传感器原理与检测技术第六章.ppt

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1、第六章 压电磁敏传感技术,通过本章的学习，应了解压电传感技术和磁敏传感技术的基本原理，掌握压电式传感器、磁敏电阻、磁敏二极管、磁敏三极管和霍耳传感器的结构、特性及使用方法。,第一节 压电式传感器,压电式传感器是一种能量转换型传感器。它既可以将机械能转换为电能，又可以将电能转化为机械能。它的工作原理是基于某些晶体受力后，在其表面产生电荷的效应。这类传感器的刚度大、固有频率高，一般都在几十千赫以上，配上适当的电荷放大器，能在低至接近0Hz，高达10kHz的范围内工作，尤其适合于测量迅速变化的参数；其测量值最大可到上百吨力，最小可分辨出几克力。该传感器主要是用于动态作用力、压力和加速度的测量，近年来

2、得到了迅速的发展。,一压电效应,某些晶体(如石英等)在一定方向的外力作用下，不仅几何尺寸会发生变化，而且晶体内部将产生极化现象，使晶体表面出现电荷形成电场，当这一外力去除后，表面又恢复到不带电状态，这种现象称为压电效应。具有这种性质的材料，称为压电材料。若将压电材料置于电场之中，其几何尺寸也会发生变化，这种在外电场作用下导致压电材料产生机械变形的现象，称为电致伸缩效应（或逆压电效应）。,二、压电元件对压电材料的要求,1具有较大的压电常数 2压电元件的机械强度高、刚度大并具有较高 的固有振动频率。3具有高的电阻率和较大的介电常数，以减少 电荷的泄漏以及外部分布电容的影响，获 得良好的低频特性。4

3、具有较高的居里点（指在压电性能失效时的 温度转变点）。居里点高可以得到较宽的 工作温度范围。5压电材料的压电特性不随时间蜕变，有较好 的时间稳定性。,三、常见的压电材料,1石英晶体2水溶性压电晶体3铌酸锂晶体 4压电陶瓷5压电半导体6高分子压电材料,1石英晶体,石英晶体有天然和人工制造两种。人造石英晶体的物理、化学性质几乎与天然石英晶体无多大区别，因此目前广泛应用成本较低的人造石英晶体。它在几百摄氏度的温度范围内，压电系数不随温度变化。石英晶体的居里点为573，即到573时，它将完全丧失压电特性。石英晶体有很大的机械强度和稳定的机械性能，没有热释电效应；但灵敏度很低，介电常数小，因此逐渐被其他

4、压电材料所代替。,2水溶性压电晶体,这类晶体有酒石酸钾钠(NaKC4H4O64H2O)、硫酸锂(Li2SO4H2O)、磷酸二氢钾(KH2PO4)等。水溶性压电晶体具有较高的压电灵敏度和介电常数；但易于受潮，机械强度较低，只适用在室温和湿度低的环境下工作。,3铌酸锂晶体,铌酸锂是一种透明单晶，熔点为1250，居里点为1210。它具有良好的压电性能和时间稳定性，在耐高温传感器上有广泛的用途，但成本较高。,4压电陶瓷,它具有烧制方便、耐湿、耐高温、易于成型等特点，应用最普遍。这类材料可细分以下几种：(1)钛酸钡(BaTiO3)压电陶瓷：BaCO3和TiO2在高温下合成，具有较高压电系数和介电常数。居

5、里点较低，为120，此外机械强度不如石英晶体。(2)锆钛酸铅系压电陶瓷(PZT)：由PbTiO3和PbZrO3组成的固溶体Pb(ZrTi)O3。具有较高压电系数，居里点为300以上。(3)铌酸盐系压电陶瓷：如铌酸铅具有很高的居里点和较低的介电常数。铌酸钾的居里点为435，常用于水声传感器中。(4)铌镁酸铅压电陶瓷(PMN)：它是一种新型陶瓷，具有较高的压电系数和居里点，能够在较高的压力下工作，适合作高温下的力传感器。,5压电半导体,有些晶体既具有半导体特性又同时具有压电性能，如ZnS，CaS，GaAs等。因此既可利用它的压电特性研制传感器，又可利用半导体特性以微电子技术制成电子器件。两者结合起

6、来，就出现了集转换元件和电子线路为一体的新型传感器，它的应用前途非常远大。,6高分子压电材料,某些合成高分子聚合物薄膜经延展拉伸和电场极化后，具有一定的压电性能。目前这类压电薄膜有聚二氟乙烯(PVF2)、聚氟乙烯(PVF)、聚氯乙烯(PVC)，聚甲基L谷氨酸酯(PMG)等。是一种柔软的压电材料，不易破碎，可大批量生产。若将压电陶瓷粉末加入高分子化合物中，可制成高分子压电陶瓷薄膜，它既保持了高分子压电薄膜的柔软性，又具有较高的压电系数，是一种很有希望的压电材料。,四、压电元件的常用结构形式,压电式传感器常用两片或多片组合在一起使用。由于压电材料有极性，因此，接法有并连和串连两种。前者的总电容C=

7、nC(单片电容)，输出电压U=U（单片电压），极板的总电荷量Q=nQ(单片电荷量）；后者Q=Q，U=nU，C=C/n。,在这两种连接方式中，并连接法输出电荷大，本身电容大，因此时间常数也大，适用于测量缓变信号，并以电荷量作为输出的场合。串连接法输出电压高，本身电容小，适用于以电压作为输出量以及测量电路输入阻抗很高的场合。压电元件在压电传感器中，必须有一定的预应力，这样可以保证在作用力变化时，压电片始终受到压力，同时也保证了压电片的输出与作用力的线性关系。,五、压电式传感器的测量电路,压电式传感器的输出阻抗很高，而输出信号微弱，因此一般不能直接显示和记录。这种传感器要求测量电路的前级输入端必须有

8、足够高的阻抗，这样才能防止电荷迅速泄漏，使测量精度提高。压电式传感器的前置放大器有两个作用：一是把传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出；二是把传感器的微弱信号进行放大。,1电压放大器,压电式传感器接电压放大器的等效电路如下图所示。ui为放大器输入电压；C=Cc+Ci；R=RaRi/(Ra+Rt);ua=Q/Ca。如果压电传感器受力为 F=Fmsint，其中Fm为压电传感器受力的最大值，则该力在压电元件上产生的电压为：,当,时，放大器的输入电压为,从上式看，放大器输入电压近似与被测频率无关。当改变传感器与前置放大器的电缆长度时，Cc将改变，从而引起放大器的输出电压发生变化。故设计时把电缆长度定为常

9、数，若改变，需重新校正电压灵敏度。,2电荷放大器,它是一种输出电压与输入电荷量成正比的前置放大器。其等效电路如下图，Cf为放大器的反馈电容。若忽略电阻Ra，Ri及Rf的影响，则输入到放大器的电荷量为：Qi=Q-Qf,式中A为开环放大倍数。故放大器的输出电压为：,当A1，而(1+A)CfCi+Cc+Ca时，放大器输出电压可以表示为：,电荷放大器的输出电压仅与传感器产生的电荷量和反馈电容Cf有关，而电缆电容等的影响可忽略不计。,六、压电式传感器的应用,1测量汽缸中燃烧的爆发力 2测量冲床压力,压电式传感器常用来测量力、压力、振动的加速度，也用于声学和声发射等领域的相关测量。如：,1测量汽缸中燃烧的

10、爆发力,图中将石英力传感器紧固在汽缸盖的紧固螺栓中，相当于垫圈的作用。连接电荷放大器和记录仪式峰值电压表即可实现汽缸的爆发力测量。,2测量冲床压力,当测量大力时，可用两个传感器支承，或将几个传感器沿圆周均布支承，再将求力总和F(属平行力时)。因有时力的分布不均匀，各传感器测得力的大小不同，故分别测力可以测得更准确。,第二节 磁敏电阻,磁敏电阻是基于磁阻效应的磁敏元件。它的应用范围比较广，可以用它制成磁场探测仪、位移和角度检测器、安培计以及磁敏交流放大器等。,一、磁阻效应,置于磁场中的载流导体的电阻随磁场发生变化的现象称为磁阻效应。在磁场中当温度恒定时，磁阻与磁感应强度B的平方成正比。如果器件只

11、是电子参与导电的简单情况，理论推导出来的磁阻效应方程为：,式中B为磁感应强度为B时的电阻率；0为零磁场下的电阻率；为电子迁移率；B为磁感应强度。,当电阻率变化为,时，则电阻率的相对,变化为,可见，磁场一定，迁移率越高的材料，如：lnSb（锑化铟）、InAs（砷化铟）和NiSb（锑化镍）等半导体材料，其磁阻效应越明显。,二、磁敏电阻的结构,磁敏电阻的制作方法：一是在较长元件片上用真空镀膜方法制成图(a)所示的许多短路电极(光栅状)的元件；二是在结晶制作过程中有方向性地析出金属制成图(b)所示磁敏电阻。但多数磁敏电阻是图(c)所示的圆盘形结构，在中心和边缘处各有一电极。,三、磁敏电阻与形状的关系,

12、在恒定磁感应强度下，其长度L比宽度b越小，其电阻率的相对变化越大。从磁阻与磁感应强度的关系图中看出，圆盘形样品的磁阻最大。,四、磁敏电阻的特性,磁敏电阻的输入与输出的关系是非线性的，即它的的灵敏度一般不是常数，且受温度影响大。故使用磁敏电阻时，必须进行温度补偿。,五、磁敏电阻的应用,1非接触式交流电流监视器 2电机转速测量电路,1非接触式交流电流监视器,图中用磁敏电阻MSF06检测交流电流，放大器A1的增益可在1001000倍之间调整。只要把感器靠近被测交流电源线，其输出电压将与电流大小成比例。,2电机转速测量电路,图中a点电压随转速改变，它由运放进行放大。然后接示波器或计数器，就可测量电机的

13、转速。,第三节 磁敏二极管,磁敏二极管是PN结型的磁电转换元件，它具有输出信号大、灵敏度高、工作电流小和体积小等特点，因此，比较适合磁场、转速、探伤等方面的检测和控制。,一、磁敏二极管的结构,磁敏二极管(SMD)的结构如下图所示。它的P型和N型电极由高阻材料制成，在P、N间有一较长的本征区，它的一面磨成光滑的复合表面(区)，另一面打毛设置成高复合区(r区)，当通以正向电流后就会在P，N结之间形成电流。,二、磁敏二极管的工作原理,未受外界磁场作用的磁敏二极管外加正偏压时(图a)所示)，有大量空穴从P区通过区进人N区，同时有大量电子流入P区，形成电流。只有少量电子和空穴在区复合掉。当磁敏二极管受正

14、向磁场作用时(图(b)所示)，电子和空穴受洛仑兹力作用向r区偏转，加快电子和空穴的复合速度，导致通电回路的载流子较少而使电流减小。当磁敏二极管受反向磁场作用时(图(c)所示)，电子、空穴受洛仑兹力作用而向区偏移，由于电子、空穴复合率明显变小，通电回路中的载流子明显增加而导致电流变大。,三、磁敏二极管的主要特性,1磁电特性 2伏安特性3温度特性,1磁电特性,在定条件下磁敏二极管输出电压与外加磁场变化的关系称为磁敏二极管的磁电特性。磁敏二极管有单只和互补使用两种方式。单只使用的正向磁灵敏度大于反向；互补使用的正、反向磁灵敏度曲线对称，且在弱磁场下有较好的线性度。,2、伏安特性,磁敏二极管的正向偏压

15、和电流的关系称为磁敏二极管的伏安特性。它在不同磁场作用下的伏安特性曲线不同。,3、温度特性,磁敏二极管的输出电压和电流受温度影响较大，实际使用时必须对它进行温度补偿。常用的温度补偿电路有互补式、差分式、全桥式和热敏电阻四种。,四、磁敏二极管的应用,1磁场测量2无触点开关 3无触点电位器,1磁场测量2ACM索尼二极管的应用,下图是一种小量程高斯计的电路。由四个磁敏二极管组成桥式磁敏探头，其输出信号采用差分放大并由微安表指示测试值。B=0时，磁桥输出为0，调节RW2使微安表读数为0。当B0时，1，4管截止，磁桥有输出VAB0，由表头指示磁场强度。当B0时，表头指针反转。,2无触点开关,由四只磁敏二

16、极管组成桥式检测电路。无磁场时，磁敏电桥平衡无信号输出；当磁铁经过磁敏二极管时，电桥有信号输出使VT1导通，再触发晶闸管VT2导通使继电器K吸合，指示灯点亮，控制电路接通。,3无触点电位器,将磁敏元件放置在单个磁铁的下方或两个磁铁之间，当旋动电位器手柄时，磁铁跟着转动，从而使磁敏元件表面的磁感强度也发生变化，这样，磁敏元件的输出电压将随着手柄的转动而变化，起到电位调节的作用。,第四节 磁敏三极管,磁敏三极管是PN结型的磁电转换元件，它具有灵敏度高、输出信号大，工作电流小、体积小等特点，适合于磁场、转速、探伤等方面的检测和控制。,一、磁敏三极管的结构,在弱P型或弱N型本征半导体上用合金或扩散法形

17、成发射极、基极和集电极。基区较长，结构类似磁敏二极管，有高复合率的r区和本征区。基区分输运基区和复合基区。,二、磁敏三极管的工作原理,当磁敏三极管未受磁场作用时(图(a)所示)，因基区宽度大于载流子有效扩散长度，多数载流子通过e-I-b形成b极电流；少数输入到c极。故b极电流大于c极电流。当受正向磁场作用时，洛仑兹力使载流子偏向发射结一侧，使集电极电流显著下降(图(b)所示)。当反向磁场作用时，载流子向集电极一侧偏转，使c极电流增大(图(c)所示)。因此，可以利用磁敏三极管测量弱磁场、电流、转速和位移等物理量。,三、磁敏三极管的主要特性,1磁电特性 2伏安特性3温度特性4.常用的温度补偿方法,

18、1磁电特性,在定条件下磁敏三极管输出电流与外加磁场变化的关系称为磁敏三极管的磁电特性。如国产NPN型磁敏三极管(3BCM-锗)在弱磁场作用下，曲线接近一条直线。,2、伏安特性,图(a)为不受磁场作用时磁敏三极管的伏安特性曲线；图(b)是B=1kGs，Ib=3mA时，Ic随Uce的变化。显然磁敏三极管的电流放大倍数小于1。,3、温度特性,磁敏三极管对温度敏感，使用时需进行温度补偿。对于锗磁敏三极管(3ACM、3BCM)，其磁灵敏度的温度系数为0.8/；硅磁敏三极管(3CCM)磁灵敏度的温度系数为-0.6/。,4.常用的温度补偿方法之一,对于硅磁敏三极管可用正温度系数的普通硅三极管来进行补偿。具体

19、补偿电路如下图所示。当温度升高时，BG1管Ic增加，导致BGm管的Ic也增加，从而补偿了BGm管因温度升高而导致Ic的下降。,4.常用的温度补偿方法之二,利用锗磁敏二极管电流随温度升高而增加的这一特性使其作硅磁敏三极管的负载，从而当温度升高时，弥补了硅磁敏三极管的负温度漂移系数所引起的电流下降的问题。,4.常用的温度补偿方法之三,采用两只特性一致、磁极相反的磁敏三极管组成差分电路。它既可以提高磁灵敏度，又能进行温度补偿，它是一种行之有效的温度补偿电路。,四、磁敏三极管的应用,磁敏三极管的应用技术领域与磁敏二极管相似。主要在磁场测量、大电流测量、磁力探伤、接近开关、程序控制、位置控制、转速测量、

20、直流无刷马达和各种工业过程自动控制等技术领域中应用。,第五节 霍尔传感器,霍尔传感器是基于霍尔效应的一种传感器。它具有结构简单，形小体轻，无触点，频率响应范围宽(从直流到微波)，动态范围大(输出量的变化可达1000比1)，寿命长等优点。因此，霍尔传感器广泛应用于电磁、压力、加速度、振动等方面的测量。,一、霍尔元件基本结构,霍尔元件的结构简单，由霍尔片、引线和壳体组成。霍尔片是一块矩形半导体单晶薄片，引出四个引线。1、1引线加激励电压或电流，称为激励电极；2、2引线为输出引线，称为霍尔电极。壳体由非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装而成。在电路中霍尔元件可用两种符号表示。,二、霍尔元件基本特性,1.额

21、定激励电流和最大允许激励电流2.输入电阻和输出电阻 3.不等位电势和不等位电阻4.寄生直流电势 5.霍尔电势温度系数,1.额定激励电流和最大允许激励电流,当霍尔元件自身温升10时所流过的激励电流称为额定激励电流。以元件允许最大温升为限制所对应的激励电流称为最大允许激励电流。因霍尔电势随激励电流增加而线性增加，所以，使用中希望选用尽可能大的激励电流，因而需要知道元件的最大允许激励电流，改善霍尔元件的散热条件，可以使激励电流增加。,2.输入电阻和输出电阻,激励电极间的电阻值称为输入电阻。霍尔电极输出电势对外电路来说相当于一个电压源，其电源内阻即为输出电阻。以上电阻值是在磁感应强度为零且环境温度在2

22、05时确定的。,3.不等位电势和不等位电阻,当霍尔元件的激励电流为I，若元件所处位置磁感应强度为零，则其霍尔电势应为零，但实际不为零。这时测得的霍尔电势称不等位电势。产生这一现象的原因有：霍尔电极安装位置不对称或不在同一等电位面上；半导体材料不均匀造成了电阻率不均匀或是几何 尺寸不均匀；激励电极接触不良造成激励电流不均匀分布等。,4.寄生直流电势,在外加磁场为零、霍尔元件用交流激励时，霍尔电极输出除了交流不等位电势外，还有一直流电势，称之为寄生直流电势。它产生的原因有：激励电极与霍尔电极接触不良，形成非欧姆 接触，造成整流效果；两个霍尔电极大小不对称，则两个电极点的 热容不同，散热状态不同形成

23、极向温差电势。寄生直流电势一般在1mV以下，它是影 响霍尔片温漂的原因之一。,5.霍尔电势温度系数,在一定磁感应强度和激励电流下，温度每变化1时，霍尔电势变化的百分率称霍尔电势温度系数。它同时也是霍尔系数的温度系数。,三、霍尔元件不等位电势补偿,不等位电势有时甚至超过霍尔电势，使用中必须采用补偿电路加以消除。图中A、B为激励电极，C、D为霍尔电极，各极分布电阻分别用R1、R2、R3和R4表示。实际这四个不等值电阻所构成的电桥不平衡。可通过如下电路使其达到平衡，即消除不等位电势的影响。,四、霍尔元件的温度补偿,为了减小霍尔元件的温度误差，除选用温度系数小的元件或采用恒温措施外，由UH=KHIR可

24、看出：采用恒流源供电是个有效措施，它可以使霍尔电势稳定。但也只能减小由于输入电阻随温度变化而引起的激励电流变化所带来的影响。,五、霍尔式传感器的应用,1霍尔式微位移传感器 2霍尔式转速传感器3霍尔计数装置,1霍尔式微位移传感器,磁场强度相同的两块永久磁铁同极性相对放置，霍尔元件处于两块磁铁的中间(B=0)，此时霍尔元件的UH=0，此时位移x=0。若霍尔元件产生相对位移，则其感受的B随之改变，这时UH0，其大小反映出霍尔元件在磁铁之间相对位置的变化量，这种结构的传感器，其动态范围可达5mm，分辨率为0.001mm。,2霍尔式转速传感器,右图是不同结构霍尔式转速传感器。磁性转盘与被测转轴相连。当转

25、动时，固定在磁性转盘附近的霍尔传,感器便可在每一个小磁铁通过时产生一个相应的脉冲，检测出单位时间的脉冲数，便可知被测转速。磁性转盘上小磁铁数目的多少决定了该装置测量转速的分辨率。,3霍尔计数装置,霍尔开关传感器SL3501具有较高灵敏度，能感受黑色金属零件经过时引起的磁场变化，因而可用于计数,检测。当钢球通过该传感器时，它可输出峰值20mV 的脉冲电压，该电压经放大后驱动三极管工作，其输出便可接计数器进行计数，并由显示器显示检测数值。,课后练习题,什么是压电效应？简述压电式传感器的工作 原理？2.磁敏二极管和磁敏三极管有何特点？适合什么场合使用？3.简述霍尔元件的基本特性。4.设计一种磁敏三极管温度补偿电路，并叙述原理。5.设计一个利用霍尔集成电路检测发电机转速的电原理框图。要求当转速过高或过低时发出警报位号。,