常用傳感器技術.ppt

機械工程測試技術基礎,機械工程學院儀器系 李云雷 Tel:2786982 辦公室：12#527,第3章 常用傳感器技術,3.1 傳感器的基本概念 3.2 電阻式傳感器 3.3 電容式傳感器 3.4 電感式傳感器 3.5 壓電式傳感器 3.6 磁電與熱電式傳感器 3.7 光電式傳感器 3.8 光纖傳感器 3.9 半導體傳感器 3.10 其他類型傳感器,人通過五官（視、聽、嗅、味、觸）接受外界的信息，經(jīng)過大腦的思維（信息處理），作出相應的動作。 同樣，如果用計算機控制的自動化裝置來代替人的勞動，則可以說電子計算機相當于人的大腦（一般俗稱電腦），而傳感器則相當于人的五官部分。例如，足球機器人。 單靠人們自身的感覺器官，在研究自然現(xiàn)象和規(guī)律以及生產(chǎn)活動中它們的功能就遠遠不夠了。為適應這種情況，就需要傳感器。因此可以說，傳感器是人類五官的延長，又稱之為電五官。,傳感器與計算機、通信和自動控制技術等一起構(gòu)成一條從信息采集、處理、傳輸和應用的完整信息鏈。 深入研究傳感器的類型、原理和應用，研制開發(fā)新型傳感器，對于科學技術和生產(chǎn)過程中的自動控制和智能化發(fā)展，以及人類觀測研究自然界事物的深度和廣度都有重要的實際意義。 本章內(nèi)容主要包括傳感器的基本概念、各類傳感器（電阻式、電容式、電感式、壓電式、磁電式、熱電式、光電、光纖、半導體等）的工作原理、測量電路及其典型應用。,3.1傳感器的基本概念,3.1.1定義與組成 定義：根據(jù)我國國家標準（GB/T76652005），傳感器（Transducer/Sensor）的定義為能夠感受規(guī)定的被測量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件和裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。 解釋：敏感元件是指傳感器中能直接感受和響應被測量的部分；轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換成適于傳輸和測量的電信號部分。,注意事項：并非所有傳感器都能明顯地區(qū)分敏感元件和轉(zhuǎn)換元件這兩部分，如熱電偶 ；只由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成的傳感器通常輸出信號較弱或還不便于處理，此時需通過信號調(diào)理轉(zhuǎn)換電路將其輸出信號放大或轉(zhuǎn)換為便于測量的電壓、電流、頻率等電信號。,傳感器的典型組成：,膜盒敏感元件；電感線圈轉(zhuǎn)換元件；信號調(diào)理電路,3.1.2 傳感器的分類 1、按被測物理量分類,機械量:位移、速度、加速度、力； 熱工量：溫度、熱量、流量、壓力、液位 物性參量:濃度、粘度、比重等； 狀態(tài)參量:裂紋、缺陷、泄露、磨損,常見的被測物理量,2、按傳感器工作原理分類,機械式,電氣式,光學式,流體式等.,機械式傳感器以彈性體作為敏感元件，輸入量可以是力、壓力、溫度等物理量，輸出量為彈性元件本身的彈性變形。 彈性變形經(jīng)放大后可轉(zhuǎn)化為儀表指針的偏轉(zhuǎn)，借助刻度指示被測量的大小。 應用實例：測力計、壓力計、溫度計。,測力計,壓力計,溫度計,彈性膜片,波紋管,波登管,3、按信號變換特征:,結(jié)構(gòu)型:依靠傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化實現(xiàn)信號轉(zhuǎn)變. 例如:電容式和電感式傳感器 物性型:依靠敏感元件材料本身物理性質(zhì)的變化來實現(xiàn)信號變換.如:水銀溫度計.,能量轉(zhuǎn)換型和能量控制型.,4、按傳感器的能量關系不同分類,能量轉(zhuǎn)換型(無源傳感器）: 直接由被測對象輸入能量使其工作. 例如:熱電偶溫度計,磁電式加速度計. 能量控制型（有源傳感器）: 從外部供給能量并由被測量控制外部供給能量的變化.例如:電阻應變片.,5、按傳感器的輸出量不同分類 模擬式傳感器和數(shù)字式傳感器,3.2 電阻式傳感器 電阻式傳感器是將被測量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮枳兓膫鞲衅?，再?jīng)一定的測量電路實現(xiàn)對測量結(jié)果的輸出。 電阻式傳感器分類： 變阻器式傳感器 電阻應變式傳感器,3.2.1 變阻器式傳感器 變阻器式傳感器又稱為電位計式傳感器。 工作原理： 一個電導體的電阻值： 式中：R電阻（）； 材料的電阻率（mm2/m）； l導體的長度（m）； A導體的截面積（mm2）。 電阻絲直徑和材質(zhì)一定，電阻值隨導線長度改變。 變阻器式傳感器有直線位移型、角位移型和非線性型等。,直線位移型 kl為單位長度中的電阻 。 其靈敏度：,角位移型 靈敏度： 觸點轉(zhuǎn)角(rad)； ka單位弧度對應的電阻值。,非線性型 輸出電阻(或電壓)與電刷位移(包括線位移或角位移)之間具有非線性函數(shù)關系的一種電位器 。,圖3-5 變阻器式傳感器 a) 直線位移型 b）角位移型 c）非線性型,變阻器式傳感器的后接電路：電阻分壓電路,變阻器式傳感器的優(yōu)缺點： 優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定，使用方便； 缺點：分辨力受電阻絲直徑限制，很難優(yōu)于20m；較大的噪聲（電刷和電阻元件之間接觸面磨損、塵埃附著等原因）。,3.2.2 電阻應變式傳感器 電阻應變式傳感器由彈性敏感元件和電阻應變片組成。當彈性敏感元件受到被測量作用時，將產(chǎn)生位移、應力和應變，則粘貼在彈性敏感元件上的電阻應變片將應變轉(zhuǎn)換成電阻的變化。這樣，通過測量電阻應變片的電阻值變化，從而確定被測量的大小。 電阻應變式傳感器是應用最廣泛的傳感器之一，它可采用不同的彈性敏感元件形式，構(gòu)成測量位移、力、壓力、加速度等各種參數(shù)的電阻應變式傳感器。,1. 工作原理,圖3-7 金屬絲電阻應變片 1敏感柵 2基底 3覆蓋層 4引出線,敏感柵：金屬材料（半導體應變片為半導體材料）制成，用來感受應變； 基底和覆蓋層：（厚度一般在0.03mm左右）用來保護敏感柵、傳遞應變并使敏感柵和彈性敏感元件（或試件）之間具有良好的絕緣性能，常用材料為紙基和膠基； 引出線：將敏感柵接到測量電路中去，它由直徑為0.150.30mm的鍍銀銅絲或鎳鉻鋁絲制成。,電阻應變片的工作原理是基于金屬導體和半導體材料的“電阻應變效應”和“壓阻效應”。 電阻應變效應是指電阻材料在外力作用下發(fā)生機械變形時，其電阻值發(fā)生變化的現(xiàn)象； 壓阻效應是指電阻材料受到載荷作用而產(chǎn)生應力時，其電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象。,圖3-8 金屬絲的應變效應,公式推導：,則有：,設A=r2，r為電阻絲半徑，代入上式得,（39）,金屬材料：,半導體材料：,電阻絲的靈敏度系數(shù)：,2. 金屬電阻應變片的種類 （1）金屬電阻應變片： 絲式應變片：將一根電阻絲繞成柵狀，用膠粘劑貼于基底，其直徑在0.0120.050mm之間。 箔式應變片：用光刻、腐蝕等工藝方法制成的一種很薄的金屬箔柵，其厚度一般在0.0030.010mm。它的優(yōu)點是表面積和截面積之比大，散熱條件好，故允許通過較大的電流，并可做成任意的形狀，適于大批量生產(chǎn)。箔式應變片的使用范圍日益廣泛，并有逐漸取代絲式應變片的趨勢。,（2）半導體應變片： 常用硅、鍺等材料做成單根狀的敏感柵，使用方法與金屬電阻應變片相同。 優(yōu)點：靈敏度很大，是金屬電阻應變片的5070倍（可參考表3-1和表3-2），可測微小應變，尺寸小，橫向效應和機械滯后也小。 缺點：溫度穩(wěn)定性差，測量較大應變時，非線性嚴重，必須采取補償措施。,圖3-10 半導體應變片結(jié)構(gòu) 1-半導體敏感條 2-基底 3-引出線,3. 電阻應變式傳感器的應用 （1）直接測定結(jié)構(gòu)的應變或應力。例如，為了研究機械、橋梁、建筑等的某些構(gòu)件在工作狀態(tài)下的受力、變形情況，可利用不同形狀的應變片，粘貼在構(gòu)件的預定部位，可以測得構(gòu)件的拉壓應力、扭矩及彎矩等，為結(jié)構(gòu)設計、應力校核或構(gòu)件破壞的預測提供可靠測試數(shù)據(jù)。,（2）電阻應變片和彈性敏感元件配合制成各種電阻應變式傳感器，用來測量力、壓力、扭矩、加速度等物理量。 圓柱式力傳感器 ：R1、R3串聯(lián)，R2、R4串聯(lián)并置于相對位置的臂上，以減小彎矩的影響。橫向貼片作溫度補償用。,圖3-13 圓柱面展開及電橋 a）圓柱面展開圖 b）橋路連接圖,膜片式壓力傳感器 ： 切向應變t切向應變始終為正值，中心處最大； 徑向應變r有正有負，在中心處和切向應變相等，在邊緣處最大； 一般在膜片圓心處沿切向貼兩片（R1、R4）感受t，因為圓心處切向應變最大；在邊緣處沿徑向貼兩片（R2、R3）感受r，因為邊緣處徑向應變最大； 四個應變片接成全橋測量電路，以提高靈敏度和實現(xiàn)溫度補償。,圖3-14 膜片式壓力傳感器 a）應力變化 b）應變片粘貼位置,應變式加速度傳感器 ： 懸臂梁、質(zhì)量塊、螺釘固定在殼體； 梁的上下兩面粘貼應變片，傳感器內(nèi)部充滿硅油； 測量加速度時，將殼體剛性連接在被測體上，由于梁的剛度很大，慣性質(zhì)量塊也以同樣的加速度運動，其產(chǎn)生的慣性力作用在梁的端部使梁產(chǎn)生變形，應變片的阻值也發(fā)生相應變化； 為了防止傳過載破壞，質(zhì)量塊上下端面安裝限位塊。,圖3-15 應變式加速度傳感器 1-質(zhì)量塊 2-懸臂梁 3-硅油 4-限位塊 5-應變片 6-殼體,3.3 電容式傳感器 電容式傳感器是將非電量的變化轉(zhuǎn)換為電容量變化的一種裝置。 優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、體積小、動態(tài)響應快、溫度穩(wěn)定性好、易實現(xiàn)非接觸測量等。 缺點：易受外界干擾和分布電容影響，隨著電子技術的發(fā)展，其缺點不斷得以克服。 應用：可測量位移、振動、角度、加速度，以及壓力、壓差、液位、成份含量等。,3.3.1 工作原理及類型 公式：忽略邊緣效應，平板電容器的電容可表達為：,各參數(shù)含義： A 極板面積（m2）； 兩極板間距離（m） r極板間介質(zhì)的介電常數(shù)，當介質(zhì)為空氣時r=1； 0真空介電常數(shù),0=8.8510-1 2(F/m); 結(jié)論：被測量使、A或r變化，均會引起電容C變化。保持其中的兩個參數(shù)不變，僅改變另一參數(shù)，即可把該參數(shù)的變化變換成電容量的變化。 分類：根據(jù)電容器參數(shù)變化的特性，電容式傳感器可分為極距變化型、面積變化型和介質(zhì)變化型三種，前兩種應用較廣。,（1）極距變化型,極距有一微小變化量d時，引起電容變化量dC為,靈敏度為,差動式電容傳感器：靈敏度提高了一倍，線性工作區(qū)擴大。,總結(jié)：極距變化型電容傳感器的優(yōu)點是靈敏度高，可進行非接觸式測量，對被測系統(tǒng)的影響小，適用于微小位移（0.01m數(shù)百微米）的測量。但這種傳感器具有非線性特性、傳感器的雜散電容也對靈敏度和測量精度有影響，與傳感器配合使用的電子線路也比較復雜，由于這些缺點，其使用范圍受到一定限制。,（2）面積變化型,圖3-19 面積變化型電容傳感器 a）角位移型 b）平面線位移型 c）圓柱體線位移型 1動板 2定板,a)角位移型,電容量,靈敏度,結(jié)論：輸出與輸入成線性關系。,b)平面線位移型,電容量,靈敏度,c)圓柱體線位移型,電容量,靈敏度,式中 D圓筒孔徑； d 圓柱外徑。,總結(jié)：面積變化型電容傳感器的優(yōu)點是輸出與輸入成線性關系，但與極距變化型相比，靈敏度較低，適用于較大直線位移及角位移測量。,（3）介質(zhì)變化型,圖320a，介質(zhì)液位計，液面位置變動，兩電極侵入 高度變化，電容量變化。 圖320b，在兩固定極板間的介質(zhì)層的厚度、溫度或濕度發(fā)生變化時，介電常數(shù)變，導致電容量變化。,3.3.2 工作原理及類型 電容式傳感器將被測量轉(zhuǎn)換為電容量的變化后再由后續(xù)電路轉(zhuǎn)換成電壓、電流或頻率等輸出量。 （1）變壓器式交流電橋 電橋兩臂C1、C2為差動式電容傳感器，另外兩臂為交流變壓器二次繞組阻抗的一半，即L1和L2。圖示為電感、電容組成的交流電橋。電橋的輸出為一調(diào)幅波，經(jīng)放大、相敏解調(diào)、濾波后輸出。,（2）直流極化電路 又稱靜壓電容傳感器電路，多用于電容傳聲器或壓力傳感器。 組成：彈性膜片、電容器、直流極化電壓E0、高阻值電阻R。 輸出電壓： 被測量：測量氣流（或液流）振動速度，進而測其壓力。,（3）調(diào)頻電路 電容傳感器作為振蕩器諧振回路一部分，調(diào)頻振蕩器的諧振頻率f為： 式中L振蕩回路電感。 當被測量使電容值發(fā)生變化時，則振蕩器頻率也發(fā)生變化，頻率的變化經(jīng)鑒頻器變?yōu)殡妷鹤兓?，再放大后由記錄器或顯示儀表指示。,調(diào)頻電路工作原理,(4）運算放大電路 輸出電壓和位移量的關系：,則有,式中 u0信號源電壓； ug運放輸出電壓； co固定電容； cx傳感器等效電容。,輸出電壓uo與電容傳感器間隙成正比關系。,3.3.3 電容式傳感器的應用 實例1：電容式傳聲器,傳聲器由很薄的金屬膜片和緊靠它的固定極板組成，二者之間留有空氣薄層，構(gòu)成空氣介質(zhì)電容器。 當聲壓作用在膜片上時，膜片內(nèi)外產(chǎn)生壓差，使膜片產(chǎn)生與外界聲波信號一致的振動，導致膜片與固定極板之間的距離改變，引起電容量的變化，通過測量電路變成電壓輸出。,實例2：電容式振動位移傳感器,平面測端電極1作為電容器的一個極板，通過電極座5由引線接入電路，另一極是被測物體表面。 金屬殼體3與測端電極1之間有絕緣襯套2使彼此絕緣。 使用時殼體3為夾持部分，傳感器通過螺母7被夾持在標準臺架或其他支承上。殼體3接大地可起屏蔽作用。 彈簧卡圈4和盤形彈簧6起固定作用。 這種傳感器可測振動位移，還可測量轉(zhuǎn)軸的回轉(zhuǎn)精度和軸心動態(tài)偏擺等。,實例3：差動式電容加速度傳感器,兩個固定極板，中間質(zhì)量塊的兩個端面作為動極板。 當測量垂直方向上的直線加速度時，傳感器殼體固定在被測振動體上，質(zhì)量塊因慣性相對靜止，因此將導致固定電極與動極板間的距離發(fā)生變化，一個增加、另一個減小，可證明兩個電容的差值正比于被測加速度。 這種加速度傳感器的特點是頻率響應快、量程大、精度較高。,3.4 電感式傳感器 電感式傳感器的工作原理是把被測量如位移等，轉(zhuǎn)換為線圈自感或互感變化的一種裝置。 可測物理量：位移、振動、壓力、加速度等。 按工作原理分類：自感式、互感式和電渦流式。 3.4.1 自感式電感傳感器 結(jié)構(gòu)組成：線圈、鐵心和銜鐵；后續(xù)測量電路。 類型：變氣隙型、變面積型、螺管型。,由電磁感應原理，線圈自感L為 N-線圈匝數(shù)，Rm-磁路總磁阻H-1。 當不考慮磁路的鐵損且當氣隙較小時，則該磁路的總磁阻,（328）,式中 l鐵芯的導磁長度(m); 鐵芯磁導率 (H/m); A鐵芯導磁截面積,A=ab(m2); 氣隙寬(m); 0空氣導磁率, 0=410-7(H/m); A0空氣隙導磁橫截面積(m2) 鐵心磁阻與空氣氣隙的磁阻相比很小，可忽略，則總磁阻Rm近似為,代入328，得,當A0固定，變化時，L與成非線性變化關系，此時傳感器靈敏度,靈敏度S與的平方值成反比，由于不是常數(shù)，因此會產(chǎn)生非線性誤差。因此這種傳感器常規(guī)定在較小氣隙變化范圍內(nèi)工作。中常選取/0.1。這種傳感器適宜于測量小位移，一般為0.0011mm。,實際應用中，為了提高自感式傳感器的靈敏度，增大其線性工作范圍，常將兩個結(jié)構(gòu)相同的自感線圈組合在一起形成差動式自感傳感器。,差動型，當銜鐵有位移時，可以使兩個線圈的間隙按 變化。一個線圈自感增加，另一個線圈自感減小。將兩線圈接于電橋的相鄰橋臂時，其輸出靈敏度可提高一倍，并改善了線性特性。,變面積型自感傳感器：,自感L與A0成線性關系，這種傳感器靈敏度較低。,被用于電感測微計上，其測量范圍為0300m，最小分辨力為0.5m。,差動式螺管型自感傳感器：,這種傳感器的線圈接于電橋上，構(gòu)成兩個橋臂，線圈電感L1、L2隨鐵芯位移而變化，其輸出特性如圖所示。,3.4.2 互感式電感傳感器 工作原理： 利用電磁感應中的互感現(xiàn)象，圖3-32.,傳感器實質(zhì)是一個變壓器，初級線圈接入穩(wěn)定交流電源，次級線圈感應產(chǎn)生輸出電壓。M變化，副線圈輸出電壓變化。由于常采用兩個次級線圈組成差動式，故又稱差動變壓器式傳感器，簡稱差動變壓器。,螺管型差動變壓器：,工作原理：當鐵心在中間位置時，由于兩線圈互感系數(shù)相等M1=M2，感應電動勢e1=e2，故輸出電壓e0=0；鐵心向上運動時，M1M2，則e1e2；鐵心向下運動時，M1M2，則e1e2，隨著鐵心偏離中間位置，e0逐漸增大，其輸出特性如圖3-33c所示。 輸出特性：輸出電壓是交流量，其幅值與鐵心位移成正比，交流電壓表指示，只能反映鐵心位移的大小，不能反映移動的方向性；存在零點殘余電壓（原因：兩個次級線圈結(jié)構(gòu)不對稱，以及初級線圈銅損電阻、鐵磁質(zhì)材料不均勻、線圈間分布電容影響等）。 后接電路要求：既能反映鐵心位移方向，又能補償零點殘余電壓。,差動變壓器后續(xù)電路：差動相敏檢波電路,當無輸入信號時，鐵心位于中間位置，調(diào)節(jié)電阻R，使零點殘余電壓最??；當有輸入信號時，鐵心上移或下移，其輸出電壓經(jīng)交流放大、相敏檢波、低通濾波后得到直流輸出，由表頭指示輸入位移量的大小和方向。,差動變壓器式傳感器的優(yōu)點是： 測量精度高，可達0.1m； 線性范圍大，可到100mm； 穩(wěn)定性好，使用方便。 因而被廣泛應用于直線位移,或借助彈性元件將壓力、重量等參數(shù)轉(zhuǎn)換為位移變化，實現(xiàn)間接測量。,3.4.3電渦流式傳感器 電渦流效應：金屬導體置于變化的磁場中或在磁場中作切割磁力線運動時，導體內(nèi)就會產(chǎn)生漩渦狀的感應電流 。 結(jié)構(gòu)原理： 渦流產(chǎn)生：當線圈中通以一交變高頻電流I1時，會引起一交變磁場H1。在靠近線圈的金屬表面內(nèi)部產(chǎn)生一感應電流I2 ，該電流即為渦流。 抵抗作用：根據(jù)楞次定律，由該渦電流產(chǎn)生的交變磁場H2將與線圈產(chǎn)生的磁場方向相反，亦即H2將抵抗H1的變化。,線圈的阻抗變化及影響因素：由于該渦流磁場的作用，會使線圈的等效阻抗發(fā)生變化，其變化的程度除了與兩者間的距離x有關外，還與金屬導體的電阻率、磁導率以及線圈的激磁電流圓頻率等有關。 主要應用：變化，可作為位移、振動測量；變化，可作為材質(zhì)鑒別；變化，可用于探傷。,渦流式傳感器的測量電路： 阻抗分壓式調(diào)幅電路，如圖336所示；圖337為諧振曲線和輸出特性特性。,測量開始前，傳感器線圈遠離被測導體，調(diào)整LC回路的諧振頻率f0等于振蕩器的振蕩頻率，LC回路的阻抗最大，回路的輸出電壓也最大。 當傳感器線圈接近被測導體時，線圈的等效電感發(fā)生變化，致使回路失諧而偏離激勵頻率，回路的諧振峰將向左右移動。 若被測導體為非磁性材料，傳感器線圈的等效電感減少，回路的諧振頻率提高，諧振峰右移； 若被測導體為磁性材料，則傳感器線圈的等效電感增大，回路的諧振頻率降低，諧振峰左移。,調(diào)頻電路：諧振頻率作為輸出量，位移變化，振蕩頻率f變化，鑒頻器再實現(xiàn)頻率-電壓轉(zhuǎn)換。,渦電流式傳感器應用： 電渦流式傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、不受油污等介質(zhì)的影響等優(yōu)點，而且頻率響應范圍寬（0104Hz），能進行動態(tài)非接觸測量，其測量的范圍和精度視傳感器結(jié)構(gòu)尺寸、線圈匝數(shù)以及激勵頻率而異，最高分辨力可達0.1m。,應用實例： 渦電流式位移和振動測量儀 測厚儀 無損探傷 徑向振擺、回轉(zhuǎn)軸誤差運動、轉(zhuǎn)速和厚度測量 零件計數(shù)、表面裂紋和缺陷測量,徑向振動測量,軸心軌跡測量,轉(zhuǎn)速測量,零件計數(shù)器,表面裂紋測量,穿透式測厚 （低頻透射式）,3.5 壓電式傳感器 壓電式傳感器是一種可逆型換能器。 機械能電能：可用來測量力、壓力、加速度等； 電能機械能：可用于高頻振動臺、超聲發(fā)射器、揚聲器等。 主要優(yōu)點： 體積?。?重量??； 固有頻率高（加速度傳感器，可測頻率范圍0.120kHz) ； 靈敏度高（加速度傳感器，可測102105ms-2、力傳感器，分辨力達103N）。,3.5.1 壓電效應 定義： 對某些介質(zhì)沿一定方向施加外力使其變形時，其內(nèi)部將產(chǎn)生極化現(xiàn)象從而在一定表面上產(chǎn)生電荷，當外力去掉后，又重新回到不帶電狀態(tài)，這一現(xiàn)象稱為正壓電效應。 當在介質(zhì)的極化方向施加電場，這些介質(zhì)就在一定方向產(chǎn)生機械變形；當外電場撤去時，這些變形也隨之消失，此即稱為逆壓電效應。,具有壓電效應的晶體稱為壓電晶體，如石英、鈦酸鋇（BaTiO3）、鋯鈦酸鉛（PZT）等。分為天然晶體和人造晶體。 石英晶體結(jié)構(gòu)及壓電效應： 化學成分是SiO2，是單晶體，兩端為一對稱的棱錐，六棱柱是它的基本結(jié)構(gòu) 。 z軸，稱為光軸，沿該方向受力不會產(chǎn)生壓電效應； x軸，稱為電軸，沿該方向受力產(chǎn)生的壓電效應稱為“縱向壓電效應”； y軸，稱為機械軸，沿該方向受力產(chǎn)生的壓電效應稱為“橫向壓電效應”。,3.5.2 壓電材料 壓電單晶：石英（SiO2）、鈮酸鋰（LiNbO3）、鉭酸鋰（LiTaO3）等。 石英晶體的特點：壓電常數(shù)不高，但具有較好的機械強度和時間、溫度穩(wěn)定性。在常溫下，石英晶體的壓電常數(shù)幾乎不隨溫度變化。當溫度達到575時，石英晶體就失去壓電特性，該溫度稱為石英晶體的居里點。 價格昂貴，石英晶體構(gòu)成的壓電元件常應用在高精度的壓電式傳感器中。 由于天然石英晶體產(chǎn)量有限，目前廣泛采用的是人工石英晶體。,多晶壓電陶瓷：鈦酸鋇（BaTiO3）、鋯鈦酸鉛（PZT）、鈮鎂酸鉛（PMN）等。 結(jié)構(gòu)特點： 由無數(shù)細微的電疇組成。當加上機械應力時，它的每個電疇的自發(fā)極化會產(chǎn)生變化，但由于電疇的無規(guī)則排列，因而總體上不呈現(xiàn)電性，無壓電效應。為此，要對其在一定溫度下進行極化處理，即利用強電場（14kV/mm）使其電疇規(guī)則排列，呈現(xiàn)壓電性。極化電場去除后，電疇取向保持不變，在常溫下可呈壓電性，如圖3-43所示。 壓電陶瓷的壓電常數(shù)比單晶體高的多，一般比石英高數(shù)百倍?，F(xiàn)在的壓電元件大多數(shù)采用壓電陶瓷。,圖3-43 極化處理示意圖 a）極化前 b）極化 c）極化后,有機壓電薄膜：壓電特性并不是很好，但易于大批量生產(chǎn)，且具有面積大、柔軟不易破碎等優(yōu)點，可用于微壓測量和機器人的觸覺。其中以聚偏二氟乙烯（PVDF）最為著名。 常用壓電材料的主要性能指標見表3-3。,3.5.3 等效電路,壓電元件等效： （1）一個電荷源Q和一個電容器Ca并聯(lián)的等效電路， （2）一個電壓源U和一個電容器Ca串聯(lián)的等效電路。 工作時，壓電元件與二次儀表配套使用必定與測量電路相連接，這就要考慮連接電纜電容Cc、放大器的輸入電阻Ri和輸入電容Ci。,使用時的注意事項： 壓電式傳感器不適宜靜態(tài)測量，適宜動態(tài)測量。 原因：外力不變，電荷無內(nèi)部泄漏，外電路阻抗無窮大，電荷量將始終保持不變。如果負載不是無窮大，電路將按指數(shù)規(guī)律放電，極板上的電荷無法保持不變，從而造成測量誤差。故靜態(tài)測量，必須采用極高阻抗的負載，這在實現(xiàn)上是有困難的，不適宜靜態(tài)測量。在動態(tài)測量時，因外力不斷變化，電荷量可以不斷得到補充，漏電量相對較少，故壓電式傳感器適宜動態(tài)測量。 實際壓電傳感器，常采用并聯(lián)或串聯(lián)。 并接：電容量大，輸出電荷量大，宜于測緩變信號，適宜電荷量輸出場合； 串接：電容小，輸出電壓大，適宜于電壓輸出的場合。,圖3-46 壓電元件連接方式 a）并聯(lián) b）串聯(lián),3.5.4 測量電路,壓電式傳感器輸出信號特點很微弱，本身內(nèi)阻很大，故輸出能量甚微，給后接電路帶來一定困難。 解決方法：傳感器輸出信號先送到一個高輸入阻抗放大器，經(jīng)阻抗變換后再接入一般的放大、檢波電路處理。 高阻抗放大器稱為前置放大器，它有兩個作用，一是將傳感器的高阻抗輸出變換為低阻抗輸出，二是放大傳感器輸出的微弱電信號。 前置放大器：電壓放大器和電荷放大器。電壓放大器對電纜寄生電容變化敏感，而電荷放大器則不受其影響。 電荷放大器如圖3-47。,結(jié)論： 輸出電壓與電荷量成正比。若在制作電路時保持Cf不變，則輸出電壓僅取決于電荷量Q。 消除了電纜分布電容的影響，即使連接電纜長度達百米以上時，其靈敏度也無明顯變化。 與電壓放大器相比，其電路復雜，價格昂貴。,3.5.5 壓電式傳感器的應用 壓電式傳感器常用來測量力、壓力、振動加速度等，也用于聲學和聲發(fā)射測量。 力的測量。測力范圍從10-3N到104kN，測量頻率上限高達數(shù)十千赫茲，故適合動態(tài)力，尤其是沖擊力的測量。測量方向有單向的，也有多向的 。,加速度的測量。壓電式加速度傳感器體積小，質(zhì)量小，頻帶寬（從幾赫茲至幾十千赫茲），測量范圍寬（從10-6g到103g） 。,壓電式加速度計的幅頻特性曲線,3.6 磁電與熱電式傳感器,3.6.1 磁電式傳感器 概念：一種將被測物理量轉(zhuǎn)換為感應電動勢的裝置，亦稱磁電感應式或電動式傳感器。 公式：根據(jù)法拉第電磁感應定律，N匝線圈在磁場中運動切割磁力線或線圈所在磁場的磁通發(fā)生變化時，線圈中產(chǎn)生的感應電動勢e的大小取決于穿過線圈的磁通的變化率，即 分類：恒定磁通式、變磁通式。,（1）恒定磁通式,（2）變磁通式（變磁阻式） 工作原理：線圈與磁鐵固定不動，測量齒輪安裝在被測旋轉(zhuǎn)體上，隨之一起轉(zhuǎn)動，每轉(zhuǎn)過一齒，它與軟鐵之間構(gòu)成的磁路磁阻變化一次，穿過線圈的磁通就變化一次，線圈中就會產(chǎn)生周期變化的感應電動勢。感應電動勢的變化頻率為,3.6.2 熱電式傳感器 定義：將溫度變化轉(zhuǎn)換為電量變化的一種裝置。 分類：熱電偶（溫度變化轉(zhuǎn)換為電動勢變化）；熱電阻（溫度變化轉(zhuǎn)換為電阻值的變化）。 1、熱電偶 （1）熱電偶工作原理 熱電效應： 兩種不同的金屬導體 A 和 B 組成一個閉合回路時若兩個結(jié)合點的溫度不同，則在回路中就有電流產(chǎn)生，這種現(xiàn)象稱熱電效應。相應的電勢稱熱電動勢。,A、B 稱為熱電極，兩電極的連接點稱為接點。測溫時置于被測溫度場 T 的接點稱為工作端或熱端，另一端T0稱為參比端或冷端。,熱電動勢組成： 接觸電動勢：金屬中存在自由電子，不同金屬中自由電子密度不同，當兩種金屬 A和 B 接觸時，接觸處產(chǎn)生電子的擴散運動，若 A 的自由電子密度大于 B，則A 中的電子擴散到 B 中的多，而 B 中的電子擴散到 A 中的少，于是在接觸處便形成了電場，這個電場阻礙著電子繼續(xù)擴散。當擴散作用與電場的反作用相等時，就達到了動態(tài)平衡，這時在 A、B 接觸面處形成的穩(wěn)定電位差稱為接觸電勢。其值如下：,溫差電動勢：如果一個導體 A 兩端存在著溫度差，那么熱端自由電子的動能比冷端要大，熱端便有更多的電子擴散到冷端，使熱端失去電子而帶正電，冷端得到電子而帶負電，當電子擴散達到動態(tài)平衡時，高溫與低溫端之間形成穩(wěn)定的電位差稱為溫差電勢，其值為,總的熱電動勢：,若使冷端溫度T0保持不變，則熱電勢 EAB（T，T0）為熱端溫度T的單值函數(shù)。因此通過測量熱電勢 EAB（T，T0）就可求出被測溫度T。,熱電偶回路的特點： 如果熱電偶的兩個熱電極材料相同，兩結(jié)點的溫度雖然不同，但總的熱電勢仍為零。因此，熱電偶必須由兩種不同的材料構(gòu)成； 如果熱電偶兩個接點的溫度相同，即使兩個熱電極 A、B 的材料不同，回路中熱電勢仍然為零，因此要產(chǎn)生熱電勢不但要求兩個電極材料不同，而且兩個接點必須有溫度差； 熱電動勢與導體材料A、B的中間溫度無關，僅與兩個接點的溫度有關。,（2）熱電偶的基本定律： 中間導體定律：中間導體的熱電偶回路在熱電偶測溫過程中，需要用連接導線將熱電偶與測量儀表接通，這相當于在熱電偶回路中接入第三種導體 C，如圖所示。只要第三種導體兩端的溫度相等，則對熱電偶回路總的熱電勢沒有影響，這就是中間導體定律。因此可以在回路中引入各種儀表直接測量其熱電勢，也允許采用不同方法來焊接熱電偶，或?qū)蔁犭姌O直接焊接在被測導體表面。,中間導體的熱電偶回路,參考電極定律：若兩種導體 A、B 分別與第三種導體 C 組成的熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢已知，則導體 A、B組成的熱電偶的熱電勢為 EAB（T，T0）=EAC（T，T0）+ECB（T，T0） C 稱為標準電極。標準電極通常采用純鉑絲制成，因為鉑容易提純，熔點高，性能穩(wěn)定。標準電極定律使熱電偶的選配工作大為簡化，只要知道一些材料與標準電極相配時的熱電勢，就可用公式求出任何兩種材料配成熱電偶的熱電勢。,中間溫度定律：熱電偶回路中，熱端溫度為 T、冷端為 T0時的熱電勢，等于此熱電偶熱端為T、冷端為Tn，及同一熱電偶熱端為 Tn、冷端為T0時熱電勢的代數(shù)和，如圖所示：,同一種熱電偶，當兩接點溫度T、T0不同時，產(chǎn)生的熱電動勢也不同。要將對應各種（T，T0）溫度的熱電動勢-溫度關系都列出圖表是不現(xiàn)實的。中間溫度定律為熱電偶制定分度表提供了理論依據(jù)。根據(jù)這一定律，只要列出參考溫度0的熱電動勢-溫度關系，那么參考溫度不等于0的熱電動勢都可以由式（3-50）求得。,（3）熱電偶的結(jié)構(gòu)與種類 普通熱電偶的結(jié)構(gòu)如圖3-56所示，它主要包括熱電極（即在測溫接點處相接的兩種金屬導體）、絕緣套管、保護管和接線盒等。 鎧裝熱電偶的特點是撓性好，易彎曲，特別適用于結(jié)構(gòu)復雜的裝置。 薄膜式熱電偶的特點是接點做得很?。?.010.1m），熱容量小，響應速度快（ms級）等，適用于微小面積上的表面溫度以及快速變化的動態(tài)溫度的測量。,圖3-56 工業(yè)用普通熱電偶 1-保護管 2-測溫接點 3-絕緣套管 4-法蘭盤 5-接線盒 6-導線引出口,鎧裝熱電偶,薄膜熱電偶 可直接粘貼或壓著在被測物表面，測其表面溫度,熱電偶電極材料的選擇條件：性能穩(wěn)定、溫度測量范圍廣、物理化學性能穩(wěn)定、導電率高、機械強度高等。 目前，國際電工委員會（IEC）向世界各國推薦了8種標準化熱電偶，表3-4是我國采用的符合IEC標準的六種熱電偶的主要性能和特點。,2、熱電阻 熱電阻是利用導體或半導體的電阻隨溫度變化的特性測量溫度的。用金屬或半導體材料作為感溫元件的傳感器，分別稱為熱電阻和熱敏電阻。 熱電阻傳感器是由電阻體、絕緣管、保護套管、引線和接線盒等組成。電阻體是主要部分。,圖3-57 熱電阻結(jié)構(gòu)圖 a）熱電阻組成 b）雙線并繞,（1）鉑電阻 特點：鉑是一種貴重金屬，其主要優(yōu)點是物理化學性能極為穩(wěn)定，并且有良好的工藝性，易于提純，可以制成極細的鉑絲（直徑可達到0.02mm或更細）或極薄的鉑箔。它的缺點是電阻溫度系數(shù)較小。 測溫范圍：-200 850 電阻與溫度關系： -200 0 的溫度范圍內(nèi) 0 850 的溫度范圍內(nèi)為,說明：Rt和 R0分別為 t和 0 時的鉑電阻值；A、 B 和 C 為常數(shù)，其數(shù)值為 分度號：t=0 時的鉑電阻值為 R0，我國規(guī)定工業(yè)用鉑熱電阻有 R0 = 10和 R0 =100兩種，它們的分度號分別為 Pt10和 Pt100，其中Pt100最常用，它的分度表見表3-5。,分度表：鉑熱電阻不同分度號亦有相應分度表，即 Rt t的關系表，這樣在實際測量中，只要測得熱電阻的阻值 Rt，便可從分度表上查出對應的溫度值。,（2）銅電阻 特點：測溫精度低于鉑電阻，但線性度好、電阻溫度系數(shù)高、價格便宜。 測溫范圍：-50 150 電阻與溫度關系：,3.7 光電式傳感器,光電式傳感器的組成： 工作過程：被測量通過對輻射源或光學通路的影響，將被測信息調(diào)制到光波上，通常改變光波的強度、相位、空間分布和頻譜分布等，光電器件將光信號轉(zhuǎn)換為電信號。,特點：測量精度高、非接觸測量、信息處理速度快、信息含量多等。 3.7.1 光電效應 光電器件，又稱光電探測器，它的工作基礎是光電效應。,光電效應,外光電效應（光電子發(fā)射效應）,內(nèi)光電效應,光電導效應,光生伏特效應,1、外光電效應 （1）定義：在光照作用下，物體內(nèi)的電子從物體表面逸出的現(xiàn)象稱外光電效應，亦稱光電子發(fā)射效應。電磁能轉(zhuǎn)換為動能。 （2）基本規(guī)律：金屬中存在著大量的自由電子，普通條件下，它們在金屬內(nèi)部作無規(guī)則的自由運動，不能離開金屬表面。但當它們獲取外界的能量且該能量等于或大于電子逸出功時，便能離開金屬表面。為使電子在逸出時具有一定速度，就必須有大于逸出功的能量。 （3)定量分析：,一個光子的能量： 物體受光輻射，電子吸收一個光子能量，并用來克服逸出功和轉(zhuǎn)換為動能：,（4）討論： 光電子逸出物體表面的必要條件是 h A。因此，對每一種光電陰極材料均有一個確定的光頻率閾值。當入射光頻率低于該值時，無論入射光的光強多大，均不能引起光電子發(fā)射。反之，入射光頻率高于閾值頻率，即使光強較小，也會引發(fā)光電子發(fā)射。對應于此頻率的波長，稱為某種光電器件或光電陰極的“紅限”，其值為,當入射光頻率成分不變時，單位時間內(nèi)發(fā)射的光電子數(shù)與入射光光強成正比。光愈強，意味著入射光子數(shù)目大，逸出的光電子數(shù)也愈多。 外光電效應器件：光電管、光電倍增管。,2、內(nèi)光電效應 （1）定義：在光照作用下，某些半導體材料的電阻率發(fā)生改變的現(xiàn)象稱光電導效應。,半導體材料在黑暗的環(huán)境下，內(nèi)部電子為原子所束縛，處于價帶上，不能自由移動，半導體的電阻值很高。 某些半導體材料（如硫化鎘等）受到光照時，若其光子能量 h 大于本征半導體材料的禁帶寬度，價帶中的電子吸收一個光子后便可躍遷到導帶，從而激發(fā)出電子-空穴對，于是降低了材料的電阻率，增強了導電性能。 阻值的大小隨光照的增強而降低，且光照停止后，自由電子與空穴重新復合，電阻也恢復原來的值。,電子躍遷條件：hEg,3、光生伏特效應 定義：在無光照射下，PN結(jié)內(nèi)存在內(nèi)部自建電場E，當光照射在PN結(jié)時，在能量足夠大的光子作用下，在結(jié)區(qū)及其附近產(chǎn)生少數(shù)載流子（電子、空穴對）。這些載流子在結(jié)區(qū)外時，靠擴散進入結(jié)區(qū)；在結(jié)區(qū)內(nèi)，因電場E的作用，電子漂移到N區(qū)，空穴漂移到P區(qū)。結(jié)果使N區(qū)帶負電荷，P區(qū)帶正電荷，產(chǎn)生附加電動勢，這種現(xiàn)象稱為光生伏特效應。 基于光生伏打效應的器件有光電池、光敏二極管、光敏晶體管。,光生伏特效應示意圖,3.7.2 光電器件 光電管 結(jié)構(gòu)：光電陰極用逸出功小的光敏材料（如銫）涂敷在玻璃泡內(nèi)壁上做成，其感光面對準光的照射孔；光電陽極為位于陰極軸心的一根金屬絲，有效接收陰極發(fā)射的電子。,光譜特性：陰極材料不同，對不同波長的光輻射有不同靈敏度。,圖3-61 光電管的光譜特性 -氧銫陰極 -銻銫陰極 -正常人的眼睛視覺,光照特性：在恒定工作電壓和入射光的頻率成分條件下，光電管接收的入射光通量值 與其輸出 光 電 流 I 之間的比例關系，如圖。,伏安特性：在恒定的入射光的頻率成分和強度條件下，光電管的光電流與陽極電壓之間的關系。由圖可見，光通量一定，陽極電壓增加，光電流趨于飽和，光電管工作點一般在該區(qū)域。,光電倍增管 基本結(jié)構(gòu)：光電倍增管在光電陰極和陽極之間裝了若干個“倍增極” 。倍增極上涂有在電子轟擊下能發(fā)射更多電子的材料，倍增極的形狀和位置設計成正好使前一級倍增極反射的電子繼續(xù)轟擊后一級倍增極。 各倍增極電壓由電阻R1R5分壓獲得，流經(jīng)負載RA的放大電流造成的壓降，給出輸出電壓。一般陽極與陰極之間的電壓為10002000V，兩個相鄰倍增極之間的電位差為50100V。,光敏電阻 光敏電阻又稱光導管； 光電導效應只限于光照的表面薄層，所以光電半導體材料一般都做成薄片并封裝在帶有透明窗的外殼中。 硫化鎘（CdS）光敏電阻：管心是一塊安裝在絕緣襯底上的帶有兩個歐姆接觸電極的光電導體，為了提高靈敏度，光敏電阻的電極一般采用梳狀圖案，如3-65（b）所示。光敏電阻的代表符號見圖3-65（c）。 常用的光敏電阻的材料有：硫化鎘（CdS）、硒化鎘（CdSe）；氧化鋅（ZnO）、硫化鋅（ZnS）；硫化鉛（PbS）、硒化鉛（PbSe）、碲化鉛（PbTe）等。,光敏電阻的特性： （1）光電流、暗電阻、亮電阻 光敏電阻在未受到光照條件下呈現(xiàn)的阻值稱為“暗電阻”，此時流過的電流稱“暗電流”。 光敏電阻在受到某一光照條件下呈現(xiàn)的阻值稱“亮電阻”，此時流過的電流稱“亮電流”。 亮電流與暗電流之差稱為“光電流”。光電流的大小表征了光敏電阻的靈敏度大小。,（2）光照特性：光敏電阻的光電流I與光通量的關系曲線稱光敏電阻的光照特性。光敏電阻的光照特性曲線呈非線性。,（3）伏安特性：在一定照度下，加在光敏電阻兩端的電壓與電流之間的關系稱為伏安特性。在一定的光照度下，所加的電壓越大，光電流越大，而且無飽和現(xiàn)象。但是電壓不能無限地增大，因為任何光敏電阻都受額定功率、最高工作電壓和額定電流的限制。,（4）