發(fā)電式傳感器及其應(yīng)用

發(fā)電式傳感器及其應(yīng)用第1頁/共75頁當(dāng)沿著一定方向施加力變形時(shí)，內(nèi)部產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在它表面會(huì)產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷；當(dāng)外力去掉后，又重新恢復(fù)不帶電狀態(tài)當(dāng)作用力方向改變后，電荷的極性也隨之改變；這種現(xiàn)象稱壓電效應(yīng)。

一、變換原理:

壓電式傳感器是一種可逆型換能器，機(jī)械能電能。它的工作原理是基于某些物質(zhì)的壓電效應(yīng)。

第2頁/共75頁

壓電效應(yīng)是可逆的

在這些材料的極化方向施加電場(chǎng)，它們就在一定方向上產(chǎn)生機(jī)械變形或機(jī)械應(yīng)力，當(dāng)外電場(chǎng)撤去時(shí)，這些變形或應(yīng)力也隨之消失，這種現(xiàn)象稱為“逆壓電效應(yīng)”，或稱為“電致伸縮效應(yīng)”。所以壓電元件可以將機(jī)械能——轉(zhuǎn)化成電能也可以將電能——轉(zhuǎn)化成機(jī)械能。

壓電元件機(jī)械能電能第3頁/共75頁壓電效應(yīng)是可逆的，壓電傳感器是雙向傳感器。

二、壓電材料

具有壓電效應(yīng)的物質(zhì)(物體)稱為壓電材料(或壓電元件)。

常見的壓電材料可分為兩類：?jiǎn)尉w：石英晶體等多晶體：壓電陶瓷等石英晶體有天然石英和人工石英單晶體兩種。特點(diǎn)：石英晶體的相對(duì)介電常數(shù)較小，溫度穩(wěn)定性很好。機(jī)械強(qiáng)度很高。性能穩(wěn)定，沒有熱釋電效應(yīng)（由于溫度變化導(dǎo)致電荷釋放），絕緣性能相當(dāng)好。第4頁/共75頁天然石英晶體，其結(jié)構(gòu)形狀為一個(gè)六角形晶柱，兩端為一對(duì)稱棱錐。在晶體學(xué)中，可以將其用三根互相垂直的軸表示?？v軸Z——光軸

通過六棱線而垂直于光軸的X軸——電軸

垂直于六棱柱體的棱面——機(jī)械軸

壓電陶瓷是人工制造的多晶壓電材料，它由無數(shù)細(xì)微的單晶組成。如鈦酸鋇壓電陶瓷、鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷，即PZT系壓電陶瓷、鈮鎂酸鉛壓電陶瓷（PMN)、鈮酸鹽系壓電陶瓷等。特點(diǎn)：穩(wěn)定性較石英晶體差，有明顯的熱釋電效應(yīng)。壓電常數(shù)大，靈敏度高。制作工藝方便，耐濕、耐高溫等特點(diǎn)，用的較多。

第5頁/共75頁壓電晶片按特定方向切片人工合成水晶第6頁/共75頁

從石英晶體中切下一個(gè)平行六面體，并使其晶面分別平行于Z-Z、Y-Y、X-X軸線。若對(duì)其施力，則有幾種不同的效應(yīng)。

縱向壓電效應(yīng)——沿電軸(X軸)方向的作用力產(chǎn)生的橫向壓電效應(yīng)——沿機(jī)械軸(Y軸)方向的作用力產(chǎn)生的切向效應(yīng)——沿相對(duì)兩棱加力時(shí)沿光軸(Z軸)方向的作用力不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。壓電式傳感器主要是利用縱向壓電效應(yīng)。

第7頁/共75頁三、壓電式傳感器及其等效電路

在壓電晶片的兩個(gè)工作面上進(jìn)行金屬蒸鍍，形成金屬膜，構(gòu)成兩個(gè)電極。當(dāng)壓電晶片受到壓力F的作用時(shí)，分別在兩個(gè)極板上積聚數(shù)量相等而極性相反的電荷，形成電場(chǎng)。

實(shí)驗(yàn)證明，壓電晶體片在某特定平面上產(chǎn)生的電荷量與作用外力成正比，即

q=DF

式中q——為電荷量；

F——作用力

D——壓電常數(shù)，與材質(zhì)及切片的方向有關(guān)

注意：利用壓電式傳感器測(cè)量靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)量值時(shí)，必須采取一定的措施，使電荷從壓電晶片上經(jīng)測(cè)量電路的漏失減小到足夠小程度。而在動(dòng)態(tài)力作用下，電荷可以得到不斷補(bǔ)充，可以供給測(cè)量電路一定的電流，故壓電傳感器適宜作動(dòng)態(tài)測(cè)量。

第8頁/共75頁

因此，壓電傳感器可以看作是一個(gè)電荷發(fā)生器，也可以看成是一個(gè)電容器。

壓電元件可以等效為一個(gè)電壓源和一個(gè)串聯(lián)電容表示的電壓等效電路，也等效成為一個(gè)電荷源和一個(gè)電容的電荷等效電路。第9頁/共75頁壓電元件的連接方法壓電晶片串聯(lián):電容量小、響應(yīng)快、輸出電壓大，適用于測(cè)量以電壓作輸出的信號(hào)和頻率較高的信號(hào)。

--------適合前置電壓放大器

在實(shí)際應(yīng)用中，由于單片的輸出電荷很小，常常將兩片或兩片以上的晶片連接在一起，以提高靈敏度。方法有兩種，即并聯(lián)和串聯(lián)。壓電晶片并聯(lián):電容量大、輸出電荷量大、時(shí)間常數(shù)也大，適用于測(cè)量緩變信號(hào)及電荷量輸出信號(hào)

--------適合前置電荷放大器第10頁/共75頁四、測(cè)量電路

壓電式傳感器輸出電信號(hào)很微弱，通常應(yīng)把傳感器信號(hào)先輸入到高輸入阻抗的前置放大器中，經(jīng)過阻抗變換后，方可輸入到后續(xù)顯示儀表中。

前置放大器的作用：將傳感器的高阻抗輸出變?yōu)榈妥杩馆敵?；放大傳感器輸出的微弱電信?hào)。

前置放大器電路的形式：用電阻反饋的電壓放大器其輸出電壓與輸入電壓(即傳感器的輸出)成正比；用電容做反饋的電荷放大器

其輸出電壓與輸入電荷成正比。由于電荷放大器電路的電纜長(zhǎng)度變化的影響不大，幾乎可以忽略不計(jì)，故而電荷放大器應(yīng)用日益廣泛。

第11頁/共75頁Ra：傳感器的漏電阻；Cc：連接電纜的分布電容；Ri：相連放大器的輸入電阻；Ci：相連放大器的輸入電容。

加速度計(jì)電纜阻抗變換、放大第12頁/共75頁四、特點(diǎn)及應(yīng)用

體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、頻率范圍寬適于動(dòng)態(tài)測(cè)量

多用于力、振動(dòng)加速度、噪聲的測(cè)量第13頁/共75頁產(chǎn)品壓力變送器

加速度計(jì)力傳感器

第14頁/共75頁壓電式加速度傳感器第15頁/共75頁壓電式壓力傳感器第16頁/共75頁點(diǎn)火器晶體第17頁/共75頁超聲波傳感器振動(dòng)式液位開關(guān)壓電加速度計(jì)

壓電元件產(chǎn)品第18頁/共75頁配重塊簡(jiǎn)支梁懸臂梁激振器力錘調(diào)速電機(jī)加速度傳感器調(diào)壓器隔振器電荷放大器掃頻信號(hào)發(fā)生器第19頁/共75頁5.2光電傳感器

光電傳感器通常是指能敏感到由紫外線到紅外線光的光能量，并能將光能轉(zhuǎn)化成電信號(hào)的器件。其工作原理是基于一些物質(zhì)的光電效應(yīng)。

由于被光照射的物體材料不同，所產(chǎn)生的光電效應(yīng)也不同，通常光照射到物體表面后產(chǎn)生的光電效應(yīng)分為：外光電效應(yīng)、內(nèi)光電效應(yīng)。

1、外光電效應(yīng)及其光電器件

在光線作用下,物質(zhì)內(nèi)的電子逸出物體表面向外發(fā)射的現(xiàn)象,稱為外光電效應(yīng)。第20頁/共75頁

光譜光波：波長(zhǎng)為10—106nm的電磁波可見光：波長(zhǎng)380—780nm

紫外線：波長(zhǎng)10—380nm，波長(zhǎng)300—380nm稱為近紫外線波長(zhǎng)200—300nm稱為遠(yuǎn)紫外線波長(zhǎng)10—200nm稱為極遠(yuǎn)紫外線，紅外線：波長(zhǎng)780—106nm

波長(zhǎng)3μm（即3000nm）以下的稱近紅外線波長(zhǎng)超過3μm的紅外線稱為遠(yuǎn)紅外線?？梢姽饨t外遠(yuǎn)紅外極遠(yuǎn)紫外0.010.11100.050.55波長(zhǎng)/μm遠(yuǎn)紫外近紫外第21頁/共75頁光電管的結(jié)構(gòu)示意圖

光陽極光電陰極光窗

光電管有真空光電管和充氣光電管或稱電子光電管和離子光電管兩類。它們由一個(gè)陰極和一個(gè)陽極構(gòu)成，并且密封在一只真空玻璃管內(nèi)。陰極裝在玻璃管內(nèi)壁上，其上涂有光電發(fā)射材料。陽極通常用金屬絲彎曲成矩形或圓形，置于玻璃管的中央。外光電效應(yīng)器件

利用物質(zhì)在光的照射下發(fā)射電子的外光電效應(yīng)而制成的光電器件，一般都是真空的或充氣的光電器件，如光電管和光電倍增管。(1)光電管

第22頁/共75頁

當(dāng)光線照射在光敏材料上時(shí)，如果光子的能量E大于電子的逸出功A（E＞A），會(huì)有電子逸出產(chǎn)生電子發(fā)射。電子被帶有正電的陽極吸引，在光電管內(nèi)形成電子流，電流在回路電阻R上產(chǎn)生正比于電流大小的壓降。因此

用作光電陰極的金屬有堿金屬、汞、金、銀等，可適合不同波段的需要。

光電管靈敏度低、體積大、易破損。目前光電管主要用途：光電比色計(jì)等分析儀器、各種光學(xué)自動(dòng)裝置。第23頁/共75頁光電管

第24頁/共75頁(2)光電倍增管

光照很弱時(shí)，光電管產(chǎn)生的電流很小，為提高靈敏度常使用光電倍增管。如核儀器中閃爍探測(cè)器都使用的是光電倍增管做光電轉(zhuǎn)換元件。

光電倍增管是利用二次電子釋放效應(yīng)，高速電子撞擊固體表面，發(fā)出二次電子，將光電流在管內(nèi)進(jìn)行放大。第25頁/共75頁

當(dāng)光照射到光陰極時(shí)，光陰極向真空中激發(fā)出光電子。這些光電子按聚焦極電場(chǎng)進(jìn)入倍增系統(tǒng)，并通過進(jìn)一步的二次發(fā)射得到倍增放大。然后把放大后的電子用陽極收集作為信號(hào)輸出。

因?yàn)椴捎昧硕伟l(fā)射倍增系統(tǒng)，所以光電倍增管在探測(cè)紫外、可見和近紅外區(qū)的輻射能量的光電探測(cè)器中，具有極高的靈敏度和極低的噪聲。另外，光電倍增管還具有響應(yīng)快速、成本低、陰極面積大等優(yōu)點(diǎn)。

廣泛應(yīng)用于光子計(jì)數(shù)、極微弱光探測(cè)、化學(xué)發(fā)光、生物發(fā)光研究、極低能量射線探測(cè)、分光光度計(jì)、旋光儀、色度計(jì)、照度計(jì)、塵埃計(jì)、濁度計(jì)、光密度計(jì)、熱釋光量?jī)x、輻射量熱計(jì)、掃描電鏡、生化分析儀等儀器設(shè)備中。第26頁/共75頁2、內(nèi)光電效應(yīng)及其光電器件

受光照物體(通常為半導(dǎo)體材料)電導(dǎo)率發(fā)生變化或產(chǎn)生光電動(dòng)勢(shì)的效應(yīng)稱為內(nèi)光電效應(yīng)。

內(nèi)光電效應(yīng)按其工作原理分為：光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)。

1)光電導(dǎo)效應(yīng)

半導(dǎo)體材料受到光照時(shí)會(huì)產(chǎn)生電子-空穴對(duì),使其導(dǎo)電性能增強(qiáng),光線愈強(qiáng)，阻值愈低，這種光照后電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象,稱為光電導(dǎo)效應(yīng)。基于這種效應(yīng)的光電器件有光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管。

①光敏電阻(光導(dǎo)管)：在黑暗的環(huán)境下,它的阻值很高,當(dāng)受到光照并且光輻射能量足夠大時(shí)，使其導(dǎo)帶的電子和價(jià)帶的空穴增加,電阻率變小。光敏電阻常用的半導(dǎo)體材料有硫化鎘(CdS）和硒化鎘(CdSe)。第27頁/共75頁

光敏電阻在受到光的照射時(shí)，由于內(nèi)光電效應(yīng)使其導(dǎo)電性能增強(qiáng)，電阻RG值下降，所以流過負(fù)載電阻RL的電流及其兩端電壓也隨之變化。光線越強(qiáng)，電流越大。當(dāng)光照停止時(shí)，光電效應(yīng)消失，電阻恢復(fù)原值，因而可將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。光敏電阻的光譜特性

使用不同材料制成的光敏電阻，有著不同的光譜特性。

對(duì)于不同波長(zhǎng)的入射光，光敏電阻的相對(duì)靈敏度是不相同的。因此在選用光敏電阻時(shí)應(yīng)當(dāng)把元件和光源的種類結(jié)合起來考慮，才能獲得滿意的結(jié)果。

第28頁/共75頁光敏電阻的光電特性

在一定電壓作用下，光敏電阻的光電流I與照射光通量Φ的關(guān)系稱為光電特性。光敏電阻的光電特性具有非線性。

光敏電阻主要用于相機(jī)自動(dòng)測(cè)光、室內(nèi)光線控制、工業(yè)及光電控制、光控開關(guān)、光控?zé)粢约半妱?dòng)玩具等。

因此不適宜做檢測(cè)元件，在自動(dòng)控制中它常用做開關(guān)式光電傳感器。

第29頁/共75頁②光敏二極管和光敏三極管：光敏二極管光敏二極管又稱光電二極管，它與普通半導(dǎo)體二極管在結(jié)構(gòu)上是類似的。

光敏二極管在電路中處于反向偏置，在沒有光照射時(shí)，反向電阻很大，反向電流很小，該反向電流稱之為暗電流。當(dāng)光照射在PN結(jié)上，光子打在PN結(jié)附近，使PN結(jié)附近產(chǎn)生光生電子及光生空穴，因此使PN結(jié)的反向電流增大。第30頁/共75頁

光照特性

右圖是硅光敏二極管在小負(fù)載電阻下的光照特性。

光電流與照度成線性關(guān)系。所以適合檢測(cè)等方面的應(yīng)用。

光譜特性

當(dāng)入射波長(zhǎng)＞900nm時(shí)，響應(yīng)下降;當(dāng)入射波長(zhǎng)＜900nm時(shí)，響應(yīng)也逐漸下降.硅光敏二極管光照特性第31頁/共75頁

光敏三極管光敏三極管的光譜特性

光敏三極管存在一個(gè)最佳靈敏度的峰值波長(zhǎng)。當(dāng)入射光的波長(zhǎng)增加時(shí)，相對(duì)靈敏度要下降

光敏三極管是把光敏二極管產(chǎn)生的光電流進(jìn)一步放大，它是具有更高靈敏度和響應(yīng)速度的光敏傳感器。光敏三極管有PNP型和NPN型兩種。第32頁/共75頁

光敏三極管的光照特性

光敏三極管的輸出電流I和照度之間的關(guān)系。它們之間呈近似線性關(guān)系。當(dāng)光照足夠大（幾千勒克斯）時(shí)，會(huì)出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，從而使光敏三極管既可作線性轉(zhuǎn)換元件，也可作開關(guān)轉(zhuǎn)換元件。

光敏二極管、光敏三極管主要用于光電檢測(cè)、光電控制方面，如光電耦合器等。第33頁/共75頁

光電池是在光線照射下，直接能將光量轉(zhuǎn)變?yōu)殡妱?dòng)勢(shì)的光電元件。實(shí)質(zhì)上它就是電壓源。光電池的種類很多，有硒光電池、氧化亞銅光電池、硫化鎘光電池、鍺光電池、硅光電池、砷化鎵光電池等。硅光電池：

最廣泛，適合紅外波長(zhǎng)硒光電池：適合可見光砷化鎵光電池：光譜響應(yīng)與太陽光譜吻合，耐高溫，耐宇宙射線

光生伏特效應(yīng)指半導(dǎo)體材料P-N結(jié)受到光照后產(chǎn)生一定方向的電動(dòng)勢(shì)的效應(yīng)。+++---PN光電池符號(hào)③光電池

第34頁/共75頁204060801000.40.60.81.01.20.2I/%12λ/μm光譜特性

光電池的光譜特性決定于材料。從曲線可看出，硒光電池在可見光譜范圍內(nèi)有較高的靈敏度，峰值波長(zhǎng)在540nm附近，適宜測(cè)可見光。硅光電池應(yīng)用的范圍400nm—1100nm，峰值波長(zhǎng)在850nm附近，因此硅光電池可以在很寬的范圍內(nèi)應(yīng)用。1——硒光電池2——硅光電池第35頁/共75頁L/klx

L/klx

5432100.10.20.30.40.5246810開路電壓Uoc

/V0.10.20.30.4

0.50.30.1012345Uoc/VIsc

/mAIsc/mA(a)硅光電池(b)硒光電池光照特性

開路電壓曲線：光生電動(dòng)勢(shì)與照度之間的特性曲線，當(dāng)照度為2000lx時(shí)趨向飽和。

短路電流曲線：光電流與照度之間的特性曲線開路電壓短路電流短路電流第36頁/共75頁

短路電流，指外接負(fù)載相對(duì)于光電池內(nèi)阻而言是很小的。光電池在不同照度下，其內(nèi)阻也不同，因而應(yīng)選取適當(dāng)?shù)耐饨迂?fù)載近似地滿足“短路”條件。下圖表示硒光電池在不同負(fù)載電阻時(shí)的光照特性。從圖中可以看出，負(fù)載電阻RL越小，光電流與強(qiáng)度的線性關(guān)系越好，且線性范圍越寬。02468100.10.20.30.40.5I/mAL/klx

50Ω100Ω1000Ω5000ΩRL=0

短路電流在很大范圍內(nèi)與光強(qiáng)成線性關(guān)系。開路電壓隨光強(qiáng)變化是非線性的，并且當(dāng)照度在2000lx時(shí)就趨于飽和了。因此把光電池作為測(cè)量元件時(shí)，應(yīng)當(dāng)作電流源的形式來使用，不宜用作電壓源。第37頁/共75頁3、光電傳感器的特點(diǎn)及應(yīng)用

由于光電測(cè)量方法靈活多樣，可測(cè)參數(shù)眾多，又具有非接觸、高精度、高分辨率、高可靠性和響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，加之激光光源、光柵、光學(xué)碼盤、CCD器件、光導(dǎo)纖維等的相繼出現(xiàn)和成功應(yīng)用，使得光電傳感器在檢測(cè)和控制領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

第38頁/共75頁指紋鎖門禁光電鼠標(biāo)第39頁/共75頁料位自動(dòng)控制電動(dòng)扶梯自動(dòng)啟停光電開關(guān)第40頁/共75頁光柵光纖光電管光敏電阻第41頁/共75頁

開孔圓盤旋轉(zhuǎn)一周，光敏元件輸出的電脈沖個(gè)數(shù)等于圓盤的開孔數(shù)。被測(cè)轉(zhuǎn)速

n=f/N式中n——轉(zhuǎn)速；

f——脈沖頻率；

N——圓盤開孔數(shù)。

脈沖式光電傳感器的作用方式是光電元件的輸出僅有兩種穩(wěn)定狀態(tài)，即“通”與“斷”的開關(guān)狀態(tài)。第42頁/共75頁220VC1路燈CJD-108V200μF200μFC2C3100μFR1R3R5R7R4R6R7R2470kΩ200kΩ10kΩ4.3kΩBG1280kΩ25kΩ57kΩ10kΩ路燈自動(dòng)控制器BG2BG3BG42CRCJD-10第43頁/共75頁

霍爾式傳感器是磁敏元件傳感器，它是利用霍爾元件基于霍爾效應(yīng)原理而將被測(cè)量轉(zhuǎn)換成電動(dòng)勢(shì)輸出的一種傳感器。

一、磁電轉(zhuǎn)換元件------霍爾元件

金屬或半導(dǎo)體薄片置于磁場(chǎng)中，當(dāng)有電流流過時(shí)，在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向上將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，這種物理現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。

1、霍爾效應(yīng)abcd5.3

霍爾傳感器第44頁/共75頁

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)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)。霍爾效應(yīng)演示第45頁/共75頁霍爾電勢(shì)VH與I、B的乘積成正比，而與d成反比。

—霍爾系數(shù)，由載流材料物理性質(zhì)決定。μ—載流子遷移率,μ=v/E,即單位電場(chǎng)強(qiáng)度作用下載流子的平均速度。

金屬材料，電子μ很高但ρ很小，絕緣材料，ρ很高但μ很小。故為獲得較強(qiáng)霍爾效應(yīng)，霍爾片全部采用半導(dǎo)體材料制成。q—電子電量ρ—材料電阻率第46頁/共75頁設(shè)KH=RH/d

KH—霍爾器件的乘積靈敏度。它與載流材料的物理性質(zhì)和幾何尺寸有關(guān)，表示在單位磁感應(yīng)強(qiáng)度和單位控制電流時(shí)霍爾電勢(shì)的大小。

若磁感應(yīng)強(qiáng)度B的方向與霍爾器件的平面法線夾角為θ時(shí)，霍爾電勢(shì)應(yīng)為：

VH＝KH

IB

VH＝KHIBcosθ

由上式可見，厚度d越小，霍爾靈敏度KH

越大，所以霍爾元件做的較薄，通常近似1微米。第47頁/共75頁2、霍爾元件

基于霍爾效應(yīng)工作的半導(dǎo)體器件稱為霍爾元件，霍爾元件多采用N型半導(dǎo)體材料。目前最常用的霍爾元件材料有鍺(Ge)、硅(Si)、銻化銦(InSb)、砷化銦(InAs)等半導(dǎo)體材料。

薄膜霍爾元件厚度只有1μm左右。霍爾元件由霍爾片、四根引線和殼體組成。第48頁/共75頁控制電流I；霍爾電勢(shì)VH；控制電壓V；霍爾負(fù)載電阻R3；霍爾電流IH。

霍爾輸出端接負(fù)載R3,R3可是一般電阻或放大器的輸入電阻、或表頭內(nèi)阻等。磁場(chǎng)B垂直通過霍爾器件,在磁場(chǎng)與控制電流作用下，由負(fù)載上獲得電壓。VHR3VBIEIH霍爾器件的基本電路R

實(shí)際使用時(shí),器件輸入信號(hào)可以是I或B，或者IB,而輸出可以正比于I或B,或者正比于其乘積IB。第49頁/共75頁3、特點(diǎn)及應(yīng)用實(shí)例

霍爾元件在靜止?fàn)顟B(tài)下，具有感受磁場(chǎng)的獨(dú)特能力，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、無觸點(diǎn)、頻帶寬，動(dòng)態(tài)性能好以及壽命長(zhǎng)。第50頁/共75頁測(cè)轉(zhuǎn)速：第51頁/共75頁SN線性霍爾磁鐵

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。霍爾轉(zhuǎn)速表第52頁/共75頁n=60f4(r/min)軟鐵分流翼片

開關(guān)型霍爾IC

T霍爾式接近開關(guān)用于轉(zhuǎn)速測(cè)量演示第53頁/共75頁第54頁/共75頁鐵磁材料裂紋檢測(cè)

NS第55頁/共75頁霍爾效應(yīng)鋼絲斷絲檢測(cè)裝置1—鋼絲繩2—霍爾元件3—永久磁鐵第56頁/共75頁汽車速度測(cè)量:第57頁/共75頁一、熱電效應(yīng)

將兩種不同材料的導(dǎo)體A和B串接成一個(gè)閉合回路，當(dāng)兩個(gè)接點(diǎn)溫度不同時(shí)，在回路中就會(huì)產(chǎn)生熱電勢(shì)，形成電流，此現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。熱電極測(cè)量端工作端熱端參考端自由端冷端

5.4熱電偶傳感器第58頁/共75頁回路總電勢(shì)：T0TeAB(T)eAB(T0)eA(T,T0)eB(T,T0)ABNAT、NAT0——導(dǎo)體A在結(jié)點(diǎn)溫度為T和T0時(shí)的電子密度；NBT、NBT0——導(dǎo)體B在結(jié)點(diǎn)溫度為T和T0時(shí)的電子密度；σA

、σB——導(dǎo)體A和B的湯姆遜系數(shù)。

接觸電動(dòng)勢(shì)（不同導(dǎo)體）（主要）熱電勢(shì)溫差電動(dòng)勢(shì)（同一導(dǎo)體）第59頁/共75頁

導(dǎo)體材料確定后，熱電勢(shì)的大小只與熱電偶兩端的溫度有關(guān)。如果使EAB(T0)=常數(shù)，則回路熱電勢(shì)EAB(T，T0)就只與溫度T有關(guān)，而且是T的單值函數(shù)，這就是利用熱電偶測(cè)溫的原理。

熱電偶回路熱電勢(shì)只與組成熱電偶的材料及兩端溫度有關(guān)；與熱電偶的長(zhǎng)度、粗細(xì)無關(guān)。若電極材料確定，冷端溫度保持恒定，此時(shí)EAB(T,T0)=f(T)第60頁/共75頁

由一種均質(zhì)導(dǎo)體組成的閉合回路，不論其導(dǎo)體是否存在溫度梯度，回路中沒有電流(即不產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì))；反之，如果有電流流動(dòng)，此材料則一定是非均質(zhì)的，即熱電偶必須采用兩種不同材料作為電極。①均質(zhì)導(dǎo)體定律②中間導(dǎo)體定律

一個(gè)由幾種不同導(dǎo)體材料連接成的閉合回路，只要它們彼此連接的接點(diǎn)溫度相同，則此回路各接點(diǎn)產(chǎn)生的熱電勢(shì)的代數(shù)和為零。

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，該導(dǎo)體的接入就不會(huì)影響熱電偶回路的總熱電動(dòng)勢(shì)。TT0V二、熱電偶測(cè)溫基本定律第61頁/共75頁③中間溫度定律

如果不同的兩種導(dǎo)體材料組成熱電偶回路,其接點(diǎn)溫度分別為T1、T2(如圖所示)時(shí),則其熱電勢(shì)為EAB(T1,T2)；當(dāng)接點(diǎn)溫度為T2、T3時(shí)，其熱電勢(shì)為EAB(T2,T3)；當(dāng)接點(diǎn)溫度為T1、T3時(shí)，其熱電勢(shì)為EAB(T1,T3)，則BBAT2T1

T3

AAB

EAB（T1,T3）=EAB（T1,T2）+EAB（T2,T3）第62頁/共75頁④標(biāo)準(zhǔn)電極定律

如果已知熱電偶的兩個(gè)電極A、B分別與另一電極C組成的熱電偶的熱電勢(shì)為EAC(T,T0)和EBC(T,T0)，則在相同接點(diǎn)溫度(T,T0)下，由A、B電極組成的熱電偶的熱電勢(shì)EAB(T,T0)為

EAB(T,T0)=EAC(T,T0)-EBC(T,T0)C稱為標(biāo)準(zhǔn)電極由于鉑的物理、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，熔點(diǎn)高、易提純，人們多采用鉑作為標(biāo)準(zhǔn)電極。

標(biāo)準(zhǔn)電極定律為熱電偶電極的選配提供了方便。第63頁/共75頁

標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶指已大量生產(chǎn)和使用，工藝穩(wěn)定，性能符合專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，具有統(tǒng)一分度表的熱電偶。

8種標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶型號(hào)標(biāo)志

材料

使用溫度℃S鉑銠10—鉑-50～1768R鉑銠13—鉑-50～1768B鉑銠30—鉑銠660～1820K鎳鉻—鎳硅-270～1372N鎳鉻硅—鎳硅-270～1300E鎳鉻—

銅鎳合金（康銅）-270～1000J鐵—銅鎳合金（康銅）-210～1200T銅—銅鎳合金（康銅）-270～400分度表：t0=0℃時(shí)，不同t時(shí)的熱電勢(shì)（mv級(jí)）表三、標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶

按照工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，熱電偶可分為標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶和非標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶。第64頁/共75頁e(t,0℃)=e(t,t0)+e(t0,0℃)第65頁/共75頁第66頁/共75頁

冷端溫度補(bǔ)償方法冰點(diǎn)槽法計(jì)算修正法補(bǔ)正系數(shù)法零點(diǎn)遷移法冷端補(bǔ)償器法軟件處理法四、冷端處理及補(bǔ)償

熱電偶熱電勢(shì)的大小是熱端溫度和冷端的函數(shù)差，為保證輸出熱電勢(shì)是被測(cè)溫度的單值函數(shù)，必須使冷端溫度保持恒定；熱電偶分度表給出的熱電勢(shì)是以冷端溫度0℃為依據(jù)，否則會(huì)產(chǎn)生誤差。熱電極測(cè)量端參考端第67頁/共75頁

把熱電偶的參考端置于冰水混合物容器里，使T0=0℃。這種辦法僅限于科學(xué)實(shí)驗(yàn)中使用。為了避免冰水導(dǎo)電引起兩個(gè)連接點(diǎn)短路，必須把連接點(diǎn)分別置于兩個(gè)玻璃試管里，浸入同一冰點(diǎn)槽，使相互絕緣。mVABA’B’TCC’儀表銅導(dǎo)線試管補(bǔ)償導(dǎo)線熱電偶冰點(diǎn)槽冰水溶液T0冰點(diǎn)槽法第68頁/共75頁

用普通室溫計(jì)算出參考端實(shí)際溫度TH，利用公式計(jì)算例：用銅-康銅熱電偶測(cè)某一溫度T，參考端在室溫環(huán)境TH中，測(cè)得熱電動(dòng)勢(shì)EAB(T，TH)=1.999mV，又用室溫計(jì)測(cè)出TH=21℃,查此種熱電偶的分度表可知，EAB(21,0)=0.832mV，故得EAB(T，0)=EAB(T，21)+EAB(21，T0)=1.999+0.832=2.831(mV)

再次查分度表，與2.831mV對(duì)應(yīng)的熱端溫度T=68℃。EAB(T,T0)=EAB(T,TH)+EAB(TH,T0)計(jì)算修正法第69頁/共75頁

把參考端實(shí)際溫度TH乘上系數(shù)k，加到由EAB(T