第零章 绪论

传感器定义与作用

定义

  • 广义：
    传感器是一种能把特定的非电量信号（物理量、化学量、生物量等）按一定规律转换成某种便于处理和传输的另一种物理量(一般为电量) 的装置。
  • 狭义：
    能把外界非电信息转换成电信号输出的器件
  • 国家标准（GB7665—87） 对传感器（Sensor/Transducer）定义是： 能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的 器件和装置，通常由敏感元件和转换元件组成

组成

传感器一般由敏感元件,转换元件,测量电路组成
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核心部分是转换元件,决定传感器的工作原理。

转换元件不一定需要

习题
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image-20230625164524377image-20230625164533855

第一章

1.1 传感器静态特性

可用用求导来界定动态\静态信号

1.1.1静态特性方程

$$
Y=f(X)
$$

一般不是非线性的,所以可以用多项式表示
$$
Y=a_0+a_1X+a_2X^2…..
\a_0–零位输出
$$

1.1.2静态特性校准曲线

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1.1.3静态特性指标

P24-57

1)线性度

校准曲线与拟合曲线中最大的差值除以量程

就是说最大差距与占量程的多少

不同的拟合方法线性度也不一样

越小越好

  • 差动法
    • 利用两个传感器进行差动测量,就是说一个测量正向变化,一个负向变化,差动输出,结果相减
    • 优点:
      • 消除偶阶次误差
      • 灵敏度提高一倍
      • 消除零位输出

2)灵敏度

就是一阶导数

3)精确度

越小越好

分级7个:0.1,0.2,0.5,1.0,1.5,2.5,5.0,向上取整

选择精确度高准确度低会比较好,因为精确度高意味着每次测量方差不大,随机误差小,系统误差容易消除

分辨力

迟滞

正行程和反行程不一致的现象

通常而言,线性度差的迟滞现象会更明显

重复性

和迟滞有点像,同一方向多多次测量输出不一致的程度

稳定性

长时间保持性能参数的能力

漂移

传感器在输入不变的情况下,输出量随时间变化的现象

  • 原因

    • 传感器自身结构参数老化
    • 测试过程中环境变化

  • 分类

    • 零点漂移
    • 灵敏度漂移
    • 时间漂移
    • 温度漂移

传感器动态特性

动态特性是指传感器输出对时间变化的输入出的响应特性；

除理想状态，多数传感器的输入信号是随时间变化的，输出信号一定不会与 输入信号有相同的时间函数，这种输入输出之间的差异就是动态误差；

传感器输出对时间变化的输入量的响应即反映了传感器的动态特性。被测量 是时间的函数，或是频率的函数。

数学模型与传递函数

数学模型 p64 - 73

传递函数 p75 - 83

动态响应（二阶传感器的欠/临/过阻尼）

p85-90

习题

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第二章 应变式传感器

应变式传感器的核心元件是电阻应变片，它可将试件上的应力变化转换成电阻变化。

  • 应变效应
    导体或半导体在受到外界力的作用时，产生机械变形，机械变形导致其阻值变化，这种因形变而使阻值发生变化的现象称为应变效应。

金属应变片传感器

基本原理（应变的定义）

p 97-103

基本结构（对比优缺点）

  • 金属丝式

    • 由敏感栅、基底、盖片、引线和粘结剂等组成。

    • 对敏感栅的材料的要求：
      ①应变灵敏系数大，并在所测应变范围内保持为常数；
      ②电阻率高而稳定，以便于制造小栅长的应变片；
      ③电阻温度系数要小；
      ④抗氧化能力高，耐腐蚀性能强；
      ⑤在工作温度范围内能保持足够的抗拉强度；
      ⑥加工性能良好,易于拉制成丝或轧压成箔材；
      ⑦易于焊接，对引线材料的热电势小。
      对应变片要求必须根据实际使用情况，合理选择。

    • 基底和盖片
      基底用于保持敏感栅、引线的几何形状和相对位置

      盖片既保持敏感栅和引线的形状和相对位置，还可保护敏感栅。

      基底的全长称为基底长，其宽度称为基底宽。

    • 引线
      是从应变片的敏感栅中引出的细金属线。

      对引线材料的性能要求：电阻率低、电阻温度系数小、抗氧化性能好、易于焊接。

      大多数敏感栅材料都可制作引线。

    • 粘结剂

      1. 用于将敏感栅固定于基底上，并将盖片与基底粘贴在一起。
      2. 使用金属应变片时，也需用粘结剂将应变片基底粘贴在构件表面某个方向和
        位置上。

      常用的粘结剂分为有机和无机两大类。有机粘结剂用于低温、常温和中温。
      常用的有聚丙烯酸酯、酚醛树脂、有机硅树脂，聚酰亚胺等。无机粘结剂用于
      高温，常用的有磷酸盐、硅酸、硼酸盐等。

  • 箔式

    • 金属箔式应变片和丝式应变片相比较，特点：

    • ①金属箔栅很薄，因而它所感受的应力状态与试件表面的应力状态更为接近。其次，当箔材和丝材具有同样的截面积时，箔材与粘接层的接触面积比丝材大，使它能更好地和试件共同工作。第三，箔栅的端部较宽，横向效应较小，因而提高了应变测量的精度。

      ②箔材表面积大，散热条件好，故允许通过较大电流，因而可以输出较大信号，提高了测量灵敏度。

      ③箔栅的尺寸准确、均匀，且能制成任意形状，特别是为制造应变花和小标距应变片提供了条件，从而扩大了应变片的使用范围。

      ④便于成批生产。

    • 缺点：电阻值分散性大，有的相差几十Ω，故需要作阻值调整；生产工序较为复杂，因引出线的焊点采用锡焊，因此不适于高温环境下测量；此外价格较贵。

  • 薄膜式

    • 金属薄膜应变片是采用真空蒸镀或溅射式阴极扩散等方法，在薄的基底材料上制成一层金属电阻材料薄膜以形成应变片。这种应变片有较高的灵敏度系数，允许电流密度大，工作温度范围较广。

测量电路（单臂、半桥、全桥的对比，实验内容）

p 119-135

金属应变片主要特性

1.灵敏度系数
2.横向效应
3.机械滞后
4.零点漂移和蠕变
5.应变极限
6.动态特性

p 137 - 145

温度误差与补偿

  • 温度补偿方法：
    • 1.单丝自补偿应变片
    • 2.双丝组合式自补偿应变片
    • 3.电路补偿法

p147 - 160

压阻式传感器

基本原理（压阻效应）、优缺点、典型分类

  • 压阻效应
    单晶硅材料在受到应力作用后，其电阻率发生明显变化，这种现象被称为压阻效应。
  • 压阻式传感器有许多优点：
    ①频率响应高(有的产品固有频率高达1.5兆赫),适于动态测量;
    ②体积小（例如有的产品外径可达0.25毫米），适于微型化；
    ③精度高，可达0.1～0.01％；
    ④灵敏高,比金属应变计高出很多倍，有些场合可不加放大器；
    ⑤无活动部件，可靠性高，能工作于振动、冲击、腐蚀、强干扰等恶劣环境。
  • 压阻式传感器的缺点：
    温度影响较大（有时需进行温度补偿）
    工艺较复杂
    造价高
  • 分类
    • 粘贴型压阻式传感器(传感元件是用半导体材料的体电阻制成的粘贴式应变片，半导体应变片)
      • 主要优点
        • 灵敏系数比金属电阻应变片的灵敏系数大数十倍
        • 横向效应和机械滞后极小
        • 温度稳定性和线性度比金属电阻应变片差得多
    • 扩散型压阻式传感器(传感元件是利用集成电路工艺，在半导体材料的基片上制成的扩散电阻。固态压阻传感器)
      • 为固定边缘,硅膜片的周边较厚,呈杯形,也称为硅杯。
      • 硅膜片上的四个扩散电阻接成电桥。
      • 硅边的内腔与被测压力p相连,杯外与大气相通，测量表压；若杯外与另一压力源相接,则可测压差。
      • 主要用于气、液体压力测量

测量电路（恒流源供电）：典型应用

p 183-186

题目

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第三章 电容式传感器

概述

各种电容式传感器示例

电容器是电子技术的三大类无源元件(电阻、电感和电容)之一。
利用电容器的原理，将非电量转换成电容量,进而实现非电量到电量的转化的器件或装置，称为电容式传感器。
它实质上是一个具有可变参数的电容器。

与电阻式、电感式传感器相比的优点：

1.测量范围大：相对变化量可达100%。
2.灵敏度高：可达10-7。
3.动态响应时间短：可动部件质量小，固有频率高，适合于动态信号的测量。
4.机械损失小：电极间引力小，无摩擦，热效应小，因此，精度高。
5.结构简单，适应性强：金属做电极，无机材料绝缘支撑，能承受大的温度变化和强辐射，适合于恶劣环境工作。

与电阻式、电感式传感器相比的不足之处：

1.寄生电容影响大：导线电容、泄露电容。降低了灵敏度，非线性输出，甚至不稳定。
2.当用变间隙原理进行测量时，具有非线性输出特性。由于材料、工艺，特别是测量电路及半导体集成技术等方面已达到了相当高的水平，因此寄生电容的影响得到较好地解决，使电容式传感器的优点得以充分发挥。

应用：

压力、位移、厚度、加速度、液位、物位、湿度和成分含量等测量之中。

电容式传感器的工作原理

p 190-219

电容式传感器的测量电路

p 219-253

电容式传感器的误差分析

温度对结构尺寸的影响

  • 温度误差与零件的尺寸、热膨胀系数有关
  • 要减小温度变化的影响，可以：
    • 少热膨胀尺寸链的组成环节
    • 选用热膨胀系数小、几何尺寸稳定的材料如：石英、陶瓷、玻璃、镍铁合金等。
    • 采用差动对称结构，对温度误差进行补偿。

电容式传感器的设计改善措施

  • 保证绝缘材料的绝缘性能
    • ① 温度、湿度等环境的变化是影响传感器中绝缘材料性能的主要因素。
    • ②传感器的电极表面不便清洗，应加以密封，可防尘、防潮。
    • ③ 尽量采用空气、云母等介电常数的温度系数几乎为零的电介质作为电容式传感器的电介质。
    • ④ 传感器内所有的零件应先进行清洗、烘干后再装配。传感器要密封以防止水分侵入内部而引起电容值变化和绝缘性能下降。壳体的刚性要好，以免安装时变形。
    • ⑤ 传感器电极的支架要有一定的机械强度和稳定的性能。应选用温度系数小、稳定性好，并具有高绝缘性能的材料，例如石英、云母、人造宝石及各种陶瓷等做支架。虽然这些材料较难加工，但性能远高于塑料、有机玻璃等。

电容电场的边缘效应

  • 边缘效应不仅使电容式传感器的灵敏度降低，而且在测量中会产生非线性误差，应尽量减小或消除。

  • 边缘效应与『极板的厚度/极距』有关。

    • 适当减小电容式传感器的极板间距，可以减小边缘效应的影响，但电容易被击穿且测量范围受到限制。
    • 一方面，可采取将电极做得很薄，使之远小于极板间距的措施来减小边缘效应的影响。另一方面，可在结构上增加等位保护环的方法来消除边缘效应。

寄生与分布电容的影响

寄生电容：电容的极板与周围导体构成的电容。
寄生电容不稳定 → 传感器输出不稳定→ 产生干扰

  • 减小或消除寄生电容的影响
    • • 增加原始电容值可减小寄生电容的影响。
      • 注意传感器的接地和屏蔽。
      • 采用组合式与集成技术。将传感器、前置级组合在一个壳体内，省去其间的电缆。
      • 采用“驱动电缆”技术(也称”双层屏蔽等位传输”技术)。
      • 采用运算放大器法
      • 整体屏蔽法。

应用

p 268 - 278

习题

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第四章 电感式传感器

概述

  • 电感式传感器是一种机电转换装置，特别是在自动控制设备中广泛应用。.

  • 电感式传感器利用电磁感应定律将被测非电量转换为电感或互感的变化。

  • 感测量：位移、振动、压力、应变、流量、比重等。

  • 种类：

    • 根据转换原理，分自感式和互感式两种；
    • 根据结构型式，分气隙型和螺管型。

  • 分类：电感式传感器

    • 自感式传感器
    • 互感式传感器
    • 电涡流式传感器

  • 优点：

    • ①结构简单、可靠，测量力小
    • ②分辨力高
    • ③重复性好，线性度优良

  • 不足：存在交流零位信号，不宜于高频动态测量。

自感式传感器

气隙型电感传感器

p285-292

螺管型电感传感器

p295-303

电感线圈的等效电路

p306-311

测量电路

p314-318

互感式传感器——差动式变压器

结构原理与等效电路

  • 把被测的非电量变化转换成为线圈互感量的变化的传感器称为互感式传感器。

  • 分气隙型和螺管型两种。目前多采用螺管型差动变压器

  • 还有按照节次分类，三节式的零点电位较小，二节式比三节式灵敏度高、线性范围大，四节式和五节式改善了传感器线性度。

与普通变压器对比

普通变压器 差动变压器
磁路 闭合 开
互感 常数 随着铁芯位置而变

  • 铁芯的位置与互感系数M

    • 中间输出为0

    • 下移减少

    • 上移增加,与减少一样,与移动距离相关,

  • 剩下 p 325 -328

变换特征

p332-337

灵敏度受到匝数比,电源频率,电压等影响

  • 1 $R_l<<\omega L_l$时匝数越大,灵敏度越高,但是随着次级线圈匝数增加,零点残余也增加了
  • 2 增加初级线圈激励电压,灵敏度会变
  • 3 在高频时灵敏度与频率无关

误差分析

  • 激励电压幅值与频率的影响

    • 激励电源电压幅值的波动，会使线圈激励磁场的磁通发生变化，直接影响输出电势。
    • 激励电源电压幅值的波动，会使线圈激励磁场的磁通发生变化，直接影响输出电势。而频率的波动，只要适当地选择频率,而频率在$R_l<<\omega L_l$时影响不大

  • 温度变化

    • 周围环境温度的变化，引起线圈及导磁体磁导率的变化，从而使线圈磁场发生变化产生温度漂移。当线圈品质因数较低时，影响更为严重
    • 解决办法:
      • 恒流源比恒压源有利
      • 提高线圈品质因子并采用差动电桥

  • 零点残余,因为铁芯不可能严格在中点,始终有零点残余电压

    • 产生原因

      • ①基波分量
        由于差动变压器两个次级绕组不可能完全一致，因此它的等效电路参数（互感M、自感L及损耗电阻R）不可能相同，从而使两个次级绕组的感应电动势数值不等。又因初级线圈中铜损电阻及导磁材料的铁损和材质的不均匀，线圈匝间电容的存在等因素，使激励电流与所产生的磁通相位不同。
      • ②高次谐波
        高次谐波分量主要由导磁材料磁化曲线的非线性引起。由于磁滞损耗和铁磁饱和的影响，使得激励电流与磁通波形不一致产生了非正弦(主要是三次谐波)磁通，从而在次级绕组感应出非正弦电势。另外，激励电流波形失真，因其内含高次谐波分量，这样也将导致零点残余电压中有高次谐波成分。

    • 消除方法

      • 1 从工艺和设计上保持结构对称
      • 2 选择合适的测量电路
      • 3 采用补偿电路
        • 次级绕组侧并联电容
        • 串联电阻
        • 接入补偿线圈L以避免负载不是纯电阻而引起较大的零点残存电压。

测量电路

差动变压器的输出电压为交流，它与衔铁位移成正比。用交流电压表测量其输出值只能反映衔铁位移的大小，不能反映移动的方向，因此常采用差动整流电路和相敏检波电路进行测量。

  • 差动整流电路

    image-20230626173927307 - 无论次级线圈的输出瞬时电压极性如何，整流电路的输出电压e2始终等于R1、R2两个电阻上的电压差。 $U_2=U_{d c}-U_{h g}$ - **结论:铁芯在不在零位时,输出电压与极性相反可以消除零位误差**

  • 二尽管相敏检波电路

    image-20230626174005986 - 1.衔铁在中间位置时，无论参考电压是正半周还是负半周，在负载RL上的输出电压始终为0。 - 2.衔铁在零位以上移动时，无论参考电压是正半周还是负半周，在负载RL上得到的输出电压始终为正。 - 3.衔铁在零位以下移动时，无论参考电压是正半周还是负半周，在负载RL上得到的输出电压始终为负。 - 由此可见，该电路能判别铁芯移动的方向。

应用

p372-375

电涡流传感器

基本原理

  • 涡流:根据电磁感应定律，交变磁通在包围它的任何闭合导电回路中都将产生感应电流。当导体置于交变磁场或在磁场中运动时，导体上引起感生电流ie，此电流在导体内闭合，称为涡流。
  • 涡流的大小与导体电阻率做导率,磁导率以及产生交变做场的线圈与被测体之间距离x（磁通量)，线圈激励电流的频率有关。
  • 若固定某些参数，就可根据涡流的变化测量另一个参数。
  • 电涡流式传感器最大的特点是可以对一些参数进行非接触的连续测量。另外，电涡流式传感器动态响应好，灵敏度高，应用范围比较广。
    p 282-285

结构和基本原理

电涡流传感器的种类

  • 电涡流在金属导体内的渗透深度为$h=5030 \sqrt{\frac{\rho}{\mu_r f}}$
    导体电阻率ρ、磁导率µ、线圈激励电流的频率f

  • 说明电涡流在金属导体内的渗透深度与传感器线圈的激励信号频率有关。故电涡流式传感器可分为高频反射式和低频透射式两类。目前高频反射式电涡流传感器应用较广泛。

特点

  • 因为金属存在趋肤效应，电涡流只存在于金属导体的表面薄层内,存在一个涡流区.
  • 当线圈与被测体距离改变时，电涡流密度发生变化，涡流强度也要变化。
  • image-20230626174737173

高频反射式电涡流传感器

  • 高频(>lMHz)激励电流产生的高频磁场作用于金属板的表面，由于集肤效应，在金属板表面将形成涡电流。与此同时，该涡流产生的交变磁场又反作用于线圈，引起线圈自感L或阻抗ZL的变化。线圈自感L或阻抗ZL的变化与距离该金属板的电阻率ρ、磁导率μ、激励电流I及角频率ω等有关，若只改变距离x而保持其它参数不变，则可将位移的变化转换为线圈自感的变化，通过测量电路转换为电压输出。
  • 高频反射式涡流传感器多用于位移测量。

低频透射式电涡流传感器

p 395-399

测量电路

p401-404

应用

电涡流传感器的应用

  • 电涡流传感器目前主要应用于测位移、振动、转速、测厚度、电涡流探伤。
  • 特点：做非接触式测量。

应用

  • （1）测厚 ：
    • 低频透射式涡流厚度传感器
    • 高频反射式涡流厚度传感器
  • （2）测转速
  • （3）测振动
  • （4）电涡流探伤

习题

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第五章 压电式传感器

概述

压电式传感器是一种典型的有源(发电型)传感器，以电介质的压电效应为基础，外力作用下在电介质表面产生电荷，从而实现非电量测量。

压电传感元件是力敏感元件，其可以对各种动态力、机械冲击和振动进行测量，在声学、医学、力学、石油勘探、导航方面都得到广泛的应用。

压电式传感器具有响应频带宽、灵敏度高、信噪比大、结构简单、工作可靠、重量轻等优点。

压电效应

  • 正压电效应：

    • 电介质受到一定方向的力使得变形，内部产生极化，表面产生电荷
    • 当外力去掉后，又重新恢复不带电状态的现象。
    • 当作用力方向改变时，电荷极性也随着改变。

  • 逆压电效应：

    • 在电介质的极化方向施加电场，在一定方向上产生机械变形或机械压力
    • 当外加电场撤去时，这些变形或应力也随之消失的现象。image-20230626175342274

  • 分类

    • 常见的压电材料可分为两类，即压电单晶体和多晶体压电陶瓷。
    • 压电单晶体有石英(包括天然石英和人造石英)、水溶性压电晶体(包括酒石酸钾钠、酒石酸乙烯二铵、酒石酸二钾、硫酸锤等)；
    • 多晶体压电陶瓷有钛酸钡压电陶瓷、锆钛酸铅系压电陶瓷、铌酸盐系压电陶瓷和铌镁酸铅压电陶瓷等。

石英晶体压电效应

  • 天然石英晶体，其结构形状为一个六角形晶柱，两端为一对称棱锥。image-20230626175529921image-20230626175542383

    p417-427

压电陶瓷的压电效应

当把电压表接到陶瓷片的两个电极上进行测量时，却无法测出陶瓷片内部存在的极化强度。这是因为陶瓷片内的极化强度总是以电偶极矩的形式表现出来，即在陶瓷的一端出现正束缚电荷，另一端出现负束缚电荷。由于束缚电荷的作用，在陶瓷片的电极面上吸附了一层来自外界的自由电荷。这些自由电荷与陶瓷片内的束缚电荷符号相反而数量相等，它起着屏蔽和抵消陶瓷片内极化强度对外界的作用。所以电压表不能测出陶瓷片内的极化程度。image-20230626175901899

如果在陶瓷片上加一个与极化方向平行的压力F，如图，陶瓷片将产生压缩形变（图中虚线），片内的正、负束缚电荷之间的距离变小，极化强度也变小。因此，原来吸附在电极上的自由电荷，有一部分被释放，而出现放电荷现象。当压力撤消后，陶瓷片恢复原状(这是一个膨胀过程)，片内的正、负电荷之间的距离变大，极化强度也变大，因此电极上又吸附一部分自由电荷而出现充电现象。这种由机械效应转变为电效应，或者由机械能转变为电能的现象，就是正压电效应。image-20230626175913016

由此可见，压电陶瓷所以具有压电效应，是由于陶瓷内部存在自发极化。这些自发极化㓿过极化工序处理而被迫取向排列后，陶瓷内即存在剩余极化强度。如果外界的作用（如压力或电场的作用）能使此极化强度发生变化，陶瓷就出现压电效应。此外，还可以看出，陶瓷内的极化电荷是束缚电荷，而不是自由电荷，这些束缚电荷不能自由移动。所以在陶瓷中产生的放电或充电现象，是通过陶瓷内部极化强度的变化，引起电极面上自由电荷的释放或补充的结果。

同样，若在陶瓷片上加一个与极化方向相同的电场，如图，由于电场的方向与极化强度的方向相同，所以电场的作用使极化强度增大。这时，陶瓷片内的正负束缚电荷之间距离也增大，就是说，陶瓷片沿极化方向产生伸长形变（图中虚线）。同理，如果外加电场的方向与极化方向相反，则陶瓷片沿极化方向产生缩短形变。这种由于电效应而转变为机械效应或者由电能转变为机械能的现象，就是逆压电效应。image-20230626180032817

压电陶瓷的压电系数比石英晶体的大得多，所以采用压电陶瓷制作的压电式传感器的灵敏度较高。极化处理后的压电陶瓷材料的剩余极化强度和特性与温度有关，它的参数也随时间变化，从而使其压电特性减弱。

最早使用的压电陶瓷材料是钛酸钡（BaTiO3）。它是由碳酸钡和二氧化钛按1∶1摩尔分子比例混合后烧结而成的。它的压电系数约为石英的50倍， 但居里点温度只有115℃，使用温度不超过70℃，温度稳定性和机械强度都不如石英。

压电材料

  • 压电材料应具备以下几个主要特性：
    ①转换性能。要求具有较大的压电常数。
    ②机械性能。机械强度高、刚度大。
    ③电性能。高电阻率和大介电常数。
    ④环境适应性。温度和湿度稳定性要好，要求具有较高的居里点，获得较宽的工作温度范围。
    ⑤时间稳定性。要求压电性能不随时间变化。

P437-441

测量电路

P443-458

应用

p460-469

第7章 热电式传感器

概述

  • 温度

    • 温度标志着物质内部大量分子无规则运动的剧烈程度。温度越高，表示物体内部
      分子热运动越剧烈。

    • 温度的数值表示方法称为温标。它规定了温度的读数的起点（即零点）以及温度的单
      位。各类温度计的刻度均由温标确定。

    • 国际上规定的温标有：摄氏温标、华氏温标、热力学温标等。

      • 几种温标之间的换算关系
        • 摄氏度=5(华氏度-32)/9
        • 摄氏度=开氏度-273.15
        • 摄氏度=5兰氏度/9-273.15
        • 摄氏度=1.25列氏度

        • 华氏度= 1.8摄氏度+32
        • 华氏度= 1.8开氏度-459.67
        • 华氏度=兰氏度-459.67
        • 华氏度=2.25列氏度+32

        • 开氏度=摄氏度+273.15
        • 开氏度= 1.25列氏度+273.15
        • 开氏度= 5(华氏度-32)/9 +273.15
        • 开氏度= 5兰氏度/9

  • 温度传感器的种类

    • 接触式温度传感器的特点：传感器与被测物体直接接触进行温度测量。由于被测物体的热量传递给传感器，降低了被测物体温度，特别是被测物体热容量较小时，测量精度较低。因此采用这种方式要测得物体的真实温度的前提条件是被测物体的热容量要足够大。
    • 非接触式温度传感器主要是利用被测物体热辐射而发出红外线，从而测量物体的温度，可进行遥测。成本较高，测量精度却较低。优点：不从被测物体上吸收热量；不会干扰被测对象的温度场；连续测量不会产生消耗；反应快等。
    • 热电式传感器是一种将温度变化转换为电量变化的传感器。它是利用测温敏感元件的电或磁的参数随温度变化而改变的特性，将温度变化转换为电量变化达到测量温度的目的。主要包括热电偶、热电阻、热敏电阻和PN结传感器。

热电偶

温差热电偶（简称热电偶）是目前温度测量中使用最普遍的传感元件之一。结构简单，测量范围宽、准确度高、热惯性小。

工作原理

p481-489

热电偶基本定律

p491-497

热电偶的常用材料与结构

  • 用作热电极的材料应具备下面的条件：
    ① 温度测量范围广。要求在规定的温度测量范围内有较高的测量精确度，有较大的热电动势。温度与热电动势的关系是单值函数，最好是呈线性关系。
    ② 性能稳定。要求在规定的温度测量范围内使用时热电性能稳定，均匀性和复现性好。
    ③ 物理化学性能好。要求在规定的温度测量范围内有良好的化学稳定性、抗氧化性或抗还原性能。

  • 热电偶种类

    • 热电偶的品种较多，按照工业标准化的要求，可分为标准化热电偶和非标准化热电偶两种。
    • 标准化热电偶是指工艺上比较成熟，能批量生产，性能稳定，应用广泛，具有统一分度表并已列入国际和国家标准文件中的热电偶。国际电工委员会(IEC)对已被国际公认的八种热电偶制定了国际标准，它的型号和热电极用英文字母表示，第一个字母表示热电偶的类型，也称为分度号，第二个字母是P或N，表示正电极或负电极。
    • 非标准化热电偶发展很快，主要目的是扩展高温和低温的测量范围。一般来讲，非标准化热电偶还没有统一的分度表，使用前需个别标定，以确定热电势和温度的关系。
    • 特性

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常用热电偶的结构

  • 普通工业用装配式热电偶

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    • 组成：普通型热电偶主要由热电极、绝缘套管、保护套管和接线盒等主要部分组成。
    • 特点
      • 绝缘管用于防止两根电极短路
      • 保护套管用于保护热电极不受化学腐蚀和机械损伤\
      • 贵重金属热电极的直径一般为0.3～0.65mm，普通金属热电极的直径一般为0.5～3.2mm；热电极的长度由安装条件和插入深度而定，一般为350～2000mm。
      • 接线盒用来固定接线座和连接外接导线之用，起着保护热电极免受外界侵蚀和外接导线与接线柱良好接触的作用。

  • 铠装（或套管式）热电偶的结构

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    • 由热电偶丝、绝缘材料，金属套管三者拉细组合而成一体。
    • 特点
      • 金属套管一般为铜、不锈钢、镍基高温合金等。
      • 保护套管和热电极之间填充绝缘材料粉末，常用的绝缘材料有氧化镁、氧化铝等。
      • 铠装型热电偶可以做得很细，在使用中可以随测量需要任意弯曲。
    • 优点：测温端热容量小，动态响应快；机械强度高，挠性好，可安装在结构复杂的装置上（1100℃以下）。

  • 快速反应薄膜热电偶

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    • 用真空蒸镀等方法使两种热电极材料蒸镀到绝缘板上而形成薄膜装热电偶。其热接点极薄(0.01～0.lμm)。
    • 特别适用于对壁面温度的快速测量。安装时,用粘结剂将它粘结在被测物体壁面上。尺 寸 为 60×6×0.2mm; 测 温 范 围 在300℃以下；
    • 反应时间仅为几ms。

  • 快速消耗微型热电偶

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    可测钢水的温度。用直径为Φ0.05～0.lmm的铂铑10一铂铑30热电偶装在U型石英管中，再铸以高温绝缘水泥，外面再用保护钢帽所组成。这种热电偶使用一次就焚化，但它的优点是热惯性小，测量精度可达±5～7℃。

冷端处理

p509-516

热电阻

基本原理与概况

  • 热电阻是利用导体材料的电阻随温度变化而变化的特性来实现对温度的测量的。
  • 热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器。它的主要特点是测量精度高，性能稳定。其中铂热电阻的量精确度是最高的，它不仅广泛应用于工业测温，而且被制成标准的基准仪。
  • 常应用于-200~600℃范围内的温度测量
  • 取一只 100W/220V 灯泡，用万用表测量其电阻值，可以发现其冷态阻值只有几十欧姆，而计算得到的额定热态电阻值应为484Ω。

基本原理

温度升高，金属内部原子晶格的振动加剧，从而使金属内部的自由电子通过金属导体时的阻碍增大，宏观上表现出电阻率变大，电阻值增加，我们称其为正温度系数，即电阻值与温度的变化趋势相同。

热电阻的材料要求：

  • 电阻温度系数要大；
  • 电阻率尽可能大，热容量要小，在测量范围内，应具有稳定的物理和化学性能；
  • 电阻与温度的关系最好接近于线性；
  • 应有良好的可加工性，且价格便宜。

易提纯、复现性好的金属材料才可用于制作热电阻。

常用热电阻

铂热电阻

利用纯铂丝电阻随温度的变换而变化的原理设计研制成的。可测量和控制–200℃～650℃范围内的温度。目前，铂电阻上限温度达850℃。

铂的物理、化学性能稳定，测量精度高、电阻率较高;
铂热电阻除作为温度标准外，还广泛用于高精度的工业测量。

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铜电阻

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测量电路

传感器的测量电路：经常使用电桥或恒流源。
为消除由于连接导线电阻随环境温度变化而造成的测量误差，常采用三线制和四线制连接法。

  • 两线制测量方式image-20230626182827777
  • 三\四线制电桥连接法
    p532-535

与热电偶比较

  1. 同样温度下热电阻输出信号大，易于测量.

  2. 热电阻需要外接电源，热电偶属温差发电式传感器

  3. 热电阻感温部分尺寸较大，测温反应速度相对较慢

  4. 同类材料制成的热电阻不如热电偶测温上限高。

集成温度传感器

将温敏晶体管及其辅助电路集成在同一芯片的集成化温度传感器。其最大优点是直接给出正比于绝对温度的理想的线性输出，另外，体积小、成本低廉。因此，它是现代半导体温度传感器的主要发展方向之一。目前，已经广泛用于-50~+150℃温度范围内的温度监测、控制和补偿的许多场合。

  • 集成温度传感器利用PN结的电流、电压特性与温度的关系测温。
  • 集成温度传感器把热敏晶体管和外围电路、放大器、偏置电路及线性电路制作在同一芯片上；
  • 利用发射极电流密度在恒定比率下工作的晶体管对的基极—发射极之间电压VBE的差与温度呈线性关系。

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集成温度传感器的信号输出方式

  • 集成温度传感器按输出信号可分为电压型和电流型两种。
  • 电压型的温度系数约为10mV/℃；
  • 电流型的温度系数约为1μA/℃。
  • 这就很容易从它们输出信号的大小换算成绝对温度，而且其输出电压或电流与绝对温度成线性关系。

p544-546

热敏电阻

  • 热敏电阻是利用半导体的电阻值随温度的变化而显著变化的特性实现测温的。半导体热敏电阻有很高的电阻温度系数，其灵敏度比热电阻高得多。而且体积可以做得很小，故动态特性好，特别适于在**-100℃～300℃**之间测温。
  • 热敏电阻的缺点是互换性较差，另外其热电特性是非线性的。

结构：

热敏电阻是由一些金属氧化物，如钴（Co）、锰（Mn）、镍（Ni）等的氧化物采用不同比例配方，高温烧结而成。其形状有珠状、片状、杆状、垫圈状等。

主要特性

热敏电阻主要有三种类型，即正温度系数型(PTC)、负温度系数型(NTC)、和临界温度系数型(CTR)。

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可见CTR临界热敏电阻有一突变温度，此特性可用于自动控温和报警电路中。

温度特性

p551-554

应用

p555-561

习题

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