传感器应用正在出版中重点.docx

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传感器应用正在出版中重点

前言

传感器是电子智能设备中不可缺少的部分，也是自动控制领域检测信号的手段。

应用电子技术、机电一体化、自动控制等专业的学生必须掌握传感器的使用技能。

目前各类传感器教材都偏重于理论的讲授，缺乏实践技能的训练，不适合高职院校的学生。

本教材顺应高等职业教育的发展，根据高职高专人才培养目标的要求，注重实践技能的培养。

全书共分三个部分,第一篇讲授传感器基本知识,为后面的项目制作提供理论基础.第二篇进行传感器应用电路制作,共分5个项目，通过电子温度计的制作、电子秤的制作、测距仪的制作、流量计的制作、厚度测试仪的制作5个项目的实施，介绍了常用的温度、压力、位移、厚度、流量等传感器的原理、结构以及使用方法。

每一个项目都提供了详细的应用电路，学生边学边做、边做边学，教、学、做一体，全面训练学生的实践技能。

第三篇介绍一些新型传感器,让学生了解传感器领域的新技术.

本书由李敏担任第一主编,夏继军担任第二主编,宋武、温锦辉担任副主编。

本书教学情景3、教学情景4由李敏编写，教学情景1、教学情景2、第三篇由夏继军编写，第一篇、教学情景5由宋武编写，教学情景6由温锦辉编写。

本书编写过程中，得到了许多专家和同行的大力支持和帮助，在此一并表示衷心感谢。

由于时间仓促和水平有限，书中难免存在错误和不妥之处，恳请广大读者批评指正。

编者

2011年2月

目录

第一篇传感器的基础知识4

一、传感器的定义4

二、传感器的分类6

三、传感器的基本特性7

四、传感器发展展望17

五、传感器的标定22

第二篇常见传感器应用电路制作24

学习情境1：

电子温度计的制作24

【学习情境要求】24

【学习情境目标】24

【知识准备】24

一．热电偶传感器工作原理24

二．热电偶的基本定律26

三．热电偶的材料、结构及种类26

四．热电偶的冷端补偿29

五．工程应用31

【热电偶的性能测试】33

【电子温度计电路组装与调试】35

【知识拓展】36

一．热电阻传感器测量温度36

二．红外传感器测量温度39

【课外作业】41

【附表】常用热电阻、热电偶分度表42

学习情境2：

电子秤的制作47

【学习情境要求】47

【学习情境目标】47

【知识准备】47

一．电阻应变片的种类与结构47

二．应变片的工作原理48

三．应变片的常用材料及粘贴技术51

四．测量电路52

五．电阻应变片温度误差及补偿54

【应变片的性能测试】56

【电子秤的电路组装与调试】58

【知识拓展】60

一．自感式传感器60

二．互感式传感器62

【课外作业】65

学习情境3：

测距仪的制作66

【学习情境要求】66

【学习情境目标】66

【知识准备】66

一．超声检测的物理基础66

二．超声波探头68

三．超声波检测技术的应用68

【超声波传感器的性能测试】70

【测距仪电路组装及调试】72

一．压电传感器75

二．光电传感器79

学习情境4：

厚度测试仪的制作90

【学习情境要求】90

【学习情境目标】90

【知识准备】90

一．霍尔元件工作原理90

二．霍尔元件的主要特性参数91

三．霍尔元件的测量电路及补偿92

四．霍尔传感器的应用94

【霍尔传感器的性能测试】95

【测厚仪电路组装及调试】96

【知识拓展】98

一．光纤传感器98

二．电容传感器106

三．微波传感器119

【课外作业】122

学习情境5：

流量计的制作124

[学习情境要求]124

[学习情境目标]124

[知识准备]124

一.差压式流量计测量流量的工作原理124

二.差压式流量计125

三.差压计129

[差压式流量计传感器性能检测]129

[流量计测量电路组装及调试]132

[知识拓展]133

一、容积式流量计测流量133

二、速度式流量计测流量135

三、质量流量计144

【课外作业】146

学习情境6：

灭火机器人的制作——传感器的综合应用148

【学习情境要求】148

【学习情境目标】148

【灭火机器人电路组装与调试】148

一．确定系统方案148

二．搭建各电路单元150

第三篇新型传感器介绍156

一、微波传感器156

二、图像传感器159

三、生物传感器161

第二篇常见传感器应用电路制作

学习情境1：

电子温度计的制作

温度是基本物理量之一，其表示物体的冷热程度，自然界中任何物理、化学过程都紧密地与温度相联系。

它是工农业生产和科学实验中需要经常测量和控制的主要参数，也是与人们日常生活紧密相关的一个重要物理量。

在国民经济各部门，如电力、化工、机械、冶金、农业、医疗等各部门以及人们日常生活中，温度检测与控制是十分重要的。

在国防现代化及科学技术现代化中，温度的精确检测及控制更是必不可少的。

常用的温度检测传感器有：

热电偶、热电阻、红外线及集成温度传感器等。

温度传感器有两种主要类型：

一是接触式温度传感器，其具有体积小、准确度高、复现性和稳定性好等优点，但其测量上限受感温元件耐温程度的限制，测温范围一般为-270—1800℃，如热电偶、热电阻及集成温度传感器；二是非接触测温，其测量上限不受感温元件耐温程度的限制，因而对最高可测温度原则上没有限制。

对于1800℃以上的高温，主要采用非接触测温方法，如红外线温度传感器。

在工业生产中应用最多的是热电偶温度传感器，现以热电偶温度传感器为例制作一个电子温度计。

【学习情境要求】

1．制作一个电子温度计，测量范围为0℃～+100℃，其分辨力为1℃，测量精度1％RD±l字。

2．利用液晶显示测量值。

【学习情境目标】

知识目标：

1．掌握热电偶的工作原理、常用的两个基本定律

2．熟悉工业热电偶的种类和几种常用热电偶的特性

3．掌握热电偶温度补偿原理及常用补偿方法

4．掌握常用铂、铜热电阻的特性和热电阻传感器的三线制接法

5．熟悉半导体热敏电二的特性及典型应用

6．了解红外传感器测温知识

能力目标：

1．能熟练使用热电偶传感器进行温度测量

2．能熟练使用热电阻传感器进行温度测量

素质目标：

1．培养耐心细致的工作态度

2．培养严谨扎实的工作作风

3．培养团结协作的合作能力

【知识准备】

一．热电偶传感器工作原理

热电偶温度传感器将被测温度转化为mV级热电动势信号输出，属于自发电型传感器，测温范围为-270—1800℃。

测温时需将热电偶通过连接导线与显示仪表相连接组成测温系统，实现远距离温度自动测量、显示、记录、报警和控制等，图2.1所示的温度检测系统应用非常广泛。

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，如图2.2所示，当两个接点分别置于不同温度t、t0（t>t0）中时，回路中就会产生一个热电动势，这种现象称为热电效应。

两种导体称为热电极，所组成的回路称为热电偶，热电偶的两个工作端分别称为热端和冷端。

图2.1热电偶测温系统示意图图2.2热电偶回路

热电偶回路产生的热电动势由接触电动势和温差电动势两部分组成，下面以导体为例说

明热电动势的产生。

（1）接触电动势

当A,B两种不同导体接触时，由于两者电子密度不同（设NA>NB），从A扩散到B的电子数要比从B扩散到A的电子数多，于是在A、B接触面上形成了一个由A到B的静电场。

该静电场的作用一方面阻碍了A导体电子的扩散运动，同时对B导体电子的扩散运动起促进作用，最后达到动态平衡状态。

这时A,B接触面所形成的电位差称为接触电动势，其大小分别用eAB（t）、eAB（to）表示。

接触电动势的大小与接点处温度高低和导体的电子密度有关。

温度越高，接触电动势越大；两种导体电子密度的比值越大，接触电动势越大。

（2）温差电动势

将一根导体的两端分别置于不同的温度t、to（t>to）中时，由于导体热端的自由电子具有较大的动能，使得从热端扩散到冷端的电子数比从冷端扩散到热端的多，于是在导体两端便产生了一个由热端指向冷端的静电场。

与接触电势形成原理相同，在导体两端产生了温差电动势，分别用eA（t，to）、eB（t，to）表示。

温差电动势的大小与导体的电子密度及两端温度有关。

2．热电偶回路总热电动势

热电偶回路的总热电动势包括两个接触电动势和两个温差电动势，即

EAB（t，to）=eAB（t）-eAB（to）-eA（t，to）+eB（t，to）（2.1）

由于热电偶的接触电动势远远大于温差电动势，且t＞to，所以总热电动势的方向取决于eAB（t），故式（2.1）可以写为

EAB（t，to）=eAB（t）-eAB（to）（2.2）

显然，热电动势的大小与组成热电偶的导体材料和两接点的温度有关。

热电偶回路中导

体电子密度大的称为正极，所以A为正极，B为负极。

当热电偶两电极材料确定后，热电动势便是两接点温度t和to的函数差，即

EAB（t，to）=f（t）-f（to）（2.3）

如果使冷端温度to保持不变，热电动势就成为热端温度t的单一函数，即

EAB（t，to）=f（t）-C=φ（t）（2.4）

热电偶的热电动势与温度的对应关系通常使用热电偶分度表（见表2.3至表2.6）查询。

但应注意分度表是在to=0℃时编制的。

可见当冷端温度to恒定时，热电偶产生的热电动势只与热端的温度有关，即只要测得热电动势，便可确定热端的温度to由此得到有关热电偶的几个结论：

①热电偶必须采用两种不同材料作为电极，否则无论导体截面如何、温度分布如何，回路中的总热电动势恒为零。

②若热电偶两接点温度相同，尽管采用了两种不同的金属，回路总电动势恒为零。

③热电偶回路总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、形状无关。

二．热电偶的基本定律

1．中间导体定律

在热电偶回路中接入第三种导体，只要第三种导体和原导体的两接点温度相同，则回路

中总的热电动势不变。

热电偶的这种性质在工业生产中是很实用的，例如可以将显示仪表或调节器作为第三种导体直接接入回路中进行测量，也可以将热电偶的两端不焊接而直接插入液态金属中或直接焊在金属表面进行温度测量。

如果接入的第三种导体两端温度不相等，热电偶回路的热电动势将要发生变化，变化量的大小取决于导体的性质和接点的温度。

因此，在测量过程中必须接入的第三种导体不宜采用与热电偶热电性质相差很大的材料，否则，一旦该材料两端温度有所变化，热电动势的变化将会很大。

2．中间温度定律

热电偶在两接点温度t,to时的热电动势等于该热电偶在接点温度为t,tn和tn,to时的热电动势的代数和，即

EAB（t，to）=EAB（t，tn）+EAB（tn，to）（2.5）

当to=0,tn=to时，上式可写成

EAB（t，0）=EAB（t，to）+EAB（to，0）（2.6）

热电偶测温时通常冷端温度to≠0。

，这时就可以利用分度表和式1.6求出EAB（t,0）,从而

确定被测温度t。

同时，中间温度定律也为补偿导线的使用提供了理论依据。

若热电偶的两热电极被两根导体延长，只要接入的两根导体组成的热电偶的热电特性与被延长的热电偶的热电特性同，且它们之间连接的两点温度相同，则总回路的热电动势与连接点温度无关，只与延长以后的热电偶两端的温度有关。

热电偶的基本定律还有参比电极定律、均质导体定律。

三．热电偶的材料、结构及种类

1．热电偶材料

由金属的热电效应原理可知，热电偶的热电极可以是任意金属材料，但在实际应用中，用做热电极的材料应具备如下几方面的条件：

（1）测量范围广。

要求在规定的温度测量范围内具有较高的测量精确度、较大的热电动势，温度与热电动势的关系是单值函数。

（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，有较好的均匀性和复现性。

（3）化学性能好。

要求在规定的温度测量范围内使用时有良好的化学稳定性、抗氧化或抗还原性能，不产生蒸发现象。

满足上述条件的热电偶材料并不很多。

目前，我国大量生产和使用的、性能符合专业标准或国家标准并具有统一分度表的热电偶材料称为定型热电偶材料，共有6个品牌。

它们分别是铂铑30-铂铑6、铂铑10-铂、镍铬一镍硅、镍铬一镍铜、镍铬一镍铝、铜一铜镍。

此外，我国还生产一些未定型的热电偶材料，如铂铑13一铂、铱铑40-铱、钨铼5一钨铼20及金铁热电偶、双铂钼热电偶等。

这些非标热电偶应用于一些特殊条件下的测温，如超高温、极低温、高真空或核辐射等环境。

2．热电偶结构

热电偶温度传感器广泛应用于工业生产过程中的温度测量，根据其用途和安装位置不同，它具有多种结构形式。

（1）普通工业热电偶

普通工业热电偶通常由热电极、绝缘管、保护套管和接线盒等几个主要部分组成，其结构如图2.3所示。

1一测量端；2一热电极；3一绝缘管；4一保护套管；5一接线盒

图2.3普通工业热电偶结构

①热电极：

又称偶丝，它是热电偶的基本组成部分。

用普通金属做成偶丝，其直径一般为0.5～3.2mm；用贵重金属做成的偶丝，直径一般为0.3～0.6mm。

偶丝的长度由工作端插入在被测介质中的深度来决定，通常为300～2000mm，常用的长度为350mm。

②绝缘管：

又称绝缘子，是用于防止热电极之间及热电极与保护套之间互相短路而进行绝缘保护的零件。

形状一般为圆形或椭圆形，中间开有2个、4个或6个孔，偶丝穿孔而过。

材料为黏土质、高铝质、刚玉质等，材料选用视使用的热电偶而定。

③保护套管：

保护套管是用于保护热电偶感温元件免受被测介质化学腐蚀和机械损伤的装置，形状一般为圆柱形。

保护套管应具有耐高温、耐腐蚀、导热性好的特性，可以用做保护套管的材料有金属、非金属及金属陶瓷三大类。

金属材料有铝、黄铜、碳钢、不锈钢等，其中lCrl8Ni9Ti不锈钢是目前热电偶保护套管使用的典型材料；非金属材料有高铝质（A1203的质量分数为85%～90%）、刚玉质（A1203的质量分数为99%），使用温度都在1300℃以上；金属陶瓷材料有氧化镁加金属钼，使用温度在1700℃，且在高温下有很好的抗氧化能力，适用于钢水温度的连续测量。

④接线盒：

热电偶的接线盒用于固定接线座和连接外界导线，起着保护热电极免受外界环境侵蚀和保证外接导线与接线柱接触良好的作用。

接线盒一般由铝合金制成，根据被测介质温度对象和现场环境条件要求，可设计成普通型、防溅型、防水型、防爆型等接线盒。

（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组合体。

金属

套管材料可以是铜、不锈钢（lCrl8Ni9Ti）或镍基高温合金（GH30）等；绝缘材料常使用电熔氧化镁、氧化铝、氧化铍等的粉末；而热电极无特殊要求。

套管中热电极有单支（双芯）、双支（四芯），彼此间互不接触。

中国已生产S型、R型、B型、K型、E型、J型和铱铑40铱等铠装热电偶，套管最长可达100m以上，管外径最细能达0.25mm。

铠装热电偶已达到标准化、系列化。

铠装热电偶具有体积小、热容量小、动态响应快、可挠性好、柔软性良好、强度高、耐压、耐震、耐冲击等许多优点，因此被广泛应用于工业生产过程。

铠装热电偶接线盒的结构，根据不同的使用条件，有不同的形式，如简易式、带补偿导

线式、插座式等，选用时可参考有关资料。

3．热电偶种类

（1）标准型热电偶

所谓标准型热电偶是指制造工艺比较成熟、应用广泛、能成批生产、性能优良而稳定并已列入工业标准化文件中的热电偶。

由于标准化文件对同一型号的标准型热电偶规定了统一的热电极材料及其化学成分、热电性质和允许偏差，故同一型号的标准型热电偶互换性好，具有统一的分度表，并有与其配套的显示仪表可供选用。

国际电工委员会1975年向世界各国推荐了7种标准型热电偶。

我国生产的符合IEC标准的热电偶有6种，如表1.1所示。

在热电偶的名称中，正极写在前面，负极写在后面。

表2.1热电偶特性表

（2）非标准型热电偶

非标准型热电偶包括铂铑系、铱铑系及钨铼系热电偶等。

铂铑系热电偶有铂铑20一铂铑5铂铑40一铂铑20等一些种类，其共同的特点是性能稳定，适用于各种高温测量。

铱铑系热电偶有铱铑40一铱、铱铑60一铱。

这类热电偶长期使用的测温范围在2000℃以下，且热电动势与温度线性关系好。

钨徕系热电偶有钨铼3一钨铼25,钨铼5一钨铼20等种类，最高使用温度受绝缘材料的限制，目前可达2500℃左右，主要用于钢水连续测温、反应堆测温等场合。

（3）薄膜热电偶

薄膜热电偶是由两种金属薄膜连接而成的一种特殊结构的热电偶，它的测量端既小又薄，热容量很小，动态响应快，可用于微小面积的温度测量和快速变化的表面温度测量。

薄膜热电偶测温时需用胶黏剂紧粘在被测物表面，所以热损失很小，测量精度高。

由于使用温度受胶黏剂和衬垫材料限制，目前只能用于-200～300℃范围内。

四．热电偶的冷端补偿

由热电偶的工作原理可知，热电偶所产生的热电动势不仅与热端温度有关，而且还与冷端的温度有关。

只有当冷端温度恒定时，热电动势才是热端温度的单值函数。

由于热电偶分度表是以冷端温度为0℃时做出的，因此在使用时要正确反映热端温度（被测温度），最好设法使冷端温度恒为0℃，否则将产生测量误差。

但在实际应用中，热电偶通常靠近被测对象，且受到周围环境温度的影响，其冷端温度不可能恒定不变。

为此，必须采取一些相应的措施进行补偿或修正，以消除冷端温度变化和不为0℃所产生的影响。

常用的方法有以下几种。

1．补偿导线法

热电偶由于受到材料价格的限制一般做得比较短（除铠装热电偶外），冷端距测温对象很近，使冷端温度较高且波动较大，这时就需要采用补偿导线将冷端延伸至远离温度对象而温度恒定的场所（如控制室或仪表室）。

补偿导线由两种不同性质的廉价金属材料制成，在0～150℃温度范围内与配接的热电偶具有相同的热电特性。

补偿导线起到了延伸热电极的作用，达到了移动热电偶冷端位置的目的，如图2.4所示。

A，B一热电偶电极；A'、B'一补偿导线；

to'一热电偶原冷端温度；to一热电偶新冷端温度

图2.4补偿导线在测温回路中的连接

补偿导线的型号由两个字母组成，第一个字母与配用热电偶的型号相对应，第二个字母表示补偿导线的类型。

补偿导线分为延伸型（X）和补偿型（C）两种。

延伸型补偿导线选用的金属材料与热电极材料相同；补偿型补偿导线所选金属材料与热电极材料不同。

表1.2列出了常用热电偶补偿导线。

表2.2常用热电偶补偿导线

2．计算修正法

在实际应用中，冷端温度并非一定为0℃，所以测出的热电动势是不能正确反映热端实际温度的。

为此，必须对温度进行修正。

修正公式采用中间温度定律的式（2.6）：

EAB（t，0）=EAB（t，to）+EAB（to，0）

【例】用镍铬一镍硅热电偶测炉温，当冷端温度为30℃（且为恒定时），测出热端温度为t时的热电动势为39.17mV,求炉子的真实温度。

解：

设炉子真实温度为t，已知冷端温度to=30℃，则热电偶测得的热电势为

E（t，to）=E（t，30）=39.17mV

查镍铬一镍硅热电偶分度表：

E（30，0）=1.20mV

根据中间温度定律：

E（t，0）=E（t，30）+E（30，0）=39.17+1.20=40.37mV

再查镍铬一镍硅热电偶分度表可知40.37mV所对应的温度为977℃，因此炉子真实温度为：

t=977℃。

3．显示仪表机械零位调整法

当热电偶冷端温度已知且恒定时（to≠0℃），工程上常用一种简单方便的机械零位调整法，进一步对温度测量值进行校正。

即在未工作之前，预先将有零位调整器的温度显示仪表的指针从刻度的初始值（机械零位）调至已知的冷端温度值上即可。

调整仪表的机械零位相当于预先给仪表输入电动势EAB（t0,0），测量过程中热电偶回路产生热电势EAB（t，tO），这时显示仪表接收的总热电势为EAB（t0,0），所以仪表的示值即为被测温度。

当冷端温度发生变化时，应及时断电，重新调整仪表的机械零点至新的冷端温度处。

4．补偿电桥法

补偿电桥法是利用不平衡电桥产生的不平衡电势去补偿因热电偶冷端温度变化而引起的热电动势的变化，它可以自动地将冷端温度校正到补偿电桥的平衡点温度上。

补偿器（补偿电桥）的应用如图1.5所示，桥臂电阻R1、R2、R3、RCu与热电偶冷端处于相同的温度环境。

R1、R2、R3均为由锰铜丝绕制的1Ω电阻，RCu是用铜导线绕制的温度补偿电阻，经稳压电源提供的桥路直流电源E=4V。

Rs是限流电阻，阻值大小与配用的热电偶有关。

1一热电偶；2一补偿导线；3一铜导线；4一补偿电桥

图2.5热电偶冷端补偿电桥

一般RCu阻值应使不平衡电桥在20℃（平衡点温度）时处于平衡，此时

=1Ω，电桥平衡，不起补偿作用。

冷端温度变化（设to减小）时，热电偶热电动势EX将变化E（t，to）-E（t，20）=E（20，to），此时电桥平衡被破坏。

若适当选择RCu的大小，使Uab=-E（20，to），与热电偶热电动势叠加后，则外电路总电动势UAB=EAB（t，20）而不随冷端温度变化。

如果采用仪表机械零位调整法进行校正，则仪表机械零位应调至冷端温度补偿电桥的平衡点温度（20℃）处，这样即使冷端温度不断变化也不必重新调整。

冷端补偿电桥可以单独制成补偿器通过外线与热电偶和后续仪表连接，而它更多是作为后续仪表的输入回路，与热电偶连接。

5．冰浴法

冰浴法通常用于实验室或精密的温度测量，如图2.6所示。

将热电偶的冷端置于温度为0℃的恒温器内（如冰水混合物），使冷端温度处于0℃。

图2.6冰浴法

五．工程应用

【任务】在一个实际的镍铬一镍硅热电偶测温系统中，配用K型热电偶温度显示仪表（带补偿电桥）显示被测温度的大小。

测温对象是炉膛温度为1000℃的加热炉，设热电偶冷端温度为50℃，显示仪表所在的控制室远离加热炉，室温为20℃。

要求分别用普通铜导线和K型热电偶补偿导线将热电偶与显示仪表连接进行测温，测量结果是多少？

所测温度数据是否能反映炉膛真实温度，为什么？

热电偶测温元件在安装时应注意什么？

热电偶如何校验？

【实施方案】在执行该任务前，必须弄清楚普通铜导线与补偿导线之间的本质差别。

普通铜导线的作用是将现场热电偶所产生的热电势信号传递到控制室，仅此而已；而补偿导线起到了延伸热电极的作用，与加长热电偶效果相当，因此，补偿导线把热电偶的冷端位置移动了。

由镍铬-镍硅热电偶分度表可以查出热电偶相关数据。

冷端温度为0℃，热端温度为1000℃时的热电动势：

E（1000，0）=41.269mV

冷端温度为0℃，热端温度为50℃时的热电动势：

E（50，0）=2.022mV

冷端温度为0℃，热端温度为20℃时的热电动势：

E（20，0）=0.798mV

1．用普通铜导线连接

普通铜导线连接时，热电偶的热端感受加热炉炉膛温度t=1000℃，冷端to=50℃。

根据中间温度定律，热电偶测温系统所产生热电势为

E（t，to）=E（1000，50）=E（1000，0）-E（50，0）=41.269-2.022=39.247（mV）

显示仪表接收39.247mV电动势后，显示温度为948.40C。

这时产生了测量误差：

绝对误差Δt=948.4-1000=-51.6℃

相对误差γ=-5.16%

2．用补偿导线连接

用补偿导线连接后，热电偶的热端同样感受加热炉炉膛温度t=1000℃，而冷端己经被延长至仪表控制室内，所以这时to=20℃。

同理，热电偶测温系统所产生热电动势为

E（t,t