测试技术基础课件：传感器

传感器4.1传感器概述4.2电阻式传感器4.3电感式传感器4.4电容式传感器4.5压电式传感器4.6磁电式传感器4.7光电式传感器4.8其他类型传感器 4.1传感器概述

传感器(Sensor)的概念来自于“感觉(Sense)”一词。在人类的生产生活中,仅靠人的感觉器官获取外界信息是远远不够的,于是人们发明了能代替或补充人类感官功能的传感器,可以说传感器是人类感官的延伸。由于传感器处于测试系统的第一个环节,用来获取被测量,其性能将直接影响整个测试工作的质量,因此传感器已成为现代测试系统中的关

键环节。4.1.1传感器的定义

根据中华人民共和国国家标准(GB7665-1987),传感器的定义为:能感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。传感器通常由敏感元件和转换元件

组成。其中,敏感元件是指传感器中能直接感受被测量的部分;转换元件是指传感器中能将敏感元件输出信号转换为适合传输和测量的信号的部分。这一定义包含如下几个方面的

含义:(1)传感器是测量装置,能完成检测任务。

(2)传感器的输入量是某一被测量,可能是物理量(如长度、热量、力、时间、频率等),也可能是化学量、生物量等。

(3)传感器的输出量是某种物理量,这种量要便于传输、转换、处理、显示等,可以是气、光、电量,但主要是电量。

(4)输出与输入有一定的对应关系,且应有一定的精确度。4.1.2传感器的分类

传感器的分类方法很多,常用的方法有:

·按被测物理量进行分类,如力传感器、速度传感器、温度传感器、流量传感器等。

·按传感器的工作原理或传感过程中信号转换的原理来分类,可分为结构型和物性型。结构型传感器根据传感器的结构变化来实现信号的传感,如电容传感器是依靠改变电容极板的间距或作用面积来实现电容的变化,可变电阻传感器是利用电刷的移动来改变作用电阻丝的长度从而改变电阻值的大小。物性型传感器根据传感器敏感元件材料本身物理

特性的变化来实现信号的转换,如压电加速度计是利用了传感器中石英晶体的压电效应,光敏电阻则是利用材料在受光照作用下改变电阻的效应等。

·根据传感器与被测对象间的能量转换关系可将传感器分为能量转换型和能量控制型。能量转换型传感器(也称无源传感器)是直接由被测对象输入能量使传感器工作的,如

热电偶温度计、弹性压力计等。能量控制型传感器(也称有源传感器)则依靠外部提供辅助能源来工作,由被测量来控制该能量的变化,如电桥电阻应变仪,其中电桥电路的能源由

外部提供,应变片的变化由被测量所引起,从而也导致电桥输出的变化。

·根据传感器输出是模拟信号还是数字信号,可分为模拟传感器和数字传感器。4.1.3传感器的发展趋势

1.开发新材料、新型传感器

传感器材料是传感器技术的重要基础,由于材料科学的进步,使传感器技术越来越成熟,传感器种类越来越多。除了早期使用的半导体材料、陶瓷材料以外,光导纤维以及超

导材料的发展,为传感器技术的发展提供了新的物质基础。未来将会有更多的新材料开发出来。鉴于传感器的工作机理是基于各种效应和定律,由此启发人们进一步探索具有新效

应的敏感功能材料,并以此研制出基于新原理的传感器。其中利用量子力学诸效应研制的高灵敏度传感器,可用来检测极微弱的信号,是传感器技术发展的新趋势之一。

2.传感器的集成化和多功能化

固态功能材料———半导体、电介质、强磁体的进一步开发和集成技术的不断发展,为传感器集成化开辟了广阔的前景。所谓集成化,就是在同一芯片上,或将众多同一类型的

单个传感器集成为一维线型、二维阵列(面)型传感器,或将传感器与调理、补偿等电路集成一体化。前一种集成化使传感器的检测参数由点到线到面到体不断扩展,甚至还能加上时序,变单参数检测为多参数检测;后一种传感器由单一的信号变换功能,扩展为兼有放大、运算、误差补偿等多种功能。多功能集成传感器可以在一个集成传感器上同时测量多个被测量。例如硅压阻式复合传感器,可以同时测量温度和压力。

3.传感器的智能化

智能化传感器是一种带微处理器的传感器,不仅具有信号检测、转换功能,同时还具有记忆、存储、分析、统计处理、通信以及自诊断、自校准、自适应等功能。近年来,智能化传感器有了很大发展,开始同人工智能相结合,创造出基于模糊推理、人工神经网络、专家系统等人工智能技术的高度智能传感器。它已经在家用电器方面得到应用,未来将会

更加成熟。

4.2电阻式传感器

电阻式传感器种类繁多、应用广泛,其基本原理是将被测量的变化转变为电阻值的变化,再经相应的测量电路显示或记录被测量的变化。

一个电导体的电阻值按如下的公式进行变化:(4-1)式中,R为电阻,单位为Ω;ρ为材料的电阻率,单位为Ω·mm2/m;l为导体的长度,单位为m;A为导体的截面积,单位为mm2

。4.2.1变阻器式传感器

变阻器式传感器也称为电位器式传感器,它通过滑动触点改变电阻丝的长度,从而改变电阻值大小,进而再将这种变化值转换成电压或电流的变化值。

常用变阻器式传感器有直线位移型和角位移型两种。按其结构形式不同可分为线绕式、薄膜式等,按其特性曲线不同可分为线性电位器和非线性电位器。

图4-1所示为几种变阻器式传感器电路及输出波形。图4－1几种变阻器式传感器电路及输出波形

1.变阻器式传感器的原理及特性

直线位移型变阻器如图4－1(a)所示。触点C沿变阻器表面移动的距离x与A

、C

两点间的电阻值R之间有如下关系:式中,kt

为单位长度的电阻,当导线分布均匀时为一常数。此时传感器的输出(电阻)与输入(位移)间为线性关系,传感器的灵敏度为(4-2)(4-3)角位移型变阻器如图4-1(b)所示。电阻值随转角变化,传感器的灵敏度为(4-4)式中,α为触点转角,单位为rad;kr

为单位弧度对应的电阻值。当变阻器式传感器后接一电路(如图4-2(a)所示)时,该电路会从传感器抽取电流,形成所谓的负载效应。分析该电路可得出输入与输出的关系为(4-5)图4-2变阻器式传感器的负载效应实际工作中有时需对这种非线性进行补偿,因此常采用滑动触点距离与电阻值间成非线性比例关系的变阻器。这种非线性变阻器或电位计可设计成具有平方的、正余弦的、对

数式的特性曲线(如图4-1(c)~(e)所示)。

变阻器的分辨率也是一个重要的参数,它取决于电阻元件的结构形式。

为在小范围空间中得到足够高的电阻值,常采用线绕式电阻元件(如图4-1所示)。当滑臂触点从一圈导线移至下一圈时,电阻值的变化是台阶形的,限制了器件的分辨率。实际中能做到绕线间的密度为25圈/毫米,对直线移动式装置,分辨率最小为40μm,而对一个直径为5cm的单线圈的转动式电位计来说,其最好的角分辨率约为0.1°。为改善分辨率,也可采用碳膜或导电塑料电阻元件。如碳合成膜和陶瓷金属合成膜,前者是在一种环氧树脂或聚酯结合剂中悬浮有石墨或碳粒子,后者是将陶瓷和贵金属粉末

进行混合所得的一种材料。两种情况下碳薄膜均被一层陶瓷或塑料的背衬材料所支撑。这种导电膜电位计的优点是价格便宜,尤其是碳膜装置具有极高的耐磨性,因而寿命长。但

它们的共同缺点是易受温漂和湿度的影响。

2.变阻器式传感器的特点及应用

变阻器式传感器的优点是结构简单、尺寸小、质量小、价格低廉且性能稳定;受环境因素(如温度、湿度、电磁场等)影响小;可以实现输出-输入间任意函数关系;输出信号大,一般不用放大。变阻器式传感器的缺点是由于在滑动触点与线圈或电阻膜之间有摩擦,需要较大的输入能量;由于磨损不仅影响使用寿命,而且会降低测量精度,分辨率较低;动态响应较差,适合测量变化缓慢的量。

变阻器式传感器常被用于线位移和角位移的测量,在测量仪器中用于伺服记录仪或电子电位差计等。4.2.2电阻应变式传感器

1.电阻应变片的工作原理

金属导体在外力作用下发生机械变形(伸长或缩短)时,其电阻值随着机械变形而发生变化的现象,称为金属的电阻应变效应。

以金属材料为敏感元件的应变片测量试件应变的原理是基于金属丝的应变效应。若金属丝的长度为l,横截面积为A,电阻率为ρ,其未受力时的电阻为R

。如果金属丝沿轴向受拉力而变形,其长度l变化dl,截面积A

变化dA,电阻率ρ

变化dρ,因而引起电阻R变化dR

。对式(4-1)微分,整理可得(4-7)将式(4-8)和式(4-9)代入式(4-7)中,可得(4-10)

2.应变片的基本结构

图43是一种电阻应变片的结构示意图。电阻丝应变片是用直径为0.025mm、具有高电阻率的电阻丝制成的。为了获得高的阻值,将电阻丝排列成栅状,称为敏感栅,并粘

贴在绝缘的基底上。电阻丝的两端焊接引线,敏感栅上面贴有保护作用的覆盖层。l称为栅长(标距),b称为栅宽(基宽),b×l称为应变片的使用面积。应变片的规格一般以使用

面积和电阻值表示,如3mm×20mm,120Ω。

3.电阻应变片的分类

1)按敏感栅的材料分类

按敏感栅的材料不同,主要分为丝式、箔式、薄膜式。

(1)丝式应变片。金属丝式应变片是用0.01~0.05mm的金属丝做成敏感栅,有回线式和短接式两种。如图43所示为丝式应变片,它制作简单、性能稳定、成本低、易粘贴,但因圆弧部分参与变形,横向效应较大。短接式应变片的敏感栅平行排列,两端用直径比栅线直径大5~10倍的镀银丝短接而成,其优点是克服了横向效应。丝式应变片敏感栅常用的材料有康铜、镍铬合金、镍铬铝合金以及铂、铂钨合金等。图4－3电阻应变片的结构示意图

(2)箔式应变片。金属箔式应变片是利用照相制版或光刻技术,将厚为0.003~0.01mm的金属箔片制成敏感栅,如图4－4所示。图4－4箔式应变片的结构示意图箔式应变片具有如下优点:①可制成多种复杂形状、尺寸准确的敏感栅,其栅长最小可做到0.2mm,以适应不同的测量要求;②横向效应小;③散热条件好,允许电流大,提

高了输出灵敏度;④蠕变和机械滞后小,疲劳寿命长;⑤生产效率高,便于实现自动化生产。金属箔常用的材料是康铜、镍铬合金等。

(3)薄膜式应变片。金属薄膜式应变片是采用真空蒸发或真空沉积等方法,在薄的绝缘基底上形成厚度在0.1μm以下的金属电阻薄膜的敏感栅,最后再加上保护层。它的优点是应变灵敏度大,允许电流密度大,工作范围广,可达－197~317℃。

2)按基底材料分类

按应变片的基底材料分类,可分为纸基和胶基两类。

纸基逐渐被胶基(有机聚合物)取代,因为胶基各方面的性能优于纸基。胶基一般采用酚醛树脂、环氧树脂和聚酰亚胺等制成胶膜,厚约0.03~0.05mm。

对基底材料的性能有如下要求:力学性能好、挠性好、易于粘贴;电绝缘性能好;热稳定性能和抗潮湿性能好;滞后和蠕变小等。

3)按被测量应力场分类

应变片按被测量应力场分类,可分为单向应力的应变片和测量平面应力的应变片。

如图4－4(a)所示为测量单向应力的应变片,图4－4(c)、(d)所示为测量平面应力的应变片。可用两片以上的电阻应变片组成测量平面应力的应变花。它又可分为测量主应力已知的互成90°的二轴应变花,如图4-4(c)所示。测量主应力未知的应变花一般由三个方向的三片式应变片组成,如图4-4(d)所示。

4.应变片的粘贴

由于在使用时需将应变片粘贴到构件上,因而黏结剂的选择和粘贴工艺至关更要。常用的黏结剂有环氧树脂、酚醛树脂等,高温下也采用专用陶瓷粉末等无机黏结剂。黏结剂

应能保证粘接面有足够的强度、绝缘性能、抗蠕变以及温度变化范围等。目前所采用的应变片和粘接方法已经覆盖从-249℃至+816℃的温度范围。对超高温度来说,常需采用焊接技术进行连接。为得到高质量的粘接层,某些黏结剂需要在室温下进行熟化或焙烧处理,熟化时间从几分钟到几天时间不等。有时为防潮或防腐,还需在应变片上覆盖防水或

保护层。

5.应变片的特点

电阻应变传感器的主要优点如下:

(1)性能稳定、精度高。高精度力传感器的测量精度一般可达0.05%,少数传感器的精度可达0.015%。

(2)测量范围广。例如压力传感器量程从0.03MPa至1000MPa,力传感器量程可从10-1N至107N。

(3)频率响应较好。

(4)体积小,重量轻,结构简单,价格低,使用方便,使用寿命长。

(5)对环境条件适应能力强。能在比较大的温度范围内工作,能在强磁场及核辐射条件下工作,能耐较大的振动和冲击。电阻应变式传感器缺点是输出信号微弱,在大应变状态下具有较明显的非线性等。

6.应变片的应用

应变片主要用于以下两个方面:

(1)结构应力和应变分析应用方面,常将应变片贴于待测构件的测量部位上,从而测得构件的应力或应变,用于研究机械、建筑、桥梁等构件在工作状态下的受力、变形等情况,为结构的设计、应力校验以及构件破损的预测等提供可靠的实验数据。

(2)用作不同的传感器应用方面,常将应变片贴在或形成在弹性元件上,构成测量各种物理量的传感器,再通过转换电路转换为电压或电流的变化,可测量力、位移、压力、力矩和加速度等,如图45所示。图4－5应变片式力和力矩传感器结构示意图4.2.3压阻式传感器

1.基本工作原理

半导体材料受到应力作用时,其电阻率会发生变化,这种现象称为压阻效应。实际上,任何材料都不同程度地呈现压阻效应,但半导体材料的压阻效应特别强。电阻应变效应的

分析公式(－0)也适用于半导体电阻材料。

电阻值的相对变化主要由两部分因素决定:一部分是应变片的几何尺寸,即(1+2υ)ε项;另一部分是应变片材料的电阻率变化,即π1Eε

项。半导体应变片的电阻变化主要由后者决定,前者可以解释金属应变片电阻变化的主要原因。两者相比,第二项的值要远大于第一项的值,这也是半导体应变片的灵敏度(即应变

系数)远大于金属丝电阻应变片的灵敏度的原因。

最常用的半导体电阻材料有硅和锗,掺入杂质可形成P型或N型半导体。由于半导体(如单晶硅)是各向异性材料,因此它的压阻效应不仅与掺杂浓度、温度和材料类型有关,还与晶向有关(即对晶体在不同方向上施加力时,其电阻的变化方式不同)。表4－1列出了几种常用半导体材料的特性。

2.压阻式传感器的特点及应用

压阻式传感器的优点是灵敏度高(比电阻应变片高50~80倍)、尺寸小、横向效应小、滞后和蠕变都小,适用于动态测量,其主要缺点是温度稳定性差、测量较大应变时非线性严重、批量生产时性能分散度大。

压阻式传感器可用于压力、加速度等物理量的测量。图4－6所示为一种半导体膜片式绝对压力传感器的截面结构图。在一个N型基底材料中扩散有一个P型区域,用作一个电阻器。在受到应变时该电阻器的值迅速增大,这一现象称为压阻效应。当传感器受外部压力作用时,膜片发生弯曲,从而使传感器受应变作用,应变的变化又促使电阻值的变化。利用这种传感器也可测应变和加速度。图4－6半导体膜片式绝对压力传感器的截面结构图

4.3电感式传感器

4.3.1自感式传感器

自感式传感器可分为可变磁阻式传感器和涡流式传感器两类。

1.可变磁阻式传感器

可变磁阻式传感器的结构及原理如图4－7所示。它由铁心、线圈和衔铁组成,铁心与衔铁间设有空气隙δ,当线圈中通以电流i时,由电磁感应原理,则在其中产生磁通Φm,

其大小与所加电流i成正比:式中,W

为线圈匝数;L

为比例系数,称为自感,单位为H

。根据磁路欧姆定律有（4-13）式中,Wi

为磁动势,单位为A;R

m

为磁阻,单位为H-1

。将式(4-13)代入式(4-12)得(4-14)当不考虑磁路的铁损且当气隙δ较小时,该磁路的总磁阻为(4-15)图4-7可变磁阻式传感器结构及原理式中,l为铁心的导磁长度,单位为m;μ

为铁心磁导率,单位为H/m;A

为铁心导磁截面积,A=a×b(m2);δ

为气隙宽度,单位为m;μ

0

为空气磁导率,μ

0=4π×10-7H/m;A0为空气隙导磁横截面积,单位为m2

。

由于式(4-15)中右边第一项铁心磁阻与第二项气隙磁阻相比甚小,因此在忽略第一项情况下可得总磁阻Rm

近似为(4-16)(4-17)将上式代入式(4-14),则有自感L

与空气隙导磁截面积A

0

成正比,而与气隙δ成反比。当A

0

固定,变化δ

时,L与δ

成非线性变化关系(如图4-7(b)所示),此时传感器灵敏度为(4-18)可见灵敏度S

与δ

的平方成反比,δ

越小,灵敏度越高。由于δ不是常数,会产生非线性误差,因此这种传感器常规定在较小气隙变化范围内工作。设气隙变化为(δ

0,δ0+Δδ),由(4-18)式得(4-19)(4-20)S

此时为一定值,输出与输入近似成线性关系。实际应用中常选取Δδ/δ

0≤0.1。这种传感器适宜于测量小位移(一般为0.001~1mm)。改变电感也可通过改变导磁面积A0

和线圈匝数W

来实现。图4-8所示为几种常用的可变磁阻式电感传感器结构。图4-8几种常用的可变磁阻式电感传感器结构图4-9可变磁阻式传感器应用实例

2.涡流式传感器

涡流式传感器的变换原理是利用金属导体在交流磁场中的涡流效应。当金属导体置于变化着的磁场中或者在磁场中运动时,其内部会产生感应电流,这种电流在金属导体内是自身闭合的,因此称之为涡电流或涡流。涡流的大小与金属板的电阻率ρ

、磁导率μ、厚度t

以及金属板与线圈距离δ、激励电流i

、角频率ω

等参数有关。若固定其他参数,仅仅改变其中某一参数,就可以根据涡流大小测定该参数。

涡流在金属导体的纵深方向分布不均匀,越接近导体表面,电流密度越大,这种现象称为集肤效应。集肤效应与激励源频率和导体的电阻率、相对磁导率等有关。激励源频率越高,电涡流的渗透深度就越浅,集肤效应越严重,故涡流传感器可分为高频反射式和低频透射式两类。

1)高频反射式涡流传感器

如图4－10所示,线圈与金属板相距δ,当线圈中通交变高频电流时,会引起交变磁通Φ。由于该交变磁通的作用,在靠近线圈的金属表面内部产生感应电流i1

。该电流i1即为涡流,在金属板内部是闭合的。根据楞次定律,由该涡流产生的交变磁通Φ1将与线圈产生的磁场方向相反,亦即Φ1将抵抗Φ

的变化。图4－10高频反射式涡流传感器的工作原理示意图由于该涡流磁场的作用,线圈的等效阻抗将发生变化,其变化的程度除了与两者间的距离δ

有关外,还与金属导体的电阻率ρ

、磁导率μ

以及线圈的激磁电流角频率ω等有关。

改变上述任意一种参数,均可改变线圈的等效阻抗,通过测量电路转换为电压输出,从而可做成不同的传感器件。

2)低频透射式涡流传感器

低频透射式涡流传感器的工作原理如图4－11(a)所示。图4－11低频透射式涡流传感器的工作原理及电压和厚度关系曲线在被测材料G

的上、下方分别置有发射线圈W

1

和接收线圈W

2

。在发射线圈W1

的两端加有低频(一般为音频范围)电压u1,因此形成一交变磁场,该磁场在材料G

中感应产生涡流i。由于涡流i的产生消耗了磁场的部分能量,使穿过接收线圈W2

的磁通量减小,从而使W2产生的感应电势u2

减小。u2

的大小与材料G

的材质和厚度有关,u2

随材料厚度h的增加按指数规律减小(如图4－11(b)所示),因此利用u2

的变化即可确定材料的厚度。

低频透射式涡流传感器多用于测量材料的厚度。

3)涡流传感器的测量电路

涡流传感器的测量电路一般有阻抗分压调幅电路及调频电路。

图4－12所示为一种涡流测振仪分压调幅电路的原理。它由晶体振荡器、高频放大器、检波器和滤波器等组成。由晶体振荡器产生高频振荡信号作为载波信号。由传感器输出的信号经与该高频载波信号作调制后输出的信号u为高频调制信号,该信号经放大器放大后再经检波与滤波,即可得到气隙δ的动态变化信息。图4－12涡流测振仪分压调幅电路图4－13涡流测振仪的谐振分压电路、谐振曲线及输出特性涡流传感器线圈与并联电容C

以及分压电阻R

组成的谐振分压电路如图413(a)所示,在该等效电路中,R'、L'、C构成一谐振回路,其谐振频率为(4-21)当谐振频率f与振荡器提供的振荡频率相同时,输出电压u

最大。测量时,线圈阻抗随间隙δ而改变,此时LC

回路失谐,输出信号u(t)虽仍为振荡器的工作频率的信号,但其幅值随

δ而发生变化,它相当于一个调幅波;电阻R

的作用是进行分压,当R

远大于谐振回路的阻抗值|Z|,输出的电压值则取决于谐振回路的阻抗值|Z|。图4-14调频电路工作原理4)涡流传感器的特点及应用

涡流传感器可用于动态非接触测量,测量范围为0~30mm,工作频率范围为0~104Hz,线性度误差约为1%~3%,分辨力最高可达0.05μm。它具有结构简单、安装方便、灵敏度较高、抗干扰能力较强、不受油污等介质的影响等优点。

图4－15所示是涡流传感器的工程应用实例。图4－15涡流传感器的工程应用涡流传感器可用于以下几个方面的测量:

(1)利用位移作为变换量,做成测量位移、厚度、振动、转速等量的传感器,也可做成接近开关、计数器等。

(2)利用材料电阻率作为变换量,可以做成温度测量、材质判别等传感器。

(3)利用材料磁导率作为变换量,可以做成测量应力、硬度等量的传感器。

(4)利用变换磁导率、电阻率、位移的综合影响,可以做成探伤装置。4.3.2互感式传感器

互感式传感器的工作原理是利用电磁感应中的互感现象,将被测位移量转换成线圈互感的变化,如图416所示。当线圈W1

输入交流电流i

时,在线圈W2

中则产生感应电动

势e12,其大小正比于电流i

的变化率:式中,M

为比例系数,也称互感(单位为H),是两线圈W1

和W2

之间耦合程度的度量,其大小与两线圈的相对位置及周围介质的磁导率等因素有关。图4－16互感现象(互感式传感器的工作原理)互感式传感器实质上就是一个变压器,其初级线圈接入稳定的交流激励电源,次级线圈被感应而产生对应输出电压,当被测参数使互感M

产生变化时,输出电压也随之变化。

由于次级常采用两个线圈接成差动型,故这种传感器又称差动变压器式传感器。图4－17螺管线圈型差动变压器的工作原理实际中应用较多的是螺管线圈型差动变压器,其工作原理如图4－17所示。装置的初级线圈激励通常用电压为3~15V、频率为60~20000Hz的交流电。两次级感应产生与之同频的正弦电压,但其幅值随铁心位置的变化而变化。当铁心位于中间位置时通常可取得一零位,此时输出电压uo为零;当铁心朝任一方向移动时,次级线圈中的一个具有较大

的互感,而另一个则具有较小的互感。这样在零位的两侧一定范围内,输出uo与铁心位置间便是一种线性函数的关系。当uo通过零位时,它要经受一个180°的相移。输出uo通常与激励电压ux

不同相,但这一点随ux的频率而变化,且对每一个差动变压器式传感器来说,总存在一个相移为零的特定频率,该频率值一般由厂家提供。在一个相移为零的特定频率,该频率值一般由厂家提供。

因此对某些要求uo和ux间允许很小相移的场合(如某些载波放大系统),则要求激励源的频率合适。但对一般接至交流表或示波器的场合,该相移并不是大问题。

尽管理想情况下输出电压在零位时应为零,但初级与次级线圈之间耦合的杂散电容以及激励电源的谐波分量仍会造成非零的零位电压。该电压值在普通情况下不大于满量程输出的1%。

图4－18是一种用于测量小位移的差动变压器相敏检波电路。在无输入信号时,铁心处于中间位置,调节电阻R使零位残余电压为最小;当铁心上、下移动时,传感器有信号输出,其输出的电压信号经交流放大、相敏检波和滤波之后得到直流输出,由指示仪表指示出位移量的大小与方向。图4－18差动相敏检波电路的工作原理差动变压器式传感器的特点是测量精度高(可达0.1μm量级)、线性量程大(可达±100mm)、稳定性好、使用方便。这种传感器广泛用于直线位移、转动位移、力的测量(借助于弹性元件也可将压力、重量等物理量转换成位移量)。4.3.3压磁式互感传感器

铁磁材料如镍、铁镍、铁铝、铁硅合金等,在外力作用下发生机械变形,内部产生应力,并引起磁导率的变化。这种由于机械变形导致材料磁性质的变化称之为压磁效应(PiezomagneticEffect)或磁应变效应。

将铁磁材料置于磁场中,它的形状和尺寸就发生变化,这种在外磁场作用下材料发生机械变形的现象,称为磁致伸缩效应。

铁磁材料在外力作用下引起磁导率变化的原因,是由于材料应变使晶体点阵发生畸变,这将阻碍材料的磁化过程。图4-19表明了一种79%镍铁合金磁导率μmax

随压应力增大而下降的情况。

铁磁材料的磁致伸缩特性是由于在外磁场作用下“磁畴”的磁轴转了向,引起晶体尺寸变化。图4-20表明了一种45%镍铁合金相对伸长与外磁场强度H

的关系。图4－2045%镍铁合金磁致伸缩效应与磁场强度的关系铁磁材料的这种特性被广泛用于制造测量力和扭矩的传感器以及超声发生器中的机/电换能器等。

压磁式测力传感器是应用压磁元件将力、扭矩等参数转换为磁导率变化的一种传感器。它的变换实质是,绕有线圈的铁心在外力作用下磁导率发生变化,引起铁心中的磁通改变,进而引起磁阻Rm的变化,从而导致自感或互感变化。

压磁式传感器具有输出功率大、抗干扰能力强、过载性能好、结构和电路简单、能在恶劣环境下工作、寿命长等一系列优点,缺点是线性及稳定性差。目前,这种传感器已成功地用在冶金、矿山、造纸、印刷、运输等各个部门。例如用来测量轧钢的轧制力、钢带的张力、纸张的张力、吊车提物的自动测量、配料的称量、金属切削过程的切削力以及电梯安全保护等。图4－21所示是两种压磁式测力传感器的工作原理。其中图4－21(a)是测扭矩传感器,它利用了线圈自感变化;图421(b)是测力传感器,它利用了互感变化,次级线圈W2

的感应电势随力大小而变化。图4－21两种压磁式测力传感器的工作原理

4.4电容式传感器

1.电容式传感器的工作原理

如图4-22所示的平板电容器结构示意图,忽略边缘效应,其电容可表达为（4-23）图4-22平板电容器结构示意图

1)间隙变化型电容传感器

如图4-23(a)所示,这种类型的传感器常常固定一块极板(图中定极板)而使另一块极板移动(图中动极板),从而改变间隙δ,以引起电容的变化。

设板间隙有一改变量Δδ,则图4-23变间隙型电容传感器结构及电容和间隙关系曲线此式表明间隙变化型电容传感器的灵敏度与间隙的平方值成反比,间隙越小时灵敏度越高。但当灵敏度提高时,非线性误差也增大,因此一般规定这种传感器在较小范围内工作,以减小非线性误差。实际应用中为提高传感器的灵敏度,常采用差动式结构,如图4-24所示。图4－24差动式电容传感器结构示意图差动式电容传感器的中间可移动的电容器极板分别与两边固定的电容器极板形成两个电容C1

和C2,当中间极板向一方面移动时,其中一个电容器C1

的电容因间隙增大而减

小,而另一个电容器C2

的电容则因间隙的减小而增大,由式(4－25)可得电容总变化量为（4-28）（4-29）这种差动式电容传感器不仅可提高灵敏度,也相应地改善了测量线性度。

间隙变化型电容传感器用于测量位移及一切能转换为位移测量的物理参数。其特点是非接触式测量,因而对被测量影响小,灵敏度高;测量范围最大可达1mm,非线性误差约

为满量程的1%~3%;测量的频率范围为0~105Hz。该传感器对温度变化十分敏感,也可用来作温度测量。其主要缺点是具有非线性特性,因此限制了它的测量范围,且其内阻很大;传感器的杂散电容也易影响测量精度,故要求传感器导线长度不能过大。传感器的后续电路也比较复杂。

2)面积变化型电容传感器

面积变化型电容传感器的工作原理是在被测参数的作用下变化极板的有效面积,常用的有图425(a)为通过线性位移改变电容器极板面积的形式。当动极板在x方向有位移

Δx

时,电容的改变量为线位移型和角位移型两种。该灵敏度为一常数,因此输入与输出为线性关系。（4-30）（4-31）图4-25面积变化型电容传感器结构示意图图4-25(b)为角位移型结构。当动极板有一转角时,两极板之间的相互覆盖面积发生变化,从而导致电容量变化。由图可知,该公共覆盖面积为（4-32）（4-33）（4-34）由于平板式线位移型传感器的可动极板沿极距方向移动会影响测量精度,因此一般情况下,变面积型电容传感器常做成圆柱形。图4－25(c)为圆柱体式线位移型结构,其中圆筒固定,圆柱在其中移动。利用高斯积分可得该电容器的电容量为（4-35）式中,D

为圆柱内径;d为圆柱外径。当两者覆盖长度x

的变化Δx

时,电容变化量为（4-36）其灵敏度为（4-37）变面积型电容传感器的最大优点是输入与输出是一种线性关系。其缺点是电容器的横向灵敏度较大,其机械结构要求十分精确,因此相对于变间隙式传感器,测量精度较低。

变面积型电容传感器与间隙变化型相比灵敏度较低,适用于较大直线位移及角位移的测量,其测量范围对于线位移型为几个厘米,对于转角度型为180°,测量的频率范围为0~104Hz。为提高变面积型电容传感器的灵敏度,可将这种传感器做成差动式的。

3)介质变化型电容传感器

介质变化型电容传感器的基本原理是当两极板间介质改变时,其电容量发生变化。当极板间介质的种类或其他参数变化时,其相对介电常数改变导致电容量发生相应变化。

介质变化型电容传感器有两种形式。

(1)相当于电容串联的形式。

如图4-26(a)所示,该电容器具有两个不同的电介质,其介电常数分别为εr1

和εr2

,介质厚度分别为a1

和a2

,且a1

+a2

=a0

,即两者之和等于两极板间距a0

。整个装置可视为由两电容器串联而成,其总电容量C由两电容器的电容C1和C2

所确定,由此得式中,A为电容器极板面积。设介质1为空气,即εr1

=1,则式(4－39)变为（4-40）由此可知,总电容量C取决于介电常数εr2及介质厚度a2。因此当这两个参数中一个为已知时,可通过上述公式来确定另一个。

这种方法常用来对不同材料(如纸、塑料膜、合成纤维等)进行厚度测定。测量时让材料通过电容器两极板之间,通常是已知材料的介电常数,从而可从被测的电容值来确定材料厚度。图4－26介质变化型电容传感器结构图4－27用电容传感器测量液位的装置

2.电容传感器的测量电路

由于电容传感器测出的电容及电容变化量均很小,因此必须连接适当的放大电路将它们转换成电压、电流或频率等输出量。以下是常用的几种电路。

1)运算放大器电路

如图428所示,用该电路可获得输出电压随输入电容值线性变化的关系。由于运算图4－28运算放大器电路放大器增益很大,输入阻抗很高,因此有图4－28运算放大器电路

2)电桥测量电路

如图4-29所示,将电容传感器接入图示电桥的一桥臂中(图中C2

),根据电桥平衡公式有图4-29文氏电桥电路变压器式电桥电路如图4-30所示。其中差动式电容传感器组成电桥的相邻两臂,当负载阻抗为无穷大时,电桥的输出电压为(4－49)式中,u

为电桥激励电压;C1

、C2为差动电容传感器的电容,由此得(4－50)图4-30变压器电桥电路

3)调频电路

如图4－31所示,电容传感器作为振荡器谐振回路的一部分,调频振荡器的谐振频率f为(4－51)式中,L

为振荡回路电感。图4-31调频电路工作原理

当被测量使电容值发生变化时,振荡器频率也发生变化。其输出经限幅、鉴频和放大后变成电压输出。

该电路的优点是灵敏度高,可测0.01μm的微小位移变化。缺点是易受电缆形成的杂散电容的影响,也易受温度变化的影响,给使用带来一定困难。

3.电容式传感器的特点及应用

电容式传感器的主要优点有如下几点:

(1)输入能量小而灵敏度高。极距变化型电容压力传感器只需很小的能量就能改变电容极板的位置,如在一对直径为1.27cm圆形电容极板上施加10V电压,极板间隙为2.54×10-3cm,只需3×10-5N的力就能使极板产生位移。因此,电容传感器可以测量很小的力、振动加速度,并且很灵敏。精度高达0.01%的电容式传感器已有商品出现,如一种250mm量程的电容式位移传感器,精度可达5μm。

(2)电参量相对变化大。电容式压力传感器电容的相对变化量为ΔC/C≥100%,有的甚至可达200%,这说明传感器的信噪比大,稳定性好。

(3)动态特性好。电容传感器活动零件少,而且质量很小,本身具有很高的自振频率,加之供给电源的载波频率很高,因此电容式传感器可用于动态参数的测量。

(4)能量损耗小。电容式传感器的工作是变化极板的间距或面积,而电容变化并不产生热量。

(5)结构简单,适应性好。电容式传感器主要结构是两块金属极板和绝缘层,结构很简单,在振动、辐射环境下仍能可靠工作,如采用冷却措施,还可在高温条件下使用。

(6)纳米测量技术应用。电容式传感器可以实现非接触测量,它是以极板间的电场力代替了测头与被测件的表面接触。由于极板间的电场力极其微弱,不会产生迟滞和变形,消除了接触式测量由于表面应力给测量带来的不利影响,加之测量灵敏度高,使其在纳米测量领域得到了广泛的应用。电容式传感器的主要缺点是电缆分布电容影响大。传感器两极板之间的电容很小,仅几十个皮法,有的甚至只有几个皮法。而传感器与电子仪器之间的连接电缆却具有很大的电容,如屏蔽线的电容最小的1m也有几个皮法,最大的可达上百个皮法。

连接电缆的电容大的问题不仅使传感器的电容相对变化大大降低,灵敏度也降低,更严重的是电缆本身放置的位置和形状不同,或因振动等原因,都会引起电缆本身电容的较大变化,使输出不真实,给测量带来误差。解决这个问题的方法有两种:一种是利用集成电路,使放大测量电路小型化,把它放在传感器内部,这样传输导线输出是电压信号,不受分布电容的影响;另一种是采用双屏蔽传输电缆,适当降低分布电容的影响。由于电缆分布电容对传感器的影响,使电容式传感器的应用受到一定的限制。电容对传感器的影响,使电容式传感器的应用受到一定的限制。

目前,电容传感器已广泛应用于位移、振动、角度、速度、压力、转速、流量、液位、料位以及成分分析等方面的测量。电容式传感器的精度和稳定性也日益提高。

图4－32为测量金属带材在轧制过程中厚度的电容式测厚仪工作原理。工作极板与带材之间形成两个电容,即C1、C2

,其总电容为C

=C1

+C2

。当金属带材在轧制中厚度发

生变化时,将引起电容量的变化。通过检测电路可以反映这个变化,并转换和显示出带材的厚度。图4－32电容式测厚仪工作原理图4－33为电容式转速传感器的工作原理。图中齿轮外沿面为电容器的动极板,当电容器定极板与齿顶相对时,电容量最大,而与齿隙相对时,则电容量最小。当齿轮转动时,

电容量发生周期性变化,通过测量电路转换为脉冲信号,则频率计显示的频率代表转速大小。设齿数为z,频率为f,则转速n(单位为r·min-1

)为图4－33电容式转速传感器的工作原理

4.5压电式传感器

4.5.1压电效应

某些物质,当沿一定方向对其施加力而使其变形时,在一定表面上将产生电荷,当外力去掉后,又重新回到不带电状态,这种现象称为压电效应。相反,如果在这些物质的极化方向施加电场,这些物质就在一定方向上产生机械变形或机械应力,当外电场撤去时,这些变形或应力也随之消失,这种现象称之为逆压电效应,或称之为电致伸缩效应。变形或应力也随之消失,这种现象称之为逆压电效应,或称之为电致伸缩效应。

明显呈现压电效应的敏感功能材料称为压电材料。常用的压电材料有三大类:①单晶压电晶体,如石英、罗歇尔盐(四水酒石酸钾钠)、硫酸锂、磷酸二氢铵等;②多晶压电陶

瓷,如极化的铁电陶瓷(钛酸钡)、锆钛酸铅等;③某些高分子压电薄膜,如聚偏二氟乙烯(PVDF),作为一种新型的高分子物性型传感材料,自1972年首次应用以来,已研制了多种用途的传感器,如压力、加速度、温度、声和无损检测,尤其在生物医学领域获得了广泛的应用。石英晶体有天然石英和人造石英。天然石英的稳定性好,但资源少,并且大都存在一些缺陷,一般只用在校准用的标准传感器或精度很高的传感器中。压电陶瓷是通过高温烧结的多晶体,具有制作工艺方便、耐湿、耐高温等优点,在检测技术、电子技术和超声等领域中用得最普遍,在长度计量仪器中,目前用得最多的压电材料是压电陶瓷,例如锆钛酸铅。

石英晶体的外形呈六面体结构,如图4-34所示,用三根互相垂直的轴表示其晶轴,其中纵轴Oz

称为光轴,经过正六面体棱线而垂直于光轴的Ox

轴称为电轴,而垂直于Ox轴和Oz轴的Oy轴称为机轴。通常将沿电轴Ox

方向作用的力所产生的压电效应称为纵向压电效应,将沿机轴Oy方向作用的力所产生的压电效应称为横向压电效应,沿光轴Oz方向的作用力不产生压电效应。通常从晶体上沿轴线切下一个平行六面体切片,使其晶面分别平行于晶体的三根晶轴。切片在受到沿不同方向的作用力时会产生不同的极化作用,如图4－35所示,主要的压电效应有横向效应、纵向效应和剪切效应三种。

压电体表面产生的电荷量与作用力成正比。当石英晶体切片受x向压力作用时,所产生的电荷量与作用力成正比,但与切片的几何尺寸无关。当沿着机轴Oy方向施加压力时,产生的电荷量与晶片几何尺寸有关,而该电荷的极性与沿电轴Ox

方向加压力时产生的电荷极性相反。

压电体受到多方面的作用力时,内部将产生一个复杂的应力场,从而纵向和横向效应可能都会出现。引发压电效应的对应面上所产生的电荷量不仅与作用于其面上的垂直力有关,且与其他方向的受力有关。图4－34石英晶体外形及坐标系图4－35压电效应类型石英晶体产生压电效应的机理可解释如下。石英晶体是一种二氧化硅(SiO2

)结晶体。

在每个晶体单元中,它具有三个硅原子和六个氧原子,而氧原子是成对靠在一起的。每个硅原子带4个单位正电荷,每个氧原子带2个单位负电荷。在晶体单元中,硅、氧原子排列成六边形的形式,所产生的极化效应正好互相抵消,因此整个晶体单元呈中性。如图4－36(a)所示,沿x

轴方向施加力Fx

时,单元中硅、氧原子这种排列的平衡性被破坏,晶体单元被极化,在垂直于Fx

的两个表面上分别产生正、电荷,这便是所谓的纵向效应。如图4－36(b)所示,沿y

轴方向施加力Fy时,同样也引起晶体单元变形而产生极化现象,在与图(a)情况相同的两个面(垂直于x

轴的两个晶面)上产生电荷,只是电荷的极性与图(a)的情况相反,此即横向效应。当施加反向力(拉力)时,产生的电荷极性相反。由于原子排列沿z轴(光轴)的对称性,因此在z

轴施加作用力不会使晶体单元极化。图4－36石英晶体压电效应外加电场的方向排列,材料由此得到极化。在制造过程完毕撤去外电场之后,陶瓷材料内部仍存在有很强的剩余极化强度。该剩余极化强度束缚住了晶体表面产生的自由电荷,使其不能被释放。材料在外力作用下,剩余极化强度因电畴界限的进一步移动而变化,使晶体表面部分自由电荷被释放,由此形成压电效应。图4－37钛酸钡陶瓷电畴结构4.5.2压电式传感器的测量电路

为测量压电晶片两工作面上产生的电荷,要在该两个面上做上电极,通常用金属蒸镀法蒸上一层金属薄膜,材料常为银或金,从而构成两个相应的电极,如图4－38所示。

当晶片受外力作用而在两极上产生等量而极性相反的电荷时,便形成了相应的电场。

因此压电传感器可视为一个电荷发生器,也是一个电容器,其电容量为（4-52）式中,ε为压电材料相对介电常数,石英ε=4.5;ε0为真空介电常数,ε0

=8.854×10-12

F·m-1;δ为极板间距,单位为m。图4-38压电晶片及等效电路如果施加于晶片的外力不变,而积聚在极板上的电荷又无泄漏,则当外力持续作用时,电荷量保持不变,但当外力撤去时,电荷随之消失。

对于一个压电式力传感器来说,测量的力与传感器产生的电荷量成正比,因此通过测量电荷值便可求得所施加的力。测量中如能得到精确测量结果,必须采用不消耗极板上产生的电荷的措施,亦即所采用的测量手段不从信号源吸取能量,这在实际上是难以实现的。在测量动态交变力时,电荷量可不断地得以补充,可以供给测量电路一定的电流;在作静态或准静态量的测量时,必须采取措施,使所产生的电荷因测量电路所引起的漏失减小到最低程度。因此压电传感器较适宜于作动态量的测量。一个压电传感器可被等效为一个电荷源,如图4-39(a)所示。等效电路图中电容器上的开路电压ua

、电荷量q

以及电容C

a

三者间的关系有图4-39压电传感器的等效电路（4-53）若将压电传感器接入测量电路,则必须考虑电缆电容Cc、后续电路的输入阻抗R

i

、输入电容C

i

以及压电传感器的漏电阻Ra

,此时压电传感器的等效电路如图4－40所示。图4－40压电传感器的实际等效电路压电传感器本身所产生的电荷量很小,而传感器本身的内阻又很大,因此其输出信号十分微弱,这给后续测量电路提出了很高的要求。为了顺利地进行测量,要将压电传感器先接到高输入阻抗的前置放大器,经阻抗变换之后再采用一般的放大、检波电路处理,方可将输出信号提供给指示及记录仪表。

压电传感器的前置放大器通常有两种:

(1)采用电阻反馈的电压放大器,其输出电压正比于输入电压(即压电传感器的输出)。

(2)采用电容反馈的电荷放大器,其输出电压与输入电荷成正比。

1.电压放大器

电压放大器的等效电路图如图4－41所示。考虑负载影响时,根据电荷平衡建立方程式有（4-54）式中,q为压电元件所产生的电荷量;C

为等效电路总电容,C=Ca+Cc+Ci

,其中Ci

为放大器输入电容,Ca为压电传感器等效电容,Cc为电缆形成的杂散电容;ui

为电容上建立的电压;i为泄漏电流。而ui

=Ri,其中,R

为放大器输入阻抗R

i

和传感器的泄漏电阻Ra的等效电阻,R=Ri∥Ra

。图4-41压电传感器接至电压放大器的等效图（4-55）（4-56）（4-57）（4-58）（4-59）压电传感器的低频响应取决于由传感器、连接电缆和负载组成的电路的时间常数RC

。同样在作动态测量时,为建立一定的输出电压且为了不失真地测量,压电传感器的测量电路应具有高输入阻抗,并在输入端并联一定的电容Ci

以加大时间常数RC。但并联电容过大会使输出电压降低过多。

2.电荷放大器

电荷放大器是一个带电容负反馈的高增益运算放大器,其等效电路图如图4－42所示。图4－42电荷放大器原理图在一定条件下,电荷放大器的输出电压与压电传感器产生的电荷量成正比,与电缆引线所形成的分布电容无关。从而电荷放大器彻底消除了电缆长度的改变对测量精度带来的影响,因此是压电传感器常用的后续放大电路。电荷放大器与电压放大器相比,其电路构造复杂,因而造价高。4.5.3压电式传感器的应用

压电式传感器具有自发电和可逆两种重要特性,同时还具有体积小、质量轻、结构简单、工作可靠、固有频率高、灵敏度和信噪比高等优点,因此压电式传感器得到了飞跃的

发展和广泛的应用。在测试技术中,压电转换元件是一种典型的力敏元件,能测量最终能变换成力的那些物理量,例如压力、加速度、机械冲击和振动等,因此在机械、声学、力

学、医学和宇航等领域都可见到压电式传感器的应用。

常用的压电式传感器可分为压电加速度传感器和压电力传感器两类。

(1)压电加速度传感器。该传感器通常被广泛用于测震和测振。由于压电式运动传感器所固有的基本特征,压电加速度计对恒定的加速度输入并不给出响应输出。其主要特点

是输出电压大、体积小以及固有频率高,这些特点对测振都是十分必要的。压电加速度传感器材料的迟滞性是它唯一的能量损耗源,除此之外一般不再施加阻尼,因此传感器的阻

尼比很小(约0.01),但由于其固有频率十分高,这种小阻尼是可以接受的。压电加速度传感器按其晶片受力状态的不同可分为压缩式和剪切式两种类型。

(2)压电力传感器。该传感器具有与压电加速度传感器相同形式的传递函数,由于这种传感器具有使用频率上限高、动态范围大和体积小等优点,故适合于动态力,尤其是冲击力的测量,尽管某些类型的力传感器(如石英传感器外加电荷放大器)具有足够大的时间常数τ,也可用于对静态力的短时间测量和静态标定。典型的压电力传感器的非线性度为1%,具有很高的刚度(2×107

~2×109N/m)和固有频率(10~300kHz)。这些传感器通常是用石英晶体片制成的,因为石英具有很高的机械强度,能承受很大的冲击载荷。但在测量小的动态力时,为获得足够灵敏度,也可采用压电陶瓷。压电力传感器对侧向负载敏感,易引起输出误差,故使用者必须注意减小侧向负载。但厂家的技术指标中一般并不给出这

种横向灵敏度值。通常推荐的横向灵敏度值应小于纵向(轴面)灵敏度值的7%。压电效应是可逆的,施加电压使压电片产生伸缩,导致压电片几何尺寸的改变。利用这种逆压电效应可做成压电制动器,例如施加一高频交变电压,可将压电体做成一振动源,利用这一原理可制造高频振动台、超声发生器、扬声器、高频开关等。逆压电效应也可用于精密微位移装置,通过施加一定电压使之产生可控的微伸缩。若将两压电片粘在一起,施加电压使其中一个伸长、另一个缩短,则可形成薄片翘曲或弯曲,用于制成录像带头定位器、点阵式打印机头、继电器以及压电风扇等。

4.6磁电式传感器

4.6.1磁电感应传感器

磁电感应传感器是一种将被测物理量转换为感应电动势的装置,也称电磁感应式或电动力式传感器。磁电感应传感器是一种机-电能量转换型传感器,不需要外部供电电源,

其电路简单,性能稳定、输出小,又具有一定的频率响应范围(一般10~1000Hz),适用于振动、转速、扭矩等测量。但这种传感器的尺寸和质量都较大。由法拉第电磁感应定律可知,当穿过线圈的磁通Φ发生变化时,线圈中产生的感应电动势为(4－63)式中,W

为线圈匝数。

1.动圈式和动磁铁式传感器

动圈式和动磁铁式传感器结构如图443所示。由图443(a)所示的线速度型装置的工作原理可知,当弹簧片敏感到一速度时,线圈就在磁场中作直线运动,切割磁力线,它

所产生的感应电动势为式中,B

为磁场的磁感应强度,单位为T

;l

为单匝线圈的有效长度,单位为m;W

为有效线圈匝数,指在均匀磁场内参与切割磁力线的线圈匝数;vy为敏感轴(y

轴)方向线圈相对于磁场的速度,单位为m/s;θ

为线圈运动方向与磁场方向的夹角。图4－43动圈式和动磁铁式传感器结构当线圈运动方向与磁场方向垂直(θ

=90°)时,式(4－64)可写为(4－65)当传感器的结构参数(B,l,W)选定,则感应电动势e的大小正比于线圈的运动速度vy

。由于直接测量到的是线圈的运动速度,故这种传感器也称速度传感器。将测到的速度经微分和积分运算可得到运动物体的加速度和位移,因此速度传感器又可用来测量运动物体的位移和加速度。图4-43(b)为角速度型动圈式传感器的结构。线圈在磁场中转动时,所产生的感应电动势为(4－66)式中,ω为线圈转动的角频率;A为单匝线圈的截面积,单位为m2;k为依赖于结构的参数,k<1。由式(4-66)可知,当W

、B

、A

选定时,感应电动势e与线圈相对于磁场的转动角速度成正比。用这种传感器可测量物体转速。将传感器线圈中产生的感应电动势e

经电缆与电压放大器相连接时,其等效电路如图4-44所示。图中e

为感应电动势,Z

0为线圈等效阻抗,R1为负载电阻(包括放大器输入电阻),Cc为电线的分布电容,R

c为电缆电阻。R

c=0.03Ω/m,C

c=70pF/m,发电线圈阻抗Z0=r+jωL,r约为300~2000Ω,L

为数百毫亨,因此相对来说R

c可以忽略。图4-44动圈式磁电感应传感器等效电路此时等效电路中的输出电压为(4－67)若电缆不长,则Cc可以忽略,又若使R1≫Z0

,则上式可简化为u1

≈e。感应电动势经放大、检波后即可推动指示仪表,若经微分或积分电路,又可得到运动物体的加速度或位移。

2.磁阻式传感器

动圈式传感器的工作原理也可视为线圈在磁场中运动时切割磁力线而产生电动势。磁阻式传感器则是使线圈与磁铁固定不动,由运动物体(导磁材料)运动来影响磁路的磁阻,从而引起磁场的强弱变化,使线圈中产生感应电势。

如图4－45所示,磁阻式传感器由永磁体及在其上绕制的线圈组成。其特点是结构简单、使用方便,可用来测量转速、振动、偏心量等。图4-45磁阻式传感器工作原理及应用4.6.2霍尔传感器

1.霍尔效应

金属或半导体薄片置于磁场中,当有电流通过时,在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势,这种物理现象称为霍尔效应。

假设薄片为N型半导体,磁感应强度为B

的磁场方向垂直于薄片,如图4－46所示,在薄片左右两端通以控制电流I,那么半导体中的载流子(电子)将沿着与电流I

相反的方向运动。由于外磁场B

的作用,使电子受到磁场力F

L(洛伦兹力)而发生偏转,结果在半导体的后端面上电子积累带负电,而前端面缺少电子带正电,在前、后端面间形成电场。该电场产生的电场力F

E

阻止电子继续偏转。当F

E

和F

L

相等时,电子积累达到动态平衡。这时在半导体前、后两端面之间(即垂直于电流和磁场方向)建立电场,称霍尔电场,相应的电动势称为霍尔电动势eH

。霍尔电动势可用下式表示:（4-68）式中,I

为电流,单位为A;B为磁感应强度,单位为T;RH为霍尔常数,单位为m3·C-1

,由载流材料的物理性质决定;S

H为灵敏度,单位为V·A-1

·T-1,与载流材料的物理性质和几何尺寸有关,表示在单位磁感应强度和单位控制电流时的霍尔电动势的大小;d

为霍尔片厚度,单位为m。如果磁场和薄片法线有α角,那么图4-46霍尔效应原理图(4-69)

2.霍尔元件

基于霍尔效应工作的半导体器件称为霍尔元件,霍尔元件多采用N型半导体材料。霍尔元件越薄(d

越小),S

H

就越大,薄膜霍尔元件厚度只有1μm左右。霍尔元件由霍尔片、4根引线和壳体组成,如图4－47所示。图4－47霍尔元件霍尔片是一块半导体单晶薄片(一般为4mm×2mm×0.1mm),在它的长度方向两端面上焊有a

、b两根引线,称为控制电流端引线,通常用红色导线,其焊接处称为控制电

极;在它的另两侧端面的中间以点的形式对称地焊有c

、d两根霍尔输出引线,通常用绿色导线,其焊接处称为霍尔电极。霍尔元件的壳体是用非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装。

目前最常用的霍尔元件材料有锗(Ge)、硅(Si)、锑化铟(InSb)、砷化铟(InAs)等半导体材料。

3.霍尔传感器的应用

霍尔传感器的应用主要有以下三个方面:

(1)当输入电流恒定不变时,传感器的输出正比于磁感应强度。因此,凡是能转换为磁感应强度B变化的物理量均可用霍尔传感器进行测量,如位移、角度、转速和加速度等。

(2)当磁感应强度B保持恒定时,传感器的输出正比于控制电流I的变化。因此,凡能转换为电流变化的物理量均可用霍尔传感器进行测量和控制。

(3)由于霍尔电压正比于控制电流I和磁感应强度B,所以凡是可以转换为乘法的物理量(如功率)都可用霍尔传感器进行测量。图4－48霍尔效应位移传感器工作原理图4－49霍尔效应转速传感器工作原理图4－50所示是一种利用霍尔效应对钢丝绳作断丝监测的例子。当钢丝绳通过霍尔元件时,钢丝绳中的断丝会改变永久磁铁产生的磁场,从而在霍尔元件中产生一个脉动电压信号。对该脉动信号进行放大和处理后,可确定断丝根数及断丝位置。图4－50用霍尔效应对钢丝绳断丝进行监测的装置 4.7光电式传感器4.7.1外光电效应在光照作用下,物体内的电子从物体表面逸出的现象称外光电效应,也称光电子发射效应。其实质是能量形式的转变,即光辐射能转换为电磁能。一般在金属中都存在着大量的自由电子,普