傳感器類型及原理

傳感器類型及原理第1頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三4.5壓電式傳感器

一、工作原理－壓電效應(yīng)

天然結(jié)構(gòu)的石英晶體呈六角形晶柱，用金剛石刀具切割出一片正方形薄片。當晶體薄片受到壓力時，晶格產(chǎn)生變形，表面產(chǎn)生正電荷，電荷Q與所施加的力F成正比，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。還有一些人造的材料也具有壓電效應(yīng)。

當力的方向改變時，電荷的極性隨之改變；當動態(tài)力變?yōu)殪o態(tài)力時，電荷將由于表面漏電而很快泄漏、消失。第2頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三4.5壓電式傳感器

若在電介質(zhì)的極化方向上施加交變電壓，它就會產(chǎn)生機械變形。當去掉外加電場時，電介質(zhì)的變形隨之消失，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)（電致伸縮效應(yīng)）。第3頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三4.5壓電式傳感器

壓電效應(yīng)的應(yīng)用原理①力－>電軸－>縱向壓電效應(yīng)，在電軸方向產(chǎn)生電效應(yīng)②力－>力軸－>橫向壓電效應(yīng)，在電軸方向產(chǎn)生電效應(yīng)，極性與①相反③力－>光軸－>無壓電效應(yīng)④電－>電軸－>逆壓電效應(yīng)，產(chǎn)生機械應(yīng)變⑤光－>光軸－>無雙折射現(xiàn)象第4頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三4.5壓電式傳感器

壓電材料的分類及特性壓電傳感器中的壓電元件材料一般有三類：第一類是壓電晶體（如石英晶體）；第二類是經(jīng)過極化處理的壓電陶瓷；第三類是高分子壓電材料。第5頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三4.5壓電式傳感器

天然形成的石英晶體外形1壓電晶體－石英晶體第6頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三石英晶體切片及封裝雙面鍍銀并封裝4.5壓電式傳感器

第7頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三4.5壓電式傳感器

2壓電陶瓷

壓電陶瓷是人工制造的多晶壓電材料，它比石英晶體的壓電靈敏度高得多，而制造成本卻較低，因此目前國內(nèi)外生產(chǎn)的壓電元件絕大多數(shù)都采用壓電陶瓷。常用的壓電陶瓷材料有鈦酸鉛系列壓電陶瓷（PZT）及非鉛系壓電陶瓷（如鈦酸鋇BaTiO3等）。壓電陶瓷外形第8頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三4.5壓電式傳感器

3高分子壓電材料

典型的高分子壓電材料有聚偏二氟乙烯（PVF2或PVDF）、聚氟乙烯（PVF）、改性聚氯乙烯（PVC）等。它是一種柔軟的壓電材料，可根據(jù)需要制成薄膜或電纜套管等形狀。它不易破碎，具有防水性，可以大量連續(xù)拉制，制成較大面積或較長的尺度，價格便宜，頻率響應(yīng)范圍較寬。高分子壓電薄膜及拉制第9頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三4.5壓電式傳感器

高分子壓電材料制作的壓電薄膜和電纜

可用報警的高分子壓電踏腳板第10頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三4.5壓電式傳感器

高分子壓電薄膜制作的壓電喇叭

（逆壓電效應(yīng)）第11頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三壓電式動態(tài)力傳感器以及在

車床中用于動態(tài)切削力的測量

4.5壓電式傳感器

第12頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三壓電式動態(tài)力傳感器在體育動態(tài)測量中的應(yīng)用壓電式步態(tài)分析跑臺壓電式縱跳訓練分析裝置壓電傳感器測量雙腿跳的動態(tài)力4.5壓電式傳感器

第13頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三4.5壓電式傳感器

+并聯(lián)F+Q=KpF

Q－電荷；Kp—壓電常數(shù)；F－壓力。壓電式傳感器連接方法:1）并聯(lián)法

兩壓電片的負極都集中在中間電極上，正電極在兩邊的電極上，這種連接方法稱為并聯(lián)。輸出電容C‘為單片電容的n倍；輸出電壓U等于單片電壓Ua；極板上電荷量Q’為單片電荷量Q的n倍，即

Q＇=nQ

U=Ua

C＇=nCa第14頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三2）串聯(lián)法

正電荷集中在上極板，負電荷集中在下極板，而中間的極板上片產(chǎn)生的負電荷與下片產(chǎn)生的正電荷相互抵消，這種接法稱為串聯(lián)。

Q＇=Q

U=nUaC＇=3）比較：●并聯(lián)接法輸出電荷大，本身電容大（因而接上負載后時間常數(shù)大），宜用于以電荷作為輸出量的場合，相對來說允許被測對象變化頻率稍低?！翊?lián)接法輸出電壓大，本身電容小，宜用于以電壓作為輸出量的場合，要求后續(xù)電路有較大的輸入阻抗。4.5壓電式傳感器

+串聯(lián)第15頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三壓電式傳感器測量電路:①由于壓電傳感器的輸出信號非常微弱，需將其輸出電信號進行放大才能測量出來；②壓電傳感器的內(nèi)阻抗相當高，不是普通放大器能放大的，需進行阻抗匹配；③連接電纜的長度、噪聲對系統(tǒng)輸出有明顯影響。

壓電式傳感器的輸出可以是電壓信號，也可以是電荷信號。當采用電壓輸出信號時，這時把傳感器看作電壓發(fā)生器；當采用電荷輸出信號時，這時把傳感器看作電荷發(fā)生器。

前置放大器有兩種形式：●電壓放大器，其輸出電壓與輸入電壓成比例，一般稱為阻抗變換器；●電荷放大器，其輸出電壓與輸入電荷成比例。4.5壓電式傳感器

第16頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三4.5壓電式傳感器

1）電壓放大器

C越大，e越小ω＝0，e＝0第17頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三4.5壓電式傳感器

2）電荷放大器

兩種前置放大器的主要區(qū)別：●使用電壓放大器時，整個測量系統(tǒng)對電纜電容的變化非常敏感，尤其是連接電纜長度變化更為明顯；●使用電荷放大器時，電纜長度變化的影響差不多可以忽略不計。Cc對結(jié)果影響小第18頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三

電荷放大器能將壓電傳感器輸出的電荷轉(zhuǎn)換為電壓（Q/U轉(zhuǎn)換器），但并無放大電荷的作用，只是一種習慣叫法。面板式電荷放大器4.5壓電式傳感器

焊接式電荷放大器

主要指標:

靈敏度：1、10、100mV/pC(任選一檔)

頻率范圍：0.3～100KHz(上、下限可選)

噪聲(最大靈敏度)：輸出端小于1mV

歸一化：外接電阻調(diào)整

線性誤差：1%

最大輸出：±5V或±10V

電

源：±6V～±15V

特點：可組成經(jīng)濟的多點測試系統(tǒng)第19頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三4.6磁電式傳感器

1.變換原理:

磁電式傳感器是把被測量的物理量轉(zhuǎn)換為感應(yīng)電動勢的一種轉(zhuǎn)換器。感應(yīng)線圈的感應(yīng)電動勢e為磁通變化率與磁場強度、磁阻、線圈運動速度有關(guān)，改變其中一個因素，都會改變感應(yīng)電動勢。

第四章、傳感器類型及工作原理第20頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三2分類

磁電式動圈式磁阻式線速度型角速度型N4.6磁電式傳感器

第21頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三動圈式傳感器線速度型4.6磁電式傳感器

第22頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三角速度型測速電機4.6磁電式傳感器

第23頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三磁阻式傳感器

磁電式車速傳感器4.6磁電式傳感器

第24頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三汽車速度的測量原理

與車輪聯(lián)動4.6磁電式傳感器

第25頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三4.7熱電式傳感器

1.變換原理:

熱電式傳感器是把溫度變化轉(zhuǎn)換為電量變化的傳感器，分為熱電阻（見4.2）和熱電偶。第四章、傳感器類型及工作原理熱電效應(yīng)

將兩種不同材料的導體A和B串接成一個閉合回路，當兩個接點溫度不同時，在回路中就會產(chǎn)生熱電勢，形成電流，此現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。第26頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三4.7熱電式傳感器

熱電偶工作原理演示

結(jié)論：當兩個結(jié)點溫度不相同時，回路中將產(chǎn)生電動勢。

熱電極A右端為：自由端（參考端、冷端）

左端為：測量端（工作端、熱端）

熱電極B熱電勢AB第27頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三4.7熱電式傳感器

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(jié)點），發(fā)現(xiàn)放在回路中的指南針發(fā)生偏轉(zhuǎn)（說明什么？），如果用兩盞酒精燈對兩個結(jié)點同時加熱，指南針的偏轉(zhuǎn)角反而減?。ㄓ终f明什么？）。熱電效應(yīng)也叫賽貝克效應(yīng)。熱電效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)第28頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三4.7熱電式傳感器

結(jié)點產(chǎn)生熱電勢的微觀解釋及圖形符號

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)生熱電勢，其值與溫度相關(guān)。自由電子＋ABTie第29頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三4.7熱電式傳感器

ABTT0k——玻耳茲曼常數(shù)，e——電子電荷量，T——接觸處的溫度，NA，NB——分別為導體A和B的自由電子密度。

熱電偶兩結(jié)點所產(chǎn)生的總的熱電勢等于熱端熱電勢與冷端熱電勢之差，是兩個結(jié)點的溫差Δt

的函數(shù)：EAB（T，T0）=EAB（

T）-EAB（

T0

）熱電勢大致與兩個結(jié)點的溫差Δt

成正比第30頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三4.7熱電式傳感器

熱電偶測溫基本定律1)均質(zhì)導體定律由一種均質(zhì)導體組成的閉合回路，不論導體的橫截面積、長度以及溫度分布如何均不產(chǎn)生熱電動勢。TT02)中間導體定律在熱電偶回路中接入第三種材料的導體，只要其兩端的溫度相等，該導體的接入就不會影響熱電偶回路的總熱電動勢。TT0V第31頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三4.7熱電式傳感器

3)參考電極定律兩種導體A,B分別與參考電極C組成熱電偶，如果他們所產(chǎn)生的熱電動勢為已知，A和B兩極配對后的熱電動勢可用下式求得：ABTT0=ACTT0—CBTT0由于鉑的物理化學性質(zhì)穩(wěn)定、人們多采用鉑作為參考電極。第32頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三4.7熱電式傳感器

八種國際通用熱電偶：

B:鉑銠30—鉑銠6

、R:鉑銠13—鉑、S:鉑銠10—鉑、K:鎳鉻—鎳硅、N:鎳鉻硅—鎳硅、E:鎳鉻—銅鎳、J:鐵—銅鎳、T:銅—銅鎳

用于制造鉑熱電偶的各種鉑熱電偶絲第33頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三4.7熱電式傳感器

設(shè)冷端為0C，根據(jù)以下電路中的毫伏表的示值及K熱電偶的分度表，查出熱端的溫度tx

。第34頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三4.7熱電式傳感器

普通裝配型熱電偶的外形安裝螺紋安裝法蘭第35頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三4.7熱電式傳感器

第36頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三4.7熱電式傳感器

熱電偶冷端的延長

采用相對廉價的補償導線，可延長熱電偶的冷端，使之遠離高溫區(qū)；可節(jié)約大量貴金屬；易彎曲，便于敷設(shè)。

要求：補償導線在0～100C范圍內(nèi)的熱電勢與配套的熱電偶的熱電勢相等，所以不影響測量精度。補償導線外形

屏蔽層保護層第37頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三4.7熱電式傳感器

熱電偶的冷端溫度補償必要性：

1、用熱電偶的分度表查毫伏數(shù)-溫度時，必須滿足t0=0C的條件。在實際測溫中，冷端溫度常隨環(huán)境溫度而變化，這樣t0不但不是0C，而且也不恒定，因此將產(chǎn)生誤差。

2、一般情況下，冷端溫度均高于0C，熱電勢總是偏小。應(yīng)想辦法消除或補償熱電偶的冷端損失。第38頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三4.7熱電式傳感器

冷端溫度補償?shù)姆椒?/p>

一、冷端恒溫法：將熱電偶的冷端置于裝有冰水混合物的恒溫容器中，使冷端的溫度保持在0C不變。此法也稱冰浴法，它消除了t0不等于0C而引入的誤差，由于冰融化較快，所以一般只適用于實驗室中。

冰浴法接線圖

1—被測流體管道

2—熱電偶

3—接線盒

4—補償導線

5—銅質(zhì)導線

6—毫伏表

7—冰瓶

8—冰水混合物

9—試管

10—新的冷端

第39頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三4.7熱電式傳感器

二、計算修正法

當熱電偶的冷端溫度t00C時，由于熱端與冷端的溫差隨冷端的變化而變化，所以測得的熱電勢EAB（t，t0）與冷端為0C時所測得的熱電勢EAB（t，0C）不等。若冷端溫度高于0C，則EAB（t，t0）<EAB（t，0C）。可以利用下式計算并修正測量誤差：

EAB（t，0C）=EAB（t，t0）+EAB（t0，0C）第40頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三4.7熱電式傳感器

三、電橋補償法

XT-WBC熱電偶冷端補償器

電橋補償法是利用不平衡電橋產(chǎn)生的不平衡電壓來自動補償熱電偶因冷端溫度變化而引起的熱電勢變化值，可購買與被補償熱電偶對應(yīng)型號的補償電橋。RH為熱電阻

第41頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三4.8光電式傳感器

第四章、傳感器類型及工作原理

光電傳感器通常是指能敏感到由紫外線到紅外線光的光能量，并能將光能轉(zhuǎn)化成電信號的器件。其工作原理是基于一些物質(zhì)的光電效應(yīng)。內(nèi)光電效應(yīng)

半導體材料受到光照時會產(chǎn)生電子-空穴對,使其導電性能增強,光線愈強，阻值愈低，這種光照后電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象,稱為內(nèi)光電效應(yīng)

。光敏電阻、光敏二極管和光敏三極管外光電效應(yīng)

受到光照時使電子逸出表面，稱為外光電效應(yīng)

。光電管、光電倍增管第42頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三4.8光電式傳感器

第43頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三4.8光電式傳感器

照相機自動測光光控燈工業(yè)控制第44頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三4.8光電式傳感器

光電池

光生伏特效應(yīng)指半導體材料P-N結(jié)受到光照后產(chǎn)生一定方向的電動勢的效應(yīng)。以可見光作光源的光電池是常用的光生伏特型器件。+++---PN第45頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三4.8光電式傳感器

應(yīng)用