第八章 电容传感器((河南理工大学)).ppt

1 第八章电容传感器 主要内容 8 1电容传感器原理与类型8 2电容传感器测量电路8 3电容传感器的应用 2 电容式传感器的特点特点 电容器容量小 几十 几百微法 具有高输出阻抗 静电引力小 极板间 无振动 功耗小 本身发热影响小 可以进行非接触测量 使用方便 概述 3 8 1电容传感器工作原理和类型 电容式传感器是将被测非电量转换成电容量的一种传感器 电容传感器工作原理可以用平板电容说明 改变下述三个参数之一即可改变电容S 极板面积 变面积型传感器 极板距离 变极距型传感器 介电常数 变介质型传感器 真空介电常数 相对介电常数 空气介质 r 1 4 变极距型传感器 1 静极板 2 动极板 3 静极板 5 变面积型传感器 1 2 为极板 6 变介质型传感器 7 8 2信号转换电路1 电容传感器的等效电路 电容式传感器被当作纯电容来看待 但是在高温 高湿度和高频激励条件下 则需考虑附加损耗及电感效应等因素的影响 C为传感器的电容 RP为并联损耗电阻 RS为串联损耗电阻 L为电感 CP为寄生电容 8 2 电桥转换电路 由电容转换元件组成的变压器式交流电桥测量系统 单臂时 传感器C邻臂接一个固定电容C0与之相匹配 半桥 C1 C2组成电桥的两个桥臂交流电桥的输出电压为 输出电压与电容的关系 9 极板在中间位置时 动片上移时电容变化 输出电压为 同理 动片下移时 输出电压为 即 输出电压与位移成线性关系 10 11 如果传感器是一只平板电容 则Cx S d 可得 12 4 C f转换电路 电容式传感器与L组成并联谐振电路 当cx发生变化时 振荡器的频率f发生变化 经限幅 鉴相 放大等环节后 输出信号的频率随cx的变化而变化 13 5 脉冲宽度调制电路 组成 1 比较器 2 双稳态触发器 3 充放电回路 4 低通滤波电路 14 当C1 C2时 uA uB波形宽度相等 则电压uAB为正负半波对称 输出电压uO为0 当C1 C2时 uA uB波形宽度不相等 则电压uAB为正负半波不对称 输出电压uO不为0 15 8 3电容式传感器的应用 电容器的容量受三个因素影响 即 极距x 相对面积A和极间介电常数 固定其中两个变量 电容量C就是另一个变量的一元函数 只要想办法将被测非电量转换成极距或者面积 介电常数的变化 就可以通过测量电容量这个电参数来达到非电量电测的目的 16 一 湿敏电容传感器 结构特点 1 电容传感器的介质采用具有吸湿性强的绝缘材料 2 电极为多孔电极 工作原理 当相对湿度增大时 吸湿性介质吸收空气中的水蒸气 使两块电极之间的介质相对介电常数增加 所以电容量增大 17 湿敏电容外形 吸水高分子薄膜 18 湿敏电容传感器的安装使用 在野外的使用 带报警器的家庭使用型 19 二 电容式接近开关 被检测物体可以是导电体 介质损耗较大的绝缘体 含水的物体 例如饲料 人体等 可以是接地的 也可以是不接地的 调节接近开关尾部的灵敏度调节电位器 可以根据被测物不同来改变动作距离 20 电容式接近开关在物位测量控制中的使用 21 三 电容式差压变送器 高压侧进气口 低压侧进气口 电子线路位置 内部不锈钢膜片的位置 22 结构 金属弹性膜片 动片 两个玻璃球面上镀有金属 定片 并引出电极 膜片左右两侧充满硅油 电容式压力传感器 工作过程 当两室分别承受低压 PL 和高压 PH 时 硅油能将压差传递到测量膜片 使膜片变形 根据压力PH和PL的不同 变形情况不同 23 1 当PH PL时 膜片不变形 膜片处于中间位置 C1 C2 2 PH PL时 膜片PL向右弯曲 C1C2 将这种电容变化通过电路转换为电压输出 24 带材是电容的动极板 总电容C1 C2作为桥臂 带材只是上下波动时Cx C1 C2总的电容量不变 电桥输出为0 带材的厚度变化使电容Cx变化 变压器式电桥输出电压不为0 电桥输出电压为 四 板材厚度测试 h 板材厚度 25 本章小结 1 电容式传感器的基本原理 2 电容式传感器的基本形式 1 变间隙 变极距 2 变面积 3 变介质 3电容式传感器的信号转换电路 1 桥式转换电路 2 运算放大电路 3 C f转换电路 4 脉宽调制电路 26 第九章磁电式传感器 主要内容 9 1磁电感应式传感器9 2霍尔式传感器9 3磁电式传感器的应用 27 9 1磁电感应式传感器 9 1 1工作原理 根据电磁感应定律 穿过N匝线圈的磁通发生变化时 线圈产生感应电势 其大小为 式中 B磁感应强度 N线圈匝数 L每匝线圈长度 V运动速度 N匝线圈作切割磁力线运动时 线圈中也产生感应电势 其大小为 28 根据以上原理有两种磁电感应式传感器 恒磁通式 磁路系统恒定磁场 永久磁场 线圈是运动部件 变磁通式 线圈 磁铁静止不动 转动物体引起磁阻 磁通变化 29 线圈 磁铁静止不动 测量齿轮在转动 这种传感器结构简单 但输出信号较小 且转速高时 测量误差大 变磁通式1 开磁路 30 它由装在转轴上的内齿轮和外齿轮 永久磁铁和感应线圈组成 内外齿轮齿数相同 外齿轮6不动 内齿轮5随被测轴而转动 变磁通式2 闭磁路 31 磁路系统产生恒定的直流磁场 磁路中的工作气隙固定不变 因而气隙中磁通也是恒定不变的 其运动部件可以是线圈 动圈式 恒磁通式 32 9 1 2磁电感应传感器的结构及测量电路 一 传感器的结构 1 磁路系统 它产生一个恒定直流磁场 为了减小传感器体积 一般都采用永久磁铁 2 线圈 它在变化磁通作用下产生感应电动势 3 运动机构 它使线圈与磁场产生相对运动 使线圈运动的称为动圈式 使磁铁运动的称为动铁式 33 动圈型 永久磁铁与壳固定 1 骨架 2 弹片 3 线圈 4 磁铁 5 壳体 动钢型 线圈与壳体固定 34 二 信号输出测量电路 直接输出电动势测量速度 接入积分电路测量位移 接入微分电路测量加速度 35 9 2霍尔式传感器 概述 霍尔传感器属于磁敏元件 它是基于磁电转换原理而工作的 磁敏传感器是把磁物理量转换成电信号 特点 结构简单 体积小 动态特性好 寿命长 36 9 2 1霍尔效应 1878年美国物理学家霍尔首先发现金属中的霍尔效应 因为太弱没有得到应用 随着半导体技术的发展 人们发现半导体材料的霍尔效应非常明显 并且体积小有利于集成化 霍尔效应 若在某导体薄片的两端通过电流I 并在薄片的垂直方向上施加磁感应强度为B的磁场 则在垂直于电流和磁场方向的平面上产生电动势 称为霍尔电势或霍尔电压 这种现象称为霍尔效应 37 霍尔效应演示 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 在半导体薄片的内侧面与外侧面形成电荷的积累 形成电势 建立电场 38 在磁场作用下导体中的自由电子受到洛仑兹力的作用 被推向导体的另一侧 每个电子受力的大小为 同时 电子还受到霍尔电场的作用 作用力的大小为 霍尔电场 当两作用力相等时电荷不再向两边积累达到动态平衡 39 霍尔电势 通过 半 导体薄片的电流密度为 nev其中 n 载流子浓度 则电流I可表示为I n e v b d 其中 RH 霍尔常数 与材料有关 KH 灵敏度 与薄片厚度有关 霍尔灵敏度 即 40 磁场不垂直于霍尔元件时的霍尔电动势 若磁感应强度B不垂直于霍尔元件 而是与其平面的法线成某一角度 时 实际上作用于霍尔元件上的有效磁感应强度是其法线方向 与薄片垂直的方向 的分量 即Bcos 这时的霍尔电势为UH KHIBcos 41 讨论 任何材料在一定条件下都能产生霍尔电势 但不是都可以制造霍尔元件 绝缘材料电阻率 很大 电子迁移率 很小 不适用 金属材料电子浓度n很高 RH很小 UH很小 半导体材料电阻率 较大RH大 非常适于做霍尔元件 半导体中电子迁移率一般大于空穴的迁移率 所以霍尔元件多采用N型半导体 多电子 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 d 1 m 42 9 2 2霍尔元件的基本结构与基本测量电路 1 霍尔元件基本结构 霍尔元件的结构很简单 它是由霍尔薄片 四根引线和壳体组成的 43 国产霍尔元件别号的命名方法如下 常见的国产霍尔元件型号有HZ 1 HZ 2 HZ 3 HT 1 HT 2 HS 1等 44 2 霍尔传感器基本电路 霍尔晶体的外形为矩形薄片加四根引线 两端加激励 另两端为输出 RL为负载电阻 电源E通过R控制激励电流I B磁场与元件面垂直 向里 实际应用时 可把I B作输入 也可把I或B单独做输入 通过霍尔电势输出得到结果 输出Uo与I或B成正比关系 或与I B成正比关系 45 霍尔元件的转换效率较低 实际应用中 为了获得较大的霍尔电压 可将几个霍尔元件的输出串联起来 霍尔元件的连接 激励电流极应该是并联的 输出是串联的 输出电压增大 46 9 2 3霍尔元件的主要技术参数 1 额定激励电流和最大允许激励电流当霍尔元件自身温升10 时所流过的激励电流称为额定激励电流 当元件在允许最大温升时所对应的激励电流称为最大允许激励电流 因霍尔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 改善霍尔元件的散热条件 可以使激励电流增加 47 2 输入电阻和输出电阻激励电极间的电阻值称为输入电阻 霍尔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 通常输入电阻和输出电阻是在磁感应强度为零 且环境温度在20 5 时所确定的 48 3 不等位电势和不等位电阻当霍尔元件的激励电流为I时 若元件所处位置磁感应强度为零 则它的霍尔电势应该为零 但实际不为零 这时测得的空载霍尔电势称为不等位电势 不等位电阻为 R0 U0 IH产生不等位电势的原因有 霍尔电极安装位置不对称 造成两电极不在同一等电位面上 49 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 相当于霍尔电极不在同一等电位面 激励电极接触不良造成激励电流不均匀分布等 50 4 寄生直流电势在外加磁场为零 霍尔元件用交流激励时 霍尔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 其产生的原因 激励电极与霍尔电极接触不良 造成整流效果 两个霍尔电极大小不对称 则两个电极的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 它是影响霍尔片温漂的原因之一 51 9 2 4测量误差及误差的补偿 1 霍尔元件不等位电势补偿 不等位电势有时与霍尔电势具有相同的数量级 甚至超过霍尔电势 减小不等位电势的有效方法是补偿法 分析不等位电势时 可以把霍尔元件等效为一个电桥 用分析电桥平衡来补偿不等位电势 52 补偿电路 不等位电压相当于桥路初始有不平衡输出U0 0 可在电阻大的桥臂上并联电阻进行补偿 53 2 温度补偿 霍尔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 霍尔元件的载流子浓度 电阻率及霍尔系数都将发生变化 从而使霍尔元件产生温度误差 减小霍尔元件的温度误差的方法 1 选用温度系数小的元件 2 采用恒温措施 3 采用恒流源供电 4 温度补偿 54 霍尔元件的灵敏系数KH也是温度的函数 它随温度变化将引起霍尔电势的变化 霍尔元件的灵敏度系数与温度的关系可写成 KH KH0 1 T 大多数霍尔元件的温度系数 是正值 它们的霍尔电势随温度升高而大 如果在温度升高的同时让激励电流Is相应地减小 并能保持KH Is乘积不变 也就抵消了灵敏系数KH增加的影响 55 Is 为恒流源 Rp 分流电阻 补偿电阻 负温度系数 当霍尔元件的输入电阻随温度升高而增大 则UH升高 但Rp变小 分流IP自动地增大 减小了霍尔元件的激励电流IH 不让UH升高 从而达到补偿的目的 补偿原理图 56 霍尔集成电路可分为线性型和开关型两大类 1 线性型集成电路组成 霍尔元件 恒流源 线性差动放大器 将这三部分集成在一个芯片上 输出电压为伏级 比直接使用霍尔元件方便得多 较典型的线性型霍尔器件如UGN3501等 线性型三端霍尔集成电路 9 2 5霍尔集成传感器 57 线性型霍尔特性 当磁场为零时 它的输出电压等于零 当感受的磁场为正向 磁钢的S极对准霍尔器件的正面 时 输出为正 磁场反向时 输出为负 线性范围 58 开关型霍尔集成电路 组成 霍尔元件 稳压电路 放大器 施密特触发器 OC门 集电极开路输出门 当外加磁场强度超过规定的工作点时 OC门由高阻态变为导通状态 输出变为低电平 当外加磁场强度低于释放点时 OC门重新变为高阻态 输出高电平 较典型的开关型霍尔器件如UGN3020等 59 开关型霍尔集成电路的外形及内部电路 OC门 施密特触发电路 双端输入 单端输出运放 霍尔元件 Vcc 60 开关型霍尔集成电路的史密特输出特性 回差越大 抗干扰能力就越强 61 9 2 6霍尔传感器的应用 霍尔电势是关于I B 三个变量的函数 即EH KHIBcos 利用这个关系可以使其中两个量不变 将第三个量作为变量 或者固定其中一个量 其余两个量都作为变量 这使得霍尔传感器有许多用途 62 霍尔传感器用于测量磁场强度 霍尔元件 测量铁心气隙的B值 63 霍尔转速表原理 当齿对准霍尔元件时 磁力线集中穿过霍尔元件 可产生较大的霍尔电动势 放大 整形后输出高电平 反之 当齿轮的空挡对准霍尔元件时 输出为低电平 64 霍尔式接近开关 当磁铁的有效磁极接近 并达到动作距离时 霍尔式接近开关动作 霍尔接近开关一般还配一块钕铁硼磁铁 65 霍尔式接近开关用于转速测量演示 n 60 f 4 r min 软铁分流翼片 开关型霍尔IC T 66 霍尔电流传感器 将被测电流的导线穿过霍尔电流传感器的检测孔 当有电流通过导线时 在导线周围将产生磁场 磁力线集中在铁心内 并在铁心的缺口处穿过霍尔元件 从而产生与电流成正比的霍尔电压 67 霍尔电流传感器演示 铁心 线性霍尔IC EH KHIB I 所实现的多媒体界面 I 68 本章小结 1 磁电感应式传感器感应电势 线圈运动 2 磁电感应式传感器的类型 1 磁电感应式传感器 3 磁电感应式传感器的结构磁路系统 线圈 运动机构 磁通变化 恒磁通式变磁通式 69 4 磁电感应式传感器测量电路直接电动势输出 测量速度 经积分电路输出 测量位移 经微分电路输出 测量加速度 70 1 霍尔电势 2 霍尔系数 3 霍尔灵敏度 2 霍尔传感器 4 霍尔传感器的参数 电子迁移率 71 第十章光电传感器 主要内容 10 1光电效应10 2光电器件10 3光纤传感器10 4CCD图像传感器10 5光栅式传感器 72 概述 一 光的分类 根据波长分类 红620nm 760nm橙592nm 620nm黄578nm 592nm绿500nm 578nm青464nm 500nm蓝446nm 464nm紫400nm 446nm 可见光 红外光 近红外中红外远红外 73 光具有反射 折射 散射 衍射 干涉和吸收等性质 二 光的基本性质 光衍射 光在传播路径中 遇到障碍物 不透明或透明 绕过障碍物 产生偏离直线传播的现象称为光的衍射 光干涉 多列 两列或两列以上 光波在空间相遇时相互迭加 在某些区域始终加强 在另一些区域则始终削弱 形成稳定的强弱分布的现象 条件 频率相同 振动方向相同以及有恒定的相位差 74 h 普朗克常数 6 626 10 34J s 光的频率 单位s 1 可见 光的频率愈高 即波长愈短 光子的能量愈大 三 光子能量 光是以光速运动着的粒子 光子 流 一束频率为 的光由能量相同的光子所组成 每个光子的能量为 75 四 光源 发光器件 1 白炽光源 用钨丝通电加热作为光辐射源 发光范围 可见光 大量红外线和紫外线 特点 寿命短而且发热大 效率低 动态特性差 76 2 荧光灯 主导商业和工业照明 通过设计的革新 荧光粉的发展 及电子控制线路的应用 荧光灯的性能不断提高 带一体化电路的紧凑型荧光灯的引入 拓宽了荧光灯的应用 包括家居的应用 这种灯替代白炽灯 将节能75 寿命提高8 10倍 波长为750 310nm 缺少红光 故合成后略带青色或呈青白色 77 3 发光二极管 LED LightEmittingDiode 由半导体PN结构成 其工作电压低 响应速度快 寿命长 体积小 重量轻 因此获得了广泛的应用 LED发光原理 由于空穴和电子的扩散 在PN结处形成势垒 从而抑制了空穴和电子的继续扩散 当PN结上加有正向电压时 势垒降低 电子由N区注入到P区 空穴则由P区注入到N区 所注入到P区里的电子和P区里的空穴复合 注入到N区里的空穴和N区里的电子复合 这种复合同时伴随着以光子形式放出能量 因而有发光现象 78 4 激光器激光是20世纪60年代出现的最重大科技成就之一 具有高方向性 高单色性和高亮度三个重要特性 激光器种类繁多 按工作物质分类 固体激光器 如红宝石激光器 气体激光器 如氦 氖气体激光器 二氧化碳激光器 半导体激光器 如砷化镓激光器 液体激光器 79 五 光电传感器将被测量的变化通过光信号变化转换成电信号 具有这种功能的材料称为光敏材料 做成的器件称光敏器件 在计算机 自动检测 控制系统应用非常广泛 光敏器件种类很多 如 光电管 光敏二极管 光电倍增管 光敏三极管 光敏电阻 光电池 光电耦合器 光纤等等 80 指纹锁 指纹门禁 光电鼠标 81 82 第一节光电效应 光电效应可分为 外光电效应内光电效应光电导效应光生伏特效应 当光电元件受到光线照射时 光电元件中的电子吸收光子能量 就会产生某些电性能的变化 这种物理现象称为光电效应 83 1 外光电效应 在光线照射下 电子逸出物体表面向外发射称外光电效应 爱因斯坦光电效应方程 能量守恒定律 h 普朗克常数 入射光频率 84 A 电子的逸出功 电子逸出的动能 能量 光照射物体时 物体中电子吸收入射光子的能量E 当物体吸入的能量超出逸出功A时 电子就会逸出物体表面 产生光电子发射 超出的能量就表现在电子逸出的动能上 能否产生光电效应 取决于光子的能量是否大于物体表面的电子逸出功 根据外光电效应 可制成光电器件有光电管 光电倍增管 85 紫外光电管 当入射紫外线照射在紫外光电管阴极板上时 电子克服金属表面对它的束缚而逸出金属表面 形成电子发射 紫外管多用于紫外线测量 火焰监测等 紫外线 86 2 内光电效应 光电导效应 入射光强改变物质导电率 即改变物质电阻 的物理现象称光电导效应 这种效应几乎所有高电阻率半导体都有 由于在入射光作用下电子吸收光子能量 从价带激发到导带成为自由电子 同时价带也形成空穴 使导带电子和价带空穴浓度增大引起电阻率减小 为使电子从价带激发到导带 入射光子的能量E0应大于禁带宽度的能量Eg 基于光电导效应的光电器件有光敏电阻 87 光生伏特效应 物体表面受到光照射时 内部会激发出电子 而这些电子不逸出物体表面 留在物体内部并产生电动势 光生伏特效应 光生伏特效应应用 1 制作光电池 2 光敏二极管 3 光敏三极管 4 半导体敏感器件