智能傳感與檢測(cè)技術(shù) 課件全套徐小華 第0-15章 緒論、電阻式傳感器-檢測(cè)裝置的干擾抑制技術(shù)

緒論智能傳感與檢測(cè)技術(shù)緒論0智能傳感與檢測(cè)技術(shù)智能傳感與檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展0.1智能傳感與檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)0.2課程性質(zhì)及主要任務(wù)0.3緒論0

智能傳感與檢測(cè)技術(shù)是一門涉及電工電子、計(jì)算機(jī)、儀器儀表、光電檢測(cè)、智能感知、先進(jìn)控制、精密機(jī)械設(shè)計(jì)、人工智能、大數(shù)據(jù)處理、信息安全等眾多基礎(chǔ)理論和前沿技術(shù)的綜合性技術(shù)，現(xiàn)代檢測(cè)系統(tǒng)通常集光、機(jī)、電、算等于一體，軟硬件相結(jié)合。在傳感網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、超級(jí)計(jì)算、腦科學(xué)等新理論新技術(shù)驅(qū)動(dòng)下，人工智能呈現(xiàn)深度學(xué)習(xí)、人機(jī)協(xié)同、自主操控等新特征，正在對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、社會(huì)進(jìn)步等產(chǎn)生重大而深遠(yuǎn)的影響。我國(guó)高度重視創(chuàng)新發(fā)展，把新一代人工智能作為推動(dòng)科技跨越式發(fā)展、產(chǎn)業(yè)優(yōu)化升級(jí)、生產(chǎn)力整體躍升的驅(qū)動(dòng)力量，努力實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展。在此背景下，傳感器的智能化成為當(dāng)前傳感器技術(shù)發(fā)展的重要方向之一。0.1智能傳感與檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展0.1.1傳感器的發(fā)展智能傳感與檢測(cè)技術(shù)緒論0

傳感器的歷史可以追溯到遠(yuǎn)古時(shí)代，公元前1000年左右，中國(guó)的指南針、記里鼓車已開始使用。埃及王朝時(shí)代開始使用的天平，一直延用到現(xiàn)在。利用液體膨脹進(jìn)行溫度測(cè)量在16世紀(jì)前后就已出現(xiàn)。19世紀(jì)建立了電磁學(xué)的基礎(chǔ)，當(dāng)時(shí)建立的物理法則直到現(xiàn)在作為各種傳感器的工作原理仍在應(yīng)用著。0.1智能傳感與檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展0.1.1傳感器的發(fā)展智能傳感與檢測(cè)技術(shù)緒論0

目前提到的傳感器，一般是指具有電輸出的裝置。隨著集成電路技術(shù)和半導(dǎo)體應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，傳感器技術(shù)得到了飛速的發(fā)展。隨著電子設(shè)備水平不斷提高以及功能不斷加強(qiáng)，世界各國(guó)都將傳感器的發(fā)展視為現(xiàn)代高技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵。智能傳感與檢測(cè)技術(shù)現(xiàn)代傳感器的發(fā)展主要體現(xiàn)在以下五個(gè)方面：（1）新材料的開發(fā)（2）集成化技術(shù)的應(yīng)用（3）多維、多功能集成傳感器的開發(fā)（4）智能化傳感器的開發(fā)（5）網(wǎng)絡(luò)傳感器的開發(fā)緒論0智能傳感與檢測(cè)技術(shù)0.1.2智能檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展

微電子技術(shù)和微型計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展為檢測(cè)過(guò)程自動(dòng)化、測(cè)量結(jié)果的智能化處理和檢測(cè)儀器功能的仿人化等提供了技術(shù)支持。人工智能技術(shù)和信息處理技術(shù)的快速發(fā)展，為智能檢測(cè)技術(shù)提供了強(qiáng)有力的工具和條件?，F(xiàn)代控制系統(tǒng)的發(fā)展對(duì)檢測(cè)技術(shù)提出了數(shù)字化、智能化、標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化的要求，這是導(dǎo)致智能檢測(cè)系統(tǒng)發(fā)展的外在推動(dòng)力。

檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展是隨著社會(huì)歷史時(shí)代與生產(chǎn)方式的變化而不斷進(jìn)步的。人類的每一個(gè)歷史時(shí)代、每一種生產(chǎn)方式都以相應(yīng)的科學(xué)技術(shù)水平為基礎(chǔ)。緒論0智能傳感與檢測(cè)技術(shù)1．傳感器的定義0.2傳感器與智能檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)0.2.1傳感器的定義與作用根

中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB7665—2005）《傳感器通用術(shù)語(yǔ)》對(duì)傳感器的定義是：“能感受被測(cè)量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置?！?．傳感器的作用

傳感器是人類器官組織的延伸，是信息采集系統(tǒng)的首要部件。因此，傳感器的作用是將被測(cè)物理量轉(zhuǎn)換成與其有一定關(guān)系的電信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了信息的收集、數(shù)據(jù)的交換和控制信息的采集等功能。緒論0智能傳感與檢測(cè)技術(shù)0.2傳感器與智能檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)0.2.1傳感器的定義與作用

傳感器起源于自然界中的生物感知和仿生學(xué)研究（圖0-1），生物在生長(zhǎng)過(guò)程中會(huì)感知周圍環(huán)境，并與環(huán)境交換信息、產(chǎn)生互動(dòng)?！昂鋈缫灰勾猴L(fēng)來(lái)，千樹萬(wàn)樹梨花開”“竹外桃花三兩枝，春江水暖鴨先知”

a)千樹萬(wàn)樹梨花開

b)春江水暖鴨先知智能傳感與檢測(cè)技術(shù)0.2.2

傳感器的組成0緒論緒論0智能傳感與檢測(cè)技術(shù)0.2.3

智能檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)

一個(gè)完整的智能檢測(cè)系統(tǒng)或檢測(cè)裝置通常是由傳感器、測(cè)量電路和顯示記錄裝置等幾部分組成，其中還包括電源和傳輸通道等不可缺少的部分。緒論00.3課程性質(zhì)及主要任務(wù)智能傳感與檢測(cè)技術(shù)

傳感器與智能檢測(cè)技術(shù)是高等職業(yè)教育機(jī)電設(shè)備類、自動(dòng)化類相關(guān)專業(yè)的一門重要的主頁(yè)課程，它主要內(nèi)容是研究智能檢測(cè)系統(tǒng)中的信息提取、信息轉(zhuǎn)換以及信號(hào)處理的理論與技術(shù)。

通過(guò)對(duì)本課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生可以掌握掌握傳感器與智能檢測(cè)技術(shù)的基本理論、基本知識(shí)和分析解決問(wèn)題的方法，了解傳感器與智能檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)和最新技術(shù)，為學(xué)生進(jìn)一步學(xué)習(xí)相關(guān)專業(yè)課程和日后從事相關(guān)專業(yè)工作打下基礎(chǔ)，因此本課程在工科各專業(yè)的教學(xué)中占有極其重要的地位。機(jī)械工業(yè)出版社CHINAMACHINEPRESS電阻式傳感器智能傳感與檢測(cè)技術(shù)徐小華主編

ISBN978-7-111-76072-6第1章電阻式傳感器01智能傳感與檢測(cè)技術(shù)電阻應(yīng)變式傳感器1.1氣敏電阻傳感器1.2濕敏電阻傳感器1.3電阻式傳感器01金屬或半導(dǎo)體在外力作用下產(chǎn)生機(jī)械變形時(shí)，其電阻值也發(fā)生相應(yīng)變化的現(xiàn)象稱為電阻應(yīng)變效應(yīng)。金屬與半導(dǎo)體的應(yīng)變效應(yīng)有何不同？1.1電阻應(yīng)變是傳感器1.1.1應(yīng)變片與應(yīng)變效應(yīng)智能傳感與檢測(cè)技術(shù)01金屬應(yīng)變片金屬與半導(dǎo)體的應(yīng)變效應(yīng)有何不同？金屬電阻應(yīng)變片的電阻相對(duì)變化與導(dǎo)體的應(yīng)變成正比，可以用公式表示為：器K是與應(yīng)變片結(jié)構(gòu)等有關(guān)的常數(shù)，ε是應(yīng)變片產(chǎn)生的應(yīng)變（軸向單位長(zhǎng)度的伸長(zhǎng)量，如果每米伸長(zhǎng)1米即：1m/m=1叫1個(gè)應(yīng)變，若每米伸長(zhǎng)1mm叫1mε，每米伸長(zhǎng)1μm叫1με）。電阻式傳感器01半導(dǎo)體應(yīng)變片πL

是壓阻系數(shù)，σ是半導(dǎo)體所受的應(yīng)力（半導(dǎo)體內(nèi)部單位面積上受到的力）。半導(dǎo)體應(yīng)變傳感器受外力變形時(shí)的電阻相對(duì)變化，與半導(dǎo)體所受的應(yīng)力成正比，用公式表示為：器電阻式傳感器電阻式傳感器01智能傳感器檢測(cè)技術(shù)1.1.2應(yīng)變片的種類與結(jié)構(gòu)

金屬電阻應(yīng)變片有：絲式、箔式和薄膜式三種類型由于箔式應(yīng)變片與基片的接觸面積比絲式大得多，所以散熱條件好，可允許通過(guò)較大電流，而且在長(zhǎng)時(shí)間測(cè)量時(shí)的蠕變也較小。箔式應(yīng)變片的一致性好，適合于大批量生產(chǎn)，目前廣泛用于各種應(yīng)變式傳感器的制造中。絲式

箔式

薄膜式（1）金屬應(yīng)變片金屬應(yīng)變片電阻式傳感器01智能傳感與檢測(cè)技術(shù)1.1.2應(yīng)變片的種類與結(jié)構(gòu)

半導(dǎo)體應(yīng)變片是用半導(dǎo)體材料作敏感柵而制成的。它的靈敏度高（比絲式、箔式大幾十倍），但靈敏度的一致性差、溫漂大、電阻與應(yīng)變之間非線性嚴(yán)重。在使用時(shí)，需采用溫度補(bǔ)償及非線性補(bǔ)償措施。（1）半導(dǎo)體應(yīng)變片半導(dǎo)體應(yīng)變片智能傳感器01智能傳感與檢測(cè)技術(shù)1.1.3應(yīng)變片的粘貼工藝應(yīng)變片的檢查試件表面處理確定貼片位置粘貼固化粘貼質(zhì)量檢查引線和組橋

電阻式傳感器01智能傳感與檢測(cè)技術(shù)1.1.4測(cè)量轉(zhuǎn)換電路（1）電橋的平衡條件電橋的平衡條件：

對(duì)臂電橋阻值乘積相等。當(dāng)電橋平衡時(shí)，得：電阻式傳感器01智能傳感與檢測(cè)技術(shù)電橋的工作方式單臂電橋雙臂電橋全橋電阻式傳感器10智能傳感與檢測(cè)技術(shù)01單臂電橋假設(shè)R1增大?R，對(duì)于等臂電橋和輸出對(duì)稱電橋，此時(shí)的輸出電壓?jiǎn)伪垭姌蚱?1金屬應(yīng)變片金屬與半導(dǎo)體的應(yīng)變效應(yīng)有何不同？雙臂電橋器當(dāng)應(yīng)變片開始工作時(shí)，R1增大?RR2減小?R，此時(shí)對(duì)于等臂電橋有：電阻式傳感器智能傳感與檢測(cè)技術(shù)01半導(dǎo)體應(yīng)變片兩個(gè)受拉應(yīng)變阻值增大，兩個(gè)受壓應(yīng)變阻值減小。當(dāng)應(yīng)變片開始工作時(shí)，對(duì)臂電阻應(yīng)變極性相同，相鄰臂的電阻應(yīng)變極性相反，此時(shí)對(duì)于等臂電橋有雙差動(dòng)全橋器電阻式傳感器智能傳感與檢測(cè)技術(shù)電阻式傳感器01智能傳感與檢測(cè)技術(shù)1.1.5電阻應(yīng)變片的溫度補(bǔ)償電阻式傳感器01智能傳感與檢測(cè)技術(shù)1.1.5電阻應(yīng)變片的溫度補(bǔ)償電阻式傳感器01智能傳感與檢測(cè)技術(shù)1.1.5電阻應(yīng)變片的溫度補(bǔ)償01氣敏電阻傳感器氣敏電阻傳感器（以下簡(jiǎn)稱氣敏電阻），可以把某種氣體的成分、濃度等參數(shù)轉(zhuǎn)換成電阻變化量，再轉(zhuǎn)換為電流、電壓信號(hào)。氣敏電阻是一種半導(dǎo)體敏感器件，它利用半導(dǎo)體材料對(duì)氣體的吸附而使自身電阻率發(fā)生變化的機(jī)理進(jìn)行測(cè)量的元件。1.2氣敏電阻傳感器1.2.1基本概念與工作原理器電阻式傳感器智能傳感與檢測(cè)技術(shù)01氣敏電阻一般由敏感元件、加熱器和外殼三部分組成。1.2.2結(jié)構(gòu)特性器電阻式傳感器智能傳感與檢測(cè)技術(shù)氣敏電阻的符號(hào)氣敏電阻的外形側(cè)視圖和底視引腳圖01旁熱式的加熱電極與信號(hào)檢測(cè)電極隔離，避免信號(hào)檢測(cè)回路與加熱回路之間的相互影響，其結(jié)構(gòu)上往往加有封壓雙層的不銹鋼絲網(wǎng)防爆，性能穩(wěn)定、消耗功率小，是目前應(yīng)用最廣泛的氣敏電阻。1.2.2結(jié)構(gòu)特性氣敏電阻的加熱方式器電阻式傳感器智能傳感與檢測(cè)技術(shù)電阻式傳感器01智能傳感與檢測(cè)技術(shù)1.2.3濕敏電阻傳感器的應(yīng)用實(shí)例01濕敏電阻傳感器濕敏電阻的特點(diǎn)是在基片上覆蓋一層用感濕材料制成的膜，當(dāng)空氣中的水蒸氣吸附在感濕膜上時(shí)，元件的電阻率和電阻值都發(fā)生變化，利用這一特性即可測(cè)量濕度。1.3濕敏電阻傳感器電阻傳感器1.3.1基本概念與工作原理器電阻式傳感器智能傳感與檢測(cè)技術(shù)01

酸鎂-二氧化鈦陶瓷濕敏元件是較常用的一種濕度傳感器，它是由MgCr2O4-TiO2固熔體組成的多孔性半導(dǎo)體陶瓷。這種材料的表面電阻值能在很寬的范圍內(nèi)隨濕度的增加而變小，即使在高濕條件下，對(duì)其進(jìn)行多次反復(fù)的熱清洗，性能仍不改變。1.3.2結(jié)構(gòu)特性1.半導(dǎo)體陶瓷濕敏元件器電阻式傳感器智能傳感與檢測(cè)技術(shù)01

氯化鋰是潮解性鹽，這種電解質(zhì)溶液形成的薄膜能隨著空氣中水蒸汽的變化而吸濕或脫濕。感濕膜的電阻隨空氣相對(duì)濕度變化而變化，當(dāng)空氣中濕度增加時(shí)，感濕膜中鹽的濃度降低。1.3.2結(jié)構(gòu)特性2.氯化鋰濕敏電阻器電阻式傳感器智能傳感與檢測(cè)技術(shù)01

有機(jī)高分子膜濕敏電阻是在氧化鋁等陶瓷基板上設(shè)置梳狀型電極，然后在其表面涂以具有感濕性能，又有導(dǎo)電性能的高分子材料的薄膜，再涂復(fù)一層多孔質(zhì)的高分子膜保護(hù)層。這種濕敏元件是利用水蒸汽附著于感濕薄膜上，電阻值與相對(duì)濕度相對(duì)應(yīng)這一性質(zhì)。1.3.2結(jié)構(gòu)特性2.氯化鋁濕敏電阻器電阻式傳感器智能傳感與檢測(cè)技術(shù)電阻式傳感器01智能傳感與檢測(cè)技術(shù)1.3.3濕敏電阻傳感器的應(yīng)用實(shí)例機(jī)械工業(yè)出版社CHINAMACHINEPRESS電容傳感器第2章智能傳感與檢測(cè)技術(shù)徐小華主編

ISBN978-7-111-76072-6電容傳感器02智能傳感與檢測(cè)技術(shù)電容式傳感器的原理與結(jié)構(gòu)2.1電容式傳感器的測(cè)量轉(zhuǎn)換電路2.2電容式傳感器的應(yīng)用實(shí)例2.32.1電容傳感器的原理與結(jié)構(gòu)請(qǐng)輸入您的標(biāo)題電容傳感器02電容傳感器的工作原理可以用平板電容器來(lái)說(shuō)明。當(dāng)忽略邊緣效應(yīng)時(shí)，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(zhì)的介電常數(shù)（F/m）；εr——兩極板間介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)；ε0——真空介電常數(shù),ε0=8.85

10-12(F/m)智能傳感與檢測(cè)技術(shù)電容傳感器02由式可知，電容量C與A、d、ε三個(gè)參量有關(guān)。當(dāng)改變A、d、ε三個(gè)參量中的任意一個(gè)量，都會(huì)引起電容C的變化。

若保持其中任意兩個(gè)參量不變，只改變另一個(gè)參量，那么該參量的變化就能轉(zhuǎn)換為電容量的變化，這就是電容傳感器的基本工作原理。2.1電容傳感器的原理與結(jié)構(gòu)智能傳感與檢測(cè)技術(shù)電容傳感器02根據(jù)引起電容量變化的參量的不同，電容傳感器可以分為三種類型：改變遮蓋面積型電容傳感器變極距型電容傳感器變介電常數(shù)型電容傳感器2.1電容傳感器的原理與結(jié)構(gòu)智能傳感與檢測(cè)技術(shù)2.1.1變遮蓋面積型電容式傳感器電容傳感器02

圖（a）是直線位移式結(jié)構(gòu)，極板A固定不動(dòng)，稱為定極板，極板B能夠左右移動(dòng)，稱為動(dòng)極板，與被測(cè)物相連。當(dāng)被測(cè)物移動(dòng)時(shí)會(huì)帶動(dòng)極板B發(fā)生位移，從而改變與定極板A的相互遮蓋面積，使兩極板間的電容量發(fā)生變化。

圖（b）是角位移式結(jié)構(gòu)，當(dāng)動(dòng)極板圍著轉(zhuǎn)軸發(fā)生旋轉(zhuǎn)時(shí)，兩極板的遮蓋面積會(huì)發(fā)生變化。2.1電容傳感器的原理與結(jié)構(gòu)智能傳感與檢測(cè)技術(shù)2.1.2變極距型電容式傳感器電容傳感器02當(dāng)動(dòng)極板隨著被測(cè)物體發(fā)生位移時(shí)，兩極板之間的距離d就會(huì)發(fā)生變化，從而使電容量發(fā)生變化。實(shí)際使用時(shí)，總是使初始極距d0盡量小些，以提高靈敏度，但這也帶來(lái)了變極距式電容器的行程較小的缺點(diǎn)。2.1電容傳感器的原理與結(jié)構(gòu)智能傳感與檢測(cè)技術(shù)2.1.2變極距型電容式傳感器電容傳感器02

一般變極距型電容傳感器的起始電容在20-30pF，極板間距在25-200um，最大位移通常小于極距的1/10。所以，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，為了減小非線性，提高靈敏度，多采用差動(dòng)式結(jié)構(gòu)，如圖所示。在差動(dòng)式變極距型電容傳感器中，上下兩個(gè)極板為定極板，中間極板為動(dòng)極板。當(dāng)動(dòng)極板向上移動(dòng)后，C1的極距變減小，電容量增加，而C2的極距增大，電容量減小，二者形成差動(dòng)變化，經(jīng)測(cè)量轉(zhuǎn)換電路后，其靈敏度提高1倍，非線性誤差也會(huì)大大降低。此外，差動(dòng)式電容傳感器能減小由引力給測(cè)量帶來(lái)的影響，并有效地改善由于溫度等環(huán)境影響所造成的誤差。2.1電容傳感器的原理與結(jié)構(gòu)智能傳感與檢測(cè)技術(shù)2.1.3變介電常數(shù)型電容式傳感器電容傳感器02因?yàn)楦鞣N介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)不同，所以在電容器兩極板間插入不同介質(zhì)時(shí)，電容器的電容量也就不同。

變介電常數(shù)型電容式傳感器可以用來(lái)測(cè)量位移、液位、物位等參數(shù)。

上下兩極板保持相互遮蓋面積和極距不變，相對(duì)介電常數(shù)為εr2的電介質(zhì)插入電容器中的深度發(fā)生變化時(shí)，兩種介質(zhì)的極板覆蓋面積也會(huì)發(fā)生變化，從而使電容器的電容量發(fā)生變化。被測(cè)介質(zhì)εr2進(jìn)入極板間的深度與引起電容量的變化成線性關(guān)系。2.1電容傳感器的原理與結(jié)構(gòu)智能傳感與檢測(cè)技術(shù)2.1.3變介電常數(shù)型電容式傳感器電容傳感器02表中給出了幾種介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)真空1干的紙2-4空氣略大于1干的谷物3-5聚四氟乙烯2.0云母5-8聚丙烯2-2.2二氧化硅38聚苯乙烯2.4-2.6高頻陶瓷10-160硅油2-3.5純凈的水80聚偏二氟乙烯3-5壓電陶瓷、低頻陶瓷1000-10000鹽6纖維素3.9

2.1電容傳感器的原理與結(jié)構(gòu)2.2.1調(diào)頻電路電容傳感器02調(diào)頻電路是將電容傳感器作為L(zhǎng)C振蕩器諧振回路的一部分，振蕩器的頻率受電容傳感器電容的調(diào)制。當(dāng)被測(cè)參數(shù)變化導(dǎo)致電容量發(fā)生變化時(shí)，LC振蕩器的振蕩頻率就會(huì)發(fā)生變化，從而實(shí)現(xiàn)C/f轉(zhuǎn)換。圖為振蕩器調(diào)頻電路方框圖，振蕩器輸出頻率的變化在鑒頻器中轉(zhuǎn)化電壓幅度的變化，經(jīng)過(guò)放大器放大、檢波之后就可以用儀表指示或用記錄儀器記錄下來(lái)。2.2電容傳感器的測(cè)量轉(zhuǎn)換電路智能傳感與檢測(cè)技術(shù)2.2.1調(diào)頻電路電容傳感器02

振蕩器的振蕩頻率由下式?jīng)Q定：式中

L——振蕩回路的固定電感

C——振蕩回路總電容C包括振蕩回路的固有電容、傳感器的引線分布電容以及傳感器的電容，即2.2電容傳感器的測(cè)量轉(zhuǎn)換電路智能傳感與檢測(cè)技術(shù)2.2.2脈沖寬度調(diào)制電路電容傳感器02

2.2電容傳感器的測(cè)量轉(zhuǎn)換電路智能傳感與檢測(cè)技術(shù)2.2.2脈沖寬度調(diào)制電路電容傳感器02

圖為電容傳感器的脈沖寬度調(diào)制電路。當(dāng)雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的Q端輸出為高電平時(shí)，A點(diǎn)通過(guò)R1對(duì)C1充電，F(xiàn)點(diǎn)電位逐漸升高。Q在端為高電平期間，~Q端為低電平，電容C2通過(guò)低內(nèi)阻的二極管VD2迅速放電，G點(diǎn)電位被鉗制在低電平。當(dāng)F點(diǎn)電位升高超過(guò)參考電壓時(shí)，比較器A1產(chǎn)生一個(gè)“置零脈沖”，觸發(fā)雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，A點(diǎn)跳變?yōu)榈碗娢唬珺點(diǎn)跳變?yōu)楦唠娢?。此時(shí)C1經(jīng)二極管VD1迅速放電，F(xiàn)點(diǎn)被鉗制在低電平，而同時(shí)B點(diǎn)高電位經(jīng)R2向C2充電。當(dāng)G點(diǎn)電位超過(guò)UR時(shí)，比較器A2產(chǎn)生一個(gè)“置1脈沖”，使觸發(fā)器再次翻轉(zhuǎn)，A點(diǎn)恢復(fù)為高電位，B點(diǎn)恢復(fù)為低電位。如此周而復(fù)始，在雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的兩輸出端各自產(chǎn)生一個(gè)寬度受電容C1、C2調(diào)制的脈沖波形，實(shí)現(xiàn)C/U轉(zhuǎn)換。對(duì)于差動(dòng)脈沖寬度調(diào)制電路，不論是改變平板電容器的極距或是極板相互遮蓋面積，其變化量與輸出量都呈線性關(guān)系。2.2電容傳感器的測(cè)量轉(zhuǎn)換電路智能傳感與檢測(cè)技術(shù)2.2.3運(yùn)算放大器電路電容傳感器02

運(yùn)算放大器具有放大倍數(shù)非常大、輸入阻抗很高的特點(diǎn)，因而可以作為電容傳感器比較理想的測(cè)量電路，其電路圖如圖所示，Cx為電容傳感器。在放大倍數(shù)和輸入阻抗趨近于無(wú)窮大時(shí)，運(yùn)算放大器的輸出電壓與動(dòng)極板的機(jī)械位移d（即極板距離）呈線性關(guān)系，運(yùn)算放大器電路解決了單個(gè)變極距型電容傳感器的非線性問(wèn)題。由于實(shí)際使用的運(yùn)算放大器的放大倍數(shù)K和輸入阻抗總是一個(gè)有限值，所以該測(cè)量電路仍然存在一定的非線性誤差，但在二者足夠大時(shí)，這種誤差非常小。2.2電容傳感器的測(cè)量轉(zhuǎn)換電路智能傳感與檢測(cè)技術(shù)2.2.4電橋電路電容傳感器02

電橋初始狀態(tài)調(diào)至平衡，當(dāng)傳感器電容C變化時(shí)，電橋失去平衡而輸出電壓，此交流電壓的幅值隨C而變化。電橋輸出電壓為2.2電容傳感器的測(cè)量轉(zhuǎn)換電路

這種交流電橋測(cè)量電路要求提供幅度合頻率很穩(wěn)定的交流電源，并要求電橋放大器的輸入阻抗Zi很高。智能傳感與檢測(cè)技術(shù)2.2.5雙T電橋電路電容傳感器02

雙T電橋電路具有以下特點(diǎn)：1.信號(hào)源、負(fù)載、傳感器電容和平衡電容有一個(gè)公共的接地點(diǎn)。2.二極管VD1和VD2工作在伏安特性的線性段。3.輸出電壓較高。4.電路的靈敏度與電源頻率有關(guān)，因此電源頻率需要穩(wěn)定。5.可以用作動(dòng)態(tài)測(cè)量。2.2電容傳感器的測(cè)量轉(zhuǎn)換電路智能傳感與檢測(cè)技術(shù)2.3.1電容料位計(jì)電容傳感器02

1、被測(cè)物料為導(dǎo)電體如圖所示，電容料位計(jì)以直徑為d的不銹鋼或紫銅棒做電極，外套聚四氟乙烯塑料絕緣套管。將其插在儲(chǔ)液罐中，此時(shí)導(dǎo)電介質(zhì)本身為外電極，內(nèi)、外電極極距為聚四氟乙烯塑料絕緣套管的厚度，當(dāng)料位發(fā)生變化時(shí)，內(nèi)、外極板的相對(duì)面積發(fā)生變化，從而使電容量隨之變化。2.3電容傳感器的應(yīng)用實(shí)例1——內(nèi)電極2——絕緣套管智能傳感與檢測(cè)技術(shù)2.3.1電容料位計(jì)電容傳感器02

2、被測(cè)物料為絕緣體如圖所示，電容料位計(jì)可采用裸電極作為內(nèi)電極，外套以開有液體流通孔的金屬外電極，通過(guò)絕緣環(huán)裝配。當(dāng)被測(cè)液體的液面在兩個(gè)電極間上下變化時(shí)，電極間介電常數(shù)不同的兩種介質(zhì)（上面部分為空氣，下面部分為被測(cè)液體）的高度發(fā)生變化，從而使得電容器的電容量改變。被側(cè)液位的高度正比于電容器電容量的變化。2.3電容傳感器的應(yīng)用實(shí)例1——內(nèi)電極2——絕緣套管3——絕緣環(huán)4——外電極智能傳感與檢測(cè)技術(shù)2.3.2電容測(cè)厚儀電容傳感器02

電容測(cè)厚儀工作原理如圖所示。在被測(cè)金屬帶材的上方和下方分別放置一塊面積相等、與帶材距離相等的定極板，則定極板與金屬帶材之間就形成了兩個(gè)電容器C1、C2，將兩個(gè)電容并聯(lián)，總電容為C=C1+C2。當(dāng)帶材的厚度發(fā)生變化時(shí)，就會(huì)引起兩電容器的極距增大或減小，從而使電容C發(fā)生變化，用交流電橋?qū)㈦娙莸淖兓繖z測(cè)出來(lái)，通過(guò)放大電路放大，可由顯示儀器顯示出帶材厚度的變化。使用上下兩個(gè)極板是為了克服帶材在傳輸過(guò)程中的上下波動(dòng)帶來(lái)的誤差。2.3電容傳感器的應(yīng)用實(shí)例智能傳感與檢測(cè)技術(shù)2.3.3差動(dòng)式電容壓力傳感器電容傳感器02

圖示為一種小型差動(dòng)式電容壓力傳感器。它由金屬?gòu)椥阅てc鍍金凹型玻璃圓片組成，被測(cè)壓力p1、p2分別通過(guò)上下兩個(gè)進(jìn)氣孔進(jìn)入空腔。當(dāng)兩側(cè)壓力p1=p2時(shí)，彈性膜片處在中間位置，與上下定極距離相等，因此兩個(gè)電容相等；當(dāng)p1>p2時(shí)，彈性膜片向上彎曲，兩個(gè)電容值一個(gè)增大、一個(gè)減小，且變化量相等；當(dāng)p1<p2時(shí)，壓差反向，差動(dòng)電容的變化量也反向。電容值的變化量經(jīng)測(cè)量轉(zhuǎn)換電路最終轉(zhuǎn)換成與壓力或壓力差相對(duì)應(yīng)的電壓或者電流的變化。電容式差壓傳感器的靈敏度和分辨率都很高，其靈敏度取決于初始間隙d0，d0越小，靈敏度越高。2.3電容傳感器的應(yīng)用實(shí)例智能傳感與檢測(cè)技術(shù)2.3.4電容式濕度傳感器電容傳感器02

電容式濕度傳感器有效利用了兩個(gè)電極間的電容量隨濕度變化的特性，其基本結(jié)構(gòu)如圖2-14所示。濕敏材料作為電介質(zhì)，在其兩側(cè)面鍍上多孔性電極，當(dāng)相對(duì)濕度增大時(shí)，濕敏材料吸收空氣中的水蒸氣，使兩極板間介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)增加（水的相對(duì)介電常數(shù)為80），從而使電容量增大。2.3電容傳感器的應(yīng)用實(shí)例智能傳感與檢測(cè)技術(shù)2.3.5電容式加速度傳感器電容傳感器02該傳感器有兩個(gè)固定極板，兩基板間有一個(gè)用彈簧支撐的質(zhì)量塊，當(dāng)測(cè)量垂直方向的加速度時(shí)，由于質(zhì)量塊的慣性作用，使得上下兩極板形成的電容發(fā)生變化。2.3電容傳感器的應(yīng)用實(shí)例智能傳感與檢測(cè)技術(shù)2.3.6電容式荷重傳感器電容傳感器02

電容式荷重傳感器時(shí)利用彈性敏感元件的變形，造成電容隨外加重量的變化而變化。2.3電容傳感器的應(yīng)用實(shí)例F智能傳感與檢測(cè)技術(shù)機(jī)械工業(yè)出版社CHINAMACHINEPRESS電感式傳感器第3章智能傳感與檢測(cè)技術(shù)徐小華主編

ISBN978-7-111-76072-6電感式傳感器03前言智能傳感與檢測(cè)技術(shù)傳感器電感式傳感器利用電磁感應(yīng)把被測(cè)的物理量如位移、壓力、流量、振動(dòng)等的變化轉(zhuǎn)換成線圈的自感系數(shù)和互感系數(shù)的變化，再由電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化量輸出，實(shí)現(xiàn)非電量到電量的轉(zhuǎn)換。電感式傳感器主要用于位移測(cè)量和可以轉(zhuǎn)換成位移變化的機(jī)械量（如張力、壓力、壓差、加速度、振動(dòng)、應(yīng)變、流量、厚度、液位、比重、轉(zhuǎn)矩等）的測(cè)量。電感式傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、測(cè)量力小、分辨率高、輸出功率大及測(cè)試精度高等優(yōu)點(diǎn)。但同時(shí)它也有頻率響應(yīng)較低、不宜用于快速動(dòng)態(tài)測(cè)量等缺點(diǎn)。常用電感式傳感器有變氣隙型、變面積型和螺管型。在實(shí)際應(yīng)用中，這三種傳感器多制成差動(dòng)式，以便提高線性度和減小電磁吸力所造成的附加誤差。電感式傳感器03工作原理自感式傳感器（見圖3-1）又稱電感式位移傳感器，是由鐵芯、線圈和銜鐵構(gòu)成的，是將直線或角位移的變化轉(zhuǎn)換為線圈電感量變化的傳感器。鐵芯和銜鐵由導(dǎo)磁材料制成。這種傳感器的線圈匝數(shù)和材料磁導(dǎo)率都是一定的，其電感量的變化是由于位移輸入量導(dǎo)致線圈磁路的幾何尺寸變化而引起的。當(dāng)把線圈接入測(cè)量電路并接通激勵(lì)電源時(shí)，就可獲得正比于位移輸入量的電壓或電流輸出。3.1自感式傳感器式傳感器智能傳感與檢測(cè)技術(shù)電感式傳感器033.1自感式傳感器式傳感器智能傳感與檢測(cè)技術(shù)電感式傳感器033.1自感式傳感器式傳感器智能傳感與檢測(cè)技術(shù)電感式傳感器033.1自感式傳感器式傳感器結(jié)論智能傳感與檢測(cè)技術(shù)電感式傳感器03測(cè)量原理目前使用最廣泛的自感式傳感器是變氣隙式自感傳感器。其測(cè)量原理是：鐵芯和銜鐵由導(dǎo)磁材料如硅鋼片或鐵鎳合金制成，在鐵芯和銜鐵之間有氣隙，氣隙厚度為，傳感器的運(yùn)動(dòng)部分與銜鐵相連。當(dāng)銜鐵移動(dòng)時(shí)，氣隙厚度發(fā)生改變化，引起磁路總磁阻變化，從而導(dǎo)致電感線圈的電感值變化，因此只要能測(cè)出這種電感量的變化，就能確定銜鐵位移量的大小和方向。變氣隙式自感傳感器傳感器智能傳感與檢測(cè)技術(shù)電感式傳感器03變氣隙式自感式傳感器式傳感器智能傳感與檢測(cè)技術(shù)電感式傳感器03結(jié)論變氣隙式自感傳感器的測(cè)量范圍與靈敏度和線性度相矛盾，因此變氣隙式自感傳感器適用于測(cè)量微小位移的場(chǎng)合。為了減小非線性誤差，實(shí)際測(cè)量中廣泛采用差動(dòng)式變氣隙式自感傳感器。傳感器與智能檢測(cè)技術(shù)變氣隙式自感式傳感器式傳感器結(jié)構(gòu)示意圖電感式傳感器03兩者對(duì)比比較單線圈和差動(dòng)兩種變氣隙式自感傳感器的特性，可以得到如下結(jié)論。（1）差動(dòng)式變氣隙式自感傳感器的靈敏度是單線圈式的兩倍，（2）差動(dòng)式變氣隙式自感傳感器的線性度得到明顯改善。變氣隙式自感式傳感器式傳感器參數(shù)要求

為了使輸出特性得到有效改善，構(gòu)成差動(dòng)的兩個(gè)變氣隙式自感傳

感器在結(jié)構(gòu)尺寸、材料、電氣參數(shù)等方面均應(yīng)完全一致。智能傳感與檢測(cè)技術(shù)電感式傳感器03工作原理把被測(cè)的非電量變化轉(zhuǎn)換為線圈互感變化的傳感器稱為互感式傳感器。這種傳感器是根據(jù)變壓器的基本原理制成的，并且次級(jí)繞組用差動(dòng)形式連接，故又稱差動(dòng)變壓器式傳感器。3.2互感式傳感器式傳感器結(jié)構(gòu)示意圖圖3-4a、b所示的為變氣隙式差動(dòng)變壓器傳感器；圖3-4c、d所示的為螺管式差動(dòng)變壓器傳感器；圖3-4e、f所示的為變面積式差動(dòng)變壓器傳感器。智能傳感與檢測(cè)技術(shù)電感式傳感器033.2互感式傳感器傳感器在非電量測(cè)量中，應(yīng)用最多的是螺管式差動(dòng)變壓器傳感器，它可以測(cè)量1～100mm機(jī)械位移，并具有測(cè)量精度高、靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠等優(yōu)點(diǎn)。實(shí)際應(yīng)用智能傳感與檢測(cè)技術(shù)電感式傳感器033.3電渦流式傳感器工作原理根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，金屬導(dǎo)體置于變化的磁場(chǎng)中或在磁場(chǎng)中作切割磁力線運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)將產(chǎn)生呈漩渦狀流動(dòng)的感應(yīng)電流，稱之為電渦流，這種現(xiàn)象稱為電渦流效應(yīng)。基于電渦流效應(yīng)制成的傳感器稱為電渦流式傳感器，其原理圖如圖3-5所示。實(shí)際應(yīng)用電渦流式傳感器由于具有測(cè)量范圍大、靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、抗干擾能力強(qiáng)、可以實(shí)現(xiàn)非接觸式測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究的各個(gè)領(lǐng)域，可以用來(lái)測(cè)量位移、振幅、尺寸、厚度、熱膨脹系數(shù)、軸心軌跡和金屬件探傷等。智能傳感與檢測(cè)技術(shù)電感式傳感器033.3電渦流式傳感器

結(jié)構(gòu)原理圖智能傳感與檢測(cè)技術(shù)電感式傳感器033.4電感式傳感器的應(yīng)用3.4.1變氣隙電感式壓力傳感器式傳感器智能傳感與檢測(cè)技術(shù)電感式傳感器033.4電感式傳感器的應(yīng)用3.4.2電渦流式傳感器式傳感器智能傳感與檢測(cè)技術(shù)電感式傳感器03電渦流式傳感器可用于測(cè)量轉(zhuǎn)速。在一個(gè)旋轉(zhuǎn)體上開一條或數(shù)條槽，或者將其加工成齒輪狀，旁邊安裝一個(gè)電渦流式傳感器。當(dāng)旋轉(zhuǎn)體轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，傳感器將周期性地改變輸出信號(hào)，此電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)放大整形后，可用頻率計(jì)指示出頻率值，由下式算出轉(zhuǎn)速：智能傳感與檢測(cè)技術(shù)機(jī)械工業(yè)出版社CHINAMACHINEPRESS壓電式傳感器第4章智能傳感與檢測(cè)技術(shù)徐小華主編

ISBN978-7-111-76072-6壓電式傳感器4智能傳感與檢測(cè)技術(shù)壓電元件與壓電效應(yīng)4.1壓電傳感器的結(jié)構(gòu)4.2壓電傳感器的等效電路和測(cè)量電路4.3壓電式傳感器應(yīng)用實(shí)例4.4壓電式傳感器044.1.1壓電元件4.1.2壓電效應(yīng)智能傳感與檢測(cè)技術(shù)4.1壓電元件與壓電效應(yīng)式傳感器壓電式傳感器04壓電式傳感器中的壓電元件一般有三類：壓電晶體（單晶體）經(jīng)過(guò)極化處理的壓電陶瓷（多晶體）高分子壓電材料4.1.1壓電元件智能傳感與檢測(cè)技術(shù)壓電式傳感器04

石英（SiO2）晶體結(jié)晶形狀為六角形晶柱。一、石英晶體智能傳感與檢測(cè)技術(shù)壓電式傳感器04

石英晶體是一種性能良好的壓電晶體，它的突出優(yōu)點(diǎn)是性能非常穩(wěn)定。在20~200℃的范圍內(nèi)壓電常數(shù)的變化率只有-0.0001/℃。此外，它還具有自振頻率高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好、機(jī)械強(qiáng)度高、絕緣性能好、遲滯小、重復(fù)性好、線性范圍寬等優(yōu)點(diǎn)。石英晶體的不足之處是壓電常數(shù)較?。╠=2.31×10-1C/N）。因此石英晶體大多只在標(biāo)準(zhǔn)傳感器、高準(zhǔn)確度傳感器或使用溫度較高的傳感器中使用。智能傳感與檢測(cè)技術(shù)壓電式傳感器04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(guó)內(nèi)外生產(chǎn)的壓電元件絕大多數(shù)都采用壓電陶瓷。二、壓電陶瓷智能傳感與檢測(cè)技術(shù)壓電式傳感器04

壓電陶瓷由無(wú)數(shù)細(xì)微的電疇組成。在無(wú)外電場(chǎng)作用時(shí)，各個(gè)電疇在晶體中雜亂分布，它們的極化效應(yīng)被相互抵消了，因此原始的壓電陶瓷呈中性，不具有壓電性質(zhì)。為了使壓電陶瓷具有壓電效應(yīng)，必須在一定溫度下做極化處理。極化處理之后，陶瓷材料內(nèi)部存在有很強(qiáng)的剩余極化強(qiáng)度，當(dāng)壓電陶瓷受外力作用時(shí)，其表面也能產(chǎn)生電荷，所以壓電陶瓷也具有壓電效應(yīng)。a）極化處理前電疇雜亂分布b）在極化電壓下的電疇分布c）冷卻、穩(wěn)定后的電疇分布智能傳感與檢測(cè)技術(shù)壓電式傳感器04

壓電陶瓷的優(yōu)點(diǎn)是燒制方便、易成型、耐濕、耐高溫。缺點(diǎn)是具有熱釋電性，會(huì)對(duì)力學(xué)量測(cè)量造成干擾。常用的壓電陶瓷材料主要有以下兩種：鋯鈦酸鉛系列壓電陶瓷（PZT）非鉛系壓電陶瓷智能傳感與檢測(cè)技術(shù)壓電式傳感器04

典型的高分子壓電材料有聚偏二氟乙烯、聚氟乙烯、改性聚氯乙烯等。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。優(yōu)點(diǎn)是不易破碎，具有防水性，可以大量連續(xù)拉制，制成較大面積或較長(zhǎng)的尺度，價(jià)格便宜，測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍大，頻率響應(yīng)范圍較寬。缺點(diǎn)是工作溫度一般低于100℃，溫度升高時(shí)，靈敏度將降低。它的機(jī)械強(qiáng)度不夠高，耐紫外線能力較差，不宜暴曬，以免老化。三、高分子壓電材料智能傳感與檢測(cè)技術(shù)壓電式傳感器04

壓電效應(yīng)可分為正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)。正壓電效應(yīng)：某些物質(zhì)，當(dāng)沿著一定方向?qū)ζ浼恿Χ蛊渥冃螘r(shí)，在一定表面上將產(chǎn)生電荷，當(dāng)外力去掉后，又重新回到正常的不帶電狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)。逆壓電效應(yīng)：如果在這些物質(zhì)的極化方向施加電場(chǎng)，這些物質(zhì)就在一定方向上產(chǎn)生機(jī)械變形或機(jī)械應(yīng)力，當(dāng)外電場(chǎng)撤去時(shí)，這些變形或應(yīng)力也隨之消失，這種現(xiàn)象稱之為逆壓電效應(yīng)，或稱之為電致伸縮效應(yīng)。4.1.2壓電效應(yīng)智能傳感與檢測(cè)技術(shù)壓電式傳感器04石英晶體的三個(gè)軸：縱向軸稱為光軸，也稱z軸，有折光效應(yīng)，沒有壓電效應(yīng)經(jīng)過(guò)正六面體棱線，并垂直于光軸的軸線稱為電軸，也稱x軸經(jīng)過(guò)正六面體的棱面且垂直于光軸的軸線稱為機(jī)械軸，也稱y軸智能傳感與檢測(cè)技術(shù)壓電式傳感器04石英晶體的三個(gè)面：垂直于光軸（z軸）的面稱為z面垂直于電軸（x軸）的面稱為x面垂直于機(jī)械軸（y軸）的面稱為y面電荷只產(chǎn)生在與x軸垂直的x面的前后兩側(cè)。智能傳感與檢測(cè)技術(shù)壓電式傳感器04石英晶體的x、y軸向受力產(chǎn)生電荷比較：在x軸方向上施加壓力Fx時(shí)，在x面上產(chǎn)生的電荷：式中d11為x方向受力的壓電系數(shù)。在y軸方向施加壓力Fy時(shí)，則仍在x面上產(chǎn)生電荷：式中d12為y軸方向受力的壓電系數(shù)，l、δ為石英晶片的長(zhǎng)度和厚度。根據(jù)石英晶體的對(duì)稱性，d12=-d11；電荷qx和qy的符號(hào)由受壓力還是受拉力決定。智能傳感與檢測(cè)技術(shù)壓電式傳感器04當(dāng)石英晶體未受外力作用時(shí)，如圖（a）所示，正、負(fù)離子正好分布在正六邊形的頂角上，形成三個(gè)互成120°夾角的電偶極矩P1、P2、P3。因?yàn)镻=ql,q為電荷量，l為正負(fù)電荷之間距離。此時(shí)正負(fù)電荷重心重合，電偶極矩的矢量和等于零，即P1+P2+P3=0，所以晶體表面不產(chǎn)生電荷，即呈中性。石英晶體壓電模型(a)不受力時(shí)(b)x軸方向受力(c)y軸方向受力

智能傳感與檢測(cè)技術(shù)壓電式傳感器04當(dāng)石英晶體受到沿x軸方向的壓力作用時(shí)，晶體沿x方向?qū)a(chǎn)生壓縮變形，正負(fù)離子的相對(duì)位置也隨之變動(dòng)，如圖（b）所示，此時(shí)正負(fù)電荷重心不再重合，電偶極矩在x方向上的分量由于P1的減小和P2、P3的增加而不等于零。在x面上出現(xiàn)電荷，它的極性為在x軸正向出現(xiàn)負(fù)電荷，x軸負(fù)向出現(xiàn)正電荷。在y軸方向上的電偶極距的分量為零，不出現(xiàn)電荷。石英晶體壓電模型(a)不受力時(shí)(b)x軸方向受力(c)y軸方向受力

智能傳感與檢測(cè)技術(shù)壓電式傳感器04

當(dāng)晶體受到沿y軸方向的壓力作用時(shí)，晶體的變形如圖（c）所示。P1增大，P2、P3減小。在x面上出現(xiàn)電荷，它的極性為在x軸正向出現(xiàn)正電荷，x軸負(fù)向出現(xiàn)負(fù)電荷。在y軸方向上仍不出現(xiàn)電荷。石英晶體壓電模型(a)不受力時(shí)(b)x軸方向受力(c)y軸方向受力

智能傳感與檢測(cè)技術(shù)壓電式傳感器04

如果沿z軸方向施加作用力，因?yàn)榫w在x方向和y方向所產(chǎn)生的形變完全相同，所以正負(fù)電荷重心保持重合，電偶極矩矢量和等于零。這表明沿z軸方向施加作用力，晶體不會(huì)產(chǎn)生壓電效應(yīng)。智能傳感與檢測(cè)技術(shù)壓電式傳感器04

當(dāng)力的方向改變時(shí)，電荷的極性隨之改變，輸出電壓的頻率與動(dòng)態(tài)力的頻率相同。

如果施加靜態(tài)力時(shí)，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。石英晶體的壓電效應(yīng)演示智能傳感與檢測(cè)技術(shù)壓電式傳感器04

當(dāng)傳感器與被測(cè)振動(dòng)加速度的機(jī)件緊固在一起后，傳感器受機(jī)械運(yùn)動(dòng)的振動(dòng)加速度作用，壓電晶片受到質(zhì)量塊慣性引起的壓力，其方向與振動(dòng)加速度方向相反，大小由F=ma決定。慣性引起的壓力作用在壓電片上產(chǎn)生電荷。電荷由引出電極輸出，由此將振動(dòng)加速度轉(zhuǎn)換成電參量。彈簧是給壓電片施加預(yù)緊力的。預(yù)緊力的大小基本不影響輸出電荷的大小。若預(yù)緊力不夠，而加速度又較大時(shí)，質(zhì)量塊將與壓電片敲擊碰撞;預(yù)緊力也不能太大，否則會(huì)引起壓電片的非線性誤差。智能傳感與檢測(cè)技術(shù)4.2壓電式傳感器的原理傳感器a）原理圖b）結(jié)構(gòu)c）外形壓電式加速度傳感器1一基座2—引出電極3—壓電晶片4一質(zhì)量塊5—彈簧6—?dú)んw7一固定螺孔壓電式傳感器04

壓電元件在承受沿敏感軸方向的外力作用時(shí)，將產(chǎn)生電荷，因此它相當(dāng)于一個(gè)電荷發(fā)生器，當(dāng)壓電元件表面聚集電荷時(shí)，它又相當(dāng)于一個(gè)以壓電材料為介質(zhì)的電容器，兩電極板間的電容為:智能傳感與檢測(cè)技術(shù)4.3壓電傳感器的等效電路和測(cè)量電路式傳感器a）結(jié)構(gòu)示意圖b）電路符號(hào)c）等效電路壓電元件1—鍍銀上電極2—壓電晶體3—鍍銀下電極

因此，可以把壓電元件等效為一個(gè)電荷源與一個(gè)電容相并聯(lián)的電荷等效電路，如圖所示，如果忽略阻值較大的漏電阻Ra，則壓電元件的端電壓：壓電式傳感器04

壓電傳感器的輸出信號(hào)非常微弱，一般需將電信號(hào)放大后才能檢測(cè)出來(lái)。根據(jù)壓電傳感器的工作原理及等效電路，它的輸出可以是電荷信號(hào)也可以是電壓信號(hào)，因此與之相配的前置放大器有電壓前置放大器和電荷放大器兩種形式。因?yàn)閴弘妭鞲衅鞯膬?nèi)阻抗極高，因此它需要與高輸入阻抗的前置放大器配合。從圖中可以看到，如果使用電壓放大器，其輸入電壓ui=Q/（Ca+Cc+Ci），導(dǎo)致電壓放大器的輸入電壓與屏蔽電纜線的分布電容Cc及放大器的輸入電容Ci有關(guān)，它們均是變數(shù)，會(huì)影響測(cè)量結(jié)果，故目前多采用性能穩(wěn)定的電荷放大器（電荷/電壓轉(zhuǎn)換器），如圖所示。智能傳感與檢測(cè)技術(shù)壓電式傳感器044.4.1壓力陶瓷傳感器的應(yīng)用

4.4.2高分子壓電材料的應(yīng)用智能傳感與檢測(cè)技術(shù)4.4壓電式傳感器的應(yīng)用實(shí)例式傳感器壓電式傳感器04

壓電陶瓷多制成片狀，稱為壓電片。壓電片通常是兩片(或兩片以上)粘結(jié)在一起，由于壓電片上的電荷是有極性的，因此有串聯(lián)和并聯(lián)兩種接法，一般常用的是并聯(lián)接法，如圖所示。4.4.1壓力陶瓷傳感器的應(yīng)用1.壓力式單向動(dòng)態(tài)力傳感器的工作原理智能傳感與檢測(cè)技術(shù)

壓電片的并聯(lián)接法壓電式傳感器04

主要用于變化頻率不太高的動(dòng)態(tài)力的測(cè)量，如車床動(dòng)態(tài)切削力的測(cè)試。被測(cè)力通過(guò)傳力上蓋使壓電片在沿軸方向受壓力作用而產(chǎn)生電荷，兩塊壓電片沿軸向反方向疊在一起，中間是一個(gè)片形電極，它收集負(fù)電荷。兩壓電片正電荷側(cè)分別與傳感器的傳力上蓋及底座相連。因此兩塊壓電片被并聯(lián)起來(lái)，提高了傳感器的靈敏度。片形電極通過(guò)電極引出插頭將電荷輸出。電荷Q與所受的動(dòng)態(tài)力成正比。只要用電荷放大器測(cè)出△Q，就可以測(cè)知△F。a）外形

b）結(jié)構(gòu)壓電式單向動(dòng)態(tài)力傳感器1—?jiǎng)傂詡髁ι仙w

2—壓電片

3一電極

4—電極引出插頭5—絕緣材料6—底座智能傳感與檢測(cè)技術(shù)壓電式傳感器04

壓電動(dòng)態(tài)力傳感器位于車刀前端的下方。切削前，雖然車刀緊壓在傳感器上，壓電片在壓緊的瞬間也曾產(chǎn)生出很大的電荷，但幾秒之內(nèi)，電荷就通過(guò)電路的泄漏電阻中和掉了。切削過(guò)程中，車刀在切削力的作用下，上下劇烈顫動(dòng)，將脈動(dòng)力傳遞給單向動(dòng)態(tài)力傳感器。傳感器的電荷變化量由電荷放大器轉(zhuǎn)換成電壓，再用記錄儀記錄下切削力的變化量。刀具切削力測(cè)量示圖1一壓電式單向動(dòng)態(tài)力傳感器2—刀架3—車刀4一工件智能傳感與檢測(cè)技術(shù)2.壓力式單向動(dòng)態(tài)力傳感器的應(yīng)用壓電式傳感器04

玻璃破碎時(shí)會(huì)發(fā)出幾千赫茲甚至超聲波(高于20kHz)的振動(dòng)。將高分子壓電薄膜粘貼在玻璃上，可以感受到這一振動(dòng)，并將電壓信號(hào)傳送給集中報(bào)警系統(tǒng)。圖為高分子壓電薄膜振動(dòng)感應(yīng)片示意圖。4.4.2高分子壓電材料的應(yīng)用1.玻璃破碎報(bào)警裝置智能傳感與檢測(cè)技術(shù)壓電式傳感器04

周界報(bào)警器最常見的是安裝有報(bào)警器的鐵絲網(wǎng)，但在民用部門常使用隱蔽的傳感器。常用的有以下幾種形式：地音式、高頻輻射漏泄電纜、紅外激光遮斷式、微波多普勒式及高分子壓電電纜等。高分子壓電電纜周界報(bào)警系統(tǒng)如圖所示。4.4.2高分子壓電材料的應(yīng)用2.壓電式周界報(bào)警系統(tǒng)智能傳感與檢測(cè)技術(shù)機(jī)械工業(yè)出版社CHINAMACHINEPRESS熱電式傳感器第5章智能傳感與檢測(cè)技術(shù)徐小華主編

ISBN978-7-111-76072-6熱電式傳感器5智能傳感與檢測(cè)技術(shù)熱電偶傳感器5.1熱電阻傳感器5.2熱敏電阻傳感器5.3熱電式傳感器5

溫度是工業(yè)生產(chǎn)中常見的工藝參數(shù)之一，任何物理變化和化學(xué)反應(yīng)過(guò)程都與溫度密切相關(guān)，因此溫度控制是生產(chǎn)自動(dòng)化的重要任務(wù)。如冶金、機(jī)械、熱處理、食品、化工以及玻璃、陶瓷和耐火材料等各類工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中廣泛使用各種加熱爐、熱處理爐、反應(yīng)爐等。圖5-1為熱電式傳感器工作原理示意圖。智能傳感與檢測(cè)技術(shù)熱電式傳感器5熱電偶的測(cè)溫原理基于熱電效應(yīng)。將兩種不同材料的導(dǎo)體A和B串接成一個(gè)閉合回路，當(dāng)兩個(gè)接點(diǎn)1和2的溫度不同時(shí)，如T＞T0，在回路中就會(huì)產(chǎn)生熱電動(dòng)勢(shì)，并在回路中有一定大小的電流，此種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。該電動(dòng)勢(shì)就是著名的“塞貝克溫差電動(dòng)勢(shì)”，簡(jiǎn)稱“熱電動(dòng)勢(shì)”，記為EAB，導(dǎo)體A，B稱為熱電極。接點(diǎn)1通常是焊接在一起的，測(cè)量時(shí)將它置于測(cè)溫場(chǎng)所感受被測(cè)溫度，故稱為測(cè)量端（或工作端，熱端）。接點(diǎn)2要求溫度恒定，稱為參考端（或冷端）。由兩種導(dǎo)體的組合并將溫度轉(zhuǎn)化為熱電動(dòng)勢(shì)的傳感器叫做熱電偶傳感器。智能傳感與檢測(cè)技術(shù)5.1熱電偶傳感器5.1.1熱電偶的測(cè)溫原理熱電式傳感器51.均質(zhì)導(dǎo)體定律由一種均質(zhì)導(dǎo)體組成的閉合回路，不論導(dǎo)體的橫截面積，長(zhǎng)度以及溫度分布如何均不產(chǎn)生熱電動(dòng)勢(shì)。如果熱電偶的兩根熱電極由兩種均質(zhì)導(dǎo)體組成，那么，熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)僅與兩接點(diǎn)的溫度有關(guān)，與熱電偶的溫度分布無(wú)關(guān)；如果熱電極為非均質(zhì)電極，并處于具有溫度梯度的溫場(chǎng)時(shí)，將產(chǎn)生附加電勢(shì)，如果僅從熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)大小來(lái)判斷溫度的高低就會(huì)引起誤差。2.中間導(dǎo)體定律在熱電偶回路中接入第三種材料的導(dǎo)體，只要其兩端的溫度相等，該導(dǎo)體的接入就不會(huì)影響熱電偶回路的總熱電動(dòng)勢(shì)。根據(jù)這一定則，可以將熱電偶的一個(gè)接點(diǎn)斷開接入第三種導(dǎo)體，也可以將熱電偶的一種導(dǎo)體斷開接入第三種導(dǎo)體，只要每一種導(dǎo)體的兩端溫度相同，均不影響回路的總熱電動(dòng)勢(shì)。在實(shí)際測(cè)溫電路中，必須有連接導(dǎo)線和顯示儀器，若把連接導(dǎo)線和顯示儀器看成第三種導(dǎo)體，只要他們的兩端溫度相同，則不影響總熱電動(dòng)勢(shì)。3.標(biāo)準(zhǔn)電極定律兩種導(dǎo)體A,B分別與參考電極C(或稱標(biāo)準(zhǔn)電極)組成熱電偶，只要知道兩種導(dǎo)體分別與參考電極組成熱電偶時(shí)的熱電動(dòng)勢(shì)，就可以依據(jù)參考電極定則計(jì)算出兩導(dǎo)體組成熱電偶時(shí)的熱電動(dòng)勢(shì)，從而簡(jiǎn)化了熱電偶的選配工作。由于鉑的物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，熔點(diǎn)高，易提純，所以人們多采用高純鉑作為參考電極。智能傳感與檢測(cè)技術(shù)5.1熱電偶傳感器5.1.2熱電偶基本定律熱電式傳感器51.均質(zhì)導(dǎo)體定律2.中間導(dǎo)體定律智能傳感與檢測(cè)技術(shù)5.1熱電偶傳感器5.1.2熱電偶基本定律

在熱電偶A、B回路中接入第三種導(dǎo)體C，只要第三種導(dǎo)體的兩接點(diǎn)溫度相同，則回路中的熱電勢(shì)不變。熱電式傳感器53.標(biāo)準(zhǔn)電極定律智能傳感與檢測(cè)技術(shù)5.1熱電偶傳感器5.1.2熱電偶基本定律

如果兩種導(dǎo)體A、B分別與第三種導(dǎo)體C組成的熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)已知，則由A、B兩種導(dǎo)體組成的熱電偶熱電動(dòng)勢(shì)也就已知。如圖所示。熱電式傳感器54.中間溫度定律智能傳感與檢測(cè)技術(shù)5.1熱電偶傳感器5.1.2熱電偶基本定律

熱電偶回路中，兩接點(diǎn)溫度分別為t、t0時(shí)的熱電勢(shì)，等于接點(diǎn)溫度為t、tn和tn、t0的兩支同性質(zhì)熱電偶的熱電勢(shì)的代數(shù)和熱電式傳感器5智能傳感與檢測(cè)技術(shù)5.1熱電偶傳感器5.1.3熱電偶的材料、結(jié)構(gòu)及性能1.熱電偶的材料名

稱分度號(hào)測(cè)溫范圍/

C特

點(diǎn)鉑銠30

-鉑銠6B50

1820熔點(diǎn)高，測(cè)溫上限高，性能穩(wěn)定，精度高，100

C以下熱電勢(shì)極小，所以可不必考慮冷端溫度補(bǔ)償；價(jià)昂，熱電勢(shì)小，線形差；只適用于高溫域的測(cè)量鉑銠13-鉑R-50

1768使用上限較高，精度高，性能穩(wěn)定，復(fù)現(xiàn)性好；但熱電勢(shì)較小，不能在金屬蒸氣和還原性氣氛中使用，在高溫下連續(xù)使用時(shí)特性會(huì)逐漸變壞，價(jià)昂；多用于精密測(cè)量鉑銠10-鉑S-50

1768優(yōu)點(diǎn)同上；但性能不如R熱電偶；長(zhǎng)期以來(lái)曾經(jīng)作為國(guó)際溫標(biāo)的法定標(biāo)準(zhǔn)熱電偶鎳鉻-鎳硅K-270

1370熱電勢(shì)大，線性好，穩(wěn)定性好，價(jià)廉；但材質(zhì)較硬，在1000

C以上長(zhǎng)期使用會(huì)引起熱電勢(shì)漂移；多用于工業(yè)測(cè)量鎳鉻硅—鎳硅N-270

1300是一種新型熱電偶，各項(xiàng)性能均比K熱電偶好，適宜于工業(yè)測(cè)量鎳鉻—銅鎳（康銅）E-270

800熱電勢(shì)比K熱電偶大50%左右，線性好，耐高濕度，價(jià)廉；但不能用于還原性氣氛；多用于工業(yè)測(cè)量鐵—銅鎳（康銅）J-210

760價(jià)格低廉，在還原性氣體中較穩(wěn)定；但純鐵易被腐蝕和氧化；多用于工業(yè)測(cè)量銅—銅鎳（康銅）T-270

400價(jià)廉，加工性能好，離散性小，性能穩(wěn)定，線性好，精度高；銅在高溫時(shí)易被氧化，測(cè)溫上限低；多用于低溫域測(cè)量?？勺鳎?200

0）

C溫域的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)熱電式傳感器5智能傳感與檢測(cè)技術(shù)5.1熱電偶傳感器5.1.3熱電偶的材料、結(jié)構(gòu)及性能5.1熱電偶傳感器5.1.3熱電偶的材料、結(jié)構(gòu)及性能1.熱電偶的結(jié)構(gòu)和性能普通熱電偶結(jié)構(gòu)和外形鎧裝型熱電偶薄膜熱電偶熱電式傳感器51．補(bǔ)償導(dǎo)線法工程中可采用一種補(bǔ)償導(dǎo)線對(duì)冷端溫度進(jìn)行補(bǔ)償，如圖5-3所示。在0～100℃溫度范圍內(nèi)，要求補(bǔ)償導(dǎo)線和所配熱電偶具有相同的熱電特性。可將熱電偶電極做得很長(zhǎng)，將冷端移到恒溫或變化平緩的環(huán)境中。采用該方法時(shí)，一方面是安裝使用不便，另一方面是需要耗費(fèi)許多貴重的金屬材。智能傳感與檢測(cè)技術(shù)5.1熱電偶傳感器5.1.4

熱電偶的冷端溫度補(bǔ)償方法熱電式傳感器52．冷端0℃恒溫法在實(shí)驗(yàn)室及精密測(cè)量中，通常把冷端放入0℃恒溫器或裝滿冰水混合物的容器中，以使冷端溫度保持0℃。這是一種理想的補(bǔ)償方法，但工業(yè)中使用極為不便。3．電橋補(bǔ)償法電橋補(bǔ)償法是利用不平衡電橋產(chǎn)生的電勢(shì)來(lái)補(bǔ)償熱電偶因冷端溫度不在0℃時(shí)引起的熱電勢(shì)變化值，如圖5-4所示，在熱電偶與測(cè)溫儀表之間串接一個(gè)直流不平衡電橋，電橋中的R1、R2、R3用電阻溫度系數(shù)很小的錳銅絲制作，另一橋臂的RT用溫度系數(shù)較大的銅線繞制。智能傳感與檢測(cè)技術(shù)5.1熱電偶傳感器5.1.4

熱電偶的冷端溫度補(bǔ)償方法熱電式傳感器54．計(jì)算修正法當(dāng)冷端溫度恒定但不為零時(shí)，需要根據(jù)中間溫度定律進(jìn)行計(jì)算修正，消除冷端溫度不為零產(chǎn)生的誤差。該方法適用于熱電偶冷端溫度恒定的情況。在智能化儀表中，查表及運(yùn)算過(guò)程均可由計(jì)算機(jī)完成。5.

顯示儀表機(jī)械零位調(diào)整法智能傳感與檢測(cè)技術(shù)5.1熱電偶傳感器5.1.3熱電偶的冷端溫度補(bǔ)償方法熱電式傳感器51.測(cè)量單點(diǎn)溫度智能傳感與檢測(cè)技術(shù)5.1熱電偶傳感器5.1.5熱電偶測(cè)溫電路

（a）（b）熱電式傳感器52.測(cè)量多點(diǎn)溫度和智能傳感與檢測(cè)技術(shù)5.1熱電偶傳感器5.1.5熱電偶測(cè)溫電路熱電式傳感器52.測(cè)量多點(diǎn)平均溫度智能傳感與檢測(cè)技術(shù)5.1熱電偶傳感器5.1.5熱電偶測(cè)溫電路熱電式傳感器54.測(cè)量?jī)牲c(diǎn)溫度差智能傳感與檢測(cè)技術(shù)5.1熱電偶傳感器5.1.5熱電偶測(cè)溫電路熱電式傳感器5

熱電阻傳感器是利用導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻值隨溫度的變化來(lái)測(cè)量溫度的元件，它由熱電阻體（感溫元件），連接導(dǎo)線和顯示或紀(jì)錄儀表構(gòu)成。。(1)鉑熱電阻鉑的物理化學(xué)性能極為穩(wěn)定，并有良好的工藝性。以鉑作為感溫元件具有示值穩(wěn)定，測(cè)量準(zhǔn)確度高等優(yōu)點(diǎn)，其使用范圍是-200～850℃。除作為溫度標(biāo)準(zhǔn)外，還廣泛用于高精度的工業(yè)測(cè)量。

(2)銅熱電阻銅熱電阻的使用范圍是-50～150℃，具有電阻溫度系數(shù)大，價(jià)格便宜，互換性好等優(yōu)點(diǎn)，但它固有電阻太小，另外銅在250℃以上易氧化。銅熱電阻在工業(yè)中的應(yīng)有逐漸減少。

智能傳感與檢測(cè)技術(shù)5.2熱電阻傳感器5.2.1熱電阻工作原理熱電式傳感器5智能傳感與檢測(cè)技術(shù)5.2熱電阻傳感器5.2.2熱電阻的結(jié)構(gòu)（a）外型結(jié)構(gòu)（b）結(jié)構(gòu)圖銅熱電阻的結(jié)構(gòu)示意圖（a）外型結(jié)構(gòu)（b）結(jié)構(gòu)圖鉑熱電阻的結(jié)構(gòu)圖熱電式傳感器5智能傳感與檢測(cè)技術(shù)5.2熱電阻傳感器5.2.2熱電阻的結(jié)構(gòu)熱電式傳感器5智能傳感與檢測(cè)技術(shù)5.2熱電阻傳感器5.2.3熱電阻的測(cè)量電路選擇二線制熱電式傳感器5智能傳感與檢測(cè)技術(shù)5.2熱電阻傳感器5.2.3熱電阻的測(cè)量電路選擇三線制熱電式傳感器5智能傳感與檢測(cè)技術(shù)5.2熱電阻傳感器5.2.3熱電阻的測(cè)量電路選擇四線制熱電式傳感器5

熱敏電阻是一種電阻值隨其溫度成指數(shù)變化的半導(dǎo)體熱敏元件。廣泛應(yīng)用于家電、汽車、測(cè)量?jī)x器等領(lǐng)域。優(yōu)點(diǎn)如下：(1)電阻溫度系數(shù)大，靈敏度高，比一般金屬電阻大10～100倍；(2)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，可以測(cè)量“點(diǎn)”溫度；(3)電阻率高，熱慣性小，適宜動(dòng)態(tài)測(cè)量；(4)功耗小，不需要參考端補(bǔ)償，適于遠(yuǎn)距離的測(cè)量與控制。缺點(diǎn)是阻值與溫度的關(guān)系呈非線性，元件的穩(wěn)定性和互換性較差。除高溫?zé)崦綦娮柰?，不能用?50℃以上的高溫。負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻-溫度特性曲線可用如下經(jīng)驗(yàn)公式描述：智能傳感與檢測(cè)技術(shù)5.3熱敏電阻傳感器熱敏電阻由熱敏探頭，引線，殼體等構(gòu)成，圖5-5熱敏電阻的結(jié)構(gòu)與符號(hào)。熱敏電阻包括正溫度系數(shù)（PTC）、負(fù)溫度系數(shù)（NTC）熱敏電阻，以及臨界溫度熱敏電阻（CTR）。

機(jī)械工業(yè)出版社CHINAMACHINEPRESS光電式傳感器第6章智能傳感與檢測(cè)技術(shù)徐小華主編

ISBN978-7-111-76072-6光電式傳感器6智能傳感與檢測(cè)技術(shù)光電式傳感器6.1紅外傳感器6.2光纖傳感器6.3激光傳感器6.4光電式傳感器6

光電傳感器通常是指能敏感檢測(cè)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(hào)的器件。其工作原理是基于一些物質(zhì)的光電效應(yīng)。由于被光照射的物體材料不同，所產(chǎn)生的光電效應(yīng)也不同，通常光照射到物體表面后產(chǎn)生的光電效應(yīng)分為三類：①在光線作用下能使電子逸出物體表面的現(xiàn)象稱外光電效應(yīng)。②在光電作用下能使物體的電阻率改變的現(xiàn)象稱為內(nèi)光電效應(yīng)。③在光線作用下，物體產(chǎn)生一定方向電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象稱為光生伏特效應(yīng)。智能傳感與檢測(cè)技術(shù)6.1光電式傳感器6.1.1光電效應(yīng)

光電子逸出時(shí)所具有的初始動(dòng)能Ek與光的頻率有關(guān)，頻率高則動(dòng)能大。由于不同材料具有不同的逸出功,因此對(duì)某種材料而言便有一個(gè)頻率限，當(dāng)入射光的頻率低于此頻率限時(shí)，不論光強(qiáng)多大，也不能激發(fā)出電子；反之，當(dāng)入射光的頻率高于此極限頻率時(shí)，即使光線微弱也會(huì)有光電子發(fā)射出來(lái)，這個(gè)頻率限稱為“紅限頻率”。光電式傳感器6

光電管和光電倍增管同屬于用外光電效應(yīng)制成的光電轉(zhuǎn)換器件。金屬陽(yáng)極A和陰極K封裝在一個(gè)玻璃殼內(nèi)，當(dāng)入射光照射在陰極時(shí)，光子的能量傳遞給陰極表面的電子，當(dāng)電子獲得的能量足夠大時(shí)，就有可能克服金屬表面對(duì)電子的束縛（稱為逸出功）而逸出金屬表面形成電子發(fā)射，這種電子稱為光電子。在光照頻率高于陰極材料紅限頻率的前提下，溢出電子數(shù)決定于光通量，光通量越大，則溢出電子越多。當(dāng)光電管陽(yáng)極與陰極間加適當(dāng)正向電壓（數(shù)十伏）時(shí)，從陰極表面溢出的電子被具有正向電壓的陽(yáng)極所吸引，在光電管中形成電流，稱為光電流。智能傳感與檢測(cè)技術(shù)6.1光電式傳感器6.1.2光電元件及傳感器1．光電管光電式傳感器6

當(dāng)微光照射陰極K時(shí)，從陰極K上逸出的光電子被第一倍增極D1所加速，以很高的速度轟擊D1，入射光電子的能量傳遞給D1表面的電子使它們由D1表面逸出，這些電子稱為二次電子，一個(gè)入射光電子可以產(chǎn)生多個(gè)二次電子。D1發(fā)射出來(lái)的二次電子被D1、D2間的電場(chǎng)加速，射向D2，并再次產(chǎn)生二次電子發(fā)射，得到更多的二次電子。這樣逐級(jí)前進(jìn)，一直到最后達(dá)到陽(yáng)極A為止。若每級(jí)的二次電子發(fā)射倍增率為，共有n級(jí)（通常可達(dá)9～11級(jí)），則光電倍增管陽(yáng)極得到的光電流比普通光電管大n倍，因此光電倍增管靈敏度極高。其光電特性基本上是一條直線。智能傳感與檢測(cè)技術(shù)6.1光電式傳感器6.1.2光電元件及傳感器2．光電倍增管光電式傳感器6

光敏電阻是一種電阻元件,具有靈敏度高，體積小，重量輕，光譜響應(yīng)范圍寬，機(jī)械強(qiáng)度高，耐沖擊和振動(dòng)，壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。在黑暗的環(huán)境下，它的阻值很高，當(dāng)受到光照并且光輻射能量足夠大時(shí)，光導(dǎo)材料禁帶中的電子受到能量大于其禁帶寬度ΔEg的光子激發(fā)，由價(jià)帶越過(guò)禁帶而躍遷到導(dǎo)帶，使其導(dǎo)帶的電子和價(jià)帶的空穴增加，電阻率變小。光敏電阻常用的半導(dǎo)體材料有硫化鎘(CdS,ΔEg=2.4eV和硒化鎘(CdSe,ΔEg=1.8eV)。智能傳感與檢測(cè)技術(shù)6.1光電式傳感器6.1.2光電元件及傳感器3.光敏電阻光電式傳感器6

無(wú)光照時(shí)，僅有很小的穿透電流流過(guò)，當(dāng)光線通過(guò)透明窗口照射集電結(jié)時(shí)，和光敏二極管的情況相似，將使流過(guò)集電結(jié)的反向電流增大，這就造成基區(qū)中正電荷的空穴的積累，發(fā)射區(qū)中的多數(shù)載流子（電子）將大量注入基區(qū)。由于基區(qū)很薄，只有一小部分從發(fā)射區(qū)注入的電子與基區(qū)的空穴復(fù)合；而大部分電子將穿過(guò)基區(qū)流向與電源正極相接的集電極，形成集電極電流，與普通晶體管的電流放大作用相似，集電極電流Ic是原始光電流的β倍，因此光敏晶體管比二極管的靈敏度高許多倍。智能傳感與檢測(cè)技術(shù)6.1光電式傳感器6.1.2光電元件及傳感器5.光敏晶體管光電式傳感器6

當(dāng)光照到PN結(jié)區(qū)時(shí)，如果光子能量足夠大，將在結(jié)區(qū)附近激發(fā)出電子-空穴對(duì)，在N區(qū)聚積負(fù)電荷，P區(qū)聚積正電荷，這樣N區(qū)和P區(qū)之間出現(xiàn)電位差。若將PN結(jié)兩端用導(dǎo)線連起來(lái)，電路中有電流流過(guò)，電流的方向由P區(qū)流經(jīng)外電路至N區(qū)。若將外電路斷開，就可測(cè)出光生電動(dòng)勢(shì)。智能傳感與檢測(cè)技術(shù)6.1光電式傳感器6.1.2光電元件及傳感器6.光電池光電式傳感器6

光電傳感器在工業(yè)上的應(yīng)用可歸納為吸收式、遮光式、反射式、輻射式四種基本形式。智能傳感與檢測(cè)技術(shù)6.1光電式傳感器6.1.3光電傳感器及其應(yīng)用

光電式傳感器6防止工業(yè)煙塵污染是環(huán)保的重要任務(wù)之一。為了消除工業(yè)煙塵污染，首先要知道煙塵排放量，因此必須對(duì)煙塵源進(jìn)行監(jiān)測(cè)、自動(dòng)顯示和超標(biāo)報(bào)警。煙道里的煙塵濁度是用通過(guò)光在煙道里傳輸過(guò)程中的變化大小來(lái)檢測(cè)的。如果煙道濁度增加，光源發(fā)出的光被煙塵顆粒的吸收和折射增加，到達(dá)光檢測(cè)器的光減少，因而光檢測(cè)器輸出信號(hào)的強(qiáng)弱便可反映煙道濁度的變化智能傳感與檢測(cè)技術(shù)6.1光電式傳感器6.1.3光電傳感器及其應(yīng)用1.煙塵濁度監(jiān)測(cè)儀

光電式傳感器6

在待測(cè)轉(zhuǎn)速軸上固定一帶孔的轉(zhuǎn)速調(diào)置盤，在調(diào)置盤一邊由白熾燈產(chǎn)生恒定光，透過(guò)盤上小孔到達(dá)光敏二極管組成的光電轉(zhuǎn)換器上，轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電脈沖信號(hào)，經(jīng)過(guò)放大整形電路輸出整齊的脈沖信號(hào)，轉(zhuǎn)速可由該脈沖頻率測(cè)定。智能傳感與檢測(cè)技術(shù)6.1光電式傳感器6.1.3光電傳感器及其應(yīng)用2.光電數(shù)字式轉(zhuǎn)速表

光電式傳感器6

產(chǎn)品在傳送帶上運(yùn)行時(shí)，不斷地遮擋到從光源到光電元件問(wèn)的光路，使光電脈沖電路隨產(chǎn)品的有無(wú)產(chǎn)生一個(gè)個(gè)電脈沖信號(hào)。產(chǎn)品每遮光一次，光電脈沖電路便產(chǎn)生一個(gè)電脈沖信號(hào)，因此，輸出的脈沖數(shù)即代表產(chǎn)品的數(shù)目。該脈沖經(jīng)計(jì)數(shù)電路計(jì)數(shù)并由顯示電路顯示出來(lái)。智能傳感與檢測(cè)技術(shù)6.1光電式傳感器6.1.3光電傳感器及其應(yīng)用3.光電式產(chǎn)品計(jì)數(shù)器

光電式傳感器6

自然界的物體，例如：人體、火焰甚至于冰都會(huì)放射出紅外線，只是其發(fā)射的紅外線的波長(zhǎng)不同而已。人體的溫度為36～37℃，所放射的紅外線波長(zhǎng)為9～10（屬于遠(yuǎn)紅外線區(qū)），加熱到400～700℃的物體，其放射出的紅外線波長(zhǎng)為3～5。（屬于中紅外線區(qū)）。紅外線傳感器可以檢測(cè)到這些物體發(fā)射出的紅外線，用于測(cè)量、成像或控制。智能傳感與檢測(cè)技術(shù)6.2紅外傳感器6.2.1紅外傳感器概述光電式傳感器6

熱釋電效應(yīng)是晶體的一種自然物理效應(yīng)。對(duì)于具有自發(fā)式極化的晶體，當(dāng)晶體受熱或冷卻后，由于溫度的變化而導(dǎo)致自發(fā)式極化強(qiáng)度變化，從而在晶體某一定方向產(chǎn)生表面極化電荷，這種由于熱變化而產(chǎn)生的電極化現(xiàn)象稱為熱釋電效應(yīng)。智能傳感與檢測(cè)技術(shù)6.2紅外傳感器6.2.2熱釋電紅外傳感器1．熱釋電效應(yīng)2．熱釋電紅外傳感器的結(jié)構(gòu)熱釋電紅外傳感器由探測(cè)元件、場(chǎng)效應(yīng)管匹配器和干涉濾光片組成。為了提高探測(cè)器的探測(cè)靈敏度以增大探測(cè)距離，一般在探測(cè)器的前方裝設(shè)一個(gè)菲涅爾透鏡光電式傳感器6光纖傳感器主要包括光纖、光源、光探測(cè)器和信號(hào)處理電路四個(gè)重要部分。智能傳感與檢測(cè)技術(shù)6.3光纖傳感器6.3.2光纖傳感器1.光纖傳感器的原理光纖傳感器一般由三個(gè)環(huán)節(jié)組成，即信號(hào)的轉(zhuǎn)換、信號(hào)的傳輸、信號(hào)的接收與處理。信號(hào)的轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，將被測(cè)參數(shù)轉(zhuǎn)換成為便于傳輸?shù)墓庑盘?hào)。信號(hào)的傳輸環(huán)節(jié)，利用光導(dǎo)纖維的特性將轉(zhuǎn)換的光信號(hào)進(jìn)行傳輸。

信號(hào)的接收與處理環(huán)節(jié)，將來(lái)自光導(dǎo)纖維的信號(hào)送入測(cè)量電路，由測(cè)量電路進(jìn)行處理并輸出。光電式傳感器6智能傳感與檢測(cè)技術(shù)6.3光纖傳感器6.3.3光纖傳感器及其應(yīng)用1．光纖位移傳感器

光從光源經(jīng)凸透鏡耦合進(jìn)輸入光纖射向被測(cè)物體，經(jīng)被測(cè)物體反射，有一部分光進(jìn)入輸出光纖，待測(cè)距離越小，進(jìn)入輸出光纖的反射光越多，根據(jù)探測(cè)器測(cè)量值就可以知道待測(cè)距離的大小，從而實(shí)現(xiàn)位移量的檢測(cè)。光電式傳感器6智能傳感與檢測(cè)技術(shù)6.3光纖傳感器6.3.3光纖傳感器及其應(yīng)用2．光纖液位傳感器

光源發(fā)出的光經(jīng)人射光纖到達(dá)測(cè)量端的圓錐體反射器。如果測(cè)量端置于空氣中，光線在圓錐體內(nèi)發(fā)生全內(nèi)反射，通過(guò)接收光纖全部返回到受光元件；如果測(cè)量端接觸到液面，由于液體的折射率與空氣的折射率不同，全內(nèi)反射被破壞，部分光線透入液體，則返回受光元件的光強(qiáng)變?nèi)?。光電式傳感?智能傳感與檢測(cè)技術(shù)6.4激光傳感器

利用激光技術(shù)進(jìn)行測(cè)量的傳感器。它由激光器、激光檢測(cè)器和測(cè)量電路組成。激光傳感器的優(yōu)點(diǎn)是能實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸遠(yuǎn)距離測(cè)量，速度快，精度高，量程大，抗光、電干擾能力強(qiáng)等。激光器按工作物質(zhì)可分為四類：1.固體激光器固體激光器的工作物質(zhì)是固體。常用的有紅寶石激光器、摻釹的釔鋁石榴石激光器和釹玻璃激光器等。它們的結(jié)構(gòu)大致相同，特點(diǎn)是小而堅(jiān)固、功率高，釹玻璃激光器是目前脈沖輸出功率最高的器件，已達(dá)到數(shù)十兆瓦。2.氣體激光器氣體激光器的工作物質(zhì)為氣體?，F(xiàn)已有各種氣體原子、離子、金屬蒸氣、氣體分子激光器。常用的有二氧化碳激光器、氦氖激光器和一氧化碳激光器，其形狀如普通放電管，特點(diǎn)是輸出穩(wěn)定，單色性好,壽命長(zhǎng),但功率較小，轉(zhuǎn)換效率較低。3.液體激光器液體激光器又可分為螯合物激光器、無(wú)機(jī)液體激光器和有機(jī)染料激光器，其中最重要的是有機(jī)染料激光器，它的最大特點(diǎn)是波長(zhǎng)連續(xù)可調(diào)。4.半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器是較年輕的一種激光器，其中較成熟的是砷化鎵激光器。特點(diǎn)是效率高、體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適宜于在飛機(jī)、軍艦、坦克上以及步兵隨身攜帶?？芍瞥蓽y(cè)距儀和瞄準(zhǔn)器。但輸出功率較小、定向性較差、受環(huán)境溫度影響較大機(jī)械工業(yè)出版社CHINAMACHINEPRESS霍爾傳感器與其他磁敏傳感器第7章智能傳感與檢測(cè)技術(shù)徐小華主編

ISBN978-7-111-76072-6霍爾傳感器與其他磁敏傳感器7智能傳感與檢測(cè)技術(shù)霍爾效應(yīng)7.1霍爾元件及特性參數(shù)7.2

集成霍爾傳感器7.3霍爾傳感器的應(yīng)用實(shí)例7.4其他磁敏傳感器7.5霍爾傳感器與其他磁敏傳感器07將金屬或半導(dǎo)體薄片置于磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場(chǎng)中，磁場(chǎng)方向垂直于薄片，當(dāng)有電流I通過(guò)時(shí)，在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向上將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)UH，這種物理現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。7.1霍爾效應(yīng)智能傳感與檢測(cè)技術(shù)霍爾傳感器與其他磁敏傳感器07霍爾電勢(shì)UH與輸入電流I及磁感應(yīng)強(qiáng)度B成正比，其靈敏度KH與霍爾系數(shù)RH成正比而與霍爾片厚度d成反比。所以，為了提高靈敏度，霍爾元件常制成薄片形狀。當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度B的方向改變時(shí)，霍爾電勢(shì)的方向也隨之改變。如果所施加的磁場(chǎng)為交變磁場(chǎng)，則霍爾電勢(shì)為同頻率的交變電動(dòng)勢(shì)。7.1霍爾效應(yīng)智能傳感與檢測(cè)技術(shù)霍爾傳感器與其他磁敏傳感器7智能傳感與檢測(cè)技術(shù)7.2霍爾元件及特性參數(shù)7.2.1霍爾元件霍爾片是一塊矩形半導(dǎo)體單晶薄片，引出4個(gè)引線，a、b兩根引線加激勵(lì)電壓或電流，稱為激勵(lì)電極；c、d引線為霍爾輸出引線，稱為霍爾電極?；魻杺鞲衅髋c其他磁敏傳感器7智能傳感與檢測(cè)技術(shù)霍爾元件的基本檢測(cè)電路圖霍爾元件的輸出電路圖霍爾傳感器與其他磁敏傳感器7智能傳感與檢測(cè)技術(shù)7.2.2霍爾元件的主要特性參數(shù)(1)霍爾元件的靈敏度系數(shù)KH。(2)額定激勵(lì)電流IN和最大允許激勵(lì)電流Imax。(3)輸入電阻Ri、輸出電阻RO。（4）霍爾電勢(shì)溫度系數(shù)ɑ?；魻杺鞲衅髋c其他磁敏傳感器7智能傳感與檢測(cè)技術(shù)7.3集成霍爾傳感器1.線性集成霍爾傳感器線性集成霍爾傳感器主要由霍爾元件、恒流源、放大電路組成，由恒流源提供穩(wěn)定的激勵(lì)電流，霍爾電勢(shì)輸出接入放大電路，輸出電壓較高，應(yīng)用廣泛。集成電路的輸出電壓與霍爾元件感受的磁場(chǎng)變化近似呈線性關(guān)系。

霍爾傳感器與其他磁敏傳感器7智能傳感與檢測(cè)技術(shù)2.開關(guān)集成霍爾傳感器常用的開關(guān)集成霍爾傳感器內(nèi)部元件由霍爾元件、放大電路、施密特觸發(fā)器等部分組成。穩(wěn)壓電路可使傳感器在較寬的電源電壓范圍內(nèi)工作，開關(guān)輸出可使該電路方便地與各邏輯電路連接。

霍爾傳感器與其他磁敏傳感器7智能傳感與檢測(cè)技術(shù)7.4霍爾傳感器的應(yīng)用實(shí)例7.4.1金屬零件霍爾計(jì)數(shù)裝置當(dāng)鋼球通過(guò)霍爾開關(guān)傳感器的上方時(shí)，傳感器可輸出峰值20mV的脈沖電壓，該電壓經(jīng)運(yùn)算放大器A（）放大后，驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體三極管VT(2N5812)工作，VT輸出端便可接計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)，并通過(guò)顯示器顯示檢測(cè)數(shù)值?；魻杺鞲衅髋c其他磁敏傳感器7智能傳感與檢測(cè)技術(shù)7.4.2霍爾式無(wú)觸點(diǎn)汽車電子點(diǎn)火裝置霍爾式無(wú)觸點(diǎn)電子點(diǎn)火裝置安裝在分電器殼體中，它由觸發(fā)器葉片、永久磁鐵、霍爾IC及達(dá)林頓晶體管等組成。導(dǎo)磁性良好的觸發(fā)器葉片固定在分電器轉(zhuǎn)軸上，并隨之轉(zhuǎn)動(dòng)。在葉片圓周上按氣缸數(shù)目開出相應(yīng)的槽口。葉片在永久磁鐵和霍爾IC之間的縫隙中旋轉(zhuǎn)，起屏蔽磁場(chǎng)和導(dǎo)通磁場(chǎng)的作用。

霍爾傳感器與其他磁敏傳感器7智能傳感與檢測(cè)技術(shù)7.5其他磁敏傳感器7.5.1磁敏電阻1．磁阻效應(yīng)及磁敏電阻常用的磁敏電阻由銻化銦薄片組成。未加磁場(chǎng)時(shí)，輸人電流從a端流向b端，內(nèi)部的電子e從b電極流向a電極，這時(shí)電阻值較小；當(dāng)磁場(chǎng)垂直施加到銻化銦薄片上時(shí)，載流子（電子）受到洛侖茲力的影響，而向側(cè)面偏移，電子所經(jīng)過(guò)的路程比未受磁場(chǎng)影響時(shí)的路程長(zhǎng)，從外電路來(lái)看，表現(xiàn)為電阻值增大。

霍爾傳感器與其他磁敏傳感器7智能傳感與檢測(cè)技術(shù)2.磁敏電阻的基本特性

圖7-13磁敏電阻的R-B曲線

圖7-14溫度補(bǔ)償電路霍爾傳感器與其他磁敏傳感器7智能傳感與檢測(cè)技術(shù)7.5.2磁敏二極管1．磁敏二極管結(jié)構(gòu)和工作原理當(dāng)磁敏二極管未受到外界磁場(chǎng)作用，且外加如圖7-16a所示的正偏壓時(shí)，則有大量的空穴從P區(qū)通過(guò)I區(qū)進(jìn)入N區(qū)，同時(shí)也有大量電子注入P區(qū)而形成電流。只有一部分電子和空穴在I區(qū)復(fù)合掉。霍爾傳感器與其他磁敏傳感器7智能傳感與檢測(cè)技術(shù)7.5.3磁敏晶體管1.磁敏晶體管的工作原理磁敏晶體管工作原理與磁敏二極管是相同的，磁敏晶體管也具有r區(qū)和I區(qū)，并增加了基極、發(fā)射極和集電極?；魻杺鞲衅髋c其他磁敏傳感器7智能傳感與檢測(cè)技術(shù)7.5.3磁敏晶體管2.磁敏晶體管的主要特性圖7-18磁敏晶體管的磁電特性曲線圖7-19磁敏晶體管的伏安特性曲線霍爾傳感器與其他磁敏傳感器7根據(jù)鐵磁物體對(duì)地磁的擾動(dòng)，可檢測(cè)車輛的存在，也可以根