工程測(cè)試技術(shù)

工程測(cè)試技術(shù)

第三章傳感器原理及運(yùn)用本章學(xué)習(xí)要求：了解傳感器的分類；掌握常用傳感器丈量原理；了解丈量電路；了結(jié)智能傳感器的概念；了解典型傳感器的運(yùn)用。本章目錄3.1概述〔4學(xué)時(shí)〕3.2電阻式傳感器3.3電感式傳感器〔2學(xué)時(shí)〕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(xué)時(shí)〕3.8光電式傳感器〔2學(xué)時(shí)〕3.9其它類型的傳感器3.10傳感器選用原那么

2工程測(cè)試技術(shù)傳感器分類

3工程測(cè)試技術(shù)3.7熱電式傳感器 利用熱電效應(yīng)制造的傳感器。 熱電偶是工業(yè)和實(shí)驗(yàn)室中溫度丈量運(yùn)用最多的器件，它的特點(diǎn)是測(cè)溫范圍寬、丈量精度高、性能穩(wěn)定、構(gòu)造簡(jiǎn)單，且動(dòng)態(tài)呼應(yīng)較好；輸出直接為電信號(hào)，可以遠(yuǎn)傳，便于集中檢測(cè)和自動(dòng)控制。

4工程測(cè)試技術(shù)3.7.1熱電效應(yīng) 1821年德國(guó)物理學(xué)家T.J.Seebeck發(fā)現(xiàn)將兩種不同資料的導(dǎo)體串接成一個(gè)閉合回路，當(dāng)兩個(gè)接點(diǎn)溫度不同時(shí)，在回路中就會(huì)產(chǎn)生熱電勢(shì)，構(gòu)成電流，此景象稱為熱電效應(yīng)，又稱塞貝克效應(yīng)。 熱電勢(shì)的大小由兩種資料的接觸電勢(shì)和單一資料的溫差電勢(shì)決議。

5工程測(cè)試技術(shù)1.接觸電勢(shì)K-玻耳茲曼常數(shù)；e-電子電荷量；T-接觸處的溫度；NA，NB-分別為導(dǎo)體A和B的自在電子密度。B自在電子分散EAB接觸電勢(shì)的構(gòu)成過程N(yùn)ANBNBNA

6工程測(cè)試技術(shù)2.溫差電勢(shì)〔湯姆遜電勢(shì)〕δ-湯姆遜系數(shù)，它表示溫度為1℃時(shí)所產(chǎn)生 的電動(dòng)勢(shì)值，它與資料的性質(zhì)有關(guān)。

7工程測(cè)試技術(shù)3.熱電偶回路的總熱電勢(shì)

8工程測(cè)試技術(shù)4.結(jié)論熱電極A和B為同一種資料時(shí)，NA=NB，δA=δB，那么有，EAB(T,T0)=0；假設(shè)熱電偶兩端處于同一溫度下，T=T0，那么有，EAB(T,T0)=0。熱電勢(shì)是T和T0的溫度函數(shù)的差，而不是溫度的函數(shù)。當(dāng)T0=0℃時(shí)，那么有：

9工程測(cè)試技術(shù)熱電勢(shì)存在必需具備兩個(gè)條件：兩種不同的金屬資料組成熱電偶；它的兩端存在溫差。當(dāng)冷端溫度T0恒定〔如T0=0℃〕時(shí)，E與T之間有獨(dú)一對(duì)應(yīng)的單值函數(shù)關(guān)系，因此就可以用丈量到的熱電勢(shì)E來得到對(duì)應(yīng)的溫度值T。熱電偶熱電勢(shì)的大小，只與導(dǎo)體A和B的資料和冷熱端的溫度有關(guān)，與導(dǎo)體的粗細(xì)長(zhǎng)短及兩導(dǎo)體接觸面積無(wú)關(guān)。

10工程測(cè)試技術(shù)3.7.2熱電偶的根本定律1均質(zhì)導(dǎo)體定律 由一種均質(zhì)導(dǎo)體組成的閉合回路，不論導(dǎo)體的橫截面積、長(zhǎng)度以及溫度分布如何均不產(chǎn)生熱電動(dòng)勢(shì)。 假設(shè)熱電偶的熱電極是非勻質(zhì)導(dǎo)體，在不均勻溫度場(chǎng)中測(cè)溫時(shí)將呵斥丈量誤差。所以熱電偶資料的均勻性是衡量熱電偶質(zhì)量的重要技術(shù)目的之一。TT0

11工程測(cè)試技術(shù)2.中間導(dǎo)體定律 在熱電偶回路中接入第三種資料的導(dǎo)體，只需其兩端的溫度相等，該導(dǎo)體的接入就不會(huì)影響熱電偶回路的總熱電動(dòng)勢(shì)。TT0V為用丈量?jī)x表丈量回路的熱電動(dòng)勢(shì)提供實(shí)際根據(jù)。

12工程測(cè)試技術(shù)3.中間溫度定律 兩種均質(zhì)導(dǎo)體A,B組成熱電偶，當(dāng)其兩接點(diǎn)處在溫度T和Tn時(shí)，產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)為EAB(T,Tn)而當(dāng)兩接點(diǎn)的溫度處在Tn和T0時(shí)產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)為EAB(Tn,T0)，那么此熱電偶處在溫度T和T0兩接點(diǎn)的熱電動(dòng)勢(shì)EAB(T,T0)應(yīng)為：為在熱電偶分度和工業(yè)丈量溫度中運(yùn)用補(bǔ)償導(dǎo)線提供了實(shí)際根底。

13工程測(cè)試技術(shù)3.7.3熱電偶的冷端處置和補(bǔ)償 熱電偶的熱電勢(shì)大小不僅與熱端溫度的有關(guān)，而且也與冷端溫度有關(guān)，只需當(dāng)冷端溫度恒定，才干經(jīng)過丈量熱電勢(shì)的大小得到熱端的溫度。 熱電偶的冷端處置和補(bǔ)償: 當(dāng)熱電偶冷端處在溫度動(dòng)搖較大的地方時(shí)，必需首先運(yùn)用補(bǔ)償導(dǎo)線將冷端延伸到一個(gè)溫度穩(wěn)定的地方，再思索將冷端處置為０℃。

14工程測(cè)試技術(shù)1.補(bǔ)償導(dǎo)線熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線功能：其一實(shí)現(xiàn)了冷端遷移；其二是降低了電路本錢。組成：補(bǔ)償導(dǎo)線合金絲、絕緣層、護(hù)套和屏蔽層。補(bǔ)償導(dǎo)線又分為延伸型和補(bǔ)償型兩種延伸形：補(bǔ)償導(dǎo)線合金絲的名義化學(xué)成分及熱電勢(shì)標(biāo)稱值與配用的熱電偶一樣。補(bǔ)償型：其合金絲的稱號(hào)化學(xué)成分與配用的熱電偶不同，但其熱電勢(shì)值在100℃以下時(shí)與配用的熱電偶的熱電勢(shì)標(biāo)稱值一樣。

15工程測(cè)試技術(shù)運(yùn)用補(bǔ)償導(dǎo)線時(shí)留意問題：補(bǔ)償導(dǎo)線只能用在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)〔0~100℃〕；熱電偶和補(bǔ)償導(dǎo)線的兩個(gè)接點(diǎn)處要堅(jiān)持溫度一樣；不同型號(hào)的熱電偶配有不同的補(bǔ)償導(dǎo)線；補(bǔ)償導(dǎo)線的正、負(fù)極需分別與熱電偶正、負(fù)極相連。

16工程測(cè)試技術(shù)2.常用的幾種冷端處置方法1).熱電偶冷端溫度恒溫法適用于實(shí)驗(yàn)室中的準(zhǔn)確丈量和檢定熱電偶時(shí)運(yùn)用。

17工程測(cè)試技術(shù)2).計(jì)算修正法 在實(shí)踐運(yùn)用中，熱電偶的參比端往往不是0℃，而是環(huán)境溫度，這時(shí)丈量出的回路熱電勢(shì)要小，因此必需加上環(huán)境溫度與冰點(diǎn)之間溫差所產(chǎn)生的熱電勢(shì)后才干符合熱電偶分度表的要求。 可用室溫計(jì)測(cè)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(shì)E(T,T1)，得到E(T,0)值，反查分度表即可得到準(zhǔn)確的被測(cè)溫度值。

18工程測(cè)試技術(shù)計(jì)算例如 用鎳鉻-鎳硅(K型)熱電偶測(cè)溫，熱電偶參比端溫度為30℃。測(cè)得的熱電勢(shì)為28mV，求熱端溫度。反查K分度表T=701.5℃計(jì)算修正曲線

19工程測(cè)試技術(shù)3).冷端補(bǔ)償電橋法 利用直流不平衡電橋產(chǎn)生的電勢(shì)來補(bǔ)償熱電偶冷端溫度變化而引起的熱電勢(shì)的變化值。

20工程測(cè)試技術(shù)3.7.4規(guī)范化熱電偶 為了得到適用性好，性能優(yōu)良的熱電偶，其熱電極資料需具有以下性能： (1)優(yōu)良的熱電特性； (2)良好的物理性能； (3)優(yōu)良的化學(xué)性能； (4)優(yōu)良的機(jī)械性能； (5)足夠的機(jī)械強(qiáng)度和長(zhǎng)的運(yùn)用壽命； (6)制造本錢低，價(jià)值比較廉價(jià)。

21工程測(cè)試技術(shù)1.規(guī)范化熱電偶 工藝上比較成熟，能批量消費(fèi)、性能穩(wěn)定、運(yùn)用廣泛，具有一致分度表并已列入國(guó)際和國(guó)家規(guī)范文件中的熱電偶。規(guī)范化熱電偶可以相互交換，精度有一定的保證。 國(guó)際電工委員會(huì)〔IEC〕共引薦了8種規(guī)范化熱電偶，分度號(hào)為：S,R,B,K,N,E,T和J。

22工程測(cè)試技術(shù)2.規(guī)范化熱電偶技術(shù)數(shù)據(jù)熱電偶名稱分度號(hào)新熱電極識(shí)別E(100,0)(mV)測(cè)溫范圍（℃）允許偏差極性識(shí)別長(zhǎng)期短期使用溫度允差鉑銠10-鉑S正亮白較硬0.6460~13001600≤600±1.5℃負(fù)亮白柔軟＞600±0.25%鉑銠13-鉑R正較硬0.6470~13001600＜600±1.5℃負(fù)柔軟＞1100±0.25%鉑銠30-鉑銠10B正較硬0.0330~16001800600~900±4℃負(fù)稍軟＞800±0.5%鎳鉻-鎳硅K正不親磁4.0960~12001300±2.5℃負(fù)稍親磁±1.5%鎳鉻硅-鎳硅N正不親磁2.774-200~12001300±2.5℃或±0.75%負(fù)稍親磁鎳鉻-康銅E正暗綠6.319-200~760850-40~900±2.5℃或±0.75%負(fù)亮黃銅-康銅T正紅色4.279-200~350400±1℃負(fù)銀白色鐵-康銅J正親磁5.269-40~600750-40~750±2.5℃或±0.75%負(fù)不親磁

23工程測(cè)試技術(shù)3.規(guī)范化熱電偶的特性種類優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)B適于測(cè)量1000℃以上的高溫；常溫下熱電動(dòng)勢(shì)極小，可不用補(bǔ)償導(dǎo)線；抗氧化、耐化學(xué)腐蝕。在中低溫領(lǐng)域熱電動(dòng)勢(shì)小，不能用于600℃以下；靈敏度低；熱電動(dòng)勢(shì)的線性不好。R、S精度高、穩(wěn)定性好，不易劣化；抗氧化、耐化學(xué)腐蝕；可作標(biāo)準(zhǔn)。靈敏度低；不適用于還原性氣氛(尤其是H2、金屬蒸氣)；熱電動(dòng)勢(shì)的線性不好；價(jià)格高。K熱電動(dòng)勢(shì)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(shí)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(dǎo)率低具有微滯后現(xiàn)象。T熱電勢(shì)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(dǎo)誤差大。

24工程測(cè)試技術(shù)3.7.5熱電偶構(gòu)外型式 為保證熱電偶的正常任務(wù)，熱電偶的兩極之間以及與維護(hù)套管之間都需求良好的電絕緣，而且耐高溫、耐腐蝕和沖擊的外維護(hù)套管也是必不可少的。1.普通型裝配式構(gòu)造2.柔性安裝型鎧裝構(gòu)造

25工程測(cè)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-丈量端；2-熱電極；3-絕緣套管；4-維護(hù)管；5-接線盒

26工程測(cè)試技術(shù)2.柔性安裝型鎧裝構(gòu)造 丈量端的熱容量小，呼應(yīng)速度快，繞性好，可彎曲，可以安裝在狹窄或構(gòu)造復(fù)雜的丈量場(chǎng)所，