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1、2.1 傳感器概述 2.2 溫度傳感器 2.3 電阻應變傳感器 2.4 壓電傳感器 2.5 電容傳感器,傳感器是將被測量的某一量按一定規(guī)律轉換為另外一種與之有確定對應關系的、便于應用的物理量的器件或裝置。,2.1 傳感器概述,2.1 傳感器概述,一、傳感器的地位與作用,傳感器是人類五官的外延。 傳感器是連接外界刺激和測控系統(tǒng)的接口。 傳感器是現代科學和技術的起點。,2.1 傳感器概述,一、傳感器的地位與作用,專家認為：蒸汽機帶來了工業(yè)革命；計算機帶來了信息革命；傳感器將帶來自動化革命。專家預言：誰掌握了傳感器技術誰就能夠支配新時代。,世界各國都十分重視傳感器技術的發(fā)展。相信不久的將來，傳感器技

2、術將會出現一個飛躍，達到與其重要地位相稱的新水平。,2.1 傳感器概述,一、傳感器的地位與作用,2.1 傳感器概述,二、傳感器的組成,敏感元件：直接感受被測量，并輸出與被測量有確定關系的某一物理量的元件。 轉換元件：負責把輸入的敏感元件輸出物理量轉換為電路參數。 轉換電路：把電路參數接入轉換電路，轉換為電量輸出。,2.1 傳感器概述,三、傳感器的分類,1.按照被被測物理量的不同，傳感器可分為： 溫度傳感器、壓力傳感器、速度傳感器、流量傳感器、線位移傳感器等。 2.按照工作原理分類： 電阻式、電容式、電感式：利用電阻、電容、電感的參數變化實現信號變換。 壓電式、磁電式、熱電式、光電式：分別利用壓

3、電、電磁感應、熱電、光電效應實現信號變換。,2.1 傳感器概述,三、傳感器的分類,3.按照能量關系分類： 能量轉換型：傳感器輸出量的能量直接由被測量能量轉換而來。如壓電、熱電、光電、霍爾傳感器。 能量控制型。傳感器輸出量的能量由外部能源提供，但受輸入量控制。如電阻、電感、電容等電路參量傳感器。,2.1 傳感器概述,四、傳感器的一般特性,傳感器的輸入與輸出特性是傳感器的基本特性。 根據被測非電量的不同，傳感器表現出來的輸入輸出特性也不相同。 如果被測非電量是基本不隨時間變化或者變化很小的物理量，稱為靜態(tài)量----靜態(tài)特性； 如果被測非電量是隨時間變化而變化的物理量，稱為動態(tài)量----動態(tài)特性。,

4、2.1 傳感器概述,四、傳感器的一般特性,1.靜態(tài)特性 (1)線性度：傳感器的線性度是指傳感器的輸出與輸入之間的線性程度。 理想傳感器輸入輸出之間是線性關系； 非理想的傳感器，,輸入被測量,輸出量,傳感器的靈敏度,非線性項的待定系數,零位輸出,,,,,,,2.1 傳感器概述,四、傳感器的一般特性,1.靜態(tài)特性 (1)線性度 擬合直線：如果傳感器非線性的次方不高，輸入量變化范圍較小時，可用一條直線(切線或割線)近似地代表實際曲線的一段，使傳感器輸出輸入特性線性化。這時所采用的直線稱為擬合直線。,設擬合直線方程為：y = kx + b 標定點與直線的偏差為：,使均方差最小，即：,令一階偏導數為零：

5、,2.1 傳感器概述,四、傳感器的一般特性,1.靜態(tài)特性 (1)線性度:最小二乘法 設有一組測量值（X1，Y1）、（X2，Y2）、..、（Xn，Yn）,解方程得兩個未知量 b、k的表達式如下：,最后求出傳感器的線性度表達式：,將b、k值代入直線方程Y=b+kx，并求出,,,Y=b+kx,2.1 傳感器概述,四、傳感器的一般特性,1.靜態(tài)特性 (2)靈敏度:是指傳感器的被測物理量是靜態(tài)量時，輸出量增量與引起輸出量增量的輸入量增量的比值。,對于線性傳感器，它的靈敏度就是它的靜態(tài)特性的斜率，即,2.1 傳感器概述,四、傳感器的一般特性,1.靜態(tài)特性 (3)遲滯：傳感器在正(輸入量增大)反(輸入量減小

6、)行程期間輸出輸入特性曲線不重合的現象稱為遲滯。,產生原因是傳感器敏感元件材料的物理性質和機械零部件的缺陷，例如彈性敏感元件的彈性滯后、運動部件摩擦、傳動機構的間隙、緊固件松動等。,2.1 傳感器概述,四、傳感器的一般特性,1.靜態(tài)特性 (4)重復性（同向行程差/量程）：傳感器在輸入量按同一方向作全量程連續(xù)多次變化時，所得特性曲線不一致的程度。,重復性誤差屬于隨機誤差，常用標準偏差表示，即,2.1 傳感器概述,四.傳感器的一般特性,2.動態(tài)特性 在實際測量中，被測物理量一般都是動態(tài)信號，這就要求傳感器不僅能精確反映被測量的大小，而且還能正確再現被測量隨時間的變化規(guī)律。傳感器的動態(tài)特性是指其輸出

7、對隨時間變化的輸入量的響應特性， 它反映輸出值真實再現變化著的輸入量的能力。 對絕大多數傳感器，都可以簡化為一階或者二階系統(tǒng)，因此一階和二階傳感器是最基本的。 傳感器動態(tài)特性的研究可以從時域和頻域兩個方面來進行，通常采用瞬態(tài)響應法和頻率響應法。,2.1 傳感器概述,四.傳感器的一般特性,2.動態(tài)特性 (1)瞬態(tài)響應特性 一階傳感器的單位階躍響應,一階傳感器的單位階躍響應通式：,傳遞函數：,階躍信號：,2.1 傳感器概述,四.傳感器的一般特性,2.動態(tài)特性 (1)瞬態(tài)響應特性 一階傳感器的單位階躍響應,從理論上看只有 時傳感器才能達到穩(wěn)定值，但實際上， 時輸出已經達到穩(wěn)定值的98.2%，可

8、以認為已經達到穩(wěn)態(tài)值。 可以看到， 越小，響應曲線越接近輸入階躍信號曲線，所以是一階傳感器重要的性能參數。 不帶保護套管的熱電偶是典型的一階傳感器。,傳感器存在慣性，它的輸出不能立即復現輸入信號，而是從零開始，按指數規(guī)律上升，最終到達穩(wěn)定值。,,2.1 傳感器概述,四.傳感器的一般特性,2.動態(tài)特性 (1)瞬態(tài)響應特性 二階傳感器的單位階躍響應,該響應主要取決于阻尼比和固有頻率。 固有頻率由傳感器主要結構參數決定，它越高，傳感器的響應越快。當它為常數時，傳感器的響應取決于阻尼比。,,2.1 傳感器概述,四.傳感器的一般特性,2.動態(tài)特性 (1)瞬態(tài)響應特性 二階傳感器的單位階躍響應,為臨界

9、阻尼，超調量為100，產生等幅振蕩，達不到穩(wěn)態(tài)； 為過阻尼，無超調也無振蕩，但達到穩(wěn)態(tài)所需時間較長； 為欠阻尼，衰減振蕩，達到穩(wěn)態(tài)值所需時間隨的減小而加長。響應時間最短。但實際使用中，為了兼顧有短的上升時間和小的超調量，一般傳感器都設計成欠阻尼式的，阻尼比一般取0.60.8之間。帶保護套管的熱電偶是典型的二階傳感器。,2.1 傳感器概述,四.傳感器的一般特性,2.動態(tài)特性 (2)瞬態(tài)響應特性 瞬態(tài)響應的特性指標,時間常數是一階傳感器動態(tài)特性的重要參數 上升時間tr：傳感器輸出由穩(wěn)態(tài)值的10%達到90所需時間。 響應時間ts：系統(tǒng)從階躍輸入開始到輸出值進入穩(wěn)態(tài)值所規(guī)定的范圍內所需時間。 峰值

10、時間tp：階躍響應曲線達到第一個峰值所需要的時間。 超調量：傳感器輸出超過穩(wěn)態(tài)值的最大值，常用相對于穩(wěn)態(tài)值的百分比表示。,2.1 傳感器概述,四.傳感器的一般特性,2.動態(tài)特性 （2）頻率響應特性：傳感器對正弦輸入信號的響應特性。 零階傳感器的頻率響應,零階傳感器的傳遞函數為,零階傳感器的頻率特性為,可見，零階傳感器的輸入和輸出成正比，與信號頻率無關。故不存在峰值和相位失真，具有理想的動態(tài)特性。,2.1 傳感器概述,四.傳感器的一般特性,2.動態(tài)特性 （2）頻率響應特性 一階傳感器的頻率響應,頻率特性表達式,幅頻特性 相頻特性,2.1 傳感器概述,四.傳感器的一般特性,2.動態(tài)特性 （2）頻

11、率響應特性 一階傳感器的頻率響應,時間常數越小，頻率響應特性越好。當 時， 傳感器的輸出與輸入近似為線性關系，相位差 與頻率成正比，輸出比較真實地反映輸入的變化規(guī)律。,2.1 傳感器概述,四.傳感器的一般特性,2.動態(tài)特性 （2）頻率響應特性 二階傳感器的頻率響應,2.1 傳感器概述,四.傳感器的一般特性,2.動態(tài)特性 （2）頻率響應特性 二階傳感器的頻率響應,傳感器的頻率響應特性的好壞主要取決于傳感器的固有頻率和阻尼比。當 時， 很小，此時，傳感器的輸出再現了輸入的波形。通常固有頻率至少應大于被測信號頻率的35倍，即,2.1 傳感器概述,四.傳感器的一般特性,2.動態(tài)特性 （

12、2）頻率響應特性 頻率響應特性指標 頻帶：傳感器增益保持在一定值內的頻率范圍為傳感器頻帶或通頻帶。一般是對數幅頻特性曲線上幅值衰減3dB時所對應的頻率范圍，對應有上、下截止頻率。 時間常數：用時間常數來表征一階傳感器的動態(tài)特性。越小，頻帶越寬。 固有頻率：二階傳感器的固有頻率表征了其動態(tài)持性。,2.2 溫度傳感器,一、溫度與溫標,溫度是工業(yè)生產和科學實驗中一個非常重要的參數。 溫度不能直接加以測量，只能借助于冷熱不同的物體之間的熱交換，以及物體的某些物理性質隨著冷熱程度不同而變化的特性間接測量。 溫標就是溫度的數值表示。各種溫度計和溫度傳感器的溫度數值均由溫標確定。 我國目前實行的是19

13、90年國際溫標(ITS90)，它同時定義國際開爾文溫度和國際攝氏溫度，兩者之間的關系為：,二、金屬熱電阻,熱電阻是利用導體的電阻值隨溫度變化而改變這一特性而制成的溫度傳感器。純金屬是熱電阻的主要制造材料，要求熱電阻材料應具有以下特性： 電阻溫度系數要大而且穩(wěn)定，以便提高熱電阻的靈敏度； 電阻率盡可能大，以便在相同的靈敏度下減小電阻體的體積； 熱容量小，以提高熱電阻的響應速度； 電阻值與溫度之間應具有良好的線性關系； 在整個測量范圍內，應具有穩(wěn)定的物理和化學性質； 材料的復現性和公益性好，價格低。 目前在工業(yè)中應用最廣的是銅和鉑，并已制成標準測溫熱電阻。,2.2 溫度傳感器,1. 熱電阻的性能

14、,2.鉑：易于提純，在氧化性介質中，甚至在高溫下其物理、化學性質都很穩(wěn)定，但在還原氣氛中容易被侵蝕變脆，因此一定要加保護套管。 在0850范圍內可用下式表示 Rt=R0（1+At+Bt2） 在-2000范圍內為 Rt=R01+At+Bt2+C(t-100）t3 式中：R0、Rt、分別為0及t時鉑電阻的電阻值；而系數A、B、C由試驗法求出，分別為： A=3.968 4710-3（）-1； B=-5.84710-7（）-2； C=-4.2210-12（）-4。,二、金屬熱電阻,2.2 溫度傳感器,鉑的純度常以R100/R0來表示，R100表示在標準大氣壓冰沸點時的電阻，R0表

15、示在0時鉑電阻值。國際溫標規(guī)定，作為基準器的鉑電阻其R100/R0不得小于1.3925，對于一般工程上常用的鉑電，其R100/R0為1.391，比值越大，表示純度越高、電阻溫度系數越大。 R0分為50和100等，分度號分別為Pt50和Pt100，其阻值和溫度的關系可查閱相關分度表。在實際測量中，只要測得鉑熱電阻的阻值Rt，便可以從分度表中查出對應的溫度值。,二、金屬熱電阻,2.2 溫度傳感器,2.鉑：,鉑熱電阻傳感器一般是由直徑為0.05mm0.07mm的鉑絲繞在片形云母骨架上做成，鉑絲的引線采用銀線。,二、金屬熱電阻,2.2 溫度傳感器,2.鉑：,3.銅熱電阻 鉑熱電阻價格高，通常在一些測量

16、精度要求不高而且測量溫度較低（如-50150）時，可采用銅熱電阻，其電阻溫度系數較大，容易提純，價格低廉；但其電阻率較小，約為鉑熱電阻的1/5.8，因而銅電阻的電阻絲細而且長，其機械強度較低，體積較大，此外銅電阻易被氧化，不宜在侵蝕性介質中使用。,二、金屬熱電阻,2.2 溫度傳感器,在-50150溫度范圍內，銅熱電阻與溫度之間的關系如下 Rt=R01+At+Bt2+Ct3 式中:R0、Rt分別為0及t時銅電阻的電阻值（）；系數A、B、C由實驗確定，分別為 A=4.288 9910-3（）-1； B=-2.13310-7（ ）-2 C=-1.23310-9（）-3。,我國生產的

17、銅熱電阻按其初始電阻R0的不同，有50 和100兩種，分度號為Cu50和Cu100，其材料的百度電阻比W（100）=R100/R0（R100，R0分別為100和0時銅熱電阻的阻值）不得小于1.425。,二、金屬熱電阻,2.2 溫度傳感器,3.銅熱電阻,4.熱電阻應用問題,二、金屬熱電阻,2.2 溫度傳感器,在常溫及低溫區(qū)范圍內，鉑電阻具有較高的測溫精度，常用于該溫區(qū)精密溫度的測量。銅熱電阻精度中等，價格低廉，適合測溫范圍-50C+150C。 由于鉑電阻和銅電阻等阻值較小，因此連接導線的電阻以及接觸電阻會對其測溫精度產生較大的影響，采用二線制接法，將會把接觸電阻和引線電阻引入橋臂，從而對測溫的精

18、度產生影響，為消除這些影響，根據測量的電流端和電壓端原理，通常采用三線制和四線制接法。,4.熱電阻應用問題 （1）熱電阻溫度測量的接線方法,二、金屬熱電阻,2.2 溫度傳感器,二線制,三線制,,,四線制 其中R1-R4為接線電阻和接觸電阻，采用恒流源對鉑電阻供電，Vo輸出接高輸入阻抗放大器，以減小測量電流對其產生的影響，這種線路一般用于需精密測溫和作溫度較正時使用。,二、金屬熱電阻,2.2 溫度傳感器,4.熱電阻應用問題 （1）熱電阻溫度測量的接線方法,,,4.熱電阻應用問題 （2）熱電阻電橋測溫系統(tǒng),二、金屬熱電阻,2.2 溫度傳感器,A為差分放大器，SM為伺服電機，Rw為電位器。電橋式中

19、處于自動平衡狀態(tài)。當被測溫度發(fā)生變化時，差分放大器A的輸出不為零，使伺服電機SM帶動電位器Rw的電刷移動，直到電橋重新自動處于平衡狀態(tài)。 這種方法的特點是測溫系統(tǒng)也納入了負反饋。該測溫系統(tǒng)具有測溫快速，線形范圍大，抗干擾能力強等優(yōu)點。,熱電阻自動平衡電橋測溫系統(tǒng),三、半導體熱敏電阻,2.2 溫度傳感器,熱敏電阻是利用半導體的電阻值隨溫度變化而改變的溫度傳感器。大部分半導體熱敏電阻是由各種氧化物按一定比例混合，經高溫燒結而成。多數熱敏電阻具有負的溫度系數，即當溫度升高時其電阻值下降。,三、半導體熱敏電阻,2.2 溫度傳感器,熱敏電阻具有下述優(yōu)點： 電阻溫度系數絕對值大，因而靈敏度高，測量線路簡單

20、，甚至不用放大器便可輸出幾伏的電壓。體積小、質量輕、熱慣性小。本身電阻值大，不需要考慮引線長度帶來的誤差，因此適于遠距離測量。熱敏電阻產品已系列化，便于設計選用。工作壽命長，而且價格便宜。 熱敏電阻的不足：非線性差，在電路上要進行線性化補償。 穩(wěn)定性差，并有老化現象。 熱敏電阻一般不適于高精度溫度測量及控制場合，但在范圍較小時，也可獲得較好的精度。家電、復印機、電子體溫計等產品中做測溫元件。,三、半導體熱敏電阻,2.2 溫度傳感器,1、熱敏電阻的特性 典型熱敏電阻的溫度特性曲線如圖。 半導體熱敏電阻隨溫度變化的典型特性有三種類型，即PTC熱敏電阻（電阻溫度系數為正）、NTC電阻（電阻溫度系數

21、為負）和在某一特定溫度下電阻值發(fā)生突然變化的臨界溫度電阻CTR。,,三、半導體熱敏電阻,2.2 溫度傳感器,1、熱敏電阻的特性,NTC熱敏電阻隨溫度變化的特性為緩慢型，適合在稍寬的溫度范圍內用作溫度測量元件，是目前使用的主要的熱敏電阻； PTC和CTR突變型熱敏電阻的溫度范圍較窄，一般用于恒溫加熱控制或溫度開關，也用于彩色電視機中作自動消磁元件，有一些功率PTC元件作為發(fā)熱元件用。PTC緩變型熱敏電阻可用作溫度補償或溫度測量。,三、半導體熱敏電阻,2.2 溫度傳感器,1、熱敏電阻的特性 NTC熱敏電阻的電阻值R與溫度T(K) 的關系為 R=R0 expB（1/T-1/T0） 式中：R0

22、為溫度是T0（K）時的電阻值；B為常數，一般為3000（K）5000（K）。 由上式看出,電阻與溫度的關系是指數曲線。如果將溫度曲線換算成電阻值變化率為3%-5%，約為鉑電阻的十倍，這說明熱敏電阻的靈敏度是很高的。 一般的NTC熱敏電阻的測量范圍為-50+300,而一些高溫熱敏電阻可測+700，一些低溫熱敏電阻可測到-250。,三、半導體熱敏電阻,2.2 溫度傳感器,2、熱敏電阻的線性化 由于熱敏電阻具有較大的非線性特性，一般需要經過線性化電路，圖是一種簡單的線性化電路，在測量溫度范圍不大時，可獲得較滿意的的結果。例如，測量范圍為100時期非線性誤差為3左右；若在50范圍內，誤差為0.6；若

23、在30范圍內，則可降到0.05。電源電壓的變動會影響輸出，所以必須采用穩(wěn)壓電源。,,,,3.熱敏電阻應用于溫度控制 如圖是一恒定溫度控制電路，其中Rw是溫度調節(jié)電阻，Rt為NTC熱敏電阻，A為比較器。當Rt所處環(huán)境溫度升高，Rt電阻下降，比較器同相端電壓低于反相端電壓，比較器輸出一個低電平，控制加熱器停止加熱；,三、半導體熱敏電阻,2.2 溫度傳感器,而當Rt所處環(huán)境溫度下降，Rt阻值升高，比較器輸出一個高電平，通過驅動電路驅動加熱器開始加熱。調節(jié)Rw可選擇不同溫度的恒溫控制。利用熱敏電阻還可以實現流量、液面的控制，也可用于穩(wěn)流電路、電機過荷保護等場合。,,,四、熱電偶,2.2 溫度傳感器,

24、熱電偶是一種將溫度變化轉變?yōu)殡妱葑兓膫鞲衅?，它是溫度測量中使用最廣泛的傳感器之一，其測量溫區(qū)寬，一般在-1802800的溫度范圍內均可使用；測量的準確度和靈敏度都較高，尤其在高溫范圍內，有較高的精度。,四、熱電偶,2.2 溫度傳感器,1.測溫原理 熱電偶是指由兩種不同的金屬A和B構成一個閉合回路，當兩個接觸端溫度不同，即 時，回路中會產生熱電勢 ，如圖所示。其中，T稱為熱端，T0稱為冷端（自由端或參比端），A和B稱為熱電極，熱電勢的大小是由兩種材料的接觸電勢和單一材料的溫差電勢所決定的。,,四、熱電偶,2.2 溫度傳感器,1.測溫原理,接觸電勢：由于兩種不同金屬內部的自由電子密度不同，當

25、兩種金屬材料A和B接觸時，自由電子就要從密度大的金屬材料A擴散到密度低的金屬材料B中，從而產生電子的擴散現象。當擴散達到平衡時，金屬材料A由于失去電子而帶正電荷，金屬材料B由于得到電子而帶負電荷。于是，在AB接觸處就形成了一定的電位差，這就是接觸電勢。,四、熱電偶,2.2 溫度傳感器,1.測溫原理,溫差電勢：在同一金屬材料A中，當金屬材料兩端的溫度不同，即 時,兩端電子能量就不同。溫度高的一端電子能量大，則電子就從高溫端向低溫端擴散的數量多，最后達到平衡。這樣，在金屬材料A的兩端也形成一定的電位差，即溫差電勢。,四、熱電偶,2.2 溫度傳感器,1.測溫原理,熱電偶回路的總熱電勢:在兩種金屬材

26、料A和B組成的熱電偶回路中，兩接觸點的溫度分別為T和T0，且TT0，則回路總熱電勢將由四部分組成，兩個溫差電勢和兩個接觸電勢。,,四、熱電偶,2.2 溫度傳感器,1.測溫原理,當 時， ，此時 ，可以看到，熱電勢與溫度值之間是單值函數關系，所以可以用測量得到的熱電勢來得到對應的溫度值。,四、熱電偶,2.2 溫度傳感器,2. 常用熱電偶 理論上講，任何兩種不同材料的導體都可以組成熱電偶，但為了準確可靠地測量溫度，對組成熱電偶的材料必須經過嚴格的選擇。工程上用于熱電偶的材料應滿足以下條件： 熱電勢變化盡量大； 熱電勢與溫度關系盡量接近線性關系； 物理、化學性能穩(wěn)定，易加工，復現性好，便

27、于成批生產，有良好的互換性。 實際上并非所有材料都能滿足上述要求。,四、熱電偶,2.2 溫度傳感器,2. 常用熱電偶 目前在國際上被公認比較好的熱電材料只有幾種,如鉑銠、鉑、鎳鉻、鎳硅、銅、銅鎳等。國際電工委員會(IEC)向世界各國推薦8種標準化熱電偶（T、E、J、K、N、B、R、S），它們已列入工業(yè)標準化文件中，具有統(tǒng)一的分度表。我國從1988年開始采用IEC標準生產熱電偶。常用熱電偶的主要性能和特點請參閱相關文獻。 （1）低溫測量T型（-200+300） （2）中溫測量E型（-200+800）、 J型（-200+750） （2）高溫測量K型（0+1300） （2）超高溫測量B型（+500

28、+1700）、R和S型（0+1600）,四、熱電偶,2.2 溫度傳感器,2. 常用熱電偶 常用熱電偶一般做成棒型，其整體主要由熱電極、絕緣管、保護管、接線盒等幾部分組成，其中熱電極是測溫的敏感器件。熱電偶常以所用的熱電極材料種類來命名，如鉑銠鉑熱電偶、鎳鉻鎳硅熱電偶、銅銅鎳熱電偶等。,四、熱電偶,2.2 溫度傳感器,3.熱電偶的應用問題： 理論上講，在熱電偶回路中接入第三種材料導體時，只要第三種導體兩端與熱電偶接觸的地方溫度相同，第三種導體的接入就不會影響熱電勢，這一性質叫做“中間導體定律”。根據這一性質，才可以在回路中接入各種儀表及連接線，也允許使用任意焊接方法來焊制熱電偶的節(jié)點，而不必

29、擔心它們是否會對熱電勢造成影響。,,四、熱電偶,2.2 溫度傳感器,3.熱電偶的應用問題：,“標準電極定律”： 第三種金屬C作成的標準電極與電極A、B分別配對后的熱電勢之差等于兩電極A、B配對后的電動勢。 工程上常用鉑作標準電極。,四、熱電偶,2.2 溫度傳感器,3.熱電偶的應用問題：,熱電偶在使用中的另一個重要問題是如何解決自由端溫度補償，因為熱電偶的輸出熱電勢不僅與工作端的溫度有關，而且也與自由端的溫度有關。平常使用時，熱電偶兩端輸出的熱電勢對應的溫度值只是相對于自由端溫度的一個相對溫度值，而自由端的溫度又常常不是零度，因此該溫度值已疊加了一個自由端溫度。為了直接得到一個與被測對象溫度(工

30、作端溫度)對應的熱電勢，熱電偶使用時常采取冷端補償的辦法，把冷端放在恒溫或者溫度波動小的地方。 如利用冰水混合物作為冷端補償，將冷端維持在0，那么利用輸出的電動勢Vo可直接在分度表上查得被測的溫度值。,2.2 溫度傳感器,四、熱電偶,3.熱電偶的應用問題：,熱電偶的結構形式 為了保證熱電偶可靠、穩(wěn)定地工作，對它的結構要求如下： 組成熱電偶的兩個熱電極的焊接必須牢固； 兩個熱電極彼此之間應很好地絕緣，以防短路； 補償導線與熱電偶自由端的連接要方便可靠； 保護套管應能保證熱電極與有害介質充分隔離。 按熱電偶的用途不同，常制成以下幾種形式。,2.2 溫度傳感器,四、熱電偶,3.熱電偶的應用問題：,

31、(1) 普通型熱電偶,普通型熱電偶是使用最多的，主要用來測量氣體、蒸汽和液體等介質的溫 度。根據測溫范圍及環(huán)境的不同，所用的熱電偶電極和保護套管的材料也不同，但因使用條件基本類似，所以這類熱電偶已標準化、系列化。按其安裝時的連接方法可分為螺紋連接和法蘭連接兩種。,2.2 溫度傳感器,四、熱電偶,3.熱電偶的應用問題：,(2) 鎧裝熱電偶,鎧裝熱電偶又稱纜式熱電偶，是由熱電極、絕緣材料（通常為電熔氧化鎂）和金屬保護管三者結合，經控制而成一個堅實的整體。鎧裝熱電偶有單支（雙芯）和雙支（四芯）之分，其測量端有露頭型、接殼型和絕緣型三種基本形式。,鎧裝熱電偶的參比端（接線盒）形式有簡易式、防水式、防濺

32、式、接插式和小接線盒式等。鎧裝熱電偶具有體積小、精度高、動態(tài)響應快、耐振動、耐沖擊、機械強度高、可撓性好，便于安裝等優(yōu)點，已廣泛應用在航空、原子能、電力、冶金和石油化工等部門。,2.2 溫度傳感器,四、熱電偶,3.熱電偶的應用問題：,(3) 表面熱電偶,表面熱電偶主要用來測量圓弧形表面溫度。它的測溫結構分為凸形、弓形和針形。圖為直柄式弓形熱電偶結構示意圖。,2.2 溫度傳感器,四、熱電偶,3.熱電偶的應用問題：,（4） 薄膜式熱電偶,薄膜式熱電偶是用真空蒸鍍的方法，將熱電極沉積蓄沉積在絕緣基板上而成的熱電偶。加采用蒸鍍工鍍工藝，所以熱電偶可以做得很薄，而且尺寸可做得很小。 它的特點是熱容量小，

33、響應速度快，適合于測量微小面積上的瞬變溫度。,2.2 溫度傳感器,四、熱電偶,3.熱電偶的應用問題：,（5）快速消耗型熱電偶,這是一種專為測量鋼水及熔融金屬溫度而設計的特殊熱電偶，其結構如圖2-32所示。熱電極由直徑0.050.1mm的鉑銠10-鉑銠30(或鎢錸6-鎢錸20)等材料制成,且裝在外徑為1mm的U形石英管內,構成測溫的敏感元件.其外部有絕緣良好的紙管、保護管及高溫絕熱水泥加以保護和固定。它的特點是：當其插入鋼水后，保護帽瞬即熔化，熱電偶工作端即刻暴露于鋼水中，由于石英管和熱電偶熱容量都很小，因此能很快反映出鋼水的溫度，反應時間一般為46秒。在測出溫度后，熱電偶和石英保護管都被燒壞，

34、因此它只能一次性使用。這種熱電偶可直接用補償導線接到專用的快速電子電位差計上，直接讀取鋼水溫度。,五、集成電流型溫度傳感器AD590,2.2 溫度傳感器,集成溫度傳感器是利用晶體管PN結的電流電壓特性與溫度的關系，把感溫PN結及有關電子線路集成在一個小硅片上，構成一個小型化、一體化的專用集成電路片。 集成溫度傳感器具有體積小、反應快、線性好、價格低等優(yōu)點，由于PN結受耐熱性能和特性范圍的限制，目前它只能用來測150以下的溫度。 AD590是美國AD公司生產的一種電流集成型溫度傳感器，是目前應用廣泛的一種集成溫度傳感器。它內部有放大電路，再配上相應的外電路，可以方便地構成各種應用電路。,五、集成

35、電流型溫度傳感器AD590,2.2 溫度傳感器,1.主要技術參數： （1）測溫范圍為55150； （2）工作電壓為430V，由于AD590是一種恒流源形式的溫度傳感器，只需在其二端加上一定工作電壓則其輸出電流隨溫度變化而變化，其線性電流輸出為1uA/K，即溫度每變化1，其輸出電流變化1uA，因此在25時，其輸出電流為298.2uA。 （3）精度：經過激光平衡調整，AD590的校準精度可達0.5，全溫區(qū)范圍線性度可達0.3(AD590M)，當其在10溫區(qū)范圍內校正后測量，精度可達0.1，在全溫區(qū)范圍內(-55+145)使用,精度也可高達1。,五、集成電流型溫度傳感器AD590,2.2 溫度傳感器

36、,2.主要特性：,伏安特性 電流與溫度成正比,溫度特性 55150呈線性,五、集成電流型溫度傳感器AD590,2.2 溫度傳感器,2.主要特性：,連接負載,RL<=20K時，輸出電壓正比于負載,五、集成電流型溫度傳感器AD590,2.2 溫度傳感器,3. 應用問題： 由于A590是一種電流型的溫度傳感器，因此具有較強的抗干擾能力，適用于計算機進行遠距離溫度測量和控制，遠距信號傳遞時，可采用一般的雙絞線來完成；其電阻比較大，因此不需要精密電源對其供電，長導線上的壓降一般不影響測量精度；不需要溫度補償和專門的線性電路。由于A590上述獨特優(yōu)點，使其在溫度測控領域中得到了廣泛的應用。 電源電壓大于4

37、V即可。 引腳之間可靠絕緣。,五、集成電流型溫度傳感器AD590,2.2 溫度傳感器,4.AD590應用舉例 如圖是利用AD590進行溫度采集的實例。當傳感器AD590所處溫區(qū)發(fā)生1的溫度變化時,流過其所在回路的電流即產生1uA的變化,則其輸出電壓的變化為:,,六、數字集成溫度傳感器DS18B20,2.2 溫度傳感器,數字溫度傳感器DS18B20是美國DALLAS半導體公司的新一代數字式溫度傳感器,它具有獨特的單總線接口方式,即允許在一條信號線上掛接數十甚至上百個數字式傳感器,從而使測溫裝置與各傳感器的接口變得十分簡單,克服了模擬式傳感器與微機接口時需要的A/D 轉換器及其它復雜外圍電路的缺點

38、。由它組成溫度測控系統(tǒng)非常方便,而且成本低、體積小、可靠性高。,六、數字集成溫度傳感器DS18B20,2.2 溫度傳感器,1.基本結構 只有三個管腳:VDD電源腳、GND接地端、DQ數據輸入輸出端、NC空腳。,六、數字集成溫度傳感器DS18B20,2.2 溫度傳感器,1.基本結構,,寄生電源 64位ROM 便箋式RAM,,,,六、數字集成溫度傳感器DS18B20,2.2 溫度傳感器,1.基本結構 便箋式RAM的存儲器映射圖。 配置寄存器格式。,0字節(jié) 8字節(jié),,,MSB LSB,,,六、數字集成溫度傳感器DS18B20,2.2 溫度傳感器,2.主要特點 供電電壓3.05.5V； 測

39、溫范圍為-55+125, 測量誤差在-10+85時為0.5； 測量的溫度值用912位數字表示，分辨率可編程；,在默認的配置中，DS18B20的測溫分辨率為0.0625，以12位有效數據表示，其中，高位的S表示符號位，其數據格式如圖所示。如：0000 0001 1001 0001表示+25.0625。,六、數字集成溫度傳感器DS18B20,2.2 溫度傳感器,2.主要特點 最大轉換時間為750 ms，最短轉換時間93.75 ms ； 溫度超標報警的上、下限值以及轉換分辨率均可由用戶設定，并能長期保存。 每個DS18B20具有唯一的64位序列號，所以可在一條數據總線上同時掛接多個傳感器，實現多點溫

40、度的檢測。 DS18B20具有在沒有外部電源下操作的能力，電源由總線為高電平時DQ腳上的上拉電阻提供(寄生供電模式)，此時VDD腳接地。也可用傳統(tǒng)方式供電，即將外部電源接在VDD腳上即可，工作電壓為35.5V。,六、數字集成溫度傳感器DS18B20,2.2 溫度傳感器,3.測溫原理,低溫度系數振蕩器的振蕩頻率受溫度影響很小，用來向計數器1提供固定頻率的脈沖信號。高溫度系數振蕩器的振蕩頻率受溫度影響較大，隨溫度的變化而明顯改變，其產生的信號作為計數器2的脈沖輸入，用于控制閘門的關閉時間。,六、數字集成溫度傳感器DS18B20,2.2 溫度傳感器,3.測溫原理,初態(tài)時，計數器1和溫度寄存器被預置在

41、與-55相對應的一個基值上。計數器1對低溫度系數振蕩器產生的脈沖信號進行減法計數，在計數器2控制的閘門時間到達之前，如果計數器1的預置值減到0，則溫度寄存器的值將作加1運算，與此同時，用于補償和修正測溫過程中非線性的斜率累加器將輸出一個與溫度變化相對應的計數值，作為計數器1的新預置值，,六、數字集成溫度傳感器DS18B20,2.2 溫度傳感器,3.測溫原理,計數器1重新開始對低溫度系數振蕩器產生的脈沖信號進行計數，如此循環(huán)，直到計數器2控制的閘門時間到達亦即計數到0時，停止溫度寄存器值的累加，此時溫度寄存器中的數值即為所測溫度。,六、數字集成溫度傳感器DS18B20,2.2 溫度傳感器,4.工

42、作過程與注意事項,（1）工作過程 ROM操作命令： 讀（33H）；匹配（55H）；跳過（CCH）；搜索（F0H）；告警搜索（EC）。 存儲器操作命令： 讀（BEH）；寫（4EH）；復制（48H）；溫度變換（44H）；重新調出E2PROM（B8H）。讀電源供電方式（B4H）。,六、數字集成溫度傳感器DS18B20,2.2 溫度傳感器,4.工作過程與注意事項,（2）工作時序 初始化：主機發(fā)480us的低電平主機釋放總線開始接收-I/O上升沿之后1560us-DS18B20發(fā)60240us的低電平存在信號。 寫數據：將數據線從高電平拉低。15us內數據送出，1560us內采樣數據。在開始另一寫周期前

43、需有1us以上的高電平恢復期。 讀數據：將數據線從高電平拉低1us以上再升為高電平產生讀起始信號。主機在下降沿后的15us內完成讀。每個讀周期最短持續(xù)期為60us。各個讀周期值見需有1us以上的高電平恢復期。,六、數字集成溫度傳感器DS18B20,2.2 溫度傳感器,4.工作過程與注意事項,（3）注意事項 必須嚴格按照時序對DS18B20進行操作； 管腳必須確保焊牢，寄生電源工作方式時應將VDD與GND焊在一起。 使用屏蔽雙絞線作為測溫電纜。,六、數字集成溫度傳感器DS18B20,2.2 溫度傳感器,5.應用DS18B20的溫度控制器,六、數字集成溫度傳感器DS18B20,2.2 溫度傳感器,

44、5.應用DS18B20的溫度控制器 基于DS18B20的溫度測量裝置電圖如圖所示。溫度傳感器DS18B20將被測環(huán)境溫度轉化成帶符號的數字信號（以十六位補碼形式，占兩個字節(jié)），傳感器可置于離裝置150米以內的任何地方，輸出腳I/O直接與單片機的P3.4相連，R1為上拉電阻，傳感器采用外部電源供電。89C2051是整個裝置的控制核心，89C2051內帶1K字節(jié)的FlashROM，用戶程序存放在這里。顯示器模塊由四位一體的共陽數碼管和4個9012組成。系統(tǒng)程序分傳感器控制程序和顯示器程序兩部分，傳感器控制程序是按照DS18B20的通信協(xié)議編制。系統(tǒng)的工作是在程序控制下，完成對傳感器的讀寫和對溫度

45、的顯示。,電阻應變式傳感器是目前應用最廣泛的傳感器之一。所謂電阻應變式傳感器，是指將電阻應變片粘貼到各種彈性元件上，從而構成直接測量應變（應力）的傳感器。 電阻應變式傳感器具有以下特點： 精度高，測量范圍廣； 使用壽命長，性能穩(wěn)定可靠； 結構簡單，體積小，重量輕； 頻率響應好，既可用于靜態(tài)測量又可用于動態(tài)測量； 價格低廉，品種多樣，便于選擇和大量使用。,2.3 電阻應變式傳感器,2.3 電阻應變式傳感器,金屬導體在外力作用下會發(fā)生機械形變，而它的電阻值會隨著其機械形變而變化的現象，稱為金屬的電阻應變效應。 金屬電阻應變傳感器是利用金屬電阻應變片將應變轉換為電阻變化的傳感器，傳感器由在彈

46、性元件上粘貼電阻應變敏感元件構成。當被測物理量作用在彈性元件上，彈性元件的變形引起應變敏感元件的阻值變化，通過轉換電路轉變成電量輸出，電量變化的大小反映了被測物理量的大小。應變式電阻傳感器是目前測量力、力矩、壓力、加速度、重量等參數應用最廣泛的傳感器。,1.原理,一、金屬電阻應變傳感器,2.3 電阻應變式傳感器,1.原理,一、金屬電阻應變傳感器,2.3 電阻應變式傳感器,1.原理,一、金屬電阻應變傳感器,金屬材料中，,應力產生應變，應變導致電阻變化。,2.3 電阻應變式傳感器,2.結構,一、金屬電阻應變傳感器,敏感柵是應變片的核心部分，它粘貼在絕緣的基片上，其上再粘貼起保護作用的覆蓋層，兩端焊

47、接引出導線。 金屬電阻應變片的敏感柵有絲式、箔式和薄膜式三種。 箔式應變片是利用光刻、腐蝕等工藝制成一種很薄的金屬箔柵，其厚度一般在0.0030.01mm。其優(yōu)點是散熱條件好，允許通過的電流較大，可制成各種所需的形狀，便于批量生產。薄膜應變片是采用真空蒸發(fā)或真空沉淀等方法在薄的絕緣基片上形成0.1um以下的金屬電阻薄膜的敏感柵，最后再加上保護層。它的優(yōu)點是應變靈敏度系數大，允許電流密度大，工作范圍廣。,2.3 電阻應變式傳感器,二、半導體電阻應變傳感器,半導體應變片是用半導體材料制成的。其工作原理是基于半導體材料的壓阻效應。所謂壓阻效應是指半導體材料在某一軸向受外力作用時，其電阻率發(fā)生變化

48、的現象。,半導體應變片突出優(yōu)點是靈敏度高，比金屬絲式高5080倍，動態(tài)響應好。但它有溫度系數大，應變時非線性比較嚴重等缺點。,2.4 壓電傳感器,壓電式傳感器的工作原理是基于某些介質材料的壓電效應，是典型的有源傳感器。當材料受力作用而變形時，其表面會有電荷產生，從而實現非電量測量。 壓電式傳感器具有體積小、重量輕、工作頻帶寬等特點，因此在各種動態(tài)力、機械沖擊與振動的測量，以及聲學、醫(yī)學、力學、宇航等方面都得到了非常廣泛的應用。,2.4 壓電傳感器,一、壓電效應,某些電介質，當沿著一定方向對其施力而使它變形，其內部就產生極化現象，同時在它的兩個表面上便產生符號相反的電荷，當外力去掉后，其又重新

49、恢復到不帶電狀態(tài)，這種現象就是壓電效應。,如圖所示。當在x軸方向上對壓電晶體施加一壓力F時，在垂直于x軸的晶體表面上產生電荷Q。電荷Q的大小可以表示為,2.4 壓電傳感器,二、壓電傳感器,壓電晶體受力而使晶體的兩個表面產生正負電荷，由于測量回路的輸入阻抗總不可能為無窮大，所以要進行靜態(tài)測量必然會引起電荷的泄漏。由于壓電材料在交變力的作用下，電荷可以不斷得到補充，因而可以給回路提供一定的電流，所以適于動態(tài)測量。壓電晶體受力時，在一個板上出現正電荷，另一個板上出現等量負電荷，而中間為絕緣體，因此可以把它看作是一個電容器。,2.4 壓電傳感器,二、壓電傳感器,由于壓電傳感器的輸出信號非常微弱，一般要

50、將電信號進行放大才能測量，而壓電片內阻相當高，所以通常要將傳感器輸出先由低噪聲電纜送入高輸入阻抗的前置放大器，然后再經過一般的放大、檢波或通過功率放大至數據采集設備。其中，前置放大器的主要作用是將壓電傳感器的高阻抗輸出變成低阻抗輸出（即阻抗變換）。,,2.5 電容式傳感器,電容傳感器是利用被測量的變化引起傳感器電容量的變化來工作的。電容式傳感器除了可用于位移量的測量外，還廣泛用于振動、加速度等機械量的精密測量。 電容式傳感器的特點如下： 輸入量小而靈敏度高； 電參量相對變化大； 動態(tài)特性好； 非接觸式測量； 能量損耗小； 結構簡單，適應性好。 電容式傳感器的缺點：非線性大，電纜分布電容影響大。 電容式傳感器根據其測量原理不同又可分為三種：變極距式、變面積式和變介質式。,2.5 電容式傳感器,一、變間隙式電容傳感器,初始電容,變化后電容,變間距式電容傳感器只有在 很小時才有近似的線性關系，一般最大位移應小于間隙的110。,2.5 電容式傳感器,二、變面積式電容變換器,初始電容,極板有相對位移后的電容量,特點：傳感器輸出為線性；傳感器靈敏度與初始極距成反比，減小極距可以提高靈敏度；可以做成差動形式，以提高靈敏度。,,,2.5 電容式傳感器,三、變介電常數式電容變換器,初始電容,介質變化后,電容變化量與電介質介電常數的移動量成線性關系。,