检测与转换技术课件

电感传感器

2.1概述1、定义：电感传感器是将被测量转换为线圈的自感或互感的变化来测量的装置。2、特点：结构简单、可靠，输出功率高，分辨力高（0.01μm),灵敏(几百mV/1mm)

线性较好(0.05～0.1%），稳定，抗干扰能力强。但频率响应低，不宜进行快速动态测量。一、简单自感传感器工作原理1、结构：由线圈、铁心和衔铁组成。2.2自感传感器2、线圈自感电动势：3、线圈自感电动势：一般导磁体的磁阻与空气隙的磁阻相比很小，可忽略。空气隙相对截面积空气隙厚度可变磁阻式自感型--可变磁阻式位移传感器dm202SwL=(a)(b)(c)(d)（a）可变导磁面积型；（b）差动型；（c）单螺管线圈型；（d）双螺管线圈差动

灵敏度线性行程制造变δ

高差小难变S

较高好大较易螺管式低差大易二、自感传感器类型分三个类型：三、差动自感传感器1、组成：由两个具有公共衔铁的完全相同的自感传感器组成，衔铁处于中间位置时，U0=02、特点：抗干扰能力强，灵敏度提高一倍，线性好，精度及特性变好，电磁吸力对测量力的影响相互抵消。四、测量电路（L→I/V

的幅值、频率、相位的变化）基本测量电路通常都采用交流桥路四、测量电路基本测量电路通常都采用交流桥路1、一般电桥Z1=Z+ΔZZ2=Z-ΔZUUU0U0四、测量电路基本测量电路通常都采用交流桥路四、测量电路基本测量电路通常都采用交流桥路如衔铁上移：δ1↓→ωL1↑→Z1=Z+ΔZδ2↑→ωL2↓→Z2=Z-ΔZ2、变压器电桥如衔铁下移：Z1=Z-ΔZZ2=Z+ΔZ相差1800变压器电桥简单，输出阻抗小，应用广泛。结论：输出U0的大小与位移的大小相关；输出U0的方向与位移方向相关，可相差1800

但交流表只能反映输入的大小，无法辩向。

残余电压是由于结构上不对称及励磁电压中有高次谐波等原因造成。3、相敏整流电路：既反映输入的大小，又能辩向在中间位置时，Z=Z1=Z2输出为零如衔铁上移：Z1=Z+ΔZZ2=Z-ΔZ当电源上正下负时,VR1<VR2输出下正上负当电源上负下正时，VR1>

VR2输出仍下正上负所以：当衔铁上移时，输出下正上负，其大小与位移相关同理：如衔铁下移：Z1=Z-ΔZZ2=Z+ΔZ

当电源上正下负时,VR1>VR2输出上正下负当电源上负下正时,VR1<

VR2输出仍上正下负所以：当衔铁下移时，输出上正下负，其大小与位移相关。4、特点简单，输出功率大，精度较高，但输出与激励电源频率相关，要求有稳频电源。5、应用测位移。派生量：压力、流量、厚度、震动等，量程<100mm一、概念：差动变压器是互感传感器，是把被测位转换为传感器线圈的互感的变化量，由于常做成差动的，故称差动变压器。二、工作原理主要由一个线框和一个铁心组成。一次线圈一组，二次线圈两组。2.3差动变压器PPS1S2PS1PS2(a)三段式(b)二段式Es2Es1EpEsx-x当铁芯在平衡位置时，U21=

U22

空载时的等效电路

中间位置时，M1=M2输出为零如铁芯上移：M1=M+ΔMM2=M-ΔM如铁芯下移：M1=M-ΔMM2=M+ΔM与U21极性相同与U21极性相反三、特性1、灵敏度：一般大于50mV/mm/V

提高灵敏度的措施：提高Q值，增大尺寸，长度：直径=1.2:2.0

增大铁芯直径，采用导磁率高的材料；提高励磁电压。2、频率特性：激磁频率一般取：10～50KHZ，也可在5～400KHZ内。但频率太高引起温度及频率误差增大频率太低引起铁损及偶合电容影响增大

矛盾：f↑→φ↑→U2↑f↑→ωL↑→U2↓4、温度特性温度误差主要受机械部分的热胀冷缩和一次线圈中的电阻的温度系数影响。5、零点残余电压及其消除方法零点残余电压主要由结构的不对称、和高谐波等引起。采用相敏整流电路使输出同时反映铁芯移动的大小与方向，并大大减少零点残余电压。也可附加调零电路解决。取最佳值

差动变压器的输出特性加相敏整流的输出特性

一、涡流的概念 涡流—成块的金属置于变化着的磁场中或者在磁场中运动时，金属体内都要产生感应电动势形成电流，这种电流在金属体内是自己闭合的，称为涡流。其大小与（μ、ρ、ω、δ、x）有关。2.4涡流传感器二、涡流传感器的特点可进行非接触测量，动态响应好，灵敏度高。主要测量位移、厚度、振动以及探伤等，应用极为广泛。三、分类高频反射涡流传感器低频透射传感器五、高频反射涡流传感器1、基本工作原理

i→Φi→ie→Φe→原线圈L变化当传感器与被测导体靠近时，传感器的等效阻抗Z将发生变化，Z可表示为：

Z=R+rω²M²/（r²+ω²l²

）

+jω[L-lω²M²/（r²+ω²l²）]

URLMrliie等效电路分析：R`——rω²M²/（r²+ω²l²）反射电阻L`——(L-lω²M²)/（r²+ω²l²）反射电感受涡流影响，电阻增加，电感变化，Q下降可用函数式表示如下：2、单值函数关系 3、结构形式主要是一个安装在框架上的线圈，线圈内可绕成一个扁平圆形粘贴于框架上；也可在框架上开一条槽，导线绕制在槽内而形成一个线圈。4、测量方法

1）调频法震荡器f计f-V

电压表fx2）调幅法5、影响高频反射涡流传感器灵敏度的因素

1）并非真正的单值函数

2）被测物体形状对测量的影响（D/d>3.5）

3）材质的影响U0

石英震荡器

放大

检波

指示x渗透深度与励磁电流的频率相关六、低频透射涡流传感器U→i

→

Φi→ie→Φe→Φ→E

下面线圈的感应电压E主要与M的厚度相关

还与U的幅值、频率以及两线圈的匝数以及相对位置相关。ρ小，选f500HZρ大，选f2kHZ

七、涡流传感器的应用特点:

为非接触测量；线性度好,分辨率好;

大量程,重0.01m-40mm;体积小,重量轻,驱动功率小;

灵敏度好,0.1-1V/mm.利用：x

可测位移，派生量为厚度，震幅，转速，热膨胀系数钢水的液位；ρ可进行材质判别，非磁性材料；

可测量应力，硬度；

ρ

x综合影响可进行金属的探伤。四电容式传感器将被测量的量转化为电容量变化的装置.两平行极板组成的电容器,它的电容量为:+++传感器及应用技术

A

应用举例：连续油管的椭圆度测量EddySensor

CoiledTubeReferenceCircle涡流式说明:(1)连续油管；(2)椭圆度；(3)在线测量系统。四电容式传感器传感器及应用技术本章结束作业试论述差动电感传感器的特点并比较其常用的测量电路的特点。思考：设计一个用接近开关进行测速的相关电路。

热电偶传感器

7.1热电偶效应及相关定律

热电偶属电量传感器(将非电量转换为电量T——mV)，有源传感器。一.热电偶效应将两种电子密度不同的导体如图连接成闭合回路,如果两端所处的温度不同时，在该回路内就会产生热电动势和温差电动势。热电偶工作原理热电效应（西拜克效应，1821年）（1）接触热电势

两种材料电子密度不同。如NA>NB，在热端从A扩散到B的电子数目多，使冷端AB之间形成电位差。其大小取决于A、B的性质及接触点的温度，而与其形状尺寸无关。（2）温差电动势

是在同一导体的两端因其温度不同而产生的一种电动势.高温侧电子受热能运动加剧,高温侧失去电子而带正电,低温侧得到电子带负电即形成一个静电场,使两端出现电位差（汤姆森电势）。回路总电势：忽略温差电势后有：固定T0后有：AB二.热电偶的几点结论:1、若组成热电偶回路的两种导体相同（均质导体）,则无论两接点温度如何,热电偶回路内的总电动势为零。2、如热电偶两接点温度相同,即T=T0,尽管导体A、B的材料不同，热电偶回路内的总热电动势为零。3、热电偶AB的热电动势与A、B材料的中间温度无关，只与接触点温度有关。三、热电偶的重要定律：1.中间温度定律：

热电偶AB在接点温度为T1、T3时的热电动势，等于热电偶在接点温度为T1、T2和T2、T3时的热电动势总和。AB2.中间导体定律:

在热电偶回路中接入第三种材料的导线，只要这第三种材料的导体两端温度相同，第三种材料导线的引入不会影响热电偶的热电动势，这一性质称为中间温度定律。ABCCmVABt1t2t23.标准电极定律:

当温度为T1、T2时，用导体A、B组成的热电偶的热电动势等于AC热电偶和CB热电偶的热电动势的代数和。

EAB（

T1,T2）=EAC（T1,T2

）+ECB（T1,T2）

导体C称为标准电极（一般由铂组成），故把这一性质称为标准电极定律。T1T1T1T2T2T2AABBCC

四、工业用热电偶

1、材料要求：稳定，温度系数↓，电导率↑，热电势大，线性，重复性好纯金属热电极20μv/0C，半导体为103μv/0C保护套管接线盒引线2、结构：

凯装热电偶

3、常用热电偶：铂铑铂（S/R/B）

范围最广，3000C以上精度最高铜康铜（T）

在-160～2500C精度最高镍铬镍硅/铝（K）

在廉金属中上限温度最高五、热电偶冷端的温度补偿1、当冷端不为时，分度表的使用例如：E型300度时有:当冷端为仪表显示?查：则：热电偶分度表2、补偿导线的引入不论如何变化，只要不变则即不变但两种材料的热电特性一定要相同3、热电偶在工业测量中的冷端补偿1）提供冷端2）冷端不变时，查表补偿3）冷端变化时，加补偿导线4）加冷端补偿电路补偿电桥，用集成温度传感器进行补偿。集成温度传感器：

80年代出，线性好，灵敏，精度适中电流型：1μA/0K；电压型：1μV/0KLM134：电流型1μA/0K-55～1250C作业：1、试比较热电阻、热敏电阻、热电偶三种测温传感器的特点及其对测温电路的要求。2.粮仓测温:测温传感器的选择.

磁敏传感器

8-1概述一、定义磁敏传感器是基于磁电转换原理的传感器。

1856年发现磁阻效应，1879年发现霍尔效应

60年代初开始应用。二、分类体型：霍尔传感器，磁敏电阻结型：磁敏二极管，磁敏晶体管8-2霍尔传感器

一、霍尔效应在金属或半导体薄片的两端通过控制电流I,并在薄片的垂直方向施加磁感应强度为B的磁场,+++++++++IUHBFLFEv

那么,在垂直于电流和磁场方向上将产生电动势UH（霍尔电压）.d为霍尔元件的厚度洛伦兹力：FL=-ev

B电荷聚集，UH产生静电场产生反力：FE=-eEU

=-eUH

/b平衡时：FL=FE

，-ev

B=-eUH

/bUH=bvBI为控制电流：I=dQ/dt=bdvn(-e)bv=I/[dn(-e)]则：UH=IB/[dn(-e)]取RH=1/[n(-e)]

霍尔常数,由半导体材料决定则：UH=RHIB/d取KH=RH/d则：UH=KHIB

霍尔效应的产生是由于运动电荷受磁场中洛伦兹力作用的结果：UH=KHIBb为霍尔元件的宽度n为单位体积内自由电子数

UH=KHIB

霍尔电势的大小正比于控制电流I和磁感应强度B的乘积。KH称为霍尔元件的灵敏度，它是表征在单位磁感应强度和单位控制电流时输出霍尔电压大小的重要参数当控制电流方向或磁场方向改变时，输出电动势方向也将改变二、灵敏度1）材料电阻ρ与载流子浓度n和其迁移率μ相关，RH=(μ,ρ)(RH=1/[n(-e)])2）KH=RH/d，则d要小，霍尔片要薄（1μm）3）霍尔片长边/短边>4，输出不受影响（一般长边/短边=2,短边通以电流，长边输出UH）建立霍尔效应的时间很短：10-2～10-14ｓ控制电流用交流时，频率可以很高（几千兆赫）

接触要求：欧姆接触（无PN结）老式：焊接新方法：离子注入工艺溅射工艺霍尔元件外形及结构：尺寸：4mm×2mm×0.1mm1324由于建立霍尔效应的时间很短，因此控制电流用交流时，频率可以很高（几千兆赫）

在磁场作用下，负载上有电压输出。实际使用时,以I或B,或同时作为输入信号，而输出信号则正比于I或B,或两者的乘积。

三、基本电路控制电流由E供给

RP为调节电阻

Rf为负载电阻

四、电磁特性

1）ＵH—I特性：UH=KHIB

在磁场和环境温度一定时，霍尔输出电动势UH与控制电流I之间呈线性关系，直线的斜率称为控制电流灵敏度用KI表示。KI=KHB→UH=KII（线性）

KH↑→

KI↑

KI↑、

I

↑→UH↑六、材料及结构特点一般采用以下半导体单晶材料制成：N型锗、砷化铟、锑化铟输出大受温度影响大输出小温度和线形度较好线形度好受温度影响比锑化铟小输出没有锑化铟大敏感元件一般测量七、误差分析及误差补偿方法１）元件的几何尺寸、电极的接点大小对性能的影响UH=

fH()RHIBdLlfH(L/l)为元件的形状系数当L/l>2

时,形状系数fH(L/l)接近于1实际上,取L/l=2b)霍尔电极的大小对霍尔电动势输出有影响当S/L<0.1时,电极宽度的影响才可以忽略不记.a)UH=

fH()RHIBdLlS/L<0.1

2）不等位电动势及其补偿主要零位误差，制作时不能保证将霍尔电动势极焊在同一等位面上.3）寄生直流电动势a）非欧姆接触造成控制电流极和霍尔电动势极上的整流效应b）电动势极的的焊点不一致,两焊点的热容量不一致产生温差寄生直流电动势自身补偿法4）感应电动势在交变磁场中工作时,在输出回路中产生附加感应电动势,其大小正比于磁场变化的频率和磁感应强度的幅值,并与霍尔电动势极引线构成的感应面积成正比a合理布线：在磁路气隙中安置一辅助霍尔元件(特性相同)b自身补偿法5）温度误差补偿由于半导体材料的电阻率、迁移率和载流子浓度随温度变化，故霍尔元件的内阻、霍尔电动势也将随温度变化a选用温差系数小的元件（砷化铟）b恒流供电：减少元件内阻随温度变化引起的控制电流变化。c其它温度补偿法八、霍尔传感器的特点：霍尔传感器基于霍尔效应将被测量转换成电动势输出的一种传感器。虽然其转换效率低，温度影响大，但简单、体积小、频率响应宽（从直流到微波）、可靠性高、易于集成化九、应用1、功能可分为：霍尔线性器件（输出模拟量）霍尔开关器件（输出数字量）

2）按被检测的对象的性质可分为：直接应用：直接检测出受检测对象本身的磁场或磁特性（高斯计）间接应用：检测受检对象上人为设置的磁场，用这个磁场来作被检测的信息的载体，通过它将许多非电、非磁的物理量例如力、位移、速度以及工作状态发生变化的时间等，转变成电量来进行检测和控制

为了精确地测量磁场,常用恒流源供电,使被测磁场的磁感应强度B可用霍尔电压来量度电流传感器电功率计电机控制（直流无刷电机）

光电式传感器

8-1光电效应一、外光电效应及器件：1、外光电效应：在光线的作用下，物体内的电子吸收光的能量逸出物体表面向外发射的现象称为外光电效应（如光电管）。红线频率：物体对应的光频阈值。

f光线<f红线,再大的光强也不能导致电子发射；

f光线>f红线，微弱的光线即可导致电子发射。2、外光电器件：光电管红外光源：银氧铯为阴极，构成红外探测器、夜视镜等

光电倍增管：可方法几万倍到几十万倍二、内光电效应及器件1、内光电效应：

1）光电导效应：光照在物体上，使其电阻率ρ发生变化的效应。即电子吸收光能后，从键合状态过度到自由状态，从而引起电导率的变化。照射光波长限：只有照射光波长<λC方可产生内光电效应

2）光生伏特效应：势垒效应（结光电效应）：接触的半导体或PN结中，当光线照射其接触区时，引起光电动势。原理：入射光照射在PN结上时，若光子能量大于半导体材料的禁带宽度Eg时，则在PN结内产生电子空穴对，它们的移动使PN结产生电势。-+PN三价空穴五价电子-++-

三、内光电效应器件

1、光敏电阻结构：

原理：照射光强↑→RG↓→I↑

光照停止，RG恢复。

主要参数：暗电阻：不受光照射时的电阻（大好）亮电阻：受光照射时的电阻（小好）暗电流：对应暗电阻的电流（小好）

亮电流：对应亮电阻的电流（大好）光电流：亮电流-暗电流（大好）伏安特性光照特性

特点：灵敏度高（光照后阻值急剧下降），光谱特性好，使用寿命长，稳定，体积小。但频率低，非线性，宜用作开关量。

2、光电池：特点：频率特性好，转换效率高，频谱宽，稳定性好。+-

光电池的光谱特性：

硒光电池用于可见光注意光源与光电池的匹配硅光电池的光照特性短路电流：（测量用）线性，负载电阻小好开路电压：非线性硅硒

光电池的频率特性：硅光电池频率响应高，可用于高速场合

光电池的温度特性：设计中应考虑温度的补偿

3、光敏二极管原理：入射光照射在PN结上时在PN结内产生电子空穴对，在内电场作用下定向运动形成光电流

照射光↑→I↑光敏二极管处于导通状态光照停止，光敏二极管处于截止状态正向电阻：类似普通二极管反向电阻：∞，随光照变化

光敏二极管的伏安特性

1）类似普通二极管

2）无意义

3）反向工作：电流与光照相关光照一定时相当于恒流源4）不加反压类似光电池

21344、光敏三极管原理：入射光照射在PN结上时在PN结内产生电子空穴对，在内电场作用下定向运动形成光电流。光照发射结产生的光电流相当于三极管的基极电流，其集电极电流是它的β倍。光敏三极管的伏安特性光敏三极管的光照特性光敏三极管的温度特性光电流暗电流

光敏三极管的光谱特性红外探测用锗管，大部分情况下用硅管（暗电流小）

普通光敏二极管检测，高速带放大，可直接驱动转换效率高，频率高

光电偶合器铝板光孔ABC

门控

计数电路：在规定的时间内计数。

N=fATB

计数器的测频功能TX=T0NT0N

计数器的测周期功能5应用将被测量的变化转变为光信号的变化,具有结构简单、非接触、高可靠性、高精度和反映快等优点，应用广泛。5应用1）模拟量光电传感器检测系统：辐射式吸收式反射式遮光式2）开关量光电传感器检测系统

作业试比较光电阻、光电池、光敏二极管、光敏三极管特点。试设计一测试水浊度的电路。

位移-数字传感器

10-1概述一、位移-数字传感器的特点：大量程，高精度，高分辨率，抗干扰能力强，稳定性好，易于与计算机接口。二、分类

角度数字编码器光栅传感器感应同步器10-2编码器一、分类

脉冲盘式编码器（增量编码器）接触式编码器编码器码盘式编码器电磁式编码器（绝对编码器）光电编码器二、码盘式编码器（绝对编码器）1、接触式码盘1）四位二进制码盘电刷α=3600/2n循环码盘2）循环码盘相邻的两个数码间只有一个是变化的。可降低对对码盘的制作与电刷的安装要求。2、光电式编码器（非接触式）结构：采用照相腐蚀工艺，刻出透光、不透光的码形。装有与码道相同个数的光电转换元件替代电刷。提高分辨率的方法：插值法

特点：非接触式，分辨率高，精度高（10-8），n可达16，体积小，易于集成，允许高速旋转。但复杂，光源寿命较短。

三、脉冲盘式编码器（增量编码器）1、结构与工作原理光电转换器光栅盘缝隙(1度1个)光电管

三、脉冲盘式编码器（增量编码器）

实际码盘零位外圈内圈零位脉冲A相脉冲B相脉冲光电转换n决定了码盘的精度，受电刷数量的限制特点：简单对码盘的制作与电刷的安装要求严辩向电路：

2、输出例：国产SZGH-01600P/rA、B相脉冲，相差90度

1P/rC脉冲，作零位标记

30KHZ

最高可达25000P/r3、精度取决于码盘本身的精度分辨率取决于每转的脉冲数4、利用C相脉冲，每转一圈复位一次，因而无论正、反转，计数器每次反映的都是相对于上次角度的增量，故称为增量法。10-3栅式数字传感器一、分类1、光栅：物理光栅：利用光的衍射原理，主要用于光谱分析，波长等的测定。计量光栅：利用莫尔（Moire）现象，主要用于测量长度、角度、v、a

、震动等。2、磁栅：一种磁电转换器，工作原理类似录音带。本节主要介绍计量光栅二、计量光栅1、分类

透射光栅长光栅幅值光栅（黑白光栅）反射光栅圆光栅相位光栅（闪耀光栅）新型：激光全息光栅，偏振光栅此处主要讲透射光栅2、工作原理

光栅：栅尺，尺面刻有排列规则、形状规则、平行的刻线，透明（白）、不透明（黑）。

a=b

光栅距：

d=a+babdw莫尔条纹两个亮条纹之间的宽度既为其间距。莫尔条纹：两块栅尺面对面相迭合，并使两块栅线形成很小的夹角θ，由此出现的明暗相间的条纹。ww1）栅尺：标尺光栅：主光栅，长度由测量范围定，不移动指示光栅：移动，需有足够长以获得足够的莫尔条纹区。2）莫尔条纹：

w=d/θ

当θ很小时w对d有几百倍的放大作用例：令d=0.02mm,θ=0.00174532rad

则w=d/θ=11.4592mmK=w/d=573

栅尺移动一个d

，莫尔条纹移动一个w

；栅尺移动的方向与莫尔条纹移动的方向相对应误差平均效应：栅线标准均方差σ莫尔条纹均方差：σ=√n3）光能分布：理想：三角波实际：正弦波四、光栅测量系统组成：光栅光学系统电子系统（细分、辩向、显示）机械部分1、光栅光学系统（简称光栅系统）1）组成与功能a照明系统；b光栅副：标尺光栅与指示光栅，在平行光照射下形成莫尔条纹。测量装置的精度主要由标尺光栅决定。c光电接收系统：光电接收元件，把由光栅副形成的莫尔条纹的明暗强弱转换为电量输出。

光电元件输出信号的周期数与移过的栅距数相等。

光栅读数头：照明系统，指示光栅，光电接收系统（除标尺光栅外）组合在一起。在它与标尺光栅作相对位移的过程中，根据标尺光栅读出移动部件的位移量。辩向：2、电子系统1）电子细分目的：提高分辨率措施：倍频、插补，在信号的一个周期内插入许多计数脉冲，以提高信号的重复频率和分辨率。分类：直接细分、矢量细分、电桥细分等向a四倍频直接细分电路：在一个w内依次放四个光电接收元件，相差

90度，移动一个d，可获得四相信号。整形、辩向。

10

倍频矢量图b矢量细分(P201)2、光栅测量的特点高精度：0.2-0.4μm/m，仅次于激光高分辨率：0.1μm

大量程：可大于1米抗干扰能力强，可实现动态测量。3、应用范围长度与角度的精密测量（如数控机床，测量机等），以及能变为位移的物理量（如震动、应力、应变等）。

作业1、试述光栅传感器的基本原理及特点。2、电子细分电路的目的是什麽？3、用四只光敏二极管接受莫尔条纹信号。如果光敏二极管的响应时间为10-6S，栅线密度为50线/mm，计算光栅所允许的移动速度。

压电传感器

11-1压电传感器的工作原理一、压电效应1、正压电效应：沿某些电介质的一定方向施加力而使之变形时，内部产生极化现象，两个表面产生符号相反的电荷，去掉外力后复原。2、逆压电效应：在介质的极化方向施加（交变）电场，它会产生机械变形，取掉外加电场后变形消失。3、压电效应是可逆的。以压电效应为基础制作的传感器，又称为发电式传感器、双向传感器、有源传感器。二、石英晶体的压电特性1、结构：单晶体，六角形晶柱Z轴：3，纵向轴，光轴，无压电效应；X轴：1，经过正六面体棱线，垂直于光轴电轴（纵向压电效应）Y轴：2，垂直于X、Z轴，机械轴（横向压电效应）

2、计算dmn

m—产生电荷的面的轴向

n—施加作用力的轴向1）压电晶体切片在X方向受压缩力σx作用，产生厚度变形：极化强度Px=d11σx=d11Fx/lb=qx/

lb则：qx=d11Fx与尺寸无关。2）沿y方向施加力Fy，产生长度变形：极化强度Py=d12σy=d11Fy/hb=qx/

lb则：qx=d12Fylb/hb=d12Fyl/h与尺寸相关

Sx=lbSy=hb由于：d11=-d12（各向异性）则：qx=-d11Fyl/h3）沿Z轴方向施加力，无变形，无极化。4）无体积变形，无极化。3、分析偶极距：p=ql；矢量方向：从负指向正无压力时：p

=p1+p2+p3=0

正负电荷中心重合施加Fy：Py=(p1+p2+p3)

<0,

Px=0,Pz=0上负下正施加Fx：Px=(p1+p2+p3)

>0,

Py=0,Pz=0上正下负

施加

Fz：P

=0

施加

Fx，Fy，Fz：P

=0

结论：qx只与Fx，Fy的大小和方向有关，但剪切力、扭力会引起形变。各向异性

4、石英晶体（天然晶体SiO2）的特点稳定，在居里点（5750C）内其压电系数（d11=2.31×10-12C/N

）不随温度而变；很大的机械强度和稳定的机械性质；但压电系数比其它材料要低得多。三、压电陶瓷（人造多晶体）1、极化：在100～1700C和外电场（1～4kv/mm）的作用下，电畴的极化方向趋于按外电场排列，从而使材料得到极化。极化后，其内部存在很强的剩余极化，当其受到外力作用时，电畴的界限发生移动，因此引起极化强度的变化，产生了压电效应

2、计算：

q

=d33F

=-d32FSx/Sy=-d31FSx/Sy

平面各向同性3、压电陶瓷的特点：较之石英晶体有很高的灵敏度；稳定性和机械强度不如石英晶体。四、压电元件的联接及结构形式1、联接串联：q`=q,u`=2u,c`=c/2

宜电压输出，C小，测快速信号；并联：q`=2q,u`=u,c`=2c

宜电荷输出，C大，测慢速信号。11-2压电传感器的等效电路压电传感器既是一个电荷发生器，又是一个电容器。因此可有两种等效电路：1、电荷源：内部的电荷发生器对C充电；2、电压源：产生的电荷形成电压源，对外供电时需通过对等效电容充放电进行。

Ua=q/Ca，Ku=

Ku/Ca2、加预应力：保证在作用力变化时，压电片始终受力。3、压电陶瓷的时间常数随使用时间的增长而变小，需每半年校正一次，石英晶体稳定Ua=q/Caq=UaCa内漏电缆输入内漏电缆输入11-3测量电路一、测量特点：1、对象：力及力的派生物理量（压力、位移、加速度等）。2、动态测量：压电材料上产生的电荷只有在无泄露的情况下才能长期保存。故它不宜做静态测量，只能施加交变力，电荷才能得到不断的补充，才能供给回路一定的电流，故只宜做动态测量。3、高阻前置放大器：减少晶片的漏电流以减少测量误差。

二、电压放大器（阻抗变换器）

R=RaRi/（Ra+Ri

），C=Cc+Cif

=Fmsinωt，q=d

f，

Ua=q/Ca=d

f/Ca内漏电缆输入令则特点：当ω=0时，Uim=0，电荷通过Ra、Ri泄漏掉，故不能测静态力，低频特性差；当ω/ω0>3时，Uim随频率变化不大，当ω/ω0>>3时，Uim与频率变化无关，故高频特性好；

U0与Cc相关，不好。线路简单，线性度及稳定度好。三、电荷放大器设：Ai

→∞

，C=Cc+Ci+CaRi→∞，Ra→∞，Zi→∞故：Ui=[q-（

Ui–U0）Cf]/C=[q-（

1

–A

）UiCf]/C，q-（

1

–A

）UiCf=CUi，q=[C+（

1

–A

）Cf]UiUi=q/[C+（

1

–A

）Cf]=q/[C–（

A

–

1

）Cf]U0=–qA/[Cc+Ci+Ca–（

A

–

1

）Cf]=–UiA由于：A>>1，CfA>>CC=Cc+Ci+Ca特点：

U0只与Cf及q相关，与Cc变化不无关，应用广泛。低频截止频率比电压放大器降低A倍，可测0.3HZ。但对的精度、温度和时间稳定性要求高。价格高，线路复杂，调整困难。

11-4应用一、正压电效应

1、作为则量元件，可测最终能变为力的物理量如压力、加速度、冲击（汽车的冲击检测）、振动等；差动式加速度传感器

弯曲型压电加速度计

2、作为压电电源，可作为煤气炉或汽车的自动点火装置、多种电压发生器、计算机键盘等；

三向力传感器YDS-III79B二、逆压电效应超声波发生器、压电扬声器、压电谐振器（石英振荡器）等。三、正、逆压电效应压电变压器、压电陀螺、声纳、压电声表面波等。四、生物压电学生物都具有压电性，人的各种感觉实际上都是生物压电传感器。正压电效应——治疗骨折逆压电效应——对骨头通电具有矫正畸形等功能。压电传感器的特点：体积小，简单，可靠，灵敏，固有频率高，应用广泛，但不能测频率太低的被测量，特别是静态力。

作业1、什麽是正、逆压电效应？2、采用电荷放大器有何优点？3、与金属应变传感器相比较，压电传感器有何优点与缺点？

气敏、湿敏传感器

2、分类：体型、表面型电阻型、非电阻型二、SnO2的工作原理表面型/电阻型

12-1半导体气敏传感器

一、概述

1、被测量：气体的类别、成分、浓度气-电转换SnO2的金红石结构材料特点：多孔材料在晶体组织上使锡或氧偏离化学计量，造成氧不足（产生氧空位和锡原子间隙），在靠近禁带的地方形成施主能级，其上的电子很容易激发到导带。

RS、

RU对元件电阻起支配作用，受表面状态与晶粒大小的影响。RbRSRURb晶粒等效电阻RS晶粒表面电阻RU晶粒颈部电阻

平时SnO2在空气中放置，氧吸附在其表面形成吸附氧，从半导体表面获得电子，形成受主型表面能级，呈负电荷吸附状态，形成电子势垒。

气体吸附R增加当接触还原性气体时，被测气体同吸附氧发生反应，减少了吸附氧的密度，降低的电子势垒，使R减少。添加催化剂可促进上述反应。二、SnO2的结构及相关参数1、SnO2半导体气敏效应受以下因素影响：

1）SnO2的结构组成（氧空位多气敏效应明显）；

2）SnO2的添加物；

3）烧结温度和元件工作时的加热温度。2、烧结型SnO2半导体气敏元件1）分类：SnO2气敏元件类型：烧结型、薄膜型、厚膜型；2）主要用途：检测还原性气体、可燃性气体、液体蒸汽，工作时需加热到300度左右。厚膜型烧结型薄膜型添加钯添加铂添加氧化钍（ThO2）可对CO浓度进行精确测量3）结构直热式SnO2气敏元件制作工艺简单、成本低、功耗小，可在高回路电压下使用，可制成价格低廉的可燃气体泄漏报警器（国内的QN、MQ型）。

旁热式SnO2气敏元件：

加热丝与测量极分开，避免了回路间的相互影响，增加了材料结构的稳定性、可靠性（型号有QM-N5）。

3、烧结型SnO2的相关参数利用气体在半导体表面的氧化和还原反应导致敏感元件阻值发生变化而制成的。

吸附氧化性气体时，电阻增大；吸附还原性气体时，电阻减小。1）灵敏度:K=RS/R0

K=RS(C2)

/R0(C1)2）响应时间:Tres3）恢复时间:Trec4、SnO2的相关测试电路洁净空气中的电阻——标准电阻工作条件中的电阻——工作电阻不同浓度中的电阻比直流稳压

0-10V直流稳压

0-20VQM-N5

RL加热电源工作电源

通过URL与气敏元件电阻RS电阻的对应关系可测得被测气体的状态。

RSRS1）灵敏度特性：在低浓度气体中的灵敏度高2）温湿度特性：SnO2气敏元件与温湿度有一定依赖关系，故需加温湿度补偿。3）加热特性：元件电阻与加热电压有关，需选择一合适的加热电压。4）初期恢复与初期稳定特性：SnO2长期不通电长期存放，会出现高阻化，通电后电阻急剧变化，随后趋于稳定值。5、烧结型SnO2气敏元件的基本特性5）长期工作稳定性：可连续工作数年，电阻变化小，寿命长。

三、特点简单，价低，可靠性高，灵敏度高，机械性能好，吸附/脱附时间短，阻值-浓度呈指数关系

五、应用

1）范围：检测易燃、易爆和有毒气体，环境气体（氧气、水蒸汽、大气污染），工业气体（CO1、CO2燃烧控制，烟雾（火灾报警）、司机呼出酒精检测等。2）功能：检漏、报警、控制（开关量，灵敏度要求高），检测仪表（要求精度高，线性好）。3）检测对象：特定气体检测，选择性气体检测，环境气氛变化综合检测。4）信号提取：吸附平衡状态稳定值RS（常用），吸附平衡状态速度（气体不同速度不同），平衡值与温度的依存性5）信号处理方法：绝对值，相对值，微分值，积分值。12-2半导体湿敏传感器一、概述1、几个概念：湿度：指空气中所含有的水蒸汽量。理想空气：氮78%，氧21%，其它成分1%（无水）潮湿空气：理想空气与水蒸汽的混合体。多尔顿定律：潮湿空气的全压应等于该混合物中各种气体分压之和。2、湿度的表示方法和单位1）水蒸气分压：根据多尔顿定律，只要测出潮湿空气中水蒸气的分压即可知道湿度。但我们现在无法直接测出水蒸气的分压。2）绝对湿度（AH）：单位体积内所含水蒸汽的质量（g/m3）。3）相对湿度（RH）：气体的水蒸气分压与同温度下的饱和水蒸气压的比值；另一种表示：绝对湿度同温度时饱和状态的绝对湿度100%RH：4）露点：保持压力一定而降低待测气体温度至某一数值时，待测气体中的水蒸汽达到饱和状态开始或结霜，此时的温度称为这种气体的露点或霜点。二、湿度的测量方法与是湿敏元件1、湿度的测量方法：绝对测湿法，干、湿球温度计，毛发计等，需目测或换算。2、湿敏元件：水分子亲和力型：电解质式高分子材料式金属氧化物膜式金属氧化物陶瓷式非水分子亲和力型：热敏电阻式红外吸收式微波式超声波式三、烧结型半导体湿敏元件（水分子亲和力型）1、工作原理：材料特点：多孔结构的多晶体，半导化过程造成氧元素过剩或不足，造成大量的电子空穴对，使

RU远大于Rb，成为电阻的主要部分。水分子在其表面和晶粒界面的吸收引起RS、RU的变化，形成负的湿敏特性。RbRSRURb晶粒等效电阻RS晶粒表面电阻RU晶粒颈部电阻吸附过程：第一层吸附：化学吸附第二层吸附：物理吸附第三层吸附：物理吸附H3O+的浓度进一步增加

R↓负的湿敏特性2、MgCr2O4-TiO2半导体湿度敏感元件1）材料及特点：MgCr2O4为立方尖晶石型结构，P型半导体；TiO2为红石型结构，

N型半导体，二者的成分适当配比。使用范围宽，响应快，受温度影响小，工作稳定。+O-H+OH-H2O+O-H+OH-H2OH2OH3O+2）元件的结构：

3）元件的性能元件的感湿特性曲线：β为材料常数松下Ⅱ型：R=R0exp（βRH）

4）元件的加热清洗：去表面杂质，恢复吸附能力。加热电压：9V加热时间：10S加热温度：400～5000C恢复时间：240S

五、应用

汽车挡风玻璃自动去湿装置

H为结露感湿元件*

电测量指示仪表一.仪表的组成及原理（一）仪表的组成框图*第一节仪表的概论

测量线路被测量中间量测量机构偏转角测量线路的作用:

由于测量结构中允通过的电流较流较小,故必须通过一定电路将被测量转化为测量机构能接受的中间量

测量机构的作用:将与被测量呈一定函数关系的被测量转化为角位移，并能指示被测量的大小.

它包括四部分:*(二)测量机构的工作原理1.驱动装置作用:在测量机构中接受中间量,并使活动部分产生转动力矩.(M表示）它由磁路系统,可动线圈或铁磁元件组成.2.控制装置作用:在机构中,对活动部分产生反作用力矩.

它由弹性元件—游丝或张丝组成.反作用力矩公式:Mα=DαD为反作用力矩系数,α为偏转角.当M=Mα时，轴受力平衡，指针稳定.

3.阻尼装置作用：产生阻尼力矩(Mp表示).使活动部分较快稳定.只影想动态特性,对结果无影响.公式：Mp=-P(dα/dt)(P为阻尼力矩系数）通常阻尼装置处于临界状态，使活动部件达到稳定偏转时间最短。

4.指示装置组成：指示器与标度盘作用：显示处理后的结果。*二.指示仪表的主要技术特性(一)指示仪表的误差和准确度1.误差:常用最大引用误差γm表示.定义为:

γm=（Δm/Am）*100%K=γm2.准确度:要注意选择等级K合适的仪表,更要注意根据被测量Ax选量限合适的仪表最好使Ax>=2Am/3.

(二)仪表的灵敏度和常数

1.灵敏度的定义

S=L/x=m（分格）/x2.常数

C=1/S

仪表常数愈小,对被测量分辨力愈强*仪表指针的偏转被测量的变化

第二节磁电系仪表一.用途:测直流电压,电流,电量与非电量.二.磁电系测量机构的工作原理

动圈每一纵向边受到的力:F=BEWl

动圈受电磁力矩为:M=BIWS(S=ld)

游丝受反作用力矩：Mα=Dα

当仪表的指针平衡时：M=Mα

可得：α=BWSI/D

令BWS/D=SI，则α=SII

由于铝框,动圈(在铝框上)本身偏转时，切割磁力线，产生感应电流，进而产生阻尼力矩.*反作用力矩系数

三.多量限磁电系电流表由于测量机构允许通过的电流小，为了测量较大的电流必须配上一定的测量线路--分流器。电流表是将一被测的较大电流转化成一个较小的电流,流过表头,再使电流表表头标尺按实际刻度.**四.多量限磁电系电压表1.说明:

由于流过表头的Ig(满偏电流)很小，Rg(内阻)也不大,所以Ug为毫伏级,故需配上一定的测量线路,达到扩大量限的目的.m1=U1/Ug=(Rg+R1)/RgRf1=(m1-1)Rg同理可求:R2,R3。可计算各附加电阻值2.总结:

电压表是将一被测的较大电压转化成一个毫伏级电压经过表头,再使表头标尺按实际电压刻度.1

五.磁电系欧姆表1.工作原理通过测量机构活动部分偏转大小来反映被测电阻值,故必须将被测电流转化为电阻,所以在测量线路中，既有被测电阻，还要有电源。

I=U/(Rg+R+Rx)

当U,R一定时,Rx与I对应,只要表头标尺按阻值刻度,就可测出被测电阻(R起限流作用).说明:当Rx为无穷时,I=0.

当Rx=0时,表头指针满偏满流：Ig=U/(Rg+R)=U/R0

中值电阻：R0=R+Rg*2.欧姆表倍率多档欧姆表产生原因:测不同电阻时,共用一条标度尺,表笔短接时,Ig应相同.如书中例题.3.欧姆表的调零最常用方法是在表头上并接分流器.

注意:再测电阻时,每换一档,都要调零.一般低于一般为2.5级*六.带整流器的磁电系仪表与前面仪表的区别:

测量机构与整流元件配合,可以测交流量.但所测的交流量为有效值。一般为1.5级其它与前面相似,结合书本自学.*七.兆欧表1.作用:

专门用来检查和测量电气设备或供电线路的绝缘.2.组成:

比率型磁电系测量机构与手摇发电机.3.工作原理：

α=F（I1/I2)(两动圈电流之比)由于I1/I2=Rv/(Rc+Rx)，

Rv与Rc为定值故α=F[Rv/(Rc+Rx)]只与被测Rx有关,故可测电阻.

欧姆表：1Ω～0.1M

兆欧表：0.1M以上*八.磁电系检流计1.作用:测微小电流,电压与暂短的脉冲电压2.与一般仪表在结构上的区别:(1)采用悬丝或张丝悬挂动圈.(2)采用光指示读数装置(3)动圈无框架基于以上结构,检流计的灵敏度大大提高,可测微小量.**第三节电磁系列仪表1.主要构成:

固定线圈，可动铁片。2.工作原理:

圆线圈排斥式:给线圈通电后,二铁片被磁化,产生排斥力;

扁线圈吸入式:给线圈通电后,动铁片被磁化,产生吸力。

3.特点:

简单，价廉，利用测量机构本身即可测200A电流，过载能力强，可靠，交直流两用，应用广泛。需屏蔽。有效值1.主要构成:

由固定线圈（匝数多，粗，增强磁场）、活动线圈组成（匝数少，细，灵活）2.工作原理:

利用载流导线间电动力作用而产生转动力矩。3.电流表的构成将电动系测量机构中的定圈和动圈串联或并联，并且配置一定的分流电阻。双量限：串联接法改成并联接法。4.特点:

交、直流两用，在交流指示仪表中准确度较高，频率范围宽，除能测量电流、电压外，还能测量功率、功率因数等。功耗大。*第四节电动系仪表

直流：α=KII1I2

交流：α=KII1I2cosφ（必须同频率）

α=KII25.电压表的构成将电动系测量机构中的定圈和动圈串联并且配置一定的附加电阻。

α=KVU26.功率表的构成

*6.功率表的构成

P=UI

cosφ∝（α）

I1∝I，I2∝U（I2=U/RV）

α=KPUI

cosφ

*PW**电流线圈电压线圈同极性端电流线圈、电压线圈的同极性端必须接在电压的同一极性上。

第五节感应系仪表优点转动力矩最大，测电能及功率二.工作原理交变磁通→感应流→转动力矩

i1→φ1→ie1（φ2）→T1（左→右）

→φ1’→ie1’（φ2）

i2→φ2→ie2（φ1）→T2（右→左）

T=T1-T2

Tav=KIm1Im2cosφ

*结论：平均转矩Tav与i1、i2的有效值及cosφ相关。i1，i2的相位差：ψ=90-φ如ψ=0则Tav为零如ψ=90则Tav为最大如i1，i2为直流，则Tav为零故只可构成测量交流量的仪表*

三.感应系电度表1.结构与原理电磁铁A的线圈导线粗，匝数少，与负载串联，故为负载电流电磁铁B的线圈导线细，匝数多，与负载并联，故负载电压在线圈中的电流为

转动力矩

*制动力矩：永久磁铁4的磁场铝盘中的感应电流（与ω成正比）二者相互作用所产生MT=KTω

（KT为永久磁铁有关的力矩系数）铝盘转数n与被测电能的关系P：

当MT=Tav时，铝盘稳定转动故有：KPP=KTω

P=（KT/KP）ω=Sω

*在时间T内所做的功：

P=（KT/KP）ω=Sω

PT=TSω

Tω为在时间T内转过的圈数n

W

=Sn（铝盘转过的圈数n就是电能）

C=1/S=n/W（电度表常数：圈数/度）

1度电：1KW·h（千瓦·小时）*

第六节电测量指示仪表一.性能比较二.仪表的选择根据要求，注意性价比。种类、准确度、量程的选择内阻的选择（100倍）仪表配套装置的选择仪表工作条件的选择*

总结磁电系列：α=SIICP

测的是平均值带整流器的磁电系列：（K为2.22或1.11）

α=SI(

KICP’)

（α与平均值相关，但按有效值刻度）电磁系列：α=KI2（dL/dα）（α与有效值I的平方相关，测的是有效值，交直流均可）电动系列：α=KII1I2cosφ→α=KII2（α与I1，I2有效值的乘积相关，与I1，I2的相位余弦cosφ相关，测的是同频率交流有效值）感应系列：测电能*简单，价廉，过载能力强，可靠，交直流两用，需屏蔽。200A/600V交、直流两用，准确度较高，还能测量功率、功率因数等。功耗大。转动力矩最大，测电能及功率，只可测交流应用最广

本章主要介绍用电测量指示仪表对电流、电压、功率以及电阻、电感、电容、直读测量方法，包括直接测量和间接测量。同时，对直读测量所产生的误差也作粗略介绍。

*电量和电路参数的测量第一节直读测量一、电流、电压的直读测量1、测量电流的方法误差用电流表直接测量某支路中的电流的接线方法如下图所示。图中电源电压为U，支路中的总电阻为R。

*

AUI'X测量电流的接线方法RRA*

当电流表未接入时，支路中电流的实际值为：

Ix=U/R

现接入内阻为RA的电流表，电流值变为：

Ix'=U/(RA+R)

由于电流表接入而产生的方法误差，用相对误差表示为：

γA=（Ix'﹣Ix)/Ix=-(RA/R)/(1+RA/R)

上式表明，如果电流表的内阻RA越小于支路总电阻R，则方法误差越小。式中的负号表示接入电流表后，被测电流变小了。

*VR0URU'x测量电压的接线方法2、测量电压的方法误差

用电压表直接测量某负载上的电压的接线方法如下图所示，图中电源电压为U，负载电阻R与R0（电源的等效内阻）串联。

RV*

当电压表未接入时，电阻R上的实际电压值为：

UX=（R/R0+R）U

现接入内阻为RV的电压表，电压值变为：

RX'=（R//RV）/（R0+R//RV）

上式表明，如果电压表的内阻RV越大，对原电路的分流作用越小，则方法误差越小。最后的负号表示接入电压表后，被测电压变小了。γV=U'x-UxUx=-R/RV1+R/RV+R/R0*

二、功率的直读测量

直流电路：P=UI

可分别测出U和I，然后算出P，这种间接测量法方法误差大。交流电路：负载吸收的有功功率为：

P=UIcosφ一般用功率表直接测量法。

*1、三相电路有功功率的测量1）三功率表法三相负载吸收的总有功功率为：P=PA+PB+PC分别测出PA、PB、PC求和即可。PW1*ABCDPW2PW3ZCZBZA******ZANZCZBABC**PW2）一功率表法：如果三相电路对称，则：P=3PA