第四章传统传感器原理及应用.ppt

电阻应变式传感器电容式传感器电感式传感磁敏式传感器压电式传感器热电式传感器,本章内容,根据人们发明和使用传感器的先后把传感器大致分为传统传感器和新型传感器两大类。,第四章：传统传感器原理及应用,电阻应变式传感器,导体或半导体材料在外界力的作用下产生机械变形时，其电阻值会相应地发生变化，这种现象称为应变效应。对图所示的金属电阻丝，在其未受力时，假设其初始电阻值为：,式中电阻丝的电阻率；l电阻丝的长度；A0电阻丝的截面积。,金属电阻丝的应变效应,一.电阻应变片的工作原理,受力后：,电阻应变式传感器,K的物理意义是：单位应变所引起的电阻值相对变化量的大小。灵敏系数K受两个因素影响：,对金属材料来说，电阻丝灵敏度系数表达式中的值通常要比大得多，而半导体材料的项的值比大得多。实验表明，在电阻丝拉伸极限内，电阻的相对变化与应变成正比，即K为常数。,电阻应变式传感器,应变片受力后材料几何尺寸的变化（应变效应）,应变片受力后材料的电阻率发生的变化(压阻效应),当半导体应变片受轴向力作用时，其电阻率的相对变化量为,半导体材料的压阻系数,半导体材料所承受的应变力,半导体材料的弹性模量,半导体材料的应变,电阻应变式传感器,故应变片的电阻变化可以表示为：,二.电阻应变片的种类及材料,1.电阻应变片的种类,根据电阻应变片所使用的材料不同，电阻应变片可分为金属电阻应变片和半导体应变片两大类。金属电阻应变片可分为金属丝式应变片、金属箔式应变片、金属薄膜式应变片；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、PN结元件等。其中最常用的是金属箔式应变片、金属丝式应变片和体型半导体应变片。,应变片的核心部分是敏感栅，它粘贴在绝缘的基片上，在基片上再粘贴起保护作用的覆盖层，两端焊接引出导线，如图所示。,电阻应变式传感器,(a)箔式应变片(b)电阻丝式应变片(c)丝式应变片,金属电阻应变片的敏感栅有丝式和箔式两种形式。丝式金属电阻应变片的敏感栅由直径为0.01mm0.05mm的电阻丝平行排列而成。箔式金属电阻应变片是利用光刻、腐蚀等工艺制成的一种很薄的金属箔栅，其厚度一般为0.003mm0.01mm，可制成各种形状的敏感栅(如应变花)，其优点是表面积和截面积之比大，散热性能好，允许通过的电流较大，可制成各种所需的形状，便于批量生产。,电阻应变式传感器,2.电阻应变片的材料对电阻丝材料的基本要求如下：(1)灵敏系数应在尽可能大的应变范围内保持为常数，即电阻变化与应变呈线性关系；(2)电阻率值要大，即在同样长度、同样横截面积的电阻丝中具有较大的电阻值；(3)具有足够的热稳定性，电阻温度系数小，有良好的耐高温抗氧化性；(4)与铜线的焊接性能好，与其他金属的接触电动势小；(5)机械强度高，具有优良的机械加工性能。制造应变片敏感元件的材料主要有铜镍合金、镍铬合金、铁铬铝合金、铁镍铬合金和贵金属等。目前应用最广泛的应变丝材料是康铜(含45的镍、55的铜)。这是由于它有很多优点：灵敏系数稳定性好，不但在弹性变形范围内能保持为常数，进入塑性变形范围内也基本上能保持为常数；电阻温度系数较小且稳定，当采用合适的热处理工艺时，可使电阻温度系数在5010-6/的范围内；加工性能好，易于焊接。,电阻应变式传感器,三.电阻应变片的性能参数,电阻应变片的性能参数很多，下面介绍几个主要的参数。如果需要，可以参考相关资料和技术手册。1)灵敏度系数灵敏度系数的定义：将应变片粘贴于单向应力作用下的试件表面并使敏感栅纵向轴线与应力方向一致时，应变片电阻值的相对变化量R/R与沿应力方向的应变之比，即,电阻应变式传感器,(1)试件材料取泊松比，的钢材；(2)试件单向受力；(3)应变片轴向与主应力方向一致。,K值通常在规定条件下通过实测来确定：,敏感栅是由N条长度为l1的直线段和直线段端部的N-1个半径为r的半圆圆弧或直线组成，当受纵向拉力，直线段和圆弧段（变化小）应变不一致，因而其灵敏系数K较整长电阻丝的灵敏系数K0要小，这种现象称为应变片的横向效应。为了减小横向效应产生的测量误差，现在一般多采用箔式应变片。,(a)应变片及轴向受力图(b)应变片的横向效应图,图4.4应变片轴向受力及横向效应,电阻应变式传感器,2)横向效应,3)应变片的电阻值R0应变片未粘贴时，在室温下所测得的电阻值，称为应变片的电阻值R0。一般情况下，R0越大，允许的工作电压也越大，有利于灵敏度的提高。R0的大小常用的有60、120、250、350、1000欧姆等，其中以120最为常用。,4)绝缘电阻值应变片绝缘电阻是指已粘贴的应变片的敏感栅以及引出线与被测件之间的电阻值。绝缘电阻越大越好，通常要求绝缘电阻在50M100M以上。绝缘电阻下降将使测量系统的灵敏度降低，使应变片的指示应变产生误差。绝缘电阻的大小取决于粘结剂及基底材料的种类及固化工艺。在常温使用条件下要采取必要的防潮措施，而在中温或高温条件下，要注意选取电绝缘性能良好的粘结剂和基底材料。,电阻应变式传感器,5)最大工作电流(允许电流)最大工作电流是指已安装的应变片允许通过敏感栅而不影响其工作特性的最大电流Imax。工作电流大，输出信号也大，灵敏度越高。但工作电流过大会使应变片过热，灵敏系数产生变化，零漂及蠕变增加，甚至烧毁应变片。工作电流的选取要根据试件的导热性能及敏感栅形状和尺寸来决定。通常静态测量时取25mA左右。动态测量或使用箔式应变片时可取75mA100mA。箔式应变片散热条件好，电流可取得更大一些。在测量塑料、玻璃、陶瓷等导热性差的材料时，电流可取得小一些。最大工作电流与应变片本身、试件、粘合剂以及环境等因素有关。6)应变极限在温度一定时，应变片的指示应变值和真实应变的相对误差不超过10%的范围内，应变片所能达到的最大应变值称为应变极限。7)应变片的机械滞后在温度保持不变的情况下，对粘贴有应变片的试件进行循环加载和卸载，应变片对同一机械应变量的指示应变的最大差值称为应变片的机械滞后。为了减小机械滞后，测量前应该反复多次循环加载和卸载。,电阻应变式传感器,四.电阻应变片的选择,因为不同用途的应变片，对其工作特性的要求往往不同，所以选择电阻应变片时，应该根据测量环境、试件状况、应变性质等具体使用要求，有针对性的选用具有相应功能和性能的应变片。如温度的选择：康铜最高使用温度300；卡玛丝最高使用温度450.尺寸的选择见表1.电阻值的选择：60、120、250、350、1000，在不考虑价格的前提下，选择大电阻应变片对提高精度是有利的。结构形式的选择：一维、二维、三维力？,电阻应变式传感器,电阻应变式传感器,五.测量电桥电路,由于机械应变一般都很小，要把微小应变引起的微小电阻变化测量出来，同时要把电阻相对变化R/R转换为电压或电流的变化。因此，需要有专用测量电路用于测量应变变化而引起电阻变化的测量电路，通常采用直流电桥或交流电桥。电桥是由无源元件电阻R(或电感L、电容C)组成的四端网络。它在测量电路中的作用是将组成电桥各桥臂的电阻R(或L、C)等参数的变化转换为电压或电流输出。若将组成桥臂的一个或几个电阻换成电阻应变片，就构成了应变测量电桥。图4.5直流电桥根据电桥供电电压的性质，测量电桥可以分为直流电桥和交流电桥；如果按照测量方式，测量电桥又可以分为平衡电桥和不平衡电桥。下面介绍直流电桥。,电阻应变式传感器,1.直流电桥的平衡条件,直流电桥如图4.5所示，E为供电电源，R1、R2、R3及R4为桥臂电阻，RL为负载电阻。,当电桥平衡时，则有,或,上式就是直流电桥的平衡条件。,E,电阻应变式传感器,2.电压灵敏度令R1为电阻应变片，R2，R3，R4为电桥固定电阻，这就构成了单臂电桥。应变片工作时，其电阻值变化很小，电桥相应输出电压也很小，一般需要加入放大器放大。由于放大器的输入阻抗比桥路输出阻抗高很多，所以电桥输出近似开路情况。当产生应变时，若应变片电阻变化为R1，其他桥臂固定不变，电桥输出电压Uo0，则电桥不平衡输出电压为,电阻应变式传感器,式(1),设桥臂比n=R2/R1=R4/R3，通常R10Us,U2同相正半周UsU2,可见，VD1和VD2导通形成两条通路，其等效电路如图所示。由于x0，即铁芯向上，U21增加，U22减小，所以U0仍然为上正下负。,电感式传感器,x0Us,U2同相负半周UsU2,+Us2-,电感式传感器,综上所述，当铁芯向上，U21增加，U22减小，Us,U2同相，不管他们在正半周还是负半周，都会在RL上形成向下的电流，使得U0始终为上正下负。如果Us,U2反相，能使得U0始终为上负下正，那么，U0的大小可以判断位移的大小，U0的极性就可以判断位移的方向。,以同样的方法，判定铁芯向下（思考题）,电感式传感器,相敏检波器的电压波形,被测位移变化波形图,差动变压器激磁电压波形,差动变压器输出电压波形,相敏检波解调电压波形,相敏检波输出电压波形,补充另外一个相敏电路：,补充另外一个相敏电路：,电涡流效应和电涡流式传感器金属导体置于变化着的磁场中，导体内就会产生感应电流，这种电流像水中旋涡那样在导体内转圈，所以称之为电涡流或涡流。这种现象就称为涡流效应。应用：若在金属圆柱体上绕一线圈，当线圈中通入交变电流时，金属圆柱体便处在交变磁场中。设想金属圆柱体由一系列不同半径的圆柱形薄壳所构成，每层金属薄壳就是一个闭合回路，在交变磁场中有感应电流流通。这些感应电流在金属圆柱体内汇集出强大的涡流，释放出大量的焦耳热，可使金属自身熔化。这就是高频感应炉冶炼金属的原理形成涡流必须具备下列两个条件：1.存在交变磁场；2.导电体处于交变磁场中。,电涡流式传感器（属于电感传感器）,按照电涡流在导体内贯穿的情况，可以把电涡流传感器分为高频反射式和低频透射式两类。其工作原理是相似的。,电涡流式传感器,2.工作原理将一个通以正弦交变电流I1，频率为f，外半径为ras的扁平线圈置于金属导体附近，则线圈周围空间将产生一个正弦交变磁场H1，使金属导体中感应电涡流I2，I2又产生一个与H1方向相反的交变磁场H2，如图所示。,Z=F(,r,f,x),电涡流式传感器,根据能磁定律，H2的反作用必然削弱线圈的磁场H1。由于磁场H2的作用，涡流要消耗一部分能量，导致传感器线圈的等效阻抗发生变化。线圈阻抗的变化取决于被测金属导体的电涡流效应。,线圈等效电阻,磁导率,激励电源频率,线圈与被测物体的尺寸因子,涡流式传感器的结构示意图,电涡流式传感器,式中线圈激磁电流角频率；R1、L1线圈电阻和电感；L2短路环等效电感；R2短路环等效电阻；M互感系数。,由上式解得等效阻抗Z的表达式为：,电涡流式传感器,电涡流式传感器数学模型：,电涡流在金属表面形成的短路环等效于渔歌电感和一个电感的串联。,式中Req线圈受电涡流影响后的等效电阻，即；,Leq线圈受电涡流影响后的等效电感，即：,线圈的等效品质因数Q值（即感抗与阻抗的比值）为：,电涡流式传感器,h称为电涡流的贯穿深度，可由下式求得：,式中f线圈激磁电流的频率；真空的磁导率；被测金属导体的相对磁导率；,说明：电涡流的贯穿深度与频率成反比，频率越高，贯穿深度越小。故低频透射，高频反射。,电涡流式传感器,3电涡流的形成范围1)电涡流的径向形成范围线圈导体系统产生的电涡流密度既是线圈与导体间距离x的函数，又是沿线圈半径方向r的函数。当距离x一定时，电涡流密度J与线圈半径r的关系曲线如图所示(J0为金属导体表面电涡流密度，即电涡流密度最大值。Jr为半径r处的金属导体表面电涡流密度)。可知：,电涡流式传感器,电涡流密度在ri=0处为零；在距离传感器线圈外径ras的1.82.5倍范围内，电涡流密度则大约衰减为最大值的5%。(2)电涡流径向形成范围大约在传感器线圈外径ras的1.82.5倍范围内，且分布不均匀。(3)为了充分利用涡流效应，被测导体的平面尺寸不应该小于传感器线圈外径的2倍，否则灵敏度将下降。(4)若被测导体为圆柱体时，当其直径为传感器线圈外径的3.5倍以上时，则传感器的灵敏度近似为常数。(5)可以用一个平均半径为的短路环来集中表示分散的电涡流(图中阴影部分)。,2)电涡流强度与距离的关系当x改变时，电涡流密度也发生变化，即电涡流强度随距离x的增大而迅速减小。根据线圈导体系统的电磁作用，可以得到金属导体表面的电涡流强度为：,式中I1激励线圈中的电流；I2金属导体中涡流的等效电流；x激励线圈到金属导体表面的距离；ras线圈的外径。,电涡流式传感器,以上分析表明：(1)电涡流强度与距离x呈非线性关系，且随着x/ras的增加而迅速减小。(2)当利用电涡流式传感器测量位移时，只有在x/ras1(一般取0.050.15)的条件下才能得到较好的线性和较高的灵敏度。,3)电涡流的轴向贯穿深度电涡流不仅沿导体径向分布不均匀，而且导体内部产生的涡流由于趋肤效应，贯穿金属导体的深度也有限。仅作用于表面薄层和一定的径向范围内，磁场进入金属导体后，强度随距离表面的深度的增大按指数规律衰减，并且导体中产生的电涡流强度也是随导体厚度的增加按指数规律下降的。如图所示电涡流密度轴向分布曲线所谓贯穿深度是指把电涡流强度减小到表面强度的1/e处的表面厚度。其按指数衰减分布规律可用下式表示：,式中d金属导体中某一点与表面的距离；Jd沿H1轴向d处的电涡流密度；J0金属导体表面电涡流密度，即电涡流密度最大值；h电涡流轴向贯穿的深度(趋肤深度)。,电涡流式传感器,可见，电涡流密度主要分布在表面附近,d,Jd,4.电涡流传感器的测量电路用于电涡流传感器的测量电路主要有调频式、调幅式电路两种。1)调频式电路,电涡流式传感器,当金属导体远离或去掉时，LC并联谐振回路谐振频率即为石英振荡频率fo，回路呈现的阻抗最大，谐振回路上的输出电压也最大；当金属导体靠近传感器线圈时，线圈的等效电感L发生变化，导致回路失谐，从而使输出电压降低，L的数值随距离x的变化而变化。因此，输出电压也随x而变化。输出电压经放大、检波后，由指示仪表直接显示出x的大小。,2)调幅式电路由传感器线圈L、电容器C和石英晶体组成的石英晶体振荡电路如图所示。石英晶体振荡器起恒流源的作用，给谐振回路提供一个频率(f0)稳定的激励电流io，LC回路输出电压为:,式中，Z为LC回路的阻抗。,电涡流式传感器,电感式传感器的应用实例,电感测微仪动画（测量振动）,电涡流式传感器,感应同步器测量原理动画（测量位移）,电涡流测微仪动画（测量振动）,电涡流式转速传感器,磁敏式传感器是基于磁电转换原理的传感器，是对磁场参量(B，H，)敏感的元器件或装置，具有把磁学物理量转换为电信号的功能。磁敏式传感器主要有磁敏电阻、磁敏二极管、磁敏三极管和霍耳式磁敏传感器。,一.磁电效应及敏感材料,某些材料，如金属或半导体材料，当其受到一定强度和方向上的磁场作用时，会产生一定的电动势或者产生电阻率的变化，这种现象称为磁电效应。相应地，在磁场作用下产生电动势的现象称为霍耳效应，而产生电阻率变化的现象称为磁阻效应，目前常用的磁电效应敏感材料主要有锗(Ge)、硅(Si)、砷化镓(GaAs)、砷化姻(InAs)、锑化铟(InSb)等，其中N型硅具有良好的温度特性和线性度、灵敏度高，应用较多。,磁敏式传感器,二.磁敏电阻,磁敏电阻是一种电阻随磁场变化而变化的磁敏元件，也称MR元件。其工作原理是基于磁阻效应。,1.磁阻效应置于磁场中的载流金属导体或半导体材料，其电阻值随磁场变化的现象，称为磁致电阻变化效应，简称为磁阻效应。磁阻效应与材料性质、几何形状等因素有关。在磁场中，电流的流动路径会因磁场的作用而加长，使得材料的电阻率增加。当温度恒定时，磁阻效应与磁场强度、载流子的迁移率和几何形状之间的关系可表示为,磁敏式传感器,可以看出，在磁场一定时，载流子的迁移率越高，其磁阻效应越明显。当材料中仅存在一种载流子时磁阻效应几乎可以忽略，此时霍耳效应更为强烈。若在电子和空穴都存在的材料如锑化铟(InSb)中，则磁阻效应很强。所以磁敏电阻通常选用锑化铟(InSb)、砷化铟(InAs)、锑化镍(NiSb)等半导体材料。,2.磁阻元件的主要特性1)灵敏度特性磁阻元件的灵敏度特性是用在一定磁场强度下的电阻变化率来表示的，即磁场电阻特性的斜率，常用K表示。在计算时常用磁场强度为0.3T(或1T)时的磁阻元件电阻值RB与零磁场时的磁阻元件电阻值R0的比值求得，即：KRB/R0这种情况下，一般磁阻元件的灵敏度大于2.7。通常情况下，磁阻元件的灵敏度是非线性的，并且受温度影响较大，所以使用时应该根据灵敏度特性进行温度补偿。,磁敏式传感器,2)磁场-电阻特性材料不同，磁敏电阻的阻值相对变化率通常也不相同，磁敏电阻的阻值相对变化率通常与磁场的极性无关，它只随磁场强度的增加而增加。如图4.45所示，在B0.3T时则呈线性关系。,(a)S、N级之间电阻特性(b)电阻变化率特性,磁敏式传感器,3)电阻-温度特性由于磁敏电阻是由半导体材料制成的，因此它受温度影响很大。图4.46所示的是一般半导体磁阻元件的电阻-温度特性曲线。从图中可以看出，半导体磁阻元件的温度特性不好。图中的电阻值在35的变化范围内减小了1/2。因此在应用时，一般都要采取温度补偿措施。,磁敏式传感器,4)标称阻值和额定功率磁敏电阻大部分与半导体电路配合使用，其电阻值通常为50500，额定功率在环境温度低于80时一般为几毫瓦。5)频率特性磁敏电阻的工作频率范围通常在1MHz10MHz。,3.磁敏电阻的应用磁敏电阻可以用来作为电流传感器、磁敏接近开关、角速度/角位移传感器、磁场传感器等。可用于开关电源、UPS、变频器、伺服电机驱动器、家庭网络智能化管理、电度表、电子仪器仪表、工业自动化、智能机器人、电梯、智能住宅、机床、工业设备、断路器、防爆电机保护器、家用电器、电子产品、电力自动化、医疗设备、机床、远程抄表、仪器、自动测量、地磁场的测量、探矿等。,磁敏式传感器,接近开关：当磁场接近磁敏电阻，电阻增加，VT1门极电压增加，VT1导通。,磁敏电阻组成的无触点开关电路,磁敏式传感器,下图所示的是用磁敏电阻组成的无触点开关电路。当永久磁铁接近磁敏电阻时会使磁敏电阻的阻值增大，根据需要将信号进行放大或直接驱动晶体管，即可实现无触点开关功能或实现计数功能。,三.磁敏二极管和磁敏三极管,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器件。它们具有输出信号大、磁灵敏度高(磁灵敏度比霍耳元件高数百倍甚至数千倍)、工作电流小、体积小、电路简单、能识别磁场的极性等特点，因而在磁场、转速、探伤等检测与控制等方面得到普遍应用。,磁敏式传感器,(a)结构(b)电路符号,磁敏式传感器,1.磁敏二极管1)磁敏二极管的结构磁敏二极管有硅磁敏二极管和锗磁敏二极管两种。磁敏二极管的结构是平面P+-i-N+型结构的二极管。PN结的基区（i区）很长，大于载流子的扩散长度。R区为高复合区，载流子在此全部复合。,磁敏二极管与普通二极管的区别是：普通二极管PN结的基区很短，以避免载流子在基区里复合，磁敏二极管的PN结却有很长的基区，大于载流子的扩散长度，但基区是由接近本征半导体的高阻材料构成的。一般锗磁敏二极管用=40cm左右的P型或N型单晶做基区(锗本征半导体的=50cm)，在它的两端有P型和N型锗，并引出电极。,2)磁敏二极管的工作原理,(a)无外加磁场(b)外加正向磁场(c)外加反向磁场电阻增加电阻减小,磁敏式传感器,当磁敏二极管受到外界正向磁场H+的作用时，i区的载流子(电子和空穴)受到洛伦兹力的作用向r区偏转，因为r区的电子和空穴复合速度比i区快，从而使i区的载流子数目减少，i区电阻增大，压降增加，所以形成磁敏二极管的正向电流I减小，电阻增大。当磁敏二极管受到外界负向磁场H的作用时，结果与施加正向磁场的情况相反，因此形成磁敏二极管的正向电流I增大，电阻减小。随着磁场大小和方向的变化，可产生正负输出电压的变化，特别是在较弱的磁场作用下，可获得较大输出电压。若r区和r区之外的复合能力之差越大，那么磁敏二极管的灵敏度就越高。磁敏二极管反向偏置时，则在r区仅流过很微小的反向漏电流，显得几乎与磁场无关。因而二极管两端电压不会因受到磁场作用而有任何改变。利用磁敏二极管随磁场强度变化而变化的关系，可以实现磁电转换。并且由于磁敏二极管在正、负向磁场作用下输出信号增量的方向不同，因此利用磁敏二极管可以判别磁场的方向。,2.磁敏三极管1)磁敏三极管的结构与工作原理NPN型磁敏三极管是在弱P型或弱N型本征半导体上，用合金法或扩散法形成发射极、基极和集电极的半导体元件，如图所示。磁敏三极管的特点是基区较长，基区结构类似于磁敏二极管，也有高复合率的r区和本征区i区，在长基区的侧面制成一个复合速率很高的高复合区r。长基区分为运输基区和复合基区两部分。,(a)结构(b)符号,磁敏式传感器,当不受磁场作用，如图(a)所示时，由于磁敏三极管的基区宽度大于载流子有效扩散长度，因而注入的载流子除少部分输入到集电极c外，大部分通过e-i-b而形成基极电流。显而易见，基极电流大于集电极电流。所以，电流放大系数=IcIb1。当受到H磁场作用，如图(b)所示时，由于洛伦兹力作用，载流子向发射结一侧偏转，从而使集电极电流明显下降。当受到H磁场作用，如图(c)所示时，载流子在洛伦兹力作用下，向集电结一侧偏转，使集电极电流增大。,磁敏三极管工作原理：,磁敏式传感器,从上述分析可以看出，磁敏三极管与磁敏二极管的工作原理完全相同。只是因为i区较长，当没有外磁场作用时，在横向电场作用下，发射极电流大部分形成基极电流，小部分形成集电极电流。在正向或负向磁场作用下，会引起集电极电流的减少或增加。因此可以用磁场方向控制集电极电流的增加或减少，用磁场的强弱控制集电极电流的变化量。,3.磁敏二极管和磁敏三极管的应用由于磁敏管有较高的磁灵敏度，体积和功耗都很小，且能识别磁极性等优点，是一种新型半导体磁敏元件，它有着广泛的应用前景。利用磁敏管可以做成磁场探测仪器，如高斯计、漏磁测量仪、地磁测量仪等。用磁敏管做成的磁场探测仪，可测量10-7T左右的弱磁场。根据通电导线周围具有磁场，而磁场的强弱又取决于通电导线中电流大小的原理，因而可利用磁敏管采用非接触方法来测量导线中电流。而用这种装置来检测磁场还可确定导线中电流值大小，既安全又省电，因此是一种备受欢迎的电流表。此外，利用磁敏管还可制成转速传感器(能测高达每分钟数万转的转速)，无触点电位器和漏磁探伤仪等。,磁敏式传感器,四.霍耳传感器,1.霍耳效应、霍耳材料、霍耳元件1)霍耳效应,磁敏式传感器,置于磁场中的静止载流导体，当它的电流方向与磁场方向不一致时，载流导体上平行于电流和磁场方向上的两个面之间产生电动势，这种现象称为霍耳效应。该电动势称为霍尔电势。,此时，每个电子受洛伦兹力fL的作用，fL的大小为：,式中e电子电荷；v电子运动平均速度；B磁场的磁感应强度。,fL=eBv,UH霍尔电势I控制电流强度B磁感应强度d霍尔片的厚度RH霍尔常数KH霍尔片的灵敏度,洛伦兹力fL与电场力fH平衡时：,为了提高灵敏度，霍耳元件常制成薄片形状。,霍耳元件的结构很简单，它是由霍耳片、四根引线和壳体组成的，如(a)所示。霍耳片是一块矩形半导体单晶薄片，引出四根引线：1、1两根引线加激励电压或电流，称为激励电极(或控制电极)；2、2引线为霍耳输出引线，称为霍耳电极。霍耳元件的壳体是用非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装的。,磁敏式传感器,2)霍耳元件及检测电路,通常，霍耳电势的转换效率比较低，为了获得更大的霍耳电势输出，可以将若干个霍耳元件串联起来使用。而在霍耳元件输出信号不够大的情况下，可以采用运算放大器对霍耳电势进行放大。当然，最好还是采用集成霍耳传感器。,霍耳元件的串联霍耳电势的放大,磁敏式传感器,1)额定激励电流使霍耳元件温升10时所施加的激励电流称为额定激励电流。以元件允许最大温升为限制所对应的激励电流称为最大允许激励电流。因霍耳电势随激励电流增加而线性增加，所以使用中希望选用尽可能大的激励电流以获得较高的霍耳电势输出，但是由于受到最大允许温升的限制，可以通过改善霍耳元件的散热条件，使激励电流增加。2)灵敏度KH霍耳元件在单位磁感应强度和单位激励电流作用下的空载霍耳电势值，称为霍耳元件的灵敏度。3)输入电阻和输出电阻霍耳元件激励电极间的电阻值称为输入电阻。霍耳电极输出电势对电路外部来说相当于一个电压源，其电源内阻即为输出电阻。以上电阻值是在磁感应强度为零，且环境温度在205时所确定的。,磁敏式传感器,2.霍耳元件的主要特性参数,4)不等位电势和不等位电阻当磁感应强度为零，霍耳元件的激励电流为额定值时，则其输出的霍耳电势应该为零，但实际不为零，用直流电位差计可以测得空载霍耳电势，这时测得的空载霍耳电势称为不等位电势。产生不等位电势的主要原因有：霍耳电极安装位置不对称或不在同一等电位面上；半导体材料不均匀造成了电阻率不均匀或是几何尺寸不均匀；激励电极接触不良造成激励电流不均匀分布等。,磁敏式传感器,不等位电势示意图霍耳元件的等效电路,磁敏式传感器,可以看出，不等位电势就是激励电流流经不等位电阻r0所产生的电压,不等位电势也可用不等位电阻(零位电阻)表示，即：,式中U0不等位电势；r0不等位电阻；I激励电流。,5)寄生直流电势在外加磁场为零、霍耳元件用交流激励时，霍耳电极输出除了交流不等位电势外，还有一直流电势，称为寄生直流电势。产生寄生直流电势的原因有：激励电极与霍耳电极接触不良，形成非欧姆接触，造成整流效果；两个霍耳电极大小不对称，则两个电极点的热容不同，散热状态不同而形成极间温差电势。寄生直流电势一般在1mV以下，它是影响霍耳片温漂的原因之一。6)霍耳电势温度系数在一定磁感应强度和激励电流下，温度每变化1时，霍耳电势变化的百分率称为霍耳电势温度系数。它同时也是霍耳系数的温度系数。它与霍耳元件的材料有关，一般约为0.1/左右。,磁敏式传感器,1)不等位电势的补偿不等位电势与霍耳电势具有相同的数量级，有时甚至超过霍耳电势，而实用中要消除不等位电势是极其困难的，因而必须采用补偿的方法。分析不等位电势时，可以把霍耳元件等效为一个电桥，用分析电桥平衡来补偿不等位电势。,磁敏式传感器,3.测量误差及补偿措施,图(a)、(b)为常见的补偿电路，图(b)、(c)相当于在等效电桥的两个桥臂上同时并联电阻，图(d)用于交流供电的情况。,2)温度补偿霍耳元件是采用半导体材料制成的，因此它们的许多参数都具有较大的温度系数。当温度变化时，霍耳元件的载流子浓度、迁移率、电阻率及霍耳系数都将发生变化，从而使霍耳元件产生温度误差。为了减小霍耳元件的温度误差，除选用温度系数小的元件或采用恒温措施外，由UH=KHIB可看出：采用恒流源供电是个有效措施，可以使霍耳电势稳定。但也只能是减小由于输入电阻随温度变化所引起的激励电流I的变化的影响。霍耳元件的灵敏度KH也是温度的函数，它随温度变化将引起霍耳电势的变化。霍耳元件的灵敏度系数与温度的关系可写成：,KH=KH0(1+aT),式中KH0温度为T0时的KH值；T=T-T0温度变化量；a霍耳电势温度系数。,磁敏式传感器,大多数霍耳元件的温度系数a是正值，它们的霍耳电势随温度升高而增加aT倍,右图就是按此思路设计的一个既简单，补偿效果又较好的补偿电路。电路中Is为恒流源，分流电阻Rp与霍耳元件的激励电极相并联。当霍耳元件的输入电阻随温度升高而增加时，旁路分流电阻Rp自动地增大分流，减小了霍耳元件的激励电流IH，从而达到补偿的目的。,磁敏式传感器,当温度升至T时，电路中各参数变为:,式中霍耳元件输入电阻温度系数；分流电阻温度系数。则：,完全补偿条件：KH0IH0=KHIH,磁敏式传感器,设初始温度为T0，霍耳元件输入电阻为Ri0，灵敏度为KH0，分流电阻为Rp0，则,选择RP，即可补偿温度影响,磁敏式传感器,4.霍耳传感器的应用,霍尔效应测速模型（动画）,（1）霍耳传感器测量转速,(a)磁场强度相同的传感器(b)简单的位移传感器(c)结构相同的位移传感器,磁敏式传感器,（2）霍耳传感器测量位移,(a)工作示意图,(b)电路图,图4.70霍耳计数装置,磁敏式传感器,当钢球通过霍耳开关传感器时，传感器可输出峰值20mV的脉冲电压，该电压经运算放大器(A741)放大后，驱动半导体三极管VT(2N5812)工作，V输出端便可接计数器进行计数，并由显示器显示检测数值。,3)霍耳计数装置,4.5压电式传感器,压电式传感器是利用某些电介质材料(如石英晶体)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从而可以实现对非电量的检测。压电式传感器具有体积小、重量轻、频带宽等特点，适用于对各种动态力、机械冲击与振动的测量，广泛应用在力学、声学、医学、宇航等方面。压电式传感器是一种无源传感器，大多数是利用正向压电效应制成的。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，称为正向压电效应，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正向压电效应制成。,压电式传感器,一.压电效应与压电材料,1.压电效应压电效应分为正向压电效应和逆向压电效应。某些电介质，当沿着一定方向对其施加外力而使它变形时，内部就产生极化现象，相应地会在它的两个表面上产生符号相反的电荷，当外力去掉后，又重新恢复到不带电状态，这种现象称压电效应。当外力方向改变时，电荷的极性也随之改变，这种将机械能转换为电能的现象，称为正压电效应。相反，当在电介质极化方向施加电场，这些电介质也会产生一定的机械变形或机械应力，这种现象称为逆向压电效应，也称为电致伸缩效应。,压电式传感器,压电式传感器,2.压电材料具有压电效应的材料称为压电材料，压电材料能实现机-电能量的相互转换，具有一定的可逆性，如图所示。,压电效应的可逆性,压电材料常用晶体材料，但自然界中多数晶体压电效应非常微弱，很难满足实际检测的需要，因而没有实用价值。目前能够广泛使用的压电材料只有石英晶体和人工制造的压电陶瓷、钛酸钡、锆钛酸铅等材料，这些材料都具有良好的压电效应。,压电式传感器,压电材料是压电式传感器的敏感材料，主要特性参数有：压电系数：它是衡量材料压电效应强弱的参数，一般应具有较大的压电系数。机械性能：作为力敏元件，通常希望其具有较高的机械强度和较大的刚度，以获得较宽的线性范围和较大的固有频率。电性能：良好的压电材料应该具有大的介电常数和较高的电阻率，以减小电荷的泄漏，从而获得良好的低频特性。对于一定形状、尺寸的压电元件，其固有电容与介电常数有关；而固有电容又影响着压电传感器的频率下限。机械耦合系数：是指在压电效应中，转换输出能量(如电能)与输入能量(如机械能)之比的平方根，这是衡量压电材料机-电能量转换效率的一个重要参数。居里点温度：它是指压电材料开始丧失压电特性的温度。时间稳定性：压电特性不应随时间蜕变。,压电式传感器,压电材料可以分为三类：压电晶体、压电陶瓷和高分子压电材料。1)石英晶体石英晶体是典型的压电晶体，化学式为SiO2，为单晶体结构。石英晶体的压电系数为d11=2.110-12C/N，并且在20200范围内，其压电系数几乎不变。居里温度点为573，可以承受(7001000)kgf/cm2的压力，具有很高的机械强度和稳定的机械性能。,压电式传感器,正六面体，各向异性体。z称为光轴(中性轴)，x称为电轴，y称为机械轴。沿电轴x方向的力产生电荷的压电效应称为纵向压电效应，y方向的产生电荷的压电效应称为横向压电效应。而z方向的力作用时不产生压电效应。,当沿电轴方向施加作用力Fx时，则在与电轴x垂直的平面上将产生电荷，其大小为：,中d11x方向受力的压电系数。若在同一切片上，沿机械轴y方向施加作用力Fy，则仍在与x轴垂直的平面上产生电荷，其大小为：,式中d12y轴方向受力的压电系数，根据石英晶体的对称性，有d12=-d11；a、b晶体切片的长度和厚度，电荷qx和qy的符号由受压力还是受拉力决定。,压电式传感器,(a)不受力时(b)x轴方向受力(c)y轴方向受力图中“”代表硅离子Si4+，“”代表氧离子O2。,压电式传感器,当石英晶体未受外力作用时，正、负离子正好分布在正六边形的顶角上，形成三个互成120夹角的电偶极矩P1、P2、P3，此时正负电荷重心重合，电偶极矩的矢量和等于零，即P1+P2+P3=0，所以晶体表面不产生电荷，即呈中性。,石英晶体的压电模型,2)压电陶瓷,压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料。材料内部的晶粒有许多自发极化的电畴，电畴在晶体中是杂乱分布的，各电畴的极化效应相互抵消，压电陶瓷内极化强度为零。因此原始的压电陶瓷呈中性，不具有压电性质。当在陶瓷上施加一定的外电场时(如20kV/cm30kV/cm直流电场)，电畴的极化方向发生转动，趋向于按外电场方向的排列，从而使材料得到极化，产生极化后的压电陶瓷才具有压电效应。,压电式传感器,(a)未极化时的情况(b)电极化后的情况,极化处理后陶瓷材料内部存在有很强的剩余极化，当陶瓷材料受到外力作用时，电畴的界限发生移动，电畴发生偏转，从而引起剩余极化强度的变化，因而在垂直于极化方向的平面上将出现极化电荷的变化。所以通常将压电陶瓷的极化方向定义为z轴，在垂直于z轴的平面上的任何直线都可以取作x轴或y轴，对于x轴或y轴，其压电效应是等效的，这是压电陶瓷与石英晶体不同的地方。这种因受力而产生的由机械效应转变为电效应，将机械能转变为电能的现象，就是压电陶瓷的正向压电效应。电荷量的大小与外力成如下的正比关系：,式中d33压电陶瓷的压电系数F作用力,压电式传感器,压电陶瓷的压电系数比石英晶体大得多，所以采用压电陶瓷制作的压电式传感器的灵敏度较高。极化处理后的压电陶瓷材料的剩余极化强度和特性与温度有关，它的参数也随时间变化，从而使其压电特性减弱。最早使用的压电陶瓷材料是钛酸钡(BaTiO3)。它是由碳酸钡和二氧化钛按11摩尔分子比例混合后烧结而成的。它的压电系数约为石英的50倍，但居里点温度只有115，使用温度不超过70，温度稳定性和机械强度都不如石英。目前使用较多的压电陶瓷材料是锆钛酸铅(PZT)系列，它是钛酸铅(PbTiO2)和锆酸铅(PbZrO3)组成的(Pb(ZrTi)O3)。居里点温度在300以上，性能稳定，有较高的介电常数和压电系数。铌镁酸铅是20世纪60年代发展起来的压电陶瓷。它由铌镁酸铅PbMgNbO3)、锆酸铅(PbZrO3)和钛酸铅(PbTiO3)按不同比例配出不同性能的压电陶瓷。具有极高的压电系数和较高的工作温度，而且能承受较高的压力。,压电式传感器,压电式传感器中的压电元件，按其受力和变形方式不同，大致有厚度变形、长度变形、体积变形和厚度剪切变形等几种形式，如图所示。目前最常使用的是厚度变形的压缩式和剪切变形的剪切式两种。,压电元件变形方式,压电式传感器,3)高分子压电材料,某些高分子材料如聚二氟乙烯(PVF2)和聚氯乙烯(PVC)等可以作为制作压电元件的材料，这些材料不易破碎而且质地柔软，频率响应范围宽、性能稳定。,压电式传感器,二.压电式传感器测量电路,单片压电元件产生的电荷量非常微弱，为了提高压电传感器的输出灵敏度，在实际应用中常采用将两片(或两片以上)同型号的压电元件粘结在一起。由于压电材料的电荷是有极性的，因此接法也有两种。如图所示：,压电式传感器,1.压电式传感器的串联及并联,在上述两种接法中，并联接法输出电荷大，本身电容大，时间常数大，适宜用在测量缓慢变信号并且以电荷作为输出量的场合。而串联接法输出电压大，本身电容小，适宜用于以电压作输出信号，并且测量电路输入阻抗很高的场合。,压电式传感器,并联接法：负端粘结在一起，插入金属电极成为负极。所以外力作用下正负电极上的电荷量增加了1倍，电容量也增加了1倍，输出电压与单片时相同。,串联接法：两压电片中间粘接处正负电荷中和，上、下极板的电荷量与单片时相同，总电容量为单片的1/2，输出电压增大了1倍。,1)压电式传感器的等效电路在外力作用下，压电晶片的两个表面产生大小相等、方向相反的电荷，相当于一个以压电材料为介质的电容器。因此，压电式传感器可以看作一个电荷发生器，同时它也是一个电容器，晶体上聚集正负电荷的两表面相当于电容器的两个极板，极板间物质等效于一种介质，则其电容量为:,式中A压电片的面积；D压电片的厚度；压电材料的相对介电常数；真空的介电常数，8.851012F/m。,压电式传感器,2.压电式传感器的测量电路,因此，压电传感器可以等效为一个与电容Ca相串联的电压源。如图(a)所示，电容器上的电压Ua、电荷量q和电容量Ca三者之间的关系为:,压电传感器也可以等效为一个电荷源，如图(b)所示。,(a)电压源模型(b)电荷源模型,压电式传感器,压电元件的等效电路,当压电传感器接入测量仪器或测量电路后，必须需考虑后续测量电路的输入电容Ci，连接电缆的寄生等效电容Cc，以及后续电路(如放大器)的输入电阻Ri和压电传感器自身的泄漏电阻Ra。所以，实际压电传感器在测量系统中的等效电路如图所示:,(a)实际电压源模型(b)实际电荷源模型,压电式传感器,实际压电传感器的等效电路,由于压电传感器输出信号很小，本身的内阻抗很大，输出阻抗很高，因此给它的后续测量电路提出了很高的要求。为了解决这一矛盾，通常需要将传感器的输出接入一个高输入阻抗的前置放大器。经过阻抗变换后再送入普通的放大器进行放大、检波等处理。前置放大器的作用是：一方面把传感器的高输出阻抗变换为低输出阻抗，另一方面是放大传感器输出的微弱信号。压电传感器的输出可以是电压信号，也可以是电荷信号，因此前置放大器也有两种形式：电压放大器和电荷放大器。,压电式传感器,2)压电式传感器的测量电路,电荷放大器,电荷放大器常作为压电传感器的输入电路，它由一个带有反馈电容Cf的高增益运算放大器构成。由于传感器的漏电阻Ra和电荷放大器的输入电阻Ri很大，可以看作开路，而运算放大器输入阻抗极高，在其输入端几乎没有分流，故可略去Ra和Ri并联电阻，等效电路如图所示。由图可得:,压电式传感器,可见，在一定条件下，电荷放大器的输出电压Uo仅取决于输入电荷与反馈电容Cf，与电缆电容Cc无关，且与电荷q成正比，这是电荷放大器的最大特点。为了得到必要的测量精度，要求反馈电容Cf的温度和时间稳定性都很好。在实际电路中，考虑到不同的量程等因素，Cf的容量做成可选择的，范围一般为102pF104pF。如果将Cf选择为一个高精度和高稳定性的电容，则输出电压将仅仅取决于电荷量q的大小。,压电式传感器,电压放大器,当压电传感器接入测量仪器或测量电路后，必须需考虑后续测量电路的输入电容Ci，连接电缆的寄生等效电容Cc，以及后续电路(如放大器)的输入电阻Ri和压电传感器自身的泄漏电阻Ra。所以，实际压电传感器在测量系统中的等效电路如图所示:,压电式传感器,压电式传感器,这表明压电传感器有很好的高频响应,但是,当作用于压电元件力为静态力（=0）时,则前置放大器的输入电压等于零,因为电荷会通过放大器输入电阻和传感器本身漏电阻漏掉,所以压电传感器不能用于静态力测量。从上面实际压电传感器在测量系统中的等效电路可以看出，如果使用电压放大器，其输出电压与电容C=Ca+Ci+Cc密切相关，虽然Ca和Ci都很小，但Cc会随连接电缆的长度与形状而变化，从而会给测量带来不稳定因素，影响传感器的灵敏度。因此，现在通常采用性能稳定的电荷放大器。,压电式传感器,三.压电式传感器的应用,压电式传感器,压电式振动测量仪器外观,压电式振动测量,热电式传感器是一种能够将温度变化转换为电信号的装置。它是利用某些材料或元件的性能随温度变化的特性进行测温的。如将温度变化转换为电阻、热电动势、磁导率变化以及热膨胀的变化等，然后再通过测量电路来达到检测温度的目的。热电式传感器广泛应用于工农业生产、家用电器、医疗仪器、火灾报警以及海洋气象等诸多领域。,4.6热电式传感器,大多数金属材料的电阻值都随温度而变化，但是用作测温用的材料必须具备以下特点：(1)具有尽可能大的电阻率和稳定的温度系数；(2)电阻与温度的关系(R-t)尽可能成线性关系；(3)在整个测温范围内具有稳定的物理化学性能；(4)复现性和互换性好、价格便宜。,热电式传感器,一.金属热电阻传感器,热电阻传感器是利用导体或半导体的电阻值随温度变化而变化的原理进行测温的。用金属或半导体材料作为感温元件的传感器，分别称为金属热电阻和热敏电阻。,目前最常用的热电阻有铂热电阻和铜热电阻。,1)铂热电阻铂热电阻的特点是在氧化性介质中，甚至高温下的物理化学性能稳定，精度高、稳定性好、电阻率较大、性能可靠，所以在温度传感器中得到了广泛应用。按IEC标准，铂热电阻的使用温度范围为-200850。铂热电阻的阻值与温度之间的特性方程为：,式中Rt、R0铂热电阻在t和0时的电阻值；A、B、C分度常数。,热电式传感器,目前我国规定工业用铂热电阻有R0=10和R0=100两种，它们的分度号分别为Pt10和Pt100，其中以Pt100为常用。,热电式传感器,铂热电阻不同分度号亦有相应分度表，即Rtt的关系表，这样在实际测量中，只要测得热电阻的阻值Rt，便可从分度表上查出对应的温度值。,2)铜热电阻铜热电阻的电阻温度系数比铂高，电阻与温度的关系(R-t)曲线几乎是线性的，并且铜价格便宜、易于提纯、工艺性好。因此，在一些测量精度要求不高、测温范围不大且温度较低的测温场合，可采用铜热电阻进行测温，铜热电阻的测量范围为-50150。铜热电阻在测量范围-50150内其电阻值与温度的关系可近似地表示为：,式中铜热电阻的电阻温度系数，取=4.2810-3/；Rt、R0铜热电阻在t和0时的电阻值。铜热电阻线性好，价格便宜，但它的电阻率小、体积大、热惯性也大，容易氧化，测量范围窄，因此不适宜在腐蚀性介质中或高温下工作。,热电式传感器,热电式传感器,铜热电阻有两种分度号，分别为Cu50(R0=50)和Cu100(R100=100),WZP、WZPK系列通用类工业铂热电阻,WZPD、WZPKD系列工业高温铂热电阻（850）,热电式传感器,3)热电阻的