Measurement傳感器資料學(xué)習(xí)課程

1、2)2)按工作原理分類 機(jī)械式、電氣式、光學(xué)式、流體式等。 3)3)按信號(hào)構(gòu)成原理分類 a) a)物性型：依靠敏感元件本身的物理性質(zhì) 的變化實(shí)現(xiàn)信號(hào)變換。如水銀溫度計(jì)、壓電 式傳感器等。 b) b) 結(jié)構(gòu)型：依靠傳感器結(jié)構(gòu)參量的變化實(shí)現(xiàn) 信號(hào)轉(zhuǎn)換。如電容式、電感式傳感器等。 4) 4) 按能量變換關(guān)系分類 a) a) 能量轉(zhuǎn)換型( (無源型、 發(fā)電型或主動(dòng)傳感器) )： 直接由被測(cè)對(duì)象輸入能量使其工作。如熱電偶溫度計(jì)、彈性壓力計(jì)、壓電式傳感器等。能量轉(zhuǎn)換型傳感器存在負(fù)載效應(yīng)。第1頁/共124頁第一頁，編輯于星期六：七點(diǎn) 三十二分。b) 能量控制型( ( 有源型、能量調(diào)節(jié)型或被動(dòng)傳感 器) )

2、：由外部輔助能量使其工作，并由被測(cè)量 控制外部供給能量的變化。如電橋式電阻應(yīng)變 計(jì)等。能量控制型傳感器本身參數(shù)的改變（電 阻、電容、電感）不起換能作用。 注意：傳感器的換能元件可能不止一個(gè)（如電 容式壓力傳感器），甚至是一個(gè)小型裝置（如 力反饋式加速度計(jì)）。 5) 5) 按輸出信號(hào)分類 模擬式、數(shù)字式。 第2頁/共124頁第二頁，編輯于星期六：七點(diǎn) 三十二分。第4.24.2節(jié) 電阻式傳感器 概述: : 電阻式傳感器將被測(cè)量轉(zhuǎn)換成電阻變化量，再通 過中間變換電路將電阻變化變換為電壓或電流進(jìn) 行測(cè)量。 第3頁/共124頁第三頁，編輯于星期六：七點(diǎn) 三十二分。一. 電阻應(yīng)變式傳感器 1. 原理 導(dǎo)體

3、在外力作用下發(fā)生機(jī)械變形時(shí)，其電阻值隨所受機(jī)械變形（應(yīng)變）的變化而發(fā)生變化的現(xiàn)象，稱為導(dǎo)體的電阻應(yīng)變效應(yīng)。AlR設(shè)電阻應(yīng)變片的初始阻值為：變形時(shí)， 、l l、A A將同時(shí)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致R R改變。第4頁/共124頁第四頁，編輯于星期六：七點(diǎn) 三十二分。若 、l l、A A的變化量為d d 、dldl、dAdA，則：AdAdldlRdAARdRdllRdRAdAdldlRdR2rArdrdA2rdrdldlRdR2即：對(duì)半徑為r的金屬電阻絲有：，從而：2. 2. 金屬電阻應(yīng)變片第5頁/共124頁第五頁，編輯于星期六：七點(diǎn) 三十二分。ldl：電阻絲軸向相對(duì)變形，或稱縱向應(yīng)變。rdrldlrdr

4、dEd：電阻絲徑向相對(duì)變形，或稱橫向應(yīng)變。橫向應(yīng)變與縱向應(yīng)變間的關(guān)系為： 為泊松比。負(fù)號(hào)表示兩者變化相反。：電阻絲電阻率相對(duì)變化，與電阻絲軸 向所受正應(yīng)力 有關(guān)，E E為電阻絲材料的彈性模量； 為壓阻系數(shù)，與材質(zhì)有關(guān)。第6頁/共124頁第六頁，編輯于星期六：七點(diǎn) 三十二分。ERdR2121RdRconstant21/ldlRdRsg因此：即電阻相對(duì)變化與應(yīng)變成正比。比值sg稱為電阻應(yīng)變片的應(yīng)變系數(shù)或靈敏度。通常sg =1.73.6。由電阻絲幾何尺寸隨應(yīng)變改變所引起E電阻率隨應(yīng)變的改變引起.對(duì)金屬電阻絲，很小第7頁/共124頁第七頁，編輯于星期六：七點(diǎn) 三十二分。(1).(1).絲式應(yīng)變片 2.

5、2.金屬電阻應(yīng)變片分為絲式、箔式和膜式等。 lb(結(jié)構(gòu)圖)第8頁/共124頁第八頁，編輯于星期六：七點(diǎn) 三十二分?；鼐€式回線式. .橫向效應(yīng)較大橫向效應(yīng)較大短接式短接式. .兩端用直徑比柵線直徑大兩端用直徑比柵線直徑大 5 51010倍倍的鍍銀絲短接而成克服了橫向效應(yīng)的鍍銀絲短接而成克服了橫向效應(yīng). .第9頁/共124頁第九頁，編輯于星期六：七點(diǎn) 三十二分?？点~箔或鎳鉻箔經(jīng)光刻，康銅箔或鎳鉻箔經(jīng)光刻，腐蝕工藝制成的柵狀箔片。腐蝕工藝制成的柵狀箔片。目前使用的應(yīng)變片大多是目前使用的應(yīng)變片大多是金屬箔式應(yīng)變片。金屬箔式應(yīng)變片。 (2).(2).箔式應(yīng)變片第10頁/共124頁第十頁，編輯于星期六：七

6、點(diǎn) 三十二分。敏感柵尺寸準(zhǔn)確，敏感柵尺寸準(zhǔn)確，柵 長(zhǎng) 最 小 可 到柵 長(zhǎng) 最 小 可 到0.2mm 0.2mm ；第11頁/共124頁第十一頁，編輯于星期六：七點(diǎn) 三十二分。. .散熱好，允許電流散熱好，允許電流大；橫向效應(yīng)、蠕大；橫向效應(yīng)、蠕變和機(jī)械滯后小，變和機(jī)械滯后小，疲勞壽命長(zhǎng)疲勞壽命長(zhǎng) ；第12頁/共124頁第十二頁，編輯于星期六：七點(diǎn) 三十二分。柔性好（可貼于形柔性好（可貼于形狀復(fù)雜的表面），狀復(fù)雜的表面），傳遞試件應(yīng)變性能傳遞試件應(yīng)變性能好。好。第13頁/共124頁第十三頁，編輯于星期六：七點(diǎn) 三十二分。膜式應(yīng)變片采用真空蒸發(fā)或真空沉積等方法，在薄的絕緣基片上形成厚度在0.1m

7、m0.1mm以下的金屬電阻材料薄膜的敏感柵。(3).(3).膜式應(yīng)變片 它的優(yōu)點(diǎn)是應(yīng)變靈敏系數(shù)大，允許電流密度大，工作范圍廣，可達(dá)197197317317。第14頁/共124頁第十四頁，編輯于星期六：七點(diǎn) 三十二分。二二.變阻器式傳感器變阻器式傳感器 1.1.原理 變阻器式傳感器實(shí)際是精密線繞電位器，通過改變電位器觸頭位置將位移轉(zhuǎn)換為電阻變化。 其中， ：電阻率； l l ：導(dǎo)體長(zhǎng)度； A A：導(dǎo)體截面積。顯然，若導(dǎo)體材質(zhì)和截面積一定，其阻值隨導(dǎo)線長(zhǎng)度而線性變化。 AlR導(dǎo)體電阻公式：（）第15頁/共124頁第十五頁，編輯于星期六：七點(diǎn) 三十二分。（1 1）. . 直線位移型 如圖，當(dāng)改變觸點(diǎn)

8、 C的位置時(shí)，AC間 電阻值： xkRlkl：?jiǎn)挝婚L(zhǎng)度內(nèi)的電阻值。當(dāng)導(dǎo)線均勻分布時(shí)，輸出（電阻）與輸入（位移）成線性關(guān)系。 lkdxdRs傳感器靈敏度：（/m）xCxABCR2.2.變阻器式傳感器分為直線、角位移型及非線性型 第16頁/共124頁第十六頁，編輯于星期六：七點(diǎn) 三十二分。（2 2）. .角位移型 （/rad） kR kddRs ： 角位移；k ：?jiǎn)挝换《葘?duì)應(yīng) 的電阻值。傳感器靈敏度：第17頁/共124頁第十七頁，編輯于星期六：七點(diǎn) 三十二分。（3 3）. .非線性型 2kxR 第18頁/共124頁第十八頁，編輯于星期六：七點(diǎn) 三十二分。3.3.負(fù)載特性、負(fù)載誤差 (1) (1)

9、負(fù)載特性對(duì)于后接電阻分壓電路的變阻器式傳感器： u0 xpxRLuy線性電阻器的電阻分壓電路圖pxxr 令對(duì)直線位移型變阻器:0RRrx第19頁/共124頁第十九頁，編輯于星期六：七點(diǎn) 三十二分。0)1 (1urmrruyLRRm00ruuyo于是：其中：空載(R(RL L= =)時(shí)：由此可見，當(dāng)接入負(fù)載電阻R RL L后，輸出u uy y與r r不再保持線性關(guān)系。第20頁/共124頁第二十頁，編輯于星期六：七點(diǎn) 三十二分。(1)(1) 特點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定，使用方便，輸出信號(hào)大，受外界條件影響小。 缺點(diǎn)：因觸點(diǎn)與繞線間存在摩擦，動(dòng)態(tài)響應(yīng)較差。分辨力低，一般小于2020 m m。噪聲

10、大。 4.4.特點(diǎn)與應(yīng)用(2)(2) 應(yīng)用 主要應(yīng)用于線位移、角位移測(cè)量?；蜃鳛樗欧涗泝x或電子電位差計(jì)。 第21頁/共124頁第二十一頁，編輯于星期六：七點(diǎn) 三十二分。三. .半導(dǎo)體應(yīng)變片利用半導(dǎo)體單晶的壓阻效應(yīng)使阻值變化。壓阻效應(yīng)：?jiǎn)尉О雽?dǎo)體材料在沿某一軸向受到外力作用時(shí)，其電阻率 發(fā)生變化的現(xiàn)象。ERdR21E21ERdRERdRsg/單晶半導(dǎo)體在外力作用下的電阻變化量仍為：對(duì)半導(dǎo)體而言，電阻率變化引起的電阻變化，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于形變引起的電阻變化，從而：第22頁/共124頁第二十二頁，編輯于星期六：七點(diǎn) 三十二分。半導(dǎo)體應(yīng)變片可分為體型、薄膜型、擴(kuò)散型、P-NP-N結(jié)元件等。靈敏度比金屬絲應(yīng)變

11、片大 5070倍。第23頁/共124頁第二十三頁，編輯于星期六：七點(diǎn) 三十二分。1.1.半導(dǎo)體應(yīng)變片的優(yōu)點(diǎn)：a.a.靈敏度高b.b.機(jī)械滯后小、橫向效應(yīng)小、體積小、頻 響高c.c.易于集成化2.缺點(diǎn)：a.a.溫度穩(wěn)定性能差b.b.靈敏度分散度大c.c.較大應(yīng)力作用下，非線性誤差大d.d.機(jī)械強(qiáng)度低第24頁/共124頁第二十四頁，編輯于星期六：七點(diǎn) 三十二分。四. .電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用1. 1. 直接用來測(cè) 量結(jié)構(gòu)的應(yīng) 變或應(yīng)力 第25頁/共124頁第二十五頁，編輯于星期六：七點(diǎn) 三十二分。2.2.將應(yīng)變片貼于彈性元件上，作為測(cè)量力、位 移、壓力、加速度等物理參數(shù)的傳感器 第26頁/共124

12、頁第二十六頁，編輯于星期六：七點(diǎn) 三十二分。3. 3. 應(yīng)用注意事項(xiàng) a.a.應(yīng)變極限：隨應(yīng)變加大，應(yīng)變片輸出的非 線性加大，一般將誤差達(dá)到10% 10% 時(shí)對(duì)應(yīng)的 應(yīng)變，作為應(yīng)變片的應(yīng)變極限。 b.b. 機(jī)械滯后：敏感柵、底基及膠粘層承受機(jī) 械應(yīng)變后，一般都會(huì)存在殘余變形，造成 應(yīng)變片的機(jī)械滯后。c.c.零漂和蠕變：在恒定溫度，無機(jī)械應(yīng)變時(shí)， 應(yīng)變片阻值隨時(shí)間變化的特性，稱為零漂； 在恒定溫度、恒定應(yīng)變時(shí)，應(yīng)變片阻值隨 時(shí)間變化的特性，稱為蠕變。第27頁/共124頁第二十七頁，編輯于星期六：七點(diǎn) 三十二分。 零漂和蠕變的原因：應(yīng)變片制造過程中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力；在一定溫度和載荷條件下電阻絲材料、膠

13、粘劑和底基內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化。d.d. 絕緣電阻：粘在試件上的應(yīng)變片的引出線與試件之間的電阻。通常絕緣電阻為50100M50100M ， 在長(zhǎng)時(shí)間精密測(cè)量時(shí)要求大于100M100M ，甚至達(dá)到10G10G 。e.e.最大工作電流：應(yīng)變片正常工作允許通過的最大電流。通常靜態(tài)測(cè)量時(shí)為 25 mA25 mA，動(dòng)態(tài)測(cè)量時(shí)為 75100mA75100mA。工作電流過大會(huì)導(dǎo)致應(yīng)變片過熱、靈敏度變化、零漂和蠕變?cè)黾樱踔翢龤?。?8頁/共124頁第二十八頁，編輯于星期六：七點(diǎn) 三十二分。f.f.溫度影響：由溫度變化導(dǎo)致的應(yīng)變片電阻 變化與由應(yīng)變引起的電阻變化往往具有同 等數(shù)量級(jí)，須用適當(dāng)電路進(jìn)行溫度補(bǔ)償。 g

14、g 動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性 應(yīng)變片柵長(zhǎng)應(yīng)變片柵長(zhǎng) (mm)0.20.51235101520最高工作頻率最高工作頻率 (KHz) 125050025012583.3502516.612.5h.h. 粘貼劑的選擇：粘貼劑和粘貼工藝直接影 響應(yīng)變片的線性、滯后、零漂和蠕變等。 要求粘貼強(qiáng)度高、固化后收縮率小、電氣 絕緣阻抗大、耐濕、耐老化、耐疲勞等。 常用粘貼劑：硝化纖維素型、氰基丙烯酸型、聚酯樹脂型、環(huán)氧樹脂型、酚醛樹脂型等。一般短時(shí)間測(cè)量可使用502502膠水。 第29頁/共124頁第二十九頁，編輯于星期六：七點(diǎn) 三十二分。五. .應(yīng)變式傳感器的特點(diǎn)(1) (1) 性能穩(wěn)定、精度高，綜合誤差在 1.0%

15、1.0% 0.1% 0.1%，高精度力傳感器已能達(dá)到0.03%0.01%0.03%0.01%。 (2) (2) 測(cè)量范圍廣 壓力：10104 410109 9PaPa； 力：0.1 100.1 107 7N N (3) (3) 能適應(yīng)較大的振動(dòng)和沖擊，抗輻射能力強(qiáng)。 第30頁/共124頁第三十頁，編輯于星期六：七點(diǎn) 三十二分。概述: :電感式傳感器將被測(cè)量，如位移或能轉(zhuǎn)換成位移的機(jī)械量，轉(zhuǎn)換為電感量的變化。其變換的基礎(chǔ)是電磁感應(yīng)原理。第第4.3節(jié)節(jié) 電感式傳感器電感式傳感器 按照變換方式的不同可分為：自感型（包括可變磁阻式與渦電流式）、互感型（差動(dòng)變壓器式）。第31頁/共124頁第三十一頁，編

16、輯于星期六：七點(diǎn) 三十二分。一. .自感型 1.1.可變磁阻式(1) (1) 工作原理 可變磁阻式傳感器的構(gòu)造如圖. .第32頁/共124頁第三十二頁，編輯于星期六：七點(diǎn) 三十二分。由電工學(xué)可知，線圈自感量：其中，W W：線圈匝數(shù) i i ：線圈中流過的電流 ：通過線圈的磁通量 R Rm m：磁路的總磁阻（H H-1-1） R Rm m= = R RF F + + R R R RF F：鐵芯與銜鐵的磁阻 R R ：空氣隙磁阻 mRWiWL2第33頁/共124頁第三十三頁，編輯于星期六：七點(diǎn) 三十二分。其中：l l1 1、l l2 2 ：鐵芯和銜鐵的導(dǎo)磁長(zhǎng)度 1 1、 2 2：鐵芯和銜鐵的磁導(dǎo)率

17、 A A1 1、A A2 2：鐵芯和銜鐵的導(dǎo)磁截面積 ：氣隙長(zhǎng)度 0 0 ：空氣磁導(dǎo)率， 0 0=4=4 1010-7-7 A A0 0 ：空氣隙導(dǎo)磁截面積。002221112AAlAlRm若不考慮磁路的鐵損，且空氣隙 較小時(shí)：第34頁/共124頁第三十四頁，編輯于星期六：七點(diǎn) 三十二分。002ARm2002AWL LAWLS20022一般， 1 1和 2 2遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于 0 0，即：R RF F R R ，因此：從而：上式表明：自感L L與氣隙 成反比，而與氣隙導(dǎo)磁截面積A A0 0成正比。當(dāng)固定A A0 0，變化 時(shí)，L L與 成非線性關(guān)系，此時(shí)，傳感器靈敏度：一般實(shí)際應(yīng)用中，取 / 0 0.

18、1。適用于微小位移的測(cè)量. .第35頁/共124頁第三十五頁，編輯于星期六：七點(diǎn) 三十二分。(2) (2) 可變磁阻式傳感器典型結(jié)構(gòu) a.a. 可變導(dǎo)磁面積型：線性，靈敏度底 b.b. 差動(dòng)變氣隙型：提高靈敏度，改善線性性 第36頁/共124頁第三十六頁，編輯于星期六：七點(diǎn) 三十二分。c.c. 單螺管線圈型：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易制造，靈敏 度低，適于較大位移（數(shù)毫米）測(cè)量 d.d. 雙螺管差動(dòng)型：提高靈敏度，改善線性性 第37頁/共124頁第三十七頁，編輯于星期六：七點(diǎn) 三十二分。e.e.差動(dòng)變氣隙傳感器工作原理 對(duì)差動(dòng)式傳感器，當(dāng)共用銜鐵位移時(shí)，兩線圈的間隙按 0 0、 0 0+ +變化，即一個(gè)線圈

19、自感增加，另一個(gè)減?。?第38頁/共124頁第三十八頁，編輯于星期六：七點(diǎn) 三十二分。1002111)(2LAWLLL1002221)(2LAWLLL3211LL3221LL當(dāng)/ e2，eo與e1同相。 ioeLRMe2222第50頁/共124頁第五十頁，編輯于星期六：七點(diǎn) 三十二分。c. c. 鐵芯P P下移：M M1 1 = = M M M M，M M2 2 = = M M+ + M M， e e1 1 e e2 2，e eo o 0 0，e eo o與e e2 2同相。 ioeLRMe2222顯然e eo o與 M M成正比。2. 2. 幾點(diǎn)說明 a. a. 存在零點(diǎn)殘余電壓（鐵芯位于中

20、心處時(shí)， M M1 1 M M2 2，e eo o 0 0） b. b. 傳感器輸出電壓包含了位移的大小及方向， 但因其為交流信號(hào)，只有接入相應(yīng)電路（相 敏檢波），才能提取出這兩種信息。 第51頁/共124頁第五十一頁，編輯于星期六：七點(diǎn) 三十二分。下圖為用于小位移測(cè)量的差動(dòng)相敏檢波電路，其中R R用于調(diào)節(jié)零點(diǎn)殘余電壓的大小。 第52頁/共124頁第五十二頁，編輯于星期六：七點(diǎn) 三十二分。三. .壓磁式傳感器1.1.壓磁效應(yīng): :鐵磁材料受外力, ,內(nèi)部發(fā)生變形, ,各磁疇( (鐵磁材料在晶格 形成過程中形成, ,各個(gè)磁疇的磁化強(qiáng)度矢量是隨機(jī)的) )之間的界限發(fā)生移動(dòng), ,使磁疇磁化強(qiáng)度矢量轉(zhuǎn)

21、動(dòng), ,從而也使材料的磁化強(qiáng)度發(fā)生相應(yīng)的變化. .這種應(yīng)力使鐵磁材料的磁性質(zhì)發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為.FF磁導(dǎo)率磁導(dǎo)率磁導(dǎo)率磁導(dǎo)率第53頁/共124頁第五十三頁，編輯于星期六：七點(diǎn) 三十二分。2.2.壓磁式傳感器工作原理力應(yīng)力磁導(dǎo)率變化磁路磁阻變化線圈的阻抗變化或感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)變化磁力線過C、D閉合H合成磁強(qiáng)度與3、4繞組平面不平行感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)無外力，H與3、4繞組平面平行受壓力磁導(dǎo)率 磁阻第54頁/共124頁第五十四頁，編輯于星期六：七點(diǎn) 三十二分。3.3.壓磁元件力電轉(zhuǎn)換元件。硅鋼片（常用）、坡莫合金（最理想，價(jià)格高）和一些鐵氧體（較脆，不常用）。薄片疊合，以減少渦流損耗第55頁/共124頁第五十五頁

22、，編輯于星期六：七點(diǎn) 三十二分。4.4.壓磁傳感器的應(yīng)用第56頁/共124頁第五十六頁，編輯于星期六：七點(diǎn) 三十二分。5.5.特點(diǎn) a.a. 精度高(0.1(0.1 m m 數(shù)量級(jí)，最高可達(dá)0.010.01 m )m )，高 精度型非線性誤差可達(dá)0.1% 0.1% b.b.線性范圍大（可達(dá) 100mm100mm） c.c. 穩(wěn)定性好，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便 d.d. 因包含機(jī)械結(jié)構(gòu)，頻率響應(yīng)較低，不宜測(cè)量高 頻動(dòng)態(tài)參量 第57頁/共124頁第五十七頁，編輯于星期六：七點(diǎn) 三十二分。一. .變換原理 第第4.4節(jié)節(jié) 電容式傳感器電容式傳感器 AAC0中間充滿介質(zhì)的兩塊平行金屬極板構(gòu)成的電容器，其電容

23、量為：式中， ：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)， 0=8.85 10-12F/m； ：極板間距；A：極板面積。第58頁/共124頁第五十八頁，編輯于星期六：七點(diǎn) 三十二分。當(dāng)被測(cè)量使 、A A或 發(fā)生變化時(shí)，都會(huì)引起C C 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，可分為三類： a.a. 改變極板間距的極距變化型 b.b. 改變極板相互遮蓋面積的面積變化型 c.c. 改變極板間介質(zhì)的介質(zhì)變化型（改變 ） 第59頁/共124頁第五十九頁，編輯于星期六：七點(diǎn) 三十二分。1.1. 極距變化型000AC初始電容：顯然，C C 與極距成反比（如圖）。00AC當(dāng)極板

24、間距減小時(shí)，電容為：第60頁/共124頁第六十頁，編輯于星期六：七點(diǎn) 三十二分。100000001/1/CCCCCC 30200001CC電容增量為：當(dāng)/0R Ri i），為了減小誤差，R Ri i越大越好。顯然，電荷泄漏使得利用壓電傳感器測(cè)量靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)量非常困難。通常壓電傳感器適宜作動(dòng)態(tài)測(cè)量。 電阻并聯(lián)第84頁/共124頁第八十四頁，編輯于星期六：七點(diǎn) 三十二分。+ + + + + + + + +- - - - - - - - -FFa) 串接為了增大輸出值，壓電傳感器往往用兩個(gè)（較多見）或兩個(gè)以上的晶體串接或并接： (1) n 個(gè)晶體串接時(shí)，輸出電荷 量與單片晶體電荷相同，總 電容為單片

25、晶體電容的1/n， 輸出電壓為單片晶體電壓的 n倍。 串接時(shí)，輸出電壓大、電容小、時(shí)間常數(shù)小， 適宜測(cè)量迅變信號(hào)和以電壓輸出的場(chǎng)合。 4.4.壓電式傳感器有電荷及電壓兩種輸出方式。第85頁/共124頁第八十五頁，編輯于星期六：七點(diǎn) 三十二分。+ + + + + + + + +- - - - - - - - -FFb) 并接 n n個(gè)晶體并接時(shí)，輸出電荷 量為單片晶體電荷n n 倍，總 電容為單片晶體電容n n 倍， 輸出電壓等于單片晶體電壓。 并接時(shí)，輸出電荷量大、電 容大、時(shí)間常數(shù)大，適宜測(cè) 量緩變信號(hào)和以電荷輸出的場(chǎng)合。 第86頁/共124頁第八十六頁，編輯于星期六：七點(diǎn) 三十二分。5.5

26、.壓電式傳感器的特點(diǎn)及應(yīng)用 (1)(1)特點(diǎn)a.a.能量轉(zhuǎn)換型（發(fā)電型）傳感器 b.b. 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b.b.靈敏度高，穩(wěn)定性好，可靠。對(duì)應(yīng)用縱向壓電效應(yīng)的傳感器，電荷量與晶體的變形無關(guān)，因而靈敏度與傳感器剛度無關(guān)。 c.c. 有比較理想的線性，且通常沒有滯后現(xiàn)象 第87頁/共124頁第八十七頁，編輯于星期六：七點(diǎn) 三十二分。d.d. 低頻特性較差，主要用于動(dòng)態(tài)測(cè)量e.e. 存在橫向效應(yīng)，影響測(cè)量結(jié)果f.f. 應(yīng)用中要求采取嚴(yán)格的絕緣措施，并采用低 電容、低噪聲電纜。 g.g. 工作原理可逆 (2)(2) 應(yīng)用 廣泛應(yīng)用于沖擊、振動(dòng)及動(dòng)態(tài)力

27、的測(cè)量。 第88頁/共124頁第八十八頁，編輯于星期六：七點(diǎn) 三十二分。第89頁/共124頁第八十九頁，編輯于星期六：七點(diǎn) 三十二分。注意：壓電加速度傳感器的上限頻率與安裝方式 有關(guān)。 第90頁/共124頁第九十頁，編輯于星期六：七點(diǎn) 三十二分。概述: :第第4.64.6節(jié)節(jié) 磁電式傳感器磁電式傳感器 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（電磁）感應(yīng)式或電動(dòng)式傳感器。 根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，運(yùn)動(dòng)線圈在磁場(chǎng)中切割磁力線或線圈所在磁場(chǎng)磁通變化時(shí)，線圈兩端會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，其大小和方向?yàn)椋?其中，W W：線圈匝數(shù)， ：通過線圈的磁通量 dtdWe第91頁/共124頁第九十一頁，編輯于星

28、期六：七點(diǎn) 三十二分。 變化的方法： a.a.線圈與磁場(chǎng)間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)b.b.磁路中磁阻的改變c.c.恒定磁場(chǎng)中線圈面積的變化 d.d.磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化 按照結(jié)構(gòu)方式不同，磁電式傳感器可分為恒磁通的動(dòng)圈式或動(dòng)鐵式和變磁通（變磁阻）的磁阻式兩種。 一.磁感應(yīng)電式(感應(yīng)式)傳感器第92頁/共124頁第九十二頁，編輯于星期六：七點(diǎn) 三十二分。1.1.動(dòng)圈式 第93頁/共124頁第九十三頁，編輯于星期六：七點(diǎn) 三十二分。線速度型：e e= =WBlvWBlvsinsin 角速度型：e e= =kWBAkWBA 其中，B B：磁場(chǎng)強(qiáng)度； l l ：?jiǎn)卧丫€圈的有效長(zhǎng)度； v v：線圈與磁場(chǎng)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度； ：

29、線圈運(yùn)動(dòng)方向與磁場(chǎng)方向的夾角； A A：?jiǎn)卧丫€圈的截面積； ：角速度； k k ：與結(jié)構(gòu)有關(guān)的系數(shù)，k k1Z Z0 0 ) )第95頁/共124頁第九十五頁，編輯于星期六：七點(diǎn) 三十二分。注意： a.a.上面討論的速度是指線圈與磁場(chǎng)（殼體）的 相對(duì)速度，非殼體的絕對(duì)速度。 c.c. 線圈運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)后，線圈中將有電流流過，此電流產(chǎn)生的交變磁通會(huì)削弱傳感器的磁場(chǎng)磁通，使傳感器靈敏度降低，導(dǎo)致非線性（可由補(bǔ)償裝置減小非線性）。b.b. 磁電式傳感器工作原理可逆，作為傳感器它 處于發(fā)電狀態(tài)；若對(duì)線圈施加交流激勵(lì)電壓， 線圈將在磁場(chǎng)中振動(dòng)（電動(dòng)機(jī)）。第96頁/共124頁第九十六頁，編輯于星期六

30、：七點(diǎn) 三十二分。2.2. 磁阻式 磁阻式傳感器線圈與磁頭彼此無相對(duì)運(yùn)動(dòng)，而是由運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)磁物體改變磁路磁阻，引起磁力線的增強(qiáng)或減弱，使線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。 第97頁/共124頁第九十七頁，編輯于星期六：七點(diǎn) 三十二分。第98頁/共124頁第九十八頁，編輯于星期六：七點(diǎn) 三十二分。第99頁/共124頁第九十九頁，編輯于星期六：七點(diǎn) 三十二分。 概述: :二二. .霍爾式傳感器霍爾式傳感器 利用半導(dǎo)體材料對(duì)光、熱、力、磁、氣體、濕度等物理量的敏感性制成的物性型敏感器件。 霍爾元件磁電轉(zhuǎn)換傳感器 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)的現(xiàn)象稱為霍爾效

31、應(yīng)，相應(yīng)電場(chǎng)稱為霍爾電場(chǎng)。 第100頁/共124頁第一百頁，編輯于星期六：七點(diǎn) 三十二分。第101頁/共124頁第一百零一頁，編輯于星期六：七點(diǎn) 三十二分。霍爾效應(yīng)的產(chǎn)生是運(yùn)動(dòng)電荷受磁場(chǎng)中洛倫磁力作用的結(jié)果。假設(shè)一通以固定電流i i的N N型半導(dǎo)體薄片置于與薄片厚度方向平行的磁場(chǎng)B B 中，則其中運(yùn)動(dòng)的載流子（電子）將受到洛倫磁力F FL L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)生電場(chǎng)。該電場(chǎng)對(duì)電子產(chǎn)生電場(chǎng)力F FE E，阻止運(yùn)動(dòng)電子的繼續(xù)偏轉(zhuǎn)，當(dāng)F FE E = = F FL L時(shí)，電子積累達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。此時(shí)電場(chǎng)即為霍爾電場(chǎng)。第102頁/共124頁第一百零二頁，編輯于星期六：

32、七點(diǎn) 三十二分。 V VH H= =k kH HiBiBsinsin 其中，k kH H：霍爾常數(shù)，取決于材質(zhì)、溫度、元 件尺寸（厚度） ： 電流與磁場(chǎng)方向的夾角。 顯然，改變i i或B B，即可改變V VH H。 霍爾電場(chǎng)對(duì)應(yīng)的電勢(shì)稱為霍爾電勢(shì)（V VH H），其大小為：第103頁/共124頁第一百零三頁，編輯于星期六：七點(diǎn) 三十二分。霍爾元件霍爾元件控制電流引線霍爾輸出線第104頁/共124頁第一百零四頁，編輯于星期六：七點(diǎn) 三十二分。霍爾元件應(yīng)用霍爾元件應(yīng)用位移量偏離中間位置HHHHHUUUUU21:0:第105頁/共124頁第一百零五頁，編輯于星期六：七點(diǎn) 三十二分。IBBiSUiIU

33、HH又,)()(iIUH第106頁/共124頁第一百零六頁，編輯于星期六：七點(diǎn) 三十二分。三. .磁阻效應(yīng)傳感器磁阻效應(yīng)是沿電流方向的電阻變化. .因載流子的速度是不完全相同的, ,因而, ,在洛論茲力作用使一些載流子往一邊偏轉(zhuǎn)半導(dǎo)體內(nèi)電流分布不均勻改變磁場(chǎng)的強(qiáng)弱影響電流密度的分布半導(dǎo)體片的電阻變化. .而霍爾電勢(shì)是指垂直于電流方向的橫向電壓. .霍爾效應(yīng)認(rèn)為載流子都按同一速度形成電流. .磁阻效應(yīng)則是沿電流方向的電阻變化. .第107頁/共124頁第一百零七頁，編輯于星期六：七點(diǎn) 三十二分。一些載流子往一邊偏轉(zhuǎn)半導(dǎo)體內(nèi)電流分布不均勻改變磁場(chǎng)的強(qiáng)弱影響電流密度的分布半導(dǎo)體片的電阻變化.接成電橋

34、沿電流方向的電阻變化第108頁/共124頁第一百零八頁，編輯于星期六：七點(diǎn) 三十二分。第第4.7節(jié)節(jié) 光電式傳感器光電式傳感器(1) (1) 外光電效應(yīng)：在光線作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。(2)(2)內(nèi)光電效應(yīng)：在光線作用下使物體電阻率改 變的現(xiàn)象；如光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管等。(3) (3) 阻擋層光電效應(yīng)：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 體管等。也稱光生伏特效應(yīng)。 一. .光電效應(yīng) 第109頁/共124頁第一百零九頁，編輯于星期六：七點(diǎn) 三十二分。第110頁/共124頁第一百一十頁，編輯于星期六：七點(diǎn) 三十二分。無光R R 光照電子溢出電導(dǎo)率 R R I I光敏電阻的工作原理圖第111頁/共124頁第一百一十一頁，編輯于星期六：七點(diǎn) 三十二分。光照在P-N結(jié)上產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)光電流PN第112頁/共124頁第一百一十二頁，編輯于星期六：七點(diǎn) 三十二分。P P層很薄光能照在P-NP-N結(jié)上穩(wěn)態(tài)電流第113頁/