第五章 第一节 热电偶传感器 本章的学习要点: 1. 掌握热电偶测温的基础原理 2. 掌握热电偶回路的三大定律(中间温度定律,中间导体定律,标准电极定律) 3.了解工业热电偶的分类和两个重要的概念(分度号和分度表) 4.了解热电偶冷端的温度补偿的4种方法. 1 热电偶效应及相关定律 热电偶属电量传感器(将非电量转换为电量T——mV) ，有源传感器。 一.热电偶效应 将两种电子密度不同的导体如图连接成闭合回路,如果两端所处的温度不同时，在该回路内就会产生热电动势和温差电动势。 在使用热电偶补偿导线时，要注意型号相配。 第二节 磁电式传感器 一、 磁电式传感器工作原理 根据电磁感应定律， 当导体在稳恒均匀磁场中，沿垂直磁场方向运动时，导体内产生的感应电势为 恒磁通式传感器 测量误差 当传感器的工作时候的温度发生明显的变化或受到外界磁场干扰、受到机械振动或冲击时，它的灵敏度将发生明显的变化，由此产生测量误差，其相对误差为 非线性误差 根本原因：当磁电式传感器在做测量时，传感器线圈会有电流流过，这时线圈会产生一定的交变磁通，此交变磁通会叠加在永久磁铁产生的传感器工作磁通上，导致气隙磁通变化。 这种影响分为两种情况 温度误差 四、 磁电感应式传感器的应用 1. 动圈式振动速度传感器 图 5 是动圈式振动速度传感器结构示意图。 其结构主要由钢制圆形外壳制成, 里面用铝支架将圆柱形永久磁铁与外壳固定成一体, 永久磁铁中间有一小孔, 穿过小孔的芯轴两端架起线圈和阻尼环, 芯轴两端通过圆形膜片支撑架空且与外壳相连。 （二）压电陶瓷（多晶体） 电荷放大器 电压放大器 四、压电元件的连接 压电式传感器的前置放大器有两个作用： 把压电式传感器的高输出阻变换成低阻抗输出； 放大压电式传感器输出的弱信号。 前置放大器形式： 电压放大器，其输出电压与输入电压（传感器的输出电压）成正比； 电荷放大器，其输出电压与输入电荷成正比。 当传感器线圈相对于永久磁铁磁场的运动速度增大时, 将产生较大的感生电势E和较大的电流I, 由此而产生的附加磁场方向与原工作磁场方向相反, 减弱了工作磁场的作用, 从而使得传感器的灵敏度随着被测速度的增大而降低。 当线圈的运动速度与图 所示方向相反时, 感生电势E、 线圈感应电流反向, 所产生的附加磁场方向与工作磁场同向, 从而增大了传感器的灵敏度。其结果是线圈运动速度方向不同时, 传感器的灵敏度具有不一样的数值, 使传感器输出基波能量降低, 谐波能量增加。即这种非线性特性同时伴随着传感器输出的谐波失真。显然，传感器灵敏度越高, 线圈中电流越大, 这种非线性越严重。 为补偿上述附加磁场干扰, 可在传感器中加入补偿线圈, 补偿线圈通以经放大K倍的电流, 适当选择补偿线圈参数, 可使其产生的交变磁通与传感线圈本身所产生的交变磁通互相抵消, 进而达到补偿的目的。 当线所示方向相反时, 感生电势E、 线圈感应电流反向, 所产生的附加磁场方向与工作磁场同向, 从而增大了传感器的灵敏度。其结果是线圈运动速度方向不同时, 传感器的灵敏度具有不一样的数值, 使传感器输出基波能量降低, 谐波能量增加。即这种非线性特性同时伴随着传感器输出的谐波失真。显然，传感器灵敏度越高, 线圈中电流越大, 这种非线性越严重。 为补偿上述附加磁场干扰, 可在传感器中加入补偿线圈, 补偿线圈通以经放大K倍的电流, 适当选择补偿线圈参数, 可使其产生的交变磁通与传感线圈本身所产生的交变磁通互相抵消, 进而达到补偿的目的。 温度误差补偿办法：在结构允许的情况下，在传感器的磁铁下设置 热磁分路，进行温度补偿。 补偿一般会用热磁分流器。热磁分流器由具有很大负温度系数的特殊磁性材料做成。它在正常工作时候的温度下已将空气隙磁通分路掉一小部分。当温度上升时, 热磁分流器的磁导率显著下降, 经它分流掉的磁通占总磁通的比例较正常工作时候的温度下明显降低, 从而保持空气隙的工作磁通不随气温变化, 维持传感器灵敏度为常数。 三、 磁电感应式传感器的测量电路 磁电式传感器直接输出感应电势, 且传感器通常具有较高的灵敏度, 所以一般不需要高增益放大器。但磁电式传感器是速度传感器, 若要获取被测位移或加速度信号, 则需要配用积分或微分电路。 图 4 为一般测量电路方框图 工作时, 传感器与被测物体刚性连接, 当物体振动时, 传感器外壳和永久磁铁随之振动, 而架空的芯轴、线圈和阻尼环因惯性而不随之振动。 因而, 磁路空气隙中的线圈切割磁力线而产生正比于振动速度的感应电动势, 线圈的输出通过引线输出到测量电路。 该传感器测量的是振动速度参数, 若在测量电路中接入积分电路, 则输出电势与位移成正比; 若在测量电路中接入微分电路, 则其输出与加速度成正比。 2. 磁电式扭矩传感器 图 6 是磁电式扭矩传感器的工作原理图。 在驱动源和负载之间的扭转轴的两侧安装有齿形圆盘, 它们旁边装有相应的两个磁电传感器。磁电传感器的结构见图7所示。 传感器的检测元件部分由永久磁场、感应线圈和铁芯组成。 永久磁铁产生的磁力线与齿形圆盘交链。当齿形圆盘旋转时, 圆盘齿凸凹引起磁路气隙的变化, 于是磁通量也发生明显的变化, 在线圈中感应出交流电压, 其频率等于圆盘上齿数与转数乘积。 当扭矩作用在扭转轴上时, 两个磁电传感器输出的感应电压u1和u2存在相位差。这个相位差与扭转轴的扭转角成正比。 这样传感器就可以把扭矩引起的扭转角转换成相位差的电信号。 是以某些电介质的压电效应为基础，在外力作用下，在电介质的表面上产生电荷，以此来实现非电量测量。 压电传感元件是力敏感元件，所以它能测量最终能变换为力的那些物理量，例如力、压力、加速度等。 压电式传感器具有响应频带宽、灵敏度较高、信噪比大、结构相对比较简单、工作可靠、重量轻等优点。近年来，由于电子技术的快速的提升，随着与之配套的二次仪表以及低噪声、小电容、高绝缘电阻电缆的出现，使压电传感器的使用更方便。因此，在工程力学、生物医学、石油勘探、声波测井、电声学等许多技术领域中获得了广泛的应用。 第三节? 压电式传感器? 一、压电效应 正压电效应（顺压电效应）：某些电介质，当沿着一定方向对其施力而使它变形时，内部就产生极化现象，同时在它的一定表面上产生电荷，当外力去掉后，又重新恢复不带电状态的现象。当作用力方向发生改变时，电荷极性也随着改变。 逆压电效应（电致伸缩效应）：当在电介质的极化方向施加电场，这些电介质就在一定方向上产生机械变形或机械压力，当外加电场撤去时，这些变形或应力也随之消失的现象。 电能 机械能 正压电效应 逆压电效应 （一）石英晶体的压电效应 天然结构石英晶体的理想外形是一个正六面体，在晶体学中它可用三根互相垂直的轴来表示，其中纵向轴Z－Z称为光轴；经过正六面体棱线，并垂直于光轴的X－X轴称为电轴；与X－X轴和Z－Z轴同时垂直的Y－Y轴（垂直于正六面体的棱面）称为机械轴。 Z X Y (a) (b) 石英晶体 (a)理想石英晶体的外形 (b)坐标系 Z Y X 通常把沿电轴X－X方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“纵向压电效应”，而把沿机械轴Y－Y方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“横向压电效应”，沿光轴Z－Z方向受力则不产生压电效应。 石英晶体具有压电效应，是由其内部结构决定的。组成石英晶体的硅离子Si4+和氧离子O2-在Z平面投影，如图(a)。为讨论方便，将这些硅、氧离子等效为图(b)中正六边形排列，图中“＋”代表Si4+，“－”代表2O2-。 (b) (a) + + - - - Y X X Y 硅氧离子的排列示意图 (a) 硅氧离子在Z平面上的投影 （b）等效为正六边形排列的投影 + 当作用力FX=0时，正、负离子（即Si4+和2O2-）正好分布在正六边形顶角上，形成三个互成120o夹角的偶极矩P1、P2、P3，如图（a）所示。此时正负电荷中心重合，电偶极矩的矢量和等于零，即 P1＋P2＋P3＝0 当晶体受到沿X方向的压力（FX0）作用时，晶体沿X方向将产生收缩，正、负离子相对位置随之发生明显的变化，如图（b）所示。此时正、负电荷中心不再重合，电偶极矩在X方向的分量为(P1+P2+P3)X0 在Y、Z方向上的分量为 （P1+P2+P3）Y=0 （P1+P2+P3）Z=0 由上式看出，在X轴的正向出现正电荷，在Y、Z轴方向则不出现电荷。 Y + + + - - - X (a) FX=0 P1 P2 P3 FX X Y + + + + － － － － FX (b) FX0 + + + - - - P1 P2 P3 可见，当晶体受到沿X(电轴)方向的力FX作用时，它在X方向产生正压电效应，而Y、Z方向则不产生压电效应。 晶体在Y轴方向力FY作用下的情况与FX相似。当FY＞0时，晶体的形变与图（b）相似；当FY＜0时，则与图（c）相似。由此可见，晶体在Y（即机械轴）方向的力FY作用下，使它在X方向产生正压电效应，在Y、Z方向则不产生压电效应。 （P1+P2+P3）X0 （P1+P2+P3）Y=0 （P1+P2+P3）Z=0 (c) FX0 Y + + + - - X - + + + － － － FX FX P2 P3 P1 + － 当晶体受到沿X方向的拉力（FX＞0）作用时，其变动情况如图（c）。此时电极矩的三个分量为 在X轴的正向出现负电荷，在Y、Z方向则不出现电荷。 晶体在Z轴方向力FZ的作用下，因为晶体沿X方向和沿Y方向所产生的正应变完全相同，所以，正、负电荷中心保持重合，电偶极矩矢量和等于零。这就表明，沿Z(即光轴)方向的力FZ作用下，晶体不产生压电效应。 假设从石英晶体上切下一片平行六面体——晶体切片，使它的晶面分别平行于X、Y、Z轴，如图。并在垂直X轴方向两面用真空镀膜或沉银法得到电极面。 当晶片受到沿X轴方向的压缩应力σXX作用时，晶片将产生厚度变形，并发生极化现象。在晶体线性弹性范围内，极化强度PXX与应力σXX成正比，即 Z Y X b l 石英晶体切片 t 式中 FX——X轴方向的压缩力； d11——压电系数，当受力方向和变形不同时，压电系数也不同，石英晶体d11=2.3×10-12CN-1； l、b——石英晶片的长度和宽度。 极化强度PXX在数值上等于晶面上的电荷密度，即 式中 qX——垂直于X轴平面上的电荷。 将上两式整理，得 式中 ——电极面间电容。 其极间电压为 如果在同一晶片上作用力是沿着机械轴的方向，其电荷仍在与X轴垂直平面上出现，其极性见图（c）、（d），此时电荷的大小为 + + + + + + + + － － － － － － － － (c) (d) FY FY X X 式中 d12——石英晶体在Y轴方向受力时的压电系数。 根据石英晶体轴对称条件：d11=－d12，则上式为 式中 t——晶片厚度。 则其极间电压为 由上述可知： ①无论是正或逆压电效应，其作用力（或应变）与电荷（或电场强度）之间呈线性关系； ②晶体在哪个方向上有正压电效应，则在此方向上一定存在逆压电效应； ③石英晶体不是在任何方向都存在压电效应的。 压电机理： 压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料。材料内部的晶粒有许多自发极化的电畴，它有一定的极化方向，从而存在电场。 在无外电场作用时，电畴在晶体中杂乱分布，它们各自的极化效应被相互抵消，压电陶瓷内极化强度为零。因此原始的压电陶瓷呈中性，不具有压电性质。 在陶瓷上施加外电场时，电畴的极化方向发生转动，趋向于按外电场方向的排列，从而使材料得到极化。外电场愈强， 就有更多的电畴更完全地转向外电场方向。当外电场强度大到使材料的极化达到饱和的程度，即所有电畴极化方向都整齐地与外电场方向一致时，当外电场去掉后，电畴的极化方向基本不变化，即剩余极化强度非常大，这时的材料才具有压电特性。 极化处理后陶瓷材料内部存在有很强的剩余极化，当陶瓷材料收到外部作用力作用时，电畴的界限发生移动，电畴发生偏转， 从而引起剩余极化强度的变化， 因而在垂直于极化方向的平面上将出现极化电荷的变化。这种因受力而产生的由机械效应转变为电效应，将机械能转变为电能的现象，就是压电陶瓷的正压电效应。电荷量的大小与外力成如下的正比关系： 式中： d33—— 压电陶瓷的压电系数； F——作用力。 压电陶瓷的压电系数比石英晶体的大得多，所以采用压电陶瓷制作的压电式传感器的灵敏度较高。极化处理后的压电陶瓷材料的剩余极化强度和特性与温度有关，它的参数也随时间变化， 从而使其压电特性减弱。 最早使用的压电陶瓷材料是钛酸钡（BaTiO3）。它的压电系数约为石英的50倍， 但居里点温度只有115℃，使用温度不超过70℃，温度稳定性和机械强度都不如石英。 目前使用较多的压电陶瓷材料是锆钛酸铅（PZT）系列， 它是钛酸铅（PbTiO2）和锆酸铅（PbZrO3）组成的（Pb（ZrTi）O3）。居里点在300℃以上，稳定性很高，有较高的介电常数和压电系数 二、压电材料 种类： 压电晶体，如石英等； 压电陶瓷，如钛酸钡、锆钛酸铅等； 压电半导体，如硫化锌、碲化镉等。 对压电材料特性要求： ①转换性能。要求具有较大压电常数。 ②机械性能。压电元件作为受力元件，希望它的机械强度高、刚度大，以期获得宽的线性范围和高的固有振动频率。 ③电性能。希望具有高电阻率和大介电常数，以减弱外部分布电容的影响并获得良好的低频特性。 ④环境适应能力强。温度和湿度稳定性要好，要求具有较高的居里点，获得较宽的工作时候的温度范围。 ⑤时间稳定性。要求压电性能不随时间变化。 三、 压电式传感器的测量电路 （一）等效电路 当压电传感器中的压电晶体承受被测机械应力的作用时，在它的两个极面上出现极性相反但电量相等的电荷。可把压电传感器看成一个静电发生器，如图(a)。也可把它视为两极板上聚集异性电荷，中间为绝缘体的电容器，如图(b)。其电容量为 ＋＋＋＋ ―――― q q 电极 压电晶体 Ca (b) (a) 压电传感器的等效电路 当两极板聚集异性电荷时，则两极板呈现一定的电压，其大小为 因此，压电传感器可等效为电压源Ua和一个电容器Ca的串联电路，如图(a)；也可等效为一个电荷源q和一个电容器Ca的并联电路，如图(b)。 q Ca Ua Ua＝q/ Ca q ＝UaCa Ca （a）电压等效电路 （b）电荷等效电路 压电传感器等效原理 传感器内部信号电荷无“漏损”，外电路负载无穷大时，压电传感器受力后产生的电压或电荷才能长期保存，否则电路将以某时间常数按指数规律放电。这对于静态标定以及低频准静态测量极为不利，必然带来误差。事实上，传感器内部不可能没有泄漏，外电路负载也不可能无穷大，只有外力以较高频率不断地作用，传感器的电荷才能得以补充，因此，压电晶体不适合于静态测量。 （二）? 测量电路 如果用导线将压电传感器和测量仪器连接时,则应考虑连线的等效电容,前置放大器的输入电阻、输入电容。 Ca Ra Cc Ri Ci q 压电传感器的完整等效电路 Ca传感器的固有电容 Ci 前置放大器输入电容 Cc 连线电容 Ra传感器的漏电阻 Ri前置放大器输入电阻 可见，压电传感器的绝缘电阻Ra与前置放大器的输入电阻Ri相并联。为保证传感器和检测系统有一定的低频或准静态响应，要求压电传感器绝缘电阻应保待在1013Ω以上，才能使内部电荷泄漏减少到满足一般测试精度的要求。与上相适应，检测系统则应有较大的时间常数，亦即前置放大器要有相当高的输入阻抗，否则传感器的信号电荷将通过输入电路泄漏，即产生测量误差。 * 电气信息工程系 热电偶工作原理 热电效应（西拜克效应，1821年） （1）接触热电势 两种材料电子密度不同。如NANB ，在热端从A扩散到B的电子数目多，使冷端AB之间形成电位差。其大小取决于A、B的性质及接触点的温度，而与其形状尺寸无关。 （2） 温差电动势 是在同一导体的两端因其温度不同而产生的一种电动势.高温侧电子受热能运动加剧, 高温侧失去电子而带正电,低温侧得到电子带负电即形成一个静电场,使两端出现电位差（汤姆森电势）。 回路总电势： 忽略温差电势后有： 固定T0后有： A B 二.热电偶的几点结论: 1、若组成热电偶回路的两种导体相同（均质导体）,则无论两接点温度如何,热电偶回路内的总电动势为零。 2、如热电偶两接点温度相同,即T=T0,尽管导体A、B的材料不同，热电偶回路内的总热电动势为零。 3、热电偶AB的热电动势与A、B材料的中间温度无关，只与接触点温度有关。 三、热电偶的重要定律： 1.中间温度定律： 热电偶AB在接点温度为T1、T3 时的热电动势，等于热电偶在接点温度为T1、T2和T2、T3时的热电动势总和。 A B 2.中间导体定律: 在热电偶回路中接入第三种材料的导线，只要这第三种材料的导体两端温度相同，第三种材料导线的引入不会影响热电偶的热电动势，这一性质称为中间温度定律。 A B C C mV A B t1 t2 t2 3.标准电极定律: 当温度为T1、T2时，用导体A、B组成的热电偶的热电动势等于AC热电偶和CB热电偶的热电动势的代数和。 EAB（ T1,T2）=EAC（ T1,T2 ） +ECB（ T1,T2） 导体C称为标准电极（一般由铂组成），故把这一性质称为标准电极定律。 T1 T1 T1 T2 T2 T2 A A B B C C 四、工业用热电偶 1、材料要求：稳定，温度系数↑ ，电导率↑， 热电势大，线性，重复性好 纯金属热电极20μv/0C，半导体为103μv/0C 2、结构： 图 热电偶的结构 3、常用热电偶： 铂铑－铂（S/R/B） 范围最广，3000C以上精度最高 铜－康铜（T） 在-160～2500C精度最高 镍铬－镍硅/铝（K） 在廉金属中上限温度最高 五、热电偶冷端的温度补偿 1、当冷端不为 时，分度表的使用 例如：E型300度时有: 当冷端 为 仪表显示? 查： 则： 热电偶分度表 2、补偿导线的引入 不论 如何变化，只要 不变 则 即不变 但两种材料的热电特性一定要相同 0.64±0.03 4.10±0.15 6.95±0.30 铜镍 铜镍 铜镍 铜 铜 镍铬 铂铑10-铂 镍铬-镍硅 镍铬-铜镍 负极 正极↑ 工作端为100℃，冷端为0℃时的标准热电势mV 补偿导线、 热电偶在工业测量中的冷端补偿 1） 提供冷端 2）冷端不变时，查表补偿 3）冷端变化时，加补偿导线）加冷端补偿电路 补偿电桥，用集成温度传感器进行补偿。 集成温度传感器： 80年代出，线性好，灵敏，精度适中 电流型： 1μA/0K ；电压型： 1μV/0K LM134： 电流型 1μA/0K -55～1250C 图 热电偶冷端温度保持０℃的方法 具有补偿电桥的热电偶测温线℃时平衡的，所以采用这种补偿电桥时须把仪表的机械零位预先调到20℃处。如果补偿电桥是在0℃时平衡设计的,则仪表零位应调在0℃处。 注意！ 磁电感应式传感器又称磁电式传感器, 是利用电磁感应原理将被测量（如振动、位移、转速等）转换成电信号的一种传感器。 它不需要辅助电源就能把被测对象的机械量转换成易于测量的电信号, 是有源传感器。由于它输出功率大且稳定性很高, 具有一定的工作带宽（10～1000 Hz）, 所以得到普遍应用。 工作原理： 磁路系统产生恒定的直流磁场，磁路中的工作气隙固定不变，因而气隙中磁通也是恒定不变的。 其运动部件可以是线圈（动圈式），也可以是磁铁（动铁式），动圈式（图（a））和动铁式（图 (b)）的工作原理是完全相同的。 当壳体随被测振动体一起振动时，由于弹簧较软，运动部件质量相对较大， 当振动频率足够高（远大于传感器固有频率）时，运动部件惯性很大，来不及随振动体一起振动， 近乎静止不动，振动能量几乎全被弹簧吸收，永久磁铁与线圈之间的相对运动速度接近于振动体振动速度，磁铁与线圈的相对运动切割磁力线， 由此产生感应电势。 变磁通式磁电传感器结构图 (a) 开磁路； (b) 闭磁路 变磁通式磁电传感器 图（a）为开磁路变磁通式：线圈、磁铁静止不动， 测量齿轮安装在被测旋转体上，随被测体一起转动。每转动一个齿， 齿的凹凸引起磁路磁阻变化一次，磁通也就变化一次， 线圈中产生感应电势，其变化频率等于被测转速与测量齿轮上齿数的乘积。这种传感器结构相对比较简单，但输出信号较小，且因高速轴上加装齿轮较危险而不宜测量高转速的场合。 图 (b)为闭磁路变磁通式传感器，它由装在转轴上的内齿轮和外齿轮、永久磁铁和感应线圈组成，内外齿轮齿数相同。 当转轴连接到被测转轴上时，外齿轮不动，内齿轮随被测轴而转动，内、外齿轮的相对转动使气隙磁阻产生周期性变化，从而引起磁路中磁通的变化，使线圈内产生周期性变化的感应电动势。 显然， 感应电势的频率与被测转速成正比。 二、 磁电感应式传感器基本特性 当测量电路接入磁电传感器电路时，磁电传感器的输出电流Io为 式中： Rf——测量电路输入电阻； R——线圈等效电阻。 传感器的电流灵敏度为 = = 而传感器的输出电压和电压灵敏度分别为 B值大，灵敏度也大，因此要选用B值大的永磁材料；线圈的平均长度大也有助于提升灵敏度，但这是有条件的，要考虑两种情况： 线圈电阻与指示器电阻匹配问题 如图所示，因传感器相当于一个电压源，为使指示器从传感器获得上限功率，必须使线圈的电阻等于指示器的电阻。 线圈的发热问题 传感器线圈产生感应电动势，接上负载后，线圈中有电流流过而发热。 * *
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