常用傳感器2綜述

1、1電容式傳感器電容式傳感器 壓電式傳感器壓電式傳感器 磁電式傳感器磁電式傳感器 光電式傳感器光電式傳感器 光纖式傳感器光纖式傳感器第二部分：第二部分：航天航天傳感器與測(cè)試技術(shù)23 1 1 工作原理及類型工作原理及類型 AC0電容式傳感器實(shí)質(zhì)是一電容式傳感器實(shí)質(zhì)是一 具有可變參數(shù)的電容器。具有可變參數(shù)的電容器。中間充滿介質(zhì)的兩塊平中間充滿介質(zhì)的兩塊平 行金屬極板構(gòu)成的電容行金屬極板構(gòu)成的電容器，其電容量為：器，其電容量為：式中，式中， ：介質(zhì)相對(duì)真空的介電常數(shù)，空氣：介質(zhì)相對(duì)真空的介電常數(shù)，空氣1； 0：真空的介電常數(shù)，：真空的介電常數(shù)， 0=8.85 10-12F/m； ：極板間距；極板間距；

2、A：極板面積。極板面積。4 當(dāng)被測(cè)量使當(dāng)被測(cè)量使 、A或或 發(fā)生變化時(shí)，都會(huì)引發(fā)生變化時(shí)，都會(huì)引起起C的變化。實(shí)際使用中，通常僅改變一個(gè)參的變化。實(shí)際使用中，通常僅改變一個(gè)參數(shù)，根據(jù)變化參數(shù)的不同，可分為數(shù)，根據(jù)變化參數(shù)的不同，可分為三類三類： 改變極板間距的極距變化型改變極板間距的極距變化型 改變極板相互遮蓋面積的面積變化型改變極板相互遮蓋面積的面積變化型 改變極板間介質(zhì)的介質(zhì)變化型（改變改變極板間介質(zhì)的介質(zhì)變化型（改變 ） AC05.4 電容式傳感器電容式傳感器5初始電容：初始電容：顯然，顯然，C 與極距成反比（如圖）。與極距成反比（如圖）。000AC5.4 電容式傳感器電容式傳感器6靈敏

3、度與極距的平方成反比，極距越小，靈敏度越靈敏度與極距的平方成反比，極距越小，靈敏度越高，但極距減小受極板間擊穿電壓的限制。高，但極距減小受極板間擊穿電壓的限制。為了減小因靈敏度隨極距變化導(dǎo)致的非線性誤差，為了減小因靈敏度隨極距變化導(dǎo)致的非線性誤差，通常極距變化范圍通常極距變化范圍/ 0 0.1。此類電容傳感器僅適于較小位移的測(cè)量（此類電容傳感器僅適于較小位移的測(cè)量（0.01 m數(shù)百微米）數(shù)百微米）。 靈敏度：靈敏度：當(dāng)當(dāng)兩極板在被測(cè)參數(shù)作用下發(fā)生位移時(shí)兩極板在被測(cè)參數(shù)作用下發(fā)生位移時(shí),引起電容的引起電容的變化為：變化為：dAdC20CAddCS20000AC5.4 電容式傳感器電容式傳感器72

4、1實(shí)際應(yīng)用中，為實(shí)際應(yīng)用中，為 了提高靈敏度、了提高靈敏度、 線性及克服某線性及克服某 些外界條件（如些外界條件（如 電源電壓、環(huán)境電源電壓、環(huán)境 溫度等）的變化溫度等）的變化 對(duì)測(cè)量精度的影對(duì)測(cè)量精度的影 響常采用差動(dòng)式（如右圖）。此時(shí)靈敏度提響常采用差動(dòng)式（如右圖）。此時(shí)靈敏度提高一倍，非線性誤差減小高一倍，非線性誤差減小 。5.4 電容式傳感器電容式傳感器85.4 電容式傳感器電容式傳感器9包括包括角位移型角位移型和和線位移型線位移型（平面線位移和圓（平面線位移和圓柱體線位移）兩種。柱體線位移）兩種。 q 角位移型角位移型 1 動(dòng)板動(dòng)板 2 定板定板22rA220rC constant2

5、20rddCS其中，其中， ：覆蓋面積對(duì)應(yīng)的中心角；：覆蓋面積對(duì)應(yīng)的中心角； r：極板半徑。極板半徑。5.4 電容式傳感器電容式傳感器000AC10靈敏度？1 動(dòng)板動(dòng)板 2 定板定板bxA bxC0constant0bdxdCS其中，其中，b：極板寬度。極板寬度。 5.4 電容式傳感器電容式傳感器11靈敏度？1 動(dòng)板動(dòng)板 2 定板定板)/ln(20dDxCconstant)/ln(20dDdxdCS其中，其中，D：圓筒孔徑；圓筒孔徑； d ：圓柱外徑。圓柱外徑。面積變化型電容傳感器輸入輸出成線性關(guān)系，面積變化型電容傳感器輸入輸出成線性關(guān)系，但靈敏度較低，適用于但靈敏度較低，適用于較大直線位移及

6、角位移較大直線位移及角位移測(cè)量測(cè)量。 5.4 電容式傳感器電容式傳感器125.4 電容式傳感器電容式傳感器13多用于測(cè)量電介質(zhì)的厚度多用于測(cè)量電介質(zhì)的厚度(圖圖a)、位移位移(圖圖b)、液液位位(圖圖c) ；還可根據(jù)極板間介質(zhì)的介電常數(shù)隨溫還可根據(jù)極板間介質(zhì)的介電常數(shù)隨溫度、濕度、容量改變而改變來(lái)測(cè)量溫度、濕度、度、濕度、容量改變而改變來(lái)測(cè)量溫度、濕度、容量容量(圖圖d)等。等。 5.4 電容式傳感器電容式傳感器14 1)1) 輸入能量?。O板間靜電引力?。?、靈敏度輸入能量小（極板間靜電引力?。㈧`敏度高高 ；2) 電參量相對(duì)變化大；電參量相對(duì)變化大；3) 3) 動(dòng)態(tài)特性好（可動(dòng)質(zhì)量小，固有頻

7、率高）；動(dòng)態(tài)特性好（可動(dòng)質(zhì)量小，固有頻率高）； 4) 4) 發(fā)熱小，能量損耗小發(fā)熱小，能量損耗小 ；5)5)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、適應(yīng)性好，可在高、低溫、強(qiáng)輻結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、適應(yīng)性好，可在高、低溫、強(qiáng)輻射射環(huán)境中工作環(huán)境中工作 ；6)6)可實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量可實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量。 1. 1. 主要優(yōu)點(diǎn)主要優(yōu)點(diǎn)5.4 電容式傳感器電容式傳感器15 非線性大：非線性大： 對(duì)于極距變化型電容傳感器非線性大；對(duì)于極距變化型電容傳感器非線性大；解決辦法解決辦法： 5.4 電容式傳感器電容式傳感器差動(dòng)電路（不能完全消除）差動(dòng)電路（不能完全消除）比例運(yùn)算放大器比例運(yùn)算放大器ACuuy00016 電纜分布電容影響大。電纜分布電容影響大

8、。 傳感器兩極板之間的電容很小，僅幾十個(gè)傳感器兩極板之間的電容很小，僅幾十個(gè)pF，小的甚，小的甚至只有幾個(gè)至只有幾個(gè)pF。而傳感器與電子儀器之間的連接電纜。而傳感器與電子儀器之間的連接電纜卻具有很大的電容，如屏蔽線的電容最小的卻具有很大的電容，如屏蔽線的電容最小的l米也有幾米也有幾個(gè)個(gè)pF，最大的可達(dá)上百個(gè)，最大的可達(dá)上百個(gè)pF。 解決辦法：解決辦法： 1)利用集成電路利用集成電路(微型集成塊植入傳感器內(nèi)以減少寄生電微型集成塊植入傳感器內(nèi)以減少寄生電容的影響容的影響)； 2)利用雙屏蔽傳輸電纜利用雙屏蔽傳輸電纜。5.4 電容式傳感器電容式傳感器175.4 電容式傳感器電容式傳感器185.4 電

9、容式傳感器電容式傳感器195.4 電容式傳感器電容式傳感器20應(yīng)用應(yīng)用:電容式壓力傳感器電容式壓力傳感器 5.4 電容式傳感器電容式傳感器Getter Pump to Maintain LowReference PressureReference Side atVery High Vacuum在超高真空下的參考面通過(guò)真空泵維持在高真空參考?jí)毫ο聠坞娙菔讲顒?dòng)電容式2122壓電式傳感器是一種壓電式傳感器是一種可逆型可逆型換能器，既可以將換能器，既可以將機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽帜軐㈦娔苻D(zhuǎn)變成機(jī)械能。機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽帜軐㈦娔苻D(zhuǎn)變成機(jī)械能。其工作原理是利用某些物質(zhì)的其工作原理是利用某些物質(zhì)的壓電效應(yīng)壓電

10、效應(yīng)。 壓電效應(yīng)壓電效應(yīng) 變換原理變換原理某些晶體在外力作用下，不僅產(chǎn)生形變，而且某些晶體在外力作用下，不僅產(chǎn)生形變，而且內(nèi)部發(fā)生極化現(xiàn)象，在其表面產(chǎn)生電荷，形成內(nèi)部發(fā)生極化現(xiàn)象，在其表面產(chǎn)生電荷，形成電場(chǎng)；去掉外力后又重新回到不帶電的平衡狀電場(chǎng)；去掉外力后又重新回到不帶電的平衡狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為態(tài)，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)。 記記23與壓電效應(yīng)相反，如果將具有壓電效應(yīng)的晶體置于電場(chǎng)與壓電效應(yīng)相反，如果將具有壓電效應(yīng)的晶體置于電場(chǎng)中，在一定方向上產(chǎn)生機(jī)械變形或機(jī)械應(yīng)力，撤去外電中，在一定方向上產(chǎn)生機(jī)械變形或機(jī)械應(yīng)力，撤去外電場(chǎng)，變形和應(yīng)力消失，這種現(xiàn)象為場(chǎng)，變形和應(yīng)力消失，這種現(xiàn)象為逆壓電

11、效應(yīng)逆壓電效應(yīng)。 具有壓電效應(yīng)的敏感功能材料稱為具有壓電效應(yīng)的敏感功能材料稱為壓電材料壓電材料。 常用的壓電材料常用的壓電材料: : l 壓電單晶體壓電單晶體:如石英、酒石酸鉀鈉等如石英、酒石酸鉀鈉等;l 多晶壓電陶瓷多晶壓電陶瓷:如鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛、鈮鎂如鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛、鈮鎂酸鉛等酸鉛等,又稱為壓電陶瓷。又稱為壓電陶瓷。l 聚偏二氟乙烯聚偏二氟乙烯(PVDF) :一種新型的高分子一種新型的高分子物性型傳感材料物性型傳感材料 5.5 壓電式傳感器壓電式傳感器24理想形狀：中間為六棱柱，兩端為對(duì)稱的棱理想形狀：中間為六棱柱，兩端為對(duì)稱的棱錐，共錐，共30個(gè)晶面。個(gè)晶面。光軸光軸電軸電軸機(jī)械軸機(jī)

12、械軸光軸：光軸： z 軸，與晶體縱軸方向軸，與晶體縱軸方向一致。光線沿一致。光線沿 z 軸方向通過(guò)晶軸方向通過(guò)晶體不發(fā)生雙折射。體不發(fā)生雙折射。沿光軸的作用力不產(chǎn)生壓電效應(yīng)，沿光軸的作用力不產(chǎn)生壓電效應(yīng)，故又稱為故又稱為中性軸中性軸。5.5 壓電式傳感器壓電式傳感器25電軸：電軸： x 軸，通過(guò)兩個(gè)相對(duì)的六角棱線并垂直于光軸的軸，通過(guò)兩個(gè)相對(duì)的六角棱線并垂直于光軸的軸線。垂直于此軸的晶面上有最強(qiáng)的壓電效應(yīng)。軸線。垂直于此軸的晶面上有最強(qiáng)的壓電效應(yīng)。 機(jī)械軸：機(jī)械軸：y軸，垂直于軸，垂直于x軸和軸和z軸所在平面的軸線。在電場(chǎng)作軸所在平面的軸線。在電場(chǎng)作用下，用下，y軸具有最明顯的機(jī)械變形。軸具有

13、最明顯的機(jī)械變形。石英晶體石英晶體z軸僅一個(gè)，軸僅一個(gè)，x軸和軸和y軸各有軸各有3個(gè)。個(gè)。5.5 壓電式傳感器壓電式傳感器26 縱向壓電效應(yīng)縱向壓電效應(yīng)：沿：沿x軸加力，電荷出現(xiàn)在垂直于軸加力，電荷出現(xiàn)在垂直于x軸的表面。軸的表面。 橫向壓電效應(yīng)橫向壓電效應(yīng)：沿：沿 y 軸加力，電荷仍出現(xiàn)在垂直于軸加力，電荷仍出現(xiàn)在垂直于 x 軸的表軸的表面。面。 切向壓電效應(yīng)切向壓電效應(yīng)：沿：沿x軸或軸或y軸施加垂直于軸施加垂直于z z軸的剪切力，在垂直軸的剪切力，在垂直于于 x 軸的晶體表面產(chǎn)生電荷。軸的晶體表面產(chǎn)生電荷。5.5 壓電式傳感器壓電式傳感器27在壓電晶片的兩個(gè)工作面上進(jìn)行在壓電晶片的兩個(gè)工作

14、面上進(jìn)行金屬蒸鍍，形成金屬膜，構(gòu)成兩金屬蒸鍍，形成金屬膜，構(gòu)成兩個(gè)電極。當(dāng)壓電晶片受到壓力個(gè)電極。當(dāng)壓電晶片受到壓力F F的作用時(shí)，分別在兩個(gè)極板上積的作用時(shí)，分別在兩個(gè)極板上積聚數(shù)量相等而極性相反的電荷，聚數(shù)量相等而極性相反的電荷，形成電場(chǎng)。形成電場(chǎng)。 壓電元件的開路電壓：壓電元件的開路電壓：Ua=q/CaACra05.5 壓電式傳感器壓電式傳感器28若考慮負(fù)載（測(cè)量電路），等效電路如下：若考慮負(fù)載（測(cè)量電路），等效電路如下：假設(shè)一恒定力假設(shè)一恒定力F作用于壓電器件，產(chǎn)生電量作用于壓電器件，產(chǎn)生電量q，則輸出則輸出電壓：電壓：其中，其中，Cc、Ci分別為電纜寄生電容及后續(xù)測(cè)量電路的輸分別為電

15、纜寄生電容及后續(xù)測(cè)量電路的輸入電容。入電容。5.5 壓電式傳感器壓電式傳感器29由于電荷泄漏，靜態(tài)測(cè)量或準(zhǔn)靜態(tài)量值時(shí)由于電荷泄漏，靜態(tài)測(cè)量或準(zhǔn)靜態(tài)量值時(shí),必必須采取一定措施須采取一定措施,使電荷從壓電元件經(jīng)測(cè)量電使電荷從壓電元件經(jīng)測(cè)量電路的漏失減小到足夠小的程度；路的漏失減小到足夠小的程度；動(dòng)態(tài)測(cè)量時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量時(shí),電荷可以不斷補(bǔ)充電荷可以不斷補(bǔ)充,從而供給測(cè)量從而供給測(cè)量電路一定的電流電路一定的電流,故壓電式傳感器故壓電式傳感器。 記記5.5 壓電式傳感器壓電式傳感器30 n 個(gè)晶體串聯(lián)時(shí)，輸出電荷個(gè)晶體串聯(lián)時(shí)，輸出電荷 量與單片晶體電荷相同，總量與單片晶體電荷相同，總 電容為單片晶體電容的電容

16、為單片晶體電容的1/n， 輸出電壓為單片晶體電壓的輸出電壓為單片晶體電壓的 n倍倍。 + + + + + + + + +- - - - - - - - -FFa) 串聯(lián)串聯(lián)壓電式傳感器有電荷及電壓兩種輸出方式。為壓電式傳感器有電荷及電壓兩種輸出方式。為了增大輸出值，壓電傳感器往往用兩個(gè)（較多了增大輸出值，壓電傳感器往往用兩個(gè)（較多見）或兩個(gè)以上的晶體串聯(lián)或并聯(lián)：見）或兩個(gè)以上的晶體串聯(lián)或并聯(lián)： 5.5 壓電式傳感器壓電式傳感器Ua=q/Ca31+ + + + + + + + +- - - - - - - - -FFb) 并聯(lián)并聯(lián) n個(gè)晶體并聯(lián)時(shí)，輸出電個(gè)晶體并聯(lián)時(shí)，輸出電荷荷量為單片晶體電荷量

17、為單片晶體電荷n 倍，倍，總總電容為單片晶體電容電容為單片晶體電容n 倍，倍，輸出電壓等于單片晶體電壓。輸出電壓等于單片晶體電壓。 并聯(lián)時(shí)并聯(lián)時(shí)，輸出電荷量大輸出電荷量大、電容大電容大、時(shí)間常數(shù)大，適宜、時(shí)間常數(shù)大，適宜測(cè)量測(cè)量。 5.5 壓電式傳感器壓電式傳感器325.5 壓電式傳感器壓電式傳感器33 特點(diǎn)特點(diǎn) q 能量轉(zhuǎn)換型（發(fā)電型）傳感器能量轉(zhuǎn)換型（發(fā)電型）傳感器; ; q 體積小，重量輕，剛性好，可以提高體積小，重量輕，剛性好，可以提高其固有頻率，得到較寬的工作頻率范圍其固有頻率，得到較寬的工作頻率范圍 ; ;q 靈敏度高，穩(wěn)定性好，可靠靈敏度高，穩(wěn)定性好，可靠; ;q 有比較理想的線

18、性，沒有滯后現(xiàn)象有比較理想的線性，沒有滯后現(xiàn)象; ;q主要用于主要用于 應(yīng)用應(yīng)用 廣泛應(yīng)用于沖擊、振動(dòng)及動(dòng)態(tài)力的測(cè)量。廣泛應(yīng)用于沖擊、振動(dòng)及動(dòng)態(tài)力的測(cè)量。 5.5 壓電式傳感器壓電式傳感器345.5 壓電式傳感器壓電式傳感器355.5 壓電式傳感器壓電式傳感器36 3738磁電式傳感器將被測(cè)物理量轉(zhuǎn)換為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，磁電式傳感器將被測(cè)物理量轉(zhuǎn)換為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，也稱為也稱為感應(yīng)式感應(yīng)式或或電動(dòng)式傳感器電動(dòng)式傳感器。 磁電式傳感器包括：磁電式傳感器包括： 磁電感應(yīng)式傳感器磁電感應(yīng)式傳感器 霍爾式傳感器霍爾式傳感器39它把被測(cè)物理量的變化轉(zhuǎn)變?yōu)楦袘?yīng)電動(dòng)勢(shì)。它把被測(cè)物理量的變化轉(zhuǎn)變?yōu)楦袘?yīng)電動(dòng)勢(shì)。 根據(jù)法拉

19、第電磁感應(yīng)定律，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，W匝線圈在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)匝線圈在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)切割磁力線或線圈所在磁場(chǎng)的磁通變化時(shí)，線圈中所切割磁力線或線圈所在磁場(chǎng)的磁通變化時(shí)，線圈中所產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e的大小決定于穿過(guò)線圈的磁通量的大小決定于穿過(guò)線圈的磁通量的變化率，即的變化率，即 由公式可以看出，凡是能夠引起磁通變化率的參數(shù)由公式可以看出，凡是能夠引起磁通變化率的參數(shù)，都可以改變線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。我們知道磁通變化，都可以改變線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。我們知道磁通變化率與率與磁場(chǎng)強(qiáng)度、磁路磁阻、線圈的運(yùn)動(dòng)速度磁場(chǎng)強(qiáng)度、磁路磁阻、線圈的運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)。有關(guān)。dtdWe1 1工作原理：工作原理：5.6.1

20、 5.6.1 磁電感應(yīng)傳感器磁電感應(yīng)傳感器5.6 磁電式傳感器磁電式傳感器40磁電式 恒定磁 通式變磁通式線速度型角速度型N5.6 磁電式傳感器磁電式傳感器kWBAeWBlve41 當(dāng)線圈在垂直于磁場(chǎng)方向作直線運(yùn)動(dòng)或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，當(dāng)線圈在垂直于磁場(chǎng)方向作直線運(yùn)動(dòng)或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e為為 在傳感器中當(dāng)結(jié)構(gòu)參數(shù)確定后，在傳感器中當(dāng)結(jié)構(gòu)參數(shù)確定后，B、l、W、A均為定值均為定值，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e與線圈相對(duì)磁場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)速度與線圈相對(duì)磁場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)速度(v或或)成正比成正比，所以這類傳感器的基本形式是，所以這類傳感器的基本形式是速度傳感器速度傳感器，能直接測(cè)量，能直接測(cè)量線速

21、度或角速度。線速度或角速度。在測(cè)量電路中接入積分電路或微分電路，還可以用來(lái)測(cè)在測(cè)量電路中接入積分電路或微分電路，還可以用來(lái)測(cè)量位移或加速度。量位移或加速度。磁電感應(yīng)式傳感器只適用于磁電感應(yīng)式傳感器只適用于。kWBAeWBlve5.6 磁電式傳感器磁電式傳感器425.6 磁電式傳感器磁電式傳感器435.6 磁電式傳感器磁電式傳感器44變磁阻式又稱變磁通式或變氣隙式，常用來(lái)變磁阻式又稱變磁通式或變氣隙式，常用來(lái)測(cè)量旋轉(zhuǎn)測(cè)量旋轉(zhuǎn)物體的角速度物體的角速度。線圈線圈3和磁鐵和磁鐵5靜止不靜止不動(dòng)，測(cè)量齒輪動(dòng)，測(cè)量齒輪1（導(dǎo)磁（導(dǎo)磁材料制成）每轉(zhuǎn)過(guò)一材料制成）每轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)齒，傳感器磁路磁個(gè)齒，傳感器磁路磁阻

22、變化一次，線圈阻變化一次，線圈3產(chǎn)產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的變生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的變化頻率等于測(cè)量齒輪化頻率等于測(cè)量齒輪1上齒輪的齒數(shù)和轉(zhuǎn)速上齒輪的齒數(shù)和轉(zhuǎn)速的乘積。的乘積。 變磁通式傳感器對(duì)環(huán)境條件要求不高變磁通式傳感器對(duì)環(huán)境條件要求不高,能在能在-15090的溫度下工作的溫度下工作,不影響測(cè)量精度不影響測(cè)量精度,也能在油、水霧、也能在油、水霧、灰塵等條件下工作。但它的工作頻率下限較高灰塵等條件下工作。但它的工作頻率下限較高,約為約為50Hz,上限可達(dá)上限可達(dá)100Hz。 5.6 磁電式傳感器磁電式傳感器45v磁電式傳感器磁電式傳感器。它是利用霍爾元件基于。它是利用霍爾元件基于霍爾效應(yīng)霍爾效應(yīng)原原理而將

23、被測(cè)量轉(zhuǎn)換成電動(dòng)勢(shì)輸出的一種傳感器。理而將被測(cè)量轉(zhuǎn)換成電動(dòng)勢(shì)輸出的一種傳感器。v置于均勻磁場(chǎng)中的通電半導(dǎo)體（鍺、銻化銦、砷化置于均勻磁場(chǎng)中的通電半導(dǎo)體（鍺、銻化銦、砷化銦等），在垂直于電場(chǎng)和磁場(chǎng)的方向產(chǎn)生橫向電場(chǎng)的銦等），在垂直于電場(chǎng)和磁場(chǎng)的方向產(chǎn)生橫向電場(chǎng)的現(xiàn)象稱為現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)霍爾效應(yīng)，相應(yīng)電場(chǎng)稱為，相應(yīng)電場(chǎng)稱為霍爾電場(chǎng)霍爾電場(chǎng)。 5.6 磁電式傳感器磁電式傳感器46 霍爾效應(yīng)的產(chǎn)生是運(yùn)動(dòng)電荷受磁場(chǎng)中洛倫茲霍爾效應(yīng)的產(chǎn)生是運(yùn)動(dòng)電荷受磁場(chǎng)中洛倫茲力作用的結(jié)果。力作用的結(jié)果。 假設(shè)一通以固定電流假設(shè)一通以固定電流i的的N型半導(dǎo)體薄片置于型半導(dǎo)體薄片置于與薄片厚度方向平行的磁場(chǎng)與薄片厚度方向平

24、行的磁場(chǎng)B 中，則其中運(yùn)動(dòng)的中，則其中運(yùn)動(dòng)的載流子（電子）將受到洛倫茲力載流子（電子）將受到洛倫茲力FL的作用向一邊的作用向一邊偏移，并形成電子累積，另一邊積累正電荷，產(chǎn)偏移，并形成電子累積，另一邊積累正電荷，產(chǎn)生電場(chǎng)。該電場(chǎng)對(duì)電子產(chǎn)生電場(chǎng)力生電場(chǎng)。該電場(chǎng)對(duì)電子產(chǎn)生電場(chǎng)力FE，阻止運(yùn)動(dòng)阻止運(yùn)動(dòng)電子的繼續(xù)偏轉(zhuǎn)，當(dāng)電子的繼續(xù)偏轉(zhuǎn)，當(dāng)FE = FL時(shí)，電子積累達(dá)到動(dòng)時(shí)，電子積累達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。此時(shí)電場(chǎng)即為態(tài)平衡。此時(shí)電場(chǎng)即為霍爾電場(chǎng)霍爾電場(chǎng)。5.6 磁電式傳感器磁電式傳感器47VH=(RH/d)iBcos =kHiBcos 其中，其中，kH：靈敏度系數(shù)，取決于材質(zhì)、溫度、元件尺靈敏度系數(shù)，取決于材質(zhì)、

25、溫度、元件尺寸；寸； ： 薄片法線與磁場(chǎng)方向的夾角。薄片法線與磁場(chǎng)方向的夾角。顯然，改變顯然，改變i或或B，即可改變即可改變VH。 霍爾電場(chǎng)對(duì)應(yīng)的電勢(shì)稱為霍爾電場(chǎng)對(duì)應(yīng)的電勢(shì)稱為霍爾電勢(shì)霍爾電勢(shì)（VH），）， 其大小為：其大小為：5.6 磁電式傳感器磁電式傳感器48v基于霍爾效應(yīng)基于霍爾效應(yīng)工作的半導(dǎo)體器工作的半導(dǎo)體器件稱為霍爾元件，件稱為霍爾元件，霍爾元件多采用霍爾元件多采用N型型半導(dǎo)體材料。半導(dǎo)體材料。霍爾元件越薄霍爾元件越薄(d越小越小)，kH就越就越大，薄膜霍爾元大，薄膜霍爾元件厚度只有件厚度只有1m左右。左右。v目前最常用的霍爾元件材料有鍺目前最常用的霍爾元件材料有鍺(Ge)、硅硅(S

26、i)、銻銻化銦化銦(InSb)、砷化銦砷化銦(InAs)等半導(dǎo)體材料。等半導(dǎo)體材料。 5.6 磁電式傳感器磁電式傳感器49從從 a端通入電流端通入電流I，根據(jù)根據(jù)霍爾效應(yīng)，左半部產(chǎn)生霍爾效應(yīng)，左半部產(chǎn)生霍爾電勢(shì)霍爾電勢(shì)UH1，右半部右半部產(chǎn)生霍爾電勢(shì)產(chǎn)生霍爾電勢(shì)UH2，其方其方向相反。因此，向相反。因此，c、d兩兩端電勢(shì)為端電勢(shì)為UH1-UH2。如果霍爾元件在初始位如果霍爾元件在初始位置時(shí)置時(shí)UH1=UH2，則輸出則輸出為零；當(dāng)改變磁極系統(tǒng)為零；當(dāng)改變磁極系統(tǒng)與霍爾元件的相對(duì)位置與霍爾元件的相對(duì)位置時(shí)，即可得到輸出電壓，時(shí)，即可得到輸出電壓，其大小正比于位移量。其大小正比于位移量。5.6 磁電

27、式傳感器磁電式傳感器505.6 磁電式傳感器磁電式傳感器51霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器1243(a)1243(b)12431234(c)(d)NSNSNSNSNSNSNS1輸入軸；2轉(zhuǎn)盤；3小磁鐵；4霍爾傳感器1243(a)1243(b)12431234(c)(d)NSNSNSNSNSNSNS1輸入軸；2轉(zhuǎn)盤；3小磁鐵；4霍爾傳感器1243(a)1243(b)12431234(c)(d)NSNSNSNSNSNSNS1輸 入 軸 ；2轉(zhuǎn) 盤 ；3小 磁 鐵 ；4霍 爾 傳 感 器1243(a)1243(b)12431234(c)(d)NSNSNSNSNSNSNS1輸 入 軸 ；2轉(zhuǎn) 盤 ；3小 磁 鐵 ；

28、4霍 爾 傳 感 器5.6 磁電式傳感器磁電式傳感器1243(a)1243(b)12431234(c)(d)NSNSNSNSNSNSNS1 輸 入 軸 ；2 轉(zhuǎn) 盤 ；3 小 磁 鐵 ；4 霍 爾 傳 感 器52案例：案例：電流傳感器電流傳感器案例：案例：管道裂紋檢測(cè)管道裂紋檢測(cè)原理磁場(chǎng)強(qiáng)度變化檢測(cè)VH=(RH/d)iBcos =kHiBcos 5.6 磁電式傳感器磁電式傳感器5354光電式傳感器是以光電器件作為轉(zhuǎn)換元件的傳光電式傳感器是以光電器件作為轉(zhuǎn)換元件的傳感器。感器。光電器件的物理基礎(chǔ)是光電器件的物理基礎(chǔ)是光電效應(yīng)光電效應(yīng)。q 外光電效應(yīng)外光電效應(yīng)：在光線作用下使物體的電子逸：在光線作

29、用下使物體的電子逸 出表面的現(xiàn)象；如光電管、光電倍增管。出表面的現(xiàn)象；如光電管、光電倍增管。q光電導(dǎo)效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)：在光線作用下使物體電阻率改：在光線作用下使物體電阻率改 變的現(xiàn)象；如光敏電阻等。變的現(xiàn)象；如光敏電阻等。q光生伏特效應(yīng)光生伏特效應(yīng)：在光線作用下使物體產(chǎn)生：在光線作用下使物體產(chǎn)生 一定方向電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象；如光電池、光敏晶一定方向電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象；如光電池、光敏晶 體管等。也稱體管等。也稱阻擋層光電效應(yīng)阻擋層光電效應(yīng)。 5.7.1 5.7.1 光電效應(yīng)及光電器件光電效應(yīng)及光電器件 55真空光電管：真空光電管：在一個(gè)真空的玻璃泡內(nèi)裝有在一個(gè)真空的玻璃泡內(nèi)裝有兩個(gè)電極兩個(gè)電極,一個(gè)是光電陰極

30、一個(gè)是光電陰極,一個(gè)是光電陽(yáng)極。一個(gè)是光電陽(yáng)極。光電陰極光電陰極通常采用逸出功小的光敏材通常采用逸出功小的光敏材料料(如銫如銫Cs)。當(dāng)光線照射到。當(dāng)光線照射到光敏材料上便有電子逸出，光敏材料上便有電子逸出，這些電子被具有正電位的陽(yáng)這些電子被具有正電位的陽(yáng)極所吸引，在光電管內(nèi)形成極所吸引，在光電管內(nèi)形成空間電子流，在外電路就產(chǎn)空間電子流，在外電路就產(chǎn)生電流。生電流。若在外電路串入一定阻值的電阻，則在該電阻上的電壓降或電路中若在外電路串入一定阻值的電阻，則在該電阻上的電壓降或電路中的電流大小都與光強(qiáng)成函數(shù)關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的電流大小都與光強(qiáng)成函數(shù)關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。5.7 光電式傳感器光

31、電式傳感器565.7 光電式傳感器光電式傳感器57受光照物體受光照物體(通常為半導(dǎo)體材料通常為半導(dǎo)體材料)電導(dǎo)率發(fā)生變電導(dǎo)率發(fā)生變化或產(chǎn)生光電動(dòng)勢(shì)的效應(yīng)稱為內(nèi)光電效應(yīng)。內(nèi)化或產(chǎn)生光電動(dòng)勢(shì)的效應(yīng)稱為內(nèi)光電效應(yīng)。內(nèi)光電效應(yīng)按其工作原理分為兩種：光電效應(yīng)按其工作原理分為兩種： 光電導(dǎo)效應(yīng)；光電導(dǎo)效應(yīng)；光生伏特效應(yīng)光生伏特效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)：半導(dǎo)體材料受到光照時(shí)電阻率：半導(dǎo)體材料受到光照時(shí)電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象，稱為發(fā)生變化的現(xiàn)象，稱為光電導(dǎo)效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)。應(yīng)用：基于這種效應(yīng)的光電器件有：應(yīng)用：基于這種效應(yīng)的光電器件有： a.光敏電阻光敏電阻(光電導(dǎo)型光電導(dǎo)型) b.反向工作的光敏二極管、光敏三極

32、管反向工作的光敏二極管、光敏三極管5.7 光電式傳感器光電式傳感器581）光敏電阻）光敏電阻(光導(dǎo)管光導(dǎo)管) 在黑暗的環(huán)境下，它在黑暗的環(huán)境下，它的阻值很高；當(dāng)受到光的阻值很高；當(dāng)受到光照并且光輻射能量足夠照并且光輻射能量足夠大時(shí)，電阻率變小。光大時(shí)，電阻率變小。光敏電阻常用的半導(dǎo)體材敏電阻常用的半導(dǎo)體材料有硫化鎘料有硫化鎘(CdS)和硒和硒化鎘化鎘(CdSe)。5.7 光電式傳感器光電式傳感器59光敏二極管光敏二極管 光敏三極管光敏三極管60 通過(guò)檢測(cè)周圍環(huán)境的亮度，再與內(nèi)部設(shè)定值相通過(guò)檢測(cè)周圍環(huán)境的亮度，再與內(nèi)部設(shè)定值相比較，調(diào)整光源的亮度和分布，有效利用自然比較，調(diào)整光源的亮度和分布，有

33、效利用自然光線，達(dá)到節(jié)約電能的目的。光線，達(dá)到節(jié)約電能的目的。光敏二極管5.7 光電式傳感器光電式傳感器61硅光電池也稱硅太陽(yáng)能電池，硅光電池也稱硅太陽(yáng)能電池，它是用單晶硅制成，在一塊它是用單晶硅制成，在一塊N型硅片上用擴(kuò)散的方法摻入一型硅片上用擴(kuò)散的方法摻入一些些P型雜質(zhì)而形成一個(gè)大面積型雜質(zhì)而形成一個(gè)大面積的的P-N結(jié)，結(jié)，P層做得很薄層做得很薄,從而從而使光線能穿透到使光線能穿透到P-N結(jié)上。硅結(jié)上。硅太陽(yáng)能電池具有輕便、簡(jiǎn)單，太陽(yáng)能電池具有輕便、簡(jiǎn)單，不會(huì)產(chǎn)生氣體或熱污染，易于不會(huì)產(chǎn)生氣體或熱污染，易于適應(yīng)環(huán)境。因此凡是不能鋪設(shè)適應(yīng)環(huán)境。因此凡是不能鋪設(shè)電纜的地方都可采用太陽(yáng)能電電纜的

34、地方都可采用太陽(yáng)能電池，尤其適用于為宇宙飛行器池，尤其適用于為宇宙飛行器的各種儀表提供電源。的各種儀表提供電源。光生伏特效應(yīng)：在光線光生伏特效應(yīng)：在光線作用下使物體產(chǎn)生一定作用下使物體產(chǎn)生一定方向電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象。方向電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象。5.7 光電式傳感器光電式傳感器6263按按接收狀態(tài)：模擬式和脈沖式。接收狀態(tài)：模擬式和脈沖式。模擬式光電傳感器的工作原理是基于光電元件的光電特模擬式光電傳感器的工作原理是基于光電元件的光電特性性，其光通量是隨被測(cè)量而變其光通量是隨被測(cè)量而變，光電流就成為被測(cè)量的光電流就成為被測(cè)量的函數(shù)函數(shù)。光電傳感器有如下幾種工作方式：光電傳感器有如下幾種工作方式： 吸收式吸收式：根

35、據(jù)被測(cè)物對(duì)光的吸收程度或?qū)ζ渥V線的選擇：根據(jù)被測(cè)物對(duì)光的吸收程度或?qū)ζ渥V線的選擇來(lái)測(cè)定被測(cè)參數(shù)。如測(cè)量液體、氣體的透明度、混濁度來(lái)測(cè)定被測(cè)參數(shù)。如測(cè)量液體、氣體的透明度、混濁度,對(duì)氣體進(jìn)行成分分析對(duì)氣體進(jìn)行成分分析,測(cè)定液體中某種物質(zhì)的含量等。測(cè)定液體中某種物質(zhì)的含量等。 5.7 光電式傳感器光電式傳感器64被測(cè)物體把部分被測(cè)物體把部分光通量反射到光光通量反射到光電元件上電元件上,根據(jù)反根據(jù)反射的光通量多少射的光通量多少測(cè)定被測(cè)物表面測(cè)定被測(cè)物表面狀態(tài)和性質(zhì)。如狀態(tài)和性質(zhì)。如測(cè)量零件的表面測(cè)量零件的表面粗糙度、表面缺粗糙度、表面缺陷、表面位移等陷、表面位移等反射式光電傳感器5.7 光電式傳感器

36、光電式傳感器65光源發(fā)出的光通量經(jīng)被測(cè)物遮光源發(fā)出的光通量經(jīng)被測(cè)物遮去其一部分去其一部分,使作用在光電元件使作用在光電元件上的光通量減弱上的光通量減弱,減弱的程度與減弱的程度與被測(cè)物在光學(xué)通路中的位置有被測(cè)物在光學(xué)通路中的位置有關(guān)。利用這一原理可以測(cè)量長(zhǎng)關(guān)。利用這一原理可以測(cè)量長(zhǎng)度、厚度、線位移、角位移、度、厚度、線位移、角位移、振動(dòng)等。振動(dòng)等。 被測(cè)物體本身就是輻射源被測(cè)物體本身就是輻射源, 作作用在光電元件上。光電高溫計(jì)、用在光電元件上。光電高溫計(jì)、比色高溫計(jì)、紅外偵察和紅外比色高溫計(jì)、紅外偵察和紅外遙感等均屬于這一類。這種方遙感等均屬于這一類。這種方式也可以用于防火報(bào)警和構(gòu)成式也可以用于

37、防火報(bào)警和構(gòu)成光照度計(jì)等。光照度計(jì)等。 遮光式光電傳感器輻射式光電傳感器5.7 光電式傳感器光電式傳感器66脈沖式光電傳感器的作用方式是光電元件的輸出僅有脈沖式光電傳感器的作用方式是光電元件的輸出僅有 “通通”、“斷斷”的開關(guān)狀態(tài)的開關(guān)狀態(tài)，也稱為光電元件的開關(guān)運(yùn)用也稱為光電元件的開關(guān)運(yùn)用狀態(tài)。這類傳感器要求光電元件靈敏度高狀態(tài)。這類傳感器要求光電元件靈敏度高,而對(duì)光電特性的而對(duì)光電特性的線性要求不高。主要用于零件或產(chǎn)品的自動(dòng)計(jì)數(shù)、光控開線性要求不高。主要用于零件或產(chǎn)品的自動(dòng)計(jì)數(shù)、光控開關(guān)、電子計(jì)算機(jī)的光電輸入設(shè)備、光電編碼器及光電報(bào)警關(guān)、電子計(jì)算機(jī)的光電輸入設(shè)備、光電編碼器及光電報(bào)警裝置等方

38、面。裝置等方面。 光電測(cè)速計(jì)、光電式轉(zhuǎn)速計(jì)就是這方面的應(yīng)用實(shí)例。光電測(cè)速計(jì)、光電式轉(zhuǎn)速計(jì)就是這方面的應(yīng)用實(shí)例。光電測(cè)量方法靈活多樣，可測(cè)參數(shù)眾多，一般情況下又具光電測(cè)量方法靈活多樣，可測(cè)參數(shù)眾多，一般情況下又具有非接觸、高精度、高分辨率、高可靠性和響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，有非接觸、高精度、高分辨率、高可靠性和響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，加之激光光源、光柵、光學(xué)碼盤、加之激光光源、光柵、光學(xué)碼盤、CCD器件、光導(dǎo)纖維等器件、光導(dǎo)纖維等的相繼出現(xiàn)和成功應(yīng)用，使得光電傳感器在檢測(cè)和控制領(lǐng)的相繼出現(xiàn)和成功應(yīng)用，使得光電傳感器在檢測(cè)和控制領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。域得到了廣泛的應(yīng)用。5.7 光電式傳感器光電式傳感器675.7 光電

39、式傳感器光電式傳感器68l光的全反射實(shí)驗(yàn)光的全反射實(shí)驗(yàn)695.8 光纖傳感器光纖傳感器70 發(fā)光二發(fā)光二極管產(chǎn)生多極管產(chǎn)生多種顏色的光種顏色的光線，通過(guò)光線，通過(guò)光導(dǎo)纖維傳導(dǎo)導(dǎo)纖維傳導(dǎo)到東方明珠到東方明珠球體的表面。球體的表面。在計(jì)算機(jī)控在計(jì)算機(jī)控制下，可產(chǎn)制下，可產(chǎn)生動(dòng)態(tài)圖案。生動(dòng)態(tài)圖案。5.8 光纖傳感器光纖傳感器71光纖傳感器以光信號(hào)為變換和傳輸載體，光纖傳感器以光信號(hào)為變換和傳輸載體，利用光導(dǎo)纖維傳輸光信號(hào)。利用光導(dǎo)纖維傳輸光信號(hào)。 光導(dǎo)纖維結(jié)構(gòu)與傳輸原理光導(dǎo)纖維結(jié)構(gòu)與傳輸原理 光纖由內(nèi)芯（折射率光纖由內(nèi)芯（折射率n1、直徑幾十直徑幾十 m）、）、包層包層 （折射率（折射率n2n1、外徑外徑n2）組成。組成。 光纖傳感器定義及結(jié)構(gòu)光纖傳感器定義及結(jié)構(gòu)光導(dǎo)纖維是一種特殊結(jié)構(gòu)光導(dǎo)纖維是一種特殊結(jié)構(gòu)的光學(xué)纖維，當(dāng)光線以一的光學(xué)纖維，當(dāng)光線以一定角度從它的一端射入時(shí)，定角度從它的一端射