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华 中 科 技 大 学 机 械 学 院 1 上 讲 小 结电 阻 式 传 感 器 应 变 式热 电 阻 式光 敏 电 阻磁 敏 电 阻气 敏 电 阻变 阻 器 式电 感 式 传 感 器 涡 流 式互 感 式可 变 磁 阻 式电 容 式 传 感 器 金 属 应 变 片 半 导 体 应 变 片热 电 阻 热 敏 电 阻 面 积 变 化 型介 质 变 化 型极 距 变 化 型 第 3章 传 感 器 原 理 及 应 用 基 础 华 中 科 技 大 学 机 械 学 院 2 半 导 体 式 传 感 器 光 电 池光 敏 管PSD光 传 感 器霍 尔 元 件数 字 式 传 感 器 光 栅 传 感 器固 态 图 像 传 感 器光 电 开 关其 他 传 感 器 磁 栅 传 感 器感 应 同 步 器旋 转 变 压 器脉 冲 编 码 器热 电 偶光 纤 传 感 器IP传 感 器压 电 式 传 感 器磁 电 式 传 感 器第 3章 传 感 器 原 理 及 应 用 基 础 华 中 科 技 大 学 机 械 学 院 3 第 3章 传 感 器 原 理 及 应 用 基 础本 讲 内 容3.5 压 电 式 传 感 器3.6 磁 电 式 传 感 器动 圈 式磁 阻 式3.7 半 导 体 传 感 器 （ 磁 感 应 式 ）霍 尔 元 件磁 阻 元 件3.8 热 敏 传 感 器双 金 属 温 度 计热 电 偶热 敏 电 阻 华 中 科 技 大 学 机 械 学 院 4 第 3章 传 感 器 原 理 及 应 用 基 础3.5、 压 电 式 传 感 器 1.变 换 原 理 :压 电 效 应 + 并 联+ 串 联 某 些 物 质 ， 如 石 英 ， 受 到 外 力 作 用 时 ， 不 仅 几何 尺 寸 会 发 生 变 化 ， 而 且 内 部 会 被 极 化 ， 表 面 产 生电 荷 ； 当 外 力 去 掉 时 ， 又 重 新 回 到 原 来 的 状 态 ， 这种 现 象 称 为 压 电 效 应 。F+ q=DF 华 中 科 技 大 学 机 械 学 院 5 第 3章 传 感 器 原 理 及 应 用 基 础 1880年 ， 法 国 两 位 科 学 家 居 里 兄 弟 ， 在 研 究 石 英 品 体 的 物 理 性 质 时 ， 发现 了 一 种 特 殊 的 现 象 ： 若 按 某 种 方 位 从 石 英 晶 体 上 切 割 下 一 块 薄 晶 片 ， 在 其 表 面 敷 上 电 极 ， 当 沿着 晶 片 的 某 些 方 向 施 加 作 用 力 而 使 晶 片 产 生 形 变 后 ， 会 在 两 个 电 极 表 面 上 出 现等 量 的 正 、 负 电 荷 。 电 荷 的 面 密 度 与 施 加 的 作 用 力 的 大 小 成 正 比 。 当 作 用 力 撤除 后 ， 电 荷 也 就 消 失 了 。 这 种 由 于 机 械 力 的 作 用 而 使 石 英 晶 体 表 面 出 现 电 荷 的 现 象 ， 称 为 正 压 电 效应 。 利 用 该 效 应 制 作 传 感 器 。 压 电 效 应 的 发 现 1881年 ， 李 普 曼 在 理 论 上 预 言 ， 由 居 里 兄 弟 在 实 验 上 证 实 了 另 一 种 物 理 现 象 ： 如 果 将 一 块 压 电 晶 体 置 于 外 电 场 中 ， 由 于 电 场 的 作 用 ， 会 使 压 电 晶 体 发 生形 变 ， 而 形 变 的 大 小 与 外 电 场 的 大 小 成 正 比 ， 当 电 场 撤 除 后 ， 形 变 也 消 失 了 。 这 种 由 于 电 场 的 作 用 而 使 压 电 晶 体 产 生 形 变 的 现 象 ， 称 为 逆 压 电 效 应 。利 用 该 效 应 制 作 执 行 器 。 华 中 科 技 大 学 机 械 学 院 6 第 3章 传 感 器 原 理 及 应 用 基 础连 接 方 式 在 压 电 式 传 感 器 中 ， 压 电 材 料 一 般 不 仅 用 一 片 ， 而 常 常 采 用 两 片 （ 或 是 两 片以 上 ） 粘 结 在 一 起 ， 由 于 压 电 材 料 的 电 荷 是 有 极 性 的 ， 因 此 接 法 也 有 两 种 。 串 联 方 式 ： 输 出 的 总 电 荷 等 于 单 片 电 荷 ， 而 输 出 电 压 为 单 片 电 压 的 两 倍 ， 总电 容 为 单 片 电 容 的 一 半 。 并 联 方 式 ： 输 出 电 容 为 单 片 电 容 的 两 倍 ， 但 输 出 电 压 等 于 单 片 电 压 ， 极 板 上的 电 荷 量 为 单 片 电 荷 量 的 两 倍 。 串 联 接 法 输 出 电 压 大 ， 本 身 电 容 小 ， 适 宜 用 于 以 电 压 作 输 出 信 号 、 并 且 测 量电 路 输 入 阻 抗 很 高 的 地 方 。 并 联 接 法 输 出 电 荷 大 、 本 身 电 容 大 、 时 间 常 数 大 ， 适 宜 用 在 测 量 慢 变 信 号 并且 以 电 荷 作 为 输 出 量 的 地 方 。 +并 联+ 串 联F+ q=DF 华 中 科 技 大 学 机 械 学 院 7 3.5 压 电 式 传 感 器 2、 测 量 电 路 压 电 式 传 感 器 输 出 电 信 号 很 微 弱 ， 通 常 应 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 变 换 后 ， 方 可 输 入 到 后 续 显 示 仪 表 中 。 关 键 是 高 阻 抗 的 前 置 放 大 器 ！ 华 中 科 技 大 学 机 械 学 院 8 3.5 压 电 式 传 感 器 前 置 放 大 器前 置 放 大 器 的 两 个 作 用 ： 1. 把 压 电 式 传 感 器 的 微 弱 信 号 放 大 ； 2. 把 传 感 器 的 高 阻 抗 输 出 变 换 为 低 阻 抗 输 出 。前 置 放 大 器 电 路 的 两 种 形 式 ： 1. 用 电 阻 反 馈 的 电 压 放 大 器 ， 其 输 出 电 压 与 输 入 电 压 (即 传 感 器 的输 出 )成 正 比 ； 2. 带 电 容 反 馈 的 电 荷 放 大 器 ， 其 输 出 电 压 与 输 入 电 荷 成 正 比 。 电 压 放 大 器 与 电 荷 放 大 器 相 比 ， 电 路 简 单 、 价 格 使 宜 ， 但 电 缆 分 布 电 容 对 传 感 器 测 量 精 度 影 响 很 大 ， 故 而 在 某 些 场 合 限 制 了 其 应 用 。 电 荷 放 大 器 电 路 较 复 杂 ， 但 电 缆 长 度 变 化 的 影 响 几 乎 可 以 忽 略 不计 ， 故 而 电 荷 放 大 器 的 应 用 日 益 增 多 华 中 科 技 大 学 机 械 学 院 9 3.5 压 电 式 传 感 器 电 荷 放 大 器 ( )f fy i a c iKqe Ke C C C C KC ( ) ( ) fi i yq e Ca Cc Ci e e C 华 中 科 技 大 学 机 械 学 院 10 3.5 压 电 式 传 感 器 上 式 表 明 ： 在 一 定 条 件 下 ， 电 荷 放 大 器 的 输 出 电 压 与 传 感 器 的 电荷 量 成 正 比 ， 并 且 与 电 缆 分 布 电 容 无 关 。 采 用 电 荷 放 大 器 时 ， 即 使 连 接 电 缆 长 度 达 百 米 以 上 时 ， 其 灵 敏 度也 无 明 显 变 化 ， 这 是 电 荷 放 大 器 突 出 的 优 点 。当 K Cf（ Ca+Cc+Ci+Cf） ， 放 大 器 的 输 出 电 压 为y fqe C 华 中 科 技 大 学 机 械 学 院 11 3.5 压 电 式 传 感 器 产 品 加 速 度 计力 传 感 器 华 中 科 技 大 学 机 械 学 院 12 案 例 ： 飞 机 模 态 分 析3.5 压 电 式 传 感 器 华 中 科 技 大 学 机 械 学 院 13 案 例 ： 热 轧 设 备 诊 断3.5 压 电 式 传 感 器 华 中 科 技 大 学 机 械 学 院 14 第 3章 传 感 器 原 理 及 应 用 基 础3.6、 磁 电 式 传 感 器 1. 变 换 原 理 : 感 应 电 动 势 磁 电 式 传 感 器 是 把 被 测 量 的 物 理 量 转 换 为 感 应电 动 势 的 一 种 转 换 器 。 对 于 一 个 匝 数 为 W的 线 圈 ， 当 穿 过 该 线 圈 的 磁通 发 生 变 化 时 感 应 线 圈 的 感 应 电 动 势 e为 dtdWe 磁 通 变 化 率 与 磁 场 强 度 、 磁 阻 、 线 圈 运 动 速 度 有关 ， 改 变 其 中 一 个 因 素 ， 都 会 改 变 感 应 电 动 势 。 ),( vRB mdtd 华 中 科 技 大 学 机 械 学 院 15 2. 分 类 磁电式 动 圈 式磁 阻 式 线 速 度 型角 速 度 型 N 3.6 磁 电 式 传 感 器 ),( vRB mdtd 华 中 科 技 大 学 机 械 学 院 16 动 圈 式 传 感 器 线 速 度 型3.6 磁 电 式 传 感 器 sinWBlve 华 中 科 技 大 学 机 械 学 院 17 角 速 度 型 动 圈 式 传 感 器 测 速 电 机3.6 磁 电 式 传 感 器 华 中 科 技 大 学 机 械 学 院 18 磁 阻 式 传 感 器 磁 电 式 车 速 传 感 器3.6 磁 电 式 传 感 器 由 运 动 着 的 物 体 （ 导 磁 材 料 ）改 变 磁 路 的 磁 阻 Rm， 引 起 磁通 变 化 ， 进 而 产 生 感 应 电 动势 华 中 科 技 大 学 机 械 学 院 19 NS案 例 ： 鼠 笼 电 机 转 子 断 细 条 检 测3.6 磁 电 式 传 感 器 华 中 科 技 大 学 机 械 学 院 20 第 3章 传 感 器 原 理 及 应 用 基 础3.7、 半 导 体 传 感 器 sinIBKV HH 金 属 或 半 导 体 薄 片 置 于 磁 场 中 ， 当 有 电 流流 过 时 ， 在 垂 直 于 电 流 和 磁 场 的 方 向 上 将 产 生电 动 势 ， 这 种 物 理 现 象 称 为 霍 尔 效 应 。 1. 霍 尔 元 件 华 中 科 技 大 学 机 械 学 院 21 霍 尔 元 件 由 霍 尔 片 、 四 根 引 线 和 壳 体 组 成 。 3.7 半 导 体 传 感 器 华 中 科 技 大 学 机 械 学 院 22 3.7 半 导 体 传 感 器 华 中 科 技 大 学 机 械 学 院 23 测 转 角 ：3.7 半 导 体 传 感 器 华 中 科 技 大 学 机 械 学 院 24 电 流 传 感 器 当 电 流 流 过 导 线 时 ， 将 在 导 线 周 围 产 生 磁 场 ，磁 场 大 小 与 流 过 导 线 的 电 流 大 小 成 正 比 ， 这 一 磁 场可 以 通 过 软 磁 材 料 来 聚 集 ， 然 后 用 霍 尔 器 件 进 行 检测 。 3.7 半 导 体 传 感 器 华 中 科 技 大 学 机 械 学 院 25 铁 磁 材 料 裂 纹 检 测 N S3.7 半 导 体 传 感 器 华 中 科 技 大 学 机 械 学 院 26叶 片 和 齿 轮 位 置 传 感 器 应 用 3.7 半 导 体 传 感 器 华 中 科 技 大 学 机 械 学 院 27 案 例 ： 汽 车 速 度 测 量 :3.7 半 导 体 传 感 器 华 中 科 技 大 学 机 械 学 院 28 2. 磁 阻 元 件3.7 半 导 体 传 感 器工 作 原 理 ： 利 用 半 导 体 材 料 （ 磁 阻 元 件 ） 的 磁 阻 效 应（ 高 斯 效 应 ） ， 即 改 变 磁 场 的 强 弱 ， 将 使 磁 阻 元 件 沿 着电 流 方 向 的 电 阻 值 发 生 改 变 。磁 阻 元 件 可 用 作 位 移 、 力 、 加 速 度 等 参 数 的 改 变 。霍 尔 效 应 是 指 垂 直 于 电 流 方 向 产 生 横 向 电 压 ！磁 阻 效 应 是 指 沿 电 流 方 向 发 生 电 阻 值 的 改 变 ！ 华 中 科 技 大 学 机 械 学 院 29 特 点 电 阻 的 增 量 与 磁 场 的 平 方 成 正 比 ； 与 磁 场 的 正 负 无 关 ； 温 度 系 数 影 响 大 ； 磁 感 应 的 范 围 比 霍 尔 元 件 大 。应 用 接 近 开 关 和 无 触 点 开 关 。3.7 半 导 体 传 感 器 华 中 科 技 大 学 机 械 学 院 30 3. 磁 感 应 半 导 体 元 件 分 类霍 尔 元 件磁 阻 元 件磁 敏 二 极 管磁 晶 体 管磁 半 导 体 开 关3.7 半 导 体 传 感 器检 测 磁 场 的 变 化 ！ 华 中 科 技 大 学 机 械 学 院 31 产 品3.7 半 导 体 传 感 器 华 中 科 技 大 学 机 械 学 院 32 案 例 ： 转 速 测 量3.7 半 导 体 传 感 器 华 中 科 技 大 学 机 械 学 院 33 3.8、 热 敏 传 感 器 1. 双 金 属 温 度 计 把 两 种 膨 胀 系 数 不 同 的 金 属 薄 片 焊 接 在 一 起制 成 的 。 它 是 一 种 固 体 膨 胀 温 度 计 ， 可 将 温 度 变化 转 换 成 机 械 量 变 化 。 优 点 ：结 构 简 单牢 固可 靠防 爆 第 3章 传 感 器 原 理 及 应 用 基 础 华 中 科 技 大 学 机 械 学 院 34 3.8 热 敏 传 感 器 华 中 科 技 大 学 机 械 学 院 35 荧 光 灯 启 辉 器3.8 热 敏 传 感 器启 辉 器 由 玻 璃 管 制 成 的 辉 光 放 电 管 与 小 电 容 器 并 联 而 成 。辉 光 放 电 管 内 有 一 个 U形 双 金 属 片 ， 一 个 固 定 静 止 触 极 电 板 ， 称 为 静触 板 或 静 触 极 ， 玻 璃 管 内 充 有 氖 气 或 氩 气 ， 或 氖 氩 混 合 的 惰 性 气 体 。 华 中 科 技 大 学 机 械 学 院 36 荧 光 灯 工 作 原 理3.8 热 敏 传 感 器 高 压 电 极灯 丝启 辉 器镇 流 器 灯 管 启 动 后 ， 感 应 电 势 消 失 ， 是 靠 电 源 电 压 与 镇 流 器 维 持 灯 管 的 正 常 工 作 (20W灯 管 的 工 作 电 流 为 0.37A, 40W为 0.43A)。启 辉 器 在 电 路 中 只 起 控 制 灯 管 预 热 电 流 的 时 间 和 断 开 电 路 时 使 镇 流 器 产 生 感 应 电动 势 的 作 用 。 在 荧 光 灯 正 常 工 作 时 ， 启 辉 器 是 停 止 工 作 的 。当 电 路 接 通 ， 启 辉 器 两 端 极 片 得 电 ， 击 穿 惰 性 气 体 而 导 电 （ 辉 光 放 电 过 程 ） ， 双金 属 片 发 热 弯 曲 而 与 静 触 板 接 通 形 成 闭 合 电 路 。此 时 电 流 直 接 经 过 双 金 属 片 与 静 触 板 流 通 ， 惰 性 气 体 失 去 作 用 而 不 放 电 ， 双 金 属片 开 始 冷 却 ， 经 过 1 8秒 的 时 间 ， 双 金 属 片 收 缩 回 原 来 状 态 ， 启 辉 器 停 止 工 作 。在 此 瞬 间 ， 电 路 中 电 流 突 然 中 断 ， 使 镇 流 器 两 端 产 生 一 个 比 电 源 电 压 高 得 多 的 感应 电 动 势 ， 同 时 与 电 源 电 压 叠 加 在 灯 管 两 端 ， 使 灯 管 两 端 电 极 之 间 形 成 一 个 强 电场 。灯 丝 阴 极 发 射 的 电 子 ， 在 强 电 场 的 作 用 下 ， 引 起 管 内 汞 蒸 气 电 离 而 形 成 弧 光 放 电 ，同 时 产 生 大 量 的 紫 外 线 激 发 管 壁 的 荧 光 粉 而 发 出 可 见 光 。 华 中 科 技 大 学 机 械 学 院 37 2. 热 电 温 度 计 (热 电 偶 ) 热 电 效 应 将 两 种 不 同 材 料 的 导 体 A和 B串 接 成 一 个 闭 合回 路 ， 当 两 个 接 点 温 度 不 同 时 ， 在 回 路 中 就 会 产生 热 电 势 ， 形 成 电 流 ， 此 现 象 称 为 热 电 效 应 。3.8 热 敏 传 感 器 华 中 科 技 大 学 机 械 学 院 38 BAAB NNekTTE ln)( ABT T0k玻 耳 兹 曼 常 数 ，e电 子 电 荷 量 ，T接 触 处 的 温 度NA， NB分 别 为 导 体 A和 B的 自 由 电 子 密 度 。 BAAB NNekTTE ln)( 00 接 触 电 动 势 温 差 电 动 势 3.8 热 敏 传 感 器 华 中 科 技 大 学 机 械 学 院 39 热 电 偶 测 温 基 本 定 律1)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 。 T T02)中 间 导 体 定 律 在 热 电 偶 回 路 中 接 入 第 三 种 材 料 的 导 体 ， 只要 其 两 端 的 温 度 相 等 ， 该 导 体 的 接 入 就 不 会 影 响热 电 偶 回 路 的 总 热 电 动 势 。T T0 V3.8 热 敏 传 感 器 华 中 科 技 大 学 机 械 学 院 40 3)参 考 电 极 定 律 两 种 导 体 A,B分 别 与 参 考 电 极 C组 成 热 电 偶 ， 如果 他 们 所 产 生 的 热 电 动 势 为 已 知 ， A和 B两 极 配 对 后的 热 电 动 势 可 用 下 式 求 得 ： ),(),(),( 000 TTETTETTE CBACAB ABT T0= ACT T0 CBT T 0由 于 铂 的 物 理 化 学 性 质 稳 定 、 人 们 多 采 用 铂 作 为 参 考 电 极 。 3.8 热 敏 传 感 器 华 中 科 技 大 学 机 械 学 院 41 3.8 热 敏 传 感 器 华 中 科 技 大 学 机 械 学 院 42 3.8 热 敏 传 感 器 华 中 科 技 大 学 机 械 学 院 43 3 热 敏 电 阻 传 感 器 半 导 体 热 敏 电 阻 的 材 料 是 一 种 由 锰 、 镍 、 铜 、钻 、 铁 等 金 属 氧 化 物 按 一 定 比 例 混 合 烧 结 而 成 的 半导 体 ， 它 具 有 负 的 电 阻 温 度 系 数 ， 随 温 度 上 升 而 阻值 下 降 。 )11(0 0TTeRR R T 3.8 热 敏 传 感 器 华 中 科 技 大 学 机 械 学 院 44 3.8 热 敏 传 感 器 华 中 科 技 大 学 机 械 学 院 45 3.8 热 敏 传 感 器 华 中 科 技 大 学 机 械 学 院 46 产 品3.8 热 敏 传 感 器 华 中 科 技 大 学 机 械 学 院 47 温 控 器应 用 汽 车 发 动 机 传 感 器 水 温 感 应 塞还 广 泛 应 用 于 空 调 、 暖 气 、 电 子 体 温 计 等3.8 热 敏 传 感 器 华 中 科 技 大 学 机 械 学 院 48 作 业 ： P187 第 3章 第 30题
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