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1、第五章 电能量传感器,一、热电偶测温的基本原理,1理论基础,把两种不同的导体或半导体连接成闭合回路，如果将它们的两个接点分别置于温度各为T及T0(假定T T0)的热源中，则在该回路内就会产生热电动势和温差电动势。,2有关热电偶回路的几点结论,（1）组成热电偶回路的两种导体相同，则无论两接点温度如何，热电偶回路内的总热电动势为零。,（2）如热电偶两接点温度相同，即T= T0，尽管导体A、B的材料不同，热电偶回路内的总热电动势亦为零。,（3）热电偶AB的热电势与A、B材料的中间温度无关，只与接触点温度有关。,（4）热电偶AB在接点温度为T2、T3时的热电动势，等于热电偶在接点温度为T1、T2和T2
2、、T3时的热电动势总和。,（5）在热电偶回路中接入第三种材料的导线，只要这第三种材料的导线两端温度相同，第三种材料导线的引入不会影响热电偶的热电动势，这一性质称为中间导体定律。,（6）当温度为T1、T2时，用导体A、B组成的热电偶的热电动势等于AC热电偶和CB热电偶的热电动势的代数和，即：,导体C称为标准电极(一般由铂制成)，故把这一性质称为标准电极定律。,二、热电偶冷端的温度补偿,1补偿导线,为使热电偶冷端温度保持恒定(最好为0)，当然可以把热电偶做得很长，使冷端远离工作端，并连同测量仪表一起放置在恒温或温度波动较小的地方，但这种方法一方面使安装使用不方便，另一方面也要多耗费许多贵重的金属材
3、料，因此一般是用一种导线(称补偿导线)将热电偶冷端延伸出来，这种导线在一定温度范围内(0100)具有和所连接的热电偶相同的热电性能。廉价金属制成的热电偶，可用其本身材料作补偿导线，将冷端延伸到恒定的地方。必须指出，只有当新移接点处的冷端温度恒定或配用的仪表本身具有冷端温度自动补偿装置时，应用补偿导线才有意义。,2冷端温度校正法,由于热电偶的温度一热电动势关系曲线(刻度特性)是在冷端温度保持0的情况下得到的，与它配套使用的仪表又是根据这一关系曲线进行刻度的，因此冷端温度不等于0时就需对仪表指示值加以修正。例如，冷端温度高于0，恒定于t0，则测得的热电动势小于该热电偶的分度值。此时为求得真实温度，
4、可利用下式进行修正：,3冰浴法,为避免经常校正的麻烦，可采用冰浴法使冷端温度保持为恒定的0。在实验室条件下采用冰浴法，通常是把冷端放在盛有绝缘油的试管中，然后再将其放入装满冰水混合物的保温容器中，使冷端保持0。,4补偿电桥法,补偿电桥法是利用不平衡电桥产生的电动势来补偿热电偶因冷端温度变化而引起的热电动势的变化值。,一、基本原理,磁电传感器是以导体和磁场发生相对运动而产生电动势为基础的。根据磁电感应定律，具有N匝的线圈内的感应电动势e的大小取决于贯穿该线圈的磁通的变化速率，即：,二、传感器结构,ZI-A型振动传感器，它就是以一只线圈作为运动部分的磁电式传感器。,磁电式转速传感器的结构原理图，它
5、由转子、定子、环形永久磁铁、线圈等元件组成。,一、压电传感器的工作原理,对某些电介质，当沿着一定方向对它施加压力时，内部就产生极化现象，同时在它的两个表面上便产生符号相反的电荷；当外力去掉后又重新恢复不带电状态，这种现象称为压电效应。当作用力的方向改变时，电荷的极性也随着改变。相反，当在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质也会产生变形，这种现象称为逆压电效应。,在晶片的线性弹性范围内，极化强度Px与应力x成正比，即：,式中，Fx为沿晶轴x方向施加的压缩力；d11为压电系数，当受力方向和变形不同时压电系数也不同，石英晶体的 、b分别为石英晶片的长度和宽度。,在压电传感器中。为了提高灵敏度，压电
6、材料一般不只用一片而是用两片或两片以上组合在一起。由于压电材料是有极性的，因此连接方法有两种。,二、压电元件的常用结构形式,a)两压电片的负极都集中在中间电极上，正电极在两边的电极上，这种接法称为并联。其输出电容C为单片电容C的两倍，即：,b)正电荷集中在上极板，负电荷集中在下极板。而中间的极板上片产生的负电荷与下片产生的正电荷相互抵消，这种接法称为串联。输出的总电荷q等于单片电荷q，输出电压U为单片电压U的两倍，总电容C为单片电容C的一半，即：,三、压电传感器的等效电路,当压电传感器的压电元件受到外力作用时，就会在受力纵向或横向表面上出现电荷。在一个极板上聚集正电荷，而在另一个极板上聚集负电
7、荷。因此压电传感器可以看成是一个电荷发生器。同时，它也是一个电容器，其电容值为：,电容器上的电压Ua、电荷q与电容Ca三者之间的关系为：,利用压电传感器进行测量时，它要与测量电路相连接，于是就考虑电缆电容Cc、放大器的输入电阻Ri、输入电容Ci和压电传感器的泄漏电阻Ra。如果把这些因素一同考虑，就得到了压电传感器完整的等效电路。图中，一种是电荷等效电路，另一种是电压等效电路，这两种电路的形式虽然不同，但其作用是等效的。,四、压电传感器及其应用,1压电加速度传感器,压电加速度传感器是一种常用的加速度计。因其固有频率高，高频(几千赫至十几千赫范围)响应好，如配以电荷放大器，低频特性也很好(可低至0
8、.3Hz)。压电加速度传感器的优点是体积小、重量轻，缺点是要经常校正灵敏度。,压电加速器传感器的另一种结构形式是利用压电元件的切变效应。,2压电压力传感器,压电压力传感器主要用于发动机内部燃烧压力的测量与真空度的测量，它既可用来测量大的压力，也可以用来测量微小的压力。,这种传感器实质上是由一个刚度为k1的晶体片和刚度为k2的预紧力弹簧组成。外力F同时作用在晶体叠堆和弹簧上，晶体叠堆上的力为F1，弹簧上的预紧力为F2。设压缩变形为x，则可得：,力的有效分量为：,上式表明，F1F随着k2k1的减小面增加，也就是说，在晶片叠堆的刚度k1给定时，灵敏度随预紧力弹簧的变弱面增加。,1光电池的工作原理,硅
9、光电池是在一块N型硅片上用扩散的办法掺入一些P型杂质而形成一个大面积的PN结。当光照射P型面时，若光子能量h大于半导体材料的禁带宽度Eg，则在P型区每吸收一个光子便产生一个自由电子空穴对。在表面对光子的吸收量多，激发出的电子空穴对最多，越向内部越小，由于浓度差便形成了从表面向体内扩散的自然趋势。空穴是P型区的多数载流子，入射光所产生的空穴浓度比原有产生空穴要少得多，而入射光所产生的电子则向内部扩散。若能在它复合之前到达PN结过渡区。就相当于在结电场作用下正好将电于推向N型区。这样光照射所产生的电子空穴对就被结电场分离开来，从而使P型区带阳电，N型区带阴电，形成光生电动势。,2光电池的基本特性,
10、（1）光电池的光谱特性。,（2）光电池的光照特性。,短路电流在很大范围内与光照度成线性关系；开路电压与光照度的关系是非线性的，且在照度2000lx照射下就趋于饱和了。因此把光电池作为敏感元件时，应该把它当作电流源的形式使用，即利用短路电流与光照度成线性的特点。这是光电池的主要优点之一。,（3）光电池的频率特性。,（4）光电池的温度特性。光电池的温度特性是描述光电池的开路电压u、短路电流随温度t变化的曲线。由于它关系到应用光电池设备的温度漂移，影响到测量精度或控制精度等主要指标，因此它是光电池的重要特性之一。,开路电压随温度增加而下降的速度较快，而短路电流随温度上升而增加的速度却很缓慢。因此光电池作为敏感元件时，在自动检测系统设计时就应考虑到温的漂移，需采取相应的措施进行补偿。,
