發(fā)電式傳感器及其應用

發(fā)電式傳感器及其應用第一頁，共82頁內(nèi)容壓電式傳感器磁電式傳感器光電式傳感器圖像傳感器霍爾傳感器熱電偶傳感器紅外探測器傳感器電參數(shù)電阻電容電感電信號電壓電流電荷第二頁，共82頁1.原理：利用壓電材料的壓電效應，將被測量的變化轉(zhuǎn)換成感生的電荷量變化實現(xiàn)測量敏感元件——力敏感元件——壓電材料——石英晶體、壓電陶瓷

壓電陶瓷比石英晶體的壓電靈敏度高得多（數(shù)百倍），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（鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等）。

測量的物理量測量那些最終能變成力的物理量

力，力矩和壓力振動加速度，聲音特點：響應快、靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠;不適合靜態(tài)、準靜態(tài)信號的測量

5.1.1壓電式傳感器基本原理F+q什么類型傳感器可測靜態(tài)量？第三頁，共82頁壓電陶瓷外形

5.1.1壓電式傳感器基本原理壓電陶瓷及其換能器外形第四頁，共82頁5.1.1壓電式傳感器基本原理壓電效應:外力作用下在壓電材料一定方向的兩個表面產(chǎn)生電荷壓電效應分為：正壓電效應：上述現(xiàn)象為正壓電效應，傳感器利用正壓電效應。逆壓電效應：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。六角形晶柱第五頁，共82頁當動態(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;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.5.1.1壓電式傳感器基本原理為什么壓電傳感器不宜測量靜態(tài)量？第六頁，共82頁2.壓電傳感器等效電路兩極板上聚集異性電荷，中間為絕緣體的電容器FFq電極壓電晶片Cou＝q/Co5.1.1壓電式傳感器基本原理第七頁，共82頁3.結(jié)構(gòu)形式為了提高靈敏度，可用多片壓電材料串、并聯(lián)組成。并聯(lián)接法：電容量大、時間常數(shù)大，響應慢

測量緩變信號適合電荷輸出串聯(lián)接法：電容量小、時間常數(shù)小，響應快

測量快變信號適合電壓輸出5.1.1壓電式傳感器基本原理第八頁，共82頁5.1.2壓電式傳感器的應用123451－壓電轉(zhuǎn)換元件2－傳感器體

3－彈性膜片4－電極5－引線1.壓電式壓力傳感器原理：利用正壓電效應，將壓力轉(zhuǎn)換成電荷量實現(xiàn)測量測量動態(tài)力：機械結(jié)構(gòu)的拉伸和壓縮力第九頁，共82頁5.1.2壓電式傳感器的應用2.壓電加速度計原理：利用正壓電效應，將加速度轉(zhuǎn)換成電荷量實現(xiàn)測量典型加速度計特性參數(shù)：

頻響范圍：1Hz～22KHz

量程：0～2000g適用溫度：－150～＋260℃，靈敏度：5～72mv/g優(yōu)點：尺寸小、重量輕、頻響寬、堅固耐用，應用廣泛缺點：低頻性能差，不適用靜態(tài)測量；阻抗高，測量噪聲大

1－壓電元件2－預壓彈簧

3－外殼4－質(zhì)量塊5－基座比較力傳感器與加速度傳感器結(jié)構(gòu)的最大區(qū)別？因此：是常用的高頻振動測量傳感器！第十頁，共82頁5.1.2壓電式傳感器的應用壓電加速度計結(jié)構(gòu)形式壓縮式剪切式彎曲式彎曲式靈敏度高體積大機械強度差固有頻率低，低頻測量剪切式靈敏度高橫向靈敏度小容易小型化固有頻率高，高頻測量壓縮式結(jié)構(gòu)簡單裝配方便是目前常用的結(jié)構(gòu)形式第十一頁，共82頁5.1.2壓電式傳感器的應用壓電加速度計安裝(a)直接螺栓固定：測量強振和高頻率振動，比較常用

(b)絕緣連接：減少振動表面電干擾(c)臘膜粘附：不牢靠(d)手持接觸：適合低頻（<1000Hz）振動,誤差大(e)磁鐵吸附：方便可靠，適合小振動，比較常用(f-g)粘結(jié)劑連結(jié)：需表面處理第十二頁，共82頁

（1）內(nèi)裝IC壓電加速度傳感器

特點內(nèi)裝微型IC-集成電路放大器低阻抗輸出，抗干擾，噪聲小性能價格比高，安裝方便，尤其適于多點測量穩(wěn)定可靠、抗潮濕、抗粉塵、抗有害氣典型加速度計特性參數(shù)靈敏度：100mV/g量程：50g頻率范圍：0.5-8000Hz（±10%)安裝諧振點:30kHz分辨率：0.0002g

線性：≤1%輸出偏壓：8-12VDC

恒定電流：2-20mA

輸出阻抗：＜150Ω激勵電壓：18-30VDC5.1.2壓電式傳感器的應用典型壓電加速度計第十三頁，共82頁（2）復合式壓電傳感器——機械阻抗測量頭

同時測量同一個點動態(tài)加速度和力的傳感器機械阻抗：響應加速度/激振力

如：8770A5型阻抗頭量程靈敏度頻率范圍加速度

±5g1000mV/g1Hz~4kHz

力

±5Lb1000mV/Lb

5.1.2壓電式傳感器的應用第十四頁，共82頁

壓電（陶瓷/晶體）式傳感器的優(yōu)點具有很高的剛度，即很高的機械阻抗，測量過程中變形甚小，是一種近乎理想的測力元件；尺寸與重量很小，可以小到只有零點幾克，因而使用中對被測對象的附加質(zhì)量小；固有頻率高，可以高達數(shù)萬赫茲，因此測量頻率范圍大，一般幾kHz.線性好；做成多向測力儀時，其橫向干擾?。ㄗ畲蟛怀^5%，一般在3%以下）；響應快、靈敏度高、信噪比大、結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠。

壓電（陶瓷/晶體）式傳感器的缺點不能用于靜態(tài)測量，對于靜態(tài)信號，壓阻式比壓電式好；需經(jīng)常校正靈敏度;調(diào)理特殊：輸出電信號是很微弱的電荷，而且傳感器本身有很大內(nèi)阻，故輸出能量甚微，通常將壓電式傳感器的輸出信號先輸入到具有高輸入阻抗的前置放大器.5.1.2壓電式傳感器的應用第十五頁，共82頁5.1.2壓電式傳感器的應用問題：

檢測一個旋轉(zhuǎn)機械的轉(zhuǎn)子及軸承的振動，一般采用什么傳感器？

采用電渦流傳感器測量轉(zhuǎn)子振動（徑向及軸向）采用壓電式加速度測量軸承振動第十六頁，共82頁5.1.2壓電式傳感器的應用1）應減小電纜噪聲

產(chǎn)生原因：電纜芯與絕緣體間、金屬屏蔽套與絕緣體間因滑移摩擦和分離，產(chǎn)生靜電荷感應干擾。

減小方法：固定好傳感器的引出電纜和選用低噪聲電纜。2）應減小接地回路噪聲

產(chǎn)生原因：不同電位處多點接地，形成了接地回路和回路電流。減小方法：傳感器與被測對象絕緣連接，并使測試系統(tǒng)同一點接地。壓電（陶瓷/晶體）式傳感器應用時注意事項：固定電纜單點接地第十七頁，共82頁可用于波形分析報警的高分子壓電踏腳板

5.1.2壓電式傳感器的應用3.高分子壓電材料及其應用

高分子壓電材料是近年來發(fā)現(xiàn)的一種新型智能材料（如PVDF）。其壓電特性并不是很好，但它易于大批量生產(chǎn)，且具有面積大、柔軟不易破碎等優(yōu)點，可用于微壓測量和機器人的觸覺。鞋跟發(fā)電機第十八頁，共82頁N匝線圈與磁鐵相對運動、切割恒定磁場磁力線，產(chǎn)生感應電動勢：磁通Ф變化率取決于：

磁場強度B，線圈運動速度，磁路磁阻分類：1）動圈式(線圈運動)：常用于測量直線運動速度或振動速度.2）變磁阻式：常用于測量角速度或轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速、扭矩；5.2.1磁電式傳感器基本工作原理1.原理：利用電磁感應原理。第十九頁，共82頁當線圈匝數(shù)N、磁場強度B、磁場中的導體長度L為常數(shù)時，感應電動勢與速度成正比：

5.2.1磁電式傳感器基本工作原理2.動圈式磁電傳感器及其應用特點：輸出功率大，調(diào)理電路簡單，性能穩(wěn)定，頻響10～1000Hz。第二十頁，共82頁磁電式速度傳感器動態(tài)特性下限頻率受固有頻率影響。為了擴大下限可測頻率，固有頻率應該盡可能低，但可能存在體積過大、重力場中靜變形過大、易受交叉振動干擾。因此，固有頻率一般取10～15Hz。上限頻率受到安裝頻率影響。接觸桿與被測物體表面的接觸（安裝）共振頻率決定工作頻率：15～1000Hz阻尼比：阻尼比（0.5-0.7），可擴展頻率下限5.2.2磁電式傳感器的應用

可見，要實現(xiàn)不失真測量對幅頻特性的要求，速度傳感器應工作在頻率比大于1的頻段；最佳阻尼比可提高測量頻率范圍。比較第二十一頁，共82頁1）動圈式磁電絕對速度傳感器組成：磁鋼、慣性質(zhì)量、彈簧、磁阻尼環(huán)、線圈殼體振動

磁鋼隨之振動芯軸相對靜止線圈切割磁力線線圈中感應電勢感應電勢E=kV，k取決于磁感應強度、線圈長度和匝數(shù),V為絕對振動速度彈簧片芯軸線圈磁鋼阻尼環(huán)殼體5.2.2磁電式傳感器的應用

第二十二頁，共82頁

2）動圈式磁電相對速度傳感器

芯軸為頂桿殼體與頂桿間產(chǎn)生相對速度輸出電壓：正比相對速度測量頻率：5Hz～1kHz1、頂桿2、拱形簧片3、磁鋼4、線圈5、引出線6、殼體5.2.2磁電式傳感器的應用

將殼體固定于一試件，通過壓縮彈簧片，使頂桿另一端頂住另一試件，則線圈在磁場中運動速度就是兩試件的相對速度，可為相對速度計。第二十三頁，共82頁原理：永久磁鐵產(chǎn)生確定強度的磁場，磁鐵與線圈均不動，被測量使磁路磁阻變化，引起磁通變化而使線圈產(chǎn)生感應電勢。典型代表：磁電式傳感器測轉(zhuǎn)速齒圈齒頂與極軸的間隙變化導致磁路磁阻變化。缺點：

對轉(zhuǎn)軸有阻力矩；低速時輸出信號較小，故不適用于低轉(zhuǎn)速測量。永久磁鐵線圈齒圈引線間隙極軸5.2.2磁電式傳感器的應用3.變磁阻磁電式傳感器及其應用第二十四頁，共82頁1）變磁阻磁電式轉(zhuǎn)速傳感器OD9001磁電式轉(zhuǎn)速傳感器測量頻響范圍為3Hz-10kHz輸出的波型近似正弦波，輸出信號幅值大小與轉(zhuǎn)速成正比，與探頭端面距齒頂間距的大小成反比高靈敏度、高抗干擾性不需供電5.2.2磁電式傳感器的應用第二十五頁，共82頁2）變磁阻磁電式扭矩傳感器5.2.2磁電式傳感器的應用

電壓u1和u2的相位差與扭轉(zhuǎn)軸的扭轉(zhuǎn)角成正比，而扭轉(zhuǎn)角又與扭矩成正比，故通過測量相位差就可求得扭矩。第二十六頁，共82頁優(yōu)點：能夠直接測量線速度和角速度；輸出功率大，可用于遠距離測量；結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠。缺點：動圈式下限頻率高，一般為10~15Hz；變磁阻式對轉(zhuǎn)軸有阻力矩，低速時輸出信號較小；不宜在高溫及強磁場的環(huán)境中工作。

測角速度型

5.2.2磁電式傳感器的應用4.磁電式傳感器的優(yōu)缺點常用的直接測量位移及加速度的傳感器？第二十七頁，共82頁5.3.1光電式傳感器基本工作原理原理：基于光電子元件（半導體）的光電效應。每個光子具有能量，用光照射某一物體時，會發(fā)生光子與物體的能量交換，產(chǎn)生的電效應為光電效應。分類：

外光電效應：在光照作用下，物體內(nèi)的電子從物體表面逸出的現(xiàn)象。

光照后會產(chǎn)生光電流；

光電元件：光電管、光電倍增管

內(nèi)光電效應：在光照作用下，物體的電阻率發(fā)生改變的現(xiàn)象。

光電元件：光敏電阻

光生伏打效應：在光照射下能使物質(zhì)產(chǎn)生一定方向的電動勢的效應。

光電元件：光電池、光敏晶體管第二十八頁，共82頁2.光電器件及其性能光電管：光電管由陰極及陽極組成。

原理：當陰極受到適當波長的光線照射時便發(fā)射電子，電子被帶正電位的陽極所吸引，這樣在光電管內(nèi)就有電子流，在外電路中便產(chǎn)生了電流。

光電管接收的入射光通量與輸出的光電流成比例關(guān)系（線性關(guān)系）。5.3.1光電式傳感器工作原理光電倍增管：在陰極和陽極之間裝了若干級“倍增極”，它在電子轟擊下能反射更多電子，目的是提高靈敏度。

適合在微弱光下使用，但不能接收強光刺激，否則易于損壞。

光電陰極光電陽極第二十九頁，共82頁

光敏電阻

電阻隨光照強度的增加而減小.

兩個重要參數(shù)：

暗電阻——未受光照時電阻。越大越好，一般是兆歐數(shù)量級；

亮電阻——受光照時的電阻。越小越小，一般為千歐數(shù)量級。1)光照特性亮電阻與光照強度之間的關(guān)系稱為光敏電阻的光照特性;

光敏電阻的光照特性為非線性特性，因此，常用作開關(guān)電路；

2)

靈敏度光敏電阻對于不同波長的入射光的靈敏度不同；

硫化鎘、硒化鎘適用于可見光（0.4-0.75μm)

硫化鉛、硒化鉛適用于紅外光（波長大于可見光）

5.3.1光電式傳感器工作原理第三十頁，共82頁光電池（光敏二極管）：

光照在較大面積的PN結(jié)上，能使其產(chǎn)生一定方向的電動勢，即：直接把光能轉(zhuǎn)換成電能。1)光照特性可跟蹤KHz光頻率變化;

開路電壓與光照強度為非線性關(guān)系；

短路電流與光照強度為線性關(guān)系；因此,一般用作電流源.2)

靈敏度光電池對不同波長的入射光的靈敏度不同：

硅光電池適用波長范圍：0.4-1.1μm

硒光電池適用波長范圍：0.3-0.6μm光敏二極管5.3.1光電式傳感器工作原理第三十一頁，共82頁光敏晶體管（光敏三極管）：光敏晶體管的光照在發(fā)射極與基極之間的PN結(jié)上，集電極會產(chǎn)生較大電流，把光能轉(zhuǎn)換成電能。1)光照特性可跟蹤MHz光頻率變化;

輸出電流的大小隨光照強度的增加而增加，線性度沒有光敏二極管好。2)靈敏度光敏晶體管對不同波長的靈敏度不同，且與入射光的方向有關(guān)。

硅管常用可見光測量

鍺管常用紅外光測量光敏三極管5.3.1光電式傳感器工作原理第三十二頁，共82頁光電元件共性:

(1)每種光電元件均有其自身的光譜特性（適用波長），使用時必須注意與光源匹配。(2)光學與電學性質(zhì)受溫度影響很大。(3)光電元件的電信號可達mA

級。5.3.1光電式傳感器工作原理特點：

非接觸測量，適應環(huán)境能力強；需要光路系統(tǒng)，構(gòu)成復雜測量的物理量

轉(zhuǎn)速，形狀，信號隔離器，開關(guān)量第三十三頁，共82頁5.3.2光電式傳感器的應用3.光電傳感器的應用1)光電式轉(zhuǎn)速傳感器測量原理通過敏感元件來控制照于光電元件光通量的強弱，從而產(chǎn)生與被測軸轉(zhuǎn)速成比例的電脈沖信號，再轉(zhuǎn)化成相應的轉(zhuǎn)速值。優(yōu)點測速范圍寬，可達每分鐘幾十萬轉(zhuǎn)非接觸測量，對被測軸無影響使用方便與磁電式比較？第三十四頁，共82頁5.3.2光電式傳感器的應用光電式轉(zhuǎn)速傳感器的類型光源光電元件轉(zhuǎn)軸反光面透鏡透鏡透鏡半透反光膜反射式光電傳感器透射式光電傳感器第三十五頁，共82頁5.3.2光電式傳感器的應用

2)光電耦合器原理

利用發(fā)光元件與接受光信號的光敏元件封裝為一體而構(gòu)成電－光－電轉(zhuǎn)換的器件

輸入信號為加到發(fā)光器件上的電信號，其輸出信號為光敏元件的輸出電信號。特點

無機械觸點、噪音低、執(zhí)行動作快、體積小、壽命長光電元件發(fā)射光源ST180A單光束紅外光電傳感器(紅外發(fā)射二極管和光敏晶體管組成)

第三十六頁，共82頁5.3.2光電式傳感器的應用(1)光電隔離器

發(fā)光二極管LED和光敏晶體管封裝于一個管殼內(nèi)，使LED輻射能量能有效地耦合到光敏晶體管上。目的：隔離輸入與輸出端兩部分，使各自獨立供電和獨立接地；實現(xiàn)（1）將輸入與輸出兩部分分開，提高抗干擾能力。(2)電平轉(zhuǎn)換，提高驅(qū)動能力例如：發(fā)光二極管發(fā)出的光照射光電三極管的基極，使其受光導通。將輸入5伏信號提高到12伏輸出信號，提高了驅(qū)動能力。使輸入與輸出實現(xiàn)電隔離，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。第三十七頁，共82頁5.3.2光電式傳感器的應用(2)光電開關(guān)原理：通過將光的強度變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘栕兓崿F(xiàn)控制的一種電子開關(guān)。結(jié)構(gòu)種類：對射式、反光板反射式、擴散反射式特點：適應性強，對金屬和非金屬都適用非接觸、無觸點、無機械磨損、無電火花安全、可靠、長壽命（a）對射式光電開關(guān)

(b)反射式光電開關(guān)

(c)擴散式光電開關(guān)第三十八頁，共82頁5.3.2光電式傳感器的應用3)反射式表面粗糙度光電傳感器

光源1發(fā)光，被測工件3表面反射，光電元件5接收。被測表面有缺陷或粗糙度低時，光電元件接受的光通量變小，輸出光電流就小。被測工件在工作臺上左右、前后移動，實現(xiàn)整個表面的掃描測量。

反射法測量原理1.光源2.物鏡3.被測工件4聚光鏡5光電元件第三十九頁，共82頁5.3.2光電式傳感器的應用4）透射式光電測孔徑傳感器光源1發(fā)光，投過被測工件2的孔，由發(fā)光元件3接收。被測孔徑尺寸變化時，光電元件接收的光通量隨之變化，其輸出的光電流大小可確定被測孔徑大小。適用于小直徑通孔和外徑檢測

透射法測量原理1光源2被測物體3光電元件第四十頁，共82頁1.電荷耦合器件工作原理固態(tài)圖像傳感器是一種固態(tài)集成元件，核心是電荷耦合器件（CCD）；電荷耦合器件由多個“金屬-氧化物-半導體(MOS)”電容器件以陣列形式排列在襯底材料上組成，能存儲及轉(zhuǎn)移由光產(chǎn)生的信號電荷.CCD功能：

光生電荷、積蓄電荷、轉(zhuǎn)移電荷光生電荷：每一個單元是一個光電傳感器。在光照射下，光子穿過透明電極及氧化層，進入P型Si襯底，生成光生載流子——電荷；積蓄電荷與光照強度及積蓄時間成正比；轉(zhuǎn)移電荷：控制柵按要求在各單元施加電壓，正向電壓使其產(chǎn)生耗盡區(qū)——吸收信號電荷的勢阱；電壓大小決定勢阱吸收或轉(zhuǎn)移電荷能力；

積蓄電荷與控制柵依次工作5.4.1圖像傳感器基本原理第四十一頁，共82頁5.4.1圖像傳感器基本原理線型CCD傳感器1－CCD轉(zhuǎn)移寄存器2－轉(zhuǎn)移控制柵3－積蓄控制電極4－PD陣列（1728）SH－轉(zhuǎn)移控制柵輸入端RS－復位控制－漏極輸出OS－圖像信號輸出OG－輸出控制器固態(tài)圖像傳感器按其像素排列分為線型、面型或圓型等線型：1024、1728、2048、4096像素面型：32×32，100×100，320×244，490×400像素第四十二頁，共82頁

2.固態(tài)圖像傳感器特點及應用特點工作介質(zhì)是光線，非接觸、遠距離測量小型、質(zhì)輕、高速、高靈敏、高穩(wěn)定性、高壽命可在危險地點或人不易到達場所測量

應用圖像檢測——照相、攝像、傳真、文字識別、圖像識別物體檢測——有/無、形狀、尺寸、位置5.4.2圖像傳感器的工程應用第四十三頁，共82頁5.4.2圖像傳感器的工程應用1）熱軋鋁板寬度的自動檢測熱軋鋁板寬度自動檢測原理圖

兩個CCD線型傳感器1和2分別測知L1、L2，已知Lm

可求寬度LCCD傳感器3用于補償板厚變化造成的測量誤差。可在線實時自動測量，測量精度可達板寬（2m）的土0.025％如何檢測？第四十四頁，共82頁5.4.2圖像傳感器的工程應用2）二維零件尺寸的在線檢測CCD線陣式攝像機作二維零件尺寸的在線檢測CCD攝像機逐行掃過零件的整個面積

零件輪廓形狀被轉(zhuǎn)換成逐行數(shù)據(jù)(電平信號)進行存儲

處理存儲的數(shù)據(jù)可重構(gòu)零件輪廓形狀，并計算零件各部分尺寸注意：要求傳送帶與零件的光照對比度明顯

第四十五頁，共82頁霍爾效應半導體薄片置于磁場中，當有電流流過時，在垂直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生電動勢——霍爾電勢霍爾電壓UH與通過電流I和磁感應強度B成正比厚度d越小，霍爾靈敏度kH就越大（薄膜霍爾元件d為1μm左右）5.5.1霍爾傳感器基本工作原理1.原理：基于某些半導體材料的霍爾效應（一種磁電效應）。第四十六頁，共82頁霍爾元件

一般為半導體材料。N型半導體：鍺、硅、銻化銦、砷化銦應用

直接測量：磁場B、電流I

間接測量：位移、厚度、重量、轉(zhuǎn)速原理

外界被測量（位移、厚度、重量、轉(zhuǎn)速等）引起磁場變化5.5.1霍爾傳感器基本工作原理2.霍爾傳感器性能第四十七頁，共82頁

霍爾元件靈敏度受溫度影響較大：

--半導體材料的特性受溫度影響，溫度升高增大：

--溫度升高引起霍爾元件輸入電阻增大，使控制電流變化造成誤差。

控制辦法：

——采用溫度系數(shù)較小的材料——采用補償電路補償(目的是使KHI之積保持不變)5.5.1霍爾傳感器基本工作原理IR0cbauH1）恒流源提供恒定控制電流I，減少溫度誤差；2）溫度升高，KH增大；3）輸入電路并聯(lián)分流電阻R0，當霍爾元件的輸入電阻隨溫度升高而增加時，旁路分流電阻自動地加強分流，減少了霍爾元件的控制電流I；適當選取分流電阻大小，就可以提高輸出電壓的溫度穩(wěn)定性。第四十八頁，共82頁在傳感器內(nèi)用磁鋼給霍爾器件建立磁場鐵磁性齒經(jīng)過霍爾器件前方時，引起該磁場發(fā)生變化；霍爾器件檢測、轉(zhuǎn)換成一個交變信號，內(nèi)置電路進行放大、整形、輸出5.5.2霍爾傳感器的應用1）霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器對轉(zhuǎn)軸有無阻力矩？

第四十九頁，共82頁5.5.2霍爾傳感器的應用幾種霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器1輸入軸；2轉(zhuǎn)盤；

3小磁鐵（隨轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)）；4霍爾傳感器為什么采取很多小磁鐵？第五十頁，共82頁5.5.2霍爾傳感器的應用2）霍爾位置傳感器霍爾傳感器測量物體位置1—帶集成電路的霍爾探測器2—永磁鐵3—導磁鐵片4—軟磁鐵片

軟磁鐵片4上下移動，控制流經(jīng)霍爾板的磁通量，目的是度量軟磁鐵片的位置。檢測霍爾電壓的電子線路只產(chǎn)生0V和12V兩個高低電平。

可用作終端位置開關(guān)，無接觸地監(jiān)測機器部件的位置。被測物第五十一頁，共82頁5.5.2霍爾傳感器的應用3）霍爾式損傷傳感器霍爾效應鋼絲斷絲檢測裝置1—鋼絲繩2—霍爾元件3—永久磁鐵

鋼絲繩通過霍爾元件時，鋼絲繩中的斷絲改變永久磁鐵產(chǎn)生的磁場，會在霍爾板中產(chǎn)生一個脈動電壓信號。

對該脈動信號進行放大和后續(xù)處理，可確定斷絲根數(shù)及斷絲位置。還有什么方法可測裂紋？第五十二頁，共82頁5.5.2霍爾傳感器的應用4）霍爾式位移傳感器

當通入電流i于導線ab中，由霍爾效應分析可知，霍爾元件左半產(chǎn)生的霍爾電勢VH1和右半產(chǎn)生的霍爾電勢VH2方向相反。當霍爾元件相對于磁極有位移時，c、d兩端輸出電壓差(VH1-VH2)

正比于位移大小。適于測量微位移和機械振動。i霍爾元件、被測物第五十三頁，共82頁霍爾式壓力傳感器

5.5.2霍爾傳感器的應用5）霍爾式壓力傳感器第五十四頁，共82頁霍爾傳感器特性歸納：（1）一般為半導體材料。由于純金屬中自由電子濃度過高，霍爾效應很微弱，不具有實用價值，所以霍爾元件常用的是各種半導體材料。（2）尺寸小、特別是厚度很?。ū∧せ魻栐為1μm左右），可以放到磁場的空隙中，因而很方便；材料的厚度越小，KH就越大，則靈敏度就越大。（3）輸出信號大，靈敏度可達12mV/mA-T。（如外加磁場是o.1T，控制電流若為20mA，則霍爾電壓可達24mV。)（4）輸出電阻小，只有0.5_100歐姆；（5）建立霍爾電勢的時間極短（10-12_10–14s），因此所測外界信號頻率可以很高，頻率可以從直流到兆赫。缺點：靈敏度受溫度影響較大，使用中必須采取措施減小溫度誤差。5.5.2霍爾傳感器的應用第五十五頁，共82頁5.6.1熱電偶傳感器原理1.原理：

利用熱電效應，將溫度信號轉(zhuǎn)換成電勢（毫伏）信號，實現(xiàn)溫度的測量特點：測溫范圍寬（1K到3000K）；測溫精確度較高，高溫特性好；體積、熱容量及熱慣性小，響應快；結(jié)構(gòu)簡單，價格便宜，應用廣泛。應用：可測量點溫度和壁面溫度，可用于動態(tài)溫度測量。

工程中常見的熱電偶傳感器與熱電阻測溫方法的區(qū)別？第五十六頁，共82頁熱電勢構(gòu)成：

熱電偶的熱電勢是由接觸電勢和溫差電勢兩部分組成：5.6.1熱電偶傳感器原理導體A導體B高溫端t低溫端t0接觸電勢

兩種金屬導體由于材料不同，內(nèi)部電子密度就不同，接觸在一起發(fā)生自由電子的擴散現(xiàn)象，在兩導體之間形成的電位差。溫差電勢

一種金屬導體兩端溫度不同，導體中自由電子能量就不同，在導體中能量大的電子就會向低能級區(qū)擴散，在導體的兩端形成電位差。兩個關(guān)鍵因素！第五十七頁，共82頁AEA(T0,T1)＝0T0T11）均質(zhì)導體定律:

在用同一種均質(zhì)材料組成的回路中，不論材料的截面積是否一致，無論各處的溫度分布如何，該回路中的總熱電勢等于零。

推論：

(1)若要構(gòu)成一熱電偶，必須采用兩種不同性質(zhì)的材料。

(2)由同一種材料組成的閉合回路存在溫差時，若回路中產(chǎn)生熱電勢便說明該材料是不均勻的。此定律可作為檢驗材質(zhì)均勻性的原則。5.6.1熱電偶傳感器原理2.熱電偶測溫基本定律第五十八頁，共82頁T0EB(T,T0)EA(T,T0)CTABT0EAB(T)ECA(T0)EBC(T0)2）中間金屬定律:

在熱電偶回路中加入第三種導體，只要其兩端溫度相同，熱電偶產(chǎn)生的熱電勢保持不變。不受第三金屬接入的影響。由此定律可得出如下結(jié)論：

(1)

可以在熱電偶回路中接入儀表（儀表接線處溫度相同），以便檢測熱電勢的大小從而測出溫度。

(2)任何金屬A或B對另一種金屬C的熱電勢為已知，則該兩種金屬組成的熱電偶的熱電勢為它們對金屬C熱電勢的代數(shù)和。即：因此可以簡化熱電偶的選配工作。5.6.1熱電偶傳感器原理該兩點溫度相同第五十九頁，共82頁開路熱電偶只要A、B電極接入處溫度一致工作端t參考端t0工作端t參考端t0工作端t參考端t0金屬壁面工作端t參考端t0液態(tài)金屬熱電偶與電測顯示裝置連接的兩種基本電路：5.6.1熱電偶傳感器原理第六十頁，共82頁3）中間溫度定律:

熱電偶在接點溫度為T、T0時的熱電勢等于該熱電偶在接點溫度為T、Tn和Tn、T0時相應的熱電勢的代數(shù)和，即

由中間溫度定律可進行溫差測量：只要已知T與Tn溫度相對于參比溫度T0下的電勢，則對應于T和Tn溫差下的熱電勢便為已知。TT0TnABBATT0BA5.6.1熱電偶傳感器原理第六十一頁，共82頁

如果材料選定之后，熱電勢的大小僅與兩端溫度有關(guān)---非線性關(guān)系。

如果固定一個端點溫度T0，則熱電勢就建立了與測量溫度T有關(guān)的對應關(guān)系。分度表：

材料選定、T0固定，將E——T關(guān)系列成專門表格，叫做熱電偶分度表。特點：

1.不同材料組成的熱電偶具有不同的分度表。

2.選擇不同的T0具有不同的分度表。通常取T0

為0℃，對于低溫熱電偶T0

為0K

。

3.分度表是由大量科學實驗總結(jié)出來的。5.6.1熱電偶傳感器原理溫度與電勢之間關(guān)系——分度表第六十二頁，共82頁5.6.1熱電偶傳感器原理工作端溫度℃0102030405060708090

E(mV)00.0000.0560.1130.1730.2350.2990.3640.4310.5000.571

1000.6430.7170.7920.8690.9461.0251.1061.1871.2691.352

2001.4361.5211.6071.6931.7301.8671.9552.0442.1342.224

3002.3152.4072.4982.5912.6842.7772.8712.9653.0603.156

4003.2503.3463.4413.5383.6343.7313.8283.9254.0234.121

5004.2204.3184.4184.5174.6174.7174.8174.9185.0195.121

6005.2225.3245.4275.5305.6335.7355.8395.9436.0466.151

7006.2566.3616.4666.5726.6776.7846.8916.9997.1057.213

8007.3227.4307.5397.6487.7577.8677.9788.0888.1998.310

9008.4218.5348.6468.7588.8718.9859.0989.2129.3269.441

10009.5569.6719.7879.90210.01910.13610.25210.37010.48810.605

表

鉑銠-鉑熱電偶分度表（自由端溫度為0℃）例如：第六十三頁，共82頁冷端溫度冷端（參考/比端、自由端）——t0熱電偶的熱電勢的大小不僅與工作端溫度有關(guān)，而且與冷端溫度有關(guān)，只有當冷端溫度不變時，熱電勢才是熱端溫度的單值函數(shù)。5.6.1熱電偶傳感器原理定點法——恒溫法把冷端置于恒溫器中，使其維持在一恒定溫度下，最常用冰槽精度很高，比較麻煩，僅限于實驗室用實際應用中一般對冷端采取溫度補償法。T0mvT0ABCCT第六十四頁，共82頁冷端溫度補償1——補償電橋法——在熱電偶回路中串聯(lián)一電勢U=e(t0,0)原理：電橋輸出與環(huán)境溫度（冷端變化）成正比，補償環(huán)境溫度對熱電偶的影響。具體分析：在0oC時，電橋平衡，輸出為U=0如果環(huán)境溫度上升，熱電偶輸出熱電勢數(shù)值要降低與此同時，電橋中橋臂電阻Rcu隨溫度上升而增大，使電橋輸出電壓增加，它與前者迭加可起到補償作用eUt0t0tbdaR1cRsRCuteR3R25.6.1熱電偶傳感器原理第六十五頁，共82頁e(t,0℃)=e(t,t0)+△e5.6.1熱電偶傳感器原理冷端溫度補償2——查表修正法第六十六頁，共82頁5.6.2熱電偶的分類熱電偶電極材料的要求

物理化學性質(zhì)穩(wěn)定，電阻溫度系數(shù)小，力學性能好；

組成的熱電偶靈敏度高，復現(xiàn)性好；

熱電勢與溫度的線性度好。熱電偶分類方法

按熱電勢與溫度關(guān)系以及使用性能：

常用熱電偶和特殊熱電偶。

按適用的溫度范圍：

高、中溫熱電偶和低溫熱電偶。

按結(jié)構(gòu)形式：鎧裝式、插入式和裸線式熱電偶。第六十七頁，共82頁5.6.2熱電偶的分類熱電偶結(jié)構(gòu)第六十八頁，共82頁熱電偶材料及特性名稱特點測溫范圍靈敏度鉑銠－鉑熱電偶——中高溫度計物理化學性能穩(wěn)定，測量精度高，常用于精密溫度測量和作為基準溫度計使用300℃~1300℃室溫下6uV/℃鎳鉻－鎳硅熱電偶——中高溫度計化學性能很穩(wěn)定，靈敏度高、成本低，價格低廉100℃~1000℃室溫下41uV/℃鎳鉻－康銅熱電偶——中低溫溫度計綜合了鎳鉻－鎳硅熱電偶和銅－康銅熱電偶的一些優(yōu)點——靈敏度高、價格便宜液氮溫區(qū)80K～500℃室溫下70uV/℃銅－康銅熱電偶——中低溫溫度計性能穩(wěn)定，復現(xiàn)性好，而且價格便宜80K～室溫室溫下40uV/℃鎳鉻－金鐵熱電偶——中低溫溫度計穩(wěn)定性好，熱導率低，適合于低溫測量1K～300K1K下10uV/℃為銅康的30倍5.6.2熱電偶的分類第六十九頁，共82頁熱電偶優(yōu)點結(jié)構(gòu)簡單、制作方便、價格低廉、測溫范圍寬、精確度高流體、固體及表面溫度均可用它測量微型熱電偶可用于快速及動態(tài)溫度測量熱電偶缺點：需要恒定的冷端溫度靈敏度隨溫度降低而明顯下降，這是熱電偶進行低溫測量的主要困難.5.6.3熱電偶的特點熱電偶特點弱信號：～mv非線性熱慣性：接近于一階慣性環(huán)節(jié)第七十頁，共82頁原理：紅外輻射(熱電式或光電式：光-熱-電）紅外線輻射的峰值點隨著物體溫度的降低而轉(zhuǎn)向波長較長的一邊；絕對溫度2000K以下（低溫和常溫）的光譜曲線峰值點對應的波長為紅外線。因此，紅外線測試技術(shù)得到廣泛的應用。5.7.1紅外探測器基本工作原理

任何物體的溫度高于絕對零度以上時，都會因自身的分子運動而向外輻射能量。

物體溫度愈高，則輻射到空間去的能量愈多。

輻射能量還與波長有關(guān)。普朗克定律輻射強度與波長及溫度之間的關(guān)系第七十一頁，共82頁紅外探測器分類：（1）熱探測器——熱電效應：

熱探測器吸收紅外輻射后產(chǎn)生溫升，然后伴隨發(fā)生某些物理性能的變化。測量這些物理性能的變化就可以測量出它吸收的能量或功率。

分為：熱敏電阻、熱電偶型、氣動型、熱釋電型（2）光子探測器——光電效應：基于半導體材料的光電效應。利用入射光子直接與束縛電子相互作用，一般有光電、光電導及光生伏打等探測器。5.7.1紅外探測器基本工作原理第七十二頁，共82頁（1）熱探測器：1）熱電偶型：熱電堆（多對熱電偶串連相接）

物體輻射紅外波

紅外輻射透鏡

熱端涂上黑層置于輻射中吸收輻射功率產(chǎn)生熱電勢材料：銀-鉍、錳-康銅、或銻和鉍

用真空鍍膜和光刻技術(shù)制造熱電堆響應時間從數(shù)毫秒到數(shù)十毫秒

5.7.1紅外探測器