《機(jī)械工程測(cè)試與控制技術(shù)》課件 第19課 第八章 8.5 壓電式傳感器

機(jī)械工程測(cè)試與控制技術(shù)第八章

常用傳感器8.1傳感器概念8.2電阻式傳感器8.3電感式傳感器8.4電容式傳感器8.5壓電式傳感器8.6磁電式傳感器8.7霍爾式傳感器8.8熱電偶傳感器8.9光電式傳感器壓電效應(yīng)外力作用下在壓電材料表面產(chǎn)生電荷F+q8.5壓電式傳感器等效電路兩極板上聚集異性電荷，中間為絕緣體的電容器壓電材料石英晶體、鈦酸鋇BT、鋯鈦酸鉛PZT、鈮酸鉛鋇鋰PBLN、壓電陶瓷PbTiO3，以及聚偏氟乙烯薄膜PVDF等FFq電極壓電晶片Cou＝q/Co電荷源電壓源8.5壓電式傳感器結(jié)構(gòu)形式兩片、四片壓電材料串并聯(lián)組成，提高靈敏度并聯(lián)接法：電容量大、時(shí)間常數(shù)大，響應(yīng)慢測(cè)量緩變信號(hào)適合電荷輸出串聯(lián)接法：電容量小、時(shí)間常數(shù)小，響應(yīng)快測(cè)量快變信號(hào)適合電壓輸出8.5壓電式傳感器測(cè)量電荷測(cè)量：電荷放大器（電容反饋放大器）電荷易泄漏，適宜作動(dòng)態(tài)測(cè)量如果放大器開環(huán)增益A足夠大

uo≈-qe/Cf電荷放大器輸出電壓正比于傳感器的電荷量，且與電纜分布電容無關(guān)電荷放大器的靈敏度取決于Cf——靈敏度的選擇常做高精度測(cè)量加速度計(jì)電纜電荷放大器8.5壓電式傳感器測(cè)量電壓測(cè)量：阻抗變換＋放大壓電傳感器的內(nèi)阻抗Ra很高，輸出的信號(hào)微弱測(cè)量電路連接電纜改變（長(zhǎng)度、布線）→Cc→影響電壓靈敏度值不可以用于靜態(tài)測(cè)量、測(cè)量精度不高電壓靈敏度隨被測(cè)信號(hào)頻率而變阻抗變換：低阻抗輸出微弱信號(hào)進(jìn)行放大加速度計(jì)電纜阻抗變換、放大ui簡(jiǎn)化的等效電路8.5壓電式傳感器優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)它具有很高的剛度，測(cè)量過程中變形甚小，是一種近乎理想的測(cè)力元件尺寸與重量很小，可以小到只有零點(diǎn)幾克，因而使用中對(duì)被測(cè)對(duì)象的附加質(zhì)量小固有頻率高，可以高達(dá)數(shù)萬赫茲，線性好橫向干擾?。ㄗ畲蟛怀^5%），可做成多向測(cè)力儀響應(yīng)快、靈敏度高、信噪比大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠缺點(diǎn)調(diào)理特殊、不宜做靜態(tài)測(cè)量需經(jīng)常校正靈敏度8.5壓電式傳感器壓電式壓力傳感器測(cè)量方法——?jiǎng)討B(tài)電壓測(cè)量：電壓放大器——頻率、電纜影響電荷測(cè)量：電荷放大器——高精度測(cè)量12345壓電轉(zhuǎn)換元件傳感器體彈性膜片電極引線P8.5壓電式傳感器壓電式加速度傳感器結(jié)構(gòu)敏感元件：彈簧、質(zhì)量、阻尼系統(tǒng)轉(zhuǎn)換元件：壓電元件轉(zhuǎn)換電路：電荷放大器、阻抗變換器S是彈簧，M是質(zhì)塊，B是基座，P是壓電元件，R是夾持環(huán)幾種加速度傳感器結(jié)構(gòu)(a)中心安裝壓縮型(b)環(huán)形剪切型(c)三角剪切型8.5壓電式傳感器8.1傳感器概念8.2電阻式傳感器8.3電感式傳感器8.4電容式傳感器8.5壓電式傳感器8.6磁電式傳感器8.7霍爾式傳感器8.8熱電偶傳感器8.9光電式傳感器電磁感應(yīng)原理N匝線圈與磁鐵相對(duì)運(yùn)動(dòng)、切割磁力線，感應(yīng)出正比于運(yùn)動(dòng)速度的電壓磁通Ф變化率取決于：磁場(chǎng)強(qiáng)度B——固定線圈運(yùn)動(dòng)速度磁路磁阻測(cè)量：磁電式傳感器輸出功率較大、零位及性能穩(wěn)定調(diào)理電路一般較簡(jiǎn)單工作頻率一般為10～1000Hz8.6磁電式傳感器分類動(dòng)圈式——線圈運(yùn)動(dòng)速度磁場(chǎng)為常數(shù)直線運(yùn)動(dòng)速度變磁阻——磁路磁阻變化齒圈和極軸組成的磁路中磁阻發(fā)生變化，其結(jié)果使磁通量周期性增減感應(yīng)電壓取決：轉(zhuǎn)速、探頭端面距齒頂間隙測(cè)量角速度或轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速8.6磁電式傳感器磁電式速度傳感器絕對(duì)速度傳感器組成：磁路系統(tǒng)、慣性質(zhì)量、彈簧阻尼、線圈殼體振動(dòng)→磁鋼隨之振動(dòng)→芯軸相對(duì)靜止→線圈切割磁力線→線圈中感應(yīng)電勢(shì)感應(yīng)電勢(shì)E=kV，式中k為取決于磁感應(yīng)強(qiáng)度、線圈長(zhǎng)度和匝數(shù),V為絕對(duì)振動(dòng)速度彈簧片芯軸線圈磁鋼阻尼環(huán)殼體8.6磁電式傳感器磁電式速度傳感器絕對(duì)速度傳感器動(dòng)態(tài)特性：二階系統(tǒng)固有頻率應(yīng)該盡可能低，但實(shí)現(xiàn)有很大困難由于結(jié)構(gòu)上的原因，固有頻率一般取10～15Hz工作頻率：15～1000Hz阻尼比：阻尼環(huán)產(chǎn)生磁阻尼力（0.5～0.7）輸入：安裝點(diǎn)的絕對(duì)速度輸出：芯軸相對(duì)殼體的相對(duì)速度工作二階系統(tǒng)的在慣性區(qū)8.6磁電式傳感器應(yīng)用：磁電式轉(zhuǎn)速傳感器變磁阻輸出：感應(yīng)一個(gè)電勢(shì)脈沖可靠、穩(wěn)定、有源傳感器不適應(yīng)于低轉(zhuǎn)速永久磁鐵線圈齒圈引線間隙極軸8.6磁電式傳感器應(yīng)用：磁電式扭矩傳感器8.6磁電式傳感器8.1傳感器概念8.2電阻式傳感器8.3電感式傳感器8.4電容式傳感器8.5壓電式傳感器8.6磁電式傳感器8.7霍爾式傳感器8.8熱電偶傳感器8.9光電式傳感器霍爾效應(yīng)金屬或半導(dǎo)體薄片置于磁場(chǎng)中，當(dāng)有電流流過時(shí)，在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向上將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)——霍爾電壓

霍爾電壓UH與通過電流I和磁感應(yīng)強(qiáng)度B成正比d越小，kH就越大（薄膜霍爾元件d為1μm左右）8.7霍爾式傳感器霍爾元件N型半導(dǎo)體材料：鍺、硅、銻化銦、砷化銦特性尺寸小、特別是厚度很小，可以放到磁場(chǎng)的空隙中，因而很方便；輸出信號(hào)大，靈敏度可達(dá)12mV/(mA·T)輸出電阻小，只有0.5～100歐姆建立霍爾電勢(shì)的時(shí)間極短（10-12~10–14s），高頻測(cè)量應(yīng)用直接測(cè)量：磁場(chǎng)B、電流I間接測(cè)量：位移、厚度、重量、轉(zhuǎn)速8.7霍爾式傳感器開關(guān)型霍爾傳感器原理在傳感器內(nèi)用稀土磁鋼給霍爾器件建立初始磁場(chǎng)——磁偏置傳感器前面有鐵磁物體時(shí)，引起該磁場(chǎng)發(fā)生變化霍爾器件檢測(cè)、轉(zhuǎn)換成一個(gè)交變信號(hào)，內(nèi)置電路進(jìn)行放大、整形，輸出開關(guān)型霍爾傳感器OCH41輸入頻率：0～20KHz輸出信號(hào)：0～20V矩形脈沖工作電源：12V～24VDC/20mA推薦安裝間隙0.8～1.2mm8.7霍爾式傳感器霍爾效應(yīng)鋼絲斷絲檢測(cè)裝置1—鋼絲繩2—霍爾元件3—永久磁鐵霍爾式損傷檢測(cè)結(jié)構(gòu)：永久磁鐵+鋼絲繩+霍爾元件原理：鋼絲繩中的斷絲會(huì)改變永久磁鐵產(chǎn)生的磁場(chǎng)霍爾元件檢測(cè)磁場(chǎng)變化，產(chǎn)生一個(gè)脈動(dòng)電壓信號(hào)——斷絲根數(shù)及斷絲位置8.7霍爾式傳感器8.1傳感器概念8.2電阻式傳感器8.3電感式傳感器8.4電容式傳感器8.5壓電式傳感器8.6磁電式傳感器8.7霍爾式傳感器8.8熱電偶傳感器8.9光電式傳感器熱電效應(yīng)當(dāng)不同材料的兩導(dǎo)體Ａ和Ｂ的兩個(gè)結(jié)點(diǎn)處溫度不同時(shí)，則回路中產(chǎn)生熱電勢(shì)接觸電勢(shì)：接觸點(diǎn)電子密度不相同而形成的電位差eAB

(t)溫差電勢(shì)：金屬導(dǎo)體兩端溫度不同而可產(chǎn)生的熱電勢(shì)eA(t,t0)——等溫時(shí)為零熱電偶回路熱電勢(shì)：eAB(t,t0)——金屬A和溫度t分別表示熱電偶的正極和測(cè)量端,后面的金屬B和溫度t0分別表示熱電偶的負(fù)極和參考端導(dǎo)體A導(dǎo)體B高溫端t低溫端t0熱電極測(cè)量端參考端8.8熱電偶傳感器均質(zhì)導(dǎo)體定律中間導(dǎo)體定律中間溫度定律8.8熱電偶傳感器熱電偶連接接入儀表開路熱電偶只要A、B電極接入處溫度一致——任意焊接、任意連接工作端t參考端t0工作端t參考端t0工作端t參考端t0金屬壁面工作端t參考端t0液態(tài)金屬溫度相同T08.8熱電偶傳感器冷端溫度補(bǔ)償冷端：參考/比端、自由端——t0熱電偶的熱電勢(shì)的大小不僅與工作端溫度有關(guān)，而且與冷端溫度有關(guān)只有當(dāng)冷端溫度不變時(shí)，熱電勢(shì)才是熱端溫度的單值函數(shù)定點(diǎn)法——冰浴法把冷端置于恒溫器中，使其維持在一恒定溫度下，最常用冰槽精度很高，比較麻煩，僅限于實(shí)驗(yàn)室用mVABA’B’TCC’儀表銅導(dǎo)線試管補(bǔ)償導(dǎo)線熱電偶冰點(diǎn)槽冰水溶液T08.8熱電偶傳感器冷端溫度補(bǔ)償冷端溫度修正法根據(jù)中間溫度定律，在環(huán)境溫度Tn下：eAB（T,0）=eAB（T,Tn）+eAB（Tn,0）實(shí)際測(cè)量的熱電勢(shì)是EAB（T,Tn）,查表得出EAB（Tn,0）后，即可根據(jù)公式求得所需要的EAB（T,0），從而查表得到待測(cè)溫度T。BBA

Tn

T

0AAB8.8熱電偶傳感器冷端溫度補(bǔ)償補(bǔ)償電橋法——在熱電偶回路中串聯(lián)一電勢(shì)U=e(t0,0)原理：電橋輸出與環(huán)境溫度/冷端變化成正比補(bǔ)償環(huán)境溫度對(duì)熱電偶的影響電橋補(bǔ)償：在0oC時(shí)，電橋平衡，輸出為U=0如果環(huán)境溫度上升，熱電偶輸出熱電勢(shì)數(shù)值要降低電橋中橋臂電阻Rcu隨溫度上升而增大，使電橋輸出電壓增加，它與前者迭加可起到補(bǔ)償作用eUt0t0tbdaR1cRsRCuteR3R28.8熱電偶傳感器熱電偶分類熱電偶材料性能要求：物理化學(xué)性能穩(wěn)定、電阻溫度系數(shù)小、機(jī)械性能好、靈敏度高、復(fù)現(xiàn)性好、線性關(guān)系等熱電偶分類按其熱電勢(shì)與溫度的關(guān)系以及使用性能可分為：常用熱電偶和特殊熱電偶按其適應(yīng)的溫度范圍不同可分為：高、中溫?zé)犭娕己偷蜏責(zé)犭娕及雌浣Y(jié)構(gòu)型式不同可分為：鎧裝式、插入式和裸線式熱電偶

一般熱電偶的靈敏度隨溫度降低而明顯下降。這是熱電偶進(jìn)行低溫測(cè)量的主要困難。8.8熱電偶傳感器熱電偶優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制作方便、價(jià)格低廉、測(cè)溫范圍寬、正確度高流體、固體及表面溫度均可用它測(cè)量微型熱電偶可用于快速及動(dòng)態(tài)溫度測(cè)量熱電偶缺點(diǎn)：需要恒定的冷端溫度8.8熱電偶傳感器8.1傳感器概念8.2電阻式傳感器8.3電感式傳感器8.4電容式傳感器8.5壓電式傳感器8.6磁電式傳感器8.7霍爾式傳感器8.8熱電偶傳感器8.9光電式傳感器一、光電檢測(cè)技術(shù)測(cè)量精度高、速度快、非接觸、頻帶寬和信息量大在機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)中應(yīng)用非常廣泛。348.9

光電式傳感器二光電檢測(cè)器的工作原理35二光電檢測(cè)器的工作原理基于光電子元件的光電效應(yīng)當(dāng)具有一定能量的光子投射到某些物質(zhì)表面時(shí)，具有輻射能量的微粒將透過受光物質(zhì)的表面層，賦予這些物質(zhì)的電子以附加能量，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。8.9

光電式傳感器外光電效應(yīng)物體內(nèi)的電子逸出物體表面向外發(fā)射的現(xiàn)象光電管、光電倍增管內(nèi)光電效應(yīng)物質(zhì)內(nèi)部電子能量狀態(tài)產(chǎn)生變化光電導(dǎo)效應(yīng)光生伏特效應(yīng)光敏電阻光電池光敏二極管/三極管8.9

光電式傳感器6.1.1常用光電檢測(cè)器的工作原理光電管球形或圓柱形玻璃殼抽成真空，在半球面內(nèi)或圓柱面內(nèi)涂一層光電材料作為陰極，球心或圓柱中心放置金屬絲作為陽極陰極電子逸出金屬表面，形成電子發(fā)射電子被陽極吸引

產(chǎn)生電流必須在其陰極與陽極之間加上電勢(shì)，使陽極的電位高于陰極8.9

光電式傳感器光電倍增管將微弱的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成可測(cè)電信號(hào)二次發(fā)射得到倍增放大，收集作為信號(hào)輸出39探測(cè)紫外、可見和近紅外區(qū)，具有極高的靈敏度和極低的噪聲8.9

光電式傳感器光敏電阻原理：半導(dǎo)體材料的電阻隨光照強(qiáng)度的增大而減小光敏電阻的兩端加上偏置電壓后，產(chǎn)生電流當(dāng)入射光的光學(xué)參數(shù)變化光敏電阻的阻值變化相應(yīng)的電流也會(huì)發(fā)生變化8.9

光電式傳感器光敏電阻在不受光照時(shí)的阻值稱“暗電阻”，暗電阻越大越好，一般是兆歐數(shù)量級(jí)；光敏電阻在受光照時(shí)的阻值稱“亮電阻”，光照越強(qiáng)，亮電阻就越小，一般為千歐數(shù)量級(jí)41一般光敏電阻的光照特性呈非線性，光敏電阻常用在開關(guān)電路中作光電信號(hào)變換器。8.9

光電式傳感器光敏二極管由一個(gè)PN結(jié)組成的半導(dǎo)體器件，單方向?qū)щ娞匦栽恚喝肷涔庹丈湓趦?nèi)部PN結(jié)管芯，PN結(jié)具有單向?qū)щ娦裕?dāng)無光照時(shí)，電路中有很小的反向飽和漏電流，此時(shí)相當(dāng)于光敏二極管截止當(dāng)有光照射時(shí)，PN結(jié)區(qū)域受光子的轟擊，反向飽和漏電流大大增加，稱為光電流光電流隨入射光強(qiáng)度的變化而相應(yīng)變化光的強(qiáng)度越大，反向電流也越大8.9

光電式傳感器光敏三極管又稱光電三極管有兩個(gè)PN結(jié)，具有電流增益，比光敏二極管靈敏度高。43當(dāng)光線透過光孔照到發(fā)射極和基極之間的PN結(jié)時(shí)，就能獲得較大的集電極電流輸出輸出電流的大小隨光照強(qiáng)度的增強(qiáng)而增加靈敏度與入射光的方向有關(guān)應(yīng)保持光源與光敏晶體管的相對(duì)位置不變8.9

光電式傳感器光電池光電池有一個(gè)大面積的PN結(jié)，當(dāng)光線照射到PN結(jié)上時(shí)，便在結(jié)兩端出現(xiàn)電動(dòng)勢(shì)這種因光照而產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象稱為光生伏特效應(yīng)光電池在應(yīng)用中常用作電流源8.9

光電式傳感器三典型光電檢測(cè)方法及系統(tǒng)應(yīng)用45需要可以產(chǎn)生光信號(hào)的光源，才可把被測(cè)信號(hào)加載于光載波以便測(cè)量簡(jiǎn)單介紹作為光源的發(fā)光器件根據(jù)光電變換中光的調(diào)制方式不同，介紹兩類光電測(cè)量系統(tǒng)及其應(yīng)用8.9

光電式傳感器光源及其特性相干光源的波長(zhǎng)范圍極窄，近單色光源（激光）非相干光源是除激光光源以外的其他光源1.非相干光源——發(fā)光二極管熱輻射光源（白熾燈、鹵鎢燈等）、氣體放電光源（汞燈、脈沖氙燈等）、固體發(fā)光光源（發(fā)光二極管）發(fā)光二極管是少數(shù)載流子在PN結(jié)區(qū)的注入與復(fù)合而產(chǎn)生發(fā)光的一種半導(dǎo)體光源8.9

光電式傳感器原理：PN結(jié)上未加電壓時(shí)構(gòu)成一定的勢(shì)壘加上正向偏壓時(shí)，P區(qū)的空穴和N區(qū)的電子就向?qū)Ψ綌U(kuò)散運(yùn)動(dòng)，構(gòu)成少數(shù)載流子的注入，從而在PN結(jié)附近產(chǎn)生導(dǎo)帶電子和價(jià)帶空穴的復(fù)合一個(gè)電子和一個(gè)空穴每一次復(fù)合，將釋放出一定能量，該能量會(huì)以熱能、光能的形式輻射出來特點(diǎn)：發(fā)光二極管可利用交流供電或脈沖供電獲得調(diào)制光或脈沖光，調(diào)制頻率可達(dá)到幾十兆赫8.9

光電式傳感器2.相干光源——激光器可按激光工作物質(zhì)的不同，分為氣體激光器、固體激光器、半導(dǎo)體激光器等；按工作方式可分為連續(xù)工作激光器和脈沖工作激光器；按工作波長(zhǎng)范圍又可分為紫外光激光器、可見光激光器和紅外激光器等48原理:泵浦源提供外界能量，激光工作物質(zhì)產(chǎn)生光增益，諧振腔提供光學(xué)正反饋，形成激光模式特點(diǎn)：激光具有很好的單色性、高亮度、方向性、相干性以及隨時(shí)間、空間的可聚焦性8.9

光電式傳感器3非相干光電檢測(cè)方法及應(yīng)用非相干光電檢測(cè)方法和相干光電檢測(cè)方法無論光源是非相干光源或是相干性好的激光光源，非相干光電檢測(cè)方法都是利用光源出射光束的強(qiáng)度攜帶被測(cè)信息相干光電檢測(cè)方法則是利用光波的振幅、頻率、相位來攜帶被測(cè)信息相干光檢出被測(cè)信息時(shí)需要利用光波相干原理。8.9

光電式傳感器定義：將待測(cè)光信號(hào)直接入射到光電檢測(cè)器件光敏面上光電檢測(cè)器件輸出的電流或電壓與光信號(hào)的輻射強(qiáng)度有關(guān)特點(diǎn)：不需要穩(wěn)定的激光頻率，光路設(shè)計(jì)上也不需要精準(zhǔn)的準(zhǔn)直簡(jiǎn)單而又實(shí)用的測(cè)量方法508.9

光電式傳感器4非相干光電檢測(cè)方法及應(yīng)用1）轉(zhuǎn)速測(cè)量12345678射光式轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)光電三極管上輸出與轉(zhuǎn)速成比例的電脈沖信號(hào)，其脈沖頻率正比于轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速和白色條紋的數(shù)目透射光式轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)脈沖信號(hào)的頻率正比于轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速和多孔圓盤的透光孔數(shù)測(cè)速范圍可達(dá)每分鐘幾十萬轉(zhuǎn)，對(duì)被測(cè)軸無干擾8.9

光電式傳感器2）脈沖編碼器一種旋轉(zhuǎn)式脈沖發(fā)生器，能將機(jī)械轉(zhuǎn)角變換成電脈沖，通過對(duì)角位移電脈沖頻率的計(jì)數(shù)來檢測(cè)機(jī)械的旋轉(zhuǎn)速度增量式