傳感器與檢測技術項目教程傳感器技術基礎溫度傳感器力敏傳感器磁敏傳感器光敏傳感器聲敏傳感器氣敏傳感器和濕度傳感器流量傳感器新型傳感器檢測系統、虛擬儀器和綜合應用全套PPT課件學習單元一傳感器與自動測控系統學習單元二傳感器的分類學習單元三傳感器的命名、代號和圖形符號學習單元四傳感器的特性學習單元五傳感器的標定與校準模塊一傳感器技術基礎學習單元六改善傳感器性能的主要技術途徑學習單元七傳感器的發展趨勢模塊一傳感器技術基礎模塊導讀人類已經進入科學技術空前發展的信息社會，計算機、移動通信、機器人、自動控制技術及單片機嵌入系統迅速發展，尤其是物聯網技術的突起，都迫切需要種類繁多的傳感器。傳感器是系統的“電五官”，負責信息的感知和采集，并將這些信息轉化為能被系統處理的信號。在現代信息科學的三大支柱技術中，傳感器技術居于首位。本模塊重點介紹傳感器的定義、分類、特性及標定和校準，使讀者對傳感器技術有一個基本的認識和了解。學習單元一傳感器與自動測控系統世界是由物質組成的，表征物質特性或其運動形式的參數很多，根據物質的電特性，可分為電量和非電量兩類。人類為了認識物質，需要對物質特性進行測量，測量中大多是針對非電量的測量，如力、位移、溫度等。由于非電量不能直接使用一般電工儀表和電子儀器測量，電信號則易于直接用電子儀器測量和傳輸，因此常常將非電量轉換成有對應關系的電量，如電流和電壓，然后進行測量。實現這種轉換技術的器件即為傳感器。自動檢測和自動控制系統處理的大都是電量，需要通過傳感器對非電量的原始信息進行精確可靠的捕獲并轉換為電量。學習單元一傳感器與自動測控系統傳感器概述一、傳感器的作用是將被測非電物理量轉換成與其有一定關系的電信號，它獲得的信息準確與否，直接關系到整個系統的精確度。中華人民共和國國家標準《傳感器通用術語》（GB/T7665—2005）規定的傳感器的定義為：能感受規定的被測量并按照一定的規律轉換成可用輸出信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉換元件組成。敏感元件是指傳感器中能直接感受或響應被測量的部分；轉換元件是指傳感器中能將敏感元件感受或響應的被測量轉換成適于傳輸或測量的電信號的部分。學習單元一傳感器與自動測控系統傳感器的組成框圖如圖1-1所示。圖1-1傳感器的組成框圖學習單元一傳感器與自動測控系統傳感器是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將其按一定規律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。中國物聯網校企聯盟認為：傳感器的存在和發展，讓物體有了觸覺、味覺和嗅覺等感官，讓物體慢慢變得活了起來。根據傳感器的敏感元件進行分類，可將傳感器分為物理類（基于力、熱、光、電、磁和聲等物理效應）、化學類（基于化學反應的原理）和生物類（基于酶、抗體和激素等分子識別功能）；根據傳感器的基本感知功能可將其分為熱敏元件、光敏元件、氣敏元件、力敏元件、磁敏元件、濕敏元件、聲敏元件、放射線敏感元件、色敏元件和味敏元件等十幾大類。學習單元一傳感器與自動測控系統人們為了從外界獲取信息，必須借助于感覺器官；而單靠人們自身的感覺器官，在研究自然現象和規律，以及生產活動中就遠遠不夠了。為了適應這種情況就需要傳感器。因此，傳感器是人類五官的延伸，又稱之為“電五官”。人們常將傳感器的功能與人類五大感覺器官相比擬：學習單元一傳感器與自動測控系統光敏傳感器——視覺；聲敏傳感器——聽覺；氣敏傳感器——嗅覺；化學傳感器——味覺；壓敏、溫敏、流體傳感器——觸覺。學習單元一傳感器與自動測控系統目前，最新的技術已經實現了意念的感知和傳遞。2014年2月，美國科學家完成了“阿凡達猴子實驗”，實現了兩只猴子之間的意念傳遞。通過一只猴子的意念控制另一只猴子的行為，即意念的測控（感知、傳遞、控制）。生物電傳感器等—意念。學習單元一傳感器與自動測控系統新技術革命的到來，使世界開始進入信息時代。在利用信息的過程中，首先要解決的問題就是獲取準確可靠的信息，而傳感器是獲取自然和生產領域中信息的主要途徑與手段。在現代工業生產尤其是自動化生產過程中，要用各種傳感器來監視和控制生產過程中的各個參數，使設備工作在正常狀態或最佳狀態，并使產品達到最好的質量。因此，沒有眾多的優良的傳感器，現代化生產也就失去了基礎。學習單元一傳感器與自動測控系統在基礎學科研究中，傳感器更具有其突出的地位。隨著現代科學技術的發展，傳感器進入了許多新領域。例如，在宏觀上要觀察上千光年的茫茫宇宙，微觀上要觀察小到飛米（fm，1fm=10-15m）的粒子世界；縱向上要觀察長達數十萬年的天體演化，短到飛秒（fs，1fs=10-15s，光在真空中1fs僅走0.3μm）的瞬間反應。此外，還出現了對深化物質認識，開拓新能源、新材料等具有重要作用的各種極端技術研究，如超高溫、超低溫、超高壓、超高真空、超強磁場、超弱磁場等。顯然，要獲取大量人類感官無法直接獲取的信息，沒有相適應的傳感器是不可能的。許多基礎科學研究的障礙，首先就在于對象信息的獲取存在困難；而一些新機理和高靈敏度的檢測傳感器的出現，往往會導致該領域內的突破。一些傳感器的發展，往往是一些邊緣學科開發的先驅。學習單元一傳感器與自動測控系統傳感器的發展趨勢是微型化、數字化、智能化、多功能化、系統化、網絡化，它不僅促進了傳統產業的改造和更新換代，而且可能建立新型工業，從而成為21世紀新的經濟增長點。總體上看，傳感器技術是涉及能量轉換原理，材料選擇和制造，器件設計、開發和應用等的多項綜合技術。傳感器早已滲透到諸如工業生產、宇宙開發、海洋探測、環境保護、資源調查、醫學診斷、生物工程甚至文物保護等極其廣泛的領域。可以毫不夸張地說，從茫茫的太空到浩瀚的海洋以至各種復雜的工程系統，幾乎每個現代化項目都離不開各種各樣的傳感器。學習單元一傳感器與自動測控系統由此可見，傳感器技術在發展經濟、推動社會進步方面的作用是十分重要與明顯的。世界各國都十分重視這一領域的發展。相信在不久的將來，傳感器技術將會出現一個飛躍，達到與其重要地位相稱的新水平。學習單元一傳感器與自動測控系統自動測控系統概述二、自動檢測和自動控制技術是人們對事物的規律進行定性了解和定量掌握所從事的一系列技術措施。自動測控系統是完成這一系列技術措施的裝置之一，它是檢測控制器與研究對象的總和，通常可分為開環與閉環兩種，其框圖如圖1－2和圖1－3所示。圖1－2開環自動測控系統框圖學習單元一傳感器與自動測控系統圖1－3閉環自動測控系統框圖由圖可以看出，一個完整的自動測控系統一般由傳感器、測量電路、顯示記錄裝置或調節執行裝置、電源四部分組成。學習單元一傳感器與自動測控系統思考與練習問題1傳感器的定義是什么？它由哪幾部分組成？它在自動測控系統中起什么作用？思考：問題2為什么稱傳感器為電五官？談談傳感器在信息社會中的地位。思考：學習單元二傳感器的分類根據某種原理設計的傳感器可以同時測量多種非電物理量，而有時一種非電物理量又可以用幾種不同傳感器測量。因此，傳感器有許多分類方法，常見的分類方法有兩種：一種是按被測物理量來分，另一種是按傳感器的工作原理來分。學習單元二傳感器的分類按被測物理量分類一、傳感器按被測物理量的性質可分為溫度傳感器、力敏傳感器、磁敏傳感器、光敏傳感器、位移傳感器、加速度傳感器、濕度傳感器、聲音傳感器、色彩傳感器、紅外傳感器、流量傳感器、液位傳感器等。這種分類方法把種類繁多的被測量分為基本被測量和派生被測量兩類。例如，力可視為基本被測量，從力可派生出壓力、重力、應力、力矩等派生被測量。當需要測量這些被測量時，只要采用力敏傳感器就可以了。了解基本被測量和派生被測量的關系，對選用傳感器類型很有幫助。學習單元二傳感器的分類常見的非電基本被測量和派生被測量見表1－1。表1－1常見的非電基本被測量和派生被測量學習單元二傳感器的分類按被測物理量的性質進行分類的優點是比較明確地表達了傳感器的用途，便于使用者根據其用途選用；缺點是沒有區分每種傳感器在轉換機理上有何共性和差異，不便于使用者掌握其基本原理及分析方法。學習單元二傳感器的分類按傳感器的工作原理分類二、傳感器按工作原理可分為電阻式、電容式、電感式、熱電式、光電式、磁電式、壓電式等。通常同一機理的傳感器可以測量多種物理量，而同一被測物理量又可以采用多種不同類型的傳感器來測量。學習單元二傳感器的分類表1－2傳感器按工作原理的分類學習單元二傳感器的分類電阻應變式傳感器1.電阻應變式傳感器的基本原理是將被測的非電量轉換成電阻值的變化，再經過轉換電路變成電量輸出。其實現方法是將電阻應變片粘貼在彈性元件表面上，當力、扭矩、速度、加速度等物理量作用在彈性元件上時，會導致彈性元件和粘貼的電阻應變片發生應變效應，進而引起電阻應變片電阻的變化。電阻應變片簡稱應變片，是一種能夠將機械構件上應變的變化轉換為電阻變化的傳感件，其轉換原理是基于金屬電阻絲的電阻應變效應。電阻應變效應是指金屬絲在外力作用下發生機械變形時，其電阻值發生變化的現象。學習單元二傳感器的分類熱電式傳感器2.熱電式傳感器是一種將溫度的變化轉換成電量變化的裝置。它利用敏感元件的電參數隨溫度變化的特性，對溫度和與溫度有關的參量進行測量，是眾多傳感器中應用最廣泛、發展最快的傳感器之一。熱電式傳感器所基于的物理原理主要包括熱電效應、熱阻效應、熱輻射、磁導率隨溫度變化的特性等，因此按照工作原理，可將熱電式傳感器分為熱敏電阻、熱電偶、PN結型測溫傳感器、輻射高溫計等。下面主要介紹熱敏電阻。學習單元二傳感器的分類熱敏電阻是最常見的溫度檢測元件之一，其測量精度高、種類多、發展較成熟，它由一種半導體材料制成，特點是電阻隨溫度變化而顯著變化，能直接將溫度的變化轉換為電量的變化。熱敏電阻是利用半導體的電阻值隨溫度變化的特性制成的一種熱敏元件。熱敏電阻的導電性能主要由內部的載流子（電子和空穴）密度和遷移率所決定，當溫度升高時，外層電子在熱激發下大量成為載流子，載流子的密度大大增加，活動能力加強，從而導致其阻值的急劇下降。學習單元二傳感器的分類按照電阻的阻值隨溫度變化的情形，可將熱敏電阻分為三類：阻值隨溫度的上升而減小的負溫度系數（negativetemperaturecoefficient，NTC）熱敏電阻，它的主要材料是過渡金屬氧化物半導體陶瓷；阻值隨溫度的上升而增加的正溫度系數（positivetemperaturecoefficient，PTC）熱敏電阻，其主要材料是摻雜的半導體陶瓷；臨界溫度系數熱敏電阻（criticaltemperatureresistor，CTR），它的阻值在特定的溫度范圍內隨溫度升高而降低3~4個數量級，主要材料是二氧化釩，并添加了一些金屬氧化物，可組成理想的控制開關。在溫度測量中，主要采用的是NTC和PTC熱敏電阻，尤其是NTC熱敏電阻。學習單元二傳感器的分類熱敏電阻主要用作檢測元件和電路元件。熱敏電阻在溫度計、溫度補償、濕度計、分子量測定、液位報警、流速計、氣體分析儀、真空計等儀器儀表中用作檢測元件；在偏置線圈的溫度補償、儀表溫度補償、熱電偶溫度補償、晶體管溫度補償、恒壓電路、延遲電路、保護電路、自動增益控制電路、RC振蕩電路、振幅穩定電路等電路中用作電路元件。學習單元二傳感器的分類光電式傳感器3.光電式傳感器是利用光電器件把光信號轉換成電信號的裝置。光電式傳感器工作時首先把被測量的變化轉換成為光量的變化，然后通過光電器件把光量的變化轉換為相應的電量的變化，從而實現非電量的測量。光電式傳感器的敏感元件是光電器件。光電式傳感器的工作原理基于光電效應。光電效應是指物體吸收了光能后，光能轉換為該物體中某些電子的能量，從而產生電流的電效應。光電效應分為外光電效應和內光電效應兩大類。能產生光電效應的器件稱為光電效應器件，常見的有光敏電阻、光電池和光敏晶體管等，下面主要介紹光敏電阻。學習單元二傳感器的分類光敏電阻是利用硫化鎘或硒化鎘等半導體材料制成的特殊電阻器，表面涂有防潮樹脂，具有光電效應。光敏電阻對光線十分敏感。在無光照時，電阻值（暗電阻）很大；當光敏電阻受到一定波長范圍的光照時，它的阻值（亮電阻）急劇減小。例如，光電式傳感器的一個應用是煙塵濁度監測儀。煙道里的煙塵濁度是通過光在煙道里傳輸過程中的變化大小來檢測的。如果煙道濁度增加，光源發出的光被煙塵顆粒的吸收和折射增加，到達光檢測器的光減少，因而光檢測器輸出信號的強弱便可反映煙道濁度的變化。另外，光電式傳感器也應用于光電式轉速傳感器、光電式液位傳感器、無觸點式路燈控制電路等。學習單元二傳感器的分類磁電式傳感器4.磁電式傳感器是對磁場參量敏感的元器件，具有把磁物理量轉換成電信號的功能。在磁電式傳感器中，主要利用的是霍爾效應和磁阻效應。磁電式傳感器主要分為三類：霍爾元件、磁敏電阻、磁敏二極管和三極管。其中，霍爾元件及霍爾傳感器的應用量最大。霍爾元件的工作原理基于霍爾效應。霍爾效應是指磁場作用于載流金屬導體、半導體中的載流子時，產生橫向電位差的物理現象，輸出的穩定電勢差即霍爾電壓。根據霍爾效應制成的霍爾器件可用于磁場和功率測量，也可制成開關元件。學習單元二傳感器的分類磁敏電阻是基于磁阻效應的磁敏元件。將一載流導體置于外磁場中，其電阻會隨著磁場的變化而變化，這種現象稱為磁阻效應。磁敏電阻的應用范圍比較廣，可以利用它制成磁場探測儀、位移和角速度檢測器、安培計及磁敏交流放大器等。磁敏二極管是PN結型磁電轉換元件，在磁場強度的變化下電流也發生變化，具有輸出信號大、靈敏度高、工作電流小和體積小等特點，因此適合磁場、轉速、探傷等方面的檢測和控制。學習單元二傳感器的分類磁敏三極管與磁敏二極管一樣，是PN結型磁電轉換元件。磁敏三極管在正、反向磁場作用下，其集電極電流出現明顯的變化，這樣就可以利用磁敏三極管來測量弱磁場、電流、轉速、位移等物理量。磁敏三極管的應用領域與磁敏二極管相似，主要應用于測量磁場、大電流、磁力探傷、接近開關、程序控制、位置控制、轉速測量和各種工業工程自動控制等技術領域。學習單元二傳感器的分類壓電式傳感器5.壓電效應是指某些介質，當沿著一定方向施加力使之變形時，其內部產生極化現象，同時在表面上產生符號相反的電荷；外力去掉后又恢復不帶電狀態的現象。壓電式傳感器是利用某些物質的壓電效應制成的，當被測量物因為受力而產生變化時，傳感器能夠產生靜電電荷或電壓變化。學習單元二傳感器的分類大多數晶體都具有壓電效應，其中石英晶體是性能比較好的材料，它被廣泛應用于電子信息產業的各領域，如家電、無線電通信等。壓電式力敏傳感器是利用壓電元件直接實現力電轉換的傳感器，在拉力、壓力測量時，通常較多采用雙片或多片石英晶片做壓電元件，其特點是剛度大、測量范圍寬、線性好。壓電式力傳感器按照測力狀態可分為單向、雙向和三向傳感器，它們的結構基本一致，都是通過彈性膜、盒等收集壓力并轉換成力，再傳遞給壓電元件。學習單元二傳感器的分類壓電式加速度傳感器又稱為壓電加速度計。它是利用某些物質（如石英晶體）的壓電效應，在加速度計受振動力作用時，加在壓電元件上的力也隨之變化。當被測物的振動頻率遠低于加速度計的固有頻率時，力的變化與被測加速度成正比。學習單元二傳感器的分類光纖傳感器6.光纖傳感器一般由光源、光導纖維、光傳感器元件、光調制機構和信號處理器等部分組成，其工作原理是：光源發出的光經光導纖維進入光傳感元件，而在光傳感元件中受到周圍環境場的影響而發生變化的光再進入光調制機構，由其將傳感元件測量檢測的參數調制成幅度、相位、偏振等信息，這一過程稱為光電轉換過程，最后利用微處理器如頻譜儀等進行信號處理。光纖傳感器具有強抗干擾性，所以應用范圍很廣，尤其適用于惡劣環境，具有很大的市場需求，如石油化工系統、礦井、大型電廠等需要檢測氧氣、碳氫化合物、一氧化碳等氣體的場所。采用傳統的傳感器不但達不到要求的精度，而且易引起安全事故，光纖氣敏傳感器則可以安全有效地實現上述檢測。學習單元二傳感器的分類這種分類方法的優點是對傳感器的工作原理比較清楚，類別少，有利于傳感器專業工作者對傳感器的深入研究分析；缺點是不便于使用者根據用途選用。學習單元二傳感器的分類其他分類方法三、傳感器按輸出量分類有模擬式、數字式傳感器；按工作效應分類有物理傳感器、化學傳感器、生物傳感器等；按能量關系分類有能量轉化型、能量控制型傳感器等。無論是哪一種分類方法，對于傳感器來說，都有一些基本要求，具體表現為：學習單元二傳感器的分類（1）足夠的容量。傳感器的工作范圍或量程需要足夠大，且具有一定的過載能力。（2）靈敏度高，精度適當。輸出信號與被測信號呈確定的關系，通常為線性關系，并且比值要盡量大；同時，傳感器的靜態響應與動態響應的準確度能滿足要求。（3）響應速度快，工作穩定，可靠性好。（4）使用性和適應性強。體積小，質量輕，動作能量小，對被測對象的狀態影響小；內部噪聲小且不易受外界干擾的影響；其輸出力求采用通用或標準形式，以便與系統對接。（5）使用經濟。成本低，壽命長，便于使用、維修和校準。學習單元二傳感器的分類本書介紹的傳感器主要是按被測物理量分類，針對測量任務組織章節編寫的，適當加以工作原理的分析，重點講述各種傳感器的用途，側重培養應用技術能力，使讀者學會應用傳感器，并進一步開發利用新型傳感器。學習單元二傳感器的分類思考與練習問題傳感器的分類方法主要有哪幾種？各有什么優點和缺點？思考：學習單元三傳感器的命名、代號和圖形符號中華人民共和國國家標準《傳感器命名法及代碼》（GB/T7666—2005）規定了傳感器的命名方法及圖形符號，并將其作為統一傳感器命名及圖形符號的依據。該標準適用于傳感器的生產、科學研究、教學及其他相關領域。學習單元三傳感器的命名、代號和圖形符號傳感器的命名一、根據GB/T7666—2005的規定，傳感器的全稱應由“主題詞+四級修飾語”組成，即主題詞——傳感器；一級修飾語——被測量，包括修飾被測量的定語；二級修飾語——轉換原理，一般可后綴以“式”字；三級修飾語——特征描述，指必須強調的傳感器結構、性能、材料特征、敏感元件及其他必要的性能特征，一般可后綴以“型”字；四級修飾語——主要技術指標（如量程、精度、靈敏度等）。學習單元三傳感器的命名、代號和圖形符號傳感器的代號二、d——序號。c——轉換原理；b——被測量；a——主稱（傳感器）；根據GB/T7666—2005的規定，傳感器的代號應包括以下四部分：學習單元三傳感器的命名、代號和圖形符號傳感器產品代號的編制格式如圖1－4所示。在被測量、轉換原理和序號三部分代號之間須用連字符“－”連接。圖1－4傳感器產品代號的編制格式學習單元三傳感器的命名、代號和圖形符號例如：學習單元三傳感器的命名、代號和圖形符號傳感器的圖形符號三、圖形符號通常在圖樣或技術文件中用來表示一個設備或概念的圖形、標記或字符。由于它能象征性或形象化地標記信息，因此可以越過語言障礙，直接地表達設計者的思想和意圖，在實際中應用廣泛。傳感器的圖形符號是電氣圖用圖形符號的一個組成部分。學習單元三傳感器的命名、代號和圖形符號1994年2月1日國家批準實施的《傳感器圖用圖形符號》（GB/T14479—1993）是與國際接軌的。按照此規定，傳感器的圖形符號由符號要素正方形和等邊三角形組成，如圖1－5所示。其中，正方形表示轉換元件，等邊三角形表示敏感元件。圖1－5傳感器的圖形符號學習單元三傳感器的命名、代號和圖形符號圖1－6所示是幾種典型傳感器的圖形符號。圖1－6幾種典型傳感器的圖形符號學習單元三傳感器的命名、代號和圖形符號GB/T14479—1993給出了43種常用傳感器的圖形符號示例。標準規定，對于采用新型或特殊轉換原理或檢測技術的傳感器，亦可參照標準的有關規定自行繪制，但必須經主管部門認可。學習單元三傳感器的命名、代號和圖形符號思考與練習問題傳感器的圖形符號由哪幾部分組成?思考：學習單元四傳感器的特性傳感器測量靜態量表現為靜態特性，測量動態量表現為動態特性。為了降低或消除傳感器在測控系統中的誤差，傳感器需要具有良好的靜態特性和動態特性，才能準確地感知和轉換信號或能量。學習單元四傳感器的特性傳感器的靜態特性一、靜態特性是指對靜態的輸入信號，傳感器的輸出量與輸入量之間所具有的相互關系。因為這時的輸入量和輸出量都和時間無關，如熱電阻的阻值隨溫度變化特性，它們之間的關系，即傳感器的靜態特性可用一個不含時間變量的代數方程，或以輸入量（如溫度）作為橫坐標，把與其對應的輸出量（如阻值）作為縱坐標而畫出的特性曲線來描述。表征傳感器靜態特性的主要參數有線性度、靈敏度、重復性、遲滯和分辨力等。下面具體介紹幾種傳感器的靜態特性指標。學習單元四傳感器的特性線性度1.線性度是傳感器輸出量與輸入量之間的實際關系曲線偏離直線的程度，又稱非線性誤差。通常情況下，傳感器的實際靜態特性輸出是一條曲線而非直線。在實際工作中，為使儀表具有均勻刻度的讀數，常用一條擬合直線近似地代表實際的特性曲線，線性度（非線性誤差）就是這個近似程度的一個性能指標。學習單元四傳感器的特性擬合直線（見圖1-7）的選取有多種方法，如將零輸入和滿量程輸出點相連的理論直線作為擬合直線；或將與特性曲線上各點偏差的平方和為最小的理論直線作為擬合直線，稱為最小二乘法擬合直線。顯然，選取的擬合直線不同，所得的線性度值也不同。選擇擬合直線應保證獲得盡量小的非線性誤差，并考慮使用與計算方便。圖1-7擬合直線學習單元四傳感器的特性靈敏度2.靈敏度是傳感器在穩態下輸出增量與輸入增量的比值。對于線性傳感器，其靈敏度就是它的靜態特性的斜率；非線性傳感器的靈敏度是一個隨工作點而變的變量，用S表示靈敏度，如圖1-8所示。圖1-8靈敏度學習單元四傳感器的特性重復性3.重復性是傳感器在輸入量按同一方向做全量程多次測試時，所得特性曲線不一致性的程度。如圖1-9所示，正行程的最大重復性偏差為ΔRmax1，反行程的最大重復性偏差為ΔRmax2。圖1-9重復性學習單元四傳感器的特性多次重復測試的曲線越重合，說明重復性越好，誤差也小。重復性的好壞是與許多隨機因素有關的。傳感器輸出特性的不重復性主要是由傳感器機械部分的磨損、間隙、松動，部件的內摩擦、積塵，電路元件老化、工作點漂移等原因導致的。學習單元四傳感器的特性遲滯4.遲滯是指傳感器在正向行程（輸入量增大）和反向行程（輸入量減小）期間，輸出-輸入特性曲線不一致的程度，如圖1-10所示，圖中用ΔHmax表示最大遲滯偏差。圖1-10遲滯特性學習單元四傳感器的特性產生這種現象的主要原因是傳感器機械部分存在不可避免的缺陷，如軸承摩擦、間隙、緊固件松動、材料內摩擦、積塵等。遲滯特性一般由實驗方法確定。學習單元四傳感器的特性分辨力5.傳感器的分辨力是在規定測量范圍內所能檢測的輸入量的最小變化量，有時也用該值相對滿量程輸入值的百分數表示。學習單元四傳感器的特性穩定性6.穩定性有短期穩定性和長期穩定性之分。傳感器常用長期穩定性，它是指在室溫條件下，經過相當長的時間間隔，如一天、一月或一年，傳感器的輸出與起始標定時的輸出之間的差異。學習單元四傳感器的特性漂移7.傳感器的漂移是指在外界的干擾下，輸出量發生與輸入量無關的、不需要的變化。漂移量的大小也是衡量傳感器穩定性的重要性能指標。傳感器的漂移有時會導致整個測量或控制系統處于癱瘓狀態。漂移包括零點漂移和靈敏度漂移等，零點漂移和靈敏度漂移又可分為時間漂移和溫度漂移。時間漂移是指在規定的條件下，零點或靈敏度隨時間的緩慢變化；溫度漂移是環境溫度變化引起的零點或靈敏度的變化。學習單元四傳感器的特性傳感器的動態特性二、傳感器的動態特性是指輸入量隨時間變化時傳感器的響應特性。由于傳感器存在慣性滯后，當被測量隨時間變化時，傳感器的輸出往往來不及達到平衡狀態，即處于動態過渡過程之中，因此傳感器的輸出量表征為時間函數關系。在動態（快速變化）的輸入信號情況下，要求傳感器能迅速準確地響應和再現被測信號的變化。由于傳感器及系統的動態特性取決于傳感器及系統本身及輸入信號的形式，因此工程上常用單位階躍函數和正弦函數等作為“標準”輸入信號，對傳感器及系統的動態特性進行分析，據此確立傳感器及檢測系統動態特性的指標。最常用的是通過幾種特殊的輸入時間函數，如階躍函數和正弦函數來研究其響應特性，稱為階躍響應法和頻率響應法。學習單元四傳感器的特性階躍響應特性1.給傳感器輸入一個單位階躍函數信號：學習單元四傳感器的特性其輸出特性稱為階躍響應特性，如圖1-11所示。由圖可衡量階躍響應的幾項常見指標。圖1-11傳感器的階躍響應特性學習單元四傳感器的特性（1）上升時間tr。傳感器輸出值由穩態值的10%上升到90%所需的時間。（2）響應時間ts。輸出值達到允許誤差范圍±Δ%所經歷的時間。（3）超調量α。輸出值第一次超過穩態值的峰高，即α=ymax-yc，常用α/yc×100%表示。上升時間tr、響應時間ts表征系統的響應速度性能，超調量α則表征傳感器的穩定性能。通過這兩個方面可以比較完整地描述傳感器的動態特性。學習單元四傳感器的特性頻率響應特性2.由控制理論可知，在初始條件為零時，傳感器及系統輸出的傅里葉變換和輸入的傅里葉變換之比，即為傳感器及系統的頻率響應函數。將各種頻率不同而幅值相等的正弦信號輸入傳感器，其輸出正弦信號的幅值、相位與頻率之間的關系，稱為頻率響應特性。幅頻特性即輸出與輸入的幅值比，相頻特性即輸出與輸入的相角差。由于相頻特性與幅頻特性之間有一定的內在關系，因此在表示傳感器的頻響特性及頻域性能指標時主要用幅頻特性。學習單元四傳感器的特性圖1-12所示為典型的對數幅頻特性曲線。工程上通常將±3dB所對應的頻率范圍稱為頻響范圍，又稱通頻帶。對于傳感器，則常根據所需測量精度來確定正負分貝數所對應的頻率范圍，稱為工作頻帶。圖1-12典型的對數幅頻特性曲線學習單元四傳感器的特性思考與練習問題1什么是傳感器的靜態特性？它由哪些技術指標描述?思考：

問題2什么是傳感器的動態特性？其分析方法有哪幾種？思考：學習單元五傳感器的標定與校準任何一種傳感器在裝配完成后都必須按設計指標進行全面嚴格的性能鑒定。使用一段時間后（中國計量法規定一般為一年）或經過修理，也必須對主要技術指標進行校準試驗，以確保傳感器的主要性能指標達到要求。學習單元五傳感器的標定與校準標定與校準的方法一、傳感器標定就是利用精度高一級的標準器具對傳感器進行定度的過程，從而確定傳感器輸出量和輸入量之間的對應關系，同時也確定不同使用條件下的誤差關系。傳感器校準是指傳感器須定期檢測其基本性能參數，判定是否可繼續使用，若能繼續使用，則應對其有變化的主要指標（如靈敏度）進行數據修正，確保傳感器測量精確度的過程。校準與標定的內容是基本相同的，下面對標定進行介紹。學習單元五傳感器的標定與校準工程測試中傳感器的標定，應在與其使用條件相似的環境狀態下進行，并將傳感器所配用的濾波器、放大器及電纜等和傳感器連接后一起標定，標定時應按照傳感器規定的安裝條件進行安裝。傳感器標定系統一般由被測物理量的標準發生器，被測物理量的標準測試系統，待標定傳感器所配接的信號調節器和顯示、記錄器等組成。學習單元五傳感器的標定與校準靜態標定二、輸入已知標準非電量，測出傳感器的輸出，給出標定曲線、標定方程和標定常數，計算靈敏度、線性度、滯差、重復性等傳感器的靜態特性指標的過程稱為靜態標定。傳感器的靜態標定設備有力標定設備（如測力砝碼、拉壓式測力計）、壓力標定設備（如活塞式壓力計、水銀壓力計、麥氏真空計）、位移標定設備（如量塊、直尺等）、溫度標定設備（如鉑電阻溫度計、鉑銠鉑熱電偶、基準光電高溫比較儀）等。學習單元五傳感器的標定與校準對標定設備的要求是：具有足夠的精度，至少應比被標定的傳感器及其系統高一個精度等級，并且符合國家計量量值傳遞的規定，或經計量部門檢定合格；量程范圍應與被標定的傳感器量程相適應；性能穩定可靠；使用方便，能適用多種環境。學習單元五傳感器的標定與校準例如，應變式測力傳感器靜態標定設備系統框圖如圖1－13所示。測力機用來產生標準力，高精度穩壓電源經精密電阻箱衰減后向傳感器提供穩定的電源電壓，其值由數字電壓表讀取，傳感器的輸出由高精度數字電壓表讀出。圖1－13應變式測力傳感器靜態標定設備系統框圖學習單元五傳感器的標定與校準動態標定三、動態標定用于確定傳感器的動態性能指標，它是指通過確定其線性工作范圍（用同一頻率不同幅值的正弦信號輸入傳感器，測量其輸出）、頻率響應函數、幅頻特性和相頻特性曲線、階躍響應曲線來確定傳感器的頻率響應范圍、幅值誤差和相位誤差、時間常數、阻尼比、固有頻率等。傳感器種類繁多，動態標定方法各異。標定中常用的動態激勵設備有激振器（如電磁振動臺、低頻回轉臺、機械振動臺等）、激波管、周期與非周期函數壓力發生器等。其中，激振器可用于加速度、速度、位移、力、壓力傳感器的動態標定。學習單元五傳感器的標定與校準思考與練習問題傳感器的標定和校準是如何定義的？為什么要進行標定和校準？思考：學習單元六改善傳感器性能的主要技術途徑傳感器的性能指標包括很多方面，要使某一傳感器的各項指標都優良，不僅設計制造困難，而且在實用上也沒有必要。因此,應根據實際要求與可能，在保證主要性能指標的前提下，放寬對次要性能指標的要求，從而提高性能價格比。在設計、使用傳感器時采用以下一些技術措施可改善傳感器性能：學習單元六改善傳感器性能的主要技術途徑穩定性技術1.傳感器作為長期測量或反復使用的元件，其穩定性尤為重要，甚至超過精度指標。因為后者只要知道誤差的規律就可進行補償或修正，前者則不然。造成傳感器不穩定的原因是隨時間推移或環境條件變化，構成傳感器的各種材料與元器件性能發生變化。為提高傳感器性能的穩定性，應對材料、元器件或傳感器整體進行穩定性處理，如結構材料的時效處理，永磁材料的時間老化、溫度老化，電氣元件的老化、篩選等。在測量要求較高的情況下，傳感器的附加調整元件、電路的關鍵器件也要進行老化、篩選。學習單元六改善傳感器性能的主要技術途徑抗干擾技術2.傳感器可看成一個復雜的輸入系統，輸入信號除有被測量外，還有外界干擾因素。為減小測量誤差，應設法削弱或消除外界干擾因素對傳感器的影響，方法有以下兩種:（1）減少影響傳感器靈敏度的因素，如采用補償、差動全橋等措施。（2）降低干擾因素對傳感器的實際作用的功率，如采用屏蔽、隔離措施等。學習單元六改善傳感器性能的主要技術途徑補償校正技術3.當傳感器或檢測系統的系統誤差的變化規律過于復雜，采取一定的技術措施后仍難滿足要求，或者可滿足要求，但經濟上不合算或技術過于復雜而無現實意義時，可找出誤差的方向和數值，采用修正曲線方法加以補償或校正。學習單元六改善傳感器性能的主要技術途徑合理選擇傳感器材料、結構與參數4.選用傳感器時，應根據要求，合理選擇傳感器的基本參數、環境參數，并根據使用條件選擇合適的種類及結構和材質等。學習單元六改善傳感器性能的主要技術途徑思考與練習問題改善傳感器性能的主要技術途徑有哪些？思考：學習單元六改善傳感器性能的主要技術途徑課堂體驗基本內容找出日常生活中的傳感器，并說說它們的類別和作用。本環節由教師組織學生進行，教師和學生一起討論日常生活中用到的傳感器，學生根據前面所學知識對傳感器采集的信息進行分析，并對傳感器進行分類，如電阻式、電容式、電感式、光電式、熱電式、壓電式、磁電式等。學習單元七傳感器的發展趨勢傳感器作為人類認識和感知世界的一種工具，其發展歷史相當久遠，可以說它是伴隨著人類文明的進程而發展起來的。傳感器技術的發展程度，影響、決定著人類認識世界的程度與能力。學習單元七傳感器的發展趨勢隨著科學的進步和社會的發展，傳感器技術在國民經濟和人們日常生活中占有越來越重要的地位。人們對傳感器的種類、性能等方面的要求越來越高，這也進一步促進了傳感器技術的快速發展。許多國家都把傳感器技術列為重點發展的關鍵技術之一。美國曾把20世紀80年代看成傳感器技術時代，并將其列為20世紀90年代22項關鍵技術之一；日本把傳感器技術列為20世紀80年代十大技術之首。從20世紀80年代中后期開始，我國也把傳感器技術列為國家優先發展的重要技術之一。傳感器技術是一項與現代技術密切相關的尖端技術，近年來發展很快，其主要特點及發展趨勢表現在以下幾個方面：學習單元七傳感器的發展趨勢發現利用新現象、新效應1.利用物理現象、化學反應和生物效應是各種傳感器工作的基本原理，所以發現新現象與新效應是發展傳感器技術的重要工作，是研制新型傳感器的理論基礎，其意義極為深遠。例如，日本夏普公司利用超導技術研制成功高溫超導磁性傳感器，是傳感器技術的重大突破，其靈敏度之高，僅次于超導量子干涉器件。但它的制造工藝遠比超導量子干涉器件簡單，可用于磁成像技術，具有廣泛的推廣價值。學習單元七傳感器的發展趨勢開發新材料2.傳感器材料是傳感器技術發展的物質基礎，隨著材料科學的快速發展，人們可根據實際需要控制傳感器材料的某些成分或含量，從而設計制造出用于各種傳感器的新的功能材料。例如，用高分子聚合物薄膜制成溫度傳感器，用光導纖維制成壓力、流量、溫度、位移等多種傳感器，用陶瓷制成壓力傳感器，用半導體氧化物制成各種氣體傳感器等。這些新材料的應用，極大地提高了各類傳感器的性能，促進了傳感器技術的發展。學習單元七傳感器的發展趨勢采用高新技術3.隨著微電子技術、計算機技術、精密機械技術、高密封技術、特種加工技術、集成技術、薄膜技術、網絡技術、納米技術、激光技術、超導技術、生物技術等高新技術的迅猛發展，傳感器技術進入了一個更為廣闊的發展空間。高新技術成果的采用，成為傳感器技術發展的技術基礎和強大推動力。因此，傳感器的高科技化，不但是傳感器技術的主要特征，而且是新世紀傳感器及其產業的發展方向。學習單元七傳感器的發展趨勢拓展應用領域4.目前，檢測技術正在向宏觀世界和微觀世界的縱深發展。空間技術、海洋開發、環境保護及地震預測等都要求檢測技術滿足開發、研究宏觀世界的要求，而細胞生物學、遺傳工程、光合作用、醫學及微加工技術等又希望檢測技術跟上研究微觀世界的步伐。因此，科學的發展對當前傳感器技術的研究、開發提出了許多新的要求，其中重要的一點就是要拓寬應用領域和檢測范圍，不斷突破參數測量的極限。通過這些應用領域的開發和研究，不但可以提高傳感器的應用性能，而且可以促進其他相關技術的發展，甚至會誕生一些新學科。學習單元七傳感器的發展趨勢提高傳感器的性能5.檢測技術的發展，必然要求傳感器的性能不斷提高。例如，對于火箭發動機燃燒室的壓力測量，希望測量精度高于0.1%；對于超精密機械加工的在線測量，要求誤差小于0.1μm等。因此需要人們研制出更多性能優異的各類傳感器。對傳感器而言，其主要性能指標包括檢測精度、線性度、靈敏度和穩定性等。其中，檢測精度是最重要的性能指標。在20世紀30年代至40年代，其檢測精度一般為百分之幾到千分之幾。近年來，隨著傳感器技術的不斷發展，其檢測精度提高很快，有些被測量的檢測精度可達萬分之幾，甚至百萬分之幾。學習單元七傳感器的發展趨勢傳感器的微型化與低功耗6.目前，各種測控儀器設備的功能越來越強大，同時各個部件的體積卻越來越小，這就要求傳感器自身的體積也要小型化、微型化，現在一些微型傳感器的敏感元件采用光刻、腐蝕、沉積等微機械加工工藝制作而成，尺寸可以達到微米級。此外，由于傳感器工作時大多離不開電源，在野外或遠離電網的地方，往往是用電池或太陽能等供電，因此，開發微功耗的傳感器及無源傳感器就具有重要的實際意義，這樣不僅可以節省能源，也可以提高系統的工作壽命。學習單元七傳感器的發展趨勢傳感器的集成化與多功能化7.所謂傳感器的集成化，是指將信息提取、放大、變換、傳輸及信息處理和存儲等功能都制作在同一基片上，實現一體化。與一般傳感器相比，它具有體積小、反應快、抗干擾、穩定性好及成本低等優點。傳感器的多功能化是與集成化相對應的一個概念，是指傳感器能感知與轉換兩種以上不同的物理量。例如，使用特殊的陶瓷材料把溫度和濕度敏感元件集成在一起，制成溫濕度傳感器；將檢測幾種不同氣體的敏感元件用厚膜制造工藝制作在同一基片上，制成檢測氧、氨、乙醇、乙烯等氣體的多功能傳感器等。學習單元七傳感器的發展趨勢傳感器的智能化與數字化8.利用計算機及微處理技術使傳感器智能化是20世紀80年代以來傳感器技術的一大飛躍。智能傳感器是一種帶有微處理器的傳感器，與一般傳感器相比它不僅具有信息提取、轉換等功能，而且具有數據處理、雙向通信、信息記憶存儲、自動補償及數字輸出等功能。學習單元七傳感器的發展趨勢隨著人工神經網絡、人工智能和信息處理技術（如多傳感器信息融合技術、模糊理論等）的進一步發展，智能傳感器將具有更高級的分析、決策及自學功能，可完成更復雜的檢測任務。此外，目前傳感器的功能已突破傳統的界限，其輸出不再是單一的模擬信號，而是經過微處理器處理過的數字信號，有的甚至帶有控制功能，這就是所謂的數字傳感器。數字傳感器的特點：一是將模擬信號轉換成數字信號輸出，提高了傳感器的抗干擾能力，特別適用于電磁干擾強、信號傳輸距離遠的工作現場；二是可通過軟件對傳感器進行線性修正及性能補償，減少了系統誤差；三是一致性與互換性好。可以預見，隨著計算機和微處理技術的不斷發展，智能化、數字化傳感器一定會迎來更為廣闊的發展前景。學習單元七傳感器的發展趨勢傳感器的網絡化9.傳感器的網絡化是傳感器領域近些年發展起來的一項新興技術，它利用TCP/IP協議，使現場測量數據就近通過網絡與網絡上有通信能力的節點直接進行通信，實現了數據的實時發布和共享。由于傳感器自動化、智能化水平的提高，多臺傳感器聯網已推廣應用，虛擬儀器、三維多媒體等新技術已開始實用化。傳感器網絡化的目標就是采用標準的網絡協議，同時采用模塊化結構將傳感器和網絡技術有機地結合起來，實現信息交流和技術維護。學習單元七傳感器的發展趨勢思考與練習問題傳感器的發展趨勢是什么？思考：Thankyou!傳感器與檢測技術項目教程學習單元一熱電阻傳感器學習單元二熱電偶傳感器學習單元三集成溫度傳感器學習單元四溫度傳感器應用實例模塊二溫度傳感器模塊二溫度傳感器模塊導讀從人體溫度、環境氣溫到工業爐溫，從空間、海洋到家用電器，各個技術領域都離不開測溫和控溫。溫度是與人類的生活、工作息息相關的物理量，也是各門學科與工程研究設計中經常遇到和必須精確測量的物理量。因此，測溫技術是傳感技術中應用范圍最廣的技術之一。溫度傳感器是指能感受溫度并將其轉換成可用輸出信號的傳感器。溫度傳感器按測量方式可分為接觸式和非接觸式兩大類，按傳感器材料及電子元件特性分為熱電阻和熱電偶。模塊二溫度傳感器溫度是表征物體冷熱程度的物理量，是物體內部分子無規則運動劇烈程度的標志，是工業生產和科學實驗中最普遍、最重要的熱工參數之一。物體的很多物理現象和化學性質都與溫度有關，在很多生產過程中，溫度都直接影響著生產的安全、產品質量、生產效率、能源的使用情況等，因而對溫度的檢測及檢測的準確性提出了更高的要求。模塊二溫度傳感器為了定量地描述溫度，引入溫標的概念。溫標是衡量物體溫度的標準尺度，是溫度的數值表示方法，它給出了溫度數值化的一套規則和方法，同時明確了溫度的測量單位。溫標就是以數值表示溫度的標尺，它應具有通用性、準確性和再現性，在不同地區或不同場合測量相同的溫度應具有相同的數值。溫標的種類很多，目前國際上常用的溫標有攝氏溫標、華氏溫標、熱力學溫標和國際實用溫標。模塊二溫度傳感器攝氏溫標是根據液體（水銀）受熱后體積膨脹的性質建立起來的。攝氏溫標的單位符號為℃，變量符號為t，它規定在標準大氣壓下純水的冰熔點為0℃，水沸點為100℃。華氏溫標也是根據液體（水銀）受熱后體積膨脹的性質建立起來的，其單位符號為℉，標準大氣壓下純水的冰熔點為32℉，水沸點為212℉。熱力學溫標又稱開氏溫標，是國際統一的基本溫標，單位符號為K，變量符號為T。熱力學溫標有一個絕對零度，它規定分子運動停止時的溫度為絕對零度，因此它又稱為絕對溫標。由于熱力學溫標是理論溫標，因而無法付諸實用。為此，需要建立一種緊密接近熱力學溫標的簡單溫標，即國際實用溫標。國際實用溫標是用來復現熱力學溫標的，其單位符號也為K（開爾文）。模塊二溫度傳感器攝氏溫標與國際實用溫標的換算關系為t（℃）=T（K）-273.15溫度的檢測方法按照感溫元件是否與被測對象接觸，可分為接觸式與非接觸式兩大類。接觸式測溫就是使溫度敏感元件與被測對象相接觸，使其進行充分的熱交換，當熱交換平衡時，溫度敏感元件與被測對象的溫度相等，測溫傳感器的輸出大小即反映了被測溫度的高低。模塊二溫度傳感器常用的接觸式測溫傳感器有熱膨脹式溫度傳感器（見圖2－1）、雙金屬溫度計（見圖2－2）、熱電阻、熱電偶、集成溫度傳感器等。圖2－1熱膨脹式溫度傳感器圖2－2雙金屬溫度計模塊二溫度傳感器接觸式測溫傳感器的優點是結構簡單，工作可靠，測量精度高，穩定性好，價格低；缺點是有較大的滯后現象（測溫時要進行充分的熱交換），不方便對運動物體進行溫度測量，被測對象的溫場易受傳感器的影響，測溫范圍比較小。非接觸式測溫就是利用被測對象的熱輻射能量隨其溫度的變化而變化的原理，通過測量一定距離處被測物體發出的熱輻射強度來確定被測對象的溫度。模塊二溫度傳感器常見的非接觸式測溫傳感器有紅外輻射傳感器（見圖2－3）、光高溫計（見圖2－4）等。圖2－3紅外輻射傳感器圖2－4光高溫計模塊二溫度傳感器非接觸式測溫傳感器的優點是不存在測量滯后和溫度范圍的限制，可測高溫、腐蝕、有毒、運動物體及固體、液體表面的溫度，不影響被測溫度；缺點是受被測對象熱輻射率的影響，測量精度低，使用中測量距離和中間介質時對測量結果有影響。本模塊將重點介紹熱電阻、熱電偶和集成溫度傳感器。學習單元一熱電阻傳感器熱電阻是中低溫區最常用的一種溫度檢測器，它是基于金屬導體的電阻值隨溫度的增加而增加的特性來進行溫度測量的。其主要特點是測量精度高、性能穩定，因此應用廣泛。本學習單元主要是讓學生掌握熱電阻的基本工作原理和應用方法。學習單元一熱電阻傳感器金屬熱電阻一、熱電阻大都由純金屬材料制成。金屬熱電阻常用的感溫材料種類較多，最常用的是鉑絲。目前，工業測量用的金屬熱電阻材料有純金屬材質的鉑（Pt）、銅（Cu）、鎳（Ni）和鎢（W）等，以及合金材質的銠鐵及鉑鈷等，如圖2－5所示。圖2-5金屬熱電阻學習單元一熱電阻傳感器金屬熱電阻隨溫度變化的曲線如圖2-6所示。圖2-6金屬熱電阻隨溫度變化的曲線學習單元一熱電阻傳感器工作原理1.熱電阻通常是把電阻信號通過引線傳遞到計算機控制裝置或其他儀表上。學習單元一熱電阻傳感器主要類型2.（1）普通型熱電阻。從熱電阻的測溫原理可知，被測溫度的變化是直接通過熱電阻阻值的變化來測量的。因此，熱電阻體的引出線等各種導線電阻的變化會給溫度測量帶來影響。（2）鎧裝熱電阻。鎧裝熱電阻是由感溫元件（電阻體）、引線、絕緣材料和不銹鋼套管組合而成的堅實體，與普通型熱電阻相比，它有下列優點：體積小，測量滯后小；機械性能好，耐振，抗沖擊；能彎曲，便于安裝；使用壽命長；等等。學習單元一熱電阻傳感器（3）端面熱電阻。端面熱電阻感溫元件由特殊處理的電阻絲材繞制，緊貼在溫度計端面。它與一般軸向熱電阻相比，能更準確和快速地反映被測端面的實際溫度，適用于測量軸瓦和其他機件的端面溫度。（4）隔爆型熱電阻。隔爆型熱電阻使用特殊結構的接線盒，生產現場不會引起爆炸。它可用于具有爆炸危險場所的溫度測量。學習單元一熱電阻傳感器標準熱電阻——鉑電阻3.如圖2-7和圖2-8所示，鉑電阻的阻值會隨著溫度的變化而改變,其使用測溫范圍為-200~+850℃，分度號為Pt100和Pt10。它們在0℃時的阻值分別是100Ω和10Ω。其阻值會隨著溫度上升勻速增長。圖2-7Pt100薄膜鉑電阻圖2-8Pt10鉑電阻學習單元一熱電阻傳感器常見的Pt100感溫元件有陶瓷元件、玻璃元件和云母元件，它們是由鉑絲分別繞在陶瓷骨架、玻璃骨架和云母骨架上再經過復雜的工藝加工而成的。云母鉑電阻示意圖如圖2-9所示。圖2-9云母鉑電阻示意圖學習單元一熱電阻傳感器Pt100傳感器是利用鉑電阻的阻值隨溫度變化而變化、并成一定函數關系的特性進行測溫的，其溫度阻值的對應關系如下：（1）當溫度為-200~0℃時，鉑電阻的阻值為Rt=100［1+At+Bt2+Ct3（t-100）］

（2-1）（2）當溫度為0~850℃時，鉑電阻的阻值為Rt=100（1+At+Bt2）

（2-2）式中，系數A=3.96874×10-3/℃；B=-5.874×10-7/℃2；C=-4.22×10-12/℃4。鉑電阻應用范圍很廣，可用于醫療、電機、工業、溫度計算、衛星、氣象、阻值計算等高精溫度設備上。學習單元一熱電阻傳感器標準熱電阻——銅電阻4.銅電阻的使用測溫范圍為-40~140℃，分度號為Cu50和Cu100，它們在0℃時的阻值分別為50Ω和100Ω。銅熱電阻線性好、價格低，但電阻率低，因而體積大，熱響應慢，而且銅電阻容易氧化，因此測溫范圍小。銅電阻的阻值和溫度之間的關系可以表示為Rt=R0（1+αt）式中，R0為銅電阻在0℃時的阻值；α為銅電阻的電阻溫度系數，α=（4.25~4.28）×10-3/℃。

工業上常用銅電阻的R0值可以通過對應的分度表查得。學習單元一熱電阻傳感器標準熱電阻的分度表5.標準熱電阻的分度表是以列表的方式表示溫度與熱電阻阻值之間的關系。與標準熱電阻對應的分度表有四個，即Pt100和Pt10、Cu50和Cu100。分度表是由標準熱電阻數學模型計算得出的，在相鄰數據之間可采用線性內插法求出中間值。鉑電阻Pt100的分度表見表2-1。學習單元一熱電阻傳感器學習單元一熱電阻傳感器半導體熱敏電阻二、熱敏電阻是敏感元件的一類，按照溫度系數不同分為正溫度系數（PTC）熱敏電阻和負溫度系數（NTC）熱敏電阻。其典型特點是對溫度敏感，不同溫度下表現出不同的電阻值。正溫度系數熱敏電阻在溫度越高時電阻值越大，負溫度系數熱敏電阻在溫度越高時電阻值越低，它們同屬于半導體器件。熱敏電阻是開發早、種類多、發展較成熟的敏感元器件。熱敏電阻采用半導體材料制成，大多為負溫度系數，即阻值隨溫度增加而降低。溫度變化會造成較大的阻值改變，因此它是最靈敏的溫度傳感器。學習單元一熱電阻傳感器但熱敏電阻的線性度極差，并且與生產工藝有很大關系。熱敏電阻體積非常小，對溫度變化的響應也快。常用熱敏電阻如圖2-10所示。圖2-10常用熱敏電阻學習單元一熱電阻傳感器熱敏電阻的主要特點1.熱敏電阻的優點如下：（1）靈敏度較高，其電阻溫度系數要比金屬大10~100倍以上。（2）工作溫度范圍寬，常溫器件適用于-55~+315℃，高溫器件適用溫度高于315℃（目前最高可達到2000℃）。（3）體積小，能夠測量其他溫度計無法測量的空隙、腔體及生物體內血管的溫度。（4）使用方便，電阻值可在0.1~100kΩ任意選擇。（5）易加工成復雜的形狀，可大批量生產。學習單元一熱電阻傳感器熱敏電阻的缺點如下：（1）阻值與溫度的關系非線性嚴重。（2）元件的一致性差，互換性差。（3）元件易老化，穩定性較差。（4）除特殊高溫熱敏電阻外，絕大多數熱敏電阻僅適合0~150℃，使用時必須注意。學習單元一熱電阻傳感器正溫度系數熱敏電阻2.正溫度系數（positivetemperaturecoefficient，PTC）熱敏電阻（見圖2-11）的阻值隨溫度上升而增大。圖2-11PTC熱敏電阻學習單元一熱電阻傳感器具有正溫度系數的熱敏電阻可專門用作恒定溫度傳感器。該材料是以BaTiO3、SrTiO3或PbTiO3為主要成分的燒結體，其中摻入微量的Nb、Ta、Bi等的氧化物進行原子價控制而使之半導體化，常將這種半導體化的BaTiO3等材料簡稱為半導（體）瓷；同時，還添加增大其正電阻溫度系數的Mn、Fe、Cu、Cr的氧化物和添加物，采用陶瓷工藝成形、高溫燒結而使鈦酸鉑等及其固溶體半導化，從而得到正特性的熱敏電阻材料。學習單元一熱電阻傳感器實驗表明，在工作溫度范圍內，PTC熱敏電阻的電阻溫度特性可近似用實驗公式表示為

Rt=R0exp［Bp（T-T0）］式中，Rt、R0表示溫度為T、T0時熱敏電阻的阻值；Bp為該種材料的材料常數。可以通過計算，將測得的電阻值轉化為溫度值。PTC熱敏電阻于1950年出現，1954年出現了以BaTiO3為主要材料的PTC熱敏電阻。PTC熱敏電阻在工業上可用作溫度的測量與控制，也用于汽車某部位的溫度檢測與調節，還大量用于民用設備，如控制瞬間開水器的水溫、空調器與冷庫的溫度，以及用于對加熱器、電機、變壓器、大功率晶體管等電器的加熱和過熱保護方面的應用。學習單元一熱電阻傳感器PTC熱敏電阻除用作加熱元件外，還能起到“開關”的作用，稱之為熱敏開關。電流通過元件后引起溫度升高，即發熱體的溫度上升，當超過居里點后，電阻增加，從而限制電流增加，于是電流的下降導致元件溫度降低，電阻值的減小又使電路電流增加，元件溫度升高，周而復始，因此具有使溫度保持在特定范圍的功能，起開關作用。利用這種阻溫特性做成加熱源，作為加熱元件應用的有暖風器、電烙鐵、烘衣柜、空調等，還可對電器起到過熱保護作用。高分子PTC熱敏電阻用于過流保護，又經常被稱為自恢復保險絲。學習單元一熱電阻傳感器當電路正常工作時，熱敏電阻溫度與室溫相近、電阻很小，串聯在電路中不會阻礙電流通過；而當電路因故障而出現過電流時，熱敏電阻由于發熱功率增加，導致溫度上升，當溫度超過開關溫度時，電阻驟增，回路中的電流迅速減小到安全值。熱敏電阻動作后，電路中電流有了大幅度的降低。由于高分子PTC熱敏電阻的可設計性好，可通過改變自身的開關溫度來調節其對溫度的敏感程度，因而可同時起到過溫保護和過流保護兩種作用。例如，KT161700DL型熱敏電阻由于動作溫度很低，因而適用于鋰離子電池和鎳氫電池的過流及過熱保護。學習單元一熱電阻傳感器負溫度系數熱敏電阻3.負溫度系數（negativetemperaturecoefficient，NTC）熱敏電阻（見圖2-12）的阻值隨溫度上升而減小。利用錳、銅、硅、鈷、鐵、鎳、鋅等兩種或兩種以上的金屬氧化物進行充分混合、成形、燒結等工藝制成的半導體陶瓷，可制成NTC熱敏電阻。圖2-12NTC熱敏電阻學習單元一熱電阻傳感器其電阻率和材料常數隨材料成分比例、燒結氣氛、燒結溫度和結構狀態不同而變化。現在還出現了以碳化硅、硒化錫、氮化鉭等為代表的非氧化物系NTC熱敏電阻材料。NTC熱敏半導瓷大多是尖晶石結構或其他結構的氧化物陶瓷，具有負溫度系數，電阻值與溫度的關系可近似表示為Rt=R0exp［Bn（1/T-1/T0）］式中，Rt、R0分別為溫度為T、T0時的電阻值；Bn為材料常數。陶瓷晶粒本身由于溫度變化而使電阻率發生變化，這是由半導體的特性決定的。學習單元一熱電阻傳感器臨界溫度系數熱敏電阻4.如圖2-13所示，臨界溫度系數熱敏電阻（criticaltemperatureresistor，CTR）具有負電阻突變特性，在某一溫度下，電阻值隨溫度的增加急劇減小，具有很大的負溫度系數。這是不同雜質的摻入使氧化釩的晶格間隔不同造成的。CTR能夠作為控溫報警等應用。圖2-13CTR學習單元一熱電阻傳感器溫度特性5.如前所述，熱敏電阻按溫度特性可分為正溫度系數（PTC）熱敏電阻、負溫度系數（NTC）熱敏電阻和臨界溫度系數熱敏電阻（CTR）三類，其電阻和溫度的變化關系曲線

（溫度特性曲線）如圖2-14所示。圖2-14熱敏電阻的溫度特性曲線1—負溫度系數；2—正溫度系數；3—臨界溫度系數學習單元一熱電阻傳感器其他應用6.熱敏電阻也可作為電子線路元件，用于儀表線路溫度補償和溫差電偶冷端溫度補償等。利用NTC熱敏電阻的自熱特性可實現自動增益控制，構成RC振蕩器穩幅電路、延遲電路和保護電路。在自熱溫度遠大于環境溫度時，阻值還與環境的散熱條件有關，因此在流速計、流量計、氣體分析儀、熱導分析中常利用熱敏電阻制成專用的檢測元件。PTC熱敏電阻主要用于電氣設備的過熱保護，無觸點繼電器，恒溫、自動增益控制，電機起動，時間延遲，彩色電視自動消磁，火災報警和溫度補償等方面。學習單元一熱電阻傳感器思考與練習問題1求鉑電阻Pt100在50℃時的電阻值，并用查分度表的方法驗證。思考：問題2常見的熱敏電阻有哪幾種？其主要應用在哪些方面？思考：學習單元一熱電阻傳感器課堂體驗鉑電阻1.（1）將鉑電阻Pt100固定在面包板上。（2）用萬用表測量鉑電阻的阻值變化，查看室溫下的阻值。用手指接觸鉑電阻，查看阻值變化情況。（3）記錄實驗數據，通過分度表查到對應的溫度值。（4）利用鉑電阻Pt100的溫度公式計算溫度值，與查表結果進行比較。（5）將測量得到的數據進行加工，使用Excel軟件做出阻值和溫度特性統計曲線，認識鉑電阻的Rt特性曲線。學習單元一熱電阻傳感器熱敏電阻2.（1）將熱敏電阻固定在面包板上。（2）用萬用表測量熱敏電阻的阻值變化，查看室溫下的阻值。用手指接觸熱敏電阻，查看阻值變化情況。（3）記錄實驗數據，通過分度表查到對應的溫度值。（4）利用熱敏電阻的溫度公式計算溫度值，與查表結果進行比較。（5）將測量得到的數據進行加工，使用Excel軟件做出阻值和溫度特性統計曲線，認識熱敏電阻的Rt特性曲線。（6）比較鉑電阻和熱敏電阻在測量溫度時的異同。學習單元一熱電阻傳感器拓展知識利用鉑電阻Pt100或熱敏電阻測溫，使用LabVIEW軟件和相應的硬件設計一個溫度數據采集系統。（1）硬件選擇。NIcDAQ-9174和信號調理卡，或使用NIELVISⅡ和LECT-1302實驗電路板。（2）軟件選擇。LabVIEW軟件。系統采用間接方式進行溫度檢測，連接硬件后，將鉑電阻接入恒流源，利用硬件采集卡測量鉑電阻Pt100或熱敏電阻兩端的電壓，即當實際的溫度值超過所設定的上下限值時，進行報警并點亮LED燈，同時將溫度值直接輸入到波形圖表中進行顯示。學習單元一熱電阻傳感器（3）前面板設計。基于LabVIEW的溫度數據采集系統的前面板如圖2-15所示。圖2-15基于LabVIEW的溫度數據采集系統的前面板學習單元一熱電阻傳感器（4）程序框圖設計。基于LabVIEW的溫度數據采集系統的程序框圖如圖2-16所示。圖2-16基于LabVIEW的溫度數據采集系統的程序框圖學習單元一熱電阻傳感器系統設計完成后，可以通過LabVIEW軟件打包的功能生成可執行程序，在計算機上執行安裝程序，實現相應的功能。學習單元二熱電偶傳感器熱電偶是工業上常用的溫度檢測組件之一，它是一種將溫度量轉換為電動勢大小的熱電式傳感器，具有測溫范圍寬、測量精度高、性能穩定、結構簡單，且動態響應較好，可直接輸出電信號，快速測量，遠距離傳輸，便于集中檢測、調節和控制的特點，因此在冶金、機械和化工等領域有廣泛的應用。本學習單元主要是讓學生掌握熱電偶的基本工作原理和應用方法。學習單元二熱電偶傳感器熱電偶測溫原理一、熱電偶的測溫原理基于熱電效應。將兩種不同的導體A和B組成閉合回路，若兩端節點處的溫度不同（分別為T0和T），則回路中將產生電流，相應的電動勢稱為熱電動勢，這個物理現象稱為熱電動勢效應，簡稱熱電效應。熱電效應是1821年由德國人塞貝克發現的，因此又稱塞貝克效應。構成這種熱電變換的元件稱為熱電偶（見圖2-17），導體A和B稱為熱電極，通常把兩熱電極的一個節點固定焊接，用于對被測介質進行溫度測量，這一節點稱為測量端或工作端，俗稱熱端；兩熱電極的另一節點處通常保持為某一恒定溫度或室溫，被稱為基準點或參考端，俗稱冷端。冷端與顯示儀表或配套儀表連接，顯示儀表會指示出熱電偶所產生的熱電勢。學習單元二熱電偶傳感器圖2-17熱電偶根據熱電動勢與溫度的函數關系，制成熱電偶分度表。分度表是自由端溫度在0℃時的條件下得到的，不同的熱電偶具有不同的分度表。學習單元二熱電偶傳感器熱電偶實際上是一種能量轉換器，它將熱能轉換為電能，用所產生的熱電勢測量溫度。對于熱電偶的熱電勢，應注意如下幾個問題：（1）熱電偶的熱電勢是熱電偶工作端的兩端溫度函數的差。（2）當熱電偶的材料均勻時，熱電偶所產生的熱電勢的大小與熱電偶的長度和直徑無關，只與熱電偶材料的成分和兩端的溫差有關。學習單元二熱電偶傳感器（3）當熱電偶的兩個熱電偶絲材料成分確定后，熱電偶熱電勢的大小只與熱電偶的溫度差有關；若熱電偶冷端的溫度保持一定，熱電偶的熱電勢僅是工作端溫度的單值函數。熱電偶的熱電動勢由兩種導體的接觸電動勢和同一導體的溫差電動勢組成。接觸電動勢是由于兩種不同導體的自由電子密度不同，而在接觸處形成的電動勢，接觸電動勢的數值取決于兩種不同導體的材料特性和接觸點的溫度。兩個節點的接觸電動勢eAB(T)和eAB（T0）可表示為

學習單元二熱電偶傳感器式中，NA、NB是材料自由電子密度；Q0是電子電荷量，為1.6×10-19C；K是玻爾茲曼常數，為1.38×10-23J/K。溫差電動勢是在同一導體中，由于兩端溫度不同而使導體內高溫端的自由電子向低溫端擴散形成的電動勢。高溫端的電子能量要比低溫端的電子能量大，從高溫端跑到低溫端的電子數比從低溫端跑到高溫端的要多，結果高溫端因失去電子而帶正電，低溫端因獲得多余的電子而帶負電，在導體兩端便形成溫差電動勢。溫差電動勢大小可表示為學習單元二熱電偶傳感器熱電偶回路如圖2-18所示。圖2-18熱電偶回路學習單元二熱電偶傳感器熱電偶的熱電動勢為其中，接觸電動勢遠遠大于溫差電動勢，因此可以把溫差電動勢忽略。故有綜上所述，可以得出以下結論：熱電偶熱電動勢的大小，只與組成熱電偶的材料和兩個節點的溫度有關，而與熱電偶的形狀和尺寸無關。對于已選定的熱電偶，當參考端溫度T0恒定時，eAB(T0)=c（常數），則總的熱電動勢就只與溫度T成單值函數關系，即

eAB(T,T0)=eAB(T)＋eB(T,T0)－eAB(T0)－eA(T,T0)eAB(T,T0)=eAB(T)－c=f(T)學習單元二熱電偶傳感器均質導體定律1.熱電回路的基本定律二、由同一種導體組成的閉合回路，無論節點的溫度如何，均不產生熱電動勢，這是因為同一種導體不產生接觸電動勢，溫差電動勢也相抵消，所以總的熱電動勢為零。學習單元二熱電偶傳感器中間導體定律2.在熱電偶回路中接入中間導體（第三種導體），只要中間導體兩端溫度相同，熱電偶的熱電動勢就不變。熱電偶的熱電動勢測量必須有連接導線和儀表，若把連接導線和儀表看成第三種導體，只要它們的兩端溫度相同，就不影響總熱電動勢。在實際測溫系統中，常采用熱端焊接、冷端開路的形式，由冷端連接導線和顯示儀表構成。學習單元二熱電偶傳感器中間溫度定律3.熱電偶回路兩節點（溫度為T、T0）間的熱電動勢，等于熱電偶在溫度為T、Ta時的熱電動勢與在溫度為Ta、T0時的熱電動勢的代數和，其中Ta為中間溫度。eAB(T,T0)=eAB(T,Ta)+eAB(Ta,T0)在實際熱電偶測溫回路中，利用中間溫度定律，可對參考端溫度不為0℃的熱電動勢進行修正。學習單元二熱電偶傳感器標準電極定律4.工作端和自由端溫度為T、T0時，用導體AB組成熱電偶的熱電動勢等于AC熱電偶和CB熱電偶的熱電動勢之代數和。eAB(T,T0)=eAC(T,T0)+eCB(T,T0)利用標準電極定律可以方便地根據幾個熱電極與標準電極組成熱電偶時所產生的熱電動勢，求出這些熱電極彼此任意組合時的熱電動勢，而不需要逐個進行測定。學習單元二熱電偶傳感器熱電偶的外形結構和種類特性三、熱