合工大傳感器原理及應(yīng)用

課程內(nèi)容回顧-I吳喆wanlingren@163.com2015年6月5日Principleandapplicationofsensor1.1傳感器分類☆按被測(cè)物理量分類測(cè)量位移：電容傳感器，電感傳感器,霍爾傳感器，光電開關(guān)，角編碼器，光柵，容柵。。。測(cè)量線速度/角速度：超聲波傳感器，電渦流傳感器，霍爾傳感器，光電開關(guān)，角編碼器。。。測(cè)量加速度：電容傳感器，壓電傳感器。。。測(cè)量質(zhì)量：應(yīng)變片傳感器，電容式傳感器，電感式傳感器。。。測(cè)量流量：超聲波傳感器，霍爾傳感器，電容傳感器。。。測(cè)量磁通量：電感式傳感器，霍爾傳感器。。。測(cè)量溫度：熱敏電阻，熱電偶，光電池。。。。。。。。。第一章：檢測(cè)技術(shù)的基本概念1靈敏度靈敏度是指?jìng)鞲衅骰驒z測(cè)系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)下輸出量變化和引起此變化的輸入量變化的比值。它是輸入與輸出特性曲線的斜率，如右圖所示，可表示為：

線性傳感器的靈敏度為常數(shù)；非線性傳感器的靈敏度隨輸入量的變化而變化。輸出曲線看，曲線越陡，靈敏度越高1.2傳感器的特性參數(shù)xyx1ΔxΔy0切點(diǎn)xmax作圖法求靈敏度2分辨力

指?jìng)鞲衅髂軝z出被測(cè)信號(hào)的最小變化量。當(dāng)被測(cè)量的變化小于分辨力時(shí)，傳感器對(duì)輸入量的變化無任何反應(yīng)。對(duì)數(shù)字儀表而言，如果沒有其他附加說明，可以認(rèn)為該表的最后一位所表示的數(shù)值就是它的分辨力。一般地說，分辨力的數(shù)值小于儀表的最大絕對(duì)誤差。右表的分辨力為多少？分辨率：將分辨力除以儀表的滿量程就是儀表的分辨率，分辨率常以百分比或幾分之一表示，是量綱為1的數(shù)。右表的滿量程為99.9A，問：該表的分辨力、分辨率為多少？解：分辨力=0.1A分辨率=0.1A÷99.9≈0.1%1.3測(cè)量誤差表示方法及數(shù)據(jù)處理

絕對(duì)誤差：被測(cè)量值A(chǔ)x與真值A(chǔ)0之間總是存在著一個(gè)差值，這種差值稱為絕對(duì)誤差，用Δ表示：Δ=Ax－Ａ0

真值有理論真值、約定真值、相對(duì)真值之分。準(zhǔn)確度高2級(jí)以上的儀表的誤差與準(zhǔn)確度低的儀表的誤差相比，則高一級(jí)儀表的測(cè)量值可以認(rèn)為是相對(duì)真值。

某采購(gòu)員分別在三家商店購(gòu)買100kg大米、10kg蘋果、1kg巧克力，發(fā)現(xiàn)均缺少約0.5kg（絕對(duì)誤差相同），但該采購(gòu)員對(duì)賣巧克力的商店意見最大，是何原因？

相對(duì)誤差及準(zhǔn)確度等級(jí)

示值相對(duì)誤差：引用誤差γm（也稱滿度相對(duì)誤差）：

準(zhǔn)確度等級(jí)S

我國(guó)的工業(yè)模擬儀表有下列常用的7種等級(jí)：

0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5.0。（Δm為最大絕對(duì)誤差）例某壓力表準(zhǔn)確度為2.5級(jí),量程為0～1.5MPa，求:1）可能出現(xiàn)的最大滿度相對(duì)誤差γm。2）可能出現(xiàn)的最大絕對(duì)誤差Δm為多少千帕？3）測(cè)量結(jié)果顯示為0.70MPa時(shí)，可能出現(xiàn)的最大示值相對(duì)誤差γx。解:1）可能出現(xiàn)的最大滿度相對(duì)誤差可以從準(zhǔn)確度等級(jí)直接得到，即γm＝±25%。2）Δm＝γmAm＝±25％1.5MPa

＝±0.0375MPa＝±37.5kPa3）測(cè)量誤差的分類

靜態(tài)誤差（粗大誤差，系統(tǒng)誤差，隨機(jī)誤差）

1.粗大誤差超出在規(guī)定條件下預(yù)計(jì)的誤差，或明顯偏離真值的誤差稱為粗大誤差，也叫過失誤差、疏忽誤差或粗差。粗大誤差主要是由于測(cè)量人員的粗心大意及電子測(cè)量?jī)x器受到突然而強(qiáng)大的干擾所引起的。如測(cè)錯(cuò)、讀錯(cuò)、記錯(cuò)、外界過電壓尖峰干擾等造成的誤差。就數(shù)值大小而言，粗大誤差明顯超過正常條件下的誤差。當(dāng)發(fā)現(xiàn)粗大誤差時(shí)，應(yīng)予以剔除。

真值：5測(cè)量值：5，5.5，5，6，15，5，6，5比如：羅納爾多射門打飛了

在重復(fù)性條件下，對(duì)同一被測(cè)量進(jìn)行無限多次測(cè)量所得結(jié)果的平均值與被測(cè)量的真值之差，稱為系統(tǒng)誤差。凡誤差的數(shù)值固定或按一定規(guī)律變化者，多屬于系統(tǒng)誤差。系統(tǒng)誤差是有規(guī)律性的,因此可以通過實(shí)驗(yàn)的方法或引入修正值的方法計(jì)算修正,也可以重新調(diào)整測(cè)量?jī)x表的有關(guān)部件予以消除。2.系統(tǒng)誤差：

真值：

5測(cè)量值：8，8.5，8，9，8.5，8，9，8

均值8.375，系統(tǒng)誤差為3.375比如：球門框的位置被移動(dòng)了3.隨機(jī)誤差

在同一條件下，多次測(cè)量同一被測(cè)量，有時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)測(cè)量值時(shí)大時(shí)小，誤差的絕對(duì)值及正、負(fù)以不可預(yù)見的方式變化，該誤差稱為隨機(jī)誤差。

存在隨機(jī)誤差的測(cè)量結(jié)果中，雖然單個(gè)測(cè)量值誤差的出現(xiàn)是隨機(jī)的，既不能用實(shí)驗(yàn)的方法消除，也不能修正，但是就誤差的整體而言，多數(shù)隨機(jī)誤差都服從正態(tài)分布規(guī)律。測(cè)量值的隨機(jī)誤差=測(cè)量結(jié)果－算術(shù)平均值

真值：5測(cè)量值：5.5，4.5，4.5，5，6，4.5，5，6

均值5.125，系統(tǒng)誤差為0.125比如：每次射門的進(jìn)球位置會(huì)有變化1－拉伸前2－拉伸后電阻絲受拉后，長(zhǎng)度增加，直徑變小，電阻變大。第二章：電阻傳感器1.應(yīng)變片式傳感器金屬絲受拉后的電阻變化

設(shè)有一長(zhǎng)度為l、截面積為A、半徑為r、電阻率為的金屬單絲，它的電阻值R及相對(duì)變化可表示為

當(dāng)沿金屬絲的長(zhǎng)度方向作用均勻拉力（或壓力）時(shí),上式中、r、l都將發(fā)生變化，從而導(dǎo)致電阻值R發(fā)生變化。當(dāng)金屬絲受拉時(shí),l將增加、r變小，均導(dǎo)致R變大。電阻相對(duì)變化量與力的關(guān)系

電阻絲的電阻相對(duì)變化量R/R，與材料力學(xué)中的軸向應(yīng)變x的關(guān)系在很大范圍內(nèi)是線性的，即x

=F/(AE），設(shè)K為靈敏度，金屬材料的面積為A，彈性模量為E，則

R/R又可表示為

對(duì)于金屬材料，K值一般為2左右。非平衡電橋的結(jié)構(gòu)非平衡電橋由四個(gè)電阻R1、R2、R3、R4組成一個(gè)四邊形的回路，每一邊稱作電橋的“橋臂”。有4個(gè)結(jié)點(diǎn)a、b、c、d。在a、c結(jié)點(diǎn)之間接入電源Ui，而另一對(duì)結(jié)點(diǎn)（b、d）之間的電壓差作為輸出電壓Uo端。b、d點(diǎn)對(duì)負(fù)極（a點(diǎn)）的電壓相等時(shí)稱作“電橋平衡”；反之，稱作“電橋不平衡”。電橋平衡的條件是：上下兩個(gè)橋臂的左右橋臂的電阻比例相等。即：R1/R2=R4/R3

或R1?R3=R4?R2非平衡電橋可以分為單臂、雙臂、全橋單臂半橋:四個(gè)橋臂中，只有一個(gè)電阻的電阻可變，R2為應(yīng)變片，

R3、R4為固定電阻（低溫漂的錳合金電阻）橋路的輸出電壓為：?jiǎn)伪郯霕虻撵`敏度最低，溫漂最大。非平衡電橋的輸出電壓

若橋路的4個(gè)橋臂相鄰電阻的電阻值變化趨勢(shì)相同，橋路的輸出電壓為零。若相鄰電阻的電阻值變化趨勢(shì)相反，橋路就產(chǎn)生輸出電壓：四臂全橋全橋的四個(gè)橋臂都為應(yīng)變片，如果設(shè)法使試件受力后，應(yīng)變片R1~R4產(chǎn)生的電阻增量（或感受到的應(yīng)變1~4）正負(fù)號(hào)相間，就可以使輸出電壓Uo成倍地增大。輸出電壓：全橋的溫度自補(bǔ)償原理當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)，四個(gè)橋臂上的應(yīng)變片溫度同時(shí)升高，假設(shè)溫度引起的電阻值漂移數(shù)值一致，就可以相互抵消，所以全橋能實(shí)現(xiàn)溫度自補(bǔ)償：應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)

1－引出線2－覆蓋層3－基底4－電阻絲l：應(yīng)變片的工作基長(zhǎng)，b：應(yīng)變片基寬，b×l：應(yīng)變片的有效使用面積。金屬絲式應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)管樁材料的受壓應(yīng)變測(cè)量預(yù)應(yīng)力管樁的受力預(yù)測(cè)：工作人員正在貼應(yīng)變片

應(yīng)變片粘貼在管樁上，四片應(yīng)變片可組成全橋應(yīng)變式荷重傳感器的外形及應(yīng)變片的粘貼位置FR1R2R4金屬熱電阻的正溫度系數(shù)溫度升高，金屬內(nèi)部原子晶格的振動(dòng)加劇，從而使金屬內(nèi)部的自由電子通過金屬導(dǎo)體時(shí)的阻礙增大，宏觀上表現(xiàn)出電阻率變大，電阻值增加，稱其為正溫度系數(shù)，即電阻值與溫度的變化趨勢(shì)相同。

2.金屬熱電阻金屬絲電阻隨溫度增高而變大的演示

取一只100W/220V燈泡，用萬用表測(cè)量其電阻值，可以發(fā)現(xiàn)其冷態(tài)阻值只有幾十歐姆，而計(jì)算得到的額定熱態(tài)電阻值應(yīng)為484Ω。請(qǐng)說明鎢絲的溫度系數(shù)的正負(fù)。易提純、復(fù)現(xiàn)性好的金屬材料才可用于制作熱電阻

制作熱電阻的材料必須具有電阻溫度系數(shù)大、線性好、性能穩(wěn)定、一致性好、使用溫度范圍寬、加工容易等特點(diǎn)。（）金屬熱電阻材料的主要技術(shù)性能

熱電阻的阻值Rt與溫度t的關(guān)系表達(dá)式Rt

=R0(1+At+Bt

2+Ct

3+Dt

4)式中Rt——熱電阻在t時(shí)的電阻值；R0——熱電阻在0℃時(shí)的電阻值；A、B、C、D——溫度系數(shù)熱電阻的阻值Rt與t之間并不完全呈線性關(guān)系。在規(guī)定的測(cè)溫范圍內(nèi)，根據(jù)國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）頒布的分度表數(shù)值，列出每隔1℃的Rt電阻值，這種表格稱為熱電阻分度表，見附錄C。在工程中，若不考慮線性度誤差的影響，有時(shí)也可以利用溫度系數(shù)α來近似計(jì)算熱電阻的阻值Rt。即：Rt=R0(1+αt）。鉑熱電阻分度表被測(cè)物體位移等的變化轉(zhuǎn)換為線圈電感量的變化，再將電感量的變化轉(zhuǎn)換為電流、電壓或者頻率的變化，實(shí)現(xiàn)非電量到電量的轉(zhuǎn)換。電感傳感器可分為自感式和互感式兩大類。電感式傳感器通常是指自感傳感器。自感系數(shù)常用L來表示，簡(jiǎn)稱自感或電感。自感的單位是亨利,簡(jiǎn)稱亨,符號(hào)是H。常用的較小的單位有毫亨(mH)和微亨(μH)。自感傳感器的數(shù)值多為mH數(shù)量級(jí)。

鐵心I鐵心I銜鐵測(cè)桿被測(cè)物變間隙式自感傳感器第三章：電感傳感器1-線圈繞組2-鐵心3-銜鐵變間隙式電感傳感器的特性近似雙曲線其靈敏度為：氣隙越小，靈敏度越高，因此適合小量程位移的測(cè)量。螺線管式電感傳感器螺線管是具有多重卷繞的導(dǎo)線，卷繞內(nèi)部可以是空心的，或者有一個(gè)磁芯。當(dāng)有電流通過導(dǎo)線時(shí)，螺線管中間部位會(huì)產(chǎn)生比較均勻的磁場(chǎng)。作為傳感器，螺線管電感傳感器的主要元器件是一只螺線管和一根可移動(dòng)的圓柱形銜鐵。銜鐵插入繞組后，將引起螺線管內(nèi)部的磁阻的減小，電感隨插入的深度而增大。L空心螺線管x螺線管越長(zhǎng)，線性區(qū)就越大。螺線管式電感傳感器的線性區(qū)約為螺線管長(zhǎng)度的1/10。當(dāng)銜鐵偏離中間位置時(shí)，兩個(gè)繞組的電感一個(gè)增加,一個(gè)減小,形成差動(dòng)形式。

差動(dòng)電感傳感器a)變隙式差動(dòng)傳感器b)螺線管差動(dòng)傳感器1－上差動(dòng)繞組2－鐵心3－銜鐵4－下差動(dòng)繞組5－測(cè)桿6－工件7－基座電感傳感器的交流電橋

銜鐵上移：銜鐵下移：1－銜鐵的位移曲線2－激勵(lì)源波形3－交流電橋的輸出波形4－普通檢波之后的直流平均值5－相敏檢波之后的直流平均值t0－銜鐵上下位移到達(dá)差動(dòng)螺線管繞組中間位置的時(shí)刻e0－零點(diǎn)殘余電壓的瞬時(shí)值E0－零點(diǎn)殘余電壓的平均值采用相敏檢波電路的必要性檢波：將交變信號(hào)轉(zhuǎn)換為直流平均值。檢波電路的作用是將電感的變化轉(zhuǎn)換成直流電壓或電流，以便用儀表指示出來。但若僅采用電橋電路配以普通的檢波電路，則只能判別位移的大小，卻無法判別輸出電壓的相位和位移的方向。如果在輸出電壓送到指示儀前，經(jīng)過一個(gè)能判別相位的檢波電路，則不但可以反映幅值（位移的大?。€可以反映輸出電壓的相位（位移的方向）。這種檢波電路稱為相敏檢波電路。差動(dòng)變壓器傳感器的工作原理

差動(dòng)變壓器是把被測(cè)位移量轉(zhuǎn)換為一次線圈與二次繞組間的互感量M的變化的裝置。由于兩個(gè)二次線圈采用差動(dòng)接法，故稱為差動(dòng)變壓器。目前應(yīng)用最廣泛的結(jié)構(gòu)型式是螺線管式差動(dòng)變壓器。

在差動(dòng)變壓器的線框上繞有一個(gè)輸入繞組（稱一次繞組）；在同一線框的上端和下端再繞制兩個(gè)完全對(duì)稱的繞組（稱二次線圈），它們反向串聯(lián)（輸出電壓相互抵消），組成差動(dòng)輸出形式。線性差動(dòng)變壓器：LinearVariableDifferentialTransformer，LVDT差動(dòng)變壓器式傳感器的等效電路及接線

結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：兩個(gè)二次繞組反向串聯(lián)，組成差動(dòng)輸出形式。

請(qǐng)將二次繞組N21、N22的有關(guān)端點(diǎn)正確地連接起來，并指出哪兩個(gè)為輸出端點(diǎn)。差動(dòng)接法的輸出電壓為uo=u21-u22差動(dòng)變壓器的輸出波形第四章：電渦流傳感器趨膚效應(yīng)（集膚效應(yīng)）交變磁場(chǎng)的頻率f越高，電渦流的滲透深度就越淺，趨膚效應(yīng)越嚴(yán)重?？梢岳泌吥w效應(yīng)來控制非電量的檢測(cè)深度。當(dāng)100kHz～2MHz信號(hào)源產(chǎn)生的交變電壓施加到電感線圈L1上時(shí)，就產(chǎn)生一次電流i1

，在線圈周圍產(chǎn)生交變磁場(chǎng)H1。如果將線圈靠近一塊金屬導(dǎo)體，金屬導(dǎo)體表面就產(chǎn)生電渦流i2。i2在金屬導(dǎo)體的縱深方向并不是均勻分布的，而只集中在金屬導(dǎo)體的表面，這稱為趨膚效應(yīng)。電渦流線圈等效阻抗分析

.設(shè)電渦流線圈在高頻時(shí)的等效電阻為R1（大于直流電阻），電感為L(zhǎng)1。當(dāng)有被測(cè)導(dǎo)體靠近電渦流線圈時(shí)，則被測(cè)導(dǎo)體等效為一個(gè)短路環(huán)，電渦流線圈L1與導(dǎo)體之間存在一個(gè)互感M?；ジ须S線圈與導(dǎo)體之間距離的減小而增大。電渦流線圈的等效阻抗式中R、L——電渦流線圈靠近被測(cè)導(dǎo)體時(shí)的等效電阻和等效電感。

當(dāng)被測(cè)物與電渦流線圈的間距δ減小時(shí)，電渦流線圈與被測(cè)金屬的互感量M增大，等效電感L減小，等效電阻R增大，品質(zhì)因數(shù)Q值降低：Q=ωL/R等效電阻上消耗的有功功率P增大：P=I2R電渦流效應(yīng)演示

當(dāng)電渦流線圈與金屬板的距離x減小時(shí)，電渦流線圈的等效電感L減小，等效電阻R增大，Q值降低，流過電渦流線圈的電流i1增大。調(diào)頻（FM）式電路當(dāng)電渦流線圈與被測(cè)體的距離x變小時(shí)，電渦流線圈的電感量L也隨之變?。ǚ氰F質(zhì)），同時(shí)引起LC振蕩器的輸出電壓及頻率變高。如果希望用模擬儀表進(jìn)行顯示或記錄時(shí)，使用“鑒頻器”，可以將f轉(zhuǎn)換為電壓Uo

。

并聯(lián)諧振回路的諧振頻率

設(shè)電渦流線圈的初始電感量L=0.8mH，微調(diào)電容C0=200pF（1pF＝10-12F）求：探頭中的振蕩器的初始頻率f

0

。（一般將振蕩器的頻率控制在幾百千赫茲）解：電渦流表面探傷

Eddycurrentsaredistortedbythecrack,thischangesthemagneticfieldoftheeddycurrentsfromH'B

toH'C

therebychangingtheloadingonthecoil.Thecoilimpedancechangesto

Zcrack.手持式裂紋測(cè)量?jī)x油管探傷軸承滾子渦流探傷機(jī)軸承滾子渦流探傷機(jī)是由計(jì)算機(jī)控制的軸承滾子表面微裂紋探傷的專用設(shè)備，可探出深30μm的表面微小裂紋。電容式傳感器的工作原理電容傳感器的工作原理可以用平板電容器來說明。當(dāng)忽略邊緣效應(yīng)時(shí)，其電容為式中

A——兩極板相互遮蓋的有效面積（m2）；d——兩極板間的距離，也稱為極距（m）；ε——兩極板間介質(zhì)的介電常數(shù)（F/m）；εr——兩極板間介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)；ε0——真空介電常數(shù),ε0=8.8510-12(F/m)第五章：電容傳感器三種類型的電容傳感器在A、d、ε三個(gè)參量中，改變其中任意一個(gè)量，均可使電容C改變。也就是說，電容C是A、d、ε的函數(shù)，這就是電容傳感器的基本工作原理。固定三個(gè)參量中的兩個(gè)，可以制作成以下三種類型的電容傳感器：變面積式電容傳感器、變極距式電容傳感器、變介電常數(shù)式電容傳感器。變極距式電容傳感器的特性曲線

a）

結(jié)構(gòu)示意圖b）電容量與極板距離的關(guān)系1—定極板2—?jiǎng)訕O板3－彈性膜片實(shí)際使用時(shí)，總是使初始極距d0盡量小些，以提高靈敏度，但這也帶來了變極距式電容器的行程較小的缺點(diǎn)。當(dāng)x<<d0時(shí)，有：變面積式電容傳感器的特性總結(jié)變面積式電容傳感器的輸出特性在一小段范圍內(nèi)是線性的，靈敏度是常數(shù)。這一類傳感器多用于檢測(cè)直線位移、角位移、尺寸等參量。CAA1-實(shí)際特性2-理論特性電容式液位計(jì)(可以理解為變面積或變介電原理)a)同軸內(nèi)外金屬管式b)金屬管外套聚四氟乙烯套管式c)帶底座的電容液位傳感器的結(jié)構(gòu)1－內(nèi)圓筒2－外圓筒3－被測(cè)絕緣液體4－被測(cè)導(dǎo)電液體5－聚四氟乙烯套管6－頂蓋7－絕緣底座8－信號(hào)傳輸屏蔽電纜電容式傳感器的測(cè)量轉(zhuǎn)換電路橋式電路電橋的輸出電壓與電容的變化量呈現(xiàn)線性關(guān)系。調(diào)頻（FM）電路電容式傳感器的調(diào)頻電路與電渦流傳感器的調(diào)頻電路有何區(qū)別？上式中哪個(gè)量是變量？調(diào)頻電路是將電容傳感器作為L(zhǎng)C振蕩器諧振回路的一部分，當(dāng)電容Cx變大時(shí)，振蕩器的頻率f

變低。由于振蕩器的頻率受電容傳感器的調(diào)制，實(shí)現(xiàn)C/f

的變換?！叭髦巍睌[式硅微電容加速度傳感器結(jié)構(gòu)1－加速度測(cè)試單元2－信號(hào)調(diào)理單元3－襯底4－底層多晶硅（下電極）5－多晶硅懸臂梁6－頂層多晶硅（上電極）a）貼片封裝外形b）“三明治”多晶硅多層結(jié)構(gòu)c）加速度測(cè)試單元的工作原理休息一下~

Let’shavearest~下節(jié)課內(nèi)容：

課程內(nèi)容回顧-II吳喆wanlingren@163.com2015年6月5日Principleandapplicationofsensor課程內(nèi)容回顧-II壓電效應(yīng)（Piezoelectricity）JacquesCurie&PiereCurie1880年，JacquesCurie與PiereCurie發(fā)現(xiàn)了壓電效應(yīng)石英等部分晶體與材料在受到壓力時(shí)，晶格產(chǎn)生變形，表面產(chǎn)生電荷，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。電介質(zhì)材料中一種機(jī)械能與電能互換的現(xiàn)象。第六章：壓電傳感器1－正電荷等效中心2－負(fù)電荷等效中心

晶體沿x面受壓力時(shí)的帶電情況分析

石英晶體的正負(fù)電荷中心分離，宏觀上看，

x面的上表面帶正電，下表面帶負(fù)電Q=d11Fxd11

：壓電常數(shù)石英晶體的壓電效應(yīng)演示當(dāng)力的方向改變時(shí)，電荷的極性隨之改變，輸出電壓的頻率與動(dòng)態(tài)力的頻率相同；當(dāng)施加靜態(tài)力時(shí)，在初始瞬間，產(chǎn)生與力成正比的電荷，但由于表面漏電，所產(chǎn)生的電荷很快泄漏，并消失。所以壓電元件不可用于靜態(tài)力的測(cè)量。電荷放大器基本電路1－壓電傳感器2－屏蔽電纜線3－傳輸線分布電容4－電荷放大器SC－靈敏度選擇開關(guān)SR－帶寬選擇開關(guān)Cf′－Cf

在放大器輸入端的密勒等效電容Cf″－Cf在放大器輸出端的密勒等效電容壓電傳感器的輸出電壓與等效電容的關(guān)系如果壓電元件直接與放大器配套使用，除了極間電容，還應(yīng)考慮到傳輸屏蔽電纜芯線對(duì)接地屏蔽層的分布電容Cc的影響。如果忽略Ra和放大器的輸入電阻Ri的影響，則有式中Ci——電壓放大器的輸入電容；Q——壓電元件輸出的電荷量。屏蔽電纜的對(duì)地分布電容大約為100pF/m。當(dāng)屏蔽電纜較長(zhǎng)時(shí)，Cc顯著增大，放大器的輸入電壓Ui將比壓電傳感器空載時(shí)的輸出Uo小很多，且不穩(wěn)定。電荷放大器原理電荷放大器是一個(gè)具有反饋電容Cf的高增益運(yùn)算放大器電路。當(dāng)放大器開環(huán)增益A和輸入電阻Ri、反饋電阻Rf（用于防止放大器的直流飽和）相當(dāng)大時(shí)，放大器的輸出電壓Uo正比于輸入電荷Q，反比于反饋電容Cf，而基本上與Cc、Ca

、Ci無關(guān)：壓電式動(dòng)態(tài)力傳感器以及在車床中用于動(dòng)態(tài)切削力的測(cè)量

一體化車刀動(dòng)態(tài)力測(cè)量a）原理圖b）中心壓縮式壓電加速度傳感器結(jié)構(gòu)c）環(huán)形剪切式壓電加速度傳感器結(jié)構(gòu)d）外形1－基座2－引出電極3－壓電晶片4－質(zhì)量塊5－彈簧6－殼體7－固定螺孔常用的壓電式振動(dòng)加速度傳感器（1）靈敏度K

壓電式加速度傳感器的輸出為電荷量，以pC為單位（1pC=10-12C）。而輸入量為加速度，單位為m/s2,所以靈敏度以pC/ms-2為單位,或用重力加速度pC/g。靈敏度的范圍約為10～100pC/g。目前許多壓電加速度傳感器的輸出是電壓，所以靈敏度單位也可以為mV/g，通常為10～1000mV/g。（2）頻率范圍常見的壓電加速度傳感器的頻率范圍為0.01Hz～20kHz。（3）動(dòng)態(tài)范圍常用的測(cè)量范圍為0.1～100g，或1000m/s2。測(cè)量沖擊振動(dòng)時(shí)應(yīng)選用100～10000g的高頻加速度傳感器；而測(cè)量橋梁、地基等微弱振動(dòng)往往要選擇0.001～10g的高靈敏度的低頻加速度傳感器。壓電振動(dòng)加速度傳感器的性能指標(biāo)

聲波的分類：次聲波、可聞聲波與超聲波。頻率高于20kHz的機(jī)械振動(dòng)波稱為超聲波。超聲波的特性：指向性好，能量集中。1MHz的超聲波的能量,相當(dāng)于振幅相同,頻率為1000Hz可聞聲波的100萬倍,能穿透幾米厚的鋼板,而能量損失不大。在遇到兩種介質(zhì)的分界面(例如鋼板與空氣的交界面)時(shí),能產(chǎn)生明顯的反射和折射現(xiàn)象。第七章：超聲波傳感器超聲波的波型分類

1－超聲波發(fā)生器2－鋼材縱波縱波質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方向表面波在鋼材表面的傳播縱波在鋼材中的傳播

橫波

超聲波入射角與反射角、折射角Pc－入射波α－入射角Pr－反射波αr－反射角Ps－折射波β－折射角3、超聲波測(cè)距/避障

空氣超聲探頭測(cè)距精度可達(dá)高到3mm測(cè)量范圍：2cm-300cm

淘寶參考價(jià)：RMB4元Distance=（Time/2）*340M/s電平法7、超聲波無損探傷超聲波探傷原理動(dòng)畫起始波缺陷反射波底波工件缺陷第八章：霍爾傳感器1.電子2.導(dǎo)體3.磁鐵4.磁場(chǎng)5.電源金屬中含有自由電子（價(jià)電子）以及相應(yīng)的金屬陽離子電子所受洛倫茲力與霍爾電場(chǎng)力的平衡霍爾元件的工作原理分析

半導(dǎo)體薄片置于磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場(chǎng)中，磁場(chǎng)方向垂直于薄片，當(dāng)有電流I流過薄片時(shí)，在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向上將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)EH，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。

磁感應(yīng)強(qiáng)度B為零時(shí)的情況cdab磁感應(yīng)強(qiáng)度B較大時(shí)的情況

作用在半導(dǎo)體薄片上的磁場(chǎng)強(qiáng)度B越強(qiáng)，霍爾電勢(shì)也就越高?；魻栯妱?shì)EH可用下式表示：

EH=KH

IBabcd霍爾效應(yīng)演示

當(dāng)磁場(chǎng)垂直于薄片時(shí)，電子受到洛侖茲力的作用，向內(nèi)側(cè)（d側(cè)）偏移，在半導(dǎo)體薄片c、d方向的端面之間建立起霍爾電勢(shì)。cdabdabc線性型霍爾器件其外加磁感應(yīng)強(qiáng)度與輸出電壓之間的關(guān)系霍爾轉(zhuǎn)速表在被測(cè)轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)軸上安裝一個(gè)齒盤，也可選取機(jī)械系統(tǒng)中的一個(gè)齒輪，將線性型霍爾器件及磁路系統(tǒng)靠近齒盤。齒盤的轉(zhuǎn)動(dòng)使磁路的磁阻隨氣隙的改變而周期性地變化，霍爾器件輸出的微小脈沖信號(hào)經(jīng)隔直、放大、整形后可以確定被測(cè)物的轉(zhuǎn)速。此處應(yīng)采用線性霍爾傳感器。SN線性霍爾磁鐵工作磁體和霍爾器件間的運(yùn)動(dòng)方式有：(a)對(duì)移；(b)側(cè)移；(c)旋轉(zhuǎn)；(d)遮斷。在遮斷方式中，工作磁體和霍爾器件以適當(dāng)?shù)拈g隙相對(duì)固定，用一軟磁（例如軟鐵）翼片作為運(yùn)動(dòng)工作部件，當(dāng)翼片進(jìn)入間隙時(shí)，作用到霍爾器件上的磁力線被部分或全部遮斷，以此來調(diào)節(jié)工作磁場(chǎng)。被傳感的運(yùn)動(dòng)信息加在翼片上。這種方法的檢測(cè)精度很高，在125℃的溫度范圍內(nèi)，翼片的位置重復(fù)精度可達(dá)50μm。熱電偶的工作原理熱電效應(yīng)

1821年，德國(guó)物理學(xué)家賽貝克用兩種不同金屬組成閉合回路，并用酒精燈加熱其中一個(gè)接觸點(diǎn)（稱為結(jié)點(diǎn)），發(fā)現(xiàn)放在回路中的指南針發(fā)生偏轉(zhuǎn)。說明回路中產(chǎn)生了什么？1－工作端2－熱電極A2－熱電極B4－指南針5－參考端？ThomasJohannSeebeck第九章：熱電偶傳感器

兩種不同的金屬互相接觸時(shí)，由于不同金屬內(nèi)自由電子的密度不同，在兩金屬A和B的接觸點(diǎn)處會(huì)發(fā)生自由電子的相互擴(kuò)散現(xiàn)象。自由電子將從密度大的金屬A擴(kuò)散到密度小的金屬B，使A失去電子帶正電，B得到電子帶負(fù)電，從而產(chǎn)生電位差，該電位差的方向與擴(kuò)散進(jìn)行的方向相反，阻礙擴(kuò)散作用的繼續(xù)進(jìn)行。當(dāng)擴(kuò)散作用與阻礙擴(kuò)散的作用相等時(shí)，導(dǎo)體便處于一種動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。此時(shí)A與B兩導(dǎo)體接觸處的電位差稱之為接觸電動(dòng)勢(shì)。

自由電子＋ABeAB（

T）T熱電偶的圖形符號(hào)有關(guān)熱電動(dòng)勢(shì)的幾個(gè)結(jié)論

1）如果熱電偶兩根電極材料相同，即使兩端溫度不同（t≠t0），但總輸出熱電動(dòng)勢(shì)仍為零。因此必須由兩種不同材料才能構(gòu)成熱電偶。

2）如果熱電偶兩結(jié)點(diǎn)溫度相同，則回路總的熱電動(dòng)勢(shì)必然等于零。兩結(jié)點(diǎn)溫差越大，熱電動(dòng)勢(shì)越大。如果以攝氏溫度為單位，EAB(T，T0)也可以寫成EAB(t，t0)，其物理意義雖然有所不同，但電動(dòng)勢(shì)的數(shù)值是相同的。溫標(biāo)用t表示，開氏溫標(biāo)用T表示。根據(jù)273.15K=0℃，可得兩者的換算關(guān)系是：T=t＋273.15

熱電偶的分度表

——熱電偶的線性較差，多數(shù)情況下采用查表法

我國(guó)從1991年開始采用國(guó)際計(jì)量委員會(huì)規(guī)定的“1990年國(guó)際溫標(biāo)”(簡(jiǎn)稱ITS-90)的新標(biāo)準(zhǔn)。按此標(biāo)準(zhǔn),制定了相應(yīng)的分度表,并且有相應(yīng)的線性化集成電路與之對(duì)應(yīng)，并由計(jì)算機(jī)查表。

直接從熱電偶的分度表查溫度與熱電動(dòng)勢(shì)的關(guān)系時(shí)的約束條件是：自由端（冷端）溫度必須為0℃。本教材的附錄D僅列出工業(yè)中常用的鎳鉻-鎳硅（K）熱電偶的分度表。使用分度表時(shí)，冷端必須為0℃

。K熱電偶的分度表

分別查出-100℃、+100℃時(shí)的2個(gè)熱電動(dòng)勢(shì)。計(jì)算與0℃之差，體會(huì)熱電動(dòng)勢(shì)的非線性。熱電偶測(cè)溫的計(jì)算修正法

當(dāng)熱電偶的冷端溫度t0

0℃時(shí)，由于熱端與冷端的溫差隨冷端的變化而變化，所以測(cè)得的熱電動(dòng)勢(shì)EAB(t,t0)與冷端為0℃時(shí)所測(cè)得的熱電動(dòng)勢(shì)EAB(t,0℃)不等。若冷端溫度高于0℃，則EAB(t,t0)<EAB(t,0℃)?？梢岳孟率接?jì)算并修正測(cè)量誤差：

EAB(t,0℃)=EAB(t,t0)+EAB(t0,0℃)計(jì)算修正法舉例K熱電偶測(cè)溫電路中，A、B為熱電極，A'、B'為補(bǔ)償導(dǎo)線，Cu為銅導(dǎo)線，已知接線盒1的溫度t1=40℃，冰瓶中為冰水混合物，接線盒2的溫度t3=20.0℃。求：1）冰瓶的溫度t2；2）當(dāng)Ux=29.97mV時(shí)，估算被測(cè)點(diǎn)溫度tx；3）如果冰瓶中的冰完全融化，溫度上升到與接線盒1的溫度相同，此時(shí)的Ux減小到28.36mV，再求tx。解：1）接線盒1是熱電極與補(bǔ)償導(dǎo)線（延長(zhǎng)導(dǎo)線）的接線位置，不影響測(cè)量結(jié)果，不必考慮t1溫度的大小和波動(dòng)。冰瓶的溫度為:0℃,是補(bǔ)償導(dǎo)線（冷端）與銅導(dǎo)線的接線位置,所以可以直接查分度表。2）當(dāng)Ux=29.97mV時(shí)，直接查分度表得到被測(cè)點(diǎn)溫度tx=720℃。注:接線盒2的溫度t3不是冷端溫度,屬于中間溫度,與測(cè)量結(jié)果無關(guān).3）如果冰瓶中的冰完全融化，溫度上升到與接線盒1的溫度相同，即：冷端溫度不再是0℃，而為40℃。此時(shí)的Ux=28.36mV，再求tx。EAB(t,0℃)=EAB(t,40℃)+EAB(40℃,0℃)=(28.36+1.61)mV=29.97mV反查K型熱電的偶分度表，仍然得到tx=720℃。E=hfHf>△E躍遷當(dāng)光子沖擊半導(dǎo)體材料表面時(shí)，半導(dǎo)體材料中處于價(jià)帶的電子吸收足夠的光子能量后，會(huì)躍遷至更高的能級(jí)—導(dǎo)帶，成為自由電子，形成電子-空穴對(duì)，使材料電阻率下降，表現(xiàn)出導(dǎo)電性。這就是光電效應(yīng)，基于光電效應(yīng)的器件：光敏電阻光敏二極管光敏晶體管第十章：光電傳感器光敏電阻原理演示

當(dāng)光敏電阻受到光照時(shí)，光生電子-空穴對(duì)增加，阻值減小，電流增大。暗電流（溫度升高，暗電增大）暗電流是指器件在反偏壓條件下,沒有入射光時(shí)產(chǎn)生的反向直流電流.(它包括晶體材料表面缺陷形成的泄漏電流和載流子熱擴(kuò)散形成的本征暗電流.)光敏二極管

沒有光照時(shí)，由于二極管反向偏置，所以反向電流很小，稱為暗電流，相當(dāng)于普通二極管的反向飽和漏電流。當(dāng)合適波長(zhǎng)的光照射在光敏二極管的PN結(jié)（又稱耗盡層）上時(shí)，原子中的電子吸收光子的能量，變成自由電子。相應(yīng)地，產(chǎn)生同樣數(shù)量的空穴。光照增強(qiáng)，產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)數(shù)量也隨之增加，在外加的反向電壓的作用下，電子漂移到N區(qū)，空穴漂移到P區(qū)，從而產(chǎn)生反向電流電流（稱為光電流），光電流與照度成正比。光敏晶體管

光敏晶體管又稱“光敏三極管”，它有兩個(gè)PN結(jié)。與普通晶體管相似，有電流增益，靈敏度比光敏二極管高。多數(shù)光敏晶體管的基極沒有引出線，只有正負(fù)（C、E）兩個(gè)引腳，所以其外型與光敏二極管相似，從外觀上很難區(qū)別。

a）管芯結(jié)構(gòu)b)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化圖c）光敏晶體管圖形符號(hào)1－N+襯底2－N型集電區(qū)3－透光SiO2保護(hù)圈4－集電結(jié)JC5－P型基區(qū)6－發(fā)射結(jié)JE7－N型發(fā)射區(qū)光電反射式轉(zhuǎn)速表

光電式轉(zhuǎn)速表屬于反射式光電傳感器，它可以在距被測(cè)物數(shù)十毫米外非接觸地測(cè)量其轉(zhuǎn)速。

光源發(fā)出的光線經(jīng)聚焦透鏡2會(huì)聚成平行光束，照射到被測(cè)旋轉(zhuǎn)物3上，光線經(jīng)事先粘貼在旋轉(zhuǎn)物體上的反光紙4反射回來，經(jīng)透鏡6聚焦后落在光敏二極管7上。旋轉(zhuǎn)物體每轉(zhuǎn)一圈，光敏二極管就產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào),經(jīng)放大整形電路得到TTL電平的脈沖信號(hào),該信號(hào)在與門中和“秒信號(hào)”相“與”。與門在1s的時(shí)間間隔內(nèi)輸出的脈沖數(shù)正比于旋轉(zhuǎn)物體的每秒轉(zhuǎn)數(shù),再經(jīng)數(shù)據(jù)運(yùn)算電路處理后,由數(shù)碼顯示器顯示出每分鐘的轉(zhuǎn)數(shù)。轉(zhuǎn)速n為a）光路及工作原理框圖b）各點(diǎn)波形1－光源（紅色LED）2、6－聚焦透鏡3－被測(cè)旋轉(zhuǎn)物4－反光紙Z為反光紙數(shù)目遮斷型1－發(fā)光二極管2－紅外光3－光敏元件4－槽5－被測(cè)物6－透光孔光電斷續(xù)器光電斷續(xù)器+碼盤通過光電管不斷掃描碼盤格數(shù)，放大器LM324可用作比較器，可將6號(hào)端處的正弦信號(hào)與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較后，然后將在7號(hào)端產(chǎn)生頻率與轉(zhuǎn)速一一對(duì)應(yīng)的方波，接到單片機(jī)IO口采集。單片機(jī)I/O上述基于光敏電阻及光敏晶體管的各種組件實(shí)際主要用于光照判斷及光調(diào)制，對(duì)于某些需要對(duì)光照進(jìn)行精密度量控制的場(chǎng)合，就需要用到——光電池在P型襯底上制造一很薄、透明的N型層作為光照敏感面，就構(gòu)成最簡(jiǎn)單的光電池。當(dāng)入射光子的能量足夠大時(shí)，PN結(jié)每吸收一個(gè)光子就產(chǎn)生一對(duì)光生電子-空穴對(duì)，光生電子-空穴對(duì)的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)使電子通過漂移運(yùn)動(dòng)被拉到N型區(qū)，空穴漂移到P區(qū)，所以N區(qū)帶負(fù)電，P