傳感器原理與應(yīng)用

傳感器原理與應(yīng)用第1頁，共158頁，2023年，2月20日，星期三主要參考書電子測量——北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院2《傳感器原理、設(shè)計與應(yīng)用》，劉迎春，葉湘濱編著，國防科技大學(xué)出版社教學(xué)目的掌握不同物理量的測量方法掌握不同物理量的傳感器的原理、結(jié)構(gòu)、特性、轉(zhuǎn)換電路和典型應(yīng)用方法能根據(jù)不同的應(yīng)用要求，設(shè)計和選用傳感器及其應(yīng)用電路第2頁，共158頁，2023年，2月20日，星期三電子測量——北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院3一、傳感器技術(shù)基礎(chǔ)傳感器的概念與定義傳感器組成與分類傳感器的地位與作用傳感器的現(xiàn)狀與發(fā)展動向第3頁，共158頁，2023年，2月20日，星期三電子測量——北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院4（一）

傳感器的概念與定義人體的感知過程：外界信息→感覺器官→腦→軀體→外部對象

視覺、聽覺、嗅覺、味覺、觸覺測控系統(tǒng)的感知過程：外界信息→傳感器→計算機→執(zhí)行機構(gòu)→外部對象傳感器相當(dāng)于人的五官，在系統(tǒng)中實現(xiàn)信息的采集與轉(zhuǎn)換第4頁，共158頁，2023年，2月20日，星期三電子測量——北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院5傳感器的定義能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號的器件或裝置。

——國家標(biāo)準(zhǔn)GB7665-87感：能感受到被測量的信息傳：能將感受到的信息按一定規(guī)律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出器：一種裝置第5頁，共158頁，2023年，2月20日，星期三電子測量——北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院6（二）傳感器組成一般由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、轉(zhuǎn)換電路三部分組成敏感元件能靈敏地感受被測變量，并對被測變量產(chǎn)生響應(yīng)的元件溫度升降改變鉑電阻的阻值，鉑電阻是一種溫度敏感元件話筒中的壓電晶體或電容，是聲音的敏感元件例如電荷變化電容變化第6頁，共158頁，2023年，2月20日，星期三電子測量——北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院7對敏感元件的要求只對被測量敏感——不受或少受環(huán)境因素的影響足夠的靈敏度

——輸出信號的信噪比高輸出響應(yīng)與輸入變量之間具備明確的關(guān)系——最好是線性關(guān)系轉(zhuǎn)換元件將敏感元件的輸出轉(zhuǎn)換成便于應(yīng)用或處理的形式轉(zhuǎn)換電路即信號調(diào)理環(huán)節(jié)，用以得到便于測量的電信號電壓/電流（幅值、相位、頻率）信號模擬/數(shù)字信號第7頁，共158頁，2023年，2月20日，星期三電子測量——北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院8（三）

傳感器分類按感知的被測量分類位移、力、速度、溫度、流量、氣體成份、……按工作原理分類電阻、電容、電感、電壓、霍爾、光電、熱電、……按輸出信號分類模擬式、數(shù)字式按物理現(xiàn)象分類結(jié)構(gòu)型、物性型按能量關(guān)系分類能量轉(zhuǎn)換型、能量控制型第8頁，共158頁，2023年，2月20日，星期三為什么分類傳感器種類繁多為滿足區(qū)分、研究、應(yīng)用的不同需要分類的主觀性、多樣性分類的角度和方法多樣，具有主觀性、隨意性對于學(xué)習(xí)、研究，常按工作原理分類對于選型、應(yīng)用，常按被測量分類本章以工作原理分類為主，兼顧被測量分類電子測量——北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院9第9頁，共158頁，2023年，2月20日，星期三電子測量——北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院10傳感器實例——日常生活第10頁，共158頁，2023年，2月20日，星期三電子測量——北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院11傳感器實例——工業(yè)應(yīng)用第11頁，共158頁，2023年，2月20日，星期三電子測量——北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院12傳感器實例——工業(yè)應(yīng)用第12頁，共158頁，2023年，2月20日，星期三電子測量——北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院13機器人技術(shù)視覺:

平面、立體非視覺：觸覺、滑覺、熱覺、力覺、接近覺、…第13頁，共158頁，2023年，2月20日，星期三電子測量——北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院14醫(yī)療診斷中的應(yīng)用第14頁，共158頁，2023年，2月20日，星期三電子測量——北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院15門禁系統(tǒng)打破了人們幾百年來用鑰匙開鎖的傳統(tǒng)指紋鎖密碼鎖磁卡鎖第15頁，共158頁，2023年，2月20日，星期三電子測量——北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院16環(huán)境及安防應(yīng)用半導(dǎo)體溫度傳感器第16頁，共158頁，2023年，2月20日，星期三電子測量——北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院17航空航天第17頁，共158頁，2023年，2月20日，星期三電子測量——北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院18農(nóng)業(yè)國防交通航海第18頁，共158頁，2023年，2月20日，星期三電子測量——北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院19起到人類五官的作用延長人類五官的感知范圍磁場、不可見光、超聲、射線、無味氣體等檢測各學(xué)科領(lǐng)域獲取信息的主要途徑與手段科技發(fā)展的推動力量國家綜合實力的重要標(biāo)志信息技術(shù)的三大支柱之一傳感器的重要作用信息采集、傳輸、處理傳感器、通訊、計算機感官、神經(jīng)、大腦第19頁，共158頁，2023年，2月20日，星期三電子測量——北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院20傳感器發(fā)展方向以電量作為為輸出量的傳感器得到飛速發(fā)展提高與改善傳感器的技術(shù)指標(biāo)發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象、開發(fā)新材料、研究新技術(shù)和新工藝航空航天傳感器生物、化學(xué)傳感器細(xì)微加工技術(shù)集成化、多功能化數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化差動技術(shù)、平均技術(shù)、補償修正技術(shù)隔離與干擾抑制、穩(wěn)定性處理，…第20頁，共158頁，2023年，2月20日，星期三二、電阻應(yīng)變式傳感器電子測量——北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院21第21頁，共158頁，2023年，2月20日，星期三二、電阻應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器的組成、原理與結(jié)構(gòu)彈性元件的特性測量電路電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用電子測量——北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院22第22頁，共158頁，2023年，2月20日，星期三電子測量——北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院23（一）概述電阻式傳感器的是將被測量的變化轉(zhuǎn)換成元件的電阻值的變化，經(jīng)過轉(zhuǎn)換電路變成電信號輸出的一類傳感器。電阻式傳感器的類型很多，常用來測量應(yīng)變、力、壓力、位移、扭矩、加速度等，是目前使用最廣泛的傳感器之一。第23頁，共158頁，2023年，2月20日，星期三電子測量——北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院24電阻式傳感器實例電阻應(yīng)變式血壓換能器電子秤電子汽車衡微型硅應(yīng)變式壓力傳感器TY2015A型電阻應(yīng)變式稱重傳感器第24頁，共158頁，2023年，2月20日，星期三電子測量——北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院25電阻式傳感器實例S型稱重傳感器

懸臂梁稱重傳感器柱式稱重傳感器輪輻式稱重傳感器壓力傳感器液位傳感器扭矩傳感器扭矩扳手第25頁，共158頁，2023年，2月20日，星期三電子測量——北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院26電阻式傳感器實例電位器——將關(guān)節(jié)驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)動角度變化轉(zhuǎn)換為電位器阻值的變化以下主要討論電阻應(yīng)變式傳感器……第26頁，共158頁，2023年，2月20日，星期三電子測量——北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院27（二）電阻應(yīng)變式傳感器的組成和原理舉例：稱重傳感器應(yīng)變片的布置彈性敏感元件組成：彈性敏感元件（一個）

應(yīng)變片（若干）轉(zhuǎn)換電路（一套）柱體展開圖結(jié)構(gòu)設(shè)計有哪些特殊的考慮？——克服偏心造成的誤差第27頁，共158頁，2023年，2月20日，星期三組成和原理（續(xù)）轉(zhuǎn)換電路一般采用電橋電路電子測量——北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院28

力

彈性敏感元件變形和應(yīng)力應(yīng)力應(yīng)變片電阻值變化電阻值變化電橋電壓變化電壓變化

“力”的大小Fm=f1(ΔUo)=f1(f2(ΔR))=f1(f2(f3(ε))))=))=f1(f2(f3(f4(F))))可用于測量力、壓力、加速度、轉(zhuǎn)矩、應(yīng)變、位移第28頁，共158頁，2023年，2月20日，星期三電子測量——北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院29涉及的問題應(yīng)變片的工作原理電阻的變化量的測量方法彈性敏感元件的選擇應(yīng)變片與彈性體的粘合非測量因素（例如溫度）影響的消除各種力學(xué)量的測量方法——如何應(yīng)用？第29頁，共158頁，2023年，2月20日，星期三電子測量——北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院301.金屬應(yīng)變片的工作原理

——金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)

金屬導(dǎo)體的電阻值隨著機械變形（拉伸或壓縮）的而發(fā)生相應(yīng)變化的現(xiàn)象，稱為金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)。

導(dǎo)體受力變形，l→l+Δl，S→S－ΔS，ρ→ρ+Δρ則其電阻將產(chǎn)生變化即：R→R+ΔR產(chǎn)生的機理第30頁，共158頁，2023年，2月20日，星期三電子測量——北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院31導(dǎo)體電阻變化的通用公式不妨設(shè)導(dǎo)體截面為半徑為r的圓形，則

定義變量εx=Δl/l，εy=Δr/r，分別為導(dǎo)體的軸向應(yīng)變和徑向應(yīng)變，且εy=

-μεx

，μ稱為導(dǎo)體材料的泊松系數(shù)，則第31頁，共158頁，2023年，2月20日，星期三電子測量——北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院32金屬導(dǎo)體的電阻變化公式對于金屬材料，Δρ/ρ可忽略，于是——金屬導(dǎo)體的電阻變化率與其應(yīng)變成正比，并且與金屬導(dǎo)體的材料性質(zhì)有關(guān)。(

1+2μ)稱為金屬（絲）導(dǎo)體的應(yīng)變靈敏度系數(shù)，記為Ks在拉伸極限內(nèi)，Ks為定值，一般在1.7～3.6

的范圍內(nèi)第32頁，共158頁，2023年，2月20日，星期三電子測量——北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院332.金屬應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)初始電阻值為R0的金屬導(dǎo)體，應(yīng)變εx的造成的電阻變化量為⊿R=(1+2μ)R0

εx其中，K=(1+2μ)R0稱為應(yīng)變片的靈敏度系數(shù)。

為提高K，除可選擇高μ

材料外，還可以增大R0，即提高電阻率ρ

、增加導(dǎo)體長度l、減小導(dǎo)體的截面積S應(yīng)變片通常采用ρ較高的極細(xì)（Ф=0.025mm）的金屬絲構(gòu)金屬絲盤成柵網(wǎng)狀，粘貼于絕緣基底上，覆蓋保護層，連出引線，就構(gòu)成了電阻絲應(yīng)變片第33頁，共158頁，2023年，2月20日，星期三電子測量——北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院34金屬應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)——絲式應(yīng)變片第34頁，共158頁，2023年，2月20日，星期三電子測量——北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院35金屬應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)——箔式應(yīng)變片利用照相制版或光刻腐蝕的方法，在絕緣基底上生成各種特定形狀的、金屬層厚度為1μm～10μm的電阻應(yīng)變片?！な綉?yīng)變片，應(yīng)變花單軸四柵全橋單軸單柵三軸45°圓膜柵第35頁，共158頁，2023年，2月20日，星期三電子測量——北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院36箔式應(yīng)變片的優(yōu)點敏感柵的尺寸準(zhǔn)確，圖形可以根據(jù)應(yīng)用需要靈活選擇便于粘貼，動態(tài)性能和傳遞性能好（質(zhì)量小，輕而?。┍阌谏?，允許通過較大的工作電流可以忽略橫向效應(yīng)蠕變、滯后小，疲勞壽命長在普通測量條件下取代了絲式應(yīng)變片便于規(guī)模化生產(chǎn)第36頁，共158頁，2023年，2月20日，星期三電子測量——北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院373.半導(dǎo)體應(yīng)變片的原理與結(jié)構(gòu)壓阻效應(yīng)由于外力作用而引起半導(dǎo)體材料電阻率變化的現(xiàn)象稱為半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)在半導(dǎo)體材料上施加作用力，晶體除產(chǎn)生應(yīng)變外，其電阻也會發(fā)生變化，即：對于半導(dǎo)體材料，前一項可忽略，后一項起主要作用。π—材料的壓阻系數(shù)，σ—應(yīng)力E—半導(dǎo)體元件的彈性模量，ε—應(yīng)變第37頁，共158頁，2023年，2月20日，星期三電子測量——北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院38半導(dǎo)體應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)π與材料的性質(zhì)、晶體的切割方向、環(huán)境溫度等因素有關(guān)

——溫度穩(wěn)定性差，元件的一致性差，線性差，誤差較大單個元件的應(yīng)用較少，通常采用多個元件的集成了膜片式結(jié)構(gòu)第38頁，共158頁，2023年，2月20日，星期三電子測量——北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院39例子：固態(tài)壓阻式壓力傳感器其核心是擴散了半導(dǎo)體應(yīng)變片的硅膜片，與殼體一起構(gòu)成高、低壓腔，用于測量膜片兩側(cè)的壓力差。應(yīng)變片在內(nèi)部接成電橋，通過引線與外部測量電路連接。引線低壓腔高壓腔硅環(huán)硅膜片電阻優(yōu)點電阻同時生成，參數(shù)分散性小外界因素對測量結(jié)果的影響大大降低便于集成化、微型化可將轉(zhuǎn)換電路、處理電路集成為一體，并采用多種輸出形式第39頁，共158頁，2023年，2月20日，星期三電子測量——北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院404.半導(dǎo)體應(yīng)變片的特點靈敏度很高，一般在50～200之間采用集成電路工藝生產(chǎn)，因此成本低、同批次產(chǎn)品的一致性好溫度穩(wěn)定性較差因為π與材料的摻雜濃度、溫度、晶向等因素有關(guān)線性度較差，誤差較大通過構(gòu)造差動傳感器加以可以改善上述兩個缺點第40頁，共158頁，2023年，2月20日，星期三電子測量——北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院415.應(yīng)變片的主要參數(shù)初始阻值：60，120，350，600，1000Ω絕緣電阻值：>1010Ω靈敏度系數(shù)：要求大且穩(wěn)定允許電流：25mA(靜態(tài))；75～100mA(動態(tài))應(yīng)變極限機械滯后，零漂和蠕變第41頁，共158頁，2023年，2月20日，星期三電子測量——北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院42（二）

彈性敏感元件作用：將力轉(zhuǎn)化為變形（應(yīng)變）特性：剛度k=dF/dx,彈性滯后（遲滯現(xiàn)象）固有振動頻率材料：合金鋼（不銹鋼）、銅合金

——良好的彈性、足夠的精度和穩(wěn)定性靈敏度S=dx/dF彈性后效第42頁，共158頁，2023年，2月20日，星期三電子測量——北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院43常用彈性元件的應(yīng)變、應(yīng)力計算1.圓柱（實心和空心）其中，α—研究的截面與軸線的夾角，A---圓柱的橫截面積

σα—α截面上的應(yīng)力；εα—α截面上的應(yīng)變

μ—材料的泊松系數(shù)；E—材料的彈性模量靈敏度結(jié)構(gòu)系數(shù)應(yīng)力、應(yīng)變與圓柱的長度、截面的形狀無關(guān)第43頁，共158頁，2023年，2月20日，星期三電子測量——北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院442.等截面懸臂梁b—梁寬，h—梁厚，E—彈性模量l0—觀測點與力F作用點的距離——各處應(yīng)變不等3.等強度梁（變截面梁）令l0/b=C（常數(shù)），則——各處應(yīng)變相等第44頁，共158頁，2023年，2月20日，星期三電子測量——北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院454.圓形膜片半徑為R的圓形膜片在壓力P的作用下變形，在半徑r的圓上產(chǎn)生徑向應(yīng)變εr和切向應(yīng)變εt分別是PhRo圓形金屬膜片徑向應(yīng)變切向應(yīng)變h—膜片厚度，E—彈性模量，μ—材料的泊松系數(shù)第45頁，共158頁，2023年，2月20日，星期三電子測量——北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院465.薄壁圓筒薄壁圓筒受壓力P作用時，軸向應(yīng)變εx和周向應(yīng)變εr

分別為：E—彈性模量，μ—材料的泊松系數(shù)r0—圓筒的內(nèi)半徑，h—圓筒的壁厚第46頁，共158頁，2023年，2月20日，星期三電子測量——北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院47(三）應(yīng)變式傳感器的轉(zhuǎn)換電路——非平衡電橋采用性能相同的四個應(yīng)變片構(gòu)成電橋，設(shè)它們的初始電阻為R1=R2=R3=R4=R單橋臂測量

被測量變化→電阻變化→電壓或電流變化僅使R1感受應(yīng)變，其它作為補償片，可以寫出輸出電壓的表達(dá)式為——存在非線性問題第47頁，共158頁，2023年，2月20日，星期三電子測量——北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院48半差動橋

將橋中的兩個應(yīng)變片貼在彈性元件的不同部位，使其中一個受拉、一個受壓，阻值變化相反，則靈敏度系數(shù)比單橋臂提高了一倍非線性誤差得到了消除溫度變化的影響大大降低全差動橋第48頁，共158頁，2023年，2月20日，星期三電子測量——北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院49（四）應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用

一.構(gòu)件應(yīng)變的測量

將應(yīng)變片貼于彈性構(gòu)件上，測量構(gòu)件的應(yīng)變和變形二.力、力矩的測量利用彈性元件將這些量轉(zhuǎn)換為應(yīng)變，用應(yīng)變片進行測量三、加速度、壓力、液體高度測量

將這些量依次轉(zhuǎn)換為力、應(yīng)變，然后利用應(yīng)變片進行測量四.振動（幅值、頻率）上述測量的一種應(yīng)用，從測量結(jié)果中提取振動信息第49頁，共158頁，2023年，2月20日，星期三電子測量——北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院501.橋梁的變形、振動測量橋梁固有頻率測量第50頁，共158頁，2023年，2月20日，星期三電子測量——北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院512.力、力矩測量（一）測力、稱重彈性元件的形式應(yīng)變片的布置

克服偏心造成的誤差第51頁，共158頁，2023年，2月20日，星期三電子測量——北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院522.力、力矩測量（二）在彈性梁的給定位置的上、下表面分別粘貼兩個應(yīng)變片，構(gòu)成差動全橋，就可以構(gòu)成測力的傳感器。第52頁，共158頁，2023年，2月20日，星期三電子測量——北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院532.力、力矩測量（三）一般采用異形梁，以滿足一定的測量精度和測量范圍的要求雙孔懸臂梁雙孔S形梁第53頁，共158頁，2023年，2月20日，星期三電子測量——北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院54異形梁力傳感器舉例第54頁，共158頁，2023年，2月20日，星期三電子測量——北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院552.力、力矩測量（四）輪輻式力傳感器利用輻條兩面不同方向的應(yīng)變片受到的剪切力大小相等，方向相反的性質(zhì)，構(gòu)成差動全橋，達(dá)到稱重、測力的目的。輪輻式稱重傳感器第55頁，共158頁，2023年，2月20日，星期三電子測量——北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院562.力、力矩測量（五）扭矩測量

利用傳動軸作為彈性敏感元件，在軸的表面45o和135o方向分別貼應(yīng)變片，則這兩組應(yīng)變片的電阻變化大小與扭矩大小成正比，且變化的方向相反。將這兩組應(yīng)變片構(gòu)成差動全橋，可達(dá)到測量扭矩的目的。扭矩傳感器第56頁，共158頁，2023年，2月20日，星期三電子測量——北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院573.壓力測量（一）膜片式壓力傳感器PhRo圓形金屬膜片徑向應(yīng)變切向應(yīng)變R1R20.58rR3R4膜片式壓力傳感器第57頁，共158頁，2023年，2月20日，星期三電子測量——北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院583.壓力測量（二）膜片式微壓力傳感器結(jié)構(gòu)圖應(yīng)力分布膜片及應(yīng)變花電阻應(yīng)變式血壓換能器第58頁，共158頁，2023年，2月20日，星期三電子測量——北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院593.壓力測量（三）壓阻式壓力傳感器無運動部件頻響范圍寬，可達(dá)1.5MHz

體積小、功耗低、靈敏度高各部分一體化，便于實現(xiàn)智能化、集成化、特性補償?shù)葴囟忍匦暂^差；工藝復(fù)雜被測氣體P高壓腔空氣硅膜片低壓腔微型硅應(yīng)變式壓力傳感器應(yīng)用領(lǐng)域：航空工業(yè)，生物醫(yī)學(xué)兵器工業(yè)，防爆檢測第59頁，共158頁，2023年，2月20日，星期三電子測量——北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院603.壓力測量（四）筒式壓力傳感器軸向和周向的應(yīng)變分別為第60頁，共158頁，2023年，2月20日，星期三電子測量——北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院614.加速度測量殼體與被測物體一起作加速度運動懸臂梁在質(zhì)量塊的慣性作用下作反方向運動梁體變形，應(yīng)變片阻值變化通過測量阻值的變化求出被測物體的加速度。殼體機座aFR1R2m充滿硅油由懸臂梁、應(yīng)變片、質(zhì)量塊、機座外殼組成。第61頁，共158頁，2023年，2月20日，星期三電子測量——北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院62加速度傳感器的其它形式第62頁，共158頁，2023年，2月20日，星期三電子測量——北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院635.液位測量思考：應(yīng)變式液位傳感器的原理？用前面講述的內(nèi)容，設(shè)計兩種液位傳感器，畫出結(jié)構(gòu)示意圖，簡述其原理。液位傳感器第63頁，共158頁，2023年，2月20日，星期三三、電容式傳感器電子測量——北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院64第64頁，共158頁，2023年，2月20日，星期三三、電容式傳感器電容式傳感器的原理（變δ、S

、ε型

）轉(zhuǎn)換電路及其工作原理典型應(yīng)用電子測量——北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院65第65頁，共158頁，2023年，2月20日，星期三電子測量——北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院66（一）概述電容式傳感器是以電容作為敏感元件，將被測量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娙莸淖兓浚M而將電容變化轉(zhuǎn)換為電信號輸出的一類傳感器。應(yīng)用領(lǐng)域：位移、角度、振動、力、加速度、壓力、壓差液位高度、濕度、成份含量等測量第66頁，共158頁，2023年，2月20日，星期三電子測量——北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院67電容傳感器及應(yīng)用實例電容式指紋傳感器電容式差壓傳感器液位高度測量濕度傳感器電容式接近開關(guān)第67頁，共158頁，2023年，2月20日，星期三電子測量——北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院68電容傳感器及應(yīng)用實例（續(xù)）電容傳聲器（話筒）加速度傳感器電容式壓力傳感器壓差傳感器觸摸輸入板第68頁，共158頁，2023年，2月20日，星期三電子測量——北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院69（二）原理、分類和特性原理：將被測量的變化轉(zhuǎn)化為電容量的變化分類（1）變極距型（變δ型

）dS+++C與極距d呈雙曲線關(guān)系

——非線性

靈敏度隨被測量呈平方反比關(guān)系快速變化第69頁，共158頁，2023年，2月20日，星期三電子測量——北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院701.變極距型（續(xù)

）

差動結(jié)構(gòu)采用差動結(jié)構(gòu)，并在電路上構(gòu)造兩個差動電容相減的結(jié)果，可提高靈敏度并減小非線性誤差含有固體介質(zhì)的變δ

型傳感器——結(jié)構(gòu)上的考慮第70頁，共158頁，2023年，2月20日，星期三電子測量——北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院712.變面積型電容傳感器線位移角位移軸向線位移軸向差動線位移(1)結(jié)構(gòu)形式第71頁，共158頁，2023年，2月20日，星期三電子測量——北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院722.變面積型電容傳感器(續(xù)）a.平行極板φb.平行扇形極板結(jié)論：靈敏度系數(shù)是常數(shù)，線性很好。(2)電容量及靈敏度系數(shù)第72頁，共158頁，2023年，2月20日，星期三電子測量——北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院732.變面積型電容傳感器(續(xù)）c.軸向位移式d.軸向差動位移式結(jié)論：變面積型都具有很好的線性(2)電容量及靈敏度系數(shù)第73頁，共158頁，2023年，2月20日，星期三電子測量——北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院743.變介電常數(shù)型電容傳感器（1）結(jié)構(gòu)形式及可檢的測量厚度、位移、液位硬度、濕度、溫度介質(zhì)厚度測量位移測量介質(zhì)特性測量液面高度測量第74頁，共158頁，2023年，2月20日，星期三電子測量——北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院75交流電橋的各種形式(三）電容式傳感器的轉(zhuǎn)換電路作用：將電容變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷?、電流信?/p>

——幅值、頻率、相位1.電橋電路第75頁，共158頁，2023年，2月20日，星期三電子測量——北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院76變壓器電橋的原理電橋的輸出電壓為對于差動式變δ

型傳感器對于差動式變S型傳感器結(jié)論：變壓器電橋可將差動電容的輸出線性化需恒頻、恒幅、穩(wěn)定的電源第76頁，共158頁，2023年，2月20日，星期三電子測量——北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院772.運算放大器式電路例：對于變δ

型傳感器，有∴∵

可以看出，傳感器的輸出是線性的，并且利用C0可以方便地得到所需要的靈敏度系數(shù)。該電路特別適合于被測量在分母上的電容式傳感器。第77頁，共158頁，2023年，2月20日，星期三電子測量——北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院783.

調(diào)頻電路4.諧振電路5.二極管雙T型電路6.脈寬調(diào)制電路——PWM電路RS觸發(fā)器第78頁，共158頁，2023年，2月20日，星期三電子測量——北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院79（四）應(yīng)用舉例應(yīng)用領(lǐng)域位移、角位移厚度、液位、表面狀況（平整度）、距離、振動濕度（含水量）、硬度、溫度應(yīng)用原理電容量隨位移改變電容量隨介質(zhì)特性改變將被測量轉(zhuǎn)變?yōu)槲灰苹蚪橘|(zhì)特性的變化，以改變電容量第79頁，共158頁，2023年，2月20日，星期三電子測量——北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院801.鋼板軋制厚度測量與控制上下兩個測試板直接相連，作為電容的一個電極帶材作為電容的另一個電極，總輸出電容為C1+C2帶材上下波動時，總的電容量不變帶材的厚度變化使電容C1+C2變化。

→第80頁，共158頁，2023年，2月20日，星期三電子測量——北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院812.振動及位移測量振動幅度和頻率測量軸的偏心動態(tài)測量（動平衡測量）第81頁，共158頁，2023年，2月20日，星期三電子測量——北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院823.長位移測量——容柵傳感器位移第82頁，共158頁，2023年，2月20日，星期三電子測量——北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院834.轉(zhuǎn)速測量第83頁，共158頁，2023年，2月20日，星期三電子測量——北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院845.接近開關(guān)第84頁，共158頁，2023年，2月20日，星期三電子測量——北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院856.物料料位測量用于水泥、化工、罐裝等料位測量第85頁，共158頁，2023年，2月20日，星期三電子測量——北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院867.電容式壓力傳感器單電容變δ型單只變間隙型

在兩個玻璃球面上鍍金屬膜構(gòu)成兩個固定電極，金屬彈性膜片作為可變電極。當(dāng)存在氣壓差時，膜片變形，使電容發(fā)生變化。差動變δ型P1P2差動變間隙式圓形墊圈玻璃基片金屬涂層金屬膜片過濾器第86頁，共158頁，2023年，2月20日，星期三電子測量——北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院878.電容式加速度傳感器aC1C2第87頁，共158頁，2023年，2月20日，星期三電子測量——北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院889.電容式荷重傳感器F第88頁，共158頁，2023年，2月20日，星期三四、電感式傳感器電子測量——北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院89第89頁，共158頁，2023年，2月20日，星期三四、電感式傳感器基本原理：被測量→自感或互感變化分類自感式互感式電渦流式電子測量——北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院90第90頁，共158頁，2023年，2月20日，星期三（一）自感式傳感器——變磁阻式傳感器設(shè)線圈匝數(shù)為W，磁路總磁阻為RM

，

則線圈電感L為L=W2/RM其中所以——改變氣隙厚度、氣隙截面積及磁導(dǎo)率，均可改變電感L電子測量——北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院91dxS1SLWμiμ0S2μ0—空氣磁導(dǎo)率S—氣隙部分的截面積d—氣隙厚度W—線圈匝數(shù)第91頁，共158頁，2023年，2月20日，星期三自感式傳感器的三種形式變氣隙厚度型電子測量——北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院92xL——電感量非線性變化變氣隙截面積xLab變磁導(dǎo)率——壓磁式傳感器第92頁，共158頁，2023年，2月20日，星期三電子測量——北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院93自感式傳感器的轉(zhuǎn)換電路

電橋調(diào)幅電路調(diào)頻電路調(diào)相電路輸出幅值隨電感L變化諧振頻率隨電感L變化第93頁，共158頁，2023年，2月20日，星期三電子測量——北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院94調(diào)相電路——測量φ

求L的軌跡是一個半徑為U/2的圓第94頁，共158頁，2023年，2月20日，星期三電子測量——北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院951.原理根據(jù)變壓器的基本原理制成，并將次級線圈繞組用差動形式連接被測非電量的變化→線圈互感量變化多采用螺線管式結(jié)構(gòu)，可測量1~100mm范圍內(nèi)的機械位移。次級2次級1初級鐵心次級1次級2初級（二）互感式傳感器——差動變壓器第95頁，共158頁，2023年，2月20日，星期三電子測量——北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院96差動變壓器的其它結(jié)構(gòu)形式第96頁，共158頁，2023年，2月20日，星期三電子測量——北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院972.基本特性輸出電壓幅值與鐵心位移之間的關(guān)系如右圖所示。位移的方向可由輸出電壓與電源電壓之間的相位關(guān)系確定：

Uo與Ui同相→

x為正

Uo與Ui反相→

x為負(fù)實際上，零位移時仍有一個最小的輸出電壓——零點殘余電壓輸出電壓幅值與位移的關(guān)系輸出電壓的幅值為副10uoe21e22x副2原線圈第97頁，共158頁，2023年，2月20日，星期三電子測量——北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院98（三）渦流式傳感器1.基本原理——渦流效應(yīng)導(dǎo)體置于交變磁場中，將在導(dǎo)體內(nèi)感應(yīng)出電流——電渦流利用電渦流效應(yīng)可制作傳感器——電渦流傳感器能夠?qū)Ρ粶y量進行非接觸測量;形成電渦流必須具備兩個條件：①存在交變磁場②導(dǎo)電體處于交變磁場中第98頁，共158頁，2023年，2月20日，星期三電子測量——北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院992.高頻反射式渦流傳感器組成：感應(yīng)/檢測線圈+金屬導(dǎo)體等效電路：將導(dǎo)體看作一個線圈，則傳感器可等效為兩個線圈之間的相互作用。渦流作用的效果，相當(dāng)于改變了線圈的阻抗第99頁，共158頁，2023年，2月20日，星期三電子測量——北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院1003.低頻透射式渦流傳感器組成：發(fā)射線圈＋被測導(dǎo)體＋接收線圈原理：發(fā)射線圈產(chǎn)生頻率較低的磁場，可以穿透一定厚度的被測導(dǎo)體接收線圈的輸出電壓與穿透過來的磁場強度成正比兩線圈位置固定時，接收線圈的輸出與被測導(dǎo)體的厚度有關(guān)可應(yīng)用于導(dǎo)體厚度測量第100頁，共158頁，2023年，2月20日，星期三電子測量——北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院101（四）電感式傳感器應(yīng)用舉例應(yīng)用領(lǐng)域位移、距離、金屬厚度——直接應(yīng)用加速度、壓力、壓差、振動、荷重、流量、液位、轉(zhuǎn)速

——擴展應(yīng)用特點：輸出功率大，輸出阻抗低，抗干擾能力強結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定——對環(huán)境要求不高，工作可靠精度及靈敏度高，分辨力強，線性較好零位誤差較大頻響范圍低，不適合做快速動態(tài)測量第101頁，共158頁，2023年，2月20日，星期三電子測量——北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院1021.位移測量探頭測量電橋交流放大相敏檢波顯示振蕩器——電感測微儀第102頁，共158頁，2023年，2月20日，星期三電子測量——北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院103位移測量（續(xù)）

這是一款由英國吉兒公司生產(chǎn)的可測量60mm線位移的扁電感直線位移傳感器，由兩部分組成：扁電感傳感器＋與被測體連接的U型金屬移動體。這款非接觸傳感器摒棄了機械連接，耐用并能抵御各種惡劣環(huán)境（灰塵、潮濕、高溫、振動）。帶串行輸出異步接口。相關(guān)信息在

第103頁，共158頁，2023年，2月20日，星期三電子測量——北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院1042.角位移測量變磁阻型旋轉(zhuǎn)變壓器——微動同步器第104頁，共158頁，2023年，2月20日，星期三電子測量——北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院1052.加速度測量彈性支承差動變壓器a

可測量0.1～5mm的振幅，頻率為0～150Hz的振動。差動變壓器的激磁頻率必須在振動頻率的十倍以上穩(wěn)壓電源振蕩器檢波器濾波器～220V輸出第105頁，共158頁，2023年，2月20日，星期三電子測量——北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院1063.微壓力測量

將差動變壓器和彈性敏感元件（膜片、膜盒和彈簧管等）相結(jié)合，可以組成各種形式的壓力傳感器。

這種變送器可分檔測量(–5～6)×105N/m2的壓力，輸出信號電壓為0～50mV，精度為1.5級。

當(dāng)壓差變化時，腔內(nèi)膜片位移使差動變壓器次級電壓發(fā)生變化，輸出與位移成正比，位移與壓差成正比。第106頁，共158頁，2023年，2月20日，星期三電子測量——北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院1074.厚度測量~第107頁，共158頁，2023年，2月20日，星期三電子測量——北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院1085.接近開關(guān)振蕩?停振第108頁，共158頁，2023年，2月20日，星期三電子測量——北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院1096.轉(zhuǎn)速測量7.振動測量第109頁，共158頁，2023年，2月20日，星期三電子測量——北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院110渦流式安檢系統(tǒng)——金屬探測第110頁，共158頁，2023年，2月20日，星期三五、壓電式傳感器電子測量——北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院111第111頁，共158頁，2023年，2月20日，星期三五、壓電式傳感器1.原理：壓電效應(yīng)某些材料構(gòu)成的物體在受到一定方向的力的作用而發(fā)生變形時，會在某相應(yīng)的表面上產(chǎn)生電荷；當(dāng)外力撤除后，物體會重新回到不帶電狀態(tài)。這一現(xiàn)象稱為——（正）壓電效應(yīng)。電子測量——北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院112同樣的力作用在不同方向，產(chǎn)生的電荷數(shù)目不一定相同某些方向受力作用時，甚至不產(chǎn)生電荷——各向異性單位面積上的電荷密度

q=djiσ第112頁，共158頁，2023年，2月20日，星期三電子測量——北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院113壓電效應(yīng)產(chǎn)生的機理1.石英晶體不受外力作用時，正、負(fù)電荷中心重合，電偶極矩平衡，對外不顯電荷受外力作用時，原子間發(fā)生相對位移，正、負(fù)電荷中心不對稱，電偶極矩處于不平衡狀狀態(tài)，對外顯示電荷x、

y方向都會產(chǎn)生壓電效應(yīng)，但有強弱差別z方向無壓電效應(yīng)SiO2第113頁，共158頁，2023年，2月20日，星期三電子測量——北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院114壓電效應(yīng)產(chǎn)生的機理（續(xù)）2.壓電陶瓷多種氧化物粉末混合燒結(jié)成的多晶體，晶粒組成大量的電疇高溫?zé)Y(jié)過程中，在外部強電場下極化，電疇規(guī)律排列外電場去掉后，電疇極化方向基本不變，具備一定的剩余電荷被外界離子中和外力改變電疇排列，失去對電荷的束縛，失去電子而“帶電”極化前剩余極化極化過程第114頁，共158頁，2023年，2月20日，星期三電子測量——北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院115逆壓電效應(yīng)——電致伸縮效應(yīng)在壓電材料的某個方向上施加電場，壓電材料就會在相應(yīng)方向上產(chǎn)生機械變形（壓縮或伸長），這種現(xiàn)象稱為電致伸縮效應(yīng)常用壓電材料：石英晶體：d11=2.31pc/N，σmax=95～100MN/m2

εr=4.5，ρ>1012Ω?m，T>500℃（居里點溫度）鈦酸鋇BaTiO3：d=107pc/N，σmax=76MN/m2

εr=1200，ρ>1010Ωm，T>80℃鋯鈦酸鉛Pb(Zr?Ti)O3——PZT鈮酸鹽系列KN3O3+PbNbO3第115頁，共158頁，2023年，2月20日，星期三電子測量——北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院116壓電式傳感器是一種以壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)、實現(xiàn)非電量測量的典型發(fā)電型傳感器可以實現(xiàn)各種動態(tài)的

力、機械沖擊和振動的測量，在聲學(xué)、醫(yī)學(xué)、力學(xué)、導(dǎo)航方面已得到廣泛的應(yīng)用概述第116頁，共158頁，2023年，2月20日，星期三電子測量——北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院1172.等效電路第一

種等效電路：力控電荷源并聯(lián)電容器Q=d?F第二種等效電路：力控電壓源串聯(lián)電容器U=d?F/Ca第117頁，共158頁，2023年，2月20日，星期三電子測量——北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院118壓電晶體的串、并聯(lián)并聯(lián)：電容量加倍、電荷量加倍，輸出電壓不變串聯(lián)：電容量減半、電荷量不變，輸出電壓加倍——提高靈敏度系數(shù)并聯(lián)串聯(lián)第118頁，共158頁，2023年，2月20日，星期三電子測量——北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院1193.轉(zhuǎn)換電路之一——電壓放大器電路

設(shè)電壓晶體上作用一個周期變化的力，大小為F=Fmsinωt

，則q=d?F=d?Fmsinωt?？梢杂嬎爿敵鲭妷旱姆禐棣?0時，Uom=0，因此壓電式傳感器不可以測靜態(tài)力（例如稱重）第119頁，共158頁，2023年，2月20日，星期三電子測量——北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院120轉(zhuǎn)換電路之二——電荷放大器電路——用電容作反饋元件的深度負(fù)反饋、高增益放大電路。第120頁，共158頁，2023年，2月20日，星期三電子測量——北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院1214.壓電式傳感器的應(yīng)用舉例應(yīng)用領(lǐng)域：動態(tài)變化的力學(xué)量測量力、加速度、壓力、振動頻率壓電換能器發(fā)射（揚聲器）、接收（麥克風(fēng)）超聲波探頭（雷達(dá)）血壓測量安防：例如，壓電式玻璃破碎報警器第121頁，共158頁，2023年，2月20日，星期三電子測量——北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院1221.壓電式壓力傳感器——不可測液面高度，例如水位2.流速、流量測量流量顯示1789輸出信號換能器換能器接收接收發(fā)射發(fā)射在管外一定距離的兩點安裝壓電超聲傳感器，分別充當(dāng)發(fā)射器和接收器。發(fā)射和接收的相位差與流速成正比。在順流和逆流的情況，發(fā)射和接收互換一次，即可精確測定流速。流速與管道橫截面積的乘積等于流量。換能器第122頁，共158頁，2023年，2月20日，星期三電子測量——北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院1233.壓電式加速度傳感器便于集成化、小型化第123頁，共158頁，2023年，2月20日，星期三電子測量——北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院1244.壓電式玻璃破碎報警器5.聲控開關(guān)6.電子血壓計7.汽車撞擊保護系統(tǒng)第124頁，共158頁，2023年，2月20日，星期三六、熱電式傳感器電子測量——北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院125——溫度傳感器第125頁，共158頁，2023年，2月20日，星期三六、熱電式傳感器溫度傳感器的常見種類：熱電偶、熱電阻、熱敏電阻、半導(dǎo)體溫度傳感器液體溫度計、雙金屬溫度計紅外溫度傳感器光電式傳感器重點關(guān)注：原理、特性（測量范圍、精度、線性）、應(yīng)用方法電子測量——北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院126第126頁，共158頁，2023年，2月20日，星期三電子測量——北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院127液體溫度計、雙金屬溫度計熱電偶熱電阻熱敏電阻紅外溫度傳感器集成溫度傳感器

利用晶體管PN結(jié)的電流、電壓隨溫度變化。集成化、體積小、響應(yīng)快、價廉，測量150℃以下溫度。二、溫度傳感器的分類紅外輻射金屬溫差電動勢電阻率隨溫度變化半導(dǎo)體材料的特性隨溫度變化熱脹冷縮第127頁，共158頁，2023年，2月20日，星期三電子測量——北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院128（一）

熱電偶1.原理—熱電效應(yīng)兩種不同材料的導(dǎo)體構(gòu)成閉合回路，當(dāng)兩個接觸點所處溫度不同時，兩導(dǎo)體間會產(chǎn)生電勢和回路電流，這一現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)，或塞貝克效應(yīng)電子濃度不同的兩種金屬接觸，電子擴散，在接觸面產(chǎn)生穩(wěn)定的電場和電勢——珀爾帖效應(yīng)，接觸電勢單一金屬導(dǎo)體，高溫端電子向低溫端運動，導(dǎo)致兩端產(chǎn)生電勢差——湯姆孫效應(yīng)，溫差電勢第128頁，共158頁，2023年，2月20日，星期三熱電效應(yīng)（續(xù)）接觸電勢：溫差電勢：總熱電勢：nA、nB——電子濃度；σA、σB——湯姆遜系數(shù)；

T、

T0——（絕對）溫度；k=1.38×10-23J/K；e=1.60×10-19C電子測量——北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院129第129頁，共158頁，2023年，2月20日，星期三熱電效應(yīng)（續(xù)）熱電勢的大小只與兩種導(dǎo)體的材料差別、兩接觸點的溫度差有關(guān)，與導(dǎo)體的尺寸、形狀、溫度的梯度分布情況無關(guān)如果兩種材料的參數(shù)已知，則熱電勢EAB(T,T0)將是T－T0的單調(diào)線性函數(shù)欲求T，需知T0

——冷端補償問題材料配伍已標(biāo)準(zhǔn)化——標(biāo)準(zhǔn)熱電偶電子測量——北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院130第130頁，共158頁，2023年，2月20日，星期三電子測量——北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院1312.常用熱電偶及測溫范圍貴金屬熱電偶鉑銠30—鉑銠6

（600～1800）℃鉑銠10——鉑（0～1600）℃普通金屬熱電偶鎳鉻——鎳硅（-200～1200）℃鎳鉻——鎳銅（-40～750）℃鐵——康銅（0～400）℃熱電偶可以測量上千度高溫且精度較高，機械性能好，是其它溫度傳感器無法替代的。對于500℃以下的中、低溫精確測量，用熱電偶不一定恰當(dāng)?shù)?31頁，共158頁，2023年，2月20日，星期三電子測量——北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院1323.結(jié)構(gòu)形式普通熱電偶薄膜熱電偶鎧裝熱電偶4.測量方案電位差計數(shù)字電壓表（DVM）計算機自動測量系統(tǒng)第132頁，共158頁，2023年，2月20日，星期三電子測量——北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院133（二）熱電阻1.原理

材料的電阻率隨溫度變化：

ρ=a+bT+cT2

大多數(shù)金屬有0.3—0.6%/℃的正溫度系數(shù),因而可構(gòu)造熱電阻溫度傳感器。2.特點：精度高；測量范圍大（尤其低溫測量）3.應(yīng)用領(lǐng)域：-200～500℃

可擴展至1~3K及1000～1200℃范圍第133頁，共158頁，2023年，2月20日，星期三電子測量——北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院1344、常用材料及特點鉑，銅，鐵，鎳鉑0.39%/0C-200～6500C性能穩(wěn)定，重復(fù)性好，昂貴。銅0.43%/0C-50～1500C線性好，但易氧化。鎳0.6%/0C-60～1800C穩(wěn)定性和線性較差，適于精度要求不高的場合。第134頁，共158頁，2023年，2月20日，星期三電子測量——北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院1355.結(jié)構(gòu)

直徑0.02—0.07mm的高純度金屬絲（如99.99%），繞在云母、陶瓷或玻璃骨架上，然后做出引線，外包陶瓷或不銹鋼套管。

——不耐沖擊6.測量方案電橋第135頁，共158頁，2023年，2月20日，星期三電子測量——北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院136（三）熱敏電阻熱敏電阻一般是指采用多種金屬氧化物的粉末按一定比例混合燒結(jié)成的半導(dǎo)體材料構(gòu)成的一類熱電阻，其阻值隨溫度變化顯著根據(jù)其特性，分為三種類型：正溫度系數(shù)熱敏電阻——PTCPositiveTemperatureCoefficientresistor負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻——NTCNegativeTemperatureCoefficientresistor臨界溫度熱敏電阻——CTRCriticalTemperatureResistor第136頁，共158頁，2023年，2月20日，星期三電子測量——北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院1371.正溫度系數(shù)熱敏電阻——PTCρ隨T增加而上升，溫度系數(shù)比金屬的高10~100倍以上。通常在BaTiO3中摻入稀土元素構(gòu)成，分為緩變型和突變型，以突變型最為常用。通過改變材料配方，可以每10oC為一檔改變Tc，做成系列產(chǎn)品，測溫范圍0~340℃。

設(shè)冷態(tài)時的電阻值為Rmin，稱Rc=2Rmin為開關(guān)電阻值，對應(yīng)的溫度稱為開關(guān)溫度Tc，表示電阻發(fā)生階躍式增大時的最高溫度。第137頁，共158頁，2023年，2月20日，星期三2.負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻——NTC材料受熱時，電子由價帶躍遷到導(dǎo)帶，使電阻率降低電子測量——北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院138ΔE——材料的激活能令B=

ΔE/2k,溫度T0時的電阻值為R0，則溫度T1時的電阻值為第138頁，共158頁，2023年，2月20日，星期三負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻（續(xù)）常用材料：多種陶瓷材料例如

CdO—Sb2O3—WO3

CdO—SnO2—WO3特性：在-100～300℃范圍內(nèi)，R—T

大體呈線性關(guān)系，溫度系數(shù)較為穩(wěn)定，例如-0.4%/℃電子測量——北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院139第139頁，共158頁，2023年，2月20日，星期三電子測量——北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院1403.臨界溫度熱敏電阻——CTR特點：在一定溫度范圍內(nèi)，電阻值隨溫度降低在某一溫度點的很窄范圍（幾℃）內(nèi)，電阻會發(fā)生3～4個數(shù)量級的突變機理：半導(dǎo)體→導(dǎo)體常用材料：V2O3

（氧化釩）用途：定溫檢測，火災(zāi)報警——可看作是NTC的一個派生品種第140頁，共158頁，2023年，2月20日，星期三電子測量——北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院141熱敏電阻外形示實例貼片式薄膜式

大功率

第141頁，共158頁，2023年，2月20日，星期三電子測量——北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院142熱敏電阻外形示實例第142頁，共158頁，2023年，2月20日，星期三電子測量——北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院1434.熱敏電阻的特點結(jié)構(gòu)簡單，體積小電阻率高、熱慣性小，可用于動態(tài)測量電阻溫度系數(shù)高，靈敏度高，是金屬的10～100倍非線性嚴(yán)重測溫范圍窄穩(wěn)定性和重復(fù)性差，互換性不好精度差，不適于精密測量第143頁，共158頁，2023年，2月20日，星期三5.應(yīng)用舉例應(yīng)用領(lǐng)域

家電：彩電，冰箱、電飯煲、空調(diào)等的溫控安防：火災(zāi)報警電器設(shè)備、電路的電壓沖擊保護、過熱保護

電子測量——北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院144第144頁，共158頁，2023年，2月20日，星期三電子測量——北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院145應(yīng)用舉例溫度繼電器恒溫控制裝置單相電機自動啟動超溫報警測溫電路第145頁，共158頁，2023年，2月20日，星期三電子測量——北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院146（四）半導(dǎo)體集成溫度傳感器1.三極管的溫度特性Ies—發(fā)射結(jié)反向飽和電流q---電子電量；k---波爾茲曼常數(shù)；T---絕對溫度