常用傳感器技術(shù).ppt

第三章 常用傳感器技術(shù),第一節(jié) 傳感器的基本概念 第二節(jié) 電阻式傳感器 第三節(jié) 電容式傳感器 第四節(jié) 電感式傳感器 第五節(jié) 壓電式傳感器 第六節(jié) 磁電與熱電式傳感器 第七節(jié) 光電式傳感器 第八節(jié) 光纖傳感器 第九節(jié) 半導(dǎo)體傳感器 第十節(jié) 其它類型傳感器,第一節(jié) 傳感器的基本概念 一、傳感器的定義與組成： 傳感器是以一定的精度和規(guī)律把被測量轉(zhuǎn)換為與之有確定關(guān)系的、便于應(yīng)用的某種物理量的測量裝置。 定義的解釋： 傳感器是測量裝置,能完成檢測任務(wù); 它的輸入量是某一被測量,可能是物理量(如位移、溫度、力、壓力、速度、加速度等),也可能是化學(xué)量、生物量等; 它的輸出量是某種物理量,這種量要便于傳輸、轉(zhuǎn)換、處理、顯示等,可以是氣、光、電量,但主要是電量; 輸出與輸入有一定的對應(yīng)關(guān)系,且應(yīng)有一定的精確度。,傳感器的基本組成： 敏感元件：直接感受被測量,輸出與被測量成確定關(guān)系的某一物理量。 轉(zhuǎn)換元件：敏感元件的輸出就是轉(zhuǎn)換元件的輸入,它把輸入轉(zhuǎn)換成電路參量 。 轉(zhuǎn)換電路：把轉(zhuǎn)換元件的電路參量轉(zhuǎn)換為便于處理、顯示、記錄或控制的有用的電信號。 其組成如圖所示。,二、常用傳感器的分類,1、按被測物理量分類,機械量:長度,厚度,位移,速度,加速度, 旋轉(zhuǎn)角,轉(zhuǎn)數(shù),質(zhì)量,重量,力, 壓力,真空度,力矩,風(fēng)速,流速, 流量; 聲: 聲壓,噪聲. 磁: 磁通,磁場. 溫度: 溫度,熱量,比熱. 光： 亮度，色彩,常見的被測物理量,機械式傳感器以彈性體作為敏感元件，輸入量可以是力、壓力、溫度等物理量，輸出量為彈性元件本身的彈性變形。 彈性變形經(jīng)放大后可轉(zhuǎn)化為儀表指針的偏轉(zhuǎn)，借助刻度指示被測量的大小。 應(yīng)用實例：測力計、壓力計和溫度計。,測力計,2、按傳感器工作原理分類,機械式,電氣式,光學(xué)式,流體式等.,壓力計,溫度計,彈性膜片,波紋管,波登管,特點： 機械式指示儀表結(jié)構(gòu)簡單、可靠、使用方便、價格低、讀數(shù)直觀； 彈性變形不宜大，以減小線性誤差； 慣性大、固有頻率低，只宜測緩變或靜態(tài)被測量。 彈性元件具有蠕變、彈性后效等現(xiàn)象，影響輸出與輸入的線性關(guān)系。,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.,能量轉(zhuǎn)換型和能量控制型.,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(無源傳感器）: 直接由被測對象輸入能量使其工作. 例如:熱電偶溫度計,磁電式加速度計. 能量控制型（有源傳感器）: 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.,5按傳感器的輸出量分,模擬式傳感器和數(shù)字式傳感器 模擬式傳感器是指傳感器的輸出信號為連續(xù)形式的模擬量； 數(shù)字式傳感器是指傳感器的輸出信號為離散形式的數(shù)字量。,第二節(jié) 電阻式傳感器,一、電阻式傳感器 電阻式傳感器是將被測量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮枳兓膫鞲衅鳌?電阻式傳感器分類： 變阻器式傳感器 電阻應(yīng)變式傳感器 固態(tài)壓阻式傳感器,1、變阻器式傳感器 變阻器式傳感器又稱為電位器式傳感器。 工作原理： 一個電導(dǎo)體的電阻值： 式中：R電阻（）； 材料的電阻率（mm2/m）； l導(dǎo)體的長度（m）； A導(dǎo)體的截面積（mm2）。 電阻絲直徑和材質(zhì)一定，電阻值隨導(dǎo)線長度改變。 變阻器式傳感器有直線位移型、角位移型和非線性型等。,直線位移型 kl為單位長度中的電阻 。 其靈敏度：,角位移型 靈敏度： 觸點轉(zhuǎn)角(rad)； ka單位弧度對應(yīng)的電阻值。,非線性型 輸出電阻(或電壓)與電刷位移(包括線位移或角位移)之間具有非線性函數(shù)關(guān)系的一種電位器 。,變阻器式傳感器的后接電路：電阻分壓電路,變阻器式傳感器的優(yōu)缺點： 優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定，使用方便； 缺點：分辨力受電阻絲直徑限制，很難優(yōu)于20m；較大的噪聲（電刷和電阻元件之間接觸面磨損、塵埃附著等原因）。,2、電阻應(yīng)變式傳感器 可測參數(shù)：應(yīng)變、力、位移、加速度、扭矩等。 電阻應(yīng)變式傳感器:金屬電阻應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片。 （1）金屬電阻應(yīng)變片 基本工作原理： 當(dāng)應(yīng)變片發(fā)生機械變形時，其電阻值發(fā)生變化。,主要形式：金屬電阻應(yīng)變片有絲式和箔式兩種。 金屬絲式應(yīng)變片是用0.010.05mm的金屬絲繞成敏感柵 ，粘貼在絕緣的基片和覆蓋層之間，由引出導(dǎo)線接于電路上。 金屬箔式應(yīng)變片是利用照相制版或光刻技術(shù)，將厚約為0.0030.01mm的金屬箔片制成敏感柵。 優(yōu)點：可制成多種復(fù)雜形狀、尺寸準(zhǔn)確的敏感柵；散熱條件好；生產(chǎn)效率高，便于實現(xiàn)自動化生產(chǎn)。,應(yīng)變計,實際中的金屬應(yīng)變片,將應(yīng)變片粘貼于彈性元件 或被測構(gòu)件預(yù)定部位的表面。 電阻應(yīng)變片的選擇、粘貼技術(shù) 1.目測電阻應(yīng)變片有無缺陷 2.用數(shù)字萬用表測量應(yīng)變片電阻值大 小 3.試件表面處理 4.應(yīng)變片粘貼 5.焊線 6.用兆歐表檢查應(yīng)變片的引線與試件之間的絕緣阻值，應(yīng)大于50M歐 7.應(yīng)變片保護(hù),應(yīng)變片的使用：,公式推導(dǎo)：,應(yīng)變片實際使用：將其粘貼于彈性元件或被測物體表面。外力作用下，金屬絲隨物體一同變形，電阻值發(fā)生變化，將被測量的變化轉(zhuǎn)換為電阻值的變化。,設(shè)A=r2，r為電阻絲半徑，代入上式得,電阻的相對變化,（1）電阻應(yīng)變片的種類 常用的電阻應(yīng)變片有兩種：金屬電阻應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片。 （1）金屬電阻應(yīng)變片有絲式和箔式等結(jié)構(gòu)形式。絲式應(yīng)變片，將一根電阻絲繞成柵狀，用膠粘劑貼于基底，其直徑在0.0120.050mm之間。 箔式應(yīng)變片如圖3-9b、c、d所示，它是用光刻、腐蝕等工藝方法制成的一種很薄的金屬箔柵，其厚度一般在0.0030.010mm。它的優(yōu)點是表面積和截面積之比大，散熱條件好，故允許通過較大的電流，并可做成任意的形狀，適于大批量生產(chǎn)。 箔式應(yīng)變片的使用范圍日益廣泛，并有逐漸取代絲式應(yīng)變片的趨勢。,（2）半導(dǎo)體應(yīng)變片 半導(dǎo)體應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)如圖，使用方法同電阻絲應(yīng)變片。 工作原理：單晶半導(dǎo)體材料在沿某一軸向受到應(yīng)力作用時，其電阻率會發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為壓阻效應(yīng)。 實際上，任何材料都不同程度地呈現(xiàn)壓阻效應(yīng)，但半導(dǎo)體材料的這種效應(yīng)特別強。 單晶半導(dǎo)體在外力作用下，原子點陣排列規(guī)則變化，導(dǎo)致載流子遷移率及載流子濃度變化，從而引起電阻率變化。,半導(dǎo)體應(yīng)變片的優(yōu)點是: 靈敏度非常高，有時傳感器的輸出不需放大可直接用于測量； 分辨率高，例如測量壓力時可測出1020Pa的微壓； 機械滯后小，橫向效應(yīng)小、體積小。 最大的缺點是溫度誤差大，故需溫度補償或恒溫條件下使用。,（3）電阻應(yīng)變片式傳感器的應(yīng)用實例 將應(yīng)變片粘貼于被測構(gòu)件上，直接用來測定構(gòu)件的應(yīng)力或應(yīng)變。,應(yīng)變片粘貼于彈性元件上，與彈性元件一起構(gòu)成應(yīng)變式傳感器。這種傳感器常用來測量力、位移、壓力、加速度等物理參數(shù)。在這種情況下，彈性元件將得到與被測量成正比的應(yīng)變，再通過應(yīng)變片轉(zhuǎn)換成電阻的變化后輸出。,測量時，基座固定在振動體上。振動加速度使質(zhì)量塊產(chǎn)生慣性力，懸臂梁則相當(dāng)于慣性系統(tǒng)中的彈簧，在慣性力的作用下產(chǎn)生彎曲變形。因此，梁的應(yīng)變在一定的頻率范圍內(nèi)與振動體的加速度成正比。,第三節(jié) 電容式傳感器 一、工作原理及類型 定義：電容式傳感器采用電容器作為傳感元件，將不同物理量的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化。 公式：忽略邊緣效應(yīng)，平板電容器的電容可表達(dá)為：,各參數(shù)含義： 極板間介質(zhì)的介電常數(shù)，當(dāng)介質(zhì)為空氣時=1； 0真空介電常數(shù),0=8.8510-1 2(F/m); A極板面積（m2）； 兩極板間距離（m）。 結(jié)論：被測量使、A或變化，均會引起電容C變化。保持其中的兩個參數(shù)不變，僅改變另一參數(shù)，即可把該參數(shù)的變化變換成電容量的變化。 分類：根據(jù)電容器參數(shù)變化的特性，電容式傳感器可分為極距變化型、面積變化型和介質(zhì)變化型三種，前兩種應(yīng)用較廣。,（1）極距變化型,極距有一微小變化量d時，引起電容變化量dC為,靈敏度為,結(jié)論：,（2）面積變化型,a)角位移型,電容量,靈敏度,結(jié)論：輸出與輸入成線性關(guān)系。,b)平面線位移型,c)圓柱體線位移型,（3）介質(zhì)變化型,大多用于測量電介質(zhì)的厚度、位移、液位，還可根據(jù)極板間介質(zhì)的介電常數(shù)隨溫度、濕度、容量改變而改變來測量溫度、濕度、容量等。 圖解： 圖324a，在兩固定極板間的介質(zhì)層的厚度、溫度或濕 度發(fā)生變化時，介電常數(shù)變，導(dǎo)致電容量變； 圖324b，電容式液面計，液面位置變動，兩電極侵入 高度變化，電容量變化。,二、測量電路 電容式傳感器將被測量轉(zhuǎn)換為電容量的變化后再由后續(xù)電路轉(zhuǎn)換成電壓、電流或頻率等輸出量。 （1）變壓器式交流電橋 電容傳感器所用變壓器式交流電橋測量電路如圖3-21所示，電橋兩臂C1、C2為差動式電容傳感器，另外兩臂為交流變壓器二次繞組阻抗的一半，即L1和L2。電橋的輸出為一調(diào)幅波，經(jīng)放大、相敏解調(diào)、濾波后獲得輸出，再推動顯示儀表。,圖3-21 變壓器式交流電橋應(yīng)用電路,（2）直流極化電路 又稱靜壓電容傳感器電路，多用于電容傳聲器或壓力傳感器。 組成：彈性膜片、電容器、直流極化電壓E0、高阻值電阻R。 輸出電壓： 被測量：測量氣流（或液流）振動速度，進(jìn)而測其壓力。,（3）調(diào)頻電路 電容傳感器作為振蕩器諧振回路一部分，調(diào)頻振蕩器的諧振頻率f為： 式中L振蕩回路電感。 當(dāng)被測量使電容值發(fā)生變化時，則振蕩器頻率也發(fā)生變化，頻率的變化經(jīng)鑒頻器變?yōu)殡妷鹤兓?，再放大后由記錄器或顯示儀表指示。,調(diào)頻電路工作原理,(4）運算放大電路 輸出電壓和位移量的關(guān)系：,則有,式中 u0信號源電壓； ug運放輸出電壓； co固定電容； cx傳感器等效電容。,輸出電壓uo與電容傳感器間隙成正比關(guān)系。,三、電容式傳感器的應(yīng)用： 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，高精度達(dá)0.01%電容式傳感器已有商品出現(xiàn)，如一種250mm量程的電容式位移傳感器，精度可達(dá)5m。,（1）電容式測厚儀: 測量金屬帶材在軋制過程中厚度,C1、C2工作極板與帶材之間形成兩個電容， 其總電容為C= C1+C2 。當(dāng)金屬帶材在軋制中厚度發(fā)生變化時，將引起電容量的變化。通過檢測電路可以反映這個變化，并轉(zhuǎn)換和顯示出帶材的厚度。,（2）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:,第四節(jié)、電感式傳感器 電感式傳感器的工作原理是把被測量如位移等，轉(zhuǎn)換為電感量變化的一種裝置。 1、自感式電感傳感器 自感式電感傳感器的結(jié)構(gòu)是由線圈、鐵心和銜鐵組成，鐵心與銜鐵之間留有氣隙，其長度為，銜鐵與運動部件相連。銜鐵移動時，由于變化使磁路的磁阻發(fā)生變化，從而引起線圈電感量L的變化。將傳感器與測量電路連接后，可將電感量的變化轉(zhuǎn)換成電壓、電流或頻率的變化，實現(xiàn)由非電量到電量的轉(zhuǎn)換。常用的有變氣隙型、變面積型和螺管型。,自感式電感傳感器（變氣隙型）的結(jié)構(gòu)和特性曲線,由電磁感應(yīng)原理，線圈自感L為 N-線圈匝數(shù)，Rm-磁路總磁阻H-1。 當(dāng)不考慮磁路的鐵損且當(dāng)氣隙較小時，則該磁路的總磁阻,式中 l鐵芯的導(dǎo)磁長度(m); 鐵芯磁導(dǎo)率 (H/m); A鐵芯導(dǎo)磁截面積,A=ab(m2); 氣隙寬(m); 0空氣導(dǎo)磁率,0=410-7(H/m); A0空氣隙導(dǎo)磁橫截面積(m2),(328),代入328，得,當(dāng)A0固定，變化時，L與成非線性變化關(guān)系，此時傳感器靈敏度,鐵心磁阻與空氣氣隙的磁阻相比很小，可忽略，則總磁阻Rm近似為,靈敏度S與的平方值成反比，由于不是常數(shù)，因此會產(chǎn)生非線性誤差。因此這種傳感器常規(guī)定在較小氣隙變化范圍內(nèi)工作。這樣輸出與輸入近似成線性關(guān)系。 實際應(yīng)用中常選取/00.1。 這種傳感器適宜于測量小位移，一般為0.0011mm。,幾種常用可變磁阻式傳感器的典型結(jié)構(gòu) 1、差動式自感傳感器 實際應(yīng)用中，為了提高自感式傳感器的靈敏度，增大其線性工作范圍，常將兩個結(jié)構(gòu)相同的自感線圈組合在一起形成差動式自感傳感器，,差動式自感傳感器,2、變面積型自感傳感器 變面積型自感傳感器在工作時氣隙長度保持不變，使氣隙導(dǎo)磁截面積A0隨被測量變化，自感L與A0呈線性關(guān)系如下圖示。,圖3-30 變面積型自感傳感器 圖3-31 差動式螺管型自感傳感器,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0300m，最小分辨力為0.5m。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。其測量電路可采用圖3-21所示的變壓器式交流電橋，只需將電橋中的差動電容換為差動電感線圈即可。,2、互感式電感傳感器 互感型傳感器的工作原理： 利用電磁感應(yīng)中的互感現(xiàn)象，將被測位移量轉(zhuǎn)換成線圈互感的變化。,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。工作原理如圖320。,差動變壓器后續(xù)電路形式： 差動變壓器式傳感器輸出的電壓是交流量，如用交流電壓表指示，則輸出值只能反應(yīng)鐵芯位移的大小，而不能反應(yīng)移動的極性； 同時，交流電壓輸出存在一定的零點殘余電壓，使活動銜鐵位于中間位置時，輸出也不為零。 差動變壓器式傳感器的后接電路應(yīng)采用既能反應(yīng)鐵芯位移極性，又能補償零點殘余電壓的差動直流輸出電路。 差動相敏檢波電路工作原理圖。,差動變壓器式傳感器的優(yōu)點是： 測量精度高，可達(dá)0.1m； 線性范圍大，可到100mm； 穩(wěn)定性好，使用方便。 因而被廣泛應(yīng)用于直線位移,或借助彈性元件將壓力、重量等參數(shù)轉(zhuǎn)換為位移變化，實現(xiàn)間接測量。,3、電渦流式傳感器 渦電流式傳感器變換原理：利用金屬導(dǎo)體在交變磁場中的渦電流效應(yīng)。 高頻反射式渦流傳感器工作原理： 渦流產(chǎn)生：當(dāng)線圈中通以一交變高頻電流i時，會引起一交變磁通H。在靠近線圈的金屬表面內(nèi)部產(chǎn)生一感應(yīng)電流I1，該電流I1即為渦流。 抵抗作用：根據(jù)楞次定律，由該渦電流產(chǎn)生的交變磁通H1將與線圈產(chǎn)生的磁場方向相反，亦即H1將抵抗H的變化。,當(dāng)傳感器激勵線圈中通以正弦交變電流I1時，線圈的周圍空間就產(chǎn)生了正弦交變磁場H1，處于此交變磁場中的金屬導(dǎo)體內(nèi)就會產(chǎn)生渦流I2，此渦流也將產(chǎn)生交變磁場H2，H2的方向與H1的方向相反。由于磁場H2對磁場H1的反抗作用，導(dǎo)致傳感器激勵線圈的等效阻抗發(fā)生變化。等效阻抗Z,線圈的阻抗變化及影響因素：由于該渦流磁場的作用，會使線圈的等效阻抗Z發(fā)生變化，其變化的程度除了與兩者間的距離X有關(guān)外，還與金屬導(dǎo)體的電阻率、磁導(dǎo)率以及線圈的激磁電流圓頻率等有關(guān)。 主要應(yīng)用：變化x，可作為位移、振動測量；變化，可作為材質(zhì)鑒別；變化，可用于探傷。,渦流式傳感器的測量電路： 阻抗分壓式調(diào)幅電路 下圖是用于渦流測振儀上的分壓式調(diào)幅電路原理；圖317為諧振曲線和輸出特性,高頻反射式渦流傳感器,。如圖所示，高頻(1MHz)激勵電流產(chǎn)生的高頻磁場作用于金屬板的表面，由于集膚效應(yīng)，在金屬板表面將形成渦電流。與此同時，該渦流產(chǎn)生的交變磁場又反作用于線圈，引起線圈自感L或阻抗ZL的變化。線圈自感L或阻抗ZL的變化與距離該金屬板的電阻率、磁導(dǎo)率、激勵電流i及角頻率等有關(guān)。若只改變距離而保持其它參數(shù)不變，則可將位移變化轉(zhuǎn)換為線圈自感變化，通過測量電路轉(zhuǎn)換為電壓輸出。高頻反射式渦流傳感器多用于位移測量。,3.3 電感式傳感器,低頻透射式渦流傳感器,低頻透射式渦流傳感器的工作原理如圖所示，發(fā)射線圈1和接收線圈2分別置于被測金屬板材料G的上、下方。由于低頻磁場集膚效應(yīng)小，滲透深，當(dāng)?shù)皖l(音頻范圍)電壓e1加到線圈1的兩端后，所產(chǎn)生磁力線的一部分透過金屬板材料G,使線圈2產(chǎn)生感應(yīng)電動勢e2。但由于渦流消耗部分磁場能量，使感應(yīng)電動勢e2減少，當(dāng)金屬板材料G越厚時，損耗的能量越大，輸出電動勢e2越小。因此，e2的大小與G的厚度及材料的性質(zhì)有關(guān)，試驗表明，e2隨材料厚度h的增加按負(fù)指數(shù)規(guī)律減少,如圖所示，因此，若金屬板材料的性質(zhì)一定，則利用e2的變化即可測量其厚度。,3.3 電感式傳感器,電渦流式傳感器的測量電路有阻抗分壓式調(diào)幅電路及調(diào)頻電路 壓式調(diào)幅電路原理，它主要包括振蕩器、并聯(lián)諧振回路、放大器、檢波器及濾波器等。傳感器線圈L和電容C 組成并聯(lián)諧振回路,渦流式傳感器的測量電路：,調(diào)頻電路：,把傳感器線圈接入LC振蕩回路，當(dāng)金屬導(dǎo)體至傳感器之間的距離x發(fā)生變化時，將引起線圈電感變化，使振蕩器的振蕩頻率f發(fā)生變化，再通過鑒頻器進(jìn)行頻率-電壓轉(zhuǎn)換，即可得到與位移x成比例的電壓信號。,電渦流式傳感器的特點,結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、不受油污等介質(zhì)的影響等, 頻率響應(yīng)范圍寬（0104Hz），能進(jìn)行動態(tài)非接觸測量， 其測量的范圍和精度視傳感器結(jié)構(gòu)尺寸、線圈匝數(shù)以及激勵頻率而異，最高分辨力可達(dá)0.1m。 近年來渦流式位移和振動測量儀、測厚儀和無損檢測探傷儀等在工程檢測中得到廣泛應(yīng)用。,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 無損探傷 徑向振擺、回轉(zhuǎn)軸誤差運動、轉(zhuǎn)速和厚度測量 零件計數(shù)、表面裂紋和缺陷測量,徑向振動測量,軸心軌跡測量,轉(zhuǎn)速測量,零件計數(shù)器,表面裂紋測量,穿透式測厚,第五節(jié) 壓電式傳感器 壓電式傳感器是一種可逆型換能器。 機械能電能：可用來測量力、壓力、加速度等； 電能機械能：可用于高頻振動臺、超聲發(fā)射器、揚聲器等。 主要優(yōu)點： 體積小； 重量小； 固有頻率高（加速度傳感器，可測頻率范圍0.120kHz) ； 靈敏度高（加速度傳感器，可測102105ms-2、力傳感器，分辨力達(dá)103N）。,1、壓電效應(yīng) 定義： 某些物質(zhì)，如石英、鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等晶體，當(dāng)受到外力作用時，不僅幾何尺寸發(fā)生變化，而且其內(nèi)部會產(chǎn)生極化作用，從而會在晶體的相應(yīng)表面產(chǎn)生電荷，形成電場。當(dāng)外力去掉后，又重新回到不帶電狀態(tài)，晶體的這一性質(zhì)稱為壓電效應(yīng)。 說明： 壓電效應(yīng)可逆：當(dāng)壓電晶體置于外電場，其幾何尺寸也會發(fā)生變化，這種物理現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)。 具有壓電效應(yīng)的晶體稱之為壓電晶體， 如石英、鈦酸鋇（BaTiO3）、鋯鈦酸鉛（PZT）等。 天然壓電晶體例如石英、電氣石、閃鋅礦等。不易獲得、價格昂貴。石英晶體是常用的壓電材料之一。 人造晶體，如酒石酸鉀鈉（羅謝耳鹽）、磷酸二氫銨、磷酸二氫鉀、酒石酸乙二鉀、硫酸鋰等。,下面以石英晶體為例，介紹壓電效應(yīng),石英晶體的化學(xué)成分是SiO2，是單晶體，兩端為一對稱的棱錐，如圖3-41a所示石英晶體是各向異性材料，可用x、y、z軸來描述，如圖3-41b所示。,z軸是稱為光軸，沿該方向受力不會產(chǎn)生壓電效應(yīng)； x軸是經(jīng)過六面體的棱線并垂直于z軸的軸線，稱為電軸又稱 “縱向壓電效應(yīng)” y軸是與x、z軸垂直的軸線，稱為機械軸，又稱 “橫向壓電效應(yīng)”。,2、壓電材料 單晶壓電晶體，如石英、羅歇爾鹽（四水酒石酸鉀鈉）、硫酸鋰、磷酸二氫銨等； 特點:石英壓電常數(shù)不高，但具有較好的機械強度和溫度、時間穩(wěn)定性，其他壓電單晶的壓電常數(shù)為石英的2.53.5倍，但價格較高。 多晶壓電陶瓷，如極化的鐵電陶瓷（鈦酸鋇）、鋯鈦酸鉛（PZT）等； 組成：鐵電體微晶（指某些存在自發(fā)極化的特點晶體），微晶再細(xì)分為電疇，壓電陶瓷可視為多疇晶體。 特點：壓電陶瓷的壓電常數(shù)比單晶體高的多，一般比石英高數(shù)百倍。 有機壓電薄膜。,PVDF壓電薄膜 聚偏二氟乙烯（PVF2）是壓電效應(yīng)較強的聚合物薄膜，這種合成高分子薄膜就其對稱性來看，不存在壓電效應(yīng)，但是它們具有“平面鋸齒”結(jié)構(gòu)，存在抵消不了的偶極子。經(jīng)延展和拉伸后可以使分子鏈軸成規(guī)則排列，并在與分子軸垂直方向上產(chǎn)生自發(fā)極化偶極子。當(dāng)在膜厚方向加直流高壓電場極化后，就可以成為具有壓電性能的高分子薄膜。這種薄膜有可撓性，并容易制成大面積壓電元件。這種元件耐沖擊、不易破碎、穩(wěn)定性好、靈敏度高、頻帶寬。為提高其壓電性能還可以摻入壓電陶瓷粉末，制成混合復(fù)合材料(PVF2PZT)。 應(yīng)用 ： 人體接觸安全舒適，聲阻抗接近人體肌肉，適宜作生物醫(yī)學(xué)工程的傳感器元件。 PVDF血壓傳感器：圓柱體縱切形狀，與上腕部動脈溝吻合，使用方便。 機器人觸覺傳感器：同時具有壓電效應(yīng)和熱釋電效應(yīng)，薄膜柔軟，做成大面積傳感陣列器件。,對壓電材料特性要求： 轉(zhuǎn)換性能。要求具有較大壓電常數(shù)。 機械性能。壓電元件作為受力元件，希望它的機械強度高、剛度大，以期獲得寬的線性范圍和高的固有振動頻率。 電性能。希望具有高電阻率和大介電常數(shù)，以減弱外部分布電容的影響并獲得良好的低頻特性。 環(huán)境適應(yīng)性強。溫度和濕度穩(wěn)定性要好，要求具有較高的居里點，獲得較寬的工作溫度范圍。 時間穩(wěn)定性。要求壓電性能不隨時間變化。,3、等效電路,使用時的注意事項： 負(fù)載不是無窮大時，會有漏電現(xiàn)象。因此，靜態(tài)測量時，必須采用極高阻抗負(fù)載；動態(tài)測量，漏電量影響較小，故適于動態(tài)測量。 實際壓電傳感器，常采用串接或并接。 并接：電容量大，輸出電荷量大，宜于測緩變信號，適宜電荷量輸出場合； 串接：電容小，輸出電壓大，適宜于電壓輸出的場合。,可以把壓電元件等效為一個電荷源Q和一個電容器Ca并聯(lián)的等效電路; 也可等效為一個電壓源U和一個電容器Ca串聯(lián)的等效電路，其中Ra為壓電元件的漏電阻。,當(dāng)有外力作用時，在壓電晶片的兩個極板上產(chǎn)生數(shù)量相等、極性相反的電荷Q，開路電壓U以及電容Ca,三者間的關(guān)系,若將壓電傳感器接入測量電路，則必須考慮電纜電容CC、后續(xù)電路的輸入電容Ci、以及后續(xù)電路的輸入阻抗和壓電傳感器的漏電阻形成的泄漏電阻Ra，此時壓電傳感器的等效電路如圖所示。,4、測量電路,電壓放大器，輸出電壓與電容C（包括連接電纜的寄生電容Cc、放大器的輸入 電容Ci和壓電式傳感器的等效電容Ca）密切相關(guān)，因Cc比Ci和Ca都大，故整個測 量系統(tǒng)對電纜寄生電容的變化非常敏感。連接電纜的長度和形狀變化會引起Cc的 變化，導(dǎo)致傳感器的輸出電壓變化，使儀器的靈敏度也發(fā)生變化。故目前多采用 性能穩(wěn)定的電荷放大器。,則有 當(dāng)增益K足夠大，KCf （C + Cf）,結(jié)論： 在一定的條件下，電荷放大器的輸出電壓與壓電傳感器產(chǎn)生的電荷量成正比，且與電纜分布電容無關(guān)。因此，采用電荷放大器，即使連接電纜長度數(shù)百米，其靈敏度也無明顯變化，這是電荷放大器的突出優(yōu)點。,5、壓電式傳感器的應(yīng)用 壓電式傳感器常用來測量力、壓力、振動加速度等，也用于聲學(xué)和聲發(fā)射測量。,1）常用的壓電式加速度計。結(jié)構(gòu)形式如圖所示。S是彈簧，M是質(zhì)塊，B是基座，P是壓電元件。 壓電元件質(zhì)量塊彈簧系統(tǒng)裝在圓形中心支柱上，支柱與基座連接。這種結(jié)構(gòu)有高的共振頻率。,壓電式加速度計的幅頻特性曲線,（2） 壓電式流量計 利用超聲波在順流方向和逆流方向的傳播速度進(jìn)行測量。其測量裝置是在管外設(shè)置兩個相隔一定距離的收發(fā)兩用壓電超聲換能器，每隔一段時間(如1/100s)，發(fā)射和接收互換一次。在順流和逆流的情況下，發(fā)射和接收的相位差與流速成正比。據(jù)這個關(guān)系，可精確測定流速。流速與管道橫截面積的乘積等于流量。,此流量計可測量各種液體的流速，中壓和低壓氣體的流速，不受該流體的導(dǎo)電率、粘度、密度、腐蝕性以及成分的影響。其準(zhǔn)確度可達(dá)0.5%，有的可達(dá)到0.01%。,根據(jù)發(fā)射和接收的相位差隨海洋深度的變化，測量聲速隨深度的分布情況,（3）集成壓電式傳感器 是一種高性能、低成本動態(tài)微壓傳感器，產(chǎn)品采用壓電薄膜作為換能材料，動態(tài)壓力信號通過薄膜變成電荷量，再經(jīng)傳感器內(nèi)部放大電路轉(zhuǎn)換成電壓輸出。該傳感器具有靈敏度高，抗過載及沖擊能力強，抗干擾性好，操作簡便，體積小、重量輕、成本低等特點，廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、工業(yè)控制、交通、安全防衛(wèi)等領(lǐng)域。,脈搏計照片,典型應(yīng)用： 脈搏計數(shù)探測 按鍵鍵盤，觸摸鍵盤 振動、沖擊、碰撞報警 振動加速度測量 管道壓力波動 其它機電轉(zhuǎn)換、動態(tài)力檢測等,力敏元件主要性能指標(biāo)： 壓力范圍 1kPa 靈敏度 0.2V/P 非線性度 1 F.S 頻率響應(yīng) 11000Hz 標(biāo)準(zhǔn)工作電壓 4.5V（DC） 擴(kuò)充工作電壓 315V(DC) 標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載電阻 2.2k 擴(kuò)充電阻 1k12k 外形尺寸 12.77.6 重 量 1.5,（4）壓電式傳感器在自來水管道測漏中的應(yīng)用,如果地面下有一條均勻的直管道某處O點為漏點，振動聲音從O點向管道兩端傳播，傳播速度為V，在管道上A、B兩點放兩只傳感器，A、B距離為L（已知或可測），從A、B兩個傳感器接收的由O點傳來的t0時刻發(fā)出的振動信號所用時間為 tA（LA/V）和 tB（LB/V），兩者時間差為 t=tA- tB=（LA- LB）/V （1） 又 L =LA+LB （2）,因為管道埋設(shè)在地下，看不到O點，也不知道LA和LB的長度，已知的是L和V，如果能設(shè)法求出t，則聯(lián)立 （1）+（2）得： LA=(L+tV)/2 （3） 或者將（1）-（2）得： LB=（L-tV）/2 （4） 關(guān)鍵是確定t，就可準(zhǔn)確確定漏點O。如果從O點出發(fā)的是一極短暫的脈沖，在A、B兩點用雙線掃描同時開始記錄，在示波器上兩脈沖到達(dá)的時間差就是t。實際的困難在于漏水聲是連續(xù)不斷發(fā)出的，在A、B兩傳感器測得的是一片連續(xù)不斷，幅度雜亂變化的噪聲。相關(guān)檢漏儀的功能就是要將這兩路表面雜亂無章的信號找出規(guī)律來，把它們“對齊”，對齊移動所需要的時間就是t。,總結(jié) 1）壓電傳感器形成系列化產(chǎn)品。如大型靈敏度加速計靈敏閾可達(dá)106gn，能夠測量微弱的振動，小型加速度計0.14g,靈敏低，但能測量上千克強振動。 2）電荷泄漏難以精確測量常值力，低頻振動受靈敏度限制，輸出信號弱，信噪比差。 3）壓電傳感器一般用來測量沿其軸向的作用力，產(chǎn)生縱向效應(yīng)和相應(yīng)的輸出，但在垂直軸向的作用力，產(chǎn)生橫向效應(yīng)和相應(yīng)的輸出，橫向輸出是一種干擾和產(chǎn)生誤差的原因，故要減少橫向輸出。 4）環(huán)境溫度、濕度的變化、壓電材料本身的時效，都會引起壓電常數(shù)的變化，使壓電傳感器靈敏度變化，要經(jīng)常校準(zhǔn)傳感器。 5）壓電傳感器具有可逆性。施加電壓于壓電晶片，壓電片便伸縮。所以可做“驅(qū)動器”。,第六節(jié) 磁電與熱電式傳感器,1、磁電式傳感器 概念：一種將被測物理量轉(zhuǎn)換為感應(yīng)電動勢的裝置，亦稱電磁感應(yīng)式或電動力式傳感器。 由電磁感應(yīng)定律可知，當(dāng)穿過一個線圈的磁通發(fā)生變化時，線圈中所感應(yīng)產(chǎn)生的電動勢,結(jié)論：線圈感應(yīng)電動勢的大小，取決于匝數(shù)和穿過線圈的磁通變化率。磁通變化率與磁場強度、磁路磁阻、線圈的運動速度有關(guān)，改變其中一個因素，都可改變線圈的感應(yīng)電動勢。,由線位移式裝置的工作原理可知，當(dāng)彈簧片敏感有一速度時，線圈則在磁場中作直線運動，從而切割磁力線，因此它所產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢 式中 B磁場的磁感應(yīng)強度（T）； l單匝線圈的有效長度（m）； N0有效線圈匝數(shù)，指在均勻磁場內(nèi)參與切割磁力線的線圈匝數(shù)； v線圈相對于磁場的速度（m/s）; 線圈運動方向與磁場方向的夾角。,1）恒定磁通式,當(dāng)線圈運動方向與磁場方向垂直亦即=90時，上式可寫為,上式表明： 當(dāng)傳感器的結(jié)構(gòu)參數(shù)（B，l，N）選定，則感應(yīng)電動勢e的大小使正比于線圈的運動速度v。 將被測到的速度經(jīng)微分和積分運算又可得到運動物體的加速度和位移，因此速度傳感器又可用來測量運動物體的位移和加速度。,2）變磁通式 又稱變磁阻式磁電傳感器，常用來測量旋轉(zhuǎn)體的角速度，線圈和永久磁鐵均靜止不動，測量齒輪安裝在被測旋轉(zhuǎn)體上，隨之一起轉(zhuǎn)動，每轉(zhuǎn)過一齒，它與軟鐵之間構(gòu)成的磁路磁阻變化一次，穿過線圈的磁通就變化一次，線圈中就會產(chǎn)生周期變化的感應(yīng)電動勢。,磁阻式傳感器工作原理及應(yīng)用 （a）測頻數(shù) （b）測轉(zhuǎn)速 （c）偏心測量 （d）振動測量,結(jié)論： 對以上兩類磁電式傳感器的工作原理分析知，磁電式傳感器只適用于動態(tài)測量，可直接測量振動物體的速度或角速度。 如果在測量電路中接入積分電路或微分電路，那么還可用來測量位移或加速度。,2、熱電式傳感器 定義：將溫度轉(zhuǎn)換為電量變化的一種裝置。 分類：熱電偶（電勢變化）和熱電阻（電阻值變化）。 1）熱電偶 （1）熱電偶工作原理 熱電效應(yīng)： 兩種不同的金屬導(dǎo)體 A 和 B 組成一個閉合回路時，如果兩接點處的溫度不同（T0T），則在該回路內(nèi)就會產(chǎn)生熱電動勢，這種現(xiàn)象稱熱電效應(yīng)。相應(yīng)的電勢稱熱電動勢。 A、B 稱為熱電極，兩電極的連接點稱為接點。測溫時置于被測溫度場 T 的接點稱為熱端，另一端T0稱為冷端。,熱電偶回路,熱電動勢組成（接觸電動勢與溫差電動勢）： 接觸電動勢：金屬中存在自由電子，不同金屬中自由電子密度不同，當(dāng)兩種金屬 A和 B 接觸時，接觸處產(chǎn)生電子的擴(kuò)散運動，若 A 的自由電子密度大于 B，則A 中的電子擴(kuò)散到 B 中的多，而 B 中的電子擴(kuò)散到 A 中的少，于是在接觸處便形成了電場，這個電場阻礙著電子繼續(xù)擴(kuò)散。當(dāng)擴(kuò)散作用與電場的反作用相等時，就達(dá)到了動態(tài)平衡，這時在 A、B 接觸面處形成的穩(wěn)定電位差稱為接觸電勢。其值如下：,溫差電動勢：如果一個導(dǎo)體 A 兩端存在著溫度差，那么熱端自由電子的動能比冷端要大，熱端便有更多的電子擴(kuò)散到冷端，使熱端失去電子而帶正電，冷端得到電子而帶負(fù)電，當(dāng)電子擴(kuò)散達(dá)到動態(tài)平衡時，高溫與低溫端之間形成穩(wěn)定的電位差稱為溫差電勢，其值為,總的熱電動勢：,若使冷端溫度T0保持不變，則熱電勢 EAB（T，T0）為熱端溫度T的單值函數(shù)。因此通過測量熱電勢 EAB（T，T0）就可求出被測溫度T。,熱電偶回路的特點： 如果熱電偶的兩個熱電極材料相同，兩結(jié)點的溫度雖然不同，但總的熱電勢仍為零。因此，熱電偶必須由兩種不同的材料構(gòu)成； 如果熱電偶兩個接點的溫度相同，即使兩個熱電極 A、B 的材料不同，回路中熱電勢仍然為零，因此要產(chǎn)生熱電勢不但要求兩個電極材料不同，而且兩個接點必須有溫度差； 熱電勢與導(dǎo)體材料A、B的中間溫度無關(guān)，僅與兩個接點的溫度有關(guān)。,（2）熱電偶的基本定律： 1）中間導(dǎo)體定律：中間導(dǎo)體的熱電偶回路在熱電偶測溫過程中，需要用連接導(dǎo)線將熱電偶與測量儀表接通，這相當(dāng)于在熱電偶回路中接入第三種導(dǎo)體 C，如圖所示。只要第三種導(dǎo)體兩端的溫度相等，則對熱電偶回路總的熱電勢沒有影響，這就是中間導(dǎo)體定律。因此可以在回路中引入各種儀表直接測量其熱電勢，也允許采用不同方法來焊接熱電偶，或?qū)蔁犭姌O直接焊接在被測導(dǎo)體表面。,中間導(dǎo)體的熱電偶回路,2）參考電極定律 導(dǎo)體C接在A、B之間，當(dāng)熱電偶兩個接點溫度為T、T0時，用導(dǎo)體A、B組 成的熱電偶的熱電動勢等于AC熱電偶和CB熱電偶的熱電動勢的代數(shù)和， 導(dǎo)體C稱為標(biāo)準(zhǔn)電極， 稱為參考電極定律。 常用純鉑絲作標(biāo)準(zhǔn)電極 鉑易提純，熔點高， 性能穩(wěn)定。 求出各種材料的熱電極 對鉑電極的熱電特性，簡 化熱電偶的選配工作。,3）中間溫度定律：當(dāng)熱電偶AB的兩個接點溫度為T、T1時，熱電動勢為EAB（T，T1）；當(dāng)熱電偶AB的兩個接點溫度為T1、T0時，熱電動勢為EAB（T1，T0）；如圖所示：,中間溫度定律示意圖,同一種熱電偶，當(dāng)兩接點溫度T、T0不同時，產(chǎn)生的熱電動勢也不同。要將對應(yīng)各種（T，T0）溫度的熱電動勢-溫度關(guān)系都列出圖表是不現(xiàn)實的。 中間溫度定律為熱電偶制定分度表提供了理論依據(jù)。只要列出參考溫度0的熱電動勢-溫度關(guān)系，那么參考溫度不等于0的熱電動勢都可以由式求得。 如熱電偶AB兩端溫度分別為100和20，則熱電偶的熱電動勢可根據(jù)下式計算 式中，EAB（100，0）和EAB（20，0）可由分度表查得，從而求出該熱電偶的熱電動勢EAB（100，20）。,常用熱電偶可分為標(biāo)準(zhǔn)熱電偶和非標(biāo)準(zhǔn)熱電偶兩大類。所調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)熱電偶是指國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了其熱電勢與溫度的關(guān)系、允許誤差、并有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)分度表的熱電偶，它有與其配套的顯示儀表可供選用。非標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶在使用范圍或數(shù)量級上均不及標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶，一般也沒有統(tǒng)一的分度表，主要用于某些特殊場合的測量。標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶我國從1988年1月1日起，熱電偶和熱電阻全部按IEC國際標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)，并指定S、B、E、K、R、J、T七種標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶為我國統(tǒng)一設(shè)計型熱電偶。,（3）熱電偶的結(jié)構(gòu)與種類,不同測量對象的測溫條件和要求，熱電偶的結(jié)構(gòu)形式也有所不同。 普通熱電偶的結(jié)構(gòu)主要包括熱電極2、絕緣套管3、保護(hù)管1和接線盒5等。 鎧裝熱電偶：撓性好，易彎曲，特別適用于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的裝置； 薄膜式熱電偶：接點做得很?。?.010.1m），熱容量小，響應(yīng)速度快（ms級），適用于微小面積上的表面溫度以及快速變化的動態(tài)溫度的測量。,熱電偶的結(jié)構(gòu),熱電偶的分類,四種標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶 （B型熱電偶）鉑銠30-鉑銠6熱電偶 鉑銠30-鉑銠6熱電偶（B型熱電偶）為貴金屬熱電偶。偶絲直徑規(guī)定為0.5mm，允許偏差-0.015mm，其正極（BP）的名義化學(xué)成分為鉑銠合金，其中含銠為30%，含鉑為70%，負(fù)極（BN）為鉑銠合金，含銠為量6%，故俗稱雙鉑銠熱電偶。 該熱電偶長期最高使用溫度為1600，短期最高使用溫度為1800。 B型熱電偶具有準(zhǔn)確度最高，穩(wěn)定性最好，測溫溫區(qū)寬，使用壽命長，測溫上限高等優(yōu)點。 適用于氧化性和惰性氣氛中，短期用于真空中，不適用于還原性氣氛或含金屬或非金屬蒸氣氣氛中。 B型熱電偶優(yōu)點是不需用補償導(dǎo)線進(jìn)行補償，因為在050范圍內(nèi)熱電勢小于3V。 B型熱電偶不足熱電勢率較小，靈敏讀低，高溫下機械強度下降，對污染非常敏感，貴金屬材料昂貴，因而一次性投資較大。,（S型熱電偶）鉑銠10-鉑熱電偶 鉑銠10-鉑熱電偶為貴金屬熱電偶。偶絲直徑規(guī)定為0.5mm，允許偏差-0.015mm，其正極（SP）的名義化學(xué)成分為鉑銠合金，其中含銠為10%，含鉑為90%，負(fù)極（SN）為純鉑，故俗稱單鉑銠熱電偶。該熱電偶長期最高使用溫度為1300，短期最高使用溫度為1600。 S型熱電偶具有準(zhǔn)確度最高，穩(wěn)定性最好，測溫溫區(qū)寬，使用壽命長等優(yōu)點。它的物理、化學(xué)性能良好，熱電勢穩(wěn)定性及在高溫下抗氧化性能好，適用于氧化性和惰性氣氛中。由于S型熱電偶具有優(yōu)良的綜合性能，符合國際使用溫標(biāo)的S型熱電偶，長期以來曾作為國際溫標(biāo)的內(nèi)插儀器，S型熱電偶可用于近似實現(xiàn)國際溫標(biāo)。 S型熱電偶不足之處是熱電勢較小，靈敏度低，高溫下機械強度下降，對污染非常敏感，貴金屬材料昂貴，因而一次性投資較大。,（K型熱電偶）鎳鉻-鎳硅熱電偶 鎳鉻-鎳硅熱電偶（K型熱電偶）是目前用量最大的金屬熱電偶，其用量為其他熱電偶的總和。正極（KP）的名義化學(xué)成分為：Ni：Cr=90：10，負(fù)極（KN）的名義化學(xué)成分為：Ni：Si=97：3，其使用溫度為-2001300。 K型熱電偶具有線性度好，熱電動勢較大，靈敏度高，穩(wěn)定性和均勻性較好，抗氧化性能強，價格便宜等優(yōu)點，能用于氧化性惰性氣氛中。廣泛為用戶所采用。 K型熱電偶不能直接在高溫下用于硫，還原性或還原，氧化交替的氣氛中和真空中，也不推薦用于弱氧化氣氛中。,（E型熱電偶）鎳鉻-銅鎳熱電偶 鎳鉻-銅鎳熱電偶（E型熱電偶）又稱鎳鉻-康銅熱電偶，也是一種廉金屬的熱電偶，正極（EP）為：鎳鉻10合金，化學(xué)成分與KP相同，負(fù)極（EN）為銅鎳合金，名義化學(xué)成分為：55%的銅，45%的鎳以及少量的錳，鈷，鐵等元素。該熱電偶的使用溫度為-200900。 E型熱電偶熱電動勢之大，靈敏度之高屬所有熱電偶之最，宜制成熱電堆，測量微小的溫度變化。對于高濕度氣氛的腐蝕不甚靈敏，宜用于濕度較高的環(huán)境。E熱電偶還具有穩(wěn)定性好，抗氧化性能優(yōu)于銅-康銅，鐵-康銅熱電偶，價格便宜等優(yōu)點，能用于氧化性和惰性氣氛中，廣泛為用戶采用。 E型熱電偶不能直接在高溫下用于硫，還原性氣氛中，熱電勢均勻性較差。,2）熱電阻 熱電阻是利用導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻隨溫度變化的特性測量溫度的。用金屬或半導(dǎo)體材料作為感溫元件的傳感器，分別稱為熱電阻和熱敏電阻。 熱電阻傳感器是由電阻體、絕緣管、保護(hù)套管、引線和接線盒等組成。電阻體是主要部分。,6瓷絕緣套管 7支架 8電阻絲 9保護(hù)膜 10引線,a）熱電阻組成 b）雙線并繞,（1）鉑電阻 特點：測溫精度高，穩(wěn)定性好，性能可靠；氧化性介質(zhì)穩(wěn)定，還原性介質(zhì)易被污染。 采用(IEC)制作鉑電阻溫度計 國際電工委員會(International Electrotechnical Commission） 測溫范圍：-200 850,鉑電阻體用很細(xì)鉑絲繞在云母、石英或陶瓷支架上做成。WZB型，由直徑0.03-0.07mm鉑絲繞云母制成的平板型支架，如圖。,電阻與溫度關(guān)系： -200 0 的溫度范圍內(nèi) 0 850 的溫度范圍內(nèi)為 說明：Rt和 R0分別為 t和 0 時的鉑電阻值；A、 B 和 C 為常數(shù)，其數(shù)值為,A=3.9080210-3/ B=-5.80210-7/ C=-4.2735010-12/4,我國規(guī)定工業(yè)用鉑熱電阻有 R0 = 10和 R0 =100兩種，它們的分度號分別為 Pt10和 Pt100，其中Pt100最常用。,（2）銅熱電阻 特點：測溫精度低于鉑電阻，但線性度好、電阻溫度系數(shù)高、價格便宜。 測溫范圍：-50 150,銅電阻體為一個銅絲繞組（含錳銅補償部分），由直徑約0.1mm的絕緣銅絲繞在圓形塑料支架上。,第七節(jié) 光電式傳感器,光電式傳感器：以光電器件為轉(zhuǎn)換元件的傳感器。 工作原理：首先將被測量的變化轉(zhuǎn)換為光信號的變化，然后通過光電器件轉(zhuǎn)換成電信號。下圖為光電式傳感器原理圖。 光電式傳感器一般由輻射源、光學(xué)通路和光電器件三部分組成。被測量通過對輻射源或光學(xué)通路的影響，將被測信息調(diào)制到光波上，通常改變光波的強度、相位、空間分布和頻譜分布等，光電器件將光信號轉(zhuǎn)換為電信號。電信號經(jīng)后續(xù)電路的解調(diào)分離出被測信息，從而實現(xiàn)對被測量的測量。,1、光電效應(yīng),光電效應(yīng)分為外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)兩類。 外光電效應(yīng)亦稱為光電子發(fā)射效應(yīng)。 內(nèi)光電效應(yīng)又分為光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)兩類。,（1）、外光電效應(yīng) 外光電效應(yīng)：在光輻射作用下，物體內(nèi)的電子從物體表面逸出的現(xiàn)象。 光子具有的能量：,上式稱為愛因斯坦光電效應(yīng)方程式,當(dāng)物體受到光輻射時，其中的電子吸收了一個光子的能量h，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能，即,由愛因斯坦光電效應(yīng)方程式得：,1）光電子逸出表面的必要條件是hA。 2）當(dāng)入射光頻率成分不變時，單位時間內(nèi)發(fā)射的光子數(shù)與入射光強 度成正比。,（2）光電導(dǎo)效應(yīng),光電導(dǎo)效應(yīng)：在光輻射作用下，某些半導(dǎo)體材料的電阻率發(fā)生改變的現(xiàn)象。 光電導(dǎo)效應(yīng)的物理過程：光照射在半導(dǎo)體材料上時，價帶（價電子所占能帶）中的電子受到能量大于或等于禁帶（不存在電子所占能帶）寬度的光子轟擊，使其由價帶越過禁帶躍入導(dǎo)帶（自由電子所占能帶），使材料中導(dǎo)帶內(nèi)的電子和價帶內(nèi)的空穴濃度增大，從而使電導(dǎo)率增大。 典型的光電導(dǎo)效應(yīng)器件是光敏電阻。,（3）光生伏特效應(yīng),光生伏特效應(yīng)： 在無光照射下，PN結(jié)內(nèi)存在內(nèi)部自建電場E，當(dāng)光照射在PN結(jié)時，在能量足夠大的光子作用下，在結(jié)區(qū)及其附近產(chǎn)生少數(shù)載流子（電子、空穴對）。這些載流子在結(jié)區(qū)外時，靠擴(kuò)散進(jìn)入結(jié)區(qū)；在結(jié)區(qū)內(nèi)，因電場E的作用，電子漂移到N區(qū)，空穴漂移到P區(qū)。結(jié)果使N區(qū)帶負(fù)電荷，P區(qū)帶正電荷，產(chǎn)生附加電動勢的現(xiàn)象。,2 光電器件,（1）. 光電管,典型的光電管有真空光電管和充氣光電管兩類，兩者結(jié)構(gòu)類似。圖a為真空光電管的結(jié)構(gòu)。在一個抽成真空的玻璃泡內(nèi)裝有兩個電極：光電陰極和光電陽極。光電陰極通常是用逸出功小的光敏材料（如銫）涂敷在玻璃泡內(nèi)壁上做成，其感光面對準(zhǔn)光的照射孔。當(dāng)光線照射到光敏材料上，便有電子逸出，這些電子被具有正電位的陽極所吸引，在光電管內(nèi)形成空間電子流，在外電路就產(chǎn)生電流。外電路接線如圖b所示，串入一適當(dāng)阻值的電阻，該電阻上的壓降或電路中的電流大小都與光強成函數(shù)關(guān)系，從而實現(xiàn)了光電轉(zhuǎn)換。,a）結(jié)構(gòu) b）外接電路,光電管的基本特性主要有光譜特性、光照特性和伏安特性。,光譜特性：主要取決于光電陰極材料。不同的陰極材料對同一種波長的光具有不同的靈敏度；同一種陰極材料對不同波長的光也具有不同的靈敏度。這可用光譜特性來描述。如圖3-61所示為光電管的光譜特性，特性曲線峰值對應(yīng)的波長稱為峰值波長，特性曲線占據(jù)的波長范圍稱為光譜響應(yīng)范圍。由圖可見，對不同波長區(qū)域的光應(yīng)選擇不同材料的光電管，使其最大靈敏度處于需要檢測的光譜范圍內(nèi)。例如被檢測的光主要成分在紅外區(qū)時，應(yīng)選用氧銫陰極光電管。,光照特性：光電管兩端所加電壓不變時，光通量與光電流I的關(guān)系。如圖3-62所示，對于氧銫陰極的光電管，I與呈線性關(guān)系，但對于銻銫陰極的光電管，當(dāng)光通量較大時，I與呈非線性關(guān)系。光照特性曲線的斜率稱為光電管的靈敏度。因氧銫光電管的良好線性，使其在光度測量中獲得廣泛應(yīng)用。,伏安特性：在一定的光通量照射下，光電流與光電管兩端的電壓關(guān)系。如圖3-63所示，在不同的光通量照射下，伏安特性是幾條相似的曲線。當(dāng)極間電壓高于50V時，光電流開始飽和，所有光電子到達(dá)了陽極。真空光電管一般工作于飽和范圍內(nèi)。,（2）、光電倍增管 在光照很弱時，光電管所產(chǎn)生的光電流很小，為了提高靈敏度，常應(yīng)用光電倍增管。,光電倍增管的結(jié)構(gòu)及電路 a）結(jié)構(gòu) b）基本電路,（3）、光敏電阻 光敏電阻又稱光導(dǎo)管，它的工作原理是基于光電導(dǎo)效應(yīng)。由于光電導(dǎo)效應(yīng)只限于光照的表面薄層，所以光電半導(dǎo)體材料一般都做成薄片并封裝在帶有透明窗的外殼中。圖3-65（a）所示是金屬封裝的硫化鎘（CdS）光敏電阻的結(jié)構(gòu)圖。管心是一塊安裝在絕緣襯底上的帶有兩個歐姆接觸電極的光電導(dǎo)體，為了提高靈敏度，光敏電阻的電極一般采用梳狀圖案，如3-65（b）所示。光敏電阻的代表符號見圖3-65（c）。,光敏電阻的主要特性 1）暗電阻、亮電阻、光電流 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。此時流過的電流。 光電流：光敏電阻在特定光照條件下呈現(xiàn)的阻值稱為亮電阻。此時流過的電流，稱為亮電流。亮電流與暗電流之差。 光敏電阻的暗電阻越大、亮電阻越小，則性能越好。也就是說，暗電流要小，光電流要大，這樣的光敏電阻靈敏度就高。 2）光照特性 光敏電阻的光電流與光通量之間的關(guān)系稱為光照特性。 3）伏安特性 在一定的光照下，光敏電阻兩端所加的電壓與光電流之間的關(guān)系稱為伏安特性。 4）光譜特性,5）響應(yīng)時間特性 光敏電阻的光電流對光照強度的變化有一定的響應(yīng)時間，通常用時間常數(shù)來描述。光敏電阻自光照停止到光電流降至原值的63%時所經(jīng)過的時間稱為光敏電阻的時間常數(shù)。 6）溫度特性 與其它半導(dǎo)體器件一樣，光敏電阻的特性受溫度影響很大。隨著溫度的升高，光敏電阻的暗電阻和靈敏度都將下降，光譜響應(yīng)峰值將向左移動。,（7） 光