檢測技術(shù)期末課件

第4章電壓型傳感器2024/2/41第4章電壓型傳感器4.1磁電式傳感器即感應(yīng)式傳感器利用電磁感應(yīng)原理將運動速度轉(zhuǎn)換成感應(yīng)電動勢輸出無需供電電源直接吸收機(jī)械能———電信號輸出輸出功率較大，性能穩(wěn)定，具有一定的工作帶寬2024/2/42第4章電壓型傳感器4.1磁電式傳感器4.1.1基本原理和組成1．磁路系統(tǒng)——產(chǎn)生恒定的直流磁場，一般采用永久磁鋼2．線圈——產(chǎn)生感應(yīng)電壓3．運動機(jī)構(gòu)——感受被測運動

2024/2/43第4章電壓型傳感器4.1.2結(jié)構(gòu)類型1、變磁通式——永久磁鐵和線圈均不動（變磁阻式）①鐵芯平移型圖4-1-1（a）

②鐵芯旋轉(zhuǎn)型圖4-1-1（b）

圖4-1-1變磁通式結(jié)構(gòu)2024/2/44第4章電壓型傳感器2、恒磁通式——永久磁鐵與線圈相對運動①動鐵式——圖4-1-2（a）②動圈式平移型圖4-1-2（b）

旋轉(zhuǎn)型圖4-1-2（c）

2024/2/45第4章電壓型傳感器圖4-1-2恒磁通式結(jié)構(gòu)2024/2/46第4章電壓型傳感器4.1.3接口電路圖4-1-3磁電式傳感器接口電路方框圖2024/2/47第4章電壓型傳感器4.1.3

接口電路（圖4-1-3）1．測振動速度——雙刀三擲開關(guān)置于1-1’2．測振動位移——雙刀三擲開關(guān)置于2-2’3．測振動加速度——雙刀三擲開關(guān)置于3-3’

2024/2/48第4章電壓型傳感器4.2壓電式傳感器4.2.1

壓電效應(yīng)及其表達(dá)式

一、壓電效應(yīng)1．正壓電效應(yīng)（簡稱壓電效應(yīng)）某些電介質(zhì)，當(dāng)沿著一定方向?qū)ζ涫┝Χ顾冃螘r，內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在它的兩個相對的表面上便產(chǎn)生符號相反的電荷；當(dāng)外力去掉后，又重新恢復(fù)不帶電的狀態(tài)；當(dāng)作用力的方向改變時，電荷的極性也隨著改變。

2024/2/49第4章電壓型傳感器4.2.1

壓電效應(yīng)及其表達(dá)式

一、壓電效應(yīng)2．逆壓電效應(yīng)（電致伸縮效應(yīng)）當(dāng)在電介質(zhì)的極化方向上施加電場時，這些電介質(zhì)會產(chǎn)生變形。

2024/2/410第4章電壓型傳感器二、壓電效應(yīng)方程1、力電表示方法：圖4-2-1i——電荷產(chǎn)生面i=1,2,3分別代表x、y、z面j——外加應(yīng)力方向j=1,2,3分別代表使x、y、z軸伸縮的力j=4,5,6分別代表x、y、z面受剪切的力

2024/2/411第4章電壓型傳感器4.2壓電式傳感器4.2.1壓電效應(yīng)及其表達(dá)式圖4-2-1壓電元件的力、電分布2024/2/412第4章電壓型傳感器1．單一壓電效應(yīng)——單一應(yīng)力作用圖4-2-2（a）i=j應(yīng)力與電荷面垂直，厚度伸縮

——縱向壓電效應(yīng)圖4-2-2（b）

，應(yīng)力與電荷面平行，長寬伸縮

——橫向壓電效應(yīng)2024/2/413第4章電壓型傳感器圖4-2-2（c）

，電荷面受剪切

——面切壓電效應(yīng)圖4-2-2（d）

，厚度受剪切

——剪切壓電效應(yīng)2024/2/414第4章電壓型傳感器圖4-2-2壓電效應(yīng)的幾種類型2024/2/415第4章電壓型傳感器2．全壓電效應(yīng)——多應(yīng)力同時作用

2024/2/416第4章電壓型傳感器3．壓電常數(shù)矩陣

2024/2/417第4章電壓型傳感器3、力——電荷轉(zhuǎn)換公式因為所以令

表示電荷靈敏度則

2024/2/418第4章電壓型傳感器圖4-2-3石英晶片上電荷極性與受力方向的關(guān)系2024/2/419第4章電壓型傳感器4.2.2壓電材料4-2-4石英晶體2024/2/420第4章電壓型傳感器圖4-2-5石英晶體的壓電效應(yīng)2024/2/421第4章電壓型傳感器圖4-2-6壓電陶瓷的極化2024/2/422第4章電壓型傳感器圖4－2－7壓電陶瓷的壓電效應(yīng)2024/2/423第4章電壓型傳感器4.2.3壓電元件圖4-2-8雙晶片懸臂梁式壓電元件2024/2/424第4章電壓型傳感器圖4-2-9壓電元件的等效電路2024/2/425第4章電壓型傳感器3、串并聯(lián)——壓電元件堆疊，使各元件均受相同力

圖4-2-10壓電元件的串并聯(lián)2024/2/426第4章電壓型傳感器圖4-2-10壓電元件的串并聯(lián)2024/2/427第4章電壓型傳感器4.2.4接口電路圖4-2-11壓電傳感器等效電路2024/2/428第4章電壓型傳感器圖4-2-12電壓放大器電路2024/2/429第4章電壓型傳感器（一階高通濾波特性）2024/2/430第4章電壓型傳感器2024/2/431第4章電壓型傳感器2024/2/432第4章電壓型傳感器圖4-2-13電荷放大器2024/2/433第4章電壓型傳感器4.3熱電偶傳感器4.1熱電效應(yīng)兩種導(dǎo)體（或半導(dǎo)體）A和B的兩端分別焊接在一起，形成一個閉合的回路。若兩個接點處于不同的溫度，回路中就會產(chǎn)生電動勢（稱為熱電動勢），因而在回路中形成電流，這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。圖4-3-1熱電效應(yīng)示意圖2024/2/434第4章電壓型傳感器1、熱電勢的產(chǎn)生1）單一導(dǎo)體的溫差電動勢

所以

2024/2/435第4章電壓型傳感器1、熱電勢的產(chǎn)生2）兩種導(dǎo)體的接觸電動勢

所以

2024/2/436第4章電壓型傳感器1、熱電勢的產(chǎn)生3）熱電偶回路總熱電勢“巡游一周法”――從熱端出發(fā)沿?zé)犭娕蓟芈费灿我恢?，按照遇到的?dǎo)體和溫度的順序，依次寫出各接觸電勢和溫差電勢，并將它們相加起來便是整個回路的總熱電勢：

2024/2/437第4章電壓型傳感器2024/2/438第4章電壓型傳感器3）熱電偶回路總熱電勢

1、若A=B，則

2、若T=T0，則

結(jié)論：2024/2/439第4章電壓型傳感器結(jié)論：1、當(dāng)熱電極材料均勻時，EAB(T,T0)與熱電極長度和直徑無關(guān)，只與材料和端溫T，T0有關(guān)。2、材料不同，NA≠NB，才能作成熱偶。

3、A、B材料一定，NA/NB一定，EAB只與端溫有關(guān)，當(dāng)T0不變，則EAB（T，T0）=f(t)。利用該特性測溫。2024/2/440第4章電壓型傳感器4.3.1熱電效應(yīng)2.熱電偶基本定律1）中間導(dǎo)體定律——若中間導(dǎo)體兩端溫度相同，則圖4-3-2(a)為例“巡游一周法”

2024/2/441第4章電壓型傳感器因為，

所以2024/2/442第4章電壓型傳感器圖4-3-2熱電偶回路接入第三導(dǎo)體2024/2/443第4章電壓型傳感器圖4-3-3開路熱電偶的使用2024/2/444第4章電壓型傳感器4.3.1熱電效應(yīng)2.熱電偶基本定律

2）中間溫度定律—應(yīng)用：制作分度表—與測量端攝氏溫度T的對應(yīng)數(shù)據(jù)表

2024/2/445第4章電壓型傳感器4.3.1熱電效應(yīng)2.熱電偶基本定律

3）標(biāo)準(zhǔn)電極定律—應(yīng)用：簡化熱電偶的選配工作——圖4-3-4通常標(biāo)準(zhǔn)電極C選用純度很高、物理化學(xué)性能非常穩(wěn)定的鉑制成，稱為標(biāo)準(zhǔn)鉑熱電極。2024/2/446第4章電壓型傳感器圖4-3-43種導(dǎo)體分別組成的熱電偶2024/2/447第4章電壓型傳感器4.3.2熱電偶的材料、型號及結(jié)構(gòu)圖4-3-5普通熱電偶結(jié)構(gòu)示意圖2024/2/448第4章電壓型傳感器4.3.3冷端恒溫式熱電偶測溫電路

1.測溫原理和方法理論依據(jù)（T的單值函數(shù)）2024/2/449第4章電壓型傳感器4.3.3冷端恒溫式熱電偶測溫電路圖4-3-6各種熱電偶的熱電勢與溫度關(guān)系曲(T0=0℃)2024/2/450第4章電壓型傳感器測溫方法

查表法（儀表按電壓刻度）直讀法（儀表按分度表標(biāo)成溫度數(shù)值）T0=0℃1.儀表測出EAB（T，0）2.查分度表求出與EAB（T，0）對應(yīng)的T儀表直接讀出T值T0≠0℃（T0為已知）1.儀表測出EAB（T，T0）2.查分度表求出EAB（T0，0）3.計算EAB（T，0）=EAB（T，T0）+EAB（T0，0）4.查分度表求EAB（T，0）對應(yīng)的T儀表讀取值——T′（指示值）查表求與T′對應(yīng)的K值計算T——（真實溫度值）T=T′+K·T02024/2/451第4章電壓型傳感器4.3.3冷端恒溫式熱電偶測溫電路2.熱電偶的冷端處理1）冷端恒溫方式：1°冰浴法2°恒溫槽法3°簡易法2024/2/452第4章電壓型傳感器4.3.3熱電偶測溫電路2.熱電偶的冷端處理

2）冷端的延伸——使冷端遠(yuǎn)離被測熱源圖4-3-７A、B——熱電偶A′B′——補(bǔ)償導(dǎo)線C——儀表連線2024/2/453第4章電壓型傳感器圖4-3-7熱電偶冷端的延伸2024/2/454第4章電壓型傳感器必須注意：（1）A與A′，B與B′接點溫度相同，均為Tn，且在允許范圍內(nèi)，Tn=0~100℃（2）不同的熱電偶要求配用不同的補(bǔ)償導(dǎo)線，補(bǔ)償導(dǎo)線的熱電特性在一定范圍內(nèi)（一般為0~100℃），要與所配用的熱電偶的熱電特性相同，即滿足

（3）A′與A相接，B與B′相接不可接反。2024/2/455第4章電壓型傳感器4.3.4

冷端補(bǔ)償式熱電偶測溫電路圖4-3-8冷端自動補(bǔ)償?shù)脑?/p>

1.冷端自動補(bǔ)償?shù)脑?024/2/456第4章電壓型傳感器

圖中冷端補(bǔ)償器是由溫度傳感器組成的冷端補(bǔ)償電路，其溫度傳感器與熱電偶冷端所處溫度相同，均為T0。只要在允許波動范圍內(nèi)冷端補(bǔ)償器輸出電壓UCOMP(T)滿足一下條件：①當(dāng)

時，

②當(dāng)時，

溫度Tn稱為補(bǔ)償基準(zhǔn)溫度或校準(zhǔn)溫度。1.冷端自動補(bǔ)償?shù)脑?024/2/457第4章電壓型傳感器圖4-3-9冷端自動補(bǔ)償?shù)恼`差

2024/2/458第4章電壓型傳感器當(dāng)T0=Tn時，將冷端補(bǔ)償器輸出電壓與熱電偶的輸出電壓EAB(T,T0)相加，依據(jù)中間溫度定律，可得到：對冷端溫度波動的自動補(bǔ)償實質(zhì)上就是給熱電偶補(bǔ)加一個等于或近似等于EAB(T0,0)的電壓。若不加冷端補(bǔ)償器，此時熱電偶的輸出電壓為EAB(T,T0),與冷端恒定為0℃時的熱電動勢EAB(T,0)相差EAB(T0,0)，誤差較大。2024/2/459第4章電壓型傳感器圖4-3-10采用熱電阻電橋冷端補(bǔ)償?shù)臒犭娕紲y溫電路2.冷端補(bǔ)償器電路圖4-3-10采用熱電阻電橋冷端補(bǔ)償?shù)臒犭娕紲y溫電路2024/2/460第4章電壓型傳感器4.4

光電式傳感器光電式傳感器是以光電器件作為轉(zhuǎn)換元件的傳感器。光電器件的物理基礎(chǔ)是光電效應(yīng)。4.4.1光電效應(yīng)及各類光電器件1.外光電效應(yīng)――光電發(fā)射――在光線照射下，物體內(nèi)的電子逸出物體表面的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)。向外發(fā)射的電子稱為光電子，能產(chǎn)生光電效應(yīng)的物質(zhì)稱為光電材料。2024/2/461第4章電壓型傳感器愛因斯坦的光電效應(yīng)方程

hf――每個光子的能量A――逸出功m――電子質(zhì)量V――電子逸出物體表面時初速度2024/2/462第4章電壓型傳感器外光電效應(yīng)――光電發(fā)射能使光電材料產(chǎn)生光電子的光的最低頻率稱為紅限頻率

，其值為

結(jié)論：光電發(fā)射的條件：入射光的頻率高于紅限頻率，光電流與入射光強(qiáng)度成正比關(guān)系。2024/2/463第4章電壓型傳感器光電發(fā)射型光電器件光電管最典型的是真空光電管和充氣光電管

圖4-4-2圖4-4-1光電管基本電路2024/2/464第4章電壓型傳感器真空光電管適合于要求溫度影響小和靈敏度穩(wěn)定的場合；充氣光電管適合于要求靈敏度高的場合。光電倍增管（自學(xué)）2024/2/465第4章電壓型傳感器2、內(nèi)光電效應(yīng)――絕大多數(shù)的高電阻率半導(dǎo)體，受光照射吸收光子能量后，會產(chǎn)生電阻率降低而易于導(dǎo)電的現(xiàn)象。也稱光導(dǎo)效應(yīng)。紅限頻率

圖4-4-2電子能級示意圖2024/2/466第4章電壓型傳感器光導(dǎo)型光電器件光敏電阻不受光照時的電阻值――暗阻，一般在兆歐數(shù)量級，受光照時的電阻值――亮阻。一般在幾千歐以下。光敏二極管、光敏三極管（第5章半導(dǎo)體傳感器）2024/2/467第4章電壓型傳感器3.光生伏特效應(yīng)――適當(dāng)波長的光照射半導(dǎo)體的PN結(jié)，由于結(jié)電場的作用，引起PN結(jié)兩端產(chǎn)生電動勢的現(xiàn)象。光電池――直接將光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡妱觿莸墓怆娖骷?。圖4-4-3PN結(jié)光生伏特效應(yīng)原理圖2024/2/468第4章電壓型傳感器4.4.2光電器件的基本特性一、光電特性和光照特性光電特性：當(dāng)光電器件電極上的電壓一定時，光電流I與入射于光電器件上的光通量Φ間的關(guān)系即I=F(Φ)。光照特性：當(dāng)光電器件電極上的電壓一定時，光電流I與光電器件上照度E的關(guān)系即I=F(E)。光電特性和光照特性曲線圖4-4-8。要求：曲線斜率要大，且斜率最好是常數(shù)。2024/2/469第4章電壓型傳感器圖4-4-4光電特性和光照特性曲線2024/2/470第4章電壓型傳感器二、光譜特性光譜特性：光電流(一般以最大值的百分?jǐn)?shù)或相對靈敏度表示)與入射光波長的關(guān)系I=F(λ)

當(dāng)光電器件的光譜特性與光源輻射能量的光譜分布協(xié)調(diào)一致時，光電傳感器的性能較好，效率較高。

在檢測時，光電器件的最佳靈敏度最好在需要測量的波長處。2024/2/471第4章電壓型傳感器圖4-4-5光譜特性曲線2024/2/472第4章電壓型傳感器三、伏安特性伏安特性：在給定的光通量或照度下，光電流I與光電器件兩端電壓U的關(guān)系即I=F(U)應(yīng)用：幫助我們計算選擇光電元件的負(fù)載電阻，設(shè)計整個線路。2024/2/473第4章電壓型傳感器圖4-4-6伏安特性曲線2024/2/474第4章電壓型傳感器光電器件的基本特性四、頻率特性頻率特性：在同樣的電壓和同樣幅值的光強(qiáng)度下，光電器件輸出的光電流I或靈敏度S隨入射光強(qiáng)度變化頻率f的關(guān)系I=F1(f)或S=F2(f)。頻率特性曲線圖4-4-7要求：曲線平直，且頻帶寬。2024/2/475第4章電壓型傳感器

圖4-4-7頻率特性曲線2024/2/476第4章電壓型傳感器光電器件的基本特性五、溫度特性溫度特性：光電器件的光電特性和光譜特性隨溫度變化。結(jié)論：1）對溫度的影響可采取溫度補(bǔ)償或修正措施；2）可通過控制工作環(huán)境溫度，達(dá)到最大靈敏度。2024/2/477第4章電壓型傳感器圖4-4-8溫度變化對元件特性的影響2024/2/478第4章電壓型傳感器圖4-4-18光電傳感器的基本組成4.4.5光電式傳感器的基本組成和類型

1、光電式傳感器的基本組成

2024/2/479第4章電壓型傳感器圖4-4-19透射式光電傳感器

應(yīng)用：測量透明度和混濁度。2、光電傳感器的基本類型

2024/2/480第4章電壓型傳感器圖4-4-20反射式光電傳感器

應(yīng)用：測量表面粗糙度2024/2/481第4章電壓型傳感器圖4-4-21輻射式光電傳感器

應(yīng)用：光電高溫計和爐子燃燒監(jiān)視裝置。2024/2/482第4章電壓型傳感器

圖4-4-22遮擋式光電傳感器

應(yīng)用：測量物體面積、尺寸和位移等2024/2/483第4章電壓型傳感器例4-4-1圖路燈自動控制電路2024/2/484第4章電壓型傳感器4.5霍爾傳感器4.5.1霍爾效應(yīng)半導(dǎo)體薄片置于磁場中，當(dāng)有電流流過時，在垂直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生電動勢，稱為霍爾效應(yīng)，相應(yīng)的電動勢被稱為霍爾電動勢，半導(dǎo)體薄片稱為霍爾片或霍爾元件?；魻栃?yīng)的產(chǎn)生是由于電荷受磁場中洛倫茲力作用的結(jié)果。2024/2/485第4章電壓型傳感器圖4-5-1霍爾效應(yīng)原理圖洛倫茲力

電場力平衡時，

所以基片寬度兩側(cè)面間由于電荷積累形成的電位差，稱為霍爾電壓。2024/2/486第4章電壓型傳感器控制電流n——N型半導(dǎo)體載流子濃度所以霍爾靈敏度霍爾電勢表達(dá)式2024/2/487第4章電壓型傳感器4.5.2霍爾傳感器組成與基本特性一、霍爾元件1）材料——多用N型