第四章_常用传感器.ppt

第4章常用传感器 学习目标1 了解传感器的分类 2 了解传感器的选用原则 3 掌握电阻式传感器的原理及其应用 4 掌握电感式传感器的原理及其应用 5 掌握压电式传感器的原理及其应用 6 掌握磁电式传感器的原理及其应用 7 掌握光电式传感器的原理及其应用 学习难点 各类传感器的工作原理 内容概述本章首先说明传感器的分类和选用原则 然后分别介绍电阻式 电感式 电容式 压电式 磁电式和光电式传感器的原理 特性和应用 4 4压电式传感器 4 4 1压电效应 piezoelectriceffect 压电效应 某些物质 物体 如石英 钛酸钡等 当受到外力作用时 不仅几何尺寸会发生变化 而且内部也会被极化 表面上也会产生电荷 当外力去掉时 又重新回到原来的状态 这种现象称之为压电效应 逆压电效应 如果将这些物质 物体 置于电场中 其几何尺寸也会发生变化 这种由外电场作用导致物质 物体 产生机械变形的现象 称之为逆压电效应 或称之为电致伸缩效应 石英晶体的压电效应演示 当力的方向改变时 电荷的极性随之改变 输出电压的频率与动态力的频率相同 当动态力变为静态力时 电荷将由于表面漏电而很快泄漏 消失 压电材料 具有压电效应的物质 物体 称为压电材料 或称为压电元件 常见的压电材料可分为两类 即压电单晶体和多晶体压电陶瓷 压电单晶体 石英 包括天然石英和人造石英 水溶性压电晶体 包括酒石酸钾钠 酒石酸乙烯二铵 酒石酸二钾 硫酸锂等 多晶体压电陶瓷 钛酸钡压电陶瓷 锆钛酸铅系压电陶瓷 铌酸盐系压电陶瓷和铌镁酸铅压电陶瓷等 某些高分子压电薄膜 天然石英晶体的结构形状为一个六角形晶柱 两端为一对称棱锥 在晶体学中 可以把它用三根互相垂直的轴表示 其中 纵轴Z称为光轴 通过六棱线而垂直于光铀的X铀称为电轴 与X一X轴和Z一Z轴垂直的y一y轴 垂直于六棱柱体的棱面 称为机械轴 石英晶体的压电效应 如果从石英晶体中切下一个平行六面体 如图 并使其晶面分别平行于z一z y一y x一x轴线 晶片在正常情况下呈现电性 若对其施力 则有几种不同的效应 通常把沿电轴 x铀 方向的作用力 一般利用压力 产生的压电效应称为 纵向压电效应 把沿机械轴 y轴 方向的作用力产生的压电效应称为 横向压电效应 在光轴 z轴 方向的作用力不产生压电效应 沿相对两棱加力时 则产生切向效应 压电式传感器主要是利用纵向压电效应 纵向压电效应 QXX d11FX横向压电效应 QXY d11Fyb a式中 压电系数即压电材料受力时所产生的电荷与作用力之间的比例系数 石英的化学式为SiO2 在一个晶体单元中 有三个硅离子和六个氧离子 后者是成对的 所以一个硅离子和两个氧离子交替排列 当没有力作用时 和在垂直于晶体Z轴的XY平面上的投影恰好等效为正六边形排列 如图a示 这时正负离子正好分布在正六边形的顶角上 呈现电中性 如果沿X方向压缩 如图b所示 则硅离子1被挤入氧离子2和6之间 而氧离子4被挤入硅离子3和5之间 结果表面A上呈现负电荷 而在表面B上呈现正电荷 这一现象称为纵向压电效应 若沿Y方向压缩 如图c所示 硅离子3和氧离子2 以及硅离子5和氧离子6都向内移动同样的数值 故在电极C和D上不呈现电荷 而在表面A和B上 即在X轴的端面上又呈现电荷 但与图b的极性正好相反 这时称为横向压电效应 从研究的模型同样可以看出 如果是使其伸长而不是压缩时 则电荷的极性正好相反 总之 石英等单晶体材料是各向异性的物体 在X或Y轴向施力时 在与X轴垂直的面上产生电荷 电场方向与X轴平行 在Z轴方向施力时 不能产生压电效应 压电陶瓷 压电陶瓷的压电效应机理与石英晶体大不相同 未经极化处理的压电陶瓷材料是不会产生压电效应的 压电陶瓷经极化处理后 剩余极化强度会使与极化方向垂直的两端出现束缚电荷 一端为正 另一端为负 由于这些束缚电荷的作用在陶瓷的两个表面吸附一层来自外界的自由电荷 并使整个压电陶瓷片呈电中性 当对其施加一个与极化方向平行或垂直的外压力 压电陶瓷片将会产生形变 片内束缚电荷层的间距变小 一端的束缚电荷对另一端异号的束缚电荷影像增强 而使表面的自由电荷过剩出现放电现象 当所受到的外力是拉力时 将会出现充电现象 两种压电材料的特点 石英晶体 居里点温度高 高达573 稳定性好 无热释电现象 但压电常数小 成本高 压电陶瓷 压电常数大 成本低 但居里点温度低 稳定性不如石英晶体 有热释电现象 会给传感器带来热干扰 利用热释电现象特性可以制作热电传感器 如红外探测 4 4 2压电式传感器及其等效电路 压电元件两电极间的压电陶瓷或石英为绝缘体 而两个工作面上进行金属蒸镀 形成金属膜 因此就构成一个电容器 其电容量为 式中 压电材料的相对介电常数 石英晶体 钛酸钡 极板间距 即压电元件厚度 m S 压电元件工作面面积 m2 当压电元件受外力作用时 两表面产生等量的正 负电荷Q 压电元件的开路电压 负载电阻为无穷大 U为这样可把压电元件等效为一个电荷源Q和一个电容器Ca的等效电路 同时也可等效为一个电压源U和一个电容器Ca串联的等效电路 压电元件等效电路 压电元件等效为一个电荷源Q和一个电容器C0的等效电路也可等效为一个电压源U和一个电容器C0串联的等效电路 其中Ra为压电元件的漏电阻 工作时 压电元件与二次仪表配套使用必定与测量电路相连接 这就要考虑连接电缆电容Ca 放大器的输入电阻Ri和输入电容Ci 由于不可避免地存在电荷泄漏 利用压电式传感器测量静态或准静态量值时 必须采取一定措施 使电荷从压电元件经测量电路的漏失减小到足够小的程度 而在作动态测量时 电荷可以不断补充 从而供给测量电路一定的电流 故压电式传感器适宜作动态测量 压电元件常用的结构形式 在实际使用中 如仅用单片压电元件工作的话 要产生足够的表面电荷就要很大的作用力 因此一般采用两片或两片以上压电元件组合在一起使用 由于压电元件是有极性的 因此连接方法有两种 并联连接和串联连接 并联连接 两压电元件的负极集中在中间极板上 正极在上下两边并连接在一起 此时电容量大 输出电荷量大 适用于测量缓变信号和以电荷为输出的场合 C 2C U U Q 2Q 串联连接 上极板为正极 下极板为负极 在中间是一元件的负极与另一元件的正极相连接 此时传感器本身电容小 输出电压大 适用于要求以电压为输出的场合 并要求测量电路有高的输入阻抗 C C 2 U 2U Q Q 4 4 3测量电路 由于压电传感器等效为电压源和电荷源 因此与它配套的测量电路的前置放大器也有电压型和电荷型 对测量电路的要求 由于压电材料内阻都很高 输出的信号能量都很小 这就要求测量电路的输入电阻应非常大 测量电路构成 在压电式传感器的输出端先接入高输入阻抗的前置放大器 然后再接入一般放大电路 前置放大器电路有两种形式 一种是用电阻反馈的电压放大器 其输出电压与输入电压 即传感器的输出 成正比 另一种是用带电容板反馈的电荷放大器 其输出电压与输入电荷成正比 由于电荷放大器电路的电缆长度变化的影响不大 几乎可以忽略不计 故而电荷放大器应用日益广泛 电荷放大器 电荷量为 式中 ei 放大器输入端电 ey 放大器输出端电压 Cf 放大器反馈电容 Ci 为放大器输入电容 根据 ey Kei K为电荷放大器开环放大增益 则有 如果放大器开环增益足够大 则kCf C Cf 固上式可简化为 ey q Cf上式表明 在一定情况下 电荷放大器的输出电压与传感器的电荷量成正此 并且与电缆分布电容无关 因此 采用电荷放大器时 即使联接电缆长度在百米以上 其灵敏度也无明显变化 这为远距离测试提供了很大的方便 这也是电荷放大器的最突出优点 电压放大器 放大器的输出电压 使用电压放大器方式的压电传感器时 必须按传感器的出厂要求严格选择电缆长度 否则须另行标定 电路虽简单 但使用复杂 目前已不多用 4 4 4压电式传感器及其应用 一 压电式传感器最简单的压电式传感器的工作原理如图所示 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 当压电晶片受到压力F的作用时 分别在两个极板上积聚数量相等而极性相反的电荷 形成电场 因此 压电传感器可以看作是一个电荷发生器 也可以看成是一个电容器 如果施加于压电晶片的外力不变 积聚在极板上的电荷又无泄漏 那么在外力继续作用时 电荷量将保持不变 这时在极板上积聚的电荷与力的关系为 q DF 上式表明 电荷量与作用力成正比 当然 在作用力终止时 电荷就随之消失 显然 若要测得力值F 主要问题是如何测得电荷值 值得注意的是 利用压电式传感器测量静态或准静态量值时 必须采取一定的措施 使电荷从压电晶片上经测量电路的漏失减小到足够小程度 而在动态力作用下 电荷可以得到不断补充 可以供给测量电路一定的电流 故压电传感器适宜作动态测量 注意 压电式传感器一般用来测量沿其轴线的作用力 然而垂直于轴线的作用力 也会使压电片产生横向效应和相应的电荷以及输出 并成为横向输出 这是一种干扰和产生测量误差的原因 因此在使用时 应选用横向灵敏度小的传感器 一个压电传感器各方向的横向灵敏度不同 一般使最小灵敏度方向与最大横向干扰力方向重合 图为压电式加速度传感器的结构原理图 压电元件一般由两块压电片组成 在压电片的两表面上镀有银层 并在银层上焊有引出线 或在两压电片间夹一片金属薄片 引出线焊在薄片上 输出端另一根引出线直接与基座相连 在压电片上放一个质量块 一般用比重大的金属钨或合金做成 在保证所需质量前提下应使体积尽量小 为了消除压电元件和质量块间的接触不良而引起的非线性误差及保证传感器在交变力作用下能正常工作 要用硬弹簧对压电元件施加预压负荷 静态预压负荷大小应远大于传感器在振动 冲击测试中可能承受的最大动应力 这样 当传感器向上运动时 质量块产生的惯性力使压电元件上的压应力增加 反之 当传感器向下运动时 压电元件上的压应力减小 传感器的整个组件装在一个厚基座上 并用金属壳封罩 下图为压电式压力传感器的结构原理图 为了使预紧力均匀地分布在压电元件上 用螺钉6通过钢珠5和有凹坑的压板4紧压在压电元件上 钢珠和压板上凹坑有自动找平作用 避免受力不均匀 压电元件3和l极性为正的一面通过铜片2引出 极性为负的一面经由壳体相连并引出 产品 压力变送器 加速度计 力传感器 4 6半导体传感器1 霍尔效应传感器 霍尔传感器属半导体磁敏传感器 也是一种磁电式传感器 它是利用霍尔元件基于霍尔效应原理而将被测量转换成电动势输出的一种传感器 由于霍尔元件在静止状态下 具有感受磁场的独特能力 并且具有结构简单 体积小 噪声小 频率范围宽 从直流到微波 动态范围大 输出电势变化范围可达1000 1 寿命长等特点 因此获得了广泛应用 例如 在测量技术中用于将位移 力 加速度等量转换为电量的传感器 在计算技术中用于作加 减 乘 除 开方 乘方以及微积分等运算的运算器等 4 6 1霍尔式传感器 RH 霍尔系数 由载流材料的物理性质决定 当霍尔板为n型半导体材料时 在磁场作用下当通以电流I时 半导体材料中的载流子 电子 将沿着与电流方向相反的方向运动 带电质量点在磁场中沿着和磁力线垂直的方向运动时 都要受到磁场力亦即洛伦兹力Fm的作用 其方向可以用左手定则确定 e0 带电粒子和电荷 B 磁感应强度 v 电子运动速度 在洛伦兹力Fm的作用下 电子向板的一方偏转 这样使板的一侧积聚大量电子 面板的另一侧则相应地缺少电子而积累正电荷 于是便形成一个电场E 该电场E又在电子上作用有一个反作用力Fe 当反作用力Fe与洛伦兹力Fm相等时 有E vB 由此则在一宽度为b的霍尔板上产生一电位差 霍尔发电机 电子速度v 电子浓度n与电流密度S相关联代入式中则可得霍尔电势u正比于控制电流I和磁通密度B 且与电流I流经的方向有关 霍尔电势u随电子浓度n的增加而降低 但随电子运动速度v的增加而增大 或随电子迁移率u v E的增加而增加 令RH 1 ne0 则 RH 霍尔系数 它反映了霍尔效应的强弱程度 根据材料的电导率 1 ne0u的关系进一步可得 一般电子的迁移率u要大于空穴的迁移率 因此大都采用N型半导体材料作霍尔元件 设则代入上式可得 KH称霍尔元件灵敏度 它表示霍尔元件在单位磁感应强度B和单位控制电流I之下的霍尔电势的大小 单位mV mA 0 1T 一般均要求KH越大越好 由于金属的电子浓度高 因此RH和KH均不大 故不适宜于作霍尔元件 元件厚度d越小 灵敏度KH越高 因此霍尔板厚都做得较薄 当磁感应强度B与霍尔板平面不垂直而是与板平面法线成一角度 时 此时上式则变为 3 霍尔元件 基于霍尔效应工作的半导体器件称为霍尔元件 霍尔元件多采用N型半导体材料 霍尔元件越薄 d越小 kH就越大 薄膜霍尔元件厚度只有1 m左右 目前最常用的霍尔元件材料有锗 Ge 硅 Si 锑化铟 InSb 砷化铟 InAs 等半导体材料 4 应用举例 从a端通人电流I 根据霍尔效应 左半部产生霍尔电势VH1 右半部产生霍尔电势VH2 其方向相反 因此 c d两端电势为VH1 VH2 如果霍尔元件在初始位置时VH1 VH2 则输出为零 当改变磁极系统与霍尔元件的相对位置时 即可得到输出电压 其大小正比于位移量 转速测量测量齿轮的转速 图3 127霍尔效应齿轮测速传感器 图3 128霍尔效应接近式传感器 测量位移 力 加速度等参量 钢丝绳断丝检测 图3 129霍尔效应钢丝绳断丝检测装置 36 气敏电阻传感器 气体与人类日常生活密切相关 对气体的检测已经是保护和改善生态居住环境不可缺少手段 气敏传感器发挥着极其重要的作用 如生活环境中一氧化碳浓度达0 8 1 15ml L时 就会出现呼吸急促 脉搏加快 甚至晕厥 还有易燃 易爆气体 酒精等的探测 烟雾报警器 酒精传感器 二氧化碳传感器 37 气敏电阻传感器 气敏传感器是利用气敏半导体材料 如氧化锡 氧化锰 当它们吸收了气体烟雾 如一氧化碳 醇等时 电阻发生变化 从而使气敏元件电阻值随被测气体的浓度改变而变化 38 气敏电阻传感器 39 气敏电阻传感器 40 气敏电阻传感器 实验室中的传感器 41 气敏电阻传感器 燃气报警器 烟雾报警器 42 酒精传感器 气敏电阻传感器 4 6 3半导体光敏器件一 概述光敏传感器是利用光电效应将光量转换成电量的一种传感器 一般先将被测量转换成光量变化 然后通过光电元件再将相应的光量转换成电量 从而实现非电量的电测 特点 灵敏度高 体积小 重量轻 光谱响应范围宽 机械强度高 耐冲击和振动 寿命长等优点 a 光敏电阻 光导管 原理 电阻器件 加直流偏压 无极性无光照 电子 空穴对很少 电阻大 暗电阻 暗电流很小有光照 电子 空穴对增多 电阻小 亮电阻 亮电流很大 主要参数 暗电流 无光照时 通过光敏电阻的电流 亮电流 有光照时 通过光敏电阻的电流 光电流 亮电流 暗电流 光敏管的工作原理与光敏电阻是相似的 其差别只是光照在半导体结上而已 b 光敏二极管和光敏三极管 b 光敏三极管 a 光敏二极管 下图表明了四种形式的工作方式 下面举一实例 说明光敏器件的具体应用 直射式光电转速传感器的结构见下图 工作原理 开孔圆盘上有许多小孔 开孔圆盘旋转一周 光敏元件输出的电脉冲个数等于圆盘的开孔数 因此 可通过测量光敏元件输出的脉冲频率 得知被测转速 开孔圆盘 式中n 转速 f 脉冲频率 m 圆盘开孔数 开孔圆盘 直射式光电转速传感器 4 7 1阴极射线示波器 1 检流计式笔录仪 4 7 2笔式记录仪 记录仪 是一种常用的模拟式记录器 主要用于模拟量的数据记录 它将信号调整仪输入的电信号转换为光信号并记录在感光纸或胶片上 从而得到试验变量与时