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5.1.1 5.1.1 壓電式傳感器基本原理壓電式傳感器基本原理壓電式傳感器壓電式傳感器壓電效應(yīng)：外力作用下在壓電材料表面產(chǎn)生電荷壓電效應(yīng)：外力作用下在壓電材料表面產(chǎn)生電荷F+q壓電式傳感器壓電式傳感器等效電路：兩極板上聚集異性電荷，中間為等效電路：兩極板上聚集異性電荷，中間為絕緣體的電容器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

2、材料：石英晶體、鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等.ooququ CCFFq電極壓電晶片Co uq/Co5.1.1 5.1.1 壓電式傳感器基本原理壓電式傳感器基本原理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5.1.1 5.1.1 壓電式傳感器基本原理壓電式傳感器基本原理5.1.2 5

3、.1.2 壓電式傳感器的應(yīng)用壓電式傳感器的應(yīng)用12345壓電式壓力傳感器結(jié)構(gòu)示意圖1壓電轉(zhuǎn)換元件 2傳感器體 3.彈性膜片4電極 5引線 壓電式壓力傳感器結(jié)構(gòu)示意圖，它通常是根據(jù)正壓電效應(yīng)（習(xí)慣上也稱為壓電效應(yīng)）的工作原理制作的。 壓電式傳感器目前有兩種方法可用于壓力的實(shí)際測量中。一種方法一種方法是利用后續(xù)的電壓放大器測量電荷在電容上的電壓值U；另一種方法另一種方法是利用后續(xù)的電荷放大器直接測量電荷Q值。 由于電壓放大器自身存在著電壓靈敏度隨頻率及電纜電容變化的不足之處，因此只用于精度要求不高的測量中，而在高精度測量中通常采用電荷放大器。 壓電式壓力傳感器壓電式壓力傳感器5.1.2 5.1.2

4、 壓電式傳感器的應(yīng)用壓電式傳感器的應(yīng)用使用注意事項(xiàng)：使用注意事項(xiàng)：（）盡管人們在為擴(kuò)展壓電式傳感器的使用頻率下限方面做出了很大的努力，但將壓電式傳感器用于靜態(tài)、準(zhǔn)靜態(tài)信號的測量仍是不可取的但將壓電式傳感器用于靜態(tài)、準(zhǔn)靜態(tài)信號的測量仍是不可取的。（）電纜噪聲是同軸電纜在振動或交變的彎曲變形時，電纜芯與絕緣體間、金屬屏蔽套與絕緣體間發(fā)生相對滑移摩擦和分離，而在分離層之間產(chǎn)生的靜電荷感應(yīng)干擾，它將混入主信號中被放大而影響測量精度。減小電纜噪聲的方法減小電纜噪聲的方法：一是在使用中固定好傳感器的引出電纜；二是選用低噪聲的同軸電纜。（）接地回路噪聲是壓電傳感器接入二次測量線路或儀表構(gòu)成測試系統(tǒng)后，由于不

5、同電位處多點(diǎn)接地，形成了接地回路和回路電流所致，克服的根本途徑是消除接地回路消除接地回路。常用的方法是在安裝傳感器時，使其與接地的被測試件絕緣連接，并在測試系統(tǒng)的末端一點(diǎn)接地，這樣就大大消除了接地回路噪聲。壓電式壓力傳感器壓電式壓力傳感器5.1.2 5.1.2 壓電式傳感器的應(yīng)用壓電式傳感器的應(yīng)用壓電加速度計壓電加速度計 圖示一種壓電加速度傳感器的結(jié)構(gòu)圖。它主要由壓電元件、質(zhì)量塊、預(yù)壓彈簧、基座及外殼等組成。整個部件裝在外殼內(nèi)，并由螺栓加以固定。當(dāng)加速度計接收振動時，質(zhì)量塊在壓電晶體片上產(chǎn)生一交變力，由于質(zhì)量M是常數(shù)，如果應(yīng)變變化處在壓電晶體片線性范圍以內(nèi)，則作用于壓電晶體片的力所產(chǎn)生的電荷與

6、加速度成正比，通過測量電荷大小便可得到加速度大小。 壓電式加速度傳感器結(jié)構(gòu)1壓電元件 2預(yù)壓彈簧 3.外殼4質(zhì)量塊 5基座5.1.2 5.1.2 壓電式傳感器的應(yīng)用壓電式傳感器的應(yīng)用壓電加速度計壓電加速度計壓縮式壓縮式剪切式剪切式彎曲式彎曲式5.1.2 5.1.2 壓電式傳感器的應(yīng)用壓電式傳感器的應(yīng)用壓電加速度計壓電加速度計 常見壓電加速度計優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn) 尺寸小、重量輕、堅固性好，測量頻率范圍一般可達(dá)1Hz22kHz，加速度范圍為02000g，溫度范圍為150260，輸出電平為572mv/g。因此在振動測量中，壓電加速度計得到廣泛應(yīng)用。缺點(diǎn)缺點(diǎn) 低頻性能差、阻抗高、測量噪聲大，特別是用它測量位移時

7、經(jīng)過兩次積分后會使信號減弱，噪聲和干擾的影響相當(dāng)大。 5.1.2 5.1.2 壓電式傳感器的應(yīng)用壓電式傳感器的應(yīng)用壓電加速度計壓電加速度計n壓電式加速度計的安裝壓電式加速度計的安裝(a) (a) 將加速度計直接用螺栓安裝在將加速度計直接用螺栓安裝在 振動表面上振動表面上; ; (b) (b) 將加速度計與振動面通過絕緣將加速度計與振動面通過絕緣螺栓或者云母片絕緣相連螺栓或者云母片絕緣相連; ; (c) (c) 用臘膜粘附用臘膜粘附; ; (d) (d) 手持探棒與振動表面接觸手持探棒與振動表面接觸; ; (e) (e) 通過磁鐵與具有鐵磁性質(zhì)的振通過磁鐵與具有鐵磁性質(zhì)的振動表面磁性相連動表面磁

8、性相連; ; (fg) (fg) 用粘結(jié)劑連結(jié)用粘結(jié)劑連結(jié) . .其中: (a)可測量強(qiáng)振動和高頻率振動，是安裝加速度計理想的方法; (e)是常用的方法，方便可靠，但只能測量加速度較小的振動.ui5.2.1 5.2.1 磁電式傳感器基本工作原理磁電式傳感器基本工作原理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(yùn)動、切割磁力線匝線圈與磁鐵相對運(yùn)動、切割磁力線，感應(yīng)出正比，感應(yīng)出正比于運(yùn)動速度的電壓于運(yùn)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(qiáng)度磁場強(qiáng)度B 固定固定線圈運(yùn)動速度線圈運(yùn)動速度磁路磁阻磁路磁阻 分類：動圈式、變磁阻式分類：動圈式、變磁阻式dtdN

9、e 常有動圈式和變磁阻式兩種結(jié)構(gòu)形式常有動圈式和變磁阻式兩種結(jié)構(gòu)形式: 變磁阻變磁阻式常常被用于測量角速度或轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速；式常常被用于測量角速度或轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速； 動圈式動圈式傳感器一般被用于測量直線運(yùn)動速度傳感器一般被用于測量直線運(yùn)動速度. 對于動圈式動圈式，磁場強(qiáng)度為常數(shù)，則感應(yīng)電動勢與速度有關(guān)，即： dtdxNBLe5.2.1 5.2.1 磁電式傳感器基本工作原理磁電式傳感器基本工作原理磁電式傳感器磁電式傳感器l由于有較大的輸出功率，故磁由于有較大的輸出功率，故磁電式傳感器的調(diào)理電路一般較簡電式傳感器的調(diào)理電路一般較簡單，零位及性能穩(wěn)定單，零位及性能穩(wěn)定;l工作頻率一般為工作頻率一般為1010

10、00Hz。 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(qiáng)為取決于磁感應(yīng)強(qiáng)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5.2.2 5.2.2 磁電式傳感器的應(yīng)用磁電式傳感器的應(yīng)用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

11、感器動態(tài)特性動態(tài)特性固有頻率應(yīng)該盡可能低固有頻率應(yīng)該盡可能低，但實(shí)現(xiàn)有很大困難，但實(shí)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：工作頻率：15151000Hz1000Hz阻尼比：阻尼環(huán)產(chǎn)生阻尼比：阻尼環(huán)產(chǎn)生磁阻尼力（磁阻尼力（0.50.70.50.7）222221)(nnnjH5.2.2 5.2.2 磁電式傳感器的應(yīng)用磁電式傳感器的應(yīng)用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 01kHz1

12、kHz1 1、頂桿、頂桿 2 2、拱形簧片、拱形簧片 3 3、磁鋼、磁鋼 4 4、線圈、線圈 5 5、引出線、引出線 6 6、殼體、殼體5.2.2 5.2.2 磁電式傳感器的應(yīng)用磁電式傳感器的應(yīng)用 如果將殼體固定在一試件上，通過壓縮彈簧片，使頂桿以力頂住另一試件，則線圈在磁場中運(yùn)動速度就是兩試件的相對速度，此時的速度計就成為相對速度計。磁電式轉(zhuǎn)速傳感器磁電式轉(zhuǎn)速傳感器5.2.2 5.2.2 磁電式傳感器的應(yīng)用磁電式傳感器的應(yīng)用 1齒形圓盤 2線圈 3永久磁鐵 4鐵芯 圖為變磁阻式磁電傳感器的典型結(jié)構(gòu)圖，其中永久磁鐵和線圈均固定，動鐵心（齒輪轉(zhuǎn)子）的運(yùn)動使氣隙和磁路磁阻變化，引起磁通變化而在線圈

13、中產(chǎn)生感應(yīng)電勢。當(dāng)齒輪的轉(zhuǎn)動軸旋轉(zhuǎn)時，每轉(zhuǎn)過一個齒牙時，在線圈中就感應(yīng)一個電勢脈沖。如果將單位時間內(nèi)的脈沖數(shù)除以齒數(shù)，則表示該旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速 由于這種磁電式傳感器對轉(zhuǎn)軸有一定的阻力矩，并且低速時其輸出信號較小，故不適應(yīng)于低轉(zhuǎn)速。磁電式扭矩傳感器磁電式扭矩傳感器5.2.2 5.2.2 磁電式傳感器的應(yīng)用磁電式傳感器的應(yīng)用 當(dāng)扭矩作用在扭轉(zhuǎn)軸上時, 兩個磁電式傳感器輸出的感應(yīng)電壓u1和u2存在相位差。這個相位差與扭轉(zhuǎn)軸的扭轉(zhuǎn)角成正比。 這樣傳感器就可以把扭矩引起的扭轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)換成相位差的電信號，通過測量相位差就可以得到扭矩。光電式傳感器光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，

14、激發(fā)物體的電子運(yùn)動電子運(yùn)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5.3.1 5.3.1 光電式傳感器基本工作原理光電式傳感器基本工作原理光敏三極管光敏三極管光電式傳感器光電式傳感器半導(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(qiáng)度的增加而減小隨光照強(qiáng)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(dá)光線通過孔到達(dá)PN結(jié)，獲得較大的集電流輸出結(jié)，獲得較大的集電

15、流輸出 光敏二極管光敏二極管5.3.1 5.3.1 光電式傳感器基本工作原理光電式傳感器基本工作原理5.3.2 5.3.2 光電式傳感器的應(yīng)用光電式傳感器的應(yīng)用光電式轉(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控制照于光電元件光通量的強(qiáng)弱控制照于光電元件光通量的強(qiáng)弱，從而產(chǎn)生與被，從而產(chǎn)生與被測軸轉(zhuǎn)速成比例的電脈沖信號，再轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的轉(zhuǎn)速值測軸轉(zhuǎn)速成比例的電脈沖信號，再轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的轉(zhuǎn)速值n實(shí)際應(yīng)用實(shí)際應(yīng)用反射式光電傳感器反射式光電傳感器透射式光電傳感器透射式光電傳感器n優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)測速范圍可達(dá)每分鐘幾十萬轉(zhuǎn)測速范圍可達(dá)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

16、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5.3.2 5.3.2 光電式傳感器的應(yīng)用光電式傳感器的應(yīng)用 右為透射式光電傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。當(dāng)多孔圓盤隨轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時，光敏元件交替受到光照，產(chǎn)生交替變換的光電動勢，從而形成與轉(zhuǎn)速成比例的脈沖電信號，其脈沖信號的頻率正比于轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速和多孔圓盤的透光孔數(shù)。光電式轉(zhuǎn)速傳感器光電式轉(zhuǎn)速傳感器5.3.2 5.3.2 光電式傳感器的應(yīng)用光電式傳感器的應(yīng)用光電耦合器光電耦合器光電耦合器是利用發(fā)光元件與接受光信號的光敏元件封裝為一體而構(gòu)成電光電轉(zhuǎn)換的器件。加到發(fā)光器件上的電信號為耦合器的輸入信號，光敏元件的輸出信號為

17、耦合器的輸出信號。光電耦合器具有無機(jī)械觸點(diǎn)、噪音低、執(zhí)行動作快、體積小、壽命長的特點(diǎn)。根據(jù)結(jié)構(gòu)和用途的不同，光電耦合器可分為光電隔離器和光電開關(guān)兩大類。p光電隔離器光電隔離器由發(fā)光二極管LED和光敏晶體管封裝在同一個管殼內(nèi)組成，在裝配上要使LED輻射能量能有效地耦合到光敏晶體管上。光電隔離器的主要應(yīng)用有：（1）將輸入與輸出端兩部分的地線分隔開，并各自使用一套電源供電；（2）實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換；（3）提高驅(qū)動能力以及抗干擾能力。5.3.2 5.3.2 光電式傳感器的應(yīng)用光電式傳感器的應(yīng)用光電耦合器光電耦合器p光電開關(guān) 光電開關(guān)是通過把光的強(qiáng)度變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘栕兓?，并以此來?shí)現(xiàn)控制的一種電子開關(guān)。 光電

18、開關(guān)以其結(jié)構(gòu)和工作方式的不同，可分為對射式、反光板反射式、擴(kuò)散反射式對射式、反光板反射式、擴(kuò)散反射式等類型。圖中給出了三種光電開關(guān)的工作示意圖。在a圖中，發(fā)光器與接收器分離，當(dāng)接收器接受光變?nèi)酰f明被測物體位于光發(fā)射器與接收器之間；b圖中，發(fā)光器與接收器則集成在一個光電器件內(nèi)，發(fā)光器發(fā)出的光經(jīng)反光板反射后，接收器可以接收光；c圖中，發(fā)光器與接收器仍然集成在一個光電器件內(nèi)，但它是利用被測物體反光使接收器產(chǎn)生信號。（a）對射式光電開關(guān) (b) 反射式光電開關(guān) (c) 擴(kuò)散式光電開關(guān)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

19、成組成：類似類似馬賽克馬賽克的網(wǎng)格的網(wǎng)格MOS電容器電容器、聚光鏡片以、聚光鏡片以及底層的測量矩陣及底層的測量矩陣MOSMOS（Metal Oxide SemiconductorMetal Oxide Semiconductor）電容器電容器像素、像點(diǎn)、感光點(diǎn)像素、像點(diǎn)、感光點(diǎn)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CCD功能：功能：根據(jù)光的強(qiáng)弱積聚相應(yīng)的電荷，由測量矩陣讀出根據(jù)光的強(qiáng)弱積聚相應(yīng)的電荷，由測量矩陣讀出CCD廠商：廠商：SONY

20、、Philips、Kodak、Matsushita、FujiPSi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5.4.1 5.4.1 固態(tài)圖像傳感器基本原理固態(tài)圖像傳感器基本原理5.4.1 5.4.1 固態(tài)圖像傳感器基本原理固態(tài)圖像傳感器基本原理CCD的電荷轉(zhuǎn)移過程線型CCD傳感器1CCD轉(zhuǎn)移寄存器 2轉(zhuǎn)移控制柵 3積蓄控制電極4PD陣列（1728） SH轉(zhuǎn)移控制柵輸入端 RS復(fù)位控制 ODV漏極輸出OS圖像信號輸出 OG輸出控制器5.4.1 5.4.1 固態(tài)圖像傳感器基本原理固態(tài)圖像傳感器基本原理互補(bǔ)金屬氧化物場效應(yīng)管CMOS（Complement Metal Oxide

21、Semiconductor） 光電傳感器也已在電腦、筆記本電腦、掌上電腦、視頻電話、掃描儀、數(shù)碼相機(jī)、攝像機(jī)、監(jiān)視器、車載電話、指紋認(rèn)證等圖像輸入領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。CMOS和CCD使用相同感光元件，具有相同的靈敏度和光譜特性，但光電轉(zhuǎn)換后的信息讀取方式不同。CMOS光電傳感器經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后直接產(chǎn)生電流（或電壓）信號，信號讀取十分簡單。5.4.2 5.4.2 固態(tài)圖像傳感器的工程應(yīng)用固態(tài)圖像傳感器的工程應(yīng)用1.1.鋁板寬度的自動檢測鋁板寬度的自動檢測熱軋鋁板寬度自動檢測原理圖 兩個CCD線型傳感器置于鋁板的上方，板端的一小部分處于傳感器的視場內(nèi)，依據(jù)幾何光學(xué)方法可以分別測知L1、 L2，在已知兩個

22、傳感器的視場間距Lm 時就可以根據(jù)傳感器的輸出計算出鋁板寬度L5.4.2 5.4.2 固態(tài)圖像傳感器的工程應(yīng)用固態(tài)圖像傳感器的工程應(yīng)用2.2.二維零件尺寸的在線檢測二維零件尺寸的在線檢測CCD線陣式攝像機(jī)作二維零件尺寸的在線檢測 圖為用CCD線陣式攝像機(jī)作流水線零件尺寸在線檢測的應(yīng)用實(shí)例。 當(dāng)零件在生產(chǎn)線上一個接一個地經(jīng)過CCD攝像機(jī)鏡頭時，CCD傳感器逐行掃過零件的整個面積，將零件輪廓形狀轉(zhuǎn)換成逐行數(shù)據(jù)(電平信號)進(jìn)行存儲，存儲的數(shù)據(jù)再經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后最終可重構(gòu)出零件的輪廓形狀，并計算出零件的各部分尺寸。5.4.2 5.4.2 固態(tài)圖像傳感器的工程應(yīng)用固態(tài)圖像傳感器的工程應(yīng)用3.3.機(jī)器人視覺

23、系統(tǒng)機(jī)器人視覺系統(tǒng)機(jī)器人目標(biāo)定位系統(tǒng) 機(jī)器人視覺系統(tǒng)可采用攝像機(jī)、CCD圖像傳感器、超聲波傳感器等，其中CCD圖像傳感器是常采用的一種。如圖所示是將CCD應(yīng)用于機(jī)器人的目標(biāo)定位中，其中，將CCD圖像傳感器置于末端執(zhí)行器中，在機(jī)器人進(jìn)行裝配、搬運(yùn)等工作時，利用CCD視覺系統(tǒng)對一組需裝配的零部件逐個進(jìn)行識別，并確定它在空間的位置和方向，引導(dǎo)機(jī)器人的手準(zhǔn)確地抓取所需的零件，并放到指定位置，完成分類、搬運(yùn)和裝配任務(wù)?；魻杺鞲衅骰魻杺鞲衅骰魻栃?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)

24、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(qiáng)度和磁感應(yīng)強(qiáng)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 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 I5.5.1 5.5.1 霍爾傳感器基本工作原理霍爾傳感器基本工作原理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

25、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(dá)輸出信號大，靈敏度可達(dá)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)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5.5.1 5.5.1 霍爾傳感器基本工作原理霍爾傳感器基本工作原理霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器測轉(zhuǎn)速測轉(zhuǎn)速在傳感器內(nèi)用在傳感器內(nèi)用稀土磁鋼稀土磁鋼給

26、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鐵磁齒經(jīng)過霍爾器件前方時，引起該磁場發(fā)生變化；鐵磁齒經(jīng)過霍爾器件前方時，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(jìn)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(jìn)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 型號型號:OCH41:OCH41輸入頻率：輸入頻率：0 020KHz 20KHz 輸出信號：輸出信號：0 020V20V矩形脈沖矩形脈沖使用溫度范圍：使用溫度范圍：-40-40125 125 工作電源：工作電源：12V 12V 24VDC/20mA24VDC/20mA傳感器端面部中心應(yīng)對準(zhǔn)齒頂中

27、心安裝，推薦安裝間隙傳感器端面部中心應(yīng)對準(zhǔn)齒頂中心安裝，推薦安裝間隙0.80.81.2 mm1.2 mm5.5.2 5.5.2 霍爾傳感器的應(yīng)用霍爾傳感器的應(yīng)用5.5.2 5.5.2 霍爾傳感器的應(yīng)用霍爾傳感器的應(yīng)用霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器 （a) （b） ( c) 霍爾式曲軸轉(zhuǎn)角傳感器 (a)霍爾式曲軸轉(zhuǎn)角傳感器結(jié)構(gòu)示意圖； (b)觸發(fā)葉片進(jìn)入空氣間隙，霍爾元件中的磁場被旁路; (c)觸發(fā)葉片離開空氣隙，霍爾元件被磁場飽和1信號輪的觸發(fā)葉片 2霍爾元件 3永久磁鐵 4底板 5導(dǎo)磁板5.5.2 5.5.2 霍爾傳感器的應(yīng)用霍爾傳感器的應(yīng)用霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器 幾種霍爾式轉(zhuǎn)速

28、傳感器的結(jié)構(gòu)5.5.2 5.5.2 霍爾傳感器的應(yīng)用霍爾傳感器的應(yīng)用霍爾位置開關(guān)霍爾位置開關(guān)霍爾傳感器測量物體位置1帶集成電路的霍爾探測器2永磁鐵 3導(dǎo)磁鐵片 4軟磁鐵片 圖示是采用霍爾元件測量物體位置的原理。圖中霍爾傳感器1位于一由永磁鐵2產(chǎn)生的磁場中。在上部的氣隙中有一軟鐵片4可上下移動，由此來控制流經(jīng)霍爾板的磁通量，該磁通則用來度量軟磁鐵片的位置。該霍爾電壓通過一電子線路中進(jìn)行檢測，該電子線路僅產(chǎn)生兩個離散的電平，即0V和12V。因此上述裝置可用作終端位置開關(guān)，用來無接觸地監(jiān)測機(jī)器部件的位置。5.5.2 5.5.2 霍爾傳感器的應(yīng)用霍爾傳感器的應(yīng)用霍爾式損傷檢測霍爾式損傷檢測霍爾效應(yīng)鋼絲

29、斷絲檢測裝置1鋼絲繩 2霍爾元件 3永久磁鐵 圖為是采用霍爾效應(yīng)對鋼絲繩作斷絲檢測的例子。當(dāng)鋼絲繩通過霍爾元件時，鋼絲繩中的斷絲會改變永久磁鐵產(chǎn)生的磁場，從而會在霍爾板中產(chǎn)生一個脈動電壓信號。對該脈動信號進(jìn)行放大和后續(xù)處理后可確定斷絲根數(shù)及斷絲位置。熱電效應(yīng)：將溫度信號轉(zhuǎn)換成熱電勢熱電效應(yīng)：將溫度信號轉(zhuǎn)換成熱電勢 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)兩個結(jié)點(diǎn)處溫度不同點(diǎn)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 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t0e eAB

30、AB（t,tt,t0 0）金屬金屬A A和溫度和溫度t t分別表示熱電偶的正極和測量分別表示熱電偶的正極和測量端端, ,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(fù)極和參考端分別表示熱電偶的負(fù)極和參考端5.6.1 熱電偶傳感器原理熱電偶傳感器原理 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)生的熱電勢只要其兩端溫度相同，熱電偶產(chǎn)生的熱電勢保持不變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5.6.1 熱電偶傳感器原理熱電偶傳感器原理(1)結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，價格便宜；(2)測溫精確度較高，

31、高溫區(qū)的復(fù)現(xiàn)性和穩(wěn)定性很好；(3)由于測溫顯示電信號，便于信號的遠(yuǎn)傳和記錄，也有利于集中檢測和控制；(4)熱電偶體積小，熱容量及熱慣性均小熱電偶溫度傳感器能用來測量點(diǎn)的溫度和壁面溫度，也能用來進(jìn)行動態(tài)溫度測量 熱電偶傳感器的優(yōu)點(diǎn)熱電偶傳感器的優(yōu)點(diǎn)工程中常見的熱電偶傳感器5.6.1 熱電偶傳感器原理熱電偶傳感器原理接觸電勢接觸電勢：接觸點(diǎn)電子密度不相同而形成的：接觸點(diǎn)電子密度不相同而形成的電位差電位差溫差電勢：溫差電勢：金屬導(dǎo)體兩端溫度不同而可產(chǎn)生金屬導(dǎo)體兩端溫度不同而可產(chǎn)生的熱電勢的熱電勢等溫時為零等溫時為零熱電偶回路熱電勢熱電偶回路熱電勢：下圖熱電偶回路分析：下圖熱電偶回路分析基本概念基本概

32、念T0mvT0A AB BC CC CT熱電偶回路的總電勢即為四個電勢的代數(shù)和，即 0000,TTETETTETETTEAABBABAB 右邊第1、3項(xiàng)表示T、T0處接觸電勢，第2、4項(xiàng)表示A、B的溫差電勢5.6.2 熱電偶的分類熱電偶的分類熱電極的材料要求熱電極的材料要求p 物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，電阻溫度系數(shù)小，力學(xué)性能好， 所組成的熱電偶靈敏度高，復(fù)現(xiàn)性好p 希望熱電勢與溫度之間的函數(shù)關(guān)系能呈線性關(guān)系熱電偶分類方法熱電偶分類方法p 按其熱電勢與溫度的關(guān)系以及使用性能可分為常用 熱電偶和特殊熱電偶。p 按其適應(yīng)的溫度范圍不同可分為高、中溫?zé)犭娕己?低溫?zé)犭娕?。p 按其結(jié)構(gòu)形式不同可分為鎧裝式、插

33、入式和裸線式 熱電偶。5.6.2 熱電偶的分類熱電偶的分類1.1.鉑銠鉑熱電偶（鉑銠鉑熱電偶（LBLB型）型） 鉑銠鉑熱電偶正極為鉑銠合金絲，負(fù)極為純鉑絲，其物理化學(xué)性能穩(wěn)定，測量精度高，常用于精密溫度測量和作為基準(zhǔn)溫度計使用。它可用于中、高溫區(qū)的溫度測量，通常使用范圍為3001300，短期可達(dá)1600。但靈敏度較低，室溫下為 且價格昂貴，較少在中低溫度下使用/6 V2.2.鎳鉻鎳硅熱電偶（鎳鉻鎳硅熱電偶（EUEU型）型）鎳鉻鎳硅熱電偶以鎳鉻為正極，鎳硅為負(fù)極，其化學(xué)性能很穩(wěn)定，靈敏度高（室溫下為 ），成本低，價格低廉，非常適合于中高溫的測量，常用工作范圍1001000，短期可達(dá)1300。/4

34、1 V5.6.2 熱電偶的分類熱電偶的分類3.3.銅康銅熱電偶（銅康銅熱電偶（CKCK型）型） 銅康銅熱電偶以銅和康銅作為正負(fù)電極，由于銅絲和康銅絲容易做到材質(zhì)均勻，性能穩(wěn)定，復(fù)現(xiàn)性好，而且價格便宜，故廣泛應(yīng)用于液氮溫區(qū)（80K）至室溫的測量，其室溫下靈敏度達(dá) ，在液氮溫度下為 在中、低溫區(qū)銅康銅熱電偶是科研工作首選的測溫儀表之一4.4.鎳鉻康銅熱電偶鎳鉻康銅熱電偶 鎳鉻康銅熱電偶以鎳鉻為正極，康銅為負(fù)極，綜合了鎳鉻鎳硅熱電偶和銅康銅熱電偶的一些優(yōu)點(diǎn)，可以適應(yīng)于80K500的溫區(qū)。它的最大優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高，室溫下達(dá) ，對測量小溫差是有利的。/40 V/16 V/70 V5.6.2 熱電偶的分類熱

35、電偶的分類5.5.鎳鉻金鐵熱電偶鎳鉻金鐵熱電偶 幾乎所有熱電偶隨著溫度下降，熱電勢減小，且靈敏度也下降。這一特性對于低溫測量是不利的，一般熱電偶最低只能用于80K以上溫區(qū)。而近幾十年發(fā)展起來的鎳鉻金鐵熱電偶卻較好地克服了這一缺點(diǎn)，可以工作在1300K溫區(qū)，1K時靈敏度為 ，為康銅的30倍。此外它具有穩(wěn)定性好、熱導(dǎo)率低的優(yōu)點(diǎn)，對低溫測量是有利的。 鎳鉻金鐵熱電偶正極為鎳鉻，負(fù)極為金鐵。金鐵絲是在純金中摻入微量的鐵原子融合而成，隨著摻入鐵原子比例的增加，熱電偶在低溫段的靈敏度下降而在高溫段靈敏度上升，鉑銠鉑熱電偶和鎳鉻鎳硅熱電偶作為中高溫度計，銅康銅、鎳鉻康銅以及鎳鉻金鐵熱電偶作為中低溫溫度計。k

36、V /10紅外輻射紅外輻射溫度在絕對零度以上的物體，都會因自身的分子運(yùn)動而輻溫度在絕對零度以上的物體，都會因自身的分子運(yùn)動而輻射出射出紅外線紅外線，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 紅外線黑體輻射強(qiáng)度與波長及溫度之間的關(guān)系黑體輻射強(qiáng)度與波長及溫度之間的關(guān)系5.7.1 5.7.1 紅外探測器基本工作原理紅外探測器基本工作原理紅外探測器：紅外探測器：輻射能輻射能電能電能（1）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1）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

37、 輻射能輻射能紅外輻射透鏡紅外輻射透鏡熱端熱端5.7.1 5.7.1 紅外探測器基本工作原理紅外探測器基本工作原理紅外探測器：紅外探測器：輻射能輻射能電能電能（1）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2）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柔鏡移動柔鏡移動光柵圖像柵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5.

38、7.1 5.7.1 紅外探測器基本工作原理紅外探測器基本工作原理鐵電體絕緣電阻負(fù)載紅外探測器：紅外探測器：輻射能輻射能電能電能（1）熱探測器：）熱探測器：熱電偶型、氣動型、熱敏電阻型、熱釋電型熱電偶型、氣動型、熱敏電阻型、熱釋電型3）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(qiáng)度下極化強(qiáng)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：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(fù)載電阻聯(lián)接，在紅外輻射下，負(fù)載與負(fù)

39、載電阻聯(lián)接，在紅外輻射下，負(fù)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5.7.1 5.7.1 紅外探測器基本工作原理紅外探測器基本工作原理光子探測器 紅外探測器：紅外探測器：輻射能輻射能電能電能（2）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，這種微粒稱為輻射能量是以微粒形式存在的，這種微粒稱為光子或量子光子或量子光電效應(yīng)：光電效應(yīng)：光子與探測器材料直接作用，產(chǎn)生光子與探測器材料直接作用，產(chǎn)生內(nèi)光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)，使得，使得載流子載流子(電子空穴對電子空穴對)增加而產(chǎn)生光致電動勢增加而產(chǎn)生光致電動勢 光電、光電導(dǎo)及光生伏打光電、光電導(dǎo)及光生伏打等探測器等探測器光子探測器的探測率一般比熱探測器要大光子探測器的探測率一般比熱探測器要大1至至2個數(shù)量級，其個數(shù)量級，其響應(yīng)時間為微秒或納秒級響應(yīng)時間為微秒或納秒級選擇性：光子能量與波長有關(guān)系，所以光子探測器僅對具有選擇性：光子能量與波長有關(guān)系，所以光子探測器僅對具有足夠能量的光子