自动控制元件及线路-热电式传感器及航天传感器
自动控制元件及线路试题及答案
自动控制元件一．（20分） 1. 1台永磁直流力矩电机，反电势系数),rad/s V/( 2=e K 摩擦转矩m N 2.0⋅=f T ，转动惯量3104-⨯=J kg •m 2，电感02.0=a L H 。
连续堵转时电流A 51=I ，电压V 201=U 。
（1）求机电时间常数m τ，电磁时间常数e τ，连续堵转的电磁转矩1T 。
（2）电枢电压2U =25V ，求起动时的输出转矩20T 和此电压对应的空载转速20ω。
（3）电机转速rad/s 103=ω，电磁转矩m N 23⋅=T 时，求电枢电压3U 和输出转矩30T 。
（4）写出该电机的传递函数)(/)(s U s a Ω。
2．输入信号是电枢电压a u ，输出信号是电机转角θ。
绘出直流电动机动态框图，标出)(s I a ，),(),(s T s E em a 及扰动力矩)(s T c 。
3．绘出直流电动机电枢控制的调节特性和机械特性曲线，标出始动电压、理想空载转速和堵转转矩，标出电动机、发电机和反接制动状态。
4．直流电动机的主要优点和缺点是什么？5.电机铁心多用硅钢片叠压而成。
采用片状材料的目的是什么？6.性能优良的永磁直流力矩电动机现在一般采用什么永磁材料？7.与直流伺服电动机相比，直流力矩电动机的e K 、t K 有什么特点？电枢的几何形状有什么特点？二．（20分）1.异步电动机等效电路图中ss r 1'2上的热损耗表示什么？2.简述两相对称绕组产生椭圆形旋转磁场的条件。
3画出两相电机幅相控制时的电路图。
3．磁场)F-=ω表示什么磁场？为什么？Asin(xt4.绘出圆形旋转磁场时异步电动机的两条典型机械特性曲线（转子电阻大和小）。
5．推导两相伺服电动机传递函数)ssGΩ=,并说明其中的参数与静态特性曲线(U/)(s()的关系。
6．绘出三相异步电动机从基频向下变频调速时的机械特性。
7.异步电动机从基频向下变频调速时，若电压保持不变将产生什么现象？用公式说明。
热电式传感器的原理和应用
热电式传感器的原理和应用一、热电式传感器的原理热电式传感器是一种使用热电效应来测量温度的传感器。
它利用了热电效应在两个不同材料接合处产生的温度差，从而生成一个电压或电流信号，用于测量温度。
1. 热电效应的基本原理热电效应是指两个不同材料的接触处由于温度差异而产生的电势差。
根据这个原理，热电式传感器通常由两种不同材料的导线或导体构成。
2. 热电偶原理热电偶是热电式传感器的一种常见类型，它由两根不同材料的导线通过焊接连接而成。
当一个导线的接触处受到热源的加热时，会产生一个电势差，这个电势差与温度成正比。
通过测量这个电势差，可以间接测量热源的温度。
3. 温度与电势差的关系热电偶的电势差与温度之间的关系可以通过热电势-温度特性曲线来描述。
每种材料的热电性质都不同，因此每根导线的热电特性也不同。
通过测量两个导线的电势差，可以确定温度的值。
二、热电式传感器的应用热电式传感器由于其简单、可靠的原理，被广泛应用于温度测量以及其他相关领域。
1. 工业自动化在工业自动化中，热电式传感器常用于测量各种流体、气体以及固体的温度。
它可以实时监测温度变化，并与控制系统相连，实现温度的自动调控。
2. 热处理过程热电式传感器在热处理过程中起到关键作用。
通过测量加热炉、熔炉等设备的温度，可以确保热处理过程的准确性和稳定性。
3. 医疗设备热电式传感器在医疗设备中也有广泛应用。
例如，体温计和血糖仪等便携式医疗设备都采用了热电式传感器来测量体温和血糖水平。
4. 环境监测热电式传感器还可以用于环境监测。
例如，测量室内和室外温度、湿度等参数，可以帮助调节室内环境，提供舒适的生活和工作环境。
结论热电式传感器是一种常见且有效的温度测量工具。
它利用热电效应的原理，通过测量热源产生的电势差来间接测量温度。
热电式传感器应用广泛，在工业自动化、热处理过程、医疗设备和环境监测等领域都有重要作用。
热电式传感器的原理和应用对提升生活和工作环境的舒适性，以及保证工业生产过程的准确性和稳定性都起到了关键作用。
热电式传感器工作原理
热电式传感器是一种常用的温度测量装置，它基于热电效应来实现温度的检测和测量。
其工作原理可以归纳如下：
1.热电效应：热电效应是指当两个不同金属或半导体材料形成一个闭合回路时，在两个接
点处存在温差时会产生电势差。
这种现象称为热电效应，主要有两种类型：塞贝克效应和佩尔丹效应。
2.塞贝克效应：塞贝克效应是指当两种不同金属材料的接点处存在温差时，由于热电效应
产生的电势差。
这个电势差与温差之间的关系是线性的，即温差越大，产生的电势差越大。
3.佩尔丹效应：佩尔丹效应是指当两种不同半导体材料的接点处存在温差时，由于热电效
应产生的电势差。
与塞贝克效应类似，佩尔丹效应也具有线性关系。
4.传感器结构：热电式传感器通常由两种不同金属或半导体材料组成的热电偶或热敏电阻
构成。
其中一个接点暴露于待测温度环境，而另一个接点则与参考温度保持恒定。
当两个接点存在温差时，通过测量产生的热电势差就可以确定温度。
5.信号读取：为了读取热电势差并将其转换为温度值，通常使用热电偶仪表或热敏电阻仪
表。
这些仪器测量和解释由热电效应产生的微弱电信号，并将其转化为相应的温度值。
总结起来，热电式传感器利用热电效应来测量温度变化。
通过测量不同金属或半导体材料之间的热电势差，可以确定温度差异并将其转化为实际温度值。
这种原理使得热电式传感器在许多应用领域中被广泛使用，如工业过程控制、温度监测等。
自动控制元件及线路-测量元件概述-哈工大
静特性
变换函数是描述静特性的数学方程（理论的、理想的） 结构和形式是在分析的基础上建立的 参数通过实际标定确定，统计分析、曲线拟合等 大多数测量元件：y=kx
灵敏度
灵敏度：输出量的微小增 量与输入量微小增量的比 值，变换函数的一阶导数 或静特性曲线的斜率。 非线性的，不同的点有不 同的灵敏度。 线性的静特性，灵敏度不 变。
悬停
巡航飞行
高速飞行
无人机控制系统结构
整体结构设计
机载控制系统
主控制单元
姿态控制 高度传感器 风速传感器
无人机控制系统结构
转速传感器 温度传感器 IMU模块 GPS模块 摄像头
涵 道 式 旋 翼 无 人 飞 行 器
飞行控制 抗干扰控制 起降控制
传 感 器 单 元
执 行 器 单 元
发动机油门 伺服舵机1 伺服舵机2 伺服舵机3 伺服舵机4
u
TL
km R Ls
y 1 1 s Js D
y
测量元件组成
把物理量转化 成电路参量
感受或响应被 测量并转化成 另一种物理量
转换特定形式的 电量（调节、转 换、放大、运算、 调制）
测量元件: 检测出一种量并转换成容易处理的另一种量。 功能：检测和转换。 处理：放大、加减、积分、微分、滤波、存储和传送。 容易处理的量：主要指的是电信号。
定义、作用、组成和分类
2
3
元件特性 讨论
4
测量元件在控制系统中的作用
校正元件 输入 控制器 功率元件 功放 执行元件 执行器 被控 对象 输出
测量元件
执行元件：功能是驱动被控对象，控制或改变被控量
放大元件：提供能量，将微弱控制信号放大驱动执行元件。 校正元件：作用是改善系统的性能，使系统能正常可靠地工作并达到 规定的性能指标 测量元件：将一种量按照某种规律转换成容易处理的另一种量的元件。 （将外界输入信号变换为电信号的元件。）
某同学准备报考哈尔滨大学的航天航空专业研...(1)
1．某同学准备报考哈尔滨大学的航天航空专业研究生，需要检索复习资料比如研究生招生考试和入学考试题目、招生简章、相关大学本专业最新资料，及本专业的就业前景.2. 专业内不同导师的各自简历、发表文献、科技成果、申请的专利信息及国家级科研课题。
3. 如需要去该大学复试，请检索该城市和大学的电子地图，以及具体的联系人和联系方式。
选择检索工具1.中国知识网CNKI.2．维普3．百度4．搜狗5．哈尔滨工业大学相关网站6．读秀网检索途径本课题采用主题（关键词）及分类途径相结合。
电子地图检索电子地图检索结果确定检索词百度搜索——哈尔滨工业大学研究生院检索结果在哈尔滨工业大学主页，点击“2011年招生简章”哈尔滨工业大学2011年硕士研究生招生简章来源：考试大 [ 2010年8月31日] 字号：T | T一、报考条件1.拥护中国******************的领导，积极为社会主义现代化建设服务，品德良好，遵纪守法。
2.考生的学历必须符合下列条件之一：(1)国家认可的国民教育系列高等院校的应届本科毕业生(必须在硕士生入学前取得本科毕业证书);(2)具有国家认可的国民教育系列高等院校大学本科毕业学历的人员;(3)达到与大学本科毕业生同等学力者，这类考生通过初试后需加试两门本科专业基础课，且必须具备以下两个条件：招生专业目录哈尔滨工业大学2011年研究生招生专业目录(2)2010-8-30 23:39哈尔滨工业大学【大中小】【我要纠错】2011年哈工大深圳研究生院招生学科目录与招生计划专业检索报考航天航空专业：院系：航天航空学院；专业：飞行器与工程设计专业点击查询专业简介检索结果飞行器设计与工程1）飞行器设计与工程专业简介飞行器设计与工程专业的前身是1959年成立的战略导弹总体设计专业，文革期间停办，1990年根据国家航天发展和国防建设需要恢复专业招生，1991年根据国家教委专业设置的原则，更名为飞行器设计与工程专业。
自动控制系统中常用的传感器技术
自动控制系统中常用的传感器技术传感器技术是自动控制系统中非常重要的一项技术。
传感器是用来感知环境信息并将其转化成电信号的装置。
它们可以测量物理量，如温度、压力、湿度、光线、声音等。
在自动控制系统中，传感器可以将这些物理量的信息传输到控制器中，以控制系统的运行。
因此，传感器技术是实现自动控制系统的关键。
那么，在自动控制系统中，常用的传感器技术有哪些呢？我们来分别了解一下。
第一种是温度传感器。
温度传感器广泛应用于自动控制系统中，以实现对温度的精确测量和控制。
常见的温度传感器有热电偶、热敏电阻、热电阻等。
热电偶工作原理是通过测量两种不同材料的温度差来测量环境温度。
热敏电阻是利用温度对电阻的影响来测量温度。
热电阻则是利用材料的电阻随温度变化的特性来测量温度。
这些传感器均可以实现精准的温度测量和控制。
第二种是压力传感器。
压力传感器用于检测液体或气体压力大小的传感器。
常见的压力传感器有气体压力传感器、液压传感器等。
气体压力传感器可以通过不同的测量原理进行分类，如压阻式气体压力传感器、微型差压式气体压力传感器、热导式气体压力传感器等。
液压传感器的测量原理与气体压力传感器相似，其用于测量液体压力的变化。
利用这些传感器，自动控制系统可以实现对液体或气体压力的高精度测量和控制。
第三种是光敏传感器。
光敏传感器可以将光信号转化成电信号，以便在自动控制系统中进行处理或控制。
常见的光敏传感器有光电二极管、光敏电阻、光电管等。
它们可以通过测量光线的强度或频率来判断环境变化，如光敏传感器可以用于光线强度的测量，从而实现对环境光照强度的自动控制。
除此之外，还有许多传感器技术被广泛应用于自动控制系统中，如声波传感器、电磁传感器等。
这些传感器技术在实际应用中所起的作用，在自动控制系统的实现中有不可忽视的重要性。
总之，传感器技术在自动控制系统中占据着重要的地位。
自动控制系统中，传感器通过感知环境信息并将其转化成电信号的方式，实现对各种物理量的精确测量和控制。
自动控制元件及线路
s
∫ B cos θ d S
B, θ 不变
Φ = Φm cosθ
可以认为磁密B与 可以认为磁密 与 磁场强度向量H 有关。 磁场强度向量 有关。 磁场强度向量H 的关系是: 磁场强度向量 与B 的关系是 B=µH
从物理角度，磁场是由？产生的？ 从物理角度，磁场是由？产生的？ 磁场是由电流产生的。 电流产生的 磁场是由电流产生的。 磁场与电流的关系由？定律描述？ 磁场与电流的关系由？定律描述？ 安培环路定律（全电流定律）。 安培环路定律（全电流定律）。 的关系。 描述 H 与 I 的关系。
自动控制技术应用广泛。 自动控制技术应用广泛。 从被控制的变量看，有机械转速，机械位移， 从被控制的变量看，有机械转速，机械位移， 温度，压力，流量， 重量。 温度，压力，流量，液位 ，重量。 从控制装置所在环境看， 从控制装置所在环境看，空中的飞行器 ， 大海中的现代化舰船， 地面上的自动化装置 ，大海中的现代化舰船， 深海中的潜艇。 深海中的潜艇。 有现代化设备的地方，就有自动控制技术。 有现代化设备的地方，就有自动控制技术。
Fem
1 2 dRδ = Φδ 2 dδ
3）磁极间的力 ） 同性相斥，异性相吸，与距离平方成反比。 同性相斥，异性相吸，与距离平方成反比。
0.3.5 圆柱面磁场间的力矩
θ
p =1
0
∼
+
90
o
0
+
0.3.5 圆柱面磁场间的力矩
θ 0 ∼ 90 p=1 0 + +
o
∼
180
o
+
0
0.3.5 圆柱面磁场间的力矩
3．放大元件 功能是将微弱信号放大。 ． 功能是将微弱信号放大。 分为前置放大元件和功率放大元件两种。 分为前置放大元件和功率放大元件两种。 功率放大元件的输出信号具有较大的功率， 功率放大元件的输出信号具有较大的功率， 可以直接驱动执行元件。 可以直接驱动执行元件。 4．补偿元件（校正元件） 为了确保系统稳 ．补偿元件（校正元件） 定并使系统达到规定的精度指标和其他性能 指标，控制系统的设计者增加的元件。 指标，控制系统的设计者增加的元件。 作用是改善系统的性能， 作用是改善系统的性能，使系统能正常可靠 地工作并达到规定的性能指标。 地工作并达到规定的性能指标。
传感器技术课件-热电式传感器
热电式传感器的应用领域
工业自动化
用于测量温度、流量、气体浓度等参数，提高生产效率和质量。
能源管理
用于监测和控制能源消耗，优化能源利用效率。
汽车工业
用于发动机温度、刹车系统和座椅加热等应用。
热电式传感器与其他传感器的比较
热电式传感器
• 适用于高温环境 • 温度测量范围宽 • 稳定性和精度高
压力传感器
热电式传感器的结构及原理
结构
热电式传感器通常由热电材料、保护层、连接线 和环境接口组成。
原理
当热电材料的两端产生温度差时，热电效应将使 电场中的电子产生电流，从而实现温度测量。
热电式传感器的分类
1 温度差型热电式传感器
适用于测量温度差异的传感器，如热电偶和 热敏电阻。
2 温度感应型热电式传感器
适用于测量单一温度的传感器，如热电阻和 热电堆。
选择离测量对象最近的位置，避免热量流失。
2 防护和维护
确保传感器受到适当的防护，并进行定期检查和校准。
3 电源和电路设计
考虑传感器的电源供应和信号处理电路的设计，以确保准确运行。
热电式传感器的校验方法
1 对比法
2 零点校准
将传感器与已知准确度的 参考温度计进行偏差。
传感器技术课件-热电式 传感器
热电式传感器是一种能够将热量转化为电能的传感器。了解其基本原理、结 构和应用领域，以及其优点和缺点是非常重要的。
什么是热电式传感器
热电式传感器是一种将温度变化转化为电压或电流输出的传感器。它利用热电效应来测量温度，并将温度变化 转化为电信号。
热电效应的基本原理
热电效应是指当两个不同材料的接触点形成温度差时，产生的电压或电流。 这种效应是由于不同材料的电子在温度梯度下产生的差异。
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1133..11 热热电电偶偶
（1）0℃恒温法
将热电偶的冷端置于冰水混合物中，保证冷端温度恒 定为0℃。根据热电偶测得的输出热电势，再查找该热电偶 的分度表，即可得到测量端的温度。
1133..11 热热电电偶偶
（2）热电势修正法 在实际使用中，使冷端保持在0℃很不方便，有
时也使冷端保持在某一恒定的温度Tn，这种情况下 采取热电势修正法。
1133..11 热热电电偶偶
电势低 A T
电势高 B
铁
m
A
铜
ε
电势高
T0
电势低
将两根不同材料的导体或 半导体（A和B）联接起来 构成一个回路，如果两个 接合点处的温度不同
（T0≠T），则在两导体向
产生热电势，并在回路中 有一定大小的电流，这种 现象称为热电效应
T (D C )
0 100D
275D
＞600 ±0.4%t
＞600 ±0.5%t
≤400
＞400
±4
±0.75%t
≤400
＞400
±4
-200~-400 ±2%t
±1%t
-40~400 ±0.75%
1133..11 热热电电偶偶
非标准化的热电偶
9 铁－康铜热电偶：灵敏度高 9 高温热电偶：钨铼系热电偶，测温上限可达2450摄氏度 9 低温热电偶：铜－铜锡0.005可测-271~-243摄氏度的低温； 镍铬－铁金0.03可测-269℃~-0℃
优点：测温端热容量小，动态响应快；机械强度高，挠性 好，可安装在结构复杂的装置上。
1133..11 热热电电偶偶
薄膜热电偶
由两种薄膜热电 极材料, 用真空蒸镀、 化学凃层等办法蒸镀 到绝缘基板上面制成 的一种特殊热电偶。
特点：热接点可以做得很小（可薄到0.01~0.1μm），具有 热容量小、反应速度快（μs）等特点，适用于微小面积上的 表面温度以及快速变化的动态温度测量。
自动控制元件及线路
测量元件
热电式传感器
哈尔滨工业大学空间控制与惯性技术研究中心 伊国兴
本课件部分内容参考仿真中心陈松林老师相关课件
目目 录录
热电偶 热电阻 热敏电阻 集成电路
1133..11 热热电电偶偶
一、工作原理
1、热电效应（赛贝克效应）
1821年赛贝克发现了铜、铁这两种金 属的温差电现象。即在这两种金属构成的 闭合回路中，对两个接头的中一个加热即 可产生电流。在冷接头处，电流从铁流向 铜。由于冷、热两个端（接头）存在温差 而产生的电势差e，就是温差热电势。这种 由两种不同的金属构成的能产生温差热电 势的装置称为热电偶。
时，产生的热电势在一定的温度范围内仅是热端温度 T 的单
值函数。
存在二次项：bAB(t 2 − t02 )。
1133..11 热热电电偶偶
二、热电偶的基本定律
1、中间导体定律
将由A、B两种导体组成的热电偶的冷端（T0端） 断开而接入的三种导体C后，只要冷、热端的T0 、 T 保持不变，则回路的总热电势不变。
+
eC (T ,T0 )
−
eA (T ,T0 )
eBC (T ,T0 ) = eBC (T ) − eBC (T0 ) + eC (T ,T0 ) − eB (T ,T0 )
=
(T
−
T0
)
κ
e
ln
nB nC
+
eC (T ,T0 ) −
eB (T ,T0 )
eAC
(T ,T0 )
−
eBC
(T ,T0 )
EA-2
负
Cu56~57% Ni43~44%
正
Cu100%
负
Cu55%Ni45%
100℃时 电势(mV)
使用温度 长期 短期
0.643 1300 1600
0.034 1600 1800
4.10
1000 1200
6.95
600 800
4.26
200 300
允许误差
(℃)
≤600 ±2.4 ≤600 ±3
3、中间温度定律
A
T
T0
B
A
A
T
T1
T1
T0
B
B
这是中间温度定律，因为热电势与两个结的温度有关，要 测得某一结所处的温度，则另一个结必须0℃，而实际上这 样的条件是难办到的；但只要测得EAB(T,T1) (E表示热电势， A、B表示两种不同金属，T、T1表示两个结处在T、T1温度 下），并且T1可测， EAB(T,0)则可以查表确定，用EAB(T,T1)与 EAB(T,0)的和，便可确定T处温度。
=
K T0 e
ln
nA nB
T 端接触电势：
eAB
(T )
=
KT e
ln
nA nB
回路总接触电势：EAB (T )
−
EAB (T0 )
=
k e
(T
− T0 )ln
nA nB
1133..11 热热电电偶偶
(2) 温差电势
同一导体中的，如果两端温度不同，在两端间 会产生电动势，即产生单一导体的温差电动势， 这是由于导体内自由电子在高温端具有较大的动 能，因而向低温端扩散的结果。高温端因失去电 子而带正电，低温端由于获得电子而带负电，在 高低温端之间形成一个电位差。温差电动势的大 小与导体的性质和两端的温差有关。
化学成分
铂铑10－铂
正 LB-3
负
正
铂铑 －铂铑
30
6
LL2
负
Pt90%Rh10% Pt100%
Pt70%Rh30% Pt94%Rh6%
镍铬－镍硅
正
Cr9~10%Si0.4% Ni90%
EU-2
负
Si2.5~3.0% Co≤0.6%Ni97%
镍铬－考铜 铜－康铜
正
Cr9~10%Si0.4% Ni90%
=
κ T0
e
ln
nC nB
T
端接触电势：eAB (T
)
=
κT
e
ln
nA nB
1133..11 热热电电偶偶
eAB (T ,T0 ) = eAB (T ) + eB (T ,T0 ) − eAC (T0 ) − eCB (T0 ) − eA(T ,T0 )
= eAB (T ) − eAC (T0 ) − eCB (T0 ) + eB (T ,T0 ) − eA(T ,T0 )
∫ =
T
κ
e
ln
nA nB
− T0
κ
e
ln
nA nC
− T0
κ
e
ln
nC nB
+
T T0
[σ
B
(T
)
−
σ
A
(T
)
]
dT
∫ =
(T
−
T0
)
κ
e
ln
nA nB
+
T T0
[σ
B
(T
)
−
σ
A
(T
)]
dT
此定律具有特别重要的实用意义?
因为用热电偶测温时必须接入仪表(第三种材料)，根据此定 律，只要仪表两接入点的温度保持一致(T0 )仪表的引入就不会 影响热电势。而且A、B结点的焊接方法也可以是任意的。
1133..11 热热电电偶偶
2、参考电极定律（标准电极定律）
如果两种导体A、B分别与第三种导体C所组成的热电偶所 产生的热电势是已知的，则这两种导体所组成的热电偶的热电 势也是已知的，且
eAB (T , T0 ) = eAC (T , T0 ) − eBC (T , T0 )
A
A
B
T
T0
B
T
T0
1133..11 热热电电偶偶
对电极材料的要求：
¾在同样的温差下产生的热电势大，且其热电势与温度之间呈 线性或近似线性的单值函数关系； ¾耐高温，抗辐射性能好，在较宽的范围内性能稳定； ¾电导率高、电阻温度系数小； ¾复制性和工艺性好，价格低廉。
1133..11 热热电电偶偶
三、常用的热电偶
热电偶名称 分度号 极性
T
T0
C
C
根据此定律，可以便于给出所有热电偶材料的有关参数，
方便热电偶电极的选配。
1133..11 热热电电偶偶
A
A
B
T
T0
B
T
T0
T
T0
C
C
证明：
eAC (T ,T0 ) = eAC (T ) − eAC (T0 ) + eC (T ,T0 ) − eA (T ,T0 )
=
(T
−
T0
)
κ
e
ln
nA nC
T
度），称为参考端（自由端或冷端）。
可见热电偶由温差产生的热电势是随介质温度变化而变化，
即：
Et＝eAB(T)－eAB(T0)； eAB(T0) — 温度为T0处热电势； eAB(T) — 温度为T处热电势。 Et — 热电偶的热电势；
1133..11 热热电电偶偶
T0
1
A
B
2
T 热电偶示意图
测量仪表 或电路
T0
A
B
T
热电偶与测量 仪表连接示意图
1133..11 热热电电偶偶
2、热电偶的热电势
接触电势、温差电势组成
(1) 接触电动势 ¾接触面上就会发生电子扩散 ¾扩散速率与电子密度有关并和接触区的温度成正比 ¾达到动态平衡时，在接触区形成一个稳定的电位差，即接 触电动势。