合工大傳感器原理及應用

課程內(nèi)容回顧-I吳喆wanlingren@163.com2015年6月5日Principleandapplicationofsensor1.1傳感器分類☆按被測物理量分類測量位移：電容傳感器，電感傳感器,霍爾傳感器，光電開關，角編碼器，光柵，容柵。。。測量線速度/角速度：超聲波傳感器，電渦流傳感器，霍爾傳感器，光電開關，角編碼器。。。測量加速度：電容傳感器，壓電傳感器。。。測量質量：應變片傳感器，電容式傳感器，電感式傳感器。。。測量流量：超聲波傳感器，霍爾傳感器，電容傳感器。。。測量磁通量：電感式傳感器，霍爾傳感器。。。測量溫度：熱敏電阻，熱電偶，光電池。。。。。。。。。第一章：檢測技術的基本概念1靈敏度靈敏度是指傳感器或檢測系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)下輸出量變化和引起此變化的輸入量變化的比值。它是輸入與輸出特性曲線的斜率，如右圖所示，可表示為：

線性傳感器的靈敏度為常數(shù)；非線性傳感器的靈敏度隨輸入量的變化而變化。輸出曲線看，曲線越陡，靈敏度越高1.2傳感器的特性參數(shù)xyx1ΔxΔy0切點xmax作圖法求靈敏度2分辨力

指傳感器能檢出被測信號的最小變化量。當被測量的變化小于分辨力時，傳感器對輸入量的變化無任何反應。對數(shù)字儀表而言，如果沒有其他附加說明，可以認為該表的最后一位所表示的數(shù)值就是它的分辨力。一般地說，分辨力的數(shù)值小于儀表的最大絕對誤差。右表的分辨力為多少？分辨率：將分辨力除以儀表的滿量程就是儀表的分辨率，分辨率常以百分比或幾分之一表示，是量綱為1的數(shù)。右表的滿量程為99.9A，問：該表的分辨力、分辨率為多少？解：分辨力=0.1A分辨率=0.1A÷99.9≈0.1%1.3測量誤差表示方法及數(shù)據(jù)處理

絕對誤差：被測量值Ax與真值A0之間總是存在著一個差值，這種差值稱為絕對誤差，用Δ表示：Δ=Ax－Ａ0

真值有理論真值、約定真值、相對真值之分。準確度高2級以上的儀表的誤差與準確度低的儀表的誤差相比，則高一級儀表的測量值可以認為是相對真值。

某采購員分別在三家商店購買100kg大米、10kg蘋果、1kg巧克力，發(fā)現(xiàn)均缺少約0.5kg（絕對誤差相同），但該采購員對賣巧克力的商店意見最大，是何原因？

相對誤差及準確度等級

示值相對誤差：引用誤差γm（也稱滿度相對誤差）：

準確度等級S

我國的工業(yè)模擬儀表有下列常用的7種等級：

0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5.0。（Δm為最大絕對誤差）例某壓力表準確度為2.5級,量程為0～1.5MPa，求:1）可能出現(xiàn)的最大滿度相對誤差γm。2）可能出現(xiàn)的最大絕對誤差Δm為多少千帕？3）測量結果顯示為0.70MPa時，可能出現(xiàn)的最大示值相對誤差γx。解:1）可能出現(xiàn)的最大滿度相對誤差可以從準確度等級直接得到，即γm＝±25%。2）Δm＝γmAm＝±25％1.5MPa

＝±0.0375MPa＝±37.5kPa3）測量誤差的分類

靜態(tài)誤差（粗大誤差，系統(tǒng)誤差，隨機誤差）

1.粗大誤差超出在規(guī)定條件下預計的誤差，或明顯偏離真值的誤差稱為粗大誤差，也叫過失誤差、疏忽誤差或粗差。粗大誤差主要是由于測量人員的粗心大意及電子測量儀器受到突然而強大的干擾所引起的。如測錯、讀錯、記錯、外界過電壓尖峰干擾等造成的誤差。就數(shù)值大小而言，粗大誤差明顯超過正常條件下的誤差。當發(fā)現(xiàn)粗大誤差時，應予以剔除。

真值：5測量值：5，5.5，5，6，15，5，6，5比如：羅納爾多射門打飛了

在重復性條件下，對同一被測量進行無限多次測量所得結果的平均值與被測量的真值之差，稱為系統(tǒng)誤差。凡誤差的數(shù)值固定或按一定規(guī)律變化者，多屬于系統(tǒng)誤差。系統(tǒng)誤差是有規(guī)律性的,因此可以通過實驗的方法或引入修正值的方法計算修正,也可以重新調整測量儀表的有關部件予以消除。2.系統(tǒng)誤差：

真值：

5測量值：8，8.5，8，9，8.5，8，9，8

均值8.375，系統(tǒng)誤差為3.375比如：球門框的位置被移動了3.隨機誤差

在同一條件下，多次測量同一被測量，有時會發(fā)現(xiàn)測量值時大時小，誤差的絕對值及正、負以不可預見的方式變化，該誤差稱為隨機誤差。

存在隨機誤差的測量結果中，雖然單個測量值誤差的出現(xiàn)是隨機的，既不能用實驗的方法消除，也不能修正，但是就誤差的整體而言，多數(shù)隨機誤差都服從正態(tài)分布規(guī)律。測量值的隨機誤差=測量結果－算術平均值

真值：5測量值：5.5，4.5，4.5，5，6，4.5，5，6

均值5.125，系統(tǒng)誤差為0.125比如：每次射門的進球位置會有變化1－拉伸前2－拉伸后電阻絲受拉后，長度增加，直徑變小，電阻變大。第二章：電阻傳感器1.應變片式傳感器金屬絲受拉后的電阻變化

設有一長度為l、截面積為A、半徑為r、電阻率為的金屬單絲，它的電阻值R及相對變化可表示為

當沿金屬絲的長度方向作用均勻拉力（或壓力）時,上式中、r、l都將發(fā)生變化，從而導致電阻值R發(fā)生變化。當金屬絲受拉時,l將增加、r變小，均導致R變大。電阻相對變化量與力的關系

電阻絲的電阻相對變化量R/R，與材料力學中的軸向應變x的關系在很大范圍內(nèi)是線性的，即x

=F/(AE），設K為靈敏度，金屬材料的面積為A，彈性模量為E，則

R/R又可表示為

對于金屬材料，K值一般為2左右。非平衡電橋的結構非平衡電橋由四個電阻R1、R2、R3、R4組成一個四邊形的回路，每一邊稱作電橋的“橋臂”。有4個結點a、b、c、d。在a、c結點之間接入電源Ui，而另一對結點（b、d）之間的電壓差作為輸出電壓Uo端。b、d點對負極（a點）的電壓相等時稱作“電橋平衡”；反之，稱作“電橋不平衡”。電橋平衡的條件是：上下兩個橋臂的左右橋臂的電阻比例相等。即：R1/R2=R4/R3

或R1?R3=R4?R2非平衡電橋可以分為單臂、雙臂、全橋單臂半橋:四個橋臂中，只有一個電阻的電阻可變，R2為應變片，

R3、R4為固定電阻（低溫漂的錳合金電阻）橋路的輸出電壓為：單臂半橋的靈敏度最低，溫漂最大。非平衡電橋的輸出電壓

若橋路的4個橋臂相鄰電阻的電阻值變化趨勢相同，橋路的輸出電壓為零。若相鄰電阻的電阻值變化趨勢相反，橋路就產(chǎn)生輸出電壓：四臂全橋全橋的四個橋臂都為應變片，如果設法使試件受力后，應變片R1~R4產(chǎn)生的電阻增量（或感受到的應變1~4）正負號相間，就可以使輸出電壓Uo成倍地增大。輸出電壓：全橋的溫度自補償原理當環(huán)境溫度升高時，四個橋臂上的應變片溫度同時升高，假設溫度引起的電阻值漂移數(shù)值一致，就可以相互抵消，所以全橋能實現(xiàn)溫度自補償：應變片的結構

1－引出線2－覆蓋層3－基底4－電阻絲l：應變片的工作基長，b：應變片基寬，b×l：應變片的有效使用面積。金屬絲式應變片的結構管樁材料的受壓應變測量預應力管樁的受力預測：工作人員正在貼應變片

應變片粘貼在管樁上，四片應變片可組成全橋應變式荷重傳感器的外形及應變片的粘貼位置FR1R2R4金屬熱電阻的正溫度系數(shù)溫度升高，金屬內(nèi)部原子晶格的振動加劇，從而使金屬內(nèi)部的自由電子通過金屬導體時的阻礙增大，宏觀上表現(xiàn)出電阻率變大，電阻值增加，稱其為正溫度系數(shù)，即電阻值與溫度的變化趨勢相同。

2.金屬熱電阻金屬絲電阻隨溫度增高而變大的演示

取一只100W/220V燈泡，用萬用表測量其電阻值，可以發(fā)現(xiàn)其冷態(tài)阻值只有幾十歐姆，而計算得到的額定熱態(tài)電阻值應為484Ω。請說明鎢絲的溫度系數(shù)的正負。易提純、復現(xiàn)性好的金屬材料才可用于制作熱電阻

制作熱電阻的材料必須具有電阻溫度系數(shù)大、線性好、性能穩(wěn)定、一致性好、使用溫度范圍寬、加工容易等特點。（）金屬熱電阻材料的主要技術性能

熱電阻的阻值Rt與溫度t的關系表達式Rt

=R0(1+At+Bt

2+Ct

3+Dt

4)式中Rt——熱電阻在t時的電阻值；R0——熱電阻在0℃時的電阻值；A、B、C、D——溫度系數(shù)熱電阻的阻值Rt與t之間并不完全呈線性關系。在規(guī)定的測溫范圍內(nèi)，根據(jù)國際電工委員會（IEC）頒布的分度表數(shù)值，列出每隔1℃的Rt電阻值，這種表格稱為熱電阻分度表，見附錄C。在工程中，若不考慮線性度誤差的影響，有時也可以利用溫度系數(shù)α來近似計算熱電阻的阻值Rt。即：Rt=R0(1+αt）。鉑熱電阻分度表被測物體位移等的變化轉換為線圈電感量的變化，再將電感量的變化轉換為電流、電壓或者頻率的變化，實現(xiàn)非電量到電量的轉換。電感傳感器可分為自感式和互感式兩大類。電感式傳感器通常是指自感傳感器。自感系數(shù)常用L來表示，簡稱自感或電感。自感的單位是亨利,簡稱亨,符號是H。常用的較小的單位有毫亨(mH)和微亨(μH)。自感傳感器的數(shù)值多為mH數(shù)量級。

鐵心I鐵心I銜鐵測桿被測物變間隙式自感傳感器第三章：電感傳感器1-線圈繞組2-鐵心3-銜鐵變間隙式電感傳感器的特性近似雙曲線其靈敏度為：氣隙越小，靈敏度越高，因此適合小量程位移的測量。螺線管式電感傳感器螺線管是具有多重卷繞的導線，卷繞內(nèi)部可以是空心的，或者有一個磁芯。當有電流通過導線時，螺線管中間部位會產(chǎn)生比較均勻的磁場。作為傳感器，螺線管電感傳感器的主要元器件是一只螺線管和一根可移動的圓柱形銜鐵。銜鐵插入繞組后，將引起螺線管內(nèi)部的磁阻的減小，電感隨插入的深度而增大。L空心螺線管x螺線管越長，線性區(qū)就越大。螺線管式電感傳感器的線性區(qū)約為螺線管長度的1/10。當銜鐵偏離中間位置時，兩個繞組的電感一個增加,一個減小,形成差動形式。

差動電感傳感器a)變隙式差動傳感器b)螺線管差動傳感器1－上差動繞組2－鐵心3－銜鐵4－下差動繞組5－測桿6－工件7－基座電感傳感器的交流電橋

銜鐵上移：銜鐵下移：1－銜鐵的位移曲線2－激勵源波形3－交流電橋的輸出波形4－普通檢波之后的直流平均值5－相敏檢波之后的直流平均值t0－銜鐵上下位移到達差動螺線管繞組中間位置的時刻e0－零點殘余電壓的瞬時值E0－零點殘余電壓的平均值采用相敏檢波電路的必要性檢波：將交變信號轉換為直流平均值。檢波電路的作用是將電感的變化轉換成直流電壓或電流，以便用儀表指示出來。但若僅采用電橋電路配以普通的檢波電路，則只能判別位移的大小，卻無法判別輸出電壓的相位和位移的方向。如果在輸出電壓送到指示儀前，經(jīng)過一個能判別相位的檢波電路，則不但可以反映幅值（位移的大?。€可以反映輸出電壓的相位（位移的方向）。這種檢波電路稱為相敏檢波電路。差動變壓器傳感器的工作原理

差動變壓器是把被測位移量轉換為一次線圈與二次繞組間的互感量M的變化的裝置。由于兩個二次線圈采用差動接法，故稱為差動變壓器。目前應用最廣泛的結構型式是螺線管式差動變壓器。

在差動變壓器的線框上繞有一個輸入繞組（稱一次繞組）；在同一線框的上端和下端再繞制兩個完全對稱的繞組（稱二次線圈），它們反向串聯(lián)（輸出電壓相互抵消），組成差動輸出形式。線性差動變壓器：LinearVariableDifferentialTransformer，LVDT差動變壓器式傳感器的等效電路及接線

結構特點：兩個二次繞組反向串聯(lián)，組成差動輸出形式。

請將二次繞組N21、N22的有關端點正確地連接起來，并指出哪兩個為輸出端點。差動接法的輸出電壓為uo=u21-u22差動變壓器的輸出波形第四章：電渦流傳感器趨膚效應（集膚效應）交變磁場的頻率f越高，電渦流的滲透深度就越淺，趨膚效應越嚴重?？梢岳泌吥w效應來控制非電量的檢測深度。當100kHz～2MHz信號源產(chǎn)生的交變電壓施加到電感線圈L1上時，就產(chǎn)生一次電流i1

，在線圈周圍產(chǎn)生交變磁場H1。如果將線圈靠近一塊金屬導體，金屬導體表面就產(chǎn)生電渦流i2。i2在金屬導體的縱深方向并不是均勻分布的，而只集中在金屬導體的表面，這稱為趨膚效應。電渦流線圈等效阻抗分析

.設電渦流線圈在高頻時的等效電阻為R1（大于直流電阻），電感為L1。當有被測導體靠近電渦流線圈時，則被測導體等效為一個短路環(huán)，電渦流線圈L1與導體之間存在一個互感M?；ジ须S線圈與導體之間距離的減小而增大。電渦流線圈的等效阻抗式中R、L——電渦流線圈靠近被測導體時的等效電阻和等效電感。

當被測物與電渦流線圈的間距δ減小時，電渦流線圈與被測金屬的互感量M增大，等效電感L減小，等效電阻R增大，品質因數(shù)Q值降低：Q=ωL/R等效電阻上消耗的有功功率P增大：P=I2R電渦流效應演示

當電渦流線圈與金屬板的距離x減小時，電渦流線圈的等效電感L減小，等效電阻R增大，Q值降低，流過電渦流線圈的電流i1增大。調頻（FM）式電路當電渦流線圈與被測體的距離x變小時，電渦流線圈的電感量L也隨之變小（非鐵質），同時引起LC振蕩器的輸出電壓及頻率變高。如果希望用模擬儀表進行顯示或記錄時，使用“鑒頻器”，可以將f轉換為電壓Uo

。

并聯(lián)諧振回路的諧振頻率

設電渦流線圈的初始電感量L=0.8mH，微調電容C0=200pF（1pF＝10-12F）求：探頭中的振蕩器的初始頻率f

0

。（一般將振蕩器的頻率控制在幾百千赫茲）解：電渦流表面探傷

Eddycurrentsaredistortedbythecrack,thischangesthemagneticfieldoftheeddycurrentsfromH'B

toH'C

therebychangingtheloadingonthecoil.Thecoilimpedancechangesto

Zcrack.手持式裂紋測量儀油管探傷軸承滾子渦流探傷機軸承滾子渦流探傷機是由計算機控制的軸承滾子表面微裂紋探傷的專用設備，可探出深30μm的表面微小裂紋。電容式傳感器的工作原理電容傳感器的工作原理可以用平板電容器來說明。當忽略邊緣效應時，其電容為式中

A——兩極板相互遮蓋的有效面積（m2）；d——兩極板間的距離，也稱為極距（m）；ε——兩極板間介質的介電常數(shù)（F/m）；εr——兩極板間介質的相對介電常數(shù)；ε0——真空介電常數(shù),ε0=8.8510-12(F/m)第五章：電容傳感器三種類型的電容傳感器在A、d、ε三個參量中，改變其中任意一個量，均可使電容C改變。也就是說，電容C是A、d、ε的函數(shù)，這就是電容傳感器的基本工作原理。固定三個參量中的兩個，可以制作成以下三種類型的電容傳感器：變面積式電容傳感器、變極距式電容傳感器、變介電常數(shù)式電容傳感器。變極距式電容傳感器的特性曲線

a）

結構示意圖b）電容量與極板距離的關系1—定極板2—動極板3－彈性膜片實際使用時，總是使初始極距d0盡量小些，以提高靈敏度，但這也帶來了變極距式電容器的行程較小的缺點。當x<<d0時，有：變面積式電容傳感器的特性總結變面積式電容傳感器的輸出特性在一小段范圍內(nèi)是線性的，靈敏度是常數(shù)。這一類傳感器多用于檢測直線位移、角位移、尺寸等參量。CAA1-實際特性2-理論特性電容式液位計(可以理解為變面積或變介電原理)a)同軸內(nèi)外金屬管式b)金屬管外套聚四氟乙烯套管式c)帶底座的電容液位傳感器的結構1－內(nèi)圓筒2－外圓筒3－被測絕緣液體4－被測導電液體5－聚四氟乙烯套管6－頂蓋7－絕緣底座8－信號傳輸屏蔽電纜電容式傳感器的測量轉換電路橋式電路電橋的輸出電壓與電容的變化量呈現(xiàn)線性關系。調頻（FM）電路電容式傳感器的調頻電路與電渦流傳感器的調頻電路有何區(qū)別？上式中哪個量是變量？調頻電路是將電容傳感器作為LC振蕩器諧振回路的一部分，當電容Cx變大時，振蕩器的頻率f

變低。由于振蕩器的頻率受電容傳感器的調制，實現(xiàn)C/f

的變換。“三明治”擺式硅微電容加速度傳感器結構1－加速度測試單元2－信號調理單元3－襯底4－底層多晶硅（下電極）5－多晶硅懸臂梁6－頂層多晶硅（上電極）a）貼片封裝外形b）“三明治”多晶硅多層結構c）加速度測試單元的工作原理休息一下~

Let’shavearest~下節(jié)課內(nèi)容：

課程內(nèi)容回顧-II吳喆wanlingren@163.com2015年6月5日Principleandapplicationofsensor課程內(nèi)容回顧-II壓電效應（Piezoelectricity）JacquesCurie&PiereCurie1880年，JacquesCurie與PiereCurie發(fā)現(xiàn)了壓電效應石英等部分晶體與材料在受到壓力時，晶格產(chǎn)生變形，表面產(chǎn)生電荷，這種現(xiàn)象稱為壓電效應。電介質材料中一種機械能與電能互換的現(xiàn)象。第六章：壓電傳感器1－正電荷等效中心2－負電荷等效中心

晶體沿x面受壓力時的帶電情況分析

石英晶體的正負電荷中心分離，宏觀上看，

x面的上表面帶正電，下表面帶負電Q=d11Fxd11

：壓電常數(shù)石英晶體的壓電效應演示當力的方向改變時，電荷的極性隨之改變，輸出電壓的頻率與動態(tài)力的頻率相同；當施加靜態(tài)力時，在初始瞬間，產(chǎn)生與力成正比的電荷，但由于表面漏電，所產(chǎn)生的電荷很快泄漏，并消失。所以壓電元件不可用于靜態(tài)力的測量。電荷放大器基本電路1－壓電傳感器2－屏蔽電纜線3－傳輸線分布電容4－電荷放大器SC－靈敏度選擇開關SR－帶寬選擇開關Cf′－Cf

在放大器輸入端的密勒等效電容Cf″－Cf在放大器輸出端的密勒等效電容壓電傳感器的輸出電壓與等效電容的關系如果壓電元件直接與放大器配套使用，除了極間電容，還應考慮到傳輸屏蔽電纜芯線對接地屏蔽層的分布電容Cc的影響。如果忽略Ra和放大器的輸入電阻Ri的影響，則有式中Ci——電壓放大器的輸入電容；Q——壓電元件輸出的電荷量。屏蔽電纜的對地分布電容大約為100pF/m。當屏蔽電纜較長時，Cc顯著增大，放大器的輸入電壓Ui將比壓電傳感器空載時的輸出Uo小很多，且不穩(wěn)定。電荷放大器原理電荷放大器是一個具有反饋電容Cf的高增益運算放大器電路。當放大器開環(huán)增益A和輸入電阻Ri、反饋電阻Rf（用于防止放大器的直流飽和）相當大時，放大器的輸出電壓Uo正比于輸入電荷Q，反比于反饋電容Cf，而基本上與Cc、Ca

、Ci無關：壓電式動態(tài)力傳感器以及在車床中用于動態(tài)切削力的測量

一體化車刀動態(tài)力測量a）原理圖b）中心壓縮式壓電加速度傳感器結構c）環(huán)形剪切式壓電加速度傳感器結構d）外形1－基座2－引出電極3－壓電晶片4－質量塊5－彈簧6－殼體7－固定螺孔常用的壓電式振動加速度傳感器（1）靈敏度K

壓電式加速度傳感器的輸出為電荷量，以pC為單位（1pC=10-12C）。而輸入量為加速度，單位為m/s2,所以靈敏度以pC/ms-2為單位,或用重力加速度pC/g。靈敏度的范圍約為10～100pC/g。目前許多壓電加速度傳感器的輸出是電壓，所以靈敏度單位也可以為mV/g，通常為10～1000mV/g。（2）頻率范圍常見的壓電加速度傳感器的頻率范圍為0.01Hz～20kHz。（3）動態(tài)范圍常用的測量范圍為0.1～100g，或1000m/s2。測量沖擊振動時應選用100～10000g的高頻加速度傳感器；而測量橋梁、地基等微弱振動往往要選擇0.001～10g的高靈敏度的低頻加速度傳感器。壓電振動加速度傳感器的性能指標

聲波的分類：次聲波、可聞聲波與超聲波。頻率高于20kHz的機械振動波稱為超聲波。超聲波的特性：指向性好，能量集中。1MHz的超聲波的能量,相當于振幅相同,頻率為1000Hz可聞聲波的100萬倍,能穿透幾米厚的鋼板,而能量損失不大。在遇到兩種介質的分界面(例如鋼板與空氣的交界面)時,能產(chǎn)生明顯的反射和折射現(xiàn)象。第七章：超聲波傳感器超聲波的波型分類

1－超聲波發(fā)生器2－鋼材縱波縱波質點的運動方向表面波在鋼材表面的傳播縱波在鋼材中的傳播

橫波

超聲波入射角與反射角、折射角Pc－入射波α－入射角Pr－反射波αr－反射角Ps－折射波β－折射角3、超聲波測距/避障

空氣超聲探頭測距精度可達高到3mm測量范圍：2cm-300cm

淘寶參考價：RMB4元Distance=（Time/2）*340M/s電平法7、超聲波無損探傷超聲波探傷原理動畫起始波缺陷反射波底波工件缺陷第八章：霍爾傳感器1.電子2.導體3.磁鐵4.磁場5.電源金屬中含有自由電子（價電子）以及相應的金屬陽離子電子所受洛倫茲力與霍爾電場力的平衡霍爾元件的工作原理分析

半導體薄片置于磁感應強度為B的磁場中，磁場方向垂直于薄片，當有電流I流過薄片時，在垂直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生電動勢EH，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應。

磁感應強度B為零時的情況cdab磁感應強度B較大時的情況

作用在半導體薄片上的磁場強度B越強，霍爾電勢也就越高?；魻栯妱軪H可用下式表示：

EH=KH

IBabcd霍爾效應演示

當磁場垂直于薄片時，電子受到洛侖茲力的作用，向內(nèi)側（d側）偏移，在半導體薄片c、d方向的端面之間建立起霍爾電勢。cdabdabc線性型霍爾器件其外加磁感應強度與輸出電壓之間的關系霍爾轉速表在被測轉速的轉軸上安裝一個齒盤，也可選取機械系統(tǒng)中的一個齒輪，將線性型霍爾器件及磁路系統(tǒng)靠近齒盤。齒盤的轉動使磁路的磁阻隨氣隙的改變而周期性地變化，霍爾器件輸出的微小脈沖信號經(jīng)隔直、放大、整形后可以確定被測物的轉速。此處應采用線性霍爾傳感器。SN線性霍爾磁鐵工作磁體和霍爾器件間的運動方式有：(a)對移；(b)側移；(c)旋轉；(d)遮斷。在遮斷方式中，工作磁體和霍爾器件以適當?shù)拈g隙相對固定，用一軟磁（例如軟鐵）翼片作為運動工作部件，當翼片進入間隙時，作用到霍爾器件上的磁力線被部分或全部遮斷，以此來調節(jié)工作磁場。被傳感的運動信息加在翼片上。這種方法的檢測精度很高，在125℃的溫度范圍內(nèi)，翼片的位置重復精度可達50μm。熱電偶的工作原理熱電效應

1821年，德國物理學家賽貝克用兩種不同金屬組成閉合回路，并用酒精燈加熱其中一個接觸點（稱為結點），發(fā)現(xiàn)放在回路中的指南針發(fā)生偏轉。說明回路中產(chǎn)生了什么？1－工作端2－熱電極A2－熱電極B4－指南針5－參考端？ThomasJohannSeebeck第九章：熱電偶傳感器

兩種不同的金屬互相接觸時，由于不同金屬內(nèi)自由電子的密度不同，在兩金屬A和B的接觸點處會發(fā)生自由電子的相互擴散現(xiàn)象。自由電子將從密度大的金屬A擴散到密度小的金屬B，使A失去電子帶正電，B得到電子帶負電，從而產(chǎn)生電位差，該電位差的方向與擴散進行的方向相反，阻礙擴散作用的繼續(xù)進行。當擴散作用與阻礙擴散的作用相等時，導體便處于一種動態(tài)平衡狀態(tài)。此時A與B兩導體接觸處的電位差稱之為接觸電動勢。

自由電子＋ABeAB（

T）T熱電偶的圖形符號有關熱電動勢的幾個結論

1）如果熱電偶兩根電極材料相同，即使兩端溫度不同（t≠t0），但總輸出熱電動勢仍為零。因此必須由兩種不同材料才能構成熱電偶。

2）如果熱電偶兩結點溫度相同，則回路總的熱電動勢必然等于零。兩結點溫差越大，熱電動勢越大。如果以攝氏溫度為單位，EAB(T，T0)也可以寫成EAB(t，t0)，其物理意義雖然有所不同，但電動勢的數(shù)值是相同的。溫標用t表示，開氏溫標用T表示。根據(jù)273.15K=0℃，可得兩者的換算關系是：T=t＋273.15

熱電偶的分度表

——熱電偶的線性較差，多數(shù)情況下采用查表法

我國從1991年開始采用國際計量委員會規(guī)定的“1990年國際溫標”(簡稱ITS-90)的新標準。按此標準,制定了相應的分度表,并且有相應的線性化集成電路與之對應，并由計算機查表。

直接從熱電偶的分度表查溫度與熱電動勢的關系時的約束條件是：自由端（冷端）溫度必須為0℃。本教材的附錄D僅列出工業(yè)中常用的鎳鉻-鎳硅（K）熱電偶的分度表。使用分度表時，冷端必須為0℃

。K熱電偶的分度表

分別查出-100℃、+100℃時的2個熱電動勢。計算與0℃之差，體會熱電動勢的非線性。熱電偶測溫的計算修正法

當熱電偶的冷端溫度t0

0℃時，由于熱端與冷端的溫差隨冷端的變化而變化，所以測得的熱電動勢EAB(t,t0)與冷端為0℃時所測得的熱電動勢EAB(t,0℃)不等。若冷端溫度高于0℃，則EAB(t,t0)<EAB(t,0℃)。可以利用下式計算并修正測量誤差：

EAB(t,0℃)=EAB(t,t0)+EAB(t0,0℃)計算修正法舉例K熱電偶測溫電路中，A、B為熱電極，A'、B'為補償導線，Cu為銅導線，已知接線盒1的溫度t1=40℃，冰瓶中為冰水混合物，接線盒2的溫度t3=20.0℃。求：1）冰瓶的溫度t2；2）當Ux=29.97mV時，估算被測點溫度tx；3）如果冰瓶中的冰完全融化，溫度上升到與接線盒1的溫度相同，此時的Ux減小到28.36mV，再求tx。解：1）接線盒1是熱電極與補償導線（延長導線）的接線位置，不影響測量結果，不必考慮t1溫度的大小和波動。冰瓶的溫度為:0℃,是補償導線（冷端）與銅導線的接線位置,所以可以直接查分度表。2）當Ux=29.97mV時，直接查分度表得到被測點溫度tx=720℃。注:接線盒2的溫度t3不是冷端溫度,屬于中間溫度,與測量結果無關.3）如果冰瓶中的冰完全融化，溫度上升到與接線盒1的溫度相同，即：冷端溫度不再是0℃，而為40℃。此時的Ux=28.36mV，再求tx。EAB(t,0℃)=EAB(t,40℃)+EAB(40℃,0℃)=(28.36+1.61)mV=29.97mV反查K型熱電的偶分度表，仍然得到tx=720℃。E=hfHf>△E躍遷當光子沖擊半導體材料表面時，半導體材料中處于價帶的電子吸收足夠的光子能量后，會躍遷至更高的能級—導帶，成為自由電子，形成電子-空穴對，使材料電阻率下降，表現(xiàn)出導電性。這就是光電效應，基于光電效應的器件：光敏電阻光敏二極管光敏晶體管第十章：光電傳感器光敏電阻原理演示

當光敏電阻受到光照時，光生電子-空穴對增加，阻值減小，電流增大。暗電流（溫度升高，暗電增大）暗電流是指器件在反偏壓條件下,沒有入射光時產(chǎn)生的反向直流電流.(它包括晶體材料表面缺陷形成的泄漏電流和載流子熱擴散形成的本征暗電流.)光敏二極管

沒有光照時，由于二極管反向偏置，所以反向電流很小，稱為暗電流，相當于普通二極管的反向飽和漏電流。當合適波長的光照射在光敏二極管的PN結（又稱耗盡層）上時，原子中的電子吸收光子的能量，變成自由電子。相應地，產(chǎn)生同樣數(shù)量的空穴。光照增強，產(chǎn)生的電子-空穴對數(shù)量也隨之增加，在外加的反向電壓的作用下，電子漂移到N區(qū)，空穴漂移到P區(qū)，從而產(chǎn)生反向電流電流（稱為光電流），光電流與照度成正比。光敏晶體管

光敏晶體管又稱“光敏三極管”，它有兩個PN結。與普通晶體管相似，有電流增益，靈敏度比光敏二極管高。多數(shù)光敏晶體管的基極沒有引出線，只有正負（C、E）兩個引腳，所以其外型與光敏二極管相似，從外觀上很難區(qū)別。

a）管芯結構b)結構簡化圖c）光敏晶體管圖形符號1－N+襯底2－N型集電區(qū)3－透光SiO2保護圈4－集電結JC5－P型基區(qū)6－發(fā)射結JE7－N型發(fā)射區(qū)光電反射式轉速表

光電式轉速表屬于反射式光電傳感器，它可以在距被測物數(shù)十毫米外非接觸地測量其轉速。

光源發(fā)出的光線經(jīng)聚焦透鏡2會聚成平行光束，照射到被測旋轉物3上，光線經(jīng)事先粘貼在旋轉物體上的反光紙4反射回來，經(jīng)透鏡6聚焦后落在光敏二極管7上。旋轉物體每轉一圈，光敏二極管就產(chǎn)生一個脈沖信號,經(jīng)放大整形電路得到TTL電平的脈沖信號,該信號在與門中和“秒信號”相“與”。與門在1s的時間間隔內(nèi)輸出的脈沖數(shù)正比于旋轉物體的每秒轉數(shù),再經(jīng)數(shù)據(jù)運算電路處理后,由數(shù)碼顯示器顯示出每分鐘的轉數(shù)。轉速n為a）光路及工作原理框圖b）各點波形1－光源（紅色LED）2、6－聚焦透鏡3－被測旋轉物4－反光紙Z為反光紙數(shù)目遮斷型1－發(fā)光二極管2－紅外光3－光敏元件4－槽5－被測物6－透光孔光電斷續(xù)器光電斷續(xù)器+碼盤通過光電管不斷掃描碼盤格數(shù)，放大器LM324可用作比較器，可將6號端處的正弦信號與基準電壓進行比較后，然后將在7號端產(chǎn)生頻率與轉速一一對應的方波，接到單片機IO口采集。單片機I/O上述基于光敏電阻及光敏晶體管的各種組件實際主要用于光照判斷及光調制，對于某些需要對光照進行精密度量控制的場合，就需要用到——光電池在P型襯底上制造一很薄、透明的N型層作為光照敏感面，就構成最簡單的光電池。當入射光子的能量足夠大時，PN結每吸收一個光子就產(chǎn)生一對光生電子-空穴對，光生電子-空穴對的擴散運動使電子通過漂移運動被拉到N型區(qū)，空穴漂移到P區(qū)，所以N區(qū)帶負電，P