發(fā)電式傳感器及其應(yīng)用

1、測試技術(shù)測試技術(shù) 發(fā)電式傳感器及其應(yīng)用發(fā)電式傳感器及其應(yīng)用(4)第五章第五章內(nèi)容內(nèi)容 n壓電式傳感器壓電式傳感器n磁電式傳感器磁電式傳感器n光電式傳感器光電式傳感器n固態(tài)圖像傳感器固態(tài)圖像傳感器n霍爾傳感器霍爾傳感器n熱電偶傳感器熱電偶傳感器n紅外探測器紅外探測器1 1 壓電式傳感器壓電式傳感器壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)外力作用下在壓電材料表面產(chǎn)生電荷外力作用下在壓電材料表面產(chǎn)生電荷F+q等效電路等效電路兩極板上聚集異性電荷，中間為絕緣體的電容器兩極板上聚集異性電荷，中間為絕緣體的電容器壓電材料：石英晶體、鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等壓電材料：石英晶體、鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等.ooququ CCFFq電極壓電晶片Co

2、 uq/CoQCaua=Q/Cau0Caua=Q/Ca電荷源電荷源 電壓源電壓源 1 1 壓電式傳感器壓電式傳感器結(jié)構(gòu)形式結(jié)構(gòu)形式兩片、四片兩片、四片壓電材料壓電材料串并聯(lián)組成，提高串并聯(lián)組成，提高靈敏度靈敏度并聯(lián)接法：并聯(lián)接法：電容量大、時間常數(shù)大，響應(yīng)慢電容量大、時間常數(shù)大，響應(yīng)慢測量緩變信號測量緩變信號適合電荷輸出適合電荷輸出串聯(lián)接法：串聯(lián)接法：電容量小、時間常數(shù)小，響應(yīng)快電容量小、時間常數(shù)小，響應(yīng)快測量快變信號測量快變信號適合電壓輸出適合電壓輸出1 1 壓電式傳感器壓電式傳感器測量測量電荷易泄漏，適宜作電荷易泄漏，適宜作動態(tài)測量動態(tài)測量電荷測量：電荷測量：電荷放大器電荷放大器（電容反饋

3、放大器）（電容反饋放大器） 如果放大器開環(huán)增益如果放大器開環(huán)增益A足夠大足夠大 uo-qe/Cf電荷放大器的輸出電壓與傳感器的電荷量成正比，電荷放大器的輸出電壓與傳感器的電荷量成正比，并且并且與電纜分布電容無關(guān)與電纜分布電容無關(guān)電荷放大器的靈敏度取決于電荷放大器的靈敏度取決于Cf靈敏度的選擇靈敏度的選擇常做高精度測量常做高精度測量feoiofoiieicaCACqAuuAuCuuuCqCCCC).1(.)(.加速度計加速度計 電纜電纜 電荷放大器電荷放大器1 1 壓電式傳感器壓電式傳感器測量測量電荷測量：電荷測量：電荷放大器電荷放大器 靈敏度靈敏度輸入范圍輸入范圍低通濾波低通濾波1 1 壓電式

4、傳感器壓電式傳感器測量測量電壓測量：電壓測量：阻抗變換放大阻抗變換放大壓電傳感器的壓電傳感器的內(nèi)阻抗內(nèi)阻抗Ra很高很高，輸出的信號微弱，輸出的信號微弱測量電路測量電路F阻抗變換：低阻抗輸出阻抗變換：低阻抗輸出F微弱信號進行放大微弱信號進行放大F連接電纜改變（長度、布線）連接電纜改變（長度、布線）Cc影響電影響電壓靈敏度值壓靈敏度值F電壓靈敏度隨被測信號頻率而變電壓靈敏度隨被測信號頻率而變F不可以用于靜態(tài)測量、測量精度不高不可以用于靜態(tài)測量、測量精度不高QCaua=Q/Cau0Caua=Q/Ca電荷源電荷源 電壓源電壓源 加速度計加速度計 電纜電纜 阻抗變換、放大阻抗變換、放大uaCaCcCiR

5、aRiR1R2+-uaCaCRuiui/1caiaiaiaCCCRRRCsR CUUsR C12(1)oiRUUR1 1 壓電式傳感器壓電式傳感器優(yōu)缺點優(yōu)缺點優(yōu)點優(yōu)點它具有很高的它具有很高的剛度剛度，測量過程中變形甚小，是一種近乎，測量過程中變形甚小，是一種近乎理想的測力元件理想的測力元件尺寸與尺寸與重量重量很小，可以小到只有零點幾克，因而使用中很小，可以小到只有零點幾克，因而使用中對被測對象的附加質(zhì)量小對被測對象的附加質(zhì)量小固有固有頻率頻率高，可以高達數(shù)萬赫茲，線性好高，可以高達數(shù)萬赫茲，線性好橫向干擾?。ㄗ畲蟛怀^橫向干擾?。ㄗ畲蟛怀^5%5%），可做成多向測力儀），可做成多向測力儀響應(yīng)快

6、、靈敏度高、信噪比大、結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠響應(yīng)快、靈敏度高、信噪比大、結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠缺點缺點調(diào)理特殊、不宜做靜態(tài)測量調(diào)理特殊、不宜做靜態(tài)測量需經(jīng)常校正靈敏度需經(jīng)常校正靈敏度1 1 壓電式傳感器壓電式傳感器壓電式壓力傳感器壓電式壓力傳感器測量方法測量方法動態(tài)動態(tài)電壓測量：電壓測量：電壓放大器電壓放大器頻率、電纜影響頻率、電纜影響電荷電荷測量：測量：電荷放大器電荷放大器高精度測量高精度測量1 1 壓電式傳感器壓電式傳感器12345壓電轉(zhuǎn)換元件壓電轉(zhuǎn)換元件傳感器體傳感器體彈性膜片彈性膜片電極電極引線引線P壓電式加速度傳感器壓電式加速度傳感器結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)敏感元件：彈簧、質(zhì)量敏感元件：彈簧、質(zhì)量轉(zhuǎn)換元件：

7、壓電元件轉(zhuǎn)換元件：壓電元件轉(zhuǎn)換電路：電荷放大器、阻抗變換器轉(zhuǎn)換電路：電荷放大器、阻抗變換器 S S是彈簧，是彈簧，M M是是質(zhì)塊質(zhì)塊，B B是是基座，基座，P P是是壓電元件壓電元件，R R是夾持環(huán)是夾持環(huán) 幾種加速度傳感器結(jié)構(gòu)幾種加速度傳感器結(jié)構(gòu) (a)(a)中心安裝壓縮型中心安裝壓縮型 (b)(b)環(huán)形剪切型環(huán)形剪切型 (c)(c)三角剪切型三角剪切型 1 1 壓電式傳感器壓電式傳感器壓電式傳感器壓電式傳感器 內(nèi)裝內(nèi)裝IC 壓電加速度傳感器壓電加速度傳感器 內(nèi)裝微型內(nèi)裝微型IC-IC-集成電路放大器集成電路放大器 低阻抗輸出，抗干擾，噪聲小低阻抗輸出，抗干擾，噪聲小 性能價格比高，安裝方便

8、，尤其適性能價格比高，安裝方便，尤其適于多點測量于多點測量 穩(wěn)定可靠、抗潮濕、抗粉塵、抗有穩(wěn)定可靠、抗潮濕、抗粉塵、抗有害氣害氣 靈敏度：靈敏度：100mV/g 100mV/g 量程：量程：50g 50g 頻率范圍：頻率范圍：0.5-8000Hz0.5-8000Hz（10%) 10%) 安裝諧振點安裝諧振點:30kHz :30kHz 分辨率：分辨率：0.0002g 0.0002g 重量：重量：8gm 8gm 線性：線性：1% 1% 輸出偏壓：輸出偏壓：8-12VDC 8-12VDC 恒定電流：恒定電流：2-20mA2-20mA 輸出阻抗：輸出阻抗：150 150 激勵電壓：激勵電壓：18-30

9、VDC18-30VDC1 1 壓電式傳感器壓電式傳感器 壓電加速度計壓電加速度計安裝安裝p螺栓安裝螺栓安裝可測量強振動和高頻率振動p絕緣螺栓或者云母片絕緣相連絕緣螺栓或者云母片絕緣相連p臘膜粘附臘膜粘附p手持探棒與振動表面接觸手持探棒與振動表面接觸p磁鐵座相連磁鐵座相連常用、較小的常用、較小的振動測量振動測量p粘結(jié)劑連結(jié)粘結(jié)劑連結(jié) 1 1 壓電式傳感器壓電式傳感器壓電式傳感器壓電式傳感器 阻抗頭：同時給出同一個點動態(tài)加阻抗頭：同時給出同一個點動態(tài)加速度和力的傳感器速度和力的傳感器 機械阻抗：響應(yīng)機械阻抗：響應(yīng)加速度加速度/激振激振力力 8770A5型阻抗頭型阻抗頭 量程量程 靈敏度靈敏度 頻率

10、范圍頻率范圍加速度加速度 5g 1000 mV/g 1Hz 4kHz 力力 5Ib 1000 mV/Ib 1 1 壓電式傳感器壓電式傳感器2 2 磁電式傳感器磁電式傳感器電磁感應(yīng)原理電磁感應(yīng)原理N匝線圈與磁鐵相對運動、切割磁力線匝線圈與磁鐵相對運動、切割磁力線，感應(yīng)出正比于運，感應(yīng)出正比于運動速度的電壓動速度的電壓 磁通磁通變化率取決于：變化率取決于：磁場強度磁場強度B 固定固定線圈運動速度線圈運動速度磁路磁阻磁路磁阻測量：磁電式傳感器輸出功率較大、零位及性能穩(wěn)定測量：磁電式傳感器輸出功率較大、零位及性能穩(wěn)定調(diào)理電路一般較簡單調(diào)理電路一般較簡單工作頻率一般為工作頻率一般為101000Hzdtd

11、Ne 分類分類p動圈式動圈式線圈運動速度線圈運動速度磁場為常數(shù)磁場為常數(shù)直線運動速度直線運動速度p變磁阻變磁阻磁路磁阻變化磁路磁阻變化齒圈和極軸組成的磁路中齒圈和極軸組成的磁路中磁阻磁阻發(fā)生發(fā)生變化，其結(jié)果使磁通量周期性增減變化，其結(jié)果使磁通量周期性增減感應(yīng)電壓取決：轉(zhuǎn)速、探頭端面距感應(yīng)電壓取決：轉(zhuǎn)速、探頭端面距齒頂間隙齒頂間隙測量角速度或轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速測量角速度或轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速dtdxNBLe2 2 磁電式傳感器磁電式傳感器磁電式速度傳感器磁電式速度傳感器n絕對絕對速度傳感器速度傳感器組成：組成：磁路系統(tǒng)、慣性質(zhì)量、彈簧阻尼磁路系統(tǒng)、慣性質(zhì)量、彈簧阻尼 線圈線圈殼體振動殼體振動磁鋼隨之振動磁鋼隨之振

12、動芯軸相對靜芯軸相對靜止止線圈切割磁力線線圈切割磁力線線圈中感應(yīng)電勢線圈中感應(yīng)電勢感應(yīng)電勢感應(yīng)電勢E=kVE=kV，式中，式中k k為取決于磁感應(yīng)強為取決于磁感應(yīng)強度、線圈長度和匝數(shù)度、線圈長度和匝數(shù),V,V為絕對振動速度為絕對振動速度彈簧片彈簧片芯軸芯軸線圈線圈磁鋼磁鋼阻尼環(huán)阻尼環(huán)殼體殼體2 2 磁電式傳感器磁電式傳感器磁電式速度傳感器磁電式速度傳感器n絕對絕對速度傳感器速度傳感器動態(tài)特性：二階系統(tǒng)動態(tài)特性：二階系統(tǒng)固有頻率應(yīng)該盡可能低固有頻率應(yīng)該盡可能低，但實現(xiàn)有很大困難，但實現(xiàn)有很大困難 由于結(jié)構(gòu)上的原因，固有頻率一般取由于結(jié)構(gòu)上的原因，固有頻率一般取101015Hz15Hz工作頻率：工

13、作頻率：15151000Hz1000Hz阻尼比：阻尼環(huán)產(chǎn)生磁阻尼力阻尼比：阻尼環(huán)產(chǎn)生磁阻尼力（0.50.70.50.7）222221)(nnnjH2 2 磁電式傳感器磁電式傳感器磁電式速度傳感器磁電式速度傳感器n相對相對速度傳感器速度傳感器芯軸芯軸頂桿頂桿另一試件另一試件殼體殼體頂桿：相對速度頂桿：相對速度輸出電壓：正比相對速度輸出電壓：正比相對速度測量頻率：測量頻率：0 01kHz1kHz2 2 磁電式傳感器磁電式傳感器磁電式轉(zhuǎn)速傳感器磁電式轉(zhuǎn)速傳感器n變磁阻變磁阻n輸出：輸出：感應(yīng)一個電勢脈沖感應(yīng)一個電勢脈沖n可靠、穩(wěn)定、有源傳感器可靠、穩(wěn)定、有源傳感器n不適應(yīng)于低轉(zhuǎn)速不適應(yīng)于低轉(zhuǎn)速2 2

14、 磁電式傳感器磁電式傳感器永久磁鐵永久磁鐵線圈線圈齒圈齒圈引線引線間隙間隙極軸極軸磁電式扭矩傳感器磁電式扭矩傳感器2 2 磁電式傳感器磁電式傳感器光電效應(yīng)光電效應(yīng) 在光的照射下，激發(fā)物體的在光的照射下，激發(fā)物體的電子運動電子運動的現(xiàn)象的現(xiàn)象外光電效應(yīng)：外光電效應(yīng)：光能光能 光電流信號光電流信號 電子逸出電子逸出內(nèi)光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng) 改變導(dǎo)電性能改變導(dǎo)電性能3 3 光電式傳感器光電式傳感器光敏三極管光敏三極管光電器件光電器件光電發(fā)射器件：光電發(fā)射器件：光電管、光電倍增管光電管、光電倍增管半導(dǎo)體光電器件半導(dǎo)體光電器件光敏電阻、光敏二極管光敏電阻、光敏二極管材料的材料的電阻電阻隨光照強度的增加而減小

15、隨光照強度的增加而減小光電池光電池電流源：材料硒、硅、鍺等電流源：材料硒、硅、鍺等, ,受光照產(chǎn)生受光照產(chǎn)生光電動勢光電動勢光敏晶體管光敏晶體管光線通過孔到達光線通過孔到達PN結(jié)，獲得較大的集電流輸出結(jié)，獲得較大的集電流輸出 光敏二極管光敏二極管3 3 光電式傳感器光電式傳感器光電器件應(yīng)用光電器件應(yīng)用p幾種設(shè)計方式幾種設(shè)計方式3 3 光電式傳感器光電式傳感器光電式轉(zhuǎn)速傳感器光電式轉(zhuǎn)速傳感器n測量原理測量原理通過敏感元件來通過敏感元件來檢測光通量的強檢測光通量的強弱弱，從而產(chǎn)生與被測軸轉(zhuǎn)速成比，從而產(chǎn)生與被測軸轉(zhuǎn)速成比例的電脈沖信號例的電脈沖信號n實際應(yīng)用實際應(yīng)用反射式光電傳感器反射式光電傳感器

16、透射式光電傳感器透射式光電傳感器n優(yōu)點優(yōu)點測速范圍可達每分鐘幾十萬轉(zhuǎn)測速范圍可達每分鐘幾十萬轉(zhuǎn)對被測軸無干擾對被測軸無干擾光源光源光電元件光電元件轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)軸反光面反光面透鏡透鏡透鏡透鏡透鏡透鏡半透反光膜半透反光膜反射式光電傳感器3 3 光電式傳感器光電式傳感器反射式表面粗糙度光電傳感器反射式表面粗糙度光電傳感器n測量原理測量原理敏感元件敏感元件檢測表面反射光通檢測表面反射光通量的強弱量的強弱，以反映其表面光，以反映其表面光滑的程度滑的程度n實際應(yīng)用實際應(yīng)用工件表面缺陷或粗糙度檢查工件表面缺陷或粗糙度檢查3 3 光電式傳感器光電式傳感器反射法測量原理反射法測量原理1. 光源光源 2. 物鏡物鏡 3

17、. 被測工被測工件件 4 聚光鏡聚光鏡 5 光電元件光電元件123451光 源 ; 2物 鏡 ; 3被 測 工 件 ; 4聚 光 鏡 ; 5光 電 元 件 光電耦合器光電耦合器p組成：組成：發(fā)光元件與光敏元件封裝光電轉(zhuǎn)換p優(yōu)點：優(yōu)點：無機械觸點、噪音低、執(zhí)行動作快、體積小、壽命長無機械觸點、噪音低、執(zhí)行動作快、體積小、壽命長p分類：分類：光電隔離器和光電開關(guān)光電隔離器和光電開關(guān)3 3 光電式傳感器光電式傳感器 光電隔離器光電隔離器p組成：組成：發(fā)光二極管LED和光敏晶體管p優(yōu)點：優(yōu)點：LEDLED輻射能量能有效地耦合到光敏晶體管輻射能量能有效地耦合到光敏晶體管p應(yīng)用應(yīng)用輸入、輸出端隔離輸入、輸

18、出端隔離解決信號傳輸中多地問題解決信號傳輸中多地問題電平轉(zhuǎn)換電平轉(zhuǎn)換提高驅(qū)動能力以及抗干擾能力提高驅(qū)動能力以及抗干擾能力3 3 光電式傳感器光電式傳感器 光電開關(guān)光電開關(guān)p組成：組成：發(fā)光二極管發(fā)光二極管LED被測體調(diào)制被測體調(diào)制光敏晶體管光敏晶體管p分類分類對射式對射式反射式反射式p用途用途：計數(shù)、有無：計數(shù)、有無3 3 光電式傳感器光電式傳感器光電元件光電元件發(fā)射光源發(fā)射光源CCDCCD圖像傳感器圖像傳感器CCD（Charge Coupled Device）電荷耦合器件電荷耦合器件CCD 組成組成：類似類似馬賽克馬賽克的的網(wǎng)格網(wǎng)格MOS電容器電容器、聚光鏡片以及、聚光鏡片以及底層的測量矩陣

19、底層的測量矩陣MOSMOS（Metal Oxide SemiconductorMetal Oxide Semiconductor）電容器電容器像素、像點、感光點像素、像點、感光點構(gòu)成：在構(gòu)成：在P PSiSi襯底上淀積金屬而構(gòu)成的一只電容器襯底上淀積金屬而構(gòu)成的一只電容器工作原理：工作原理：在光照射下，感光小單元在光照射下，感光小單元積聚光生載流子積聚光生載流子電荷電荷PSi金屬金屬氧化物氧化物載流子載流子/電荷電荷勢阱勢阱表表面面勢勢4 4 圖像傳感器圖像傳感器CCDCCD圖像傳感器圖像傳感器CCD功能：功能：根據(jù)光的強弱積聚相應(yīng)的電荷，由測量矩陣根據(jù)光的強弱積聚相應(yīng)的電荷，由測量矩陣讀出讀

20、出分類：線型、面型或圓型分類：線型、面型或圓型CCD廠商：廠商：SONY、Philips、Kodak、Matsushita、Fuji線型線型CCD傳感器傳感器1CCD轉(zhuǎn)移寄存器轉(zhuǎn)移寄存器 2轉(zhuǎn)移控制柵轉(zhuǎn)移控制柵 3積蓄控制電極積蓄控制電極4PD陣列（陣列（1728） SH轉(zhuǎn)移控制柵輸入端轉(zhuǎn)移控制柵輸入端 RS復(fù)位控制復(fù)位控制 4 4 圖像傳感器圖像傳感器CMOSCMOS圖像感光器圖像感光器pCMOSCMOS（Complement Metal Oxide Complement Metal Oxide SemiconductorSemiconductor）互補金屬氧化物互補金屬氧化物場效應(yīng)場效應(yīng)p

21、CMOSCMOS經(jīng)加工經(jīng)加工可以作為圖像傳感器可以作為圖像傳感器每個象素由四個每個象素由四個晶體管晶體管與一個感光二極管構(gòu)成與一個感光二極管構(gòu)成 CCD難以比擬的優(yōu)勢難以比擬的優(yōu)勢：單一電源運單一電源運作作（省電、標(biāo)準生產(chǎn)、便宜）（省電、標(biāo)準生產(chǎn)、便宜） 缺點：信噪比差、缺點：信噪比差、敏感度不夠敏感度不夠比比CCD傳感器低傳感器低10倍感光度倍感光度p應(yīng)用：應(yīng)用：圖像輸入設(shè)備圖像輸入設(shè)備 電腦、筆記本電腦、掌上電腦、掃描儀、電腦、筆記本電腦、掌上電腦、掃描儀、數(shù)碼相機、攝像機、指紋認證等數(shù)碼相機、攝像機、指紋認證等900萬像素萬像素CMOS 4 4 圖像傳感器圖像傳感器鋁板寬度的自動檢測鋁板

22、寬度的自動檢測組成 兩個CCD線型傳感器1、2 測量L1、 L2，已知Lm L 傳感器3激光源：補償由于板厚變化而造成的測量誤差 對于2m寬的熱軋板，最終測量精度可達板寬的土0.025。4 4 圖像傳感器圖像傳感器二維零件尺寸在線檢測二維零件尺寸在線檢測二維零件尺寸的在線檢測二維零件尺寸的在線檢測CCD攝像機攝像機：零件輪廓形狀零件輪廓形狀掃描掃描零件的輪廓形狀零件的輪廓形狀的的可重構(gòu)可重構(gòu)零件的各部分尺寸零件的各部分尺寸的計算的計算4 4 圖像傳感器圖像傳感器三角法測量三角法測量4 4 圖像傳感器圖像傳感器輪廓測量輪廓測量原理：原理： 激光激光X X平面光幕平面光幕輪廓線輪廓線反射反射光幕光

23、幕2 2維維CMOSCMOS陣列陣列信號處理器信號處理器剖面圖形剖面圖形(X(X為輪廓線的長度，為輪廓線的長度，Z Z為輪廓線的高低為輪廓線的高低) ) 通過移動被測物體或傳感器通過移動被測物體或傳感器3 D3 D 半導(dǎo)體激光半導(dǎo)體激光 透鏡透鏡 平面光幕平面光幕 被測體被測體 被測體被測體 鏡片鏡片 2 維維 CMOS 陣列陣列 信號處理器信號處理器 測量光幕測量光幕反射光幕反射光幕4 4 圖像傳感器圖像傳感器機器人視覺系統(tǒng)機器人視覺系統(tǒng)p組成：機器手組成：機器手 CCD圖像傳感器圖像傳感器p功能功能識別目標(biāo)識別目標(biāo)空間定位空間定位引導(dǎo)機器手引導(dǎo)機器手處理目標(biāo)（處理目標(biāo)（分類、搬運和裝配）4

24、 4 圖像傳感器圖像傳感器機器人目標(biāo)定位系統(tǒng)壓電式傳感器壓電式傳感器壓電效應(yīng)：力壓電效應(yīng)：力電荷電荷結(jié)構(gòu)形式（串、并聯(lián)）、測量電路（電壓、電荷測量）結(jié)構(gòu)形式（串、并聯(lián)）、測量電路（電壓、電荷測量）應(yīng)用：加速度計、安裝應(yīng)用：加速度計、安裝磁電式傳感器磁電式傳感器電磁感應(yīng)：磁通變化在線圈回路產(chǎn)生感應(yīng)電勢電磁感應(yīng)：磁通變化在線圈回路產(chǎn)生感應(yīng)電勢變磁通方法：線圈運動、磁阻變化變磁通方法：線圈運動、磁阻變化應(yīng)用應(yīng)用：（絕對：（絕對/ /相對）相對）速度傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器速度傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器光電式傳感器光電式傳感器光電效應(yīng)：外光電效應(yīng)、內(nèi)光電效應(yīng)光電效應(yīng)：外光電效應(yīng)、內(nèi)光電效應(yīng)幾種設(shè)計方式：轉(zhuǎn)速、表面測

25、量、光電開關(guān)幾種設(shè)計方式：轉(zhuǎn)速、表面測量、光電開關(guān)圖像傳感器圖像傳感器CCDCCD、CMOSCMOS優(yōu)缺點優(yōu)缺點應(yīng)用：三角法測量應(yīng)用：三角法測量形狀檢測形狀檢測回顧回顧霍爾效應(yīng)霍爾效應(yīng) 金屬或半導(dǎo)體金屬或半導(dǎo)體薄片薄片置于磁場中，當(dāng)有電流流過時，在垂置于磁場中，當(dāng)有電流流過時，在垂直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生電動勢電動勢霍爾電壓霍爾電壓霍爾電壓霍爾電壓U UH H與通過與通過電流電流I I和磁感應(yīng)強度和磁感應(yīng)強度B B成正比成正比d d越小，越小，k kH H就越大（薄膜霍爾元件就越大（薄膜霍爾元件d d為為1m1m左右）左右） 磁場磁場B 工作工作 電流電流 I

26、感應(yīng)電勢感應(yīng)電勢 半導(dǎo)體薄片半導(dǎo)體薄片 lxbxd 霍爾電勢霍爾電勢UH HHUBK I5 5 霍爾傳感器霍爾傳感器霍爾元件霍爾元件 N N型半導(dǎo)體材料：鍺、硅、銻化銦、砷化銦型半導(dǎo)體材料：鍺、硅、銻化銦、砷化銦特性特性尺寸小、特別是尺寸小、特別是厚度很小厚度很小，可以放到磁場的空隙中，因而很方便；，可以放到磁場的空隙中，因而很方便；輸出信號大，靈敏度可達輸出信號大，靈敏度可達12mV/mA-T12mV/mA-T輸出電阻小輸出電阻小，只有，只有0.51000.5100歐姆歐姆建立霍爾電勢的時間極短（建立霍爾電勢的時間極短（1010-12-1210101414s s），高頻測量），高頻測量應(yīng)用應(yīng)

27、用 直接測量：磁場直接測量：磁場B B、電流、電流I I 間接測量：位移、厚度、重量、轉(zhuǎn)速間接測量：位移、厚度、重量、轉(zhuǎn)速5 5 霍爾傳感器霍爾傳感器開關(guān)型霍爾傳感器開關(guān)型霍爾傳感器p原理原理在傳感器內(nèi)用在傳感器內(nèi)用稀土磁鋼稀土磁鋼給霍爾器件建立初始磁場給霍爾器件建立初始磁場磁偏置磁偏置傳感器前面有鐵磁物體時，引起該磁場發(fā)生變化傳感器前面有鐵磁物體時，引起該磁場發(fā)生變化霍爾器件檢測、轉(zhuǎn)換成一個交變信號，內(nèi)置電路進行放大、霍爾器件檢測、轉(zhuǎn)換成一個交變信號，內(nèi)置電路進行放大、整形，輸出整形，輸出開關(guān)型霍爾傳感器開關(guān)型霍爾傳感器OCH41輸入頻率：輸入頻率：0 020KHz 20KHz 輸出信號：輸

28、出信號：0 020V20V矩形脈沖矩形脈沖工作電源：工作電源：12V 12V 24VDC/20mA 24VDC/20mA 推薦安裝間隙推薦安裝間隙0.80.81.2 mm1.2 mm5 5 霍爾傳感器霍爾傳感器霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器p測轉(zhuǎn)速、流速測轉(zhuǎn)速、流速5 5 霍爾傳感器霍爾傳感器開關(guān)型霍爾傳感器開關(guān)型霍爾傳感器p測位置測位置發(fā)動機曲軸位置檢測發(fā)動機曲軸位置檢測飛輪上有飛輪上有1212個槽，個槽，4 4個槽為一組，分為三個槽為一組，分為三組，每組相隔組，每組相隔120120，每組中的每個槽也，每組中的每個槽也相隔相隔2020飛輪上每組槽通過傳感器時，傳感器將產(chǎn)飛輪上每組槽通過傳感

29、器時，傳感器將產(chǎn)生四個脈沖信號生四個脈沖信號每組信號，可被每組信號，可被ECUECU用來確定兩缸活塞的用來確定兩缸活塞的位置位置各個缸活塞接近上止點的時刻各個缸活塞接近上止點的時刻控制噴油和點火控制噴油和點火5 5 霍爾傳感器霍爾傳感器觸發(fā)輪齒式霍爾曲軸位置傳感器觸發(fā)輪齒式霍爾曲軸位置傳感器 霍爾電流傳感器霍爾電流傳感器p結(jié)構(gòu)：帶有結(jié)構(gòu)：帶有縫隙縫隙的環(huán)形電磁鐵的環(huán)形電磁鐵+霍霍爾元件爾元件p原理：電磁鐵縫隙中磁場大小與通原理：電磁鐵縫隙中磁場大小與通入電流成正比入電流成正比霍爾元件檢測霍爾元件檢測p漏磁影響消除：第二個線圈的連接漏磁影響消除：第二個線圈的連接方式是使得它的磁場對抗第一個線方式

30、是使得它的磁場對抗第一個線圈的磁場作用。合成的磁感應(yīng)強度圈的磁場作用。合成的磁感應(yīng)強度則用一霍爾傳感器來探測則用一霍爾傳感器來探測磁場強度磁場強度霍爾電壓霍爾電壓調(diào)節(jié)電流調(diào)節(jié)電流I I2 200磁場磁場II2 2=N=N1 1/N/N2 2.I.I1 15 5 霍爾傳感器霍爾傳感器N1IlN2I2 霍爾式損傷檢測霍爾式損傷檢測p結(jié)構(gòu)：永久磁鐵結(jié)構(gòu)：永久磁鐵+鋼絲繩鋼絲繩+霍爾元件霍爾元件p原理：原理：鋼絲繩中的斷絲會改鋼絲繩中的斷絲會改變永久磁鐵產(chǎn)生的磁場變永久磁鐵產(chǎn)生的磁場p霍爾霍爾元件檢測磁場變化，元件檢測磁場變化，產(chǎn)產(chǎn)生一個脈動電壓信號生一個脈動電壓信號斷斷絲根數(shù)及斷絲位置絲根數(shù)及斷絲位

31、置霍爾效應(yīng)鋼絲斷絲檢測裝置1鋼絲繩 2霍爾元件 3永久磁鐵5 5 霍爾傳感器霍爾傳感器熱電效應(yīng)熱電效應(yīng) 當(dāng)當(dāng)不同材料不同材料的兩導(dǎo)體和的的兩導(dǎo)體和的兩個結(jié)點處溫度不同兩個結(jié)點處溫度不同時時，則回路中產(chǎn)生熱電勢，則回路中產(chǎn)生熱電勢n接觸電勢接觸電勢：接觸點電子密度不相同而形成的電位差：接觸點電子密度不相同而形成的電位差e eABAB（t t）n溫差電勢：溫差電勢：金屬導(dǎo)體兩端溫度不同而可產(chǎn)生的熱電金屬導(dǎo)體兩端溫度不同而可產(chǎn)生的熱電勢勢e eA A（t,tt,t0 0）等溫時為零等溫時為零n熱電偶回路熱電勢熱電偶回路熱電勢 e eABAB（t,tt,t0 0）金屬金屬A A和溫度和溫度t t分別表

32、示熱電偶的正極和分別表示熱電偶的正極和測量端測量端, ,后面的金屬后面的金屬B B和溫度和溫度t t0 0分別表示熱電偶的負極和參分別表示熱電偶的負極和參考端考端 0000,ttetettetetteAABBABAB導(dǎo)導(dǎo)體體A導(dǎo)導(dǎo)體體B teAB 0teAB0,tteA0,tteB高溫端高溫端t低溫端低溫端t06 熱電偶傳感器熱電偶傳感器中間導(dǎo)體中間導(dǎo)體定律定律 在熱電偶回路中加入第三種導(dǎo)體在熱電偶回路中加入第三種導(dǎo)體C C，只要其兩端溫度相同，熱電偶產(chǎn)，只要其兩端溫度相同，熱電偶產(chǎn)生的熱電勢保持不變生的熱電勢保持不變不受第三金屬接入的影響不受第三金屬接入的影響6 熱電偶傳感器熱電偶傳感器Ct

33、 tABt t0 0t t0 0eAB(t)eBC(t0)eCA(t0)eB(t, t0)eA(t, t0)00,ttetteABABC 可以在熱電偶回路中接入儀表以便檢測熱可以在熱電偶回路中接入儀表以便檢測熱電勢的大小從而測出溫度電勢的大小從而測出溫度 相對另一種相對另一種金屬金屬C（標(biāo)準電極）（標(biāo)準電極）的熱電勢為的熱電勢為已知的金屬已知的金屬A和和B，它們組成的熱電偶，其，它們組成的熱電偶，其熱電勢為它們對金屬熱電勢為它們對金屬C熱電勢的代數(shù)和熱電勢的代數(shù)和 建立通用建立通用（相對標(biāo)準電極）（相對標(biāo)準電極）分度表分度表000000,ABACCBABACBCet tet tet tet t

34、et tet t熱電偶連接熱電偶連接接入儀表接入儀表開路開路熱電偶熱電偶 只要只要A、B電極接入處溫度一致電極接入處溫度一致 任意焊接、任意連接任意焊接、任意連接工作端工作端t參考端參考端t0工作端工作端t參考端參考端t0工作端工作端t參考端參考端t0金屬壁面金屬壁面工作端工作端t參考端參考端t0液態(tài)金屬液態(tài)金屬6 熱電偶傳感器熱電偶傳感器冷端溫度冷端溫度補償補償冷端：參考冷端：參考/比端、自由端比端、自由端t0熱電偶的熱電勢的大小不僅與工作端溫?zé)犭娕嫉臒犭妱莸拇笮〔粌H與工作端溫度有關(guān)，而且與冷端溫度有關(guān)度有關(guān)，而且與冷端溫度有關(guān)只有當(dāng)只有當(dāng)冷端溫度不變冷端溫度不變時，熱電勢才是熱時，熱電勢才

35、是熱端溫度的單值函數(shù)端溫度的單值函數(shù)n定點法定點法恒溫法恒溫法把冷端置于恒溫器中，使其維持在一恒把冷端置于恒溫器中，使其維持在一恒定溫度下，最常用冰槽定溫度下，最常用冰槽精度很高，比較麻煩，僅限于實驗室用精度很高，比較麻煩，僅限于實驗室用)(,0tCtftteAB 水水 銀銀 溫溫 度度 計計 試試 管管 變變 壓壓 器器 油油 冰冰 水水 化化 合合 物物 6 熱電偶傳感器熱電偶傳感器冷端溫度補償冷端溫度補償n補償電橋法補償電橋法 在熱電偶回路中在熱電偶回路中串聯(lián)一電勢串聯(lián)一電勢U=e(t0,0)原理：電橋輸出與原理：電橋輸出與環(huán)境溫度環(huán)境溫度/冷端變化冷端變化成正比成正比 補償補償環(huán)境環(huán)境

36、溫度對熱電偶的影響溫度對熱電偶的影響電橋補償：電橋補償：在在0C時，電橋平衡，輸出為時，電橋平衡，輸出為U=0如果如果環(huán)境溫度上升環(huán)境溫度上升，熱電偶輸出熱電偶輸出熱電勢數(shù)值要熱電勢數(shù)值要降低降低電橋中橋臂電阻電橋中橋臂電阻Rcu隨溫度上升而增大，使電橋輸出隨溫度上升而增大，使電橋輸出電壓增加電壓增加，它與前者迭加可起到補償作用，它與前者迭加可起到補償作用eUt0t0tbdaR1cRsRCuteR3R26 熱電偶傳感器熱電偶傳感器熱電偶分類熱電偶分類n熱電偶熱電偶材料性能材料性能要求要求 物理化學(xué)性能穩(wěn)定、電阻溫度系數(shù)小、機械性能好、靈敏度高、物理化學(xué)性能穩(wěn)定、電阻溫度系數(shù)小、機械性能好、靈敏

37、度高、復(fù)現(xiàn)性好、線性關(guān)系等復(fù)現(xiàn)性好、線性關(guān)系等n熱電偶分類熱電偶分類按其熱電勢與溫度的關(guān)系以及使用性能可分為：按其熱電勢與溫度的關(guān)系以及使用性能可分為：常用熱電偶和特常用熱電偶和特殊熱電偶殊熱電偶按其適應(yīng)的溫度范圍不同可分為：按其適應(yīng)的溫度范圍不同可分為：高、中溫?zé)犭娕己偷蜏責(zé)犭娕几?、中溫?zé)犭娕己偷蜏責(zé)犭娕及雌浣Y(jié)構(gòu)型式不同可分為：按其結(jié)構(gòu)型式不同可分為：鎧裝式、插入式和裸線式熱電偶鎧裝式、插入式和裸線式熱電偶 一般熱電偶的一般熱電偶的靈敏度隨溫度降低而明顯下降靈敏度隨溫度降低而明顯下降。這是熱電偶進行低。這是熱電偶進行低溫測量的主要困難溫測量的主要困難.6 熱電偶傳感器熱電偶傳感器熱電偶分類熱

38、電偶分類分度號分度號6 熱電偶傳感器熱電偶傳感器熱電偶分類熱電偶分類6 熱電偶傳感器熱電偶傳感器名稱名稱特點特點測溫范圍測溫范圍靈敏度靈敏度鉑銠鉑熱電偶鉑銠鉑熱電偶中高溫度計中高溫度計物理化學(xué)性能穩(wěn)定，測量精物理化學(xué)性能穩(wěn)定，測量精度高，常用于精密溫度測量度高，常用于精密溫度測量和作為基準溫度計使用和作為基準溫度計使用30030013001300室溫下室溫下6 uV/6 uV/鎳鉻鎳硅熱電偶鎳鉻鎳硅熱電偶中高溫度計中高溫度計化學(xué)性能很穩(wěn)定，靈敏度高、化學(xué)性能很穩(wěn)定，靈敏度高、成本低，價格低廉成本低，價格低廉10010010001000室溫下室溫下41 uV/41 uV/鎳鉻康銅熱電偶鎳鉻康銅熱

39、電偶中低溫溫度計中低溫溫度計綜合了鎳鉻鎳硅熱電偶和綜合了鎳鉻鎳硅熱電偶和銅康銅熱電偶的一些優(yōu)點銅康銅熱電偶的一些優(yōu)點靈敏度高、價格便宜靈敏度高、價格便宜液氮溫區(qū)液氮溫區(qū)80K80K500500室溫下室溫下70 uV/70 uV/銅康銅熱電偶銅康銅熱電偶中低溫溫度計中低溫溫度計性能穩(wěn)定，復(fù)現(xiàn)性好，而且性能穩(wěn)定，復(fù)現(xiàn)性好，而且價格便宜價格便宜80K80K室溫室溫室溫下室溫下40uV/40uV/鎳鉻金鐵熱電偶鎳鉻金鐵熱電偶中低溫溫度計中低溫溫度計穩(wěn)定性好，熱導(dǎo)率低，適合穩(wěn)定性好，熱導(dǎo)率低，適合于低溫測量于低溫測量1K1K30K30K1K1K下下10 uV/10 uV/為銅康的為銅康的3030倍倍16

40、.273 KC熱熱電電偶偶分分度度表表6 熱電偶傳感器熱電偶傳感器e(t, 0)= e(t, t0)+e(t0,0)熱電偶優(yōu)點熱電偶優(yōu)點結(jié)構(gòu)簡單、制作方便、價格低廉、測溫范圍寬、正結(jié)構(gòu)簡單、制作方便、價格低廉、測溫范圍寬、正確度高確度高流體、固體、及表面溫度均可用它測量流體、固體、及表面溫度均可用它測量微型熱電偶可用于快速及動態(tài)溫度測量微型熱電偶可用于快速及動態(tài)溫度測量熱電偶缺點：熱電偶缺點：需要恒定的冷端溫度需要恒定的冷端溫度6 熱電偶傳感器熱電偶傳感器紅外輻射紅外輻射7 7 紅外探測器紅外探測器紅外輻射紅外輻射溫度溫度輻射輻射電磁波電磁波溫度在絕對零度以上的物體，都會因自身的分子運動而輻射

41、出溫度在絕對零度以上的物體，都會因自身的分子運動而輻射出紅外線紅外線，波長在，波長在0.760.76100m100m物體溫度愈高，則輻射到空間去的能量愈多物體溫度愈高，則輻射到空間去的能量愈多波長下降波長下降 紅外探測器：紅外輻射能轉(zhuǎn)換為電能紅外探測器：紅外輻射能轉(zhuǎn)換為電能 分類：熱探測器、光子探測器分類：熱探測器、光子探測器 紅外線黑體輻射強度與波長及溫度之間的關(guān)系黑體輻射強度與波長及溫度之間的關(guān)系7 7 紅外探測器紅外探測器熱探測器：熱探測器：熱電偶型、氣動型、熱釋電型熱電偶型、氣動型、熱釋電型p熱電偶型：熱電偶型：多對熱電偶串連相接多對熱電偶串連相接輻射能輻射能紅外輻射透鏡紅外輻射透鏡熱

42、端熱端材料：銀材料：銀鉍、錳鉍、錳康銅；鍍膜和光刻技術(shù)制造薄膜熱電堆，銻康銅；鍍膜和光刻技術(shù)制造薄膜熱電堆，銻鉍鉍7 7 紅外探測器紅外探測器熱電偶冷端置于環(huán)境溫度下熱電偶冷端置于環(huán)境溫度下熱點涂上熱點涂上黑層黑層置于輻射中置于輻射中 紅外輻射紅外輻射透鏡透鏡透紅外窗口透紅外窗口吸收薄膜吸收薄膜氣室氣室柔鏡柔鏡可見光源可見光源光柵光柵光柵圖光柵圖像像反射鏡反射鏡反射鏡反射鏡光電管光電管透鏡透鏡熱探測器：熱探測器：熱電偶型、氣動型、熱釋電型熱電偶型、氣動型、熱釋電型p氣動型氣動型吸收紅外輻射后，吸收紅外輻射后，氣室氣室的氣體溫度升高、體積增大的氣體溫度升高、體積增大柔性鏡移動柔性鏡移動光柵圖像柵

43、狀光欄光柵圖像柵狀光欄相對位移相對位移改變光量改變光量光電管光電管光譜響應(yīng)波段很寬：從可見光到微波；響應(yīng)時間為光譜響應(yīng)波段很寬：從可見光到微波；響應(yīng)時間為15ms用于實驗室內(nèi)，作為其他紅外器件的標(biāo)定基準用于實驗室內(nèi)，作為其他紅外器件的標(biāo)定基準 7 7 紅外探測器紅外探測器鐵電體絕緣電阻負載熱探測器：熱探測器：熱電偶型、氣動型、熱釋電型熱電偶型、氣動型、熱釋電型p熱釋電型熱釋電型熱釋電效應(yīng)：熱釋電效應(yīng)：在紅外輻射下，由于溫度升高，引起在紅外輻射下，由于溫度升高，引起鐵電體鐵電體極化強度下極化強度下降，即降，即表面電荷減少表面電荷減少，這相當(dāng)釋放一部分電荷，這相當(dāng)釋放一部分電荷 轉(zhuǎn)換元件：轉(zhuǎn)換元件

44、：熱釋電晶體熱釋電晶體（鋯鈦酸鉛等（鋯鈦酸鉛等 ）轉(zhuǎn)換電路：轉(zhuǎn)換電路：熱釋電晶體熱釋電晶體與負載電阻聯(lián)接，在紅外輻射下，負載與負載電阻聯(lián)接，在紅外輻射下，負載電阻兩端就有信號輸出電阻兩端就有信號輸出自動門自動門/水龍頭水龍頭/安檢安檢7 7 紅外探測器紅外探測器光子探測器 光子探測器光子探測器photon detector 輻射能量是以微粒形式存在的輻射能量是以微粒形式存在的光子或光子或量子量子光電效應(yīng)：光電效應(yīng)：光子與半導(dǎo)體材料直接作用，產(chǎn)光子與半導(dǎo)體材料直接作用，產(chǎn)生生內(nèi)光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)，使得載流子，使得載流子(電子空穴對電子空穴對)增加增加而產(chǎn)生光致電動勢而產(chǎn)生光致電動勢 光電、光電導(dǎo)

45、及光生伏打光電、光電導(dǎo)及光生伏打等探測器等探測器探測率高、響應(yīng)快（微秒探測率高、響應(yīng)快（微秒/納秒級）納秒級）選擇性：光子能量與選擇性：光子能量與波長波長有關(guān)系，所以有關(guān)系，所以光子探測器僅對具有足夠能量的光子有光子探測器僅對具有足夠能量的光子有響應(yīng)，存在著對光譜響應(yīng)的選擇性響應(yīng)，存在著對光譜響應(yīng)的選擇性光子探測器通常在光子探測器通常在低溫條件低溫條件下工作下工作測溫儀、航空掃描儀、熱象儀測溫儀、航空掃描儀、熱象儀 入射到結(jié)內(nèi)的光子產(chǎn)生電子空穴對 7 7 紅外探測器紅外探測器紅外探測器比較紅外探測器比較性能性能熱點堆熱點堆氣動型氣動型熱釋電型熱釋電型光子探測器光子探測器響應(yīng)波段響應(yīng)波段可見光到微波可見光到微波 138m214m探測率探測率1x1091x1010(3-10)1010(0.1-5)1010響應(yīng)時間響應(yīng)時間15ms10-2s10-5s工作溫度工作溫度300K70300K應(yīng)用應(yīng)用其它紅外器件其它紅外器件標(biāo)定基準標(biāo)定基準光譜儀、測溫光譜儀、測溫儀、紅外攝像儀、紅外攝像測溫儀、航空掃測溫儀、航空掃描儀、熱象