《现代检测技术》课件-第4章 电能量检测装置

主要内容4.14.24.34.44.1热电偶传感器4.2压电式传感器4.3磁电式传感器4.4光电池4.1热电偶传感器概念将温度的变化转换为电势变化的传感器。应用场合测量气体、液体温度尤其测高温。常用热电偶测温范围常用热电偶测温范围4.1.1热电偶测温原理

1、热电效应。ABTT0EAB(T,T0)热电极热端（工作端）冷端（自由端）图4-1热电偶结构及原理2、热电势组成:

接触电势和温差电势。(1)接触电势（帕尔帖电势）eAB(T)、eAB(T0)产生原因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。（4-1）++++----ABe4-2接触电势的产生eAB(T)或eAB(T0)ABeAB(T)eAB(T0)接触电势大小（4-2）接触电势的大小与两导体材料的性质及接触点的温度有关。数量级为mV级。回路的接触电势(顺时针)T0Te+-4-3温差电势的产生（2）温差电势产生原因同一导体的两端因其温度不同而产生的一种热电势。温差电势与A、B两种材料的性质及两点的温度有关。回路温差电势的大小(逆时针)T0TeA(T,T0)eB(T,T0)AB温差电势的大小图6-12温差电势产生（4-3）（4-4）热电偶分度表在冷端（参考端）温度为0℃时,通过计量标定实验建立起来的热电势与工作端温度之间的数值对应关系表。测得热电势，查分度表得温度值。热电偶回路中产生的总热电势

EAB(T,T0)=eAB(T)—c=f(T)（4-5）1、若A、B材料相同，热电势为0。2、若T=T0，则热电势为0。4.1.2热电偶的基本定律

3、中间温度定律ABTT0图4-4中间温度定律EAB（T，T0）=EAB（T，Tn)+EAB(Tn,T0)（4-6）AB=TTn+ABTT0中间温度定律为制定热电偶分度表奠定了基础。EAB（T，0°

）=EAB（T，Tn)+EAB(Tn,0°)计算测量查表由EAB（T，0°

）查表得T值。查分度表有E（30，0）=0.173mV反查分度表有T=830℃，测量端实际温度为830℃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,Tn)=7.5mV，求测量端实际温度T。

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。

4、中间导体定律BACT0T0T图4-5热电偶中间导体定律

回路中的总热电势等于各接点的接触电势之和。

EABC(T,T0)=eAB(T)+eBC(T0)+eCA(T0)

当T=T0

时,有

eBC(T0)+eCA(T0)=—eＡＢ(T0)

ＥＡＢＣ(T,T0)=eAB(T)—eAB(T0)=EAB(T,T0)证明（4-7）5、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。简化可热电偶的选配工作。T0TACTBTCAB+=T0T0图4-6标准电极定律示意图（4-8）几种冷端处理方法：1.补偿导线法2.

冰浴法3.

算修正法4.冷端补偿电桥法4.1.3、热电偶的冷端处理和补偿为何要对冷端进行补偿？只有T0恒定，热电势与温度T成线性关系。

冷端温度受环境影响变化，造成测量误差。

采用与热电偶热电特性相同或相近的补偿导线。1、补偿导线法要求补偿导线分为延长型和补偿型。

类型ABTTnTnT0廉价热电偶如KX型图4-7(a)延长型补偿导线示意图（4-9）ABTTnTnT0贵重热电偶如SC型图4-7(b)补偿型补偿导线示意图延长型和补偿型对补偿导线的要求。

图4-8使用热电偶专用连接器热电偶插头插孔补偿线2、0℃恒温法（冰浴法）

可直接从仪表中读出热电势值，查分度表得出被测点的温度值。图4-9冷端温度处理冰点槽法3、冷端温度修正法实际使用中，热电偶的冷端往往不是0℃，而是环境温度Tn，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T。分度表查出计算由4、冷端温度自动补偿法（补偿电桥法）补偿电桥法是利用不平衡电桥产生的不平衡电压作为补偿信号,

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。补偿电桥铜电阻与热电偶参考端处在同一环境温度。

室温时电桥平衡

R1R3=R2RCu

此时UAB=0图4-10冷端补偿电桥法UbaEAB(T,T0)EAB(T0+△T,T0)图4-11冷端补偿电桥法等效电路示意图4.1.4热电偶的实用测温电路1、测量单点温度的基本电路温度变送器A/D微机显示放大器A/D微机显示图4-12单点温度测量2、测量两点的温度差差动连接。产生热电势为ET=EAB（T1，T0）—EAB（T2，T0）显示仪表CBADBAT2T1T0T0C图4-13两点温度差测量（4-10）仪表R1E1R2R3E2E3T2T1T3T0ET图4-14并联测量平均温度3、测量平均温度并联。（4-11）优缺点？4、测几点的温度和热电偶串联。仪表E2E1CDE3T2T1T3T0E图4-15测几点的温度和优缺点？（4-12）5、实用热电偶测温电路温度传感器断偶检测低通滤波同相放大冷端温度补偿特点4、2压电式传感器电能机械能正压电效应逆压电效应电荷力压电效应TE+x压电效应_y逆压电效应图4-16压电效应原理示意图4.2.1压电式传感器的工作原理1、石英晶体压电效应电轴（X轴）：穿过六棱柱的棱线，垂直于Z轴（光轴）。垂直于此轴面上的压电效应最强。(1)石英晶体的结构机械轴（Y轴）：垂直于棱柱面。

在电场沿X向作用下，沿该轴方向的机械变形最大。光轴（Z轴）：垂直于XY。光线沿该轴通过石英晶体时，无折射，在此方向加外力，无压电效应现象。天然形成的石英晶体外形石英晶体薄片双面镀银并封装石英晶体切片及封装(2)、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

qx=d11fx

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（4-13）（4-14）式中:d12——y轴方向受力的压电系数,d12=－d11;a、b——晶体切片长度和厚度。产生的电荷与几何尺寸有关。压电效应为横向压电效应。电极化强度P:电偶极矩p:描述一对正负电荷(电偶极子)性质的物理量。它是一个矢量，方向由负电荷中心指向正电荷中心。-+P=ql图4-18电荷符号与受力方向的关系结论？(3)、压电效应的物理解释石英晶体sio2，3个硅离子Si4+离子,6个氧离子O2-。两两成对。微观分子结构为一个正六边形。（1）未受外力作用时,正、负离子正好分布在正六边形的顶角上,形成三个互成120°夹角的电偶极矩P1、P2、P3。

P1+P2+P3=0。正负电荷中心重合，晶体垂直X轴表面不产生电荷。呈中性。图4-19硅氧离子的排列示意图(a)硅氧离子在Z平面上的投影（b）等效为正六边形排列的投影

(c)FX=0电偶极距(b)(a)++---YXXY+Y+++---X(c)FX=0P1P2P3FXX++++－－－－FX(d)FX<0+++---P1P2P3（2）受x轴方向的压力作用时,电偶极矩在x方向上的分量由于P1的减小和P2、P3的增加而不等于零,即（P1+P2+P3）>0。在x轴的正方向出现正电荷。（3）受到沿x轴方向的拉力作用时,P1增大,P2、P3

减小。在垂直于x轴正方向出现负电荷,在y轴方向上不出现电荷。(e)FX>0Y+++--X-+++－－－FXFXP2P3P1+－思考：在Y轴方向受力情况？（4）沿z轴方向施加作用力,晶体在x方向和y方向所产生的形变完全相同,所以正负电荷中心保持重合,电偶极矩矢量和等于零。这表明沿z轴方向施加作用力,晶体不会产生压电效应。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。也用于钟表及微机中的晶振(逆压电效应)。2、压电陶瓷的压电效应压电陶瓷外形电畴在晶体中杂乱分布,它们的极化效应被相互抵消,压电陶瓷内极化强度为零。因此原始的压电陶瓷呈中性,不具有压电性质。（1）未加电场电畴图4-20(a)极化处理前直流电场E(b)极化处理中（2）加电场（极化处理）（20～30kV/cm的直流电场）电畴的极化方向转向，基本与电场方向一致。

剩余极化强度，材料具备压电性能。剩余极化强度剩余伸长(c)极化处理后

（3）去除电场束缚电荷电极自由电荷图4-21（a）压电陶瓷内束缚电荷与吸附自由电荷示意图Z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。当压电陶瓷受到外力作用时，电畴的界限发生移动，剩余极化强度将发生变化，吸附在其表面的部分自由电荷被释放。释放的电荷量的大小与外力成正比关系，即q=d33F

（3）压电陶瓷力与电荷的关系（4-15）图4-21（b）正压电效应示意图（实线代表形变前的情况，虚线代表形变后的情况）F＋＋＋＋＋－－－－－－－－－－＋＋＋＋＋

极化方向－＋压电点火：当陶瓷上受力就产生电荷，形成电火花，可点燃气体。炮弹引爆、火箭激发。话筒：在人讲话的声压作用下，陶瓷内会产生与人声相应的电讯号而传输出去。电子乐器：压电元件配上电路。超声波换能器：发射接收探头，机械能和电能互相转换。测流速、测距，

。4.2.2压电元件的等效电路及连接方式1、压电元件的等效电路压电元件看成一个静电发生器，可把它视为两极板上聚集异性电荷，中间为绝缘体的电容器。（4-16）＋＋＋＋――――qq电极压电晶体Ca图4-22（a）压电传感器等效电路

(a)电荷源(b)电压源图4-22(b)压电传感器等效电路（4-17）等效电路2、连接方式

并联方式

输出电荷大，时间常数大，适合测慢变信号，以电荷为输出的场合。（4-18）串联方式

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。（4-19）（a)并联结构

(b)串联结构图4-23压电元件的连接方式4.2.3压电式传感器的测量电路将压电传感器的高输出阻抗变换为低输出阻抗。放大传感器输出的微弱信号。前置放大器的作用串联型输出电压：电压放大器电路。其输出电压与输入电压（传感器的输出电压）成正比.并联型输出电荷：电荷放大器电路。其输出电压与输入电荷成正比。测量电路的形式－A－ACaCaRaRiCiCcCRUiU0U0Ua(a)(b)Ua1、电压放大器图4-24电压放大器电路原理及其等效电路图电压放大电路输入端等效放大电路1、电压放大器压电元件受到交变力在力的作用下产生的电压按正弦规律变化送入放大器输入端的电压为（4-20）（4-21）输入端的电压的幅值是相位差是传感器的灵敏度为（4-22）（4-23）（4-24）1、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2、电缆不宜过长，否则，CC加大，使传感器的电压灵敏度下降。3、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CC不变。4、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，保证有较高的灵敏度。2、电荷放大器

电荷放大器可看作是具有深度电容负反馈的高增益放大器。净输入电荷（4-25）（4-26）（4-27）总电荷输出电压为电荷放大器的特点是输出电压与电缆电容CC无关，即与电缆长度无关。且与输出电荷成正比。（4-28）（4-29）4.2.4压电式传感器的应用连接方式：采用并联接法。1、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，保证接触面均匀接触。（1）结构

图4-26压电式加速度传感器工作原理框图质量块m压电元件d,k前置放大Au,Aq提高灵敏度的措施采用较大的压电常数的材料。多片压电片组合。（2）工作原理2、压电引信

压电引信是一种利用钛酸钡压电陶瓷的压电效应制成的军用弹丸启爆装置。它具有瞬发度高，不需要配置电源等优点，常应用于破甲弹上，对提高弹丸的破甲能力起着重要的作用。

整个引信由压电元件和启爆装置两部分组成。压电元件安装在弹丸的头部，启爆装置设置在弹丸的尾部，通过导线互连。平时电雷管E处于短路保险安全状态，压电元件即使受压，其产生的电荷也通过电阻R释放掉，不会使电雷管引爆。弹丸发射时，引信启爆装置解除保险状态，开关K从a处断开与b接通，处于工作状态。当弹丸与装甲目标接触时，碰撞压力使压电元件产生电荷，经过导线传递给电雷管使其启爆，引起弹丸爆炸锥孔炸药爆炸形成的能量使药形罩熔化，形成高温高流速的能量流将坚硬的钢甲穿透，起到摧毁的目的。

图4-27破甲弹示意图KEKRba压电元件4-28压电引信工作原理图

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。

3、压电式玻璃破碎报警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图4-29压电式玻璃破碎报警电路框图高分子压电材料的应用

1.玻璃打碎报警装置将高分子压电测振薄膜粘贴在玻璃上，可以感受到玻璃破碎时会发出的振动，并将电压信号传送给集中报警系统。粘贴位置

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。恒磁通的动圈式与动铁式磁电式传感器。类型4.3.磁电式传感器

分类

磁电式动圈式磁阻式线速度型角速度型N4.3.1磁电式传感器的工作原理

1、恒磁通磁电传感器工作原理：法拉第电磁感应定律感应电动势与线速度或角速度成正比。（4-30）（4-31）（4-32）图4-30磁电式传感器结构图加积分电路可测位移（振幅）；加微分电路可测加速度。RCCRU0eU0e图4-31(a)积分电路图4-31(b)微分电路1、磁路系统产生恒定的直流磁场。气隙不变，磁通不变。

2、磁铁与线圈之间相对切割磁力线运动。3、产生感应电动势与线速度或角速度成正比。

恒磁通式磁电传感器特点角速度型测速电机2、变磁通（磁阻式）磁电传感器开磁路和闭磁路。结构分类测量旋转物体的转速。应用（1）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。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，其频率等于齿轮的齿数与转速的乘积，即当齿数Z已知，测得感应电势的频率f就可以知道被测轴的转速n。

（r/min）（4-33）（4-34）图4-32开磁路磁阻式转速传感器1-转轴2-软铁3-线圈4-齿轮5-永久磁铁输出电势的频率取决与磁通的变化频率。（2）闭磁路式磁电传感器工作原理图4-33磁电感应式转速传感器1-转轴2-转子3-永久磁铁4-线圈5-定子测量时，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，在线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。要求工作原理（r/min）磁阻式传感器

磁电式车速传感器磁路系统：磁铁N极→转轴→转子→转定子空气隙→定子→磁铁S极。3、磁电式传感器的动态特性磁电式传感器可等效成m-c-k二阶机械系统。m图4-34磁电传感器等效机械系统动圈式振动速度传感器1、8-弹簧片2-环形阻尼器3-永久磁铁4-铝框5-芯轴6-工作线圈7-壳体9-引线运动方程为传递函数为频域特性（4-35）（4-36）（4-37）幅频特性相频特性合理选取m、c、K（4-38）（4-39）4.3.2霍尔传感器1、霍尔传感器的工作原理（1）霍尔效应

bIdUHfEvfl图4-35霍尔效应原理图B（4-40）

当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑兹力的作用，向内侧偏移，在半导体薄片c、d方向的端面之间建立起霍尔电势。cdab（2）霍尔效应输出电压表达式推导

洛伦兹力正负电极之间形成电势为霍尔电势。（4-41）（4-42）（4-43）（4-44）T1：提高灵敏度的措施？T2：为何用半导体材料做霍尔元件？（4-45）（4-46）霍尔集成电路RW调节控制电流的大小。RL为负载电阻，可以是放大器的内阻或指示器内阻。霍尔效应建立的时间极短（10-12～10-14S），I、即可以是直流，也可以是交流。图4-36霍尔元件基本电路2、霍尔元件基本电路3、霍尔元件的误差与补偿产生误差的原因：一是制作工艺、制作水平的限制。二是外界温度的影响。（1）不等位电势U0及其补偿

B=0，I≠0，UH=U0≠0。U0为不等位电势。现象产生原因：①霍尔电极、激励电极焊接问题。②材料不均匀。结果等效的极间电阻R1、R2、R3、R4不相等。不等位电势补偿方法：在阻值较大的桥臂上并联电阻，或在两个桥臂上同时并联电阻,使R1R4=R2R3

。宏观上使灵敏度系数KH及霍尔元件内阻Ri变化。（2）霍尔元件温度误差及补偿

当温度变化时,霍尔元件的载流子浓度n、迁移率μ、电阻率ρ及系数KH都将发生变化,致使霍尔电动势变化，产生温度误差。温度误差产生原因温度误差影响结果（4-47）（4-48）恒流源：B、I一定，KHt变化，UH变化；恒压源：B、Ui一定时，Rit变化，I变化，UH亦变化。温度变化时对测量结果的影响采用恒流源供电和输入回路并联电阻补偿思想补偿方法H图4-38并联电阻温度补偿电路温度时温度为t时为了使霍尔电势不随温度而变化，必须保证（4-49）（4-50）（4-51）（4-52）4、霍尔元件的类型（1）线性霍尔元件图4-39线性霍尔元件电路图4-40开关型霍尔集成电路的外形及内部电路（2）开关型霍尔元件5、霍尔式传感器的应用（1）霍尔式位移传感器①霍尔元件右移,Δx>0，合成磁感应强度B向上,B≠0，UH>0②霍尔元件左移，Δx<0，合成磁感应强度B向下,B≠0，UH<0。图4-41霍尔位移传感器电路（2）电流传感器