模塊4發電傳感器

本模塊學習的主要內容：1、熱電偶傳感器

2、霍爾式傳感器

3、壓電式傳感器4、超聲波傳感器熱處理溫控系統動畫演示單元1熱電偶傳感器一、熱電偶傳感器的工作原理1.熱電勢效應

符號兩種不同材料組成閉合回路結點溫度不同熱電勢效應動畫演示熱電偶的熱電動勢EAB(t，t0)接觸電動勢EAB（也稱珀爾電動勢）溫差電動勢E(t，t0)（也稱湯姆遜電動勢）總熱電動勢為兩者之代數和。

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

EABC(t，t0)=EAB(t，t0)

（C兩端接點溫度相同）

CABTt0應用舉例:測量液態金屬的平均溫度金屬壁面進行溫度測量（2）中間溫度定律

熱電偶AB在接點溫度為t1、t3時的熱電動勢，等于熱電偶在接點溫度為t1、t2和t2、t3時的熱電動勢總和

EAB(t1，t3)=EAB(t1，t2)+EAB(t2，t3)

t1t3ABt1t2ABt2t3AB=+當工作端和自由端溫度為t和t0

時，用導體A、B組成熱電偶的熱電動勢等于AC熱電偶和CB熱電偶的熱電動勢的代數和。或（3）標準電極定律二、熱電偶的結構及種類1.熱電偶的結構熱電極絕緣套管保護套管接線盒熱電偶外形和結構圖接線盒引出線套管

不銹鋼保護管

固定螺紋

熱電偶工作端（熱端）

標準熱電偶2.熱電偶的種類普通型熱電偶標準化熱電偶鎧裝熱電偶非標準化熱電偶普通熱電偶的外形鎧裝型熱電偶可長達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償熱電偶在測溫過程中，為了保證輸出熱電動勢是被測溫度的單一函數，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℃為條件的。如果自由端溫度不是0℃，盡管被測溫度不變，熱電動勢也將隨自由端溫度而變化，必須消除或補償這一測量誤差。

鉑銠10－鉑熱電偶分度表分度號：S

（自由端溫度為0℃）IPTS-68/℃熱電動勢(μV)IPTS-68/℃0123456789010203040506070809010011005511317323529936543250257364571956111917924130537143950958065372711671251852473123784465165876607341672131191254318385453523594667742227813719726032539146053060267574927841422032663313984675376096827573390148210273338405474544616690764389515421627934541248155162369777244101161222286351419488558631704780501071672282923584254955666387127870102030405060708090100110

1.儀表調零修正法在t0基本不變的情況下，儀表預先機械調零到t0處，即儀表預先輸入E（t0，0℃）則指針指向t0

。指針被預調到室溫（40

C）可補償冷端損失

補償方法有儀表調零修正法、自由端溫度自動補償、補償導線延引電極等。2.自由端溫度自動補償一般采用電橋補償法：在熱電偶回路中串入一個自動補償的電位差信號來補償熱電勢的變化值。E（t，0

C）=E（t，t0）+Uab

XT－WBC熱電偶冷端補償器常用的國產冷端補償器性能比較表型號配用熱電偶補償范圍(℃)電橋平衡時溫度(℃)電源(V)內阻(Ω)功耗(VA)補償誤差（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℃之差的溫度數值。3.補償導線延引電極自由端高溫熱源的影響自由端溫度要求變化不大熱電偶做得長，貴重金屬的耗費加大。（1）問題的提出（2）解決辦法溫度范圍（0℃～100℃）熱電特性相近的材料自由端延長，用補償導線相連A’B’屏蔽層保護層補償導線外形圖常用熱電偶補償導線的特性配用熱電偶正-負補償導線正-負導線外皮顏色100℃熱電勢（mV）150℃熱電勢（mV）20℃時的電阻率（Ω·m）正負鉑銠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1.337±0.045－－【例1】如圖為鉑銠10－鉑（S）熱電偶，A’、B’為補償導線，溫度t1=50℃，t2=0

C，t3=30℃，

t0＝0℃。（1）當U0=934μV時，求被測點溫度t。（2）如果A’、B’改為銅導線，此時U0=810μV，再求溫度t。【分析】（1）根據中間導體定律：U2＝U0而A’、B’為補償導線，視同熱電偶A、B所以EAB(t，t2)＝U2＝U0＝934（μV）∵t2=0℃∴直接查表可得溫度t=138℃（2）根據中間導體定律：U1＝U0EAB(t，t1)＝U1＝U0，根據中間溫度定律EAB(t，

0℃)＝EAB(t，t1)＋EAB(t1，

0℃)

＝U0＋EAB(50℃，0℃)

＝1109μV直接查表可得溫度t=160℃四、熱電偶的測溫線路及熱電勢的測量1.熱電偶的測溫線路冷端溫度相同熱電動勢與溫度呈線性關系注意：2.熱電偶熱電動勢的測量動圈式儀表電位差計電子電位差計微機識別，輸出顯示

測量方式：XCZ系列指針式顯示儀表電路圖1－熱電偶2－補償導線3－冷端補償器4－外接調整電阻5－銅導線6－動圈7－張絲8－磁鋼（極靴）9－指針10－刻度面板

電位差計熱電偶測溫電路圖線路電阻對測量結果有沒有影響？提問：XMZ系列智能

數字顯示儀表外形圖五、熱電偶溫度變送器模塊

將熱電偶的冷端補償、信號放大、線性化處理、電壓/電流轉換、斷偶處理、反接保護、限流保護等電路經過集成化處理后直接產生工業標準電流信號，并且與被檢測的溫度量成線性關系的這樣的裝置稱為熱電偶溫度變送器。K型熱電偶溫度變送器實物圖

一般熱電偶溫度變送器放大轉換為4～20mA電流輸出信號。右圖所示K型熱電偶溫度變送器測溫溫度范圍有0~400℃、0~600℃、0～800℃、0～1100℃和0～1300℃幾種；輸出信號為4～20mA；電源為24V直流電；精度為0.5%FS。作為新一代測溫儀表可廣泛應用于冶金、石油、化工、電力、輕工、紡織、食品、國防以及科研等工業部門。【應用案例1】燃氣熱水器火焰溫度測量燃氣熱水器的使用安全性至關重要。在燃氣熱水器中設置有防止熄火裝置、防止缺氧不完全燃燒裝置、防缺水空燒安全裝置及過熱安全裝置等。燃氣熱水器防熄火防缺氧動畫1-燃氣進氣管；2-引火管；3-高壓放電針；4-主燃燒器5-電磁閥線圈；A1、B1-熱電偶1；A2、B2-熱電偶2打開熱水龍頭時，自來水壓力使燃氣分配器中的引火管輸氣孔在較短的一段時間里與燃氣管道接通，噴射出燃氣。與此同時高壓點火電路發出10～20kV的高電壓，通過放電針點燃主燃燒室火焰。熱電偶1被燒紅，產生正的熱電勢，使電磁閥線圈得電，燃氣改由電磁閥進入主燃室。燃氣熱水器防熄火、防缺氧示意圖1-燃氣進氣管；2-引火管；3-高壓放電針；4-主燃燒器；5-電磁閥線圈；A1、B1-熱電偶1；A2、B2-熱電偶2

當外界氧氣不足時，主燃燒室不能充分燃燒，火焰變紅且上升，在遠離火孔的地方燃燒（稱為離焰）。熱電偶1的溫度必然降低，熱電勢減小，而熱電偶2被拉長的火焰加熱，產生的熱電勢與熱電偶1產生的熱電勢反向串聯，相互抵消，流過電磁閥線圈的電流小于額定電流，甚至產生反向電流，使電磁閥關閉，起到缺氧保護作用。當啟動燃氣熱水器時，若某種原因無法點燃主燃燒室火焰，由于電磁閥線圈得不到熱電偶1提供的電流，處于關閉狀態，從而避免了煤氣的大量溢出。煤氣灶熄火保護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達到這一目的。抽氣式熱電偶示意圖l-遮蔽罩；2-熱電偶；3-節流裝置；4-噴嘴【應用案例2】高溫氣體溫度測量

當高壓蒸汽或壓縮空氣從噴嘴4噴出后，在噴嘴出口處產生負壓，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處形成了高速氣流，增大了氣體與熱電偶熱接點間的放熱系數。抽氣的速度越大，α越大，測量誤差就越小。一、霍爾元件的工作原理及結構1．霍爾效應

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——載流子數濃度KH＝1/ned霍爾效應動畫演示

2．材料及結構特點結論：砷化銦為霍爾元件的材料得到普遍應用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性度較好砷化銦輸出較大溫度的影響較小，線性度較好霍爾元件示意圖（a）霍爾元件結構示意圖（b）圖形符號（c）外形

霍爾元件外形圖3．基本電路

在實際使用時，I或B或兩者同時作為信號輸入，而輸出信號則正比于I或B或兩者乘積。注意：時間短（約10-12s～10-14s之間）頻率高（幾千兆赫）。二、霍爾式傳感器的分類和應用類型1.霍爾式傳感器的分類

線性霍爾傳感器又可分為開環式和閉環式。閉環式霍爾傳感器又稱零磁通霍爾傳感器。

霍爾式傳感器可分為開關型和線性型兩種。（1）開關型

開關型霍爾傳感器由穩壓器、霍爾元件、差分放大器，斯密特觸發器和輸出級組成，它輸出數字量。開關型霍爾傳感器還有一種特殊的形式，稱為鎖鍵型霍爾傳感器。（2）線性型

線性型霍爾傳感器由霍爾元件、線性放大器和射極跟隨器組成，它輸出模擬量。2.霍爾式傳感器的應用類型（1）利用霍爾電勢正比于磁感強度的特性來測量磁場及與之有關的電量和非電量。如磁場計、方位計、電流計、微小位移計、非接觸開關等。

（3）利用霍爾電勢正比于激勵電流與磁感應強度乘積的規律制成乘算器、除算器、開方器、功率計等，也可以作混頻、調制、斬波、解調等用途。

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

霍爾特斯拉計（高斯計）霍爾元件

在被測轉速的轉軸上安裝一個轉盤，也可選取機械系統中的一個齒輪，將開關型霍爾元件及磁路系統靠近齒盤，隨著轉盤的轉動，磁路的磁阻也周期性地變化，測量霍爾元件輸出的脈沖頻率就可以確定被測物的轉速。【應用案例1】霍爾式傳感器轉速測量霍爾傳感器轉速測量示意圖1-輸入軸；2-轉盤；3-小磁鐵；4-霍爾傳感器霍爾轉速測量動畫演示

轉速n與脈沖頻率f關系滿足：（4-6）式中：z—齒盤每圈齒數；

n—轉速（單位：r/min）霍爾轉速傳感器轉速測量系統

上圖所示是利用霍爾傳感器組成轉速測量系統，系統由霍爾轉速傳感器及轉速顯示儀表（也稱轉速二次儀表）構成，其中轉速顯示儀表包括電源電路、計頻電路、運算電路、顯示電路等。霍爾式微壓力傳感器原理示意圖

【應用案例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

被測壓力P使波紋膜盒膨脹，帶動杠桿向上移動，從而使霍爾元件在磁路系統中運動，改變了霍爾元件所感受的磁場大小及方向，引起霍爾電勢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量電動機的相電流【應用案例3】霍爾鉗形電流表

單元3壓電式傳感器

壓電傳感器振動分析動畫演示

壓電式傳感器是一種典型的自發電式傳感器，它由傳力機構、壓電元件和測量轉換電路組成。壓電元件是力敏感元件，它也可以測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．壓電效應電介質在沿一定方向上受到外力

產生變形

外力去掉，回到不帶電狀態

內部產生極化現象，表面產生電荷

壓電效應動畫演示逆壓電效應極化方向上施加交變電場

產生機械變形

去外加電場，變形消失

逆壓電效應動畫演示2．壓電材料的主要特性指標（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有機壓電材料

有機壓電材料屬于新一代的壓電材料主要有壓電半導體和高分子壓電材料。

（2）壓電材料的主要特性指標①壓電系數d

表示壓電材料產生電荷與作用力的關系。一般為單位作用力下產生電荷的多少。單位為C/N（庫侖/牛頓）。②剛度H

壓電材料的剛度是它固有頻率的重要參數。③介電常數ε

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

它是壓電晶體的內阻，它的大小決定其泄漏電流。⑤居里點

壓電效應消失的溫度轉變點。二、測量轉換電路1．壓電元件的等效電路提問：壓電式傳感器能用于靜態測量嗎？提示：電荷有無泄漏？轉換電路的輸入阻抗是否無限大？注意：無放大電荷的作用（Q/U轉換器）輸出電壓僅與輸入電荷和反饋電容有關電纜長度影響小2.測量轉換電路

壓電式傳感器的輸出是電荷信號或者是電壓信號，因此與之相配的轉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，故目前采用電荷放大器。根據推到可以得到電荷放大器的輸出電壓UO與電荷Q的關系為：電荷放大器等效電路電荷放大器外形圖三、壓電式傳感器的結構和應用1．壓電元件常用的結構形式并聯接法示意圖C’＝2CU’＝UQ’＝

2Q（1）串聯（2）并聯U’＝2UQ’＝

Q

壓電片在傳感器中必須有一定預緊力，以便保證在作用力變化時壓電片始終受到壓力，使整個接觸面均勻接觸，但預緊力也不能太大，否則將會影響其靈敏度。2．壓電式傳感器的應用（1）壓電式力傳感器壓電式力傳感器測力動畫演示壓電式單向力傳感器結構1－傳力上蓋；2－壓電片；3－電極4－電極引出插頭；5－絕緣材料；6－底座力作用而產生電荷，兩塊晶片沿電軸反方向疊起，其間是一個片形電極，它收集負電荷。兩壓電片正電荷分別與傳力上蓋及底座相連，因此兩塊壓電晶片被并聯起來，提高了傳感器的靈敏度。

右圖為壓電式單向力傳感器結構，主要用于變化頻率中等的動態力的測量，如車床動態切削力的測試。被測力通過傳力上蓋使石英晶片在沿電軸方向受壓（2）壓電式加速度傳感器壓縮型壓電式加速度傳感器結構原理圖1－基座2－引出電極3－壓電晶片4－質量塊5－彈簧6－殼體

壓電晶片由兩片壓電片并聯而成，兩壓電片中間的金屬片焊接在一根導線上并引出，另一端與基座相連，彈簧給壓電晶片施加預緊力的。

基座底部的螺孔將傳感器與試件固定在一起，質量塊有一正比于加速度的交變力作用在壓電片上，在壓電片兩個表面上就有電荷產生，經轉換電路處理，則可測得加速度大小。壓電式振動加速度傳感器的實物圖

以上介紹的加速度傳感器固有頻率高，故高頻響應好。結構中的彈簧、質量塊和壓電元件不與外殼直接接觸，受環境影響小，目前應用較多。彎曲型壓電式加速度傳感器1－金屬片；2－壓電片；3－質量塊

下圖一種彎曲型壓電式加速度傳感器的結構原理圖。它是由特殊的壓電懸臂梁構成，這種傳感器具有很高的靈敏度和很好的低頻響應。主要用在醫學上和其它需低頻響應好的領域，如地殼和建筑物的振動等。間隙雨刮器的雨刮速度與雨滴密度及雨滴大小決定。【應用案例】汽車自動間隙雨刮傳感器振動板接收雨滴沖擊能量壓電元件交變電壓信號輸出間隙雨刮放大器雨刮驅動器帶動雨刮電機進行間隙雨刮↓↓↓↓↓壓電式間隙雨刮傳感器結構圖單元4超聲波傳感器

一、基本工作原理

超聲波是頻率超過20kHz的機械振動波。具有很強的穿透能力。超聲波在介質中傳播時，也象光波一樣產生反射、折射現象。利用這一性質可以實現液位、流量、溫度、粘度、厚度、距離以及探傷等參數的測量。

發射和接受超聲波的器件稱為超聲波換能器，也稱為超聲波探頭。超聲波換能器根據其工作原理有壓電式（壓電晶體）及磁致伸縮式（鎳鐵鋁合金）兩類，實際應用中主要采用壓電式。醫學影像超聲波探頭超聲波金屬探頭各種壓電陶瓷超聲波探頭

超聲波陶瓷探頭是利用了一個超聲發射器發生超聲波，并用機械－電換能器，轉換為電信號。該探頭的特點是：靈敏度高、選擇性優越、可以選擇按用途的頻率特性、壽命長、易接入電路、耐沖擊、耐濕、結構牢固、小型輕量易于安裝。