第4部分傳感器原理4-磁電-壓電與熱電式

1、華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院測試技術(shù)與信號處理測試技術(shù)與信號處理第三章第三章 常用傳感器與敏感元件常用傳感器與敏感元件第四節(jié)第四節(jié) 磁電、壓電與熱電式傳感器磁電、壓電與熱電式傳感器一、磁電式傳感器一、磁電式傳感器變換原理變換原理: : 把被測量的物理量轉(zhuǎn)換為感應(yīng)電動勢的把被測量的物理量轉(zhuǎn)換為感應(yīng)電動勢的一種傳感器，又稱一種傳感器，又稱電磁感應(yīng)式電磁感應(yīng)式或或電動力式電動力式傳感器。傳感器。edtNd 對于一個匝數(shù)為對于一個匝數(shù)為N的線圈，當(dāng)穿過該線圈的磁通的線圈，當(dāng)穿過該線圈的磁通F F 發(fā)生變化時，其感應(yīng)電動勢發(fā)生變化時，其感應(yīng)電動勢 e 為為線圈感應(yīng)電動勢的大小，取決于匝數(shù)和磁

2、通變化率。線圈感應(yīng)電動勢的大小，取決于匝數(shù)和磁通變化率。華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院測試技術(shù)與信號處理測試技術(shù)與信號處理 磁通變化率與磁場強(qiáng)度、磁路磁阻、線圈運動速磁通變化率與磁場強(qiáng)度、磁路磁阻、線圈運動速度有關(guān)，改變其中一個因素，都會改變感應(yīng)電動勢。度有關(guān)，改變其中一個因素，都會改變感應(yīng)電動勢。 按照結(jié)構(gòu)不同，磁電式傳感器可分為：按照結(jié)構(gòu)不同，磁電式傳感器可分為：磁磁電電式式動圈式動圈式磁阻式磁阻式線速度型線速度型角速度型角速度型N磁電式傳感器磁電式傳感器華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院測試技術(shù)與信號處理測試技術(shù)與信號處理磁電式傳感器磁電式傳感器動圈式動圈式1. 動圈式動

3、圈式線速度型線速度型角速度型角速度型華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院測試技術(shù)與信號處理測試技術(shù)與信號處理【右手定則右手定則】 亦稱亦稱“發(fā)電機(jī)定則發(fā)電機(jī)定則”。確確定導(dǎo)體在磁場中運動時導(dǎo)定導(dǎo)體在磁場中運動時導(dǎo)體中感生電流方向的定則。體中感生電流方向的定則。伸開石手，使拇指與其余伸開石手，使拇指與其余四指垂直，并都和手掌在四指垂直，并都和手掌在同一平面內(nèi)。假想將同一平面內(nèi)。假想將右手右手放入磁場中，讓放入磁場中，讓磁力線垂磁力線垂直地從手心進(jìn)入直地從手心進(jìn)入，使，使拇指拇指指向?qū)w運動的方向指向?qū)w運動的方向，這，這時其余時其余四指所指的方向就四指所指的方向就是感生電流的方向是感生電流的

4、方向。如右。如右圖所示。圖所示。eIB Lev 感應(yīng)電動勢：感應(yīng)電動勢：式中：式中：v 與與外磁場外磁場B垂直的速度垂直的速度L 切割磁力線的切割磁力線的導(dǎo)線長度導(dǎo)線長度GvB磁電式傳感器磁電式傳感器動圈式動圈式華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院測試技術(shù)與信號處理測試技術(shù)與信號處理sineN Bl v 在永久磁鐵產(chǎn)生的恒定磁場內(nèi)，放置一個可動線在永久磁鐵產(chǎn)生的恒定磁場內(nèi)，放置一個可動線圈，當(dāng)線圈在磁場中作圈，當(dāng)線圈在磁場中作直線運動直線運動時，它所產(chǎn)生的感應(yīng)時，它所產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢電動勢 線圈匝數(shù)線圈匝數(shù)線圈與磁場的線圈與磁場的相對運動速度相對運動速度磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度單匝

5、線圈有效長度單匝線圈有效長度線圈運動方向與線圈運動方向與磁場方向的夾角磁場方向的夾角上式表明，當(dāng)上式表明，當(dāng)N、B、l 均為常數(shù)時，感應(yīng)電動勢大小均為常數(shù)時，感應(yīng)電動勢大小與線圈運動的線速度成正比與線圈運動的線速度成正比 慣性式磁電速度計的慣性式磁電速度計的 工作原理工作原理當(dāng)線圈運動方向與磁場方向的夾角為當(dāng)線圈運動方向與磁場方向的夾角為90時，上式時，上式可改寫為可改寫為eN Bl v 磁電式傳感器磁電式傳感器動圈式動圈式華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院測試技術(shù)與信號處理測試技術(shù)與信號處理ek N B A 當(dāng)線圈在磁場中作當(dāng)線圈在磁場中作轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)動時，它所產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢時，它所產(chǎn)生的

6、感應(yīng)電動勢 與結(jié)構(gòu)有關(guān)的與結(jié)構(gòu)有關(guān)的系數(shù)，系數(shù)，k Z0 ，磁電式傳感器磁電式傳感器動圈式動圈式華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院測試技術(shù)與信號處理測試技術(shù)與信號處理動圈式傳感器動圈式傳感器 線速度型線速度型 磁電式傳感器磁電式傳感器動圈式動圈式華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院測試技術(shù)與信號處理測試技術(shù)與信號處理測速電機(jī)測速電機(jī) 磁電式傳感器的工作原理也是可逆的。磁電式傳感器的工作原理也是可逆的。作為測量作為測量振動或轉(zhuǎn)速，它工作于發(fā)電機(jī)狀態(tài)；振動或轉(zhuǎn)速，它工作于發(fā)電機(jī)狀態(tài)；若在線圈上加以若在線圈上加以交變激勵電壓，則線圈就在磁場中振動，成為激振器交變激勵電壓，則線圈就在磁場中振

7、動，成為激振器（電動機(jī)狀態(tài)）。（電動機(jī)狀態(tài)）。角速度型角速度型磁電式傳感器磁電式傳感器動圈式動圈式華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院測試技術(shù)與信號處理測試技術(shù)與信號處理2. 磁阻式傳感器磁阻式傳感器 磁阻式傳感器的線圈磁阻式傳感器的線圈與磁鐵彼此與磁鐵彼此不作相對運動不作相對運動，由運動著的物體（導(dǎo)磁材料）由運動著的物體（導(dǎo)磁材料）改變磁路的磁阻改變磁路的磁阻，而引，而引起磁力線增強(qiáng)或減弱，使線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。這種起磁力線增強(qiáng)或減弱，使線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。這種傳感器是由永久磁鐵及纏繞其上的線圈組成，如下圖傳感器是由永久磁鐵及纏繞其上的線圈組成，如下圖測頻數(shù)測頻數(shù) 當(dāng)齒輪旋轉(zhuǎn)時，齒的凸當(dāng)

8、齒輪旋轉(zhuǎn)時，齒的凸凹引起磁阻變化，使磁通量凹引起磁阻變化，使磁通量變化，在線圈中感應(yīng)出交流變化，在線圈中感應(yīng)出交流電動勢，其頻率等于齒輪的電動勢，其頻率等于齒輪的齒數(shù)和轉(zhuǎn)速的乘積。齒數(shù)和轉(zhuǎn)速的乘積。磁電式傳感器磁電式傳感器磁阻式磁阻式華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院測試技術(shù)與信號處理測試技術(shù)與信號處理 磁阻式傳感器使用方便、結(jié)構(gòu)簡單，在不同場磁阻式傳感器使用方便、結(jié)構(gòu)簡單，在不同場合下可用來測量轉(zhuǎn)速、偏心量、振動等。合下可用來測量轉(zhuǎn)速、偏心量、振動等。磁電式傳感器磁電式傳感器磁阻式磁阻式華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院測試技術(shù)與信號處理測試技術(shù)與信號處理轉(zhuǎn)速測量轉(zhuǎn)速測量偏心測量

9、偏心測量振動測量振動測量磁電式傳感器磁電式傳感器磁阻式磁阻式華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院測試技術(shù)與信號處理測試技術(shù)與信號處理N NS S案例：鼠籠電機(jī)轉(zhuǎn)子斷細(xì)條檢測案例：鼠籠電機(jī)轉(zhuǎn)子斷細(xì)條檢測磁電式傳感器磁電式傳感器磁阻式磁阻式華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院測試技術(shù)與信號處理測試技術(shù)與信號處理二、壓電式傳感器二、壓電式傳感器 壓電式傳感器壓電式傳感器是一種是一種可逆型換能器可逆型換能器，既可以將機(jī)，既可以將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，又可以將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。這種械能轉(zhuǎn)換為電能，又可以將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。這種性能使它被廣泛用于壓力、應(yīng)力、加速度測量，也被性能使它被廣泛用于壓力、應(yīng)力

10、、加速度測量，也被用于超聲波發(fā)射與接收裝置。用于超聲波發(fā)射與接收裝置。第四節(jié)第四節(jié) 磁電、壓電與熱電式傳感器磁電、壓電與熱電式傳感器 在用做加速度傳感器時，可測頻率范圍從在用做加速度傳感器時，可測頻率范圍從0.1Hz 20kHz，可測振動加速度按其不同結(jié)構(gòu)可達(dá)，可測振動加速度按其不同結(jié)構(gòu)可達(dá)10-2 105 m/s2 。用做測力傳感器時，其靈敏度可達(dá)用做測力傳感器時，其靈敏度可達(dá)10-3 N 。優(yōu)點優(yōu)點：體積小、質(zhì)量小，精確度及靈敏度高等。體積小、質(zhì)量小，精確度及靈敏度高等。 現(xiàn)在與其配套的后續(xù)儀器，如電荷放大器等技術(shù)現(xiàn)在與其配套的后續(xù)儀器，如電荷放大器等技術(shù)性能的日益提高，使這種傳感器的應(yīng)用

11、愈來愈廣泛。性能的日益提高，使這種傳感器的應(yīng)用愈來愈廣泛。華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院測試技術(shù)與信號處理測試技術(shù)與信號處理1.1.壓電效應(yīng)壓電效應(yīng) 變換原理變換原理 某些物質(zhì)，如石英，受到外力作用時，某些物質(zhì)，如石英，受到外力作用時，不僅幾何尺寸會發(fā)生變化，而且內(nèi)部會被不僅幾何尺寸會發(fā)生變化，而且內(nèi)部會被極化，表面出現(xiàn)電荷，形成電場；當(dāng)外力去掉時，極化，表面出現(xiàn)電荷，形成電場；當(dāng)外力去掉時，又重新回到原來的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為又重新回到原來的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)。壓電式傳感器壓電式傳感器 壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)是可逆的，即將壓電晶體置于外電場是可逆的，即將壓電晶體置于外電場中

12、，其幾何尺寸也會發(fā)生變化中，其幾何尺寸也會發(fā)生變化逆壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)實驗證明：實驗證明：壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)和和逆壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)是線性的，即晶體是線性的，即晶體表面出現(xiàn)表面出現(xiàn)電荷的多少與形變的大小成正比電荷的多少與形變的大小成正比，當(dāng)形變改，當(dāng)形變改變符號時，電荷也改變符號；在外電場作用下，變符號時，電荷也改變符號；在外電場作用下，晶體晶體形變的大小與電場強(qiáng)度成正比形變的大小與電場強(qiáng)度成正比，當(dāng)電場反向時，形變，當(dāng)電場反向時，形變也改變符號。也改變符號。華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院測試技術(shù)與信號處理測試技術(shù)與信號處理 通常把沿電軸通常把沿電軸( (X X 軸軸) )方向的作用力

13、方向的作用力( (一般利用壓力一般利用壓力) )產(chǎn)生的壓電效應(yīng)稱為產(chǎn)生的壓電效應(yīng)稱為“縱向壓電效縱向壓電效應(yīng)應(yīng)”，把沿機(jī)械軸，把沿機(jī)械軸( (Y Y 軸軸) )方向的作用力產(chǎn)生的壓電效方向的作用力產(chǎn)生的壓電效應(yīng)稱為應(yīng)稱為“橫向壓電效應(yīng)橫向壓電效應(yīng)”，沿光軸，沿光軸( (Z Z 軸軸) )方向的作用方向的作用力不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。沿相對兩棱加力時，則產(chǎn)生力不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。沿相對兩棱加力時，則產(chǎn)生切切向效應(yīng)向效應(yīng)。壓電式傳感器主要是利用。壓電式傳感器主要是利用縱向壓電效應(yīng)縱向壓電效應(yīng)。 壓電效應(yīng)與方向壓電效應(yīng)與方向壓電式傳感器壓電式傳感器華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院測試技術(shù)與信號處理測試技

14、術(shù)與信號處理2.2.壓電材料壓電材料 常用的壓電材料大致可分為三類常用的壓電材料大致可分為三類: :壓電單晶壓電單晶、壓壓電陶瓷電陶瓷和和有機(jī)壓電薄膜有機(jī)壓電薄膜。 石英是壓電單晶中最具有代表性的，應(yīng)用廣泛。除石英是壓電單晶中最具有代表性的，應(yīng)用廣泛。除天然石英外，還大量應(yīng)用人造石英。石英的壓電常數(shù)天然石英外，還大量應(yīng)用人造石英。石英的壓電常數(shù)不高，但具有較好的機(jī)械強(qiáng)度和時間、溫度穩(wěn)定性。不高，但具有較好的機(jī)械強(qiáng)度和時間、溫度穩(wěn)定性。 傳感技術(shù)中最普遍應(yīng)用的是壓電陶瓷。壓電陶瓷制傳感技術(shù)中最普遍應(yīng)用的是壓電陶瓷。壓電陶瓷制作方便，成本低，壓電常數(shù)比單晶體高得多，一般比作方便，成本低，壓電常數(shù)比

15、單晶體高得多，一般比石英高數(shù)百倍。現(xiàn)在的壓電元件多數(shù)采用壓電陶瓷。石英高數(shù)百倍?，F(xiàn)在的壓電元件多數(shù)采用壓電陶瓷。 高分子壓電薄膜的壓電特性并不很好，但它易于大高分子壓電薄膜的壓電特性并不很好，但它易于大批量生產(chǎn)，且具有面積大、柔軟不易破碎等優(yōu)點，可批量生產(chǎn)，且具有面積大、柔軟不易破碎等優(yōu)點，可用于微壓測量和機(jī)器人的觸覺。用于微壓測量和機(jī)器人的觸覺。壓電式傳感器壓電式傳感器華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院測試技術(shù)與信號處理測試技術(shù)與信號處理3.3.壓電式傳感器及其等效電路壓電式傳感器及其等效電路 在壓電晶體的兩個工作面上進(jìn)在壓電晶體的兩個工作面上進(jìn)行金屬蒸鍍，形成金屬膜，構(gòu)成行金屬蒸鍍，

16、形成金屬膜，構(gòu)成兩個電極兩個電極。如圖所示。如圖所示 在壓電晶體受到外力作用時，在壓電晶體受到外力作用時，在兩個極板上將聚積數(shù)量相等、在兩個極板上將聚積數(shù)量相等、極性相反的電荷，形成了電場。極性相反的電荷，形成了電場。F+ +q=deFd d金屬板金屬板因此壓電傳感器可看作是一個因此壓電傳感器可看作是一個電荷發(fā)生器，又是一個電容器，電荷發(fā)生器，又是一個電容器，0CAd d 其電容量為其電容量為等效電荷源等效電荷源壓電式傳感器適宜作動態(tài)測量。壓電式傳感器適宜作動態(tài)測量。壓電式傳感器壓電式傳感器華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院測試技術(shù)與信號處理測試技術(shù)與信號處理+并接并接+串接串接 實際壓

17、電傳感器中，通常用兩個或兩個以上的壓實際壓電傳感器中，通常用兩個或兩個以上的壓電晶片進(jìn)行并接或串接使用。電晶片進(jìn)行并接或串接使用。并接并接：電容量大、輸出電荷量多：電容量大、輸出電荷量多 、時間常數(shù)大，宜于測量、時間常數(shù)大，宜于測量 緩變信號，適宜于以電荷緩變信號，適宜于以電荷 量輸出的場合。量輸出的場合。串接串接：電容量小、輸出電壓大，：電容量小、輸出電壓大， 適用于以電壓作為輸出信適用于以電壓作為輸出信 號的場合。號的場合。壓電式傳感器壓電式傳感器華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院測試技術(shù)與信號處理測試技術(shù)與信號處理 壓電傳感器是一個具有一定電容的電荷源，其開壓電傳感器是一個具有一定

18、電容的電荷源，其開路電壓路電壓 u0 與電荷與電荷 q、傳感器電容、傳感器電容 Ca 存在下列關(guān)系存在下列關(guān)系a0uq C 當(dāng)傳感器接入測量電路，當(dāng)傳感器接入測量電路，連接電纜的寄生電容就形成連接電纜的寄生電容就形成傳感器的并聯(lián)寄生電容傳感器的并聯(lián)寄生電容 C，后續(xù)電路的輸入阻抗和傳感后續(xù)電路的輸入阻抗和傳感器中的漏電阻就形成泄露電阻器中的漏電阻就形成泄露電阻R0，為了防止漏電阻造成電荷損失，通常要求，為了防止漏電阻造成電荷損失，通常要求 R0 1011 W W，因此傳感器可近似視為開路。，因此傳感器可近似視為開路。壓電式傳感器壓電式傳感器華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院測試技術(shù)與信號

19、處理測試技術(shù)與信號處理 在外力為正弦力在外力為正弦力F0 sin t 作用作用時，傳感器產(chǎn)生的電荷為時，傳感器產(chǎn)生的電荷為 0e0sinsinFtqqtd 考慮負(fù)載影響時，根據(jù)電荷平衡條考慮負(fù)載影響時，根據(jù)電荷平衡條件，有件，有Cdtuqi acCCC 式中式中u00sinqtCR iidt 00cosdiqtCRidt 求導(dǎo)求導(dǎo)忽略過渡過程，上式的穩(wěn)態(tài)解忽略過渡過程，上式的穩(wěn)態(tài)解020sin()1()qitCR 01arctanCR 壓電式傳感器壓電式傳感器華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院測試技術(shù)與信號處理測試技術(shù)與信號處理電容上的電壓為電容上的電壓為00201sin()11qR i

20、tCCRu 上式表明上式表明：壓電元件的電壓輸出還：壓電元件的電壓輸出還受回路的時間受回路的時間常數(shù)常數(shù) R0C 的影響的影響。在測試動態(tài)量時，為了建立一定。在測試動態(tài)量時，為了建立一定的輸出電壓并實現(xiàn)不失真測量，壓電式傳感器的的輸出電壓并實現(xiàn)不失真測量，壓電式傳感器的測測量電路必須有高輸入阻抗并在輸入端并聯(lián)一定的電量電路必須有高輸入阻抗并在輸入端并聯(lián)一定的電容容 Ci 以加大時間常數(shù)以加大時間常數(shù) R0C 。但并聯(lián)電容過大也會使但并聯(lián)電容過大也會使輸出電壓降低過多，降低了測量裝置的靈敏度。輸出電壓降低過多，降低了測量裝置的靈敏度。(3-38)壓電式傳感器壓電式傳感器華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科

21、技大學(xué)機(jī)械學(xué)院測試技術(shù)與信號處理測試技術(shù)與信號處理4.4.測量電路測量電路 壓電式傳感器輸出電信號很微弱，而且傳感器本壓電式傳感器輸出電信號很微弱，而且傳感器本身有很大內(nèi)阻，故輸出能量很小，這給后接電路帶來身有很大內(nèi)阻，故輸出能量很小，這給后接電路帶來一定困難。一定困難。 為此，通常把傳感器信號先輸?shù)礁咻斎胱铻榇耍ǔ０褌鞲衅餍盘栂容數(shù)礁咻斎胱杩沟目沟那爸梅糯笃髑爸梅糯笃鳎?jīng)過阻抗變換以后，方可用一般的，經(jīng)過阻抗變換以后，方可用一般的放大、檢波電路將信號輸給指示儀表或記錄器。放大、檢波電路將信號輸給指示儀表或記錄器。前置放大器電路前置放大器電路的的主要用途有兩點主要用途有兩點：將傳感器的將傳感

22、器的高阻抗輸出變換為低阻抗輸出；高阻抗輸出變換為低阻抗輸出；放大傳感器輸出的放大傳感器輸出的微弱電信號。微弱電信號。前置放大器電路前置放大器電路有有兩種形式兩種形式： 是用電阻反饋的是用電阻反饋的電電壓放大器壓放大器，其輸出電壓與輸入電壓，其輸出電壓與輸入電壓( (即傳感器的輸出即傳感器的輸出) )成正比；成正比； 是帶電容反饋的是帶電容反饋的電荷放大器電荷放大器，其輸出電，其輸出電壓與輸入電荷成正比。壓與輸入電荷成正比。 使用使用電壓放大器電壓放大器時，放大器的輸入電壓如式時，放大器的輸入電壓如式 (3-38)所表達(dá)。由于電容所表達(dá)。由于電容 C 包括了包括了Ca、Ci 和和 Cc，其中電纜

23、，其中電纜對地電容對地電容 Cc 比比 Ca 和和 Ci 都大，故整個測量系統(tǒng)對電都大，故整個測量系統(tǒng)對電纜對地電容纜對地電容 Cc 的變化非常敏感。連接電纜的長度和的變化非常敏感。連接電纜的長度和形態(tài)變化會引起形態(tài)變化會引起 Cc 的變化，導(dǎo)致傳感器輸出電壓的變化，導(dǎo)致傳感器輸出電壓u的的變化，從而使儀器的靈敏度也發(fā)生變化。變化，從而使儀器的靈敏度也發(fā)生變化。壓電式傳感器壓電式傳感器華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院測試技術(shù)與信號處理測試技術(shù)與信號處理 電荷放大器電荷放大器是一個高增益帶電容反饋的運算放大是一個高增益帶電容反饋的運算放大器，當(dāng)略去傳感器漏電阻及電荷放大器輸人電阻，器，當(dāng)

24、略去傳感器漏電阻及電荷放大器輸人電阻，它的等效電路如下圖它的等效電路如下圖(3-38)(3-38)所示。所示。由于忽略漏電阻由于忽略漏電阻iiyiiyaciff(-)(-)() =CCCCCCquu uuu u 運算放大器的開環(huán)運算放大器的開環(huán)增益為增益為 A，則有，則有fyf()AqACuCC 若若 A足夠大，則足夠大，則ff()CCAC 簡化為簡化為fyuCq 式式 (3-39)(3-39)表明，在一定條件下，表明，在一定條件下，電荷放大器電荷放大器的輸出電的輸出電壓與傳感器的電荷量成正比，并且與電纜分布電容無壓與傳感器的電荷量成正比，并且與電纜分布電容無關(guān)。因此，采用關(guān)。因此，采用電荷放

25、大器電荷放大器時，時，即使連接電纜長度達(dá)即使連接電纜長度達(dá)百米以上時，其靈敏度也無明顯變化百米以上時，其靈敏度也無明顯變化，這是電荷放大，這是電荷放大器器突出的優(yōu)點突出的優(yōu)點。但與電壓放大器相比，其。但與電壓放大器相比，其電路復(fù)雜，電路復(fù)雜，價格昂貴價格昂貴。(3-39)(3-39)壓電式傳感器壓電式傳感器華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院測試技術(shù)與信號處理測試技術(shù)與信號處理 5. 5. 壓電式傳感器的應(yīng)用壓電式傳感器的應(yīng)用 常用來測量應(yīng)力、壓力、振動的加速度，也用常用來測量應(yīng)力、壓力、振動的加速度，也用于聲、超聲和聲發(fā)射等測量。于聲、超聲和聲發(fā)射等測量。 壓電效應(yīng)是力壓電效應(yīng)是力電荷變

26、換，可直接用作測力。電荷變換，可直接用作測力?，F(xiàn)在己形成系列的現(xiàn)在己形成系列的壓電式力傳感器壓電式力傳感器，測量范圍從微，測量范圍從微小力值小力值10-3 N到到104 kN ，動態(tài)范圍一般為，動態(tài)范圍一般為60dB；測量；測量方向有單方向的，也有多方向的。形式如下：方向有單方向的，也有多方向的。形式如下：利用膜片式彈性元件，通過膜片承壓面積將壓力轉(zhuǎn)利用膜片式彈性元件，通過膜片承壓面積將壓力轉(zhuǎn)換為力。膜片中間有凸臺，凸臺背面放置壓電片。力換為力。膜片中間有凸臺，凸臺背面放置壓電片。力通過凸臺作用于壓電片上，使之產(chǎn)生相應(yīng)的電荷量。通過凸臺作用于壓電片上，使之產(chǎn)生相應(yīng)的電荷量。利用活塞的承壓面承受

27、壓力，并便活塞所受的力通利用活塞的承壓面承受壓力，并便活塞所受的力通過在活塞另一端的頂桿作用在壓電片上。測得此作用過在活塞另一端的頂桿作用在壓電片上。測得此作用力便可推算出活塞所受的壓力。力便可推算出活塞所受的壓力。壓電式傳感器壓電式傳感器華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院測試技術(shù)與信號處理測試技術(shù)與信號處理 現(xiàn)在廣泛采用壓電式傳感器來現(xiàn)在廣泛采用壓電式傳感器來測量加速度測量加速度。此種傳。此種傳感器的壓電片處于其殼體和一質(zhì)量塊之間，用強(qiáng)彈簧感器的壓電片處于其殼體和一質(zhì)量塊之間，用強(qiáng)彈簧 (或預(yù)緊螺栓或預(yù)緊螺栓)將質(zhì)量塊、壓電片緊壓在殼體上。運動將質(zhì)量塊、壓電片緊壓在殼體上。運動時，傳感

28、器殼體推動壓電片和質(zhì)量塊一起運動。在加時，傳感器殼體推動壓電片和質(zhì)量塊一起運動。在加速時，壓電片承受由質(zhì)量塊加速而產(chǎn)生的慣性力。速時，壓電片承受由質(zhì)量塊加速而產(chǎn)生的慣性力。 按不同需要做成不同靈敏度、不同量程和不同大小，按不同需要做成不同靈敏度、不同量程和不同大小，形成系列產(chǎn)品。大型形成系列產(chǎn)品。大型高靈敏度加速度計靈敏閾高靈敏度加速度計靈敏閾可達(dá)可達(dá)10-6 gn (gn 標(biāo)準(zhǔn)重力加速度標(biāo)準(zhǔn)重力加速度)，但其測量上限也很小，只，但其測量上限也很小，只能測量微弱振動。而能測量微弱振動。而小型的加速度計僅重小型的加速度計僅重0149 g，靈靈敏度雖低敏度雖低，但可測量，但可測量上千上千gn的強(qiáng)振

29、動。的強(qiáng)振動。壓電式傳感器的工作頻率范圍廣，理論上其低端從壓電式傳感器的工作頻率范圍廣，理論上其低端從直流開始，高端截止頻率取決于結(jié)構(gòu)的連接剛度，一直流開始，高端截止頻率取決于結(jié)構(gòu)的連接剛度，一般為般為數(shù)十赫到兆赫的量級數(shù)十赫到兆赫的量級，這使它廣泛用于各領(lǐng)域的，這使它廣泛用于各領(lǐng)域的測量。測量。壓電式傳感器壓電式傳感器華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院測試技術(shù)與信號處理測試技術(shù)與信號處理 壓電式傳感器內(nèi)阻很高，產(chǎn)生的電荷量很小，易壓電式傳感器內(nèi)阻很高，產(chǎn)生的電荷量很小，易受傳輸電纜雜散電容的影響，必須采用前面已談到的受傳輸電纜雜散電容的影響，必須采用前面已談到的阻抗變換器或電荷放大器。

30、已有將阻抗變換器和傳感阻抗變換器或電荷放大器。已有將阻抗變換器和傳感器集成在一起的集成傳感器，其輸出阻抗很低。器集成在一起的集成傳感器，其輸出阻抗很低。 由于電荷的泄漏，使壓電式傳感器實際上低端工由于電荷的泄漏，使壓電式傳感器實際上低端工作頻率無法達(dá)到直流，難以精確測量常值力。在低頻作頻率無法達(dá)到直流，難以精確測量常值力。在低頻振動時，壓電式加速度計振動圓頻率小，受靈敏度限振動時，壓電式加速度計振動圓頻率小，受靈敏度限制，其輸出信號很弱，信噪比差。尤其在需要通過積制，其輸出信號很弱，信噪比差。尤其在需要通過積分網(wǎng)絡(luò)來獲取振動的速度和加速度值的情況下，網(wǎng)絡(luò)分網(wǎng)絡(luò)來獲取振動的速度和加速度值的情況下

31、，網(wǎng)絡(luò)中運算放大器的漂移及低頻噪聲的影響，使得難于在中運算放大器的漂移及低頻噪聲的影響，使得難于在小于小于1Hz1Hz的低頻段中應(yīng)用壓電式加速度計。的低頻段中應(yīng)用壓電式加速度計。 壓電式傳感器壓電式傳感器華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院測試技術(shù)與信號處理測試技術(shù)與信號處理 壓電式傳感器一般用來測量沿其軸向的作用力，壓電式傳感器一般用來測量沿其軸向的作用力，該力對壓電片產(chǎn)生該力對壓電片產(chǎn)生縱向效應(yīng)縱向效應(yīng)并產(chǎn)生相應(yīng)的電荷，形成并產(chǎn)生相應(yīng)的電荷，形成傳感器通常的輸出；然而，垂直于軸向的作用力，也傳感器通常的輸出；然而，垂直于軸向的作用力，也會便壓電片產(chǎn)生會便壓電片產(chǎn)生橫向效應(yīng)橫向效應(yīng)和相應(yīng)

32、的輸出，稱為橫向輸和相應(yīng)的輸出，稱為橫向輸出。與此相應(yīng)的靈敏度，稱為出。與此相應(yīng)的靈敏度，稱為橫向靈敏度橫向靈敏度。對于傳感。對于傳感器而言，器而言，橫向輸出是一種干擾和產(chǎn)生測量誤差的原因橫向輸出是一種干擾和產(chǎn)生測量誤差的原因。使用時，應(yīng)該選用橫向靈敏度小的傳感器。一個使用時，應(yīng)該選用橫向靈敏度小的傳感器。一個壓電式傳感器各方向的橫向靈敏度是不同的。為了減壓電式傳感器各方向的橫向靈敏度是不同的。為了減少橫向輸出的影響，在安裝使用時，應(yīng)力求使最小橫少橫向輸出的影響，在安裝使用時，應(yīng)力求使最小橫向靈敏度方向與最大橫向干擾力方向重合。向靈敏度方向與最大橫向干擾力方向重合。 環(huán)境溫度、濕度的變化和壓電

33、材料自身的時效，環(huán)境溫度、濕度的變化和壓電材料自身的時效，都會引起壓電常數(shù)的變化，導(dǎo)致壓電傳感器靈敏度的都會引起壓電常數(shù)的變化，導(dǎo)致壓電傳感器靈敏度的變化變化經(jīng)常校準(zhǔn)是十分必要的經(jīng)常校準(zhǔn)是十分必要的壓電式傳感器壓電式傳感器華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院測試技術(shù)與信號處理測試技術(shù)與信號處理產(chǎn)品產(chǎn)品加速度計加速度計壓電式傳感器壓電式傳感器力力傳傳感感器器 壓力變送器壓力變送器華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院測試技術(shù)與信號處理測試技術(shù)與信號處理案例：飛機(jī)模態(tài)分析案例：飛機(jī)模態(tài)分析壓電式傳感器壓電式傳感器華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院測試技術(shù)與信號處理測試技術(shù)與信號處理三、

34、熱電式傳感器三、熱電式傳感器 把被測量（主要是溫度的）變化轉(zhuǎn)換成電量變化，把被測量（主要是溫度的）變化轉(zhuǎn)換成電量變化，其變換是基于其變換是基于金屬的熱電效應(yīng)金屬的熱電效應(yīng)。按變換方式的不同，可分為按變換方式的不同，可分為熱電偶熱電偶和和熱電阻熱電阻傳感器。傳感器。1. 1. 熱電偶熱電偶工作原理工作原理熱電效應(yīng)熱電效應(yīng) 將兩種不同材料的導(dǎo)體將兩種不同材料的導(dǎo)體A A和和B B串接成一個閉合回串接成一個閉合回路，當(dāng)兩個接點溫度不同時，在回路中就會產(chǎn)生熱路，當(dāng)兩個接點溫度不同時，在回路中就會產(chǎn)生熱電勢，形成電流，此現(xiàn)象稱為電勢，形成電流，此現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)熱電效應(yīng)。熱電式傳感器熱電式傳感器華中科技

35、大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院測試技術(shù)與信號處理測試技術(shù)與信號處理 由兩種導(dǎo)體的組合并將溫度轉(zhuǎn)化為熱電動勢的傳感由兩種導(dǎo)體的組合并將溫度轉(zhuǎn)化為熱電動勢的傳感器叫做熱電偶器叫做熱電偶。如圖所示的熱電偶回路中，所產(chǎn)生的。如圖所示的熱電偶回路中，所產(chǎn)生的熱電動勢是由熱電動勢是由溫差電動勢溫差電動勢和和接觸電動勢接觸電動勢兩部分組成。兩部分組成。溫差電動勢溫差電動勢：在同一在同一導(dǎo)體的兩端因其溫度導(dǎo)體的兩端因其溫度不同而產(chǎn)生的一種不同而產(chǎn)生的一種熱電動勢。熱電動勢。由于高溫由于高溫端端( (T ) ) 的電子能量比的電子能量比低溫端低溫端( (T0 ) )的電子能量大，的電子能量大，故由故由高溫端運

36、動到低溫端高溫端運動到低溫端的電子數(shù)較由低溫端運動到高溫端的電子數(shù)多，使的電子數(shù)較由低溫端運動到高溫端的電子數(shù)多，使得高溫端帶正電，而低溫端帶負(fù)電，從而在導(dǎo)體兩得高溫端帶正電，而低溫端帶負(fù)電，從而在導(dǎo)體兩端形成一個電勢差端形成一個電勢差，即，即溫差電動勢溫差電動勢。熱電偶傳感器熱電偶傳感器0( ,)AET T0( ,)BET T華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院測試技術(shù)與信號處理測試技術(shù)與信號處理接觸電動勢接觸電動勢：其大小與：其大小與兩種兩種導(dǎo)體材料的性質(zhì)導(dǎo)體材料的性質(zhì)及及接點溫度接點溫度有關(guān)。導(dǎo)體內(nèi)有關(guān)。導(dǎo)體內(nèi)部的電子密度是不同的，部的電子密度是不同的，當(dāng)兩種電子密度不同的導(dǎo)體當(dāng)兩種

37、電子密度不同的導(dǎo)體A與與B接觸時，接觸面上接觸時，接觸面上就會發(fā)生電子擴(kuò)散，電子從電子密度高的導(dǎo)體流向密就會發(fā)生電子擴(kuò)散，電子從電子密度高的導(dǎo)體流向密度低的導(dǎo)體。度低的導(dǎo)體。電子擴(kuò)散的速率與兩導(dǎo)體的電子密度有電子擴(kuò)散的速率與兩導(dǎo)體的電子密度有關(guān)，并和接觸區(qū)的溫度成正比關(guān)，并和接觸區(qū)的溫度成正比。設(shè)導(dǎo)體設(shè)導(dǎo)體A和和B的自由的自由電子密度為電子密度為NA 和和 NB，且，且 NA NB ，電子擴(kuò)散的結(jié)果，電子擴(kuò)散的結(jié)果使導(dǎo)體使導(dǎo)體A失去電子而帶正電，導(dǎo)體失去電子而帶正電，導(dǎo)體B則獲得電子而帶則獲得電子而帶負(fù)電，在接觸面形成電場。負(fù)電，在接觸面形成電場。這個電場阻礙了電子的擴(kuò)這個電場阻礙了電子的擴(kuò)散

38、，達(dá)到動平衡時，在接觸區(qū)形成一個穩(wěn)定的電位差，散，達(dá)到動平衡時，在接觸區(qū)形成一個穩(wěn)定的電位差，即即接觸電動勢接觸電動勢 。ABTT0熱電偶傳感器熱電偶傳感器( )ABET0()ABET華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院測試技術(shù)與信號處理測試技術(shù)與信號處理( )lnAABBTkNETeN ABTT0k 玻耳茲曼常數(shù)，玻耳茲曼常數(shù)，k=1.3810-23J/K ；e 電子電荷量，電子電荷量，e1.610-19 C ；T 接觸處的溫度（接觸處的溫度（K)K)；NA，NB 分別為導(dǎo)體分別為導(dǎo)體A和和B的自由電子密度。的自由電子密度。00()lnAABBkTNETeN 接觸電動勢接觸電動勢熱電偶傳

39、感器熱電偶傳感器華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院測試技術(shù)與信號處理測試技術(shù)與信號處理( )ABET0( ,)AET T0( ,)BET T0()ABET當(dāng)熱電偶材料一定時，熱電偶的總熱電動勢為當(dāng)熱電偶材料一定時，熱電偶的總熱電動勢為0000( ,)( ,),)(ABAABBBAET TETETETETTT0( )()f Tf T 如果使冷端溫度如果使冷端溫度T0固定，則對熱電偶材料一定時，固定，則對熱電偶材料一定時，熱電偶的總熱電動勢就只與溫度成單值函數(shù)關(guān)系熱電偶的總熱電動勢就只與溫度成單值函數(shù)關(guān)系0( ,)()(ABfET TCTT 由固定溫度由固定溫度T0決定的常數(shù)決定的常數(shù)簡化為

40、簡化為熱電偶傳感器熱電偶傳感器華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院測試技術(shù)與信號處理測試技術(shù)與信號處理熱電偶測溫基本定律及特點熱電偶測溫基本定律及特點1)由一種均質(zhì)導(dǎo)體組成的由一種均質(zhì)導(dǎo)體組成的 閉合回路，不論導(dǎo)體的橫截面積、長度以及溫度分閉合回路，不論導(dǎo)體的橫截面積、長度以及溫度分布如何均不產(chǎn)生熱電動勢布如何均不產(chǎn)生熱電動勢 均質(zhì)導(dǎo)體定律均質(zhì)導(dǎo)體定律TT02)2)若熱電偶若熱電偶兩接點的溫度相同兩接點的溫度相同，則盡管兩種導(dǎo)體，則盡管兩種導(dǎo)體A A、B B的材料不同，熱電偶回路中的的材料不同，熱電偶回路中的總熱電動勢為零總熱電動勢為零。3)3)熱電偶熱電偶ABAB的熱電動勢與導(dǎo)體材料的熱

41、電動勢與導(dǎo)體材料A A、B B的的中間溫度中間溫度無關(guān)，只與接點溫度有關(guān)。無關(guān)，只與接點溫度有關(guān)。4)4)熱電偶熱電偶ABAB在接點溫度在接點溫度T2、T3 的熱電動勢的熱電動勢，等于熱電，等于熱電偶在接點溫度偶在接點溫度T1、T2 和和 T2、T3時的時的熱電動勢總和熱電動勢總和。熱電偶傳感器熱電偶傳感器華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院測試技術(shù)與信號處理測試技術(shù)與信號處理5)在熱電偶回路中在熱電偶回路中接入第三種材料的導(dǎo)體，只要其兩端的溫度相等，接入第三種材料的導(dǎo)體，只要其兩端的溫度相等，該導(dǎo)體的接入就不會影響熱電偶回路的總熱電動該導(dǎo)體的接入就不會影響熱電偶回路的總熱電動勢勢中間導(dǎo)體

42、定律中間導(dǎo)體定律TT0V 從實用觀點來看，中間導(dǎo)體定律很重要。利用這從實用觀點來看，中間導(dǎo)體定律很重要。利用這個性質(zhì)，我們才可以在回路中引入各種儀表、連接導(dǎo)個性質(zhì)，我們才可以在回路中引入各種儀表、連接導(dǎo)線等，而不必?fù)?dān)心會對熱電動勢有影響，而且也允許線等，而不必?fù)?dān)心會對熱電動勢有影響，而且也允許采用任意的焊接方法來焊制熱電偶。同時應(yīng)用這一性采用任意的焊接方法來焊制熱電偶。同時應(yīng)用這一性質(zhì)還可以采用開路熱電偶對液態(tài)金屬和金屬壁面進(jìn)行質(zhì)還可以采用開路熱電偶對液態(tài)金屬和金屬壁面進(jìn)行溫度測量溫度測量 ( (見圖見圖3-40)3-40)，只要保證兩熱電極，只要保證兩熱電極 A 和和 B 接入接入處溫度一致

43、，則不會影響整個回路的總熱電動勢。處溫度一致，則不會影響整個回路的總熱電動勢。b)b)金屬壁金屬壁a)a)液態(tài)金屬液態(tài)金屬熱電偶傳感器熱電偶傳感器華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院測試技術(shù)與信號處理測試技術(shù)與信號處理6)6)參考電極定律（標(biāo)準(zhǔn)電極定律）參考電極定律（標(biāo)準(zhǔn)電極定律） 兩種導(dǎo)體兩種導(dǎo)體A A、B 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，如果它們所產(chǎn)生的熱電動勢為已知，如果它們所產(chǎn)生的熱電動勢為已知，A A和和B B兩極配對兩極配對后的熱電動勢可用下式求得：后的熱電動勢可用下式求得：000( ,)( ,)( ,)ABACCBET TET TET TABTT0

44、=ACTT0+CBTT0 由于鉑的物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、人們多采用鉑由于鉑的物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、人們多采用鉑作為參考電極。作為參考電極。熱電偶傳感器熱電偶傳感器華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院測試技術(shù)與信號處理測試技術(shù)與信號處理用熱電偶測量溫度有許多用熱電偶測量溫度有許多優(yōu)點優(yōu)點。例如：。例如： 測量范圍很廣測量范圍很廣，可以在，可以在 -200 到到 2000范圍范圍內(nèi)使內(nèi)使用。在生產(chǎn)上和科學(xué)實驗中，常選用不同金屬制成測用。在生產(chǎn)上和科學(xué)實驗中，常選用不同金屬制成測量不同溫度范圍的熱電偶。如用量不同溫度范圍的熱電偶。如用鐵鐵-銅銅制成的熱電偶可制成的熱電偶可以測量以測量1K以下的溫度以下的

45、溫度,其誤差小于其誤差小于0.5K；而用；而用鎢鎢-鈦熱鈦熱電偶可測電偶可測2000的高溫的高溫。受熱面積小，熱容量也很小，能測量很小范圍內(nèi)的受熱面積小，熱容量也很小，能測量很小范圍內(nèi)的溫度。溫度。如植物葉面的溫度及微小昆蟲的體溫等如植物葉面的溫度及微小昆蟲的體溫等 。靈敏度和準(zhǔn)確度很高靈敏度和準(zhǔn)確度很高，可到達(dá)，可到達(dá) 10-3 度以下，鉑和銠度以下，鉑和銠合金的熱電偶穩(wěn)定性很高，常用作標(biāo)準(zhǔn)溫度計。合金的熱電偶穩(wěn)定性很高，常用作標(biāo)準(zhǔn)溫度計。結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜，適用于遠(yuǎn)距離測量和自動控，適用于遠(yuǎn)距離測量和自動控制。在接觸式測溫中，熱電偶溫度計的制。在接觸式測溫中，熱電偶溫度計

46、的應(yīng)用最普遍應(yīng)用最普遍。熱電偶傳感器熱電偶傳感器華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院測試技術(shù)與信號處理測試技術(shù)與信號處理熱電偶傳感器熱電偶傳感器產(chǎn)品產(chǎn)品華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院測試技術(shù)與信號處理測試技術(shù)與信號處理熱電偶傳感器熱電偶傳感器華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院測試技術(shù)與信號處理測試技術(shù)與信號處理2. 2. 熱電阻傳感器熱電阻傳感器 利用導(dǎo)體或半導(dǎo)體的利用導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻隨溫度變化電阻隨溫度變化這一性質(zhì)這一性質(zhì)做成的傳感器稱為熱電阻傳感器，主要對溫度和與做成的傳感器稱為熱電阻傳感器，主要對溫度和與溫度有關(guān)的參數(shù)測定。溫度有關(guān)的參數(shù)測定。按電阻性質(zhì)分類按電阻性

47、質(zhì)分類半導(dǎo)體熱電阻半導(dǎo)體熱電阻金屬熱電阻金屬熱電阻 熱電阻熱電阻 熱敏電阻熱敏電阻 熱電阻是由電阻體、絕緣熱電阻是由電阻體、絕緣套管和接線等主要部件組成，套管和接線等主要部件組成，其中，電阻體是熱電阻的最主其中，電阻體是熱電阻的最主要部分。要部分。熱電熱電阻阻傳感器傳感器大多數(shù)金屬在溫度升高大多數(shù)金屬在溫度升高1 C 時電阻將增加時電阻將增加0.40.6。但半導(dǎo)體電阻一般隨溫度升高而減小，其靈敏。但半導(dǎo)體電阻一般隨溫度升高而減小，其靈敏度比金屬高，每升高度比金屬高，每升高1 C ，電阻約減小，電阻約減小26。主要材料是鉑、銅和鎳主要材料是鉑、銅和鎳華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院測試技

48、術(shù)與信號處理測試技術(shù)與信號處理 特點特點是在很寬的溫度范圍內(nèi)約是在很寬的溫度范圍內(nèi)約1200C以以下精度高、穩(wěn)定性好、性能可靠，有較高的電阻率。下精度高、穩(wěn)定性好、性能可靠，有較高的電阻率。鉑在氧化性介質(zhì)中，特別是在高溫下的物理、化學(xué)性鉑在氧化性介質(zhì)中，特別是在高溫下的物理、化學(xué)性質(zhì)都非常穩(wěn)定。但是，在還原性介質(zhì)中，特別是在高質(zhì)都非常穩(wěn)定。但是，在還原性介質(zhì)中，特別是在高溫下很容易被從氧化物中還原出來的蒸汽所污染，會溫下很容易被從氧化物中還原出來的蒸汽所污染，會使鈕絲變脆，并改變其電阻與溫度間的關(guān)系。使鈕絲變脆，并改變其電阻與溫度間的關(guān)系。 鉑電阻鉑電阻20(1)tRRAtBt溫度為溫度為 t

49、 C時的電阻值時的電阻值常數(shù)，常數(shù)，B= -110-4adad C-2溫度為溫度為 0 C時時的電阻值的電阻值常數(shù)，常數(shù)，A=a a (1+d d/ /100 C)根據(jù)根據(jù)19681968年國際溫標(biāo)規(guī)定：年國際溫標(biāo)規(guī)定：a a = 3.925966810-8 C-1 d d = 1.496334 C熱電熱電阻阻傳感器傳感器缺點缺點：鉑電阻的電阻溫度系數(shù)比較?。粌r格貴。：鉑電阻的電阻溫度系數(shù)比較小；價格貴。華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院測試技術(shù)與信號處理測試技術(shù)與信號處理 鉑很容易提純，復(fù)現(xiàn)性好，有良好的工藝性，可鉑很容易提純，復(fù)現(xiàn)性好，有良好的工藝性，可制成很細(xì)的鉑絲制成很細(xì)的鉑絲(

50、0.02mm(0.02mm或更細(xì)或更細(xì)) )或極薄的鉑箔?；驑O薄的鉑箔。熱電熱電阻阻傳感器傳感器 鉑電阻體是用很細(xì)的鉑絲繞在云母、石英或陶瓷鉑電阻體是用很細(xì)的鉑絲繞在云母、石英或陶瓷支架上做成的。常用的支架上做成的。常用的WZB型鉑電阻體是由直徑為型鉑電阻體是由直徑為0.03 0.07mm的鉑絲繞在云母片制成的平板型支架的鉑絲繞在云母片制成的平板型支架上上( (如圖如圖3-423-42所示所示) )，鉑絲繞組的出線端與銀絲引出線，鉑絲繞組的出線端與銀絲引出線相焊，并穿上瓷套管加以絕緣和保護(hù)。相焊，并穿上瓷套管加以絕緣和保護(hù)。華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院測試技術(shù)與信號處理測試技術(shù)與信

51、號處理 銅電阻銅電阻 鉑是貴重金屬，在一些測量精度要求不高鉑是貴重金屬，在一些測量精度要求不高且溫度范圍較低的場合，一般采用銅電阻，其測量范且溫度范圍較低的場合，一般采用銅電阻，其測量范圍為圍為-50150 C 。銅電阻具有線性度好、電阻溫度系。銅電阻具有線性度好、電阻溫度系數(shù)高以及價格便宜等優(yōu)點。在其正常測量范圍內(nèi)，有數(shù)高以及價格便宜等優(yōu)點。在其正常測量范圍內(nèi)，有0(1)tRRta a電阻溫度系數(shù)，取值范圍電阻溫度系數(shù)，取值范圍(4.254.28)10-8 C-1銅熱電阻的銅熱電阻的缺點缺點是是電阻率小電阻率小，所以制成一定阻值的電，所以制成一定阻值的電阻時，與鉑材料相比，阻時，與鉑材料相比

52、，銅電阻絲要細(xì)銅電阻絲要細(xì)，導(dǎo)致機(jī)械強(qiáng)度，導(dǎo)致機(jī)械強(qiáng)度不高；或者增加電阻絲的長度，使得不高；或者增加電阻絲的長度，使得電阻體積較大電阻體積較大。另外，當(dāng)溫度超過另外，當(dāng)溫度超過100 C時，銅容易氧化，因此它只時，銅容易氧化，因此它只能在低溫和沒有浸蝕性介質(zhì)中工作。銅電阻體是一個能在低溫和沒有浸蝕性介質(zhì)中工作。銅電阻體是一個銅絲繞組銅絲繞組(包括錳銅補(bǔ)償部分包括錳銅補(bǔ)償部分)，直徑約為，直徑約為0.1mm。熱電熱電阻阻傳感器傳感器華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院測試技術(shù)與信號處理測試技術(shù)與信號處理 其他熱電阻其他熱電阻 近年來，伴隨著低溫技術(shù)的發(fā)展，近年來，伴隨著低溫技術(shù)的發(fā)展，一些新型熱電阻得到應(yīng)用。一些新型熱電阻得到應(yīng)用。1)銦電阻銦電阻 一種高精度低溫?zé)犭娮琛Ｒ环N高精度低溫?zé)犭娮?。銦銦的熔點約為的熔點約為429K，在，在4.215K溫度范圍內(nèi)靈敏度比鉑溫度范圍內(nèi)靈敏度比鉑高高10倍倍，故，故可用于鉑電阻不能使用的低溫范圍。可用于鉑電阻不能使用的低溫范圍。其缺點是材料很其缺點是材料很軟，復(fù)制性很差。軟，復(fù)制性很差。2)錳電阻錳電阻 在在263K的低溫范圍內(nèi)，電阻隨溫度變化的低溫范圍內(nèi)，電阻隨溫度變化很大，很大，靈敏度高靈敏度高，在，在216K的溫度范圍內(nèi)電阻率隨溫的溫度