发电式传感器及其应用

1、第五章 发电式传感器及其应用,压电式传感器是一种典型的发电型传感器，以电介质的压电效应为基础，外力作用下在电介质表面产生电荷，从而实现非电量测量。 压电式传感器可以对各种动态力、机械冲击和振动进行测量，在声学、医学、力学、导航方面都得到广泛的应用,5.1 压电式传感器,当沿着一定方向施加力变形时，内部产生极化现象，同时在它表面会产生符号相反的电荷； 当外力去掉后，又重新恢复不带电状态 当作用力方向改变后，电荷的极性也随之改变； 这种现象称压电效应,一、变换原理,压电式传感器是一种可逆型换能器， 机械能 电能。 它的工作原理是基于某些物质的压 电效应,压电效应是可逆的 在这些材料的极化方向施加电

2、场，它们就在一定方向上产生机械变形或机械应力，当外电场撤去时，这些变形或应力也随之消失，这种现象称为“逆压电效应”，或称为“电致伸缩效应”。 所以压电元件可以将机械能转化成电能 也可以将电能转化成机械能,压电效应是可逆的，压电传感器是双向传感器,二、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)。 常见的压电材料可分为两类,单晶体：石英晶体等 多晶体：压电陶瓷等,石英晶体有天然石英和人工石英单晶体两种,特点：石英晶体的相对介电常数较小，温度稳定性很好。机械 强度很高。性能稳定，没有热释电效应（由于温度变化 导致电荷释放），绝缘性能相当好,天然石英晶体，其结构形状为一个六角形 晶

3、柱，两端为一对称棱锥。在晶体学中， 可以将其用三根互相垂直的轴表示。 纵轴Z光轴 通过六棱线而垂直于光轴的X轴电轴 垂直于六棱柱体的棱面机械轴,压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料，它由无数细微的单晶 组成。如钛酸钡压电陶瓷 、锆钛酸铅系压电陶瓷，即PZT系压 电陶瓷、铌镁酸铅压电陶瓷（PMN)、铌酸盐系压电陶瓷等,特点：稳定性较石英晶体差，有明显的热释电效应。压电常数 大，灵敏度高。制作工艺方便，耐湿、耐高温等特点， 用的较多,从石英晶体中切下一个平行六面体，并使其晶面分别平行于Z-Z、Y-Y、 X-X轴线。若对其施力，则有几种不同的效应,纵向压电效应沿电轴(X轴)方向的作用力产生的 横向压电效

4、应沿机械轴(Y轴)方向的作用力产生的 切向效应沿相对两棱加力时 沿光轴(Z轴)方向的作用力不产生压电效应。 压电式传感器主要是利用纵向压电效应,三、压电式传感器及其等效电路,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,实验证明，压电晶体片在某特定平面 上产生的电荷量与作用外力成正比，即 q=DF 式中q为电荷量； F作用力 D压电常数，与材质及切片的方向有关,注意：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

5、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,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,压电元件可以等效为一个电压源和一个串联电容表示的电压 等效电路，也等效成为一个电荷源和一个电容的电荷等效电路,压电元件的连接方法,压电晶片串联:电容量小、响应快、输出电压大，适用于测量以电压作输出的信号和频率较高的信号。 -适合前置电压放大器,在实际应用中，由于单片的输出电荷很小，常常将两片或两片以上的晶片连接在一起，以提高灵敏度。方法有两种，即并联和串联,压电晶片并联:电容量大、输出电荷量大、时间常数也大，适用于测量缓变信号及电荷量输出信号 -

6、适合前置电荷放大器,四、测量电路,压电式传感器输出电信号很微弱，通常应把传感器信号先输入到高输入阻抗的前置放大器中，经过阻抗变换后，方可输入到后续显示仪表中,前置放大器的作用： 将传感器的高阻抗输出变为低阻抗输出； 放大传感器输出的微弱电信号。 前置放大器电路的形式： 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； 用电容做反馈的电荷放大器 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,Ra：传感器的漏电阻； Cc：连接电缆的分布电容； Ri：相连放大器的输入电阻； Ci：相连放大器的输入电容

7、,加速度计 电缆 阻抗变换、放大,四、特点及应用,体积小、重量轻、结构简单、频率范围宽 适于动态测量,多用于力、振动加速度、噪声的测量,产品,压力变送器,加速度计,力传感器,压电式加速度传感器,压电式压力传感器,5.2 光电传感器,光电传感器通常是指能敏感到由紫外线到红外线光的光能量，并能将光能转化成电信号的器件。其工作原理是基于一些物质的光电效应,由于被光照射的物体材料不同，所产生的光电效应也不同， 通常光照射到物体表面后产生的光电效应分为：外光电效应、 内光电效应,在光线作用下,物质内的电子逸出物体表面向外发射的现象, 称为外光电效应,光 谱 光波：波长为10106nm的电磁波 可见光：波

8、长380780nm 紫外线：波长10380nm， 波长300380nm称为近紫外线 波长200300nm称为远紫外线 波长10200nm称为极远紫外线， 红外线：波长780106nm 波长3m（即3000nm）以下的称近红外线 波长超过3m 的红外线称为远红外线,可见光,近红外,远红外,极远紫外,0.01,0.1,1,10,0.05,0.5,5,波长/m,远紫外,近紫外,光电管的结构示意图,光,阳极,光电阴极,光窗,光电管有真空光电管和充气光电管或称电子光电管和离子光电管两类。它们由一个阴极和一个阳极构成，并且密封在一只真空玻璃管内。阴极装在玻璃管内壁上，其上涂有光电发射材料。阳极通常用金属丝

9、弯曲成矩形或圆形，置于玻璃管的中央,外光电效应器件,利用物质在光的照射下发射电子的外光电效应而制成的光电器件，一般都是真空的或充气的光电器件，如光电管和光电倍增管,1)光电管,当光线照射在光敏材料上时，如果光子的能量E大于电子的逸出功A（EA），会有电子逸出产生电子发射。电子被带有正电的阳极吸引，在光电 管内形成电子流，电流在 回路电阻R上产生正比于 电流大小的压降。 因此,用作光电阴极的金属有碱金属、汞、金、银等，可适合不同波段的需要。 光电管灵敏度低、体积大、易破损,目前光电管主要用途：光电比色计等分析仪器、各种光学自动装置,光电管,2)光电倍增管,光照很弱时，光电管产生的 电流很小，为提

10、高灵敏度常 使用光电倍增管。如核仪器 中闪烁探测器都使用的是光 电倍增管做光电转换元件。 光电倍增管是利用二次电子 释放效应，高速电子撞击固 体表面，发出二次电子，将 光电流在管内进行放大,当光照射到光阴极时，光 阴极向真空中激发出光电子。 这些光电子按聚焦极电场进入 倍增系统，并通过进一步的二 次发射得到倍增放大。然后 把放大后的电子用阳极收集作 为信号输出,因为采用了二次发射倍增系统，所以光电倍增管在探测紫外、可见和近红外区的辐射能量的光电探测器中，具有极高的灵敏度和极低的噪声。另外，光电倍增管还具有响应快速、成本低、阴极面积大等优点,广泛应用于光子计数、极微弱光探测、化学发光、生物发光研

11、究、极低能量射线探测、分光光度计、旋光仪、色度计、照度计、尘埃计、浊度计、光密度计、热释光量仪、辐射量热计、扫描电镜、生化分析仪等仪器设备中,2、内光电效应及其光电器件,受光照物体(通常为半导体材料)电导率发生变化或产生光电动势的效应称为内光电效应。 内光电效应按其工作原理分为：光电导效应和光生伏特效应,1)光电导效应 半导体材料受到光照时会产生电子-空穴对,使其导电性能增强,光线愈强，阻值愈低，这种光照后电阻率发生变化的现象,称为光电导效应。 基于这种效应的光电器件有光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管,光敏电阻(光导管)： 在黑暗的环境下,它的阻值很高, 当受到光照并且光辐射能量足够大时，使其

12、导带的电子和价带的空穴增加,电阻率变小。 光敏电阻常用的半导体材料有硫化镉(CdS）和硒化镉(CdSe,光敏电阻在受到光的照射时，由于内光电效应使 其导电性能增强，电阻RG值下降，所以流过负载电阻 RL的电流及其两端电压也随之变化。 光线越强，电流越大。当光照停止时，光电效应消 失，电阻恢复原值，因而可将光信号转换为电信号,光敏电阻的光谱特性 使用不同材料制成的光敏电阻，有着不同的光谱特性,对于不同波长的入射光，光敏电阻的相对灵敏度是不相同的。因此在选用光敏电阻时应当把元件和光源的种类结合起来考虑，才能获得满意的结果,光敏电阻的光电特性 在一定电压作用下，光敏电阻的光电流I与照射光通量的关系称

13、为光 电特性,光敏电阻的光电特性具有非线性,光敏电阻主要用于相机自动测光、室内光线控制、工业及光电控制、光控开关、光控灯以及电动玩具等,因此不适宜做检测元件，在自动控制中它常用做开关式光电传感器,光敏二极管和光敏三极管,光敏二极管 光敏二极管又称光电二极管，它与普通半导体二极管在结构上是类似的,光敏二极管在电路中处于反向偏置，在没有光照射时，反向电阻很大， 反向电流很小，该反向电流称之为暗电流。当光照射在PN结上，光子打在PN 结附近，使PN结附近产生光生电子及光生空穴，因此使PN结的反向电流增大,光照特性,右图是硅光敏二极管在小负载电阻下的光照特性。 光电流与照度成线性关系。所以适合检测等方

14、面的应用,光谱特性 当入射波长900nm时， 响应下降; 当入射波长900nm时， 响应也逐渐下降,硅光敏二极管光照特性,光敏三极管,光敏三极管的光谱特性 光敏三极管存在一个最佳灵敏度的峰值波长。当入射光的波长增加时，相对灵敏度要下降,光敏三极管是把光敏二极管产生的光电流进一步放大，它是具有更高灵敏度和响应速度的光敏传感器,光敏三极管有PNP型和NPN型两种,光敏三极管的光照特性,光敏三极管的输出电流I和照度之间的关系。 它们之间呈近似线性关系。当光照足够大（几千勒克斯）时，会出现饱和现象，从而使光敏三极管既可作线性转换元件，也可作开关转换元件,光敏二极管、光敏三极管主要用于光电检测、光电控制

15、方面，如光电耦合器等,光电池是在光线照射下，直接 能将光量转变为电动势的光电元件。 实质上它就是电压源。 光电池的种类很多，有硒光电池、 氧化亚铜光电池、硫化镉光电池、 锗光电池、硅光电池、砷化镓光电 池等。 硅光电池： 最广泛，适合红外波长 硒光电池： 适合可见光 砷化镓光电池： 光谱响应与太阳光谱吻合， 耐高温，耐宇宙射线,光生伏特效应指半导体材料P-N结 受到光照后产生一定方向的电动势的 效应,光 电 池 符 号,光电池,20,40,60,80,100,0.4,0.6,0.8,1.0,1.2,0.2,I / ,1,2,m,光谱特性 光电池的光谱特性决定于材料。从曲线可看出，硒光电池在可见

16、光谱范围内有较高的灵敏度，峰值波长在540nm附近，适宜测可见光。硅光电池应用的范围400nm1100nm，峰值波长在850nm附近，因此硅光电池可以在很宽的范围内应用,1硒光电池 2硅光电池,L/klx,L/klx,5,4,3,2,1,0,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,2,4,6,8,10,开路电压,Uoc /V,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,0.3,0.1,0,1,2,3,4,5,Uoc/V,Isc /mA,Isc/mA,a) 硅光电池,b)硒光电池,光照特性 开路电压曲线：光生电动势与照度之间的特性曲线，当照度 为2000lx时趋向饱和。 短路电流曲线：光电流与照度之

17、间的特性曲线,开路电压,短路电流,短路电流,短路电流，指外接负载相对于光电池内阻而言是很小的。光电池在不同照度下，其内阻也不同，因而应选取适当的外接负载近似地满足“短路”条件。 下图表示硒光电池在不同负载电阻时的光照特性。从图中可以看出，负载电阻RL越小，光电流与强度的线性关系越好，且线性范围越宽,0,2,4,6,8,10,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,I/mA,L/klx,50,100,1000,5000,RL=0,短路电流在很大范围内与 光强成线性关系。开路电压随 光强变化是非线性的，并且当 照度在2000lx时就趋于饱和了。 因此把光电池作为测量元件时， 应当作电流源的形式来使

18、用， 不宜用作电压源,由于光电测量方法灵活多样，可测参数众多，又具有非接触、高精度、高分辨率、高可靠性和响应快等优点，加之激光光源、光栅、光学码盘、CCD器件、光导纤维等的相继出现和成功应用，使得光电传感器在检测和控制领域得到了广泛的应用,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。 被测转速,式中n转速； f脉冲频率； N圆盘开孔数,脉冲式光电传感器的作用方式是光电元件的输出仅有两种稳定状 态，即“通”与“断”的开关状态,220V,C1,路灯,CJD-10,8V,200F,200F,C2,C3,100F,R1,R3,R5,R7,R4,R6,R7,R2,470k,200k,1

19、0k,4.3k,BG1,280k,25k,57k,10k,路灯自动控制器,BG2,BG3,BG4,2CR,CJD-10,霍尔式传感器是磁敏元件传感器，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,一、 磁电转换元件-霍尔元件,金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势，这种物理现象称为霍尔效应,1 、霍尔效应,5.3 霍尔传感器,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,霍尔效应演示,霍尔电势VH与 I、B的乘积成正比，而与d成反比,霍尔系数，由载流材料物理性质决定,

20、载流子迁移率,=v/E,即单位电场强度作用下载流子的平均速度,金属材料，电子很高但很小，绝缘材料，很高但很小。故为获得较强霍尔效应，霍尔片全部采用半导体材料制成,q电子电量,材料电阻率,设 KH=RH / d,KH霍尔器件的乘积灵敏度。它与载流材料的物理性质和几何 尺寸有关，表示在单位磁感应强度和单位控制电流时霍尔 电势的大小,若磁感应强度B的方向与霍尔器件的平面法线夹角为时，霍尔电势应为,VH KH I B,VH KH I B cos,由上式可见，厚度d越小，霍尔灵敏度 KH 越大，所以霍尔元件做的较薄，通常近似1微米,2、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

21、型半导体材料。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。 薄膜霍尔元件厚度只有1m左右。霍尔元件由霍尔片、四根引线和壳体组成,控制电流I； 霍尔电势VH； 控制电压V； 霍尔负载电阻R3； 霍尔电流IH,霍尔输出端接负载R3,R3可是一般电阻或放大器的输入电阻、或表头内阻等。磁场B垂直通过霍尔器件,在磁场与控制电流作用下，由负载上获得电压,实际使用时,器件输入信号可以是I或B，或者IB,而输出可以正比于I或B, 或者正比于其乘积IB,3、特点及应用实例,霍尔元件在静止状态下，具有感受磁场的独特能力，结 构简单、体积小、无触点、频带宽，

22、动态性能好以及寿命长,测转速,S,N,线性霍尔,磁铁,在被测转速的转轴上安装一个齿盘，也可选取机械系统中的一个齿轮，将线性型霍尔器件及磁路系统靠近齿盘。齿盘的转动使磁路的磁阻随气隙的改变而周期性地变化，霍尔器件输出的微小脉冲信号经隔直、放大、整形后可以确定被测物的转速,霍尔转速表,n,60,f,4,r/min,软铁分流翼片,开关型霍尔IC,T,霍尔式接近开关用于转速测量演示,电流传感器,当电流流过导线时，将在导线周围产生磁场，磁场大小与流过导线的电流大小成正比，这一磁场可以通过软磁材料来聚集，然后用霍尔器件进行检测,铁磁材料裂纹检测,霍尔效应钢丝断丝检测装置 1钢丝绳 2霍尔元件 3永久磁铁,

23、汽车速度测量,一、热电效应,将两种不同材料的导体A和B串接成一个闭合回路，当两个接点温度不同时，在回路中就会产生热电势，形成电流，此现象称为热电效应,5.4 热电偶传感器,回路总电势,T0,T,eAB(T,eAB(T0,eA(T,T0,eB(T,T0,A,B,NAT、NAT0导体A在结点温度为T和T0时的电子密度； NBT、NBT0导体B在结点温度为T和T0时的电子密度； A 、B导体A和B的汤姆逊系数,接触电动势（不同导体）（主要） 热电势 温差电动势（同一导体,导体材料确定后，热电势的大小只与热电偶两端的温度有关。如果使EAB(T0)=常数，则回路热电势EAB(T，T0)就只与温度T有关，

24、而且是T的单值函数，这就是利用热电偶测温的原理,热电偶回路热电势只与组成热电偶的材料及两端温度有关；与热电偶的长度、粗细无关,若电极材料确定，冷端温度保持恒定，此时,EAB(T,T0)= f(T,由一种均质导体组成的闭合回路，不论其导体是否存在温度梯度，回路中没有电流(即不产生电动势)；反之，如果有电流流动，此材料则一定是非均质的，即热电偶必须采用两种不同材料作为电极,均质导体定律,中间导体定律,一个由几种不同导体材料连接成的闭合回路，只要它们彼此连接的接点温度相同，则此回路各接点产生的热电势的代数和为零,在热电偶回路中接入第三种材料的导体，只要其两端的温度相等，该导体的接入就不会影响热电偶回

25、路的总热电动势,二、热电偶测温基本定律,中间温度定律,如果不同的两种导体材料组成热电偶回路,其接点温度分别为T1、T2(如图所示)时,则其热电势为EAB(T1, T2)；当接点温度为T2、T3时，其热电势为EAB(T2, T3)；当接点温度为T1、T3时，其热电势为EAB(T1, T3)，则,EAB（T1, T3）=EAB（T1, T2）+EAB（T2, T3,标准电极定律 如果已知热电偶的两个电极A、B分别与另一电极C组成的热电偶的热电势为EAC(T,T0)和EBC(T,T0)，则在相同接点温度( T,T0)下，由A、B电极组成的热电偶的热电势EAB(T,T0)为 EAB(T,T0)= EA

26、C(T,T0)- EBC(T,T0) C称为标准电极 由于铂的物理、化学性质稳定，熔点高、易提纯，人们多采用铂作为标准电极。 标准电极定律为热电偶电极的选配提供了方便,标准化热电偶指已大量生产和使用，工艺稳定，性能符合专业标准或国 家标准，具有统一分度表的热电偶,8种标准化热电偶型号 标志 材料 使用温度 S 铂铑10铂 -501768 R 铂铑13铂 -501768 B 铂铑30铂铑6 601820 K 镍铬镍硅 -2701372 N 镍铬硅镍硅 -2701300 E 镍铬 铜镍合金（康铜） -2701000 J 铁铜镍合金（康铜） -2101200 T 铜铜镍合金（康铜） -270400

27、分度表：t0=0 时，不同t时的热电势（mv级）表,三、标准化热电偶 按照工业标准，热电偶可分为标准化热电偶和非标准化热电偶,e(t, 0)= e(t, t0)+e(t0,0,冷端温度补偿方法 冰点槽法 计算修正法 补正系数法 零点迁移法 冷端补偿器法 软件处理法,四、 冷端处理及补偿,热电偶热电势的大小是热端温度和冷端的函数差，为保证输 出热电势是被测温度的单值函数，必须使冷端温度保持恒定； 热电偶分度表给出的热电势是以冷端温度0为依据，否则会 产生误差,把热电偶的参考端置于冰水混合物容器里，使T0=0。这 种办法仅限于科学实验中使用。为了避免冰水导电引起两个连 接点短路，必须把连接点分别置于两个玻璃试管里，浸入同一 冰点槽，使相互绝缘,mV,A,B,A,B,T,C,C,仪表,铜导线,试管,补偿导线,热电偶,冰点槽,冰水溶液,T0,冰点槽法,用普通室温计算出参考端实际温度TH，利用公式计算 例：用铜-康铜热电偶测某一温度T，参考端在室温环境TH中，测得热电动势EAB(T，TH)=1.999mV，又用室温计测出TH=21,查此种热电偶的分度表可知