第四章_常用传感器

第4章常用传感器，学习目标1 .了解传感器的分类2 .了解传感器的选择原则3 .把握电阻式传感器的原理及其应用4 .把握感应式传感器的原理及其应用5 .把握压电式传感器的原理及其应用6 .把握磁电式传感器的原理及其应用7 .把握光电式传感器的原理及其应用、难点、难点内容概要本章首先介绍传感器的分类和选择原则，接着分别介绍电阻式、电感式、静电电容式、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、压电效应：石英、钛酸钡等物质在外力作用下，不仅几何学尺寸发生变化，而且内部和极化，表面产生电荷的外力被消除后，再次恢复到原来的状态，这种现象称为压电效应。 逆压电效应：把这些物质(物体)加在电场上，其几何学尺寸也发生变化，在这种外电场的作用下物质(物体)机械变形的现象称为逆压电效应，或者电致伸缩效应。 水晶晶体的压电效应是，电荷的极性随着力的方向变化而变化，如果动态力变为静态力，表示输出电压的频率与动态力的频率相同，则电荷会因表面漏电而立即泄漏并消失。 压电材料：具有压电效应的物质(物体)称为压电材料(或压电元件)。 常见的压电材料分为压电单晶和多晶压电陶瓷两种。 压电单晶：石英(包括天然石英和人工石英)、水溶性压电晶体(包括酒石酸钾钠、酒石酸亚乙基二铵； 酒石酸二钾、硫酸锂等； 多晶压电陶瓷：钛酸钡压电陶瓷、锆钛酸铅系压电陶瓷、铌酸盐系压电陶瓷、铌酸镁酸铅压电陶瓷等。 一部分高分子压电薄膜是天然石英晶体结构形状为六边形的晶柱，两端为对称角锥. 在结晶学上。 你可以用三个相互垂直的轴来表示这个。 纵轴z称为光轴，通过六棱线垂直于光铀的x铀称为电轴，垂直于z轴的y轴(垂直于六棱柱体的棱面)称为机械轴。 另外，水晶晶体的压电效果是从水晶晶体中切出长方体(如图所示)，使其晶面分别与z1z、y1y、x1x轴平行。 晶片在正常状态下是电的，对其施力有几种不同的效果。 通常，将电轴(x铀)方向的力(一般利用压力)产生的压电效果称为“纵压电效果”，将机械轴(y轴)方向的力产生的压电效果称为“横压电效果”，光轴(z轴)方向的力不产生压电效果。 沿着相对的两棱施加力，就会产生切线效应。 压电式传感器主要利用纵向压电效应。 纵压电效应： QXX=d11FX横压电效应： QXY=-d11Fyb/a式：压电系数是压电材料受力时产生的电荷和力的比例系数。 石英的化学式是SiO2，一个晶胞有3个硅离子和6个氧离子，后者成对，因此1个硅离子和2个氧离子交替排列。 如果没有力作用，则晶体在垂直于z轴的XY平面上的投影等效于正六边形阵列，如图a所示。 此时，正负离子正好分布在正六角形的顶角，呈电中性。 如果在x方向压缩，则如图b所示，将硅离子1压入氧离子2与氧离子6之间，将氧离子4压入硅离子3与氧离子5之间，表面a出现负电荷，表面b出现正电荷。 这种现象被称为纵向压电效应。 如果在y方向压缩，则如图c所示，硅离子3和氧离子2、以及硅离子5和氧离子6向内侧移动相同的数值，因此在电极c和d上不出现电荷，在表面a和b、即x轴的端面也出现电荷，但是与图b的极性相反，此时称为横压电效应。从研究的模型也可以看出，不是压缩而是伸长的话，电荷的极性就会相反。 也就是说，石英等单晶材料是各向异性的物体，如果在x轴或y轴方向上施加力，则在与x轴垂直的面上产生电荷，电场方向与x轴平行，如果在z轴方向上施加力，则不会产生压电效应。 压电陶瓷：压电陶瓷的压电效应机理与水晶晶体有很大不同，未经极化处理的压电陶瓷材料不产生压电效应。 在对压电陶瓷进行极化处理后，残留极化的强度在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)，通过这些束缚电荷的作用，来自外部的自由电荷被吸附在陶瓷的两面，压电陶瓷片整体成为电中性。 当施加与极化方向平行或垂直的外压时，压电陶瓷片变形，片内束缚电荷层的间隔变小，一束缚电荷对另一束缚电荷像增强，表面的自由电荷过度放电。 外力为拉力时，会发生充电现象。 2种压电材料特点：水晶结晶：居里点温度高(达573)，稳定性好，无热释电现象。 但是，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，稳定性差于水晶晶体，存在热释电现象，给传感器带来热干扰。 利用热释电现象的特性，可以制作红外线检测等热释电传感器。 4.4.2压电式传感器及其等效电路、压电元件两电极之间的压电陶瓷或水晶为绝缘体，在两工作面上进行金属蒸镀形成金属膜，构成一个电容器。 其电容，式中，-压电材料相对介电常数、水晶结晶、钛酸钡、-极板间距、即压电元件的厚度(m )； s-压电元件工作面面积(m2 )。 当压电元件受到外力时，在两面产生相同量正、负的电荷q，压电元件的开路电压(负载电阻无限大) u是能够使压电元件与电荷源q和电容器Ca等效的等效电路. 压电元件等效电路、压电元件等效电路1个电荷源q和1个电容器C0的等效电路也与1个电压源u和1个电容器C0的串联等效电路等效，Ra是压电元件的漏电阻。 动作时，压电元件和二次计量仪表的组合必定与测量电路连接，可考虑连接电缆电容器Ca、放大器的输入电阻Ri和输入电容器Ci。 由于存在不可避免的电荷泄漏，因此在用压电式传感器测量静态或准静态的值时，在采取充分减小从压电元件经由测量电路的电荷泄漏的措施时，不断补充电荷，向测量电路供给一定的电流，因此压电传感器为动态的另外，压电元件经常使用的结构形式，在实际的使用中，如果以压电元件单体动作，则为了产生充分的表面电荷需要较大的力，因此一般将两个以上的压电元件组合使用。 由于压电元件具有极性，有并联和串联两种连接方法。 并联连接：两个压电元件的负极集中在中间极板，正极上下并列连接时，容量大，输出电荷量大，适用于缓变信号的测定和输出电荷的情况。 c=2c，u=u，q=2q，串联连接：在上极板与正极连接，下极板与负极连接，中间连接有一个元件的负极与另一个元件的正极连接时，传感器自身的电容小，输出电压大，适于要求输出电压的情况，对测定电路要求高输入阻抗。 c=c/2、u=2u、q=q、4.4.3因为压电传感器等价于电压源和电荷源，所以设置在其上的测量电路的前置放大器也有电压型和电荷型。1 .对测量电路的要求：压电材料的内阻高，输出信号能量小，要求测量电路的输入电阻非常大。 2 .测量电路结构：在压电式传感器的输出端连接高输入阻抗的前置放大器，然后连接一般放大电路。 前置放大电路包括两种类型的电荷放大器：电阻器所反馈的电压放大器；其输出电压与输入电压(即，传感器的输出)成比例的另一种是带电容板的反馈电荷放大器； 电荷放大器电路电缆长度变化的影响不大，几乎可以忽略，因此电荷放大器的应用越来越广泛。电荷放大器，电荷量为：式中： ei-放大器输入端子电； ey-放大器的输出端子电压cf-放大器反馈电容。 ci-是放大器输入电容，ey=-Kei，k是电荷放大器的开环放大增益，如果放大器的开环增益足够大，则成为kCf(C Cf )，固定式能够简化为ey-q/Cf的上式，因此，在一定的情况下，电荷放大器的输出电压变为传感器的输出电压因此，在采用电荷放大器的情况下，即使连接电缆的长度在100米以上，灵敏度也不会发生大的变化，在远距离的测试中方便也是电荷放大器的最大优点。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，必须根据传感器的出厂要求严格选择电缆长度。 否则，必须另行标定。 电路很简单，但使用起来很复杂，现在很少使用。 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工作原理如图所示。 在压电晶片的两面进行金属蒸镀，形成金属膜，构成2个电极。 当压力f作用于压电晶片时，在2个极板上分别蓄积相同数量且极性相反的电荷，形成电场。 因此，压电传感器可以看作电荷发生器，也可以看作电容器，如果施加在压电晶片上的外力没有变化，积蓄在极板上的电荷没有泄漏，则即使外力继续作用，电荷量也不会变化。 此时极板所积蓄的电荷与力的关系为q=DF，上式表示电荷量与力成比例。 当然，没有力量的话，电荷就会消失。 显然，为了测量输出值f，主要的问题是测量电荷值的方法。 应当注意的是，当使用：压电传感器来测量静态或准静态大小时，必须采取措施充分减少电荷从压电晶片通过测量电路的泄露。 由于动态力的作用，电荷不断补充，能够向测量电路供给一定的电流，因此压电传感器适合动态测量。 注意：压电传感器通常用于测量沿轴线的力，但垂直于轴线的力使压电片产生横向效应和相应的电荷和输出，形成横向输出。 这会导致干扰和测量误差，因此请使用横向灵敏度小的传感器。 一个压电传感器在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涉力方向一致。 此外，图为压电式加速度传感器的结构原理图，压电元件一般由两个压电片构成，在压电片的两面镀银层，在银层上焊接引线，或者在两个压电片之间夹着金属片将引线焊接在片上，将输出端的另一个引线直接连接在基座上。 在压电片上放置质量块，一般由比重大的金属钨或合金制成，为了保证必要的质量，必须尽量减小体积。 为了消除压电元件与质量体接触不良引起的非线性误差，保证传感器在交变力下正常动作，必须用硬弹簧对压电元件施加预压载荷。 静态预压负荷的大小远大于传感器在振动冲击试验中可能受到的最大动应力。如上所述，当传感器向上移动时，由于在质量体上产生惯性力，压电元件的压力应力增加. 传感器的整个组件安装在厚底座上，用金属外壳复盖。下图为压电式压力传感器的结构图。 为了使作用力均匀地分布在压电元件上，用螺栓6通过钢球5和有凹陷的按压板4按压在压电元件上。 钢球和压板的凹陷有自动平整的作用，使力不均匀。 压电元件3和l的极性为正的面通过铜片2引出，极性为负的面通过壳体连接引出。 产品、压力传感器、加速度计、力传感器、4.6半导体传感器1、霍尔效应传感器、霍尔传感器是半导体感磁传感器，也是磁电式传感器。 是利用霍尔元件，根据霍尔效应的原理，将测量的电动势转换为输出的传感器。 霍尔元件在静止状态下具有感觉磁场独特的能力，具有结构简单、体积小、噪声小、频率范围宽(从直流到微波)、动态范围宽(输出电位变化范围达到1000:1 )、寿命长等特征，因此被广泛应用例如，用于在测量技术中将位移、力和加速度等量转换成电量的传感器； 在计算技术中，用于进行加法、减法、乘法、除法、开方、幂、微积分等运算的运算器等. 4.6.1霍尔式传感器、RH霍尔系数在由通电材料的物理性质决定的霍尔板为n型半导体材料的情况下，在磁场的作用下流过电流I时，半导体材料中的载流子(电子)向与电流方向相反的方向运动。 当带电质量点在磁场中向与磁力线垂直的方向运动时，受到磁力场力即洛伦兹力Fm的作用，其方向可由左手定律决定： e0-带电粒子和电荷； b-磁感应强度v-电子运动速度。 通过洛伦兹力Fm，电子被偏向板的一方，在板的一方蓄积了大量的电子。 面板的另一侧电子不足，积蓄正电荷。 于是形成电场e，在该电场e中，在电子上反作用力Fe :反作用力Fe与洛伦兹力Fm相等的情况下，E=vB。 由此，在宽度b的霍尔板上产生电位差(霍尔发电机)电子速度v，将电子浓度n和电流密度s代入代入式中时，霍尔电位u与控制电流I和磁通密度b成比例，与电流I流动的方向相关联。 霍尔电位u随着电子浓度n增加而降低，但随着电子移动速度v增加或者电子移动速度u=v/E增加而增加。 如果、RH=1/ne0，则RH-霍尔系数反映霍尔效应的强弱。 根据材料的电导率=1/ne0u的关系，一般的电子迁移率u比空穴迁移率大，因此大多采用n型半导体材料作为空穴元件。 代入上式，则，KH被称为霍尔元件灵敏度，表示霍尔元件的单位磁感应强度b和单位控制电流I下的霍尔电位的大小(单位mV/mA0.1T )。 KH越大越好。 因为金属的电子浓度高，RH和KH都不大，所以不适合霍尔元件。 元件的厚度d越小，灵敏度KH越高，因此能够减薄孔板的厚度。 磁感应强度b不垂直于霍尔板平面，与板平面的法线成角度时，上式为3，基于霍尔效应而动作的半导体元件被称为霍尔元件，霍尔元件多采用n型半导体材料。 霍尔元件越薄(d越小)，kH越大，薄膜霍尔元件的厚度只有1m左右。 目前最常用的霍尔元件材料是锗(Ge )、硅(Si )、锑化铟(InSb )、砷化铟(InAs )等半导体材料。 4、应用例1、从a侧流过人的电流I时，由于霍尔效应，在左半部分产生霍尔电位VH1，在右半部分产生霍尔电位VH2，其方向相反。 因此，c、d的两端电位为VH1VH2。霍尔元件位于初始位置时，如果VH1=VH2，则输出改变零磁极系统和霍尔元件的相对位置，可得到与位移量成正比大小的输出电压。 转速测量齿轮的转速。 测量图3.127霍尔效应齿轮速度传感器、图3.128霍尔效应接近传感器、位移、力、加速度等参数。 断线检测。 图3.129霍尔效应钢丝绳断线检测装置、36、气体传感器、气体与人的日常生活密切相关，气体检测已经成为