發(fā)電型傳感器

發(fā)電型傳感器第一頁，共八十二頁，2022年，8月28日3.1

壓電型傳感器壓電型傳感器是一種典型的有源傳感器，又稱自發(fā)電式傳感器或電勢式傳感器。它既能將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能，又能將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。其工作原理是基于某些晶體受力后在其表面產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)。常見的壓電材料有石英晶體、人工合成的多晶體陶瓷和有機(jī)高分子材料。近年來，壓電測試技術(shù)發(fā)展迅速，特別是電子技術(shù)的迅速發(fā)展，使壓電式傳感器的應(yīng)用日益廣泛。下一頁返回第二頁，共八十二頁，2022年，8月28日3.1

壓電型傳感器

壓電型傳感器工作原理壓電效應(yīng)在某些晶體切片（如石英晶體切片）上，沿一定方向加上外力，晶體切片不僅幾何尺寸會發(fā)生變化，而且晶體內(nèi)部也會發(fā)生極化現(xiàn)象，導(dǎo)致晶體表面積累電荷，形成電場，當(dāng)外力除去后晶體表面又恢復(fù)到不帶電狀態(tài)，這種現(xiàn)象被稱為壓電效應(yīng)。如圖3-1所示為壓電效應(yīng)示意圖。若將壓電材料置于電場之中，其幾何尺寸也會發(fā)生變化，這種由于外電場作用，導(dǎo)致壓電材料產(chǎn)生機(jī)械變形的現(xiàn)象，稱為逆壓電效應(yīng)或電致收縮效應(yīng)。上一頁下一頁返回第三頁，共八十二頁，2022年，8月28日3.1

壓電型傳感器壓電材料常見的壓電材料有三類：石英，晶體、壓電陶瓷和高分子壓電材料。1）石英晶體。石英晶體亦稱為水晶，它是重要的壓電材料，具有很多獨(dú)特的優(yōu)點，是目前高精度壓電式傳感器中常用的壓電材料。由于天然石英晶體產(chǎn)量有限，所以近年來廣泛采用人造石英晶體。石英晶體外形及切片如圖3-2所示。上一頁下一頁返回第四頁，共八十二頁，2022年，8月28日3.1

壓電型傳感器2）壓電陶瓷壓電陶瓷是人工制造的多晶體壓電材料。它山無數(shù)細(xì)微的電疇組成，這些電疇實際上是分子自發(fā)極化的小區(qū)域，在無外電場作用時，各個電疇在晶體中雜亂分布，它們的極化效應(yīng)被相互抵消，因此原始的壓電陶瓷呈電中性，不具有壓電性質(zhì)。為了使壓電陶瓷具有壓電效應(yīng)，必須在一定溫度下做極化處理，極化處理之后，陶瓷材料內(nèi)部存在很強(qiáng)的剩余極化強(qiáng)度。當(dāng)壓電陶瓷受外力作用時，其表面也能產(chǎn)生電荷，所以壓電陶瓷具有壓電效應(yīng)。如圖3-3

所示為壓電陶瓷的極化過程。上一頁下一頁返回第五頁，共八十二頁，2022年，8月28日3.1

壓電型傳感器3）高分子壓電材料高分子壓電材料是一種新型材料，有聚偏二氟乙烯（PVF或PVDF）、聚氟乙烯（PVF）、聚氯乙烯（PVC）等。高分子壓電材料的最大特點具有柔軟性，它不易破碎，具有防水性，測量動態(tài)范圍寬，頻響范圍大但其工作溫度一般低于100℃，當(dāng)溫度升高時，其靈敏度將降低，同時機(jī)械強(qiáng)度不高，耐紫外線能力較差，不宜暴曬。上一頁下一頁返回第六頁，共八十二頁，2022年，8月28日3.1

壓電型傳感器

壓電型傳感器測量轉(zhuǎn)換電路壓電元件的等效電路在壓電晶片產(chǎn)生電荷的兩個平面上裝上金屬電極，就構(gòu)成了一個壓電元件。當(dāng)壓電晶片受力時，在晶體的一個表面會聚集正電荷，而在另一個表面會聚集等量的負(fù)電荷，所以它可以被看做是一個電荷發(fā)生器，同時，它又相當(dāng)于一個以壓電材料為絕緣介質(zhì)的電容器，其電容值為：上一頁下一頁返回第七頁，共八十二頁，2022年，8月28日3.1

壓電型傳感器如圖3-4（a）所示，壓電元件可以等效為一個與電容相并聯(lián)的電荷源。如圖3-4（b）所示，壓電元件也可以等效為一個與電容相串聯(lián)的電壓源。壓電元件的端電壓為：壓電元件在交變力的作用下，電荷可以不斷產(chǎn)生，可以供給測量回路以一定的電流，因此，壓電式傳感器適用于動態(tài)測量。上一頁下一頁返回第八頁，共八十二頁，2022年，8月28日3.1

壓電型傳感器壓電傳感器的測量電路根據(jù)壓電式傳感器的轉(zhuǎn)換原理及其等效電路，它的輸出可以是電壓，也可以是電荷，為此，前置放大器有兩種形式：一種是電壓放大器，其輸出電壓與輸入電壓（即傳感器的輸出電壓）成比例，通常將此種前置放大器稱作阻抗變換器，它對整個測量系統(tǒng)電纜電容的變化非常敏感，尤其是連接電纜長度的變化更為明顯；另一種是電荷放大器，其輸出電壓與輸入電荷成比例，這種放大器對電纜長度變化的影響極為遲鈍，所以對其造成的影響可忽略不計。上一頁下一頁返回第九頁，共八十二頁，2022年，8月28日3.1

壓電型傳感器電壓放大器如圖3-6所示，（a）為壓電傳感器連接電壓放大器的等效電路，（b）是簡化后的等效電路。輸入電壓為當(dāng)時，輸出電壓為：可以看出放大器輸入電壓幅度與被測頻率無關(guān)，當(dāng)改變連接傳感器與前置放大器的電纜長度時，Cc將改變，從而引起放大器的輸出電壓也發(fā)生變化。上一頁下一頁返回第十頁，共八十二頁，2022年，8月28日3.1

壓電型傳感器電荷放大器如圖3-7是壓電傳感器連接電荷放大器的等效電路。電荷放大器是壓電式傳感器另一種專用的前置放大器，它可以將高內(nèi)阻的電荷源轉(zhuǎn)換為低內(nèi)阻的電壓源輸出，而且輸出電壓正比于輸入電荷。因此，它也同樣起著阻抗變換的作用。使用電荷放大器最大的一個優(yōu)點是傳感器的靈敏度與連接電纜長度無關(guān)。電荷放大器的輸出電壓為：當(dāng)A>>1時，輸出電壓為上一頁下一頁返回第十一頁，共八十二頁，2022年，8月28日3.1

壓電型傳感器由于引入了深度的電容負(fù)反饋，使放大器輸出只與穩(wěn)定的Cf有關(guān)，與電纜分布電容等無關(guān)，甚至可以忽略其影響。壓電傳感器的應(yīng)用壓電傳感器主要用于脈動力、沖擊力、振動等動態(tài)參數(shù)的測量。由于壓電材料可以是石英晶體、壓電陶瓷和高分子壓電材料等，它們的特性不盡相同，所以用途也不一樣。石英晶體主要用于精密測量，多用于基準(zhǔn)傳感器；壓電陶瓷靈敏度較高，機(jī)械強(qiáng)度稍低，多用于測力和振動傳感器；而高分子壓電材料多用于定性測量。下面介紹壓電傳感器的應(yīng)用上一頁下一頁返回第十二頁，共八十二頁，2022年，8月28日3.1

壓電型傳感器壓電元件的連接如圖3-8所示為壓電元件的連接方式。壓電元件通常是兩片或兩片以卡粘貼在一起，由于壓電片上的電荷是有極性的，因此有串聯(lián)和并聯(lián)兩種連接方法，用的比較多的是并聯(lián)接法，并聯(lián)之后極板上的總電荷量是單塊極板的兩倍。壓電式動態(tài)力傳感器如圖3-9所示為壓電式單向動態(tài)力傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。當(dāng)壓電片受壓后產(chǎn)生電荷（電壓），由兩根輸出線輸出，然后接人電荷放大器或電壓放大器，轉(zhuǎn)換成與作用力大小成正比的電壓。這種動態(tài)力傳感器主要用于變化頻率不太高的動態(tài)力測量。上一頁下一頁返回第十三頁，共八十二頁，2022年，8月28日3.1

壓電型傳感器壓電式振動加速度傳感器

壓電式加速度傳感器是將被測加速度轉(zhuǎn)換成電荷或電壓輸出的裝置，其結(jié)構(gòu)同測力傳感器很相似。玻璃打碎報警裝置玻璃打碎報警裝置是將高分子壓電薄膜粘貼在玻璃上，當(dāng)玻璃破碎時，會發(fā)出幾千赫茲或更高頻率的振動，高分子壓電薄膜可以感受這一振動，同時將振動波轉(zhuǎn)換成電壓，然后經(jīng)放大、濾波、比較等處理后提供給報警系統(tǒng)。上一頁返回第十四頁，共八十二頁，2022年，8月28日3.2

霍爾式傳感器

霍爾式傳感器是基于霍爾效應(yīng)的一種傳感器。1879年美國物理學(xué)家霍爾首先在金屬材料中發(fā)現(xiàn)了霍爾效應(yīng)，但由于金屬材料的霍爾效應(yīng)太弱而沒有得到應(yīng)用。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，開始用半導(dǎo)體材料制成霍爾元件，由于其霍爾效應(yīng)顯著而得到廣泛的應(yīng)用和迅速的發(fā)展。目前，霍爾傳感器已廣泛用于電磁、壓力、位移、加速度、振動等方面的測量。下一頁返回第十五頁，共八十二頁，2022年，8月28日3.2

霍爾式傳感器

霍爾式傳感器的工作原理霍爾效應(yīng)如圖3-12所示為霍爾效應(yīng)原理圖。將金屬或半導(dǎo)體霍爾元件放置于磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場中，若磁場方向垂直于霍爾元件，當(dāng)有電流I流過時，在垂直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生電動勢認(rèn)UH，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。產(chǎn)生的電動勢UH為霍爾電動勢。實驗可知，霍爾電動勢的大小正比于流過霍爾元件的電流I和加在霍爾元件上的磁感應(yīng)強(qiáng)度B

。即

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霍爾式傳感器若磁感應(yīng)強(qiáng)度不垂直于霍爾元件，而是與法線成某一角度，則霍爾電動勢為：霍爾元件霍爾元件的結(jié)構(gòu)很簡單，它由霍爾片、引線和殼體組成。如圖3-13所示?；魻柶且粔K矩形半導(dǎo)體薄片，一般采用N型的鍺、銻化錮和砷化錮半導(dǎo)體單晶體材料制成。上一頁下一頁返回第十七頁，共八十二頁，2022年，8月28日3.2

霍爾式傳感器霍爾元件的基本電路霍爾元件的基本電路如圖3-14所示。控制電流由電源E

供給，RP為調(diào)節(jié)電阻，調(diào)節(jié)控制電流的大小?；魻栘＜敵龆私迂?fù)載電阻Rf，Rf可以是一般電阻，也可以是放大器的輸入電阻或指示器內(nèi)阻。在磁場和控制電流的作用下，負(fù)載上就有電壓輸出。霍爾元件的輸出電壓一般較小，一般裔要用放大電路將其進(jìn)行放大處理。為了獲得較好的放大效果，通常采用差分放大電路，如圖3-15所示。上一頁下一頁返回第十八頁，共八十二頁，2022年，8月28日3.2

霍爾式傳感器霍爾元件的誤差及補(bǔ)償由于制造工藝的缺陷及半導(dǎo)體材料本身的特性，霍爾元件在使用中存在各種零位誤差及溫度誤差。不等位電壓及其補(bǔ)償霍爾元件的零位誤差主要包括不等位電壓、寄生直流電壓、感應(yīng)電壓及自激磁場零電壓。其中不等位電壓是最主要的一個零位誤差。由于控制電極的端面接觸不良，兩個霍爾電極在制造時不可能絕對對稱地焊在霍爾片兩側(cè)，從而造成霍爾片電阻率不均勻。上一頁下一頁返回第十九頁，共八十二頁，2022年，8月28日3.2

霍爾式傳感器兩電極不處在同一等位面上，因此在兩極之間存在著電位差，該電位差稱為不等位電壓。在分析不等位電壓時，可把霍爾電極等效為一個電橋，如圖3-18所示。在制造霍爾元件的過程中，可采用機(jī)械修磨或用化學(xué)腐蝕的方法來使電橋恢復(fù)平衡，減小不等位電壓。對已制成的霍爾元件，可采用外接補(bǔ)償線路等方法進(jìn)行補(bǔ)償如圖3-19所示為幾種常用的補(bǔ)償電路。上一頁下一頁返回第二十頁，共八十二頁，2022年，8月28日3.2

霍爾式傳感器溫度誤差及其補(bǔ)償由于霍爾元件基片的載流子遷移率、電阻率和霍爾常數(shù)等均是溫度的函數(shù)，因此在工作溫度變化時，它的一些特性參數(shù)，如霍爾電勢、輸入電阻和輸出電阻等都要發(fā)生相應(yīng)的變化，從而使霍爾式傳感器產(chǎn)生溫度誤差。為了減小霍爾元件的溫度誤差，除選用溫度系數(shù)小的元件（如砷化錮）或采用恒溫措施外，采用恒流源供電是個有效的措施，但這還不能完全解決霍爾電壓的穩(wěn)定性問題，還需采用其他補(bǔ)償電路。圖3-20所示是一種較好的溫度補(bǔ)償電路。上一頁下一頁返回第二十一頁，共八十二頁，2022年，8月28日3.2

霍爾式傳感器經(jīng)補(bǔ)償之后的霍爾電動勢受溫度的影響極小，而且對霍爾元件的其他性能沒有影響，只是由于激勵電流被分流了，霍爾電壓的輸出稍有降低，但這可以通過增大恒流源的數(shù)值以達(dá)到原來的霍爾電壓的輸出值?；魻柤呻娐冯S著微電子技術(shù)的發(fā)展，目前霍爾器件多已集成化。霍爾集成電路（又稱霍爾IC）有許多優(yōu)點，如靈敏度高、體積小、溫漂小、輸出幅度大、對電源穩(wěn)定性要求低等?；魻柤呻娐房煞譃殚_關(guān)型和線性型兩大類。上一頁下一頁返回第二十二頁，共八十二頁，2022年，8月28日3.2

霍爾式傳感器開關(guān)型霍爾集成電路開關(guān)型霍爾集成電路是利用霍爾元件與集成電路技術(shù)結(jié)合而制成的一種磁敏傳感器模塊，它能感知一切與磁信息有關(guān)的物理量，并以開關(guān)形式輸出。霍爾開關(guān)集成傳感器具有使用壽命長、無觸點磨損、無火花干擾、無轉(zhuǎn)換抖動、工作頻率高、溫度特性好、能適應(yīng)惡劣的環(huán)境等優(yōu)點。霍爾開關(guān)集成傳感器的工作特性曲線如圖3-23所示.上一頁下一頁返回第二十三頁，共八十二頁，2022年，8月28日3.2

霍爾式傳感器工作原理當(dāng)有磁場作用在傳感器上時，根據(jù)霍爾效應(yīng)，霍爾元件輸出霍爾電壓，該電壓經(jīng)放大器放大后，送至施密特觸發(fā)整形電路，當(dāng)放大后的電壓大于施密特觸發(fā)器“開啟”閥值電壓時，施密特整形電路翻轉(zhuǎn)，輸出高電平，使三極管V導(dǎo)通，這種狀態(tài)我們稱之為“開狀態(tài)”；當(dāng)磁場減弱時，霍爾元件輸出的電壓很小，經(jīng)放大器放大后其值也小于施密特整形電路的“關(guān)閉”閥值電壓，施密特整形電路再次翻轉(zhuǎn)，輸出低電平，使三極管V

截止，這種狀態(tài)我們稱為“關(guān)狀態(tài)”。這樣，一次磁場強(qiáng)度的變化，就使傳感器完成了一次開關(guān)動作。上一頁下一頁返回第二十四頁，共八十二頁，2022年，8月28日3.2

霍爾式傳感器線性型霍爾集成電路線性型霍爾集成電路的輸出電壓與外加磁場強(qiáng)度呈線性比例關(guān)系。這類傳感器一般由霍爾元件和放大器組成，當(dāng)外加磁場時，霍爾元件產(chǎn)生與磁場成線性比例變化的霍爾電壓，經(jīng)放大器放大后輸出。在實際電路設(shè)計中，為廠提高傳感器的性能，往往在電路中設(shè)置穩(wěn)壓、電流放大輸出級、失調(diào)調(diào)整和線性度調(diào)整等電路。

圖3-24給出了具有雙端差動輸出特性的線性霍爾器件UGN3501M的內(nèi)部電路框圖。上一頁下一頁返回第二十五頁，共八十二頁，2022年，8月28日3.2

霍爾式傳感器當(dāng)其感受的磁場為零時，第1腳相對于第8腳的輸出電壓等于零；當(dāng)感受的磁場為正向時,輸出為正；磁場為反向時，輸出為負(fù)。當(dāng)它的第5、6、7

腳外接一只微調(diào)電位器后，就可以微調(diào)并消除不等位電勢引起的輸出零點漂移。若要實現(xiàn)單端輸出，只要將1、8

端接到差動減法放大器的正負(fù)輸入端上。線性霍爾集成電路的輸出特性如圖3-25所示。上一頁下一頁返回第二十六頁，共八十二頁，2022年，8月28日3.2

霍爾式傳感器3.2.4霍爾式傳感器的應(yīng)用霍爾式傳感器的應(yīng)用主要有以下三個方面：（l）當(dāng)控制電流不變，使傳感器處于非均勻磁場時，傳感器的輸出正比于磁感應(yīng)強(qiáng)度，可反映角度、位置或激勵電流的變化。主要用于磁場測量、微位移測量、三角函數(shù)發(fā)生器、轉(zhuǎn)速表、測力裝置等。（2）當(dāng)控制電流與磁感應(yīng)強(qiáng)度都為變量時，傳感器的輸出與兩者的乘積成正比。主要用于乘法計、功率計等。（3）當(dāng)保持磁感應(yīng)強(qiáng)度恒定不變時，則利用霍爾電壓與控制電流成正比的關(guān)系，可以做成過電流控制裝置等。上一頁下一頁返回第二十七頁，共八十二頁，2022年，8月28日3.2

霍爾式傳感器霍爾開關(guān)集成傳感器的位置檢測霍爾開關(guān)集成傳感器的基本工作方式如圖3-26所示。其中圖3-26（a）中磁體的取向總是使磁體的軸線與霍爾開關(guān)集成傳感器的正面相垂直，且位于開關(guān)集成傳感器的中心線卡，磁通密度是氣隙D

的函數(shù)，磁體接近開關(guān)集成傳感器移動，電路就導(dǎo)通；反之，電路截止。在圖3-26（b）中當(dāng)磁棒軸線處于開關(guān)中心線時，能夠獲得最大的磁通密度，從而使電路接通。為了更好地啟動霍爾開關(guān)，氣隙要盡量小。上一頁下一頁返回第二十八頁，共八十二頁，2022年，8月28日3.2

霍爾式傳感器霍爾式微壓力傳感器霍爾式微壓力傳感器的原理示意圖如圖3-27

所示，該傳感器主要由霍爾元件l、磁鐵2和彈性波紋膜盒3組成?；魻柺诫娏鱾鞲衅饔靡画h(huán)形導(dǎo)磁材料作成磁心，套在被測電流流過的導(dǎo)線上，能將導(dǎo)線中電流感生的磁場聚集起來。在磁心上開有一氣隙，內(nèi)置一個霍爾線性器件，器件通電后便可輸出霍爾電壓，從而可以檢測導(dǎo)線中流過電流的大小。上一頁下一頁返回第二十九頁，共八十二頁，2022年，8月28日3.2

霍爾式傳感器非接觸的按鍵開關(guān)如圖3-30

所示是一個山開關(guān)型集成霍爾傳感器和兩小塊永久磁鐵構(gòu)成的鍵盤開關(guān)的結(jié)構(gòu)示意圖。在按鍵末按下時，磁鐵處于圖3-30（a）所示的位置，通過霍爾傳感器的磁力線是有上向下的；在按下按鈕時，磁鐵位置變化到圖3-30（b）所示的位置，這時通過霍爾傳感器的磁力線方向由下向上的。因此，在按下按鍵前后霍爾傳感器的輸出處于不同的狀態(tài)。這種非接觸的按鍵開關(guān)工作十分穩(wěn)定、可靠，且使用壽命長，被廣泛用于計算機(jī)終端鍵盤。上一頁下一頁返回第三十頁，共八十二頁，2022年，8月28日3.2

霍爾式傳感器用霍爾式集成傳感器實現(xiàn)無觸點照明控制用霍爾集成傳感器構(gòu)成的無觸點照明控制電路如圖3-31

所示。旋轉(zhuǎn)傳感旋轉(zhuǎn)傳感可用作物體旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的檢測，諸如角位移、角速度、角加速度、流速、流量等。如圖3-32所示為旋轉(zhuǎn)物體的測速報警電路框圖。上一頁返回第三十一頁，共八十二頁，2022年，8月28日3.3熱電偶傳感器

熱電偶傳感器也是一種自發(fā)電型的溫度傳感器，它能方便地將溫度信號轉(zhuǎn)換成電勢信號。熱電偶傳感器性能穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單，測量范圍廣，一般在-180℃---2800℃之間。在高溫范圍內(nèi)，靈敏度要比熱電阻高得多，并且熱慣性小、反應(yīng)快，可以用標(biāo)準(zhǔn)的顯示儀表和記錄儀表來進(jìn)行顯示和記錄，日前在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究中已得到廣泛的應(yīng)用。3.3.1熱電偶傳感器的工作原理熱電偶的工作原理是基于物體的熱電效應(yīng)。下一頁返回第三十二頁，共八十二頁，2022年，8月28日3.3熱電偶傳感器工作原理如圖3-33

所示，將兩種不同材料的導(dǎo)體或半導(dǎo)體（A、B）串接成一個閉合回路，若兩結(jié)合點的溫度不同，回路中將產(chǎn)生一電動勢，這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。由兩種不同材料的導(dǎo)體組成的回路稱為熱電偶，組成熱電偶的導(dǎo)體稱為熱電極，熱電偶所產(chǎn)生的電動勢稱為熱電動勢，熱電偶的兩個結(jié)點中，置于被測對象中的結(jié)點t

稱之為測量端，又稱工作端或熱端，溫度為t0的另一結(jié)點稱為參考端，又稱自由端。熱電偶產(chǎn)生的熱電動勢是由兩種導(dǎo)體的接觸電動勢和單一導(dǎo)體溫差電動勢兩部分組成的。上一頁下一頁返回第三十三頁，共八十二頁，2022年，8月28日3.3熱電偶傳感器接觸電動勢是由于兩種不同導(dǎo)體的自由電子密度不同，在接觸處發(fā)生自由電子的擴(kuò)散而形成的電動勢。當(dāng)A和B兩種不同材料的導(dǎo)體接觸時，由于兩材料自由電子密度不同，因此電子在兩個方向上擴(kuò)散的速率就不一樣。假設(shè)導(dǎo)體A的自由電子密度大于導(dǎo)體B的自由電子密度，則導(dǎo)體A擴(kuò)散到導(dǎo)體B的電子數(shù)要比導(dǎo)體B擴(kuò)散到導(dǎo)體A的電子數(shù)多。所以導(dǎo)體A失去電子帶正電荷，導(dǎo)體B得到電子帶負(fù)電荷。于是在A,B兩導(dǎo)體的接觸界面上便形成了一個由A到B的電場，如圖3-33所示。上一頁下一頁返回第三十四頁，共八十二頁，2022年，8月28日3.3熱電偶傳感器該電場的方向與擴(kuò)散進(jìn)行的方向相反，它將阻礙擴(kuò)散作用的繼續(xù)進(jìn)行。當(dāng)擴(kuò)散作用與阻礙擴(kuò)散作用相等時，導(dǎo)體便處于一種動態(tài)平衡狀態(tài)。在這種狀態(tài)下，A,B兩導(dǎo)體的接觸處就產(chǎn)生了電位差，即接觸電動勢。接觸電動勢的大小與導(dǎo)體的材料、結(jié)點的溫度有關(guān)，與導(dǎo)體的直徑、長度及幾何形狀無關(guān)。溫差電動勢是由于在導(dǎo)體內(nèi)部，高溫端的自由電子具有較大的動能而向低溫端擴(kuò)散，因而導(dǎo)致導(dǎo)體的高溫端因失去電子而帶正電，低溫端由于獲得電子而帶負(fù)電，在高溫與低溫端之間形成一個電場，該電場會阻止電子繼續(xù)向低溫端擴(kuò)散，并使電子反方向運(yùn)動，當(dāng)達(dá)到平衡時導(dǎo)體兩端就產(chǎn)生了電位差即溫差電動勢。上一頁下一頁返回第三十五頁，共八十二頁，2022年，8月28日3.3熱電偶傳感器實踐證明，在熱電偶回路中起主要作用的是兩個結(jié)點的接觸電動勢，溫差電動勢只占極小部分，可以忽略不計，則：可以得出下列結(jié)論：

1)如果構(gòu)成熱電偶的兩個熱電極材料相同，那么即使兩端溫度不同，但輸出的總熱電動勢為零，因此必須由兩種不同的材料才能構(gòu)成熱電偶。

2)如果熱電偶兩結(jié)點溫度相同，那么即使導(dǎo)體A,B的材料不同，回路總的熱電動勢亦為零。上一頁下一頁返回第三十六頁，共八十二頁，2022年，8月28日3.3熱電偶傳感器

3)熱電偶的熱電動勢的大小只與材料和結(jié)點溫度有關(guān)，與熱電偶的尺寸和形狀無關(guān)溫差越大，熱電動勢越大。熱電偶的基本定律1）均質(zhì)導(dǎo)體定律。如果熱電偶回路中的兩個熱電極材料相同，無論結(jié)點溫度如何，熱電動勢均為零。根據(jù)這一定律，可以檢驗兩個熱電極材料成分是否相同，也可檢查熱電極材料的均勻性。2）中間導(dǎo)體定律。在熱電偶回路中接入第三種導(dǎo)體，只要第三種導(dǎo)體的兩接點溫度相同，則回路中總的熱電動勢不變。上一頁下一頁返回第三十七頁，共八十二頁，2022年，8月28日3.3熱電偶傳感器3）中間溫度定律。熱電偶在結(jié)點溫度為時所產(chǎn)生的熱電勢等于該熱電偶在溫度和時分別產(chǎn)生的熱電勢和的代數(shù)和，這就是中間溫度定律。4）標(biāo)準(zhǔn)熱電極定律。如果兩種導(dǎo)體A、B分別與第三種導(dǎo)體C組成熱電偶產(chǎn)生的熱電動勢已知，則由這兩個導(dǎo)體A、B組成熱電偶產(chǎn)生的熱電動勢可以由下式計算：上一頁下一頁返回第三十八頁，共八十二頁，2022年，8月28日3.3熱電偶傳感器3.3.2熱電偶的結(jié)構(gòu)形式與種類熱電偶的結(jié)構(gòu)形式

1）普通熱電偶。普通熱電偶通常由熱電極、絕緣管、保護(hù)套管和接線盒等幾個主要部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖3-37所示。

2）愷裝熱電偶。愷裝熱電偶是由金屬保護(hù)套管、絕緣材料和熱電極三者組合成一體的特殊結(jié)構(gòu)的熱電偶。愷裝熱電偶具有響應(yīng)速度快，可靠性好、耐沖擊、比較柔軟、可撓性好、便于安裝等優(yōu)點，因此特別適用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)，如狹小彎曲管道內(nèi)的溫度測量。上一頁下一頁返回第三十九頁，共八十二頁，2022年，8月28日3.3熱電偶傳感器3）薄膜式熱電偶薄膜式熱電偶是用真空蒸鍍的方法，把熱電極材料蒸鍍在絕緣基板上而制成，如圖3-39所示。測量端既小又薄，厚度約為幾微米左右，熱容量小，響應(yīng)速度快，便于敷貼，適用于測量微小面積上的瞬變溫度。熱電偶的種類

1）標(biāo)準(zhǔn)型熱電偶。所謂標(biāo)準(zhǔn)型熱電偶是指制造工藝比較成熟、應(yīng)用廣泛、能成批生產(chǎn)、性能優(yōu)良而穩(wěn)定，并已列人工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化文件中的那些熱電偶。

2)非標(biāo)準(zhǔn)型熱電偶。其共同特點是性能穩(wěn)定，適用干各種高溫測量。上一頁下一頁返回第四十頁，共八十二頁，2022年，8月28日3.3熱電偶傳感器

熱電偶的冷端溫度補(bǔ)償

從熱電效應(yīng)的原理可知，熱電偶產(chǎn)生的熱電動勢與兩端溫度有關(guān)。只有將冷端的溫度恒定，熱電動勢才是熱端溫度的單值函數(shù)。由于熱電偶分度表都是以冷端溫度為0℃時作出的，因此在使用時要正確反映熱端溫度，最好設(shè)法使冷端溫度恒定為0℃

。但在實際應(yīng)用中，熱電偶的冷端通?？拷粶y對象，且受到周圍環(huán)境溫度的影響，其溫度不是恒定不變的。為此，必須采取一些措施進(jìn)行補(bǔ)償或修正。上一頁下一頁返回第四十一頁，共八十二頁，2022年，8月28日3.3熱電偶傳感器

1)冷端恒溫法將熱電偶的冷端置于溫度為0℃

的恒溫器內(nèi)，如冰水混合物，使冷端溫度恒為0℃

，這種方法通常用于實驗室或需要精密測量的場合。

2）補(bǔ)償導(dǎo)線補(bǔ)償法為了使熱電偶的冷端溫度保持恒定，可以把熱電偶做得很長，使冷端遠(yuǎn)離工作端，并連同測量儀表一起放置到恒溫或溫度波動較小的地方，如控制室。但這種方法一方面安裝使用不方便，另一方面也要多耗費(fèi)許多貴重金屬材料，很不經(jīng)濟(jì)。因此，一般是用補(bǔ)償導(dǎo)線將熱電偶的冷端延伸出來。上一頁下一頁返回第四十二頁，共八十二頁，2022年，8月28日3.3熱電偶傳感器補(bǔ)償導(dǎo)線一般是相對比較便宜的金屬導(dǎo)體，多為銅與銅的合金，在一定的溫度范圍內(nèi)和所配接的熱電偶的熱電極具有相同的熱電性能。應(yīng)用補(bǔ)償導(dǎo)線時必須注意以下幾點：

1）不同的熱電偶必須選用相應(yīng)的補(bǔ)償導(dǎo)線。

2）補(bǔ)償導(dǎo)線和熱電極連接處兩接點的溫度必須相同，且不可超過規(guī)定的溫度范圍（一般為0——1000℃）。

3）極性不能接反。

4）采用補(bǔ)償導(dǎo)線只是移動了冷端接點的位置，當(dāng)該處溫度不為0℃時，仍須進(jìn)行冷端溫度補(bǔ)償。上一頁下一頁返回第四十三頁，共八十二頁，2022年，8月28日3.3熱電偶傳感器3）計算修正法

在冷端溫度不等于0℃但tn為恒定時，根據(jù)中間溫度定律，可將熱電勢修正到冷端為0℃時電勢，即：4)電橋補(bǔ)償法利用不平衡電橋產(chǎn)生的不平衡電壓來自動補(bǔ)償熱電偶因冷端溫度變化而引起的熱電動勢變化值。如圖3-41所示，在它的四個橋臂中，有一個銅電阻，銅的電阻溫度系數(shù)較大，阻值隨溫度而變，其余三個橋臂由阻值恒定的錳銅電阻制成，銅電阻必須和熱電偶冷端靠近，使它們處于同一溫度。上一頁下一頁返回第四十四頁，共八十二頁，2022年，8月28日3.3熱電偶傳感器5)機(jī)械調(diào)零法當(dāng)熱電偶與動圈式儀表配套使用時，若熱電偶的冷端溫度比較恒定，對測量精度要求又不太高時，可將動圈儀表的機(jī)械零點調(diào)至熱電偶冷端所處的溫度處，這相當(dāng)于在輸入熱電偶的熱電勢前就給儀表輸入一個熱電勢。這樣，儀表在使用時所指示的值約為

此法雖有一定誤差，但使用方便，在工業(yè)上經(jīng)常采用。上一頁下一頁返回第四十五頁，共八十二頁，2022年，8月28日3.3熱電偶傳感器3.3.4熱電偶的測溫基本電路測量某一點的溫度如圖3-42所示為測量某點溫度的基本測溫線路。其中A,B為熱電偶的熱電極，A‘,B’為補(bǔ)償導(dǎo)線，冷端溫度為t0,G為配用的儀表，C為銅導(dǎo)線，但在實際使用時可以把補(bǔ)償導(dǎo)線一直延伸到配用儀表的接線端子，這時冷端溫度即為儀表接線端所處的環(huán)境溫度。測量兩點之間溫差如圖3-43所示是測量兩個溫度之差的一種實用線路。上一頁下一頁返回第四十六頁，共八十二頁，2022年，8月28日3.3熱電偶傳感器測量多點的平均溫度如圖3-44所示是測量平均溫度的線路。3個同型號的熱電偶并聯(lián)在一起，使輸入到儀表兩端的毫伏值為三個熱電偶輸出熱電勢的平均值。測量幾點溫度之和如圖3-45所示是測量幾點溫度之和的線路。3個同型號的熱電偶之間為串聯(lián)在一起，輸入到儀表兩端的電勢值為

該電路的優(yōu)點主要是熱電動勢大，儀表的靈敏度增加，缺點是只要一只熱電偶損壞，整個系統(tǒng)便無法工作。上一頁下一頁返回第四十七頁，共八十二頁，2022年，8月28日3.3熱電偶傳感器3.3.5熱電偶傳感器的應(yīng)用管道內(nèi)溫度測量如圖3-46所示為管道內(nèi)溫度測量熱電偶的安裝方法。熱電偶的安裝應(yīng)盡量做到測溫準(zhǔn)確、安全可靠及維修方便不管采用何種安裝方式，均應(yīng)使熱電偶插人管道內(nèi)有足夠的深度。安裝熱電偶時，應(yīng)將測量端迎著流體方向。燃?xì)鉄崴鞯幕鹧鏅z測如圖3-47所示為燃?xì)鉄崴鞯幕鹧鏅z測示意圖。在燃?xì)鉄崴髦性O(shè)置有多種安全保護(hù)裝置，在防熄火、防缺氧不完全燃燒的安全裝置中使用了熱電偶。返回第四十八頁，共八十二頁，2022年，8月28日圖3-1壓電效應(yīng)示意圖返回第四十九頁，共八十二頁，2022年，8月28日圖3-2

石英晶體外形及切片返回第五十頁，共八十二頁，2022年，8月28日圖3-3壓電陶瓷的極化過程返回a)極化前；b)極化；c）極化后第五十一頁，共八十二頁，2022年，8月28日圖3-4

壓電傳感器的等效電路返回a)電荷源等效；b)電壓源等效第五十二頁，共八十二頁，2022年，8月28日圖3-6壓電傳感器接電壓放大器的等效電路返回第五十三頁，共八十二頁，2022年，8月28日圖3-7電荷放大器等效電路返回第五十四頁，共八十二頁，2022年，8月28日圖3-8壓電元件的連接方式返回

a)串聯(lián)b)并聯(lián)第五十五頁，共八十二頁，2022年，8月28日圖3-9壓電式單向測力傳