第4章 電壓型傳感器

本章的教學(xué)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(dòng)式傳感器，它利用電磁感應(yīng)原理將運(yùn)動(dòng)速度轉(zhuǎn)換成感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)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(dòng)勢(shì)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(yùn)動(dòng)機(jī)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(dòng)鐵式和動(dòng)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(qiáng)度為1T，單匝線圈長(zhǎng)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(cè)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(dá)式1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)在它的兩個(gè)相對(duì)的表面上便產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷；當(dāng)外力去掉后，又重新恢復(fù)不帶電的狀態(tài)；當(dāng)作用力的方向改變時(shí)，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(duì)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(dǎo)瓷）。（3）新型壓電材料，有壓電半導(dǎo)體和有機(jī)高分子壓電材料兩種。國(guó)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(xì)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(shí)驗(yàn)測(cè)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(cè)量粗糙度的輪廓儀的測(cè)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(gè)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(cè)量頻率太低的被測(cè)量，特別是不能測(cè)量靜態(tài)參數(shù)，因此壓電傳感器多用來測(cè)量加速度和動(dòng)態(tài)力或壓力.式靈敏度取決于CF電荷放大器的時(shí)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(cè)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(dòng)勢(shì)的產(chǎn)生熱電偶產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)與兩個(gè)電極的材料及兩個(gè)接點(diǎn)的溫度有關(guān)，通常寫成EAB(T,T0)。熱電偶產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)由單一導(dǎo)體的溫差電動(dòng)勢(shì)和兩種導(dǎo)體的接觸電動(dòng)勢(shì)組成。1)單一導(dǎo)體的溫差電動(dòng)勢(shì)根據(jù)物理學(xué)的推導(dǎo),當(dāng)導(dǎo)體A兩端的溫度分別為T,T0時(shí),溫差電動(dòng)勢(shì)可表示為導(dǎo)體B的溫差電動(dòng)勢(shì)為2)兩種導(dǎo)體的接觸電動(dòng)勢(shì)根據(jù)物理學(xué)的推導(dǎo),接觸電動(dòng)勢(shì)的表達(dá)式為同理，在接觸面（點(diǎn)）的溫度為T0時(shí)的接觸電動(dòng)勢(shì)為3)熱電偶回路的總熱電動(dòng)勢(shì)

由上幾式可得2熱電偶的基本定律1）中間導(dǎo)體定律圖4-3-2

熱電偶回路接入第三導(dǎo)體對(duì)于圖4-3-2a的電路，采用“巡游一周法”，回路總熱電動(dòng)勢(shì)由式（4-3-1）和式（4-3-3）可知可得上式與對(duì)比可得對(duì)于圖4-3-2b的電路，采用“巡游一周法”，回路總熱電動(dòng)勢(shì)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(biāo)準(zhǔn)電極定律4.3.2

熱電偶的材料、型號(hào)及結(jié)構(gòu)1熱電偶的材料對(duì)熱電偶電極材料有以下要求：(1)物理化學(xué)性能穩(wěn)定(2)導(dǎo)電率高(3)變化率大(4)工藝簡(jiǎn)單2熱電偶的型號(hào)按照工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化的要求，可分為標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶和非標(biāo)準(zhǔn)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(cè)溫電路1測(cè)溫原理和方法圖4-3-6

各種熱電偶的熱電勢(shì)與溫度關(guān)系曲(T0=0℃)利用熱電偶測(cè)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(dòng)勢(shì)與被測(cè)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(jìn)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(diǎn)：（1）補(bǔ)償導(dǎo)線與熱電偶的兩個(gè)接點(diǎn)的溫度必須相同。（2）滿足（3）補(bǔ)償導(dǎo)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(cè)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(jì)算出真實(shí)溫度T儀表刻度是按照如下關(guān)系標(biāo)定的：此時(shí)的T’不是真實(shí)的T.3）儀表機(jī)械零點(diǎn)調(diào)整法例4.3-1

4.3.4冷端補(bǔ)償式熱電偶測(cè)溫電路1冷端自動(dòng)補(bǔ)償?shù)脑韴D4-3-9冷端自動(dòng)補(bǔ)償?shù)恼`差2冷端補(bǔ)償器電路1）熱電阻電橋2）熱電偶冷端補(bǔ)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(cè)直接引起光量變化的非電量，也可用于檢測(cè)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(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)，相對(duì)應(yīng)的光電器件包括光電發(fā)射型光電器件，光導(dǎo)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(dá)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(jí)示意圖光導(dǎo)效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)基于光導(dǎo)效應(yīng)原理工作的半導(dǎo)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(duì)光敏電阻性能的影響3.光敏電阻與負(fù)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(hào)、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(fù)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(xué)通路3）光電器件4）測(cè)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(jì)數(shù)，將光脈沖轉(zhuǎn)換為電脈沖進(jìn)行產(chǎn)品計(jì)數(shù)或是測(cè)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(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)。4.5.1霍爾效應(yīng)圖5-5-1霍爾效應(yīng)原理圖當(dāng)電荷處于平衡，即霍爾電壓與霍爾電場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系為綜合假設(shè)激勵(lì)電流I分布均勻，則有和兩式，得將和兩式合并整理，得對(duì)N型半導(dǎo)體有對(duì)P型半導(dǎo)體有令霍爾傳感器由元件，加于激勵(lì)電極兩端的激勵(lì)電源，與霍爾電極輸出端相連的測(cè)量電路，產(chǎn)生某種具有磁場(chǎng)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(hào)圖4-5-3

霍爾電壓的基本測(cè)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(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度和增大激勵(lì)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(dá)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(cè)量。利用UH-B關(guān)系可測(cè)壓力、加速度、磁場(chǎng)強(qiáng)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(cè)量直流，也可測(cè)量交流。3.