測(cè)試技術(shù)與信號(hào)處理(中國(guó)礦大)第四章_信號(hào)的獲取

1、第四章 信號(hào)的獲取本章內(nèi)容及要求本章內(nèi)容及要求 主要內(nèi)容主要內(nèi)容: :幾種常用參數(shù)型傳感器和發(fā)電型傳幾種常用參數(shù)型傳感器和發(fā)電型傳感器的工作原理、用途和特點(diǎn)感器的工作原理、用途和特點(diǎn); ;部分傳感器的部分傳感器的后續(xù)電路后續(xù)電路; ;智能傳感器的基本知識(shí)智能傳感器的基本知識(shí) 本章要求本章要求: :掌握參數(shù)型傳感器和發(fā)電型傳感器掌握參數(shù)型傳感器和發(fā)電型傳感器的工作原理、用途和特點(diǎn)。了解傳感器的后續(xù)的工作原理、用途和特點(diǎn)。了解傳感器的后續(xù)電路和智能傳感器的基本知識(shí)電路和智能傳感器的基本知識(shí) 本章重點(diǎn)本章重點(diǎn): :掌握參數(shù)型傳感器和發(fā)電型傳感器掌握參數(shù)型傳感器和發(fā)電型傳感器的工作原理、用途和特點(diǎn)。的

2、工作原理、用途和特點(diǎn)。 第一節(jié)第一節(jié) 概述概述 傳感器傳感器: : 將一種信號(hào)變?yōu)榱硪环N信號(hào)的器件。將一種信號(hào)變?yōu)榱硪环N信號(hào)的器件。 如機(jī)如機(jī)電、熱電、熱電、聲電、聲電；電； 或機(jī)或機(jī)光、熱光、熱光、光光、光電；電； 傳感器（本課程）傳感器（本課程）: :能夠感知被測(cè)量并按一定規(guī)能夠感知被測(cè)量并按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置。律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置。一一.傳感器及其作用傳感器及其作用 n傳感器是人類感官的延伸傳感器是人類感官的延伸a a視覺(jué)與光傳感器；視覺(jué)與光傳感器；b b聽(tīng)覺(jué)與聲壓傳感器聽(tīng)覺(jué)與聲壓傳感器; ;c c觸覺(jué)與溫度和壓力傳感器；觸覺(jué)與溫度和壓力傳感器；d d嗅覺(jué)

3、與氣敏傳感器；嗅覺(jué)與氣敏傳感器； n 現(xiàn)代測(cè)控系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。現(xiàn)代測(cè)控系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。傳感器的組成：傳感器的組成：敏感元件敏感元件傳感元件傳感元件測(cè)量電路測(cè)量電路被測(cè)量被測(cè)量電量電量敏感元件：直接感知被測(cè)量，并按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換為與被測(cè)量有敏感元件：直接感知被測(cè)量，并按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換為與被測(cè)量有確定關(guān)系的其他量的元器件。確定關(guān)系的其他量的元器件。 傳感元件：將敏感元件的輸出轉(zhuǎn)換為電量的元器件。傳感元件：將敏感元件的輸出轉(zhuǎn)換為電量的元器件。測(cè)量電路：將傳感元件的輸出做進(jìn)一步處理，又稱二次儀表測(cè)量電路：將傳感元件的輸出做進(jìn)一步處理，又稱二次儀表。分類分類按輸入量分按輸入量分 按輸出量分按輸出量分 測(cè)力傳

4、感器測(cè)力傳感器 位移傳感器位移傳感器 溫度傳感器溫度傳感器 參數(shù)型（電阻，電容，電感）參數(shù)型（電阻，電容，電感）發(fā)電式（壓電，磁電，光電）發(fā)電式（壓電，磁電，光電） 二、傳感器的分類二、傳感器的分類 帶液晶顯示壓力傳感器帶液晶顯示壓力傳感器壓力傳感器壓力傳感器超聲波物位傳感器超聲波物位傳感器JWC溫度傳感器溫度傳感器 測(cè)力測(cè)力/稱重傳感器稱重傳感器 扭矩傳感器扭矩傳感器 直滑式導(dǎo)電塑料電位器直滑式導(dǎo)電塑料電位器紅外測(cè)溫儀紅外測(cè)溫儀 第二節(jié)第二節(jié) 參數(shù)型傳感器參數(shù)型傳感器一、電阻式傳感器一、電阻式傳感器 工作原理：工作原理：將被測(cè)物理量轉(zhuǎn)化為電路參數(shù)將被測(cè)物理量轉(zhuǎn)化為電路參數(shù) （電阻、電容、電感

5、（電阻、電容、電感 ）。）。原理：把被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換為電阻值的變化。原理：把被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換為電阻值的變化。 常用于測(cè)量物體的受力和機(jī)械變形。常用于測(cè)量物體的受力和機(jī)械變形。特點(diǎn)：特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定，使用方便。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定，使用方便。 分辨力低，噪聲大分辨力低，噪聲大。測(cè)量直線位移的電位計(jì)測(cè)量直線位移的電位計(jì) 測(cè)量應(yīng)變的電阻應(yīng)變片測(cè)量應(yīng)變的電阻應(yīng)變片 熱線風(fēng)速計(jì)熱線風(fēng)速計(jì) 應(yīng)變式應(yīng)變式流體壓力流體壓力傳感器傳感器1 1、電阻應(yīng)變片的工作原理、電阻應(yīng)變片的工作原理金屬電阻應(yīng)變式金屬電阻應(yīng)變式 電阻應(yīng)變片電阻應(yīng)變片半導(dǎo)體應(yīng)變式半導(dǎo)體應(yīng)變式（1）應(yīng)變效應(yīng)應(yīng)變效應(yīng) 電阻絲在外力的作用下發(fā)生

6、變形，其電阻電阻絲在外力的作用下發(fā)生變形，其電阻值發(fā)生變化的現(xiàn)象。值發(fā)生變化的現(xiàn)象。FlR：導(dǎo)體的電阻率：導(dǎo)體的電阻率mm2/m；l：電阻絲的長(zhǎng)度：電阻絲的長(zhǎng)度mF：電阻絲的橫截面面積：電阻絲的橫截面面積mm2。 應(yīng)變片結(jié)構(gòu)應(yīng)變片結(jié)構(gòu) 設(shè)一根電阻絲，未受力時(shí)的原始電阻值：設(shè)一根電阻絲，未受力時(shí)的原始電阻值：2rlFlR當(dāng)受到外力當(dāng)受到外力F作用，其作用，其R的變化：的變化：)2(2232drdrldlRdrldrrldlrdRdrrRdllRdR電阻的相對(duì)變化為電阻的相對(duì)變化為 drdrldlRdR2為材料彈性摸量。）為正應(yīng)力；為壓阻系數(shù)；（EL縱向應(yīng)變ldlrdr為泊松系數(shù)橫向應(yīng)變EdLL電

7、阻率相對(duì)變化電阻的相對(duì)變化為電阻的相對(duì)變化為 幾何尺寸變化引起幾何尺寸變化引起材料導(dǎo)電率因材料導(dǎo)電率因材料變形引起材料變形引起ERdRL)21 (EL)21 ()21 ( RdR所以（2）金屬電阻應(yīng)變片）金屬電阻應(yīng)變片常量靈敏度21RdRS工作原理工作原理 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)絲式、箔式絲式、箔式a絲式絲式b箔式箔式（3）半導(dǎo)體半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片電阻應(yīng)變片 工作原理工作原理壓阻效應(yīng)壓阻效應(yīng) 單晶半導(dǎo)體材料在沿某一軸向受到外力作用時(shí)，單晶半導(dǎo)體材料在沿某一軸向受到外力作用時(shí)， 其電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象。其電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象。EL)21 (ERdRSERdRLL靈敏度所以 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體敏感柵內(nèi)引線焊接端外引線

8、膠膜襯底（4）電阻應(yīng)變片的主要特性）電阻應(yīng)變片的主要特性 橫向效應(yīng)：橫向變形引起的電阻值的減小橫向效應(yīng)：橫向變形引起的電阻值的減小 量對(duì)于軸向力引起的電阻值的量對(duì)于軸向力引起的電阻值的 增加量的影響。增加量的影響。 dRdRdldldRdRdS靈敏度系數(shù)：靈敏度系數(shù)：機(jī)械滯后：在一定溫度下，在增加和減小機(jī)械滯后：在一定溫度下，在增加和減小 機(jī)械應(yīng)變過(guò)程中同一機(jī)械應(yīng)變機(jī)械應(yīng)變過(guò)程中同一機(jī)械應(yīng)變 量下，指示應(yīng)變的最大差值。量下，指示應(yīng)變的最大差值。指示應(yīng)變指示應(yīng)變機(jī)械應(yīng)變機(jī)械應(yīng)變機(jī)械滯后機(jī)械滯后溫度效應(yīng)溫度效應(yīng):由溫度引起的由溫度引起的虛假應(yīng)變。虛假應(yīng)變。(5)(5)電阻式傳感器的應(yīng)用電阻式傳感器

9、的應(yīng)用測(cè)位移測(cè)位移測(cè)測(cè) 力力2 2電阻應(yīng)變片的誤差及其補(bǔ)償電阻應(yīng)變片的誤差及其補(bǔ)償 （1 1）由溫度引起的虛假應(yīng)變：由溫度引起的虛假應(yīng)變： 應(yīng)變片本身電阻隨溫度的變化引起：應(yīng)變片本身電阻隨溫度的變化引起：TRRfTR T因溫度變化而引起的電阻變化數(shù)值因溫度變化而引起的電阻變化數(shù)值; f應(yīng)變合金的電阻溫度系數(shù)。應(yīng)變合金的電阻溫度系數(shù)。 T溫度的變化度數(shù)。溫度的變化度數(shù)。STSRRfTT1:折算為應(yīng)變 應(yīng)變絲與基底線脹系數(shù)不一致引起：應(yīng)變絲與基底線脹系數(shù)不一致引起： 應(yīng)變絲由于溫度變化引起的相對(duì)伸長(zhǎng)為應(yīng)變絲由于溫度變化引起的相對(duì)伸長(zhǎng)為 TaLLggT 基底由于溫度變化引起的相對(duì)伸長(zhǎng)為基底由于溫度變

10、化引起的相對(duì)伸長(zhǎng)為 TaLLbbTg，b分別為電阻絲與基底的線脹系數(shù)，即單位分別為電阻絲與基底的線脹系數(shù)，即單位溫度變化引起的相對(duì)長(zhǎng)度變化溫度變化引起的相對(duì)長(zhǎng)度變化 ,時(shí)當(dāng)bgaa 引起一附加應(yīng)變：引起一附加應(yīng)變： TaaLLLLbgbTgTL)(TaaTSSRRbgfT)()(總的虛假應(yīng)變：（2 2）補(bǔ)償方法）補(bǔ)償方法 溫度修正法溫度修正法: 預(yù)先作溫度預(yù)先作溫度應(yīng)變變化曲線，使用時(shí)在特定應(yīng)變變化曲線，使用時(shí)在特定溫度下查找變化值作相應(yīng)修正。溫度下查找變化值作相應(yīng)修正。 參數(shù)補(bǔ)償法參數(shù)補(bǔ)償法: : 應(yīng)變絲由兩種應(yīng)變絲由兩種正負(fù)不正負(fù)不同溫度系數(shù)的材料同溫度系數(shù)的材料組成組成。n 局部補(bǔ)償局部

11、補(bǔ)償n 相互補(bǔ)償法相互補(bǔ)償法使引起溫度誤差的兩項(xiàng)值總的效果達(dá)到抵消。使引起溫度誤差的兩項(xiàng)值總的效果達(dá)到抵消。 0)(1TaaTSbgfSaafbg使所選各部分參數(shù)滿足：使所選各部分參數(shù)滿足： 電路補(bǔ)償法（在第四章講解）電路補(bǔ)償法（在第四章講解） 二、電容式傳感器二、電容式傳感器 1 1、工作原理與結(jié)構(gòu)、工作原理與結(jié)構(gòu) 工作原理工作原理: :將被測(cè)量的變將被測(cè)量的變化化轉(zhuǎn)換成電容的變化。轉(zhuǎn)換成電容的變化。兩平行平面導(dǎo)體之間的電容量為兩平行平面導(dǎo)體之間的電容量為 SCr0rr極板間介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)極板間介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù); ;0 0真空中的介電常數(shù)真空中的介電常數(shù) 0 0=8.854=8.854

12、1010-12-12F/m;F/m; S S兩極板間相互覆蓋面積兩極板間相互覆蓋面積mm2 2;兩極板之間的距離兩極板之間的距離mm。),(SfCrSCr0dSdCr20兩邊微分：(1)極距變化型極距變化型變極距變極距電容傳感器特性曲線電容傳感器特性曲線（常量）時(shí)僅當(dāng)2000:1SSr（變量）靈敏度：2020020020)1 ()(SSSddCSrrr差動(dòng)式差動(dòng)式單差動(dòng)SSCSSCCCrrba2.)(1 220000000差動(dòng)電容特性差動(dòng)電容特性曲線曲線測(cè)轉(zhuǎn)速測(cè)轉(zhuǎn)速(2)面積變化型面積變化型變面積型電容傳感元件變面積型電容傳感元件 ACr0角位移型角位移型+平面線位移型平面線位移型柱面線位移型

13、柱面線位移型. .dSdCr00兩邊微分：常數(shù)）(00rdSdCSn輸入輸出成線性關(guān)系；輸入輸出成線性關(guān)系；n靈敏度相對(duì)較小；靈敏度相對(duì)較?。籲適用于較大直線位移及角位移的測(cè)量。適用于較大直線位移及角位移的測(cè)量。特點(diǎn)：特點(diǎn)：(3)介質(zhì)變化型介質(zhì)變化型變介電常數(shù)電容傳感元件變介電常數(shù)電容傳感元件 n 介質(zhì)溫度，濕度或介質(zhì)溫度，濕度或 厚度測(cè)量；厚度測(cè)量；n 液位測(cè)量液位測(cè)量。 電容式傳感元件具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度電容式傳感元件具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度高、動(dòng)態(tài)性能好以及非接觸測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，所高、動(dòng)態(tài)性能好以及非接觸測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，所以在工程技術(shù)方面，特別是在微小尺寸變化以在工程技術(shù)方面，特別是在微小尺寸變化測(cè)

14、量方面得到廣泛的應(yīng)用。測(cè)量方面得到廣泛的應(yīng)用。 2、特點(diǎn)、特點(diǎn):（1）測(cè)速度、加速度）測(cè)速度、加速度3、電容式傳感器的應(yīng)用、電容式傳感器的應(yīng)用（2）電容傳聲器）電容傳聲器P2玻璃盤(pán)鍍金屬層金屬膜片C2電極引線p1C1陶瓷電容壓力傳感器陶瓷電容壓力傳感器 液體壓力液體壓力作用在陶作用在陶瓷膜片的瓷膜片的表面，使表面，使膜片產(chǎn)生膜片產(chǎn)生 位移。位移。 壓力變送器壓力變送器（3）電容壓力傳感器）電容壓力傳感器（4）電容式接近開(kāi)關(guān)）電容式接近開(kāi)關(guān)振蕩電路振蕩電路被測(cè)物體被測(cè)物體 感應(yīng)電極感應(yīng)電極被測(cè)電容被測(cè)電容測(cè)量頭構(gòu)成電容器的一個(gè)極板，測(cè)量頭構(gòu)成電容器的一個(gè)極板，另一個(gè)極板是物體本身，當(dāng)物體另一個(gè)極

15、板是物體本身，當(dāng)物體移向接近開(kāi)關(guān)時(shí)，物體和接近開(kāi)移向接近開(kāi)關(guān)時(shí)，物體和接近開(kāi)關(guān)的介電常數(shù)發(fā)生變化，使得和關(guān)的介電常數(shù)發(fā)生變化，使得和測(cè)量頭相連的電路狀態(tài)也隨之發(fā)測(cè)量頭相連的電路狀態(tài)也隨之發(fā)生變化生變化. .接近開(kāi)關(guān)的檢測(cè)物體，接近開(kāi)關(guān)的檢測(cè)物體，并不限于金屬導(dǎo)體，也可以是絕并不限于金屬導(dǎo)體，也可以是絕緣的液體或粉狀物體。緣的液體或粉狀物體。電容式液位傳感器（液位計(jì)電容式液位傳感器（液位計(jì)/ /料位計(jì)）料位計(jì)）（5）液位測(cè)量）液位測(cè)量三、電感式傳感器三、電感式傳感器 電感式傳感器是把被測(cè)物理量如位移、力等參電感式傳感器是把被測(cè)物理量如位移、力等參量轉(zhuǎn)化成自感量轉(zhuǎn)化成自感L L、互感、互感M M變

16、化的一種傳感器。變化的一種傳感器。類型類型互感式互感式渦流式渦流式自感式自感式氣隙型氣隙型截面型截面型螺管型螺管型差動(dòng)變壓器式差動(dòng)變壓器式（一）（一）自感式傳感元件自感式傳感元件 根據(jù)電磁感應(yīng)原理根據(jù)電磁感應(yīng)原理:mRNL2Rm磁路總磁阻磁路總磁阻H-1 N 線圈匝數(shù)線圈匝數(shù) 0012SSlRniiiim假設(shè)氣隙磁場(chǎng)是均勻則1、工作原理、工作原理 li各段鐵芯和銜鐵的長(zhǎng)度各段鐵芯和銜鐵的長(zhǎng)度m;i各段鐵芯和銜鐵的導(dǎo)磁率各段鐵芯和銜鐵的導(dǎo)磁率H/m; S i各段鐵芯和銜鐵的導(dǎo)磁面積各段鐵芯和銜鐵的導(dǎo)磁面積m2， 氣隙厚度氣隙厚度m;0氣隙中的空氣導(dǎo)磁率氣隙中的空氣導(dǎo)磁率0=410-7H/m S0

17、氣隙導(dǎo)磁橫截面積氣隙導(dǎo)磁橫截面積m2。 0002SRm2002SNLmRNL2自感式位移傳感元件自感式位移傳感元件 ),(,00SfLN為常數(shù)，當(dāng)2002SNL（變量）靈敏度：2002200222SNSdSNdL202)(11S(1)變氣隙型變氣隙型n 線性范圍小線性范圍小 上式和下圖表明，電感量上式和下圖表明，電感量L L與氣隙長(zhǎng)度與氣隙長(zhǎng)度成反比，成反比， / /00增大，非線性增大。但是當(dāng)增大，非線性增大。但是當(dāng) = =(0.10.2)(0.10.2)00時(shí)，可時(shí)，可近似認(rèn)為二者成線性關(guān)系。這種形式的傳感器線性范圍小，近似認(rèn)為二者成線性關(guān)系。這種形式的傳感器線性范圍小，適合測(cè)微位移。適合

18、測(cè)微位移。n 靈敏度較高靈敏度較高（相對(duì)其它形式）：（相對(duì)其它形式）：越小，越小，靈敏度越高，但靈敏度越高，但的減小受的減小受工藝和結(jié)構(gòu)的限制，一般工藝和結(jié)構(gòu)的限制，一般初始初始0取取0.10.5mm,=(0.10.2)0。特點(diǎn)：特點(diǎn)：L 0 0oL0L0 LL0 L圖圖 變隙式電壓傳感器的變隙式電壓傳感器的L-特性特性（常量）一定時(shí)，當(dāng)20200NSLSSL(2)變截面型變截面型n 線性范圍較大線性范圍較大 由由 知，在忽略氣隙磁通邊緣效應(yīng)的條件下，輸知，在忽略氣隙磁通邊緣效應(yīng)的條件下，輸出呈線性。（注：出呈線性。（注：S為為0時(shí)，時(shí)，L不為不為0；S較大時(shí)，磁路飽和，較大時(shí)，磁路飽和，L不

19、不再線性增加。）再線性增加。）n 靈敏度不高靈敏度不高 欲提高靈敏度，需減小欲提高靈敏度，需減小，但，但的減小同樣受到工藝和結(jié)構(gòu)的的減小同樣受到工藝和結(jié)構(gòu)的限制，限制，值的選取與變氣隙式相同。值的選取與變氣隙式相同。202SWL 特點(diǎn)：特點(diǎn)：(3)螺管式螺管式線圈銜鐵x工作原理：銜鐵插入深度變化工作原理：銜鐵插入深度變化=線圈泄漏路徑中磁阻變化線圈泄漏路徑中磁阻變化=L變化變化n 線性范圍最大；從磁通分布看，只要滿足主磁通不變線性范圍最大；從磁通分布看，只要滿足主磁通不變與線圈繞組排列均勻的條件，可得到較大的線性范圍。與線圈繞組排列均勻的條件，可得到較大的線性范圍。n 靈敏度最低：氣隙大，磁路

20、磁阻大，故靈敏度低。欲靈敏度最低：氣隙大，磁路磁阻大，故靈敏度低。欲提高靈敏度：可減小氣隙，增加匝數(shù)，但受到結(jié)構(gòu)與非提高靈敏度：可減小氣隙，增加匝數(shù)，但受到結(jié)構(gòu)與非線性的限制。線性的限制。n 線圈分布電容大、銅損耗大、溫度穩(wěn)定性較差；原因：線圈分布電容大、銅損耗大、溫度穩(wěn)定性較差；原因：磁阻大，為達(dá)到移動(dòng)電感量，需要的線圈匝數(shù)多。磁阻大，為達(dá)到移動(dòng)電感量，需要的線圈匝數(shù)多。特點(diǎn)：特點(diǎn)： 變間隙：靈敏度最高，且靈敏度隨氣隙的增大而減變間隙：靈敏度最高，且靈敏度隨氣隙的增大而減??；非線性誤差大，量程有限而且較小，傳感器制作裝?。环蔷€性誤差大，量程有限而且較小，傳感器制作裝配比較困難。配比較困難。

21、變面積：靈敏度比變間隙型小，理論靈敏度為一常變面積：靈敏度比變間隙型小，理論靈敏度為一常數(shù)，因而線性度好，量程較大。數(shù)，因而線性度好，量程較大。 螺管型：量程大，靈敏度低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于制作，螺管型：量程大，靈敏度低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于制作，因而應(yīng)用廣泛。因而應(yīng)用廣泛。三種電感式傳感器的比較：三種電感式傳感器的比較：2 2、差動(dòng)式、差動(dòng)式 無(wú)論氣隙型還是螺管型都可做成差動(dòng)結(jié)。差動(dòng)電感無(wú)論氣隙型還是螺管型都可做成差動(dòng)結(jié)。差動(dòng)電感傳感器的結(jié)構(gòu)要求兩導(dǎo)磁體尺寸性能完全相同，同時(shí)兩傳感器的結(jié)構(gòu)要求兩導(dǎo)磁體尺寸性能完全相同，同時(shí)兩個(gè)線圈的電氣參數(shù)、幾何尺寸也完全相同。個(gè)線圈的電氣參數(shù)、幾何尺寸也完全相同。s

22、UL1L2RoRooU122131鐵芯；2線圈；3銜鐵差動(dòng)式電感傳感器差動(dòng)式電感傳感器UsrUscUsrUscUinUo 30021302000022302000011022.1.1,LLLLLLLLLLLLL電感為：電感為：時(shí)，則當(dāng)銜鐵上移傳感器的初始電感量為可見(jiàn)：偶次非線性項(xiàng)被消除，非線性得到改善；靈敏度提高一倍?？梢?jiàn)：偶次非線性項(xiàng)被消除，非線性得到改善；靈敏度提高一倍。n線性得到改善線性得到改善n靈敏度提高一倍靈敏度提高一倍與單線圈相比，有下列優(yōu)點(diǎn)：與單線圈相比，有下列優(yōu)點(diǎn)： (二二) 互感式傳感器互感式傳感器 1工作原理與結(jié)構(gòu)工作原理與結(jié)構(gòu) 互感式傳感器：將被測(cè)量的物理量如力、位互感式

23、傳感器：將被測(cè)量的物理量如力、位移移 等轉(zhuǎn)換等轉(zhuǎn)換 成互感系數(shù)的一種傳感成互感系數(shù)的一種傳感 器。又稱為變壓器式傳感器。器。又稱為變壓器式傳感器。原邊線圈原邊線圈 副邊線圈副邊線圈 dtdiMe121根據(jù)變壓器的原理可知，當(dāng)原邊通過(guò)一交變根據(jù)變壓器的原理可知，當(dāng)原邊通過(guò)一交變電流電流i1時(shí)，在副邊上感生感應(yīng)電勢(shì)。時(shí)，在副邊上感生感應(yīng)電勢(shì)。 121IMjE 副邊感應(yīng)電勢(shì)相量副邊感應(yīng)電勢(shì)相量; 原邊交變電流相量原邊交變電流相量;工作交變電流角頻率工作交變電流角頻率;M互感系數(shù)?；ジ邢禂?shù)。21E1I 如原邊所施加的電勢(shì)、工作頻率、原邊線圈參數(shù)等確如原邊所施加的電勢(shì)、工作頻率、原邊線圈參數(shù)等確定的情況

24、下，副邊感生電勢(shì)是互感系數(shù)定的情況下，副邊感生電勢(shì)是互感系數(shù)M的單值函數(shù)。的單值函數(shù)。 E1E21等效電路等效電路1111LjREIMLjREjE11121M大小與銜鐵位置、線圈結(jié)構(gòu)等因素有關(guān)。大小與銜鐵位置、線圈結(jié)構(gòu)等因素有關(guān)。螺管式螺管式差動(dòng)變壓器差動(dòng)變壓器 輸出的總電勢(shì)為輸出的總電勢(shì)為 12122212)(IMMjEEEMLjREjIMMjE2)(1112120,021EMMM當(dāng)銜鐵處于中央位置時(shí) ： 當(dāng)銜鐵向上運(yùn)動(dòng)： 12MM0212212EEEMj I 當(dāng)銜鐵向下運(yùn)動(dòng)： 12MM0212212EEEMj I 電感式壓力傳感器電感式壓力傳感器（三）（三） 渦流式傳感器渦流式傳感器 電渦

25、流：電渦流：金屬導(dǎo)體置于變化的磁場(chǎng)中，導(dǎo)體金屬導(dǎo)體置于變化的磁場(chǎng)中，導(dǎo)體內(nèi)就會(huì)有感應(yīng)電流產(chǎn)生，這種電流的流線在內(nèi)就會(huì)有感應(yīng)電流產(chǎn)生，這種電流的流線在金屬體內(nèi)自行閉合，呈渦漩狀。金屬體內(nèi)自行閉合，呈渦漩狀。渦流效應(yīng)：渦流效應(yīng)：電渦流的產(chǎn)生消耗一部分磁場(chǎng)能電渦流的產(chǎn)生消耗一部分磁場(chǎng)能量，從而使激勵(lì)線圈的阻抗發(fā)生變化的現(xiàn)象。量，從而使激勵(lì)線圈的阻抗發(fā)生變化的現(xiàn)象。工作原理工作原理與結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu) 線圈的阻抗變化與金屬導(dǎo)體的幾何形線圈的阻抗變化與金屬導(dǎo)體的幾何形狀、電導(dǎo)率、導(dǎo)磁率、線圈的幾何參數(shù)、狀、電導(dǎo)率、導(dǎo)磁率、線圈的幾何參數(shù)、激勵(lì)電流的頻率及線圈到被測(cè)金屬導(dǎo)體的激勵(lì)電流的頻率及線圈到被測(cè)金屬導(dǎo)體的距

26、離等參數(shù)有關(guān)。距離等參數(shù)有關(guān)。)(),(dfZdfZ渦流傳感器渦流傳感器線圈線圈框架框架電纜電纜外殼外殼插頭插頭渦流傳感器結(jié)構(gòu)圖渦流傳感器結(jié)構(gòu)圖（四）電感式傳感器的應(yīng)用（四）電感式傳感器的應(yīng)用測(cè)位移測(cè)位移電感測(cè)微儀電感測(cè)微儀電感式接近傳感器（金屬）電感式接近傳感器（金屬）板的厚度測(cè)量板的厚度測(cè)量 張力測(cè)量張力測(cè)量測(cè)轉(zhuǎn)速測(cè)轉(zhuǎn)速分）轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn)齒數(shù)/)(60NZHzfZfN渦流式傳感器渦流式傳感器板材厚度測(cè)量板材厚度測(cè)量軸振動(dòng)測(cè)量軸振動(dòng)測(cè)量連續(xù)油管的橢圓度測(cè)量連續(xù)油管的橢圓度測(cè)量Coiled TubeEddy Sensor Reference Circle無(wú)損探傷無(wú)損探傷原理裂紋檢測(cè)，缺陷造成渦流變化

27、。火車輪檢測(cè)火車輪檢測(cè)油管檢測(cè)油管檢測(cè)1 1、振動(dòng)，偏心，裂紋，同心度、振動(dòng)，偏心，裂紋，同心度 2 2、位移，移動(dòng)，位置，膨脹、位移，移動(dòng)，位置，膨脹 3 3、撓度，變形，波動(dòng)，傾斜、撓度，變形，波動(dòng)，傾斜 4 4、尺寸，公差，分選，零件識(shí)別、尺寸，公差，分選，零件識(shí)別 5 5、沖擊，應(yīng)變，軸向振動(dòng)、沖擊，應(yīng)變，軸向振動(dòng) 6 6、軸承振動(dòng)，油膜間隙，磨擦，、軸承振動(dòng)，油膜間隙，磨擦，偏心偏心 第三節(jié)第三節(jié) 發(fā)電型傳感器發(fā)電型傳感器 發(fā)電型傳感器：將被測(cè)物理量轉(zhuǎn)化為電源發(fā)電型傳感器：將被測(cè)物理量轉(zhuǎn)化為電源性參數(shù)的傳感器。性參數(shù)的傳感器。磁電式傳感器磁電式傳感器壓電式傳感器壓電式傳感器熱電偶熱電

28、偶一、磁電式傳感器一、磁電式傳感器-將被測(cè)機(jī)械量轉(zhuǎn)化為感應(yīng)電勢(shì)將被測(cè)機(jī)械量轉(zhuǎn)化為感應(yīng)電勢(shì) 1、工作原理工作原理 對(duì)一個(gè)匝數(shù)為對(duì)一個(gè)匝數(shù)為N的線圈，當(dāng)穿過(guò)它的磁通量的線圈，當(dāng)穿過(guò)它的磁通量發(fā)生變化時(shí)，線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)：發(fā)生變化時(shí)，線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)：dtdNe 的變化，如磁鐵與線圈之間作切割磁力線運(yùn)動(dòng)、的變化，如磁鐵與線圈之間作切割磁力線運(yùn)動(dòng)、磁路中磁阻變化等。磁路中磁阻變化等。 動(dòng)圈式動(dòng)圈式磁阻式磁阻式磁電式傳感器按結(jié)構(gòu)磁電式傳感器按結(jié)構(gòu)2.2.動(dòng)圈式磁電傳感器動(dòng)圈式磁電傳感器線速度型線速度型 線圈作直線運(yùn)動(dòng)，它所產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)線圈作直線運(yùn)動(dòng)，它所產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)sinsinNBlvdtd

29、xNBleB磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度（T）； l單匝線圈有效長(zhǎng)度（m）；v 線圈與磁場(chǎng)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度（m/s）；線圈運(yùn)動(dòng)方向與磁場(chǎng)方向的夾角。 當(dāng)傳感器結(jié)構(gòu)一定，即當(dāng)傳感器結(jié)構(gòu)一定，即 N、B 和和均為常數(shù)，感均為常數(shù)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與線圈運(yùn)動(dòng)速度應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與線圈運(yùn)動(dòng)速度v成正比。成正比。sinsinNBlvdtdxNBle動(dòng)圈式傳感器動(dòng)圈式傳感器 線速度型線速度型 角速度型角速度型 線圈作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，其上產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)線圈作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，其上產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)KNBAe 當(dāng)當(dāng) N 、B、A和和K（傳感器結(jié)構(gòu)已定）均為（傳感器結(jié)構(gòu)已定）均為常數(shù)時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與角速度成正比。常數(shù)時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與角速度成正比。 K與

30、結(jié)構(gòu)有關(guān)的系數(shù)，與結(jié)構(gòu)有關(guān)的系數(shù)，K1；線圈與磁場(chǎng)相對(duì)角速度（線圈與磁場(chǎng)相對(duì)角速度（rad/s）；）；A單匝線圈的截面積（單匝線圈的截面積（m2）。）。角速度型角速度型測(cè)速電機(jī)測(cè)速電機(jī)3 3、磁阻式磁電傳感器、磁阻式磁電傳感器改變磁路的磁阻，改變磁通，產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。改變磁路的磁阻，改變磁通，產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。磁電式傳感器1壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)和逆和逆壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)二、壓電式傳感器二、壓電式傳感器 某些晶體電介質(zhì)材料，在一定方向上對(duì)其某些晶體電介質(zhì)材料，在一定方向上對(duì)其施加施加外力外力使之變形，在其表面將使之變形，在其表面將產(chǎn)生電荷產(chǎn)生電荷，去掉外力，去掉外力，電荷消失；反之，在其表面電荷消失；反

31、之，在其表面施加電場(chǎng)施加電場(chǎng)，將產(chǎn)生，將產(chǎn)生機(jī)械機(jī)械變形。變形。2壓電材料壓電材料n 壓電晶體壓電晶體n 壓電半導(dǎo)體壓電半導(dǎo)體n 壓電陶瓷壓電陶瓷n 有機(jī)高分子壓電材料有機(jī)高分子壓電材料壓電晶體高分子壓電材料壓電陶瓷以石英晶體為例：3、工作原理、工作原理xzy光軸機(jī)械軸電軸電軸：電軸：x x軸，垂直于此軸的面上壓電效應(yīng)最強(qiáng)。軸，垂直于此軸的面上壓電效應(yīng)最強(qiáng)。機(jī)械軸：機(jī)械軸：y y軸，電場(chǎng)沿軸，電場(chǎng)沿x x軸作用時(shí)，沿軸作用時(shí)，沿y y軸的機(jī)械變軸的機(jī)械變 形最大。形最大。光軸：光軸：z z軸，光沿該軸通過(guò)石英晶體時(shí)，無(wú)折射，軸，光沿該軸通過(guò)石英晶體時(shí)，無(wú)折射， 在此方向施加外力，無(wú)壓電效應(yīng)。在

32、此方向施加外力，無(wú)壓電效應(yīng)。 當(dāng)石英晶體未受外力作用時(shí)當(dāng)石英晶體未受外力作用時(shí), 正、負(fù)離子正正、負(fù)離子正好分布在正六邊形的頂角上好分布在正六邊形的頂角上, 形成三個(gè)互成形成三個(gè)互成120夾角的電偶極矩夾角的電偶極矩P1、 P2、P3, P1+P2+P3 = 0, 所所以晶體表面不產(chǎn)生電荷以晶體表面不產(chǎn)生電荷, 即呈中性。即呈中性。 當(dāng)石英晶體當(dāng)石英晶體受到沿受到沿x x軸方向的壓力作用軸方向的壓力作用時(shí)時(shí), , 晶體沿晶體沿x x方向?qū)a(chǎn)生壓縮變形方向?qū)a(chǎn)生壓縮變形, ,正負(fù)電荷重心不再重合正負(fù)電荷重心不再重合, ,在在x x軸軸的正方向出現(xiàn)正電荷的正方向出現(xiàn)正電荷, , 電偶極矩在電偶極矩

33、在y y方向上的分量仍為方向上的分量仍為零零, , 不出現(xiàn)電荷。不出現(xiàn)電荷。 當(dāng)晶體受到當(dāng)晶體受到沿沿y y軸方向的壓力作用軸方向的壓力作用時(shí)時(shí), ,在在x x軸上出軸上出現(xiàn)電荷現(xiàn)電荷, ,它的極性為它的極性為x x軸正向?yàn)樨?fù)電荷。在軸正向?yàn)樨?fù)電荷。在y y軸方向上軸方向上不出現(xiàn)電荷。不出現(xiàn)電荷。 如果如果沿沿z z軸方向施加作用力軸方向施加作用力, , 因?yàn)榫w在因?yàn)榫w在x x方向方向和和y y方向所產(chǎn)生的形變完全相同方向所產(chǎn)生的形變完全相同, , 所以正負(fù)電荷重心所以正負(fù)電荷重心保持重合保持重合, , 電偶極矩矢量和等于零。這表明沿電偶極矩矢量和等于零。這表明沿z z軸方軸方向施加作用力

34、向施加作用力, , 晶體不會(huì)產(chǎn)生壓電效應(yīng)。晶體不會(huì)產(chǎn)生壓電效應(yīng)。 xFDq11yFDq22縱向效應(yīng)縱向效應(yīng)：橫向效應(yīng)橫向效應(yīng)：切向效應(yīng)：切向效應(yīng)：FDq33xyFx+ + + +- - - - - -FxxyFy+ + + + +- - - - - - -FyFy+ + + + +- - - - - - -Fy4、等效電路等效電路 在壓電晶片的兩個(gè)工作面上進(jìn)行蒸鍍，形成金屬膜，在壓電晶片的兩個(gè)工作面上進(jìn)行蒸鍍，形成金屬膜，構(gòu)成兩個(gè)電極。當(dāng)金屬片受力時(shí)，在晶片兩表面出現(xiàn)數(shù)構(gòu)成兩個(gè)電極。當(dāng)金屬片受力時(shí)，在晶片兩表面出現(xiàn)數(shù)值相等極性相反的電荷，形成電場(chǎng)。因此，可等效為一值相等極性相反的電荷，形成電場(chǎng)

35、。因此，可等效為一個(gè)個(gè)有源的電容器有源的電容器。ACra0aCqU0等效電容等效電容：開(kāi)路電壓：開(kāi)路電壓：接入后續(xù)電路，等效電路：接入后續(xù)電路，等效電路：傳感器傳感器連接電纜寄生電容連接電纜寄生電容測(cè)量電路測(cè)量電路RCjZRRRRRRRCCCCeqaiaiaiica11/等效阻抗C電荷源電壓源五、測(cè)量電路五、測(cè)量電路對(duì)測(cè)量電路的要求：由于壓電材料內(nèi)阻都很高，對(duì)測(cè)量電路的要求：由于壓電材料內(nèi)阻都很高，輸出的信號(hào)能量都很小，這就要求測(cè)量電路的輸出的信號(hào)能量都很小，這就要求測(cè)量電路的輸入電阻輸入電阻應(yīng)非常應(yīng)非常大大。測(cè)量電路構(gòu)成：在壓電式傳感器的輸出端先接測(cè)量電路構(gòu)成：在壓電式傳感器的輸出端先接入高

36、輸入阻抗的前置放大器，然后再接入一般入高輸入阻抗的前置放大器，然后再接入一般放大電路。放大電路。 前置放大器有兩個(gè)作用：前置放大器有兩個(gè)作用：(1)(1)放大傳感器輸出的微弱信號(hào)；放大傳感器輸出的微弱信號(hào)；(2)(2)將傳感器的高阻抗輸出變換為低阻抗輸出。將傳感器的高阻抗輸出變換為低阻抗輸出。 前置放大器種類：前置放大器種類：電壓型電壓型和電荷型電荷型兩種形式。 1 1、電壓型放大器、電壓型放大器電壓放大器KeyeiRCjZRRRRRRRCCCCeqaiaiaiica11/等效阻抗當(dāng)當(dāng)Ri和和Ra很大時(shí)，可忽略電阻的影響很大時(shí)，可忽略電阻的影響CjRCjZeq111icaiyCCCFdKCqK

37、Kee輸出電壓連接電纜寄生電容連接電纜寄生電容問(wèn)題：?jiǎn)栴}：輸出電壓與電纜電容有關(guān)。如果電纜輸出電壓與電纜電容有關(guān)。如果電纜長(zhǎng)長(zhǎng)度度變化，輸出電壓也隨之變化。變化，輸出電壓也隨之變化。使用時(shí)使用時(shí)電纜電纜長(zhǎng)長(zhǎng)度受到限制。度受到限制。解決辦法：解決辦法：將放大器裝入傳感器中，組成一體將放大器裝入傳感器中，組成一體化傳感器。化傳感器。2 2、電荷型放大器、電荷型放大器電荷放大器-KeyeiCffyCKCqKe)1 ( 輸出電壓fCKCK)1 ( 足夠大時(shí)如果ffyCqCKCqKe)1 (輸出電壓優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn): 放大器輸出電壓只與傳感器的電荷量放大器輸出電壓只與傳感器的電荷量及反饋電容有關(guān)。無(wú)需考慮電纜的

38、電容，為及反饋電容有關(guān)。無(wú)需考慮電纜的電容，為遠(yuǎn)距離測(cè)試提供了很大的方便。遠(yuǎn)距離測(cè)試提供了很大的方便。壓電式傳感器E.N1000手持式測(cè)振儀手持式測(cè)振儀和電子聽(tīng)診器和電子聽(tīng)診器 壓電式傳感器的應(yīng)用-振動(dòng)的測(cè)量三、熱電式傳感器三、熱電式傳感器熱電效應(yīng)（塞貝克效應(yīng)）：熱電效應(yīng)（塞貝克效應(yīng)）：由兩種不同的導(dǎo)體組成由兩種不同的導(dǎo)體組成的閉合回路，當(dāng)兩導(dǎo)體和的兩個(gè)結(jié)點(diǎn)處溫度不的閉合回路，當(dāng)兩導(dǎo)體和的兩個(gè)結(jié)點(diǎn)處溫度不同時(shí)，則回路中產(chǎn)生熱電勢(shì)。同時(shí)，則回路中產(chǎn)生熱電勢(shì)。熱電勢(shì)熱電勢(shì)接觸電勢(shì)接觸電勢(shì)溫差電勢(shì)溫差電勢(shì)熱電偶：兩種導(dǎo)體和組成的閉合回路。熱電偶：兩種導(dǎo)體和組成的閉合回路。熱電偶工作原理熱電偶工作原理

39、n 接觸電勢(shì)接觸電勢(shì)：不同導(dǎo)體中自由電子濃度不一樣，：不同導(dǎo)體中自由電子濃度不一樣，在接觸點(diǎn)形成電位差。在接觸點(diǎn)形成電位差。n 溫差電勢(shì)溫差電勢(shì)：同一導(dǎo)體的兩：同一導(dǎo)體的兩端溫度不同而產(chǎn)生電勢(shì)。端溫度不同而產(chǎn)生電勢(shì)。BAABnneKTTeln)(dtTTeTTAA0),(0總熱電勢(shì)為總熱電勢(shì)為dtnnTTeKTTeTTeTeTeTTeBTTABAABABABAB)(ln)(),(),()()(),(000000波茲曼常數(shù)波茲曼常數(shù)電子電荷量電子電荷量自由電子濃度自由電子濃度溫差系數(shù)溫差系數(shù)dtnnTTeKBTTABA)(ln)(00實(shí)際中)()(ln)(),(000TfTfnnTTeKTTeB

40、AAB當(dāng)熱電極材料當(dāng)熱電極材料A、B確定后，確定后， 如果保持如果保持T0不變，不變，eAB（T，T0）為）為T(mén)的單值函數(shù)。的單值函數(shù)。2、熱電偶的基本定律、熱電偶的基本定律（1）均值導(dǎo)體定律：一種導(dǎo)體組成的閉合回路，）均值導(dǎo)體定律：一種導(dǎo)體組成的閉合回路，無(wú)論其是否存在溫度梯度，均不能產(chǎn)生熱電勢(shì)。無(wú)論其是否存在溫度梯度，均不能產(chǎn)生熱電勢(shì)。TT0（2）中間溫度定律：熱電偶）中間溫度定律：熱電偶A、B在接點(diǎn)溫度在接點(diǎn)溫度T,T0時(shí)的熱電勢(shì)等于時(shí)的熱電勢(shì)等于該熱電偶在接點(diǎn)溫度該熱電偶在接點(diǎn)溫度T,Tn 與與Tn,T0時(shí)的熱電勢(shì)之和。即：時(shí)的熱電勢(shì)之和。即： ),(),(),(00TTeTTeTTe

41、nABnABAB測(cè)量計(jì)算測(cè)量計(jì)算TnTn熱端熱端冷端冷端（3）中間導(dǎo)體定律：回路中加入第三種導(dǎo)）中間導(dǎo)體定律：回路中加入第三種導(dǎo)體，只要加入的導(dǎo)體兩端溫度相同，則對(duì)體，只要加入的導(dǎo)體兩端溫度相同，則對(duì)回路的熱電勢(shì)沒(méi)有影響?；芈返臒犭妱?shì)沒(méi)有影響。 TT0V利用中間導(dǎo)體定律利用中間導(dǎo)體定律,可在回路中引入各種儀表可在回路中引入各種儀表和各種連接導(dǎo)線和各種連接導(dǎo)線,使熱電偶測(cè)溫成為可能。使熱電偶測(cè)溫成為可能。 （4）標(biāo)準(zhǔn)電極定律：）標(biāo)準(zhǔn)電極定律：),(),(),(000TTeTTeTTeBCACABABTT0=ACTT0CBTT0由于鉑的物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、人們多采用鉑作為參考電極由于鉑的物理化學(xué)性質(zhì)

42、穩(wěn)定、人們多采用鉑作為參考電極。 兩種導(dǎo)體兩種導(dǎo)體A,BA,B分別與參考電極分別與參考電極C C組成熱電偶，組成熱電偶，如果他們所產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)為已知，如果他們所產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)為已知，A A和和B B兩極配兩極配對(duì)后的熱電動(dòng)勢(shì)可用下式求得對(duì)后的熱電動(dòng)勢(shì)可用下式求得螺紋固定式熱電偶螺紋固定式熱電偶 瓷保護(hù)式熱電偶瓷保護(hù)式熱電偶 第四節(jié)第四節(jié) 光電傳感器光電傳感器光電效應(yīng)光電效應(yīng)外光電效應(yīng)外光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)光生伏特效應(yīng)光生伏特效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)：光電導(dǎo)效應(yīng)：在光作用下，電子吸收光子能量，在光作用下，電子吸收光子能量，使半導(dǎo)體材料電導(dǎo)率顯著改變。（光敏電阻）使半導(dǎo)體材料電

43、導(dǎo)率顯著改變。（光敏電阻）光生伏特效應(yīng)：光生伏特效應(yīng)：在光作用下，使半導(dǎo)體材料產(chǎn)生在光作用下，使半導(dǎo)體材料產(chǎn)生一定方向的電動(dòng)勢(shì)。（光電池、光敏二極管和光一定方向的電動(dòng)勢(shì)。（光電池、光敏二極管和光敏三極管等）敏三極管等）一、光電元件一、光電元件（一）、（一）、光敏電阻光敏電阻 當(dāng)無(wú)光照射時(shí)，光敏電阻（暗電阻）值很當(dāng)無(wú)光照射時(shí)，光敏電阻（暗電阻）值很大，電路中暗電流很??；當(dāng)光敏電阻受到一定大，電路中暗電流很??；當(dāng)光敏電阻受到一定波長(zhǎng)范圍的光照射時(shí)，它的電阻（亮電阻）急波長(zhǎng)范圍的光照射時(shí)，它的電阻（亮電阻）急劇減少，電路中光電流迅速增大。劇減少，電路中光電流迅速增大。A金屬封裝的硫化鎘光敏電阻結(jié)構(gòu)圖

44、光導(dǎo)電材料絕緣襯低引線電極引線光電導(dǎo)體RG1234567(a)結(jié)構(gòu) (b)電極 (c)符號(hào)光敏電阻的結(jié)構(gòu)和符號(hào)1-光導(dǎo)層; 2-玻璃窗口; 3-金屬外殼; 4-電極;5-陶瓷基座; 6-黑色絕緣玻璃; 7-電阻引線。RGRLEI（二）（二）、光電池、光電池1 1、結(jié)構(gòu)與工作原理、結(jié)構(gòu)與工作原理 光電池是利用光生伏特效應(yīng)把光直接轉(zhuǎn)變成電光電池是利用光生伏特效應(yīng)把光直接轉(zhuǎn)變成電能的器件能的器件。它是基于光生伏特效應(yīng)制成的，是發(fā)電它是基于光生伏特效應(yīng)制成的，是發(fā)電式有源元件。式有源元件。+光PNSiO2RL光電池的結(jié)構(gòu)圖在一塊在一塊N型硅片上用擴(kuò)散的型硅片上用擴(kuò)散的辦法摻入一些辦法摻入一些P型雜質(zhì)型

45、雜質(zhì)(如硼如硼)形成形成PN結(jié)。結(jié)。 當(dāng)光照到當(dāng)光照到PN結(jié)區(qū)時(shí)，如果光子能量足夠大，將在結(jié)區(qū)時(shí)，如果光子能量足夠大，將在結(jié)區(qū)附近激發(fā)出電子結(jié)區(qū)附近激發(fā)出電子-空穴對(duì)，在空穴對(duì)，在N區(qū)聚積負(fù)電荷，區(qū)聚積負(fù)電荷，P區(qū)聚積正電荷，這樣區(qū)聚積正電荷，這樣N區(qū)和區(qū)和P區(qū)之間出現(xiàn)電位差區(qū)之間出現(xiàn)電位差。I光光電池的工作原理示意圖 P N若將若將PN結(jié)兩端用導(dǎo)線連起來(lái)，結(jié)兩端用導(dǎo)線連起來(lái)，電路中有電流流過(guò)，電流的電路中有電流流過(guò)，電流的方向由方向由P區(qū)流經(jīng)外電路至區(qū)流經(jīng)外電路至N區(qū)。區(qū)。若將外電路斷開(kāi)，就可測(cè)出若將外電路斷開(kāi)，就可測(cè)出光生電動(dòng)勢(shì)。光生電動(dòng)勢(shì)。光電池的表示符號(hào)、基本電路及等效電路如圖所示。光

46、電池的表示符號(hào)、基本電路及等效電路如圖所示。IUIdUIRLI(a)(b)(c)光電池符號(hào)和基本工作電路光電池符號(hào)和基本工作電路（三）、光敏二極管和光敏三極管（三）、光敏二極管和光敏三極管 1、光敏二極管、光敏二極管 光敏二極管和光電池一樣，其基本光敏二極管和光電池一樣，其基本結(jié)構(gòu)也是一個(gè)結(jié)構(gòu)也是一個(gè)PN結(jié)。它和光電池相比，結(jié)。它和光電池相比，結(jié)面積小，因此頻率特性特別好。結(jié)面積小，因此頻率特性特別好。（1）結(jié)構(gòu)與工作原理）結(jié)構(gòu)與工作原理 結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)：與一般二極管相似、它裝在透明玻璃外殼與一般二極管相似、它裝在透明玻璃外殼中，其中，其PN結(jié)裝在管頂，可直接受到光照射。光敏結(jié)裝在管頂，可直接受到

47、光照射。光敏二極管在電路中一般是處于二極管在電路中一般是處于反向工作狀態(tài)。反向工作狀態(tài)。PN光光敏二極管符號(hào)RL PN光敏二極管接線 工作原理：工作原理：光敏二極管在沒(méi)有光照射時(shí)，反向光敏二極管在沒(méi)有光照射時(shí)，反向電阻很大，反向電流很小。受光照射時(shí)，電阻很大，反向電流很小。受光照射時(shí)，PNPN結(jié)附近受光子轟擊，吸收其能量而產(chǎn)生電子結(jié)附近受光子轟擊，吸收其能量而產(chǎn)生電子- -空穴對(duì)，使通過(guò)空穴對(duì)，使通過(guò)PNPN結(jié)的反向電流大為增加，結(jié)的反向電流大為增加，形成了光電流。形成了光電流。特點(diǎn)：特點(diǎn)：光敏二極管的光電流光敏二極管的光電流 I I 與照度之間呈線與照度之間呈線性關(guān)系。光敏二極管的光照特性是

48、線性的，性關(guān)系。光敏二極管的光照特性是線性的，所以適合檢測(cè)等方面的應(yīng)用。所以適合檢測(cè)等方面的應(yīng)用。2、光敏三極管、光敏三極管種類：光敏三極管有種類：光敏三極管有PNP型和型和NPN型兩種。型兩種。結(jié)構(gòu)：與一般三極管相似，具有電流增益結(jié)構(gòu)：與一般三極管相似，具有電流增益, 發(fā)射極發(fā)射極一邊做的很大一邊做的很大,以擴(kuò)大光的照射面積以擴(kuò)大光的照射面積, 基極不接引線?；鶚O不接引線。輸出電流是光電流的輸出電流是光電流的倍。倍。 PPNNNPe b bc RL Eec(四四) 光電開(kāi)關(guān)光電開(kāi)關(guān) 光電開(kāi)關(guān)：利用感光元件接收變化的入光電開(kāi)關(guān)：利用感光元件接收變化的入射光，進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換、放大，最終獲得輸射光，

49、進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換、放大，最終獲得輸出出“開(kāi)開(kāi)”、“關(guān)關(guān)”信號(hào)的器件信號(hào)的器件 二、光電傳感器的應(yīng)用n輻射式輻射式 光電傳感器在工業(yè)上的應(yīng)用可歸納為輻射光電傳感器在工業(yè)上的應(yīng)用可歸納為輻射式式( (直射式直射式) )、吸收式、遮光式、反射式、四種、吸收式、遮光式、反射式、四種基本形式。基本形式。 n吸收式吸收式n遮光式遮光式n反射式反射式亮度檢測(cè)：亮度檢測(cè)：通過(guò)檢測(cè)周圍環(huán)境的亮度，再與內(nèi)部設(shè)定值相比通過(guò)檢測(cè)周圍環(huán)境的亮度，再與內(nèi)部設(shè)定值相比較，調(diào)整光源的亮度和分布，有效利用自然光線，較，調(diào)整光源的亮度和分布，有效利用自然光線，達(dá)到節(jié)約電能的目的。達(dá)到節(jié)約電能的目的。相機(jī)測(cè)距反射式光電傳感器相機(jī)測(cè)距反

50、射式光電傳感器轉(zhuǎn)速測(cè)量轉(zhuǎn)速測(cè)量第五節(jié)第五節(jié)霍爾霍爾傳感器傳感器一、霍爾效應(yīng)一、霍爾效應(yīng)霍爾效應(yīng)：霍爾效應(yīng)：通電的導(dǎo)體或半導(dǎo)體，在垂直于電通電的導(dǎo)體或半導(dǎo)體，在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向上將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象。流和磁場(chǎng)的方向上將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象。+I+ +lwd霍耳效應(yīng)原理圖VH 在一在一N型半導(dǎo)體溥片相對(duì)兩側(cè)面通以控制電流型半導(dǎo)體溥片相對(duì)兩側(cè)面通以控制電流I，在溥片垂直方向加以磁場(chǎng)在溥片垂直方向加以磁場(chǎng)B，則在半導(dǎo)體兩側(cè)面產(chǎn)生，則在半導(dǎo)體兩側(cè)面產(chǎn)生大小與控制電流大小與控制電流I和磁場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度B之積成正比的電勢(shì)。之積成正比的電勢(shì)。IBKdIBRVHHH霍爾系數(shù)霍爾系數(shù)霍爾靈敏度霍爾靈敏度為獲得較

51、強(qiáng)霍耳效應(yīng)，霍耳基片全部采用半導(dǎo)體材料制成為獲得較強(qiáng)霍耳效應(yīng)，霍耳基片全部采用半導(dǎo)體材料制成二、霍爾元件二、霍爾元件 1、霍爾元件的結(jié)構(gòu)、霍爾元件的結(jié)構(gòu)一個(gè)矩形半導(dǎo)體基片一個(gè)矩形半導(dǎo)體基片,從從基片兩個(gè)垂直方向上各基片兩個(gè)垂直方向上各引出一對(duì)電極引出一對(duì)電極,其中一對(duì)其中一對(duì)是激勵(lì)電極是激勵(lì)電極,一對(duì)是霍爾一對(duì)是霍爾電勢(shì)輸出電極?；秒妱?shì)輸出電極。基片用陶瓷、金屬、環(huán)氧樹(shù)脂陶瓷、金屬、環(huán)氧樹(shù)脂等封裝作為外殼。等封裝作為外殼。H 霍耳器件符號(hào)AAABBBCCCDDDn控制電流控制電流:流入到器件內(nèi)的電流。流入到器件內(nèi)的電流。n電流端或輸入端電流端或輸入端：A、B端。端。n霍耳端或輸出端霍耳端或

52、輸出端： C、D端端n負(fù)載電阻負(fù)載電阻：霍耳端子間連接的負(fù)載：霍耳端子間連接的負(fù)載n輸入電阻：輸入電阻：電流電極間的電阻電流電極間的電阻n輸出電阻：輸出電阻：霍耳端子間的電阻霍耳端子間的電阻VHR3VBIEIH霍耳器件的基本電路R控制電流I；霍耳電勢(shì)VH；控制電壓V；輸出電阻R2；輸入電阻R1；霍耳負(fù)載電阻R3；霍耳電流IH。 三、霍爾傳感器的應(yīng)用三、霍爾傳感器的應(yīng)用1、霍耳開(kāi)關(guān)集成傳感器、霍耳開(kāi)關(guān)集成傳感器利用霍耳效應(yīng)與集成電路技術(shù)結(jié)合而制成的利用霍耳效應(yīng)與集成電路技術(shù)結(jié)合而制成的一種磁敏傳感器，它能感知一切與磁信息有一種磁敏傳感器，它能感知一切與磁信息有關(guān)的物理量，并以關(guān)的物理量，并以開(kāi)關(guān)

53、信號(hào)形式輸出開(kāi)關(guān)信號(hào)形式輸出。特點(diǎn)：使用壽命長(zhǎng)、無(wú)觸點(diǎn)磨損、無(wú)火花干特點(diǎn)：使用壽命長(zhǎng)、無(wú)觸點(diǎn)磨損、無(wú)火花干擾、無(wú)轉(zhuǎn)換抖動(dòng)、工作頻率高、溫度特性好、擾、無(wú)轉(zhuǎn)換抖動(dòng)、工作頻率高、溫度特性好、能適應(yīng)惡劣環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)。能適應(yīng)惡劣環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)。由穩(wěn)壓電路、霍耳元件、放大器、整形電路、開(kāi)路由穩(wěn)壓電路、霍耳元件、放大器、整形電路、開(kāi)路輸出五部分組成。輸出五部分組成?；舳_(kāi)關(guān)集成傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖23輸出+穩(wěn)壓VCC1霍耳元件放大BT整形地Hn結(jié)構(gòu)及工作原理結(jié)構(gòu)及工作原理 3020T輸出輸出VoutR=2k+12V123（b）應(yīng)用電路）應(yīng)用電路 （a）外型）外型 霍耳開(kāi)關(guān)集成傳感器的外型及應(yīng)用電路霍耳開(kāi)關(guān)集成傳感

54、器的外型及應(yīng)用電路123霍耳開(kāi)關(guān)集成傳感器的工作特性曲線VOUT/V12ONOFFBRPBOPBHB0 反映外加磁場(chǎng)與傳感器輸出電平的關(guān)系。當(dāng)外反映外加磁場(chǎng)與傳感器輸出電平的關(guān)系。當(dāng)外加磁感強(qiáng)度高于加磁感強(qiáng)度高于BOP時(shí)，輸出電平由高變低，傳感時(shí)，輸出電平由高變低，傳感器處于開(kāi)狀態(tài)。當(dāng)外加磁感強(qiáng)度低于器處于開(kāi)狀態(tài)。當(dāng)外加磁感強(qiáng)度低于BRP時(shí)，輸出時(shí)，輸出電平由低變高，傳感器處于關(guān)狀態(tài)。電平由低變高，傳感器處于關(guān)狀態(tài)。 n 工作特性曲線工作特性曲線 霍耳開(kāi)關(guān)集成傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域：霍耳開(kāi)關(guān)集成傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域：點(diǎn)火系統(tǒng)點(diǎn)火系統(tǒng)、保安系統(tǒng)、轉(zhuǎn)速、里程測(cè)定、機(jī)械設(shè)備的限位開(kāi)保安系統(tǒng)、轉(zhuǎn)速、里程測(cè)定、機(jī)

55、械設(shè)備的限位開(kāi)關(guān)、按鈕開(kāi)關(guān)、電流的測(cè)定與控制、位置及角度關(guān)、按鈕開(kāi)關(guān)、電流的測(cè)定與控制、位置及角度的檢測(cè)等等。的檢測(cè)等等。n 霍耳開(kāi)關(guān)集成傳感器的應(yīng)用霍耳開(kāi)關(guān)集成傳感器的應(yīng)用 霍耳線性集成傳感器的輸出電壓與外霍耳線性集成傳感器的輸出電壓與外加磁場(chǎng)成線性比例關(guān)系。加磁場(chǎng)成線性比例關(guān)系。用途：用途：位置、力、重量、厚度、速度、磁位置、力、重量、厚度、速度、磁場(chǎng)、電流等的測(cè)量或控制。場(chǎng)、電流等的測(cè)量或控制。組成：組成：霍耳元件和放大器霍耳元件和放大器種類：種類：?jiǎn)味溯敵龊碗p端輸出兩種單端輸出和雙端輸出兩種2、霍耳線性集成傳感器、霍耳線性集成傳感器n結(jié)構(gòu)及工作原理結(jié)構(gòu)及工作原理單端輸出傳感器的電路結(jié)構(gòu)框圖23輸出+穩(wěn)壓VCC1霍耳元件放大地H 單端輸出的傳感器是一個(gè)三端器件，其單端輸出的傳感器是一個(gè)三端器件，其典型產(chǎn)品是典型產(chǎn)品是SL3501T。 穩(wěn)壓H3VCC地4輸出輸出18675 雙端輸出傳感器的電路結(jié)構(gòu)框圖雙端輸出的傳感器是一個(gè)雙端輸出的傳感器是一個(gè)8腳雙列直插封裝的器腳雙列直插封裝的器件，它可提供差動(dòng)射極跟隨輸出，還可提供輸件，它可提供差動(dòng)射極跟隨輸出，還可提供輸出失調(diào)調(diào)零。典型產(chǎn)品是出失調(diào)調(diào)零。典型產(chǎn)品是SL3501M。磁感應(yīng)強(qiáng)度B/T5.64.63.62.61.6- -0.3 -0-0.2-0.1-0.100.10.20.3輸輸出出電電壓壓U/VSL3