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第四章传感器范文 第一节概述 一、传感器定义传感器是一种以测量为目的，以一定的精度把被测量转换为与之有确定关系的、便于处理的另一种物理量的测量器件。 传感器的输出信号多为易于处理的电量，如电压、电流、频率等。 传感器由敏感元件、传感元件及转换电路三部分组成，如下图所示。 无法显示链接的图像。 该文件可能已被移动、重命名或删除。 请验证该链接是否指向正确的文件和位置。 (1)敏感元件(Elastic sensor)直接感受被测量，并以确定关系输出某一物理量。 如弹性敏感元件将力转换为位移或应变输出。 (2)传感元件(sensing element,detector;sensing element;sensorsensing head,sensible head)将敏感元件输出的非电物理量(如位移、应变、光强等)转换成电路参数(如电阻、电感、电容等)量或电量。 (3)基本转换电路(transfer circuit,change-over circuit;translation circuit,switching circuit)将电路参数转换成便于测量的电量，如电压、电流、频率等实际的传感器，有的很简单，有的则较复杂。 有些传感器(如热电偶)只有敏感元件，感受被测温差时直接输出电动势。 有些传感器由敏感元件和传感元件组成，无需基本转换电路，如压电式加速度传感器，还有些传感器由敏感元件和基本转换电路组成，如电容式位移传感器。 有些传感器，传感元件不只一个，要经过若干次转换才能输出电量。 大多数传感器是开环系统，但也有个别的是带反馈的闭环系统图中敏感元件是在传感器中直接感受被测量的元件。 即被测量x通过传感器的敏感元件转换成一与x有确定关系的非电量或其它量。 这一非电量通过传感元件后就被转换成电参量。 转换电路的作用是将传感元件输出的电参量转换成电压、电流或频率量。 应该指出，不是所有的传感器都有敏感、传感元件之分，有些传感器是将二者合二为一了。 如图为一测量压力p的电位器传感器结构简图。 1-弹簧管（敏感元件），2-电位器（传感元件）。 当被测压力p变化时使弹簧管移动，从而带动电位器电刷位移。 电位器电阻的变化量反映了被测压力p值的变化。 在这个传感器中弹簧管为敏感元件，电位器为传感元件。 当它的两端加上电源后，电位器的输出量是与压力成一定关系的电压。 因此在这个例子中，电位器又属于转换电路。 二、传感器的分类传感器的种类繁多，分类方法也不尽相同，一般常用的分类方法有两种一种是按被测对象的参数分类；另一种是按传感器的变换原理分类。 此外，还有其他的分类方法，如按传感器材料分类，按传感器本身是否能产生电动势分类和按输入、输出特性分类等。 按被测对象的参数分类的传感器有温度传感器、压力传感器、位移传感器、流量传感器、液位传感器、力传感器、力矩传感器、加速度传感器、流速传感器、振动传感器等。 按变换原理分类的传感器有电阻式传感器、电容式传感器、电感式传感器、压电式传感器、光电式传感器、光栅式传感器、热电式传感器、红外传感器、光纤传感器、超声波传感器、激光传感器等。 无法显示链接的图像。 该文件可能已被移动、重命名或删除。 请验证该链接是否指向正确的文件和位置。 有时人们常把被测参数和变换原理结合在一起来称呼传感器，例如电阻式压力传感器、电容式液位传感器、压电式加速度传感器等。 传感器的上述两种分类方式各有其优缺点。 按被测对象的参数分类时实用性强，便于选用，但缺乏系统性。 例如测温用的传感器有很多种，有利用热电变换原理的热电偶传感器，有利用光电变换原理的光电高温计等。 按变换原理分类时，虽然传感器的用途和名称未明显标出，但却显示了传感器相互间的本质区别，便于了解各种传感器的各自特点，故本章基本上选用变换原理分类，来分别介绍各类有关的传感器。 三、传感器的发展方向传感器是检测系统中的重要组成部分，它的精度、可靠性、稳定性、抗干扰性等直接关系到机电控制系统的性能。 因此，应不断地开发新型传感器以用于检测系统。 1.由于传感器都是利用材料的各种效应、特性等来实现非电量转换成电量，所以应采用新材料、新技术、新工艺及探讨新理论来发展传感器。 2.为了适应计算机对信息的处理，应发展数字式传感器，这样可省去模数转换电路，而直接与计算机连接。 3.为了适应工业和实验中的非接触式检测需要，应使用激光、微波、红外等技术。 4.发展“传像技术”。 随着科学的发展，不但要求传感“个别非电量”，而且要求传感被测源的全部信息(即传像)。 这就要求传感器不但是小型和微型，而且应从单个发展到组合式(传感器阵列)形式，其中每个小传感器测出被测源一个“像素”，整体构成一个“图像传感”，并能在显示屏上显示等。 5.发展“仿生传感器”。 生物体充满着大量有传感作用的细胞，如视觉、听觉、嗅觉、味觉、触觉、冷热感觉等细胞，这些感觉细胞，将非电量转换成“生物电流”，由神经系统传到大脑里进行处理，再发出各种控制命令。 6.传感器是属于敏感技术范畴之内，而敏感元件是基础元件，有了优良的敏感元件，才能有高性能的传感器，所以应优先开发新的领域和原理，生产出优良的敏感元件。 第二节电阻式传感器能将被测非电量(如位移、应变、温度、湿度等)的变化转换成导电材料的电阻变化的装置，称为电阻式传感器。 在物理学中已阐明导电材料的电阻不仅与材料的类型、几何尺寸有关，还与温度、湿度和变形等因素有关。 物理学同样指出过，不同导电材料，对同一非电物理量的敏感程度不同，甚至差别很大。 因而，利用某种导电材料的电阻对某一非电物理量具有较强的敏感特性，就可制成测量该物理量的电阻式传感器。 电阻式传感器种类很多，常用的有电阻应变式传感器(Resistance strain-gage transducer)、电位器传感器、热敏电阻传感器、气敏电阻传感器、光敏电阻传感器、磁敏电阻传感器等。 本节仅介绍在机电控制系统中应用较多的电阻应变式传感器。 电阻应变式传感器是利用电阻应变片受力后发生应变致使电阻值发生变化的原理，来测量被测物理量的大小。 右图是电阻应变式力传感器简单结构图，以此来说明电阻应变式传感器的工作原理。 传感器主要由弹性元件(或称敏感元件)、粘贴在弹性元件上的应变片和壳体所组成。 当外力作用于弹性元件上时，弹性元件被压缩，应变片跟随发生压缩应变，由此引起应变片的电阻也发生相应的变化。 如将该应变片接入测量电桥线路中，就可把电阻的变化转变成电桥输出电压或电流的变化，再用记录仪把这个电量的变化记录下来，这样就实现了被测力通过传感器转换成为电参量的测量，这就是电阻应变式传感器的一般工作原理。 一、应变片的分类与应变效应无法显示链接的图像。 该文件可能已被移动、重命名或删除。 请验证该链接是否指向正确的文件和位置。 1.应变片的分类应变片根据所使用的材料不同，可分为金属应变片和半导体应变片两大类。 再根据各类的形态不同又可进一步细分金属应变片可分为金属丝应变片、金属箔应变片、金属薄膜应变片；半导体应变片可分为体型半导体应变片、扩散型半导体应变片、薄膜型半导体应变片、N P-N结元件等。 在所有这些应变片中，最常用的是金属箔式应变片、金属丝式应变片、体型半导应变片。 这三种应变片的结构形状如右图所示。 在实际应用中，除了应变会导致应变片电阻变化外，温度变化也会导致应变片电阻变化。 而后者是我们所不需要的，会给测量带来误差。 因此有必要进行温度补偿以消除误差。 下面介绍常用的两个实例。 例半桥测量时进行温度补偿。 测量图2-7中的试件时，采用两片型号、初始电阻值和灵敏度都相同的应变片R l和R2。 R l贴在试件的测试点上，R2贴在试件的应变为零处，或贴在与试件材质相同的不受力的补偿块上。 R l和R2处于相同的温度场中，并按图2-6接成双臂电桥(相邻臂)形式。 当试件受力并有温度变化时，应变片R l的电阻变化率为R11/R11=R1e/R1e+R11t/R11式中R1e/R1eR R11由应变引起的电阻变化率；R1t/R11R R l l由温度引起的电阻变化率。 应变片R R22(称为温度补偿片)的电阻变化率为R22/R22=R2e/R2e R R22由应变引起的电阻变化率为零。 由于R R 11、RR22各项参数相同，所处的温度也相同，所以无法显示链接的图像。 该文件可能已被移动、重命名或删除。 请验证该链接是否指向正确的文件和位置。 将上面有关各式代入式(2-9)可得无法显示链接的图像。 该文件可能已被移动、重命名或删除。 请验证该链接是否指向正确的文件和位置。 结果消除了温度的影响，减小了测量误差。 这种方法在测量中经常采用。 例在全桥测量中提高灵敏度并实现温度补偿。 测量图2-8中的纯弯曲试件时，四片相同的应变片R1和R4贴在一面，R2和R3贴在对称于中性层的另一面。 因此，Rl、R4与R 2、R3感受到的应变绝对值相等、符号相反。 当R 1、R 2、R 3、R4按图2-6接线，试件受力并同时有温度变化时，各桥臂电阻变化率为R11/R11=R=R44/R44=R ee/R+R tt/R；R22/R22=R33/R33=R ee/R+R tt/R代入式(2-7)得U U00=U ii（R e/R）结果既实现了温度补偿，又使电桥的输出为单片测量时的4倍，大大提高了测量灵敏度。 三、电阻应变式传感器应用利用电阻应变原理制成的传感器可以用来测量诸如力、压力、位移、加速度等参数。 图2-9是电阻应变式力传感器原理图，图中只画出传感器的弹性元件和粘贴在弹性元件上的应变片，以表无法显示链接的图像。 该文件可能已被移动、重命名或删除。 请验证该链接是否指向正确的文件和位置。 明传感器的工作原理。 无法显示链接的图像。 该文件可能已被移动、重命名或删除。 请验证该链接是否指向正确的文件和位置。 弹性元件把被测力的变化转变为应变量的变化，粘贴在上面的应变片也感受到同样大小的应变，因而应变片把应变量的变化变换成电阻的变化。 只要把所贴的应变片接入电桥线路中，则电桥的输出变化就正比于被测力的变化。 力传感器的弹性元件有多种结构形式，图(a)是柱形，可以是圆柱，也可以是方柱。 根据载荷量的大小，可以是实心柱，也可以是空心柱。 对中等量程的传感器，一般都做成空心圆柱状，对相同的截面积来说，空心柱比实心柱抗弯强度大。 图(b)是弹性环，应变片贴在弯矩较大处的内外表面。 当圆环受压时，贴片处的外表面是正应变(拉伸应变)，内表面是负应变(压缩应变)，四个应变片可连接成差动全桥。 环状弹性元件可做成拉压力传感器，既可测拉伸力，又可测压缩力，而且量程可很小。 图(c)是两端固定支梁，应变片贴在应变最大的中心部位，在上下表面各贴两片。 当梁受力作用时，上表面的应变片为压应变，下表面的应变片为拉应变，四个应变片组成全桥差动结构。 图(d)是等强度悬臂梁，在梁的上下表面各贴两片应变片，上表面的应变片为拉应变，下表面的应变片为压应变，四个应变片组成全桥差动结构。 这种弹性元件结构简单，贴片容易，尤其适用于测量小量程载荷。 小结传感器的定义；传感器在实际中的应用；传感器的分类作业复习导入第三节电感式传感器电感式传感器是利用线圈自感或互感系数的变化来实现非电量电测的一种装置。 利用电感式传感器，能对位移、压力、振动、应变、流量等参数进行测量。 它具有结构简单、灵敏度高、输出功率大、输出阻抗小、抗干扰能力强及测量精度高等一系列优点，因此在机电控制系统中得到广泛的应用。 它的主要缺点是响应较慢，不宜于快速动态测量，而且传感器的分辨率与测量范围有关，测量范围大，分辨率低，反之则高。 电感式传感器种类很多，一般分为自感式和互感式两大类。 人们习惯上讲电感式传感器通常指自感式传感器，而互感式传感器由于是利用变压器原理，又往往做成差动式，故常称为差动变压器式传感器。 一、自感式传感器自感式传感器的结构示意图如图2-24所示。 它主要由线圈、铁心、衔铁等组成。 工作时，衔铁通过测杆与被测物体相接触，被测物体的位移将引起线圈电感值的变化。 当传感器线圈接入一定的测量电路后，电感的变化将转换成电压、电流或频率的变化，完成了非电量到电量的转换。 无法显示链接的图像。 该文件可能已被移动、重命名或删除。 请验证该链接是否指向正确的文件和位置。 1.变隙式电感传器变隙式电感传感器的结构示意图如图2-24(a)所示。 由磁路基本知识可知，在忽略漏磁的情况下，铁心线圈电感为L=W22/R M（2-25）式中W线圈匝数；R M磁路总磁阻。 2.变截面式电感传感器在线圈匝数W确定后，若保持气隙厚度为常数，则Lf/(A)，即电感L是气隙截面积A的函数，故称这种传感器为变截面式电感传感器。 变截面式电感传感器的结构示意图见图2-24(b)。 对于变截面式电感传感器，电感量L与气隙截面积A成正比，输入与输出呈线性关系，灵敏度K2为一常数K K22=dL/dA=（W W2200）/（2）/（2）（2-29）使用上述两种电感式传感器时，由于线圈中的电流不为零，因而衔铁始终承受电磁吸力，会引起附加误差，而且非线性误差较大；另外，外界的干扰(如电源电压频率的变化，温度的变化)也会使输出产生误差。 所以在实际工作中常采用差动形式，这样既可以提高传感器的灵敏度，又可以减小测量误差。 两个完全相同的单个线圈的电感式传感器共用一个活动衔铁就构成了差动式电感传感器。 右图是差动式电感传感器的工作原理及输出特性。 从图中可看出，当衔铁处于中间位置时，上下两个线圈的电感相等，即L1L2。 此时两线圈的电流I1I2，I0，负载Z L没有电流流过，输出电压U O0。 二、差动变压器式传感器把被测量的变化转换为线圈互感量的变化，且次级线圈又接成差动形式，这种根据变压器的基本原理制成的传感器称为差动变压器式传感器。 无法显示链接的图像。 该文件可能已被移动、重命名或删除。 请验证该链接是否指向正确的文件和位置。 1.工作原理差动变压器式传感器的结构原理如图2-27所示。 在线框上绕有一组输入线圈(称一次侧线圈)；在同一线框上另绕两组完全对称的线圈(称二次线圈)，它们反向串联组成差动输出形式。 理想差动变压器式传感器的原理如图2-28所示。 当一次侧线圈加入激励电源后，其二次侧线圈N 21、N22产生感应电动势U 21、U22N22之间的互感系数；I l一次侧线圈的激励电流。 由于N 21、N22反向串联，所示二次侧线圈空载时的输出电压为无法显示链接的图像。 该文件可能已被移动、重命名或删除。 请验证该链接是否指向正确的文件和位置。 （2-34）差动变压器的输出特性如图2-29所示。 图中x表示衔铁位移量。 当差动变压器的结构及电源电压一无法显示链接的图像。 该文件可能已被移动、重命名或删除。 请验证该链接是否指向正确的文件和位置。 无法显示链接的图像。 该文件可能已被移动、重命名或删除。 请验证该链接是否指向正确的文件和位置。 定时，互感系数M l、M2的大小与衔铁的位置有关。 当衔铁处于中间位置时，M1M2M，所以U o0。 当衔铁偏离中间位置向上移动时，N21互感增大，M1=M+M，N22互感减小，M2=M-M；同理，当衔铁偏离位置向下移动时相反。 所以可得无法显示链接的图像。 该文件可能已被移动、重命名或删除。 请验证该链接是否指向正确的文件和位置。 （2-37）差动变压器式传感器广泛应用于与位移有关的机械量的测量，如测量位移、加速度、振动、应变、压力、厚度等。 第四节电容式传感器电容式传感器是以各种类型的电容器作为敏感元件，将被测物理量的变化转换为电容量的变化，再由转换电路(测量电路)转换为电压、电流或频率，以达到检测的目的。 因此，凡是能引起电容量变化的有关非电量，均可用电容式传感器进行电测变换。 电容式传感器不仅能测量荷重、位移、振动、角度、加速度等机械量，还能测量压力、液面、料面、成分含量等热工量。 这种传感器具有结构简单、灵敏度高、动态特性好等一系列优点，在机电控制系统中占有十分重要的地位。 一、工作原理及结构形式电容式传感器的工作原理可以用图2-12中的平板电容器来说明。 当忽略边缘效应时，其电容量为C C=（A）/d d（2-11）式中A两极板相互遮盖面积；d一一两极间距离；两极板间介质的介电常数。 无法显示链接的图像。 该文件可能已被移动、重命名或删除。 请验证该链接是否指向正确的文件和位置。 由式(2-11)可见，在A、d、三个参量中，改变其中任意一个量均可使电容量C改变。 也就是说，电容量C是A、d、的函数，这就是电容传感器的工作原理。 二、常用测量电路电容式传感器将被测物理量转换为电容变化后，必须采用测量电路将其转换为电压、电流或频率信号。 电容式传感器的测量电路种类很多，下面介绍一些常用的测量电路。 1.桥式电路无法显示链接的图像。 该文件可能已被移动、重命名或删除。 请验证该链接是否指向正确的文件和位置。 图2-17为桥式转换电路。 图2-17(a)为单臂接法的桥式测量电路，高频电源经变压器接到电容桥的一个对角线上，电容C l、C 2、C 3、C x构成电桥的四臂，C x为电容传感器。 交流电桥平衡时C C11/C22=C x x/C33图2-17电容传感器的桥式转换电路当C C x x改变时，U U O O0，有输出电压。 在图2-17(b)中，接有差动电容传感器，其空载输出电压可用下式表示U Uo o=（C x1-C x2）/（C）/（C x1+C x2）（U/2）=（C/Co）（U/2）（2-19）式中C0传感器的初始电容值；C传感器电容的变化值。 无法显示链接的图像。 该文件可能已被移动、重命名或删除。 请验证该链接是否指向正确的文件和位置。 该线路的输出还应经过相敏检波电路才能分辨UO的相位。 2.调频电路这种电路是将电容式传感器作为LC振荡器谐振回路的一部分，或作为晶体振荡器中的石英晶体的负载电容。 当电容传感器工作时，电容C x发生变化，使振荡器的频率f发生相应的变化。 由于振荡器的频率受电容式传感器的电容调制，这样就实现了Cf的变换，故称为调频电路。 图2-18为LC振荡器调频电路方框图。 调频振荡器的频率可由下式决定f=1/（2LC）（2-20）无法显示链接的图像。 该文件可能已被移动、重命名或删除。 请验证该链接是否指向正确的文件和位置。 式中L振荡回路电感；C振荡回路总电容。 C包括传感器电容C x、谐振回路中的微调电容C1和传感器电缆分布电容C c，即CCx+C1+C c。 振荡器输出的高频电压是一个受被测量控制的调频波，频率的变化在鉴频器中变换为电压幅度的变化，经过放大器放大后就可用仪表来指示。 这种转换电路抗干扰能力强，能取得高电平的直流信号(伏特数量级)。 缺点是振荡频率受电缆电容的影响大。 随着电子技术的发展，人们直接将振荡器装在电容传感器旁，克服了电缆电容的影响，3.脉冲宽度调制电路无法显示链接的图像。 该文件可能已被移动、重命名或删除。 请验证该链接是否指向正确的文件和位置。 脉冲宽度调制电路是利用对传感器电容的充放电，使电路输出脉冲的宽度随电容传感器的电容量变化而改变，通过低通滤波器得到对应于被测量变化的直流信号。 脉冲宽度调制电路如图2-19所示。 小结作业复习导入第五节压电式传感器压电式传感器是利用某些电介质材料具有压电效应现象制成的。 有些电介质材料在一定方向上受到外力(压力或拉力)作用而变形时，在其表面上产生电荷；外力去掉后，又回到不带电状态，这种将机械能转换成电能的现象，称为“顺压电效应”，简称压电效应。 当然这种电介质材料也具有“逆压电效应”，即在相应表面上施加电压后，电介质材料会发生机械变形；去掉电压后，变形立即消失，它将电能转换成机械能。 逆压电效应也称电致伸缩效应。 压电式传感器只能利用顺压电效应制成。 压电材料常用晶体材料，但自然界中多数晶体压电效应太微弱，没有实用价值，只有石英晶体和人工制造的压电陶瓷具有良好的压电效应。 一、石英晶体的压电效应无法显示链接的图像。 该文件可能已被移动、重命名或删除。 请验证该链接是否指向正确的文件和位置。 石英是一种单晶体，无论是天然的还是人工的单晶体，都是一个六面棱柱体，两端是六面棱链，如图2-36(a)所示。 图2-36(b)是单晶体中间棱柱横断面下半部分。 石英晶体是各向异性的，即各个方向晶体性质是不同的。 在晶体学中，有三根互相垂直的轴Z轴是晶体的对称轴，光线沿它通过晶体不产生双折射现象，故作为基准轴(称Z轴为光轴)，在该轴方向上没有压电效应；X轴穿过正六棱柱相对的两根棱线(称X轴为电轴)，垂直于X轴晶面上的压电效应最明显，因为六棱柱有三根X轴，可任取一根；Y轴经过正六面体的棱面而垂直于光轴(称Y轴为机械轴)，Y轴也有三根，可取任一根，在Y轴方向上机械变形最明显。 按图2-36(b)所示切面，取下一块平行六面矩形体见图2-36(c)所示，来定量分析压电效应关系。 图2-37为矩形晶体上受力与产生电荷极性的关系。 从图中看出若沿X轴施加压力F x，则在加压的两表面上分别出现正负电荷，如图(a)所示；若沿Y轴施加压力F y，则在加压的两表面上不出现电荷，电荷仍然出现在沿X轴加压的表面上，只是电荷符号相反，如图(c)所示。 沿X轴加压力产生的压电效应称纵向压电效应。 沿Y轴加压力产生的压电效应称横向压电效应。 若将X、Y轴方向施加的压力改为拉力，则产生电荷的位置与施加压力时相同，但电荷的符号相反，如图(b)和图(d)所示。 当然用切向应力作用时也会产生电荷，此时可用力的分解方法来考虑。 当X轴施加压力F x时，发生纵向压电效应，而在其作用面上产生电荷Q11表达式为Q Q11=d11F Fxx。 式中d ll压电常数(石英晶体为2.3110-12C/N)。 在同一晶片的Y轴上施加压力F y时，发生横向压电效应，在同一面上产生电荷Q l2的表达式为Q Q12=-L/td11F Fy y（2-43）式中L和t分别为晶片的长度和厚度。 从(2-43)式可以得出横向压电效应所产生的电荷大小与晶片尺寸有关，而纵向压电效应所产生的电荷与晶片尺寸无关。 所以压电式传感器都是利用纵向压电效应。 二、压电式传感器的性能分析压电元件受力后，在相应的两块极板表面上产生异性电荷，两极板之间有电位差，所以压电式传感器可看成是一个静电荷发生器，而压电元件可看成是一个电容器。 因此可用一个电压源U a和电容器C a相串联来等效。 压电传感器进行测量时，压电元件输出信号是电荷变化量，其内阻极大，为此测量电路的输入阻抗应极大才行。 因此，压电元件输出与测量电路之间配接一个放大器，要求放大器具有高输入阻抗、低输出阻抗的特点，起着阻抗变换作用。 获得低阻抗输出信号后，再送放大、检波、输出显示处理等。 压电式传感器不能用于静态测量。 三、压电式传感器的应用外力作用在压电材料上产生电荷，但每一片材料上产生的电荷量太小，所以实际应用时要把多片叠压在一起使用。 下面以两片的纵向压电效应为例，来说明组合连接方式。 图2-39(a)为并联连接，这种连接特点是相当于两个电容器并联，其总输出电容为单片电容的两倍，总输出电压等于单片输出电压，总电荷等于单片电荷的两倍。 由于电荷多、电容量大，所以它宜用于把电荷作为输出量的地方，宜用于测量缓慢变化的动态量(因为电容大，时常数大)。 图2-39(b)为串联连接，这种连接特点是中间极板上下两片产生的正负电荷抵消，所以输出总电荷等于单片电荷，输出总电压等于单片电压的两倍，总电容为单片的一半。 由于电压大、电荷少，所以它宜用于把电压作为输出量的地方。 只有外力作用在压电材料上产生的电荷无泄漏，才能做到准确测量。 这就要求阻抗变换器的输入阻抗为无穷大(实际是不可能的)，所以只能在交变力作用下，不断补充电荷供给变换器一定电流才行，因此，压电式传感器只适宜于动态测量。 无法显示链接的图像。 该文件可能已被移动、重命名或删除。 请验证该链接是否指向正确的文件和位置。 图2-40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。 测量时，将基座与试件刚性地固定在一起。 当传感器承受重量时，由于弹簧的刚度相当大，而质量块的质量相对较小，可以认为质量块的惯性很小。 因此，质量块感受与传感器基座(或试件)相同的振动，并受到与加速度方向相反惯性力作用。 这样，质量块就有一个正比于加速度的交变力作用在压电元件上，即F=ma。 由于压电元件具有压电效应，因此在它的两表面上产生交变电荷(或电压)见(2-42)式。 当试件的振动频率远低于传感器的固有频率时，传感器的输出电荷(或电压)与作用力成正比见(2-46)式，亦正比于加速度。 放大后即可测出试件的加速度。 图2-41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。 小结作业无法显示链接的图像。 该文件可能已被移动、重命名或删除。 请验证该链接是否指向正确的文件和位置。 第七节霍尔传感器早在1879年，人们就在金属中发现了霍尔效应，但是由于这种效应在金属中非常微弱，当时并没有引起重视。 1948年以后，由于半导体技术迅速发展，人们找到了霍尔效应比较显著的半导体材料，并制成了砷化镓、锑化铟、砷化铟、硅、锗等材料的霍尔元件，用霍尔元件做成的传感器称为霍尔传感器(Ha11tipe transducer)，霍尔传感器可以做得很小，它在检测微位移、大电流、微弱磁场等方面得到广泛的应用。 一、霍尔元件的结构及工作原理金属或半导体薄片置于磁感应强度为B的磁场中，磁场方向垂直于薄片，如图2-68a所示，当有电流流过薄片时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势，这种现象称为霍尔效应(Ha11effect)，所产生的电动势称为霍尔电势(Hall e、m、f)。 上述半导体薄片称为霍尔元件(Hall element)。 霍尔元件是一种半导体四端薄片，它一般做成正方形，在薄片的相对两铡对称地焊上两对电极引出线，如图2-68b所示。 其中一对(即a、b端)称为激励电流端，另外一对(即c、d端)称为霍尔电势输出端，c、d端一般应处于侧面的中点。 无法显示链接的图像。 该文件可能已被移动、重命名或删除。 请验证该链接是否指向正确的文件和位置。 设半导体薄片为N型且尺寸、材料确定，在激励电流端通入电流I，并将薄片置于磁感应强度为B的磁场中，设该磁场与霍尔元件法线成某一角度时，通过分析可得，霍尔电势为E H=K HIBcos(2-58)从式(2-57)可知，霍尔电势与输入电流I、磁感应强度B成正比，且当I或B的方向改变时，霍尔电势的方向也随之改变。 如果选用的霍尔元件不是N型面是P型半导体材料，我们依然可以用类似的方法分析其霍尔电动势的大小及方向。 目前常用的霍尔元件材料是N型硅，它的霍尔灵敏度系数、温度特性、线性度均较好，而锑化铟(InSb)、砷化铟(InAs)、锗(Ge)等也是常用的霍尔元件材料，砷化镓(GaAs)是新型的霍尔元件材料，今后将逐渐得到应用。 霍尔元件的壳体用非导磁性金属、陶瓷、塑料或环氧树脂封装，如图2-65d所示。 二、霍尔元件的特性参数l.输入电阻R i霍尔元件两激励电流端的直流电阻称为输入电阻。 它的数值从几欧到几百欧，视不同型号的元件而定。 温度升高，输入电阻变小，从而使输入电流变大，最终引起霍尔电势变化。 为了减少这种影响，最好采用恒流源作为激励源。 2.输出电阻R O两个霍尔电势输出端之间的电阻称为输出电阻，它的数值与输入电阻同一数量级。 它也随温度改变而改变。 选择适当的负载电阻R L与之匹配，可以使由温度引起的霍尔电势的漂移减至最小。 3.最大激励电流I M由于霍尔电势随激励电流增大面增大，故在应用中总希望选用较大的激励电流。 但激励电流增大，霍尔元件的功耗增大，元件的温度升高，从而引起霍尔电势的温漂增大，因此每种型号的元件均规定了相应的最大激励电流，它的数值从几毫安至几百毫安。 4.灵敏度K HK H=E H/（IB），它的数值约为10mV(mAT)左右。 5.最大磁感应强度B M磁感应强度超过B M时，霍尔电势的非线性误差将明显增大，B M的数值一般为零点几特斯拉。 6.不等位电势在额定激励电流下，当外加磁场为零时，霍尔输出端之间的开路电压称为不等位电势，它是由于四个电极的几何尺寸不对称引起的，使用时多采用电桥法来补偿不等位电势引起的误差。 7.霍尔电势温度系数在一定磁场强度和激励电流的作用下，温度每变化1时霍尔电势变化的百分数称为霍尔电势温度系数，它与霍尔元件的材料有关。 霍尔传感器的用途有许多，如霍尔式高斯计、霍尔式钳型电流表、霍尔式加速度计、霍尔式电功率计、霍尔式无换向电机等等，这里就不一一介绍了，希望读者能灵活地运用霍尔传感器的基本原理，联系生产、科研实际，进一步开发霍尔传感器的应用。 第八节光电式传感器光电式传感器是将光信号转化为电信号的一种传感器。 它的理论基础是光电效应。 这类效应大致可分为三类。 第一类是外光电效应，即在光照射下，能使电子逸出物体表面。 利用这种效应所做成的器件有真空光电管、光电倍增管等。 第二类是内光电效应，即在光线照射下，能使物质的电阻率改变。 这类器件包括各类半导体光敏电阻。 第三类是光生伏特效应，即在光线作用下，物体内产生电动势的现象，此电动势称为光生电动势。 这类器件包括光电池、光电晶体管等。 光电效应都是利用光电元件受光照后，电特性发生变化。 敏感的光波长是在可见光附近，包括红外波长和紫外波长。 光电式传感器在机电控制系统中应用较多，本节介绍光敏电阻、光敏晶体管、光电开关及光电断续器和热释电元件。 一、光敏电阻某些半导体材料，在黑暗环境下电阻值很高。 在受光照射时，光子能量将在这些光敏材料中激发出许多电子空穴对，从而增强导电性，使电阻值降低。 光线越强，阻值也变得越低。 光照停止，自由电子与空穴逐渐复合，电阻值也恢复到原值。 光敏电阻种类繁多，一般由金属的硫化物、硒化物、蹄化物组成。 如硫化镐、硫化铅、硒化铅、蹄化铅等。 光敏电阻结构很简单，由于内光电效应只限于光照的物体表面薄层，因此把渗杂的半导体薄膜沉积在绝缘基底上，再从两端引出两个电极，上面带有透光窗，密封起来就成为光敏电阻，如图2-42所示。 下面讨论光敏电阻的基本特性。 1.伏安特性伏安特性是指光敏电阻两端所加电压和电流的关系曲线，如图2-43(a)所示。 无光照的电阻值称“暗电阻”