第4章 电能量检测装置

第四章电能量检测装置下一页4.1热电偶传感器4.2压电式传感器4.3磁电式传感器4.4光电池热电偶传感器4.14.1.2热电偶的基本定律4.1.1热电偶测温原理4.1.3热电偶的冷端处理与补偿4.1.4热电偶的实用测温电路关闭下一页压电式传感器4.24.2.1压电式传感器工作原理4.2.3压电传感器测量电路4.2.2压电元件等效电路与连接方式4.2.4压电传感器应用下一页磁电式传感器4.34.3.1磁电式传感器工作原理4.3.2霍尔传感器下一页光电池4.44.3.1磁电式传感器工作原理4.3.2霍尔传感器4.4.1光电池工作原理4.4.2光电池的基本特性4.4.3光电池的应用热电偶测温原理热电效应14.1.1ABTT0EAB(T,T0)热电极热端（工作端）冷端（自由端）图4-1热电偶结构及原理热电偶是将温度的变化转换为电势变化的传感器。它基于热电效应原理工作。（4-1）热电效应将两种不同金属A和B构成一个闭合回路，当两个接触点温度不同时，回路中会产生热电势，此现象为热电效应。保持冷端温度不变，回路热电势为热电偶测温原理4.1.1

热电势组成2(1)接触电势（帕尔帖电势）eAB(T)、eAB(T0)产生原因两种不同导体的自由电子密度不同而在接触处形成的电动势。++++----ABe4-2接触电势的产生eAB(T)或eAB(T0)ABeAB(T)eAB(T0)热电偶测温原理4.1.1接触电势大小（4-2）接触电势的大小与两导体材料的性质及接触点的温度有关。数量级为mV级。回路的接触电势(顺时针)热电偶测温原理4.1.1T0Te+-4-3温差电势的产生（2）温差电势产生原因同一导体的两端因其温度不同而产生的一种热电势。温差电势的大小（4-3）（4-4）热电偶测温原理4.1.1温差电势与A、B两种材料的性质及两点的温度有关。回路温差电势的大小(逆时针)（4-5）T0TeA(T,T0)eB(T,T0)AB图4-4回路温差电势热电偶测温原理4.1.1热电偶回路中产生的总热电势

EAB(T,T0)=eAB(T)—c=f(T)热电偶分度表在冷端（参考端）温度为0℃时,通过计量标定实验建立起来的热电势与工作端温度之间的数值对应关系表。测得热电势，查分度表得温度值。（4-6）热电偶测温原理4.1.1ABBATTnTnT0图4-5中间温度定律EAB（T，T0）=EAB（T，Tn)+EAB(Tn,T0)（4-7）热电偶的基本定律4.1.2中间温度定律1测量EAB（T，Tn)，查表得EAB(Tn,0°)，然后计算EAB（T，0°）由EAB（T，0°

）查表得T值。查分度表有E（30，0）=0.173mV反查分度表有T=830℃，测量端实际温度为830℃用S型热电偶测量某一温度，若参比端温度Tn=30℃，测得的热电势E(T,Tn)=7.5mV，求测量端实际温度T。热电偶的基本定律4.1.2

在热电偶测温回路内,接入第三种导体,只要第三种导体（导线）两端温度相同,则对回路的总热电势没有影响。

BACT0T0T图4-6热电偶中间导体定律中间导体定律2热电偶的基本定律4.1.2回路中的总热电势等于各接点的接触电势之和。

EABC(T,T0)=eAB(T)+eBC(T0)+eCA(T0)

当T=T0

时,有

eBC(T0)+eCA(T0)=—eＡＢ(T0)

ＥＡＢＣ(T,T0)=eAB(T)—eAB(T0)=EAB(T,T0)证明（4-8）热电偶的基本定律4.1.2EAB（T，T0）= EAC（T，T0）+ECB（T，T0）标准电极C用纯铂丝制成。简化可热电偶的选配工作。T0TACTBTCAB+=T0T0图4-7标准电极定律示意图标准电极定律3热电偶的基本定律4.1.2（4-9）证明热电偶的基本定律4.1.2热电偶的冷端处理与补偿4.1.3为什么要进行冷端温度补偿1只有T0恒定，热电势与温度T成线性关系。

冷端温度受环境影响变化，造成测量误差。

补偿方法：补偿导线法

、冰浴法、计算修正法、

冷端补偿电桥法热电偶的冷端处理与补偿4.1.3补偿导线法2采用与热电偶热电特性相同或相近的补偿导线。要求（4-10）（1）延长型

类型图4-7延长型补偿导线示意图廉价金属制成的热电偶用原材料将热电偶原冷端引到新的冷端。ABTTnTnT0廉价热电偶如KX型图4-8(a)延长型补偿导线示意图（2）补偿型

贵重金属制成的热电偶用性能热电相同或相近的补偿导线引到新的冷端。使用热电偶专用连接器如图4-9。热电偶的冷端处理与补偿4.1.3ABTTnTnT0贵重热电偶如SC型图4-8(b)补偿型补偿导线示意图热电偶插头插孔补偿线图4-9使用热电偶专用连接器热电偶的冷端处理与补偿4.1.3可直接从仪表中读出热电势值，查分度表得出被测点的温度值。图4-10冷端温度处理冰点槽法恒温法（冰浴法）3热电偶的冷端处理与补偿4.1.3实际使用中，热电偶的冷端往往不是0℃，而是环境温度Tn，这时测得的热电势值为中间温度定律测出查热电偶分度表，得到被测热源的温度T。分度表查出计算由冷端温度修正法4热电偶的冷端处理与补偿4.1.3补偿电桥法是利用不平衡电桥产生的不平衡电压作为补偿信号,

来自动补偿热电偶测量过程中冷端温度变化而引起热电势的变化值。补偿电桥铜电阻与热电偶参考端处在同一环境温度。

室温时电桥平衡

R1R3=R2RCu

此时UAB=0补偿电桥法5热电偶的冷端处理与补偿4.1.3热电偶的冷端处理与补偿4.1.3图4-11冷端补偿电桥法热电偶的冷端处理与补偿4.1.3UbaEAB(T,T0)EAB(T0+△T,T0)图4-12冷端补偿电桥法等效电路示意图从而实现冷端温度补偿热电偶的实用测温电路4.1.4温度变送器A/D微机显示放大器A/D微机显示图4-13单点温度测量测量单点温度的基本电路1工业用热电偶输出电压可经过温度变送器变为标准电流或电压信号，送A/D转换器转换为数字量送微机处理。常规检测装置热电偶输出可接放大器变为A/D量程范围内信号即可。用两只相同型号的热电偶，配用相同的补偿导线，反向串联。产生热电势为ET=EAB（T1，T0）—EAB（T2，T0）显示仪表CBADBAT2T1T0T0C图4-14两点温度差测量（4-11）测量两点温度差2热电偶的实用测温电路4.1.4仪表R1E1R2R3E2E3T2T1T3T0ET图4-14并联测量平均温度用几只型号特性相同的热电偶并联在一起。测量多点平均温度3热电偶的实用测温电路4.1.4同类型的热电偶串联。特点是当有一只热电偶烧断时，总的热电势消失，可以立即知道有热电偶烧断。且可测较小温度的变化。仪表E2E1CDE3T2T1T3T0E图4-15测几点的温度和测量几点温度和4热电偶的实用测温电路4.1.4并联法优点是仪表的分度表和单独配用一个热电偶时一样。缺点是当有一只热电偶烧毁时不能很快发现。回路的热电势为（4-12）串联法可产生较大输出，在辐射高温计中的热电堆，就是由若干个热电偶串联而成。总热电势为平均热电势为（4-13）热电偶的实用测温电路4.1.4温度传感器断偶检测低通滤波同相放大冷端温度补偿实用热电偶测温电路5热电偶的实用测温电路4.1.4温度测量与冷端温度补偿由温度传感器实时测量热电偶冷端温度，温度传感器输出热电偶冷端补偿电压（修正值），此电压与热电偶产生热电势相加送同相放大器放大。低通滤波阻容低通滤波器将高频干扰滤除，增强装置抗干扰性。断偶检测热电偶断线时，放大器同相端加高电压，使放大器输出饱和。正常工作是由于100M电阻很大，对输出无影响。热电偶的实用测温电路4.1.4压电传感器工作原理4.2.1压电效应：当某些电介质在受到一定方向的压力或拉力而产生变形时，其内部将发生极化现象，在其表面产生电荷，若外力去掉时，它们又重新回到不带电状态，这种能将机械能转换为电能的现象称为正压电效应。TE+x压电效应_y逆压电效应图4-16压电效应原理示意图压电效应1特点实现力与电荷的双向转换。压电传感器工作原理4.2.1正六面体。

石英晶体各个方向的特性是不同的。在直角坐标系中，它有三个轴。电轴（X轴）：穿过六棱柱的棱线，垂直于Z轴（光轴）。垂直于此轴面上的压电效应最强。(1)石英晶体的结构石英晶体压电效应2机械轴（Y轴）：垂直于棱柱面。在电场沿X向作用下，沿该轴方向的机械变形最大。

压电传感器工作原理4.2.1光轴（Z轴）：垂直于XY。光线沿该轴通过石英晶体时，无折射，在此方向加外力，无压电效应现象。压电传感器工作原理4.2.1(2)力与电荷的关系

当在电轴方向施加作用力时,在与电轴x垂直的平面上将产生电荷,其大小为

qx=d11

fx

产生的电荷与几何尺寸无关。纵向压电效应。

沿机械轴y方向施加作用力fy,则仍在与x轴垂直的平面上产生电荷qx,其大小为（4-14）（4-15）压电传感器工作原理4.2.1压电传感器工作原理4.2.1式中:d12——y轴方向受力的压电系数,d12=－d11;a、

b——晶体切片长度和厚度。产生的电荷与几何尺寸有关，为横向压电效应。图4-18电荷符号与受力方向的关系压电传感器工作原理4.2.1(3)压电效应的物理解释石英晶体sio2，3个硅离子Si4+离子,6个氧离子O2-。两两成对。微观分子结构为一个正六边形。（1）未受外力作用时,正、负离子正好分布在正六边形的顶角上,形成三个互成120°夹角的电偶极矩P1、P2、P3。

P1+P2+P3=0。正负电荷中心重合，晶体垂直X轴表面不产生电荷。呈中性。压电传感器工作原理4.2.1（2）受x轴方向的压力作用时,此时正负电荷重心不再重合,电偶极矩在x方向上的分量由于P1的减小和P2、P3的增加而不等于零,即（P1+P2+P3）>0。在x轴的正方向出现正电荷,电偶极矩在y方向上的分量仍为零,不出现电荷。（3）受到沿y轴方向的压力作用时,P1增大,P2、P3

减小。在垂直于x轴正方向出现负电荷,在y轴方向上不出现电荷。压电传感器工作原理4.2.1（4）沿z轴方向施加作用力,晶体在x方向和y方向所产生的形变完全相同,所以正负电荷中心保持重合,电偶极矩矢量和等于零。这表明沿z轴方向施加作用力,晶体不会产生压电效应。当作用力fx、fy的方向相反时,电荷的极性也随之改变。石英晶体的优点：介电和压电常数的温度稳定性好。多用在校准用的标准传感器或精度很高的传感器中。也用于钟表及微机中的晶振(逆压电效应)。压电传感器工作原理4.2.1压电陶瓷的压电效应3电畴的极化方向转向，基本与电场方向一致。

（2）加电场（1）未加电场电畴极化强度为零。图4-20压电陶瓷的极化压电传感器工作原理4.2.1去掉外电场，材料具备压电性能，陶瓷片对外不表现极性。陶瓷极化的两端的束缚电荷与在陶瓷片的电极表面吸附一层外界的自由电荷方向相反，数值相等。束缚电荷电极自由电荷图4-21压电陶瓷内束缚电荷与吸附自由电荷示意图Z压电传感器工作原理4.2.1当压电陶瓷受到外力作用时，电畴的界限发生移动，剩余极化强度将发生变化，吸附在其表面的部分自由电荷被释放。释放的电荷量的大小与外力成正比关系，即q=d33F

d33为压电陶瓷的压电系数正压电效应,如超声波测流速、测距，热释电人体红外报警器等。（3）压电陶瓷力与电荷的关系（4-16）压电传感器工作原理4.2.1压电元件两电极之间的压电陶瓷或石英晶体为绝缘体，构成一个电容器，其电容量为压电传感器可等效成一个电压源U和一个电容相串联的电路，可等效成一个电荷源与一个电容相并联的电路产生的电压与电荷的关系为压电元件的等效电路及连接方式4.2.2压电元件的等效电路1

(a)电荷源(b)电压源图4-22压电传感器等效电路（4-18）压电元件的等效电路及连接方式4.2.2并联方式

输出电荷大，时间常数大，适合测慢变信号，以电荷为输出的场合。（4-19）串联方式

输出电压大，电容、时间常数小，适合以电压为输出，高输入阻抗的场合。（4-20）压电元件的连接方式2压电元件的等效电路及连接方式4.2.2（a)并联结构

(b)串联结构图4-23压电元件的连接方式压电元件的等效电路及连接方式4.2.2压电传感器测量电路4.2.3电压放大器1前置放大器作用：将压电传感器的高输出阻抗变换为低输出阻抗；放大传感器输出的微弱信号。压电元件受到交变力在力的作用下产生的电压按正弦规律变化送入放大器输入端的电压为（4-21）（4-22）压电传感器测量电路4.2.3输入端的电压的幅值是相位差是传感器的灵敏度为（4-23）（4-24）（4-25）压电传感器测量电路4.2.3（1）传感器宜测高频动态量。使用时应该注意的问题（2）电缆不宜过长，否则，CC加大，使传感器的电压灵敏度下降。（3）要使电压灵敏度为常数，应使压电片与前置放大器的连接导线为定长，以保证CC不变。（4）测量低频信号，应增大前置放大器的输入电阻，使测量回路的时间常数增大，保证有较高的灵敏度。压电传感器测量电路4.2.3电荷放大器可看作是具有深度电容负反馈的高增益放大器。净输入电荷（4-26）（4-27）（4-28）电荷放大器2压电传感器测量电路4.2.3总电荷输出电压为电荷放大器的特点是输出电压与电缆电容CC无关，即与电缆长度无关。且与输出电荷成正比。（4-29）（4-30）压电传感器测量电路4.2.3压电传感器测量电路4.2.3连接方式：采用并联接法。要求：为使压电片电荷与力之间成线性关系，压电片需有一定的预压力，保证接触面均匀接触。（1）结构压电传感器应用4.2.4压电加速度传感器1图4-26压电加速度计结构

图4-27压电式加速度传感器工作原理框图质量块m压电元件d,k前置放大Au,Aq提高灵敏度的措施采用较大的压电常数的材料。多片压电片组合。（2）工作原理压电传感器应用4.2.4

压电引信是一种利用钛酸钡压电陶瓷的压电效应制成的军用弹丸启爆装置。它具有瞬发度高，不需要配置电源等优点，常应用于破甲弹上，对提高弹丸的破甲能力起着重要的作用。

整个引信由压电元件和启爆装置两部分组成。压电元件安装在弹丸的头部，启爆装置设置在弹丸的尾部，通过导线互连。平时电雷管E处于短路保险安全状态，压电元件即使受压，其产生的电荷也通过电阻R释放掉，不会使电雷管引爆。压电引信2压电传感器应用4.2.4弹丸发射时，引信启爆装置解除保险状态，开关K从a处断开与b接通，处于工作状态。当弹丸与装甲目标接触时，碰撞压力使压电元件产生电荷，经过导线传递给电雷管使其启爆，引起弹丸爆炸锥孔炸药爆炸形成的能量使药形罩熔化，形成高温高流速的能量流将坚硬的钢甲穿透，起到摧毁的目的。

图4-28破甲弹示意图压电传感器应用4.2.4KEKRba压电元件4-29压电引信工作原理图压电传感器应用4.2.4

检测原理

检测时传感器用胶粘贴在玻璃上,然后通过电缆和报警电路相连。压电传感器把玻璃振动波转换成电压输出。输出电压经放大、带通滤波、比较等处理后提供给报警系统。带通滤波使玻璃振动频率范围内的输出电压信号通过，其它频段的信号滤除。

压电式玻璃破碎报警器3压电传感器应用4.2.4比较器作用是当传感器输出信号高于设定的阈值时,输出报警信号,驱动报警执行机构工作。如进行声光报警。放大带通滤波执行机构比较玻璃传感器图4-30压电式玻璃破碎报警电路框图压电传感器应用4.2.4磁电式传感器工作原理4.3.1定义

利用电磁感应原理(发电机原理）将被测量（如振动、位移、转速等）转换成电信号的一种传感器。直接将机械能转换为电能。变磁通的开磁路式或闭磁路的磁电式传感器。恒磁通的动圈式与动铁式磁电式传感器。类型

法拉第电磁感应定律：N匝线圈在磁场中做切割磁力线运动或穿过线圈的磁通量变化时，线圈中产生的感应电动势E与磁通Ф的变化率关系如下感应电动势与线速度或角速度成正比。（4-31）（4-32）（4-33）恒磁通磁电传感器工作原理1磁电式传感器工作原理4.3.1加积分电路可测位移（振幅）；加微分电路可测加速度。RCCRU0eU0e图4-31(a)积分电路图4-31(b)微分电路

恒磁通式磁电传感器特点：磁路系统产生恒定的直流磁场。气隙不变，磁通不变。磁铁与线圈之间相对切割磁力线运动。

磁电式传感器工作原理4.3.1磁电式传感器工作原理4.3.1开磁路和闭磁路。结构分类测量旋转物体的转速。应用（1）开磁路式磁电传感器工作原理传感器的线圈和磁铁部分静止不动，测量齿轮（导磁材料制成）安装在被测转轴上，随之一起转动。变磁通磁电传感器工作原理2磁电式传感器工作原理4.3.1当齿轮旋转时，齿的凹凸引起磁阻的变化，使磁通变化，在线圈中感应出交变电动势，其频率等于齿轮的齿数与转速的乘积，即当齿数Z已知，测得感应电势的频率f就可以知道被测轴的转速n。

（r/min）（4-34）（4-35）磁电式传感器工作原理4.3.1图4-32开磁路磁阻式转速传感器1-转轴2-软铁3-线圈4-齿轮5-永久磁铁输出电势的频率取决与磁通的变化频率。磁电式传感器工作原理4.3.1（2）闭磁路式磁电传感器工作原理图4-33磁电感应式转速传感器1-转轴2-转子3-永久磁铁4-线圈5-定子磁电式传感器工作原理4.3.1测量时，当定子与转子齿凸凸相对时，气隙最小，磁阻最小，磁通最大；当转子与定子的齿凸凹相对时，气隙最大，磁阻最大，磁通最小。磁阻周期性变化导致磁通周期性地变化，在线圈中感应出近似正弦波的电动势信号，测得感应电势的频率即可算出转速。

转子和定子的环形端部都均匀铣出等间距的一些齿和槽。要求工作原理（r/min）磁电式传感器可等效成m-c-k二阶机械系统。m图4-34磁电传感器等效机械系统磁电传感器动态特性3磁电式传感器工作原理4.3.1运动方程为传递函数为频域特性（4-36）（4-37）（4-38）磁电式传感器工作原理4.3.1幅频特性相频特性确定m、c、K，构建磁电传感器（4-39）（4-40）由

磁电式传感器工作原理4.3.1（1）霍尔效应

bIdUHfEvfl图4-35霍尔效应原理图B（4-41）霍尔传感器4.3.2霍尔传感器工作原理1（2）霍尔效应输出电压表达式推导

洛伦兹力正负电极之间形成电势为霍尔电势。（4-42）（4-43）（4-44）（4-45）霍尔传感器4.3.2T1：提高灵敏度的措施？T2：为何金属材料不宜做霍尔元件？（4-46）（4-47）思考：霍尔传感器4.3.2RW调节控制电流的大小。RL为负载电阻，可以是放大器的内阻或指示器内阻。霍尔效应建立的时间极短（10-12～10-14S），I、即可以是直流，也可以是交流。图4-36霍尔元件基本电路霍尔元件基本电路2霍尔传感器4.3.2产生误差的原因：一是制作工艺、制作水平的限制。二是外界温度的影响。（1）不等位电势U0及其补偿

B=0，I≠0，UH=U0≠0。U0为不等位电势。现象产生原因：①霍尔电极、激励电极焊接问题。②材料不均匀。霍尔元件误差与补偿3霍尔传感器4.3.2结果等效的极间电阻R1、R2、R3、R4不相等。不等位电势补偿方法：在阻值较大的桥臂上并联电阻，或在两个桥臂上同时并联电阻,使R1R3=R2R4

。霍尔传感器4.3.2宏观上使灵敏度系数KH及霍尔元件内阻Ri变化。（2）霍尔元件温度误差及补偿

当温度变化时,霍尔元件的载流子浓度n、迁移率μ、电阻率ρ及系数KH都将发生变化,致使霍尔电动势变化，产生温度误差。温度误差产生原因温度误差影响结果（4-48）（4-49）霍尔传感器4.3.2恒流源：B、I一定，KHt

变化，UH变化；恒压源：B、Ui一定时，Rit变化，I变化，UH亦变化。无论何种电压供电，霍尔输出电势都要变化。温度变化时对测量结果的影响霍尔传感器4.3.2采用恒流源供电和输入回路并联电阻补偿思想补偿方法霍尔传感器4.3.2H图4-38并联电阻温度补偿电路霍尔传感器4.3.2温度时温度为t时为了使霍尔电势不随温度而变化，必须保证（4-50）（4-51）（4-52）霍尔传感器4.3.2（4-53）霍尔传感器4.3.2（1）线性霍尔元件图4-39线性霍尔元件电路霍尔元件的类型4外加电压由稳压装置变为固定电压加到霍尔元件当外加磁场增强时，霍尔元件输出随之线性增大。霍尔传感器4.3.2（2）开关型霍尔元件开关霍尔传感器特点是当外加磁场强度达到一定值时，输出跳变到高（低）电平，当外加磁场强度下降达到一定值时，输出跳变到低（高）电平。即开关霍尔传感器接线图与原理图如图4-41。在一些诸如汽车轴等需要测量转速装置中有实际应用。霍尔传感器4.3.2图4-41开关霍尔传感器原理图电压基准VCC滞回比较RT霍尔片RLU0BPBV321U0HR计数器RVCCC321当磁感应强度达到BP时，霍尔元件输出高电平，滞回比较器输出低电平，T截止，输出为高电平。霍尔传感器4.3.2（1）霍尔式位移传感器①霍尔元件右移,Δx>0，合成磁感应强度B向上,B≠0，UH>0②霍尔元件左移，Δx<0，合成磁感应强度B向下,B≠0，UH<0。图4-42霍尔位移传感器电路霍尔传感器的应用5霍尔传感器4.3.2（2）电流传感器

当电流流过导线时，将在导线周围产生磁场，磁场大小与流过导线的电流大小成正比，这一磁场可以通过软磁材料来聚集，然后用霍尔器件进行检测。霍尔传感器4.3.2（3）霍尔式转速传感器

在电子水