发电式传感器及其应用

测试技术——

发电式传感器及其应用(4)第五章内容压电式传感器磁电式传感器光电式传感器固态图像传感器霍尔传感器热电偶传感器红外探测器1压电式传感器压电效应外力作用下在压电材料表面产生电荷F+q等效电路两极板上聚集异性电荷，中间为绝缘体的电容器压电材料：石英晶体、钛酸钡、锆钛酸铅等FFq电极压电晶片Cou＝q/Co电荷源电压源1压电式传感器结构形式两片、四片压电材料串并联组成，提高灵敏度并联接法：电容量大、时间常数大，响应慢测量缓变信号适合电荷输出串联接法：电容量小、时间常数小，响应快测量快变信号适合电压输出1压电式传感器测量电荷易泄漏，适宜作动态测量电荷测量：电荷放大器（电容反馈放大器）

如果放大器开环增益A足够大

uo≈-qe/Cf电荷放大器的输出电压与传感器的电荷量成正比，并且与电缆分布电容无关电荷放大器的灵敏度取决于Cf——灵敏度的选择常做高精度测量加速度计电缆电荷放大器1压电式传感器测量电荷测量：电荷放大器

灵敏度输入范围低通滤波1压电式传感器测量电压测量：阻抗变换＋放大压电传感器的内阻抗Ra很高，输出的信号微弱测量电路阻抗变换：低阻抗输出微弱信号进行放大连接电缆改变（长度、布线）Cc影响电压灵敏度值电压灵敏度随被测信号频率而变不可以用于静态测量、测量精度不高电荷源电压源加速度计电缆阻抗变换、放大ui1压电式传感器优缺点优点它具有很高的刚度，测量过程中变形甚小，是一种近乎理想的测力元件尺寸与重量很小，可以小到只有零点几克，因而使用中对被测对象的附加质量小固有频率高，可以高达数万赫兹，线性好横向干扰小（最大不超过5%），可做成多向测力仪响应快、灵敏度高、信噪比大、结构简单、性能可靠缺点调理特殊、不宜做静态测量需经常校正灵敏度1压电式传感器压电式压力传感器测量方法——动态电压测量：电压放大器——频率、电缆影响电荷测量：电荷放大器——高精度测量1压电式传感器12345压电转换元件传感器体弹性膜片电极引线P压电式加速度传感器结构敏感元件：弹簧、质量转换元件：压电元件转换电路：电荷放大器、阻抗变换器S是弹簧，M是质块，B是基座，P是压电元件，R是夹持环几种加速度传感器结构

(a)中心安装压缩型

(b)环形剪切型

(c)三角剪切型

1压电式传感器压电式传感器内装IC压电加速度传感器内装微型IC-集成电路放大器低阻抗输出，抗干扰，噪声小性能价格比高，安装方便，尤其适于多点测量稳定可靠、抗潮湿、抗粉尘、抗有害气灵敏度：100mV/g量程：50g频率范围：0.5-8000Hz（±10%)安装谐振点:30kHz分辨率：0.0002g重量：8gm线性：≤1%输出偏压：8-12VDC

恒定电流：2-20mA

输出阻抗：＜150Ω激励电压：18-30VDC1压电式传感器压电加速度计安装螺栓安装——可测量强振动和高频率振动绝缘螺栓或者云母片绝缘相连腊膜粘附手持探棒与振动表面接触磁铁座相连——常用、较小的振动测量粘结剂连结

1压电式传感器压电式传感器阻抗头：同时给出同一个点动态加速度和力的传感器机械阻抗：响应加速度/激振力

8770A5型阻抗头

量程灵敏度频率范围加速度±5g1000mV/g1Hz~4kHz力±5Ib1000mV/Ib1压电式传感器2磁电式传感器电磁感应原理N匝线圈与磁铁相对运动、切割磁力线，感应出正比于运动速度的电压

磁通Ф变化率取决于：磁场强度B——固定线圈运动速度磁路磁阻测量：磁电式传感器输出功率较大、零位及性能稳定调理电路一般较简单工作频率一般为10～1000Hz分类动圈式——线圈运动速度磁场为常数直线运动速度变磁阻——磁路磁阻变化齿圈和极轴组成的磁路中磁阻发生变化，其结果使磁通量周期性增减感应电压取决：转速、探头端面距齿顶间隙测量角速度或转轴的转速2磁电式传感器磁电式速度传感器绝对速度传感器组成：磁路系统、惯性质量、弹簧阻尼

线圈壳体振动磁钢随之振动芯轴相对静止线圈切割磁力线线圈中感应电势感应电势E=kV，式中k为取决于磁感应强度、线圈长度和匝数,V为绝对振动速度弹簧片芯轴线圈磁钢阻尼环壳体2磁电式传感器磁电式速度传感器绝对速度传感器动态特性：二阶系统固有频率应该尽可能低，但实现有很大困难由于结构上的原因，固有频率一般取10～15Hz工作频率：15～1000Hz阻尼比：阻尼环产生磁阻尼力（0.5~0.7）2磁电式传感器磁电式速度传感器相对速度传感器芯轴——顶杆——另一试件壳体——顶杆：相对速度输出电压：正比相对速度测量频率：0～1kHz2磁电式传感器磁电式转速传感器变磁阻输出：感应一个电势脉冲可靠、稳定、有源传感器不适应于低转速2磁电式传感器永久磁铁线圈齿圈引线间隙极轴磁电式扭矩传感器2磁电式传感器光电效应

在光的照射下，激发物体的电子运动的现象外光电效应：光能光电流信号电子逸出内光电效应改变导电性能3光电式传感器光敏三极管光电器件光电发射器件：光电管、光电倍增管半导体光电器件光敏电阻、光敏二极管——材料的电阻随光照强度的增加而减小光电池——电流源：材料硒、硅、锗等,受光照产生光电动势光敏晶体管——光线通过孔到达PN结，获得较大的集电流输出

光敏二极管3光电式传感器光电器件应用几种设计方式3光电式传感器光电式转速传感器测量原理通过敏感元件来检测光通量的强弱，从而产生与被测轴转速成比例的电脉冲信号实际应用反射式光电传感器透射式光电传感器优点测速范围可达每分钟几十万转对被测轴无干扰光源光电元件转轴反光面透镜透镜透镜半透反光膜反射式光电传感器3光电式传感器反射式表面粗糙度光电传感器测量原理敏感元件检测表面反射光通量的强弱，以反映其表面光滑的程度实际应用工件表面缺陷或粗糙度检查3光电式传感器反射法测量原理1.光源2.物镜3.被测工件4聚光镜5光电元件光电耦合器组成：发光元件与光敏元件封装——光－电转换优点：无机械触点、噪音低、执行动作快、体积小、寿命长分类：光电隔离器和光电开关3光电式传感器光电隔离器组成：发光二极管LED和光敏晶体管优点：LED辐射能量能有效地耦合到光敏晶体管应用输入、输出端隔离——解决信号传输中多地问题电平转换提高驱动能力以及抗干扰能力3光电式传感器光电开关组成：发光二极管LED被测体调制光敏晶体管分类对射式反射式用途：计数、有无3光电式传感器光电元件发射光源CCD图像传感器CCD（ChargeCoupledDevice）——电荷耦合器件CCD组成：类似马赛克的网格——MOS电容器、聚光镜片以及底层的测量矩阵MOS（MetalOxideSemiconductor）电容器——像素、像点、感光点构成：在P－Si衬底上淀积金属而构成的一只电容器工作原理：在光照射下，感光小单元积聚光生载流子——电荷P－Si金属氧化物载流子/电荷势阱表面势4图像传感器CCD图像传感器CCD功能：根据光的强弱积聚相应的电荷，由测量矩阵读出分类：线型、面型或圆型CCD厂商：SONY、Philips、Kodak、Matsushita、Fuji线型CCD传感器1－CCD转移寄存器2－转移控制栅3－积蓄控制电极4－PD阵列（1728）SH－转移控制栅输入端RS－复位控制

4图像传感器CMOS图像感光器CMOS（ComplementMetalOxideSemiconductor）——互补金属氧化物场效应CMOS经加工可以作为图像传感器——每个象素由四个晶体管与一个感光二极管构成

CCD难以比拟的优势：单一电源运作（省电、标准生产、便宜）缺点：信噪比差、敏感度不够——比CCD传感器低10倍感光度应用：图像输入设备

电脑、笔记本电脑、掌上电脑、扫描仪、数码相机、摄像机、指纹认证等900万像素CMOS4图像传感器铝板宽度的自动检测

组成两个CCD线型传感器1、2测量L1、L2，已知Lm

L传感器3＋激光源：补偿由于板厚变化而造成的测量误差对于2m宽的热轧板，最终测量精度可达板宽的土0.025％。4图像传感器二维零件尺寸在线检测二维零件尺寸的在线检测CCD摄像机：零件轮廓形状扫描零件的轮廓形状的可重构零件的各部分尺寸的计算4图像传感器三角法测量4图像传感器轮廓测量原理：激光X平面光幕轮廓线反射光幕2维CMOS阵列信号处理器剖面图形(X为轮廓线的长度，Z为轮廓线的高低)通过移动被测物体或传感器3D测量光幕反射光幕4图像传感器机器人视觉系统组成：机器手＋CCD图像传感器功能识别目标空间定位引导机器手处理目标（分类、搬运和装配）4图像传感器机器人目标定位系统压电式传感器压电效应：力电荷结构形式（串、并联）、测量电路（电压、电荷测量）应用：加速度计、安装磁电式传感器电磁感应：磁通变化在线圈回路产生感应电势变磁通方法：线圈运动、磁阻变化应用：（绝对/相对）速度传感器、转速传感器光电式传感器光电效应：外光电效应、内光电效应几种设计方式：转速、表面测量、光电开关图像传感器CCD、CMOS优缺点应用：三角法测量——形状检测回顾霍尔效应金属或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——霍尔电压霍尔电压UH与通过电流I和磁感应强度B成正比d越小，kH就越大（薄膜霍尔元件d为1μm左右）5霍尔传感器霍尔元件

N型半导体材料：锗、硅、锑化铟、砷化铟特性尺寸小、特别是厚度很小，可以放到磁场的空隙中，因而很方便；输出信号大，灵敏度可达12mV/mA-T输出电阻小，只有0.5~100欧姆建立霍尔电势的时间极短（10-12~10–14s），高频测量应用

直接测量：磁场B、电流I

间接测量：位移、厚度、重量、转速5霍尔传感器开关型霍尔传感器原理在传感器内用稀土磁钢给霍尔器件建立初始磁场——磁偏置传感器前面有铁磁物体时，引起该磁场发生变化霍尔器件检测、转换成一个交变信号，内置电路进行放大、整形，输出开关型霍尔传感器OCH41

输入频率：0～20KHz输出信号：0～20V矩形脉冲

工作电源：12V～24VDC/20mA推荐安装间隙0.8～1.2mm5霍尔传感器霍尔式转速传感器测转速、流速5霍尔传感器开关型霍尔传感器测位置——发动机曲轴位置检测飞轮上有12个槽，4个槽为一组，分为三组，每组相隔120°，每组中的每个槽也相隔20°飞轮上每组槽通过传感器时，传感器将产生四个脉冲信号每组信号，可被ECU用来确定两缸活塞的位置——各个缸活塞接近上止点的时刻控制喷油和点火5霍尔传感器触发轮齿式霍尔曲轴位置传感器霍尔电流传感器结构：带有缝隙的环形电磁铁+霍尔元件原理：电磁铁缝隙中磁场大小与通入电流成正比——霍尔元件检测漏磁影响消除：第二个线圈的连接方式是使得它的磁场对抗第一个线圈的磁场作用。合成的磁感应强度则用一霍尔传感器来探测磁场强度——霍尔电压——调节电流I2——0磁场——I2=N1/N2.I15霍尔传感器N1Il＝N2I2

霍尔式损伤检测结构：永久磁铁+钢丝绳+霍尔元件原理：钢丝绳中的断丝会改变永久磁铁产生的磁场霍尔元件检测磁场变化，产生一个脉动电压信号——断丝根数及断丝位置霍尔效应钢丝断丝检测装置1—钢丝绳2—霍尔元件3—永久磁铁5霍尔传感器热电效应

当不同材料的两导体Ａ和Ｂ的两个结点处温度不同时，则回路中产生热电势接触电势：接触点电子密度不相同而形成的电位差eAB（t）温差电势：金属导体两端温度不同而可产生的热电势eA（t,t0）——等温时为零热电偶回路热电势

eAB（t,t0）——金属A和温度t分别表示热电偶的正极和测量端,后面的金属B和温度t0分别表示热电偶的负极和参考端导体A导体B高温端t低温端t06热电偶传感器中间导体定律

在热电偶回路中加入第三种导体C，只要其两端温度相同，热电偶产生的热电势保持不变——不受第三金属接入的影响6热电偶传感器CtABt0t0eAB(t)eBC(t0)eCA(t0)eB(t,t0)eA(t,t0)可以在热电偶回路中接入仪表以便检测热电势的大小从而测出温度相对另一种金属C（标准电极）的热电势为已知的金属A和B，它们组成的热电偶，其热电势为它们对金属C热电势的代数和

——建立通用（相对标准电极）分度表热电偶连接接入仪表开路热电偶

只要A、B电极接入处温度一致

——任意焊接、任意连接工作端t参考端t0工作端t参考端t0工作端t参考端t0金属壁面工作端t参考端t0液态金属6热电偶传感器冷端温度补偿冷端：参考/比端、自由端——t0热电偶的热电势的大小不仅与工作端温度有关，而且与冷端温度有关只有当冷端温度不变时，热电势才是热端温度的单值函数定点法——恒温法把冷端置于恒温器中，使其维持在一恒定温度下，最常用冰槽精度很高，比较麻烦，仅限于实验室用6热电偶传感器冷端温度补偿补偿电桥法

——在热电偶回路中串联一电势U=e(t0,0)原理：电桥输出与环境温度/冷端变化成正比补偿环境温度对热电偶的影响电桥补偿：在0ºC时，电桥平衡，输出为U=0如果环境温度上升，热电偶输出热电势数值要降低电桥中桥臂电阻Rcu随温度上升而增大，使电桥输出电压增加，它与前者迭加可起到补偿作用eUt0t0tbdaR1cRsRCuteR3R26热电偶传感器热电偶分类热电偶材料性能要求

物理化学性能稳定、电阻温度系数小、机械性能好、灵敏度高、复现性好、线性关系等热电偶分类按其热电势与温度的关系以及使用性能可分为：常用热电偶和特殊热电偶按其适应的温度范围不同可分为：高、中温热电偶和低温热电偶按其结构型式不同可分为：铠装式、插入式和裸线式热电偶

一般热电偶的灵敏度随温度降低而明显下降。这是热电偶进行低温测量的主要困难.6热电偶传感器热电偶分类分度号6热电偶传感器热电偶分类6热电偶传感器名称特点测温范围灵敏度铂铑－铂热电偶——中高温度计物理化学性能稳定，测量精度高，常用于精密温度测量和作为基准温度计使用300℃~1300℃室温下6uV/℃镍铬－镍硅热电偶——中高温度计化学性能很稳定，灵敏度高、成本低，价格低廉100℃~1000℃室温下41uV/℃镍铬－康铜热电偶——中低温温度计综合了镍铬－镍硅热电偶和铜－康铜热电偶的一些优点——灵敏度高、价格便宜液氮温区80K～500℃室温下70uV/℃铜－康铜热电偶——中低温温度计性能稳定，复现性好，而且价格便宜80K～室温室温下40uV/℃镍铬－金铁热电偶——中低温温度计稳定性好，热导率低，适合于低温测量1K～30K1K下10uV/℃为铜康的30倍热电偶分度表6热电偶传感器e(t,0℃)=e(t,t0)+e(t0,0℃)热电偶优点结构简单、制作方便、价格低廉、测温范围宽、正确度高流体、固体、及表面温度均可用它测量微型热电偶可用于快速及动态温度测量热电偶缺点：需要恒定的冷端温度6热电偶传感器红外辐射7红外探测器红外辐射温度——辐射——电磁波温度在绝对零度以上的物体，都会因自身的分子运动而辐射出红外线，波长在0.76～100μm物体温度愈高，则辐射到空间去的能量愈多——波长下降红外探测器：红外辐射能转换为电能分类：热探测器、光子探测器

红外线黑体辐射强度与波长及温度之间的关系7红外探测器热探测器：热电偶型、气动型、热释电型热电偶型：多对热电偶串连相接辐射能红外辐射透镜热端材料：银─铋、锰─康铜；镀膜和光刻技术制造薄膜热电堆，锑─铋7红外探测器热电偶冷端置于环境温度下热点涂上黑层置于辐射中红外辐射透镜透红外窗口吸收薄膜气室柔镜可见光源光栅光栅图像反射镜反射镜光电管透镜热探测器：热电偶型、气动型、热释电型气动型——吸收红外辐射后，气室的气体温度升高、体积增大柔性镜移动光栅图像－栅状光栏相对位移改变光量光电管光谱响应波段很宽：从可见光到微波；响应时间为15ms用于实验室内，作为其他红外器件的标定基准

7红外探测器铁电体绝缘电阻负载热探测器：热电偶型、气动型、热释电型热释电型热释电效应：在红外辐射下，由于温度升高，引起铁电体极化强度下降，即表面电荷减少，这相当释放一部分电荷转换元件：热释电晶体（锆钛酸铅等

）转换电路：热释电晶体与负载电阻联接，在红外辐射下，负载电阻两端就有信号输出自动门/水龙头/安检7红外探测器光子探测器光子探测器photondetector

辐射能量是以微粒形式存在的——光子或量子光电效应：光子与半导体材料直接作用，产生内光电效应，使得载流子(电子空穴对)增加而产生光致电动势

光电、光电导及光生伏打等探测器探测率高、响应快（微秒/纳秒级）选择性：光子能量与波长有关系，所以光子探测器仅对具有足够能量的光子有响应，存在着对光谱响应的选择性光子探测器通常在低温条件下工作测温仪、航空扫描仪、热象仪

入射到结内的光子产生电子空穴对

7红外探测器红外探测器比较性能热点堆气动型热释电型光子探测器响应波段可见光到微波1～38μm2～14μm探测率1x1091x1010(3-10)1010(0.1-5)1010响应时间15ms10-2s10-5s工作温度300K70~300K应用其它红外器件标定基准光谱仪、测温仪、红外摄像测温仪、航空扫描仪、热