：增量碼測量增量式：增量碼測量 計數(shù)計數(shù) 斷電斷電數(shù)據(jù)消失數(shù)據(jù)消失要求高：對環(huán)境要求高要求高：對環(huán)境要求高溫度、濕度、灰塵、振動、溫度、濕度、灰塵、振動、移動精度移動精度成本高：電路復(fù)雜成本高：電路復(fù)雜 二、長度及線位移檢測二、長度及線位移檢測(3) 光柵傳感器結(jié)構(gòu)光柵傳感器結(jié)構(gòu) 1 主光柵尺（定

8、光柵）主光柵尺（定光柵）2 指示光柵（動光柵）指示光柵（動光柵）3 光電元件光電元件4 透鏡透鏡5 光源光源透射式結(jié)構(gòu)：透射式結(jié)構(gòu)：反射式結(jié)構(gòu)：反射式結(jié)構(gòu)： 光源光源 指示光柵指示光柵 透射透射 主光柵主光柵 光電元件光電元件光源光源 主光柵主光柵 反射反射 指示光柵指示光柵 光電元件光電元件二、長度及線位移檢測二、長度及線位移檢測(4) 代表性產(chǎn)品：代表性產(chǎn)品： 德國德國Heidenhain（海德漢）：（海德漢）：封閉式：量程封閉式：量程3000mm，分辨力，分辨力0.1 m開放式：量程開放式：量程1440mm，分辨力，分辨力0.01m開放式：量程開放式：量程270mm 分辨力分辨力1nm二

9、、長度及線位移檢測二、長度及線位移檢測英國英國Renishaw（雷尼紹）：（雷尼紹）： 量程：任意量程：任意分辨力：分辨力： 0.1 m 0.01 m中國長春光機(jī)所：中國長春光機(jī)所： 量量 程：程：1000mm分辨力：分辨力：0.01 m精精 度：度：2 m二、長度及線位移檢測二、長度及線位移檢測2、光學(xué)干涉、光學(xué)干涉（Interference）干涉原理（單頻干涉）：干涉原理（單頻干涉）：兩束同頻光束在空間相遇會發(fā)生干涉條紋，其亮暗程度取兩束同頻光束在空間相遇會發(fā)生干涉條紋，其亮暗程度取決于兩束光間的相位差決于兩束光間的相位差 亮條：亮條：暗條：暗條：=2=2k k, , k k=0,1,l,

10、2,=0,1,l,2, 相消干涉相消干涉=2=2k k, , k k=0,1,l,2,=0,1,l,2, 相長干涉相長干涉 二、長度及線位移檢測二、長度及線位移檢測結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)：實(shí)現(xiàn)要點(diǎn)實(shí)現(xiàn)要點(diǎn):（1）單一光源）單一光源光光源源觀察屏、觀察屏、光電接收光電接收固定固定反射鏡反射鏡被測物體被測物體半透半反鏡半透半反鏡（4）分光鏡（半透半反）分光鏡（半透半反） （5）固定參考反射鏡）固定參考反射鏡（2）被測物體）被測物體 （3）光電接收）光電接收二、長度及線位移檢測二、長度及線位移檢測雙頻雙頻激光干涉位移傳感器激光干涉位移傳感器測量原理：測量原理： 激光器發(fā)出一束激光，激光器發(fā)出一束激光，含有兩束偏

11、振光：含有兩束偏振光： 左旋光，頻率左旋光，頻率f1 右旋光，頻率右旋光，頻率f2， 振幅相同，振幅相同， 頻率相差約頻率相差約2MHz。激光束激光束分光器分光器參考光束參考光束測量光束測量光束光電檢測光電檢測/4波片波片渥氏棱鏡渥氏棱鏡f2f2光電檢測光電檢測f1f1角錐棱鏡角錐棱鏡參考信號參考信號測量信號測量信號f f2 2-f-f1 1f ff f1 1f f1 1f f2 2-(f-(f1 1 f)f)二、長度及線位移檢測二、長度及線位移檢測激光干涉位移傳感器激光干涉位移傳感器HP5528A Laser interferometer：量程：量程：100m 分辨力：分辨力： 0.01 m

12、三、角度及角位移檢測三、角度及角位移檢測1、絕對碼光電編碼器、絕對碼光電編碼器原理：平行光源原理：平行光源碼盤碼盤 光電元件光電元件電信號輸出電信號輸出 碼盤：光學(xué)玻璃，透光碼盤：光學(xué)玻璃，透光/不透光不透光 照相腐蝕照相腐蝕 要求：分度準(zhǔn)確（工藝）、陰暗交替邊緣陡峭（工藝、材質(zhì)）要求：分度準(zhǔn)確（工藝）、陰暗交替邊緣陡峭（工藝、材質(zhì)）光源：光源：LED 光學(xué)系統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng) 平行光平行光 投影精確投影精確 光電元件：硅光電池，光電晶體管光電元件：硅光電池，光電晶體管 滯后滯后 響應(yīng)速度響應(yīng)速度 碼道：位數(shù)碼道：位數(shù)每個碼道對應(yīng)一個光電元件每個碼道對應(yīng)一個光電元件分辨率分辨率 角度分辨率：角度分辨率

13、：=360/2n n-碼道數(shù)（位數(shù)）碼道數(shù)（位數(shù)） 組成：組成：光源、碼盤、光電元件光源、碼盤、光電元件 增加碼道、增大碼盤尺寸增加碼道、增大碼盤尺寸 有限有限提高精度提高精度光學(xué)細(xì)分光學(xué)細(xì)分 附加碼道附加碼道三、角度及角位移檢測三、角度及角位移檢測測量電路測量電路：編碼碼制編碼碼制： 十進(jìn)制碼十進(jìn)制碼 - 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 二進(jìn)制碼二進(jìn)制碼 - 0000 0001 0010 0011 0100 格格 雷雷 碼碼-循環(huán)碼：相鄰兩數(shù)只有一位不同循環(huán)碼：相鄰兩數(shù)只有一位不同 每次只有一位變化每次只有一位變化轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換 放大放大 足夠電平足夠電平 ，驅(qū)動，驅(qū)動整形整形 接近理想方

14、波接近理想方波 細(xì)分細(xì)分 提高分辨率（光學(xué)提高分辨率（光學(xué)+電路）電路）多位碼同時動作多位碼同時動作同步誤差同步誤差錯碼錯碼讀數(shù)直觀，不易電路處理讀數(shù)直觀，不易電路處理直觀，易于后續(xù)電路和計算機(jī)處理直觀，易于后續(xù)電路和計算機(jī)處理角度位置二進(jìn)制碼十進(jìn)制碼格雷碼0.022.545.067.590.0112.5135.0157.5180.0202.5225.0247.5270.0292.5315.0337.5ABCDEFGHIJKLMNOp000000010010001101000101011001111000100110101011110011011110111101234567891011121

15、3141500000001001100100110011101010100110011011111111010101011100110004位絕對碼光電編碼器碼制位絕對碼光電編碼器碼制三、角度及角位移檢測三、角度及角位移檢測特點(diǎn)特點(diǎn)：摩擦輪摩擦輪編碼器編碼器小范圍絕對位置測量小范圍絕對位置測量-角度、直線位置角度、直線位置小范圍位移、速度檢測小范圍位移、速度檢測結(jié)構(gòu)簡單、精度高、分辨率高，可靠性好，結(jié)構(gòu)簡單、精度高、分辨率高，可靠性好，應(yīng)用：應(yīng)用：例：直線例：直線 旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn) 360 直接數(shù)字量輸出直接數(shù)字量輸出 - 數(shù)字傳感器，數(shù)字傳感器，絕對碼絕對碼 - 絕對角位置傳感器絕對角位置傳感器測量

16、范圍有限（測量范圍有限（360），），速度不高（最高幾千轉(zhuǎn)速度不高（最高幾千轉(zhuǎn)/分），怕振動分），怕振動 - 丟數(shù)丟數(shù)360Dx 連接連接 - 彈性連軸結(jié)彈性連軸結(jié)三、角度及角位移檢測三、角度及角位移檢測2、增量碼光電編碼器、增量碼光電編碼器結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)： 與絕對編碼器類似與絕對編碼器類似碼道碼道：最外：最外 - 增量碼道：透光扇形區(qū)增量碼道：透光扇形區(qū)分辨率分辨率 中間中間 - 辨向碼道：錯開半個扇形區(qū)辨向碼道：錯開半個扇形區(qū) 最內(nèi)最內(nèi) - 零位碼道：透光狹縫零位碼道：透光狹縫基準(zhǔn)脈沖基準(zhǔn)脈沖應(yīng)用應(yīng)用：相對位置測量：相對位置測量-角度、直線位置，角度、直線位置， 位移、速度測量位移、速度測量 特

17、點(diǎn)特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、精度高、分辨率高，可靠性好，：結(jié)構(gòu)簡單、精度高、分辨率高，可靠性好， 脈沖數(shù)字輸出，測量范圍無限脈沖數(shù)字輸出，測量范圍無限 速度不高（最高幾千轉(zhuǎn)速度不高（最高幾千轉(zhuǎn)/分）分） 怕振動怕振動 - 丟數(shù)丟數(shù)三、角度及角位移檢測三、角度及角位移檢測3、圓光柵傳感器、圓光柵傳感器工作原理工作原理：莫爾條紋技術(shù)：莫爾條紋技術(shù)類型類型：(1) 直線莫爾條紋：條紋直線莫爾條紋：條紋 -直線直線(2) 圓型莫爾條紋：條紋圓型莫爾條紋：條紋 - 圓型圓型RENISHAW 圓光柵：圓光柵：角度分辨率為0.01 系統(tǒng)精度為 0.7(a) 徑向光柵徑向光柵 - 圓弧形莫爾條紋圓弧形莫爾條紋光柵：兩塊

18、，徑向刻線，柵距角相同，偏心疊合光柵：兩塊，徑向刻線，柵距角相同，偏心疊合條紋寬度不是定值，隨位置不同而不同。條紋寬度不是定值，隨位置不同而不同。在位于偏心的垂直位置上，條紋近似垂直于柵線，稱橫向莫爾條紋在位于偏心的垂直位置上，條紋近似垂直于柵線，稱橫向莫爾條紋在沿著偏心方向上，條紋近似地平行于柵線，稱縱向莫爾條紋在沿著偏心方向上，條紋近似地平行于柵線，稱縱向莫爾條紋其他位置上上，稱為斜向莫爾條紋其他位置上上，稱為斜向莫爾條紋條紋：在不同區(qū)域柵線的交角不同，不同曲率半徑圓弧條紋：在不同區(qū)域柵線的交角不同，不同曲率半徑圓弧三、角度及角位移檢測三、角度及角位移檢測光柵：兩塊完全相同，環(huán)形刻線，偏心

19、疊合，光柵：兩塊完全相同，環(huán)形刻線，偏心疊合，(b) 切向光柵切向光柵 - 環(huán)形莫爾條紋環(huán)形莫爾條紋光柵：兩塊，切向刻線，切向相同，柵距角相同，光柵：兩塊，切向刻線，切向相同，柵距角相同， 基圓半徑不同，柵線面相對同心疊合，基圓半徑不同，柵線面相對同心疊合，條紋：是以光柵中心為圓心的同心圓簇，條紋：是以光柵中心為圓心的同心圓簇，寬度也不是定值，隨位置不同而不同。寬度也不是定值，隨位置不同而不同。特點(diǎn)：具有全光柵平均效應(yīng)，用于高精度角度測量和分度。特點(diǎn)：具有全光柵平均效應(yīng)，用于高精度角度測量和分度。(c) 環(huán)形光柵環(huán)形光柵 - 輻射形莫爾條紋輻射形莫爾條紋條紋：近似直線并成輻射方向，稱為輻射形莫

20、爾條紋。條紋：近似直線并成輻射方向，稱為輻射形莫爾條紋。 四、絕對測距四、絕對測距1、電渦流測距、電渦流測距(1) 工作原理工作原理: 交變電流交變電流傳感器線圈傳感器線圈被測導(dǎo)體被測導(dǎo)體交變磁場交變磁場H1電渦流電渦流交變磁場交變磁場H2參數(shù)變化參數(shù)變化(電感、阻抗、電感、阻抗、 品質(zhì)因素等品質(zhì)因素等)輸出信號輸出信號四、絕對測距四、絕對測距保持其他參數(shù)不變，只改變一個參數(shù)保持其他參數(shù)不變，只改變一個參數(shù) - 測量，測量，變化因素：變化因素：被測導(dǎo)體被測導(dǎo)體 - 幾何形狀、電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率幾何形狀、電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率 線圈線圈 - 幾何參數(shù)、電流大小和頻率、幾何參數(shù)、電流大小和頻率、 其他其他 -

21、 線圈與導(dǎo)體距離線圈與導(dǎo)體距離測量原理：測量原理：電渦流密度徑向分布電渦流密度徑向分布渦流密度不等：渦流密度不等：電渦流分布電渦流分布：深度：深度：高頻激勵高頻激勵 - 表面薄層，表面薄層，銅導(dǎo)體，銅導(dǎo)體，1MHz頻率，深度頻率，深度0.07mm徑向：徑向：有限范圍有限范圍 - 圓環(huán)形圓環(huán)形 - 渦流環(huán)渦流環(huán) D=d時：密度最大時：密度最大D=1.8d：下降為：下降為5%D3.5d） 思考：思考：激勵頻率高低有什么影響？激勵頻率高低有什么影響？四、絕對測距四、絕對測距日本日本Keynce量程：量程：50mm精度精度0.03%四、絕對測距四、絕對測距2、激光測距傳感器、激光測距傳感器(1) 激光

22、測距特點(diǎn)：激光測距特點(diǎn)： 測量距離可達(dá)幾公里甚至幾十公里（主要手段）測量距離可達(dá)幾公里甚至幾十公里（主要手段）(2) 激光測距方法：飛行時間法、相位差法激光測距方法：飛行時間法、相位差法(a) 飛行時間法：飛行時間法：2/ctd 被測距離被測距離:c - 光速光速 t - 往返飛行時間往返飛行時間(b) 相位差法：相位差法：被測距離被測距離:c - 光速光速 f0 - 脈沖頻率脈沖頻率 - 相位差相位差激光器激光器被測目標(biāo)被測目標(biāo)原理：激光器發(fā)出單個激光脈沖原理：激光器發(fā)出單個激光脈沖原理：激光器發(fā)出連續(xù)激光脈沖原理：激光器發(fā)出連續(xù)激光脈沖激光器激光器被測目標(biāo)被測目標(biāo)0042fccD特點(diǎn)：對時

23、間測量精度要求高，適于測量超長距離（特點(diǎn)：對時間測量精度要求高，適于測量超長距離（地球-月球：分辨力達(dá)到1m ）特點(diǎn)：測量精度高，測量范圍大（短距離特點(diǎn)：測量精度高，測量范圍大（短距離 超長距離）超長距離）（相機(jī)自動調(diào)焦）四、絕對測距四、絕對測距范圍：范圍：0.2 300m 分辨力：分辨力： 3mm德國俫卡手持式：德國俫卡手持式：范圍：范圍：0.2 200m分辨力：分辨力：0.2mm美國美國bushwell 單目軍用單目軍用范圍：范圍：1000m分辨力：分辨力：1m四、絕對測距四、絕對測距3、超聲測距傳感器、超聲測距傳感器超聲測距原理：超聲測距原理：2/ctd 被測距離被測距離:c - 聲速聲

24、速 t - 往返飛行時間往返飛行時間應(yīng)用：適于大目標(biāo)、近距離、一般精度測距應(yīng)用：適于大目標(biāo)、近距離、一般精度測距 手持測距儀手持測距儀 - 盲人導(dǎo)盲盲人導(dǎo)盲 汽車倒車?yán)走_(dá)汽車倒車?yán)走_(dá) - 汽車安全汽車安全 工業(yè)應(yīng)用工業(yè)應(yīng)用 - 超聲測量液位、物位超聲測量液位、物位特點(diǎn)：超聲波束發(fā)散，測量范圍小特點(diǎn)：超聲波束發(fā)散，測量范圍小 波束聚焦困難，測量精度低波束聚焦困難，測量精度低 測量目標(biāo)不能太??；測量目標(biāo)不能太小； 超生探頭超生探頭被測目標(biāo)被測目標(biāo)超聲波傳感器（超聲波探頭），是實(shí)現(xiàn)聲電轉(zhuǎn)換的裝置（超聲換能器）超聲波傳感器（超聲波探頭），是實(shí)現(xiàn)聲電轉(zhuǎn)換的裝置（超聲換能器）這種裝置能夠發(fā)射超聲波，同時還

25、可以接收超聲回波，并轉(zhuǎn)換成電信號。這種裝置能夠發(fā)射超聲波，同時還可以接收超聲回波，并轉(zhuǎn)換成電信號。五、溫度檢測五、溫度檢測1、概述、概述 溫度溫度分類分類:應(yīng)用應(yīng)用: 測溫測溫接觸測溫接觸測溫非接觸測溫非接觸測溫?zé)彷椛錅y溫?zé)彷椛錅y溫?zé)醾鲗?dǎo)測溫?zé)醾鲗?dǎo)測溫壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)熱阻效應(yīng)熱阻效應(yīng)熱電勢效應(yīng)熱電勢效應(yīng)金金 屬屬熱電阻熱電阻半導(dǎo)體半導(dǎo)體熱敏電阻熱敏電阻熱電偶熱電偶溫溫 度度傳感器傳感器壓電陶瓷（熱釋電效應(yīng)）壓電陶瓷（熱釋電效應(yīng)） 敏感元件敏感元件 電參數(shù)電參數(shù)光電效應(yīng)光電效應(yīng)紅外溫度傳感器紅外溫度傳感器、光纖溫度傳感器、光纖溫度傳感器熱電阻熱電阻電渦流傳感器電渦流傳感器PNPN結(jié)熱電效應(yīng)結(jié)熱電

26、效應(yīng)熱敏二極管熱敏二極管/三極管三極管、集成溫度傳感器集成溫度傳感器工作原理：工作原理： (1) 熱電阻原理與特性熱電阻原理與特性: 要求：要求：（1）溫度系數(shù)、電阻率較高）溫度系數(shù)、電阻率較高 提高靈敏度，體積小，反應(yīng)快提高靈敏度，體積小，反應(yīng)快（2）理化性能穩(wěn)定）理化性能穩(wěn)定 提高穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，復(fù)現(xiàn)性好提高穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，復(fù)現(xiàn)性好 （3）良好的輸入）良好的輸入-輸出特性輸出特性 線性線性/接近線性，測量精度高接近線性，測量精度高（4）良好的工藝性）良好的工藝性 批量生產(chǎn)，降低成本批量生產(chǎn)，降低成本材料：純金屬材料：純金屬 -鉑、銅、鎳、鐵鉑、銅、鎳、鐵 （5）較大的測溫范圍）較大的測溫范

27、圍 特別是在低溫范圍特別是在低溫范圍五、溫度檢測五、溫度檢測2、熱電阻、熱電阻原理：熱能原理：熱能 熱電阻熱電阻 電阻值電阻值溫度溫度 熱電阻熱電阻 阻值阻值 特點(diǎn)：特點(diǎn)：0 +850： )1(20BtAtRRt0 - 200： )100(1 320ttCBtAtRRt應(yīng)用：應(yīng)用：(1) 在高溫和氧化介質(zhì)中性能極為穩(wěn)定，在高溫和氧化介質(zhì)中性能極為穩(wěn)定， 易于提純，工藝性好易于提純，工藝性好(2) 輸入輸出特性接近線性輸入輸出特性接近線性(4) 貴重金屬，成本較高貴重金屬，成本較高標(biāo)準(zhǔn)溫度計，高精度工業(yè)測溫，高低溫測試標(biāo)準(zhǔn)溫度計，高精度工業(yè)測溫，高低溫測試 構(gòu)成：構(gòu)成：金屬鉑絲金屬鉑絲(0.02

28、0.07mm)繞制成線圈繞制成線圈(3) 測量精度高：測量精度高：0: 1、 0100: 0.5、 100650: 0.5%五、溫度檢測五、溫度檢測Pt100：R0：0時的溫度時的溫度 標(biāo)準(zhǔn)值標(biāo)準(zhǔn)值(Pt100, Pt500) (2) 鉑電阻鉑電阻(Pt)特點(diǎn)：特點(diǎn)：-50 180： )1 (320CtBtAtRRt應(yīng)用：應(yīng)用：(1) 易于提純，在易于提純，在-50 150范圍內(nèi)性能穩(wěn)定，價格低范圍內(nèi)性能穩(wěn)定，價格低 (2) 輸入輸出特性接近線性輸入輸出特性接近線性:(3) 電阻率低（為鉑電阻的電阻率低（為鉑電阻的1/6），體積較大），體積較大 (Cu50, Cu100)(4) 高溫易被氧化，

29、易被腐蝕高溫易被氧化，易被腐蝕(5) 測量精度低于鉑電阻：測量精度低于鉑電阻：-5050: 0.5、50150: 1%小范圍，較低溫度，測量精度要求低，沒有浸蝕性介質(zhì)，代替鉑小范圍，較低溫度，測量精度要求低，沒有浸蝕性介質(zhì)，代替鉑 五、溫度檢測五、溫度檢測構(gòu)成：構(gòu)成：金屬鉑絲金屬鉑絲(0.020.07mm)繞制成線圈繞制成線圈(3) 銅電阻銅電阻(Cu)R0：0時的溫度時的溫度 標(biāo)準(zhǔn)值標(biāo)準(zhǔn)值材料：材料：特點(diǎn)：特點(diǎn)：分類：分類：（1）溫度系數(shù)大）溫度系數(shù)大 靈敏度高靈敏度高 （為熱電阻（為熱電阻10100倍）倍）（2）結(jié)構(gòu)簡單，體積?。┙Y(jié)構(gòu)簡單，體積小 可以測量點(diǎn)溫度可以測量點(diǎn)溫度（3）電阻率高

30、、熱慣性小）電阻率高、熱慣性小 適于動態(tài)測溫適于動態(tài)測溫（4）易于維護(hù)、使用壽命長）易于維護(hù)、使用壽命長 適于現(xiàn)場測溫適于現(xiàn)場測溫（5）互換性差，非線性嚴(yán)重，精度低）互換性差，非線性嚴(yán)重，精度低 正溫度系數(shù)熱敏電阻正溫度系數(shù)熱敏電阻(PTC)負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻(NTC)臨界溫度系數(shù)熱敏電阻臨界溫度系數(shù)熱敏電阻(CTR) 半導(dǎo)體半導(dǎo)體 - 半導(dǎo)體熱電阻半導(dǎo)體熱電阻（6）成本低，應(yīng)用廣泛）成本低，應(yīng)用廣泛 3、熱敏電阻熱敏電阻 五、溫度檢測五、溫度檢測TBTAeR非線性非線性 熱敏電阻的應(yīng)用熱敏電阻的應(yīng)用家用電器家用電器電熨斗、電冰箱、電飯煲、洗衣機(jī)、電暖壺、烘干機(jī)、電電熨斗、電

31、冰箱、電飯煲、洗衣機(jī)、電暖壺、烘干機(jī)、電烤箱、空調(diào)機(jī)、電熱毯、熱水器、熱得快、電磁爐、烤箱、空調(diào)機(jī)、電熱毯、熱水器、熱得快、電磁爐、汽車電子汽車電子電子噴油嘴、空調(diào)機(jī)、發(fā)電機(jī)防熱裝置、電熱座椅電子噴油嘴、空調(diào)機(jī)、發(fā)電機(jī)防熱裝置、電熱座椅測量儀器測量儀器流量計、風(fēng)速表、真空計、濃度計、濕度計、空氣傳感器、流量計、風(fēng)速表、真空計、濃度計、濕度計、空氣傳感器、環(huán)境監(jiān)測儀、環(huán)境監(jiān)測儀、辦公設(shè)備辦公設(shè)備復(fù)印機(jī)、傳真機(jī)、打印機(jī)、掃描儀復(fù)印機(jī)、傳真機(jī)、打印機(jī)、掃描儀農(nóng)業(yè)園藝農(nóng)業(yè)園藝溫室控制、人工氣候箱、烘干系統(tǒng)、溫室控制、人工氣候箱、烘干系統(tǒng)、醫(yī)療器具醫(yī)療器具體溫計、人工透析、散熱系統(tǒng)體溫計、人工透析、散熱

32、系統(tǒng)工業(yè)生產(chǎn)工業(yè)生產(chǎn)電動機(jī)過熱保護(hù)、電動機(jī)過熱保護(hù)、五、溫度檢測五、溫度檢測應(yīng)用實(shí)例：基于熱敏電阻的電機(jī)過熱保護(hù)器：應(yīng)用實(shí)例：基于熱敏電阻的電機(jī)過熱保護(hù)器： Rt1 Rt2 Rt3 ：熱敏電阻：熱敏電阻(NTC) ，安裝在三相繞組附近，安裝在三相繞組附近 溫度低時溫度低時 ：電阻高：電阻高 三極管不導(dǎo)通三極管不導(dǎo)通 繼電器不吸合繼電器不吸合 電機(jī)運(yùn)行電機(jī)運(yùn)行溫度高時溫度高時 ：電阻低：電阻低 三極管導(dǎo)通三極管導(dǎo)通 繼電器吸合繼電器吸合 電機(jī)停止電機(jī)停止五、溫度檢測五、溫度檢測4、熱電偶熱電偶 五、溫度檢測五、溫度檢測(1) 工作原理工作原理: 兩種不同導(dǎo)體構(gòu)成閉合回路兩種不同導(dǎo)體構(gòu)成閉合回路兩

33、個節(jié)點(diǎn)（兩個節(jié)點(diǎn)（A A、B B）溫度不同）溫度不同熱電勢熱電勢溫差電勢：溫差電勢：TTAAdTTTE0),(0A-溫差系數(shù)溫差系數(shù) TA,TB-A、B兩節(jié)點(diǎn)絕對溫度兩節(jié)點(diǎn)絕對溫度 BAABNNekTTEln)(k-波爾茲曼常數(shù)波爾茲曼常數(shù) e-電子電荷電子電荷NA,NB-導(dǎo)體導(dǎo)體AB的自由電子密度的自由電子密度材料材料T-節(jié)點(diǎn)絕對溫度節(jié)點(diǎn)絕對溫度 接觸電勢：接觸電勢：不同導(dǎo)體不同導(dǎo)體自由電子密度不同自由電子密度不同擴(kuò)散擴(kuò)散電勢電勢 （帕爾帖）（帕爾帖）同一導(dǎo)體同一導(dǎo)體兩端溫度不同兩端溫度不同電子遷移（高電子遷移（高 低）低） 電勢電勢 若兩種導(dǎo)體相同：若兩種導(dǎo)體相同： A=B E=0若兩端無

34、溫差：若兩端無溫差： T=T0 E=0 兩種情況兩種情況 導(dǎo)體不同導(dǎo)體不同兩端溫差兩端溫差條件條件 (2) 常用熱電偶材料：常用熱電偶材料： 五、溫度檢測五、溫度檢測材料材料測溫范圍測溫范圍特點(diǎn)特點(diǎn)應(yīng)用應(yīng)用鉑鐒鉑鐒10純鉑純鉑0 1000 準(zhǔn)確性高，成本高準(zhǔn)確性高，成本高工業(yè)工業(yè)銥鐒銥鐒10純銥純銥0 2100 科學(xué)研究科學(xué)研究銥鐒銥鐒40鉑鐒鉑鐒400 1900 氧化、中性氣體氧化、中性氣體鎳鐵鎳鐵鎳銅鎳銅50 500 50 無電勢無電勢火災(zāi)報警火災(zāi)報警鎳鉻鎳鉻康銅康銅-200 900 各種場合各種場合鎳鉻鎳鉻鎳硅鎳硅-50 1300 電勢大，線性好電勢大，線性好各種場合、常用各種場合、常用

35、銅銅康銅康銅-200 400 各種場合各種場合鎳鉻鎳鉻金鐵金鐵-270 10 低溫低溫銅銅金鐵金鐵-270 -250 靈敏度高靈敏度高低溫低溫(3) 熱電偶結(jié)構(gòu)：熱電偶結(jié)構(gòu)： 五、溫度檢測五、溫度檢測a) 普通熱電偶：普通熱電偶：應(yīng)用：測量氣體、蒸汽、液體等介質(zhì)溫度應(yīng)用：測量氣體、蒸汽、液體等介質(zhì)溫度結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)：1-熱電極熱電極 2-絕緣套管絕緣套管 3-保護(hù)套管保護(hù)套管 4-接線盒接線盒 b) 鎧裝熱電偶：鎧裝熱電偶：結(jié)構(gòu)：熱電極結(jié)構(gòu)：熱電極 + 絕緣材料絕緣材料 + 金屬保護(hù)套金屬保護(hù)套特點(diǎn)：細(xì)長特點(diǎn)：細(xì)長(13mm)，可以彎曲，撓性好，強(qiáng)度高，可以彎曲，撓性好，強(qiáng)度高 測端熱容量小，動態(tài)

36、響應(yīng)快測端熱容量小，動態(tài)響應(yīng)快(0.01s)，應(yīng)用：適于狹小空間、點(diǎn)溫度應(yīng)用：適于狹小空間、點(diǎn)溫度c) 其他熱電偶：其他熱電偶： 薄膜熱電偶、浸入式熱電阻、薄膜熱電偶、浸入式熱電阻、(4) 熱電偶的冷端補(bǔ)償熱電偶的冷端補(bǔ)償 熱電勢熱電勢:a) 恒溫法：恒溫法：測測 溫溫: 獲得獲得T T0固定固定 T0=0（冷端）（冷端）冷冷 端：干擾、波動端：干擾、波動 T0 0 誤差誤差 冷端溫度補(bǔ)償冷端溫度補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，冷端標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，冷端 冰水混合液（保溫容器）冰水混合液（保溫容器）b)系數(shù)修正法：系數(shù)修正法：T00 精確計算精確計算 修正修正)(0TTfET：測端溫度：測端溫度 T0：參考端（

37、冷端）溫度：參考端（冷端）溫度nkTTT0Tn：測量溫度：測量溫度 k：修正系數(shù)（表：修正系數(shù)（表7-5）五、溫度檢測五、溫度檢測恒溫控制恒溫控制 0 實(shí)驗(yàn)室（半導(dǎo)體制冷器）實(shí)驗(yàn)室（半導(dǎo)體制冷器）冷端溫度補(bǔ)償方法：冷端溫度補(bǔ)償方法：d) 電橋補(bǔ)償法：電橋補(bǔ)償法： 全臂電橋：全臂電橋：R1, R2, R3 - 錳銅線繞制電阻（固定電阻）錳銅線繞制電阻（固定電阻） R4 - 銅線繞制補(bǔ)償電阻（熱電阻）銅線繞制補(bǔ)償電阻（熱電阻） R - 限流電阻限流電阻 E - 電橋電源電橋電源平衡：平衡： 調(diào)整調(diào)整R4，使得電橋輸出，使得電橋輸出 Uab=0補(bǔ)償：補(bǔ)償：冷端溫度冷端溫度熱電偶輸出熱電勢熱電偶輸出熱電勢ExR4 失衡失衡 Uab 若若Ex= Uab 輸出不變輸出不變c) 延伸電極法：延伸電極法：需要長線傳輸信號需要長線傳輸信號熱電偶長度熱電偶長度1米左