第3章 常用传感器技术.ppt

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1、机械工程测试技术基础,机械工程学院仪器系李云雷Tel:2786982 办公室：12#527,第3章 常用传感器技术,3.1 传感器的基本概念3.2 电阻式传感器3.3 电容式传感器3.4 电感式传感器3.5 压电式传感器3.6 磁电与热电式传感器3.7 光电式传感器3.8 光纤传感器3.9 半导体传感器3.10 其他类型传感器,人通过五官（视、听、嗅、味、触）接受外界的信息，经过大脑的思维（信息处理），作出相应的动作。同样，如果用计算机控制的自动化装置来代替人的劳动，则可以说电子计算机相当于人的大脑（一般俗称电脑），而传感器则相当于人的五官部分。例如，足球机器人。单靠人们自身的感觉器官，在研究

2、自然现象和规律以及生产活动中它们的功能就远远不够了。为适应这种情况，就需要传感器。因此可以说，传感器是人类五官的延长，又称之为电五官。,传感器与计算机、通信和自动控制技术等一起构成一条从信息采集、处理、传输和应用的完整信息链。深入研究传感器的类型、原理和应用，研制开发新型传感器，对于科学技术和生产过程中的自动控制和智能化发展，以及人类观测研究自然界事物的深度和广度都有重要的实际意义。本章内容主要包括传感器的基本概念、各类传感器（电阻式、电容式、电感式、压电式、磁电式、热电式、光电、光纤、半导体等）的工作原理、测量电路及其典型应用。,3.1传感器的基本概念,3.1.1定义与组成定义：根据我国国家

3、标准（GB/T76652005），传感器（Transducer/Sensor）的定义为能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件和装置，通常由敏感元件和转换元件组成。解释：敏感元件是指传感器中能直接感受和响应被测量的部分；转换元件是指传感器中能将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输和测量的电信号部分。,注意事项：并非所有传感器都能明显地区分敏感元件和转换元件这两部分，如热电偶；只由敏感元件和转换元件组成的传感器通常输出信号较弱或还不便于处理，此时需通过信号调理转换电路将其输出信号放大或转换为便于测量的电压、电流、频率等电信号。,传感器的典型组成：,膜盒敏感元件；电感线圈转换

4、元件；信号调理电路,3.1.2 传感器的分类1、按被测物理量分类,机械量:位移、速度、加速度、力；热工量：温度、热量、流量、压力、液位物性参量:浓度、粘度、比重等；状态参量:裂纹、缺陷、泄露、磨损,常见的被测物理量,2、按传感器工作原理分类,机械式,电气式,光学式,流体式等.,机械式传感器以弹性体作为敏感元件，输入量可以是力、压力、温度等物理量，输出量为弹性元件本身的弹性变形。弹性变形经放大后可转化为仪表指针的偏转，借助刻度指示被测量的大小。应用实例：测力计、压力计、温度计。,测力计,压力计,温度计,弹性膜片,波纹管,波登管,3、按信号变换特征:,结构型:依靠传感器结构参数的变化实现信号转变.

5、例如:电容式和电感式传感器物性型:依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来实现信号变换.如:水银温度计.,能量转换型和能量控制型.,4、按传感器的能量关系不同分类,能量转换型(无源传感器）:直接由被测对象输入能量使其工作.例如:热电偶温度计,磁电式加速度计.能量控制型（有源传感器）:从外部供给能量并由被测量控制外部供给能量的变化.例如:电阻应变片.,5、按传感器的输出量不同分类 模拟式传感器和数字式传感器,3.2 电阻式传感器 电阻式传感器是将被测量转变为电阻变化的传感器，再经一定的测量电路实现对测量结果的输出。电阻式传感器分类：变阻器式传感器电阻应变式传感器,3.2.1 变阻器式传感器变阻器式传

6、感器又称为电位计式传感器。工作原理：一个电导体的电阻值：式中：R电阻（）；材料的电阻率（mm2/m）；l导体的长度（m）；A导体的截面积（mm2）。电阻丝直径和材质一定，电阻值随导线长度改变。变阻器式传感器有直线位移型、角位移型和非线性型等。,直线位移型kl为单位长度中的电阻。其灵敏度：,角位移型 灵敏度：触点转角(rad)；ka单位弧度对应的电阻值。,非线性型 输出电阻(或电压)与电刷位移(包括线位移或角位移)之间具有非线性函数关系的一种电位器。,图3-5 变阻器式传感器a)直线位移型 b）角位移型 c）非线性型,变阻器式传感器的后接电路：电阻分压电路,变阻器式传感器的优缺点：优点：结构简单

7、，性能稳定，使用方便；缺点：分辨力受电阻丝直径限制，很难优于20m；较大的噪声（电刷和电阻元件之间接触面磨损、尘埃附着等原因）。,3.2.2 电阻应变式传感器电阻应变式传感器由弹性敏感元件和电阻应变片组成。当弹性敏感元件受到被测量作用时，将产生位移、应力和应变，则粘贴在弹性敏感元件上的电阻应变片将应变转换成电阻的变化。这样，通过测量电阻应变片的电阻值变化，从而确定被测量的大小。电阻应变式传感器是应用最广泛的传感器之一，它可采用不同的弹性敏感元件形式，构成测量位移、力、压力、加速度等各种参数的电阻应变式传感器。,1.工作原理,图3-7 金属丝电阻应变片1敏感栅 2基底 3覆盖层 4引出线,敏感栅

8、：金属材料（半导体应变片为半导体材料）制成，用来感受应变；基底和覆盖层：（厚度一般在0.03mm左右）用来保护敏感栅、传递应变并使敏感栅和弹性敏感元件（或试件）之间具有良好的绝缘性能，常用材料为纸基和胶基；引出线：将敏感栅接到测量电路中去，它由直径为0.150.30mm的镀银铜丝或镍铬铝丝制成。,电阻应变片的工作原理是基于金属导体和半导体材料的“电阻应变效应”和“压阻效应”。电阻应变效应是指电阻材料在外力作用下发生机械变形时，其电阻值发生变化的现象；压阻效应是指电阻材料受到载荷作用而产生应力时，其电阻率发生变化的现象。,图3-8 金属丝的应变效应,公式推导：,则有：,设A=r2，r为电阻丝半径

9、，代入上式得,（39）,金属材料：,半导体材料：,电阻丝的灵敏度系数：,2.金属电阻应变片的种类（1）金属电阻应变片：丝式应变片：将一根电阻丝绕成栅状，用胶粘剂贴于基底，其直径在0.0120.050mm之间。箔式应变片：用光刻、腐蚀等工艺方法制成的一种很薄的金属箔栅，其厚度一般在0.0030.010mm。它的优点是表面积和截面积之比大，散热条件好，故允许通过较大的电流，并可做成任意的形状，适于大批量生产。箔式应变片的使用范围日益广泛，并有逐渐取代丝式应变片的趋势。,（2）半导体应变片：常用硅、锗等材料做成单根状的敏感栅，使用方法与金属电阻应变片相同。优点：灵敏度很大，是金属电阻应变片的5070

10、倍（可参考表3-1和表3-2），可测微小应变，尺寸小，横向效应和机械滞后也小。缺点：温度稳定性差，测量较大应变时，非线性严重，必须采取补偿措施。,图3-10 半导体应变片结构1-半导体敏感条 2-基底 3-引出线,3.电阻应变式传感器的应用（1）直接测定结构的应变或应力。例如，为了研究机械、桥梁、建筑等的某些构件在工作状态下的受力、变形情况，可利用不同形状的应变片，粘贴在构件的预定部位，可以测得构件的拉压应力、扭矩及弯矩等，为结构设计、应力校核或构件破坏的预测提供可靠测试数据。,（2）电阻应变片和弹性敏感元件配合制成各种电阻应变式传感器，用来测量力、压力、扭矩、加速度等物理量。圆柱式力传感器：

11、R1、R3串联，R2、R4串联并置于相对位置的臂上，以减小弯矩的影响。横向贴片作温度补偿用。,图3-13 圆柱面展开及电桥a）圆柱面展开图 b）桥路连接图,膜片式压力传感器：切向应变t切向应变始终为正值，中心处最大；径向应变r有正有负，在中心处和切向应变相等，在边缘处最大；一般在膜片圆心处沿切向贴两片（R1、R4）感受t，因为圆心处切向应变最大；在边缘处沿径向贴两片（R2、R3）感受r，因为边缘处径向应变最大；四个应变片接成全桥测量电路，以提高灵敏度和实现温度补偿。,图3-14 膜片式压力传感器a）应力变化 b）应变片粘贴位置,应变式加速度传感器：悬臂梁、质量块、螺钉固定在壳体；梁的上下两面粘

12、贴应变片，传感器内部充满硅油；测量加速度时，将壳体刚性连接在被测体上，由于梁的刚度很大，惯性质量块也以同样的加速度运动，其产生的惯性力作用在梁的端部使梁产生变形，应变片的阻值也发生相应变化；为了防止传过载破坏，质量块上下端面安装限位块。,图3-15 应变式加速度传感器1-质量块 2-悬臂梁 3-硅油 4-限位块 5-应变片 6-壳体,3.3 电容式传感器电容式传感器是将非电量的变化转换为电容量变化的一种装置。优点：结构简单、体积小、动态响应快、温度稳定性好、易实现非接触测量等。缺点：易受外界干扰和分布电容影响，随着电子技术的发展，其缺点不断得以克服。应用：可测量位移、振动、角度、加速度，以及压

13、力、压差、液位、成份含量等。,3.3.1 工作原理及类型 公式：忽略边缘效应，平板电容器的电容可表达为：,各参数含义：A 极板面积（m2）；两极板间距离（m）r极板间介质的介电常数，当介质为空气时r=1；0真空介电常数,0=8.8510-1 2(F/m);结论：被测量使、A或r变化，均会引起电容C变化。保持其中的两个参数不变，仅改变另一参数，即可把该参数的变化变换成电容量的变化。分类：根据电容器参数变化的特性，电容式传感器可分为极距变化型、面积变化型和介质变化型三种，前两种应用较广。,（1）极距变化型,极距有一微小变化量d时，引起电容变化量dC为,灵敏度为,差动式电容传感器：灵敏度提高了一倍，

14、线性工作区扩大。,总结：极距变化型电容传感器的优点是灵敏度高，可进行非接触式测量，对被测系统的影响小，适用于微小位移（0.01m数百微米）的测量。但这种传感器具有非线性特性、传感器的杂散电容也对灵敏度和测量精度有影响，与传感器配合使用的电子线路也比较复杂，由于这些缺点，其使用范围受到一定限制。,（2）面积变化型,图3-19 面积变化型电容传感器a）角位移型 b）平面线位移型 c）圆柱体线位移型1动板 2定板,a)角位移型,电容量,灵敏度,结论：输出与输入成线性关系。,b)平面线位移型,电容量,灵敏度,c)圆柱体线位移型,电容量,灵敏度,式中 D圆筒孔径；d 圆柱外径。,总结：面积变化型电容传感

15、器的优点是输出与输入成线性关系，但与极距变化型相比，灵敏度较低，适用于较大直线位移及角位移测量。,（3）介质变化型,图320a，介质液位计，液面位置变动，两电极侵入高度变化，电容量变化。图320b，在两固定极板间的介质层的厚度、温度或湿度发生变化时，介电常数变，导致电容量变化。,3.3.2 工作原理及类型 电容式传感器将被测量转换为电容量的变化后再由后续电路转换成电压、电流或频率等输出量。（1）变压器式交流电桥 电桥两臂C1、C2为差动式电容传感器，另外两臂为交流变压器二次绕组阻抗的一半，即L1和L2。图示为电感、电容组成的交流电桥。电桥的输出为一调幅波，经放大、相敏解调、滤波后输出。,（2）

16、直流极化电路 又称静压电容传感器电路，多用于电容传声器或压力传感器。组成：弹性膜片、电容器、直流极化电压E0、高阻值电阻R。输出电压：被测量：测量气流（或液流）振动速度，进而测其压力。,（3）调频电路 电容传感器作为振荡器谐振回路一部分，调频振荡器的谐振频率f为：式中L振荡回路电感。当被测量使电容值发生变化时，则振荡器频率也发生变化，频率的变化经鉴频器变为电压变化，再放大后由记录器或显示仪表指示。,调频电路工作原理,(4）运算放大电路 输出电压和位移量的关系：,则有,式中u0信号源电压；ug运放输出电压；co固定电容；cx传感器等效电容。,输出电压uo与电容传感器间隙成正比关系。,3.3.3

17、电容式传感器的应用实例1：电容式传声器,传声器由很薄的金属膜片和紧靠它的固定极板组成，二者之间留有空气薄层，构成空气介质电容器。当声压作用在膜片上时，膜片内外产生压差，使膜片产生与外界声波信号一致的振动，导致膜片与固定极板之间的距离改变，引起电容量的变化，通过测量电路变成电压输出。,实例2：电容式振动位移传感器,平面测端电极1作为电容器的一个极板，通过电极座5由引线接入电路，另一极是被测物体表面。金属壳体3与测端电极1之间有绝缘衬套2使彼此绝缘。使用时壳体3为夹持部分，传感器通过螺母7被夹持在标准台架或其他支承上。壳体3接大地可起屏蔽作用。弹簧卡圈4和盘形弹簧6起固定作用。这种传感器可测振动位

18、移，还可测量转轴的回转精度和轴心动态偏摆等。,实例3：差动式电容加速度传感器,两个固定极板，中间质量块的两个端面作为动极板。当测量垂直方向上的直线加速度时，传感器壳体固定在被测振动体上，质量块因惯性相对静止，因此将导致固定电极与动极板间的距离发生变化，一个增加、另一个减小，可证明两个电容的差值正比于被测加速度。这种加速度传感器的特点是频率响应快、量程大、精度较高。,3.4 电感式传感器电感式传感器的工作原理是把被测量如位移等，转换为线圈自感或互感变化的一种装置。可测物理量：位移、振动、压力、加速度等。按工作原理分类：自感式、互感式和电涡流式。3.4.1 自感式电感传感器结构组成：线圈、铁心和衔

19、铁；后续测量电路。类型：变气隙型、变面积型、螺管型。,由电磁感应原理，线圈自感L为N-线圈匝数，Rm-磁路总磁阻H-1。当不考虑磁路的铁损且当气隙较小时，则该磁路的总磁阻,（328）,式中 l铁芯的导磁长度(m);铁芯磁导率(H/m);A铁芯导磁截面积,A=ab(m2);气隙宽(m);0空气导磁率,0=410-7(H/m);A0空气隙导磁横截面积(m2)铁心磁阻与空气气隙的磁阻相比很小，可忽略，则总磁阻Rm近似为,代入328，得,当A0固定，变化时，L与成非线性变化关系，此时传感器灵敏度,灵敏度S与的平方值成反比，由于不是常数，因此会产生非线性误差。因此这种传感器常规定在较小气隙变化范围内工作

20、。中常选取/0.1。这种传感器适宜于测量小位移，一般为0.0011mm。,实际应用中，为了提高自感式传感器的灵敏度，增大其线性工作范围，常将两个结构相同的自感线圈组合在一起形成差动式自感传感器。,差动型，当衔铁有位移时，可以使两个线圈的间隙按 变化。一个线圈自感增加，另一个线圈自感减小。将两线圈接于电桥的相邻桥臂时，其输出灵敏度可提高一倍，并改善了线性特性。,变面积型自感传感器：,自感L与A0成线性关系，这种传感器灵敏度较低。,被用于电感测微计上，其测量范围为0300m，最小分辨力为0.5m。,差动式螺管型自感传感器：,这种传感器的线圈接于电桥上，构成两个桥臂，线圈电感L1、L2随铁芯位移而变

21、化，其输出特性如图所示。,3.4.2 互感式电感传感器工作原理：利用电磁感应中的互感现象，图3-32.,传感器实质是一个变压器，初级线圈接入稳定交流电源，次级线圈感应产生输出电压。M变化，副线圈输出电压变化。由于常采用两个次级线圈组成差动式，故又称差动变压器式传感器，简称差动变压器。,螺管型差动变压器：,工作原理：当铁心在中间位置时，由于两线圈互感系数相等M1=M2，感应电动势e1=e2，故输出电压e0=0；铁心向上运动时，M1M2，则e1e2；铁心向下运动时，M1M2，则e1e2，随着铁心偏离中间位置，e0逐渐增大，其输出特性如图3-33c所示。输出特性：输出电压是交流量，其幅值与铁心位移成

22、正比，交流电压表指示，只能反映铁心位移的大小，不能反映移动的方向性；存在零点残余电压（原因：两个次级线圈结构不对称，以及初级线圈铜损电阻、铁磁质材料不均匀、线圈间分布电容影响等）。后接电路要求：既能反映铁心位移方向，又能补偿零点残余电压。,差动变压器后续电路：差动相敏检波电路,当无输入信号时，铁心位于中间位置，调节电阻R，使零点残余电压最小；当有输入信号时，铁心上移或下移，其输出电压经交流放大、相敏检波、低通滤波后得到直流输出，由表头指示输入位移量的大小和方向。,差动变压器式传感器的优点是：测量精度高，可达0.1m；线性范围大，可到100mm；稳定性好，使用方便。因而被广泛应用于直线位移,或借

23、助弹性元件将压力、重量等参数转换为位移变化，实现间接测量。,3.4.3电涡流式传感器电涡流效应：金属导体置于变化的磁场中或在磁场中作切割磁力线运动时，导体内就会产生漩涡状的感应电流。结构原理：涡流产生：当线圈中通以一交变高频电流I1时，会引起一交变磁场H1。在靠近线圈的金属表面内部产生一感应电流I2，该电流即为涡流。抵抗作用：根据楞次定律，由该涡电流产生的交变磁场H2将与线圈产生的磁场方向相反，亦即H2将抵抗H1的变化。,线圈的阻抗变化及影响因素：由于该涡流磁场的作用，会使线圈的等效阻抗发生变化，其变化的程度除了与两者间的距离x有关外，还与金属导体的电阻率、磁导率以及线圈的激磁电流圆频率等有关

24、。主要应用：变化，可作为位移、振动测量；变化，可作为材质鉴别；变化，可用于探伤。,涡流式传感器的测量电路：阻抗分压式调幅电路，如图336所示；图337为谐振曲线和输出特性特性。,测量开始前，传感器线圈远离被测导体，调整LC回路的谐振频率f0等于振荡器的振荡频率，LC回路的阻抗最大，回路的输出电压也最大。当传感器线圈接近被测导体时，线圈的等效电感发生变化，致使回路失谐而偏离激励频率，回路的谐振峰将向左右移动。若被测导体为非磁性材料，传感器线圈的等效电感减少，回路的谐振频率提高，谐振峰右移；若被测导体为磁性材料，则传感器线圈的等效电感增大，回路的谐振频率降低，谐振峰左移。,调频电路：谐振频率作为输

25、出量，位移变化，振荡频率f变化，鉴频器再实现频率-电压转换。,涡电流式传感器应用：电涡流式传感器具有结构简单、使用方便、不受油污等介质的影响等优点，而且频率响应范围宽（0104Hz），能进行动态非接触测量，其测量的范围和精度视传感器结构尺寸、线圈匝数以及激励频率而异，最高分辨力可达0.1m。,应用实例：涡电流式位移和振动测量仪测厚仪无损探伤径向振摆、回转轴误差运动、转速和厚度测量零件计数、表面裂纹和缺陷测量,径向振动测量,轴心轨迹测量,转速测量,零件计数器,表面裂纹测量,穿透式测厚（低频透射式）,3.5 压电式传感器压电式传感器是一种可逆型换能器。机械能电能：可用来测量力、压力、加速度等；电能

26、机械能：可用于高频振动台、超声发射器、扬声器等。主要优点：体积小；重量小；固有频率高（加速度传感器，可测频率范围0.120kHz)；灵敏度高（加速度传感器，可测102105ms-2、力传感器，分辨力达103N）。,3.5.1 压电效应 定义：对某些介质沿一定方向施加外力使其变形时，其内部将产生极化现象从而在一定表面上产生电荷，当外力去掉后，又重新回到不带电状态，这一现象称为正压电效应。当在介质的极化方向施加电场，这些介质就在一定方向产生机械变形；当外电场撤去时，这些变形也随之消失，此即称为逆压电效应。,具有压电效应的晶体称为压电晶体，如石英、钛酸钡（BaTiO3）、锆钛酸铅（PZT）等。分为天

27、然晶体和人造晶体。石英晶体结构及压电效应：化学成分是SiO2，是单晶体，两端为一对称的棱锥，六棱柱是它的基本结构。z轴，称为光轴，沿该方向受力不会产生压电效应；x轴，称为电轴，沿该方向受力产生的压电效应称为“纵向压电效应”；y轴，称为机械轴，沿该方向受力产生的压电效应称为“横向压电效应”。,3.5.2 压电材料压电单晶：石英（SiO2）、铌酸锂（LiNbO3）、钽酸锂（LiTaO3）等。石英晶体的特点：压电常数不高，但具有较好的机械强度和时间、温度稳定性。在常温下，石英晶体的压电常数几乎不随温度变化。当温度达到575时，石英晶体就失去压电特性，该温度称为石英晶体的居里点。价格昂贵，石英晶体构成

28、的压电元件常应用在高精度的压电式传感器中。由于天然石英晶体产量有限，目前广泛采用的是人工石英晶体。,多晶压电陶瓷：钛酸钡（BaTiO3）、锆钛酸铅（PZT）、铌镁酸铅（PMN）等。结构特点：由无数细微的电畴组成。当加上机械应力时，它的每个电畴的自发极化会产生变化，但由于电畴的无规则排列，因而总体上不呈现电性，无压电效应。为此，要对其在一定温度下进行极化处理，即利用强电场（14kV/mm）使其电畴规则排列，呈现压电性。极化电场去除后，电畴取向保持不变，在常温下可呈压电性，如图3-43所示。压电陶瓷的压电常数比单晶体高的多，一般比石英高数百倍。现在的压电元件大多数采用压电陶瓷。,图3-43 极化处

29、理示意图a）极化前 b）极化 c）极化后,有机压电薄膜：压电特性并不是很好，但易于大批量生产，且具有面积大、柔软不易破碎等优点，可用于微压测量和机器人的触觉。其中以聚偏二氟乙烯（PVDF）最为著名。常用压电材料的主要性能指标见表3-3。,3.5.3 等效电路,压电元件等效：（1）一个电荷源Q和一个电容器Ca并联的等效电路，（2）一个电压源U和一个电容器Ca串联的等效电路。工作时，压电元件与二次仪表配套使用必定与测量电路相连接，这就要考虑连接电缆电容Cc、放大器的输入电阻Ri和输入电容Ci。,使用时的注意事项：压电式传感器不适宜静态测量，适宜动态测量。原因：外力不变，电荷无内部泄漏，外电路阻抗无

30、穷大，电荷量将始终保持不变。如果负载不是无穷大，电路将按指数规律放电，极板上的电荷无法保持不变，从而造成测量误差。故静态测量，必须采用极高阻抗的负载，这在实现上是有困难的，不适宜静态测量。在动态测量时，因外力不断变化，电荷量可以不断得到补充，漏电量相对较少，故压电式传感器适宜动态测量。实际压电传感器，常采用并联或串联。并接：电容量大，输出电荷量大，宜于测缓变信号，适宜电荷量输出场合；串接：电容小，输出电压大，适宜于电压输出的场合。,图3-46 压电元件连接方式a）并联 b）串联,3.5.4 测量电路,压电式传感器输出信号特点很微弱，本身内阻很大，故输出能量甚微，给后接电路带来一定困难。解决方法

31、：传感器输出信号先送到一个高输入阻抗放大器，经阻抗变换后再接入一般的放大、检波电路处理。高阻抗放大器称为前置放大器，它有两个作用，一是将传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出，二是放大传感器输出的微弱电信号。前置放大器：电压放大器和电荷放大器。电压放大器对电缆寄生电容变化敏感，而电荷放大器则不受其影响。电荷放大器如图3-47。,结论：输出电压与电荷量成正比。若在制作电路时保持Cf不变，则输出电压仅取决于电荷量Q。消除了电缆分布电容的影响，即使连接电缆长度达百米以上时，其灵敏度也无明显变化。与电压放大器相比，其电路复杂，价格昂贵。,3.5.5 压电式传感器的应用 压电式传感器常用来测量力、压力、振动

32、加速度等，也用于声学和声发射测量。力的测量。测力范围从10-3N到104kN，测量频率上限高达数十千赫兹，故适合动态力，尤其是冲击力的测量。测量方向有单向的，也有多向的。,加速度的测量。压电式加速度传感器体积小，质量小，频带宽（从几赫兹至几十千赫兹），测量范围宽（从10-6g到103g）。,压电式加速度计的幅频特性曲线,3.6 磁电与热电式传感器,3.6.1 磁电式传感器概念：一种将被测物理量转换为感应电动势的装置，亦称磁电感应式或电动式传感器。公式：根据法拉第电磁感应定律，N匝线圈在磁场中运动切割磁力线或线圈所在磁场的磁通发生变化时，线圈中产生的感应电动势e的大小取决于穿过线圈的磁通的变化率

33、，即分类：恒定磁通式、变磁通式。,（1）恒定磁通式,（2）变磁通式（变磁阻式）工作原理：线圈与磁铁固定不动，测量齿轮安装在被测旋转体上，随之一起转动，每转过一齿，它与软铁之间构成的磁路磁阻变化一次，穿过线圈的磁通就变化一次，线圈中就会产生周期变化的感应电动势。感应电动势的变化频率为,3.6.2 热电式传感器定义：将温度变化转换为电量变化的一种装置。分类：热电偶（温度变化转换为电动势变化）；热电阻（温度变化转换为电阻值的变化）。1、热电偶（1）热电偶工作原理热电效应：两种不同的金属导体 A 和 B 组成一个闭合回路时若两个结合点的温度不同，则在回路中就有电流产生，这种现象称热电效应。相应的电势称

34、热电动势。,A、B 称为热电极，两电极的连接点称为接点。测温时置于被测温度场 T 的接点称为工作端或热端，另一端T0称为参比端或冷端。,热电动势组成：接触电动势：金属中存在自由电子，不同金属中自由电子密度不同，当两种金属 A和 B 接触时，接触处产生电子的扩散运动，若 A 的自由电子密度大于 B，则A 中的电子扩散到 B 中的多，而 B 中的电子扩散到 A 中的少，于是在接触处便形成了电场，这个电场阻碍着电子继续扩散。当扩散作用与电场的反作用相等时，就达到了动态平衡，这时在 A、B 接触面处形成的稳定电位差称为接触电势。其值如下：,温差电动势：如果一个导体 A 两端存在着温度差，那么热端自由电

35、子的动能比冷端要大，热端便有更多的电子扩散到冷端，使热端失去电子而带正电，冷端得到电子而带负电，当电子扩散达到动态平衡时，高温与低温端之间形成稳定的电位差称为温差电势，其值为,总的热电动势：,若使冷端温度T0保持不变，则热电势 EAB（T，T0）为热端温度T的单值函数。因此通过测量热电势 EAB（T，T0）就可求出被测温度T。,热电偶回路的特点：如果热电偶的两个热电极材料相同，两结点的温度虽然不同，但总的热电势仍为零。因此，热电偶必须由两种不同的材料构成；如果热电偶两个接点的温度相同，即使两个热电极 A、B 的材料不同，回路中热电势仍然为零，因此要产生热电势不但要求两个电极材料不同，而且两个接

36、点必须有温度差；热电动势与导体材料A、B的中间温度无关，仅与两个接点的温度有关。,（2）热电偶的基本定律：中间导体定律：中间导体的热电偶回路在热电偶测温过程中，需要用连接导线将热电偶与测量仪表接通，这相当于在热电偶回路中接入第三种导体 C，如图所示。只要第三种导体两端的温度相等，则对热电偶回路总的热电势没有影响，这就是中间导体定律。因此可以在回路中引入各种仪表直接测量其热电势，也允许采用不同方法来焊接热电偶，或将两热电极直接焊接在被测导体表面。,中间导体的热电偶回路,参考电极定律：若两种导体 A、B 分别与第三种导体 C 组成的热电偶所产生的热电势已知，则导体 A、B组成的热电偶的热电势为 E

37、AB（T，T0）=EAC（T，T0）+ECB（T，T0）C 称为标准电极。标准电极通常采用纯铂丝制成，因为铂容易提纯，熔点高，性能稳定。标准电极定律使热电偶的选配工作大为简化，只要知道一些材料与标准电极相配时的热电势，就可用公式求出任何两种材料配成热电偶的热电势。,中间温度定律：热电偶回路中，热端温度为 T、冷端为 T0时的热电势，等于此热电偶热端为T、冷端为Tn，及同一热电偶热端为 Tn、冷端为T0时热电势的代数和，如图所示：,同一种热电偶，当两接点温度T、T0不同时，产生的热电动势也不同。要将对应各种（T，T0）温度的热电动势-温度关系都列出图表是不现实的。中间温度定律为热电偶制定分度表提

38、供了理论依据。根据这一定律，只要列出参考温度0的热电动势-温度关系，那么参考温度不等于0的热电动势都可以由式（3-50）求得。,（3）热电偶的结构与种类普通热电偶的结构如图3-56所示，它主要包括热电极（即在测温接点处相接的两种金属导体）、绝缘套管、保护管和接线盒等。铠装热电偶的特点是挠性好，易弯曲，特别适用于结构复杂的装置。薄膜式热电偶的特点是接点做得很薄（0.010.1m），热容量小，响应速度快（ms级）等，适用于微小面积上的表面温度以及快速变化的动态温度的测量。,图3-56 工业用普通热电偶1-保护管 2-测温接点 3-绝缘套管4-法兰盘 5-接线盒 6-导线引出口,铠装热电偶,薄膜热电

39、偶可直接粘贴或压着在被测物表面，测其表面温度,热电偶电极材料的选择条件：性能稳定、温度测量范围广、物理化学性能稳定、导电率高、机械强度高等。目前，国际电工委员会（IEC）向世界各国推荐了8种标准化热电偶，表3-4是我国采用的符合IEC标准的六种热电偶的主要性能和特点。,2、热电阻热电阻是利用导体或半导体的电阻随温度变化的特性测量温度的。用金属或半导体材料作为感温元件的传感器，分别称为热电阻和热敏电阻。热电阻传感器是由电阻体、绝缘管、保护套管、引线和接线盒等组成。电阻体是主要部分。,图3-57 热电阻结构图a）热电阻组成 b）双线并绕,（1）铂电阻特点：铂是一种贵重金属，其主要优点是物理化学性能

40、极为稳定，并且有良好的工艺性，易于提纯，可以制成极细的铂丝（直径可达到0.02mm或更细）或极薄的铂箔。它的缺点是电阻温度系数较小。测温范围：-200 850电阻与温度关系：-200 0 的温度范围内 0 850 的温度范围内为,说明：Rt和 R0分别为 t和 0 时的铂电阻值；A、B 和 C 为常数，其数值为分度号：t=0 时的铂电阻值为 R0，我国规定工业用铂热电阻有 R0=10和 R0=100两种，它们的分度号分别为 Pt10和 Pt100，其中Pt100最常用，它的分度表见表3-5。,分度表：铂热电阻不同分度号亦有相应分度表，即 Rt t的关系表，这样在实际测量中，只要测得热电阻的阻值

41、 Rt，便可从分度表上查出对应的温度值。,（2）铜电阻特点：测温精度低于铂电阻，但线性度好、电阻温度系数高、价格便宜。测温范围：-50 150电阻与温度关系：,3.7 光电式传感器,光电式传感器的组成：工作过程：被测量通过对辐射源或光学通路的影响，将被测信息调制到光波上，通常改变光波的强度、相位、空间分布和频谱分布等，光电器件将光信号转换为电信号。,特点：测量精度高、非接触测量、信息处理速度快、信息含量多等。3.7.1 光电效应 光电器件，又称光电探测器，它的工作基础是光电效应。,光电效应,外光电效应（光电子发射效应）,内光电效应,光电导效应,光生伏特效应,1、外光电效应（1）定义：在光照作用

42、下，物体内的电子从物体表面逸出的现象称外光电效应，亦称光电子发射效应。电磁能转换为动能。（2）基本规律：金属中存在着大量的自由电子，普通条件下，它们在金属内部作无规则的自由运动，不能离开金属表面。但当它们获取外界的能量且该能量等于或大于电子逸出功时，便能离开金属表面。为使电子在逸出时具有一定速度，就必须有大于逸出功的能量。（3)定量分析：,一个光子的能量：物体受光辐射，电子吸收一个光子能量，并用来克服逸出功和转换为动能：,（4）讨论：光电子逸出物体表面的必要条件是 h A。因此，对每一种光电阴极材料均有一个确定的光频率阈值。当入射光频率低于该值时，无论入射光的光强多大，均不能引起光电子发射。反

43、之，入射光频率高于阈值频率，即使光强较小，也会引发光电子发射。对应于此频率的波长，称为某种光电器件或光电阴极的“红限”，其值为,当入射光频率成分不变时，单位时间内发射的光电子数与入射光光强成正比。光愈强，意味着入射光子数目大，逸出的光电子数也愈多。外光电效应器件：光电管、光电倍增管。,2、内光电效应（1）定义：在光照作用下，某些半导体材料的电阻率发生改变的现象称光电导效应。,半导体材料在黑暗的环境下，内部电子为原子所束缚，处于价带上，不能自由移动，半导体的电阻值很高。某些半导体材料（如硫化镉等）受到光照时，若其光子能量 h 大于本征半导体材料的禁带宽度，价带中的电子吸收一个光子后便可跃迁到导带

44、，从而激发出电子-空穴对，于是降低了材料的电阻率，增强了导电性能。阻值的大小随光照的增强而降低，且光照停止后，自由电子与空穴重新复合，电阻也恢复原来的值。,电子跃迁条件：hEg,3、光生伏特效应定义：在无光照射下，PN结内存在内部自建电场E，当光照射在PN结时，在能量足够大的光子作用下，在结区及其附近产生少数载流子（电子、空穴对）。这些载流子在结区外时，靠扩散进入结区；在结区内，因电场E的作用，电子漂移到N区，空穴漂移到P区。结果使N区带负电荷，P区带正电荷，产生附加电动势，这种现象称为光生伏特效应。基于光生伏打效应的器件有光电池、光敏二极管、光敏晶体管。,光生伏特效应示意图,3.7.2 光电

45、器件光电管结构：光电阴极用逸出功小的光敏材料（如铯）涂敷在玻璃泡内壁上做成，其感光面对准光的照射孔；光电阳极为位于阴极轴心的一根金属丝，有效接收阴极发射的电子。,光谱特性：阴极材料不同，对不同波长的光辐射有不同灵敏度。,图3-61 光电管的光谱特性-氧铯阴极-锑铯阴极-正常人的眼睛视觉,光照特性：在恒定工作电压和入射光的频率成分条件下，光电管接收的入射光通量值 与其输出 光 电 流 I 之间的比例关系，如图。,伏安特性：在恒定的入射光的频率成分和强度条件下，光电管的光电流与阳极电压之间的关系。由图可见，光通量一定，阳极电压增加，光电流趋于饱和，光电管工作点一般在该区域。,光电倍增管基本结构：光

46、电倍增管在光电阴极和阳极之间装了若干个“倍增极”。倍增极上涂有在电子轰击下能发射更多电子的材料，倍增极的形状和位置设计成正好使前一级倍增极反射的电子继续轰击后一级倍增极。各倍增极电压由电阻R1R5分压获得，流经负载RA的放大电流造成的压降，给出输出电压。一般阳极与阴极之间的电压为10002000V，两个相邻倍增极之间的电位差为50100V。,光敏电阻光敏电阻又称光导管；光电导效应只限于光照的表面薄层，所以光电半导体材料一般都做成薄片并封装在带有透明窗的外壳中。硫化镉（CdS）光敏电阻：管心是一块安装在绝缘衬底上的带有两个欧姆接触电极的光电导体，为了提高灵敏度，光敏电阻的电极一般采用梳状图案，如

47、3-65（b）所示。光敏电阻的代表符号见图3-65（c）。常用的光敏电阻的材料有：硫化镉（CdS）、硒化镉（CdSe）；氧化锌（ZnO）、硫化锌（ZnS）；硫化铅（PbS）、硒化铅（PbSe）、碲化铅（PbTe）等。,光敏电阻的特性：（1）光电流、暗电阻、亮电阻 光敏电阻在未受到光照条件下呈现的阻值称为“暗电阻”，此时流过的电流称“暗电流”。光敏电阻在受到某一光照条件下呈现的阻值称“亮电阻”，此时流过的电流称“亮电流”。亮电流与暗电流之差称为“光电流”。光电流的大小表征了光敏电阻的灵敏度大小。,（2）光照特性：光敏电阻的光电流I与光通量的关系曲线称光敏电阻的光照特性。光敏电阻的光照特性曲线呈非

48、线性。,（3）伏安特性：在一定照度下，加在光敏电阻两端的电压与电流之间的关系称为伏安特性。在一定的光照度下，所加的电压越大，光电流越大，而且无饱和现象。但是电压不能无限地增大，因为任何光敏电阻都受额定功率、最高工作电压和额定电流的限制。,（4）光谱特性：光谱特性与光敏电阻的材料有关。从图中可知，硫化铅光敏电阻在较宽的光谱范围内均有较高的灵敏度，峰值在红外区域。,光电池光电池是基于光生伏特效应工作的，它可直接将光能转换为电能。制造光电池的材料很多，主要有硅、硒、锗、砷化镓、硫化镉、硫化铊等，其中硅光电池由于光电转换率高、性能稳定、光谱范围宽、价格便宜而应用最为广泛。,硅光电池结构：N 型硅片上进

49、行硼扩散以形成 P型层，再用引线将 P型和 N 型层引出在形成正、负极，便形成了一个光电池。接受光照时，在两极间接上负载便会有电流通过。,光电池的光照特性：光电池的开路电压和短路电流与光照度之间的关系。短路电流在很大范围内与光照强度呈线性关系，开路电压（负载电阻RL无限大时）与光照度的关系是非线性的。光电池作为测量元件时，应把它当作电流源的形式来使用，不宜用作电压源。,光电池的光谱特性：硒光电池响应区段在300700nm波长间，峰值波长在500nm左右；硅光电池响应区间在4001200nm波长间，峰值波长在800nm左右。,光敏二极管和光敏晶体管光敏二极管的PN结安装在管子顶部，可直接接受光照

50、射，在电路中一般处于反向工作状态。在无光照时，暗电流很小。在有光照时，光子打在PN 结附近，从而在PN结附近产生电子-空穴对。它们在内电场作用下作定向运动，形成光电流。光电流随光照度的增加而增加。因此在无光照时，光敏二极管处于截止状态，当有光照时，二极管导通。,光敏晶体管NPN和PNP两种类型。NPN型，其结构与普通三极管相似，只是它的基区做得很大，以便扩大光照面积。电路连接图：基极一般不接引线，当集电极加上相对于发射极为正的电压时，集电结处于反向偏置状态。当光线照射到集电结附近的基区，会产生光生电子空穴对，它们在内电场作用下形成光电流，这相对于三极管的基极电流，因此集电极的电流为光电流的倍，