【大學(xué)課件】常用的傳感器

本章學(xué)習(xí)要求：1.了解傳感器的分類2.掌握常用傳感器工作原理原理3.了解傳感器的選用原則第三章常用的傳感器物理量電量本章學(xué)習(xí)要求：1.了解傳感器的分類第三章常用的傳13.7壓電式傳感器

壓電式傳感器是以具有壓電效應(yīng)的壓電器件為核心組成的傳感器，已被廣泛應(yīng)用于超聲，通信，宇航，雷達(dá)和引爆等領(lǐng)域。壓電式傳感器是一種可逆型換能器，既可以將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，又可以將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。壓電式傳感器是以某些電介質(zhì)的壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)，在外力作用下，在電介質(zhì)的表面上產(chǎn)生電荷，從而實(shí)現(xiàn)非電量測(cè)量。壓電傳感元件是力敏感元件，所以它能測(cè)量最終能變換為與力相關(guān)的物理量，例如力、壓力、加速度等。壓電式傳感器具有響應(yīng)頻帶寬、靈敏度高、信噪比大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、重量輕等優(yōu)點(diǎn)。近年來，由于電子技術(shù)的飛速發(fā)展，隨著與之配套的二次儀表以及低噪聲、小電容、高絕緣電阻電纜的出現(xiàn)，使壓電傳感器的使用更為方便。因此，在工程力學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、石油勘探、聲波測(cè)井、電聲學(xué)等許多技術(shù)領(lǐng)域中獲得了廣泛的應(yīng)用。

3.7壓電式傳感器壓電式傳感器是以具有壓電效應(yīng)的壓電器件23.7.1壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng)（順壓電效應(yīng)）：某些電介質(zhì)，當(dāng)沿著一定方向?qū)ζ涫┝Χ顾冃螘r(shí)，內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在它的一定表面上產(chǎn)生電荷，當(dāng)外力去掉后，又重新恢復(fù)不帶電狀態(tài)的現(xiàn)象。當(dāng)作用力方向改變時(shí)，電荷極性也隨著改變。逆壓電效應(yīng)（電致伸縮效應(yīng)）：當(dāng)在電介質(zhì)的極化方向施加電場(chǎng)，這些電介質(zhì)就在一定方向上產(chǎn)生機(jī)械變形或機(jī)械壓力，當(dāng)外加電場(chǎng)撤去時(shí)，這些變形或應(yīng)力也隨之消失的現(xiàn)象。電能機(jī)械能正壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)

某些物質(zhì)，如石英，受到外力作用時(shí)，不僅幾何尺寸會(huì)發(fā)生變化，而且內(nèi)部會(huì)被極化，表面產(chǎn)生電荷；當(dāng)外力去掉時(shí)，又重新回到原來的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。具有壓電效應(yīng)的材料稱之為壓電材料，石英是一種常用的壓電材料。3.7.1壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng)（順壓電效應(yīng)）：某些電介質(zhì)，當(dāng)3（一）石英晶體的壓電效應(yīng)石英晶體俗稱水晶，有天然和人工之分天然結(jié)構(gòu)石英晶體的理想外形是一個(gè)正六面體，在晶體學(xué)中它可用三根互相垂直的軸來表示，其中縱向軸Z－Z稱為光軸；經(jīng)過正六面體棱線，并垂直于光軸的X－X軸稱為電軸；與X－X軸和Z－Z軸同時(shí)垂直的Y－Y軸（垂直于正六面體的棱面）稱為機(jī)械軸。ZXY(a)(b)石英晶體(a)理想石英晶體的外形(b)坐標(biāo)系ZYX通常把沿電軸X－X方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為“縱向壓電效應(yīng)”，而把沿機(jī)械軸Y－Y方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為“橫向壓電效應(yīng)”，沿光軸Z－Z方向受力則不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。（一）石英晶體的壓電效應(yīng)ZXY(a)(b)石英晶體ZYX4實(shí)驗(yàn)證明：壓電體表面集聚的電荷與作用力成正比。若沿單一晶軸x－x方向加力F，則在垂直于x－x方向的壓電體表面上積聚的電荷量為：FXFX++++－－－－－－－－++++(a)(b)XX如果在同一晶片上作用力是沿著機(jī)械軸的方向，其電荷仍在與X軸垂直平面上出現(xiàn)，其極性見圖（c）、（d），此時(shí)電荷的大小為++++++++－－－－－－－－(c)(d)FYFYXX實(shí)驗(yàn)證明：壓電體表面集聚的電荷與作用力成正比。若沿單一晶軸x53.7.2壓電材料壓電材料的主要特征參數(shù)：1，壓電常數(shù)2，彈性常數(shù)3，介電常數(shù)4，機(jī)電耦合系數(shù)5，電阻6，居里點(diǎn)迄今出現(xiàn)的壓電材料壓電晶體（單晶）壓電陶瓷（多晶半導(dǎo)體）新型壓電材料（有機(jī)壓電薄膜）石英比較常用，其主要性能特點(diǎn)：1.壓電常數(shù)小，時(shí)間和溫度穩(wěn)定；2.機(jī)械強(qiáng)度和品質(zhì)因素高，剛度大，固有頻率高，動(dòng)態(tài)性好；3.居里點(diǎn)573攝氏度，無熱釋電性，絕緣性和重復(fù)性佳．3.7.2壓電材料壓電材料的主要特征參數(shù)：壓電晶體（6壓電陶瓷特點(diǎn)：壓電常數(shù)大，靈敏度高；制造工藝成熟；成型工藝性好，成本低廉；熱電釋性。鈦酸鋇是使用最早的壓電陶瓷。壓電半導(dǎo)體硫化鋅，碲化鎘，氧化鋅，硫化鎘等有機(jī)高分子壓電材料某些合成高分子聚合物，經(jīng)延展拉伸和電極化后具有壓電性高分子壓電薄膜。高分子化合物中參雜壓電陶瓷PZT或鈦酸鋇粉末制成的高分子壓電薄膜高分子壓電薄膜的壓電特性并不太好，但其可以大量生產(chǎn)，且具有面積大、柔軟不易破碎等優(yōu)點(diǎn)。壓電陶瓷特點(diǎn)：壓電常數(shù)大，靈敏度高；制造工藝成熟；成型工藝性73.7.3壓電式傳感器及其等效電路在壓電晶片的兩個(gè)工作面上進(jìn)行金屬蒸鍍，形成金屬膜，構(gòu)成兩個(gè)電極。當(dāng)壓電傳感器中的壓電晶體承受被測(cè)機(jī)械應(yīng)力的作用時(shí)，在它的兩個(gè)極面上出現(xiàn)極性相反但電量相等的電荷，形成了電場(chǎng)。

壓電器件從功能上講，是一個(gè)電荷發(fā)生器壓電器件從性質(zhì)上講，是一個(gè)有源電容器

+串聯(lián)+并聯(lián)F+q=DF3.7.3壓電式傳感器及其等效電路在壓電晶8根據(jù)電荷平衡建立的方程為：忽略過渡過程，其穩(wěn)態(tài)解：電容上的電壓值：表明壓電元件的電壓輸出還受回路的時(shí)間常數(shù)R0C的影響。根據(jù)電荷平衡建立的方程為：忽略過渡過程，其穩(wěn)態(tài)解：電容上的電9壓電式傳感器的前置放大器有兩個(gè)作用：把壓電式傳感器的高輸出阻變換成低阻抗輸出；放大壓電式傳感器輸出的弱信號(hào)。前置放大器形式：電壓放大器其輸出電壓與輸入電壓（傳感器的輸出電壓）成正比；電荷放大器其輸出電壓與輸入電荷成正比。3.7.4壓電式傳感器及其等效電路

壓電式傳感器輸出電信號(hào)很微弱，通常應(yīng)把傳感器信號(hào)先輸入到高輸入阻抗的前置放大器中，經(jīng)過阻抗變換后，方可輸入到后續(xù)顯示儀表中。

壓電式傳感器的前置放大器有兩個(gè)作用：3.7.4壓電式傳感器10如果用導(dǎo)線將壓電傳感器和測(cè)量?jī)x器連接時(shí),則應(yīng)考慮連線的等效電容,前置放大器的輸入電阻、輸入電容。CaRaCcRiCiq壓電傳感器的完整等效電路Ca傳感器的固有電容Ci前置放大器輸入電容Cc連線電容Ra傳感器的漏電阻Ri前置放大器輸入電阻可見，壓電傳感器的絕緣電阻Ra與前置放大器的輸入電阻Ri相并聯(lián)。為保證傳感器和測(cè)試系統(tǒng)有一定的低頻或準(zhǔn)靜態(tài)響應(yīng)，要求壓電傳感器絕緣電阻應(yīng)保待在1013Ω以上，才能使內(nèi)部電荷泄漏減少到滿足一般測(cè)試精度的要求。與上相適應(yīng)，測(cè)試系統(tǒng)則應(yīng)有較大的時(shí)間常數(shù)，亦即前置放大器要有相當(dāng)高的輸入阻抗，否則傳感器的信號(hào)電荷將通過輸入電路泄漏，即產(chǎn)生測(cè)量誤差。

如果用導(dǎo)線將壓電傳感器和測(cè)量?jī)x器連接時(shí),則應(yīng)考慮連線的等效電11電壓放大器電荷放大器－A－ACaCaRaRiCiCcCRUiUSCUSCUa(a)(b)Ua電荷放大器是一個(gè)具有深度負(fù)反饋的高增益放大器，其基本電路如圖。若放大器的開環(huán)增益A0足夠大，并且放大器的輸入阻抗很高，則放大器輸入端幾乎沒有分流，運(yùn)算電流僅流入反饋回路CF與RF。由圖可知i的表達(dá)式為：

－A0CaU∑USC電荷放大器原理電路圖iRaqCFRF電壓放大器電荷放大器－A－ACaCaRaRiCiCcCRUi12前置放大器的主要作用有兩點(diǎn)：（1）將傳感器的高阻抗輸出變?yōu)榈妥杩馆敵?；?）放大傳感器輸出的微弱信號(hào)。前置放大器有兩種形式：（1）電阻反饋的電壓放大器，其輸出電壓與輸入電壓成正比。（2）帶電容反饋的電荷放大器，輸出電壓與輸入電荷成正比。前置放大器的主要作用有兩點(diǎn)：133.7.5壓電式傳感器的應(yīng)用（一）壓電式加速度傳感器（二）壓電式壓力傳感器（三）壓電式流量計(jì)（四）集成壓電式傳感器（五）壓電式傳感器在自來水管道測(cè)漏中的應(yīng)用3.7.5壓電式傳感器的應(yīng)用（一）壓電式加速度傳感器14當(dāng)傳感器感受振動(dòng)時(shí)，因?yàn)橘|(zhì)量塊相對(duì)被測(cè)體質(zhì)量較小，因此質(zhì)量塊感受與傳感器基座相同的振動(dòng)，并受到與加速度方向相反的慣性力，此力F＝ma。同時(shí)慣性力作用在壓電陶瓷片上產(chǎn)生電荷為

運(yùn)動(dòng)方向21345縱向效應(yīng)型加速度傳感器的截面圖（一）

壓電式加速度傳感器其結(jié)構(gòu)一般有縱向效應(yīng)型、橫向效應(yīng)型和剪切效應(yīng)型三種?？v向效應(yīng)是最常見的,如圖。壓電陶瓷4和質(zhì)量塊2為環(huán)型，通過螺母3對(duì)質(zhì)量塊預(yù)先加載，使之壓緊在壓電陶瓷上。測(cè)量時(shí)將傳感器基座5與被測(cè)對(duì)象牢牢地緊固在一起。輸出信號(hào)由電極1引出。q＝d33F＝d33ma當(dāng)傳感器感受振動(dòng)時(shí)，因?yàn)橘|(zhì)量塊相對(duì)被測(cè)體質(zhì)量較小，因15此式表明電荷量直接反映加速度大小。其靈敏度與壓電材料壓電系數(shù)和質(zhì)量塊質(zhì)量有關(guān)。為了提高傳感器靈敏度，一般選擇壓電系數(shù)大的壓電陶瓷片。若增加質(zhì)量塊質(zhì)量會(huì)影響被測(cè)振動(dòng)，同時(shí)會(huì)降低振動(dòng)系統(tǒng)的固有頻率，因此一般不用增加質(zhì)量辦法來提高傳感器靈敏度。此外用增加壓電片數(shù)目和采用合理的連接方法也可提高傳感器靈敏度。

此式表明電荷量直接反映加速度大小。其靈敏度與壓電材料壓電系數(shù)16（二）

壓電式壓力傳感器根據(jù)使用要求不同，壓電式測(cè)壓傳感器有各種不同的結(jié)構(gòu)形式。但它們的基本原理相同。壓電式測(cè)壓傳感器的原理簡(jiǎn)圖。它由引線1、殼體2、基座3、壓電晶片4、受壓膜片5及導(dǎo)電片6組成。當(dāng)膜片5受到壓力P作用后，則在壓電晶片上產(chǎn)生電荷。在一個(gè)壓電片上所產(chǎn)生的電荷q為F——作用于壓電片上的力；d11——壓電系數(shù)；P——壓強(qiáng)，；S——膜片的有效面積。123456p壓電式測(cè)壓傳感器原理圖（二）

壓電式壓力傳感器F——作用于壓電片上的力；123417測(cè)壓傳感器的輸入量為壓力P，如果傳感器只由一個(gè)壓電晶片組成，則根據(jù)靈敏度的定義有：因?yàn)椋噪妷红`敏度也可表示為

U0——壓電片輸出電壓；C0——壓電片等效電容電壓靈敏度電荷靈敏度電荷靈敏度測(cè)壓傳感器的輸入量為壓力P，如果傳感器只由18（三）

壓電式流量計(jì)利用超聲波在順流方向和逆流方向的傳播速度進(jìn)行測(cè)量。其測(cè)量裝置是在管外設(shè)置兩個(gè)相隔一定距離的收發(fā)兩用壓電超聲換能器，每隔一段時(shí)間(如1/100s)，發(fā)射和接收互換一次。在順流和逆流的情況下，發(fā)射和接收的相位差與流速成正比。據(jù)這個(gè)關(guān)系，可精確測(cè)定流速。流速與管道橫截面積的乘積等于流量。

流量顯示1789輸出信號(hào)換能器換能器接收接收發(fā)射發(fā)射壓電式流量計(jì)此流量計(jì)可測(cè)量各種液體的流速，中壓和低壓氣體的流速，不受該流體的導(dǎo)電率、粘度、密度、腐蝕性以及成分的影響。其準(zhǔn)確度可達(dá)0.5%，有的可達(dá)到0.01%。根據(jù)發(fā)射和接收的相位差隨海洋深度深度的變化，測(cè)量聲速隨深度的分布情況（三）

壓電式流量計(jì)流量顯示1789輸出信號(hào)換能器換能器接19（四）集成壓電式傳感器是一種高性能、低成本動(dòng)態(tài)微壓傳感器，產(chǎn)品采用壓電薄膜作為換能材料，動(dòng)態(tài)壓力信號(hào)通過薄膜變成電荷量，再經(jīng)傳感器內(nèi)部放大電路轉(zhuǎn)換成電壓輸出。該傳感器具有靈敏度高，抗過載及沖擊能力強(qiáng)，抗干擾性好，操作簡(jiǎn)便，體積小、重量輕、成本低等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、工業(yè)控制、交通、安全防衛(wèi)等領(lǐng)域。脈搏計(jì)照片

典型應(yīng)用：·脈搏計(jì)數(shù)探測(cè)·按鍵鍵盤，觸摸鍵盤·振動(dòng)、沖擊、碰撞報(bào)警·振動(dòng)加速度測(cè)量·管道壓力波動(dòng)·其它機(jī)電轉(zhuǎn)換、動(dòng)態(tài)力檢測(cè)等

（四）集成壓電式傳感器脈搏計(jì)照片

典型應(yīng)用20（五）壓電式傳感器在自來水管道測(cè)漏中的應(yīng)用如果地面下有一條均勻的直管道某處O點(diǎn)為漏點(diǎn)，振動(dòng)聲音從O點(diǎn)向管道兩端傳播，傳播速度為V，在管道上A、B兩點(diǎn)放兩只傳感器，A、B距離為L(zhǎng)（已知或可測(cè)），從A、B兩個(gè)傳感器接收的由O點(diǎn)傳來的t0時(shí)刻發(fā)出的振動(dòng)信號(hào)所用時(shí)間為tA（=LA/V）和tB（=LB/V），兩者時(shí)間差為Δt=tA-tB=（LA-LB）/V（1）又L=LA+LB（2）LABO點(diǎn)LALB地面1、檢測(cè)原理（五）壓電式傳感器在自來水管道測(cè)漏中的應(yīng)用如果地面下有一條均21因?yàn)楣艿缆裨O(shè)在地下，看不到O點(diǎn)，也不知道LA和LB的長(zhǎng)度，已知的是L和V，如果能設(shè)法求出Δt，則聯(lián)立（1）+（2）得：

LA=(L+ΔtV)/2（3）或者將（1）-（2）得：LB=（L-ΔtV）/2（4）

關(guān)鍵是確定Δt，就可準(zhǔn)確確定漏點(diǎn)O。如果從O點(diǎn)出發(fā)的是一極短暫的脈沖，在A、B兩點(diǎn)用雙線掃描同時(shí)開始記錄，在示波器上兩脈沖到達(dá)的時(shí)間差就是Δt。實(shí)際的困難在于漏水聲是連續(xù)不斷發(fā)出的，在A、B兩傳感器測(cè)得的是一片連續(xù)不斷，幅度雜亂變化的噪聲。相關(guān)檢漏儀的功能就是要將這兩路表面雜亂無章的信號(hào)找出規(guī)律來，把它們“對(duì)齊”，對(duì)齊移動(dòng)所需要的時(shí)間就是Δt。因?yàn)楣艿缆裨O(shè)在地下，看不到O點(diǎn)，也不知道LA和LB的長(zhǎng)度，已22能把磁場(chǎng)變化轉(zhuǎn)換成電量輸出的器件稱為磁敏傳感器。兩種類型：1.半導(dǎo)體磁敏器件霍爾器件、磁敏電阻器件、磁敏二極管、磁敏三極管和磁敏集成電路等。2.強(qiáng)磁性的磁敏器件

金屬磁阻器件、韋根德磁敏器件等。半導(dǎo)體磁敏器件具有體積小、靈敏度高、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，在近代測(cè)試技術(shù)中獲得了廣泛應(yīng)用。3.8磁敏傳感器

能把磁場(chǎng)變化轉(zhuǎn)換成電量輸出的器件稱為3.8磁敏傳感器23半導(dǎo)體傳感器

半導(dǎo)體材料的重要特性：對(duì)光、熱、力、磁、氣體、濕度等理化量的敏感性。半導(dǎo)體傳感器是一些物性型傳感器優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕；功耗低、安全可靠、壽命長(zhǎng)；對(duì)被測(cè)量敏感、相應(yīng)快；易于實(shí)現(xiàn)集成化。缺點(diǎn)是：輸出特性一般是非線性的，常采用線性化電路；受溫度影響大，需要采用溫度補(bǔ)償措施；性能參數(shù)分散性較大。半導(dǎo)體傳感器半導(dǎo)體材料的重要特性：對(duì)光、熱、力、磁、氣體、24一、霍爾器件半導(dǎo)體材料的霍爾效應(yīng)

金屬或半導(dǎo)體薄片置于磁場(chǎng)中，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)生電動(dòng)勢(shì)，這種物理現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。

霍爾元件一般由鍺（Ge）、銻化銦（InSb）、砷化銦（InAs）等半導(dǎo)體材料制成。用左手定則判斷洛倫茲力方向的方法：將左手掌攤平，讓磁力線穿過手掌心，四指表示電荷運(yùn)動(dòng)方向，則和四指垂直的大拇指所指方向即為洛侖茲力的方向。但須注意，運(yùn)動(dòng)電荷是正的，大拇指的指向即為洛侖茲力的方向。反之，如果運(yùn)動(dòng)電荷是負(fù)的，那么大拇指的指向?yàn)槁鍋銎澚Φ姆捶较蚵鍌惼澚?。一、霍爾器件半?dǎo)體材料的霍爾效應(yīng)金屬或半導(dǎo)體薄片置于25霍爾元件由霍爾片、四根引線和殼體組成，如圖示。

霍爾元件由霍爾片、四根引線和殼體組成，如圖示。26設(shè)霍爾片的長(zhǎng)度為l，寬度為w，厚度為d。又設(shè)電子以均勻的速度v運(yùn)動(dòng)，則在垂直方向施加的磁感應(yīng)強(qiáng)度B的作用下，它受到洛侖茲力q—電子電量(1.62×10-19C)；v—電于運(yùn)動(dòng)速度。同時(shí)，作用于電子的電場(chǎng)力

當(dāng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)霍爾元件的工作原理設(shè)霍爾片的長(zhǎng)度為l，寬度為w，厚度為d。又設(shè)電子以27霍耳電勢(shì)VH與I、B的乘積成正比，而與d成反比。于是可改寫成：電流密度j=nqvn—N型半導(dǎo)體中的電子濃度N型半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體—霍耳系數(shù)，由載流材料物理性質(zhì)決定。ρ—材料電阻率p—P型半導(dǎo)體中的孔穴濃度μ—載流子遷移率,μ=v/E,即單位電場(chǎng)強(qiáng)度作用下載流子的平均速度。金屬材料，電子μ很高但ρ很小，絕緣材料，ρ很高但μ很小。故為獲得較強(qiáng)霍爾效應(yīng)，霍爾片全部采用半導(dǎo)體材料制成?；舳妱?shì)VH與I、B的乘積成正比，而與d成反比。于是可改寫28設(shè)KH=RH/d

KH—霍耳器件的乘積靈敏度。它與載流材料的物理性質(zhì)和幾何尺寸有關(guān)，表示在單位磁感應(yīng)強(qiáng)度和單位控制電流時(shí)霍耳電勢(shì)的大小。若磁感應(yīng)強(qiáng)度B的方向與霍爾器件的平面法線夾角為θ時(shí)，霍耳電勢(shì)應(yīng)為：VH＝KH

IB

VH＝KHIBcosθ

注意：當(dāng)控制電流的方向或磁場(chǎng)方向改變時(shí)，輸出霍爾電勢(shì)的方向也改變。但當(dāng)磁場(chǎng)與電流同時(shí)改變方向時(shí)，霍耳電勢(shì)并不改變方向。設(shè)KH=RH/dKH—霍耳器件的乘積靈敏度。它與載29霍爾元件位移測(cè)量的實(shí)例以微小位移測(cè)量為基礎(chǔ)，霍爾元件還可以應(yīng)用于微壓、壓差、高度、加速度和振動(dòng)的測(cè)量?；魻栐灰茰y(cè)量的實(shí)例以微小位移測(cè)量為基礎(chǔ)，霍爾元件還可以應(yīng)30測(cè)轉(zhuǎn)角：測(cè)轉(zhuǎn)角：31電流傳感器

當(dāng)電流流過導(dǎo)線時(shí)，將在導(dǎo)線周圍產(chǎn)生磁場(chǎng)，磁場(chǎng)大小與流過導(dǎo)線的電流大小成正比，這一磁場(chǎng)可以通過軟磁材料來聚集，然后用霍爾器件進(jìn)行檢測(cè)。

電流傳感器

32鐵磁材料裂紋檢測(cè)

NS鐵磁材料裂紋檢測(cè)NS33葉片和齒輪位置傳感器應(yīng)用葉片和齒輪位置傳感器應(yīng)用34案例：汽車速度測(cè)量:案例：汽車速度測(cè)量:35二、磁阻元件磁阻元件是利用半導(dǎo)體材料的磁阻效應(yīng)來工作的。是一種電阻隨磁場(chǎng)變化而變化的磁敏元件，也稱MR元件。若給通以電流的金屬或半導(dǎo)體材料的薄片加以與電流垂直或平行的外磁場(chǎng)，則其電阻值就增加。稱此種現(xiàn)象為磁致電阻變化效應(yīng)，簡(jiǎn)稱為磁阻效應(yīng)。在磁場(chǎng)中，電流的流動(dòng)路徑會(huì)因磁場(chǎng)的作用而加長(zhǎng)，使得材料的電阻率增加。若某種金屬或半導(dǎo)體材料的兩種載流子(電子和空穴)的遷移率十分懸殊，主要由遷移率較大的一種載流子引起電阻率變化,它可表示為：Ｂ——為磁感應(yīng)強(qiáng)度；ρ——材料在磁感應(yīng)強(qiáng)度為Ｂ時(shí)的電阻率；ρ0——材料在磁感應(yīng)強(qiáng)度為0時(shí)的電阻率；μ——載流子的遷移率。二、磁阻元件磁阻元件是利用半導(dǎo)體材料的磁阻效應(yīng)36當(dāng)材料中僅存在一種載流子時(shí)磁阻效應(yīng)幾乎可以忽略，此時(shí)霍耳效應(yīng)更為強(qiáng)烈。若在電子和空穴都存在的材料（如InSb）中，則磁阻效應(yīng)很強(qiáng)。磁阻效應(yīng)還與樣品的形狀、尺寸密切相關(guān)。這種與樣品形狀、尺寸有關(guān)的磁阻效應(yīng)稱為磁阻效應(yīng)的幾何磁阻效應(yīng)。長(zhǎng)方形磁阻器件只有在L(長(zhǎng)度)<W（寬度）的條件下，才表現(xiàn)出較高的靈敏度。把L<W的扁平器件串聯(lián)起來，就會(huì)零磁場(chǎng)電阻值較大、靈敏度較高的磁阻器件。磁敏電阻的應(yīng)用磁阻元件可用于位移、力、加速度等參數(shù)的測(cè)量。磁敏電阻可以用來作為電流傳感器、磁敏接近開關(guān)、角速度/角位移傳感器、磁場(chǎng)傳感器等。可用于開關(guān)電源、UPS、變頻器、伺服馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器、家庭網(wǎng)絡(luò)智能化管理、電度表、電子儀器儀表、工業(yè)自動(dòng)化、智能機(jī)器人、電梯、智能住宅、機(jī)床、工業(yè)設(shè)備、斷路器、防爆電機(jī)保護(hù)器、家用電器、電子產(chǎn)品、電力自動(dòng)化、醫(yī)療設(shè)備、機(jī)床、遠(yuǎn)程抄表、儀器、自動(dòng)測(cè)量、地磁場(chǎng)的測(cè)量、探礦等。當(dāng)材料中僅存在一種載流子時(shí)磁阻效應(yīng)幾乎可以忽略37三、磁敏管

磁敏二極管、三極管是繼霍耳元件和磁敏電阻之后迅速發(fā)展起來的新型磁電轉(zhuǎn)換元件。它們具有磁靈敏度高（磁靈敏度比霍耳元件高數(shù)百甚至數(shù)千倍）；能識(shí)別磁場(chǎng)的極性（方向）；體積小、電路簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，因而正日益得到重視；并在檢測(cè)、控制等方面得到普遍應(yīng)用。但是磁敏管有較大的噪聲、漂移和溫度系數(shù)。它們很適合檢測(cè)微弱磁場(chǎng)的變化，可應(yīng)用于磁力探傷和借助磁場(chǎng)觸發(fā)的無觸點(diǎn)開關(guān)，也用于非接觸轉(zhuǎn)速、位移測(cè)量。三、磁敏管磁敏二極管、三極管是繼霍耳元件和磁敏電阻之383.8.2光敏傳感器光敏傳感器是一種光電導(dǎo)元件，其工作原理是利用半導(dǎo)體材料的光電效應(yīng)。光敏傳感器主要有光敏電阻、光敏管和光電池等。（1）光敏電阻當(dāng)光照射在物體上，使物體的電阻率ρ發(fā)生變化，或產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象叫做內(nèi)光電效應(yīng)，它多發(fā)生于半導(dǎo)體內(nèi)。根據(jù)工作原理的不同，內(nèi)光電效應(yīng)分為光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)兩類。

在光線作用，電子吸收光子能量從鍵合狀態(tài)過渡到自由狀態(tài)，而引起材料電導(dǎo)率的變化，這種現(xiàn)象被稱為光電導(dǎo)效應(yīng)?；谶@種效應(yīng)的光電器件有光敏電阻。光敏電阻是一種光電導(dǎo)元件，其工作原理是基于半導(dǎo)體材料的內(nèi)光電效應(yīng)。3.8.2光敏傳感器光敏傳感器是一種光電導(dǎo)元件，其工作原理39【大學(xué)課件】常用的傳感器40過程：當(dāng)光照射到半導(dǎo)體材料上時(shí)，價(jià)帶中的電子受到能量大于或等于禁帶寬度的光子轟擊，并使其由價(jià)帶越過禁帶躍入導(dǎo)帶，如圖，使材料中導(dǎo)帶內(nèi)的電子和價(jià)帶內(nèi)的空穴濃度增加，從而使電導(dǎo)率變大。導(dǎo)帶價(jià)帶禁帶自由電子所占能帶不存在電子所占能帶價(jià)電子所占能帶Eg光敏電阻受溫度的影響甚大。當(dāng)溫度升高時(shí)，它的暗電阻值、靈敏度都下降；同時(shí)其光譜特性也受到很大影響。過程：當(dāng)光照射到半導(dǎo)體材料上時(shí)，價(jià)帶中的電子受到能量大于或等413.傳感器原理

照相機(jī)自動(dòng)測(cè)光光控?zé)艄I(yè)控制3.傳感器原理照相機(jī)自動(dòng)測(cè)光42（2）光電池半導(dǎo)體光電池直接將光能轉(zhuǎn)換成電能；受光照時(shí)，可以直接輸出電勢(shì)，實(shí)質(zhì)上是一個(gè)電源。光電池是基于光生伏特效應(yīng)的光電器件。光生伏特效應(yīng)是光照引起PN結(jié)兩端產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的效應(yīng)。當(dāng)PN結(jié)兩端沒有外加電場(chǎng)時(shí)，在PN結(jié)勢(shì)壘區(qū)內(nèi)仍然存在著內(nèi)建結(jié)電場(chǎng)，其方向是從N區(qū)指向P區(qū)，如圖所示。當(dāng)光照射到結(jié)區(qū)時(shí)，光照產(chǎn)生的電子—空穴對(duì)在結(jié)電場(chǎng)作用下，電子推向N區(qū)，空穴推向P區(qū)；電子在N區(qū)積累和空穴在P區(qū)積累使PN結(jié)兩邊的電位發(fā)生變化，PN結(jié)兩端出現(xiàn)一個(gè)因光照而產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)，這一現(xiàn)象稱為光生伏特效應(yīng)由于它可以像電池那樣為外電路提供能量，因此常稱為光電池。-----+++++PN+-（2）光電池半導(dǎo)體光電池直接將光能轉(zhuǎn)換成電能；43光電池與外電路的連接方式有兩種：一種是把PN結(jié)的兩端通過外導(dǎo)線短接，形成流過外電路的電流，這電流稱為光電池的輸出短路電流()，其大小與光強(qiáng)成正比；另一種是開路電壓輸出，開路電壓與光照度之間呈非線性關(guān)系；光照度大于10001x時(shí)呈現(xiàn)飽和特性。因此使用時(shí)應(yīng)根據(jù)需要選用工作狀態(tài)。PNV+-PNmA+-光電池與外電路的連接方式有兩種：一種是把PN結(jié)的兩端通過外導(dǎo)44光敏二極管PN結(jié)可以光電導(dǎo)效應(yīng)工作，也可以光生伏特效應(yīng)工作。如圖，處于反向偏置的PN結(jié)，在無光照時(shí)具有高阻特性，反向暗電流很小。當(dāng)光照時(shí)，結(jié)區(qū)產(chǎn)生電子—空穴對(duì)，在結(jié)電場(chǎng)作用下，電子向N區(qū)運(yùn)動(dòng)，空穴向P區(qū)運(yùn)動(dòng)，形成光電流，方向與反向電流一致。光的照度愈大，光電流愈大。由于無光照時(shí)的反偏電流很小，一般為納安數(shù)量級(jí)，因此光照時(shí)的反向電流基本上與光強(qiáng)成正比。-----++++++-PN（3）光敏二極管和光敏三極管光敏二極管PN結(jié)可以光電導(dǎo)效應(yīng)工作，也可以45光敏三極管它可以看成是一個(gè)bc結(jié)為光敏二極管的三極管。其原理和等效電路見圖。在光照作用下，光敏二極管將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)，該電流信號(hào)被晶體三極管放大。顯然，在晶體管增益為夕時(shí)，光敏三極管的光電流要比相應(yīng)的光敏二極管大倍β。pNNcbebec光敏二極管和三極管使用應(yīng)注意光源與器件的相對(duì)位置。光敏三極管它可以看成是一個(gè)bc結(jié)為光敏二極管的三極管。其463.8.3固態(tài)圖像傳感器光固態(tài)圖象傳感器由光敏元件陣列和電荷轉(zhuǎn)移器件集合而成。它的核心是電荷轉(zhuǎn)移器件CTD(ChargeTransferDevice),最常用的是電荷耦合器件CCD(ChargeCoupledDevice)。CCD自1970年問世以后，由于它的低噪聲等特點(diǎn)，CCD圖象傳感器廣泛的被應(yīng)用在微光電視攝像、信息存儲(chǔ)和信息處理等方面。固態(tài)圖像傳感器實(shí)際上是電荷轉(zhuǎn)移器件與光敏陣列元件集為一體構(gòu)成的具有自掃描功能的攝像器件。它與傳統(tǒng)的電子束掃描真空攝像管相比，具有體積小、重量輕、使用電壓低(<20V)、可靠性高和不需要強(qiáng)光照明等優(yōu)點(diǎn)。因此，在軍用、工業(yè)控制和民用電器中均有廣泛使用。P型Si耗盡區(qū)電荷轉(zhuǎn)移方向Ф1Ф2Ф3輸出柵輸入柵輸入二極管輸出二極管SiO2CCD的MOS結(jié)構(gòu)3.8.3固態(tài)圖像傳感器光固態(tài)圖象傳感器由光47固體圖像傳感器具有小型、輕便、響應(yīng)快、靈敏度高、穩(wěn)定性好、壽命高和以光為媒介可以到達(dá)危險(xiǎn)地點(diǎn)等優(yōu)點(diǎn)。主要用途：（1）物位、尺寸、形狀工件探傷等測(cè)量。（2）作為光學(xué)信息處理的輸入環(huán)節(jié)。（3）自動(dòng)生產(chǎn)過程的控制敏感元件。固態(tài)圖像傳感器根據(jù)其光敏元排列方式分為線型、面型等。固體圖像傳感器具有小型、輕便、響應(yīng)快、靈敏度高、穩(wěn)定性好、壽483.8.4熱敏電阻3.8.5氣敏傳感器3.8.6濕敏傳感器3.8.6濕敏傳感器3.8.7集成傳感器3.9光纖傳感器

以下為自學(xué)內(nèi)容3.8.4熱敏電阻3.8.5氣敏傳感器3.8.6濕敏傳49

選擇傳感器主要考慮靈敏度、響應(yīng)特性、線性范圍、穩(wěn)定性、精確度、測(cè)量方式等六個(gè)方面的問題。1、靈敏度

一般說來，傳感器靈敏度越高越好，但，在確定靈敏度時(shí)，要考慮以下幾個(gè)問題。a)靈敏度過高引起的干擾問題；b)量程范圍。c)交叉靈敏度問題。3.10傳感器的選用原則

選擇傳感器主要考慮靈敏度、響應(yīng)特性、線性范圍502響應(yīng)特性

傳感器的響應(yīng)特性是指在所測(cè)頻率范圍內(nèi)，保持不失真的測(cè)量條件。實(shí)際上傳感器的響應(yīng)總不可避免地有一定延遲，但總希望延遲的時(shí)間越短越好。3線性范圍

任何傳感器都有一定線性工作范圍。在線性范圍內(nèi)輸出與輸入成比例關(guān)系，線性范圍愈寬，則表明傳感器的工作量程愈大。傳感器工作在線性區(qū)域內(nèi)，是保證測(cè)量精度的基本條件。第三章、傳感器測(cè)量原理2響應(yīng)特性傳感器的響應(yīng)特性是指在所測(cè)頻率范圍內(nèi)，514穩(wěn)定性

穩(wěn)定性是表示傳感器經(jīng)過長(zhǎng)期使用以后，其輸出特性不發(fā)生變化的性能。影響傳感器穩(wěn)定性的因素是時(shí)間與環(huán)境。5精確度

傳感器的精確度是表示傳感器的輸出與被測(cè)量的對(duì)應(yīng)程度。6測(cè)量方式

傳感器工作方式，也是選擇傳感器時(shí)應(yīng)考慮的重要因素。例如，接觸與非接觸測(cè)量、破壞與非破壞性測(cè)量、在線與非在線測(cè)量等。4穩(wěn)定性穩(wěn)定性是表示傳感器經(jīng)過長(zhǎng)期使用以52本章學(xué)習(xí)要求：1.了解傳感器的分類2.掌握常用傳感器工作原理原理3.了解傳感器的選用原則第三章常用的傳感器物理量電量本章學(xué)習(xí)要求：1.了解傳感器的分類第三章常用的傳533.7壓電式傳感器

壓電式傳感器是以具有壓電效應(yīng)的壓電器件為核心組成的傳感器，已被廣泛應(yīng)用于超聲，通信，宇航，雷達(dá)和引爆等領(lǐng)域。壓電式傳感器是一種可逆型換能器，既可以將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，又可以將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。壓電式傳感器是以某些電介質(zhì)的壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)，在外力作用下，在電介質(zhì)的表面上產(chǎn)生電荷，從而實(shí)現(xiàn)非電量測(cè)量。壓電傳感元件是力敏感元件，所以它能測(cè)量最終能變換為與力相關(guān)的物理量，例如力、壓力、加速度等。壓電式傳感器具有響應(yīng)頻帶寬、靈敏度高、信噪比大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、重量輕等優(yōu)點(diǎn)。近年來，由于電子技術(shù)的飛速發(fā)展，隨著與之配套的二次儀表以及低噪聲、小電容、高絕緣電阻電纜的出現(xiàn)，使壓電傳感器的使用更為方便。因此，在工程力學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、石油勘探、聲波測(cè)井、電聲學(xué)等許多技術(shù)領(lǐng)域中獲得了廣泛的應(yīng)用。

3.7壓電式傳感器壓電式傳感器是以具有壓電效應(yīng)的壓電器件543.7.1壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng)（順壓電效應(yīng)）：某些電介質(zhì)，當(dāng)沿著一定方向?qū)ζ涫┝Χ顾冃螘r(shí)，內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在它的一定表面上產(chǎn)生電荷，當(dāng)外力去掉后，又重新恢復(fù)不帶電狀態(tài)的現(xiàn)象。當(dāng)作用力方向改變時(shí)，電荷極性也隨著改變。逆壓電效應(yīng)（電致伸縮效應(yīng)）：當(dāng)在電介質(zhì)的極化方向施加電場(chǎng)，這些電介質(zhì)就在一定方向上產(chǎn)生機(jī)械變形或機(jī)械壓力，當(dāng)外加電場(chǎng)撤去時(shí)，這些變形或應(yīng)力也隨之消失的現(xiàn)象。電能機(jī)械能正壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)

某些物質(zhì)，如石英，受到外力作用時(shí)，不僅幾何尺寸會(huì)發(fā)生變化，而且內(nèi)部會(huì)被極化，表面產(chǎn)生電荷；當(dāng)外力去掉時(shí)，又重新回到原來的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。具有壓電效應(yīng)的材料稱之為壓電材料，石英是一種常用的壓電材料。3.7.1壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng)（順壓電效應(yīng)）：某些電介質(zhì)，當(dāng)55（一）石英晶體的壓電效應(yīng)石英晶體俗稱水晶，有天然和人工之分天然結(jié)構(gòu)石英晶體的理想外形是一個(gè)正六面體，在晶體學(xué)中它可用三根互相垂直的軸來表示，其中縱向軸Z－Z稱為光軸；經(jīng)過正六面體棱線，并垂直于光軸的X－X軸稱為電軸；與X－X軸和Z－Z軸同時(shí)垂直的Y－Y軸（垂直于正六面體的棱面）稱為機(jī)械軸。ZXY(a)(b)石英晶體(a)理想石英晶體的外形(b)坐標(biāo)系ZYX通常把沿電軸X－X方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為“縱向壓電效應(yīng)”，而把沿機(jī)械軸Y－Y方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為“橫向壓電效應(yīng)”，沿光軸Z－Z方向受力則不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。（一）石英晶體的壓電效應(yīng)ZXY(a)(b)石英晶體ZYX56實(shí)驗(yàn)證明：壓電體表面集聚的電荷與作用力成正比。若沿單一晶軸x－x方向加力F，則在垂直于x－x方向的壓電體表面上積聚的電荷量為：FXFX++++－－－－－－－－++++(a)(b)XX如果在同一晶片上作用力是沿著機(jī)械軸的方向，其電荷仍在與X軸垂直平面上出現(xiàn)，其極性見圖（c）、（d），此時(shí)電荷的大小為++++++++－－－－－－－－(c)(d)FYFYXX實(shí)驗(yàn)證明：壓電體表面集聚的電荷與作用力成正比。若沿單一晶軸x573.7.2壓電材料壓電材料的主要特征參數(shù)：1，壓電常數(shù)2，彈性常數(shù)3，介電常數(shù)4，機(jī)電耦合系數(shù)5，電阻6，居里點(diǎn)迄今出現(xiàn)的壓電材料壓電晶體（單晶）壓電陶瓷（多晶半導(dǎo)體）新型壓電材料（有機(jī)壓電薄膜）石英比較常用，其主要性能特點(diǎn)：1.壓電常數(shù)小，時(shí)間和溫度穩(wěn)定；2.機(jī)械強(qiáng)度和品質(zhì)因素高，剛度大，固有頻率高，動(dòng)態(tài)性好；3.居里點(diǎn)573攝氏度，無熱釋電性，絕緣性和重復(fù)性佳．3.7.2壓電材料壓電材料的主要特征參數(shù)：壓電晶體（58壓電陶瓷特點(diǎn)：壓電常數(shù)大，靈敏度高；制造工藝成熟；成型工藝性好，成本低廉；熱電釋性。鈦酸鋇是使用最早的壓電陶瓷。壓電半導(dǎo)體硫化鋅，碲化鎘，氧化鋅，硫化鎘等有機(jī)高分子壓電材料某些合成高分子聚合物，經(jīng)延展拉伸和電極化后具有壓電性高分子壓電薄膜。高分子化合物中參雜壓電陶瓷PZT或鈦酸鋇粉末制成的高分子壓電薄膜高分子壓電薄膜的壓電特性并不太好，但其可以大量生產(chǎn)，且具有面積大、柔軟不易破碎等優(yōu)點(diǎn)。壓電陶瓷特點(diǎn)：壓電常數(shù)大，靈敏度高；制造工藝成熟；成型工藝性593.7.3壓電式傳感器及其等效電路在壓電晶片的兩個(gè)工作面上進(jìn)行金屬蒸鍍，形成金屬膜，構(gòu)成兩個(gè)電極。當(dāng)壓電傳感器中的壓電晶體承受被測(cè)機(jī)械應(yīng)力的作用時(shí)，在它的兩個(gè)極面上出現(xiàn)極性相反但電量相等的電荷，形成了電場(chǎng)。

壓電器件從功能上講，是一個(gè)電荷發(fā)生器壓電器件從性質(zhì)上講，是一個(gè)有源電容器

+串聯(lián)+并聯(lián)F+q=DF3.7.3壓電式傳感器及其等效電路在壓電晶60根據(jù)電荷平衡建立的方程為：忽略過渡過程，其穩(wěn)態(tài)解：電容上的電壓值：表明壓電元件的電壓輸出還受回路的時(shí)間常數(shù)R0C的影響。根據(jù)電荷平衡建立的方程為：忽略過渡過程，其穩(wěn)態(tài)解：電容上的電61壓電式傳感器的前置放大器有兩個(gè)作用：把壓電式傳感器的高輸出阻變換成低阻抗輸出；放大壓電式傳感器輸出的弱信號(hào)。前置放大器形式：電壓放大器其輸出電壓與輸入電壓（傳感器的輸出電壓）成正比；電荷放大器其輸出電壓與輸入電荷成正比。3.7.4壓電式傳感器及其等效電路

壓電式傳感器輸出電信號(hào)很微弱，通常應(yīng)把傳感器信號(hào)先輸入到高輸入阻抗的前置放大器中，經(jīng)過阻抗變換后，方可輸入到后續(xù)顯示儀表中。

壓電式傳感器的前置放大器有兩個(gè)作用：3.7.4壓電式傳感器62如果用導(dǎo)線將壓電傳感器和測(cè)量?jī)x器連接時(shí),則應(yīng)考慮連線的等效電容,前置放大器的輸入電阻、輸入電容。CaRaCcRiCiq壓電傳感器的完整等效電路Ca傳感器的固有電容Ci前置放大器輸入電容Cc連線電容Ra傳感器的漏電阻Ri前置放大器輸入電阻可見，壓電傳感器的絕緣電阻Ra與前置放大器的輸入電阻Ri相并聯(lián)。為保證傳感器和測(cè)試系統(tǒng)有一定的低頻或準(zhǔn)靜態(tài)響應(yīng)，要求壓電傳感器絕緣電阻應(yīng)保待在1013Ω以上，才能使內(nèi)部電荷泄漏減少到滿足一般測(cè)試精度的要求。與上相適應(yīng)，測(cè)試系統(tǒng)則應(yīng)有較大的時(shí)間常數(shù)，亦即前置放大器要有相當(dāng)高的輸入阻抗，否則傳感器的信號(hào)電荷將通過輸入電路泄漏，即產(chǎn)生測(cè)量誤差。

如果用導(dǎo)線將壓電傳感器和測(cè)量?jī)x器連接時(shí),則應(yīng)考慮連線的等效電63電壓放大器電荷放大器－A－ACaCaRaRiCiCcCRUiUSCUSCUa(a)(b)Ua電荷放大器是一個(gè)具有深度負(fù)反饋的高增益放大器，其基本電路如圖。若放大器的開環(huán)增益A0足夠大，并且放大器的輸入阻抗很高，則放大器輸入端幾乎沒有分流，運(yùn)算電流僅流入反饋回路CF與RF。由圖可知i的表達(dá)式為：

－A0CaU∑USC電荷放大器原理電路圖iRaqCFRF電壓放大器電荷放大器－A－ACaCaRaRiCiCcCRUi64前置放大器的主要作用有兩點(diǎn)：（1）將傳感器的高阻抗輸出變?yōu)榈妥杩馆敵?；?）放大傳感器輸出的微弱信號(hào)。前置放大器有兩種形式：（1）電阻反饋的電壓放大器，其輸出電壓與輸入電壓成正比。（2）帶電容反饋的電荷放大器，輸出電壓與輸入電荷成正比。前置放大器的主要作用有兩點(diǎn)：653.7.5壓電式傳感器的應(yīng)用（一）壓電式加速度傳感器（二）壓電式壓力傳感器（三）壓電式流量計(jì)（四）集成壓電式傳感器（五）壓電式傳感器在自來水管道測(cè)漏中的應(yīng)用3.7.5壓電式傳感器的應(yīng)用（一）壓電式加速度傳感器66當(dāng)傳感器感受振動(dòng)時(shí)，因?yàn)橘|(zhì)量塊相對(duì)被測(cè)體質(zhì)量較小，因此質(zhì)量塊感受與傳感器基座相同的振動(dòng)，并受到與加速度方向相反的慣性力，此力F＝ma。同時(shí)慣性力作用在壓電陶瓷片上產(chǎn)生電荷為

運(yùn)動(dòng)方向21345縱向效應(yīng)型加速度傳感器的截面圖（一）

壓電式加速度傳感器其結(jié)構(gòu)一般有縱向效應(yīng)型、橫向效應(yīng)型和剪切效應(yīng)型三種。縱向效應(yīng)是最常見的,如圖。壓電陶瓷4和質(zhì)量塊2為環(huán)型，通過螺母3對(duì)質(zhì)量塊預(yù)先加載，使之壓緊在壓電陶瓷上。測(cè)量時(shí)將傳感器基座5與被測(cè)對(duì)象牢牢地緊固在一起。輸出信號(hào)由電極1引出。q＝d33F＝d33ma當(dāng)傳感器感受振動(dòng)時(shí)，因?yàn)橘|(zhì)量塊相對(duì)被測(cè)體質(zhì)量較小，因67此式表明電荷量直接反映加速度大小。其靈敏度與壓電材料壓電系數(shù)和質(zhì)量塊質(zhì)量有關(guān)。為了提高傳感器靈敏度，一般選擇壓電系數(shù)大的壓電陶瓷片。若增加質(zhì)量塊質(zhì)量會(huì)影響被測(cè)振動(dòng)，同時(shí)會(huì)降低振動(dòng)系統(tǒng)的固有頻率，因此一般不用增加質(zhì)量辦法來提高傳感器靈敏度。此外用增加壓電片數(shù)目和采用合理的連接方法也可提高傳感器靈敏度。

此式表明電荷量直接反映加速度大小。其靈敏度與壓電材料壓電系數(shù)68（二）

壓電式壓力傳感器根據(jù)使用要求不同，壓電式測(cè)壓傳感器有各種不同的結(jié)構(gòu)形式。但它們的基本原理相同。壓電式測(cè)壓傳感器的原理簡(jiǎn)圖。它由引線1、殼體2、基座3、壓電晶片4、受壓膜片5及導(dǎo)電片6組成。當(dāng)膜片5受到壓力P作用后，則在壓電晶片上產(chǎn)生電荷。在一個(gè)壓電片上所產(chǎn)生的電荷q為F——作用于壓電片上的力；d11——壓電系數(shù)；P——壓強(qiáng)，；S——膜片的有效面積。123456p壓電式測(cè)壓傳感器原理圖（二）

壓電式壓力傳感器F——作用于壓電片上的力；123469測(cè)壓傳感器的輸入量為壓力P，如果傳感器只由一個(gè)壓電晶片組成，則根據(jù)靈敏度的定義有：因?yàn)?，所以電壓靈敏度也可表示為

U0——壓電片輸出電壓；C0——壓電片等效電容電壓靈敏度電荷靈敏度電荷靈敏度測(cè)壓傳感器的輸入量為壓力P，如果傳感器只由70（三）

壓電式流量計(jì)利用超聲波在順流方向和逆流方向的傳播速度進(jìn)行測(cè)量。其測(cè)量裝置是在管外設(shè)置兩個(gè)相隔一定距離的收發(fā)兩用壓電超聲換能器，每隔一段時(shí)間(如1/100s)，發(fā)射和接收互換一次。在順流和逆流的情況下，發(fā)射和接收的相位差與流速成正比。據(jù)這個(gè)關(guān)系，可精確測(cè)定流速。流速與管道橫截面積的乘積等于流量。

流量顯示1789輸出信號(hào)換能器換能器接收接收發(fā)射發(fā)射壓電式流量計(jì)此流量計(jì)可測(cè)量各種液體的流速，中壓和低壓氣體的流速，不受該流體的導(dǎo)電率、粘度、密度、腐蝕性以及成分的影響。其準(zhǔn)確度可達(dá)0.5%，有的可達(dá)到0.01%。根據(jù)發(fā)射和接收的相位差隨海洋深度深度的變化，測(cè)量聲速隨深度的分布情況（三）

壓電式流量計(jì)流量顯示1789輸出信號(hào)換能器換能器接71（四）集成壓電式傳感器是一種高性能、低成本動(dòng)態(tài)微壓傳感器，產(chǎn)品采用壓電薄膜作為換能材料，動(dòng)態(tài)壓力信號(hào)通過薄膜變成電荷量，再經(jīng)傳感器內(nèi)部放大電路轉(zhuǎn)換成電壓輸出。該傳感器具有靈敏度高，抗過載及沖擊能力強(qiáng)，抗干擾性好，操作簡(jiǎn)便，體積小、重量輕、成本低等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、工業(yè)控制、交通、安全防衛(wèi)等領(lǐng)域。脈搏計(jì)照片

典型應(yīng)用：·脈搏計(jì)數(shù)探測(cè)·按鍵鍵盤，觸摸鍵盤·振動(dòng)、沖擊、碰撞報(bào)警·振動(dòng)加速度測(cè)量·管道壓力波動(dòng)·其它機(jī)電轉(zhuǎn)換、動(dòng)態(tài)力檢測(cè)等

（四）集成壓電式傳感器脈搏計(jì)照片

典型應(yīng)用72（五）壓電式傳感器在自來水管道測(cè)漏中的應(yīng)用如果地面下有一條均勻的直管道某處O點(diǎn)為漏點(diǎn)，振動(dòng)聲音從O點(diǎn)向管道兩端傳播，傳播速度為V，在管道上A、B兩點(diǎn)放兩只傳感器，A、B距離為L(zhǎng)（已知或可測(cè)），從A、B兩個(gè)傳感器接收的由O點(diǎn)傳來的t0時(shí)刻發(fā)出的振動(dòng)信號(hào)所用時(shí)間為tA（=LA/V）和tB（=LB/V），兩者時(shí)間差為Δt=tA-tB=（LA-LB）/V（1）又L=LA+LB（2）LABO點(diǎn)LALB地面1、檢測(cè)原理（五）壓電式傳感器在自來水管道測(cè)漏中的應(yīng)用如果地面下有一條均73因?yàn)楣艿缆裨O(shè)在地下，看不到O點(diǎn)，也不知道LA和LB的長(zhǎng)度，已知的是L和V，如果能設(shè)法求出Δt，則聯(lián)立（1）+（2）得：

LA=(L+ΔtV)/2（3）或者將（1）-（2）得：LB=（L-ΔtV）/2（4）

關(guān)鍵是確定Δt，就可準(zhǔn)確確定漏點(diǎn)O。如果從O點(diǎn)出發(fā)的是一極短暫的脈沖，在A、B兩點(diǎn)用雙線掃描同時(shí)開始記錄，在示波器上兩脈沖到達(dá)的時(shí)間差就是Δt。實(shí)際的困難在于漏水聲是連續(xù)不斷發(fā)出的，在A、B兩傳感器測(cè)得的是一片連續(xù)不斷，幅度雜亂變化的噪聲。相關(guān)檢漏儀的功能就是要將這兩路表面雜亂無章的信號(hào)找出規(guī)律來，把它們“對(duì)齊”，對(duì)齊移動(dòng)所需要的時(shí)間就是Δt。因?yàn)楣艿缆裨O(shè)在地下，看不到O點(diǎn)，也不知道LA和LB的長(zhǎng)度，已74能把磁場(chǎng)變化轉(zhuǎn)換成電量輸出的器件稱為磁敏傳感器。兩種類型：1.半導(dǎo)體磁敏器件霍爾器件、磁敏電阻器件、磁敏二極管、磁敏三極管和磁敏集成電路等。2.強(qiáng)磁性的磁敏器件

金屬磁阻器件、韋根德磁敏器件等。半導(dǎo)體磁敏器件具有體積小、靈敏度高、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，在近代測(cè)試技術(shù)中獲得了廣泛應(yīng)用。3.8磁敏傳感器

能把磁場(chǎng)變化轉(zhuǎn)換成電量輸出的器件稱為3.8磁敏傳感器75半導(dǎo)體傳感器

半導(dǎo)體材料的重要特性：對(duì)光、熱、力、磁、氣體、濕度等理化量的敏感性。半導(dǎo)體傳感器是一些物性型傳感器優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕；功耗低、安全可靠、壽命長(zhǎng)；對(duì)被測(cè)量敏感、相應(yīng)快；易于實(shí)現(xiàn)集成化。缺點(diǎn)是：輸出特性一般是非線性的，常采用線性化電路；受溫度影響大，需要采用溫度補(bǔ)償措施；性能參數(shù)分散性較大。半導(dǎo)體傳感器半導(dǎo)體材料的重要特性：對(duì)光、熱、力、磁、氣體、76一、霍爾器件半導(dǎo)體材料的霍爾效應(yīng)

金屬或半導(dǎo)體薄片置于磁場(chǎng)中，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)生電動(dòng)勢(shì)，這種物理現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。

霍爾元件一般由鍺（Ge）、銻化銦（InSb）、砷化銦（InAs）等半導(dǎo)體材料制成。用左手定則判斷洛倫茲力方向的方法：將左手掌攤平，讓磁力線穿過手掌心，四指表示電荷運(yùn)動(dòng)方向，則和四指垂直的大拇指所指方向即為洛侖茲力的方向。但須注意，運(yùn)動(dòng)電荷是正的，大拇指的指向即為洛侖茲力的方向。反之，如果運(yùn)動(dòng)電荷是負(fù)的，那么大拇指的指向?yàn)槁鍋銎澚Φ姆捶较蚵鍌惼澚ΑＲ?、霍爾器件半?dǎo)體材料的霍爾效應(yīng)金屬或半導(dǎo)體薄片置于77霍爾元件由霍爾片、四根引線和殼體組成，如圖示。

霍爾元件由霍爾片、四根引線和殼體組成，如圖示。78設(shè)霍爾片的長(zhǎng)度為l，寬度為w，厚度為d。又設(shè)電子以均勻的速度v運(yùn)動(dòng)，則在垂直方向施加的磁感應(yīng)強(qiáng)度B的作用下，它受到洛侖茲力q—電子電量(1.62×10-19C)；v—電于運(yùn)動(dòng)速度。同時(shí)，作用于電子的電場(chǎng)力

當(dāng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)霍爾元件的工作原理設(shè)霍爾片的長(zhǎng)度為l，寬度為w，厚度為d。又設(shè)電子以79霍耳電勢(shì)VH與I、B的乘積成正比，而與d成反比。于是可改寫成：電流密度j=nqvn—N型半導(dǎo)體中的電子濃度N型半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體—霍耳系數(shù)，由載流材料物理性質(zhì)決定。ρ—材料電阻率p—P型半導(dǎo)體中的孔穴濃度μ—載流子遷移率,μ=v/E,即單位電場(chǎng)強(qiáng)度作用下載流子的平均速度。金屬材料，電子μ很高但ρ很小，絕緣材料，ρ很高但μ很小。故為獲得較強(qiáng)霍爾效應(yīng)，霍爾片全部采用半導(dǎo)體材料制成。霍耳電勢(shì)VH與I、B的乘積成正比，而與d成反比。于是可改寫80設(shè)KH=RH/d

KH—霍耳器件的乘積靈敏度。它與載流材料的物理性質(zhì)和幾何尺寸有關(guān)，表示在單位磁感應(yīng)強(qiáng)度和單位控制電流時(shí)霍耳電勢(shì)的大小。若磁感應(yīng)強(qiáng)度B的方向與霍爾器件的平面法線夾角為θ時(shí)，霍耳電勢(shì)應(yīng)為：VH＝KH

IB

VH＝KHIBcosθ

注意：當(dāng)控制電流的方向或磁場(chǎng)方向改變時(shí)，輸出霍爾電勢(shì)的方向也改變。但當(dāng)磁場(chǎng)與電流同時(shí)改變方向時(shí)，霍耳電勢(shì)并不改變方向。設(shè)KH=RH/dKH—霍耳器件的乘積靈敏度。它與載81霍爾元件位移測(cè)量的實(shí)例以微小位移測(cè)量為基礎(chǔ)，霍爾元件還可以應(yīng)用于微壓、壓差、高度、加速度和振動(dòng)的測(cè)量?；魻栐灰茰y(cè)量的實(shí)例以微小位移測(cè)量為基礎(chǔ)，霍爾元件還可以應(yīng)82測(cè)轉(zhuǎn)角：測(cè)轉(zhuǎn)角：83電流傳感器

當(dāng)電流流過導(dǎo)線時(shí)，將在導(dǎo)線周圍產(chǎn)生磁場(chǎng)，磁場(chǎng)大小與流過導(dǎo)線的電流大小成正比，這一磁場(chǎng)可以通過軟磁材料來聚集，然后用霍爾器件進(jìn)行檢測(cè)。

電流傳感器

84鐵磁材料裂紋檢測(cè)

NS鐵磁材料裂紋檢測(cè)NS85葉片和齒輪位置傳感器應(yīng)用葉片和齒輪位置傳感器應(yīng)用86案例：汽車速度測(cè)量:案例：汽車速度測(cè)量:87二、磁阻元件磁阻元件是利用半導(dǎo)體材料的磁阻效應(yīng)來工作的。是一種電阻隨磁場(chǎng)變化而變化的磁敏元件，也稱MR元件。若給通以電流的金屬或半導(dǎo)體材料的薄片加以與電流垂直或平行的外磁場(chǎng)，則其電阻值就增加。稱此種現(xiàn)象為磁致電阻變化效應(yīng)，簡(jiǎn)稱為磁阻效應(yīng)。在磁場(chǎng)中，電流的流動(dòng)路徑會(huì)因磁場(chǎng)的作用而加長(zhǎng)，使得材料的電阻率增加。若某種金屬或半導(dǎo)體材料的兩種載流子(電子和空穴)的遷移率十分懸殊，主要由遷移率較大的一種載流子引起電阻率變化,它可表示為：Ｂ——為磁感應(yīng)強(qiáng)度；ρ——材料在磁感應(yīng)強(qiáng)度為Ｂ時(shí)的電阻率；ρ0——材料在磁感應(yīng)強(qiáng)度為0時(shí)的電阻率；μ——載流子的遷移率。二、磁阻元件磁阻元件是利用半導(dǎo)體材料的磁阻效應(yīng)88當(dāng)材料中僅存在一種載流子時(shí)磁阻效應(yīng)幾乎可以忽略，此時(shí)霍耳效應(yīng)更為強(qiáng)烈。若在電子和空穴都存在的材料（如InSb）中，則磁阻效應(yīng)很強(qiáng)。磁阻效應(yīng)還與樣品的形狀、尺寸密切相關(guān)。這種與樣品形狀、尺寸有關(guān)的磁阻效應(yīng)稱為磁阻效應(yīng)的幾何磁阻效應(yīng)。長(zhǎng)方形磁阻器件只有在L(長(zhǎng)度)<W（寬度）的條件下，才表現(xiàn)出較高的靈敏度。把L<W的扁平器件串聯(lián)起來，就會(huì)零磁場(chǎng)電阻值較大、靈敏度較高的磁阻器件。磁敏電阻的應(yīng)用磁阻元件可用于位移、力、加速度等參數(shù)的測(cè)量。磁敏電阻可以用來作為電流傳感器、磁敏接近開關(guān)、角速度/角位移傳感器、磁場(chǎng)傳感器等?？捎糜陂_關(guān)電源、UPS、變頻器、伺服馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器、家庭網(wǎng)絡(luò)智能化管理、電度表、電子儀器儀表、工業(yè)自動(dòng)化、智能機(jī)器人、電梯、智能住宅、機(jī)床、工業(yè)設(shè)備、斷路器、防爆電機(jī)保護(hù)器、家用電器、電子產(chǎn)品、電力自動(dòng)化、醫(yī)療設(shè)備、機(jī)床、遠(yuǎn)程抄表、儀器、自動(dòng)測(cè)量、地磁場(chǎng)的測(cè)量、探礦等。當(dāng)材料中僅存在一種載流子時(shí)磁阻效應(yīng)幾乎可以忽略89三、磁敏管

磁敏二極管、三極管是繼霍耳元件和磁敏電阻之后迅速發(fā)展起來的新型磁電轉(zhuǎn)換元件。它們具有磁靈敏度高（磁靈敏度比霍耳元件高數(shù)百甚至數(shù)千倍）；能識(shí)別磁場(chǎng)的極性（方向）；體積小、電路簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，因而正日益得到重視；并在檢測(cè)、控制等方面得到普遍應(yīng)用。但是磁敏管有較大的噪聲、漂移和溫度系數(shù)。它們很適合檢測(cè)微弱磁場(chǎng)的變化，可應(yīng)用于磁力探傷和借助磁場(chǎng)觸發(fā)的無觸點(diǎn)開關(guān)，也用于非接觸轉(zhuǎn)速、位移測(cè)量。三、磁敏管磁敏二極管、三極管是繼霍耳元件和磁敏電阻之903.8.2光敏傳感器光敏傳感器是一種光電導(dǎo)元件，其工作原理是利用半導(dǎo)體材料的光電效應(yīng)。光敏傳感器主要有光敏電阻、光敏管和光電池等。（1）光敏電阻當(dāng)光照射在物體上，使物體的電阻率ρ發(fā)生變化，或產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象叫做內(nèi)光電效應(yīng)，它多發(fā)生于半導(dǎo)體內(nèi)。根據(jù)工作原理的不同，內(nèi)光電效應(yīng)分為光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)兩類。

在光線作用，電子吸收光子能量從鍵合狀態(tài)過渡到自由狀態(tài)，而引起材料電導(dǎo)率的變化，這種現(xiàn)象被稱為光電導(dǎo)效應(yīng)。基于這種效應(yīng)的光電器件有光敏電阻。光敏電阻是一種光電導(dǎo)元件，其工作原理是基于半導(dǎo)體材料的內(nèi)光電效應(yīng)。3.8.2光敏傳感器光敏傳感器是一種光電導(dǎo)元件，其工作原理91【大學(xué)課件】常用的傳感器92過程：當(dāng)光照射到半導(dǎo)體材料上時(shí)，價(jià)帶中的電子受到能量大于或等于禁帶寬度的光子轟擊，并使其由價(jià)帶越過禁帶躍入導(dǎo)帶，如圖，使材料中導(dǎo)帶內(nèi)的電子和價(jià)帶內(nèi)的空穴濃度增加，從而使電導(dǎo)率變大。導(dǎo)帶價(jià)帶禁帶自由電子所占能帶不存在電子所占能帶價(jià)電子所占能帶Eg光敏電阻受溫度的影響甚大。當(dāng)溫度升高時(shí)，它的暗電阻值、靈敏度都下降；同時(shí)其光譜特性也受到很大影響。過程：當(dāng)光照射到半導(dǎo)體材料上時(shí)，價(jià)帶中的電子受到能量大于或等933.傳感器原理

照相機(jī)自動(dòng)測(cè)光