工程測試技術(shù)第三章第三講.ppt

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1、上講小結(jié),電阻式傳感器,應(yīng)變式,熱電阻式,光敏電阻,磁敏電阻,氣敏電阻,變阻器式,電感式傳感器,渦流式,互感式,可變磁阻式,電容式傳感器,金屬應(yīng)變片半導(dǎo)體應(yīng)變片,熱電阻熱敏電阻,,,,,,面積變化型,介質(zhì)變化型,極距變化型,第3章 傳感器原理及應(yīng)用基礎(chǔ),半導(dǎo)體式傳感器,光電池,光敏管,PSD光傳感器,霍爾元件,數(shù)字式傳感器,光柵傳感器,固態(tài)圖像傳感器,光電開關(guān),,,其他傳感器,磁柵傳感器,感應(yīng)同步器,旋轉(zhuǎn)變壓器,脈沖編碼器,熱電偶,光纖傳感器,IP傳感器,,壓電式傳感器,磁電式傳感器,第3章 傳感器原理及應(yīng)用基礎(chǔ),第3章 傳感器原理及應(yīng)用基礎(chǔ),本講內(nèi)容,3.5 壓電式傳感器 3.6 磁電式傳感

2、器 動圈式 磁阻式 3.7 半導(dǎo)體傳感器（磁感應(yīng)式） 霍爾元件 磁阻元件 3.8 熱敏傳感器 雙金屬溫度計(jì) 熱電偶 熱敏電阻,第3章 傳感器原理及應(yīng)用基礎(chǔ),3.5、壓電式傳感器,1.變換原理:壓電效應(yīng),某些物質(zhì)，如石英，受到外力作用時，不僅幾何尺寸會發(fā)生變化，而且內(nèi)部會被極化，表面產(chǎn)生電荷；當(dāng)外力去掉時，又重新回到原來的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。,第3章 傳感器原理及應(yīng)用基礎(chǔ),1880年，法國兩位科學(xué)家居里兄弟，在研究石英品體的物理性質(zhì)時，發(fā)現(xiàn)了一種特殊的現(xiàn)象： 若按某種方位從石英晶體上切割下一塊薄晶片，在其表面敷上電極，當(dāng)沿著晶片的某些方向施加作用力而使晶片產(chǎn)生形變后，會在兩個電極表面上出

3、現(xiàn)等量的正、負(fù)電荷。電荷的面密度與施加的作用力的大小成正比。當(dāng)作用力撤除后，電荷也就消失了。 這種由于機(jī)械力的作用而使石英晶體表面出現(xiàn)電荷的現(xiàn)象，稱為正壓電效應(yīng)。利用該效應(yīng)制作傳感器。,壓電效應(yīng)的發(fā)現(xiàn),1881年，李普曼在理論上預(yù)言，由居里兄弟在實(shí)驗(yàn)上證實(shí)了另一種物理現(xiàn)象： 如果將一塊壓電晶體置于外電場中，由于電場的作用，會使壓電晶體發(fā)生形變，而形變的大小與外電場的大小成正比，當(dāng)電場撤除后，形變也消失了。 這種由于電場的作用而使壓電晶 體產(chǎn)生形變的現(xiàn)象，稱為逆壓電效應(yīng)。利用該效應(yīng)制作執(zhí)行器。,第3章 傳感器原理及應(yīng)用基礎(chǔ),連接方式,在壓電式傳感器中，壓電材料一般不僅用一片，而常常采用兩片（或是

4、兩片以上）粘結(jié)在一起，由于壓電材料的電荷是有極性的，因此接法也有兩種。 串聯(lián)方式：輸出的總電荷等于單片電荷，而輸出電壓為單片電壓的兩倍，總電容為單片電容的一半。 并聯(lián)方式：輸出電容為單片電容的兩倍，但輸出電壓等于單片電壓，極板上的電荷量為單片電荷量的兩倍。 串聯(lián)接法輸出電壓大，本身電容小，適宜用于以電壓作輸出信號、并且測量電路輸入阻抗很高的地方。 并聯(lián)接法輸出電荷大、本身電容大、時間常數(shù)大，適宜用在測量慢變信號并且以電荷作為輸出量的地方。,3.5 壓電式傳感器,2、測量電路,壓電式傳感器輸出電信號很微弱，通常應(yīng)把傳感器信號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

5、中。,關(guān)鍵是高阻抗的前置放大器！,3.5 壓電式傳感器,前置放大器,前置放大器的兩個作用： 1. 把壓電式傳感器的微弱信號放大； 2. 把傳感器的高阻抗輸出變換為低阻抗輸出。,前置放大器電路的兩種形式： 1. 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； 2. 帶電容反饋的電荷放大器，其輸出電壓與輸入電荷成正比。,電壓放大器與電荷放大器相比，電路簡單、價格使宜，但電纜分布電容對傳感器測量精度影響很大，故而在某些場合限制了其應(yīng)用。 電荷放大器電路較復(fù)雜，但電纜長度變化的影響幾乎可以忽略不計(jì)，故而電荷放大器的應(yīng)用日益增多,3.5 壓電式傳感器,電荷放大器,3.5 壓電式傳

6、感器,上式表明：在一定條件下，電荷放大器的輸出電壓與傳感器的電荷量成正比，并且與電纜分布電容無關(guān)。 采用電荷放大器時，即使連接電纜長度達(dá)百米以上時，其靈敏度也無明顯變化，這是電荷放大器突出的優(yōu)點(diǎn)。,當(dāng)KCf（Ca+Cc+Ci+Cf），放大器的輸出電壓為,,3.5 壓電式傳感器,產(chǎn)品,加速度計(jì),,力傳感器,案例：飛機(jī)模態(tài)分析,,3.5 壓電式傳感器,案例：熱軋?jiān)O(shè)備診斷,3.5 壓電式傳感器,第3章 傳感器原理及應(yīng)用基礎(chǔ),3.6、磁電式傳感器,1. 變換原理: 感應(yīng)電動勢,磁電式傳感器是把被測量的物理量轉(zhuǎn)換為感應(yīng)電動勢的一種轉(zhuǎn)換器。 對于一個匝數(shù)為W的線圈，當(dāng)穿過該線圈的磁通發(fā)生變化時感應(yīng)線圈的感

7、應(yīng)電動勢e為,磁通變化率與磁場強(qiáng)度、磁阻、線圈運(yùn)動速度有關(guān)，改變其中一個因素，都會改變感應(yīng)電動勢。,2. 分類,磁電式,動圈式,磁阻式,線速度型,角速度型,,,3.6 磁電式傳感器,動圈式傳感器,線速度型,3.6 磁電式傳感器,,,角速度型動圈式傳感器,測速電機(jī),3.6 磁電式傳感器,磁阻式傳感器,3.6 磁電式傳感器,由運(yùn)動著的物體（導(dǎo)磁材料）改變磁路的磁阻Rm，引起磁通變化，進(jìn)而產(chǎn)生感應(yīng)電動勢,,案例：鼠籠電機(jī)轉(zhuǎn)子斷細(xì)條檢測,3.6 磁電式傳感器,第3章 傳感器原理及應(yīng)用基礎(chǔ),3.7、半導(dǎo)體傳感器,霍爾元件由霍爾片、四根引線和殼體組成。,3.7 半導(dǎo)體傳感器,3.7 半導(dǎo)體傳感器,測轉(zhuǎn)角：

8、,3.7 半導(dǎo)體傳感器,電流傳感器,當(dāng)電流流過導(dǎo)線時，將在導(dǎo)線周圍產(chǎn)生磁場，磁場大小與流過導(dǎo)線的電流大小成正比，這一磁場可以通過軟磁材料來聚集，然后用霍爾器件進(jìn)行檢測。,3.7 半導(dǎo)體傳感器,鐵磁材料裂紋檢測,,3.7 半導(dǎo)體傳感器,葉片和齒輪位置傳感器,應(yīng)用,3.7 半導(dǎo)體傳感器,案例：汽車速度測量:,3.7 半導(dǎo)體傳感器,2. 磁阻元件,3.7 半導(dǎo)體傳感器,工作原理：利用半導(dǎo)體材料（磁阻元件）的磁阻效應(yīng)（高斯效應(yīng)），即改變磁場的強(qiáng)弱，將使磁阻元件沿著電流方向的電阻值發(fā)生改變。 磁阻元件可用作位移、力、加速度等參數(shù)的改變。,霍爾效應(yīng)是指垂直于電流方向產(chǎn)生橫向電壓！ 磁阻效應(yīng)是指沿電流方向發(fā)

9、生電阻值的改變！,特點(diǎn) 電阻的增量與磁場的平方成正比； 與磁場的正負(fù)無關(guān)； 溫度系數(shù)影響大； 磁感應(yīng)的范圍比霍爾元件大。,應(yīng)用 接近開關(guān)和無觸點(diǎn)開關(guān)。,3.7 半導(dǎo)體傳感器,3. 磁感應(yīng)半導(dǎo)體元件分類,霍爾元件,磁阻元件,磁敏二極管,磁晶體管,磁半導(dǎo)體開關(guān),3.7 半導(dǎo)體傳感器,檢測磁場的變化！,產(chǎn)品,3.7 半導(dǎo)體傳感器,案例：轉(zhuǎn)速測量,,3.7 半導(dǎo)體傳感器,3.8、熱敏傳感器,1. 雙金屬溫度計(jì),把兩種膨脹系數(shù)不同的金屬薄片焊接在一起制成的。它是一種固體膨脹溫度計(jì)，可將溫度變化轉(zhuǎn)換成機(jī)械量變化。,優(yōu)點(diǎn)： 結(jié)構(gòu)簡單 牢固 可靠 防爆,第3章 傳感器原理及應(yīng)用基礎(chǔ),3.8 熱敏傳感器,熒光燈

10、啟輝器,3.8 熱敏傳感器,啟輝器由玻璃管制成的輝光放電管與小電容器并聯(lián)而成。 輝光放電管內(nèi)有一個U形雙金屬片，一個固定靜止觸極電板，稱為靜觸板或靜觸極，玻璃管內(nèi)充有氖氣或氬氣，或氖氬混合的惰性氣體。,熒光燈工作原理,3.8 熱敏傳感器,高壓電極 燈絲 啟輝器 鎮(zhèn)流器,燈管啟動后，感應(yīng)電勢消失，是靠電源電壓與鎮(zhèn)流器維持燈管的正常工作(20W燈管的工作電流為0.37A, 40W為0.43A)。 啟輝器在電路中只起控制燈管預(yù)熱電流的時間和斷開電路時使鎮(zhèn)流器產(chǎn)生感應(yīng)電動勢的作用。在熒光燈正常工作時，啟輝器是停止工作的。,當(dāng)電路接通，啟輝器兩端極片得電，擊穿惰性氣體而導(dǎo)電（輝光放電過程），雙金屬片發(fā)熱

11、彎曲而與靜觸板接通形成閉合電路。 此時電流直接經(jīng)過雙金屬片與靜觸板流通，惰性氣體失去作用而不放電，雙金屬片開始冷卻，經(jīng)過18秒的時間，雙金屬片收縮回原來狀態(tài)，啟輝器停止工作。,在此瞬間，電路中電流突然中斷，使鎮(zhèn)流器兩端產(chǎn)生一個比電源電壓高得多的感應(yīng)電動勢，同時與電源電壓疊加在燈管兩端，使燈管兩端電極之間形成一個強(qiáng)電場。 燈絲陰極發(fā)射的電子，在強(qiáng)電場的作用下，引起管內(nèi)汞蒸氣電離而形成弧光放電，同時產(chǎn)生大量的紫外線激發(fā)管壁的熒光粉而發(fā)出可見光。,2. 熱電溫度計(jì)(熱電偶),熱電效應(yīng),將兩種不同材料的導(dǎo)體A和B串接成一個閉合回路，當(dāng)兩個接點(diǎn)溫度不同時，在回路中就會產(chǎn)生熱電勢，形成電流，此現(xiàn)象稱為熱電

12、效應(yīng)。,3.8 熱敏傳感器,k玻耳茲曼常數(shù)， e電子電荷量， T接觸處的溫度 NA，NB分別為導(dǎo)體A和B的自由電子密度。,接觸電動勢,溫差電動勢,,3.8 熱敏傳感器,熱電偶測溫基本定律,1)均質(zhì)導(dǎo)體定律 由一種均質(zhì)導(dǎo)體組成的閉合回路，不論導(dǎo)體的橫截面積、長度以及溫度分布如何均不產(chǎn)生熱電動勢。,2)中間導(dǎo)體定律 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)體的接入就不會影響熱電偶回路的總熱電動勢。,3.8 熱敏傳感器,3)參考電極定律 兩種導(dǎo)體A,B分別與參考電極C組成熱電偶，如果他們所產(chǎn)生的熱電動勢為已知，A和B兩極配對后的熱電動勢可用下式求得：,由于鉑的物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、人們多采用鉑作為參考電極。,3.8 熱敏傳感器,3.8 熱敏傳感器,3.8 熱敏傳感器,3熱敏電阻傳感器,半導(dǎo)體熱敏電阻的材料是一種由錳、鎳、銅、鉆、鐵等金屬氧化物按一定比例混合燒結(jié)而成的半導(dǎo)體，它具有負(fù)的電阻溫度系數(shù)，隨溫度上升而阻值下降。,3.8 熱敏傳感器,3.8 熱敏傳感器,3.8 熱敏傳感器,產(chǎn)品,3.8 熱敏傳感器,溫控器,應(yīng)用,汽車發(fā)動機(jī)傳感器,水溫感應(yīng)塞,還廣泛應(yīng)用于空調(diào)、暖氣、電子體溫計(jì)等,3.8 熱敏傳感器,作業(yè)：,P187 第3章第30題,