《传感器检测技术及仪表》第4章PPT

第4章电压型传感器4.1磁电式传感器4.1.1基本原理和组成一、基本原理——电磁感应定律二、基本组成1．磁路系统——产生恒定的直流磁场，一般采用永久磁钢2．线圈——产生感应电压3．运动机构——感受被测运动4.1磁电式传感器4.1.2结构类型一、变磁通式——永久磁铁和线圈均不动（变磁阻式）①铁芯平移型②铁芯旋转型cos2eANBt二、恒磁通式结构——永久磁铁与线圈相对运动动铁式动圈式平移型动圈式旋转型二、恒磁通式结构——永久磁铁与线圈相对运动动铁式动圈式平移型动圈式旋转型4.1.3接口电路图4-1-3磁电式传感器接口电路方框图4.2压电式传感器4.2.1压电效应及其表达式一、压电效应1．正压电效应（压电效应）某些电介质，当沿着一定方向对其施力而使它变形时，内部就产生极化现象，同时在它的两个相对的表面上便产生符号相反的电荷；当外力去掉后，又重新恢复不带电的状态；当作用力的方向改变时，电荷的极性也随着改变。2．逆压电效应（电致伸缩效应）当在电介质的极化方向上施加电场时，这些电介质会产生变形。4.2.1压电效应及其表达式二、压电效应表达式1、力电表示方法：i——电荷产生面i=1,2,3分别代表x、y、z面j——外加应力方向j=1,2,3分别代表使x、y、z轴伸缩的力j=4,5,6分别代表x、y、z面受剪切的力二、压电效应及其表达式2、单一压电效应——单一应力作用二、压电效应及其表达式2、单一压电效应——单一应力作用1）纵向压电效应：i=j应力与电荷面垂直，厚度伸缩2）横向压电效应:i≠j且j≤3应力与电荷面平行长宽伸缩2、单一压电效应——单一应力作用3）面切压电效应j-i=3且j≥4电荷面受剪切4）剪切压电效应j-i≠3且j≥4厚度受剪切3、全压电效应——多应力同时作用常见实例——体积压电效应在液体中Tj=T图4-2-2压电效应的几种类型图4-2-3石英晶片上电荷极性与受力方向的关系三、力——电荷转换公式Q=d×F11xxQdF11xylQdFh4.2.2压电材料一、石英晶体1111141411000[]00002000000ijdddddd1、在x方向有：a)d11的纵向压电效应b)d12的横向压电效应c)d14的面切压电效应2、在y方向有：d)d25的面切压电效应e)d26的剪切压电效应3、在z方向：无任何压电效应。石英晶体的压电效应4.2.2压电材料二、压电陶瓷151531313300000[]00000000ijdddddd压电陶瓷的压电效应1、在x方向：只有d15的厚度剪切压电效应［图(a)］；2、在y方向：只有d24的厚度剪切压电效应［图(b)］压电陶瓷的压电效应3、在Z方向：d33的纵向压电效应［图(c)］d31的横向压电效应［图(d)］压电陶瓷的压电效应3、在Z方向：d32的横向压电效应［图(e)］体积变形压电效应［图(f)］331323331333()(2)dddTddTdT4.2.3压电元件一、压电元件的变形方式1、基本变形方式：2、双晶片悬臂梁式：231238dlQF二、压电元件的等效电路（a）电荷源Q与电容器Ca的并联（b）电压源Ua与电容器Ca的串联三、压电元件的串并联1、压电元件堆叠，各元件均受相同力2、压电元件的极性连接方式：并联串联4.2.4接口电路一、压电传感器等效电路aciCCCCaiiaRRRRR..IjQ二、电压放大器.00.2011UUKdFCF三、电荷放大器.00.201FUUdCFF4.3热电偶传感器4.3.1热电效应一、热电势的产生1．单一导体的温差电势2．两种导体的接触电势3、热电偶回路总热电势“顺藤摸瓜”：从热端出发沿热电偶回路巡游一周，按照遇到的导体和温度的顺序，依次写出各接触电势和温差电势，并将它们相加起来便是整个回路的总热电势00(,)(,)ABCABETTETT二、热电偶基本定律1、中间导体定律：若中间导体两端温度相同，则应用：1、热电偶回路接入仪表2、开路热电偶的应用图4-3-3开路热电偶的使用二、热电偶基本定律2、中间温度定律：应用：制作分度表——与摄氏温度T的对应数据表3、标准电极定律：应用：选配热电偶图4-3-43种导体分别组成的热电偶000(,)(,)(,)ABACBCETTETTETT4.3.2热电偶的材料.型号及结构一、热电偶的材料和型号图4-3-5普通热电偶结构示意图二、热电偶的结构：1、普通热电偶2、铠装热电偶(又称缆式热电偶)3、薄膜热电偶4.3.3冷端恒温式热电偶测温电路图4-3-6各种热电偶的热电势与温度关系曲线(T0=0℃)一、测温原理二、冷端恒温和延伸1、冷端恒温方式：1°冰浴法2°恒温槽法3°简易法2、冷端的延伸采用热电特性相同的补偿导线：图4-3-7热电偶冷端的恒温延伸''00(,)(,)nABnABETTETT4.3.4冷端补偿式热电偶测温电路一、冷端自动补偿的原理图4-3-9冷端自动补偿的误差冷端补偿的简易方法注意点：1°给定的热电偶只能选配与其相适应的补偿器2°补偿器只能在规定的温度范围内使用，即T0=0～40℃3°补偿器极性不能接反。图4-3-10采用热电阻电桥冷端补偿的热电偶测温电路4.4光电式传感器4.4.1光电效应一、外光电效应——光电发射效应1、入射光的频率须高于红限频率2、光电流与入射光强度成正比光电发射型光电器件：光电管、光电倍增管二、内光电效应——光电导效应高电阻率半导体受光照射电阻率降低而易于导电。光导型光电器件：光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管三、光生伏特效应――光照射引起PN结两端产生电动势的现象。光生伏特型光电器件：光电池图4-4-1电子能级示意图4.4.2光电管和光电倍增管1.光电管图4－4-2光电管基本电路图4-4-3光电管的基本特性图4-4-4光电倍增管的结构及电路00()nIIMIC2.光电倍增管图4-4-5光电倍增管的基本特性4.4.3光敏电阻一、光敏电阻的原理和结构1、原理：光照时，光敏电阻的阻值下降，光线越强，阻值越低，光照停止，阻值又恢复原值2、基本电路：图4-4-6光敏电阻基本电路3、光敏电阻的结构二、光敏电阻的主要参数和特性1、主要参数：暗阻——不受光照时的阻值，一般在几千欧以下亮阻——受光照时的电阻值，一般在兆欧数量级暗阻和亮阻之比一般在102～106之间2、光敏电阻的基本特性3、光敏电阻的温度特性三、光敏电阻与负载的匹配选负载电阻RL与光敏电阻RG相等时，可获得最大的信号电压灵敏度图4-4-10光电池的结构4.4.4光电池一、光电池的结构原理1、硅光电池的结构——图4-4-102、光电池的工作原理3、光电池的符号、基本电路及等效电路光电池等效为一个普通二极管和一个恒流源(光电流源)的并联二、光电池的基本特性图4-4-14光电池的光照特性和伏安特性三、光电池的负载选择图4-4-15光电池两种放大电路四、光电池的接口电路图4-4-16光电池采用硅晶体管放大的电路图4-4-17光电池用于开关控制电路图4-4-18光电传感器的基本组成4.4.5光电式传感器的基本组成和类型一、光电式传感器的基本组成1、透射式二、光电传感器的基本类型2、辐射式3、反射式4、遮挡式5、开关式4.5霍尔传感器4.5.1霍尔效应图4-5-1霍尔效应原理图4.5.2霍尔传感器组成与基本特性图4-5-2霍尔元件的结构和符号一、霍尔元件霍尔片——N型半半导体薄片引线——激励电极（短边端面），霍尔电极（长边端面）外壳——陶瓷或环氧树脂1、霍尔元件的基本测量电路二、电路部分2、霍尔元件的输出电路线性应用开关应用3、霍尔元件输出叠加连接方式四、基本特性1、灵敏度和线性度主要取决于磁路系统和霍尔元件的特性。2、提高磁感应强度B和增大激励电流I，可增大霍尔电势。但I的增大受到元件发热的限制。3、霍尔传感器动态性能好。HHHUKIBKIcxkx三、磁路部分――产生梯度磁场4.5.3霍尔传感器的应用图4-5-7霍尔式钳形电流表一、直接测量电流和能转换为电流的其它物理量二、测量磁场及可转换为磁场的其它物理量图4-5-8霍尔式功率变换器原理三、可用于乘法运算或功率测量4.5.4测量误差及其补偿办法图4-5-9霍尔元件不等位电压示意图一、不等位电压及其补偿1、不等位电压产生原因2、不等位电压的补偿（c）方案最好恒流源温度补偿电路00Rr恒压源温度补偿电路00(1)LbRRa二、温度误差及其补偿1、温度误差产生原因——霍尔元件内阻和霍尔灵敏度随温度变化2、温度误差的补偿方法：采用热敏元件的温度误差补偿电路图4-5-14桥路补偿电路不等位电压的温度补偿电路