第五章 電能量傳感器

1、傳感器與檢測技術(shù)第五章 電能量傳感器5.1 熱電偶n 本節(jié)學(xué)習(xí)的主要內(nèi)容有本節(jié)學(xué)習(xí)的主要內(nèi)容有: : 1. 1.了解熱電偶的工作原理了解熱電偶的工作原理2.2.了解熱電偶的分類及特點了解熱電偶的分類及特點3.3.掌握熱電偶冷端的溫度補償掌握熱電偶冷端的溫度補償 5.1 熱電偶 1 1、它屬于、它屬于自發(fā)電型自發(fā)電型傳感器：測量時可以不需外加傳感器：測量時可以不需外加電源，可直接驅(qū)動動圈式儀表；電源，可直接驅(qū)動動圈式儀表； 2 2、測溫范圍廣、測溫范圍廣：下限可達：下限可達-270-270 C C ，上限可達，上限可達18001800 C C以上；以上； 3 3、各溫區(qū)中的熱電勢均符合、各溫區(qū)中

2、的熱電勢均符合國際計量委員會國際計量委員會的標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)。準(zhǔn)。 熱電偶的優(yōu)點：熱電偶的優(yōu)點：5.1 熱電偶先看一個實驗先看一個實驗熱電偶工作原理演示熱電偶工作原理演示 結(jié)論：當(dāng)兩個結(jié)點溫度不相同時，回路中將產(chǎn)生電動勢。結(jié)論：當(dāng)兩個結(jié)點溫度不相同時，回路中將產(chǎn)生電動勢。 熱電極熱電極A A右端稱右端稱為：自為：自由端由端（參考（參考端、冷端、冷端）端） 左端稱左端稱為：測為：測量端量端（工作（工作端、熱端、熱端）端） 熱電極熱電極B B熱電勢熱電勢A AB B5.1 熱電偶一一. .熱電偶的工作原理熱電偶的工作原理 熱電偶是基于熱電效應(yīng)工作的熱電偶是基于熱電效應(yīng)工作的 溫差電動勢溫差電動勢 同一導(dǎo)體

3、的兩端因其溫度不同同一導(dǎo)體的兩端因其溫度不同 而產(chǎn)生的一種熱電勢。而產(chǎn)生的一種熱電勢。 接觸電動勢（帕爾帖電勢）接觸電動勢（帕爾帖電勢） e eABAB(T(T) ) 、 e e ABAB(T0) (T0) 兩種不同導(dǎo)體的自由電子密度兩種不同導(dǎo)體的自由電子密度 不同而在接觸處形成的電動勢。不同而在接觸處形成的電動勢。+ -ABeABNN接觸電勢的產(chǎn)生eAB(T)或或e AB(T0)ABeAB(T)e AB(T0)5.1 熱電偶n熱電偶的工作原理熱電偶的工作原理n熱電偶回路中產(chǎn)生的總電動勢熱電偶回路中產(chǎn)生的總電動勢E EABAB（T T，T0T0）可寫可寫成：成： E EABAB(T,T(T,T

4、0 0) )=eAB(T)+eB(T,T0)-eAB(T0)-eA(T,T0)5.1 熱電偶EAB(T, T0) = eAB(T) c = f(T)n溫差電動勢遠小于接觸電勢，又溫差電動勢遠小于接觸電勢，又T T T T0 0，所以所以 E EABAB(T,T(T,T0 0) )的方向取決于的方向取決于e eABAB( (T T) )的方向。自由電子密的方向。自由電子密度大的為正極。度大的為正極。EAB(T, T0) = eAB(T) eAB(T0) = f (T)nT T0 0固定，則：固定，則：5.1 熱電偶二二. .關(guān)于熱電偶回路的幾點結(jié)論關(guān)于熱電偶回路的幾點結(jié)論1 1、若、若A A、B

5、 B材料相同，熱電勢為材料相同，熱電勢為0 02 2、若、若T=TT=T0 0，則熱電勢為，則熱電勢為0 04 4、中間溫度定律、中間溫度定律ABTT0中間溫度定律中間溫度定律EAB（T，T0）=EAB（T，T n)+EAB(T n,T0)（4-6）AB=TTn+ABTT03 3、熱電偶、熱電偶ABAB的熱電勢與的熱電勢與ABAB材料的中間溫度無關(guān)，材料的中間溫度無關(guān)， 只與接觸點溫度有關(guān)只與接觸點溫度有關(guān)5.1 熱電偶二二. .關(guān)于熱電偶回路的幾點結(jié)論關(guān)于熱電偶回路的幾點結(jié)論中間溫度定律為制定熱電偶分度表奠定了基礎(chǔ)。中間溫度定律為制定熱電偶分度表奠定了基礎(chǔ)。E EABAB（T T，0 0 ）

6、=E=EABAB（T T，T T n n)+E)+EABAB(T (T n n,0,0) )計算計算 測量測量 查表查表由由E EABAB（T T，0 0 ）查表得）查表得T T值。值。例：已知用鎳鉻-鎳硅（K型）熱電偶測溫，熱電偶參比端（冷端）溫度為30 C，測得的熱電勢為28mV,求熱端溫度。(E（30，0）=1.203mV)5.1 熱電偶)(),(),(0,0TTETTETTEnnCTCTTTEnn03000，）中，（在查分度表有查分度表有E E（3030，0 0）= 0.173 mV = 0.173 mV mVTTEn5 . 7），（mVETETE673.7173.05 .7)0 ,3

7、0(300），（），（反查分度表有反查分度表有T=830T=830，測量端實際溫度為，測量端實際溫度為830830用S型熱電偶測量某一溫度，若參比端溫度Tn=30，測得的熱電勢E(T,T n)=7.5mV，求測量端實際溫度T。 5.1 熱電偶二二. .關(guān)于熱電偶回路的幾點結(jié)論關(guān)于熱電偶回路的幾點結(jié)論 在熱電偶測溫回路內(nèi), 接入第三種導(dǎo)體, 只要第三種導(dǎo)體（導(dǎo)線）兩端溫度相同, 則對回路的總熱電勢沒有影響。 5 5、中間導(dǎo)體定律、中間導(dǎo)體定律BACT0T0T 回路中的總熱電勢等于各接點的接觸電勢之和?；芈分械目偀犭妱莸扔诟鹘狱c的接觸電勢之和。 E EABCABC(T,T(T,T0 0)=e)=e

8、ABAB(T)+e(T)+eBCBC(T(T0 0)+e)+eCACA(T(T0 0) ) 當(dāng)當(dāng)T= TT= T0 0 時時, , 有有 e eBCBC(T(T0 0)+e)+eCACA(T(T0 0)=)=e e(T(T0 0) ) (T, T(T, T0 0)=e)=eABAB(T(T) )e eABAB(T(T0 0)=E)=EABAB(T, T(T, T0 0) ) 證明證明（4-7）5.1 熱電偶6 6、標(biāo)準(zhǔn)電極定律、標(biāo)準(zhǔn)電極定律EAB（T，T0）=EAC（T，T0）+ECB（T，T0）標(biāo)準(zhǔn)電極C用純鉑絲制成?？珊喕療犭娕嫉倪x配工作。T0TACTBTCAB+=T0T0 標(biāo)準(zhǔn)電極定律示

9、意圖標(biāo)準(zhǔn)電極定律示意圖5.1 熱電偶0000000000000( )()( )()( )()( )()lnlnlnlnlnln( )()ACACACCBCBCBACCBACACCBCBCCAACBCBAABBABABABETTeTeTETTeTeTETTETTeTeTeTeTNkTkTNNNkTkTeNeNeNeNkTNNkTeNeNeTeTETT（ ， ）（ ， ）（ ， ）+（ ， ）=（ ， ）5.1 熱電偶三三. .工業(yè)熱電偶工業(yè)熱電偶5.1 熱電偶 八種國際通用熱電偶： B:鉑銠30鉑銠6 R:鉑銠13鉑 K:鎳鉻鎳硅 N:鎳鉻硅鎳硅 E:鎳鉻銅鎳 J:鐵銅鎳 T:銅銅鎳 S:鉑銠1

10、0鉑 用于制造鉑熱電偶的各種鉑熱電偶絲5.1 熱電偶幾種常用熱電偶的測溫范圍及熱電勢幾種常用熱電偶的測溫范圍及熱電勢 分度號 名稱 測量溫度范圍 1000C熱電勢/ mVB鉑銠30鉑銠6501820 C4.834R鉑銠13鉑-501768 C10.506S鉑銠10鉑-501768 C9.587K鎳鉻鎳鉻 (鋁) -2701370 C41.276E鎳鉻銅鎳 (康 銅)270800 C?5 5種熱電偶的測溫范圍與熱電勢各有什么特點？種熱電偶的測溫范圍與熱電勢各有什么特點？5.1 熱電偶幾種常用熱電偶的熱電勢與溫度的關(guān)系曲線分析幾種常用熱電偶的熱電勢與溫度的關(guān)系曲線分析 哪幾種熱電偶的哪幾種熱電偶的

11、測溫上限較高？測溫上限較高？ 結(jié)論：結(jié)論：哪幾種熱電偶的哪幾種熱電偶的線性較差？線性較差？哪一種熱電偶的哪一種熱電偶的靈敏度較高？靈敏度較高？ 哪一種熱電偶的哪一種熱電偶的靈敏度較低？靈敏度較低？為什么所有的曲線均過原點（零度點）？為什么所有的曲線均過原點（零度點）？5.1 熱電偶熱電偶的分度表熱電偶的分度表 熱電偶的線性較差，多數(shù)情況下采用查表法熱電偶的線性較差，多數(shù)情況下采用查表法 我國從我國從19911991年開始采用國際計量委員會規(guī)定的年開始采用國際計量委員會規(guī)定的“19901990年國際溫標(biāo)年國際溫標(biāo)”（簡稱（簡稱ITS-90ITS-90）的新標(biāo)準(zhǔn)。按此）的新標(biāo)準(zhǔn)。按此標(biāo)準(zhǔn)，制定了相

12、應(yīng)的分度表，并且有相應(yīng)的線性化集標(biāo)準(zhǔn)，制定了相應(yīng)的分度表，并且有相應(yīng)的線性化集成電路與之對應(yīng)。成電路與之對應(yīng)。 直接從熱電偶的分度表查溫度與熱電勢的關(guān)系時直接從熱電偶的分度表查溫度與熱電勢的關(guān)系時的約束條件是：自由端（冷端）溫度必須為的約束條件是：自由端（冷端）溫度必須為0 0 C C。幾種冷端處理方法：幾種冷端處理方法： n1. 補償導(dǎo)線法n2. 冷端溫度校正法n3. 冰浴法n4. 冷端補償電橋法四四. .熱電偶的冷端處理和補償熱電偶的冷端處理和補償5.1 熱電偶為何要對冷端進行補償？為何要對冷端進行補償？ 只有只有T T0 0恒定，熱電勢與溫度恒定，熱電勢與溫度T T成線性關(guān)系。成線性關(guān)系

13、。 000( ,)( )()( )()ABET Tf Tf Tf TCT恒定冷端溫度受環(huán)境影響變化，造成測量誤差。冷端溫度受環(huán)境影響變化，造成測量誤差。 5.1 熱電偶熱電偶輸出的電動勢是兩結(jié)點溫度差的函數(shù)。熱電偶輸出的電動勢是兩結(jié)點溫度差的函數(shù)。作作為被測溫度端，為被測溫度端，T T0 0作為參比溫度端（冷端）通常要作為參比溫度端（冷端）通常要求求T T0 0保持為保持為00，但在實際中做到這一點很困難，但在實際中做到這一點很困難，于是產(chǎn)生了熱電偶冷端補償問題。于是產(chǎn)生了熱電偶冷端補償問題。5.1 熱電偶采用與熱電偶熱電特性相同或相近的補償導(dǎo)線。采用與熱電偶熱電特性相同或相近的補償導(dǎo)線。1.

14、1.補償導(dǎo)線法補償導(dǎo)線法要求要求0000(,)(,)ABABET TET T5.1 熱電偶 使用熱電偶專用連接器使用熱電偶專用連接器熱電偶熱電偶插頭插頭插孔插孔補償線補償線( ,)ABnET T( ,0)( ,)(,0)ABABnABnETET TET2.2.冷端溫度校正法冷端溫度校正法 實際使用中，熱電偶的冷端往往不是0，而是環(huán)境溫度T n，這時測得的熱電勢值為中間溫度定律測出查熱電偶分度表，得到被測熱源的溫度查熱電偶分度表，得到被測熱源的溫度T T。分度表查出計算( ,0)ABET由5.1 熱電偶3. 3. 冰浴法（冰浴法（0 0 恒溫法恒溫法 ） 可直接從儀表中讀出熱電勢值，查分度表得可

15、直接從儀表中讀出熱電勢值，查分度表得出被測點的溫度值。出被測點的溫度值。冷端溫度處理冰點槽法冷端溫度處理冰點槽法5.1 熱電偶由于冰融化較快，所以一般只適用于由于冰融化較快，所以一般只適用于實驗室實驗室中中4.4.補償電橋法（補償電橋法（冷端溫度自動補償法冷端溫度自動補償法）補償電橋法是利用補償電橋法是利用不平衡電橋產(chǎn)生的不平衡電壓不平衡電橋產(chǎn)生的不平衡電壓作為補償信號作為補償信號, , 來自動補償熱電偶測量過程中冷來自動補償熱電偶測量過程中冷端溫度變化而引起熱電勢的變化值。端溫度變化而引起熱電勢的變化值。 補償電橋銅電阻與熱電偶參考端處在同一環(huán)境溫度。補償電橋銅電阻與熱電偶參考端處在同一環(huán)境

16、溫度。 室溫時電橋平衡室溫時電橋平衡 R1R3=R2RCu 此時UAB=0 00000( ,)( ,)(,)0ABABABabaET TTET TETT TTTTUU5.1 熱電偶冷端補償電橋法冷端補償電橋法5.1 熱電偶U baEAB(T, T0)EAB(T0+T, T0) 冷端補償電橋法等效電路示意圖冷端補償電橋法等效電路示意圖00000( ,)( ,)(,)( ,)ABbaABABbaABET TTUET TETT TUET T5.1 熱電偶普通裝配型普通裝配型熱電偶的外形熱電偶的外形安裝螺紋安裝螺紋安裝法蘭安裝法蘭普通裝配型熱電普通裝配型熱電偶的結(jié)構(gòu)放大圖偶的結(jié)構(gòu)放大圖 接線盒接線盒引

17、出線套管引出線套管 固定螺紋固定螺紋 （出廠時用塑料包裹）（出廠時用塑料包裹）熱電偶工作端（熱端）熱電偶工作端（熱端） 不銹鋼保護管不銹鋼保護管 鎧裝型熱電偶外形鎧裝型熱電偶外形法蘭法蘭鎧裝型熱電偶可鎧裝型熱電偶可 長達上百米長達上百米薄壁金屬薄壁金屬 保護套管保護套管（鎧體）（鎧體） B BA A絕緣絕緣 材料材料鎧裝型熱電偶鎧裝型熱電偶橫截面橫截面鎧裝型熱電偶鎧裝型熱電偶 鎧裝熱電偶的制造工藝：鎧裝熱電偶的制造工藝：把熱電極材料與高溫絕把熱電極材料與高溫絕緣材料預(yù)置在金屬保護管中、運用同比例壓縮延伸工緣材料預(yù)置在金屬保護管中、運用同比例壓縮延伸工藝、將這三者合為一體，制成各種直徑、規(guī)格的鎧

18、裝藝、將這三者合為一體，制成各種直徑、規(guī)格的鎧裝偶體，再截取適當(dāng)長度、將工作端焊接密封、配置接偶體，再截取適當(dāng)長度、將工作端焊接密封、配置接線盒即成為柔軟、細長的鎧裝熱電偶。線盒即成為柔軟、細長的鎧裝熱電偶。 鎧裝熱電偶特點：鎧裝熱電偶特點：內(nèi)部的熱電偶絲與外界空氣隔內(nèi)部的熱電偶絲與外界空氣隔絕，有著良好的抗高溫氧化、抗低溫水蒸氣冷凝、抗絕，有著良好的抗高溫氧化、抗低溫水蒸氣冷凝、抗機械外力沖擊的特性。鎧裝熱電偶可以制作得很細，機械外力沖擊的特性。鎧裝熱電偶可以制作得很細，能解決能解決微小、狹窄場合微小、狹窄場合的測溫問題，且具有抗震、可的測溫問題，且具有抗震、可彎曲、超長等優(yōu)點。彎曲、超長等

19、優(yōu)點。 隔爆隔爆型熱電偶外形型熱電偶外形厚壁保護管厚壁保護管壓鑄的接線盒壓鑄的接線盒電纜線電纜線隔爆型熱電偶隔爆型熱電偶 結(jié)構(gòu)特點結(jié)構(gòu)特點：隔爆熱電偶的接線盒在設(shè)計時采用防：隔爆熱電偶的接線盒在設(shè)計時采用防爆的特殊結(jié)構(gòu)，它的接線盒是經(jīng)過爆的特殊結(jié)構(gòu)，它的接線盒是經(jīng)過壓鑄壓鑄而成的，有一而成的，有一定的厚度、隔爆空間，定的厚度、隔爆空間，機械強度機械強度較高；采用螺紋隔爆較高；采用螺紋隔爆接合面，并采用密封圈進行密封，因此，當(dāng)接線盒內(nèi)接合面，并采用密封圈進行密封，因此，當(dāng)接線盒內(nèi)一旦放弧時，不會與外界環(huán)境的危險氣體傳爆，能達一旦放弧時，不會與外界環(huán)境的危險氣體傳爆，能達到預(yù)期的防爆、隔爆效果。到

20、預(yù)期的防爆、隔爆效果。 使用場合：使用場合：工業(yè)用的隔爆型熱電偶多用于工業(yè)用的隔爆型熱電偶多用于化學(xué)工化學(xué)工業(yè)業(yè)自控系統(tǒng)中（由于在化工生產(chǎn)廠、生產(chǎn)現(xiàn)場常伴有自控系統(tǒng)中（由于在化工生產(chǎn)廠、生產(chǎn)現(xiàn)場常伴有各種易燃、易爆等化學(xué)氣體或蒸汽，如果用普通熱電各種易燃、易爆等化學(xué)氣體或蒸汽，如果用普通熱電偶則非常不安全、很容易引起環(huán)境氣體爆炸）。偶則非常不安全、很容易引起環(huán)境氣體爆炸）。其他其他熱電偶外形熱電偶外形小形小形K K型熱電偶型熱電偶 定義定義 利用電磁感應(yīng)原理(發(fā)電機原理）將被測量（如振動、位移、轉(zhuǎn)速等）轉(zhuǎn)換成電信號的一種傳感器。 直接將機械能轉(zhuǎn)換為電能。變磁通的開磁路式或閉磁路的磁電式傳感器。

21、恒磁通的動圈式與動鐵式磁電式傳感器。類型類型5.2 5.2 磁電式傳感器磁電式傳感器磁電式傳感器的工作原理磁電式傳感器的工作原理 法拉第電磁感應(yīng)定律（發(fā)電機原理）：法拉第電磁感應(yīng)定律（發(fā)電機原理）：N匝線圈匝線圈在磁場中做切割磁力線運動或穿過線圈的磁通量變在磁場中做切割磁力線運動或穿過線圈的磁通量變化時，線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢化時，線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢E E與磁通與磁通的變化的變化率關(guān)系如下率關(guān)系如下dENdt aaddxENNBlNBl vdtdtdENNBSdt 線位移角位移感應(yīng)電動勢與線速度或角速度成正比。感應(yīng)電動勢與線速度或角速度成正比。5.2 5.2 磁電式傳感器磁電式傳感器磁電式

22、傳感器結(jié)構(gòu)圖5.2 5.2 磁電式傳感器磁電式傳感器加積分電路可測位移（振幅）；加微分電路加積分電路可測位移（振幅）；加微分電路可測加速度?？蓽y加速度。RCCRU0eU0e圖(a) 積分電路圖 (b) 微分電路5.2 5.2 磁電式傳感器磁電式傳感器n磁路系統(tǒng)產(chǎn)生恒定的直流磁場。氣隙不變，磁磁路系統(tǒng)產(chǎn)生恒定的直流磁場。氣隙不變，磁通不變。通不變。n磁鐵與線圈之間相對切割磁力線運動。磁鐵與線圈之間相對切割磁力線運動。 一、恒磁通式磁電傳感器特點一、恒磁通式磁電傳感器特點5.2 5.2 磁電式傳感器磁電式傳感器二、二、 變磁通（磁阻式）磁電傳感器變磁通（磁阻式）磁電傳感器開磁路和閉磁路。開磁路和閉

23、磁路。結(jié)構(gòu)分類結(jié)構(gòu)分類測量旋轉(zhuǎn)物體的轉(zhuǎn)速。測量旋轉(zhuǎn)物體的轉(zhuǎn)速。應(yīng)用應(yīng)用（1 1）開磁路式磁電傳感器工作原理）開磁路式磁電傳感器工作原理傳感器的線圈和磁鐵部分靜止不動，測量齒輪（導(dǎo)磁材料制成）安裝在被測轉(zhuǎn)軸上，隨之一起轉(zhuǎn)動。5.2 5.2 磁電式傳感器磁電式傳感器當(dāng)齒輪旋轉(zhuǎn)時，齒的凹凸引起磁阻的變化，使磁當(dāng)齒輪旋轉(zhuǎn)時，齒的凹凸引起磁阻的變化，使磁通變化，在線圈中感應(yīng)出交變電動勢，其頻率等通變化，在線圈中感應(yīng)出交變電動勢，其頻率等于齒輪的齒數(shù)與轉(zhuǎn)速的乘積，即于齒輪的齒數(shù)與轉(zhuǎn)速的乘積，即60Znf 當(dāng)齒數(shù)當(dāng)齒數(shù)Z Z已知，測得感應(yīng)電勢的頻率已知，測得感應(yīng)電勢的頻率f f就可以知道就可以知道被測軸的轉(zhuǎn)

24、速被測軸的轉(zhuǎn)速n n。60 fnZ （r/minr/min）（4-334-33）（4-344-34）5.2 5.2 磁電式傳感器磁電式傳感器開磁路磁阻式轉(zhuǎn)速傳感器開磁路磁阻式轉(zhuǎn)速傳感器1-1-轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)軸 2-2-軟鐵軟鐵 3-3-線圈線圈 4-4-齒輪齒輪 5-5-永久磁鐵永久磁鐵輸出電勢的頻率取決與磁通的變化頻率。輸出電勢的頻率取決與磁通的變化頻率。5.2 5.2 磁電式傳感器磁電式傳感器(2)(2)閉磁路式磁電傳感器工作原理閉磁路式磁電傳感器工作原理磁電感應(yīng)式轉(zhuǎn)速傳感器磁電感應(yīng)式轉(zhuǎn)速傳感器1-1-轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)軸 2-2-轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子 3-3-永久磁鐵永久磁鐵 4-4-線圈線圈 5-5-定子定子 5.2

25、 5.2 磁電式傳感器磁電式傳感器測量時，當(dāng)定子與轉(zhuǎn)子齒凸凸相對時，氣隙最當(dāng)定子與轉(zhuǎn)子齒凸凸相對時，氣隙最小，磁阻最小，磁通最大；當(dāng)轉(zhuǎn)子與定子的齒小，磁阻最小，磁通最大；當(dāng)轉(zhuǎn)子與定子的齒凸凹相對時，氣隙最大，磁阻最大，磁通最小。凸凹相對時，氣隙最大，磁阻最大，磁通最小。磁阻周期性變化導(dǎo)致磁通周期性地變化磁阻周期性變化導(dǎo)致磁通周期性地變化，在線在線圈中感應(yīng)出近似正弦波的電動勢信號，圈中感應(yīng)出近似正弦波的電動勢信號，測得感應(yīng)電勢的頻率即可算出轉(zhuǎn)速。 轉(zhuǎn)子和定子的環(huán)形端部都均勻銑出等間距的一些齒和槽。要求要求工作原理工作原理60 fnZ（r/min）5.2 5.2 磁電式傳感器磁電式傳感器特點特點實

26、現(xiàn)力與電荷的轉(zhuǎn)換。實現(xiàn)力與電荷的轉(zhuǎn)換。5.35.3 壓電傳感器壓電傳感器、超聲波發(fā)送器。單片機、鐘表晶體振蕩逆壓電效應(yīng)振動交變電場超聲波接收器。防盜、引爆、聲控?zé)?、壓電效?yīng)電荷、電壓力一、壓電式傳感器的工作原理一、壓電式傳感器的工作原理壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)FE+x壓電效應(yīng)_y逆壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)原理示意圖壓電效應(yīng)原理示意圖5.35.3 壓電傳感器壓電傳感器1 1、 石英晶體壓電效應(yīng)石英晶體壓電效應(yīng)正六面體。正六面體。 石英晶體各個方向的特性是不同的。石英晶體各個方向的特性是不同的。在直角坐標(biāo)系中，它有三個軸。在直角坐標(biāo)系中，它有三個軸。電軸（電軸（X X軸）：穿過六棱柱的棱線，垂直于軸）：穿過六棱柱

27、的棱線，垂直于Z Z軸軸（光軸）。（光軸）。垂直于此軸面上的壓電效應(yīng)最強。垂直于此軸面上的壓電效應(yīng)最強。(1)(1)石英晶體的石英晶體的結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)機械軸（機械軸（Y Y軸）：垂直于棱柱面。軸）：垂直于棱柱面。 5.35.3 壓電傳感器壓電傳感器在電場沿在電場沿X X向作用下，沿該軸方向的機械變形最向作用下，沿該軸方向的機械變形最大。大。光軸（光軸（Z Z軸）：垂直于軸）：垂直于XYXY。光線沿該軸通過石英。光線沿該軸通過石英晶體時，無折射，在此方向加外力，無壓電效應(yīng)晶體時，無折射，在此方向加外力，無壓電效應(yīng)現(xiàn)象現(xiàn)象 。5.35.3 壓電傳感器壓電傳感器hlb5.35.3 壓電傳感器壓電傳感器(2

28、)、力與電荷的關(guān)系力與電荷的關(guān)系 當(dāng)在電軸方向施加作用力時, 在與電軸 x 垂直的平面上將產(chǎn)生電荷, 其大小為 q qx x = d = d1111 f fx x 產(chǎn)生的電荷與幾何尺寸無關(guān)?？v向壓電效應(yīng)產(chǎn)生的電荷與幾何尺寸無關(guān)?？v向壓電效應(yīng)。 沿機械軸y方向施加作用力fy, 則仍在與x軸垂直的平面上產(chǎn)生電荷qx ,其大小為1211xyyaaqdFdFbb lb blb b5.35.3 壓電傳感器壓電傳感器式中: d12y軸方向受力的壓電系數(shù), d12=d11; l、 h晶體切片長度和厚度。產(chǎn)生的電荷與幾何尺寸有關(guān)。產(chǎn)生的電荷與幾何尺寸有關(guān)。壓電效應(yīng)為橫向壓電效應(yīng)。壓電效應(yīng)為橫向壓電效應(yīng)。 5.

29、35.3 壓電傳感器壓電傳感器xxFxxxyFxFyF 電荷符號與受力方向的關(guān)系電荷符號與受力方向的關(guān)系5.35.3 壓電傳感器壓電傳感器(3)(3)壓電效應(yīng)的物理解釋壓電效應(yīng)的物理解釋 石英晶體石英晶體siosio2 2，3 3個硅離子個硅離子Si Si 4+4+離子離子, 6, 6個氧離子個氧離子O O2-2-。兩兩成對。微觀分子結(jié)構(gòu)為一個正六邊形。兩兩成對。微觀分子結(jié)構(gòu)為一個正六邊形。（1 1）未受外力作用時）未受外力作用時, , 正、負離子正好分布在正正、負離子正好分布在正六邊形的頂角上六邊形的頂角上, , 形成三個互成形成三個互成120120夾角的電偶夾角的電偶極矩極矩P P1 1、

30、 P P2 2、P P3 3。 P P1 1+ + P P2 2+ +P P3 3=0=0。正負電荷中心重合，晶體垂直。正負電荷中心重合，晶體垂直X X軸表軸表面不產(chǎn)生電荷。呈中性。面不產(chǎn)生電荷。呈中性。5.35.3 壓電傳感器壓電傳感器5.35.3 壓電傳感器壓電傳感器（2 2）受）受x x軸方向的壓力作用時軸方向的壓力作用時, , 此時正負電荷重心此時正負電荷重心不再重合不再重合, , 電偶極矩在電偶極矩在x x方向上的分量由于方向上的分量由于P P1 1的減小的減小和和P P2 2、P P3 3的增加而不等于零的增加而不等于零, , 即（即（P P1 1+P+P2 2+P+P3 3） 0

31、 0 。 在在x x軸的正方向出現(xiàn)正電荷軸的正方向出現(xiàn)正電荷, , 電偶極矩在電偶極矩在y y方向上的方向上的分量仍為零分量仍為零, , 不出現(xiàn)電荷。不出現(xiàn)電荷。（3 3）受到沿受到沿y y軸方向的壓力作用時軸方向的壓力作用時, P, P1 1增大增大, P, P2 2、P P3 3 減小。減小。 在垂直于在垂直于x x軸正方向出現(xiàn)負電荷軸正方向出現(xiàn)負電荷, , 在在y y軸方向軸方向上不出現(xiàn)電荷。上不出現(xiàn)電荷。5.35.3 壓電傳感器壓電傳感器（4 4）沿）沿z z軸方向施加作用力軸方向施加作用力, , 晶體在晶體在x x方向和方向和y y方向方向所產(chǎn)生的形變完全相同所產(chǎn)生的形變完全相同,

32、, 所以正負電荷中心保持重所以正負電荷中心保持重合合, , 電偶極矩矢量和等于零。這表明沿電偶極矩矢量和等于零。這表明沿z z軸方向施加軸方向施加作用力作用力, , 晶體不會產(chǎn)生壓電效應(yīng)。晶體不會產(chǎn)生壓電效應(yīng)。 當(dāng)作用力當(dāng)作用力fxfx、fyfy的方向相反時的方向相反時, , 電荷的極性也電荷的極性也隨之改變。隨之改變。 石英晶體的優(yōu)點：介電和壓電常數(shù)的溫度穩(wěn)定性好。石英晶體的優(yōu)點：介電和壓電常數(shù)的溫度穩(wěn)定性好。多用在校準(zhǔn)用的標(biāo)準(zhǔn)傳感器或精度很高的傳感器中。多用在校準(zhǔn)用的標(biāo)準(zhǔn)傳感器或精度很高的傳感器中。也用于鐘表及微機中的晶振也用于鐘表及微機中的晶振( (逆壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)) )。5.35.

33、3 壓電傳感器壓電傳感器2 2、壓電陶瓷的壓電效應(yīng)、壓電陶瓷的壓電效應(yīng) 在無外電場作用時在無外電場作用時, , 電疇在晶體中雜亂分電疇在晶體中雜亂分布布, , 它們的極化效應(yīng)被相互抵消它們的極化效應(yīng)被相互抵消, , 壓電陶瓷內(nèi)壓電陶瓷內(nèi)極化強度為零。極化強度為零。因此原始的壓電陶瓷呈中性因此原始的壓電陶瓷呈中性, , 不具有壓電性質(zhì)。不具有壓電性質(zhì)。 （1 1）未加電場）未加電場晶粒內(nèi)自發(fā)極化方向一致的小區(qū)域稱之為電疇。晶粒內(nèi)自發(fā)極化方向一致的小區(qū)域稱之為電疇。顯微鏡觀察。顯微鏡觀察。5.35.3 壓電傳感器壓電傳感器 壓電陶瓷的極化壓電陶瓷的極化5.35.3 壓電傳感器壓電傳感器（2 2）加

34、電場）加電場 （極化處理）（極化處理）（202030kV/cm30kV/cm的直流電場）的直流電場）電疇的極化方向轉(zhuǎn)向，基本與電場方向一致。電疇的極化方向轉(zhuǎn)向，基本與電場方向一致。 去掉外電場，材料具備壓電性能，陶瓷片對外不陶瓷片對外不表現(xiàn)極性。表現(xiàn)極性。陶瓷極化的兩端的束縛電荷與在陶瓷片的電極表面吸附一層外界的自由電荷方向相反，數(shù)值相等。5.35.3 壓電傳感器壓電傳感器二、壓電元件的等效電路及連接方式二、壓電元件的等效電路及連接方式1 1、壓電元件的等效電路、壓電元件的等效電路壓電元件兩電極之間的壓電陶瓷或石英晶體為絕緣體，構(gòu)成一個電容器，其電容量為0raSCh 壓電傳感器可等效成一個電壓

35、源壓電傳感器可等效成一個電壓源U U和一個電容和一個電容相串聯(lián)的電路，相串聯(lián)的電路， 可等效成一個電荷源與一個電容相并聯(lián)的電路可等效成一個電荷源與一個電容相并聯(lián)的電路 產(chǎn)生的電壓與電荷的關(guān)系為aQUC5.35.3 壓電傳感器壓電傳感器qaC (a) (a)電荷源電荷源 (b) (b) 電壓源電壓源 壓電傳感器等效電路壓電傳感器等效電路aaCqU aUaC5.35.3 壓電傳感器壓電傳感器5.35.3 壓電傳感器壓電傳感器1 1、傳感器不宜測量靜態(tài)物理量，宜測高頻動態(tài)量。、傳感器不宜測量靜態(tài)物理量，宜測高頻動態(tài)量。使用時應(yīng)該注意的問題使用時應(yīng)該注意的問題2 2、電纜不宜過長，否則，、電纜不宜過長

36、，否則，C CC C加大，使傳感器的加大，使傳感器的電壓靈敏度下降。電壓靈敏度下降。3 3、要使電壓靈敏度為常數(shù)，應(yīng)使壓電片與前置放、要使電壓靈敏度為常數(shù)，應(yīng)使壓電片與前置放大器的連接導(dǎo)線為定長，以保證大器的連接導(dǎo)線為定長，以保證C CC C不變。不變。4 4、測量低頻信號，應(yīng)增大前置放大器的輸入電、測量低頻信號，應(yīng)增大前置放大器的輸入電阻，使測量回路的時間常數(shù)增大，保證有較高的阻，使測量回路的時間常數(shù)增大，保證有較高的靈敏度。靈敏度。5.35.3 壓電傳感器壓電傳感器2 2、連接方式、連接方式 并聯(lián)方式并聯(lián)方式 CnCUUqnq 輸出電荷大，時間常數(shù)大，適合測慢變信號，以電輸出電荷大，時間常

37、數(shù)大，適合測慢變信號，以電荷為輸出的場合。荷為輸出的場合。串聯(lián)方式串聯(lián)方式 CCUnUqqn輸出電壓大，電容、時間常數(shù)小，適合以電壓為輸出電壓大，電容、時間常數(shù)小，適合以電壓為輸出，高輸入阻抗的場合。輸出，高輸入阻抗的場合。5.35.3 壓電傳感器壓電傳感器（a)a)并聯(lián)結(jié)構(gòu)并聯(lián)結(jié)構(gòu) (b)(b)串聯(lián)結(jié)構(gòu)串聯(lián)結(jié)構(gòu) 壓電元件的連接方式壓電元件的連接方式5.35.3 壓電傳感器壓電傳感器三、壓電式傳感器的應(yīng)用三、壓電式傳感器的應(yīng)用連接方式：采用并聯(lián)接法。1 1、壓電式加速度傳感器、壓電式加速度傳感器要求：為使壓電片電荷與力之間成線性關(guān)系，壓電片需有一定的預(yù)壓力預(yù)壓力，保證接觸面均勻接觸。（1 1）

38、結(jié)構(gòu)）結(jié)構(gòu)（2 2）工作原理）工作原理5.35.3 壓電傳感器壓電傳感器 壓電式加速度傳感器工作原理框圖壓電式加速度傳感器工作原理框圖0UaF maQ dma質(zhì)量塊m壓電元件d, k前置放大Au, Aq提高靈敏度的措施提高靈敏度的措施采用較大的壓電常數(shù)的材料。采用較大的壓電常數(shù)的材料。多片壓電片組合。多片壓電片組合。5.35.3 壓電傳感器壓電傳感器 檢測原理檢測原理 檢測時傳感器用膠粘貼在玻璃上, 然后通過電纜和報警電路相連。壓電傳感器把玻璃振動波轉(zhuǎn)換成電壓輸出。輸出電壓經(jīng)放大、帶通濾波、 比較等處理后提供給報警系統(tǒng)。 帶通濾波使玻璃振動頻率范圍內(nèi)的輸出電壓信號通過，其它頻段的信號濾除。 2

39、 2、壓電式玻璃破碎報警器、壓電式玻璃破碎報警器5.35.3 壓電傳感器壓電傳感器比較器作用是當(dāng)傳感器輸出信號高于設(shè)定的閾值時, 輸出報警信號, 驅(qū)動報警執(zhí)行機構(gòu)工作。如進行聲光報警。 放大帶通濾波執(zhí)行機構(gòu)比較玻璃傳感器 壓電式玻璃破碎報警電路框圖壓電式玻璃破碎報警電路框圖5.35.3 壓電傳感器壓電傳感器一、工作原理（一、工作原理（ “ “光生伏特效應(yīng)光生伏特效應(yīng)”） 光照射到大面積光照射到大面積PNPN結(jié)的結(jié)的P P區(qū)，當(dāng)光子能量大于區(qū)，當(dāng)光子能量大于P P區(qū)半導(dǎo)體的禁帶寬度時，表面產(chǎn)生光生電子空穴對，區(qū)半導(dǎo)體的禁帶寬度時，表面產(chǎn)生光生電子空穴對，由于濃度差，電子向由于濃度差，電子向N N

40、區(qū)擴散，到達區(qū)擴散，到達PNPN結(jié)，在結(jié)電結(jié)，在結(jié)電場的作用下，越過場的作用下，越過PNPN結(jié)到達結(jié)到達N N區(qū)，區(qū)，P P區(qū)失去電子帶正區(qū)失去電子帶正電荷，電荷，N N區(qū)得到電子帶負電荷。區(qū)得到電子帶負電荷。光電池是一種直接將光能轉(zhuǎn)換為電能的光電器件。光電池是一種直接將光能轉(zhuǎn)換為電能的光電器件。5.4 光電池PN-uAmV 光電池工作原理圖輸出電流輸出電壓5.4 光電池光電池光電池外形外形光敏面光敏面5.4 光電池能提供較大電流的大面能提供較大電流的大面積光電池積光電池外形外形5.4 光電池其他其他光電池及在照度測量中的應(yīng)用光電池及在照度測量中的應(yīng)用柔光罩下面為圓形光電池柔光罩下面為圓形光電

41、池5.4 光電池光電池在動力方面的應(yīng)用光電池在動力方面的應(yīng)用太陽能賽車太陽能賽車太陽能電動機模型太陽能電動機模型太陽能硅光電池太陽能硅光電池板板5.4 光電池光電池在動力方面的應(yīng)用（續(xù)）光電池在動力方面的應(yīng)用（續(xù)）太陽能發(fā)電太陽能發(fā)電5.4 光電池光電池在動力方面的應(yīng)用（續(xù)）光電池在動力方面的應(yīng)用（續(xù)）光電池在人造衛(wèi)星上的應(yīng)用光電池在人造衛(wèi)星上的應(yīng)用5.4 光電池二、光電池的基本特性二、光電池的基本特性1 1）光譜特性）光譜特性 在入射光照度一定時，光電元件的相對靈在入射光照度一定時，光電元件的相對靈敏度隨光波波長的變化而變化，一種材料只對敏度隨光波波長的變化而變化，一種材料只對一定波長范圍的

42、人射光敏感，這就是光譜特性。一定波長范圍的人射光敏感，這就是光譜特性。硅光電池光譜特性硅光電池光譜特性使用時應(yīng)根據(jù)光源使用時應(yīng)根據(jù)光源性質(zhì)選擇光電池性質(zhì)選擇光電池5.4 光電池二、光電池的基本特性二、光電池的基本特性2）光照特性光照特性 短路電流在很大范圍內(nèi)與光照強度成線性關(guān)系短路電流在很大范圍內(nèi)與光照強度成線性關(guān)系, ,光電池工作于短路電流狀態(tài)，可做檢測元件。光電池工作于短路電流狀態(tài)，可做檢測元件。 開路電壓（負載電阻開路電壓（負載電阻R RL L無限大時）與光照度的無限大時）與光照度的關(guān)系是非線性的關(guān)系是非線性的, , 并且當(dāng)照度在并且當(dāng)照度在2000 lx2000 lx時趨于飽時趨于飽和了。光電池工作于開路電壓狀態(tài)，可和了。光電池工作于開路電壓狀態(tài)，可做開關(guān)元件做開關(guān)元件。 5.4 光電池硅光電池開路電壓和短路硅光電池開路電壓和短路電流與光照的關(guān)系電流與光照的關(guān)系硅光電池在不同光硅光電池在不同光照下光照特性照下光照特性5.4 光電池硅光電池頻率特性硅光電池頻率特性3 3）頻率特性）頻率特性表征光電器件的動態(tài)性表征光電器件