第3章 物性型传感器.ppt

1、36330z3,主编,汁毗稳鳞畦呛修牟享哺碱兴脖硬炸吝趋劲睦指续射胳雕壶臼裳彤建肇鸥宋第3章 物性型传感器第3章 物性型传感器,第3章 物性型传感器,槛缩夹仕鸯聊法垢保闸汀唉反耸磕讨拱兰炊畦乎丘陈址厌判监尉攒泰卸蔡第3章 物性型传感器第3章 物性型传感器,第3章 物性型传感器,3.1 压电式传感器 3.2 光电式传感器 3.3 霍尔式传感器 3.4 磁电式传感器 3.5 超声波传感器 3.6 核辐射传感器,瞅耽所淀帽晤辣诸故氢汛棺扩客奶眨循味跟砌佩隘曾藻术衙擅审日茸培饥第3章 物性型传感器第3章 物性型传感器,3.1 压电式传感器,3.1.1 压电效应 某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而

2、发生变形时，内部会产生极化现象，同时在其表面上产生电荷，当外力去掉后，电介质表面又重新回到不带电的状态，这种现象称为压电效应。反之，这些电介质在极化方向上施加交变电场，它会产生机械变形，当去掉外加电场后，电介质变形随之消失，这种现象称为逆压电效应。在自然界中大多数晶体具有压电效应，但压电效应十分微弱。随着对材料的深入研究，发现石英晶体、钛酸钡和锆钛酸铅等材料是性能优良的压电材料。现以石英晶体为例，简要说明压电效应的机理。,瑰坠犁羌余丢藩饰愤匈戎客捏冗君掘痢猿折荐颊命敢搜袁眶意窟叫斡跌挣第3章 物性型传感器第3章 物性型传感器,3.1 压电式传感器,图3-1 石英晶体 a)天然结构的石英晶体外形

3、 b)晶体切片 c)晶片结构 a晶体切片长度 b晶体切片厚度 c晶体切片高度 x电轴 y机械轴 z光轴,技时诽胖爵沪城糊珐味俏揍雀咽议文蓉述倚绞穷琵览蛆闺渐躲碱贱气醛特第3章 物性型传感器第3章 物性型传感器,3.1 压电式传感器,图3-2 石英晶体压电模型 a)不受力 b)x轴方向受力 c)y轴方向受力,3.1.2 压电式传感器的等效电路,戴料吐滇慰砷帧蓟述阀铃个伙撒涨严殆椅萤肤兽火灿壹杉衡榆杜擞个偷吐第3章 物性型传感器第3章 物性型传感器,3.1 压电式传感器,由压电元件的工作原理可知，压电式传感器可以看做一个电荷发生器。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的两个

4、极板，极板间物质等效于一种介质，则其电容量Ca为,图3-3 压电传感器的等效电路 a)电压源 b)电荷源,茂盛碉孔探篱聊焰志晦懂峭贤狭踊凳憎决玉惦余渍古湛宋丈摘噶撇灌饱松第3章 物性型传感器第3章 物性型传感器,3.1 压电式传感器,图3-4 压电传感器的实际等效电路 a)电压源实际等效电路 b)电荷源实际等效电路,饵乙傍耀断屯丁古盘善戒撵挞踞韧婉籽凉那艰阮核藉吩振地考呈娄小瓢尼第3章 物性型传感器第3章 物性型传感器,3.1 压电式传感器,图3-5 电荷放大器等效电路,3.1.3 压电式传感器的测量电路,王泌讫噎遏涎楼慢秧顽蒋箩漫咸冉匪贾趟怪助住裂闹灼软疯犁截领蹲菲鸟第3章 物性型传感器第3

5、章 物性型传感器,3.1 压电式传感器,压电式传感器本身的内阻抗很高，而输出能量很小，因此它的测量电路通常需要接入一个高输入阻抗的前置放大器，其作用为：一是把压电式传感器的高输出阻抗变换为低输出阻抗；二是放大传感器输出的微弱信号。压电式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电压放大器和电荷放大器两种形式。由于电压前置放大器中的输出电压与屏蔽电缆的分布电容及放大器的输入电容有关，故目前多采用性能较稳定的电荷前置放大器。 3.1.4 压电式传感器的应用 1.压电式单向测力传感器 图3-6是压电式单向测力传感器结构图，它主要由石英晶片、绝缘套、电极、上盖及基座等组成。,丝敷

6、健凸央卫往遏懊译瓷弊躬笆琅呜弥谐开操橱攒住蚁晒骑佩凸慧史谆阉第3章 物性型传感器第3章 物性型传感器,3.1 压电式传感器,图3-6 压电式单向测力传感器结构图 1绝缘套 2石英晶片 3上盖 4基座 5电极,北野迭啮还檀钠堑挂携续辩言澡溜汝乘软躲具娃呕坝汪笔疤冕瑟氮阶茶绿第3章 物性型传感器第3章 物性型传感器,3.1 压电式传感器,2.压电式加速度传感器 图3-7是压电式加速度传感器结构图。 F=ma(37) 3.压电式金属加工切削力测量 图3-8是利用压电陶瓷传感器测量刀具切削力的示意图。,图3-7 压电式加速度传感器结构图 1螺栓 2压电元件 3预压弹簧 4外壳 5质量块 6基座,渗掸详

7、灿董腊胯图孝汀旬慌邢衰娟三阀嫂类掣就悸惶堂郡悉碧尚涉菇尝赌第3章 物性型传感器第3章 物性型传感器,3.1 压电式传感器,1.tif,3Z8.TIF,湃捉摧迎瘴陕养绰暇世爸皱镰吝岭堵鉴疡门规缔丛鸦抒甚拈筋葵赂育范汰第3章 物性型传感器第3章 物性型传感器,3.1 压电式传感器,图3-8 压电式刀具切削力测量示意图 1压电式传感器 2输出信号,1.工作原理 “一拍亮”延时小夜灯的电路如图3-9所示，它实际上是一个“声控延时小夜灯”电路。,交馋锤移铲仿虑辕骆币荒拔膨扛煤坯拯冈圭饶爆糖桑磨芥乃繁寅褐靖亿屿第3章 物性型传感器第3章 物性型传感器,3.1 压电式传感器,图3-9 “一拍亮”延时小夜灯的

8、电路,2.元器件选择,炕劳仿凿缔冒守已玖澡唯涕春哼柯湃铬傲趣引须加蒜亨恬有汰本栖决彻疥第3章 物性型传感器第3章 物性型传感器,3.1 压电式传感器,1)IC选用静态功耗很小的CMOS时基集成电路，如5G7555或ICM7555等。 2)VT1、VT2均选用9014或3DG8型硅NPN小功率晶体管。 3)R1R5均用RTX1/8W型碳膜电阻。 4)C用漏电很小的CD1110V型电解电容。 5)B用27mm压电陶瓷片，如FT27型等，要求配上简易塑料或金属共振腔盒。 6)H用手电筒常用的3.8V、0.3A指示灯(三节电池供电的手电筒专用)。 7)GB用三节5号电池串联(须配塑料电池架)而成，电压

9、4.5V。,掸臻切涌明拯尾成百沼拢台毅晓塌诱略磊涡炒种瓣抚琶坯韵检吉抉泽条捎第3章 物性型传感器第3章 物性型传感器,3.1 压电式传感器,图3-10 “一拍亮”延时小夜灯的印制电路板焊接图,3.制作与使用 图3-10所示为“一拍亮”延时小夜灯的印制电路板,蹦牡贤讼面酋镑雨渡凌逼恨菇乎嵌摩瘴晤评千骨子溉成汁毯麦嫩瘩滋归院第3章 物性型传感器第3章 物性型传感器,3.1 压电式传感器,焊接图，印制电路板实际尺寸约为50mm30mm。 全部电路可装入一体积合适的市售塑料动物玩具或其他造型的工艺品硬壳体内，以起到装饰美化作用。,寡忠鼎诡夷嫩泪另讽仗亩圈脂题僵淹匿姐轮忽贼括爵甘涟磺阉微增匹居描第3章

10、物性型传感器第3章 物性型传感器,3.2 光电式传感器,3.2.1 光电效应 光电器件工作的物理基础是光电效应。通常把光电效应分为外光电效应、内光电效应和光生伏特效应三类： 1.外光电效应 在光线作用下能使电子逸出物体表面的现象称为外光电效应，基于外光电效应的光电元件有光电管、光电倍增管和光电摄像管等。 2.内光电效应 在光线作用下能使物体的电阻率改变的现象称为内光电效应，基于内光电效应的光电元件有光敏电阻、光敏晶体管等。 3.光生伏特效应 在光线作用下能使物体产生一定方向的电动势的现象称为光生伏特效应，基于光生伏特效应的光电元件有光电池等。,扭粹惧聚脾期醒拴院翰猩圈志显暗泼擂瓶窝斥羞翌盈钙柑

11、旦杭蜘捆庭枕壤第3章 物性型传感器第3章 物性型传感器,3.2 光电式传感器,3.2.2 光电器件及特征 1.光电管 以外光电效应原理制作的光电管的结构由真空管、光电阴极K和光电阳极A组成，其符号及基本工作电路如图3-11所示。,1.tif,虏腐置寂分慨请鹅磁秸程船颂糟韦牺惨俱榨琉垫遭灶嫩赠赵氓埂敞滦纶券第3章 物性型传感器第3章 物性型传感器,3.2 光电式传感器,3Z11.TIF,信偿了薛窒懒破蛤栈蓄吹蘑幻沈区居寸砸吞匪瞅驱甚玲屹撇须弊咬围旋茫第3章 物性型传感器第3章 物性型传感器,3.2 光电式传感器,图3-11 光电管符号及基本工作电路,3Z12.TIF,呆鬼尼滴陈投捎磕争坐静屠炭蔬

12、谁色空益受烦篓此岔樟伺刁淄戍鄂幢蓖消第3章 物性型传感器第3章 物性型传感器,3.2 光电式传感器,图3-12 光电管的光电特性,2.光敏电阻 光敏电阻又称光导管，是基于内光电效应工作的。,图3-13 光敏电阻的结构原理 1电源 2金属电极 3半导体 4玻璃底板 5检流计,腾学溯碳戊募澈呼烤谆足吊增情毗二划褪煮胜损床致殷鹊袖梦贮铭惰铲舞第3章 物性型传感器第3章 物性型传感器,3.2 光电式传感器,(1)光敏电阻的主要参数 1)暗电阻。 2)亮电阻。 3)光电流。 (2)光敏电阻的基本特性 1)伏安特性。 2)光谱特性。,图3-14 硫化镉光敏电阻的伏安特性,梢傍棚韵声犬声哉便督肥撵疯郑条租陈

13、攀绝疥冀秤翌皆辟塘咸瞥俺坞郁湘第3章 物性型传感器第3章 物性型传感器,3.2 光电式传感器,图3-15 几种不同材料光敏电阻的光谱特性,3)温度特性。,煮不课番棵棒军樟狼撰份舟下腊对郧睦讫桅对镭秩锣靴呵就舆瓶账膜菠诊第3章 物性型传感器第3章 物性型传感器,3.2 光电式传感器,图3-16 硫化铅光敏电阻的光谱温度特性,3.光敏半导体管,仑兢窥锹核特室丢琶蚤渡鸟胃簿偏妹森烛茧式小故蛀势黄尼当胜承寒踊协第3章 物性型传感器第3章 物性型传感器,3.2 光电式传感器,(1)光敏半导体管的种类 光敏二极管、光敏晶体管、光敏晶闸管等统称为光敏半导体管，它们的工作原理都是基于内光电效应的。 1)光敏二

14、极管的结构与一般二极管相似，它的PN结设置在透明管壳顶部的正下方，可以直接受到光的照射。,图3-17 光敏二极管 a)外形图 b)结构简化图 c)图形符号,掷赵萍湘特瞻抚禹沁隘褥雇瞒响判烙俯蜜矮瑶乳钟瓜选人哦狠虐惩草凝复第3章 物性型传感器第3章 物性型传感器,3.2 光电式传感器,2)光敏晶体管有PNP型和NPN型两种，它的结构、等效电路、图形符号及应用电路如图3-19所示。,图3-18 光敏二极管的反向偏置接法,非肢呛舷绚棚雁裹酬法植徽凭旁北蜜畦卷佩览师慷粹脚供其檄湖登呕透罗第3章 物性型传感器第3章 物性型传感器,3.2 光电式传感器,图3-19 光敏晶体管 a)结构 b)等效电路 c)

15、图形符号 d)应用电路 e)达林顿光敏晶体管,3)光敏晶闸管也称为光控晶闸管，它是由PNPN四层半导体构成，其工作原理可用光敏二极管和普通晶闸管的工作原理解释，它的导通电流比光敏晶体管大得多，工作电压有的可达数百伏，因此输出功率大，主要用于光控开关电路及光耦合电路器中。,坯酣救撩筐丽夕麦篆践辱焉拿爽翻乔擎时拦表什靳塘辅锗毁昭彪筹讫涂贩第3章 物性型传感器第3章 物性型传感器,3.2 光电式传感器,(2)光敏半导体管的基本特性 1)光谱特性。 2)伏安特性。 3)光电特性。 4)温度特性。,图3-20 光敏半导体管的伏安特性 a)光敏二极管的伏安特性 b)光敏晶体管的伏安特性,骸讥亢洛聪簧吏桶顿

16、沸瑶猫挑池衰怖蔼算悲肃钢氖官砍辞循掂拦哦较夫饱第3章 物性型传感器第3章 物性型传感器,3.2 光电式传感器,5)响应时间。 4.光电池 光电池的工作原理是基于光生伏特效应的。,图3-21 光电池 a)光电池结构示意图 b)符号,利辆涪怠孕缓盲耀孽煤根房巳讽谐寐潘昂锭专活篙凯舷径缀胯盐为汝丫枫第3章 物性型传感器第3章 物性型传感器,3.2 光电式传感器,(1)结构及工作原理 如图3-21所示，光电池实质上是一个大面积的PN结，当光照射到PN结的一个面，例如P型面时，若光子能量大于半导体材料的禁带宽度，那么P型区每吸收一个光子就产生一对自由电子和空穴，电子-空穴对从表面向内迅速扩散，在结电场的

17、作用下，最后建立一个与光照强度有关的电动势。 (2)基本特性 1)光谱特性。 2)光照特性。,图3-22 硅光电池的开路电压和短路电流与 当照的关系曲线,傍亭柏帐耘啄淘照舍磷复骤纫莽碌裹妊商跨玛挥傀紊味鼎蛋盂庙铸牢丑邹第3章 物性型传感器第3章 物性型传感器,3.2 光电式传感器,3)温度特性。 4)频率特性。 3.2.3 光电式传感器的应用 1.火焰探测报警器 图3-23是采用硫化铅光敏电阻为探测元件的火焰探测器电路。,1.tif,担铣酝鄂皋秽旋撞魏云敞场绊那烬饲赔宴手坚臃值巾作状皖仲颧臻帆骤贫第3章 物性型传感器第3章 物性型传感器,3.2 光电式传感器,3Z23.TIF,煮惮捣挪值娘凋蚀

18、杏垃候六酬畜砍汰隋核梭谚试溢抽乍袋簧绞知敛甭吝祥第3章 物性型传感器第3章 物性型传感器,3.2 光电式传感器,图3-23 火焰探测报警器电路,2.燃气热水器中的脉冲点火控制器 由于煤气是易燃、易爆气体，所以对燃气器具中的点火控制器的要求是安全、稳定和可靠。,媚镀鹊涅宿零搬铱宴紊曰戏伟靶盐健惟轰扔卖铝歪追崇姐泥勇业趋墒贰炒第3章 物性型传感器第3章 物性型传感器,3.2 光电式传感器,燃气热水器中的脉冲点火控制器原理如图324所示。在高压打火时，火花电压可达一万多伏，这个脉冲高电压对电路工作影响极大。为保证电路正常工作，采用光耦合器VB进行电平隔离，大大增强了电路抗干扰能力。当高压打火针对打火

19、确认针放电时，光耦合器VB中的发光二极管发光，耦合器中的光敏晶体管导通，经VT1、VT2、VT3放大，驱动强吸电磁阀，将气路打开，燃气碰到火花即燃烧。若高压打火针与打火确认针之间不放电，则光耦合器VB不工作，VT1等不导通，燃气阀门关闭。,1.tif,绞嘱镰叹惑终弄剐埠樊综雌工滇英怂阂驹急汲妆竣拷释虱绝喧灌秸伺注篮第3章 物性型传感器第3章 物性型传感器,3.2 光电式传感器,图3-24 燃气热水器中的脉冲点火控制器原理,3.光电转速传感器 图3-25a是在待测转速的轴上固定一个带孔的转速调置盘，在调置盘一边由白炽灯产生恒定光，,沸虎吴肤铸峨憨镑巨扮设删监哥明更潍阳稗忘瘴逐鲜婪畦袄斑扇育抬滤郡

20、第3章 物性型传感器第3章 物性型传感器,3.2 光电式传感器,透过盘上小孔到达光敏二极管组成的光电转换器上，转换成相应的电脉冲信号，经过放大整形电路输出整齐的脉冲信号，转速由该脉冲频率决定。,图3-25 光电数字式转速表的工作原理 a)透射式转速表 b)反射式转速表,伪隘韩凿栅携想鸟糊峰泽知虑埃辙南厨糙栏浊鸭利椅嫂埋邢哼吊各笋呆虾第3章 物性型传感器第3章 物性型传感器,3.2 光电式传感器,1.工作原理 天明提醒器原理如图3-26所示。 2.元器件选择 1)KD-154B集成电路。 2)光敏电阻RG选用5mm系列的GL5649D。 3)B采用KLJ-5020型贴片蜂鸣器。 4)GB用两节5

21、号电池串联。 5)R选用20k、RTX-1/8W型碳膜电阻。 6)BL选用8、25W扬声器。 7)开关可选用废弃设备上的小的按键开关。 3.制作与安装 (1)制作 按照图3-27所示制作好电路板。,趴豺条立拌淤隆哈削屁尧谷媳老片晋默酪黎局狸孟嫌莱梳巢姐酪齿灿铭馏第3章 物性型传感器第3章 物性型传感器,3.2 光电式传感器,图3-26 天明提醒器原理,柳沉卿洽讫失溺晒未恤碑入条凌孙程节拆哩鳃处陕绷卓绊匣凑鸦冀舍侯间第3章 物性型传感器第3章 物性型传感器,3.2 光电式传感器,1.tif,3Z27.TIF,哟亡穗朽球淆墓蚊元昔膘诫详女流嘶亡吗权蚀撰烁勿桅藕习采霜淫吊横灌第3章 物性型传感器第3

22、章 物性型传感器,3.2 光电式传感器,图3-27 天明提醒器印制电路板,(2)安装 将电路板装入一个小收音机壳体内，用烙铁将电源线焊到收音机的电源端，装入两节5号电池即可。 (3)使用 使用时，将装好的提醒器放置到重要的文件柜内，一旦有人打开柜子，就会发出蜂鸣报警。,废官霄雾略憎穿傍拔潜敌咕孤总甄战印埠劝很柠绦盆族源雨肠裴壶臼炸意第3章 物性型传感器第3章 物性型传感器,3.3 霍尔式传感器,图3-28 霍尔效应原理图,3.3.1 霍尔式传感器的原理及特性,荣鲍辨拣果时箱贤看午野革履班享淌尝峪万筒鹰骗烂釉饿蹭浆咽坎赊洼睬第3章 物性型传感器第3章 物性型传感器,3.3 霍尔式传感器,1.工作

23、原理 将半导体薄片置于磁感应强度为B的磁场(磁场方向垂直于薄片)中，如图3-28所示，当有电流I流过薄片时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势UH，这种现象称为霍尔效应。 假设薄片为N型半导体，在其左右两端通以电流I(称为控制电流)，那么半导体中的载流子(电子)将沿着与电流I相反的方向运动。由于外磁场B的作用，使电子受到洛仑兹力FL作用而发生偏转，结果在半导体的后端面上电子有所积累。而前端面缺少电子，因此后端面带负电，前端面带正电，在前后端面间形成电场。该电场产生的电场力FE阻止电子继续偏转。当FE与FL相等时，电子积累达到动态平衡。这时，在半导体前后两端面之间(即垂直于电流和磁场方向)建

24、立电场，称为霍尔电场EH，相应的电动势就称为霍尔电动势UH。,捍查叙托弥翌权莲盟聂锡袋匪庞龚炼篆也滑途对硅孩呀我痘蛋屎畅敲怀浩第3章 物性型传感器第3章 物性型传感器,3.3 霍尔式传感器,2.特性参数 (1)输入电阻Ri 霍尔元件两激励电流端的直流电阻称为输入电阻。 (2)输出电阻Ro 两个霍尔电动势输出端之间的电阻称为输出电阻，它的数值与输入电阻属同一数量级，它也随温度改变而改变。 (3)额定激励电流Im 由于霍尔电动势随激励电流增大而增大，故在应用中总希望选用较大的激励电流。 (4)灵敏度kH kH=UH/(IB)，它的数值约为10MV/(mAT)。 (5)最大磁感应强度BM 磁感应强度

25、为BM时，霍尔电动势的非线性误差将明显增大，BM一般为零点几特斯拉。,窜烟父忻檀檀吐瘫确香园错秘吵琶包火邵访承天器率佩咳挺勒铭泞棕帝蚜第3章 物性型传感器第3章 物性型传感器,3.3 霍尔式传感器,(6)不等位电动势 在额定激励电流下，当外加磁场为零时，霍尔元件输出端之间的开路电压称为不等位电动势，它是由于四个电极的几何尺寸不对称引起的，使用时多采用电桥法来补偿不等位电动势引起的误差。 (7)霍尔电动势温度系数 在一定磁场强度和激励电流的作用下，温度每变化1时霍尔电动势变化的百分数称为霍尔电动势温度系数，它与霍尔元件的材料有关，一般约为0.1%/。 3.3.2 霍尔元件的结构及测量电路 1.霍

26、尔元件的材料及结构 根据霍尔效应原理做成的器件称为霍尔元件。,锋蒸酞追祷蔼炔茎裁蝎甥沏踞潮客鲸执豌妮盎料袁婆嚼渗脐袖潭兜牛组疫第3章 物性型传感器第3章 物性型传感器,3.3 霍尔式传感器,霍尔元件的外形、结构和符号如图329所示。霍尔元件的结构很简单，由霍尔片、四条引线和壳体组成。霍尔片是一块矩形半导体单晶薄片(一般为4mm2mm01mm)。在它的长度方向两端面上焊有两根引线(见图329b中1、1线)，称为控制电流端引线，通常用红色导线。其焊接处称为控制电流极(或称激励电极)，要求焊接处接触电阻很小，即欧姆接触(无PN结特性)。在薄片的另两侧端面的中间以点的形式对称地焊有两根霍尔输出端引线(

27、见图329b中2、2线)，通常用绿色导线。其焊接处称为霍尔电极，要求欧姆接触，且电极宽度与长度之比要小于01，否则影响输出。霍尔元件的壳体是用非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装。霍尔元件在电路中的图形符号如图329c所示。,征灯罗徘居爽菜饵捐奶宰桓眯偶袋悔煞份郭誉蜡拦辟朵舱朔黄温婶扎捶荒第3章 物性型传感器第3章 物性型传感器,3.3 霍尔式传感器,图3-29 霍尔元件 a)外形 b)结构 c)符号,2.基本电路 霍尔元件的基本测量电路如图3-30所示。,骇庙貉颓右茶叮隔筋刚护几蔑奥镑影窑做绰抡押捐健粉剩燃板扯头饺拿葵第3章 物性型传感器第3章 物性型传感器,3.3 霍尔式传感器,图3-30 霍尔

28、元件的基本 测量电路,甚蝇备吸具停苏晕赡塔钾淡珠阁堡彼悠词川侨狠章抓挪金檄似师舞陡滨湛第3章 物性型传感器第3章 物性型传感器,3.3 霍尔式传感器,3.集成霍尔元件 随着微电子技术的发展，目前霍尔元件多已集成化。,图3-31 线性型集成霍尔元件 a)外形尺寸 b)内部电路框图 c)输出特性,然痘撂恐瞎娃赎钓梗挪忽瓮挺肆岳柯藤弯庸腕麓饺省魁晒雹剧层泥排危仕第3章 物性型传感器第3章 物性型传感器,3.3 霍尔式传感器,图3-32 开关型集成霍尔元件 a)外形尺寸 b)内部电路框图 c)输出特性,3.3.3 霍尔传感器的应用 由于霍尔元件存在对磁场的敏感作用而被广泛应用，归纳起来主要有三个方面。

29、,幽咋比包贿胎橇绣抒剔济做扭傅塘成启呕怖沾功提埃弹翼抬件笛魁毗戈葫第3章 物性型传感器第3章 物性型传感器,3.3 霍尔式传感器,1)当控制电流不变，使传感器处于非均匀磁场时，传感器的输出正比于磁感应强度，可反映位置、角度或激励电流的变化。 2)当保持磁感应强度恒定不变时，则利用霍尔电压与控制电流成正比的关系，可以做成过电流控制装置等。 3)当控制电流与磁感应强度都为变量时，传感器的输出与这两者乘积成正比的关系。,图3-33 用集成霍尔传感器构成的按钮 a)按钮未按下 b)按下按钮时 1外壳 2导磁材料 3集成传感器 4按钮,萍免杏世涡栏删招豫爵龋凑停缨轩资祥存派究蹬检囚咬保嘲聊加恩株少彭第3

30、章 物性型传感器第3章 物性型传感器,3.3 霍尔式传感器,1.非直接接触的键盘开关 如图3-33所示是一个由开关型集成霍尔传感器和两小块永久磁铁构成的键盘开关的结构原理图。 2.霍尔角位移传感器 其结构如图3-34所示。,图3-34 霍尔角位移传感器示意图 1励磁线圈 2极靴 3霍尔元件,您麦烦滞摔投叹嘴额伴绎比伦期米擞椅卉笼羽糙缕嫂旭斋软氰轴豫磊闪撰第3章 物性型传感器第3章 物性型传感器,3.3 霍尔式传感器,3.霍尔位移传感器 如图3-35所示，磁场是由极性相反、磁场强度相同的两个磁钢构成，气隙中的磁场强度分布呈线性梯度，即B=Kx。 UH=Kx(311) 4.霍尔压力传感器 如图3-

31、36所示，被测压力p使弹簧管自由端发生位移，使霍尔元件在磁路系统中运动，改变了霍尔元件感受的磁场大小及方向，引起霍尔电动势的大小和极性的改变，从而实现对压力的测量。,1.tif,酱糠袄啦毡谭据厦武拭煮知炮棠坪镐攘比套掩巳移蹭己害吟塑锻够倘趣揉第3章 物性型传感器第3章 物性型传感器,3.3 霍尔式传感器,图3-35 霍尔位移传感器原理示意图,铸散敲杀应试爸膘凰葱兰饼分飞仪综胁璃辰唆类壁众锣辊蛋袁亨辙孝返纪第3章 物性型传感器第3章 物性型传感器,3.3 霍尔式传感器,图3-36 霍尔压力传感器 1弹簧管 2磁铁 3霍尔元件,并晚谍听味崇荷柏聪伏伙歪砧瓷眠顺菊迄逸殴樊酷毖姥啥遭崩范沪幽壹墨第3章

32、 物性型传感器第3章 物性型传感器,3.4 磁电式传感器,3.4.1 磁电式传感器的原理及结构 1.工作原理 磁电感应式传感器以电磁感应原理为基础的。 e=Nd/dt=NBlv=NBS(312) 2.磁电感应式传感器的结构 磁电式传感器有两种结构类型：一种是变磁通式；另一种是恒定磁通式。 (1)变磁通式磁电传感器 变磁通式也称为变磁阻式或变气隙式，常用于旋转角速度的测量，如图3-37所示。,3Z37.TIF,捧裤舀烫著袭隶是劫细巍钉揪薯伟眶苫冬点烧乃桐钮系客惫酶疽土秸栗屉第3章 物性型传感器第3章 物性型传感器,3.4 磁电式传感器,图3-37 变磁通式磁电传感器结构示意图 a)开磁路变磁通式

33、 b)两极式闭磁路变磁通式 1被测转轴 2铁心 3线圈 4软铁 5磁铁,(2)恒定磁通式磁电传感器 恒定磁通式结构有动圈式和动铁式两种，如图3-38所示。,碰陌佑卉址徒骇目攀阑诞滥攒侩京囤旺栖跑津非几摩哼癣丙萌逝沫构滴候第3章 物性型传感器第3章 物性型传感器,3.4 磁电式传感器,图3-38 恒定磁通式磁电传感器结构原理 a)动圈式 b)动铁式 1金属骨架 2弹簧 3线圈 4永久磁铁 5壳体,超凭尿硝凑充询荫垮致膊道话灯咖蹄凳镀涅饵脯养靳屏号忧捧絮状绷团磨第3章 物性型传感器第3章 物性型传感器,3.4 磁电式传感器,3.4.2 磁电式传感器的测量电路 磁电式传感器直接输出感应电动势，且传感

34、器通常具有较高的灵敏度，所以一般不需要高增益放大器。但磁电式传感器是速度传感器，若要获取被测位移或加速度信号，则需要配用积分或微分电路。磁电式传感器的测量电路如图339所示。,图3-39 磁电式传感器的测量电路,3.4.3 磁电式传感器的应用,雅破疤臼讫爹匠袄汝叠肪陡晒兰皂癸入躇警届彼颜悟齐糕望貉乙妇午拨盆第3章 物性型传感器第3章 物性型传感器,3.4 磁电式传感器,1.磁电感应式振动速度传感器 图3-40所示为CD1型磁电感应式振动速度传感器的结构原理，它属于动圈式恒定磁通型。,1.tif,3Z40.TIF,谓皆揣痔晾宙纶瞄腾炒澈签罩挺抠忘渊兴拧水秃镊骗操玄彼捉宋头仍仅拆第3章 物性型传感

35、器第3章 物性型传感器,3.4 磁电式传感器,图3-40 磁电感应式振动速度传感器的结构原理 1、8圆形弹簧片 2圆环形阻尼器 3永久磁铁 4铝架 5圆环形 阻尼器用心轴 6工作线圈 7壳体 9引线,2.磁电式扭矩传感器 图3-41是磁电式扭矩传感器的工作原理。,1.tif,驱衅啸光曾庙芜澎默蛊苹渍靠探慨蓄高贾嫁详瘟纽羊艇填钡蔬痪椎滋谨缄第3章 物性型传感器第3章 物性型传感器,3.4 磁电式传感器,图3-41 磁电式扭矩传感器的工作原理 1齿形圆盘 2扭转轴 3磁电式传感器,3.电磁流量传感器 电磁流量传感器的结构如图3-42所示，,缔权禁民妓纱硒陀寝日醋涤俊譬示嘛辩粘狠替奖拥暴痞锰余肩视魔

36、汤科发第3章 物性型传感器第3章 物性型传感器,3.4 磁电式传感器,电磁流量传感器与电磁流量转换器配套组成电磁流量计。 E=BD(314),图3-42 电磁流量传感器的结构 1励磁线圈 2测量管 3磁力线 4电极 I励磁电流 流速,半丁霸基镇郭锁募列瘸狸募才瞬张进罪阜哉铲氟退逆抑迫郁晓榷后折雪霸第3章 物性型传感器第3章 物性型传感器,3.5 超声波传感器,3.5.1 超声波的物理基础 1.声波的分类 振动在弹性介质内的传播称为波动，简称波。,图3-43 声波的频率界限图,2.超声波的传播方式 由于声源在介质中施力方向与波在介质中传播方向的不同，声波的波形也不同。,募朱坦觉逻疤抱卫努妊乃谍积

37、芝仁唱粘盏膝医猖镰之反促充挛抱饵佩豢弧第3章 物性型传感器第3章 物性型传感器,3.5 超声波传感器,1)纵波是质点振动方向与波的传播方向一致的波，能在固体、液体和气体中传播。 2)横波是质点振动方向垂直于传播方向的波，只能在固体中传播。 3)表面波是质点的振动介于横波与纵波之间，沿着介质表面传播的波。,图3-44 超声波的反射与折射,器酿翟葡壕卵剥碍翔闸久伤厄察默板躺匹闪舱必炉耙卑制找抗纱沪撕苗之第3章 物性型传感器第3章 物性型传感器,3.5 超声波传感器,3.超声波的反射和折射 当入射声波以一定的入射角从一种介质传播到另一种介质的分界面时，一部分能量反射回原介质，称为反射波；另一部分能量

38、则透过分界面，在另一种介质内部继续传播，称为折射波或透视波，如图3-44所示。 如果入射角足够大时，将导致折射角=90，则折射声波只能在介质分界面传播，折射波形将转换为表面波，这时的入射角称为临界角。如果入射声波的入射角大于临界角，将导致声波的全反射。 4.超声波的衰减 由于多数介质中都含有微小的结晶体或不规则的缺陷，超声波在这样的介质中传播时，在众多的晶体交界面或缺陷界面上会引起散射，从而使沿入射方向传播的超声波声强下降。,诲县聋乃嗣珠晕淋絮熏废剿下巫熟辰冉壹退烃游癣惑豁圈仑羽朱苛些给萧第3章 物性型传感器第3章 物性型传感器,3.5 超声波传感器,介质中的声强衰减与超声波的频率、晶粒粗细等

39、因素有关。晶粒越粗或密度越小，衰减越快；频率越高，衰减也越快。气体的密度很小，因此衰减较快，尤其在频率高时衰减更快。因此在空气中传导的超声波的频率选得较低，为数十千赫兹，而在固体和液体中则选用较高的频率(MHz数量级)。,图3-45 超声波探头结构 1保护膜 2吸收块 3金属壳 4导电螺杆 5接线 6压电晶片,秽囤僧悦娥广士鄂产众轿篱渐优绍消塌挖歪吠订昆确锭恩备直澎号鹤寡陀第3章 物性型传感器第3章 物性型传感器,3.5 超声波传感器,3.5.2 超声波传感器的结构 利用超声波在超声场中的物理特性和各种效应而研制的装置可称为超声波换能器、探测器或传感器。 3.5.3 超声波传感器的应用 1.超

40、声波物位传感器 如图3-46所示，在液位上方安装空气传导型超声波反射器和接收器，按照声脉冲反射原理，根据超声波的往返时间就可测出液体的液面。,图3-46 超声波液位计原理 1液面 2直管 3空气超声探头 4反射小板 5电子开关,埠扳钦赌瓮鹿猜氮宇搞扔紫厉搅蕾管襟桌固蜜无孟毯亡汞巳迹昭幌秽割织第3章 物性型传感器第3章 物性型传感器,3.5 超声波传感器,例3-1 从图3-46所示的超声波液位计的显示屏上测得t0=1.8ms，t1=5.0ms，已知容器底部与超声波探头的间距为10m，反射小板与探头的间距为0.9m，求液位h。 解：由于c=,图3-47 超声波流量计原理,诡圆倦由截助毕挟飞垂皂娇瘴

41、插缝厉死乎驹攀桓层昌玛谁瞄外股秘贵坍河第3章 物性型传感器第3章 物性型传感器,3.5 超声波传感器,2.超声波流量传感器 图3-47是超声波流量计原理。 时间差法流量与声速c有关，而声速一般随介质温度的变化而变化，因此将造成温漂。如果使用下面的频差法测量流量，即可克服温度的影响。,图3-48 频差法测量流量的原理 a)投射型安装图 b)反射型安装图,罚轰滚宪舆总哇蝴凹饱驾浮愁黎歼坍仔扭顽脐津应套蓑郊疑创乖迅汕模嫉第3章 物性型传感器第3章 物性型传感器,3.5 超声波传感器,例3-2 超声波流量传感器安装于管道直径500mm的管道中，如图3-47所示，两换能器相距600mm，超声波传播方向与

42、流体流动方向的夹角为30，逆流传播与顺流传播的超声波时间差为1s，超声波在该静止介质中传播速度为1450m/s，求管道中流体的流量。 解：设超声波在该静止介质中传播速度为c，流体的流速为v，两换能器相距l 3.超声波测厚 如图3-49所示，双晶直探头左边的压电晶片发射超声脉冲，经探头底部的延迟块延迟后，超声脉冲进入被测试件，在到达试件地面时，被反射回来，并被右边的压电晶片所接收。,震蚀炒购凸趟萎谎涤立谢彪箭竿串痪胚大晕檄藏甜藐厢肢狐冉肋畜垣拌敦第3章 物性型传感器第3章 物性型传感器,3.5 超声波传感器,图3-49 超声波测厚示意图 1双晶探头 2引线电缆 3入射波 4反射波 5试件 6测厚

43、显示器,1.电路工作原理 该雾化器电路如图3-50a所示，,啄冤扒绒渭值浅谎费摹咏谭菏玻七到莲要鱼试内附匠迟桥晕巩锑诉炎阶畅第3章 物性型传感器第3章 物性型传感器,3.5 超声波传感器,电源经变压器T降压(AC36V)送VD1VD4整流和C5、C6滤波后给电路提供工作电压。,1.tif,哆咸讲上寅暮城缨咎敛洼布莱来萤各默滇累浩蜕杉墒腔翔阁吊揭任伯鲜辱第3章 物性型传感器第3章 物性型传感器,3.5 超声波传感器,3Z50.TIF,图3-50 超声波雾化器原理 a)雾化器电路 b)雾化器外形,2.元器件选择 1)振荡器和换能器：压电陶瓷片的振荡频率为1.65MHz；晶片尺寸：16mm，厚度：(

44、1.20.01)mm。,妥忘捍舒筏量拌墅拳莲依污乌厨骗冉旭纽速白次霜拢鸟血能跋忧鞋皋典阀第3章 物性型传感器第3章 物性型传感器,3.5 超声波传感器,2)雾化头型号：T2517，规格尺寸：25mm1.2mm，其上安装两根水位控制触针。 3)R1R6均用RTX1/8W型碳膜电阻，C1C6用CD1110V型电解电容。 4)VT1选用BU406，VT2选用1815，VT3选用9015。 5)电源选用220V交流供电。 6)变压器T为AC220V/36V，30W。 3.超声波雾化器制作和使用方法 (1)雾化器制作 该雾化器外形如图3-50b所示。 (2)使用方法 若将该雾化器用于室内加湿或消毒，可准

45、备一个小塑料盆，盆内盛一定量的溶液，溶液量不宜太多(浅水为准)，仅比水位触针高出一定距离即可(溶液太深其雾化量相对减小)。,喇陌纲孩雕澳蔬舵炊此三痪之怪柯僚稼司睦啥研寞醚萎仗捧蠕律也阀锯申第3章 物性型传感器第3章 物性型传感器,3.6 核辐射传感器,3.6.1 放射源和探测器 放射源和探测器是核辐射传感器的重要组成部分，放射源由放射性同位素组成，探测器即核辐射检测器，它可以探测出射线的强弱及变化。 1.射线的种类及衰变规律 (1)放射性同位素 各种物质都是由一些最基本的物质所组成。 (2)核辐射的种类及性质 放射性同位素在衰变过程中放射出一种特殊的、带有一定能量的粒子或射线，这种现象称为放射

46、性或核辐射，根据其性质的不同，放射出的粒子或射线有粒子、粒子和射线等。 1)粒子一般具有410MeV能量。,磊菠醉搁求瑟颅咽开洒性呜陡吕底噎义误龄订归兼陈咒捐烁炽竹盐渝吏伞第3章 物性型传感器第3章 物性型传感器,3.6 核辐射传感器,2)粒子实际上是高速运动的电子，它在气体中的射程可达20m，在自动检测仪表中，主要是根据粒子辐射和吸收来测量材料的厚度、密度或重量；根据辐射的反射和散射来测量覆盖层的厚度，利用粒子很大的电离能力来测量气体流量。 3)射线是一种从原子核内发射出来的电磁辐射，它在物质中的穿透能力比较强，在气体中的射程为数百纳米，能穿过几十百米厚的固体物质。 2.射线与物质的相互作用

47、 核辐射与物质的相互作用是探测带电粒子或射线存在与否及其强弱的基础，也是设计和研究放射性检测与防护的基础。,跋规窥总沼摔福渺绘帜盂舶熙丙焉肆稻唾吹角微加傍身拽吝愿磁璃滋裕蜒第3章 物性型传感器第3章 物性型传感器,3.6 核辐射传感器,(1)带电粒子与物质的相互作用 具有一定能量的带电粒子(如粒子、粒子)在其穿过物质时，由于电离作用，在其路径上生成许多离子对，所以常称粒子和粒子为电离性辐射。 (2)射线和物质的相互作用 射线通过物质后的强度将逐渐减弱，射线与物质的作用主要有光电效应、康普顿效应和电子对效应三种。 3.常用探测器 探测器就是核辐射的接收器，它是核辐射传感器的重要组成部分。 (1)

48、电离室 电离室基本上是以气体为介质的射线探测器，可以探测粒子、粒子和射线，能把这些带电粒子或射线的能量转化为电信号。,依怎霍栓乐闰佳碉旱卒注馏嘎鼎柜面冯酸板弄苛毫煞橱债光抱娘预锁疼颜第3章 物性型传感器第3章 物性型传感器,3.6 核辐射传感器,图3-51 电离室基本工作原理,瞅搜阉幸梭据唯裹桓氮汝爽获淆必筷你洪普惩尖鞍舔差襄赏面战对裹曙锚第3章 物性型传感器第3章 物性型传感器,3.6 核辐射传感器,图3-52 圆筒形电离室结构示意图 1、3绝缘物 2保护环 4收集极 5高压极 6外壳 7铁铝薄膜,淖郸刑冷掇削斡狼宵肪睁昏晰取姜形个尸汀拙鉴碱帧跑殿丰时顿荒或移喀第3章 物性型传感器第3章 物

49、性型传感器,3.6 核辐射传感器,(2)闪烁计数器 闪烁计数器先将微电能变为光能，然后再将光能变为电能而进行探测，它不仅能探测射线，还能探测各种带电和不带电的粒子，不但能探测它们的存在，而且能鉴别其能量的大小。,图3-53 光电倍增管及输出电器,呀舔咏穗逐注忍需傈有袁绚桅蚜汰明欧综贿惋灯天樊组埔留鹏点绵搭吕筹第3章 物性型传感器第3章 物性型传感器,3.6 核辐射传感器,3.6.2 核辐射传感器的应用 1.核辐射厚度计 核辐射厚度计原理框图如图3-54所示。 测量电路常用振动电容器调制的高输入阻抗静电放大器。用振动电容器是把直流调制成交流，并维持高输入阻抗，这样可以解决漂移问题。有的测量电路采用变容二极管调制器来代替静电放大器。 2.核辐射液位计 核辐射液位计的原理如图3-55所示，它是一种基于物质对射线的吸收程度的变化而对液位进行测量的物位计。,1.tif,晶妹卯妈袱狙愧掩并喜素枯澈粉器眷俭莲售缴册饰跑妓严问契店孙捍逐讣第3章 物性型传感器第3章 物性型传感器,3.6 核辐射传感器,