《机械工程测试与控制技术》课件 第19课 第八章 8.5 压电式传感器

机械工程测试与控制技术第八章

常用传感器8.1传感器概念8.2电阻式传感器8.3电感式传感器8.4电容式传感器8.5压电式传感器8.6磁电式传感器8.7霍尔式传感器8.8热电偶传感器8.9光电式传感器压电效应外力作用下在压电材料表面产生电荷F+q8.5压电式传感器等效电路两极板上聚集异性电荷，中间为绝缘体的电容器压电材料石英晶体、钛酸钡BT、锆钛酸铅PZT、铌酸铅钡锂PBLN、压电陶瓷PbTiO3，以及聚偏氟乙烯薄膜PVDF等FFq电极压电晶片Cou＝q/Co电荷源电压源8.5压电式传感器结构形式两片、四片压电材料串并联组成，提高灵敏度并联接法：电容量大、时间常数大，响应慢测量缓变信号适合电荷输出串联接法：电容量小、时间常数小，响应快测量快变信号适合电压输出8.5压电式传感器测量电荷测量：电荷放大器（电容反馈放大器）电荷易泄漏，适宜作动态测量如果放大器开环增益A足够大

uo≈-qe/Cf电荷放大器输出电压正比于传感器的电荷量，且与电缆分布电容无关电荷放大器的灵敏度取决于Cf——灵敏度的选择常做高精度测量加速度计电缆电荷放大器8.5压电式传感器测量电压测量：阻抗变换＋放大压电传感器的内阻抗Ra很高，输出的信号微弱测量电路连接电缆改变（长度、布线）→Cc→影响电压灵敏度值不可以用于静态测量、测量精度不高电压灵敏度随被测信号频率而变阻抗变换：低阻抗输出微弱信号进行放大加速度计电缆阻抗变换、放大ui简化的等效电路8.5压电式传感器优缺点优点它具有很高的刚度，测量过程中变形甚小，是一种近乎理想的测力元件尺寸与重量很小，可以小到只有零点几克，因而使用中对被测对象的附加质量小固有频率高，可以高达数万赫兹，线性好横向干扰小（最大不超过5%），可做成多向测力仪响应快、灵敏度高、信噪比大、结构简单、性能可靠缺点调理特殊、不宜做静态测量需经常校正灵敏度8.5压电式传感器压电式压力传感器测量方法——动态电压测量：电压放大器——频率、电缆影响电荷测量：电荷放大器——高精度测量12345压电转换元件传感器体弹性膜片电极引线P8.5压电式传感器压电式加速度传感器结构敏感元件：弹簧、质量、阻尼系统转换元件：压电元件转换电路：电荷放大器、阻抗变换器S是弹簧，M是质块，B是基座，P是压电元件，R是夹持环几种加速度传感器结构(a)中心安装压缩型(b)环形剪切型(c)三角剪切型8.5压电式传感器8.1传感器概念8.2电阻式传感器8.3电感式传感器8.4电容式传感器8.5压电式传感器8.6磁电式传感器8.7霍尔式传感器8.8热电偶传感器8.9光电式传感器电磁感应原理N匝线圈与磁铁相对运动、切割磁力线，感应出正比于运动速度的电压磁通Ф变化率取决于：磁场强度B——固定线圈运动速度磁路磁阻测量：磁电式传感器输出功率较大、零位及性能稳定调理电路一般较简单工作频率一般为10～1000Hz8.6磁电式传感器分类动圈式——线圈运动速度磁场为常数直线运动速度变磁阻——磁路磁阻变化齿圈和极轴组成的磁路中磁阻发生变化，其结果使磁通量周期性增减感应电压取决：转速、探头端面距齿顶间隙测量角速度或转轴的转速8.6磁电式传感器磁电式速度传感器绝对速度传感器组成：磁路系统、惯性质量、弹簧阻尼、线圈壳体振动→磁钢随之振动→芯轴相对静止→线圈切割磁力线→线圈中感应电势感应电势E=kV，式中k为取决于磁感应强度、线圈长度和匝数,V为绝对振动速度弹簧片芯轴线圈磁钢阻尼环壳体8.6磁电式传感器磁电式速度传感器绝对速度传感器动态特性：二阶系统固有频率应该尽可能低，但实现有很大困难由于结构上的原因，固有频率一般取10～15Hz工作频率：15～1000Hz阻尼比：阻尼环产生磁阻尼力（0.5～0.7）输入：安装点的绝对速度输出：芯轴相对壳体的相对速度工作二阶系统的在惯性区8.6磁电式传感器应用：磁电式转速传感器变磁阻输出：感应一个电势脉冲可靠、稳定、有源传感器不适应于低转速永久磁铁线圈齿圈引线间隙极轴8.6磁电式传感器应用：磁电式扭矩传感器8.6磁电式传感器8.1传感器概念8.2电阻式传感器8.3电感式传感器8.4电容式传感器8.5压电式传感器8.6磁电式传感器8.7霍尔式传感器8.8热电偶传感器8.9光电式传感器霍尔效应金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势——霍尔电压

霍尔电压UH与通过电流I和磁感应强度B成正比d越小，kH就越大（薄膜霍尔元件d为1μm左右）8.7霍尔式传感器霍尔元件N型半导体材料：锗、硅、锑化铟、砷化铟特性尺寸小、特别是厚度很小，可以放到磁场的空隙中，因而很方便；输出信号大，灵敏度可达12mV/(mA·T)输出电阻小，只有0.5～100欧姆建立霍尔电势的时间极短（10-12~10–14s），高频测量应用直接测量：磁场B、电流I间接测量：位移、厚度、重量、转速8.7霍尔式传感器开关型霍尔传感器原理在传感器内用稀土磁钢给霍尔器件建立初始磁场——磁偏置传感器前面有铁磁物体时，引起该磁场发生变化霍尔器件检测、转换成一个交变信号，内置电路进行放大、整形，输出开关型霍尔传感器OCH41输入频率：0～20KHz输出信号：0～20V矩形脉冲工作电源：12V～24VDC/20mA推荐安装间隙0.8～1.2mm8.7霍尔式传感器霍尔效应钢丝断丝检测装置1—钢丝绳2—霍尔元件3—永久磁铁霍尔式损伤检测结构：永久磁铁+钢丝绳+霍尔元件原理：钢丝绳中的断丝会改变永久磁铁产生的磁场霍尔元件检测磁场变化，产生一个脉动电压信号——断丝根数及断丝位置8.7霍尔式传感器8.1传感器概念8.2电阻式传感器8.3电感式传感器8.4电容式传感器8.5压电式传感器8.6磁电式传感器8.7霍尔式传感器8.8热电偶传感器8.9光电式传感器热电效应当不同材料的两导体Ａ和Ｂ的两个结点处温度不同时，则回路中产生热电势接触电势：接触点电子密度不相同而形成的电位差eAB

(t)温差电势：金属导体两端温度不同而可产生的热电势eA(t,t0)——等温时为零热电偶回路热电势：eAB(t,t0)——金属A和温度t分别表示热电偶的正极和测量端,后面的金属B和温度t0分别表示热电偶的负极和参考端导体A导体B高温端t低温端t0热电极测量端参考端8.8热电偶传感器均质导体定律中间导体定律中间温度定律8.8热电偶传感器热电偶连接接入仪表开路热电偶只要A、B电极接入处温度一致——任意焊接、任意连接工作端t参考端t0工作端t参考端t0工作端t参考端t0金属壁面工作端t参考端t0液态金属温度相同T08.8热电偶传感器冷端温度补偿冷端：参考/比端、自由端——t0热电偶的热电势的大小不仅与工作端温度有关，而且与冷端温度有关只有当冷端温度不变时，热电势才是热端温度的单值函数定点法——冰浴法把冷端置于恒温器中，使其维持在一恒定温度下，最常用冰槽精度很高，比较麻烦，仅限于实验室用mVABA’B’TCC’仪表铜导线试管补偿导线热电偶冰点槽冰水溶液T08.8热电偶传感器冷端温度补偿冷端温度修正法根据中间温度定律，在环境温度Tn下：eAB（T,0）=eAB（T,Tn）+eAB（Tn,0）实际测量的热电势是EAB（T,Tn）,查表得出EAB（Tn,0）后，即可根据公式求得所需要的EAB（T,0），从而查表得到待测温度T。BBA

Tn

T

0AAB8.8热电偶传感器冷端温度补偿补偿电桥法——在热电偶回路中串联一电势U=e(t0,0)原理：电桥输出与环境温度/冷端变化成正比补偿环境温度对热电偶的影响电桥补偿：在0ºC时，电桥平衡，输出为U=0如果环境温度上升，热电偶输出热电势数值要降低电桥中桥臂电阻Rcu随温度上升而增大，使电桥输出电压增加，它与前者迭加可起到补偿作用eUt0t0tbdaR1cRsRCuteR3R28.8热电偶传感器热电偶分类热电偶材料性能要求：物理化学性能稳定、电阻温度系数小、机械性能好、灵敏度高、复现性好、线性关系等热电偶分类按其热电势与温度的关系以及使用性能可分为：常用热电偶和特殊热电偶按其适应的温度范围不同可分为：高、中温热电偶和低温热电偶按其结构型式不同可分为：铠装式、插入式和裸线式热电偶

一般热电偶的灵敏度随温度降低而明显下降。这是热电偶进行低温测量的主要困难。8.8热电偶传感器热电偶优点：结构简单、制作方便、价格低廉、测温范围宽、正确度高流体、固体及表面温度均可用它测量微型热电偶可用于快速及动态温度测量热电偶缺点：需要恒定的冷端温度8.8热电偶传感器8.1传感器概念8.2电阻式传感器8.3电感式传感器8.4电容式传感器8.5压电式传感器8.6磁电式传感器8.7霍尔式传感器8.8热电偶传感器8.9光电式传感器一、光电检测技术测量精度高、速度快、非接触、频带宽和信息量大在机械工程测试技术中应用非常广泛。348.9

光电式传感器二光电检测器的工作原理35二光电检测器的工作原理基于光电子元件的光电效应当具有一定能量的光子投射到某些物质表面时，具有辐射能量的微粒将透过受光物质的表面层，赋予这些物质的电子以附加能量，将光信号转换为电信号，从而实现光电转换。8.9

光电式传感器外光电效应物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象光电管、光电倍增管内光电效应物质内部电子能量状态产生变化光电导效应光生伏特效应光敏电阻光电池光敏二极管/三极管8.9

光电式传感器6.1.1常用光电检测器的工作原理光电管球形或圆柱形玻璃壳抽成真空，在半球面内或圆柱面内涂一层光电材料作为阴极，球心或圆柱中心放置金属丝作为阳极阴极电子逸出金属表面，形成电子发射电子被阳极吸引

产生电流必须在其阴极与阳极之间加上电势，使阳极的电位高于阴极8.9

光电式传感器光电倍增管将微弱的光信号转换成可测电信号二次发射得到倍增放大，收集作为信号输出39探测紫外、可见和近红外区，具有极高的灵敏度和极低的噪声8.9

光电式传感器光敏电阻原理：半导体材料的电阻随光照强度的增大而减小光敏电阻的两端加上偏置电压后，产生电流当入射光的光学参数变化光敏电阻的阻值变化相应的电流也会发生变化8.9

光电式传感器光敏电阻在不受光照时的阻值称“暗电阻”，暗电阻越大越好，一般是兆欧数量级；光敏电阻在受光照时的阻值称“亮电阻”，光照越强，亮电阻就越小，一般为千欧数量级41一般光敏电阻的光照特性呈非线性，光敏电阻常用在开关电路中作光电信号变换器。8.9

光电式传感器光敏二极管由一个PN结组成的半导体器件，单方向导电特性原理：入射光照射在内部PN结管芯，PN结具有单向导电性，当无光照时，电路中有很小的反向饱和漏电流，此时相当于光敏二极管截止当有光照射时，PN结区域受光子的轰击，反向饱和漏电流大大增加，称为光电流光电流随入射光强度的变化而相应变化光的强度越大，反向电流也越大8.9

光电式传感器光敏三极管又称光电三极管有两个PN结，具有电流增益，比光敏二极管灵敏度高。43当光线透过光孔照到发射极和基极之间的PN结时，就能获得较大的集电极电流输出输出电流的大小随光照强度的增强而增加灵敏度与入射光的方向有关应保持光源与光敏晶体管的相对位置不变8.9

光电式传感器光电池光电池有一个大面积的PN结，当光线照射到PN结上时，便在结两端出现电动势这种因光照而产生电动势的现象称为光生伏特效应光电池在应用中常用作电流源8.9

光电式传感器三典型光电检测方法及系统应用45需要可以产生光信号的光源，才可把被测信号加载于光载波以便测量简单介绍作为光源的发光器件根据光电变换中光的调制方式不同，介绍两类光电测量系统及其应用8.9

光电式传感器光源及其特性相干光源的波长范围极窄，近单色光源（激光）非相干光源是除激光光源以外的其他光源1.非相干光源——发光二极管热辐射光源（白炽灯、卤钨灯等）、气体放电光源（汞灯、脉冲氙灯等）、固体发光光源（发光二极管）发光二极管是少数载流子在PN结区的注入与复合而产生发光的一种半导体光源8.9

光电式传感器原理：PN结上未加电压时构成一定的势垒加上正向偏压时，P区的空穴和N区的电子就向对方扩散运动，构成少数载流子的注入，从而在PN结附近产生导带电子和价带空穴的复合一个电子和一个空穴每一次复合，将释放出一定能量，该能量会以热能、光能的形式辐射出来特点：发光二极管可利用交流供电或脉冲供电获得调制光或脉冲光，调制频率可达到几十兆赫8.9

光电式传感器2.相干光源——激光器可按激光工作物质的不同，分为气体激光器、固体激光器、半导体激光器等；按工作方式可分为连续工作激光器和脉冲工作激光器；按工作波长范围又可分为紫外光激光器、可见光激光器和红外激光器等48原理:泵浦源提供外界能量，激光工作物质产生光增益，谐振腔提供光学正反馈，形成激光模式特点：激光具有很好的单色性、高亮度、方向性、相干性以及随时间、空间的可聚焦性8.9

光电式传感器3非相干光电检测方法及应用非相干光电检测方法和相干光电检测方法无论光源是非相干光源或是相干性好的激光光源，非相干光电检测方法都是利用光源出射光束的强度携带被测信息相干光电检测方法则是利用光波的振幅、频率、相位来携带被测信息相干光检出被测信息时需要利用光波相干原理。8.9

光电式传感器定义：将待测光信号直接入射到光电检测器件光敏面上光电检测器件输出的电流或电压与光信号的辐射强度有关特点：不需要稳定的激光频率，光路设计上也不需要精准的准直简单而又实用的测量方法508.9

光电式传感器4非相干光电检测方法及应用1）转速测量12345678射光式转速测量系统光电三极管上输出与转速成比例的电脉冲信号，其脉冲频率正比于转轴的转速和白色条纹的数目透射光式转速测量系统脉冲信号的频率正比于转轴的转速和多孔圆盘的透光孔数测速范围可达每分钟几十万转，对被测轴无干扰8.9

光电式传感器2）脉冲编码器一种旋转式脉冲发生器，能将机械转角变换成电脉冲，通过对角位移电脉冲频率的计数来检测机械的旋转速度增量式