机械工程测试技术基础3-4

上海大学机自学院,第三章、常用传感器,3.7,磁敏元件传感器,利用半导体材料的磁敏特性来工作的传感器。,磁敏半导体元件分类,霍尔元件,磁电阻元件,磁敏二极管,磁晶体管,磁半导体开关,第三章、常用传感器,3.7,磁敏元件传感器,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,如图所示，如果在,a,、,b,端通以电流,I,，在,c,、,d,端就会出线电位差，称为霍尔电动势,V,H,K,H,：霍尔常数,B,：磁场强度,：电流与,磁场的夹角,I,：通电电流,霍尔效应产生的机理：,运动电荷受磁场中洛伦兹力作用的结果,霍尔元件：霍尔效应传感器,改变,B,或,I,，或者两者同时改变，就可以改变,V,H,值。运用这一变换特性，就可以把与,B,或,I,有关的被测参数转换为电压量的变化。,霍尔元件由霍尔片、四根引线和壳体组成，如图示。,3.7,磁敏元件传感器,a,、,b,两根引线，称为控制电流端引线，通常用红色导线，其焊接处称为控制电极；在它的另两侧端面的中间以点的形式对称地焊有,c,、,d,两根霍尔输出引线，通常用绿色导线，其焊接处称为霍尔电极。霍尔元件的壳体是用非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装。霍尔元件在电路中可用图,(c),的两种符号表示。,霍尔元件的基本测量电路,激励电流由电源,E,供给，可变电阻,R,P,用来调节激励电流,I,的大小。,R,L,为输出霍尔电势,U,H,的负载电阻，该电阻通常是显示仪表、记录装置或放大器的输入阻抗。,霍尔元件的应用：,霍尔传感器最直接的应用是用来测量磁场强度，此外还可间接用来测量产生或影响磁场的物理量，如力、位移、速度、加速度等参量。,位置测量,转速测量,电流测量,无损检测,3.7,磁敏元件传感器,位置测量：,包括线位移和角度,将霍尔元件置于两个相邻而方向相反的磁场内，由于每点磁感应强度,B,值不同，当元件沿,X,方向移动时，可由霍尔电动势的变化反映出位移量。,基于位移的测量，霍尔元件还可以应用于微压、压差、高度、液位、速度、加速度、和振动的测量,基于位移的测量，霍尔元件还可以应用于微压、压差、高度、液位、速度、加速度、和振动的测量,测转角：,3.7,磁敏元件传感器,叶片和齿轮位置传感器,应用,3.7,磁敏元件传感器,案例：,汽车速度测量,:,3.7,磁敏元件传感器,当齿轮转动时，齿轮的齿将改变所产生的磁场，从而使霍尔电势产生周期性的变化。,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。,被测电流,i,线圈,B ,3.7,磁敏元件传感器,i,电流传感器,3.7,磁敏元件传感器,无损检测：,钢丝绳断丝检测,当钢丝绳有断丝时，影响永久磁铁所产生的磁场，出现漏磁场。霍尔元件通过此漏磁场，获得一个脉动电压信号。,脉动电压信号的强弱和位置，通过计算分析，识别出断丝根数和断口位置,铁磁材料裂纹检测,N,S,3.7,磁敏元件传感器,3.8,热敏传感器,3.8,热敏传感器,温度是表征物体冷热程度的物理量，是国际单位制七个基本量之一。,机械工程中关于温度的研究测量，对于提高产品质量、生产率以及实验自动化等都具有重要意义。,温度测量方法：接触式、非接触式,接触式：膨胀式温度计、电阻温度计、热电偶,非接触式：辐射温度计、热电探测器等,3.8,热敏传感器,1.,膨胀式温度计,利用液体或固体热胀冷缩的性质而制成的温度计，常的有水银、双金属片等几种类型,材料热胀冷缩量：,L=L t ,L,：原始尺寸（体积或长度）,：体积或线,胀系数,t,：温度变化,水银温度计,标定,:,L t,3.8,热敏传感器,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。,L,A,=L t ,A,L,B,=L t ,B,A,B,t L,A,L,B,弯曲,x,弯曲,x,反映,t,变化,灵敏度取决于,A,、,B,的差，黄铜,=22.8,10,-6,镍铜,=1.5,10,-6,3.8,热敏传感器,双金属温度计,优点：,结构简单,牢固,可靠,防爆,双金属温度计应用,:,自动感温信号装置,E,绝缘,双金属感温元件,固体温度表,2.,热电阻,热电阻通常用金属材料制成，故也称金属热电阻。,大多数金属的电阻随温度的升高而增加。其原因是：温度增加时，自由电子的动能增加，这样改变了自由电子的运动方式，使之形成定向运动所需要的能量就增加。这反映在电阻上，阻值就会增加，一般可以描述为：,R,t,温度,t,时的电阻值（,）,R,0,温度,t,0,时的电阻值（,）,热电阻的电阻温度系数（,1/,C,）,金属热电阻的灵敏度为,金属的电阻温度系数,一般在（,0.3%,0.6%,）,/,C,之间。且对绝大多数金属来说,并不一定是一个常数，它随温度的变化而变化，只能在一定温度范围内将其看成是一个常数。,常用的金属热电阻有：铂热电阻、铜热电阻等,铂的电阻,-,温度关系在一个很广的范围内（,-263,C,+,545,C,）保持良好线性。因此铂热电阻是最佳热电阻。室温下铂热电阻能检测到,10,-4,C,量级的温度变化。,铂热电阻结构图：它由铜铆钉、铂热电阻线、云母支架和银导线等构成。为了改善热传导，将铜制薄片与两侧云母片和盖片铆在一起，并用银丝做成引出线。,3,，,热敏电阻,热敏电阻一般由半导体材料制成，它是利用半导体材料的电阻率随温度变化而发生变化的性质制成的温度敏感元件。,三种类型,1,，负温度系数热敏电阻,NTC,2,，正温度系统热敏电阻,PTC,3,，某一特定温度下电阻值发生变化的临界温度电阻器,CTR,半导体热敏电阻元件能做得很小。几种典型形式：,其中微珠式的热敏电阻其珠头直径可做到小于,0.1mm,，因而可测量微小区域的温度，且响应时间短。大多数场合需要在外面包一层薄的玻璃、陶瓷或钢的外壳，并保证最小的热传递误差。,3.8,热敏传感器,3.8,热敏传感器,产品,温控器,3.8,热敏传感器,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,4.,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,材料,热电系数,（,V/ C,）,铁,康铜,54,钴,康铜,39,半导体,P,型,N,型 较大（比金属大几百倍）,通常,T,0,端称为参考端或冷端；,T,端称为测量端或热端。,热电偶的工作机理建立在导体的热电效应上。,热电效应：,帕尔贴效应,汤姆逊效应,1),帕尔贴效应,当,A,、,B,两种不同材料的导体相互紧密地连接在一起时，由于导体中都有大量自由电子，而且不同导体材料的自由电子的浓度不同（假设导体,A,的自由电子浓度大于导体,B,的自由电子浓度），那么在单位时间内，由导体,A,扩散到导体,B,的电子数要比由导体,B,扩散到导体,A,的电子数多。这时导体,A,失去电子而带正电，导体,B,因得到电子而带负电，于是在接触处便形成了电位差。该电位差称为接触电势（即,帕尔贴热电势,）。这一电势将阻碍扩散运动，并最终达到平衡，接触电势到达一个稳态值，即,由物理学知，两导体两端接触电势：,式中：,k,玻尔兹曼常数，,k=1.381,10-23J/K,e,电子电荷量，,e=1.602,10-19C,T,结点处的绝对温度（,K,）,n,A,(T,),、,n,B,(T,),材料,A,、,B,在温度,T,时的自由电子浓度。,可见，接触电势的大小与两导体材料的性质和接触点的温度有关，一般该接触电势的数量级约为,0.001,0.01V,。,2),汤姆逊效应,对于单一均质导体,A,，当其两端的温度不同时（假设一端温度为,T,，另一端温度为,T,0,，且,T T,0,）,由于温度较高的一端,(T,端,),的电子能量高于温度较低的一端,(T,0,端,),的电子能量,因此产生了电子扩散,形成了温差电势,称为单一导体的温差热电势,(,即,汤姆逊热电势,),。该电势形成的电场将阻碍扩散运动的进行，并最终达到动平衡，温差热电势达到一个稳态值。温差热电势的大小与导体材料的性质和导体两端的温度有关，其数量级约为,10,-5,V,。,由物理学可知，导体,A,的温差热电势为,式中,A,材料,A,的汤姆逊系数（,V/K,），表示单一导体两端温度为,1,C,时所产生的温差热电势。,热电偶的工作机理,:,A,、,B,两种不同导体材料两端相互紧密地连接在一起，组成一个闭合回路，构成一个,热电偶,。当两结点温度不等（,TT,0,）时，回路中就会产生电势，从而形成电流，这就是热电偶的工作机理。通常,T,0,端称为参考端或冷端；,T,端称为测量端或热端。,热电耦的原理结构及热电势示意图,上图中热电偶的总接触热电势（帕尔贴热电势）为：,总温差热电势（汤姆逊热电势）为：,热电偶总的热电势为：,上式表明热电偶产生热电势的条件是：,（,1,）必须采用两种不同材料作为热电极；,（,2,）热电偶的热端和冷端必须具有不同的温度。,这是因为如果构成热电偶的两个热电极材料相同，则帕尔贴热电势为零，即使两结点温度不同，由于两支路的汤姆逊热电势相互抵消，热电偶回路内总的热电势也为零。另一方面，如果热电偶两个结点温度相等（,T=T,0,），则汤姆逊热电势为零，尽管两导体材料不同，由于两端的帕尔贴热电势相互抵消，热电偶回路内总的热电势也为零。,上述两条件必须同时满足,热电偶两种不同导体的材料确定后，回路的热电势就是两个结点温度函数之差，即：,当参考端温度,T,0,保持固定时，,f(T,0,),是常数。,热电势就是测量端温度,T,的单值函数，,即,实用中，测出总热电势后，通常不是利用公式计算，而是用查热电偶分度表来确定被测温度。,分度表是将参考端,(,冷端,),温度保持为,0,C,，通过实验建立起来的热电势与温度之间的数值对应关系。如,:,热电势,(,mv,),温度,(,C),12.8,3.5,13.0,4.5,13.2,5.0,13.4,5.5,13.6,6.0,.,.,某热电偶分度表,热电偶测温完全是建立在利用实验热特性和一些基本热电定律基础上的。,热电偶测温基本定律主要有,:,（,1,）中间温度定律,（,2,）中间导体定律,（,3,）标准电极定律,（,1,）中间温度定律：热电偶,AB,的热电势仅取决于热电偶的材料和两个结点的温度，而与温度沿热电极的分布以及热电极的参数和形式无关。,热电偶,AB,两结点的温度分别为,T,和,T,0,，则所产生的热电势等于热电偶,AB,两结点温度为,T,和,T,c,与热电偶,AB,两结点温度为,T,c,和,T,0,时所产生的热电偶的代数和，用公式表示为：,中间温度定律为制定热电偶分度表奠定了理论基础。根据中间温度定律，只需列出参考端温度为,0,C,时，各工作端温度与热电势的关系表。当参考端温度不是,0,C,时，所产生的热电势就可按上式计算。,例：某热电偶当参考端温度为,5,C,时，测得热电势为,20.5mV,查表计算热端温度。,T,c,=5,C ,查表得,E,AB,(T,c,T,0,)=13.2mV,E,AB,(T,T,0,)=20.5+13.2=33.7,，查表得,T=16.3,C,（,2,）中间导体定律：在热电偶,AB,回路中，只要接入的第三导线两端温度相同，则对回路的总热电势没有影响。,中间导体定律告诉我们在热电偶测温过程中，在回路中引入测量导线和仪表并不会影响热电势的测量。,（,3,）标准电极定律：当热电偶回路的两个结点温度为,T,和,T,0,时，用导体,AB,组成的热电偶的热电势等于热电偶,AC,和热电偶,CB,的热电势的代数和。,标准电极,C,通常采用纯铂丝制成，因为铂的物理、化学性能稳定，易提纯，熔点高。如果已求出各种热电极对铂极的热电势，就可以用标准电极定律，求出其中任意两种材料配成热电偶后的热电势值，从而大大简化了热电偶的选配工作。,热电偶的误差及补偿措施,只有当热电极材料一定，自由端温度,T,0,恒定，热电势才是其工作端温度,T,的函数。另外，热电偶分度表给出的热电势与测量端温度关系也是基于参考端为,0,C,恒稳。实际应用中，参考端的温度随环境而改变，就会带来测量误差。常采用以下几种补偿方法：,（,1,）,0,C,恒温法,即将自由端置于冰和水混合的恒温容器中。将测得的热电势值对照相应的分度表,即可得准确的温度值。但这一方法使用不便，只适用于实验室中。,冰点槽示意图,（,2,）计算修正法,实际使用中，若热电偶冷端保持,0,C,恒温有困难，可将其保持在某一恒定温度（如置于恒温箱内）。此时，可采用冷端温度修正法。,由冷端温度,T,C,0,C,而引入的,误差值,是一个常数，而且可在分度表上查得其电势值。根据中间温度定律：,将测得电势值,加上查得电势值,就可以得到冷端,T,0,=0,C,时的热电势,再查分度表，即可得到被测温度值。,例,（,3,）电桥补偿法,测温时若保持冷端为某一恒温也有困难，则可采用电桥补偿法。,三个桥臂,R,1,、,R,2,、,R,3,用温度系数近于零的锰铜绕制，且,R,1,=R,2,=R,3,；另一桥臂为补偿臂，用铜线绕制。 选取合适的,R,Cu,，使初始时电桥平衡。 当冷端温度受环境影响变化，例如升高，则补偿桥臂,R,Cu,阻值相应增大，电桥输出,U,ab,也增大；同时，由于冷端温度升高，故热电偶热电势减小。若两者能相互抵消，则总输出值就不随冷端温度的变化而变化。,（,4,）延引热电极法,当热电偶冷端离热源较近，受其影响使冷端温度变化很大时，直接采用冷端温度补偿将很困难，此时可采用延引热电极的方法。将热电偶输出的电势传输到,10m,以外的显示仪表上，即将冷端移至温度变化比较平缓的环境中，再用上述方法进行补偿。,热电偶串、并联,把几个相同型号的热电偶的同性电极参考端并联在一起，而各个热电偶的测量结处于不同温度下，其输出电动势为各热电偶电动势的平均值。所以这种并联热电偶可用于测量平均温度。,并联热电偶,把几个相同型号的热电偶串联在一起，又称,热电堆,。所有测量端处于同一温度,T,之下，所有连接点处于另一温度,T,0,之下，输出电动势是每个热电动势之和。,串联热电偶,3.8,热敏传感器,3.8,热敏传感器,第三章、传感器测量原理,5,、热辐射温度计,(,非接触式,),绝对零度以上的物体都有辐射，其强度依赖于物体温度,(K),，,根据普朗克辐射定律有以下表达式：,第三章、传感器测量原理,应用：,冶金、轧制、磨削加工以及各种热加工过程中都涉及到动态温度场的检测问题,。,3.14,其它类型的传感器,第三章 常用传感器,3.9,气敏传感器,气体与人类日常生活密切相关，对气体的检测已经是保护和改善生态居住环境不可缺少手段，气敏传感器发挥着极其重要的作用。,如生活环境中一氧化碳浓度达,0.8,1.15 ml/L,时，就会出现呼吸急促，脉搏加快，甚至晕厥。还有易燃、易爆气体、酒精等的探测。,烟雾报警器,酒精传感器,二氧化碳传感器,3.9,气敏电阻传感器,气敏电阻传感器是利用气敏半导体材料，如氧化锡,、,氧化锰。当它们吸收了气体烟雾，如一氧化碳、醇等时，,电阻发生变化,。,从而使气敏元件电阻值随被测气体的浓度改变而变化。,工作机理解释：当半导体气敏元件表面吸附气体分子时，由于两者互相接受电子的能力不同，产生了正离子或负离子吸附，引起表面能带产生弯曲，导致了电导率的变化。,3.9,气敏电阻传感器,1,）元件对不同气体的敏感程度是不同的，随着气体浓度的增加，元件阻值明显增大。,2,）非线性，但在一定范围内可近似为线性。,3.9,气敏电阻传感器,3.9,气敏电阻传感器,实验室中的传感器,3.9,气敏电阻传感器,燃气报警器,烟雾报警器,酒精传感器,3.9,气敏电阻传感器,3.10,超声波检测传感器,3.,传感器原理,1),声波及其分类,(1),次声波，振动频率低于,l6Hz,的机械波。,(2),声波,:,振动频率在,16Hz20KHz,之间的机械波。,(3),超声波,:,高于,20KHz,的机械波。,2,）超声波的物理性质,超声波与声波比，振动频率高，波长短，具有束射特性，方向性强，可以定向传播，其能量远远大于振幅相同的声波，并具有很高的穿透能力。,3.10,超声波检测传感器,声压,所谓声压，是指某点上各瞬间的压力与大气压力之差值，单位为,Pa,，,1Pa =1N/m,2,。,声强,声强是声波在传播方向上单位时间内通过单位面积的能量，单位为,W/m,2,。,声功率,声功率,(,W,),是声源在单位时间内发射出的总能量，单位是,W,。,超声波传感器对,3.10,超声波检测传感器,超声波传感器应用,超声波探伤,/,测距,/,测物,3.10,超声波检测传感器,超声探伤,材料或结构受外力或内力作用产生变形或断裂，以弹性波形式释放出应变能的现象称声发射。各种材料声发射频率范围很宽，从次声、声频到超声。,多数金属的声发射频带在超声范围内,。,3.14,其它类型的传感器,案例：材料断裂等结构监测,3.14,其它类型的传感器,案例：,输油管检测检测机器人,3.10,超声波检测传感器,倒车雷达,3.10,超声波检测传感器,鱼群探测器,3.10,超声波检测传感器,思考题,1,）霍尔效应产生的机理是什么？霍尔器件有哪些应用？,2,）热电偶测温的基本定律有哪几条？,3,）热敏电阻的工作原理和特点是什么？,4,）热辐射探测器基于什么原理？有何特点？,