第3章-常用傳感器與敏感元件

第三章常用的傳感器與敏感元件

§3.1

概述§3.2

機(jī)械式傳感器

§3.3

電阻式傳感器§3.4

電感式傳感器§3.5

電容式傳感器§3.6

壓電式傳感器§3.7

其他傳感器§3.9

傳動(dòng)器的選用原則返回緒 論

工程測(cè)量中通常把直接作用于被測(cè)量，并能按一定方式將其轉(zhuǎn)換成同種或別種量值輸出的器件，稱為傳感器。 由于傳感器處于測(cè)量裝置的輸入端，是測(cè)試系統(tǒng)的第一個(gè)環(huán)節(jié)，其性能直接影響整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)，對(duì)測(cè)試精度至關(guān)重要。 深入研究傳感器類型、原理和應(yīng)用，研制開(kāi)發(fā)新型傳感器，對(duì)于科學(xué)技術(shù)和生產(chǎn)工程中的自動(dòng)控制和智能化發(fā)展，以及人類觀測(cè)研究自然界事物的深度和廣度都有重要實(shí)際意義。第一節(jié)常用傳感器分類工程中常用傳感器的種類繁多，往往一種物理量可用多種類型的傳感器來(lái)測(cè)量，而同一種傳感器也可用于多種物理量的測(cè)量。傳感器有多種分類方式。按被測(cè)物理量的不同，可分為位移傳感器、力傳感器、溫度傳感器；按傳感器工作原理的不同，可分為機(jī)械式傳感器、電氣式傳感器、光學(xué)式傳感器、流體式傳感器等。按信號(hào)變換特性也可概括分為物性型傳感器與結(jié)構(gòu)型傳感器；根據(jù)敏感元件與被測(cè)對(duì)象之間的能量關(guān)系，也可分為能量轉(zhuǎn)換型與能量控制型傳感器；按輸出信號(hào)分類，可分為模擬式傳感器和數(shù)字式傳感器等。物性型傳感器是依靠敏感元件材料本身物理性質(zhì)的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)變換的。例如，水銀溫度計(jì)、壓力測(cè)力計(jì)等。結(jié)構(gòu)型傳感器則是依靠傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化而實(shí)現(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)變的。例如，電容式傳感器、電感式傳感器等。能量轉(zhuǎn)換型傳感器，也稱無(wú)源傳感器，是直接由被測(cè)對(duì)象輸入能量使其工作的，例如，熱電偶溫度計(jì)、彈性壓力計(jì)等。能量控制型傳感器，也稱有源傳感器，是從外部供給能量使傳感器工作的，并且由被測(cè)量來(lái)控制外部供給能量的變化。電阻溫度計(jì)、電容式測(cè)振儀等。第二節(jié)機(jī)械式傳感器及儀器 一、工作原理： 以彈性元件作為傳感器的敏感元件。它的輸入量可以是力、壓力、溫度等物理量，輸出則為彈性元件本身的彈性變形。詳見(jiàn)圖3-3。二、特點(diǎn)及應(yīng)用優(yōu)點(diǎn)：機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠、使用方便、價(jià)格低廉、讀數(shù)直觀等特點(diǎn)。缺點(diǎn)：彈性變形不宜大，以減少線性誤差。放大和指示環(huán)節(jié)多為機(jī)械傳動(dòng)，不僅受間隙影響，而且慣性大，固有頻率低，適于檢測(cè)緩變或者靜態(tài)被測(cè)量。為了提高測(cè)量的頻率范圍，可先用彈性元件將測(cè)量轉(zhuǎn)換成位移量，然后用其他形式的傳感器將位移量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出。被測(cè)量彈性元件變形（位移）敏感元件電信號(hào)第三節(jié)電阻、電容與電感式傳感器1、電阻式傳感器2、電容式傳感器

工作原理：變阻器式傳感器它通過(guò)改變電位器觸頭位置，實(shí)現(xiàn)將位移信號(hào)轉(zhuǎn)換成電阻R的變化。其表達(dá)式為當(dāng)導(dǎo)線分布均勻是，k1為一常數(shù)，傳感器的輸出與輸入成線性關(guān)系。一、電阻式傳感器1、變阻器式傳感器1）直線位移型：傳感器的靈敏度：2）回轉(zhuǎn)式型：其靈敏度為：式中：α—電刷轉(zhuǎn)角（rad）；

kα—單位弧度所對(duì)應(yīng)的電阻值。變阻器式傳感器的后接電路，一般采用電阻分壓電路，傳感器的輸出電壓uo可用下式計(jì)算：（3-3）3)變阻式傳感器的性能特點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定、使用方便；缺點(diǎn)：分辨力不高。4）適用場(chǎng)合：主要應(yīng)用于線位移、角位移等的測(cè)量。式（3-3）表明，只用當(dāng)RP/RL—>0，輸出電壓uo才與位移成現(xiàn)行關(guān)系。（1）金屬電阻應(yīng)變片常見(jiàn)金屬電阻應(yīng)變片有絲式、箔式兩種。工作原理基于應(yīng)變片發(fā)生機(jī)械變形時(shí)，其阻值發(fā)生變化。由于電阻值R=ρl/A,其長(zhǎng)度l、截面積A、電阻率ρ均將隨電阻絲的變化而變化。當(dāng)其中任意可變因素分別有增量時(shí)，所引起的電阻增量為：2、電阻應(yīng)變式傳感器電阻應(yīng)變式傳感器可以用于測(cè)量應(yīng)變、力、位移、加速度、扭矩等參數(shù)。具有體積小、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、測(cè)量精度高、使用簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)。（3-4）式中A=πr2，r為電阻絲半徑，則電阻的相對(duì)變化為：式中dl/l=ε—電阻絲軸向相對(duì)變形，或稱為縱向應(yīng)變；

dρ/ρ—電阻絲電阻率的相對(duì)變化，與電阻絲軸 向所受的正應(yīng)力σ有關(guān)。其中 E—電阻絲材料的彈性模量；

λ—壓阻系數(shù)，與材質(zhì)有關(guān)；

dr/r—電阻絲徑向相對(duì)變形，或稱為橫向應(yīng)變。（3-5）（3-6）當(dāng)電阻絲沿軸向伸長(zhǎng)時(shí)，必沿徑向收縮，兩者的關(guān)系為：式中ν—電阻絲材料的泊松比；

λEε項(xiàng)則是由于電阻率隨應(yīng)變的改變而引起的，對(duì)于金屬絲來(lái)說(shuō)，λE是可以忽略的。（3-7）（3-8）（3-9）式（3-9）表明電阻相對(duì)變化率與應(yīng)變成正比。一般用比值Sg表征電阻應(yīng)變片的應(yīng)變或靈敏度（3-10）靈敏度Sg多在1.7~3.6之間，常見(jiàn)電阻絲材料物理性能見(jiàn)表3-2。（2）半導(dǎo)體應(yīng)變片工作原理：基于半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)。所謂的壓阻效應(yīng)是指單晶導(dǎo)體材料在沿某一軸向受到外力作用時(shí)，其電阻率ρ發(fā)生變化。對(duì)于半導(dǎo)體而言，λEε遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于項(xiàng)（1+2ν）ε項(xiàng)，它是半導(dǎo)體應(yīng)變片的主要部分，故式（3-8）可簡(jiǎn)化為：半導(dǎo)體應(yīng)變片靈敏度：金屬絲電阻應(yīng)變片與半導(dǎo)體應(yīng)變片的主要區(qū)別在于：前者是利用導(dǎo)體形變引起電阻的變化，后者利用半導(dǎo)體電阻率變化引起電阻變化。半導(dǎo)體應(yīng)變片最突出的優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高，另外，由于機(jī)械滯后小，橫向效應(yīng)小以及體積小等特點(diǎn)，擴(kuò)大了半導(dǎo)體應(yīng)變片的使用范圍。其最大缺點(diǎn)是溫度穩(wěn)定性能差、靈敏度離散度大以及在較大應(yīng)變作用下，非線性誤差大。（3-11）（3-12）1、變換原理電容式傳感器是將被測(cè)物理量轉(zhuǎn)換成電容量變化的裝置，它實(shí)質(zhì)上是一個(gè)具有可變參數(shù)的電容器。二、電容式傳感器由兩個(gè)平行板極組成的電容器其電容量C(F)(3-13)式中ε—板極間介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)，在空氣中ε=1；

ε0—真空中介電常數(shù)，ε0=8.85×10-12F/m；

δ

—板極間距離（m）；

A—板極面積（m2）。式（3-13）表明，當(dāng)被測(cè)量使δ、A或ε發(fā)生變化時(shí)，都會(huì)引起電容C的變化。根據(jù)電容器變化的參數(shù)，電容器可分為極距變化型、面積變化型和介質(zhì)變化型三類。（1）極距變化型根據(jù)式（3-13），如果電容器的兩極板相互覆蓋面積A及極板間介質(zhì)ε不變，則電容量C與極距δ呈非線性關(guān)系。當(dāng)極距δ有一微小變化量dδ時(shí)，引起電容的變化量dC時(shí)，引起電容的變化量dC為由此得傳感器的靈敏度：圖3-12極距變化型電容傳感器及輸出特性

a）極距變化 b）輸出特性靈敏度S與極距平方成反比，極距越小，靈敏度越高。為了減少誤差，通常規(guī)定在較小的間隙變化范圍內(nèi)工作，以便獲得近似線性關(guān)系。一般極距變化范圍約為△δ/

δ0

=0.1。在實(shí)際應(yīng)用中，為了提高傳感器的靈敏度、線性度以及克服某些外界條件的變化對(duì)測(cè)量精確度的影響，常常采用差動(dòng)式。工作特點(diǎn)：可用于進(jìn)行動(dòng)態(tài)非接觸式測(cè)量，對(duì)被測(cè)系統(tǒng)的影響小，靈敏度高，適用于較小位移（0.01μm~數(shù)百微米）的測(cè)量。這種傳感器具有非線性特性、散雜電容對(duì)靈敏度和測(cè)量精確度有影響，電路復(fù)雜。（2）面積變化型 在變換極板面積的電容傳感器中，一般常見(jiàn)的有角位移型、線位移型兩種。

角位移型傳感器：式中：α——覆蓋面積對(duì)應(yīng)的中心角；

r——極板半徑。電容量：靈敏度：=常數(shù)該類傳感器的輸出與輸入成線性關(guān)系。圖3-13角位移型線位移型傳感器：電容量：式中b—極板寬度。靈敏度：圓柱體線位移型傳感器電容量：式中 D—圓筒半徑；

d—圓柱半徑。圖3-13平面線位移型圖3-13柱體線位移型面積變化型電容傳感器的優(yōu)點(diǎn)是輸出與輸入成線性關(guān)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(cè)量。（3）介質(zhì)變化型這是利用介質(zhì)介電常數(shù)變化將被測(cè)量轉(zhuǎn)換成電量的一種傳感器，可用來(lái)測(cè)量電介質(zhì)的液位或某些材料的溫度、濕度和厚度等。2、測(cè)量電路電容式傳感器將被測(cè)物理量轉(zhuǎn)換成電容量的變化以后，由后續(xù)電路轉(zhuǎn)換為電壓、電流或頻率信號(hào)。常見(jiàn)的電路有下列幾種。（1）電橋型電路將電容傳感器作為橋路的一部分，由電容變化轉(zhuǎn)換成電橋的電壓輸出，通常采用電阻、電容或電感、電容組成的交流電橋。（2）直流極化電路此電路又稱為靜壓電容傳感器電路，多用于電容傳聲器或壓力傳感器。（3）諧振電路傳感器電容量發(fā)生變化時(shí)，諧振回路的阻抗發(fā)生相應(yīng)變化，并被轉(zhuǎn)換成電壓或者電流的輸出。（4）調(diào)頻電路當(dāng)輸入量使傳感器電容量發(fā)生變化時(shí)，振蕩器的振蕩頻率發(fā)生變化，經(jīng)過(guò)鑒頻器變?yōu)殡妷旱淖兓＃?）運(yùn)算放大器電路采用比例運(yùn)算放大器電路得到輸出電壓與位移線性關(guān)系。3、電容集成壓力傳感器（自學(xué)）三、電感式傳感器電感式傳感器是把被測(cè)量，如力、位移等，轉(zhuǎn)換為電感量變化的一種裝置，其變換是基于電磁感應(yīng)原理。按照變換方式的不同，可分為自感型（包括可變磁阻式與渦流式）與互感型（差動(dòng)變壓器式）。1、自感型（1）可變磁阻式工作原理：

可變磁阻式傳感器由線圈、鐵心和銜鐵組成，如圖3-21所示，在鐵心與銜鐵之間有空氣隙δ。其自感量L為式中 N——線圈匝數(shù)；

Rm——磁路總磁阻[H-1]。（3-23）特性曲線圖3-21可變磁阻式電感傳感器空氣氣隙δ較小時(shí)，不考慮磁路的鐵損時(shí)，則總的磁阻：式中 l——鐵心導(dǎo)磁長(zhǎng)度；

μ——鐵心磁導(dǎo)率；

A——鐵心磁導(dǎo)截面積；

δ——?dú)庀堕L(zhǎng)度；

μ0——空氣導(dǎo)磁率；

A0——空氣氣隙導(dǎo)磁截面積（m2）。注：鐵損包括磁性材料的磁滯損耗和渦流損耗以及剩余損耗。(3-24)由于鐵心磁阻與空氣氣隙磁阻相比很小，計(jì)算時(shí)可以忽略，故代入式（3-23），則（3-26）式（3-26）表明，自感L與氣隙δ成反比，而與氣隙導(dǎo)磁截面積成A0成正比。當(dāng)固定A0

，變化δ時(shí)，L與δ呈非線性關(guān)系，此時(shí)傳感器的靈敏度（3-27）（3-25）靈敏度S與氣隙長(zhǎng)度的平方成反比，δ愈小，靈敏度越高。這種傳感器適用與較小位移的測(cè)量，一般約為0.001~1mm。常見(jiàn)可變磁阻式傳感器的典型結(jié)構(gòu)：

可變導(dǎo)磁面積型：其自感與導(dǎo)磁截面積成線性關(guān)系，這種傳感器靈敏度較低。差動(dòng)式：其輸出靈敏度可提高一倍，并能改善線性特點(diǎn)。單螺管線圈型：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造容易、靈敏度低，適用于較大位移測(cè)量。雙螺管線圈差動(dòng)型：較高靈敏度及線性，被用于電感測(cè)微計(jì)上。圖3-22可變磁阻式電感傳感器典型結(jié)構(gòu)2、渦流式渦流傳感器的轉(zhuǎn)換原理是利用金屬導(dǎo)體在交變磁場(chǎng)的渦電流效應(yīng)，如圖3-24所示。工作特點(diǎn)：渦流傳感器可用于動(dòng)態(tài)非接觸測(cè)量，測(cè)量范圍視傳感器結(jié)構(gòu)尺寸、線圈匝數(shù)和勵(lì)磁頻率而定。圖3-24渦流傳感器原理2、互感型工作原理：這種傳感器利用了電磁感應(yīng)中的互感現(xiàn)象。當(dāng)線圈W1輸入交流電流i1時(shí)，線圈w2產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)e12圖3-29互感現(xiàn)象工作特點(diǎn)：

具有精度高、線性范圍大、穩(wěn)定性好和使用方便等特點(diǎn)，被廣泛的應(yīng)用于直線位移測(cè)量。第四節(jié)磁電、壓電與熱電式傳感器一、磁電式傳感器二、壓電式傳感器三、熱電式傳感器一、磁電式傳感器磁電式傳感器是將被測(cè)物理量轉(zhuǎn)換成感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的一種傳感器，又稱電磁感應(yīng)或電動(dòng)力式傳感器。從電工學(xué)知，對(duì)于一個(gè)匝數(shù)為N線圈，當(dāng)穿過(guò)該線圈的磁通量Φ發(fā)生變化時(shí)，其感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為：線圈感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小，取決于匝數(shù)和穿過(guò)線圈的磁通變化率。磁通變化率與磁場(chǎng)強(qiáng)度、磁場(chǎng)磁阻、線圈的運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)，改變其中一個(gè)因素，都會(huì)改變線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。按照結(jié)構(gòu)不同，磁電式傳感器可分為動(dòng)圈式和磁阻式。1、動(dòng)圈式動(dòng)圈式分為線速度型與角速度型。在永久磁鐵產(chǎn)生的直流磁場(chǎng)內(nèi)，放置一個(gè)可動(dòng)線圈，當(dāng)線圈在磁場(chǎng)中作直線運(yùn)動(dòng)，所產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)：式中 B—磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度；

l—單匝線圈有效長(zhǎng)度；

N—線圈匝數(shù)；

v—線圈與磁場(chǎng)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度；

θ—線圈運(yùn)動(dòng)方向與磁場(chǎng)方向的夾角。當(dāng)θ=90o時(shí)，式（3-31）可寫成

當(dāng)均為常數(shù)時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大小與線圈運(yùn)動(dòng)的線速度成正比，這就是一般常見(jiàn)的慣性式速度計(jì)的工作原理。角速度型傳感器，線圈在磁場(chǎng)中轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)：式中w—角速度；

A—單匝數(shù)線圈的截面積；

k—與結(jié)構(gòu)有關(guān)的系數(shù)。當(dāng)N、B、A均為常數(shù)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e與線圈相對(duì)磁場(chǎng)的角速度成正比，這種傳感器用于轉(zhuǎn)速測(cè)量。將傳感器中線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)通過(guò)電纜與電壓放大器聯(lián)接時(shí)，其等效電路如圖3-33所示。等效電路中的輸出電壓(3-34)圖3-33動(dòng)圈磁電式傳感器等效電路對(duì)不使用特別加長(zhǎng)電纜時(shí)，CC可以忽略，并且如果RL遠(yuǎn)大于Z0，放大器輸出電壓uL≈e。感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)經(jīng)放大、檢波后即可推動(dòng)指示儀表，顯示速度。如果經(jīng)過(guò)微分或積分網(wǎng)絡(luò)，可以得到加速度或位移。2、磁阻式磁阻式傳感器的線圈與磁鐵彼此不作相對(duì)運(yùn)動(dòng)，由運(yùn)動(dòng)著的物體改變磁路的磁阻，而引起磁力線增強(qiáng)或減弱，使線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。其工作原理及應(yīng)用實(shí)例如圖3-34所示。磁阻式傳感器主要用來(lái)測(cè)量轉(zhuǎn)速、偏心量、振動(dòng)等。

圖3-34磁阻式傳感器工作原理及應(yīng)用二、壓電式傳感器壓電式傳感器是一種可逆型傳感器，既可以將機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電能，又可以將電能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能。這種傳感器具有體積小、質(zhì)量小，精確度及靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)。壓電傳感器的工作原理是利用某些物質(zhì)的壓電效應(yīng)。1、壓電效應(yīng)某些物質(zhì)，當(dāng)受到外力作用時(shí)，不僅幾何尺寸發(fā)生變化，而且內(nèi)部極化，某些表面上出現(xiàn)電荷，形成電場(chǎng)。壓電效應(yīng)是可逆的，即將壓電晶體置于外電場(chǎng)中，其幾何尺寸也會(huì)發(fā)生變化。這種效應(yīng)稱之為逆壓電效應(yīng)。以α—石英晶體為例，介紹壓電效應(yīng)。（自學(xué)）

實(shí)驗(yàn)證明，壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)都是線性的。即晶體表面出現(xiàn)的電荷的多少和形變的大小成正比，當(dāng)形變改變符號(hào)時(shí)，電荷也改變符號(hào)；在外電場(chǎng)作用下，晶體形變的大小與電場(chǎng)強(qiáng)度成正比，當(dāng)電場(chǎng)反向時(shí)，形變改變符號(hào)。以石英晶體為例，極化強(qiáng)度Pxx與應(yīng)力σxx成正比式中Fx——沿晶軸Ox向方向施加的壓力；

d11——石英晶體在x方向力作用下的壓電常數(shù)；

ly——切片的長(zhǎng)；

lz——切片的寬。2、壓電材料（自學(xué)）常見(jiàn)的壓電材料大致分為三類：壓電單晶、壓電陶瓷和有機(jī)壓電薄膜。石英是壓電單晶中最具有代表性的，應(yīng)用廣泛。石英的壓電常數(shù)不高，但具有很好的機(jī)械強(qiáng)度和時(shí)間、溫度穩(wěn)定性?，F(xiàn)代聲學(xué)技術(shù)和傳感器技術(shù)中普遍應(yīng)用的是壓電陶瓷，壓電陶瓷制作方便，成本低。高分子壓電薄膜易于大批量生產(chǎn)，具有面積大、柔軟不易破碎，可用于微壓測(cè)量和機(jī)器人的觸覺(jué)。3、壓電式傳感器及其等效電路在壓電晶片的兩個(gè)工作面上進(jìn)行金屬蒸鍍，形成金屬膜，構(gòu)成兩個(gè)電極。當(dāng)受外力作用時(shí)，在兩個(gè)極板上將積聚數(shù)量相等、而極性相反的電荷，形成了電場(chǎng)。因此壓電傳感器可以看作是一個(gè)電荷發(fā)生器，又是一個(gè)電容器，其電容量C為：式中

ε——壓電材料的相對(duì)介電常數(shù)，

δ——板極間距，即晶片厚度；

A——壓電晶片工作面的面積。壓電式傳感器是一個(gè)具有一定電容的電荷泵。電容器上的開(kāi)路電壓u0與電荷q、傳感器電容Ca存在下列關(guān)系：當(dāng)壓電式傳感器接入測(cè)量電路，連接電纜的寄生電容就形成傳感器的并聯(lián)寄生電容Ca，后續(xù)電路的輸入阻抗和傳感器中的漏電阻就形成泄露電阻R0。電容上的電壓值為：4、測(cè)量電路由于壓電式傳感器的輸出電信號(hào)是很微弱的電荷，而且傳感器本身的有很大的阻抗，故輸出能量微弱，這給后接電路帶來(lái)一定困難。為此，通常把傳感器信號(hào)先輸入到高輸入阻抗的前置放大器，經(jīng)過(guò)阻抗變換以后，方可用一般的放大、檢波電路將信號(hào)輸給指示儀或記錄器。前置放大器電路的主要用途有兩點(diǎn)：一是將傳感器的高阻抗輸出變換為低阻抗輸出；其次是放大傳感器輸出的微弱電信號(hào)。前置放大器電路有兩種形式：其一是用電阻反饋的電壓放大器，其輸出電壓與輸入電壓成正比；另一種是帶電容反饋的電荷放大器，其輸出電壓與輸入電荷成正比。5、壓電式傳感器的應(yīng)用壓電式傳感器常用來(lái)測(cè)量應(yīng)力、壓力、振動(dòng)的加速度，也可用于聲、超聲和聲發(fā)射等測(cè)量。

三、熱電式傳感器熱電式傳感器是把被測(cè)量（主要是溫度）轉(zhuǎn)換成電量變化的一種裝置，其變換是基于金屬的熱電效應(yīng)。可分為熱電偶和熱電阻傳感器。把兩種不同的導(dǎo)體連接成如圖3-39所示的閉合回路，如果將它們的兩個(gè)接點(diǎn)分別置于溫度為T0及T（假定T>T0）的熱源中，則在該回路內(nèi)就會(huì)產(chǎn)生熱電動(dòng)勢(shì)，這種現(xiàn)象被稱為熱電效應(yīng)。

圖3-39熱電偶回路當(dāng)熱電偶材料一定時(shí)，熱電偶的總熱電動(dòng)勢(shì)EAB(T,T0)成為溫度T和T0的函數(shù)差。即如果是冷端溫度T0固定，則對(duì)一定材料的熱電偶，其總熱電動(dòng)勢(shì)就只與溫度T成單值函數(shù)關(guān)系。即 式中C——由固定溫度T0決定的常數(shù)。

在圖3-39所示的熱電偶回路中，所產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)由接觸電動(dòng)勢(shì)和溫度差電動(dòng)勢(shì)兩部分組成。熱電偶回路有以下特點(diǎn)：

1）若組成熱電偶的回路的兩種導(dǎo)體相同，則無(wú)論兩接點(diǎn)溫度如何，熱電偶回路中的總熱電勢(shì)為零；

2）若熱電偶兩連接點(diǎn)溫度相同，則盡管導(dǎo)體A、B的材料不同，熱電偶回路中的總熱電動(dòng)勢(shì)也為零；

3）熱電偶AB的熱電動(dòng)勢(shì)與導(dǎo)體材料A、B的中間溫度無(wú)關(guān)，而只與接點(diǎn)溫度有關(guān)；

4）熱電偶AB在接點(diǎn)溫度T2、T3時(shí)的熱電動(dòng)勢(shì)，等于熱電偶在接點(diǎn)溫度為T1、T2和T2、T3時(shí)的熱電動(dòng)勢(shì)總合；

5）中間導(dǎo)體定律：在熱電偶回路中接入第三種材料的導(dǎo)線，只要第三種導(dǎo)線的兩端溫度相同，第三種導(dǎo)線的引入不會(huì)影響熱電偶的熱電勢(shì)。

6）標(biāo)準(zhǔn)電極定律：當(dāng)溫度T1、T2時(shí)，用導(dǎo)體AB組成的熱電偶的電動(dòng)勢(shì)等于AC熱電偶和CB熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)的和(2)熱電偶分類

1）鉑銠-鉑熱電偶（WRLB）優(yōu)點(diǎn)：熱電偶的復(fù)制精度和測(cè)量精度較高，可用于精密溫度測(cè)量和作基準(zhǔn)熱電偶。缺點(diǎn)：熱電動(dòng)勢(shì)較弱；由于銠分子材料的揮發(fā)現(xiàn)象，失去測(cè)量準(zhǔn)確性；成本較高。2）鎳鉻-鎳硅熱電偶（WREU）優(yōu)點(diǎn)：復(fù)制性好，產(chǎn)生熱電勢(shì)大，線性好，價(jià)格便宜等。缺點(diǎn)：測(cè)量精度偏低，是工業(yè)測(cè)量中最常用的熱電偶之一。3）鎳鉻-考銅熱電偶（WREA）特點(diǎn)：熱電靈敏度高、價(jià)格便宜，當(dāng)測(cè)量范圍低且窄，考銅合金易受氧化而變質(zhì)。4）鉑銠30-鉑銠6熱電偶（WRLL）優(yōu)點(diǎn)：熱電偶性能穩(wěn)定、精度高，適于在氧化性或中性介質(zhì)中使用。缺點(diǎn)：產(chǎn)生的熱電勢(shì)小，價(jià)格昂貴。2、熱電阻傳感器（自學(xué)）

利用電阻隨溫度變化的特點(diǎn)制成的傳感器叫熱電阻傳感器，它主要用于對(duì)溫度和與溫度相關(guān)的參數(shù)測(cè)定。按熱電阻的性質(zhì)來(lái)分，可分為金屬熱電阻和半導(dǎo)體熱電阻兩大類，前者通常簡(jiǎn)稱為熱電阻，后者稱為熱敏電阻。（1）鉑電阻：精度好、穩(wěn)定性好、性能可靠。（2）銅電阻：線性度好、電阻溫度系數(shù)高以及價(jià)格便宜等特點(diǎn)。（3）其他熱電阻第五節(jié)光電傳感器一、光電測(cè)量原理二、光電元件三、光電傳感器應(yīng)用光電傳感器是將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的傳感器。若用這種傳感器測(cè)量其他非電量時(shí)，只需將這些非電量的變化先轉(zhuǎn)換成光電信號(hào)的變化。這種測(cè)量方法具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、精度高、非接觸和反應(yīng)快等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各種自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)中。一、光電測(cè)量原理每個(gè)光子具有的能量為hν。用光照射某一物體，即為光子與物體的能量交換過(guò)程，這一過(guò)程中產(chǎn)生的電效應(yīng)稱為光電效應(yīng)。光電效應(yīng)按其作用原理又分為外光電效應(yīng)、內(nèi)光電效應(yīng)和光生伏達(dá)效應(yīng)。1、外光電效應(yīng)在光照作用下，物體內(nèi)的電子從物體表面逸出的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)，亦稱為光電子發(fā)射效應(yīng)。在這一過(guò)程中光子所攜帶的電磁能轉(zhuǎn)換為光電子的動(dòng)能。當(dāng)物體受到光輻射時(shí)，其中的電子吸收了一個(gè)光子的能量hv，該能量的一部分用于使電子由物體內(nèi)部逸出所作的逸出功A，另一部分則為逸出電子的動(dòng)能1/2mv2，即式中m——電子質(zhì)量；

v——電子逸出速度；

A——物體的逸出功。

1）光電子逸出表面的必要條件hv>A。對(duì)每一種光電陰極材料，均有一個(gè)確定的光頻率閥值。當(dāng)入射光頻率低于該值時(shí)，無(wú)論入射光的強(qiáng)度多大，均不能引起光電子發(fā)射。一個(gè)光子具有的能量對(duì)應(yīng)與閥值頻率的波長(zhǎng)λ0，其值為式中 c——光速，c=3×108ms-1。2）當(dāng)入射光頻率成分不變時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射的光電子數(shù)與入射光光強(qiáng)度成正比。3）對(duì)于外光電效應(yīng)器件來(lái)說(shuō)，只要光照射在器件陰極上，即使陰極電壓為零，也會(huì)產(chǎn)生光電流，這是因?yàn)楣怆娮右绯鰰r(shí)具有初始動(dòng)能。應(yīng)用：外光電效應(yīng)器件有光電管和光電倍增管等。2、內(nèi)光電效應(yīng)在光照作用下，物體的導(dǎo)電性能如電阻率發(fā)生改變的現(xiàn)象稱為內(nèi)光電效應(yīng)，又稱光導(dǎo)效應(yīng)。應(yīng)用：內(nèi)光電效應(yīng)器件主要為光敏電阻以及光敏電阻制成的光導(dǎo)管。3、光生伏打效應(yīng)在光線照射下能使物體產(chǎn)生一定方向的電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象稱為生伏打效應(yīng)?；诠馍蛐?yīng)的器件為光電池。二、光電元件（自學(xué)）1、真空光電管或光電管2、光電倍增管：靈敏度高，適合在微弱光下使用。3、光敏電阻：靈敏度高、光譜響應(yīng)范圍寬，體積小、性能穩(wěn)定，廣泛用于測(cè)試技術(shù)。光敏電阻的主要特征參數(shù)：（1）光電流、暗電流、亮電流（2）光照特性（3）伏安特性（4）光譜特性（5）響應(yīng)時(shí)間特性（6）光譜溫度特性4、光敏晶體管光敏晶體管分光敏二極管和光敏晶體管。（類比于二、三極管）光敏晶體管的基本特性有：光照特性、伏安特性、光譜特性、溫度特性、響應(yīng)特性。三、光電傳感器的應(yīng)用1、模擬量光電傳感器把被測(cè)量轉(zhuǎn)換成連續(xù)變化的光電流，它與被測(cè)量間呈單值對(duì)應(yīng)關(guān)系。2、開(kāi)關(guān)量光