傳感器類型及原理

1、4.5 壓電式傳感器,第四章、傳感器類型及工作原理,壓電式傳感器是一種自發(fā)電式傳感器。它以某些電介質(zhì)的壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)，在外力作用下，在電介質(zhì)表面產(chǎn)生電荷，從而實現(xiàn)非電量電測的目的。 壓電傳感元件是力敏感元件，它可以測量最終能變換為力的那些非電物理量，例如動態(tài)力、動態(tài)壓力、振動加速度等，但不能用于靜態(tài)參數(shù)的測量。 壓電式傳感器具有體積小、質(zhì)量輕、頻響高、信噪比大等特點。由于它沒有運動部件，因此結(jié)構(gòu)堅固、可靠性、穩(wěn)定性高。,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(dāng)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

2、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)。 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(jī)械變形。當(dāng)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)）。,4.5 壓電式傳感器,石英晶體的壓電效應(yīng)演示,當(dāng)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(dāng)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。,4.5 壓電式傳感器,壓電效應(yīng)的應(yīng)用原理,力電軸縱向壓電效應(yīng)，在電軸方向產(chǎn)生電效應(yīng) 力力軸橫向壓電效應(yīng)，在電軸方向產(chǎn)生電效應(yīng)， 極性與相反 力光軸無壓電效應(yīng) 電電軸逆壓電效應(yīng)，產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)變 光光軸無雙折射現(xiàn)象,4

3、.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）； 第一類是經(jīng)過極化處理的壓電陶瓷； 第三類是高分子壓電材料。,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,石英晶體切片及封裝,雙面鍍銀并封裝,4.5 壓電式傳感器,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,4.5 壓電式

4、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，測量動態(tài)范圍可達(dá)80dB。,高分子壓電薄膜及拉制,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,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)）,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,壓電式動態(tài)力傳感器在體育動態(tài)測量中

5、的應(yīng)用,壓電式步態(tài)分析跑臺,壓電式縱跳 訓(xùn)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,4.5 壓電式傳感器,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(fù)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,2）串聯(lián)法,正電荷集中在上極板，負(fù)電荷集中在下極板，而中間的極板上片產(chǎn)生的負(fù)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=nUa C=,3）比較： 并聯(lián)接法輸出電

6、荷大，本身電容大（因而接上負(fù)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。 串聯(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,壓電式傳感器測量電路:,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(jìn)行放大才能測量出來； 壓電傳感器的內(nèi)阻抗相當(dāng)高，不是普通放大器能放大的，需進(jìn)行阻抗匹配； 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(dāng)采用電壓輸出信號時，這時把傳感器看作電壓發(fā)生器；當(dāng)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

7、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,4.5 壓電式傳感器,1 ）電壓放大器,C越大，e越小 0，e0,4.5 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，尤其是連續(xù)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,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(qiáng)度、磁阻、線圈運動

8、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,2 分類,磁電式,動圈式,磁阻式,線速度型,角速度型,4.6 磁電式傳感器,動圈式傳感器,線速度型,4.6 磁電式傳感器,角速度型,測速電機(jī),4.6 磁電式傳感器,磁阻式傳感器,4.6 磁電式傳感器,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(dǎo)體A和B串接成一個閉合回路，當(dāng)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)。,4.7 熱電式傳感器,熱電偶工作原理

9、演示,結(jié)論：當(dāng)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,A,B,4.7 熱電式傳感器,1821年，德國物理學(xué)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),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

10、子的擴(kuò)散現(xiàn)象。自由電子將從密度大的金屬A擴(kuò)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(fù)電，從而產(chǎn)生熱電勢。,自由電子,A,B,T,i,e,4.7 熱電式傳感器,k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(dǎo)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t 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t 成正比,4.7 熱電式傳感器,熱電偶測溫基本定律,1)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、長度以及溫度分布如何均不產(chǎn)生熱電

11、動勢。,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)體的接入就不會影響熱電偶回路的總熱電動勢。,4.7 熱電式傳感器,3)參考電極定律 兩種導(dǎo)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：,由于鉑的物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、人們多采用鉑作為參考電極。,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,4.7 熱電式傳感器,設(shè)冷端為0C，根據(jù)以下

12、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 。,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,4.7 熱電式傳感器,4.7 熱電式傳感器,熱電偶冷端的延長,采用相對廉價的補(bǔ)償導(dǎo)線，可延長熱電偶的冷端，使之遠(yuǎn)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(bǔ)償導(dǎo)線在0100C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(bǔ)償導(dǎo)線外形,屏蔽層,保護(hù)層,4.7 熱電式傳感器,熱電偶的冷端溫度補(bǔ)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

13、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(bǔ)償熱電偶的冷端損失 。,4.7 熱電式傳感器,冷端溫度補(bǔ)償?shù)姆椒?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(bǔ)償導(dǎo)線 5銅質(zhì)導(dǎo)線 6毫伏表 7冰瓶 8冰水混合物 9試管 10新的冷端,4.7 熱電式傳感器,二、計算修正法,當(dāng)熱電偶的冷端溫度t0 0C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

14、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）?？梢岳孟率接嬎悴⑿拚郎y量誤差： EAB（t，0C）=EAB（t，t0）+EAB（t0，0C）,4.7 熱電式傳感器,三、電橋補(bǔ)償法,XT-WBC熱電偶 冷端補(bǔ)償器,電橋補(bǔ)償法是利用不平衡電橋產(chǎn)生的不平衡電壓來自動補(bǔ)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(bǔ)償熱電偶對應(yīng)型號的補(bǔ)償電橋。RH為熱電阻,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

15、些物質(zhì)的光電效應(yīng)。,內(nèi)光電效應(yīng),半導(dǎo)體材料受到光照時會產(chǎn)生電子-空穴對,使其導(dǎo)電性能增強(qiáng),光線愈強(qiáng)，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,4.8 光電式傳感器,4.8 光電式傳感器,照相機(jī)自動測光 光控?zé)?工業(yè)控制,4.8 光電式傳感器,光電池,光生伏特效應(yīng)指半導(dǎo)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。,4.8 光電式傳感器,應(yīng)用,光電傳感器在工業(yè)上的應(yīng)用可歸納為輻射式(直射式)、吸收式、遮光式、反射式、四種基本形式。,4.8 光電式傳感器,案例：光電鼠標(biāo)就是利用LED與光敏晶體管組合來 測量位移。,4.8 光電式傳感器,相機(jī)測距