第7章热电式传感器

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精品 第5章 热电式传感器习题

1、 热电偶结构由哪几部分组成？

2、 用热电偶测温时为什么要进行冷端温度补偿？其冷端温度补偿的方法有哪几种？

3、热电阻温度计有哪些主要优点？

4、 已知铜热电阻—Cul00的百度电阻比W(100)=1.42，当用此热电阻测量50℃温 度时，其电阻值为多少?若测温时的电阻值为92Ω，则被测温度是多少?

解：由 W（100）=R100 /R0 =1.42，则其灵敏度为

C42010042010010042010042101000000100o/..R.RR.RRK 则温度为50℃时，其电阻值为

R50 = R0 +K×50=100+0.42×50=121(W)

当Rt=92W时，由Rt = R0 +Kt，得

t=( Rt﹣R0)/K=(92﹣100)/0.42=﹣19(℃)

5、 将一灵敏度为0.08mV/℃的热电偶与电位计相连接测量其热电势，电位计接线端是30℃，若电位计上读数是60mV，热电偶的热端温度是多少?

解： CCCmVmVt78030/08.060

6、参考电极定律有何实际意义?已知在某特定条件下材料A与铂配对的热电势为13.967mV，材料B与铂配对的热电势是8.345mV，求出在此特定条件下，材料A与材料B配对后的热电势。

解：由标准电极定律

E (T,T0 )=EA铂(T,T0 )﹣EB铂 (T,T0 )

=13.967﹣8.345=5.622(mV)

7、 镍铬—镍硅热电偶灵敏度为0.04mV/℃，把它放在温度为1200℃处，若以指示仪表作为冷端，此处温度为50℃，试求热电势大小。

解： E(1200,50)= (1200-50)×0.04=46(mV)

1 第七章 热电式传感器

第一节 热电偶

热电式传感器是一种利用敏感元件的电磁参数随温度变化而变化的特性来测量温度的装置。在各种热电式传感器中，把温度量转换为电势和电阻的方法最为普遍。其中将温度转换为电势的热电式传感器叫热电偶温度传感器，将温度转换为电阻值的热电式传感器叫电阻式温度传感器。金属热电式传感器简称热电阻，半导体式传感器简称热敏电阻。热电式传感器目前在工业生产中得到了广泛的应用，并且可以选用定型的显示仪表和记录仪来进行显示和记录。在计算机控制系统中，热电式传感器的输出信号可直接进入I/O卡，进行信号的预处理、显示和控制。

热电偶由于性能稳定、结构简单、制造方便、测温范围宽、热惯性小、准确度高、输出信号便于远传的特点，在工业和科研领域中得到广泛应用。常用的热电偶，低温可测到-50℃，高温可达到+1600℃。若配用特殊材料，其温度范围可达到-150℃～2000℃。如图7-1所示，热电偶温度传感器将被测温度转换成毫伏级热电势，通过连接导线与显示表构成温度检测系统，从而实现温度的显示、记录和调节。

图7-1热电偶测温示意图

一 热电偶的基本原理

1 热电效应

1821年，德国物理学家赛贝克（TJSeebeck）用两种不同金属组成闭合回路，并用酒精灯加热其中一个接触点（称为结点），发现放在回路中的电流表指针发生偏转。如果用两盏酒精灯对两个结点同时加热，指针的偏转角反而减小。显然，指针的偏转说明回路中有电动势产生并有电流在回路中流动，电流的强弱与两个结点的温差有关。

2 据此，赛贝克发现和证明了将两种不同性质的导体A、B组成闭合回路，如图7-2所示。若节点(1)、(2)处于不同的温度(T≠T0)时，两者之间将产生一热电势，在回路中形成一定大小的电流，这种现象称为热电效应。两种不同材料的导体所组成的回路称为“热电偶”，组成热电偶的导体称为“热电极”，热电偶所产生的电动势称为热电势。热电偶的两个结点中，置于温度为T的被测对象中的结点称之为测量端，又称为工作端或热端；而置于参考温度为T0的另一结点称之为参考端，又称自由端或冷端。其电势由接触电势(珀尔帖电势)和温差电势(汤姆逊电势)两部分组成。

第1章 传感器基础知识

1 什么是传感器？按照国标定义，“传感器”应该如何说明含义？

答：从广义的角度来说，感知信号检出器件和信号处理部分总称为传感器。我们对传感器定义是：一种能把特定的信息（物理、化学、生物）按一定规律转换成某种可用信号输出的器件和装置。从狭义角度对传感器定义是：能把外界非电信息转换成电信号输出的器件。我国国家标准对传感器的定义是：“能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件和装置”。定义表明传感器有这样三层含义：它是由敏感元件和转换元件构成的一种检测装置；能按一定规律将被测量转换成电信号输出；传感器的输出与输入之间存在确定的关系。按使用的场合不同传感器又称为变换器、换能器、探测器。

2 传感器由哪几部分组成？试述它们的作用及相互关系。

答：组成——由敏感元件、转换元件、基本电路组成；①敏感元件：指传感器中直接感受被测量的部分。 ②传感器：能感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置,通常由敏感元件和转换元件组成。 ③信号调理器：对于输入和输出信号进行转换的

装置。④变送器：能输出标准信号的传感器

关系，作用——传感器处于研究对象与测试系统的接口位置，即检测与控制之首。传感器是感知、获取与检测信息的窗口，一切科学研究与自动化生产过程要获取的信息都要通过传感器获取并通过它转换成容易传输与处理的电信号，其作用与地位特别重要。

第二章:传感器特性 何谓传感器的静态特性，传感器的主要静态特性有哪些?

静态特性是指检测系统的输入为不随时间变化的恒定信号时，系统的输出与输入之间的关系。主要包括线性度、灵敏度、迟滞、重复性、漂移等。

(1) 线性度指传感器输出量与输入量之间的实际关系曲线偏离拟合直线的程度。(2) 灵敏度灵敏度是传感器静态特性的一个重要指标。其定义为输出量的增量Δy 与引起该增量的相应输入量增量Δx 之比。它表示单位输入量的变化所引起传感器输出量的变化，显然，灵敏度S 值越大，表示传感器越灵敏.

1 第十二章 新型传感器  教学要求 1．了解集成温度传感器的测温原理和类型。 2．熟悉磁致伸缩效应及应用。 3．了解磁敏电阻、磁敏二极管和磁敏三极管的特性和应用。 4．熟悉光纤的结构及分类。 5．熟悉光纤传感器的特点及分类。 6．了解图像传感器及其应用。  教学手段 多媒体课件  教学课时 3学时  教学内容 介绍近年发展起来的新型传感器，如集成温度传感器、磁性传感器、光导纤维传感器、图像传感器以及它们的应用。 第一节 集成温度传感器 一、集成温度传感器的测温原理 1. PN结的温度特性 复习模拟电子学的二极管温漂，总结出：集成温度传感器的测温基础：PN结的温度特性。 2. 集成温度传感器内部的测温简化电路分析（了解） 集成温度传感器内部多将一个三极管的集电极与基极短接，构成温度特性更好的PN结 二、集成温度传感器的类型 集成温度传感器可分为模拟型集成温度传感器和数字型集成温度传感器。 （一）模拟型集成温度传感器 1.电流输出型温度传感器 电流输出型温度传感器能产生一个与绝对温度成正比的电流作为输出，AD590是电流输出型温度传感器的典型产品 （1）AD590的基本转换电路 AD590是两线制器件，流过AD590的电流与热力学温度成正比（实物演示）。 （2）摄氏温度测量电路 若要达到与摄氏温度成正比的电压输出，可以用运算放大器的反相加法电路来实现电流/电压转换 2. LM35/45电压输出型集成温度传感器 LM35/45是电压型集成温度传感器，其输出电压Uout与摄氏温度成正比，无需外部校正，测温范围为-55℃~+155℃，精确度可达0.5℃。 3.集成温度传感器在笔记本电脑CPU散热保护电路中的应用 目前PC机的整机功耗已达上百瓦，为了确保微机系统中的CPU能稳定工作，必须将机内产生的热量及时散发掉。 （二）数字型集成温度传感器 1.LM74简介 2.LM74 在温度巡回检测中的应用 3.集成温度传感器用于热电偶的冷端温度补偿 2 第二节 磁性传感器 一、磁致伸缩效应及应用 （一）磁致伸缩效应及稀土超磁致伸缩材料 与压电元件及压电效应比较：某些磁性材料在外磁场作用下，物理尺寸会发生变化，去掉外磁场后，又恢复原来的尺寸，这种现象称为磁致伸缩效应。 （二）稀土超磁致伸缩材料的应用 1.声纳 声纳：声音（Sound）、导航（Navigation）、反射（测距）（Reflect）三个英文单词的组合，作用：探测水下物体，在军事上主要用来探测潜艇。 2. 磁致伸缩液位传感器（实物演示） 磁致伸缩液位传感器由脉冲发生器、磁致伸缩线、回波信号处理单元、不锈钢保护套管等部分组成，具有可靠性强、耐腐蚀、安装方便等特点 3．其他磁致伸缩传感器 讨论：用稀土超磁致伸缩材料可制造微位移驱动器，可用于机器人、超精密机械加工、还激光束扫描控制、照相机快门、线性电机、智能机翼、燃油喷射系统、微型泵、阀门等等。 二、磁敏传感器 （一）磁敏电阻（实物演示） 1．磁阻效应及磁敏电阻 半导体材料的电阻率随磁场强度的增强而变大，这种现象称为磁阻效应，利用磁阻效应制成的元件称为磁敏电阻。 2．磁敏电阻的参数和特性 （1）磁阻特性 （2）温度特性 3．磁敏电阻的应用 （1）智能交通系统（ITS）的汽车信息采集 现代交通管理要求对车辆的车型、流量和车速等数据进行采集，以便对交通信号灯、流通过道等进行智能控制。 （2）数字高斯计 霍尼韦尔的三轴智能数字高斯计可以探测空间磁场的强度和方向，三个独立的磁敏电阻桥路分别用于感应x，y，z三个轴向的磁场，同时将x、y、z参量输入计算机。 （3）小型探矿仪（磁力仪、金属探测仪） 磁法探矿已成为地球物理探矿领域中一项重要的和常用的方法，不仅用于铁矿的勘探，而且还用于与铁矿相伴生的其他矿物的勘探。 （4）磁阻IC用于转速测量 在硅片上制作InSb薄片磁敏电阻区，并在磁敏电阻区之外的硅片上再制作放大器、稳压器源等电路，就构成了集成磁敏传感器，简称磁阻IC。 4．磁敏式传感器的应用 （1）磁敏二报管漏磁探伤仪 （2）锑化铟(InSb)磁阻传感器在笔式验钞机中的应用（带一台验钞机演示） 第三节 光导纤维传感器 一、光纤的基本概念 1.光的全反射（复习中学内容） 3 2.光纤的结构及分类 （1） 阶跃型 （2） 梯度型 （3） 单孔型 3. 光纤损耗 光纤损耗主要由三部分组成 （1） 吸收损耗 （2） 散失损耗 （3） 机械弯曲变形损耗 4.电光与光电转换器件 二、光纤传感器及分类 （一）优缺点 光纤传感器缺点：光纤质地较脆、机械强度低；要求比较好的切断、连接技术；分路、耦合比较麻烦等。 （二）光纤传感器分类 1. 强度调制型光纤传感器 （1） 反射式 （2） 遮光式 （3） 吸收式 （4） 微弯式 （5） 接收光辐射式 （6） 荧光激励式 2.相位调制型光纤传感器 三、光纤传感器的应用举例 1.光纤液位传感器（实物演示） 光纤液位传感器利用了强度调制型光纤反射式原理制成的 2. 光纤式混凝土应变传感器 光纤混凝土应变传感器利用了强度调制型光纤原理制成的 3.光纤温度传感器 光纤温度传感器利用了强度调制型光纤荧光激励式原理制成的 4. 光纤高温传感器 光纤高温传感器利用了强度调制型光纤接收光辐射式原理制成的。 5.光纤声压传感器 光纤声压传感器利用了双路光纤干涉原理制成的 6.光纤大电流传感器 光纤大电流传感器利用了双路光纤干涉原理制成的 7.光纤高电压传感器 第四节 图像传感器 一、光辐射基础（复习中学内容） （一）光和光谱 （二）光的度量 1.光通量 4 能够发光的物体称为光源，从光源发出的光具有一定的能量，这种能量称为光能。 2. 发光强度 其计算公式为 I=/ω （12-5） 3.照度 照度是用来表示被照面（点）上光的强弱。 E=（I/ r2）cos （12-6） 4.亮度 5.小结 表12-1 常用光度学的名称、符号、单位及说明 名称 符号 单 位 说 明