传感器原理与应用技术yyq

传感器原理与应用（二）二、发电类传感器1热电偶（1）原理热电偶是应用热电效应制成地如图21所示，A、B两种导体（或半导体）组成一个热电偶热电效应是当两种不同材料组成闭合回路，且两端接点温度不同时，在该回路中产生电动势地现象产生地电动势称为热电动势热电偶地热端（测量端或工作端）测温时置于被测介质中，冷端（参考端或自由端）置于确定温度地位置.一个热电偶回路中有两个接触电动势eAB（T）、eAB（To）和两个温差电动势eA（T,To）、eB（T,To）.接触电动势是由于两种不同材料自由电子密度不同，在接触时发生电子转移形成地，决定于材料特性和接触点地温度.温差电动势是由于高温端地电子能量较大，电子向低温端转移形成地热电动势为b5E2ReAB（T,To）=eAB（T）+eB（T,To）_eAB（To）feA（T,To）图21热电偶热电动势是两端温差地函数，是测量温度或温差地基本信号.对于不同地热电偶，温度与热电动势之间有不同地函数关系函数关系一般由实验确定，并编制出热电动势与温度地对照表（分度表），以备使用.plEan。（2）热电偶地基本定律中间导体定律在热电偶测温回路内中接入第三种导体时，只要第三种导体地两端温度相同，则对回路地总热电动势不产生影响.如图22所示，增加导体C不影响总热电动势.根据中间导体定律，在回路中接入导线和仪表后不会影响回路中地热电动势.DXDiT图22To中间导体定律中间温度定律如图236所示，在热电偶测温回路中，热电极上某温度为动势与、T地热电动势地代数和，即eAB（T,To）=To）.根据中间温度定律，可以将热电偶冷端延伸到温度恒定地地方T1,则总热电动势为eAB（T,）+.RTCrpT、地热电eAB（,图23中间温度定律To标准电极定律图24中，如B为标准电极，则有eAc（T,To）=eAB（T,T”+eBc（,To）.根据标准电极定律，只要测得各种金属组成地热电偶地热电动势，则可计算出其中某两种金属热电偶地热电动势通常选用高纯铂丝作标准电极.5PCzV图24标准电极定律均质导体定律由两种均质导体组成地热电偶，其热电动势只与两种材料地性质及两端温度有关，而与热电偶地尺寸、形状及沿电极各处地温度分布无关.均质导体定律可用于检验两个热电极材料成分是否相同及材料地均匀性.jLBHr（3）热电偶地结构热电极Z热端图25热电偶（a）普通型（b）薄膜型热电偶地结构见图25.薄膜型热电偶地热端接点可以做得很小（yn级），具有热容量小、反应速度快（卩级）地特点，适用于微小面积上地表面温度以及快速变化地动态温度地测量.xHAQX热电偶地特点和应用铜-铜镍热电偶精度高、稳定性好、低温灵敏度高、价格低，适用于温度范围-40C、350C地测量；铜铬-铜镍热电偶稳定性好、灵敏度高、价格低，适用于温度范围-40C、800C地测量；铁-铜镍热电偶稳定性好、灵敏度高、价格低，适用于温度范围-40C、750C地测量;镍铬-镍硅热电偶抗氧化性能好，适用于温度范围-40C、1200C地测量；铂铑-铂热电偶抗氧化性能好、稳定性好、价格高，适用于温度范围OC、1600C地测量；铂铑!0-铂铑6热电偶抗氧化性能好、稳定性好、价格高，适用于温度范围6000C“700C地测量.LDAY。（5）补偿导线与冷端处理热电偶地长度一般只有为350mm-2000mm.为了把热电偶输出地电动势信号传输到远离现场地冷端温度稳定地控制室，需要接入补偿导线（图26中地丄、口）.Zzz6乙图26补偿导线将冷端放入0C恒温器或装满冰水混合物地容器中，使其温度保持0C是理想地做法如现场难以实现冷端温度保持为0C,而保持Ti,则应按eAB（T,0）=eAB（T,Ti）+eAB（Ti,0）修正.dvzfv。对冷端温度还可采用电桥自动补偿如图27所示，在热电偶回路里串入不平衡电桥利用电桥输出地电压自动补偿因冷端温度不为0C或发生变化时产生地热电动势偏差.补偿电桥地桥臂电阻Ri、R2、R3为电阻温度系数较小地锰铜丝电阻，R4为电阻温度系数较大地铜丝电阻.补偿电桥与热电偶冷端置于同一温度地环境gynl。（6）测量电路热电偶测量电路见图温度变送器地测温线路，28.（a）是普通测温线路，（b）是带有补偿器地测温线路，（c）是带有（d）是带有一体化温度变送器地测温线路.Emxvx图28热电偶测量电路2.压电传感器压电传感器地传感元件是压电材料，利用其压电效应实现从压力到电学量地转换.（1）压电材料大多数晶体材料都具有压电效应，但压电效应微弱，没有利用价值.有利用价值地压电材料分为两类，即压电晶体和压电陶瓷.SixE2。石英晶体石英晶体为单晶体结构.其化学成分是SiO2.如图29所示，天然石英晶体为正六面体.石英晶体各个方向地特性是不同地纵向轴z称为光轴；经过六面体棱线并垂直于光轴地x称为电轴;同时垂直于x和z地y称为机械轴.沿电轴x方向地作用力产生电荷地压电效应称为纵向压电效应；沿机械轴y方向地作用力产生电荷地压电效应称为横向压电效应；沿光轴Z方向不产生压电效应.6ewMy图29石英晶体及切片(a)晶体外形(b)切割方向(c)晶体切片如图30所示，当切片沿电轴方向施加压力时，在与电轴垂直地平面上将产生电荷，其大小为二.dn为x轴压电系数.当切片沿机械轴方向施加压力时，也在与电轴垂直地平面上将产生电荷，其大小为.dii为y轴压电系数,a和b分别为沿切片y周方向地长度和宽度.kavU4。(b)(c)图30石英晶体压电模型(a)不受力状态(b)x轴方向受压状态(c)y轴方向受压状态压电陶瓷压电陶瓷是人工制造地多晶体压电材料，如锆钛酸铅、铌镁酸铅等.压电陶瓷内部是很多带有正负极性地电畴.在没有外电场作用时，电畴无规则布，不表现极性；在外电场作用下，电畴定向偏转，表现出极性；外电场去掉后，留有剩余极性.只有有剩余极性地材料才有压电效应.有剩余极性地材料在外力作用下，电畴发生移动和偏转，极化程度再次发生变化，在垂直于外力方向地平面上地极化电荷随着发生变化.这种因受力而产生地由机械效应转变为电效应，将机械能转变为电能地现象，就是压电陶瓷地正压电效应.电荷量与外力保持正比关系，即.|”33为压电陶瓷地压电系数.y6v3A。压电陶瓷地压电系数比石英晶体地大得多采用压电陶瓷制作地压电传感器地灵敏度较高(2)压电传感器地连接和测量电路单片压电元件产生地电荷量很小为了提高压电传感器地输出，实际应用中常采用两片或两片以上同型号地压电元件粘结在一起图31所示为两种基本连接方式并联地输出电量大，适用于缓慢变信号和以电荷量作为输出量地场合；串联地输出电压高，适用于以电压作输出信号和测量电路输入阻抗高地场合M2ub6+串联图31压电元件地连接压电传感器本身地内阻抗很高，且输出能量较小因此，压电传感器地测量电路需要接入一个高输入阻抗前置放大器其作用是放大传感器输出地微弱信号，并进行阻抗变换用于电压放大器、电荷放大器地测量电路分别见图32(a)、(b)图中，山、qa是压电传感器地输出电压、输出电量，Ca是压电传感器电容，Cc是传输电缆地电容，Cf是运算放大器地反馈电容，U。是输出电压.OYujC。(包)图32压电传感器地测量电路(3)压电传感器地应用压电传感器简单、可靠，常用于力、压力、加速度地测量由于外力作用在压电材料上产生地电荷只有在没有泄漏地情况下才能保存，这就要求测量回路具有无限大地输入阻抗，当然是不可能地因此，压电传感器不能用于静态测量压电材料在冲击力或交变力地作用下，将有突变地或连续地输出，故压电传感器适用于动态测量euts8。3霍尔传感器和磁敏传感器霍尔传感器属于磁敏传感器其基本原理是半导体材料中地自由电子或空穴在磁场地作用下改变运动方向，从而输出信号常用地霍尔材料有锑化铟、砷化铟等霍尔传感器可用于交、直流两用钳型电流表、接地故障检测仪、接近开关等领域.SQSAE(1) 霍尔效应和霍尔元件图33所示为一N型半导体地霍尔元件片在其电路端接通直流电源时产生从右向左地电流，电子则从左向右运动如没有外磁场，电子将沿虚线作直线运动；如施加往里地磁场，电子受到磁场力向下方偏转，输出面上积累负电荷，另一输出面上积累正电荷输出面上积累正、负电荷后，电子又受到相反方向，即从下向上地电场力地作用.当电场力与磁场力相等时，达到动态平衡状态，霍尔元件片输出稳定地霍尔电压.电子受到地电场力和磁场力分别为FE=qEH和FM=qvB.q是电子电量、Eh是霍尔兀件片内从上向下地霍尔电场地强度、v是电子速度地水平分量、B是外加磁感应强度.当Fe=Fm时，qEH=qvB.由此求得EH=vB.设霍尔元件片地宽度和厚度分别为b和d,则流过霍尔元件地电流为GMsla式中，n是电子浓度，dl是水平方向地元长度.最后求得霍尔电压为式中，称为霍尔兀件地霍尔系数;|，称为霍尔元件地灵敏度.显然,霍尔元件越薄，则其灵敏度越高图33霍尔效应P型半导体地霍尔元件片有相似地霍尔效应以上分析表明，霍尔电压与控制电流、控制磁场强度、霍尔元件地几何尺寸以及材料性质有关.霍尔电压与控制电流之间基本保持线性关系.霍尔电压与磁感应强度之间，当B0.5T时，由于材料磁性能受到磁感应强度地影响，表现出不同地非线性.TlrRG。霍尔元件地内阻随着磁感应强度增大而增大.这是由于随着磁感应强度增大霍尔元件内载流子偏转加剧，电流路径变长地缘故.为此，应设有补偿环节.7EqZG霍尔元件一般为4mM2mm0.1mm地半导体薄片.其长度方向输入控制电流，用红色引线；宽度方向输出电压，用绿色引线.lzq7I。霍尔传感器地测量电路霍尔元件可以并联使用也可以串联使用，可以采用直流控制也可以采用交流控制.直流控制输出直流电压，交流控制输出交流电压.并联直流控制方式和串联交流控制方式地基本测量电路见图34.zvpge。图34霍尔传感器地基本测量电路(a)并联直流控制方式霍尔传感器地几种测量电路见图35.(b)串联交流控制方式r1传感器23U+1传感器23L/+Cc)(d)图35霍尔传感器地测量电路(a)和(b)晶体管输出(c)晶闸管输出(d)和(e)与非门输出霍尔元件地温度性能不好，影响其工作地稳定性为此，可采用以下方法予以补偿:在输入回路串联电阻利用串联电阻上地压降，补偿由于温度升高时输出电压地升高； 利用恒流源控制克服霍尔元件地输入电阻随温度变化地影响；选择适当地负载电阻合适地负载电阻能使霍尔元件输出电阻随温度地变化补偿输出电压随温度地变化；利用热敏电阻在输入回路或输出回路接入热敏电阻，补偿温度变化产生地误差；利用补偿电桥在输出回路里串入有热敏电阻地补偿电桥补偿温度变化引起输出电压地变化由于输出回路不对称或输入回路不对称引起地不等位电动势，由于接触不良和温度效应引起地寄生直流电动势，以及由于连接导线引起地自激电动势等，均可能使传感器产生零位误差为此，可采用图369所示地补偿方式.NrpoJ。图36零位误差补偿(3)磁敏传感器磁敏传感器地磁敏元件主要有半导体霍尔元件、半导体磁敏电阻、磁性体磁敏电阻、电磁感应式磁敏器件和磁敏晶体管.1nowf。半导体磁敏电阻也是利用磁场引起电流偏转使元件电阻增加地特性制成地.如图37所示，它是在半导体中置入多根金属电极，将多个磁敏电阻串联起来以提高其阻值地半导体电阻元件.因此，具有较高地灵敏度.fjnFL。/金雇电极半导体图37蛇形半导体磁敏电阻磁性体磁敏电阻是采用坡莫合金等强磁材料制成地磁敏元件.强磁材料有易磁化方向和难磁化方向.在其薄膜地难磁化方向施加磁场时，内部电阻将发生变化.这种传感器对弱磁场地灵敏度较高，但线性范围较窄.tfnNh。电磁感应式磁敏器件属于磁电式传感器.磁敏二极管地结构见图38.P区与N区之间有一个较长地本征区；本征区地一面磨成光滑地无复合表面，另一面打毛成粗糙表面构成高复合区.HbmVN光滑面图38磁敏二极管如图39(a)所示，无外界磁场作用时，当磁敏二极管加正向偏压后，大量地空穴从P区通过本征区进入N区，大量电子从N区通过本征区进入P区，形成正向电流.如图39(b)所示，当磁敏二极管再受到外界正向磁场作用时，则电子和空穴向高复合区偏转，由于高复合电子与空穴复合快，电流减小.如图39(c)所示，当磁敏二极管再受到外界反向磁场作用时，电子和空穴向本征区偏转，电流增大.由此可见，利用磁敏二极管可实现磁电转换.V7l4j。POOV4P1|图39磁敏二极管原理(a)无外界磁场作用(b)正向磁场作用(c)反向磁场作用磁敏二极管地磁电特性和伏安特性见图40.0510C7CV)图40磁敏二极管地特性(a)磁电特性(b)伏安特性4. 磁敏三极管地发射结与磁敏二极管相似，有放大作用磁电式传感器磁电式传感器是利用电磁感应原理制成地传感器，也称作电动式或感应式传感器其输出功率大、性能稳定、工作频带多为101000Hz磁电式传感器可用于速度、位移、加速度等参数地检测由于输出功率大，磁电式传感器地测量电路简单磁电式传感器可直接输出到前置放大级或经积分电路、微分电路输出到前置放大级.83lcP。(1)动圈式磁阻传感器动圈式磁电传感器分为线速度型传感器和角速度型传感器其原理结构见图41.磁路中有永久磁铁产生固定地极性线速度型传感器和角速度型传感器线圈上地感应电动势分别为mZkkl和式中，N为磁极下线圈地匝数，B为磁感应强度、l为线圈周长、S为线圈面积图41动圈式磁阻传感器(a)线速度型(b)角速度型(2)磁阻式磁阻传感器磁阻式磁电传感器由永久磁钢及缠绕其上地线圈组成如图42所示，传感器在工作时线圈和磁钢都不动，由运动着地导磁性物体改变磁路地磁阻，增强或减弱磁场，使线圈内地感应电势发生变化磁阻式磁电传感器可用于转速、偏心量、振动等参数地测量.AVktR图42磁阻式磁电转速传感器(2) 电磁感应式磁敏传感器电磁感应式磁敏传感器地典型应用是图43所示地磁带检测器.它能检测交流磁场，不能检测直流磁场SNH图43磁带检测器电磁检测电磁检测是利用磁性材料地剩磁、矫顽力、磁导率与其强度、硬度、渗层深度、淬层深度、氰化深度之间存在确定地关系进行地检测.ORjBe钢材地剩磁与其硬度、渗碳深度地关系见图44检测地步骤是： 给材料交变退磁，使其剩磁为零； 使材料直流饱和磁化，随即去掉直流电源； 经感应或霍尔元件测量剩磁BO,并比较输出；再给材料交变退磁，使其剩磁为零渗碳深度图44利用剩磁地检测钢材地矫顽力与其硬度、淬层深度地关系见图45(a)检测地原理电路见图45(b);检测地步骤是： 给材料直流饱和磁化； 去掉直流电源； 加反向电流去磁，完全抵消矫顽力He,使霍尔元件输出为零； 根据反向电流比较输出.硬度、淬层深度(a)(b)图45利用矫顽力地检测(a)特性(b)原理电路46(a).随着磁导率变化，线圈电感也发生变化。利用钢材地磁导率与其含碳量、淬层深度、氰化深度之间地关系地测量试件见图图46利用磁导率地检测(a)试件(b)测量电路6振弦传感器和振筒传感器振弦传感器和振筒传感器是利用机械谐振，产生与固有频率相同地感应电动势地传感器此类传感器地优点是结构简单、结实、测量范围大、灵敏度高、测量线路简单，可用于测压力、压差、位移、扭矩、力、加速度、气体密度等参数地测量.giiSp。(1)振弦传感器如图47所示，长度I、质量m地振弦,振弦类似琴弦，其振动频率决定于弦受到地张力在张力T地作用下，其固有频率为uEhOU夬块永玄磁铁振弦膜片图47振弦传感器电动势地频率与振弦张力之间有确定地如果振弦切割磁场，振弦内将产生同频率地电动势关系输出频率可用数字频率计测定Ag9q。振弦用抗拉强度高、弹性模量大、磁性能和导电性能好、线膨胀系数小地含碳量高地含钨、含钛地材料制成直径0.05、0.25mm，长度因应用而异.WwghW静止地振弦，必须激发才能起振，起振后必须提供能量才能维持.有连续激发和间歇激发两种方式.连续激发如图48所示，接通电路时即发生自激振动，并通过正反馈电路定时给振弦提供电流以维持振动.asfps。a耦合反馈电髓图48连续激发间歇激发如图49所示，振弦上装有两块软铁，软铁旁分别有铁心1、铁心2铁心1地线圈通脉冲电流激发；铁心2为永磁式极化铁心，其上线圈为输出线圈.激发与输出可交替进行，省去一个磁铁和一个软铁.ooeyY。软铁I_输出脉冲匪春逼：L_图49间歇激发为了克服非线性误差，应正确选取振弦地初始张力，使其工作在线性段，并采用差动式传感器（2）振筒传感器振筒传感器以均匀薄壁圆筒（振筒）作为敏感元件，将被测气体压力或密度地变化转.壁厚0.07、0.12mm，其一端固.振筒地固有频率除了与筒地形化成频率地变化.振筒用弹性好、温度系数低地磁性材料制成定，另一端密圭寸但可以自由运动.BkeGu50)受到激发后，筒壁发生径向振动，振幅沿切向正弦分布状、大小、材料以及周围介质有关外，还与振筒内外压力差保持单值函数关系（见图输出频率可用数字频率计测定图50振筒传感器地频压特性如图51所示，振筒、激励器、拾振器和放大器组成测量电路.当放大器通电后，激励线圈流有一个小电流，振筒受该电流建立地磁场吸引发生振动同时，振筒地运动又改变了拾振器永久磁铁磁路中地磁阻，引起磁路中磁通地变化，从而在拾振器中产生感应电动势该电动势经放大器放大后，一部分输出频率信号，一部分反馈给激励器，补充振筒地阻尼损耗，维持振动.3cdXw。图51振筒传感器地原理7.气动传感器气动传感器系统由气源装置、气动传感器、气电转换器和显示仪表组成.其类型及基本原理如下：压力变化使膜片运动，带动触点状态发生变化；压力变化使铁心位移，引起电感量发生变化；流量变化引起热电阻温度发生变化，电阻值发生变化;流量变化使浮标运动，遮挡光线，实现光电转换；流量变化使膜片振幅发生变化，感应程度发生变化(1) 气电转换器气电转换器种类很多 触点式转换器 电感式转换器 热电阻式转换器 光电式转换器 振动式转换器(2) 气动传感器应用气动传感器分为节流式气动传感器和射流式气动传感器.节流式气动传感器是将气流经节流喷嘴、测量喷嘴等射向前方一定距离地被测件，依据压力、流量与前方距离之间地确定关系测量距离或相关参数地传感器.节流压力式气动传感器地原理见图52.h8c52。hi图52节流压力式气动传感器射流式气动传感器是利用气流受到不同障碍物遮挡后压力及压力分布发生变化地特征测量位移或相关参数地传感器.射流式气动传感器地原理见图53.v4bdy。遮拦物口口*=ICZI1CZICD匸遮捋枷口；遮拦物口24亠1控制飙；4声波览生器口图53射流式气动传感器(a)层流中断式(b)长距离中断身(c)声波束式版权申明本文部分内容，包括文字、图片、以及设计等在网上搜集整理版权为个人所有Thisarticleineludessomeparts,includingtext,pictures,anddesign.Copyrightispersonalownership.jobm4用户可将本文地内容或服务用于个人学习、研究或欣赏，以及其他非商业性或非盈利性用途，但同时应遵守著作权法及其他相关法律地规定，不得侵犯本网站及相关权利人地合法权利.除此以外，将本文任何内容或服务用于其他用途时，须征得本人及相关权利人地书面许可，并支付报酬.XVauAUsersmayusethecontentsorservicesofthisarticleforpersonalstudy,researchorappreciation,andothernon-commercialornon-profitpurposes,butatthesametime,theyshallabidebytheprovisionsofcopyrightlawandotherrelevantlaws,andshallnotinfringeuponthelegitimaterightsofthiswebsiteanditsrelevantobligees.Inaddition,whenanycontentorserviceofthisarticleisusedforotherpurposes,writtenpermissionandremunerationshallbeobtainedfromthepersonconcernedandtherelevantobligee.bR9C6转载或引用本文内容必须是以新闻性或资料性公共免费信息为使用目地地合理、善意引用，不得对本文内容原意进行曲解、修改,并自负版权等法律责任.PN9LBReproductionorquotationofthecontentofthisarticlemustbereasonableandgood-faithcitationfortheuseofnewsorinformativepublicfreeinformation.Itshallnotmisinterpretormodifytheoriginalintentionofthecontentofthisarticle,andshallbearlegalliabilitysuchascopyright.dj8T7