2023年第3章 常用傳感器

千里之行，始于足下讓知識(shí)帶有溫度。第第2頁(yè)/共2頁(yè)精品文檔推薦第3章常用傳感器第3章常用傳感器

■傳感器的定義（GB7665-87）

能感觸規(guī)定的被測(cè)量并根據(jù)一定邏輯轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置?！鰝鞲衅鞯慕M成

●敏感元件：如壓電式加速度計(jì)中的質(zhì)量塊、應(yīng)變式力傳感器中的彈性元件等。●轉(zhuǎn)換元件：如壓電式加速度計(jì)中的壓電晶片、應(yīng)變式力傳感器中的應(yīng)變片等?！衿渌簹んw、引線等。

■傳感器的分類

●按被測(cè)量的屬性分：位移、速度、加速度、力、壓力、流量、溫度等傳感器。●按傳感器的工作原理分：電阻式、電感式、電容式、壓電式、磁電式、光電式等?！癜葱盘?hào)轉(zhuǎn)換特征分：結(jié)構(gòu)型傳感器、物性型傳感器。

●按傳感器輸出參量的狀態(tài)分：模擬傳感器、數(shù)字傳感器。

●按工作時(shí)是否需要外部能源分：參量型傳感器、發(fā)電型傳感器。

3.1電阻式傳感器

將被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換成電阻變化的傳感器。分為：●變阻器式●電阻應(yīng)變式

●敏感電阻式（熱敏電阻、氣敏電阻、濕敏電阻、磁敏電阻、光敏電阻等）

3.1.1變阻器式傳感器

1.工作原理

圖3-1變阻器式傳感器

a)工作原理b)分壓式測(cè)量線路

SxRxx

Rpp

o==（3-1）（常數(shù)）.

constA

dxdRSo===

ρ

（3-2）變阻器式傳感器的靜態(tài)敏捷度理論上為常數(shù)，輸出電阻oR的變化與輸入位移x的變化成線性比例關(guān)系——零階系統(tǒng)。

變阻器式傳感器普通后接分壓式測(cè)量電路（圖3-1b）。輸出oe與輸入位移x的關(guān)系為：

sp

LppoexxRRxxe)1(1

-+=

（3-3）負(fù)載特性：因?yàn)闇y(cè)量電路后面還要銜接各種信號(hào)調(diào)理電路，即銜接一定的負(fù)載，使得輸出電壓

oe與輸入位移x之間實(shí)際上是非線性關(guān)系。

（強(qiáng)調(diào)：增大輸入阻抗簡(jiǎn)單引入干擾！）階梯特性：對(duì)于線繞式變阻器式傳感器，在觸點(diǎn)移動(dòng)一個(gè)電阻絲直徑d的范圍內(nèi)不會(huì)使輸出電壓oe產(chǎn)生變化，因此，變阻器式傳感器的位移辨別力di≥。2.結(jié)構(gòu)

線位移型、角位移型、函數(shù)型等。

特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)容易，性能穩(wěn)定，受溫度、濕度、電磁干擾等環(huán)境因素的影響小，輸出信號(hào)大，成本低，精度較高（可優(yōu)于0.1%）；存在摩擦和磨損，噪聲大，抗沖擊、振動(dòng)性能差，易受灰塵等因素的影響，要求大能量輸入，動(dòng)態(tài)特性差。

3.1.2電阻應(yīng)變式傳感器

1.工作原理

長(zhǎng)度為L(zhǎng)、截面積為A、電阻率為ρ的金屬導(dǎo)體的電阻R為

A

L

Rρ=（3-4）

ρ

ρdAdALdLRdR+-=（3-5）若金屬導(dǎo)體是截面半徑為r的金屬絲，則有：

2rAπ=，rdrdAπ2=，ε=LdL，μεμ-=-=L

dL

rdr，λσρρ=d，εσE=，其中：ε——所承受的應(yīng)變；σ——軸向正應(yīng)力；μ——材料的泊松比；λ——材料的壓阻系數(shù)；E——材料的彈性模量。故

ελμλμ)21()21(EL

dL

ERdR++=++=（3-6）

應(yīng)變片的敏捷度S

ER

dRLdLRdRSλμε++===

)21(（3-7）則εSR

dR

=（3-8）

金屬應(yīng)變片：電阻變化主要由應(yīng)變效應(yīng)引起，Eλμ>>+21，μ21+≈S（多在1.7~3.6之間）；半導(dǎo)體應(yīng)變片：電阻變化主要由壓阻效應(yīng)引起，μλ21+>>E，ESλ≈（多在60~150之間）。特點(diǎn)：金屬電阻應(yīng)變片的敏捷度較低，但溫度穩(wěn)定性好、非線性誤差??；半導(dǎo)體應(yīng)變片的敏捷度較高，橫向效應(yīng)和機(jī)械滯后小，其缺點(diǎn)是溫度穩(wěn)定性差，非線性誤差大。2.結(jié)構(gòu)

⑴金屬電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)

金屬電阻應(yīng)變片的敏感元件為柵形的金屬敏感柵，有絲式、箔式及薄膜式等結(jié)構(gòu)形式。

圖3-2金屬電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)

a)絲式b)箔式

⑵半導(dǎo)體應(yīng)變片

半導(dǎo)體應(yīng)變片主要有體型、薄膜型、蔓延型三種類型。

圖3-3體型半導(dǎo)體應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)

1—引線2—半導(dǎo)體片3—基片

圖3-4薄膜型半導(dǎo)體應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)圖3-5蔓延型半導(dǎo)體應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)

1—鍺膜2—絕緣層3—金屬箔基底4—引線1—N型硅2—P型硅蔓延層3—二氧化硅絕緣層

4—鋁電極5—引線

3.應(yīng)用

⑴直接用來(lái)測(cè)定構(gòu)件的應(yīng)變或應(yīng)力。

圖3-6電阻應(yīng)變片測(cè)量示例

a)齒輪輪齒彎矩測(cè)量b)飛機(jī)機(jī)身應(yīng)力測(cè)量c)立柱應(yīng)力測(cè)量d)橋梁應(yīng)力測(cè)量

⑵與彈性元件一起構(gòu)成各種電阻應(yīng)變式傳感器，用來(lái)測(cè)量力、位移、壓力、加速度等工程參數(shù)。

圖3-7幾種電阻應(yīng)變式傳感器的原理暗示圖

a)位移傳感器b)加速度傳感器c)力傳感器d)扭矩傳感器e)壓力傳感器

3.2電感式傳感器

電感式傳感器是一種把被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換成線圈電感參數(shù)（自感系數(shù)、互感系數(shù)、等效阻抗）變化的傳感器，其工作原理是基于電磁感應(yīng)。按變換方式的不同，電感式傳感器可分為自感式、互感式和渦流式）三種。

3.2.1自感傳感器

1.工作原理

自感傳感器將被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換成線圈本身自感系數(shù)的變化。

圖3-8自感傳感器原理

a)工作原理b)輸入輸出特性

m

RW

L2

=

（3-11）A

RRRRmmmm02μδ

=≈+=氣氣鐵（3-12）

式中A——磁路的導(dǎo)磁截面積；

0μ——空氣的磁導(dǎo)率，H/m10π470-?=μ。

傳感器線圈的自感L為

δ

μ202A

NL=（3-13）

傳感器的敏捷度S為

2

022δμδANddLS-==（3-14）當(dāng)傳感器工作在初始?xì)庀?δ附近較小的范圍δ?±內(nèi)時(shí)，敏捷度

)21(2)(2202

0022022202δδ

δμδδμδμ?--≈?+-=-

=ANANANS（3-15）為使輸入輸出近似保持線性關(guān)系，通常1.0/0≤?δδ

差動(dòng)式自感傳感器：

)(2)(22202200220220221δδμδδμδμδμ?+-?-=-=-=?A

NANANANLLL

002δδδμ??≈AN

2.測(cè)量電路

把兩個(gè)線圈分離接在溝通電橋相鄰的兩個(gè)橋臂上，電橋的輸出與輸入x基本保持線性關(guān)系。

圖3-9變氣隙式差動(dòng)自感傳感器

a)工作原理b)轉(zhuǎn)換電路c)特性曲線

差動(dòng)傳感器的特點(diǎn)：

●敏捷度比單圈式提高了一倍；

●大大改善了傳感器的非線性；

●在一定程度上實(shí)現(xiàn)了對(duì)某些誤差的補(bǔ)償（如環(huán)境條件變化、鐵心材料的磁特性不勻稱等）。其他形式的自感傳感器：

圖3-10其他形式的自感傳感器

a)變面積型b)單螺線管型c)差動(dòng)螺線管型

3.結(jié)構(gòu)

3.2.2渦流傳感器

1.工作原理

渦流式傳感器是基于電磁學(xué)中的渦流效應(yīng)工作的。

渦流效應(yīng)：把一個(gè)扁平線圈置于一金屬板附近，當(dāng)線圈中通以高頻交變電流i時(shí)，線圈中便產(chǎn)生交變磁通1mΦ。此交變磁通通過(guò)鄰近的金屬板，金屬板上便會(huì)感應(yīng)出電流ei。所感應(yīng)出的電流在金屬內(nèi)呈體分布而且是環(huán)狀閉合的，故稱為渦電流或渦流。按照楞次定律，所感應(yīng)出的渦流也產(chǎn)生一磁通2mΦ，其方向總是與1mΦ相反，即反抗原磁通1mΦ的變化，這種現(xiàn)象稱為渦流效應(yīng)。線圈的等效阻抗可近似用下面的函數(shù)表示：

圖3-11渦流效應(yīng)

),,,,,,(ρμωδNRIfZ=（3-16）式中δ——線圈到金屬板的距離；ω——激勵(lì)電流的頻率；I——激勵(lì)電流的強(qiáng)度；R——線圈半徑；N——線圈匝數(shù)；

μ——金屬板的磁導(dǎo)率；ρ——金屬板的電阻率。

2.測(cè)量電路

渦流傳感器的轉(zhuǎn)換電路主要有溝通電橋、分壓式調(diào)幅電路及調(diào)頻電路等。

圖3-12分壓式調(diào)幅電路

圖3-13分壓式調(diào)幅電路的諧振曲線及輸出特性

a)諧振曲線b)輸出特性

3.結(jié)構(gòu)

渦流傳感器主要用于動(dòng)態(tài)非接觸測(cè)量，測(cè)量范圍視傳感器的結(jié)構(gòu)尺寸、線圈匝數(shù)、激勵(lì)電源頻率等因素而定，普通從±1mm到±10mm不等，最高辨別力可達(dá)1μm。此外，這種傳感器還具有結(jié)構(gòu)容易、使用便利、不受油污等介質(zhì)的影響等特點(diǎn)。因此，渦流式位移測(cè)量?jī)x、渦流式測(cè)振儀、渦流式無(wú)損探傷儀、渦流式測(cè)厚儀等在機(jī)械、冶金等行業(yè)得到了日益廣泛的應(yīng)用。圖3-14為CZF-1型渦流傳感器的結(jié)構(gòu)暗示圖。

圖3-14CZF-1型渦流傳感器的結(jié)構(gòu)

1—線圈2—框架3—框架襯套4—固定螺母5—電纜

3.2.3互感傳感器

1.工作原理

互感傳感器是按照電磁感應(yīng)中的互感原理工作的。

互感原理：當(dāng)某一線圈中通以交變的電流時(shí)，在其周?chē)a(chǎn)生交變的磁通，因而在其鄰近的線圈上感應(yīng)出感生電動(dòng)勢(shì)。感生電動(dòng)勢(shì)12e的大小為dt

diM

e1

12-=（3-18）

圖3-15互感現(xiàn)象圖3-16互感傳感器原理

傳感器普通設(shè)計(jì)成開(kāi)磁路，此時(shí)互感M為：

),,,,,(021SNNfMδμμ=（3-19）式中21,NN——一、二次線圈的匝數(shù)；

μμ,0——真空（空氣）的磁導(dǎo)率；δ——空氣隙的長(zhǎng)度；S——導(dǎo)磁截面積。

互感傳感器有無(wú)數(shù)種型式，其中最常用的是差動(dòng)變壓器式位移傳感器。

圖3-17差動(dòng)變壓器式傳感器工作原理暗示圖圖3-18反串銜接

211tM∝2

22tM∝（3-20）

從而211kte=222kte=（3-21）2.測(cè)量電路

差動(dòng)變壓器的測(cè)量電路是圖3-18所示的反串銜接電路。

反串銜接后的輸出電壓oe為

)(2

22121ttkeeeo-=-=

])()[(2022xtxtk?--?+=xSxkt??=??=02

圖3-19差動(dòng)變壓器的輸入輸出特性曲線

差動(dòng)變壓器式傳感器的零點(diǎn)殘余電壓。3.結(jié)構(gòu)

■本課小結(jié)

1.傳感器是能感觸規(guī)定的被測(cè)量并根據(jù)一定邏輯轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置，通常有敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和其他元件組成。

2.傳感器可以從不同角度舉行分類，應(yīng)特殊注重結(jié)構(gòu)型、物性型傳感器的特點(diǎn)。

3.電阻式傳感器有變阻器式、電阻應(yīng)變式、敏感電阻式三種。電阻應(yīng)變式傳感器是工程上廣泛使用的一種傳感器，應(yīng)注重把握金屬應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片的工作原理、性能特點(diǎn)等。

4.電感傳感器有自感傳感器、互感傳感器、渦流傳感器三種。這三種傳感器的應(yīng)用都比較廣泛，也應(yīng)重點(diǎn)注重它們的工作原理、測(cè)量電路及性能特點(diǎn)等。

第3章常用傳感器

3.3電容式傳感器

電容式傳感器是將被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換成電容量變化的傳感裝置。電容傳感器的種類：極距變化型、面積變化型、介質(zhì)變化型三種。1.工作原理

一對(duì)平行極板組成的電容器的電容量為

δ

εεA

C0=（3-23）

式中0ε——真空的介電常數(shù)，F(xiàn)/m1085.8120-?=ε；ε——極板間介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)；A——極板有效作用面積；δ——極板間距。

ε、A、δ的變化都會(huì)引起電容量C的變化，從而可制成三種類型的電容傳感器。

圖3-20極距變化型電容傳感器及其輸入輸出特性

a)工作原理b)輸入輸出特性

■極距變化型電容傳感器（圖3-20）

δδεεdA

dC200-=（3-24）

傳感器的敏捷度為

200δεεδAddC

S-==（3-25）這種傳感器因?yàn)榇嬖谠砩系姆蔷€性，敏捷度隨極距變化而變化，故通常是在較小的極距變化

范圍（1.0/0≤?δδ）內(nèi)工作。

差動(dòng)式極距變化型電容傳感器（圖3-21））：

兩電容器的變化量大小相等、符號(hào)相反。利用后接的轉(zhuǎn)換電路（如電橋等）可以檢出兩電容器電容量的差值，該差值與活動(dòng)極板的移動(dòng)量δ?有一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。

采納差動(dòng)式原理后，傳感器的敏捷度提高了一倍，非線性得到了很大的改善，某些因素（如環(huán)境溫度變化、電源電壓波動(dòng)等）對(duì)測(cè)量精度的影響也得到了一定的補(bǔ)償。

圖3-21差動(dòng)式極距變化型電容傳感器

極距變化型電容傳感器的特點(diǎn)：動(dòng)態(tài)特性好，敏捷度和精度極高（可達(dá)nm級(jí)），適用于較小位移（1nm~1μm）的精密測(cè)量。存在原理上的非線性誤差，相應(yīng)測(cè)量電路比較復(fù)雜。■面積變化型電容傳感器（圖3-22）抱負(fù)狀況下敏捷度為常數(shù)，不存在非線性誤差，但實(shí)際上因電場(chǎng)邊緣效應(yīng)的影響仍存在一定的非線性誤差，且敏捷度較低。

圖3-22面積變化型電容傳感器

a)平面線位移型b)圓柱線位移型c)角位移型

■介質(zhì)變化型電容傳感器（圖3-23）

圖3-23介質(zhì)變化型電容傳感器

對(duì)于圖3-23所示測(cè)量液位的介質(zhì)變化型電容傳感器，傳感器的總電容C等于上、下兩部分電容1C和2C的并聯(lián)，即

hdDdDldDldDhlCCCxx?-+=+-=

+=)

/ln()1(2)/ln(2)/ln(2)/ln()(20

00021εεππεεπεπεbha+=（3-26）

敏捷度.)

/ln()1(20constdDbdhdC

Sx=-===εεπ（3-27）由此可見(jiàn)，這種傳感器的敏捷度為常數(shù)，電容C理論上與液位h成線性關(guān)系，只要測(cè)出傳感器電容C的大小，就可得到液位h。

2.測(cè)量電路■溝通電橋

傳感器的兩個(gè)電容作為溝通電橋的兩個(gè)橋臂，通過(guò)電橋把電容的變化轉(zhuǎn)換成電橋輸出電壓的變化。電橋由高頻穩(wěn)幅的溝通電源為電橋供電，其輸出為一調(diào)幅波（詳見(jiàn)第5章）。

圖3-24溝通電橋轉(zhuǎn)換電路

■調(diào)頻電路

傳感器接入調(diào)頻振蕩器的LC諧振網(wǎng)絡(luò)中，被測(cè)量的變化引起傳感器電容的變化，繼而導(dǎo)致振蕩器諧振頻率的變化。頻率的變化經(jīng)過(guò)鑒頻器轉(zhuǎn)換成電壓的變化，經(jīng)過(guò)放大器放大后輸出。

圖3-25調(diào)頻電路

■運(yùn)算式電路

se為高頻穩(wěn)幅溝通電源，傳感器電容C接在運(yùn)算放大器的反饋回路中，與標(biāo)準(zhǔn)參比電容0C構(gòu)成反相比例運(yùn)算電路。

圖3-26運(yùn)算式電路

δεεA

e

CeCCezzesssfo0000-=-=-=（3-28）電路輸出電壓的幅值0e與傳感器的極距δ成線性比例關(guān)系（該電路為一調(diào)幅電路，輸出為受δ調(diào)制的高頻調(diào)調(diào)幅波）。

■其它測(cè)量電路

直流極化電路、諧振電路、脈（沖）寬（度）調(diào)制電路等。

3.4壓電式傳感器

壓電式傳感器是一種發(fā)電型的可逆換能器，它利用了某些晶體材料所具有的壓電效應(yīng)，既可以把機(jī)械能（力、壓力等）轉(zhuǎn)換成電能（電荷、電壓等），也可以把電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。

3.4.1壓電效應(yīng)

1.壓電效應(yīng)

某些物質(zhì)，如石英、鈦酸鋇等，當(dāng)受到外力作用時(shí)，不僅其幾何尺寸發(fā)生變化，而且其內(nèi)部還浮現(xiàn)極化現(xiàn)象，某些表面上浮現(xiàn)電荷，形成電場(chǎng)。當(dāng)外力去掉時(shí)，又回到本來(lái)的狀態(tài)，物質(zhì)的這種性質(zhì)稱為壓電效應(yīng)。相反，假如將這類物質(zhì)置于電場(chǎng)下，其幾何尺寸也會(huì)發(fā)生變化，即這類物質(zhì)在外電場(chǎng)的作用下會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形，稱為逆壓電效應(yīng)或電致伸縮效應(yīng)。

■壓電材料

●壓電晶體（如自然?石英、人造石英、酒石酸鉀鈉等）●壓電陶瓷（鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛、鈮酸鋰等）。■石英（2SiO）的結(jié)構(gòu)

x軸（電軸）——產(chǎn)生壓電電荷的方向；

y軸（機(jī)械軸）——沿此方向受力時(shí)變形最小，機(jī)械強(qiáng)度最大；

z軸（光軸）——光芒沿此方向入射時(shí)不產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象，沿此方向加力也不產(chǎn)生壓電電荷。

圖3-27石英晶體

a)石英晶體外觀b)石英晶片的切割c)石英晶片

圖3-28壓電效應(yīng)

a)縱向壓電效應(yīng)b)橫向壓電效應(yīng)c)切向壓電效應(yīng)

■壓電效應(yīng)的種類

●縱向壓電效應(yīng)——沿x軸方向加力，在zy-平面上產(chǎn)生電荷；●橫向壓電效應(yīng)——沿y軸方向加力，在zy-平面上產(chǎn)生電荷；

●切向壓電效應(yīng)——沿zy-平面或zx-平面施加剪力，在zy-平面上產(chǎn)生電荷；●逆壓電效應(yīng)——把壓電晶片置于電場(chǎng)中，晶片沿x軸方向產(chǎn)生機(jī)械變形。普通的壓電傳感器多利用縱向壓電效應(yīng)。

3.4.2壓電傳感器及其等效電路、敏捷度

1.壓電傳感器（圖3-29）

圖3-29壓電傳感器

壓電傳感器工作表面上所產(chǎn)生的電荷q及傳感器的固有電容aC為

DFq=（3-29）δ

εεA

Ca0=

（3-30）式中D——壓電系數(shù)，與壓電材料及切片方向有關(guān)；F——外部作用力；

ε——壓電材料的相對(duì)介電常數(shù)；0ε——真空的介電常數(shù)；δ——壓電晶片的厚度；A——極板面積。

傳感器的開(kāi)路電壓e為

a

Cq

e=（3-31）

2.壓電傳感器的等效電路

圖3-30壓電傳感器的等效電路

a)等效電路一b)等效電路二c)等效電路三d)等效電路四

●一個(gè)電荷源與一個(gè)電容器的并聯(lián)（圖3-30a）；●一個(gè)電壓源與一個(gè)電容器的串聯(lián)（圖3-30b）；

●徹低考慮傳感器固有電阻aR、傳感器固有電容aC、電纜電容cC、放大器的輸入電阻iR、放大器的輸入電容iC影響的完整等效電路（圖3-30c）；

●簡(jiǎn)化的完整等效電路（圖3-30d）路。其中iaRRR||=，icaicaCCCCCCC++==||||。

3.壓電傳感器的敏捷度

●電荷敏捷度qS單位作用力所產(chǎn)生的電荷，即

DF

q

Sq==（3-32）●電壓敏捷度eS單位作用力所形成的電壓，即

F

e

Se=（3-33）

電荷敏捷度與電壓敏捷度之間的關(guān)系為

eicaeqSCCCCSS)(++==（3-34）或i

caq

qeCCCSCSS++=

=

（3-35）

注：電荷敏捷度qS僅與壓電材料有關(guān)，而電壓敏捷度eS除與qS有關(guān)外，還與傳感器的內(nèi)、外電路特性（即C）有關(guān)。

例3-1某壓電式加速度計(jì)的固有電容pF1000=aC，電纜電容pF100=cC，后接前置放大器的輸入電容pF150=iC，在此條件下標(biāo)定得到的電壓敏捷度mV/g100=eS，試求傳感器的電荷敏捷度qS。又問(wèn)，若該傳感器改接pF300'=cC的電纜，此時(shí)的電壓敏捷度?'=eS

解：按照式3-34，有

C/g

1025.11010010)1501001000()(10

312?=???++=++==eicaeqSCCCCSSp

C/g125=若傳感器改接pF300'=cC的電纜，因?yàn)閝S不隨外電路發(fā)生變化，因此

mV/g2.86V/g1062.810

)1503001000(1025.1212

10

'''=?≈?++?=++==icaq

qe

CCCSCSS壓電晶片的串、并聯(lián)：

圖3-31壓電晶片的串、并聯(lián)

a)并聯(lián)b)串聯(lián)

并聯(lián)時(shí)

aaCC2'

=，qq2'=，ee='（3-36）串聯(lián)時(shí)

2"

aaCC=，qq="，ee2"=（3-37）

兩個(gè)晶片并聯(lián)可以將電荷敏捷度提高一倍，通常用于后接電荷放大器；兩個(gè)晶片串聯(lián)可以將電壓敏捷度提高一倍，通常用于后接電壓放大器。

3.4.3壓電傳感器的頻率特性

因?yàn)閴弘妭鞲衅鞔嬖谥烹娦?yīng)（放電時(shí)光常數(shù)RC=τ），所以對(duì)不同頻率的輸入力變化（電荷變化）有著不同的響應(yīng)特性。當(dāng)作用在單壓電晶片上的作用力為tFtfmωsin)(=時(shí)，有傳感器上的電荷響應(yīng)

tDFtqmωsin)(=（3-38）傳感器上的電壓響應(yīng)

)](tan2

sin[)(1)(12

RCtRCRFDtemωπ

ωωω--+

+=

（3-39）

3.4.4壓電傳感器的轉(zhuǎn)換電路

作用：

●阻抗匹配：即提供足夠大的輸入阻抗（以減小放電的影響）、足夠小的輸出阻抗；●對(duì)傳感器的輸出（電荷或電壓）舉行轉(zhuǎn)換放大。1.電壓放大器

圖3-32電壓放大器

電壓放大器為一開(kāi)環(huán)放大器（圖3-32），放大器的輸出為

)()(teKteo?-=)](tan2sin[)(112RCtRCRFKDmωπ

ωωω--++-=（3-40）

當(dāng)0→ω時(shí)，0)(→teo，因此不適合于靜態(tài)或低頻信號(hào)的轉(zhuǎn)換；

當(dāng)RC1

>>

ω時(shí)，tCKDFtemoωsin)(≈，輸出為與輸入tFtfmωsin)(=同頻、同相位的正弦信號(hào)，但幅值相差了C

KD

倍——滿足不失真測(cè)試條件。因此電壓放大器適合于高頻信號(hào)的轉(zhuǎn)換。

2.電荷放大器

圖3-33電荷放大器

電荷放大器（圖3-33，fC為反饋電容）采納了閉環(huán)負(fù)反饋技術(shù)來(lái)增大放電時(shí)光常數(shù)，使系統(tǒng)能夠?qū)Φ皖l甚至靜態(tài)參數(shù)舉行不失真測(cè)試。按照電路關(guān)系，有

foCKCtKqte)1()

()(++-=（3-42）

因?yàn)檫\(yùn)算放大器的開(kāi)環(huán)增益K很大（可達(dá)5410~10），所以CCKf>>+)1(，KK≈+1，故)()()(tfCD

Ctqtef

fo-=-

≈（3-43）電荷放大器的輸出正比于傳感器上所產(chǎn)生的電荷，也即正比于作用在壓電傳感器上的力，與電

路參數(shù)基本無(wú)關(guān)。

壓電傳感器配接電荷放大器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)高頻、低頻乃至靜態(tài)參數(shù)的不失真測(cè)試，且輸出基本不受電纜電容變化的影響。

3.5磁電式傳感器

磁電式傳感器也稱為電動(dòng)力式傳感器或電磁感應(yīng)式傳感器，其工作利用的是電磁感應(yīng)原理。磁電式傳感器普通是將速度轉(zhuǎn)換成感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)輸出，屬于發(fā)電型傳感器。按照物理學(xué)中的法拉第電磁感應(yīng)定律，當(dāng)線圈在磁場(chǎng)中切割磁力線時(shí)，所感應(yīng)出的感生電動(dòng)勢(shì)

為

dt

dN

eΦ

-=（3-44）式中e——線圈上感應(yīng)出的電動(dòng)勢(shì)；N——線圈的匝數(shù)；Φ——穿過(guò)線圈的磁通。據(jù)此，可以制成動(dòng)圈式、動(dòng)鐵式和磁阻變化式三種磁電式傳感器。1.動(dòng)圈式

動(dòng)圈式磁電傳感器常用作速度計(jì)，有線速度型和角速度型兩種型式。■線速度型

θsinWBlve=（3-45）

式中e——感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)；W——線圈的匝數(shù)；B——磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度；l——單匝線圈的平均長(zhǎng)度；v——線圈相對(duì)于磁場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)速度（慣性速度）；θ——線圈運(yùn)動(dòng)方向與磁場(chǎng)方向的夾角。

圖3-34動(dòng)圈式磁電速度計(jì)

a)線速度型b)角速度型

■角速度型

ωkWBAe=（3-46）式中A為線圈的平均環(huán)抱面積，)1(<k為由線圈、磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)所打算的系數(shù)。2.動(dòng)鐵式

傳感器的殼體固定在被測(cè)速度的物體上，磁鐵的慣性速度在大小上等于運(yùn)動(dòng)物體的速度，因此傳感器的輸出與被測(cè)速度成正比。

圖3-35動(dòng)鐵式磁電速度計(jì)

3.磁阻變化式

圖3-36磁阻變化式磁電傳感器

a)頻數(shù)或齒數(shù)測(cè)量b)轉(zhuǎn)速測(cè)量c)偏心測(cè)量d)振動(dòng)測(cè)量

■本課小結(jié)

1.電容傳感器有極距變化型、面積變化型、介質(zhì)變化型三種，其中極距變化型主要用于位移的測(cè)量（精度最高可達(dá)0.1nm）；介質(zhì)變化型主要用于測(cè)量液位、濕度等參數(shù)。電容傳感器的測(cè)量電路主要是溝通電橋、運(yùn)算式電路等。

2.壓電傳感器是基于壓電材料的壓電效應(yīng)（主要是縱向壓電效應(yīng)）工作的，常用于振動(dòng)加速度、力的測(cè)量。按照狀況不同，壓電傳感器等效電路可以有四種表示辦法，敏捷度有電壓敏捷度和電荷敏捷度兩種表示辦法。通過(guò)壓電晶片的串、并聯(lián)可分離提高傳感器的電壓敏捷度、電荷敏捷度。壓電傳感器的測(cè)量電路主要有電壓放大器和電荷放大器兩種，前者主要適用于高頻信號(hào)的測(cè)量，后者則可用于低頻信號(hào)乃至靜態(tài)信號(hào)的測(cè)量。

3.磁電式傳感器是一種可輸出較大能量的發(fā)電型傳感器，因此普通不需特地的測(cè)量轉(zhuǎn)換電路，主要用于速度測(cè)量。

第3章常用傳感器

3.6霍爾式傳感器

霍爾式傳感器是一種磁電轉(zhuǎn)換元件，它利用某些半導(dǎo)體材料所具有的霍爾效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)某些參數(shù)的測(cè)量。

3.6.1霍爾效應(yīng)

將一金屬或半導(dǎo)體薄片置于磁場(chǎng)B中并在相對(duì)的兩個(gè)控制電極之間通入電流i時(shí)，因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)的電子在磁場(chǎng)中受到洛倫茲力的作用而在另兩個(gè)電極的位置產(chǎn)生電子積累，從而在這兩個(gè)電極上形成電動(dòng)勢(shì)HV，稱為霍爾電勢(shì)，上述現(xiàn)象就稱為霍爾效應(yīng)?；魻栯妱?shì)為

圖3-37霍爾效應(yīng)與霍爾元件

a)霍爾效應(yīng)b)霍爾元件結(jié)構(gòu)暗示圖c)符號(hào)d)封裝

αsin

iBkVHH=（3-47）式中HV——霍爾電勢(shì)；Hk——霍爾元件的敏捷度；B——磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度；i——控制電流；

α——控制電流方向與磁感應(yīng)強(qiáng)度方向的夾角。

轉(zhuǎn)變B、i、α中的任何一個(gè)參數(shù)都會(huì)使霍爾電勢(shì)發(fā)生變化。

3.6.2霍爾元件

霍爾傳感器的核心是霍爾元件。

霍爾元件常用的半導(dǎo)體材料是N型硅，其他還有銻化銦（1nSb）、砷化銦（1nas）、砷化鎵（GaAs）等。

霍爾元件的結(jié)構(gòu)暗示圖、霍爾元件的符號(hào)、霍爾元件的封裝形式。

3.6.3集成霍爾傳感器

1.線性集成霍爾傳感器

圖3-38線性集成霍爾感器

a)單端輸出b)差動(dòng)輸出

2.開(kāi)關(guān)型集成霍爾傳感器

圖3-39開(kāi)關(guān)型集成霍爾傳感器

3.6.4霍爾傳感器的應(yīng)用

■能轉(zhuǎn)換為磁感應(yīng)強(qiáng)度變化的參量的測(cè)量（如位移、轉(zhuǎn)速、加速度、壓力等）

■能轉(zhuǎn)換為電流變化的參量的測(cè)量

■用作乘法器（電功率測(cè)量中的電流與電壓的相乘等）

圖3-40霍爾傳感器的幾種應(yīng)用

a)線位移測(cè)量b)角位移測(cè)量c)信號(hào)相乘運(yùn)算d)零件計(jì)數(shù)e)轉(zhuǎn)速測(cè)量f)壓力測(cè)量

3.7熱電偶傳感器

3.7.1熱電偶的工作原理

熱電偶是基于熱電效應(yīng)工作的一種測(cè)溫傳感器，它是一個(gè)由兩種不同材料的導(dǎo)體組成的閉合回路。

熱電效應(yīng)：由兩種不同材料的導(dǎo)體A和B組成的閉合回路，當(dāng)兩個(gè)結(jié)點(diǎn)溫度不相同時(shí)，回路中將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)（稱為熱電動(dòng)勢(shì)）。

組成熱電偶的導(dǎo)體稱為熱電極，兩種導(dǎo)體的接觸點(diǎn)稱為結(jié)點(diǎn)——與被測(cè)溫度相接觸的一端稱為熱端或工作端（溫度為t），另一端稱為冷端或參比端（溫度為0t）。

圖3-41熱電偶的工作原理

熱電偶所產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)包括兩部分：溫差電動(dòng)勢(shì)和接觸電動(dòng)勢(shì)。

溫差電動(dòng)勢(shì)：因同一導(dǎo)體兩端溫度不同而產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)，如圖中的),(0ttEA和),(0ttEB。

接觸電動(dòng)勢(shì)：因?yàn)閮蓪?dǎo)體內(nèi)的電子密度不同、電子從密度大的導(dǎo)體蔓延到密度小的導(dǎo)體而在兩導(dǎo)體接觸點(diǎn)處產(chǎn)生的電勢(shì)，如圖中的)(tEAB和)(0tEAB。熱電偶所產(chǎn)生的總的熱電動(dòng)勢(shì)),(0ttEAB為

),(),()()(),(0000ttEttEtEtEttEBAABABAB+--=（3-48）當(dāng)熱電偶的材料等因素確定后，),(0ttEAB的大小只取決于熱端溫度t和冷端溫度0t，即)()(),(00tgtfttEAB-=（3-49）若使冷端溫度0t恒定，則Ctg=)(0為一常數(shù)，熱電偶輸出的總電動(dòng)勢(shì)就只是熱端（被測(cè)）溫度t的單一函數(shù)，即

CtfttEAB-=)(),(0（3-50）

3.7.2熱電偶基本定律

1.中間導(dǎo)體定律

若在熱電偶回路中插人中間導(dǎo)體C，只要中間導(dǎo)體C兩端溫度相同，則對(duì)熱電偶輸出的總熱電動(dòng)勢(shì)無(wú)影響。

圖3-42中間導(dǎo)體定律

2.中間溫度定律

熱電偶在兩結(jié)點(diǎn)溫度（t，0t）時(shí)的熱電動(dòng)勢(shì)等于該熱電偶在結(jié)點(diǎn)溫度為（t，nt）和（nt，0t）時(shí)的相應(yīng)熱電動(dòng)勢(shì)的代數(shù)和。

),(),(),(00ttEttEttEnABnABAB+=（3-51）

3.參考電極定律

若熱電極A、B與參考電極C組成的熱電偶在結(jié)點(diǎn)溫度為（t，0t）時(shí)的熱電動(dòng)勢(shì)分離為),(0ttEAC、),(0ttEBC，則A、B配對(duì)組成的熱電偶在（t，0t）時(shí)的熱電動(dòng)勢(shì)),(0ttEAB為

),(),(),(000ttEttEttEBCACAB=（3-52）

3.7.3常用熱電偶

（參見(jiàn)教材p53表3-1）

3.8半導(dǎo)體敏感元件

3.8.1光敏元件

光敏元件是將光量轉(zhuǎn)換成電量的一種半導(dǎo)體器件，其轉(zhuǎn)換原理是基于半導(dǎo)體材料的光電效應(yīng)。■內(nèi)光電效應(yīng)（光導(dǎo)效應(yīng)）：在光芒作用下，半導(dǎo)體材料的電阻率發(fā)生變化。

■外光電效應(yīng)：光照耀在某些半導(dǎo)體材料上時(shí)，其表面上的電子脫離材料的表面進(jìn)入外界空間，從而轉(zhuǎn)變了材料的導(dǎo)電性能。

■光生伏特效應(yīng)：某些半導(dǎo)體材料會(huì)因光的照耀而產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。1.光敏電阻

圖3-43光敏電阻

光敏電阻在無(wú)光照時(shí)的阻值普通在ΩΩM100~M1之間，有光照時(shí)最小可達(dá)幾ΩK以下。光敏電阻阻值的變化與照耀光的波長(zhǎng)有關(guān)，普通要按照照耀光波長(zhǎng)挑選不同的光敏電阻。光敏電阻的響應(yīng)時(shí)光在10-2~10-3s數(shù)量級(jí)，其頻率響應(yīng)范圍較寬，但敏捷度隨照耀光信號(hào)頻率的增強(qiáng)而下降。2.光電池

圖3-44光電池

光電池產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)較大。使用最廣的光電池是硅光電池，其光譜范圍為0.4~1.1μm；敏捷度為2nAmm8~6-；響應(yīng)時(shí)光為數(shù)微秒至數(shù)十微秒；頻率特性也是全部光電池中最好的。3.光敏管

光敏管有光敏二極管和光敏三極管兩種，主要工作特性與一般晶體管相像。

圖3-45光敏管

a)光敏二極管b)光敏三極管

4.位置敏感元件PSD

位置敏感元件PSD也稱為坐標(biāo)光電池，它可以把照耀到其感光面上的光點(diǎn)位置的變化轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的輸出電流或電壓的變化。PSD有一維PSD和二維PSD兩種。

圖3-46一維PSD的原理結(jié)構(gòu)

因?yàn)?/p>

01)2

1(21IxLI-=

（3-53）02)2

1(21IxLI+=（3-54）

故

LIIIIx1

21221+-?=

（3-55）光點(diǎn)位置坐標(biāo)x僅與1I、2I的比值有關(guān)，與入射光點(diǎn)的強(qiáng)度無(wú)關(guān)。

3.8.2熱敏元件

熱敏元件普通指的是熱敏電阻。，圖3-47為熱敏電阻的結(jié)構(gòu)暗示圖和電路符號(hào)。

圖3-47熱敏電阻

熱敏電阻在溫度為T(mén)時(shí)的電阻值TR為

)11(00

eTTbTRR-=（3-56）式中0R為熱敏電阻在溫度0T時(shí)的電阻值，b為由半導(dǎo)體材料打算的常數(shù)。熱敏電阻的電阻溫度系數(shù)α定義為

2T

b

RdTdRTT

-==α（3-57）熱敏電阻的特點(diǎn)：●敏捷度高；

●熱慣性小，響應(yīng)速度快，時(shí)光常數(shù)?。弧裨旧淼碾娮栎^大，有利于遠(yuǎn)距離測(cè)量；●穩(wěn)定性好；

●非線性誤差大，對(duì)環(huán)境溫度敏感。

3.8.3磁敏元件

磁敏元件可以將磁場(chǎng)的變化轉(zhuǎn)換為電量或電參數(shù)的變化，它們的工作原理基于磁電轉(zhuǎn)換的霍爾效應(yīng)和磁阻效應(yīng)。

磁敏元件主要有霍爾元件、磁敏電阻和磁敏管。1.磁敏電阻

磁敏電阻是基于磁阻效應(yīng)工作的。

磁阻效應(yīng)：當(dāng)一載流導(dǎo)體置于外磁場(chǎng)中時(shí)，其電阻將隨磁場(chǎng)的變化而變化。磁敏電阻可用來(lái)測(cè)量磁場(chǎng)（磁感應(yīng)強(qiáng)度）、位移、角度、電流、功率等參數(shù)。2.磁敏管

磁敏管有磁敏二極管和磁敏三極管兩種。

圖3-48磁敏二極管的結(jié)構(gòu)

磁敏管可用來(lái)測(cè)量交、直流磁場(chǎng)，且特殊適合于測(cè)量弱磁場(chǎng)；可用來(lái)對(duì)高壓線的電流舉行不斷線、非接觸測(cè)量；可用作無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)、無(wú)觸點(diǎn)電位計(jì)、計(jì)數(shù)裝置、臨近開(kāi)關(guān)等。

3.8.4