傳感器與檢測技術教案

1、課時授課計劃 科目傳感器與檢測技術授課時數(shù)共頁 授課日期 審閱 授課班級 年 月日 出勤情況 課 題：緒論 授課目的：_通過本節(jié)課的學習使學生了解傳感器概念，組成，分類以 及今后的發(fā)展趨勢 授課重點： 傳感器的概念和組成 授課難點： 對傳感器概念的理解 教學類型： 講授 教具與掛圖： 復習提問： 引入新課： 如果將人的大腦比作CPU那么感覺器官便是敏感元件， 大腦是轉換元件，那么四肢根據(jù)大腦轉換的信息去處理事件，就是 個 完整的傳感器的模型了。今天我們來學習一個新的設備傳感器。 講授新課（附后）： 本課小結：通過本節(jié)課的學習，學生初步了解傳感器的一般概念和組成。 作業(yè)布置： 改進措施： 緒論

2、一組織教學 1、師生問好； 2、清點人數(shù)，做好考勤記錄； 二復習提問 三引入新課 如果將人的大腦比作CPU那么感覺器官便是敏感元件，大腦是轉 換元件，那么四肢根據(jù)大腦轉換的信息去處理事件，就是一個完整的傳 感器的模型了。今天我們來學習一個新的設備傳感器。 四講授新課 傳感器的概念 傳感器：把特定的被測信息（包括物理量、化學量、生物量等）按一定 規(guī)律轉換成某種可用信號輸出的器件或裝置。 這里“可用信號”是指便于處理、傳輸?shù)男盘?。當今電信號最易?處理和便于傳輸，因此，可以把傳感器狹義地定義為： 傳感器（狹義定義）:能將外界非電信號轉換成電信號輸出的器件。 當人類進入光子時代，光信息成為更便于快速

3、、高效地處理與傳輸 的可用信號時，傳感器的概念也可以變?yōu)椋耗馨淹饨缧畔⑥D換成光信號 輸出的器件。 、 傳感器技術：是涉及傳感（檢測）原理、傳感器設計、傳感器開 發(fā)和應用的綜合技術。 傳感技術的含義則更為廣泛，它是傳感器技術、敏感功能材料科學、 細微加工技術等多學科技術相互交叉滲透而形成的一門新技術學科一一 傳感器工程學。 2、傳感（檢測）原理：是指傳感器工作所依據(jù)的物理、化學和生物 效應，并受相應的定律和法則所支配。如：物理基礎的基本定律包括： 守恒定律（能量、動量、電荷等），場的定律（包括動力場運動定律、電 磁場的感應定律等，其作用與物體在空間的位置及分布有關。）,物質定 律（如虎克定律、歐

4、姆定律、半導體材料的各種效應等，表示本身內在 性質的定律），統(tǒng)計法則（它把微觀系統(tǒng)與宏觀系統(tǒng)聯(lián)系起來的物理法則， 它們常與傳感器的工作狀態(tài)有關）。 二、傳感器的組成 傳感器一般由三部分組成：敏感元件、轉換元件、測量電路組成。 圖0-1傳感器的組成 其中，能把非電信息轉換成電信號的轉換元件，是傳感器的核心。 敏感元件是傳感器預先將被測非電量變換為另一種易于變換成電量的非 電量，然后再變換為電量，如彈性元件。因此，并非所有傳感器都包含 這兩部分，對于物性型傳感器，一般就只有轉換元件；而結構型傳感器 就包括敏感和轉換元件兩部分。 測量電路，將轉換元件輸出的電量變成便于顯示、記錄、控制和處 理的有用電

5、信號的電路。傳感器的測量電路，經(jīng)常采用電橋電路、高阻 抗輸入電路、脈沖調寬電路、振蕩電路等特殊電路。 三、傳感器的分類 按基本效應分：物理型、化學型、生物型等。 按構成原理分：結構型、物性型。 按測量原理分：應變式、電容式、壓電式、熱電式等。 按能量關系分：能量轉換型（自源型）、能量控制型（外源型）。 按輸入量分：位移、溫度、壓力、流量、加速度等。 按輸出量分：模擬式、數(shù)字式。 傳感器，作為測量與控制系統(tǒng)的首要環(huán)節(jié)，必須具有快速、準確、 可靠、經(jīng)濟實現(xiàn)信息轉換的基本要求： 1、足夠的容量一一工作范圍或量程足夠大、有一定的過載能力。 2、與測量或控制系統(tǒng)匹配性好，轉換靈敏度高。 3、精度適當，且

6、穩(wěn)定性高。 4、反應速度快、工作可靠性好。 5、適用性和適應性強。對被測對象的狀態(tài)影響小，不易受外界干 擾的影響，使用安全。 6、使用經(jīng)濟，成本低，壽命長，且易于使用、維修和校準。 四、傳感器的發(fā)展趨勢 1、開發(fā)新型傳感器 進一步探索具有新效應的敏感功能材料，并以此研制出具有新原理 的新型物性型傳感器件，物性型傳感器亦稱固態(tài)傳感器，它包括半導體、 電解質和強磁性體三類。其中利用量子力學諸效應研制的高靈敏閾傳感 器，用來檢測微弱信號，是傳感器技術發(fā)展的新趨勢，例如，利用核磁 共振吸收效應的磁敏傳感器，可將檢測限擴展到地磁強度的10的7次方, 利用約瑟夫遜效應的熱噪聲溫度傳感器，可測量10的負6次

7、方的超低溫； 以及由于光子滯后效應的利用，出現(xiàn)了響應速度極快的紅外傳感器。目 前最先進的固態(tài)傳感器，在一塊芯片上可同時集成差壓、靜壓、溫度三 個傳感器，使差壓傳感器具有溫度和壓力補償功能。 2、傳感器的集成化和多功能化 所謂集成化，就是將敏感元件、信息處理或轉換單元以及電源等部 分利用半導體技術將其制做在同一芯片上；多功能化則意味著傳感器具 有多種參數(shù)的檢測功能，如半導體溫濕敏傳感器、多功能氣體傳感器等。 借助于半導體的蒸鍍技術、擴散技術、光刻技術、精密加工及組裝技術 等，使得傳感器的這種發(fā)展趨勢得以實現(xiàn)。 3、傳感器的智能化 傳感器與微型計算機相結合就形成了智能傳感器，它兼有檢測和信 5 息

8、處理功能，同時還具有記憶、存儲、解析、統(tǒng)計處理及自診斷、自校 準、自適應等功能和遠距離通訊。將傳感器和計算機的這些功能集成于 同一芯片，就形成智能傳感器。 4、研究生物傳感器和開發(fā)仿生傳感器 大自然是生物傳感器的優(yōu)秀設計師。如狗的嗅覺（靈敏閾是人的一 百萬倍）、鳥的視覺（視力是人的850倍）、蝙蝠、飛蛾、海豚的聽覺（主 動型生物雷達一一超聲波傳感器）、蛇的接近覺（分辨力達0.001度的紅 外測溫傳感器）等。所以，這也是傳感器的一個發(fā)展方向。 五課堂小結 1、傳感器由哪三部分構成 2、傳感器有哪些類別？ 六布置作業(yè) 課后題 # 第一章傳感器的一般特性 一組織教學 3、師生問好； 4、清點人數(shù)，做

9、好考勤記錄； 二復習提問 1、什么是傳感器？ 2、傳感器由哪幾部分構成？ 三引入新課 上節(jié)課學習了傳感器的基本構成，那它是怎么工作的，具有怎樣 的特性呢？ 四講授新課 傳感器的輸入量可分為靜態(tài)量和動態(tài)量兩類。無論對靜態(tài)量或動態(tài) 量，傳感器的輸出量都應不失真地復現(xiàn)輸入量的變化。這主要取決于傳 感器的靜態(tài)特性和動態(tài)特性。 1.1 傳感器的靜態(tài)特性 一、靜態(tài)數(shù)學模型 靜態(tài)模型是指在靜態(tài)條件下（即輸入量對時間 t的各階導數(shù)為零） 得到的數(shù)學模型。不考慮滯后及蠕變，傳感器的靜態(tài)模型可用一代數(shù)方 程表示： Y 二 a0 a1X a2X2anXn 式中：Y輸出量； X輸入量； a 零位輸出； ai 傳感器的

10、靈敏度，常用 K或S表示； a2， a3，an 非線性項待定常數(shù)。 這種多項式方程可分為四種典型情況，見書。表示輸出量與輸入量 之間的關系曲線稱為特性曲線，圖 1-1表示了這四種典型曲線。其中， 理想的模型為： 丫二 aiX 后三種情況表示的是非線性情況，必須采取線性補償措施。 二、靜態(tài)特性指標： 1. 線性度：表征傳感器曲線與擬合直線間最大偏差與滿量程 （F-S） 輸出 值的百分比。 8 L=A maj sX 100% max校準曲線與擬合直線間最大偏差； Yf- S傳感器滿量稱輸出；Yf- S= Ymax - Yo 擬合直線的方法不同，線性度的大小也不同。擬合直線的方法有： 1）端基法（簡

11、單直觀，未考慮數(shù)據(jù)分布、擬合精度低）； 2）理論直線法（與測試值無關，簡單、方便）； B 3) 最小二乘法(擬合精度高，可得最佳擬合直線)； 4) 端點平移法(最佳直線法)：正、負偏差最小且相等，擬合精 度最高； 5) 平均斜率法：精度比端基法高； 6) 平均選點法：我國專家提出，等等。 2. 靈敏度：在穩(wěn)定工作狀態(tài)時，輸出變化量與引起此變化的輸入 量之比。 3. 精度：在規(guī)定條件的最大絕對誤差相對傳感器滿量程輸出的百 分比。表征測量結果的可靠程度， A=A A Yf-sX 100% 工程中，經(jīng)常使用精度等級表征傳感器的精度：0.05, 0.1,0.5, 1.0,1.5,2.0, 5.0etc

12、 。 4. 分辨率：在規(guī)定的測量范圍內，所能檢測出被測輸入量的最 小變化量。也可用該值相對滿量程輸入值之百分數(shù)表示。也稱為最小 檢測量。 5. 遲滯：在相同工作條件下，傳感器在正、反行程中輸入-輸出 曲線的不重合程度。正、反行程的最大偏差與滿量程之比。 原因：傳感器機械結構、制造工藝上的缺陷；摩擦、軸承間隙、 螺釘松動、元件損壞、積塵等。 6. 重復性：在相同的工作條件下，輸入量按同一方向在全量程 范圍內連續(xù)多次所特性曲線的不一致性。數(shù)值上，是各測量值標準偏 差最大值兩倍或三倍與滿量程的百分比表示。 它反映測量結果偶然誤差的大小。而不表示與真值的誤差。 7. 零點漂移：在無輸入時，傳感器輸出偏

13、離零值的大小與滿量 程只比。 8. 溫漂：溫度變化時，傳感器輸出值的偏離程度。一般以溫度 每變化1度，輸出最大偏差與滿量程的百分數(shù)。 9. 閾值：使傳感器輸出產生可測變化量的最小輸入量值。也稱 為死區(qū)。 五課堂小結 1、傳感器具有怎樣的靜態(tài)數(shù)學模型？ 2、傳感器有哪些靜態(tài)特性？ 六布置作業(yè) 課后題 11 第二章應變式傳感器 一組織教學 1、師生問好； 2、清點人數(shù)，做好考勤記錄； 二復習提問 1、傳感器有哪些靜態(tài)特性？ 三引入新課 傳感器的一般特性放在各種類型的傳感器中，又有不同的應用，今 天我們學習應變片式的傳感器。 四講授新課 電阻式傳感器的種類繁多，應用廣泛，其基本原理是 將被測物理量

14、的變化轉換成電阻值的變化，再經(jīng)相應的測量電路而最后顯示被測量值 的變化。電阻式傳感器與相應的測量電路組成的測力、測壓、稱重、測 位移、測加速度、測扭矩、測溫度等測試系統(tǒng)。目前，已成為生產過程 檢測以及實現(xiàn)生產自動化不可缺少的手段之一。 電阻式傳感器的種類主要有：電位器式傳感器和應變式傳感器。本 章主要介紹應變式傳感器。它包括：金屬應變片式傳感器和壓阻式傳感 2.1 金屬應變片式傳感器 2.1.1應變效應 金屬應變片的工作原理是基于電阻應變效應，即在金屬絲產生機械 變形時，它的電阻值相應發(fā)生變化 當已知非線性誤差時由此式可計算出最大應變值 o+t/O 2.對稱電橋：特性與等臂電橋相近。 第一對稱

15、電橋： R1=R2=R , R3=R4二R，；特性與等臂電橋相同。 第二對稱電橋： R1 = R3 = R , R2=R4=R；分析方法相同，令 k=_R , R U 0 Ke k 2 1/k 非線性誤差為： ,k K 1 k 3.交流測量電橋: 六、應變式傳感器 可用于測量應力、應變、壓力、力、扭矩及加速度等。 應用特點：應用和測量范圍廣。測力傳感器：102N10N;壓力傳 感器：103108Pa;加速度傳感器：103級m/s2。分辨力、靈敏度高。 結構輕小，對試件影響小。易商品化、使用方便、便于實現(xiàn)遠距、自 動測量。 五課堂小結 1、直流電橋平衡的條件？ 2、橋臂比值大少時，靈敏度最大?

16、六布置作業(yè) 課后題 2.2 壓阻式傳感器 一組織教學 1、師生問好； 2、清點人數(shù)，做好考勤記錄； 二復習提問 1、直流電橋平衡的條件？ 2、橋臂比值大少時，靈敏度最大？ 三引入新課 傳感器的一般特性放在各種類型的傳感器中，又有不同的應用，今 天我們學習壓阻式的傳感器。 四講授新課 由硅、錯等半導體材料制成。特點為：靈敏度高、動態(tài)響應好、精 度高、橫向效應小，易于微型化和集成化。 壓阻效應是1954年發(fā)現(xiàn)，1958年貝爾實驗室研制出硅力敏電阻； 70年代后得到迅速發(fā)展。 2.2.1壓阻效應 沿半導體底某一軸向施加一定的載荷產生應變時，電阻率會發(fā)生明 顯的變化，這種現(xiàn)象稱作壓阻效應。 dR R

17、d2. P 對金屬材料，d較小，有時可忽略不計，故起作用的是應變效應； p 對半導體材料，：i .e ；二i為壓阻系數(shù)，E為彈性模量。 由于二i E比1大幾十到上百倍，故起作用的是壓阻效應； 在彈性范圍內，應力作用使半導體電阻發(fā)生變化，應力除去后，電 阻又恢復到原來的數(shù)值，故壓阻效應是可逆的。 222壓阻系數(shù) 1. 晶體晶向的作用 晶體是具有多面體形態(tài)的固體，沿不同的晶軸方向，二i、E的值是 不同的。 對于半導體Si: P1 1 1、N1 0 0晶向，最大； 對于半導體Ge P1 1 1、N1 1 1 晶向，ki E最大。 2. 影響二i的因素： 雜質濃度，擴散電阻的雜質濃度愈高，壓阻系數(shù)愈小

18、； 溫度，一般溫度愈高，壓阻系數(shù)愈小。 2.2.3固態(tài)壓阻器件 1. 結構原理 利用固態(tài)擴散技術，在 N型Si半導體底層上擴散P型雜質的導電 層，形成擴散型半導體應變片。 當在任意晶向上，受到縱向和橫向應力作用時， R I ；| 亠；t R 式中：二i、二i縱向應力、縱向壓阻系數(shù)； :t、二t橫向應力、橫向壓阻系數(shù)。 所以，徑向電阻Rr和切向電阻R t受到應力作用時： （百）r =吹二tG / R. （百）t =碼5中叫 2. 測量電橋及溫度補償 測量電橋仍采用金屬應變片的測量橋路，為了減少溫度影響，一般 采用恒流源供電。所以，采用全橋測量時 Uo =1 R 溫度補償：零點溫度補償，采用串并聯(lián)

19、電阻實現(xiàn)； 靈敏度溫度補償，采用在電源回路中串聯(lián)二極管的方 法實現(xiàn)。 五課堂小結 1、什么是壓阻效應 2、溫度補償有哪些？ 六布置作業(yè) 課后題 第三章壓電式傳感器 一組織教學 1、師生問好； 2、清點人數(shù)，做好考勤記錄； 二復習提問 1、什么是壓阻效應 2、溫度補償有哪些？ 三引入新課 傳感器的一般特性放在各種類型的傳感器中，又有不同的應用，今 天我們學習壓電式傳感器。 四講授新課 壓電式傳感器是一種有源的雙向機電傳感器。 它的工作原理是基于 壓電材料的壓電效應。石英晶體的壓電效應早在1680年即已發(fā)現(xiàn)，1948 年制作出第一個石英傳感器。 3.1壓電效應 某些晶體或多晶陶瓷，當沿著一定方向受

20、到外力作用時，內部就產 生極化現(xiàn)象，同時在某兩個表面上產生符號相反的電荷；當外力去掉后， 又恢復到不帶電狀態(tài)；當作用力方向改變時，電荷的極性也隨著改變； 晶體受力所產生的電荷量與外力的大小成正比。上述現(xiàn)象稱為正壓電效 應。反之，如對晶體施加一定變電場，晶體本身將產生機械變形，外電 場撤離，變形也隨著消失，稱為逆壓電效應。 壓電式傳感器大都是利用壓電材料的壓電效應制成的。在電聲和超 聲工程中也有利用逆壓電效應制作的傳感器。 壓電轉換元件受力變形的 狀態(tài)可分為下圖所示的幾種基本形式。 （#）牌稅費樂嶽 f衿乎HU詡5辺 3.1.1石英晶體的壓電效應 石英晶體是正六棱柱體（六面體），如圖所示。Z軸是

21、晶體的對稱軸， 稱為光軸；X軸壓電效應最顯著，電軸；丫軸（機械軸，力軸），加力產 生的變形最大。 X軸和丫軸受力后，石英晶體壓電效應示意圖如下圖所示, X (a)(b) 石英晶體受力方向與電荷極性的關系，如下所示: 但由于壓電晶體的各向異性，并不是所有的壓電晶體都能在這幾種 變形狀態(tài)下產生壓電效應。例如石英晶體就沒有體積變形壓電效應。但 它具有良好的厚度變形和長度變形壓電效應，即在X軸和丫軸受力時， 才會產生壓電效應，被稱為縱向、橫向壓電效應；當沿 X軸方向施加切 向應力時，將在垂直于 Y軸的表面上產生電荷，稱為切向壓電效應。 假設在石英晶體上切下一片平行六面體 晶體切片。 I 1. 當X軸方

22、向受力時，垂直X軸平面上產生的電荷為: qx = diiFx 則極間電壓為: qx Cx Cx 當在垂直X軸平面上, =dii 5-=diiEx 2. 外加電場E時, t xy Y軸方向受力時，垂直X軸平面上產生的電荷為：qxy=dii；Fy 逆壓電效應：；二-小“叵 所以, 有如下結論： 無論正和逆壓電效應，其作用力（或應變）與電荷（電場強度）之間成 線性關系； 晶體在哪個方向有正壓電效應，貝S在此方向上一定存在逆壓電效應; 石英晶體不是在任何方向上都存在正壓電效應。 3.1壓電效應 一組織教學 1、師生問好； 2、清點人數(shù)，做好考勤記錄； 二復習提問 1、什么是石英晶體的壓電效應？ 三引入

23、新課 傳感器的一般特性放在各種類型的傳感器中， 又有不同的應用，今 天我們學習壓電式傳感器。 四講授新課 3.1.2壓電陶瓷的壓電效應 壓電陶瓷是一種人工制造的多晶鐵電體，1847年就發(fā)現(xiàn)了鈦酸鋇這 種陶瓷材料具有壓電特性。 壓電陶瓷首先需經(jīng)過極化處理，其過程如下圖所示： 機化過程示趕 半 44 此時，壓電陶瓷受力后，變具有壓電特性，但原理與晶體不同： 壓電陶瓷受壓變形后，內部極化強度變小，表面吸附的一部分自 由電荷被釋放，出現(xiàn)放電現(xiàn)象；外力撤消后，有恢復原狀正壓電效 應。 壓電陶瓷在外電場作用下，會產生變形一一逆壓電效應。 為什么壓電陶瓷對外不顯電性？ 壓電陶瓷的剩余極化強度，總是以電偶極矩

24、的形式表現(xiàn)，故在陶瓷的一 端出現(xiàn)正束縛電荷，另一端出現(xiàn)負束縛電荷。由于束縛電荷的作用，在 陶瓷表面吸附了一層來自外界的自由電荷，其數(shù)量與束縛電荷相等，它 們起著屏蔽和抵消片內極化強度對外的作用，所以，無法用電壓表測出 極化強度。 3.2 壓電材料 選用合適的壓電材料是設計高性能傳感器的關鍵。 一般應考慮以下 幾個方面： 轉換性能：具有較高的耦合系數(shù)或具有較大的壓電常數(shù)； 機械性能：壓電元件作為受力元件，希望它的機械強度高、機械剛度 大。以期獲得寬的線性范圍和高的固有振動頻率； 電性能：希望具有高的電阻率和大的介電常數(shù)，以期望減弱外部分布 電容的影響并獲得良好的低頻特性； 溫度和濕度穩(wěn)定性要好：

25、具有較高的居里點、以期望得到寬的工作溫 度范圍； 時間穩(wěn)定性：壓電特性不隨時間蛻變。 主要有兩種材料：一種是壓電晶體，如石英晶體；一種是壓電陶瓷， 如鈦酸鋇，鋯鈦酸鉛等。 五課堂小結 1、什么是壓電陶瓷的壓電效應 2、壓電材料具有哪些特性？ 六布置作業(yè) 課后題 3.3 測量電路 一組織教學 1、師生問好； 2、清點人數(shù)，做好考勤記錄； 二復習提問 1、什么是壓電效應？ 三引入新課 傳感器的一般特性放在各種類型的傳感器中，又有不同的應用，今 天我們學習壓電式傳感器。 四講授新課 3.3.1等效電路 壓電式傳感器對被測量的變化是通過其壓電元件產生電荷量的大 小來反映的，因此它相當于一個電荷源。 而

26、壓電元件電極表面聚集電荷時，它又相當于一個以壓電材料為電 介質的電容器，其電容量為: 式中：S-極板面積；.壓電材料相對介電常數(shù); ；0-真空介電常數(shù)；t-壓電元件厚度 當壓電元件受外力作用時，兩表面產生等量的正、負電荷 Q壓電 元件的開路電壓（認為其負載電阻為無窮大）U為 這樣，可以把壓電元件等效為一個電荷源 Q和一個電容器Ca的等 效電路，如圖中的虛線方框；同時也等效為一個電壓源U和一個電容器 Ca串聯(lián)的等效電路，如圖6-8的虛線方框所示。其中Ra為壓電元件的 332測量電路 根據(jù)壓電元件的工作原理及上節(jié)所述兩種等效電路，與壓電元件配 套的測量電路的前置放大器也有兩種形式： 電壓放大器：其

27、輸出電壓與輸入電壓（壓電元件的輸出電壓）成正比 電荷放大器：其輸出電壓與輸入電荷成正比。 1. 電壓放大器： 電壓放大器的作用是將壓電式傳感器的高輸出阻抗經(jīng)放大器變換 為低阻抗輸出，并將微弱的電壓信號進行適當放大.因此也把這種測量 電路稱為阻抗變換器。等效電路如上圖。 等效電阻: RaR Ra R 等效電容：C =Cc Ci 所以，當壓電元件受到作用力 F為：F=FmS n.t 則, Ua d33F m _Ca_ sin t 放大器輸入電壓為: U 二 d33 jcoR 1 j R CCa_ 幅值為：Ui im d33Fm R 1 P2r2(c +Ca f 相位差為：，2 _tg廣R c cc

28、 ci 當L 1時，輸出幅值與頻率無關： d33F m Uim CCCCi 當測量回路的時間常數(shù)滿足一定條件時，壓電傳感器具有相當好的高 頻響應特性。 在低頻時，若測量回路的時間常數(shù)不大，則靈敏度會下降。 Ku Uim 33 2 + (C+Cc +Ci ) 擴大工作頻帶低頻下限的方法: 增大回路電容，增大，但靈敏度下降； 增大輸入電阻R，增大，低頻相應變好。 2 .電荷放大器 由于電壓放大器使所配接的壓電式傳感器的電壓靈敏度將隨電纜分布 電容及傳感器自身電容的變化而變化， 而且電纜的更換得引起重新標定 的麻煩，為此又發(fā)展了便于遠距離測量的電荷放大器，目前它巳被公認 是一種較好的沖擊測量放大器。

29、 11 5 A Q 電荷放大器的輸出為: Use jqAo r |Ca Cc 1AoCf 當A足夠大時，輸出為: Usc 計算證明，對Ao的要求并不很高，實際器件很容易達到。 電荷放大器也存在下限截止頻率，如-3dB的截止頻率為: L 二 1 2兀 RfCf 五課堂小結 1、壓電傳感器的等效電路是怎樣的？ 2、測量電路 六布置作業(yè) 課后題 3. 4壓電傳感器的應用 一組織教學 1、師生問好； 2、清點人數(shù)，做好考勤記錄； 二復習提問 1、壓電傳感器的等效電路是怎樣的？ 2、測量電路 三引入新課 傳感器的一般特性放在各種類型的傳感器中，又有不同的應用，今 天我們學習壓電式傳感器的應用。 四講授新

30、課 壓電元件是一種典型的力敏感元件。 可用來測量最終能轉換為力的 多種物理量。在檢測技術中，常用來測量力和加速度，如下圖。 何單博中心壓鼎富；腳雄摘氏 影響壓電式傳感器精度的因素分析 1. 非線性：壓電傳感器的幅值線性度是指被測物理量 （如力、壓力、力口 速度等）的增加，其靈敏度的變化程度。 2. 橫向靈敏度：壓電加速度傳感器的橫向靈敏度是指當加速度傳感器 感受到與其主軸向（軸向靈敏度方向）垂直的單位加速度振動時的靈 敏度，一般用它與主軸向靈敏度的百分比來表示， 稱為橫向靈敏度比。 3. 環(huán)境溫度的影響：環(huán)境溫度的變化對壓電材料的壓電常數(shù)和介電常 數(shù)的影響都很大，它將使傳感器靈敏度發(fā)生變化，壓

31、電材料不同，溫度 影響的程度也不同。當溫度低于 400C時，其壓電常數(shù)和介電常數(shù)都很 穩(wěn)定。 4. 濕度的影響：環(huán)境濕度對壓電式傳感器性能的影響也很大。如果傳 感器長期在高濕度環(huán)境下工作，其絕緣電阻將會減小，低頻響應變壞。 5. 電纜噪聲：為了減小這種噪聲?？墒褂锰刂频牡驮肼曤娎|，同時將 電纜固緊，以免產生相對運動。 6. 接地回路噪聲：在測試系統(tǒng)中接有多種測量儀器，如果各儀器與傳 感器分別接地，各接地點又有電位差，這便在測量系統(tǒng)中產生噪聲。防 止這種噪聲的有效辦法是整個測量系統(tǒng)在一點接地。而且選擇指示器的 輸入端為接地點。 影響壓電式傳感器精度除以上分析的幾個因素外，還存在有聲場效應、 磁場

32、效應及射頻場效應、基座應變效應等因素。 第四章固態(tài)傳感器 一組織教學 1、師生問好； 2、清點人數(shù)，做好考勤記錄； 二復習提問 1、影響壓電式傳感器精度的因素有哪些？ 三引入新課 傳感器的一般特性放在各種類型的傳感器中，又有不同的應用，今 天我們學習磁敏傳感器。 四講授新課 固態(tài)傳感器是物性式傳感器的典型代表。它是利用某些固體材料的 機械特性、電特性、磁特性等物性變化來實現(xiàn)信息的直接變換。 4.1 磁敏傳感器 磁敏傳感器是基于磁電轉換的傳感器，主要原理有霍爾效應和磁阻 效應。 4.1.1霍爾式傳感器 （一）霍爾效應 將一載流導體置于磁場中，磁場方向與電流方向正交，則在與兩者 垂直的方向上產生橫

33、向電勢一一霍爾電勢，這一現(xiàn)象稱為霍爾效應。如 圖所示： 再由二1 ，可得：Rh。由于電子的遷移率大于空穴，所 n e.L 以，霍爾元件多采用N型半導體材料。 2. 靈敏度： Kh =-RH/d 所以，Uh =Kh IB 金屬不宜做霍爾元件；電子密度高，Kh和Rh小。 材料電阻率高、遷移率大，則霍爾效應強。 d減小，靈敏度高；但不能過小，否則使元件輸出電阻增加。 3. 使用電壓源時， Uh _ 一 ：EB 所以，適當選擇材料的遷移率，及霍爾元件的寬長比，可改變霍爾電勢 的大小。 五課堂小結 1、什么是霍爾效應？ 六布置作業(yè) 4.1 磁敏傳感器 一組織教學 1、師生問好； 2、清點人數(shù)，做好考勤記

34、錄； 二復習提問 1、什么是霍爾效應？ 2、霍爾系數(shù)與靈敏度什么關系？ 三引入新課 傳感器的一般特性放在各種類型的傳感器中，又有不同的應用，今 天我們學習霍爾傳感器。 四講授新課 4.1.3材料及測量電路 常用測量有：N型的錯（G、銻化銦（InSb）、砷化銦（InAs ）。 符號及測量電路見下圖： 4.1.4誤差分析與補償 1.幾何尺寸及焊點大小對性能的影響： 實驗證明，長寬比對霍爾電勢有影響， Uh =KhIB L/b 式中，fH L/b 元件的形狀系數(shù)。一般L/b 2，形狀系數(shù)為1 焊點大小對性能也有影響，一般要求電極寬度為I ： l/L：0.1（ 2. 不等位電勢及補償： 當磁感應強度為

35、零時元件通以電流， 霍爾電極上有電勢存在一一不 等位電勢；即產生零位誤差。 原因：兩個霍爾電極的位置不在同一等位面上。 常用的補償方法如下圖的幾種形式: 3. 溫度誤差及補償 霍爾元件對溫度變化十分敏感。其中半導體材料的電阻率、遷移率 和載流子濃度都隨溫度變化而變化。 處理方法：選用溫度系數(shù)小的元件（InSb）; 采用恒溫措施；采用恒流源供電（減小元件內阻隨溫度的變化，控 制電流的變化），但不能完全解決問題。 米用補償電路：主要有并聯(lián)電阻、熱敏電阻的補償 4.1.5應用 三大類：1.測定恒定和交變的磁場強度，如高斯計； 2 .測量交、直流電壓、電流； 3 .做乘法器、功率計等。 此外，可測位移

36、、壓力、流量等物理量。如位移（壓力）傳感器 圖齊L7霍爾式位榕傳感黠的感路結枸示蕙圖 第五章溫度測量概述 一組織教學 1、師生問好； 2、清點人數(shù)，做好考勤記錄； 二復習提問 1、霍爾傳感器溫補怎么實現(xiàn)？ 三引入新課 傳感器的一般特性放在各種類型的傳感器中，又有不同的應用，今 天我們學習熱電偶傳感器。 四講授新課 溫度是表征物體冷熱程度的物理量。 溫度不能直接測量，而是借助于某種物體的某種物理參數(shù)隨溫度冷熱不 同而明顯變化的特性進行間接測量。 溫度的表示（或測量）須有溫度標準，即溫標。理論上的熱力學溫標， 是當前世界通用的國際溫標。 熱力學溫標確定的溫度數(shù)值為熱力學溫度（符號為T）,單位為開爾

37、文（符 號為K）。 熱力學溫度是國際上公認的最基本溫度。 我國目前實行的為國際攝氏溫 度（符號為t ）。兩種溫標的換算公式為： t（C）=T （ K） -273.15K 進行間接溫度測量使用的溫度傳感器，通常是由感溫元件部分和溫度顯 示部分組成，如圖2-1所示。 t _ 感溫元件溫度顯示 圖8-1溫度傳感器組成框圖 5.1熱電偶傳感器 熱電偶在溫度的測量中應用十分廣泛。它構造簡單，使用方便，測溫范 圍寬，并且有較高的精確度和穩(wěn)定性。 5.1.1熱電偶測溫原理 1. 熱電效應 如圖8-2所示，兩種不同材料的導體組成一個閉合回路時，若兩接點溫 度不同，則在該回路中會產生電動勢。這種現(xiàn)象稱為熱電效應

38、，該電動 勢稱為熱電勢。 圖8-2熱電效應 2.兩種導體的接觸電勢 設兩種金屬A B的自由電子密度分別為nA和nB,且nAnB當兩種金屬相接時，將產生自由電子的擴散現(xiàn)象。 達到動態(tài)平衡時，在 A B之間形成穩(wěn)定的電位差，即接觸電勢 eAB 如圖2-3所示。 十D一z_ Ao i， -_呂. 圖8-3兩種導體的接觸電勢 3. 單一導體的溫差電勢 對于單一導體，如果兩端溫度分別為T、TO且TTQ如圖2-4所示 圖2-4單一導體溫差電勢 導體中的自由電子，在高溫端具有較大的動能，因而向低溫端擴散, 在導體兩端產生了電勢，這個電勢稱為單一導體的溫差電勢。 勢電偶回路中產生的總熱電勢，由圖 2-5可知：

39、 EAB(T,TO)=eAB(T)+eB(T,TO)-eAB(TO)-eA(T,TO) 或 EAB(t,tO)=eAB(t)+eB(t,tO)-eAB(tO)-eA(t,tO) 式中: EAB(T,TO): 熱電偶回路中的總電動勢; eAB(T): 熱端接觸電勢; eB(T,TO): 導體溫差電勢; eAB(TO): 冷端接觸電勢; eA(T,TO): 導體溫差電勢。 B A T *ab(T 丄 T eeCT* 圖8-5接觸電勢示意圖 在總電勢中, 溫差電勢比接觸電勢小很多，可忽略不計，則熱電偶的熱 電勢可表示為: EAB(T,TO)=eAB(T)-eAB(TO) 對于已選定的熱電偶，當參考端

40、溫度TO恒定時，EAB(TO)=c為常數(shù)，則 總的熱電動勢就只與溫度T成單值函數(shù)關系，即： EAB(T,TO)=eAB(T)- c =f(T) 實際應用中，熱電勢與溫度之間的關系是通過熱電偶分度表來確定。 分度表是在參考端溫度為00C時，通過實驗建立起來的熱電勢與工 作端溫度之間的數(shù)值對應關系。 五課堂小結 1、什么兩種導體的接觸電勢？ 2、什么是單一導體的溫差電勢？ 六布置作業(yè) 課后題 5.1熱電偶傳感器 一組織教學 1、師生問好； 2、清點人數(shù)，做好考勤記錄； 二復習提問 1、什么兩種導體的接觸電勢？ 2、什么是單一導體的溫差電勢？ 三引入新課 傳感器的一般特性放在各種類型的傳感器中，又有

41、不同的應用，今 天我們學習熱電偶傳感器。 四講授新課 4 .熱電偶的基本定律 (1) 中間導體定律 在熱電偶回路中接入第三種導體，只要該導體兩端溫度相等，則熱電偶 產生的總熱電勢不變。 如圖8-6所示，可得回路總的熱電勢 EABC(T,TO)=eAB(T)-eAB(TO)=EAB(T,TO) 根據(jù)這個定律，我們可采取任何方式焊接導線，將熱電勢通過導線接至 測量儀表進行測量，且不影響測量精度 T1 tactTo) 圖8-6中間導體定律示意圖 (2) 中間溫度定律 在熱電偶測量回路中，測量端溫度為 T,自由端溫度為TO中間溫度為 T 0，如圖8-7所示。貝S T，TO熱電勢等于T，TO與TO，TO

42、熱電 勢的代數(shù)和。即 EAB(T,TO)=EAB(T,TO )+EAB(TO ,TO) 運用該定律可使測量距離加長，也可用于消除熱電偶自由端溫度變化影 圖8-7中間溫度定律示意圖 (3) 參考電極定律(也稱組成定律)如圖 8-8所示。 已知熱電極A B與參考電極C組成的熱電偶在結點溫度為(T, T0)時的 熱電動勢分別為EAC(T T0)、EBC(T T0)，則相同溫度下，由 A B兩 種熱電極配對后的熱電動勢 EAB(T T0)可按下面公式計算： EAB(T, T0)=EAC(T TO)-EBC(T, T0)參考電極定律大大簡化了熱電偶 選配電極的工作。 圖8-8參考電極定律示意圖 五課堂小

43、結 1、什么是中間導體定律? 2、什么是中間溫度定律? 六布置作業(yè) 課后題 5.1熱電偶傳感器 一組織教學 1、師生問好； 2、清點人數(shù)，做好考勤記錄; 二復習提問 1、什么是中間導體定律？ 2、什么是中間溫度定律？ 三引入新課 傳感器的一般特性放在各種類型的傳感器中，又有不同的應用，今 天我們學習熱電偶傳感器。 四講授新課 5.1.3熱電偶測溫及參考端溫度補償 1. 熱電偶測溫基本電路 如圖8-12所示， 圖（a）表示了測量某點溫度連接示意圖。圖（b）表示兩個熱電偶并聯(lián) 測量兩點平均溫度。圖（c）為兩熱電偶正向串聯(lián)測兩點溫度之和。圖 （d）為兩熱電偶反向串聯(lián)測量兩點溫差。 熱電偶串、并聯(lián)測溫

44、時，應注意兩點：第一，必須應用同一分度號的 熱電偶；第二，兩熱電偶的參考端溫度應相等。 圖8-12常用的熱電偶測溫電路示意圖 2.熱電偶參考端的補償 熱電偶分度表給出的熱電勢值的條件是參考端溫度為0C。如果用熱電 偶測溫時自由端溫度不為0C,必然產生測量誤差。應對熱電偶自由端 (參考端)溫度進行補償。 例如：用K型(鎳鉻-鎳硅)熱電偶測爐溫時，參考端溫度 t0=30 C, 由分度表可查得 E(30 C ,0 C)=1.203mv, 若測爐溫時測得E(t,30 C)=28.344mv, 則可計算得 E(t,0 C )=E(t,30 C +E(30 C ,0 C )=29.547mv 由29.54

45、7mv再查分度表得t=710 C,是爐溫。 五課堂小結 1、分析熱電偶測溫基本電路？ 2、什么是熱電偶參考端的補償? 六布置作業(yè) 課后題 5.2金屬熱電阻傳感器 一組織教學 1、師生問好； 2、清點人數(shù)，做好考勤記錄； 二復習提問 1、分析熱電偶測溫基本電路？ 2、什么是熱電偶參考端的補償？ 三引入新課 傳感器的一般特性放在各種類型的傳感器中，又有不同的應用，今 天我們學習熱電阻傳感器。 四講授新課 5.2金屬熱電阻傳感器 金屬熱電阻傳感器一般稱作熱電阻傳感器，是利用金屬導體的電阻值隨 溫度的變化而變化的原理進行測溫的。 金屬熱電阻的主要材料是鉑和銅。 熱電阻廣泛用來測量-220+850C范圍

46、內的溫度，少數(shù)情況下，低溫可 測量至1K (-272 C),高溫可測量至1000C。 最基本的熱電阻傳感器由熱電阻、 連接導線及顯示儀表組成，如圖2-14 所示。 1 顯示 Rt 儀表 T 圖8-14金屬熱電阻傳感器測量示意圖 521熱電阻的溫度特性 熱電阻的溫度特性，是指熱電阻 Rt隨溫度變化而變化的特性。 1. 鉑熱電阻的電阻一溫度特性 鉑電阻的特點是測溫精度高，穩(wěn)定性好，所以在溫度傳感器中得到了廣 泛應用。鉑電阻的應用范圍為-200+850C。 鉑電阻的電阻一溫度特性方程，在-2000C的溫度范圍內為： Rt二RO1+At+Bt2+Ct3(t-100) 在0+850C的溫度范圍內為：Rt=RO(1+At+Bt2) 2. 銅熱電阻的電阻溫度特性 由于鉑是貴金屬，在測量精度要求不高，溫度范圍在-50+ 150C時普 遍采用銅電阻。銅電阻與溫度間的關系為：Rt二R0(1+ a 1t+ a 2t2+ a 3t3) 由于a 2、a 3比a 1小得多，所以可以簡化為 Rt R0(1 + a 1t)