传感器原理及应用课件.ppt

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1、教材传感器原理及应用 黄贤武 郑筱霞 编箸 电子科技大学出版社参考书n传感器原理、设计与应用（第三版）刘迎春叶湘滨编箸国防科技大学出版社n传感器原理与应用技术 刘爱华，满宝元编著 人民邮电出版社,2006年第一章基本概念基本概念 1-1 传感器的定感器的定义与与组成成 1-2 传感器的特性感器的特性 1-3 传感器的感器的误差及信噪比差及信噪比第一章基本概念基本概念1-1 传感器的定感器的定义与与组成成 1-2 传感器的特性感器的特性 1-3 传感器的感器的误差及信噪比差及信噪比1-11-1传感器的定义与组成传感器的定义与组成n传感器的定感器的定义 n传感器的分感器的分类 n被被测量与能量量与

2、能量变换 一、传感器的定义一、传感器的定义 1、定义n所谓传感器是来自“感觉”一词传感器技术属现代高新技术（电五官） n根据GB7665-87，【传感器】（TransducerSensor）的定义定义为：能感受规定的被测量并按一定规律转换成可用信号输出的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。n我国往往把“传感器”和“敏感元件”等同使用传感器的定义传感器的定义2、传感器的组成n敏感元件敏感元件（Sensing element） 直接感受或响应被测量的部分。有时也将敏感元件称为传感器。n转换元件转换元件（Transduction element） 能将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或

3、测量的电信号部分。传感器的定义传感器的定义3、传感器的特征参数传感器的特征参数n被测量传感器输入量，是传感器命名和分类的重要依据。n输出量含有原始信号，且为便于接收与处理的信号形式。传感器的定义传感器的定义4、传感器的传感器的应用从被检测对象中获取原始信号（1）用于自动检测系统 传感器的定义传感器的定义4、传感器的传感器的应用续（2）用于测控系统 自动检测与自动控制系统自动检测与自动控制系统n n在在在在电电力、冶金、石化、化工等流程工力、冶金、石化、化工等流程工力、冶金、石化、化工等流程工力、冶金、石化、化工等流程工业业中，生中，生中，生中，生产线产线上上上上设备设备运行状运行状运行状运行状

4、态态关系到整个生关系到整个生关系到整个生关系到整个生产线产线流程。通常建立流程。通常建立流程。通常建立流程。通常建立2424小小小小时时在在在在线监测线监测系系系系统统。石化企业输油管道、储油罐等压力容器的石化企业输油管道、储油罐等压力容器的破损和泄露检测破损和泄露检测在汽车、机床、电机、发动机等产品出厂在汽车、机床、电机、发动机等产品出厂时，必须对其性能质量检测时，必须对其性能质量检测n n图图示示示示为为汽汽汽汽车车出厂出厂出厂出厂检验检验原理框原理框原理框原理框图图，测测量参数包括量参数包括量参数包括量参数包括润润滑油温度、冷却水温度、燃油滑油温度、冷却水温度、燃油滑油温度、冷却水温度、

5、燃油滑油温度、冷却水温度、燃油压压力及力及力及力及发动发动机机机机转转速等。通速等。通速等。通速等。通过对过对抽抽抽抽样样汽汽汽汽车车的的的的测试测试，工程，工程，工程，工程师师可以可以可以可以了解了解了解了解产产品品品品质质量。量。量。量。n汽汽车扭距扭距测量量 机床加工精度机床加工精度测量量汽车与传感器汽车与传感器高级轿车需要用传感器对温度、压力、位置、距离、转高级轿车需要用传感器对温度、压力、位置、距离、转高级轿车需要用传感器对温度、压力、位置、距离、转高级轿车需要用传感器对温度、压力、位置、距离、转速、加速度、湿度、电磁、光电、振动等进行实时准确速、加速度、湿度、电磁、光电、振动等进行

6、实时准确速、加速度、湿度、电磁、光电、振动等进行实时准确速、加速度、湿度、电磁、光电、振动等进行实时准确的测量，一般需要的测量，一般需要的测量，一般需要的测量，一般需要30301 001 00种传感器。种传感器。种传感器。种传感器。传感器与家用电器传感器与家用电器传感器与家用电器传感器与家用电器自动电饭锅、吸尘器、空调器、电子热水器、风干器、电熨斗、电自动电饭锅、吸尘器、空调器、电子热水器、风干器、电熨斗、电自动电饭锅、吸尘器、空调器、电子热水器、风干器、电熨斗、电自动电饭锅、吸尘器、空调器、电子热水器、风干器、电熨斗、电风扇、洗衣机、洗碗机、照相机、电冰箱、电视机、录像机、家庭风扇、洗衣机、

7、洗碗机、照相机、电冰箱、电视机、录像机、家庭风扇、洗衣机、洗碗机、照相机、电冰箱、电视机、录像机、家庭风扇、洗衣机、洗碗机、照相机、电冰箱、电视机、录像机、家庭影院等。影院等。影院等。影院等。传感器在机器人上的应用传感器在机器人上的应用n n机械手、机器人中的机械手、机器人中的传感器：感器： n n转动/移移动位置位置传感器、感器、力力传感器、感器、视觉传感感器、听器、听觉传感器、接感器、接近距离近距离传感器、触感器、触觉传感器、感器、热觉传感器、感器、嗅嗅觉传感器。感器。n密歇根大学的机械手装配模型密歇根大学的机械手装配模型机器人服务员机器人服务员AGV自动送货车自动送货车香港理工香港理工A

8、GV模型模型传感器在生物医学上的应用传感器在生物医学上的应用n n对对人体的健康状况人体的健康状况人体的健康状况人体的健康状况进进行行行行n n诊诊断需要断需要断需要断需要进进行多种生理行多种生理行多种生理行多种生理n n参数的参数的参数的参数的测测量。量。量。量。n n 国内已国内已国内已国内已经经成功地开成功地开成功地开成功地开n n发发出了用于出了用于出了用于出了用于测测量近量近量近量近红红外外外外n n组织组织血氧参数的血氧参数的血氧参数的血氧参数的检测仪检测仪n n器。人器。人器。人器。人类类基因基因基因基因组计组计划的研划的研划的研划的研究也大大促究也大大促究也大大促究也大大促进进

9、了了了了对酶对酶、免、免、免、免疫、微生物、疫、微生物、疫、微生物、疫、微生物、细细胞、胞、胞、胞、DNADNA、RNARNA、蛋白、蛋白、蛋白、蛋白质质、嗅、嗅、嗅、嗅觉觉、味、味、味、味觉觉和体液和体液和体液和体液组组份以及血气、份以及血气、份以及血气、份以及血气、血血血血压压、血流量、脉搏等、血流量、脉搏等、血流量、脉搏等、血流量、脉搏等传传感器的研究。感器的研究。感器的研究。感器的研究。医学医学传感器与航空及航天传感器与航空及航天n n飞飞行器：控制在行器：控制在行器：控制在行器：控制在预预定定定定轨轨道上道上道上道上n n陀螺陀螺陀螺陀螺仪仪、阳光、阳光、阳光、阳光传传感器、感器、感

10、器、感器、星光星光星光星光传传感器、地磁感器、地磁感器、地磁感器、地磁传传感感感感器器器器航天航天传感器与环境保护传感器与环境保护n n保保保保护环护环境和生境和生境和生境和生态态平衡，平衡，平衡，平衡，实现实现可持可持可持可持续发续发展，必展，必展，必展，必须须进进行大气行大气行大气行大气监测监测和江河湖海水和江河湖海水和江河湖海水和江河湖海水质检测质检测，需要大量，需要大量，需要大量，需要大量用于用于用于用于污污水流量、水流量、水流量、水流量、PHPH值值、电导电导、浊浊度、度、度、度、CODCOD、BODBOD、TPTP、TNTN、矿矿物油、物油、物油、物油、氰氰化物、氨氮、化物、氨氮、

11、化物、氨氮、化物、氨氮、总总氮、氮、氮、氮、总总磷、金属离子磷、金属离子磷、金属离子磷、金属离子浓浓度特度特度特度特别别是重金属离子是重金属离子是重金属离子是重金属离子浓浓度以及度以及度以及度以及风风向、向、向、向、风风速、温度、湿度、工速、温度、湿度、工速、温度、湿度、工速、温度、湿度、工业业粉粉粉粉尘尘、烟烟烟烟尘尘、烟气、烟气、烟气、烟气、SO2SO2、NONO、O3O3、COCO等参数等参数等参数等参数测测量的量的量的量的传传感器，感器，感器，感器，这这些些些些传传感器中大多数亟待开感器中大多数亟待开感器中大多数亟待开感器中大多数亟待开发发。 烟烟尘浊度度测量量传感器与遥感技术传感器与

12、遥感技术传感器与遥感技术传感器与遥感技术飞机及航天飞行器：近紫外线、可见光、远红外线、微波飞机及航天飞行器：近紫外线、可见光、远红外线、微波飞机及航天飞行器：近紫外线、可见光、远红外线、微波飞机及航天飞行器：近紫外线、可见光、远红外线、微波船舶：超声波传感器船舶：超声波传感器船舶：超声波传感器船舶：超声波传感器微波微波微波微波红外接收传感器红外接收传感器红外接收传感器红外接收传感器红外线分布差异红外线分布差异红外线分布差异红外线分布差异矿藏埋藏地区矿藏埋藏地区矿藏埋藏地区矿藏埋藏地区地地地地 面面面面二、传感器的分类二、传感器的分类 1 1、按传感器输入量（用途）分类、按传感器输入量（用途）分

13、类 生产厂家往往按输入量分类，以向户提供基本的使用信息。 如：位移传感器、速度传感器、加速度传感器、力传感器、压力传感器、流速传感器、温度传感器、光强传感器、湿度传感器、粘度传感器、浓度传感器、。 传感器的分类传感器的分类 2、按传感器工作机理分类 此种分类方法能表示输入变量和输出变之间的关系。 传感器的分类传感器的分类 2、按传感器工作机理分类续1（1）物性型传感器 是利用某些功能材料本身所具有的内在特性及效应把被测量直接转换为电量的传感器。如：各种压电晶体传感器。（2）结构型传感器 是以结构（如形状、尺寸）为基础，利用某些物理规律实现把被测量转换为电量。如：气隙型电感式传感器。 传感器的分

14、类传感器的分类 2、按传感器工作机理分类续2（3）化学传感器 是利用化学反应的原理，把无机和有机化学物质的成分、浓度等转换为电信号的传感器。如：离子选择性电极。（4）生物传感器是一种利用生物活性物质选择性的识别和测定生物化学物质的传感器。近年来发展很快。传感器的分类传感器的分类 3、按信息能量变换方式分类在传感器内部，信息的传递与变换伴随着能量的流动。（1）能量变换型：传感器从被测对象中获取能量，用于直接输出。如：热电偶、光电池、压电式、电磁感应式、固体电解质气敏传感器等。（2）能量控制型：传感器从被测对象中获取能量，用于控制激励源，故又称有源型传感器。如：电阻式、电感式、电容式、霍尔式、。三

15、、被测量与能量变换三、被测量与能量变换1 1、示容变量和示强变量、示容变量和示强变量(1)示容变量或称为流通变量、扩展量(Extensive) 示容变量是与空间分布成比例的量，表示能容纳多少的量。如：长度、面积、体积、质量、位移、速度、电荷、磁力线、电流、热流、熵、。被测量与能量变换被测量与能量变换 1、示容变量和示强变量(2)示强变量或跨越变量,密集量(Intensive) 示强变量是指在某种场合下，表示作用程度的量。 如：力、压力、温度、温差、电压、磁通、光通、气体浓度、湿度。被测量与能量变换被测量与能量变换 1、示容变量和示强变量示容量与示强量组合之积是与某种能量相对应的。 如：力与位移

16、之积是功、力与速度之积是功率、压力与体积之积是气体力学能量、温度与熵之积是热能、温差与热流之积是热功率、电压与电荷之积是电能、电压与电流之积是电功率。被测量与能量变换被测量与能量变换 2、传感器能量变换 传感器的工作过程可以视为是将示容量与示强量由一种组合变成另一种组合。被测量与能量变换被测量与能量变换 3 3、能量变换与误差、能量变换与误差（1）传感器从被测物体拾取能量时对被测物体的状态产生了影响，从而导致了误差。如：热电偶测温时，输入的热流是被测物体传递的，若热电偶的热容量过大，将使被测物体的温度下降，从而产生误差。（2）传感器输出端的负载消耗传感器的能量时，亦对被测物体造成误差。 传感器

17、对被测物体的影响越小，负载对传感器输出的影响越小，测量精度就越高。被测量与能量变换被测量与能量变换 4 4、传感器信号变换 根据传感器输出信号是模拟量或是数字量，可将信号变换分为两大类。【模拟变换】输入为模拟量，输出为模拟量。【数字变换】输入为模拟量，输出为数字量。 被测量与能量变换被测量与能量变换 5、传感器的输入与输出特性 （1）传感器的输入特性（负荷效应）传感器的输入特性是用来衡量传感器对被测对象的影响程度。其主要参数是广义输入阻抗Zi，定义为由于示强变量X与示容变量x的乘积为能量W（或功率），则有能量或功率：被测量与能量变换被测量与能量变换 5、传感器的输入与输出特性可知： 当被测量为

18、示强变量时（如：被测量为力、压力、温度等），传感器广义输入阻抗越大，从被测对象吸收的能量就越小，误差也就越小。 当被测量为示容变量时（如：位移、速度、加速度等），传感器广义输入阻抗则越小越好。 当被测示容变量为0时（如：用力传感器测量静态力时），此时被测点处于力平衡状态，速度为0，此时输入特性应用静态刚度来表示静态刚度：，此时被测力的功： 被测量与能量变换被测量与能量变换 5、传感器的输入与输出特性（2）传感器的输出特性（阻抗匹配）传感器的输出特性是用来衡量传感器承受负载能力大小的重要参数。主要参数是广义输出阻抗Zo，定义为 从提高负载能力出发，Zo 越小越好，承载能力强；从获得最大功率出发，

19、Zo 等于负载阻抗。总的要求是：希望从被测对象处获取较小的能量，而输出大的有用信号。 四、传感器的发展趋势四、传感器的发展趋势n发现新现象n开发新材料n采用微细加工技术n集成化n智能化n仿生传感器第一章基本概念基本概念1-1 传感器的定感器的定义与与组成成 1-2 传感器的特性感器的特性 1-3 传感器的感器的误差及信噪比差及信噪比 1-2 传感器的特性传感器的特性n传感器的静感器的静态特性特性 n传感器的感器的动态特性特性 传感器的特性就是对输入输出关系的描述，理想的特性是在任何情况下输入与输出都是一一对应的。分静态特性和动态特性。 1-2 传感器的特性传感器的特性一、传感器的静态特性【静态

20、特性】：输入不随时间变化时（在稳态信号作用下），传感器输出与输入之间的关系。 、变换函数（静态特性的一般数学模型）、变换函数（静态特性的一般数学模型） 变换函数反映传感器输入与输出间的关系式， y=f(x) 其中x为输入量，y为输出量。几种典型的变换函数如下表一、传感器的静态特性、变换函数 通常，要求传感器在静态情况下的输入与输出保持线性关系，实际上，如上表所示，很难满足理想的线性关系，一般用多项式表示 只有当二阶以上的项为0时，才满足理想的线性关系。 一、传感器的静态特性 2、灵敏度（静态灵敏度） 当输入变化为x时，有： 其中k(x)称为灵敏度，是传感器在工作点上的微商（dydx），是静态特

21、性的最主要指标。当k(x)为定值时，即y与x成比例，由测量值y便可直接求得x。灵敏度具有可比性。一、传感器的静态特性 3、精度传感器的精度是指测量结果的可靠程度，它以给定的准确度表示重复某个读数的能力，其误差愈小，则精度愈高。定义为：传感器的精度表示传感器在规定条件下允许的最大绝对误差相对于传感器满量程输出的百分比， 其中，A为测量范围内允许的最大绝对误差。在应用中，为了简化传感器的精度的表示方法，引用了精度等级的概念，分为：0.05、0.1、0.2、0.3、0.5、1.0、1.5、2.0。精度等级越小精度越高 一、传感器的静态特性 4、线性度（非线性误差） 在规定条件下，传感器校准曲线与拟合

22、直线间最大偏差与满量程（F.S）输出值的百分比称为线性度。 线性度： 拟合方法有基端线性拟合、最佳直线拟合和最小二乘法拟合。 一、传感器的静态特性 5、最小检测量和分辨率 是指传感器能确切反映被测量的最低极限量 x，小于这个量的区域称为死区。对于数字传感器，常用分辨率来表示。最小检测量(或感度)的影响因素二：(1) 输入的变动量x在传感器内部被吸收 如：带有螺纹或齿条传递的传感器，由于螺纹和螺母间、齿轮和齿条间存在间隙，当输入变量x小于这一间隙时，便被传感器内部吸收。一、传感器的静态特性 5、最小检测量和分辨率续1(2) 传感器输入、输出端均存在噪声干扰，x过小时，被外界噪声所淹没。最小检测量

23、： 其中，C为系数，一般取15，N为噪声电平，K为灵敏度。对于数字式传感器，则用输出数字指示值最后一位数字所代表的输入量来表示，称为分辨率。一、传感器的静态特性 6、滞后性在输入量增加过程中测得的某一点输出值，与在输入减少过程测得的同一点值不一样，这种现象称为滞后。图中曲线称为滞环特性曲线。一、传感器的静态特性 6、滞后性续1对滞后性的衡量，一般用滞环的最大偏差或最大偏差的一半与满量程输出值的百分比来表示，称为滞环误差 或 如果传感器存在滞后性，则输入与输出就不能保持一一的对应关系，因此应尽量使之变小。产生滞后性的原因主要是材料的物理性质所造成的。一、传感器的静态特性 7、重复性重复性是指在同

24、一工作条件下，输入量按同一方向在全量程范围内连续变动多次所得特性曲线的不一致性。 一、传感器的静态特性 7、重复性续1不一致性一般用各测量值正、反行程标准偏差最大值的两位或三倍值与满量程输出值的百分比来表示（或称为回差） 或 其中，为标准偏差。 一、传感器的静态特性 8、零点漂移传感器无输入（或某一输入值不变）时，每隔一段时间进行读数，其输出偏离零值（或原指示值），即为零点飘移，用百分比表示： 其中，y0为最大零点偏差（或相应偏差）。 一、传感器的静态特性 9、温度漂移温漂表示温度变化时，传感器输出值的偏离程度。一般以温度变化1时，输出最大偏差与满量程的百分比表示： 其中，max为输出最大偏差

25、，T为温度变化范围。 1-2 传感器的特性传感器的特性二、传感器的动态特性【传感器动态特性】传感器的响应特性。【传感器响应】当输入信号随时间变化时，输出信号随之变化的情况。二、传感器的动态特性 1、动态特性的一般数学模型 由于传感器在工作中，质量加速或减速需要时间，能量存取需要时间，信号在传输过程中克服阻力需要时间，所以输出信号总是要迟后输入信号，不可能同步变化。动态特性的一般数学模型为一常系数微分方程: 式中，y(t)为输出信号，x(t)为输入信号，a0,a1,an及b0,b1,bm均为常数。 二、传感器的动态特性 1、动态特性的一般数学模型续1对上式两边进行拉氏变换，得 则得系统的传递函数

26、如下 在一般情况下，上面的传递函数可以分解为分母 为一次多项式和二次多项式的分式形式，用一次多项式作分母的系统称为传递函数的一阶系统（即惯性环节），用二次多项式作分母的系统称为传递函数的二阶系统（即振荡环节）。所以一阶和二阶系统的响应是最基本的响应。传感器的动态特性 2、零阶传感器的数学模型 零阶传感器的微分方程只有a0、b0两个系数，方程为: 或 其中k为静态灵敏度，所以零阶系统的动态特性即就是系统的静态特性。 传感器的动态特性 2、零阶传感器的数学模型-续1典型的零阶系统如线性电位器输出电压与电刷位移之间的关系： 传感器的动态特性3、一阶传感器的数学模型(惯性环节) n一阶系统的方程式为

27、或 其中(a1/a0)，称为时间常数，(b0/a0)为静态灵敏度。n一阶系统函数（传递函数）传感器的动态特性3、一阶传感器的数学模型-续1 典型的一阶传感器如热电偶传感器的动态特性3、一阶传感器的数学模型-续2 微分方程如下: 其中:Rmc，为热电偶的时间常数，R 为介质与热电偶之间的热阻， m 热电偶质量， c 为热电偶的比热， mc 为热电偶的热容量。传感器的动态特性4、二阶传感器的数学模型(振荡环节) n二阶系统的微分方程为n二阶系统函数（拉氏传递函数） 传感器的动态特性4、二阶传感器的数学模型-续1式中 ，为静态刚度； ，无阻尼固有频率； ，阻尼比。 上述三个量称为二阶传感器的特征量。

28、典型的二阶传感器有光线示波器的振动子、铠装热电偶（即带保护套管的热电偶）。传感器的动态特性5、传感器的动态特性【时域方面】采用瞬态响应法（阶跃响应）【频域方面】采用频率响应法（正弦响应）（1）单位阶跃响应函数为传感器的动态特性5、传感器的动态特性阶跃响应1（2）一阶传感器的阶跃响应 其中， ，为时间常数。传感器的动态特性5、传感器的动态特性阶跃响应2（3）二阶传感器的阶跃响应 二阶系统分欠阻尼系统（R 时，有：其中，1，为工作臂 Rx 的电阻相对变化率。 金属电阻应变传感器五、测量电路2 2、直流电桥的特点及基本类型、直流电桥的特点及基本类型、结构：直流电桥是由连接成环形的四个电阻（桥臂电阻）

29、所组成，由一直流电源提供能量，输出端与放大器相连。金属电阻应变传感器五、测量电路、电桥平衡条件：此时，测量输出端的输出为零。 金属电阻应变传感器五、测量电路、桥路输出电压若输出端放大器的输入阻抗很高，则可视为输出端开路，即：RL，此时两支路中的电流分别为 在 R1 和 R3 上的压降分别为 金属电阻应变传感器五、测量电路则桥路输出端的电压为金属电阻应变传感器五、测量电路、电桥的电压灵敏度若R1为电阻式传感器，R2、R3、R4 为固定桥臂，R10、R20、R30、R40为平衡时的初始阻值，此时输出为零，当RL，R1变化R 时，则输出为金属电阻应变传感器五、测量电路令，根据平衡条件：(桥臂比），则

30、 如果R1，略去分母中的R，则有 则电压灵敏度为： 金属电阻应变传感器五、测量电路提高 KU 的途径：n提高电源电压（受电源耗散功的限制）；n选择合适的桥臂比n（n=1时最大： ）。 金属电阻应变传感器五、测量电路3 3、电桥的结构形式、电桥的结构形式（1）串联对称式：相等两桥臂同在一个支路中形成串联形式。即 金属电阻应变传感器五、测量电路在单臂工作时，R1=R10+R，取RL=，此时有 令 ，根据平衡条件：，则 略去分母中的R，近似有： 金属电阻应变传感器五、测量电路从上式中可看出：n输出电压的大小只与R有关，且成正比；n必须有高稳定性电源，以维持UE不变，否则会影响输出；n只有当 2R4

31、时，上式才成立。金属电阻应变传感器五、测量电路()并联对称式 相等两桥臂分别接入不同支路的对称位置。即 金属电阻应变传感器五、测量电路在单臂工作时，R1=R10+R，取 RL=，此时有令 ，则有 金属电阻应变传感器五、测量电路从上式中可看出:n输出电压除与R 和 UE 有关外，还与同一支路中桥臂比m有关，n当m=1时，与串联对称式相同。 金属电阻应变传感器五、测量电路（3）等臂电桥 组成桥路的四个臂，其阻值均相等。即 平衡条件： ， 假设 RL=，根据应变片的工作情况，分三种情况加以分析 金属电阻应变传感器五、测量电路 单臂工作：电桥工作臂 R1 为电阻传感元件。 输出电压金属电阻应变传感器五

32、、测量电路 半桥线路（双臂工作）：电桥工作臂 R1 和R2 为电阻传感元件。输出电压 从公式中可以看出 nUO 与R 之间为线性关系；n输出电压为单臂时的两倍。金属电阻应变传感器五、测量电路 全桥线路（四臂工作）：电桥的四个工作 臂均为电阻传感元件。输出电压: 从公式中可以看出nUO 与R 之间为线性关系；n输出电压为单臂时的倍；n输出电压UO 与电源电压 UE 的比值在数值上等于R。金属电阻应变传感器五、测量电路、负载电阻为有限值的情况上述均假定 RL=，当 RL 为有限值时，则负载 RL 上的压降为 式中，RTh为等效内阻 上式说明，在考虑负载后，输出电压缩小了 倍。金属电阻应变传感器五、

33、测量电路、桥路的电阻平衡n在桥路中，实际上很艰使桥臂电阻绝对相同，总会存在差异，因此，必须设计调零电路，以使初始状态达到平衡。n调零电路一般由两个电阻（其中一个为可调电阻）组成星形连接电路。 金属电阻应变传感器五、测量电路带调零电路的电桥。 可调平衡范围金属电阻应变传感器五、测量电路6、非线性误差及其补偿方法从前述电桥的输出电压知： 其中，说明桥的输出出电压与输入电压之间为非线性关系，只有在时，略去分母中的，才能满足线性关系，但测量的应变较大时，这种条件难于满足，因而会造成较大的误差，此时需要采取其它的补偿方法。 金属电阻应变传感器五、测量电路(1) 提高桥臂比n 提高桥臂比n可使的影响下降，

34、可适当减少非线性误差，当n=1时，桥的输出电压最大。 (2) 采用差动电桥 采用差动电桥是最佳方案，从前述串联对称式电桥知，当采用半桥差动结构时，其输出为 ,为线性关系。 若采用全桥差动电路，则输出为 亦为线性关系。金属电阻应变传感器五、测量电路（3）采用恒流源供桥当供桥电源采用恒流源时，电桥输出为 解得 金属电阻应变传感器五、测量电路则输出电压为 对于等臂电桥R1=R2=R3=R4，在单臂工作时，其输出为 而恒压供桥时为则输出电压为 金属电阻应变传感器五、测量电路7、交流电桥平衡条件 电桥的输出电压： 金属电阻应变传感器五、测量电路交流电桥 单臂交流电桥输出电压 差动交流电桥（半桥线路）输出

35、电压 双差动交流电桥（全桥线路）输出电压 金属电阻应变传感器五、测量电路交流电桥应变仪组成方框图 2-2金属电阻应变传感器六、应变式传感器的应用应变式传感器的应用 用应变片制成的传感器应用很广，如力传感器、扭矩传感器、加速度传感器、压力传感器、称重传感受器等，量程从几克到几百吨。金属电阻应变传感器六、应变式传感器的应用 （1）柱式传感器结构：、弹性敏感元件为实心或空心圆柱。、应变片将敏感元件的应变转换为电阻。分别在轴向和周向各布置4个应变片。金属电阻应变传感器六、应变式传感器的应用在弹性范围内，应力与应变成正比，则轴向和周向的应变片感受的应变为, 轴向应变： 周向应变：其中，S 为弹性元件的截

36、面积，F 为作用力，E 为弹性模量，为泊松比。金属电阻应变传感器六、应变式传感器的应用当采用全桥差动结构时，输出为与作用力在正比。 金属电阻应变传感器六、应变式传感器的应用（2）梁式力传感器（等强度梁或等截面梁）n等强度弹性元件是一特殊形式的悬臂梁。金属电阻应变传感器六、应变式传感器的应用沿梁的长度方向上的截面抗弯模量W的变化与弯矩M的变化成正比梁各点的应变值为(等强度各点相等) 式中, bx 为与x 对应的梁宽；h 为梁的厚度； F 被测作用力。 金属电阻应变传感器六、应变式传感器的应用若等臂结构，即: ， ，电桥输出为 金属电阻应变传感器六、应变式传感器的应用n应变式加速度传感器是典型的梁

37、式传感器，弹性元件为悬臂梁，加速度感受元件为一惯性质量块 m 金属电阻应变传感器六、应变式传感器的应用 测量原理：惯性质量块在加速度的作用下，产生惯性力 F = ma，梁在惯性力的作用下发生变形，应变片电阻发生变化，产生输出信号，输出信号大小与加速度成正比。 金属电阻应变传感器六、应变式传感器的应用n电阻应变式电子称 -梁式传感器的另一个典型应用 它是在一个S 型双弯曲悬臂梁上贴四片应变片，组成桥路。 双弯曲梁的应变为 式中，b为梁厚 金属电阻应变传感器六、应变式传感器的应用桥路输出为 金属电阻应变传感器六、应变式传感器的应用(3) 应变式压力传感器弹性元件为一薄壁圆板，应变片贴于圆板上。 金

38、属电阻应变传感器六、应变式传感器的应用 当均布压力作用于薄板时圆板上各点的径向应力和切向应变分布金属电阻应变传感器六、应变式传感器的应用 当均布压力作用于薄板时，圆板上各点的径向应力和切向应力可用以下两式表示 径向应力： 切向应力： 其中，R 和 h 分别为圆板的半径和厚度，x 为离圆心的径向距离。金属电阻应变传感器六、应变式传感器的应用 圆板边缘处（x = R）的应力为径向应力： 切向应力： 可见，圆板周边处的径向应力最大 金属电阻应变传感器六、应变式传感器的应用圆板内任一点的应变值计算公式为在圆板中心处（x = 0）的应变值为 在圆板边缘处（x = R）的应变值为金属电阻应变传感器六、应变

39、式传感器的应用n贴片时径向应变片应避开r=0 处，一般在圆片边缘处沿径向贴两片，在中间沿切向贴两片。n应变片R1、R4 和 R2、R3 接在桥路的相邻臂内，以提高灵敏度并进行温度补偿。 第二章 电阻式传感器及检测电路电阻式传感器及检测电路 2-1 线绕电位器式位器式传感器感器 2-2 金属金属电阻阻应变传感器感器 2-3 压阻式阻式传感器感器 2-3 压阻式传感器压阻式传感器一、压阻式传感器的结构及工作原理压阻式传感器的结构及工作原理 压阻式传感器是在半导体材料的基片上用集成电路工艺制成的扩散电阻，直接作为敏感元件而制成的传感器。优点：灵敏度高，横向效应小，滞后和蠕变小。缺点：温度稳定性差，非

40、线性较大。2-3 压阻式传感器一、压阻式传感器的结构及原理压阻式传感器的结构及原理、压阻效应、压阻效应【压阻效应】沿半导体的某一轴向施加一定的载荷而产生应变时，其电阻率会发生变化，这种现象称为压阻效应。 半导体材料的应变与电阻的相对变化之间的关系如下 一、压阻式传感器的结构及原理压阻式传感器的结构及原理 压阻效应有：则灵敏度为： 由于 K 值一般为70160，而（1+2）约为 1.6，故可以略去，则: 一、压阻式传感器的结构及原理压阻式传感器的结构及原理、扩散硅压阻器件、扩散硅压阻器件扩散硅压阻器件是一个由四个扩散电阻构成的惠斯登电桥。设计要求：、等臂电桥（四个桥臂电阻值相等）；、差动结构（电

41、桥相邻两臂的压阻效应 大小相等符号相反）；、四个桥臂的温度系数相同。 这样的电桥为理想压阻电桥，桥臂电阻是应变和温度 t 的函数:电桥电源既可用恒压电源也可用恒流电源。用恒压电源供电时，电桥输出为: 用恒流电源供电时，电桥输出为: 其中: ， ， t为电阻温度系数，kt为灵敏度温度系数。一、压阻式传感器的结构及原理压阻式传感器的结构及原理 扩散硅压阻器件一、压阻式传感器的结构及原理压阻式传感器的结构及原理、压阻器件的特性、压阻器件的特性 、温度性能 温度系数较大，当温度变化时，产生温漂，且压阻系数随温度而变化。 、线性度 在数百微应变范围内呈线性。2-3 压阻式传感器二、应用n压阻式压力传感器

42、（固态压力传感器）其结构与应变式压力传感器类似，弹性元件为一块圆形硅膜片，在膜片上利用集成电路的工艺扩散四个阻值相等的硅电阻。n压阻式加速度传感器其结构与应变式加速度传感器类似，弹性元件为一硅制悬臂梁，在梁的根部利用集成电路的工艺扩散四个阻值相等的硅电阻，梁的自由端装有一惯性质量块用来感受加速度。 2-3 压阻式传感器三、测量桥路及温度补偿三、测量桥路及温度补偿 、恒流供电电桥、恒流供电电桥为了减少温度影响，压阻器件多采用恒流源供电。当采用等臂差动结构时，桥路输出为 式中， 为温度引起的阻值变化。可见，此时桥路输出与温度无关。三、测量桥路及温度补偿、零点温度补偿用串、并联电阻法进行补偿。三、测

43、量桥路及温度补偿 零点温度补偿n串联电阻 RS 用于调零；n并联电阻 RP 用于补偿；其值通过计算求得。n在电源回路中串联一定数量的二极管可以对灵敏度温度补偿，因为二极管 PN 结的温度特性为负值，温度升高时，二极管正向压降减少，桥路输出电压增高。 第三章第三章 电容式传感器电容式传感器 3-1 概述概述 3-2 电容式容式传感器的感器的测量量电路路 3-3 电容式容式传感器的感器的应用用 第三章第三章 电容式传感器电容式传感器【能量变换】属能量控制型传感器 第三章第三章 电容式传感器电容式传感器n【原理】由一个恒定的激励源在两金属导体之间建立一电场，被测对象通过某种方式改变或调制电场的某一参

44、数，使电场能量发生变化，测出能量的变化就可获得所需的信号。n【用途】检测位移、液位、湿度、含水量n【类型】变面积（A）型，变介质介电常数()，变极板间距（d）型。n【特点】测量范围大、灵敏度高、动态响应时间短、机械损失小、结构简单；寄生电容影响较大、线性度较差、受大气温度和湿度影响 第三章第三章 电容式传感器电容式传感器 3-1 概述概述 3-2 电容式容式传感器的感器的测量量电路路 3-3 电容式容式传感器的感器的应用用 3-1 概述概述一、电容传感器的工作原理 平板电容器的电容量，在忽略边缘效应时，有: 式中: A为两极板间的有效覆盖面积； d 为两极板间的距离； 为两极板间介质的介电常数

45、； 概述概述一、电容传感器的工作原理 r为介质的相对介电常数； 0为真空的介电常数 从电容量表达式可看出：电容量与覆盖面积成正比，与相对介电常数成正比，与两极板间距成反比。因此，通过改变复盖面积或相对介电常数或极板间距，都可以引起电容量的相对变化，这是电容传感器的基本工作原理。 概概 述述二、典型的电容传感器 、变面积（、变面积（A A）型型改变两极板间的有效覆盖面积来获得电容量的变化。 二、典型的电容传感器1、变面积（A）型、角位移式 电容量与角位移成线性关系。灵敏度，增大初始电容C0 可以提高灵敏度K。 二、典型的电容传感器1、变面积（A）型、直线位移式 灵敏度 ，增大初始电容C0 可以提

46、高灵敏度K。 二、典型的电容传感器1、变面积（A）型（3）圆柱直线位移式 灵敏度 ，增大初始电容 C0 可以提高灵敏度K。 概概 述述二、典型的电容传感器、变介质介电常数、变介质介电常数()() 平板式 电容量为两个电容C0 和C1 的串联，其值为: 二、典型的电容传感器2、变介质介电常数（） 、圆筒式两个电容C0和C1并联，其值为 二、典型的电容传感器2、变介质介电常数（）可见，传感器电容量与液位高度 h1 成线性关系。物质名称物质名称 相对介电常数相对介电常数r r 物质名称物质名称 相对介电常数相对介电常数r r 水 80 玻璃 3.7 甲醇 37 沥青 2.7 乙醇 2025 砂 35

47、 盐 6 空气及其它气体 11.2 纸 2二、典型的电容传感器、变极板间距（、变极板间距（d d）型型 二、典型的电容传感器、变极板间距（d）型 当间距 d0 减少 d 时，电容量为其中，得相对变化值为 二、典型的电容传感器、变极板间距（d）型当d 1，传感器的总阻抗(等效电路总阻抗)为: 电感相对变化为: 可见，并联电容后，传感器的灵敏度提高了。因此，在测量中，如改变了电缆，则需重新标定。 三、测量电路 2 2、测量电路、测量电路 （1） 交流电桥 电感线圈一般接成差动式。电桥的平衡条件为 电桥的输出电压幅值为： 三、测量电路 2 2、测量电路、测量电路（2）变压器电桥 电桥的两个平衡臂为变

48、压器的两个副边。电桥的输出与前面交流电桥类似。 第四章第四章 电感式传感器电感式传感器 4-1 4-1 自感式自感式传感器感器 4-2 4-2 差差动变压器式器式传感器感器4-3 4-3 电涡流式流式传感器感器4-2 差动变压器差动变压器 差动变压器大都采用螺管型，这是一种互感式电感传感器。 4-2 4-2 差动变压器式差动变压器式传感器传感器一、结构及工作原理1、结构：差动变压器大都采用螺管型，较少采用气隙型。主要元件有：初级线圈、次级线圈、线圈框架和衔铁组成。4-2 差动变压器式差动变压器式传感器传感器一、结构及工作原理2、工作原理差动变压器与一般变压器基本相同，不同之点是：一般变压器是闭

49、合磁路，而差动变压器是开磁路，且衔铁是运动的。差动变压器是工作在互感变化的基础上。 4-2 差动变压器式差动变压器式传感器传感器二、特性分析 、等效电路、等效电路在忽略线圈寄生电容和衔铁损耗的情况下，差动变压器的等效电路为： 二、特性分析 、等效电路变压器初级线圈的复数电流为其中,为激励电压的角频率； L1、R1 分别为初级线圈的电感和电阻。在次级中产生的感应电压为 其中，M1、M2分别为初级与次级线圈1、2间的互感。二、特性分析 、等效电路则，空载输出电压为 电压的有效值为： 其中，U20为磁芯处于中间位置时（ ）的输出电压。 二、特性分析 、等效电路输出阻抗为：二、特性分析 、等效电路磁芯

50、移动时的三种情况 （1）磁芯在中间位置； （2）磁芯左行时；（3）磁芯右行时。 二、特性分析 、等效电路（1）磁芯在中间位置： （残余电压） （2）磁芯左行时： （3）磁芯右行时： 二、特性分析 、等效电路输出曲线二、特性分析、特性分析 、灵敏度差动变压器有负载时，次级线圈输出总电压有效值为 式中 为灵敏度系数； ，为非线性部分； 2、特性分析 、灵敏度 ，铁芯位移量； lA 铁芯长度；b0、b1 分别为次级线圈和初级线圈的长度 d 两线圈间的气隙厚度；r1、r0 分别为线管的内、外径。 上式说明，铁芯位移 x 和输出电压 UO 之间不是线性关系。2、特性分析 、灵敏度 灵敏度系数 K1 与线

51、圈的结构尺寸、初级线圈匝数、激励电源的电压和频率等因素有关。 灵敏度系数与激励电压关系： 灵敏度系数与线圈匝数 N 的关系 当原边线圈电阻 R1L1 时，有： ，A为常数。所以，提高匝数比可以提高差动变压器的灵敏度。2、特性分析 、误差分析 影响误差的主要因素是零点残余电压。当变压器的铁芯处于中间位置时，在理想条件下，其输出电压应为零；但实际上，在使用桥式电路时，在零点仍然有一微小的电压值（从几mV到几十mV）存在，称为零点残留电压。产生的原因：差动变压器两个次级线圈不可能完全一样；磁性材料磁化曲线的非线性。消除和减少方法：提高工艺精度；选用好的测量电路；采用补偿电路（调相补偿电路、调零补偿电

52、路、R 或 L 补偿电路等）。4-2 差动变压器式差动变压器式传感器传感器三、测量电路 差动应压器的输出电压为交流，与衔铁位移量成正比，用交流表测量其输出只能反映衔铁位移的大小，不能反映其移运方向，因此，差动变压器常采用整流电路和相敏检波电路来进行测量。4-2 差动变压器式差动变压器式传感器传感器三、测量电路 、差动整流电路一般为二极管组成的全波整流电路。 三、测量电路 、差动整流电路电路波形图三、测量电路 、差动整流电路 电路输出： 无论线圈的极性如何变化，电流总是： a b, c d 。三、测量电路 、差动整流电路输出波形:三、测量电路、相敏检波电路、相敏检波电路 相敏检波电路由二极管组成

53、，这种电路容易做到输出平衡，而且便于阻抗匹配。 其直流输出的极性能反映铁芯位移的方向，即铁芯位置从零点向左、右移动，对应的电压信号为负极性或正极性。 三、测量电路 、相敏检波电路 三、测量电路 、相敏检波电路 UE 经移相后得 Ur ，二者频率相同，相位相同（上行）或相反（下行）。（1）、铁芯在中间位置时： U2 = 0，只有Ur 作用，此时，UGP、UPH大小相等，方向相反，UO = 0。三、测量电路 、相敏检波电路(2)、铁芯上移时：U2 0正半周：i1：A1D1D32DCB UO = UGP-UPH = U2，为正。三、测量电路 、相敏检波电路(2)、铁芯上移时：U2 0负半周：i1：D

54、2D2D41ABC UO = UGP-UPH = -U2，为正。可见，UO 恒为正。三、测量电路 、相敏检波电路（3）铁芯下移时，U2 0 这时，U2与Ur反相，即U2为正半周时，Ur为负半周，故有 正半周： 三、测量电路 、相敏检波电路负半周： （负电压） 可见，UO 恒为负。 第四章第四章 电感式传感器电感式传感器 4-1 4-1 自感式自感式传感器感器 4-2 4-2 差差动变压器式器式传感器感器4-3 4-3 电涡流式流式传感器感器4-3 电涡流式传感器【涡流】当导体置于交流磁场或在磁场中运动时，导体上会引起感应电流，此电流要导体内闭合，形成涡流。 4-3 电涡流式传感器概述 电涡流大

55、小与导体电阻率、导磁率、产生交变磁场的线圈与被测物体之间的距离d、激励电源的频率f 等有关，固定其中若干个参数不变，就能按涡流大小测量另外某一个参数，电涡流传感器就是按此原理构成的。4-3 电涡流式传感器概述电涡流的大小常用其穿透深度h 表示， 式中： 为导体电阻率(cm)； r 为导体相对磁导率； f 为交变磁场频率(Hz)。4-3 电涡流式传感器概述【用途】检测位移、振动、应力、表面温度、流量和探伤等。【特点】灵敏度高、结构简单、抗干扰能力强、非接触测量、测量对象广。【类型】高频反射式和低频透射式。 4-3 电涡流式传感器一、结构及工作原理 1 1、结构、结构 目前较常用的电涡流传感器是高

56、频反射式电涡流传感器，主要由一个安置在框架上的扁平圆形线圈组成。 一、结构及工作原理 2、工作原理 传感器线圈由高频信号激励，使之产生一个高频交变磁场i ，当被测导体接近线圈时，在磁场作用范围的导体表层，产生了与磁场相交链的电涡流ie ,而此电涡流又将产生一交变磁场e 来阻碍磁场的变化。 一、结构及工作原理 2、工作原理 从能量角度来看，在被测导体内存在着电涡流损耗 (当频率较高时可以忽略磁损耗)。能量损耗使传感器的Q 值和等效阻抗Z 降低，因此当被测物体与传感器间的距离d 改变时，传感器的Q 值和等效阻抗Z、电感L均发生变化，于是把位移量转换成电量，这就是电涡流传感器的工作原理。 4-3 电

57、涡流式传感器二、等效电路 无论运用什么方式构成传感器，其最终特性都与涡流有关，故需研究涡流形成和分布规律。 (1) 涡流的径向分布 涡流环路可看作以线圈(半径为R)轴线为中心的短路环，处于交变磁场下的金属板上有无穷多个这样的短路环，其中任一个环中涡流密度是环半径和磁感应分布的函数。二、等效电路涡流分布规律其分布随r/R的变化规律为式中： ； J0 为r=R ( )处的电流密度。涡流形成的范围约为(0.5251.39)R 。二、等效电路涡流分布规律 上式表明，涡流的分布规律(曲线形状)与线圈、金属板间的距离d无关、但d改变时，涡流密度J0和jr都将发生变化。设金属板中的等效电流为Ie,其与激励电

58、流I有： 二、等效电路涡流分布规律 归一化曲线如图示： 可见，Ie随d的增加而急剧下降，故利用涡流传感器测量位移时，只在很小的测量范围内得到较好的线性和较高的灵敏度。 二、等效电路涡流分布规律(2)涡流的轴向分布涡流沿激励磁场轴向分布是不均匀的，有式中：x 金属中某点与表面的距离 h 涡流渗透深度。二、等效电路涡流分布规律 电流密度主要分布在表面附近(即趋肤效应)，故可用一个厚为x0的矩形来代替指数分布，使矩形面积与曲线面积相等。 二、等效电路 综上所述，涡流分布可视为一个平均半径为R0，厚度为x0的矩形截面圆环，即把金属看作一匝短路线圈，它与传感器存在磁耦合，于是，可得到等效电路。 二、等效

59、电路等效电路二、等效电路根据克希荷夫定律，可得如下电路方程 解上述方程组可求得 和 二、等效电路由此求得线圈的等效阻抗Z和等效Q值等： 二、等效电路 这样，就可以将传感器与被测物体间的距离变换为传感器线圈的等效阻抗Z和等效电感L及等效Q值三个参数了。 测量L、Z、Q 就可获得距离d 。4-3 电涡流式传感器三、测量电路 电涡流传感器的测量电路就是为了要测量传感器的等效阻抗Z和等效电感L及等效Q值三个参数。 测量电路主要有三种： 1、变频调幅式； 2、恒定频率调幅式； 3、调频式。 三、测量电路1、载波频率改变的调幅法和调频法 电路框图三、测量电路1、载波频率改变的调幅法和调频法 这种形式的电路

60、是一个电容三点式振荡器，把传感器线圈L接入振荡器回路中，在未测量前，回路谐振频率为fo ，此时输出的电压为谐振电压Uo ，当被测物体接近电感线圈时，振荡器的谐振频率发生变化，谐振曲线向两边移动且得平坦，此时由传感器回路组成的谐振器的输出电压的频率f 和幅值U 均发生变化。三、测量电路1、载波频率改变的调幅法和调频法谐振曲线三、测量电路1、载波频率改变的调幅法和调频法(1)如果取幅值U 作为检测值，则称为变频调幅式，直接反映了Q 值的变化，因此可以用于以Q 值为输出的电涡流传感器。 (2)如果取频率f 的变化作为检测值，则为用来测量传感器的等效电感量L ，这种方法称为调频法。 三、测量电路1、载

61、波频率改变的调幅法和调频法典型测量电路 三、测量电路2、恒定频率的载波调幅法 恒定频率的载波调幅法的工作原理是由频率稳定的振荡器(一般用石英振荡器)提供一个高频信号，激励传感器线圈和并联电容组成的并联回路 三、测量电路2、恒定频率的载波调幅法 当回路的固有频率与激励频率相等时，输出电压最大。 在测量时，被测物体接近传感器，传感器等效阻抗发生变化回路失谐，振峰偏离谐振点，输出电压发生变化，达到测量的目的，但此时激励频率并未变化，故称为恒定频率的载波调幅法。 4-3 电涡流式传感器四、透射式电涡流传感器 工作原理4-3 电涡流式传感器四、透射式电涡流传感器 激励线圈L1 和接收线圈L2 分别位于材

62、料M 的上、下方，L1 产生的磁力线切割金属板M，并在其中产生涡流i，涡流损耗了部分磁场能量，使达到L2 的磁力线减少，从而使L2 上的U下降，显然，随着厚度d 的变化，损耗也变化，L2 上的U变化，这样通过U 的测量即可测量厚度d 。 4-3 电涡流式传感器五、应用 由于电涡流传感器测量范围大，灵敏度高，结构简单，抗干扰能力强，且为非接触式测量，故应用十分广泛。 4-3 电涡流式传感器五、应用被测参数变 换 量特 征位 移振 动厚 度传感器线圈与被测体之间的距离d非接触式连续测量受剩磁的影响表面温度电解质浓度速度(流量)被测体的电阻率非接触式连续测量需进行温度补偿位 移振 动厚 度被测体的磁

63、导率非接触式连续测量受剩磁和材质的影响探 伤d 、可定量判断第五章第五章 压电式传感器压电式传感器 5-1 5-1 压电效效应 5-2 5-2 压电式式传感器的感器的测量量电路路5-3 5-3 压电式式传感器的感器的应用用 第五章第五章 压电式传感器压电式传感器概述【能量变换】压电式传感器是一种典型的有源传感器。 第五章第五章 压电式传感器压电式传感器概述n【原理】压电效应 n【用途】测量加速度、压力、流量等 n【类型】压电晶体式，压电陶瓷式 n【特点】响应频带：0.3Hz60 kHz； 灵敏度高：电压灵敏度达1000 mV/ms-2； 信噪比大，结构简单，重量轻，工作可靠。 存在一定的老化现

64、象。 第五章第五章 压电式传感器压电式传感器 5-1 5-1 压电效效应 5-2 5-2 压电式式传感器的感器的测量量电路路5-3 5-3 压电式式传感器的感器的应用用 5-1 压电效应一、压电效应【压电效应】某些晶体或陶瓷材料，当沿着一定方向对其施力而使之变形时，内部就产生极化现象，同时在它的两个表面上产生符号相反的电荷，当外力消失后，又恢复到不带电状态。【逆压电效应】将压电材料置于电场，会发生变形，即所谓电致伸缩效应。5-1 压电效应一、压电效应 主要的压电材料有：石英晶体（天然的）和压电陶瓷（人工制造的）。 天然结构的石英晶体 是一个六角形晶柱。 5-1 压电效应一、压电效应 正六面体

65、光 轴 纵向轴, Z-Z 轴； 电 轴 过正六面体棱线, 并垂直于光轴, X-X 轴； 机械轴 与光轴和电轴垂直的轴，Y-Y 轴。 5-1 压电效应一、压电效应n力沿光轴(Z轴)作用时，不产生压电效应；n力沿电轴(X轴)作用时，产生的压电效应称纵向压电效应；n力沿机械轴(Y轴)作用时，产生的压电效应称横向压电效应一、压电效应 1、石英晶体压电效应的机理 石英晶体的压电效应是由于石英晶体在外力作用下，晶格发生变化所造成的。石英晶体由硅离子Si4+和氧离子O2-组成，在Z平面的投影为一、压电效应 1、石英晶体压电效应的机理 设 为三对电偶极矩，当没有外力作用时，它们互成120的夹角，所以有 一、压

66、电效应 1、石英晶体压电效应的机理当晶体沿 x 方向受压时，有：此时在x轴方向出现正电荷。 一、压电效应 1、石英晶体压电效应的机理当晶体沿x方向受拉时，有:此时在x轴方向出现负电荷。 一、压电效应 2 2、压电系数、压电系数石英晶体切片的方法一般有两种: (1)x切片 两个端面与x 轴垂直。切片的两个面镀有金属银，使之成为电极板。 一、压电效应 2、压电系数压电系数(2)y切片两个端面与y轴垂直。切片的两个面镀有金属银，使之成为电极板。 一、压电效应 2、压电系数压电系数对于x 切片，当 x 方向受到压应力xx作用时，有 式中 Pxx 极化强度，在数值上等于晶面 上的电荷密度； d11 压电

67、系数，d11= 2.310-12 C/N； Fx 沿x方向的压缩力； l、b 晶体的长度和宽度。一、压电效应 2、压电系数压电系数设晶片在垂直于x轴平面上的电荷为Qx，则 即 极间电压为 其中一、压电效应 2、压电系数压电系数【结论】传感器输出的电荷或电压与作用在传感器上的力成正比。由于作用力或力矩的方向不同，晶体的压电系数共有18个，方程为：一、压电效应 2、压电系数压电系数 由于z轴（光轴）方向不产生压电效应，实际上系数矩阵的元素值为 5-1 压电效应二、压电陶瓷的压电效应 压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料，其原始的压电陶瓷材料（多晶铁电体）并不具有压电性。当将这关材料在一定温度下做极化

68、处理后，才具有压电性。5-1 压电效应二、压电陶瓷的压电效应极间电荷为:5-1 压电效应三、压电材料 n主要的压电材料有： (1) 压电晶体（如石英）； (2) 压电陶瓷（如钛酸钡、锆钛酸铅）。n对压电材料的要求、要求有较大的压电常数（转换性能）； 、机械强度高、刚度大（机械性能）， 以获得宽的线性范围和高的固有频率；5-1 压电效应三、压电材料 、具有高电阻率和大的介电常数（电性能）， 以减少外部分布电容的影响并获得好的低 频特性； 、温度和湿度稳定性好（环境适应性）； 、要求压电性能不随时间变化（时间稳定 性）。三、压电材料、石英晶体石英晶体是一种具有良好压电特性压电晶体。其介电常数和压电

69、系数的温度稳定性很好，在常温下这两个参数几乎不随温度变化。三、压电材料、石英晶体 由图可见，在20200温度范围内，温度每升高1，压电系数仅减少0.016；但是当温度达到居里点（573）时，石英晶体便失去了压电特性。石英晶体的突出优点是性能非常稳定，机械强度高，绝缘性能好。 石英材料价格相对昂贵，一般多用于标准仪器。三、压电材料2、压电陶瓷压电陶瓷最大的优点是具有很高的压电系数，因此在压电传感器中得到广泛应用。n、钛酸钡压电陶瓷压电系数约为石英晶体的50倍，但居里温度只有120，温度稳定性和机械强度均较石英差。n、锆钛酸铅系压电陶瓷（PZT）压电系数比钛酸钡更高，居里温度在300以上，其它性能

70、也比钛酸钡好，是目前压电传感器中应用最广的一种压电材料。第五章第五章 压电式传感器压电式传感器 5-1 5-1 压电效效应 5-2 5-2 压电式式传感器的感器的测量量电路路5-3 5-3 压电式式传感器的感器的应用用 5-2 压电式传感器的测量电路压电式传感器的测量电路一、等效电路 压电片受力时，两个极板上产生电荷，电荷量相等，极性相反。 两极板间聚集电荷，中间为绝缘体，使其成为一个电容器。 5-2 压电式传感器的测量电路压电式传感器的测量电路一、等效电路 压电传感器相当于一个电荷源（静电发生器），所以是一种典型的有源传感器。两极板间的电容量为 式中A 极板面积（m2）； r 压电晶体的相对

71、介电常数（石英 晶体为4.58）。5-2 压电式传感器的测量电路压电式传感器的测量电路一、等效电路 因此，它可以等效于一个电荷源q 与一个电容器Ca 的并联电路。5-2 压电式传感器的测量电路压电式传感器的测量电路一、等效电路 当传感器两极板聚集异性电荷时，两极板间就产生一定的电压Ua, 此时，又可将传感器等效于一个电压源Ua与一个电容器Ca串联5-2 压电式传感器的测量电路压电式传感器的测量电路一、等效电路 压电传感器虽然是有源传感器，但由于输出信号十分微弱，不能单独工作，必须与放大器配套才能工作。 与压电传感器配套的放大器有两种： (1)、电荷放大器 (2)、电压放大器5-2 压电式传感器

72、的测量电路压电式传感器的测量电路一、等效电路与电荷放大器配套后的输入端等效电路 5-2 压电式传感器的测量电路压电式传感器的测量电路一、等效电路与电压放大器配套后的输入端等效电路5-2 压电式传感器的测量电路压电式传感器的测量电路一、等效电路压电片的连接法： 在压电式传感器中，压电片常采用两片（或两片以上）粘在一起，由于压电材料的电荷是有极性的，有两种接法。 (1)、“并联”接法 (2)、“串联”接法5-2 压电式传感器的测量电路压电式传感器的测量电路一、等效电路并联输出： 串联输出： 5-2 压电式传感器的测量电路压电式传感器的测量电路一、等效电路n并联接法输出电荷大、本身电容大、时间常数大

73、，适宜用在测量缓变信号，并且以电荷作为输出的地方。n串联接法输出电压大、本身电容小，适宜用于以电压为输出信号，并且测量电路输入阻抗很高的地方。5-2 压电式传感器的测量电路压电式传感器的测量电路二、测量电路 传感器等效电路为电压源或电荷源 测量电路两个最基本的作用： 高输出阻抗变换为低输出阻抗； 对压电传感器的微弱输出信号进行放大。 二、测量电路二、测量电路、电压放大器 等效电路如下图所示 二、测量电路二、测量电路、电压放大器简化后的等效电路为 其中：R=Rd/Ri，C=Cc/Ci二、测量电路二、测量电路、电压放大器等效电阻: , 等效电容: 。假设压电元件所受的作用力为:根据前述压电效应，此

74、时传感器产生的电压为 二、测量电路二、测量电路、电压放大器此电压送至放大器的输入端，其值为 二、测量电路二、测量电路、电压放大器其幅值和相位分别为 二、测量电路二、测量电路、电压放大器则电压灵敏度KuKu为 当 时，上式近似为 二、测量电路二、测量电路、电压放大器由上式可知： (1) 为了使 ，也就是为了提高灵敏度，必须提高R 的值（即提高Ri），所以压电式传感器是高阻抗输出传感器；(2) 灵敏度与回路电容成反比；(3) 连接电缆不能任意更换，否则电缆电容CcCc发生变化。 (4) 电压放大器高频特性较好。二、测量电路二、测量电路2、电荷放大器电荷放大器是一个具有深度负反馈的高增益放大器。 、

75、工作原理压电式传感器与电荷放大器连接的原理图如下。二、测量电路二、测量电路2、电荷放大器 C Cf f 的充电电压接近于放大器的输入电压，即： 如果开环放大系数A A足够大，放大器输入阻抗很高，则放大器输入端几乎没有电流。二、测量电路二、测量电路2、电荷放大器、传感器与电荷放大器连接的等效电路 压电式传感器与电荷放大器连接原理图如下二、测量电路二、测量电路2、电荷放大器运放输入输出的端电压分别为 二、测量电路二、测量电路2、电荷放大器 当A A足够大时，近似有 与前述结果相同。 可见，此时输出电压只取决于电荷Q Q 和运放的反馈电容Cf 的大小，而其它影响均可忽略，这是电荷放大器的最大优点。所

76、以在远距离测量时应使用电荷放大器。 二、测量电路二、测量电路、阻抗变换器 当压电式传感器与电荷放大器连接时，由于传感器是高阻抗输出，而放大器为低阻抗输入，二者是不匹配的，中间必须加接阻抗变换器，对传感器的高阻抗进行变换，使之降低，以适应放大电路的需要。 阻抗变换器主要由MOS场效应管组成。 二、测量电路二、测量电路、阻抗变换器ZK-1阻抗变换器原理图 二、测量电路二、测量电路、阻抗变换器 在电路中，如果不考虑反馈，则BGBG1的输入阻抗为 引入负反馈后，其阻抗为 其中A Au u为BGBG1射极输出器的电压增益，其值接近于1。因此，可以提高到几百至几千兆欧。二、测量电路二、测量电路、阻抗变换器

77、输出阻抗为 其中，符号表示R R4 4与1/g gm m并联，g gm m为场效应管的跨导，其含意是，当场效应管栅源电压U UGSGS发生微小变化UUGSGS时，将会引起漏极电流的微小变化IIP P，该变化电流与变化电压之比称为跨导g gm m，即二、测量电路二、测量电路、阻抗变换器在考虑BGBG2的电压负反馈后，输入阻抗更加提高，而输出阻抗更为下降。一般是：n输入阻抗2000M，n输出阻抗100第五章第五章 压电式传感器压电式传感器 5-1 5-1 压电效效应 5-2 5-2 压电式式传感器的感器的测量量电路路5-3 5-3 压电式式传感器的感器的应用用 5-3 压电式传感器的应用一、压电加

78、速度传感器 加速度传感器有纵向效应、横向效应和剪切效应型三种类型，最常用的是纵向效应型，其结构如图所示。一、压电加速度传感器、工作原理加速度传感器可用质量、弹簧和阻尼组成的二阶系统（力学模型）来描述。一、压电加速度传感器、工作原理【工作原理】当传感器受振动时，若质量块与被测物体的质量相比很小时，质量块将感受与传感器基座相同的振动，并受到与加速度方向相反的惯性力的作用，在力的作用下，压电陶瓷片上将产生电荷（压电效应），此电荷的大小与加速度成正比，即一、压电加速度传感器、压电加速度传感器灵敏度与振动频率的关系、压电加速度传感器灵敏度与振动频率的关系由二阶系统的动态特性可知，系统的传递函数为一复数，

79、有幅频特性和相频特性，表达式分别如下 一、压电加速度传感器、压电加速度传感器灵敏度与振动频率的关系由二阶系统的动态特性可知，系统的传递函数为一复数，有幅频特性和相频特性，表达式分别如下 一、压电加速度传感器、压电加速度传感器灵敏度与振动频率的关系式中，称为相对阻尼系数 ，称为传感器的固有频率,为振动物体的位移 ,为质量块的位移 ,为质量块与振动物体间的相对位移，也就是压电元件受力后的变形量一、压电加速度传感器、压电加速度传感器灵敏度与振动频率的关系有：其中，ky为压电元件弹性系数。将上式代入电荷与力的关系式，有将上式代入传感器幅频特性公式,便得压电加速度传感器的灵敏度与被测振动频率的关系式一、

80、压电加速度传感器、压电加速度传感器灵敏度与振动频率的关系压电式加速度传感器的频响特性一、压电加速度传感器、压电加速度传感器灵敏度与振动频率的关系图中可以看出，当被测物体的振动频率远小于传感器的固有频率时，传感器的相对灵敏度近似为常数，即由于压电加速度传感器的固有频率高。一般在几千Hz以上，所以测量频率范围宽。但是传感器的低频响应与前置放大器有关，当采用电压放大器时，将取决于变换电路的时间常数，前置放大器输入电阻越大由频率限越低。5-3 压电式传感器的应用二、压电式压力传感器压电式压力传感器以结构如下 5-3 压电式传感器的应用二、压电式压力传感器当膜片受到压力作用时，在压电晶体上产生电荷。每片

81、压电片上产生的电荷为式中F 作用在压电片上的力 d11 压电系数 P 压强，P=F/S S 膜片的有效面积 5-3 压电式传感器的应用二、压电式压力传感器 若传感器只有一个压电晶体，则电荷灵敏度和电压灵敏度如下 电荷灵敏度 电压灵敏度 式中，Ce为压电片等效电容。 5-3 压电式传感器的应用三、压电式流量计 压电式流量计是利用超声波在顺流方向和逆流方向的传播速度不同来进行测量的。主要元件是压电超声换能器，流量计结构如下5-3 压电式传感器的应用三、压电式流量计在顺流和逆流的情况下，发射和接收的相位差与流速成正比，根据这一关系，便可以精确测定流速，流速乘以管道横截面积便得到流量。这种流量计可以测

82、量各种液体的流速，中压和低压气体的流速，不受被测流体的导电率、粘度、密度和组成成分的影响。其精确度在0.010.5之间。测量时，每隔一段时间（例如1/100 s），发射和接收一次。第六章热电式传感器 6-1 6-1 热电偶偶 6-2 6-2 热电阻阻 6-3 6-3 晶体管和集成温度晶体管和集成温度传感器感器 第六章热电式传感器 概述【能量变换】热电式传感器是一种将温度变化转换为电量变化的传感器。 第六章热电式传感器 概述n【原理】热电效应 n【用途】测量温度 n【类型】热电偶、热电阻、半导体集成器件 第六章热电式传感器 6-1 6-1 热电偶偶 6-2 6-2 热电阻阻 6-3 6-3 晶体

83、管和集成温度晶体管和集成温度传感器感器 6-1 热电偶热电偶是利用热电效应将温度变化转换为电势的。【特点】(1) 结构简单(两根焊接在一起不同金属丝)；(2) 精度高(铂铑10铂，t600时，误差为2.4)； (3) 有一定热惯性(惰性级别为,上升63.2%所需时间20ms)；(4) 存在传热误差； (5) 受冷端温度(环境温度)影响。6-1 热电偶一、热电效应一、热电效应两种不同导体A和B串接成一闭合回路，如果两结合点1和2出现温差，则在回路中就有电流产生，这种现象称为热电效应。一、热电效应(1)接触电势各种导体中都有大量的自由电子，不同金属中的自由电子密度是不同的，当互相接触时，密度大的金

84、属中的自由电子向密度小的金属中扩散，最后达到平衡，结果失去电子的金属带正电，获得电子的金属带负电，形成接触电势 一、热电效应(1)接触电势接触电势的大小用下式表示：式中 波尔兹曼常数 e 电子电荷 金属材料A、B的电子密度。 一、热电效应(2)温差电势 对于同一根均质的金属导体，如果两端温差不同，则高温端的自由电子具有较大的动能，因而高温度端向低温端扩散，结果高温因失去电子而带正电，低温端因获得自由电子而带负电，形成温差电势。 一、热电效应(2)温差电势温差电势表达式式中： 汤姆逊系数。 一、热电效应（3）热电偶的总电势=接触电势+温差电势 从上式可知 热电偶必须由两种不同金属丝组成； 热电偶

85、两结点温度相同时，总电势为零； 热电偶的热电势与尺寸和形状无关。6-1 热电偶二、二、热电偶基本定律（1）均质定律 由同一种均质导体组成的闭合回路，由于材料相同，不会产生接触电势；而产生的温差电势，因上、下回路的电势相等，方向相反，故温差电势之和为零。 二、二、热电偶基本定律（2）中间导体定律 在热电偶回路中，只要中间导体两端温度相等，接入中间导体后，对热电偶回路的总电势没有影响。二、二、热电偶基本定律（2）中间温度定律 在热电偶回路中，如果热电偶分别与热电极A、B相连接，接点温度分别为：T、Tn、T0，则总热电势为相应热电势之和： 6-1 热电偶三、热电偶的结构、材料及分类 1 1、热电偶的

86、结构、热电偶的结构 热电偶结构简单，由热电极金属材料丝、绝缘材料、保护材料及接线部分组成，热电偶的感受部分是工作端结点，结点是焊接面成，一般有三种。 三、热电偶的结构、材料及分类 2、热电极材料及分类（1 1）热电偶材料）热电偶材料 一般金属：镍铬镍硅，铜康铜， 镍铬镍铝，镍铬铐铜等。 贵 金 属：铂铑10铂，铂铑30铂铑6， 铱铑60铱等。 难熔金属：铂铑30铂铑6，钨铼5铂铑6等。三、热电偶的结构、材料及分类 2、热电极材料及分类 （2 2）热电偶分类）热电偶分类分类方法有多种，最常用的方法是按100oC时产生的热电势的大小(mv)来分，这种方法称为分度法。6-1 热电偶四、热电偶冷端补偿

87、 由于热电偶的热电势与两结点的温度有关，因此，在测温过程中，只有保持冷端温度不变，才能准确地测量热端温度。但在实际测量过程中，环境温度是变化的，这就导致了测量误差，必须采取修正或补偿措施。1 1、冷端温度修正法、冷端温度修正法热电偶的分度表是在冷端温度为0 o oC C的条件下测得的，如果冷端温度不为0，但保持恒定不变，则可采用修正法。四、热电偶冷端补偿 1 1、冷端温度修正法、冷端温度修正法（1）修正值：加上o oC C到冷端温度的电势，即 （2）温度修正：设仪表示值为T，则: T = T +kT0 式中k为修正系数，查表求得。四、热电偶冷端补偿 2 2、冷端温度自动补偿、冷端温度自动补偿

88、在实际应用中，冷端温度随环境而变化的，不可能保持恒定，此时须加接冷端温度自动补偿器。 四、热电偶冷端补偿 2 2、冷端温度自动补偿、冷端温度自动补偿 桥的一臂为铜电阻，阻值随温度升高而变大，使电桥不平衡，产生一不平衡电流，如果该电流与热电偶冷端温度变化产生的热电势大小相等、方向相反，由相互抵消，达到自补偿的作用。 设计时，使电桥在20 oC时处于平衡。四、热电偶冷端补偿 2 2、冷端温度自动补偿、冷端温度自动补偿PN 结冷端温度补偿法： 四、热电偶冷端补偿 2 2、冷端温度自动补偿、冷端温度自动补偿PN 结在-100+100 oC范围内，其端电压与温度有较理想的线性关系。将具有PN 结的二极管

89、接入测量回路，其端电压由电位器分压而得，二极管的温度与冷端的相同，因温度变化产生的补偿电压U与冷端温度变化引起的热电势大小成比例，方向相反。四、热电偶冷端补偿 3 3、补偿导线法 由于热电极金属较一般导线贵，特别是贵重金属。因此，在测量过程中，通常用补偿导线将热电偶与二次仪表连接，要求补偿导线在常温下（0100 oC），其热电性质与热电偶电极的热电性质相近，根据中间温度定律，补偿导线的接入将不会导致误差。 第六章热电式传感器 6-1 6-1 热电偶偶 6-2 6-2 热电阻阻 6-3 6-3 晶体管和集成温度晶体管和集成温度传感器感器 6-2 热电阻 大多数金属导体和半导体的电阻率都随温度而变

90、化，因而其阻值发生变化，称之为热电阻。 热电阻的温度范围都比较低：-200500 oC。 主要有两种: 热敏电阻（金属） 温敏电阻（半导体）6-2 热电阻一、金属热电阻 金属电阻随温度变化的特性 式中 电阻温度系数（1/ oC）。由于 并不是一个常数，而是温度的函数，所以只有在一定温度范围内，才能近似也视为一个常数。一、金属热电阻n 常用的金属材料常用的金属材料铂热电阻：分度号BA，-200850 oC，在0 oC以 上，电阻与温度的关系近似线性关 系，性能稳定，常作标准温计。铜 电 阻：分度号Cu，-50180 oC，灵敏度高， 价格便宜。一、金属热电阻n 结构结构：将金属丝绕在一个耐热 的

91、骨架上，外套一个保 护管。n 测量电路测量电路: :直流电桥。6-2 热电阻二、半导体热敏电阻 半导体比金属导体具有更大的电阻温度系数。1 1、类型、类型(三种)PTC热敏电阻：当温度超过某一数值时，其电阻 随温度升高而快速增大，具有正 温度系数。CTR热敏电阻：在某一温度值处电阻值急剧变化， 具有临界温度系数。NTC热敏电阻：具有很高的负温度系数。二、半导体热敏电阻 2 2、热敏电阻的主要特性、热敏电阻的主要特性电阻与温度之间的关系为一指数曲线 式中 A与尺寸、形状、物理性能有关的常数； B与半导体物理性能有关的常数； T热敏电阻的绝对温度 二、半导体热敏电阻 2 2、热敏电阻的温度特性、热

92、敏电阻的温度特性 PTC 型 CTR 型 NTC 型 二、半导体热敏电阻 3、热敏电阻的应用热敏电阻主要用于检测电路中的补偿，如偏置线圈的温度补偿、仪表温度补偿、热电偶温度补偿、晶体管温度补偿等。作测温元件用时，主要用于各种小型的温度检测用探头，如点温计。第六章热电式传感器 6-1 6-1 热电偶偶 6-2 6-2 热电阻阻 6-3 6-3 晶体管和集成温度晶体管和集成温度传感器感器 6-3 6-3 晶体管和集成温度传感器一、晶体管温度传感器（PN结传感器） 利用PN结的伏安特性与温度之间的关系制成的一种传感器，PN结的正向压降U与温度T在一定条件下，近似地为线性关系 式中 IPN结的正向电流

93、； dUPN结正向压降的变化值； dT温度变化值； k波尔兹曼常数； q电子电荷量； IsPN结反向饱和电流。一、晶体管温度传感器（PN结传感器）1、温度特性 一、晶体管温度传感器（PN结传感器）2、应用电路集电极结接近于零偏压集电极电流IC只取决于集电阻RC和电源E基极接地，以使发射极结为正偏温敏三极管 6-3 6-3 晶体管和集成温度传感器二、集成温度传感器（PTAT电路） 集成电路传感器是将热敏晶体管、放大电路、偏置电源、线性电路等制作在同一芯片上，利用发射极电流密度在恒定比率下工作的晶体管对的基极发射极电压VBE之间的差与温度呈线性关系，从而使得输出信号正比于绝对温度。若两个晶体管温度

94、相同，集电极电流比为常数，则有 式中 P两个三极管集电极电流比； 两个三极管发射极面积之比。二、集成温度传感器集成温度传感器分电压型和电流型两种：（1）电流输出型电流型集成温度传感器，在一定温度下相当于一个恒流源，因此，它有不易受接触电阻、引线电阻、电压噪声的干扰，具有较好的线性特性。常用集成片有AD590。（2）电压输出型集成电压型温度传感器具有很好的线性特性，是一种精密的温度传感器，有三端和四端两种结构。 第七章光电式传感器 7-1 7-1 光光电效效应 7-2 7-2 外光外光电效效应的光的光电器件器件 7-3 7-3 内光内光电效效应器件器件 7-4 7-4 新型光新型光电传感器感器7

95、-5 7-5 光光电传感器的感器的应用用第七章光电式传感器 概述【能量变换】光电式传感器是一种将光能变化转换为电量变化的传感器 。 第七章光电式传感器 概述n【原理】光电效应 n【用途】用途很广：烟度测量、转速测量、光电开关、太阳能利用。 n【类型】外光电效应的光电器件（光电管、光电倍增管） 内光电效应的光电器件（光敏电阻、光电池、光敏管、CCD）n【特点】灵敏度高；线性度较低；初始电流不为零。第七章光电式传感器 7-1 7-1 光光电效效应 7-2 7-2 外光外光电效效应的光的光电器件器件 7-3 7-3 内光内光电效效应器件器件 7-4 7-4 新型光新型光电传感器感器7-5 7-5 光

96、光电传感器的感器的应用用7-1 光电效应一、外光电效应一、外光电效应（物体内的电子向外发射） 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。7-1 光电效应一、外光电效应根据爱因斯坦光电效应方程： 式中: 普朗克常数； 光的频率； 电子质量； 电子逸出速度； 电子逸出功。7-1 光电效应一、外光电效应由光电效应方程式可知：(1) 光电子产生的条件光电子产生的条件是： (即:光子能量逸出功) 由于为常数，要满足上述条件，必须是频率有足够大，每一种物体都有一个对应的频率阈值，称为红限频率（或波长限）。7-1 光电效应一、外光电效应(2) 当光频当光频一定时，产生的光电流大小与入一定时，产

97、生的光电流大小与入 射的光子数目成比例射的光子数目成比例 即光电流与光强（或光通量）成比例。(3) 光电子一旦产生，便具有初始动能光电子一旦产生，便具有初始动能 。 因此光电管即便没有外加工作电压也会有光电流产生，为使初始光电流为零，必须加负的截止电压。7-1 光电效应二、内光电效应材料内部电子的运动状态发生变化1 1、光电导效应、光电导效应 在光线作用下，电子吸收光子能量从健合状态（一种平衡状态）过渡到自由状态，从而引起材料电阻率的变化。电子能量级示意图 产生光电导效应的条件是：光子能量h必须大于半导体材料的禁带宽度。 二、内光电效应1、光电导效应二、内光电效应1、光电导效应即 式中 入射光

98、的波长； 光的传播速度； 普朗光常数。 由此可得吸收波长的最大极限为：由此可得吸收波长的最大极限为：只有在光波长小于值时，才能产生光电导效应。二、内光电效应2、光生伏特效应在光线作用下，半导体物体产生一定方向的电动势。(1) (1) 结光电效应（势垒效应）结光电效应（势垒效应）: :光线照射半导体结 (结)时，所产生的光电动势。(2) (2) 侧向光电效应侧向光电效应: :半导体器件受光照不均匀时，由于载流子浓度不同而产生光电动势。第七章光电式传感器 7-1 7-1 光光电效效应 7-2 7-2 外光外光电效效应的光的光电器件器件 7-3 7-3 内光内光电效效应器件器件 7-4 7-4 新型

99、光新型光电传感器感器7-5 7-5 光光电传感器的感器的应用用7-2 外光电效应的光电器件 外光电效应的光电器件:光电管、光电倍增管一、光电管在一个真空的玻璃泡内装有两个电极，光电阴极和阳极，阴极发射电子，阳极吸收电子。阴极发射电子的条件：阴极发射电子的条件：入射光的频率足够大，即具有适当短的波长。一、光电管光电管的特性曲线 1、伏安特性一、光电管光电管的特性曲线2、光照特性 7-2 外光电效应的光电器件二、光电倍增管由光电阴极、若干倍增极和阳极三部分组成。 7-2 外光电效应的光电器件二、光电倍增管倍增极倍增极：倍增极上外加工作电压，在受光照时，倍增极在受到一定数量的电子轰击后，能发射出更多

100、的电子，“二次电子”，从而获得大的输出电流。一般为1214级，多达30级。阳极电流阳极电流： 式中 阴极产生的光电流； 倍增极的二次电子数； 倍增极数目； 倍增系数。第七章光电式传感器 7-1 7-1 光光电效效应 7-2 7-2 外光外光电效效应的光的光电器件器件 7-3 7-3 内光内光电效效应器件器件 7-4 7-4 新型光新型光电传感器感器7-5 7-5 光光电传感器的感器的应用用7-3 内光电效应器件 内光电效应器件主要有光敏电阻、光电池和光敏管，其中光敏电阻的工作原理为光电导效应，后二者的工作原理是光生伏特效应。 一、光敏电阻一、光敏电阻 是一种均质半导体光电器件。灵敏度高、光谱响

101、应范围宽、体积小、重量轻、机械强度高、耐冲击、耐振动、抗过载能力强和寿命长等特点，但线性度较低。 主要作光敏开关用。一、光敏电阻1、原理和结构 (1) (1) 原理原理 利用半导体材料的光电导效应。由公式 可知，光敏电阻存在一个照射光的波长限 。只有波长小于 的光照射时才能产生光电导效应。一、光敏电阻1、原理和结构(2) (2) 结构结构一、光敏电阻2 主要参数和基本特性(1) (1) 暗电阻、暗电流暗电阻、暗电流：在室温条件下，全暗时测得的电阻和电流。 亮电阻、亮电流亮电阻、亮电流：光敏电阻在某一光照下测得的电阻和电流。 暗电阻越大，亮电阻越小性能越好。一、光敏电阻2 主要参数和基本特性(2

102、) (2) 光照特性：光电流光照特性：光电流I I与光通量与光通量L L的关系，即灵的关系，即灵敏度（有时也用照度敏度（有时也用照度电阻特性来表示灵敏度）电阻特性来表示灵敏度）。 光敏电阻的光照特性呈非线性，因此不宜作为测量元件，一般均作为开关元件。 一、光敏电阻2 主要参数和基本特性(3) (3) 光谱特性：光电流光谱特性：光电流I I与入射光波长与入射光波长的关系的关系I硫化镉II 硫化铊III硫化铝光谱特性与材料有关；与工艺无关。一、光敏电阻2 主要参数和基本特性(4) (4) 伏安特性伏安特性：光电流与外加工作电压的关系。在一定照度下光敏电阻两端所加的电压与光电流之间的关系。 一、光敏

103、电阻2 主要参数和基本特性(5) (5) 频频率特性：响应时间率特性：响应时间光敏电阻的阻值，在入射光改变时，要经一定时间后才能达到新的稳定值，其频率特性较差。 I硫化镉II 硫化铝一、光敏电阻2 主要参数和基本特性(6) (6) 稳定性稳定性 新制成的光敏电阻，其阻值是不稳定的，经一定时间的老化后，达到一个稳定值，以后就不再改变。光敏电阻的使用寿命很长。I硫化镉II 硫化铝一、光敏电阻2 主要参数和基本特性(7) (7) 温度特性温度特性 光敏电阻受温度的影响较大，随着温度的升高灵敏度有显著下降 。温度系数：一、光敏电阻3 与负载的匹配每个光敏电阻都有一允许的最大耗散功率 ，不能超过这一数值

104、使用，即 取负载电阻 与光敏电阻 相等时，可获得最大的信号功率。 一、光敏电阻应用电路 光敏电阻的应用电路 7-3 内光电效应器件二、光电池光电池是利用光生伏特效应把光能直接转变成电能的器件，又称为太阳电池。光电池一般是在型硅片上扩散硼形成层，或在型硅单晶片上扩散型杂质，都可制成硅光电池。二、光电池工作原理由于热运动，区中的电子就向区扩散，而区中的空穴则向区扩散，结果在过渡区形成了一个电场，电场的方向指向，以阻止扩散作用。 7-3 内光电效应器件三、光敏二极管和光敏三极管1 1、光敏管的工作原理、光敏管的工作原理 吸收光量，产生电子、空穴对。 光敏二极管光敏二极管: :一种PN结单向导电性的结

105、型光电器件。 三、光敏二极管和光敏三极管 1、光敏管的工作原理 当受到光照时，结附近吸收能量而产生电子空穴对。使P、N区的少数载流子浓度大大增加，在外加反偏电压和内电场的作用下，区少数载流子渡越阻挡层进入区，区的进入区，从而使结的反向电流增加，这就成了光电流。 光敏二极管比光敏电阻优越：响应速度快用途: 光或远红外线探测； 自动控制； 自动计数； 自动报警。三、光敏二极管和光敏三极管 1、光敏管的工作原理光敏三极管：光敏三极管：与二极管结构相似，仅多了一个PN结。 光照射发射击结在基极处，产生的光电流相当于基极电流，因而集电极电流被放大了()倍。所以光敏三极管比光敏二极管具有更高的灵敏度。 三

106、、光敏二极管和光敏三极管 2、光敏管的基本特性(1) (1) 光谱特性：光谱特性：在光照一定时，输出的光电流（或相对光谱灵敏度）随光波波长的变化而变化，这就是光敏管的光谱特性。 三、光敏二极管和光敏三极管 2、光敏管的基本特性 (2 (2) ) 伏安特性伏安特性 ：在光照一定时，输出的光电流与外加电压关系。 在零偏压时，二极管仍有光电流输出（光生伏特效应）；三极管没有，其光电流比约大100倍。三、光敏二极管和光敏三极管 2、光敏管的基本特性(3) 光照特性（灵敏度） 可见，二极管的光照特性具有较好的线性度。三、光敏二极管和光敏三极管 2、光敏管的基本特性(4) (4) 频率响应：频率响应：在一

107、定频率的调制光照射时，光敏管输出的光电流（负载上的电压）随频率的变化关系。 减少负载电阻可以提高响应频率，但输出功率将随之降低，在实际应用中，一般是根据频率要求来选择最佳的负载电阻。 三、光敏二极管和光敏三极管 2、光敏管的基本特性(5) (5) 温度特性：温度特性：光电流随温度变化而改变 暗电流随温度升高而增加的原因是热激发所造成的，在电路中暗电流是一种噪声电流。在一定的温度范围内，温度变化对光电流的影响较小，其光电流主要由光照强度决定的。 第七章光电式传感器 7-1 7-1 光光电效效应 7-2 7-2 外光外光电效效应的光的光电器件器件 7-3 7-3 内光内光电效效应器件器件 7-4

108、7-4 新型光新型光电传感器感器7-5 7-5 光光电传感器的感器的应用用7-4 新型光电传感器新型光电传感器一、高速光电二极管（1）结光电二极管 在层和层之间增加了一层层（本征半导体），I层具有高电阻率，吸收大量的光而形成较大的光电流，加速了光子的定向运动，提高响应速度。7-4 新型光电传感器新型光电传感器一、高速光电二极管（2）雪崩式光电二极管 在结的层外侧增加了一层掺杂浓度极高的层，当光照时，层产生的电子与层产生碰撞电离，造成二次电子发射，形成“雪崩”样载流子，从而增大了光电流。 7-4 新型光电传感器新型光电传感器二、色敏光电传感器二、色敏光电传感器 半导体中不同的区域(结的深浅）对不

109、同波长分别具有不同的吸收率，这一特性为提供识别颜色创造了可能性。利用不同结深的二极管的组合，就可以构成测定特定波长的半导体色敏电阻。 7-4 新型光电传感器新型光电传感器三、光位置传感器 是一种硅光电二极管，位置不同，表面电阻不同。 测出I1和I2就可知x1和x2。 7-4 新型光电传感器新型光电传感器四、光固态传感器四、光固态传感器 由光敏元件阵列和电荷转移器件集合而成。第七章光电式传感器 7-1 7-1 光光电效效应 7-2 7-2 外光外光电效效应的光的光电器件器件 7-3 7-3 内光内光电效效应器件器件 7-4 7-4 新型光新型光电传感器感器7-5 7-5 光光电传感器的感器的应用

110、用7-5 光电传感器的应用光电传感器的应用一、应用形式(1)(1)、被测物是光源、被测物是光源 物体的光通量和光谱的强度分布都是被测物体的函数。 7-5 光电传感器的应用光电传感器的应用一、应用形式(2)(2)、被测物能吸收光通量、被测物能吸收光通量 恒光源为白炽灯，光通量穿过物体时，部分被吸收后到达光电元件上，吸收量决定于被测物质的被测参数（如液体、气体的透明度）。7-5 光电传感器的应用光电传感器的应用一、应用形式(3)(3)、被测物具有反射能力、被测物具有反射能力 由恒光源发射出的光能量到被测物，然后再反射到光电元件上，被测物表面反射条件取决于物体表面性质或状态（如光洁度、粗糙度、污染程

111、度）。因此，光电元件的输出信号是这些非电量的函数。 7-5 光电传感器的应用光电传感器的应用一、应用形式(4)(4)、被测物体能遮蔽光通量、被测物体能遮蔽光通量 以恒光源发射的光通量被测物遮蔽了一部分（位移或振动测量等）。7-5 光电传感器的应用光电传感器的应用二、光电耦合器 光电耦合器是由一发光元件和一光电元件同时封装在一个外壳组合而成的转换元件。主要用作高速转换开关，如光电隔离开关。 光电耦合器的设计要点：光电耦合器的设计要点：是使发光元件与光敏元件在波长上得到最佳匹配，以保证其灵敏度最高。 7-5 光电传感器的应用光电传感器的应用二、光电耦合器光电耦合器的特性曲线的直线性较差，一般需采用

112、反馈技术对其非线性失真进行校正。 7-5 光电传感器的应用光电传感器的应用三、光电转速计 是一种应用最广泛非接触式转速测量仪。被测转轴上装带孔的码盘或粘贴反光标记。黑白交替的反光标志，使反射的光发生强弱交变，故光电元件产生脉冲信号，该信号经整形放大后，送记数器记数 7-5 光电传感器的应用光电传感器的应用三、光电转速计光敏二极管和整形放大电路 7-5 光电传感器的应用光电传感器的应用三、光电转速计光敏三极管的脉冲转换电路 7-5 光电传感器的应用光电传感器的应用四、太阳能电池 7-5 光电传感器的应用光电传感器的应用四、太阳能电池主要组成部分1、太阳电池方阵：若干片性能相近的光电池将太阳能转变

113、为电能。2、蓄电池：贮存电能。3、调节控制器：调节控制充放电。4、阻塞二极管：阻止蓄电池电池倒流。5、逆变器：将直流电转换为交流电。 7-5 光电传感器的应用光电传感器的应用五、光电脉搏传感器 （1）反射式血管的脉压变化时，反射系数也发生变化，光敏电阻接收到的光也发生变化。7-5 光电传感器的应用光电传感器的应用五、光电脉搏传感器 （2）透射式光被血液吸收和衰减，由于血管中的血液成脉动变化，故光敏三极管吸收到的光也成脉动变化。第第八章八章气、湿敏气、湿敏传感器传感器 8-1 半导体气敏传感器 8-2 湿敏传感器 8-3 气、湿敏传感器的应用第第八章八章气、湿敏气、湿敏传感器传感器概述【换能原理

114、】电阻变化第第八章八章气、湿敏气、湿敏传感器传感器概述【工 作 原 理】（ 1） 氧 化 和 还 原 反 应 敏 感 元 件阻值变化。 （ 2） 离 子 导 电 能 力 与 浓 度 成 反 比 或 电 容 值 随 湿 度 而 变 化 或 重 量随湿度变化。【 种 类 】 半 导 体 材 料 器 件 、 MOS（ 金 属 氧 化 物半导体）。【用途】可燃气体、有害气体、湿度等测量。【特点】结构复杂，可靠性较差，响应速度慢，精度较低。第第八章八章气、湿敏气、湿敏传感器传感器 8-1 半导体气敏传感器 8-2 湿敏传感器 8-3 气、湿敏传感器的应用8-1 半导体气敏传感器气敏传感器测量气体类别、浓

115、度和组分的传感器。 8-1 半导体气敏传感器目前应用最多的是SnO2(氧化锡)半导体气敏元件。 主要物理特性 类型 气敏元件 检测气体电阻型电阻表 面控 制型 SnO2（氧化锡）、ZnO等的烧结体薄膜、厚膜可燃性气体体 控制型Lai-xSrCoO3r-Fe2O3，氧化钛（烧结体）氧化镁，SrO2，SnO2酒精可燃性气体氧气非电阴型二极管整流特性表 面控 制型铂硫化镉、铂氧化钛金属半导体结型二极管氢气、一氧化碳、酒精晶体管特性铂栅、钯栅MOS场效应管氢气、硫化氢8-1 半导体气敏传感器一、半导体气敏材料的导电机理 利用气体在半导体表面的氧化和还原反应而导致其阻值变化的原理而制成。 导电机理：（1

116、）当氧化型气体O2、Nox吸附到N型半导体上； 或 还原型气体H2、Co、酒精吸附到P型半导体上。半导体载流子减少,使电阻增大。（2）当氧化型气体O2、Nox吸附到P型半导体上；或 还原型气体H2、Co、酒精吸附到N型半导体上。 半导体载流子增多,使电阻减小。8-1 半导体气敏传感器一、半导体气敏材料的导电机理检测时，先对敏感元件在大气中通电加热，使其吸附大气中的氧气，由于大气中的含氧量是恒定的，经2至10分钟后，敏感元件的电阻便达到稳定状态。此时可吸入被测气体，进行检测。 8-1 半导体气敏传感器一、半导体气敏材料的导电机理加热的作用是将吸附在敏感元件上的尘埃、油雾等烧掉，加速气体的吸附，提

117、高其灵敏度。加热的温度一般控制在200400。 加热方式8-1 半导体气敏传感器二、主要的半导体气敏器件 1 1、SnOSnO2 2( (氧化锡氧化锡) )气敏器件及基本特性气敏器件及基本特性 SnO2(氧化锡)是n型半导体气敏材料，表面遇到氧化性气体，电阻值增大，遇到还原性气体，电阻值减小。 其阻值RC与空气中被测气体的浓度C成对数关系变化，即式 中 与 元 件 材 料 、 气 体 种 类 、 灵 敏 度 有关的值；气体分离度，。 二、主要的半导体气敏器件 1 1、SnOSnO2 2( (氧化锡氧化锡) )气敏器件气敏器件烧结型元件（直热式） 二、主要的半导体气敏器件 2、ZnO（氧化锌）系

118、气敏元件 氧化锌系气敏元件对还原性气体有较高的灵敏度，工作温度比SnO2(氧化锡)约高100，同样，也需加Pt（铂）和Pa（钯）等添加剂来提高性能。 8-1 半导体气敏传感器三 ZrO2(氧化锆)氧量传感器(浓差电极) 氧化锆为一固体电解质，若在两片多孔铂（Pt）之间夹一层氧化锆，形成两个半电池结构，当电极两侧气体中所含氧的浓度不同时，则两电池间将产生与浓度差有关的化学电动势EO2三 ZrO2(氧化锆)氧量传感器(浓差电极)式中 参加反应的电子数， ； 理想气体常数， 法拉第常数， T 池内热力学温度。若以空气作参比气体（含氧量20.95%），则8-1 半导体气敏传感器四、非电阻型气敏器件 非

119、电阻型气敏器件也是半导体型气敏传感器之一。MOSMOS二二极极管管气气敏敏器器件件：是在P型半导体硅片上，利用热氧化工艺生成一层厚度为50100 mm的二氧化硅（SiO2）层，然后在其上面蒸发一层钯（Pa）的金属薄膜，作为栅电极。8-1 半导体气敏传感器四、非电阻型气敏器件由于钯和二氧化硅（SiO2 ）之间的电容Ca固定不变，而P-Si和SiO2界面电容Cs是外加电压的函数，这种函数关系称为MOS二极管的C-V特性。由于钯对氢气（H2）特别敏感，当钯吸附了H2以后，会使MOS管的C-V特性向偏压减少的方向平移，根据这一特性就可以测定氢气的浓度。第第八章八章气、湿敏气、湿敏传感器传感器 8-1

120、半导体气敏传感器 8-2 湿敏传感器 8-3 气、湿敏传感器的应用8-2 湿敏传感器 湿度大气中水蒸气的含量。（ 1） 绝 对 湿 度 ： 单 位 空 间 中 水 蒸 汽 的 绝 对 含 量 或者浓度或者密度（AH）；（ 2） 相 对 湿 度 ： 被 测 气 体 中 的 水 蒸 汽 压 和 该 气 体 在 相 同 温 度 下 饱 和 水 蒸 汽 压 的百分比（% RH表示）。相对湿度给出了大气的潮湿程度，是一个无量纲的值，在实际中多用相对温度的概念。8-2 湿敏传感器 分类湿敏传感器种类很多： 8-2 湿敏传感器一、水分子亲和力型湿敏元件 1 1、氯化锂（、氯化锂（LiClLiCl）湿敏元件湿

121、敏元件 它是利用电阻值随环境相对湿度变化而变化的机理制成的测湿元件。 结构结构：在条状绝缘基片（如无碱玻璃）的两面，用化学沉积或真空蒸镀法做上电极，再浸渍一定比例配制的氯化锂聚乙烯醇混合溶液，经老化处理而成。一、水分子亲和力型湿敏元件1、氯化锂（LiCl）湿敏元件工工作作原原理理：氯化锂是典型的离子晶体，溶液中的Li和Cl是以正、负离子形式存在，离子的导电能力与溶液浓度成反比。当溶液置于一定湿度场中，若环境相对湿度高，溶液吸收水分使浓度降低，电解率增高；反之，则电解率降低。 特点：特点：滞后小，精度较高；结露时易失效。一、水分子亲和力型湿敏元件2、半导体陶瓷湿敏元件用两种以上的金属氧化物半导体

122、材料混合烧结成多孔陶瓷。工作机理尚处在研究之中。两种类型负特性湿敏半导体：电阻率随湿度增加而下降。正特性湿敏半导体：电阻率随湿度增加而上升。一、水分子亲和力型湿敏元件3、高分子湿敏元件 （1）电容式湿敏元件：利用湿敏元件的电容值随湿度变化的原理进行湿度测量（介电常数发生变化）；（2）石英振动式湿敏元件：在石英片的表面涂上聚脂胺高分子膜，当膜吸湿时，由于膜的重量变化而使石英片振荡频率发生变化，不同的频率就代表不同的湿度。 8-2 湿敏传感器二、非水分子亲和力型湿敏传感器 水分子亲和力型湿敏传感器，响应速度慢，可靠性较低。现在人们正在开发非水分子亲和力型湿敏传感器。研究方向：（1）微波在含水蒸气的

123、空气中传播，水蒸气吸收微波使其产生一定的损耗，而制成微波湿敏传感器；（2）利用水蒸气能吸收到定波长的红外线而制成红外湿敏传感器。第第八章八章气、湿敏气、湿敏传感器传感器 8-1 半导体气敏传感器 8-2 湿敏传感器 8-3 气、湿敏传感器的应用8-3 气、湿敏传感器的应用一一、SnOSnO2 2（氧氧化化锡锡）气气敏敏传传感感器器的的自自动动吸吸排排油油烟烟机机 电路见图818（P169)污染空气浓度，TGS109的电阻 TGS109电阻下降到W2的设计值时，BG导通，JN接通，风扇起动。8-3 气、湿敏传感器的应用二、自动去湿电路 图8-23是一种用于汽车驾驶室挡风玻璃的自动去湿电路。 BG

124、1、BG2为施密特触发器 RP湿敏元件的等效电阻。 湿度，RP，R2RP，BG1截止，BG2导通 继电器J导通 常开接触点接通 RS通电加热玻璃 指示灯L亮。8-3 气、湿敏传感器的应用三、液化气泄漏报警 当气敏传感器与泄漏的还原性气体（如丙烷）接触时，传感器的电阻值将随气体浓度增加而减少，当气体浓度超过一定限度时，流过蜂鸣器的电流将使蜂鸣器发出报警声。 第第九章九章磁敏磁敏传感器传感器 9-1 霍尔传感器 9-2 磁敏电阻器 9-3 磁敏二极管和磁敏三极管9-4 磁敏式传感器应用举例 第第九章九章磁敏磁敏传感器传感器 概述【换能原理】利用半导体材料中自由电子或空穴随磁场改变其运动方向这一特性

125、而制成的一种传感器。 第第九章九章磁敏磁敏传感器传感器 概述【原理】霍尔效应（霍尔传感器）；磁阻效应（磁敏电阻）。【用途】测量磁场强度、位移；非接触式开关【类型】按结构可分：体型(霍尔传感器)； 结型(磁敏电阻，磁敏管)。【特点】灵敏度高，线性度较好，体积小，稳定，耐高温。第第九章九章磁敏磁敏传感器传感器 9-1 霍尔传感器 9-2 磁敏电阻器 9-3 磁敏二极管和磁敏三极管9-4 磁敏式传感器应用举例 9-1 霍尔传感器霍霍尔尔传传感感器器是利用霍尔效应实现磁电转换的一种传感器。特点：特点：灵敏度高，线性度较好，9-1 霍尔传感器一、霍尔效应及工作原理 1、霍尔效应 在与强度为B的磁场垂直的

126、半导体薄片的两边通以控制电流I，则在半导体另外两边会产生一个大小与I和B乘积成正比的电势UH ，这一现象称为霍尔效应。该电势称为霍尔电势，半导体薄片就是霍尔元件。 UH =KH IB （9-1） 式中 KH 霍尔元件的灵敏度系数。一、霍尔效应及工作原理 2、工作原理 霍霍尔尔效效应应是半导体中自由电荷受到磁场中洛仑兹力而产生的。 一、霍尔效应及工作原理 2、工作原理洛仑兹力为 式中 电子电量； 电子运动速度。在洛仑兹力的作用下，半导体一边产生负电荷，一边积聚正电荷，产生一静电场霍尔电场，作用于电子的阻力为 式中 霍尔电场； 霍尔元件宽度。一、霍尔效应及工作原理 2、工作原理当电子积累达到动态平

127、衡时，两作用力相等，即 所以有： （92）因为流过霍尔元件的电流密度与电子运动速度有关，其关系为 其中， 为单位体积中的电子数。 由于电流强度为其中， 霍尔元件厚度，得电子运动速度为 一、霍尔效应及工作原理 2、工作原理代入霍尔电势公式（9-2），得 （9-3） 若霍尔元件采用 型半导体材料，则上式变为 其中， 为单位体积内的空穴数。则 （9-5）由上式可知，霍尔传感器的灵敏度是在单位磁感应强度 和单位控制电流 作用下，所产生的霍尔电势。令： ，则：其中 称为霍尔系数。显然霍尔系数由半导体材料性质决定，它影响霍尔电势的大小。由此可导出灵敏度如下 （9-4）一、霍尔效应及工作原理 3、霍尔系数及

128、灵敏度 一、霍尔效应及工作原理 4、结论从上述推导中得知：（1）由于金属材料的电子密度 很大，霍尔系数小，灵敏度低，不适于制作霍尔元件。（2）元件厚度愈薄，灵敏度愈高；但过薄的元件会使输入、输出电阻增大。 1 1、额定功耗、额定功耗 霍尔元件在环境温度 时，允许通过霍尔元件的流I和电压E的乘积。 分最小、典型、最大三档，单位为mw。9-1 霍尔传感器二、霍尔元件的主要技术参数2 2、输入电阻、输入电阻R Ri i和输出电阻和输出电阻R Ro oRi是指控制电流极之 间的电阻值；Ro是指霍尔元件电极 之间的电阻。 5 5、内阻温度系数、内阻温度系数 ：霍尔元件在无磁场作用下，在工作温度范围内，温

129、度每变化1时，输入电阻 与输出电阻 变化的百分率称内阻温度系数 ，单位:1/。一般取不同温度时的平均值。4、霍尔电势温度系数：霍尔电势温度系数：在一定磁感应强度和控制电流下，温度变化1时，霍尔电势变化的百分率，称霍尔温度系数，单位：1。3、不平衡电势不平衡电势：在额定控制电流I之下，不加磁场时，霍尔电极间的空载霍尔电势称为不平衡电势。不平衡电势和额定控制电流I之比为不平衡电阻。 9-1 霍尔传感器二、霍尔元件的主要技术参数9-1 霍尔传感器二、霍尔元件的主要技术参数砷化镓（GaAs）霍尔元件的主要技术参数 项项 目目符号符号 测测 试试 条条 件件 最小值最小值 典型值典型值最大值最大值 单单

130、 位位额定功率额定功率P P0 0T=25T=25O OC C101025255050mWmW无负载灵敏度无负载灵敏度S SH HI=1mA,B=1kGsI=1mA,B=1kGs 2 220203030mV/mA/kGsmV/mA/kGs不平衡电势不平衡电势V V0 0I=1mA,B=0I=1mA,B=00.010.010.10.11.01.0mVmV输入电阻输入电阻R Ri iI=1mA,B=0I=1mA,B=020020050050015001500输出电阻输出电阻R Ro oI=1mA,B=0I=1mA,B=020020050050015001500磁线性度磁线性度r r1 1I=1mA

131、,B=010kGI=1mA,B=010kGs s0.10.10.20.20.50.5% %电线性度电线性度r r2 2I=010mA,B=1kGI=010mA,B=1kGs s0.050.050.10.10.50.5% %内温度系数内温度系数T=0150T=01500 0C C0.30.3%/%/0 0C CV VH H温度系数温度系数I=1mA,B=1kGsI=1mA,B=1kGs0.50.51 15 51010-4-4/ /0 0C C9-1 霍尔传感器三、霍尔元件的连接方式和输出电路 1 1、基本测量电路、基本测量电路 输入信号: I.B或者I或者B三、霍尔元件的连接方式和输出电路2、连

132、接方式 除了霍尔元件基本电路形式之外，在需要获得较大的霍尔电势时可串接使用。 三、霍尔元件的连接方式和输出电路3、霍尔电势的输出电路 霍尔器件是一种四端器件，本身不带放大器。霍尔电势一般在毫伏量级，在实际使用时必须加差分放大器，霍尔元件大体分为线性测量和开关状态两种使用方式。三、霍尔元件的连接方式和输出电路3、霍尔电势的输出电路当霍尔元件作线性测量时，最好选用灵敏度较低、不等位电势小、稳定性和线性区优良的霍尔元件。例例如如：选用KH=5mvmAkGs，控制电流为5mA的霍尔元件作线性测量元件，若要测量1Gs10kGs的磁场，则霍尔器件最低输出电势UH为 最大 故要选择低噪音的放大器作为前级放大

133、。三、霍尔元件的连接方式和输出电路3、霍尔电势的输出电路霍尔传感器开关应用 三、霍尔元件的连接方式和输出电路3、霍尔电势的输出电路当霍尔元件作开关使用时，要选择灵敏度高的霍尔器件。 例例如如：选用KH=20mvmAkGs，若控制电流为2mA，施加一个距离器件5mm的300Gs的磁场，则输出霍尔电势为 这时选用一般的放大器即可满足。 9-1 霍尔传感器四、霍尔元件的测量误差和补偿方法 1 1、测量误差：、测量误差：零位误差、温度误差原因原因：一是半导体固有特性； 一为半导体制造工艺的缺陷。2 2、零位误差及补偿方法、零位误差及补偿方法零零位位误误差差：是霍尔元件在加控制电流但不加外磁场时，出现的

134、霍尔电势称为零位误差。原因原因：由制造霍尔元件的工艺问题造成，使元件两侧的电极难于焊在同一等电位上。四、霍尔元件的测量误差和补偿方法2、零位误差的补偿方法 可把霍尔元件等效为一个四臂电桥，则采用电桥平衡原理来补偿零位误差。 在阻值较大的臂上并联可调电阻； 在两臂上同时并联电阻。 四、霍尔元件的测量误差和补偿方法3、温度误差及其补偿 温温 度度 误误 差差 ： 霍 尔 元 件 的 内 阻 （ 输 入 、 输 出 电 阻 ） 随温度变化。原原 因因：由于半导体材料的电阻率、迁移率和 载流于浓度等都会随温度变化而变化。补偿方法：补偿方法： 利用输出回路并联温敏电阻进行补偿 利用输入回路的串联电阻进行

135、补偿四、霍尔元件的测量误差和补偿方法3、温度误差及其补偿输出回路并联温敏电阻（控制电流恒定）0C时：UH 、RT ,而RL，相互抵消,保持不变四、霍尔元件的测量误差和补偿方法3、温度误差及其补偿补偿电阻值确定 式中 霍尔电势温度系数； 霍尔元件电阻温度系数； 工作环境温度。 四、霍尔元件的测量误差和补偿方法3、温度误差及其补偿输入回路串联电阻 （控制电压恒定）0C时：UH 、Ri ,而R，相互抵消,保持不变四、霍尔元件的测量误差和补偿方法3、温度误差及其补偿串联电阻值确定 式中 霍尔电势温度系数； 霍尔元件输入电阻温度系数； 在环境温度下的内阻值。 其中，是在环境温度下的内阻值。 第第九章九章

136、磁敏磁敏传感器传感器 9-1 霍尔传感器 9-2 磁敏电阻器 9-3 磁敏二极管和磁敏三极管9-4 磁敏式传感器应用举例 9-2 磁敏电阻器 基于磁阻效应的磁敏元件基于磁阻效应的磁敏元件。 应应用用范范围围：磁场探恻仪、位移和角度检测器、安培计以及磁敏交流放大器等。一、磁阻效应一、磁阻效应 当一载流导体置于磁场中，其电阻会随磁场而变化，这种现象被称为磁阻效应。 当温度恒定时，在磁场内，磁阻与磁感应强度B的平方成正比。 设电阻率变化为 ，则 式中 磁感应强度为B时的电阻率； 零磁场下的电阻率； 电子迁移率。9-2 磁敏电阻器一、磁阻效应 可见，磁场一定，迁移率越高的材料其磁阻效应越明显。 9-2

137、 磁敏电阻器一、磁阻效应上式是在不考虑元件形状下推得的，若考虑元件形状，则有式中 磁敏电阻的长和宽； 形状系数。9-2 磁敏电阻器一、磁阻效应元件形状与磁阻效应 9-2 磁敏电阻器二、磁敏电阻的特性n磁敏电阻的灵敏度较高，在1T磁通密度的磁场中，电阻可增加1015倍。n磁敏电阻的灵敏度是非线性的，且受温度的影响，需采用补偿电路。增大磁场强度可改善线性度，但温度影响也随之增大。第第九章九章磁敏磁敏传感器传感器 9-1 霍尔传感器 9-2 磁敏电阻器 9-3 磁敏二极管和磁敏三极管9-4 磁敏式传感器应用举例 9-3 磁敏二极管和磁敏三极管磁敏二/三极管是PN结型的磁电转换元件 一、磁敏二极管的结

138、构和工作原理一、磁敏二极管的结构和工作原理 1 1、结构、结构 磁敏二极管的P型和N型电极由高阻材料制成；在PN之间有一个较长的本征区I，本征区的一面磨成光滑的复合表面(为I区)，另一面打毛，设置成高复合区(为r区)，其目的是因为电子空穴对易于在粗糙表面复合而消失。当通以正向电流后就会在P、I、N结之间形成电流。由此可知，磁敏二极管是PIN型的。一、磁敏二极管的结构和工作原理 2、工作原理 利用半导体中载流子的复合作用为机理制成。 当磁敏二极管未受到外界磁场作用时，外加正偏压，则有大量的空穴从P区通过I区进入N区，同时也有大量电子注入P区，形成电流。 只有少量电子和空穴在I区复合掉。 未加磁场

139、未加磁场一、磁敏二极管的结构和工作原理 2、工作原理 加磁场加磁场B B + + 当磁敏二极管受到外界磁场B+（正向磁场）作用时，则电子和空穴受到洛仑兹力的作用而向r区偏转，由于r区的电子和空穴复合速度比光滑面I区快，因此，形成的电流因复合速度增快而减小。一、磁敏二极管的结构和工作原理 2、工作原理 加磁场加磁场B B - - 当磁敏二极管受到外界磁场B-（反向磁场）作用时，电子、空穴受到洛仑兹力作用而向I区偏移，由于电子与空穴的复合率明显变小，则电流变大。利用磁敏二极管在磁场强度的变化下，其电流发生变化，于是就实现磁电转换。 一、磁敏二极管的结构和工作原理 3、磁敏二极管的主要特性 （1 1

140、）磁电特性（灵敏度）磁电特性（灵敏度） 在给定条件下，磁敏二极管输出的电压变化与外加磁场的关系称为磁敏二极管的磁电特性。3、磁敏二极管的主要特性（1）磁电特性（灵敏度） 磁敏二极管通常有单只使用和互补使用两种方式。单只使用时，正向磁灵敏度大于反向。互补使用时，正、反向磁灵敏度曲线对称，且在弱磁场下有较好的线性。3、磁敏二极管的主要特性（2）伏安特性 磁敏二极管正向偏压和通过其上电流的关系被称为磁敏二极管的伏安特性。磁敏二极管在不同磁场强度H下的作用，其伏安特性将不一样。3、磁敏二极管的主要特性（3）温度特性 一般情况下，磁敏二极管受温度影响较大，在实际使用时，必须对其进行温度补偿。 常用的温度

141、补偿电路有互补式、差分式、全桥式和热敏电阻四种补偿电路。 3、磁敏二极管的主要特性（3）温度特性 互补式互补式 选择两只性能相近的磁敏二极管，按相反极性组合，即将它们面对面（或者背对背）。3、磁敏二极管的主要特性（3）温度特性互补式电路的补偿原理 3、磁敏二极管的主要特性（3）温度特性 差分式差分式 差分电路不仅能很好地实现温度补偿、提高灵敏度，而且，还可以弥补互补电路的不足(具有负阻现象的磁敏二极管不能用作互补电路）。 3、磁敏二极管的主要特性（3）温度特性 全桥式全桥式 全桥电路是将两个互补电路并联而成。输出电压是差分电路的两倍。由于要选择四只性能相同的磁敏二极管，因此，给使用带来一定困难

142、。3、磁敏二极管的主要特性（3）温度特性 热敏电阻补偿热敏电阻补偿利用热敏电阻随温度的变化，使分压系数不变，成本较低，常用。磁敏三极管是在弱P型或弱N型本征半导体上用合金法或扩散法形成发射极、基极和集电极。其最大特点是基区较长，基区结构类似磁敏二极管，也有高复合速率的r区和本征I区。长基区分为输运基区和复合基区。9-3 磁敏二极管和磁敏三极管三、磁敏三极管的结构和工作原理 1 1、磁敏三极管的结构、磁敏三极管的结构 三、磁敏三极管的结构和工作原理2、磁敏三极管的工作原理 未加磁场未加磁场由于基区宽度大于载流子有效扩散长度，大部分载流子通过eIb，形成基极电流；少数载流子输入到c极。因而形成了基

143、极电流大于集电极电流的情况，使 三、磁敏三极管的结构和工作原理2、磁敏三极管的工作原理 加加B+B+磁场磁场 由于磁场的作用，洛仑兹力使载流子偏向发射结的一侧，导致集电极电流显著下降。 加加B-B-磁场磁场当反向磁场作用时，在其作用下，载流子向集电极一侧偏转，使集电极电流增大。磁敏三极管在正、反向磁场作用下，其集电极电流出现明显变化，这样就可以利用磁敏三极管来测量弱磁场、电流、转速、位移等物理量。三、磁敏三极管的结构和工作原理3、磁敏三极管的主要特性(1) (1) 磁电特性磁电特性(2) (2) 伏安特性伏安特性(3) (3) 温度特性及补偿温度特性及补偿(4) (4) 频率特性频率特性 第第九章九章磁敏磁敏传感器传感器 9-1 霍尔传感器 9-2 磁敏电阻器 9-3 磁敏二极管和磁敏三极管9-4 磁敏式传感器应用举例 利用磁敏式传感器的磁电转换特性可以十分方便地测量磁场强度、电流等有关的物理量。由于它们的灵敏度高、体积小、功耗低、能识别磁极性等优点，它们的应用前景十分广泛。 一、霍尔位移传感器二、汽车霍尔点火器 三、磁敏二极管漏磁探伤仪 四、磁敏三极管电位器 9-4 磁敏式传感器应用举例