电感式电容式压电式磁电式传感器传感器测量原理

1、3.3电容式传感器a）极距6变化型 ”叩n |I屮一1图&55b电容式传声器的电路原理驻极体电容传声器它采用聚四氟乙烯材料作为振动膜片。这种材料经特殊电处理后，表面永久地驻有极化电荷，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、性能优越、使用方便。3.3电容式传感器b）面积变化型C角位移型变面积型电容传感器1固定极板2动极板3.3电容式传感器3.3电容式传感器平面线位移型 C£To£A6变面积型电容传感器3.3电容式传感器1固定极板2动极板柱面线位移型.c =畔C)2变面积型电容传感器1固定极板2动极板3.3电容式传感器c）介质变化型C :3.3

2、电容式传感器电容式接近开关被测物体感应电极被测电容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，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 生变化接近开关的检测物体， 并不限于金属导体，也可以是绝 缘的液体或粉状物体。林料介电常数材料介电常数”料|介电常数1水80软橡胶2.5有机菠璃3.2大理石8松节袖2.2聚乙稀2.3东母6木材2-7苯乙稀3陶瓷4.4酒精25.8石蜡2.2硬橡胶4电木3.6石英沙4.5玻璃5电缆2.5纟氐碎屑4硬纸4.5袖纸4石英玻璃3.7空气12.2硅2.8合成树脂3.6托3.5变压器油2.2赛璐璐3聚丙稀2.3

3、普通纸2.320测测。和图壁 意罐。 示在器 构样容 结这电 器，个感部一传顶了 位的成 料罐形 式祖就 容装间 电安之 是枫极图电电下定定20检测出这种电容量的变化就可测定物料在罐内 的高度。传感器的静电电容可由下式表示：式中:k 比例常数;6被测物料的相对介电常数;%空气的相对介电常数；D储罐的内径；d测定电极的直径;h被测物料的高度。假定罐内没有物料时的传感器静电电容 为c。，放入物料后传感器静电电容为G, 则两者电容差为AC = C C°由上式可见，两种介质常数差别越大， 极径D与d相差愈小，传感器灵敏度就愈 高。电感式传感器电感式传感器是利用电磁感应原理将被 测非电量如位移

4、、压力、流量、重量、振 动等转换成线圈自感量L或互感量M的变 化，再由测量电路转换为电压或电流的变 化量输出的装置。优点:结构简单，工作可靠寿命长，测量精度高，零点稳定，输出功率较大等。缺点:灵敏度、线性度和测量范围相互制约, 传感器自身频率响应低，不适用于快速动 态测量。电感式传感器种类很多，有利用自感原理的自感式传感器，利用互感原 理做成的差动变压器式传感器，还有 利于涡流原理的涡流式传感器、利用 压磁原理的压磁式传感器等本章主要介绍自感式、互感式和电 涡流式三种传感器。自感型一可变磁阻式原理:电磁感应L=O O可变导磁面积型差动型3.1变磁阻式传感器3.1.1工作原理 L,二 /S图3-

5、1变磁阻式传感器结构图1 线圈；2铁芯（定铁芯）；3衔 铁（动铁芯）铁芯和衔铁由导磁材料如硅钢片或坡莫 合金制成，在铁芯和衔铁之间有气隙，气 隙厚度为6,传感器的运动部分与祷铁相 连。当衔铁移动时，气隙厚度6发生改变，引 起磁路中磁阻变化，从而导致电感线圈的 电感值变化，只要能测出这种电感量的变 化，就能确定衔铁位移量的大小和方向。电路的磁阻指由于电流引起的链合磁通 量。根据电感定义，线圈中电感量可由下式确定：TNL 上式中:W线圈总磁链;通过线圈的电流N线圈的匝数; 穿过线圈的磁通。由磁路欧姆定律，得磁通表达式：亠心磁路总磁阻。对于变隙式传感器，因为气隙很小，所 以可以认为气隙中的磁场是均匀

6、的。若忽略磁路磁损，则磁路总磁阻为:式中:28“0*0“2铁芯材料的导磁率(H/m);衔铁材料的导磁率但/m);厶厶2SS2“0S。8磁通通过铁芯的长度(m);磁通通过衔铁的长度(m)；铁芯的截面积()；"衔铁的截面积()；"空气的导磁率(4?tX H/fiS)； 气隙的截面积()阳 气隙的厚度(m)。通常气隙磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻， 即：则可近似认为：R . 23 m A0S025 “0$026 “oS。»»h厶联立前几式，可得l_N? 一问&心 25上式表明，当线圈匝数为常数时,感L仅仅是磁路中磁阻心的函数,只要改变6或均可导致电感变化。

7、因此变磁阻式传感器又可分为变气 隙厚度§的传感器和变气隙面积的 传感器。使用最广泛的是变气隙厚度6式电感传感器。315变磁阻式传感器的应用膜盒an变隙电感式传感器由膜盒、铁芯、衔铁 及线圈等组成，衔铁与膜盒的上端连在一起。当压力进入膜盒时，膜盒的顶端在压力P 的作用下产生与压力P大小成正比的位移,于是衔铁也发生移动，从而使气隙发生变 化，流过线圈的电流也发生相应的变化， 电流表指示值就反映了被测压力的大小。互感式传感器是把被测的非电量变化转 换为线圈互感量变化的传感器。它根据变 压器的基本原理制成，并且次级绕组都用 差动形式连接，故又称为差动变压器式传 感器。差动变压器结构形式较多，

8、有变隙式. 变面积式和螺线管式等，但其工作原理基 本一样。Bl非电量测量中，应用最多的是螺线管式 差动变压器，它可以测量1100mm范围 内的机械位移，异具有测量精度高灵敏 度高，结构简单，性能可靠等优点。3.2.1工作原理螺线管式差动变压器结构如下图所示。它由一个初级线圈，两个次级线圈和插入线圈中央的圆柱形铁芯等组成。工作原理:互感现象E呂图311螺线管式差动变压器结构图3.2.1工作原理图311螺线管式差动变压器结构图3.2.1工作原理1-活动衔铁；2 导磁外壳；3 骨架；4 匝数另Wi的初级绕组;1-活动衔铁；2 导磁外壳；3 骨架；4 匝数另Wi的初级绕组;5 匝数爾2。的次级绕组；6

9、 匝数为 啲次级绕组5 -匝数爾2a的次级绕组；6 -匝数为 啲次级绕组图311螺线管式差动变压器结构图图311螺线管式差动变压器结构图螺线管式差动变压器按线圈绕组排列的 方式不同，可分为一节、二节、三节、四 节和五节式等类型，如图所示。一节式 灵敏度高，三节式零点残余电压较小，通常采用的是二节式和三节式两类。XXXhIXXX（a） 一节式；（b）二节式（c）三节式；（d）四节式；）五节式线圈排列方式图当初级绕组妙加以激励电压0fc.根据变 压器的工作原理，在两个次级绕组 和f 中儷会产生感应电势和。弘 E2b如果工艺上保证变压器结构完全对称， 则当活动衔铁处于初始平衡位置时，必然 会使两互感

10、系数 加芋臟据电磁感血原理, 将有E2a = E2b变压器两次级绕组反向串联，因而 U 2 = Ela Elb = 0即差动变压器输出电压为零。由于磁阻的影响，”2“中 血瀬5么增加，而QaElbEla活动衔铁向上移动时，磁通将大于 W使减小。艮込增加，Ilf减小。因为 U2二迟2刀喙当、随着衔铁曲移 X变化时，也必将随X齋化。下图给出了变压器 输出电压 与活动衔钦位移X的关系曲线。实际上，当衔铁位于中心位置时，差动变压器 输出电压并不等于零，我们把差动变压器在零位移时的输出电压称为零点残余电压，记作 它的存在使传感器的输出特性不过零点，造監At/O 实际特性与理论特性不完全一致。Ar%理论特

11、性 曲线M0 M加一“肪 卜实际特性曲线3-14差动变压器输出电压特性曲线3.4电感式传感器差动变压器位移传感器3.4电感式传感器案例：板的厚度测量W/M侈彩彩彩彩彩彩彩彩彩彩彩彩彩彩彩彩彩 绍幺绍绍绍绍绍绍绍绍绍绍绍绍绍绍绍绍幺 绍幺绍彩绍彩绍彩彩彩绍彩彩彩绍彩彩彩0XOJ-区bXVV 、 、 、 、 、 、 Cwc pXXXX 、 AXXX 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 AXXX 、 、 、 、 、 、 AXXX 、 、 、 、 Xxx、 、 AXXX 、 、 、 、 、 、 （、 kXWX 、 、 、 、 、 、 、XA区3.4电感式传感器案例：张力测量区区

12、331电涡流式传感器下图为电涡流式传感薄稠理图,|3-19电涡流传感器原理图该图由传感器线圈和蜒輪瀕感线 圈一导体系统。3-19电涡流传感器原理图根据法拉第定律，当传感器线圈通”严 弦交变电流耐，.线圈周围空间处就吿 正弦交变磁场，吸置于此磁场中的金属 导体中感应电涡流，衷产生新的交变磁 场。根擴愣次定律的作用将反越埒建 场，导致传感器线圈的等效阻抗发生雯 化，此也涡流的闻合流媒曲慨心同线圈在 幺属板上慚兹鬱的圆心重合。由上可知，线圈阻抗的变化完全取决于 菠测金雇專徐的电满流效应。而电涡流效 应既与菠测様馬电阻傘A相对磁导率"以 及几何形状有关，又与线圈几何養牡、口线 圈中激磁电流频

13、率有快，还与线圈与导 体间的距离徐关。传感器线圈受电涡流影响时的等效阻抗Z的函数关系式为： 式中：Z = F(p,y,r,f,x)。一被测体的电阻率；“一相对磁导率；厂一线圈与被测体的尺寸因子; f线圈激磁电流的频率； 兀一线圈与导体间的距离。保持上式中其它参数不变，而只改变其中一个参数,传感器线圈阻抗 就仅仅是这个参数的单值函数。通过与传感器配用的测量电路测出阻抗 的变化盧,即可实现对该参数的测量。3.3.5电涡流式传感器的应用1.测位移Oo电涡流式传感器的主要用途之一是可用 来涮畫金痛祚闵静态或动态位移，最耒量 程达数百毫米，分辨率为0.1%o目前电涡流位移传感器分辨力最高已到 0.05p

14、m（量程0 15pm）。凡是可转换为位/量的参数，都可用电 涡流式传感器测量，如机器转轴的轴向窜 动、金属材料的热膨胀系数、钢水液位、 易线张另、流探压另等。下图为用电涡流式传感器构成的液位监 控系统。通过浮子3与杠杆带动涡流板1上下位移, 由电涡流式传感器2发出信号控制电动泵 的开启而使液位保持一定。/777777/T测量电路图327液位监控系统电涡流传感器测位移，由于测量范围宽、 反应速度快、可实现非接触测量，常用于 在线检测O2涡流探伤涡流探伤可以用来检查金属的表面裂纹、 热处理裂纹以及用于焊接部位的探伤等。综合参数（兀：瀚凌化将引起传感器参数 的变化，通过测量传感器参数的变化即可达到探

15、伤的目的。在探伤时导体与线圈之间是有着相对运动速度的，在测量线圈上就会产生调制频率信号。在探伤时，重要的是缺陷信号和干扰信号比。为了获得需要的频率而采用滤波器，使某一频率的信号通过，而将干 扰频率信号衰减。裂缝信号(b)瓦）比较浅的裂缝信号b）经过幅值甄别后的信号3-28用涡流探伤时的测量信号2）比较浅的裂缝信号(b)b）经过幅值甄别后的信号图3-28用涡流探伤时的测量信号3.4电感式传感器产品：3.4电感式传感器EddySensor案例：连续油管的椭圆度测量Reference Circle3.4电感式传感器案例=无损探伤原理裂纹检测,缺陷造成涡流变化。仁变换原理:压电效应3. 6压电式传感器

16、某些物质，如石英，受到外力作用时，不仅几何尺寸会发生变化，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 种现象称为压电效应。Fq=DF芒灌卷灌卷灌卷灌卷灌:串联压电式传感器的工作原理当某些材料受力作用而变形时，其表面会有电荷产生，从而实现非电量测量。71>1 o压电式传感器具有体积小，重量轻，工 作频带宽、灵敏度高、工作可靠、测量 范围广等特点，因此在各种动态力、机 械冲击与振动的测量等方面都得到了非 常广泛的应用。36压电式传感器产品力传感器加速度计某些电介质，当沿着一定方向对其施力而使它变形时，其内部就产生极化现象， 同时在它的两个表面上便产生符号相反的电

17、荷，当外力去掉后，其又重新恢复到不 带电状态，这种现象称压电效应。当作用力方向改变时，电荷的极性也随之改变。有时人们把这种机械能转为电能的现象，称为“正压电效应”。相反，当在电介质极化方向施加电场，这些电介质也 会产生变形，这种现象称为“逆压电效应”（电致伸缩效应）。具有压电效应的材料称为压电材料,压电材料能实现机一电能量的相互转换，如图51所示。0 0机械量压电元件电量0 0图5-1压电效应可逆性石英晶体、钛酸钦、锥钛酸铅等材 料是性能优良的压电材料。压电材料可以分为两大类：压电晶、 体和压电陶瓷。前者为晶体，后者为 极花处理的多晶体。11/他们都具有较大的压电常数，机械 止能良好，时间稳定

18、性好，温度稳定 性知華薛性，所以是较理想的压电材料。压电材料的主要特性参数有：(1) 压电常数：压电常数是衡量材料压电效应 强弱的参数，它直接关系到压电输出的灵敏度。(2) 弹性常数：压电材料的弹性常数、刚度 决定着压电器件的固有频率和动态特性。(3) 介电常数：对于一定形状、尺寸的压电元 件，其固有电容与介电常数有关；而固有电 容又影响着压电传感器的频率下限。(4) 机械耦合系数：在压电效应中，其值等于转换输出能量(如电能)与输入的能量 (如机械能)之比的平方根；它是衡量 压电材料机电能量转换效率的一个重要 参数。(5) 电阻压电材料的绝缘电阻：将减少电 荷泄漏，从而改善压电传感器的低频特

19、性。居里点：压电材料开始丧失压电特 性的温度称为居里点。5.1.1石英晶体石英晶体化学式为SiCh （二氧化硅），是 单晶栋结构11/inzooyXZb它的转换效率和转换精度高、线性范围宽、 重复性好、固有频率高、动态特性好、工 作温度高达550°C （压电系数不随温度而改 变）、工作湿度高达100%、稳定性好。/(a)(b)(c)图5-2石英晶体图5-2 (a)表示了天然结构的石英晶体外 形。它是一个正六面体。石其晶体零个 向的特性是不同的。其中纵向轴z称为光轴，经过六面体棱线 并垂直于光轴的x轴称为电轴，与x和z轴 同时垂直的轴y称为机械轴。通常把沿电轴x方向的力作用下产生电荷

20、的压电效应称为“纵向压电衣应”，而葩 沿机械y方向的作用下产生电荷的压电效 应称为“横向压电效应”。而沿光轴z方 向受力时不产生压电效应。Qx = £1 * 卩乂莒从晶体上沿y方向切下一块如图5-2 (c)所 示晶片，当在电轴方向施加作用力时花在 与电轴X垂直的平面上将产生电希Qx,其大 小为式中：dn x方向受力的压电系数；耳作用力。若在同一切片上，沿机械轴y方向施加作用 力耳，则仍在与X轴垂直的平面上产生电荷 Qy,其大小为：式中：Qy =dn-Fya> b12y轴方向受力的压电系数，dn=dn 晶体切片长度和厚度。电荷Qx和Qy的符号由所受力的性质决定。O2-石英晶体的上

21、述特性与其内部分子结构有关。图5. 3是一个单元组体中构成石英晶体的硅离子和氧离 子，在垂直于z轴的xy平面上的投影，等效为一个 正六边形排列。图中“+”代表 W, 代 表氧离子图5-3石英晶体压电模型当石英晶体未受外力作用时，正、负离子 正好分布在正六边形的顶角上，形成三个 互成120°夹角的电偶极矩Pl、P2、P3o此 时正负电荷重心重合，电偶极矩的矢量和 等于零，即P1+P2+P3二0,所以晶体表面不 产生电荷，即呈中性。当石英晶体受到沿x轴方向的压力作用时， 晶体沿x方向将产生压缩变形，正负离子的 相对位置也随之变动。如图53 (b)所示， 此时正负电荷重心不再重合，即 (P

22、1+P2+P3)x>0 o在x轴的正方向出现 正电荷，电偶极矩在y方向上的分量初为零, 不出现电荷。当晶体受到沿y轴方向的压力作用时，晶命 变形如图53 (c)所示，与图5-3 (b)情况 相似，P1增大，P2、P3减小。在x轴上出 现电荷，它的极性为x轴正向为负由荷。在 y轴方向上不出现电荷。如果沿z轴方向滋加作用力，因为晶体在x 方向和y方向所产生的形变完全相同，所以 正负电荷重 等于零。这当作用力Fx、Fy的方向相反时，电荷的极 性也随之改变。5.1.2压电陶瓷压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料。 在无外电场作用时，电畴在晶体中杂乱分 布，它们的极化效应被相互抵消，压电陶 瘵内极化

23、强便为零，因此原始的压电陶瓷 呈中性，不具有压电性质。在陶瓷上施加外电场时，电畴的极化方向 发生转动，从而使材料得到极化。让外电 场强度大到使材料的极化达到饱和的程度, 即所有电畴极化方向都整齐地与外电场方 向一致时，外电场去掉后，电畴的极化方 向基未不变，即剩余极化强度很大，这时 的材料才具有压电特性。如图5-4。电场 方向(a)未极化(b)电极化图5-4压电陶瓷的极化当陶瓷材料受到外力作用时，电畴的界 限发生移动，电畴发生偏转，从而引起 剩余极化强度的变化，因而在垂直于极 化方向的平面上将出现极化电荷的变化。 这种因受力而产生的由机械效应转变为 电效应，将机械能转变为电能的现象， 就是压电

24、陶瓷的正压电效应。电荷量的 大小与外力成正比关系：Q = d33FV上式中：d33压电陶瓷的压电系数；F作用力。压电陶瓷的压电系数比石英晶体的大得多, 所以采用压电陶瓷制作的压电式传感器的 灵敏度较高。但极化处理后的压电陶瓷材 料的剩余极化强度和特性与温度有关，它 的参数也随时间变化，从而使其压电特性 减弱。最早使用的压电陶瓷材料是钛酸钦 (BaTiO3)o它是由碳酸钦和二氧化钛按Ilf11/一定比例混合后烧结而成的。它的压电 系数约为石英的50倍，但使用温度较低, 最高只有70°C,温度稳定性和机械强度 都不如石英。目前使用较多的压电陶瓷材料是错钛酸 铅（PZT系列），它有较高的压

25、电系数 希较高的工作温度。la毙镁酸铅是20世纪60年代发展起来的压 电尚瓷。具有极高的氏电系薮和簸高的 工作温度，而且能承受较高的压力。11/由压电元件的工作原理可知，压电式传蠶專懿訂飜茂蠢器我电荷的两表面相当于电容的两个极板，极板间物质等效于一种介质,则其电容量为:式中：c£A压电片的面积丫(5 4)d压电片的厚度;空气介电常数久压电材料的相对介电常数。磁敏式传感器磁敏式传感器是通过磁电作用将被测量（如 振动、位移、詰速等）转换成电信再的一种传 感器。磁敏式传感器种类不同，其原理也不完 全相同，由此各有各的特点和应用范围。6.1磁电感应式传感器6.1磁电感应式传感器磁电感应式传感

26、器也称为电动式传感 器或感应式传感器。磁电感应式传感器是利用导体和磁场发生相对运动产生电动式的，它不需要辅助电源就能把被测对象的机械量转换成易于测 量的电信号，是有源传感器。由于它输出功率大且性能稳定，具有一定的工作带宽（101000 Hz）,所以得到普JIJIJ遍的应用。6.1.1磁电感应式传感器根据电磁感应定律，当眇互线圈在恒定磁场内 运动时，设穿过线圈的磁通为则线圈内的 感应电势E与磁通变化率/力有如下关系:E = wdt根据这一原理，可以设计成两种磁电传感器结 W：变磁通式和恒磁通敦:。图61是变磁通式磁电传感器，用来测量旋转物 体的角速度。图61 (a)为开磁路变磁通式：线圈、磁铁静

27、止不动，测量齿轮安装在被 测旋转祐上，随之一起转动。每转动一个齿，齿的凹凸引起磁路磁阻变化一次，磁通也就变化一次，线圈中产生感应电势，其变 化频率等于被测转速与测量齿轮齿数的乘积。这种传感 器结构简单，但输出信号较小，且因高速轴上加装齿轮 较危险而不宜测量高转速。(b)闭磅路屮5,内齿轮；&外齿轮;7.转轴4k永久砖铁;2r软瑟铁;覚感应线圈；測量齿轮;图61 (b)esS6-1 (b)为闭磁路变磁通式，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。当转轴连接到被测转轴上时，外齿轮不动，内齿 轮随被测轴而转动，内、外齿轮的相对转动使气隙磁阻 产生周期性变

28、化，从而引起磁路中磁通的变化，使线圈 内产生周期性变化的感生电动势。感应电势的频率与被 测转速成正比。图62恒磁通式磁电传感器结构原理图永久磁铁式売体売体线圈线圈永久碣铁永久碣铁(b)动铁式PCa）动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），也可以是磁铁（动铁式）,动圈 式（如图62 （a）和动铁式（如图6-2（b）的工作原理是完全相同的。当壳体 随被测振动体一起振动时，由于弹簧较软, 运动部件质量相对较大。当振动频率足够 高（远大于传感器固有频率）时，运动部 件惯性很大，来不及随振动体一起振动， 近乎静止不动，6

29、.2霍尔传感器振岁能量几乎全被弹簧吸收，永久磁铁与线圈 之间的相对运动速度接近于振动体振动速度， 磁铁与线圈的相对运动切割磁力线，从而产生感应电势为:式中:E wB0Lv (6 - 2)B0工作气隙磁感应强度;L每匝线圈平均长度;W线圈在工作气隙磁场中的匝数;相对运动速度。霍尔传感器为载流半导体在磁场中有 电磁效应（霍尔效应）而输出电动势的一 种传感器。随着半导体技术的发展，开始用半导体材 料制成霍尔元件，由于它的霍尔效应显著 而得到应用和发展。霍尔传感器广泛用于电磁测量电流、磁场、压力、加速度、振动等方面的测量。6.2霍尔传感器6.2.1霍尔效应及霍尔元件1）霍尔效应置于磁场中的静止载流导体

30、宀潮电 流方向与磁场方向不一致时，载流导体上平行于电 流和磁场方向上的两个面之间产生电动势，这种现 象称霍尔效应，该电势称霍尔电势，半导体薄片称 霍尔元件。电板，导电板通以电流人方向如图所示。霍尔效应原理图.图65所示，在垂直于外磁的方冋上放置一个*导电板中的电流是金属中自由电子在电场作 用下的定向运动。此时，每个电子受洛仑磁力 卩皿的作用，卩加的大小为：=evB式中：g电子电荷；电子运动平均速度;B 磁场的磁感应强度。Fw的方向在图65中是向上的，此时电子除 了沿血流皮方向作楚向运动夕F，还在F/w的祚用下向上漂移，结果使金属导电板上底面积累电子，而下6.2霍尔传感器底面积累正电荷，从而形厳

31、孑附娠曲电场班 称霍尔电场，该电场强度为：Eh eEH 二evB则Eh = vBUH = bvB(6-10)(6-11) *6-(6-13)此时电荷不再向两底面积累，达到平衡状态。6.2霍尔传感器一般金属材料载流子迁移率很高，但电阻率很小;而绝缘材料电阻率极高，但载流子迁移率极低。 故只有半导体材料适于制造霍尔片。目前常用的 霍尔元件材料有：错、硅、碑化钢、铢化钢等半 导体材料。其中N型错容易加工制造，其霍尔系数、温度性能和线性度都较好。N型硅的线性度最好，其霍尔系数、温度性能同N型错相近。铢化钢对温度最敏感，尤其在低温范围内温度系数大，但在室温时其霍尔系数较大。碑化钢的霍尔 系数较小，温度系

32、数也较小，输出特性线性度好。(b)图形符号Q66霍尔元件2)霍尔元件基本结构霍尔元件的结构很简 单，它由霍尔片、引 线和壳体组孚，如图6-6 (a)所示。霍尔是一块矩形半导体单1'两根引线加激励电压或晶薄片，引出四个引线。1、电流，称为激励电极；2、2,引线为霍尔输出引线，称 为霍尔电极。霍尔元件壳体由非导磁金属、陶瓷或环 氧树脂封装而成。在电路中霍尔元件可用两种符号表 示，如图66 (b)所示。6.3磁敏电阻器磁敏电阻器是基于磁呻效应的磁敏元件电阻是磁阻位移传感器、充触点开关等的核心部件。其电阻会随磁场而变化, 当温度恒定时，在磁場6.3.1磁阻效应当一载流导体置于磁场中，这种现象被

33、称为磁阻效应。内，磁阻和磁感应强度B的平方成正比。理论推导 出来的磁阻效应方程为：式中，是磁蘇麗2另踊筍饌J 是零磁场下 的电阻率；卩是电子迁移率；B是磁感应强度。当电阻率的变化为M = P tt谢变 化为：乂 = 0.273“叨2 可以看出，"雀磁感应强度二 Kjli2B20定时，迁移率越高的材料（如InSb、InAs、NiSb等半导体材料）磁阻效 应越明显。从微观上讲，赫科的电阻率增加是因另 电流的流动路径因磁场的作用而加长所致。6.3磁敏电阻器6.3.3磁阻元件的主要特性1）灵敏度特性磁敏电阻的灵敏度一般是非线性的，且受温度的影响较大。磁阻元件的灵敏度特性用在一定磁场强度下的电

34、阻变化率来表示, 即磁场一电阻变化率特性曲线的斜率。在 运算时常用Rb/Ro求得，Ro表示无磁场情 况下磁阻元件的电阻值，Rb为施加0.3T磁 感应强度时磁阻元件的电阻值。这种情况下，一般磁阻元件的灵敏度大于27,如图615所 示。由图645(a)所示磁阻元件的电阻值与磁场的极性无关， 它只随磁场强度的增加而增加。由图645(b)所示，在0.2T以 下的弱磁场中，曲线呈现平方特性，而超过0.2T后呈现线性8卩(b)电阻变化率特性刎(a) Ss N级之间电阻特性卩图615磁阻元件的灵敏度特性测转角:案例：汽车速度测量:案例：轧机转速测量轧机转速测量J原来用反 光式传感器，可靠性低实验：钢管无损检

35、测实验模块本模块采用磁性检测原理来探测钢管缺陷e 探头由磁铁和可检测磁场强度的霍尔传感器组 成。磁铁与被测的铁磁材料工件间形成磯路,若工件卜有缺陷,则磁路的磁阻增大,霍尔传感器附近的磁场强度变弱。当探头花试件表ifii移动时，止常情况下磁场强度是不变的，当试 件表面有缺陷的时候,会产生一个磁场的跳变, 通过监测磁场的跳变即可进行试件的探伤°3.9气敏电阻传感器气体与人类日常生活密切相关，对气体的检测已经是保护和改善生态居住环境不可缺少手段,气敏传感器发挥着极其重要的作用。如生活环境中一氧化碳浓度达0.81.15 ml/L时，就会出现呼吸急促，脉搏加快，甚至晕厥。还有易燃、易爆气体 酒

36、精等的探测。烟雾报警器|酒精传感器二氧化碳传感器气敏传感器是利用气敏半导体材料，如氧化锡、氧化猛。 当它们吸收了气体烟雾，如一氧化碳、醇等时，电阻发生变 化。从而使气敏元件电阻值随被测气体的浓度改变而变化“&乙瞇5氢气一氧化酒精传感器3.10超声波检测传感器1)声波及其分类(1) 次声波，振动频率低于16Hz的机械波。(2) 声波:振动频率在16Hz-20KHz之间的机械波。(3)超声波:高于20KHz的机械波2)超声波的物理性质超声波与声波比,振动频率高,波长短，具有束射特 性，方向性强，可以定向传播，其能量远远大于振幅相同 的声波，并具有很高的穿透能力。声压所谓声压，是指某点上各瞬

37、间的压力与大气压力之差值, 单位为Psi, IPa =lN/m2-声强声强是声波在传播方向上单位时间内通过单位面积的能单位为W/1112 o声功率声功率（疔）是声源在单位时间内发射出的总能量，单位 是W。超声波传感器原理磁滞式超声波传感器超声波发射原理是把铁磁材料置于交变磁场中，产生机械振动，发射出超声波。接收原理是当超声波作用在磁致材料上时，使磁滞材 料磁场变化，使线圈产生感应电势输出。超声波传感器应用 超声波探伤/测距/测物案例：输油管检测检测机器人倒车雷达車帽以上2m程度I -鱼群探测器蝙蝠利用回声定位3.11光电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。内光电效应半导体材料受到光照时会产生电子空穴对，使其导电性能增强，光线愈强，阻值愈低，这种光照后电阻率发生变化的现象，称为内光电效应O光敏电阻*光敏二极管和光敏三极管照相机自动测光 光控灯工业控制光电池光生伏特效应