自动检测第五章课件PPT格式课件下载.ppt

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测量端（工作端、热端）热电极B热电势热电势AB11温差电势温差电势n一根匀质的金属导体，如果其两端的温度不同，则在其内部会产生电动势，这种电势称为温差电势。

n当导体A两端的温度分别为T、T0时，温差电势可由下式表示同理，导体B的温差电势为22接触电势接触电势T接触处的绝对温度；

k玻耳兹曼常数；

e电子电荷量；

NA,NB导体A和B的自由电子密度。

33热电偶回路的热电势热电偶回路的热电势n等于整个回路中各接触电势与各温差电势的代数和。

上式右边第一项称为接触电势，第二项称为温差电势，接触电势一般大于温差电势。

n1）如果A和B两导体的材料相同，即NA=NB，AB，即使两端温度T、T0不同，总热电势也为零，因此热电偶必须用两种不同成分的材料做热电极。

n2）如果热电偶的两电极材料不同，但热电偶的两端温度相同，即TT0，总的热电势也为零。

n3）热电势的大小仅与热电极材料的性质、两个接点的温度有关，与热电偶的尺寸及形状无关。

同样材料的热电极，其温度与电势的关系相同，热电极材料相同的热电偶可以互换。

n综上所述，热电动势的大小只与材料和接点温度有关，与热电偶的尺寸、形状及沿电极温度分布无关。

如果冷端温度固定，则热电偶的热电势就是被测温度的单值函数，5.1.25.1.2热电偶的基本定律热电偶的基本定律11中间导体定律中间导体定律n在热电偶测温过程中，需要用连接导线将热电偶与测量仪表接通，这相当于在热电偶回路中接入第三种导体C。

n只要第三种导体两端温度相等则对热电偶回路总的热电势没有影响。

图5-3热电偶回路接入第三导体22中间温度定律中间温度定律n热电偶回路中，热端温度为T，冷端为T0时的热电势，等于此热电偶热端为T，冷端为Tn时，及同一热电偶热端为Tn，冷端为T0时热电势的代数和。

33标准电极定律标准电极定律n由3种材料成分不同的热电极A、B、C分别组成3对热电偶，在相同结点温度（T，T0）下，如果热电极A和B分别与热电极C（称为标准电极）组成的热电偶所产生的热电势已知，则由热电极A和B组成的热电偶的热电势可按下式求出。

图5-5标准电极定律示意图5.1.35.1.3热电偶的冷端补偿热电偶的冷端补偿11冷端的恒温方式冷端的恒温方式冰浴法，适用于实验室。

22补偿导线法补偿导线法图5-6热电偶冷端的延伸33冷端温度自动补偿法冷端温度自动补偿法图5-7电桥补偿法原理图热电偶测温的主要优点热电偶测温的主要优点n1、它属于自发电型传感器：

测量时可以不需外加电源，可直接驱动动圈式仪表；

n2、测温范围广：

下限可达-270C，上限可达1800C以上；

n3、各温区中的热电势均符合国际计量委员会的标准。

5.1.45.1.4标准化热电偶标准化热电偶八种国际通用热电偶：

B:

铂铑30铂铑6、R:

铂铑13铂、S:

铂铑10铂K:

镍铬镍硅、N:

镍铬硅镍硅、E:

镍铬铜镍J:

铁铜镍、T:

铜铜镍用于制造铂热电偶的各种铂热电偶丝几种常用热电偶的测温范围及热电势几种常用热电偶的测温范围及热电势分度号名称测量温度范围1000C热电势/mVB铂铑30铂铑6501820C4.834R铂铑13铂-501768C10.506S铂铑10铂-501768C9.587K镍铬镍铬（铝）-2701370C41.276E镍铬铜镍（康铜）270800C热电偶的分度表热电偶的分度表热电偶的线性较差，多数情况下采用查表法我国从1991年开始采用国际计量委员会规定的“1990年国际温标”（简称ITS-90）的新标准。

按此标准，制定了相应的分度表，并且有相应的线性化集成电路与之对应。

直接从热电偶的分度表查温度与热电势的关系时的约束条件是：

自由端（冷端）温度必须为0C。

KK热电偶的热电偶的分度表分度表比较查出的3个热电势，可以看出热电势是否线性？

5.1.55.1.5热电偶的结构形式热电偶的结构形式11普通热电偶普通热电偶工业上常用的普通热电偶的结构由热电极、绝缘套管（防止两个热电极在中间位置短路）、保护套管（使热电极免受化学侵蚀及机械损伤）、接线盒（连接导线通过接线盒与热电极连接）、接线盒盖（防止灰尘、水分及有害气体进入保护套管内）普通装配型热电偶的普通装配型热电偶的外形外形安装螺纹安装安装法兰法兰普通装配型热电普通装配型热电偶的结构放大图偶的结构放大图接线盒引出线套管固定螺纹（出厂时用塑料包裹）热电偶工作端（热端）不锈钢保护管22铠装热电偶铠装热电偶（又称缆式热电偶又称缆式热电偶）n铠装热电偶是将热电极、绝缘材料连同金属保护套起拉制成型的，可做得很细、很长，其外径可小到1mm-3mm，而且可以弯曲，适合于测量狭小的对象上各点的温度。

n铠装热电偶种类多可制成单芯、双芯和四芯等，其测量端有碰底型、不碰底型、露头型和帽型等几种形式。

铠装型热电偶外形铠装型热电偶外形法兰薄壁金属保护套管（铠体）铠装型热电偶横截面铠装型热电偶可铠装型热电偶可长达上百米长达上百米BA绝缘绝缘材料材料铠装型热电偶铠装型热电偶制造工艺制造工艺：

把热电极材料与高温绝缘材料预置在金属保护管中、运用同比例压缩延伸工艺、将这三者合为一体，制成各种直径、规格的铠装偶体，再截取适当长度、将工作端焊接密封、配置接线盒即成为柔软、细长的铠装热电偶。

特点特点：

内部的热电偶丝与外界空气隔绝，有着良好的抗高温氧化、抗低温水蒸气冷凝、抗机械外力冲击的特性。

铠装热电偶可以制作得很细，能解决微小、狭窄场合的测温问题，且具有抗震、可弯曲、超长等优点。

33薄膜热电偶薄膜热电偶n用真空蒸镀的方法，把两种热电极材料分别沉积在绝缘基片上形成的一种快速感温元件。

图5-10薄膜热电偶结构示意图其他其他热电偶外形热电偶外形n小形K型热电偶5.1.65.1.6单片热电偶冷端温度补偿电路单片热电偶冷端温度补偿电路nAD594/AD597是美国ADI公司生产的4种单片热电偶冷端温度补偿器。

其特点是把仪表放大器和热电偶冷端温度补偿器集成在一个芯片中。

11性能特点性能特点2AD5942AD594595595的工作原理的工作原理AD594595的内部电路主要包括5部分：

差分输入放大器Al、A2，二者的增益均为G倍；

加法器；

主放大器A3，其增益为A；

故障检测电路；

由冰点补偿器和内部电阻构成的冰点补偿网络。

33典型应用典型应用

（1）单电源供电

（2）双电源供电（3）用于摄氏温度计（4）热电偶开路故障报警电路（5）温度控制器5.25.2霍尔式传感器霍尔式传感器其电参数按一定规律随磁性量的变化而变化的传感器。

霍尔式传感器的特点：

从直流到高频，其特性一致，可认为其特性与频率无关。

霍尔式传感器产生与磁场强度成比例的电动势，它不仅能够测量动磁场，也能把静止的磁场变换成电信号。

5.2.15.2.1霍尔传感器的工作原理霍尔传感器的工作原理在通有电流的半导体板上加一个强磁场，当电流方向与磁场方向垂直时，在与电流和磁场都垂直的半导体板的两表面间出现电动势差，这个现象称为霍尔效应，这个电动势差称为霍尔电动势，半导体薄片称霍尔元件。

图5-18霍尔效应原理图将金属或半导体薄片置于磁感应强度为B的磁场中，当有电流I流过薄片时，电子受到洛伦兹力FL的作用向一侧偏移，格仑兹力FL的作用为该电场强度为图5-19霍尔电压形成的定性说明电场力与洛伦兹力达到平衡时霍尔电势UH与导体厚度d成反比，为了提高霍尔电势值，霍尔元件制成薄片形状。

KH称霍尔元件灵敏度（灵敏系数）。

霍尔器件的灵敏度KH是表征在单位磁感应强度和单位控制电流下输出霍尔电压大小的一个重要参数，一般要求它越大越好。

5.2.25.2.2霍尔传感器的组成与基本特性霍尔传感器的组成与基本特性11霍尔元件的构成霍尔元件的构成n霍尔元件都用半导体材料制作。

霍尔器件可以用单晶片或薄膜两种材料制成，其结构很简单。

n单晶型器件由霍尔单晶片、引线和壳体组成。

n薄膜型霍尔器件在芯片结构和外形结构上与单晶型相似。

但制作工艺与单晶型不同。

图5-20霍尔元件的符号霍尔元件的基本测量电路22霍尔元件的基本特性霍尔元件的基本特性

（1）额定控制电流IC

（2）输入电阻（3）输出电阻（4）乘积灵敏度SHH（5）不等位电势U00（6）寄生直流电势（7）霍尔电势温度系数5.2.35.2.3霍尔传感器的测量误差及其补偿霍尔传感器的测量误差及其补偿n在实际使用中，存在着各种影响霍尔器件精度的因素，即在霍尔电势上叠加着一些误差电势。

n产生的主要原因分两类：

一类是由于制造工艺的缺陷；

另一类是出于半导体材料本身固有的性质。

11不等位电势不等位电势UU00及其补偿及其补偿由于元件输出极焊接不对称、厚薄不均匀、两个输出极接触不良等原因造成的，可以通过桥路平衡的原理加以补偿。

图5-22霍尔器件的等效电路对已经制成的霍尔器件，可以采用外接补偿线路进行补偿。

图5-23不等位电势的桥式补偿电路22温度误差及其补偿温度误差及其补偿由于半导体材料载流子浓度和迁移率随着温度变化，引起电阻率也随温度变化，因此，霍尔器件的性能参数，如内阻、霍尔电势等对温度的变化也是很灵敏的。

图5-24霍尔元件输出电势与温度变化的关系图5-25恒流源补偿电路图5-26串联输入电阻补偿原理图5-27并联输入电阻补偿原理5.2.45.2.4霍尔传感器的典型应用举例霍尔传感器的典型应用举例根据霍尔电压UH与输入控制电流Ic及磁感应强度B的线性关系，可形成三种应用方式：

n1）当输入电流恒定不变时，传感器的输出正比于磁感应强度。

因此，凡是能转换磁感应强度B变化的物理量均可进行测量和控制，如位移、角度、转速及加速度等。

n2）当磁感应强度B保持恒定时，传感器的输出正比于电流Ic的变化。

因此，凡是能转化为电流变化的物理量均可进行测量和控制。

n3）由于霍尔电压正比于输入控制电流Ic和磁感应强度B的乘积（IcB），所以凡是可以转换为乘法的物理量（如功率）都可进行测量。

应用领域实例应用领域实例磁场测量弱磁场强磁场方向余弦旋转测量位置转速扭矩相位差角速度角加速度电流测量交流直流乘法运算直流乘法交流乘法微波乘法脉冲乘法荷重压力牵引力吸力振动谐振动合成振动寄生振动倾斜度平衡度水平度垂直度速度流速风速加速度粘度一般运算n次方运算矢量运算开方运算幂运算距离间距厚度长度表面粗糙其它压缩变形液位高低轴向扭拧轴向拉伸11霍尔式传感器构成压力传感器霍尔式传感器构成压力传感器图5-28霍尔式微压力传感器原理示意图22在电流测量传感器方面的应用在电流测量传感器方面的应用图5-29霍尔器件电流传感器原理图5-30霍尔式振动示意图33测振动测振动44在测量与检测旋转参数方面的应用在测量与检测旋转参数方面的应用（a）晶体管式霍尔器件磁电编码器电路；

（b）集成电路式霍尔器件磁电编码器电路55在开关电路中的应用在开关电路中的应用5.35.3压电式传感器压电式传感器n在外力作用下，这些材料的表面上产生电荷，从而实现非电量到电量的转换。

n压电式传感器是力敏元件，它可以测量最终能变换为力的那些物理量，例如压力、应力、加速度等，在工程上有着广泛的应用。

5.3.15.3.1压电传感器工作原理压电传感器工作