传感器类型及原理

传感器类型及原理第1页，共55页，2023年，2月20日，星期三4.5压电式传感器

一、工作原理－压电效应

天然结构的石英晶体呈六角形晶柱，用金刚石刀具切割出一片正方形薄片。当晶体薄片受到压力时，晶格产生变形，表面产生正电荷，电荷Q与所施加的力F成正比，这种现象称为压电效应。还有一些人造的材料也具有压电效应。

当力的方向改变时，电荷的极性随之改变；当动态力变为静态力时，电荷将由于表面漏电而很快泄漏、消失。第2页，共55页，2023年，2月20日，星期三4.5压电式传感器

若在电介质的极化方向上施加交变电压，它就会产生机械变形。当去掉外加电场时，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应（电致伸缩效应）。第3页，共55页，2023年，2月20日，星期三4.5压电式传感器

压电效应的应用原理①力－>电轴－>纵向压电效应，在电轴方向产生电效应②力－>力轴－>横向压电效应，在电轴方向产生电效应，极性与①相反③力－>光轴－>无压电效应④电－>电轴－>逆压电效应，产生机械应变⑤光－>光轴－>无双折射现象第4页，共55页，2023年，2月20日，星期三4.5压电式传感器

压电材料的分类及特性压电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）；第二类是经过极化处理的压电陶瓷；第三类是高分子压电材料。第5页，共55页，2023年，2月20日，星期三4.5压电式传感器

天然形成的石英晶体外形1压电晶体－石英晶体第6页，共55页，2023年，2月20日，星期三石英晶体切片及封装双面镀银并封装4.5压电式传感器

第7页，共55页，2023年，2月20日，星期三4.5压电式传感器

2压电陶瓷

压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料，它比石英晶体的压电灵敏度高得多，而制造成本却较低，因此目前国内外生产的压电元件绝大多数都采用压电陶瓷。常用的压电陶瓷材料有钛酸铅系列压电陶瓷（PZT）及非铅系压电陶瓷（如钛酸钡BaTiO3等）。压电陶瓷外形第8页，共55页，2023年，2月20日，星期三4.5压电式传感器

3高分子压电材料

典型的高分子压电材料有聚偏二氟乙烯（PVF2或PVDF）、聚氟乙烯（PVF）、改性聚氯乙烯（PVC）等。它是一种柔软的压电材料，可根据需要制成薄膜或电缆套管等形状。它不易破碎，具有防水性，可以大量连续拉制，制成较大面积或较长的尺度，价格便宜，频率响应范围较宽。高分子压电薄膜及拉制第9页，共55页，2023年，2月20日，星期三4.5压电式传感器

高分子压电材料制作的压电薄膜和电缆

可用报警的高分子压电踏脚板第10页，共55页，2023年，2月20日，星期三4.5压电式传感器

高分子压电薄膜制作的压电喇叭

（逆压电效应）第11页，共55页，2023年，2月20日，星期三压电式动态力传感器以及在

车床中用于动态切削力的测量

4.5压电式传感器

第12页，共55页，2023年，2月20日，星期三压电式动态力传感器在体育动态测量中的应用压电式步态分析跑台压电式纵跳训练分析装置压电传感器测量双腿跳的动态力4.5压电式传感器

第13页，共55页，2023年，2月20日，星期三4.5压电式传感器

+并联F+Q=KpF

Q－电荷；Kp—压电常数；F－压力。压电式传感器连接方法:1）并联法

两压电片的负极都集中在中间电极上，正电极在两边的电极上，这种连接方法称为并联。输出电容C‘为单片电容的n倍；输出电压U等于单片电压Ua；极板上电荷量Q’为单片电荷量Q的n倍，即

Q＇=nQ

U=Ua

C＇=nCa第14页，共55页，2023年，2月20日，星期三2）串联法

正电荷集中在上极板，负电荷集中在下极板，而中间的极板上片产生的负电荷与下片产生的正电荷相互抵消，这种接法称为串联。

Q＇=Q

U=nUaC＇=3）比较：●并联接法输出电荷大，本身电容大（因而接上负载后时间常数大），宜用于以电荷作为输出量的场合，相对来说允许被测对象变化频率稍低。●串联接法输出电压大，本身电容小，宜用于以电压作为输出量的场合，要求后续电路有较大的输入阻抗。4.5压电式传感器

+串联第15页，共55页，2023年，2月20日，星期三压电式传感器测量电路:①由于压电传感器的输出信号非常微弱，需将其输出电信号进行放大才能测量出来；②压电传感器的内阻抗相当高，不是普通放大器能放大的，需进行阻抗匹配；③连接电缆的长度、噪声对系统输出有明显影响。

压电式传感器的输出可以是电压信号，也可以是电荷信号。当采用电压输出信号时，这时把传感器看作电压发生器；当采用电荷输出信号时，这时把传感器看作电荷发生器。

前置放大器有两种形式：●电压放大器，其输出电压与输入电压成比例，一般称为阻抗变换器；●电荷放大器，其输出电压与输入电荷成比例。4.5压电式传感器

第16页，共55页，2023年，2月20日，星期三4.5压电式传感器

1）电压放大器

C越大，e越小ω＝0，e＝0第17页，共55页，2023年，2月20日，星期三4.5压电式传感器

2）电荷放大器

两种前置放大器的主要区别：●使用电压放大器时，整个测量系统对电缆电容的变化非常敏感，尤其是连接电缆长度变化更为明显；●使用电荷放大器时，电缆长度变化的影响差不多可以忽略不计。Cc对结果影响小第18页，共55页，2023年，2月20日，星期三

电荷放大器能将压电传感器输出的电荷转换为电压（Q/U转换器），但并无放大电荷的作用，只是一种习惯叫法。面板式电荷放大器4.5压电式传感器

焊接式电荷放大器

主要指标:

灵敏度：1、10、100mV/pC(任选一档)

频率范围：0.3～100KHz(上、下限可选)

噪声(最大灵敏度)：输出端小于1mV

归一化：外接电阻调整

线性误差：1%

最大输出：±5V或±10V

电

源：±6V～±15V

特点：可组成经济的多点测试系统第19页，共55页，2023年，2月20日，星期三4.6磁电式传感器

1.变换原理:

磁电式传感器是把被测量的物理量转换为感应电动势的一种转换器。感应线圈的感应电动势e为磁通变化率与磁场强度、磁阻、线圈运动速度有关，改变其中一个因素，都会改变感应电动势。

第四章、传感器类型及工作原理第20页，共55页，2023年，2月20日，星期三2分类

磁电式动圈式磁阻式线速度型角速度型N4.6磁电式传感器

第21页，共55页，2023年，2月20日，星期三动圈式传感器线速度型4.6磁电式传感器

第22页，共55页，2023年，2月20日，星期三角速度型测速电机4.6磁电式传感器

第23页，共55页，2023年，2月20日，星期三磁阻式传感器

磁电式车速传感器4.6磁电式传感器

第24页，共55页，2023年，2月20日，星期三汽车速度的测量原理

与车轮联动4.6磁电式传感器

第25页，共55页，2023年，2月20日，星期三4.7热电式传感器

1.变换原理:

热电式传感器是把温度变化转换为电量变化的传感器，分为热电阻（见4.2）和热电偶。第四章、传感器类型及工作原理热电效应

将两种不同材料的导体A和B串接成一个闭合回路，当两个接点温度不同时，在回路中就会产生热电势，形成电流，此现象称为热电效应。第26页，共55页，2023年，2月20日，星期三4.7热电式传感器

热电偶工作原理演示

结论：当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。

热电极A右端为：自由端（参考端、冷端）

左端为：测量端（工作端、热端）

热电极B热电势AB第27页，共55页，2023年，2月20日，星期三4.7热电式传感器

1821年，德国物理学家赛贝克用两种不同金属组成闭合回路，并用酒精灯加热其中一个接触点（称为结点），发现放在回路中的指南针发生偏转（说明什么？），如果用两盏酒精灯对两个结点同时加热，指南针的偏转角反而减小（又说明什么？）。热电效应也叫赛贝克效应。热电效应的发现第28页，共55页，2023年，2月20日，星期三4.7热电式传感器

结点产生热电势的微观解释及图形符号

两种不同的金属互相接触时，由于不同金属内自由电子的密度不同，在两金属A和B的接触点处会发生自由电子的扩散现象。自由电子将从密度大的金属A扩散到密度小的金属B，使A失去电子带正电，B得到电子带负电，从而产生热电势，其值与温度相关。自由电子＋ABTie第29页，共55页，2023年，2月20日，星期三4.7热电式传感器

ABTT0k——玻耳兹曼常数，e——电子电荷量，T——接触处的温度，NA，NB——分别为导体A和B的自由电子密度。

热电偶两结点所产生的总的热电势等于热端热电势与冷端热电势之差，是两个结点的温差Δt

的函数：EAB（T，T0）=EAB（

T）-EAB（

T0

）热电势大致与两个结点的温差Δt

成正比第30页，共55页，2023年，2月20日，星期三4.7热电式传感器

热电偶测温基本定律1)均质导体定律由一种均质导体组成的闭合回路，不论导体的横截面积、长度以及温度分布如何均不产生热电动势。TT02)中间导体定律在热电偶回路中接入第三种材料的导体，只要其两端的温度相等，该导体的接入就不会影响热电偶回路的总热电动势。TT0V第31页，共55页，2023年，2月20日，星期三4.7热电式传感器

3)参考电极定律两种导体A,B分别与参考电极C组成热电偶，如果他们所产生的热电动势为已知，A和B两极配对后的热电动势可用下式求得：ABTT0=ACTT0—CBTT0由于铂的物理化学性质稳定、人们多采用铂作为参考电极。第32页，共55页，2023年，2月20日，星期三4.7热电式传感器

八种国际通用热电偶：

B:铂铑30—铂铑6

、R:铂铑13—铂、S:铂铑10—铂、K:镍铬—镍硅、N:镍铬硅—镍硅、E:镍铬—铜镍、J:铁—铜镍、T:铜—铜镍

用于制造铂热电偶的各种铂热电偶丝第33页，共55页，2023年，2月20日，星期三4.7热电式传感器

设冷端为0C，根据以下电路中的毫伏表的示值及K热电偶的分度表，查出热端的温度tx

。第34页，共55页，2023年，2月20日，星期三4.7热电式传感器

普通装配型热电偶的外形安装螺纹安装法兰第35页，共55页，2023年，2月20日，星期三4.7热电式传感器

第36页，共55页，2023年，2月20日，星期三4.7热电式传感器

热电偶冷端的延长

采用相对廉价的补偿导线，可延长热电偶的冷端，使之远离高温区；可节约大量贵金属；易弯曲，便于敷设。

要求：补偿导线在0～100C范围内的热电势与配套的热电偶的热电势相等，所以不影响测量精度。补偿导线外形

屏蔽层保护层第37页，共55页，2023年，2月20日，星期三4.7热电式传感器

热电偶的冷端温度补偿必要性：

1、用热电偶的分度表查毫伏数-温度时，必须满足t0=0C的条件。在实际测温中，冷端温度常随环境温度而变化，这样t0不但不是0C，而且也不恒定，因此将产生误差。

2、一般情况下，冷端温度均高于0C，热电势总是偏小。应想办法消除或补偿热电偶的冷端损失。第38页，共55页，2023年，2月20日，星期三4.7热电式传感器

冷端温度补偿的方法

一、冷端恒温法：将热电偶的冷端置于装有冰水混合物的恒温容器中，使冷端的温度保持在0C不变。此法也称冰浴法，它消除了t0不等于0C而引入的误差，由于冰融化较快，所以一般只适用于实验室中。

冰浴法接线图

1—被测流体管道

2—热电偶

3—接线盒

4—补偿导线

5—铜质导线

6—毫伏表

7—冰瓶

8—冰水混合物

9—试管

10—新的冷端

第39页，共55页，2023年，2月20日，星期三4.7热电式传感器

二、计算修正法

当热电偶的冷端温度t00C时，由于热端与冷端的温差随冷端的变化而变化，所以测得的热电势EAB（t，t0）与冷端为0C时所测得的热电势EAB（t，0C）不等。若冷端温度高于0C，则EAB（t，t0）<EAB（t，0C）。可以利用下式计算并修正测量误差：

EAB（t，0C）=EAB（t，t0）+EAB（t0，0C）第40页，共55页，2023年，2月20日，星期三4.7热电式传感器

三、电桥补偿法

XT-WBC热电偶冷端补偿器

电桥补偿法是利用不平衡电桥产生的不平衡电压来自动补偿热电偶因冷端温度变化而引起的热电势变化值，可购买与被补偿热电偶对应型号的补偿电桥。RH为热电阻

第41页，共55页，2023年，2月20日，星期三4.8光电式传感器

第四章、传感器类型及工作原理

光电传感器通常是指能敏感到由紫外线到红外线光的光能量，并能将光能转化成电信号的器件。其工作原理是基于一些物质的光电效应。内光电效应

半导体材料受到光照时会产生电子-空穴对,使其导电性能增强,光线愈强，阻值愈低，这种光照后电阻率发生变化的现象,称为内光电效应

。光敏电阻、光敏二极管和光敏三极管外光电效应

受到光照时使电子逸出表面，称为外光电效应

。光电管、光电倍增管第42页，共55页，2023年，2月20日，星期三4.8光电式传感器

第43页，共55页，2023年，2月20日，星期三4.8光电式传感器

照相机自动测光光控灯工业控制第44页，共55页，2023年，2月20日，星期三4.8光电式传感器

光电池

光生伏特效应指半导体材料P-N结受到光照后产生一定方向的电动势的效应。以可见光作光源的光电池是常用的光生伏特型器件。+++---PN第45页，共55页，2023年，2月20日，星期三4.8光电式传感器

应用