檢測(cè)與傳感第七章

1、檢測(cè)與傳感技術(shù)上節(jié)內(nèi)容復(fù)習(xí)上節(jié)內(nèi)容復(fù)習(xí)第六章 壓電式傳感器5. 應(yīng)用應(yīng)用a. 不能用于靜態(tài)測(cè)量，適用于動(dòng)態(tài)測(cè)量1. 特點(diǎn)特點(diǎn)2. 非線性度非線性度壓電式傳感器可以等效為電壓源或電荷源測(cè)量電路需要接入一個(gè)高輸入阻抗前置放大器（作用）同極性端相連接（并聯(lián)）不同極性端相連接（串聯(lián)）b.解決方法：加入預(yù)加力（預(yù)載）3. 等效電路等效電路4. 測(cè)量電路測(cè)量電路測(cè)壓力、加速度、玻璃破碎報(bào)警器、切削力測(cè)量、海嘯預(yù)警例：例：某壓電式傳感器的壓電系數(shù)為80pF/Pa，如果它的電容量為1nF，試確定傳感器在輸入壓力為1.4Pa時(shí)的輸出電壓。解：當(dāng)傳感器受壓力1.4Pa時(shí)，所產(chǎn)生的電荷：80/1.4112QpC P

2、aPapC輸出電壓為：129112 101 100.112UaQ CaV6-2 石英晶體石英晶體x、y、z軸的名稱(chēng)及特點(diǎn)是什么？軸的名稱(chēng)及特點(diǎn)是什么？ 第六章第六章 習(xí)題習(xí)題答：x軸：經(jīng)過(guò)石英晶體六面體棱線并垂直于光軸的軸為x軸，稱(chēng)為電軸；特點(diǎn)：當(dāng)沿x軸方向施加作用力F時(shí)，在于電軸x垂直的平面上將產(chǎn)生電荷，稱(chēng)為縱向壓電效應(yīng)。y軸：與x軸和z軸同時(shí)垂直的軸為y軸，稱(chēng)為機(jī)械軸；特點(diǎn)：當(dāng)沿y軸方向施加作用力F時(shí)，將仍在于電軸x垂直的平面上產(chǎn)生電荷，稱(chēng)為橫向壓電效應(yīng)。z軸：縱向軸為z軸，稱(chēng)為光軸；特點(diǎn)：當(dāng)沿z軸方向施加作用力F時(shí)，不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。 6-6 簡(jiǎn)述壓電式加速度傳感器的工作原理。簡(jiǎn)述壓電式加

3、速度傳感器的工作原理。 第7章 磁電式傳感器（1）磁電感應(yīng)式傳感器磁電感應(yīng)式傳感器：磁電感應(yīng)式傳感器是利用導(dǎo)體和磁場(chǎng)發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)的；（2）霍爾式傳感器霍爾式傳感器：霍爾式傳感器為載流半導(dǎo)體在磁場(chǎng)中有電磁效應(yīng)(霍爾效應(yīng))而輸出電勢(shì)的。 1. 工作原理工作原理 磁電式傳感器是通過(guò)磁電作用將被測(cè)量(如振動(dòng)、位移、轉(zhuǎn)速等)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的一種傳感器。2. 特點(diǎn)特點(diǎn) 3. 分類(lèi)分類(lèi) 有源傳感器 ；輸出功率較大，簡(jiǎn)化后續(xù)測(cè)量電路機(jī)械能 電能 它們?cè)聿⒉煌耆嗤?，因此各有各的特點(diǎn)和應(yīng)用范圍。7.1 磁電感應(yīng)式傳感器磁電感應(yīng)式傳感器7.2 霍爾式傳感器霍爾式傳感器本章目錄本章目錄 磁電感應(yīng)式傳感器

4、磁電感應(yīng)式傳感器可簡(jiǎn)稱(chēng)為磁電式傳感器磁電式傳感器：7.1 磁電感應(yīng)式傳感器磁電感應(yīng)式傳感器 它是一種典型的速度傳感器。 它是一種機(jī)電能量轉(zhuǎn)換型傳感器，不需供電電源，直接從被測(cè)物體吸取機(jī)械能量并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出。 它利用電磁感應(yīng)電磁感應(yīng)原理將被測(cè)量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。 根據(jù)上述原理, 可以設(shè)計(jì)成兩種磁電傳感器結(jié)構(gòu)：u 變磁通式u 恒磁通式B B0 0vB B0 0 wn0磁通發(fā)生變化切割磁力線運(yùn)動(dòng)deNdt 式中: N線圈匝數(shù); l每匝線圈平均長(zhǎng)度; B0 磁感應(yīng)強(qiáng)度; v相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度 0eNB lv一、一、 磁電感應(yīng)式傳感器工作原理磁電感應(yīng)式傳感器工作原理變磁通式又可分為：開(kāi)磁路變磁通式，閉磁路變磁

5、通式。（1）變磁通式）變磁通式下圖就是變磁通式磁電傳感器, 用來(lái)測(cè)量旋轉(zhuǎn)物體的角速度。 下圖為恒磁通式磁電傳感器典型結(jié)構(gòu)， 它由永久磁鐵、線圈、彈簧、金屬骨架等組成。（2）恒磁通式）恒磁通式恒磁通式又可分為：動(dòng)線圈式，動(dòng)磁鐵式磁鐵與線圈的相對(duì)運(yùn)動(dòng)切割磁力線, 從而產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)為 ：0eB Nlv二、磁電感應(yīng)式傳感器基本特性二、磁電感應(yīng)式傳感器基本特性00ffB lNvEIRRRR 當(dāng)測(cè)量電路接入磁電傳感器電路中, 磁電傳感器的輸出電流為 式中: Rf測(cè)量電路輸入電阻; R 線圈等效電阻。000fffB lNvRUI RRR則傳感器的輸出電壓：00IfIB lNSvRR00fUfB lNRUSv

6、RR傳感器的電流靈敏度為：傳感器的輸出電壓靈敏度為： 由電流和電壓的靈敏度公式可知：(a) B值大，靈敏度S也大，因此要選用B值大的永磁材料；(b) 線圈的長(zhǎng)度L大也有助于提高靈敏度S，但這是有“度”的。 （因?yàn)镽也會(huì)相應(yīng)增大） 當(dāng)傳感器的工作溫度發(fā)生變化或受到外界磁場(chǎng)干擾、機(jī)械振動(dòng)或沖擊時(shí), 其靈敏度將發(fā)生變化而產(chǎn)生測(cè)量誤差。相對(duì)誤差為RdRldlBdBsdsII1. 靈敏度誤差靈敏度誤差 磁電式傳感器產(chǎn)生磁場(chǎng)誤差的主要原因是: 由于傳感器線圈內(nèi)有電流I流過(guò)時(shí), 將產(chǎn)生一定的交變磁通I, 此交變磁通疊加在永久磁鐵所產(chǎn)生的工作磁通上, 使磁通發(fā)生變化。（1）磁場(chǎng)誤差）磁場(chǎng)誤差 當(dāng)傳感器線圈向上

7、運(yùn)動(dòng)向上運(yùn)動(dòng)，由此而產(chǎn)生的附加磁場(chǎng)方向與原工作與原工作磁場(chǎng)方向相反磁場(chǎng)方向相反, 減弱了工作磁場(chǎng)的作用, 線圈運(yùn)動(dòng)速度越大，將產(chǎn)生較大的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和較大的電流，從而使得傳感器的靈敏度隨著被靈敏度隨著被測(cè)速度的增大而降低測(cè)速度的增大而降低。 當(dāng)傳感器線圈向下運(yùn)動(dòng)向下運(yùn)動(dòng)，由此而產(chǎn)生的附加磁場(chǎng)方向與原工作與原工作磁場(chǎng)方向相同磁場(chǎng)方向相同, 增加了工作磁場(chǎng)的作用, 從而使得傳感器的靈敏度隨靈敏度隨著被測(cè)速度的增大而增大著被測(cè)速度的增大而增大。討論：討論：Step2：右手螺旋定律右手螺旋定律Step1：右手定律：右手定律0IfB lWSRR 無(wú)論線圈的運(yùn)動(dòng)方向和速度大小，這兩種情況都會(huì)對(duì)磁場(chǎng)強(qiáng)度造成影

8、響，從而影響傳感器的靈敏度。 為補(bǔ)償上述附加磁場(chǎng)干擾, 可在傳感器中加入補(bǔ)償線圈補(bǔ)償線圈，適當(dāng)選擇補(bǔ)償線圈參數(shù),補(bǔ)償線圈通以反向的電流, 可使其產(chǎn)生的交變磁通與傳感線圈本身所產(chǎn)生的交變磁通互相抵消, 從而達(dá)到補(bǔ)償?shù)哪康?。?）溫度誤差）溫度誤差 對(duì)銅線而言每攝氏度變化量為dl/l0.16710- 4, dR/R0.4310-2；dB/B每攝氏度的變化量決定于永久磁鐵的磁性材料。對(duì)鋁鎳鈷永久磁合金，dB/B-0.0210-2，這樣由上式可得近似值如下： Ct10%5 . 4RdRldlBdBsdsII 當(dāng)溫度變化時(shí)，式中右邊三項(xiàng)都不為零。Rt=R0(1+0t) 電阻絲阻值隨溫度電阻絲阻值隨溫度變

9、化的關(guān)系：變化的關(guān)系： 0-金屬絲的電阻溫度系數(shù)金屬絲的電阻溫度系數(shù) 這一數(shù)值較大，所以需要進(jìn)行溫度補(bǔ)償。補(bǔ)償通常采用熱磁分流器熱磁分流器。 熱磁分流器由特種的鎳銅合金或鎳鐵合金制成，是具有很大負(fù)溫度系數(shù)的特殊磁性材料。它搭裝在磁系統(tǒng)的兩極上：l 在正常工作溫度下已將空氣隙磁通分路掉一小部分。l 當(dāng)溫度升高時(shí)，熱磁分流器的磁導(dǎo)率顯著下降，經(jīng)它分流掉的磁通占總磁通的比例較正常工作溫度下顯著降低，從而保持空氣隙的工作磁通不隨溫度變化，維持傳感器靈敏度為常數(shù)。 三、三、 磁電感應(yīng)式傳感器的測(cè)量電路磁電感應(yīng)式傳感器的測(cè)量電路 磁電式傳感器直接輸出感應(yīng)電勢(shì), 且傳感器通常具有較高的靈敏度, 所以一般不需

10、要高增益放大器。 磁電式傳感器是速度傳感器, 若要獲取被測(cè)位移或加速度信號(hào), 則需要配用積分或微分電路。svdtdvadt4磁電感應(yīng)式傳感器的應(yīng)用磁電感應(yīng)式傳感器的應(yīng)用1. 動(dòng)圈式振動(dòng)速度傳感器動(dòng)圈式振動(dòng)速度傳感器 工作時(shí), 傳感器與被測(cè)物體剛性連接, 當(dāng)物體振動(dòng)時(shí), 傳感器外殼和永久磁鐵隨之振動(dòng), 而架空的芯軸、線圈和阻尼環(huán)因慣性而不隨之振動(dòng)。 因而, 磁路空氣隙中的線圈切割磁力線而產(chǎn)生正比于振動(dòng)速度的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì), 線圈的輸出通過(guò)引線輸出到測(cè)量電路。 該傳感器測(cè)量的是振動(dòng)速度參數(shù), 若在測(cè)量電路中接入積分電路, 則輸出電勢(shì)與位移成正比; 若在測(cè)量電路中接入微分電路, 則其輸出與加速度成正比。

11、 2. 磁電式扭矩傳感器磁電式扭矩傳感器 當(dāng)扭矩作用在扭轉(zhuǎn)軸上時(shí), 兩個(gè)磁電傳感器輸出的感應(yīng)電壓u1和u2存在相位差。這個(gè)相位差與扭轉(zhuǎn)軸的扭轉(zhuǎn)角成正比。 這樣傳感器就可以把扭矩引起的扭轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)換成相位差的電信號(hào)。 霍爾傳感器是基于霍爾效應(yīng)的一種傳感器。 1879年美國(guó)物理學(xué)家霍爾首先在金屬材料中發(fā)現(xiàn)了霍爾效應(yīng), 但由于金屬材料的霍爾效應(yīng)太弱而沒(méi)有得到應(yīng)用。 隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展, 開(kāi)始用半導(dǎo)體材料制成霍爾元件, 由于它的霍爾效應(yīng)顯著而得到應(yīng)用和發(fā)展。 霍爾傳感器廣泛用于電磁測(cè)量、壓力、加速度、振動(dòng)等方面的測(cè)量。 7.2 霍爾式傳感器霍爾式傳感器1. 霍爾效應(yīng)霍爾效應(yīng) 一塊長(zhǎng)為l、寬為b、厚為d的

12、導(dǎo)電板置于磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場(chǎng)(磁場(chǎng)方向垂直于薄片)中，當(dāng)導(dǎo)電板中有電流I流過(guò)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)EH。這種現(xiàn)象稱(chēng)為霍爾效應(yīng)霍爾效應(yīng)?；魻柺絺鞲衅魇怯苫魻栐M成。一、一、 霍爾效應(yīng)及霍爾元件霍爾效應(yīng)及霍爾元件 由于導(dǎo)電板中的電流是金屬中自由電子在電場(chǎng)作用下的定向運(yùn)動(dòng)，由于磁場(chǎng)B的存在，故電子會(huì)受到洛侖磁力的作用，其大小為式中: e電子電荷; v電子運(yùn)動(dòng)平均速度; B磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度。fL=eBv 因此，電子除了沿電流反方向作定向運(yùn)動(dòng)外，還在fL的作用下漂移，結(jié)果使金屬導(dǎo)電板內(nèi)側(cè)面積累電子，而外側(cè)面積累正電荷，從而形成附加內(nèi)電場(chǎng)EH， 稱(chēng)霍爾電場(chǎng)，電場(chǎng)強(qiáng)度為：bUEHH

13、式中, UH為電位差。 霍爾電場(chǎng)的出現(xiàn)，使定向運(yùn)動(dòng)的電子除了受洛倫茲力作用外，還受到霍爾電場(chǎng)力的作用，其力的大小為eEH，此力阻止電荷繼續(xù)積累。隨著內(nèi)、外側(cè)面積累電荷的增加，霍爾電場(chǎng)增大，電子受到的霍爾電場(chǎng)力也增大。eEH=eBv 時(shí)， 則 EH=vB 此時(shí)電荷不再向兩側(cè)面積累，達(dá)到平衡狀態(tài)。 當(dāng) 若導(dǎo)電板單位體積內(nèi)電子數(shù)為n，電子定向運(yùn)動(dòng)平均速度為v，則激勵(lì)電流I=Q/t=nelbd/t=nevbd，即Ivnebd將上式代入 ,得 nebdIBEH將上式代入式 ，得： HIBUnedEH=vB bUEHH 式中令RH=1/ne，稱(chēng)之為霍爾常數(shù)霍爾常數(shù)，其大小取決于導(dǎo)體載流子密度, 則IBKd

14、IBRUHHH式中, KH=RH/d稱(chēng)為霍爾片的靈敏度霍爾片的靈敏度。 由上式可見(jiàn)，霍爾電勢(shì)正比于激勵(lì)電流及磁感應(yīng)強(qiáng)度。 IBKdIBRUHHHKH=RH/d 霍爾片靈敏度與霍爾系數(shù)RH成正比而與霍爾片厚度d成反比。為了提高靈敏度，霍爾元件常制成薄片形狀。 下表常用國(guó)產(chǎn)霍爾元件的技術(shù)參數(shù)?；魻栐慕Y(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)單, 它由霍爾片、 引線和殼體組成。 霍爾片是一塊矩形半導(dǎo)體單晶薄片，引出四個(gè)引線。1、1兩根引線加激勵(lì)電壓或電流，稱(chēng)為激勵(lì)電極；2、2引線為霍爾輸出引線，稱(chēng)為霍爾電極。 霍爾元件殼體由非導(dǎo)磁金屬、陶瓷或環(huán)氧樹(shù)脂封裝而成。 在電路中霍爾元件可用兩種符號(hào)表示，如圖(b)所示。 2. 霍爾元件基

15、本結(jié)構(gòu)霍爾元件基本結(jié)構(gòu) (1) 額定激勵(lì)電流和最大允許激勵(lì)電流 當(dāng)霍爾元件自身溫升10時(shí)所流過(guò)的激勵(lì)電流稱(chēng)為額額定激勵(lì)電流定激勵(lì)電流。 以元件允許最大溫升為限制所對(duì)應(yīng)的激勵(lì)電流稱(chēng)為最最大允許激勵(lì)電流大允許激勵(lì)電流。 因霍爾電勢(shì)隨激勵(lì)電流增加而線性增加，所以使用中希望選用盡可能大的激勵(lì)電流，因而需要知道元件的最大允許激勵(lì)電流。改善霍爾元件的散熱條件，可以使激勵(lì)電流增加。 3. 霍爾元件基本特性霍爾元件基本特性 (2） 輸入電阻和輸出電阻 激勵(lì)電極間的電阻值稱(chēng)為輸入電阻輸入電阻。 霍爾電極輸出電勢(shì)對(duì)電路外部來(lái)說(shuō)相當(dāng)于一個(gè)電壓源，其電源內(nèi)阻即為輸出電阻輸出電阻。(3） 不等位電勢(shì) 當(dāng)霍爾元件的激勵(lì)電

16、流為I時(shí)，若元件所處位置磁感應(yīng)強(qiáng)度為零，則它的霍爾電勢(shì)應(yīng)該為零，但實(shí)際不為零。這時(shí)測(cè)得的空載霍爾電勢(shì)稱(chēng)為不等位電勢(shì)不等位電勢(shì)。 產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因有： 霍爾電極安裝位置不對(duì)稱(chēng)或不在同一等電位面上； 半導(dǎo)體材料不均勻造成了電阻率不均勻或是幾何尺寸不均勻； 激勵(lì)電極接觸不良造成激勵(lì)電流不均勻分布等。 (4） 寄生直流電勢(shì) 在外加磁場(chǎng)為零、霍爾元件用交流激勵(lì)時(shí)，霍爾電極輸出除了交流不等位電勢(shì)外，還有一個(gè)直流電勢(shì)，稱(chēng)為寄生直流電勢(shì)。 其產(chǎn)生的原因有： 激勵(lì)電極與霍爾電極接觸不良， 形成非歐姆接觸， 造成整流效果； 兩個(gè)霍爾電極大小不對(duì)稱(chēng)，則兩個(gè)電極點(diǎn)的熱容不同， 散熱狀態(tài)不同而形成極間溫差電勢(shì)。 寄生

17、直流電勢(shì)一般在1mV以下，它是影響霍爾片溫漂的原因之一。 (5） 霍爾電勢(shì)溫度系數(shù) 在一定磁感應(yīng)強(qiáng)度和激勵(lì)電流下，溫度每變化1時(shí)，霍爾電勢(shì)變化的百分率稱(chēng)為霍爾電勢(shì)溫度系數(shù)。 不等位電勢(shì)與霍爾電勢(shì)具有相同的數(shù)量級(jí)，有時(shí)甚至超過(guò)霍爾電勢(shì)，而實(shí)用中要消除不等位電勢(shì)是極其困難的，因而必須采用補(bǔ)償?shù)姆椒?。分析不等位電?shì)時(shí)，可以把霍爾元件等效為一個(gè)電橋， 用分析電橋平衡來(lái)補(bǔ)償不等位電勢(shì)。 4. 霍爾元件不等位電勢(shì)補(bǔ)償霍爾元件不等位電勢(shì)補(bǔ)償 幾種補(bǔ)償線路如下圖所示。圖（a）、 （b）為常見(jiàn)的補(bǔ)償電路， 圖（b）、（c）相當(dāng)于在等效電橋的兩個(gè)橋臂上同時(shí)并聯(lián)電阻。 5. 霍爾元件溫度補(bǔ)償霍爾元件溫度補(bǔ)償KH=K

18、H0(1+T) 式中： KH0溫度T0時(shí)的KH值； T=T-T0溫度變化量； 霍爾電勢(shì)溫度系數(shù)。 霍爾元件的溫度系數(shù)一般是正值，因此靈敏系數(shù)隨溫度升高而增加T倍。 由UH=KHIB可知，霍爾元件的靈敏系數(shù)KH影響著霍爾電勢(shì)的穩(wěn)定性，而霍爾元件的靈敏系數(shù)KH也是溫度的函數(shù)，它與溫度的關(guān)系可寫(xiě)成 ：補(bǔ)償思路：補(bǔ)償思路：如果同時(shí)讓激勵(lì)電流Is相應(yīng)地減小，并能保持KH Is 乘積不變，也就抵消了靈敏系數(shù)KH增加的影響。 下圖就是按此思路設(shè)計(jì)的一個(gè)既簡(jiǎn)單補(bǔ)償效果又較好的補(bǔ)償電路。電路中Is為恒流源，分流電阻Rp與霍爾元件的激勵(lì)電極相并聯(lián)。當(dāng)溫度升高時(shí)，霍爾元件的靈敏系數(shù)KH增大；霍爾元件的輸入電阻隨溫度

19、升高而增大，此時(shí)，旁路分流電阻Rp自動(dòng)地增大分流，減小了霍爾元件的激勵(lì)電流IH。若能保持KH Is 乘積不變，即可達(dá)到補(bǔ)償?shù)哪康摹?二、二、 霍爾傳感器的應(yīng)用霍爾傳感器的應(yīng)用1. 霍爾式微位移傳感器霍爾式微位移傳感器圖7-15 霍爾式位移傳感器的工作原理圖(a) 磁場(chǎng)強(qiáng)度相同傳感器 (b) 簡(jiǎn)單的位移傳感器；(c) 結(jié)構(gòu)相同的位移傳感器 圖是幾種不同結(jié)構(gòu)的霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器。轉(zhuǎn)盤(pán)的輸入軸與被測(cè)轉(zhuǎn)軸相連，當(dāng)被測(cè)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)盤(pán)隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，固定在轉(zhuǎn)盤(pán)附近的霍爾傳感器便可在每一個(gè)小磁鐵通過(guò)時(shí)產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)的脈沖，檢測(cè)出單位時(shí)間的脈沖數(shù)，便可知被測(cè)轉(zhuǎn)速。根據(jù)磁性轉(zhuǎn)盤(pán)上小磁鐵數(shù)目多少就可確定傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)速的分辨率。2. 霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器測(cè)量演示軟鐵分流翼片軟鐵分流翼片 開(kāi)關(guān)型霍爾開(kāi)關(guān)型霍爾IC IC 3. 霍爾計(jì)數(shù)裝置霍爾計(jì)數(shù)裝置 上圖是對(duì)鋼球進(jìn)行計(jì)數(shù)的工