第4章 电压型传感器

本章的教学内容

（1）磁电式传感器（2）热电偶传感器（3）霍尔传感器第4章电压型传感器4.1磁电式传感器磁电式传感器又称为感应式传感器或电动式传感器，它利用电磁感应原理将运动速度转换成感应电动势输出的传感器。4.1.1基本原理和组成线圈所产生的感应电动势为

磁电式传感器基本上由以下三部分组成：（1）磁路系统；（2）线圈；（3）运动机构

4.1.2结构类型磁电式传感器有变磁通型和恒定磁通型两种结构类型。

1.

变磁通型

图4-1-1

变磁通式结构2.恒定磁通型该类型包括动铁式和动圈式两种。

图4-1-2

恒磁通式结构

例4.1-1已知恒磁通磁电式速度传感器的气隙磁感应强度为1T，单匝线圈长度为4mm，线圈总匝数1500匝，求电压灵敏度。4.1.3接口电路

图4-1-3

磁电式传感器接口电路方框图图4-1-1

变磁通式结构图3－3-1单一式自感传感器4.2压电式传感器压电式传感器是以具有压电效应的压电元件作为转换元件的有源传感器，它能测量力和可变换为力的物理量（压力，加速度等），是应用较多的一种传感器。

4.2.1压电效应及其表达式1压电效应某些电介质，当沿着一定方向对其施力而使它变形时，内部就产生极化现象，同时在它的两个相对的表面上便产生符号相反的电荷；当外力去掉后，又重新恢复不带电的状态；当作用力的方向改变时，电荷的极性也随着改变；这种现象称为正压电效应（压电效应）。

2压电效应方程

图4-2-1

压电元件的力、电分布单一应力作用下的压电效应有以下四种类型：

全压电效应，可表示为矩阵形式为图4-2-2

压电效应的几种类型3力-电荷转换公式电荷密度为方向所受应力为将上两式代入可得对于纵向压电效应，因，故有图4-2-3b所示的电荷量应为图4-2-3c所示的电荷量应为石英晶体，故有由上几式可知，压电效应产生的电荷Q与压电元件受力F成正比，即图4-2-3

石英晶片上电荷极性与受力方向的关系4.2.2压电材料具有压电效应的电介质称为压电材料。可分为三类：（1）压电晶体（单晶），它包括压电石英晶体和其它压电单晶。（2）压电陶瓷（多晶半导瓷）。（3）新型压电材料，有压电半导体和有机高分子压电材料两种。国内常用的是石英晶体和压电陶瓷1.石英晶体

4-2-4

石英晶体图4-2-5

石英晶体的压电效应由上式可知，石英晶体不是在任何方向上都存在压电效应，如下图所示。2.压电陶瓷压电陶瓷是一种经极化处理后的人工多晶铁电体。“多晶”指由无数细微的单晶组成；“铁电体”指它具有类似铁磁材料磁畴的“电畴”结构。

图4-2-6

压电陶瓷的极化以钛酸钡压电陶瓷为例，由实验测试所得的压电常数矩阵为

式中，

由上式可见，钛酸钡压电陶瓷也不是在任何方向上都有压电效应，下图所示图4－2－7压电陶瓷的压电效应式中，称为体积压缩压电常数4.2.3压电元件

1压电元件的基本变形方式

图4-2-2

压电效应的几种类型图4-2-8

双晶片悬臂梁式压电元件这种传感器可用做加速度传感器和测量粗糙度的轮廓仪的测头.2压电元件的等效电路

压电元件的两电极间的石英晶体或压电陶瓷为绝缘体，因此就构成一个电容器，其电容量为

图4-2-9

压电元件的等效电路图4-2-10

压电元件的串并联3压电元件的串并联4.2.4

接口电路图4-2-9

压电元件的等效电路压电式传感器的输出可以是电压，也可以是电荷，因此，它的接口电路也有电压放大器和电荷放大器两种形式。1

压电传感器的等效电路图4-2-11

压电传感器等效电路图4-2-12

电压放大器电路2

电压放大器图中电压放大器输入电压为式中电压放大器增益为输出电压为输出电压与输入电荷之间的转换关系为上式可见，电压放大器输出电压与输入电荷之间的转换关系具有一阶高通滤波特性，其转换灵敏度为将代入上式得由下式可见:图4-2-13

电荷放大器3电荷放大器有电荷放大器输出电压与输入电荷之间的转换关系为式中上式可见，电荷放大器输出电压与输入电荷之间的转换关系具有一阶高通滤波特性，其转换灵敏度为可见电荷放大器输出电压U0与压电传感器所受力之间的转换关系也具有一阶高通滤波特性，其转换灵敏度为将代入得下式中，w都不能为零,所以不论采用电压放大还是电荷放大，压电式传感器都不能测量频率太低的被测量，特别是不能测量静态参数，因此压电传感器多用来测量加速度和动态力或压力.式灵敏度取决于CF电荷放大器的时间常数RFCF例4.2-14.3

热电偶传感器基于热电效应原理工作的传感器称为热电偶传感器，它是目前接触式测温中应用最广的热电式传感器.图4-3-1

热电效应示意图4.3.1

热电效应1

热电动势的产生热电偶产生的热电动势与两个电极的材料及两个接点的温度有关，通常写成EAB(T,T0)。热电偶产生的热电动势由单一导体的温差电动势和两种导体的接触电动势组成。1)单一导体的温差电动势根据物理学的推导,当导体A两端的温度分别为T,T0时,温差电动势可表示为导体B的温差电动势为2)两种导体的接触电动势根据物理学的推导,接触电动势的表达式为同理，在接触面（点）的温度为T0时的接触电动势为3)热电偶回路的总热电动势

由上几式可得2热电偶的基本定律1）中间导体定律图4-3-2

热电偶回路接入第三导体对于图4-3-2a的电路，采用“巡游一周法”，回路总热电动势由式（4-3-1）和式（4-3-3）可知可得上式与对比可得对于图4-3-2b的电路，采用“巡游一周法”，回路总热电动势由式可知故有图4-3-3

开路热电偶的使用2）中间温度定律如取，代入上式可得有3）标准电极定律4.3.2

热电偶的材料、型号及结构1热电偶的材料对热电偶电极材料有以下要求：(1)物理化学性能稳定(2)导电率高(3)变化率大(4)工艺简单2热电偶的型号按照工业标准化的要求，可分为标准化热电偶和非标准化热电偶合。3热电偶的结构1）普通热电偶图4-3-5

普通热电偶结构示意图2）铠装热电偶（缆式热电偶）3）薄膜热电偶4.3.3冷端恒温式热电偶测温电路1测温原理和方法图4-3-6

各种热电偶的热电势与温度关系曲(T0=0℃)利用热电偶测温度方法有查表法和直读法。2热电偶冷端的恒温和延伸为了使热电偶的热电动势与被测温度如的单值函数关系，需要使热电偶冷端的温度保持恒定或进行其它处理。1）冷端的恒温方式冰浴法2）冷端的延伸注意以下几点：（1）补偿导线与热电偶的两个接点的温度必须相同。（2）满足（3）补偿导线与热电偶的同性电极相接。

1）查分度表法查表法：直接法测温：3冷端温度恒定但T=0OC的处理方法

2）查修正系数法应按下式计算出真实温度T仪表刻度是按照如下关系标定的：此时的T’不是真实的T.3）仪表机械零点调整法例4.3-1

4.3.4冷端补偿式热电偶测温电路1冷端自动补偿的原理图4-3-9冷端自动补偿的误差2冷端补偿器电路1）热电阻电桥2）热电偶冷端补偿集成放大器图4-3-11AD594/AD595引脚和内部结构框图

4.4光电式传感器光电式传感器是以光电器件作为转换元件的传感器。它可用于检测直接引起光量变化的非电量，也可用于检测能转换成光量变化的其它非电量。4.4.1光电效应光电效应可分为外光电效应、光导效应和光生伏特效应，相对应的光电器件包括光电发射型光电器件，光导型光电器件和光伏型光电器件（光电池）三种类型。1.外光电效应根据能量守恒定律有外光电效应（光电发射）光电子光电材料红线频率，其表达式为基于外光电效应原理工作的光电器件有光电管和光电倍增管。2内光电效应图4-4-1

电子能级示意图光导效应内光电效应基于光导效应原理工作的半导体器件有光敏电阻，光电二极管和光电晶体管。3光生伏特效应光生伏特效应1.光电管图4-4-2

光电管基本电路4.4.2光电管和光电倍增管

图4-4-3光电管的基本特性2.光电倍增管图5-4-2光电倍增管的结构及电路

图4-4-5光电倍增管的基本特性4.4.3光敏电阻1.光敏电阻的原理和结构图4-4-6

光敏电阻基本电路图5.4.5光敏电阻的结构光敏电阻的结构图4-4-8光敏电阻的基本特性

图4-4-9温度对光敏电阻性能的影响3.光敏电阻与负载的匹配图4-4-6光敏电阻基本电路

4.4.4光电池图4-4-10光电池的结构

图4-4-11光电池的工作原理

图4-4-12光电池的符号、基本电路及等效电路图4-4-13光电池的基本特性2.

光电池的基本特性图4-4-14光电池的光照特性和伏安特性3.

光电池的负载选择图4-4-15光电池两种放大电路4.

光电池的接口电路图4-4-16光电池采用硅晶体管放大的电路图4-4-17光电池用于开关控制电路

4.4.5光电式传感器的基本组成和类型图4-4-18

光电传感器的基本组成1)光源2）光学通路3）光电器件4）测量电路1光电式传感器的基本组成1)透射式

2光电式传感器的基本类型图5-4-16透射式光电传感器2)反射式

图5-4-17反射式光电传感器3)辐射式

图5-4-18辐射式光电传感器4)遮挡式

图5-4-19遮挡式光电传感器5)开关式

它就是“通”与“断”的开关状态，有三种用途：（1）开关，如光继电器（2）计数，将光脉冲转换为电脉冲进行产品计数或是测量转速等（3）编码，利用不同的码反映不同的参数例4.4-14.5霍尔传感器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。4.5.1霍尔效应图5-5-1霍尔效应原理图当电荷处于平衡，即霍尔电压与霍尔电场强度的关系为综合假设激励电流I分布均匀，则有和两式，得将和两式合并整理，得对N型半导体有对P型半导体有令霍尔传感器由元件，加于激励电极两端的激励电源，与霍尔电极输出端相连的测量电路，产生某种具有磁场特性的装置。代入得4.5.2霍尔传感器的组成与基本特性1.霍尔元件图5-5-2霍尔元件的结构和符号图4-5-3

霍尔电压的基本测量电路2.电路部分图4-5-4

霍尔元件的输出电路图4-5-5

霍尔元件输出叠加连接方式图4－5－6霍尔式位移传感器原理示意图3.磁路部分4.基本特性霍尔传感器的灵敏度和线性度等基本特性主要取决于它的磁路系统和霍尔元件的特性；另据可知，提高磁场的磁感应强度和增大激励电流I，也可获得较大的霍尔电压。例4.5-14.5.3霍尔传感器的应用由霍尔电压表达式，霍尔传感器的应用可分为以下三方面：利用UH与I的关系；利用UH与B的关系；利用UH与IB的关系.1.利用UH与I的关系利用霍尔电压UH与控制电流I成很好的线性关系，可直接用于电流的测量。利用UH-B关系可测压力、加速度、磁场强度等；利用该原理可做霍尔式罗盘、方位传感器等。2.利用UH与B的关系图4-5-7

霍尔式钳形电流表霍尔钳形电流表既可测量直流，也可测量交流。3.