现代传感器与执行器(S_A)工程学(下)

汽车课件下载2.5物理定律与S&A传感器必须具备将输入的物理量转换为其他种类物理量的机能，而这种机能之所以能够实现，是由于应用了各种物理定律和法则的缘故。换句话说，由于传感器的工作受物理准则所支配，所以非物理的特性是不能实现的。因而，从物理量变换的观点，将物理定律分类，不仅能加深理解，且对传感器开发与使用也是非常必要的。为此，将物理定律（法则）分为以下四种类型。2.5.1守恒定律这是表示能量、动量、电荷量等守恒特性的定律。从原理上讲，这是个最基本的定律。作为应用能量守恒定律的传感器的例子，可以推举空速管（Pitot管）。汽车课件下载大家知道，在密封的管子里，非粘性液体流的守恒定律是用伯努利方程来表示的。对于水平流动的液体，假如是不可能压缩的，则可表示为（3.1）式中，是流体的密度，v是流速，p是压力。图3.1空速管（Pitot）常数pv221汽车课件下载所示，空速管是由对着流向封口的管子与侧面开孔的管子所组成。对于A点（v=0，p=pt）和B点（v=v，p=ps），伯努利方程都适用，因而有（3.2）也就是说，通过这个方程，可将流速变换成压力差。这就是作为流速传感器的空速管的变换原理。使用能量守恒定律时，必须把与现象有关的一切能量形式都考虑在内。例如空速管如果考虑流体的粘度和可压缩性，式（3.2）严格来说是不成立的，所以必须采用修正系数。221vppst汽车课件下载2.5.2场的规律这是一个关于物质作用的定律，如运动定律和电磁场定律等，其作用与物体在空间的位置以及分布状态有关。与这些定律或法则有关的物理参数，象质量和电荷那样，与具体物质的内部结构无关。如图3.2（a）所示，在由永久磁铁构成的磁场中，放一个线圈，如果线圈做与磁力线方向相垂直的运动时，线圈中便产生感生电动势。其大小，根据电磁感应定律，与穿过线圈磁力增减速度成比例。不管是铜线圈还是铝线圈，其感应电动势的大小是不变的，而与单位长度线圈的圈数有关。将这种线圈装在欲测速度的物体上时，根据上述原理，就能得到与速度成比例的电压，这就是动电式速度传感器的原理。此原理也被应用在振动传感器上（参阅第二篇1.3.2节）。动电式传感器的变换特性，汽车课件下载主要是由线圈的形状、尺寸和圈数决定的，而与构成元件的成分和材质关系不大。另外，如图3.2（b）所示代替线圈的是具有导电性的液体流，根据同样的定律，也能产生感应电动势。在这种情况下，变换特性主要取决于磁场强度和筒管的直径。像这样主要以形状尺寸左右传感器性能的称之为构造型传感器的特点是：被测范围（量程）与灵敏度只取决于形状尺寸，所以设计的自由度较大，而受材料选择的制约较小，容易获得稳定的性能。图3.3所示为将两枚平板电极平行相对放置，其电容量C为（3.3）dSC汽车课件下载式中，d是电极平板间的距离，S为有效面积，为电极间电介质的电容率（介电常数）。此时，若仅使d产生一个变化时，则C便相应产生一的变化时。如果，则此种结构便可以作为位移型传感器来应用。这时，如果d越小，而S越大，则C的变化量也就越大。很显然，为要达到高精度，的范围要有一定限制。因此必须根据量程来确定极板间的距离。当然，距离的允许范围还是较宽的。此外，电极板所用的材料当然以导体为好。也有许多利用波动现象的构造传感器被开发出来。特别是将被测的量变成光的强度（光量）的方法，有调整方便，且能利用各种光电传感器的优点，因而被广泛应用。rr，0dddS)/(2ddd汽车课件下载例如，如果用不透明物体将光束遮断，那么透过物体的光量变为零或极其微弱，据此可以作为最简单的判断物体存在的传感器。用这种方法当然只能得到1bit的情报（信息）。如果在两块不透明的平板上开出同样形状和尺寸的孔或槽，并使其重合在一起，将一块固定，另一块则在其平面上移动，随着两者相对位移的变化透汽车课件下载光量将产生变化。如果增加孔或槽的数目，还可以提高灵敏度，并能使线性关系更好。如果平板的移动量超过孔或槽的间距时，则其透光量便以此间距为周期进行周期性增减变化。这样，如果数一下周期数，那么就可以孔或槽的间距为单位，进行长度的数字测量了。这种情况并非是光量本身的增减，而是借助其周期性变化传递情报，这种周期与光量的时间变化并无关系，而是决定与孔或槽的间距，所以说多孔（槽）板便成为把光量变换成空间位置的调幅元件。利用光的干涉现象制成了各种干涉仪器。用来测量长度的麦克尔逊干涉仪上所呈现的干涉条纹与用光源波长来决定间距的多孔（槽）板是等效的。干涉条纹间的距离并非只是根据波长来决定的，它还与光路中的介质的折射率有关，因而距离也取决于气体的压力和成分，汽车课件下载所以也可以用于测定长度以外的量，即使在这种场合情况也未改变。图3.4所示为透光部分与遮光部分宽度相等的多孔板，如果让它在与光束垂直方向上移动时，透光量便作为周期性的变化，由于其周期与运动速度成反比，所以可把它作为速度传感器来应用。如果将长孔沿圆周方向均匀汽车课件下载配置，便成为角速度传感器了。虽然这种情况并不是以光量本身的增减，而是由于与长孔在空间配置无关，所以是把光量按时间进行调制的。不限于光，作为一般的波动，所共有的效应当推多普勒效应。该效应表达了下述事实：从正在运动的物体中发射出来的波，通过静止的检测器接收时，接收信号的频率取决于波源的速度；如果将波射向运动物体时，产生的散射波的频率也同样取决于物体速度。利用这种现象，已开发出各种速度传感器和流速传感器。2.5.3统计定律物质是由微小粒子集合而构成的，它能反映出围观的汽车课件下载性质。例如，波义耳—查理定律本来可以说是统计的定律。可是，在分子数非常多的状态下，与平均值的偏差小到可以忽视的程度，通常其统计性质就不加考虑了。与传感器有关的统计法则是重要的奈奎斯特定理。根据这个定理，在电阻R两端产生的热噪声电压V的均分值，可由下式确定：（3.4）式中，kB为波尔兹曼常数（约为）,T为热力学温度，B为频带宽度。热噪声混入信号中，对测试将产生不良影响，然而，用它可以测定热力学温度。在这种情况下，热噪声也就当然地被视为信号了。普通使用的温度传感器，与标准2VTRBkVB42JK231038.1汽车课件下载温度计相比较如果不加以校正，就得不到正确的结果；与此相反，如果利用热噪声，从原理上，可以直接测的热力学的温度，也就是说绝对测量是这种测量方法的特征。之所以如此，是因为式（3.4）不含有与电阻材料个别特性有关的参数的缘故。实际上，因为带宽B的确定时困难的，还必须想一些别的办法。2.5.4有关物质特性的规律它是表示物质各种各样的物理性质的定律，例如虎克定律、欧姆定律等。属于这种分类的定律中含有物质固有的物理常数。换句话说，定律是定义各种物理常数的公式。这种定律，一般来说是近似的，并不能严格的成立。汽车课件下载利用与不同种类能量之间相关联的物质定律，可以做成各种各样的传感器。把这种传感器称为物性型或材料型传感器。物性型传感器的性能，在很大程度上受相关物理常数大小的支配。如图3.5所示，当在导体或半导体中有电流通过时，汽车课件下载若在与电流垂直的方向上加上磁场，则在与两者垂直的方向上产生感生电势。把这种现象称作霍尔效应。半导体与金属相比，最大的不同点是，它可以得到很大的电动势。因此可以使用霍尔系数大的半导体制作出使用的磁场传感器。应用半导体技术，已开发出各种各样的物性型传感器。今后也势必得到进一步发展。因此，对物性型传感器要进行较深入地讨论。（1）热平衡现象与物理常数相关的现象可分为三类：热平衡现象、传输现象与量子现象。热平衡状态中，基本的物理量是能量。描述热平衡汽车课件下载状态中某系统的物理量叫做状态量。这种状态量具有以下两种性质：其一，如果把这个系统分割成若干分系统，该物理量的大小是确定的，而与分割的方法无关；其二，该状态量与分系统的大小（体积、面积等）成比例。把前者称为强度型状态量，后者称为容量型状态量。温度、压力、电场或磁场强度等是强度型状态量，能量、熵、位移、电气极化等是容量型状态量。若干个容量型状态量xi的微小变化为dxi，则系统的能量U的变化为（3.5）在这里，是对应于xi的强度型状态量，xj角标表示除xi以外的容量型状态量保持固定不变的意思。系统由能量U的状态变化到U+dU的状态时（两者都iidxXduxjiixUX)/(汽车课件下载处在热平衡状态），因其变化与所取的微分路径无关，所以下式成立。从而可得（3.6）式（3.6）是麦克斯韦关系式，对于传感器技术这是个重要的公式。值得指出的是，在式（3.5）中，是选择容量型状态量作为独立变量的，而实际上，由于强度型状态量容易测量，且其大小也容易调整，所以把它作为表达式中的独立变量使用是很方便的。为此，可采用勒让德变换方法。有关该法的一般论述参见文献2。下面仅举例说明。xkijxkjixxUxxU)()(22xkijxkjixXxX)()(汽车课件下载例如，温度T对于熵S是强度型变量（示强度量）为了把它变成独立变量，可用F代替U，采用下式F=U-TS（3.7）所定义的亥姆霍兹自由能，于是便有如果把压力P当作独立变量时，则采用下式H=U+PV（3.8）如果把温度和压力同时作为独立变量时，则采用下式G=U-TS+PV（3.9）所定义的吉姆斯自由能进行讨论。这样一来，独立变量中如果有若干个强度型状态变量时，则麦克斯韦关系式的表达式可取如下形式。vSUT)/(iidxXPdVSdTdF汽车课件下载时，便在其表面上出现电荷P，显出正负极性，这时将称为电压效率。由麦克斯韦关系式可知，对应于应力的容量型状态量是体积的变化，而对于极化电荷的强度型状态量是电场强度E，于是下列关系成立，即（3.10）由式（3.10）可知：压电现象就是将机械量变换成电量，或反之把电量变换成机械量的一种量变换现象，不管是哪种变换，总是与压电效率有关的。这样把不同种类能kijkjixxXX)()(kijkjiXxXx)()(dTP)/(10VdTPEV10汽车课件下载量所构成的关系称为一次效应。在传感器上所应用的一次效应的例子列于表3.1。由表可见，正效应与逆效应是成对出现的。另一方面，弹性系数、感应系数、磁化率等均是属于同一种类能量的强度型状态量与容量型状态量微分之比，以表示之。这些不能直接的应用在传感器上,iixX/汽车课件下载可是，利用这些状态量与其他状态量，例如温度、压力之间的依赖关系，便可以制成各种传感器，把这种变换称为二次效应，它们没有逆效应。将强磁性体中的磁场强度H由0开始增大，初期磁力线密度B与H成比例的增加，可是当H达到某种程度时，B便饱和了。也就是说，透磁率是H的函数。作为变压器使用时，设计要避免磁饱和，与此相反，有的传感器是积极的利用磁饱和现象。如图3.6（b）所示，把一个强磁性体圆环放置在直流磁场H0（与纸面垂直）中，在圆环上绕两个线圈，如果在一个线圈上通过接