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1、本章的教学内容 （1）磁电式传感器 （2）热电偶传感器 （3）霍尔传感器,第4章 电压型传感器,4.1 磁电式传感器,磁电式传感器又称为感应式传感器或电动式传感器，它利用电磁感应原理将运动速度转换成感应电动势输出的传感器。 4.1.1 基本原理和组成 线圈所产生的感应电动势为 磁电式传感器基本上由以下三部分组成： （1）磁路系统；（2）线圈；（3）运动机构,4.1.2 结构类型 磁电式传感器有变磁通型和恒定磁通型两种结构类型。 1. 变磁通型,图4-1-1 变磁通式结构,2.恒定磁通型该类型包括动铁式和动圈式两种。,图4-1-2 恒磁通式结构,例4.1-1已知恒磁通磁电式速度传感器的气隙磁感应
2、强度为1T，单匝线圈长度为4mm，线圈总匝数1500匝，求电压灵敏度。,4.1.3 接口电路,图4-1-3 磁电式传感器接口电路方框图,图4-1-1 变磁通式结构,图33-1 单一式自感传感器,4. 2 压电式传感器 压电式传感器是以具有压电效应的压电元件作为转换元件的有源传感器，它能测量力和可变换为力的物理量（压力，加速度等），是应用较多的一种传感器。,4. 2 .1 压电效应及其表达式1 压电效应 某些电介质，当沿着一定方向对其施力而使它变形时，内部就产生极化现象，同时在它的两个相对的表面上便产生符号相反的电荷；当外力去掉后，又重新恢复不带电的状态；当作用力的方向改变时，电荷的极性也随着改
3、变；这种现象称为正压电效应（压电效应）。,2 压电效应方程,图4-2-1 压电元件的力、电分布,单一应力作用下的压电效应有以下四种类型： 全压电效应，可表示为 矩阵形式为,图4-2-2 压电效应的几种类型,3 力-电荷转换公式 电荷密度为 方向所受应力为 将上两式代入 可得 对于纵向压电效应，因 ，故有,图4-2-3b所示的电荷量应为图4-2-3c所示的电荷量应为石英晶体 ，故有由上几式可知，压电效应产生的电荷Q与压电元件受力F成正比，即,图4-2-3 石英晶片上电荷极性与受力方向的关系,4.2.2 压电材料 具有压电效应的电介质称为压电材料。可分为三类：（1）压电晶体（单晶），它包括压电石英
4、晶体和其它压电单晶。（2）压电陶瓷（多晶半导瓷）。（3）新型压电材料，有压电半导体和有机高分子压电材料两种。 国内常用的是石英晶体和压电陶瓷,1. 石英晶体,4-2-4 石英晶体,图4-2-5 石英晶体的压电效应,由上式可知，石英晶体不是在任何方向上都存在压电效应，如下图所示。,2. 压电陶瓷 压电陶瓷是一种经极化处理后的人工多晶铁电体。“多晶”指由无数细微的单晶组成；“铁电体”指它具有类似铁磁材料磁畴的“电畴”结构。,图4-2-6 压电陶瓷的极化,以钛酸钡压电陶瓷为例，由实验测试所得的压电常数矩阵为 式中， 由上式可见，钛酸钡压电陶瓷也不是在任何方向上都有压电效应，下图所示,图 427 压电
5、陶瓷的压电效应,式中， 称为体积压缩压电常数,4.2.3 压电元件 1 压电元件的基本变形方式,图4-2-2 压电效应的几种类型,图4-2-8 双晶片悬臂梁式压电元件,这种传感器可用做加速度传感器和测量粗糙度的轮廓仪的测头.,2 压电元件的等效电路 压电元件的两电极间的石英晶体或压电陶瓷为绝缘体，因此就构成一个电容器，其电容量为,图4-2-9 压电元件的等效电路,图4-2-10 压电元件的串并联,3 压电元件的串并联,4.2.4 接口电路,图4-2-9 压电元件的等效电路,压电式传感器的输出可以是电压，也可以是电荷，因此，它的接口电路也有电压放大器和电荷放大器两种形式。,1 压电传感器的等效电
6、路,图4-2-11 压电传感器等效电路,图4-2-12 电压放大器电路,2 电压放大器,图中电压放大器输入电压为,式中,电压放大器增益为,输出电压为,输出电压与输入电荷之间的转换关系为,上式可见，电压放大器输出电压与输入电荷之间的转换关系具有一阶高通滤波特性，其转换灵敏度为,将 代入上式得,由下式可见:,图4-2-13 电荷放大器,3 电荷放大器,有,电荷放大器输出电压与输入电荷之间的转换关系为,式中,上式可见，电荷放大器输出电压与输入电荷之间的转换关系具有一阶高通滤波特性，其转换灵敏度为,可见电荷放大器输出电压U0与压电传感器所受力之间的转换关系也具有一阶高通滤波特性，其转换灵敏度为,将 代
7、入 得,下式中，w都不能为零,所以不论采用电压放大还是电荷放大，压电式传感器都不能测量频率太低的被测量，特别是不能测量静态参数，因此压电传感器多用来测量加速度和动态力或压力.,式,灵敏度取决于CF,电荷放大器的时间常数RFCF,例4.2-1,4.3 热电偶传感器,基于热电效应原理工作的传感器称为热电偶传感器，它是目前接触式测温中应用最广的热电式传感器.,图4-3-1 热电效应示意图,4.3.1 热电效应,1 热电动势的产生,热电偶产生的热电动势与两个电极的材料及两个接点的温度有关，通常写成EAB(T,T0) 。热电偶产生的热电动势由单一导体的温差电动势和两种导体的接触电动势组成。1)单一导体的
8、温差电动势根据物理学的推导,当导体A两端的温度分别为T,T0时,温差电动势可表示为,导体B的温差电动势为,2)两种导体的接触电动势根据物理学的推导,接触电动势的表达式为,同理，在接触面（点）的温度为T0时的接触电动势为,3)热电偶回路的总热电动势,由上几式可得,2 热电偶的基本定律1）中间导体定律,图4-3-2 热电偶回路接入第三导体,对于图4-3-2a的电路，采用“巡游一周法”，回路总热电动势,由式（4-3-1）和式（4-3-3）可知,可得,上式与 对比可得,对于图4-3-2b的电路，采用“巡游一周法”，回路总热电动势,由式 可知,故有,图4-3-3 开路热电偶的使用,2）中间温度定律,如取
9、 ，代入上式可得,有,3）标准电极定律,4.3.2 热电偶的材料、型号及结构,1 热电偶的材料对热电偶电极材料有以下要求：(1)物理化学性能稳定(2)导电率高(3)变化率大(4)工艺简单,2 热电偶的型号按照工业标准化的要求，可分为标准化热电偶和非标准化热电偶合。,3 热电偶的结构1）普通热电偶,图4-3-5 普通热电偶结构示意图,2）铠装热电偶（缆式热电偶）,3）薄膜热电偶,4.3.3 冷端恒温式热电偶测温电路,1 测温原理和方法,图4-3-6 各种热电偶的热电势与温度关系曲(T0=0),利用热电偶测温度方法有查表法和直读法。,2 热电偶冷端的恒温和延伸,为了使热电偶的热电动势与被测温度如
10、的单值函数关系，需要使热电偶冷端的温度保持恒定或进行其它处理。1）冷端的恒温方式 冰浴法2）冷端的延伸,注意以下几点：（1）补偿导线与热电偶的两 个接点的温度必须相同。（2）满足（3）补偿导线与热电偶的同性电极相接。,1）查分度表法,查表法：,直接法测温：,3 冷端温度恒定但T=0OC的处理方法,2）查修正系数法,应按下式计算出真实温度T,仪表刻度是按照如下,关系标定的： 此时的T不是真实的T.,3）仪表机械零点调整法,例4.3-1,4.3.4 冷端补偿式热电偶测温电路,1 冷端自动补偿的原理,图4-3-9 冷端自动补偿的误差,2 冷端补偿器电路,1）热电阻电桥,2）热电偶冷端补偿集成放大器,
11、图4-3-11 AD594/AD595 引脚和内部结构框图,4.4 光电式传感器,光电式传感器是以光电器件作为转换元件的传感器。它可用于检测直接引起光量变化的非电量，也可用于检测能转换成光量变化的其它非电量。,4.4.1光电效应,光电效应可分为外光电效应、光导效应和光生伏特效应，相对应的光电器件包括光电发射型光电器件，光导型光电器件和光伏型光电器件（光电池）三种类型。,1.外光电效应,根据能量守恒定律有,外光电效应（光电发射）,光电子,光电材料,红线频率，其表达式为,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。,2 内光电效应,图4-4-1 电子能级示意图,光导效应,内光电效应,基于
12、光导效应原理工作的半导体器件有光敏电阻，光电二极管和光电晶体管。,3 光生伏特效应,光生伏特效应,1. 光电管,图4-4-2 光电管基本电路,4.4.2 光电管和光电倍增管,图4-4-3 光电管的基本特性,2. 光电倍增管,图5-4-2 光电倍增管的结构及电路,图4-4-5 光电倍增管的基本特性,4.4.3 光敏电阻,1.光敏电阻的原理和结构,图4-4-6 光敏电阻基本电路,图5.4.5 光敏电阻的结构,光敏电阻的结构,图4-4-8 光敏电阻的基本特性,图4-4-9 温度对光敏电阻性能的影响,3.光敏电阻与负载的匹配,图4-4-6 光敏电阻基本电路,4.4.4 光电池,图4-4-10 光电池的
13、结构,图4-4-11 光电池的工作原理,图4-4-12 光电池的符号、基本电路及等效电路,图4-4-13 光电池的基本特性,2. 光电池的基本特性,图4-4-14 光电池的光照特性和伏安特性,3. 光电池的负载选择,图4-4-15 光电池两种放大电路,4. 光电池的接口电路,图4-4-16 光电池采用硅晶体管放大的电路,图4-4-17 光电池用于开关控制电路,4.4.5 光电式传感器的基本组成和类型,图4-4-18 光电传感器的基本组成,1) 光源2）光学通路3）光电器件4）测量电路,1 光电式传感器的基本组成,1) 透射式,2 光电式传感器的基本类型,图5-4-16 透射式光电传感器,2)
14、反射式,图5-4-17 反射式光电传感器,3) 辐射式,图5-4-18 辐射式光电传感器,4) 遮挡式,图5-4-19 遮挡式光电传感器,5) 开关式,它就是“通”与“断”的开关状态，有三种用途：（1）开关，如光继电器（2）计数，将光脉冲转换为电脉冲进行产品计数或是测量转速等（3）编码，利用不同的码反映不同的参数,例4.4-1,4.5 霍尔传感器,半导体薄片置于磁场中，当有电流流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势。,4.5.1 霍尔效应,图5-5-1 霍尔效应原理图,当电荷处于平衡，即,霍尔电压与霍尔电场强度的关系为,综合,假设激励电流I分布均匀，则有,和,两式，得,将,和,两式合并整理，得,对N型半导体有,对P型半导体有,令,霍尔传感器由元件，加于激励电极两端的激励电源，与霍尔电极输出端相连的测量电路，产生某种具有磁场特性的装置。,代入,得,4.5.2 霍尔传感器的组成与基本特性,1. 霍尔元件,图5-5-2 霍尔元件的结构和符号,图4-5-3 霍尔电压的基本测量电路,2.电路部分,图4-5-4 霍尔元件的输出电路,图4-5-5 霍尔元件输出叠加连接方式,图 456 霍尔式位移传感器原理示意图,
