(62)-第四章 常用傳感器與敏感元件

光電傳感器磁電、壓電與熱電式傳感器電阻、電容與電感式傳感器常用傳感器分類內(nèi)容機械式傳感器及儀器第四章常用傳感器與敏感元件本章學(xué)習(xí)要求：1.掌握傳感器的分類

2.掌握常用傳感器的工作原理與工程應(yīng)用情況

3.了解傳感器的測量電路

第一節(jié)常用傳感器分類物理量電量

目前，傳感器轉(zhuǎn)換后的信號大多為電信號。因而從狹義上講，傳感器是把外界輸入的非電信號轉(zhuǎn)換成電信號的裝置。一、傳感器的定義及其作用定義：工程上通常把直接作用于被測量，能按一定規(guī)律將其轉(zhuǎn)換成同種或別種量值輸出的器件稱為傳感器。第一節(jié)常用傳感器分類1、按被測量分類濕度傳感器溫度傳感器力傳感器位移傳感器第一節(jié)常用傳感器分類超小量程稱重傳感器第一節(jié)常用傳感器分類電渦流式位移振動傳感器第一節(jié)常用傳感器分類應(yīng)變式脈動壓力傳感器第一節(jié)常用傳感器分類機械式，電氣式，光學(xué)式，流體式等2)按工作的物理基礎(chǔ)分類:切削測力儀動圈式磁電傳感器工作原理線速度型第一節(jié)常用傳感器分類物性型和結(jié)構(gòu)型3)按信號變換特征:物性型:依靠敏感元件材料本身物理性質(zhì)的變化來

實現(xiàn)信號變換.如:水銀溫度計.結(jié)構(gòu)型:依靠傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化實現(xiàn)信號轉(zhuǎn)變.

例如:電容式和電感式傳感器.第一節(jié)常用傳感器分類4)按敏感元件與被測對象之間的能量關(guān)系:能量轉(zhuǎn)換型:直接由被測對象輸入能量使其工作.

例如:熱電偶溫度計,壓電式加速度計.能量控制型:從外部供給能量并由被測量控制外部供給能量的變化.例如:電阻應(yīng)變片.能量轉(zhuǎn)換型（無源）和能量控制型（有源）動圈式磁電傳感器工作原理線速度型第一節(jié)常用傳感器分類5、按輸出信號：數(shù)字式、模擬式第一節(jié)常用傳感器分類圖典型機械式傳感器測力計彈性膜片壓力計溫度計第二節(jié)機械式傳感器及儀器第二節(jié)機械式傳感器及儀器第三節(jié)電阻、電容與電感傳感器一、電阻式傳感器是一種把被測量轉(zhuǎn)換為電阻變化的傳感器。分類（1）變阻器式；（2）電阻應(yīng)變式1.變阻器式傳感器定義：通過改變電位器觸頭位置，把位移轉(zhuǎn)換為電阻的變化。第三節(jié)電阻、電容與電感傳感器直線位移型角位移型非線性型第三節(jié)電阻、電容與電感傳感器分類（1）直線位移型；（2）角位移型；（3）非線性型

直線位移型

x

CxABCR

：單位長度內(nèi)的電阻值。當(dāng)導(dǎo)線均勻分布時，輸出（電阻）與輸入（位移）成線性關(guān)系。

傳感器靈敏度：AC間電阻值：第三節(jié)電阻、電容與電感傳感器

角位移型

：角位移；k

：單位弧度對應(yīng)的電阻值。傳感器靈敏度：第三節(jié)電阻、電容與電感傳感器圖非線性型變阻器式傳感器

非線性型非線性型第三節(jié)電阻、電容與電感傳感器1、變阻器式傳感器為減小后接電路影響，應(yīng)使（減小負(fù)載效應(yīng)）優(yōu)點：（1）結(jié)構(gòu)簡單；

（2）性能穩(wěn)定；

（3）使用方便缺點：（1）分辨力不高；

（2）噪聲較大第三節(jié)電阻、電容與電感傳感器2、電阻應(yīng)變式傳感器金屬電阻應(yīng)變式半導(dǎo)體應(yīng)變式絲式箔式應(yīng)變片的規(guī)格一般以使用面積和電阻值表示，如3×20mm2，120Ω。第三節(jié)電阻、電容與電感傳感器a)電阻應(yīng)變式傳感器工作原理縱向應(yīng)變橫向應(yīng)變式中：ρ:電阻率μ:泊松比λ:壓阻系數(shù)E:彈性模量第三節(jié)電阻、電容與電感傳感器應(yīng)變片的靈敏度a)電阻應(yīng)變式傳感器工作原理尺寸變化電阻率第三節(jié)電阻、電容與電感傳感器金屬絲電阻應(yīng)變片與半導(dǎo)體應(yīng)變片的主要區(qū)別是什么？前者利用導(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的變化。第三節(jié)電阻、電容與電感傳感器1）金屬電阻應(yīng)變式傳感器

金屬電阻應(yīng)變片的工作原理金屬導(dǎo)體在外力作用下發(fā)生機械變形時，其電阻值隨著它所受機械變形的變化而發(fā)生變化的現(xiàn)象。力機械變形△R工作原理：應(yīng)變片用特制膠水粘固在彈性元件或要測量變形的物體表面上，在外力作用下，電阻絲隨該物體一起變形，其阻值發(fā)生相應(yīng)變化。第三節(jié)電阻、電容與電感傳感器半導(dǎo)體應(yīng)變片基于半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)：指單晶半導(dǎo)體材料在沿某一軸向受到外力作用時，其電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象。半導(dǎo)體應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)第三節(jié)電阻、電容與電感傳感器金屬拉伸試驗金屬絲萬用表測阻值結(jié)論：金屬絲受拉時，變長、變小，導(dǎo)致變大。★當(dāng)金屬絲在外力作用下發(fā)生機械變形時，其電阻值隨著所受的機械變形（伸長或縮短）發(fā)生變化，這種現(xiàn)象叫做應(yīng)變效應(yīng)。應(yīng)變式傳感器的工作原理應(yīng)變和阻值變化量之間的定量關(guān)系？?應(yīng)變效應(yīng)初始阻值：縱向應(yīng)變：電阻率變化率：應(yīng)變效應(yīng)橫向應(yīng)變：

—電阻絲長度

—電阻絲截面積

—電阻絲半徑

—電阻絲電阻率全微分：

—泊松比

—壓阻系數(shù)

—應(yīng)力

—彈性模量應(yīng)變效應(yīng)

—泊松比

—壓阻系數(shù)

—應(yīng)力

—彈性模量應(yīng)變阻值變化比例關(guān)系靈敏度：？常數(shù)材料如何用電阻絲測量？應(yīng)變效應(yīng)

應(yīng)變、力、重量、位移、加速度阻值變化

—泊松比

—壓阻系數(shù)

—應(yīng)力

—彈性模量基底敏感柵引線覆蓋層1.敏感柵：金屬絲繞成柵狀，感受應(yīng)變的變化大小。應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)2.基底：固定敏感柵，絕緣、薄、撓性好。3.覆蓋層：防潮、防蝕、防損等。4.引線：連接敏感柵和測量電路。重量形變阻值變化應(yīng)變片測量立柱變形汽車重量為應(yīng)變片，為固定電阻。雙臂半橋：且：即：在試件上安裝兩個工作應(yīng)變片,一個受拉應(yīng)變,一個受壓應(yīng)變,接入電橋相鄰橋臂,稱為雙臂半橋。

如何提高應(yīng)變式

傳感器的靈敏度？測量電路：電橋

adcb應(yīng)變計■

金屬電阻應(yīng)變片——應(yīng)變效應(yīng)為主（多在1.7~3.6之間）■

半導(dǎo)體應(yīng)變片（多在60~150之間）

半導(dǎo)體應(yīng)變片的靈敏度高，但溫度穩(wěn)定性和重復(fù)性不如金屬應(yīng)變片，非線性誤差大?！獕鹤栊?yīng)為主第三節(jié)電阻、電容與電感傳感器（3）電阻應(yīng)變式傳感器應(yīng)用實例第三節(jié)電阻、電容與電感傳感器橋梁固有頻率測量原理：在橋中設(shè)置一三角形障礙物，利用汽車礙時的沖擊對橋梁進行激勵，再通過應(yīng)變片測量橋梁動態(tài)變形，得到橋梁固有頻率。第三節(jié)電阻、電容與電感傳感器案例：電子秤原理將物品重量通過懸臂梁轉(zhuǎn)化結(jié)構(gòu)變形再通過應(yīng)變片轉(zhuǎn)化為電量輸出。第三節(jié)電阻、電容與電感傳感器FR1R2R4應(yīng)變式荷重傳感器的外形及應(yīng)變片的粘貼位置第三節(jié)電阻、電容與電感傳感器荷重傳感器原理演示

荷重傳感器上的應(yīng)變片在重力作用下產(chǎn)生變形。軸向變短，徑向變長。

第三節(jié)電阻、電容與電感傳感器應(yīng)用實例——沖床監(jiān)測與計數(shù)第三節(jié)電阻、電容與電感傳感器適合于金庫、倉庫、古建筑的防范，挖墻、打洞、爆破等破壞行為均可及時發(fā)現(xiàn)。案例：振動式地音入侵探測器第三節(jié)電阻、電容與電感傳感器扭矩傳感器扭矩傳感器第三節(jié)電阻、電容與電感傳感器應(yīng)變式數(shù)顯扭矩扳手

可用于汽車、摩托車、飛機、內(nèi)燃機、機械制造和家用電器等領(lǐng)域，準(zhǔn)確控制緊固螺紋的裝配扭矩。量程2~500N.m，耗電量≤10mA，有公制/英制單位轉(zhuǎn)換、峰值保持、自動斷電等功能。第三節(jié)電阻、電容與電感傳感器案例：玩具機器人（廣州中鳴數(shù)碼）原理：電機→轉(zhuǎn)角→電位器→電阻第三節(jié)電阻、電容與電感傳感器案例：重量的自動檢測--配料設(shè)備

比較重量設(shè)定原材料原理：彈簧->力->位移

->電位器->電阻第三節(jié)電阻、電容與電感傳感器電容式傳感器

電容式傳感器是把被測量（如位移、壓力等）的變化轉(zhuǎn)化為電容變化量的一種裝置。被測量電容量變化轉(zhuǎn)換為壓力、位移、加速度、液位、成分含量被測非電量電容變換元件（確定關(guān)系）電容變化量DC被測電路（確定關(guān)系）可用電量U,I,f電容式傳感器實際上，它本身（或和被測物）就是一個可變電容器。改變式中S—極板面積，稱變面積型電容傳感器

—極板距離，稱變極距型電容傳感器

—介電常數(shù)，稱變介質(zhì)型電容傳感器

—

真空介電常數(shù)

—相對介電常數(shù)空氣介質(zhì)電容傳感器工作原理可以用平板電容說明：電容傳感器工作原理和類型電容式傳感器變極距型電容傳感器電容傳感器工作原理和類型電容式傳感器變面積型電容傳感器電容式傳感器電容傳感器工作原理和類型變介質(zhì)型電容傳感器電容式傳感器電容傳感器工作原理和類型1)極距δ變化型++++++第三節(jié)電阻、電容與電感傳感器2)面積變化型++++++角位移型平面線位移型柱面線位移型第三節(jié)電阻、電容與電感傳感器2)面積變化型角位移型+++第三節(jié)電阻、電容與電感傳感器平面線位移型第三節(jié)電阻、電容與電感傳感器柱面線位移型第三節(jié)電阻、電容與電感傳感器3)介質(zhì)變化型第三節(jié)電阻、電容與電感傳感器2測量電路

將電容傳感器作為橋路的一部分，由電容變化轉(zhuǎn)換為電橋的電壓輸出。通常采用電阻、電容或電感、電容組成的交流電橋，如上圖所示。（1）電橋型電路第三節(jié)電阻、電容與電感傳感器（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，第三節(jié)電阻、電容與電感傳感器(3)諧振電路

電容傳感器的電容Cx作為諧振回路（L2、C2、Cx）調(diào)諧電容的一部分。諧振回路通過電感耦合，從穩(wěn)定的高頻振蕩器取得振蕩電壓。當(dāng)傳感器電容發(fā)生變化時，使得振蕩回路的阻抗發(fā)生相應(yīng)的變化，被轉(zhuǎn)換為電壓或電流，再經(jīng)過方大、檢波即可得到相應(yīng)的輸出。第三節(jié)電阻、電容與電感傳感器（4）調(diào)頻電路第三節(jié)電阻、電容與電感傳感器(5)運算放大器電路這種電路用于位移測量傳感器輸出電壓ug與電容傳感器間隙δ成線性關(guān)系第三節(jié)電阻、電容與電感傳感器電容傳感器的最大缺點：易受連接電纜線形成的寄生電容的影響。消除寄生電容的方法：采用等電位傳輸（亦稱驅(qū)動電纜）技術(shù)。圖驅(qū)動電纜工作原理第三節(jié)電阻、電容與電感傳感器電容式傳感器的應(yīng)用電容式傳感器的優(yōu)點：（1）輸入能量小而靈敏度高（2）精度高達0.01%。（3）動態(tài)特性好，適合測量動態(tài)參數(shù)。（4）能量損耗小。（5）結(jié)構(gòu)簡單，環(huán)境適應(yīng)性好（高溫、輻射等）缺點：電纜分布電容影響大。集成電路、雙屏蔽傳輸電纜等——降低分布電容的影響。第三節(jié)電阻、電容與電感傳感器電容式傳感器廣泛應(yīng)用在位移、壓力、流量、液位等的測試中。電容式傳感器的精度和穩(wěn)定性也日益提高，如有電容式位移傳感器，精度可達5μm。電容式測厚傳感器第三節(jié)電阻、電容與電感傳感器電容式轉(zhuǎn)速傳感器當(dāng)齒輪轉(zhuǎn)動時，電容量發(fā)生周期性變化，通過測量電路轉(zhuǎn)換為脈沖信號，則頻率計顯示的頻率代表轉(zhuǎn)速大小。設(shè)齒數(shù)為z,頻率為f,則轉(zhuǎn)速為:

第三節(jié)電阻、電容與電感傳感器第三節(jié)電阻、電容與電感傳感器電容式液位傳感器電容式液位傳感器（液位計/料位計）第三節(jié)電阻、電容與電感傳感器液位限位傳感器的設(shè)定

智能化液位傳感器的設(shè)定方法十分簡單：用手指壓住設(shè)定按鈕，當(dāng)液位達到設(shè)定值時，放開按鈕，智能儀器就記住該設(shè)定。正常使用時，當(dāng)水位高于該點后，即可發(fā)出報警信號和控制信號。第三節(jié)電阻、電容與電感傳感器智能化液位限位傳感器的設(shè)定按鈕超限燈正常工作指示燈設(shè)定按鈕電源指示燈第三節(jié)電阻、電容與電感傳感器第三節(jié)電阻、電容與電感傳感器電容式接近開關(guān)振蕩電路被測物體感應(yīng)電極被測電容測量頭構(gòu)成電容器的一個極板，另一個極板是物體本身，當(dāng)物體移向接近開關(guān)時，物體和接近開關(guān)的介電常數(shù)發(fā)生變化，使得和測量頭相連的電路狀態(tài)也隨之發(fā)生變化。第三節(jié)電阻、電容與電感傳感器應(yīng)用：硅微加工加速度傳感器

圖示加速度傳感器以微細(xì)加工技術(shù)為基礎(chǔ)，既能測量交變加速度（振動），也可測量慣性力或重力加速度。其工作電壓為2.7～5.25V，加速度測量范圍為數(shù)個g，可輸出與加速度成正比的電壓也可輸出占空比正比于加速度的PWM脈沖。第三節(jié)電阻、電容與電感傳感器加速度傳感器在汽車中的應(yīng)用

加速度傳感器安裝在轎車上，可以作為碰撞傳感器。當(dāng)測得的負(fù)加速度值超過設(shè)定值時，微處理器據(jù)此判斷發(fā)生了碰撞，于是就啟動轎車前部的折疊式安全氣囊迅速充氣而膨脹，托住駕駛員及前排乘員的胸部和頭部。裝有傳感器的假人氣囊第三節(jié)電阻、電容與電感傳感器汽車氣囊的保護作用

使用加速度傳感器可以在汽車發(fā)生碰撞時，經(jīng)控制系統(tǒng)使氣囊迅速充氣。第三節(jié)電阻、電容與電感傳感器電容式指紋識別傳感器第三節(jié)電阻、電容與電感傳感器一般半導(dǎo)體金屬陣列上能集成大約100,000個電容傳感器，其外面是絕緣的表面。當(dāng)用戶的手指放在上面時，皮膚組成了電容陣列的另一面。它們的電容值隨著脊（近的）和谷（遠(yuǎn)的）與金屬導(dǎo)體之間的距離不同而變化。電容式指紋識別傳感器第三節(jié)電阻、電容與電感傳感器

電感式傳感器是基于電磁感應(yīng)原理，它是把被測量轉(zhuǎn)化為電感量的一種裝置。分類:電感式傳感器自感型可變磁阻式渦流式互感型（差動變壓器式）三、電感式傳感器被測量電感量變化轉(zhuǎn)換為第三節(jié)電阻、電容與電感傳感器1.自感型--可變磁阻式原理:自感1）靈敏度S與δ的平方值成反比，因此會產(chǎn)生線性誤差。2）在較小氣隙變化范圍內(nèi)工作。實際應(yīng)用中常選取。適宜于測量小位移，一般為0.001~1mm。變氣隙式：式中:

δ－氣隙寬(m)；

N－線圈匝數(shù)；μ0－空氣磁導(dǎo)率，μ0=4π×10-7(H/m)；A0－空氣氣隙導(dǎo)磁橫截面積(m2)。第三節(jié)電阻、電容與電感傳感器可變磁阻式傳感器典型結(jié)構(gòu)S:較低

輸出靈敏度提高一倍，并改善了線性特征。靈敏度低適：較大位移（數(shù)毫米）測量較單螺管型靈敏度提高一倍，較好的線性第三節(jié)電阻、電容與電感傳感器雙螺管線圈差動型，較之單螺管線圈型有較高靈敏度及線性，被用于電感測微計上，其測量范圍為0～300μm，最小分辨力為0.5μm。這種傳感器的線圈接于電橋上，構(gòu)成兩個橋臂，線圈電感L1、L2隨鐵芯位移而變化，其輸出特性如圖所示。第三節(jié)電阻、電容與電感傳感器第四節(jié)應(yīng)用舉例第四節(jié)應(yīng)用舉例微壓力變送器第四節(jié)應(yīng)用舉例應(yīng)用舉例應(yīng)用舉例應(yīng)用舉例（2）渦流式用途：測量位移、振動等物理量，可進行材質(zhì)鑒別或探傷。高頻交流電i交變磁通量Φ渦流i1交變磁通量Φ1渦電流式傳感器的變換原理是利用金屬體在交變磁場中的渦電流效應(yīng)。第三節(jié)電阻、電容與電感傳感器線圈上通交變高頻電流線圈產(chǎn)生高頻交變磁場產(chǎn)生高頻交變渦流渦流產(chǎn)生反磁場阻礙線圈電流交換作用等效于L或阻抗的改變第五節(jié)電渦流式傳感器渦電流式傳感器應(yīng)用：動態(tài)非接觸測量渦電流式位移和振動測量儀測厚儀零件計數(shù)徑向振擺、回轉(zhuǎn)軸誤差運動無損探傷、表面裂紋和缺陷測量徑向振動測量

軸心軌跡測量第三節(jié)電阻、電容與電感傳感器案例：軸振動測量第三節(jié)電阻、電容與電感傳感器偏心和振動檢測第三節(jié)電阻、電容與電感傳感器轉(zhuǎn)速測量零件計數(shù)器表面裂紋測量

穿透式測厚第三節(jié)電阻、電容與電感傳感器案例：無損探傷電感式傳感器第三節(jié)電阻、電容與電感傳感器案例：無損探傷原理裂紋檢測，缺陷造成渦流變化電感式傳感器第三節(jié)電阻、電容與電感傳感器案例：無損探傷裂紋檢測，缺陷造成渦流變化電感式傳感器第三節(jié)電阻、電容與電感傳感器電感式傳感器案例：無損探傷原理：裂紋檢測，缺陷造成渦流變化第三節(jié)電阻、電容與電感傳感器電渦流式通道安全檢查門安檢門的內(nèi)部設(shè)置有發(fā)射線圈和接收線圈。當(dāng)有金屬物體通過時，交變磁場就會在該金屬導(dǎo)體表面產(chǎn)生電渦流，會在接收線圈中感應(yīng)出電壓，計算機根據(jù)感應(yīng)電壓的大小、相位來判定金屬物體的大小。在安檢門的側(cè)面還安裝一臺“軟x光”掃描儀，它對人體、膠卷無害，用軟件處理的方法，可合成完整的光學(xué)圖像。第三節(jié)電阻、電容與電感傳感器安檢門演示當(dāng)有金屬物體穿越安檢門時報警第三節(jié)電阻、電容與電感傳感器2、互感型——差動變壓器式電感傳感器原理：電磁感應(yīng)中的互感現(xiàn)象。圖互感現(xiàn)象第三節(jié)電阻、電容與電感傳感器圖差動變壓器傳感器工作原理a）、b）工作原理c）輸出特性傳感器實質(zhì)是一個變壓器，初級線圈接入穩(wěn)定交流電源，次級線圈感應(yīng)產(chǎn)生輸出電壓。M變化，副線圈輸出電壓變化。由于常采用兩個次級線圈組成差動式，故又稱差動變壓器式傳感器。第三節(jié)電阻、電容與電感傳感器差動變壓器測量電路一種利用小位移測量的差動相敏檢波電路工作原理圖第三節(jié)電阻、電容與電感傳感器差動變壓器式傳感器的特點：測量精度高（可達0.1μm量級）；線性量程大（可達±100mm）；穩(wěn)定性好，使用方便。用途：直線位移的測量；借助于彈性元件也可將壓力、重量等物理量轉(zhuǎn)換成位移量，因此也可用于力的測量。第三節(jié)電阻、電容與電感傳感器實例：板的厚度測量~

磁電式傳感器是把被測量的物理量轉(zhuǎn)換為感應(yīng)電動勢的一種轉(zhuǎn)換器。感應(yīng)線圈的感應(yīng)電動勢e為：磁通變化率與磁場強度、磁阻、線圈運動速度有關(guān)，改變其中一個因素，都會改變感應(yīng)電動勢。磁場強度磁路電阻線圈速度磁通變化率第四節(jié)磁電、壓電與熱電傳感器一、磁電式傳感器第四節(jié)磁電、壓電與熱電傳感器2分類磁電式動圈式磁阻式線速度型角速度型N第四節(jié)磁電、壓電與熱電傳感器一、磁電式傳感器第四節(jié)磁電、壓電與熱電傳感器動圈式傳感器線速度型第四節(jié)磁電、壓電與熱電傳感器角速度型測速電機第四節(jié)磁電、壓電與熱電傳感器

動圈磁電式傳感等效電路第四節(jié)磁電、壓電與熱電傳感器

磁阻式傳感器的線圈與磁鐵彼此不作相對運動。由運動著的物體改變磁路的磁阻，而引起磁力線增強或減弱，使線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。磁阻式傳感器

第四節(jié)磁電、壓電與熱電傳感器磁阻式傳感器

磁電式車速傳感器測速電機第四節(jié)磁電、壓電與熱電傳感器二、壓電式傳感器

1.變換原理:壓電效應(yīng)

某些物質(zhì)，如石英，受到外力作用時，不僅幾何尺寸會發(fā)生變化，而且內(nèi)部會被極化，表面產(chǎn)生電荷；當(dāng)外力去掉時，又重新回到原來的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。壓電效應(yīng)是可逆的---逆壓電效應(yīng)外電場作用導(dǎo)致物質(zhì)的機械變形的現(xiàn)象，稱為逆壓電效應(yīng)，或稱為電致伸縮效應(yīng)。第四節(jié)磁電、壓電與熱電傳感器二、壓電式傳感器

1.變換原理:壓電效應(yīng)

某些物質(zhì)，如石英，受到外力作用時，不僅幾何尺寸會發(fā)生變化，而且內(nèi)部會被極化，表面產(chǎn)生電荷；當(dāng)外力去掉時，又重新回到原來的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。Z—光軸Y—機械軸X—電軸第四節(jié)磁電、壓電與熱電傳感器石英晶體切片及封裝石英晶體薄片雙面鍍銀并封裝第四節(jié)磁電、壓電與熱電傳感器壓電效應(yīng)模型a)縱向效應(yīng)b)橫向效應(yīng)c)切向效應(yīng)第四節(jié)磁電、壓電與熱電傳感器2、壓電材料壓電傳感器中的壓電元件材料一般有三類：壓電晶體、壓電陶瓷、有機壓電薄膜。第四節(jié)磁電、壓電與熱電傳感器石英晶體天然形成的石英晶體外形第四節(jié)磁電、壓電與熱電傳感器壓電陶瓷外形

第四節(jié)磁電、壓電與熱電傳感器高分子壓電材料制作的壓電薄膜和電纜

第四節(jié)磁電、壓電與熱電傳感器壓電式腳踏報警器

第四節(jié)磁電、壓電與熱電傳感器壓電式傳感器及其等效電路實驗證明：壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)都是線性的。壓電晶片并聯(lián)串聯(lián)等效電荷源使用特點：1）適宜作動態(tài)測量，作靜態(tài)測量時必須采用極高阻抗的負(fù)載。2）并聯(lián)結(jié)構(gòu)適宜于電荷量輸出的場合3）串聯(lián)結(jié)構(gòu)適宜于電壓作為輸出信號第四節(jié)磁電、壓電與熱電傳感器2、測量電路

壓電式傳感器輸出電信號很微弱，通常應(yīng)把傳感器信號先輸入到高輸入阻抗的前置放大器中，經(jīng)過阻抗變換后，方可輸入到后續(xù)顯示儀表中。

前置放大器電路的主要用途：1）將傳感器的高阻抗輸出變換為低阻抗輸出；2）放大傳感器輸出的微弱電信號前置放大器電路的兩種形式：1）用電阻反饋的電壓放大器2）帶電容反饋的電荷放大器第四節(jié)磁電、壓電與熱電傳感器1）電荷放大器等效電路第四節(jié)磁電、壓電與熱電傳感器±UCaRCUscUsr?A2）電壓放大器等效電路則壓電元件上產(chǎn)生的電壓值：第四節(jié)磁電、壓電與熱電傳感器5、壓電式傳感器的應(yīng)用第四節(jié)磁電、壓電與熱電傳感器第四節(jié)磁電、壓電與熱電傳感器第四節(jié)磁電、壓電與熱電傳感器玻璃打碎報警裝置第四節(jié)磁電、壓電與熱電傳感器冶煉爐水銀溫度計室溫計同學(xué)們?nèi)绾螠y量溫度？熱電阻體溫表熱電阻室溫計缺點：響應(yīng)速度慢；容易損壞；非電量測量方式，不易實現(xiàn)自動化。膨脹式溫度計缺點：量程小。熱電阻溫度計新課引入熱電偶的應(yīng)用冶煉爐熱電偶作用：工業(yè)測溫。特點：結(jié)構(gòu)簡單，測量范圍大，測量精度高。如何測量冶煉爐內(nèi)部的溫度？熱電偶的應(yīng)用冶煉爐熱力管道鋼坯軋制特點：結(jié)構(gòu)簡單，測量范圍大，測量精度高。作用：工業(yè)測溫。如何測量冶煉爐內(nèi)部的溫度？熱電偶的結(jié)構(gòu)如何用兩根金屬絲

實現(xiàn)溫度的測量？

接線盒保護套管絕緣套管熱電偶金屬絲熱電偶工作原理演示動畫AB對左邊接點加熱，電壓表指針右偏。對右邊接點加熱，熱電勢歸零。撤去左邊熱源，熱電勢左偏。撤去右邊熱源，熱電勢歸零。當(dāng)兩個接點溫度不相同時，回路中將產(chǎn)生電勢。結(jié)論電壓表導(dǎo)體B導(dǎo)體A左接點右接點?熱電效應(yīng)熱電偶的工作原理★

兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體A和B組成閉合回路，若導(dǎo)體A和B的連接處溫度不同，則在閉合回路中就有電勢產(chǎn)生，這種現(xiàn)象叫做熱電效應(yīng)或塞貝克效應(yīng)。ABTT0熱電勢熱電偶的工作原理右端：冷端（參考端）

左端：熱端（測量端）

ABTT0熱電勢熱電勢熱電勢組成？如何與溫度之間建立聯(lián)系？熱電偶ABTT0熱電勢溫差電勢接觸電勢熱電勢的組成熱電偶ABTT0熱電勢接觸電勢各種金屬導(dǎo)體內(nèi)部存在大量的自由電子，不同金屬內(nèi)的自由電子密度也不同。假設(shè)金屬A的自由電子密度大于金屬B的自由電子密度。導(dǎo)體B導(dǎo)體AABT接觸電勢與導(dǎo)體A、B材料和接觸點溫度有關(guān)。接觸電勢ABT假設(shè)金屬A的自由電子密度大于金屬B的自由電子密度。兩種不同的導(dǎo)體接觸，自由電子會相互擴散。金屬A失去較多的自由電子帶正電，金屬B則帶負(fù)電。同時，在擴散作用下，接點處形成電場，電場方向由A指向B。導(dǎo)體A導(dǎo)體B+該電場阻礙電子的進一步擴散。這種擴散于阻礙擴散的最后結(jié)果是在A、B間電子的雙向運動達到動態(tài)平衡，在A、B的兩接點形成一穩(wěn)定的電位差，這就是接觸電勢。

接觸電勢是由于兩種不同導(dǎo)體自由電子密度不同而在接觸處形成的電勢。溫度材料—波爾茲曼常數(shù)，

；

—單位電荷，；

—導(dǎo)體A、B的自由電子密度。溫差電勢溫差電勢與導(dǎo)體材料及高、低溫端溫度有關(guān)。TT0＞eA(T,To)

溫差電勢是同一導(dǎo)體的兩端溫度不同而產(chǎn)生的一種電勢。溫差電勢高溫端低溫端同一導(dǎo)體，高溫端的電子比低溫端的電子能量大。高溫端移向低溫端的電子多于低溫端移向高溫端的電子。最后高低溫端的電子雙向運動達到動態(tài)平衡，形成溫差電勢。+材料

—A材料的湯姆遜系數(shù)；表示導(dǎo)體A兩端的溫度差為

1℃時所產(chǎn)生的溫差電動勢。TT0ABeB(T,To)eAB(T)eAB(To)熱電勢的組成+++

eA(T,To)+

熱電偶的測溫原理TT0ABeA(T,To)eB(T,To)eAB(T)eAB(To)

EAB(T,To)eA(T,To)eB(T,To)eAB(T)eAB(To)++++熱電偶的測溫原理熱電偶產(chǎn)生的熱電勢如何和溫度建立聯(lián)系？TABT0熱電偶接觸電勢溫差電勢材料確定冷端溫度確定

常數(shù)？常數(shù)材料熱電勢的產(chǎn)生條件A、B為同種材料或A、B為不同材料但兩端溫度相同，產(chǎn)生的熱電勢是多少？情況1A、B為同種材料：情況2兩端溫度相同：TABT0熱電偶

A、B為同種材料兩端溫度相同熱電勢的產(chǎn)生條件熱電勢存在必須具備兩個條件熱電偶兩端溫度不相同。兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體組成熱電偶；中間溫度定律中間導(dǎo)體定律

標(biāo)準(zhǔn)電極定律

熱電偶基本定律

第四節(jié)磁電、壓電與熱電傳感器TABT0T0T0TnTn中間導(dǎo)體定律在熱電偶中接入第三種材料的導(dǎo)線和指示儀表對熱電勢有影響嗎？中間導(dǎo)體定律在熱電偶中接入第三種材料的導(dǎo)線和指示儀表對熱電勢有影響嗎？ATBT0T0CEA(T,To)EB(T,To)EAB(T)EAC(To)EBC(To)證明：T0?中間導(dǎo)體定律在熱電偶回路中接入第三種材料，只要其兩端溫度相同，第三種材料的引入將不會影響熱電偶的總熱電勢。中間導(dǎo)體定律ATBT0T0T0C

?中間導(dǎo)體定律將A、B構(gòu)成的熱電偶的T0端斷開，接入第三種導(dǎo)體C，只要保持第三導(dǎo)體兩端溫度相同，接入導(dǎo)體C后對回路總電動勢無影響。ATBT0T0CCCCATBT0ATnTn中間導(dǎo)體定律中間溫度定律熱電偶AB在接點溫度T和T0時產(chǎn)生的熱電動勢，等于熱電偶在接點溫度為T、Tn和Tn、T0時的熱電動勢總和。中間溫度定律是制定熱電偶分度表的理論基礎(chǔ)。熱電偶分度表都是以冷端溫度為0做出的。一般工程測量中冷端都不為零（任一恒定值），因此，只要測出熱端、冷端的電勢值，便可利用熱電偶分度表求出工作端的被測溫度值。第四節(jié)磁電、壓電與熱電傳感器中間導(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)線的引入不會影響熱電偶的熱電動勢，這一性質(zhì)稱為是中間導(dǎo)體定律。第四節(jié)磁電、壓電與熱電傳感器根據(jù)中間導(dǎo)體定律，可以用開路熱電偶對液態(tài)金屬或金屬壁面測溫。第四節(jié)磁電、壓電與熱電傳感器標(biāo)準(zhǔn)電極定律已知兩個導(dǎo)體A、B分別與另一導(dǎo)體C組成的熱電偶的熱電勢已知，則在相同接點溫度（T，T0）下，由A、B電極組成的熱電偶的熱電勢為：C稱為標(biāo)準(zhǔn)電極。第四節(jié)磁電、壓電與熱電傳感器2.熱電阻傳感器利用電阻隨溫度變化的特點制成的傳感器叫做熱電阻傳感器。按照電阻的性質(zhì)來分，可分為金屬熱電阻和半導(dǎo)體熱電阻兩類，前者通常簡稱為熱電阻，后者稱為是熱敏電阻。第四節(jié)磁電、壓電與熱電傳感器取一只100W/220V燈泡，用萬用表測量其電阻值，可以發(fā)現(xiàn)其冷態(tài)阻值只有幾十歐姆，而計算得到的額定熱態(tài)電阻值應(yīng)為484

。

第四節(jié)磁電、壓電與熱電傳感器（1）鉑電阻鉑電阻的特點是精度高、穩(wěn)定性好，性能可靠。鉑在氧化性介質(zhì)中，特別是在高溫下的物理、化學(xué)性能都很穩(wěn)定。薄膜型及普通型鉑熱電阻

第四節(jié)磁電、壓電與熱電傳感器小型鉑熱電阻

第四節(jié)磁電、壓電與熱電傳感器防爆型鉑熱電阻

第四節(jié)磁電、壓電與熱電傳感器（2）銅熱電阻鉑是貴重金屬，在一些測量精度要求不高且溫度范圍較低的場合，一般采用銅電阻，其測量范圍為-50~150℃。銅電阻具有線性度好、電阻溫度系數(shù)高以及價格便宜等優(yōu)點。第四節(jié)磁電、壓電與熱電傳感器汽車用水溫傳感器及水溫表

銅熱電阻第四節(jié)磁電、壓電與熱電傳感器第五節(jié)光電傳感器光電傳感器是將光信號轉(zhuǎn)換為電信號的傳感器。一、光電測量原理光電傳感器的工作基礎(chǔ)是光電效應(yīng)。光電效應(yīng)按其作用原理又可分為外光電效應(yīng)、內(nèi)光電效應(yīng)和光生伏打效應(yīng)。用光照射某一物質(zhì)，即為光子與物體的能量交換過程，這一過程中產(chǎn)生的電效應(yīng)稱為光電效應(yīng)。第五節(jié)光電傳感器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)。1）光電子逸出表面的必要條件是。2）當(dāng)入射光頻率成分不變時，單位時間內(nèi)發(fā)射的

光電子數(shù)與入射光光強成正比。光電管光電倍增管

真空光電管或充氣光電管光電陰極（銫）陽極

單根金屬絲或環(huán)狀

組成2、光電倍增管光電倍增管特點：靈敏度高，穩(wěn)定性好，頻響很快，且線性好，頻率特性好，但體積大，需要高壓供電。光電陰極

半導(dǎo)體光電材料銻-銫制造若干倍增極

4

14個不等，并加上一定的電壓陽極

收集電子，外電路形成電流輸出組成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)生變化的現(xiàn)象稱為內(nèi)光電效應(yīng)，也稱為光導(dǎo)效應(yīng)。

內(nèi)光電效應(yīng)器件主要為光敏電阻以及由光敏電阻制成的光導(dǎo)管。第五節(jié)光電傳感器光敏電阻光敏電阻演示當(dāng)光敏電阻受到光照時，光生電子—空穴對增加，阻值減小，電流增大。暗電流（越小越好）第五節(jié)光電傳感器光電流、暗電流、亮電流暗電流：光敏電阻在未受到光照條件下呈現(xiàn)的阻值稱為“暗電阻”。此時通過的電流稱為是“暗電流”。亮電流：光敏電阻在特定光照條件下呈現(xiàn)的阻值稱為“亮電阻”，此時通過的電流稱為“亮電流”。光電流：亮電流與暗電流之差稱為是“光電流”。光電流的大小表征了光敏電阻的靈敏度大小。第五節(jié)光電傳感器（2）光照特性：

光