传感器第次课物性型传感器

传感器第次课物性型传感器第1页，课件共85页，创作于2023年2月物性型传感器是利用物质法则构成的。物质法则是表示物质某种客观性质的法则。这种法则大多数以物质本身的常数形式给出。这些常数的大小，决定了传感器的主要性能。因此，物性型传感器的性能随材料的不同而异。物性型传感器概念第2页，课件共85页，创作于2023年2月压电效应

压电系数电磁感应

e=-NBSω

霍尔效应霍尔系数物质法则常数系数光电效应第3页，课件共85页，创作于2023年2月所有的半导体传感器所有利用各种环境变化而引起的物质性能变化的传感器金属、陶瓷、合金1.压电式传感器2.超声波传感器3.磁电式传感器4.光电式传感器能量控制型中的--半导体应变片环境量检测传感器中的--热电阻传感器--气敏传感器--湿敏传感器广义上讲都是物性型传感器，他们都随检测量的变化导致了电阻率或电阻的变化第4页，课件共85页，创作于2023年2月压电效应和逆压电效应压电效应：是对某些电介质沿一定方向施以外力使其变形时，其内部将产生极化现象而使其表面出现电荷集聚的现象。在外力去掉后又重新回到不带电状态，是机械能转变为电能。反之，在电介质的极化方向上施加电场，它会产生机械变形，当去掉外加电场后，变形随之消失，称为逆压电效应：石英晶体、钛酸钡等材料是性能优异的压电材料第5页，课件共85页，创作于2023年2月SONY最新PALMPDA——TJ-25大拆机70年代的有线广播站农村为每家每户安装了压电陶瓷纸盆喇叭用于当时宣传。压电陶瓷纸盆喇叭：一块压电陶瓷片粘在一个5寸的纸盆中间，接在线路上。后来出现了动圈喇叭，沿用至今。逆压电效应例子第6页，课件共85页，创作于2023年2月压电陶瓷喇叭压电陶瓷喇叭压电陶瓷喇叭压电陶瓷喇叭广播站发信号情景故事：1.压电陶瓷喇叭的缺点是高音，无低音效果，简单的不能再简单了，，那声音简直能把好人折腾成神经病（fo在3000hz啊）！后来广播站下了一个规定：有血压高、心脏病的家庭可以关掉该喇叭，**家庭必需坚持收听。后来好多家庭到医院开血压高的证明（那时候是公费医疗），关掉压电喇叭。2.有线广播：就是只用一根铁线传输，每户的喇叭一头接线，一头埋到地下。有线广播系统示意图第7页，课件共85页，创作于2023年2月第8页，课件共85页，创作于2023年2月根据逆压电效应生产的产品还有：超声波雾化器超声波焊接器（下节）超声波清洗机（下节）超声波驱鼠器第9页，课件共85页，创作于2023年2月超声波雾化器第10页，课件共85页，创作于2023年2月打火按钮后装有弹簧的冲击小砧撞击压电陶瓷，使陶瓷表面的正负电荷迅速增多，这些电荷通过尖端向喷气孔附近放电，导致周围空气剧烈震动，按照振动理论的说法振动强烈就是物质温度很高，当这个温度超过燃气的燃点时，联动开关作用下喷气孔喷出燃气被点燃，放电火花就将燃气点燃。能产生几千至万伏高压

打火机点火装置视频：第11页，课件共85页，创作于2023年2月压电式传感器

利用某些电介质材料的压电效应制作的传感器特点：结构简单、体积小、重量轻；工作频带宽；灵敏度高；信噪比高；工作可靠；测量范围广等。用途：主要用于与力相关的动态参数测试，如动态力、机械冲击、振动等，它可以把加速度、压力、位移、温度等许多非电量转换为电量。第12页，课件共85页，创作于2023年2月天然晶体照片第13页，课件共85页，创作于2023年2月压电材料X轴向受力：纵向压电效应Y轴向受力：横向压电效应Z轴向受力：不产生压电效应石英晶体（单晶体）注意P49页图4-1错误第14页，课件共85页，创作于2023年2月现象：受力正比产生电荷第15页，课件共85页，创作于2023年2月第16页，课件共85页，创作于2023年2月第17页，课件共85页，创作于2023年2月压电陶瓷压电机理：压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料。材料内部的晶粒有许多自发极化的电畴，它有一定的极化方向，从而存在电场。在无外电场作用时，电畴在晶体中杂乱分布，它们各自的极化效应被相互抵消，压电陶瓷内极化强度为零。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，趋向于按外电场方向的排列，从而使材料得到极化。外电场愈强，就有更多的电畴更完全地转向外电场方向。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，当外电场去掉后，电畴的极化方向基本变化，即剩余极化强度很大，这时的材料才具有压电特性。第18页，课件共85页，创作于2023年2月第19页，课件共85页，创作于2023年2月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。第20页，课件共85页，创作于2023年2月压电式传感器的等效电路根据压电元件的原理，压电传感器可以看做是一个电荷发生器。同时也是一个电容器，聚集电荷的2个表面相当于电容极板，极板间物质等效于介质。电容量=UC的电容器电容器上的电压第21页，课件共85页，创作于2023年2月压电式传感器的测量电路压电式传感器内阻很高，输出能量小，经常需要接高输入阻抗的前置放大器再接一般的放大器和电路。前置放大器有2个作用：1.微弱信号放大2.转换阻抗比较常用的前放有电压放大器和电荷放大器。电压放大器由于存在输入电缆电容的问题，增加测量的难度，所以更多使用电荷放大器。第22页，课件共85页，创作于2023年2月第23页，课件共85页，创作于2023年2月电荷放大器第24页，课件共85页，创作于2023年2月压电传感器电荷放大器电路第25页，课件共85页，创作于2023年2月电荷放大器以上结论均基于电荷放大器公式V0=-Q/Cf第26页，课件共85页，创作于2023年2月压电式传感器的应用压电式测力传感器上盖收到力后传给石英晶片，利用压电效应产生电荷，通过电极输出第27页，课件共85页，创作于2023年2月压电式加速度传感器当加速度传感器和物体一起受到冲击振动，压电片受质量块的惯性力作用，F=ma,加速度为a，传感器输出电荷Q=压电系数*ma,与a成正比，因此测加速度传感器的输出电荷就可以知道加速度大小。第28页，课件共85页，创作于2023年2月压电式传感器的应用预习：压电式测振动传感器实验第29页，课件共85页，创作于2023年2月超声波及其物理性质振动在弹性介质内的传播称为波动,简称波。频率在16~2×104Hz之间,能为人耳所闻的机械波,称为声波;低于16Hz的机械波,称为次声波;高于20KHz的机械波,称为超声波。当超声波由一种介质入射到另一种介质时,由于在两种介质中传播速度不同,在介质面上会产生反射、折射和波形转换等现象。第30页，课件共85页，创作于2023年2月第31页，课件共85页，创作于2023年2月超声波作用举例超声波清洗超声波焊接第32页，课件共85页，创作于2023年2月超声波测距离传播速度是340米/秒

16mm波长相当于1/(0.0016/340)=212500HZ即21.3KHz第33页，课件共85页，创作于2023年2月超声波碎石洗牙B超等医疗事业第34页，课件共85页，创作于2023年2月超声波传感器利用超声波在超声场中的物理特性和各种效应而研制的装置可称为超声波换能器、探测器或传感器。压电式超声波探头常用的材料是压电晶体和压电陶瓷,这种传感器统称为压电式超声波探头。它是利用压电材料的压电效应来工作的:逆压电效应将高频电振动转换成高频机械振动,从而产生超声波,可作为发射探头;而利用正压电效应,将超声振动波转换成电信号,可用为接收探头。第35页，课件共85页，创作于2023年2月超声波探头结构如图所示,主要由压电晶片、吸收块（阻尼块）、保护膜组成。压电晶片多为圆板形。压电晶片的两面镀有银层,作导电的极板。阻尼块的作用是降低晶片的机械品质,吸收声能量。如果没有阻尼块,当激励的电脉冲信号停止时,晶片将会继续振荡,使分辨率变差。超声波传感器（阻尼块）第36页，课件共85页，创作于2023年2月超声波物位传感器

超声波物位传感器是利用超声波在两种介质的分界面上的反射特性而制成的。如果从发射超声脉冲开始,到接收换能器接收到反射波为止的这个时间间隔为已知,就可以求出分界面的位置,利用这种方法可以对物位进行测量。根据发射和接收换能器的功能,传感器又可分为单换能器和双换能器。单换能器的传感器发射和接收超声波均使用一个换能器,而双换能器的传感器发射和接收各由一个换能器担任。

第37页，课件共85页，创作于2023年2月只要测得超声波脉冲从发射到接收的间隔时间,便可以求得待测的物位。超声物位传感器具有精度高和使用寿命长的特点,但若液体中有气泡或液面发生波动，便会有较大的误差。在一般使用条件下,它的测量误差为±0.1%,检测物位的范围为10-2～104m，距离更大建议用激光测距。超声波物位传感器第38页，课件共85页，创作于2023年2月单换能器双换能器第39页，课件共85页，创作于2023年2月超声波流量传感器

超声波流量传感器的测定目前应用较广的主要是超声波传输时间差法。超声波在流体中传输时,顺流和逆流的传播速度是不同的,利用这一特点可以求出流体的速度,再根据管道流体的截面积,便可知道流体的流量。第40页，课件共85页，创作于2023年2月

v=c为超声波流体静止传播速度Δt为时间差=逆流时间-顺流时间超声波测流速原理图第41页，课件共85页，创作于2023年2月磁电感应式传感器霍尔式传感器磁电感应式传感器，是利用将被测量（如振动、位移、转速等）转换成电信号的一种传感器。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，是一种有源传感器。由于它输出功率大，且性能稳定，具有一定的工作带宽（10～1000Hz），所以得到普遍应用。磁电感应式传感器又分变磁通式结构和恒定磁通式结构第42页，课件共85页，创作于2023年2月实验室的开磁路变磁通式磁电传感器图片第43页，课件共85页，创作于2023年2月开磁路变磁通式两极式闭磁路变磁通式变磁通分两种开磁路变磁通式：线圈感应电动势的频率等于齿轮和转速的乘积两极式闭磁路变磁通式：线圈感应电动势的频率等于铁心3的转速成正比角速度测量导磁铁心线圈第44页，课件共85页，创作于2023年2月第45页，课件共85页，创作于2023年2月恒磁通式结构分两种(a)动圈式；(b)动铁式

在恒磁通式结构中，工作气隙中的磁通恒定，感应电势是由于永久磁铁与线圈之间有相对运动——线圈切割磁力线而产生。这类结构有两种，如图所示第46页，课件共85页，创作于2023年2月磁路系统由圆柱形永久磁铁和极掌、圆筒形磁轭及空气隙组成。气隙中的磁场均匀分布，测量线圈绕在筒形骨架上，经膜片弹簧悬挂于气隙磁场中。当线圈与磁铁间有相对运动时，线圈中产生的感应电势e为：式中

B——气隙磁通密度(T)；

l——气隙磁场中有效匝数为W的线圈总长度(m)为l＝laW(la为每匝线圈的平均长度)

v——线圈与磁铁沿轴线方向的相对运动速度(ms-1)。电压与运动速度成正比第47页，课件共85页，创作于2023年2月第48页，课件共85页，创作于2023年2月动铁式磁电感应式传感器的运动部件是铁芯，可用于各种振动和加速度的测量。第49页，课件共85页，创作于2023年2月磁电式传感器直接输出感应电势,且传感器通常具有较高的灵敏度,所以一般不需要高增益放大器。但磁电式传感器是速度传感器,若要获取被测位移或加速度信号,则需要配用积分或微分电路。联动开关作用：三种测量电路的倒换第50页，课件共85页，创作于2023年2月霍尔式传感器霍尔效应：置于磁场中的导体（或半导体），当有电流流过时，在垂直于电流和磁场的方向会产生电动势（霍尔电势），原因是电荷受到洛伦兹力的作用。第51页，课件共85页，创作于2023年2月对于导体，霍尔系数一般较小，故霍尔元件一般用半导体制作，且愈小（薄），灵敏度愈高。薄膜霍尔元件只有1um左右。fLfEvEHdIbB霍尔电压UH=KHIBKH为霍尔系数第52页，课件共85页，创作于2023年2月霍尔传感器有霍尔元件和霍尔集成电路两种。案例学习：TY系列高灵敏度锑化铟线性霍尔元件.doc第53页，课件共85页，创作于2023年2月霍尔电动势与磁感应强度B成正比，B又与Δx成正比，所以霍尔电动势与Δx成正比，极性表明了位移方向，bc图磁铁的特殊形状是为了获得均匀的磁场梯度，以得到良好的线性。第54页，课件共85页，创作于2023年2月霍尔集成元件是霍尔元件与集成运放一体化的结构，是一种传感器模块。可分为线性输出型和开关输出型两大类。线性输出型是将霍尔元件和恒流源、线性放大器等做在一个芯片上，输出电压较高，使用非常方便，已得到广泛的应用。案例学习：CS3503线性霍尔电路.doc第55页，课件共85页，创作于2023年2月开关输出型是将霍尔元件、稳压电路、放大器、施密特触发器、OC门等电路做在同一个芯片上。当外加磁场强度超过规定的工作点时，OC门由高电阻状态变为到通状态，输出变为低电平，当外加磁场强度低于释放点时，OC门重新变为高电阻状态，输出高电平。开关输出型霍尔集成元件与微型计算机等数字电路兼容，因此，应用相当广泛。案例学习：CS3140系列霍尔高温开关集成电路.doc第56页，课件共85页，创作于2023年2月第57页，课件共85页，创作于2023年2月第58页，课件共85页，创作于2023年2月第59页，课件共85页，创作于2023年2月光电传感器（光电开关）是一种小型电子设备，它可以检测出其接收到的光强的变化，通过把光强度的变化转换成电信号的变化来实现控制。它首先把被测量的变化转换成光信号的变化,然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。第60页，课件共85页，创作于2023年2月光电传感器一般由三部分构成：发送器、接收器和检测电路。其结构如图所示：第61页，课件共85页，创作于2023年2月光电传感器按工作原理分类

光电效应传感器红外热释电探测器固体图像传感器光纤传感器第62页，课件共85页，创作于2023年2月1、光电效应传感器是应用光敏材料的光电效应制成的光敏器件。光照射到物体上使物体发射电子，或电导率发生变化，或产生光生电动势等等，这些因光照引起物体电学特性改变的现象称为光电效应。2、红外热释电探测器主要是利用辐射的红外光（热）照射材料时引起材料电学性质发生变化或产生热电动势原理制成的一类器件。3、固体图像传感器结构上分为两大类，一类是用CCD电荷耦合器件的光电转换和电荷转移功能制成CCD图像传感器，一类是用光敏二极管与MOS晶体管构成的将光信号变成电荷或电流信号的MOS金属氧化物半导体图像传感器。4、光纤传感器它利用发光管（LED）或激光管（LD）发射的光，经光纤传输到被检测对象，被检测信号调制后，光沿着光导纤维反射或送到光接收器，经接收解调后变成电信号。第63页，课件共85页，创作于2023年2月光电元件

光电元件是光电传感器中最重要的部件，常见的有真空光电元件和半导体光电元件两大类。它们的工作原理都基于不同形式的光电效应：

(1)在光线作用下能使电子逸出物体表面的现象称为外光电效应，基于外光电效应的光电元件有光电管,光电倍增管等。

(2)在光线作用下能使物体的电阻率改变的现象称为内光电效应，基于内光电效应的光电元件有光敏电阻，光敏晶体管等。

(3)在光线作用下物体产生一定方向电动势的现象称为光生伏特效应，基于光生伏特效应的光电元件有光电池等。第64页，课件共85页，创作于2023年2月光敏电阻为纯电阻元件，其工作原理是基于光电导效应，其阻值随光照增强而减小。其优点是灵敏度高，光谱响应范围宽，体积小、重量轻、机械强度高，耐冲击、耐振动、抗过载能力强和寿命长等。缺点：需要外部电源，有电流时会发热，光敏电阻的光照特性曲线时非线性。

第65页，课件共85页，创作于2023年2月光敏电阻的应用电路第66页，课件共85页，创作于2023年2月光电池是利用光生伏特效应把光直接转变成电能的器件。由于它可把太阳能直接变电能，因此又称为太阳能电池。它是基于光生伏特效应制成的，是发电式有源元件。它有较大面积的PN结，当光照射在PN结上时，在结的两端出现电动势。目前比较常用的是硅光电池。第67页，课件共85页，创作于2023年2月第68页，课件共85页，创作于2023年2月瑞士阳光动力公司近日宣布，该公司研发的全球第一架全部采用太阳能作为动力、能够实现昼夜飞行的飞机将参展上海世博会。据悉，该飞机采用碳纤维架构，重约1600公斤，其机翼长达63.4米(与空客A340飞机相当)，上面铺有约11628块太阳能板，采集太阳能并存储于4个发动机，以驱动飞机夜间飞行。该飞机的平均飞行时速为70公里，起飞时速为35公里，最大飞行高度为8500米。阳光动力公司将在上海世博会瑞士馆、欧盟馆和中国馆等场馆展出该飞机的文字图片资料、三维模型和16米长的机翼实物等，以充分展示可再生能源的巨大潜力，唤起公众对能源的关注和环保意识。全太阳能飞机将亮相世博会第69页，课件共85页，创作于2023年2月光电二极管和光电池一样，其基本结构也是一个PN结。它和光电池相比，重要的不同点是结面积小，因此它的频率特性特别好。光生电势与光电池相同，但输出电流普遍比光电池小，一般为几μA到几十μA。按材料分，光电二极管有硅、砷化镓、锑化铟光电二极管等许多种。按结构分，有同质结与异质结之分。其中最典型的是同质结硅光电二极管。第70页，课件共85页，创作于2023年2月光敏二极管的结构与一般二极管相似、光敏二极管在电路中一般是处于反向工作状态。在没有光照射时，反向电阻很大，反向电流很小，这反向电流称为暗电流，当光照射在PN结上，光子打在PN结附近，使PN结附近产生光生电子和光生空穴对，它们在PN结处的内电场作用下作定向运动，形成光电流。光的照度越大，光电流越大。光敏二极管在不受光照射时处于截止状态，受光照射时处于导通状态。第71页，课件共85页，创作于2023年2月光敏晶体管与一般晶体管很相似，具有两个PN结，只是它的发射极一边做得很大，以扩大光的照射面积。大多数光敏晶体管的基极无引出线，当集电极加上相对于发射极为正的电压而不接基极时，集电结就是反向偏压，当光照射在集电结时，就会在结附近产生电子—空穴对，光生电子被拉到集电极，基区留下空穴，使基极与发射极间的电压升高，这样便会有大量的电子流向集电极，形成输出电流，且集电极电流为光电流的β倍，所以光敏晶体管有放大作用。第72页，课件共85页，创作于2023年2月第73页，课件共85页，创作于2023年2月光电流光敏二极管一般只有几微安到几百微安，而光敏三极管一般都在几毫安以上，至少也有几百微安，两者相差十倍至百倍。光敏二极管与光敏三极管的暗电流则相差不大，一般都不超过1uA。响应时间光敏二极管的响应时间在100ns以下，而光敏三极管为5～10us。因此，当工作频率较高时，应选用光敏二极管；只有在工作频率较低时，才选用光敏三极管。输出特性光敏二极管有很好的线性特性，而光敏三极管的线性较差。光敏二极管和三极管的主要差别第74页，课件共85页，创作于2023年2月光敏二极管的应用第75页，课件共85页，创作于2023年2月光纤传感器的特点：极高的灵敏度和精度固有的安全性好抗电磁干扰高绝缘强度耐腐蚀集传感与传输于一体能与数字通信系统兼容等光纤传感器受到世界各国的广泛重视。光纤传感器已用于位移、振动、转动、压力、速度、加速度、电流、磁场、电压、温度等70多个物理量的测量在生产过程自动控制、在线检测、故障诊断、安全报警等方面有广泛的应用前景。光纤传感器第76页，课件共85页，创作于2023年2月光纤的结构第77页，课件共85页，创作于2023年2月