《常用传感器》PPT课件.ppt

4 7半导体传感器 半导体的重要特性对光 热 力 气体 湿度等物理量具有敏感性 利用半导体材料的这些特性使其成为非电量电测的转换元件 是近代半导体技术应用的一个重要方面 半导体传感器的优点1 结构简单 体积小 重量轻 2 功耗低 安全可靠 寿命长 3 对被测量敏感 响应快4 易于实现集成化 一 磁敏传感器 磁敏传感器利用半导体材料中的自由电子或空穴随磁场改变其运动方向这一特性而制成的一种传感器 利用半导体材料的磁敏特性来工作的传感器1 霍尔元件2 磁阻元件 3 磁敏管 1 霍尔元件霍尔传感器是利用半导体材料的霍尔效应进行测量的一种传感器 它可以直接测量磁场及微位移量 也可以间接测量液位 压力等工业生产过程参数 霍尔效应 通电的导体或半导体 在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势的现象 当磁场垂直于薄片时 电子受到洛仑兹力的作用 向内侧偏移 在半导体薄片c d方向的端面之间建立起霍尔电势 产生霍尔效应的原理 电子在磁场中运动受磁场力 洛仑兹力 的作用而产生偏转运动 向垂直于磁场方向与电流方向的侧面聚集 在一侧面形成负电荷累积的同时 另一侧面形成正电荷的累积 两端面间建立起霍尔电场 电场对电子的作用力与洛仑兹力的方向相反 当它们达到平衡时 就形成了稳定的霍尔电压 若磁感应强度B不垂直于霍尔元件 而是与其法线成某一角度时 实际上作用于霍尔元件上的有效磁感应强度是其法线方向 与薄片垂直的方向 的分量 这时的霍尔电势为 式中KB为霍尔常数 取决于材质 温度和元件尺寸B为磁感应强度a为电流与磁场方向的夹角近年生产的锑化铟薄膜霍尔元件是用镀膜法制造的 其厚度约为0 2mm 用于极窄缝隙中的磁场测量 霍耳器件片a 实际结构 mm b 简化结构 线性型三端霍尔集成电路是将霍尔元件和恒流源 线性差动放大器等做在一个芯片上 输出电压为伏级 比直接使用霍尔元件方便得多 霍尔元件的应用 测量磁场将霍尔传感器置于待测磁场中 控制电极两端通以恒定电流 则其输出电压就反映了磁场的大小 可用电位差计进行输出显示 测量位移将霍尔元件置于梯度磁场中 保持控制极电流不变 则当元件沿磁场梯度方向有位移时 元件输出端有霍尔电压输出 测量压力测量电流 可在不断电的情况下 用霍尔钳形电流表测量电动机的相电流 2 磁阻元件是一种电阻随磁场变化而变化的磁敏元件 也称MR元件 它的理论基础为磁阻效应 磁阻效应 若给通以电流的金属或半导体材料的薄片加以与电流垂直或平行的外磁场 则其电阻值就增加 称此种现象为磁致电阻变化效应 简称为磁阻效应 磁阻元件可用于位移 力 加速度等参数的测量 磁阻IC用于笔式验钞器 验钞笔顺着纸币上的磁性防伪线扫描 3 磁敏管 磁敏二极管 三极管是继霍耳元件和磁敏电阻之后迅速发展起来的新型磁电转换元件 它们具有磁灵敏度高 磁灵敏度比霍耳元件高数百甚至数千倍 能识别磁场的极性 体积小 电路简单等特点 因而正日益得到重视 并在检测 控制等方面得到普遍应用 二 热敏传感器 热敏电阻是一种半导体温度传感器 它利用半导体材料的电阻随温度显著变化这一特性制成的感温元件 它是由某些金属氧化物按一定的配方比例压制烧结而成 在某一温度范围内 根据测量热敏电阻阻值的变化 便可知道被测介质的温度变化 热敏电阻是非线性电阻 它的非线性特性表现在其电阻值与温度间呈指数关系 式中R为温度T时的电阻R0为温度T0时的电阻 为材料的特征常数 半导体热敏电阻与金属电阻相比具有下述优点 灵敏度高 可测0 001 0 005 C的微小温度变化 热敏电阻元件可制作成珠状 杆状和片状 即使长距离测量 导线的电阻影响也可以不考虑 热敏电阻具有良好的稳定性 三 气敏传感器 气敏传感器是用来检测气体类别 浓度和成分的传感器 其材料是金属氧化物 使用气敏电阻传感器 可以把某种气体的成分 浓度等参数转换成电阻变化量 再转换为电流 电压信号 工作原理 当气敏元件吸附了被测气体时 其点导率发生了变化 当半导体气敏元件表面吸附气体分子时 由于二者相互接收电子的能力不同 产生了正离子和负离子吸附 引起表面能带弯曲 导致电导率变化 优点 在低浓度下对可燃气体和某些有毒气体检测灵敏度高 响应快 制造使用和保养方便 价格便宜等 用半导体气敏元件组成的气敏传感器工业上用于天然气 煤气 石油化工等部门的易燃 易爆 有毒 有害气体的监测 预报和自动控制 气敏元件是以化学物质的成分为检测参数的化学敏感元件 酒精传感器 酒精测试仪 呼气管 家庭用煤气报警器 一氧化碳传感器 汽车尾气分析 四 湿敏传感器 绝对湿度 是指大气中水汽的密度 即每一立方米大气中所含水汽的质量 克数 湿敏电阻的原理 水是一种强极性的电解质 水分子极易吸附于固体表面并渗透到固体内部 引起半导体的电阻值降低 因此可以利用多孔陶瓷 三氧化二铝等吸湿材料制作湿敏电阻 湿度对电子元件的影响 当环境的相对湿度增大时 物体表面就会附着一层水膜 并渗入材料内部 这不仅降低了绝缘强度 还会造成漏电 击穿和短路现象 潮湿还会加速金属材料的腐蚀并引起有机材料的霉烂 电子湿度计模块 五 固态图象传感器 光固态图象传感器由光敏元件阵列和电荷转移器件集合而成 它的核心是电荷耦合器件CCD ChargeCoupledDevice CCD自1970年问世以后 由于它的低噪声等特点 CCD图象传感器广泛的被应用在微光电视摄像 信息存储和信息处理等方面 优点 小型 轻便 响应快 灵敏度高 稳定性好 寿命高和以光为媒介可以对人员不便出入的环境进行远距离测量等 可用于物位 尺寸 形状 工件探伤等测量 3 10传感器的选用原则 灵敏度一般来讲 传感器灵敏度越高越好 但过高的灵敏度也会缩小其适用的范围 灵敏度越高 与测量信号无关的外界干扰也越容易混入 响应特性在所测频率范围内 传感器的响应特性必须满足不失真测试条件 在选用时 还要考虑到被测物理量的变化特点 线性范围线性范围越大 表明传感器的工作量程越大 选用传感器时要保证传感器工作在线性区域内 以保证测量精度 可靠性为保证传感器应用中具有高的可靠性 事前须选用设计 制造良好 使用条件适宜的传感器 使用过程中 尽量减轻使用条件的不良影响 精确度传感器精确度越高 越能得到精确量值 考虑精确度同时考虑经济性 测量方法传感器在实际条件下的工作方式 也是选用传感器时应考虑的重要因素 其他还考虑结构简单 体积小 重量轻 价格便宜 易于维修 易于更换等因素 传感器输出信号的基本形式1 电信号 如电压 电流或电荷量2 电参数的变化 如电阻 电感和电容等信号并不能被读取或者记录1 非电压信号难以被直接显示2 信号太微弱3 信号本身还携带不期望的信息或噪声因此 传感器的输出信号尚需经过调理 放大 滤波等处理 然后被显示或记录 4信号的调理和记录 信号调理的目的 便于信号的传输与处理传感器输出的信号很微弱 大多数不能直接输送到显示 记录或分析仪器中去 需要进一步放大 有些传感器输出的是电参量 需要转换成电信号才能进行处理 有些传感器输出的是电信号 但信号中混杂有干扰噪声 需要去掉噪声 提高信噪比 某些场合 为便于信号的远距离传输 需要对传感器测量信号进行调制解调处理 本章学习要求了解电桥工作原理了解信号调制解调原理了解信号滤波器工作原理了解测试信号的显示与记录 4 1电桥 电阻应变片 其电阻的变化量只有0 0001 0 1欧的变化量 如此微小的电阻变化量 是很难用测量仪器直接测量出来 常用的就是采用一定形式的电桥 将其转换为电压的变化 再进行放大 电桥是将电阻 电感 电容等参量的变化变为电压或电流输出的一种测量电路 其输出既可用指示仪表直接测量 也可以送入放大器进行放大 由于桥式测量电路简单 并具有较高精确度和灵敏度 因此在测量装置中被广泛应用 按照其激励电压的性质 可分为直流与交流电桥 按照输出方式 可分为不平衡桥式电路与平衡桥式电路 一 直流电桥 基本结构 如图所示 由四个阻抗构成四个桥臂 A和C接入直流电源作为电桥的激励电源 B和D端为输出端 当电桥输出端后接输入电阻较大的仪表或放大器时 可视为开路 电流输出为零 此时桥路电流为 a b之间与a d之间电位差 输出电压 由此可以看出 若要使电桥平衡 输出为零 应满足 桥臂阻抗可以是电阻 电感和电容式传感器 当被测量为某一初始值并未发生变化时希望电桥输出为0 当某一桥臂电阻发生变化使电桥的平衡发生破坏时 通过手动或自动的方法对电桥的某一调整环节进行调整 使电桥重新恢复平衡 其电阻的变化可以从调整值获得 3 在测试技术中 一般根据工作中电阻值参与变化的桥臂数可分为单臂电桥连接 半桥式与全桥式联接 如图4 2所示 四个阻抗臂都感受被测量的变化称之为全桥 3 输出特性 1 半桥单臂接法输出电压 为了简化设计 取相邻两桥臂电阻相等 即 若 则输出电压 一般 可见 电桥的输出与激励电压成正比 且在条件下 与成正比 灵敏度 2 半桥双臂接法输出 灵敏度 与半桥单臂相比 灵敏度提高了一倍 电桥的输出与成完全线性关系 3 全桥接法 输出 灵敏度 显然 电桥接法不同 灵敏度也不同 全桥接法可以获得最大的灵敏度 4 和差特性当 输出 所以 从这个等式中我们可以看出 当一对相对边感受大小相等 方向相同的信号时 电桥输出不为0 感受大小相等 方向相反的信号时 输出为0 当相邻边感受大小相等 方向相反的信号时 电桥输出不为0 而感受大小相等 方向相同的信号时 输出为0 因此 我们把相对边称为同变输入端 工作时接入同变信号 把相邻边称为差变输入端 工作是接入差变信号 这样电桥才有最大输出 这就是电桥的和差特性 利用这一特性 通常电桥可用于合理布置应变片和连接电桥等 使灵敏度得到提高 5 和差特性的应用举例 悬臂梁受弯矩力和拉伸力同时作用时 现要求分别测出弯矩力和拉伸力 应该如何布片 如何接桥 分析 悬臂梁在受弯矩力作用时 上侧面为拉应变 下侧面为压应变 在受到拉伸力时作用时 上 下侧面均为拉应变 利用电桥的和差特性 在测弯矩力时 将应变片贴于悬臂梁的上 下侧面 同时在接桥时把应变片接在电桥的相邻桥臂上 另外两个桥臂为固定电阻 这样 在弯矩力F作用下 dR1 dR2 同时dR3 dR4 0 电桥输出为 而在拉伸力作用下 由于dR1 dR2 所以 电桥的输出电压仅反映的是弯矩力作用的结果而与拉伸力无关 而在测量拉伸力时 只要把上 下侧面的应变片 连接在电桥的相对桥臂上即可 这时电桥的输出电压仅反映的是拉伸力作用的结果而与弯矩力大小无关 如果要进一步提高电桥的灵敏度 可采用如下的布片和连接方式 将电桥连接成全桥形式 不过这时电桥的输出电压同时反映了弯矩力与拉伸力综合作用的结果 二 交流电桥 交流电桥采用交流激励电压 电桥的四个臂可为电感 电容或电阻 电路结构与直流电桥完全一样 其平衡关系式在交流电桥中也可适用 把各阻抗用指数式表示并代入 若此式成立 必须同时满足下列两等式 i为各阻抗角 是各桥臂电流与电压之间的相位差 Z0i为各阻抗的模 纯电阻时电流与电压同相位 0 电感性阻抗 0 电容性阻抗 0 交流电桥平衡必须满足两个条件 即相对两臂阻抗之模的乘积应相等 并且它们的阻抗角之和也必须相等 图4 4是一种常用电容电桥 根据平衡条件有 上式的实数和虚数部分分别相等 则有下面两个平衡条件 图4 5是一种常用电感电桥 电桥平衡条件为 对于纯电阻交流电桥 即使各桥臂均为电阻 但由于导线间存在分布电容 相当于在各桥臂上并联了一个电容 图4 6 为此 除了有电阻平衡外 还须有电容平衡 三 带感应耦合臂的电桥带感应耦合臂的电桥是将感应耦合的两个绕组作为桥臂而组成的电桥 一般有下列两种形式 图4 8a是用于电