第三章 常用传感器及其调理电路（课件）- 《电气与电子测量技术（第3版）》同步教学（电子工业出版社）

3:1 第三章 常用传感器及其调理电路 1 Page . 常用传感器及其调理电路 1 传感器概述 2 金属温度传感器 3 热电偶 4 热敏电阻 5 霍尔传感器 6 磁阻传感器* 7 电场测量探头* 8 电涡流传感器* 9 压电传感器 10 光电传感器 11 电容式传感器 12 电感式传感器 13 差动传感器与测量电桥 传感器 什么是传感器？ 能感受规定的被测量并按一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置 传感器的特点 对被测量具有较好的灵敏度和最佳的选择性 输出信号适合远距离传送，如电信号、光信号和气动信号 输入输出关系有规律，可复现 1 Page . 传感器的地位 传感器处于测量系统的最前端，起着获取信息与转换信息的重要作用。 具有联网能力的传感器是物联网的终端节点 Page . 传感器 信号调理 模数转化 计算机 显示结果 传感器分类 1 Page . 按被测量的性质分类 机械量： 位移、力、(角)速度、加速度、重量等； 电气量： 电压、电流、功率、频率等； 热工量： 温度、压力、流量、液位、物位、流速等； 化学量： 浓度、粘度、湿度、气体的组分、液体的组分等； 光学量： 光强、光通量、辐射能量等； 生物量： 血糖、血压、酶等； 按输出量的性质分类 电参数型： 电阻式，电感式 电容式 电量型 热电式、压电式、 光电式、磁电式等 按能量关系分类 能量转换型 如热电偶、光电池等。 能量控制型 如R、L、C电参数型传感器。 按信号转化方式分类 结构型 转换元件结构参数变化实现信号转换，常包括敏感元件和变换器 如MEMS加速度传感器 物性型 以转换元件物理特性变化实现信号转换 如热电阻，热电偶 传感器的组成结构（结构型传感器） 被测量 输出量 举例：MEMS加速度传感器ADXL203的结构原理 Page . 敏感元件 转换元件 转换电路 变送器 什么是变送器？ 将被测量按一定规律转化为标准输出信号的装置 标准输出信号 标准电流信号：4－20mA电流环 (长距离传输的抗干扰能力强) 标准电压信号：1－5V(DC) (适于传输给多个其它测量环节) 标准气动信号：20－100kPa 变送器的特点 变送器一般在输入端连接传感器 输出信号标准化 ，而传感器输出一般是非标小信号 变送器常常具有数字通信口，例如 RS-232C、RS-485、HART，可以在线设置变送器的测量范围等参数 上：温度变送器实物 下：接线图 输入：RTD三线制，热电偶两线制 输出：4-20mA电流环 1 Page . 某品牌电压变送器： 某品牌电流变送器： 电力变送器举例 Page . 常用传感器及其调理电路 1 传感器概述 2 金属温度传感器 3 热电偶 4 热敏电阻 5 霍尔传感器 6 磁阻传感器 7 电场测量探头 8 电涡流传感器 9 压电传感器 10 光电传感器 11 电容式传感器 12 电感式传感器 13 差动传感器与测量电桥 金属温度传感器 Pt100的静态特性 Page . 工作原理 正温度系数：金属导体的电阻率随温度变化而增大 典型金属热电阻 铂电阻 铜电阻 金属热电阻材料 1 Page . 一般要求 温度系数、电阻率较高 → 提高灵敏度，体积小，反应快 理化性能稳定 → 提高稳定性和准确性，复现性好 良好的输入-输出特性 → 线性/接近线性，测量准确度高 良好的工艺性 → 批量生产，降低成本 较大的测温范围 → 特别是在低温范围 适合的材料 纯金属 ---铂、铜、镍、铁 铂电阻(Pt) Pt100元件 三线制铠装Pt100温度电极 1. 结构 金属铂丝绕在绝缘骨架上制成绕线电阻 2. 输入输出特性：近似线性 0 ~ +850℃： 0 ~ - 200℃： 3. 特点 Pros：在高温和氧化介质中性能稳定，工艺性好 Cons：成本较高，温度系数偏小，非线性 4. 接线制 两线制：电极引线短，引线电阻可忽略 三线制：电极引线长，需考虑引线电阻 四线制：消除接触电阻（Kelvin夹原理） 用Kelvin夹进行四线制接线 Page . 1. 结构 金属铜丝绕在绝缘骨架上制成绕线电阻 2. 输入输出特性：近似线性 -50 ℃ ~ +150℃： Cu50、Cu100对应的R0=50、100欧姆 3. 特点 Pros：成本较低，工艺性好 Cons：高温易被氧化，易被腐蚀，电阻率低，非线性比Pt大 4. 接线制 两线制：电极引线短，引线电阻可忽略 三线制：电极引线长，需考虑引线电阻 四线制：消除接触电阻（Kelvin夹原理） 铜电阻(Cu) 绕线式铜电阻 三线制铠装热电阻电极 Page . 热电阻技术参数 分度号 铂电阻：Pt100，Pt50 铜电阻：Cu100，Cu50 函数式： 热电阻类别 分度号 铂电阻 Pt100 1.385 ±0.01 100± 0.1 Pt100 1.385± 0.01 50 ±0.5 铜电阻 Cu100 1.428± 0.01 100 ±0.05 Ct50 1.428± 0.01 50± 0.05 A /℃ B/℃2 C/℃3 灵敏度 铂电阻 3.908×10-3 -5.801×10-7 -4.273×10-12 3.9×10-3 铜电阻 4.289×10-3 -2.133×10-7 1.233×10-9 4.3×10-3 Page . PT100的分度表 -200 +850 PT100 的测温范围 Page . 测量范围及测量精度 允通电流： 通过热电阻中的工作电流应小于5mA，以避免自热效应产生影响 时间常数: 与测温热电阻达到被测温度所需的时间有关。测温电极的质量和热容比越小，时间常数越小 铠装的Pt100电极比的Pt100本身的时间常数大很多 热电阻类别 测量范围（℃） 分度号 允许偏差 铂电阻 -200~+420 Pt100 A级 Pt50 B级 铜电阻 -50~+100 Ct50 热电阻技术参数 1 Page . 温度信号放大电路举例：双恒流源+热电阻 1. 双恒流源调理电路输出电压为： 2. 三运放构成典型的仪表放大器： 三运放构成仪表放大电路 双恒流源电路输出差分电压 Page . 举例：RTD热电阻采用三线制和四线制测温 RL1，RL2，RL3，RL4代表接线电阻 Page . 常用传感器及其调理电路 1 传感器概述 2 金属温度传感器 3 热电偶 4 热敏电阻 5 霍尔传感器 6 磁阻传感器 7 电场测量探头 8 电涡流传感器 9 压电传感器 10 光电传感器 11 电容式传感器 12 电感式传感器 13 差动传感器与测量电桥 1821年，Seeback将两种不同的金属导体A和B串接成闭合回路，当两个结点处于不同温度，即T≠T0时，他发现附近的小磁针发生了偏转，于是，他认为是温差产生了磁场。 后来，奥斯特证明在回路中产生与两结点温差有关的热电势，这一现象仍被称为Seeback效应。 Seeback效应 热电效应示意图 T—热端温度 T0—冷端温度 T T0 Page . 帕尔帖效应：不同金属导体接触，自由电子由于浓度不同而在接触面附近出现扩散现象，从而形成一个稳定的电位差，叫做帕尔帖电势或接触电动势。大小可表示为 ： 式中： k—波尔兹曼常数，为1.38×10-16； T —接触处的绝对温度； e —电子电荷数； NA、NB —金属A、 B的自由电子密度。 帕尔帖效应和接触热电势 自由电子密度不同→扩散→电势 （帕尔帖效应） Page . 汤姆逊效应：在一根匀质的金属导体中，如果两端温度不同，高温端自由电子的扩散速率比低温端自由电子的扩散速率大，温度较高的一边因失去电子而带正电，温度较低的一边因得到电子而带负电，从而形成了温差电势 当导体两端的温度分别为T、T0时，温差电势可由下式表示： 式中A—A导体的汤姆逊系数 汤姆逊效应和温差热电势 Page . 对于匀质导体A、B组成的热电偶，其总电势为接触电势与温差电势之和 用式子可表示为 热电势 Page . 热电效应 Page . 结 论 必须由两种不同的材料才能构成热电偶 如果热电偶两结点温度相同，则回路中的总电势必等于零。 热电势的大小只与材料和结点温度有关，与热电偶的尺寸、形状及沿电极温度分布无关。 C可换为仪表、连接导线或测量电路。 C 中间导体定律 Page . 在热电偶回路中接入第三种材料的导线，只要其两端的温度相等，第三导线的引入不会影响热电偶的热电动势。 热电偶输出 冷端=T1 冷端补偿电势 冷端= 0 ℃ 热电势 冷端= 0 ℃ 中间温度定律 令T0 =0 ℃, 则有： 第1次查表 根据T1查分度表得到冷端补偿电 第2次查表 根据热电势查分度表得到温度T 1 Page . 中间温度定律 1 Page . 举例: 已知A、B组成的热电偶在（1000C，00C）时热电势为1mV，A、B组成的热电偶在（10000C，00C）时热电势为10mV。则它们在（10000C，1000C）时的热电势为：10-1=9mV 该定律为分度表的制定提供了理论依据，只要列出参考温度为0℃时热电势和温度关系，可计算出参考温度不为0℃的热电势。 分度号：代表热电偶的类型 共8种：S，R，B，K，E，J，T，N 热电偶的静态特性：国家标准中用分度表给出 分度表是用表格的方式列出温度与热电动势的对应关系，并指定参考温度为0C。 热电偶的分度号与分度表 K型热电偶分度表 （参考端温度为0 C ） 未铠装的热点偶 铠装的热点偶电极 Page . 热电偶的主要技术参数 1 Page . 允许误差 热电偶的热电势  温度关系对分度表的最大偏差 测量范围 不同分度号的热电偶，有不同的使用温度极限，最高可达1700度 热响应时间 也称时间常数，用来表示热电偶对温度变化响应快慢的热惰性参数。热响应时间用 或0.5表示。 冷端温度补偿 1 Page . 热电偶输出的电动势是热端温度T与冷端温度T0之差的函数。分度表要求T0保持为0℃，但在实际中做到这一点很困难，于是产生了热电偶冷端补偿问题。 0℃恒温法 冷端温度实时采集+软件计算修正法 硬件自动补偿法 0℃恒温法 1 Page . 将热电偶冷端置于0℃的恒温器内，使其工作状态与分度表状态一致，测出电势后查分度表直接得到热端温度值。 无须保持冷端温度T0恒定，而是采用其它测温手段实时测量当前冷端温度T0， 进行补偿, 具体步骤如下(以T型热电偶为例） ： EAB(T, 0)= EAB(T, T0)+ EAB(T0,0) （1）测T0，若T0 =40℃。 （2）测EAB(T, T0)＝2.202mV （3）查分度表： EAB(T0,0) ＝ EAB(40,0)＝1.611mV （4）加法运算： EAB(T, 0)= EAB(T, T0)+ EAB(T0,0) = EAB(T, 40)+ EAB(40,0)＝2.202+1.611＝3.813mV （5）查分度表： EAB(T, 0)= 3.813mV 热端温度T =90℃即被测温度。 冷端温度实时采集+计算修正法 1 Page . 基本思路 在热电偶回路中串入一个补偿的电动势，自动补偿热电偶测量过程中因冷端温度不为0℃而引起热电势的变化值。 实例1 一种简易的自动补偿电桥电路如右图。 硬件冷端温度自动补偿法 调整电阻电桥参数和电源E，使得 Ubd =EAB(T0,0) EAB(T, T0) + Ubd=EAB(T, 0) T Page . 冷端自动补偿实例2：热电偶专用集成放大器AD594/AD595 1 Page . +5V单电源供电时，J型热电偶（AD594）或K型热电偶（AD595）的测温范围为0°C ~ +300°C。可以提供10 mV/°C的温度传递特性 将正电源从+5V提高到+15V可以将测温范围扩展到750°C（对于J型热电偶AD594）或1250°C（对于K型热电偶AD595） 补偿导线的特点：在补偿温度范围内，由补偿导线材料C、D构成的热偶与测温热偶A、B有相同的分度值，即：EAB(T, 0)=ECD(T, 0) 热电势EAB(T，T0）可以理解由两部分组成： EAB(T,T0)=EAB(T,T’0)+ EAB(T’0,T0) =EAB(T,T’0)+ ECD(T’0,T0) 补偿导线只能与相应型号的热电偶配用 极性不能接反，否则会造成更大的误差 补偿导线与电极连接处两结点的温度必须相同，且不得超过规定范围。 补偿导线 1 Page . 补偿导线 型号 配用的热电偶 分度号 补 偿 导 线 颜色 正 极 负 极 正极 负极 SC KC EX JX TX S(铂铑10-铂) K(镍铬-镍硅) E(镍铬-康铜) J(铁-康铜) T(铜-康铜) SPC(铜) KPC(铜) EPX(镍铬) JPX(铁) TPX(铜) SNC(康铜) KNC(康铜) ENX(康铜) JNX(康铜) TNX(康铜) 红 红 褐绿 红 红 白 白 白 白 白 常用补偿导线 Page . 热电偶典型测温线路 热电偶的测温电路 1 Page . 热电偶产生的热电势通常在毫伏级范围，可以直接与显示仪表(如动圈式毫伏表、电子电位差计、数字表等)配套使用，也可与温度变送器配套，转换成标准电流信号。 热电偶的连接方式 1. 热电偶正向串联 可获得较大的热电势输出 提高灵敏度 2. 热电偶反向串联 可以测量两点间的温差 3. 热电偶并联 可以测量多点平均温度 1 Page . 100 200 300 400 0 -200 200 0 400 600 800 1000 温度（℃） 电阻（Ω） 10� 文本� � � A B + + + + + - - - - - 方向 电子扩散方向 T0 (a)普通测温线路 (b) 带有补偿器的测温线路 (c) 具有温度变送器的测温线路 (d) 具有一体化温度变送器的测温线路 显示仪表 温度 变送器 B A 铜导线 t B A 显示仪表 补偿导线 t 显示仪表 温度 变送器 B A 补偿导线 t 显示仪表 补偿器 B A 补偿导线 t tn t3 t2 En E3 E2 E1 － － － t0 t0 t0 t0 t0 － t1 $$