自动检测技术

1. 自动检测技术 山东大学控制学院 李现明 电子邮箱：mingli@sdu.edu.cn 电话：95803，13075373795 QQ：823194248（网名：传感天下）

2. 简要回顾 • 第一章 自动检测技术的基本概念 • 第二章 电阻式传感器 • 第三章 电感式传感器 • 第四章 电容式传感器 • 上述传感器合称基础传感器，其共同特点是将被测量的变化转换为阻抗参数的变化。

3. 第五章 电动势式传感器及其信号调理 • 电动势式传感器也被称为有源传感器，还被称为发电型传感器 • 它们能够将被测量转换为电势信号输出，电势信号直接来源于传感机理而非外部电源。

4. 本章概要 • 5.1 热电偶传感器 • 5.2 霍尔传感器 • 5.3 压电式传感器 • 5.4 光电式传感器

5. 5.1 热电偶(thermocouple) 为什么要把热电偶排在本章首位？ （1）温度传感器是最主要的一大类传感器，约占传感器数量的50%。 （2）热电偶是最重要的一类温度传感器。

6. 为什么热电偶是最重要的温度传感器 • 1、与热电阻相比，热电偶测温范围广：下限可达-270C ，上限可达1800C以上； • 2、国际计量委员会已制定8种标准化的热电偶分度表： • B:铂铑30—铂铑6、R:铂铑13—铂、S:铂铑10—铂 • K:镍铬—镍硅、 N:镍铬硅—镍硅 • E:镍铬—铜镍、 J:铁—铜镍、T:铜—铜镍 • 3、标准化有力的促进了热电偶在全球的广泛推广。

7. 铠装型热电偶可 长达上百米 初识热电偶——热电偶外形及偶丝

8. 高温气氛保护加热炉

9. 热处理生产线及其控制设备

10. 炼钢炉及其控制室

11. 炼油设备及其控制室

12. 水泥生产主要设备及其控制室

13. 本节提要： 5.1.1 热电偶的工作原理 5.1.2 热电偶的基本定律 5.1.3 热电偶的冷端补偿 5.1.4 标准化热电偶 5.1.5 热电偶的结构形式

14. 5.1.1 热电偶的工作原理 热电效应(thermoelectric effect)——两种导体(或半导体)A和B的两端分别焊接或绞接在一起，形成一个闭合的回路。若两个接点处于不同的温度，回路中就会产生电动势(称为热电势)、形成电流。

15. 当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。 热电极B 热电势 热电极A 右端称为：自由端（参考端、冷端） 左端称为：测量端（工作端、热端） A B

16. 1 热电效应的形成机理——温差电势和接触电势 （1）温差电势： • 一根匀质的金属导体，如果其两端的温度不同，则其两端电子动能不同，高温端自由电子向低温端扩散，在其内部产生电动势，称为温差电势。 • 当导体A两端的温度分别为T、T0时，设其汤姆逊系数为σA，温差电势可由下式表示 同理，导体B的温差电势为

17. 对上式的说明： ①温差电势仅与材料和两端点温度有关：在材料确定的前提下，汤姆逊系数为温度T的函数。从理论上讲，作为被积函数的汤姆逊系数总存在一个原函数，温差电势为此原函数在（T0，T）的增量，因此只与两端点温度值有关，而与中间温度分布无关。 ②温差电势的数量级：以铜为例，0℃时汤姆逊系数为2μV/ ℃。温差电势在热电势中所占比例很低，几乎可以忽略不计。

18. （2）接触电势：两根不同的金属导体，因其自由电子的密度不同，则在其交界面处会发生扩散现象，产生电动势。这种电动势形成内电场，试图阻止继续扩散，在一定温度下达到动态平衡，形成接触电势。（2）接触电势：两根不同的金属导体，因其自由电子的密度不同，则在其交界面处会发生扩散现象，产生电动势。这种电动势形成内电场，试图阻止继续扩散，在一定温度下达到动态平衡，形成接触电势。 T——接触处的绝对温度； k——玻耳兹曼常数，1.38×10-23J/K； e——电子电荷量，1.6×10-19库仑； NA,NB——导体A、B的自由电子密度，是温度的函数。

19. 上式右边第一、二项称为接触电势，第三项称为温差电势，接触电势远大于温差电势。 2 热电偶回路的热电势 • 等于整个回路中各接触电势与各温差电势的代数和。

20. 几点推论 • 1） 如果A和B两导体的材料相同，即使两端温度不同，总热电势为零。 换言之，因此热电偶必须用两种不同成分的材料做热电极。这是热电偶中“偶”字的由来。英文为“thermocouple”。 • 2） 如果热电偶的两端温度相同，即使其材料不同，总的热电势为零。 • 3） 热电势的大小仅与热电极材料的性质、两个接点的温度有关，与热电偶的尺寸及形状无关。 换言之，同样材料的热电极，其温度与电势的关系相同，热电极材料相同的热电偶可以互换。

21. 结论： • 热电动势的大小只与材料和接点温度有关，与热电偶的尺寸、形状及沿电极温度分布无关。如果冷端温度固定，则热电偶的热电势就是被测温度的单值函数： EAB(T ,T0 )=f (T )，（T0恒定） • 这就是热电偶测温的基本依据

22. 热电效应的发现，属于基础研究。还要展开应用基础研究才有可能将其用于测量。例如：热电效应的发现，属于基础研究。还要展开应用基础研究才有可能将其用于测量。例如： • ①热电动势为闭合热电回路中的电动势，如何将其提取出来？ • ②在其中一端温度固定的前提下，热电偶的热电势才是被测温度的单值函数。然而，温度固定的前提在工程实际中很难保证，如何解决？ • ③热电动势与温度之间到底是怎样的函数关系？如何获取？ • 下述的热电偶三定律就属于应用基础研究范畴。 • 至于再后来，各种热电偶产品的设计、标准化工作，则属于技术开发、产业化的范畴。

23. 技术开发、产业化工作：例如 • ①如何优选材料，形成产品化的热电偶温度传感器？ • ②如何进行热电偶温度传感器产品的标准化工作? • ③如何进行各种热电偶温度传感器产品的结构、工艺设计，以适应不同的应用要求？ • ④如何保证批量生产前提下，热电偶温度传感器产品的质量稳定性？ • 这都是我们下面将要进一步讲解的内容。请同学们带着问题去预习。

24. 上述现象由T.J.塞贝克（T.J.Seebeck）在1821年发现，因此又称塞贝克效应。上述现象由T.J.塞贝克（T.J.Seebeck）在1821年发现，因此又称塞贝克效应。

25. 1821年，西方早已进入近代实验科学阶段，经典力学、微积分等已经发展成熟。1821年，西方早已进入近代实验科学阶段，经典力学、微积分等已经发展成熟。 • 1821年，是中国大清道光元年，此时绝大部分中国知识分子仍然在科举道路上拼搏，“学而优则仕” ，在近代科学的发展上，贡献甚微。这也是近代中国走下坡路的原因之一。 • 不到20年，鸦片战争爆发，“落后就要挨打”。 • 思考李约瑟难题，仍有现实意义！

26. 5.1.2 热电偶的基本定律 1 中间导体定律 • 在热电偶测温过程中，需要用连接导线将热电偶与测量仪表接通，这相当于在热电偶回路中接入第三种导体C。 • 只要第三种导体两端温度相等．则对热电偶回路总的热电势没有影响。 图5-3 热电偶回路接入第三导体

28. 中间导体定律的实际意义：使热电回路内热电势的引出、测量成为可能。中间导体定律的实际意义：使热电回路内热电势的引出、测量成为可能。 • 对比：人脑内部的生物电信号

29. 2 中间温度定律 • 热电偶回路中，热端温度为T，冷端为T0时的热电势，等于此热电偶热端为T，冷端为Tn时，及同一热电偶热端为Tn，冷端为T0时热电势的代数和。

30. 中间温度定律为标准化热电偶分度表的制定和冷端温度补偿提供了理论依据。中间温度定律为标准化热电偶分度表的制定和冷端温度补偿提供了理论依据。

31. 图5-5 标准电极定律示意图 3 标准电极定律 • 由3种材料成分不同的热电极A、B、C分别组成3对热电偶 ，在相同结点温度 (T，T0)下，如果热电极A和B分别与热电极C (称为标准电极)组成的热电偶所产生的热电势已知，则由热电极A和B组成的热电偶的热电势可按下式求出。

32. 标准电极定律简化了热电偶的配对实验。

33. 图5-6 热电偶冷端的延伸 5.1.3 热电偶的冷端补偿 1 冷端的恒温方式 冰浴法，适用于实验室。 2 补偿导线法

34. 图5-7 电桥补偿法原理图 3 冷端温度自动补偿法

35. 热电偶测温的主要优点 • 1、它属于自发电型传感器：测量时可以不需外加电源，可直接驱动动圈式仪表； • 2、测温范围广：下限可达-270C ，上限可达1800C以上； • 3、各温区中的热电势均符合国际计量委员会的标准。

36. 用于制造铂热电偶的各种铂热电偶丝 5.1.4 标准化热电偶 八种国际通用热电偶： B:铂铑30—铂铑6、R:铂铑13—铂 、S:铂铑10—铂 K:镍铬—镍硅 、 N:镍铬硅—镍硅、E:镍铬—铜镍 J:铁—铜镍 、 T:铜—铜镍

37. 几种常用热电偶的测温范围及热电势

38. 热电偶的线性较差，多数情况下采用查表法 我国从1991年开始采用国际计量委员会规定的“1990年国际温标”（简称ITS-90）的新标准。按此标准，制定了相应的分度表，并且有相应的线性化集成电路与之对应。 直接从热电偶的分度表查温度与热电势的关系时的约束条件是：自由端（冷端）温度必须为0C。 热电偶的分度表

39. K热电偶的分度表 比较查出的3个热电势，可以看出热电势是否线性？

40. 5.1.5 热电偶的结构形式 1 普通热电偶 工业上常用的普通热电偶的结构由热电极、绝缘套管(防止两个热电极在中间位置短路)、保护套管(使热电极免受化学侵蚀及机械损伤)、接线盒(连接导线通过接线盒与热电极连接)、接线盒盖(防止灰尘、水分及有害气体进入保护套管内)

41. 安装螺纹 普通装配型热电偶的外形 安装法兰

42. 普通装配型热电偶的结构放大图 接线盒 引出线套管 不锈钢保护管 固定螺纹 （出厂时用塑料包裹） 热电偶工作端（热端）

43. 2 铠装热电偶(又称缆式热电偶) • 铠装热电偶是将热电极、绝缘材料连同金属保护套—起拉制成型的，可做得很细、很长，其外径可小到1mm-3mm，而且可以弯曲，适合于测量狭小的对象上各点的温度。 • 铠装热电偶种类多．可制成单芯、双芯和四芯等，其测量端有碰底型、不碰底型、露头型和帽型等几种形式。

44. 绝缘 材料 A B 铠装型热电偶可 长达上百米 铠装型热电偶外形 法兰 薄壁金属 保护套管（铠体） 铠装型热电偶横截面

45. 铠装型热电偶制造工艺：把热电极材料与高温绝缘材料预置在金属保护管中、运用同比例压缩延伸工艺、将这三者合为一体，制成各种直径、规格的铠装偶体，再截取适当长度、将工作端焊接密封、配置接线盒即成为柔软、细长的铠装热电偶。铠装型热电偶制造工艺：把热电极材料与高温绝缘材料预置在金属保护管中、运用同比例压缩延伸工艺、将这三者合为一体，制成各种直径、规格的铠装偶体，再截取适当长度、将工作端焊接密封、配置接线盒即成为柔软、细长的铠装热电偶。 特点：内部的热电偶丝与外界空气隔绝，有着良好的抗高温氧化、抗低温水蒸气冷凝、抗机械外力冲击的特性。铠装热电偶可以制作得很细，能解决微小、狭窄场合的测温问题，且具有抗震、可弯曲、超长等优点。

46. 图5-10 薄膜热电偶结构示意图 3 薄膜热电偶 • 用真空蒸镀的方法，把两种热电极材料分别沉积在绝缘基片上形成的一种快速感温元件。

47. 小形K型热电偶 其他热电偶外形

48. 5.1.6 单片热电偶冷端温度补偿电路 • AD594/AD597是美国ADI公司生产的4种单片热电偶冷端温度补偿器。其特点是把仪表放大器和热电偶冷端温度补偿器集成在一个芯片中。 1 性能特点

49. 2 AD594／595的工作原理 AD594／595的内部电路主要包括5部分：①差分输入放大器Al、A2，二者的增益均为G倍；②加法器；③主放大器A3，其增益为A；④故障检测电路；⑤由冰点补偿器和内部电阻构成的冰点补偿网络。

50. 3 典型应用 （1) 单电源供电