发电型传感器.ppt

第3章发电型传感器 3 1压电型传感器3 2霍尔式传感器3 3热电偶传感器 3 1压电型传感器 压电型传感器是一种典型的有源传感器 又称自发电式传感器或电势式传感器 它既能将机械能转换成电能 又能将电能转换成机械能 其工作原理是基于某些晶体受力后在其表面产生电荷的压电效应 常见的压电材料有石英晶体 人工合成的多晶体陶瓷和有机高分子材料 近年来 压电测试技术发展迅速 特别是电子技术的迅速发展 使压电式传感器的应用日益广泛 下一页 返回 3 1压电型传感器 3 1 1压电型传感器工作原理压电效应在某些晶体切片 如石英晶体切片 上 沿一定方向加上外力 晶体切片不仅几何尺寸会发生变化 而且晶体内部也会发生极化现象 导致晶体表面积累电荷 形成电场 当外力除去后晶体表面又恢复到不带电状态 这种现象被称为压电效应 如图3 1所示为压电效应示意图 若将压电材料置于电场之中 其几何尺寸也会发生变化 这种由于外电场作用 导致压电材料产生机械变形的现象 称为逆压电效应或电致收缩效应 上一页 下一页 返回 3 1压电型传感器 压电材料常见的压电材料有三类 石英 晶体 压电陶瓷和高分子压电材料 1 石英晶体 石英晶体亦称为水晶 它是重要的压电材料 具有很多独特的优点 是目前高精度压电式传感器中常用的压电材料 由于天然石英晶体产量有限 所以近年来广泛采用人造石英晶体 石英晶体外形及切片如图3 2所示 上一页 下一页 返回 3 1压电型传感器 2 压电陶瓷压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料 它山无数细微的电畴组成 这些电畴实际上是分子自发极化的小区域 在无外电场作用时 各个电畴在晶体中杂乱分布 它们的极化效应被相互抵消 因此原始的压电陶瓷呈电中性 不具有压电性质 为了使压电陶瓷具有压电效应 必须在一定温度下做极化处理 极化处理之后 陶瓷材料内部存在很强的剩余极化强度 当压电陶瓷受外力作用时 其表面也能产生电荷 所以压电陶瓷具有压电效应 如图3 3所示为压电陶瓷的极化过程 上一页 下一页 返回 3 1压电型传感器 3 高分子压电材料高分子压电材料是一种新型材料 有聚偏二氟乙烯 PVF或PVDF 聚氟乙烯 PVF 聚氯乙烯 PVC 等 高分子压电材料的最大特点具有柔软性 它不易破碎 具有防水性 测量动态范围宽 频响范围大但其工作温度一般低于100 当温度升高时 其灵敏度将降低 同时机械强度不高 耐紫外线能力较差 不宜暴晒 上一页 下一页 返回 3 1压电型传感器 3 1 2压电型传感器测量转换电路压电元件的等效电路在压电晶片产生电荷的两个平面上装上金属电极 就构成了一个压电元件 当压电晶片受力时 在晶体的一个表面会聚集正电荷 而在另一个表面会聚集等量的负电荷 所以它可以被看做是一个电荷发生器 同时 它又相当于一个以压电材料为绝缘介质的电容器 其电容值为 上一页 下一页 返回 3 1压电型传感器 如图3 4 a 所示 压电元件可以等效为一个与电容相并联的电荷源 如图3 4 b 所示 压电元件也可以等效为一个与电容相串联的电压源 压电元件的端电压为 压电元件在交变力的作用下 电荷可以不断产生 可以供给测量回路以一定的电流 因此 压电式传感器适用于动态测量 上一页 下一页 返回 3 1压电型传感器 压电传感器的测量电路根据压电式传感器的转换原理及其等效电路 它的输出可以是电压 也可以是电荷 为此 前置放大器有两种形式 一种是电压放大器 其输出电压与输入电压 即传感器的输出电压 成比例 通常将此种前置放大器称作阻抗变换器 它对整个测量系统电缆电容的变化非常敏感 尤其是连接电缆长度的变化更为明显 另一种是电荷放大器 其输出电压与输入电荷成比例 这种放大器对电缆长度变化的影响极为迟钝 所以对其造成的影响可忽略不计 上一页 下一页 返回 3 1压电型传感器 电压放大器如图3 6所示 a 为压电传感器连接电压放大器的等效电路 b 是简化后的等效电路 输入电压为当时 输出电压为 可以看出放大器输入电压幅度与被测频率无关 当改变连接传感器与前置放大器的电缆长度时 Cc将改变 从而引起放大器的输出电压也发生变化 上一页 下一页 返回 3 1压电型传感器 电荷放大器如图3 7是压电传感器连接电荷放大器的等效电路 电荷放大器是压电式传感器另一种专用的前置放大器 它可以将高内阻的电荷源转换为低内阻的电压源输出 而且输出电压正比于输入电荷 因此 它也同样起着阻抗变换的作用 使用电荷放大器最大的一个优点是传感器的灵敏度与连接电缆长度无关 电荷放大器的输出电压为 当A 1时 输出电压为 上一页 下一页 返回 3 1压电型传感器 由于引入了深度的电容负反馈 使放大器输出只与稳定的Cf有关 与电缆分布电容等无关 甚至可以忽略其影响 压电传感器的应用压电传感器主要用于脉动力 冲击力 振动等动态参数的测量 由于压电材料可以是石英晶体 压电陶瓷和高分子压电材料等 它们的特性不尽相同 所以用途也不一样 石英晶体主要用于精密测量 多用于基准传感器 压电陶瓷灵敏度较高 机械强度稍低 多用于测力和振动传感器 而高分子压电材料多用于定性测量 下面介绍压电传感器的应用 上一页 下一页 返回 3 1压电型传感器 压电元件的连接如图3 8所示为压电元件的连接方式 压电元件通常是两片或两片以卡粘贴在一起 由于压电片上的电荷是有极性的 因此有串联和并联两种连接方法 用的比较多的是并联接法 并联之后极板上的总电荷量是单块极板的两倍 压电式动态力传感器如图3 9所示为压电式单向动态力传感器结构示意图 当压电片受压后产生电荷 电压 由两根输出线输出 然后接人电荷放大器或电压放大器 转换成与作用力大小成正比的电压 这种动态力传感器主要用于变化频率不太高的动态力测量 上一页 下一页 返回 3 1压电型传感器 压电式振动加速度传感器压电式加速度传感器是将被测加速度转换成电荷或电压输出的装置 其结构同测力传感器很相似 玻璃打碎报警装置玻璃打碎报警装置是将高分子压电薄膜粘贴在玻璃上 当玻璃破碎时 会发出几千赫兹或更高频率的振动 高分子压电薄膜可以感受这一振动 同时将振动波转换成电压 然后经放大 滤波 比较等处理后提供给报警系统 上一页 返回 3 2霍尔式传感器 霍尔式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 由于其霍尔效应显著而得到广泛的应用和迅速的发展 目前 霍尔传感器已广泛用于电磁 压力 位移 加速度 振动等方面的测量 下一页 返回 3 2霍尔式传感器 3 2 1霍尔式传感器的工作原理霍尔效应如图3 12所示为霍尔效应原理图 将金属或半导体霍尔元件放置于磁感应强度为B的磁场中 若磁场方向垂直于霍尔元件 当有电流I流过时 在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势认UH 这种现象称为霍尔效应 产生的电动势UH为霍尔电动势 实验可知 霍尔电动势的大小正比于流过霍尔元件的电流I和加在霍尔元件上的磁感应强度B 即 上一页 下一页 返回 3 2霍尔式传感器 若磁感应强度不垂直于霍尔元件 而是与法线成某一角度 则霍尔电动势为 霍尔元件霍尔元件的结构很简单 它由霍尔片 引线和壳体组成 如图3 13所示 霍尔片是一块矩形半导体薄片 一般采用N型的锗 锑化锢和砷化锢半导体单晶体材料制成 上一页 下一页 返回 3 2霍尔式传感器 霍尔元件的基本电路霍尔元件的基本电路如图3 14所示 控制电流由电源E供给 RP为调节电阻 调节控制电流的大小 霍尔兀件输出端接负载电阻Rf Rf可以是一般电阻 也可以是放大器的输入电阻或指示器内阻 在磁场和控制电流的作用下 负载上就有电压输出 霍尔元件的输出电压一般较小 一般裔要用放大电路将其进行放大处理 为了获得较好的放大效果 通常采用差分放大电路 如图3 15所示 上一页 下一页 返回 3 2霍尔式传感器 霍尔元件的误差及补偿由于制造工艺的缺陷及半导体材料本身的特性 霍尔元件在使用中存在各种零位误差及温度误差 不等位电压及其补偿霍尔元件的零位误差主要包括不等位电压 寄生直流电压 感应电压及自激磁场零电压 其中不等位电压是最主要的一个零位误差 由于控制电极的端面接触不良 两个霍尔电极在制造时不可能绝对对称地焊在霍尔片两侧 从而造成霍尔片电阻率不均匀 上一页 下一页 返回 3 2霍尔式传感器 两电极不处在同一等位面上 因此在两极之间存在着电位差 该电位差称为不等位电压 在分析不等位电压时 可把霍尔电极等效为一个电桥 如图3 18所示 在制造霍尔元件的过程中 可采用机械修磨或用化学腐蚀的方法来使电桥恢复平衡 减小不等位电压 对已制成的霍尔元件 可采用外接补偿线路等方法进行补偿如图3 19所示为几种常用的补偿电路 上一页 下一页 返回 3 2霍尔式传感器 温度误差及其补偿由于霍尔元件基片的载流子迁移率 电阻率和霍尔常数等均是温度的函数 因此在工作温度变化时 它的一些特性参数 如霍尔电势 输入电阻和输出电阻等都要发生相应的变化 从而使霍尔式传感器产生温度误差 为了减小霍尔元件的温度误差 除选用温度系数小的元件 如砷化锢 或采用恒温措施外 采用恒流源供电是个有效的措施 但这还不能完全解决霍尔电压的稳定性问题 还需采用其他补偿电路 图3 20所示是一种较好的温度补偿电路 上一页 下一页 返回 3 2霍尔式传感器 经补偿之后的霍尔电动势受温度的影响极小 而且对霍尔元件的其他性能没有影响 只是由于激励电流被分流了 霍尔电压的输出稍有降低 但这可以通过增大恒流源的数值以达到原来的霍尔电压的输出值 3 2 3霍尔集成电路随着微电子技术的发展 目前霍尔器件多已集成化 霍尔集成电路 又称霍尔IC 有许多优点 如灵敏度高 体积小 温漂小 输出幅度大 对电源稳定性要求低等 霍尔集成电路可分为开关型和线性型两大类 上一页 下一页 返回 3 2霍尔式传感器 开关型霍尔集成电路开关型霍尔集成电路是利用霍尔元件与集成电路技术结合而制成的一种磁敏传感器模块 它能感知一切与磁信息有关的物理量 并以开关形式输出 霍尔开关集成传感器具有使用寿命长 无触点磨损 无火花干扰 无转换抖动 工作频率高 温度特性好 能适应恶劣的环境等优点 霍尔开关集成传感器的工作特性曲线如图3 23所示 上一页 下一页 返回 3 2霍尔式传感器 工作原理当有磁场作用在传感器上时 根据霍尔效应 霍尔元件输出霍尔电压 该电压经放大器放大后 送至施密特触发整形电路 当放大后的电压大于施密特触发器 开启 阀值电压时 施密特整形电路翻转 输出高电平 使三极管V导通 这种状态我们称之为 开状态 当磁场减弱时 霍尔元件输出的电压很小 经放大器放大后其值也小于施密特整形电路的 关闭 阀值电压 施密特整形电路再次翻转 输出低电平 使三极管V截止 这种状态我们称为 关状态 这样 一次磁场强度的变化 就使传感器完成了一次开关动作 上一页 下一页 返回 3 2霍尔式传感器 线性型霍尔集成电路线性型霍尔集成电路的输出电压与外加磁场强度呈线性比例关系 这类传感器一般由霍尔元件和放大器组成 当外加磁场时 霍尔元件产生与磁场成线性比例变化的霍尔电压 经放大器放大后输出 在实际电路设计中 为厂提高传感器的性能 往往在电路中设置稳压 电流放大输出级 失调调整和线性度调整等电路 图3 24给出了具有双端差动输出特性的线性霍尔器件UGN3501M的内部电路框图 上一页 下一页 返回 3 2霍尔式传感器 当其感受的磁场为零时 第1脚相对于第8脚的输出电压等于零 当感受的磁场为正向时 输出为正 磁场为反向时 输出为负 当它的第5 6 7脚外接一只微调电位器后 就可以微调并消除不等位电势引起的输出零点漂移 若要实现单端输出 只要将1 8端接到差动减法放大器的正负输入端上 线性霍尔集成电路的输出特性如图3 25所示 上一页 下一页 返回 3 2霍尔式传感器 3 2 4霍尔式传感器的应用霍尔式传感器的应用主要有以下三个方面 l 当控制电流不变 使传感器处于非均匀磁场时 传感器的输出正比于磁感应强度 可反映角度 位置或激励电流的变化 主要用于磁场测量 微位移测量 三角函数发生器 转速表 测力装置等 2 当控制电流与磁感应强度都为变量时 传感器的输出与两者的乘积成正比 主要用于乘法计 功率计等 3 当保持磁感应强度恒定不变时 则利用霍尔电压与控制电流成正比的关系 可以做成过电流控制装置等 上一页 下一页 返回 3 2霍尔式传感器 霍尔开关集成传感器的位置检测霍尔开关集成传感器的基本工作方式如图3 26所示 其中图3 26 a 中磁体的取向总是使磁体的轴线与霍尔开关集成传感器的正面相垂直 且位于开关集成传感器的中心线卡 磁通密度是气隙D的函数 磁体接近开关集成传感器移动 电路就导通 反之 电路截止 在图3 26 b 中当磁棒轴线处于开关中心线时 能够获得最大的磁通密度 从而使电路接通 为了更好地启动霍尔开关 气隙要尽量小 上一页 下一页 返回 3 2霍尔式传感器 霍尔式微压力传感器霍尔式微压力传感器的原理示意图如图3 27所示 该传感器主要由霍尔元件l 磁铁2和弹性波纹膜盒3组成 霍尔式电流传感器用一环形导磁材料作成磁心 套在被测电流流过的导线上 能将导线中电流感生的磁场聚集起来 在磁心上开有一气隙 内置一个霍尔线性器件 器件通电后便可输出霍尔电压 从而可以检测导线中流过电流的大小 上一页 下一页 返回 3 2霍尔式传感器 非接触的按键开关如图3 30所示是一个山开关型集成霍尔传感器和两小块永久磁铁构成的键盘开关的结构示意图 在按键末按下时 磁铁处于图3 30 a 所示的位置 通过霍尔传感器的磁力线是有上向下的 在按下按钮时 磁铁位置变化到图3 30 b 所示的位置 这时通过霍尔传感器的磁力线方向由下向上的 因此 在按下按键前后霍尔传感器的输出处于不同的状态 这种非接触的按键开关工作十分稳定 可靠 且使用寿命长 被广泛用于计算机终端键盘 上一页 下一页 返回 3 2霍尔式传感器 用霍尔式集成传感器实现无触点照明控制用霍尔集成传感器构成的无触点照明控制电路如图3 31所示 旋转传感旋转传感可用作物体旋转运动的检测 诸如角位移 角速度 角加速度 流速 流量等 如图3 32所示为旋转物体的测速报警电路框图 上一页 返回 3 3热电偶传感器 热电偶传感器也是一种自发电型的温度传感器 它能方便地将温度信号转换成电势信号 热电偶传感器性能稳定 结构简单 测量范围广 一般在 180 2800 之间 在高温范围内 灵敏度要比热电阻高得多 并且热惯性小 反应快 可以用标准的显示仪表和记录仪表来进行显示和记录 日前在工业生产和科学研究中已得到广泛的应用 3 3 1热电偶传感器的工作原理热电偶的工作原理是基于物体的热电效应 下一页 返回 3 3热电偶传感器 工作原理如图3 33所示 将两种不同材料的导体或半导体 A B 串接成一个闭合回路 若两结合点的温度不同 回路中将产生一电动势 这种现象称为热电效应 由两种不同材料的导体组成的回路称为热电偶 组成热电偶的导体称为热电极 热电偶所产生的电动势称为热电动势 热电偶的两个结点中 置于被测对象中的结点t称之为测量端 又称工作端或热端 温度为t0的另一结点称为参考端 又称自由端 热电偶产生的热电动势是由两种导体的接触电动势和单一导体温差电动势两部分组成的 上一页 下一页 返回 3 3热电偶传感器 接触电动势是由于两种不同导体的自由电子密度不同 在接触处发生自由电子的扩散而形成的电动势 当A和B两种不同材料的导体接触时 由于两材料自由电子密度不同 因此电子在两个方向上扩散的速率就不一样 假设导体A的自由电子密度大于导体B的自由电子密度 则导体A扩散到导体B的电子数要比导体B扩散到导体A的电子数多 所以导体A失去电子带正电荷 导体B得到电子带负电荷 于是在A B两导体的接触界面上便形成了一个由A到B的电场 如图3 33所示 上一页 下一页 返回 3 3热电偶传感器 该电场的方向与扩散进行的方向相反 它将阻碍扩散作用的继续进行 当扩散作用与阻碍扩散作用相等时 导体便处于一种动态平衡状态 在这种状态下 A B两导体的接触处就产生了电位差 即接触电动势 接触电动势的大小与导体的材料 结点的温度有关 与导体的直径 长度及几何形状无关 温差电动势是由于在导体内部 高温端的自由电子具有较大的动能而向低温端扩散 因而导致导体的高温端因失去电子而带正电 低温端由于获得电子而带负电 在高温与低温端之间形成一个电场 该电场会阻止电子继续向低温端扩散 并使电子反方向运动 当达到平衡时导体两端就产生了电位差即温差电动势 上一页 下一页 返回 3 3热电偶传感器 实践证明 在热电偶回路中起主要作用的是两个结点的接触电动势 温差电动势只占极小部分 可以忽略不计 则 可以得出下列结论 1 如果构成热电偶的两个热电极材料相同 那么即使两端温度不同 但输出的总热电动势为零 因此必须由两种不同的材料才能构成热电偶 2 如果热电偶两结点温度相同 那么即使导体A B的材料不同 回路总的热电动势亦为零 上一页 下一页 返回 3 3热电偶传感器 3 热电偶的热电动势的大小只与材料和结点温度有关 与热电偶的尺寸和形状无关温差越大 热电动势越大 热电偶的基本定律1 均质导体定律 如果热电偶回路中的两个热电极材料相同 无论结点温度如何 热电动势均为零 根据这一定律 可以检验两个热电极材料成分是否相同 也可检查热电极材料的均匀性 2 中间导体定律 在热电偶回路中接入第三种导体 只要第三种导体的两接点温度相同 则回路中总的热电动势不变 上一页 下一页 返回 3 3热电偶传感器 3 中间温度定律 热电偶在结点温度为时所产生的热电势等于该热电偶在温度和时分别产生的热电势和的代数和 这就是中间温度定律 4 标准热电极定律 如果两种导体A B分别与第三种导体C组成热电偶产生的热电动势已知 则由这两个导体A B组成热电偶产生的热电动势可以由下式计算 上一页 下一页 返回 3 3热电偶传感器 3 3 2热电偶的结构形式与种类热电偶的结构形式1 普通热电偶 普通热电偶通常由热电极 绝缘管 保护套管和接线盒等几个主要部分组成 其结构如图3 37所示 2 恺装热电偶 恺装热电偶是由金属保护套管 绝缘材料和热电极三者组合成一体的特殊结构的热电偶 恺装热电偶具有响应速度快 可靠性好 耐冲击 比较柔软 可挠性好 便于安装等优点 因此特别适用于复杂结构 如狭小弯曲管道内的温度测量 上一页 下一页 返回 3 3热电偶传感器 3 薄膜式热电偶薄膜式热电偶是用真空蒸镀的方法 把热电极材料蒸镀在绝缘基板上而制成 如图3 39所示 测量端既小又薄 厚度约为几微米左右 热容量小 响应速度快 便于敷贴 适用于测量微小面积上的瞬变温度 热电偶的种类1 标准型热电偶 所谓标准型热电偶是指制造工艺比较成熟 应用广泛 能成批生产 性能优良而稳定 并已列人工业标准化文件中的那些热电偶 2 非标准型热电偶 其共同特点是性能稳定 适用干各种高温测量 上一页 下一页 返回 3 3热电偶传感器 3 3 3热电偶的冷端温度补偿从热电效应的原理可知 热电偶产生的热电动势与两端温度有关 只有将冷端的温度恒定 热电动势才是热端温度的单值函数 由于热电偶分度表都是以冷端温度为0 时作出的 因此在使用时要正确反映热端温度 最好设法使冷端温度恒定为0 但在实际应用中 热电偶的冷端通常靠近被测对象 且受到周围环境温度的影响 其温度不是恒定不变的 为此 必须采取一些措施进行补偿或修正 上一页 下一页 返回 3 3热电偶传感器 1 冷端恒温法将热电偶的冷端置于温度为0 的恒温器内 如冰水混合物 使冷端温度恒为0 这种方法通常用于实验室或需要精密测量的场合 2 补偿导线补偿法为了使热电偶的冷端温度保持恒定 可以把热电偶做得很长 使冷端远离工作端 并连同测量仪表一起放置到恒温或温度波动较小的地方 如控制室 但这种方法一方面安装使用不方便 另一方面也要多耗费许多贵重金属材料 很不经济 因此 一般是用补偿导线将热电偶的冷端延伸出来 上一页 下一页 返回 3 3热电偶传感器 补偿导线一般是相对比较便宜的金属导体 多为铜与铜的合金 在一定的温度范围内和所配接的热电偶的热电极具有相同的热电性能 应用补偿导线时必须注意以下几点 1 不同的热电偶必须选用相应的补偿导线 2 补偿导线和热电极连接处两接点的温度必须相同 且不可超过规定的温度范围 一般为0 1000 3 极性不能接反 4 采用补偿导线只是移动了冷端接点的位置 当该处温度不为0 时 仍须进行冷端温度补偿 上一页 下一页 返回 3 3热电偶传感器 3 计算修正法在冷端温度不等于0 但tn为恒定时 根据中间温度定律 可将热电势修正到冷端为0 时电势 即 4 电桥补偿法利用不平衡电桥产生的不平衡电压来自动补偿热电偶因冷端温度变化而引起的热电动势变化值 如图3 41所示 在它的四个桥臂中 有一个铜电阻 铜的电阻温度系数较大 阻值随温度而变 其余三个桥臂由阻值恒定的锰铜电阻制成 铜电阻必须和热电偶冷端靠近 使它们处于同一温度 上一页 下一页 返回 3 3热电偶传感器 5 机械调零法当热电偶与动圈式仪表配套使用时 若热电偶的冷端温度比较恒定 对测量精度要求又不太高时 可将动圈仪表的机械零点调至热电偶冷端所处的温度处 这相当于在输入热电偶的热电势前就给仪表输入一个热电势 这样 仪表在使用时所指示的值约为此法虽有一定误差 但使用方便 在工业上经常采用 上一页 下一页 返回 3 3热电偶传感器 3 3 4热电偶的测温基本电路测量某一点的温度如图3 42所示为测量某点温度的基本测温线路 其中A B为热电偶的热电极 A B 为补偿导线 冷端温度为t0 G为配用的仪表 C为铜导线 但在实际使用时可以把补偿导线一直延伸到配用仪表的接线端子 这时冷端温度即为仪表接线端所处的环境温度 测量两点之间温差如图3 43所示是测量两个温度之差的一种实用线路 上一页 下一页 返回 3 3热电偶传感器 测量多点的平均温度如图3 44所示是测量平均温度的线路 3个同型号的热电偶并联在一起 使输入到仪表两端的毫伏值为三个热电偶输出热电势的平均值 测量几点温度之和如图3 45所示是测量几点温度之和的线路 3个同型号的热电偶之间为串联在一起 输入到仪表两端的电势值为该电路的优点主要是热电动势大 仪表的灵敏度增加 缺点是只要一只热电偶损坏 整个系统便无法工作 上一页 下一页 返回 3 3热电偶传感器 3 3 5热电偶传感器的应用管道内温度测量如图3 46所示为