传感器类型及原理

4.5压电式传感器,第四章、传感器类型及工作原理,压电式传感器是一种自发电式传感器。它以某些电介质的压电效应为基础，在外力作用下，在电介质表面产生电荷，从而实现非电量电测的目的。压电传感元件是力敏感元件，它可以测量最终能变换为力的那些非电物理量，例如动态力、动态压力、振动加速度等，但不能用于静态参数的测量。压电式传感器具有体积小、质量轻、频响高、信噪比大等特点。由于它没有运动部件，因此结构坚固、可靠性、稳定性高。,4.5压电式传感器,一、工作原理压电效应,天然结构的石英晶体呈六角形晶柱，用金刚石刀具切割出一片正方形薄片。当晶体薄片受到压力时，晶格产生变形，表面产生正电荷，电荷Q与所施加的力F成正比，这种现象称为压电效应。还有一些人造的材料也具有压电效应。,当力的方向改变时，电荷的极性随之改变；当动态力变为静态力时，电荷将由于表面漏电而很快泄漏、消失。,4.5压电式传感器,若在电介质的极化方向上施加交变电压，它就会产生机械变形。当去掉外加电场时，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应（电致伸缩效应）。,4.5压电式传感器,压电效应的应用原理,力电轴纵向压电效应，在电轴方向产生电效应力力轴横向压电效应，在电轴方向产生电效应，极性与相反力光轴无压电效应电电轴逆压电效应，产生机械应变光光轴无双折射现象,4.5压电式传感器,压电材料的分类及特性压电传感器中的压电元件材料一般有三类：第一类是压电晶体（如石英晶体）；第二类是经过极化处理的压电陶瓷；第三类是高分子压电材料。,4.5压电式传感器,天然形成的石英晶体外形,1压电晶体石英晶体,石英晶体切片及封装,双面镀银并封装,4.5压电式传感器,4.5压电式传感器,2压电陶瓷,压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料，它比石英晶体的压电灵敏度高得多，而制造成本却较低，因此目前国内外生产的压电元件绝大多数都采用压电陶瓷。常用的压电陶瓷材料有钛酸铅系列压电陶瓷（PZT）及非铅系压电陶瓷（如钛酸钡BaTiO3等）。,压电陶瓷外形,4.5压电式传感器,3高分子压电材料,典型的高分子压电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。它是一种柔软的压电材料，可根据需要制成薄膜或电缆套管等形状。它不易破碎，具有防水性，可以大量连续拉制，制成较大面积或较长的尺度，价格便宜，频率响应范围较宽。,高分子压电薄膜及拉制,4.5压电式传感器,高分子压电材料制作的压电薄膜和电缆,可用报警的高分子压电踏脚板,4.5压电式传感器,高分子压电薄膜制作的压电喇叭（逆压电效应）,压电式动态力传感器以及在车床中用于动态切削力的测量,4.5压电式传感器,压电式动态力传感器在体育动态测量中的应用,压电式步态分析跑台,压电式纵跳训练分析装置,压电传感器测量双腿跳的动态力,4.5压电式传感器,4.5压电式传感器,Q=KpFQ电荷；Kp压电常数；F压力。,压电式传感器连接方法:,1）并联法,两压电片的负极都集中在中间电极上，正电极在两边的电极上，这种连接方法称为并联。输出电容C为单片电容的n倍；输出电压U等于单片电压Ua；极板上电荷量Q为单片电荷量Q的n倍，即Q=nQU=UaC=nCa,2）串联法,正电荷集中在上极板，负电荷集中在下极板，而中间的极板上片产生的负电荷与下片产生的正电荷相互抵消，这种接法称为串联。Q=QU=nUaC=,3）比较：并联接法输出电荷大，本身电容大（因而接上负载后时间常数大），宜用于以电荷作为输出量的场合，相对来说允许被测对象变化频率稍低。串联接法输出电压大，本身电容小，宜用于以电压作为输出量的场合，要求后续电路有较大的输入阻抗。,4.5压电式传感器,压电式传感器测量电路:,由于压电传感器的输出信号非常微弱，需将其输出电信号进行放大才能测量出来；压电传感器的内阻抗相当高，不是普通放大器能放大的，需进行阻抗匹配；连接电缆的长度、噪声对系统输出有明显影响。,压电式传感器的输出可以是电压信号，也可以是电荷信号。当采用电压输出信号时，这时把传感器看作电压发生器；当采用电荷输出信号时，这时把传感器看作电荷发生器。,前置放大器有两种形式：电压放大器，其输出电压与输入电压成比例，一般称为阻抗变换器；电荷放大器，其输出电压与输入电荷成比例。,4.5压电式传感器,4.5压电式传感器,1）电压放大器,C越大，e越小0，e0,4.5压电式传感器,2）电荷放大器,两种前置放大器的主要区别：使用电压放大器时，整个测量系统对电缆电容的变化非常敏感，尤其是连接电缆长度变化更为明显；使用电荷放大器时，电缆长度变化的影响差不多可以忽略不计。,Cc对结果影响小,电荷放大器能将压电传感器输出的电荷转换为电压（Q/U转换器），但并无放大电荷的作用，只是一种习惯叫法。,面板式电荷放大器,4.5压电式传感器,焊接式电荷放大器,主要指标:灵敏度：1、10、100mV/pC(任选一档)频率范围：0.3100KHz(上、下限可选)噪声(最大灵敏度)：输出端小于1mV归一化：外接电阻调整线性误差：1%最大输出：5V或10V电源：6V15V特点：可组成经济的多点测试系统,4.6磁电式传感器,1.变换原理:,磁电式传感器是把被测量的物理量转换为感应电动势的一种转换器。,感应线圈的感应电动势e为,磁通变化率与磁场强度、磁阻、线圈运动速度有关，改变其中一个因素，都会改变感应电动势。,第四章、传感器类型及工作原理,2分类,磁电式,动圈式,磁阻式,线速度型,角速度型,4.6磁电式传感器,动圈式传感器,线速度型,4.6磁电式传感器,角速度型,测速电机,4.6磁电式传感器,磁阻式传感器,4.6磁电式传感器,汽车速度的测量原理,与车轮联动,4.6磁电式传感器,4.7热电式传感器,1.变换原理:,热电式传感器是把温度变化转换为电量变化的传感器，分为热电阻（见4.2）和热电偶。,第四章、传感器类型及工作原理,热电效应,将两种不同材料的导体A和B串接成一个闭合回路，当两个接点温度不同时，在回路中就会产生热电势，形成电流，此现象称为热电效应。,4.7热电式传感器,热电偶工作原理演示,结论：当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。,热电极A,右端为：自由端（参考端、冷端）,左端为：测量端（工作端、热端）,热电极B,热电势,A,B,4.7热电式传感器,1821年，德国物理学家赛贝克用两种不同金属组成闭合回路，并用酒精灯加热其中一个接触点（称为结点），发现放在回路中的指南针发生偏转（说明什么？），如果用两盏酒精灯对两个结点同时加热，指南针的偏转角反而减小（又说明什么？）。热电效应也叫赛贝克效应。,热电效应的发现,4.7热电式传感器,结点产生热电势的微观解释及图形符号,两种不同的金属互相接触时，由于不同金属内自由电子的密度不同，在两金属A和B的接触点处会发生自由电子的扩散现象。自由电子将从密度大的金属A扩散到密度小的金属B，使A失去电子带正电，B得到电子带负电，从而产生热电势，其值与温度相关。,自由电子,A,B,T,i,e,4.7热电式传感器,k玻耳兹曼常数，e电子电荷量，T接触处的温度，NA，NB分别为导体A和B的自由电子密度。,热电偶两结点所产生的总的热电势等于热端热电势与冷端热电势之差，是两个结点的温差t的函数：EAB（T，T0）=EAB（T）-EAB（T0）,热电势大致与两个结点的温差t成正比,4.7热电式传感器,热电偶测温基本定律,1)均质导体定律由一种均质导体组成的闭合回路，不论导体的横截面积、长度以及温度分布如何均不产生热电动势。,2)中间导体定律在热电偶回路中接入第三种材料的导体，只要其两端的温度相等，该导体的接入就不会影响热电偶回路的总热电动势。,4.7热电式传感器,3)参考电极定律两种导体A,B分别与参考电极C组成热电偶，如果他们所产生的热电动势为已知，A和B两极配对后的热电动势可用下式求得：,由于铂的物理化学性质稳定、人们多采用铂作为参考电极。,4.7热电式传感器,八种国际通用热电偶：B:铂铑30铂铑6、R:铂铑13铂、S:铂铑10铂、K:镍铬镍硅、N:镍铬硅镍硅、E:镍铬铜镍、J:铁铜镍、T:铜铜镍,用于制造铂热电偶的各种铂热电偶丝,4.7热电式传感器,设冷端为0C，根据以下电路中的毫伏表的示值及K热电偶的分度表，查出热端的温度tx。,4.7热电式传感器,普通装配型热电偶的外形,安装螺纹,安装法兰,4.7热电式传感器,4.7热电式传感器,热电偶冷端的延长,采用相对廉价的补偿导线，可延长热电偶的冷端，使之远离高温区；可节约大量贵金属；易弯曲，便于敷设。,要求：补偿导线在0100C范围内的热电势与配套的热电偶的热电势相等，所以不影响测量精度。,补偿导线外形,屏蔽层,保护层,4.7热电式传感器,热电偶的冷端温度补偿,必要性：1、用热电偶的分度表查毫伏数-温度时，必须满足t0=0C的条件。在实际测温中，冷端温度常随环境温度而变化，这样t0不但不是0C，而且也不恒定，因此将产生误差。2、一般情况下，冷端温度均高于0C，热电势总是偏小。应想办法消除或补偿热电偶的冷端损失。,4.7热电式传感器,冷端温度补偿的方法,一、冷端恒温法：将热电偶的冷端置于装有冰水混合物的恒温容器中，使冷端的温度保持在0C不变。此法也称冰浴法，它消除了t0不等于0C而引入的误差，由于冰融化较快，所以一般只适用于实验室中。,冰浴法接线图,1被测流体管道2热电偶3接线盒4补偿导线5铜质导线6毫伏表7冰瓶8冰水混合物9试管10新的冷端,4.7热电式传感器,二、计算修正法,当热电偶的冷端温度t00C时，由于热端与冷端的温差随冷端的变化而变化，所以测得的热电势EAB（t，t0）与冷端为0C时所测得的热电势EAB（t，0C）不等。若冷端温度高于0C，则EAB（t，t0）EAB（t，0C）。可以利用下式计算并修正测量误差：EAB（t，0C）=EAB（t，t0）+EAB（t0，0C）,4.7热电式传感器,三、电桥补偿法,XT-WBC热电偶冷端补偿器,电桥补偿法是利用不平衡电桥产生的不平衡电压来自动补偿热电偶因冷端温度变化而引起的热电势变化值，可购买与被补偿热电偶对应型号的补偿电桥。RH为热电阻,4.8光电式传感器,第四章、传感器类型及工作原理,光电传感器通常是指能敏感到由紫外线到红外线光的光能量，并能将光能转化成电信号的器件。其工作原理是基于一些物质的光电效应。,内光电效应,半导体材料受到光照时会产生电子-空穴对,使其导电性能增强,光线愈强，阻值愈低，这种光照后电阻率发生变化的现象,称为内光电效应。,光敏电阻、光敏二极管和光敏三极管,外光电效应,受到光照时使电子逸出表面，称为外光电效应。光电管、光电倍增管,4.8光电式传感器,4.8光电式传感器,照相机自动测光光控灯工业控制,4.8光电式传感器,光电池,光生伏特效应指半导体材料P-N结受到光照后产生一定方向的电动势的效应。以可见光作光源的光电池是常用的光生伏特型器件。,4.8光电式传感器,应用,光电传感器在工业上的应用可归纳为辐射式(直射式)、吸收式、遮光式、反射式、四种基本形式。,4.8光电式传感器,案例：鼠标就是利用LED与光敏晶体管组合来测量位移。,4.8光电式传感器,相机测距反射式光电传感器,3.9霍尔传感器,第四章、传感器类型及工作原理,4.9霍尔传感器,霍尔元件由霍尔片、四根引线和壳体组成，如图示。,4.9霍尔传感器,4.9霍尔传感器,测转角：,4.9霍尔传感器,电流传感器,当电流流过导线时，将在导线周围产生磁场，磁场大小与流过导线的电流大小成正比，这一磁场可以通过软磁材料来聚集，然后用霍尔器件进行检测。,4.9霍尔传感器,铁磁材料裂纹检测,4.9霍尔传感器,叶片和齿轮位置传感器,应用,4.9霍尔传感器,案例：汽车速度测量:,课后作业,自行车速度的测量,1.观察自行车的结构可知，车速及公里数与车轮的直径及转速成正比，因此应将注意力集中到自行车的前、后轮上。设车轮的直径为D（m），则周长l=D，车轮转动的圈数即为自行车行驶距离的基本参