传感与检测技术教学传统传感器原理及应用.pptx

2024/8/22 周四山东科技大学第一节 电阻式传感器v电阻式传感器是把被测量，如位移、力、压力、力矩等非电量的变化转换为电阻值的变化，然后通过测量该电阻值实现检测非电量的一种传感器。电阻式传感器种类较多，本节介绍电位器式和电阻应变式传感器。v一、电位器式传感器v电位器式传感器主要用来测量位移，通过其他敏感元件（如膜片、膜盒、弹簧管等）将非电量（如力、位移、形变、速度、加速度等）的变化量变换成与之有一定关系的电阻值的变化，通过对电阻值的测量达到对非电量测量的目的。2024/8/22 周四山东科技大学（一）线绕电位器式位移传感器线绕电位器式传感器的核心是线绕电位器。图是常用电位器式传感器的结构原理图，该类传感器主要是由触点机构和电阻器两部分组成。图2-1 线绕电位器式传感器示意图2024/8/22 周四山东科技大学如图2-1（a）所示为线性位移传感器，它的骨架截面积处处相等，且由材料均匀的导线按照等节距绕制而成，此时电位器单位长度上的电阻值处处相等，是其总长度，总电阻，当电刷行程为x时，对应于电刷移动量的电阻值Rx为若把它作为分压器使用，且假定加在电位器A、B之间的电压为 ，则输出电压为如图2-1（b）所示为电位器式角度传感器。若将其作为电阻器使用，则电阻与角度的关系为2024/8/22 周四山东科技大学v若作为分压器使用，则有如图2-2所示是线性绕线电位器示意图。2024/8/22 周四山东科技大学v其电阻灵敏度为v电压灵敏度为v（二）非线绕电位器式位移传感器v非线绕电位器又叫函数电位器，代表着电位器式传感器发展方向。主要能以下几种。v1、合成膜电位器v2、金属膜电位器v3、导电塑料电位器v4、光电电位器2024/8/22 周四山东科技大学v（三）电位器式传感器常用压力变换弹性敏感元件v1、弹簧管v弹簧管又称波登管，它是弯成各种形状的空心管子（大多数弯成C形），它一端固定、一端自由，如图2-3(a)所示。弹簧管能将压力转换为位移。2024/8/22 周四山东科技大学v2、波纹管v波纹管是一种表面上有许多同心环波形皱纹的薄壁圆管。它的一端与被测压力相通，另一端密封，如图2-3(b)所示。v3、波纹膜片和膜盒v波纹膜片是一种压有同心波纹的圆形薄膜，如图2-3（c）所示。为了便于和传感元件相连接，在膜片中央留有一个光滑的部分，有时还在中心上焊接一块圆形金属片称为膜片的硬心。当膜片四周固定，两侧面存在压差时，膜片将弯向压力低的一侧，因此能够将压力变换为位移。为了进一步提高灵敏度，常把两个膜片焊在一起，制成膜盒，如图2-3（d）所示。2024/8/22 周四山东科技大学3.电位器式位移传感器的应用v 电位器式位移传感器常用来测量几毫米到几十米的位移和几度到360度的角度。v 如图2-21所示为我国研制的采用精密合成膜电位器的C8型拉线式大位移传感器。它可以用来测量飞行器级间分离时的相对位移，火车各车厢的分离位移，跳伞运动员起始跳落位移等。图221 拉线式大位移传感器1-牵引头；2-排线轮；3-传动齿轮；4-轴；5-电刷；6-电位器；7-发条2024/8/22 周四山东科技大学v二、电阻应变式传感器v电阻应变式传感器是一种利用电阻应变片将应变或应力转换为电阻的传感器，可以用于测量应变、力、压力、位移、加速度、力矩等参数，具有动态响应快、测量精度高、使用简便等优点。v根据敏感元件的材料形状的不同，电阻应变式传感器的应变片可分为金属应变片和半导体应变片两种。金属应变片有金属丝式、金属箔式和金属薄膜式；半导体应变片有扩散型、体型和薄膜型。v电阻应变式传感器主要由电阻应变片（金属应变片和半导体应变片）弹性敏感元件和测量电路三部分组成。2024/8/22 周四山东科技大学v（一）金属应变片v金属应变片是由绕成栅状的高阻金属丝、栅状金属箔构成的，敏感元件用黏合剂贴在两张胶片或纸片（基片）之间制成。基本结构如图2-5所示。v1、金属丝电阻应变片v金属丝电阻应变片是由丝栅状的电阻丝组成的敏感元件，有圆角线栅式和直角线栅式两种，如图2-6所示。图2-5 金属应变片结构 图2-6金属丝电阻应变片形式2024/8/22 周四山东科技大学v电阻丝在外力作用下发生机械变形时，其阻值发生变化，此种现象称为电阻应变效应。v金属丝电阻为v当金属丝电阻发生变形时，其长度L、截面积A、电阻率均发生变化，从而引起电阻值R的变化，电阻的增量为v电阻的相对变化为v纵向应变与横向应变间存在着比例关系，其比例系数为电阻丝材料的泊松比，2024/8/22 周四山东科技大学v电阻丝电阻率相对变化与电阻丝轴向所受正应力有关，即v2、金属箔式应变片v金属箔式应变片的敏感栅是由很薄的金属箔片通过光刻和腐蚀工艺制成。箔栅厚度为0.0030.01mm。箔片材料为康铜、镍铬合金等。为适应不同场合，其敏感栅制成不同的形状，如图2-7所示。2024/8/22 周四山东科技大学v（二）半导体应变片v半导体应变片最简单的结构如图2-8所示。半导体应变片的工作原理是基于半导体材料的压阻效应。v式（2-13）可写成v半导体应变片灵敏度图2-8 半导体应变片（体型）2024/8/22 周四山东科技大学v目前国产的导体应变片大都采用P型和N型硅材料制作，其结构有体形、薄膜型和扩散型，如图2-9所示。v（三）电阻应变式传感器常用弹性敏感元件v1、弹性圆柱（实心或空心）v弹性圆柱结构简单，可承受较大的载荷，当粘贴上应变片时，可做成测力传感器。弹性圆柱的结构及受力示意图见图2-10。2024/8/22 周四山东科技大学v在轴向力F（通常为压缩力）的作用下，在与轴线成角的截面上所产生的应力和应变为v当 =0时，力F在轴向产生的应力和应变为 v而当 =90时，力F在轴向产生的应力和应变为图2-10 弹性圆柱2024/8/22 周四山东科技大学v2、等截面梁v如图2-11所示等截面梁结构。v贴片处的应变为v3、等强度梁 v等截面梁贴片位置由决定，v不精确的贴片将带来误差。v而图2-12所示等强度梁对v沿方向贴片位置要求不严格。v贴片处应变为2024/8/22 周四山东科技大学v4、双端固定梁v图2-13(a)所示为双端固定梁。v梁贴片处应变为v这种梁在相同力作用下挠度比悬臂梁小。过载时易产生非线性误差。梁的两端固定必须牢固，防止工作过程中因滑动产生误差。往往采用图2-13（b）中梁和固定部成一体结构。2024/8/22 周四山东科技大学v5、薄壁圆环v圆环式弹性体结构简单。如图2-14所示，v贴片处应变为v6、扭转圆柱v当圆柱承受弯矩作用时，在柱表面产v生的最大剪切应力为v扭转圆柱长度为时的扭v转角为图2-15 扭转圆柱图2-14 薄壁环2024/8/22 周四山东科技大学v（四）电阻应变片的选择与粘贴v1、电阻应变片的选择图2-16 应变片系列的型号代号命名规则图解 2024/8/22 周四山东科技大学v在选择应变片时，可参照下列步骤进行：v（1）类型和结构形式的选择。v（2）敏感栅材料和基底材料的选用。v（3）阻值的选择。v（4）尺寸的选择。v（5）根据试件材料类型、工作温度范围、应用精度，选择温度自补偿系数或弹性模量自补偿系数。v（6）根据弹性体的固有蠕变特性、实际测试的精度、工艺方法、防护胶种类、密封形式等选择蠕变补偿代号。v（7）根据实际需要选择应变片的引线连接方式。v2、应变片粘贴v粘贴包括弹性体贴表面处理、贴片位置确定、贴应变片、干燥固化、质量检查、引线焊接与固定，以及防护与屏蔽等。2024/8/22 周四山东科技大学v粘贴好的应变片的防护结构如图2-17所示。v应变片粘贴工艺的主要步骤如下。v（1）应变片的检查和筛选。v（2）试件贴片处的表面处理。v（3）底层处理。v（4）粘贴应变计。v（5）粘接剂的固化处理。v（6）引线的焊接处理及防护。2024/8/22 周四山东科技大学v（五）测量电路v常用的测量电路为电桥电路。v根据基尔霍夫定律，可求得流v过负载的电流和输出电压分别为v可以看出，若要使输出为零，即电桥平衡，应满足v当电桥输出端接输入电阻较大的仪表或放大器时，2024/8/22 周四山东科技大学v1半桥单臂工作方式v半桥是指桥臂电阻左右对称，即。单臂是指工作中有一个桥臂电阻随被测量而变化。如图2-19(a)所示，2024/8/22 周四山东科技大学v因应变片的应变较小，即 ，忽略分母中 v2半桥双臂工作方式v半桥双臂连接方式如图2-19(b)所示。电桥输出v3全桥工作方式v全桥工作方式如图2-19(c)所示。电桥输出2024/8/22 周四山东科技大学v（六）电阻应变式传感器的应用v电阻应变式传感器的应用可分为两大类：一类是直接用来测定结构的应变或应力，即直接将应变片粘贴在被测物件的预定部位上，可以测得构件的拉应力、压应力、扭矩或弯矩等，为结构设计、应力校核或构件破坏的预测等提供可靠的实验数据；另一类是将应变片粘贴于弹性敏感元件上，作为测量力、位移、压力、加速度等物理参数的传感器，弹性元件在被测物理量的作用下，得到与被测量成正比的应变，然后由应变片转换为电阻的变化，再通过电桥转换为电压输出。v电阻应变式测力仪是目前应用较为普遍的一种测力仪，在车、铣、钻、磨等测力仪中均有采用。这种形式测力仪的优点是：灵敏度高，可测切削力的瞬时值；应用电补偿原理，可以消除切削分力的相互干扰，这使测力仪结构大大简化。2024/8/22 周四山东科技大学v图2-20所示为八角环式车削测力仪。2024/8/22 周四山东科技大学v八角环弹性元件实际上是由圆环演变而来的，见图2-21。2024/8/22 周四山东科技大学v2、应变式扭矩传感器v在测量时，应变计应沿轴线成45及135方向粘贴，通常用四个参数相同的应变计在轴的对称位置粘贴（如图3-22(b)），并按图3-22(c)的方式接入电桥的四个臂。因为电桥的输出电压U与应变成正比，而所测的应变与扭矩有下列关系2024/8/22 周四山东科技大学v3、应变式位移传感器v用应变计可测量静直线位移及与位移有关的物理量，构成应变式位移传感器。图2-23为一种组合式位移传感器。图2-23 组合式应变式位移传感器工作原理图图2-24 组合式位移传感器结构图2024/8/22 周四山东科技大学v图2-25为悬臂梁式小位移传感器。2024/8/22 周四山东科技大学v4、应变式加速度传感器v图2-20为应变式加速度传感器的结构原理图。v测量大数值的加速度可采用图3-27v结构的传感器。图2-26 应变式加速度传感器结构原理图 图2-27 大数值应变式加速度传感器的结构 2024/8/22 周四山东科技大学第二节 电容式传感器电容式传感器是将被测量(如尺寸、压力等)的变化转换成电容量变化的-种传感器。一、电容式传感器的结构及原理 由物理学可知，两个平行金属极板组成的电容器，如由物理学可知，两个平行金属极板组成的电容器，如果不考虑其边缘效应，其电容为果不考虑其边缘效应，其电容为 式中式中-两个极板间介质的介电常数；两个极板间介质的介电常数；A-两个极板相对有效面积；两个极板相对有效面积；d-两个极板间的距离两个极板间的距离改变改变A、d、三个参量中的任意一个量，均可使平板电容的电容量三个参量中的任意一个量，均可使平板电容的电容量C 改变。改变。固定三个参量中的两个，可以做成三种类型的电容传感器。固定三个参量中的两个，可以做成三种类型的电容传感器。图228 平板电容器2024/8/22 周四山东科技大学电容式传感器可以分成变面积式、变间隙式、变介电常数式三种类型。v（一）变面积式电容传感器v当动极板移动后，覆盖面积就发生了变化，电容量也随之改变，其值为图229 直线位移型电容式传感器电容因位移而产生的变化量为其灵敏度为2024/8/22 周四山东科技大学图230 变面积式电容传感器的派生型(a)角位移型；(b)齿形极板型；(c)圆筒型；(d)差动式(a)是角位移型电容式传感器。当动片中有一角位移时，两极板间覆盖面积就发生变化，从而导致电容量的变化。此时电容量为 (b)中极板采用了齿形板，其目的是为了增加遮盖面积，提高灵敏度。其电容量为 2024/8/22 周四山东科技大学（二）变间隙式电容传感器当活动极板因被测参数的改变而引起移动时，两极板间的距离发生变化，从而改变了两极板之间的电容量。图231变间隙式电容传感器1-固定极板；2-与被测对象相连的活动极板设极板面积为A，其静态电容量为C0，当活动极板移动x后，其电容量为当x1。在B=0.3T情况下，半导体材料的电子迁移率应满足v金属短路条也起到提高磁敏电阻灵敏度的作用，它是在长、宽b、高d的长方形磁敏电阻上沉积许多金属短路条，如图2-90所示。v金属短路条的数量应满足2024/8/22 周四山东科技大学v磁敏电阻的结构形式有两端和三端型两种，如图2-91所示。2024/8/22 周四山东科技大学v（二）磁敏二极管v1、磁敏二极管是PN结型的磁电转换元件，有硅磁敏二极管和锗磁敏二极管两种，结构如图2-92所示。v2、工作原理v在没有外加磁场的情况下，外加正偏压时，大部分的空穴和电子分别流入N区和P区而产生电流，只有很少部分载流子在r区复合，如图2-93(a)所示。此时I区有恒定的阻值，器件呈稳定状态。2024/8/22 周四山东科技大学v若给磁敏二极管外加一个磁场H+，在正向磁场的作用下，空穴和电子受洛仑兹力的作用偏向r区，如图2-93(b)所示。v当在磁敏二极管上加一个反向磁场H-时，载流子在洛仑兹力的作用下，均偏离r区，见图2-93(c)所示。图2-93 磁敏二极管工作原理示意图2024/8/22 周四山东科技大学v（三）磁敏晶体管v1、磁敏晶体管的结构v磁敏晶体管的结构和符号如图2-94所示。v其最大特点是基区较长，在长基区的侧面制成一个复合率很高的高复合区r，在r区的对面保持光滑的无复合的镜面。长基面分为输运基区和复合基区两部分。2024/8/22 周四山东科技大学v2、工作原理v当不受磁场作用时，如图2-95(a)所示，v当受到正向磁场H+作用时，如图2-95(b)所示v当受反向磁场H-作用时，如图2-95(c)所示 v由此可以看出，磁敏晶体管工作原理与磁敏二极管完全相同。在正向或反向磁场作用下，会引起集电极电流的减少或增加。2024/8/22 周四山东科技大学v四、压磁式传感器v v 压磁式传感器，也称磁弹性传感器，是利用铁磁材料的压磁效应制成的传感器。压磁效应是指一些铁磁材料在受到外力作用后，其内部产生应力，因此引起铁磁材料磁导率变化的物理现象。具有压磁效应的磁弹性体叫做压磁元件。v压磁式传感器的结构按照其工作的电磁原理可以分为阻流圈式、变压器式、桥式、应变式等。其中阻流圈式、变压器式及桥式使用较多。2024/8/22 周四山东科技大学v（一）压磁式传感器的基本原理v压磁式测力传感器的压磁元件由硅钢片叠成，其上冲有4个对称孔。孔1、2的连线与孔3、4的连线相互垂直，如图2-96所示。2024/8/22 周四山东科技大学v（二）压磁传感器的主要特性v1、励磁绕组的安匝特性v压磁传感器输出电压的灵敏度和线性度很大程度上取决于铁磁材料的磁场强度，而磁场强度又取决于激磁的安匝数。v当所需要的磁场强度H确定后，励磁绕组的安匝数可以由下式得出 v当励磁绕组的电阻R远小于线圈感抗（2 fL）时，由式（2-81）、式（2-82）和式（2-83）可得（2-83）（2-82）（2-81）2024/8/22 周四山东科技大学v2、输出特性v压磁传感器的输出电压U0与作用力F之间的关系称为压磁传感器的输出特性。v3、频率响应v力在压磁元件（可以认为是一块铁芯柱）中的传播速度为声速，约5000m/s，铁磁芯柱的高度一般不超过10cm，其传播时间约为0.2ms。大多数铁磁芯柱可以看作整块矩形金属柱，其固有频率可以由下式决定：v（三）压磁式传感器的测量电路v磁弹性元件的次级绕组输出电压较大，因此一般不需要放大，只要通过滤波、整流即可。2024/8/22 周四山东科技大学v图2-97为磁弹性传感器的简单测量电路。v图2-98是一种磁弹性测力仪的测量电路原理图，它的方框图如图2-99所示。2024/8/22 周四山东科技大学2024/8/22 周四山东科技大学图2100 CD1型振动速度传感器1,8圆形弹簧片；2圆环形阻尼器；3永久磁铁4铝架；5芯轴；6工作线圈；7壳体；9引线v五、磁电式传感器的应用v（一）磁电感应式振动速度传感器vCD-1型绝对振动速度传感器的结构如图2-100所示，它属于动圈式恒定磁通式传感器。2024/8/22 周四山东科技大学v（二）磁电感应式扭矩传感器v磁电感应式扭矩传感器属于变磁通式传感器。其结构如图2-101(a)所示。转子和线圈固定在传感器转轴上，定子（永久磁铁固定在传感器外壳上，转子和定子上有一一对应的齿和槽。v测量扭矩时，需要用两个传感器（见图2-101（b）将它们的转轴（包括线圈和转子）分别固定在被测轴两端，它们的外壳固定不动。2024/8/22 周四山东科技大学v（三）霍尔转速传感器v图2-102(a)是把一个非磁性圆盘固定在被测轴上，圆盘的边上等距离嵌有一些永磁铁氧体，相邻两铁氧体极性相反。由导磁体和置于两导磁体缝隙中的霍尔元件组成测量头.v图2-102(b)为另一种转速测量结构，是在被测转速的轴上装一齿轮状的导磁体。对着齿轮固定一马蹄形的永久磁铁，霍尔元件黏贴在磁铁磁极的端面上。2024/8/22 周四山东科技大学v(四)磁敏二极管漏磁探伤v利用磁敏二极管可以检测弱磁场的变化这一特性，可以制成漏磁探伤仪。图2-103所示为漏磁探伤原理图，钢棒被磁化部分与铁芯构成闭合磁路。2024/8/22 周四山东科技大学v（五）压磁式测力传感器v压磁式测力传感器是在冶金、矿山、运输等生产场所应用相当普遍的传感器，图2-104为一种1000T的压磁式测力传感器的结构。2024/8/22 周四山东科技大学第五节 压电式传感器 压电式传感器是一种典型的自发电式传感器。它以压电晶体受外力作用在晶体表 面上产生电荷的压电效应为基础，以压电晶体为力电转换器件，把力、压力、加速度和扭矩等被测量转换成电信号输出。压电式传感器具有灵敏度高、固有频率高、信噪比高、结构简单、体积小、工作可靠等优点。其主要缺点是无静态输出，要求很高的输出阻抗，需要低电容低噪声电缆，很多压电材料居里点较低，工作温度在250以下。2024/8/22 周四山东科技大学一、压电效应与压电材料v1.压电效应 压电效应分为正向压电效应和逆向压电效应。某些电介质，当沿着一定方向对其施加外力而使它变形时，内部就产生极化现象，相应地会在它的两个表面上产生符号相反的电荷，当外力去掉后，又重新恢复到不带电状态，这种现象称压电效应。当外力方向改变时，电荷的极性也随之改变，这种将机械能转换为电能的现象，称为正压电效应。相反，当在电介质极化方向施加电场，这些电介质也会产生一定的机械变形或机械应力，这种现象称为逆向压电效应，也称为电致伸缩效应。v2.压电材料 具有压电效应的材料称为压电材料，压电材料能实现机电能量的相互转换，具有一定的可逆性。图2105 压电效应的可逆性2024/8/22 周四山东科技大学 压电材料可以分为三类：压电晶体、压电陶瓷和高分子压电材料。v（1）石英晶体v若从晶体上沿y方向切下一块如图2-106（c）所示的晶片，当沿电轴方向施加作用力Fx时，则在与电轴x垂直的平面上将产生电荷，其大小为v若在同一切片上，沿机械轴y方向施加作用力，则仍在与x轴垂直的平面上产生电荷其大小为2024/8/22 周四山东科技大学 石英晶体的上述特性与其内部分子结构有关。图2107所示的是一个单元组体中构成石英晶体的硅离子和氧离子，在垂直于轴的平面上的投影，等效为一个正六边形排列。图2107 石英晶体压电模型（2）压电陶瓷 压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料。材料内部的晶粒有许多自发极化的电畴，它有一定的极化方向，从而存在电场。在无外电场作用时，电畴在晶体中是杂乱分布的，各电畴的极化效应相互抵消，压电陶瓷内极化强度为零。因此原始的压电陶瓷呈中性，不具有压电性质，如图2108(a)所示。2024/8/22 周四山东科技大学图2108 压电陶瓷的极化 当压电陶瓷在沿极化方向受力时，则在垂直于z轴的表面上将会出现电荷，如图2-109所示。电荷量与作用力成正比，即当沿x轴方向施加作用力时，如图2-109(b)所示，产生的电荷同样出现在垂直于z轴的表面上，其大小为2024/8/22 周四山东科技大学v同理，当沿y轴方向施加作用力时，在垂直于z轴的表面上产生的电荷量为v3、高分子的压电材料v高分子的压电材料是一种新型的材料，有聚偏二氟乙烯（PVF2）、聚偏氟乙烯（PVDF）、聚氟乙烯（PVF）、改性聚氟乙烯（PVC）等，高分子压电材料的最大特点是具有柔软性，可根据需要制成薄膜或电缆套管等形状，经极化处理后就出现压电特性。它不易破碎，具有防水性，动态范围宽，频响范围大，但工作温度不高，机械强度也不高，容易老化，因此常用于对测量精度要求不高的场合.图2-109 压电陶瓷的压电效应2024/8/22 周四山东科技大学 二、压电式传感器的等效电路（一）压电元件的等效电路v由上面分析可知，当压电式传感器的压电敏感元件受力后，便在压电元件一定方向的两个表面上分别产生正、负电荷。因此，可把压电传感器视为一个电荷源，如图2-110(a)所示。同理当压电元件的表面聚集不同极性的正、负电荷时，则也可将其视为一个电容器，如图2-110(b)所示。v其等效电容量为2024/8/22 周四山东科技大学v由于电容器上的电压（开路电压）、电荷与电容三者之间存在的关系为v对式（2-92），可用两种电路来等效压电式传感器。v1、电荷等效电路v电荷源与一个电容并联的电路，如图2-111（a）所示。此电路输出为，满足式（2-92）。v2、电压等效电路v一个电压源与一个电容串联构成，如图2-111（b）所示。（2-92）图2-111 压电式传感器的等效电路(a)电荷等效电路 (b)电压等效电路2024/8/22 周四山东科技大学v（二）压电元件常用结构形式v由于压电晶体表面产生的电荷一般不够多，所以在实际使用中常把两片或两片以上的压电片组合在一起。图2-112所示是压电元件的串联与并联情况。v图2-112(a)所示为晶片按照正负正负连接，正、负电荷分别分布在上、下电极。在中性面上，上、下两片的正、负电荷相抵消，即为串联，其关系为v由于压电材料是有极性的，因此存在并联和串联两种接法。双晶片正负负正接法如图2-112(b)所示，出现电荷为正负负正，负电荷集中在中间电极，正电荷出现在两边电极，相当于两压电片并联，总电容量、总电压、总电荷与单片的、的关系是2024/8/22 周四山东科技大学v（三）压电式传感器的实际等效电路v当压电传感器与测量仪器组合使用构成测量系统时，其连接电路如图2-113所示。按照压电元件的两种等效电路，压电式传感器的实际等效电路也有两种，如图2-114所示。这两种电路完全等效。图2-112 压电元件的串联与并联(a)压电元件串联 (b)压电元件并联2024/8/22 周四山东科技大学图2-113 压电传感器系统连接电路 图2-114 压电式传感器实际等效电路(a)电荷等效 (b)电压等效2024/8/22 周四山东科技大学v三、压电式传感器的测量电路v压电式传感器本身的内阻抗很高，而输出能量较小，因此它的测量电路通常需要接入一个高输入阻抗的前置放大器，其作用为二：一是把它的高输出阻抗变换为低输出阻抗；二是放大传感器输出的微弱信号。根据压电式传感器的工作原理和等效电路，压电式传感器的输出可以是电压信号，这时可以把传感器看作电压发生器；也可以是电荷信号，这时可以把传感器看作电荷发生器。因此前置放大器也有两种形式：电压放大器和电荷放大器。2024/8/22 周四山东科技大学v（一）电压放大器v图2-115（a）是压电式传感器接电压放大器的等效电路，图2-115(b)是简化后的等效电路。v在等效电路图2-115(b)中，等效电阻为v等效电容为图2-115 电压放大器电路原理及其等效电路(a)电压放大器 (b)放大器输入端等效电路2024/8/22 周四山东科技大学v如果压电式传感器受力为 ，则在压电元件上产生的电荷量为v压电元件上产生的电压为v由此得到放大器输入端电压为v其幅值为v理想情况下放大器的输入电压为2024/8/22 周四山东科技大学v（二）电荷放大器v电荷放大器是一种输出电压与输入电荷量成正比的前置放大器。它实际上是一个具有反馈电容的高增益运算放大器。如图2-116(a)所示是压电传感器与电荷放大器连接的等效电路。实际的等效电路如图2-116(b)所示，图2-116 电荷放大器等效电路(a)压电传感器与电荷放大器连接的等效电路 (b)实际等效电路2024/8/22 周四山东科技大学v电荷放大器的输出为v因为 ，而 时，放大器的输出电压可以表示为v由式（2-100）可以看出电荷放大器的输出电压与电缆电容无关。因此电缆可以很长，可达数百米，甚至上千米，灵敏度却无明显损失，这是电荷放大器的一个突出优点。2024/8/22 周四山东科技大学v四、压电式传感器的应用v（一）压电式测力传感器v图2-117是利用压电陶瓷传感器测量刀具切削力的示意图。图2-117 压电式刀具切削力测量示意图 2024/8/22 周四山东科技大学v（二）压电式加速度传感器v压电式加速度传感器由于体积小，质量小，频带宽（零点几赫兹到数千赫），测量范围宽（10-5104m/s2），使用温区宽（400700），因此广泛用于加速度、振动和冲击测量。图2-118 压电式加速度传感器结构 2024/8/22 周四山东科技大学v压电式加速度传感器的结构形式有多种，有基于压电元件厚度变形的压缩型、基于剪切变形的剪切型、基于弯曲变形的弯曲型和组合结构的复合型等。最常见的是压缩型和剪切型两种。图2-119所示为常见的几种结构形式。图2-119 常见的压电式加速度传感器的结构形式(a)外圆配合压缩式(b)中心配合压缩式(c)倒装中心配合压缩式(d)剪切式(e)弯曲式2024/8/22 周四山东科技大学v（三）周界报警系统v周界报警系统又称线控报警系统。它警戒的是一条边界包围的重要区域。在警戒区域的四周埋设屏蔽电缆，屏蔽层接大地，与电缆芯之间构成分布电容。当入侵者踩到电缆上面的柔性地面时，该电缆受到挤压，产生压电脉冲，引起警报，如图2-120所示。图2-120 压电式传感器用于周界报警(a)原理框图 (b)高分子压电电缆2024/8/22 周四山东科技大学v（四）玻璃破碎报警器vBS-D2压电式传感器是专门用于检测玻璃破碎的一种传感器，它利用压电元件对振动敏感的特性感知玻璃受撞击和破碎时产生的振动波。传感器把振动波转换成电压输出，输出电压经放大、滤波、比较等处理后提供给报警系统。图2-121 BS-D2压电式玻璃破碎传感器 图2-122 压电式玻璃破碎报警器电路框图 2024/8/22 周四山东科技大学v（五）振动的监控、检测和故障诊断与预测v振动的监控、检测和故障诊断及趋势的预示是压电传感器的典型应用。众所周知，振动存在于所有具有动力设备的各种工程或装置中，并成为这些工程设备的工作故障源以及工作情况监测信号源。2024/8/22 周四山东科技大学第六节 热电式传感器v 热电式传感器是一种将温度变化转换为电量变化的装置。在各种热电式传感器中，以将温度量转换为电阻和电势的方法最为普遍。其中最常用于测量温度的是热电阻和热电偶，热电阻是将温度变化转换为电阻值的变化，而热电偶是将温度变化转换为电势的变化。2024/8/22 周四山东科技大学v一、热电偶v热电偶在温度的测量中应用十分广泛，它构造简单，使用方便，测温范围宽，并且有较高的精确度和稳定性。v（一）工作原理v1、热电效应v当两种不同的导体A和B组成闭合回路时，若两接点温度不同，则在该电路中会产生电动势，这种现象称为热电效应，如图2-124所示。v热电偶回路产生的电动势由v两部分组成：其一是两种导v体的接触电势；其二是单一v导体的温差电势。2024/8/22 周四山东科技大学v（1）两种导体的接触电势v当两种导体A、B接触时，由于不同材料的电子密度不同，在接触面上会发生电子扩散现象。设导体A、B的电子密度分别为NA和NB，且NANB。则在接触面上由A扩散到B的电子比由B扩散到A的电子多，从而A侧失去电子带正电，B侧得到电子带负电，在接触面处形成一个A到B的静电场，如图2-125所示。2024/8/22 周四山东科技大学v如图2-126所示，单一导体中，如果两端温度分别为t和t0（），导体内自由电子在高温端具有较大动能，因而向低温端扩散。结果高温端因失去电子而带正电，低温端得到自由电子带负电，即在导体两端产生了电动势，这个电动势称为单一导体的温差电动势。2024/8/22 周四山东科技大学v热电偶电路中产生的总热电势为 v在总电动势中，温差电动势比接触电动势小很多，可忽略不计，则热电偶的总热电势可表示为图2-127 热电偶闭合回路2024/8/22 周四山东科技大学v2、基本定律v（1）中间导体定律v如图2-128所示，在热电偶电路中接入第三种导体C，只要导体C两端温度相等，热电偶产生的总热电动势不变。根据这个定律，热电偶回路中接入测量仪表、连线等不影响热电势的测量。2024/8/22 周四山东科技大学v（2）中间温度定律v热电偶AB在接点温度为t、t0时的热电势 等于热电偶AB在接点温度t、tc和tc、to时的热电势 和 的代数和，即v根据这一定律，只要列出热电势在冷端温度为0的分度表，就可以求出冷端在其他温度时的热电势值。2024/8/22 周四山东科技大学v（二）标准化热电偶热电偶名称分度号测温范围/特点及应用场合长期使用短期使用铂铑10-铂S013001700热电特性稳定，抗氧化性强，测量精度度高，热电势小，线性差，价格高。可作为基准热电偶，用于精密测量铂铑13-铂R013001700与S型性能几乎相同，只是热电势同比大15%铂铑30-铂铑6B016001800测量上限高，稳定性好，在冷端温度低于100，不用考虑温度补偿问题，热电势小，线性较差，价格高，使用寿命远高于S型和R型。镍铬-镍硅K-27010001300热电势大，线性好，性能稳定，广泛用于中高温测量镍铬硅-镍硅N-27012001300高温稳定性及使用寿命较K型有成倍提高，价格远低于S型，而性能相近，在-200到1300范围内，有全面代替廉价金属热电偶和部分S型电偶的趋势铜-铜镍（康铜）T-270350400准确度高，价格低，广泛用于低温测量镍铬-铜镍E-2708701000热电势较大，中低温稳定性好，耐腐蚀，价格便宜，广泛用于中低温测量铁-铜镍J-2707501200价格便宜，耐H2和CO2气体腐蚀，在含碳或铁的条件下使用也很稳定，适用于化工生产过程的温度测量2024/8/22 周四山东科技大学v（三）热电偶冷端温度的处理v1、补偿导线法v 在实际测温时，需要把热电偶输出的电势信号传输到远离现场数十米的控制室里的显示仪表或控制仪表上，这样参考端温度也比较稳定。热电偶一般做得较短，需要用补偿导线将热电偶的冷端延伸出来，如图2-129所示。2024/8/22 周四山东科技大学v在使用补偿导线时必须注意以下几个问题：v补偿导线只能在规定的温度范围内（一般为0100）与热电偶的热电特性相等或相近；v不同型号的热电偶有不同的补偿导线；v热电偶与补偿导线连接的两个接点处要保持相同温度；v补偿导线有正负极之分，需分别与热电偶的正负极相连；v补偿导线的作用只是延伸热电偶的自由端，当自由端温度时，还需要进行其他补偿与修正。2024/8/22 周四山东科技大学表2-2 常用热电偶补偿导线补偿导线型号配用热电偶型号补偿导线绝缘层颜色正极负极正极负极SCSSPC（铜）SNC（铜镍）红绿KCKKPC（铜）KNC（康铜）红绿KXKKPX（镍铬）KNX（镍硅）红绿EXEEPX（镍铬）ENX（铜镍）红绿2024/8/22 周四山东科技大学v2、计算修正补偿v设热电偶的测量端温度为t，自由端温度为 ，根据中间温度定律有v例2.1 S型热电偶在工作时自由端温度为 ，现测得热电偶的电势为7.3mV，求被测介质实际温度。v解 由题意知，热电偶测得的电势为 ，由分度表查得修正值为 则，v再由分度表查出与其对应的实际温度为809。2024/8/22 周四山东科技大学v3、自由端恒温法v在工业应用时，一般把补偿导线的末端（即热电偶的自由端）引至电加热的恒温器中，使其维持在某一恒定的温度。在实验室及精密测量中，通常把自由端放在盛有绝缘油的试管中，然后将其放入装满冰水混合物的容器中，以使自由端温度保持在0，这种方法称为冰浴法。v4、自动补偿法（补偿电桥法）v补偿电桥法是利用不平衡电桥产生的不平衡电压作为补偿信号，自动补偿热电偶测量过程中因自由端温度不为0或变化而引起热电势的变化值。如图2-130所示，2024/8/22 周四山东科技大学v（四）热电偶的结构形式v为了适应不同生产对象的测温要求和条件，热电偶的结构形式有普通型热电偶、铠装型热电偶和薄膜热电偶等。v1、普通型热电偶v普通型热电偶在工业上使用最多，它一般由热电极、绝缘套管、保护管和接线盒组成，其结构如图2-132所示。2024/8/22 周四山东科技大学v2、铠装型热电偶v铠装型热电偶又称套管热电偶。它是由热电偶丝、绝缘材料和金属套管三者经拉伸加工而成的坚实组合体，如图2-133所示。2024/8/22 周四山东科技大学v3、薄膜热电偶v薄膜热电偶是由两种薄膜热电极材料，用真空蒸镀、化学涂层等办法蒸镀到绝缘板上面制成的一种特殊热电偶，如图2-134所示。v薄膜热电偶的热接点可以做得很小（可薄到0.010.1m），具有热容量小、反应速度快等特点，热响应时间达到微秒级，适用于微小面积上的表面温度以及快速变化的动态温度测量。2024/8/22 周四山东科技大学v二、金属热电阻（热电阻）v热电阻传感器是利用导体或半导体的电阻值随温度变化而变化的原理进行测温的。热电阻传感器分为金属热电阻和半导体热电阻两大类，一般把金属热电阻称为热电阻，而把半导体热电阻称为热敏电阻。v（一）常用热电阻温度特性v用于制造热电阻的材料应具有尽可能大和稳定的电阻温度系数和电阻率，电阻和温度关系最好呈线性，物理化学性能稳定，复现性好等。目前最常用的热电阻有铂热电阻和铜热电阻。热电阻温度特性如图2-135所示。2024/8/22 周四山东科技大学v1、铂热电阻v铂热电阻的特点是精度高、稳定性好、性能可靠，所以在温度传感器中得到了广泛应用。按IEC标准，铂热电阻的使用温度范围-200850。v在-2000的温度范围内，v在0850的温度范围内，铂热电阻的特性方程为 图2-135 金属热电阻的温度特性曲线2024/8/22 周四山东科技大学v2、铜热电阻v由于铂是贵重金属，因此，在一些测量精度要求不高且温度较低的场合，可采用铜热电阻进行测温，它的测温范围为v-50150。v在测量范围内，铜热电阻的电阻值与温度的关系几乎是线性的，可近似地表示为2024/8/22 周四山东科技大学v（二）热电阻传感器的结构v电阻传感器是由电阻体、绝缘管、保护套管、引线和接线盒等部分组成。如图2-136所示。图2-136 装配式和铠装式热电阻结构示意图(a)装配式热电阻 (b)铠装式热电阻1金属保护套管；2热电阻元件；3绝缘材料粉末；4引线2024/8/22 周四山东科技大学v（三）热电阻测量电路v目前常用的引线方式有两线制、三线制和四线制三种，如图2-137所示。图2-137 热电阻的几种引线方式(a)两线制 (b)三线制 (c)四线制2024/8/22 周四山东科技大学v三、半导体热敏电阻v（一）热敏电阻的原理v半导体热敏电阻的材料是一种由锰、镍、铜、钴、铁等金属氧化物按一定比例混合烧结而成的半导体，简称热敏电阻。热敏电阻是利用半导体的电阻随温度变化的特性制成的测温元件。热敏电阻有正温度系数（PTC）、负温度系数（NTC