检测技术期末课件

第4章电压型传感器2024/2/41第4章电压型传感器4.1磁电式传感器即感应式传感器利用电磁感应原理将运动速度转换成感应电动势输出无需供电电源直接吸收机械能———电信号输出输出功率较大，性能稳定，具有一定的工作带宽2024/2/42第4章电压型传感器4.1磁电式传感器4.1.1基本原理和组成1．磁路系统——产生恒定的直流磁场，一般采用永久磁钢2．线圈——产生感应电压3．运动机构——感受被测运动

2024/2/43第4章电压型传感器4.1.2结构类型1、变磁通式——永久磁铁和线圈均不动（变磁阻式）①铁芯平移型图4-1-1（a）

②铁芯旋转型图4-1-1（b）

图4-1-1变磁通式结构2024/2/44第4章电压型传感器2、恒磁通式——永久磁铁与线圈相对运动①动铁式——图4-1-2（a）②动圈式平移型图4-1-2（b）

旋转型图4-1-2（c）

2024/2/45第4章电压型传感器图4-1-2恒磁通式结构2024/2/46第4章电压型传感器4.1.3接口电路图4-1-3磁电式传感器接口电路方框图2024/2/47第4章电压型传感器4.1.3

接口电路（图4-1-3）1．测振动速度——双刀三掷开关置于1-1’2．测振动位移——双刀三掷开关置于2-2’3．测振动加速度——双刀三掷开关置于3-3’

2024/2/48第4章电压型传感器4.2压电式传感器4.2.1

压电效应及其表达式

一、压电效应1．正压电效应（简称压电效应）某些电介质，当沿着一定方向对其施力而使它变形时，内部就产生极化现象，同时在它的两个相对的表面上便产生符号相反的电荷；当外力去掉后，又重新恢复不带电的状态；当作用力的方向改变时，电荷的极性也随着改变。

2024/2/49第4章电压型传感器4.2.1

压电效应及其表达式

一、压电效应2．逆压电效应（电致伸缩效应）当在电介质的极化方向上施加电场时，这些电介质会产生变形。

2024/2/410第4章电压型传感器二、压电效应方程1、力电表示方法：图4-2-1i——电荷产生面i=1,2,3分别代表x、y、z面j——外加应力方向j=1,2,3分别代表使x、y、z轴伸缩的力j=4,5,6分别代表x、y、z面受剪切的力

2024/2/411第4章电压型传感器4.2压电式传感器4.2.1压电效应及其表达式图4-2-1压电元件的力、电分布2024/2/412第4章电压型传感器1．单一压电效应——单一应力作用图4-2-2（a）i=j应力与电荷面垂直，厚度伸缩

——纵向压电效应图4-2-2（b）

，应力与电荷面平行，长宽伸缩

——横向压电效应2024/2/413第4章电压型传感器图4-2-2（c）

，电荷面受剪切

——面切压电效应图4-2-2（d）

，厚度受剪切

——剪切压电效应2024/2/414第4章电压型传感器图4-2-2压电效应的几种类型2024/2/415第4章电压型传感器2．全压电效应——多应力同时作用

2024/2/416第4章电压型传感器3．压电常数矩阵

2024/2/417第4章电压型传感器3、力——电荷转换公式因为所以令

表示电荷灵敏度则

2024/2/418第4章电压型传感器图4-2-3石英晶片上电荷极性与受力方向的关系2024/2/419第4章电压型传感器4.2.2压电材料4-2-4石英晶体2024/2/420第4章电压型传感器图4-2-5石英晶体的压电效应2024/2/421第4章电压型传感器图4-2-6压电陶瓷的极化2024/2/422第4章电压型传感器图4－2－7压电陶瓷的压电效应2024/2/423第4章电压型传感器4.2.3压电元件图4-2-8双晶片悬臂梁式压电元件2024/2/424第4章电压型传感器图4-2-9压电元件的等效电路2024/2/425第4章电压型传感器3、串并联——压电元件堆叠，使各元件均受相同力

图4-2-10压电元件的串并联2024/2/426第4章电压型传感器图4-2-10压电元件的串并联2024/2/427第4章电压型传感器4.2.4接口电路图4-2-11压电传感器等效电路2024/2/428第4章电压型传感器图4-2-12电压放大器电路2024/2/429第4章电压型传感器（一阶高通滤波特性）2024/2/430第4章电压型传感器2024/2/431第4章电压型传感器2024/2/432第4章电压型传感器图4-2-13电荷放大器2024/2/433第4章电压型传感器4.3热电偶传感器4.1热电效应两种导体（或半导体）A和B的两端分别焊接在一起，形成一个闭合的回路。若两个接点处于不同的温度，回路中就会产生电动势（称为热电动势），因而在回路中形成电流，这种现象称为热电效应。图4-3-1热电效应示意图2024/2/434第4章电压型传感器1、热电势的产生1）单一导体的温差电动势

所以

2024/2/435第4章电压型传感器1、热电势的产生2）两种导体的接触电动势

所以

2024/2/436第4章电压型传感器1、热电势的产生3）热电偶回路总热电势“巡游一周法”――从热端出发沿热电偶回路巡游一周，按照遇到的导体和温度的顺序，依次写出各接触电势和温差电势，并将它们相加起来便是整个回路的总热电势：

2024/2/437第4章电压型传感器2024/2/438第4章电压型传感器3）热电偶回路总热电势

1、若A=B，则

2、若T=T0，则

结论：2024/2/439第4章电压型传感器结论：1、当热电极材料均匀时，EAB(T,T0)与热电极长度和直径无关，只与材料和端温T，T0有关。2、材料不同，NA≠NB，才能作成热偶。

3、A、B材料一定，NA/NB一定，EAB只与端温有关，当T0不变，则EAB（T，T0）=f(t)。利用该特性测温。2024/2/440第4章电压型传感器4.3.1热电效应2.热电偶基本定律1）中间导体定律——若中间导体两端温度相同，则图4-3-2(a)为例“巡游一周法”

2024/2/441第4章电压型传感器因为，

所以2024/2/442第4章电压型传感器图4-3-2热电偶回路接入第三导体2024/2/443第4章电压型传感器图4-3-3开路热电偶的使用2024/2/444第4章电压型传感器4.3.1热电效应2.热电偶基本定律

2）中间温度定律—应用：制作分度表—与测量端摄氏温度T的对应数据表

2024/2/445第4章电压型传感器4.3.1热电效应2.热电偶基本定律

3）标准电极定律—应用：简化热电偶的选配工作——图4-3-4通常标准电极C选用纯度很高、物理化学性能非常稳定的铂制成，称为标准铂热电极。2024/2/446第4章电压型传感器图4-3-43种导体分别组成的热电偶2024/2/447第4章电压型传感器4.3.2热电偶的材料、型号及结构图4-3-5普通热电偶结构示意图2024/2/448第4章电压型传感器4.3.3冷端恒温式热电偶测温电路

1.测温原理和方法理论依据（T的单值函数）2024/2/449第4章电压型传感器4.3.3冷端恒温式热电偶测温电路图4-3-6各种热电偶的热电势与温度关系曲(T0=0℃)2024/2/450第4章电压型传感器测温方法

查表法（仪表按电压刻度）直读法（仪表按分度表标成温度数值）T0=0℃1.仪表测出EAB（T，0）2.查分度表求出与EAB（T，0）对应的T仪表直接读出T值T0≠0℃（T0为已知）1.仪表测出EAB（T，T0）2.查分度表求出EAB（T0，0）3.计算EAB（T，0）=EAB（T，T0）+EAB（T0，0）4.查分度表求EAB（T，0）对应的T仪表读取值——T′（指示值）查表求与T′对应的K值计算T——（真实温度值）T=T′+K·T02024/2/451第4章电压型传感器4.3.3冷端恒温式热电偶测温电路2.热电偶的冷端处理1）冷端恒温方式：1°冰浴法2°恒温槽法3°简易法2024/2/452第4章电压型传感器4.3.3热电偶测温电路2.热电偶的冷端处理

2）冷端的延伸——使冷端远离被测热源图4-3-７A、B——热电偶A′B′——补偿导线C——仪表连线2024/2/453第4章电压型传感器图4-3-7热电偶冷端的延伸2024/2/454第4章电压型传感器必须注意：（1）A与A′，B与B′接点温度相同，均为Tn，且在允许范围内，Tn=0~100℃（2）不同的热电偶要求配用不同的补偿导线，补偿导线的热电特性在一定范围内（一般为0~100℃），要与所配用的热电偶的热电特性相同，即满足

（3）A′与A相接，B与B′相接不可接反。2024/2/455第4章电压型传感器4.3.4

冷端补偿式热电偶测温电路图4-3-8冷端自动补偿的原理

1.冷端自动补偿的原理2024/2/456第4章电压型传感器

图中冷端补偿器是由温度传感器组成的冷端补偿电路，其温度传感器与热电偶冷端所处温度相同，均为T0。只要在允许波动范围内冷端补偿器输出电压UCOMP(T)满足一下条件：①当

时，

②当时，

温度Tn称为补偿基准温度或校准温度。1.冷端自动补偿的原理2024/2/457第4章电压型传感器图4-3-9冷端自动补偿的误差

2024/2/458第4章电压型传感器当T0=Tn时，将冷端补偿器输出电压与热电偶的输出电压EAB(T,T0)相加，依据中间温度定律，可得到：对冷端温度波动的自动补偿实质上就是给热电偶补加一个等于或近似等于EAB(T0,0)的电压。若不加冷端补偿器，此时热电偶的输出电压为EAB(T,T0),与冷端恒定为0℃时的热电动势EAB(T,0)相差EAB(T0,0)，误差较大。2024/2/459第4章电压型传感器图4-3-10采用热电阻电桥冷端补偿的热电偶测温电路2.冷端补偿器电路图4-3-10采用热电阻电桥冷端补偿的热电偶测温电路2024/2/460第4章电压型传感器4.4

光电式传感器光电式传感器是以光电器件作为转换元件的传感器。光电器件的物理基础是光电效应。4.4.1光电效应及各类光电器件1.外光电效应――光电发射――在光线照射下，物体内的电子逸出物体表面的现象称为外光电效应。向外发射的电子称为光电子，能产生光电效应的物质称为光电材料。2024/2/461第4章电压型传感器爱因斯坦的光电效应方程

hf――每个光子的能量A――逸出功m――电子质量V――电子逸出物体表面时初速度2024/2/462第4章电压型传感器外光电效应――光电发射能使光电材料产生光电子的光的最低频率称为红限频率

，其值为

结论：光电发射的条件：入射光的频率高于红限频率，光电流与入射光强度成正比关系。2024/2/463第4章电压型传感器光电发射型光电器件光电管最典型的是真空光电管和充气光电管

图4-4-2图4-4-1光电管基本电路2024/2/464第4章电压型传感器真空光电管适合于要求温度影响小和灵敏度稳定的场合；充气光电管适合于要求灵敏度高的场合。光电倍增管（自学）2024/2/465第4章电压型传感器2、内光电效应――绝大多数的高电阻率半导体，受光照射吸收光子能量后，会产生电阻率降低而易于导电的现象。也称光导效应。红限频率

图4-4-2电子能级示意图2024/2/466第4章电压型传感器光导型光电器件光敏电阻不受光照时的电阻值――暗阻，一般在兆欧数量级，受光照时的电阻值――亮阻。一般在几千欧以下。光敏二极管、光敏三极管（第5章半导体传感器）2024/2/467第4章电压型传感器3.光生伏特效应――适当波长的光照射半导体的PN结，由于结电场的作用，引起PN结两端产生电动势的现象。光电池――直接将光能转变为电动势的光电器件。图4-4-3PN结光生伏特效应原理图2024/2/468第4章电压型传感器4.4.2光电器件的基本特性一、光电特性和光照特性光电特性：当光电器件电极上的电压一定时，光电流I与入射于光电器件上的光通量Φ间的关系即I=F(Φ)。光照特性：当光电器件电极上的电压一定时，光电流I与光电器件上照度E的关系即I=F(E)。光电特性和光照特性曲线图4-4-8。要求：曲线斜率要大，且斜率最好是常数。2024/2/469第4章电压型传感器图4-4-4光电特性和光照特性曲线2024/2/470第4章电压型传感器二、光谱特性光谱特性：光电流(一般以最大值的百分数或相对灵敏度表示)与入射光波长的关系I=F(λ)

当光电器件的光谱特性与光源辐射能量的光谱分布协调一致时，光电传感器的性能较好，效率较高。

在检测时，光电器件的最佳灵敏度最好在需要测量的波长处。2024/2/471第4章电压型传感器图4-4-5光谱特性曲线2024/2/472第4章电压型传感器三、伏安特性伏安特性：在给定的光通量或照度下，光电流I与光电器件两端电压U的关系即I=F(U)应用：帮助我们计算选择光电元件的负载电阻，设计整个线路。2024/2/473第4章电压型传感器图4-4-6伏安特性曲线2024/2/474第4章电压型传感器光电器件的基本特性四、频率特性频率特性：在同样的电压和同样幅值的光强度下，光电器件输出的光电流I或灵敏度S随入射光强度变化频率f的关系I=F1(f)或S=F2(f)。频率特性曲线图4-4-7要求：曲线平直，且频带宽。2024/2/475第4章电压型传感器

图4-4-7频率特性曲线2024/2/476第4章电压型传感器光电器件的基本特性五、温度特性温度特性：光电器件的光电特性和光谱特性随温度变化。结论：1）对温度的影响可采取温度补偿或修正措施；2）可通过控制工作环境温度，达到最大灵敏度。2024/2/477第4章电压型传感器图4-4-8温度变化对元件特性的影响2024/2/478第4章电压型传感器图4-4-18光电传感器的基本组成4.4.5光电式传感器的基本组成和类型

1、光电式传感器的基本组成

2024/2/479第4章电压型传感器图4-4-19透射式光电传感器

应用：测量透明度和混浊度。2、光电传感器的基本类型

2024/2/480第4章电压型传感器图4-4-20反射式光电传感器

应用：测量表面粗糙度2024/2/481第4章电压型传感器图4-4-21辐射式光电传感器

应用：光电高温计和炉子燃烧监视装置。2024/2/482第4章电压型传感器

图4-4-22遮挡式光电传感器

应用：测量物体面积、尺寸和位移等2024/2/483第4章电压型传感器例4-4-1图路灯自动控制电路2024/2/484第4章电压型传感器4.5霍尔传感器4.5.1霍尔效应半导体薄片置于磁场中，当有电流流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势，称为霍尔效应，相应的电动势被称为霍尔电动势，半导体薄片称为霍尔片或霍尔元件。霍尔效应的产生是由于电荷受磁场中洛伦兹力作用的结果。2024/2/485第4章电压型传感器图4-5-1霍尔效应原理图洛伦兹力

电场力平衡时，

所以基片宽度两侧面间由于电荷积累形成的电位差，称为霍尔电压。2024/2/486第4章电压型传感器控制电流n——N型半导体载流子浓度所以霍尔灵敏度霍尔电势表达式2024/2/487第4章电压型传感器4.5.2霍尔传感器组成与基本特性一、霍尔元件1）材料——多用N型