常用傳感器及其調(diào)理電路

常用傳感器及其調(diào)理電路第一頁，共一百八十四頁，2022年，8月28日常用傳感器及其調(diào)理電路傳感器概述金屬溫度傳感器熱電偶熱敏電阻霍爾傳感器磁阻傳感器電場測量探頭電渦流傳感器壓電傳感器光電傳感器電容式傳感器電感式傳感器差動(dòng)傳感器與測量電橋第二頁，共一百八十四頁，2022年，8月28日傳感器概述第三頁，共一百八十四頁，2022年，8月28日傳感器的地位和作用人的感官：眼睛耳朵鼻子舌頭皮膚視覺、聽覺、嗅覺、味覺、觸覺第四頁，共一百八十四頁，2022年，8月28日傳感器的地位和作用傳感器1信號(hào)調(diào)理數(shù)據(jù)采集卡計(jì)算機(jī)顯示被測量X1傳感器2信號(hào)調(diào)理被測量X2傳感器n信號(hào)調(diào)理被測量Xn被測量X電氣參量非電氣參量獲取信號(hào)信號(hào)變換預(yù)濾波A/D轉(zhuǎn)換多路轉(zhuǎn)換信號(hào)分析、處理傳感器處于測量系統(tǒng)的最前端，起著獲取信息與轉(zhuǎn)換信息的重要作用。第五頁，共一百八十四頁，2022年，8月28日傳感器的作用與地位

傳感器處于研究對象與測量系統(tǒng)的接口位置,是檢測系統(tǒng)與控制系統(tǒng)感知、獲取與檢測信息的窗口。一切科學(xué)研究與自動(dòng)化生產(chǎn)過程要獲取的信息，都要通過傳感器獲取并通過它轉(zhuǎn)換為容易傳輸與處理的電信號(hào)。

80年代以來，世界各國都將傳感器技術(shù)列為重點(diǎn)發(fā)展的高技術(shù)，倍受重視。第六頁，共一百八十四頁，2022年，8月28日傳感器的定義和內(nèi)涵定義：能感受規(guī)定的被測量并按一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置。內(nèi)涵：傳感器對規(guī)定的被測量具有最大的靈敏度和最好的選擇性。（電氣量或非電量）。輸出信號(hào)中載有被測量信息，能夠遠(yuǎn)距離傳送、接收和處理(常見：電信號(hào)、光信號(hào)和氣動(dòng)信號(hào)）。

輸入輸出關(guān)系有規(guī)律，可復(fù)現(xiàn)。第七頁，共一百八十四頁，2022年，8月28日按被測量（輸入量）的性質(zhì)分類機(jī)械量位移、力、(角)速度、加速度、重量等；電氣量電壓、電流、功率、頻率等；熱工量溫度、壓力、流量、液位、物位、流速等；化學(xué)量濃度、粘度、濕度、氣體的組分、液體的組分等；光學(xué)量光強(qiáng)、光通量、輻射能量等；生物量血糖、血壓、酶等；按輸出量的性質(zhì)分類電參數(shù)型傳感器：輸出量為電參量，如電阻式、電感式和電容式電量型傳感器：輸出量為電量，如熱電式、壓電式、光電式、磁電式等。按能量關(guān)系分類能量轉(zhuǎn)換型被測對象能量轉(zhuǎn)化為輸出信號(hào)能量，如熱電偶、光電池等。能量控制型需要外部提供激勵(lì)源，如R、L、C電參數(shù)型傳感器。傳感器分類第八頁，共一百八十四頁，2022年，8月28日按被測信號(hào)到輸出信號(hào)轉(zhuǎn)化方式分類結(jié)構(gòu)型以轉(zhuǎn)換元件結(jié)構(gòu)參數(shù)變化實(shí)現(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)換，一般包括敏感元件和變換器。物性型以轉(zhuǎn)換元件物理特性變化實(shí)現(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)換，如測溫電阻，熱電偶按輸出信號(hào)分類模擬式傳感器輸出量為模擬信號(hào)，如電壓、電流、……數(shù)字式傳感器輸出量為數(shù)字信號(hào)，如脈沖、編碼、……傳感器分類第九頁，共一百八十四頁，2022年，8月28日傳感器的一般組成敏感元件：又叫彈性元件，，如梁、膜片、柱、筒、環(huán)等，直接感受被測量，將力、重量、位移、力矩等轉(zhuǎn)化為中間變量，如膜片的變形和應(yīng)力；轉(zhuǎn)換元件：將彈性敏感元件的輸出的中間變量轉(zhuǎn)化為電參量的變化，如電阻式，電感式、電容式；轉(zhuǎn)換電路：調(diào)理電路，一般轉(zhuǎn)化為電量；第十頁，共一百八十四頁，2022年，8月28日傳感器的一般組成敏感元件：氣膜盒，直接感受被測量；轉(zhuǎn)換元件：磁芯與電感線圈；轉(zhuǎn)換電路：通過磁芯的變化，引起轉(zhuǎn)換電路輸出電信號(hào)的變化。氣體壓力傳感器的示意圖第十一頁，共一百八十四頁，2022年，8月28日傳感器：物理量－>另一種物理量變送器:傳感器＋調(diào)理電路＋輸出規(guī)一化（輸出標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的傳感器）變送器目標(biāo)：將各種物理量轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。國際標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)：電流標(biāo)準(zhǔn)4－20mA(DC)(電流信號(hào)抗干擾能力強(qiáng)，一般用于傳輸距離較長的情況。)電壓標(biāo)準(zhǔn)1－5V(DC)(適于傳輸給多個(gè)其他測量環(huán)節(jié))氣動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)20－100kPa變送器概述第十二頁，共一百八十四頁，2022年，8月28日電量變送器：電壓、電流、頻率、相位、功率等。非電量變送器：溫度、壓力、流量等

常用變送器種類第十三頁，共一百八十四頁，2022年，8月28日金屬溫度傳感器

第十四頁，共一百八十四頁，2022年，8月28日

工作原理：利用金屬導(dǎo)體的電阻值隨溫度變化的特性，制成測量溫度的傳感器。金屬熱電阻(鉑電阻、銅電阻)

金屬溫度傳感器第十五頁，共一百八十四頁，2022年，8月28日金屬熱電阻工作原理金屬熱電阻測溫的基礎(chǔ)：金屬導(dǎo)體電阻率隨溫度升高而增大，具有正的溫度系數(shù)。

工業(yè)上一般用來測量－200－＋1000℃范圍的溫度。

金屬導(dǎo)體電阻隨溫度變化情況第十六頁，共一百八十四頁，2022年，8月28日要求：（1）溫度系數(shù)、電阻率較高→提高靈敏度，體積小，反應(yīng)快（2）理化性能穩(wěn)定→提高穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，復(fù)現(xiàn)性好（3）良好的輸入-輸出特性→線性/接近線性，測量準(zhǔn)確度高（4）良好的工藝性→批量生產(chǎn)，降低成本材料：純金屬---鉑、銅、鎳、鐵（5）較大的測溫范圍→特別是在低溫范圍金屬熱電阻材料與要求第十七頁，共一百八十四頁，2022年，8月28日優(yōu)點(diǎn)：0~+850℃：0~-200℃：應(yīng)用：(1)在高溫和氧化介質(zhì)中性能極為穩(wěn)定，易于提純，工藝性好(2)輸入輸出特性接近線性缺點(diǎn)：貴重金屬，成本較高；溫度系數(shù)較小標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)，高精度工業(yè)測溫，高低溫測試；可用于溫度基準(zhǔn)和標(biāo)準(zhǔn)傳遞構(gòu)成：金屬鉑絲繞制成線圈(3)測量精度高。鉑電阻(Pt)Pt100R0：0℃時(shí)的溫度–標(biāo)準(zhǔn)值(Pt100,Pt50)第十八頁，共一百八十四頁，2022年，8月28日特點(diǎn)：-50~150℃：

應(yīng)用：(1)易于提純，在-50~150℃范圍內(nèi)性能穩(wěn)定，價(jià)格低

(2)輸入輸出特性接近線性:(1)電阻率低（為鉑電阻的1/6），體積較大(2)高溫易被氧化，易被腐蝕(3)測量精度低于鉑電阻。小范圍;較低溫度;測量精度要求較低;沒有水分和腐蝕性介質(zhì)；代替鉑銅電阻(Cu)構(gòu)成：金屬銅絲繞制成線圈R0：0℃時(shí)的溫度–標(biāo)準(zhǔn)值(Cu50,Cu100)缺點(diǎn)：第十九頁，共一百八十四頁，2022年，8月28日鐵電阻和鎳電阻鐵電阻和鎳電阻:

優(yōu)點(diǎn)：鐵和鎳這兩種金屬的電阻溫度系數(shù)較高、電阻率較大，故可作成體積小，靈敏度高的電阻溫度計(jì)。

缺點(diǎn)：容易氧化，化學(xué)穩(wěn)定性差，不易提純，復(fù)制性差，而且電阻值與溫度的線性關(guān)系差。第二十頁，共一百八十四頁，2022年，8月28日幾種金屬熱電阻的溫度特性幾種純金屬的電阻相對變化率與溫度變化間關(guān)系第二十一頁，共一百八十四頁，2022年，8月28日熱電阻技術(shù)參數(shù)分度號(hào)：

國家1988年開始采用IEC標(biāo)準(zhǔn)，工業(yè)用鉑電阻和銅電阻R0有100和50歐姆兩種，分度號(hào)分別為：鉑電阻：Pt100，Pt50

銅電阻：Cu100，Cu50Rt和溫度t對應(yīng)關(guān)系列成表格，稱為分度表熱電阻類別分度號(hào)鉑電阻Pt1001.385±0.01100±0.1Pt1001.385±0.0150±0.5銅電阻Cu1001.428±0.01100±0.05Ct501.428±0.0150±0.05分度號(hào)、相應(yīng)規(guī)格及允許誤差第二十二頁，共一百八十四頁，2022年，8月28日靈敏度（溫度系數(shù)）

上式求微分，得at=A+2Bt＋3Ct2≈A。鉑電阻at≈3.9×10-3/℃

銅電阻at≈4.3×10-3/℃熱電阻技術(shù)參數(shù)鉑電阻A=3.908×10-3/℃B=-5.801×10-7/℃2，C=-4.273×10-12/℃3銅電阻A=4.289×10-3/℃B=-2.133×10-7/℃2，C=1.233×10-9/℃3

第二十三頁，共一百八十四頁，2022年，8月28日熱電阻類別測量范圍（℃）分度號(hào)允許偏差

鉑電阻-200~+420Pt100A級(jí)Pt50B級(jí)銅電阻-50~+100Ct50測量范圍及測量精度允通電流：通過熱電阻中的工作電流應(yīng)小于5mA，以避免自熱效應(yīng)產(chǎn)生影響時(shí)間常數(shù)有四個(gè)級(jí)別：

I級(jí)：(90～180)sII級(jí)：(30～90)sIII級(jí)：(10～30)sIV級(jí)：<10s熱電阻技術(shù)參數(shù)第二十四頁，共一百八十四頁，2022年，8月28日測量電路恒流源法熱電阻溫度傳感器常用雙恒流源調(diào)理電路，將由溫度引起的電阻值的變化轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。特別適合于對熱電阻型溫度傳感器的輸出進(jìn)行R/U變換。第二十五頁，共一百八十四頁，2022年，8月28日

雙恒流源調(diào)理電路輸出電壓為：

經(jīng)測量放大器放大后得到：

k為放大器的放大倍數(shù)。測量放大器用于雙恒流源電路輸出的放大調(diào)理

第二十六頁，共一百八十四頁，2022年，8月28日測量電路

平衡電橋法平衡電橋法如圖所示。在圖中，如果電阻R1=R2，當(dāng)熱電阻Rt阻值隨溫度變化時(shí)，調(diào)節(jié)可調(diào)電阻Rw，使電橋處于平衡狀態(tài)，則有第二十七頁，共一百八十四頁，2022年，8月28日熱電偶第二十八頁，共一百八十四頁，2022年，8月28日熱電偶型溫度傳感器工作原理

利用熱電效應(yīng)將被測物理量（溫度）直接轉(zhuǎn)換為電勢。屬于能量轉(zhuǎn)換型傳感器。是應(yīng)用非常廣泛的測溫傳感器。工作原理：將兩種不同材料的金屬導(dǎo)體串接成閉合回路，當(dāng)兩個(gè)結(jié)點(diǎn)處于不同溫度即T≠T0時(shí)，導(dǎo)體在回路中產(chǎn)生與兩結(jié)點(diǎn)有關(guān)的溫差熱電勢的現(xiàn)象，稱為溫差電效應(yīng)（塞貝克效應(yīng)）。

熱電效應(yīng)示意圖第二十九頁，共一百八十四頁，2022年，8月28日熱電偶型溫度傳感器工作原理閉合回路中兩種導(dǎo)體叫熱電極；兩個(gè)結(jié)點(diǎn)中，一個(gè)稱工作端（或測量端、熱端）（T），另一個(gè)叫自由端（或參考端、冷端）（T0）。由這兩種導(dǎo)體的組合并將溫度轉(zhuǎn)換成熱電動(dòng)勢的傳感器叫做熱電偶。熱電動(dòng)勢是由兩種導(dǎo)體的接觸電勢和單一導(dǎo)體的溫差電動(dòng)勢所組成。第三十頁，共一百八十四頁，2022年，8月28日不同金屬導(dǎo)體接觸，在接觸表面形成一個(gè)穩(wěn)定的電位差，叫做接觸電動(dòng)勢。大小可表示為：

熱電效應(yīng)—接觸電動(dòng)勢式中：k—波爾茲曼常數(shù)，為1.38×10-16；

T—接觸處的絕對溫度；

e—電子電荷數(shù)；

NA、NB

—金屬A、B的自由電子密度。自由電子密度不同→擴(kuò)散→電勢（帕爾帖效應(yīng)）第三十一頁，共一百八十四頁，2022年，8月28日熱電效應(yīng)—溫差電動(dòng)勢在一根勻質(zhì)的金屬導(dǎo)體中，如果兩端溫度不同，則在導(dǎo)體內(nèi)部也會(huì)產(chǎn)生電勢，稱為溫差電勢（湯姆遜效應(yīng)）溫差電勢的形成是由于導(dǎo)體內(nèi)高溫端自由電子的動(dòng)能比低溫端自由電子的動(dòng)能大，高溫端自由電子的擴(kuò)散速率比低溫端自由電子的擴(kuò)散速率大，溫度較高的一邊因失去電子而帶正電，溫度較低的一邊因得到電子而帶負(fù)電，從而形成了電位差。

當(dāng)導(dǎo)體兩端的溫度分別為T、T0時(shí)，溫差電勢可由下式表示：式中A—A導(dǎo)體的湯姆遜系數(shù)第三十二頁，共一百八十四頁，2022年，8月28日熱電效應(yīng)綜上所述，對于勻質(zhì)導(dǎo)體A、B組成的熱電偶，其總電勢為接觸電勢與溫差電勢之和。用式子可表示為：

第三十三頁，共一百八十四頁，2022年，8月28日熱電效應(yīng)

熱電效應(yīng)結(jié)論:如果熱電偶兩電極材料相同，則雖兩端溫度不同。但總輸出電勢仍為零。因此必須由兩種不同的材料才能構(gòu)成熱電偶。如果熱電偶兩結(jié)點(diǎn)溫度相同，則回路中的總電勢必等于零。因此必須溫度(T≠T0)不同才能構(gòu)成熱電偶。熱電勢的大小只與材料和結(jié)點(diǎn)溫度有關(guān)，與熱電偶的尺寸、形狀及沿電極溫度分布無關(guān)。

第三十四頁，共一百八十四頁，2022年，8月28日熱電偶定理均質(zhì)導(dǎo)體定律中間導(dǎo)體定律標(biāo)準(zhǔn)電極定律中間溫度定律第三十五頁，共一百八十四頁，2022年，8月28日均質(zhì)導(dǎo)體定律

由同一種均質(zhì)導(dǎo)體或半導(dǎo)體組成的閉合回路，不論導(dǎo)體的截面積和長度如何，也不論各處的溫度分布如何，都不能產(chǎn)生熱電勢。

第三十六頁，共一百八十四頁，2022年，8月28日中間導(dǎo)體定律

在熱電偶回路中接入第三種材料的導(dǎo)線，只要其兩端的溫度相等，第三導(dǎo)線的引入不會(huì)影響熱電偶的熱電動(dòng)勢。C可換為儀表、連接導(dǎo)線或測量電路。C第三十七頁，共一百八十四頁，2022年，8月28日如果已知熱電極A、B分別與熱電極C組成的熱電偶在(T，T0)時(shí)的熱電勢分別為EAC(T，T0)和EBC(T，T0)，如圖所示。則在相同的溫度下，由A、B兩種熱電極配對后的熱電勢EAB(T，T0)可按下式計(jì)算：EAB(T，T0)＝EAC(T，T0)－EBC(T，T0) 熱電極C稱為標(biāo)準(zhǔn)電極。標(biāo)準(zhǔn)電極通常采用純鉑絲制成，因?yàn)殂K容易提純，熔點(diǎn)高，性能穩(wěn)定。標(biāo)準(zhǔn)電極定理第三十八頁，共一百八十四頁，2022年，8月28日

當(dāng)熱電偶的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)溫度為T，T1時(shí),熱電勢為EAB(T,T1)；當(dāng)熱電偶的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)溫度為T1，T0時(shí),熱電勢為EAB(T1,T0)；當(dāng)熱電偶的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)溫度為T，T0時(shí),熱電勢為

中間溫度定律兩端點(diǎn)在任意溫度時(shí)的熱電勢為：第三十九頁，共一百八十四頁，2022年，8月28日中間溫度定律舉例已知A、B組成的熱電偶在（1000C，00C）時(shí)熱電勢為1mVA、B組成的熱電偶在（10000C，00C）時(shí)熱電勢為10mV

則它們在（10000C，1000C）時(shí)的熱電勢為：

10-1=9mV

該定律為分度表的制定提供了理論依據(jù)，只要列出參考溫度與0℃時(shí)熱電勢和溫度關(guān)系，可計(jì)算出參考溫度不為0℃的熱電勢。第四十頁，共一百八十四頁，2022年，8月28日熱電偶的主要技術(shù)參數(shù)

分度號(hào)與分度表

分度號(hào)(S,R,B,K,E,J,T,N)代表熱電偶的類型。

S型（鉑銠10-鉑）

R型（鉑銠13-鉑）

B型（鉑銠30-鉑銠6

）

K型（鎳鉻-鎳硅（鎳鋁））

E型（鎳鉻–銅鎳(康銅)）

J型（鐵-銅鎳）

T型（銅-銅鎳）

N型（鎳鉻硅-鎳硅鎂）。

熱電偶的靜態(tài)特性在國家標(biāo)準(zhǔn)中由分度表給出：分度表是用表格的方式列出溫度與熱電動(dòng)勢的對應(yīng)關(guān)系。

第四十一頁，共一百八十四頁，2022年，8月28日熱電偶的主要技術(shù)參數(shù)鎳鉻-鎳硅(分度號(hào):K)熱電偶分度表參考端溫度為0攝氏度

第四十二頁，共一百八十四頁，2022年，8月28日熱電偶的主要技術(shù)參數(shù)允許誤差熱電偶的熱電勢溫度關(guān)系對分度表的最大偏差。根據(jù)允許誤差將熱電偶分為1、2、3級(jí)(表4－4）。

測量范圍不同材料的熱電偶，有不同的使用溫度極限。

熱響應(yīng)時(shí)間也稱時(shí)間常數(shù)，用來表示熱電偶對溫度變化響應(yīng)快慢的熱惰性參數(shù)。熱響應(yīng)時(shí)間用或0.5表示。第四十三頁，共一百八十四頁，2022年，8月28日冷端溫度補(bǔ)償

熱電偶輸出的電動(dòng)勢是兩結(jié)點(diǎn)溫度差的函數(shù)。Ｔ作為被測溫度端，T0作為參考溫度端（冷端）通常要求T0保持為0℃，但在實(shí)際中做到這一點(diǎn)很困難，于是產(chǎn)生了熱電偶冷端補(bǔ)償問題。0℃恒溫法冷端溫度實(shí)時(shí)測量計(jì)算修正法（計(jì)算機(jī)自動(dòng)采集系統(tǒng)常用此法）補(bǔ)償導(dǎo)線法自動(dòng)補(bǔ)償法

第四十四頁，共一百八十四頁，2022年，8月28日0℃恒溫法

將熱電偶冷端置于0℃的恒溫器內(nèi)，使其工作狀態(tài)與分度表狀態(tài)一致，測出電勢后查分度表直接得到熱端溫度值。

0℃恒溫器：冰水混合物、半導(dǎo)體致冷器。第四十五頁，共一百八十四頁，2022年，8月28日冷端溫度實(shí)時(shí)測量計(jì)算修正法

無須保持冷端溫度T0恒定，而是采用其它測溫手段實(shí)時(shí)測量當(dāng)前冷端溫度T0，進(jìn)行補(bǔ)償,步驟如下(以T型熱電偶為例）：

EAB(T,0)=EAB(T,T0)+EAB(T0,0)（1）測T0，若T0=40℃。（2）測EAB(T,T0)＝2.202mV（3）查分度表：EAB(T0,0)＝EAB(40,0)＝1.611mV（4）加法運(yùn)算：EAB(T,0)=EAB(T,T0)+EAB(T0,0)=EAB(T,40)+EAB(40,0)＝2.202+1.611＝3.813mV（5）查分度表：EAB(T,0)=

3.813mV

熱端溫度T=90℃即被測溫度。第四十六頁，共一百八十四頁，2022年，8月28日補(bǔ)償導(dǎo)線法原因：工業(yè)應(yīng)用時(shí)，被測點(diǎn)與指示儀表之間往往有很長距離，但熱電偶材料較貴，尺寸不能過長。

由于熱電偶長度有限，參考端溫度將受到被測介質(zhì)和周圍環(huán)境影響，很難保持0度，而且是波動(dòng)的。

補(bǔ)償導(dǎo)線就是用一定范圍內(nèi)熱電性質(zhì)與熱電偶相近的材料制成導(dǎo)線。用它將熱電偶的參考端延長到需要的地方，不會(huì)對熱電偶回路引入超出允許的附加測溫誤差。補(bǔ)償導(dǎo)線作用：是將熱電偶的冷端移至離熱源較遠(yuǎn)且溫度較為穩(wěn)定的地點(diǎn)，從而消除冷端溫度變化的影響。第四十七頁，共一百八十四頁，2022年，8月28日

補(bǔ)償導(dǎo)線必須具備的基本條件是：在補(bǔ)償溫度范圍內(nèi)，由補(bǔ)償導(dǎo)線材料C,D構(gòu)成的熱偶與測溫?zé)崤加邢嗤姆侄戎?，即：EAB(T,0)=ECD(T,0)

如果AB材料的熱偶能一直延伸到T0處的話，產(chǎn)生的熱電勢應(yīng)為EAB(T1，T0）它可以理解由兩部分組成：

EAB(T,T0)=EAB(T,T’0)+EAB(T’0,T0)=EAB(T,T’0)+ECD(T’0,T0)補(bǔ)償導(dǎo)線法第四十八頁，共一百八十四頁，2022年，8月28日

注意：補(bǔ)償導(dǎo)線只能與相應(yīng)型號(hào)的熱電偶配用；極性不能接反，否則會(huì)造成更大的誤差；補(bǔ)償導(dǎo)線與電極連接處兩結(jié)點(diǎn)的溫度必須相同，且不得超過規(guī)定范圍。隨著熱電偶的標(biāo)準(zhǔn)化，補(bǔ)償導(dǎo)線也形成了標(biāo)準(zhǔn)系列。國際電工委員會(huì)也制定了國際標(biāo)準(zhǔn)，適合于標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶使用。補(bǔ)償導(dǎo)線法第四十九頁，共一百八十四頁，2022年，8月28日常用補(bǔ)償導(dǎo)線常用補(bǔ)償導(dǎo)線補(bǔ)償導(dǎo)線型

號(hào)配用的熱電偶分

度

號(hào)補(bǔ)

償

導(dǎo)

線補(bǔ)償導(dǎo)線顏色正

極負(fù)

極正極負(fù)極SCKCEXJXTXS(鉑銠10-鉑)K(鎳鉻-鎳硅)E(鎳鉻-康銅)J(鐵-康銅)T(銅-康銅)SPC(銅)KPC(銅)EPX(鎳鉻)JPX(鐵)TPX(銅)SNC(康銅)KNC(康銅)ENX(康銅)JNX(康銅)TNX(康銅)紅紅褐綠紅紅白白白白白第五十頁，共一百八十四頁，2022年，8月28日自動(dòng)補(bǔ)償法(冷端溫度自動(dòng)補(bǔ)償法)

基本方法：在熱電偶回路中串入一個(gè)自動(dòng)補(bǔ)償?shù)碾妱?dòng)勢，自動(dòng)補(bǔ)償熱電偶測量過程中因冷端溫度不為0℃或變化而引起熱電勢的變化值。常用自動(dòng)補(bǔ)償電橋，如圖。Ubd

=EAB(T0,0)EAB(T,T0)+Ubd=EAB(T,0)T第五十一頁，共一百八十四頁，2022年，8月28日自動(dòng)補(bǔ)償法(冷端溫度自動(dòng)補(bǔ)償法)

【例】單臂電橋作為鎳鉻－鎳硅熱電偶冷端溫度自動(dòng)補(bǔ)償器，補(bǔ)償溫度范圍0℃－40℃（要求T0=40℃能完全補(bǔ)償），Rt為銅電阻，電阻溫度系數(shù)4.28x10-3/℃,計(jì)算冷端溫度補(bǔ)償電橋供電電壓Uac。T第五十二頁，共一百八十四頁，2022年，8月28日自動(dòng)補(bǔ)償法(冷端溫度自動(dòng)補(bǔ)償法)【解】測溫單臂電橋的輸入-輸出關(guān)系式為當(dāng)T0=40℃時(shí)，由熱偶分度表知EAB=1.611mV。調(diào)節(jié)Rg使UAC供電時(shí)電橋輸出的不平衡電壓UBD能在T0=40℃實(shí)現(xiàn)完全補(bǔ)償反算所要求的電橋供電電壓UAC第五十三頁，共一百八十四頁，2022年，8月28日熱電偶的測溫電路

熱電偶產(chǎn)生的熱電勢通常在毫伏級(jí)范圍，可以直接與顯示儀表(如動(dòng)圈式毫伏表、電子電位差計(jì)、數(shù)字表等)配套使用，也可與溫度變送器配套，轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)。熱電偶典型測溫線路第五十四頁，共一百八十四頁，2022年，8月28日熱電偶測溫線路在特殊情況下，熱電偶可以串聯(lián)或并聯(lián)使用，但只能是同一分度號(hào)的熱電偶，且冷端應(yīng)在同一溫度下。為了獲得較大的熱電勢輸出和提高靈敏度或測量多點(diǎn)溫度之和，可以采用熱電偶正向串聯(lián)（圖a）；采用熱電偶反向串聯(lián)可以測量兩點(diǎn)間的溫差（圖b）

；利用熱電偶并聯(lián)可以測量多點(diǎn)平均溫度（圖c）

(a)(b)(c)

第五十五頁，共一百八十四頁，2022年，8月28日熱敏電阻

第五十六頁，共一百八十四頁，2022年，8月28日熱敏電阻熱敏電阻采用半導(dǎo)體熱電阻，其測量范圍一般為-100到+300℃。常見的熱敏電阻包括：負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻(NTC)、正溫度系數(shù)熱敏電阻(PTC)、臨界溫度系數(shù)熱敏電阻（CTR）（在某一溫度時(shí)，電阻急劇降低，因此可作為溫度開關(guān)）

熱敏電阻的實(shí)物圖片第五十七頁，共一百八十四頁，2022年，8月28日熱敏電阻基本原理熱敏電阻溫度-電阻特性靈敏度熱敏電阻基本特性負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻的伏安特性第五十八頁，共一百八十四頁，2022年，8月28日熱敏電阻熱敏電阻應(yīng)用特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)具有很高的負(fù)電阻溫度系數(shù)，靈敏度比熱電阻高一個(gè)數(shù)量級(jí)（為熱電阻10~100倍）；因?yàn)樗前雽?dǎo)體材料制成，所以常溫下其阻值大，測溫時(shí)可以忽略引線電阻的影響；體積可以做得很小，可以測溫量點(diǎn)溫度，動(dòng)態(tài)特性好，適于動(dòng)態(tài)測溫；成本低、易于維護(hù)、使用壽命長，因此適于現(xiàn)場測溫

缺點(diǎn)分散性大、非線性大、長期穩(wěn)定性差以及互換性不好第五十九頁，共一百八十四頁，2022年，8月28日霍爾傳感器第六十頁，共一百八十四頁，2022年，8月28日霍爾傳感器霍爾效應(yīng)霍爾元件及應(yīng)用霍爾電流傳感器第六十一頁，共一百八十四頁，2022年，8月28日霍爾效應(yīng)：金屬導(dǎo)體或半導(dǎo)體薄片處于磁場中，當(dāng)垂直于磁場方向有電流流過時(shí)，在垂直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生電動(dòng)勢的現(xiàn)象。霍爾效應(yīng)第六十二頁，共一百八十四頁，2022年，8月28日NMBFLiv－－－－++++EHFH霍爾效應(yīng)FH=-eEH=-eUHbFL=evBFL=-FHi

=-j?bd=-nev?bdUH=bvBn－材料的電子（載流子）濃度。e－電子（載流子）電荷量；j－電流密度；（1）（2）第六十三頁，共一百八十四頁，2022年，8月28日霍爾效應(yīng)

UH＝KH·B·i

其中KH為霍爾片的靈敏度，與溫度、材料的性質(zhì)、形狀有關(guān)。如果磁場與薄片法線有夾角α：

UH＝KH·B·Icosα

兩橫側(cè)間的霍爾電壓：為霍爾系數(shù)。其中（3）（4）當(dāng)l/b較小時(shí),需考慮形狀系數(shù):第六十四頁，共一百八十四頁，2022年，8月28日霍爾元件

具有霍爾效應(yīng)的元件稱霍爾元件?；魻杺鞲衅饔苫魻栐M成。金屬材料的自由電子濃度n很高，因此RH很小，使輸出UH很小。半導(dǎo)體的電子濃度n適中，霍爾傳感器中的霍爾元件都是由半導(dǎo)體材料構(gòu)成,多用N型半導(dǎo)體材料。霍爾元件越?。╠越?。?，KH越大，所以一般霍爾元件都比較薄。第六十五頁，共一百八十四頁，2022年，8月28日霍爾元件調(diào)理電路

霍爾元件的基本測量電路如圖所示。激勵(lì)電流由電源E供給，可變電阻RP用來調(diào)節(jié)激勵(lì)電流I的大小。RL為輸出霍爾電勢UH的負(fù)載電阻。通常它是顯示儀表、記錄裝置或放大器的輸入阻抗?；魻栐幕緶y量電路第六十六頁，共一百八十四頁，2022年，8月28日

霍爾片四極引線殼體霍爾元件結(jié)構(gòu)第六十七頁，共一百八十四頁，2022年，8月28日

霍爾傳感器是一種磁傳感器和磁電轉(zhuǎn)換元件，檢測磁場及其變化，另外各種與磁場有關(guān)的場合都可以應(yīng)用?；魻柺絺鞲衅鞯膽?yīng)用（1）直接測磁場強(qiáng)度（I恒定）；（2）衍生：電流、電壓、微小位移、壓力、速度、加速度、振動(dòng)等（需附加磁場B）

應(yīng)用范圍：UH=KHBI第六十八頁，共一百八十四頁，2022年，8月28日使用霍爾片測量磁場時(shí)，片中的電流應(yīng)保持恒定，故應(yīng)采用恒流供電方式?；魻栃?yīng)法測量磁場的范圍很寬，場強(qiáng)范圍可從8×10-2~7×107A/m。它的準(zhǔn)確度一般為1~5%。采取減小誤差（不等位電勢誤差、溫度誤差）的措施后，可提高到0.1%以上；而測量電壓或電流通常準(zhǔn)確度在1％～0.1％。霍爾式傳感器的應(yīng)用第六十九頁，共一百八十四頁，2022年，8月28日1）體積小，重量輕，功耗小，可靠性好；2）響應(yīng)頻率高（可達(dá)1MHZ）；3）非接觸式、可用于特殊應(yīng)用環(huán)境；4）易于集成。線性、非機(jī)械、半導(dǎo)體應(yīng)用特點(diǎn)：霍爾式傳感器的應(yīng)用缺點(diǎn)：受溫度影響較大，轉(zhuǎn)換效率較低。第七十頁，共一百八十四頁，2022年，8月28日a）對移b）側(cè)移c）旋轉(zhuǎn)d）遮斷應(yīng)用實(shí)例－位移、速度第七十一頁，共一百八十四頁，2022年，8月28日霍爾式位移傳感器原理示意圖應(yīng)用實(shí)例－位移、速度第七十二頁，共一百八十四頁，2022年，8月28日

利用霍爾元件測地磁場，用于尋北、空間姿態(tài)等。應(yīng)用實(shí)例－霍爾電子羅盤第七十三頁，共一百八十四頁，2022年，8月28日霍爾電流傳感器霍爾直測式電流傳感器霍爾磁補(bǔ)式電流傳感器特點(diǎn)：直流，交流，脈沖（沖擊）電流均可測非接觸（隔離）第七十四頁，共一百八十四頁，2022年，8月28日1．霍爾直測式電流傳感器霍爾直測式電流傳感器UH＝KHIB已知KH，H＝B/μ，S，L，N，由H·L＝NIc計(jì)算IcKH易受溫度影響,精度不高。第七十五頁，共一百八十四頁，2022年，8月28日2．霍爾磁補(bǔ)式電流傳感器直到Hp＝Hs時(shí)Is不再增加，這時(shí)霍爾片就達(dá)到零磁通檢測。磁平衡時(shí)，NpIp＝IsNs計(jì)算Ip第七十六頁，共一百八十四頁，2022年，8月28日

某型號(hào)Hall磁補(bǔ)式電流傳感器

典型技術(shù)指標(biāo)額定電流（100A）額定電流測量值（100mA）測量范圍（0～150A）內(nèi)阻（30Ω）頻率范圍（0～100kHz）電流電壓(15V)線性度（0.1％）絕緣性能（3KV）穿孔尺寸

(Φ10mm)匝數(shù)比（1：1000)

2．霍爾磁補(bǔ)式電流傳感器第七十七頁，共一百八十四頁，2022年，8月28日霍爾鉗形電流表

將磁芯做成張合結(jié)構(gòu)，在磁芯開口處放置霍爾器件，將環(huán)形磁芯夾在被測電流流過的導(dǎo)線外，即可測出其中流過的電流。這種鉗形表既可測交流也可測直流。第七十八頁，共一百八十四頁，2022年，8月28日磁阻傳感器第七十九頁，共一百八十四頁，2022年，8月28日磁阻傳感器磁阻效應(yīng)置于磁場中的載流金屬導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料，其電阻值隨磁場變化的現(xiàn)象，稱為磁致電阻變化效應(yīng)，簡稱為磁阻效應(yīng)。利用磁阻效應(yīng)制成的元件稱為磁敏電阻，也稱MR元件。磁阻效應(yīng)與材料性質(zhì)、幾何形狀等因素有關(guān)。式中，

B——為磁感應(yīng)強(qiáng)度；ρ——材料在磁感應(yīng)強(qiáng)度為B時(shí)的電阻率；

ρ0——材料在磁感應(yīng)強(qiáng)度為0時(shí)的電阻率；

μ——載流子的遷移率；K——比例系數(shù)；L、W——磁敏電阻的長(沿電流方向)和寬；f(L/W)——磁敏電阻的形狀效應(yīng)系數(shù)。第八十頁，共一百八十四頁，2022年，8月28日磁阻傳感器磁阻元件的主要特性靈敏度特性

K＝RB/R0磁場-電阻特性磁敏電阻磁場-電阻特性第八十一頁，共一百八十四頁，2022年，8月28日磁阻傳感器電阻-溫度特性磁敏電阻的電阻-溫度特性標(biāo)稱阻值和額定功率

電阻值通常為50～500，額定功率在環(huán)境溫度低于80℃時(shí)一般為幾毫瓦頻率特性

工作頻率范圍通常在1MHz～10MHz第八十二頁，共一百八十四頁，2022年，8月28日磁阻傳感器磁敏電阻的應(yīng)用磁敏電阻組成的無觸點(diǎn)開關(guān)電路第八十三頁，共一百八十四頁，2022年，8月28日電場測量探頭第八十四頁，共一百八十四頁，2022年，8月28日電場測量探頭電場強(qiáng)度儀一般由探頭或傳感器、模擬或數(shù)字顯示的信號(hào)處理電路組成的檢測器以及探頭到檢測器的信號(hào)傳輸通道（導(dǎo)線或光纖等）三部分組成電場強(qiáng)度測量探頭按工作原理分為3大類：懸浮體型；地參考型和光電型懸浮體型探頭懸浮體場強(qiáng)儀探頭第八十五頁，共一百八十四頁，2022年，8月28日電場測量探頭地參考場強(qiáng)儀地參考型探頭第八十六頁，共一百八十四頁，2022年，8月28日電場測量探頭光電場強(qiáng)儀光電探頭第八十七頁，共一百八十四頁，2022年，8月28日電渦流傳感器第八十八頁，共一百八十四頁，2022年，8月28日電渦流傳感器工作原理調(diào)理電路應(yīng)用舉例第八十九頁，共一百八十四頁，2022年，8月28日工作原理

金屬導(dǎo)體置于變化著的磁場中，導(dǎo)體內(nèi)就會(huì)產(chǎn)生漩渦狀感應(yīng)電流，稱之為電渦流或渦流。這種現(xiàn)象稱為渦流效應(yīng)。電渦流式傳感器是一種建立在渦流效應(yīng)原理上的傳感器，可以對表面為金屬導(dǎo)體的物體實(shí)現(xiàn)多種物理量的非接觸測量，如位移、振動(dòng)、厚度、轉(zhuǎn)速、應(yīng)力、硬度等。這種傳感器可用于無損探傷。

第九十頁，共一百八十四頁，2022年，8月28日工作原理

將一個(gè)通以正弦交變電流I1，頻率為f，外半徑為r的扁平線圈置于金屬導(dǎo)體附近，則線圈周圍空間將產(chǎn)生一個(gè)正弦交變磁場H1，使金屬導(dǎo)體中感應(yīng)電渦流I2，I2又產(chǎn)生一個(gè)與H1方向相反的交變磁場H2，如圖所示。根據(jù)愣次定律，H2的反作用必然削弱線圈的磁場H1。由于磁場H2的作用，渦流要消耗一部分能量，導(dǎo)致傳感器線圈的等效阻抗發(fā)生變化。線圈阻抗的變化取決于被測金屬導(dǎo)體的電渦流效應(yīng)。電渦流效應(yīng)既與被測體的電阻率ρ

、磁導(dǎo)率μ以及幾何形狀有關(guān)，還與線圈的幾何參數(shù)、線圈中激磁電流頻率f有關(guān)，同時(shí)還與線圈與導(dǎo)體間的距離x有關(guān)。電渦流作用原理第九十一頁，共一百八十四頁，2022年，8月28日工作原理

【例】被測材料不變，電流頻率不變，阻抗Z為距離x的單值函數(shù)，可制成電渦流距離傳感器。傳感器線圈受電渦流影響時(shí)的等效阻抗Z的函數(shù)關(guān)系式為：

Z=f(ρ,μ,f,x)

測量原理：如果保持上式中其他參數(shù)不變，而只使其中一個(gè)參數(shù)發(fā)生變化，則傳感器線圈的阻抗Z就僅僅是這個(gè)參數(shù)的單值函數(shù)。通過與傳感器配用的測量電路測出阻抗Z的變化量，即可實(shí)現(xiàn)對該參數(shù)的測量。第九十二頁，共一百八十四頁，2022年，8月28日工作原理

為了說明傳感器的工作原理與基本特性，一般采用如圖示的電渦流傳感器的簡化模型。在簡化模型中，假定電渦流僅分布在環(huán)體之內(nèi)，并且把在被測金屬導(dǎo)體上形成的電渦流等效為一個(gè)短路環(huán)。第九十三頁，共一百八十四頁，2022年，8月28日工作原理式中ω——線圈激磁電流角頻率；

R1、L1——線圈電阻和電感；

L2——短路環(huán)等效電感；

R2——短路環(huán)等效電阻；

M——互感系數(shù)。解得等效阻抗Z的表達(dá)式為:第九十四頁，共一百八十四頁，2022年，8月28日Req——線圈受電渦流影響后的等效電阻:Leq——線圈受電渦流影響后的等效電感:線圈的等效品質(zhì)因數(shù)Q值為:工作原理

被測參數(shù)變化，既能引起線圈阻抗Z的變化，也能引起線圈電感L，電阻R和線圈品質(zhì)因數(shù)Q值的變化。所以選用Z，L、R、Q的任一參數(shù)，并將其轉(zhuǎn)化為電量，即可達(dá)到測量的目的。第九十五頁，共一百八十四頁，2022年，8月28日工作原理

M、R1，R2，L1，L2變化會(huì)引起等效Z，Q,L,R變化M與距離x相關(guān)，用于測量位移、振幅，厚度等。R1，R2與傳感線圈、金屬導(dǎo)體的電導(dǎo)率有關(guān)，且電導(dǎo)率是溫度函數(shù)。用于表面溫度,材質(zhì)判別等。L1，L2與金屬導(dǎo)體的磁導(dǎo)率有關(guān)。用于測量應(yīng)力、硬度。

第九十六頁，共一百八十四頁，2022年，8月28日電渦流傳感器的基本特性電渦流強(qiáng)度與距離的關(guān)系電渦流密度與距離曲線電渦流的軸向貫穿深度電渦流密度主要分布在表面附近，被測體電阻率越大，相對磁導(dǎo)率越小，以及傳感器線圈的激磁電流頻率越低，則電渦流貫穿深度越大

第九十七頁，共一百八十四頁，2022年，8月28日調(diào)理電路

由渦流式傳感器的工作原理可知，被測量數(shù)變化可以轉(zhuǎn)換成傳感器線圈的品質(zhì)因素Q、等效阻抗Z和等效電感L，電阻R的變化。調(diào)理電路的任務(wù)是把這些種參數(shù)轉(zhuǎn)換為電壓或電流輸出,主要類型包括：利用Q值的轉(zhuǎn)換電路使用較少。利用z的轉(zhuǎn)換電路一般用交流電橋，它屬于調(diào)幅電路。利用L的轉(zhuǎn)換電路一般用諧振電路，根據(jù)輸出是電壓幅值還是電壓頻率，諧振電路又分為調(diào)幅和調(diào)頻兩種。第九十八頁，共一百八十四頁，2022年，8月28日調(diào)理電路

1)電橋Z1，Z2為線圈阻抗，它們可以是差動(dòng)式傳感器的兩個(gè)線圈阻抗，也可以一個(gè)是傳感器線圈，另一個(gè)是平衡用的固定線圈。它們與電容C1，C2，電阻R1，R2組成電橋的四個(gè)臂。電源u由振蕩器供給，振蕩頻率根據(jù)渦流式傳感器的需求選擇。電橋?qū)⒎从尘€圈阻抗的變化，把線圈阻抗變化轉(zhuǎn)換成電壓幅值的變化。渦流式傳感器電橋第九十九頁，共一百八十四頁，2022年，8月28日2)調(diào)幅式電路由傳感器線圈L、電容器C和石英晶體組成的石英晶體振蕩電路如圖所示。石英晶體振蕩器起恒流源的作用，給諧振回路提供一個(gè)頻率(f0)穩(wěn)定的激勵(lì)電流io，LC回路輸出電壓為：式中，Z為LC回路的阻抗。調(diào)幅式測量電路示意圖調(diào)理電路第一百頁，共一百八十四頁，2022年，8月28日3）調(diào)頻式電路傳感器線圈接入LC振蕩回路，當(dāng)傳感器與被測導(dǎo)體距離x改變時(shí)，在渦流影響下，傳感器的電感變化，將導(dǎo)致振蕩頻率的變化，該變化的頻率是距離x的函數(shù)，即f=L(x)，該頻率可由數(shù)字頻率計(jì)直接測量。調(diào)理電路振蕩頻率為：第一百零一頁，共一百八十四頁，2022年，8月28日電渦流式傳感器的應(yīng)用1)低頻透射式渦流厚度傳感器透射式渦流厚度傳感器的結(jié)構(gòu)原理如圖所示。在被測金屬板的上方設(shè)有發(fā)射傳感器線圈L1，在被測金屬板下方設(shè)有接收傳感器線圈L2。當(dāng)在L1上加低頻電壓U1時(shí)，L1上產(chǎn)生交變磁通1，若兩線圈間無金屬板，則交變磁通直接耦合至L2中，L2產(chǎn)生感應(yīng)電壓U2。如果將被測金屬板放入兩線圈之間，則L1線圈產(chǎn)生的磁場將導(dǎo)致在金屬板中產(chǎn)生電渦流，并將貫穿金屬板，此時(shí)磁場能量受到損耗，使到達(dá)L2的磁通將減弱為1，從而使L2產(chǎn)生的感應(yīng)電壓U2下降。金屬板越厚，渦流損失就越大，電壓U2就越小。因此，可根據(jù)U2電壓的大小得知被測金屬板的厚度。U2與金屬板厚度關(guān)系第一百零二頁，共一百八十四頁，2022年，8月28日電渦流式傳感器的應(yīng)用2)電渦流式轉(zhuǎn)速傳感器電渦流式轉(zhuǎn)速傳感器工作原理如圖所示。在軟磁材料制成的輸入軸上加工一鍵槽，在距輸入表面d0處設(shè)置電渦流傳感器，輸入軸與被測旋轉(zhuǎn)軸相連。電渦流式轉(zhuǎn)速傳感器工作原理圖第一百零三頁，共一百八十四頁，2022年，8月28日壓電式壓力傳感器第一百零四頁，共一百八十四頁，2022年，8月28日壓電式傳感器壓電效應(yīng)壓電材料壓電傳感器等效電路壓電傳感器調(diào)理電路壓電式傳感器的應(yīng)用第一百零五頁，共一百八十四頁，2022年，8月28日壓電式傳感器壓電式傳感器是一種有源的機(jī)電傳感器。它的工作原理是基于壓電材料的壓電效應(yīng)。第一百零六頁，共一百八十四頁，2022年，8月28日壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng):某些晶體或多晶陶瓷，當(dāng)沿著一定方向受到外力作用時(shí)，內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在某兩個(gè)表面上產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷；當(dāng)外力去掉后，又恢復(fù)到不帶電狀態(tài)；當(dāng)作用力方向改變時(shí)，電荷的極性也隨著改變；晶體受力所產(chǎn)生的電荷量與外力的大小成正比。逆壓電效應(yīng)對晶體施加一定電場，晶體本身將產(chǎn)生機(jī)械變形，外電場撤離，變形也隨著消失。第一百零七頁，共一百八十四頁，2022年，8月28日壓電效應(yīng)壓電式傳感器大都是利用壓電材料的壓電效應(yīng)制成的。壓電轉(zhuǎn)換元件受力變形的狀態(tài)可分為圖示的幾種基本形式。第一百零八頁，共一百八十四頁，2022年，8月28日壓電材料

選用合適的壓電材料是設(shè)計(jì)高性能傳感器的關(guān)鍵。一般應(yīng)考慮以下幾個(gè)方面：①轉(zhuǎn)換性能：具有較高的耦合系數(shù)或具有較大的壓電常數(shù)；②機(jī)械性能：壓電元件作為受力元件，希望它的機(jī)械強(qiáng)度高、機(jī)械剛度大。以期獲得寬的線性范圍和高的固有振動(dòng)頻率；③電性能：希望具有高的電阻率和大的介電常數(shù)，以期望減弱外部分布電容的影響并獲得良好的低頻特性；④溫度和濕度穩(wěn)定性要好：具有較高的居里點(diǎn)、以期望得到寬的工作溫度范圍；⑤時(shí)間穩(wěn)定性：壓電特性不隨時(shí)間蛻變。第一百零九頁，共一百八十四頁，2022年，8月28日壓電材料常用壓電材料可以分為三類：

壓電晶體（石英晶體SiO2

）壓電陶瓷（鈦酸鋇(BaTiO3)、鋯鈦酸鉛(PZT)、鈮鎂酸鉛（Pb[MgNb]O3

）高分子壓電材料（如聚二氟乙烯(PVF2)和聚氯乙烯(PVC)第一百一十頁，共一百八十四頁，2022年，8月28日

石英晶體化學(xué)式為SiO2，是單晶體結(jié)構(gòu)。圖中表示了天然結(jié)構(gòu)的石英晶體外形，它是一個(gè)正六面體。石英晶體各個(gè)方向的特性是不同的。其中縱向軸z稱為光軸，經(jīng)過六面體棱線并垂直于光軸的x稱為電軸，與x和z軸同時(shí)垂直的軸y稱為機(jī)械軸。通常把沿電軸x方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為“縱向壓電效應(yīng)”，而把沿機(jī)械軸y方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為“橫向壓電效應(yīng)”。而沿光軸z方向的力作用時(shí)不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。石英晶體第一百一十一頁，共一百八十四頁，2022年，8月28日石英晶體如圖示，石英晶體是規(guī)則的六角棱柱體。有三個(gè)晶軸：Z軸：又稱光軸，與晶體的縱軸線方向一致；X軸：又稱電軸，它通過六面體相對的兩個(gè)棱線并垂直于光軸；Y軸：又稱機(jī)械軸，它垂直于兩個(gè)相對的晶軸棱面。(a)晶體外形(b)切割方向(c)晶片石英晶體第一百一十二頁，共一百八十四頁，2022年，8月28日石英晶體(a)不受力時(shí)(b)x軸方向受力(c)y軸方向受力石英晶體壓電模型第一百一十三頁，共一百八十四頁，2022年，8月28日石英晶體若從晶體上沿y方向切下一塊如圖所示的晶片，當(dāng)沿電軸方向施加作用力Fx時(shí)，則在與電軸x垂直的平面上將產(chǎn)生電荷，其大小為：d11——x方向受力的壓電系數(shù)。若在同一切片上，沿機(jī)械軸y方向施加作用力Fy，則仍在與x軸垂直的平面上產(chǎn)生電荷qy，其大小為d12——y軸方向受力的壓電系數(shù)，根據(jù)石英晶體的對稱性，有d12=-d11；a、b——晶體切片的長度和厚度。電荷qx和qy的符號(hào)由受壓力還是受拉力決定。第一百一十四頁，共一百八十四頁，2022年，8月28日壓電陶瓷壓電陶瓷在極化面上受到垂直于它的作用力時(shí)，則在兩個(gè)極化面上分別出現(xiàn)正負(fù)電荷。電荷量的大小與外力成如下的正比關(guān)系：d33——壓電陶瓷的壓電系數(shù)F——作用力壓電陶瓷是人工制造的多晶體壓電材料。未經(jīng)過極化處理的陶瓷材料不具有壓電效應(yīng)，極化處理后陶瓷材料所有電疇極化方向都整齊地與外電場方向一致，具有很高的壓電系數(shù)。第一百一十五頁，共一百八十四頁，2022年，8月28日圖5壓電元件連接方式(a)相同極性端粘結(jié)；(b)不同極性端粘結(jié)單片壓電元件產(chǎn)生的電荷量甚微，為了提高壓電傳感器的輸出靈敏度，在實(shí)際應(yīng)用中常采用兩片（或兩片以上）同型號(hào)的壓電元件粘結(jié)在一起。第一百一十六頁，共一百八十四頁，2022年，8月28日等效電路壓電式傳感器的基本原理就是利用壓電材料的壓電效應(yīng)這個(gè)特性，即當(dāng)有力作用在壓電材料上時(shí)，傳感器就有電荷(或電壓)輸出壓電式傳感器對被測量的變化是通過其壓電元件產(chǎn)生電荷量的大小來反映的，因此它相當(dāng)于一個(gè)電荷源。壓電元件電極表面聚集電荷時(shí)，它又相當(dāng)于一個(gè)以壓電材料為電介質(zhì)的電容器，其電容量為：

式中s--極板面積εr--壓電材料相對介電常數(shù)

0--真空介電常數(shù)δ--壓電元件厚度第一百一十七頁，共一百八十四頁，2022年，8月28日等效電路當(dāng)壓電元件受外力作用時(shí)，兩表面產(chǎn)生等量的正、負(fù)電荷Q，壓電元件的開路電壓(認(rèn)為其負(fù)載電阻為無窮大)U為

這樣，可以把壓電元件等效為一個(gè)電壓源U和一個(gè)電容器Ca串聯(lián)的等效電路；同時(shí)也等效為一個(gè)電荷源Q和一個(gè)電容器Ca并聯(lián)的等效電路。同時(shí)還需考慮壓電傳感器自身的泄漏電阻Ra。(a)電壓源模型(b)電荷源模型壓電元件的等效電路第一百一十八頁，共一百八十四頁，2022年，8月28日等效電路

當(dāng)壓電傳感器接入測量儀器或測量電路后，必須需考慮連接電纜的寄生等效電容Cc，后續(xù)測量電路的輸入電容Ci以及后續(xù)電路(如放大器)的輸入電阻Ri。所以，實(shí)際壓電傳感器在測量系統(tǒng)中的等效電路如圖所示。第一百一十九頁，共一百八十四頁，2022年，8月28日

【問題】根據(jù)壓電元件的工作原理及上節(jié)所述等效電路，分析壓電式傳感器是否適合靜態(tài)力的測量？由于外力作用而在壓電材料上產(chǎn)生的電荷只有在無泄漏的情況下才能保存，即需要測量回路具有無限大的輸入阻抗，這實(shí)際上是不可能的，因此壓電式傳感器不能用于靜態(tài)測量。壓電材料在交變力的作用下，電荷可以不斷補(bǔ)充，以供給測量回路一定的電流，故適用于動(dòng)態(tài)測量。

等效電路第一百二十頁，共一百八十四頁，2022年，8月28日圖4-98 壓電傳感器的頻率響應(yīng)曲線a）直流或靜態(tài)被測量 b）低頻被測量 c）高頻被測量

由此可見，壓電傳感器不能測量直流或靜態(tài)的物理量，只能測量具有一定頻率的物理量，這說明壓電傳感器的低頻響應(yīng)較差，而高頻響應(yīng)相當(dāng)好，適用于測量高頻物理量。第一百二十一頁，共一百八十四頁，2022年，8月28日壓電傳感器調(diào)理電路

壓電傳感器的特點(diǎn)：內(nèi)阻抗很高；輸出的信號(hào)非常微弱對調(diào)理電路的要求：前級(jí)輸入端要防止電荷迅速泄漏，減小測量誤差。前置放大器的作用：將壓電式傳感器的高輸出阻抗經(jīng)放大器變換為低阻抗輸出，并將微弱的信號(hào)進(jìn)行放大．第一百二十二頁，共一百八十四頁，2022年，8月28日電壓放大器（阻抗變換器）電壓放大器電路原理第一百二十三頁，共一百八十四頁，2022年，8月28日電壓放大器（阻抗變換器）

高輸入阻抗的電壓放大器具有很高輸入阻抗，可以將壓電式傳感器的高輸出阻抗經(jīng)放大器變換為低阻抗輸出，并將微弱的電壓信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)放大．因此也把這種測量電路稱為阻抗變換器。存在的問題

輸出電壓與電容C=Ca+Ci+Cc密切相關(guān)，雖然Ca和Ci都很小，但Cc會(huì)隨連接電纜的長度與形狀而變化，從而會(huì)給測量帶來不穩(wěn)定因素，影響傳感器的靈敏度。放大器的輸出電壓與連接傳感器與前置放大器的電纜長度有關(guān)。第一百二十四頁，共一百八十四頁，2022年，8月28日壓電傳感器調(diào)理電路電荷放大器由于電壓放大器使所配接的壓電式傳感器的靈敏度將隨電纜分布電容及傳感器自身電容的變化而變化，而且電纜的更換將引起重新標(biāo)定的麻煩，為此又發(fā)展了便于遠(yuǎn)距離測量的電荷放大器。電荷放大器由一個(gè)帶有反饋電容Cf的高增益運(yùn)算放大器構(gòu)成.第一百二十五頁，共一百八十四頁，2022年，8月28日電荷放大器由于傳感器的漏電阻Ra和放大器的輸入電阻Ri很大，可以看作開路，而運(yùn)算放大器輸入阻抗極高，在其輸入端幾乎沒有分流，故可略去Ra和Ri并聯(lián)電阻，等效電路如圖所示。電荷放大器等效電路第一百二十六頁，共一百八十四頁，2022年，8月28日電荷放大器、如果忽略所有電阻的影響，則放大器輸入端的電荷量為:式中，A—開環(huán)放大系數(shù)第一百二十七頁，共一百八十四頁，2022年，8月28日電荷放大器所以放大器輸出電壓：結(jié)論：由于引入電容負(fù)反饋，電荷放大器的輸出電壓Uo僅取決于輸入電荷與反饋電容Cf，電纜電容Cc等其它因素的影響可以忽略不計(jì)，且與電荷Q成正比，這是電荷放大器的最大特點(diǎn)。第一百二十八頁，共一百八十四頁，2022年，8月28日壓電傳感器調(diào)理電路

為了得到必要的測量精度，要求反饋電容Cf的溫度和時(shí)間穩(wěn)定性都很好。在實(shí)際電路中，考慮到不同的量程等因素，Cf的容量做成可選擇的，范圍一般為102pF~104pF。Cf越小，放大器靈敏度越高。電荷放大器的靈敏度第一百二十九頁，共一百八十四頁，2022年，8月28日壓電傳感器調(diào)理電路

為了放大器的工作穩(wěn)定，減小零漂，在反饋電容Cf兩端并聯(lián)了一反饋電阻，形成直流負(fù)反饋，用于穩(wěn)定放大器的直流工作點(diǎn)。第一百三十頁，共一百八十四頁，2022年，8月28日壓電式傳感器的應(yīng)用壓電元件是一種典型的力敏感元件?？捎脕頊y量最終能轉(zhuǎn)換為力的多種物理量。壓電傳感器具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、高頻特性好、靈敏度和信躁比高等特點(diǎn)。因此被廣泛應(yīng)用于電子、通信、航空、運(yùn)輸、工農(nóng)業(yè)以及醫(yī)學(xué)等部門，在檢測技術(shù)中，常用來測量動(dòng)態(tài)力和加速度（振動(dòng)）。

第一百三十一頁，共一百八十四頁，2022年，8月28日壓電式壓力傳感器壓電式測壓力傳感器引線殼體基座壓電晶片受壓膜片導(dǎo)電片p第一百三十二頁，共一百八十四頁，2022年，8月28日下圖是一種壓電式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)圖。它主要由壓電元件、質(zhì)量塊、預(yù)壓彈簧、基座及外殼等組成。整個(gè)部件裝在外殼內(nèi)，并由螺栓加以固定。

壓電式加速度傳感器第一百三十三頁，共一百八十四頁，2022年，8月28日光電傳感器第一百三十四頁，共一百八十四頁，2022年，8月28日光電效應(yīng)一．光電效應(yīng)光電效應(yīng)就是指一束光線照射到物質(zhì)上時(shí)，物質(zhì)的電子吸收了光子的能量而發(fā)生了相應(yīng)的電效應(yīng)現(xiàn)象。那么，產(chǎn)生光電效應(yīng)的這種物質(zhì)就叫光電材料。根據(jù)光電效應(yīng)現(xiàn)象的不同特征，可將光電效應(yīng)分為三類:(1)外光電效應(yīng)：在光線照射下，使電子從物體表面逸出的現(xiàn)象。如光電管、光電倍增管等。(2)內(nèi)光電效應(yīng)：在光線照射下，使物體的電阻率發(fā)生改變的現(xiàn)象。如光敏電阻等。(3)光生伏特效應(yīng)：在光線照射下，使物體產(chǎn)生一定方向的電動(dòng)勢的現(xiàn)象。如光敏二極管、光敏三極管、光電池等。第一百三十五頁，共一百八十四頁，2022年，8月28日光敏電阻光照射在光敏電阻上，導(dǎo)電性能增加，電阻值下降。光敏電阻工作原理圖第一百三十六頁，共一百八十四頁，2022年，8月28日

(a)結(jié)構(gòu)(b)工作原理光敏二極管的工作原理和結(jié)構(gòu)

光敏二極管是基于半導(dǎo)體光生伏特效應(yīng)的原理制成的光電器件。光敏二極管工作時(shí)外加反向工作電壓，在沒有光照射時(shí)，反向電阻很大，反向電流很小，此時(shí)光敏二極管處于截止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)有光照射時(shí)，在PN結(jié)附近產(chǎn)生光生電子和空穴對，從而形成由N區(qū)指向P區(qū)的光電流，此時(shí)光敏二極管處于導(dǎo)通狀態(tài)。光敏二極管工作原理與結(jié)構(gòu)第一百三十七頁，共一百八十四頁，2022年，8月28日光敏三極管工作原理與結(jié)構(gòu)

工作原理：

當(dāng)光照射在基極-集電結(jié)上時(shí)，就會(huì)在集電結(jié)附近產(chǎn)生光生電子-空穴對，從而形成基極光電流。集電極電流是基極光電流的β倍。這一過程與普通三極管放大基極電流的作用很相似，所以光敏三極管放大了基極光電流，它的靈敏度比光敏二極管高出許多。(a)結(jié)構(gòu)(b)工作原理光敏三極管的工作原理和結(jié)構(gòu)第一百三十八頁，共一百八十四頁，2022年，8月28日

光電耦合器隔離輸入級(jí)與后級(jí)電路，同時(shí)提高傳感器的抗干擾能力。圖4-116工作原理與輸入輸出特性a）工作原理b）輸入輸出特性c）同相輸出光電耦合器第一百三十九頁，共一百八十四頁，2022年，8月28日光電信號(hào)的檢測方法圖4-117光電信號(hào)的檢測方法a）透射法b）反射法c）輻射法d）遮擋法第一百四十頁，共一百八十四頁，2022年，8月28日數(shù)字式轉(zhuǎn)速測量傳感器兩種常用的數(shù)字式測速傳感器原理及其調(diào)理電路反射式光電開關(guān)傳感器脈沖盤式編碼器（增量編碼器）第一百四十一頁，共一百八十四頁，2022年，8月28日反射式光電開關(guān)傳感器

工作原理

反射式光電開關(guān)傳感器輸出示意圖在紅外發(fā)光二極管A、K兩端加固定電壓E，并串入限流電阻Ra，使紅外二極管發(fā)光，發(fā)光經(jīng)反射面（一般為鋁箔）反射到硅光敏三極管使得Uo輸出為低電平。當(dāng)反射面被涂成黑色而無反射時(shí)，Uo輸出為高電平。

第一百四十二頁，共一百八十四頁，2022年，8月28日應(yīng)用舉例：簡易電機(jī)轉(zhuǎn)速測量轉(zhuǎn)速測量原理圖在電機(jī)軸盤上貼一片鋁箔紙作為反射面，并將反射式光電開關(guān)傳感器對準(zhǔn)軸盤。對于傳感器A，其發(fā)光二極管發(fā)出恒定光，由于電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)經(jīng)過鋁箔紙反射面時(shí)有反射光，使得該傳感器的輸出U0為低電平，而經(jīng)過其余部分時(shí)無反射光，使得輸出U0為高電平。電機(jī)高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，輸出U0則為一系列脈沖。通過系統(tǒng)的計(jì)數(shù)器定時(shí)收集便可獲得與轉(zhuǎn)速成正比的輸出。第一百四十三頁，共一百八十四頁，2022年，8月28日雙傳感器轉(zhuǎn)速測量原理圖

RS觸發(fā)器消除電機(jī)抖動(dòng)引起的測速誤差觸發(fā)器真值表R(B)S(A)Q00不定

01010111不變安裝時(shí)傳感器A和B應(yīng)保持與軸心等距離且弧度距大于鋁箔反射面寬度，這樣可保證兩傳感器的輸出不同時(shí)為0。第一百四十四頁，共一百八十四頁，2022年，8月28日脈沖盤式編碼器（增量編碼器）結(jié)構(gòu)原理：

在圓盤上等角距地開有能透光的兩圈縫隙，內(nèi)縫隙A和外縫隙B相錯(cuò)半條縫，最外圈開有一個(gè)透光狹縫表示碼盤零位。在碼盤的一側(cè)裝有發(fā)光二極管，另一側(cè)裝有光敏三極管，碼盤通過轉(zhuǎn)動(dòng)軸連接，這樣當(dāng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，接受端可獲得A、B兩路脈沖信號(hào)。第一百四十五頁，共一百八十四頁，2022年，8月28日脈沖盤式編碼器原理圖編碼及辨向原理第一百四十六頁，共一百八十四頁，2022年，8月28日辨向原理

外縫隙B接至D觸發(fā)器的D端，內(nèi)縫隙A接到觸發(fā)器的CP端。當(dāng)B超前于A時(shí)，觸發(fā)器Q輸出為1，表示正轉(zhuǎn)，而A超前于B，觸發(fā)器輸出Q為0，表示反轉(zhuǎn)。A、B兩路信號(hào)相與后，經(jīng)適當(dāng)?shù)难訒r(shí)送入計(jì)數(shù)器。觸發(fā)器的輸出Q，可用來控制可逆計(jì)數(shù)器，即正轉(zhuǎn)時(shí)做加法計(jì)數(shù)，反轉(zhuǎn)時(shí)做減法計(jì)數(shù)。第一百四十七頁，共一百八十四頁，2022年，8月28日電容式傳感器第一百四十八頁，共一百八十四頁，2022年，8月28日工作原理及其特性測量電路應(yīng)用范圍第一百四十九頁，共一百八十四頁，2022年，8月28日工作原理

平板電容器原理下圖為平板電容器原理圖，若忽略其邊緣效應(yīng)，其電容量C為：+++dAd、A或ε發(fā)生變化時(shí)，都會(huì)引起電容的變化。改變極板面積的變面積式；改變極板距離的變間隙式；改變介電常數(shù)的變介電常數(shù)式。

第一百五十頁，共一百八十四頁，2022年，8月28日變氣隙式電容傳感器上圖中，設(shè)在被測量作用下，動(dòng)極板向上移動(dòng)Δd，其電容量增加，電容變化量為：式中，C0

為初始電容量。在

時(shí)，將上式展開成麥克勞林級(jí)數(shù)：

若動(dòng)極板向下位移Δd，同理可得：第一百五十一頁，共一百八十四頁，2022年，8月28日由上兩式可見，變氣隙式電容傳感器的特性是非線性的。若

，忽略高次方非線性，方可認(rèn)為其特性是線性的，即：

因此，可得其靈敏度為：

變氣隙式傳感器的特點(diǎn)是靈敏度高，但非線性嚴(yán)重，通常取0.1-0.2之間。變氣隙式電容傳感器第一百五十二頁，共一百八十四頁，2022年，8月28日變面積式電容傳感器角位移變面積型當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)片一個(gè)角度θ，遮蓋面積發(fā)生變化，電容量也隨之改變。當(dāng)θ=0時(shí)，其電容量為：

當(dāng)θ≠0時(shí)，

其靈敏度為：變面積式電容傳感器第一百五十三頁，共一百八十四頁，2022年，8月28日板狀線位移變面積型

見下圖b，當(dāng)動(dòng)板沿箭頭所示方向移動(dòng)x時(shí)，傳感器的電容量為：

其靈敏度為筒狀線位移變面積型

見圖c，當(dāng)動(dòng)板圓筒沿軸向移動(dòng)x時(shí)

其靈敏度為：第一百五十四頁，共一百八十四頁，2022年，8月28日變介電常數(shù)式電容傳感器當(dāng)電容極板之間的介電常數(shù)發(fā)生變化時(shí)，電容量也隨之發(fā)生變化，根據(jù)這一原理可構(gòu)成變介電常數(shù)式電容式傳感器?？捎靡詼y量物位，含水量及成分分析等。圖4-62為變介電常數(shù)式電容液位傳感器原理圖。當(dāng)被測液面在同心圓筒間變化時(shí)，傳感器電容隨之變化，其容量為：圖4-62電容式液位傳感器原理圖第一百五十五頁，共一百八十四頁，2022年，8月28日差動(dòng)電容傳感器上述變氣隙式、變面積式和變介電常數(shù)式三種電容傳感器均可制成差動(dòng)電容傳感器。由于變氣隙式電容傳感器的非線性嚴(yán)重，實(shí)際上是很少使用的，通常制成差動(dòng)型式，其結(jié)構(gòu)見下圖。差動(dòng)電容傳感器的輸出電容變化量

，得：變氣隙式差動(dòng)電容傳感器原理

由上式可見，變氣隙式差動(dòng)電容傳感器僅含奇次方的非線性，因此其線性度得到很大程度的改善。第一百五十六頁，共一百八十四頁，2022年，8月28日測量電路電橋電路電容式傳感器常用交流電橋和變壓器電橋作為測量電路。例4-6圖4-64是電容式自動(dòng)平衡液位測量儀原理框圖，試求指針偏轉(zhuǎn)角θ與液位h的表達(dá)式。圖4-64電容式自動(dòng)平衡液位測量儀原理框圖第一百五十七頁，共一百八十四頁，2022年，8月28日解：由圖可見，當(dāng)h=0時(shí)，CX=CX0=C0，且電位器RP（阻值RP）的電刷在O點(diǎn)，即R=0，此時(shí)電橋應(yīng)平衡，電橋輸出電壓Uac=0，則

當(dāng)液位為h時(shí)，CX=CX0+ΔC，ΔC=k1h，k1為電容傳感器的靈敏度。此時(shí)Uac≠0，經(jīng)放大后，使單相電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，經(jīng)減速后帶動(dòng)指針轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)帶動(dòng)電位器的電刷移動(dòng)，直到Uac=0，系統(tǒng)重新平衡為止，此時(shí)聯(lián)立求解上面兩式得：第一百五十八頁，共一百八十四頁，2022年，8月28日由于指針轉(zhuǎn)角θ與電位器電刷同軸相連，它們間的關(guān)系為：

θ=k2R 因此

其中，k2為比例系數(shù)可見，指針偏轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)角θ與液位高度h成比例。第一百五十九頁，共一百八十四頁，2022年，8月28日調(diào)頻電路將電容式傳感器的電容接入LC高頻振蕩電路，將電容的變化轉(zhuǎn)換成振蕩頻率受傳感器電容的調(diào)制