安全检测技术3传感器基础PPT课件

1、安全检测技术3传感器基础1物性传感器3.3.4 霍尔传感器安全检测技术3传感器基础半导体薄片置于磁场中，当它的电流方向与磁场方向半导体薄片置于磁场中，当它的电流方向与磁场方向不一致时，半导体薄片上平行于电流和磁场方向的两不一致时，半导体薄片上平行于电流和磁场方向的两个面之间产生电动势，这种现象称个面之间产生电动势，这种现象称霍尔效应霍尔效应。 产生的电动势称产生的电动势称霍尔电势霍尔电势 半导体薄片称半导体薄片称霍尔元件霍尔元件安全检测技术3传感器基础BqfL载流子受洛仑兹力载流子受洛仑兹力 bUEHH霍尔电场强度霍尔电场强度HEqEf q为电子电量1.602*10-19Cv电子迁移速度安全检

2、测技术3传感器基础BvqqEH平衡状态平衡状态 BvEHbdvnqI 假定流过基片的电流均匀，n为半导体载流子浓度（单位体积电子数）霍尔电势与场强霍尔电势与场强电子受到的电场力电子受到的电场力BbUHHHbEUdBIRnqdBIUHH代人上式得RH=1/nq 称为霍尔系（常）数令令KH=RH/d 则则UH=KHIB, 比例系数比例系数KH称为称为霍尔元件灵敏系数霍尔元件灵敏系数。 霍尔电势与霍尔电势与I、B成正比，且受薄片厚度、半导体电子浓度影响成正比，且受薄片厚度、半导体电子浓度影响 随随I,B而改变方向而改变方向安全检测技术3传感器基础霍尔常数霍尔常数 nqRH1 霍尔常数大小取决于导体的

3、载流子密度：霍尔常数大小取决于导体的载流子密度：金属的自由电子密度太大，因而霍尔常数小，霍尔电势也小，金属的自由电子密度太大，因而霍尔常数小，霍尔电势也小，所以金属材料不宜制作霍尔元件。所以金属材料不宜制作霍尔元件。 霍尔电势与导体厚度霍尔电势与导体厚度d成反比：成反比：为了提高霍尔电势值，为了提高霍尔电势值， 霍尔元件制成薄片形状。霍尔元件制成薄片形状。 半导体中电子迁移率（电子定向运动平均速度）比空穴迁移率高，半导体中电子迁移率（电子定向运动平均速度）比空穴迁移率高，因此因此N型半导体型半导体较适合于制造灵敏度高的霍尔元件，较适合于制造灵敏度高的霍尔元件， 安全检测技术3传感器基础当当磁场

4、和环境温度一定磁场和环境温度一定时时: 霍尔电势与控制电流霍尔电势与控制电流I成正比，可测电流或能转换成电流的成正比，可测电流或能转换成电流的非电量非电量当当控制电流和环境温度一定控制电流和环境温度一定时时: 霍尔电势与磁场的磁感应强度霍尔电势与磁场的磁感应强度B成正比，可测磁场（感应）成正比，可测磁场（感应）强度，并得到电流值，如钳形表，雷电流测量强度，并得到电流值，如钳形表，雷电流测量当当环境温度一定环境温度一定时时: 输出的霍尔电势与输出的霍尔电势与I和和B的乘积成正比，利用这种乘法关系，的乘积成正比，利用这种乘法关系，可制成模拟运算的乘法、开方、平方、除法等运算器。可制成模拟运算的乘法

5、、开方、平方、除法等运算器。测量以上电量时，应在没有外磁场和室温变化条件下进行。测量以上电量时，应在没有外磁场和室温变化条件下进行。BIKUHH安全检测技术3传感器基础霍尔元件霍尔元件 l图（图（a）中，从矩形薄片半导体基）中，从矩形薄片半导体基片上的两个相互垂直方向侧面上，片上的两个相互垂直方向侧面上，引出一对电极，其中引出一对电极，其中1-1电极用于电极用于加控制电流，称控制（激励）电极。加控制电流，称控制（激励）电极。另一对另一对2-2电极用于引出霍尔电势，电极用于引出霍尔电势，称霍尔电势输出极或霍尔电极。在称霍尔电势输出极或霍尔电极。在基片外面用非磁性金属或陶瓷、环基片外面用非磁性金属

6、或陶瓷、环氧树脂等封装作为外壳。氧树脂等封装作为外壳。lN型硅灵敏系数、温度特性线性度型硅灵敏系数、温度特性线性度较好，常用，还有锑（砷）化铟较好，常用，还有锑（砷）化铟l图（图（b）是霍尔元件通用的图形符）是霍尔元件通用的图形符号。号。安全检测技术3传感器基础霍尔元件霍尔元件 l图（图（c）所示，霍尔电极在基）所示，霍尔电极在基片上的位置及它的宽度对霍尔片上的位置及它的宽度对霍尔电势数值影响很大。通常霍尔电势数值影响很大。通常霍尔电极位于基片长度的中间，其电极位于基片长度的中间，其宽度远小于基片的长度。宽度远小于基片的长度。 l图（图（d）是基本测量电路）是基本测量电路 。 安全检测技术3传

7、感器基础优点优点: 结构简单，体积小，重量轻，频带宽，动态特性好和寿结构简单，体积小，重量轻，频带宽，动态特性好和寿命长命长应用：应用：电磁测量电磁测量：测量恒定的或交变的磁感应强度、有：测量恒定的或交变的磁感应强度、有功功率、无功功率、相位、电能等参数；功功率、无功功率、相位、电能等参数；自动检测自动检测系统：多用于位移、压力的测量。系统：多用于位移、压力的测量。安全检测技术3传感器基础l超声波传感器超声波传感器l微波传感器微波传感器l红外探测器红外探测器l射线传感器射线传感器l离子敏传感器离子敏传感器l谐振式传感器谐振式传感器安全检测技术3传感器基础l声波：声波：1620kHz人耳朵能听见

8、的波人耳朵能听见的波l次声波：次声波：20kHz的波，超声波，一般要求功的波，超声波，一般要求功率密度率密度P=发射功率发射功率/发射面积发射面积0.3w/cm0.3w/cm2 2l传感器原理：一般有发射和接收两只探头，发传感器原理：一般有发射和接收两只探头，发射探头发出的超声脉冲波在介质中传播到相界射探头发出的超声脉冲波在介质中传播到相界面经过反射后，再返回到接收探头，从而测出面经过反射后，再返回到接收探头，从而测出距离。距离。安全检测技术3传感器基础l发射探头：利用压电材料（压电晶体，陶瓷）的逆压发射探头：利用压电材料（压电晶体，陶瓷）的逆压电效应将高频电振动转换成高频机械振动，以产生超电

9、效应将高频电振动转换成高频机械振动，以产生超声波；声波；l接收探头：利用正压电效应将接收的的超声振动转换接收探头：利用正压电效应将接收的的超声振动转换成电信号。成电信号。超声波传感器又称超声波换能器超声波传感器又称超声波换能器安全检测技术3传感器基础l微波：红外线波长介于可见光和微波之间，微波波长微波：红外线波长介于可见光和微波之间，微波波长1mm1m（300MHz300GHz），是毫米波、厘米波），是毫米波、厘米波和分米波的总称。比无线电波频率高，故称和分米波的总称。比无线电波频率高，故称“超高频超高频电磁波电磁波”l微波特点：能够穿越塑料、陶瓷，被水吸收，遇金属微波特点：能够穿越塑料、陶瓷

10、，被水吸收，遇金属反射反射l传感器原理：也有发射天线和接收天线分为反射式和传感器原理：也有发射天线和接收天线分为反射式和遮断式。遮断式。 反射式：反射式传感器通过检测被测物反射回来的微波功率反射式：反射式传感器通过检测被测物反射回来的微波功率或经过时间间隔，来表达被测物的位置、厚度等参数。或经过时间间隔，来表达被测物的位置、厚度等参数。 遮断式：遮断式传感器通过检测接收天线接收到的微波功率遮断式：遮断式传感器通过检测接收天线接收到的微波功率的大小来判断发射天线与接收天线间有无被测物或被测物的的大小来判断发射天线与接收天线间有无被测物或被测物的位置等参数。位置等参数。安全检测技术3传感器基础l红

11、外线：波长在红外线：波长在770纳米至纳米至1毫米之间，在光谱毫米之间，在光谱上位于红色光外侧。具有很强上位于红色光外侧。具有很强热效应热效应，并易于，并易于被物体吸收，通常被作为热源。透过云雾能力被物体吸收，通常被作为热源。透过云雾能力比可见光强。比可见光强。l结构：由光学系统、敏感元件、前置放大器和结构：由光学系统、敏感元件、前置放大器和信号调制器组成。信号调制器组成。l类型：反射式红外探测器和投射式红外探测器类型：反射式红外探测器和投射式红外探测器 安全检测技术3传感器基础l它由凹面玻璃反射镜组成，其表面镀金、铝和镍铬等它由凹面玻璃反射镜组成，其表面镀金、铝和镍铬等红外波段反射率很高的材

12、料构成反射式光学系统。红外波段反射率很高的材料构成反射式光学系统。l为了减小像差或使用上的方便，常另加一片次镜，使为了减小像差或使用上的方便，常另加一片次镜，使目标辐射经两次反射聚集到敏感元件上，敏感元件与目标辐射经两次反射聚集到敏感元件上，敏感元件与镜组合一体，前置放大器接收热电转换后的电信号，镜组合一体，前置放大器接收热电转换后的电信号，并对其进行放大。并对其进行放大。安全检测技术3传感器基础l透射式光学系统的部件用红外光学材料做成，透射式光学系统的部件用红外光学材料做成，应根据波长选用红外光学材料：应根据波长选用红外光学材料： 700C以上高温时，波长以上高温时，波长0.753m范围近红

13、外光，范围近红外光， 100700一般用一般用35 m的中红外光，的中红外光， 100以下用波长为以下用波长为514 m的中远红外光。的中远红外光。获取透射红外光的光学材料一般比较困难，反射式获取透射红外光的光学材料一般比较困难，反射式光学系统光学系统 较常用。较常用。安全检测技术3传感器基础l由放射源和探测器组成利用射线式传感器进行测由放射源和探测器组成利用射线式传感器进行测量时，都要有发射出量时，都要有发射出或或Y射线的辐射源。射线的辐射源。l射线源：射线源： 选择射线源应尽量提高检测灵敏度和减小统计误差选择射线源应尽量提高检测灵敏度和减小统计误差 较长的半衰期及合适的放射强度，二十种左右

14、较长的半衰期及合适的放射强度，二十种左右l探测器：核辐射的接收器，如电离室、闪烁等计探测器：核辐射的接收器，如电离室、闪烁等计数器数器 辐射源容器辐射源容器安全检测技术3传感器基础l一种对离子具有选择敏感作用的场效应晶体管一种对离子具有选择敏感作用的场效应晶体管（ISFET）l结构结构 离子选择性电极（离子选择性电极（ISE）+金属氧化物半导体场效应金属氧化物半导体场效应晶体管（晶体管（MOSFET）构成简称）构成简称ISFET管管l原理：将原理：将ISFET插入溶液时，在被测溶液与敏插入溶液时，在被测溶液与敏感膜接触处会产生一定的界面电势，大小取决感膜接触处会产生一定的界面电势，大小取决于溶

15、液浓度于溶液浓度安全检测技术3传感器基础l能将被测量转换为频率信号，容易数字化，具能将被测量转换为频率信号，容易数字化，具备数字信号的优点：备数字信号的优点： 测量精度和分辨力比模拟式的要高测量精度和分辨力比模拟式的要高 抗干扰性和稳定性好；抗干扰性和稳定性好； 便于传输、处理和存储；便于传输、处理和存储； 易于实现多路检测。易于实现多路检测。l 谐振式传感器原理分为：电的、机械的和原谐振式传感器原理分为：电的、机械的和原子的三类。子的三类。安全检测技术3传感器基础振弦固定在上、下夹块之间，是传感器的敏感元件，对传感器的精度、灵敏度、稳定性很重要。振弦材料要抗拉强度高、弹性模量大、磁性和导电性

16、能好、线膨胀系数小，一般采用含碳量高的含钨、含钛的材料制造。振弦的中部固定着软铁块、永久磁铁和线圈，构成弦的激励器，同时兼作弦的拾振器。磁力线的通路是磁铁一软铁块一振弦一磁铁，形成封闭磁回路。下夹块和膜片相连，感受被测压力P。安全检测技术3传感器基础l原理：以被拉紧了的钢弦作为敏感元件，其振原理：以被拉紧了的钢弦作为敏感元件，其振动频率与拉紧力的大小、弦的长度有关。当振动频率与拉紧力的大小、弦的长度有关。当振弦的长度确定后，弦振动频率的变化量便表示弦的长度确定后，弦振动频率的变化量便表示拉力的大小，且输入是力，输出是频率。拉力的大小，且输入是力，输出是频率。l特点：结构简单牢固、测量范围大、灵

17、敏度高、特点：结构简单牢固、测量范围大、灵敏度高、测量线路简单，广泛用于大压力的测试，也可测量线路简单，广泛用于大压力的测试，也可用来测量位移、扭矩、力和加速度等。其缺点用来测量位移、扭矩、力和加速度等。其缺点是：对传感器材料和加工工艺要求很高，而传是：对传感器材料和加工工艺要求很高，而传感器的精度较低，总精度约感器的精度较低，总精度约15。安全检测技术3传感器基础振筒是敏感元件，壁厚为0.070.12 mm，其一端固定，另一端密封可以自由运动。圆筒材料必须是能够构成闭合磁回路的磁性材料，并且弹性温度系数很低(如用合金材料) 。外保护筒用来防止外磁场的干扰并起机械保护作用。振筒和外保护筒之间为

18、真空参考室，作为参考标准。安全检测技术3传感器基础l用振筒的固有振动频率来测量有关参数，其固有用振筒的固有振动频率来测量有关参数，其固有频率取决于筒的形状、大小、材料和筒周围的介频率取决于筒的形状、大小、材料和筒周围的介质等。质等。l应用均匀薄壁圆筒作敏感元件，是年来新技术。应用均匀薄壁圆筒作敏感元件，是年来新技术。l这种传感器的优点是迟滞误差和漂移误差极小、这种传感器的优点是迟滞误差和漂移误差极小、固定性好、分辨率高以及轻便、成本低。固定性好、分辨率高以及轻便、成本低。l主要用于测量气体的密度和压力。主要用于测量气体的密度和压力。安全检测技术3传感器基础l测试条件与目的测试条件与目的 测试的

19、目的；测试的目的； 被测量的选择；被测量的选择； 测量范围；测量范围； 过载的发生频度；过载的发生频度； 输人信号的频带；输人信号的频带； 测量要求精度；测量要求精度； 测量时间。测量时间。l传感器的性能传感器的性能 精度；精度； 稳定性；稳定性； 响应速度响应速度 输出信号类型输出信号类型(模拟或数字模拟或数字)； 静态特性、动态特性和环境特性静态特性、动态特性和环境特性 传感器的工作寿命或循环寿命；传感器的工作寿命或循环寿命； 标定周期；标定周期； 信噪比。信噪比。 安全检测技术3传感器基础l传感器的使用条件传感器的使用条件 所测量的流体、固体对传感器的影响；所测量的流体、固体对传感器的影

20、响； 传感器对被测对象的质量传感器对被测对象的质量(负荷负荷)效应；效应； 安装现场条件及环境条件安装现场条件及环境条件(温度、湿度、振动等温度、湿度、振动等) 信号的传输距离；信号的传输距离； 传感器的输出端的连接方式；传感器的输出端的连接方式； 传感器对所测量物理量的实际值的影响；传感器对所测量物理量的实际值的影响； 传感器是否符合国家标准或工业规范；传感器是否符合国家标准或工业规范； 传感器的失效形式；传感器的失效形式； 传感器的维护、安装传感器的维护、安装 传感器的标定方法；传感器的标定方法； 传感器的安装方式；传感器的安装方式； 过载保护。过载保护。 使用工作人员所具备的最低技术能力

21、使用工作人员所具备的最低技术能力安全检测技术3传感器基础l传感器所接数据采集系统及辅助设备传感器所接数据采集系统及辅助设备 传感器所连接数据系统的一般性质；传感器所连接数据系统的一般性质； 数据系统主要单元的性质，其中包括数据传输连接方式、数数据系统主要单元的性质，其中包括数据传输连接方式、数据存储方法、数据显示方式；据存储方法、数据显示方式； 数据系统的精确性和频率的响应特性；数据系统的精确性和频率的响应特性； 传感器系统的负荷阻抗特性；传感器系统的负荷阻抗特性； 传感器的输出是否需要进行频率滤波和幅值变换及其处理方传感器的输出是否需要进行频率滤波和幅值变换及其处理方法；法； 数据系统对传感

22、器输出误差检测或校正能力。数据系统对传感器输出误差检测或校正能力。l关于购置与维护项目关于购置与维护项目 传感器的价格；传感器的价格； 出厂日期；出厂日期； 服务体制；服务体制； 备件；备件； 保修期间，保修期间，安全检测技术3传感器基础l灵敏度灵敏度 灵敏度高，意味着传感器感知的变化量小灵敏度高，意味着传感器感知的变化量小 一般来讲，检测精度越高要求传感器具有较高的灵一般来讲，检测精度越高要求传感器具有较高的灵敏度敏度 当灵敏度高时，与测量信号无关的外界噪声也容易当灵敏度高时，与测量信号无关的外界噪声也容易混入，并且噪声也会被放大系统放大。为此，往往混入，并且噪声也会被放大系统放大。为此，往

23、往要求信噪比越大越好，即要求传感器本身噪声小，要求信噪比越大越好，即要求传感器本身噪声小，且不易从外界引入干扰噪声且不易从外界引入干扰噪声 当输人量增大时，传感器不应进入非线性区，更不当输人量增大时，传感器不应进入非线性区，更不能进入饱和区域能进入饱和区域 检测工作在较强的噪声干扰下进行时，包括干扰量，检测工作在较强的噪声干扰下进行时，包括干扰量，两者的叠加不能进入非线性区两者的叠加不能进入非线性区 在保证量程的情况下尽可能提高灵敏度在保证量程的情况下尽可能提高灵敏度安全检测技术3传感器基础l传感器的响应特性传感器的响应特性 指在所测频率范围内保持不失真的测量条件。实际指在所测频率范围内保持不

24、失真的测量条件。实际传感器的响应总有一定的延迟，但希望延迟时间越传感器的响应总有一定的延迟，但希望延迟时间越小越好。小越好。 一般来讲，利用光电效应、压电效应等制作的物性一般来讲，利用光电效应、压电效应等制作的物性型传感器，其响应时间短，可工作频率范围宽。而型传感器，其响应时间短，可工作频率范围宽。而结构型结构型(如电感、电容、磁电式如电感、电容、磁电式)传感器等，由于受传感器等，由于受结构特性的影响，以及机械系统惯性质量的限制，结构特性的影响，以及机械系统惯性质量的限制，其固有频率较低。其固有频率较低。 在动态测量中，传感器的响应特性对测试结果有直在动态测量中，传感器的响应特性对测试结果有直

25、接影响接影响 选用时应考虑被测物理量的变化特点选用时应考虑被测物理量的变化特点(如稳态、瞬变、如稳态、瞬变、随机等随机等)。安全检测技术3传感器基础l线性范围线性范围 任何传感器都有一定的线性范围，在线性范围内输任何传感器都有一定的线性范围，在线性范围内输出与输入成比例关系。出与输入成比例关系。 传感器工作在线性区域内，是保证测量精度的基本传感器工作在线性区域内，是保证测量精度的基本条件。线性范围越宽，表明传感器的工作量程越大。条件。线性范围越宽，表明传感器的工作量程越大。 任何传感器都不容易保证其绝对线性，某些情况下，任何传感器都不容易保证其绝对线性，某些情况下，在保证检测精度的前提下，可利

26、用其近似线性区。在保证检测精度的前提下，可利用其近似线性区。例如，变间隙型电容传感器、电感式传感器等，均例如，变间隙型电容传感器、电感式传感器等，均采用在初始间隙附近的近似线性区内工作。选用时采用在初始间隙附近的近似线性区内工作。选用时必须考虑被测物理量的变化范围，令其非线性误差必须考虑被测物理量的变化范围，令其非线性误差在允许的范围之内。在允许的范围之内。 自动检测时，可利用微机系统，通过软件对传感器自动检测时，可利用微机系统，通过软件对传感器的输出特性进行线性补偿，往往可以使其线性范围的输出特性进行线性补偿，往往可以使其线性范围扩大很多。扩大很多。安全检测技术3传感器基础l稳定性稳定性 稳

27、定性表示传感器经过长时间使用以后，其输出特稳定性表示传感器经过长时间使用以后，其输出特性不发生变化的性能，和传感器在正常工作条件下，性不发生变化的性能，和传感器在正常工作条件下，环境参数变化对其输出特性影响程度的指标。环境参数变化对其输出特性影响程度的指标。 为保证稳定性，在选定传感器之前，应对使用环境为保证稳定性，在选定传感器之前，应对使用环境进行调查，以选择较合适的传感器类型。例如湿度进行调查，以选择较合适的传感器类型。例如湿度会影响电阻应变式传感器的绝缘性能；温度的变化会影响电阻应变式传感器的绝缘性能；温度的变化将产生零点漂移等。磁电式传感器在电场或磁场中将产生零点漂移等。磁电式传感器在

28、电场或磁场中工作时，亦会带来测量误差等等。工作时，亦会带来测量误差等等。安全检测技术3传感器基础l精确度精确度 传感器的精确度表示传感器的输出与被测量的对应传感器的精确度表示传感器的输出与被测量的对应程度。程度。 实际工作中，并非要求传感器的精确度越高越好。实际工作中，并非要求传感器的精确度越高越好。 如果是属于相对比较性的试验研究，只需要求传感如果是属于相对比较性的试验研究，只需要求传感器的精密度高，而无需要求绝对量值。器的精密度高，而无需要求绝对量值。 如果是进行定量分析，要求传感器要有足够高的精如果是进行定量分析，要求传感器要有足够高的精确度。例如，超精密切削机床，为研究其运动部件确度。

29、例如，超精密切削机床，为研究其运动部件的定位精度、主轴回转运动误差、振动及热变形等，的定位精度、主轴回转运动误差、振动及热变形等，往往要求测量精度在往往要求测量精度在0.150.015m m范围内，要测范围内，要测得这样的量值，必须选用高精度的传感器。得这样的量值，必须选用高精度的传感器。安全检测技术3传感器基础l测量方法测量方法:(非非)接触测量、（非）在线测量接触测量、（非）在线测量 接触与非接触测量：在机械系统中，运动部件的被接触与非接触测量：在机械系统中，运动部件的被测参数测参数(例如回转轴的运动误差、振动、扭矩等例如回转轴的运动误差、振动、扭矩等)往往往采用接触测量，有许多实际因素，

30、诸如测量头的往采用接触测量，有许多实际因素，诸如测量头的磨损、接触状态的变动等都不易妥善解决，也易造磨损、接触状态的变动等都不易妥善解决，也易造成测量误差，同时给信号的采集带来困难。若采用成测量误差，同时给信号的采集带来困难。若采用电容式、电涡流式等非接触传感器将带来很大方便。电容式、电涡流式等非接触传感器将带来很大方便。 破坏与非破坏测量：在要求对测试件进行破坏性检破坏与非破坏测量：在要求对测试件进行破坏性检验，如果合理地选择检测方法，可以把破坏性检测验，如果合理地选择检测方法，可以把破坏性检测用非破坏性检测用非破坏性检测(如涡流探伤、超声探伤、核辐射探如涡流探伤、超声探伤、核辐射探伤、测厚等伤、测厚等)来代替。来代替。 在线实时检测，各种新型在线实时检测传感器的研在线实时检测，各种新型在线实时检测传感器的研制，是当前检测技术发展的一个重要方向。制，是当前检测技术发展的一个重要方向。安全检测技术3传感器基础l在选择测量范围或刻度范围时，希望平时使用的指示在选择测量范围或刻度范围时，希望平时使用的指示是在满量程的是在满量程的50以上，以保证其精度。以上，以保证其精度。l传感器的响应速度要与输入信号的频带相符，以便得传感器的响应速度要与输入信号的频带相符，以便得到良好的信噪比。同时还要考虑传感器的精度保持范到良好的信噪比。同时还要考虑传感器