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传感器的基本构成及应用实例——热电偶传感器

时间:2023-06-14 理论教育 版权反馈
【摘要】:传感器的基本组成为被测量、敏感元件、转换原件、辅助电源、转换电路和电量。如图1-2所示的热电偶传感器,2种金属A和B,其中一端连接在一起并放在被测温度为T的环境中,另一端放在温度为T0的参考环境中,回路中会产生反映T与T0温差的电势,利用该电势可测温度。图1-2热电偶传感器仅由一个敏感元件构成的传感器较少,通常通过不同功能的元件组合来构成传感器。光电器件和热电偶传感器也较为成熟,因此光和热常作为中间变量。

传感器的基本构成及应用实例——热电偶传感器

传感器一般由敏感元件和转换元件2部分组成,由于敏感元件或转换元件的输出信号一般都较微弱,需要相应的转换电路将其变换为易于传输、转换、处理和显示的物理量形式。另外,除一些能量转换型传感器外,大多数传感器还需外加辅助电源提供必要的能量,所以有时传感器的组成还包括辅助电源部分。传感器的基本组成为被测量、敏感元件、转换原件、辅助电源、转换电路和电量。

(一)敏感元件

它的功能是直接感受被测量并输出与之有确定关系的另一类物理量。例如,温度传感器的敏感元件的输入是热量或温度,输出则应为温度以外的某类物理量。传感器的工作原理一般由敏感元件的工作原理决定。

(二)转换元件

有时敏感元件的输出量需要转换为电量(电压、电流电阻、电容、电感等),才能便于进一步处理,因此需要转换元件将敏感元件的输出转换为电量。

(三)转换电路

如果转换元件输出的信号微弱,或者不是易于处理的电压或电流信号,而是其他电量,则需要相应转换电路,将其转换为易于传输、转换、处理和显示的形式(一般为电压或电流)。有的传感器将转换电路、敏感元件和转换元件制作在一起,有的则分开。

(四)辅助电源

有些传感器需外加电源才能工作,辅助电源就是提供传感器正常工作所需能量的电源部分,它有内部供电和外部供电2种形式。

图1-1给出了一个典型的电阻应变片式测力传感器,弹性体是其敏感元件,它感受被测力F并将其转换成应变量;电阻应变片是转换元件,它将弹性体输出的应变转换成电阻值变化;电桥是转换电路,它将电阻值变化转换成电压U输出;电源是辅助能源,为电桥供电。(www.xing528.com)

图1-1 电阻应变片式测力传感器

实际上,有些传感器的敏感元件和转换元件无区别,是二者合一的。如图1-2所示的热电偶传感器,2种金属A和B,其中一端连接在一起并放在被测温度为T的环境中,另一端放在温度为T0的参考环境中,回路中会产生反映T与T0温差的电势,利用该电势可测温度。

对一个传感器而言,敏感元件和转换元件必不可少,而转换电路和辅助电源并非必需。敏感元件和转换元件在结构上常组装在一起,有时可能合为一体,而转换电路和辅助电源与它们有时组装在一起,有时则是分开独立的。

图1-2 热电偶传感器

仅由一个敏感元件构成的传感器较少,通常通过不同功能的元件组合来构成传感器。在大多数情况下,传感器的输出为电量,但要把一些外界信息直接变换为电量有时很困难,需要经过2级或2级以上的变换。另外,被测量的种类很多,测量条件各种各样,有的被测量不能直接用现有传感器检测,或理论上能检测但实际检测较为困难。为此,在多数情况下采取的方法是先把被测量变换为其他物理量,再用其他变换元件把这个物理量进行再变换。例如压力测量,虽然压电元件能把压力直接变换为电压信号,但由于绝缘电阻有限,测量稳态或接近稳态的缓慢变化压力时,必须用电荷放大器,而电荷放大器因工作稳定性和信噪比等问题而可能难以适用。因此,往往采用弹性膜片(敏感元件)先把压力变换为膜片位移,再将位移变换为其他电量(如电容),也就是通过压力到位移再到电量的2级变换来实现压力测量的。起中间变换作用的元件(如本例中的弹性膜片)称为一次变换元件。

容易变换成电量的量有位移、光、热(温度)等。由于位移测量用途很广,人们对位移传感器进行了各种研究,包括接触式和非接触式的。光电器件和热电偶传感器也较为成熟,因此光和热常作为中间变量。表1-3列举了利用位移、光、热的传感器能测的物理量。

表1-3 能用于中间变换的物理

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