环境量传感器.docx

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环境量传感器

第4章环境量传感器

课题1：

热电偶

课时安排：

2

教材分析

难点：

热电偶冷端补偿方式

重点：

热电效应，热电偶冷端补偿方式

教学目的和要求

1、了解热电效应；

2、掌握影响热电动势的因素有哪些；掌握热电偶冷端补偿方式

采用教学方法和实施步骤：

讲授、课堂讨论、分析、实物展示

教学内容

温度传感器是利用材料或元件的温度特性测温的。

要求材料只对温度敏感，且重复性好，滞后和时效小，灵敏度和精度高。

常用的有热电偶、热电阻、热敏电阻及集成温度传感器。

热电偶测温系统可实现远距离温度自动测量、显示或记录、报警及温度控制等，它的测温范围为：

-270～+1800℃，是广泛应用的温度检测系统.

一、热电偶的原理：

通过测量电势来测量温度的一种感温元件。

是接触式温度传感器与温度显示仪表配合使用。

1、热电效应：

将两种不同的导体或半导体两端相接组成闭合回路，当两接点分别置于两种不同的温度时，则在回路中产生热电势，形成回路电流.这种现象称塞贝克效应，即热电效应.

2、两种不同导体的组合称为热电偶，相应的电动热和电流称为热电动势和热电流。

导体A、B称为热电极，置于被测温度（T）一端称为工作端（热端），另一端（T0）称为参考端（冷端）。

3、热电偶回路产生的热电势由接触和温差电势两部分组成.

热电偶的材料均匀时，回路热电势的大小仅与材料和端点的温度有关，与热电偶的尺寸形状无关。

热电偶的使用温度与线径有关，线径越粗使用温度越高。

***同种金属导体不能构成热电偶，热电动势两端温度相同不能测温。

　当热电极材料确定后，热电偶的总的热电势EAB（t,t0）成为温度t和t0的函数之差。

如果使冷端温度固定不变，则热电势就只是温度t的单值函数了。

这样只要测出热电势的大小，就能判断测温端温度t的高低，这就是利用热电现象测温的基本原理。

二、基本定律：

1、中间温度定律  

2、中间导体定律

三、热电偶的结构和种类：

1、普通型：

通常由热电极、绝缘套管、保护套管和接线盒等主要部分组成.

2、铠装热电偶：

它是由金属套管、绝缘材料和热电极经焊接密封和装配等工艺制成的坚实的组合体.

3、薄膜热电偶4、表面热电偶5、浸入式热电偶.

K（镍铬-镍硅）、B（铂铑30-铂铑6）、S（铂铑10-铂）

三、热电偶的冷端处理.

当冷端温度保持不变时，热电势才是被测热端温度的单值函数。

在工程测量中，冷端距离热源近，且暴露在空气中。

加温度补偿或修正措施。

（1）冷端恒温法0℃：

置于冰水混合物中保持0℃----常用于实验室；在实验室条件下，通常是把冷端放在盛有绝缘油的试管中，然后再将其放入装满冰水混合物的保温容器中，使冷端保持0℃。

冰浴法

2）冷端温度计算校正法（热电动势修正法）一般与热电偶配套使用的指示仪表刻度是根据分度表数值，而分度表是在时得到的，所以当时，指示仪的示值就必须加以修正，修正方法如下：

---中间温度定律

3）补偿导线：

在使用中，由于热电偶电极长度有限，且冷端易受环境温度的变化而波动，可以采用一种廉价补偿导线将热电极延伸，使冷端远离现场，到达一个相对稳定的环境中去。

一种廉价的金属电极，在之间和所连接的热电极具有相同的热电性能。

起到一个延伸电极作用。

　例：

用K型热电偶测温，已知冷端温度为30℃，毫伏表测得的热电势为38.52mV，求热端温度。

[解] 由分度表查得E（30,0）=1.20mV

计算E（t,0）=（38.52+1.20）mV=39.72mV

查分度表得热端温度t=960℃。

4）补偿电桥法：

是利用不平衡电桥产生的电势来补偿热电偶因冷端温度变化而引起的热电势变化值。

不平衡电桥（即补偿电桥）是由电阻R1、R2、R3和Rcu组成。

其中R1=R2=R3=1Ω；Rs是用温度系数很小的锰铜丝绕制而成的；Rcu是由温度系数较大的铜线绕制而成的补偿电阻。

四、热电偶的安装

1）注意插入深度。

一般热电偶的插入深度应为：

金属保护管直径的15～20倍，非金属保护管的10～15倍。

对细管道内流体的温度测量应尤其注意。

2）若被测物体很小，安装时应注意不要改变原来的热传导及对流条件。

3）含有大量粉尘气体温度的测量，最好选用铠装热电偶。

（3）热电偶的测温电路利用热电偶测量大型设备的平均温度时，可将热电偶串联或并联使用。

1）串联时热电动势大，精度高，可测较小的温度信号或者配用灵敏度较低的仪表。

缺点是只要一支热电偶发生断路则整个电路不能工作，而个别热电偶的短路将会导致示值偏低。

2）并联时总电动势为各个热电偶热电动势的平均值，可以不必更改仪表的分度。

缺点是如果有一支热电偶断路，而仪表却反映不出来。

作业

P4-3、10、11

课题2：

热电阻、热敏电阻

课时安排：

2

教材分析

难点：

热电阻的测量电路

重点：

热电阻、热敏电阻的原理、测量电路和应用

教学目的和要求

1、了解热电阻、热敏电阻测温范围及测温原理；

2、掌握热电阻的测量电路；

采用教学方法和实施步骤：

讲授、课堂讨论、分析、幻灯放映

教学内容

一、热电阻：

接触式测温器件，与温度显示仪表配合使用。

1、原理：

利用电阻随温度升高而增大这一特性来测温的。

100W/220V的灯泡，用万用表测其冷态电阻，R=100Ω，而用公式换算为484Ω，相差甚远，金属丝在不同温度下的电阻是不相同的。

当正温度系数时，电阻值与温度的趋势相同。

（热电阻一般为正温度系数）

2、材料：

铂、铜

要求作为测温用的热电阻材料，应具有电阻温度系数大，线性好，性能稳定、使用温度范围宽，R-t最好为线性的。

3、测温范围：

铂：

适用温度范围为：

-200～；铜：

适用温度范围为：

-50～

按照ITS-1990标准，国内统一设计的工业用铂电阻在时的阻值有10、25、100等，分度号分别用Pt25、Pt100等。

铜：

Cu50，Cu100。

4、热电阻分度表：

每隔一度测出铂热电阻和铜热电阻在规定的测温范围内的Rt-t之间的对应电阻值，并列成表格，这种表格称为热电阻分度表。

只要测得热电阻的阻值，就可从分度表上查出对应的温度值。

铜热电阻在测量范围内电阻与温度的关系几乎是线性的。

但易氧化。

二、测量电路：

热电阻测温电路是电桥，但采用普通电桥会因连接导线电阻受环境温度变化造成测量误差。

消除这种误差的方法可以用三线制或四线制电桥，如图所示。

具有相同的长度和电阻温度系数的两根导线，分别接在相邻臂内，温度引起的电阻变化相同，根据差动电桥原理，不会影响电桥的输出。

第三根导线接在检流计或电源回路中，影响极小。

所谓三线制就是热电阻的一端与一根导线相连，另一端同时接两根导线，其中一根串接在电桥的电源上，它对电桥的影响毫无影响；另外两根分别串接在电桥的相邻两臂上，使相邻两臂的阻值都同时增加同样的阻值。

三、热敏电阻

1、半导体材料的电阻率温度系数为金属材料的10～100倍。

2、分类：

按温度特性：

负温度系数（NTC）、正温度系数（PTC）、临界负温度系数（CTR）；按温度范围分类：

低温、常温、高温等。

按材料分类：

陶瓷、单晶、非晶、塑料及金刚石热敏电阻等。

按结构分：

体形、薄膜型和厚膜型三种。

按工作方式分：

直热式、旁热式和延迟式。

3、测量电路：

二线制即可。

即可忽略连接导线和接触电阻。

4、应用：

测温；温度补偿，如动圈式仪表

RB为锰铜丝电阻，用来补偿RT的非线性；

RT是用来补偿动圈电阻RD的的温度特性。

如：

在25时的标称阻值为10k欧的NTC，在-30度时阻值高达130k欧；而在100度时，只有850欧，多用于空调，电热水器等0～100范围内作测温元件。

1）在峰值电压降Um左侧（a区）适用于检测温度及电路的温度补偿。

2）在峰值电压降Um附近（b区）可用作电路保护、报警等开关元件。

3）在峰值电压降Um右侧（c区）适用于检测与耗散系数有关的流速、流量、真空度及自动增益电路、RC振荡器稳幅电路等。

PTC还常用于彩色电视机的消磁电路开关、电冰箱启动开关、空调电辅加热等。

作业

P4-5

课题3：

气敏传感器、湿敏传感器

课时安排：

2

教材分析

难点：

气敏传感器、湿敏传感器原理及应用

重点：

气敏传感器、湿敏传感器原理和特点以及应用

教学目的和要求

1、了解气敏、湿敏传感器的分类；

2、掌握两种传感器的原理及应用；

采用教学方法和实施步骤：

讲授、幻灯片放映

教学内容

一、气敏传感器及其分类

1、气敏传感器是一种将检测到的气体成分和浓度转换为电信号的传感器。

比如化工生产中气体成分的检测与控制、煤矿瓦斯浓度的检测与报警、环境污染情况的监测、煤气泄漏、火灾报警、燃烧情况的检测与控制等。

2、种类：

气敏传感器的种类较多，主要包括敏感气体种类的气敏传感器、敏感气体量的真空度气敏传感器，以及检测气体成分的气体成分传感器。

前者主要有半导体气敏传感器和固体电解质气敏传感器，后者主要有高频成分传感器和光学成分传感器。

半导体气敏传感器具有灵敏度高、响应快、使用寿命长和成本低等优点，应用很广。

二、半导体气敏传感器工作原理

1、原理：

半导体气敏传感器是利用半导体气敏元件同气体接触后，造成半导体性质的变化来检测特定气体的成分或者测量其浓度。

2、分类：

导体气敏传感器大体上可分为两类：

电阻式和非电阻式。

电阻式半导体气敏传感器是利用气敏半导体材料，如氧化锡（SnO2）、氧化锰（MnO2）等金属氧化物制成敏感元件，当它们吸收了可燃气体的烟雾，如氢、一氧化碳、烷、醚、醇、苯以及天然气、沼气等时，会发生还原反应，放出热量，使元件温度相应增高，电阻发生变化。

利用半导体材料的这种特性，将气体的成分和浓度变换成电信号，进行监测和报警。

半导体气敏传感器是利用待测气体与半导体表面接触时，产生的电导率等物理性质变化来检测气体的。

按照半导体与气体相互作用时产生的变化只限于半导体表面或深入到半导体内部，可分为表面控制型和体控制型，按照半导体变化的物理特性，又可分为电阻型和非电阻型，电阻型半导体气敏元件是利用敏感材料接触气体时，其阻值变化来检测气体的成分或浓度；非电阻型半导体气敏元件是利用其它参数，如二极管伏安特性和场效应晶体管的阈值电压变化来检测被测气体的。

电阻型有表面电阻型如氧化锡、氧化锌等和体电阻型（）系列；非电阻型有MOS场效应管型、二极管型（表面电流型---氢敏传感器）和固体电解质型。

半导体气敏时间（响应时间）一般不超过1min。

N型材料有SnO2、ZnO、TiO等，P型材料有MoO2、CrO3等。

3、表面电阻控制型气体传感器（半导体与气体之间的相互作用仅限于半导体器件的表面）

主要检测对象：

甲烷、丙烷、CO、酒精、硫化氢等。

表面控制型气体传感器的结构：

烧结型、薄膜型及厚膜型，其中最为常见的是烧结型。

烧结型气敏元件烧结温度呆高达1400，故可用来控制燃烧过程，例如家用煤气灶上，它的加热温度较低，一般在200-300。

当传感器吸收不完全燃烧时间生的CO时，将产生动作控制燃烧过程（如关闭煤气灶）。

加热方式可分为直热式和间热式两种。

直热式的加热丝兼做电极，热容量小，易受环境温度影响，因加热丝热胀冷缩，易使之与材料接触不良，在测量电路中，信号电路和加热电路相互干扰。

间热式加热丝与电极分立，有较好的稳定性。

（1）气敏特性：

元件对不同气体的敏感程度不同，如对乙醚、乙醇、氢气等具有较高的灵敏度，而对甲烷的灵敏度较低。

一般随气体的浓度增加，元件阻值明显增大，在一定范围内呈线性关系。

具有高温稳定性的半导体材料只有金属氧化物，如SnO2、ZnO。

（2）温湿度特性

SnO2传感器的阻值随温度、湿度上升而有规律地减小。

烧结型元件重现性较差，机械强度也不好，由此引出了薄膜型元件，薄膜型