《传感器》【到人大精品课件】.ppt

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1、绪 论 一、传感器的作用 （一）传感器在国民经济中的地位 （二）现代仪器仪表系统的基本结构与组成 仪器仪表测量系统的结构图 传感器举例（1）弹簧秤 （2）水银温度计 （3）热敏电阻 (4）磁电式传感器 对于不同的被测物理量要采用不同的传感器。,例1、以现代飞行器为例 “阿波罗10” 所用传感器 运载火箭部分：2077个 ；宇宙飞船部分：1218个 传感器神舟七号飞船的神经系统 研究人员为“神舟”系列飞船研制、配套生产了几十种传感 器。从航天员手腕到飞船的轨道舱、推进舱、返回舱的各个舱 段上，传感器遍布“神舟七号”飞船。有控制航天员生活环境的 传感器，有环境测量用的传感器,有航天员生理监测用的传

2、感器， 还有航天员舱外服使用的环境监测和生理指标监测用的传感器。,例2：显微镜的发明对生物科学的影响 人眼只能看清大小为0.10.2mm的东西； 十六世纪出现了光学显微镜，分辨力可达2000埃 (1埃=10-7 mm) ，人类发现了构成生物基础的细胞； 二十世纪三十年代出现了电子显微镜，分辨率高达 23埃，可观察细胞内的超微结构，清晰辨别出细胞膜 的结构。 传感器在现代化战争中的作用 例：两次伊拉克战争为例 1991年海湾战争 美国使用的精密制导炸弹和导弹占 8% 2003年伊拉克战争 精密制导炸弹和导弹的使用率提高到90%以上,二 .传感器的定义和组成 1.什么是传感器？ 2.传感器包含的四

3、层含义 3.传感器的组成 传感器一般由敏感元件、转换元件、基本转换电路 三部分组成。 （1） 敏感元件- 直接感受被测量，并输出与被测量成 确定关系的某一物理量的元件。 （2） 转换元件-它把敏感元件的输出转换成电路参数 （3） 转换电路-有时转换电路也纳入信号调理部分， 它将电路参量（电阻、电感、电容等）转换成电量 输出。,三,三、传感器的分类及对它的一般要求,（一）分类 1、 按传感器的工作机理划分 2、按构成原理划分 3、根据传感器的能量转换情况划分 4、按照物理原理划分 5、按照传感器的用途划分 （二）一般要求 静态精度、动态性能、灵敏度、分辨力、量程等。,四.传感器技术的发展现状和展

4、望 1、扩展检测范围，提高检测性能 包括检测参数的种类以及检测范围 2、高新技术和最新科技成果的大量采用 新技术包括：计算机技术、激光技术、微纳米技术、 网络技术和传感技术等； 新理论成果：信息论、控制论、系统工程论等； 新工艺技术：微机电技术、光学椭偏技术、光纤 技术及近场光学技术等； 新材料应用：半导体敏感材料、陶瓷材料、磁性材料和智能材料；,3、传感器的集成化、功能化 集成化：其一是实现传感器一体化 其二是构成二维或三维传感器 功能化：使传感器具有理解、分析、判断、控制等多种功能。 4、传感器工作方式的立体化、系统化和网络化 使单个传感器能同时处理一维、二维和三维的信息； 将传感器进行空

5、间配置，通过计算机和数据传输技术，对 大型工业装置和工业控制过程实施立体化网络化监测。,5.便携式和具有个性化的传感器的发展 使传感器体现出便携性、灵活性和个性化的特点。 6.我国传感器的差距 可靠性差； 性能落后； 自动化程度低； 更新周期慢,五.本课程的特点和任务,教学目的及要求 1. 本课程作为测试技术与仪器专业的专业核心课，旨在为学生掌握测控仪器 及测控系统的设计和应用知识打下基础。 2. 本课程主要讲述几何量、机械量以及其他相关量的检测中所选用的传感器的基本原理、性能及工程设计方法，同时还将介绍部分新型传感器的知识。要求学生通过学习掌握传感器设计的基本方法和思路，并具有正确选用传感器

6、的能力，了解传感器的发展方向，增强学生开发新型传感器的能力。 3. 所需前修课程为：高等数学、普通物理、电路分析基础、模电、数电基础。,(2)常用的拟和方法,五、分辨力与阈值,分辨力 - 是指传感器能检测到的输出量变化的最小 输入增量。 阈 值- 是指当输入量变小到某一值时，传感器不 能检测到输出量的变化 ,这时的输入量称 为传感器的阈值。即传感器输入零点附近 的分辨力。,两个概念 分辨力说明传感器可测出的最小输入增量； 的区别 而阈值则说明了传感器最小可测出的输入量。,九、静态测量不确定度,1、定义静态测量不确定度（即静态误差）是指 传感器在其全量程内任一点的输出值与其理论值 的可能偏离程度

7、。 2、标准差计算方法 各测试点的残差； 测试点数。 3、静态误差,动特性是指传感器对随时间变化的输入量的响应特性。总的来说，它取决于传感器本身，但另一方面它 也与被测量的变化形式有关。 就传感器本身而言，它一般由若干环节组成。我们把传感器的组成环节分为以下三类： （1）接触式环节 （2）模拟环节 （3）数字环节 就被测量的变化形式来讲，可分为以下几类：,第二节 传感器的动特性,动态测量输入信号可分类如下：,传感器的“标准”输入有三种：正弦输入；阶跃输入 和线性输入，经常使用的是前两种。,一、数学模型与传递函数,用线性微分方程式表示的数学模型 初始条件为零的条件下所得的传递函数为,传感器的传递

8、函数具备三个重要特征,二、频率特性,第三节 传感器的标定,概述 1、什么是传感器的标定？ 2、传感器标定有哪两层含义？ 3、为什么传感器要进行标定？（标定的目的） 4、标定的基本方法？ 5、绝对法标定系统和比较法标定系统？,4、标定的基本方法,标定的基本方法是利用一种标准装置产生的已知 非电量（如标准力、压力、位移等）作为输入量， 输入至待标定的传感器中，得到传感器的输出量； 对所获得的传感器的输入量和输出量进行处理和 比较，从而得到一系列表征两者对应关系的标定 曲线，进而得到传感器性能指标的实测结果。换 句话讲，根据试验数据确定传感器的各项性能指 标，实际上也就是确定传感器的测量精度。,5、

9、绝对法标定系统和比较法标定系统,绝对法标定系统,比较法标定系统,一、传感器静特性的标定方法,1、建立静态标定的环境条件 2、静态标定的技术指标 线性度、迟滞性、重复性、灵敏度等 3、静态标定的步骤,二、传感器动特性的实验确定法,常见方法 ：阶跃信号响应法 正弦信号响应法 随机信号响应法 脉冲信号响应法,（一）阶跃信号响应法,1.一阶传感器 时间常数 的确定,当输入x是幅值为A的阶跃函数时，可以解得,不考虑瞬态响应的全过程，在测得的传感器阶跃响应曲线上，取 输出值达到其稳态值的63.2%处所经过的时间即为其时间常数。,考虑瞬态响应的全过程有：,根据测得的输出信号 做出 曲线，则,一个圆形工件基本

10、 粗磨 精磨 停止加工 的磨加工过程：,测杆振荡曲线如下：,2.强制送入测位的情况,第二章 电阻式传感器,2-1 应变式传感器,一 . 工作原理 （一）金属电阻应变效应,（二）应变片的基本结构及测量原理 1. 应变片的结构 2. 测量原理 （1）测受力应变 测量时，应变片直接粘贴在被测对象表面。 应力与应变的关系： （2）测量力、位移、加速度等参数 测量时，应变片粘贴在弹性元件上，通过弹性敏感元件， 将测量参数的变化转换为应变，而应变引起的阻值变化再通过 转换电路转换为相应的电压或电流变化。 3. 特点,（二）直流电桥的非线性误差 电桥实际输出特性与理想的线性特性之间的 偏差，即为电桥输出的非

11、线性误差。,1.非线性误差 的计算,以单臂电桥为例，设等臂工作条件下的实际输出为 ：,则非线性误差应为：,恒流源电桥如图所示：,恒流源电桥如图所示：,恒压源电桥的输出：,两者相比，恒流源输出电压的分母中 被 除，所以非线性误差减小1/2。,（二）应变式压力传感器 1. 膜片式压力传感器,（2）膜片内任意一点的应变值计算式：,（3）由应力分布规律可找出贴片方法：一般在圆心处沿 切向贴两片（产生最大正应变），在边缘处沿径向贴两片 （产生最大负应变），组成四臂差动电桥，以提高灵敏度和 进行温度补偿。,（1）膜片上各点的径向应力和切向应力计算式：,应变式加速度传感器,2-2 压阻式传感器,一 .基本工

12、作原理 （一）简述 （二）压阻效应 1 定义所谓半导体的压阻效应是指单晶半导体材料在 沿某一轴向受力作用时，其电阻率 随之发生 变化。 2 工作原理,应变灵敏度系数： 由于半导体是各向异性材料，因此它的压阻系数不 仅与掺杂浓度、温度和材料类型有关，而且还与晶向 有关。,应变灵敏度系数：,压阻系数的矩阵表示法,单晶硅压阻系数矩阵,4.半导体应变片的特点 （1）应变片系数远大于金属丝应变片。前者可达 50 100 , 后者1.73.6； （2）最大缺点：温度影响及非线性大，安装困难。 二 .温度误差及其补偿 1、产生原因 零位漂移压阻式传感器中，四个扩散电阻的 阻值及其温度系数不一致，电阻值随温度

13、变化而变化， 引起传感器的零位漂移。 灵敏度漂移由于压阻系数随温度变化而引起。 当温度升高时，压阻系数变小，传感器的灵敏度要降 低；反之，灵敏度将升高。 2、补偿措施,2、补偿措施,（1）采用串、并联电阻的方法，可对零位温漂 进行补偿。 （2）在电桥的电源回路中串联二极管VD可补偿 灵敏度温漂。,（二）压阻式压力传感器,1、硅集成微型压力传感器,微机电系统（也称微机械）是20世纪末新兴的 “微、纳米级的制造”技术领域。它是采用与半导体 集成电路相似的批处理工艺制造的，尺寸在微米到 毫米之间，含有可活动的机械元件或特定机械结构 的微器件或微系统；多以微型传感器或微型制动器 的形式出现，并和处理电

14、路相连。完整的微机电系 统还可能包含能源、通信等其他功能模块。,微机电系统 ,压阻式压力传感器用于流体压力、差压、液位等 的测量。在生物学上可测量血管内压、颅内压等参数.,2、X型硅压力传感器,第三章 电感式传感器,概述,1、什么是电感传感器？ 2、电感传感器的特点,第一节 工作原理,一、自感式传感器的工作原理 （一）组成结构 线圈、铁心和衔铁 （二）工作原理,（三）类型 1、变气隙型电感传感器 2、变截面型电感传感器 3、螺管型电感传感器,（四）三种传感器的性能比较,差动变压器等效电路及输出特性,第三节 转换电路和传感器灵敏度,一、自感传感器的转换电路和灵敏度 转换电路 （一）变压器电桥,（

15、二）带相敏整流的交流电桥,+,-,+,-,0,当活动铁芯处于初始平衡状态时,当活动铁芯向线圈1方向移动时 （D点电位高于C点）,当活动铁芯向线圈2方向移动时 （D点电位低于C点）,结论：不论电源电压的极性如何变化，传感器经相敏 整流后的输出信号极性只随其被测输入量极性改变， 即传感器输出采用带相敏整流的交流电桥后，得到的 输出特性既能反映位移的大小，又能反映位移的方向。,（假设输出参考方向取D C的方向）,差动式电感测厚仪,（三）谐振式调幅电路 （四）调频电路 （五）调相电路,（三）谐振式调幅电路,（四）调频电路,（五）调相电路,二、差动变压器的转换电路 （一）反串电路 （二）桥路 （三）差动

16、整流电路 1、常用两种形式 电流输出型 电压输出型 2、工作原理：分析“全波电压输出电路”,全波电压输出差动整流电路电路,工作原理： 如图所示，无论两个次级线圈的输出瞬时电压极性如何，流经电阻R的电流总是从a到b, 或从d到c.,工作原理： 如图所示，无论两个次级线圈的输出瞬时电压极性如何，流经电阻R的电流总是从a到b, 或从d到c.,同理，可分析另一个次级线圈的情况。 输出电压波形如下：,磁心下移， 则 磁心在零位， 则 磁心上移， 则,一、工作原理 1、什么是电涡流？ 当金属导体置于变化着的磁场中或者在磁场 中运动时，在金属导体内部会产生感应电流， 由于这种电流在导体内是自行闭合的，因此称

17、 之为电涡流或涡流。 2、产生涡流的两个条件 存在交变磁场； 导体处在交变磁场中或在磁场中作切割磁力线 运动。,第五节 涡流传感器及其应用,式中： -涡流线圈的等效阻抗 -金属导体的电阻率 -金属导体的磁导率 - 激磁电流的频率,3. 等效电路分析,3. 等效电路分析 由等效电路列写电压方程式 可得：,线圈的等效电感： 线圈的等效电阻,等效阻抗,* 注意 当金属导体为磁性材料时， 增大； 当金属导体为非磁性材料时， 减小； 等效电阻的变化与材料性质无关，它始终是增加的。 4. 高频反射式和低频透射式涡流传感器 （1）高频反射式涡流传感器： 它是指涡流只存在于金属导体的表面薄层内。 金属导体内产

18、生的涡流所建立起来的反磁场以及涡流 要损耗一部分能量，其结果是使原激励线圈的阻抗改 变。这种情况下， 激励电流的频率达到兆赫以上， 这种传感器通常用来测量位移、振动等物理量。,（2） 低频透射式涡流传感器,1. 涡流式传感器的特点 涡流式传感器结构简单，使用方便，易于进行 非接触的连续测量，灵敏较高，适用性强，因此 得到广泛应用。,二、涡流传感器的应用,2. 涡流式传感器的应用,3. 涡流传感器应用举例,（提示：涡流渗透深度计算公式为： ）,习题2 分析变气隙式电感传感器的灵敏度和非线性的表达式。当组成差动形式后，该传感器的性能有何改善？ （用推导结果说明）,电容式传感器 电容式传感器采用电容

19、器作为传感元件，将不同物理量的变化转换为电容量的变化。 一、工作原理,二、类型,忽略边缘效应，一平板电容器的电容可表达为： 显然，决定C值大小有三个因素: 改变 、 或 任何一个参数都能引起电容C值的变化。 电容传感器的类型：变 型、变 型、变 型。 其中： 为真空介电常数,结论： 变极距型传感器存在着原理非线性， 可用差动结构形式改善非线性。,（二） 变面积型电容传感器,（1）由图（b），当线性位移改变 ，则： （输入与输出关系为线性关系）,（2）由图（a），当有转角变化 时， （输入与输出关系为线性关系） （扇形面积： ） （3）由图（c），当园柱移动位移 时， （园柱体的电容公式： ）,

20、说明： 这种形式的传感器电容变化量C与位移变化量 L成线性关系。采用圆柱形电容器的原因，主要 考虑到动极板作径向移动时，不影响电容器的输出 特性。,结论： 与变极距型电容传感器相比，变面积型传感器的测量范围大，可测较大的线位移或角位移（1至几十度）。 变极距型电容传感器，要求传感器的绝缘材料有高的绝缘性能。,（三）变介电常数型传感器,极板长为 a ， 极板宽为 b ， 介质介电系数 ，真空介电系数,图42厚度传感器极板间两种介质厚度分别是 和 ，则传感器的电容量等于两个电容串联，输出电容关系式：,表41中 型单组式平板形线位移传感器的 电容量与被测量的关系式：,C1与 C2 相并联,极板长为

21、a ， 极板宽为 b ，介质插入深度 介质介电系数 ，真空介电系数,图43液位传感器的电容量与被测量的关系式：,C1与 C2 相并联,说明： 在上述测量方法中，当电极间存在导电物质时，电极表面应涂盖绝缘层，如涂0.1mm厚的聚四氟乙烯等），防止电极短路。,第二节 转 换 电 路,一、电容式传感器的等效电路 二、电桥电路 三、二极管双T形电路 四、差动脉冲调宽电路 五、运算放大器式电路 六、调频电路,四、差动脉冲调宽电路,高， 低， 合向 ， 合向 ， 合向 ， 经 向 充电， 经 到地放电；,高， 低， 合向 ， 合向 ， 合向 ， 经 向 充电， 经 到地放电；,第三节 主要性能、特点和设计

22、要点,主要性能 （一）静态灵敏度 被测量变化缓慢的状态下， 电容变化量与引起其变化的被测量之比。 1.对变极距型 改进方法：（1）在极板间放置云母片或塑料薄膜 可改善电容传感器的灵敏度。 （2）采用差动传感器结构,2.对圆柱变面积型 差动结构的传感器灵敏度： （二）非线性 1.对单组式变极距型传感器,(4) 采用“驱动电缆”技术（“双层屏蔽等位传输”技术） 所谓“驱动电缆”技术是指传感器与测量电路前置级之间 采用双屏蔽层电缆连接，其内屏蔽层与信号传输线通过 1 ：1 放大器保持为等电位，从而消除连线分布电容的影响。由于 屏蔽线上有随传感器输出信号变化而变化的电压，因此称为 “驱动电缆”。,注意

23、：该技术对1:1放大器的输入阻抗要求很高，且放 大倍数准确度要达到1/1000，相移为零。它能保 证传感器电容值小于1pF,电缆长度超过10m远 时，也能正常工作。,第四节 电容式传感器举例,一、集成式电容传感器 （一）基本类型及工作原理,1、加速度集成电容传感器,2、压力集成电容传感器采用硅腐蚀技术、硅和 玻璃的静电键合以及常规集成电路工艺技术制造。,（二）转换电路,1、开关电容转换电路,1）在控制脉冲的前半周期， 置 ， 置 ， 即 接 而 接地；,2）在控制脉冲的后半周期， 置 ， 置 ， 即 接 而 接地；,1）在控制脉冲的前半周期， 置 ， 置 ， 即 接 而 接地； 输出电压为：,

24、2）在控制脉冲的后半周期， 置 ， 置 ， 即 接 而 接地； 输出电压为：,故输出电压经隔直后为一方波电压，其前后半周期的 幅值差为：,2、二极管环形检波电路,U为正半周的信号流向： 导通； 截止； U为负半周的信号流向： 导通； 截止；,U为正半周的信号流向： U为负半周的信号流向： 上述充放、电过程，即在一个周期内，有电荷 QBA 从B点经 CX 转移到A点，同时有电荷QAB从A点经C0 转移到B点。 被测压力使CX变化，则 ，结果 从而使A点和B点有静电荷积累，存在电势差U0，且,（三）特点与应用,二、容栅式传感器 容栅式传感器是在变面积型电容传感器的基础上 发展起来的一种新型传感器。

25、即将电容传感器中的电 容极板刻成一定形状和尺寸的栅片，再配以相应的测 量电路就可构成容栅测量系统。,三、力平衡式电容传感器,（一）闭环反馈式传感器的原理与特点,闭环系统框图及 传递函数,（二）力平衡式加速度电容传感器,1、系统组成,位移传感器,力矩器,2、传递函数,二、电容式加速度传感器,三、电容式差压传感器,第五章 磁电式传感器 本章主要内容： * 磁电感应式传感器 * 霍尔式传感器 磁电式传感器是通过磁电作用将被测量(如振动、 位移、转速等）转换成电信号的一种传感器。 5.1 磁电感应式传感器 磁电感应式传感器简称感应式传感器，也称电动 式传感器。,原理：导体和磁场发生相对运动，导体两端产

26、生感应 电动势。 用途： 振动、转速、扭矩等参数测量。 特点：（1）机-电能量变换型，不需要供电电源； （2）电路简单，性能稳定； （3）输出阻抗小； （4）频率响应范围101000Hz； （5）尺寸和重量较大； (6) 只适用于动态测量。,一、类型及其工作原理 工作原理： 法拉第电磁感应定律： 类型：恒定磁通式、变磁通式 （一）恒定磁通式：磁路中工作气隙固定不变， 因而气隙中的磁通也恒定不变。 1、组成结构：永久磁铁、线圈、骨架、壳体 2、类型：动圈式、动铁式（按运动部件不同 划分）如图 5 -1所示：,动圈式如图5-1(a)：永久磁铁 与传感器壳体 固定，线圈组件 （线圈 和 金属骨架）用

27、柔软弹簧 支承，运动件为线圈。 动铁式如图 5-1(b) 所示：线圈组件与壳体固定，永久磁铁 用柔软弹簧支承，运动部件为磁铁。,注意：上述两种传感器的工作原理相同。 动圈、动铁都是相 对于传感器壳体而言。被测振动速度近似为磁铁与线圈 之间的相对运动速度。 速度 与感应电动势 的关系式为 式中： -工作气隙磁感应强度； - 线圈工作匝数； - 每匝线圈的平均长度。 振动频率与传感器灵敏度的关系： 当振动频率低于传感器的固有频率时，灵敏度随振动频率而变； 当振动频率远大于传感器的固有频率时，灵敏度不随频率而变为常数； 当振动频率更高时，线圈阻抗增大，灵敏度随频率增加而下降。,1- 被测旋转体 2-

28、 测量轮 3- 线圈 4- 软铁 5- 永久磁铁,（二）变磁通式：即改变磁路的磁阻。常用来测量旋 转物体的角速度。,该传感器的特点： 1环境条件要求不高，能在-150 +90 的温度下工作，也能在油、水雾、灰尘等条件下工作； 2工作频率下限较高,约为50 ，上限可达 1000 。 二、测量电路 下图所示为一般测量电路的方框图,注意：1磁电感应式传感器直接输出感应电动势。所以任何具有一定频带的电压表或示波器都可采用。由于该传感器通常具有较高的灵敏度，所以一般不需要增益放大器。 2该传感器是速度传感器，如要获取位移和加速 度信号，就需配用积分电路或微分电路。实际电路中通常将 微分电路或积分电路置于

29、两级放大器的中间，以利于级间 的阻抗匹配。,三、应用 （一）磁电感应式振动速度传感器 如图5-3所示为 CD-1型振动速度传感器，它属于 动圈式恒定磁通型。,1、8-圆形弹簧片 2-阻尼器 3-永久磁铁 4-铝架 5-心轴 6-线圈 7-壳体 9-引线,1- 转轴 2- 转子 3- 永久磁铁 4- 线圈 5- 定子,（二）磁电感应式速度传感器 如图5-4所示是一种磁电感应式速度传感器的结构原理图， 它是开磁路变磁通式传感器。 频率 与转速 及齿数 的关系为：,5-2 霍尔传感器,原理：基于霍尔效应 测量参数：电流、磁场、压力、位移、转速等 特点： （1）结构简单，体积小，坚固； （2）频率响应

30、宽，动态范围大； （3）无触点，使用寿命长，可靠性高； （4）易于微型化和集成化； （5）转换率较低，温度影响大。,一、基本原理与特性 （一）霍尔效应 1、霍尔效应及霍尔电势,如图示在一个半导体薄片相对两侧面通以控制电流 I，在薄片垂直方 向施加磁场B ，则在半导体另外两侧面会产生一个大小与I和B的乘积成 正比的电动势UH ,这一现象就叫做霍尔效应。,所产生的电动势称为霍尔电动势，所用薄片称为霍尔元件。 2、基本原理 已知：电子运动速度 , 为电量 则：在磁场 作用下电子所受洛伦兹力 为 ： 又：电场 作用于电子的电场力为： 当： 时， 则：,对 N 型半导体材料，电流密度 J为： 式中： n

31、 - 单位体积中的电子数（电子浓度） e - 电子电量 v- 电子运动速度（负号指速度与电流方向相反） 而： ( S为电流流过的横截面积） (2) 比较（1)（2）式得： 故：,RH -霍尔系数， R H =-1/ne ,由载流材料物理性质所决定； KH -灵敏度系数， KH = R H/d ，它和载流材料物理性质及几 何尺寸有关，表示在单位磁感应强度和单位控制电流时 霍尔电势的大小。,注意：RH 及 KH 对 UH 的影响： 金属材料不宜制作霍尔元件； N型半导体比P型半导体更适合制作霍尔元件； 通常霍尔元件做成薄片状。,（二）霍尔元件 1、 组成：霍尔片、4 根引线和壳体。,如图 5-7

32、所示为霍尔元件的外形、结构和符号： a 、b为控制电极 c、d 为霍尔电极,2、基本测量电路,二、霍尔元件的误差及其补偿 （一）零位误差及其补偿 1、不等位电势UO及其补偿 （1）定义：额定电流I作用下，不加外磁场时的霍尔 输出。 （2）产生原因：电极点不完全在同一等位面上；由于 加工原因引起等位面倾斜，致使霍尔电极不在同 一等位面上。,（3）补偿方法：,2、寄生直流电动势,（二）温度误差及其补偿 1、产生原因：由材料的性质决定。 2、补偿方法： （1）采用恒流源供电和输入回路并联电阻,（2）合理选取负载电阻RL的阻值 （3）采用恒压源供电和输入回路串联电阻 （4） 采用温度补偿元件（热敏电阻

33、、电阻丝）,(5)不等位电势UO的温度补偿,三、霍尔传感器的应用 （一）测位移 （二）测压力 (三) 测速度,（三）测速度 如图为一数字式转速计,利用开关集成霍尔传感 器可检测转轮的转速。 带有一永久磁铁的转轮 转动时，通过霍尔传感 器的磁场交替的变换方 向，从而使传感器输出 一系列脉冲信号。对这 些信号进行计数或分频 计数处理，就可以得出 转轮转速的数字化信息。,第六章 压电式传感器 工作原理：基于压电效应 测量参数：力、压力、加速度等 。 特点： （1）典型的力敏元件； （2）发电式传感器（即有源传感器），具有双向 特性； （3）体积小、重量轻、结构简单、工作可靠； （4）固有频率高，灵敏

34、度和信噪比高等； （5）无静态输出，要求很高的负载阻抗。,第一节 压电效应 一、压电效应及表达式 1、正、逆压电效应定义 2、表达式 如图所示，当压电元件受到外力F 作用时，在其极化面上会产生极化电荷。 Q = d F d-为压电系数 若用电荷密度（即单位面积上的电荷数）表示，则有： q = d i j j 下标i、j的含义： i= 1.2.3，表示晶体的极化方向，即产生电荷的面的 轴向（简称电学量方向）； j= 1.2.3.4.5.6,表示施加单向应力和剪切力的轴向 （简称力学量方向）。,3、晶体受力产生的电荷密度方程式及其矩阵形式,列方程组为：,矩阵方程为：,（一）压电常数 （二）压电常数

35、 （三）机电耦合系数,二、压电常数的其它形式,二、 压电材料 1. 单晶体 ( 1 ) 石英晶体的压电效应 结构：外形是一个正六面体，在晶体学中用三根互相垂直的 轴表示。,X - X轴 电轴： 垂直于X轴向的面上压电效应最显著； Y - Y轴 机械轴：沿Y轴方向的机械变形最显著； Z - Z轴 光轴： 此轴由光学方法确定，该轴向不产生压电效应 规定： 纵向压电效应：指沿X轴方向的力作用下产生电荷的 压电效应。 横向压电效应：指沿Y轴方向的力作用下产生电荷的 压电效应。,(2)压电效应的表达式 如图所示的石英晶体切片示意图： 已知： （1）当晶片在X轴向受压应力时， 有： 又： 则 式中： ：受

36、力后，X轴面上产生的电荷密度； : 沿X轴向施加的压力； ：压电系数（2.1*10-12 C/N),结论：当晶片受到X轴向的压力时，输出电荷与作用力成正比， 而与晶片的几何尺寸无关。 （2）当沿Y轴方向施力，其电荷仍在垂直于X轴面上产生。 其中： 结论：当晶片受到Y轴向的压力时，输出电荷与作用力成正比， 且与晶片的几何尺寸有关。负号表明：两种情况下所 产生的电荷极性相反。 （3）沿Z轴方向施力，无压电效应产生。,(3)石英晶体压电效应的物理解释 化学式： 每个晶体单元中有三个硅离子和六个氧离子 （三对），氧离子是成对出现的。 是正四价元素，带四个正电荷； 是负二价元素，带两个负电荷。,一个硅离

37、子和两个氧离子交替排列，若将相近 的两个氧离子用一个等效的2 离子代替，则一 个晶体单元中硅、氧离子的 排列可画成正六边形。,石英晶体压电效应示意图,（1）当无外力作用时，因为电荷是互相平衡的，晶体单元 中正负离子对外显电中性。 （2）当沿晶片X 轴向作用压力时，使离子产生不对称的相对位 移， 结果晶片上表面会显现正电荷，下表面显现负电荷。 （3）当沿晶片 Y 轴向作用压力时,离子将在纵向产生相对位移， 晶片表面会显现负电荷，下表面显现正电荷。 如果沿 X 轴和 Y 轴施加拉应力，则晶体表面产生的电荷 符号将改变。（如图所示） (4) 当沿Z轴方向施力，不能改变电荷分布情况。,（5）当切应力

38、作用时产生切应变，同时有 方向上的伸缩应 变。且： （6）当 和 作用时产生切应变，这种应变使Y方向也产生压电 效应。且： 注意：石英晶体的压电常数只有 和 是独立的。 其压电常数矩阵为：,三、 压电元件常用结构形式 （一）压电元件的基本变形，如图6-6所示。 1、厚度变形：利用纵向压电效应 2、长度变形：利用横向压电效应 3、面剪切变形 4、弯曲变形 （二）双晶片元件，如图6-7所示。,（二）双晶片元件 当自由端受力F时， 每个单片产生的 电荷和电压为：,(三)压电片的连接 1、并联 特点：输出电荷大，自身电容也大，时间常数 大，宜于测缓变信号，适用于以电荷作 输出的场合。 公式： 2、串联

39、 特点：输出电压大，自身电容小，时间常数 小，适用于以电压作输出的场合，且测 量电路输入电阻要求很高。 公式：,第四节 等效电路与测量电路 一、等效电路 压电元件的电容量： 1.电压等效电路 等效为一个电压源和一个电容 器串联的电路。 压电元件的开路电压： 如图 6-9（b)所示。 2.电荷等效电路 等效为一个电荷源和一个电容 器并联的电路。且： 如图6-9（a)所示。,3、压电式传感器的灵敏度 (1) 电压灵敏度 ：表示单位力作用下产生的电压大小。 (2) 电荷灵敏度 ：表示单位力作用下产生的电荷多少。 (3) 两者的关系： 二、测量电路,压电式传感器前置放大器的作用： （1）放大传感器输出

40、的微弱信号 （2）进行阻抗变换 两种形式： （1）电压放大器 （2）电荷放大器,一、电压放大器,等效电阻 等效电容,如果压电元件受到交变力 作用,则,由此，送入放大器输入端的电压为： 电压的幅值以及它与作用力之间的相位差为,又设： 则： 当： 有： 传感器的电压灵敏度,结论：由于电缆电容及放大器输入电容的存在，使 灵敏度减小。如果更换电缆，电缆电容变化，灵敏 度随之变化。必须重新校正灵敏度。,工程上规定： 随频率变化，当放大器的放大倍数下降为中频区放大倍数的 倍时，相对应频率为下限频率。,实际上，此时 的变化也就等效于放大倍数的变化。 又因为 是在 （即 时）求出的， 显然，此时的上限频率 ，

41、所以可近似认为 此时的通频带（即中频区）为,则可认为 是放大器中频区的输入电压。,欲求下限频率 只须令： 得公式 解得下限频率为： 当下限 频率已选定，时间常数应满足：,可以认为： 随频率变化，当放大器的输入电压 下降为中频区输入电压 的 倍时，相对应频率为下限频率。,二、电荷放大器 导纳是容抗的倒数；电导是电阻的倒数. 即： 对输入端节点o有： 且：,将,化简后，得：,结论：压电元件本身的电容大小和电缆长短将不 影响或极少影响电荷放大器的输出。,（1）当工作频率足够高时，有,（2）当工作频率很低时，有,幅值,相位差,下限截止频率,(3)若反馈回路不接RF，则gF=0,此时，,当 与 足够大时

42、，可得,(4)将Q=CaU代入 得：,取,可得下限频率：,3 差动式电荷放大器,输入输出特性如下：,第五节 应用举例 一、压电加速度传感器 如图6-13所示。,二、压电式测力传感器,1、单向压电测力传感器,二、压电式测力传感器,2、三向压电测力传感器,三、PVDF压电薄膜,1、血压传感器,2、 PVDF触觉传感器,四、集成化压电传感器,五、粗糙度测量传感器 如图6-14所示。,第八章 热电式传感器 第一节 热电偶传感器 一、热电偶的工作原理 1、 热电效应（即温差效应） （1）定义 （2）接触电势由两种导体之间电子扩散形成。 （3）温差电势单一导体间电子扩散形成。 （4）回路总电势,结论： （

43、1）A、B材料相同，即使温度T和T0不同，总热电势 为零； （2）温度T和T0相同，即使A、B材料不同，总热电势 为零； （3）热电偶AB的总热电势只与材料性质、结点温度 有关，而与A、B材料的中间温度、尺寸、形状 无关； （4）当T0恒定，热电偶AB的输出热电势与温度成 单值函数关系。,2.热电偶的基本定律,（1）中间导体定律 内容：在热电偶回路中接入第三种材料的导线， 只要其两端的温度相等，第三导线的引入不会 影响热电偶的热电势。, 证明：忽略温差电势，且,证：,令所有结点温度为T0 ，则,代（2）入（1）式，得, 应用：利用热电偶测温时，必须在热电偶回路中引入 测量仪表或显示仪表，并用连

44、接导线将它们连接。利 用此定律，只要保持引入部分两结点的温度相同，就 可以对热电势进行测量，而不影响原热电势的数值。,（2）参考电极定律 内容：当热电偶两个结点温度为T和T0时，用导 体A、B组成热电偶的热电势等于AC热电偶和 CB热电偶的热电动势的代数和。, 证明：忽略温差电势。, 应用：通常用铂作为参考电极C，若已知A、B分别 与C组成热电偶的热电势，则任意A、B组成热电偶 的热电势就已知。由此可简化热电偶的选配工作。,（3）连接导线定律与中间温度定律 连接导线定律 内容：在热电偶回路中，若导体 、 分别与连接 导线 、 相接，接点温度分别为 、 、 如 图所示，则回路总热电势等于热电偶A

45、B的热电势 与连接导线热电势的代数和。, 证明：考虑温差电势。, 应用：连接导线定律是工业上运用补偿导线进行热 电偶温度测量的理论基础。,二、常用热电偶,三、热电偶的温度补偿 （一）热电偶温度补偿的意义 （二）方法 1、补偿导线法 （1）补偿导线是指在一定温度范围内（通常指 00C 1000C），其热电性质（即温度与热电势的变化 关系）与其配用的热电偶的热电性质十分相近的廉价 金属导线。,(3)补偿原理,由连接导线定律，则,(3)补偿原理,若 为补偿导线，则有,即,常用,2、冷端温度计算校正法,由于热电偶的分度表是在冷端温度保持 的 情况得到，与它配套使用的仪表又是根据分度表 进行刻度的，因此

46、只要冷端温度不等于 ，就 必须对仪表示值加以修正。,若冷端温度高于 ，但恒定于 ，则测得的 热电偶的热电动势要小于该热电偶的分度值，其 修正公式如下：,3、冰浴法,为避免经常校正的麻烦，可采用冰浴法使冷端保 持 ，如图所示。通常这种方法仅限于科学实验和 实验室使用。,4、电位补偿法为了解决热电偶冷端温度补偿问 题，在热电偶回路中串入一个自动补偿的电动势。,第二节 热电阻传感器,一、概述 1、定义 2、特点 3、测温范围 常温：-200 600 低温： -272 270 高温： 1000 1300 ,二、热电阻材料和常用热电阻,1、 铂热电阻（Pt) （1）阻值与温度变化的关系 在-2000范围

47、内 在0850范围内,（2）铂电阻分度号,2、铜热电阻,（2）阻值与温度变化的关系,（1）特点:,3、其他热电阻,第三节 热敏电阻传感器,一、热敏电阻的工作原理 1、特点 2、类型 NTC 负温度系数热敏电阻 PTC 正温度系数热敏电阻 CTR 临界温度系数热敏电阻,（1）负温度系数热敏电阻,（2）正温度系数热敏电阻,二、热敏电阻的结构及应用,第四节 集成温度传感器,一、概述 1、分类 按输出信号形式分为电流、电压和数字三类。 2、主要特点 二、举例 1、AD590 2、DS1820,1. AD590,2.DS18B20 数字温度计 测温范围 - 55125 最大分辨率 0.0625 可直接读出被测温度值，采用三线制与单片机相连， 减少了外部的硬件电路，具有低成本和易使用的特点。 其电路结构框图如下：,系统组成：主控制器、测温电路和显示电路,第七章 光电式传感器 一般原理： 首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后通 过光电转换元件将光通量的变化变换成电信号。,测量范围