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1、上讲小结,电阻式传感器,应变式,热电阻式,光敏电阻,磁敏电阻,气敏电阻,变阻器式,电感式传感器,涡流式,互感式,可变磁阻式,电容式传感器,金属应变片半导体应变片,热电阻热敏电阻,面积变化型,介质变化型,极距变化型,第3章 传感器原理及应用基础,半导体式传感器,光电池,光敏管,PSD光传感器,霍尔元件,数字式传感器,光栅传感器,固态图像传感器,光电开关,其他传感器,磁栅传感器,感应同步器,旋转变压器,脉冲编码器,热电偶,光纤传感器,IP传感器,压电式传感器,磁电式传感器,第3章 传感器原理及应用基础,第3章 传感器原理及应用基础,本讲内容,3.5 压电式传感器 3.6 磁电式传感器 动圈式 磁阻
2、式 3.7 半导体传感器（磁感应式） 霍尔元件 磁阻元件 3.8 热敏传感器 双金属温度计 热电偶 热敏电阻,第3章 传感器原理及应用基础,1880年，法国两位科学家居里兄弟，在研究石英品体的物理性质时，发现了一种特殊的现象： 若按某种方位从石英晶体上切割下一块薄晶片，在其表面敷上电极，当沿着晶片的某些方向施加作用力而使晶片产生形变后，会在两个电极表面上出现等量的正、负电荷。电荷的面密度与施加的作用力的大小成正比。当作用力撤除后，电荷也就消失了。 这种由于机械力的作用而使石英晶体表面出现电荷的现象，称为正压电效应。利用该效应制作传感器。,压电效应的发现,1881年，李普曼在理论上预言，由居里兄
3、弟在实验上证实了另一种物理现象： 如果将一块压电晶体置于外电场中，由于电场的作用，会使压电晶体发生形变，而形变的大小与外电场的大小成正比，当电场撤除后，形变也消失了。 这种由于电场的作用而使压电晶 体产生形变的现象，称为逆压电效应。利用该效应制作执行器。,第3章 传感器原理及应用基础,连接方式,在压电式传感器中，压电材料一般不仅用一片，而常常采用两片（或是两片以上）粘结在一起，由于压电材料的电荷是有极性的，因此接法也有两种。 串联方式：输出的总电荷等于单片电荷，而输出电压为单片电压的两倍，总电容为单片电容的一半。 并联方式：输出电容为单片电容的两倍，但输出电压等于单片电压，极板上的电荷量为单片
4、电荷量的两倍。 串联接法输出电压大，本身电容小，适宜用于以电压作输出信号、并且测量电路输入阻抗很高的地方。 并联接法输出电荷大、本身电容大、时间常数大，适宜用在测量慢变信号并且以电荷作为输出量的地方。,3.5 压电式传感器,2、测量电路,压电式传感器输出电信号很微弱，通常应把传感器信号先输入到高输入阻抗的前置放大器中，经过阻抗变换后，方可输入到后续显示仪表中。,关键是高阻抗的前置放大器！,3.5 压电式传感器,前置放大器,前置放大器的两个作用： 1. 把压电式传感器的微弱信号放大； 2. 把传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出。,前置放大器电路的两种形式： 1. 用电阻反馈的电压放大器，其输出电
5、压与输入电压(即传感器的输出)成正比； 2. 带电容反馈的电荷放大器，其输出电压与输入电荷成正比。,电压放大器与电荷放大器相比，电路简单、价格使宜，但电缆分布电容对传感器测量精度影响很大，故而在某些场合限制了其应用。 电荷放大器电路较复杂，但电缆长度变化的影响几乎可以忽略不计，故而电荷放大器的应用日益增多,3.5 压电式传感器,电荷放大器,3.5 压电式传感器,上式表明：在一定条件下，电荷放大器的输出电压与传感器的电荷量成正比，并且与电缆分布电容无关。 采用电荷放大器时，即使连接电缆长度达百米以上时，其灵敏度也无明显变化，这是电荷放大器突出的优点。,当KCf（Ca+Cc+Ci+Cf），放大器的
6、输出电压为,3.5 压电式传感器,产品,加速度计,力传感器,案例：飞机模态分析,3.5 压电式传感器,案例：热轧设备诊断,3.5 压电式传感器,第3章 传感器原理及应用基础,3.6、磁电式传感器,1. 变换原理: 感应电动势,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。 对于一个匝数为W的线圈，当穿过该线圈的磁通发生变化时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。,2. 分类,磁电式,动圈式,磁阻式,线速度型,角速度型,3.6 磁电式传感器,动圈式传感器,线速度型,3.6 磁电式传感器,角速度型动圈式传感器,测
7、速电机,3.6 磁电式传感器,磁阻式传感器,3.6 磁电式传感器,由运动着的物体（导磁材料）改变磁路的磁阻Rm，引起磁通变化，进而产生感应电动势,案例：鼠笼电机转子断细条检测,3.6 磁电式传感器,第3章 传感器原理及应用基础,3.7、半导体传感器,霍尔元件由霍尔片、四根引线和壳体组成。,3.7 半导体传感器,3.7 半导体传感器,测转角：,3.7 半导体传感器,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。,3.7 半导体传感器,铁磁材料裂纹检测,3.7 半导体传感器,叶片和齿轮位置传感器,应用
8、,3.7 半导体传感器,案例：汽车速度测量:,3.7 半导体传感器,2. 磁阻元件,3.7 半导体传感器,工作原理：利用半导体材料（磁阻元件）的磁阻效应（高斯效应），即改变磁场的强弱，将使磁阻元件沿着电流方向的电阻值发生改变。 磁阻元件可用作位移、力、加速度等参数的改变。,霍尔效应是指垂直于电流方向产生横向电压！ 磁阻效应是指沿电流方向发生电阻值的改变！,特点 电阻的增量与磁场的平方成正比； 与磁场的正负无关； 温度系数影响大； 磁感应的范围比霍尔元件大。,应用 接近开关和无触点开关。,3.7 半导体传感器,3. 磁感应半导体元件分类,霍尔元件,磁阻元件,磁敏二极管,磁晶体管,磁半导体开关,3
9、.7 半导体传感器,检测磁场的变化！,产品,3.7 半导体传感器,案例：转速测量,3.7 半导体传感器,3.8、热敏传感器,1. 双金属温度计,把两种膨胀系数不同的金属薄片焊接在一起制成的。它是一种固体膨胀温度计，可将温度变化转换成机械量变化。,优点： 结构简单 牢固 可靠 防爆,第3章 传感器原理及应用基础,3.8 热敏传感器,荧光灯启辉器,3.8 热敏传感器,启辉器由玻璃管制成的辉光放电管与小电容器并联而成。 辉光放电管内有一个U形双金属片，一个固定静止触极电板，称为静触板或静触极，玻璃管内充有氖气或氩气，或氖氩混合的惰性气体。,荧光灯工作原理,3.8 热敏传感器,高压电极 灯丝 启辉器
10、镇流器,灯管启动后，感应电势消失，是靠电源电压与镇流器维持灯管的正常工作(20W灯管的工作电流为0.37A, 40W为0.43A)。 启辉器在电路中只起控制灯管预热电流的时间和断开电路时使镇流器产生感应电动势的作用。在荧光灯正常工作时，启辉器是停止工作的。,当电路接通，启辉器两端极片得电，击穿惰性气体而导电（辉光放电过程），双金属片发热弯曲而与静触板接通形成闭合电路。 此时电流直接经过双金属片与静触板流通，惰性气体失去作用而不放电，双金属片开始冷却，经过18秒的时间，双金属片收缩回原来状态，启辉器停止工作。,在此瞬间，电路中电流突然中断，使镇流器两端产生一个比电源电压高得多的感应电动势，同时与
11、电源电压叠加在灯管两端，使灯管两端电极之间形成一个强电场。 灯丝阴极发射的电子，在强电场的作用下，引起管内汞蒸气电离而形成弧光放电，同时产生大量的紫外线激发管壁的荧光粉而发出可见光。,2. 热电温度计(热电偶),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。,3.8 热敏传感器,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。,接触电动势,温差电动势,3.8 热敏传感器,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
12、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。,3.8 热敏传感器,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。,3.8 热敏传感器,3.8 热敏传感器,3.8 热敏传感器,3热敏电阻传感器,半导体热敏电阻的材料是一种由锰、镍、铜、钻、铁等金属氧化物按一定比例混合烧结而成的半导体，它具有负的电阻温度系数，随温度上升而阻值下降。,3.8 热敏传感器,3.8 热敏传感器,3.8 热敏传感器,产品,3.8 热敏传感器,温控器,应用,汽车发动机传感器,水温感应塞,还广泛应用于空调、暖气、电子体温计等,3.8 热敏传感器,作业：,P187 第3章第30题,
