發(fā)電式傳感器及其應(yīng)用

測試技術(shù)——

發(fā)電式傳感器及其應(yīng)用(4)第五章內(nèi)容壓電式傳感器磁電式傳感器光電式傳感器固態(tài)圖像傳感器霍爾傳感器熱電偶傳感器紅外探測器1壓電式傳感器壓電效應(yīng)外力作用下在壓電材料表面產(chǎn)生電荷F+q等效電路兩極板上聚集異性電荷，中間為絕緣體的電容器壓電材料：石英晶體、鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等FFq電極壓電晶片Cou＝q/Co電荷源電壓源1壓電式傳感器結(jié)構(gòu)形式兩片、四片壓電材料串并聯(lián)組成，提高靈敏度并聯(lián)接法：電容量大、時間常數(shù)大，響應(yīng)慢測量緩變信號適合電荷輸出串聯(lián)接法：電容量小、時間常數(shù)小，響應(yīng)快測量快變信號適合電壓輸出1壓電式傳感器測量電荷易泄漏，適宜作動態(tài)測量電荷測量：電荷放大器（電容反饋放大器）

如果放大器開環(huán)增益A足夠大

uo≈-qe/Cf電荷放大器的輸出電壓與傳感器的電荷量成正比，并且與電纜分布電容無關(guān)電荷放大器的靈敏度取決于Cf——靈敏度的選擇常做高精度測量加速度計電纜電荷放大器1壓電式傳感器測量電荷測量：電荷放大器

靈敏度輸入范圍低通濾波1壓電式傳感器測量電壓測量：阻抗變換＋放大壓電傳感器的內(nèi)阻抗Ra很高，輸出的信號微弱測量電路阻抗變換：低阻抗輸出微弱信號進行放大連接電纜改變（長度、布線）Cc影響電壓靈敏度值電壓靈敏度隨被測信號頻率而變不可以用于靜態(tài)測量、測量精度不高電荷源電壓源加速度計電纜阻抗變換、放大ui1壓電式傳感器優(yōu)缺點優(yōu)點它具有很高的剛度，測量過程中變形甚小，是一種近乎理想的測力元件尺寸與重量很小，可以小到只有零點幾克，因而使用中對被測對象的附加質(zhì)量小固有頻率高，可以高達數(shù)萬赫茲，線性好橫向干擾?。ㄗ畲蟛怀^5%），可做成多向測力儀響應(yīng)快、靈敏度高、信噪比大、結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠缺點調(diào)理特殊、不宜做靜態(tài)測量需經(jīng)常校正靈敏度1壓電式傳感器壓電式壓力傳感器測量方法——動態(tài)電壓測量：電壓放大器——頻率、電纜影響電荷測量：電荷放大器——高精度測量1壓電式傳感器12345壓電轉(zhuǎn)換元件傳感器體彈性膜片電極引線P壓電式加速度傳感器結(jié)構(gòu)敏感元件：彈簧、質(zhì)量轉(zhuǎn)換元件：壓電元件轉(zhuǎn)換電路：電荷放大器、阻抗變換器S是彈簧，M是質(zhì)塊，B是基座，P是壓電元件，R是夾持環(huán)幾種加速度傳感器結(jié)構(gòu)

(a)中心安裝壓縮型

(b)環(huán)形剪切型

(c)三角剪切型

1壓電式傳感器壓電式傳感器內(nèi)裝IC壓電加速度傳感器內(nèi)裝微型IC-集成電路放大器低阻抗輸出，抗干擾，噪聲小性能價格比高，安裝方便，尤其適于多點測量穩(wěn)定可靠、抗潮濕、抗粉塵、抗有害氣靈敏度：100mV/g量程：50g頻率范圍：0.5-8000Hz（±10%)安裝諧振點:30kHz分辨率：0.0002g重量：8gm線性：≤1%輸出偏壓：8-12VDC

恒定電流：2-20mA

輸出阻抗：＜150Ω激勵電壓：18-30VDC1壓電式傳感器壓電加速度計安裝螺栓安裝——可測量強振動和高頻率振動絕緣螺栓或者云母片絕緣相連臘膜粘附手持探棒與振動表面接觸磁鐵座相連——常用、較小的振動測量粘結(jié)劑連結(jié)

1壓電式傳感器壓電式傳感器阻抗頭：同時給出同一個點動態(tài)加速度和力的傳感器機械阻抗：響應(yīng)加速度/激振力

8770A5型阻抗頭

量程靈敏度頻率范圍加速度±5g1000mV/g1Hz~4kHz力±5Ib1000mV/Ib1壓電式傳感器2磁電式傳感器電磁感應(yīng)原理N匝線圈與磁鐵相對運動、切割磁力線，感應(yīng)出正比于運動速度的電壓

磁通Ф變化率取決于：磁場強度B——固定線圈運動速度磁路磁阻測量：磁電式傳感器輸出功率較大、零位及性能穩(wěn)定調(diào)理電路一般較簡單工作頻率一般為10～1000Hz分類動圈式——線圈運動速度磁場為常數(shù)直線運動速度變磁阻——磁路磁阻變化齒圈和極軸組成的磁路中磁阻發(fā)生變化，其結(jié)果使磁通量周期性增減感應(yīng)電壓取決：轉(zhuǎn)速、探頭端面距齒頂間隙測量角速度或轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速2磁電式傳感器磁電式速度傳感器絕對速度傳感器組成：磁路系統(tǒng)、慣性質(zhì)量、彈簧阻尼

線圈殼體振動磁鋼隨之振動芯軸相對靜止線圈切割磁力線線圈中感應(yīng)電勢感應(yīng)電勢E=kV，式中k為取決于磁感應(yīng)強度、線圈長度和匝數(shù),V為絕對振動速度彈簧片芯軸線圈磁鋼阻尼環(huán)殼體2磁電式傳感器磁電式速度傳感器絕對速度傳感器動態(tài)特性：二階系統(tǒng)固有頻率應(yīng)該盡可能低，但實現(xiàn)有很大困難由于結(jié)構(gòu)上的原因，固有頻率一般取10～15Hz工作頻率：15～1000Hz阻尼比：阻尼環(huán)產(chǎn)生磁阻尼力（0.5~0.7）2磁電式傳感器磁電式速度傳感器相對速度傳感器芯軸——頂桿——另一試件殼體——頂桿：相對速度輸出電壓：正比相對速度測量頻率：0～1kHz2磁電式傳感器磁電式轉(zhuǎn)速傳感器變磁阻輸出：感應(yīng)一個電勢脈沖可靠、穩(wěn)定、有源傳感器不適應(yīng)于低轉(zhuǎn)速2磁電式傳感器永久磁鐵線圈齒圈引線間隙極軸磁電式扭矩傳感器2磁電式傳感器光電效應(yīng)

在光的照射下，激發(fā)物體的電子運動的現(xiàn)象外光電效應(yīng)：光能光電流信號電子逸出內(nèi)光電效應(yīng)改變導(dǎo)電性能3光電式傳感器光敏三極管光電器件光電發(fā)射器件：光電管、光電倍增管半導(dǎo)體光電器件光敏電阻、光敏二極管——材料的電阻隨光照強度的增加而減小光電池——電流源：材料硒、硅、鍺等,受光照產(chǎn)生光電動勢光敏晶體管——光線通過孔到達PN結(jié)，獲得較大的集電流輸出

光敏二極管3光電式傳感器光電器件應(yīng)用幾種設(shè)計方式3光電式傳感器光電式轉(zhuǎn)速傳感器測量原理通過敏感元件來檢測光通量的強弱，從而產(chǎn)生與被測軸轉(zhuǎn)速成比例的電脈沖信號實際應(yīng)用反射式光電傳感器透射式光電傳感器優(yōu)點測速范圍可達每分鐘幾十萬轉(zhuǎn)對被測軸無干擾光源光電元件轉(zhuǎn)軸反光面透鏡透鏡透鏡半透反光膜反射式光電傳感器3光電式傳感器反射式表面粗糙度光電傳感器測量原理敏感元件檢測表面反射光通量的強弱，以反映其表面光滑的程度實際應(yīng)用工件表面缺陷或粗糙度檢查3光電式傳感器反射法測量原理1.光源2.物鏡3.被測工件4聚光鏡5光電元件光電耦合器組成：發(fā)光元件與光敏元件封裝——光－電轉(zhuǎn)換優(yōu)點：無機械觸點、噪音低、執(zhí)行動作快、體積小、壽命長分類：光電隔離器和光電開關(guān)3光電式傳感器光電隔離器組成：發(fā)光二極管LED和光敏晶體管優(yōu)點：LED輻射能量能有效地耦合到光敏晶體管應(yīng)用輸入、輸出端隔離——解決信號傳輸中多地問題電平轉(zhuǎn)換提高驅(qū)動能力以及抗干擾能力3光電式傳感器光電開關(guān)組成：發(fā)光二極管LED被測體調(diào)制光敏晶體管分類對射式反射式用途：計數(shù)、有無3光電式傳感器光電元件發(fā)射光源CCD圖像傳感器CCD（ChargeCoupledDevice）——電荷耦合器件CCD組成：類似馬賽克的網(wǎng)格——MOS電容器、聚光鏡片以及底層的測量矩陣MOS（MetalOxideSemiconductor）電容器——像素、像點、感光點構(gòu)成：在P－Si襯底上淀積金屬而構(gòu)成的一只電容器工作原理：在光照射下，感光小單元積聚光生載流子——電荷P－Si金屬氧化物載流子/電荷勢阱表面勢4圖像傳感器CCD圖像傳感器CCD功能：根據(jù)光的強弱積聚相應(yīng)的電荷，由測量矩陣讀出分類：線型、面型或圓型CCD廠商：SONY、Philips、Kodak、Matsushita、Fuji線型CCD傳感器1－CCD轉(zhuǎn)移寄存器2－轉(zhuǎn)移控制柵3－積蓄控制電極4－PD陣列（1728）SH－轉(zhuǎn)移控制柵輸入端RS－復(fù)位控制

4圖像傳感器CMOS圖像感光器CMOS（ComplementMetalOxideSemiconductor）——互補金屬氧化物場效應(yīng)CMOS經(jīng)加工可以作為圖像傳感器——每個象素由四個晶體管與一個感光二極管構(gòu)成

CCD難以比擬的優(yōu)勢：單一電源運作（省電、標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)、便宜）缺點：信噪比差、敏感度不夠——比CCD傳感器低10倍感光度應(yīng)用：圖像輸入設(shè)備

電腦、筆記本電腦、掌上電腦、掃描儀、數(shù)碼相機、攝像機、指紋認證等900萬像素CMOS4圖像傳感器鋁板寬度的自動檢測

組成兩個CCD線型傳感器1、2測量L1、L2，已知Lm

L傳感器3＋激光源：補償由于板厚變化而造成的測量誤差對于2m寬的熱軋板，最終測量精度可達板寬的土0.025％。4圖像傳感器二維零件尺寸在線檢測二維零件尺寸的在線檢測CCD攝像機：零件輪廓形狀掃描零件的輪廓形狀的可重構(gòu)零件的各部分尺寸的計算4圖像傳感器三角法測量4圖像傳感器輪廓測量原理：激光X平面光幕輪廓線反射光幕2維CMOS陣列信號處理器剖面圖形(X為輪廓線的長度，Z為輪廓線的高低)通過移動被測物體或傳感器3D測量光幕反射光幕4圖像傳感器機器人視覺系統(tǒng)組成：機器手＋CCD圖像傳感器功能識別目標(biāo)空間定位引導(dǎo)機器手處理目標(biāo)（分類、搬運和裝配）4圖像傳感器機器人目標(biāo)定位系統(tǒng)壓電式傳感器壓電效應(yīng)：力電荷結(jié)構(gòu)形式（串、并聯(lián)）、測量電路（電壓、電荷測量）應(yīng)用：加速度計、安裝磁電式傳感器電磁感應(yīng)：磁通變化在線圈回路產(chǎn)生感應(yīng)電勢變磁通方法：線圈運動、磁阻變化應(yīng)用：（絕對/相對）速度傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器光電式傳感器光電效應(yīng)：外光電效應(yīng)、內(nèi)光電效應(yīng)幾種設(shè)計方式：轉(zhuǎn)速、表面測量、光電開關(guān)圖像傳感器CCD、CMOS優(yōu)缺點應(yīng)用：三角法測量——形狀檢測回顧霍爾效應(yīng)金屬或半導(dǎo)體薄片置于磁場中，當(dāng)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——霍爾電壓霍爾電壓UH與通過電流I和磁感應(yīng)強度B成正比d越小，kH就越大（薄膜霍爾元件d為1μm左右）5霍爾傳感器霍爾元件

N型半導(dǎo)體材料：鍺、硅、銻化銦、砷化銦特性尺寸小、特別是厚度很小，可以放到磁場的空隙中，因而很方便；輸出信號大，靈敏度可達12mV/mA-T輸出電阻小，只有0.5~100歐姆建立霍爾電勢的時間極短（10-12~10–14s），高頻測量應(yīng)用

直接測量：磁場B、電流I

間接測量：位移、厚度、重量、轉(zhuǎn)速5霍爾傳感器開關(guān)型霍爾傳感器原理在傳感器內(nèi)用稀土磁鋼給霍爾器件建立初始磁場——磁偏置傳感器前面有鐵磁物體時，引起該磁場發(fā)生變化霍爾器件檢測、轉(zhuǎn)換成一個交變信號，內(nèi)置電路進行放大、整形，輸出開關(guān)型霍爾傳感器OCH41

輸入頻率：0～20KHz輸出信號：0～20V矩形脈沖

工作電源：12V～24VDC/20mA推薦安裝間隙0.8～1.2mm5霍爾傳感器霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器測轉(zhuǎn)速、流速5霍爾傳感器開關(guān)型霍爾傳感器測位置——發(fā)動機曲軸位置檢測飛輪上有12個槽，4個槽為一組，分為三組，每組相隔120°，每組中的每個槽也相隔20°飛輪上每組槽通過傳感器時，傳感器將產(chǎn)生四個脈沖信號每組信號，可被ECU用來確定兩缸活塞的位置——各個缸活塞接近上止點的時刻控制噴油和點火5霍爾傳感器觸發(fā)輪齒式霍爾曲軸位置傳感器霍爾電流傳感器結(jié)構(gòu)：帶有縫隙的環(huán)形電磁鐵+霍爾元件原理：電磁鐵縫隙中磁場大小與通入電流成正比——霍爾元件檢測漏磁影響消除：第二個線圈的連接方式是使得它的磁場對抗第一個線圈的磁場作用。合成的磁感應(yīng)強度則用一霍爾傳感器來探測磁場強度——霍爾電壓——調(diào)節(jié)電流I2——0磁場——I2=N1/N2.I15霍爾傳感器N1Il＝N2I2

霍爾式損傷檢測結(jié)構(gòu)：永久磁鐵+鋼絲繩+霍爾元件原理：鋼絲繩中的斷絲會改變永久磁鐵產(chǎn)生的磁場霍爾元件檢測磁場變化，產(chǎn)生一個脈動電壓信號——斷絲根數(shù)及斷絲位置霍爾效應(yīng)鋼絲斷絲檢測裝置1—鋼絲繩2—霍爾元件3—永久磁鐵5霍爾傳感器熱電效應(yīng)

當(dāng)不同材料的兩導(dǎo)體Ａ和Ｂ的兩個結(jié)點處溫度不同時，則回路中產(chǎn)生熱電勢接觸電勢：接觸點電子密度不相同而形成的電位差eAB（t）溫差電勢：金屬導(dǎo)體兩端溫度不同而可產(chǎn)生的熱電勢eA（t,t0）——等溫時為零熱電偶回路熱電勢

eAB（t,t0）——金屬A和溫度t分別表示熱電偶的正極和測量端,后面的金屬B和溫度t0分別表示熱電偶的負極和參考端導(dǎo)體A導(dǎo)體B高溫端t低溫端t06熱電偶傳感器中間導(dǎo)體定律

在熱電偶回路中加入第三種導(dǎo)體C，只要其兩端溫度相同，熱電偶產(chǎn)生的熱電勢保持不變——不受第三金屬接入的影響6熱電偶傳感器CtABt0t0eAB(t)eBC(t0)eCA(t0)eB(t,t0)eA(t,t0)可以在熱電偶回路中接入儀表以便檢測熱電勢的大小從而測出溫度相對另一種金屬C（標(biāo)準(zhǔn)電極）的熱電勢為已知的金屬A和B，它們組成的熱電偶，其熱電勢為它們對金屬C熱電勢的代數(shù)和

——建立通用（相對標(biāo)準(zhǔn)電極）分度表熱電偶連接接入儀表開路熱電偶

只要A、B電極接入處溫度一致

——任意焊接、任意連接工作端t參考端t0工作端t參考端t0工作端t參考端t0金屬壁面工作端t參考端t0液態(tài)金屬6熱電偶傳感器冷端溫度補償冷端：參考/比端、自由端——t0熱電偶的熱電勢的大小不僅與工作端溫度有關(guān)，而且與冷端溫度有關(guān)只有當(dāng)冷端溫度不變時，熱電勢才是熱端溫度的單值函數(shù)定點法——恒溫法把冷端置于恒溫器中，使其維持在一恒定溫度下，最常用冰槽精度很高，比較麻煩，僅限于實驗室用6熱電偶傳感器冷端溫度補償補償電橋法

——在熱電偶回路中串聯(lián)一電勢U=e(t0,0)原理：電橋輸出與環(huán)境溫度/冷端變化成正比補償環(huán)境溫度對熱電偶的影響電橋補償：在0oC時，電橋平衡，輸出為U=0如果環(huán)境溫度上升，熱電偶輸出熱電勢數(shù)值要降低電橋中橋臂電阻Rcu隨溫度上升而增大，使電橋輸出電壓增加，它與前者迭加可起到補償作用eUt0t0tbdaR1cRsRCuteR3R26熱電偶傳感器熱電偶分類熱電偶材料性能要求

物理化學(xué)性能穩(wěn)定、電阻溫度系數(shù)小、機械性能好、靈敏度高、復(fù)現(xiàn)性好、線性關(guān)系等熱電偶分類按其熱電勢與溫度的關(guān)系以及使用性能可分為：常用熱電偶和特殊熱電偶按其適應(yīng)的溫度范圍不同可分為：高、中溫?zé)犭娕己偷蜏責(zé)犭娕及雌浣Y(jié)構(gòu)型式不同可分為：鎧裝式、插入式和裸線式熱電偶

一般熱電偶的靈敏度隨溫度降低而明顯下降。這是熱電偶進行低溫測量的主要困難.6熱電偶傳感器熱電偶分類分度號6熱電偶傳感器熱電偶分類6熱電偶傳感器名稱特點測溫范圍靈敏度鉑銠－鉑熱電偶——中高溫度計物理化學(xué)性能穩(wěn)定，測量精度高，常用于精密溫度測量和作為基準(zhǔn)溫度計使用300℃~1300℃室溫下6uV/℃鎳鉻－鎳硅熱電偶——中高溫度計化學(xué)性能很穩(wěn)定，靈敏度高、成本低，價格低廉100℃~1000℃室溫下41uV/℃鎳鉻－康銅熱電偶——中低溫溫度計綜合了鎳鉻－鎳硅熱電偶和銅－康銅熱電偶的一些優(yōu)點——靈敏度高、價格便宜液氮溫區(qū)80K～500℃室溫下70uV/℃銅－康銅熱電偶——中低溫溫度計性能穩(wěn)定，復(fù)現(xiàn)性好，而且價格便宜80K～室溫室溫下40uV/℃鎳鉻－金鐵熱電偶——中低溫溫度計穩(wěn)定性好，熱導(dǎo)率低，適合于低溫測量1K～30K1K下10uV/℃為銅康的30倍熱電偶分度表6熱電偶傳感器e(t,0℃)=e(t,t0)+e(t0,0℃)熱電偶優(yōu)點結(jié)構(gòu)簡單、制作方便、價格低廉、測溫范圍寬、正確度高流體、固體、及表面溫度均可用它測量微型熱電偶可用于快速及動態(tài)溫度測量熱電偶缺點：需要恒定的冷端溫度6熱電偶傳感器紅外輻射7紅外探測器紅外輻射溫度——輻射——電磁波溫度在絕對零度以上的物體，都會因自身的分子運動而輻射出紅外線，波長在0.76～100μm物體溫度愈高，則輻射到空間去的能量愈多——波長下降紅外探測器：紅外輻射能轉(zhuǎn)換為電能分類：熱探測器、光子探測器

紅外線黑體輻射強度與波長及溫度之間的關(guān)系7紅外探測器熱探測器：熱電偶型、氣動型、熱釋電型熱電偶型：多對熱電偶串連相接輻射能紅外輻射透鏡熱端材料：銀─鉍、錳─康銅；鍍膜和光刻技術(shù)制造薄膜熱電堆，銻─鉍7紅外探測器熱電偶冷端置于環(huán)境溫度下熱點涂上黑層置于輻射中紅外輻射透鏡透紅外窗口吸收薄膜氣室柔鏡可見光源光柵光柵圖像反射鏡反射鏡光電管透鏡熱探測器：熱電偶型、氣動型、熱釋電型氣動型——吸收紅外輻射后，氣室的氣體溫度升高、體積增大柔性鏡移動光柵圖像－柵狀光欄相對位移改變光量光電管光譜響應(yīng)波段很寬：從可見光到微波；響應(yīng)時間為15ms用于實驗室內(nèi)，作為其他紅外器件的標(biāo)定基準(zhǔn)

7紅外探測器鐵電體絕緣電阻負載熱探測器：熱電偶型、氣動型、熱釋電型熱釋電型熱釋電效應(yīng)：在紅外輻射下，由于溫度升高，引起鐵電體極化強度下降，即表面電荷減少，這相當(dāng)釋放一部分電荷轉(zhuǎn)換元件：熱釋電晶體（鋯鈦酸鉛等

）轉(zhuǎn)換電路：熱釋電晶體與負載電阻聯(lián)接，在紅外輻射下，負載電阻兩端就有信號輸出自動門/水龍頭/安檢7紅外探測器光子探測器光子探測器photondetector

輻射能量是以微粒形式存在的——光子或量子光電效應(yīng)：光子與半導(dǎo)體材料直接作用，產(chǎn)生內(nèi)光電效應(yīng)，使得載流子(電子空穴對)增加而產(chǎn)生光致電動勢

光電、光電導(dǎo)及光生伏打等探測器探測率高、響應(yīng)快（微秒/納秒級）選擇性：光子能量與波長有關(guān)系，所以光子探測器僅對具有足夠能量的光子有響應(yīng)，存在著對光譜響應(yīng)的選擇性光子探測器通常在低溫條件下工作測溫儀、航空掃描儀、熱象儀

入射到結(jié)內(nèi)的光子產(chǎn)生電子空穴對

7紅外探測器紅外探測器比較性能熱點堆氣動型熱釋電型光子探測器響應(yīng)波段可見光到微波1～38μm2～14μm探測率1x1091x1010(3-10)1010(0.1-5)1010響應(yīng)時間15ms10-2s10-5s工作溫度300K70~300K應(yīng)用其它紅外器件標(biāo)定基準(zhǔn)光譜儀、測溫儀、紅外攝像測溫儀、航空掃描儀、熱