第七章 电势型传感器及应用 §7-1 热电偶 1.掌握热电偶、热电效应及热端和冷端的定义。

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1 第七章 电势型传感器及应用 §7-1 热电偶 1.掌握热电偶、热电效应及热端和冷端的定义。
热电偶定义：将两种不同的导体（金属或半导体）A和B组成一个闭和回路 当两导体的两个接点1和2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，该现象称温差电效应或称塞贝尔效应，统称热电效应。 测量温度时，两个热电极的一个接点置于被测温度场（T），称该点为测量端，也叫工作端或热端；另一个接点置于某个恒定温度（T0）的地方，称参考端或自由端、冷端。

2 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； （3）热电势大小仅与热电极材料的性质、两接点的温度有关，而与热电偶尺寸、形状及温度分布无关。

3 热电偶的测温原理： 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）的大小就简单地与热电偶热端温度T成单值函数关系。通过测量EAB（T、T0）值就可以知道被测点的温度T。

4 中间导体定律：热电偶串接中间导体后，只要中间导体两端的温度相同，就不影响回路中原来的热电势数值，此即热电偶的中间导体定律。
3.掌握 选用热电极材料的规律、选用标准热电偶的优点、热电偶结构划分的种类。 选用热电极材料的规律，选用标准热电偶的优点： ①热电势大； ②热电势与被测温度之间尽量呈线性单值关系； ③测温范围较宽； ④ 元件的性能稳定，不易氧化和耐腐蚀，温度系数小，导电率高。

5 按热电偶本身结构分：普通热电偶、铠装热电偶、薄膜热电偶。
4.一般了解几种以定型的常用热电偶。 5.了解热电偶按结构的分类。

6 6.了解热电偶冷端处理的几种方法。掌握其中的电桥补偿和冷端延长法的工作原理。
电桥补偿： R1=R4=R3由锰铜丝制， 它们阻值不随温度变化。 Rt由铜线绕制，阻值随 温度变化。 由不平衡电桥对热电偶回路提供一个随冷端温度变化的附加电势，从而使热电偶的输出不随冷端温度的变化而改变，达到自动补偿的目的。 a b

7 冷端延长法：用廉价的低温热电极加长昂贵的高温热电极，以便将冷端引到低温且变化小的地点去。该法即不能使冷端温度恒为零，也不能补偿由于冷端温度变化引起热电势的变化。
7.一般了解热电偶的应用。

8 §7-2 光电池 1.了解光生伏特效应、光电池的定义。 2.掌握硒光电池光谱特性的使用特点。 硒光电池的光谱响应区段为 μm 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。 硅光电池的结构：是在N型硅片上渗入P型杂质形成一个大面积PN结而成。 工作原理：当PN结附近受光照射激发出光生电子、空穴对后，由PN结阻挡层的内电场将光生电子、空穴进行分离，使PN结两边的半导体建立电位差，即产生光生电势。

9 光电特性的特点： 光照度与短路电流呈线性关系，而与开路电压的关系有饱和性。 4.一般了解硒光电池的结构和工作原理及伏安特性，硅光电池的伏安特性和温度特性。

10 §7-3 压电石英晶体和压电陶瓷 1.掌握压电效应、石英晶体的纵向压电效应的定义。 当某些单晶体或多晶体陶瓷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，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；反之，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，该现象称逆压电效应。 纵向压电效应：沿X轴加压力产生的压电效应。

11 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。
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。 压电陶瓷是人工制造的多晶体，是由无数细微的电畴组成。电畴具有自己自发的极化方向。经过极化处理的压电陶瓷才具有压电效应。

12 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，因陶瓷变形使电畴的界限发生变化，电畴偏转使其剩余极化强度随之变化，因而在垂直于极化方向的平面上出现极化电荷的变化。这种变化量与压电陶瓷的压电系数和作用力的大小成正比。测量这个电荷的变化，即可知作用力的大小。 采用压电陶瓷制作的传感器灵敏度较高。但石英晶体的稳定性是其它压电材料无法比的。 4.一般了解压电陶瓷材料。

13 5.掌握压电元件的等效电路和电荷放大器（图）和电路中各元件的意义（代表什么）。
Q——两极板间异性电荷 Ca——压电元件的内部电容 Ra——两极板间绝缘电阻

14 Q——两极板间异性电荷 Ca——压电元件的内部电容
C0——电缆分布电容 Ci——电荷放大器的输入电容 Cf——反馈电容

15 6.掌握压电式传感器的几种应用、优缺点和预载的概念。
压电式传感器的几种应用：测量加速度和动态的力或压力。 优缺点：压电式传感器具有体积小、重量轻、结构简单、工作可靠、测量频率范围宽等优点。 不能测量频率太低的被测量，特别是不能测量静态量。 从实际测量中得知，一般压电式传感器在低压力使用时，线性度不好。这主要是传感器受力系统中力传递系数为非线性所致，即低压力下力的传递损失较大。为此，在力传递系统中加入预加力，称预载。 加预载力除了消除低压使用中的非线性外，还可以消除传感器内外接触表面的间隙、提高刚度等。 7.一般了解压电式传感器和加速度传感器的结构。

16 §7-4 霍尔元件 1.掌握霍尔元件的物理解释。 置于磁场中的静止载流导体，当它的电流方向和磁场方向不一致时，载流导体上平行于电流和磁场方向上的两个面之间产生电动势，这种现象称霍尔效应。该电动势称霍尔电势，载流导体（多为半导体）称霍尔元件。霍尔效应是导体中的载流子在磁场中受洛仑磁力作用发生横向漂移的结果。

17 2.掌握影响霍尔电势大小的因素、用半导体且用N型材料制作霍尔元件的原因、现今用的材料又有何特点。
霍尔常数RH的大小取决于导体的载流子密度。金属的自由电子密度太大，因而霍尔常数小，霍尔电势也小，所以金属材料不宜制作霍尔元件。半导体材料载流子浓度相对地小得多，因而霍尔常数大，加上半导体中电子得迁移率比空穴的大，故实用的霍尔元件多用N型半导体制成。 目前用的较多的材料有锗、硅、锑化铟和砷化铟等。

18 3.掌握霍尔元件外形结构、基本测量电路、根据不同使用要求连接电路。
从一个矩形薄片状的半导体基片上两个相互垂直方向的侧面上，各引出一对电极，其中1-1´极用于加激励电压或电流，称激励电极；另一对2-2´极用于引出霍尔电势，称霍尔电极。

19 根据不同使用要求连接电路：

20 4.一般了解霍尔元件的主要特性参数。 5.了解霍尔不等位电势及其补偿。了解温度误差及其减少的措施；掌握恒流源温度补偿电路（图）及其工作原理（解决什么问题）。 当霍尔元件选定后，它的输入电阻Ri0和温度系数及霍尔电势温度系数可以从元件参数表中可以查到（ Ri0可以测量出来），用上式即可计算出分流电阻RP0及所需的温度系数值。使霍尔电势UH稳定。

21 6.掌握用霍尔元件测量微位移的原理、霍尔元件压力和压差传感器的两大组成部分、霍尔式压力和加速度传感器结构原理图及各组成部分的名称。
霍尔元件测量微位移的原理： 由式UH=KHIB看出，当激励电流I恒定时，霍尔电势与磁感应强度B成正比，若磁感应强度B是位置的函数，则霍尔电势的大小就可以用来反映霍尔元件的位置。若制造一个某方向上磁感应强度B线性变化（增加或减小）的磁场，当霍尔元件在这种磁场中移动时，其输出UH的变化反映了霍尔元件的位移ΔX。 用霍尔元件组成的压力和压差传感器基本上包括两部分：一部分是弹性元件，用它来感受压力并把它转换成位移量；另一部分是霍尔元件和磁路系统。

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23 7.一般了解霍尔元件用于测量磁场。 §7-5 磁电式 1.掌握磁电式传感器的定义及其结构上的两大部分和两种磁路结构。 磁电式传感器是利用电磁感应原理将运动速度转换成线圈中的感应电动势进行输出，所以它又叫感应式或电动式传感器。 磁电式传感器结构上基本分为两部分，一是磁路系统，通常用永久磁铁产生恒磁场，另一部分是工作线圈。 磁路有两种典型结构，变磁通式和恒磁通式。

24 变磁通式通常是将齿轮的齿（槽）作为永久磁铁磁路的一部分，当齿轮转动时，时而齿对齿，时而齿对槽形成磁阻的变化，引起磁路磁通的变化，与磁通相链的线圈感应出电动势输出，该信号的频率和幅值与齿轮转速成正比。
恒磁通式通常是工作线圈（动圈）置于永久磁铁磁路的空气隙中，当线圈相对气隙磁场有切割磁力线的运动时，产生感应电动势信号输出，该信号的大小与线圈的直线运动速度成正比。

25 2.掌握开磁路磁阻式转速传感器的组成、结构原理图和工作原理。

26 工作原理：当齿轮转动时，时而齿对齿，时而齿对槽形成磁阻的变化，引起磁路磁通的变化，与磁通相链的线圈感应出电动势输出，该信号的频率和幅值与齿轮转速成正比。
3.了解磁电式传感器温度误差和非线性误差的补偿方法。

27 4.掌握动圈式振动速度传感器的结构图及各部分的名称；了解相位差式扭矩传感器的结构原理。

28 第八章 其它半导体传感器及应用 §8-1 热敏电阻 1.掌握热敏电阻的定义及工作原理。
热敏电阻是利用半导体的电阻随温度变化较显著的特点制成的一种热敏元件。 半导体的电阻率随着温度的升高而下降（少数正温度系数的除外），而且降的幅度大，热敏电阻正是利用半导体电阻值变化幅度大的特点作为温度敏感元件的。 2.掌握三种类型热敏电阻的特点及其使用范围。 （1）负温度系数（NTC）缓变型热敏电阻 （2）正温度系数（PTC）剧变型热敏电阻 （3）临界温度（CTR）热敏电阻

29 负温度系数（NTC）缓变型热敏电阻有较好的感温特性，适用于一定范围的温度检测，正温度系数（PTC）剧变型和临界温度（CTR） 热敏电阻随温度变化的特性属于剧变型（开关型），因而不能用于宽范围的温度控制，而在某一窄范围内的温度控制却是十分优良的。 3.了解热敏电阻热电特性的定义。 4.一般了解热敏电阻的伏安特性和主要参数。

30 §8-2 固态压敏电阻 1.掌握半导体压阻效应和固态压敏电阻的定义。 当半导体材料在某一方向上承受应力时，它的电阻率发生显著变化，这种现象称为半导体压阻效应。 用这种效应制成的电阻称固态压敏电阻。 2.掌握金属电阻和半导体电阻受力后引起电阻值变化的原因、半导体电阻率的变化与作用应力的关系。 金属电阻受应力后，电阻的变化主要是由几何尺寸的变化引起的；而半导体电阻受应力后，电阻的变化主要由电阻率发生变化引起的。 对于简单的拉伸和压缩来说，当半导体电阻上的作用应力与电流方向一致时，其电阻率的相对变化与作用应力成正比。

31 3.掌握硅膜的作用、扩散硅压阻器件的结构。 为了增大灵敏度，压敏电阻常常扩散（安装）在薄的硅膜上。压力的作用先引起硅膜的形变，随之使压敏电阻承受应力。 扩散硅压阻器件的结构：一种是圆形膜片与其支撑的硅杯合为一体，称为圆形硅杯膜片结构。另一种也是支撑的硅杯与膜片合为一体，区别是方形或矩形，称为方形或矩形硅杯膜片结构。 4.一般了解四个压敏电阻在硅膜片上的排列。

32 5.了解扩散硅压阻器件的几种应用；掌握压阻式压力和加速度传感器的结构（图）及各部分的名称。

33 §8-3 湿敏电阻 1.掌握湿敏电阻的定义、构成和工作原理。 湿敏电阻是一种阻值随环境相对湿度的变化而变化的敏感元件。 它主要由感湿层（湿敏层）、电极和具有一定机械强度的绝缘基片组成。 工作原理：感湿层在吸收了环境中的水分后引起两电极间电阻值的变化，这样就能直接将相对湿度的变化变换成电阻值的变化。 2.一般了解几种湿敏电阻；了解湿敏电阻的构成。 3.一般了解多功能气体-温度传感器。

34 §8-4 磁敏元件 1.掌握磁敏二极管和三极管的使用特点；了解磁敏二极管工作时的电压极性。 磁敏二极管和三极管的使用特点：适用于磁感应强度0.1T以下弱磁场的测量。 2.掌握改变磁敏三极管集电极电流大小和变化方向的方法。 用磁场方向控制集电极电流变化的方向（增加或减少），用磁场的强弱控制集电极电流的变化量。 3.一般了解磁敏二极管和三极管的工作原理和基本特性。

35 §8-5 气敏元件 1.了解气敏电阻材料的特点。 2.掌握气敏电阻的工作原理（两种吸附、加热）、基本测量电路及其工作原理。 气敏电阻接触被测气体时产生化学吸附，引起半导体中多数载流子浓度的变化，使气敏电阻数值发生变化，从而感知被测气体。 为了达到气敏电阻的化学吸附，需要对元件本身加热到适当温度，所以气敏元件多数自备电阻加热器。

36 EH为加热电源，EC为测量电源。电路中气敏电阻值的变化引起电路中电流的变化，输出电压（信号电压）由电阻R0上取出。

37 3.一般了解气敏电阻的类型及特点。