物联网技术概论传感器.ppt

传感器介绍 第一章传感器介绍 1 1传感器的地位1 2传感器的作用1 3一般传感器的定义与组成1 4传感器的分类1 5传感器的特性 传感器介绍 1 1传感器的地位 传感器技术作为信息科学的一个重要分支 与计算机技术 自动控制技术和通信技术等一起构成了信息技术的完整学科 在人类进入信息时代的今天 人们的一切社会活动都是以信息获取与信息转换为中心 传感器作为信息获取与信息转换的重要手段 是信息科学最前端的一个阵地 是实现信息化的基础技术之一 没有传感器就没有现代科学的物联网技术 的观点已为全世界所公认 以传感器为核心的检测系统就像神经和感官一样 源源不断地向人类提供宏观与微观世界的种种信息 成为人们认识自然 改造自然的有利工具 传感器介绍 1 1传感器的地位 现代信息技术 传感器技术 通信技术 计算机技术 信息采集 感官 信息传输 信息处理 神经 大脑 自动控制技术 肌肉 执行处理 传感器介绍 1 2传感器的作用 将各种非电量信号转化为电量信号精确测量现代工业生产 基础学科研究 宇宙开发 海洋探测 军事国防 环境保护 医学诊断 智能建筑 汽车 家用电器 生物工程等 传感器介绍 1 3一般传感器的定义与组成 传感器 测量装置 输入与输出有对应关系 有一定的精确度传感器的组成 敏感元件 它是直接感受被测量 并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件 转换元件 敏感元件的输出就是它的输入 将感受到的非电量直接转换为电量的元件 测量电路 将转换元件输出的电量变换为便于显示 记录 控制 处理的有用电信号 传感器介绍 1 3一般传感器的定义与组成 辅助电源 敏感元件 转换元件 基本转换电路 被测量 电量 敏感元件是直接感受被测量 并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件 转换元件 敏感元件的输出就是它的输入 它把输入转换成电路参量 基本转换电路 上述电路参数接入基本转换电路 简称转换电路 便可转换成电量输出 传感器介绍 1 4传感器的分类 按照物理原理分类 电参量式传感器 电阻式 电感式 电容式等 磁电式传感器 磁电感应式 霍尔式 磁栅式等 压电式传感器 声波传感器 超声波传感器 光电式传感器 一般光电式 光栅式 激光式 光电码盘式 光导纤维式 红外式 摄像式等 气电式传感器 电位器式 应变式 热电式传感器 热电偶 热电阻 波式传感器 超声波式 微波式等 射线式传感器 热辐射式 射线式 半导体式传感器 霍耳器件 热敏电阻 其他原理的传感器 差动变压器 振弦式等 有些传感器的工作原理具有两种以上原理的复合形式 如不少半导体式传感器 也可看成电参量式传感器 传感器介绍 能量控制型传感器 在信息变化过程中 传感器将从被测对象获取的信息能量用于调制或控制外部激励源 使外部激励源的部分能量载运信息而形成输出信号 这类传感器必须由外部提供激励源 如电阻 电感 电容等电路参量传感器都属于这一类传感器 基于应变电阻效应 磁阻效应 热阻效应 光电效应 霍尔效应等的传感器也属于此类传感器 能量转换型传感器 又称有源型或发生器型 传感器将从被测对象获取的信息能量直接转换成输出信号能量 主要由能量变换元件构成 它不需要外电源 如基于压电效应 热电效应 光电动势效应等的传感器都属于此类传感器 传感器介绍 1 5传感器的静态和动态特性 传感器所测量的物理量基本上有两种形式 一种是稳态的形式 另一种是动态形式 静态特性 线性度 指其输出量与输入量之间的实际关系曲线 即静特征曲线 偏离直线的程度 又称非线性误差 灵敏度 指传感器在稳态下的输出变化量 y与引起变化的输入变化 x之比 迟滞 传感器在正 输入量增大 和反 输入量减小 行程期间 其输出 输入特性曲线不重合的现象称为迟滞 重复性 在输入按同一方向连续多次变动时得到特性曲线不一致的程度 分辨率 在测量方位内所能测量输入量的最小变化量 x 飘移 在外界的干扰下 输出量发生与输入量无关的变化 传感器介绍 1 5传感器的静态和动态特性 为了说明传感器的动态特性 下面简要介绍动态测温的问题 在被测温度随时间变化或传感器突然插入被测介质中以及传感器以扫描方式测量某温度场的温度分布等情况下 都存在动态测温问题 如 置于温度为t00c环境中的热电偶 传感器介绍 1 5传感器的静态和动态特性 将其迅速插入一个温度为t 的恒温水槽中 插入时间忽略不计 且t t0其中介质温度突然转变 传感器介绍 1 5传感器的静态和动态特性 而热电偶反映出来的温度从t0 变化到t 需要经历一段时间 即有一段过渡过程 如下图所示 热电偶反映出来的温度与介质温度的差值就称为动态误差 传感器介绍 第二章常见类型传感器 电阻式传感器2 1应变片式传感器电感式传感器2 2变磁阻式 自感 传感器2 3电容式传感器2 4磁电式传感器2 5压电式传感器2 6光电式传感器 传感器介绍 2 1应变片式传感器 金属导体或者半导体在受外力作用时 会产生相应的应变 其阻值也随之发生变化 这种物理现象称作应变效应 卡尔文 应变片电阻变化很微弱 无法用万用表测出 需要转换为电信号输出 通常采用电桥为测量电路 传感器介绍 各种电子秤 广泛应用于 传感器介绍 传感器介绍 传感器介绍 2 1应变片式传感器 荷重传感器 旁压式荷重传感器 组合式荷重传感器 桥式荷重传感器 柱式荷重传感器 传感器介绍 2 1应变片式传感器 荷重传感器 荷重传感器原理 传感器介绍 2 1应变片式传感器 工人正在给桥墩贴应变片 传感器介绍 2 1应变片式传感器 电桥 电桥 通过测量电压变化 间接的测量压力变化单臂电桥 惠斯通电桥 r1 r2 r3 r4 usc usr 传感器介绍 2 1应变片式传感器 电桥 本页公式仅对右图有效 传感器介绍 2 1应变片式传感器 电桥 24 或 说明欲使电桥平衡 其相邻两臂电阻的比值应相等 或相对两臂电阻的乘积应相等 传感器介绍 2 1应变片式传感器 电桥 传感器介绍 2 1应变片式传感器 电桥 传感器介绍 2 1应变片式传感器 电桥 从上式分析发现 电桥电压灵敏度正比于电桥供电电压u 供电电压越高 电桥电压灵敏度越高 但供电电压的提高受到应变片允许功耗的限制 所以要作适当选择 电桥电压灵敏度是桥臂电阻比值n的函数 恰当地选择桥臂比n的值 保证电桥具有较高的电压灵敏度 传感器介绍 2 1应变片式传感器 电桥 当u值确定后 n取何值时才能使最高 由dku dn 0求ku的最大值 得 传感器介绍 2 1应变片式传感器 电桥 上述可知 当电源电压u和电阻相对变化量 r1 r1一定时 电桥的输出电压及其灵敏度也是定值 且与各桥臂电阻阻值大小无关 传感器介绍 2 1应变片式传感器 电桥 相邻桥臂 电阻一个增加 一个减少 半差动电桥 双臂电桥 传感器介绍 usc与 r1 r1成线性关系 差动电桥无非线性误差 而且电桥电压灵敏度ku usr 2 是单臂工作时的两倍 同时还具有温度补偿作用 传感器介绍 2 1应变片式传感器 电桥 四臂都是应变片 且相邻电阻变化相反电桥电压灵敏度ku usr 全桥电路 传感器介绍 2 2变磁阻式传感器 自感传感器 传感器介绍 2 2变磁阻式 自感 传感器 自感传感器是电感式传感器的一种电感式传感器包括以下几种 自感传感器 变磁阻式传感器 互感传感器电涡流传感器电感 在电路中电流发生变化时能产生电动势的性质称为电感 电感又分为自感和互感 一 自感 当线圈中有电流通过时 线圈的周围就会产生磁场 当线圈中电流发生变化时 其周围的磁场也产生相应的变化 此变化的磁场可使线圈自身产生感应电动势 这就是自感 二 互感 两个电感线圈相互靠近时 一个电感线圈的磁场变化将影响另一个电感线圈 这种影响就是互感 互感的大小取决于电感线圈的自感与两个电感线圈耦合的程度 电涡流 当成块的金属处于变化着的磁场中或者在磁场中运动时 金属体内都会产生感应电动势 称为涡流 当磁场是由电流产生时 此时产生的涡流成为电涡流 传感器介绍 2 2变磁阻式 自感 传感器 利用电磁感应原理将被测非电量如位移 压力 流量 振动等转换成线圈自感量l或互感量m的变化 再由测量电路转换为电压或电流的变化量输出 这种装置称为电感式传感器 电磁感应原理 变化的磁场在周围空间产生电场 当导体处在此电场中时 导体中的自由电子在电场力作用下作定向移动而产生电流即感应电流 如果不是闭合回路 则导体中自由电子的定向移动使断开处两端积累正 负电荷而产生电势差 感应电动势 变磁阻式传感器属于电感式传感器范畴我们先来看一个例子 来体会一下将非电量转化为电感值的变化 传感器介绍 2 2变磁阻式 自感 传感器 被测量转化为自感量 传感器介绍 传感器介绍 2 2变磁阻式 自感 传感器 工作原理 变磁阻式传感器的结构如图所示 它由线圈 铁芯和衔铁三部分组成 铁芯和衔铁由导磁材料如硅钢片或钋镆合金制成 在铁芯和衔铁之间有气隙 气隙厚度为 delta 传感器的运动部分与衔铁相连 当衔铁移动时 气隙厚度 发生改变 引起磁路中磁阻变化 从而导致电感线圈的电感值变化 因此只要能测出这种电感量的变化 就能确定衔铁位移量的大小和方向 传感器介绍 2 2变磁阻式 自感 传感器 磁路欧姆定律 磁路中的磁通 fai 等于作用在该磁路上的磁动势f除以磁路的磁阻rm 这就是磁路的欧姆定律磁通量总是形成一个闭合回路 但路径与周围物质的磁阻有关 它总是集中于磁阻最小的路径 空气和真空的磁阻较大 而容易磁化的物质 例如软铁 则磁阻较低 传感器介绍 2 2变磁阻式 自感 传感器 1 线圈2 铁心3 衔铁 变气隙式 变截面式 螺管式 传感器介绍 2 2变磁阻式 自感 传感器 根据电感定义 线圈中电感量可由下式确定 式中 线圈总磁链 psi i 通过线圈的电流 线圈的匝数 omiga 穿过线圈的磁通 fai 由磁路欧姆定律 得 传感器介绍 2 2变磁阻式 自感 传感器 式中 rm 磁路总磁阻 对于变隙式传感器 因为气隙很小 所以可以认为气隙中的磁场是均匀的 若忽略磁路磁损 则磁路总磁阻为 式中 1 铁芯材料的导磁率 2 衔铁材料的导磁率 l1 磁通通过铁芯的长度 l2 磁通通过衔铁的长度 s1 铁芯的截面积 s2 衔铁的截面积 0 空气的导磁率 传感器介绍 2 2变磁阻式 自感 传感器 s0 气隙的截面积 气隙的厚度 通常气隙磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻 即 则可近似为 rm 传感器介绍 2 2变磁阻式 自感 传感器 上式表明 当线圈匝数为常数时 电感l仅仅是磁路中磁阻rm的函数 只要改变 或s0均可导致电感变化 因此变磁阻式传感器又可分为变气隙厚度 的传感器和变气隙面积 0的传感器 使用最广泛的是变气隙厚度 式电感传感器 上式表明 自感l与气隙 成反比 而与气隙导磁截面积s0成正比 此时 传感器的灵敏度为 传感器介绍 2 2变磁阻式 自感 传感器 二 输出特性 设电感传感器初始气隙为 0 初始电感量为l0 衔铁位移引起的气隙变化量为 可知l与 之间是非线性关系 特性曲线如图 初始电感量为 传感器介绍 2 2变磁阻式 自感 传感器 当衔铁上移 时 传感器气隙减小 即 0 则此时输出电感为l l0 l 代入并整理 得 当 0 1时 可将上式用台劳级数展开成级数形式为 l l0 l 由上式可求得电感增量 l和相对增量 l l0的表达式 即 传感器介绍 当衔铁下移 时 传感器气隙增加 即 0 则此时输出电感为l l0 l 代入并整理 得 2 2变磁阻式 自感 传感器 传感器介绍 对式作线性处理 忽略高次项 可得 灵敏度为 由此可见 变间隙式电感传感器的测量范围与灵敏度及线性度相矛盾 所以变隙式电感式传感器用于测量微小位移时是比较精确的 为了减小非线性误差 实际测量中广泛采用差动变隙式电感传感器 2 2变磁阻式 自感 传感器 传感器介绍 图示为差动变隙式电感传感器的原理结构图 由图可知 差动变隙式电感传感器由两个相同的电感线圈 和磁路组成 测量时 衔铁通过导杆与被测位移量相连 当被测体上下移动时 导杆带动衔铁也以相同的位移上下移动 使两个磁回路中磁阻发生大小相等 方向相反的变化 导致一个线圈的电感量增加 另一个线圈的电感量减小 形成差动形式 当衔铁往上移动 时 两个线圈的电感变化量 l1 l2分别由前式表示 当差动使用时 两个电感线圈接成交流电桥的相邻桥臂 另两个桥臂由电阻组成 电桥输出电压与 l有关 其具体表达式为 l l1 l2 2 2变磁阻式 自感 传感器 传感器介绍 2 2变磁阻式 自感 传感器 传感器介绍 对上式进行线性处理 忽略高次项得 灵敏度k0为 比较单线圈和差动两种变间隙式电感传感器的特性 可以得到如下结论 差动式比单线圈式的灵敏度高一倍 2 2变磁阻式 自感 传感器 传感器介绍 差动式的非线性项等于单线圈非线性项乘以 0 因子 因为 0 1 所以 差动式的线性度得到明显改善 为了使输出特性能得到有效改善 构成差动的两个变隙式电感传感器在结构尺寸 材料 电气参数等方面均应完全一致 2 2变磁阻式 自感 传感器 传感器介绍 2 3电容式传感器 传感器介绍 2 3电容式传感器 电容式传感器是将被测量 如尺寸 压力等 的变化转换成电容变化量的一种传感器 实际上 它本身 或和被测物 就是一个可变电容器 我们先来看几个例子 来体会一下将非电量转化为电容值的变化 传感器介绍 2 3电容式传感器 实例一 指纹识别传感器 图为ibmthinkpadt42 t43的指纹识别传感器 传感器介绍 2 3电容式传感器 指纹识别所需电容传感器包含一个大约有数万个金属导体的阵列 其外面是一层绝缘的表面 当用户的手指放在上面时 金属导体阵列 绝缘物 皮肤就构成了相应的小电容器阵列 它们的电容值随着脊 近的 和沟 远的 与金属导体之间的距离不同而变化 传感器介绍 2 3电容式传感器 指纹识别目前最常用的是电容式传感器 也被称为第二代指纹识别系统 下图为指纹经过处理后的成像图 优点 体积小 成本低 成像精度高 耗电量很小 因此非常适合在消费类电子产品中使用 传感器介绍 2 3电容式传感器 实例二 电容层析成像系统 类似与医学ct 电容层析成像 electricalcapacitancetomography 简称ect 技术根据被测物质各相具有不同的介电常数 当各相组分分布或浓度分布发生变化时 将引起混合流体等价介电常数发生变化 从而使测量电极对间的电容值发生变化 在此基础上 利用相应的图像重建算法重建被测物场的介电分布图 传感器介绍 2 3电容式传感器 电容式传感器的工作原理和结构 由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器 如果不考虑边缘效应 其电容量为 式中 epsilon 电容极板间介质的介电常数 0 r 其中 0为真空介电常数 r为极板间介质相对介电常数 a 两平行板所覆盖的面积 d 两平行板之间的距离 传感器介绍 2 3电容式传感器 当被测参数变化使得式中的s d或 发生变化时 电容量c也随之变化 如果保持其中两个参数不变 而仅改变其中一个参数 就可把该参数的变化转换为电容量的变化 通过测量电路就可转换为电量输出 因此 电容式传感器可分为变极距型 变面积型和变介质型三种类型 一 变极距型电容传感器 当传感器的 r和s为常数 初始极距为d0时 可知其初始电容量c0为 传感器介绍 2 3电容式传感器 若电容器极板间距离由初始值d0缩小 d 电容量增大 c 则有 可知 传感器的输出特性c f d 不是线性关系 而是双曲线关系 此时 c与 d近似呈线性关系 所以变极距型电容式传感器只有在 d d0很小时 才有近似的线性输出 传感器介绍 2 3电容式传感器 传感器介绍 2 3电容式传感器 另外 在d0较小时 对于同样的 d变化所引起的 c可以增大 从而使传感器灵敏度提高 但d0过小 容易引起电容器击穿或短路 为此 极板间可采用高介电常数的材料 云母 塑料膜等 作介质 此时电容c变为 式中 g 云母的相对介电常数 g 7 0 空气的介电常数 0 1 d0 空气隙厚度 dg 云母片的厚度 传感器介绍 2 3电容式传感器 云母片的相对介电常数是空气的7倍 其击穿电压不小于1000kv mm 而空气的仅为3kv mm 因此有了云母片 极板间起始距离可大大减小 同时 上式中的 dg 0 g 项是恒定值 它能使传感器的输出特性的线性度得到改善 一般变极板间距离电容式传感器的起始电容在20 100pf之间 极板间距离在25 200 m的范围内 最大位移应小于间距的1 10 故在微位移测量中应用最广 传感器介绍 二 变面积型电容式传感器 改变极板间覆盖面积的电容式传感器 常用的有线位移型和角位移型两种 线位移型电容式传感器主要分为 平面线位移型和圆柱线位移型两种 图示为平面线位移型 2 3电容式传感器 传感器介绍 对于平面线位移型电容式传感器 当宽度为b的动板沿箭头x方向移动时 覆盖面积变化 电容量也随之变化电容量为 c 0 bx delta 其灵敏度为 2 3电容式传感器 传感器介绍 图示为圆柱线位移型电容式传感器 当覆盖长度x变化时 电容量也随之变化 其电容为 x 外圆筒与内圆筒覆盖部分长度 r1 r2 外圆筒内半径与内圆筒 或内圆柱 外半径 即它们的工作半径其灵敏度为 2 3电容式传感器 传感器介绍 图为典型的角位移型电容式传感器 当动板有一转角时 与定板之间相互覆盖的面积就发生变化 因而导致电容量变化 2 3电容式传感器 传感器介绍 当覆盖面积对应的中心角为a 极板半径为r时 覆盖面积为s ar2 2 电容量为 其灵敏度为 2 3电容式传感器 传感器介绍 2 3电容式传感器 传感器介绍 三 变介质型电容式传感器 1 图示为一种变极板间介质的电容式传感器用于测量液位高低的结构原理图 2 3电容式传感器 传感器介绍 式中 空气介电常数 c0 由变换器的基本尺寸决定的初始电容值 c0 由式可见 此变换器的电容增量正比于被测液位高度h 设被测介质的介电常数为 1 液面高度为h 变换器总高度为h 内筒外径为d 外筒内径为d 则此时变换器电容值为 圆筒电容器电容计算 可看作若干不同半径的圆筒电容器串联 其中半径为r的电容器电容 c 02 rl dr总电容 2 3电容式传感器 传感器介绍 2 3电容式传感器 传感器介绍 2 变介质型电容传感器有较多的结构型式 可以用来测量纸张 绝缘薄膜等的厚度 也可用来测量粮食 纺织品 木材或煤等非导电固体介质的湿度 图示为一种常用的测量长度或位移的结构 图中两平行电极固定不动 极距为d0 相对介电常数为 r2的电介质以不同厚度插入电容器中 从而改变两种介质的厚度 传感器总电容量c为 式中 l0 b0 极板长度和宽度 l 第二种介质进入极板间的长度 若电介质 r1 1 当l 0时 传感器初始电容c0 0 r1l0b0 d0 当介质 r2进入极间l后 引起电容的相对变化为 2 3电容式传感器 传感器介绍 可见 电容的变化与电介质 r2的移动量l呈线性关系 2 3电容式传感器 传感器介绍 3 图示为一种常用的测量厚度结构 2 3电容式传感器 传感器介绍 2 4磁电式传感器 霍尔传感器 磁电式传感器主要包括磁电感应式传感器 霍尔式传感器两种 本章主要介绍其工作原理 性能及特点 首先来看一个利用霍尔式传感器将非电量转化为磁场变化 从而进行测量的例子 传感器介绍 2 4磁电式传感器 霍尔传感器 与电感式微压力传感器具有类似结构 传感器介绍 2 4磁电式传感器 霍尔传感器 霍尔式传感器 霍尔传感器是基于霍尔效应的一种传感器 1879年美国物理学家霍尔首先在金属材料中发现了霍尔效应 但由于金属材料的霍尔效应太弱而没有得到应用 随着半导体技术的发展 开始用半导体材料制成霍尔元件 由于它的霍尔效应显著而得到应用和发展 霍尔传感器广泛用于电磁测量 压力 加速度 振动等方面的测量 一 霍尔效应及霍尔元件 1 霍尔效应 置于磁场中的静止载流导体 当它的电流方向与磁场方向不一致时 载流导体上垂直于电流和磁场方向产生电动势 这种现象称霍尔效应 该电势称霍尔电势 传感器介绍 2 4磁电式传感器 霍尔传感器 传感器介绍 2 4磁电式传感器 霍尔传感器 如图所示 在垂直于外磁场b的方向上放置一导电板 导电板通以电流i 方向如图所示 导电板中的电流是金属中自由电子在电场作用下的定向运动 此时 每个电子受洛仑磁力fm的作用 fm大小为 fm ebv式中 e 电子电荷 v 电子运动平均速度 b 磁场的磁感应强度 将左手掌摊平 让磁力线穿过手掌心 四指表示正电荷运动方向 则和四指垂直的大拇指所指方向即为洛伦兹力的方向 传感器介绍 2 4磁电式传感器 霍尔传感器 fm的方向在图中是向上的 此时电子除了沿电流反方向作定向运动外 还在fm的作用下向上漂移 结果使金属导电板上底面积累电子 而下底面积累正电荷 从而形成了附加内电场eh 称霍尔电场 该电场强度为 式中uh为电位差 霍尔电场的出现 使定向运动的电子除了受洛仑磁力作用外 还受到霍尔电场的作用力 其大小为eeh 此力阻止电荷继续积累 随着上 下底面积累电荷的增加 霍尔电场增加 电子受到的电场力也增加 当电子所受洛仑磁力与霍尔电场作用力大小相等 方向相反时 即 传感器介绍 2 4磁电式传感器 霍尔传感器 eeh evb则eh vb 此时电荷不再向两底面积累 达到平衡状态 若金属导电板单位体积内电子数为n 电子定向运动平均速度为v 则激励电流i nevbd 则 式中令rh 1 ne 称之为霍尔常数 其大小取决于导体载流子密度 则中kh rh d称为霍尔片的灵敏度 可见 霍尔电势正比于激励电流及磁感应强度 其灵敏度与霍尔常数rh成正比而与霍尔片厚度d成反比 为了提高灵敏度 霍尔元件常制成薄片形状 传感器介绍 2 4磁电式传感器 霍尔传感器 当霍尔元件的材料和几何尺寸确定后 霍尔电势与控制电流和磁感应强度成正比 值得一提的是 上述推导是建立在磁感应强度b与霍尔板平面相垂直的前提下的 若磁感应强度b与霍尔板平面的法线成 角时 霍尔元件输出的霍尔电势为 霍尔电势的灵敏度与霍尔常数rh正比而与霍尔片厚度成反比 d越小 即元件越薄 灵敏度越高 故在制作霍尔元件时 尽可能作的薄些 但并不是越薄越好 过薄 输入 输出阻抗加大 引起元件的功耗过大 一般d 0 2mm 传感器介绍 根据材料的电导率式中 电子迁移率 v ev 电子移动的平均速度 rh 对霍尔片材料的要求希望霍尔片材料有较大的霍尔常数 若要霍尔效应强 则霍尔系数rh值大 由上式可知 霍尔片材料需有较大的电阻率和载流子迁移率 一般金属材料载流子迁移率很高 但电阻率很小 而绝缘材料电阻率极高 但载流子迁移率极低 故只有半导体材料适于制造霍尔片 霍尔系数 传感器介绍 目前常用的霍尔元件材料有 锗 硅 砷化铟 锑化铟等半导体材料 一般地 在高精度测量中 大多采用锗和砷化铟元件 作为一般敏感元件时 采用锑化铟元件 传感器介绍 长l 宽b时 载流子在偏转中因纵向行程远大于横向行程而基本没有损失 此时前述推导的霍尔电势表达式成立 若宽度加大 或长宽比减小 载流子在偏转中损失加大 输出的霍尔电势将降低 其霍尔输出公式则需要加以修正 霍尔片 一块矩形半导体薄片 在长边的两个端面上焊上两根控制电流端引线 元件短边的中间以点的形式焊上两霍尔输出端引线 见图中2 2 在焊接处要求接触电阻小 而且呈纯电阻性质 欧姆接触 霍尔元件 霍尔片所用半导体薄片的几何形状对输出霍尔电势的影响 霍尔元件的结构由霍尔片 引线和壳体组成如图所示 霍尔片一般用非磁性金属 陶瓷或环氧树脂封装 传感器介绍 2 4磁电式传感器 霍尔传感器 1 当控制电流不变时由于传感器的输出正比于磁感应强度 因此可测量转换为磁感应强度变化的量 如对位移 角度 转速和加速度等进行测量 霍尔式传感器的应用 由于霍尔元件具有体积小 重量轻 灵敏度高 可靠性良好以及寿命长等优点 霍尔传感器获得了广泛的应用 2 磁场不变时传感器输出值正比于控制电流值 因此凡能转换为电流变化的量 均能进行测量 3 传感器输出值正比于磁感应强度和控制电流之积 因此 它可以用于乘法 功率等方面的计算与测量 霍尔式传感器可以用于下述三个方面 传感器介绍 2 4磁电式传感器 霍尔传感器 霍尔式传感器的应用 1 霍尔式微位移传感器 线位移测量霍尔元件具有结构简单 体积小 动态特性好和寿命长的优点 它不仅用于磁感应强度 有功功率及电能参数的测量 也在位移测量中得到广泛应用 图示为一些霍尔式位移传感器的工作原理图 图 a 是磁场强度相同的两块永久磁铁 同极性相对地放置 霍尔元件处在两块磁铁的中间 由于磁铁中间的磁感应强度b 0 因此霍尔元件输出的霍尔电势uh也等于零 此时位移 x 0 若霍尔元件在两磁铁中产生相对位移 霍尔元件感受到的磁感应强度也随之改变 这时uh不为零 其量值大小反映出霍尔元件与磁铁之间相对位置的变化量 这种结构的传感器 其动态范围可达5mm 分辨率为0 001mm 传感器介绍 2 4磁电式传感器 霍尔传感器 图 b 所示是一种结构简单的霍尔位移传感器 由一块永久磁铁组成磁路的传感器 在 x 0时 霍尔电压不等于零 图 c 是一个由两个结构相同的磁路组成的霍尔式位移传感器 为了获得较好的线性分布 在磁极端面装有极靴 霍尔元件调整好初始位置时 可以使霍尔电压uh 0 这种传感器灵敏度很高 但它所能检测的位移量较小 适合于微位移量及振动的测量 传感器介绍 2 4磁电式传感器 霍尔传感器 角位移测量 此图可对比磁电感应式角位移测量 传感器介绍 2 4磁电式传感器 霍尔传感器 2 霍尔式转速传感器 图示为几种不同结构的霍尔式转速传感器 磁性转盘的输入轴与被测转轴相连 当被测转轴转动时 磁性转盘随之转 转动 固定在磁性转盘附近的霍尔传感器便可在每一个小磁铁通过时产生一个相应的脉冲 检测出单位时间的脉冲数 便可知被测转速 磁性转盘上小磁铁数目的多少决定了传感器测量转速的分辨率 叶片和齿轮位置传感器 传感器介绍 2 4磁电式传感器 霍尔传感器 汽车速度测量 传感器介绍 2 4磁电式传感器 霍尔传感器 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 3 霍尔式电流传感器 传感器介绍 2 4磁电式传感器 霍尔传感器 霍尔计数装置 霍尔开关传感器sl3501是具有较高灵敏度的集成霍尔元件 能感受到很小的磁场变化 因而可对黑色金属零件进行计数检测 图示为对钢球进行计 4 其他应用 计数的工作示意图和电路图当钢球通过霍尔开关传感器时 传感器可输出峰值20mv的脉冲电压 该电压经运算放大器a a741 放大后 驱动半导体三极管vt 2n5812 工作 vt输出端便可接计数器进行计数 并由显示器显示检测数值 传感器介绍 2 4磁电式传感器 霍尔传感器 霍尔接近开关 霍尔无刷电动机 传感器介绍 2 5压电式传感器 压电式传感器的工作原理是基于某些介质材料的压电效应 是典型的有源传感器 当材料受力作用而变形时 其表面会有电荷产生 从而实现非电量测量 压电式传感器具有体积小 重量轻 工作频带宽等特点 因此在各种动态力 机械冲击与振动的测量 以及声学 医学 力学 宇航等方面都得到了非常广泛的应用 首先来看几个利用压电式传感器进行测量的例子 传感器介绍 2 5压电式传感器 加速度计实物 力传感器 传感器介绍 2 5压电式传感器 压电效应及压电材料 某些电介质 当沿着一定方向对其施力而使它变形时 其内部就产生极化现象 同时在它的两个表面上便产生符号相反的电荷 当外力去掉后 其又重新恢复到不带电状态 这种现象称压电效应 当作用力方向改变时 电荷的极性也随之改变 有时人们把这种机械能转为电能的现象 称为 正压电效应 相反 当在电介质极化方向施加电场 这些电介质也会产生变形 这种现象称为 逆压电效应 电致伸缩效应 具有压电效应的材料称为压电材料 压电材料能实现机 电能量的相互转换 如图所示 传感器介绍 2 5压电式传感器 在自然界中大多数晶体具有压电效应 但压电效应十分微弱 随着对材料的深入研究 发现石英晶体 钛酸钡 锆钛酸铅等材料是性能优良的压电材料 压电材料主要有两大类 压电晶体和压电陶瓷 其主要特性参数有 传感器介绍 2 5压电式传感器 1 压电常数 压电常数是衡量材料压电效应强弱的参数 它直接关系到压电输出的灵敏度 d q f 2 弹性常数 压电材料的弹性常数 刚度决定着压电器件的固有频率和动态特性 3 介电常数 对于一定形状 尺寸的压电元件 其固有电容与介电常数有关 而固有电容又影响着压电传感器的频率下限 4 机械耦合系数 在压电效应中 其值等于转换输出能量 如电能 与输入的能量 如机械能 之比的平方根 它是衡量压电材料机电能量转换效率的一个重要参数 5 电阻 压电材料的绝缘电阻将减少电荷泄漏 从而改善压电传感器的低频特性 6 居里点 压电材料开始丧失压电特性的温度称为居里点 传感器介绍 2 5压电式传感器 一 石英晶体 石英晶体化学式为sio2 是单晶体结构 图示为天然结构的石英晶体外形 它是一个正六面体 石英晶体各个方向的特性是不同的 其中纵向轴z称为光轴 经过六面体棱线并垂直于光轴的x轴称为电轴 与x和z轴同时垂直的轴y称为机械轴 通常把沿电轴x方向的力作用下产生电荷的 压电效应称为 纵向压电效应 而把沿机械轴y方向的作用下产生电荷的压电效应称为 横向压电效应 而沿光轴z方向受力时不产生压电效应 传感器介绍 2 5压电式传感器 若从晶体上沿y方向切下一块如图所示晶片 当在电轴方向施加作用力时 在与电轴x垂直的平面上将产生电荷 其大小为 qx d11fx式中 d11 x方向受力的压电系数 fx 作用力 若在同一切片上 沿机械轴y方向施加作用力fy 则仍在与x轴垂直的平面上产生电荷qy 其大小为 qy d12fy式中 d12 y轴方向受力的压电系数 d12 d11 a b 晶体切片长度和厚度 电荷qx和qy的符号由所受力的性质决定 传感器介绍 2 5压电式传感器 石英晶体的上述特性与其内部分子结构有关 图示为一个单元组体中构成石英晶体的硅离子和氧离子 在垂直于z轴的xy平面上的投影 等效为一个正六边形排列 图中 红球 代表si4 离子 绿球 代表氧离子o2 当石英晶体未受外力作用时 正 负离子正好分布在正六边形的顶角上 形成三个互成120 夹角的电偶极矩p1 p2 p3 因为p ql q为电荷量 l为正负电荷之间距离 此时正负电荷重心重合 电偶极矩的矢量和等于零 即p1 p2 p3 0 所以晶体表面不产生电荷 即呈中性 传感器介绍 2 5压电式传感器 传感器介绍 2 5压电式传感器 当石英晶体受到沿x轴方向的压力作用时 晶体沿x方向将产生压缩变形 正负离子的相对位置也随之变动 如图 b 所示 此时正负电荷重心不再重合 电偶极矩在x方向上的分量由于p1的减小和p2 p3的增加而不等于零 即 p1 p2 p3 x 0 在x轴的正方向出现正电荷 电偶极矩在y方向上的分量仍为零 不出现电荷 传感器介绍 2 5压电式传感器 当晶体受到沿y轴方向的压力作用时 晶体的变形如图 c 所示 与图 b 情况相似 p1增大 p2 p3减小 在x轴上出现电荷 它的极性为x轴正向为负电荷 在y轴方向上不出现电荷 如果沿z轴方向施加作用力 因为晶体在x方向和y方向所产生的形变完全相同 所以正负电荷重心保持重合 电偶极矩矢量和等于零 这表明沿z轴方向施加作用力 晶体不会产生压电效应 当作用力fx fy的方向相反时 电荷的极性也随之改变 传感器介绍 2 5压电式传感器 无论是正或逆压电效应 其作用力 或应变 与电荷 或电场强度 之间呈线性关系 晶体在哪个方向上有正压电效应 则在此方向上一定存在逆压电效应 石英晶体不是在任何方向都存在压电效应的 传感器介绍 2 5压电式传感器 压电元件变形方式 a 厚度变形 te b 长度变形 le c 体积变形 ve d 面切变形 fs e 剪切变形 ts 传感器介绍 2 5压电式传感器 二 压电陶瓷 压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料 材料内部的晶粒有许多自发极化的电畴 它有一定的极化方向 从而存在电场 在无外电场作用时 电畴在晶体中杂乱分布 它们的极化效应被相互抵消 压电陶瓷内极化强度为零 因此原始的压电陶瓷呈中性 不具有压电性质 如图所示 在陶瓷上施加外电场时 电畴的极化方向发生转动 趋向于按外电场方向的排列 从而使材料得到极化 外电场愈强 就有更多的电畴更完全地转向外电场方向 让外电场强度大到使材料的极化达到饱和的程度 即所有电畴极化方向都整齐地与外电场方向一致时 外电场去掉后 电畴的极化方向基本不变 即剩余极化强度很大 这时的材料才具有压电特性 传感器介绍 2 5压电式传感器 传感器介绍 2 5压电式传感器 陶瓷片内的极化强度总是以电偶极矩的形式表现出来 即在陶瓷的一端出现正束缚电荷 另一端出现负束缚电荷 由于束缚电荷的作用 在陶瓷片的电极面上吸附了一层来自外界的自由电荷 传感器介绍 2 5压电式传感器 如果在陶瓷片上加一个与极化方向平行的压力f 如图 陶瓷片将产生压缩形变 图中虚线 片内的正 负束缚电荷之间的距离变小 极化强度也变小 因此 原来吸附在电极上的自由电荷 有一部分被释放 而出现放电荷现象 当压力撤消后 陶瓷片恢复原状 这是一个膨胀过程 片内的正 负电荷之间的距离变大 极化强度也变大 因此电极上又吸附一部分自由电荷而出现充电现象 这种由机械效应转变为电效应 或者由机械能转变为电能的现象 就是正压电效应 传感器介绍 2 5压电式传感器 同样 若在陶瓷片上加一个与极化方向相同的电场 如图 由于电场的方向与极化强度的方向相同 所以电场的作用使极化强度增大 这时 陶瓷片内的正负束缚电荷之间距离也增大 就是说 陶瓷片沿极化方向产生伸长形变 图中虚线 同理 如果外加电场的方向与极化方向相反 则陶瓷片沿极化方向产生缩短形变 这种由于电效应而转变为机械效应或者由电能转变为机械能的现象 就是逆压电效应 逆压电效应示意图 实线代表形变前的情况 虚线代表形变后的情况 传感器介绍 2 5压电式传感器 因受力而产生的由机械效应转变为电效应 将机械能转变为电能的现象 就是压电陶瓷的正压电效应 电荷量的大小与外力成正比关系 q d33f式中 d33 压电陶瓷的压电系数 f 作用力 压电陶瓷的压电系数比石英晶体的大得多 所以采用压电陶瓷制作的压电式传感器的灵敏度较高 极化处理后的压电陶瓷材料的剩余极化强度和特性与温度有关 它的参数也随时间变化 从而使其压电特性减弱 传感器介绍 2 5压电式传感器 最早使用的压电陶瓷材料是钛酸钡 batio3 它是由碳酸钡和二氧化钛按一定比例混合后烧结而成的 它的压电系数约为石英的50倍 但使用温度较低 最高只有70 温度稳定性和机械强度都不如石英 目前使用较多的压电陶瓷材料是锆钛酸铅 pzt系列 它是钛酸钡 batio3 和锆酸铅 pbzro3 组成的pb zrti o3 它有较高的压电系数和较高的工作温度 传感器介绍 2 5压电式传感器 压电式传感器的应用 一种普遍的制作工艺是在压电晶片的两个工作面上进行金属蒸镀 形成金属膜 构成两个电极 一 压电式测力传感器 下图为压电式单向测力传感器的结构图 它主要由石英晶片 绝缘套 电极 上盖及基座等组成 传感器介绍 2 5压电式传感器 传感器上盖为传力元件 它的外缘壁厚为0 1 0 5mm 当外力作用时 它将产生弹性变形 将力传递到石英晶片上 石英晶片采用xy切型 利用其纵向压电效应 通过d11实现力 电转换 石英晶片的尺寸为 8 1mm 该传感器的测力范围为0 50n 最小分辨率为0 01 固有频率为50 60khz 整个传感器重10g 传感器介绍 2 5压电式传感器 2u q 1 2 c 2q u 2c 为提高传感器的灵敏度 适应不同的测量电路 可将压电材料串 并联使用 传感器介绍 2 5压电式传感器 二 压电式加速度传感器 图为一种压电式加速度传感器的结构图 它主要由压电元件 质量块 预压弹簧 基座及外壳等组成 整个部件装在外壳内 并用螺栓加以固定 当加速度传感器和被测物一起受到冲击振动时 压电元件受质量块惯性力的作用 根据牛顿第二定律 此惯性力与加速度a成正比 则传感器输出电荷为 q d11f d11ma 因此 测得加速度传感器输出的电荷便可知加速度的大小 传感器介绍 2 5压电式传感器 三 压电式金属加工切削力测量 图为利用压电陶瓷传感器测量刀具切削力的示意图 由于压电陶瓷元件的自振频率高 特别适合测量变化剧烈的载荷 图中压电传感器位于车刀前部的下方 当进行切削加工时 切削力通过刀具传给压电传感器 压电传感器将切削力转换为电信号输出 记录下电信号的变化便测得切削力的变化 传感器介绍 2 5压电式传感器 四 压电式玻璃破碎报警器 bs d2压电式传感器是专门用于检测玻璃破碎的一种传感器 它利用压电元件对振动敏感的特性来感知玻璃受撞击和破碎时产生的振动波 传感器把振动波转换成电压输出输出电压经放大 滤波 比较等处理后提供给报警系统 bs d2压电式玻璃破碎传感器的外形及内部电路如图所示 传感器的最小输出电压为100mv 最大输出电压为100v 内阻抗为15 20k 传感器介绍 2 5压电式传感器 五 其他应用 传感器介绍 2 5压电式传感器 集成压电式传感器是一种高性能 低成本动态微压传感器 产品采用压电薄膜作为换能材料 动态压力信号通过薄膜变成电荷量 再经传感器内部放大电路转换成电压输出 该传感器具有灵敏度高 抗过载及冲击能力强 抗干扰性好 操作简便 体积小 重量轻 成本低等特点 广泛应用于医疗 工业控制 交通 安全防卫等领域 传感器介绍 2 5压电式传感器 压电式传感器在测量低压力时线性度不好 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 这除了消除低压力使用中的非线性外 还可以消除传感器内外接触表面的间隙 提高刚度 特别是 它只有在加预载后才能用压电传感器测量拉力和拉 压交变力及剪力和扭矩 传感器介绍 2 6光电式传感器 光电式传感器光电式传感器是以光电效应为基础 将光信号转换成电信号的传感器 光电式传感器由于反应速度快 能实现非接触测量 而且精度高 分辨力高 可靠性好 加之半导体光敏器件具有体积小 重量轻 功耗低 便于集成等优点 因而广泛应用于军事 宇航 通信 检测与工业自动控制等各个领域中 工业生产和现实生活中光电传感器的应用非常广泛 现举几个常见的实例 传感器介绍 2 6光电式传感器 照相机自动测光工业测光 传感器介绍 2 6光电式传感器 光电鼠标就是利用led与光敏晶体管组合来测量位移 传感器介绍 2 6光电式传感器 传感器介绍 2 6光电式传感器 光电效应及器件 根据爱因斯坦的光子假说 光是一粒一粒运动着的粒子流 这些光粒子称为光子 每一个光子具有一定的能量 其大小等于普朗克常数h乘以光的频率 所以不同频率的光子具有不同的能量 光的频率越高 其光子能量就越大 当具有一定能量的光子作用到某些物体上转化为该物体中一些电子的能量而产生电效应 这种现象称为光电效应 光电效应一般分为外光电效应 光电导效应和光生伏特效应三类 后两类又称为内光电效应 根据这些效应可制成不同的光电转换器件 或称光敏元件 一 外光电效应光线照射在某些物体上 而使电子从这些物体表面逸出的现象称为外光电效应 也称光电子发射 逸出的电子称为光电子 光照射在物体上可以看成一连串具有一定能量的光子轰击这些物体 根据爱因斯坦假设 一个光子的能量只能传递给一个 传感器介绍 2 6光电式传感器 一个电子 因此单个光子把全部能量传给物体中的一个自由电子 使自由电子的能量增加h 这些能量一部分用作电子逸出物体表面的逸出功a 另一部分变电子的初动能 即 1 当光子能量大于逸出功时 才会有光电子发射出来 才会产生外光电效应 当光了能量小于逸出功时 不能产生外光电效应 当光子的能量恰好等于逸出功时 光电子的初速度 0 可以产生此光电子的单色光频率为 0 则式中 0为该物质产生光电效应的最低频率 称其为红限频率 显然 如果入射光的频率低与于红限频率 不论入射光的强度有多大 也不会使物质发射光电子 而对于高于红限频率入射光 即使是光线很弱也会产生光电子 传感器介绍 2 6光电式传感器 二 外光电效应器件1 光电管及其结构根据外光电效应制成的光电管类型很多 最典型的是真空光电管 也有充气光电管 但由于线性不好在传感器中用得较少 真空光电管的结构如图所示 它由一个阴极和一个阳极构成 共同封装在一个真空玻璃泡内 阴极和电源负极相联 一个阳极通过负载电阻同电源正极相接 因此管内形成电场 当光照射阴极时 电子便从阴极逸出 在电场作用下被阳极收集 形成电流i 该电流及负载rl上的电压将随光照强弱而变化 从而实现了光信号转换为电信号的目的 2 当入射光的频谱成分不变时 光电流与入射光的强度成正比 3 由于电子逸出时具有一定的初动能可以形成光电流 为使光电流为零需加反向电压才能使其截止 传感器介绍 2 6光电式传感器 传感器介绍 2 6光电式传感器 2 真空光电管的伏安特性真空光电管的伏安特性曲线如右下图所示 其饱和光电流与入射光的强度成正比 3 光电倍增管当入射光很微弱时 光电管产生的光电流很小 不易检测 这时常用光电倍增管对光电流放大以提高灵敏度 如下图所示 在光电管的阴极与阳极之间安装若干个倍增极d1 d2 dn 就构成了光电倍增管 光电倍增管的工作原理建立在光电发射和二次发射的基础之上 工作时倍增极电位是逐级增高的 当入射光照射光电阴极k时 立刻有电子逸出 逸出的电子受到第一倍增极d1正电位作用 使之加速打在d1倍增极上 产生二次电子发射 传感器介绍 2 6光电式传感器 同理d1发射的电子在d2更高正电位作用下 再次被加速打在d2极上 d2又会产生二次电子发射 这样逐级前进 直到电子被阳极a收集为止 通常光电倍增管的阳极与阴极间的电压为1000 2500v 两个相邻倍增电极的电位差为50 100v 其灵敏度比普通真空光电管高几万到几百万倍 因此在很微弱的光照下也能产生很大的光电流 传感器介绍 传感器介绍 2 6光电式传感器 三 光电导效应和光生伏特效应 内光电效应 物体受光照射后 其内部的原子释放出电子并不逸出物体表面 而仍留在内部 使物体的电阻率发生变化或产生光电动势的现象称为内光电效应 前者称为光电导效应 后者称为光生伏打效应 半导体材料在光线作用下电导率增加的现象就是光电导效应 1 光敏电阻光敏电阻是一种用光电导材料制成的没有极性的光电元件 也称光导管 它基于半导体光电导效应工作 由于光敏电阻没有极性 工作时可加直流偏压或交流电压 当无光照时 光敏电阻的阻值 暗电阻 很大 电路中电流很小 当它受到一定波长范围的光照射时 其阻值 亮电阻 急剧减小 电路中电流迅速增加 用电流表可以测量出电流 根据电流值的变化 即可推算出照射光强的大小 暗电阻 亮电阻光敏电阻未受光照时的阻值称为暗电阻 受强光照射时的阻值称为亮电阻 暗电阻越大亮电阻越小灵敏度越高 传感器介绍 过程 当光照射到半导体材料上时 价带中的电子受到能量大于或等于禁带宽度的光子轰击 并使其由价带越过禁带跃入导带 如图 使材料中导带内的电子和价带内的空穴浓度增加 从而使电导率变大 导带 价带 禁带 自由电子所占能带