《电压型传感器》PPT课件.ppt

第5章电压型传感器 基本要求 了解电压型传感器的常见类型理解常见电压型传感器的基本工作原理掌握常见电压型传感器的测量电路 主要内容 5 1磁电式传感器5 2压电式传感器5 3热电偶传感器5 4光电传感器5 5霍尔传感器 5 1磁电式传感器 通过电磁感应原理将被测量 如振动 转速 扭矩 转换成电势信号 利用导体和磁场发生相对运动而在导体两端输出感应电势 属于机 电能量变换型传感器优点 不需要供电电源 电路简单 性能稳定 输出阻抗小 一 基本原理 磁电式传感器是基于电磁感应原理的传感器 根据电磁感应定律可得 即回路中产生的感应电势与磁通量对时间的变化律成正比 二 基本组成 1 磁路系统 产生恒定直流磁场 一般用永久磁铁2 线圈 产生感应电压3 运动机构 感受被测运动 三 结构类型 1 变磁通式结构 线圈和磁铁部分都是静止的 与被测物连接而运动的部分是用导磁材料制成的 在运动中 它们改变磁路的磁阻 因而改变贯穿线圈的磁通量 在线圈中产生感应电动势 a 铁芯平移型 e与成正比 这种结构可做成测线速度 b 铁心旋转型 这种结构可做成测角速度 三 结构类型 2恒磁通结构 工作气隙中的磁通恒定 感应电动势是由于永久磁铁与线圈之间有相对运动 线圈切割磁力线产生 分为 动铁式和动圈式 动铁式 动圈式 基本原理 如果在线圈运动部分的磁场强度B是均匀的 则当线圈与磁场的相对速度为 时 线圈的感应电动势 为运动方向与磁场方向间夹角 当 90 线圈的感应电动势为 当N B和la恒定不变时 E与 dx dt成正比 根据感应电动势E的大小就可以知道被测速度的大小 四 测量电路 磁电式传感器直接输出感应电势 常具有较高灵敏度 一般不需要高增益放大器 但磁电式传感器是速度传感器 若要获取被测位移或加速度信号 则要配用积分或微分电路 5 2压电式传感器 原理 材料受力变形时 表面产生电荷 实现非电量测量 特点 体积小 重量轻 工作频带宽等 应用 动态力 机械冲击 振动声学 医学 宇航 5 1压电效应和压电材料 一 压电效应 1 正 顺 压电效应 正压电效应 某些材料沿一定方向施力变形 内部产生极化现象 两表面产生极性相反的电荷 外力去掉后 表面又回到不带电状态 2 逆压电效应 电致伸缩 逆压电效应 在电介质的极化方向上施加电场 电介质也会产生变形 二 压电效应表达式 压电常数矩阵 Tj Pa牛顿 米2 C N库仑 牛顿 三 力 电荷转换公式 灵敏度为常数 四 压电材料 压电材料 具有压电效应的电介质 包括石英晶体和压电陶瓷 1 石英晶体 单晶结构 结晶形状为六角晶柱 是一个正六面体 光轴 机械轴 电轴 纵轴线z 光轴穿过棱线且垂直z轴的x轴 电轴 压电效应最强 垂直棱面的y轴 力轴 机械轴 机械形变最明显 石英晶体的压电常数 x方向 存在纵向压电效应 横向压电效应和面切向压电效应 y方向 有面切压电效应和剪切压电效若改变受力方向 表面极性也相应改变 z方向 表面不产生电荷 石英晶体的特点 天然晶体 压电系数d11 2 31 10 12C N 莫氏硬度为7 熔点为1750 膨胀系数仅为钢的1 30 优点 转换效率和转换精度高 线性范围宽 重复性好 固有频率高 动态特性好 工作温度高达550 压电系数不随温度而改变 稳定性好 2 压电陶瓷 多晶体压电材料 压电系数高 灵敏度较石英材料高 但工作温度低 温度稳定性和机械强度都不如石英 未极化前 不具压电性 撤销外电场 原始压电陶瓷材料没有压电性 极化后具有压电性 压电常数为 钛酸钡 常见压电陶瓷 1 钛酸钡 BaTiO3 压电陶瓷具有较高的压电系数和介电常数 机械强度不如石英 2 锆钛酸铅Pb Zr Ti O3系压电陶瓷 PZT 压电系数较高 各项机电参数随温度 时间等外界条件的变化小 3 铌镁酸铅Pb MgNb O3 PbTiO3 PbZrO3压电陶瓷 PMN 具有较高的压电系数 在压力大至700kg cm2仍能继续工作 可作为高温下的力传感器 五 压电式传感器 1 被测量直接转换为电荷输出 2 适用于动态测量 电荷只在无泄漏情况下保存 需要测量回路输入阻抗无限大 不适于静态测量 交变力作用下 电荷不断补充 供给回路一定的电流 3 必须有一定的预应力 1 等效电路 晶片相对介电常数 真空介电常数 S 工作面面积 h 晶片厚度 不同于普通电容器 力消失 电荷消失 两种等效电路 注意 不受外力 压电元件只等效为一个电容器Ca 2 压电元件的串并联 并联 相邻两片压电元件按极化方向相反粘贴 串联 相邻两片压电元件按极化方向相同粘贴 n个元件并联 n个元件串联 适合电荷输出 低频信号 适合电压输出 高频信号 3 压电式传感器的测量电路 实际等效电路 为连接电缆 为放大器输入电阻 为输入电容 为压电传感器泄露电阻 Ca为压电元件的电容 1 电压放大器 阻抗变换器 在压电元件上的力为正弦变化的力 有 压电元件产生电荷 1 w w0 认为输出与频率无关 2 低频段 应减少w0 必须增大R 前置放大器输入阻抗应高 3 w 0 输出为0 不能测静态力 4 CC改变 输出会变 连接电缆不能随意更换 否则有测量误差 2 电荷放大器 由一个反馈电容和高增益运算放大器构成 略去和并联电阻 运算放大器输入阻抗极高 放大器输入端几乎没有分流 与电缆电容无关 A不是很大 产生误差 结论 1 压电传感器不能测量静态参数 2 采用电压放大器 更换电缆时 须重新校正 3 采用电荷放大器 更换电缆时 无须重新校正 六 应用 1压电式单向测力传感器 2交通监测 将高分子压电电缆埋在公路上 可以获取车型分类信息 包括轴数 轴距 轮距 单双轮胎 车速监测 收费站地磅 停车区域监控 交通数据信息采集 道路监控 及机场滑行道等 高分子压电电缆的应用演示 将两根高分子压电电缆相距若干米 平行埋设于柏油公路的路面下约5cm 可以用来测量车速及汽车的载重量 并根据存储在计算机内部的档案数据 判定汽车的车型 3玻璃破碎报警 将高分子压电测振薄膜粘贴在玻璃上 可以感受到玻璃破碎时会发出振动 并将电压信号传送给集中报警系统 粘贴位置 使用时 用瞬干胶将其粘贴在玻璃上 当玻璃遭暴力打碎的瞬间 压电薄膜感受到剧烈振动 表面产生电荷Q 在两个输出引脚之间产生窄脉冲报警信号 例题 某压电式传感器为两片石英晶体并联 每片厚度t 0 2mm 圆片半径r 1cm x切型 当0 1MPa的压强垂直作于与x平面时 求传感器输出电荷Q与电极间电压Ua的值 5 3热电偶型传感器 特点 结构简单 制造容易 使用方便 测量时 可以不要外加电源 测温范围广 269 T 1800 测量精确度较高 便于远距离测量 自动记录及多点测量 5 3 1热电效应 热电效应 两种不同的金属导体A B串接成一个闭合回路 当两个结点处于不同温度时 导体在回路中产生热电势和相应的热电流 热端 工作端 通常用于对被测介质温度测量 冷端 参考端 通常保持为某一恒定温度或室温 热电势 k 玻耳兹曼常数 T 接触面的绝对温度 e 单位电荷量 NA 金属电极A的自由电子密度NB 金属电极B的自由电子密度 接触电势 一 热电势的产生 1两种导体的接触电势 2单一导体的温差电势 汤姆逊系数 温度为1 时所产生的电动势值 与材料的性质有关 温差电势 汤姆逊电势 3热电偶回路的总热电势 温度T T0函数 二 热电偶基本定律 1中间导体定律 导体A B组成的热电偶中插入第三种导体C 若导体C两端温度相同 则热点偶总热电势无改变 意义 可用电器测量仪表直接测量 2 连接导体定律 3 中间温度定律 若导体A与C B与D的材料分别相同 则 意义 为制定分度表奠定了理论基础 分度表 已知温度T0 0 时的热电势 温度关系 可求得参考温度不为0 时的热电势 4 参考电极定律 若两种导体A B分别与第三种导体C组成热电偶的热电势已知 则A B组成的热电偶也已知 5 3 2热电偶的材料 型号及结构 一 热电偶材料要求 1 热电性质稳定 物理化学性能稳定 2 导电率高 电阻温度系数小 3 热电势随温度的变化率大 且接近常数 4 机械强度高 复制性好 复制工艺简单 价格便宜 二标准化热电偶 标准化热电偶 工艺上比较成熟 能批量生产 性能稳定 应用广泛 具有统一分度表并已列入国际和国家标准文件中的热电偶 标准化热电偶可以互相交换 精度有一定的保证 IEC共推荐了8种标准化热电偶 标准化热电偶热电势和温度的关系 三热电偶的结构 1普通热电偶 1普通装配型热电偶的外形 安装螺纹 安装法兰 普通装配型热电偶的结构放大图 接线盒 引出线套管 固定螺纹 出厂时用塑料包裹 热电偶工作端 热端 不锈钢保护管 2铠装热电偶 铠装型热电偶可长达上百米 薄壁金属保护套管 铠体 法兰 3其他热电偶外形 小形K型热电偶 5 3 3热电偶测温 一 测温的原理与方法 单值函数 1冷端恒温方式 将热点偶冷端置于0 的恒温器内 测出电势后查分度表得到热端温度值 主要用于实验室测温和热电偶的标定 2冷端的延伸 冷端补偿导线法 一般热电偶的最大长度为一米 测量高温时 冷端温度T0受热端温度影响极大 补偿导线法是采用一种专用补偿导线来延长热电偶 使冷端移到不受热端温度影响的远处 获得温度较为稳定的冷端温度T0 二 热电偶的冷端处理 A B 热电偶A B 补偿导线C 仪表连线 1 补偿导线的热电特性与所配用的热电偶热电特性相同 2 各种补偿导线只能与相应型号的热电偶匹配使用 3 补偿导线与热电偶连接点温度 不得超过使用温度范围 4 补偿导线与电极材料的两连接点温度必须相同 3 冷端温度波动的自动补偿 电桥补偿法 补偿结果 5 3 3热电偶的测量电路 一 热电偶的串联电路 二 测量平均温度 三 热电偶测温差电路 E EAB T1 T0 EAB T2 T0 EAB T1 T2 K T1 T2 例 用镍铬一镍硅热电偶测炉温时 其冷端温度to 30 在直流电位差计上测得的电动势EAB t 30 38 500mV 求炉温为多少 镍铬一镍硅热电偶分度表 自由端温度为0 解 查镍铬一镍硅热电偶K分度表得 根据中间温度定律得 查镍铬一镍硅热电偶K分度表得 休息一下 5 4光电式传感器 将光量转换为电量的器件称为光电传感器或光电元件 光电式传感器的工作原理是 首先把被测量的变化转换成光信号的变化 然后通过光电转换元件变换成电信号 光电传感器的工作基础是光电效应 光波 波长为10 106nm的电磁波可见光 波长380 780nm紫外线 波长10 380nm 波长300 380nm称为近紫外线波长200 300nm称为远紫外线波长10 200nm称为极远紫外线 红外线 波长780 106nm波长3 m 即3000nm 以下的称近红外线波长超过3 m的红外线称为远红外线 光源介绍 5 4 1光电器件 一 外光电效应在光线作用下 物体内的电子逸出物体表面 向外发射的现象称为外光电效应 光子是具有能量的粒子 每个光子具有的能力由下式确定 若物体中电子吸收的入射光的能量足以克服逸出功A0时 电子就逸出物体表面 产生电子发射 故要使一个电子逸出 则光子能量h 必须超出逸出功A0 超过部分的能量 表现为逸出电子的动能 即 常见光电器件 光电管 光电倍增管 光电效应方程 二 光导效应 在光线作用下 电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态 而引起材料电阻率变化 这种效应称为光电导效应 常见光电器件 光敏电阻 光敏二极管 光敏三极管 三 光生伏特效应 在光线作用下能够使物体产生一定方向电动势的现象叫光生伏特效应 基于该效应的器件有光电池和光敏晶体管等 常见光电器件 光电池 四 光电发射型光电器件 当阴极受到适当波长的光线照射时便发射电子 电子被带正电位的阳极所吸引 在光电管内就有电子流 在外电路中便产生了电流 1 光电管 真空光电管的伏安特性充气光电管的伏安特性 充气光电管 构造和真空光电管基本相同 优点是灵敏度高 所不同的仅仅是在玻璃泡内充以少量的惰性气体 其灵敏度随电压变化的稳定性 频率特性等都比真空光电管差 2 光电倍增管 光电阴极 半导体光电材料锑 铯制造 组成若干倍增极 4 14个不等 并加上一定的电压 阳极 收集电子 外电路形成电流输出 光电倍增管特点 灵敏度高 稳定性好 频响很快 且线性好 频率特性好 但体积大 需要高压供电 1000v 2500v 五 光导型光电器件 1 光敏电阻 当无光照时 光敏电阻值 暗电阻 很大 电路中电流很小 当有光照时 光敏电阻值 亮电阻 急剧减少 电流迅速增加 暗电阻越大越好 亮电阻越小越好 此时光敏电阻的灵敏度高 光敏电阻的暗电阻值一般在兆欧级 亮电阻在几千欧以下 用半导体材料制成的光电器件 光敏电阻没有极性 纯粹是一个电阻器件 使用时既可加直流电压 也可以加交流电压 1 玻璃2 光电导层3 电极4 绝缘衬底5 金属壳6 黑色绝缘玻璃7 引线 光敏电阻的灵敏度易受潮湿的影响 因此要将光电导体严密封装在带有玻璃的壳体中 光敏电阻结构 光敏电阻的主要参数 1 暗电阻和暗电流光敏电阻在室温条件下 在全暗后经过一定时间测量的电阻值 称为暗电阻 此时流过的电流 称为暗电流 2 亮电阻光敏电阻在某一光照下的阻值 称为该光照下的亮电阻 此时流过的电流称为亮电流 3 光电流亮电流与暗电流之差 称为光电流 2 光敏二极管 光敏二极管结构与一般二极管相似 它的PN结装在管的顶部 可以直接受到光的照射 光敏二极管一般是处于反向工作状态 如图所示 光敏二极管不受光照射时处于截止状态 受光照射时处于导体状态 3 光敏三级管 光电三极管比具有相同有效面积的光电二极管的光电流大几十至几百倍 但相应速度较二极管差 基极开路 集电极与发射极之间加正电压 当光照射在集电结上时 在结附近产生电子 空穴对 电子在结电场的作用下 由P区向N区运动 形成基极电流 放大 倍形成集电极电流 光电流 所以光电三极管有放大作用 光敏二极管和光敏三极管的特点1 光敏二极管特点 灵敏度一般 稳定性好 频响应快 t 10 7s 体积小 2 光敏三极管特点 灵敏度比二极管高 但稳定性差 响应速度较二极管差 其它与二极管相同 六 光伏型光电器件 光电池 光电池是一种直接将光能转换为电能的光电器件 因此这种器件不需要外加电源 当光照射到PN结上时 会在PN结两端产生电动势 把光电池的半导体材料的名称冠于光电池 或太阳能电池 之前 如 硒光电池 砷化镓光电池 硅光电池等 目前 应用最广是硅光电池 硅光电池价格便宜 转换效率高 寿命长 适于接受红外光 硒光电池光电转换效率低 0 02 寿命短 适于接收可见光 响应峰值波长0 56 m 最适宜制造照度计 砷化镓光电池转换效率比硅光电池稍高 光谱响应特性则与太阳光谱最吻合 且工作温度最高 更耐受宇宙射线的辐射 因此 它在宇宙飞船 卫星 太空探测器等电源方面的应用是有发展前途的 特点 灵敏度低 稳定性好 频响较慢 受光面积大 不需外加电源 频率特性差 光伏发电技术 利用半导体界面的光生伏特效应而将光能直接转变为电能的一种技术 太阳能电池经过串联后进行封装保护可形成大面积的太阳电池组件 再配合上功率控制器等部件就形成了光伏发电装置 5 4 2光电传感器的基本组成和类型 一 光电式传感器的基本组成 1 光源 被测量X1直接对光源作用 使光通量 1的某一参数发生变化 2 光学通路 被测量X2作用于光学通路中 对传播过程中的光通量进行调制 3 光电器件 检测照射其上的光通量 4 测量电路 把光电器件输出电信号转换成后继电路可用的电信号 二 光电传感器的基本类型 按照被测信号转换为光电器件的入射光通量变化的形式 光电传感器可分为以下几类 透射式反射式辐射式遮挡式 透射式 被测对象置于光源与光电器件之间 根据被测对象对光的吸收 散射或对频谱的选择来测气体 液体等的透明度 混浊度及某种物质的含量 例如 光电煤尘测定仪 激光瓦斯检定器等 反射式 由恒光源发出的光投射到检测物上 利用光电器件测量光的反射通量 由反射光的多少来检测被测对象表面的性质和状态 辐射式 被测对象就是辐射源 光电高温计 遮挡式 被测对象置于光源与光电器件之间 根据被测对象阻挡光通量的多说来测量其孔径 长度 厚度等几何参量 光电式传感器的应用 三 直接检测 用于检测直接引起光量变化的非电量 如光强 光照度 辐射测量 气体成分分析等 间接检测 用于检测能转换成光量变化的其它非电量 如直径 表面粗糙度 应变 位移 振动 速度 加速度以及物体形状 工作状态的识别等 特点 结构简单 精度高 响应快 非接触 性能可靠等 1 光电式数字转速表 3 光强测量电路 4 光电烟雾式传感器 在没有烟雾时 由于红外对管相互垂直 烟雾室内又涂有黑色吸光材料 所以红外LED发出的红外光无法到达红外光敏三极管 当烟雾进入烟雾室后 烟雾的固体粒子对红外光产生漫反射 使部分红外光到达光敏三极管 烟雾越大 接收到光也越强流过光敏三极管的电流也越大 休息一下 5 5霍尔传感器 工作原理 半导体材料中的自由电子及空穴随磁场改变其运动方向 一 霍尔效应 半导体薄片置于磁感应强度为B的磁场中 磁场方向垂直于薄片 当有电流I流过薄片时 在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势EH 磁感应强度B为零时的情况 c d a b 磁感应强度B较大时的情况 作用在半导体薄片上的磁场强度B越强 霍尔电势也就越高 霍尔电势EH可用下式表示 EH KHIB 霍尔效应演示 当磁场垂直于薄片时 电子受到洛仑兹力的作用 向内侧偏移 在半导体薄片c d方向的端面之间建立起霍尔电势 c d a b 磁场不垂直于霍尔元件时的霍尔电动势 若磁感应强度B不垂直于霍尔元件 而是与其法线成某一角度 时 实际上作用于霍尔元件上的有效磁感应强度是其法线方向 与薄片垂直的方向 的分量 即Bcos 这时的霍尔电势为EH KHIBcos 结论 霍尔电势与输入电流I 磁感应强度B成正比 且当B的方向改变时 霍尔电势的方向也随之改变 如果所施加的磁场为交变磁场 则霍尔电势为同频率的交变电势 二 霍尔元件 结构 霍尔片 四根引线 壳体材料 多采用N型半导体材料 两种表示符号 引线1和1 称为激励电极 引线2和2 称为霍尔电极 三 霍尔传感器组成与基本特性 基本组成 霍尔元件 激励电源 测量电路 磁路 1 电路部分 1 基本电路 激励电流I由电源供给 电阻用来调节激励电流I的大小 为输出霍尔电势的负载电阻 2 霍尔元件的输出电路 3 输出叠加连接方式 2 磁路部分 检测非电量 为了获得霍尔电压随位移变化的线性关系 磁场应具有均匀的梯度变化特性 产生梯度磁场 霍尔片沿x方向移动时 若控制电流I保持不变 则霍尔电势为 3 传感器基本特性 1 霍尔传感器的灵敏度和线性度主要取决于磁路系统和霍尔元件的特性 2 提高磁场的磁感应强度B和增大激励电流I 也可获得较大霍尔电势 但I的增大受到元件发热的限制 3 霍尔传感器动态性能好 四 测量误差及其补偿方法 1 不等位电压及其补偿 不等位电压U0 B 0时的空载霍尔电势 产生原因 1 制造工艺不可能保证将两个霍尔电极对称地焊在霍尔片的两侧 使两电极点不能完全位于同一等位面上 2 霍尔元件电阻率或厚度不均匀使等位面歪斜 使两霍尔电极不在同一等位面上而产生不等位电动势 补偿办法 2 温度误差及其补偿 1 温度误差产生原因 霍尔元件由半导体材料制成 因此它的输入和输出电阻 霍尔常数等也随温度而变化 致使霍尔电动势变化 产生温度误差 2 温度误差补偿电路 10采用恒流源供电和输入回路并联电阻 设 选择并联电阻 可使温度误差减到极小而不影响霍尔元件的其他性能 20采用恒压源供电和输入回路串联电阻 根据电路等效的原理可知 恒压源与补偿电阻的串联可以等效为恒流源与补偿电阻的并联 30合理选择负载电阻RL的值 当霍尔元件接有负载 如放大器的输入电阻 时 在上的电压为 霍尔元件的输出电阻Ro和霍尔电势都是温度的函数 为使负载上的电压不随温度而变化 应使 即得 40采用温度补偿元件 其中热敏电阻RT具有负温度系数 电阻丝具有正温度系数 a b c 补偿霍尔输出具有负温度系数的温度误差 d 补偿霍尔输出具有正温度系数的温度误差 50不等位电压U0的温度补偿 桥路补偿法 在霍尔输出端串入温度补偿电桥 2 控制电流I不变 传感器处于非均匀磁场中 UH B可进行磁场 位移 角度 转速 加速度等测量 五 霍尔传感器的应用 1 磁场不变 即B不变 UH I凡能转换成电流变化的各量均能测量 霍尔式钳形电流表 霍尔电流表 弹簧片S的一端固定在传感器的外壳上 中部装有质量块m 末端装有霍尔元件H 在霍尔元件上下方装有一对永久磁铁 传感器外壳固定在被测振动体上 当被测物体做垂直方向振动时 其振动加速度转换为霍尔元件在磁场中的位移而产生相应的霍尔电势 由霍尔电势值可求得加速度 霍尔式加速度传感器 当被测压力P送到膜盒中使膜盒变形时 膜盒中心处得硬芯及与之相连得推杆产生位移 从而使杠杆绕其支点轴转动 霍尔元件在两个磁铁形成的梯度磁场中运动 产生的霍尔电势与位移成正比 若膜盒中心的位移与被测压力P成线性关系 则霍尔电势的大小反映压力的大小 霍尔式微压和压力传感器 汽车速度测量 3 I B均变化 UH I B可用于乘法 功率等方面的计算与测量 例 如果控制电流为I1 磁感应强度B由励磁电流I2产生 则霍尔电势可表示为 利用上面关系 可以做成模拟运算的乘法器 功率器等 P为被测网络的有功功率 总结 休息一下 2 连接导体定律 热电偶导体A B分别与连接导线C D相接 总热电势为两部分的代数和