第五章、傳感器技術

第五章、傳感器技術及機械量檢測第一節(jié)、傳感器概述一、傳感器的定義及分類傳感器是一種能按照一定規(guī)律將被測量轉變成可以輸出電信號的裝置。現代控制技術的三大基礎：信息采集，傳輸、處理。傳感器是實現自動檢測和控制的首要環(huán)節(jié)，其作用相當于人的五官。從外界獲得信息，并從中提取有用信息的過程稱為檢測。一、傳感器的定義及分類（一）、按照被測量進行分類溫度壓力流量位移速度加速度一、傳感器的定義及分類（二）、按照工作原理應變式壓電式熱電式（三）、按照能量關系有源傳感器無源傳感器（四）、按技術階段結構型物性型智能型一、傳感器的定義及分類按輸出信號的性質：開關型

模擬型

數字型

開關型

傳感器輸入物理量達到某個值以上，其輸出為“1”(ON)，模擬型

輸出是與輸入量變化相對應的連續(xù)變化的電量。數字型

有計數型和代碼型兩類。計數型又稱為脈沖數字型，實際上是一種脈沖發(fā)生器，所發(fā)出的脈沖數與輸入量成正比，加上計數器就可對輸入量進行計數。如，檢測傳送帶上產品的個數，或檢測執(zhí)行機構的位置。代碼型傳感器又稱編碼器，輸入量按照某種規(guī)律變化時，輸出量根據輸入的變化規(guī)律，輸出相應的數字代碼。計數型代碼型如圖，當輸入為k1時，輸出為1010，當輸入為k2時，輸出為1011。二、傳感器的轉換原理1.光-電轉換2.熱-電轉換3.力-電壓轉換4.力-電荷轉換5.磁-電轉換6.氣體-電阻轉換7.溫度-電阻轉換三、幾種主要傳感器工作原理1.光傳感器光電效應所謂光電效應是指在光的照射下一些金屬、金屬氧化物或半導體材料釋放電子的現象。光電效應分為內光電效應和外光電效應。當物體在光的作用下所釋放的電子沒有逸出物體表面，而只在物體的內部運動并使物體的電學特性發(fā)生變化的現象叫做內光電效應，內光電效應多產生于半導體材料內。15內光電效應器件(1).光敏電阻光敏電阻又稱光導管，是一種均質半導體光電元件。它具有靈敏度高、光譜響應范圍寬、體積小、重量輕、機械強度高、耐沖擊、耐振動、抗過載能力強和壽命長等特點2023/2/316光敏電阻的原理和結構。光敏電阻受到光照時，由于內光電效應，因而其導電性能增強而電阻R0值下降，所以流過負載電阻RL的電流及其兩端電壓會發(fā)生變化。一般而言，光線越強，電流越大。當光照停止時，光電效應會立即消失，電阻又恢復原值。2023/2/317光敏電阻

當光敏電阻受到光照時，阻值減小。2023/2/318光敏電阻的基本特性和主要參數光敏電阻的伏安特性。光敏電阻的伏安特性暗電阻、亮電阻與光電流。光敏電阻在受到光照射時的電阻稱為亮電阻，此時流過的電流稱為亮電流。在沒有受到光照射時的阻值稱為暗電阻，此時流過的電流被稱為暗電流。2023/2/319(2)．光敏晶體管光敏晶體管包括光敏二極管、光敏三極管，它們的工作原理是基于內光電效應。光敏三極管的靈敏度比光敏二極管高，但頻率特性較差，目前廣泛應用于光纖通信、紅外線遙控器、光電耦合器、控制伺服電機轉速的檢測、光電讀出裝置等場合。2023/2/320光敏三極管集電極電流是原始光電電流的β倍。因此，光敏三極管比光敏二極管的靈敏度高許多倍。光敏三極管2023/2/321②光敏三極管外形

2.溫度傳感器3.壓力傳感器4.磁傳感器5.氣體傳感器

四、傳感器基本特性當傳感器的輸入信號是常量，不隨時間變化時，其輸入輸出關系特性稱為靜態(tài)特性。傳感器的基本特性是指系統(tǒng)的輸入與輸出關系特性，即傳感器系統(tǒng)的輸出信號y(t)和輸入信號（被測量）x(t)之間的關系，傳感器系統(tǒng)示意圖如下圖所示。2023/2/323四、傳感器基本特性傳感器的靜態(tài)特性：1.測量范圍：傳感器所能測量到的最小輸入量

與最大輸入量

之間的范圍稱為傳感器的測量范圍。2.量程：傳感器測量范圍的上限值

與下限值

的代數差-稱為量程。3.精度：傳感器的精度是指測量結果的可靠程度，是測量中各類誤差的綜合反映。工程技術中為簡化傳感器精度的表示方法，引用了精度等級的概念。精度等級以一系列標準百分比數值分檔表示，代表傳感器測量的最大允許誤差，即相對誤差。

4.靈敏度：靈敏度是指傳感器輸出的變化量與引起該變化量的輸入變化量之比，即

，如右圖所示。2023/2/324四、傳感器基本特性5.線性度：指其輸出量與輸入量之間的關系曲線偏離理想直線的程度。在非線性誤差不太大的情況下，通常采用直線擬合的方法來線性化。這樣，線性度就用輸入-輸出關系曲線與擬合直線之間最大偏差與滿量程輸出的百分比來表示。

式中，

為非線性最大誤差(最大偏差);為滿量程輸出值。常用的直線擬合方法有理論擬合、端點擬合和端點平移擬合等，如圖1-7所示。采取不同的方法選取擬合直線，可以得到不同的線性度。2023/2/325四、傳感器基本特性2023/2/326機電一體化對檢測系統(tǒng)的基本要求

精度、靈敏度、分辨率高；線性、穩(wěn)定性和重復性好；抗干擾能力強；靜、動態(tài)特性好。此外，要求體積小、質量輕、價格便宜、便于安裝與維修，耐環(huán)境性能好等。第二節(jié)、位置、位移傳感器一、位置檢測傳感器接觸式非接觸式光電開關的結構和分類

光電開關可分為遮斷型和反射型兩大類。遮斷型光電開關的發(fā)射器和接收器相對安放，軸線嚴格對準。當有物體在兩者中間通過時，紅外光束被遮斷，接收器接收不到紅外線而產生一個負脈沖信號。遮斷型光電開關的檢測距離一般可達十幾米，對所有能遮斷光線的物體均可檢測。

光電開關外形遮斷型光電開關示意圖遮斷報警遮斷式光電開關原理ObjectReceiver遮斷式光電開關由相互分離且相對安裝的光發(fā)射器和光接受器組成。當被檢測物體位于發(fā)射器和接受器之間時，光線被阻斷，接受器接受不到紅外線而產生開關信號。被檢測物體光發(fā)射器光接收器光電開關在流水線上的應用送料器定區(qū)域式光電開關咖啡罐流水線運行方向罐裝高度檢測儲料倉落料口遮斷式光電開關（計數）反射型光電開關反射型光電開關分為兩種情況：反射鏡反射型及被測物漫反射型（簡稱散射型）。

反射鏡反射型光電開關采用較為方便的單側安裝方式，但需要調整反射鏡的角度以取得最佳的反射效果。反射鏡通常使用三角棱鏡，它對安裝角度的變化不太敏感。定區(qū)域反射式光電開關原理

定區(qū)域式光電開關有一個非常確定的檢測區(qū)域，不經過該區(qū)域的被測物體不會引起光電開關產生開關信號。檢測距離檢測距離反射型光電開關及反射鏡外形三角反射鏡集發(fā)射、接收器于一身光電斷續(xù)器光電斷續(xù)器可分為遮斷型和反射型兩種。遮斷型光電斷續(xù)器也稱為槽式光電開關，通常是標準的U字型結構。其發(fā)射器和接收器做在體積很小的同一塑料殼體中，分別位于U型槽的兩邊，并形成一光軸，兩者能可靠地對準，為安裝和使用提供了方便。當被檢測物體經過U型槽且阻斷光軸時，光電開關就產生表示檢測到的開關量信號。槽式光電開關比較可靠，較適合高速檢測。光電斷續(xù)器外形光電斷續(xù)器外形（續(xù)）紅色光柱

齒盤每轉過一個齒，光電斷續(xù)器就輸出一個脈沖。通過脈沖頻率的測量或脈沖計數，即可獲得齒盤轉速和角位移。光電斷續(xù)器的應用請寫出轉速與頻率的關系式n=？n

當工件經過光電斷續(xù)器時，接收器即產生一個計數脈沖。光電斷續(xù)器的應用（續(xù)）二、位移傳感器角位移線性位移1、電位差計（可變電位器）2、差動變壓器

差動變壓器是把被測的非電量變化轉換為傳感器線圈的互感系數的變化。這種傳感器是根據變壓器的基本原理制成的，并且次級繞組常用差動的形式連接，故稱之為差動變壓器式傳感器。

工作原理１-活動銜鐵；２-導磁外殼；３-骨架；４-匝數為W1初級繞組；５-匝數為W2a的次級繞組；６-匝數為W2b的次級繞組差動變壓器輸出電壓特性曲線3.光柵式位移傳感器光柵式位移傳感器的分類1測量線位移的長光柵2測量角位移的圓光柵光柵傳感器的結構光柵傳感器由光源、透鏡、光柵副（主光柵和指示光柵）和光電接收元件組成。光源：鎢絲燈泡；半導體發(fā)光器件光電元件：光電池；光敏二極管光柵式位移傳感器的工作原理長光柵是在兩塊光學玻璃上或具有強反射能力的金屬表面上，刻上相同均勻密集的平行細線。將兩塊玻璃板或金屬板重疊放置，并使他們的刻線間有一微小夾角θ，此時，由于光的干涉效應，在與光柵柵線近似垂直方向上將產生明暗相間的條紋，這些條紋稱為莫爾條紋，根據莫爾條紋設計了光柵傳感器。莫爾條紋形成的原理橫向莫爾條紋的斜率莫爾條紋間距莫爾條紋的寬度BH由光柵常數與光柵夾角決定莫爾條紋技術的特點（1）調整夾角即可得到很大的莫爾條紋的寬度，起到了放大作用，又提高了測量精度。（2）莫爾條紋的光強度變化近似正弦變化，便于將電信號作進一步細分，即采用“倍頻技術”。這樣可以提高測量精度或可以采用較粗的光柵。（3）光電元件對于光柵刻線的誤差起到了平均作用?？叹€的局部誤差和周期誤差對于精度沒有直接的影響。因此可得到比光柵本身的刻線精度高的測量精度。這是用光柵測量和普通標尺測量的主要差別。

光柵副：指示光柵＋主光柵a+b=W稱為光柵的柵距（或光柵常數）通常情況下，a=b=W/2光柵副：指示光柵＋主光柵

測量電路當位移量X變化一個柵距時，其輸出信號變化一個周期，整形后變化為一個周期的脈沖輸出，則位移量為：X＝NW徑向光柵進行角度測量當標尺光柵相對于指示光柵轉動時，條紋即沿徑向移動，測出條紋移動數目，即可得到標尺光柵相對指示光柵轉動的角度。

4、光電編碼器脈沖編碼器又稱碼盤，是一種回轉式數字測量元件，通常裝在被檢測軸上，隨被測軸一起轉動，可將被測軸的角位移轉換為增量脈沖形式或絕對式的代碼形式。根據內部結構和檢測方式碼盤可分為接觸式、光電式和電磁式3種。其中，光電碼盤在機器人及數控機床上應用較多，而由霍爾效應構成的電磁碼盤則可用作速度檢測元件。另外，它還可分為絕對式和增量式兩種。編碼器1認識編碼器2編碼器的測量對象3編碼器測量直線位移的方式4絕對式測量5增量式測量6編碼器在數字測速中的應用7編碼器在主軸控制中的應用1認識編碼器（編碼器在機器人控制中的應用）編碼器伺服電機伺服電機編碼器伺服電機伺服電機編碼器編碼器編碼器播放2編碼器的測量對象編碼器軸式套式電信號二進制編碼脈沖3編碼器測量直線位移的方式（1）編碼器裝在絲杠末端

編碼器位置反饋x通過測量滾珠絲杠的角位移，間接獲得工作臺的直線位移x，構成位置半閉環(huán)伺服系統(tǒng)。x＝t/360×（2）絲杠螺距編碼器螺母絲杠螺距x=？

設:螺距t=4mm，絲杠在4s時間里轉動了10圈，求:絲杠的平均轉速n(r/min)及螺母移動了多少毫米？螺母移動的平均速度v又為多少？螺距

編碼器（3）編碼器和伺服電動機同軸安裝位置反饋xx＝t/360×（4）編碼器和伺服電動機同軸安裝編碼器工作臺絲杠伺服電動機編碼器導軌（5）編碼器和伺服電動機同軸安裝

編碼器光電編碼器伺服電動機聯(lián)軸器滾珠絲杠滑塊光電編碼器信號輸出伺服電動機電源（6）編碼器兩種安裝方式比較編碼器xx

編碼器裝在絲杠末端與前端（和伺服電動機同軸）在位置控制精度上有什么區(qū)別？4絕對式測量（ABS）（1）信號性質編碼器00000000122.50010451111337.5

輸出n位二進制編碼，每一個編碼對應唯一的角度。（2）接觸式絕對碼盤編碼器4個電刷

4位二進制碼盤

最小分辨角＝360°／2n

當n＝4，＝360°／24＝22.5°導電為“1”，非導電為“0”（3）絕對式光電碼盤編碼器LED光敏元件5增量式測量（INC）

（1）信號性質編碼器

輸出信號為一串脈沖，每一個脈沖對應一個分辨角，對脈沖進行計數N，就是對的累加，即，角位移＝N。如：＝0.352，脈沖N＝1000，則：

＝0.352×1000＝352（2）增量式光電編碼器的結構編碼器碼盤光欄板LED零位標志（一轉脈沖）光敏元件＝360°／條紋數＝360°／1024＝0.352°透光條紋（3）辨向編碼器90ABAB

光敏元件所產生的信號A、B彼此相差90相位，用于辨向。當碼盤正轉時，A信號超前B信號90；當碼盤反轉時，B信號超前A信號90。（4）辨向信號編碼器ABABA超前于B90°，正向A滯后于B90°，反向（5）倍頻（細分）編碼器/4細分前4細分后

在現有編碼器的條件下，通過細分技術能提高編碼器的分辨力。細分前，編碼器的分辨力只有一個分辨角的大小。采用4細分技術后，計數脈沖的頻率提高了4倍，相當于將原編碼器的分辨力提高了3倍，測量分辨角是原來的1/4，提高了測量精度。（6）零標志（一轉脈沖）編碼器

一轉（360）CC

在碼盤里圈，還有一條狹縫C，每轉能產生一個脈沖，該脈沖信號又稱“一轉信號”或零標志脈沖，作為測量的起始基準。（7）零標志在回參考點中的作用編碼器Z軸參考點X軸參考點Y軸參考點回參考點方式SINUMERIK數控系統(tǒng)工作方式開關（8）回參考點減速開關編碼器限位開關參考點減速開關滑塊（9）回參考點示意圖編碼器減速尋找零標志零標志找到參考點位置速度慢速快速行程碰到參考點減速開關播放6編碼器在數字測速中的應用

（1）模擬測速和數字測速的比較編碼器MTGU測速發(fā)電機nU∝nMPCn光電編碼器ff∝n（2）M法測速（適合于高轉速場合）編碼器

m1T有一增量式光電編碼器，其參數為1024p/r，在5s時間內測得65536個脈沖，則轉速（r/min)為：n=60×65536/（1024×5）=768r/min

編碼器每轉產生N個脈沖，在T

時間段內有m1

個脈沖產生，則轉速（r/min)為:n=60m1/（NT）（3）T法測速（適合于低轉速場合）編碼器編碼器輸出脈沖時鐘脈沖fc

m2

編碼器每轉產生N

個脈沖，用已知頻率fc作為時鐘，填充到編碼器輸出的兩個相鄰脈沖之間的脈沖數為m2，則轉速(r/min)為：

n=60fc/（Nm2）

有一增量式光電編碼器，其參數為1024p/r，測得兩個相鄰脈沖之間的脈沖數為3000，時鐘頻率fc為1MHz

，則轉速（r/min)為：n=60fc/（Nm2）=60×106/（1024×3000）=19.53r/min7編碼器在主軸控制中的應用

(1)主軸編碼器編碼器（2）主軸編碼器用于C軸控制編碼器主軸編碼器回轉刀盤自驅刀頭CZn工件卡盤主軸（3）主軸編碼器用于螺紋車削編碼器

車削螺紋時，為保證每次切削的起刀點不變，防止“亂牙”，主軸編碼器通過對起刀點到退刀點之間的脈沖進行計數來達到車削螺紋的目的。播放起刀點退刀點小結編碼器1.

編碼器用來測量角位移。在數控機床直線進給運動控制中，通過測量角位移間接測量出直線位移，表達式為x＝t/360×。2.

絕對式編碼器輸出二進制編碼，增量式編碼器輸出脈沖。3.

增量式編碼器輸出信號要進行辨向、零標志和倍頻等處理。4.

編碼器用于數字測速，有M法和T法等方式；在數控車床中用于C軸控制和螺紋切削。

增量式碼盤的規(guī)格及分辨率

規(guī)格增量式碼盤的規(guī)格是指碼盤每轉一圈發(fā)出的脈沖數；現在市場上提供的規(guī)格從36線/轉到10萬線

/轉都有；選擇：①伺服系統(tǒng)要求的分辨率；②考慮機械傳動系統(tǒng)的參數。

分辨率（分辨角）α設增量式碼盤的規(guī)格為n線/轉：光電編碼器的特點非接觸測量，無接觸磨損，碼盤壽命長，精度保證性好；允許測量轉速高，精度較高；。光電轉換，抗干擾能力強；體積小，便于安裝，適合于機床運行環(huán)境；結構復雜，價格高，光源壽命短；碼盤基片為玻璃，抗沖擊和抗震動能力差。第三節(jié)、測力傳感器(一)、應變式力傳感器(二）、壓電式力傳感器（一）、應變式力傳感器1.電阻應變片2.電阻應變傳感器測量電路

2.1、單臂橋

2.2、半橋

2.3、全橋3.電阻應變傳感器的應用3.1、應變式力傳感器3.2、應變式壓力傳感器3.3、應變式加速度傳感器

各種電子秤廣泛應用于－高精度電子汽車衡

動態(tài)電子秤電子天平電阻應變傳感器電阻應變傳感器：利用電阻應變片將應變轉換為電阻變化測量對象：任何可以轉化為應變量的非電量主要特點：①結構簡單，使用方便，性能穩(wěn)定、可靠②靈敏度高，頻率響應特性好，適合于靜態(tài)、動態(tài)測量③環(huán)境適應性好

1.電阻應變片

電阻應變傳感器組成:彈性元件、電阻應變片和測量電路彈性元件：感受被測量的變化電阻應變片：粘貼在彈性元件上將彈性元件的表面應變轉換為應變片電阻值的變化測量電路：將應變片電阻值的變化轉換為便于輸出測量的電量，從而實現非電量的測量電阻應變片的種類:電阻應變片分類金屬電阻應變片半導體電阻應變片金屬絲應變片 金屬箔應變片 金屬薄膜應變片

體型半導體應變片擴散型半導體應變片薄膜型半導體應變片P型應變片N型應變片一、金屬電阻應變片

1．金屬絲電阻應變效應

金屬導體的電阻值隨其機械變形而發(fā)生變化的現象FFLL+dL2r2(r-dr)ρ:電阻系數L:金屬導線長度S:金屬導線截面積 泊松比： 表示導體橫向應變量與縱向應變量的比例 “－”號表示變形方向相反

金屬絲應變靈敏系數為物理含義是單位縱向應變引起電阻的相對變化量應變靈敏系數主要決定于金屬導體的幾何尺寸發(fā)生的變化式中——決定于導體幾何尺寸發(fā)生的變化

——決定于導體導電性能發(fā)生的變化

2．金屬絲電阻應變片結構金屬絲電阻應變片的基本結構如圖2－1所示。二、電阻應變傳感器測量電路機械應變引起的電阻值變化量很?。话銤M量程2%

難以用測阻表作精確測量采用電橋將電阻變化轉換成電壓或電流

放大測量測量電橋：分為直流電橋和交流電橋測量電橋輸出接高輸入電阻放大器－>電橋視作開路

電橋投入測量之前，應將電橋調平衡，以消除電橋因不平衡而產生的零漂

電橋的平衡條件為R1R3=R2R4

應變測量電橋三種接法：單臂橋半橋全橋

當ΔR＜＜R時單臂電橋靈敏度：單臂橋： 輸出電壓小，靈敏度低 具有一定非線性

2、半橋半橋：雙臂橋 兩個相鄰橋臂接應變片：一個正應變、一個負應變

ΔR1=ΔR，ΔR2=-ΔR

接R1的橋臂為拉應變，接R2的橋臂為壓應變。R1=R2=R3=R4=R

半橋：輸出電壓和靈敏度都比單臂橋大一倍輸出線性

半橋的靈敏度3、全橋四個橋臂都接有應變片相鄰橋臂所接的應變片承受相反應變

相對橋臂所接的應變片承受相同應變

R1=R2=R3=R4=R、ΔR1=ΔR3=ΔR、ΔR2=ΔR4=-ΔR

全橋輸出電壓和靈敏度比半橋大一倍輸出線性全橋的靈敏度為測量對象：應力、力、扭矩、加速度及壓力(壓強)、位移

1、應變式力傳感器柱式力傳感器、環(huán)式力傳感器、懸臂梁式傳感器。三、電阻應變傳感器的應用

⑴根據測力現場需要選擇彈性元件⑵根據所選的彈性元件正確地布片：盡量使應變片保持與拉壓力平行或垂直

⑶根據應變片的布片正確地接橋：盡量接成差動測量電橋

相鄰橋臂所接的應變片承受相反應變相對橋臂所接的應變片承受相同應變應變片受拉壓力所產生的應變：（1）與軸向任意角α方向的應變?yōu)槭街笑拧剌S向的應變；

μ—彈性元件的泊松比

a.柱式力傳感器

彈性元件：實心或空心圓柱R1R2R3R4載荷大靜載稱重b.環(huán)式力傳感器

彈性元件是圓形或扁形吊環(huán)軸向應變正負應變相同

3.懸臂梁式傳感器懸臂梁分等強度梁和等載面梁（1）等強度梁它適于測量500Kg以下的載荷，最小為測幾十克重的力，這種傳感器具有結構簡單、加工容易、應變片易粘貼、靈敏度高等特點。2023/2/3114二、壓電式傳感器2023/2/3115引言壓電式傳感器的工作原理是基于某些介質材料的壓電效應，是典型的有源傳感器。當材料受力作用而變形時，其表面會有電荷產生，從而實現非電量測量。壓電式傳感器具有體積小，重量輕，工作頻帶寬等特點，因此在各種動態(tài)力、機械沖擊與振動的測量，以及聲學、醫(yī)學、力學、宇航等方面都得到了非常廣泛的應用。2023/2/3116主要內容1壓電式傳感器的原理及材料2壓電式傳感器測量電路3壓電式傳感器的應用2023/2/31171壓電式傳感器的原理及材料1．壓電效應的概念某些電介質，當沿著一定方向對其施力而使它變形時，其內部就產生極化現象，同時在它的兩個表面上便產生符號相反的電荷，當外力去掉后，其又重新恢復到不帶電狀態(tài)，這種現象稱壓電效應。相反，當在電介質極化方向施加電場，這些電介質也會產生變形，這種現象稱為“逆壓電效應”（電致伸縮效應）。1.1壓電效應2023/2/3118壓電效應可逆性（二）、壓電式力傳感器1.壓電效應某些電介質物質，在沿一定方向上受到外力作用而發(fā)生變形時，內部會產生極化現象，同時在其表面產生電荷；當外力去掉后，又重新回到不帶電的狀態(tài)。這種將機械能轉變?yōu)殡娔艿默F象，稱為“順壓電效應”。相反，在電介質的極化方向上施加電場，電介質會產生機械變形；當外加電場去掉后，電介質的變形也隨之消失。這種將電能轉換為機械能的現象稱為”逆壓電效應“。壓電式傳感器具有體積小，重量輕，工作頻帶寬等特點，因此在各種動態(tài)力、機械沖擊與振動的測量，以及聲學、醫(yī)學、力學、宇航等方面都得到了非常廣泛的應用2023/2/31202.壓電效應原理具有壓電效應的物質很多，如石英晶體、壓電陶瓷、高分子壓電材料等石英晶體是一種應用廣泛的壓電晶體。它是二氧化硅單晶體，屬于六角晶系。它為規(guī)則的六角棱柱體。石英晶體有3個晶軸：x軸、y軸和z軸。z軸又稱光軸，它與晶體的縱軸線方向一致：x軸又稱電軸，它通過六面體相對的兩個棱線并垂直于光軸：y軸又稱為機械軸，它垂直于兩個相對的晶柱棱面。2023/2/3121石英晶體及切片2023/2/3122石英晶體的壓電效應與其內部結構有關，產生極化現象的機理可說明。石英晶體的化學式為SiO2，它的每個晶胞中有3個硅離子和6個氧離子，一個硅離子和兩個氧離子交替排列（氧離子是成隊出現的）。沿光軸看去，可以等效地認為正六邊形排列結構。2023/2/3123石英晶體的壓電效應機理2023/2/3124分析說明（1）在無外力作用時（2）當晶體沿電軸（x軸）方向受到壓力時，晶格產生變形（3）同樣，當晶體的機械軸（y軸）方向受到壓力時，也會產生晶格變形（4）當晶體的光軸（z軸）方向受到受力時，由于晶格的變形不會引起正負電荷中心的分離，所以不會產生壓電效應。2023/2/3125結論沿機械軸方向的力作用在晶體上時，產生的電荷與晶體切面的幾何尺寸有關，式中的負號說明沿機械軸的壓力引起的電荷極性與沿電軸的壓力引起的電荷極性恰好相反。2023/2/31261.2壓電材料石英晶體、鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等材料是性能優(yōu)良的壓電材料。應用于壓電式傳感器中的壓電元件材料一般有3類：壓電晶體、經過極化處理的壓電陶瓷、高分子壓電材料。2023/2/3127石英晶體天然形成的石英晶體外形2023/2/3128壓電陶瓷外形

2023/2/3129可用于波形分析及報警的高分子壓電踏腳板

2023/2/3130壓電式腳踏報警器

2023/2/31311.3壓電式傳感器的應用壓縮式壓電加速度傳感器的結構圖2023/2/31321.3壓電式傳感器的應用壓縮式壓電加速度傳感器的結構圖第四節(jié)、轉速傳感器一、光電式轉速傳感器光電式傳感器是把被測物理量的變化先轉換成光信號的變化，然后再通過光電轉換元件把光信號變換成電信號的一種傳感器。光電式傳感器的測量方法靈活多樣，并且具有使用方便、非接觸、高精度、高分辨力、高可靠性和反應快等一系列優(yōu)點，因而發(fā)展十分迅速，而且隨著激光、光柵、光導纖維、CCD等器件的相繼問世，光電傳感器在檢測及自動控制領域中得到了更廣泛的應用。2023/2/31341、光電轉速傳感器

如圖所示為在待測轉速軸上固定一帶孔的轉盤，在轉盤一邊由白熾燈產生恒定光，透過盤上小孔到達由光敏晶體管組成的光電轉換器上，轉換成相應的電脈沖信號，經過放大整形電路輸出整齊的脈沖信號，轉速由該脈沖頻率決定。3.轉速傳感器的測量電路1.計數測頻法2.周期測量法第六節(jié)、溫度傳感器溫度傳感器就是一種能將溫度變化轉換為電量變化的裝置，它是利用敏感元件的電參數隨溫度變化的特性來達到測量的目的。本節(jié)主要介紹熱電偶、熱敏電阻傳感器的原理、測量電路及其應用。2023/2/3137（一）熱電偶測量原理1．熱電效應熱電效應就是把兩種不同的導體或半導體（A和B）串接成一個閉合回路，如果兩導體接點處溫度不同，則兩點之間便產生電動勢，從而在回路中便形成了電流的現象。由此效應產生的電動勢

通常稱為熱電動勢。1821年由Seeback發(fā)現，的，故又稱為賽貝克效應。一、熱電偶傳感器2023/2/3138熱電勢由兩部分組成兩種導體組成的回路稱為“熱電偶”，這兩種導體稱為“熱電極”，產生的電勢則稱為“熱電勢”，熱電偶的兩個結點，一個稱為測量端（工作端或熱端），另一個稱為參考端（自由端或冷端）。一部分是兩種導體的接觸電勢，另一部分是單一導體的溫差電勢。1392．接觸電勢當A和B兩種不同材料的導體接觸時，由于兩者內部單位體積的自由電子數目不同（即電子密度不同），因此，電子在兩個方向上擴散的速率就不一樣。假設導體A的自由電子密度大于導體B的自由電子密度，則導體A擴散到導體B的電子數要比導體B擴散到導體A的電子數大。所以導體A失去電子帶正電荷，導體B得到電子帶負電荷。于是，在A、B兩導體的接觸界面上便形成一個由A到B的電場。2023/2/3140接觸電勢大小1413．溫差電動勢溫差電動勢是同一導體（熱電極）的兩端因其溫度不同而產生的一種電動勢。由于溫度不同，低溫端的電子數會比高溫端的電子數多，結果高溫端因少出電

子而帶正電，低溫端因多出電子而帶負電，在導體兩端便形成溫差電動勢。其大小可表示為

2023/2/31424．熱電偶的電勢設導體A、B組成熱電偶的兩結點溫度分別為T和T0，熱電偶回路所產生的總電動勢，熱電偶的接觸電動勢要遠大于溫差電動勢，忽略溫差電動勢，熱電偶的熱電勢可表示為，2023/2/3143結論（1）如果熱電偶兩材料相同，則無論結點處的溫度如何，總電勢為0。（2）如果兩結點處的溫度相同，盡管A、B材料不同，總熱電勢為0。（3）熱電偶熱電勢的大小，只與組成熱電偶的材料和兩結點的溫度有關，而與熱電偶的形狀尺寸無關，當熱電偶兩電極材料固定后，熱電勢便是兩結點電勢差。（4）如果使冷端溫度Ｔ0保持不變，則熱電動勢便成為熱端溫度Ｔ的單一函數。2023/2/3144（二）、熱電偶結構及種類1熱電偶的基本結構形式2熱電偶材料3常用熱電偶2023/2/31451.熱電偶的基本結構形式熱電偶的結構形式有普通型熱電偶、鎧裝型熱電偶和薄膜熱電偶等。熱電偶的種類雖然很多，但通常由金屬熱電極、絕緣子、保護套管及接線裝置等部分組成。2023/2/3146普通型熱電偶普通型結構熱電偶工業(yè)上使用最多，它一般由熱電極、絕緣套管、保護管和接線盒組成。普通型熱電偶按其安裝時的連接形式可分為固定螺紋連接、固定法蘭連接、活動法蘭連接、無固定裝置等多種形式。普通型熱電偶結構圖2023/2/3147普通裝配型熱電偶的外形安裝螺紋安裝法蘭2023/2/3148普通裝配型熱電偶的

結構放大圖

接線盒引出線套管

固定螺紋

（出廠時用塑料包裹）熱電偶工作端（熱端）

不銹鋼保護管

2023/2/3149鎧裝型熱電偶鎧裝型熱電偶又稱套管熱電偶。它是由熱電偶絲、絕緣材料和金屬套管三者經拉伸加工而成的堅實組合體.它可以做得很細很長，使用中隨需要能任意彎曲。鎧裝型熱電偶的主要優(yōu)點是測溫端熱容量小，動態(tài)響應快，機械強度高，撓性好，可安裝在結構復雜的裝置上，因此被廣泛用在許多工業(yè)部門中。2023/2/3150鎧裝型熱電偶結構

1—接線盒2—金屬套管3—固定裝置4—絕緣材料5—熱電極2023/2/3151鎧裝型熱電偶外形法蘭鎧裝型熱電偶可長達上百米薄壁金屬保護套管（鎧體）

BA絕緣材料鎧裝型熱電偶橫截面2023/2/31522.熱電偶材料1．對熱電極材料的一般要求2．電極材料的分類2023/2/3153對熱電極材料的一般要求（1）配對的熱電偶應有較大的熱電勢，并且熱電勢對溫度盡可能有良好的線性關系。（2）能在較寬的溫度范圍內應用，并且在長時間工作后，不會發(fā)生明顯的化學及物理性能的變化。（3）電阻溫度系數小，電導率高。（4）易于復制，工藝性與互換性好，便于制定統(tǒng)一的分度表，材料要有一定的韌性，焊接性能好，以利于制作。2023/2/3154電極材料的分類（1）一般金屬，如鎳鉻-鎳硅，銅-鎳銅，鎳鉻-鎳鋁，鎳鉻-考銅等。（2）貴金屬，這類熱電偶材料主要是由鉑、銥、銠、釕、鋨及其合金組成，如鉑鐒-鉑、銥銠-銥等。（3）難熔金屬，這類熱電偶材料系由鎢、鉬、鈮、錸、鋯等難熔金屬及其合金組成，如鎢錸-鎢錸、鉑銠-鉑銠等熱電偶。（三）、熱電偶測量電路1.測量單點溫度的基本測溫電路2.測量兩點間溫差大電路3.測量平均溫度的電路2023/2/3156二、熱敏電阻傳感器工作原理

熱敏電阻是利用半導體的電阻值隨溫度顯著變化這一特性制成的一種熱敏元件，其特點是電阻率隨溫度而顯著變化。金屬導體的電阻值隨溫度的升高而增大，但半導體卻相反，它的電阻值隨溫度的升高而急劇減小，在溫度變化相同時，熱敏電阻的阻值變化約為鉑熱電阻的10倍，因此可以用它來測量0.01℃或更小的溫度。2023/2/3157結構類型及特點熱敏電阻是由一些金屬氧化物，如錳、鎳等氧化物，采用不同比例的配方，經高溫燒結而成，然后采用不同的封裝形式制成珠狀、片狀、桿狀和墊狀等各種形狀。其主要由熱敏探頭、引出線、殼體構成。如圖所示。2023/2/3158熱敏電阻的溫度特性曲線

2023/2/3159熱敏電阻的溫度特性曲線

第七節(jié)、氣敏傳感器1.產生原因:為了確保安全，需對各種可燃性氣體、有毒性氣體進行檢測。目前實用氣體方法很多，其中接觸燃燒法和用半導體氣敏傳感器檢測法具有使用方便、費用低等特點。2.發(fā)展過程:半導體氣敏元件是60年代初期研制成功的，最先研制的是SnO2薄膜元件。它是利用加熱條件下SnO2薄膜電