机电一体 第3章 传感器和转换器课件

第三章传感器和转换器

3．1概述在许多测量系统中，传感器和转换器都是用来提供系统状态信息的。国际上对“传感器”和“转换器”采用不同的定义,但在有些情况下它们的定义可以互换。本课程采用后续定义：传感器、转换器定义传感器——在测量系统中，对所测(特定)物理参数发生响应的器件。

转换器——把能量和信息从系统某一部分传送到系统另一部分的器件。在传送过程的同时，能量形式也可能发生变化。

在使用时通常不做严格区分。

例：用码盘、光敏传感器测量图所示的转速测量系统可以表示各级之间的关系。图中，从光源发出的光经过带有狭缝的圆盘(称为编码盘)后产生一系列的脉冲，换能器接收这些脉冲并将其转换成电脉冲。后处理级对一定时间间隔内发生的脉冲进行计数，并计算出编码圆盘的旋转速度。传感器传递信息的物理基础是能量转化。有6种能量形式可用于信息传递。其中，电能在机电一体化系统中最为重要，这是因为电信号易于处理。当然其他能量形式也能转换为电信号。辐射能—包括所有的电磁波谱，主要参数为：频率、相位、强度和极化方向等。机械能—主要参数是：距离、速度、尺寸和力等。热能—有多种温度效应和热效应可以利用，主要参数有热容、潜热和相变特性等。电能—主要参数为：电流、电压、电阻、电容和电感等。磁能—包括磁场参数，如磁场强度和磁通密度等。化学能—涉及物质内部的结构和行为，主要参数为：浓度、晶体结构和凝聚状态等。无源和有源传感器根据能源利用情况，传感器可分为：在转换中不需要外界附加能量的无源(直接式）感器和在转换中需要外界附加能量的有源(间接式)传感器。光电转换装置和热电偶等直接式传感器就是直接把输入能量转换成电能输出的。应变片和霍尔器件等间接式传感器则需要附加能量以产生电信号。传感器所需的附加能量必须属于上述6种能量形式。典型被测机械参量位移——线位移和角位移；速度——线速度、角速度和流速等；加速度——振动；几何量——位置、长度、面积、厚度、体积、光洁度等；质量——重量、负载、密度；力——静力、动力、压差、力矩、功率；其他——硬度、黏度。测量时的性能指标性能可以用精度、稳定性、线性度、灵敏度、量程等静态性能和响应特性的动态指标来评估。在选用器件时必须考虑这些指标。输出信号种类模拟量输出——产生一个连续的输出信号，信号的某些性质直接与被测量大小有关。数字量输出——产生一个串行的或并行的数字信号，信息可以在一些固定的时间间隔上提取，也可以按要求提取。频率输出——产生的信号频率是被测量的函数。输出的连续波形或脉冲波形，可以用计数器和定时器将其转化成数字形式。代码输出——可以产生各种不同的编码信号，包括：振幅调制、频率调制、脉冲宽度调制和脉冲位置调制。3．1．2传感器技术的发展传感器技术发展，主要表现为：半导体硅材料传感器、采用光纤的光学系统、压电器件、超声器件等等。各种器件都和日益增强的信号处理技术相结合，特别是把现场信号处理电路与敏感元件做在一个芯片上，并由这一做法提出了智能化传感器的概念，如右图所示。新型转换器1.固态转换器2.光电转换器3.压电转换器4.超声转换器固态转换器用厚薄技术生产出的硅材料传感器已被广泛使用。微加工技术已经能够把很复杂的机械结构做成集成电路芯片大小的尺寸。应变片、加速度传感器和压力传感器中用的梁、膜等构件就是用微加工技术制造的。甚至像齿轮、杠杆和马达这样复杂的结构也有望制造在一个芯片上。在可靠性、信号处理能力、信噪比和成本等方面，硅材料及其他半导体材料做成的传感器有很大的优越性。压电转换器作为微型加速器和超声测距系统的基础，压电器件已经被使用了许多年。用表面声波(SAW)技术已经能开发出用于气体探测和压力敏感场合的压电转换器。超声转换器作为非接触式测量手段，从过程控制系统到医疗成像系统，超声测量的应用范围日益广泛。与接触式测量相比，非接触式测量有以下优点：1)减少了接触爆炸性、放射性、毒性、腐蚀性或易燃物质可能产生的危险性；2)避免了对药物或食物等被测物的接触污染；3)简化了对传感器和转换器的维护。超声测量靠对超声脉冲的多普勒(Doppler)效应或对超声脉冲的反射、吸收及散射来得到信息。3．2电阻型传感器电位器应变片电阻式温度传感器(电阻温度计、半导体热敏元件)电位器由温度变化导致电阻值以20×10-6／℃的规律变化(对于线圈式电位器)，因此会产生系统误差；当把测量仪表连接到输出端时，相当于给输出端加了一个负载，将会产生测量误差。图中显然，Rl>>R2时，R0≈R2。因此，为了保证测量精度，通常次级(无论是测量仪表还是信号处理电路)的输入阻抗越大越好。应变片若将某种导体或半导体材料沿轴向拉伸，则它的长度将沿加载方向发生变化，其电阻值也将随之变化。这个变化率(长度的改变／原长)是一个无量纲的参数，表示材料的应变。典型的电阻应变片如图所示，它由一些电阻型金属薄膜和基衬组成，基衬用来将所加载荷传给应变片。如果沿应变仪的轴向加载，那么将产生一个应变，使得应变片的有效长度发生变化，从而导致电阻变化。因此，电阻值的变化反映了外加负载力的大小。应变式电阻传感器常用来测量力、扭矩、压力、加速度等物理量。电阻的变化(即应变)通常是由图所示的电桥测量的。由应变产生的不平衡电位为对于电阻变化较小的情况为G是应变灵敏系数，对于金属薄膜应变片，其值为2～4。温度的变化会引起应变片电阻的变化，因此在桥路上安装带补偿的应变片应与测量的应变片具有相同的温度特性，以消除温度的影响，如图所示。补偿应变片应安装在离测量应变片最近的地方，这就需要将两个应变片以适当角度（90º）安装在被测件上，如图所示。横向效应直线电阻丝绕成敏感栅后，虽然长度相同，但应变不同，园弧部分使G↓，这种现象称为横向效应。为减小横向效应，常采用箔式应变片。箔式应变片结构电阻温度计电阻温度计是阻性温度转换器的基础，它包括由一段铂丝做成的小轴心，轴心被空心轴包围。金属圈的热惯量导致其灵敏性较低、对温度变化响应速度慢，因此它常用来测量稳态温度。典型应用如图示，电阻温度计成为电桥的一个臂。半导体热敏元件半导体热敏元件是一种半导体电阻元件，其热性能已知，通常用来测量范围在-30Cº～200Cº的温度。由于它体积小、热惯量小，所以通常用来测量动态温度。必须注意，在使用半导体热敏元件时，由于热敏元件本身的发热会带来误差。半导体热敏元件的主要缺点是它的非线性特性，这限制了它的应用范围。但是由于测量系统使用微处理机，这种固有的非线性可以用软件来克服，使得半导体热敏元件的应用范围大大增加。3．3电容式传感器电容式传感器按极板的形状来分，可分为平板形和圆柱形两种。当电容器极板的间隙、极板的面积或极板间介质发生变化时，也就是说改变r、A、L、a、b或d这些参数时，电容器的电容量就会改变。平行板电容器如果忽略电容器的边缘效应，则图所示的平行板电容器的电容量为ε0——真空状态的介电常数，其值为8．854x10-12(F/m)；εr—绝缘材料的相对介电系数；A——平行板的有效正对面积；d——平行板之间的距离。圆柱形电容器以两个同轴空心圆柱构成的圆柱形电容器（如图）的电容量为电容的变化量可由图所示的电桥测出，满足电容器也可以与一个振荡器组合起来作为一个调谐电路，电容值改变将使振荡频率发生改变，其频率改变量由一对谐振电路的输出电压差测出，如图所示，将两谐振电路分别调到稍微不同的谐振频率即可。这时放大器的输出就是关于参考频率fr的近似线性变量。变频谐振测试仪

变间隙式电容传感器可用来测量流体压力或压力差。当流体压力使薄膜产生移动时，电容极板的间隙发生变化从而引起电容量的改变，其变化量为需要测量压力差，特别是微小的压力差时，常采用差动式结构的电容传感器。如图。此结构灵敏度和线性度都较高。当有压差时，薄膜会向左或右移动，此时一个电容量在增加而另一个电容量在减少，电容的变化量为

差动式结构电容传感器应用实例一图示是一个汽缸密封性能测试系统。图中5是密封性能极好的标准容器，6是从生产线上取出抽检的被测容器，因为被测容器要求的保压值较高，一般情况下密封性能也较好，如选用压力传感器则很难达到测量精度要求，因此选择压差传感器。在加压过程稳定后，关闭截止阀2和截止阀3。在一定时间间隔之后，如果被测容器的密封很好，无泄漏，则传感器输出无偏差；如果有泄漏，则根据测量系统的读数的大小来判断产品是否合格。差动式结构电容传感器应用实例二用变介质式的圆柱形电容器测量液面高度，如图所示。液面高度变化时，会引起极间不同介质ε0和εr的界面发生变化，从而导致电容的变化，且输出电容与液面高度为线性关系，数学表达式为3．4电感式传感器电感式传感器具有结构简单(因为没有活动电触点，所以工作可靠)、测量范围宽(可达几百毫米)、灵敏度高(微米级)、重复性好等一系列优点，因而应用较为广泛。线性可调差动变压器可调线性电感传感器感应同步器电感式速度传感器线性可调差动变压器如图a所示，线性可调差动变压器(LVDT)有一个初级线圈和一对次级线圈，初级线圈的电源电压频率为几千赫兹。铁芯的运动会改变初级线圈和次级线圈之间的耦合程度，进而改变次级线圈感应电压的大小。将次级线圈的输出反相串联，因为V0＝V1-V2，再以差动整流电路作为测量电路，则输出电压V0将按图b所示情况发生变化。差动变压器常被用来测位移。可调线性电感传感器这种传感器使用线圈扰流器进行工作，如图所示。在100Hz或更高的频率下对线圈激磁，这时扰流器中感生的涡流会改变线圈的有效电感，且此电感是关于扰流器位置的函数。由于这种转换器没有用磁性材料，因此，与其他电感转换器相比，它受杂散磁场的影响较小，且消除了磁滞及磁场非线性，测量位移的范围可达220mm。

感应同步器如图a，直线式感应同步器包括一个固定导轨(可达几米长)和一个滑块。两者由厚度为0.1～0.15mm的空气隔开，它们之间存在磁耦合。滑块上装有一对线圈，两线圈的相对距离成1/4节距，即90º电角度，如图b所示。当在滑轨线圈上加一正弦信号时(频率达几千赫)，滑块线圈上将产生两个电压，两个电压的相位差是90º，且电压的大小随滑块位置的改变.因为线圈间的耦合是变化的，滑块上线圈的电压可以表示为

X--对于零点处的位移；K--常数，与滑块线圈和导轨线圈间的耦合系数有关；p--绕组节距(一般为2mm)从上式可知，这种传感器的输出电压，在一定条件下是呈正弦变化的。在几毫米的距离内，其分辨能力可达2～3μm的数量级。这种感应式同步器是一个具有较短重复周期的增量编码器，对于大位移测量(刀具位移)，必须将其与别的较大的测量装置结合使用，以获得绝对位置。当测量角位移时，可使用旋转式感应同步器。其滑轨是圆形的，滑块沿圆周运动，分辨率可达0.05s的数量级。电感式速度传感器使用图所示的装置，可以测量速度。永久磁铁相对于线圈移动，而线圈的感生电动势是磁铁运动速度及线圈尺寸的函数。当需要测量转速时可以采用直流或交流转速表，其输出电压即直接与所测角速度成正比。3．5热电传感器常用的热电传感器有热电阻与热电偶。当导体所处的环境温度发生变化时，导体的电阻值也会随着温度的变化而变化，热电阻传感器就是根据这一特性来测量温度的。在工业应用中，热电阻传感器常被用来测量在-200～500℃范围的温度。热电偶图示为热电偶。当两种不同金属导线A与B的接触点处被加热(或冷却)时，在不接触的两端就会产生电动势，此电动势是接触端与非接触端温差T(T=T1-T0)的函数，且与所用的金属有关。这就是温差电势效应，所产生的电动势为对于某些金属构成的热电偶来说，上式中高阶系数很小，因此可得到近似式子如果构成热电偶两个电极的材料相同，那么尽管有温差存在，温差电势为零；如果热电偶两端的温度相同，那么尽管A、B材料不同，温差电势也为零。

热电偶的特性通常是相对于一个参考温度0℃来确定的，在许多应用中，参考触点的温度T，被置于被控环境中，使其温度保持在一非0℃值上，这就可以利用下式进行修正e(Tm，T0)=e(Tm，Tr)+e(Tr，T0)式中：Tm是待测点温度，Tr是参考点温度，T0=0℃；而e(Tm，T0)、e(Tm，Tr)和e(Tr，T0)分别是各温差引起的电动势。e(Tm，Tr)是当热电偶工作在Tm和Tr，时的实测值，参考点Tr，到标准温度0℃的e(Tr,T0)可以通过查表得到，求得e(Tm，T0)后再查表可得到实际温度。热电偶比较简单，可以直接使用，但其灵敏性较差，输出信号小，且易受噪声干扰，同时，它的机械负载特性差(尤其是当一个热触点拉紧时)。3．6光电传感器光转换器在测量中得到了广泛的应用。如图所示的电磁波谱中，从红外到紫外的波谱范围内，都能用光转换器进行测量，在大多数情况下其测量是非接触式的，并且能在恶劣的环境(诸如超高温、电磁干扰严重的场合)中工作。光测量系统主要组成部分有光源、将能量转换为光的转换系统、能够对光能的特性进行修正的转换器和监测转换器变化的检测器。3.6.1光电探测器光电探测器的理论基础是光电效应，光电效应可分为三种不同的类型：1)内光电效应：在光照射下，物体电阻(或电导)发生变化的现象被称为电导效应或内光电效应，相应元件有光敏电阻.2)外光电效应：在光照射下，电子逸出物质表面的现象被称为光电发射效应或外光电效应，此类器件有光电管、光电倍增管等；3)光伏效应：在光照射下，半导体PN结产生电动势或光电流增加的现象被称为光伏效应，光电池、光敏二极管和光敏三极管都属于光伏效应的器件。

●热敏光电探测器

●量子光电探测器

●光电效应探测器

●检测器阵列

热敏光电探测器热敏光电探测器通过监测入射的辐射热在探测器中所产生的热进行工作。典型的装置(如电阻式辐射热测量计或热电偶)其响应波长范围为0.3～30μm，但其灵敏性较差，响应时间长。量子光电探测器它利用入射光在探测器中产生电子空穴对来进行工作。对于硅探测器来说，电子空穴对的释放还需提供足够的能量，使电子能跨越1.1eV的禁带。这就意味着入射辐射的波长要小于等于1.1μm。量子光电探测器的一个缺陷是具有暗电流，因此其噪声水平深受温度的影响。硅材料的量子光电探测器利用光电效应或光导效应工作。光电效应是在PN结上产生一个电压，而光敏效应则是利用人射能来改变材料的导电性能。光电效应探测器当适当波长的光线照射到如图所示的PN结的耗尽层上时，会在PN结上产生一个正比于光强的电位差。光敏电阻

光电池

光电二极管

光电三极管光电倍增管

光敏电阻如图所示的硅光敏电阻是由在P型材料上扩散N型材料构成。当光线照射N型材料时，其导电性发生显著变化，这可以通过电桥来检测.对于一定波长的光线来说，在一层二氧化硅(SiO2)上加上特殊材料就构成了光敏电阻。常用的材料有锑化铟(InSb)(适合于波长为7μm的光线)和硫化镉(CdS)(适合于波长为0.7μm的光线)。

光电池光电池是一种直接把光能转换为电能的光电元件，许多材料都能制成光电池，但硅光电池由于其一系列的优点用得最多。硅光电池是在一块N型硅片上，用扩散的办法掺人一些P型杂质，形成一个大面积的PN结，当PN结受到的照射光达到一定光强时，就会在P区和N区之间产生一定的电压，即光生电动势。光电二极管光电二极管结构如图，它一般处于反向工作状态，在无光照射时，光电二极管的反向电阻很大、反向电流很小。而当光线照射到反向偏置PN结的耗尽层或耗尽层附近时，耗尽层中会产生电子空穴对，偏置电压和内电场使电子和空穴产生漂移运动而形成光电流，这种通过二极管的反向电流可以用来度量照射光的强度.光电二极管能够测量从红外线到紫外线很宽的范围。发光二极管与光电二极管功能相反。当加在发光二极管两端的正向电压提高时，它产生的光通量也随之增加。这样，用一对发光二极管和光电二极管，可以测量转速。光电三极管如图所示，光电三极管可以看成是一个光电二级管与一个晶体二极管组成，两管共用一个基极。光电二极管产生的反向电流成为晶体管的基极电流，三极管将其相应地放大。光电三极管由于有了放大功能，因此其灵敏性得到了提高。为了进行光电隔离，提高抗干扰能力，常采用光电耦合器件。光电隔离环节是把一只发光二极管和一只光电三极管同时封装在一个外壳内构成的。光电隔离器件常用于数字信号的传输，有时也可以用于模拟信号的传输。光电倍增管如图所示，光电倍增管是由一个真空管内以及安装在管内的光电阴极、一系列的倍增电极和阳极组成的。照射阴极时，阴极释放出的电子被倍增电极上所加的电压加速，当这些电子到达倍增电极时，倍增电极上释放出更多的电子，导致电流的倍增。这样，阳极电流就是增电极数目及安装结构、电极材料及偏置电压的函数。光电探测器应用较为广泛，除了上面提到的一些例子之外，还可以用光电高温计为传感器，通过测量由高温辐射能量所引起的光电流来测量温度；用光敏器件测量液体、气体的透明度(混浊度)等。检测器阵列如果把光电二极管排成一维或二维阵列，则当光电二极管阵列受到光照时，每—个光电二极管中的电荷积累速率与它所受的光强成正比，这样就形成了图像阵列，图象信息可以用下述各种方法提取出来。场效应管读出电路电荷耦合器件(CCD)场效应管读出电路如图，阵列中每一个光电二极管经MOS场效应管接到一个放大器。当某个场效应管接到开关信号而导通时，放大器的输出电压就是对应的光电二极管中电荷量的度量。如果阵列很大，放大器输入引线很长，分布电容就会很可观，这样会使灵敏度降低。

电荷耦合器件CCDCCD(chargecoupleddevices)器件是20世纪70年代初发展起来的一种半导体器件，如图。在N型或P型硅衬底上生长一层二氧化硅薄层，再在二氧化硅薄层上按阵列规则排列沉积金属电极，就构成了CCD图像传感器。每个电极就是一个光敏元，当某个光敏元受到光照时，该光敏元中就产生电荷，这些光生电荷积累成电荷包。与此同时，各电极上所加的电压相位随时间逐个滞后，这样就把光敏元中积累的电荷包依次逐步移动到读出放大器的一端。电荷放大器读出的电荷量信号也受电荷转移电压时序的同步控制。这样，整个图像系统都同步处理每一个光敏元的像元信号，最终形成完整的图像信号。

实用的CCD图像传感器有一维阵列和二维阵列两种，可用于光—机—电一体的精密系统。采用CCD的尺寸测量系统和定位系统，其优越性是机械式、光学式和电磁式测量仪都无法比拟的。它体积小、易安装，无需配以复杂的运动机构，从而减少了误差源。CCD器件已用于玻管吹制尺寸控制、数控机床刀具定位、固体粉末或悬浊液中粒径及分布测量、光学系统几何像差测量、显微镜的自动调焦、测光拍摄及视物筛选，还可用于小型零件尺寸测量、钞票缺陷检测、非法闯入者探测、标准信函分检、条形码阅读等。CCD摄像器件还用于实时图像处理系统。CCD应用系统要求适当的光源和照度的匹配，光学系统和照明系统对整个CCD应用系统影响较大。3.6.2光电编码器光电编码器在机床和机器人制造中得到了广泛应用。在直线或旋转运动中，光电编码器常用来测量位置或增量。它是光传感器中使用最早，形式最简单的一种。1．增量式编码器2．位置式编码器增量式旋转编码器图a为典型的采用光工作的增量角度编码器。光源发出的光，先通过圆盘上的窄缝到光电二极管进行预处理。圆盘转动时，照到二极管上的光依次输出一系列的脉冲，通过对脉冲的计数可以算出圆盘旋转的角度。圆盘的旋转方向可以根据两个光电二极管的明暗变化相位差确定，如b所示。实用时，有一条作为参照的窄缝和相应的二极管，它是每一圈中惟一的参照信号。除用光码盘外，也可用带反射条的圆盘，在这种情况下，光的传输和接受装置都安装在圆盘的同一侧。编码器的角度分辨率是盘上窄缝数ns和光电操测仪的有效长度Dw的函数通过增速装置驱动编码器，可提高分辨率。增量式直线编码器增量式直线编码器通常利用莫尔条纹干涉带进行工作。在一块长条形的光学玻璃上均匀地刻上明暗相间、宽度相等的线条，就构成了一条光栅。光栅相对来说比较便宜，且分辨率能达到微米数量级(在一米长度上其精度可达1μm)。把两个相同的光栅叠在一起，并使它们以一个角度θ相交，则会产生明暗相间的条纹(莫尔条纹)，如图。利用光栅具有莫尔条纹的特性，可以通过测量莫尔条纹的移动数来测量两个光栅的相对移动。位置式编码器与增量式编码器不同，位置式编码器不需要任何外部参照。在需要随时了解物体确切位置的场合下，常用这种编码器。例如，有时系统需要在任何位置上启动，为避免启动时复位或归零，就要用位置式编码器。但当编码器用于转数超过一周时，就需要一个记录转数的计数器.图a)所示为一个典型的采用雷格编码(反射码)的4位旋转式位置编码器，它比图b)所示二进制编码器更优越，因为二进制编码在任何变化时只有一位发生变化，这就有可能在变化时因错读位而产生误差。如果在一条直带上进行编码就可以制成一条码带，通常用来测量被测物体直线移动的位置。3.7固体传感器固体传感器技术的发展使得制造多种固体传感器可能实现。由于硅对许多物理现象都具有敏感性，因此可做成多种传感器。同样，能够方便地用它做成各种各样的集成电路。而且硅的机械特性使得它能够在一个薄片上做成复杂的立体结构。硅的敏感性是优点同时也是一个缺点，由于硅对不需要测量的物理量也很敏感，因而会在其输出信号中混有不需要的信号成分，且很难分离出来。无论采用模拟技术还是数字技术做信号分析和处理，都要结合传感器的设计考虑适当的补偿。3.7.1磁场的测量1．霍尔器件2．磁敏电阻3．磁敏二极管4．磁敏三极管霍尔器件霍尔效应器件如图所示，这是最常用的磁性传感器。当一通电半导体薄片置于与它表面相垂直的磁场时，半导体材料内部的载流子由于外加磁场的影响而受到洛伦兹力的作用，于是在半导体表面就产生一个与磁场和电流方向都垂直的电势差。霍尔电压的极性由半导体的材料(P型或N型)、电流方向和磁场方向决定。把金属氧化物场半导体效应管(MOSFET)的栅极面积加大，再置入霍尔接触电极，也能实现霍尔效应，如图所示。霍尔电压正比于通过器件的电流和外加磁场。灵敏度可达100mVT-1。已有研究成果表明，结型场效应管(JFET)漏极电流的变化正比于外加磁场。硅霍尔器件的输出电势太小，测量前必须放大。可以把霍尔器件和必要的电路制作在一个芯片上，集成在包括放大器、稳定电路和温度补偿电路等的单片器件上。磁敏电阻磁敏电阻利用的是某些铁磁性材料在外磁场中呈现的电阻率变化现象。此现象可以用薄膜技术实现。简单磁敏电阻具有电阻－场强平方律关系，在大多数应用，这一关系须加以线性化。线性化方法有两种，可以用外界磁场提供一个静态偏置磁场，也可以在同一芯片上用两个或四个磁敏电阻元件组成桥路。与霍尔器件相比，磁敏电阻传感器能检测到更弱的磁场，这使得它能被用作磁存储介质的读磁头。磁敏电阻可以用于无刷直流电机转子位置的测量，还可以与一块永久磁铁配合用于物体定位。磁敏电阻易受温度影响，使用时必须加上适当的温度作补偿。为实现温度补偿，可在电路中采用温度补偿二极管，也可以用四只磁敏电阻在同一芯片上构成桥路，或者采用数字化技术。磁敏二极管二极管处于磁场中时，其特性会有变化。磁场能使载流子以不同的复合速率注入、流出P区和N区。采用硅蓝宝石(SOS)技术制成的磁敏二极管灵敏度高于霍尔器件，但线性度略差。磁敏三极管图给出了双集电极磁敏三极管的结构。外磁场不存在时，两个集电极均分电流。若把该芯片置于外磁场中，电流在两个集电极中的分配将不再均等。两集电极电流之差是外加磁场的线性函数。磁敏金属氧化物半导体场效应管(MAGFET)与磁敏三极管相似，它是具有两个漏极的场效应管，其原理也类似于磁敏三极管。3.7.2温度的测量1．热敏电阻

2．热敏二极管3．热敏三极管4．温差电势效应5．固体高温计热敏电阻铁、钴、铬、镁、镍、钛这类材料的半导体氧化物的电阻随温度呈指数变化，电阻表示为：由于这一温度特性是高度非线性的，所以此类材料进行温度测量时，必须加适当的补偿。负温度系数热敏电阻的一种应用就是对其他器件的正温度系数作补偿，如在放大器中控制增益。热敏电阻价格低，体积也很小，因而热惯性小，能对温度变化快速反应。它们常被用在电桥电路中。使用时必须确保热敏电阻本身不至因工作电流过大而发热，使测量结果失真。热敏二极管半导体热敏二极管的公式是Is——反向漏电流；q——电子电荷(1.602×10-19℃)；Vj——PN结电压；k——波尔兹曼常数(1.38×10-23J/K)；T——温度。热敏二极管的灵敏度达10mVK-1数量级。其测量范围受到反向漏电流Is的限制，后者随温度变化。对于硅材料来说，25℃时Is为25nA，每上升7℃，Is就几乎增加一倍。热敏三极管如果集电集电流保持恒定，则基极－发射极电压Vbe随温度线性地变化。计算式如下

Kt－－常数；Ta－－绝对温度(K)。式中1.27是绝对温度为零时的基极—发射极电压Vbe，这个数值有赖于硅片几何形状、偏置和制造工艺中的误差。因此同一特性器件的个体差异可以通过调整各自的偏置电流得以补偿，这样就能在基准温度下获得相同的Vbe。图中给出一种单集电极热敏三极管的用法，这个管子是测温电桥的组成部分。温差电势效应类似热电偶，如果把两种不同的金属材料换成两种不同的半导体材料，其联结处相对于参考温度被加热或冷却时，在参考端会有一电压出现，这一电压是温差T和该系统温差电势系数的函数，即as——系统的温差电势系数(VK-1)；T——温差(T=T1-T2)。应用温差电势效应的硅热电堆已经问世，可用于实测电流的有效值，也可用于测流量、检测辐射等。固体高温计当锆钛酸铅这类材料薄片在电场中被加热到刚好低于其居里温度时，材料内的晶体就沿外加电场的方向取向，这一极化现象将一直保持到材料冷却，这就是高温生电效应。它是许多固体高温计的工作原理。材料的极化程度依所使用的材料而定，还与入射热辐射的波长有关。材料温度的变化引起其表面俘获电荷的增减，表面电荷的变化由一对电极之间的电势变化检测出来，或者用扫描电子束读出。实用中测高温元件通常只需在红外线辐射中放置很短一段时间。再用机械斩波器以25Hz的频率把输入信号斩波，以便获得连续稳定的图像。固体高温计可以视为一个热敏电容与一个很大的非线性电阻并联，电阻的特性为r=T(λA/C)λ——材料高温生电温度系数；A——材料薄片的截面积；C——电极间电容；T——温度。因为随着测温元件所接收的热辐射频率增高，它产生的电压会下降，所以这种固体高温计通常设计成只在特定的红外频谱区域内工作。一般采用N沟道场效应管作为固体高温测温元件与放大器之间的阻抗匹配。3．8压电传感器和超声换能器3.8.1压电器件某些材料的晶体和某些聚合物在受到外力的作用而变形时，会在一些特定的晶面之间产生电荷，这种现象称为压电效应。这类材料有石英、酒石酸钾钠、锆钛酸铅陶瓷、铌酸钾钠，聚乙二烯等等。反之，如果加上电压，这类晶体也会发生机械运动，即压电效应是可逆的，因此这个现象被称为逆效应。它是许多敏感器件和换能器的基本原理，其应用非常广泛。加速度的测量压电材料很适于做成静力学测量中的多种力变换器。也可以做成各种有源微型加速度计。加速度计的两种典型构造如图所示。加速度使振动块对压电材料施加一个作用力，压电材料产生出电荷。这些电荷再由电荷放大器检测出来。电荷放大器的原理如图电荷放大器电荷放大器的突出特点是：输出电压正比于振子的加速度，而与传输电缆的长度无关，假定放大器是理想的，则有Sq--加速度计的电荷灵敏度；a——加速度；Cf—反馈电容。对于实际的电荷放大器，还要引入反馈电阻Rf以防Cf上积累电荷，见图。为了提高测量精度，加速度计本身的质量要尽可能小，不致给被测物体附加过大的负荷。加速度计对被测物的影响近似表示为下列公式a1、a2—分别为不安装加速度计和安装加速度计时的加速度f1、f2—分别为不安装加速度计和安装加速度计时的谐振频率Ms—被测物的质量；ma—加速度计的质量。

通常加速度计的质量不应大于被测物质量的1/10。湿度的测量如果用易吸湿的材料包覆在压电晶体振荡器上，振荡器的固有频率就会随吸湿材料所吸附的水分而变化。按下图中的办法，把两只固有频率相等的晶体接至运算放大器的两个输入端，其中一只晶体覆以吸湿材料，另一只置于稳定的环境中，这两只晶体振荡器差频就能反映湿度。压电伺服机构压电陶瓷正越来越多地用作执行机构。它能作出微米级的直线位移，精度达10nm，在电子扫描显微镜、机械切削和光学系统中这类执行机构的使用日益增多；谐振压电器件已相当广泛地用于制造电子设备的微型风扇，驱动自动调焦照相机镜头的压电电机也已开发出来。3.8.2超声系统1．超声波源(1)压电超声源(2)磁致伸缩超声波源(3)机械超声波源(4)电磁和静电超声源2．超声波的耦合3．超声波接收器4．超声法测流量压电超声源在压电材料晶体特定的表面上加上交流电压时，它会作机械振动。当激励信号的频率等于晶体的共振频率时，振动幅度达到最大。谐振频率和幅度由两个激励电极之间的晶体厚度而定，若晶体厚度等于其内部的机械波波长之半，就会发生共振，并把产生的超声能量辐射出来。如果把若干块晶体镶嵌在一起，构成的辐射面就会更大些，这样可以增强晶体表面上辐射出的超声波能量。还可以用陶瓷材料把超声波源做成某种形状，能够把能量聚为一束，在一个很小的面积上产生高强度的超声能。这类陶瓷材料本身是多晶体。现已开发出频率相当高的超声源，它的压电材料层很薄。这需要在很薄的半导体压电材料之间掩上绝缘层，还要把半导体压电材料薄层附着在合适的基片上。磁致伸缩超声波源把磁致伸缩材料置于磁场中，能引起材料沿磁场方向的几何尺寸变化。这种效应使磁致伸缩材料能做成超声波源。磁致伸缩超声源的典型结构由磁芯、绕组、聚焦锥等部分组成，如图所示。先通以直流电流使磁芯产生一个初始伸张，而后叠加上交流信号。处于谐振状态时，沿变换器长度上的某些点会出现波节，变换器安装就是利用这些波节点工作的。选波节点处安装可以避免能量的损失，但是总的效率要比压电超声源的效率低，因为在磁致伸缩磁芯中还有能量损耗。机械超声波源汽笛的原理是用机械办法阻断通过一串小孔的气流，能以约30kHz的频率发出几百瓦的超声功率，效率约为70％左右。口笛利用的是气流的动能，可以发出几瓦的功率，频率为40～50KHz数量级，效率比汽笛低。电磁和静电超声源它的构造与普通的音频扬声器相似。它能产生超音频频率，在某些场合独具长处。譬如高温环境。超声波的耦合有些应用场合中，超声波发射器要与系统中的某些零部件紧密耦合。但实际上有些表面不规整，直接把超声发射器固定在这些表面上不可能达到满意的耦合程度，这时就需使用耦合媒质。水是最常用的耦合媒质，在一些高温或低温场合还要用特蛛的材料作耦合媒质。超声波接收器用于产生超声波的超声变换器可以反过来用作超声接收器。在以脉冲方式工作的系统中，这意味着同一个变换器可以既作为发射器又作为接收器。超声法测流量超声法是一种无损测量方法，它可以用于测量管道中的流体流量。有许多方法可以采用，其原理相差很大，选用哪一种方法须根据具体应用场合而定。要使超声流量计有效地工作，测量点处管道内的流体流场必须是稳定的，也就是说在测量点以前要有一定长度的直管，使流体截面能够稳定。(1)多普勒流量计(2)传递时间流量计多普勒流量计图为多昔勒流量计的测试原理图。当发射端以某一频率fs发射一个超声波时，由于流体中存在着的散射粒子(如固体小颗粒、气泡、漩涡等)，这些粒子将以频率fs振动。当这些东西随流体一起运动时，会使接收到的频率产生一定的频移，频率的漂移是这些散射粒子运动速度的函数，通过计算就可得到流速。假如已知声波在管道内流体的传播速度为c，且散射粒子的尺寸为λ，超声波的波长必须小于λ，根据上述条件可以求出fs。当管道内流体以速度v流动时则由流体流动引起的频率差为这种测量方法的结果与流体截面形状有关，也依赖于散射颗粒的数量、大小及分布情况，此外还与管壁厚度、声耦合状况以及被测流体的声学性能等因素有关。如果把超声发射器和接收器都置于与管内流体流动方向平行的位置，测量精度可以更高些。传递时间流量计传递时间流量计的测量原理示于图。信号逆流传递时间与顺流传递时间不同，这两者之差是流速的函数。传递时间差可以直接由相位移或频移测出。测频移的优点是不必知道流体的传声特性。

tu——逆流传递时间；td——顺顷流传递时间；Vs——该种流体的声传导速率；Vf