模塊4發(fā)電傳感器

本模塊學(xué)習(xí)的主要內(nèi)容：1、熱電偶傳感器

2、霍爾式傳感器

3、壓電式傳感器熱處理溫控系統(tǒng)動(dòng)畫(huà)演示單元1熱電偶傳感器一、熱電偶傳感器的工作原理1.熱電勢(shì)效應(yīng)

符號(hào)兩種不同材料組成閉合回路結(jié)點(diǎn)溫度不同熱電勢(shì)效應(yīng)動(dòng)畫(huà)演示熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)EAB(T，T0)接觸電動(dòng)勢(shì)EAB（也稱(chēng)珀?duì)栯妱?dòng)勢(shì)）溫差電動(dòng)勢(shì)E(T，T0)（也稱(chēng)湯姆遜電動(dòng)勢(shì)）總熱電動(dòng)勢(shì)為兩者之代數(shù)和。

（1）中間導(dǎo)體定律在熱電偶回路中接入第三種材料的導(dǎo)體，只要其兩端的溫度相等，該導(dǎo)體的接入就不會(huì)影響熱電偶回路的總熱電動(dòng)勢(shì)。2.熱電偶回路的主要性質(zhì)

EABC(T，T0)=EAB(T，T0)

（C兩端接點(diǎn)溫度相同）

CABTT0應(yīng)用舉例:測(cè)量液態(tài)金屬的平均溫度金屬壁面進(jìn)行溫度測(cè)量（2）中間溫度定律

熱電偶AB在接點(diǎn)溫度為T(mén)1、T3時(shí)的熱電動(dòng)勢(shì)，等于熱電偶在接點(diǎn)溫度為T(mén)1、T2和T2、T3時(shí)的熱電動(dòng)勢(shì)總和

EAB(T1，T3)=EAB(T1，T2)+EAB(T2，T3)

T1T3ABT1T2ABT2T3AB=+當(dāng)工作端和自由端溫度為T(mén)和T0時(shí)，用導(dǎo)體A、B組成熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)等于AC熱電偶和CB熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)的代數(shù)和。或（3）標(biāo)準(zhǔn)電極定律二、熱電偶的結(jié)構(gòu)及種類(lèi)1.熱電偶的結(jié)構(gòu)熱電極絕緣套管保護(hù)套管接線(xiàn)盒熱電偶外形和結(jié)構(gòu)圖接線(xiàn)盒引出線(xiàn)套管

不銹鋼保護(hù)管

固定螺紋

熱電偶工作端（熱端）

標(biāo)準(zhǔn)熱電偶2.熱電偶的種類(lèi)普通型熱電偶標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶鎧裝熱電偶非標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶普通熱電偶的外形鎧裝型熱電偶可長(zhǎng)達(dá)上百米鎧裝型熱電偶外形小形K型熱電偶其他熱電偶外形三、熱電偶自由端溫度的補(bǔ)償熱電偶在測(cè)溫過(guò)程中，為了保證輸出熱電動(dòng)勢(shì)是被測(cè)溫度的單一函數(shù)，必須保持自由端（冷端）的溫度恒定。由熱電偶分度表可知：顯示儀表都是以熱電偶的自由端溫度等于0

C為條件的。如果自由端溫度不是0

C，盡管被測(cè)溫度不變，熱電動(dòng)勢(shì)也將隨自由端溫度而變化，必須消除或補(bǔ)償這一測(cè)量誤差。

鉑銠10－鉑熱電偶分度表分度號(hào)：S

（自由端溫度為0

C）IPTS-68/℃熱電動(dòng)勢(shì)(μV)IPTS-68/℃0123456789010203040506070809010011005511317323529936543250257364571956111917924130537143950958065372711671251852473123784465165876607341672131191254318385453523594667742227813719726032539146053060267574927841422032663313984675376096827573390148210273338405474544616690764389515421627934541248155162369777244101161222286351419488558631704780501071672282923584254955666387127870102030405060708090100110

1.儀表調(diào)零修正法在T0基本不變的情況下，儀表預(yù)先機(jī)械調(diào)零到T0處，即儀表預(yù)先輸入E（T0，0

C）則指針指向T0

。指針被預(yù)調(diào)到室溫（40

C）可補(bǔ)償冷端損失

補(bǔ)償方法有儀表調(diào)零修正法、自由端溫度自動(dòng)補(bǔ)償、補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)延引電極等。2.自由端溫度自動(dòng)補(bǔ)償一般采用電橋補(bǔ)償法：在熱電偶回路中串入一個(gè)自動(dòng)補(bǔ)償?shù)碾娢徊钚盘?hào)來(lái)補(bǔ)償熱電勢(shì)的變化值。E（t，0

C）=E（t，t0）+Uab

XT－WBC熱電偶冷端補(bǔ)償器常用的國(guó)產(chǎn)冷端補(bǔ)償器性能比較表型號(hào)配用熱電偶補(bǔ)償范圍(℃)電橋平衡時(shí)溫度(℃)電源(V)內(nèi)阻(Ω)功耗(VA)補(bǔ)償誤差（mV）WBC－01鉑銠10－鉑0～5020～2201＜8±0.045WBC－02鎳鉻－鎳硅(鋁)±0.16WBC－03鎳鉻－考銅±0.18WBC-57-LB鉑銠10－鉑0～402041＜0.25±(0.015+0.0015Δt)①WBC-57-EU鎳鉻－鎳硅(鋁)±(0.04+0.004Δt)WBC-57-EA鎳鉻－考銅±(0.065+0.0065Δt)①Δt為與20

C之差的溫度數(shù)值。3.補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)延引電極自由端高溫?zé)嵩吹挠绊懽杂啥藴囟纫笞兓淮鬅犭娕甲龅瞄L(zhǎng)，貴重金屬的耗費(fèi)加大。（1）問(wèn)題的提出（2）解決辦法溫度范圍（0

C～100

C）熱電特性相近的材料自由端延長(zhǎng)，用補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)相連A’B’屏蔽層保護(hù)層補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)外形圖常用熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)的特性配用熱電偶正-負(fù)補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)正-負(fù)導(dǎo)線(xiàn)外皮顏色100℃熱電勢(shì)（mV）150℃熱電勢(shì)（mV）20℃時(shí)的電阻率(Ω·m)正負(fù)鉑銠10－鉑銅－銅鎳①紅綠0.645±0.023＜0.0484×10-6鎳鉻－鎳硅銅－康銅紅藍(lán)4.095±0.156.137±0.20＜0.634×10-6鎳鉻－考銅鎳鉻－考銅紅黃6.95±0.3010.69±0.38＜1.25×10-6鎢錸5－鎢錸20銅－銅鎳②紅藍(lán)1.337±0.045－－【例1】如圖為鉑銠10－鉑（S）熱電偶，A’、B’為補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)，溫度t1=50

C，t2=0

C，t3=30

C，

t0＝0

C。（1）當(dāng)U0=934μV時(shí)，求被測(cè)點(diǎn)溫度t。（2）如果A’、B’改為銅導(dǎo)線(xiàn)，此時(shí)U0=810μV，再求溫度t。【解題】（1）根據(jù)中間導(dǎo)體定律：U2＝U0而A’、B’為補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)，視同熱電偶A、B所以EAB(t，t2)＝U2＝U0＝934（μV）∵t2=0

C∴直接查表可得溫度t=138

C（2）根據(jù)中間導(dǎo)體定律：U1＝U0EAB(t，t1)＝U1＝U0，根據(jù)中間溫度定律EAB(t，

0

C)＝EAB(t，t1)＋EAB(t1，

0

C)

＝U0＋EAB(50

C，0

C)

＝1109μV直接查表可得溫度t=160

C四、熱電偶的測(cè)溫線(xiàn)路及熱電勢(shì)的測(cè)量1.熱電偶的測(cè)溫線(xiàn)路冷端溫度相同熱電動(dòng)勢(shì)與溫度呈線(xiàn)性關(guān)系注意：2.熱電偶熱電動(dòng)勢(shì)的測(cè)量動(dòng)圈式儀表電位差計(jì)電子電位差計(jì)微機(jī)識(shí)別，輸出顯示

測(cè)量方式：XCZ系列指針式顯示儀表電路圖1－熱電偶2－補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)3－冷端補(bǔ)償器4－外接調(diào)整電阻5－銅導(dǎo)線(xiàn)6－動(dòng)圈7－張絲8－磁鋼（極靴）9－指針10－刻度面板

電位差計(jì)熱電偶測(cè)溫電路圖線(xiàn)路電阻對(duì)測(cè)量結(jié)果有沒(méi)有影響？提問(wèn)：XMZ系列智能

數(shù)字顯示儀表外形圖五、熱電偶溫度變送器模塊

將熱電偶的冷端補(bǔ)償、信號(hào)放大、線(xiàn)性化處理、電壓/電流轉(zhuǎn)換、斷偶處理、反接保護(hù)、限流保護(hù)等電路經(jīng)過(guò)集成化處理后直接產(chǎn)生工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)，并且與被檢測(cè)的溫度量成線(xiàn)性關(guān)系的這樣的裝置稱(chēng)為熱電偶溫度變送器。K型熱電偶溫度變送器實(shí)物圖

一般熱電偶溫度變送器放大轉(zhuǎn)換為4～20mA電流輸出信號(hào)。右圖所示K型熱電偶溫度變送器測(cè)溫溫度范圍有0~400℃、0~600℃、0～800℃、0～1100℃和0～1300℃幾種；輸出信號(hào)為4～20mA；電源為24V直流電；精度為0.5%FS。作為新一代測(cè)溫儀表可廣泛應(yīng)用于冶金、石油、化工、電力、輕工、紡織、食品、國(guó)防以及科研等工業(yè)部門(mén)。六、熱電偶傳感器的應(yīng)用案例1.燃?xì)鉄崴骰鹧鏈囟葴y(cè)量燃?xì)鉄崴鞯氖褂冒踩灾陵P(guān)重要。在燃?xì)鉄崴髦性O(shè)置有防止熄火裝置、防止缺氧不完全燃燒裝置、防缺水空燒安全裝置及過(guò)熱安全裝置等。燃?xì)鉄崴鞣老ɑ鸱廊毖鮿?dòng)畫(huà)1-燃?xì)膺M(jìn)氣管；2-引火管；3-高壓放電針；4-主燃燒器5-電磁閥線(xiàn)圈；A1、B1-熱電偶1；A2、B2-熱電偶2打開(kāi)熱水龍頭時(shí)，自來(lái)水壓力使燃?xì)夥峙淦髦械囊鸸茌敋饪自谳^短的一段時(shí)間里與燃?xì)夤艿澜油ǎ瑖娚涑鋈細(xì)狻Ｅc此同時(shí)高壓點(diǎn)火電路發(fā)出10～20kV的高電壓，通過(guò)放電針點(diǎn)燃主燃燒室火焰。熱電偶1被燒紅，產(chǎn)生正的熱電勢(shì)，使電磁閥線(xiàn)圈得電，燃?xì)飧挠呻姶砰y進(jìn)入主燃室。燃?xì)鉄崴鞣老ɑ稹⒎廊毖跏疽鈭D1-燃?xì)膺M(jìn)氣管；2-引火管；3-高壓放電針；4-主燃燒器；5-電磁閥線(xiàn)圈；A1、B1-熱電偶1；A2、B2-熱電偶2

當(dāng)外界氧氣不足時(shí)，主燃燒室不能充分燃燒，火焰變紅且上升，在遠(yuǎn)離火孔的地方燃燒（稱(chēng)為離焰）。熱電偶1的溫度必然降低，熱電勢(shì)減小，而熱電偶2被拉長(zhǎng)的火焰加熱，產(chǎn)生的熱電勢(shì)與熱電偶1產(chǎn)生的熱電勢(shì)反向串聯(lián)，相互抵消，流過(guò)電磁閥線(xiàn)圈的電流小于額定電流，甚至產(chǎn)生反向電流，使電磁閥關(guān)閉，起到缺氧保護(hù)作用。當(dāng)啟動(dòng)燃?xì)鉄崴鲿r(shí)，若某種原因無(wú)法點(diǎn)燃主燃燒室火焰，由于電磁閥線(xiàn)圈得不到熱電偶1提供的電流，處于關(guān)閉狀態(tài)，從而避免了煤氣的大量溢出。煤氣灶熄火保護(hù)裝置也采用相似的原理。在一般流速下氣流與感溫元件之間的放熱系數(shù)α比同樣流速下的液體小得多，使得氣流與感溫元件間換熱困難，誤差增大。工程上常用抽氣式熱電偶來(lái)達(dá)到這一目的。抽氣式熱電偶示意圖l-遮蔽罩；2-熱電偶；3-節(jié)流裝置；4-噴嘴2.高溫氣體溫度測(cè)量

當(dāng)高壓蒸汽或壓縮空氣從噴嘴4噴出后，在噴嘴出口處產(chǎn)生負(fù)壓，從而可把高溫氣體從爐膛或槽道中高速抽走。這樣在熱電偶熱接點(diǎn)處形成了高速氣流，增大了氣體與熱電偶熱接點(diǎn)間的放熱系數(shù)。抽氣的速度越大，α越大，測(cè)量誤差就越小。一、霍爾元件的工作原理及結(jié)構(gòu)1．霍爾效應(yīng)

單元2

霍爾式傳感器

霍爾電壓UH為：

e——電子電量

KH——霍爾元件靈敏度式中n——載流子數(shù)濃度KH＝1/ned霍爾效應(yīng)動(dòng)畫(huà)演示

2．材料及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)材料輸出特性溫度情況銻化銦輸出大溫度影響大鍺元件輸出小溫度性能和線(xiàn)性度較好砷化銦輸出較大溫度的影響較小，線(xiàn)性度較好小結(jié)：砷化銦為霍爾元件的材料得到普遍應(yīng)用霍爾元件示意圖（a）霍爾元件結(jié)構(gòu)示意圖（b）圖形符號(hào)（c）外形

霍爾元件外形圖3．基本電路

在實(shí)際使用時(shí)，I或B或兩者同時(shí)作為信號(hào)輸入，而輸出信號(hào)則正比于I或B或兩者乘積。注意：時(shí)間短（約10-12s～10-14s之間）頻率高（幾千兆赫）。二、霍爾式傳感器的應(yīng)用類(lèi)型（1）利用霍爾電勢(shì)正比于磁感強(qiáng)度的特性來(lái)測(cè)量磁場(chǎng)及與之有關(guān)的電量和非電量。如磁場(chǎng)計(jì)、方位計(jì)、電流計(jì)、微小位移計(jì)、非接觸開(kāi)關(guān)等。

（3）利用霍爾電勢(shì)正比于激勵(lì)電流與磁感應(yīng)強(qiáng)度乘積的規(guī)律制成乘算器、除算器、開(kāi)方器、功率計(jì)等，也可以作混頻、調(diào)制、斬波、解調(diào)等用途。

（2）利用霍爾電勢(shì)正比于激勵(lì)電流的特性可制作回轉(zhuǎn)器、隔離器、電流控制裝置等。

霍爾特斯拉計(jì)（高斯計(jì)）霍爾元件

在被測(cè)轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)軸上安裝一個(gè)轉(zhuǎn)盤(pán)，也可選取機(jī)械系統(tǒng)中的一個(gè)齒輪，將開(kāi)關(guān)型霍爾元件及磁路系統(tǒng)靠近齒盤(pán)，隨著轉(zhuǎn)盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)，磁路的磁阻也周期性地變化，測(cè)量霍爾元件輸出的脈沖頻率就可以確定被測(cè)物的轉(zhuǎn)速。三、霍爾式傳感器的應(yīng)用案例1.霍爾式傳感器轉(zhuǎn)速測(cè)量霍爾傳感器轉(zhuǎn)速測(cè)量示意圖1-輸入軸；2-轉(zhuǎn)盤(pán)；3-小磁鐵；4-霍爾傳感器霍爾轉(zhuǎn)速測(cè)量動(dòng)畫(huà)演示

轉(zhuǎn)速n與脈沖頻率f關(guān)系滿(mǎn)足：（4-6）式中：z—齒盤(pán)每圈齒數(shù)；

n—轉(zhuǎn)速（單位：r/min）霍爾轉(zhuǎn)速傳感器轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)

上圖所示是利用霍爾傳感器組成轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)，系統(tǒng)由霍爾轉(zhuǎn)速傳感器及轉(zhuǎn)速顯示儀表（也稱(chēng)轉(zhuǎn)速二次儀表）構(gòu)成，其中轉(zhuǎn)速顯示儀表包括電源電路、計(jì)頻電路、運(yùn)算電路、顯示電路等。霍爾式微壓力傳感器原理示意圖

2.霍爾式微壓力傳感器

1-磁路；2-霍爾元件；3-波紋膜盒；4-杠桿；5-外殼

被測(cè)壓力P使波紋膜盒膨脹，帶動(dòng)杠桿向上移動(dòng)，從而使霍爾元件在磁路系統(tǒng)中運(yùn)動(dòng)，改變了霍爾元件所感受的磁場(chǎng)大小及方向，引起霍爾電勢(shì)的大小和極性的變化。由于波紋膜盒及霍爾元件的靈敏度很高，所以可用于測(cè)量微小壓力的變化。霍爾鉗形電流表的使用叉形鉗形表漏磁稍大，但使用方便用鉗形表測(cè)量電動(dòng)機(jī)的相電流3.霍爾鉗形電流表單元3壓電式傳感器

壓電傳感器振動(dòng)分析動(dòng)畫(huà)演示

壓電式傳感器是一種典型的自發(fā)電式傳感器，它由傳力機(jī)構(gòu)、壓電元件和測(cè)量轉(zhuǎn)換電路組成。壓電元件是力敏感元件，它也可以測(cè)量最終能變換為力的那些非電物理量，如壓力、加速度等。一、基本工作原理1．壓電效應(yīng)電介質(zhì)在沿一定方向上受到外力

產(chǎn)生變形

外力去掉，回到不帶電狀態(tài)

內(nèi)部產(chǎn)生極化現(xiàn)象，表面產(chǎn)生電荷

壓電效應(yīng)動(dòng)畫(huà)演示逆壓電效應(yīng)極化方向上施加交變電場(chǎng)

產(chǎn)生機(jī)械變形

去外加電場(chǎng)，變形消失

逆壓電效應(yīng)動(dòng)畫(huà)演示2．壓電材料的主要特性指標(biāo)（1）壓電材料石英晶體外形圖

壓電晶體是一種單晶體例如：石英晶體；酒石酸鉀鈉等

壓電材料分為：壓電晶體、壓電陶瓷和有機(jī)壓電材料三種。①壓電晶體天然形成的石英晶體外形圖②壓電陶瓷壓電陶瓷是一種人工制造的多晶體例如：鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛、鈮酸鍶等

壓電陶瓷外形圖高分子壓電材料外形圖③有機(jī)壓電材料

有機(jī)壓電材料屬于新一代的壓電材料主要有壓電半導(dǎo)體和高分子壓電材料。

（2）壓電材料的主要特性指標(biāo)①壓電系數(shù)d

表示壓電材料產(chǎn)生電荷與作用力的關(guān)系。一般為單位作用力下產(chǎn)生電荷的多少。單位為C/N（庫(kù)侖/牛頓）。②剛度H

壓電材料的剛度是它固有頻率的重要參數(shù)。③介電常數(shù)ε

這是決定壓電晶體固有電容的主要參數(shù)，而固有電容影響傳感器工作頻率的下限值。④電阻R

它是壓電晶體的內(nèi)阻，它的大小決定其泄漏電流。⑤居里點(diǎn)

壓電效應(yīng)消失的溫度轉(zhuǎn)變點(diǎn)。二、測(cè)量轉(zhuǎn)換電路1．壓電元件的等效電路提問(wèn)：壓電式傳感器能用于靜態(tài)測(cè)量嗎？提示：電荷有無(wú)泄漏？轉(zhuǎn)換電路的輸入阻抗是否無(wú)限大？注意：無(wú)放大電荷的作用（Q/U轉(zhuǎn)換器）輸出電壓僅與輸入電荷和反饋電容有關(guān)電纜長(zhǎng)度影響小2.測(cè)量轉(zhuǎn)換電路

壓電式傳感器的輸出是電荷信號(hào)或者是電壓信號(hào)，因此與之相配的轉(zhuǎn)換電路也有電荷放大器和電壓放大器兩種形式。由于電壓放大器中的輸出電壓與電纜電容有關(guān)，故目前采用電荷放大器。根據(jù)推到可以得到電荷放大器的輸出電壓UO與電荷Q的關(guān)系為：電荷放大器等效電路電荷放大器外形圖三、壓電式傳感器的結(jié)構(gòu)和應(yīng)用1．壓電元件常用的結(jié)構(gòu)形式并聯(lián)接法示意圖C’＝2CU’＝U