传感器原理及应用课件全书教学教程电子教案幻灯片.pptx

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Committee,）对传感器的定义为：“传感器是测量系统中的一种前置部件，它将输入变量转换成可供测量的信号”。,图,2,传感器系统的框图,1.2,传感器的基本概念,1.2.3,传感器的分类,按,工作原理,分为：物理传感器、化学传感器、生物传感器、,MEMS,传感器、集成传感器。,表,1,传感器种类及工作原理,传感器,种类,工作原理,可被测定的非电学量,敏力电阻，热敏电阻半导体传感器,阻值变化,力，重量，压力，加速度，温度，湿度，气体,电容传感器,电容量变化,力，重量，压力，加速度，液面，湿度,感应传感器,电感量变化,力，重量，压力，加速度，转矩，磁场,霍尔传感器,霍尔效应,角度，力，磁场,压电传感器，超声波传感器,压电效应,压力，加速度，距离,热电传感器,热电效应,烟雾，明火，热分布,光电传感器,光电效应,辐射，角度，位移，转矩,1.2,传感器的基本概念,1.1.3,传感器的分类,按,有无外界供能,分为：,有源传感器、无源传感器。,图,3,有源,(,a),和无源,(,b),传感器的信号流程,1.2,传感器的基本概念,1.1.3,传感器的分类,按,输出信号,的类型分为：模拟式、数字式传感器。,模拟传感器,将被测量的非电学量转换成模拟电信号，其输出信号中的信息一般以信号的幅度表达。,数字传感器,将被测量的非电学量转换成数字输出信号（包括直接和间接转换）。,准数字传感器,将被测量的信号量转换成频率信号或短周期信号的输出,(,包括直接或间接转换,),，输出为矩阵波信号，其频率或占空比随被测参量变化而变化。,开关传感器,当一个被测量的信号达到某个特定的阈值时，传感器相应地输出一个设定的低电平或高电平信号。,1.2,传感器的基本概念,1.1.3,传感器的分类,在外界因素的作用下，所有材料都会作出相应的、具有特征性的反应。它们中的那些对外界作用最敏感的材料，即那些具有功能特性的材料，被用来制作传感器的敏感元件。,按,所应用的材料,分为：,按照其所用材料的,类别,可分为金属、聚合物、陶瓷和混合物；,按材料的,物理性质,可分为导体、绝缘体、半导体和磁性材料；,按材料的,晶体结构,可分为单晶、多晶和非晶材料。,(a),(b),(c),(d),图,4,(a),金属传感器,(b),陶瓷传感器,(c),半导体传感器,(d),单晶传感器,1.2,传感器的基本概念,1.1.3,传感器的分类,按,制造工艺,分为：,MEMS,集成传感器、薄膜传感器、厚膜传感器和陶瓷传感器等。,(a),(b),图,5,(a),集成传感器,(b),薄膜材料传感器,集成传感器是用标准的生产硅基半导体集成电路的工艺技术制造的。,薄膜传感器则是通过沉积在介质衬底,(,基板,),上相应敏感材料的薄膜形成的。,厚膜传感器是利用相应材料的浆料涂覆在陶瓷基片上制成的,。,陶瓷传感器采用标准的陶瓷工艺或其某种变种工艺,(,溶胶,-,凝胶等,),生产。,1.3,传感器的功能与地位,传感器早已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等极其广泛的领域。,常将,传感器的功能,与人类,5,大感觉器官相比拟：,光敏传感器,视觉,声敏传感器,听觉,气敏传感器,嗅觉,化学传感器,味觉,压敏、温敏、流体传感器,触觉,1.4,传感器的发展现状与趋势,改善传感器的性能，可采用的,技术途径,有：差动技术，平均技术，补偿与修正技术，屏蔽、隔离与干扰抑制，稳定性处理等。,主要特点及发展趋势,表现在以下几个方面：,发现利用,新现象、新效应,。,传感器向,高精度、一体化、小型化,的方向发展。工业自动化程度越高，对机械制造精度和装配精度要求就越高，相应地测量程度要求也就越高。,发展,智能型传感器,。智能型传感器被称为第四代传感器，使传感器具备感觉、辨别、判断、自诊断等功能是传感器的发展方向。,课后习题,1.1,综述你所理解的传感器概念。,1.2,一个可供实用的传感器有哪几部分构成？各部分的功用是什么？试用框图标示出你所理解的传感器系统。,1.3,结合传感器技术在未来社会中的地位、作用及其发展方向，综述你的见解。,传感器原理及应用,01,绪论,目,录,02,传感器的理论及技术基础,03,物理量传感器,04,化学传感器,05,生物传感器,06,微机电（,MEMS,）,传感器,07,集成传感器,08,传感器在物联网中的应用,第二章,传感器的理论及技术基础,2.1,传感器的基础效应,光照射到金属上，引起物质的电性质发生变化的这类现象统称为,光电效应,（,Photoelectric effect,）。,图,1,外光电效应示意图,2.1.1,光电效应,1.,外光电效应,在光照射下物质内部的电子受到光子的作用，吸收光子能量而从表面释放出来的现象，称为外光电效应,(,External photoelectric effect),，,被释放的电子称为光电子，所以外光电效应又称为电子发射效应。光子具有能量，每个光子的能量可表示为 ；能量守恒定律为 。,2.1,传感器的基础效应,图,2,电子能带图,2.,内光电效应,当光照射在物体上，使物体的电阻率发生变化，或产生光生电动势的现象叫做内光电效应，多发生于半导体内。根据工作原理的不同，内光电效应分为,光电导效应和光生伏特效应,两类：,1,）光电导效应,在光线作用下，电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态，而引起材料电导率的变化，这种现象被称为光电导效应。,过程：,当光照射到半导体材料上时，价带中的电子受到能量大于或等于禁带宽度的光子轰击，并使其由价带越过禁带跃入导带，使材料中导带内的电子和价带内的空穴浓度增加，从而使电导率变大。为了实现能级的跃迁，,入射光的能量必须大于光电导材料的禁带宽度。,2.1,传感器的基础效应,图,3,PN,结图,2,）,光生伏特效应,在光线作用下能够使物体产生,一定方向电动势,的现象叫做光生伏特效应。根据其产生电势的机理可分为四种：,结光电效应,：在探测器处于开路的情况下，少数载流子积累在,PN,结附近，降低势垒高度，产生一个与平衡结内自建场相反的光生电场。,横向光电效应,：如果电子迁移率比空穴大，那么空穴的扩散不明显，则电子向未被光照部分扩散，就造成光照射的部分带正电，未被光照射部分带负电，光照部分与未被光照部分产生光电动势。,光磁电效应,：半导体受强光照射并在光照垂直方向外加磁场时，垂直于光和磁场的半导体两端面之间产生电势的现象。,贝克勒耳效应,：当光照射浸在电解液中的两个相同电极中的任意一个电极时，在两个电极间产生电势的现象。,2.1,传感器的基础效应,磁电效应,(,Magnetoelectric effect),包括电流磁效应和狭义的磁电效应。,图,4,(a),霍尔效应示意图,(b),霍尔元件示意图,2.1.2,磁电效应,1.,霍尔效应,置于磁场中的载流导体，当它的,电流方向与磁场方向不一,致时，载流导体上平行电流和磁场方向上的两个面之间产生电动势，这种现象称为霍尔效应。导体板两侧形成的电势差,U,H,称为霍尔电压。,霍尔系数 。,（,a),（,b),2.1,传感器的基础效应,图,5,磁阻效应,2.,磁阻效应*,当通以电流的半导体或金属薄片置于与电流垂直或平行的外磁场中，其电阻会随外加磁场变化面变化，称之为磁阻效应。在磁场作用下，半导体片内电流分布是不均匀的，改变磁场的强弱就影响电流密度的分布，故表现为半导体片的电阻变化。,磁阻效应与,材料性质及几何形状,有关，一般迁移率大的材料，磁阻效应愈显著；元件的长宽比愈小，磁阻效应愈大。,2.1,传感器的基础效应,某些电介质，当沿着一定方向对其施力而使它变形时，其内部就产生,极化现象,（内部正负电荷中心相对位移），同时在它的两个表面上便产生符号相反的电荷，当外力去掉后，其又重新恢复到不带电状态，这种现象称压电效应。,图,6,压电效应示意图,2.1.3,压电、压阻效应,当作用力方向改变时，电荷的极性也随之改变。这种机械能转为电能的现象，称为,“正压电效应”,。,当在电介质极化方向施加电场，这些电介质也会产生变形，这种现象称为,“逆压电效应”,（电致伸缩效应），可将电能转换为机械能。,半导体材料在受到外力或应力作用时，其电阻率发生变化的现象称为压阻效应。,2.1,传感器的基础效应,纳米材料的表面效应（,Surface effect,）,是指,纳米粒子,的表面原子数与总原子数之比随粒径的变小而急剧增大后所引起的性质上的变化。球形颗粒的表面积与直径的平方成正比，其体积与直径的立方成正比，故其,比表面积（表面积,/,体积）,与直径成反比。,纳米材料具有非常大的界面。界面的原子排列是相当混乱的，原子在外力变形的条件下很容易迁移，因此表现出很好的,韧性,与一定的,延展性,，使材料具有新奇的界面效应。,2.1.4,表面效应和界面效应,例如：,粒径为,10,nm,时，比表面积为,90,m,2,/g,；,粒径为,5,nm,时，比表面积为,180,m,2,/g,；,粒径下降到,2,nm,时，比表面积猛增到,450,m,2,/g,。,2.2,传感器的基本特性,2.2.1,传感器的静态特性,1.,传感器静态特性的方程表示方法,传感器的静态特性是指传感器在静态工作条件下的输入输出特性。若在不考虑滞后、蠕变的条件下，传感器的静态模型一般可用多项式来表示，即 。,图,7,传感器的静态特性曲线图,2.2,传感器的基本特性,2.,静态特性的曲线表示法,图线能表示出传感器特性的变化趋势以及何处有最大或最小的输出，传感器灵敏度何处高，何处低。,做曲线图的步骤,大体是：图纸选择、坐标分度、描数据点、描曲线、加注解说明。,传感器的静态特性曲线可绘在,直角坐标,中，根据需要，也可以采用,对数或半对数坐标,。,x,轴永远表示被测量，,y,轴则永远代表输出量。,坐标的最小分格应与传感器的精度级别相应。,图,8,同一特性不同分度所绘曲线比较,(a),分度比较合理，,(,b),纵轴分度过细，,(,c),纵轴分度过粗,2.2,传感器的基本特性,3.,传感器的主要静态性能指标,传感器的静态特性是通过,各静态性能指标,来表示的，它是衡量传感器,静态性能优劣,的重要依据。,1,）,灵敏度,(sensitivity),灵敏度（静态灵敏度）,K,是传感器或检测仪表在稳态下输出量的变化量与输入量的变化量之比：,如果输入输出特性为线性的传感器或仪表，则,灵敏度是一个有单位的量，其单位决定于传感器输出量的单位和输入量的单位以及有关的电源电压的单位。,例如：某位移传感器，当电源电压为,1,V,时，每,1,mm,位移变化引起的输出电压变化为,100,mV,，,则其灵敏度可表示为,100,mV/(mmV),。,2.2,传感器的基本特性,2,）分辨率,分辨率也称灵敏度阈值，即引起输出量产生可观测的微小变化所需的最小输入量。存在灵敏度阈值的原因有两个。一个是输入的变化量通过传感器内部,被吸收,，因而反映不到输出端上去；第二个原因是传感器,输出存在噪声,。,3,）线性度,传感器的校准曲线与选定的拟合直线的,偏离程度,称为传感器的线性度，又称非线性误差。线性度就是用来评价传感器的实际输入输出特性对理论拟合的线性输入输出特性的接近程度的一个性能指标，即传感器特性的非线性程度的参数。,图,9,线性度曲线图,y,F.S.,传感器的满量程输出值（,F.S.,是,full scale,的缩写）,y,max,校准曲线与拟合直线的最大偏差。,2.2,传感器的基本特性,图,10,迟滞曲线图,4,）迟滞（迟环）,在相同工作条件下做全量程范围校准时，正行程（输入量由小到大）和反行程（输入量由大到小）所得输出输入特性曲线不重合。,迟滞是由于磁性材料的磁化和材料受力变形，机械部分存在（轴承）间隙、摩擦、（紧固件）松动、材料内摩擦、积尘等。,2.2,传感器的基本特性,图,11,重复性曲线图,5,）重复性,重复性是指传感器在输入量按同一方向作全量程连续多次测试时,所得特性曲线不一致的程度,。,y,max,为,y,max 1,和,y,max2,这两个偏差中的较大者。,因重复性误差属随机误差，故按,标准偏差,来计算重复性指标更合适，用,max,表示各校准点标准偏差中的最大值，则,重复性误差,可表示为：,标准偏差可以根据,贝塞尔公式,来计算：,2.2,传感器的基本特性,6,）静态误差,静态误差是指传感器在其全量程内任一点的输出值与其理论值的,偏离程度,，是评价传感器静态特性的,综合指标,。,a.,用非线性、迟滞、重复性误差表示,b.,系统误差加随机误差,用,ymax,表示校准曲线相对于拟合直线的最大偏差，即系统误差的极限值；用,表示按极差法计算所得的标准偏差。,2.2,传感器的基本特性,传感器的动态特性是指其输出对随时间变化的输入量的,响应特性,。一个动态特性好的传感器，其输出将再现输入量的变化规律，即具有相同的时间函数。实际上输出信号将不会与输入信号具有相同的时间函数，这种输出与输入间的差异就是所谓的,动态误差,。,动态特性除了与传感器的固有因素有关之外，还与传感器输入量的变化形式有关。,2.2.2,传感器的动态特性,例：动态测温,设环境温度为,T0,，水槽中水的温度为,T,，而且,T,T0,，传感器突然插入被测介质中；用热电偶测温，理想情况测试曲线,T,是阶跃变化的；实际热电偶输出值是缓慢变化，存在一个过渡过程。,图,12,测温示意图,2.2,传感器的基本特性,2.2.2,传感器的动态特性,1.,传感器的动态数学模型,传感器系统的方程为,(,线性时不变系统,),：,1),传递函数,设,x(t),、,y(t),的,拉氏变换,分别为,X(s),、,Y(s),，,两边取拉氏变换，并设初始条件为零，得,研究一个复杂系统时，只要给系统一个激励,x(t),并通过实验求得系统的输出,y(t),，则由,H(s)=Ly(t)/Lx(t),即可确定系统的特性。,式中，,s,为复变量，,s=b+j,，,b0,。定义,Y(s),与,X(s),之比为,传递函数,，并记为,H(s),，则,2.2,传感器的基本特性,称为传感器的,相频特性,，表示输出超前输入的角度；通常输出总是滞后于输入，故总是,负值,。,2),频率响应函数,对于稳定系统，令,s=j,，,得,H(j,),系统的频率响应函数，简称频率响应或频率特性。,将频率响应函数改写为：,称为传感器的,幅频特性,，表示输出与输入幅值之比随频率的变化。,研究传感器的频域特性时主要用,幅频特性,。,2.2,传感器的基本特性,3),冲击响应函数,单位脉冲函数,d(t),的拉氏变换为,故以,d(t),为输入时系统的传递函数为,再对上式两边取,反拉氏变换,，并令,L-1H(s)=h(t),，,则有,通常称,h(t),为系统的冲击响应函数。,对于任意输入,x(t),所引起的响应,y(t),，,可利用两个函数的,卷积关系,，,即响应,y(t),等于脉冲响应函数,h(t),与激励,x(t),的卷积，即,所以，,冲击响应函数,也可以描述系统的,动态特性,。,2.2,传感器的基本特性,2.,传感器的频率响应,传感器对正弦输入信号的响应特性，称为,频率响应特性,。,频率响应法,是从传感器的频率特性出发研究传感器的动态特性。,1),一阶传感器的频率响应,一阶传感器微分方程：,灵敏度归一化之后：,图,13,一阶传感器频率响应特性曲线图,2.2,传感器的基本特性,2,）二阶传感器的频率响应,二阶传感器的微分方程：,传感器的频率响应特性好坏，主要取决于传感器的,固有频率和阻尼比,。,当,时：,A(,),l,，,幅频特性平直，输出与输入为线性关系；,(),很小，,(),与,为线性关系。此时，系统的输出,y(t),真实准确地再现输入,x(t),的波形，这是测试设备应有的性能。,图,14,二阶传感器的幅频特性和相频特性曲线图,2.2,传感器的基本特性,3,）频率响应特性指标,频带,传感器增益保持在一定值内的频率范围，即对数幅频特性曲线上,幅值衰减,3dB,时所对应的频率范围，称为传感器的频带或通频带，对应有,上、下截止频率,。,时间常数,用时间常数,来表征一阶传感器的动态特性，,越小，频带越宽。,固有频率,n,二阶传感器的固有频率,n,表征了其动态特性。,2.2,传感器的基本特性,3.,传感器的瞬态响应,传感器的瞬态响应是,时间响应,。在研究传感器的动态特性时,有时需要从时域中对传感器的响应和过渡过程进行分析，这种分析方法是,时域分析法,。传感器对所加激励信号响应称瞬态响应。常用激励信号有阶跃函数、斜坡函数、脉冲函数等。,1,）一阶传感器的单位阶跃响应,一阶传感器的传递函数：,2,）二阶传感器的单位阶跃响应,二阶传感器的传递函数,:,；传感器输出的拉氏变换,:,二阶传感器的单位阶跃响应：,2.2,传感器的基本特性,二阶传感器对阶跃信号的响应在很大程度上取决于,阻尼比,和固有频率,n,。固有频率,n,由传感器主要结构参数所决定，,n,越高,传感器的响应越快。,阻尼比,直接影响,超调量和振荡次数,。,=0,，,为临界阻尼,超调量为,100%,，产生等幅振荡,达不到稳态。,1,，,为过阻尼，无超调也无振荡，但达到稳态所需时间较长。,1,，,为欠阻尼，衰减振荡，达到稳态值所需时间随,的减小而加长。,=1,时响应时间最短。但实际使用中常按稍欠阻尼调整，,取,0.6,0.8,为最好。,图,15,二阶传感器的单位阶跃响应曲线图,2.2,传感器的基本特性,3),瞬态响应特性指标,时间常数,，,一阶传感器时间常数,越小，响应速度越快。,延时时间，传感器输出达到稳态值的,50%,所需时间。,上升时间，传感器输出达到稳态值的,90%,所需时间。,超调量，传感器输出超过稳态值的最大值。,课后习题,2.2,如右图所示，当开关,S,断开时，用光子能量为,2.5,eV,的一束光照射阴极,P,，发现电流表读数不为零。合上开关，调节滑动变阻器，发现当电压表读数小于,0.60 V,时，电流表读数仍不为零；当电压表读数大于或等于,0.60 V,时，电流表读数为零。,(1),求此时光电子的最大初动能的大小；,(2),求该阴极材料的逸出功。,2.3,已知某霍尔元件尺寸为长,L=10mm,，,宽,b=3.5mm,，,厚,d=1mm,，,沿,L,方向通以电流,I=1.0mA,，,在垂直于,bd,两方向上加均匀磁场,B=0.3T,，,输出霍尔电势,U,H,=6.55mV,。,求该霍尔元件的灵敏度系数,K,H,和载流子浓度,n,。,2.5,某位移传感器，在输入量变化,5,mm,时，输出电压变化为,300,mV,，,求其灵敏度。,2.10,已知某一阶传感器的传递函数 ，,=0.001,s,，,求该传感器输入信号工作频率范围。,传感器原理及应用,01,绪论,目,录,02,传感器的理论及技术基础,03,物理量传感器,04,化学传感器,05,生物传感器,06,微机电（,MEMS,）,传感器,07,集成传感器,08,传感器在物联网中的应用,第三章,物理量传感器,3.1,物理量传感器概述,物理量是度量物理属性或描述物体运动状态及其变化过程的量，物理量传感器是能感受规定的物理量并将其转换成可用输出信号的传感器，包括,力学量、热学量、电学量、磁学量,、,光学量、声学量,等,多,种传感器。由于传感器是将一般的,非电效应转换为电信号,的转换器，因此在产生电信号之前通常需要一个或多个转换步骤。这些步骤可能涉及多种能量类型的变化，但最后一步必须产生理想格式的电信号。,国际通用的物理量由长度、时间、质量、热力学温度、电流、光强度、物质的量等七种，其他力学、声学、电磁学、热学、光学等物理量都可按量的定义或物理定律由量的方程导出。物理量传感器的被测量种类繁多，采用的原理和技术多样，本章仅介绍典型的物理量传感器。,3.2,力学传感器,力学量传感器，又称力敏传感器，是应用最广泛的一类传感器，指将,被测力学量信号转换成电信号,的传感器。通常的力学信号是指,压力、压强、拉力、张力、重力、力矩等与机械应力以及形变相关的物理量,。力学量的测量对象和测量原理差距很大，因此所涉及的原理、特性、工艺和应用的类型和范围较宽，本节根据物联网用传感器的特点，仅对与物联网联系紧密的最常见和最典型的的传感器的原理及应用进行简要介绍。,3.2,力学传感器,3.2.1,应变式力学传感器,电阻应变式传感器的工作原理基于四个基本的转换环节：,力（,）,应变,（,）,电阻变化,（,）,电压输出,（,）,其中，力转变为应变由敏感元件完成，这一转换依赖于传感器的结构；应变转变为电阻的变化由电阻应变式转换元件完成，即金属应变效应；电阻的变化转变为电压的输出由测试电路完成，三个转换过程构成了一个完整的电阻应变式传感器。,3.2,力学传感器,3.2.1,应变式力学传感器,应变式传感器的核心元件是电阻应变片，它可将试件上的应力变化转换成电阻变化。当导体或半导体在受到外界力的作用时，产械变形，机械变形导致其阻值变化，这种因形变而使阻值发生变化的现象称为应变效应。对于一长为,L,、横截面积为,A,、电阻率为,的金属丝，其电阻值为,当金属丝受到轴向拉力,F,作用时，金属丝几何尺寸变化引起电阻的相对变化：,3.2,力学传感器,3.2.1,应变式力学传感器,由材料力学知道，在弹性范围内金属丝沿轴向方向伸长时，径向尺寸缩小，反之亦然,。,轴向应变,和径向应变,的关系为：,为金属材料的泊松系数。,经过推导，,可变化为：,其中,为无应变时的电阻值，,为有应变时的电阻值变化大小，,为金属材料的泊松系数，,金属材料的某个常数，,轴向应变大小。当定义，,图,1,金属应变片的工作原理图,时，上式可以简化为,：,3.2,力学传感器,3.2.1,应变式力学传感器,金属电阻应变片的主要特性：,如图,2,，是金属丝式应变片的基本结构，由敏感栅,1,、基底,2,、盖片,3,、引线,4,和粘结剂等组成。这些部分所选用的材料将直接影响应变片的性能。因此，应根据使用条件和要求合理地加以选择。如图,3.3,，是金属箔式应变片，它是利用光刻、腐蚀等工艺制成一种很薄的金属箔栅，厚度一般在,0.003,0.010mm,，粘贴在基片上，上面再覆盖一层薄膜而制成。箔式应变片的优点是表面积和截面积之比大，散热条件好，允许通过的电流较大。,图,2,金属丝式应变片的基本结构,3.2,力学传感器,3.2.1,应变式力学传感器,电阻应变片的主要特性：,灵敏度系数,k,是应变片的重要参数。应变片的灵敏系数,k,恒小于线材的灵敏系数,，主要原因是胶层传递变形失真和横向效应引起的，灵敏度系数通过公式,横向应变,，金属丝式应变片由于敏感栅的两端为半圆弧形的横栅，测量应变时，构件的轴向应变,使敏感栅电阻发生变化，而其横向应变,也使敏感栅半圆弧部分的电阻发生变化。应变片的这种既受轴向应变影响，又受横向应变影响而引起电阻变化的现象称为横向效应。,机械滞后,，应变片粘贴在被测试件上，当温度恒定时，其加载特性与卸载特性不重合，即为机械滞后，机械滞后产生原因主要是应变片在承受机械应变后的残余变形，使敏感栅电阻发生少量不可逆变化；在制造或粘贴应变片时，敏感栅受到的不适当的变形或粘结剂固化不充分等。,可以计算得到。,3.2,力学传感器,3.2.1,应变式力学传感器,应变式传感器的测量电路：应变片将应变的变化转换成电阻相对变化,要把电阻的变化转换成电压或电流的变化，才能用电测仪表进行测量。通常采用电桥电路实现这种转换，根据电源的不同，电桥可以分为直流电桥和交流电桥。,图,3,直流电桥电路示意图,图,4,交流,电桥电路示意图,3.2,力学传感器,3.2.1,应变式力学传感器,应变式传感器实用举例：（,1,）柱（筒）式力传感器,如图,5,是柱（筒）式力传感器的示意图，弹性敏感元件为实心或空心的柱体（横截面为,S,，材料弹性模量为,E,），当柱体轴向受拉力,F,作用时，在弹性范围内，应力,与应变,呈正比关系。,图,5,柱（筒）式传感器示意图,与应变,呈正比关系。,3.2,力学传感器,3.2.1,应变式力学传感器,应变式传感器实用举例：（,2,）悬臂梁式力传感器,悬臂梁式力传感器采用弹性梁及电阻应变片作为敏感转换元件，组成全桥电路。当垂直正压力或拉力作用在弹性梁上时，应变片随弹性梁一起变形，其应变使应变片的阻值变化，应变电桥输出与拉力或压力成正比的电压信号。如图,6,，悬臂梁有两种：一种为等强度悬臂梁，一种为等截面悬臂梁。,图,6,两种悬臂梁示意图,与应变,呈正比关系。,3.2,力学传感器,3.2.1,应变式力学传感器,应变式传感器实用举例：（,3,）应变式加速度传感器,如图,7,所示为应变式加速度传感器。它由带有惯性的质量块,m,、应变片、弹簧片、基座及外壳等组成，是一种惯性式传感器。测量时，根据所测振动体的加速度方向，把传感器固定在被测部位。当被测点的加速度与图中箭头,a,所示的方向一致时，自由端受惯性力,F=ma,的作用，质量块向箭头,a,相反的方向相对于基座运动，使应变片的电阻发生变化，产生输出信号，输出信号的大小与加速度成正比。,图,7,应变式加速度传感器,与应变,呈正比关系。,3.2,力学传感器,3.2.2,压电式力学传感器,1.,压电传感器的工作原理,压电式传感器的工作原理是基于某些介质材料的压电效应，是典型的双向有源传感器。当材料受力作用而变形时,其表面会有电荷产生，从而实现非电量测量。,某些电介质（通常采用,SiO2,），在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个表面上生成符号相反的电荷，当外力去掉后，它又会恢复到不带电状态，从而实现力,/,电转换。具有压电效应的物质很多，如石英晶体、压电陶瓷、压电半导体等。并且压电效应是可逆的，在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质也会发生变形，电场去掉后，电介质的变形随之消失。,3.2,力学传感器,3.2.2,压电式力学传感器,2,.,压电传感器的等效电路与测量电路,（,1,）等效电路：压电式传感器对被测量的变化是通过压电元件产生电荷量的大小来反映的，因此它相当于一个电荷源。当压电元件输出电荷时，可以把压电元件等效为一个电荷源,和一个电容器,相并联的电荷等效电路，如图,8(a),。在开路状态下，其输出端电荷为,其输出端电压为,如图,8(b),。在开路状态下，,图,8,压电传感器的等效电路图,3.2,力学传感器,3.2.2,压电式力学传感器,2,.,压电传感器的等效电路与测量电路,（,2,）压电式传感器的测量电路：由于压电式传感器的输出电信号很微弱，通常先把传感器信号先输入到高输入阻抗的前置放大器中，经过阻抗交换以后，方可用一般的放大检波电路再将信号输入到指示仪表或记录器中。根据压电传感器的工作原理及其等效电路，它的输出可以是电压信号也可以是电荷信号。因此，设计前置放大器也有两种形式：一种是电压放大器，其输出与输入电压成正比；另一种是电荷放大器，其输出电压与输入电荷成正比。,电压放大器,:,电压放大器又称阻抗变换器，它的主要作用是把压电器件的高输出阻抗变换为传感器的低输出阻抗，并保持输出电压与输入电压成正比。,电荷放大器,:,电荷放大器是将高内阻的电荷源转换为低输出阻抗的电压源的压电传感器的专用前置放大器，它的输出电压正比于输入电荷。,3.2,力学传感器,3.2.2,压电式力学传感器,2,.,压电传感器的等效电路与测量电路,图,9,压电式传感器与电压放大器连接的等效电路,图,10,压电式传感器与电荷放大器的等效电路图,3.2,力学传感器,3.2.2,压电式力学传感器,3.,压电传感器的实用举例,（,1,）压电式压力传感器：压电式测压传感器的原理如图,11,，它由引线,1,、壳体,2,、基座,3,、压电晶片,4,、受压膜片,5,及导电片,6,组成。当膜片,5,受到压力,P,作用后，则在压电晶片上产生电荷。,在一个压电片上所产生的电荷,q,为,其中,F,为作用于压电片上的力；,为压电系数；,P,为压强；,S,为膜片的有效面积。,图,11,压电式压力传感器,3.2,力学传感器,3.2.2,压电式力学传感器,3.,压电传感器的实用举例,（,2,）压电式加速度传感器：压电式加速度传感器主要有纵向效应型、横向效应型和剪切效应型三种，其中纵向效应是最常见的。如图,12,是纵向效应型加速度传感器的结构图，压电陶瓷,4,和质量块,2,为环型，通过螺母,3,对质量块预先加载，使之压紧在压电陶瓷上。测量时将传感器基座,5,与被测对象牢牢地紧固在一起。,图,12,纵向型压电式加速度传感器,3.3,热学传感器,3.3.1,温标与温度的测量,1.,温标,：因为测温原理和感温元件的不同，即使测量的温度相同，但表现出的物理量的形式和变化量的大小也不尽相同。为了对温度进行更加精确性和一致性的描述，提出了一个科学、客观和统一的标尺，温标。温标用来度量物体温度的标尺，国际上用的较多的有热力学温标、摄氏温标、华氏温标和国际温标。,热力学温标：它规定从绝对零度至水的三相点（固、液、气共存）的温度之间划分,273.16,等分，每一等分为,1,开尔文，符号为,K,。,摄氏温标：在标准大气压下，冰的熔点为,0,度，水的沸点为,100,度，中间划分,100,等分，每一等分为摄氏,1,度，符号为。摄氏温度,t,与热力学温度,T,之间的数值关系为：,3.3,热学传感器,3.3.1,温标与温度的测量,2.,温度的测量,（,1,）接触式测温：这种测温方法是将温仪表的敏感元件与被测对象接触，以达到充分的热交换，最后达到热平衡来完成对温度的测量。这种测量方法的优点是比较直观并且测温仪表也相对简单。但因为敏感元件与被测对象接触，在接触过程中可能对被测对象的温场分布造成破坏，造成一定的测量误差。,（,2,）非接触式测温：这种测温方法是感温元件与被测物体不进行接触，而是通过辐射进行热交换。优点是不会的被测物体进行破坏，在测量运动的物体和温度变化较快的物体具有一定优势。,3.3,热学传感器,3.3.2,热电阻温度传感器,1.,热电阻的工作原理,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,。人们也常常把这种导体或半导体的电阻值随温度变化而变化的现象称为热阻效应。热电阻传感器分为金属热电阻和半导体热电阻两大类，通常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。,图,13,热敏电阻的温度特性曲线,3.3,热学传感器,3.3.2,热电阻温度传感器,2.,热电阻的结构,普通型热电阻由感温元件（金属电阻丝）、支架、引出线、保护套管及接线盒等基本部分组成。为避免电感分量，热电阻丝常采用双线并绕，制成无感电阻。,图,14,热电阻外形,3.3,热学传感器,3.3.2,热电阻温度传感器,3.,热电阻的测量电路和主要参数,用热电阻传感器进行测温时，测量电路一般采用电桥电路。但是热电阻与检测仪表相隔距离一般较远，因此热电阻的引线对测量结果有很大的影响。热电阻测温电桥的引线方式通常有两线制、三线制和四线制三种，如图,15,。,图,15,热电阻测量电路内部引线方式,3.3,热学传感器,3.3.3,热电偶温度传感器,1.,热电偶的工作原理,（,1,）热电效应：当两种不同材料的导体串接成一个闭合回路时，如果两接合点的温度不同（,），则在两者间将产生电动势,(,热电势,),，而在回路中就会有一定大小的电流，这种现象称为热电效应或塞贝克效应。,（,2,）热电偶的基本定律,均质导体定律,：由一种均质导体组成的闭合回路，不论导体的横截面积、长度以及温度分布如何均不产生热电动势。,中间导体定律,：在热电偶回路中接入第三种材料的导线，只要这第三种材料的导体两端温度相同，第三种材料导线的引入不会影响热电偶的热电动势，这一性质称为中间导体定律。,中间温度定律,：热电偶在结点温度为,、,时的热电动势等于该热电偶在（,）与（,）时的热电动势之和，这就是中间温度定律。,3.3,热学传感器,3.3.3,热电偶温度传感器,2.,热电偶的结构：热电偶通常由热电极、绝缘套管、保护套管和接线盒等部分组成，按照热电偶的结构主要可以分为普通热电偶、铠装热电偶和薄膜热电偶。,（,1,）普通热电偶，如图,16,，常见的普通热电偶由接线盒,1,、保护套管,2,、绝缘套管,3,及热电极,4,组成，主要可以用于对气体和液体等介质的的测温。,图,16,普通热电偶结构示意图,3.3,热学传感器,3.3.3,热电偶温度传感器,（,2,）铠装热电偶，如图,17,，铠装热电偶由热电极,1,、绝缘材料,2,、金属套管,3,、接线盒,4,及固定装置,5,组成。铠装热电偶又称套管热电偶，它是由金属保护套管、绝缘材料和热电极三者组合成一体的特殊结构的热电偶。因为内部的热电偶丝与外界空气隔绝，所以铠装热电偶具有良好的抗高温氧化、抗低温水蒸气冷凝、抗机械外力冲击的特性；并且铠装热电偶可以制作得很细，能解决微小、狭窄场合的测温问题，且具有抗震、可弯曲、超长等优点。,图,17,铠装热电偶结构示意图,3.3,热学传感器,3.3.3,热电偶温度传感器,（,3,）薄膜热电偶，如图,18,，薄膜热电偶主要由热电极,1,、热接点,2,、绝缘基板,3,及引出线,4,组成。薄膜热电偶是由两种薄膜热电极材料,用真空蒸镀、化学凃层等办法蒸镀到绝缘基板上面制成的一种特殊热电偶，测量端既小又薄，具有热容量小，反应速度快等特点。,图,18,薄膜热电偶结构示意图,3.3,热学传感器,3.3.3,热电偶温度传感器,3.,热电偶的测温电路,（,1,）基本测温电路：如图,19,所示，热电偶基本测量电路包括热电偶、补偿导线、冷端补偿器、连接用铜线、动圈式显示仪表。,图,19,热电偶的基本测温电路图,3.3,热学传感器,3.3.3,热电偶温度传感器,（,2,）热电偶的实际测温电路：实际工作中常需要测量两处的温差，可选用两种方法测温差，一种是两支热电偶分别测量两处的温度，然后求算温差；另一种是将两支同型号的热电偶反串联接，直接测量温差电势，然后求算温差，如图,20,所示。前一种测量较后一种测量精度差，对于要求精确的小温差测量，应采用后一种