【正文】 9 0 176。 若要在纖芯和包層的界面上發(fā)生全反射 ， 則界面上的光線(xiàn)臨界折射角 φc=90176。211si n 39。s i ns i n39。 其意義是：無(wú)論光源發(fā)射功率有多大 ， 只有入射角處于 2θc的光椎角內(nèi) ， 光纖才能導(dǎo)光 。 2 ?c?i? ?? ??in0n2n1纖芯包層光纖傳感器的工作原理 光纖傳感器原理實(shí)際上是研究光在調(diào)制區(qū)內(nèi) ， 外界信號(hào) （ 溫度 、 壓力 、 應(yīng)變 、 位移 、 振動(dòng) 、 電場(chǎng)等 ） 與光的相互作用 ， 即研究光被外界參數(shù)的調(diào)制原理 。 光纖傳感器的組成 光纖傳感器由光源 、 敏感元件 （ 光纖或非光纖的 ） 、 光探測(cè)器 、 信號(hào)處理系統(tǒng)以及光纖等組成 。透射過(guò)半導(dǎo)體材料的光強(qiáng)隨溫度而變化，探測(cè)器檢測(cè)輸出光強(qiáng)的變化即達(dá)到測(cè)量溫度的目的。 1． 目前在集成溫度傳感器中 , 都采用一對(duì)非常匹配的差分對(duì)管作為溫度敏感元件 。 q是電子電荷量 。 這就是集成溫度傳感器的基本工作原理 , 在此基礎(chǔ)上可設(shè)計(jì)出各種不同電路以及不同輸出類(lèi)型的集成溫度傳感器 。 流過(guò)電路的總電流 IT為 : 式中當(dāng) R和 r一定時(shí) , 電路的輸出電流與溫度有良好的線(xiàn)性關(guān)系 。 ③ 靈敏度 1uA/K ④ 傳輸距離達(dá) 100m 2． AD590集成溫度傳感器應(yīng)用實(shí)例 AD590是應(yīng)用廣泛的一種集成溫度傳感器 , 由于它內(nèi)部有放大電路 , 再配上相應(yīng)外電路 ,方便地構(gòu)成各種應(yīng)用電路 。 調(diào)整好以后 , 固定可調(diào)電阻 , 即可由輸出電壓 VT讀出 AD590所處的熱力學(xué)溫度 。cmNTC——負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻 PTC——正溫度系數(shù)熱敏電阻 CTR——臨界溫度系數(shù)熱敏電阻 電阻式溫度傳感器 熱電阻溫度傳感器是利用導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻值隨溫度的變化而變化的原理制成的，實(shí)現(xiàn)了將溫度的變化轉(zhuǎn)化為元件電阻的變化。此電勢(shì)稱(chēng)為熱電勢(shì)。 dTTTe TT AA ??0),( 0 ?+ A B T eAB(T ) A eA(T,To) To T 溫差電勢(shì)原理圖 C）回路總電勢(shì) 00000( , ) l n l n ( )TATATA B A BTB T B TNkTNkTE T T d Te N e N??? ? ? ? ??? ? ? ?00( , )A B A B A BE T T e T e T??忽略溫差電勢(shì)，則總電勢(shì)為： ?如果冷端溫度 固定 0T0000( , ) l n l n ( ) ( )ATATABB T B TNkTNkTE T T f T C g Te N e N? ? ? ? ?2）熱電偶基本定律 （ P44) 該定律內(nèi)容是：由一種均質(zhì)導(dǎo)體或半導(dǎo)體組成的閉合回路，不論導(dǎo)體或半導(dǎo)體的截面積、長(zhǎng)度和各處溫度分布如何，都不能產(chǎn)生熱電勢(shì)。 均質(zhì)導(dǎo)體定律 BAAB NNekTTe ln)( ?2. 中間導(dǎo)體定律（或第三方導(dǎo)體定律） 當(dāng)在 A、 B材料組成的熱電偶回路中接入第三導(dǎo)體 C時(shí) ,只要引入的第三導(dǎo)體 C兩端溫度相同 ,則此導(dǎo)體的引入不會(huì)改變總電勢(shì) EAB(T,T0)的大小。 ? 但在實(shí)際測(cè)量中 ,熱電偶的冷端溫度將受環(huán)境溫度或熱源溫度的影響 ,并不為 0℃ 。 實(shí)質(zhì)：在測(cè)量結(jié)果中人為地加一個(gè)恒定值，因?yàn)槔涠藴囟确€(wěn)定不變，電動(dòng)勢(shì) EAB(TH,0)是常數(shù)，利用指示儀表上 調(diào)整零點(diǎn) 的辦法，或在回路中加入相應(yīng)的 修正電壓 而實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償。 ? 通常設(shè)計(jì)在 20℃ 下使電橋平衡 (R1=R2=R3=RCu)，此時(shí) Uab=0 ，電橋?qū)x表讀數(shù)無(wú)影響。 集成溫度傳感器 電流輸出型集成溫度傳感器 AD590 工作原理：輸出電流與溫度成比例的電流源。 非功能型傳感器 (傳光型傳感器 ):光纖僅僅起傳輸光的作用 ， 它在光纖端面或中間加裝其它敏感元件感受被測(cè)量的變化 。 外界信號(hào)可能引起光的強(qiáng)度 、 波長(zhǎng) 、 頻率 、 相位 、 偏振態(tài)等光學(xué)性質(zhì)的變化 ， 從而形成不同的調(diào)制 。 ? 采用補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)將冷端遠(yuǎn)移至溫度變化比較平緩的環(huán)境中 , 再采用上述的補(bǔ)償方法進(jìn)行補(bǔ)償。 冷端補(bǔ)償器 mV EAB(T,T0) T0 T0 T A B + + a b U Uab RCu R1 R2 R3 R ? 不平衡電橋由 R R R3(錳銅絲繞制，溫度系數(shù)為零 )、RCu(銅絲繞制，其值隨溫度變化 )四個(gè)橋臂和橋路電源 組成。 3）熱電偶的冷端補(bǔ)償 冰點(diǎn)槽法 (0℃ 恒溫法 ) 實(shí)施方法：把熱電偶的參比端置于 冰水混合物 容器里 ， 使 T0=0℃ 。 對(duì)于任何一種實(shí)際的熱電偶 ,并不是由精確的關(guān)系式表示其特性 ,而是用特性分度表 。 （ 2）由一種材料組成的閉合回路存在溫差時(shí)，回路如產(chǎn)生熱電勢(shì)，便說(shuō)明該材料是不均勻的。 BAAB NNekTTe ln)( ?a) 接觸電勢(shì) 是由于兩種不同導(dǎo)體的自由電子密度不同而在接觸處形成的電動(dòng)勢(shì)。 ? 為消除由于連接導(dǎo)線(xiàn)電阻隨環(huán)境溫度變化而造成的測(cè)量誤差，常采用三線(xiàn)和四線(xiàn)連接法。 。 AD590在 25℃ （ ） 時(shí) , 理想輸出電流為 , 但實(shí)際上存在一定誤差 , 可以在外電路中進(jìn)行修正 。 基本電路與圖 1 20一樣 , 只是增加了一些啟動(dòng)電路 , 防止電源反接以及使左右兩支路對(duì)稱(chēng)的附加電路 , 以進(jìn)一步地提高性能 。 當(dāng)電流 I1恒定時(shí) , 通過(guò)改變 R1的阻值 , 可實(shí)現(xiàn) I1=I2, 當(dāng)晶體管的 β≥1時(shí) , 電路的輸出電壓可由下式確定 , 即 : 若取 R1=940Ω, R2=30KΩ, r=37, 則電路輸出的溫度系數(shù)為 : 20 2 2 211lnbeU R KTU I R RR R q ??? ? ? ? ?KmvqKRRdTdUC T /10ln120 ???? ?20 2 2 211lnbeU R KTU I R RR R q ??? ? ? ? ?KmvqKRRdTdUC T /10ln120 ???? ?若取 R1=940Ω, R2=30KΩ, r=37, 則電路輸出的溫度系數(shù)為 : （ 2） 電流輸出型圖 1 20 為電流輸出型集成溫度傳感器的原理電路圖 。 r 是 T1和 T2管發(fā)射結(jié)的面積之比 。 圖 118 集成溫度傳感器基本原理 1 2 12 1 2l n ( ) l n ( )be I A E IK T K TU q I A E q I ?? ? ? ? ?其中 T1和 T2是互相匹配的晶體管 ,I1和 I2分別是 T1和 T2管的集電極電流 , 由恒流源提供 。 集成溫度傳感器 集成溫度傳感器是利用晶體管 PN結(jié)的電流電壓特性與溫度的關(guān)系 , 把感溫 PN結(jié)及有關(guān)電子線(xiàn)路集成在一個(gè)小硅片上 , 構(gòu)成一個(gè)小型化 、 一體化的專(zhuān)用集成電路片 。 被測(cè)對(duì)象光 纖 敏 感元 件光源光探測(cè)器至 信 號(hào) 處理 系 統(tǒng)光纖光源光探測(cè)器至 信 號(hào) 處理 系 統(tǒng)光纖被測(cè)對(duì)象光 敏 感 元件( a )( b )光纖傳感器組成示意圖 （ a） 傳感型（功能型）； （ b） 傳光型 （非功能型） 光纖溫度傳感器 根據(jù)工作原理它可分為相位調(diào)制型 、 光強(qiáng)調(diào)制型和偏振光型等 。 光纖傳感器一般分為兩大類(lèi)： 功能型傳感器 (傳感型傳感器 ):利用光纖本身的某種敏感特性或功能制成的傳感器 。 光纖的 NA越大 ， 表明它的集光能力越強(qiáng) ， 一般希望有大的數(shù)值孔徑 ， 這有利于提高耦合效率； 但數(shù)值孔徑過(guò)大 ， 會(huì)造成光信號(hào)畸變 。 可見(jiàn)這里的光線(xiàn) “ 轉(zhuǎn)彎 ” 實(shí)際上是由光的全反射所形成的 。 時(shí)，有 22211 39。 。s i ns i n39。 纖芯的折射率 n1略大于包層的折射率 n2， 光纖的導(dǎo)光能力取決于纖芯和包層的性質(zhì) 。 光纖傳感器和傳統(tǒng)的各類(lèi)傳感器相比有一定的優(yōu)點(diǎn) ， 如不受電磁干擾 ， 體積小 ， 重量輕 ， 可繞曲 ， 靈敏度高 ， 耐腐蝕 ， 高絕緣強(qiáng)度 ， 防爆性好 ， 集傳感與傳輸于一體 ， 能與數(shù)字通信系統(tǒng)兼容等 。 激光僅 用于 瞄準(zhǔn) 紅外線(xiàn)輻射溫度計(jì)在非接觸溫度測(cè)量中的應(yīng)用 集成 IC 溫度測(cè)量 輻射式溫度傳感器：利用物體的輻射能隨溫度變化的原理測(cè)溫的。 經(jīng)整理 ， 可得 比色溫度的概念：溫度為 T的物體在波長(zhǎng) λ 1和 λ 2下的光譜輻射出射度的比值 ， 與溫度為 Tc的全輻射體在同樣的波長(zhǎng) λ 1和 λ 2下的光譜輻射出射度的比值如果相等， 則把全輻射體的溫度稱(chēng)為該物體的比色溫度 。 全輻射溫度計(jì) 部分輻射溫度計(jì) 為了提高儀表的靈敏度，有時(shí)熱敏元件不是采用熱電堆，而是采用光電池、光敏電阻以及其它的一些紅外探測(cè)元件，這些元件和熱電堆相比具有光譜選擇性，它們僅能對(duì)某一波長(zhǎng)范圍的光譜產(chǎn)生效應(yīng)。 輻射高溫計(jì)由輻射傳感器和顯示儀表組成，輻射傳感器又由光學(xué)系統(tǒng)與輻射變換器兩部分構(gòu)成。 bTm ?? mKbTm ????? 輻射測(cè)溫方法 ? :比較被測(cè)物體與參考源在同一波長(zhǎng)下的光譜亮度，并使二者的亮度相等，從而確定被測(cè)物體的溫度，典型測(cè)溫傳感器是光學(xué)高溫計(jì)。 2897m T m K????254100 00 dd 1cTcE E Te ??? ? ????? ? ???? 斯忒藩－玻耳茲曼定律： 確定了黑體全輻射與溫度的關(guān)系 。 輻射測(cè)溫特點(diǎn)： – 非接觸測(cè)量 不影響被測(cè)溫度分布 – 響應(yīng)速度快：對(duì)高速運(yùn)動(dòng)物體測(cè)溫。 ? 三、灰體 ： 能部分反射或吸收紅外輻射的物體稱(chēng)為灰體。 輻射式溫度傳感器 ? 輻射測(cè)溫的物理基礎(chǔ) 輻射式溫度傳感器是利用物體的輻射能隨溫度變化的原理制成的。 C～ 2800176。 ? 如熱電偶正向串聯(lián) , 可獲得較大的熱電勢(shì)輸出和提高靈敏度。 熱電偶的 并聯(lián) ： – 把幾個(gè)相同型號(hào)的熱電偶的同性電極參考端并聯(lián)在一起，各個(gè)熱電偶的測(cè)量結(jié)處于不同溫度下，其 輸出電動(dòng)勢(shì)為各個(gè)熱電偶熱電動(dòng)勢(shì)的平均值。 適用于普通型不能測(cè)量的空間溫度。主要缺點(diǎn)是鐵極易氧化，采用發(fā)藍(lán)處理后可提高抗銹蝕能力。 （ 6）銅 — 康銅熱電偶，分度號(hào) MK 熱電偶的熱電勢(shì)略高于鎳鉻 鎳硅熱電偶，約為43μV/℃ 。 （ 2） 鎢錸熱電偶 是 60年代發(fā)展起來(lái)的 ， 是目前一種較好的高溫?zé)犭娕?， 可使用在真空惰性氣體介質(zhì)或氫氣介質(zhì)中 ， 但高溫抗氧能力差 。 ? 還原性氣體中易被侵蝕 。 4． 鉑銠 30— 鉑銠 6熱電偶 (B型 ) 分度號(hào)為 LL— 2 正極：鉑銠合金 （ 用 70％ 鉑 ， 30％ 銠冶煉而成 ） 。 特點(diǎn)： ? 價(jià)格比較便宜 ， 工業(yè)上廣泛應(yīng)用 。 ? 復(fù)現(xiàn)性好 ， 熱電勢(shì)大 ， 但精度不如 WRLB。 負(fù)極：鎳硅合金 (用 ～ 97％ 鎳 ,2～ 3％ 硅 ,～ ％ 鈷冶煉而成 )。 ? 材料屬貴金屬 ， 成本較高 。 特點(diǎn)： ? 材料性能穩(wěn)定 ， 測(cè)量準(zhǔn)確度較高；可做成標(biāo)準(zhǔn)熱電偶 或基準(zhǔn)熱電偶 。 一、熱電偶的常用材料與結(jié)構(gòu) 常用熱電偶的特性 1． 鉑 — 鉑銠熱電偶 (S型 ) 分度號(hào) LB— 3 工業(yè)用熱電偶絲： Φ ， 實(shí)驗(yàn)室用可更細(xì)些 。 由分度表可查得 則： ? ?30,TE ? ? mVTE , ?T? ? mVE ,30 ?? ? ? ? ? ? 6 7 7 ,3030,0, ?????