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单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,#,第五章电能量传感器,第一节热电偶,一、热电偶测温的基本原理,(1),理论基础,高温端,低温端,两种不同的金属构成的能产生温差热电势的装置,称为热电偶。,1.,赛贝尔（,Seebeck,）效应,(,热电势,),1821,年,赛贝尔发现了铜、铁这两种金属的温差电现象。即在这两种金属构成的闭合回路中，对两个接头的中一个加热即可产生电流。在冷接头处，电流从铁流向铜。由于冷、热两个端（接头）存在温差而产生的电势差,，就是温差热电势。这种由两种不同的金属构成的能产生温差热电势的装置称为热电偶。,实验指出，当,A,、,B,两种不同的金属所构成的热电偶温差热电势为：,mA,铜铁热电偶的温差热电势与温度关系曲线,热电效应,mA,铜铁热电偶的温差热电势与温度关系曲线,多数的金属材料,AB,在,10,-2,V,10,-3,V,。而其,a,约为,10,-6,伏,/,度，,b,约为,10,-8,伏,/,度，所以在即在。温度不太高温差不太大、精度要求不高时可以近似认为：,2.,温差热电势的物理基础（经典电子论）,接触电势（电位差）珀耳帖（,Peltier,）电势,A,B,T,0,T,接触电势,产生原因：,不同金属的逸出功,(,电势,),不同。,不同金属单位体积内自由电子数目不同。,温差电势,汤姆逊（,Thomoson,）电势,A,B,T,0,T,温差电势,T T,0,产生原因：金属导体两端的温度不同，则其自由电子的浓度亦不相同，温度高的一端浓度较大（动能较大，大于逸出功的电子数目较多），因此高温端的自由电子将向低温端扩散，高温端失去电子带正电，低温端得到多余的电子带负电，从而形成温差电势差：,当这两种金属构成回路，两端的温度分别为,T,、,T,0,时则两端的电势差为：,汤姆逊系数,总温差热电势,根据经典电子论，总温差热电势应为接触电势与温差电势之和。,a,b,赛贝尔（,Seebeck,）效应,A,B,T,0,T,总温差热电势,T T,0,接触电势,e,AB,(T)=,kT,ln,n,A,e n,B,温差电势,e,A,(T,T0,)=N,A,dt,T0,T,1,回路总电势,E,AB,(T,T0)=e,AB,(T)+e,B,(T,T0)-e,AB,(T0)-e,A,(T,T0),d(,N,A,t),dt,k,e,几点讨论,如果组成热电偶的两个电极的材料相同，即使是两结点的温度不同也不会产生热电势。,组成热电偶的两个电极的材料虽然不相同，但是两结点的温度相同也不会产生热电势。,由不同电极材料,A,、,B,组成的热电偶，当冷端温度,T,0,恒定时，产生的热电势在,一定的温度范围内,仅是热端温度,T,的单值函数。,热电偶的基本定律,1.,中间导体定律,将由,A,、,B,两种导体组成的热电偶的冷端（,T,0,端）断开而接入的三种导体,C,后，只要冷、热端的,T,0,、,T,保持不变，则回路的总热电势不变。,T T,0,A,B,T,0,T,T,0,C,a,b,此定律具有特别重要的实用意义，因为用热电偶测温时,必须接入仪表,(,第三种材料,),，根据此定律，只要仪表两接入点的温度保持一致,(,T,0,),仪表的入就不会影响热电势。而且,A,、,B,结点的焊接方法也可以是任意的。,测量仪表及引线作为第三种导体的热电偶回路,2.,参考电极定律（标准电极定律）,如果两种导体,A,、,B,分别与第三种导体,C,所组成的热电偶所产生的热电势是已知的，则这两种导体所组成的热电偶的热电势也是已知的，且,证明：,根据,此定律，可以便于给出所有热电偶材料的有关参数（与标准电极,C,间的,a,AC,、,b,AC,），方便热电偶电极的选配。,3.,中间温度定律,在热电偶回路中，如果电极,A,、,B,在热端（温度为,T,）相连接，而在温度较低的一侧分别与导线,A,|,、,B,|,相连接，接点温度均为,T,n,，,A,|,、,B,|,在冷端（温度为,T,0,）相连接，则回路的总热电势将等于热电偶的,A,、,B,的热电势,AB,(,T,，,T,n,),与连接导线在,(,T,n,、,T,0,),下的热电势,A,|,B,|,(,T,n,，,T,0,),的代数和，即：,证明：作业,利用这一特点可以允许热电偶的冷端不受,T,0,=0,的限制而成为自由端,(,温度可为任意的,T,n,T,),，测得,AB,(,T,，,T,n,),后，可以用另一个已知的电动势,A,|,B,|,(,T,n,，,T,0,),来修正,由于,T,n,可测得，所以,A,|,B,|,(,T,n,，,T,0,),也是已知的，可以方便使用。因为在很多测量现场，,T,0,=0,的条件不能得到很好的满足，利用此规律，只要,T,n,可测得就可以进行精确测温。,中间温度定律的应用,根据这个定律，可以连接与热电偶热电特性相近的导体,A,和,B,，,将热电偶冷端延伸到温度恒定的地方，这就为热电偶回路中应用,补偿导线,提供了理论依据。,该定律是,参考端温度计算修正,法的理论依据。在实际热电偶测温回路中,利用热电偶这一性质,可对参考端温度不为,0,的热电势进行修正。,热电偶的分度表,不同金属组成的热电偶，温度与热电动势之间有不同的函数关系，一般通过实验的方法来确定，并将不同温度下测得的结果列成表格，编制出热电势与温度的对照表，即分度表。,供查阅使用，每,10,分档。中间值按内插法计算。,为了适应不同生产对象的测温要求和条件，热电偶的结构形式有：,普通型热电偶,铠装型热电偶,薄膜热电偶等。,3.,热电偶的结构形式,普通型热电偶结构,优点,：测温端热容量小，动态响应快；机械强度高，挠性好，可安装在结构复杂的装置上。,铠装型热电偶,薄膜热电偶,特点,：热接点可以做得很小（,m,），具有热容量小、反应速度快（,s,）等特点，适用于微小面积上的表面温度以及快速变化的动态温度测量。,工程用热电偶材料应满足条件：热电势变化尽量大，热电势与温度关系尽量接近线性关系，物理、化学性能稳定，易加工，复现性好，便于成批生产，有良好的互换性。,4,.,热电偶类型,国际电工委员会（,IEC,）向世界各国推荐,7,种标准化热电偶（已列入工业标准化文件中，具有统一的分度表）。我国已采用,IEC,标准生产热电偶，并按标准分度表生产与之相配的显示仪表。,标准化热电偶的主要性能和特点,标准化热电偶的主要性能和特点,5.,热电偶的补偿导线及冷端温度的补偿方法,当热端温度为,t,时，分度表所对应的热电势,e,AB,(,t,0),与热电偶实际产生的热电势,e,AB,(,t,t,0,),之间的关系可根据中间温度定律得到下式：,e,AB,(,t,0)=,e,AB,(,t,t,0,)+,e,AB,(,t,0,，,0),由此可见，,e,AB,(,t,0,，,0),是冷端温度,t,0,的函数，因此需要对热电偶冷端温度进行处理。,热电偶一般做得较短，一般为,350,2000mm,。,在实际测温时，需要把热电偶输出的电势信号传输到远离现场数十米远的控制室里的显示仪表或控制仪表，这样,冷端温度,t,0,比较稳定。,(1),热电偶补偿导线,解决办法,：工程中采用一种补偿导线。在,0,100,温度范围内，要求补偿导线和所配热电偶具有相同的热电特性。,常用补偿导线,在实验室及精密测量中，通常把冷端放入,0,恒温器或装满冰水混合物的容器中，以便冷端温度保持,0,。,这是一种理想的补偿方法，但工业中使用极为不便。,(2),冷端,0,恒温法,当冷端温度,t,0,不等于,0,，需要对热电偶回路的测量电势值,e,AB,（,t,，,t,0,）加以修正。当工作端温度为,t,时，分度表可查,e,AB,(,t,0),与,e,AB,(,t,0,0),。,根据中间温度定律得到：,e,AB,(,t,0)=,e,AB,(,t,t,0,)+,e,AB,(,t,0,，,0),(3),冷端温度修正法,例子,用镍铬,-,镍硅热电偶测量加热炉温度。已知冷端温度,t,0,=30,，测得热电势,e,AB,（,t,，,t,0,）为,33.29mV,求加热炉温度。,解,：查镍铬,-,镍硅热电偶分度表得,e,AB,（,30,，,0,）,1.203 mV,。可得,e,AB,（,t,，,0,）,=,e,AB,(,t,t,0,)+,e,AB,(,t,0,0)=33.29+1.203=34.493mV,由镍铬,-,镍硅热电偶分度表得,t,=829.8,。,(4),冷端温度自动补偿法（电桥补偿法）,热电偶典型测温线路,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,3.,热电偶测温线路,测量某一点的温度,特殊情况下，热电偶可以串联或并联使用，但只能是同一分度号的热电偶，且冷端应在同一温度下。如热电偶正向串联，可获得较大的热电势输出和提高灵敏度；在测量两点温差时，可采用热电偶反向串联；利用热电偶并联可以测量平均温度。,测量两点间温度差（反向串联）,测量平均温度（并联或正向串联）,特点：当有一只热电偶烧断时，难以觉察出来。当然，它也不会中断整个测温系统的工作。,优点：热电动势大，仪表的灵敏度大大增加，且避免了热电偶并联线路存在的缺点，可立即可以发现有断路。缺点：只要有一支热电偶断路，整个测温系统将停止工作。,第二节 磁电传感器,基本原理,磁电感应定律,传感器结构,温度影响,磁电感应式传感器,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，是一种有源传感器。由于它输出功率大，且性能稳定，具有一定的工作带宽（,10,1000 Hz,），所以得到普遍应用。,2.1,磁电感应式传感器工作原理,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,(5-1),式中,:,B,稳恒均匀磁场的磁感应强度；,l,导体有效长度；,v,导体相对磁场的运动速度。,当一个,W,匝线圈相对静止地处于随时间变化的磁场中时，设穿过线圈的磁通为,，则线圈内的感应电势,e,与磁通变化率,d,/d,t,有如下关系：,根据以上原理，人们设计出两种磁电式传感器结构：变磁通式和恒磁通式。变磁通式又称为磁阻式，图,5-1,是变磁通式磁电传感器，用来测量旋转物体的角速度。,(5-2),图,5-1,（,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,5-1(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。,图,5-1,变磁通式磁电传感器结构图,(a),开磁路；,(b),闭磁路,图,5-2,恒定磁通式磁电传感器结构原理图,（,a,）动圈式；,(b),动铁式,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,5-2,（,a,）和动铁式（图,5-2(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，从而产生感应电势为,(5-3),式中：,B,0,工作气隙磁感应强度；,l,每匝线圈平均长度；,W,线圈在工作气隙磁场中的匝数；,v,相对运动速度。,2.2,磁电感应式传感器基本特性,温度对磁电式传感器的影响,在磁电式传感器的输出回路中接入指示器，在指示器中流过的电流为：,I=,e,R+Rd,R,为传感器的线圈电阻,Rd,为指示器的内阻,当温度增加,t,时，指示器的电流,I,可表示为：,I=,e(1-,t),R(1+,t)+R,1,(,1+,t)+R,2,(,1+,2,t),第三节 压电传感器,y,x,Fx,Fx,压电传感器的工作原理,图,3-2,石英晶体,(a),晶体外形；,(b),切割方向；,(c),晶片,F,F,极化面,Q,压电介质,机械能,电能,正压电效应,逆压电效应,压电效应及可逆性,图,5-3,晶片上电荷极性与受力方向的关系,(,a,),(,b,),(,c,),(,d,),不受力,图,5-2,石英晶体压电模型,P,x,=d,11,x,=,d,11,F,x,lb,X,方向受力：,Y,方向受力：,P,y,=d,12,Y,=,d,12,F,Y,bh,3.1,压电元件的常用结构形式,实际应用中常采用两片（或两片以上）同型号的压电元件粘结在一起。由于压电材料的电荷是有极性的，因此接法也有两种。,图,6-5,（,a,）,并联,:,外力作用下正负电极上的电荷量增加了,1,倍，电容量也增加了,1,倍，输出电压与单片时相同。,适宜用在测量慢变信号并且以电荷作为输出量的场合,.,图,6-5,（,b,）,串联,:,两压电片中间粘接处正负电荷中和，上、下极板的电荷量与单片时相同，总电容量为单片的一半，输出电压增大了,1,倍。,输出电压大，本身电容小，适宜用于以电压作输出信号，并且测量电路输入阻抗很高的场合。,图,6-5,压电元件连接方式,(a),相同极性端粘结；,(b),不同极性端粘结,3.2,压电式传感器测量电路,3.2.1,压电式传感器的等效电路,由压电元件的工作原理可知，压电式传感器可以看作一个电荷发生器。同时，它也是一个电容器，晶体上聚集正负电荷的两表面相当于电容的两个极板，极板间物质等效于一种介质，则其电容量为,(3-4),式中：,A,压电片的面积；,d,压电片的厚度；,r,压电材料的相对介电常数。,因此，压电传感器可以等效为一个与电容相串联的电压源。如图,3-7,（,a,）所示，电容器上的电压,U,a,、电荷量,q,和电容量,C,a,三者关系为,压电传感器也可以等效为一个电荷源。如图,3-7,（,b,）所示。,图,3-7,压电元件的等效电路,（,a,）电压源,;,（,b,）电荷源,压电传感器在实际使用时总要与测量仪器或测量电路相连接，因此还需考虑连接电缆的等效电容,C,c,，放大器的输入电阻,R,i,输入电容,C,i,以及压电传感器的泄漏电阻,R,a,。这样，压电传感器在测量系统中的实际等效电路，如图,3-8,所示。,图,3-8,压电传感器的实际等效电路,（,a,）电压源,;,（,b,）电荷源,3.2.2,压电式传感器的测量电路,压电传感器本身的内阻抗很高，而输出能量较小，因此它的测量电路通常需要接入一个高输入阻抗前置放大器。其作用为：一是把它的高输出阻抗变换为低输出阻抗；二是放大传感器输出的微弱信号。压电传感器的输出可以是电压信号，也可以是电荷信号，因此前置放大器也有两种形式：电压放大器和电荷放大器。,1.,电压放大器（阻抗变换器）,图,3-9,（,a,）、,(b,）是电压放大器电路原理图及其等效电路。,在图,3-9,（,b,）中，电阻,R=R,a,R,i,/(,R,a,+,R,i,),，电容,C=C,c,+,C,i,，而,u,a,=,q/C,a,，若压电元件受正弦力,f=F,m,sin,t,的作用，则其电压为,（,3-6,）,式中：,U,m,压电元件输出电压幅值，,U,m,=,dF,m,/,C,a,；,d,压电系数。,图,3-9,电压放大器电路原理及其等效电路图,（,a,）放大器电路,;,（,b,）等效电路,2.,电荷放大器,电荷放大器常作为压电传感器的输入电路，由一个反馈电容,C,f,和高增益运算放大器构成。由于运算放大器输入阻抗极高，放大器输入端几乎没有分流，故可略去,R,a,和,R,i,并联电阻。,（,6-11,）,式中：,u,o,放大器输出电压；,u,cf,反馈电容两端电压。,图,6-10,电荷放大器等效电路,3.3,压电式传感器的应用,3.3.1,压电式测力传感器,图,3-11,是压电式单向测力传感器的结构图，主要由石英晶片、绝缘套、电极、上盖及基座等组成。,图,3-11,压力式单向测力传感器结构图,传感器上盖为传力元件，它的外缘壁厚为,0.10.5mm,，当外力作用时，它将产生弹性变形，将力传递到石英晶片上。石英晶片采用,xy,切型，利用其纵向压电效应，通过,d,11,实现力,电转换。石英晶片的尺寸为,81mm,。该传感器的测力范围为,050N,，最小分辨率为,0.01 N,，固有频率为,5060 kHz,，整个传感器重为,10 g,。,3.3.2,压电式加速度传感器,图,3-12,是一种压电式加速度传感器的结构图。它主要由压电元件、质量块、预压弹簧、基座及外壳等组成。整个部件装在外壳内，并由螺栓加以固定。,图,3-12,压电式加速度传感器结构图,当加速度传感器和被测物一起受到冲击振动时，压电元件受质量块惯性力的作用，根据牛顿第二定律，此惯性力是加速度的函数，即,F=ma,（,3-14,）,式中：,F,质量块产生的惯性力；,m,质量块的质量；,a,加速度。,此时惯性力,F,作用于压电元件上，因而产生电荷,q,，当传感器选定后，,m,为常数，则传感器输出电荷为,q=d,11,F=d,11,ma,与加速度,a,成正比。因此，测得加速度传感器输出的电荷便可知加速度的大小。,第四节 光电池,光电池的工作原理,N,型硅片,PN,结,扩散层（,P,层）,电极,光电池的基本特性,（,1,）光谱特性,Kr,（,%,）,/,m,硒光电池,硅光电池,（,2,）光照特性,开路电压,短路电流,照度,Ee,（,3,）频率特性,频率,f,Ir,硅光电池,硒光电池,4.,光电池,光电池是根据光生伏特效应制成的将光能直接转变成电能的一种器件。其种类繁多，早期出现的有氧化亚铜光电池，因转换效率低已很少使用。,目前应用较多的是硒光电池和硅光电池。晒光电池因光谱特性与人眼视觉很相近，频谱较宽，故多用于曝光表、照度计等分析、测量仪器。硅光电池与其它半导体光电池相比，不仅性能稳定，还是目前转换效率最高,(,达到,17,),的几乎接近理论极限的一种光电池。此外，还有薄膜光电池、紫光电池、异质结光电池等。薄膜光电池是把硫化镉等材料制成薄膜结构，以减轻重量、简化阵列结构，提高抗辐射能力和降低成本。紫光电池是把硅光电池的,PN,结减薄至结深为,0.2,0.3m,，光谱响应峰值移到,600nm,左右，来提高短波响应，以适应外层空间使用。,异质结光电池利用不同禁带宽度的半导体材料做成异质,PN,结，入射光几乎全透过宽禁带材料一侧，而在结区窄禁带材料中被吸收，产生电子,空穴对。利用这种“窗口”效应提高入射光的收集效率，以获得高于同质结硅光电池的转换效率，理论上最大可达,30,，但目前因工艺尚未成熟，转换效率仍低于硅光电池,。,光电池核心部分是一个,PN,结，一般做成面积较大的薄片状，来接收更多的入射光。图,5-14,所示的是硒光电池的结构。制造工艺是：先在铝片上覆盖一层,P,型硒，然后蒸发一层镉，加热后生成,N,型硒化镉，与原来,P,型硒形成一个大面积,PN,结，最后涂上半透明保护层，焊上电极，铝片为正极，硒化锦为镉极。,硅光电池是用单晶硅组成的（目前也有非晶硅的产品）。在一块,N,型硅片上扩散,P,型杂质,(,如硼,),，形成一个扩散,PN,（,P,+,N,）结；或在,P,型硅片扩散,N,型杂质,(,如磷,),，形成,N,+,P,的,PN,结，然后焊上两个电极。,P,端为光电池正极，,N,端为负极，一般在地面上应用作光电探测器的多为,P,+,N,型。如国产,2CR,型。,N,+,P,型硅光电池具有较强的抗辐射能力，适合空间应用，可作为航天的太阳能电池，如国产,2DR,型。,(1),光电池的光谱特性,硒光电池和硅光电他的光谱特性曲线如图,5-15,所示。从曲线上可以看出，不同的光电池，光谱峰值的位置不同。例如硅光电池在,800nm,附近，硒光电池在,540nm,附近。硅光电池的光谱范围广，在,450,1100nm,之间，硒光电池的光谱范围在,340,750nm,之间。因此硒光电池适用于可见光，常用于照度计测定光的强度。,(2),光电池的光照持性,光电池在不同的光强照射下可产生不同的光电流和光生电动势。从曲线可以看出,短路电流在很大范围内与光强成线性关系。开路电压随光强变化是非线性的,并且当照度在,2000lx,时就趋于饱和了。因此把光电池作为测量元件时,应把它当做电流源的形式来使用,不宜用作电压源。,(3),光电池的频率特性,光电池在作为测量、计数、接收元件时，常用交变光照射。光电池的频率特性就是反映光的交变频率和光电池输出电流的关系，硅光电池有很高的频率响应，可用在高速计数、有声电影等方面。这是硅光电池在所有光电元件中最为突出的优点。,(4),光电池的温度特性,光电他的温度特性主要描述光电池的开路电压和短路电流随温度变化的情况。由于它关系到应用光电池设备的温度漂移，影响到测量精度或控制精度等主要指标，因此它是光电池的重要特性之一。开路电压随温度升高而下降，而短路电流随温度升高而增加。因此当光电池作测量元件时，在设计中应该考虑到温度的漂移，采取相应的措施来进行补偿。,