传统传感器原理及应用ppt课件

1、电阻应变式传感器电阻应变式传感器 电容式传感器电容式传感器电感式传感电感式传感磁敏式传感器磁敏式传感器 压电式传感器压电式传感器热电式传感器热电式传感器 本章内容根据人们发明和运用传感根据人们发明和运用传感器的先后把传感器大致分器的先后把传感器大致分为传统传感器和新型传感为传统传感器和新型传感器两大类。器两大类。第四章：传统传感器原理及运用第四章：传统传感器原理及运用电阻应变式传感器导体或半导体资料在外界力的作用下产活力械变形时，其电阻值会相应地导体或半导体资料在外界力的作用下产活力械变形时，其电阻值会相应地发生变化，这种景象称为应变效应。发生变化，这种景象称为应变效应。对图所示的金属电阻丝，

2、在其未受力时，假设其初始电阻值为：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：00lRA式中式中 电阻丝的电阻率；电阻丝的电阻率；l 电阻丝的长度；电阻丝的长度；A0 电阻丝的截面积。电阻丝的截面积。 金属电阻丝的应变效应 一一. 电阻应变片的任务原理电阻应变片的任务原理 受力后：受力后： 22,2,:,:(12 )(12 )srsrsr rsrllrifthenlrlRRRRk 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。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。灵敏系数灵敏系数K受两个要素影响：受两个要素影响：对金属资料来说，电阻丝灵敏度

3、系数表达式对金属资料来说，电阻丝灵敏度系数表达式 中的值通常要比中的值通常要比 大得多，而半导体资料的大得多，而半导体资料的 项的值比项的值比 大得多。实验阐明，大得多。实验阐明，在电阻丝拉伸极限内，电阻的相对变化与应变成正比，即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。为常数。(12 )RRk 12d 12电阻应变式传感器应变片受力后资料几何应变片受力后资料几何尺寸的变化应变效应尺寸的变化应变效应应变片受力后资料的应变片受力后资料的电阻率发生的变化电阻率发生的变化(压压阻效应阻效应)d 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当半导体应变片受轴向力作用时，其电阻

4、率的相对变化量为dE 半导体资料的压阻系数半导体资料的压阻系数半导体资料所接受的应变力半导体资料所接受的应变力半导体资料的弹性模量半导体资料的弹性模量半导体资料的应变半导体资料的应变电阻应变式传感器(12 )=(12 + E)RR 故应变片的电阻变故应变片的电阻变化可以表示为：化可以表示为：二二. 电阻应变片的种类及资料电阻应变片的种类及资料 1. 电阻应变片的种类电阻应变片的种类根据电阻应变片所运用的资料不同，电阻应变片可分为金属电阻应变片根据电阻应变片所运用的资料不同，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、金属箔和半导体应变片两大类。金属电

5、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、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、分散型半导体应变片、薄膜型半导体应变片、分散型半导体应变片、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。是金属箔式应变片、金属丝式应变片和体型半导体应变片。 引 线覆 盖 层基 片电 阻 丝 式 敏 感 栅lb引线 覆盖层 基片 电阻丝式敏感栅 应变片的中心部分是敏感栅，应变片的中心部分是敏感栅，它粘贴在绝缘的基片上，在基它粘贴在绝缘的基片上，在基片上再粘贴

6、起维护作用的覆盖片上再粘贴起维护作用的覆盖层，两端焊接引出导线，如下层，两端焊接引出导线，如下图。图。电阻应变式传感器(a) 箔式应变片箔式应变片 (b) 电阻丝式应变片电阻丝式应变片 (c) 丝式应变片丝式应变片金属电阻应变片的敏感栅有丝式和箔式两种方式。丝式金属电阻应变片金属电阻应变片的敏感栅有丝式和箔式两种方式。丝式金属电阻应变片的敏感栅由直径为的敏感栅由直径为0.01mm0.05mm的电阻丝平行陈列而成。箔式金属的电阻丝平行陈列而成。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，其厚度普通为度普通为0.0

7、03mm0.01mm，可制成各种外形的敏感栅，可制成各种外形的敏感栅(如应变花如应变花)，其，其优点是外表积和截面积之比大，散热性能好，允许经过的电流较大，可优点是外表积和截面积之比大，散热性能好，允许经过的电流较大，可制成各种所需的外形，便于批量消费。制成各种所需的外形，便于批量消费。电阻应变式传感器2. 2. 电阻应变片的资料电阻应变片的资料对电阻丝资料的根本要求如下：对电阻丝资料的根本要求如下：(1) (1) 灵敏系数应在尽能够大的应变范围内坚持为常数，即电阻灵敏系数应在尽能够大的应变范围内坚持为常数，即电阻变化与应变呈线性关系；变化与应变呈线性关系；(2) (2) 电阻率电阻率值要大，

8、即在同样长度、同样横截面积的电阻丝值要大，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；中具有较大的电阻值；(3) (3) 具有足够的热稳定性，电阻温度系数小，有良好的耐高温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；抗氧化性；(4) (4) 与铜线的焊接性能好，与其他金属的接触电动势小；与铜线的焊接性能好，与其他金属的接触电动势小；(5) (5) 机械强度高，具有优良的机械加工性能。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资料主要有铜镍合金、镍铬合金、铁铬制造应变片敏感元件的资料主要有铜镍合金、镍铬合金、铁铬铝合金、铁镍铬合金和贵金属等。目前运用最广泛

9、的应变丝资铝合金、铁镍铬合金和贵金属等。目前运用最广泛的应变丝资料是康铜料是康铜( (含含4545的镍、的镍、5555的铜的铜) )。这是由于它有很多优点：。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坚持为常数，灵敏系数稳定性好，不但在弹性变形范围内能坚持为常数，进入塑性变形范围内也根本上能坚持为常数；电阻温度系数进入塑性变形范围内也根本上能坚持为常数；电阻温度系数较小且稳定，当采用适宜的热处置工艺时，可使电阻温度系数较小且稳定，当采用适宜的热处置工艺时，可使电阻温度系数在在505010-6/10-6/的范围内；加工性能好，易于焊接。的范围内；加工性能好，易于焊接。电阻应变

10、式传感器 三三. 电阻应变片的性能参数电阻应变片的性能参数 电阻应变片的性能参数很多，下面引见几个主要的参数。假设需电阻应变片的性能参数很多，下面引见几个主要的参数。假设需求，可以参考相关资料和技术手册。求，可以参考相关资料和技术手册。1) 灵敏度系数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外表灵敏度系数的定义：将应变片粘贴于单向应力作用下的试件外表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化量R/R与沿应力方向的应变与沿应力方向的应变 之比，即之比，即 RRK电阻应变式传感器(1) 试件资料取泊松

11、比，试件资料取泊松比， 的钢材；的钢材；(2) 试件单向受力；试件单向受力；(3) 应变片轴向与主应力方向一致。应变片轴向与主应力方向一致。00.285K值通常在规定条件下经过实测来确定：值通常在规定条件下经过实测来确定：敏感栅是由敏感栅是由N条长度为条长度为l1的直线段和直线段端部的的直线段和直线段端部的N-1个半径为个半径为r的半圆圆弧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，因此其灵敏系数此其灵敏系数K较整长电阻丝的灵敏系数较整长电阻丝的灵敏系数K0要小，这种景象称为应变片的要小，这种景象称为应变片的横

12、向效应。横向效应。为了减小横向效应产生的丈量误差，如今普通多采用箔式应变片。为了减小横向效应产生的丈量误差，如今普通多采用箔式应变片。(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) 横向效应横向效应3) 应变片的电阻值应变片的电阻值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电阻值R0。普通情况下，。普通情况下，R0越大，允许的任务电压也越大，越大，允许的任务电压也越大，有利于灵敏度的提高。有利于灵敏度的提高。R0的大小常用的有的大小常用的有60 、120 、2

13、50 、350 、1000 欧姆欧姆 等，其中以等，其中以120 最为常用。最为常用。4) 绝缘电阻值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间的电阻值。绝缘电阻越大越好，通常要求绝缘电阻在50M 100M 以上。绝缘电阻下降将使丈量系统的灵敏度降低，使应变片的指示应以上。绝缘电阻下降将使丈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资料的种类及固化变产生误差。绝缘电阻的大小取决于粘结剂及基底资料的种类及固化工艺。在常温运

14、用条件下要采取必要的防潮措施，而在中温或高温条工艺。在常温运用条件下要采取必要的防潮措施，而在中温或高温条件下，要留意选取电绝缘性能良好的粘结剂和基底资料。件下，要留意选取电绝缘性能良好的粘结剂和基底资料。电阻应变式传感器5) 最大任务电流最大任务电流(允许电流允许电流)最大任务电流是指已安装的应变片允许经过敏感栅而不影响其任务特性最大任务电流是指已安装的应变片允许经过敏感栅而不影响其任务特性的最大电流的最大电流Imax。任务电流大，输出信号也大，灵敏度越高。但任务电流。任务电流大，输出信号也大，灵敏度越高。但任务电流过大会使应变片过热，灵敏系数产生变化，零漂及蠕变添加，甚至烧毁应过大会使应变

15、片过热，灵敏系数产生变化，零漂及蠕变添加，甚至烧毁应变片。任务电流的选取要根据试件的导热性能及敏感栅外形和尺寸来决议。变片。任务电流的选取要根据试件的导热性能及敏感栅外形和尺寸来决议。通常静态丈量时取通常静态丈量时取25mA左右。动态丈量或运用箔式应变片时可取左右。动态丈量或运用箔式应变片时可取75mA100mA。箔式应变片散热条件好，电流可获得更大一些。在丈量塑料、玻。箔式应变片散热条件好，电流可获得更大一些。在丈量塑料、玻璃、陶瓷等导热性差的资料时，电流可获得小一些。最大任务电流与应变璃、陶瓷等导热性差的资料时，电流可获得小一些。最大任务电流与应变片本身、试件、粘合剂以及环境等要素有关。片

16、本身、试件、粘合剂以及环境等要素有关。6) 应变极限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越在温度一定时，应变片的指示应变值和真实应变的相对误差不超越10%的范围内，应变片所能到达的最大应变值称为应变极限。的范围内，应变片所能到达的最大应变值称为应变极限。7) 应变片的机械滞后应变片的机械滞后在温度坚持不变的情况下，对粘贴有应变片的试件进展循环加载和卸载，在温度坚持不变的情况下，对粘贴有应变片的试件进展循环加载和卸载，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。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，丈量前

17、应该反复多次循环加载和卸载。为了减小机械滞后，丈量前应该反复多次循环加载和卸载。电阻应变式传感器四四. 电阻应变片的选择电阻应变片的选择 由于不同用途的应变片，对其任务特性的要求往往不同，所以选择电阻应由于不同用途的应变片，对其任务特性的要求往往不同，所以选择电阻应变片时，应该根据丈量环境、试件情况、应变性质等详细运用要求，有针变片时，应该根据丈量环境、试件情况、应变性质等详细运用要求，有针对性的选器具有相应功能和性能的应变片。对性的选器具有相应功能和性能的应变片。如温度的选择：康铜最高运用温度如温度的选择：康铜最高运用温度300；卡玛丝最高运用温度；卡玛丝最高运用温度450.尺寸的选择见表尺

18、寸的选择见表1.电阻值的选择：电阻值的选择： 60 、120 、250 、350 、1000，在不思索价钱的前提，在不思索价钱的前提下，选择大电阻应变片对提高精度是有利的。下，选择大电阻应变片对提高精度是有利的。 构造方式的选择：一维、二维、三维力？构造方式的选择：一维、二维、三维力？电阻应变式传感器电阻应变式传感器五五. 丈量电桥电路丈量电桥电路 由于机械应变普通都很小，要把微小应变引起的微小电阻变化丈量由于机械应变普通都很小，要把微小应变引起的微小电阻变化丈量出来，同时要把电阻相对变化出来，同时要把电阻相对变化R/R转换为电压或电流的变化。因转换为电压或电流的变化。因此，需求有公用丈量电路

19、用于丈量应变变化而引起电阻变化的丈量此，需求有公用丈量电路用于丈量应变变化而引起电阻变化的丈量电路，通常采用直流电桥或交流电桥。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电桥是由无源元件电阻R(或电感或电感L、电容、电容C)组成的四端网络。它在组成的四端网络。它在丈量电路中的作用是将组成电桥各桥臂的电阻丈量电路中的作用是将组成电桥各桥臂的电阻R(或或L、C)等参数的等参数的变化转换为电压或电流输出。假设将组成桥臂的一个或几个电阻换变化转换为电压或电流输出。假设将组成桥臂的一个或几个电阻换成电阻应变片，就构成了应变丈量电桥。图成电阻应变片，就构成了应变丈量电桥。图4.5 直流电桥直流

20、电桥根据电桥供电电压的性质，丈量电桥可以分为直流电桥和交流电桥；根据电桥供电电压的性质，丈量电桥可以分为直流电桥和交流电桥；假设按照丈量方式，丈量电桥又可以分为平衡电桥和不平衡电桥。假设按照丈量方式，丈量电桥又可以分为平衡电桥和不平衡电桥。下面引见直流电桥。下面引见直流电桥。电阻应变式传感器1. 直流电桥的平衡条件直流电桥的平衡条件直流电桥如图直流电桥如图4.5所示，所示，E为供电电源，为供电电源，R1、R2、R3及及R4为桥臂电阻，为桥臂电阻，RL为负载电阻。为负载电阻。31o1234()RRUERRRR当电桥平衡时，当电桥平衡时， ，那么有，那么有o0U或或上式就是直流电桥的平衡条件。上式

21、就是直流电桥的平衡条件。E电阻应变式传感器1423R R= R R3124RRRR2. 电压灵敏度电压灵敏度令令R1为电阻应变片，为电阻应变片，R2，R3，R4为电桥固定电阻，这就构成了单臂为电桥固定电阻，这就构成了单臂电桥。应变片任务时，其电阻值变化很小，电桥相应输出电压也很小，电桥。应变片任务时，其电阻值变化很小，电桥相应输出电压也很小，普通需求参与放大器放大。由于放大器的输入阻抗比桥路输出阻抗高普通需求参与放大器放大。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，假设应变片电阻很多，所以电桥输出近似开路情况。当产生应变时，假设应变片电阻变化为变化为R1

22、，其他桥臂固定不变，电桥输出电压，其他桥臂固定不变，电桥输出电压Uo0，那么电桥不平，那么电桥不平衡输出电压为衡输出电压为3114o1123411234()()()1RRRR RUEERRRRRRRRRR4131124113(1)(1)RRRRERRRRRR电阻应变式传感器式式(1)设桥臂比设桥臂比n = R2 /R1= R4 /R3 ，通常，通常R10，即铁芯向上，即铁芯向上，U21添加，添加，U22减小，所以减小，所以U0为上正下负。为上正下负。CMDOs1us 2uLR22uRRouRRRRBAT2CDORLMT1sus1us2u2u21u22uou4VD1VD2VD3VD电感式传感器x

23、0Us,U2同相正半周同相正半周UsU2可见，可见，VD1和和VD2导通构成两条导通构成两条通路，其等效电路如下图。由于通路，其等效电路如下图。由于x0，即铁芯向上，即铁芯向上，U21添加，添加，U22减小，所以减小，所以U0依然为上正下依然为上正下负。负。RRRRBAT2CDORLMT1sus1us2u2u21u22uou4VD1VD2VD3VD电感式传感器x0Us,U2同相负半周同相负半周UsU2CMDOAs1us 2uLR21uRRouCMDOAs1us 2uLR21uRRouCMDOs1us 2uLR22uRRou+Us2-L22L2o1LL(2)2R uR uuRnRRR电感式传感器

24、综上所述，当铁芯向上，综上所述，当铁芯向上， U21添加，添加，U22减小，减小， Us,U2同相，不论他们同相，不论他们在正半周还是负半周，都会在在正半周还是负半周，都会在RL上构成向下的电流，使得上构成向下的电流，使得U0一直为上一直为上正下负。假设正下负。假设Us,U2反相，能使得反相，能使得U0一直为上负下正，那么，一直为上负下正，那么，U0的大的大小可以判别位移的大小，小可以判别位移的大小，U0的极性就可以判别位移的方向。的极性就可以判别位移的方向。以同样的方法，断定铁芯以同样的方法，断定铁芯向下思索题向下思索题L2o1L(2)R uun RR 电感式传感器相敏检波器的电压波形相敏检

25、波器的电压波形被测位移变化波形图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激磁电压波形差动变压器输出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解调电压波形相敏检波输出电压波形相敏检波输出电压波形补充另外一个相敏电路：12R1R21122121212R1R212R1R21122R1R2AB-D1,D4.RRuu; uuRzRzRRRzzzzzz,zz- zuua,bAB+D3,D2-R-Ruu; uuRzRzuua,ba,b 假设铁芯向上:当+,时,导通假设电桥平衡，则，铁芯向上运动，当-,时,导通.由此可见，铁芯向上，总是；同理，铁芯向下，总有a,bab；那么，我们就可

26、以根据端电压的极性判断方向。补充另外一个相敏电路： 电涡流效应和电涡流式传感器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水中旋涡那样在导体内转 圈，所以称圈，所以称之为电涡流或涡流。这种景象就称为之为电涡流或涡流。这种景象就称为涡涡 流效应。流效应。 运用：假设在金属圆柱体上绕一线运用：假设在金属圆柱体上绕一线圈，当线圈中通入交变电流时，金属圈，当线圈中通入交变电流时，金属圆柱体便处在交变磁场中。想象金属圆柱体便处在交变磁场中。想象金属圆柱体由一系列不同半径的圆柱

27、形薄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聚通。这些感应电流在金属圆柱体内聚集出强大的涡流，释放出大量的焦耳集出强大的涡流，释放出大量的焦耳热，可使金属本身熔化。这就是热，可使金属本身熔化。这就是 高频高频感应炉感应炉 冶炼金属的原理冶炼金属的原理 构成涡流必需具备以下两个条件：构成涡流必需具备以下两个条件： 1.存在交变磁场；存在交变磁场； 2. 导电体处于交变磁场中。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

28、的情况，可以把电涡流传感器分为高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。其任务原理是类似的。频反射式和低频透射式两类。其任务原理是类似的。电涡流式传感器2. 任务原理任务原理将一个通以正弦交变电流将一个通以正弦交变电流I1，频率为，频率为f，外半，外半径为径为ras的扁平线圈置于金属导体附近，那么线的扁平线圈置于金属导体附近，那么线圈周围空间将产生一个正弦交变磁场圈周围空间将产生一个正弦交变磁场H1，使金，使金属导体中感应电涡流属导体中感应电涡流I2，I2又产生一个与又产生一个与H1方方向相反的交变磁场向相反的交变磁场H2，如下图。，如下图。Z=F(,

29、, r, f, x)电涡流式传感器根据能磁定律，根据能磁定律，H2的反作用必然减弱线圈的反作用必然减弱线圈的磁场的磁场H1。由于磁场。由于磁场H2的作用，涡流要耗的作用，涡流要耗费一部分能量，导致传感器线圈的等效阻费一部分能量，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。金属导体的电涡流效应。线圈等线圈等效电阻效电阻磁导率磁导率鼓励电鼓励电源频率源频率线圈与被测物线圈与被测物体的尺寸因子体的尺寸因子涡流式传感器的构造表示图涡流式传感器的构造表示图电涡流式传感器1 11 12112222jjjj0R IL IMIUMIR I

30、L I电磁线圈：电涡流短路环：&式中式中 线圈激磁电流角频率；线圈激磁电流角频率；R1、L1线圈电阻和电感；线圈电阻和电感；L2短路环等效电感；短路环等效电感；R2短路环等效电阻；短路环等效电阻；M互感系数。互感系数。由上式解得等效阻抗由上式解得等效阻抗Z的表达式为：的表达式为：22221121222222222221eqeqjjUMMZRRLLRLRLIRL&电涡流式传感器电涡流式传感器数学模型：电涡流式传感器数学模型：电涡流在金属外表构成的短路环等效于渔歌电感和一个电感的串联。式中式中 Req线圈受电涡流影响后的等效电阻，即；线圈受电涡流影响后的等效电阻，即；22eq122

31、2222MRRRRLLeq线圈受电涡流影响后的等效电感，即：线圈受电涡流影响后的等效电感，即：22eq1222222MLLLRL线圈的等效质量因数线圈的等效质量因数Q值即感抗与阻抗的比值为：值即感抗与阻抗的比值为：eqeqLQR电涡流式传感器22221121222222222221eqeqjjUMMZRRLLRLRLIRL&h称为电涡流的贯穿深度，可由下式求得：称为电涡流的贯穿深度，可由下式求得：0rhf式中式中 f线圈激磁电流的频率；线圈激磁电流的频率； 真空的磁导率；真空的磁导率； 被测金属导体的相对磁导率；被测金属导体的相对磁导率；0r阐明：电涡流的贯穿深度阐明：电涡流的贯穿深度

32、与频率成反比，频率越高，与频率成反比，频率越高，贯穿深度越小。故低频透贯穿深度越小。故低频透射，高频反射。射，高频反射。电涡流式传感器3 电涡流的构成范围电涡流的构成范围1) 电涡流的径向构成范围电涡流的径向构成范围线圈导体系统产生的电涡流密线圈导体系统产生的电涡流密度既是线圈与导体间间隔度既是线圈与导体间间隔x的函数，的函数，又是沿线圈半径方向又是沿线圈半径方向r的函数。当的函数。当间隔间隔x一定时，电涡流密度一定时，电涡流密度J与线圈与线圈半径半径r的关系曲线如下图的关系曲线如下图(J0为金属为金属导体外表电涡流密度，即电涡流密导体外表电涡流密度，即电涡流密度最大值。度最大值。Jr为半径为

33、半径r处的金属导处的金属导体外表电涡流密度体外表电涡流密度)。可知：。可知：电涡流式传感器电涡流密度在ri=0处为零；在间隔传感器线圈外径ras的1.82.5倍范围内，电涡流密度那么大约衰减为最大值的5%。(2) 电涡流径向构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，否那么灵敏度将下降。(4) 假设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，那么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)。aiasas()2rr

34、rr2) 电涡流强度与间隔的关系电涡流强度与间隔的关系当当x改动时，电涡流密度也发生变化，即电涡流强度随间隔改动时，电涡流密度也发生变化，即电涡流强度随间隔x的增大而迅的增大而迅速减小。根据线圈导体系统的电磁作用，可以得到金属导体外表的电涡速减小。根据线圈导体系统的电磁作用，可以得到金属导体外表的电涡流强度为：流强度为：2122a sxII1xr式中 I1鼓励线圈中的电流；I2金属导体中涡流的等效电流；x鼓励线圈到金属导体外表的间隔；ras线圈的外径。电涡流式传感器以上分析阐明：以上分析阐明：(1) 电涡流强度与间隔电涡流强度与间隔x呈非线性关系，且随着呈非线性关系，且随着x/ras的添加而迅

35、速减小。的添加而迅速减小。(2) 当利用电涡流式传感器丈量位移时，只需在当利用电涡流式传感器丈量位移时，只需在x/ras1(普通取普通取0.050.15)的条的条件下才干得到较好的线性和较高的灵敏度。件下才干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。仅作用于外表薄层和一定的径向范深度也有限。仅作用于外表薄层和一定的径向范围内，磁场进入金属导体后，强度随间隔外表的围内，磁场进入金属导体后，

36、强度随间隔外表的深度的增大按指数规律衰减，并且导体中产生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添加按指数规律下电涡流强度也是随导体厚度的添加按指数规律下降的。如下图电涡流密度轴向分布曲线降的。如下图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外表强所谓贯穿深度是指把电涡流强度减小到外表强度的度的1/e处的外表厚度。其按指数衰减分布规律可处的外表厚度。其按指数衰减分布规律可用下式表示：用下式表示： d0edhJJ式中 d金属导体中某一点与外表的间隔；Jd沿H1轴向d处的电涡流密度；J0金属导体外表电涡流密度，即电涡流密度最大值；h电涡流轴向贯穿的深度(

37、趋肤深度)。电涡流式传感器可见，电涡流密度主要分布在外表附近可见，电涡流密度主要分布在外表附近dJd4. 电涡流传感器的丈量电路电涡流传感器的丈量电路用于电涡流传感器的丈量电路主要有调频式、用于电涡流传感器的丈量电路主要有调频式、调幅式电路两种。调幅式电路两种。1) 调频式电路调频式电路12( )fL x C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；当金属导体接近传感器线圈时，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的数值随间隔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

38、大、检波后，由指示仪表直接显示出x的大小。2) 调幅式电路调幅式电路由传感器线圈由传感器线圈L、电容器、电容器C和石英晶体组成的石英晶体振荡电和石英晶体组成的石英晶体振荡电路如下图。石英晶体振荡器起恒流源的作用，给谐振回路提供路如下图。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一个频率(f0)稳定的鼓励电流稳定的鼓励电流io，LC回路输出电压为回路输出电压为:oo()UifZ式中，式中，Z为为LC回路的阻抗。回路的阻抗。电涡流式传感器 电感式传感器的运用实例电感式传感器的运用实例电感测微仪动画丈量振动电感测微仪动画丈量振动电涡流式传感器感应同步器丈量原理动画丈量位移感应同步器丈量原理

39、动画丈量位移电涡流测微仪动画丈量振动电涡流测微仪动画丈量振动电涡流式转速传感器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，)敏感的元器件或安装，具有把磁学物理量转换为电信号的功能。磁敏感的元器件或安装，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。传感器。 一一. 磁电效应及敏感资料磁电效应及敏感资料某些资料，如金属或半导体资料，当其遭到一定强度和方向某些资料，如金属或半导体资料，当其遭到

40、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，这种景象称为磁电效应。相应地，在磁场作用下产生电化，这种景象称为磁电效应。相应地，在磁场作用下产生电动势的景象称为霍耳效应，而产生电阻率变化的景象称为磁动势的景象称为霍耳效应，而产生电阻率变化的景象称为磁阻效应，目前常用的磁电效应敏感资料主要有锗阻效应，目前常用的磁电效应敏感资料主要有锗(Ge)、硅、硅(Si)、砷化镓砷化镓(GaAs)、砷化姻、砷化姻(InAs)、锑化铟、锑化铟(InSb)等，其中等，其中N型硅型硅具有良好的温度特性和线性度、灵敏度高，运用较多。具有良好的

41、温度特性和线性度、灵敏度高，运用较多。磁敏式传感器二二. 磁敏电阻磁敏电阻 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。元件。其任务原理是基于磁阻效应。其任务原理是基于磁阻效应。1. 磁阻效应磁阻效应置于磁场中的载流金属导体或半导体资料，其电阻值随磁场置于磁场中的载流金属导体或半导体资料，其电阻值随磁场变化的景象，称为磁致电阻变化效应，简称为磁阻效应。磁阻变化的景象，称为磁致电阻变化效应，简称为磁阻效应。磁阻效应与资料性质、几何外形等要素有关。效应与资料性质、几何外形等要素有关。在磁场中，电流的流动途径会因磁场的作用而加长，使得

42、资在磁场中，电流的流动途径会因磁场的作用而加长，使得资料的电阻率添加。当温度恒定时，磁阻效应与磁场强度、载流料的电阻率添加。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外形之间的关系可表示为子的迁移率和几何外形之间的关系可表示为220000.273 B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。当资可以看出，在磁场一定时，载流子的迁移率越高，其磁阻效应越明显。当资料中仅存在一种载流子时磁阻效应几乎可以忽略，此时霍耳效应更为剧烈。料中仅存在一种载流子时磁阻效应几乎可以忽略，此时霍耳效应更为剧烈。假设在电子和空穴都存在的资料如锑化铟假设在电子和空穴都存在的资

43、料如锑化铟(InSb)中，那么磁阻效应很强。所中，那么磁阻效应很强。所以磁敏电阻通常选用锑化铟以磁敏电阻通常选用锑化铟(InSb)、砷化铟、砷化铟(InAs)、锑化镍、锑化镍(NiSb)等半导体等半导体资料。资料。2. 磁阻元件的主要特性磁阻元件的主要特性1) 灵敏度特性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，常用表示的，即磁场电阻特性的斜率，常用K表示。在计算时常表示。在计算时常用磁场强度为用磁场强度为0.3T(或或1T)时的磁阻元件电阻值时的磁阻元件电阻值RB与零磁场时的与零磁场时的

44、磁阻元件电阻值磁阻元件电阻值R0的比值求得，即：的比值求得，即：KRB/R0这种情况下，普通磁阻元件的灵敏度大于这种情况下，普通磁阻元件的灵敏度大于2.7。通常情况下，磁。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，所以运用阻元件的灵敏度是非线性的，并且受温度影响较大，所以运用时应该根据灵敏度特性进展温度补偿。时应该根据灵敏度特性进展温度补偿。磁敏式传感器2) 磁场磁场-电阻特性电阻特性资料不同，磁敏电阻的阻值相对变化率通常也不一样，磁敏电阻的资料不同，磁敏电阻的阻值相对变化率通常也不一样，磁敏电阻的阻值相对变化率通常与磁场的极性无关，它只随磁场强度的添加而添阻值相对变化率通常

45、与磁场的极性无关，它只随磁场强度的添加而添加。如图加。如图4.45所示，在所示，在B0.3T时那么呈线性关系。时那么呈线性关系。(a) S、N级之间电阻特性级之间电阻特性 (b) 电阻变化率特性电阻变化率特性磁敏式传感器3) 电阻电阻-温度特性温度特性由于磁敏电阻是由半导体资料制成的，因此它受温度影响很大。图由于磁敏电阻是由半导体资料制成的，因此它受温度影响很大。图4.46所示的是普通半导体磁阻元件的电阻所示的是普通半导体磁阻元件的电阻-温度特性曲线。从图中可以温度特性曲线。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

46、的变化范围内减小了范围内减小了1/2。因此在运用时，普通都要采取温度补偿措施。因此在运用时，普通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标称阻值和额定功率磁敏电阻大部分与半导体电路配合运用，其电阻值通常为磁敏电阻大部分与半导体电路配合运用，其电阻值通常为50 500 ，额定，额定功率在环境温度低于功率在环境温度低于80时普通为几毫瓦。时普通为几毫瓦。5) 频率特性频率特性磁敏电阻的任务频率范围通常在磁敏电阻的任务频率范围通常在1MHz10MHz。3. 磁敏电阻的运用磁敏电阻的运用磁敏电阻可以用来作为电流传感器、磁敏磁敏电阻可以用来作为电流传感器、磁敏接近开关、角速度接近开关、

47、角速度/角位移传感器、磁场传角位移传感器、磁场传感器等。可用于开关电源、感器等。可用于开关电源、UPS、变频器、变频器、伺服电机驱动器、家庭网络智能化管理、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、工业能机器人、电梯、智能住宅、机床、工业设备、断路器、防爆电机维护器、家用电设备、断路器、防爆电机维护器、家用电器、电子产品、电力自动化、医疗设备、器、电子产品、电力自动化、医疗设备、机床、远程抄表、仪器、自动丈量、地磁机床、远程抄表、仪器、自动丈量、地磁场的丈量、探矿等。场的丈量、探矿等。磁敏式传感器

48、接近开关：当磁场接近磁敏电阻，电阻添加，接近开关：当磁场接近磁敏电阻，电阻添加，VT1门极电压添加，门极电压添加， VT1 导通。导通。磁敏电阻组成的无触点开关电路磁敏电阻组成的无触点开关电路磁敏式传感器以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以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，根据需求将信号进展放大或直接驱动晶体管，阻时会使磁敏电阻的阻值增大，根据需求将信号进展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。即可实现无触点开关功能或实现计数功能。三三. 磁敏二极管和磁敏三极管磁敏二极管和磁敏三极管

49、 磁敏二极管、三极管是继霍耳元件和磁敏电阻之磁敏二极管、三极管是继霍耳元件和磁敏电阻之后迅速开展起来的新型磁电转换器件。它们具有后迅速开展起来的新型磁电转换器件。它们具有输出信号大、磁灵敏度高输出信号大、磁灵敏度高(磁灵敏度比霍耳元件高磁灵敏度比霍耳元件高数百倍甚至数千倍数百倍甚至数千倍)、任务电流小、体积小、电路、任务电流小、体积小、电路简单、能识别磁场的极性等特点，因此在磁场、简单、能识别磁场的极性等特点，因此在磁场、转速、探伤等检测与控制等方面得到普遍运用。转速、探伤等检测与控制等方面得到普遍运用。磁敏式传感器(a) 构造构造 (b) 电路符号电路符号磁敏式传感器1. 磁敏二极管磁敏二极

50、管1) 磁敏二极管的构造磁敏二极管的构造 磁敏二极管有硅磁敏二极管和锗磁敏二极管两种。磁敏二极管有硅磁敏二极管和锗磁敏二极管两种。磁敏二极管的构造是平面磁敏二极管的构造是平面P+-i-N+型构造的二极管。型构造的二极管。PN结的基区结的基区i区很长，大于载流子的分散长度。区很长，大于载流子的分散长度。R区为高复合区，载区为高复合区，载流子在此全部复合。流子在此全部复合。磁敏二极管与普通二极管的区别是：磁敏二极管与普通二极管的区别是：普通二极管普通二极管PN结的基区很短，以防结的基区很短，以防止载流子在基区里复合，磁敏二极止载流子在基区里复合，磁敏二极管的管的PN结却有很长的基区，大于载结却有很

51、长的基区，大于载流子的分散长度，但基区是由接近流子的分散长度，但基区是由接近本征半导体的高阻资料构成的。普本征半导体的高阻资料构成的。普通锗磁敏二极管用通锗磁敏二极管用=40 cm左右的左右的P型或型或N型单晶做基区型单晶做基区(锗本征半导锗本征半导体的体的=50 cm)，在它的两端有，在它的两端有P型型和和N型锗，并引出电极。型锗，并引出电极。2) 磁敏二极管的任务原理磁敏二极管的任务原理 (a) 无外加磁场 (b) 外加正向磁场 (c) 外加反向磁场 电阻添加 电阻减小 磁敏式传感器当磁敏二极管遭到外界正向磁场H+的作用时，i区的载流子(电子和空穴)遭到洛伦兹力的作用向r区偏转，由于r区的

52、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，压降添加，所以构成磁敏二极管的正向电流I减小，电阻增大。当磁敏二极管遭到外界负向磁场H的作用时，结果与施加正向磁场的情况相反，因此构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。假设r区和r区之外的复合才干之差越大，那么磁敏二极管的灵敏度就越高。磁敏二极管反向偏置时，那么在r区仅流过很微小的反向漏电流，显得几乎与磁场无关。因此二极管两端电压不会因遭到磁场作用而有任何改动。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

53、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. 磁敏三极管磁敏三极管1) 磁敏三极管的构造与任务原理磁敏三极管的构造与任务原理NPN型磁敏三极管是在弱型磁敏三极管是在弱P型或弱型或弱N型本征半导体上，用合金法型本征半导体上，用合金法或分散法构成发射极、基极和集电极的半导体元件，如下图。或分散法构成发射极、基极和集电极的半导体元件，如下图。磁敏三极管的特点是基区较长，基区构造类似于磁敏二极管，磁敏三极管的特点是基区较长，基区构造类似于磁敏二极管，也有高复合率的也有高复合率的r区和本征区区和本征区i区，在长基区的侧面制成一个复合区，在长基区的侧

54、面制成一个复合速率很高的高复合区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。长基区分为运输基区和复合基区两部分。(a) 构造构造 (b) 符号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分散长度，因此注入的载流子除少部分输入到集电极c外，大部分经过e-i-b而构成基极电流。显而易见，基极电流大于集电极电流。所以，电流放大系数=IcIb1。当遭到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。当遭到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。

55、磁敏三极管任务原理：磁敏三极管任务原理：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任务原理完全一样。只是由于i区较长，当没有外磁场作用时，在横向电场作用下，发射极电流大部分构成基极电流，小部分构成集电极电流。在正向或负向磁场作用下，会引起集电极电流的减少或添加。因此可以用磁场方向控制集电极电流的添加或减少，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运用磁敏二极管和磁敏三极管的运用由于磁敏管有较高的磁灵敏度，体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，优点，是一种新型半导体磁

56、敏元件，它有着广泛的运用前景。它有着广泛的运用前景。利用磁敏管可以做成磁场探测仪器，利用磁敏管可以做成磁场探测仪器，如高斯计、漏磁丈量仪、地磁丈量仪如高斯计、漏磁丈量仪、地磁丈量仪等。用磁敏管做成的磁场探测仪，可等。用磁敏管做成的磁场探测仪，可丈量丈量10-7T左右的弱磁场。左右的弱磁场。根据通电导线周围具有磁场，而磁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场的强弱又取决于通电导线中电流大小的原理，因此可利用磁敏管采用非小的原理，因此可利用磁敏管采用非接触方法来丈量导线中电流。而用这接触方法来丈量导线中电流。而用这种安装来检测磁场还可确定导线中电种安装来检测磁场还可确定导

57、线中电流值大小，既平安又省电，因此是一流值大小，既平安又省电，因此是一种备受欢迎的电流表。种备受欢迎的电流表。此外，利用磁敏管还可制成转速传此外，利用磁敏管还可制成转速传感器感器(能测高达每分钟数万转的转速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。无触点电位器和漏磁探伤仪等。磁敏式传感器四四. 霍耳传感器霍耳传感器 1. 霍耳效应、霍耳资料、霍耳元件霍耳效应、霍耳资料、霍耳元件1) 霍耳效应霍耳效应磁敏式传感器置于磁场中的静止载流置于磁场中的静止载流导体，当它的电流方向导体，当它的电流方向与磁场方向不一致时，与磁场方向不一致时，载流导体上平行于电流载流导体上平行于电流和磁场方向

58、上的两个面和磁场方向上的两个面之间产生电动势，这种之间产生电动势，这种景象称为霍耳效应。该景象称为霍耳效应。该电动势称为霍尔电势。电动势称为霍尔电势。此时，每个电子受洛伦兹力此时，每个电子受洛伦兹力fL的作用，的作用，fL的大小为：的大小为：式中式中 e 电子电荷；电子电荷；v 电子运动平均速度；电子运动平均速度；B磁场的磁感应强度。磁场的磁感应强度。fL=eBv HHUK IBdRKHHHHUdR IBUH 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洛伦兹力fL与电场力与电场力fH平衡时：平衡时：为了提高灵敏度，霍耳元件常制成薄片外形。为了提

59、高灵敏度，霍耳元件常制成薄片外形。霍耳元件的构造很简单，它是由霍耳片、四根引线和壳体霍耳元件的构造很简单，它是由霍耳片、四根引线和壳体组成的，如组成的，如(a)所示。霍耳片是一块矩形半导体单晶薄片，所示。霍耳片是一块矩形半导体单晶薄片，引出四根引线：引出四根引线：1、1两根引线加鼓励电压或电流，称为两根引线加鼓励电压或电流，称为鼓励电极鼓励电极(或控制电极或控制电极)；2、2引线为霍耳输出引线，称为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。树脂封装的。磁敏式传感器2) 霍耳元件及检测电路霍耳元件及检测

60、电路 (a) 外形构造表示图 (b) 图形符号 C霍耳元件的根本检测电路通常，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，可以将假设干个霍耳元件串联起来运用。霍耳电势输出，可以将假设干个霍耳元件串联起来运用。而在霍耳元件输出信号不够大的情况下，可以采用运算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展放大。当然，最好还是采用集成放大器对霍耳电势进展放大。当然，最好还是采用集成霍耳传感器。霍耳传感器。 霍耳元件的串联霍耳元件的串联 霍耳电势的放大霍耳电势的放大磁敏式传感器1) 额定鼓励电流额定鼓励电流 使霍耳元件温升使霍耳元件温升10时所施