第六章电势型传感器
合集下载
高二物理选修课件第六章传感器
压电材料
具有压电效应的材料称为压电材料。常见的压电材料有 石英、酒石酸钾钠等晶体和铌镁酸铅、铌钛酸铅等人工 合成多晶材料。
压电式传感器工作原理
工作原理
压电式传感器是利用某些电介质受力后产生的压电效应制成的。其核心部件是一个压电 元件，当压电元件受到外力作用时，会在其表面产生电荷，从而实现非电量到电量的转
等压力测量领域具有广泛应用。
03
位移测量
利用滑线变阻器随位移变化的特性，将位移变化转换为电阻值的变化，
再通过测量电路转换为电压或电流信号进行测量。滑线变阻器在机械位
移、角度等测量领域具有广泛应用。
03 电容式传感器
CHAPTER
电容式传感器原理及结构
电容式传感器原理
利用电容器原理，将非电量转换为电容量变化。传感器由两个平行金属极板组 成，中间为绝缘介质。当被测参数变化时，导致极板间距离或相对面积变化， 从而引起电容量变化。
无线接口
通过无线通信技术将传感器的输 出信号传输到远程设备中，实现 无线传感网络的构建和应用。常 见的无线接口有蓝牙、Wi-Fi等
。
谢谢
THANKS
电容式传感器应用实例
压力测量
利用电容式压力传感器测量气体或液体的压力。传感器极板受压变形导致电容量变化，通过测量电路转换为标准信号 输出。广泛应用于工业控制、航空航天等领域。
位移测量
利用电容式位移传感器测量物体位移或位置变化。传感器极板与被测物体之间距离变化导致电容量变化，通过测量电 路转换为位移量输出。应用于机床加工、自动化生产线等领域。
05 光电式传感器
CHAPTER
光电效应及光电器件
光电效应
是指光照射在物质上，引起电子 从束缚状态进入自由状态，从而 产生电流的物理现象。
第6章磁电式传感器(吴建平)
➢ 霍尔电场作用于电子的力 FH eEH
式中霍尔电场强度为
EH
UH b
➢ 在磁场作用下导体中的自由 电子做定向运动。每个电子受 洛仑兹力作用被推向导体的另
一侧：
FL e B
第6章 磁电式传感器 传感器原理及应用
6.2 霍尔式传感器 6.2.1 霍尔效应
➢当两作用力相等时电荷不再向两边积累达到动态平衡：
6.2 霍尔式传感器 6.2.5 霍尔集成传感器
应用—工位定位：
➢ 使用霍尔传感器进行定位，霍尔传感器在检测到磁钢经 过传感器探头时，磁场的变化会使传感器输出脉冲信号。 ➢ 利用霍尔传感器的这一特性，我们将磁钢安装在自动化 生产流水线某几个特定的链板上，这样，当这些安装有磁 钢的链板经过传感器探头时，传感器就会“认出”这些链 板。
• 位移测量 • 测转速 • 测磁场 • 计数装置(导磁产品)
传感器原理及应用
磁 场 测 量
检缺口
检齿
第6章 磁电式传感器
6.2 霍尔式传感器 6.2.4 霍尔传感器的应用
传感器原理及应用
1.霍尔传感器位移测量原理
第6章 磁电式传感器
6.2 霍尔式传感器 6.2.4 霍尔传感器的应用
传感器原理及应用
6.2 霍尔式传感器 6.2.5 霍尔集成传感器
霍尔元件和磁体运动方式
第6章 磁电式传感器
6.2 霍尔式传感器 6.2.5 霍尔集成传感器
应用
霍尔元件测位置
传感器原理及应用
霍 尔 元 件 测 角 度
第6章 磁电式传感器
传感器原理及应用
6.2 霍尔式传感器
6.2.5 霍尔集成传感器
实典型信号的相关分析
传感器原理及应用
➢ 霍尔晶体的外形为矩形薄片,有四根引线，
式中霍尔电场强度为
EH
UH b
➢ 在磁场作用下导体中的自由 电子做定向运动。每个电子受 洛仑兹力作用被推向导体的另
一侧：
FL e B
第6章 磁电式传感器 传感器原理及应用
6.2 霍尔式传感器 6.2.1 霍尔效应
➢当两作用力相等时电荷不再向两边积累达到动态平衡：
6.2 霍尔式传感器 6.2.5 霍尔集成传感器
应用—工位定位：
➢ 使用霍尔传感器进行定位，霍尔传感器在检测到磁钢经 过传感器探头时，磁场的变化会使传感器输出脉冲信号。 ➢ 利用霍尔传感器的这一特性，我们将磁钢安装在自动化 生产流水线某几个特定的链板上，这样，当这些安装有磁 钢的链板经过传感器探头时，传感器就会“认出”这些链 板。
• 位移测量 • 测转速 • 测磁场 • 计数装置(导磁产品)
传感器原理及应用
磁 场 测 量
检缺口
检齿
第6章 磁电式传感器
6.2 霍尔式传感器 6.2.4 霍尔传感器的应用
传感器原理及应用
1.霍尔传感器位移测量原理
第6章 磁电式传感器
6.2 霍尔式传感器 6.2.4 霍尔传感器的应用
传感器原理及应用
6.2 霍尔式传感器 6.2.5 霍尔集成传感器
霍尔元件和磁体运动方式
第6章 磁电式传感器
6.2 霍尔式传感器 6.2.5 霍尔集成传感器
应用
霍尔元件测位置
传感器原理及应用
霍 尔 元 件 测 角 度
第6章 磁电式传感器
传感器原理及应用
6.2 霍尔式传感器
6.2.5 霍尔集成传感器
实典型信号的相关分析
传感器原理及应用
➢ 霍尔晶体的外形为矩形薄片,有四根引线，
天津工业大学第六章 磁电式和压电式传感器
密度。
单一应力作用下的压电效应可表示为： s i dijTj
其中，i为电荷产生面（包括相对的两个面）的下标（i=1,2,3）；j是 表示应力的下标（j=1,2,3,4,5,6）。s单位是库伦/米2，T单位是帕， dij单位是库伦/牛顿
单一应力作用下的压电效应有四种类型：
（1）i=j，应力与电荷面垂直，称为纵向压电效应。 此时的应力为正应力，使元件厚度伸缩。
Q Q CF
输出电压与电荷的转换关系具有高通滤波特性。 不能为零，不能测量静态物理量。
其中，n=1/RFCF。
灵敏度只取决于反馈电容CF，而与电缆电容Cc 无关。
6.2.4 压电元件的串并联
压电传感器中一般不只是用一个压电元件，而是将两片或多片压电元 件组合在一起。
并联
++++++++++ ------------------++++++++++ ++++++++++ ----------
1
微分电路 积分电路
3’ 2’
1’
主放大器
线路1、2、3分别测什么物理量？ 速度、位移、加速度。
变磁阻的磁电式传感器与变气隙的电感式传感器有什么区别？
1. 前者采用永久磁铁，磁通由永久磁铁产生；后者无永久磁铁， 磁通由通电的铁心线圈产生。
2. 前者把衔铁的运动速度转换为电压，电压与运动速度成正比； 后者把衔铁的位移转换成线圈电感变化，电感与位移成对应 关系。
z
电荷
x
d14
单一应力作用下的压电效应可表示为： s i dijTj
其中，i为电荷产生面（包括相对的两个面）的下标（i=1,2,3）；j是 表示应力的下标（j=1,2,3,4,5,6）。s单位是库伦/米2，T单位是帕， dij单位是库伦/牛顿
单一应力作用下的压电效应有四种类型：
（1）i=j，应力与电荷面垂直，称为纵向压电效应。 此时的应力为正应力，使元件厚度伸缩。
Q Q CF
输出电压与电荷的转换关系具有高通滤波特性。 不能为零，不能测量静态物理量。
其中，n=1/RFCF。
灵敏度只取决于反馈电容CF，而与电缆电容Cc 无关。
6.2.4 压电元件的串并联
压电传感器中一般不只是用一个压电元件，而是将两片或多片压电元 件组合在一起。
并联
++++++++++ ------------------++++++++++ ++++++++++ ----------
1
微分电路 积分电路
3’ 2’
1’
主放大器
线路1、2、3分别测什么物理量？ 速度、位移、加速度。
变磁阻的磁电式传感器与变气隙的电感式传感器有什么区别？
1. 前者采用永久磁铁，磁通由永久磁铁产生；后者无永久磁铁， 磁通由通电的铁心线圈产生。
2. 前者把衔铁的运动速度转换为电压，电压与运动速度成正比； 后者把衔铁的位移转换成线圈电感变化，电感与位移成对应 关系。
z
电荷
x
d14
电动势式传感器
3．测量电路
根据磁电式传感器的工作原理,可知它输出 电动势大小与运动速度成正比,所以是一个测速 的传感器。但是在实际测量中,它常常还被用来 测量运动的位移(或振幅)和加速度,为此必须将 信号加以变换。一般是在测量电路中配以积分电 路和微分电路,通过开关切换,来达到不同的测量 目的。
测量电路方框图如图3所示。通常把积分和微分 电路置于两级放大器中间,以利于各级间的阻抗 匹配。由于磁电式传感器具有较高的灵敏度,所 以一般不需要高增益放大器,用一般晶体管放大 器即可胜任。
效电路。整个回路电流为
i e
(5)
R Rd
当温度变化时,上式的分子分母都会随温度而
变,而且它们的变化方向是相反的。因为永久
磁铁的磁感应强度随温度增加而减小,即感应
电动势随温度增加而减小。
例如钨钢和铬钢做的磁铁,当温度在50℃~60℃以
下时,其磁感应强度变化大约为每10℃变化0.3%。
而传感器线圈与指示器的电阻都是铜电阻,所以
二、压电晶体传感器
压电传感器是以某些物质的压电效应为基 础的一种有源传感器。在外力作用下,某些物 质变形后其表面会产生电荷,从而实现非电量 电测的目的。压电传感器尺寸小,重量轻,工作 频率宽,可测量变化很快的动态压力、加速度、 振动等。
1．压电效应
某些电介质物质当沿一定方向受到外力作用 而变形时,在它的两个表面会产生符号相反的电 荷;当将外力去掉后,又重新回到不带电状态,这 种现象称为压电效应。具有压电效应的电介质称 压电材料或压电元件,常见的压电材料有石英晶 体、钛酸坝、锆钛酸铅等。
v——导体在磁场内切割磁力线的速度,即被测流
体经传感器时的平均流速(m/s);
Q——容积流量,Q=d2v/4(m3/s)。
高二物理第六章 传感器1~2节人教实验版知识精讲
高二物理第六章传感器1~2节人教实验版【本讲教育信息】一. 教学内容：第六章传感器1~2节［知识要点］1. 知道传感器的作用是将非电学量转换成电学量，并理解其技术意义。
2. 了解制作传感器的常用元件的特征。
3. 了解传感器的具体应用实例。
二. 重点、难点：（一）传感器1. 传感器原理传感器感受的通常是非电学量，如压力、温度、位移、浓度、速度、酸碱度等，而它输出的通常是电学量，如电压值、电流值、电荷量等，这些输出信号是非常微弱的，通常要经过放大后，再送给控制系统产生各种控制动作，传感器原理如图所示．→→→→非电学量敏感元件转换器件转换电器电学量2. 光敏电阻（1）光敏电阻在被光照射时电阻发生变化，这样光敏电阻可以把光照强弱转换为电阻大小这个电学量．（2）光敏电阻的电阻随光照的增强而减小．光敏电阻一般由半导体材料做成，当半导体材料受到光照或者温度升高时，会有更多的电子获得能量成为自由电子，同时也形成更多的空穴，于是导电性能明显增强．3. 热敏电阻和金属热电阻（1）热敏电阻指用半导体材料制成，其电阻值随温度变化明显．如下图中的（1）为某一热敏电阻的电阻——温度特性曲线．（2）（1） RO（2）金属热电阻有些金属的电阻率随温度的升高而增大，这样的电阻也可以制作温度传感器，称为热电阻．如上图中的（2）为金属导线电阻——温度特性曲线．相比而言，金属热电阻化学稳定性好，测温范围大，而热敏电阻的灵敏度较好。
4. 霍耳元件（1）如图所示，厚度为d 的导体板放在垂直于它的磁感应强度为B 的匀强磁场中，当恒定电流I 通过导体板时，导体板的左右侧面出现电势差，这种现象称为霍耳效应．在这个矩形半导体上制作四个电极EFMN 就成为一个霍耳元件，能够把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量．（2）霍耳电压 H IB U k d①其中k 为比例系数，称为霍耳系数，其大小与薄片的材料有关．②一个霍耳元件的d 、k 为定值，再保持I 恒定，则H U 的变化就与B 成正比，因此霍耳元件，又称磁敏元件．（3）霍耳元件的工作原理霍耳元件就是利用霍耳效应来设计的。
电势型传感器及应用
❖ 硒光电池的光谱响应区段为0.3-0.7μm 波长 光，跟人眼睛相近，它在可见光范围内能分 辨光的强弱。它的最大灵敏度波长与人类正 常视觉的最大灵敏度波长非常接近。
❖ 3.掌握硅光电池的结构、工作原理、光电特 性的特点。
7
❖ 硅光电池的结构：是在N型硅片上渗入P型杂
❖ 光电特性的特点： ❖ 光照度与短路电流呈线性关系，而与开路电
❖ 2.掌握热电势的组成及其产生的条件、热电 偶的测温原理、中间导体定律
❖ 热电势：接触电势（珀尔帖电势）和温差电 势（汤姆逊电势）
❖ 热电势产生的条件：
❖ （1）热电偶两电极材料不同才能产生热电势；
❖ （2）两电极的两个接点温度不同才能产生热 电势；
1
❖ （3）热电势大小仅与热电极材料的性质、两
❖ 热电偶的测温原理：
❖ 2.一般了解石英晶体的结构、三个轴及压电 效应的解释；了解石英晶体的突出优点；掌 握影响石英晶体表面电荷密度大小的因素。
v 晶体表面产生的电荷密度与作用在晶面上的 压力（压强）成正比，而与晶体厚度、面积 无关。
❖ 3.掌握压电陶瓷的构成、极化处理、工作原 理、压电陶瓷式传感器的优点。
10
❖ 压电陶瓷是人工制造的多晶体，是由无数细
❖ 将热电偶置于被测点。热电偶的两个接点， 一个称为热端，另一个称为冷端。当它们的 温度不同时，热电偶回路产生热电势。
❖ 热电偶回路中热电势EAB（T、T0）的大小与 两电极材料和两接点温度（T，T0）有关。当 热电偶的材料确定后， EAB（T、T0）就仅与 两接点温度（T，T0）有关。当冷端温度 （ T0）为某个稳态值时， EAB（T、T0）2 的大
❖ 工作原理：
❖ 极化处理过的压电陶瓷具有良好的压电特性。 当它受到沿极化方向的力作用时，因陶瓷变
❖ 3.掌握硅光电池的结构、工作原理、光电特 性的特点。
7
❖ 硅光电池的结构：是在N型硅片上渗入P型杂
❖ 光电特性的特点： ❖ 光照度与短路电流呈线性关系，而与开路电
❖ 2.掌握热电势的组成及其产生的条件、热电 偶的测温原理、中间导体定律
❖ 热电势：接触电势（珀尔帖电势）和温差电 势（汤姆逊电势）
❖ 热电势产生的条件：
❖ （1）热电偶两电极材料不同才能产生热电势；
❖ （2）两电极的两个接点温度不同才能产生热 电势；
1
❖ （3）热电势大小仅与热电极材料的性质、两
❖ 热电偶的测温原理：
❖ 2.一般了解石英晶体的结构、三个轴及压电 效应的解释；了解石英晶体的突出优点；掌 握影响石英晶体表面电荷密度大小的因素。
v 晶体表面产生的电荷密度与作用在晶面上的 压力（压强）成正比，而与晶体厚度、面积 无关。
❖ 3.掌握压电陶瓷的构成、极化处理、工作原 理、压电陶瓷式传感器的优点。
10
❖ 压电陶瓷是人工制造的多晶体，是由无数细
❖ 将热电偶置于被测点。热电偶的两个接点， 一个称为热端，另一个称为冷端。当它们的 温度不同时，热电偶回路产生热电势。
❖ 热电偶回路中热电势EAB（T、T0）的大小与 两电极材料和两接点温度（T，T0）有关。当 热电偶的材料确定后， EAB（T、T0）就仅与 两接点温度（T，T0）有关。当冷端温度 （ T0）为某个稳态值时， EAB（T、T0）2 的大
❖ 工作原理：
❖ 极化处理过的压电陶瓷具有良好的压电特性。 当它受到沿极化方向的力作用时，因陶瓷变
第6章 电动势式传感器
成形工艺性好，成本低廉，得到了广泛 的应用。
6.1.1 压电式传感器的工作原理
3．新型压电材料-压电半导体
有些晶体材料既有半导体性质，又具有压电 效应，如硫化锌（ZnS）、碲化镉（CdTe）、 氧化锌（ZnO）、硫化镉（CdS）、碲化锌 （ZnTe）和砷化镓（GaAs）等。
因此既可利用其压电效应制成传感器，又可 利用其半导体特性制成电子器件，也可以两 者结合，集元件与线路于一体，研制成新型 集成压电式传感器测试系统。近些年，就利 用氧化锌的压电效应来制作纳米发电机，实 现了纳米机器的自我供电。
结束
6.1 压电式传感器
压电式传感器是一种典型的自发电式传 感器（也称有源传感器），它的工作原 理基于压电效应，即某些材料受力后在 其表面产生电荷的现象。压电式传感器 主要用于力的测量和可以转变为力的非 电量的测量。因此，压电元件是一种力 敏感元件，可以测量那些可以转换为力 的非电物理量，如力、压力、加速度、 力矩等。
6.1.1 压电式传感器的工作原理
1．压电效应-正压电效应
Hale Waihona Puke 图6.1分别绘出了某种压电材料在各种受力条件下产生电荷的 情况。从图6.1中可以看出，改变压电材料的受力方向，可以 改变其产生的电荷的极性。实验表明，压电材料的线应变、 剪应变、体积应变都可以使其表面产生电荷，利用压电效应 可以制造出感受各种外力的传感元件，用压电材料制造的传 感元件称作压电元件。
如果外加电场以很高的频率按正弦规律变化， 压电元件的机械形变也将按正弦规律快速变 化，使压电元件产生机械振动，超声波发射 元件就是利用这种效应制作的。
6.1.1 压电式传感器的工作原理
1．压电效应-逆压电效应
利用正压电效应制成的压电式传感器，可将 力、压力、振动、加速度等非电量转换为电 量，从而进行精密测量。
6.1.1 压电式传感器的工作原理
3．新型压电材料-压电半导体
有些晶体材料既有半导体性质，又具有压电 效应，如硫化锌（ZnS）、碲化镉（CdTe）、 氧化锌（ZnO）、硫化镉（CdS）、碲化锌 （ZnTe）和砷化镓（GaAs）等。
因此既可利用其压电效应制成传感器，又可 利用其半导体特性制成电子器件，也可以两 者结合，集元件与线路于一体，研制成新型 集成压电式传感器测试系统。近些年，就利 用氧化锌的压电效应来制作纳米发电机，实 现了纳米机器的自我供电。
结束
6.1 压电式传感器
压电式传感器是一种典型的自发电式传 感器（也称有源传感器），它的工作原 理基于压电效应，即某些材料受力后在 其表面产生电荷的现象。压电式传感器 主要用于力的测量和可以转变为力的非 电量的测量。因此，压电元件是一种力 敏感元件，可以测量那些可以转换为力 的非电物理量，如力、压力、加速度、 力矩等。
6.1.1 压电式传感器的工作原理
1．压电效应-正压电效应
Hale Waihona Puke 图6.1分别绘出了某种压电材料在各种受力条件下产生电荷的 情况。从图6.1中可以看出，改变压电材料的受力方向，可以 改变其产生的电荷的极性。实验表明，压电材料的线应变、 剪应变、体积应变都可以使其表面产生电荷，利用压电效应 可以制造出感受各种外力的传感元件，用压电材料制造的传 感元件称作压电元件。
如果外加电场以很高的频率按正弦规律变化， 压电元件的机械形变也将按正弦规律快速变 化，使压电元件产生机械振动，超声波发射 元件就是利用这种效应制作的。
6.1.1 压电式传感器的工作原理
1．压电效应-逆压电效应
利用正压电效应制成的压电式传感器，可将 力、压力、振动、加速度等非电量转换为电 量，从而进行精密测量。
第6章电动势式传感器
在施加外电场时，电畴 转到与外电场一致。
+++++++ -------
+++++++ -------
极化后，两端出现束缚电荷， 吸引一层外来电荷，因而仍呈 中性。在外力的作用下，极化 电畴变化使两极板上电荷变化。
第六章
三．压电传感器的等效电路
1. 压电传感器的等效电路
q
q
F
电动势式传感器
Ca u
压电晶体
uo
电路的时间常数是由等效电阻及等效电容来决定的
R (Ra // Ri )
C Ca Cc Ci (1 A)C f
(Ra // Ri )[Ca Cc Ci (1 A)C f ] Ri AC f
与使用电压放大器相比时间常数要大得多，对输入电 阻的要求相对降低
第六章
五．应用举例
1．压电加速度传感器 2．压电式压力传感器 3．基于压电效应的超声波传感器
d
第六章
6.2 压电晶体传感器
电动势式传感器
压电传感是以某些物质的压电效应为基础的一种有源 传感器。在外力作用下，某些物质变形后其表面会产生电 荷，从而实现非电量电测的目的。
压电传感器尺寸小，重量轻，工作频率宽，可测量变 化很快的动态压力、加速度、振动等。
第六章
电动势式传感器
一．压电效应
某些电介质物质，当沿一定方向受到外力作用而变形 时，在它的两个表面会产生符号相反的电荷；当将外力去 掉后，又重新回到不带电状态，这种现象称为压电效应。
(1) 放大传感器输出的微弱信号； (2) 将传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出。
1. 电压放大器 采用电压放大器要 考虑的两个主要问 题
《传感器技术与应用》课件第六章 热电式传感器.ppt
2020/10/9
8
接触电势大小
E AB (T )
KT q0
ln
NA NB
2020/10/9
9
3．温差电动势
温差电动势是同一导体（热电极）的两 端因其温度不同而产生的一种电动势。 由于温度不同，低温端的电子数会比高 温端的电子数多，结果高温端因少出电 子而带正电， 低温端因多示为
EA (T ,T0 ) 和 EB (T ,T0 )
2020/10/9
10
4．热电偶的电势
设导体A、B组成热电偶的两结点温度分
别为T和T0，热电偶回路所产生的总电
动势，
EAB (T ,T0 ) [EAB (T ) EAB (T0 )] [EA (T ,T0 ) EB (T ,T0 )]
热电偶的接触电动势要远大于温差电动势，忽略 温差电动势，热电偶的热电势可表示为，
第6章 热电式传感器
2020/10/9
1
引言
热电式传感器就是一种能将温度变化转 换为电量变化的装置，它是利用敏感元 件的电参数随温度变化的特性来达到测 量的目的。本章主要介绍热电偶、热电 阻和热敏电阻传感器的原理、测量电路 及其应用。
2020/10/9
2
6.1 热电偶传感器
6.1.1 热电偶 1．热电效应
表面热电偶是用来测量各种状态的固体 表面温度的，如测量轧辊、金属块、炉 壁、橡胶筒和涡轮叶片等表面温度。
此外还有测量气流温度的热电偶、浸入 式热电偶等。
（4）如果使冷端温度Ｔ0保持不变，则热电动 势便成为热端温度Ｔ的单一函数。
2020/10/9
12
6.1.2 热电偶结构及种类
1热电偶的基本结构形式 2热电偶材料 3常用热电偶
第六章 电势型传感器
f = F m sin ω t
作用力的幅值。 式中 Fm——作用力的幅值。 作用力的幅值
A q Ra Ca Cc (a) Ci Ua C (b) Ri R Ca A
Y X
13
2011-6-11
传感器原理及应用
压电效应的物理解释
石英晶体的压电特性与其内部分子的结构有关。 石英晶体的压电特性与其内部分子的结构有关。其化 学式为 SiO2。在一个晶体单元中有三个硅离子 Si4+和六个 后者是成对的。 氧离子 O2-，后者是成对的。所以一个硅离子和两个氧离 子交替排列。 子交替排列。
压 电 陶 瓷
9
2011-6-11
传感器原理及应用
压电效应
当某些晶体在一定方向上受到外力作用时，在 当某些晶体在一定方向上受到外力作用时 受到外力作用 某两个对应的晶面上 会产生符号相反的电荷， 晶面上， 符号相反的电荷 某两个对应的晶面上，会产生符号相反的电荷， 外力取消后 电荷也消失。 当外力取消后，电荷也消失。作用力改变方向 相反） 两个对应晶面上电荷符号改变， （相反）时，两个对应晶面上电荷符号改变， 该现象称正压电效应
＋ －
电子扩散方向
4
2011-6-11
传感器原理及应用
热电偶工作原理
对一单一金属 如果两边 单一金属， 单一导体的温差电势 ：对一单一金属，如果两边 温度不同，两端也会产生电势 会产生电势。 温度不同，两端也会产生电势。高温端失去电子 带正电， 带正电，低温端得到电子带负电 当引入第三导体C时 只要C导 中间导体定律 ：当引入第三导体 时，只要 导 体两端温度相同， 体两端温度相同，回路总电动势不变 导体C分别与热电偶两个热电极 标准电极定律 ：导体 分别与热电偶两个热电极 A、B组成热电偶 和BC，当保持三个热电偶的 组成热电偶AC和 ， 、 组成热电偶 两端温度相同时，则热电偶AB的热电势等于另 两端温度相同时，则热电偶 的热电势等于另 外两个热电偶AC和 的电势之差 外两个热电偶 和BC的电势之差
作用力的幅值。 式中 Fm——作用力的幅值。 作用力的幅值
A q Ra Ca Cc (a) Ci Ua C (b) Ri R Ca A
Y X
13
2011-6-11
传感器原理及应用
压电效应的物理解释
石英晶体的压电特性与其内部分子的结构有关。 石英晶体的压电特性与其内部分子的结构有关。其化 学式为 SiO2。在一个晶体单元中有三个硅离子 Si4+和六个 后者是成对的。 氧离子 O2-，后者是成对的。所以一个硅离子和两个氧离 子交替排列。 子交替排列。
压 电 陶 瓷
9
2011-6-11
传感器原理及应用
压电效应
当某些晶体在一定方向上受到外力作用时，在 当某些晶体在一定方向上受到外力作用时 受到外力作用 某两个对应的晶面上 会产生符号相反的电荷， 晶面上， 符号相反的电荷 某两个对应的晶面上，会产生符号相反的电荷， 外力取消后 电荷也消失。 当外力取消后，电荷也消失。作用力改变方向 相反） 两个对应晶面上电荷符号改变， （相反）时，两个对应晶面上电荷符号改变， 该现象称正压电效应
＋ －
电子扩散方向
4
2011-6-11
传感器原理及应用
热电偶工作原理
对一单一金属 如果两边 单一金属， 单一导体的温差电势 ：对一单一金属，如果两边 温度不同，两端也会产生电势 会产生电势。 温度不同，两端也会产生电势。高温端失去电子 带正电， 带正电，低温端得到电子带负电 当引入第三导体C时 只要C导 中间导体定律 ：当引入第三导体 时，只要 导 体两端温度相同， 体两端温度相同，回路总电动势不变 导体C分别与热电偶两个热电极 标准电极定律 ：导体 分别与热电偶两个热电极 A、B组成热电偶 和BC，当保持三个热电偶的 组成热电偶AC和 ， 、 组成热电偶 两端温度相同时，则热电偶AB的热电势等于另 两端温度相同时，则热电偶 的热电势等于另 外两个热电偶AC和 的电势之差 外两个热电偶 和BC的电势之差
电势型传感器
第7章电势型传感器第7章电势型传感器7.1 热电偶热电偶也叫温差电偶，是一种常见的温度检测传感器。
热电偶是将两种不同的导体(金属或半导体) A和B组成一个闭合回路，如图7-1所示。
当两导体的两个接点1和2分别处于不同的温度T和T0时，回路中有一定大小的电流，表明回路中有电势产生，该现象称热电效应。
回路中的电势称为热电势，用EAB(T, T0)表示。
两个导体A和B称为热电极。
测量温度时，两个热电极的一个接点1置于被测温度场(T)中，称该点为测量端，也叫工作端或热端；另一个接点2置于某个恒定温度(T0)的地方，称参考端或自由端、冷端。
热电偶回路内产生的热电势由两部分组成：接触电势和温差电势。
图7-1 热电偶结构原理图接触电势温差电势热电偶的结构将两热电极的一个端点焊接在一起组成热结点，就构成了热电偶。
在两个热电极之间用耐高温材料进行绝缘，再根据不同的用途做适当的处理就构成了工作热电偶。
1．普通型热电偶。
它的热电极是一端焊在一起的两根金属丝。
两热电极之间用绝缘管绝缘。
这种热电偶主要用于测量气体、蒸汽和液体等介质的温度。
2．铠装热电偶(缆式)它是将热电极、绝缘材料和金属保护套管组合在一起，经拉伸加工而成。
根据测量端的形式不同，可分为碰底型、不碰底型、露头型和帽型等。
铠装热电偶的特点是动态响应快，测量端热容量小，挠度好，强度高，机械性能好，抗振动和耐冲击。
由于挠性好，柔性大，因此可以弯成各种形状，适用于结构复杂的被测对象。
3．薄膜热电偶薄膜热电偶分为片状和针状等。
它是由厚度为0.01～0.1µm的两种金属薄膜连接在一起的特殊结构的热电偶。
其特点是热容量小、动态响应快，适用于动态测量小面积的瞬时温度变化。
4．表面热电偶表面热电偶适用于测量圆弧形表面的温度，其热电极做成带状，接点在中央作为测量端，而两端固定在装有手柄的弓形架上，手柄上装有毫伏表，使用时把热电极的中间贴在被测表面上。
5．浸入式热电偶浸入式热电偶主要用于测量钢水、铜水、铝水以及熔融合金的温度，主要特点是可以直接插入液态金属中进行测量。
2024年压电式传感器--ppt课件
20
6.3.2 基本测量电路
压电传感器的内阻抗很高，而输出的信号微弱， 因此一般不能直接显示和记录。压电传感器要求测 量电路的前级输入端要有足够高的阻抗，这样才能 防止电荷迅速泄漏而使测量误差变大。压电传感器 的前置放大器有两个用：一是把传感器的高阻抗输 出变换为低阻抗输出；二是把传感器的微弱信号进 行放大。
ppt课件
18
6.3 测量电路
6.3.1 等效电路
压电传感器在受外力作用时，在两个电极表面将
要聚集电荷，且电荷量相等，极性相反。这时它相当
于一个以压电材料为电介质的电容器，其电容量为
Ca
0A
h
式中，ε0为真空介电常数：ε为压电材料的相对介电
常数；h为压电元件的厚度；A为压电元件极板面积。
ppt课件
ppt课件
28
6.4.2 电荷型石英压力传感器
西安宇恒电子有限公司生产的M112系列为发动 机燃烧传感器，适用于发动机汽缸内压力测试。 M119系列为高频、抗高冲击型，特别适用于榴弹炮、 液体发射药武器的测试。是典型的军工产品，也可广 泛应用于民用工业中，如发动机燃烧室压力测量等领 域，性能参数见书上表6-2所示。
ppt课件
16
6.2.2 压电元件的结构型式 在压电式传感器中，常用两片或多片组合在一起使
用。由于压电材料是有极性的，因此接法也有两种，如
下图所示。图a为并联
接法，其输出电容C＇
为单片的n倍，即
C＇=nC，
U＇=U，Q＇=nQ。
图中b为串联接法，
这时有Q＇＝Q，
U＇= nU，C＇=C/n。
a)
ppt课件
C
f
U0 A
(Ci
Cc
第六章 热电式传感器PPT课件
.
2、铠装型热电偶
它是由金属套管、绝缘材料和热电极经焊接密封和装配等工艺制成 的坚实的组合体。
.
3、薄膜型热电偶
薄膜热电偶是由两种金属薄膜连接而成的一种特殊结构的热电偶， 它的测量端既小又薄，热容量很小，可用于微小面积上温度测量;动 态响应快，可测量快速变化的表面温度。 • 4、表面型热电偶 主要用于测量金属块、炉壁、涡轮叶片、轧辊等固体表面温度。 • 5、浸入式热电偶
热电阻的阻值与温度的关系为：
Rt=Ro(1+At+Bt2+Ct3+Dt4)
式中：R0为热电阻在0℃时的电阻值 A、B、C、D为温度系数
(6—19)
.
一、热电阻
• (一)热电阻测温原理
为了准确地测出电阻 的大小以反映温度的高 低，常采用电桥来测量 Rt阻值的变化 ，并转化 为电压输出△U。 在一定范围内， △U与Rt 有良好的线性关系。
负极
红色
绿色
红色
蓝色
红色
黑色
.
(二)冷端温度校正法
配用补偿导线，将冷端延伸至温度基本恒定的地方，但新冷端若 不恒为00C，配用按分度表刻度的温度显示仪表，必定会引起测量误 差，必须予以校正。
1．计算修正法
E
0
t0
t
已知冷端温度t0，根据中间温度定律，应用下式进行修正：
E(t，0)=E(t，t0)+E(t0，0) 其中，E(t，t0)为回路实际热电势。
什么是电阻式温度传感器？
利用导体或半导体的电阻随温度变化而变化的性质而工作的， 用仪表测量出热电阻的阻值变化，从而得到与电阻值对应的温度 值。
.
第二节 电阻式温度传感器
金属热电阻传感器—称热电阻
2、铠装型热电偶
它是由金属套管、绝缘材料和热电极经焊接密封和装配等工艺制成 的坚实的组合体。
.
3、薄膜型热电偶
薄膜热电偶是由两种金属薄膜连接而成的一种特殊结构的热电偶， 它的测量端既小又薄，热容量很小，可用于微小面积上温度测量;动 态响应快，可测量快速变化的表面温度。 • 4、表面型热电偶 主要用于测量金属块、炉壁、涡轮叶片、轧辊等固体表面温度。 • 5、浸入式热电偶
热电阻的阻值与温度的关系为：
Rt=Ro(1+At+Bt2+Ct3+Dt4)
式中：R0为热电阻在0℃时的电阻值 A、B、C、D为温度系数
(6—19)
.
一、热电阻
• (一)热电阻测温原理
为了准确地测出电阻 的大小以反映温度的高 低，常采用电桥来测量 Rt阻值的变化 ，并转化 为电压输出△U。 在一定范围内， △U与Rt 有良好的线性关系。
负极
红色
绿色
红色
蓝色
红色
黑色
.
(二)冷端温度校正法
配用补偿导线，将冷端延伸至温度基本恒定的地方，但新冷端若 不恒为00C，配用按分度表刻度的温度显示仪表，必定会引起测量误 差，必须予以校正。
1．计算修正法
E
0
t0
t
已知冷端温度t0，根据中间温度定律，应用下式进行修正：
E(t，0)=E(t，t0)+E(t0，0) 其中，E(t，t0)为回路实际热电势。
什么是电阻式温度传感器？
利用导体或半导体的电阻随温度变化而变化的性质而工作的， 用仪表测量出热电阻的阻值变化，从而得到与电阻值对应的温度 值。
.
第二节 电阻式温度传感器
金属热电阻传感器—称热电阻
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
RL VH
R
E
27
沈阳铁路机械学校
07.10.2020
传感器原理及应用
霍尔传感器应用
测量磁场 微位移测量
28
沈阳铁路机械学校
07.10.2020
传感器原理及应用
霍尔传感器应用
霍尔转速表
29
沈阳铁路机械学校
霍尔式 压力传 感器
07.10.2020
传感器原理及应用
霍尔液位传感器
霍尔器件装在容器外面，永久磁体支在浮 子上，随着液位变化，作用到霍尔器件上 的磁场的磁感应强度改变，从而可测得液 位。
比较
报警
17
沈阳铁路机械学校
07.10.2020
传感器原理及应用
压电换能
电子血压计
18
沈阳铁路机械学校
07.10.2020
传感器原理及应用
压电薄膜元件
衡洗 电衣 器机 检不 测平
19
沈阳铁路机械学校
汽车监控
07.10.2020
传感器原理及应用
磁电传感器
20
沈阳铁路机械学校
07.10.2020
传感器原理及应用
当外力取消后，电荷也消失。作用力改变方向
（相反）时，两个对应晶面上电荷符号改变，
该现象称正压电效应
晶体
F
晶体
F
晶体
F=0 无 电 荷
10
++++++ ------
F
沈阳铁路机械学校
-----++++++
F
07.10.2020
传感器原理及应用
逆压电效应
某些晶体在一定方向上受到电场 （加电压）作用时，在一定的晶轴 方向上将产生机械变形，外加电场 消失，变形也随之消失
传感器原理及应用
第六章 电势型传感器
热电偶 压电传感器 磁电传感器 霍尔传感器
1
沈阳铁路机械学校
07.10.2020
传感器原理及应用
热电偶
2
沈阳铁路机械学校
07.10.2020
传感器原理及应用
热电偶工作原理
热电效应 ：两种不同类型的金属导体两端， 分别接在一起构成闭合回路，当两个结点温
11
沈阳铁路机械学校
07.10.2020
传感器原理及应用
简介
Z轴是晶体的对称轴，该轴方向没有压电效应；
X轴称电轴，电荷都积累在此轴晶面上，垂直于X轴晶面 的压电效应最显著；
Y轴称机械轴，逆压电效应时，沿此轴方向的机械变形
最显著
Z
Y X
12
沈阳铁路机械学校
07.10.2020
传感器原理及应用
1-永久磁铁 2-软铁 3-感应线圈 4-铁齿轮
磁阻式
22
沈阳铁路机械学校
07.10.2020
传感器原理及应用
基本结构
恒磁通式又称 动圈式
磁路系统恒定，N 补 偿 磁场运动部件 N 线 圈 可以是线圈也 可以是磁铁
工作线圈
弹簧
N S
磁轭 永久磁铁
23
沈阳铁路机械学校
07.10.2020
传感器原理及应用
07.10.2020
传感器原理及应用
压电式加速度传感器
结构
1-壳体 2-弹簧 3-质量块 4-压电晶片 5-引出电极 6-基座
原理
15
沈阳铁路机械学校
07.10.2020
传感器原理及应用
燃气压电点火器
16
沈阳铁路机械学校
07.10.2020
传感器原理及应用
压电式玻璃破碎报警器
玻璃
放大 带通滤波
传感器原理及应用
热电偶的应用
温度测量
7
沈阳铁路机械学校
07.10.2020
传感器原理及应用
热电偶的应用
炉温自动记录仪
8
沈阳铁路机械学校
07.10.2020
传感器原理及应用
压电传感器
石 英 晶 体
压 电 陶 瓷
9
沈阳铁路机械学校
07.10.2020
传感器原理及应用
压电效应
当某些晶体在一定方向上受到外力作用时，在 某两个对应的晶面上，会产生符号相反的电荷，
+++++++
25
沈阳铁路机械学校
07.10.2020
传感器原理及应用
霍尔元件
霍尔元件结构简单，从一个矩形薄片状的半 导体基片上的两个相互垂直方向的侧面上， 各引出一对电极
26
沈阳铁路机械学校
07.10.2020
传感器原理及应用
测量电路
在磁场与控制电流的作用下，负载上就有电 压输出。在实际使用时，I或B或两者同时作 为信号输人，而输出信号则正比于I或B或两 者乘积
磁电式传感器的应用
振动测量
弹簧片 阻尼环 线圈
永久磁铁 外壳
芯轴
24
沈阳铁路机械学校
07.10.2020
传感器原理及应用
霍尔传感器
霍尔效应
在一块通电的半导体薄片上，加上和薄片
表面垂直的磁场B，在薄片的横向两侧会出 现一个电压，如图中的VH，这种现象就是
霍尔效应
B
VHKHBI
-------
VH I
压电元件的等效电路
压电元件可以等效成一个电荷源和一个电容
并联的等效电路
Cf
Q
Ca
+ -A
-
Q Ca Co Ci
Uo
Uo
Q Cf
13
沈阳铁路机械学校
07.10.2020
传感器原理及应用
压电传感器的应用
压电式力传感器
1-上盖 2-石英晶片 3-电极 4-引出插头 5-绝缘材料 6-底座
14
沈阳铁路机械学校
度不等（T＞T0）有温差时，回路里会产生热
电势，形成电流
T
热端
金属A
Eab
金属B
电流
T0
冷端
3
沈阳铁路机械学校
07.10.2020
传感器原理及应用
热电偶工作原理
两种导体的接触电势 ：不同金属自由电子密度 不同，当两种金属接触在一起时，在结点处会 发生电子扩散，电子从浓度高的向浓度低的金
属扩散。浓度高的失去电子显正电，浓度低的
标准电极定律 ：导体C分别与热电偶两个热电极 A、B组成热电偶AC和BC，当保持三个热电偶的 两端温度相同时，则热电偶AB的热电势等于另
外两个热电偶AC和BC的电势之差，
5
沈阳铁路机械学校
07.10.2020
传感器原理及应用
热电偶种类
阳铁路机械学校
07.10.2020
工作原理
当导体在稳恒均匀磁场中，沿垂直磁场方向运 动时，导体内产生的感应电势为
eBlv
当一个N匝相对静止的导体回路处于随时间变化 的磁场中时，导体回路产生感应电动势e，e的 大小与穿过线圈的磁通Φ变化率有关
e N d dt
21
沈阳铁路机械学校
07.10.2020
传感器原理及应用
基本结构
变磁通式又称磁阻式 ，线圈、磁铁静止不动， 转动物体引起磁阻、磁通变化，该类传感器 常用于角速度的测量。
得到电子显负电。当扩散达到动态平衡时，得
到一个稳定的接触电势。
＋
－
电子扩散方向
4
沈阳铁路机械学校
07.10.2020
传感器原理及应用
热电偶工作原理
单一导体的温差电势 ：对一单一金属，如果两边 温度不同，两端也会产生电势。高温端失去电子 带正电，低温端得到电子带负电
中间导体定律 ：当引入第三导体C时，只要C导 体两端温度相同，回路总电动势不变
R
E
27
沈阳铁路机械学校
07.10.2020
传感器原理及应用
霍尔传感器应用
测量磁场 微位移测量
28
沈阳铁路机械学校
07.10.2020
传感器原理及应用
霍尔传感器应用
霍尔转速表
29
沈阳铁路机械学校
霍尔式 压力传 感器
07.10.2020
传感器原理及应用
霍尔液位传感器
霍尔器件装在容器外面，永久磁体支在浮 子上，随着液位变化，作用到霍尔器件上 的磁场的磁感应强度改变，从而可测得液 位。
比较
报警
17
沈阳铁路机械学校
07.10.2020
传感器原理及应用
压电换能
电子血压计
18
沈阳铁路机械学校
07.10.2020
传感器原理及应用
压电薄膜元件
衡洗 电衣 器机 检不 测平
19
沈阳铁路机械学校
汽车监控
07.10.2020
传感器原理及应用
磁电传感器
20
沈阳铁路机械学校
07.10.2020
传感器原理及应用
当外力取消后，电荷也消失。作用力改变方向
（相反）时，两个对应晶面上电荷符号改变，
该现象称正压电效应
晶体
F
晶体
F
晶体
F=0 无 电 荷
10
++++++ ------
F
沈阳铁路机械学校
-----++++++
F
07.10.2020
传感器原理及应用
逆压电效应
某些晶体在一定方向上受到电场 （加电压）作用时，在一定的晶轴 方向上将产生机械变形，外加电场 消失，变形也随之消失
传感器原理及应用
第六章 电势型传感器
热电偶 压电传感器 磁电传感器 霍尔传感器
1
沈阳铁路机械学校
07.10.2020
传感器原理及应用
热电偶
2
沈阳铁路机械学校
07.10.2020
传感器原理及应用
热电偶工作原理
热电效应 ：两种不同类型的金属导体两端， 分别接在一起构成闭合回路，当两个结点温
11
沈阳铁路机械学校
07.10.2020
传感器原理及应用
简介
Z轴是晶体的对称轴，该轴方向没有压电效应；
X轴称电轴，电荷都积累在此轴晶面上，垂直于X轴晶面 的压电效应最显著；
Y轴称机械轴，逆压电效应时，沿此轴方向的机械变形
最显著
Z
Y X
12
沈阳铁路机械学校
07.10.2020
传感器原理及应用
1-永久磁铁 2-软铁 3-感应线圈 4-铁齿轮
磁阻式
22
沈阳铁路机械学校
07.10.2020
传感器原理及应用
基本结构
恒磁通式又称 动圈式
磁路系统恒定，N 补 偿 磁场运动部件 N 线 圈 可以是线圈也 可以是磁铁
工作线圈
弹簧
N S
磁轭 永久磁铁
23
沈阳铁路机械学校
07.10.2020
传感器原理及应用
07.10.2020
传感器原理及应用
压电式加速度传感器
结构
1-壳体 2-弹簧 3-质量块 4-压电晶片 5-引出电极 6-基座
原理
15
沈阳铁路机械学校
07.10.2020
传感器原理及应用
燃气压电点火器
16
沈阳铁路机械学校
07.10.2020
传感器原理及应用
压电式玻璃破碎报警器
玻璃
放大 带通滤波
传感器原理及应用
热电偶的应用
温度测量
7
沈阳铁路机械学校
07.10.2020
传感器原理及应用
热电偶的应用
炉温自动记录仪
8
沈阳铁路机械学校
07.10.2020
传感器原理及应用
压电传感器
石 英 晶 体
压 电 陶 瓷
9
沈阳铁路机械学校
07.10.2020
传感器原理及应用
压电效应
当某些晶体在一定方向上受到外力作用时，在 某两个对应的晶面上，会产生符号相反的电荷，
+++++++
25
沈阳铁路机械学校
07.10.2020
传感器原理及应用
霍尔元件
霍尔元件结构简单，从一个矩形薄片状的半 导体基片上的两个相互垂直方向的侧面上， 各引出一对电极
26
沈阳铁路机械学校
07.10.2020
传感器原理及应用
测量电路
在磁场与控制电流的作用下，负载上就有电 压输出。在实际使用时，I或B或两者同时作 为信号输人，而输出信号则正比于I或B或两 者乘积
磁电式传感器的应用
振动测量
弹簧片 阻尼环 线圈
永久磁铁 外壳
芯轴
24
沈阳铁路机械学校
07.10.2020
传感器原理及应用
霍尔传感器
霍尔效应
在一块通电的半导体薄片上，加上和薄片
表面垂直的磁场B，在薄片的横向两侧会出 现一个电压，如图中的VH，这种现象就是
霍尔效应
B
VHKHBI
-------
VH I
压电元件的等效电路
压电元件可以等效成一个电荷源和一个电容
并联的等效电路
Cf
Q
Ca
+ -A
-
Q Ca Co Ci
Uo
Uo
Q Cf
13
沈阳铁路机械学校
07.10.2020
传感器原理及应用
压电传感器的应用
压电式力传感器
1-上盖 2-石英晶片 3-电极 4-引出插头 5-绝缘材料 6-底座
14
沈阳铁路机械学校
度不等（T＞T0）有温差时，回路里会产生热
电势，形成电流
T
热端
金属A
Eab
金属B
电流
T0
冷端
3
沈阳铁路机械学校
07.10.2020
传感器原理及应用
热电偶工作原理
两种导体的接触电势 ：不同金属自由电子密度 不同，当两种金属接触在一起时，在结点处会 发生电子扩散，电子从浓度高的向浓度低的金
属扩散。浓度高的失去电子显正电，浓度低的
标准电极定律 ：导体C分别与热电偶两个热电极 A、B组成热电偶AC和BC，当保持三个热电偶的 两端温度相同时，则热电偶AB的热电势等于另
外两个热电偶AC和BC的电势之差，
5
沈阳铁路机械学校
07.10.2020
传感器原理及应用
热电偶种类
阳铁路机械学校
07.10.2020
工作原理
当导体在稳恒均匀磁场中，沿垂直磁场方向运 动时，导体内产生的感应电势为
eBlv
当一个N匝相对静止的导体回路处于随时间变化 的磁场中时，导体回路产生感应电动势e，e的 大小与穿过线圈的磁通Φ变化率有关
e N d dt
21
沈阳铁路机械学校
07.10.2020
传感器原理及应用
基本结构
变磁通式又称磁阻式 ，线圈、磁铁静止不动， 转动物体引起磁阻、磁通变化，该类传感器 常用于角速度的测量。
得到电子显负电。当扩散达到动态平衡时，得
到一个稳定的接触电势。
＋
－
电子扩散方向
4
沈阳铁路机械学校
07.10.2020
传感器原理及应用
热电偶工作原理
单一导体的温差电势 ：对一单一金属，如果两边 温度不同，两端也会产生电势。高温端失去电子 带正电，低温端得到电子带负电
中间导体定律 ：当引入第三导体C时，只要C导 体两端温度相同，回路总电动势不变