1、第2章 微机测控系统的耳目传感器 第2章 微机测控系统的耳目传感器 2.1 检测的基本知识检测的基本知识2.2 传感器传感器思考题与习题思考题与习题第2章 微机测控系统的耳目传感器 2.1 检测的基本知识检测的基本知识 2.1.1 2.1.1 检测方法检测方法1.1.按测量手段分类按测量手段分类1）直接测量将被测量与标准量直接比较，或用预先经标准量标定好的测量仪器或仪表进行测量，从而直接测得被测量的数值，这种测量方式称为直接测量。例如，用弹簧管式压力表测量流体压力就是直接测量。直接测量的优点是测量过程简单、迅速，缺点是测量精度不是很高。该方法是工程上广泛采用的方法。第2章 微机测控系统的耳目传
2、感器 2）间接测量被测量本身不易直接测量，但可以通过与被测量有一定函数关系的其他量（一个或几个）的测量结果求出（如用函数解析式的计算、查函数曲线或表格），这种测量方式称为间接测量。例如，导线的电阻率的测量，只要利用直接测量得到导线的R，l，d的数值，再代入=d2R/4l，就可得到值。在这种测量过程中，手续较多，花费时间较长，但与直接测量相比，可以得到较高的精度。第2章 微机测控系统的耳目传感器 3）组合测量如果被测量有多个，而且被测量又与某些可以通过直接或间接测量得到结果的其他量存在着一定的函数关系，则可先测量这几个量，再求解由函数关系组成的联立方程组，从而得到多个被测量的数值，这种测量方式称
3、为组合测量。它是一种兼用直接测量和间接测量的方式。第2章 微机测控系统的耳目传感器 2.2.按测量方式分类按测量方式分类1）偏差式测量在测量过程中，被测量作用于测量仪表的比较装置（指针），使比较装置产生偏移，利用偏移位移直接表示被测量大小的测量方式称为偏差式测量。应用这种方式进行测量时，要用标准量具对仪表刻度进行校准，并按照仪表指针在标度尺上的示值决定被测量的数值。它是以间接方式实现被测量与标准量的比较。例如，弹簧秤、磁电式仪表就属于偏差式测量。该测量方法过程比较简单、迅速，但测量结果的精度低，因此广泛用于工程测量。第2章 微机测控系统的耳目传感器 2）零位式测量在测量过程中，被测量作用于测量
4、仪表的比较装置，利用指零机构的作用，使被测量和标准量两者达到平衡，从而用已知的标准量决定被测量，这种测量方式称为零位式测量。应用这种方式进行测量时，标准量具装在仪表内，在测量过程中标准量具直接与被测量相比较，调整标准量，一直到被测量与标准量相等，即指零仪表回零。例如，利用天平测量质量和惠斯登电桥测量电阻（或电感、电容）就是这种方式的一个典型例子。对于零位式测量，只要零指示器的灵敏度足够高，其测量准确度几乎等同于标准量的准确度，因而测量准确度很高，所以常用在实验室作为精密测量。但由于在测量过程中为了获得平衡状态，需要进行反复调节，即使采用一些自动平衡技术，检测速度仍然较慢，这是零位式测量的不足之
5、处。第2章 微机测控系统的耳目传感器 3)微差式测量偏差式测量和零位式测量相结合构成微差式测量。它通过测量待测量与标准量之差（通常该差值很小）来得到待测量量值，如图21所示。图21中，P为量程不大但灵敏度很高的偏差式仪表，它指示的是待测量x与标准量s之间的差值x-s，即xs+。只要足够小，这种方法测量的准确度基本上取决于标准量的准确度，同时它又省去了零式测量中反复调节标准量大小以求平衡的步骤。第2章 微机测控系统的耳目传感器 图2-1 微差式测量 第2章 微机测控系统的耳目传感器 3.3.测量方法的选择测量方法的选择在选择测量方法时，要综合考虑下列主要因素：（1）从被测量本身的特点来考虑。被测
6、量的性质不同，采用的测量仪器和测量方法当然不同，因此，对被测对象的情况要了解清楚。例如，被测参数是否为线性、数量级如何、对波形和频率有何要求、对测量过程的稳定性有无要求、有无抗干扰要求以及其他要求等。（2）从测量的精确度和灵敏度来考虑。工程测量和精密测量对这两者的要求有所不同，要注意选择仪器、仪表的准确度等级，还要选择满足测量误差要求的测量技术。如果属于精密测量，还要按照误差理论的要求进行比较严格的数据处理。第2章 微机测控系统的耳目传感器（3）考虑测量环境是否符合测量设备和测量技术的要求，尽量减少仪器、仪表对被测电路状态的影响。（4）测量方法简单可靠，测量原理科学，尽量减少原理性误差。总之，
7、在测量之前必须先综合考虑以上诸方面的情况，恰当选择测量仪器、仪表及设备，采用合适的测量方法和测量技术，才能较好地完成测量任务。第2章 微机测控系统的耳目传感器 2.1.2 2.1.2 测量误差及其分类测量误差及其分类1.1.按照表示方法分按照表示方法分按照表示方法分，测量误差有绝对误差、相对误差和容许误差三种。1）绝对误差绝对误差定义为示值与被测量真值之差，即 x=Ax-A0 式中，x为绝对误差；Ax为示值，具体应用中可以用测量结果的测量值、标准量具的标称值代替；A0为被测量的真值。第2章 微机测控系统的耳目传感器 真值A0一般很难得到，所以通常用实际值A代替被测量的真值A0，因而绝对误差更有
8、实际意义的定义是x=Ax-A（2-2）第2章 微机测控系统的耳目传感器 2）相对误差相对误差用来说明测量精度的高低，又可分为如下几种：(1)实际相对误差。实际相对误差定义为绝对误差x与实际值A的百分比值，即%100AxrA(2)示值相对误差。示值相对误差定义为绝对误差x与示值x的百分比值，即%100 xxrx（2-3）（2-4）第2章 微机测控系统的耳目传感器(3)满度相对误差。满度相对误差定义为仪器量程内最大绝对误差xm与测量仪器满度值xm的百分比值，即%100mmmxxr（2-5）满度相对误差也叫满度误差或引用误差，满度误差实际上给出了仪表各量程内绝对误差的最大值，即 x=rmxm（2-6
9、）我国电工仪表的准确度等级S就是按满度相对误差rm分级的，依次划分成0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5及5.0七级。例如，某电压表S0.5，即表明它的准确度等级为0.5级，也就是它的满度误差不超过0.5%，即|rm|0.5%，或习惯上写成rm=0.5%。第2章 微机测控系统的耳目传感器 一般而言，测量仪器在同一量程不同示值处的绝对误差实际上未必处处相等，但对使用者来讲，在没有修正值可利用的情况下，只能按最坏的情况处理，即认为仪器在同一量程各处的绝对误差为常数且等于xm，人们把这种处理叫做误差的整量化。由示值相对误差和满度相对误差表达式可以看出，为了减小测量中的示值误差，在进行量程选
10、择时应尽可能使示值接近满度值，一般以示值不小于满度值的2/3为宜。第2章 微机测控系统的耳目传感器 上面由式（2-4）和式（2-6）得出的为减小示值误差而使示值尽可能接近满度值的结论，只适合于正向刻度的一般电压表、电流表等类型的仪表，而对于测量电阻的普通型欧姆表，上述结论并不成立，因为欧姆表是反向刻度，且刻度是非线性的。可以证明此种情况下示值与刻度的中值接近时，测量结果的准确度最高。在实际测量操作时，一般应先在大量程下测得被测量的大致数值，而后选择合适的量程再进行测量，以尽可能减小相对误差。第2章 微机测控系统的耳目传感器 3）容许误差容许误差是指根据技术条件的要求，规定测量仪器误差不应超过的
11、最大范围，有时就称为仪器误差。第2章 微机测控系统的耳目传感器 2.2.按照误差出现的规律分按照误差出现的规律分1）系统误差系统误差是指在一定的测量条件下，测量值中含有固定不变或按一定规律变化的误差。其主要由以下几方面因素引起：材料、零部件及工艺缺陷；环境温度、湿度、压力的变化以及其他外界干扰等。其变化规律服从某种已知函数，它表明了一个测量结果偏离真值或实际值的程度，系统误差越小，测量就越准确，所以经常用准确度来表征系统误差的大小。第2章 微机测控系统的耳目传感器 2）随机误差随机误差又称偶然误差，是由很多复杂因素的微小变化的总和所引起的，其变化规律未知，因此分析起来比较困难。但是随机误差具有
12、随机变量的一切特点，在一定条件下服从统计规律，因此经过多次测量后，对其总和可以用统计规律来描述，可以从理论上估计它对测量结果的影响。第2章 微机测控系统的耳目传感器 3）粗大误差粗大误差是指在一定条件下测量结果显著地偏离其实际值所对应的误差。在测量及数据处理中，如果发现某次测量结果所对应的误差特别大或特别小时，应认真判断误差是否属于粗大误差，如果属于粗大误差，该值应舍去不用。第2章 微机测控系统的耳目传感器 3.3.按照误差来源分按照误差来源分1）工具误差工具误差是指由于因测量工具本身不完善而引起的误差，主要包括读数误差、内部噪声引起的误差两方面。2）方法误差方法误差是指测量时方法不完善，所依
13、据的理论不严密以及对被测量定义不明确等诸因素所产生的误差，有时也称为理论误差。第2章 微机测控系统的耳目传感器 4.4.按照被测量随时间变化的速度分按照被测量随时间变化的速度分1）静态误差静态误差是指在被测量随时间变化很缓慢或基本不变的情况下，测量时所产生的误差。2）动态误差动态误差是指在被测量随时间变化很快的情况下，测量时所产生的附加误差。动态误差是由于惯性、纯滞后的存在，使得输入信号的所有成分未能全部通过，或者输入信号中不同频率成分通过时受到不同程度的衰减而引起的。第2章 微机测控系统的耳目传感器 5.5.按照使用条件分按照使用条件分1）基本误差基本误差是指测量系统在规定的标准条件下使用时
14、所产生的误差。所谓标准条件，一般是测试系统在实验室标定刻度时所保持的工作条件，如电源电压为220(15%)V，温度为205，湿度小于80%，电源频率为50 Hz等。测试系统的精确度是由基本误差决定的。第2章 微机测控系统的耳目传感器 2）附加误差当使用条件偏离规定的标准条件时，除基本误差外还会产生附加误差。例如，由于温度超过标准引起的温度附加误差以及使用电压不标准而引起的电源附加误差等，使用时这些附加误差会叠加到基本误差上去。第2章 微机测控系统的耳目传感器 6.6.按照误差与被测量的关系分按照误差与被测量的关系分1）定值误差定值误差是指误差对被测量来说是一个定值，不随被测量变化。这类误差可以
15、是系统误差，如直流测量回路中存在热电势等；也可以是随机误差，如测试系统中执行电机的启动引起的电压误差等。第2章 微机测控系统的耳目传感器 2）累积误差在整个测试系统量程内，误差值x与被测量x成比例地变化，即 x=Sx（2-7）式中，S为比例常数。由上式可知，x随x的增大而逐步累积，故称累积误差。第2章 微机测控系统的耳目传感器 2.1.3 2.1.3 误差的处理误差的处理1.1.系统误差的消除或减小系统误差的消除或减小产生系统误差的来源多种多样，因此要减小系统误差只能根据不同的目的，对测量仪器仪表、测量条件、测量方法及步骤进行全面分析，以发现系统误差，进而分析产生系统误差的原因，然后采用相应的
16、措施将系统误差消除或减弱到与测量要求相适应的程度。第2章 微机测控系统的耳目传感器（1）从产生系统误差的来源上考虑。这是减小系统误差的最基本的方法，该方法要求测量者对整个测量过程要有一个全面仔细的分析，弄清楚可能产生系统误差的各种因素，然后在测量过程中予以消除。由于产生系统误差的来源多种多样，因此其消除或减小方法也不尽相同，应根据测量目的与测量仪器而定，主要有：选择准确度等级高的仪器设备以消除仪器的基本误差；使仪器设备工作在规定环境条件下并正确调零、预热以消除仪器设备的附加误差；选择合理的测量方法，设计正确的测量步骤以消除方法误差和理论误差；提高测量人员的测量素质，改善测量条件（选用智能化、数
17、字化仪器仪表等）以消除人员误差。第2章 微机测控系统的耳目传感器（2）利用修正法消除系统误差。修正法是消除或减弱系统误差的常用方法，该方法在智能化仪表中得到了广泛的应用。所谓修正法就是在测量前或测量过程中，求取某类误差的修正值，然后在测量数据的处理过程中手动或自动地将测量读数或结果与修正值相加，从而达到消除或减弱系统误差的目的。第2章 微机测控系统的耳目传感器（3）利用特殊的测量方法消除系统误差。系统误差的特点是大小、方向恒定不变，具有预见性，所以可选用以下特殊的测量方法予以消除。替代法：是比较测量法的一种，它是先将被测量Ax接在测量装置上，调节测量装置处于某一状态，然后用与被测量相同的同类标
18、准量AN代替Ax，调节标准量AN，使测量装置恢复原来的状态，于是被测量就等于调整后的标准量，即AxAN。第2章 微机测控系统的耳目传感器 差值法：是测量出被测量Ax与标准量AN的差值，即=Ax-AN，利用AxAN求出被测量。显然，测量结果的准确度由标准量具的准确度和测量差值的准确度决定，且差值越小，测量差值的仪表之误差对测量结果的影响就越小。当差值等于零时，测量结果的准确度与测量仪表的准确度无关，而仅和标准量具的准确度有关。正负误差补偿法：是在不同的测量条件下，对被测量测量两次，使其中一次测量结果的误差为正，而使另一次测量结果的误差为负，取两次测量结果的平均值作为测量结果。显然，对于大小恒定的
19、系统误差经这样的处理即可消除。第2章 微机测控系统的耳目传感器 对称观测法：是在测量过程中合理设计测量步骤以获取对称的数据，配以相应的数据处理程序，以得到与某影响（干扰正确测量的因素）无关的测量结果，从而消除系统误差。消除或减小系统误差的方法还有很多，如叠代比较法等，这里就不再一一列举了。第2章 微机测控系统的耳目传感器 2.随机误差的消除或减小随机误差的消除或减小随机误差就单次测量而言是无规律的，其大小、方向不可预知。但当测量次数足够多时，随机误差的总体服从统计学规律中的正态分布。对某量进行无系统误差、等精度重复测量n次，其测量读数分别为A1、A2、An，则随机误差分别为 1=A1-A0,2
20、=A2-A0,i=Ai-A0,，n=An-A0 第2章 微机测控系统的耳目传感器 根据统计学原理，随机误差具有下列特性：（1）有界性，即随机误差的绝对值不超过一定的界限。（2）单峰性，即绝对值小的随机误差比绝对值大的随机误差出现的概率大。（3）对称性，等值反号的随机误差出现的概率接近相等。（4）抵偿性，当n时，随机误差的代数和为零。根据随机误差的特性，经过多次测量后，其总和可用统计规律来描述，可从理论上估计它对测量结果的影响。第2章 微机测控系统的耳目传感器 3.3.粗大误差的剔除粗大误差的剔除含有粗大误差的测量数据属于可疑值或异常值，不能参加测量值的数据处理，应该予以剔除。其消除方法是：尽可
21、能地提高测量人员高度的工作责任心和严格的科学态度，以减少和避免粗大误差的出现；正确判断粗大误差，若发现粗大误差，则将相应的测量数据划掉，且必须注明其原因。判断粗大误差可以从定性和定量两方面来考虑。第2章 微机测控系统的耳目传感器 定性判断就是对测量条件、测量设备、测量步骤进行分析，看是否有差错或有引起粗大误差的因素，也可将测量数据同其他人员用别的方法或由不同仪器所测量得到的结果进行核对，以发现粗大误差。这种判断属于定性判断，无严格的原则，应慎重从事。定量判断就是以统计学原理和有关专业知识建立起来的粗差准则为依据，对异常值或坏值进行剔除。这里所谓的定量是相对前面的定性而言的，它是建立在一定的分布
22、规律和置信概率基础上的，并不是绝对的。第2章 微机测控系统的耳目传感器 2.1.4 2.1.4 测量系统的性能评价测量系统的性能评价测量系统是由众多环节组成的对被测物理量进行检测、调理、变换、显示或记录的完整系统。测量系统的基本特性是指测量系统的输出与输入的关系，有静态与动态之分。动态特性的研究与控制理论中介绍的相似。测量系统的静态特性是指测量系统的输入为不随时间变化的恒定信号时，测量系统输入与输出之间呈现的关系。静态特性主要包含精确度、稳定性、静态输入输出特性等指标。在测量系统中，传感器是采集信号的直接器件，传感器性能的好坏直接影响到测量系统的性能。第2章 微机测控系统的耳目传感器 2.2
23、传传 感感 器器 2.2.1 2.2.1 传感器基础知识传感器基础知识1.1.传感器的定义与分类传感器的定义与分类传感器的英文是“Sensor”，来源于拉丁语“Sense”，意思是“感觉”、“知觉”等。传感器的通俗定义可表述为“信息拾取的器件或装置”。其严格定义在国家标准GB 766587中的表述是：“能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要
24、环节。第2章 微机测控系统的耳目传感器 从量值变换这个观点出发，对每一种（物理）效应都可在理论上或原理上构成一类传感器，因此，传感器的种类繁多。在对非电量的测试中，有的传感器可以同时测量多种参量，而有时对一种物理量又可用多种不同类型的传感器进行测量。下面根据被测量、测量原理、传感基理、输出形式和电源形式等进行分类，如表2-1所示。第2章 微机测控系统的耳目传感器 表表2-1 传传 感感 器器 分分 类类 第2章 微机测控系统的耳目传感器 2.2.传感器的构成传感器的构成传感器一般由敏感元件、传感元件和其他辅助件组成，有时也将信号调理与转换电路、辅助电源作为传感器的组成部分。如图2-2所示。图2
25、-2 传感器组成的结构框图 第2章 微机测控系统的耳目传感器 敏感元件是直接感受被测量（一般为非电量），并输出与被测量成确定关系的其他量（一般为电量）的元件。敏感元件是传感器的核心部件，它不仅拾取外界信息，还必须把变换后的量值传输出去。传感元件又称变换器或转换器，一般来说，它不直接感受被测量，而是将敏感元件的输出量转换为电量输出的元件。信号调理与转换电路的作用是把传感元件输出的电信号进行放大、加工处理，输出有利于显示、记录、检测或控制的电信号。信号调理与转换电路或简或繁，视传感元件的类型而定，常见的电路有电桥电路、放大器、阻抗变换器等。第2章 微机测控系统的耳目传感器 3.3.传感器的基本性能
26、传感器的基本性能1）精确度与精确度有关的指标有三个：精密度、正确度和精确度。(1)精密度：说明测量结果的分散性。即对某一稳定的被测量，由同一个测量者用同一传感器在相当短的时间内连续重复测量多次（等精度测量）时其测量结果的分散程度。精密度越小，测量就越精密。(2)正确度：说明测量结果偏离真值的程度。(3)精确度：是精密度与正确度的综合，也简称精度。第2章 微机测控系统的耳目传感器 2）稳定性稳定性一般用稳定度和影响量这两个指标来衡量。(1)稳定度：是指在规定时间内测量条件不变的情况下，由于传感器的随机性变动、周期性变动、漂移等引起的测量结果的变化程度，一般用精度和时间长短一起表示。例如电压波动引
27、起每2小时变化1.3 mV，则其稳定度可表示为 1.3 mV/2 h。(2)影响量：是指外界环境变化对传感器测量结果的影响程度，一般用影响系数（示值变化量/环境变化量）表示。例如，电源电压每变化10%引起示值变化0.02 mV，则影响量可表示为0.02 mV/10%。第2章 微机测控系统的耳目传感器 3）输入/输出特性传感器的静态输入/输出特性包括灵敏度、线性度、迟滞性和重复性四个指标。(1)灵敏度：是指传感器到达稳定工作状态时，输出变化量与引起此变化的输入变化量之比，即Kdy/dx。它是传感器静态特性曲线上各点的斜率。传感器的灵敏度是一个有单位的量。当讨论某一传感器的灵敏度时，必须确切地说明
28、它的单位。例如，压力传感器的灵敏度用KP表示，单位是mV/Pa。第2章 微机测控系统的耳目传感器(2)线性度：又称非线性误差，说明了输出量与输入量的实际关系曲线偏离理论直线的程度，定义为实际特性曲线与理论直线之间的最大偏差和满量程输出的百分比，即%100FSmaxLYLr（2-8）式中，rL为线性度；Lmax为实际特性曲线与理论直线之间的最大偏差；YFS为满量程输出。第2章 微机测控系统的耳目传感器(3)迟滞性：是指传感器的正向（上升）特性和反向（下降）特性不一致的程度，即对于同样大小的输入量，当所采用的行程方向不同时，其输出值之间的差值大小。(4)重复性：是指在同一工作条件下，输入量按同一方
29、向在全测量范围内连续重复多次所得到的特性曲线的重合程度。重复性反映的是测量结果的偶然误差的大小，不能用来表示测量结果与真值之间的偏离程度。(5)分辨率：是指传感器示值（输出值）发生极微小的变化时所需被测量的最小变化值。第2章 微机测控系统的耳目传感器(6)动态特性：是指传感器对于随时间变化的输入量的响应特性。传感器所检测的非电量信号大多数是时间函数，为了使传感器输出信号和输入信号随时间的变化曲线一致或相近，就要求传感器不仅具有良好的静态特性，而且还应具有良好的动态特性。在构成检测系统时，不应片面追求其线性度要好、灵敏度要高、迟滞要小、重复性要优、分辨力要强，而是要根据检测的具体要求，首先保证主
30、要性能指标。第2章 微机测控系统的耳目传感器 2.2.2 2.2.2 温度传感器温度传感器1.1.热电偶温度传感器热电偶温度传感器热电偶是温度测量中使用最广泛的传感器之一，其温度范围宽，一般在-1802800的温度范围内均可使用。其测量的精确度和灵敏度都较高，尤其在高温范围内，有较高的精度。因此，国际实用温标规定，在630.741064.43的温区范围内，用热电偶作为复现热力学温标的基准仪器，热电偶在一般的测量和控制系统中，常用于高温区的温度检测。第2章 微机测控系统的耳目传感器 热电偶的结构简单，仅由两根不同的导体或半导体材料焊接或绞接而成，如图2-3所示。焊接的一端为工作端（或热端），与导
31、线连接的一端为自由端（或冷端），导体A、B称为热电极，总称热电偶。若使两个结点保持不同温度时，将产生热电动势，即塞贝克（Seebeck）效应。热电偶的符号如图2-4所示，有时简称TC。第2章 微机测控系统的耳目传感器 图2-3 热电偶的工作原理 第2章 微机测控系统的耳目传感器 图2-4热电偶的符号第2章 微机测控系统的耳目传感器 热电动势由接触电动势与温差电动势两部分组成，因温差电动势很小，可忽略不计，因此，图2-3中A、B两端的热电动势可表示为：EAB（t,t0）eAB（t）-eAB（t0）。接触电动势产生的原因是：当两种导体接触时，由于二者电子密度不同，电子密度大的导体的电子向另一导体扩
32、散的速率高，结果丢失电子多的导体带正电荷，得到电子的导体带负电荷，这样就形成接触电动势，其大小取决于两种导体的性质和接触点的温度。温差电动势是由于同一导体两端因温度不同（tt0）而产生的。第2章 微机测控系统的耳目传感器 当t0维持一定时，eAB（t0）等于常数C，则对于确定的热电偶，其热电动势只与温度t成单值函数关系，即 EAB（t,t0）eAB（t）-C 根据热电偶测温的基本原理，原则上任意两种金属都可以用于构成热电偶，但能满足实用化要求（如物理和化学性质稳定、电阻温度系数小、电导率高、组成的热电偶的热电势高等）的材料不多。目前这些材料在国内外已标准化，可大致分为贵金属材料和普通金属材料两
33、大类。贵金属材料有铂和铂铑合金；普通金属材料有铁、铜、康铜、镍铬合金等，还有铱、钨、铼等耐高温材料。另外非金属材料，如碳、石墨和碳化硅等也可以作为热电偶材料。第2章 微机测控系统的耳目传感器 表表2-2 热电偶的分类及性能热电偶的分类及性能 第2章 微机测控系统的耳目传感器 图2-5 热电偶的结构 第2章 微机测控系统的耳目传感器 1）补偿导线法补偿导线是一对与热电偶配用的导线，在工作范围内与被补偿的热电偶具有相同的电势-温度关系。补偿导线与热电偶连接，使热电偶的冷端远离热源，从而使冷端温度稳定。补偿导线分延长型和补偿型两种。延长型导线的化学成分与被补偿的热电偶相同，补偿型导线的化学成分与被补
34、偿的热电偶不同。使用补偿导线时要注意型号且极性不能接反，还要注意补偿导线和热电偶相连的接点温度要相同，以免造成不必要的误差。第2章 微机测控系统的耳目传感器 2）冷端温度测量计算法采用补偿导线将热电偶冷端温度移到t0处，但是t0通常为环境温度而不是0，需要测量冷端温度并根据如下关系式进行计算修正：E（t,0）E（t,t0）E（t0,0）式中，E(t,t0)为测出的回路电势；t0为已知温度，可查分度表求得E（t0，0）。可以由上式求出总电势E（t,0），再查分度表求出被测温度t。由于热电偶的热电特性是非线性的，因此切不可简单地用温度直接相加。第2章 微机测控系统的耳目传感器 3）冷端恒温法冷端恒
35、温法需要保持冷端温度恒定。在实验室情况及精密测量中，是把冷端置于能保持恒温的冰点槽中，冷端温度为0，测得热电势后，直接查分度表得知被测温度。工业应用时，一般把冷端放在电加热的恒温器中，使其维持在某一恒定的温度。第2章 微机测控系统的耳目传感器 4）补偿电桥法补偿电桥法利用不平衡电桥产生相应的电势，以补偿热电偶由于冷端温度变化而引起的热电势变化。如图2-6所示，补偿电桥串接在热电偶回路中，与热电偶的冷端处于同一温度t0。不平衡电桥的三个桥臂电阻为锰铜电阻，其电阻值不随温度而变化，另一个桥臂电阻由铜丝绕制。在选定的t0情况下，R1R2R3RCu，电桥平衡无信号输出。当t0变化时，RCu的阻值改变，
36、电桥将输出不平衡电压。选择适当的串联电阻，使电桥的输出电压可以补偿因t0变化而引起的回路热电势变化量。通常，补偿电桥是按t0 20时电桥平衡而设计的，即当t0 20时，补偿电桥无电压输出。第2章 微机测控系统的耳目传感器 图2-6 补偿电桥 第2章 微机测控系统的耳目传感器 2.2.热电阻温度传感器热电阻温度传感器如果使用热电偶测500以下的中、低温，则会存在以下两个问题：第一，热电偶输出的热电势很小，这时对电子电位差计的放大器和抗干扰措施要求都很高，仪表维修也困难；第二，由于冷端（自由端）温度变化而引起的相对误差突出，不易得到全补偿。因此，工业上广泛应用热电阻温度计来测量-200500范围的
37、温度。第2章 微机测控系统的耳目传感器 1）热电阻的测温原理利用导体或半导体的电阻值随温度变化而变化的特性来测量温度的感温元件叫热电阻。大多数金属在温度每升高1时，其电阻值要增加0.4%0.6%。电阻温度计就是利用热电阻这一感温元件将温度的变化转化为电阻值的变化，通过测量桥路转换成电压信号，然后送至显示仪表指示或记录被测温度。第2章 微机测控系统的耳目传感器 1）热电阻的测温原理利用导体或半导体的电阻值随温度变化而变化的特性来测量温度的感温元件叫热电阻。大多数金属在温度每升高1时，其电阻值要增加0.4%0.6%。电阻温度计就是利用热电阻这一感温元件将温度的变化转化为电阻值的变化，通过测量桥路转
38、换成电压信号，然后送至显示仪表指示或记录被测温度。第2章 微机测控系统的耳目传感器 3）铂电阻铂是一种贵金属，易于提纯，物理和化学性质都很稳定，耐氧化，并在相当宽的温度范围内有相当好的稳定性，因此，有极好的复现特性。在1927年就把铂电阻作为复现温标的基准器，至今它仍被作为精密温度计的一种主要传感器。目前，国内主要生产两种型号的铂电阻，分别是R0(100.01)和R0(1000.10)，分度号分别为Pt10和Pt100，适用的温度范围是-200850。第2章 微机测控系统的耳目传感器 当温度t0850时，铂电阻的电阻Rt与温度t的关系接近于线性，即 Rt=R0(1+At+Bt2)（2-11）当
39、温度t-2000时，有 Rt=R01+At+Bt2+C(t-100)t3（2-12）式中，Rt是温度为t时铂电阻的电阻值；R0是温度为0时铂电阻的电阻值；A=3.908 0210-3-1，B=-5.80210-1-2，C=-4.273 5010-12-4。第2章 微机测控系统的耳目传感器 用铂电阻测温的基本误差为-2000时，t（0.3610-3t）；0850时，t（0.34.510-3t）。第2章 微机测控系统的耳目传感器 4）铜电阻由于铂电阻价格高，因此在测量精确度要求不太高和测温范围较小时，通常采用铜电阻作为测量元件。与铂电阻相比，铜电阻的显著优点是价格相当低，也易于提纯。但其电阻率较小
40、，机械强度低，而且稳定性较差。工程上常用的铜电阻有两种，一种是R0=50，其对应的分度号为Cu50；另一种是R0=100，其对应的分度号为Cu 100。其适用的温度范围是-50150。第2章 微机测控系统的耳目传感器 在-50150之间，有 Rt=R0（1+t）（2-13）式中，Rt为铜电阻在t时的电阻值；R0为铜电阻在0时的电阻值；为铜电阻的电阻温度系数，（4.254.28）10-3-1。第2章 微机测控系统的耳目传感器 工业热电阻安装在测量现场，其引线电阻对测量结果有较大影响。热电阻的引线方式有二线制、三线制和四线制三种，如图2-7所示。二线制方式是在热电阻两端各连一根导线，这种引线方式简
41、单、费用低，但是引线电阻随环境温度的变化会带来附加误差。只有当外接引线电阻r与元件电阻值R满足2rR10-3时，外接引线电阻的影响才可以忽略。三线制方式是在热电阻的一端连接两根导线，另一端连接一根导线。当热电阻与测量电桥配用时，分别将引线接入两个桥臂，可以较好地消除引线电阻的影响，提高测量精度，工业热电阻测温多用此种接法。四线制方式是在热电阻两端各连两根导线，其中两根引线为热电阻提供恒流源，在热电阻上产生的压降通过另外两根导线接入电势测量仪表进行测量，当电势测量端的电流很小时，可以完全消除引线电阻对测量的影响，这种引线方式主要用于高精度的温度检测。第2章 微机测控系统的耳目传感器 图2-7 热
42、电阻的引线方式（a）二线制；（b）三线制；（c）四线制 第2章 微机测控系统的耳目传感器 3.3.热敏电阻热敏电阻热敏电阻是用金属氧化物或半导体材料作为电阻体的温敏元件。目前使用的热敏电阻大多数属于陶瓷热敏电阻。按其阻值随温度变化的特性可分为三类：正温度系数（PTC）热敏电阻、负温度系数（NTC）热敏电阻和临界温度（CTR）热敏电阻。它们的温度特性曲线如图28所示。第2章 微机测控系统的耳目传感器 图2-8 热敏电阻的温度特性曲线 第2章 微机测控系统的耳目传感器 1）NTC热敏电阻负温度系数热敏电阻是用一种或一种以上的锰、钴、镍、铁等过渡金属氧化物按一定配比混合，采用陶瓷工艺制备而成的。NT
43、C热敏电阻的特点是体积小，热惯性小，输出电阻变化大，适合于长距离传输。2）CTR热敏电阻CTR也是一种具有负温度系数的热敏电阻，它与NTC不同的是，在某一温度范围内，电阻急剧发生变化。CTR热敏电阻主要用作温度开关。第2章 微机测控系统的耳目传感器 3）PTC热敏电阻PTC热敏电阻是以钛酸钡掺合稀土元素烧结而成的半导体陶瓷元件，具有正温度系数。其特性曲线且有斜率最大的区段，通过改变配比和添加剂，可使其斜率最大的区段处于不同的温度范围内。PTC热敏电阻既可用作温度传感元件，也可用作恒温发热元件、电路自动调节元件等。PTC突变型热敏电阻主要用作温度开关，PTC缓变型热敏电阻主要用于较宽温度范围内的
44、温度补偿或温度测量。当PTC热敏电阻用于电路自动调节时，为克服或减小其分布电容较大的缺点，应选用直流或60 Hz以下的工频电源。第2章 微机测控系统的耳目传感器 4.4.集成温度传感器集成温度传感器集成温度传感器是一种将感温元件、放大电路、温度补偿电路等功能集成在一块极小芯片上的温度传感器。它是目前传感器发展的方向，跟传统的热电阻、热电偶相比，它具有线性度好、灵敏度高、体积小、稳定性好、输出信号大且规范化等优点，尤其线性度好、输出信号大且规范化是其他温度传感器无法比拟的。集成温度传感器的测温范围一般为-55150，其具体数值因型号和封装形式不同而异，主要用于环境空间温度的检测、控制，以及家用电
45、器中温度的检测、控制和补偿。第2章 微机测控系统的耳目传感器 集成温度传感器按输出量不同可分为电压型和电流型两种，其中电压型的灵敏度一般为10 mV/，电流型的灵敏度为1 A/。这种传感器还具有绝对零度时输出电量为零的特性，利用这一特性可制作绝对温度测量仪。表2-3给出了几种集成温度传感器的一些基本性能参数。第2章 微机测控系统的耳目传感器 表表2-3 几种集成温度传感器的一些基本性能参数几种集成温度传感器的一些基本性能参数 第2章 微机测控系统的耳目传感器 电压型集成温度传感器的优点是具有良好的线性度，输出阻抗低，易于定标，易于和控制电路接口。它可用于温度检测，也可用于热电偶的冷端温度补偿和
46、空气流速检测。电流型集成温度传感器在一定温度下相当于一个恒流源，因此，它具有不易受接触电阻、引线电阻和噪声的干扰，能实现长距离（200 m）传输的特点，同样具有很好的线性特性。美国AD公司的AD590就是电流型集成温度传感器的典型代表产品。第2章 微机测控系统的耳目传感器 5.5.温度传感器的选用温度传感器的选用要确保传感器指示的温度即为所测对象的温度，常常是很困难的。在大多数情况下，对温度传感器的选用，需考虑以下几个方面的问题：（1）被测对象的温度是否需记录、报警和自动控制，是否需要远距离测量和传送。（2）测温范围的大小和精度要求。（3）测温元件大小是否适当。（4）在被测对象温度随时间变化的
47、场合，测温元件的滞后能否适应测温要求。（5）被测对象的环境条件对测温元件是否有损害。（6）价格如何，使用是否方便。第2章 微机测控系统的耳目传感器 图2-9 一般工业用温度传感器的选型原则 第2章 微机测控系统的耳目传感器 2.2.3 2.2.3 压力传感器压力传感器1.1.弹性式压力传感器弹性式压力传感器弹性式压力传感器的原理是：在压力作用下流体的容器将产生微小的变形，可用机械的方法将这种形变放大，然后进行检测。这种方式与电学式的应变片所用方法在基本结构上是相同的。这种弹性压力传感器占整个机械式压力传感器的90以上。弹性式压力传感器就是基于弹性元件（弹簧管、膜盒、膜片、波纹管等）压后产生的位
48、移与被测压力呈一定函数关系的原理制成的。其典型产品有弹簧管式压力表和霍尔片式远传压力传感器。第2章 微机测控系统的耳目传感器 2.2.液柱式压力传感器液柱式压力传感器这是一种传统的压力计，其原理是：使压力与液柱所产生的力相平衡，用此时的液柱高度测量压力。常用的液柱式压力传感器有U型管式、单管式等多种，主要用于表压、差压及压力电传送或压力标准等场合，如风压表、水压表等。第2章 微机测控系统的耳目传感器 3.3.电学式压力传感器电学式压力传感器电学式压力传感器的主要工作原理是：利用某种方法，将受力的弹性体的变形变换成电信号（或再加以放大等处理），从而输出一个与压力相对应的电学量。电学式压力传感器按
49、其工作原理来分主要有：电阻式（应变片式）金属箔、金属丝、半导体式、磁式、电容式、差动变压器式、压电式、表面弹性波式和光电式等多种.第2章 微机测控系统的耳目传感器 1）应变片式压力传感器应变片式压力传感器是基于金属电阻片在外力作用下产生机械变形，从而导致其电阻发生变化的电阻应变效应而制成，可测范围为0.5kPa10MPa，精度为0.52。应用应变片式压力传感器进行测量时，需要和电桥电路一起使用。因为应变片电桥电路的输出信号微弱，采用直流放大器又容易产生零点漂移，多采用交流放大器对信号进行放大处理。所以应变片电桥电路一般都采用交流电源供电，组成交流电桥。电桥又分为平衡电桥和不平衡电桥两种。平衡电
50、桥仅适用于测量静态参数，而不平衡电桥则适用于测量动态参数。在实际的应变检测中，可根据情况在电桥电路中使用单应变片（单臂桥）、双应变片（双臂桥）和四应变片法（全桥），其灵敏度后者是前者的两倍。第2章 微机测控系统的耳目传感器 2）半导体式压力传感器此类传感器的应变片主要用硅半导体材料的压阻效应制作而成。如果在半导体晶体上施加作用力，晶体除产生应变外，其电阻率也会发生变化。这种由外力引起半导体材料电阻率变化的现象称为半导体的压阻效应。半导体压力传感器的特点是灵敏度高，动态响应好，测量精度高，稳定性好，可测范围在10kPa60MPa。第2章 微机测控系统的耳目传感器 3）压阻式压力传感器压阻式压力传
