第四章常用传感器原理及应用

1、1 本章学习要求：本章学习要求： 1 1、了解传感器的分类了解传感器的分类 2 2、掌握常用传感器测量原理掌握常用传感器测量原理 3 3、了解传感器测量电路了解传感器测量电路第四章第四章 常用传感器原理及应用常用传感器原理及应用 1 1、传感器定义、传感器定义 传感器是借助检测元件将一种形式的传感器是借助检测元件将一种形式的信息信息转换成另一转换成另一种种信息信息的装置。的装置。 引引 言言 目前，传感器转换后的信号多为电信号，故从狭义上目前，传感器转换后的信号多为电信号，故从狭义上讲，传感器是把外界输入非电信号转换成电信号的装置讲，传感器是把外界输入非电信号转换成电信号的装置.2物理量物理量

2、电量电量 2 2、传感器的构成、传感器的构成 由由敏感器件敏感器件与与辅助器件辅助器件组成。敏感器件用于感受被测组成。敏感器件用于感受被测物理量，并对信号进行转换输出。辅助器件对敏感器件物理量，并对信号进行转换输出。辅助器件对敏感器件输出电信号进行放大、阻抗匹配，以便于后续仪表接入输出电信号进行放大、阻抗匹配，以便于后续仪表接入. .v3 3 3、传感器的分类、传感器的分类 1) 1)按被测物理量分类按被测物理量分类 常见的被测物理量常见的被测物理量 机械量机械量: :长度、厚度、位移、速度、加长度、厚度、位移、速度、加速度、旋转角、转数、质量、重量、力、压速度、旋转角、转数、质量、重量、力、

3、压力、真空度、力矩、风速、流速、流量。力、真空度、力矩、风速、流速、流量。 声：声：声压、噪声。声压、噪声。 磁：磁：磁通、磁场。磁通、磁场。 温度：温度：温度、热量、比热。温度、热量、比热。 光：光：亮度、色彩。亮度、色彩。4 2) 2)按工作的物理基础分类按工作的物理基础分类 机械式机械式，电气式电气式( (电阻应变式，电感式，电容式，压电阻应变式，电感式，电容式，压电式等电式等), ), 光学式光学式等。等。 3 3）按被测量和工作原理联合分类）按被测量和工作原理联合分类 电阻应变式力传感器、电感式位移传感器、压电式加电阻应变式力传感器、电感式位移传感器、压电式加速度传感器等。速度传感器

4、等。5 物性型：物性型：依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来实依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来实现信号变换，如水银温度计。现信号变换，如水银温度计。 结构型：结构型：依靠传感器结构参数的变化实现信号转变，依靠传感器结构参数的变化实现信号转变，如如: :电容式和电感式传感器电容式和电感式传感器. . 4 4）按信号变换特征）按信号变换特征6 能量转换型和能量控制型。能量转换型和能量控制型。 能量转换型：能量转换型：直接由被测对象输入能量使其工作，例直接由被测对象输入能量使其工作，例如，热电偶温度计如，热电偶温度计, ,压电式加速度计。压电式加速度计。 能量控制型：能量控制型：从外部供给能量并

5、由被测量控制外部从外部供给能量并由被测量控制外部 供给能量的变化，例如，电阻应变片。供给能量的变化，例如，电阻应变片。 5) 5)按敏感元件与被测对象之间的能量关系按敏感元件与被测对象之间的能量关系7 （1 1）集成化）集成化 传感器本身的集成化：传感器本身的集成化：ccdccd器件器件 传感器与后续电路的集成化：频率输出型单块集成压传感器与后续电路的集成化：频率输出型单块集成压力传感器力传感器 （2 2）多维化）多维化 单光电探测器单光电探测器 辐射光功率的大小辐射光功率的大小 一维与二维光电探测器一维与二维光电探测器 入射光点的位置入射光点的位置 4 4、传感器技术的发展、传感器技术的发展

6、 （3 3）微传感器）微传感器 基于基于mems技术的新型传感器，其敏感元件尺寸为技术的新型传感器，其敏感元件尺寸为0.10.1 m m100100 m m。微传感器不是传统传感器按比例缩小的。微传感器不是传统传感器按比例缩小的产物，其理论基础、结构工艺、设计方法等有许多自身产物，其理论基础、结构工艺、设计方法等有许多自身的特殊现象和规律。的特殊现象和规律。单元单元线阵线阵阵列阵列8 （4 4）智能化）智能化 智能传感器一种将普通传感器与微处理器一体化，兼智能传感器一种将普通传感器与微处理器一体化，兼有检测和信息处理功能的新型传感器，集信息采集，信有检测和信息处理功能的新型传感器，集信息采集，

7、信息的记忆、辨别、存储、处理于一体。息的记忆、辨别、存储、处理于一体。 （5 5）网络化传感器）网络化传感器 网络化传感器是在智能传感器基础上，把网络化传感器是在智能传感器基础上，把tcpip协协议作为一种嵌入式应用，嵌入现场智能传感器的议作为一种嵌入式应用，嵌入现场智能传感器的romrom中，中，从而使信号的收、发都以从而使信号的收、发都以tcpip方式进行。方式进行。 9第一节第一节 电阻式传感器电阻式传感器 电阻式传感器：电阻式传感器：是把是把被测量被测量转换为转换为电阻变化电阻变化的一种传的一种传感器。感器。 按工作的原理可分为：按工作的原理可分为：变阻器式、电阻应变式、热敏变阻器式、

8、电阻应变式、热敏式、光敏式、电敏式式、光敏式、电敏式。 1 1、变阻器式传感器、变阻器式传感器10 （1 1）等效电路分析）等效电路分析 l变阻器总长变阻器总长 x电刷移动量电刷移动量 rl总电阻总电阻 rx电刷电阻电刷电阻xlee111lxrlex l e exre 0lexe111vrmee1rxr-rxmxmxmxmxxrrrrrrrrrree1 考虑负载效应，有考虑负载效应，有)1 (1lxrrxleemrx/rm0le理想理想实际实际12 （2 2）变阻器式传感器的性能参数）变阻器式传感器的性能参数 1 1）线性线性( (或曲线的一致性或曲线的一致性) )；2）分辨率；分辨率；3）整

9、个电整个电阻值的偏差；阻值的偏差；4 4）移动或旋转角度范围；移动或旋转角度范围；5 5）电阻温度系电阻温度系数；数；6 6）寿命；寿命； （3 3）变阻器式传感器的分类）变阻器式传感器的分类 1）按测量类型）按测量类型 单圈电位器单圈电位器 多圈电位器多圈电位器 直线滑动式电位器直线滑动式电位器13 2 2）按制作方式）按制作方式 线绕电位器线绕电位器 导电塑料电位器导电塑料电位器普通塑料基底普通塑料基底导电材料粉导电材料粉14 变阻器式传感器产品变阻器式传感器产品15 案例：案例：重量的自动检测重量的自动检测-配料设备配料设备 比较比较重量设定重量设定原材料原材料原理：原理：弹簧弹簧力力位

10、移位移电位器电位器电阻电阻16 案例：案例：煤气包储量检测煤气包储量检测煤气包煤气包钢丝钢丝原理：原理：钢丝钢丝收线圈数收线圈数电位器电位器电阻电阻17 案例：案例：玩具机器人（广州中鸣数码）玩具机器人（广州中鸣数码）原理：原理：电机电机转角转角电位器电位器电阻电阻18第二节第二节 电阻应变式传感器电阻应变式传感器 电阻应变片工作原理是基于电阻应变片工作原理是基于金属导体金属导体的应变效应的应变效应，即外力即外力金属导体机械变金属导体机械变形形( (伸长或缩短伸长或缩短) )电阻值变化。电阻值变化。 19 一、金属电阻应变片一、金属电阻应变片 电阻丝：电阻丝：一般采用直径为一般采用直径为0.0

11、25mm左右的左右的康铜康铜(含含57%cu、43%ni)或或镍铬合金镍铬合金(含含80%ni、20%cr)丝，丝，敏感栅粘贴在基片和覆盖层之间，由引线接出。敏感栅粘贴在基片和覆盖层之间，由引线接出。 l 称为应变片的称为应变片的基长基长，b 称为称为基宽基宽， lb 称为应变片称为应变片的使用面积。应变片的阻值系列有的使用面积。应变片的阻值系列有60、120、350、600、1000，以，以120为最常用。应变片的规格一般用使为最常用。应变片的规格一般用使用面积和电阻值表示，例如用面积和电阻值表示，例如,（310)mm，120。 常见的金属电阻应变片有常见的金属电阻应变片有丝式丝式和和箔式箔

12、式两种。两种。丝式应变片的主要结构丝式应变片的主要结构 做成栅状的做成栅状的电阻丝电阻丝(敏感栅敏感栅) 绝缘基片绝缘基片 覆盖层覆盖层 1、丝式应变片、丝式应变片20应变计应变计 金属应变片金属应变片21 箔式箔式应变片是通过光刻、腐蚀等工艺制成很薄的金属应变片是通过光刻、腐蚀等工艺制成很薄的金属箔栅，厚度一般在箔栅，厚度一般在0.003mm0.01mm之间。可根据需之间。可根据需要制成任意形状。它的线条均匀、尺寸准确、散热好、要制成任意形状。它的线条均匀、尺寸准确、散热好、易粘贴、适于大批量生产，易粘贴、适于大批量生产，已逐渐取代已逐渐取代丝式丝式应变片应变片。 3、金属电阻应变片的工作原

13、理、金属电阻应变片的工作原理 把应变片粘贴在把应变片粘贴在弹性敏感元件弹性敏感元件或需要测量变形的试件或需要测量变形的试件表面上。受到外力作用，电阻丝随着一起变形，引起电表面上。受到外力作用，电阻丝随着一起变形，引起电阻值发生变化。这样，将被测量转换为电阻变化。阻值发生变化。这样，将被测量转换为电阻变化。 2、箔式应变片、箔式应变片22 工作原理：工作原理： 金属丝的原始电阻：金属丝的原始电阻：alrldlldl纵向应变纵向应变rdr横向应变横向应变ldlrdr 微分微分daldaaldladr2泊松比泊松比dadaldlrdr 电阻的相对变化：电阻的相对变化：23krdrdrdrldlrdr

14、2因为因为2rardrda2drdr)21 (21rdrldlrdrk=常数常数drdrk)21 (令令0灵敏度一般在灵敏度一般在1.73.6左右。金属应变片的灵敏度左右。金属应变片的灵敏度较低，但温度稳定性好，用于测量精度要求较高较低，但温度稳定性好，用于测量精度要求较高的场合的场合.称为金属丝的应变系数称为金属丝的应变系数或灵敏度或灵敏度24 二、半导体应变片二、半导体应变片 压阻效应：压阻效应：半导体单晶材料在沿某一方向受到外半导体单晶材料在沿某一方向受到外力作用时，力作用时，电阻率电阻率会发生相应变化的现象。会发生相应变化的现象。 压阻效应的产生原因：压阻效应的产生原因：半导体单晶在外

15、力作用下半导体单晶在外力作用下，原子点阵排列规律发生变化，导致载流子迁移率和载，原子点阵排列规律发生变化，导致载流子迁移率和载流子浓度变化，从而导致流子浓度变化，从而导致电阻率电阻率的变化。的变化。 半导体应变片的工作原理就是基于压阻效应。半导体应变片的工作原理就是基于压阻效应。 制作程序制作程序：由单晶硅、锗一类半导体材料经切型由单晶硅、锗一类半导体材料经切型、切条、光刻腐蚀成形，然后粘贴而成。、切条、光刻腐蚀成形，然后粘贴而成。25 优点：优点：灵敏度高，比金属应变片高灵敏度高，比金属应变片高505070倍，倍，体积小体积小. . 缺点：缺点：温度稳定性和线性不如金属应变片。温度稳定性和线

16、性不如金属应变片。对于半导体应变片，该项很对于半导体应变片，该项很小，可忽略小，可忽略edrdrdrdr)21 ( 半导体应变片受力后的电阻相对变化也可表示为：半导体应变片受力后的电阻相对变化也可表示为：灵敏度为：灵敏度为： erdrk弹性弹性模量模量正应力正应力压阻压阻系数系数26ver1r2r3r4 电桥电路电桥电路 三、转换电路三、转换电路力力 应变应变 电阻变化电阻变化 电流或电压电流或电压？27 四四、电阻应变片的应用电阻应变片的应用28 标准产品标准产品29 案例：案例：桥梁固有频率测量桥梁固有频率测量30 案例：案例：电子称电子称原理：原理：将物品重量通过悬臂梁转化将物品重量通过

17、悬臂梁转化结构变形，再通过应变片转化为电结构变形，再通过应变片转化为电量输出。量输出。31 案例：案例：冲床生产记数和冲床生产记数和生产过程监测生产过程监测32 案例：案例：机器人握力测量机器人握力测量33 案例：案例：振动式地音入侵探测器振动式地音入侵探测器 适合于金库、仓库、古建筑的防范，挖墙、打洞、爆适合于金库、仓库、古建筑的防范，挖墙、打洞、爆破等破坏行为均可及时发现。破等破坏行为均可及时发现。3435 电感式电感式传感器是基于电磁感应原理，把被测量转化为传感器是基于电磁感应原理，把被测量转化为电感量的一种装置。电感量的一种装置。电感式传感器电感式传感器分类分类第三节第三节 电感式传感

18、器电感式传感器 优点：优点：灵敏度高（能测灵敏度高（能测0.1mm的位移）、线性较好的位移）、线性较好(非非线性误差线性误差0.1%)、输出功率大等。、输出功率大等。 缺点：缺点：频率响应较低；测量范围越大，分辨率越低。频率响应较低；测量范围越大，分辨率越低。自感式自感式互感式互感式可变磁阻式可变磁阻式涡流式涡流式36 一、一、 自感式传感器自感式传感器002aalrm 由于由于很小，可认为气隙磁场是均匀的，很小，可认为气隙磁场是均匀的，若忽略磁若忽略磁路的铁损，则总磁阻为：路的铁损，则总磁阻为： 1 1、变气隙式、变气隙式 变气隙式自感传感器由线圈、铁心和衔铁三部分组成。线圈绕在铁心上变气隙

19、式自感传感器由线圈、铁心和衔铁三部分组成。线圈绕在铁心上,衔铁和铁心衔铁和铁心间有一气隙间有一气隙 。线圈线圈铁芯铁芯衔铁衔铁 分为分为变气隙式变气隙式、变面积式变面积式、螺旋管式螺旋管式三类。三类。 线圈线圈自感量自感量l为：为：mrnl2线圈匝数线圈匝数磁路总磁阻磁路总磁阻铁芯导磁长度铁芯导磁长度铁芯磁导率铁芯磁导率铁芯截面积铁芯截面积空气磁导率空气磁导率气隙长度气隙长度气隙截面积气隙截面积37这种传感器适用于较小位移的测量，这种传感器适用于较小位移的测量，测量范围约在测量范围约在0.0011mm左右。左右。002aalrm002arm由于铁心磁阻与气隙相比要小得多，可以忽略由于铁心磁阻与

20、气隙相比要小得多，可以忽略2002anl dandl20022 传感器传感器灵敏度：灵敏度：20022ank38 2 2、变面积式、变面积式 3、螺管式、螺管式 特点：特点：灵敏度比变气隙型的低，但其灵敏度为一常数，灵敏度比变气隙型的低，但其灵敏度为一常数，因而线性度较好，量程范围可取大些，自由行程可按需要因而线性度较好，量程范围可取大些，自由行程可按需要安排，制造装配也较方便，因而应用较为广泛。安排，制造装配也较方便，因而应用较为广泛。铁芯铁芯线圈线圈衔铁衔铁 原理：原理：气隙长度不变，铁心与衔铁之间相对而言覆盖面气隙长度不变，铁心与衔铁之间相对而言覆盖面积随被测量的变化而改，导致线圈的电感

21、量发生变化。积随被测量的变化而改，导致线圈的电感量发生变化。铁芯铁芯线圈线圈 原理：原理：衔铁随被测对象移动，线圈磁力线路径上衔铁随被测对象移动，线圈磁力线路径上的磁阻发生变化，线圈电感量也因此而变化。的磁阻发生变化，线圈电感量也因此而变化。 特点：特点：灵敏度更低，但测量范围大，线性也较好灵敏度更低，但测量范围大，线性也较好，同时自由行程可任意安排，制造装配方便，应用，同时自由行程可任意安排，制造装配方便，应用较广泛。较广泛。39 以上三类以上三类自感式自感式传感器在实际应用时，一般由传感器在实际应用时，一般由两单一两单一结构对称组合，构成差动式自感传感器结构对称组合，构成差动式自感传感器。

22、采用差动式结。采用差动式结构可改善非线性，提高灵敏度，对电源电压及温度变化构可改善非线性，提高灵敏度，对电源电压及温度变化等外界影响也有补偿作用，从而提高传感器的稳定性。等外界影响也有补偿作用，从而提高传感器的稳定性。 差动式电感传感器差动式电感传感器 (a) 变间隙型变间隙型 (b) 变面积型变面积型 (c) 螺管型螺管型 1线圈线圈 2 铁芯铁芯 3 衔铁衔铁 4 到杆到杆(a)(b)(c)40 二、差动变压器式传感器二、差动变压器式传感器 差动变压器式传感器差动变压器式传感器是把被测量的变化转换成互感系数是把被测量的变化转换成互感系数m的变化的变化。传感器本身是互传感器本身是互感系数可变

23、的变压器感系数可变的变压器。因为它是基于互感变化的原理，故也称为。因为它是基于互感变化的原理，故也称为互感式互感式传感器。传感器。eweoutew1ew2ww1w2esx-x输出电压输出电压eout=ew1-ew2，当铁芯在中央位，当铁芯在中央位置时，置时，ew1=ew2 。41单螺管线圈型单螺管线圈型螺管线圈差动螺管线圈差动双螺管线圈差动型传感器测量电路双螺管线圈差动型传感器测量电路42 差动变压器位移传感器差动变压器位移传感器43 案例：案例：板的厚度测量板的厚度测量 44 案例：案例：张力测量张力测量45 三、电涡流式传感器三、电涡流式传感器 原理：原理：将金属导体置于变化的磁场中，导体

24、内就会产生感应电，这种电流的流线在将金属导体置于变化的磁场中，导体内就会产生感应电，这种电流的流线在导体内自行闭合，称为电涡流效应。导体内自行闭合，称为电涡流效应。高频交变高频交变电流电流线圈线圈交变磁通交变磁通电涡流电涡流交变磁通交变磁通1 1使原线圈的等效阻抗使原线圈的等效阻抗 z 发生变化发生变化46 原线圈的等效阻抗原线圈的等效阻抗z z变化：变化：),(zz 线圈与金属线圈与金属板的距离板的距离金属板的金属板的电阻率电阻率金属板的金属板的磁导率磁导率线圈激励线圈激励角频率角频率4748 产品：产品：49 案例：连续油管的椭圆度测量案例：连续油管的椭圆度测量coiled tubeedd

25、y sensor reference circle50 案例：案例：无损探伤无损探伤原理：原理：裂纹检测，缺陷造裂纹检测，缺陷造成涡流变化。成涡流变化。火车轮检测火车轮检测油管检测油管检测51第四节第四节 电容式传感器电容式传感器 原理：原理：将被测量的变化转化为电容量变化。将被测量的变化转化为电容量变化。 两平行极板组成两平行极板组成的电容器的电容器, ,它的电容它的电容量为：量为：ac +a介电常数介电常数两极板相互两极板相互覆盖的面积覆盖的面积极板间的距离极板间的距离极距变化型极距变化型 面积变化型面积变化型 介电常数变化型介电常数变化型 电容式传感器的电容式传感器的三种类型：三种类型：

26、52 1 1、极距变化、极距变化型型+21addck 灵敏度灵敏度53 驻极体电容传声器驻极体电容传声器 它采用聚四氟乙烯材料作为振动膜片。这种材料经特它采用聚四氟乙烯材料作为振动膜片。这种材料经特殊电处理后，殊电处理后，表面永久地驻有极化电荷表面永久地驻有极化电荷，取代了电容传，取代了电容传声器极板，故名为驻极体电容传声器。特点是体积小、声器极板，故名为驻极体电容传声器。特点是体积小、性能优越、使用方便。性能优越、使用方便。 54 最大的最大的应小于极板间距应小于极板间距的的1/51/10。因此极距变。因此极距变化型电容传感器的量程范围在化型电容传感器的量程范围在0.01m数百数百 m m。

27、为了为了提高灵敏度和改善非线性，在实际应用中常常采用差动提高灵敏度和改善非线性，在实际应用中常常采用差动的形式。灵敏度可提高一倍。的形式。灵敏度可提高一倍。 2 2、面积变化型、面积变化型 在面积变化型传感器中，常用的有直线位移型和角位在面积变化型传感器中，常用的有直线位移型和角位移型两种。图为直线位移型。当动极板沿移型两种。图为直线位移型。当动极板沿x方向移动时，方向移动时，动、静极板覆盖面积发生变化，电容量随之变化。动、静极板覆盖面积发生变化，电容量随之变化。xbcbx 其电容量为：其电容量为：bdxdck灵敏度灵敏度= =常数，输入与输出成线性关系常数，输入与输出成线性关系. .55 角

28、位移型角位移型+r2222rra覆盖面积覆盖面积56电容量电容量22rc 面积变化型面积变化型线性度好，但灵敏度低，故适用于较大位线性度好，但灵敏度低，故适用于较大位移的测量。移的测量。灵敏度灵敏度 22rddck= =常数常数柱面线位移型柱面线位移型57 3 3、介电常数变化型、介电常数变化型 此类传感器可用来测量液体的液位和材料的厚度等。此类传感器可用来测量液体的液位和材料的厚度等。58 两圆筒间的电容为：两圆筒间的电容为：)ln(21rrlc 如果电极的一部分被菲导如果电极的一部分被菲导电性液体所浸没时，则会有电性液体所浸没时，则会有电容量的增量电容量的增量c产生：产生：)ln()(21

29、2rrlclc 外电极外电极内半径内半径内电极内电极内半径内半径电极电极长度长度空气的介空气的介电常数电常数空气的介空气的介电常数电常数液体浸液体浸没长度没长度液位测量示意图液位测量示意图59 如果被测介质为导电性液体，内电极要用绝缘物（如聚乙如果被测介质为导电性液体，内电极要用绝缘物（如聚乙烯）覆盖作为中间介质，而液体和外圆筒一起作为外电极。烯）覆盖作为中间介质，而液体和外圆筒一起作为外电极。此时两极间的电容量为：此时两极间的电容量为：)ln(23rrlc中间介质的介电常数中间介质的介电常数绝缘覆盖层外半径绝缘覆盖层外半径液体浸没长度，即电极长度液体浸没长度，即电极长度 电容传感器的转换电路

30、主要有：电容传感器的转换电路主要有：电桥型电路，谐振电电桥型电路，谐振电路，调频电路，运算放大器电路路，调频电路，运算放大器电路等。等。 电容传感器的优点：结构简单、灵敏度高、动态响应电容传感器的优点：结构简单、灵敏度高、动态响应好等。好等。 影响测量精度的主要因素：电路寄生电容、电缆电容影响测量精度的主要因素：电路寄生电容、电缆电容和温度、湿度等外界干扰。以往减小这些干扰的措施成本很和温度、湿度等外界干扰。以往减小这些干扰的措施成本很高，但集成电路技术的发展和工艺的进步，已使上述因素的高，但集成电路技术的发展和工艺的进步，已使上述因素的影响大为减小，为影响大为减小，为电容传感器的应用开辟了广

31、阔前景。电容传感器的应用开辟了广阔前景。60 产品：产品：电容式液位传感器（液位计电容式液位传感器（液位计/ /料位计）料位计）61 电容式接近开关：电容式接近开关：振荡电路振荡电路被测物体被测物体 感应电极感应电极被测电容被测电容 测量头构成电容器的一个极板，另一个测量头构成电容器的一个极板，另一个极板是物体本身，当物体移向接近开关时，极板是物体本身，当物体移向接近开关时，物体和接近开关的介电常数发生变化，使物体和接近开关的介电常数发生变化，使得和测量头相连的电路状态也随之发生变得和测量头相连的电路状态也随之发生变化化. .接近开关的检测物体，并不限于金属导接近开关的检测物体，并不限于金属导

32、体，也可以是绝缘的液体或粉状物体。体，也可以是绝缘的液体或粉状物体。6263第五节第五节 压电式传感器压电式传感器 一一、压电效应压电效应 某些材料（如石英），当沿着一定方向受到外力作用某些材料（如石英），当沿着一定方向受到外力作用时，不仅产生机械变形，而且内部会被极化，表面产生时，不仅产生机械变形，而且内部会被极化，表面产生电荷；当外力去掉时，又重新回到原来的状态，这种现电荷；当外力去掉时，又重新回到原来的状态，这种现象称为象称为压电效应压电效应。 二、二、 压电材料及其特性压电材料及其特性 常用的压电材料大致有三类：常用的压电材料大致有三类：压电单晶压电单晶、压电陶瓷压电陶瓷和和新型压电材

33、料新型压电材料。压力压力 压电材料压电材料 产生电荷产生电荷 相反，在这些材料的某些方向上施加电场，它会产生相反，在这些材料的某些方向上施加电场，它会产生机械变形，当去掉外加电场后，变形随之消失，这种现机械变形，当去掉外加电场后，变形随之消失，这种现象称为象称为逆压电效应逆压电效应或或电致伸缩效应电致伸缩效应。64 1、 压电单晶压电单晶 压电单晶为单晶体，各向异性。压电单晶为单晶体，各向异性。主要有主要有石英石英(si02)、铌酸锂铌酸锂(linb03)等等 石英晶体有天然与人工之分，是石英晶体有天然与人工之分，是压电单晶体中最具代表性的。石英压电单晶体中最具代表性的。石英晶体呈六角棱柱体。

34、有晶体呈六角棱柱体。有光轴光轴( (中性轴中性轴) )、电轴和机械轴、电轴和机械轴。 光轴光轴z纵轴线，沿该轴方向纵轴线，沿该轴方向无压电效应。无压电效应。 电轴电轴x通过六角棱柱的棱而通过六角棱柱的棱而垂直于光轴的轴。在垂直于此轴垂直于光轴的轴。在垂直于此轴的平面上压电效应最强。的平面上压电效应最强。 机械轴机械轴y垂直于棱面的垂直于棱面的y轴轴，在电场作用下，沿该轴的机械，在电场作用下，沿该轴的机械变形最明显。变形最明显。光轴光轴电轴电轴机械轴机械轴65zxyfxfx+-zxyfyfy + -zxyfyfy - + 纵向压电效应纵向压电效应沿沿x轴受力产生的压电效应；轴受力产生的压电效应；

35、横向压电效应横向压电效应沿沿y轴受力产生轴受力产生的压电效应；的压电效应；切向压电效应切向压电效应沿切向受力产生的压电效应沿切向受力产生的压电效应 从晶体上沿各轴线切下一片平行六面体切片，当受到力的作用时，其电荷分布在从晶体上沿各轴线切下一片平行六面体切片，当受到力的作用时，其电荷分布在垂直于垂直于x x轴的平面上。轴的平面上。66 由纵向压电效应产生的电荷量由纵向压电效应产生的电荷量q为：为：fdq11作用力作用力纵向压电常数纵向压电常数 石英晶体：石英晶体：压电常数比较低，压电常数比较低，d11=2.3110-12c/n；良；良好的机械强度和时间及温度稳定性。适用于精确度和稳好的机械强度和

36、时间及温度稳定性。适用于精确度和稳定度要求特别高的场合。定度要求特别高的场合。 铌酸锂晶体：铌酸锂晶体：是人工拉制晶体。居里点高是人工拉制晶体。居里点高( (12000c) )，适于高温传感器；适于高温传感器；缺点：缺点：质地脆质地脆, ,抗冲击性差抗冲击性差, ,价格较贵价格较贵 2、压电陶瓷、压电陶瓷 压电陶瓷压电陶瓷是一种经极化处理后的人工多晶体。如是一种经极化处理后的人工多晶体。如钛酸钡钛酸钡、锆钛酸钡锆钛酸钡。压电陶瓷特点：压电陶瓷特点：压电系数大，灵敏压电系数大，灵敏度高，价格低廉，居里点较低。度高，价格低廉，居里点较低。67 3 3、新型新型压电材料压电材料 （1 1）有机压电薄

37、膜）有机压电薄膜 某些合成高分子聚合物，经延展拉伸和电场极化后形成具有压电特性的薄膜。如聚某些合成高分子聚合物，经延展拉伸和电场极化后形成具有压电特性的薄膜。如聚偏氟乙烯偏氟乙烯(pvf2)、聚氟乙烯、聚氟乙烯(pvf)等。等。 特点：特点：柔软，不易破碎，面积大等。可制成大面积阵列传感器和机器人柔软，不易破碎，面积大等。可制成大面积阵列传感器和机器人触觉触觉传感器传感器。 （2 2）压电半导体）压电半导体 有些材料，如硫化锌有些材料，如硫化锌(zns)、氧化锌、氧化锌(zno)、硫化钙、硫化钙(cas)、砷化镓、砷化镓(gaas)等，等，既具有既具有半导体特性，又有压电特性半导体特性，又有压

38、电特性。因此，既可利用压电性能制作敏感器件，又可利用半导。因此，既可利用压电性能制作敏感器件，又可利用半导体特性制成电路器件，研制成新型集成压电传感器。体特性制成电路器件，研制成新型集成压电传感器。 居里点或居里温度：居里点或居里温度：指材料可以在指材料可以在铁磁体铁磁体和和顺磁体顺磁体之间改变的温度。低于居里点温之间改变的温度。低于居里点温度时该物质成为铁磁体，此时和材料有关的磁场很难改变。当高于居里点温度，该物度时该物质成为铁磁体，此时和材料有关的磁场很难改变。当高于居里点温度，该物质成为顺磁体，磁体的磁场很容易随周围磁场的改变而改变。这时的磁敏感度约为质成为顺磁体，磁体的磁场很容易随周围

39、磁场的改变而改变。这时的磁敏感度约为10-6. 68 三、等效电路三、等效电路蒸镀金属蒸镀金属形成电极形成电极晶片两表面相当于电晶片两表面相当于电容器的两个极板容器的两个极板f + + + + + + + + - - - - - - - 两极板之间的压电材两极板之间的压电材料等效于电介质料等效于电介质 因此，压电晶片相当于一只平行极板电容器，其电容因此，压电晶片相当于一只平行极板电容器，其电容量为：量为：aca极板面积极板面积压电材料的介电常数压电材料的介电常数压电晶片的厚度压电晶片的厚度 压电元件可等效为一个具有一定电容的电荷源。电容压电元件可等效为一个具有一定电容的电荷源。电容器上的开路电

40、压器上的开路电压u0为：为：acqu 0压电元件上所产生的电荷量压电元件上所产生的电荷量69+并联：并联：适于测缓适于测缓变信号和以电荷变信号和以电荷为输出量的场合为输出量的场合+ 当压电式传感器接入测量电路，连接电缆的寄生电容形成传感器的并联寄生电当压电式传感器接入测量电路，连接电缆的寄生电容形成传感器的并联寄生电容容cc，传感器中的漏电阻和后继电路的输入阻抗形成泄漏电阻，传感器中的漏电阻和后继电路的输入阻抗形成泄漏电阻r0，等效电路为：，等效电路为：r0ccqca 由于后继电路的输入阻抗不可能为无穷大，而且压电元件本身也存在漏电阻，极由于后继电路的输入阻抗不可能为无穷大，而且压电元件本身也

41、存在漏电阻，极板上的电荷由于放电而无法保持不变，从而造成测量误差。因此，板上的电荷由于放电而无法保持不变，从而造成测量误差。因此，不宜利用压电式传不宜利用压电式传感器测量感器测量静态或准静态静态或准静态信号，而适宜做动态测量信号，而适宜做动态测量。 压电晶片有方形、圆形、圆环形等各种，而且往往是两片或多片进行串联或并联压电晶片有方形、圆形、圆环形等各种，而且往往是两片或多片进行串联或并联。串联：串联：适于测高适于测高频信号和以电压频信号和以电压为输出量的场合为输出量的场合70 四、测量电路四、测量电路 输出电荷量很小，输出电荷量很小，且压电元件本身且压电元件本身的内阻很大的内阻很大压电式传压电

42、式传感器感器高输入阻抗高输入阻抗前置前置放大器放大器输出电压输出电压或电荷或电荷电压电压放大器放大器电荷电荷放大器放大器可采用比例放大器。电可采用比例放大器。电路简单，但输出受到连路简单，但输出受到连接电缆对地电容的影响接电缆对地电容的影响目前常用目前常用u uy yu ui i传感器电容传感器电容电缆电容电缆电容放大器输入电容放大器输入电容电荷放大器：电荷放大器：高增益带高增益带电容反馈的运算放大器电容反馈的运算放大器71 若电荷放大器的开环增益足够大，放大器输出电压：若电荷放大器的开环增益足够大，放大器输出电压：yfuq c可见，在一定条件下，输出电压与传感器的电荷量成正比，且与电缆电容无

43、关。可见，在一定条件下，输出电压与传感器的电荷量成正比，且与电缆电容无关。 压电式传感器动态特性好、体积小、重量轻，常用来测量动态力、压力，特别是测压电式传感器动态特性好、体积小、重量轻，常用来测量动态力、压力，特别是测量振动加速度的惯性拾振器大多采用压电式传感器。量振动加速度的惯性拾振器大多采用压电式传感器。力传感器力传感器 压力变送器压力变送器加速度计加速度计 产品：产品：72 案例：飞机模态分析案例：飞机模态分析73 案例：热轧设备诊断案例：热轧设备诊断74第六节第六节 磁敏传感器磁敏传感器 一、霍尔元件一、霍尔元件 霍尔效应霍尔效应将导电体薄片置于磁感应强度为将导电体薄片置于磁感应强度

44、为b的磁场中，如果在的磁场中，如果在a、b端通以电流端通以电流i，则在则在c、d端就会出现电位差。端就会出现电位差。abcd 霍尔效应原理：霍尔效应原理：在磁感强度为在磁感强度为b的磁场中，电荷为的磁场中，电荷为q、运动速度为、运动速度为v的带电粒子，所受的带电粒子，所受的磁场力的磁场力洛仑兹力洛仑兹力，为，为 sinmfqv b qv b 75霍尔电势霍尔电势uh为为sinibkuhh霍尔常数霍尔常数磁感应强度磁感应强度电流与磁场电流与磁场方向的夹角方向的夹角 霍尔元件一般由锗霍尔元件一般由锗(ge)、锑化铟、锑化铟(insb)等半导体材料制成。等半导体材料制成。霍尔元件霍尔元件由霍尔片、由

45、霍尔片、四根引线和壳体组成。将霍尔片、稳压电源、温度补偿电路和信号处理电路集成在同四根引线和壳体组成。将霍尔片、稳压电源、温度补偿电路和信号处理电路集成在同一个芯片上，即构成线性霍尔传感器。一个芯片上，即构成线性霍尔传感器。 76 霍尔传感器有单端输出和双端输出霍尔传感器有单端输出和双端输出( (差动输出差动输出) )两种电路。两种电路。 开关型开关型霍尔传感器：由霍尔传感器：由霍尔元件、放大器、霍尔元件、放大器、施密特整形电路施密特整形电路和集电极开路输出和集电极开路输出等部分组成。等部分组成。77 施密特触发器的工作特点：施密特触发器的工作特点： 施密特触发器属于电平触发器件，适用于缓慢变

46、化的信号，当输入信号达到某施密特触发器属于电平触发器件，适用于缓慢变化的信号，当输入信号达到某一定电压值时，输出电压会发生突变。一定电压值时，输出电压会发生突变。 电路有两个阈值电压。电路有两个阈值电压。 输入信号增加和减少时，电路的阈值电压不同，电路具输入信号增加和减少时，电路的阈值电压不同，电路具有如下图所示的传输特性有如下图所示的传输特性 。 o vi vo voh vol (a) vt+vt_ o vi vo1 voh vol (b) vt+vt_ 1 vovi 1 vovi关于施密特触发器关于施密特触发器78vi vt+vt_vo00tt0vivovt+vt_vdd(a) 工作波形工

47、作波形(b) 传输特性曲线传输特性曲线 1 1 g1 g2 vi vo r2 r1 vo1 vi1门电路组成的施密特触发器门电路组成的施密特触发器79 霍尔传感器应用霍尔传感器应用 1）直流无刷电机的位置传感器，检测转子位置，以直流无刷电机的位置传感器，检测转子位置，以 实现换向实现换向霍 尔 元 件霍 尔 元 件h2面向转面向转子子n极方向极方向h2导导通 为通 为低 电低 电平平功率功率管管vt2导通导通绕组绕组w2通通过电流过电流iw2s转子顺时转子顺时针旋转针旋转80 2 2）测转角）测转角81 3 3）电流传感器）电流传感器/ /钳形表钳形表 当电流流过导线，在导线周围产生磁场，磁场

48、大小与电流大小成正比，该磁场可通当电流流过导线，在导线周围产生磁场，磁场大小与电流大小成正比，该磁场可通过软磁材料来聚集，然后用霍尔器件检测。过软磁材料来聚集，然后用霍尔器件检测。 4）叶片和齿轮位置传感器）叶片和齿轮位置传感器82 5 5）汽车速度测量）汽车速度测量831 1一轴一轴 2 2一外壳一外壳 33电路电路 4 4一定子一定子55线圈线圈 6 6一霍尔元件一霍尔元件 7 7一永磁转子一永磁转子 6 6）电动自行车）电动自行车/ /霍尔电机霍尔电机84 7）铁磁材料裂纹检测）铁磁材料裂纹检测 ns85 案例：案例：输油管检测用管道猪输油管检测用管道猪(pigging)(pigging

49、) 霍尔元件霍尔元件可用来测量磁场强度、位移、力、速度、角度等。其特点是体积小、使用可用来测量磁场强度、位移、力、速度、角度等。其特点是体积小、使用间便、无接触测量，但受温度影响较大，在做精密测量时应作温度补偿。间便、无接触测量，但受温度影响较大，在做精密测量时应作温度补偿。86 二、磁敏电阻二、磁敏电阻 磁阻效应磁阻效应当一载流导体置于磁场中时，其电当一载流导体置于磁场中时，其电阻会随磁场变化。磁敏电阻就是基于磁阻效应工作的。阻会随磁场变化。磁敏电阻就是基于磁阻效应工作的。 磁阻效应磁阻效应是伴随是伴随霍尔效应霍尔效应同时发生的一种物理现同时发生的一种物理现象。运动电荷在磁场中受到洛仑兹力的

50、作用而发生偏转象。运动电荷在磁场中受到洛仑兹力的作用而发生偏转后，其从一个电极到另一个电极所经过的途径，要比无后，其从一个电极到另一个电极所经过的途径，要比无磁场作用时所经过的途径长些，因此增加了电阻率。磁场作用时所经过的途径长些，因此增加了电阻率。 磁阻效应磁阻效应与半导体材料的迁移率、几何形状有关。与半导体材料的迁移率、几何形状有关。一般迁移率愈高，元件长宽比愈小，磁阻效应愈大一般迁移率愈高，元件长宽比愈小，磁阻效应愈大. . 制造磁敏电阻的材料：制造磁敏电阻的材料：锑化铟锑化铟( (insb),),砷化铟砷化铟( (inas) )等。等。87 磁电阻测量实验磁电阻测量实验外接电阻外接电阻

51、磁阻器磁阻器r12vns 处于磁场中的磁阻器件和一个外接电阻串联，接在恒流源的分压电路中，通过对处于磁场中的磁阻器件和一个外接电阻串联，接在恒流源的分压电路中，通过对r的调节可以调节磁阻器件中电流的大小，电压表联接的调节可以调节磁阻器件中电流的大小，电压表联接1或或2可以分别监测外接电阻的电可以分别监测外接电阻的电压和磁阻器件的电压。压和磁阻器件的电压。 实用的磁敏电阻在无磁场时的初始电阻值实用的磁敏电阻在无磁场时的初始电阻值r0可达几百欧姆，在磁感应强度可达几百欧姆，在磁感应强度b=1.0t时，阻值时，阻值rb与与r0的比值可达的比值可达12左右。左右。 磁敏电阻是两端器件，使用方便，但受温

52、度影响磁敏电阻是两端器件，使用方便，但受温度影响很大，制作工艺难度大，应用受很大，制作工艺难度大，应用受到限制。到限制。88 三、磁敏管三、磁敏管 1 1、磁敏二极管、磁敏二极管 （1 1）磁敏二极管的结构）磁敏二极管的结构 有有硅硅磁敏二级管和磁敏二级管和锗锗磁敏二级管两种。磁敏二级管两种。 与普通二极管区别与普通二极管区别：普通二极管普通二极管pn结的基区很短，结的基区很短，以避免载流子在基区里复合；磁敏二级管的以避免载流子在基区里复合；磁敏二级管的pn结基区结基区很长，大于载流子的扩散长度，但基区是由接近本征半很长，大于载流子的扩散长度，但基区是由接近本征半导 体 的 高 阻 材 料 构

53、 成 的 。 一 般导 体 的 高 阻 材 料 构 成 的 。 一 般 锗 磁 敏 二 级锗 磁 敏 二 级 管 用管 用=40cm左右的左右的p型或型或n型单晶做基区型单晶做基区( (锗本征半导体锗本征半导体的的=50cm) )，在它的两端有，在它的两端有p型和型和n型锗。若型锗。若r代表长代表长基区，则其基区，则其pn结实际上是由结实际上是由pr结和结和nr结共同组成。结共同组成。 以以2acm1a为例，磁敏二级管的结构是为例，磁敏二级管的结构是p+in+型。型。89+（b）h+h- -n+区区p+区区i 区区r 区区电流电流（a）磁敏二极管磁敏二极管 (a)(a)结构结构 (b)(b)电

54、路符号电路符号 在高纯度锗半导体的两端用合金法制成高掺杂的在高纯度锗半导体的两端用合金法制成高掺杂的p型型和和n型两个区域，并在本征区型两个区域，并在本征区(i)区的一个侧面上，设置区的一个侧面上，设置高复合区高复合区( (利用喷砂打毛，形成粗糙表面，称为利用喷砂打毛，形成粗糙表面，称为r面。由面。由于粗糙表面处易使电子于粗糙表面处易使电子空穴对复合而消失，故空穴对复合而消失，故r面是面是高复合区，也称为高复合区，也称为r区区) )，而与，而与r区相对的另一侧面，保区相对的另一侧面，保持为光滑无复合表面。这就构成了磁敏二极管的管芯。持为光滑无复合表面。这就构成了磁敏二极管的管芯。90 （2 2

55、）磁敏二极管的工作原理）磁敏二极管的工作原理磁敏二极管的工作原理磁敏二极管的工作原理pnpnpnh=0h+h- -电流电流电流电流电流电流（a）（b）（c）i ii ii i电子电子空穴空穴复合区复合区 当磁敏二极管外加正向当磁敏二极管外加正向偏压，即偏压，即p区接区接电源正极，将有大量空穴从电源正极，将有大量空穴从p区注入到区注入到i区。若将其放入磁场中，则注入的空穴和区。若将其放入磁场中，则注入的空穴和电子受洛仑兹力作用而发生偏转。当磁场电子受洛仑兹力作用而发生偏转。当磁场方向使空穴，电子向方向使空穴，电子向r面面偏转时，它们将大偏转时，它们将大量复合，因而电流很小；当量复合，因而电流很小

56、；当磁场方向使空磁场方向使空穴，电子向穴，电子向光滑面光滑面偏转时，复合率变小，偏转时，复合率变小，电流就大。故电流就大。故可根据某一偏压下的电流值可根据某一偏压下的电流值来确定磁感应强度的大小和磁场方向。来确定磁感应强度的大小和磁场方向。 当磁敏二极管反向偏置时，在当磁敏二极管反向偏置时，在r区区仅流过微小电流，几乎与磁场无关。因而二极管两仅流过微小电流，几乎与磁场无关。因而二极管两端电压不会因受到磁场作用而有任何改变。端电压不会因受到磁场作用而有任何改变。 91 磁敏二极管优点：磁敏二极管优点：1 1）灵敏度高，约为霍尔元件的数百甚至上千倍；）灵敏度高，约为霍尔元件的数百甚至上千倍；2 2

57、）可识别磁场）可识别磁场方向，且线路简单，功耗小。方向，且线路简单，功耗小。 缺点：缺点：灵敏度与磁场关系呈线性的范围比较窄，且受温度影灵敏度与磁场关系呈线性的范围比较窄，且受温度影 响大。响大。 2 2、磁敏三极管、磁敏三极管 （1 1）磁敏三极管的结构）磁敏三极管的结构 在弱在弱p型或弱型或弱n型本征半导体上用合金法或扩散法形成发射极、基极和集电极，基型本征半导体上用合金法或扩散法形成发射极、基极和集电极，基区较长。基区结构类似磁敏二极管，有高复合率的区较长。基区结构类似磁敏二极管，有高复合率的r区区和本征和本征i区区。长基区分为运输基。长基区分为运输基区和复合基区。区和复合基区。cn+e

58、h-h+birn+p+(a) 结构结构bce(b) 符号符号92 末受磁场作用时末受磁场作用时，由于基区宽度大于载流子有效扩散，由于基区宽度大于载流子有效扩散长度，大部分载流子通过长度，大部分载流子通过e-i-b形成基极电流，少数载流形成基极电流，少数载流子输入到子输入到c极。因而形成基极电流大于集电极电流的情极。因而形成基极电流大于集电极电流的情况，使况，使l。 （1 1）磁敏三极管工作原理）磁敏三极管工作原理93 由此可知、磁敏三极管在正、反向磁场作用下，其集电极电流出现明显变化。这样由此可知、磁敏三极管在正、反向磁场作用下，其集电极电流出现明显变化。这样就可以利用磁敏三极管来测量弱磁场、

59、电流、转速、位移等物理量。就可以利用磁敏三极管来测量弱磁场、电流、转速、位移等物理量。 当受到正向磁场当受到正向磁场(h+)作用时作用时，由于磁场的作用，洛仑兹力使载流子偏向发射结的一，由于磁场的作用，洛仑兹力使载流子偏向发射结的一侧，侧，导致集电极电流显著下降导致集电极电流显著下降，当反向磁场，当反向磁场(h-)作用时，在作用时，在h h- -的作用下，载流子向集电的作用下，载流子向集电极一侧偏转，极一侧偏转，使集电汲电流增大使集电汲电流增大。94光电效应光电效应 第七节第七节 光电式传感器光电式传感器光光光电传感器光电传感器电量电量外光电效应外光电效应在光的照射下，在光的照射下，金属中的自

60、由电子吸收光能而逸金属中的自由电子吸收光能而逸出金属表面的现象。如光电管和出金属表面的现象。如光电管和光电倍增管等。光电倍增管等。内光电效应内光电效应半导体材料受光的照射后，其半导体材料受光的照射后，其电导率发生变化的现象称为电导率发生变化的现象称为光导效应光导效应，如，如光敏光敏电阻；电阻；而受光后产生电势的现象称为而受光后产生电势的现象称为光生伏特光生伏特效应，效应，如光电池和光敏晶体管等。如光电池和光敏晶体管等。 一、光敏电阻（又称光导管）一、光敏电阻（又称光导管） 原理：原理：光光半导体材半导体材料料电子电子空空穴对穴对导电性能导电性能变化变化95 爱因斯坦是现代物理学的开爱因斯坦是现