傳感器技術(shù)及應(yīng)用全套課件完整版ppt教程最全

1、第1章 檢測與傳感技術(shù)基礎(chǔ)本章內(nèi)容 1.1 檢測技術(shù)基礎(chǔ) 1.2 測量概論 1.3 傳感器技術(shù)基礎(chǔ) 學(xué)習(xí)目標(biāo) 了解工業(yè)檢測的定義和內(nèi)容。掌握測量的基本概念和測量方法，掌握測量誤差的分類和測量誤差的估計以及校正方法。掌握傳感器的定義、組成和作用，了解傳感器的分類。了解傳感器的動態(tài)特性和靜態(tài)特性。 1.1 檢測技術(shù)基礎(chǔ) 1.1.1 檢測技術(shù)的概念與作用 1.概念 檢測技術(shù)是人們?yōu)榱藢Ρ粶y對象所包含的信息進(jìn)行定性了解和定量掌握所采取的一系列技術(shù)措施，它是產(chǎn)品檢驗和質(zhì)量控制的重要手段。 2.作用 對產(chǎn)品進(jìn)行質(zhì)量評價；保證大型設(shè)備安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行；對多種參數(shù)進(jìn)行長期動態(tài)檢測，以便及時發(fā)現(xiàn)異常情況，加強(qiáng)故障預(yù)

2、防，達(dá)到早期診斷的目的，可以避免嚴(yán)重的突發(fā)事故，保證設(shè)備和人員的安全，提高經(jīng)濟(jì)效益；可采用計算機(jī)來處理檢測信息，進(jìn)行分析、判斷，及時診斷出故障并自動報警或采取相應(yīng)的對策；也是自動化系統(tǒng)中不可缺少的組成部分。 1.1.2 檢測系統(tǒng)的基本組成 一個完整的檢測系統(tǒng)或裝置通常是由傳感器、測量電路和顯示記錄裝置等幾部分組成，分別完成信息獲取、轉(zhuǎn)換、顯示和處理等功能。 圖1-1 檢測系統(tǒng)組成框圖簡單檢測系統(tǒng)(光電池)V復(fù)雜檢測系統(tǒng)(軸承缺陷檢測) 加速度計 帶通濾波器 包絡(luò)檢波器 1傳感器 傳感器是把被測量轉(zhuǎn)換成電化學(xué)量的裝置。顯然，傳感器是檢測系統(tǒng)與被檢測對象直接發(fā)生聯(lián)系的部件，是檢測系統(tǒng)最重要的環(huán)節(jié)。

3、檢測系統(tǒng)獲取信息的質(zhì)量往往是由傳感器的性能決定的，因為檢測系統(tǒng)的其他環(huán)節(jié)無法添加新的監(jiān)測信息，并且不易消除傳感器所引入的誤差。傳感器通常以電信號的形式輸出，以便于傳輸、轉(zhuǎn)換、處理和顯示。輸出電量的形式多種多樣，如電壓、電流等。輸出信號的形式一般由傳感器的原理確定。 普通轎車：約安裝幾十到近百只傳感器，豪華轎車：傳感器數(shù)量可多達(dá)二百余只。 2信號調(diào)理電路 信號調(diào)理電路包括放大（衰減）電路、濾波電路、隔離電路等。其中的放大電路的作用是把傳感器輸出的電量變成具有一定驅(qū)動和傳輸能力的電壓、電流或頻率信號等，以推動后級的顯示器、數(shù)據(jù)處理裝置及執(zhí)行機(jī)構(gòu)。 3顯示器 顯示器是檢測人員和監(jiān)測系統(tǒng)聯(lián)系的主要環(huán)節(jié)

4、，其主要作用是使人們了解被測量的大小或變化的過程。目前常用的顯示記錄裝置有四類：模擬顯示、數(shù)字顯示、圖象顯示及記錄儀等。模擬量是指連續(xù)變化量。模擬顯示是利用指針對標(biāo)尺的相對位置來表示讀數(shù)的，常見的有毫伏表、微安表、模擬光柱等。 4數(shù)據(jù)處理裝置 數(shù)據(jù)處理裝置用來對測試所得的實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、運(yùn)算、邏輯判斷、線性變換，對動態(tài)測試結(jié)果作頻譜分析（幅值譜分析、功率譜分析）、相關(guān)分析等，完成這些工作必須采用計算機(jī)技術(shù)。 5執(zhí)行機(jī)構(gòu) 所謂執(zhí)行機(jī)構(gòu)通常是指各種繼電器、電磁鐵、電磁閥門、電磁調(diào)節(jié)閥、伺服電動機(jī)等，它們在電路中是起通斷、控制、調(diào)節(jié)、保護(hù)等作用的電器設(shè)備。許多檢測系統(tǒng)能輸出與被測量有關(guān)的電流或電壓

5、信號，作為自動控制系統(tǒng)的控制信號，去驅(qū)動這些執(zhí)行機(jī)構(gòu)。 1.1.3 檢測技術(shù)的發(fā)展趨勢 科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，為檢測技術(shù)的現(xiàn)代化創(chuàng)造了條件，主要表現(xiàn)在以下兩個方面。（1）人們研究新原理、新材料和新工藝所取得得的成果，將產(chǎn)生更多品質(zhì)優(yōu)良的新型傳感器。（2）檢測系統(tǒng)或檢測裝置目前正迅速地由模擬式、數(shù)字式向智能化方向發(fā)展。1.2 測量概論 1.2.1 測量方法 測量是在有關(guān)理論的指導(dǎo)下，用專門的儀器或設(shè)備，通過實驗和必要的數(shù)據(jù)處理，求得被測量的值。 測量方法的正確與否十分重要，必須根據(jù)不同測量任務(wù)的要求，找出切實可行的測量方法，然后根據(jù)測量方法選擇合適的測量工具，組成測量裝置，進(jìn)行實際測量。 測量方法

6、的分類多種多樣，例如，根據(jù)在測量過程中，被測量是否隨時間變化，可分為靜態(tài)測量和動態(tài)測量；根據(jù)測量手段分類，可分為直接測量、間接測量和組合測量；按測量方式分類，可分為偏差式測量、零位式測量和微差式測量等。 1. 直接測量、間接測量和組合測量 1）直接測量 用按已知標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)定好的測量儀器，對某一未知量直接進(jìn)行測量，這類測量稱為直接測量。 直接測量的優(yōu)點是測量過程簡單且迅速，是工程技術(shù)中采用較為廣泛的測量方法。 2）間接測量 對幾個被測量有確切函數(shù)關(guān)系的物體物理量進(jìn)行直接測量，然后通過已知函數(shù)關(guān)系的公式、曲線或表格，求出該未知量，這類測量稱為間接測量。 間接測量方法手段較麻煩，多用在實驗室，工程中有時

7、也用。 3）組合測量 在測量中，使各個未知量以不同的組合形式出現(xiàn)，根據(jù)直接測量和間接測量所得到的數(shù)據(jù)，通過解一組聯(lián)立方程而求出未知量的數(shù)值，這類測量稱為組合測量，又稱聯(lián)立測量。 組合測量的測量過程比較復(fù)雜，但易達(dá)到較高的精度，一般適用于科學(xué)實驗和特殊場合。 2. 偏差式測量法、零位式測量和微差式測量法 1）偏差式測量法 在測量過程中，用儀表指針相對于刻度線的位移（偏差）來直接表示被測量，這種方法稱為偏差式測量法，廣泛應(yīng)用于工程測量。 2）零位式測量法 零位式測量法是在測量過程中，用指零儀表的零位指示來檢測測量系統(tǒng)是否處于平衡狀態(tài)，當(dāng)測量系統(tǒng)達(dá)到平衡時，用已知的基準(zhǔn)量決定被測未知量的量值。例如用

8、電位差計測量待測電勢。只適用于測量變化緩慢的信號。它在工程實踐和實驗室中應(yīng)用很普遍。 3）微差式測量法 微差式測量法是綜合了偏差式測量法和零位式測量法的優(yōu)點而提出的一種測量方法，它將被測未知量與已知的標(biāo)準(zhǔn)量進(jìn)行比較，并取出差值，然后用偏差式測量法求出此偏差值。 微差式測量法反應(yīng)快、測量精度高，所以工程測量中已獲得越來越廣泛的應(yīng)用。 圖1-2 壓力表 圖1-3 直流電位差計原理電路圖1彈簧；2被測介質(zhì) ；3活塞1.2.2 測 量 系 統(tǒng)1. 測量系統(tǒng)構(gòu)成 測量系統(tǒng)應(yīng)具有對被測對象的特征量進(jìn)行檢測、傳輸、處理及顯示等功能，一個測量系統(tǒng)是傳感器、變送器（變換器）和其他轉(zhuǎn)換裝置等的有機(jī)組合。圖1-5所

9、示為測量系統(tǒng)組成框圖。 圖1-5 測量系統(tǒng)組成框圖 傳感器是感受被測量（物理量、化學(xué)量、生物量等）的大小，并輸出相對應(yīng)的可用輸出信號（一般多為電量）的器件或裝置。 變送器將傳感器輸出的信號變換成便于傳輸和處理的信號。 傳輸通道將測量系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的輸入、輸出信號連接起來，通常用電纜連接，或用光纖連接，以用來傳輸數(shù)據(jù)。 信號處理環(huán)節(jié)將傳感器輸出信號進(jìn)行處理和轉(zhuǎn)換。也可與計算機(jī)進(jìn)行連接，以便對測量信號進(jìn)行信息處理。 顯示裝置是將測量信息變成人的器官能接收的形式，以完成監(jiān)視、控制或分析的目的。 2. 開環(huán)測量系統(tǒng)和閉環(huán)測量系統(tǒng)1）開環(huán)測量系統(tǒng) 開環(huán)測量系統(tǒng)的全部信息轉(zhuǎn)換只沿著一個方向進(jìn)行，如圖1-6所示

10、。其中x是輸入量，y是輸出量，k1、k2、k3為各個環(huán)節(jié)的傳遞系數(shù)。輸出關(guān)系表示為 y=k1k2k3x 圖1-6 開環(huán)測量系統(tǒng)框圖 2）閉環(huán)測量系統(tǒng) 閉環(huán)測量系統(tǒng)有兩個通道，一個正向通道，一個反饋通道，其結(jié)構(gòu)如圖1-7所示。其中x為正向通道的輸入量，為反饋環(huán)節(jié)的傳遞系數(shù)，正向通道的總傳遞系數(shù)k=k2k3。由圖1-7得系統(tǒng)的輸入輸出關(guān)系為 圖1-7 閉環(huán)測量系統(tǒng)框圖 顯然，這時整個系統(tǒng)的輸入輸出關(guān)系由反饋環(huán)節(jié)的特性決定，放大器等環(huán)節(jié)特性的變化不會造成測量誤差，或者造成的測量誤差很小。 1.2.3 測量誤差 測量誤差是測得值減去被測量的真值。 1. 測量誤差的表示方法 測量誤差的表示方法有多種，含

11、義各異。 1）絕對誤差 絕對誤差可定義為 式中：絕對誤差； X測量值； L真值。 絕對誤差可正可負(fù)并有量綱。 采用絕對誤差表示測量誤差，不能很好說明被測質(zhì)量的好壞。所以用相對誤差可以客觀的反映測量的準(zhǔn)確性。 2）實際相對誤差 實際相對誤差的定義式為 式中：實際相對誤差，一般用百分?jǐn)?shù)給出； 絕對誤差； L真值。 3）引用誤差 引用誤差是儀表中通用的一種誤差表示方法。它是相對于儀表滿量程的一種誤差，即 式中：引用誤差； 絕對誤差。 儀表的精度等級是根據(jù)最大引用誤差來決定的。例如，0.5級表的引用誤差的最大值不超過0.5%；1.0級表的引用誤差的最大值不超過1%。 4）基本誤差 基本誤差是指傳感器或

12、儀表在規(guī)定的條件下所具有的誤差。例如，某傳感器是在電源電壓(220 5)V，電網(wǎng)頻率(50 2)Hz，環(huán)境溫度(20 5)，溫度65% 5%的條件下標(biāo)定的。 5）附加誤差 附加誤差是指傳感器或儀表的使用條件偏離額定條件下出現(xiàn)的誤差。例如，溫度附加誤差，頻率附加誤差，電源電壓波動附加誤差等。 2. 測量誤差的性質(zhì) 根據(jù)測量數(shù)據(jù)中的誤差所呈現(xiàn)的規(guī)律及產(chǎn)生的原因可將其分為系統(tǒng)誤差、隨機(jī)誤差和粗大誤差。 1）隨機(jī)誤差 在同一測量條件下，多次測量被測量時，其絕對值和符號以不可預(yù)定方式變化著的誤差稱隨機(jī)誤差。 隨機(jī)誤差表示為 隨機(jī)誤差 式中：xi被測量的某一個測量值； 重復(fù)性條件下無限多次的測量值的平均值

13、，即 由于重復(fù)測量實際上只能測量有限次，因此實用中的隨機(jī)誤差只是一個近似估計值。 2）系統(tǒng)誤差 在同一測量條件下，多次測量被測量時，絕對值和符號保持不變，或在條件改變時，按一定規(guī)律（如線性、多項式、周期性等函數(shù)規(guī)律）變化的誤差稱為系統(tǒng)誤差。前者為恒值系統(tǒng)誤差，后者為變值系統(tǒng)誤差。 它可表示為系統(tǒng)誤差式中：L測量的真值。 3）粗大誤差 超出在規(guī)定條件下預(yù)期的誤差稱為粗大誤差，粗大誤差又稱為疏忽誤差。 所以進(jìn)行誤差分析時，要估計的誤差只有系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差兩類。1.3 傳感器技術(shù)基礎(chǔ) 1.3.1 傳感器的組成傳感器由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成， 敏感元件 指傳感器中能直接感受或響應(yīng)被測量的部分。 轉(zhuǎn)換

14、元件 指傳感器中能將敏感元件感受或響應(yīng)的被測量轉(zhuǎn)換成適于傳輸或測量的電信號部分。 信號調(diào)理與轉(zhuǎn)換電路 對信號進(jìn)行放大、運(yùn)算調(diào)制等，此外信號調(diào)理轉(zhuǎn)換電路以及傳感器的工作必須有輔助電源。 1.3.2 傳感器的分類 傳感器的種類很多，其分類方法如表1-1所示。 分 類 法型 式說 明按基本效應(yīng)物理型、化學(xué)型、生物型分別以轉(zhuǎn)換中的物理效應(yīng)、化學(xué)效應(yīng)等命名按構(gòu)成原理結(jié)構(gòu)型以轉(zhuǎn)換原件結(jié)構(gòu)參數(shù)變化實現(xiàn)信號的轉(zhuǎn)換物性型以轉(zhuǎn)換元件物理特性變化實現(xiàn)信號的轉(zhuǎn)換按輸入量位移、壓力、溫度、流量、加速度等以被測量（即按用途分類）按工作原理電阻式、熱電式、光電式等以傳感器轉(zhuǎn)換信號的工作原理命名按能量關(guān)系能量轉(zhuǎn)換型（自然型）

15、傳感器輸出量直接由被測量能量轉(zhuǎn)換而得能量轉(zhuǎn)換型（外源型）傳感器輸出量能量由外源供給，但受被測輸入量控制按輸出信號形式模擬式輸出為模擬信號數(shù)字式輸出為數(shù)字信號表1-1傳感器的分類 1.3.3 傳感器的靜態(tài)特性 傳感器的靜態(tài)特性是指被測量的值處于穩(wěn)定狀態(tài)時的輸入與輸出的關(guān)系。 傳感器的靜態(tài)特性可用一組性能指標(biāo)來描述，如靈敏度、遲滯、線性度、重復(fù)性、精度和漂移等。 1靈敏度 靈敏度是輸入量y與引起輸出量增量y的相應(yīng)輸入量增量x之比。用S表示靈敏度，即 很顯然，靈敏度值越大表示傳感器越靈敏。 （a） （b）圖1-9 傳感器的靈敏度圖（a）線性；（b）非線性 2線性度 傳感器的線性度是指傳感器的輸出與輸

16、入之間數(shù)量關(guān)系的線性程度?？捎脭M合直線近似地代表實際曲線的一段，使傳感器輸入輸出特性線性變化。 傳感器的線性度是指在全程測量范圍內(nèi)實際特性曲線與擬合直線之間的最大偏差值Lmax與滿量程輸出值YFS之比。線性度也稱為非線性誤差，用L表示，即圖1-10 線性度1實際特性曲線；2理想特性曲線 式中：Lmax最大非線性絕對誤差；YFS滿量程輸出值。 選取擬合直線的方法很多：理論擬合、過零旋轉(zhuǎn)擬合、端殿連線擬合和端點平移擬合。作圖法求線性度演示 （ 1擬合曲線 2實際特性曲線 ）（a） （b） （c） （d）圖1-11 幾種直線擬合方法（a）理論擬合；（b）過零旋轉(zhuǎn)擬合；（c）端點連線擬合；（d）端點平

17、移擬合 3遲滯 傳感器在輸入量由小到大（正行程）及輸入量由大到?。ǚ葱谐蹋┳兓陂g其輸入輸出特性曲線不重合的現(xiàn)象為遲滯，對于同樣的輸入信號傳感器的正反行程輸出信號大小不等，這個差值稱為遲滯差值。傳感器在全量程范圍內(nèi)最大遲滯差值與滿量程輸出值之比稱為遲滯誤差，用H表示，即圖1-12 遲滯特性 4重復(fù)性 重復(fù)性是指傳感器在輸入量按同一方向作全量程連續(xù)多次變化時，所得特性曲線不一致的程度。圖1-13 重復(fù)性 5漂移 傳感器的漂移是指在輸入量不變的情況下，傳感器輸出量隨時間變化，此現(xiàn)象稱為漂移。產(chǎn)生漂移的原因有兩個方面：一是傳感器的自身結(jié)構(gòu)參數(shù)；二是周圍環(huán)境（如溫度、濕度等）。 6精度 精度是評價系統(tǒng)

18、的優(yōu)良程度。精度分為準(zhǔn)確度和精密度。 準(zhǔn)確度就是測量值對于真值的偏離程度。精密度就是測量相同對象每次測量也會得到不同的值，即離散偏差。 1.3.4 傳感器的選用原則根據(jù)測量對象與測量環(huán)境確定傳感器的類型靈敏度的選擇頻率響應(yīng)特性線性范圍穩(wěn)定性精度 本 章 小 結(jié)檢測就是對系統(tǒng)中各被測對象的信息進(jìn)行提取、轉(zhuǎn)換以及處理，即利用各種物理效應(yīng)，將物質(zhì)世界的有關(guān)信息通過檢查與測量的方法賦予定性或定量結(jié)果的過程。一個完整的檢測控制系統(tǒng)通常由傳感器、信號調(diào)理電路、顯示器等幾部分組成。測量系統(tǒng)包括開環(huán)測量系統(tǒng)和閉環(huán)測量系統(tǒng)。測量方法有直接測量、間接測量和組合測量；測量誤差按照誤差的表示方法分絕對誤差、相對誤差、

19、基本誤差、附加誤差和引用誤差；按照誤差的性質(zhì)分系統(tǒng)誤差、隨機(jī)誤差和粗大誤差。 本 章 小 結(jié)傳感器是指能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置。一般處于研究對象或檢測控制系統(tǒng)的最前端，是感知、獲取與檢測信息的窗口。由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、信號調(diào)理電路三部分組成。傳感器的靜態(tài)特性是指檢測系統(tǒng)的輸入為不隨時間變化的恒定信號時，系統(tǒng)的輸出與輸入之間的關(guān)系。主要包括線性度、靈敏度、遲滯、重復(fù)性、漂移等。 思考題與習(xí)題 1-1 什么叫傳感器？它由哪幾部分組成？它們的相互作用及相互關(guān)系如何？1-2 什么是傳感器的靜態(tài)特性？它有哪些性能指標(biāo)？分別說明這些指標(biāo)的含義。1-3 某線性位移測

20、量儀，當(dāng)被測位移X由3.0mm變到4.0mm時，位移測量儀的輸出電壓V由3.0V減至2.0V，求該儀器的靈敏度。1-4 用測量范圍為-50150KPa的壓力傳感器測量140KPa壓力時，傳感器測得示值為142KPa，求該示值的絕對誤差、實際相對誤差、標(biāo)稱相對誤差和引用誤差。 1-5 某傳感器給定精度為2%FS，滿度值為50mV，零位值為10mV，求可能出現(xiàn)的最大誤差(以mV計)。當(dāng)傳感器使用在滿量程的1/2和1/8時，計算可能產(chǎn)生的測量相對誤差。由你的計算結(jié)果能得出什么結(jié)論?1-6 什么是隨機(jī)誤差？產(chǎn)生隨機(jī)誤差的原因是什么？如何減小隨機(jī)誤差對測量結(jié)果的影響？1-7 什么是系統(tǒng)誤差？系統(tǒng)誤差可分

21、為哪幾類？系統(tǒng)誤差有哪些檢驗方法？如何減小和消除系統(tǒng)誤差？1-8 什么是粗大誤差？如何判斷測量數(shù)據(jù)中存在的粗大誤差？ 回去總結(jié)第2章 應(yīng)變式傳感器本章內(nèi)容 2.1 工作原理 2.2 應(yīng)變片的種類、材料及粘貼 2.3電阻應(yīng)變片的測量電路 2.4 應(yīng)變片式傳感器的應(yīng)用 學(xué)習(xí)目標(biāo) 了解應(yīng)變效應(yīng)的原理，了解應(yīng)變片的類型、結(jié)構(gòu)及其測量轉(zhuǎn)換電路，掌握電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用。了解氣敏電阻的分類、典型應(yīng)用。了解濕敏電阻的分類、典型應(yīng)用。 2.1 工作原理 導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料在外界力的作用下產(chǎn)生機(jī)械變形時，其電阻值相應(yīng)發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為“應(yīng)變效應(yīng)”。 當(dāng)電阻絲受到拉力F作用時，將伸長l，橫截面積相應(yīng)減小A，電

22、阻率因材料晶格發(fā)生變形等因素影響而改變了d，從而引起電阻值相對變化量為圖2-1 金屬電阻絲應(yīng)變效應(yīng) dl/l為長度相對變化量即應(yīng)變 軸向應(yīng)變和徑向應(yīng)變的關(guān)系可表示為 式中：電阻絲材料的泊松比，負(fù)號表示應(yīng)變方向相反。 通常，把單位應(yīng)變能引起的電阻值變化稱為電阻絲的靈敏系數(shù)。其表達(dá)式為 靈敏系數(shù)K受兩個因素影響：應(yīng)變片受力后材料幾何尺寸的變化，1+2；應(yīng)變片受力后材料的電阻率發(fā)生的變化，即（d/）/。對金屬材料來說，電阻絲靈敏度系數(shù)表達(dá)式中1+2的值要比（d/）/大得多，而半導(dǎo)體材料的（d/）/項的值比1+2大得多。 半導(dǎo)體材料，當(dāng)某一軸向受外力作用時，其電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象。 d/為半導(dǎo)體應(yīng)變片

23、的電阻率相對變化量，其值與半導(dǎo)體敏感元件在軸向所受的應(yīng)變力有關(guān)，其關(guān)系為 上式中：半導(dǎo)體材料的壓阻系數(shù)； 半導(dǎo)體材料的所受應(yīng)變力；E半導(dǎo)體材料的彈性模量；半導(dǎo)體材料的應(yīng)變。 半導(dǎo)體應(yīng)變片的靈敏系數(shù)為 半導(dǎo)體應(yīng)變片的靈敏系數(shù)比金屬絲式高5080倍，但半導(dǎo)體材料的溫度系數(shù)大，應(yīng)變時非線性比較嚴(yán)重，使它的應(yīng)用范圍受到一定的限制。 用應(yīng)變片測量應(yīng)變或應(yīng)力時，在外力作用下，被測對象產(chǎn)生微小機(jī)械變形，應(yīng)變片隨著發(fā)生相同的變化，同時應(yīng)變片電阻值也發(fā)生相應(yīng)變化。當(dāng)測得應(yīng)變片電阻值變化量為R時，便可得到被測對象的應(yīng)變值，應(yīng)力值為 由此可知，應(yīng)力值正比于應(yīng)變，而試件應(yīng)變正比于電阻值的變化，所以應(yīng)力正比于電阻值的變

24、化，這就是利用應(yīng)變片測量應(yīng)變的基本原理。 2. 2 應(yīng)變片的種類、材料及粘貼 2.2.1 金屬電阻應(yīng)變片的種類 金屬電阻應(yīng)變片組成 敏感柵、基片、覆蓋層和引線等部分組成。 圖2-2 金屬應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)1引線；2覆蓋層；3基片；4敏感柵 2.2.2 金屬電阻應(yīng)變片的材料電阻絲材料應(yīng)有如下要求：（1）靈敏系數(shù)大，且在相當(dāng)大的應(yīng)變范圍內(nèi)保持常數(shù)；（2）值大，即在同樣長度、同樣橫截面積的電阻絲中具有較大的電阻值；（3）電阻溫度系數(shù)小，否則因環(huán)境溫度變化也會改變其阻值；（4）與銅線的焊接性能好，與其他金屬的接觸電勢?。唬?）機(jī)械強(qiáng)度高，具有優(yōu)良的機(jī)械加工性能。 2.2.3 金屬電阻應(yīng)變片的粘貼 應(yīng)變片是用

25、粘結(jié)劑粘貼到被測件上的。常用的粘結(jié)劑類型有硝化纖維素型、氰基丙烯酸型、聚酯樹脂型、環(huán)氧樹脂型和酚醛樹脂型等。 2.2.4 應(yīng)變片的溫度誤差及補(bǔ)償1)應(yīng)變片的溫度誤差 （1）電阻溫度系數(shù)的影響。敏感柵的電阻絲阻值隨溫度變化的關(guān)系可表示為當(dāng)溫度變化t時，電阻絲電阻的變化值為 （2）試件材料和電阻絲材料的線膨脹系數(shù)的影響當(dāng)試件與電阻絲材料的線膨脹系數(shù)相同時，不會產(chǎn)生附加變形。當(dāng)試件與電阻絲材料的線膨脹系數(shù)不同時，由于環(huán)境溫度的變化，電阻絲會產(chǎn)生附加變形，從而產(chǎn)生附加電阻變化。 2)電阻應(yīng)變片的溫度補(bǔ)償方法（1）線路補(bǔ)償法。電橋補(bǔ)償是最常用且效果較好的線路補(bǔ)償。 測量應(yīng)變時，工作應(yīng)變片R1粘貼在被測試

26、件表面上，補(bǔ)償應(yīng)變片RB粘貼在與被測試件材料完全相同的補(bǔ)償塊上，且僅工作應(yīng)變片承受應(yīng)變，如圖2-4（b）所示。 當(dāng)被測試件不承受應(yīng)變時，R1和RB又處于同一環(huán)境溫度為的溫度場中，調(diào)整電橋參數(shù)使之達(dá)到平衡，此時有 Uo = A(R1R4 RBR3) = 0 圖2-4 電橋補(bǔ)償法 一般按R1 = RB = R3 = R4選取橋臂電阻。當(dāng)溫度升高或降低t = t t0時，兩個應(yīng)變片因溫度相同而引起的電阻變化量相等，電橋仍處于平衡狀態(tài)，即 若此時被測試件有應(yīng)變的作用，則工作應(yīng)變片電阻R1有新的增量R1 = R1K，而補(bǔ)償片因不承受應(yīng)變，故不產(chǎn)生新的增量，此時電橋輸出電壓為 Uo = AR1R4K （2

27、）應(yīng)變片的自補(bǔ)償法。 這種溫度補(bǔ)償法是利用自身具有溫度補(bǔ)償作用的應(yīng)變片（稱之為溫度自補(bǔ)償應(yīng)變片）來補(bǔ)償?shù)摹?2.3 電阻應(yīng)變片的測量電路2.3.1 直流電橋1.直流電橋平衡條件電橋電路如圖2-5所示，圖中E為電源電壓，R1、R2、R3及R4為橋臂電阻，RL為負(fù)載電阻。圖2-5 直流電橋 當(dāng)電橋平衡時，Uo = 0，則 這說明欲使電橋平衡，其相鄰兩臂電阻的比值應(yīng)相等，或相對兩臂電阻的乘積應(yīng)相等。 2.電壓靈敏度 設(shè)橋臂比n = R2 / R1，由于R1M2，因而e2a增加，而e2b減小。反之，e2b增加，e2a減小。因為Uo=e2ae2b，所以當(dāng)e2a、e2b 隨著銜鐵位移x變化時，Uo也必將隨

28、x而變化。 3.2.2 差動變壓器式傳感器的測量電 1差動整流電路 差動整流電路還可以接成全波電壓輸出和全波電流輸出的形式。 差動整流電路具有結(jié)構(gòu)簡單，根據(jù)差動輸出電壓的大小和方向就可以判斷出被測量（如位移）的大小和方向，不需要考慮相位調(diào)整和零點殘余電壓的影響，分布電容影響小，便于遠(yuǎn)距離傳輸，因而獲得廣泛的應(yīng)用。 圖3-12 差動整流電路（a）全波電流輸出；（b）全波電壓輸出；（c）半波電流輸出；（d）半波電壓輸出2相敏檢波電路 相敏檢波電路要求比較電壓與差動變壓器二次輸出電壓頻率相同，相位相同或相反。為了保證這一點，通常在電路中接入移相電路。另外，由于比較電壓在檢波電路中起開關(guān)作用，因此其幅

29、值應(yīng)盡可能大，一般應(yīng)為信號電壓的35倍。圖3-13 相敏檢波電路 3.2.3 差動變壓器式傳感器的應(yīng)用 差動變壓器式傳感器可以直接用于位移測量，也可以測量與位移有關(guān)的任何機(jī)械量，如振動、加速度、應(yīng)變、比重、張力和厚度等。 差動變壓器式加速度傳感器的原理。它由懸臂梁和差動變壓器構(gòu)成。測量時，將懸臂梁底座及差動變壓器的繞組骨架固定，而將銜鐵的A端與被測振動體相連，此時傳感器作為加速度測量中的慣性元件，它的位移與被測加速度成正比，使加速度測量轉(zhuǎn)變?yōu)槲灰频臏y量。當(dāng)被測體帶動銜鐵以x(t)振動時，導(dǎo)致差動變壓器的輸出電壓也按相同規(guī)律變化。圖3-14 差動變壓器式加速度傳感器1差動變壓器；2懸臂梁3.3

30、電渦流式傳感器3.3.1 電渦流式傳感器的工作原理塊狀金屬導(dǎo)體置于變化磁場中或在磁場中作切割磁力線運(yùn)動時，金屬導(dǎo)體內(nèi)將會產(chǎn)生旋渦狀的感應(yīng)電流，該現(xiàn)象稱為電渦流效應(yīng)。 將一個通以正弦交變電流I1的扁平線圈置于金屬導(dǎo)體附近，則線圈周圍空間將產(chǎn)生一個正弦交變磁場H1，使金屬導(dǎo)體中感應(yīng)電渦流I2，I2又產(chǎn)生一個與H1方向相反的交變磁場H2，導(dǎo)致傳感器線圈的等效阻抗發(fā)生變化。它與被測體的電阻率、磁導(dǎo)率以及幾何形狀有關(guān)，還與線圈的幾何參數(shù)、線圈中激磁電流頻率f、與線圈與導(dǎo)體間的距離x有關(guān)。 圖3-15 電渦流式傳感器原理圖1金屬導(dǎo)體；2線圈 函數(shù)關(guān)系式為： Z=F(, , r, f, x) 如果保持上式中

31、其他參數(shù)不變，而只使其中一個參數(shù)發(fā)生變化，則傳感器線圈的阻抗Z就僅僅是這個參數(shù)的單值函數(shù)，即可實現(xiàn)對該參數(shù)的測量。 3.3.2 電渦流式傳感器的結(jié)構(gòu) 電渦流式傳感器的結(jié)構(gòu)主要是一個繞制在框架上的扁平繞組，繞組的導(dǎo)線應(yīng)選用電阻率小的材料，一般采用高強(qiáng)度漆包銅線，圖3-16所示為CZF1型電渦流式傳感器的結(jié)構(gòu)圖，電渦流是采用把導(dǎo)線繞制在框架上形成的，框架采用聚四氟乙烯。 這種傳感器的線圈與被測金屬之間是磁性耦合的，并利用這種耦合程度的變化作為測量值，它的尺寸和形狀都與測量裝置的特性有關(guān)。所以作為傳感器的線圈裝置僅為實際傳感器的一半，而另一半是被測體，所以，在電渦流式傳感器的設(shè)計和使用中，必須同時考

32、慮被測物體的物理性質(zhì)和幾何形狀及尺寸。圖3-16 電渦流探頭結(jié)構(gòu)1電渦流線圈；2探頭殼體；3殼體上的位置調(diào)節(jié)螺紋；4-印制電路板；5夾持螺母；6電源指示燈；7閾值指示燈；8輸出屏蔽電纜線；9電纜插頭 3.3.3 電渦流式傳感器的測量電路 用于電渦流傳感器的測量電路主要有調(diào)頻式、調(diào)幅式電路兩種。 1調(diào)頻式電路 傳感器線圈接入LC振蕩回路，當(dāng)傳感器與被測導(dǎo)體距離x改變時，在渦流影響下，傳感器的電感變化，將導(dǎo)致振蕩頻率的變化，該變化的頻率是距離x的函數(shù)，即f=L(x)，該頻率可由數(shù)字頻率計直接測量，或者通過fU變換，用數(shù)字電壓表測量對應(yīng)的電壓。 振蕩頻率為： 為了避免輸出電纜的分布電容的影響，通常將

33、L、C裝在傳感器內(nèi)。此時電纜分布電容并聯(lián)在大電容C2、C3上，因而對振蕩頻率f的影響將大大減小。（a） （b）圖3-17 調(diào)頻式測量電路（a）測量電路框圖；（b）振蕩電路 2調(diào)幅式電路 由傳感器線圈L、電容器C和石英晶體組成的石英晶體振蕩電路。石英晶體振蕩器起恒流源的作用，給諧振回路提供一個頻率（f0）穩(wěn)定的激勵電流i0，LC回路輸出電壓為 U0=i0 f(Z) 式中：ZLC回路的阻抗。 當(dāng)金屬導(dǎo)體遠(yuǎn)離或去掉時，LC并聯(lián)諧振回路諧振頻率即為石英振蕩頻率f0，回路呈現(xiàn)的阻抗最大，諧振回路上的輸出電壓也最大；當(dāng)金屬導(dǎo)體靠近傳感器線圈時，線圈的等效電感L發(fā)生變化，導(dǎo)致回路失諧，從而使輸出電壓降低，L

34、的數(shù)值隨距離x的變化而變化。圖3-18 調(diào)幅式測量電路示意圖3.3.4 電渦流式傳感器的應(yīng)用1低頻透射式電渦流厚度傳感器 在被測金屬板的上方設(shè)有發(fā)射傳感器線圈L1，在被測金屬板下方設(shè)有接收傳感器線圈L2。當(dāng)在L1上加低頻電壓U1時，L1上產(chǎn)生交變磁通1，若兩線圈間無金屬板，則交變磁通直接耦合至L2中，L2產(chǎn)生感應(yīng)電壓U2。 如果將被測金屬板放入兩線圈之間，則L1線圈產(chǎn)生的磁場將導(dǎo)致在金屬板中產(chǎn)生電渦流，并將貫穿金屬板，此時磁場能量受到損耗，使到達(dá)L2的磁通將減弱為1，從而使L2產(chǎn)生的感應(yīng)電壓U2下降。金屬板越厚，渦流損失就越大，電壓U2就越小。因此，可根據(jù)U2電壓的大小得知被測金屬板的厚度。透

35、射式渦流厚度傳感器的檢測范圍可達(dá)1100mm，分辨率為0.1m，線性度為1%。 圖3-19 透射式渦流厚度傳感器原理圖 圖3-20 電渦流式轉(zhuǎn)速傳感器原理圖 2電渦流式轉(zhuǎn)速傳感器在軟磁材料制成的輸入軸上加工一鍵槽，在距輸入表面d0處設(shè)置電渦流傳感器，輸入軸與被測旋轉(zhuǎn)軸相連。 當(dāng)被測旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動時，電渦流傳感器與輸出軸的距離變?yōu)閐0+d。由于電渦流效應(yīng)，使傳感器線圈阻抗隨d的變化而變化，導(dǎo)致振蕩器的電壓幅值和振蕩頻率發(fā)生變化。因此，隨著輸入軸的旋轉(zhuǎn)，從振蕩器輸出的信號中包含有與轉(zhuǎn)速成正比的脈沖頻率信號。 該信號由檢波器檢出電壓幅值的變化量，然后經(jīng)整形電路輸出頻率為fn的脈沖信號。該信號經(jīng)電路處理便

36、可得到被測轉(zhuǎn)速。這種轉(zhuǎn)速傳感器可實現(xiàn)非接觸式測量，抗污染能力很強(qiáng)，可安裝在旋轉(zhuǎn)軸近旁長期對被測轉(zhuǎn)速進(jìn)行監(jiān)視。最高測量轉(zhuǎn)速可達(dá)600000r/min。 3高頻反射式電渦流厚度傳感器 為了克服帶材不夠平整或運(yùn)行過程中上、下波動的影響，在帶材的上、下兩側(cè)對稱地設(shè)置了兩個特性完全相同的渦流傳感器S1和S2。S1和S2與被測帶材表面之間的距離分別為x1和x2。若帶材厚度不變，則被測帶材上、下表面之間的距離總有“x1+x2=常數(shù)”的關(guān)系存在。兩傳感器的輸出電壓之和為2Uo，數(shù)值不變。 圖3-21 高頻反射式渦流測厚儀測試系統(tǒng)框圖 如果被測帶材厚度改變量為 ，則兩傳感器與帶材之間的距離也改變一個 ，兩傳感器

37、輸出電壓此時為2UoU，U經(jīng)放大器放大后，通過指示儀表即可指示出帶材的厚度變化值。帶材厚度給定值與偏差指示值的代數(shù)和就是被測帶材的厚度。 4高頻反射式電渦流位移傳感器電渦流位移計是根據(jù)高頻反射式渦流傳感器的基本原理制作的。電渦流位移計可以用來測量各種形狀試件的位移量。電渦流位移計測量位移的范圍可以從01mm至030mm，個別產(chǎn)品已達(dá)80mm。一般的分辨率為滿量程的0.1%，也有達(dá)到0.5m的（其全量程為05m）。 （a） （b） （c）圖3-22 電渦流位移計測量位移舉例（a）汽輪機(jī)主軸的軸向位移；（b）磨床換向閥、先導(dǎo)閥的位移；（c）金屬試件的熱膨脹系數(shù) 例如：CZFI-1000型傳感器與B

38、ZF-1、ZZF-5310型配套時，有01mm、03mm、05mm等幾種主要類型傳感器，其分辨率為0.1%。另外，凡是可變成位移量的參數(shù)，都可以用電渦流式傳感器來測量，如鋼水液位、紗線張力和液體壓力等。 本 章 小 結(jié)電感式傳感器是利用線圈電感或互感的改變來實現(xiàn)非電量電測的。它可以把輸入的各種機(jī)械物理量如位移、振動、壓力、應(yīng)變、流量、相對密度等參數(shù)轉(zhuǎn)換成電能量輸出，以滿足信息的遠(yuǎn)距離傳輸、記錄、顯示和控制等方面的要求。它具有結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、輸出功率大、輸出阻抗小、抗干擾能力強(qiáng)及測量精度高等一系列優(yōu)點，因此在機(jī)電控制系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。它的主要缺點是響應(yīng)較慢，不宜于快速動態(tài)測量，而且傳感器

39、的分辨率與測量范圍有關(guān)，測量范圍大，分辨率低，反之則高。電感式傳感器種類很多，本章主要介紹自感式、互感式和電渦流式傳感器。 思考題與習(xí)題 3-1 說明差動變隙式自感式傳感器的主要組成、工作原理和基本特性。3-2 已知變隙式自感式傳感器的鐵芯截面積S=1.5cm2，磁路長度L=20cm，相對磁導(dǎo)率 1=5000，氣隙 0=0.5cm，=0.1mm，真空磁導(dǎo)率0=3107H/m，線圈匝數(shù)W=3000，求單端式傳感器的靈敏度L/。若將其做成差動結(jié)構(gòu)形式，靈敏度將如何變化？3-3 差動變壓器式傳感器的零點殘余電壓產(chǎn)生的原因是什么？怎樣減小和消除它的影響？ 3-4 根據(jù)螺管型差動變壓器的基本特性，說明其

40、靈敏度和線性度的主要特點。3-5 概述差動變壓器的應(yīng)用范圍，并說明用差動變壓器式傳感器檢測振動的基本原理。3-6 什么叫電渦流效應(yīng)？怎樣利用電渦流效應(yīng)進(jìn)行位移測量？3-7 簡述電渦流式傳感器的工作原理、特性和基本結(jié)構(gòu)。3-8 電渦流式傳感器測厚度的原理是什么？具有哪些特點？ 回去總結(jié)第4章 電容式傳感器本章內(nèi)容 4.1 電容式傳感器的工作原理和結(jié)構(gòu) 4.2 電容式傳感器的測量電路 4.3 電容式傳感器的應(yīng)用 學(xué)習(xí)目標(biāo) 了解變極距型、變面積型和變介電常數(shù)型電容傳感器的工作原理、分類和測量電路。 掌握電容傳感器的基本使用方法和典型應(yīng)用。 由絕緣介質(zhì)分開的兩個平行金屬板組成的平板電容器，如果不考慮邊

41、緣效應(yīng)，其電容量為 4.1 電容式傳感器的工作原理和結(jié)構(gòu) 式中：電容極板間介質(zhì)的介電常數(shù)，=0r ，其中0為真空介電常數(shù)，r極板間介質(zhì)的相對介電常數(shù)； A兩平行板正對面積； d兩平行板之間的距離。如果保持其中兩個參數(shù)不變，而僅改變其中一個參數(shù)，就可把該參數(shù)的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化，通過測量電路就可以轉(zhuǎn)換為電量輸出。因此，電容式傳感器可分為變極距型、變面積型和變介電常數(shù)型3種。 圖4-1 電容式傳感元件的各種結(jié)構(gòu)形式4.1.1 變極距型電容傳感器 當(dāng)傳感器的r和A為常數(shù)，初始極距為d0時，其初始電容量C0為 若電容器極板間距離由初始值d0縮小了d，電容量增大了C，則有 傳感器的輸出特性不是線性關(guān)

42、系，而是曲線關(guān)系。 若d/ d010121010（）10101011（）最高允許溫度/55080250250最高允許濕度/%100100100100表5-1 常用壓電材料性能表 5.1.3 石英晶體石英晶體的化學(xué)成分是SiO2，是單晶體結(jié)構(gòu)，它是一個正六面體，如圖5-2所示。石英晶體是各向異性材料圖5-2 石英晶體 當(dāng)沿著x軸對晶片施加力時，將在垂直于x軸的表面上產(chǎn)生電荷，這種現(xiàn)象稱為縱向壓電效應(yīng)。沿著y軸施加力時，電荷仍出現(xiàn)在與x軸垂直的表面上，這稱之為橫向壓電效應(yīng)。當(dāng)沿著z軸方向受力時不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。壓電式傳感器主要是利用縱向壓電效應(yīng)?？v向壓電效應(yīng)產(chǎn)生的電荷為：d11為x方向受力的壓電系數(shù)

43、 5.1.4 壓電陶瓷（多晶體） 圖5-3 壓電陶瓷的極化壓電陶瓷是一種人工合成的多晶體壓電材料。壓電陶瓷要具有壓電效應(yīng)，必須要有外加電場和壓力的共同作用。5.2 壓電式傳感器和測量電路 5.2.1 壓電式傳感器 由于單片壓電元件產(chǎn)生的電荷量很小，為了提高壓電傳感器的輸出靈敏度，在實際應(yīng)用中常把兩片或多片組合在一起使用。由于壓電材料是有極性的，因此接法也有兩種。 （a）（b）圖5-4 壓電元件的串聯(lián)與并聯(lián)5.2.2 壓電式傳感器的等效電路壓電式傳感器等效成一個與電容相串聯(lián)的電壓源，如圖5-5（a）所示。也可以等效一個與電容相并聯(lián)的電荷源，如圖5-5（b）所示。電容器上的電壓Ua、電荷量q和電容

44、量Ca三者關(guān)系為：（a）電壓源； （b）電荷源圖5-5 等效電路壓電傳感器在測量系統(tǒng)中的實際等效電路圖5-6 壓電傳感器的實際等效電路5.2.3 測量電路前置放大電路有兩種形式，一種是電壓放大器，另一種是電荷放大器。接入高輸入阻抗的前置放大器其作用為：一是把傳感器的高輸入阻抗（一般1000M以上）變換為低輸入阻抗（小于100）；二是對傳感器輸出的微弱信號進(jìn)行放大。1電壓放大器（a） （b）圖5-7 電壓放大器的等效電路 壓電元件受到交變力F= Fmsint的作用，在放大器輸入端形成的電壓為：當(dāng) 時，放大器的輸入電壓為：放大器輸入電壓幅值與被測頻率無關(guān)。當(dāng)改變連接傳感器與前置放大器的電纜長度時，

45、Cc將改變，從而引起放大器的輸入電壓也發(fā)生變化。在設(shè)計時，通常把電纜長度定為一常數(shù)，使用時如果改變電纜長度，則必須重新校正電壓靈敏度。由上式還可以得出：當(dāng)作用于壓電元件力為靜態(tài)力（=0）時，則前置放大器的輸入電壓等于零，因為電荷會通過放大器輸入電阻和傳感器本身漏電阻漏掉，所以壓電傳感器不能用于靜態(tài)力測量。壓電材料只有在交變力的作用下，電荷才可以不斷補(bǔ)充，以供給測量回路一定的電流，所以適合于動態(tài)測量。2電荷放大器圖5-8 電荷放大器等效電路當(dāng)A1，而時，放大器輸出電壓可以表示為： 上式表明：（1）放大器的輸出電壓接近于反饋電容兩端的電壓。電荷Q只對反饋電容充電。（2）電荷放大器的輸出電壓與電纜電

46、容無關(guān)，而與Q成正比，這是電荷放大器的突出優(yōu)點。5.3 壓電式傳感器的應(yīng)用 5.3.1 壓電式測力傳感器它由石英晶片、絕緣套、電極、上蓋和基座等組成。傳感器的上蓋為傳力元件，當(dāng)受到外力作用時，它將產(chǎn)生彈性形變，將力傳遞到石英晶片上，利用石英晶片的壓電效應(yīng)實現(xiàn)力電轉(zhuǎn)換。 圖5-9 壓力式單向測力傳感器結(jié)構(gòu)圖 1石英晶片；2上蓋；3基座； 4電極；5絕緣套5.3.2 壓電式加速度傳感器它主要由壓電元件、質(zhì)量塊、預(yù)壓彈簧、基座及外殼等組成。整個部件用螺栓固定。 圖5-10 壓電式加速度傳感器結(jié)構(gòu)圖1外殼；2質(zhì)量塊；3基座；4螺栓；5壓電元件；6預(yù)壓彈簧5.3.3 壓電式金屬加工切削力測量圖5-11

47、壓電式刀具切削力測量示意圖5.3.4 構(gòu)成報警器電路圖5-12 壓電式玻璃破碎報警器電路框圖 1傳感器；2玻璃 本 章 小 結(jié)壓電式傳感器是一種典型的有源傳感器，其工作原理是基于某些物質(zhì)的壓電效應(yīng)。壓電效應(yīng)是壓電材料將機(jī)電能量互相轉(zhuǎn)換的一種自然現(xiàn)象。壓電材料分為石英晶體、壓電陶瓷等，利用它們的壓電效應(yīng)可以制成壓電式傳感器。石英晶體在沿x軸方向上受力作用時，在垂直于x軸的晶面上產(chǎn)生顯著的壓電效應(yīng)。沿y軸方向施加力的作用時，在受力面上不產(chǎn)生電荷，而在沿x軸的兩個晶面產(chǎn)生異種電荷。沿z軸方向受力作用時，不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。 本 章 小 結(jié)壓電陶瓷是一種人工合成的多晶體，它由無數(shù)多個晶粒組成。壓電陶瓷要具

48、有壓電效應(yīng)，需要有外電場和外力的共同作用。壓電元件具有很大的內(nèi)阻，輸出的信號很微弱，需配接高輸入阻抗的放大器。常用的有電荷放大器和電壓放大器兩種。壓電式傳感器具有體積小、質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、固有頻率高、靈敏度和信噪比高等優(yōu)點，能夠測量各種動態(tài)力、機(jī)械沖擊與振動等，并且在聲學(xué)、醫(yī)學(xué)、力學(xué)等方面都得到了非常廣泛的應(yīng)用。 思考題與習(xí)題5-1 什么是正壓電效應(yīng)？什么是逆壓電效應(yīng)？5-2 石英晶體x、y、z軸的名稱及其特點是什么？5-3 壓電式傳感器的測量電路有哪些？各有什么特點？5-4 某壓電式壓力傳感器的靈敏度為80pC/Pa，如果它的電容量為1nF，試確定傳感器在輸入壓力為1.4Pa時的輸

49、出電壓。5-5 用石英晶體加速度計及電荷放大器測量機(jī)器的振動，已知：加速度計靈敏度為5pC/g，電荷放大器靈敏度為50mV/pC，當(dāng)機(jī)器達(dá)到最大加速度值時相應(yīng)的輸出電壓幅值為2V，試求該機(jī)器的振動加速度。(g為重力加速度) 5-6 某壓電式壓力傳感器為兩片石英晶片并聯(lián)，每片厚度h=0.2mm，圓片半徑r=1cm，r=4.5，X切型d11=2.31X10-12C/N。當(dāng)0.1MPa壓力垂直作用于PX平面時，求傳感器輸出電荷Q和電極間電壓Ua的值。5-7 一只測力環(huán)在全量程范圍內(nèi)具有靈敏度3.9pC/N，它與一臺靈敏度為10mV/pC的電荷放大器連接，在三次試驗中測得以下電壓值：(1)-100mV

50、；(2)10V；(3) -75V。試確定三次試驗中的被測力的大小及性質(zhì)。 回去總結(jié)第6章 霍爾式傳感器本章內(nèi)容 6.1 霍爾效應(yīng)及霍爾元件 6.2 應(yīng) 用 舉 例 學(xué)習(xí)目標(biāo) 了解霍爾效應(yīng)、霍爾元件電路符號、基本特性和基本結(jié)構(gòu)。 掌握霍爾元件的典型應(yīng)用。 6.1 霍爾效應(yīng)及霍爾元件 6.1.1 霍爾效應(yīng) 霍爾式傳感器是利用半導(dǎo)體在磁場中的霍爾效應(yīng)制成的一種傳感器。1879年美國物理學(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)太弱而沒有得到應(yīng)用。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，開始用半導(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。 金屬或半導(dǎo)體薄片在磁場中，當(dāng)有電流流過時，

51、在垂直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生電動勢，這種物理現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。該電勢稱為霍爾電勢。 霍爾效應(yīng)的原理圖如圖6-1所示。圖中為N型半導(dǎo)體薄片，在半導(dǎo)體左右兩端通以電流I（稱為控制電流）。當(dāng)沒有外加磁場作用時，半導(dǎo)體中電子沿直線運(yùn)動。當(dāng)在半導(dǎo)體正面垂直方向加上磁場B時，電子在洛侖茲力FL的作用下向內(nèi)側(cè)偏移，這樣在半導(dǎo)體內(nèi)側(cè)方向積聚大量的電子，而外側(cè)則積聚大量的正電荷，上下兩個側(cè)面間形成電場，這一電場就是霍爾電場。 圖3-1 變磁阻式傳感器1線圈；2鐵芯（定鐵芯）；3銜鐵（動鐵芯）該電場強(qiáng)度為 （6-1）式中：UH電勢差。圖6-1 霍爾效應(yīng)原理圖洛侖茲力FL的大小為 FL =eBv （6-2） 該

52、電場的電場力又阻礙電子的偏移，當(dāng)電場力FE與洛侖茲力相等時，即 eEH=eBv （6-3）則 EH=Bv （6-4） 此時電荷不在向兩側(cè)面積累，達(dá)到平衡狀態(tài)。 若金屬導(dǎo)電板單位體積內(nèi)電子數(shù)為n，電子定向運(yùn)動平均速度為v，則激勵電流I=nevbd，則（6-5） 將式（6-5）代入式（6-4），得 （6-6）將式（6-6）代入式（6-1），得 （6-7）式中：令RH=1/ne，稱之為霍爾常數(shù)，其大小取決于導(dǎo)體載流子密度。則 （6-8）式中：KH=RH/d稱為霍爾片的靈敏度。 從上面的公式可以看出，霍爾電勢正比于電流強(qiáng)度和磁場強(qiáng)度，且與霍爾元件的形狀有關(guān)。在電流強(qiáng)度恒定，元件形狀確定的情況下，霍爾電

53、勢正比于磁場強(qiáng)度。當(dāng)所加磁場方向改變時，霍爾電勢的符號也隨著改變，因此，利用霍爾元件可以測量磁場的大小和方向。 6.1.2 霍爾元件的基本結(jié)構(gòu) 霍爾元件是根據(jù)霍爾效應(yīng)原理制成的磁電轉(zhuǎn)換元件，常用鍺、硅、砷化鎵、砷化銦及銻化銦等半導(dǎo)體材料制成。用銻化銦制成的霍爾元件靈敏度最高，但受溫度的影響較大。用鍺制成的霍爾元件雖然靈敏度低，但它的溫度特性及線性度好。目前使用銻化銦霍爾元件的場合較多。 如圖6-2（a）所示是霍爾元件的外形結(jié)構(gòu)圖，它由霍爾片、四根引線和殼體組成，激勵電極通常用紅色線，而霍爾電極通常用綠色或黃色線表示。 （a） （b） 圖6-2 霍爾元件（a）外形示意圖；（b）圖形符號 1、1激

54、勵電極；2、2霍爾電極 6.1.3 霍爾元件的基本特性1、輸入電阻和輸出電阻 霍爾元件激勵電極之間電阻為輸入電阻，霍爾電極輸出電勢對于電路外部來說相當(dāng)于一個電壓源，其電源內(nèi)阻即為輸出電阻。當(dāng)壓力進(jìn)入膜盒時，膜盒的頂端在壓力P的作用下產(chǎn)生與壓力P大小成正比的位移。于是銜鐵也發(fā)生移動，從而使氣隙發(fā)生變化，流過線圈的電流也發(fā)生相應(yīng)的變化，電流表指示值就反映了被測壓力的大小。2、額定激勵電流 當(dāng)霍爾元件自身溫升10時所流過的激勵電流稱為額定激勵電流。3、不等位電勢U0和不等位電阻r0 霍爾元件在額定激勵電流作用下，若元件不加外磁場，輸出的霍爾電勢的理想值應(yīng)為零，但實際不等于零，此時的空載霍爾電勢稱為不

55、等位電勢。原因有以下幾方面。（1）存在電極的安裝位置不對稱；（2）半導(dǎo)體材料電阻率不均衡或幾何尺寸不均勻；（3）激勵電極接觸不良造成激勵電流不均勻分布等。 不等位電勢也可以用不等位電阻ro表示，其值為不等位電勢與激勵電流I的比值，如圖6-3所示。 圖6-3 不等位電阻4、寄生直流電勢（霍爾元件零位誤差的一部分） 當(dāng)沒有外加磁場，霍爾元件用交流控制電流，霍爾電極的輸出有一個直流電勢，稱為寄生直流電勢。其產(chǎn)生的原因有：（1）控制電極和霍爾電極與基片的連接是非完全歐姆接觸時，會產(chǎn)生整流效應(yīng)。（2）兩個霍爾電極焊點的不一致，引起兩電極溫度不同產(chǎn)生溫差電勢。 5、霍爾電勢的溫度系數(shù) 在一定的磁感應(yīng)強(qiáng)度和

56、控制電流下，溫度每變化1時，霍爾電勢的相對變化率稱為霍爾電勢溫度系數(shù)，用表示。有正負(fù)之分，為負(fù)值表示器件的UH隨溫度升高而下降。越小越好。6、霍爾靈敏度KH由式6-9可知，KH是指I為單位電流，B為單位磁感應(yīng)強(qiáng)度，霍爾電極為開路（ R=）時的霍爾電勢。（6-9）7、磁非線性度NL 在一定控制電流下，UH與B成線性的關(guān)系式具有近似性，再加上結(jié)構(gòu)設(shè)計和工藝制備方面的原因，實際上對線性有一定程度的偏離。磁非線性度NL定義為 NL=100%（6-10）和 分別為在一定磁場B下，霍爾電勢的測量值和按式6-9的計算值。一般NL為103數(shù)量級。NL越小越好。8、工作溫度范圍 在UH的公式中含有電子濃度n，當(dāng)

57、器件溫度過高或過低，n將大幅度變大或變小，使器件不能正常工作。銻化銦的正常工作溫度范圍是0+40，鍺為-40+75，硅為-60+150。砷化鎵為-60+200。9、內(nèi)阻溫度系數(shù)器件輸入電流和輸入電阻隨溫度而有所變化的變化率。內(nèi)阻溫度系數(shù)約為103數(shù)量級。越小越好。10、磁靈敏度KB 當(dāng)控制電流為額定控制電流時，單位磁感應(yīng)強(qiáng)度產(chǎn)生的開路霍爾電勢為KB。 典型的砷化鎵霍爾器件主要參數(shù)如表6-1所示。表6-1 典型的砷化鎵霍爾器件主要參數(shù)項目符號測試條件典型值單位額定功耗P0T=2525mW開路靈敏度KHIH=1mA，B=1kGs20mV/（mAkGs）不等位電動勢U0IH=1mA，B=00.1mV

58、最大工作電流Imt=6020mA最大磁感應(yīng)強(qiáng)度B mIm=10mA7kGs表6-1 典型的砷化鎵霍爾器件主要參數(shù)項目符號測試條件典型值單位輸入電阻R iIH=0.1mA，B=0500輸出電阻R o500線性度LB=020kGs，IH=1mA0.2%內(nèi)阻溫度系數(shù)aIH=0，B=0，t=-50700.3%/靈敏度溫度系數(shù)b1.010-4/霍爾電動勢溫度系數(shù)cIH=1mA，B=1kGs，t=-5070-0.1%/工作溫度t-40+125續(xù)表注：1kGs=0.1T6.2 應(yīng) 用 舉 例6.2.1 霍爾式微量位移的測量 由霍爾效應(yīng)可知，當(dāng)控制電流恒定時，霍爾電壓U與磁感應(yīng)強(qiáng)度B成正比，若磁感應(yīng)強(qiáng)度B是位

59、置x的函數(shù)，即UH=kx （6-11）式中：位移傳感器靈敏度。 則霍爾電壓的大小就可以用來反映霍爾元件的位置。當(dāng)霍爾元件在磁場中移動時，輸出霍爾電壓U的變化就反映了霍爾元件的位移量x。利用上述原理可對微量位移進(jìn)行測量。 圖6-4為霍爾式位移傳感器的工作原理圖。圖6-4（a）中磁場強(qiáng)度相同的兩塊永久磁鐵，同極性相對地放置，霍爾元件處于兩塊磁鐵中間。由于磁鐵中間的磁感應(yīng)強(qiáng)度B=0，由此霍爾元件的輸出電壓U也等于零，這時位移x=0。若霍爾元件在兩磁鐵中間產(chǎn)生相對位移，霍爾元件感受到的磁感應(yīng)強(qiáng)度也隨之改變，這時有輸出U，其量值大小反映出霍爾元件與磁鐵之間相對位置的變化量。這種結(jié)構(gòu)的傳感器，其動態(tài)范圍可

60、達(dá)5mm，當(dāng)位移小于2mm時，輸出霍爾電壓與位移之間有良好的線性關(guān)系。圖6-4（b）所示的是一種結(jié)構(gòu)簡單的霍爾位移傳感器，是由一塊永久磁鐵組成磁路的傳感器，在霍爾元件處于初始位置x=0時，霍爾電壓不等于零。 圖6-4（c）所示的是一個由兩個結(jié)構(gòu)相同的磁路組成的霍爾式位移傳感器，為了獲得較好的線性分布，在磁極端面裝有極靴，霍爾元件調(diào)整好初始位置時，可以使霍爾電壓等于零。這種傳感器靈敏度很高，但它所能檢測的位移量較小，適合于微位移量及振動的測量。圖6-4 霍爾式位移傳感器的工作原理圖（a）磁場強(qiáng)度相同的傳感器；（b）簡單的位移傳感器；（c）結(jié)構(gòu)相同的位移傳感器 6.2.2 霍爾元件在轉(zhuǎn)速測量上的應(yīng)