第四章 常用傳感器

1、第四章第四章 常用傳感器原理及應(yīng)用常用傳感器原理及應(yīng)用傳感器是將被測(cè)量按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成便于應(yīng)用的某傳感器是將被測(cè)量按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成便于應(yīng)用的某種物理量的裝置。通常將傳感器看作是一個(gè)把被測(cè)非電種物理量的裝置。通常將傳感器看作是一個(gè)把被測(cè)非電量轉(zhuǎn)換為電量的裝置。傳感器位于測(cè)控系統(tǒng)的首端，是量轉(zhuǎn)換為電量的裝置。傳感器位于測(cè)控系統(tǒng)的首端，是獲取準(zhǔn)確可靠信息的關(guān)鍵裝置。獲取準(zhǔn)確可靠信息的關(guān)鍵裝置。傳感器的構(gòu)成傳感器的構(gòu)成 傳感器由傳感器由敏感器件敏感器件與與輔助器件輔助器件組成。敏感器件的組成。敏感器件的作用是感受被測(cè)物理量，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換輸出。作用是感受被測(cè)物理量，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換輸出。 輔助器件則

2、是對(duì)敏感器輔助器件則是對(duì)敏感器件輸出的電信號(hào)進(jìn)行放大、件輸出的電信號(hào)進(jìn)行放大、阻抗匹配，以便于后續(xù)儀表接入。阻抗匹配，以便于后續(xù)儀表接入。 V常用傳感器的分類常用傳感器的分類機(jī)械量機(jī)械量: 長(zhǎng)度、厚度、位移、速度、加速度、轉(zhuǎn)數(shù)、質(zhì)長(zhǎng)度、厚度、位移、速度、加速度、轉(zhuǎn)數(shù)、質(zhì)量，重量、力、壓力、力矩；量，重量、力、壓力、力矩；聲聲: 聲壓、噪聲；聲壓、噪聲； 磁磁: 磁通、磁場(chǎng)；磁通、磁場(chǎng)；溫度溫度: 溫度、熱量、比熱；溫度、熱量、比熱； 光：光： 亮度、色彩。亮度、色彩。1. 按被測(cè)物理量分類按被測(cè)物理量分類機(jī)械式，電氣式，光學(xué)式，流體式等。機(jī)械式，電氣式，光學(xué)式，流體式等。2. 按工作的物理基礎(chǔ)

3、分類按工作的物理基礎(chǔ)分類:3. 按信號(hào)變換特征分：按信號(hào)變換特征分：物性型傳感器：依靠敏感元件本身物理化學(xué)性質(zhì)的變物性型傳感器：依靠敏感元件本身物理化學(xué)性質(zhì)的變化，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的變換的。化，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的變換的。煙霧報(bào)警器煙霧報(bào)警器酒精傳感器酒精傳感器二氧化碳傳感器二氧化碳傳感器結(jié)構(gòu)型傳感器：依靠傳感器結(jié)構(gòu)參量的變化而實(shí)現(xiàn)信號(hào)結(jié)構(gòu)型傳感器：依靠傳感器結(jié)構(gòu)參量的變化而實(shí)現(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)換的。轉(zhuǎn)換的。力傳力傳感器感器 4.4.按敏感元件與被測(cè)對(duì)象之間的能量關(guān)系按敏感元件與被測(cè)對(duì)象之間的能量關(guān)系: :能量轉(zhuǎn)換型：直接由被測(cè)對(duì)象輸入能量使其工作。能量轉(zhuǎn)換型：直接由被測(cè)對(duì)象輸入能量使其工作。 例如：熱電偶溫度計(jì)，壓電式

4、加速度計(jì)。例如：熱電偶溫度計(jì)，壓電式加速度計(jì)。能量控制型：能量控制型： 從外部供給能量并由被測(cè)量控制外部從外部供給能量并由被測(cè)量控制外部供給能量的變化。供給能量的變化。 例如：電阻應(yīng)變片。例如：電阻應(yīng)變片。測(cè)量對(duì)象測(cè)量對(duì)象傳感器傳感器輔助能源輔助能源輸入輸入輸入輸入能量控制型傳感器的工作方式能量控制型傳感器的工作方式還有一種傳感器還有一種傳感器 信號(hào)（輔助能源產(chǎn)生）激勵(lì)被測(cè)對(duì)象，傳感器獲取信號(hào)（輔助能源產(chǎn)生）激勵(lì)被測(cè)對(duì)象，傳感器獲取的信號(hào)是被測(cè)對(duì)象對(duì)激勵(lì)信號(hào)的響應(yīng)，它反映了被測(cè)對(duì)的信號(hào)是被測(cè)對(duì)象對(duì)激勵(lì)信號(hào)的響應(yīng)，它反映了被測(cè)對(duì)象的性質(zhì)或狀態(tài)。象的性質(zhì)或狀態(tài)。 不同的情況下，傳感器的換能元件可能

5、有一個(gè)或不同的情況下，傳感器的換能元件可能有一個(gè)或兩個(gè)以上。兩個(gè)以上。位移位移電容變化的電容變化的能量型傳感器能量型傳感器電容變化電容變化電容式位移傳感器電容式位移傳感器如超聲波探傷儀、如超聲波探傷儀、 射線測(cè)厚儀、射線測(cè)厚儀、X射線衍射儀等。射線衍射儀等。質(zhì)量質(zhì)量加速度加速度力發(fā)生器力發(fā)生器電流電流力變換器力變換器電容型司服式加速度計(jì)框圖電容型司服式加速度計(jì)框圖彈簧片彈簧片位移位移電容變化的電容變化的能量型傳感器能量型傳感器電容電容電容式壓力傳感器電容式壓力傳感器壓力壓力彈性件彈性件力力電容電容傳感器傳感器電路電路位位移移電電容容電流電流輸輸出出第一節(jié)第一節(jié) 電阻應(yīng)變式傳感器電阻應(yīng)變式傳感器

6、 電阻應(yīng)變片工作原理是基于金屬導(dǎo)體的應(yīng)變效應(yīng)，電阻應(yīng)變片工作原理是基于金屬導(dǎo)體的應(yīng)變效應(yīng)，即金屬導(dǎo)體在外力作用下發(fā)生機(jī)械變形時(shí)，其電阻值隨即金屬導(dǎo)體在外力作用下發(fā)生機(jī)械變形時(shí)，其電阻值隨著所受機(jī)械變形著所受機(jī)械變形(伸長(zhǎng)或縮短伸長(zhǎng)或縮短)的變化而發(fā)生變化象。的變化而發(fā)生變化象。 任何非電量，只要能設(shè)法轉(zhuǎn)換為應(yīng)變，都可以利用任何非電量，只要能設(shè)法轉(zhuǎn)換為應(yīng)變，都可以利用電阻應(yīng)變片進(jìn)行測(cè)量。電阻應(yīng)變片進(jìn)行測(cè)量。因此，電阻應(yīng)變式傳感器可以用來測(cè)量應(yīng)變、力、因此，電阻應(yīng)變式傳感器可以用來測(cè)量應(yīng)變、力、扭矩、位移、加速度等多種參數(shù)，而且具有靈敏度高、扭矩、位移、加速度等多種參數(shù)，而且具有靈敏度高、測(cè)量精確

7、、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、技術(shù)成熟等特點(diǎn)，在各行業(yè)獲測(cè)量精確、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、技術(shù)成熟等特點(diǎn)，在各行業(yè)獲得了廣泛應(yīng)用。電阻應(yīng)變片可分為金屬電阻應(yīng)變片與半得了廣泛應(yīng)用。電阻應(yīng)變片可分為金屬電阻應(yīng)變片與半導(dǎo)體應(yīng)變片兩類。導(dǎo)體應(yīng)變片兩類。（1 1）金屬電阻應(yīng)變片）金屬電阻應(yīng)變片 常見的金屬電阻應(yīng)變片有絲式和箔式兩種。常見的金屬電阻應(yīng)變片有絲式和箔式兩種。 絲式應(yīng)變片的主要結(jié)構(gòu)是由做成柵狀的電阻絲絲式應(yīng)變片的主要結(jié)構(gòu)是由做成柵狀的電阻絲（敏感柵）、絕緣基片和覆蓋層三部分組成。（敏感柵）、絕緣基片和覆蓋層三部分組成。 箔式應(yīng)變片是通過光刻、腐蝕等工藝制成一箔式應(yīng)變片是通過光刻、腐蝕等工藝制成一種很薄的金屬箔柵，厚度一般

8、在種很薄的金屬箔柵，厚度一般在0.0030.01mm之間，可根據(jù)需要制成任意形狀。之間，可根據(jù)需要制成任意形狀。 它的線條均勻、尺寸準(zhǔn)確、散熱好、易粘貼、它的線條均勻、尺寸準(zhǔn)確、散熱好、易粘貼、適于大批量生產(chǎn)，已逐漸取代絲式應(yīng)變片。適于大批量生產(chǎn)，已逐漸取代絲式應(yīng)變片。 金屬電阻應(yīng)變片的工作原理是基于金屬的電阻應(yīng)金屬電阻應(yīng)變片的工作原理是基于金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)。即當(dāng)金屬絲在外力作用下產(chǎn)生機(jī)械變形時(shí)，電變效應(yīng)。即當(dāng)金屬絲在外力作用下產(chǎn)生機(jī)械變形時(shí)，電阻值發(fā)生變化。阻值發(fā)生變化。 把應(yīng)變片粘貼在彈性敏感元件或需要測(cè)量變形的試把應(yīng)變片粘貼在彈性敏感元件或需要測(cè)量變形的試件表面上。受到外力作用，電阻絲

9、隨著一起變形，引起件表面上。受到外力作用，電阻絲隨著一起變形，引起電阻值發(fā)生變化。這樣，將被測(cè)量轉(zhuǎn)換為電阻變化。電阻值發(fā)生變化。這樣，將被測(cè)量轉(zhuǎn)換為電阻變化。工作原理工作原理: 上述任何一個(gè)參數(shù)變換均會(huì)引起電阻變化上述任何一個(gè)參數(shù)變換均會(huì)引起電阻變化,對(duì)上式求對(duì)上式求導(dǎo)數(shù)導(dǎo)數(shù),可得可得金屬應(yīng)變片的電阻金屬應(yīng)變片的電阻R為為ALR/dALdAALdLAdR2代入代入 得得ALR/dRAdARLdLRdR金屬絲：金屬絲：2rAdrdrldlRdR2rdrdA2縱向應(yīng)變;ldl泊桑比徑向應(yīng)變;ldlrdrEd有關(guān)。與電阻絲軸向所受應(yīng)力dE)21(ERdR2E 為彈性模量。為彈性模量。為正應(yīng)力、為正應(yīng)

10、力、為壓阻系數(shù)、為壓阻系數(shù)、其中，其中， 是由電阻絲幾何尺寸的改變引起的是由電阻絲幾何尺寸的改變引起的;)21（E是由電阻率隨應(yīng)變的改變引起的。是由電阻率隨應(yīng)變的改變引起的。1E對(duì)于金屬電阻絲對(duì)于金屬電阻絲KRdR)21 (靈敏度為靈敏度為21RdRSg應(yīng)變計(jì)金屬應(yīng)變計(jì)金屬應(yīng)變計(jì)二、半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)二、半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)工作原理工作原理 基于半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)?；诎雽?dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)。壓阻效應(yīng)：壓阻效應(yīng)： 指單晶體半導(dǎo)體材料在沿某一軸向受到外力作指單晶體半導(dǎo)體材料在沿某一軸向受到外力作用時(shí)，其電阻率用時(shí)，其電阻率發(fā)生變化。發(fā)生變化。KERdRERdR)21 (E)21 (因?yàn)榘雽?dǎo)體的因?yàn)榘雽?dǎo)體的ER

11、dRSg半導(dǎo)體應(yīng)變片的靈敏度為半導(dǎo)體應(yīng)變片的靈敏度為 除上面介紹的體型半導(dǎo)體應(yīng)變片外，還有薄膜型除上面介紹的體型半導(dǎo)體應(yīng)變片外，還有薄膜型半導(dǎo)體應(yīng)變片和擴(kuò)散型半導(dǎo)體應(yīng)變片。半導(dǎo)體應(yīng)變片和擴(kuò)散型半導(dǎo)體應(yīng)變片。薄膜型半導(dǎo)體應(yīng)變片是利用真空沉積技術(shù)將半導(dǎo)體薄膜型半導(dǎo)體應(yīng)變片是利用真空沉積技術(shù)將半導(dǎo)體村料沉積在帶有絕緣層的基底上制成的。村料沉積在帶有絕緣層的基底上制成的。擴(kuò)散型半導(dǎo)體應(yīng)變片是在半導(dǎo)體基片上用集成電路擴(kuò)散型半導(dǎo)體應(yīng)變片是在半導(dǎo)體基片上用集成電路工藝制成擴(kuò)散電阻（工藝制成擴(kuò)散電阻（P型或型或N型）構(gòu)成的。型）構(gòu)成的。2）將應(yīng)變片粘貼在彈性元件上，進(jìn)行標(biāo)定后作為測(cè)量）將應(yīng)變片粘貼在彈性元件上

12、，進(jìn)行標(biāo)定后作為測(cè)量力、壓力、位移等物理量的傳感器。力、壓力、位移等物理量的傳感器。 為了保證測(cè)量的精確度，一般要采取溫度補(bǔ)償為了保證測(cè)量的精確度，一般要采取溫度補(bǔ)償措施，以消除溫度變化所造成的誤差。措施，以消除溫度變化所造成的誤差。1）應(yīng)變片直接粘貼在試件上，用來測(cè)量工程結(jié)構(gòu)受力）應(yīng)變片直接粘貼在試件上，用來測(cè)量工程結(jié)構(gòu)受力后的應(yīng)力分布或所產(chǎn)生的應(yīng)變，為結(jié)構(gòu)設(shè)什、應(yīng)力后的應(yīng)力分布或所產(chǎn)生的應(yīng)變，為結(jié)構(gòu)設(shè)什、應(yīng)力校核或分析結(jié)構(gòu)在使用中產(chǎn)生破壞的原因等提供試校核或分析結(jié)構(gòu)在使用中產(chǎn)生破壞的原因等提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)。驗(yàn)數(shù)據(jù)。 三、電阻應(yīng)變片的應(yīng)用三、電阻應(yīng)變片的應(yīng)用電阻應(yīng)變片主要有以下兩種應(yīng)用方式：電阻

13、應(yīng)變片主要有以下兩種應(yīng)用方式： 四、轉(zhuǎn)換電路四、轉(zhuǎn)換電路 應(yīng)變片將應(yīng)變的變化轉(zhuǎn)換成電阻相對(duì)變化應(yīng)變片將應(yīng)變的變化轉(zhuǎn)換成電阻相對(duì)變化dR/R，通常還需要把電阻的變化再轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化，通常還需要把電阻的變化再轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化，才能用電測(cè)儀表進(jìn)行測(cè)量。才能用電測(cè)儀表進(jìn)行測(cè)量。 一般采用電橋電路實(shí)現(xiàn)微小阻值變化的轉(zhuǎn)換。電一般采用電橋電路實(shí)現(xiàn)微小阻值變化的轉(zhuǎn)換。電橋電路在第五章作介紹。橋電路在第五章作介紹。第二節(jié)第二節(jié) 電感式傳感器電感式傳感器 電感式傳感器是基于電磁感應(yīng)原理，它是把被測(cè)量電感式傳感器是基于電磁感應(yīng)原理，它是把被測(cè)量轉(zhuǎn)化為電感量的一種裝置。轉(zhuǎn)化為電感量的一種裝置。 電感式傳

14、感器的種類較多，主要有自感式、差動(dòng)變電感式傳感器的種類較多，主要有自感式、差動(dòng)變壓器式和電渦流式。壓器式和電渦流式。 電感式傳感器有以下優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高（能測(cè)電感式傳感器有以下優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高（能測(cè)01m的位移）、線性較好（非線性誤差的位移）、線性較好（非線性誤差0.1）、輸出功率大）、輸出功率大等。其主要缺點(diǎn)是頻率響應(yīng)較低，另外傳感器的分辨率等。其主要缺點(diǎn)是頻率響應(yīng)較低，另外傳感器的分辨率與測(cè)量范圍有關(guān)，測(cè)量范圍越大，分辨率越低。與測(cè)量范圍有關(guān)，測(cè)量范圍越大，分辨率越低。一、自感式傳感器一、自感式傳感器 自感式傳感器可分為變氣隙式、變面積式和螺旋管自感式傳感器可分為變氣隙式、變面積式和螺旋管式三

15、類，其結(jié)構(gòu)原理如圖式三類，其結(jié)構(gòu)原理如圖4-4所示。所示。 1. 變氣隙式變氣隙式 變氣隙式自感傳感器由線圈、鐵心和銜鐵三部分變氣隙式自感傳感器由線圈、鐵心和銜鐵三部分組成。線圈繞在鐵心上，銜鐵和鐵心間有一氣隙組成。線圈繞在鐵心上，銜鐵和鐵心間有一氣隙。 根據(jù)磁路的基本知識(shí)，線圈自感量根據(jù)磁路的基本知識(shí)，線圈自感量L為為mRNL2式中式中N線圈匝數(shù)；線圈匝數(shù)；mR磁路總磁阻磁路總磁阻 假設(shè)氣隙磁場(chǎng)是均勻的，而且不考慮磁路的鐵損，假設(shè)氣隙磁場(chǎng)是均勻的，而且不考慮磁路的鐵損，則總磁阻為則總磁阻為mR111Al222Al002A、21ll鐵心、銜鐵、氣隙的導(dǎo)磁長(zhǎng)度；鐵心、銜鐵、氣隙的導(dǎo)磁長(zhǎng)度；021

16、、鐵心、銜鐵、氣隙的導(dǎo)磁率；鐵心、銜鐵、氣隙的導(dǎo)磁率；021AAA、鐵心、銜鐵、氣隙的橫截面積。鐵心、銜鐵、氣隙的橫截面積。式中：式中：mR111Al222Al002A002221112AAlAl鐵心磁阻與氣隙磁阻相比要小得多，即鐵心磁阻與氣隙磁阻相比要小得多，即2AN002L 故故002AmR 上式表明，自感上式表明，自感 L 與氣隙距離與氣隙距離成反比，而與氣隙成反比，而與氣隙截面積截面積 A0 成正比。若固定截面積成正比。若固定截面積 A0 ，變化氣隙長(zhǎng)度，變化氣隙長(zhǎng)度 時(shí)，時(shí)，L 與與 呈非線性關(guān)系，當(dāng)氣隙長(zhǎng)度有一微小變化量呈非線性關(guān)系，當(dāng)氣隙長(zhǎng)度有一微小變化量 d時(shí)，引起自感量的變化

17、量時(shí)，引起自感量的變化量 dL 為為dANdL2002故傳感器的靈敏度為故傳感器的靈敏度為2002ANKK與氣隙距離的平方成反比，與氣隙距離的平方成反比，愈小，靈敏度愈高。愈小，靈敏度愈高。為了減少非線性誤差，此傳感器適用于較小位移的測(cè)量。為了減少非線性誤差，此傳感器適用于較小位移的測(cè)量。 2. 變面積式變面積式 如果固定氣隙長(zhǎng)度如果固定氣隙長(zhǎng)度而改變氣隙截面積而改變氣隙截面積A0就構(gòu)成了就構(gòu)成了變面積式。變面積式。 這種類型的傳感器的靈敏度比變氣隙型的低，但其這種類型的傳感器的靈敏度比變氣隙型的低，但其靈敏度為一常數(shù)，因而線性度較好，量程范圍可取大些，靈敏度為一常數(shù)，因而線性度較好，量程范圍

18、可取大些，自由行程可按需要安排，制造裝配也較方便。自由行程可按需要安排，制造裝配也較方便。3. 螺管式螺管式 螺管圈內(nèi)插入一個(gè)活動(dòng)的柱型銜鐵，就構(gòu)成了螺管螺管圈內(nèi)插入一個(gè)活動(dòng)的柱型銜鐵，就構(gòu)成了螺管式自感傳感器。隨著銜鐵插入深度的不同將引起線圈磁式自感傳感器。隨著銜鐵插入深度的不同將引起線圈磁路中磁阻變化，從而使線圈的自感發(fā)生變化。路中磁阻變化，從而使線圈的自感發(fā)生變化。 這類型的傳感器的靈敏度更低，但測(cè)量范圍大，線這類型的傳感器的靈敏度更低，但測(cè)量范圍大，線性也較好，具備自由行程任意安排，裝配方便等優(yōu)點(diǎn)。性也較好，具備自由行程任意安排，裝配方便等優(yōu)點(diǎn)。上述三種類型的自感式傳感器在使用時(shí)一般由

19、兩單上述三種類型的自感式傳感器在使用時(shí)一般由兩單一結(jié)構(gòu)對(duì)稱組合，構(gòu)成差動(dòng)式自感傳感器。一結(jié)構(gòu)對(duì)稱組合，構(gòu)成差動(dòng)式自感傳感器。采用差動(dòng)式結(jié)構(gòu)，除了可以改善非線性，提高靈敏采用差動(dòng)式結(jié)構(gòu)，除了可以改善非線性，提高靈敏度外，對(duì)電源電壓及溫度變化等外界影響也有補(bǔ)償作用，度外，對(duì)電源電壓及溫度變化等外界影響也有補(bǔ)償作用，從而提高了傳感器的穩(wěn)定性。從而提高了傳感器的穩(wěn)定性。自感式傳感器主要利用交流電橋電路把電感變化轉(zhuǎn)自感式傳感器主要利用交流電橋電路把電感變化轉(zhuǎn)換成電壓（或電流）變化，再送入下一級(jí)電路進(jìn)行放大換成電壓（或電流）變化，再送入下一級(jí)電路進(jìn)行放大或處理?；蛱幚怼?二、差動(dòng)變壓器式傳感器二、差動(dòng)變壓

20、器式傳感器 差動(dòng)變壓器式傳感器是把被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換成互感差動(dòng)變壓器式傳感器是把被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換成互感系數(shù)系數(shù) M 的變化。傳感器本身是互感系數(shù)可變的變壓器，的變化。傳感器本身是互感系數(shù)可變的變壓器，接線方式是差動(dòng)的。接線方式是差動(dòng)的。 因?yàn)樗腔诨ジ凶兓脑?，故也稱為互感式傳因?yàn)樗腔诨ジ凶兓脑?，故也稱為互感式傳感器。感器。 差動(dòng)變壓器以螺管型最為常用，差動(dòng)變壓器以螺管型最為常用，由銜鐵、螺管形線圈框架、一次繞由銜鐵、螺管形線圈框架、一次繞組和二次繞組構(gòu)成，一次繞組做激組和二次繞組構(gòu)成，一次繞組做激勵(lì)用，兩個(gè)參數(shù)完全相同的二次繞勵(lì)用，兩個(gè)參數(shù)完全相同的二次繞組反相串接成差動(dòng)形式。組反

21、相串接成差動(dòng)形式。（1）（3）（2）當(dāng)一次繞組加上交流電壓當(dāng)一次繞組加上交流電壓 U1 時(shí)，時(shí)，兩個(gè)二次繞組分別產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)兩個(gè)二次繞組分別產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì) e1 和和 e2，輸出電壓，輸出電壓U1e1 - e2。當(dāng)銜鐵在中。當(dāng)銜鐵在中央位置時(shí)，央位置時(shí)， e1 = e2 ，輸出電壓為零。，輸出電壓為零。當(dāng)銜鐵偏離中央位置，輸出電壓當(dāng)銜鐵偏離中央位置，輸出電壓正比于偏移量的大小。正比于偏移量的大小。差動(dòng)式傳感器精度較高，可達(dá)差動(dòng)式傳感器精度較高，可達(dá)0.5，量程范圍較大，可用于位移、液，量程范圍較大，可用于位移、液位、流量等的測(cè)量。位、流量等的測(cè)量。 三、電渦流式傳感器三、電渦流式傳感器 金屬導(dǎo)體

22、置于變化著的磁場(chǎng)中，導(dǎo)體內(nèi)就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)金屬導(dǎo)體置于變化著的磁場(chǎng)中，導(dǎo)體內(nèi)就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，這種電流的流線在導(dǎo)體內(nèi)自行閉合，像水中的漩渦電流，這種電流的流線在導(dǎo)體內(nèi)自行閉合，像水中的漩渦一樣，故稱為電渦流或渦流。一樣，故稱為電渦流或渦流。 圖圖4-6是高頻反射式電渦流傳感器的工作原理圖。將是高頻反射式電渦流傳感器的工作原理圖。將一個(gè)線圈置于金屬板附近，距離為一個(gè)線圈置于金屬板附近，距離為當(dāng)線圈中通以高頻交當(dāng)線圈中通以高頻交變電流變電流 i時(shí)，便在線圈周圍產(chǎn)生交變磁通時(shí)，便在線圈周圍產(chǎn)生交變磁通。 交變磁通通過金屬板時(shí)，金屬板上便產(chǎn)生電渦流交變磁通通過金屬板時(shí)，金屬板上便產(chǎn)生電渦流 i 。該電渦流

23、也將產(chǎn)生交變磁通該電渦流也將產(chǎn)生交變磁通1，根據(jù)楞次定律，電渦流，根據(jù)楞次定律，電渦流的交變磁場(chǎng)與線圈的磁場(chǎng)變化相反，的交變磁場(chǎng)與線圈的磁場(chǎng)變化相反，1總是抵抗總是抵抗的變化。的變化。由于電渦流磁場(chǎng)的作用，使原線圈的等效阻抗由于電渦流磁場(chǎng)的作用，使原線圈的等效阻抗 z 發(fā)生變化。發(fā)生變化。 影響線圈阻抗影響線圈阻抗 z 發(fā)生變化的因素，除了線圈與金屬發(fā)生變化的因素，除了線圈與金屬板的距離板的距離以外，還有金屬板的電阻率以外，還有金屬板的電阻率磁導(dǎo)率磁導(dǎo)率以及線以及線圈激磁角頻率圈激磁角頻率等。等。 若固定某些參數(shù)恒定不變，而只改變其中的一個(gè)參若固定某些參數(shù)恒定不變，而只改變其中的一個(gè)參數(shù)，這樣

24、阻抗數(shù)，這樣阻抗 z 就能成為這個(gè)參數(shù)的單值函數(shù)，如只變就能成為這個(gè)參數(shù)的單值函數(shù)，如只變化化可作位移、振動(dòng)測(cè)量；如變化可作位移、振動(dòng)測(cè)量；如變化或或值，可作村質(zhì)鑒值，可作村質(zhì)鑒別或探傷等。別或探傷等。 電渦流式傳感器的線圈結(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)單，可以繞成一個(gè)電渦流式傳感器的線圈結(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)單，可以繞成一個(gè)扁平線圈，粘貼于框架上；也可以在框架上開一條槽，扁平線圈，粘貼于框架上；也可以在框架上開一條槽，導(dǎo)線繞在槽內(nèi)而形成一個(gè)線圈。導(dǎo)線繞在槽內(nèi)而形成一個(gè)線圈。 圖圖47為為CZF一回型傳感器結(jié)構(gòu)圖，它是采用導(dǎo)一回型傳感器結(jié)構(gòu)圖，它是采用導(dǎo)線繞在框架上的形式，框架材料是聚四氟乙烯。線繞在框架上的形式，框架材料是聚四

25、氟乙烯。電渦流傳感器的變換電路主要有阻抗分壓式調(diào)幅電渦流傳感器的變換電路主要有阻抗分壓式調(diào)幅電路和調(diào)頻電路。電路和調(diào)頻電路。電渦流式傳感器不但具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、電渦流式傳感器不但具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、靈敏度高、不受油污介質(zhì)影響等優(yōu)點(diǎn)，而且可用于動(dòng)靈敏度高、不受油污介質(zhì)影響等優(yōu)點(diǎn)，而且可用于動(dòng)態(tài)非接觸測(cè)量。態(tài)非接觸測(cè)量。這種傳感器在測(cè)量位移、振幅、材料厚度等參數(shù)這種傳感器在測(cè)量位移、振幅、材料厚度等參數(shù)方面應(yīng)用較多。高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械中，在測(cè)量旋轉(zhuǎn)軸的軸方面應(yīng)用較多。高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械中，在測(cè)量旋轉(zhuǎn)軸的軸向位移和徑向振動(dòng)，以及連續(xù)監(jiān)控等方面發(fā)揮了獨(dú)特向位移和徑向振動(dòng)，以及連續(xù)監(jiān)控等方面發(fā)揮了獨(dú)特的優(yōu)

26、點(diǎn)。的優(yōu)點(diǎn)。 第三節(jié)第三節(jié) 電容式傳感器電容式傳感器 電容式傳感器是以可變參數(shù)的電容器作為傳感元件，電容式傳感器是以可變參數(shù)的電容器作為傳感元件，將被測(cè)非電量轉(zhuǎn)換為電容量變化。將被測(cè)非電量轉(zhuǎn)換為電容量變化。 由物理學(xué)可知，兩平行極板組成的電容器（如圖由物理學(xué)可知，兩平行極板組成的電容器（如圖48所示），如果不考慮邊緣效應(yīng)，其電客量為所示），如果不考慮邊緣效應(yīng)，其電客量為AC ),(AfC 式中：式中：;極間介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)）；極板間距離（m）。極板面積（2mA+ A 實(shí)用的電容式傳感器，常使三個(gè)參數(shù)中的兩個(gè)保實(shí)用的電容式傳感器，常使三個(gè)參數(shù)中的兩個(gè)保持不變，只改變其中的一個(gè)參數(shù)來使電客量發(fā)生變

27、化。持不變，只改變其中的一個(gè)參數(shù)來使電客量發(fā)生變化。 因此電容式傳感器可以分為三種類型：極距變化型、因此電容式傳感器可以分為三種類型：極距變化型、面積變化型和介電常數(shù)變化型。面積變化型和介電常數(shù)變化型。1. 極距變化型極距變化型 動(dòng)極板在被測(cè)參量的作用下發(fā)生位移，改變了間隙動(dòng)極板在被測(cè)參量的作用下發(fā)生位移，改變了間隙的大小，在極板面積的大小，在極板面積 A 和介質(zhì)介電常數(shù)和介質(zhì)介電常數(shù)不變時(shí)，電容不變時(shí)，電容量量 C 與極距與極距的關(guān)系是反比例關(guān)系，呈非線性。的關(guān)系是反比例關(guān)系，呈非線性。 傳感器靈敏度為傳感器靈敏度為21AddCK 由于極距不能取大，否則將降低靈敏度，而且為了由于極距不能取大

28、，否則將降低靈敏度，而且為了減少非線性誤差，通常在較小的間隙變化范圍內(nèi)工作。減少非線性誤差，通常在較小的間隙變化范圍內(nèi)工作。 為了提高靈敏度和改善非線性，在實(shí)際應(yīng)用中常常為了提高靈敏度和改善非線性，在實(shí)際應(yīng)用中常常采用差動(dòng)的形式，靈敏度可提高一倍，而非線性也可大采用差動(dòng)的形式，靈敏度可提高一倍，而非線性也可大為降低。為降低。 2. 面積變化型面積變化型 在面積變化型傳感器中，常用在面積變化型傳感器中，常用的有直線位移型和角位移型兩種。的有直線位移型和角位移型兩種。 圖圖4-9a為直線位移型。當(dāng)動(dòng)極板沿為直線位移型。當(dāng)動(dòng)極板沿 x 方向移動(dòng)時(shí)，方向移動(dòng)時(shí)，動(dòng)、定極板覆蓋面積發(fā)生變化，電容量也隨之

29、變化。動(dòng)、定極板覆蓋面積發(fā)生變化，電容量也隨之變化。bxC 常數(shù)）(bdxdCKr式中，式中，b為極板寬度。為極板寬度。靈敏度為靈敏度為輸出與輸入成線性關(guān)系。輸出與輸入成線性關(guān)系。2222rrA為覆蓋面積對(duì)應(yīng)為覆蓋面積對(duì)應(yīng)的中心角（弧度）的中心角（弧度）圖圖4-9b為角位移型；為角位移型；其電容量其電容量C所以電容量為所以電容量為22rC 由于覆蓋面積由于覆蓋面積靈敏度：靈敏度：常數(shù)22rddCK面積變化型線性度好，但靈敏度低，故適用于較大位移的測(cè)量。面積變化型線性度好，但靈敏度低，故適用于較大位移的測(cè)量。3. 介電常數(shù)變化型介電常數(shù)變化型 這種類型的傳感器可以用來測(cè)量液這種類型的傳感器可以用

30、來測(cè)量液體的液位和材料的厚度等。體的液位和材料的厚度等。 圖圖4-10是液位測(cè)量示意圖。是液位測(cè)量示意圖。 由兩個(gè)圓筒形金屬導(dǎo)體構(gòu)成的圓筒由兩個(gè)圓筒形金屬導(dǎo)體構(gòu)成的圓筒形電容器，當(dāng)中間所充介質(zhì)是空氣時(shí)，形電容器，當(dāng)中間所充介質(zhì)是空氣時(shí)， 兩圓筒間的電容量為兩圓筒間的電容量為)/ln(21rRLC 如果電極的一部分被非導(dǎo)電性液體所浸沒時(shí)，則會(huì)如果電極的一部分被非導(dǎo)電性液體所浸沒時(shí)，則會(huì)有電容量的增量有電容量的增量C 產(chǎn)生，產(chǎn)生，)/ln()(212rRlC式中式中 2 液體介電常數(shù)；液體介電常數(shù)； l 液體侵沒長(zhǎng)度。液體侵沒長(zhǎng)度。 電容增量電容增量C 與液體浸沒的長(zhǎng)度與液體浸沒的長(zhǎng)度 l 成正比

31、關(guān)系，因成正比關(guān)系，因此測(cè)出電容增量的數(shù)值便可知道液位的高度。此測(cè)出電容增量的數(shù)值便可知道液位的高度。 如果被測(cè)介質(zhì)為導(dǎo)電性液體時(shí)，內(nèi)電極要用絕緣物如果被測(cè)介質(zhì)為導(dǎo)電性液體時(shí)，內(nèi)電極要用絕緣物（如聚乙烯）覆蓋作為中間介質(zhì)；而液體和外圓筒一起（如聚乙烯）覆蓋作為中間介質(zhì)；而液體和外圓筒一起作為外電極。作為外電極。)/ln(23rRlC式中式中 3 中間介質(zhì)的介電常數(shù)；中間介質(zhì)的介電常數(shù)； R 絕緣覆蓋層外半徑。絕緣覆蓋層外半徑。此時(shí)兩極間的電容量為此時(shí)兩極間的電容量為 由于由于3 為常數(shù)，所以為常數(shù)，所以 C 與與 l 成正比。由成正比。由 C 的大小便的大小便可求可求 l 的數(shù)值。的數(shù)值。電容

32、式傳感器的轉(zhuǎn)換電路主要有電橋型電路、諧振電容式傳感器的轉(zhuǎn)換電路主要有電橋型電路、諧振電路、調(diào)頻電路和運(yùn)算放大器電路等。電路、調(diào)頻電路和運(yùn)算放大器電路等。電容式傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)電容式傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好等優(yōu)點(diǎn)。影響其測(cè)量精度的主要因素是電路寄生電容、好等優(yōu)點(diǎn)。影響其測(cè)量精度的主要因素是電路寄生電容、電纜電容和溫度、濕度等外界干擾。電纜電容和溫度、濕度等外界干擾。要保證它的正常工作，必須采取極良好的絕緣和屏要保證它的正常工作，必須采取極良好的絕緣和屏蔽措施。因此長(zhǎng)期以來造價(jià)昂貴，限制了它的應(yīng)用。蔽措施。因此長(zhǎng)期以來造價(jià)昂貴，限制了它的應(yīng)用。近年來隨著集成電

33、路技術(shù)的發(fā)展和工藝的進(jìn)步，己近年來隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展和工藝的進(jìn)步，己使得上述因素對(duì)測(cè)量精度的影響大為減少，為電容式傳使得上述因素對(duì)測(cè)量精度的影響大為減少，為電容式傳感器的應(yīng)用開辟了廣闊的前景。感器的應(yīng)用開辟了廣闊的前景。 第四節(jié)第四節(jié) 壓電式傳感器壓電式傳感器 壓電式傳感器是以某些材料的壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)，在壓電式傳感器是以某些材料的壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)，在外力作用下，這些材料的表面上產(chǎn)生電荷，從而實(shí)現(xiàn)非外力作用下，這些材料的表面上產(chǎn)生電荷，從而實(shí)現(xiàn)非電量到電量的轉(zhuǎn)換。壓電傳感器是力敏元件，它能測(cè)量電量到電量的轉(zhuǎn)換。壓電傳感器是力敏元件，它能測(cè)量最終能變換為力的那些物理量，例如壓力、應(yīng)力、加速最終能

34、變換為力的那些物理量，例如壓力、應(yīng)力、加速度等。度等。一、壓電效應(yīng)一、壓電效應(yīng) 某些材料，當(dāng)沿著一定方向受到作用力某些材料，當(dāng)沿著一定方向受到作用力時(shí)，不但產(chǎn)生機(jī)械變形，而且內(nèi)部極化，表面有電荷出時(shí)，不但產(chǎn)生機(jī)械變形，而且內(nèi)部極化，表面有電荷出現(xiàn)；當(dāng)外力去掉后，又重新恢復(fù)到不帶電狀態(tài)，這種現(xiàn)現(xiàn)；當(dāng)外力去掉后，又重新恢復(fù)到不帶電狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為象稱為壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)。F+q=DF 相反，材料的某些方向上施加電場(chǎng)，它會(huì)產(chǎn)生機(jī)械相反，材料的某些方向上施加電場(chǎng)，它會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形，當(dāng)去掉外加電場(chǎng)后，變形隨之消失，這種現(xiàn)象稱變形，當(dāng)去掉外加電場(chǎng)后，變形隨之消失，這種現(xiàn)象稱為為逆壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)。二、壓

35、電材料及其特性二、壓電材料及其特性 具有壓電效應(yīng)的材料稱為壓電材料，常用的壓電材具有壓電效應(yīng)的材料稱為壓電材料，常用的壓電材料大致有三類：壓電單晶、壓電陶瓷和新型壓電材料。料大致有三類：壓電單晶、壓電陶瓷和新型壓電材料。1. 壓電單晶壓電單晶 石英結(jié)晶為六角形晶柱，兩端石英結(jié)晶為六角形晶柱，兩端為一對(duì)稱的凌錐，六棱柱是基本組為一對(duì)稱的凌錐，六棱柱是基本組織，其縱軸織，其縱軸 z-z 為光軸，也叫中性為光軸，也叫中性軸，沿該軸方向上沒有壓電效應(yīng)。軸，沿該軸方向上沒有壓電效應(yīng)。 通過六角棱線而垂直于光軸的通過六角棱線而垂直于光軸的 x-x 線為電軸，在垂線為電軸，在垂直于此軸的平面上壓電效應(yīng)最強(qiáng)。

36、直于此軸的平面上壓電效應(yīng)最強(qiáng)。 垂直于棱面的垂直于棱面的 y-y 為機(jī)械軸。在電場(chǎng)的作用下，沿為機(jī)械軸。在電場(chǎng)的作用下，沿該軸方向的機(jī)械變形最明顯。該軸方向的機(jī)械變形最明顯。 從晶體上沿各軸線切下從晶體上沿各軸線切下一片平行六面體切片，當(dāng)受一片平行六面體切片，當(dāng)受到力的作用時(shí)，其電荷分布到力的作用時(shí)，其電荷分布在垂直于在垂直于 x 軸的平面上。軸的平面上。 沿沿 x 軸受力產(chǎn)生的壓電效應(yīng)稱為縱向軸受力產(chǎn)生的壓電效應(yīng)稱為縱向壓電效應(yīng)，沿壓電效應(yīng)，沿 y 軸受力產(chǎn)生的壓電效應(yīng)稱軸受力產(chǎn)生的壓電效應(yīng)稱為橫向壓電效應(yīng)，沿切向受力產(chǎn)生的壓電為橫向壓電效應(yīng)，沿切向受力產(chǎn)生的壓電效應(yīng)稱為切向壓電效應(yīng)，如圖效

37、應(yīng)稱為切向壓電效應(yīng)，如圖412所示。所示。 縱向效應(yīng)縱向效應(yīng)： 橫向效應(yīng)：橫向效應(yīng)： 切向效應(yīng)：切向效應(yīng)：Fdq11式中式中q電荷量；電荷量；11d為縱向壓電常數(shù)；為縱向壓電常數(shù)；F作用力。作用力。由縱向壓電效應(yīng)產(chǎn)生的電荷量為由縱向壓電效應(yīng)產(chǎn)生的電荷量為圖圖4-12多晶多晶- 壓電陶瓷壓電陶瓷新型材料新型材料-有機(jī)壓電薄膜，壓電半導(dǎo)體。有機(jī)壓電薄膜，壓電半導(dǎo)體。2. 其他壓電材料其他壓電材料三、等效電路三、等效電路 壓電元件是在壓電晶片產(chǎn)生電荷壓電元件是在壓電晶片產(chǎn)生電荷的兩個(gè)工作面上進(jìn)行金屬蒸鍍，形成的兩個(gè)工作面上進(jìn)行金屬蒸鍍，形成兩個(gè)金屬膜電極，如圖兩個(gè)金屬膜電極，如圖4-13a。 當(dāng)壓電

38、晶片受力時(shí)，在晶片的兩個(gè)表面上聚積等量當(dāng)壓電晶片受力時(shí)，在晶片的兩個(gè)表面上聚積等量的正、負(fù)電荷，晶片兩表面相當(dāng)于電容器的兩個(gè)極板，的正、負(fù)電荷，晶片兩表面相當(dāng)于電容器的兩個(gè)極板，兩極板之間的壓電材料等效于一種介質(zhì)，因此壓電晶片兩極板之間的壓電材料等效于一種介質(zhì)，因此壓電晶片相當(dāng)于一只平行極板介質(zhì)電容器。相當(dāng)于一只平行極板介質(zhì)電容器。式中式中壓電材料的相對(duì)介電常數(shù)；壓電材料的相對(duì)介電常數(shù)；晶片厚度；晶片厚度；A壓電晶片工作面的面積。壓電晶片工作面的面積。ACa其電容量為其電容量為 如果外力不變，外電路負(fù)載無窮大，極板上電荷量如果外力不變，外電路負(fù)載無窮大，極板上電荷量將不變。將不變。 負(fù)載不是無

39、窮大，則電路將按指數(shù)規(guī)律放電，極板負(fù)載不是無窮大，則電路將按指數(shù)規(guī)律放電，極板上電荷量將減小，而產(chǎn)生誤差，因此利用壓電傳感器測(cè)上電荷量將減小，而產(chǎn)生誤差，因此利用壓電傳感器測(cè)量靜態(tài)量時(shí)，必須采用極高阻抗的負(fù)載。量靜態(tài)量時(shí)，必須采用極高阻抗的負(fù)載。 動(dòng)態(tài)測(cè)量時(shí)，變化快，漏電量相對(duì)小，故宜采用它。動(dòng)態(tài)測(cè)量時(shí)，變化快，漏電量相對(duì)小，故宜采用它。 實(shí)際壓電傳感器中，用兩個(gè)以上的晶片進(jìn)行串接或?qū)嶋H壓電傳感器中，用兩個(gè)以上的晶片進(jìn)行串接或并接。并接。串接串接并接并接并接：兩晶片負(fù)極集中在中間，正電極在兩側(cè)板上。并接：兩晶片負(fù)極集中在中間，正電極在兩側(cè)板上。優(yōu)點(diǎn)：電容量大，輸出電荷量大，時(shí)間優(yōu)點(diǎn)：電容量大，

40、輸出電荷量大，時(shí)間常數(shù)常數(shù) 大，測(cè)量緩變信號(hào)，適宜大，測(cè)量緩變信號(hào)，適宜于以電荷量輸出的場(chǎng)合。于以電荷量輸出的場(chǎng)合。串接：正電荷集中在上極板，負(fù)電串接：正電荷集中在上極板，負(fù)電荷集中在下極板。荷集中在下極板。優(yōu)點(diǎn)：本身電容小，輸出電壓大，適優(yōu)點(diǎn)：本身電容小，輸出電壓大，適用于以電壓作為輸出信號(hào)。用于以電壓作為輸出信號(hào)。 壓電元件可以等效為一個(gè)具有一定電容的電荷源。壓電元件可以等效為一個(gè)具有一定電容的電荷源。 電容器上的開路電壓可用下式表示電容器上的開路電壓可用下式表示aCqU0式中式中 q為電元件上所產(chǎn)生的電荷量。為電元件上所產(chǎn)生的電荷量。 當(dāng)壓電式傳感器接入測(cè)量電路，連接電纜的寄生電當(dāng)壓電式

41、傳感器接入測(cè)量電路，連接電纜的寄生電容形成傳感器的并聯(lián)寄生容形成傳感器的并聯(lián)寄生電容電容Cc，傳感器中的漏電，傳感器中的漏電阻和后續(xù)電路的輸入阻抗阻和后續(xù)電路的輸入阻抗形成泄露電阻形成泄露電阻 R0。 其等效電路見圖其等效電路見圖4-13d。圖圖4-13d四、測(cè)量電路四、測(cè)量電路 由于壓電式傳感器輸出的電荷量很小，而且壓電元由于壓電式傳感器輸出的電荷量很小，而且壓電元件本身的內(nèi)阻很大。件本身的內(nèi)阻很大。 因此，通常把傳感器信號(hào)先輸入到高輸入阻抗的前因此，通常把傳感器信號(hào)先輸入到高輸入阻抗的前置放大器，經(jīng)過阻抗變換以后，再進(jìn)行其他處理。置放大器，經(jīng)過阻抗變換以后，再進(jìn)行其他處理。 壓電式傳感器的

42、輸出可以是電壓，也可以是電荷。壓電式傳感器的輸出可以是電壓，也可以是電荷。因此前置放大器有電壓放大器和電荷放大器兩種形式。因此前置放大器有電壓放大器和電荷放大器兩種形式。 電壓放大器可采用高輸入阻抗的比例放大器。其電電壓放大器可采用高輸入阻抗的比例放大器。其電路比較簡(jiǎn)單，但輸出受到連接電纜對(duì)地電容的影響。路比較簡(jiǎn)單，但輸出受到連接電纜對(duì)地電容的影響。 目前常采用電荷放大器作為前置放大器。目前常采用電荷放大器作為前置放大器。 電壓放大器等效電路電壓放大器等效電路fCqUy 上式表明，在一定條件下，電荷放大器輸出電壓與上式表明，在一定條件下，電荷放大器輸出電壓與傳感器的電荷量成正比，與電纜電容無關(guān)

43、。傳感器的電荷量成正比，與電纜電容無關(guān)。 壓電式傳感器動(dòng)態(tài)特性好、體積小、重量輕，常用壓電式傳感器動(dòng)態(tài)特性好、體積小、重量輕，常用來測(cè)量動(dòng)態(tài)力、壓力，特別是測(cè)量振動(dòng)加速度的慣性拾來測(cè)量動(dòng)態(tài)力、壓力，特別是測(cè)量振動(dòng)加速度的慣性拾振器大多采用壓電式傳感器。振器大多采用壓電式傳感器。 第五節(jié)第五節(jié) 磁敏傳感器磁敏傳感器 磁敏傳感器的磁敏元件對(duì)磁場(chǎng)敏感，將磁學(xué)物理量磁敏傳感器的磁敏元件對(duì)磁場(chǎng)敏感，將磁學(xué)物理量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。常用的磁敏元件有霍爾元件、磁敏電阻、轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。常用的磁敏元件有霍爾元件、磁敏電阻、磁敏管等。磁敏管等。一、一、 霍爾元件霍爾元件半導(dǎo)體薄片置于磁場(chǎng)中，半導(dǎo)體薄片置于磁場(chǎng)中，當(dāng)有電

44、流流過時(shí)，在垂直于當(dāng)有電流流過時(shí)，在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向上將產(chǎn)生電流和磁場(chǎng)的方向上將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，這種現(xiàn)象稱為霍爾電動(dòng)勢(shì)，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。效應(yīng)。產(chǎn)生原因是半導(dǎo)體中的載流子沿著電流的相反方向產(chǎn)生原因是半導(dǎo)體中的載流子沿著電流的相反方向移動(dòng)時(shí)受磁場(chǎng)的洛侖茲力移動(dòng)時(shí)受磁場(chǎng)的洛侖茲力FL，向一邊移動(dòng)，并形成電子，向一邊移動(dòng)，并形成電子積累，另一邊則積累正電荷，形成電場(chǎng)。積累，另一邊則積累正電荷，形成電場(chǎng)。當(dāng)電場(chǎng)作用在運(yùn)動(dòng)電子上的力當(dāng)電場(chǎng)作用在運(yùn)動(dòng)電子上的力FE等于洛侖茲力等于洛侖茲力FL時(shí)，時(shí)，電子積累達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。電子積累達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。這時(shí)兩端建立的電場(chǎng)成為霍爾電場(chǎng)，相應(yīng)的電勢(shì)稱這時(shí)兩端建立的

45、電場(chǎng)成為霍爾電場(chǎng)，相應(yīng)的電勢(shì)稱為霍爾電勢(shì)。為霍爾電勢(shì)。sinIBKUHH其大小為其大小為B 磁感應(yīng)強(qiáng)度；磁感應(yīng)強(qiáng)度；I 電流；電流； 電流和磁場(chǎng)的夾角；電流和磁場(chǎng)的夾角；KH 霍爾常數(shù)；決定于材質(zhì)、溫度、元件尺寸；霍爾常數(shù)；決定于材質(zhì)、溫度、元件尺寸；sinIBKUHH式中：式中：因此改變因此改變 B 或或 I 就可以改變就可以改變UH。 它有單端輸出和雙端輸出（差動(dòng)輸出）兩種電路，它有單端輸出和雙端輸出（差動(dòng)輸出）兩種電路，如圖如圖4 - 16a、b 所示。所示。 線性霍爾傳感器的輸出電壓與外加磁場(chǎng)強(qiáng)度在一定線性霍爾傳感器的輸出電壓與外加磁場(chǎng)強(qiáng)度在一定范圍內(nèi)呈線性關(guān)系，可以用來檢測(cè)磁場(chǎng)的強(qiáng)弱

46、。范圍內(nèi)呈線性關(guān)系，可以用來檢測(cè)磁場(chǎng)的強(qiáng)弱。近年來，霍爾元件作為直流無刷電動(dòng)機(jī)的位置傳感近年來，霍爾元件作為直流無刷電動(dòng)機(jī)的位置傳感器使用，具有簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、可靠等特點(diǎn)。器使用，具有簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、可靠等特點(diǎn)。直流無刷電動(dòng)機(jī)需要用位置傳感器來檢測(cè)轉(zhuǎn)子的位直流無刷電動(dòng)機(jī)需要用位置傳感器來檢測(cè)轉(zhuǎn)子的位置，以實(shí)現(xiàn)電子換向。置，以實(shí)現(xiàn)電子換向。圖圖4-17所示為兩相直流無刷電動(dòng)機(jī)采用所示為兩相直流無刷電動(dòng)機(jī)采用4個(gè)開關(guān)型個(gè)開關(guān)型霍爾元件，實(shí)現(xiàn)雙極性、四狀態(tài)的電子換向電路?；魻栐瑢?shí)現(xiàn)雙極性、四狀態(tài)的電子換向電路。 當(dāng)霍爾元件當(dāng)霍爾元件 H2 面向轉(zhuǎn)子面向轉(zhuǎn)子 N 極方向，霍爾元件極方向，霍爾元件 H2 導(dǎo)

47、通，為低電平，功率晶體管導(dǎo)通，為低電平，功率晶體管 VT2 導(dǎo)通，繞組導(dǎo)通，繞組 W2 通過通過電流電流 IW2 ，使定子繞組，使定子繞組 W2 下極性呈下極性呈 S 極，轉(zhuǎn)子順時(shí)針極，轉(zhuǎn)子順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，直到霍爾元件旋轉(zhuǎn)，直到霍爾元件H3 對(duì)準(zhǔn)轉(zhuǎn)子對(duì)準(zhǔn)轉(zhuǎn)子 N 極；此時(shí)，極；此時(shí)，H2 處于處于零磁場(chǎng)，零磁場(chǎng)，H3 導(dǎo)通。導(dǎo)通。 如此下去，轉(zhuǎn)子不斷旋轉(zhuǎn)。如此下去，轉(zhuǎn)子不斷旋轉(zhuǎn)。 霍爾元件可以用來測(cè)量磁霍爾元件可以用來測(cè)量磁場(chǎng)強(qiáng)度、位移、力、角度等。場(chǎng)強(qiáng)度、位移、力、角度等。 霍爾元件體積小、使用簡(jiǎn)霍爾元件體積小、使用簡(jiǎn)便、無接觸測(cè)量，但受溫度影響較大，在做精密測(cè)量時(shí)便、無接觸測(cè)量，但受溫度影響較

48、大，在做精密測(cè)量時(shí)應(yīng)作溫度補(bǔ)償。應(yīng)作溫度補(bǔ)償。 二、磁敏電阻二、磁敏電阻 當(dāng)一載流導(dǎo)體置于磁場(chǎng)中時(shí)，其電阻會(huì)隨磁場(chǎng)而變當(dāng)一載流導(dǎo)體置于磁場(chǎng)中時(shí)，其電阻會(huì)隨磁場(chǎng)而變化，這種現(xiàn)象稱為磁阻效應(yīng)?；?，這種現(xiàn)象稱為磁阻效應(yīng)。 磁敏電阻就是基于磁阻效應(yīng)而工作的。磁阻效應(yīng)是磁敏電阻就是基于磁阻效應(yīng)而工作的。磁阻效應(yīng)是伴隨霍爾效應(yīng)同時(shí)發(fā)生的一種物理現(xiàn)象。伴隨霍爾效應(yīng)同時(shí)發(fā)生的一種物理現(xiàn)象。 運(yùn)動(dòng)電荷在磁場(chǎng)中受到洛侖茲力的作用而發(fā)生偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)電荷在磁場(chǎng)中受到洛侖茲力的作用而發(fā)生偏轉(zhuǎn)后，其從一個(gè)電極流到另一個(gè)電極所經(jīng)過的途徑，要比后，其從一個(gè)電極流到另一個(gè)電極所經(jīng)過的途徑，要比無磁場(chǎng)作用時(shí)所經(jīng)過的途徑長(zhǎng)些，因此增加

49、了電阻率。無磁場(chǎng)作用時(shí)所經(jīng)過的途徑長(zhǎng)些，因此增加了電阻率。 磁阻效應(yīng)與半導(dǎo)體材料的遷移率、幾何形狀有關(guān)，磁阻效應(yīng)與半導(dǎo)體材料的遷移率、幾何形狀有關(guān)，一般遷移率愈高，元件的長(zhǎng)寬比愈小，磁阻效應(yīng)愈大。一般遷移率愈高，元件的長(zhǎng)寬比愈小，磁阻效應(yīng)愈大。 磁敏電阻是兩端器件，使用方便，但受溫度影響很磁敏電阻是兩端器件，使用方便，但受溫度影響很大，在制作工藝上尚不能解決，故應(yīng)用受到一定的限制。大，在制作工藝上尚不能解決，故應(yīng)用受到一定的限制。二、磁敏管二、磁敏管 1. 磁敏二極管磁敏二極管 磁敏二極管的結(jié)構(gòu)原理如磁敏二極管的結(jié)構(gòu)原理如圖圖 4-18所示。所示。 磁敏二極管的結(jié)極是磁敏二極管的結(jié)極是 P+I

50、N+ 型。型。 在在 P 區(qū)和區(qū)和N 區(qū)之間有個(gè)較長(zhǎng)的本征區(qū)區(qū)之間有個(gè)較長(zhǎng)的本征區(qū) I，本征區(qū)的，本征區(qū)的一面磨成光滑的表面，相對(duì)的另一面噴砂打毛，形成粗一面磨成光滑的表面，相對(duì)的另一面噴砂打毛，形成粗糙的表面稱為糙的表面稱為 r 面。面。 由于粗糙的表面處客易使電子一空穴對(duì)復(fù)合而消失，由于粗糙的表面處客易使電子一空穴對(duì)復(fù)合而消失，故故 r 面是高復(fù)合區(qū)，也稱為面是高復(fù)合區(qū)，也稱為 r 區(qū)。區(qū)。工作原理：工作原理： 若外加正向偏壓，即若外加正向偏壓，即P區(qū)接正，區(qū)接正，N區(qū)接負(fù)，那么將區(qū)接負(fù)，那么將會(huì)有大量空穴從會(huì)有大量空穴從P 區(qū)注入到區(qū)注入到 I 區(qū)。區(qū)。 如這時(shí)將其放入磁如這時(shí)將其放入磁

51、場(chǎng)中，則注入的空穴和場(chǎng)中，則注入的空穴和電子都要受到洛侖茲力電子都要受到洛侖茲力的作用而發(fā)生偏轉(zhuǎn)，當(dāng)?shù)淖饔枚l(fā)生偏轉(zhuǎn)，當(dāng)磁場(chǎng)方向使空穴、電子向磁場(chǎng)方向使空穴、電子向 r 面偏轉(zhuǎn)時(shí)，它們將大量復(fù)合，面偏轉(zhuǎn)時(shí)，它們將大量復(fù)合，因而電流很小。因而電流很小。 當(dāng)磁場(chǎng)方向使空穴、電子向光滑面偏轉(zhuǎn)時(shí)，它們的當(dāng)磁場(chǎng)方向使空穴、電子向光滑面偏轉(zhuǎn)時(shí)，它們的復(fù)合率變小，電流就大，這樣就能根據(jù)某一偏壓下的電復(fù)合率變小，電流就大，這樣就能根據(jù)某一偏壓下的電流值來確定磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小和磁場(chǎng)方向。流值來確定磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小和磁場(chǎng)方向。 磁敏二極管靈敏度很高，約為霍爾元件的數(shù)百甚至磁敏二極管靈敏度很高，約為霍爾元件的數(shù)百甚

52、至上千倍，又能識(shí)別磁場(chǎng)方向而且線路簡(jiǎn)單、功耗小。上千倍，又能識(shí)別磁場(chǎng)方向而且線路簡(jiǎn)單、功耗小。 但它的靈敏度與磁場(chǎng)關(guān)系呈線性的范圍比較窄，而但它的靈敏度與磁場(chǎng)關(guān)系呈線性的范圍比較窄，而且受溫度影響較大。且受溫度影響較大。2. 磁敏三極管磁敏三極管 磁敏三極管與普通晶體三極管一樣具有發(fā)射極、基磁敏三極管與普通晶體三極管一樣具有發(fā)射極、基極和集電極。極和集電極。 不同的是基區(qū)較長(zhǎng)，基區(qū)結(jié)構(gòu)類似磁敏二極管，也不同的是基區(qū)較長(zhǎng)，基區(qū)結(jié)構(gòu)類似磁敏二極管，也有高復(fù)合有高復(fù)合 r 區(qū)和本征區(qū)和本征 I 區(qū)。磁敏三極管在正、反向磁場(chǎng)區(qū)。磁敏三極管在正、反向磁場(chǎng)作用下，其集電極電流出現(xiàn)明顯變化。作用下，其集電極

53、電流出現(xiàn)明顯變化。 這種傳感器可用來做什數(shù)裝置，接近開關(guān)等。這種傳感器可用來做什數(shù)裝置，接近開關(guān)等。 第六節(jié)第六節(jié) 光電式傳感器光電式傳感器 光電式傳感器是將光量轉(zhuǎn)換為電量，其物理基礎(chǔ)光電式傳感器是將光量轉(zhuǎn)換為電量，其物理基礎(chǔ)是光電效應(yīng)。是光電效應(yīng)。 光電效應(yīng)分為外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)兩大類。光電效應(yīng)分為外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)兩大類。（1）外光電效應(yīng)）外光電效應(yīng) 在光的職射下，金屬中的自由電子吸收光能而逸在光的職射下，金屬中的自由電子吸收光能而逸出金屬表面的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)。出金屬表面的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)。 基于外光電效應(yīng)的器件有光電管和光電倍增管等。基于外光電效應(yīng)的器件有光電管和光電倍增管

54、等。這些光電器件屬于真空管類。這些光電器件屬于真空管類。（2）內(nèi)光電效應(yīng)）內(nèi)光電效應(yīng) 半導(dǎo)體材料受光的照射后，其電導(dǎo)率發(fā)生變化的半導(dǎo)體材料受光的照射后，其電導(dǎo)率發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為光導(dǎo)效應(yīng)，而受光后產(chǎn)生電勢(shì)的現(xiàn)象稱為光生現(xiàn)象稱為光導(dǎo)效應(yīng)，而受光后產(chǎn)生電勢(shì)的現(xiàn)象稱為光生伏特效應(yīng)。二者統(tǒng)稱為內(nèi)光電效應(yīng)。伏特效應(yīng)。二者統(tǒng)稱為內(nèi)光電效應(yīng)。 基于光導(dǎo)效應(yīng)的光電器件有光敏電阻，基于光生伏基于光導(dǎo)效應(yīng)的光電器件有光敏電阻，基于光生伏特效應(yīng)的有光電池、光敏晶體管等。特效應(yīng)的有光電池、光敏晶體管等。 一、光敏電阻一、光敏電阻 光敏電阻，又稱光導(dǎo)管。半導(dǎo)體材料受到光照時(shí)會(huì)光敏電阻，又稱光導(dǎo)管。半導(dǎo)體材料受到光照時(shí)會(huì)

55、產(chǎn)生電子產(chǎn)生電子空穴對(duì)，使其導(dǎo)電性能增強(qiáng)，光線越強(qiáng)，阻空穴對(duì)，使其導(dǎo)電性能增強(qiáng)，光線越強(qiáng)，阻值越低。光敏電阻是一種沒有極性的電阻器件。值越低。光敏電阻是一種沒有極性的電阻器件。 當(dāng)無光照時(shí)，光敏電阻的阻值稱為暗電阻，一般當(dāng)無光照時(shí)，光敏電阻的阻值稱為暗電阻，一般為兆歐數(shù)量級(jí)；為兆歐數(shù)量級(jí)； 受光照時(shí)的阻值稱為亮電阻，一般在幾千歐以下。受光照時(shí)的阻值稱為亮電阻，一般在幾千歐以下。 光敏電阻的響應(yīng)時(shí)間一般為光敏電阻的響應(yīng)時(shí)間一般為2-50ms。 光敏電阻的光照特性是非線性的，因此不適宜做光敏電阻的光照特性是非線性的，因此不適宜做檢測(cè)光通量變化的元件，常用作開關(guān)式光電傳感器。檢測(cè)光通量變化的元件，常

56、用作開關(guān)式光電傳感器。二、光電池二、光電池 光電池是一種直接將光能轉(zhuǎn)換成電能的光電元件。光電池是一種直接將光能轉(zhuǎn)換成電能的光電元件。 它有一個(gè)大面積的它有一個(gè)大面積的PN結(jié)，當(dāng)光照射時(shí)，半導(dǎo)體結(jié)，當(dāng)光照射時(shí)，半導(dǎo)體內(nèi)原子受激發(fā)而生成了電子內(nèi)原子受激發(fā)而生成了電子空穴對(duì)，通常，把這種由空穴對(duì)，通常，把這種由光生成的電子一空穴對(duì)叫做光生載流子。光生成的電子一空穴對(duì)叫做光生載流子。 它們?cè)谒鼈冊(cè)赑N結(jié)電場(chǎng)的作用下，電子被推向結(jié)電場(chǎng)的作用下，電子被推向N區(qū)，而區(qū)，而空穴被拉向空穴被拉向P區(qū)，結(jié)果區(qū)，結(jié)果P區(qū)積累了大量的過?？昭?，而區(qū)積累了大量的過剩空穴，而 N區(qū)積累了大量的過剩電子，使區(qū)積累了大量的過

57、剩電子，使P區(qū)帶正電，區(qū)帶正電，N區(qū)帶負(fù)電，區(qū)帶負(fù)電，兩端產(chǎn)生了電勢(shì)，若用導(dǎo)線連接，就有電流通過，如圖兩端產(chǎn)生了電勢(shì)，若用導(dǎo)線連接，就有電流通過，如圖420所示。所示。 用于光電池的半導(dǎo)體材料有硅、硒、鍺、硫化鎘用于光電池的半導(dǎo)體材料有硅、硒、鍺、硫化鎘等多種。目前應(yīng)用最廣泛的是硅光電池，它的性能穩(wěn)定、等多種。目前應(yīng)用最廣泛的是硅光電池，它的性能穩(wěn)定、光譜范圍寬、頻率特性好，用于可見光，光譜范圍為光譜范圍寬、頻率特性好，用于可見光，光譜范圍為0.41.1m，靈敏度高，響應(yīng)時(shí)間快，靈敏度高，響應(yīng)時(shí)間快 。 硅光電池可作成檢測(cè)元件用來測(cè)量光線的強(qiáng)弱，硅光電池可作成檢測(cè)元件用來測(cè)量光線的強(qiáng)弱，也可制

58、成電源使用，稱太陽能硅光電池。也可制成電源使用，稱太陽能硅光電池。三、光敏晶體管三、光敏晶體管 光敏晶體管與普通的晶體管一樣，也有光敏晶體管與普通的晶體管一樣，也有P-N結(jié)，有結(jié)，有一個(gè)一個(gè)P-N結(jié)的叫作光敏二極管，有兩個(gè)結(jié)的叫作光敏二極管，有兩個(gè)P-N結(jié)的叫做光結(jié)的叫做光敏三極管。敏三極管。 當(dāng)光通過透鏡照射到光敏二極管上時(shí)，由于產(chǎn)生了當(dāng)光通過透鏡照射到光敏二極管上時(shí)，由于產(chǎn)生了光生載流子，因而在一定的反向偏壓下，光敏二極管的光生載流子，因而在一定的反向偏壓下，光敏二極管的反向電流要比沒有光照時(shí)大幾十倍到幾千倍，因此有較反向電流要比沒有光照時(shí)大幾十倍到幾千倍，因此有較大的光電流。大的光電流。

59、 光照越強(qiáng)，光生載流子越多，光電流越大。光照越強(qiáng)，光生載流子越多，光電流越大。 光敏二極管的管殼頂部有一個(gè)能射入光線的窗口，光敏二極管的管殼頂部有一個(gè)能射入光線的窗口，以便光線通過窗口而照在管芯的以便光線通過窗口而照在管芯的P-N結(jié)上。結(jié)上。 與光敏電阻相比，光敏二極管具有暗電流小、靈與光敏電阻相比，光敏二極管具有暗電流小、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)。敏度高等優(yōu)點(diǎn)。 一般在用可見光作光源時(shí)，采用硅管，但是對(duì)紅一般在用可見光作光源時(shí)，采用硅管，但是對(duì)紅外線探測(cè)時(shí)，則鍺管較合適。外線探測(cè)時(shí)，則鍺管較合適。 光敏三極管的基極和集電極之間的光敏三極管的基極和集電極之間的P-N結(jié)相當(dāng)于光結(jié)相當(dāng)于光敏二極管的敏二極管

60、的P-N結(jié)，受到光照所產(chǎn)生的光電流作為基極結(jié)，受到光照所產(chǎn)生的光電流作為基極電流，因此光敏三極管沒有基極，住住只裝兩根引出線。電流，因此光敏三極管沒有基極，住住只裝兩根引出線。 光敏三極管有放大作用，因此光敏三極管有放大作用，因此其靈敏度比光敏二極管高。其靈敏度比光敏二極管高。ce光敏三極管基本電路光敏三極管基本電路 四、固體圖像傳感器四、固體圖像傳感器 目前的固體圖像傳感器所使用的核心器件多半是電目前的固體圖像傳感器所使用的核心器件多半是電荷耦合器件（簡(jiǎn)稱荷耦合器件（簡(jiǎn)稱CCD）。）。 CCD是是20世紀(jì)世紀(jì)70年代發(fā)展起來的新型半導(dǎo)體器件，年代發(fā)展起來的新型半導(dǎo)體器件，具有光生電荷、積蓄和