第1章

傳感器概述第2章

溫度傳感器第3章

濕度傳感器第4章

力敏傳感器第5章

磁敏傳感器第6章

光敏傳感器第7章

氣敏傳感器第8章

接近開關(guān)傳感器第9章

現(xiàn)代傳感器的應(yīng)用全套可編輯PPT課件現(xiàn)代生產(chǎn)與生活中，傳感器幾乎無處不在。人類認知周圍的世界靠的是身體的生物體器官。例如，當人們看東西時，物體的影像經(jīng)過瞳孔和晶狀體落到視網(wǎng)膜上，視網(wǎng)膜上的視神經(jīng)細胞在受到光刺激后，將光信號轉(zhuǎn)變成生物電信號，通過神經(jīng)系統(tǒng)傳遞給大腦進行處理后，在腦海里就形成了一幅幅視覺圖像，這就是人類通過自身的感覺器官認識外面事物的方式之一。但是，人類的這種感知能力是有限的，這跟人類的進化息息相關(guān)，所謂“用進廢退”!比如我們的眼睛，對紅外光和紫外光就沒有反應(yīng)，耳朵也不能聽到超聲波和次聲波，人類要更好地認識世界，就要借助外界能力來協(xié)助，因此，傳感器就誕生了。

進入電氣化時代之后，各種用途的傳感器又將人類對這種外界信息的感知能力和需求進行了極大地擴展與延伸。比如冰箱，為什么可以自動地開和停，完全不用人的干預就能按照設(shè)定的溫度可靠地運行呢？主要靠的就是檢測溫度的傳感器！冰箱運行時由溫度傳感器感受到溫度變化后，根據(jù)設(shè)定值的要求輸出一個確定的數(shù)據(jù)狀態(tài)，再通過冰箱的電氣控制系統(tǒng)根據(jù)數(shù)據(jù)狀態(tài)發(fā)出控制指令，從而就可以自動地控制壓縮機電動機的啟動和停止。當然，用于控制信號的采集只是傳感器諸多應(yīng)用的一個方面。只要傳感器能有效地感知到被測物理量，根據(jù)不同的用途，進行不同的處理，就可以有更廣泛的應(yīng)用。比如，數(shù)碼相機，就是由圖像傳感器感受光信號，然后根據(jù)光信號的強弱轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字量信號，再由數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)處理后按照確定的數(shù)據(jù)屬性和地址加載到顯示屏上。

因此，傳感器作為信息采集工具，在當今信息時代的重要性越來越成為人們的共識。傳感器技術(shù)也就成為了現(xiàn)代信息技術(shù)的支柱之一，是自動測控系統(tǒng)可靠工作的重要保證。隨著科學技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)自動化、智能化、信息化要求的提高，以及人類對安全環(huán)保、智能家居、舒適生活環(huán)境的追求，各領(lǐng)域?qū)鞲衅鞯囊蕾囆栽絹碓酱?。傳感器技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用已經(jīng)成為國內(nèi)外重點發(fā)展的高技術(shù)領(lǐng)域，傳感器技術(shù)也成為新技術(shù)革命的關(guān)鍵因素。掌握和應(yīng)用傳感器原理及技術(shù)，也就成為了電子及電氣控制技術(shù)領(lǐng)域從業(yè)人員必須具備的基本技能與素養(yǎng)?！?—1

傳感器的基礎(chǔ)知識1．掌握傳感器的定義。2．熟悉傳感器的基本組成。一、傳感器的定義在現(xiàn)階段，我們所說的自動化控制都是指電氣自動化，因為電信號的測量與處理最為迅速和便捷。在自動控制的自動檢測系統(tǒng)中，需要用傳感器把自然界的物質(zhì)信息，包括各種物理量、化學量和生物量形態(tài)的信息，轉(zhuǎn)換為電信號。通過信號調(diào)理裝置輸出給電氣控制系統(tǒng)、顯示器、記錄儀等便于人們識別和閱讀的設(shè)備。傳感器是構(gòu)成自動檢測與自動控制系統(tǒng)的首要的、決定性的組成部分，能否選擇合適的傳感器決定著能否構(gòu)件合理的自動檢測與自動控制系統(tǒng)。傳感器獲取信息的準確程度關(guān)系到整個自動檢測與自動控制系統(tǒng)能否準確完成功能，傳感器對現(xiàn)代化科學技術(shù)、現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)以及工業(yè)自動化的發(fā)展起著基礎(chǔ)和支柱作用，已被世界各國列為關(guān)鍵技術(shù)之一。可以說，沒有傳感器就沒有現(xiàn)代化科學技術(shù)，沒有傳感器也沒用人類現(xiàn)代化的生活。傳感器技術(shù)已經(jīng)成為科學技術(shù)和國民經(jīng)濟發(fā)展水平的標志之一。

根據(jù)中華人民共和國國家標準（GB/T7665-2005）的定義：“傳感器（Transducer/sensor）是一種能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成?！眰鞲衅鞯亩x包含了以下幾方面的含義：（1）傳感器是一種測量裝置，能完成檢測任務(wù)。（2）它的輸入量是某種被測量，有可能是物理量、也可能是化學量、生物量等。（3）它的輸出量是某種物理量，這種量可以是氣、光、電量，但主要是電量。（4）輸入輸出有對應(yīng)關(guān)系，且應(yīng)有一定的精確度。

傳感器定義：二、傳感器的組成根據(jù)傳感器的定義，傳感器的組成如圖1-1-1所示。圖1-1-1傳感器的組成示意圖

其中：1.敏感元件直接感受被測物理量，并且輸出與被測量成確定關(guān)系的某一種物理量的元件。如在熱敏電阻傳感器中敏感元件為熱敏電阻，直接感受溫度的變化并導致自身電阻值的變化。2.轉(zhuǎn)換元件將感受到的非電量直接轉(zhuǎn)換成電量是轉(zhuǎn)換元件。一般不直接感受被測量。例如，應(yīng)變電阻傳感器中的應(yīng)變電阻就是轉(zhuǎn)換元件，它跟彈性應(yīng)變體緊密結(jié)合為一體，在彈性應(yīng)變體受力變形時，將彈性應(yīng)變體的彈性變形變成自身電阻值的變化。而這里的彈性應(yīng)變體則屬于我們所說的敏感元件。3.測量與變送電路是將傳感元件輸出的電信號轉(zhuǎn)換為便于顯示、控制和處理的有用電信號的電路，使用較多的是電橋電路和線性放大電路以及數(shù)字處理單元。處理后的電信號可以是模擬量，也可以是數(shù)字量或者某種計算機通訊模式下的數(shù)據(jù)信息。有的還包括顯示器，可直接在傳感器上顯示出所測量的物理量。4.輔助電源是為傳感元件和測量電路提供工作電源。

從傳感器的應(yīng)用的角度看，在大多數(shù)的實際應(yīng)用中使用的都是成品傳感器，這時，我們就只關(guān)注傳感器的外特性，即測量的物理量的連接與獲取以及變換輸出的電參量就可以了，不必考慮傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與電路，因為那是制造者的事情。這樣就可以使傳感器的應(yīng)用變得簡單明了、重點突出，因此，圖1-1-1就變成了如圖1-1-2所示的組成示意圖。圖1-1-2傳感器應(yīng)用時的組成示意圖

這樣，大多數(shù)情況下的傳感器的使用就變成了傳感器的選擇和現(xiàn)場的敏感元件的固定、安裝與接線；傳感器的電源連接以及傳感器的輸出量的連接?！?—2

傳感器的主要性能指標1．掌握傳感器的靜、動態(tài)特性。2．熟悉測量誤差及其分類。

在傳感器的每個應(yīng)用領(lǐng)域，都要求傳感器能感受被測非電量的變化，然后將這種變化變換成能真實表達非電量變化的電參量。我們把傳感器的這種能力稱為傳感器的基本特性，即輸入、輸出特性。傳感器的基本特性通常還可以分為靜態(tài)特性和動態(tài)特性。一、傳感器的靜態(tài)特性靜態(tài)特性是指輸入的被測量不隨時間變化，或隨時間變化緩慢時，傳感器的輸出量與輸入量的關(guān)系，主要有線性度、靈敏度、分辨率和遲滯等。1.傳感器的靈敏度靈敏度是指傳感器在穩(wěn)定工作狀態(tài)下輸出量的變化△y與輸入量的變化△x的比值。它是輸入/輸出特性曲線的斜率，即：

（式1-2-1）

如果傳感器的輸出量和輸入量的關(guān)系為線性關(guān)系，則靈敏度K是一個常數(shù)，即特性曲線的斜率。否則，它將隨輸入量的變化而變化。通過提高靈敏度，可以得到較高的測量精度。但靈敏度越高，測量范圍越窄，穩(wěn)定性也往往越差。靈敏度與測量范圍示意圖如圖1-2-1所示。圖1-2-1靈敏度與測量范圍示意圖2.傳感器的線性度通常情況下，傳感器的實際靜態(tài)特性輸出是一條曲線而非一直線。在實際測量中，為使儀表具有均勻的刻度，常用一條擬合直線近似地代替實際的特性曲線。線性度（線性誤差）就是這個近似度的一個性能指標。線性傳感器和擬合直線的傳感器如圖1-2-2所示。圖1-2-2線性傳感器和擬合直線的傳感器

3.傳感器的分辨率分辨率是指傳感器可能感受到被測量的最小變化的能力。如果輸入量有了一個非零值的緩慢變化而且超過一定數(shù)值時，傳感器的輸出不發(fā)生變化，則說明傳感器對此輸入量不能分辨。4.遲滯性傳感器在正向（輸入量增大）、反向（輸入量減?。┬谐讨休敵觥斎肭€不重合的程度稱遲滯特性，如圖1-2-3所示。遲滯現(xiàn)象說明對應(yīng)于同一大小的輸入信號，傳感器的輸出信號的大小不相等，沒有唯一性。造成遲滯現(xiàn)象的原因是傳感器的機械部分和結(jié)構(gòu)材料方面存在的不可避免的弱點，如軸承摩擦、間隙、禁固件的松動等，一般也是制造問題。163圖1-2-3傳感器的遲滯性示意圖

傳感器的遲滯誤差大小可用式1-2-2表示：

式中，為正向曲線與反向曲線之間的最大差值，為傳感器的量程。5.重復性是指傳感器在輸入量按同一測量方向上全量程多次測試時，所得到的測量數(shù)據(jù)或繪制的曲線不一致的程度，如圖1-2-4所示。圖12-4傳感器的重復性偏差示意圖重復性好的傳感器誤差也小，重復性誤差的產(chǎn)生與遲滯性誤差的產(chǎn)生有相同的原因。（式1-2-2）6.穩(wěn)定性與漂移傳感器的穩(wěn)定性有長期和短期之分。一般指一段時間以后，傳感器的輸出和初始標定時的輸出之間的差值。通常用不穩(wěn)定度來表征其輸出穩(wěn)定的程度。傳感器的漂移是指傳感器在外界干擾下輸出量出現(xiàn)與輸入量無關(guān)的變化。漂移有很多種，如溫度漂移就是指環(huán)境溫度變化而引起的傳感器輸出的零點或示值的變化。從應(yīng)用的角度講，傳感器靜特性的提高和保證措施基本就不用考慮，是廠家制造的問題，課程中不予以涉及，只須了解這些指標并根據(jù)測量需要選擇恰當?shù)膮?shù)即可。二、傳感器的動態(tài)特性傳感器在測量隨時間變化的輸入量時其輸出/輸入關(guān)系稱為動態(tài)特性。動態(tài)特性反映的是傳感器跟蹤迅速變化的信號的響應(yīng)能力，當信號變化過于迅速時，傳感器有可能不能做出及時的響應(yīng)。當輸入量隨時間變化時，如果傳感器能立即不失真地產(chǎn)生響應(yīng)，即傳感器的輸出量隨時間變化的規(guī)律與輸入量隨時間變化的規(guī)律一致，具有與輸入量相同的時間函數(shù)，這種傳感器就是具有理想動態(tài)特性的傳感器。比如，測量壓力的傳感器，當壓力突然增加時，由于測壓的敏感原件的變形效應(yīng)存在滯后，所以壓力表的示值會有一點時間的滯后才能達到穩(wěn)定的準確值，如圖1-2-5所示。圖1-2-5測量響應(yīng)滯后示意圖

傳感器的動態(tài)特性涉及具體傳感器復雜的數(shù)學模型和電路結(jié)構(gòu)，也是需要傳感器的廠家在生產(chǎn)時根據(jù)不同的需求進行控制的一個重要指標。作為應(yīng)用，我們根據(jù)需要做出恰當?shù)倪x擇即可。三、傳感器的測量誤差及其分類任何測量都是有誤差的，只要誤差在允許的范圍之內(nèi)就是合格的，傳感器的誤差的表達參數(shù)為傳感器的精度。傳感器示值的絕對誤差△與量程L之比稱為示值的引用誤差q，引用誤差用百分比數(shù)表示為（式2-1-1）

我國電工儀表誤差等級分為七級，即0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5.0。0.1級為最高級，測量精度最高，實際應(yīng)用時根據(jù)測量精度要求進行選擇即可。一般情況下，1.0級精度的儀表，其表示的誤差允許范圍為±1%。即允許的誤差變化范圍為-1%～+1%，表示了在規(guī)定的條件下使用時，它的絕對誤差的最大值范圍在量程的±1%以內(nèi)。

溫度的測量與控制，一直都是電氣自動化控制的一項重要任務(wù)，在工業(yè)現(xiàn)場與家庭生活中都存在著許多溫度控制的要求，而準確的溫度控制又決定著某種控制任務(wù)是否成功。比如，家用電餅鐺的使用過程中，對其加熱控制要求就很高，既要保證食物被烙熟，還要保證食物不被烙糊，在其中用于測量溫度的元件就是熱敏電阻。電加熱溫度控制接線原理圖圖中，由接觸器完成電加熱器的接通于斷開，加熱初始由啟動按鈕啟動接觸器接通電熱管開始加熱。熱電偶完成溫度測量，并將溫度信號傳送至溫度控制器的輸入端，溫度控制器根據(jù)溫度設(shè)定值來控制接觸器的接通于斷開，從而達到閉環(huán)的溫度自動控制要求。加熱完成按下停止按鈕關(guān)閉電加熱控制系統(tǒng)?！?—1

溫度的基本概念掌握溫度及溫標的基本概念。一、什么是溫度從宏觀性質(zhì)講，溫度表示了物體冷熱程度，物體溫度的高低確定了熱量傳遞的方向；從微觀性質(zhì)講，溫度表示了物體內(nèi)部分子運動的劇烈程度。二、什么溫標為了進行溫度測量，需建立溫度的標尺即溫標。它規(guī)定了溫度讀數(shù)的起點（零點）以及溫度的單位。國際上規(guī)定的溫標有：攝氏溫標、華氏溫標、熱力學溫標。1.攝氏溫標攝氏溫標把在標準大氣壓下冰的熔點定為零度（0℃），把水的沸點定為100度（100℃），在這兩個溫度點間劃分100等份，每一等份為1攝氏度。國際攝氏溫標的符號為t，國際攝氏溫標的溫度單位符號為℃。2.華氏溫標規(guī)定一定濃度的鹽水凝固時的溫度定為0℉，把純水凝固時的溫度定為32℉，把標準大氣壓下水沸騰的溫度定為212℉，用℉代表華氏溫度。華氏溫標與攝氏溫標的關(guān)系式為：（式2-1-2）3.熱力學溫標（物理學中的絕對溫度）國際單位制的基本溫標。符號T，單位為開爾文，符號為K。熱力學溫標以水的固、液、氣三態(tài)平衡共存時的溫度為基本定點，并規(guī)定其溫度為273.15K。熱力學溫標與攝氏溫標存在著下述的關(guān)系：（式2-1-3）1．掌握熱敏電阻的結(jié)構(gòu)、原理、特點及分類。2．熟悉熱敏電阻傳感器的基本參數(shù)。3．能根據(jù)實際應(yīng)用場合正確選用熱敏電阻。§2—2

熱敏電阻傳感器念一、熱敏電阻的結(jié)構(gòu)、原理、特點及分類1.熱敏電阻的結(jié)構(gòu)和原理熱敏電阻是由金屬氧化物采用粉末冶金的工藝制成的一種合金體（用錳、鎳、鈷、鐵、銅等粉料按一定配方壓制成型后，經(jīng)1000～1500℃高溫燒結(jié)而成，通過改變合金的配比可以制成不同溫度范圍、阻值及溫度系數(shù)的熱敏電阻），其引出線一般采用銀線。熱敏電阻的阻值在室溫（25℃）時可從幾百歐變化到幾兆歐，其可測量的溫度范圍為-200～+1000℃。利用這種電阻隨溫度變化呈顯著變化的特性制成的一種敏感元件稱為熱敏電阻傳感器。熱敏電阻有管狀、片狀、點狀、桿狀等封裝形式，在電路中的文字符號為或，實物和圖形符號如圖2-2-1所示。圖2-2-1各種熱敏電阻傳感器及其符號

2.熱敏電阻的特點（1）電阻溫度系數(shù)大，靈敏度高，可測量微小的溫度變化（0.002～0.005℃）。（2）結(jié)構(gòu)簡單，體積小，直徑可以做到小于0.5mm，可以測量點溫度。（3）電阻率高，熱慣性小，響應(yīng)速度快，響應(yīng)時間可以短到毫秒級，適宜動態(tài)測量。（4）易于維護和進行遠距離控制。因為元件本身的電阻值可達3～700KΩ，當遠距離測量時，導線電阻的影響可以不予考慮。（5）熱敏電阻的缺點是互換性差，電阻—溫度曲線為非線性。3.熱敏電阻的分類按熱敏電阻的溫度特性分為三類：（1）電阻值隨溫度升高而升高的，稱為正溫度系數(shù)（PTC）熱敏電阻；（2）電阻值隨溫度升高而降低的，稱為負溫度系數(shù)（NTC）熱敏電阻；（3）具有正或者負溫度系數(shù)特性，但在某一溫度范圍電阻值發(fā)生巨大變化的，稱為突變型溫度系數(shù)（CTR）熱敏電阻。這三類熱敏電阻的溫度特性曲線如圖2-2-2所示。圖2-2-2熱敏電阻的溫度特性曲線1—PTC熱敏電阻2—NTC熱敏電阻3—正溫度系數(shù)CTR4—負溫度系數(shù)CTR二、熱敏電阻傳感器的基本參數(shù)想要正確地選擇和使用熱敏電阻傳感器，首先要了解其基本參數(shù)。1.測量溫度范圍不同的合金和工藝形成的熱敏電阻會有不同的測量范圍，應(yīng)用中根據(jù)測量要求恰當選擇測量溫度的范圍。常溫器件適用于-55～315℃，高溫器件可以更高，最高可以達1000℃，低溫器件適用于-273～55℃。其中，-55～315℃是熱敏電阻最適合的工作溫度范圍。2.熱敏電阻的標稱電阻值是指25℃零功率時的電阻值。即常溫時，沒有通電的情況下熱敏電阻的阻值，其阻值變化范圍可以從幾歐到幾十兆歐。在同一系列的熱敏電阻中，其標稱值的范圍為1Ω到幾十歐，或從幾歐到10kΩ，可供在不同的控制任務(wù)中選擇。如HW68-1/6W型熱敏電阻，其阻值可以在55.4Ω～10KΩ的范圍內(nèi)選擇。3.額定功率是指熱敏電阻在常溫、常壓條件下，長期連續(xù)運行所允許的耗散功率。其中，用于過電流保護的正溫度系數(shù)(PTC）熱敏電阻通?？梢杂休^大的功率，一般串聯(lián)在被測電路中，根據(jù)不同的用途可以通過一定的電流值，其電流值可以達幾百毫安以上，功率可以達幾十瓦；用于測量溫度的熱敏電阻其工作電流值則一般限制在毫安值的量級，這主要為了不使它產(chǎn)生自發(fā)熱現(xiàn)象，從而可保證在測量溫度范圍內(nèi)具有線性的V/A曲線。熱敏電阻的V/A特性十分重要，如圖2-2-3所示，開始時電流與電壓呈較好的線性關(guān)系，此時在電阻上消耗的功率小，所以不會發(fā)生自發(fā)熱現(xiàn)象。這時，熱敏電阻的冷態(tài)電阻完全由環(huán)境溫度決定。但是隨著電流的增加，電阻產(chǎn)生熱量導致自身發(fā)熱，阻值下降，它兩端的電壓也就不再遵循線性規(guī)律。在一個區(qū)域內(nèi)，電流增大和電阻發(fā)熱導致的阻值下降相互抵消后，電壓基本保持不變。直到電阻的下降幅值超過相應(yīng)電流的增大幅值時，電壓便開始減小。因此，應(yīng)根據(jù)熱敏電阻的允許功率來確定流過熱敏電阻的電流。圖2-2-3熱敏電阻的V/A特性曲線4.最大穩(wěn)態(tài)電流是指功率型熱敏電阻在25℃環(huán)境溫度下允許施加在熱敏電阻上的最大持續(xù)電流值。這個值必須高于實際電路中熱敏電阻的工作電流值，否則會造成熱敏電阻的過載而損壞。三、熱敏電阻的選用一般根據(jù)熱敏電阻的用途對其溫度系數(shù)、測量范圍、標稱阻值和額定功率進行選擇。1.熱敏電阻的用途由于熱敏電阻最合適的工作溫度為-55～315℃，因此，熱敏電阻多用于汽車、儀表、計算機、家電等領(lǐng)域的溫度控制與顯示及其修正。（1）溫度的測量這是熱敏電阻主要的應(yīng)用。通過熱敏電阻感知環(huán)境溫度或被測目標的溫度變化，再經(jīng)過測量電路的轉(zhuǎn)換，變成反應(yīng)溫度變化的電壓信號。一般選擇微功耗熱敏電阻，通過電路參數(shù)的設(shè)置，控制流過熱敏電阻的電流，防止電流過大造成的自身發(fā)熱，從而影響測量結(jié)果。如圖2-2-4所示為用PTC組成的溫度測量原理圖。圖2-2-4用PTC組成的溫度測量原理圖

低溫時，PTC處于低阻抗狀態(tài)，由于分壓關(guān)系，比較器的正向輸入端為低電平，開始時，通過調(diào)節(jié)RP，使得比較器的反向輸入端也處于低電平并低于正向輸入端電位，則比較器輸出為低電平。一旦溫度超過一定值，如PTC從幾十歐變化到幾千歐，則比較器翻轉(zhuǎn)，輸出高電平。通過特定電路將此“0”“1”輸出變化進行響應(yīng)，就可以完成溫度的控制。比如，可以將這個“0”“1”變化輸入到單片機的某個輸入端，經(jīng)過單片機響應(yīng)與處理，再通過其輸出就可以完成溫度控制。（2）電路的限流和保護利用突變型正溫度系數(shù)熱敏電阻CTR，可以制作自恢復過電流保護器；PTC熱敏電阻可以作為負荷的過電流限制器；將NTC熱敏電阻串接在整流濾波電容器的前面，可以有效抑制上電時電容電流造成的沖擊。CTR元件用于過電流保護的應(yīng)用電路舉例如圖2-2-5所示。當電動機工作電流正常時，CTR處于低阻抗，其形成的壓降不足以影響電動機的正常工作。運行中一旦發(fā)生了電動機的過電流故障，由于電流迅速增加，導致CTR的溫度也迅速升高，當其溫度升高至120℃附近時，其阻抗迅速增大，形成近乎斷路的電路狀況，則電動機停轉(zhuǎn)。當溫度恢復正常后，CTR又會恢復到原來的低阻抗狀況，電動機自動進入運行狀況，這就是所謂的“自復式熔斷器”。圖2-2-5自恢復過電流保護器電路原理圖

如圖2-2-6所示是將負溫度系數(shù)熱敏電阻用于沖擊電流抑制的電路原理圖。利用NTC或CTR的負溫度特性，當電路接通時，由于熱敏電阻溫度就是環(huán)境溫度，溫度較低，阻抗較大或很大，電容器C的充電沖擊電流得到有效抑制。經(jīng)過一定時間的電流的作用，熱敏電阻的溫度開始升高，其電阻也明顯下降，充電電流變大，直至電路達到穩(wěn)定，熱敏電阻維持在低阻抗狀態(tài)下，電路可以正常工作。圖2-2-6將負溫度系數(shù)熱敏電阻用于沖擊電流抑制的電路原理圖2.熱敏電阻的選擇一般用于溫度控制與顯示的熱敏電阻，應(yīng)選擇微功耗型，要盡量使流過熱敏電阻的電流不造成明顯的測量溫升，從而造成溫度測量誤差。同時，選用時還應(yīng)注意在有效的溫度測量范圍內(nèi)有較好的線性度。對于用于限流控制功能的熱敏電阻，一般要選擇功率型，要使其最大穩(wěn)態(tài)電流大于所在電路的工作電流。但在這種應(yīng)用功能下可不必太注重其線性度，應(yīng)關(guān)注其溫度響應(yīng)速度以及保護和限流功能時穩(wěn)態(tài)后的阻值。實訓1基于PTC熱敏電阻傳感器和555時基電路的電動機溫度測量電路的應(yīng)用。實訓目的1．掌握PTC熱敏電阻的基本溫度特性。2．掌握PTC熱敏電阻測溫電路的組成。3．能完成PTC熱敏電阻測溫電路的安裝與調(diào)試。實訓內(nèi)容

分析并安裝、調(diào)試基于PTC熱敏電阻傳感器和555時基電路的電動機溫度測量電路（圖2-2-7）。1.分析并弄懂任務(wù)中給出的溫度控制電氣原理圖。2.根據(jù)原理圖和所選擇完成的元件對任務(wù)中的溫度控制電路進行焊接，并完溫度控制功能的調(diào)試。圖2-2-7電動機溫度控制電路原理圖實訓設(shè)備與工具

萬用表（1塊），25～35W內(nèi)熱式電烙鐵（1把），烙鐵架（1個），松香焊錫絲及小塊松香適量，蘸濕的棉質(zhì)擦布（1塊），焊接練習用電工工具，焊接練習用萬用敷銅板（1塊），照明良好的焊接練習實驗臺。實訓步驟一、分析測量電路1.熱敏電阻的選擇由于熱敏電阻傳感器元件本身既是測量元件同時也是轉(zhuǎn)換元件，其本身就可形成一個溫度傳感器。因此，我們在構(gòu)成并實施這樣一個任務(wù)時，只需要將這種轉(zhuǎn)換后電參數(shù)—阻值的變化加以利用，并變成有效的控制輸出即可。具體到本控制任務(wù)，是對電動機的運行溫度進行監(jiān)控，由于電動機熱保護的溫度測量范圍不會超過200℃，因此，選用電動機專用PTC熱敏電阻傳感器即可滿足本控制要求。如圖2-2-8所示為所選擇的用于測量電動機溫度的PTC熱敏電阻傳感器，其結(jié)構(gòu)形式為三頭串聯(lián)型，采用DIN44082標準。圖2-2-8電動機專用PTC熱敏電阻傳感器

三頭串聯(lián)的結(jié)構(gòu)形式，可以將三個探頭放置在不同的測量位置，以達到更全面和均衡的測量，比如，三相電動機，可以每相一個探頭。溫度范圍為60～190℃。不同反應(yīng)溫度的PTC熱敏電阻可以串接在一起，這樣可以對電器在不同溫度階段起到最經(jīng)濟和優(yōu)良的保護。其基本電參數(shù)見表2-1-1，其特性曲線如圖2-1-9所示。表2-2-1電動機專用PTC熱敏電阻傳感器的基本電參數(shù)

項目單頭型三頭串聯(lián)型

最大工作電壓3030V額定響應(yīng)溫度參考訂貨數(shù)據(jù)表℃額定響應(yīng)溫度的公差±5±5K額定響應(yīng)溫度的復驗性±0.5±0.5K在25℃下的電阻值≤100≤300Ω額定響應(yīng)溫度-5K時的電阻值≤550≤1650Ω額定響應(yīng)溫度+5K時的電阻值≥1330≥3990Ω額定響應(yīng)溫度+15K時的電阻值≥4≥12kΩ熱響應(yīng)時間ta≤5≤5S絕緣強度UisAC2.5AC2.5kV最大控制溫度200200℃最高允許存放溫度160160℃最低允許存放溫度-25-25℃重量23.5g表2-2-1電動機專用PTC熱敏電阻傳感器的基本電參數(shù)圖2-2-9電動機專用PTC熱敏電阻傳感器特性曲線

從其電參數(shù)來看，其冷態(tài)零功率電阻為單只100Ω，三頭組合時，其值為300Ω。選擇+15K的元件，其額定響應(yīng)溫度+15K時的電阻值為12KΩ。2.555時基電路由于用于溫度測量的熱敏電阻都是微功耗元件，因此，采集熱敏電阻阻值變化的電路必須是電壓比較器這種運放類元件，因為這種元件采集信號時基本不取電流。但由于電壓比較器只能輸出一個電平變化，沒有輸出能力，要做到采集信號是運放，又要有一定的輸出能力的元件，就只有555時基電路了，其典型型號為NE555。如圖2-2-10所示為555時基電路的內(nèi)部框圖和功能引腳圖。圖2-2-10555時基電路的內(nèi)部框圖和功能引腳圖

它含有兩個電壓比較器，一個基本RS觸發(fā)器，一個放電開關(guān)T，比較器的參考電壓由三只5KΩ的電阻器構(gòu)成分壓，它們分別使高電平比較器A1同相比較端和低電平比較器A2反相輸入端的參考電平為2/3Vcc和1/3Vcc。A1和A2的輸出端控制RS觸發(fā)器狀態(tài)和放電管開關(guān)狀態(tài)。當輸入信號自輸入端6輸入電壓并超過2/3Vcc時，觸發(fā)器復位，555的輸出端3腳輸出低電平，同時放電開關(guān)管T導通；當輸入信號自2腳輸入并低于1/3Vcc時，觸發(fā)器置位，555的3腳輸出高電平，同時放電開關(guān)管T截止。3.溫度監(jiān)測過程分析（1）正常情況下，即PTC溫度處于室溫的情況下，調(diào)節(jié)RP使得Ui小于電源電壓的1/3，本例在中即小于2V時，低電位觸發(fā)端2端起作用，IC輸出為高電平，繼電器KA不動作，表示溫度正常。（2）當PTC處于高溫狀態(tài)時，由于溫度升高，Rt受熱阻值增大，當增大至一定值時，由于分壓關(guān)系，導致Ui大于電源電壓的2/3，即大于4V時，高電位觸發(fā)端6端起作用，IC輸出翻轉(zhuǎn)為低電平，KA吸合，切換電路。由KA的常閉觸點斷開電動機的控制回路，由其常開觸點啟動報警。二、電路的安裝與調(diào)試1.按表2-2-2的元器件清單準備電路元器件。元器件名稱規(guī)格型號數(shù)量備注ICNE5551

微調(diào)電阻RP6.8K、0.1W1

碳膜電阻R1300歐、1/8W1

碳膜電阻R2～R3500、1/8W2

電解電容器C1470uF\16V1

電解電容器C2220uF\16V1

PTC熱敏電阻三頭串聯(lián)型，DIN44082標準，+15K1

發(fā)光二極管VD14～6mA，紅色1報警發(fā)光二極管VD34～6mA，綠色1正常二極管VD21N40041

微型繼電器6V，2A，一開一閉1表2-2-2元器件清單2.按照圖2-2-7中標定的電路元件規(guī)格型號進行圖紙和元件的熟悉和認知。3.根據(jù)電路原理圖對所用元器件在練習板上進行位置布局。4.使用電烙鐵焊接工藝完成溫度控制電路板的安裝。5.檢查無誤后進入通電調(diào)試過程。上電前可變電阻RP的可調(diào)端處于中間位置。（1）模擬常溫狀態(tài)一上電，由于RP的調(diào)節(jié)端處于中間，PTC處于常溫的300歐狀態(tài)，根據(jù)電路參數(shù)的分壓關(guān)系，使Ui處于低于2V的狀態(tài)，IC輸出端輸出高電平，繼電器KA不動作。此時表示電動機運行正常。Ui（V）2344以上KA動作情況

表2-2-3KA動作情況記錄（3）根據(jù)調(diào)試過程寫出電路調(diào)試結(jié)論。（2）模擬電動機過載狀態(tài)用電烙鐵靠近PTC熱敏電阻，將其逐漸加熱，模擬電動機過載發(fā)熱過程。根據(jù)控制要求，將其加熱至不敢碰的狀況，此時PTC立刻處于高阻抗狀態(tài)，之后稍微將電烙鐵離得稍遠，以保持其持續(xù)的高溫。加熱過程中注意觀察Ui的電壓變化，并觀察KA動作情況，將觀察結(jié)果填于表2-1-3中?！?—3

熱電偶傳感器1．掌握熱電偶傳感器的結(jié)構(gòu)、原理、特點及分類。2．熟悉熱電偶傳感器的基本參數(shù)。3．能根據(jù)實際應(yīng)用場合正確選用熱電偶傳感器。一、熱電偶傳感器的原理、特點及分類1.熱電偶傳感器的原理熱電偶傳感器是由A、B兩條不同性質(zhì)的金屬導體并聯(lián)成的一個閉合回路，如圖2-3-1所示。圖2-3-1熱電偶結(jié)構(gòu)示意圖

如果兩結(jié)合點處兩種金屬自由電子的密度不同，在連接點上會形成接觸電勢；兩種金屬兩個連接點溫度的不同，即,則在兩導體間產(chǎn)生溫差電動勢。兩種電勢共同作用在回路中有一定大小的電流，這種現(xiàn)象被稱為熱電效應(yīng)。在此閉合回路中的兩種導體叫做電極；兩個結(jié)合點分別被稱為工作端（熱端）和參比端（冷端）。由這樣一種結(jié)構(gòu)，并將溫度值轉(zhuǎn)換成熱電動勢的傳感器叫做熱電偶傳感器。2.熱電偶基本定律（1）如果熱電偶兩種電極材質(zhì)相同，則無論兩接點的溫度如何，總電動勢始終為零。（2）如果熱電偶兩接點溫度相同，盡管A、B材質(zhì)不同，回路中的總電動勢依然為零。（3）熱電偶產(chǎn)生的熱電動勢大小與材料和接點溫度有關(guān)，與其尺寸、形狀無關(guān)。（4）如果在熱電偶回路中插入中間導體，只要中間導體兩端的溫度相同則對熱電偶回路的總熱電勢無影響。如圖2-3-2所示。圖2-3-2熱電偶插入中間導體示意圖3.熱電偶類型和材料從理論上說，任何兩種不同材料的導體都可以組成熱電偶，但為了做到準確、可靠以及穩(wěn)定的測量溫度，對熱電偶材料必須進行一定的選擇，其原則為：（1）熱電勢變化盡量大；（2）熱電勢與溫度的關(guān)系盡量接近線性；（3）理化性能穩(wěn)定，易加工，有良好的互換性。根據(jù)以上原則，現(xiàn)在工業(yè)上常用的4種熱電偶材料及其分度號為：（1）（2）（3）（4）表2-3-1列出了工業(yè)上常用的四種熱電偶傳感器的主要性能和特點，寫在前面的熱電極是正極，寫在后面的是負極。表2-3-1二、熱電偶傳感器的結(jié)構(gòu)類別熱電偶按照使用的結(jié)構(gòu)形式可分為裝配式、鎧裝式和薄膜式三種形式。1.裝配式熱電偶傳感器裝配式熱電偶傳感器主要用于測量氣體、蒸汽和液體等流體介質(zhì)的溫度。這類熱電偶已經(jīng)做成標準形式，其中包括有棒形、角型、錐形等。從按照方式來分，有固定法蘭式、活動法蘭式、固定螺紋式、焊接固定式等幾種。圖2-3-3所示的是棒型、活動法蘭式的普通熱電偶的結(jié)構(gòu)示意圖。1-熱電偶工作端；2-絕緣套；3-下保護管；4-絕緣珠管；5-固定法蘭；6-上保護套管；7-接線盒底座；8-接線絕緣座；9-引出線套管；10-固定螺釘；11-接線盒外罩；12-接線柱圖2-3-3棒型、活動法蘭式的普通熱電偶的結(jié)構(gòu)示意圖2.鎧裝型熱電偶傳感器鎧裝型熱電偶傳感器又稱套管熱電偶。它是由熱電極、絕緣材料和金屬套管三者經(jīng)拉伸加工而成的堅實組合體，如圖2-3-4所示。圖2-3-4鎧裝熱電偶傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

把熱電極材料與高溫絕緣材料預制在金屬保護管中，運用同比例壓縮工藝，將三者合為一體，制成各種直徑、規(guī)格的鎧裝偶體，再截至適當長度將工作端焊接密封，配置接線盒即成為柔軟、細長的鎧裝熱電偶。其外徑可以小到1～3mm，熱電極直徑為0.2～0.8mm，使用中可以隨意彎曲。一般普通熱電偶連接點的結(jié)構(gòu)形式如圖2-3-5所示。圖2-3-5熱電偶連接點的結(jié)構(gòu)形式示意圖3.薄膜式熱電偶傳感器薄膜熱電偶溫度傳感器的工作核心是由2個熱電極薄膜相互搭接而成的熱結(jié)點，它是用真空蒸鍍的方法，把熱電極材料蒸鍍在絕緣基板上而制成的，其測量范圍為-200～300℃，時間常數(shù)在0～0.01S。測量端既小又薄，厚度僅為幾個微米左右，熱容量小，相應(yīng)速度快，便于敷貼。適用于測量微小面積上的瞬變溫度。圖2-3-6是薄膜熱電偶傳感器的實物圖片。圖2-3-6薄膜熱電偶傳感器的實物圖片三、熱電偶傳感器的溫度/熱電勢特性對于不同金屬組成的熱電偶，溫度與熱電勢之間有不同的函數(shù)關(guān)系，一般是通過實驗的方式進行確定。將不同溫度下測得的結(jié)果列成表稱為熱電偶的分度表。表2-3-1為K型熱電偶參比端為0℃時的分度表。表2-3-1K型熱電偶分度表

圖2-3-7為常用的四種熱電偶傳感器的熱電勢與溫度的關(guān)系曲線，從圖中可以看出，在0℃時，它們的熱電勢均為零。而且可以看出其中的S、B型的是非線性的且熱電勢也較低。圖2-3-7常用的四種熱電偶傳感器的熱電勢與溫度的關(guān)系曲線四、熱電偶的使用方法熱電偶的使用方式基本分為兩種，一種是用補償導線延長冷端與測量端的距離，提高測溫精度；第二種是使用安裝在測量現(xiàn)場的溫度變送器，可以將溫度變化變?yōu)殡S溫度變化成線性關(guān)系的模擬量輸出，一般為2～20mA，同時還可以在一定的溫度變化范圍內(nèi)完成冷端溫度補償。1.采用補償導線測量由熱電偶測溫原理可知，一只確定的熱電偶，其熱電勢的大小與兩端的溫度差有關(guān)，熱電偶的兩個端的溫差越大熱電勢也越大。當一端的溫度固定后，熱電勢的大小就只與另一端的溫度變化有關(guān)了。前者稱為參比端，后者稱為測量端。為了提高測量精度，參比端的溫度最好比較穩(wěn)定，因此，實際測量時，為了讓參比端免受被測端介質(zhì)溫度和周圍環(huán)境溫度影響，往往采用補償導線將參比端引到遠離高溫區(qū)的地方，當有確定的參比端溫度時，測量結(jié)果才是準確的，通常在測量分度表熱電勢參數(shù)時，參比端溫度選擇為0℃。對于測量實踐中不能使用恒定參比端的測量，也必須通過測量參比端的方式根據(jù)分度表進行推算，從而得到較為精確的測量結(jié)果。舉例：用鎳鉻-鎳硅K型傳感器測溫，測得參比端的溫度為40℃，實測熱電偶輸出的熱電勢為2.146mV，那么實際的溫度應(yīng)該按下面的方式進行折算：查K型熱電偶分度表得:則:

再查2-3-1分度表，可知實際溫度為90～100℃之間。如果有更細致的分度表，溫度值還可以再精確。工程中用的補償線是指在一定的溫度范圍內(nèi)（0～100℃），其熱電性能與相應(yīng)的熱電偶熱電性能相同的減價導線。它主要的功能是延長熱電偶的參比端，但沒有溫度補償作用。圖2-3-8為薄膜熱電偶補償導線示意圖。1-工作端；2-熱電極；3-絕緣基板；4-引腳接頭；5-引出線（與熱電偶相同材質(zhì)的導線）;6-補償導線（與熱電偶相同熱電性能的廉價導線）圖2-3-8薄膜熱電偶補償導線示意圖

接補償導線后的熱電偶回路可以看成僅由熱電極A、B組成的回路。使用補償導線應(yīng)該注意：（1）補償導線的選擇補償導線一定要根據(jù)所使用的熱電偶種類和所使用的場合進行正確選擇。例如,k型偶應(yīng)該選擇k型偶的補償導線,根據(jù)使用場合,選擇工作溫度范圍。（2）補償導線接點的連接與熱電偶接線端2個接點盡可能近一點,盡量保持2個接點溫度一致。與儀表接線端連接處盡可能溫度一致,儀表柜有風扇的地方,接點處要保護不要使得風扇直吹到接點。（3）補償導線的使用長度因為熱電偶的信號很低,為微伏級,如果使用的距離過長,信號的衰減和環(huán)境中強電的干擾偶合,足可以使熱電偶的信號失真,造成測量和控制溫度不準確,在控制中嚴重時會產(chǎn)生溫度波動。通常使用熱電偶補償導線的長度控制在15米內(nèi)比較好,如果超過15米,建議使用溫度變送器進行傳送信號。2.采用溫度變送器測量溫度變送器分為分體式和一體化式。分體式適合對普裝配式熱電偶配合使用，可分為嵌入式和標準導軌式；一體化式的把變送器和熱電偶傳感器做成一體結(jié)構(gòu)?？傊际前惭b在熱電偶的近旁，不用使用補償導線，而是采用現(xiàn)場的變送器中的補償電路進行溫度補償。熱電偶溫度變送器一般由基準源、冷端補償、放大單元、線性化處理、V/I轉(zhuǎn)換、斷偶處理、反接保護、限流保護等電路單元組成。它是將熱電偶產(chǎn)生的熱電勢經(jīng)冷端補償放大后，再由線性電路消除熱電勢與溫度的非線性誤差，最后放大轉(zhuǎn)換為4～20mA電流輸出信號。為防止熱電偶測量中由于電偶斷絲而使控溫失效造成事故，變送器中還設(shè)有斷電保護電路。當熱電偶斷絲或接解不良時，變送器會輸出最大值（28mA）以使儀表切斷電源。

變送器熱電偶參比端的測量現(xiàn)場的溫度補償電路是用來自動補償熱電偶測量值因參比端溫度變化而變化的一種裝置。溫度變送器安裝在現(xiàn)場，冷端的溫度隨環(huán)境的變化而變化。冷端不進行補償時，變送器的輸出將隨實際溫度變化而改變，會給運行人員帶來錯誤的判斷，所以要進行冷端補償。它實質(zhì)上就是能產(chǎn)生一個隨參比端溫度的變化而變化的直流信號毫伏發(fā)生器，把它串接在熱電偶測量線路中測溫時，就可以在一定溫度范圍內(nèi)使參考端溫度得到自動補償。目前溫度變送器種類很多，有的變送器還可以直接顯示溫度值；有的還可以進行溫度控制的設(shè)定并完成控制輸出。圖2-3-9為當前市場上的一體化變送器的實物圖片。圖2-3-9一體化變送器的實物圖片五、熱電偶傳感器的安裝

熱電偶傳感器一般用于測量流體溫度，一般安裝在管道內(nèi)或電加熱箱內(nèi)。對熱電偶的安裝，應(yīng)注意考慮測溫準確、抗干擾、固定牢固、安全、維修方便和不影響設(shè)備運行與操作等因素。1.安裝部位為了是熱電偶的測量端與被測介質(zhì)之間有充分的熱交換，應(yīng)合理選擇測量地點，盡量避免在閥門、彎頭及管道和設(shè)備死角附近裝設(shè)熱電偶。同時應(yīng)盡可能的避開強磁場和強電場環(huán)境。2.插入深度一般熱電偶測量端都有帶保護管的插入部分，為了減少測量誤差，熱電偶必須有足夠的插入深度。對于測量管道中流體的熱電偶，一般都應(yīng)當將其測量端插到管道的中心處，可分為垂直安裝與傾斜安裝。圖2-3-10為熱電偶不同安裝方式示意圖。如果是鎧裝式熱電偶，其總的彎曲后插入的探頭長度一般控制在探頭直徑的8～10倍。

圖2-3-10熱電偶不同安裝方式示意圖

對于高溫、高壓介質(zhì)，比如高壓水蒸氣，為了減少熱電偶保護管對氣流的阻力，防止保護管在氣流的作用下發(fā)生斷裂，可以適當淺插，一般不小于75mm。對于超大直徑的管道，比如煙道，最大插入長度一般不超過1m。3.如果被測介質(zhì)為流動時，熱電偶應(yīng)盡量采取與介質(zhì)流動方向逆向的方式安裝，以便熱電偶充分與介質(zhì)接觸。4.如果采用分體式溫度變送器，熱電偶輸出的毫伏信號線應(yīng)該使用屏蔽電纜傳輸。實訓2認知一體化熱電偶傳感器及其顯示儀表并接線實驗實訓目的1.掌握一體化熱電偶傳感器、變送器、顯示儀表的安裝與接線。2.能夠構(gòu)成一個熱電偶傳感器的測溫系統(tǒng)實訓內(nèi)容

完成一個由一體化熱K型電偶傳感器/變送器和顯示儀表的組成的測溫系統(tǒng)的安裝，并在組裝好的測溫系統(tǒng)上進行測溫實驗。實訓設(shè)備與工具1.裝配式熱電偶傳感器，K型，一只；2.MIK-ST500（或其他型號）嵌入式熱電偶溫度變送器一只；SYLED2型數(shù)顯表一只；3.直流24V穩(wěn)壓電源一臺；4.兩芯屏蔽電纜適量；5.1000℃紅外手持式非接觸測溫儀一臺；6.BVR1.5平方導線適量，要求顏色區(qū)別；7.遠紅外電加熱爐一臺，功率2KW；8.電工工具一套及緊固標準件和電工輔料適量。

元件說明：（1）熱電偶選擇普通裝配式熱電偶傳感器，K型。也可以選擇其它測量、變送一體的K型熱電偶傳感器總成。如圖2-3-11所示。

圖2-3-11裝配式熱電偶傳感器圖片（2）MIK-ST500為嵌入式帶微處理器的通用型溫度變送器，輸出為4-20mA標準信號。也可以選擇其它類似功能的變送器。如圖2-3-12所示?；拘阅軈?shù)：MIK-ST500作為新一代的溫度變送樞紐，具有很好的兼容性和精度，通過V6編程線連接電腦USB端口，可由電腦監(jiān)控數(shù)據(jù)并調(diào)整對接的傳感器類型和量程上下限，其所提供的全面單點測量解決方案，包括了PT100，CU50及各類熱電偶。MIK-ST500具有0.1級的精度和精巧的做工，內(nèi)部的電子器件全部灌裝而成；輸出調(diào)節(jié)由芯片而非電位器控制，在穩(wěn)定性上非常出色。是一種頂部安裝式智能溫度變送器，用于熱電阻（RTD)、熱電偶（TC)、電阻（Ω)、電壓（mV)信號輸入，二線制4-20MA模擬輸出，安裝于傳感器接線盒內(nèi)部。基本指標如下：·用于將各種輸入信號轉(zhuǎn)換為4-20MA輸出信號，可帶HART通訊·輸入：熱電阻（RTD)、熱電偶（TC)、電阻（Ω)、電壓（mv)·熱電阻輸入2種·熱電偶輸入8種·內(nèi)置冷端補償圖2-3-12MIK-ST500溫度變送器安裝示意圖（3）選擇的顯示儀表為SYLED2通用型，是一種低成本、小體積二線制無源智能回路4-20mA電流（LED）數(shù)顯表，采用無源設(shè)計的輸入串聯(lián)方式接入變送器4～20mA回路中，可將通過回路中的4～20mA模擬量，按設(shè)定范圍線性對應(yīng)地以十進制數(shù)字量顯示出來。SYLED2型數(shù)顯表測量回路中通過的電信號既做為顯示表的輸入信號，也是該顯示表的工作電源，這種兩線制無源型工作方式，無需其它輔助電源供電，所以使用時接線簡單方便，體積小、精度高、成本低。如圖2-3-13所示。圖2-3-13顯示儀表示意圖實訓步驟1.參考圖2-3-12及其要求及說明，完成熱電偶傳感器、變送器、顯示儀表的、激勵電源的電路連接。2.檢查無誤后接通穩(wěn)壓電源。由于變送器自帶調(diào)零電路，常溫下對于高溫熱電偶，儀表基本沒有輸出，顯示器顯示為零。3.接通紅外線電加熱器，開始對熱電偶的測量端進行加熱。隨著溫度的升高，觀察顯示儀表的數(shù)字變化，儀表顯示到500℃左右就可以停止加熱。4.一邊加熱，一邊記錄溫度值，并用手持式溫度測量儀對測量溫度進行校驗，正常情況下，兩個儀表的顯示溫度應(yīng)當基本一致。5.實驗完成后，斷電，冷卻，拆除連接導線，準備下一次實驗?！?—4

熱敏半導體傳感器1．掌握熱敏半導體傳感器的結(jié)構(gòu)、原理、特點及分類。2．能根據(jù)實際應(yīng)用場合正確選用熱敏半導體傳感器。一、導體傳感器的結(jié)構(gòu)、原理、特點熱敏半導體傳感器是利用PN結(jié)的結(jié)電阻的溫度特性制做的熱敏傳感器。1.熱敏半導體傳感器的結(jié)構(gòu)、原理N型半導體即以電子導電為主的半導體；P型半導體則是以空穴導電為主的半導體。緊密相連的P型半導體和N型半導體之間會形成一個空間電荷區(qū)稱PN結(jié)。PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?二極管就是利用PN結(jié)的這個特性做成的。PN結(jié)的結(jié)電阻結(jié)電容等參數(shù)都是隨溫度變化的，利用這種變化制作的度傳感器，即熱敏半導體傳感器。圖2-4-1為硅二極管正向電壓與溫度、正向電流的關(guān)系曲線。圖2-4-1硅二極管正向電壓與溫度、正向電流的關(guān)系曲線

從圖中可以看出，對一個PN結(jié)進行正向激勵的時候，其被激勵后導通的曲線，即PN結(jié)的正向曲線是非線性的。但當激勵電流不變，將環(huán)境溫度變化時，其PN結(jié)的電壓與溫度成負相關(guān)，且有良好的線性度，溫度系數(shù)約為-2mV/℃。2熱敏半導體傳感器的特點熱電偶雖然測量范圍寬，但其熱電勢較低；熱敏電阻的靈敏度高，有利于檢測微小溫度的變化。由于它們的輸出都是非線性的，給使用帶來一定的困難。熱敏半導體傳感器和它們相比，最大優(yōu)點是輸出特性呈線性，且測溫精度高。二、熱敏半導體傳感器的分類1.熱敏二極管最簡單的熱敏半導體傳感器。圖2-4-2為某型號熱敏二極管的特性曲線。從圖中可以看出，在恒流下，可以在-50～+150℃環(huán)境溫度范圍內(nèi)有很好的線性關(guān)系。其尺寸小，熱時間常數(shù)小，約0.2～2S，靈敏的高，約-2mV/℃,測量范圍為-50～+150℃。缺點是互換性差，通過PN結(jié)的電流不能過大，一般小于1mA。以為電流過大會引起PE結(jié)自身溫度的上升而影響測量精度。比如，我們可以用開關(guān)二極管1N4148的PN結(jié)作為熱敏二極管溫度傳感器。

圖2-4-2某型號溫敏二極管的特性曲線

熱敏二極管的結(jié)構(gòu)簡單，電路構(gòu)成方便，可以在一定的溫度范圍內(nèi)有很好的線性度。但其互換性較差，使用中需要篩選。

2.熱敏三極管熱敏三極管的原理也是利用晶體管的PN結(jié)，只不過使用了三端原件構(gòu)成，通過檢測PN結(jié)的電壓隨溫度變化的特性反應(yīng)溫度的變化。但晶體三極管比二極管表現(xiàn)出更好的線性度和互換性。MTS102為較為典型的半導體熱敏三極管，其封裝為一般三極管的T0-90的封裝形式，使用方便，使用時將其基極和集電極連接在一起作為溫度傳感器的一個引腳。圖2-4-3為MTS102型熱敏三極管傳感器的封裝形式和組成原理。圖2-4-3MTS102型熱敏三極管傳感器的封裝形式和組成原理

MTS102型熱敏三極管的工作范圍在-40～+150℃，在此范圍內(nèi)，其測量精度可以達到±2℃，它的溫度與電壓之間的關(guān)系曲線如圖2-3-4所示。其靈敏度約為-2.2mV/℃。圖2-4-4MTS102溫度與電壓之間的關(guān)系曲線3.半導體集成溫度傳感器半導體集成溫度傳感器是一種將測溫驅(qū)動電路、信號處理電路以及必要的邏輯控制電路集成在單片IC上，最大的優(yōu)點是直接可以給出正比于絕對溫度的理想線性輸出。還具有實際尺寸小、使用方便、成本低廉等優(yōu)點。集成溫度傳感器的檢測原理同樣也是PN結(jié)正向電壓和溫度的關(guān)系。按照輸出信號的形式，集成溫度傳感器可分為電流、電壓和數(shù)字三類。其中數(shù)字型的，可以分為邏輯輸出型和數(shù)據(jù)通信輸出型。電流型具有輸出阻抗高的特點，可以進行數(shù)百米遠的精密溫度測量，同時也不必考慮信號的損失和噪聲干擾問題；電壓輸出型直接輸出電壓信號且輸出阻抗低，容易讀識和連接后續(xù)控制電路。數(shù)字型的優(yōu)點是抗干擾能力強，可直接連接單片機組成檢測控制系統(tǒng)。圖2-4-5為半導體集成溫度傳感器測溫核心電路示意圖。圖2-4-5半導體集成溫度傳感器測溫核心電路示意圖

如圖所示，V1、V2為一對“鏡像晶體管”它們的，并與V3、V4的集電極電流相同。V3、V4為溫度測量晶體管，但V3、V4的集電極面積不同，則感溫后產(chǎn)生的也不相同，因此產(chǎn)生。如果隨溫度變化是線性的，那么由于電阻是線性的，所以，在電阻上輸出的溫度感知電壓也是線性的。利用后續(xù)的放大電路把R上的進行放大、處理就可以得到與溫度變化成正比關(guān)系的電壓及電流信號，或者數(shù)字輸出信號。集成溫度傳感器的溫度測量范圍通常為-50～150℃之間。其缺點是測量精度較低。三、熱敏半導體傳感器的選用從熱敏二極管、熱敏三極管一直到半導體集成溫度傳感器，都是利用半導體元件的PN結(jié)在恒流驅(qū)動下，其結(jié)電壓隨溫度改變成線性負相關(guān)改變的特性原理制造的。因此，它們沒有本質(zhì)的區(qū)別，有的就是指標和特點的不同，實踐中可以根據(jù)不同的溫度控制要求做出恰當?shù)倪x擇。熱敏二極管最為簡單，用一般開關(guān)二極管就可以構(gòu)成溫度控制電路，但互換性差，需要進行篩選；熱敏三極管是專為溫度控制而設(shè)計制作的，因此一致性很好，使用方便，構(gòu)成電路也較為簡單；半導體集成溫度傳感器一般適用于較高要求的溫度控制，其中模擬輸出形式的集成溫度控制傳感器使用的并不多，因為后續(xù)電路結(jié)構(gòu)相對復雜，控制上沒用優(yōu)勢。邏輯輸出型的使用最為方便，可以完成一般斷續(xù)控制要求的溫度控制，比如，像定速空調(diào)的控制。其中的數(shù)據(jù)輸出型的集成溫度傳感器其后續(xù)電路一般是微處理器，可以適應(yīng)高要求的溫度過程控制的要求，比如，像變頻空調(diào)的控制。

實訓3繪制加熱狀態(tài)下的熱敏半導體傳感器的電壓/溫度特性曲線實訓目的通過測試熱敏三極管傳感器在恒電流驅(qū)動下其電壓/溫度曲線，了解熱敏半導體PN結(jié)的溫度特性。實訓內(nèi)容一、實驗電路構(gòu)成圖2-4-6為本次實驗電路原理圖。圖2-4-6本次實驗電路原理圖二、電路參數(shù)計算1.本實驗的熱敏三極管就選用普通的NPN小功率三極管9013。2.根據(jù)電路要求，求出RP值：由于電流很小，則三極管處于欠導通狀，所以，其忽略不計時有：

（式2-4-1）根據(jù)計算結(jié)果，選擇56K，1W電位器。實訓步驟一、電路的連接與通電實驗1.用實驗板將選擇完成的電路元件根據(jù)原理圖要求進行電路聯(lián)接2.先測常溫下的并做記錄3.用電烙鐵對三極管的管殼逐漸進行加熱，觀察的變化，并記錄變化值。分階段逐漸加熱，可以加熱到160℃。加熱時使用手持式紅外線溫度儀進行溫度值的確定。4.事先準備好冰塊，對三極管個管殼進行逐漸冷凍，測量低溫時的電壓值。然后，將測量值在圖2-4-7中繪出特性曲線。實訓設(shè)備與工具

萬用表（1塊），50W內(nèi)熱式電烙鐵（1把），烙鐵架（1個），松香焊錫絲及小塊松香適量，蘸濕的棉質(zhì)擦布（1塊），焊接練習用電工工具，焊接練習用萬用敷銅板（1塊），手持式紅外線溫度測量儀（1只），開關(guān)式穩(wěn)壓電源+5V輸出（1只）（或場地的穩(wěn)壓電源），照明良好的焊接練習實驗臺。圖2-4-7PN結(jié)的電壓/溫度曲線§3—1濕度的概念學習目標1.掌握絕對濕度與相對濕度的概念2.了解結(jié)露現(xiàn)象和露點相關(guān)知識一、絕對濕度大氣的水汽含量通常用大氣中的水汽密度來表示，即每立方米大氣中所含水汽的克數(shù),其表達式為式中——待測大氣中的水汽質(zhì)量（ɡ）；V——待測氣體的總體積（）。

飽和狀態(tài)：在某一壓力、溫度下，大氣中的水汽含量的最大值。

直接測量大氣中的水汽含量是非常困難的，而且許多與大氣濕度相關(guān)的現(xiàn)象，如有機物的發(fā)霉、人的干濕感覺等都與大氣的絕對濕度沒有很大關(guān)系。二、相對濕度（RH）空氣的絕對濕度與同溫度和氣壓下的飽和狀態(tài)空氣絕對濕度的比值的百分數(shù)。這是一個無量綱量，常用百分數(shù)表示，其表達式為式中——某溫度下待測氣體的水汽分壓；——與待測氣體溫度相同時水的飽和水汽壓。相對濕度可以準確說明空氣干、濕程度。例：在20℃、一個大氣壓下，1m3的大氣中飽和狀態(tài)時存在17ɡ的水汽，則絕對濕度17ɡ/m3，相對濕度為100%RH；相同條件下，如果絕對濕度為8.5ɡ/m3，則相對濕度為50%RH，此時，若溫度降至10℃以下時，相對濕度又可能接近100%RH。三、露點在一定的大氣壓下，降低溫度可以使原先未飽和的水汽變成飽和水汽，從氣態(tài)變成液態(tài)而凝結(jié)成露珠，這種現(xiàn)象稱為結(jié)露，此時的溫度稱為露點。危害：結(jié)露會嚴重影響電子儀器的正常工作，甚至還會造成漏電、擊穿和短路現(xiàn)象，必須提高重視?！?—2濕敏電阻傳感器1．掌握濕敏電阻的結(jié)構(gòu)、原理、特點及分類。2．熟悉濕敏電阻傳感器的基本參數(shù)。3．能根據(jù)實際應(yīng)用場合正確選用濕敏電阻。學習目標一、濕敏電阻的結(jié)構(gòu)、原理及特點1.濕敏電阻的結(jié)構(gòu)和原理以絕緣材料為基片，通過蒸發(fā)、涂覆等工藝將金屬、半導體、高分子薄膜或粉末狀顆粒制成薄膜作為吸濕性物質(zhì)，當空氣中的水蒸氣吸附在感濕層上后，兩電極間的電阻值發(fā)生變化，這樣直接將相對濕度的變化變換成電阻值的變化。濕敏電阻結(jié)構(gòu)示意圖封裝后的外形2.濕敏電阻的特點（1）濕敏電阻靈敏度高，對溫度的依存性小。（2）工作范圍寬，測量精度較高。（3）濕滯回差小，重現(xiàn)性好。（4）濕敏元件的線性度及抗污染性較差。二、濕敏電阻的基本參數(shù)濕度量程濕度測量的全量程為0％～100％RH，但對一種具體的傳感器一般是無法覆蓋全量程的，如木材干燥可測濕度量程為0%-40%，空調(diào)可測濕度量程為30%-70%。濕度靈敏度濕度傳感器的靈敏度即其感濕特性曲線的斜率。濕滯特性一個濕度傳感器在吸濕和脫濕兩種情況下的感濕特性曲線不相重復，一般可形成為一回線。響應(yīng)時間表示當環(huán)境濕度發(fā)生變化時，傳感器完成吸濕或脫濕以及動態(tài)平衡過程所需時間的特性參數(shù)。三、濕敏電阻的分類1.電解質(zhì)式濕敏電阻又稱氯化鋰濕敏電阻，是利用吸濕性鹽類潮解離子導電率發(fā)生變化而制成的測濕元件。

優(yōu)點：滯后小，不受測試環(huán)境風速影響，檢測精度達±5%；

缺點：耐熱性差，不能用于露點以下測量，器件性能的重復性不理想，使用壽命短。

將它放在被測氣體中，當氣體的濕度增大時，則氯化鋰吸水量增加，導電性增強，電阻降低，反之，電阻增加。2.陶瓷式濕敏電阻用兩種以上的金屬氧化物半導體材料混合燒結(jié)而成為多孔陶瓷，這些材料有ZnO-LiO2-V2O5系、Si-Na2O-V2O5系、TiO2-MgO-Cr2O3系和Fe3O4等，前三種材料的電阻率隨濕度增加而下降，故稱為負特性濕敏半導體陶瓷，最后一種材料的電阻率隨濕度增加而增大，稱為正特性濕敏半導體陶瓷。Fe3O4半導體陶瓷正濕敏特性3.高分子式濕敏電阻使用高分子固體電解質(zhì)材料作為感濕膜，由于膜中存在可動離干而產(chǎn)生導電性。濕度增大時，其電離作用增強，便可使動離子的濃度增大，電極間的阻值減?。粷穸葴p小時，電離作用也相應(yīng)減弱，可動離子的濃度也減小，電極間的電阻值增大。四、濕敏電阻的使用注意事項1.供電電壓要符合要求濕敏傳感器應(yīng)使用交流電源供電，也采用方波代替正弦波。2.低濕度時阻抗處理低濕度時，須選用場效應(yīng)管輸入型運算放大器，同時在傳感器信號輸入端周圍制作電路保護環(huán)或者用聚四氟乙烯支架來固定輸入端。3.溫度補償陶瓷式濕敏電阻的溫度每升高1℃，電阻下降引起的誤差約為1%RH。實際應(yīng)用中，通常使用負溫度系數(shù)的熱敏電阻作為溫度補償元件。4.傳感器引線安裝在空氣流動的環(huán)境中，使其響應(yīng)速度較快。5.燒結(jié)型濕敏電阻的加熱處理當加熱到400℃以上時，可使污物揮發(fā)或燒掉，陶瓷恢復到初始狀態(tài)，所以必須定期給加熱絲通電。五、濕敏電阻傳感器的應(yīng)用舉例1.電橋測濕電路振蕩器對電路提供交流電源。電橋的一臂為濕度電阻傳感器，由于濕度變化使?jié)穸葌鞲衅鞯淖柚蛋l(fā)生變化，于是電橋失去平衡，產(chǎn)生信號輸出，放大器把不平衡信號加以放大，整流器將交流信號變成直流信號，由直流毫安表顯示。振蕩器和放大器都由9V直流電源供給。電橋法適合于氯化鋰濕度傳感器。2.歐姆定律電路陶瓷式濕敏電阻可以承受較大電流,因此歐姆定律電路選擇陶瓷式濕敏電阻傳感器。由于測濕電路可以獲得較強信號，故可以省去電橋和放大器，可以用市電作為電源，只要用降壓變壓器即可?！?—1濕度的概念§3—3濕敏電容傳感器學習目標1．掌握濕敏電容的結(jié)構(gòu)、原理、特點及分類。2．熟悉濕敏電容傳感器的基本參數(shù)。3．能根據(jù)實際應(yīng)用場合正確選用濕敏電阻。一、濕敏電容的結(jié)構(gòu)、原理及特點由物理學可知，由平行板組成的平行板電容器，如果忽略邊緣效應(yīng)，其電容量為式中A——兩極板相互對應(yīng)的面積（㎡）；d——兩極板的距離（m）；——兩極板間介質(zhì)的介電常數(shù)；——真空的介電常數(shù)，=8.85×10-12F/m；——兩極板間介質(zhì)的相對介電常數(shù)。由上式可知，在A、d、三個參量中，改變其中任意一個量，均可使電容量C改變。因此，當相對濕度增大時，濕敏電容中的吸濕性介質(zhì)吸收空氣中的水蒸氣，使兩塊電極之間的介質(zhì)相對介質(zhì)常數(shù)大為增加，電容量增大。優(yōu)點：靈敏度高，產(chǎn)品互換性好，響應(yīng)速度快，濕度的滯后量小，便于制造，容易實現(xiàn)小型化和集成化。缺點：精度一般比濕敏電阻低一些，不宜用于含有機溶媒氣體的環(huán)境中。以Humirel公司生產(chǎn)的HS1100型濕敏電阻為例，其測量范圍為（1~99）%RH，在55%RH時的電容量為180pF（典型值）。當相對濕度從0變化到100%時，電容量的變化范圍為163~202pF。溫度系數(shù)為0.04pF/℃，濕度滯后量為±1.5%，響應(yīng)時間為5s。二、濕敏電容的分類及應(yīng)用場合根據(jù)吸濕性介質(zhì)的不同，成品濕敏電容分為兩種：一種是多孔性氧化鋁濕敏電容，另一種是高分子稀釋膜濕敏電容。1.多孔性氧化鋁濕敏電容由于多孔性氧化鋁可以吸附及釋放水分子，所以其電容量將隨空氣相對濕度變大而變大，與此同時，其漏電電阻隨濕度的增大而降低，形成介質(zhì)損耗很大的電容器。多孔性MOS濕敏電容結(jié)構(gòu)示意圖1-鋁電極

2-單晶硅基底

3-絕緣膜

4-多孔Au電極

5-稀釋層

6-引線優(yōu)點：具有良好的低濕度感濕特性、獨特的形成機制和感濕機理，在工業(yè)中應(yīng)用比較廣泛；缺點：在塵埃環(huán)境下，細孔容易被封堵導致元件失效，一般采用通電除塵的方法處理，但效果不夠理想，且在易燃易爆環(huán)境下不能使用，且感濕材料具有表面結(jié)構(gòu)天然老化的缺點，阻抗不穩(wěn)定。2.高分子吸濕膜濕敏電容高分子吸濕膜濕敏電容傳感器在基片上具有一層梳狀金電極作為下電極，在上面涂有高分子感濕膜，在感濕膜的上方又鍍有一層透水性好的金屬膜作為上電極。高分子電容傳感器就是通過感濕膜在環(huán)境中吸附水分子時，介電常數(shù)發(fā)生改變，實現(xiàn)測量相對濕度的目的，其電容的變化量與相對濕度成正比。常用高分子材料有聚苯乙烯、聚酰亞安、醋酸纖維等。高分子吸濕膜濕敏電容傳感器線性度好、精度高、體積小，相應(yīng)時間快，適合要求較高的場合，如氣象、航空航天、國防工程、醫(yī)療衛(wèi)生等各個領(lǐng)域的濕度測量和控制?！?—1

應(yīng)變電阻傳感器學習目標1.掌握電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)、原理、特點及分類。2.熟悉電阻應(yīng)變片的基本參數(shù)。3.熟悉應(yīng)變電阻傳感器轉(zhuǎn)換電路。4.能根據(jù)實際應(yīng)用場合正確選用電阻應(yīng)變片。相關(guān)知識一、電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)、原理、特點及分類1.電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)和原理電阻應(yīng)變片的工作原理是利用導體或半導體材料的電阻應(yīng)變效應(yīng)，即導體或半導體材料在外力作用下，會產(chǎn)生機械變形，其電阻值也將隨著發(fā)生變化的現(xiàn)象。實驗表明，在金屬絲的彈性變形范圍內(nèi)，當金屬絲受外力作用時，其長度和截面積都會發(fā)生變化，當金屬絲受外力作用而伸長時，其長度增加，而截面積減少，電阻值便會增大。當金屬絲受外力作用而壓縮時，長度減小而截面增加，電阻值則會減小。應(yīng)變片利用應(yīng)變效應(yīng)，通過測量電阻的變化而對應(yīng)變進行測量。金屬應(yīng)變片的電阻變化率與軸向應(yīng)變成正比例關(guān)系。-----金屬絲軸向應(yīng)變電阻絲應(yīng)變片結(jié)構(gòu)示意圖1-電阻絲2-基底3-覆蓋層4-引出線2.電阻應(yīng)變片的特點和分類應(yīng)變片分為金屬應(yīng)變片及半導體應(yīng)變片兩大類。金屬應(yīng)變片又按敏感柵的形式分成絲式、箔式和薄膜式三種。半導體應(yīng)變片使用最多的材料是是單晶硅半導體。半導體應(yīng)變片具有靈敏度高、動態(tài)響應(yīng)好、準確度高、易于微型化和集成化等特點。名稱特點絲式制造簡單、價格便宜、性能穩(wěn)定、易于粘貼等優(yōu)點，但蠕變較大，金屬絲易脫膠，逐漸被箔式所取代，多用于大批量、一次性試驗箔式表面積與截面積之比大，散熱條件好，允許通過較大電流，從而增大輸出信號，提高靈敏度；可根據(jù)測量需要制成任意形狀，在制造工藝上能保證敏感柵尺寸準確線條均勻；具有較好的可撓性，有利于粘貼及應(yīng)變的傳遞；易加工，適于批量生產(chǎn)薄膜式應(yīng)變靈敏系數(shù)大，允許電流密度大，工作范圍廣，易實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，但難以控制電阻與溫度和時間的變化關(guān)系，是一種很有前途的新型應(yīng)變片二、電阻應(yīng)變片的基本參數(shù)1.幾何尺寸與電阻值R0應(yīng)變片的規(guī)格以使用面積和電阻值表示，如（3×10）mm2，120Ω。2.應(yīng)變片的靈敏系數(shù)K3.應(yīng)變片允許工作電流4.應(yīng)變極限5.橫向效應(yīng)三、電阻應(yīng)變片的選用1.電阻應(yīng)變片的選擇（1）應(yīng)變片結(jié)構(gòu)形式的選擇選擇應(yīng)變片的形式是根據(jù)應(yīng)變測量的目的、被測試件的材料及其應(yīng)力狀態(tài)以及測量精度。

（2）應(yīng)變片使用溫度的選擇根據(jù)使用溫度選用符合要求的敏感柵和基底材料的應(yīng)變片。

（3）電阻值的選擇依據(jù)測量電路或儀器選定應(yīng)變片的標稱阻值。

（4）應(yīng)變片尺寸的選擇選擇應(yīng)變片尺寸時應(yīng)考慮應(yīng)力分布、動靜態(tài)測量、彈性體應(yīng)變區(qū)大小等因素。

2.電阻應(yīng)變片的應(yīng)用舉例當殼體與被測物體一起做加速度運動時，由于質(zhì)量塊的慣性使懸臂梁發(fā)生彎曲變形，粘貼在懸臂梁上的應(yīng)變片隨之發(fā)生形變，其阻值發(fā)生相應(yīng)變化，通過測量其阻值變化可求出待測物體的加速度。應(yīng)變式加速度傳感器的外形和結(jié)構(gòu)示意圖

ａ)外形ｂ)結(jié)構(gòu)示意圖

１—質(zhì)量塊２—彈性懸臂梁３—應(yīng)變片４—機座外殼

四、轉(zhuǎn)換電路應(yīng)變電阻傳感器主要由電阻應(yīng)變片和測量轉(zhuǎn)換電路等組成。用電阻應(yīng)變片測試應(yīng)變時，將應(yīng)變片粘貼在試件表面。當試件受力變形后，應(yīng)變片電阻值發(fā)生變化。但應(yīng)變片阻值變化較小，為了方便顯示或記錄，還要把電阻的變化轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化，通常采用電橋電路測量微小阻值變化。

（a）四臂直流電橋電路(b)單臂半橋電橋電路

(c)雙臂半橋電橋電路(d)四臂全橋電橋電路當四個橋臂的初始電阻滿足時，橋路輸出電壓為零，即橋路平衡。當應(yīng)變電阻阻值發(fā)生變化時，電橋的輸出電壓三種工作方式中，四臂全橋電橋電路靈敏度最高，雙臂半橋次之，單臂半橋靈敏度最低。雙臂半橋或全橋的另一好處是可以將應(yīng)變片的溫度誤差和非線性誤差相互抵消，提高測量精度。§4—2

壓電式傳感器學習目標1.掌握壓電式傳感器的結(jié)構(gòu)、原理、分類和特點。2.熟悉壓電元件的基本參數(shù)。3.掌握壓電元件的等效電路和壓電式傳感器的測量轉(zhuǎn)換電路。4.能根據(jù)實際應(yīng)用場合正確選用壓電式傳感器。相關(guān)知識一、壓電式傳感器的結(jié)構(gòu)、原理、特點及分類1.壓電式傳感器的結(jié)構(gòu)和原理壓電式傳感器是一種雙向有源傳感器。它的工作原理是基于壓電材料的壓電效應(yīng)。某些電介質(zhì)，在沿一定方向上受到外力的作用而變形時，其內(nèi)部會產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在其兩個表面上生成符號相反的電荷，當外力去掉后，又會恢復到不帶電狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。壓電效應(yīng)屬于將機械能轉(zhuǎn)化為電能的一種效應(yīng)。反之，在電介質(zhì)的極化方向上施加電場，這些電介質(zhì)也會發(fā)生變形，電場去掉后，電介質(zhì)的變形隨之消失，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)，或叫做電致伸縮效應(yīng)。它屬于將電能轉(zhuǎn)化為機械能的一種效應(yīng)。壓電式傳感器是以具有壓電效應(yīng)的壓電元件為核心組成的傳感器。當外力作用到壓電元件表面時會產(chǎn)生電荷，從而實現(xiàn)非電物理量到電量轉(zhuǎn)換。常見的壓電式傳感器2.壓電材料特點和分類用于制作壓電元件的壓電材料一般分為三大類：一是壓電晶體（單晶），它包括石英晶體和其他壓電單晶；二是壓電陶瓷；三是新型壓電材料，其中有壓電半導體和有機高分子壓電材料兩種。石英晶體薄片壓電陶瓷二、壓電材料的主要特性參數(shù)1.壓電常數(shù)壓電常數(shù)是衡量材料壓電效應(yīng)強弱的參數(shù)，它直接關(guān)系到壓電元件輸出的靈敏度。2.彈性常數(shù)壓電材料的彈性常數(shù)、剛度決定著壓電元件的固有頻率和動態(tài)特性。3.介電常數(shù)對于一定形狀、尺寸的壓電元件，其固有電容與介電常數(shù)有關(guān)；而固有電容又影響著壓電傳感器的頻率下限。4.機械耦合系數(shù)在壓電效應(yīng)中，其值等于轉(zhuǎn)換輸出能量（如電能）與輸入的能量（如機械能）之比的平方根，它是衡量壓電材料機電能量轉(zhuǎn)換效率的一個重要參數(shù)。5.壓電材料的絕緣電阻絕緣電阻大時將減少電荷泄漏，從而改善壓電傳感器的低頻特性。6.居里點壓電材料開始喪失壓電特性的溫度稱為居里點。三、壓電元件的等效電路壓電元件等效為一個電荷源與一個電容相并聯(lián)的等效電路，也可以等效為一個電容與一個電壓源串聯(lián)的形式。

只有在外電路負載為無窮大，且內(nèi)部無漏電時，電荷源才能保持長期不變，如果負載不是無窮大，則電路就會按指數(shù)規(guī)律放電，而只有外力以較高頻率不斷地作用，傳感器的電荷才能得以補充，因此壓電傳感器不適宜靜態(tài)測量，只適用于動態(tài)測量。壓電陶瓷多制成片狀，稱為壓電片。壓電片通常兩片或兩片以上粘結(jié)在一起使用，有串聯(lián)和并聯(lián)兩種接法。串聯(lián)常用于以電壓為輸出的場合：并聯(lián)常用于以電荷為輸出的場合：四、壓電傳感器的測量轉(zhuǎn)換電路壓電傳感器的輸出電壓非常小，一般需要將電信號放大才能測量。根據(jù)壓電元件的兩種等效電路，與壓電元件配套的測量轉(zhuǎn)換電路的前置放大器也有兩種形式：一種是電壓前置放大器，其輸出電壓與輸入電壓(壓電元件的輸出電壓)成正比；另一種是電荷放大器，其輸出電壓

與輸入電荷成正比。

目前多采用性能穩(wěn)定的電荷放大器五、壓電傳感器的應(yīng)用壓電式傳感器是一種會發(fā)電的傳感器，具有體積小、質(zhì)量輕、工作頻帶寬、靈敏度及測量精度高等特點，又由于其內(nèi)部沒有運動部件。因此，其結(jié)構(gòu)堅固，可靠性和穩(wěn)定性高，是工業(yè)實踐中