第4章 电量检测装置.ppt

检测,检测装置,检测技术,检测技术,(,装置,),发展历程,对检测装置,(,系统,),的要求,高等院校自动化新编系列教材,1.1,检测技术概述,现代检测技术,第四章 电量检测装置,检测,检测装置,检测技术,检测技术,(,装置,),发展历程,对检测装置,(,系统,),的要求,高等院校自动化新编系列教材,1.1,检测技术概述,现代检测技术,第一章 绪论,4,.,1,4,.,2,4,.,3,4,.,4,4.1,热电偶传感器,4.2,压电式传感器,4,.3,磁电式传感器,4,.4,光电池,第,4,章 电量检测装置,4.1,热电偶传感器,能将,温度的变化转换为电势变化,的传感器,它是目前温度测量中使用最普遍的传感元件之一，广泛应用于冶金、化工等工业生产中。,具有,结构简单，测量范围宽（,-180,2800,）、准确度高、热惯性小，输出信号为电信号,便于远传或信号转换等优点。,热电偶效应演示,左端称为：,测量端,（工作端、热端）,热,电极,A,热,电极,B,右端称为：,自由端,（参考端、冷端）,结论：当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。,从实验到理论：,热电效应,1821,年，德国物理学家,西拜克（,See,back,）,用两种不同金属组成,闭合回路,，并用酒精灯加热其中一个接触点（称为结点），发现放在回路中的,电压表发生偏转（说明什么？），,如果用两盏酒精灯对两个结点,同时加热，电压表的偏转角反而减小（又说明什么？）,。,显然，电压表的偏转说明回路中有电动势产生并有电流在回路中流动，电流的强弱与两个结点的温差有关。,4.1.1,热电偶测温原理,A,B,T,T,0,E,AB,(T,T,0,),热电极,热端（工作端）,冷端（自由端）,热电偶的工作机理是建立在,热电效应,的基础上的。,热电势大小由,接触电势和温差电势,决定,+,+,+,+,-,-,-,-,A,B,e,e,AB,(T,),或,e,AB,(T,0,),A,B,e,AB,(T,),e,AB,(T,0,),1.,接触电势（帕尔帖电势）,e,AB,(T,),、,e,AB,(T,0,),产生原因,两种不同导体,的自由电子密度不同而在接触处形成的电动势。,接触电势大小,e,AB,(,T,),导体,A,、,B,结点在温度,T,时形成的接触电动势；,e,单位电荷量，,e,=1.60210,-19,C,；,K,波尔兹曼常数，,K,=1.3810,-23,J/K,；,N,AT,、,N,BT,导体,A,、,B,在温度为,T,时的电子密度。,接触电势的大小与两导体,材料的性质,及,接触点的温度,有关。数量级为,mV,级。,T,0,T,e,+,-,温差电势的产生,2,、温差电势,产生原因,同一导体的两端因其温度不同而产生的一种热电势。,高温端电子能量大，电子从高温端向低温端扩散的数量多，最后达到平衡，在导体两端形成电位差，即温差电势。,T,0,T,e,A,(T,T,0,),e,B,(T,T,0,),A,B,温差电势的大小,温差电势产生,表示导体,A,两端的温度差为,1,时所产生的温差电动势，例如在,0,时，铜的,=2V/,。,e,A,(,T,，,T,0,),导体,A,两端温度分别为,T,、,T,0,时形成的温差电动势,T,，,T,0,高、低端的绝对温度；,温差电势与,A,、,B,两种,材料的性质及两点的温度有关。,3.,热电偶回路中产生的总热电势,由导体材料,A,、,B,组成的闭合回路，其结点温度分别为,T,、,T,0,如果,T,T,0,，,则必存在着两个接触电势和两个温差电势，回路总电势：,T,0,T,e,AB,T,),e,B,(,T,T,0,),A,B,e,A,(,T,T,0,),N,AT,、,N,AT0,导体,A,在结点温度为,T,和,T,0,时的电子密度；,N,BT,、,N,BT0,导体,B,在结点温度为,T,和,T,0,时的电子密度；,A,、,B,导体,A,和,B,的汤姆逊系数。,e,AB,(,T,0,),E,AB,(T,T,0,)=,e,AB,(T,)c=f(T),温差电势与接触电势相比很小，如果忽略了温差电动势，,且冷端固定时，回路的热电势可表示为：,热电偶热电势只与两导体,及两接点的温度有关，当材料确定后，回路的热电势是两个接点温度函数的差值。,讨论,影响因素取决于材料和接点温度，与形状、尺寸等无关,两热电极相同时，总电动势为,0,两接点温度相同时，总电动势为,0,对于已选定的热电偶，当参考端温度,T,0,恒定时，,e,AB,(,T,0,)=,c,为常数，则,总的热电动势就只与温度,T,成单值函数关系，即,e,AB,(,T,T,0,)=,e,AB,(,T,),c,=,f,(,T,),可见：,只要测出,e,AB,（,T,T,0,）,的大小，就,能得到被测温度,T,，,这就是利用热电偶测温的原理。,热电偶分度表,在实际工程应用中，测量出热电偶回路的热电势后，通常不是用计算，而是用热电偶分度表来确定被测温度。不同金属组成的热电偶，温度与热电动势之间有不同的函数关系，,在冷端（参考端）温度,为,0,时,通过计量标定实验建立起来的热电势与工作端温度之间的数值对应关系表，这个表就叫热电偶分度表。,测得热电势，查分度表得温度值。,S,型,(,铂铑,10,-,铂,),热电偶分度表,普通装配型热电偶的外形,安装螺纹,安装法兰,4.1.2,热电偶的基本定律,1.,中间温度定律,如果不同的两种导体材料组成热电偶回路,其接点温度分别为,T,1,、,T,2,时,则其热电势为,E,AB,(,T,1,T,2,),；,当接点温度为,T,2,、,T,3,时，其热电势为,E,AB,(,T,2,T,3,),；,当接点温度为,T,1,、,T,3,时，其热电势为,E,AB,(,T,1,T,3,),，则B,B,A,T,2,T,1,T,3,A,A,B,E,AB,（,T,1,T,3,）=,E,AB,（,T,1,T,2,）+,E,AB,（,T,2,T,3,）,A,B,B,A,T,T,n,T,n,T,0,中间温度定律,E,AB,（T，T,0,）=E,AB,（T，T,n,)+E,AB,(T,n,T,0,),中间温度定律为制定热电偶分度表奠定了基础，根据中间温度定律，只需列出冷端温度为,0,时，各工作端温度与热电势的关系表，当冷端温度不是,0,，所产生的热电势由下式算出,。,E,AB,（T，T,0,）=E,AB,（T，T,n,)+E,AB,(T,n,T,0,),查分度表有,E,（,30,，,0,）,=0.173 mV,反查分度表有,T=830,，,测量端实际温度为,830,例：用,S,型热电偶测量某一温度，若冷端温度,T,n,=30,，测得的热电势,E(T,T,n,)=7.5mV,，求测量端实际温度,T,S,型,(,铂铑,10,-,铂,),热电偶分度表,在热电偶测温回路内,接入第,三种导体,只要第三种导体（导线）两端温度相同,则对回路的总热电势没有影响。,2,、中间导体定律,B,A,C,T,0,T,0,T,热电偶中间导体定律,证明,回路中的总热电势等于各接点的接触电势之和。,E,ABC,(T,T,0,)=e,AB,(T)+e,BC,(T,0,)+e,CA,(T,0,),当,T=T,0,时,有,e,BC,(T,0,)+e,CA,(T,0,)=e,(T,0,),(T,T,0,)=,e,AB,(T,)e,AB,(T,0,),=E,AB,(T,T,0,),B,A,C,T,0,T,0,T,3,、标准电极定律,E,AB,（,T,，,T,0,）,=E,AC,（,T,，,T,0,）,+E,CB,（,T,，,T,0,）,标准电极,C,用纯铂丝制成，化学性质稳定。求出各种热电极对铂电极的热电势，可用标准电极定律算出任选两种材料配成热电偶后的热电势值，可简化热电偶的选配工作。,T,0,T,A,C,T,B,T,C,A,B,+,=,T,0,T,0,标准电极定律,4.1.3,热电偶的冷端处理和补偿,为何要对冷端进行补偿？,只有,T,0,恒定，热电势与温度,T,成线性关系。,冷端温度受环境影响变化，造成测量误差。,1,、补偿导线法,方法,采用与热电偶热电特性相同或相近的补偿导线，将热电偶的原冷端引至温度恒定的新冷端，此方法为补偿导线法,热电偶一般做得较短，一般为,350,2000mm,。,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远的控制室里的显示仪表或控制仪表，这样,冷端温度,t,0,比较稳定。,热电特性相同,是指在,100,以下温度范围内，补偿导线产生的热电势与工作热电偶在此温度范围内产生的热电势相等，即,类型,补偿导线分为,延长型和补偿型。,A,B,T,T,n,T,n,T0,廉价热电偶,如,KX,型,延长型补偿导线示意图,对廉价热电偶采用延长型,，即采用与热电偶热电极相同的材料做补偿导线直接将热电偶的热电极延长至温度恒定的新冷端，用字母,X,附在热电偶分度号后表示延长型补偿。,A,B,T,T,n,T,n,T,0,贵重热电偶,如,SC,型,图,4-8,补偿型补偿导线示意图,延长型和补偿型对补偿导线的要求。,对贵重热电偶采用补偿型，即采取与热电偶,热电特性相同或相近的其他材料做补偿导线。,用字母,C,附在热电偶分度号后表示。,常用热电偶补偿导线,的型号、线芯材质和绝缘层着色如表所示,补偿导线外形,屏蔽层,保护层,正极,负极,KX,型，,镍铬镍硅,2,、,0,恒温法（冰浴法）,可直接从仪表中读出热电势值，查分度表得出被测点的温度值。,在实验室及精密测量中，通常把冷端放入,0,恒温器或装满冰水混合物的容器中，以便冷端温度保持,0,。,这是一种理想的补偿方法，但工业中使用极为不便。,3,、冷端温度修正法,实际使用中，热电偶的冷端往往不是,0,，而是环境温度,T,n,，这时测得的热电势值为,中间温度定律,测出,反查热电偶分度表，得到被测热源的温度,T,。,分度表查出,计算,由,例子,用镍铬,-,镍硅热电偶测量加热炉温度。已知冷端温度,t,0,=30,，,测得热电势,e,AB,（,t,，,t,0,）,为,33.29mV,求加热炉温度。,解,：,查镍铬,-,镍硅热电偶分度表得,e,AB,（,30,，,0,）,1.203 mV,。,可得,e,AB,（,t,，,0,）,=,e,AB,(,t,t,0,)+,e,AB,(,t,0,0)=33.29+1.203=3,4.493mV,由镍铬,-,镍硅热电偶分度表得,t,=829.8,。,4,、冷端,温度自动补偿法（补偿电桥法）,XT-WBC,热电偶 冷端补偿器,电桥补偿法是利用不平衡电桥产生的不平衡电压来自动补偿热电偶因冷端温度变化而引起的热电势变化值，可购买与被补偿热电偶对应型号的补偿电桥。,补偿电桥铜电阻与热电偶参考端处在同一环境温度。,室温时电桥平衡,R,1,R,3,=R,2,R,Cu,此时,U,ab,=0U,BA,E,AB,(T,T,0,),E,AB,(T,01,T,0,),冷端补偿电桥法等效电路示意图,4.1.4,热电偶的实用测温电路,实用热电偶测温电路由热电极、补偿导线、热电势检测仪表组成。常用检测仪表有毫伏电压表、数字电压表、电位差计等。,1,、测量单点温度的基本电路,温度,变送器,A/D,微机,显示,放大器,A/D,微机,显示,热电偶产生热电势很小，可用毫伏表或电位差计读出热电势，查分度表确定被测温度。多数检测仪表采用数字仪表测量温度，加入放大电路放大电路和,A/D,转换电路，根据热电势与温度的关系，微机编程确定被测温度。,2,、测量两点的温度差,用两只相同型号的热电偶，配用相同的补偿导线，反向串联。产生热电势为,E,T,=E,AB,（,T,1,，,T,0,）,E,AB,（,T,2,，,T,0,）,显示仪表,C,B,A,D,B,A,T,2,T,1,T,0,T,0,C,两点,温度差测量,仪表,R,1,E,1,R,2,R,3,E,2,E,3,T,2,T,1,T,3,T,0,E,T,3,、测量平均温度,用几只型号特性相同的热电偶并联在一起。,回路的热电势为,4,、测几点的温度和,同类型的热电偶串联。特点是当有一只热电偶烧断时，总的热电势消失，可以立即知道有热电偶烧断。且可测较小温度的变化。,仪表,E,2,E,1,C,D,E,3,T,2,T,1,T,3,T,0,E,总热电势为,出去活动一下,4.2,压电式传感器,压电式传感器是一种自发电式传感器。它以某些介质的压电效应为基础，在外力作用下，在介质表面产生电荷，从而实现非电量电测的目的。,压电传感元件是力敏感元件，它可以测量最终能变换为力的那些非电物理量，例如动态力、动态压力、振动加速度等，但不能用于静态参数的测量。,压电式传感器具有体积小、质量轻、频响高、信噪比大等特点。由于它没有运动部件，因此结构坚固、可靠性、稳定性高。,4.2.1,压电式传感器的工作原理,当力的方向改变时，电荷的极性随之改变，输出电压的频率与动态力的频率相同；当动态力变为静态力时，电荷将由于表面漏电而很快泄漏、消失。,1.,石英晶体的压电效应,把这种机械能转换为电能的现象，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几何变形，这种现象称为,“,逆压电效应,”,。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。,T,E,+,x,正压电效应,_,y,逆压电效应,压电传感器中的压电元件材料一般有三类：一类是压电晶体（如石英晶体）；另一类是 经过极化处理的 压电陶瓷；第三类是高分子压电材料。,石英晶体是单晶结构，,正六面体。石英晶体各个方向的特性是不同的。在直角坐标系中，它有三个轴。,(a),晶体外形；,(b),切割方向；,(c),晶片,纵向轴,z,称为,光轴（无压电效应）,，经过六面体棱线并垂直于光轴的,x,轴称为,电轴（垂直与此轴面的压电效应最强）,，与,x,和,z,轴同时垂直的轴,y,称为,机械轴（电场沿,x,轴作用，沿,y,轴机械变形最大）。,（,1,）力与电荷的关系,当在石英晶体薄片的电轴方向施加作用力时,在与电轴,x,垂直的平面上将产生电荷,其大小为,d,11,为,x,方向受力的压电系数（,C/N,）,产生的电荷与几何尺寸无关，称纵向压电效应,。,式中,:d,12,y,轴方向受力的压电系数,d,12,=,d,11,;,a,、,b,晶体切片长度和厚度。,产生的电荷与几何尺寸有关。,压电效应为横向压电效应。,若在同一切片上,沿机械轴,y,方向施加作用力,F,y,则仍在与,x,轴垂直的平面上产生电荷,q,x,其大小为,电荷符号与受力方向的关系,压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料，它比石英晶体的压电灵敏度高得多，而制造成本却较低，因此目前国内外生产的压电元件绝大多数都采用压电陶瓷。常用的压电陶瓷材料有锆钛酸铅系列压电陶瓷（,PZT,）,及,非铅系压电陶瓷,（如,BaTiO,3,等）。,2,、压电陶瓷的压电效应,在无外电场作用时,电畴在晶体中杂乱分布,它们的极化效应被相互抵消,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。,（,1,）未加电场,晶粒内自发极化方向一致的小区域称之为电畴。,显微镜观察。,(,a,),极化处理前,直流电场,E,剩余极化强度,剩余伸长,(,b,),极化处理中,(,c,),极化处理后,（,2,）加电场,（极化处理）,（,20,30kV/cm,的直流电场）,电畴的极化方向转向，基本与电场方向一致。,去掉外电场，其内部存在很强剩余极化强度，材料具备压电性能，,陶瓷片对外不表现极性。,当把电压表接到陶瓷片的两个电极上进行测量时，却无法测出陶瓷片内部存在的极化强度。这是因为陶瓷片内的极化强度总是以,电偶极矩,的形式表现出来，即在陶瓷的一端出现正束缚电荷，另一端出现负束缚电荷。由于束缚电荷的作用，在陶瓷片的电极面上吸附了一层来自外界的自由电荷。这些自由电荷与陶瓷片内的束缚电荷符号相反而数量相等，它起着屏蔽和抵消陶瓷片内极化强度对外界的作用。,束缚电荷,电极,自由电荷,Z,当压电陶瓷受到外力作用时，电畴的界限发生移动，剩余极化强度将发生变化，吸附在其表面的部分自由电荷被释放。,释放的电荷量的大小与外力成正比关系，即,Q=d,33,F ,d,33,为压电陶瓷的压电系数,（,3,）压电陶瓷的力与电荷的关系,这种将机械能转变为电能的现象，就是压电陶瓷的正压电效应。,最早使用的压电陶瓷材料是钛酸钡。它是由碳酸钡和二氧化钛按,11,比例混合后烧结而成的。它的压电系数约为石英的,50,倍，但使用温度不超,70,，温度稳定性和机械强度都不如石英。,4.2.2,压电元件的等效电路及连接方式,1,、压电元件的等效电路,压电元件两电极之间的压电陶瓷或石英晶体为,绝缘体，构成一个电容器，其电容量为,Q,Q,电极,压电晶体,C,a,(,b,),(,a,),压电传感器的等效电路,当两极板聚集异性电荷时，则两极板呈现一定的电压，其大小为,压电传感器可等效成一个电压源,U,和一个电容相串联的电路，可等效成一个电荷源与一个电容相并联的电路,产生的电压与电荷的关系为,q,C,a,U,a,U,a,Q/C,a,Q,U,a,C,a,C,a,（,a,）电压源等效电路 （,b,）,电荷源等效电路,压电传感器等效原理,只有外电路负载无穷大时，压电传感器受力后产生的电压或电荷才能长期保存，否则电路将以某时间常数按指数规律放电。这对于静态标定以及低频准静态测量极为不利，带来误差。事实上，外电路负载也不可能无穷大，只有外力以较高频率不断地作用，传感器的电荷才能得以补充，因此，,压电晶体不适合于静态测量。,测量低频信号时，负载电阻应保待在,10,13,以上，保证,测试系统有较大的时间常数，亦即前置放大器要有相当高的输入阻抗，否则传感器的信号电荷将通过输入电路泄漏，即产生测量误差。,2,、连接方式,并联方式,输出电荷大，时间常数大，适合测慢变信号，以电荷为输出的场合。,串联方式,输出电压大，电容、时间常数小，适合以电压为输出，高输入阻抗的场合。,4.2.3,压电式传感器的测量电路,将压电传感器的高输出阻抗变换为低输出阻抗。,放大传感器输出的微弱信号。,前置放大器的作用,压电传感器的输出可以是电压，也可以是电荷。因此实际测量电路有,电压放大器电路和电荷放大器电路。,测量电路的形式,电压放大器电路原理及其等效电路,1,、电压放大器,为放大器输入电阻和电容，和 为传感器电阻和电容,和,为导线电容,如果压电元件受到交变力,F,m,作用力的幅值,在力的作用下产生的电压按正弦规律变化,送入放大器输入端的电压为,输入端的电压,的幅值是,相位差是,传感器的灵敏度为,1,、传感器不宜测量静态物理量，宜测高频动态量。,使用时应该注意的问题,2,、电缆不宜过长，否则，,C,C,加大，使传感器的电压灵敏度下降。,3,、要使电压灵敏度为常数，应使压电片与前置放大器的连接导线为定长，以保证,C,C,不变。,4,、测量低频信号，应增大前置放大器的输入电阻，使测量回路的时间常数增大，保证有较高的灵敏度。,2,、电荷放大器,常作为压电传感器的输入电路，由一个反馈电容和高增益运算放大器构成。,净输入电荷,U,i,总电荷,输出电压为,电荷放大器的,特点,：输出电压与电缆电容,C,C,无关，,即与电缆长度无关。且与输出电荷成正比。,4.2.4,压电式传感器的应用,1,、压电式加速度传感器,（,1,）结构,连接方式：采用并联接法。,要求：为使压电片电荷与力之间成线性关系，压电片需有一定的,预压力,，保证接触面均匀接触。,它主要由压电元件、质量块、预压弹簧、基座及外壳等组成。整个部件装在外壳内，并由螺栓加以固定。,加速度计,质量块,m,压电元件,d,k,前置放大,A,u,A,k,当加速度传感器和被测物一起受到冲击振动时，压电元件受质量块惯性力的作用，,根据牛顿第二定律，此惯性力是加速度的函数，即,F=ma,此时惯性力,F,作用于压电元件上，因而产生电荷,Q,，当传感器选定后，,m,为常数，则传感器输出电荷为,Q=,dF,=,dma,提高灵敏度的措施,采用较大的压电常数的材料。,多片压电片组合。,2,、压电引信,压电引信是一种利用钛酸钡压电陶瓷的压电效应制成的军用弹丸启爆装置。它具有瞬发度高，不需要配置电源等优点，常应用于破甲弹上，对提高弹丸的破甲能力起着重要的作用。,整个引信由压电元件和启爆装置两部分组成。压电元件安装在弹丸的头部，启爆装置设置在弹丸的尾部，通过导线互连。,破甲弹示意,图,压电元件,电雷管,导线,药形罩,平时电雷管,E,处于短路保险安全状态，压电元件即使受压，其产生的电荷也通过电阻,R,释放掉，不会使电雷管引爆。弹丸发射后，引信启爆装置解除保险状态，开关,K,从,a,处断开与,b,接通，处于工作状态。当弹丸与装甲目标接触时，碰撞压力使压电元件产生电荷，,经过导线传递给电雷管使其启爆，引起弹丸爆炸锥孔炸药爆炸形成的能量使药形罩熔化，形成高温高流速的能量流将坚硬的钢甲穿透，起到摧毁的目的。,粘贴位置,3,、压电式玻璃破碎报警器,检测时压电传感器用胶粘贴在玻璃上,然后通过电缆和报警电路相连。压电传感器把玻璃振动波转换成电压输出。,输出电压经放大、带通滤波、比较等处理后提供给报警系统。,带通滤波使玻璃振动频率范围内的输出电压信号通过，其它频段的信号滤除。,比较器作用是当传感器输出信号高于设定的阈值时,输出报警信号,驱动报警执行机构工作。如进行声光报警。,放大,带通,滤波,执行,机构,比较,玻璃,传感器,压电式玻璃破碎报警电路框图,4,、高分子压电电缆的应用,将两根高分子压电电缆相距,若干米,，,平行埋设于柏油公路的路面下约,5cm,，,可以用来测量车速及汽车的载重量，并根据存储在计算机内部的档案数据，判定汽车的车型。,43,磁电式传感器,磁电式传感器,是利用电磁感应原理将被测量（如振动、位移、转速等）转换成电信号的一种传感器。利用导体和磁场的相对运动产生感应电动势的电磁感应原理，可制成各种磁电感应式传感器；利用半导体材料的霍尔效应可制成霍尔元件，下面分别讨论。,4.3.1,磁电感应式传感器,利用电磁感应原理将被测输入运动速度变化成感应电动势输出的装置。,它不需要辅助电源就能把被测对象的机械能转换成易于测量的电信号。输出功率大，因此配用电路简单性能稳定，主要应用于转速、振动和扭矩的测量。,不同类型的,磁电感应式传感器，实现磁通变化的方式不同，有恒磁通磁电感应式传感器和变磁通磁电感应式传感器。,法拉第电磁感应定律：,N,匝线圈在磁场中做切割磁力线运动或穿过线圈的磁通量变化时，线圈中产生的感应电动势,E,与磁通,的变化率关系如下,1.,恒磁通磁电感应式传感器,工作原理,当结构参数为定值时，感应电动势与线速度或角速度成正比。,磁电式传感器测量线速度和角速度原理图,线圈垂直于磁场方向运动时，产生的磁感应强度分别为：,或,B,为磁感应强度,为每匝线圈的平均长度，,S,为线圈的截面积,磁电式传感器适于测量动态量，如果在电路中加积分电路可测位移（振幅）；加微分电路可测加速度。,R,C,C,R,U,0,e,U,0,e,积分电路,微分电路,恒磁通磁电感应式传感器,结构及要求,恒磁通磁电感应式传感器有两个基本系统：一是产生恒定直流磁场的磁路系统（包括工作气隙和永久磁铁）；二是线圈，由它与磁场中的磁通交连产生感应电动势。,（,1,）工作气隙,为了使传感器有较高的灵敏度和较好的线性度，应在保证足够大面积窗口的前提下，尽量减小工作气隙,d,，一般取,（,2,）永久磁铁,提供工作气隙磁能能源，为了提高传感器的灵敏度和减小传感器的体积，一般选用具有较大磁能面积的永磁合金。,（,3,）线圈组件,由线圈和线圈骨架组成，要求线圈组件的厚度小于工作气隙的长度，保证线圈与永久磁铁间的相对运动无摩擦。,2,、变磁通（磁阻式）磁电传感器,开磁路和闭磁路。,结构分类,测量旋转物体的转速。,应用,（,1,）开磁路式磁电传感器工作原理传感器的线圈和磁铁部分静止不动，测量齿轮（导磁材料制成）安装在被测转轴上，随之一起转动。,当齿轮旋转时，齿的凹凸引起磁阻的变化，使磁通变化，在线圈中感应出交变电动势，其频率等于齿轮的齿数与转速的乘积，即,当齿数,Z,已知，测得感应电势的频率,f,就可以知道,被测轴的转速,n,。,（,r/min,）,开磁路转速传感器结构简单，但输出信号小，当被测轴振动较大，转速较高时，输出波形失真大,2,、闭磁路式磁电传感器工作原理,测量时被物转轴带动转子转动，,当定子与转子齿凸凸相对时，气隙最小，磁阻最小，磁通最大；凸凹相对时，情况相反。,转子与转轴固紧，传感器与被测物相连，转子和定子的环形端部都均匀铣出等间距的一些齿和槽,结构特点,磁阻周期性变化导致磁通周期性地变化,，,在线圈中感应出近似正弦波的电动势信号，经施密特电路整形变为矩形脉冲信号，送计数器或频率计，,测得感应电势的频率即可算出转速。,（,r/min,）,3,、磁电传感器的动态特性,磁电传感器适于测量动态物理量，可等效成,m-c-k,二阶机械系统,为被测物体运动速度,为惯性质量块运动速度,为质量块相对被测物运动速度,运动方程为,因为,所以,传递函数为,频域特性为,因为固有频率,阻尼比为,所以,幅频特性,相频特性,磁电速度传感器频率响应特性曲线看出在 情况下，相对速度,v(t,),大小可以作为被测振动速度,v,0,(t),的量度。,4.3.2,霍尔传感器,霍尔传感器是利用霍尔效应原理实现磁电转换，从而将被测物理量转换为电动势的传感器。,1879,年霍尔在金属材料中发现霍尔效应，因为金属材料的霍尔效应很弱，使其未得到实际应用。直到,20,世纪,50,年代，随着半导体工艺的发展，人们才利用半导体元件制造出霍尔元件。传感器具有体积小，灵敏度高，线性度好等优点广泛应用于电流，磁场，位移，压力，转速的测量。,1,、霍尔传感器的工作原理,（,1,）霍尔效应,先看霍尔效应的演示实验,霍,尔,元件是一种四端元件,霍尔效应演示,磁场垂直于半导体薄片,薄片左右通过控制电流,半导体载流子沿着与电流相反方向运动。电子受外磁场力的作用,向内侧偏移,使半导体后端面带负电,前端面带正电,前后端面形成电场阻止电子继续偏转,最后达到动态平衡。在,c,、,d,方向产生霍尔电势。,a,d,c,b,半导体薄片置于磁感应强度为,B,的磁场中，磁场方向垂直于薄片，当有电流,I,流过薄片时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势,U,H,，,这种现象称为,霍尔效应,。,提高灵敏度的措施？,为何金属材料不宜做霍尔元件？,（,2,）霍尔效应输出电压表达式推导,若电子都以速度,v,运动，在磁场,B,的作用下，每个载流子受到的洛伦兹力为,正负电极之间形成电势为霍尔电势。,电子积累所形成的电场强度为,电场作用于载流子（电子）的力为,其中,磁场不垂直于霍尔元件时的霍尔电动势,若磁感应强度,B,不垂直于霍尔元件，而是与其法线成某一角度,时，实际上作用于霍尔元件上的有效磁感应强度是其法线方向（与薄片垂直的方向）的分量，即,B,cos,，,这时的霍尔电势为,U,H,=,K,H,IB,cos,结论：霍尔电势与输入电流,I,、,磁感应强度,B,成正比，且当,B,的方向改变时，霍尔电势的方向也随之改变。如果所施加的磁场为交变磁场，则霍尔电势为同频率的交变电势。,由于霍尔电势随激励电流增大而增大，故在应用中总希望选用较大的激励电流。但激励电流增大，霍尔元件的功耗增大，元件的温度升高，从而引起霍尔电势的温漂增大，因此每种型号的元件均规定了相应的最大激励电流，它的数值从几毫安至十几毫安。,注意,以下哪一个激励电流的数值较为妥当？,5,A 0.1mA 2mA 80mA,控制电流由电压源供给，,R,W,调节控制电流的大小。,R,L,为负载电阻，可以是放大器的内阻或指示器内阻。,霍尔效应建立的时间极短（,10,-12,10,-14,S,），,I,、,即可以是直流，也可以是交流。,2,、霍尔元件基本测量电路,3,、霍尔元件的误差与补偿,产生误差的原因：,一是制作工艺、制作水平的限制。二是外界温度的影响。,不等位电势,U,0,及其补偿,B=0,，,I0,，,U,H,=U,0,0,。,U,0,为不等位电势,现象,产生原因,：,霍尔电极不位于同一等位面,材料电阻率不均匀。,控制电流端面接触不良,不等位电势可采用电桥平衡原理来补偿,霍尔元件可等效为一个四臂电桥，可在阻值较大的桥臂上并联电阻，或在两个桥臂上同时并联电阻,使,R,1,R,3,=R,2,R,4,。,使,R,1,R,3,=R,2,R,4,（,2,）,霍尔元件温度误差及补偿,温度误差产生原因,当温度变化时,霍尔元件的载流子浓度,n,、迁移率,、电阻率,及系数,K,H,都将发生变化,致使霍尔电动势变化，产生温度误差。,温度误差影响结果,宏观上,使,灵敏度系数,K,H,及霍尔元件内阻,R,i,变化。,霍尔元件的灵敏度与温度的关系为,霍尔元件的内阻与温度的关系为,恒流源供电：,B,、,I,一定，,K,Ht,变化，,UH,变化；,恒压源供电：,B,、,U,i,一定时，,R,it,变化，,I,变化，,U,H,亦变化。,补偿思想,补偿方法,采用恒流源供电和输入回路并联电阻,H,并联电阻温度补偿电路,温度 时,温度为,t,时,为了使霍尔电势不随温度而变化，必须保证,4,、霍尔元件的类型,霍尔元件有分立型和集成型两类，集成型有线性霍尔传感器和开关型霍尔传感器两种。,（,1,）线性集成霍尔传感器,是将霍尔元件、放大器、电压调整、电流放电输出极和线性度调整等部分做在一个芯片上，输出电压为伏级，比直接使用霍尔元件方便得多。,线性三端霍尔集成元件,（,2,）开关霍尔集成传感器,将霍尔元件、滞回比较器、放大输出集成在一起，构成霍尔开关集成传感器。,（,1,）当外加磁场,B,小于霍尔元件磁场的工作点,B,p,时，三极管截止，输出高电平,（,2,）当外加磁场,B,大于霍尔元件磁场的工作点,B,p,，,三极管导通，输出低电平,（,3,）此时外加磁场逐渐减弱，霍尔元件输出不能立刻变为低电平，而是经过一个回差宽度。,回差越大，抗振动干扰能力就越强。,当磁铁从远到近地接近霍尔元件，到多少特斯拉时输出翻转？当磁铁从近到远地远离霍尔,IC,，,到多少特斯拉时输出再次翻转？回差为多少特斯拉？,6,、霍尔式传感器的应用,（,1,）霍尔式位移传感器,霍尔元件右移,x0,，,合成磁感应强度,B,向上,B0,，,U,H,0,霍尔元件左移x0,，,合成磁感应强度,B,向下,B0,，,U,H,0,。,图,4-40,霍尔位移传感器电路,U,H,=K,H,IB,将霍尔元件放在均匀梯度的磁场中移动,2,、霍尔式转速传感器,n,=,60,4,(,r,/min),T,f,软铁分流翼片,开关型霍尔,IC,出去活动一下,4.4,光电池,光电池是一种直接将光能转换为电能的光电器件。光电池在有光线作用时实质就是电源，电路中有了这种器件就不需要外加电源。,4.4.1,工作原理（“光生伏特效应”）,光照射到大面积,PN,结的,P,区，当光子能量大于,P,区半导体的禁带宽度时，表面产生光生电子空穴对，由于浓度差，电子向,N,区扩散，到达,PN,结，在结电场的作用下，越过,PN,结到达,N,区，,P,区失去电子带正电荷，,N,区得到电子带负电荷。,P,N,-,-,-,-,4-42,光电池工作原理图,uA,mV,输出电流,输出电压,等效电路如图所示,4.2.2,光电池的基本特性,1,、光照特性,短路电流在很大范围内与光照强度成线性关系,光电池工作于短路电流状态，可做检测元件。,开路电压（负载电阻,R,L,无限大时）与光照度的关系是非线性的,并且当照度在,2000 lx,时趋于饱和了。光电池工作于开路电压状态，可,做开关元件,。,4-44,硅光电池在不同光照下,光照特性,从实验可知，负载电阻越小，光电流与光照强度的线性关系越好，即光照特性越好4-45,硅光电池光谱特性,2,、光谱特性,光电池对不同波长的光，其相对灵敏度是不同的。光电池的相对灵敏度与入射波长的关系称光谱特性。,3,、频率特性,4-46,硅光电池频率特性,4-47,硅光电池温度特性,4,、温度特性,+12V,J,M,J1,12V,2A,9012,51K,L,39,470uf,4001,4.4.3,光电池的应用,图,4-48,自动干手器原理图,1,、光电池在自动干手器中的应用,手,放入干手器时，手遮住灯泡发出的光，光电池不受光照，晶体管基极正偏而导通，继电器吸合。风机和电热丝通电，热风吹出烘手。手干抽出后，灯泡发出光直接照射到光电池上，产生光生电动势，使三极管基射极反偏而截止，继电器释放，从而切断风机和电热丝的电源。,光照度定义为电位面积上所接收的光的辐射能通量。单位勒克斯。,Lx(W/m,2,),图,4-49,光电式数字转速表工作原理图,2,脉冲式光电传感器,光电式转速表属于反射式光电传感器，它可以在距被测物数十毫米外非接触地测量其转速。,