测试技术及信号处理(中国矿大)第四章_信号的获取

1、第四章 信号的获取本章内容及要求本章内容及要求 主要内容主要内容: :几种常用参数型传感器和发电型传几种常用参数型传感器和发电型传感器的工作原理、用途和特点感器的工作原理、用途和特点; ;部分传感器的部分传感器的后续电路后续电路; ;智能传感器的基本知识智能传感器的基本知识 本章要求本章要求: :掌握参数型传感器和发电型传感器掌握参数型传感器和发电型传感器的工作原理、用途和特点。了解传感器的后续的工作原理、用途和特点。了解传感器的后续电路和智能传感器的基本知识电路和智能传感器的基本知识 本章重点本章重点: :掌握参数型传感器和发电型传感器掌握参数型传感器和发电型传感器的工作原理、用途和特点。的

2、工作原理、用途和特点。 第一节第一节 概述概述 传感器传感器: : 将一种信号变为另一种信号的器件。将一种信号变为另一种信号的器件。 如机如机电、热电、热电、声电、声电；电； 或机或机光、热光、热光、光光、光电；电； 传感器（本课程）传感器（本课程）: :能够感知被测量并按一定规能够感知被测量并按一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。律转换成可用输出信号的器件或装置。一一.传感器及其作用传感器及其作用 n传感器是人类感官的延伸传感器是人类感官的延伸a a视觉与光传感器；视觉与光传感器；b b听觉与声压传感器听觉与声压传感器; ;c c触觉与温度和压力传感器；触觉与温度和压力传感器；d d嗅觉

3、与气敏传感器；嗅觉与气敏传感器； n 现代测控系统的关键环节。现代测控系统的关键环节。传感器的组成：传感器的组成：敏感元件敏感元件传感元件传感元件测量电路测量电路被测量被测量电量电量敏感元件：直接感知被测量，并按一定规律转换为与被测量有敏感元件：直接感知被测量，并按一定规律转换为与被测量有确定关系的其他量的元器件。确定关系的其他量的元器件。 传感元件：将敏感元件的输出转换为电量的元器件。传感元件：将敏感元件的输出转换为电量的元器件。测量电路：将传感元件的输出做进一步处理，又称二次仪表测量电路：将传感元件的输出做进一步处理，又称二次仪表。分类分类按输入量分按输入量分 按输出量分按输出量分 测力传

4、感器测力传感器 位移传感器位移传感器 温度传感器温度传感器 参数型（电阻，电容，电感）参数型（电阻，电容，电感）发电式（压电，磁电，光电）发电式（压电，磁电，光电） 二、传感器的分类二、传感器的分类 带液晶显示压力传感器带液晶显示压力传感器压力传感器压力传感器超声波物位传感器超声波物位传感器JWC温度传感器温度传感器 测力测力/称重传感器称重传感器 扭矩传感器扭矩传感器 直滑式导电塑料电位器直滑式导电塑料电位器红外测温仪红外测温仪 第二节第二节 参数型传感器参数型传感器一、电阻式传感器一、电阻式传感器 工作原理：工作原理：将被测物理量转化为电路参数将被测物理量转化为电路参数 （电阻、电容、电感

5、（电阻、电容、电感 ）。）。原理：把被测量的变化转换为电阻值的变化。原理：把被测量的变化转换为电阻值的变化。 常用于测量物体的受力和机械变形。常用于测量物体的受力和机械变形。特点：特点：结构简单，性能稳定，使用方便。结构简单，性能稳定，使用方便。 分辨力低，噪声大分辨力低，噪声大。测量直线位移的电位计测量直线位移的电位计 测量应变的电阻应变片测量应变的电阻应变片 热线风速计热线风速计 应变式应变式流体压力流体压力传感器传感器1 1、电阻应变片的工作原理、电阻应变片的工作原理金属电阻应变式金属电阻应变式 电阻应变片电阻应变片半导体应变式半导体应变式（1）应变效应应变效应 电阻丝在外力的作用下发生

6、变形，其电阻电阻丝在外力的作用下发生变形，其电阻值发生变化的现象。值发生变化的现象。FlR：导体的电阻率：导体的电阻率mm2/m；l：电阻丝的长度：电阻丝的长度mF：电阻丝的横截面面积：电阻丝的横截面面积mm2。 应变片结构应变片结构 设一根电阻丝，未受力时的原始电阻值：设一根电阻丝，未受力时的原始电阻值：2rlFlR当受到外力当受到外力F作用，其作用，其R的变化：的变化：)2(2232drdrldlRdrldrrldlrdRdrrRdllRdR电阻的相对变化为电阻的相对变化为 drdrldlRdR2为材料弹性摸量。）为正应力；为压阻系数；（EL纵向应变ldlrdr为泊松系数横向应变EdLL电

7、阻率相对变化电阻的相对变化为电阻的相对变化为 几何尺寸变化引起几何尺寸变化引起材料导电率因材料导电率因材料变形引起材料变形引起ERdRL)21 (EL)21 ()21 ( RdR所以（2）金属电阻应变片）金属电阻应变片常量灵敏度21RdRS工作原理工作原理 结构结构丝式、箔式丝式、箔式a丝式丝式b箔式箔式（3）半导体半导体电阻应变片电阻应变片 工作原理工作原理压阻效应压阻效应 单晶半导体材料在沿某一轴向受到外力作用时，单晶半导体材料在沿某一轴向受到外力作用时， 其电阻率发生变化的现象。其电阻率发生变化的现象。EL)21 (ERdRSERdRLL灵敏度所以 结构结构半导体敏感栅内引线焊接端外引线

8、胶膜衬底（4）电阻应变片的主要特性）电阻应变片的主要特性 横向效应：横向变形引起的电阻值的减小横向效应：横向变形引起的电阻值的减小 量对于轴向力引起的电阻值的量对于轴向力引起的电阻值的 增加量的影响。增加量的影响。 dRdRdldldRdRdS灵敏度系数：灵敏度系数：机械滞后：在一定温度下，在增加和减小机械滞后：在一定温度下，在增加和减小 机械应变过程中同一机械应变机械应变过程中同一机械应变 量下，指示应变的最大差值。量下，指示应变的最大差值。指示应变指示应变机械应变机械应变机械滞后机械滞后温度效应温度效应:由温度引起的由温度引起的虚假应变。虚假应变。(5)(5)电阻式传感器的应用电阻式传感器

9、的应用测位移测位移测测 力力2 2电阻应变片的误差及其补偿电阻应变片的误差及其补偿 （1 1）由温度引起的虚假应变：由温度引起的虚假应变： 应变片本身电阻随温度的变化引起：应变片本身电阻随温度的变化引起：TRRfTR T因温度变化而引起的电阻变化数值因温度变化而引起的电阻变化数值; f应变合金的电阻温度系数。应变合金的电阻温度系数。 T温度的变化度数。温度的变化度数。STSRRfTT1:折算为应变 应变丝与基底线胀系数不一致引起：应变丝与基底线胀系数不一致引起： 应变丝由于温度变化引起的相对伸长为应变丝由于温度变化引起的相对伸长为 TaLLggT 基底由于温度变化引起的相对伸长为基底由于温度变

10、化引起的相对伸长为 TaLLbbTg，b分别为电阻丝与基底的线胀系数，即单位分别为电阻丝与基底的线胀系数，即单位温度变化引起的相对长度变化温度变化引起的相对长度变化 ,时当bgaa 引起一附加应变：引起一附加应变： TaaLLLLbgbTgTL)(TaaTSSRRbgfT)()(总的虚假应变：（2 2）补偿方法）补偿方法 温度修正法温度修正法: 预先作温度预先作温度应变变化曲线，使用时在特定应变变化曲线，使用时在特定温度下查找变化值作相应修正。温度下查找变化值作相应修正。 参数补偿法参数补偿法: : 应变丝由两种应变丝由两种正负不正负不同温度系数的材料同温度系数的材料组成组成。n 局部补偿局部

11、补偿n 相互补偿法相互补偿法使引起温度误差的两项值总的效果达到抵消。使引起温度误差的两项值总的效果达到抵消。 0)(1TaaTSbgfSaafbg使所选各部分参数满足：使所选各部分参数满足： 电路补偿法（在第四章讲解）电路补偿法（在第四章讲解） 二、电容式传感器二、电容式传感器 1 1、工作原理与结构、工作原理与结构 工作原理工作原理: :将被测量的变将被测量的变化化转换成电容的变化。转换成电容的变化。两平行平面导体之间的电容量为两平行平面导体之间的电容量为 SCr0rr极板间介质的相对介电常数极板间介质的相对介电常数; ;0 0真空中的介电常数真空中的介电常数 0 0=8.854=8.854

12、1010-12-12F/m;F/m; S S两极板间相互覆盖面积两极板间相互覆盖面积mm2 2;两极板之间的距离两极板之间的距离mm。),(SfCrSCr0dSdCr20两边微分：(1)极距变化型极距变化型变极距变极距电容传感器特性曲线电容传感器特性曲线（常量）时仅当2000:1SSr（变量）灵敏度：2020020020)1 ()(SSSddCSrrr差动式差动式单差动SSCSSCCCrrba2.)(1 220000000差动电容特性差动电容特性曲线曲线测转速测转速(2)面积变化型面积变化型变面积型电容传感元件变面积型电容传感元件 ACr0角位移型角位移型+平面线位移型平面线位移型柱面线位移型

13、柱面线位移型. .dSdCr00两边微分：常数）(00rdSdCSn输入输出成线性关系；输入输出成线性关系；n灵敏度相对较小；灵敏度相对较小；n适用于较大直线位移及角位移的测量。适用于较大直线位移及角位移的测量。特点：特点：(3)介质变化型介质变化型变介电常数电容传感元件变介电常数电容传感元件 n 介质温度，湿度或介质温度，湿度或 厚度测量；厚度测量；n 液位测量液位测量。 电容式传感元件具有结构简单、灵敏度电容式传感元件具有结构简单、灵敏度高、动态性能好以及非接触测量等优点，所高、动态性能好以及非接触测量等优点，所以在工程技术方面，特别是在微小尺寸变化以在工程技术方面，特别是在微小尺寸变化测

14、量方面得到广泛的应用。测量方面得到广泛的应用。 2、特点、特点:（1）测速度、加速度）测速度、加速度3、电容式传感器的应用、电容式传感器的应用（2）电容传声器）电容传声器P2玻璃盘镀金属层金属膜片C2电极引线p1C1陶瓷电容压力传感器陶瓷电容压力传感器 液体压力液体压力作用在陶作用在陶瓷膜片的瓷膜片的表面，使表面，使膜片产生膜片产生 位移。位移。 压力变送器压力变送器（3）电容压力传感器）电容压力传感器（4）电容式接近开关）电容式接近开关振荡电路振荡电路被测物体被测物体 感应电极感应电极被测电容被测电容测量头构成电容器的一个极板，测量头构成电容器的一个极板，另一个极板是物体本身，当物体另一个极

15、板是物体本身，当物体移向接近开关时，物体和接近开移向接近开关时，物体和接近开关的介电常数发生变化，使得和关的介电常数发生变化，使得和测量头相连的电路状态也随之发测量头相连的电路状态也随之发生变化生变化. .接近开关的检测物体，接近开关的检测物体，并不限于金属导体，也可以是绝并不限于金属导体，也可以是绝缘的液体或粉状物体。缘的液体或粉状物体。电容式液位传感器（液位计电容式液位传感器（液位计/ /料位计）料位计）（5）液位测量）液位测量三、电感式传感器三、电感式传感器 电感式传感器是把被测物理量如位移、力等参电感式传感器是把被测物理量如位移、力等参量转化成自感量转化成自感L L、互感、互感M M变

16、化的一种传感器。变化的一种传感器。类型类型互感式互感式涡流式涡流式自感式自感式气隙型气隙型截面型截面型螺管型螺管型差动变压器式差动变压器式（一）（一）自感式传感元件自感式传感元件 根据电磁感应原理根据电磁感应原理:mRNL2Rm磁路总磁阻磁路总磁阻H-1 N 线圈匝数线圈匝数 0012SSlRniiiim假设气隙磁场是均匀则1、工作原理、工作原理 li各段铁芯和衔铁的长度各段铁芯和衔铁的长度m;i各段铁芯和衔铁的导磁率各段铁芯和衔铁的导磁率H/m; S i各段铁芯和衔铁的导磁面积各段铁芯和衔铁的导磁面积m2， 气隙厚度气隙厚度m;0气隙中的空气导磁率气隙中的空气导磁率0=410-7H/m S0

17、气隙导磁横截面积气隙导磁横截面积m2。 0002SRm2002SNLmRNL2自感式位移传感元件自感式位移传感元件 ),(,00SfLN为常数，当2002SNL（变量）灵敏度：2002200222SNSdSNdL202)(11S(1)变气隙型变气隙型n 线性范围小线性范围小 上式和下图表明，电感量上式和下图表明，电感量L L与气隙长度与气隙长度成反比，成反比， / /00增大，非线性增大。但是当增大，非线性增大。但是当 = =(0.10.2)(0.10.2)00时，可时，可近似认为二者成线性关系。这种形式的传感器线性范围小，近似认为二者成线性关系。这种形式的传感器线性范围小，适合测微位移。适合

18、测微位移。n 灵敏度较高灵敏度较高（相对其它形式）：（相对其它形式）：越小，越小，灵敏度越高，但灵敏度越高，但的减小受的减小受工艺和结构的限制，一般工艺和结构的限制，一般初始初始0取取0.10.5mm,=(0.10.2)0。特点：特点：L 0 0oL0L0 LL0 L图图 变隙式电压传感器的变隙式电压传感器的L-特性特性（常量）一定时，当20200NSLSSL(2)变截面型变截面型n 线性范围较大线性范围较大 由由 知，在忽略气隙磁通边缘效应的条件下，输知，在忽略气隙磁通边缘效应的条件下，输出呈线性。（注：出呈线性。（注：S为为0时，时，L不为不为0；S较大时，磁路饱和，较大时，磁路饱和，L不

19、不再线性增加。）再线性增加。）n 灵敏度不高灵敏度不高 欲提高灵敏度，需减小欲提高灵敏度，需减小，但，但的减小同样受到工艺和结构的的减小同样受到工艺和结构的限制，限制，值的选取与变气隙式相同。值的选取与变气隙式相同。202SWL 特点：特点：(3)螺管式螺管式线圈衔铁x工作原理：衔铁插入深度变化工作原理：衔铁插入深度变化=线圈泄漏路径中磁阻变化线圈泄漏路径中磁阻变化=L变化变化n 线性范围最大；从磁通分布看，只要满足主磁通不变线性范围最大；从磁通分布看，只要满足主磁通不变与线圈绕组排列均匀的条件，可得到较大的线性范围。与线圈绕组排列均匀的条件，可得到较大的线性范围。n 灵敏度最低：气隙大，磁路

20、磁阻大，故灵敏度低。欲灵敏度最低：气隙大，磁路磁阻大，故灵敏度低。欲提高灵敏度：可减小气隙，增加匝数，但受到结构与非提高灵敏度：可减小气隙，增加匝数，但受到结构与非线性的限制。线性的限制。n 线圈分布电容大、铜损耗大、温度稳定性较差；原因：线圈分布电容大、铜损耗大、温度稳定性较差；原因：磁阻大，为达到移动电感量，需要的线圈匝数多。磁阻大，为达到移动电感量，需要的线圈匝数多。特点：特点： 变间隙：灵敏度最高，且灵敏度随气隙的增大而减变间隙：灵敏度最高，且灵敏度随气隙的增大而减小；非线性误差大，量程有限而且较小，传感器制作装小；非线性误差大，量程有限而且较小，传感器制作装配比较困难。配比较困难。

21、变面积：灵敏度比变间隙型小，理论灵敏度为一常变面积：灵敏度比变间隙型小，理论灵敏度为一常数，因而线性度好，量程较大。数，因而线性度好，量程较大。 螺管型：量程大，灵敏度低，结构简单，便于制作，螺管型：量程大，灵敏度低，结构简单，便于制作，因而应用广泛。因而应用广泛。三种电感式传感器的比较：三种电感式传感器的比较：2 2、差动式、差动式 无论气隙型还是螺管型都可做成差动结。差动电感无论气隙型还是螺管型都可做成差动结。差动电感传感器的结构要求两导磁体尺寸性能完全相同，同时两传感器的结构要求两导磁体尺寸性能完全相同，同时两个线圈的电气参数、几何尺寸也完全相同。个线圈的电气参数、几何尺寸也完全相同。s

22、UL1L2RoRooU122131铁芯；2线圈；3衔铁差动式电感传感器差动式电感传感器UsrUscUsrUscUinUo 30021302000022302000011022.1.1,LLLLLLLLLLLLL电感为：电感为：时，则当衔铁上移传感器的初始电感量为可见：偶次非线性项被消除，非线性得到改善；灵敏度提高一倍。可见：偶次非线性项被消除，非线性得到改善；灵敏度提高一倍。n线性得到改善线性得到改善n灵敏度提高一倍灵敏度提高一倍与单线圈相比，有下列优点：与单线圈相比，有下列优点： (二二) 互感式传感器互感式传感器 1工作原理与结构工作原理与结构 互感式传感器：将被测量的物理量如力、位互感式

23、传感器：将被测量的物理量如力、位移移 等转换等转换 成互感系数的一种传感成互感系数的一种传感 器。又称为变压器式传感器。器。又称为变压器式传感器。原边线圈原边线圈 副边线圈副边线圈 dtdiMe121根据变压器的原理可知，当原边通过一交变根据变压器的原理可知，当原边通过一交变电流电流i1时，在副边上感生感应电势。时，在副边上感生感应电势。 121IMjE 副边感应电势相量副边感应电势相量; 原边交变电流相量原边交变电流相量;工作交变电流角频率工作交变电流角频率;M互感系数。互感系数。21E1I 如原边所施加的电势、工作频率、原边线圈参数等确如原边所施加的电势、工作频率、原边线圈参数等确定的情况

24、下，副边感生电势是互感系数定的情况下，副边感生电势是互感系数M的单值函数。的单值函数。 E1E21等效电路等效电路1111LjREIMLjREjE11121M大小与衔铁位置、线圈结构等因素有关。大小与衔铁位置、线圈结构等因素有关。螺管式螺管式差动变压器差动变压器 输出的总电势为输出的总电势为 12122212)(IMMjEEEMLjREjIMMjE2)(1112120,021EMMM当衔铁处于中央位置时 ： 当衔铁向上运动： 12MM0212212EEEMj I 当衔铁向下运动： 12MM0212212EEEMj I 电感式压力传感器电感式压力传感器（三）（三） 涡流式传感器涡流式传感器 电涡

25、流：电涡流：金属导体置于变化的磁场中，导体金属导体置于变化的磁场中，导体内就会有感应电流产生，这种电流的流线在内就会有感应电流产生，这种电流的流线在金属体内自行闭合，呈涡漩状。金属体内自行闭合，呈涡漩状。涡流效应：涡流效应：电涡流的产生消耗一部分磁场能电涡流的产生消耗一部分磁场能量，从而使激励线圈的阻抗发生变化的现象。量，从而使激励线圈的阻抗发生变化的现象。工作原理工作原理与结构与结构 线圈的阻抗变化与金属导体的几何形线圈的阻抗变化与金属导体的几何形状、电导率、导磁率、线圈的几何参数、状、电导率、导磁率、线圈的几何参数、激励电流的频率及线圈到被测金属导体的激励电流的频率及线圈到被测金属导体的距

26、离等参数有关。距离等参数有关。)(),(dfZdfZ涡流传感器涡流传感器线圈线圈框架框架电缆电缆外壳外壳插头插头涡流传感器结构图涡流传感器结构图（四）电感式传感器的应用（四）电感式传感器的应用测位移测位移电感测微仪电感测微仪电感式接近传感器（金属）电感式接近传感器（金属）板的厚度测量板的厚度测量 张力测量张力测量测转速测转速分）转速（转齿数/)(60NZHzfZfN涡流式传感器涡流式传感器板材厚度测量板材厚度测量轴振动测量轴振动测量连续油管的椭圆度测量连续油管的椭圆度测量Coiled TubeEddy Sensor Reference Circle无损探伤无损探伤原理裂纹检测，缺陷造成涡流变化

27、。火车轮检测火车轮检测油管检测油管检测1 1、振动，偏心，裂纹，同心度、振动，偏心，裂纹，同心度 2 2、位移，移动，位置，膨胀、位移，移动，位置，膨胀 3 3、挠度，变形，波动，倾斜、挠度，变形，波动，倾斜 4 4、尺寸，公差，分选，零件识别、尺寸，公差，分选，零件识别 5 5、冲击，应变，轴向振动、冲击，应变，轴向振动 6 6、轴承振动，油膜间隙，磨擦，、轴承振动，油膜间隙，磨擦，偏心偏心 第三节第三节 发电型传感器发电型传感器 发电型传感器：将被测物理量转化为电源发电型传感器：将被测物理量转化为电源性参数的传感器。性参数的传感器。磁电式传感器磁电式传感器压电式传感器压电式传感器热电偶热电

28、偶一、磁电式传感器一、磁电式传感器-将被测机械量转化为感应电势将被测机械量转化为感应电势 1、工作原理工作原理 对一个匝数为对一个匝数为N的线圈，当穿过它的磁通量的线圈，当穿过它的磁通量发生变化时，线圈产生的感应电动势：发生变化时，线圈产生的感应电动势：dtdNe 的变化，如磁铁与线圈之间作切割磁力线运动、的变化，如磁铁与线圈之间作切割磁力线运动、磁路中磁阻变化等。磁路中磁阻变化等。 动圈式动圈式磁阻式磁阻式磁电式传感器按结构磁电式传感器按结构2.2.动圈式磁电传感器动圈式磁电传感器线速度型线速度型 线圈作直线运动，它所产生感应电动势线圈作直线运动，它所产生感应电动势sinsinNBlvdtd

29、xNBleB磁场的磁感应强度（T）； l单匝线圈有效长度（m）；v 线圈与磁场的相对运动速度（m/s）；线圈运动方向与磁场方向的夹角。 当传感器结构一定，即当传感器结构一定，即 N、B 和和均为常数，感均为常数，感应电动势与线圈运动速度应电动势与线圈运动速度v成正比。成正比。sinsinNBlvdtdxNBle动圈式传感器动圈式传感器 线速度型线速度型 角速度型角速度型 线圈作旋转运动，其上产生的感应电动势线圈作旋转运动，其上产生的感应电动势KNBAe 当当 N 、B、A和和K（传感器结构已定）均为（传感器结构已定）均为常数时，感应电动势与角速度成正比。常数时，感应电动势与角速度成正比。 K与

30、结构有关的系数，与结构有关的系数，K1；线圈与磁场相对角速度（线圈与磁场相对角速度（rad/s）；）；A单匝线圈的截面积（单匝线圈的截面积（m2）。）。角速度型角速度型测速电机测速电机3 3、磁阻式磁电传感器、磁阻式磁电传感器改变磁路的磁阻，改变磁通，产生感应电动势。改变磁路的磁阻，改变磁通，产生感应电动势。磁电式传感器1压电效应压电效应和逆和逆压电效应压电效应二、压电式传感器二、压电式传感器 某些晶体电介质材料，在一定方向上对其某些晶体电介质材料，在一定方向上对其施加施加外力外力使之变形，在其表面将使之变形，在其表面将产生电荷产生电荷，去掉外力，去掉外力，电荷消失；反之，在其表面电荷消失；反

31、之，在其表面施加电场施加电场，将产生，将产生机械机械变形。变形。2压电材料压电材料n 压电晶体压电晶体n 压电半导体压电半导体n 压电陶瓷压电陶瓷n 有机高分子压电材料有机高分子压电材料压电晶体高分子压电材料压电陶瓷以石英晶体为例：3、工作原理、工作原理xzy光轴机械轴电轴电轴：电轴：x x轴，垂直于此轴的面上压电效应最强。轴，垂直于此轴的面上压电效应最强。机械轴：机械轴：y y轴，电场沿轴，电场沿x x轴作用时，沿轴作用时，沿y y轴的机械变轴的机械变 形最大。形最大。光轴：光轴：z z轴，光沿该轴通过石英晶体时，无折射，轴，光沿该轴通过石英晶体时，无折射， 在此方向施加外力，无压电效应。在

32、此方向施加外力，无压电效应。 当石英晶体未受外力作用时当石英晶体未受外力作用时, 正、负离子正正、负离子正好分布在正六边形的顶角上好分布在正六边形的顶角上, 形成三个互成形成三个互成120夹角的电偶极矩夹角的电偶极矩P1、 P2、P3, P1+P2+P3 = 0, 所所以晶体表面不产生电荷以晶体表面不产生电荷, 即呈中性。即呈中性。 当石英晶体当石英晶体受到沿受到沿x x轴方向的压力作用轴方向的压力作用时时, , 晶体沿晶体沿x x方向将产生压缩变形方向将产生压缩变形, ,正负电荷重心不再重合正负电荷重心不再重合, ,在在x x轴轴的正方向出现正电荷的正方向出现正电荷, , 电偶极矩在电偶极矩

33、在y y方向上的分量仍为方向上的分量仍为零零, , 不出现电荷。不出现电荷。 当晶体受到当晶体受到沿沿y y轴方向的压力作用轴方向的压力作用时时, ,在在x x轴上出轴上出现电荷现电荷, ,它的极性为它的极性为x x轴正向为负电荷。在轴正向为负电荷。在y y轴方向上轴方向上不出现电荷。不出现电荷。 如果如果沿沿z z轴方向施加作用力轴方向施加作用力, , 因为晶体在因为晶体在x x方向方向和和y y方向所产生的形变完全相同方向所产生的形变完全相同, , 所以正负电荷重心所以正负电荷重心保持重合保持重合, , 电偶极矩矢量和等于零。这表明沿电偶极矩矢量和等于零。这表明沿z z轴方轴方向施加作用力

34、向施加作用力, , 晶体不会产生压电效应。晶体不会产生压电效应。 xFDq11yFDq22纵向效应纵向效应：横向效应横向效应：切向效应：切向效应：FDq33xyFx+ + + +- - - - - -FxxyFy+ + + + +- - - - - - -FyFy+ + + + +- - - - - - -Fy4、等效电路等效电路 在压电晶片的两个工作面上进行蒸镀，形成金属膜，在压电晶片的两个工作面上进行蒸镀，形成金属膜，构成两个电极。当金属片受力时，在晶片两表面出现数构成两个电极。当金属片受力时，在晶片两表面出现数值相等极性相反的电荷，形成电场。因此，可等效为一值相等极性相反的电荷，形成电场

35、。因此，可等效为一个个有源的电容器有源的电容器。ACra0aCqU0等效电容等效电容：开路电压：开路电压：接入后续电路，等效电路：接入后续电路，等效电路：传感器传感器连接电缆寄生电容连接电缆寄生电容测量电路测量电路RCjZRRRRRRRCCCCeqaiaiaiica11/等效阻抗C电荷源电压源五、测量电路五、测量电路对测量电路的要求：由于压电材料内阻都很高，对测量电路的要求：由于压电材料内阻都很高，输出的信号能量都很小，这就要求测量电路的输出的信号能量都很小，这就要求测量电路的输入电阻输入电阻应非常应非常大大。测量电路构成：在压电式传感器的输出端先接测量电路构成：在压电式传感器的输出端先接入高

36、输入阻抗的前置放大器，然后再接入一般入高输入阻抗的前置放大器，然后再接入一般放大电路。放大电路。 前置放大器有两个作用：前置放大器有两个作用：(1)(1)放大传感器输出的微弱信号；放大传感器输出的微弱信号；(2)(2)将传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出。将传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出。 前置放大器种类：前置放大器种类：电压型电压型和电荷型电荷型两种形式。 1 1、电压型放大器、电压型放大器电压放大器KeyeiRCjZRRRRRRRCCCCeqaiaiaiica11/等效阻抗当当Ri和和Ra很大时，可忽略电阻的影响很大时，可忽略电阻的影响CjRCjZeq111icaiyCCCFdKCqK

37、Kee输出电压连接电缆寄生电容连接电缆寄生电容问题：问题：输出电压与电缆电容有关。如果电缆输出电压与电缆电容有关。如果电缆长长度度变化，输出电压也随之变化。变化，输出电压也随之变化。使用时使用时电缆电缆长长度受到限制。度受到限制。解决办法：解决办法：将放大器装入传感器中，组成一体将放大器装入传感器中，组成一体化传感器。化传感器。2 2、电荷型放大器、电荷型放大器电荷放大器-KeyeiCffyCKCqKe)1 ( 输出电压fCKCK)1 ( 足够大时如果ffyCqCKCqKe)1 (输出电压优点优点: 放大器输出电压只与传感器的电荷量放大器输出电压只与传感器的电荷量及反馈电容有关。无需考虑电缆的

38、电容，为及反馈电容有关。无需考虑电缆的电容，为远距离测试提供了很大的方便。远距离测试提供了很大的方便。压电式传感器E.N1000手持式测振仪手持式测振仪和电子听诊器和电子听诊器 压电式传感器的应用-振动的测量三、热电式传感器三、热电式传感器热电效应（塞贝克效应）：热电效应（塞贝克效应）：由两种不同的导体组成由两种不同的导体组成的闭合回路，当两导体和的两个结点处温度不的闭合回路，当两导体和的两个结点处温度不同时，则回路中产生热电势。同时，则回路中产生热电势。热电势热电势接触电势接触电势温差电势温差电势热电偶：两种导体和组成的闭合回路。热电偶：两种导体和组成的闭合回路。热电偶工作原理热电偶工作原理

39、n 接触电势接触电势：不同导体中自由电子浓度不一样，：不同导体中自由电子浓度不一样，在接触点形成电位差。在接触点形成电位差。n 温差电势温差电势：同一导体的两：同一导体的两端温度不同而产生电势。端温度不同而产生电势。BAABnneKTTeln)(dtTTeTTAA0),(0总热电势为总热电势为dtnnTTeKTTeTTeTeTeTTeBTTABAABABABAB)(ln)(),(),()()(),(000000波兹曼常数波兹曼常数电子电荷量电子电荷量自由电子浓度自由电子浓度温差系数温差系数dtnnTTeKBTTABA)(ln)(00实际中)()(ln)(),(000TfTfnnTTeKTTeB

40、AAB当热电极材料当热电极材料A、B确定后，确定后， 如果保持如果保持T0不变，不变，eAB（T，T0）为）为T的单值函数。的单值函数。2、热电偶的基本定律、热电偶的基本定律（1）均值导体定律：一种导体组成的闭合回路，）均值导体定律：一种导体组成的闭合回路，无论其是否存在温度梯度，均不能产生热电势。无论其是否存在温度梯度，均不能产生热电势。TT0（2）中间温度定律：热电偶）中间温度定律：热电偶A、B在接点温度在接点温度T,T0时的热电势等于时的热电势等于该热电偶在接点温度该热电偶在接点温度T,Tn 与与Tn,T0时的热电势之和。即：时的热电势之和。即： ),(),(),(00TTeTTeTTe

41、nABnABAB测量计算测量计算TnTn热端热端冷端冷端（3）中间导体定律：回路中加入第三种导）中间导体定律：回路中加入第三种导体，只要加入的导体两端温度相同，则对体，只要加入的导体两端温度相同，则对回路的热电势没有影响。回路的热电势没有影响。 TT0V利用中间导体定律利用中间导体定律,可在回路中引入各种仪表可在回路中引入各种仪表和各种连接导线和各种连接导线,使热电偶测温成为可能。使热电偶测温成为可能。 （4）标准电极定律：）标准电极定律：),(),(),(000TTeTTeTTeBCACABABTT0=ACTT0CBTT0由于铂的物理化学性质稳定、人们多采用铂作为参考电极由于铂的物理化学性质

42、稳定、人们多采用铂作为参考电极。 两种导体两种导体A,BA,B分别与参考电极分别与参考电极C C组成热电偶，组成热电偶，如果他们所产生的热电动势为已知，如果他们所产生的热电动势为已知，A A和和B B两极配两极配对后的热电动势可用下式求得对后的热电动势可用下式求得螺纹固定式热电偶螺纹固定式热电偶 瓷保护式热电偶瓷保护式热电偶 第四节第四节 光电传感器光电传感器光电效应光电效应外光电效应外光电效应内光电效应内光电效应光电导效应光电导效应光生伏特效应光生伏特效应光电导效应：光电导效应：在光作用下，电子吸收光子能量，在光作用下，电子吸收光子能量，使半导体材料电导率显著改变。（光敏电阻）使半导体材料电

43、导率显著改变。（光敏电阻）光生伏特效应：光生伏特效应：在光作用下，使半导体材料产生在光作用下，使半导体材料产生一定方向的电动势。（光电池、光敏二极管和光一定方向的电动势。（光电池、光敏二极管和光敏三极管等）敏三极管等）一、光电元件一、光电元件（一）、（一）、光敏电阻光敏电阻 当无光照射时，光敏电阻（暗电阻）值很当无光照射时，光敏电阻（暗电阻）值很大，电路中暗电流很小；当光敏电阻受到一定大，电路中暗电流很小；当光敏电阻受到一定波长范围的光照射时，它的电阻（亮电阻）急波长范围的光照射时，它的电阻（亮电阻）急剧减少，电路中光电流迅速增大。剧减少，电路中光电流迅速增大。A金属封装的硫化镉光敏电阻结构图

44、光导电材料绝缘衬低引线电极引线光电导体RG1234567(a)结构 (b)电极 (c)符号光敏电阻的结构和符号1-光导层; 2-玻璃窗口; 3-金属外壳; 4-电极;5-陶瓷基座; 6-黑色绝缘玻璃; 7-电阻引线。RGRLEI（二）（二）、光电池、光电池1 1、结构与工作原理、结构与工作原理 光电池是利用光生伏特效应把光直接转变成电光电池是利用光生伏特效应把光直接转变成电能的器件能的器件。它是基于光生伏特效应制成的，是发电它是基于光生伏特效应制成的，是发电式有源元件。式有源元件。+光PNSiO2RL光电池的结构图在一块在一块N型硅片上用扩散的型硅片上用扩散的办法掺入一些办法掺入一些P型杂质型

45、杂质(如硼如硼)形成形成PN结。结。 当光照到当光照到PN结区时，如果光子能量足够大，将在结区时，如果光子能量足够大，将在结区附近激发出电子结区附近激发出电子-空穴对，在空穴对，在N区聚积负电荷，区聚积负电荷，P区聚积正电荷，这样区聚积正电荷，这样N区和区和P区之间出现电位差区之间出现电位差。I光光电池的工作原理示意图 P N若将若将PN结两端用导线连起来，结两端用导线连起来，电路中有电流流过，电流的电路中有电流流过，电流的方向由方向由P区流经外电路至区流经外电路至N区。区。若将外电路断开，就可测出若将外电路断开，就可测出光生电动势。光生电动势。光电池的表示符号、基本电路及等效电路如图所示。光

46、电池的表示符号、基本电路及等效电路如图所示。IUIdUIRLI(a)(b)(c)光电池符号和基本工作电路光电池符号和基本工作电路（三）、光敏二极管和光敏三极管（三）、光敏二极管和光敏三极管 1、光敏二极管、光敏二极管 光敏二极管和光电池一样，其基本光敏二极管和光电池一样，其基本结构也是一个结构也是一个PN结。它和光电池相比，结。它和光电池相比，结面积小，因此频率特性特别好。结面积小，因此频率特性特别好。（1）结构与工作原理）结构与工作原理 结构：结构：与一般二极管相似、它装在透明玻璃外壳与一般二极管相似、它装在透明玻璃外壳中，其中，其PN结装在管顶，可直接受到光照射。光敏结装在管顶，可直接受到

47、光照射。光敏二极管在电路中一般是处于二极管在电路中一般是处于反向工作状态。反向工作状态。PN光光敏二极管符号RL PN光敏二极管接线 工作原理：工作原理：光敏二极管在没有光照射时，反向光敏二极管在没有光照射时，反向电阻很大，反向电流很小。受光照射时，电阻很大，反向电流很小。受光照射时，PNPN结附近受光子轰击，吸收其能量而产生电子结附近受光子轰击，吸收其能量而产生电子- -空穴对，使通过空穴对，使通过PNPN结的反向电流大为增加，结的反向电流大为增加，形成了光电流。形成了光电流。特点：特点：光敏二极管的光电流光敏二极管的光电流 I I 与照度之间呈线与照度之间呈线性关系。光敏二极管的光照特性是

48、线性的，性关系。光敏二极管的光照特性是线性的，所以适合检测等方面的应用。所以适合检测等方面的应用。2、光敏三极管、光敏三极管种类：光敏三极管有种类：光敏三极管有PNP型和型和NPN型两种。型两种。结构：与一般三极管相似，具有电流增益结构：与一般三极管相似，具有电流增益, 发射极发射极一边做的很大一边做的很大,以扩大光的照射面积以扩大光的照射面积, 基极不接引线。基极不接引线。输出电流是光电流的输出电流是光电流的倍。倍。 PPNNNPe b bc RL Eec(四四) 光电开关光电开关 光电开关：利用感光元件接收变化的入光电开关：利用感光元件接收变化的入射光，进行光电转换、放大，最终获得输射光，

49、进行光电转换、放大，最终获得输出出“开开”、“关关”信号的器件信号的器件 二、光电传感器的应用n辐射式辐射式 光电传感器在工业上的应用可归纳为辐射光电传感器在工业上的应用可归纳为辐射式式( (直射式直射式) )、吸收式、遮光式、反射式、四种、吸收式、遮光式、反射式、四种基本形式。基本形式。 n吸收式吸收式n遮光式遮光式n反射式反射式亮度检测：亮度检测：通过检测周围环境的亮度，再与内部设定值相比通过检测周围环境的亮度，再与内部设定值相比较，调整光源的亮度和分布，有效利用自然光线，较，调整光源的亮度和分布，有效利用自然光线，达到节约电能的目的。达到节约电能的目的。相机测距反射式光电传感器相机测距反

50、射式光电传感器转速测量转速测量第五节第五节霍尔霍尔传感器传感器一、霍尔效应一、霍尔效应霍尔效应：霍尔效应：通电的导体或半导体，在垂直于电通电的导体或半导体，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势的现象。流和磁场的方向上将产生电动势的现象。+I+ +lwd霍耳效应原理图VH 在一在一N型半导体溥片相对两侧面通以控制电流型半导体溥片相对两侧面通以控制电流I，在溥片垂直方向加以磁场在溥片垂直方向加以磁场B，则在半导体两侧面产生，则在半导体两侧面产生大小与控制电流大小与控制电流I和磁场强度和磁场强度B之积成正比的电势。之积成正比的电势。IBKdIBRVHHH霍尔系数霍尔系数霍尔灵敏度霍尔灵敏度为获得较

51、强霍耳效应，霍耳基片全部采用半导体材料制成为获得较强霍耳效应，霍耳基片全部采用半导体材料制成二、霍尔元件二、霍尔元件 1、霍尔元件的结构、霍尔元件的结构一个矩形半导体基片一个矩形半导体基片,从从基片两个垂直方向上各基片两个垂直方向上各引出一对电极引出一对电极,其中一对其中一对是激励电极是激励电极,一对是霍尔一对是霍尔电势输出电极。基片用电势输出电极。基片用陶瓷、金属、环氧树脂陶瓷、金属、环氧树脂等封装作为外壳。等封装作为外壳。H 霍耳器件符号AAABBBCCCDDDn控制电流控制电流:流入到器件内的电流。流入到器件内的电流。n电流端或输入端电流端或输入端：A、B端。端。n霍耳端或输出端霍耳端或

52、输出端： C、D端端n负载电阻负载电阻：霍耳端子间连接的负载：霍耳端子间连接的负载n输入电阻：输入电阻：电流电极间的电阻电流电极间的电阻n输出电阻：输出电阻：霍耳端子间的电阻霍耳端子间的电阻VHR3VBIEIH霍耳器件的基本电路R控制电流I；霍耳电势VH；控制电压V；输出电阻R2；输入电阻R1；霍耳负载电阻R3；霍耳电流IH。 三、霍尔传感器的应用三、霍尔传感器的应用1、霍耳开关集成传感器、霍耳开关集成传感器利用霍耳效应与集成电路技术结合而制成的利用霍耳效应与集成电路技术结合而制成的一种磁敏传感器，它能感知一切与磁信息有一种磁敏传感器，它能感知一切与磁信息有关的物理量，并以关的物理量，并以开关

53、信号形式输出开关信号形式输出。特点：使用寿命长、无触点磨损、无火花干特点：使用寿命长、无触点磨损、无火花干扰、无转换抖动、工作频率高、温度特性好、扰、无转换抖动、工作频率高、温度特性好、能适应恶劣环境等优点。能适应恶劣环境等优点。由稳压电路、霍耳元件、放大器、整形电路、开路由稳压电路、霍耳元件、放大器、整形电路、开路输出五部分组成。输出五部分组成。霍耳开关集成传感器内部结构框图23输出+稳压VCC1霍耳元件放大BT整形地Hn结构及工作原理结构及工作原理 3020T输出输出VoutR=2k+12V123（b）应用电路）应用电路 （a）外型）外型 霍耳开关集成传感器的外型及应用电路霍耳开关集成传感

54、器的外型及应用电路123霍耳开关集成传感器的工作特性曲线VOUT/V12ONOFFBRPBOPBHB0 反映外加磁场与传感器输出电平的关系。当外反映外加磁场与传感器输出电平的关系。当外加磁感强度高于加磁感强度高于BOP时，输出电平由高变低，传感时，输出电平由高变低，传感器处于开状态。当外加磁感强度低于器处于开状态。当外加磁感强度低于BRP时，输出时，输出电平由低变高，传感器处于关状态。电平由低变高，传感器处于关状态。 n 工作特性曲线工作特性曲线 霍耳开关集成传感器的应用领域：霍耳开关集成传感器的应用领域：点火系统点火系统、保安系统、转速、里程测定、机械设备的限位开保安系统、转速、里程测定、机

55、械设备的限位开关、按钮开关、电流的测定与控制、位置及角度关、按钮开关、电流的测定与控制、位置及角度的检测等等。的检测等等。n 霍耳开关集成传感器的应用霍耳开关集成传感器的应用 霍耳线性集成传感器的输出电压与外霍耳线性集成传感器的输出电压与外加磁场成线性比例关系。加磁场成线性比例关系。用途：用途：位置、力、重量、厚度、速度、磁位置、力、重量、厚度、速度、磁场、电流等的测量或控制。场、电流等的测量或控制。组成：组成：霍耳元件和放大器霍耳元件和放大器种类：种类：单端输出和双端输出两种单端输出和双端输出两种2、霍耳线性集成传感器、霍耳线性集成传感器n结构及工作原理结构及工作原理单端输出传感器的电路结构框图23输出+稳压VCC1霍耳元件放大地H 单端输出的传感器是一个三端器件，其单端输出的传感器是一个三端器件，其典型产品是典型产品是SL3501T。 稳压H3VCC地4输出输出18675 双端输出传感器的电路结构框图双端输出的传感器是一个双端输出的传感器是一个8脚双列直插封装的器脚双列直插封装的器件，它可提供差动射极跟随输出，还可提供输件，它可提供差动射极跟随输出，还可提供输出失调调零。典型产品是出失调调零。典型产品是SL3501M。磁感应强度B/T5.64.63.62.61.6- -0.3 -0-0.2-0.1-0.100.10.20.3输输出出电电压压U/VSL3