現(xiàn)代傳感器與執(zhí)行器(s_a)工程學(xué)(下)(編輯修改稿)
2025-03-19 12:10 本頁(yè)面
【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 現(xiàn)象，不管是哪種變換，總是與壓電效率有關(guān)的。這樣把不同種類(lèi)能 量所構(gòu)成的關(guān)系稱(chēng)為一次效應(yīng)。在傳感器上所應(yīng)用的一次效應(yīng)的例子列于表 。由表可見(jiàn)，正效應(yīng)與逆效應(yīng)是成對(duì)出現(xiàn)的。 另一方面，彈性系數(shù)、感應(yīng)系數(shù)、磁化率等均是屬于同一種類(lèi)能量的強(qiáng)度型狀態(tài)量與容量型狀態(tài)量微分之比，以 表示之。這些不能直接的應(yīng)用在傳感器上 , 可是，利用這些狀態(tài)量與其他狀態(tài)量，例如溫度、壓力之間的依賴(lài)關(guān)系，便可以制成各種傳感器，把這種變換稱(chēng)為二次效應(yīng)，它們沒(méi)有逆效應(yīng)。 將強(qiáng)磁性體中的磁場(chǎng)強(qiáng)度 H由 0開(kāi)始增大，初期磁力線(xiàn)密度 B與 H成比例的增加，可是當(dāng) H達(dá)到某種程度時(shí)， B便飽和了。也就是說(shuō)，透磁率是 H的函數(shù)。作為變壓器使用時(shí)，設(shè)計(jì)要避免磁飽和，與此相反，有的傳感器是積極的利用磁飽和現(xiàn)象。 如圖 （ b）所示，把一個(gè)強(qiáng)磁性體圓環(huán)放置在直流磁場(chǎng) H0（與紙面垂直）中，在圓環(huán)上繞兩個(gè)線(xiàn)圈，如果在一個(gè)線(xiàn)圈上通過(guò)接近飽和的交流電流，則另一個(gè)線(xiàn)圈的輸出電壓（與 H成比例），如圖 （ a）所示那樣，將產(chǎn)生波形失真。這種波形含有激振頻率偶數(shù)倍的高頻分量，其振幅是直流磁場(chǎng) H0的函數(shù)。根據(jù)由輸出線(xiàn)圈取出 第二高頻成分，便可以作成磁場(chǎng)傳感器。把這種方法稱(chēng)為磁調(diào)制，多用于測(cè)量的磁場(chǎng)等微弱磁場(chǎng)的傳感器上。 圖 （ 2）傳輸現(xiàn)象 電荷、熱量、質(zhì)量等容量型狀態(tài)量隨時(shí)間而變化及伴隨有流動(dòng)現(xiàn)象，把這稱(chēng)為傳輸現(xiàn)象。之所以能產(chǎn)生這些流，是因?yàn)樵谙到y(tǒng)中存在著強(qiáng)度狀態(tài)量的差或梯度的緣故，差或梯度可看作一般化的力，并稱(chēng)之為 “親和力 ”（或親和勢(shì)）。電流就是由于存在所謂電位差的親和力而產(chǎn)生的。熱流就是由于存在所謂溫度差的親和力而產(chǎn)生的，一種流可以由兩種以上的親和力而產(chǎn)生，利用這種現(xiàn)象可以制出傳感器。 很早以來(lái)所使用的熱電偶，其熱流與電流是分別由于溫度差和電位差而產(chǎn)生的。在這種熱電現(xiàn)象中，當(dāng)電流為零時(shí)的電位差則是由溫度差產(chǎn)生的，這就是所謂塞貝克（ Seebeck）效應(yīng)。熱電偶就是利用塞貝克效應(yīng)做成的一種傳感器。當(dāng)電流通過(guò)沒(méi)有溫差的兩個(gè)導(dǎo)體或半導(dǎo) 體的接點(diǎn)處時(shí)，則產(chǎn)生熱現(xiàn)象，這就是大家所熟悉的珀?duì)柼?Pelier）效應(yīng)，很顯然，可以把它視為塞貝克效應(yīng)的逆效應(yīng)。 不同種類(lèi)的親和力和流之間產(chǎn)生的效應(yīng)成為一次效應(yīng)。利用一次效應(yīng)制成的傳感器如表 。與此相對(duì)應(yīng)的，是二次效應(yīng)。例如象電阻那樣，除受電壓、電流的影響外，還受到如變形、壓力、溫度等的影響，這種現(xiàn)象稱(chēng)為二次效應(yīng)。利用它可以制成各種傳感器。這些都是屬于二次效應(yīng)傳感器。對(duì)于二次效應(yīng)不存在逆效應(yīng)。與傳輸現(xiàn)象有關(guān)的二次效應(yīng)見(jiàn)表 。（ 3）量子現(xiàn)象 對(duì)于構(gòu)成物質(zhì)的每個(gè)原子和分子來(lái)說(shuō)，其能量只能取離散跳躍的數(shù)值，這是量子力學(xué)所闡述的內(nèi)容。光電效應(yīng)就是量子現(xiàn)象的一例。金屬內(nèi)部的電子，受到光子的作用，從金屬表面釋放出來(lái)，這稱(chēng)為外光電效應(yīng)；由于光的照射，晶體中的電子被激發(fā)，電子與空穴成對(duì)產(chǎn)生，這稱(chēng)為內(nèi)光電效應(yīng)。這兩種光電效應(yīng)分別地應(yīng)用在傳感器上。 原子和分子一旦被放入電場(chǎng)或磁場(chǎng)中，其穩(wěn)定狀態(tài)發(fā)生變化，使能級(jí)和譜線(xiàn)分裂，稱(chēng)為斯塔克 (德 Stark)效應(yīng)或塞曼效應(yīng)。在電、磁場(chǎng)作用下，從原子、分子中發(fā)出的光的波長(zhǎng)隨電、磁場(chǎng)的強(qiáng)度而變化。由于其變化量很小，直接應(yīng)用到傳感器上有些困難，但用在激光的激振頻率穩(wěn)定化方面還是可能的。 當(dāng)把磁場(chǎng)加到原子、分子上，使其進(jìn)行旋進(jìn)運(yùn)動(dòng)時(shí) ,用與其振動(dòng)頻率相等的頻率使磁場(chǎng)發(fā)生變化，從而產(chǎn)生共振現(xiàn)象，這叫磁共振。其共振頻率因?yàn)槿Q于磁場(chǎng)程度，所以可用在磁力傳感器上，此外也可當(dāng)作溫度傳感器使用。 在極低溫領(lǐng)域，有超導(dǎo)現(xiàn)象發(fā)生，電流變成永久電流在流動(dòng)。在用超導(dǎo)材料作成的閉合電路上通過(guò)磁力線(xiàn) ，根據(jù)量子力學(xué)效應(yīng)，其值只取 的整數(shù)倍的值 ，叫做磁通量子。如果在這個(gè)回路上有約瑟夫遜結(jié) (用極薄的絕緣 ‘庭隔開(kāi)的超導(dǎo)體對(duì) )時(shí)，使磁束量子周期化，從而得到周期性響應(yīng)，故把磁束量子作為單位 ,就可以測(cè)量磁力線(xiàn)的變化了。把這種磁力線(xiàn)計(jì)量?jī)x器稱(chēng)為量子干涉儀 (SQUID)。第三章第三章 SA的構(gòu)成論與信號(hào)選擇的構(gòu)成論與信號(hào)選擇l 傳感器是由將輸入量轉(zhuǎn)換為與其不同的物理量的元件為主體構(gòu)成的，輸出量多是采用容易進(jìn)行信號(hào)處理的 電學(xué)量（電壓、電流、頻率等）或力學(xué)量（壓力等）。換句話(huà)說(shuō)，單獨(dú)一個(gè)敏感元件還不能成為安全的傳感器，而且也未必實(shí)用。 傳感器的構(gòu)成法的分類(lèi)如圖 。（ a）是最基本的結(jié)構(gòu)形式，只是由敏感元件構(gòu)成的最簡(jiǎn)單形式，把它規(guī)定為 P型。（ b）仍然是利用敏感元件的基本構(gòu)成形式 ,與（ a）不同的是使用了電能等能源，可獲得較高能量的輸出信號(hào)。這種形式定為 A型。為使 A型敏感元件的工作點(diǎn)穩(wěn)定，采用了能源。當(dāng)然，也有不用能源而用磁鐵，使磁的工作點(diǎn)穩(wěn)定的形式。在這種情況下，磁鐵并非是能源，可視其為一種偏壓源。這種形式成為 B型。（ c）是利用輸入信號(hào)進(jìn)行阻抗變換的敏感元件的形式，若就這樣原封不動(dòng)的使用，因?yàn)榈貌坏捷敵鲂盘?hào)，所以要制作包含該敏感元件在內(nèi)的變換電路，由能源向它供能量 , 從而獲得輸出信號(hào)。將這種結(jié)構(gòu)形式的傳感器稱(chēng)為 C型傳感器。 傳感器的特性，由于受到周?chē)h(huán)境和條件的影響，在很多情況下要發(fā)生變化。當(dāng)影響不可忽略時(shí)，則必須采取某種解決的辦法。（ d）以下，就是針對(duì)這種情
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