1、本章学习要求,传感器是一种获取信息的装置，是测试系统的首要环节。完成本章内容的学习后应能做到： 1.了解传感器的的作用与工业应用情况 2.了解传感器的分类 3.了解传感器的最新发展动态,返回,第四章 信息的转换传感技术,4.1 概述 4.2 电阻式传感器 4.3 电感式传感器 4.4 电容式传感器 4.5 压电式传感器 4.6 磁电式传感器 4.7 半导体元件传感器 4.8 其他类型传感器 4.9 传感器选用原则,4.1 概述,4.1.1 传感器的作用用机械代替体力劳动是第一次产业革命，在那次革命中，火车、汽车取代了人力车，各种动力机械取代了繁重的体力劳动。而用机械和电子装置来代替部分脑力劳动
2、，可以说是第二次或第三次产业革命，这也是当前科学技术发展的重要课题之一。在这一课题中，传感器的研究是一个不可忽视的内容。,传感器是借助于检测元件接收一种形式的信息，并按一定的规律将所获取的信息转换成另一种信息的装置。它获取的信息可以为各种物理量、化学量和生物量，而转换后的信息也可以有各种形式。但目前，传感器转换后的信号大多为电信号。因而从狭义上讲，传感器是把外界输入的非电信号转换成电信号的装置。一般也称传感器为变换器、换能器和探测器，其输出的电信号陆续输送给后续配套的测量电路及终端装置，以便进行电信号的调理、分析、记录或显示等。,4.1.2 传感器的组成,传感器一般由敏感器件与其它辅助器件组成
3、。敏感器件是传感器的核心，它的作用是直接感受被测物理量，并将信号进行必要的转换输出。如应变式压力传感器的弹性膜片是敏感元件，它的作用是将压力转换为弹性膜片的形变，并将弹性膜片的形变转换为电阻的变化而输出。,一般把信号调理与转换电路归为辅助器件，它们是一些能把敏感器件输出的电信号转换为便于显示、记录、处理等有用的电信号的装置。现在已经能把一些处理电路和传感器集成在一起，构成集成传感器。进一步的发展是将传感器和微处理器相结合，装在一个检测器中形成一种新型的“智能传感器”。它将具有一定的信号调理、信号分析、误差校证、环境适应等能力，甚至具有一定的辨认、识别、判断的功能。,4.1.3 传感器的分类,传
4、感器的种类繁多。在工程测试中，一种物理量可以用不同类型的传感器来检测；而同一种类型的传感器也可测量不同的物理量。传感器的分类方法很多，概括起来，主要有下面几种分类方法。,(1)按被测物理量来分类，可分为位移传感器、速度传感器、加速度传感器、力传感器、温度传感器等。(2)按传感器工作的物理原理来分类，可分为机械式、电气式、辐射式、流体式等。 (3)按信号变换特征来分类，可分为物性型和结构型。,所谓物性型传感器，是利用敏感器件材料本身物理性质的变化来实现信号的检测。例如，用水银温度计测温，是利用了水银的热胀冷缩的现象；用光电传感器测速，是利用了光电器件本身的光电效应；用压电测力计测力，是利用了石英
5、晶体的压电效应等。 所谓结构型传感器，则是通过传感器本身结构参数的变化来实现信号转换的。例如，电容式传感器，是通过极板间距离发生变化而引起电容量的变化；电感式传感器，是通过活动衔铁的位移引起自感或互感的变化等。,(4)按传感器与被测量之间的关系来分类，可分为能量转换型和能量控制型。,能量转换型传感器 (或称无源传感器)，是直接由被测对象输入能量使其工作的。例如，热电偶将被测温度直接转换为电量输出。由于这类传感器在转换过程中需要吸收被测物体的能量，容易造成测量误差。,(5) 按传感器输出量的性质可分为模拟式和数字式两种,前者的输出量为连续变化的模拟量，而后者的输出量为数字量。由于计算机在工程测试
6、中的应用，数字式传感器是很有发展前途的。当然，模拟量也可以通过模-数转换变为数字量。,4.1.4 传感器的发展动向,当今，传感器技术的主要发展动向，一是开展基础研究，重点研究传感器的新材料和新工艺；二是实现传感器的智能化。,(1)用物理现象、化学反应和生物效应设计制作各种用途的传感器，这是传感器技术的重要基础工作。例如，利用某些材料的化学反应制成的能识别气体的“电子鼻”；利用超导技术研制成功的高温超导磁传感器等。,(2)传感器向高精度、一体化、小型化的方向发展。,工业自动化程度越高，对机械制造精度和装配精度要求就越高，相应地测量程度要求也就越高。因此，当今在传感器制造上很重视发展微机械加工技术
7、。微机械加工技术除全面继承氧化、光刻、扩散、沉积等微电子技术外，还发展了平面电子工艺技术，各向异性腐蚀、固相键合工艺和机械分断技术。,(3)发展智能型传感器。,智能型传感器是一种带有微处理器并兼有检测和信息处理功能的传感器。智能型传感器被称为第四代传感器，使传感器具备感觉、辨别、判断、自诊断等功能，是传感器的发展方向。,4.2 电阻式传感器,学习要求,完成本节内容的学习后应能做到： 1.掌握电阻式传感器的工作原理 2.了解电阻式传感器的结构、分类 3.掌握变阻器式传感器、电阻应变式传感器、固态压阻式传感器在结构和工作原理的相同点和不同点 4.了解电阻式传感器的应用,电阻式传感器的基本原理是将被
8、测物理量的变化转换成电阻值的变化,再经相应的测量电路和装置显示或记录被测量值的变化。按其工作原理可分为变阻器式(电位器式)、电阻应变式和固态压阻式传感器三种。,4.2.1 变阻器式传感器,(1) 变阻器式传感器工作原理,变阻器式传感器也称电位器式传感器，其工作原理是将物体的位移转换为电阻的变化。根据式,式中 电位器的电阻灵敏度。 相应电刷位移x的电压输出U0为,常用电位器式传感器有直线位移型、角位移型和非线性型等,(2) 变阻式传感器的优缺点,优点：(1)结构简单、尺寸小、重量轻、价格低廉且性能稳定；(2)受环境因素(如温度、湿度、电磁场干扰等)影响小；(3)可以实现输出输入间任意函数关系；(
9、4)输出信号大，一般不需放大。 缺点：因为存在电刷与线圈或电阻膜之间摩擦，因此需要较大的输入能量；由于磨损不仅影响使用寿命和降低可靠性，而且会降低测量精度，所以分辨力较低；动态响应较差，适合于测量变化较缓慢的量。,(3) 变阻式传感器的应用,变阻式传感器常用来测量位移、压力、加速度等参量。 下图是用变阻式传感器制作的位移传感器的结构图。被测位移使测量轴沿导轨轴向移动时，带动电刷在滑线电阻上产生相同的位移，从而改变电位器的输出电阻。精密电阻与电位器电阻式电桥的两个桥臂，构成电桥测量电路。,4.2.2 电阻应变式传感器,(1) 应变式传感器的工作原理,当将电阻应变计用特殊胶剂粘在被测构件的表面上时
10、，则敏感元件将随构件一起变形，其电阻值也随之变化，而电阻的变化与构件的变形保持一定的线性关系，进而通过相应的二次仪表系统即可测得构件的变形。通过应变计在构件上的不同粘贴方式及电路的不同联接，即可测得应力、变形、扭矩等机械参数。,金属电阻应变片的工作原理，是基于金属导体的应变效应，即金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着它所受机械变形(伸长或缩短)的变化而发生变化的现象。 若金属丝的长度为L，截面积为S，电阻率为，其未受力时的电阻为R，则,式中R金属丝的电阻值，； 金属丝的电阻率，mm2/m； L金属丝的长度，m； S金属丝的截面积，mm2。,如果金属丝沿轴向方向受拉力而变形，其长度L
11、变化dL，截面积S变化dS，电阻率变化，因而引起电阻R变化dR。将式微分，整理可得,对于圆形截面有,为金属丝轴向相对伸长，即轴向应变；,为电阻丝径向相对伸长，即径向应变，,两者之比即为金属丝材料的泊松系数，负号表示符号相反，有,整理得,K0称为金属丝的灵敏系数，其物理意义是单位应变所引起的电阻相对变化。,金属材料的灵敏系数受两个因素影响：一个是受力后材料的几何尺寸变化所引起的，即,另一个是受力后材料的电阻率变化所引起的，即,对于金属材料 比 小得多。,大量实验表明，在电阻丝拉伸比例极限范围内，电阻的相对变化与其所受的轴向应变是成正比的，即K0为常数。 K0=1+2=常数通常金属电阻丝的K0=1
12、.73.6。,(2) 应变计的主要参数,1）几何参数：表距L和丝栅宽度b，制造厂常用bL表示。 2）电阻值：应变计的原始电阻值。 3）灵敏系数：表示应变计变换性能的重要参数。 4）其它表示应变计性能的参数（工作温度、滞后、蠕变、零漂以及疲劳寿命、横向灵敏度等）。,(3) 金属电阻应变片,金属丝电阻应变片,采用光刻技术制造，适用于大批量生产。由于金属箔式应变片具有线条均匀、尺寸准确、阻值一致性好、传递试件应变性能好等优点。,金属箔式应变片,(4) 电阻应变式传感器应用,电阻应变式传感器的应用主要体现在以下两个方面。 1）将应变片粘贴于被测构件上，直接用来测定构件的应变和应力。例如，为了研究或验证
13、机械、桥梁、建筑等某些构件在工作状态下的应力、变形情况，可利用形状不同的应变片，粘贴在构件的预测部位，可测得构件的拉、压应力、扭矩或弯矩等，从而为结构设计、应力校核或构件破坏的预测等提供可靠的实验数据。,2）将应变片贴于弹性元件上，与弹性元件一起构成应变式传感器。这种传感器常用来测量力、位移、加速度等物理参数。在这种情况下，弹性元件将被测物理量转换为成正比变化的应变，再通过应变片转换为电阻变化输出。应变片的典型应用见下图。图中所示为加速度传感器，由悬臂梁、质量块、基座组成。测量时，基座固定在振动体上，振动加速度使质量块产生惯性力，悬臂梁则相当于惯性系统的“弹簧”，在惯性力作用下产生弯曲变形。因
14、此，梁的应变在一定的频率范围内与振动体的加速度成正比。,4.2.3 固态压阻式传感器,(1) 工作原理,半导体材料受到应力作用时，其电阻率会发生变化，这种现象称为压阻效应。实际上，任何材料都不同程度地呈现压阻效应，但半导体材料的这种效应特别强。电阻应变效应的分析公式也适用于半导体电阻材料，故仍可用上式来表达。对于金属材料来说， 比较小，但对于半导体材料， ，即因机械变形引起的电阻变化可以忽略，电阻的变化率主要是由 引起的，即,由半导体理论可知,式中L沿某晶向L的压阻系数； 。 沿某晶向L的应力； 。E半导体材料的弹性模量。 半导体材料的灵敏系数K0为,例如半导体硅，L=(4080)10-11m
15、2/N，E=1.671011Pa，则K0=LE50100。半导体电阻材料的灵敏系数比金属丝的要高5070倍。,最常用的半导体电阻材料有硅和锗，掺入杂质可形成P型或N型半导体。由于半导体(如单晶硅)是各向异性材料，因此它的压阻效应不仅与掺杂浓度、温度和材料类型有关，还与晶向有关(即对晶体的不同方向上施加力时，其电阻的变化方式不同)。,(2) 压阻式传感器的特点,优点：灵敏度非常高，有时传感器的输出不需放大可直接用于测量；分辨率高，例如测量压力时可测出1020Pa的微压；测量元件的有效面积可做得很小，故频率响应高；可测量低频加速度和直线加速度。 缺点：温度误差大，故需温度补偿或恒温条件下使用。,(
16、3) 固态压阻式传感器的应用,固态压阻式传感器主要用于测量压力和加速度等物理量。 利用压阻效应构成的半导体加速度敏感元件如下图所示。悬臂梁3由于加速度而产生位移，该位移引起扩散压阻层区域变形从而引起压阻层电阻变化，检测出电阻变化即可检测出加速度大小。在100Hz左右的带宽中，可检测（0.00150）g（9.8m/s2)的加速度。,下图是一个采用单晶硅做成的悬臂梁式弹性元件，采用平面扩散工艺技术，在它上面形成四个性能一致的电阻，构成全桥；在梁的自由段连接敏感质量块，组成悬臂梁应变式加速度传感器。,4.3 电感式传感器,学习要求,完成本节内容的学习后应能做到： 1.了解电感式传感器的工作原理 2.
17、了解可变磁阻式电感传感器、涡流式电感传感器和差动变压器式传感器的特点 3.了解可变磁阻式电感传感器、涡流式电感传感器和差动变压器式传感器的应用,电感式传感器的工作原理是基于电磁感应原理，它是把被测量转化为电感量的一种装置。按照转换方式的不同可分为自感式（包括可变磁阻式与涡流式）和互感式（差动变压器式）两种。,4.3.1 可变磁阻式电感传感器,可变磁阻式传感器的结构原理如图所示，它由线圈、铁芯及衔铁组成。在铁芯和衔铁之间有空气隙。根据电磁感应定律，当线圈中通以电流i时，产生磁通 ，其大小与电流成正比，即,式中W线圈匝数； 。L线圈电感，H。,根据磁路欧姆定律，磁通,式中 磁动势，A； 。 磁阻，
18、H-1。 所以，线圈电感(自感)可用下式计算,如果空气隙较小，而且不考虑磁路的铁损时，则磁路总磁阻为,因为 则,上式表明，自感L与空气隙成反比，而与空气隙导磁截面积S0成正比。当固定S0不变，变化时，L 与呈非线性（双曲线）关系，如上图所示。此时，传感器的灵敏度为,因此，自感L可写为,灵敏度S与气隙长度的平方成反比，愈小，灵敏度愈高。由于S不是常数，故会出现非线性误差，为了减小这一误差，通常规定在较小的范围内工作。,例如，若间隙变化范围为（ ），则灵敏度为,由上式可以看出，当 时，由于,故灵敏度S趋于定值，即输出与输入近似成线性关系。实际应用中，一般取 。 这种传感器适用于较小位移的测量，一般
19、约为0.0011 mm。,几种常用可变磁阻式传感器的典型结构有:可变导磁面积型、差动型、单螺管线圈型、双螺管线圈差动型。双螺管线圈差动型，较之单螺管线圈型有较高灵敏度及线性，被用于电感测微计上，其测量范围为0300m，最小分辨力为0.5m。这种传感器的线圈接于电桥上，构成两个桥臂，线圈电感L1、L2随铁芯位移而变化，其输出特性如下图所示。,4.3.2 涡流式电感传感器,(1) 涡流式传感器原理,涡流式传感器的变换原理是利用金属导体在交流磁场中的涡电流效应。如图所示，金属板置于一只线圈的附近，它们之间相互的间距为，当线圈输入一交变电流i时，便产生交变磁通量，金属板在此交变磁场中会产生感应电流i1
20、，这种电流在金属体内是闭合的，所以称之为“涡电流”或“涡流”。涡流的大小与金属板的电阻率、磁导率、厚度h、金属板与线圈的距离、激励电流角频率等参数有关。若改变其中的某两项参数，而固定其它参数不变，就可根据涡流的变化测量该参数。,(2) 高频反射式涡流传感器,如上图所示，高频(lMHz)激励电流产生的高频磁场作用于金属板的表面，由于集肤效应，在金属板表面将形成涡电流。与此同时，该涡流产生的交变磁场又反作用于线圈，引起线圈自感L或阻抗ZL的变化。线圈自感L或阻抗ZL的变化与距离该金属板的电阻率、磁导率、激励电流i及角频率等有关，若只改变距离而保持其它参数不变，则可将位移的变化转换为线圈自感的变化，
21、通过测量电路转换为电压输出。高频反射式涡流传感器多用于位移测量。,(3) 低频透射式涡流传感器,。工作原理如图所示，发射线圈1和接收线圈2分别置于被测金属板材料G的上、下方。由于低频磁场集肤效应小，渗透深，当低频(音频范围)电压e1加到线圈1的两端后，所产生磁力线的一部分透过金属板材料G,使线圈2产生感应电动势e2。但由于涡流消耗部分磁场能量，使感应电动势e2减少，当金属板材料G越厚时，损耗的能量越大，输出电动势e2越小。因此，e2的大小与G的厚度及材料的性质有关，试验表明，e2随材料厚度h的增加按负指数规律减少,如图所示，因此，若金属板材料的性质一定，则利用e2的变化即可测量其厚度。,4)
22、涡流式传感器的应用,涡流式电感传感器主要用于位移、振动、转速、距离、厚度等参数的测量，它可实现非线性测量。下图是用涡流式传感器测厚和用涡流式传感器进行零件计数的例子。,4.3.3 差动变压器式电感传感器,互感型电感传感器是利用互感M的变化来反映被测量的变化。这种传感器实质上是一个输出电压可变的变压器。当变压器初级线圈输入稳定交流电压后，次级线圈便会有感应电压输出，该电压随被测量的变化而变化。差动变压器式电感传感器是常用的互感型传感器，其结构形式有多种，,螺管形差动变压器式电感传感器,传感器主要由线圈、铁芯和活动衔铁三部分组成。线圈包括一个初级线圈和两个反接的次级线圈，当初级线圈输入交流激励电压
23、时，次级线圈将产生感应电动势e1和e2。由于两个次级线圈极性反接，因此，传感器的输出电压为两者之差，即ey=e1-e2。活动衔铁能改变线圈之间的藕合程度。输出ey的大小随活动衔铁的位置而变。当活动衔铁的位置居中时，e1=e2，ey=0；当活动衔铁向上移时，e1e2，ey0；当活动衔铁向下移时，e1e2，ey0。活动衔铁的位置往复变化，其输出电压也随之变化，输出特性如下图所示。,注意： 差动变压器式传感器输出的电压是交流量，如用交流电压表指示，则输出值只能反应铁芯位移的大小，而不能反应移动的方向； 交流电压输出存在一定的零点残余电压，零点残余电压是由于两个次级线圈的结构不对称，以及初级线圈铜损电
24、阻、铁磁材质不均匀、线圈间分布电容等原因所形成的。所以，即使活动衔铁位于中间位置时，输出也不为零。鉴于这些原因，差动变压器式传感器的后接电路应采用既能反应铁芯位移极性，又能补偿零点残余电压的差动直流输出电路。,用于小位移的差动相敏检波电路的工作原理，当没有信号输入时，铁芯处于中间位置，调节电阻R，使零点残余电压减小；当有信号输入时，铁芯移上或移下，其输出电压经交流放大、相敏检波、滤波后得到直流输出。由表头指示输入位移量的大小和方向。差动变压器式传感器具有精度高（达0.lm量级），线圈变化范围大(可扩大到l00mm，视结构而定)，结构简单，稳定性好等优点，被广泛应用于直线位移测量及其它压力、振动
25、等参量的测量。,4.4 电容式传感器,学习要求,完成本节内容的学习后应能做到： 1.掌握电容式传感器工作原理 2.掌握电容式传感器的分类、及它们各自的特点 3.了解电容式传感器的测量电路,电容式传感器是将被测量（如尺寸、压力等）的变化转换成电容变化量的一种传感器。实际上,它本身（或和被测物）就是一个可变电容器。,4.4.1 电容式传感器变换原理,以最简单的平行极板电容器为例说明其工作原理。在忽略边缘效应的情况下，平板电容器的电容量为,式中0真空的介电常数，0=8.85410-12F/m； 。S极板的遮盖面积，m2； 。极板间介质的相对介电系数，在空气中，=1； 。两平行极板间的距离，m。,上式
26、表明，当被测量、S或发生变化时，都会引起电容的变化。如果保持其中的两个参数不变，而仅改变另一个参数，就可把该参数的变化变换为单一电容量的变化，再通过配套的测量电路，将电容的变化转换为电信号输出。根据电容器参数变化的特性，电容式传感器可分为极距变化型、面积变化型和介质变化型三种，其中极距变化型和面积变化型应用较广。,4.4.2 极距变化型电容传感器,如果两极板相互覆盖面积及极间介质不变，则当两极板在被测对象作用下发生位移变化时所引起的电容量变化为,由此可得到传感器的灵敏度为,从上式可看出，灵敏度K与极距平方成反比，极距愈小，灵敏度愈高。一般通过减小初始极距来提高灵敏度。由于电容量C与极距呈非线性
27、关系，故这将引起非线性误差。为了减小这一误差，通常规定测量范围 .一般取极距变化范围为 ，此时，传感器的灵敏度近似为常数。实际应用中，为了提高传感器的灵敏度、增大线性工作范围和克服外界条件(如电源电压、环境温度等)的变化对测量精度的影响，常常采用差动型电容式传感器。,4.4.3 面积变化型电容传感器,工作原理：,改变极板间覆盖面积的电容式传感器，常用的有角位移型和线位移型两种。 。上图为典型的角位移型电容式传感器。当动板有一转角时，与定板之间相互覆盖的面积就发生变化，因而导致电容量变化。当覆盖面积对应的中心角为a、极板半径为r时，覆盖面积为,电容量为,其灵敏度为,线位移型电容式传感器有平面线位
28、移型和圆柱线位移型两种。对于平面线位移型电容式传感器，当宽度为b的动板沿箭头x方向移动时，覆盖面积变化，电容量也随之变化，电容量为,其灵敏度为,对于圆柱线位移型电容式传感器，当覆盖长度x变化时，电容量也随之变化，其电容为,式中x外圆筒与内圆筒覆盖部分长度，m； 。r1、r2外圆筒内半径与内圆筒（或内圆柱）外半径，即它们的工作半径，m。,其灵敏度为,面积变化型电容传感器的优点是输出与输入成线性关系，但与极板变化型电容式传感器相比，灵敏度较低，适用于较大量程范围的角位移和直线位移的测量。,4.4.4 介质变化型电容传感器,这种传感器大多用于测量电介质的厚度(图a)、位移(图b)、液位(图c)，还可
29、根据极板间介质的介电常数随温度、湿度、容量改变而改变来测量温度、湿度、容量(图d)等。,若忽略边缘效应，图a、图b、图c所示传感器的电容量与被测量的关系为,、h 、0两固定极板间的距离、极间高度及间隙中空气的介电常数； 。x、hx、被测物的厚度、被测液面高度和它的介电常数； 。l、b、ax固定极板长、宽及被测物进入两极板中的长度（被测值）； 。r1、r2内、外极筒的工作半径。上述测量方法中，若电极间存在导电介质时，电极表面应涂盖绝缘层（如涂0.1mm厚的聚四氟乙烯等），防止电极间短路。,4.4.5电容传感器测量电路,将电容量转换成电量 (电压或电流)的电路称作电容式传感器的转换电路，它们的种类
30、很多，目前较常采用的有电桥电路、谐振电路、调频电路及运算放大电路等。,(1) 电桥电路,下图所示为电容式传感器的电桥测量电路。电容传感器为电桥的一部分。通常采用电阻、电容或电感、电容组成交流电桥，下图所示为一种由电感、电容组成的电桥。电容变化转换为电桥的电压输出，经放大、相敏检波、滤波后，再推动显示、记录仪器。,(2) 谐振电路,下图所示为谐振式电路的原理框图，电容传感器的电容C3作为谐振回路(L2、C2、C3)调谐电容的一部分。谐振回路通过电感藕合，从稳定的高频振荡器取得振荡电压。当传感器电容发生变化时，使得谐振回路的阻抗发生相应的变化，而这个变化被转换为电压或电流，再经过放大、检波即可得到
31、相应的输出。,为了获得较好的线性关系，一般谐振电路的工作点选在谐振曲线的线性区域内最大振幅70%附近的地方，且工作范围选在BC段内。这种电路的优点是比较灵活；缺点是工作点不易选好，变化范围也较窄，传感器连接电缆的杂散电容对电路的影响较大，同时为了提高测量精度，要求振荡器的频率具有很高的稳定性。,(3)调频电路,传感器的电容器作为振荡器谐振回路的一部分，当输入量使电容量发生变化时，振荡器的振荡频率将发生变化，频率的变化经过鉴频器转换为电压的变化，经过放大处理后输入显示或记录等仪器,(4) 运算放大器电路,前面已经叙述到，变极距型电容式传感器的极距变化与电容变化量成非线性关系。这一缺点使电容式传感
32、器的应用受到了一定的限制。采用比例运算放大器电路，可以使输出电压与位移的关系转换为线性关系。如下图所示，反馈回路中的Cx为极距变化型电容式传感器的输入电路，采用固定电容C0，u0为稳定的工作电压。由于放大器的高输入阻抗和高增益特性，比例器的运算关系为,由上式可知，输出电压与电容传感器的间隙成线性关系。,4.5 压电式传感器,学习要求,完成本节内容的学习后应能做到： 1.掌握压电式传感器的工作原理 2.了解压电式传感器的等效电路 3.了解压电式传感器的测量电路,压电式传感器是一种可逆型换能器，它既可以将机械能转换为电能，又可以将电能转化为机械能。它的工作原理是基于某些物质的压电效应。,4.5.1
33、 压电效应,某些物质(物体)，如石英、铁酸钡等，当受到外力作用时，不仅几何尺寸会发生变化，而且内部也会被极化，表面会产生电荷；当外力去掉时，又重新回到原来的状态，这种现象称为压电效应。相反，如果将这些物质 (物体)置于电场中，其几何尺寸也会发生变化，这种由外电场作用导致物质 (物体）产生机械变形的现象，称为逆压电效应或电致伸缩效应。具有压电效应的物质(物体)称为压电材料(或称为压电元件)。,常见的压电材料可分为两类，即压电单晶体和多晶体压电陶瓷。,压电单晶体有石英(包括天然石英和人造石英)、水溶性压电晶体(包括酒石酸钾钠、酒石酸乙烯二铵、酒石酸二钾、硫酸锤等)；多晶体压电陶瓷有钛酸钡压电陶瓷、
34、锆钛酸铅系压电陶瓷、铌酸盐系压电陶瓷和铌镁酸铅压电陶瓷等。下图所示为天然石英晶体，其结构形状为一个六角形晶柱，两端为一对称棱锥。在晶体学中，可以把将其用三根互相垂直的轴表示，其中，纵轴Z称为光轴，通过六棱线而垂直于光铀的X铀称为电轴，与X-X轴和Z-Z轴垂直的Y-Y轴 (垂直于六棱柱体的棱面)称为机械轴。,如果从石英晶体中切下一个平行六面体(如下图所示）并使其晶面分别平行于Z-Z、Y-Y、X-X轴线。晶片在正常情况下呈现电性，若对其施力，则有几种不同的效应。通常把沿电轴(X轴)方向的作用力(一般利用压力)产生的压电效应称为“纵向压电效应”，把沿机械轴(Y轴)方向的作用力产生的压电效应称为“横向
35、压电效应”，沿光轴(Z轴)方向的作用力不产生压电效应。沿相对两棱加力时，则产生切向效应。压电式传感器主要是利用纵向压电效应。,4.5.2 压电式传感器及其等效电路,最简单的压电式传感器的工作原理如图所示。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。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。,如果施加于压电晶片的外力不变，积聚在极板上的电荷又无泄漏，那么在外力继续作用时，电荷量将保持不变。这时在极板上积聚的电荷与力的关系为 q=DF,式中q为电荷量； 。F为作用力，N
36、； 。D为压电常数，C/N，与材质及切片的方向有关。,值得注意的是：,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。,在实际应用中，由于单片的输出电荷很小，因此，组成压电式传感器的晶片不止一片，常常将两片或两片以上的晶片粘结在一起。粘结的方法有两种，即并联和串联。,并联方法两片压电晶片的负电荷集中在中间电极上，正电荷集中在两侧的电极上，传感器的电容量大、输出电荷量大、时间常数也大，故这种传感器适用于测量缓变信号及电荷量输出信号。串联方
37、法正电荷集中于上极板，负电荷集中于下极板，传感器本身的电容量小、响应快、输出电压大，故这种传感器适用于测量以电压作输出的信号和频率较高的信号。,4.5.3 压电式传感器测量电路,由于压电式传感器的输出电信号很微弱，通常先把传感器信号先输入到高输入阻抗的前置放大器中，经过阻抗交换以后，方可用一般的放大检波电路再将信号输入到指示仪表或记录器中。(其中，测量电路的关键在于高阻抗输入的前置放大器。）,前置放大器的作用有两点：其一是将传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出；其二是放大传感器输出的微弱电信号。 。前置放大器电路有两种形式：一种是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
38、比；另一种是用带电容板反馈的电荷放大器，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。,由于忽略了漏电阻，所以电荷量为,式中ui为放大器输入端电压； 。uo为放大器输出端电压，uo=-kui，k为电荷放大器开环放大倍数； 。ci为放大器输入电容； 。cf为电荷放大器反馈电容。,上式可简化为,如果放大器开环增益足够大，则 kCf(C+Cf)，故固上式可简化为,ey-q/Cf,上式表明，在一定情况下，电荷放大器的输出电压与传感器的电荷量成正此，并且与电缆分布电容无关。因此，采用电荷放大器时，即使连接电缆长度在百米以上，其灵敏度
39、也无明显变化，这是电荷放大器的突出优点。,4.6 磁电式传感器,完成本节内容的学习后应能做到： 1.了解磁电式传感器变换原理 2.了解动圈式传感器的基本结构和工作原理 3.了解磁阻式传感器的基本结构和工作原理,学习要求,4.6.1 磁电式传感器变换原理,磁感应电式传感器简称感应式传感器，也称电动式传感器。它把被测物理量的变化转变为感应电动势，是一种机-电能量变换型传感器，不需要外部供电电源，电路简单，性能稳定，输出阻抗小，又具有一定的频率响应范围(一般为101000Hz)，适用于振动、转速、扭矩等测量。但这种传感器的尺寸和重量都较大。,根据法拉第电磁感应定律，N匝线圈在磁场中运动切割磁力线或线
40、圈所在磁场的磁通变化时，线圈中所产生的感应电动势e的大小决定于穿过线圈的磁通量的变化率，即,磁通变化率与磁场强度、磁路磁阻、线圈的运动速度有关，故若改变其中一个因素，都会改变线圈的感应电动势。,按工作原理不同，磁电感应式传感器可分为恒定磁通式和变磁通式，即动圈式传感器和磁阻式传感器。,4.6.2 动圈式传感器,工作原理,当线圈在垂直于磁场方向作直线运动或旋转运动时，若以线圈相对磁场运动的速度v或角速度表示，则所产生的感应电动势e为式中l每匝线圈的平均长度； 。B线圈所在磁场的磁感应强度； 。S每匝线圈的平均截面积 。,在传感器中当结构参数确定后，B、l、N、S均为定值，感应电动势e与线圈相对磁
41、场的运动速度(v或)成正比，所以这类传感器的基本形式是速度传感器，能直接测量线速度或角速度。如果在其测量电路中接入积分电路或微分电路，那么还可以用来测量位移或加速度。但由上述工作原理可知，磁电感应式传感器只适用于动态测量。,动圈式磁电传感器等效电路如下图所示，其等效电路的输出电压,式中e0为发电线圈感应电动势； 。R0为线圈电阻，一般R0=0.13K； 。RL为负载电阻（放大器输入电阻）； 。Cc为电缆导线的分布电容，一般Cc=70pF/m； 。Rc为电缆导线电阻，一般Rc=0.03/m。,在不使用特别加长电缆时，Cc可忽略，因此，当RLR0时，则放大器输入电压eLe0。感应电动式经放大、检波
42、后，即可推动指示仪表。,4.6.3 磁阻式传感器,磁阻式传感器又称为变磁通式传感器或变气隙式传感器，常用来测量旋转物体的角速度。其结构原理如下图所示。,图a为开路变磁通式传感器，线圈和磁铁静止不动，测量齿轮由导磁材料制成，安装在被测旋转体上，随之一起转动，每转过一个齿，传感器磁路磁阻变化一次，线圈产生的感应电动势的变化频率等于测量齿轮上齿轮的齿数和转速的乘积。,图b为闭合磁路变磁通式传感器结构示意图，被测转轴带动椭圆形测量齿轮在磁场气隙中等速转动，使气隙平均长度周期性变化，因而磁路磁阻也周期性变化，磁通同样周期性变化，则在线圈中产生感应电动势，其频率f与测量齿轮转速n(r/min)成正比，即f
43、=n/60。变磁通式传感器对环境条件要求不高，能在-15090的温度下工作，也能在油、水雾、灰尘等条件下工作。但它的工作频率下限较高，约为50Hz，上限可达100Hz。,4.7 半导体元件传感器,完成本节内容的学习后应能做到： 1.了解磁电转换元件传感器的工作原理 2.了解光电转换元件传感器的工作原理 3.了解热敏电阻传感器的工作原理 4.了解气敏电阻传感器的工作原理,学习要求,4.7.1 磁电转换元件传感器,霍尔传感器也是一种磁电式传感器。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。由于霍尔元件在静止状态下，具有感受磁场的独特能力，并且具有结构简单、体积小、噪声小
44、、频率范围宽(从直流到微波)、动态范围大(输出电势变化范围可达1000:1)、寿命长等特点，因此获得了广泛应用。例如，在测量技术中用于将位移、力、加速度等量转换为电量的传感器；在计算技术中用于作加、减、乘、除、开方、乘方以及微积分等运算的运算器等。,(1) 霍尔效应,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。,假设薄片为N型半导体，磁感应强度为B的磁场方向垂直于薄片，如上图所示，在薄片左右两端通以控制电流I，那么半导体中的载流子(电子)将沿着于电流I相反的方向运动。由于外磁场B的作用，使电子受到磁场力FL(洛仑兹力)而发生偏转
45、，结果在半导体的后端面上电子积累带负电，而前端面缺少电子带正电，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和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)建立电场，称为霍尔电场EH，相应的电势称为霍尔电势UH。,(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型半导体材料。霍尔元件越薄(d越小)，kH就越大，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，如图所示。,霍尔片是一块半导体单晶薄片(一般为4mm2mm0.1mm)，在它的长度方向两端面上焊有a、b两根引线，称为控制电流端
46、引线，通常用红色导线，其焊接处称为控制电极；在它的另两侧端面的中间以点的形式对称地焊有c、d两根霍尔输出引线，通常用绿色导线，其焊接处称为霍尔电极。霍尔元件的壳体是用非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装。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。,(3) 应用举例,将霍尔元件置于磁场中，左半部磁场方向向上，右半部磁场方向向下，从 a端通人电流I，根据霍尔效应，左半部产生霍尔电势VH1，右半部产生露尔电势VH2，其方向相反。因此，c、d两端电势为VH1VH2。如果霍尔元件在初始位置时VH1=VH2，则输出为零；当改变磁极系统与霍尔元件的相对位
47、置时，即可得到输出电压，其大小正比于位移量。,4.7.2 光电转换元件传感器,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。,(1) 光电效应及分类,(2) 外光电效应,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。根据爱因斯坦的假设,一个光子的能量只给一个电子,因此,如果要使一个电子从物质表面逸出,光子具有的能量E必须大于该物质表面的逸出功A0,这时逸出表面的电子就具有动能Ek,
48、Ek与光的频率有关，频率高则动能大。由于不同材料具有不同的逸出功,因此对某种材料而言便有一个频率限，当入射光的频率低于此频率限时，不论光强多大，也不能激发出电子；反之，当入射光的频率高于此极限频率时，即使光线微弱也会有光电子发射出来，这个频率限称为“红限频率”，其波长为:,，,其中，c为光在空气中的速度，k为波长，k=c/。该波长称为临界波长。基于外光电效应的光电器件属于光电发射型器件,有光电管、光电倍增管等。,K为光电阴极,A为光电阳极,在二者之间又加入D1、D2、D3，等若干个光电倍增极(又称二次发射极),这些倍增极涂有Sb-Cs或Ag-Mg等光敏物质。在工作时,这些电极的电位是逐级增高的,当光线照射到光电阴极后,它产生的光电子受第一级倍增极D1正电位作用,加速并打在这个倍增极上,产生二次发射；由第一倍增极D1产生的二次发射电子,在更高电位的D2极作用下,又将加速入射到电极D2上,在D2极上又将产生二次发射这样逐级前进,一直到达阳极A为止。由上述的工作过程可见,光电流是逐级递增的,因此光电倍增管具有很高的灵敏度。,(3) 内光电效应,。 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两种：光电导效应和光生伏特效应。,
