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第五章 电动势式传感器及其信号调理,目录,5.1 热电偶传感器5.2 霍尔传感器5.3 压电式传感器5.4 光电式传感器,电动势式传感器，亦称有源传感器或发电型传感器，它们能够将被测量转换为电势信号输出，电势信号直接来源于传感机理而非外部电源。,5.1 热电偶,5.1.1 热电偶的工作原理 两种导体(或半导体)A和B的两端分别焊接或绞接在一起，形成一个闭合的回路。若两个接点处于不同的温度，回路中就会产生电动势(称为热电势)，因而在回路中形成电流，通过电流表A可测得。这种现象称为热电效应。,图5-1 热电效应示意图,热电极A,右端称为：自由端（参考端、冷端）,左端称为：测量端（工作端、热端）,热电极B,热电势,A,B,1 温差电势,一根匀质的金属导体，如果其两端的温度不同，则在其内部会产生电动势，这种电势称为温差电势。当导体A两端的温度分别为T、T0时，温差电势可由下式表示,同理，导体B的温差电势为,2 接触电势,T接触处的绝对温度；k玻耳兹曼常数；e电子电荷量；NA,NB导体A和B的自由电子密度。,3 热电偶回路的热电势,等于整个回路中各接触电势与各温差电势的代数和。,上式右边第一项称为接触电势，第二项称为温差电势，接触电势一般大于温差电势。,1）如果A和B两导体的材料相同，即NA=NB，AB，即使两端温度T、T0不同，总热电势也为零，因此热电偶必须用两种不同成分的材料做热电极。2）如果热电偶的两电极材料不同，但热电偶的两端温度相同，即TT0，总的热电势也为零。3）热电势的大小仅与热电极材料的性质、两个接点的温度有关，与热电偶的尺寸及形状无关。同样材料的热电极，其温度与电势的关系相同，热电极材料相同的热电偶可以互换。,综上所述，热电动势的大小只与材料和接点温度有关，与热电偶的尺寸、形状及沿电极温度分布无关。如果冷端温度固定，则热电偶的热电势就是被测温度的单值函数，,5.1.2 热电偶的基本定律,1 中间导体定律 在热电偶测温过程中，需要用连接导线将热电偶与测量仪表接通，这相当于在热电偶回路中接入第三种导体C。只要第三种导体两端温度相等则对热电偶回路总的热电势没有影响。,图5-3 热电偶回路接入第三导体,2 中间温度定律,热电偶回路中，热端温度为T，冷端为T0时的热电势，等于此热电偶热端为T，冷端为Tn时，及同一热电偶热端为Tn，冷端为T0时热电势的代数和。,3 标准电极定律,由3种材料成分不同的热电极A、B、C分别组成3对热电偶，在相同结点温度(T，T0)下，如果热电极A和B分别与热电极C(称为标准电极)组成的热电偶所产生的热电势已知，则由热电极A和B组成的热电偶的热电势可按下式求出。,图5-5 标准电极定律示意图,5.1.3 热电偶的冷端补偿,1 冷端的恒温方式 冰浴法，适用于实验室。2 补偿导线法,图5-6 热电偶冷端的延伸,3 冷端温度自动补偿法,图5-7 电桥补偿法原理图,热电偶测温的主要优点,1、它属于自发电型传感器：测量时可以不需外加电源，可直接驱动动圈式仪表；2、测温范围广：下限可达-270C，上限可达1800C以上；3、各温区中的热电势均符合国际计量委员会的标准。,5.1.4 标准化热电偶,八种国际通用热电偶：B:铂铑30铂铑6、R:铂铑13铂、S:铂铑10铂 K:镍铬镍硅、N:镍铬硅镍硅、E:镍铬铜镍 J:铁铜镍、T:铜铜镍,用于制造铂热电偶的各种铂热电偶丝,几种常用热电偶的测温范围及热电势,热电偶的分度表,K热电偶的分度表,比较查出的3个热电势，可以看出热电势是否线性？,5.1.5 热电偶的结构形式,1 普通热电偶 工业上常用的普通热电偶的结构由热电极、绝缘套管(防止两个热电极在中间位置短路)、保护套管(使热电极免受化学侵蚀及机械损伤)、接线盒(连接导线通过接线盒与热电极连接)、接线盒盖(防止灰尘、水分及有害气体进入保护套管内),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(又称缆式热电偶),铠装热电偶是将热电极、绝缘材料连同金属保护套起拉制成型的，可做得很细、很长，其外径可小到1mm-3mm，而且可以弯曲，适合于测量狭小的对象上各点的温度。铠装热电偶种类多可制成单芯、双芯和四芯等，其测量端有碰底型、不碰底型、露头型和帽型等几种形式。,铠装型热电偶外形,法兰,薄壁金属 保护套管（铠体）,铠装型热电偶横截面,铠装型热电偶,制造工艺：把热电极材料与高温绝缘材料预置在金属保护管中、运用同比例压缩延伸工艺、将这三者合为一体，制成各种直径、规格的铠装偶体，再截取适当长度、将工作端焊接密封、配置接线盒即成为柔软、细长的铠装热电偶。特点：内部的热电偶丝与外界空气隔绝，有着良好的抗高温氧化、抗低温水蒸气冷凝、抗机械外力冲击的特性。铠装热电偶可以制作得很细，能解决微小、狭窄场合的测温问题，且具有抗震、可弯曲、超长等优点。,3 薄膜热电偶,用真空蒸镀的方法，把两种热电极材料分别沉积在绝缘基片上形成的一种快速感温元件。,图5-10 薄膜热电偶结构示意图,其他热电偶外形,小形K型热电偶,5.1.6 单片热电偶冷端温度补偿电路,AD594/AD597是美国ADI公司生产的4种单片热电偶冷端温度补偿器。其特点是把仪表放大器和热电偶冷端温度补偿器集成在一个芯片中。1 性能特点,2 AD594595的工作原理,AD594595的内部电路主要包括5部分：差分输入放大器Al、A2，二者的增益均为G倍；加法器；主放大器A3，其增益为A；故障检测电路；由冰点补偿器和内部电阻构成的冰点补偿网络。,3 典型应用（1)单电源供电,（2)双电源供电,（3）用于摄氏温度计,（4）热电偶开路故障报警电路,（5）温度控制器,目录,5.1 热电偶传感器5.2 霍尔传感器5.3 压电式传感器5.4 光电式传感器,5.2 霍尔式传感器,其电参数按一定规律随磁性量的变化而变化的传感器。霍尔式传感器的特点：从直流到高频，其特性一致，可认为其特性与频率无关。霍尔式传感器产生与磁场强度成比例的电动势，它不仅能够测量动磁场，也能把静止的磁场变换成电信号。,5.2.1 霍尔传感器的工作原理,在通有电流的半导体板上加一个强磁场，当电流方向与磁场方向垂直时，在与电流和磁场都垂直的半导体板的两表面间出现电动势差，这个现象称为霍尔效应，这个电动势差称为霍尔电动势，半导体薄片称霍尔元件。,图5-18 霍尔效应原理图,将金属或半导体薄片置于磁感应强度为B的磁场中，当有电流I流过薄片时，电子受到洛伦兹力FL的作用向一侧偏移，格仑兹力FL的作用为,该电场强度为,霍尔电势UH与导体厚度d成反比，为了提高霍尔电势值，霍尔元件制成薄片形状。,KH称霍尔元件灵敏度(灵敏系数)。霍尔器件的灵敏度KH是表征在单位磁感应强度和单位控制电流下输出霍尔电压大小的一个重要参数，一般要求它越大越好。,5.2.2 霍尔传感器的组成与基本特性,1 霍尔元件的构成霍尔元件都用半导体材料制作。霍尔器件可以用单晶片或薄膜两种材料制成，其结构很简单。单晶型器件由霍尔单晶片、引线和壳体组成。薄膜型霍尔器件在芯片结构和外形结构上与单晶型相似。但制作工艺与单晶型不同。,图5-20 霍尔元件的符号,霍尔元件的基本测量电路,2 霍尔元件的基本特性,（1）额定控制电流IC（2）输入电阻（3）输出电阻（4）乘积灵敏度SH（5）不等位电势U0（6）寄生直流电势（7）霍尔电势温度系数,5.2.3 霍尔传感器的测量误差及其补偿,在实际使用中，存在着各种影响霍尔器件精度的因素，即在霍尔电势上叠加着一些误差电势。产生的主要原因分两类：一类是由于制造工艺的缺陷；另一类是出于半导体材料本身固有的性质。,1 不等位电势U0及其补偿,由于元件输出极焊接不对称、厚薄不均匀、两个输出极接触不良等原因造成的，可以通过桥路平衡的原理加以补偿。,图5-22 霍尔器件的等效电路,对已经制成的霍尔器件，可以采用外接补偿线路进行补偿。,图5-23 不等位电势的桥式补偿电路,2 温度误差及其补偿,由于半导体材料载流子浓度和迁移率随着温度变化，引起电阻率也随温度变化，因此，霍尔器件的性能参数，如内阻、霍尔电势等对温度的变化也是很灵敏的。,图5-24 霍尔元件输出电势与温度变化的关系,图5-25 恒流源补偿电路,图5-26 串联输入电阻补偿原理,图5-27 并联输入电阻补偿原理,5.2.4 霍尔传感器的典型应用举例,根据霍尔电压UH与输入控制电流Ic及磁感应强度B的线性关系，可形成三种应用方式：1)当输入电流恒定不变时，传感器的输出正比于磁感应强度。因此，凡是能转换磁感应强度B变化的物理量均可进行测量和控制，如位移、角度、转速及加速度等。2)当磁感应强度B保持恒定时，传感器的输出正比于电流Ic的变化。因此，凡是能转化为电流变化的物理量均可进行测量和控制。3)由于霍尔电压正比于输入控制电流Ic和磁感应强度B的乘积(IcB)，所以凡是可以转换为乘法的物理量(如功率)都可进行测量。,1 霍尔式传感器构成压力传感器,图5-28 霍尔式微压力传感器原理示意图,2 在电流测量传感器方面的应用,图5-29 霍尔器件电流传感器原理,利用UH与B的关系 可用于测量磁场及可转换为磁场的其它物理量 实例霍尔式钳形电流表 图-灵敏度改变办法1改变控制电流I2改变载流导线绕在环形铁心上的周数改变KB因为 所以（增加周数可使灵敏度增加n倍）,图5-30 霍尔式振动示意图,3 测振动,4 在测量与检测旋转参数方面的应用,（a）晶体管式霍尔器件磁电编码器电路；（b）集成电路式霍尔器件磁电编码器电路,5 在开关电路中的应用,目录,5.1 热电偶传感器5.2 霍尔传感器5.3 压电式传感器5.4 光电式传感器,5.3 压电式传感器,在外力作用下，这些材料的表面上产生电荷，从而实现非电量到电量的转换。压电式传感器是力敏元件，它可以测量最终能变换为力的那些物理量，例如压力、应力、加速度等，在工程上有着广泛的应用。,5.3.1 压电传感器工作原理,某些电介质，当沿着一定方向对其施加力时，其内部产生极化现象，同时在它的某两个表面上便产生符号相反的电荷；当外力去掉后，它又重新恢复到不带电状态，这种现象称为压电效应。当作用力方向改变时，电荷的极性也随之改变。这些具有压电效应的材料称之为压电材料。压电效应是可逆的。,1 单晶压电晶体,单晶压电晶体各向异性，主要有石英、铌酸锂等。石英晶体有天然与人工之分，是最常用的压电材料之一。,石英晶体的外形呈六面体结构，有三根互相垂直的轴表示其晶轴。其中纵向轴称为光轴（z轴）；经过棱线并垂直于光轴的称为电轴（y轴），与光轴、电轴同时垂直的称为机械轴（x轴）。,图5-33 石英晶体,从晶体上沿各轴线切下片平行六面体切片,长片平行于y轴的称为X切族，平行x轴的称为Y切族。当受到沿电轴方向的力作用时，产生电荷的压电效应称为“纵向压电效应”；而把沿机械轴方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“横向压电效应”。,图5-34 压电效应,纵向压电效应产生的电荷量q为：,如果沿y轴施力为Fy时，电荷仍出现在与x轴垂直的平面上，其电荷量为,横向压电效应与晶片的几何尺寸有关；横向压电效应的方向与纵向压电效应相反。,图5-35 石英晶体切片受力与电荷极性示意图,2 多晶压电陶瓷多晶压电陶瓷属于铁电体物质，是一种经极化处理后的人工多晶体，由无数细微的电畴组成。压电陶瓷主要有极化的铁电陶瓷(钛酸钡)、锆钛酸铅等。钛酸钡是使用最早的压电陶瓷，它具有较高的压电常数，约为石英晶体的50倍。但它的居里点低，约为120，机械强度和温度稳定性都不如石英晶体。,3 高分子压电材料（PVDF）新型压电材料主要包括有机压电薄膜、压电半导体等。有机压电薄膜是由某些高分子聚合物经延展、拉伸、极化后形成的具有压电特性的薄膜。,5.3.2 压电传感器的等效电路,压电元件是在压电晶片产生电荷的两个工作面上进行金属蒸镀，形成两个金属膜电极，当压电晶片受力时，在晶片的两个表面上聚积等量的正、负电荷，晶片两表面相当于电容器的两个极板。,其电容量为,当压电传感器受力的作用时，从两个电极上呈现电压。因此，压电传感器可以等效为一个与电容相串联的电压源.,图5-37 压电式传感器的等效电路,压电传感器也可以等效为一个电荷源，如图5-37（b）所示。,压电传感器在实际使用时总要与测量仪器或测量电路相连接，因此还须考虑连接电缆的等效电容Cc、放大器的输入电阻Ri、输入电容Ci以及压电传感器的泄漏电阻Ra。,图5-38 压电传感器的实际等效电路,5.3.3 压电式传感器的测量电路,Ca为传感器电容，Cc为电缆电容，Ci为放大器的输入电容。电荷放大器是一个高增益带电容反馈的运算放大器。如果电荷放大器开环增益足够大，则放大器输出电压为：,5.3.4 压电式传感器的应用,1 压电式加速度传感器,2 压电式力传感器,图5-42 YDS-781型压电式单向力传感器的结构,3 压电式玻璃破碎测量传感器,图5-44 BS-D2压电式玻璃破碎传感器,目录,5.1 热电偶传感器5.2 霍尔传感器5.3 压电式传感器5.4 光电式传感器,5.4 光电式传感器,光电式传感器是利用光电器件把光信号转换成电信号的装置。光电式传感器工作时，先将被测量转换为光量的变化，然后通过光电器件再把光量的变化转换为相应的电量变化，从而实现非电量的测量。光电式传感器的核心是光电器件，光电器件基于光电效应。光电式传感器具有响应快、性能可靠、能实现非接触测量等优点。,5.4.1 光电器件,基于光电效应原理工作的光电转换元件称为光电器件或光敏元件。光电效应一般分为外光电效应、光导效应和光生伏特效应，相对应的光电器件也有以下三种类型：光电发射型、光导型和光伏型。,1 外光电效应及光电发射型光电器件,（1）外光电效应 当光照射到金属或金属氧化物的光电材料上时，光子的能量传给光电材料表面的电子，如果入射到表面的光能使电子获得足够的能量，电子会克服正离子对它的吸引力，脱离金属表面而进入外界空间，这种现象称为外光电效应。,能使光电材料产生光电子发射的光的最低频率称做红限频率.不同的物质具有不同的红限频率。当入射光的频率低于红限频率时，不论入射光多强，照射时间多久，都不能激发出光电子；当入射光频率高于红限频率时，不管它多么微弱，也会使被照射的物体激发电子。,爱因斯坦的光电效应方程,（2）光电发射型光电器件 基于外光电效应原理工作的光电器件有光电管和光电倍增管。1）光电管,图5-45 光电管的结构,2）光电倍增管 光电倍增管在光电阴极和阳极之间装了若干个“倍增极”或叫“次阴极”。,图5-46 光电倍增管的结构及电路,2 光导效应及光导型传感器（1）光导效应绝大多数的高电阻率半导体，受到光照射吸收光子能量后，电阻率降低而易于导电，这种现象称为光导效应。这里没有电子自物质内部向外发射，仅改变物质内部的电阻，为与外光电效应对应，光导效应也称为内光电效应。,（2）光导型传感器 基于光导效应原理工作的半导体光电器件有光敏电阻、光敏二极管和光敏三极管。1）光敏电阻光敏电阻是用具有光导效应的半导体材料制成的电阻器件。当受到光照时，其电阻值下降。光线越强，阻值也变得越低。光照停止，阻值又恢复原值。,图5-47 光敏电阻的工作原理,2）光敏二极管其结构与一般二极管相似，但装在透明玻璃外壳中，其PN结装在管顶，便于接受光的照射。,图5-49 光敏二极管基本电路,3）光敏三极管光敏晶体管与一般晶体管很相似，具有两个PN结。它在把光信号转换为电信号的同时，又将信号电流加以放大。,图5-50 光敏三极管的基本电路,3 光生伏特效应及光伏传感器（1）光生伏特效应 光照射引起PN结两端产生电动势的现象称为光生伏特效应。,图5-51 PN结光生伏特效应原理图,（2）光伏传感器光电池 光电池就是基于这种光生伏特效应，直接将光能转变为电动势的光电器件，属于有源传感器。,图5-52 光电池应用电路,5.4.2 光电器件的基本特性,1 光照特性当光电器件电极上的电压一定时，光电流I与光电器件上照度E或光通量关系称为光照特性。,光电管的光照特性,光电倍增管的光照特性,光敏电阻的光照特性,硅光电池的光照特性,2 光谱特性,光电流(一般以最大值的百分数或相对灵敏度表示)与入射光波长的关系IF(A)为光谱特性,图5-59 光敏电阻的光谱特性,在给定的光通量或照度下，光电流I与光电器件两端电压U的关系即IF(U)，称为伏安特性。,3 伏安特性,图5-62 真空光电管的伏安特性 图5-63 充气光电管的伏安特性,在同样的电压和同样幅值的光强度下，当入射光强度以不同的正弦交变频率调制时，光电器件输出的光电流I或灵敏度S会随调制频率f变化，它们的关系IF1(f),SF2(f)称为频率特性。,4 频率特性,真空管的频率特性,光敏电阻的频率特性,温度变化后，电子热运动也变化，引起光电元件的光学、电学性质都发生变化，,5 温度特性,图5-71 温度对元件特性的影响,5.4.3 光电式传感器的基本组成,光电式传感器是以光为媒介、以光电效应为基础的传感器，主要由光源、光学通路、光电器件及测量电路等组成,透射式光电传感器,反射式光电传感器,辐射式光电传感器,遮挡式光电传感器,5.4.4 光电传感器的典型应用举例,1 脉冲式光电传感器的应用,图5-73 光电式数字转速表工作原理图,2 固体表面粗糙度测量,图5-74 固体表面粗糙度计原理图,3 薄膜厚度检测,图5-75 薄膜厚度测量,图5-76 光电式液位传感器,4 光电式液位传感器,