第五章电能量传感器

1、传感器与检测技术第五章 电能量传感器5.1 热电偶n 本节学习的主要内容有本节学习的主要内容有: : 1. 1.了解热电偶的工作原理了解热电偶的工作原理2.2.了解热电偶的分类及特点了解热电偶的分类及特点3.3.掌握热电偶冷端的温度补偿掌握热电偶冷端的温度补偿 5.1 热电偶 1 1、它属于、它属于自发电型自发电型传感器：测量时可以不需外加传感器：测量时可以不需外加电源，可直接驱动动圈式仪表；电源，可直接驱动动圈式仪表； 2 2、测温范围广、测温范围广：下限可达：下限可达-270-270 C C ，上限可达，上限可达18001800 C C以上；以上； 3 3、各温区中的热电势均符合、各温区中

2、的热电势均符合国际计量委员会国际计量委员会的标的标准。准。 热电偶的优点：热电偶的优点：5.1 热电偶先看一个实验先看一个实验热电偶工作原理演示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。结论：当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。 热电极热电极A A右端称右端称为：自为：自由端由端（参考（参考端、冷端、冷端）端） 左端称左端称为：测为：测量端量端（工作（工作端、热端、热端）端） 热电极热电极B B热电势热电势A AB B5.1 热电偶一一. .热电偶的工作原理热电偶的工作原理 热电偶是基于热电效应工作的热电偶是基于热电效应工作的 温差电动势温差电动势 同一导体

3、的两端因其温度不同同一导体的两端因其温度不同 而产生的一种热电势。而产生的一种热电势。 接触电动势（帕尔帖电势）接触电动势（帕尔帖电势） e eABAB(T) (T) 、 e e ABAB(T0) (T0) 两种不同导体的自由电子密度两种不同导体的自由电子密度 不同而在接触处形成的电动势。不同而在接触处形成的电动势。+ -ABeABNN接触电势的产生eAB(T)或或e AB(T0)ABeAB(T)e AB(T0)5.1 热电偶n热电偶的工作原理热电偶的工作原理n热电偶回路中产生的总电动势热电偶回路中产生的总电动势E EABAB（T T，T0T0）可写可写成：成： E EABAB(T,T(T,T

4、0 0) )=eAB(T)+eB(T,T0)-eAB(T0)-eA(T,T0)5.1 热电偶EAB(T, T0) = eAB(T) c = f(T)n温差电动势远小于接触电势，又温差电动势远小于接触电势，又T T T T0 0，所以所以 E EABAB(T,T(T,T0 0) )的方向取决于的方向取决于e eABAB( (T T) )的方向。自由电子密的方向。自由电子密度大的为正极。度大的为正极。EAB(T, T0) = eAB(T) eAB(T0) = f (T)nT T0 0固定，则：固定，则：5.1 热电偶二二. .关于热电偶回路的几点结论关于热电偶回路的几点结论1 1、若、若A A、B

5、 B材料相同，热电势为材料相同，热电势为0 02 2、若、若T=TT=T0 0，则热电势为，则热电势为0 04 4、中间温度定律、中间温度定律ABTT0中间温度定律中间温度定律EAB（T，T0）=EAB（T，T n)+EAB(T n,T0)（4-6）AB=TTn+ABTT03 3、热电偶、热电偶ABAB的热电势与的热电势与ABAB材料的中间温度无关，材料的中间温度无关， 只与接触点温度有关只与接触点温度有关5.1 热电偶二二. .关于热电偶回路的几点结论关于热电偶回路的几点结论中间温度定律为制定热电偶分度表奠定了基础。中间温度定律为制定热电偶分度表奠定了基础。E EABAB（T T，0 0 ）

6、=E=EABAB（T T，T T n n)+E)+EABAB(T (T n n,0,0) )计算计算 测量测量 查表查表由由E EABAB（T T，0 0 ）查表得）查表得T T值。值。例：已知用镍铬-镍硅（K型）热电偶测温，热电偶参比端（冷端）温度为30 C，测得的热电势为28mV,求热端温度。(E（30，0）=1.203mV)5.1 热电偶)(),(),(0,0TTETTETTEnnCTCTTTEnn03000，）中，（在查分度表有查分度表有E E（3030，0 0）= 0.173 mV = 0.173 mV mVTTEn5 . 7），（mVETETE673.7173.05 .7)0 ,3

7、0(300），（），（反查分度表有反查分度表有T=830T=830，测量端实际温度为，测量端实际温度为830830用S型热电偶测量某一温度，若参比端温度Tn=30，测得的热电势E(T,T n)=7.5mV，求测量端实际温度T。 5.1 热电偶二二. .关于热电偶回路的几点结论关于热电偶回路的几点结论 在热电偶测温回路内, 接入第三种导体, 只要第三种导体（导线）两端温度相同, 则对回路的总热电势没有影响。 5 5、中间导体定律、中间导体定律BACT0T0T 回路中的总热电势等于各接点的接触电势之和。回路中的总热电势等于各接点的接触电势之和。 E EABCABC(T,T(T,T0 0)=e)=e

8、ABAB(T)+e(T)+eBCBC(T(T0 0)+e)+eCACA(T(T0 0) ) 当当T= TT= T0 0 时时, , 有有 e eBCBC(T(T0 0)+e)+eCACA(T(T0 0)=e)=e(T(T0 0) ) (T, T(T, T0 0)=e)=eABAB(T)e(T)eABAB(T(T0 0)=E)=EABAB(T, T(T, T0 0) ) 证明证明（4-7）5.1 热电偶6 6、标准电极定律、标准电极定律EAB（T，T0）=EAC（T，T0）+ECB（T，T0）标准电极C用纯铂丝制成。可简化热电偶的选配工作。T0TACTBTCAB+=T0T0 标准电极定律示意图标

9、准电极定律示意图5.1 热电偶0000000000000( )()( )()( )()( )()lnlnlnlnlnln( )()ACACACCBCBCBACCBACACCBCBCCAACBCBAABBABABABETTeTeTETTeTeTETTETTeTeTeTeTNkTkTNNNkTkTeNeNeNeNkTNNkTeNeNeTeTETT（ ， ）（ ， ）（ ， ）+（ ， ）=（ ， ）5.1 热电偶三三. .工业热电偶工业热电偶5.1 热电偶 八种国际通用热电偶： B:铂铑30铂铑6 R:铂铑13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 S:铂铑10铂

10、用于制造铂热电偶的各种铂热电偶丝5.1 热电偶几种常用热电偶的测温范围及热电势几种常用热电偶的测温范围及热电势 分度号 名称 测量温度范围 1000C热电势/ mVB铂铑30铂铑6501820 C4.834R铂铑13铂-501768 C10.506S铂铑10铂-501768 C9.587K镍铬镍铬 (铝) -2701370 C41.276E镍铬铜镍 (康 铜)270800 C?5 5种热电偶的测温范围与热电势各有什么特点？种热电偶的测温范围与热电势各有什么特点？5.1 热电偶几种常用热电偶的热电势与温度的关系曲线分析几种常用热电偶的热电势与温度的关系曲线分析 哪几种热电偶的哪几种热电偶的测温上

11、限较高？测温上限较高？ 结论：结论：哪几种热电偶的哪几种热电偶的线性较差？线性较差？哪一种热电偶的哪一种热电偶的灵敏度较高？灵敏度较高？ 哪一种热电偶的哪一种热电偶的灵敏度较低？灵敏度较低？为什么所有的曲线均过原点（零度点）？为什么所有的曲线均过原点（零度点）？5.1 热电偶热电偶的分度表热电偶的分度表 热电偶的线性较差，多数情况下采用查表法热电偶的线性较差，多数情况下采用查表法 我国从我国从19911991年开始采用国际计量委员会规定的年开始采用国际计量委员会规定的“19901990年国际温标年国际温标”（简称（简称ITS-90ITS-90）的新标准。按此）的新标准。按此标准，制定了相应的分

12、度表，并且有相应的线性化集标准，制定了相应的分度表，并且有相应的线性化集成电路与之对应。成电路与之对应。 直接从热电偶的分度表查温度与热电势的关系时直接从热电偶的分度表查温度与热电势的关系时的约束条件是：自由端（冷端）温度必须为的约束条件是：自由端（冷端）温度必须为0 0 C C。几种冷端处理方法：几种冷端处理方法： n1. 补偿导线法n2. 冷端温度校正法n3. 冰浴法n4. 冷端补偿电桥法四四. .热电偶的冷端处理和补偿热电偶的冷端处理和补偿5.1 热电偶为何要对冷端进行补偿？为何要对冷端进行补偿？ 只有只有T T0 0恒定，热电势与温度恒定，热电势与温度T T成线性关系。成线性关系。 0

13、00( ,)( )()( )()ABET Tf Tf Tf TCT恒定冷端温度受环境影响变化，造成测量误差。冷端温度受环境影响变化，造成测量误差。 5.1 热电偶热电偶输出的电动势是两结点温度差的函数。热电偶输出的电动势是两结点温度差的函数。作作为被测温度端，为被测温度端，T T0 0作为参比温度端（冷端）通常要作为参比温度端（冷端）通常要求求T T0 0保持为保持为00，但在实际中做到这一点很困难，但在实际中做到这一点很困难，于是产生了热电偶冷端补偿问题。于是产生了热电偶冷端补偿问题。5.1 热电偶采用与热电偶热电特性相同或相近的补偿导线。采用与热电偶热电特性相同或相近的补偿导线。1.1.补

14、偿导线法补偿导线法要求要求0000(,)(,)ABA BET TET T5.1 热电偶 使用热电偶专用连接器使用热电偶专用连接器热电偶热电偶插头插头插孔插孔补偿线补偿线( ,)ABnET T( ,0)( ,)(,0)ABABnABnETET TET2.2.冷端温度校正法冷端温度校正法 实际使用中，热电偶的冷端往往不是0，而是环境温度T n，这时测得的热电势值为中间温度定律测出查热电偶分度表，得到被测热源的温度查热电偶分度表，得到被测热源的温度T T。分度表查出计算( ,0)ABET由5.1 热电偶3. 3. 冰浴法（冰浴法（0 0 恒温法恒温法 ） 可直接从仪表中读出热电势值，查分度表得可直接

15、从仪表中读出热电势值，查分度表得出被测点的温度值。出被测点的温度值。冷端温度处理冰点槽法冷端温度处理冰点槽法5.1 热电偶由于冰融化较快，所以一般只适用于由于冰融化较快，所以一般只适用于实验室实验室中中4.4.补偿电桥法（补偿电桥法（冷端温度自动补偿法冷端温度自动补偿法）补偿电桥法是利用补偿电桥法是利用不平衡电桥产生的不平衡电压不平衡电桥产生的不平衡电压作为补偿信号作为补偿信号, , 来自动补偿热电偶测量过程中冷来自动补偿热电偶测量过程中冷端温度变化而引起热电势的变化值。端温度变化而引起热电势的变化值。 补偿电桥铜电阻与热电偶参考端处在同一环境温度。补偿电桥铜电阻与热电偶参考端处在同一环境温度

16、。 室温时电桥平衡室温时电桥平衡 R1R3=R2RCu 此时UAB=0 00000( ,)( ,)(,)0ABABABabaET TTET TETT TTTTUU5.1 热电偶冷端补偿电桥法冷端补偿电桥法5.1 热电偶U baEAB(T, T0)EAB(T0+T, T0) 冷端补偿电桥法等效电路示意图冷端补偿电桥法等效电路示意图00000( ,)( ,)(,)( ,)ABbaABABbaABET TTUET TETT TUET T5.1 热电偶普通装配型普通装配型热电偶的外形热电偶的外形安装螺纹安装螺纹安装法兰安装法兰普通装配型热电普通装配型热电偶的结构放大图偶的结构放大图 接线盒接线盒引出线

17、套管引出线套管 固定螺纹固定螺纹 （出厂时用塑料包裹）（出厂时用塑料包裹）热电偶工作端（热端）热电偶工作端（热端） 不锈钢保护管不锈钢保护管 铠装型热电偶外形铠装型热电偶外形法兰法兰铠装型热电偶可铠装型热电偶可 长达上百米长达上百米薄壁金属薄壁金属 保护套管保护套管（铠体）（铠体） B BA A绝缘绝缘 材料材料铠装型热电偶铠装型热电偶横截面横截面铠装型热电偶铠装型热电偶 铠装热电偶的制造工艺：铠装热电偶的制造工艺：把热电极材料与高温绝把热电极材料与高温绝缘材料预置在金属保护管中、运用同比例压缩延伸工缘材料预置在金属保护管中、运用同比例压缩延伸工艺、将这三者合为一体，制成各种直径、规格的铠装艺

18、、将这三者合为一体，制成各种直径、规格的铠装偶体，再截取适当长度、将工作端焊接密封、配置接偶体，再截取适当长度、将工作端焊接密封、配置接线盒即成为柔软、细长的铠装热电偶。线盒即成为柔软、细长的铠装热电偶。 铠装热电偶特点：铠装热电偶特点：内部的热电偶丝与外界空气隔内部的热电偶丝与外界空气隔绝，有着良好的抗高温氧化、抗低温水蒸气冷凝、抗绝，有着良好的抗高温氧化、抗低温水蒸气冷凝、抗机械外力冲击的特性。铠装热电偶可以制作得很细，机械外力冲击的特性。铠装热电偶可以制作得很细，能解决能解决微小、狭窄场合微小、狭窄场合的测温问题，且具有抗震、可的测温问题，且具有抗震、可弯曲、超长等优点。弯曲、超长等优点

19、。 隔爆隔爆型热电偶外形型热电偶外形厚壁保护管厚壁保护管压铸的接线盒压铸的接线盒电缆线电缆线隔爆型热电偶隔爆型热电偶 结构特点结构特点：隔爆热电偶的接线盒在设计时采用防：隔爆热电偶的接线盒在设计时采用防爆的特殊结构，它的接线盒是经过爆的特殊结构，它的接线盒是经过压铸压铸而成的，有一而成的，有一定的厚度、隔爆空间，定的厚度、隔爆空间，机械强度机械强度较高；采用螺纹隔爆较高；采用螺纹隔爆接合面，并采用密封圈进行密封，因此，当接线盒内接合面，并采用密封圈进行密封，因此，当接线盒内一旦放弧时，不会与外界环境的危险气体传爆，能达一旦放弧时，不会与外界环境的危险气体传爆，能达到预期的防爆、隔爆效果。到预期

20、的防爆、隔爆效果。 使用场合：使用场合：工业用的隔爆型热电偶多用于工业用的隔爆型热电偶多用于化学工化学工业业自控系统中（由于在化工生产厂、生产现场常伴有自控系统中（由于在化工生产厂、生产现场常伴有各种易燃、易爆等化学气体或蒸汽，如果用普通热电各种易燃、易爆等化学气体或蒸汽，如果用普通热电偶则非常不安全、很容易引起环境气体爆炸）。偶则非常不安全、很容易引起环境气体爆炸）。其他其他热电偶外形热电偶外形小形小形K K型热电偶型热电偶 定义定义 利用电磁感应原理(发电机原理）将被测量（如振动、位移、转速等）转换成电信号的一种传感器。 直接将机械能转换为电能。变磁通的开磁路式或闭磁路的磁电式传感器。恒磁

21、通的动圈式与动铁式磁电式传感器。类型类型5.2 5.2 磁电式传感器磁电式传感器磁电式传感器的工作原理磁电式传感器的工作原理 法拉第电磁感应定律（发电机原理）：法拉第电磁感应定律（发电机原理）：N匝线圈匝线圈在磁场中做切割磁力线运动或穿过线圈的磁通量变在磁场中做切割磁力线运动或穿过线圈的磁通量变化时，线圈中产生的感应电动势化时，线圈中产生的感应电动势E E与磁通与磁通的变化的变化率关系如下率关系如下dENdt aaddxENNBlNBl vdtdtdENNBSdt 线位移角位移感应电动势与线速度或角速度成正比。感应电动势与线速度或角速度成正比。5.2 5.2 磁电式传感器磁电式传感器磁电式传感

22、器结构图5.2 5.2 磁电式传感器磁电式传感器加积分电路可测位移（振幅）；加微分电路加积分电路可测位移（振幅）；加微分电路可测加速度。可测加速度。RCCRU0eU0e图(a) 积分电路图 (b) 微分电路5.2 5.2 磁电式传感器磁电式传感器n磁路系统产生恒定的直流磁场。气隙不变，磁磁路系统产生恒定的直流磁场。气隙不变，磁通不变。通不变。n磁铁与线圈之间相对切割磁力线运动。磁铁与线圈之间相对切割磁力线运动。 一、恒磁通式磁电传感器特点一、恒磁通式磁电传感器特点5.2 5.2 磁电式传感器磁电式传感器二、二、 变磁通（磁阻式）磁电传感器变磁通（磁阻式）磁电传感器开磁路和闭磁路。开磁路和闭磁路

23、。结构分类结构分类测量旋转物体的转速。测量旋转物体的转速。应用应用（1 1）开磁路式磁电传感器工作原理）开磁路式磁电传感器工作原理传感器的线圈和磁铁部分静止不动，测量齿轮（导磁材料制成）安装在被测转轴上，随之一起转动。5.2 5.2 磁电式传感器磁电式传感器当齿轮旋转时，齿的凹凸引起磁阻的变化，使磁当齿轮旋转时，齿的凹凸引起磁阻的变化，使磁通变化，在线圈中感应出交变电动势，其频率等通变化，在线圈中感应出交变电动势，其频率等于齿轮的齿数与转速的乘积，即于齿轮的齿数与转速的乘积，即60Znf 当齿数当齿数Z Z已知，测得感应电势的频率已知，测得感应电势的频率f f就可以知道就可以知道被测轴的转速被

24、测轴的转速n n。60 fnZ （r/minr/min）（4-334-33）（4-344-34）5.2 5.2 磁电式传感器磁电式传感器开磁路磁阻式转速传感器开磁路磁阻式转速传感器1-1-转轴转轴 2-2-软铁软铁 3-3-线圈线圈 4-4-齿轮齿轮 5-5-永久磁铁永久磁铁输出电势的频率取决与磁通的变化频率。输出电势的频率取决与磁通的变化频率。5.2 5.2 磁电式传感器磁电式传感器(2)(2)闭磁路式磁电传感器工作原理闭磁路式磁电传感器工作原理磁电感应式转速传感器磁电感应式转速传感器1-1-转轴转轴 2-2-转子转子 3-3-永久磁铁永久磁铁 4-4-线圈线圈 5-5-定子定子 5.2 5

25、.2 磁电式传感器磁电式传感器测量时，当定子与转子齿凸凸相对时，气隙最当定子与转子齿凸凸相对时，气隙最小，磁阻最小，磁通最大；当转子与定子的齿小，磁阻最小，磁通最大；当转子与定子的齿凸凹相对时，气隙最大，磁阻最大，磁通最小。凸凹相对时，气隙最大，磁阻最大，磁通最小。磁阻周期性变化导致磁通周期性地变化磁阻周期性变化导致磁通周期性地变化，在线在线圈中感应出近似正弦波的电动势信号，圈中感应出近似正弦波的电动势信号，测得感应电势的频率即可算出转速。 转子和定子的环形端部都均匀铣出等间距的一些齿和槽。要求要求工作原理工作原理60 fnZ（r/min）5.2 5.2 磁电式传感器磁电式传感器特点特点实现力

26、与电荷的转换。实现力与电荷的转换。5.35.3 压电传感器压电传感器、超声波发送器。单片机、钟表晶体振荡逆压电效应振动交变电场超声波接收器。防盗、引爆、声控灯、压电效应电荷、电压力一、压电式传感器的工作原理一、压电式传感器的工作原理压电效应压电效应FE+x压电效应_y逆压电效应压电效应原理示意图压电效应原理示意图5.35.3 压电传感器压电传感器1 1、 石英晶体压电效应石英晶体压电效应正六面体。正六面体。 石英晶体各个方向的特性是不同的。石英晶体各个方向的特性是不同的。在直角坐标系中，它有三个轴。在直角坐标系中，它有三个轴。电轴（电轴（X X轴）：穿过六棱柱的棱线，垂直于轴）：穿过六棱柱的棱

27、线，垂直于Z Z轴轴（光轴）。（光轴）。垂直于此轴面上的压电效应最强。垂直于此轴面上的压电效应最强。(1)(1)石英晶体的结构石英晶体的结构机械轴（机械轴（Y Y轴）：垂直于棱柱面。轴）：垂直于棱柱面。 5.35.3 压电传感器压电传感器在电场沿在电场沿X X向作用下，沿该轴方向的机械变形最向作用下，沿该轴方向的机械变形最大。大。光轴（光轴（Z Z轴）：垂直于轴）：垂直于XYXY。光线沿该轴通过石英。光线沿该轴通过石英晶体时，无折射，在此方向加外力，无压电效应晶体时，无折射，在此方向加外力，无压电效应现象现象 。5.35.3 压电传感器压电传感器hlb5.35.3 压电传感器压电传感器(2)、

28、力与电荷的关系力与电荷的关系 当在电轴方向施加作用力时, 在与电轴 x 垂直的平面上将产生电荷, 其大小为 q qx x = d = d1111 f fx x 产生的电荷与几何尺寸无关。纵向压电效应产生的电荷与几何尺寸无关。纵向压电效应。 沿机械轴y方向施加作用力fy, 则仍在与x轴垂直的平面上产生电荷qx ,其大小为1211xyyaaqdFdFbb lb blb b5.35.3 压电传感器压电传感器式中: d12y轴方向受力的压电系数, d12=d11; l、 h晶体切片长度和厚度。产生的电荷与几何尺寸有关。产生的电荷与几何尺寸有关。压电效应为横向压电效应。压电效应为横向压电效应。 5.35

29、.3 压电传感器压电传感器xxFxxxyFxFyF 电荷符号与受力方向的关系电荷符号与受力方向的关系5.35.3 压电传感器压电传感器(3)(3)压电效应的物理解释压电效应的物理解释 石英晶体石英晶体siosio2 2，3 3个硅离子个硅离子Si Si 4+4+离子离子, 6, 6个氧离子个氧离子O O2-2-。两两成对。微观分子结构为一个正六边形。两两成对。微观分子结构为一个正六边形。（1 1）未受外力作用时）未受外力作用时, , 正、负离子正好分布在正正、负离子正好分布在正六边形的顶角上六边形的顶角上, , 形成三个互成形成三个互成120120夹角的电偶夹角的电偶极矩极矩P P1 1、 P

30、 P2 2、P P3 3。 P P1 1+ P+ P2 2+P+P3 3=0=0。正负电荷中心重合，晶体垂直。正负电荷中心重合，晶体垂直X X轴表轴表面不产生电荷。呈中性。面不产生电荷。呈中性。5.35.3 压电传感器压电传感器5.35.3 压电传感器压电传感器（2 2）受）受x x轴方向的压力作用时轴方向的压力作用时, , 此时正负电荷重心此时正负电荷重心不再重合不再重合, , 电偶极矩在电偶极矩在x x方向上的分量由于方向上的分量由于P P1 1的减小的减小和和P P2 2、P P3 3的增加而不等于零的增加而不等于零, , 即（即（P P1 1+P+P2 2+P+P3 3） 0 0 。

31、在在x x轴的正方向出现正电荷轴的正方向出现正电荷, , 电偶极矩在电偶极矩在y y方向上的方向上的分量仍为零分量仍为零, , 不出现电荷。不出现电荷。（3 3）受到沿）受到沿y y轴方向的压力作用时轴方向的压力作用时, P, P1 1增大增大, P, P2 2、P P3 3 减小。减小。 在垂直于在垂直于x x轴正方向出现负电荷轴正方向出现负电荷, , 在在y y轴方向轴方向上不出现电荷。上不出现电荷。5.35.3 压电传感器压电传感器（4 4）沿）沿z z轴方向施加作用力轴方向施加作用力, , 晶体在晶体在x x方向和方向和y y方向方向所产生的形变完全相同所产生的形变完全相同, , 所以

32、正负电荷中心保持重所以正负电荷中心保持重合合, , 电偶极矩矢量和等于零。这表明沿电偶极矩矢量和等于零。这表明沿z z轴方向施加轴方向施加作用力作用力, , 晶体不会产生压电效应。晶体不会产生压电效应。 当作用力当作用力fxfx、fyfy的方向相反时的方向相反时, , 电荷的极性也电荷的极性也随之改变。随之改变。 石英晶体的优点：介电和压电常数的温度稳定性好。石英晶体的优点：介电和压电常数的温度稳定性好。多用在校准用的标准传感器或精度很高的传感器中。多用在校准用的标准传感器或精度很高的传感器中。也用于钟表及微机中的晶振也用于钟表及微机中的晶振( (逆压电效应逆压电效应) )。5.35.3 压电

33、传感器压电传感器2 2、压电陶瓷的压电效应、压电陶瓷的压电效应 在无外电场作用时在无外电场作用时, , 电畴在晶体中杂乱分电畴在晶体中杂乱分布布, , 它们的极化效应被相互抵消它们的极化效应被相互抵消, , 压电陶瓷内压电陶瓷内极化强度为零。极化强度为零。因此原始的压电陶瓷呈中性因此原始的压电陶瓷呈中性, , 不具有压电性质。不具有压电性质。 （1 1）未加电场）未加电场晶粒内自发极化方向一致的小区域称之为电畴。晶粒内自发极化方向一致的小区域称之为电畴。显微镜观察。显微镜观察。5.35.3 压电传感器压电传感器 压电陶瓷的极化压电陶瓷的极化5.35.3 压电传感器压电传感器（2 2）加电场）加

34、电场 （极化处理）（极化处理）（2030kV/cm2030kV/cm的直流电场）的直流电场）电畴的极化方向转向，基本与电场方向一致。电畴的极化方向转向，基本与电场方向一致。 去掉外电场，材料具备压电性能，陶瓷片对外不陶瓷片对外不表现极性。表现极性。陶瓷极化的两端的束缚电荷与在陶瓷片的电极表面吸附一层外界的自由电荷方向相反，数值相等。5.35.3 压电传感器压电传感器二、压电元件的等效电路及连接方式二、压电元件的等效电路及连接方式1 1、压电元件的等效电路、压电元件的等效电路压电元件两电极之间的压电陶瓷或石英晶体为绝缘体，构成一个电容器，其电容量为0raSCh 压电传感器可等效成一个电压源压电传

35、感器可等效成一个电压源U U和一个电容和一个电容相串联的电路，相串联的电路， 可等效成一个电荷源与一个电容相并联的电路可等效成一个电荷源与一个电容相并联的电路 产生的电压与电荷的关系为aQUC5.35.3 压电传感器压电传感器qaC (a) (a)电荷源电荷源 (b) (b) 电压源电压源 压电传感器等效电路压电传感器等效电路aaCqU aUaC5.35.3 压电传感器压电传感器5.35.3 压电传感器压电传感器1 1、传感器不宜测量静态物理量，宜测高频动态量。、传感器不宜测量静态物理量，宜测高频动态量。使用时应该注意的问题使用时应该注意的问题2 2、电缆不宜过长，否则，、电缆不宜过长，否则，

36、C CC C加大，使传感器的加大，使传感器的电压灵敏度下降。电压灵敏度下降。3 3、要使电压灵敏度为常数，应使压电片与前置放、要使电压灵敏度为常数，应使压电片与前置放大器的连接导线为定长，以保证大器的连接导线为定长，以保证C CC C不变。不变。4 4、测量低频信号，应增大前置放大器的输入电、测量低频信号，应增大前置放大器的输入电阻，使测量回路的时间常数增大，保证有较高的阻，使测量回路的时间常数增大，保证有较高的灵敏度。灵敏度。5.35.3 压电传感器压电传感器2 2、连接方式、连接方式 并联方式并联方式 CnCUUqnq 输出电荷大，时间常数大，适合测慢变信号，以电输出电荷大，时间常数大，适

37、合测慢变信号，以电荷为输出的场合。荷为输出的场合。串联方式串联方式 CCUnUqqn输出电压大，电容、时间常数小，适合以电压为输出电压大，电容、时间常数小，适合以电压为输出，高输入阻抗的场合。输出，高输入阻抗的场合。5.35.3 压电传感器压电传感器（a)a)并联结构并联结构 (b)(b)串联结构串联结构 压电元件的连接方式压电元件的连接方式5.35.3 压电传感器压电传感器三、压电式传感器的应用三、压电式传感器的应用连接方式：采用并联接法。1 1、压电式加速度传感器、压电式加速度传感器要求：为使压电片电荷与力之间成线性关系，压电片需有一定的预压力预压力，保证接触面均匀接触。（1 1）结构）结

38、构（2 2）工作原理）工作原理5.35.3 压电传感器压电传感器 压电式加速度传感器工作原理框图压电式加速度传感器工作原理框图0UaF maQ dma质量块m压电元件d, k前置放大Au, Aq提高灵敏度的措施提高灵敏度的措施采用较大的压电常数的材料。采用较大的压电常数的材料。多片压电片组合。多片压电片组合。5.35.3 压电传感器压电传感器 检测原理检测原理 检测时传感器用胶粘贴在玻璃上, 然后通过电缆和报警电路相连。压电传感器把玻璃振动波转换成电压输出。输出电压经放大、带通滤波、 比较等处理后提供给报警系统。 带通滤波使玻璃振动频率范围内的输出电压信号通过，其它频段的信号滤除。 2 2、压

39、电式玻璃破碎报警器、压电式玻璃破碎报警器5.35.3 压电传感器压电传感器比较器作用是当传感器输出信号高于设定的阈值时, 输出报警信号, 驱动报警执行机构工作。如进行声光报警。 放大带通滤波执行机构比较玻璃传感器 压电式玻璃破碎报警电路框图压电式玻璃破碎报警电路框图5.35.3 压电传感器压电传感器一、工作原理（一、工作原理（ “ “光生伏特效应光生伏特效应”） 光照射到大面积光照射到大面积PNPN结的结的P P区，当光子能量大于区，当光子能量大于P P区半导体的禁带宽度时，表面产生光生电子空穴对，区半导体的禁带宽度时，表面产生光生电子空穴对，由于浓度差，电子向由于浓度差，电子向N N区扩散，

40、到达区扩散，到达PNPN结，在结电结，在结电场的作用下，越过场的作用下，越过PNPN结到达结到达N N区，区，P P区失去电子带正区失去电子带正电荷，电荷，N N区得到电子带负电荷。区得到电子带负电荷。光电池是一种直接将光能转换为电能的光电器件。光电池是一种直接将光能转换为电能的光电器件。5.4 光电池PN-uAmV 光电池工作原理图输出电流输出电压5.4 光电池光电池光电池外形外形光敏面光敏面5.4 光电池能提供较大电流的大面能提供较大电流的大面积光电池积光电池外形外形5.4 光电池其他其他光电池及在照度测量中的应用光电池及在照度测量中的应用柔光罩下面为圆形光电池柔光罩下面为圆形光电池5.4

41、 光电池光电池在动力方面的应用光电池在动力方面的应用太阳能赛车太阳能赛车太阳能电动机模型太阳能电动机模型太阳能硅光电池太阳能硅光电池板板5.4 光电池光电池在动力方面的应用（续）光电池在动力方面的应用（续）太阳能发电太阳能发电5.4 光电池光电池在动力方面的应用（续）光电池在动力方面的应用（续）光电池在人造卫星上的应用光电池在人造卫星上的应用5.4 光电池二、光电池的基本特性二、光电池的基本特性1 1）光谱特性）光谱特性 在入射光照度一定时，光电元件的相对灵在入射光照度一定时，光电元件的相对灵敏度随光波波长的变化而变化，一种材料只对敏度随光波波长的变化而变化，一种材料只对一定波长范围的人射光敏

42、感，这就是光谱特性。一定波长范围的人射光敏感，这就是光谱特性。硅光电池光谱特性硅光电池光谱特性使用时应根据光源使用时应根据光源性质选择光电池性质选择光电池5.4 光电池二、光电池的基本特性二、光电池的基本特性2）光照特性光照特性 短路电流在很大范围内与光照强度成线性关系短路电流在很大范围内与光照强度成线性关系, ,光电池工作于短路电流状态，可做检测元件。光电池工作于短路电流状态，可做检测元件。 开路电压（负载电阻开路电压（负载电阻R RL L无限大时）与光照度的无限大时）与光照度的关系是非线性的关系是非线性的, , 并且当照度在并且当照度在2000 lx2000 lx时趋于饱时趋于饱和了。光电池工作于开路电压状态，可和了。光电池工作于开路电压状态，可做开关元件做开关元件。 5.4 光电池硅光电池开路电压和短路硅光电池开路电压和短路电流与光照的关系电流与光照的关系硅光电池在不同光硅光电池在不同光照下光照特性照下光照特性5.4 光电池硅光电池频率特性硅光电池频率特性3 3）频率特性）频率特性表征光电器件的动态性表征光电器件