检测与转换技术总复习

1、总 复 习v 检测与转换技术是自动检测技术和自动转换技术的总称，它是以研究自动检测系统中的信息获取、信息转换以及信息处理的理论和技术为主要内容的一门应用技术学科。v 在人类进入信息时代的今天，人们的一切社会活动都是以信息获取与信息转换为中心，传感器作为信息获取与信息转换的重要手段，是信息科学最前端的一个阵地，是实现信息化的基础技术之一。v “没有传感器就没有现代科学技术”的观点已为全世界所公认。以传感器为核心的检测系统就像神经和感官一样，源源不断地向人类提供宏观与微观世界的种种信息，成为人们认识自然、改造自然的有利工具。 由于检测与控制对象常常为非电量，这就需要通由于检测与控制对象常常为非电量

2、，这就需要通过传感器转换为电量，然后经过系列的处理，将过传感器转换为电量，然后经过系列的处理，将非电量参数显示出来，其原理框图如下图所示。非电量参数显示出来，其原理框图如下图所示。电量数据处理装置执 行 机 构信号处理电路传 感 器非电量自动检测系统原理框图Uo（Io，f）显 示 器v1传感器 传感器是把被测非电量转换成为与之有确定对应关系，且便于应用的某些物理量（通常为电量）的测量装置。v2信号处理电路 信号处理电路的作用是把传感器输出的电量变成具有一定驱动和传输能力的电压、电流或频率信号等，以推动后级的显示器、数据处理装置及执行机构。v3显示器 为了记录检测的过程与结果，常常需要将信号处理

3、电路传送过来的电信号以比较直观的形式显示出来，以供观测和分析，这就需要有显示器。目前常用的显示器有四类：模拟显示、数字显示、图像显示及记录仪等。 v4数据处理装置 数据处理装置用来对测试所得的实验数据进行处理、运算、逻辑判断、线性变换，对动态测试结果作频谱分析（幅值谱分析、功率谱分析）、相关分析等。v5执行机构 所谓执行机构通常是指各种继电器、电磁阀门等在电路中起通断、控制、调节、保护等作用的电器设备。许多检测系统能输出与被测量有关的电流或电压信号，作为自动控制系统的控制信号，去驱动这些执行机构。1.2.1 检测方法的分类v检测方法的分类形式有多种，从不同的角度出发有不同的分类方法。下面介绍几

4、种常见的分类方法。v1按测量手段分类 按测量手段分有直接测量、间接测量、组合测量。v2按被测量的性质分类 按被测量的性质分类有时域测量、频域测量、数据域测量和随机测量。 根据仪表的等级可以确定测量的满度相对误差和最大根据仪表的等级可以确定测量的满度相对误差和最大绝对误差。例如，正常情况下，用绝对误差。例如，正常情况下，用0.5级、量程为级、量程为1000C温温度表来测量温度时，可能产生的最大绝对误差为：度表来测量温度时，可能产生的最大绝对误差为： CAXmm05 . 0%)5 . 0(仪表的准确度等级和基本误差 1.3 测量误差的概念和分类v解： 测量25V电压，选用准确度0.5级、量程150

5、V的电压表，测量结果中可能出现的最大绝对误差由公式可得 x m1 0.5%1500.75V 测量25V时的最大相对示值误差为 %3%1002575. 0%10011UUmx例：测量例：测量25V电压，选用准确度电压，选用准确度0.5级、量程级、量程150V的电压表和的电压表和选用准确度选用准确度1.5级、量程级、量程30V的电压表，请问选择哪只表更适宜的电压表，请问选择哪只表更适宜一些？一些？ 如果选用准确度1.5级、量程30V的电压表，测量结果中可能出现的最大绝对误差为 x m2 1.5%300.45V 测量25V时的最大相对示值误差为 计算结果表明1.5级、量程30V的电压表比0.5级、量

6、程150V的电压表的示值相对误差小，所以更合适。%8 . 1%1002545. 0%10022UUmx 由上例可知，测量结果的精确度，不仅与仪表的由上例可知，测量结果的精确度，不仅与仪表的准确度等级准确度等级有关，有关，而且与它的而且与它的量程量程也有关也有关。因此，选择仪表量程时应尽可能使示值在满因此，选择仪表量程时应尽可能使示值在满刻度的三分之二以上。刻度的三分之二以上。 1.4.4 测量数据的处理v1. 数字修约规则v由于测量数据和测量结果均是近似数，其位数各不相同。为了使测量结果的表示准确唯一，计算简便，在数据处理时，需对测量数据和所用常数进行修约处理。v数据修约规则：v（1） 小于5

7、舍去末位不变。v（2） 大于5进1在末位增1。v（3） 等于5时，取偶数当末位是偶数，末位不变；末位是奇数，在末位增1（将末位凑为偶数）。1.4 测量误差的估计和处理v例：将下列数据舍入到小数第二位。12.434412.43 63.7350163.740.694990.69 25.325025.3217.695517.70 123.1150123.12v需要注意的是，舍入应一次到位，不能逐位舍入。 上例中0.69499，正确结果为0.69 ，错误做法是： 0.694990.69500.6950.70。v在“等于5”的舍入处理上，采用取偶数规则，是为了在比较多的数据舍入处理中，使产生正负误差的概

8、率近似相等。1.5传感器及其特性v根据我国的国家标准（GB7765-87），传感（Transducer/Sensor）的定义是：“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或装置”。 v定义包含的意思：v1传感器是测量装置，能完成检测任务；v2它的输入量是某一种被测量，可能是物理量，也可能是化学量、生物量等。v3它的输出量是某种物理量，这种量应便于传输、转换、处理、显示等等，这种量不一定是电量，还可以是气压、光强等物理量，但主要是电物理量；v4输出与输入之间有确定的对应关系，且能达到一定的精度。 1.5.1 传感器的组成v通常情况下，输出量为电量的传感器，一般由敏感元件、传感元

9、件和信号调节转换电路组成，如图所示。信号调节转换电路传感元件敏感元件被 测 量输入量测量电路电 源电量输出量v1敏感元件v直接感受被测非电量，并按一定规律转换成与被测量有确定关系的其它量（一般仍为非电量）的元件。v2传感元件v传感元件又称变换器，能将敏感元件感受到的非电量直接转换成电量。v3信号调节与转换电路v能把传感元件输出的电信号转换为便于显示、记录、处理和控制的有用电信号的电路。1.5.3 传感器性能评价 传感器的各种特性一般是根据输入和输出的对应关系来描述的。 传感器在稳态（静态或准静态）信号作用下，输入和输出的对应关系称为静态特性；在动态（周期或暂态）信号作用下，输入和输出的对应关系

10、称为动态特性。 衡量传感器的输入-输出静态特性的重要指标是：灵敏度、线性度、滞后、稳定性、重复性。1灵敏度(Sensitivity) 灵敏度是指传感器在稳态下输出变化值与输入变化值之比，用K 来表示： dyyKdxx2线性度(Linearity) 线性度又称非线性误差，是指线性度又称非线性误差，是指输出量与输入量之间的实输出量与输入量之间的实际关系曲线偏离直线的程度际关系曲线偏离直线的程度，又称非线性误差。线性度的计算，又称非线性误差。线性度的计算公式如下公式如下： max输出量与输入量实际曲线与拟合直线之间输出量与输入量实际曲线与拟合直线之间 的最大偏差的最大偏差yFS输出满量程值输出满量程

11、值）（71 00100 FSymaxE 第三章第三章 热电偶型传感器热电偶型传感器 热电式传感器是一种将热电式传感器是一种将温度变化温度变化转换为转换为电量变电量变化化的装置。的装置。 可以利用物体的某些物理性质（电阻、电势或磁可以利用物体的某些物理性质（电阻、电势或磁导等）随着温度变化的特征进行测量。其中将导等）随着温度变化的特征进行测量。其中将温度温度转换为电势大小转换为电势大小的热电传感器叫做的热电传感器叫做热电偶热电偶。将温度。将温度转换为电阻值大小的热电式传感器叫热电阻。转换为电阻值大小的热电式传感器叫热电阻。 热电偶是工程上应用最广泛的温度传感器。热电偶是工程上应用最广泛的温度传感

12、器。 它它构造简单构造简单, , 使用方便使用方便, , 具有较高的准确度、稳定性及具有较高的准确度、稳定性及复现性复现性, , 温度测量范围宽温度测量范围宽, , 在温度测量中占有重要的在温度测量中占有重要的地位。地位。3.2热电偶热电偶v 在两种不同的导体或半导体所组成在两种不同的导体或半导体所组成的闭合回路中，当两接触处的温度不同的闭合回路中，当两接触处的温度不同时，回路中就会产生热电势（也称塞贝时，回路中就会产生热电势（也称塞贝克电势）。这种现象称为克电势）。这种现象称为热电效应。热电效应。 3.2.1热电效应 热电效应是由珀尔帖效应和汤姆逊效应引起的，则热电势EAB（T,T0）由接触

13、电势（珀尔帖电势）和温差电势（汤姆逊电势）组成。v1珀尔帖效应珀尔帖效应v 当当A A、B B两种不同材料的导体两种不同材料的导体相互紧密地连接在一起时，如图相互紧密地连接在一起时，如图3-13-1所示，由于导体中都有大量自由电子，而且不同导体材料的所示，由于导体中都有大量自由电子，而且不同导体材料的自由电子的浓度不同（假设导体自由电子的浓度不同（假设导体A A的自由电子浓度大于导体的自由电子浓度大于导体B B的自的自由电子浓度），那么在单位时间内，由导体由电子浓度），那么在单位时间内，由导体A A扩散到导体扩散到导体B B的电子的电子数要比由导体数要比由导体B B扩散到导体扩散到导体A A的

14、电子数多。这时导体的电子数多。这时导体A A因失去电子因失去电子而带正电，导体而带正电，导体B B得到电子而带负电，得到电子而带负电，于是在接触处便形成了电于是在接触处便形成了电位差。该电位差称为位差。该电位差称为接触电势（即珀尔帖电势）接触电势（即珀尔帖电势）。这个电势将阻。这个电势将阻碍电子进一步扩散；当电子扩散能力与电场的阻力平衡时，接触碍电子进一步扩散；当电子扩散能力与电场的阻力平衡时，接触处的电子扩散就达到了动平衡，接触电势则达到一个稳态值。接处的电子扩散就达到了动平衡，接触电势则达到一个稳态值。接触电势的大小与两导体材料的性质和接触点的温度有关，其数量触电势的大小与两导体材料的性质

15、和接触点的温度有关，其数量级约为级约为0.0010.0010.01 V0.01 V。)()(ln)(TnTneKTTeBAAB由物理学可知，两导体两端接触电势为式中， k玻耳兹曼常数，k1.38110-23J/K； e电子电荷量，e=1.60210-19C； T结点处的绝对温度（K）； nA（T），nB（T）材料A，B在温度T时的自由电子浓度 v2汤姆逊效应汤姆逊效应v 如图如图3-2所示，所示，对于唯一均质导体对于唯一均质导体A，当其两端的温度不，当其两端的温度不同时同时（假设一端的温度为（假设一端的温度为T，另一端的温度为，另一端的温度为T0，而且，而且T T0），由于温度较高的一端（），

16、由于温度较高的一端（T端）的电子能量高于温度较低端）的电子能量高于温度较低的一端（的一端（T0端）的电子能量，因此产生了电子扩散，端）的电子能量，因此产生了电子扩散，形成了形成了温差电势，称作单一导体的温差电势（即汤姆逊电势）。温差电势，称作单一导体的温差电势（即汤姆逊电势）。该该电势形成新的不平衡电场将阻碍电子进一步扩散；当电子扩电势形成新的不平衡电场将阻碍电子进一步扩散；当电子扩散能力与电场的阻力平衡时，电子扩散就达到了动态平衡，散能力与电场的阻力平衡时，电子扩散就达到了动态平衡，温差电势达到一个稳态值。温差电势的大小与导体材料的性温差电势达到一个稳态值。温差电势的大小与导体材料的性质和导

17、体两端的温度有关，其数量级约为质和导体两端的温度有关，其数量级约为10-5。由物理学可知，。由物理学可知，导体导体A的温差热电势为的温差热电势为TTAAdTTTe00),(3.2.2热电偶的工作原理热电偶的工作原理 图图3-3（a）、（）、（b）为热电偶的原理结构与热电势示意图，）为热电偶的原理结构与热电势示意图，A，B两种不同导体材料两端相互紧密地连接在一起，组成一个闭合回两种不同导体材料两端相互紧密地连接在一起，组成一个闭合回路。这样就构成了一个热电偶。当两结点温度不等（路。这样就构成了一个热电偶。当两结点温度不等（TT0）时，回）时，回路中就会产生热电势，从而形成电流，这就是路中就会产生

18、热电势，从而形成电流，这就是热电偶的工作原理热电偶的工作原理。 通常通常T0端又称为参考端或端又称为参考端或冷端冷端；T端端又称为测量端或又称为测量端或热端热端。图3-3 热电偶的原理结构与热电势示意图图3-3（a）、（b）所示热电偶的总接触电势（珀尔帖电势）为)()(ln)()(ln)()(0000TnTneKTTnTneKTTeTeBABAABABdTTTeTTeTTBABA0)(),(),(00总温差电势（汤姆逊电势）为 则总热电势为),(),()()(),(0000TTeTTeTeTeTTEBAABABAB(3-8)(3-7)(3-6)3.2.3热电偶的基本定律 热电偶测温完全是建立在

19、利用实验热特性和一些热电定律的基础上的。下面引述几个常用的热电定律。1中间温度定律 热电偶AB的热电势仅取决于热电偶的材料和两个结点的温度，而与温度沿热电极的分布以及热电极的参数和形状无关。 如热电偶AB两结点的温度分别为T、T0，则所产生的热电势等于热电偶AB两结点温度为T、TC与热电偶AB两结点温度为TC、T0时所产生的热电势的代数和（如图3-4所示），用公式表示为),(),(),(00TTETTETTECABCABAB图3-4 中间温度定律 中间温度定律为制定热电偶分度表奠定了理论基础。根据中间温度定律，只需列出自由端温度为0时，各工作端温度与热电势的关系表。当自由端温度不是0时，所产生

20、的热电势就可按式（3-8）计算。【例3-1】用镍铑-镍硅热电偶测炉温，当冷端温度为30时，测得热电势为38.50mV，实际温度是多少？解： 由 Tc=30，查分度表得mV203.10,30E0,3030,0,ETETE703.39203.150.38根据中间温度定律得：备注：K型热电偶的分度号以前为EU-2，现为K 镍铬一镍硅热电偶镍铬一镍硅热电偶K分度表分度表 用39.703mV反查镍铬一镍硅热电偶K分度表可得960，即为实际炉温。2中间导体定律 在热电偶测温过程中，必须在回路中引入测量导线和仪表。当接入导线和仪表后，会不会影响热电势的测量呢？中间导体定律说明，在热电偶AB回路中，只要接入的

21、第三导体两端温度相同，则对回路的总热电势没有影响。下面考虑两种接法1）在热电偶AB回路中，断开参考结点，接入第三种导体C。只要保持两个新结点AC和BC的温度仍为参考结点温度T0，如图3-5（a）所示，就不会影响回路的总热电势，即),(),(00TTETTEABABC2）热电偶AB回路中，将其中一个导体A断开，按入导体C，如图3-5（b）所示。在导体C与导体A的两个结点处保持相同的温度TC，则有),(),(00TTETTTEABCABC图3-5 中间导体定律上面两种接法表明： 在热电偶回路中接入中间导体，只要中间导体两端的温度相同，就不会影响回路的总热电势；若在回路中接入多种导体，只要每种导体两

22、端温度相同，也不会影响回路的总热电势。 3标准电极定律当热电偶回路的两个结点温度为T，T0时，用导体AB组成的热电偶的热电势等于热电偶AC和热电偶CB的热电势的代数和，即),(),(),(),(),(00000TTETTETTETTETTEBCACCBACAB图3-6 标准电极定律 导体C称为标准电极。这一规律称标准电极定律。 标准电极C通常采用纯铂丝制成，因为铂的物理、化学性能稳定，易提纯，熔点高。如果已求出各种热电极对铂极的热电势值，就可以用标准电极定律，求出其中任意两种材料配成热电偶后的热电势值。这就大大简化了热电偶的选配工作。4均质导体定律如果组成热电偶的两个热电极的材料相同。无论两接

23、点的温度是否相同，热电偶回路中的总热电动势均为0，均质导体定律有助于检验两个热电极材料成分是否相同及热电极材料的均匀性。5零电势定律由两种相同材料组成的热电偶和在两接点处温度相同的热电偶，其回路中总的热电势等于零或者说表现为热电偶不产生热电势。 4.1 电阻应变式传感器4.1.1 电阻应变片的结构与工作原理ALR1电阻应变效应 导体或半导体材料在受到外界力（拉力或压力）的作用时，会产生机械变形，同时机械变形会导致其阻值变化，这种因变形而使其电阻值发生变化的现象称为电阻应变效应。导体或半导体材料的电阻 当其受外力作用时，电阻率、长度L、横截面积A都会发生变化，从而引起R的变化。那么通过测量阻值的

24、变化情况，就可反映出外界作用力的大小。第第4章章 电阻式传感器电阻式传感器v热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器。v热电阻测温是基于金属导体的电阻值随温度的增加而增加这一特性来进行温度测量的。v它的主要特点是测量精度高，性能稳定。其中铂热电阻的测量精确度是最高的，它不仅广泛应用于工业测温，而且被制成标准的基准仪 。v工作原理 热电阻是利用物质在温度变化时，其电阻也随着发生变化的特征来测量温度的。当阻值变化时，工作仪表便显示出阻值所对应的温度值。 4.3热电阻传感器4.3.2常用热电阻1铂电阻 铂具有稳定的物理、化学性能，是目前制造热电阻的最好材料，可作为高精度工业测温元件和温度标准元件。它通

25、常用作标准温度计，被广泛应用于作温度的基准、标准的传递，因其长时间稳定复现性非常好，是目前测温复现性最好的一种温度计。主要缺点是在还原气氛中容易被侵蚀变脆，因此一定要加保护套管。铂电阻温度计的使用范围是-200850，铂热电阻和温度的关系如下： 在0850的温度范围内为)1 (20BtAtRRt在-2000的温度范围内为320)100(1ttCBtAtRRt式中， Rt为温度t时的电阻值； R0为温度0时的电阻值;t为任意温度； A为常数3.9080210-3-1； B为常数-5.80210-7-2； C为常数-4.2735010-12-4；由上式可知， 要确定Rt和t的关系，必须先确定R0。

26、 目前我国规定工业用铂热电阻有R0=25和R0=100两种，它们的分度号分别为Pt25和Pt100，其中以Pt100为最常用。 2铜电阻 当测量精度要求不高，测量范围不大时，可以用铜电阻代替铂电阻，以便在测量精度要求范围内降低成本。铜电阻温度系数大，铜电阻在测量范围内其电阻值与温度的关系几乎是线性的，即在一定温度范围内为常数，电阻与温度的关系在-50150的温度范围内可表示为)1 (0tRRt式中，Rt为温度t时的电阻值；R0为温度0时的电阻值；为铜电阻的温度系数，= 4.2510-34.2810- 3-1。 铜电阻电阻率低、体积较大、热惯性大、在100以上容易氧化，因此在使用时要根据具体情况

27、选用。与铂电阻一样，在工业中也把R0=50和R0=100对应的Rt-t关系制成分度表，称为铜热电阻分度表，相应分度号分别为Cu50和Cu100，参见书后附录。3其他热电阻铂、铜热电阻用于低温和超低温测量时性能不够理想，而铟、锰、碳等热电阻材料都是测量低温和超低温的理想材料。1）铟电阻 铟的熔点约为150，是一种高精度低温热电阻。铟电阻用99.99%高纯度的铟丝绕成电阻，可在-269258温度范围内使用。实验证明其灵敏度比铂高10倍，故可用于不能使用铂的低温范围。其缺点是材料很软，复现性很差。2）锰电阻 锰热电阻适宜在-271210温度范围内使用，电阻值随温度变化大，灵敏度高。磁场对锰电阻的影响

28、不大，且有规律。锰电阻的缺点是脆性很大，难以控制成丝。3）碳热电阻 碳热电阻适宜在-273268.5范围的温度测量，其特点是热容量小、价廉、灵敏度高、对磁场不敏感，但热稳定性较差。 压电式传感器是一种典型的有源传感器，它利用了电介质物体在外力作用下会在其表面产生电荷的原理，来完成非电量的测量，故又称为自发电式传感器或电势式传感器 优点：优点： 可测与力相关的物理量，如各种动态力、可测与力相关的物理量，如各种动态力、 机械冲击与机械冲击与振动。振动。 在声学、在声学、 医学、力学、宇航等方面都得到了非医学、力学、宇航等方面都得到了非常广泛的应用。常广泛的应用。缺点：缺点： 不能测量静态量不能测量

29、静态量。需用低电容的低噪声电缆。需用低电容的低噪声电缆。第5章 压电式传感器5.1压电效应与压电材料5.1.1压电效应 某些电介质物体，在沿一定方向对其施加压力和拉力而使之变形时，内部会产生极化现象，同时在其表面上会产生电荷。当将外力去掉后，它们又重新回到不带电的状态，当作用力方向改变时，电荷的极性也随之改变。 这种现象就称为压电效应。 人们又把这种机械能转化为电能的现象，称为“正压电效应”。在电介质的极化方向上施加电场，它会产生机械变形；当去掉外加电场后，电介质的变形随之消失。这种将电能转换为机械能的现象，则称为“逆压电效应”（电致伸缩效应）。 5.1.2压电材料 明显呈现压电效应的敏感功能

30、材料称为压电材料，压电材料能实现机电能量的相互转换，如图5-1所示。 目前应用于压电式传感器中的压电元件材料一般有三类。第一类是压电晶体，如石英晶体（SiO2）等；第二类是经过极化处理的压电陶瓷，如钛酸钡、锆钛酸铅等；第三类是新型压电材料高分子压电材料，如聚偏二氟乙烯（PVF2）等。 压电元件机械量电量图5-1 当晶片受到x方向的压力作用时，qx只与作用力x成正比，而与晶片的几何尺寸无关； 沿机械轴y方向向晶片施加压力时，产生的电荷是与几何尺寸有关的； 石英晶体不是在任何方向都存在压电效应的； 晶体在哪个方向上有正压电效应，则在此方向上一定存在逆压电效应； 无论是正或逆压电效应，其作用力（或应

31、变）与电荷（或电场强度）之间皆呈线性关系。 压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料。压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料。材料内部的晶粒有许多自发极化的电畴，它材料内部的晶粒有许多自发极化的电畴，它有自发的极化方向，从而存在电场。有自发的极化方向，从而存在电场。 在无外在无外电场作用时，电畴在晶体中杂乱分布，它们电场作用时，电畴在晶体中杂乱分布，它们各自的极化效应被相互抵消，压电陶瓷内极各自的极化效应被相互抵消，压电陶瓷内极化强度为零。因此原始的压电陶瓷呈中性，化强度为零。因此原始的压电陶瓷呈中性，不具有压电性质。不具有压电性质。 在陶瓷上施加外电场时，电畴的极化方向发生转动，趋向于按外电场方向的排

32、列，从而使材料得到极化。 外电场愈强，就有更多的电畴更完全地转向外电场方向。让外电场强度大到使材料的极化达到饱和的程度，即所有电畴极化方向都整齐地与外电场方向一致时，当外电场去掉后，电畴的极化方向基本不变，即剩余极化强度很大，这时的材料才具有压电特性，即经过极化处理的压电陶瓷才具有压电效应 。 5.2.1压电式传感器的等效电路 为了更进一步分析和更有效地使用压电式传感器，有必要引入压电元件的等效电路。 当压电元件受力时，在电极表面就会出现电荷，且两个电极表面聚集的电荷量相等，极性相反。因此，可以把压电传感器看做是一个静电荷发生器，而压电元件在这一过程中可以看成是一个电容器,其电容量Ca为)(0

33、FdSdSCra式中， S为压电元件电极面面积，m2；d为压电元件厚度，m； 为压电材料的介电常数，F/m； r为压电材料的相对介电常数； 0为真空介电常数（8.8510-12F/m）。当需要压电元件输出电荷时，可以把压电元件等效为一个电荷源与一个电容相并联的电荷等效电路，如图5-5（a）所示。在开路状态，其输出端电荷为UCqa当需要压电元件输出电压时，可以把它等效成一个电压源与一个电容相串联的电压等效电路，如图5-5（b）所示。在开路状态，其输出端电压为aCqU （a）电荷等效电路 （b）电压等效电路图5-5 压电元件等效电路5.2.2压电式传感器的测量电路 由于压电式传感器本身的内阻抗很高

34、，输出能量较小，因此它的测量电路通常需要接入一个高输入阻抗的前置放大器。 其作用为： 把它的高输入阻抗（一般1 000 M以上）变换为低输出阻抗（小于100）；对传感器输出的微弱信号进行放大。 根据压电式传感器的两种等效方式可知，压电式传感器的输出可以是电压信号或电荷信号，因此前置放大器也有两种形式：电压放大器和电荷放大器。1电荷放大器 在略去压电式传感器的泄漏电阻Ra和放大器输入电阻Ri两个并联电阻（理想情况下二者都为无穷大），将压电式传感器等效电容Ca、连接电缆的等效电容Cc、放大器输入电容Ci，合并为电容C后，电荷放大器等效电路如图5-7所示。它由一个反馈电容Cf和高增益运算放大器构成，

35、图中A为运算放大器，它的增益为K。图5-7 电荷放大器等效电路由此可见：1）放大器的输入阻抗极高，输入端几乎没有分流，电荷q只对反馈电容Cf充电，充电电压Ucf（反馈电容两端的电压）接近于放大器的输出电压。2）电荷放大器的输出电压UO，与电缆电容Cc无关，而与q成正比，这是电荷放大器的突出优点。由于q与被测压力成线性关系，因此，输出电压与被测压力成线性关系。 2电压放大器电压放大器的原理及等效电路如图5-8所示，其中Ui为放大器输入电压。将图中的Ra，Ri并联成为等效电阻R，将Cc与Ci并联为等效电容C，于是有iaiaRRRRRicCCC如果压电元件受正弦力的作用，则所产生的电荷为tdFdfq

36、msin对应的电压为 tUtCdFCqumamasinsin式中，d压电系数；ammCdFU压电元件输出电压的幅值 图5-8 （a）电路原理（b）等效电路由此可得放大器输入端的电压Ui的复数形式)(1)(1icaaiCCCRjRjFdCCRjRjFdU于是可得放大器输入电压的幅值Uim为)(122icamimCCCRRdFU输入电压与作用力间的相位差为)(arctan2icaCCCR可得放大器的输入电压幅值为icamimCCCdFUicamimCCCdFU上式表明： 理想情况下，前置放大器输入电压与频率无关。为了扩展频带的低频段，必须提高同路的时间常数R（Ca+Cc+Ci）。如果单靠增大测量回

37、路电容量的方法将影响传感器的灵敏度，因此常采用Ri很大的前置放大器。 一般认为/13时就可认为Uim与无关，这也表明压电传感器有很好的高频响应特性，但当作用力为静态力（即=0）时，前置放大器的输入电压为0，电荷会通过放大器输入电阻和传感器本身漏电阻漏掉，实际上外力作用于压电材料上产生电荷只有在无泄漏的情况下才能保存，即需要测量回路具有无限大的输入阻抗，但这实际上是不可能的。 因此，压电式传感器不能用于测量静态量。因此，压电式传感器不能用于测量静态量。压电材料在交变力的作用下，电荷可以不断补充，以供给测量回路一定的电流，故适合于动态测量。5.3压电式传感器应用 由于压电元件的可逆特性，因此压电式

38、传感器是一种典型的“双向传感器”。 它具有结构简单、工作可靠、固有频率高、灵敏度和信噪比高等特点。 在测试技术中压电元件是典型的力敏元件，可以检测最终能够转换为力的物理量，例如压力、加速度、机械冲击和振动等。因此，在声学、力学、医学和宇航等领域中广泛应用了压电式传感器。v 电感式传感器实质上是一个带铁心的线圈，它是利用线圈的电磁感应原理把被测的物理量如位移、压力、流量、振动等转换成线圈的自感系数L或互感系数M的变化，将L或M接入适当的测量电路，变换成电信号，实现非电量到电量的转换。 电感式传感器的种类很多，主要分为电感式传感器的种类很多，主要分为自感式、互感式自感式、互感式和和电涡流式三大类，

39、习惯上讲的电感式传感器通常是指自感式电涡流式三大类，习惯上讲的电感式传感器通常是指自感式传感器，而互感式传感器利用了变压器原理，往往做成差动传感器，而互感式传感器利用了变压器原理，往往做成差动式，故常称为式，故常称为差动变压器式传感器差动变压器式传感器。（1）变隙式电感传感器的工作原理v变隙式电感传感器的线圈是套在铁心上的，在铁心与衔铁之间有一个空气隙，空气隙厚度为，传感器的运动部分与衔铁相连，当运动部分产生位移时，空气隙厚度发生变化，从而使电感值发生变化。ab 当气隙长度不变时，铁心与衔铁之间相对而言覆盖面积随当气隙长度不变时，铁心与衔铁之间相对而言覆盖面积随被测量的变化而变化，线圈电感量与

40、磁通横截面积被测量的变化而变化，线圈电感量与磁通横截面积S成正比，成正比，是一种线性关系，这种传感器称为变面积式电感传感器。是一种线性关系，这种传感器称为变面积式电感传感器。v螺管式传感器也称为螺管插铁式电感传感器，其结构如图6-1（c）所示，主要元件由一只螺线管和一根柱形衔铁构成。螺管式传感器工作时，衔铁随被测对象的移动而移动，线圈磁力线路径上的磁阻发生变化，线圈的电感也因此而变化。线圈的电感与铁心插入线圈的深浅程度有关。v前面几种类型的自感传感器可以制成各种形状，但都存在严重的非线性问题，为了减小非线性，在实际使用中常采用两个相同的传感线圈共用一个活动衔铁，构成差动式电感传感器，来提高传感

41、器的灵敏度，减小测量误差。v差动式电感传感器的结构要求两个导磁体的几何尺寸及材料完全相同，两个线圈的电气参数和几何尺寸完全相同。如图6-3所示是变间隙式、变面积式及螺管式三种类型的差动式电感传感器。v变压器式传感器本身是互感系数可变的变压器。当一次侧线圈接入激励电源后，二次侧线圈就将感应产生电压输出，互感变化时，输出电压也将作相应变化。差动变压器式传感器实质是将被测的非电量变化转换为线圈互感变化的传感器称为互感式传感器。这种传感器是根据变压器的基本原理制成的，通常将变压器的次级线圈接成差动形式，故又称差动变压器式传感器。v差动变压器式传感器的结构形式有变隙式、变面积式和螺管式等几种。v差动变压

42、器式传感器结构简单、灵敏度高、测量范围大，广泛地用于位移、压强、荷重、液位等非电量参数的测量。 v差动变压器输出的是交流电压，若用交流模拟数字电压表测量，只能反映铁心位移的大小，不能反映移动的方向。v另外，其测量值必定含有零点残余电压。为了能辨别移动方向和消除零点残余电压的目的，实际测量时，常常采用差动整流电路和相敏检波电路两种测量电路。v零点残余电压的存在会给测量带来误差，其值过大，会使灵敏度下降，非线性误差增大，因此零点残余电压的大小是判断传感器质量好坏的重要标志之一。v产生零点残余电压的原因主要有以下几点：v（1）两次级线圈结构上的不对称，造成两电感线圈的等效参数不对称。v（2）铁心材料

43、B-H曲线的弯曲部分所引起的输出电压有高次谐波造成的零点残余电压。v（3）由激磁电压波形中的高次谐波引起。v若传感器的零点残余电压过大，会影响测量精度，必须要采取一定方法来消除零点残余电压，主要有以下几种方法：v（1）提高线圈的框架的对称性，特别是两组次级线圈的对称性。v（2）采用适当的测量线路，一般可采用在放大电路前加相敏整流器的方法，这样可以使零点残余电压可以减小到忽略不计的程度。v（3）采用适当的补偿电路，使零点残余电压减小至接近于零。 v对于平板型电容器（如图7-1）的电容量C与两平行极板的有效覆盖面积S、极板间介质的介电常数成正比，与两平行极板间的距离d成反比，即dSC式中，S两极板

44、相互遮盖的有效面积； d两极板间的距离，也称极距； 两极板间的介质常数；RP（a）CRLC（b）当被测参数变化引起电容传感器的输出电容变化当被测参数变化引起电容传感器的输出电容变化CC时，时， ，桥路有输出电压，但输出电压，桥路有输出电压，但输出电压 与被测电容的与被测电容的CC之间是非线性关系。之间是非线性关系。 v图7-9为单臂桥式测量电路，1MHz左右的高频电源经变压器接到电容桥的一个对角线上，电容C1、C2、C3为固定电容，C0 +C为电容传感器的输出电容，交流电桥平衡时00.UOU.v调频电路是将电容式传感器作为LC振荡器谐振回路的一部分，或作为晶体振荡器中的石英晶体的负载电容。当电

45、容传感器工作时，电容C发生变化，就使振荡器的频率 f产生相应的变化。由于振荡器的频率受电容式传感器电容的调制，这样就实现了C/f的变换，故称为调频电路。调频振荡器的频率可由下式决定LCf21式中，式中，L L振荡回路的固定电感；振荡回路的固定电感；C C振荡回路的电容，包括传感器电容振荡回路的电容，包括传感器电容CxCx、振荡回路中的微调电容、振荡回路中的微调电容C1C1和传感器电缆分布电容和传感器电缆分布电容Cc Cc ，即，即C=CxC=Cx +C1+ Cc +C1+ Cc。图图7-117-11所示即为调频原理框图。所示即为调频原理框图。v图7-12是一理想运算放大器式的测量电路，其理想运

46、算放大器输出电压与输入电压之间的关系为0oixCuuC采用基本运算放大器的最采用基本运算放大器的最大特点是大特点是电路输出电压电路输出电压u u0 0与电容式传感器的与电容式传感器的极距极距d d成成正比正比，使基本变极距式电，使基本变极距式电容传感器的输出特性具有容传感器的输出特性具有线性特性。线性特性。Q Q1 1电容式传感器的优点电容式传感器的优点 （1）温度稳定性好）温度稳定性好（2）结构简单，适应性强）结构简单，适应性强（3）动态响应好）动态响应好（4）可以实现非接触测量、具有平均效应）可以实现非接触测量、具有平均效应（5）分辨率高）分辨率高2.2.电容式传感器的缺点电容式传感器的缺

47、点 (1)输出阻抗高，负载能力差输出阻抗高，负载能力差 (2)寄生电容影响大寄生电容影响大 (3)输出特性非线性输出特性非线性 霍尔传感器是利用霍尔效应实现磁电转化的传感器，它可以通过磁感应强度B、控制电流I以及BI乘积的变化，对位移、角度、转速、加速度和功率等进行测量。 具有非接触测量、结构简单、形小体轻、无触点、频率响应范围宽、动态范围大、寿命长等优点。 霍尔元件是将一种半导体四端薄片（霍尔片），做成正方形，在薄片上焊有两对电极引出线，然后采用非导磁金属或陶瓷或环氧树脂封装制成的。 霍尔元件的元件结构霍尔元件的元件结构如图如图8-18-1所示，引出的电所示，引出的电极其中一对为极其中一对为

48、控制电流控制电流端，端，一般以一般以红色导线红色导线标记，另标记，另一对为一对为霍尔电势霍尔电势输出端，输出端，常用常用绿色导线绿色导线标记标记v 如图8-2所示的一块N型半导体薄片，其长度为L，宽度为l，厚度为d。在垂直于该半导体薄片平面的上方，施加磁感应强度为B的磁场，在半导体薄片相对的两边通以控制电流I，当N型半导体中的载流子（电子）沿着电流I相反地方向运动时，受到洛仑兹力FL的作用，使电子偏向一端，产生负电荷的积聚，而另一端面则为正电荷积聚，产生了静电场，即霍尔电场。 霍尔电场对电子的作用力霍尔电场对电子的作用力F FE E与洛仑兹力与洛仑兹力F FL L方向相反，将阻方向相反，将阻止

49、电子继续偏转，最后形成止电子继续偏转，最后形成动动态平衡态平衡，此时在半导体薄片电，此时在半导体薄片电荷积聚的两边将产生一个与控荷积聚的两边将产生一个与控制电流制电流I I和磁感应强度和磁感应强度B B乘积成乘积成正比的电势正比的电势U UH H，且，且U UH HK KH HIBIB，其中其中K KH H为霍尔元件的灵敏度。为霍尔元件的灵敏度。这一现象称为霍尔效应，该电这一现象称为霍尔效应，该电势称为势称为霍尔电势。霍尔电势。 为了得到较大的霍尔电压输出，可以把几个霍尔元件输出串联起来，但是控制电流必须并联，如图8-3（a）所示，不能接成图8-3（b）那样，因为控制电流串联起来将有大部分控制

50、电流被相连的霍尔电势输出端短接，使霍尔元件不能正常工作。I（b）错误接法）错误接法R1R2adcb（a）正确接法）正确接法图图8-3 8-3 霍尔元件输出叠加连接霍尔元件输出叠加连接v当元件的控制电流采用交流时，还可采用图8-4的方式增加霍尔输出电势和输出功率，此时霍尔元件的控制电流端串联，而各元件的输出分别接至输出变压器的各初级，变压器的次级获得霍尔输出信号的叠加。若输出信号小，则可用差分放大器放大，如图8-5所示。I图图8-5 8-5 霍尔元件输出的放大电路示意图霍尔元件输出的放大电路示意图图图8-4 8-4 交流时霍尔元件输出的叠加交流时霍尔元件输出的叠加v霍尔元件的基本测量电路如图8-

51、6所示。图图8-6 8-6 霍尔元件的基本测量电路霍尔元件的基本测量电路l控制电流I由电源E供给；l电位器R调节控制电流I的大小；l霍尔元件输出端接RL，它可以是放大器的输入电阻，也可以是测量仪表的内阻。v霍尔元件是一种四端器件，本身不带放大器，且霍尔电势一般在毫伏量级。因此，在实际使用时必须加差分放大器。霍尔元件大体分为线性测量和开关状态两种使用方式，因此，输出电路有如图8-7所示两种结构。 u当霍尔元件作线性测量时，最好选用灵敏度低一点、不等位电势小、稳定性和线性度优良的霍尔元件。u当霍尔元件作开关使用时，要选择灵敏度高的霍尔元件。 集成霍尔传感器是利用硅集成电路工艺将霍尔元件和测量线路集

52、成在一起的霍尔传感器。 它取消了传感器和测量电路之间的界限，实现了材料、元件、电路三位一体。集成霍尔传感器由于减少了焊点，因此显著地提高了可靠性。此外，它具有体积小、重量轻、功耗低等优点。 可分为线性和开关型两大类，有三端T形单端输出和八脚双列直插型双端输出两种结构。 （1 ） 开关型集成霍尔传感器开关型集成霍尔传感器 开关型集成霍尔传感器是把霍尔元件的输出经过处理后输出一个高电平或低电平的数字信号。 霍尔开关电路又称霍尔数字电路，由稳压器、霍尔片、差分放大器、施密特触发器和输出级五部分组成。 （2） 线性集成霍尔传感器线性集成霍尔传感器 线性集成霍尔传感器是把霍尔元件与放大线路集成在一起的传

53、感器。其输出电压与外加磁场成线性比例关系。一般由霍尔元件、差分放大、射极跟随输出及稳压四部分组成，霍尔线性集成传感器广泛用于位置、力、重量、厚度、速度、磁场、电流等的测量或控制。 在光线的作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象在光线的作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象称为称为外光电效应外光电效应。向外发射的电子则称为。向外发射的电子则称为光电子光电子。基于外光电效应。基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增管等。的光电器件有光电管、光电倍增管等。 光照射物体，可以看成一连串具有一定能量的光照射物体，可以看成一连串具有一定能量的光子轰击物体光子轰击物体，物体中电子吸收的入射光子能量超过逸出功物体中电子吸收的入射光子能量超过逸出功A0时，电子就会逸出物时，电子就会逸出物体表面，产生光电子发射，超过部分的能量表现为逸出电子的动能。体表面，产生光电子发射，超过部分的能量表现为逸出电子的动能。因为光的波长越短，即频率越高，其光子的能量越大；反之，光的因为光的波长越短，即频率越高，其光子的能量越大；反之，光的波长越长，其光子的能量也就越小。根据能量守恒定理有波长越长，其光子的能量也就越小。根据能量守恒定理有 （9-1）02021Amvhv 式（式（9-1）为爱因斯坦光电效应方程式，由此可知：）为爱因斯坦光电效应方程式，由此可知： 1）光