第4章 電壓型傳感器

本章的教學內(nèi)容

（1）磁電式傳感器（2）熱電偶傳感器（3）霍爾傳感器第4章電壓型傳感器4.1磁電式傳感器磁電式傳感器又稱為感應(yīng)式傳感器或電動式傳感器，它利用電磁感應(yīng)原理將運動速度轉(zhuǎn)換成感應(yīng)電動勢輸出的傳感器。4.1.1基本原理和組成線圈所產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢為

磁電式傳感器基本上由以下三部分組成：（1）磁路系統(tǒng)；（2）線圈；（3）運動機構(gòu)

4.1.2結(jié)構(gòu)類型磁電式傳感器有變磁通型和恒定磁通型兩種結(jié)構(gòu)類型。

1.

變磁通型

圖4-1-1

變磁通式結(jié)構(gòu)2.恒定磁通型該類型包括動鐵式和動圈式兩種。

圖4-1-2

恒磁通式結(jié)構(gòu)

例4.1-1已知恒磁通磁電式速度傳感器的氣隙磁感應(yīng)強度為1T，單匝線圈長度為4mm，線圈總匝數(shù)1500匝，求電壓靈敏度。4.1.3接口電路

圖4-1-3

磁電式傳感器接口電路方框圖圖4-1-1

變磁通式結(jié)構(gòu)圖3－3-1單一式自感傳感器4.2壓電式傳感器壓電式傳感器是以具有壓電效應(yīng)的壓電元件作為轉(zhuǎn)換元件的有源傳感器，它能測量力和可變換為力的物理量（壓力，加速度等），是應(yīng)用較多的一種傳感器。

4.2.1壓電效應(yīng)及其表達式1壓電效應(yīng)某些電介質(zhì)，當沿著一定方向?qū)ζ涫┝Χ顾冃螘r，內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在它的兩個相對的表面上便產(chǎn)生符號相反的電荷；當外力去掉后，又重新恢復不帶電的狀態(tài)；當作用力的方向改變時，電荷的極性也隨著改變；這種現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)（壓電效應(yīng)）。

2壓電效應(yīng)方程

圖4-2-1

壓電元件的力、電分布單一應(yīng)力作用下的壓電效應(yīng)有以下四種類型：

全壓電效應(yīng)，可表示為矩陣形式為圖4-2-2

壓電效應(yīng)的幾種類型3力-電荷轉(zhuǎn)換公式電荷密度為方向所受應(yīng)力為將上兩式代入可得對于縱向壓電效應(yīng)，因，故有圖4-2-3b所示的電荷量應(yīng)為圖4-2-3c所示的電荷量應(yīng)為石英晶體，故有由上幾式可知，壓電效應(yīng)產(chǎn)生的電荷Q與壓電元件受力F成正比，即圖4-2-3

石英晶片上電荷極性與受力方向的關(guān)系4.2.2壓電材料具有壓電效應(yīng)的電介質(zhì)稱為壓電材料?？煞譃槿悾海?）壓電晶體（單晶），它包括壓電石英晶體和其它壓電單晶。（2）壓電陶瓷（多晶半導瓷）。（3）新型壓電材料，有壓電半導體和有機高分子壓電材料兩種。國內(nèi)常用的是石英晶體和壓電陶瓷1.石英晶體

4-2-4

石英晶體圖4-2-5

石英晶體的壓電效應(yīng)由上式可知，石英晶體不是在任何方向上都存在壓電效應(yīng)，如下圖所示。2.壓電陶瓷壓電陶瓷是一種經(jīng)極化處理后的人工多晶鐵電體?！岸嗑А敝赣蔁o數(shù)細微的單晶組成；“鐵電體”指它具有類似鐵磁材料磁疇的“電疇”結(jié)構(gòu)。

圖4-2-6

壓電陶瓷的極化以鈦酸鋇壓電陶瓷為例，由實驗測試所得的壓電常數(shù)矩陣為

式中，

由上式可見，鈦酸鋇壓電陶瓷也不是在任何方向上都有壓電效應(yīng)，下圖所示圖4－2－7壓電陶瓷的壓電效應(yīng)式中，稱為體積壓縮壓電常數(shù)4.2.3壓電元件

1壓電元件的基本變形方式

圖4-2-2

壓電效應(yīng)的幾種類型圖4-2-8

雙晶片懸臂梁式壓電元件這種傳感器可用做加速度傳感器和測量粗糙度的輪廓儀的測頭.2壓電元件的等效電路

壓電元件的兩電極間的石英晶體或壓電陶瓷為絕緣體，因此就構(gòu)成一個電容器，其電容量為

圖4-2-9

壓電元件的等效電路圖4-2-10

壓電元件的串并聯(lián)3壓電元件的串并聯(lián)4.2.4

接口電路圖4-2-9

壓電元件的等效電路壓電式傳感器的輸出可以是電壓，也可以是電荷，因此，它的接口電路也有電壓放大器和電荷放大器兩種形式。1

壓電傳感器的等效電路圖4-2-11

壓電傳感器等效電路圖4-2-12

電壓放大器電路2

電壓放大器圖中電壓放大器輸入電壓為式中電壓放大器增益為輸出電壓為輸出電壓與輸入電荷之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系為上式可見，電壓放大器輸出電壓與輸入電荷之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系具有一階高通濾波特性，其轉(zhuǎn)換靈敏度為將代入上式得由下式可見:圖4-2-13

電荷放大器3電荷放大器有電荷放大器輸出電壓與輸入電荷之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系為式中上式可見，電荷放大器輸出電壓與輸入電荷之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系具有一階高通濾波特性，其轉(zhuǎn)換靈敏度為可見電荷放大器輸出電壓U0與壓電傳感器所受力之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系也具有一階高通濾波特性，其轉(zhuǎn)換靈敏度為將代入得下式中，w都不能為零,所以不論采用電壓放大還是電荷放大，壓電式傳感器都不能測量頻率太低的被測量，特別是不能測量靜態(tài)參數(shù)，因此壓電傳感器多用來測量加速度和動態(tài)力或壓力.式靈敏度取決于CF電荷放大器的時間常數(shù)RFCF例4.2-14.3

熱電偶傳感器基于熱電效應(yīng)原理工作的傳感器稱為熱電偶傳感器，它是目前接觸式測溫中應(yīng)用最廣的熱電式傳感器.圖4-3-1

熱電效應(yīng)示意圖4.3.1

熱電效應(yīng)1

熱電動勢的產(chǎn)生熱電偶產(chǎn)生的熱電動勢與兩個電極的材料及兩個接點的溫度有關(guān)，通常寫成EAB(T,T0)。熱電偶產(chǎn)生的熱電動勢由單一導體的溫差電動勢和兩種導體的接觸電動勢組成。1)單一導體的溫差電動勢根據(jù)物理學的推導,當導體A兩端的溫度分別為T,T0時,溫差電動勢可表示為導體B的溫差電動勢為2)兩種導體的接觸電動勢根據(jù)物理學的推導,接觸電動勢的表達式為同理，在接觸面（點）的溫度為T0時的接觸電動勢為3)熱電偶回路的總熱電動勢

由上幾式可得2熱電偶的基本定律1）中間導體定律圖4-3-2

熱電偶回路接入第三導體對于圖4-3-2a的電路，采用“巡游一周法”，回路總熱電動勢由式（4-3-1）和式（4-3-3）可知可得上式與對比可得對于圖4-3-2b的電路，采用“巡游一周法”，回路總熱電動勢由式可知故有圖4-3-3

開路熱電偶的使用2）中間溫度定律如取，代入上式可得有3）標準電極定律4.3.2

熱電偶的材料、型號及結(jié)構(gòu)1熱電偶的材料對熱電偶電極材料有以下要求：(1)物理化學性能穩(wěn)定(2)導電率高(3)變化率大(4)工藝簡單2熱電偶的型號按照工業(yè)標準化的要求，可分為標準化熱電偶和非標準化熱電偶合。3熱電偶的結(jié)構(gòu)1）普通熱電偶圖4-3-5

普通熱電偶結(jié)構(gòu)示意圖2）鎧裝熱電偶（纜式熱電偶）3）薄膜熱電偶4.3.3冷端恒溫式熱電偶測溫電路1測溫原理和方法圖4-3-6

各種熱電偶的熱電勢與溫度關(guān)系曲(T0=0℃)利用熱電偶測溫度方法有查表法和直讀法。2熱電偶冷端的恒溫和延伸為了使熱電偶的熱電動勢與被測溫度如的單值函數(shù)關(guān)系，需要使熱電偶冷端的溫度保持恒定或進行其它處理。1）冷端的恒溫方式冰浴法2）冷端的延伸注意以下幾點：（1）補償導線與熱電偶的兩個接點的溫度必須相同。（2）滿足（3）補償導線與熱電偶的同性電極相接。

1）查分度表法查表法：直接法測溫：3冷端溫度恒定但T=0OC的處理方法

2）查修正系數(shù)法應(yīng)按下式計算出真實溫度T儀表刻度是按照如下關(guān)系標定的：此時的T’不是真實的T.3）儀表機械零點調(diào)整法例4.3-1

4.3.4冷端補償式熱電偶測溫電路1冷端自動補償?shù)脑韴D4-3-9冷端自動補償?shù)恼`差2冷端補償器電路1）熱電阻電橋2）熱電偶冷端補償集成放大器圖4-3-11AD594/AD595引腳和內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖

4.4光電式傳感器光電式傳感器是以光電器件作為轉(zhuǎn)換元件的傳感器。它可用于檢測直接引起光量變化的非電量，也可用于檢測能轉(zhuǎn)換成光量變化的其它非電量。4.4.1光電效應(yīng)光電效應(yīng)可分為外光電效應(yīng)、光導效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)，相對應(yīng)的光電器件包括光電發(fā)射型光電器件，光導型光電器件和光伏型光電器件（光電池）三種類型。1.外光電效應(yīng)根據(jù)能量守恒定律有外光電效應(yīng)（光電發(fā)射）光電子光電材料紅線頻率，其表達式為基于外光電效應(yīng)原理工作的光電器件有光電管和光電倍增管。2內(nèi)光電效應(yīng)圖4-4-1

電子能級示意圖光導效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)基于光導效應(yīng)原理工作的半導體器件有光敏電阻，光電二極管和光電晶體管。3光生伏特效應(yīng)光生伏特效應(yīng)1.光電管圖4-4-2

光電管基本電路4.4.2光電管和光電倍增管

圖4-4-3光電管的基本特性2.光電倍增管圖5-4-2光電倍增管的結(jié)構(gòu)及電路

圖4-4-5光電倍增管的基本特性4.4.3光敏電阻1.光敏電阻的原理和結(jié)構(gòu)圖4-4-6

光敏電阻基本電路圖5.4.5光敏電阻的結(jié)構(gòu)光敏電阻的結(jié)構(gòu)圖4-4-8光敏電阻的基本特性

圖4-4-9溫度對光敏電阻性能的影響3.光敏電阻與負載的匹配圖4-4-6光敏電阻基本電路

4.4.4光電池圖4-4-10光電池的結(jié)構(gòu)

圖4-4-11光電池的工作原理

圖4-4-12光電池的符號、基本電路及等效電路圖4-4-13光電池的基本特性2.

光電池的基本特性圖4-4-14光電池的光照特性和伏安特性3.

光電池的負載選擇圖4-4-15光電池兩種放大電路4.

光電池的接口電路圖4-4-16光電池采用硅晶體管放大的電路圖4-4-17光電池用于開關(guān)控制電路

4.4.5光電式傳感器的基本組成和類型圖4-4-18

光電傳感器的基本組成1)光源2）光學通路3）光電器件4）測量電路1光電式傳感器的基本組成1)透射式

2光電式傳感器的基本類型圖5-4-16透射式光電傳感器2)反射式

圖5-4-17反射式光電傳感器3)輻射式

圖5-4-18輻射式光電傳感器4)遮擋式

圖5-4-19遮擋式光電傳感器5)開關(guān)式

它就是“通”與“斷”的開關(guān)狀態(tài)，有三種用途：（1）開關(guān)，如光繼電器（2）計數(shù)，將光脈沖轉(zhuǎn)換為電脈沖進行產(chǎn)品計數(shù)或是測量轉(zhuǎn)速等（3）編碼，利用不同的碼反映不同的參數(shù)例4.4-14.5霍爾傳感器半導體薄片置于磁場中，當有電流流過時，在垂直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生電動勢。4.5.1霍爾效應(yīng)圖5-5-1霍爾效應(yīng)原理圖當電荷處于平衡，即霍爾電壓與霍爾電場強度的關(guān)系為綜合假設(shè)激勵電流I分布均勻，則有和兩式，得將和兩式合并整理，得對N型半導體有對P型半導體有令霍爾傳感器由元件，加于激勵電極兩端的激勵電源，與霍爾電極輸出端相連的測量電路，產(chǎn)生某種具有磁場特性的裝置。代入得4.5.2霍爾傳感器的組成與基本特性1.霍爾元件圖5-5-2霍爾元件的結(jié)構(gòu)和符號圖4-5-3

霍爾電壓的基本測量電路2.電路部分圖4-5-4

霍爾元件的輸出電路圖4-5-5

霍爾元件輸出疊加連接方式圖4－5－6霍爾式位移傳感器原理示意圖3.磁路部分4.基本特性霍爾傳感器的靈敏度和線性度等基本特性主要取決于它的磁路系統(tǒng)和霍爾元件的特性；另據(jù)可知，提高磁場的磁感應(yīng)強度和增大激勵電流I，也可獲得較大的霍爾電壓。例4.5-14.5.3霍爾傳感器的應(yīng)用由霍爾電壓表達式，霍爾傳感器的應(yīng)用可分為以下三方面：利用UH與I的關(guān)系；利用UH與B的關(guān)系；利用UH與IB的關(guān)系.1.利用UH與I的關(guān)系利用霍爾電壓UH與控制電流I成很好的線性關(guān)系，可直接用于電流的測量。利用UH-B關(guān)系可測壓力、加速度、磁場強度等；利用該原理可做霍爾式羅盤、方位傳感器等。2.利用UH與B的關(guān)系圖4-5-7

霍爾式鉗形電流表霍爾鉗形電流表既可測量直流，也可測量交流。3.