第5章 常用物性型传感器.ppt

第5章常用物性型传感器 第5章常用物性型传感器 5 1压阻式传感器 压阻式传感器是利用固体的压阻效应制成的 主要用于测量压力 加速度和载荷等参数 压阻式传感器有两种类型 一种是利用半导体材料的体电阻做成粘贴式的应变片 这在第四章的电阻应变式传感器中已介绍过 另一种是在半导体的基片上用集成电路工艺制成扩散型压敏电阻 用它作为传感元件制成的传感器 称固态压阻式传感器 也叫扩散型压阻式传感器 5 1压阻式传感器 5 1 1工作原理 在第4章已讲过 任何材料发生变形时电阻的变化率由下式决定 对于半导体材料而言 R R 1 2 1 2 它由两部分组成 前一部分 1 2 表示由尺寸变化所致 后一部分 表示由半导体材料的压阻效应所致 实验表明 1 2 也即半导体材料的电阻值变化主要是由电阻率变化引起的 因此可有 其中 表示压阻系数 半导体电阻率随应变所引起的变化称为半导体的压阻效应 2 晶向的表示方法 扩散型压阻式传感器的基片是半导体单晶硅 而单晶硅是各向异性材料 取向不同时特性也不一样 取向是用晶向来表示的 所谓晶向就是晶面的法线方向 晶向的表示方法有两种 一种是截距法 另一种是法线法 对于图5 1所示的平面 如果用截距法 可表示为如果用法线法 可表示为 半导体材料 一般是单晶硅 沿三个晶轴方向取出一微元素 单晶硅上受到作用力时 微元素上的应力分量应有9个 如图5 3所示 但剪切应力总是两两相等的 即有 23 32 13 31 12 21 9个分量中只有6个是独立的 即 11 22 33 23 31 12是独立的 3 压阻系数 6个独立应力分量可写成 1 2 3 4 5 6 有应力存在就会产生电阻率的变化 6个独立应力分量分别可在6个相应的方向产生独立的电阻率的变化 若电阻率的变化率 用符号 表示 则6个独立的电阻率的变化率可写成 1 2 3 4 5 6 电阻率的变化率与应力之间通过压阻系数 相联系 6个独立的电阻率的变化率与6个独立的应力分量之间的压阻系数关系如表5 1所示 3 压阻系数 3 压阻系数 压阻系数的矩阵为 返回 5 1 2结构与类型 硅压阻式传感器由外壳 硅膜片和引线组成 其结构原理参见图5 4所示 其核心部分做成杯状的硅膜片 通常叫做硅杯 外壳则因不同用途而异 在硅膜片上 用半导体工艺中的扩散掺杂法做四个相等的电阻 经蒸镀铝电极及连线 接成惠斯登电桥 再用压焊法与外引线相连 膜片的一侧是和被测系统相连接的高压腔 另一侧是低压腔 通常和大气相通 也有做成真空的 压阻式传感器的结构原理 由图5 5可见 均布压力P产生的应力是不均匀的 且有正应力区和负应力区 当r 0 635r0时 r 0 当r0 即为拉应力 当r 0 635r0时 r 0 即为压应力 当r 0 812r0时 t 0 仅有 r存在 且 r 0 即为压应力 利用这一特性 选择适当的位置布置电阻 使其接入电桥的四臂中 两两电阻在受力时一增一减 且阻值增加的两个电阻和阻值减小的两个电阻分别对接 形成差动全桥 5 1 2结构与类型 压阻式传感器的基本类型 返回 5 1 2结构与类型 由于半导体材料对温度比较敏感 压阻式传感器的电阻值及灵敏度系数随温度变化而改变 将引起零点温度漂移和灵敏度漂移 因此必须采取温度补偿措施 1 零点温度补偿零点温度漂移是由于扩散电阻的阻值及其温度系数不一致造成的 一般用串 并联电阻法补偿 如图5 7所示 5 1 3温度补偿原理与方法 灵敏度温度漂移是由于压阻系数随温度变化而引起的 温度升高时 压阻系数变小 温度降低时 压阻系数变大 说明传感器的灵敏度系数为负值 温度升高时 若提高电桥的电源电压 使电桥的输出适当增大 反之 温度降低时 若使电源电压降低 电桥的输出适当减小 便可以实现对传感器灵敏度的温度补偿 如图5 7所示 在电源回路中串联二极管进行温度补偿 电源采用恒压源 当温度升高时 二极管的正向压降减小 于是电桥的桥压增加 使其输出增大 2 灵敏度温度补偿 返回 首页 5 2压电式传感器 某些介质材料在受力作用下 其表面会有电荷产生 根据这种现象制成的压电式传感器 是一种有源的双向机电传感器 具有体积小 重量轻 工作频带宽等特点 用于各种动态力 机械冲击与振动的测量 并在声学 医学 力学 宇航等方面得到了非常广泛的应用 5 2压电式传感器 某些晶体或多晶陶瓷 当沿着一定方向受到外力作用时 内部就产生极化现象 同时在某两个表面上产生符号相反的电荷 当外力去掉后 又恢复到不带电状态 当作用力方向改变时 电荷的极性也随着改变 晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比 上述现象称为正压电效应 反之 如对晶体施加一定变电场 晶体本身将产生机械变形 外电场撤离 变形也随着消失 称为逆压电效应 5 2 1压电效应及压电材料 2 压电材料 选用合适的压电材料是设计高性能传感器的关键 一般应考虑以下几个方面 转换性能 具有较高的耦合系数或具有较大的压电常数 机械性能 压电元件作为受力元件 希望它的机械强度高 机械刚度大 以期获得宽的线性范围和高的固有振动频率 电性能 希望具有高的电阻率和大的介电常数 以期望减弱外部分布电容的影响并获得良好的低频特性 温度和湿度稳定性要好 具有较高的居里点 以期望得到宽的工作温度范围 时间稳定性 压电特性不随时间蜕变 具有压电特性的单晶体统称为压电晶体 石英晶体是最典型而常用的压电晶体 2 压电材料 压电晶体 压电陶瓷是一种经极化处理后的人工多晶铁电体 材料内部的晶粒由许多自发极化的 电畴 组成 每一个电畴具有一定的极化方向 从而存在电场 在无外电场作用时 电畴在晶体中杂乱分布 它们各自的极化效应被相互抵消 压电陶瓷内极化强度为零 2 压电材料 压电陶瓷 随着科技的发展 不断出现一些新型的压电材料 20世纪70年代出现了半导体压电材料 如硫化锌 ZnS 锑化铬 CdTe 等 因其既具有压电特性 又具有半导体特性 故其既可用于压电传感器 又可用于制作电子器件 从而研制成新型集成压电传感器测试系统 近年来研制成功的有机高分子化合物 因其质轻柔软 抗拉强度较高 蠕变小 耐冲击等特点可制成大面积压电元件 为提高其压电性能还可以掺入压电陶瓷粉末 制成混合复合材料 PVF2 PZT 2 压电材料 新型压电材料 返回 5 2 2等效电路及测量电路 压电式传感器对被测量的变化是通过其压电元件产生电荷量的大小来反映的 故它相当于一个电荷源 而压电元件电极表面聚集电荷时 它又相当于一个以压电材料为电介质的电容器 其电容量为 式中 S为极板面积 d为压电片厚度 为压电材料的介电常数 r为压电材料的相对介电常数 0为真空介电常数 等效电路 1 等效电路 基于以上分析 压电传感器可以等效成一个与电容相并联的电荷源 如图5 14 a 所示 在开路状态 输出端电荷为 压电传感器也可以等效为一个与电容相串联的电压源 如图5 14 b 所示 在开路状态下 电容器上的电压U 为 如果用导线将压电传感器和测量仪器连接时 则应考虑连接导线的等效电容Cc 前置放大器的输入电阻Ri 放大器的输入电容Ci以及压电传感器的泄漏电阻R 因此 压电传感器在测量系统中的实际等效电路参见图5 15所示 1 等效电路 2 测量电路 根据压电元件的工作原理及上节所述两种等效电路 与压电元件配套的测量电路的前置放大器也有两种形式 电压放大器 其输出电压与输入电压 压电元件的输出电压 成正比 电荷放大器 其输出电压与输入电荷成正比 电压放大器的作用是将压电式传感器的高输出阻抗经放大器变换为低阻抗输出 并将微弱的电压信号进行适当放大 因此也把这种测量电路称为阻抗变换器 2 测量电路 压电式传感器连接电压放大器的等效电路如图5 16 a 所示 图5 16 b 为简化的等效电路图 2 测量电路 2 测量电路 由于电压放大器使所配接的压电式传感器的电压灵敏度将随电缆分布电容及传感器自身电容的变化而变化 而且电缆的更换得引起重新标定的麻烦 为此又发展了便于远距离测量的电荷放大器 目前它巳被公认是一种较好的冲击测量放大器 2 电荷放大器 电荷放大器是另一种专用的前置放大器 是一个具有深度负反馈的高增益放大器 其等效电路如图5 18 a 所示 由于放大器的输入阻抗极高 放大器输入端几乎没有电流 故可略去R Ri并联电阻的影响 等效电路如图5 18 b 返回 2 电荷放大器 压式电传感器可以广泛应用于力 以及可以转换为力的物理量的测量 如可以制成测力传感器 加速度传感器 金属切削力测量传感器等等 也可制成玻璃破碎报警器 广泛用于文物保管 贵重商品保管等等 5 2 3影响压电式传感器性能的主要因素 压电式传感器的应用 基于压电效应的压电传感器 它的灵敏度 频响特性等是衡量其工作性能的主要指标 影响压电传感器工作性能的因素很多 如横向灵敏度 安装差异 环境温度 湿度的变化 以及传感器重量的负载影响 电磁场 基座应变带来的影响等等 5 2 3影响压电式传感器性能的主要因素 压电加速度传感器的横向灵敏度是指当加速度传感器感受到与其主轴向 轴向灵敏度方向 垂直的单位加速度振动时的灵敏度 一般用它与主轴向灵敏度的百分比来表示 称为横向灵敏度比 5 2 3影响压电传感器工作性能的主要因素 横向灵敏度 环境温度的变化对压电材料的压电常数和介电常数的影响都很大 它将使传感器灵敏度发生变化 压电材料不同 温度影响的程度也不同 当温度低于400 时 其压电常数和介电常数都很稳定 环境湿度对压电式传感器性能的影响也很大 如果传感器长期在高湿度环境下工作 其绝缘电阻将会减小 低频响应变坏 5 2 3影响压电传感器工作性能的主要因素 环境温度和湿度的影响 安装方式的不同及安装质量的差异 对传感器频响特性影响很大 此外试件表面的任何受力应变 都将通过传感器基座直接传给压电元件 从而产生与被测信号无关的假信号输出 5 2 3影响压电传感器工作性能的主要因素 安装差异及基座应变 为了减小这种噪声 可使用特制的低噪声电缆 同时将电缆固紧 以免产生相对运动 在测试系统中接有多种测量仪器 如果各仪器与传感器分别接地 各接地点又有电位差 这便在测量系统中产生噪声 防止这种噪声的有效办法是整个测量系统在一点接地 而且选择指示器的输入端为接地点 5 2 3影响压电传感器工作性能的主要因素 噪声 返回 首页 5 2 4压电式力传感器的合理使用 1 压电元件的串并联在压电传感器中 为了提高灵敏度 通常压电材料采用两片或两片以上组合在一起 由于压电材料是有极性的 因此连接方法有两种 如图所示 在图 a 中 两压电片的负极都集中在中间电极上 正电极在两边的电极上 这种接法称为并联 其输出电容C并为单片电容C的两倍 但输出电压U并等于单片电压U 极板上电荷量q并为单片电荷量q的两倍 即 下页 上页 返回 图 b 的接法 正电荷集中在上极板 负电荷集中在下极板 而中间的极板上片产生的负电荷与下片产生的正电荷相互抵消 这种接法称为串联 由图可知 输出的总电荷q串等于单电荷q 而输出电压U串为单片电压U的两倍 总电容C串为单片电容C的一半 即 2 压电片预应力压电片在压电传感器中 必须有一定的预应力 3 压电力传感器的安装压电式力传感器安装时应保证传感器的敏感轴与受力方向一致 安装传感器的上 下接触面要经过精细加工 以保证平行度和平面度 当接触表面粗糙时 对环形压电力传感器 可以加装应力分布环 对并联传感器可加装应力分布块 在接触面不平行时 可加装球形环 应力环 块的弹性模量均不得低于传感器外壳金属材料的弹性模量 为牢固地安装传感器 环形传感器可在中心孔加紧固螺栓 总之 装卡牢固是非常重要的 否则不仅会降低传感器的频响 还将影响测试的结果 下页 上页 返回 4 合理选择传感器的量程和频率响应应根据所测力的极限来选择压电力传感器的量程和频响 不要使传感器所测负荷超过额定量程 传感器的工作频带要能够覆盖待测力的频带 5 合理选用二次仪表测量低频力信号时 因测试系统的频率下限将主要取决于传感器的电荷放大器的时间常数 因此 测准静态力信号一般要求电荷放大器输入阻抗高于1012 低频响应为0 001Hz显示仪表采用直流数字电压表 测量中 高频力信号时 同样对于后接器件 仪表有所要求 但一般情况下 压电力传感器和电荷放大器对中 高频的响应较好 后接显示仪表可用峰值电压表 瞬态记录仪 记忆示波器等 6 合理选择安装连接电缆压电力传感器与电荷放大器 电荷放大器与显示记录仪表的连接大多数情况下均采用低噪声电缆 在组成测试系统时 要注意将电缆固定 避免因晃动而产生电缆噪声给测试系统带来误差 同时 要注意电缆插头及插座的清洁 以保证测试系统的绝缘电阻 7 选择纵 横向压电效应在压电传感器中 一般利用压电材料的纵向压电效应较多 这时所使用的压电材料大多做成圆片式 有利于使用其横向压电效应的 下页 上页 返回 5 2 5压电式传感器应用压电式传感器已广泛地应用在工业 军事和民用等领域 可直接利用压电传感器测量力 压力 加速度 位移等物理量 1 压电式加速度传感器压电式加速度传感器结构一般有纵向效应型 横向效应型和剪切效应型三种 纵向效应是最常见的一种结构 如图所示 下页 上页 返回 2 YDS 781型压电式单向力传感器图所示是YDS 78 型压电式单向力传感器的结构 它主要用于变化频率中等的动态力的测量 下页 上页 返回 3 用压电式传感器测表面粗糙度图中所示为压电式传感器在轮廓仪上应用时的结构示意图 下页 上页 返回 4 压电引信 引爆 压电引信结构图如图 a 所示 早期的40火箭筒原理如图 b 所示 平时电路开路 当火箭筒撞击时 内外电极相撞引爆 改进的压电引信原理见图 c 所示 当火箭筒撞击时 压电晶体产生电荷 使电发火管打火 从而引爆 下页 上页 返回 5 煤气灶电子点火装置图所示为煤气灶电子点火装置 它是让高压跳火来点燃煤气 当使用者将开关往里压时 把气阀打开 将开关旋转 则使弹簧往左压 此时 弹簧有一很大的力撞击压电晶体 则产生高压放电导致燃烧盘点火 下页 上页 返回 光电器件是将光信号的变化转换为电信号的一种传感器件 其工作的物理基础是光电效应 5 3光电式传感器 由光的粒子学说可知 光可以认为是由具有一定能量的粒子所组成 而每个光子所具有的能量与其频率大小成正比 光照射在物体上就可看成是一连串的具有能量的粒子轰击在物体上 这时物体吸收了光子能量后将引起电效应 这种因为吸收了光能后转换为该物体中某些电子的能量而产生的电效应就称为光电效应 可分为外光电效应 内光电效应和阻挡层光电效应三种类型 5 3 1光电效应及光电器件 在光的照射下 使电子逸出物体表面而产生光电子发射的现象称为外光电效应 基于外光电效应原理工作的光电器件有光电管和光电倍增管 5 3 1光电效应及光电器件 2 内光电效应 在光线作用下 物体的导电性能发生变化 引起电阻率或电导改变的现象称为内光电效应 也称光电导效应 在光线作用下 半导体材料吸收了入射的光子能量 若光子能量大于或等于半导体材料的禁带宽度 就激发出电子 空穴对 使载流子浓度增加 半导体的导电性能增加 阻值降低 这种因光照而使其电阻率发生变化的现象称为光电导效应 基于这种效应的光电器件有光敏电阻和反向偏置工作的光敏二极管和光敏三极管 3 阻挡层光电效应 在光线作用下 物体产生一定方向的电动势的现象 称为阻挡层光电效应 也称为光生伏特效应 光电池是基于光生伏特效应制成的 是自发电式有源器件 它有较大面积的PN结 当光照射在PN结上时 在结的两端出现电动势 硅和硒是光电池的最常用的材料 在一块N型硅片上用扩散方法渗入一些P型杂质 从而形成一个大面积PN结 P层极薄能使光线穿透到PN结上 光电池与外电路的连接方式有两种 一种是开路电压输出 开路电压与光照度之间呈非线性关系 另一种是把PN结的两端通过外导线短接 形成流过外电路的电流 也称为光电池的短路输出电流 其大小与光强成正比 光照度大于1000Lx时呈现饱和特性 返回 3 阻挡层光电效应 光电器件的灵敏度可用光照特性来表征 它是指半导体光电器件产生的光电流 光电压 与光照之间的关系 光敏电阻的光照特性一般呈非线性 如图5 27 a 所示 因此不宜作线性检测元件 但可在自动控制系统中用作开关元件 光敏晶体管的光照特性如图5 27 b 所示 它的灵敏度和线性度较好 在军事 工业自动控制和民用电器中应用极广 既可作线性转换元件 也可作开关元件 光电池的光照特性如图5 27 c 所示 5 3 2光电器件的特性 1 光照特性 5 3 2光电器件的特性 伏安特性是指光照一定时 这些光电元件的端电压U与电流I之间的关系 2 伏安特性 半导体光电元件对不同波长的光 其灵敏度是不同的 因为只有能量大于半导体材料禁带宽度的那些光子才能激发出光生电子空穴对 而光子能量的大小与光的波长有关 3 光谱特性 半导体光电元件的频率特性是指它们的输出电信号与调制光频率变化的关系 4 频率特性 5 温度特性 半导体材料易受温度的影响 它直接影响光电流的值 因此需要讨论这些光电元件的温度特性 以便选用合适的工作温度 返回 5 3 3光电式传感器与新型光电检测器 1 光电传感器的类型光电传感器按其接收状态可分为模拟和开关式光电传感器两类 1 模拟式光电传感器模拟式光电传感器的工作原理是基于光电元件的光电特性 其光通量是随被测量而变 光电流就成为被测量的函数 故称为光电传感器的函数运用状态 有吸收式 反射式 遮光式 辐射式 5 3 3光电式传感器与新型光电检测器 开关式光电传感器利用光电元件受光照或无光照时 有 无 电信号输出的特性 将被测量转换成断续变化的开关信号 开关式光电传感器对光电元件灵敏度要求较高 而对光照特性的线性性要求不高 此类传感器主要应用于零件或产品的自动记数 光控开关 电子计算机的光电输入设备 光电编码器以及光电报警装置等方面 2 开关式光电传感器 2 开关式光电传感器 电荷耦合器件 CCD 是典型的固体图象传感器