傳感器期末復(fù)習(xí)課件

復(fù)習(xí)《傳感器原理》復(fù)習(xí)復(fù)習(xí)復(fù)習(xí)復(fù)習(xí)復(fù)習(xí)復(fù)習(xí)復(fù)習(xí)復(fù)習(xí)2011

時(shí)間：5月21日（周日）上午9：00～11：30答疑：

地點(diǎn)：教116

時(shí)間：5月23日（周一）下午14：45～16：45考試：

地點(diǎn)：教402考試題型：填空題：40分簡(jiǎn)答題：20分綜合題：40分傳感器的一般特性傳感器的特性是指?jìng)鞲衅鞯妮斎胄盘?hào)與輸出信號(hào)的關(guān)系。傳感器的靜態(tài)特性是指當(dāng)被測(cè)量處于穩(wěn)定狀態(tài)（即輸入量對(duì)時(shí)間t的各階導(dǎo)數(shù)為零）或緩慢變化時(shí)，傳感器的輸出值與輸入值之間的關(guān)系。傳感器的主要靜態(tài)性能指標(biāo)：1、測(cè)量范圍和量程2、分辨力和閾值3、靈敏度4、遲滯5、重復(fù)性6、線性度7、時(shí)漂和溫漂8、總精度傳感器的動(dòng)態(tài)特性是傳感器對(duì)于隨時(shí)間變化的輸入量的響應(yīng)特性。傳感器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，一般采用正弦信號(hào)和階躍信號(hào)作為輸入信號(hào)。傳感器對(duì)正弦輸入信號(hào)的響應(yīng)為傳感器的動(dòng)態(tài)頻率響應(yīng)，對(duì)階躍輸入信號(hào)的響應(yīng)為傳感器的動(dòng)態(tài)階躍響應(yīng)。電阻應(yīng)變式傳感器上式表明：在應(yīng)力作用下，金屬材料的電阻相對(duì)變化與其軸向應(yīng)變成正比。這就是金屬材料的應(yīng)變電阻效應(yīng)。一、電阻應(yīng)變計(jì)的工作原理1、金屬材料的應(yīng)變電阻效應(yīng)金屬絲在應(yīng)力εx作用下產(chǎn)生軸向伸長(zhǎng)、徑向縮短形變，從而使其電阻發(fā)生變化。金屬材料電阻的相對(duì)變化與軸向應(yīng)變?chǔ)舩的關(guān)系：式中：Km=(1+2μ)+C(1-2μ)金屬材料的應(yīng)變靈敏度系數(shù)（簡(jiǎn)稱靈敏系數(shù)）綜合上述兩種情況，可得導(dǎo)電材料的應(yīng)變電阻效應(yīng)為：式中：K0導(dǎo)電材料的應(yīng)變靈敏度系數(shù)二、電阻應(yīng)變片的主要特性金屬絲應(yīng)變片的橫向效應(yīng)金屬應(yīng)變片的敏感柵通常是呈柵狀。它由軸向縱柵和圓弧橫柵兩部分組成?！捎谠嚰惺軉蜗驊?yīng)力σ時(shí)，其表面處于平面應(yīng)變狀態(tài)中，即軸向（拉伸）應(yīng)變?chǔ)舩和橫向（收縮）應(yīng)變?chǔ)舮?！淇v柵主要感受軸向應(yīng)變?chǔ)舩、橫柵主要感受橫向應(yīng)變?chǔ)舮，從而引起應(yīng)變片總電阻的變化為：它表示當(dāng)εy=0時(shí)，單位軸向應(yīng)變?chǔ)舩引起的電阻相對(duì)變化式中：K=Kx(1-μH)它表示當(dāng)εx=0時(shí)，單位橫向應(yīng)變?chǔ)舮引起的電阻相對(duì)變化雙向應(yīng)變靈敏系數(shù)比，稱為橫向效應(yīng)系數(shù)雙向應(yīng)變比（橫向應(yīng)變與軸向應(yīng)變比）實(shí)驗(yàn)證明：εy/εx=-μ0μ0雙向應(yīng)變比系數(shù)Kx軸向靈敏系數(shù)式中：Ky橫向靈敏系數(shù)H=Ky/Kxα=εy/εx金屬絲應(yīng)變片橫向效應(yīng)系數(shù)H橫向靈敏度系數(shù)Ky與軸向靈敏度系數(shù)Kx之比值，稱為橫向效應(yīng)系數(shù)H。消除金屬絲應(yīng)變片橫向效應(yīng)的辦法——短接式、直角式橫柵三、應(yīng)變片的溫度效應(yīng)及其補(bǔ)償敏感柵在溫度的作用下，產(chǎn)生電阻的變化，這種情況稱為敏感柵的熱阻效應(yīng)。在溫度的作用下，應(yīng)變片線膨脹、試件體膨脹引起應(yīng)變電阻的相對(duì)變化，這種情況稱為敏感柵的熱膨脹效應(yīng)。式中：αt敏感柵材料的電阻溫度系數(shù)（Ω/℃）K應(yīng)變片的靈敏系數(shù)βs、βt分別為試件和敏感柵材料的線膨脹系數(shù)（m/℃）上式表明在溫度的作用下，應(yīng)變片電阻相對(duì)變化與其敏感柵材料的電阻溫度系數(shù)αt、敏感柵材料線膨脹系數(shù)βt、試件和基底材料體膨脹系數(shù)βs有關(guān)，這是應(yīng)變片的溫度效應(yīng)。綜合以上分析得出結(jié)論在溫度的作用下，引起應(yīng)變片電阻的相對(duì)變化為：熱輸出補(bǔ)償方法常采用的方法有：溫度自補(bǔ)償法橋路補(bǔ)償法四、測(cè)量電路應(yīng)變直流電橋U電源電壓U0輸出電壓R1R2R4R3ABCD直流電橋橋路輸出電壓變化量ΔU0與橋臂應(yīng)變電阻的相對(duì)變化有關(guān)：實(shí)際上，應(yīng)變電阻的相對(duì)變化ΔR/R等于其所受到應(yīng)變?chǔ)?，即：ΔR1/R1=Kε1，ΔR2/R2=Kε2ΔR3/R3=Kε3，ΔR4/R4=Kε4因此，有：結(jié)論：從上式可見(jiàn)橋路輸出電壓變化量ΔU0與橋臂各個(gè)應(yīng)變電阻所受的應(yīng)變?chǔ)庞嘘P(guān)利用上述特點(diǎn)可以進(jìn)行溫度補(bǔ)償和提高測(cè)量的靈敏度。若相鄰兩橋臂的應(yīng)變極性一致，即同為拉應(yīng)變或壓應(yīng)變時(shí)，輸出電壓為兩者之差；若相鄰兩橋臂的極性不同，即一為拉應(yīng)變，另一為壓應(yīng)變時(shí)，輸出電壓為兩者之和；若相對(duì)兩橋臂應(yīng)變的極性一致時(shí)，輸出電壓為兩者之和；相對(duì)橋臂的應(yīng)變極性相反時(shí)，輸出電壓為兩者之差?！褚噪娙輼O板間距離δ為變化量，可組成變極距型電容傳感器；●以電容極板的有效面積A為變化量，可組成變面積型電容傳感器；

●以電容極板間介質(zhì)的介電常數(shù)

εr

為變化量，可組成變介質(zhì)型電容傳感器。電容式傳感器分為：變極距δ型、變面積A型、變介質(zhì)εr型1、變極距型電容傳感器測(cè)量原理：被測(cè)量通過(guò)動(dòng)極板的上下移動(dòng)，引起兩極板的極距δ改變，從而得到電容量的變化。一、電容式傳感器的工作原理差動(dòng)式結(jié)構(gòu)相對(duì)非線性誤差ef’為：●靈敏度提高一倍●非線性誤差減小一個(gè)數(shù)量級(jí)（Δδ/δ<1）●由于結(jié)構(gòu)上的對(duì)稱，差動(dòng)式還可有效地補(bǔ)償溫度變化造成的誤差單一式結(jié)構(gòu)電容總的相對(duì)變化量為：差動(dòng)式結(jié)構(gòu)電容總的相對(duì)變化量為：?jiǎn)我唤Y(jié)構(gòu)相對(duì)非線性誤差ef為：差動(dòng)結(jié)構(gòu)、單一式結(jié)構(gòu)的比較：差動(dòng)式相比單一式理想平板電容器，其電場(chǎng)線是直線；而實(shí)際電容器只有中間區(qū)域是直線，越往外電場(chǎng)線會(huì)變彎曲，到電容器邊緣時(shí)電場(chǎng)線彎曲最厲害。這種電場(chǎng)線彎曲的現(xiàn)象即是電容器的邊緣效應(yīng)。由于邊緣電場(chǎng)的存在，在極板邊緣產(chǎn)生電荷的累積，即產(chǎn)生電容，稱該電容為邊緣效應(yīng)電容。δAε極板極板h++--邊緣電場(chǎng)邊緣電場(chǎng)r+++++++++++-----------電容器的邊緣效應(yīng)電容二、應(yīng)用中存在的問(wèn)題及改進(jìn)的措施1、邊緣效應(yīng)消除邊緣效應(yīng)的方法采用等位環(huán)結(jié)構(gòu)等位環(huán)上極板下極板上極板邊緣電場(chǎng)均勻電場(chǎng)等位環(huán)帶有等位環(huán)的平板電容傳感器原理結(jié)構(gòu)圖等電位等位環(huán)與上極板在同一平面上并將其包圍，且與其等電位，但不能有電氣連接等位環(huán)的作用不是消除邊緣效應(yīng)，而是將邊緣效應(yīng)電容從電容的極板上轉(zhuǎn)移到等位環(huán)上。等位環(huán)、極板與下面電極電絕緣，這樣一種結(jié)構(gòu)就能使上極板邊緣電力線平直，上下兩個(gè)極板的電場(chǎng)基本均勻，而發(fā)散的邊緣電場(chǎng)發(fā)生在等位環(huán)外周，故不影響傳感器兩電極間的電場(chǎng)。2、寄生電容電容式傳感器的寄生電容主要是指電容極板引線間及引線電纜間所產(chǎn)生的電容。消除寄生電容的常用方法—等電位法等電位屏蔽法的實(shí)現(xiàn)—驅(qū)動(dòng)電纜技術(shù)1:1放大器輸入端接芯線輸出端接雙層屏蔽電纜的內(nèi)層屏蔽線信號(hào)為∑點(diǎn)對(duì)地的電位由于1:1放大器放大倍數(shù)為1，使芯線和內(nèi)屏蔽線等電位，從而可以消除連線分布寄生電容的影響。-AU1:1●●●●○C0Cx∑U0驅(qū)動(dòng)電纜線路原理圖●●電路1見(jiàn)下圖Cx傳感器電容該方法對(duì)1：1放大器的要求：輸入電容為零；輸入阻抗為無(wú)窮大；相移為零。上述要求在技術(shù)上很難實(shí)現(xiàn)。當(dāng)傳感器電容Cx很小且與放大器輸入電容相差無(wú)幾時(shí)，會(huì)引起很大的相對(duì)誤差。因此該電路適用于Cx較大的傳感器。-A為前級(jí)放大器-Aa為驅(qū)動(dòng)電纜放大器由此可見(jiàn)測(cè)量電容Cx在-A放大器的反饋回路中，無(wú)附加電容與電容Cx并聯(lián)

●●-AU●○C0CxU∑U01驅(qū)動(dòng)電纜線路原理圖-Aa●U02●電路2見(jiàn)下圖電路組成（雙級(jí)放大器）放大器-Aa輸出電壓為：電容Cx兩端的電壓為：為實(shí)現(xiàn)電纜芯線與內(nèi)層屏蔽線等電位，即：UCX=U02等電位條件為：電路分析：●●-AU●○C0CxU∑U01驅(qū)動(dòng)電纜線路原理圖-Aa●U02該驅(qū)動(dòng)電纜放大器無(wú)任何附加電容因此適用于Cx很小情況下的檢測(cè)電路電路的特點(diǎn)：三、電容傳感器的應(yīng)用1、差動(dòng)電容式差壓傳感器2、電容式液位傳感器3、渦街流量計(jì)電感式傳感器電感式傳感器是利用線圈電感（自感或互感）的變化實(shí)現(xiàn)非電量測(cè)量的傳感器。電感式傳感器的核心部分是電感（繞組線圈）在測(cè)量時(shí)，一般以磁場(chǎng)作為媒介、利用磁路磁阻的變化引起傳感器線圈電感（自感或互感）變化的現(xiàn)象，將被測(cè)量轉(zhuǎn)換成可變自感或可變互感。一、電感傳感器電氣參數(shù)分析電感傳感器等效電路L線圈電感Re

鐵心渦流損耗Rc線圈銅損電阻Rh

(f)磁滯損耗電阻（是頻率的函數(shù)）C線圈寄生電容LCRcReRh(f)傳感器線圈的等效電路●●●●●將線圈等效為一封閉鐵心線圈，其磁路中的鐵心、銜鐵、氣隙的相對(duì)磁導(dǎo)率為等效相對(duì)磁導(dǎo)率μe，磁通截面積為S，磁路長(zhǎng)度為l，則線圈電感L為：線圈電感式中：S磁通截面積（m2）l磁路長(zhǎng)度（m）μe磁路的等效相對(duì)磁導(dǎo)率（H/m亨/米）（等效相對(duì)磁導(dǎo)率為鐵心、銜鐵、氣隙的相對(duì)磁導(dǎo)率等效為μe）μ0真空磁導(dǎo)率，μ0=4π×10-7（H/m亨/米）μ0μe磁路的磁導(dǎo)率電感L是磁通面積S和磁路長(zhǎng)度l的函數(shù)（即與S成正比、與l成反比）結(jié)論：線圈（電感）的總耗散因數(shù)為：Dc+De+DhDhDcDeDc+DelgflgDfm線圈耗散因數(shù)與頻率的關(guān)系下圖表示對(duì)數(shù)坐標(biāo)上的D-f關(guān)系通過(guò)對(duì)傳感器線圈的等效電路各參數(shù)進(jìn)行分析所得的結(jié)論：Dc：銅損電阻Rc所造成的線圈耗散因數(shù)；Cc：與線圈材料有關(guān)的系數(shù)；De：渦流損耗電阻Re所造成的線圈耗散因數(shù)；Ce：與鐵心材料有關(guān)的系數(shù)；Dh：磁滯損耗電阻Rh所造成的線圈耗散因數(shù)；f：激勵(lì)電流的頻率。線圈品質(zhì)因數(shù)的最大值為:由圖可見(jiàn)在頻率fm處Dc=De即Cc/fm=Cefm這時(shí)D=Dmin（權(quán)衡綜合因素的最小損耗點(diǎn)）由此得Dc+De+DhlgflgD線圈耗散因數(shù)與頻率的關(guān)系fmCc=2lρclav/(Wπ2d2μ0μeS)與線圈材料有關(guān)的系數(shù)Ce=πh2μoμe/(2ρi)與鐵心材料有關(guān)的系數(shù)線圈耗散因數(shù)的最小值為:在弱磁場(chǎng)情況下，Ch與Cc、Ce相比通常可以忽略，此時(shí)，線圈品質(zhì)因數(shù)的最大值為:提高線圈的品質(zhì)因數(shù)，降低線圈銅損、渦流損耗和磁滯損耗。結(jié)論：綜合分析結(jié)果，線圈的品質(zhì)因數(shù)與線圈、鐵心材料有關(guān)系數(shù)平方根成倒數(shù)關(guān)系。變氣隙式自感傳感器●變氣隙式自感傳感器的輸出特性是非線性的當(dāng)氣隙lδ發(fā)生變化時(shí)，電感L的變化與氣隙變化呈非線性關(guān)系?！裨跉庀读枯^小時(shí)，較小氣隙的變化量，可以引起較大電感的變化量，即靈敏度較高；氣隙較大時(shí)，則相反。要增大靈敏度，傳感器應(yīng)工作在小氣隙范圍內(nèi)。但受到工藝和結(jié)構(gòu)的限制。二、自感傳感器變面積式自感傳感器變面積式自感傳感器的電感L為：●變面積式自感傳感器電感L與磁通面積S成線性關(guān)系（忽略氣隙磁通邊緣效應(yīng)），線性范圍較大。●與變氣隙式自感傳感器相比，其靈敏度較低?！褚岣哽`敏度，需減少初始?xì)庀秎δ，但同樣受到工藝和結(jié)構(gòu)的限制。lδ選取與變氣隙式相同。式中：K′=μ0W2/（lδ+l/μr）為一常數(shù)變面積式自感傳感器的靈敏度Ks為：差動(dòng)式電感傳感器

（變氣隙式差動(dòng)式自感傳感器）●差動(dòng)式電感傳感器輸入輸出非線性失真?。ㄕ归_(kāi)式中奇次項(xiàng)被抵消）●差動(dòng)式電感傳感器的靈敏度比單線圈電感傳感器提高一倍●銜鐵受方向相反、大小相等的電磁力作用，結(jié)果電磁力的影響被抵消特點(diǎn)：三、互感式傳感器（差動(dòng)變壓器）互感式傳感器的工作原理如圖所示，差動(dòng)變壓器的結(jié)構(gòu)由鐵心、銜鐵和線圈三個(gè)主要部分組成。UU0E21E22IΦ1Φ2變氣隙式互感傳感器（差動(dòng)變壓器）結(jié)構(gòu)示意圖銜鐵鐵心次級(jí)線圈次級(jí)線圈初級(jí)線圈初級(jí)線圈.....當(dāng)銜鐵處于中間時(shí)，δ1=δ2，線圈1（初級(jí)線圈）中產(chǎn)生交變磁通為Φ1和Φ2，在線圈2（次級(jí)線圈）中產(chǎn)生交流感應(yīng)電壓，由于兩邊氣隙相等，磁阻相等，所以有Φ1=Φ2，次級(jí)線圈中的感應(yīng)電勢(shì)e21=e22，輸出電壓=0。當(dāng)銜鐵偏離中間位置時(shí)，兩邊氣隙就不相等，δ1≠δ2，這樣，兩線圈之間的互感M發(fā)生變化，次級(jí)線圈中感應(yīng)電勢(shì)不再相等，e21≠e22，便有電壓輸出。的大小和相位取決于銜鐵位移量的大小和方向。這即是差動(dòng)變壓器的基本工作原理。變氣隙式互感傳感器（差動(dòng)變壓器）靈敏度為：傳感器的靈敏度●

隨電源電壓U的增大而提高●

隨次級(jí)、初級(jí)線圈匝數(shù)比W2/W1的增大而提高●

隨銜鐵初始?xì)庀鼎?

的降低而增大●增大電源電壓U

●

增加次級(jí)線圈匝數(shù)W2●

盡可能降低銜鐵初始?xì)庀鼎?提高靈敏度的辦法結(jié)論由（式1）可見(jiàn)：這時(shí)，互感式傳感器的靈敏度隨頻率ω而增加?！癞?dāng)電源電壓頻率ω增加，使ωL1>>R1時(shí)，（式1）變?yōu)椋捍藭r(shí)，靈敏度與頻率無(wú)關(guān)，為一常數(shù)?！癞?dāng)電源電壓頻率ω過(guò)低時(shí)，ωL1<<R1，（式1）變?yōu)椋骸癞?dāng)電源電壓頻率ω再繼續(xù)增加時(shí)由于鐵損、磁質(zhì)磁飽和等因素的影響使靈敏度下降。通常應(yīng)按所用鐵心材料，選取合適的較高的激勵(lì)頻率，以保持靈敏度不變?；ジ袀鞲衅黛`敏度K與激磁頻率f的關(guān)系激勵(lì)頻率（Hz）靈敏度K（mV/mm）激勵(lì)頻率與靈敏度的關(guān)系ωL1<<R1ωL1>>R1四、電渦流式傳感器電渦流式傳感器工作原理電渦流式傳感器的基本原理示意圖xI2.被測(cè)導(dǎo)體H2.I1.電感線圈U1H1電渦流式傳感器由激磁線圈（電感線圈）、被測(cè)導(dǎo)體組成。在圖中有一個(gè)通以交變電流I1的電感線圈，由于電流I1的存在，線圈周圍就產(chǎn)生一個(gè)交變磁場(chǎng)H1。若被測(cè)導(dǎo)體置于該磁場(chǎng)范圍內(nèi)，被測(cè)導(dǎo)體內(nèi)便產(chǎn)生電渦流I2，I2也將產(chǎn)生一個(gè)新磁場(chǎng)H2；H2與H1方向相反，力圖削弱原磁場(chǎng)H1，從而導(dǎo)致線圈的電感量L、阻抗Z和品質(zhì)因數(shù)Q發(fā)生變化。在應(yīng)用時(shí)，如果控制上述可變參數(shù)只改變其中一個(gè)參數(shù)，阻抗變化即成為這個(gè)參數(shù)的單值函數(shù)，如電渦流測(cè)距傳感器，即在ρ,μ,r,ω,I恒定不變時(shí)，阻抗Z僅是距離x的單值函數(shù)。即可實(shí)現(xiàn)金屬物體的位移、振動(dòng)等參數(shù)測(cè)量。線圈阻抗的變化不僅與電渦流效應(yīng)有關(guān)，還與金屬導(dǎo)體的電阻率（ρ）、磁導(dǎo)率（μ）、線圈的幾何尺寸（r）、激勵(lì)電流（I）、頻率（ω）以及線圈到被測(cè)導(dǎo)體間的距離（x）

有關(guān)，即Z=f(ρ,μ,r,ω,I,x)。渦流傳感器的參數(shù)計(jì)算和分析1、線圈渦流損耗功率Pe渦流引起的能量損耗，稱為渦流損耗，其大小用渦流損耗功率Pe表示。渦流損耗功率Pe是衡量渦流式傳感器性能的重要指標(biāo)。一般情況下，渦流損耗功率越小越好。渦流回路的渦流損耗功率Pe為:上式說(shuō)明，影響渦流損耗功率Pe的因素有●交變磁場(chǎng)的角頻率ω（或頻率f）●最大磁感應(yīng)強(qiáng)度Bm●導(dǎo)體的電阻率ρ●渦流形成的范圍r●被測(cè)金屬導(dǎo)體的厚度h被測(cè)金屬導(dǎo)體越薄，渦流損耗功率Pe越?。╤↓→Pe↓）。一般情況下，被測(cè)金屬導(dǎo)體的厚度很薄。2、線圈軸向磁感應(yīng)強(qiáng)度Bx線圈軸向磁感應(yīng)強(qiáng)度分布（對(duì)被測(cè)金屬導(dǎo)體內(nèi)的磁感應(yīng)）對(duì)渦流式傳感器的工作有著重大影響。線圈軸向磁場(chǎng)分布對(duì)其靈敏度和線性范圍起著決定性的作用?！褚咕€性范圍大，就要磁場(chǎng)軸向分布范圍大。●要使靈敏度高，就要求被測(cè)體在檢測(cè)線圈軸向移動(dòng)時(shí)渦流效應(yīng)的變化大，即線圈軸向磁場(chǎng)強(qiáng)度變化梯度大。所以，分析線圈軸向磁感應(yīng)強(qiáng)度分布十分必要。對(duì)傳感器來(lái)說(shuō)，希望靈敏度高，線性范圍大。3、渦流分布在渦流區(qū)內(nèi)，渦流的密度是按軸向和徑向梯度分布的。軸向：渦流區(qū)在被測(cè)金屬導(dǎo)體的表面層（即有限的軸向深度）徑向：渦流區(qū)在被測(cè)金屬導(dǎo)體徑向方向上一個(gè)有限的范圍徑向分布在線圈外徑r=r2處，渦流密度最大在r<0.4r2處以內(nèi)，基本上沒(méi)有渦流在r=1.8r2

處，渦流密度將衰減到最大值的5%r/r2Jr/J00.501.01.02.0渦流密度的徑向分布0.41.8渦流密度徑向距離r=r2r=0.4r2r=1.8r2「「「軸向分布渦流只在金屬的表面薄層內(nèi)存在，而且渦流密度的軸向分布是按指數(shù)規(guī)律衰減JZ=J0exp(z/h)0JZZhJ0/eJ0渦流軸向分布軸向距離渦流密度渦流密度軸向分布在被測(cè)金屬導(dǎo)體的表面層，所以在渦流式傳感器中被測(cè)金屬導(dǎo)體制作的比較薄。電渦流式傳感器的結(jié)構(gòu)類型1、變間隙式2、變面積式3、螺管式4、低頻透射式電渦流式傳感器的應(yīng)用1、轉(zhuǎn)速測(cè)量2、位移測(cè)量3、厚度測(cè)量磁電式傳感器磁電感應(yīng)式傳感器是以電磁感應(yīng)原理為基礎(chǔ)。由法拉第電磁定律可知，W匝線圈在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)切割磁力線或線圈所在磁場(chǎng)的磁通變化時(shí)，線圈中所產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e的大小取決于穿過(guò)線圈的磁通Φ的變化率，即：根據(jù)這一原理，可將磁電感應(yīng)式傳感器分為：恒定磁通式；變磁通式。磁電感應(yīng)式傳感器工作原理恒定磁通磁電感應(yīng)式傳感器測(cè)量時(shí)，磁路中的磁通恒定，感應(yīng)線圈相對(duì)磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)。變磁通式磁電感應(yīng)式傳感器測(cè)量時(shí)，磁路中的磁通變化（或磁路中的磁阻變化），因而感應(yīng)線圈中感應(yīng)電勢(shì)變化。磁電式傳感器的應(yīng)用

1、磁電式測(cè)振動(dòng)傳感器2、磁電式測(cè)轉(zhuǎn)速傳感器3、磁電式渦輪流量計(jì)工作原理霍爾式傳感器霍爾式傳感器是基于霍爾效應(yīng)原理將被測(cè)量轉(zhuǎn)換成電動(dòng)勢(shì)輸出的一種傳感器?；魻栃?yīng)：在磁場(chǎng)中放入一片寬為b、厚為d的載流導(dǎo)電薄板（材料為導(dǎo)體或半導(dǎo)體），若電流方向與磁場(chǎng)方向垂直，則在與磁場(chǎng)和電流兩者垂直方向上（即導(dǎo)電板的兩側(cè)）會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電勢(shì)差，這一現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。這個(gè)電勢(shì)差稱為霍爾電勢(shì)差。BI＋＋＋＋＋＋＋－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－bdU1U2霍爾效應(yīng)原理示意圖實(shí)驗(yàn)指出，霍爾電勢(shì)差U1-U2

與電流I、磁感應(yīng)強(qiáng)度B的大小成正比，與導(dǎo)電板的厚度d成反比，即：霍爾電壓式中：RH為霍爾系數(shù)，由導(dǎo)電材料的性質(zhì)決定以導(dǎo)體或半導(dǎo)體中的載流子（作定向運(yùn)動(dòng)的帶電粒子）在磁場(chǎng)中受到洛倫茲力作用的過(guò)程進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：式中：n為載流子濃度；q為電荷的電量上式（1）表明霍爾電壓●

與導(dǎo)電板厚度d成反比，一般霍爾器件制作的很薄金屬導(dǎo)體：半導(dǎo)體：與霍爾器件中載流子濃度n成反比●

與霍爾系數(shù)RH成正比故霍爾器件一般采用半導(dǎo)體材料。由于自由電子的濃度大，故金屬導(dǎo)體的霍爾系數(shù)很小，相應(yīng)的霍爾電勢(shì)也很弱。載流子的濃度很低，故半導(dǎo)體的霍爾系數(shù)比金屬導(dǎo)體的霍爾系數(shù)大得多，所以半導(dǎo)體能產(chǎn)生很強(qiáng)的霍爾效應(yīng)。上式（2）表明霍爾系數(shù)式（1）式（2）霍爾元件的誤差分析1、不等位電動(dòng)勢(shì)不等位電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的原因是由于兩個(gè)霍爾電極不對(duì)稱（使霍爾片電極點(diǎn)不能完全位于同一等電位面上）、另外霍爾片電阻率不均勻、片厚薄不均勻。當(dāng)霍爾元件在額定控制電流作用下，不加外磁場(chǎng)時(shí)，霍爾元件輸出端之間的空載電動(dòng)勢(shì)，稱為不等位電動(dòng)勢(shì)U0。消除不等位電動(dòng)勢(shì)的方法采用補(bǔ)償電路進(jìn)行補(bǔ)償。分析不等位電勢(shì)時(shí)，可以把霍爾元件等效為一個(gè)電橋，用分析電橋平衡來(lái)補(bǔ)償不等位電勢(shì)。下圖所示即為常見(jiàn)的補(bǔ)償電路。2、霍爾元件的溫度誤差一般半導(dǎo)體材料的電阻率、遷移率、載流子濃度等都隨溫度而變化。霍爾元件由半導(dǎo)體材料制成，因此它的性能參數(shù)、輸出電阻、霍爾系數(shù)等也隨溫度而變化，致使霍爾電動(dòng)勢(shì)變化，產(chǎn)生溫度誤差。解決方法：采用恒流源、恒壓源供電；溫度補(bǔ)償元件和補(bǔ)償電路等?；魻柺絺鞲衅鞯膽?yīng)用1、霍爾式位移傳感器2、霍爾式壓力傳感器壓電式傳感器壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng)在一些離子型晶體的電介質(zhì)的一定方向上施加機(jī)械力F而產(chǎn)生變形（應(yīng)變）時(shí)，就會(huì)引起內(nèi)部正負(fù)電荷中心相對(duì)轉(zhuǎn)移而產(chǎn)生極化；從而導(dǎo)致其兩個(gè)相對(duì)表面（極化面）上出現(xiàn)符號(hào)相反的約束電荷Q，且其端面產(chǎn)生電荷電量Q與施加的力F成正比（產(chǎn)生電荷密度σ與應(yīng)變T成正比）。當(dāng)外力消失，又恢復(fù)不帶電原狀；當(dāng)外力變向，電荷極性隨之而變。這種現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)。負(fù)壓電效應(yīng)若對(duì)晶體電介質(zhì)施加電場(chǎng)作用時(shí)，會(huì)引起電介質(zhì)內(nèi)部正負(fù)電荷中心的相對(duì)位移而導(dǎo)致電介質(zhì)產(chǎn)生變形（應(yīng)變），且其應(yīng)變T與外電場(chǎng)強(qiáng)度Ｅ成正比。這種現(xiàn)象稱為負(fù)（逆）壓電效應(yīng)，或稱電致伸縮。石英晶體的壓電效應(yīng)當(dāng)石英晶體受到沿x方向的壓縮力作用時(shí)，在x軸的正方向的晶體表面上出現(xiàn)正電荷，在x軸的反方向的晶體表面上出現(xiàn)負(fù)電荷

。在垂直于y軸和z軸的晶體表面上不出現(xiàn)電荷。這種沿x軸作用力，而在垂直于此軸晶面上產(chǎn)生電荷的現(xiàn)象，稱為晶體的“縱向壓電效應(yīng)”。●石英晶體受到沿x方向的壓縮力作用●石英晶體受到沿y軸方向的壓縮力作用當(dāng)石英晶體受到沿y軸方向的壓縮力Fy作用時(shí)，晶體沿y方向產(chǎn)生壓縮變形，在x軸的正方向的晶體表面上出現(xiàn)負(fù)電荷。在x軸的反方向的晶體表面上出現(xiàn)正電荷。這種受沿著y軸方向壓縮力Fy作用，而在垂直于x軸晶面上產(chǎn)生（電荷）極化的現(xiàn)象，稱為晶體的“橫向壓電效應(yīng)”?！窬w受到沿

z

軸方向的壓縮力作用當(dāng)晶體受到沿z軸方向的力（壓縮力或拉伸力）作用時(shí)，因?yàn)榫w在x方向和y方向的變形相同，正負(fù)電荷中心始終保持重和，電偶極矩在x、y方向的分量等于零，所以沿光軸方向施加作用力，石英晶體不會(huì)產(chǎn)生壓電效應(yīng)。如果石英晶體的各個(gè)方向受到均等的作用力（如液體壓力），石英晶體將保持電中性，此時(shí)，石英晶體沒(méi)有體積均勻變形的壓電效應(yīng)即沒(méi)有體壓電效應(yīng)?！袷⒕w的各個(gè)方向受到均等的作用力壓電陶瓷的壓電效應(yīng)原始的壓電陶瓷呈電中性，不具有壓電性質(zhì)。經(jīng)極化處理后的壓電陶瓷●無(wú)外力作用無(wú)外力作用時(shí)，壓電陶瓷兩個(gè)電極上無(wú)電壓?！裼型饬ψ饔迷谔沾善鲜┘右粋€(gè)與極化方向平行的壓力F時(shí)，陶瓷片將產(chǎn)生壓縮變形，片內(nèi)的正、負(fù)束縛電荷之間的距離變?。娕紭O子間的距離變小、電偶極矩變?。瑯O化強(qiáng)度也變小。因此，原吸附在電極上的自由電荷，有一部分被釋放，而出現(xiàn)放電荷現(xiàn)象；當(dāng)壓力撤消后，陶瓷片恢復(fù)原狀（這是一個(gè)膨脹過(guò)程），片內(nèi)正、負(fù)電荷之間的距離變大，極化強(qiáng)度也變大，因此電極上又吸附一部分自由電荷而出現(xiàn)充電現(xiàn)象。這種由機(jī)械效應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦?yīng)或由機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿默F(xiàn)象稱為壓電陶瓷正（順）壓電效應(yīng)?！裼型怆妶?chǎng)作用在陶瓷片上施加一個(gè)與極化方向平行的外電場(chǎng)，如果外電場(chǎng)的方向與陶瓷片極化方向相同時(shí)，陶瓷片沿極化方向產(chǎn)生伸長(zhǎng)變形。如果外加電場(chǎng)的方向與陶瓷極化方向相反，則陶瓷片沿極化方向產(chǎn)生縮短變形。這種由電效應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械效應(yīng)或由電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的現(xiàn)象，稱為壓電陶瓷負(fù)（逆）壓電效應(yīng)。壓電方程石英晶體的切片及符號(hào)切型—是在晶體坐標(biāo)中取某種方位的晶體切割●IRE

標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的符號(hào)表示法切型代號(hào)（取厚度t方向）原始方位（取初始t、l所在面）石英晶體切型的IRE表示法12345678(xyltω)φ/θ/ψ厚長(zhǎng)第第第第第第tl一二三一二三次次次取向轉(zhuǎn)軸逆時(shí)針轉(zhuǎn)角度xzylωt１、石英晶體的壓電方程寫(xiě)成矩陣形式：簡(jiǎn)寫(xiě)成：式中：σ是在x、y、z軸面上產(chǎn)生的總電荷密度石英晶片在任意的多方向的應(yīng)力同時(shí)作用下的全壓電公式為：式中：i=1,2,3j=1,2,3,4,5,6xyzT1T2T6T5T4T3T1T2T6T5T4T3xyzσ=dT石英晶體的壓電方程和壓電常數(shù)①晶體受到應(yīng)力

T1作用當(dāng)晶體受到應(yīng)力T1作用時(shí)，晶體在x、y、z三個(gè)方向上產(chǎn)生壓縮變形（應(yīng)變）●

y、z方向的變形，電偶極矩和為零，無(wú)壓電效應(yīng)?！癞?dāng)晶體受到應(yīng)力T1作用時(shí)，晶體的壓電常數(shù)為：d11≠0，d21=d31=0●

x方向的變形（應(yīng)變）使其正、負(fù)離子的相對(duì)位置發(fā)生變化，正、負(fù)電荷的中心不再重合，因此，在x方向上產(chǎn)生壓電效應(yīng)。

②晶體受到應(yīng)力T2作用當(dāng)晶體受到應(yīng)力T2作用時(shí)，晶體在x、y、z三個(gè)方向上產(chǎn)生應(yīng)變●

y、z方向的變形，電偶極矩為零，無(wú)壓電效應(yīng)?！癞?dāng)晶體受到應(yīng)力T2作用時(shí)，晶體的壓電常數(shù)為：d12=-d11≠0，d22=d32=0●

x方向的變形（應(yīng)變）使其正、負(fù)離子的相對(duì)位置發(fā)生變化，正、負(fù)電荷的中心不再重合，因此，在x方向上產(chǎn)生壓電效應(yīng)?！駒、y、z方向的變形（應(yīng)變）沒(méi)有改變電荷中心重合的情況，電偶極矩和為零，無(wú)壓電效應(yīng)。③晶體受到應(yīng)力T3

作用當(dāng)晶體受到應(yīng)力T3作用時(shí)，晶體在x、y、z三個(gè)方向上產(chǎn)生應(yīng)變。●當(dāng)晶體受到應(yīng)力T3作用時(shí)，晶體的壓電常數(shù)為：d13=d23=d33=0④晶體受到切應(yīng)力T4作用●

x方向的伸縮變形（應(yīng)變），在x方向上產(chǎn)生壓電效應(yīng)?！駓、z方向的伸縮變形，無(wú)壓電效應(yīng)?！癞?dāng)晶體受到應(yīng)力T4作用時(shí)，晶體的壓電常數(shù)為：d14≠0，d24=d34=0實(shí)驗(yàn)證明：當(dāng)晶體受到切應(yīng)力T4作用時(shí)，晶體在x、y、z三個(gè)方向上產(chǎn)生應(yīng)變。⑤晶體受到切應(yīng)力T5、T6作用實(shí)驗(yàn)證明：當(dāng)晶體受到切應(yīng)力T5、T6作用時(shí)，晶體在x、y、z三個(gè)方向上產(chǎn)生應(yīng)變●改變了y方向電偶極矩p=0的狀態(tài)（由應(yīng)力的扭曲變形造成），在y方向上產(chǎn)生壓電效應(yīng)?！駒、z方向的伸縮變形，無(wú)壓電效應(yīng)?！癞?dāng)晶體受到應(yīng)力T5、T6分別作用時(shí)，晶體的壓電常數(shù)為：d25≠0，d15=d35=0d26≠0，d16=d36=0并且實(shí)驗(yàn)結(jié)論：d25=-d14，d26=-2d11由上面的分析可見(jiàn)石英晶體的壓電常數(shù)只有d11和d14

是獨(dú)立的壓電常數(shù)矩陣、壓電方程可寫(xiě)成：實(shí)驗(yàn)測(cè)取d11=2.31×10-12（C/N庫(kù)侖/牛頓）d14=±0.73×10-12（C/N庫(kù)侖/牛頓）石英晶體表面電荷的計(jì)算設(shè)有一個(gè)x0°型六面體左旋石英晶片。當(dāng)晶片受到x方向的壓縮應(yīng)力T1（N/m2）作用時(shí)，晶片產(chǎn)生厚度變形，在垂直于x軸表面產(chǎn)生的電荷密度σ11與應(yīng)力T1成正比，即：式中：F1沿晶軸x方向施加的壓縮力（N牛頓）d11壓電常數(shù)，它與受力和變形方式有關(guān)。石英晶體在x方向承受機(jī)械應(yīng)力時(shí)的壓電常數(shù)d11=2.31×10-12（C/N庫(kù)侖/牛頓）l、ω為石英晶片的長(zhǎng)度和寬度（m）①晶片受到x方向的壓縮應(yīng)力T1

作用xyzlωtT1因?yàn)槭街校簈11為垂直于x軸晶片表面的電荷的電量（C庫(kù)侖）所以由上式可見(jiàn)當(dāng)石英晶片受到x方向施加壓縮力F1時(shí)，產(chǎn)生電荷電量q11正比于作用力F1，與晶片的幾何尺寸無(wú)關(guān)。＋＋＋＋－－－－xF1－－－－＋＋＋＋xF1如果晶片在x軸方向受到拉力F1（大小與壓縮力相等）的作用，則仍在垂直于x軸表面上出現(xiàn)等量的電荷，但極性相反，如下圖所示。晶片電荷的極性如上圖所示。當(dāng)晶片受到沿y（機(jī)械軸）方向的應(yīng)力T2作用時(shí)，在垂直于x軸表面上出現(xiàn)電荷，電荷密度σ12與施加的應(yīng)力T2成正比，即：所以電荷電量q12為：式中：d12石英晶體在y方向承受機(jī)械應(yīng)力時(shí)的壓電常數(shù)。根據(jù)石英軸對(duì)稱的條件，d12=-d11。上式可寫(xiě)成：式中：F2沿晶y軸方向?qū)w施加的作用力（N牛頓）q12在F2作用下，在垂直于x軸的晶片表面上出現(xiàn)的電荷的電量（C庫(kù)侖）l、t為石英晶片的長(zhǎng)度和厚度（m米）②晶片受到沿y方向的應(yīng)力T2

作用因?yàn)閤yzlωtT2由上式可見(jiàn)沿機(jī)械軸y方向?qū)┘訅嚎s力F2時(shí)，產(chǎn)生電荷電量q12正比于作用力F2，產(chǎn)生的電荷量q12還與晶片尺寸l、t有關(guān)。適當(dāng)選擇晶片的尺寸，增加其長(zhǎng)度l和減少其厚度t，可以增加晶片表面的電荷量。＋＋＋＋－－－－xF2＋＋＋＋－－－－xF2如果晶片在y軸方向受到力F2為拉力（大小與壓縮力相等）的作用，則在垂直于x軸表面上出現(xiàn)上正、下負(fù)的電荷。如下圖所示。當(dāng)作用力F2為壓縮力且在y軸方向時(shí)，在垂直于x軸表面出現(xiàn)等量的電荷，晶片電荷的極性上負(fù)、下正，如右圖所示。xyzlωtF22、壓電陶瓷的壓電方程以鈦酸鋇壓電陶瓷為例，由實(shí)驗(yàn)測(cè)試得其壓電方程為：式中：d33=190×10-12（C/N庫(kù)侖/牛頓）d31=d32=-0.41d33=-78×10-12（C/N庫(kù)侖/牛頓）d15=-d24=250×10-12（C/N庫(kù)侖/牛頓）由上可見(jiàn)壓電陶瓷也不是在任何方向上都有壓電效應(yīng)，其壓電效應(yīng)情況為：①在x方向上只有d15厚度剪切（應(yīng)力）壓電效應(yīng)。③在z方向上存在d33（正應(yīng)力）縱向壓電效應(yīng)。⑤在z方向，三個(gè)方向應(yīng)力T1、T2、T3同時(shí)作用，產(chǎn)生體積變形壓電效應(yīng)；當(dāng)外加三個(gè)方向應(yīng)力相等（如液體壓力）時(shí)，由壓電方程可得：式中：d3=2d31+d33稱為體積壓電常數(shù)②在y方向上只有d24厚度剪切（應(yīng)力）壓電效應(yīng)。④在z方向上存在d31、d32（正應(yīng)力）橫向壓電效應(yīng)。T2T3體積壓電效應(yīng)zxyT1T2T1d3T3壓電式傳感器的等效電路與測(cè)量電路一、壓電傳感器的等效電路可以把壓電傳感器等效為一個(gè)電荷源q和一個(gè)電容Ca相并聯(lián)的電荷等效電路。壓電傳感器也可以等效為一個(gè)電壓源Ua和一個(gè)電容Ca相串聯(lián)的電壓等效電路。壓電傳感器在實(shí)際使用時(shí)總要與測(cè)量?jī)x器或測(cè)量電路相連接,因此還須考慮連接電纜的等效電容Cc，放大器的輸入電阻Ri，輸入電容Ci以及壓電傳感器的泄漏電阻Ra。壓電傳感器的實(shí)際等效電路二、壓電式傳感器測(cè)量電路1、電壓放大器KUaCaRaCeCiRiRa:壓電元件漏電阻Ce連接電纜電容Ri、Ci放大器輸入阻抗、電容圖1壓電傳感器與電壓放大器連接的等效電路圖2、電荷放大器電荷放大器是一個(gè)具有深度電容負(fù)反饋的高增益運(yùn)算放大器。其等效電路如圖2所示。RfKUoutCfCiCcCaq圖2壓電傳感器與電荷放大器連接的等效電路圖壓電式傳感器的應(yīng)用1、壓縮型壓電加速度傳感器2、壓電式力傳感器3、微位移器件光電式傳感器發(fā)光器件1、鎢絲白熾燈2、氣體放電燈3、發(fā)光二極管4、激光器激光的產(chǎn)生

激光器的組成激光器的分類光敏元件光電效應(yīng)光照射在某些物體上，使物體內(nèi)部的原子釋放出電子的現(xiàn)象，稱為光電效應(yīng)。光電效應(yīng)一般分為外光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)兩大類；內(nèi)光電效應(yīng)又可分為光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)兩類。由愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程：產(chǎn)生光電效應(yīng)的條件當(dāng)光子能量大于電子逸出功時(shí)，發(fā)射出光電子，產(chǎn)生光電效應(yīng)。當(dāng)光子能量小于電子逸出功時(shí)，不發(fā)射出光電子，不能產(chǎn)生光電效應(yīng)。紅限頻率當(dāng)光子能量等于電子逸出功時(shí)，光電子的初速度υ=0，此時(shí)光子的能量hv=A，光子相應(yīng)的單色光頻率為v0，該頻率為紅限頻率。即物質(zhì)產(chǎn)生光電效應(yīng)的最低頻率。1、外光電效應(yīng)物體在受到光的照射時(shí)，其內(nèi)部的原子吸收光子（能量）后，繞核運(yùn)動(dòng)的電子掙脫原子核的束縛而成為自由電子，并從物體表面逸出的現(xiàn)象，稱為外光電效應(yīng)。逸出的電子稱為光電子。根據(jù)外光電效應(yīng)制成的光敏元件典型的有：真空光電管光電倍增管等2、光電導(dǎo)效應(yīng)物體受到光的照射時(shí)，其內(nèi)部的電子吸收光子的能量后，掙脫原子的束縛而成為自由電子；但這些電子并不逸出物體表面，而仍留在物體的內(nèi)部，使物體電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為光電導(dǎo)效應(yīng)?；诠怆妼?dǎo)效應(yīng)的光電器件主要是光敏電阻。其特性為：在光的照射下其電阻率變小，阻值隨光照度的增加而減小，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)；光照停止后，自由電子被失去電子的原子核俘獲，材料的電阻又恢復(fù)原值。光伏特型光電傳感器是利用光伏特效應(yīng)實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。光伏特型的器件有：光電池（太陽(yáng)能電池）光敏二極管光敏三極管等在光線作用下能夠使物體產(chǎn)生一定方向的電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象叫做光生伏特效應(yīng)。3、光伏特效應(yīng)CCD光電器件CCD電荷耦合器件是由光敏元件陣列和電荷轉(zhuǎn)移器件集合而成。它的基本功能是電荷的存貯和電荷的轉(zhuǎn)移。因此，CCD的基本工作原理是信號(hào)電荷的產(chǎn)生、存貯、傳輸和檢測(cè)。光電傳感器的應(yīng)用一、模擬式光電傳感器二、開(kāi)關(guān)式光電傳感器三、利用幾何光學(xué)原理進(jìn)行距離測(cè)量四、金屬絲的楊氏模量測(cè)量五、激光測(cè)距-傳輸時(shí)間激光測(cè)距傳感器光纖傳感器光纖的傳光原理及特性1、光纖的結(jié)構(gòu)纖芯包層涂覆層護(hù)套n纖芯>n包層根據(jù)光學(xué)原理當(dāng)光線以較小的入射角θk

由光密媒質(zhì)1射向光疏媒質(zhì)2（n1>n2）時(shí)，一部分光以折射角θr折射入媒質(zhì)2，一部分以θk反射回媒質(zhì)1。由光折射和反射的斯乃爾Snell定律有：纖芯n1包層n2θj光纖的結(jié)構(gòu)及光導(dǎo)原理媒質(zhì)1媒質(zhì)2θkθrθk包層n2媒質(zhì)22、光纖波導(dǎo)的工作原理媒質(zhì)2（n2）媒質(zhì)1（n1）光在兩個(gè)媒質(zhì)界面上的折射與反射當(dāng)θk

角逐漸增大，直到θk

=θc時(shí)，射入媒質(zhì)2中折射光沿界面?zhèn)鞑ィé萺

=90°）。對(duì)應(yīng)于θr

=90°時(shí)的入射角θk

稱為臨界角θc當(dāng)入射角θk

>θc

時(shí)，入射光不再折射入媒質(zhì)2，而在媒質(zhì)1（纖芯）內(nèi)產(chǎn)生連續(xù)向前的全部反射