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安全检测技术课件第3章_图文

安全检测技术课件第3章_图文

第3章 安全检测常用传感器

第3章 安全检测常用传感器
3.1 传感器的作用及分类 3.2 结构型传感器 3.3 物性传感器 3.4 其他类型传感器

3.5 传感器的选用原则

第3章 安全检测常用传感器

3.1 传感器的作用及分类
3.1.1传感器的作用

传感器是实现检测与自动控制(包括遥感、遥测、遥控)的 首要环节,而传感技术是衡量科学技术现代化程度的重要标志。 如果没有传感器对原始信息进行准确可靠的捕获与转换,一切 准确的检测与控制将无法实现。当今的世界正处在信息革命的 新时代,而信息革命的两大重要支柱是信息采集与信息处理。 信息的采集(捕获)与转换主要依赖于各种类型的传感器,信息 的处理主要依靠电子技术和各种计算机。计算机与各种智能仪 器将很快地在各个科学技术部门发挥巨大作用。然而,如果没 有各种类型的传感器去准确地捕获并转换信息,即使最现代化 的计算机也无法充分发挥其应有的作用。

第3章 安全检测常用传感器 目前,传感器的应用已经渗透到各个学科领域,从高 新技术直到每个家庭日常生活。如空间技术、海洋开发、 资源探测、生物工程、人体科学等高技术领域中许多新的 进展和突破,都是以实验检测为基础并与传感器技术的发 展密切相关的;工业生产过程的现代化,几乎主要依靠各 种传感器来监测与控制生产过程的各种参数,使设备和系 统正常运行在最佳状态,从而保证生产的高效率与高质量; 在生活领域中已进人每一个家庭,据不完全统计,现代高 级轿车中所应用的传感器可达56种之多。又如目前常用的 19种家用电器中,总共应用了53个(21种)传感器。传感器应 用的技术水平成为衡量一个国家的科技和工业水平的重要 标志。传感器技术已形成一个完整独立的科学体系,相信 在不久的将来,对传感器的研究将进人一个崭新的阶段。

第3章 安全检测常用传感器 3.1.2 传感器的分类

1. 按输入量(被测对象)分类 输入量即被测对象,按此方法分类,传感器可分为物 理量传感器、 化学量传感器和生物量传感器三大类。 其

中, 物理量传感器又可分为温度传感器、 压力传感器、
位移传感器等等。 这种分类方法给使用者提供了方便,容 易根据被测对象选择所需要的传感器。

第3章 安全检测常用传感器 2. 按转换原理分类

从传感器的转换原理来说, 通常分为结构型、 物性 型两大类。 ?
结构型传感器是利用机械构件(如金属膜片等)在动 力场或电磁场的作用下产生变形或位移,将外界被测参数 转换成相应的电阻、电感、电容等物理量,它是利用物理 学运动定律或电磁定律实现转换的。 ? 物性型传感器是利用材料的固态物理特性及其各种物 理、化学效应(即物质定律, 如虎克定律、欧姆定律等) 实现非电量的转换。它是以半导体、电介质、铁电体等作 为敏感材料的固态器件。

第3章 安全检测常用传感器 3. 按能量转换的方式分类? 按转换元件的能量转换方式,传感器可分为有源型和 无源型两类。有源型也称能量转换型或发电型,它把非电 量直接变成电压量、 电流量、电荷量等(如磁电式、压电 式、光电池、热电偶等);无源型也称能量控制型或参数型, 它把非电量变成电阻、 电容、 电感等量。

第3章 安全检测常用传感器 4. 按输出信号的形式分类 按输出信号的形式, 传感器可分为开关式、模拟式和 数字式。 ? 5. 按输入和输出的特性分类

按输入、 输出特性, 传感器可分为线性和非线性两类。

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3.2 结构型传感器
3.2.1 电阻式传感器?
1. 电阻式传感器原理 金属体都有一定的电阻, 电阻值因金属的种类而异。 同 样的材料, 越细或越薄,则电阻值越大。当加有外力时, 金属若变细变长,则阻值增加; 若变粗变短,则阻值减小。 如果发生应变的物体上安装有(通常是粘贴)金属电阻, 当物体伸缩时,金属体也按某一比例发生伸缩,因而电阻值 产生相应的变化。

第3章 安全检测常用传感器 设有一根长度为l,截面积为A,电阻率为ρ的金属丝,则 它的电阻值R可用下式表示:

l R?ρ A

(3-1)

从上式可见,若导体的三个参数(电阻率、长度和截面 积)中的一个或数个发生变化,则电阻值随着变化,因此可 利用此原理来构成传感器。例如,若改变长度l,则可形成 电位器式传感器;改变l、A和ρ则可做成电阻应变片;改变ρ, 则可形成热敏电阻、光导性光检测器等。

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2.电位器式传感器
电位器式传感器通过滑动触点把位移转换为电阻丝的长 度变化,从而改变电阻值大小,进而再将这种变化值转换成 电压或电流的变化值。? 电位器式传感器分为线绕式和非线绕式两大类。线绕电 位器是最基本的电位器式传感器;非线绕式电阻传感器则是 在线绕电位器的基础上,在电阻元件的形式和工作方式上有 所发展,包括薄膜电位器、导电塑料电位器和光电电位器等。

线绕电位器式传感器的核心,即转换元件是精密电位器。 它可实现机械位移信号与电信号的模拟转换,是一种重要的 机电转换元件。线绕电位器式传感器原理图如图3-1所示。

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图3-1线绕电位器式传感器原理图

第3章 安全检测常用传感器 工作时,在电阻元件的两端,即Ui 端加上固定的直流 工作电压,从Uo端就有电压输出,并且,这个输出电压的 大小与电刷所处的位置相关。当电刷臂随着被测量产生位 移x时,输出电压也发生相应的变化,这是精密电位器的基 本工作原理。易见

x Uo ? Ui l

(3-2)

线绕电位器式传感器又分为直线位移型、角位移型和 非线性型等。不管是哪种类型的传感器,都由线圈、骨架 和滑动触头等组成。线圈绕于骨架上,触头可在绕线上滑 动,当滑动触头在绕线上的位置改变时,即实现了将位移 变化转换为电阻变化。

第3章 安全检测常用传感器 如图3-2所示,线绕电位器主要由骨架、绕组、电刷、导 电环及转轴等部分组成。线绕电位器的骨架一般由胶木等绝

缘材料或表面覆有绝缘层的金属骨架构成。根据需要,骨架
可做成不同的形状,如环带状、弧状、长方体或螺旋状等。 绕组即电阻元件,由漆包电阻丝整齐地绕制在骨架上构成,

其两个引出端UAB 是电压输入端。电刷由电刷头和电刷臂组
成(电刷头一般焊接在电刷臂上),电刷被绝缘地固定在电 位器的转轴上,绕组与电刷头接触的工作端面用打磨和抛光

的方法去掉漆层,以便与电刷接触。另外两个引出端UAC 是
电压输出端。

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图3-2线绕电位器式传感器的组成 (a)直线位移型;(b)角位移型;(c)非线性型

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3.电阻应变式传感器
电阻应变式传感器由弹性敏感元件和电阻应变片组成。 当弹性敏感元件受到被测量作用时,将产生位移、应力和应 变,则粘贴在弹性敏感元件上的电阻应变片将应变转换成电 阻的变化。这样,通过测量电阻应变片的电阻值变化,从而 确定被测量的大小。? 电阻应变式传感器是应用最广泛的传感器之一,它可用 于不同的弹性敏感元件形式,构成测量位移、加速度、压力 等各种参数的电阻应变式传感器。它的主要优点是:? (1)由于电阻应变片尺寸小、重量轻,因而具有良好的动 态特性。而且应变片粘贴在试件上对其工作状态和应力分布 基本上没有影响,适用于静态和动态测量;

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(2)测量应变的灵敏度和精度高,可测量1~2μ m应变,
误差小于1%~2%;? (3)测量范围上,既可测量弹性变形,也可测量塑性变 形,变形范围从1%~20%;? (4)能适应各种环境,可在高(低)温、超低压、高压、

水下、强磁场以及辐射和化学腐蚀等恶劣环境下使用。电阻
应变式传感器缺点是输出信号微弱,在大应变状态下具有较 明显的非线性等。

第3章 安全检测常用传感器 1)工作原理及结构参数? 电阻应变片的工作原理如图3-3所示。它是基于导体和 半导体材料的“电阻应变效应”和“压阻效应”。电阻应 变效应是指电阻材料的电阻值随机械变形而变化的物理现 象;压阻效应是指电阻材料受到载荷作用而产生应力时, 其电阻率发生变化的物理现象。下面以单根电阻丝为例说 明电阻应变片的工作原理。

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图3-3电阻应变片原理图

第3章 安全检测常用传感器 设电阻丝的长度为l,截面积为A,电阻率为ρ,其初始 电阻值为当电阻丝受到拉伸或压缩时,其几何尺寸和电阻值 同时发生变化,对式两边取对数后再微分,即可求得电阻的 相对变化为

l R?ρ A

(3-3)

上式中:R为电阻值(Ω);l为电阻丝的长度(m);A为电
阻丝的截面积(mm2 );ρ为电阻丝的电阻率(Ωmm2/m)。

第3章 安全检测常用传感器 如果对整条电阻丝长度作用均匀应力,由于l、A、ρ的变 化而引起电阻的变化,可通过对式(3-3)的全微分求得

l ? ?l dR ? dρ ? dl ? 2 dA A A A
相对变化量

(3-4)

dR dρ dl dA ? ? ? R ρ l A

(3-5)

假设电阻丝是圆截面,则A=2πr,其中r为电阻丝的半 径,微分后可得:

dA ? 2πrdr

第3章 安全检测常用传感器 则

dA 2πrdr dr ? ?2 2 A r πr
令电阻丝轴向相对伸长,即轴向应变为

(3-6)

dl ?? l
电阻丝径向相对伸长,即径向应变为dr/r,由《材料力 学》获知,在弹性范围内,金属丝沿长度方向伸长或缩短时, 轴向应变和径向应变的关系如下:

dr dl ? ? ? ? ? ?ε r l

(3-7)

第3章 安全检测常用传感器 式中:μ 为金属材料的泊松系数,即径向应变和轴向应变的 比例系数。负号表示方向相反,所以

dA ? ?2?ε A
经整理后得

dR ? dρ ? ? ??1 ? 2? ? ? ? ε R ? ρε ?

(3-8)

定义金属丝的灵敏系数为

dR/R dρ k? ? ?1 ? 2? ? ? ε ρ?

(3-9)

第3章 安全检测常用传感器 它的物理意义是单位应变所引起的电阻相对变化。可知, 受两个因素影响,一个是受力后材料的几何尺寸变化所引起 的,即(1+2μ)项;另一个是受力后材料的电阻率发生变化 而引起,即dρ/ρε项。对于确定的材料,(1+2μ)项是常数, 其数值约为1~2之间,并且由实验证明dρ/ρε也是一个常数,

因此灵敏系数k为常数,则得

dR ? kε R

(3-10)

上式表示金属电阻丝的电阻相对变化与轴向应变成正比。

第3章 安全检测常用传感器 导体或半导体材料在外界作用下(如压力等)产生机械 变形,其阻值将发生变化,这种现象称为“应变效应”。把 依据这种效应制成的应变片粘贴于被测材料上,则被测材料 受外界作用所产生的应变就会传送到应变片上,从而使应变

片上电阻丝的阻值发生变化,通过测量阻值的变化量,就可
反映出外界作用的大小。

第3章 安全检测常用传感器 2)电阻应变片的分类和结构? Ⅰ.电阻应变片的分类? 电阻应变片的种类繁多,分类方法也各异。? 按所选用的敏感材料可分为:金属应变片和半导体应变 片。?

按敏感栅结构可分为:单轴应变片和多轴应变片。?

第3章 安全检测常用传感器 按基底材料可分为:纸质应变片、胶基应变片、金属 基底应变片、浸胶基应变片。?

按制栅工艺可分为:丝绕式应变片、短接式应变片、
箔式应变片、薄膜式应变片。?

按使用温度可分为:低温应变片(-30℃以下)、常温应
变片(-30~60℃)、中温应变片(60~350℃)、高温应变 片(350℃以上)。

第3章 安全检测常用传感器 按安装方式可分为:粘贴式应变片、焊接式应变片、 喷涂式应变片、埋入式应变片。? 按用途可分为:一般用途应变片、特殊用途应变片 (水、疲劳寿命、抗磁感应、裂缝扩展等)。?

按制造工艺可分为:体型半导体应变片、扩散(含外
延)型半导体应变片、薄膜型半导体应变片、N-P元件半 导体型应变片。

第3章 安全检测常用传感器 Ⅱ.电阻应变片的结构? 电阻应变片(简称应变片)的种类繁多,但基本构造大

体相同,都是由敏感栅、基底、覆盖层、引线和粘合剂构成,
如图3-4所示。

图3-4电阻应变片的基本结构

第3章 安全检测常用传感器 敏感栅由金属或半导体材料制成,电阻丝(箔条)是 用来感受应变的,是应变片的敏感元件;基底和覆盖层 (厚度一般在0.03mm左右)是用来保护敏感栅、传递应变 并使敏感栅和被测试件之间具有很好的绝缘性能,它通常 根据应用范围的不同而采用不同的材料,常见的有纸基和 胶基;引线是将敏感栅接到测量电路中去,它由直径为 0.15~0.30mm镀银铜丝或镍铬铝丝制成。?

金属薄膜应变片是采用真空蒸镀或溅射式阴极扩散等 方法,在薄的基底材料上制成一层金属电阻材料薄膜以形 成应变片。这种应变片有较高的灵敏度系数,允许电流密 度大,工作温度范围较广。

第3章 安全检测常用传感器 半导体应变片是利用半导体材料的压阻效应制成的一种 纯电阻性元件。对半导体材料的某一轴向施加一定的载荷而 产生应力时,它的电阻率会发生变化,这种物理现象称之为 压阻效应。半导体应变片主要有体型、薄膜型和扩散型等三 种。? 体型半导体应变片是将半导体材料硅或锗晶体按一定方 向切割成片状小条,经腐蚀压焊粘贴在基片上而制成的应变 片。?

薄膜型半导体应变片是利用真空沉积技术将半导体材料 沉积在带有绝缘层的试件上而制成的。

第3章 安全检测常用传感器

扩散型半导体应变片是将P型杂质扩散到N型硅单晶基 底上,形成一层极薄的P型导电层,再通过超声波和热压焊 法接上引出线就形成了扩散型半导体应变片。? 半导体应变片与金属电阻应变片相比其灵敏度高50~

70倍,另外,其横向效应和机械滞后小。但它的温度稳定
性差,在较大应变下,灵敏度的非线性误差大。

第3章 安全检测常用传感器 3)电阻应变式传感器的测量电路 利用应变片可以感受由被测量产生的应变,并得到电阻 的相对变化。通常可以通过电桥将电阻的变化转变成电压或 电流信号。图3-5给出了常用的全桥电路,Uo 为输出电压, R1为受感应变片,其余R2、R3、R4为常值电阻。为便于讨论, 假设电桥的输入电源内阻为零,输出为空载。? 基于上面的假设,电桥的输出电压为

? R1 R3 ? Uo ? ? ? R ? R ? R ? R ?E ? 2 3 4 ? ? 1 R1 R4 ? R2 R3 ? E ?R1 ? R2 ??R3 ? R4 ?

(3-11)

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图3-5 桥式电路

第3章 安全检测常用传感器 平衡电桥就是指电桥的输出电压Uo为零的情况。当在电 桥的输出端接有检流计时,流过检流计的电流为零,即平衡 电桥应满足

R1 R3 ? R2 R4

(3-12)

在上述电桥中,R1为受感应变片,即单臂受感。当被测 量变化引起应变片的电阻产生R1的变化时,上述平衡关系被 破坏,检流计有电流通过。
? R3 R1 ? ?R1 Uo ? ? ? ?R ? ?R ? ? R ? R ? R 1 2 3 4 ? 1 R 4 ?R1 R3 R1 ? E ? ?R1 R 2 ?? R4 ? ? ?1 ? ??1 ? ? ? ?? R1 R1 ?? R3 ? ? ? ? ?R1 R 4 ?E ? E ? ?R1 ? ?R1 ? R2 ??R3 ? R4 ? ?

(3-13) (3-14)

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R1 R3 ? , 可得到 项可忽略。考虑到初始电桥平衡时 R2 R4

? R1 R2 ? n ,由于Δ R1<<R1 ,则分母中 设桥臂比为 R1 R1

n ΔR1 Uo ? E 2 ?1? n? R1
电桥电压灵敏度定义为

(3-15)

Uo n Kv ? ? E 2 ΔR1 ?1? n ? R1

(3-16)

第3章 安全检测常用传感器 分析发现:①电桥电压灵敏度正比于电桥供电电压,电 桥供电电压愈高,电桥电压灵敏度愈高,但是供桥电压的升 高受到应变片允许功耗的限制,所以一般供桥电压应适当选 择;②电桥电压灵敏度是桥臂电阻比值n的函数,因此必须 恰当地选择桥臂比n的值,保证电桥具有较高的电压灵敏度。 下面分析当供桥电压E确定后,n应取何值,电桥电压灵敏 度才最高。

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?K v 令 ? 0 ,可得 ?n ?K v 1 ? n2 ? ?0 4 ?n ?1 ? n ?

(3-17)

R2 R4 ? ? 1 ,电桥 求得当n=1时,Kv有最大值。即当 R1 R3
的灵敏度最高。由式(3-15)可知,电桥的输出电压和电源 电压E及电阻相对变化成正比,而与各桥臂阻值大小无关。

第3章 安全检测常用传感器 3.2.2电容式传感器

1.电容式传感器的工作原理和结构
电容式传感器常用的是平板电容器和圆筒形电容器。

1)平板电容器
平板电容器由两个金属平行板组成,通常以空气为介

质,如图3-6所示。

第3章 安全检测常用传感器

图3-6平行板电容器

第3章 安全检测常用传感器 在忽略边缘效应时,平行板电容器的电容为

ε0 εr A C? d

(3-18)

1 1 ?F / m ? ? ?pF / m ? ?0 ? 11 4? ? 9 ?10 3.6? ? 8.854 ?10 ?12 ?F / m ?
(3-19)

式中:C——电容量(F);?
ε 0——真空介电常数;? ε r?——极板间介质的相对介电常数;?

A——极板的有效面积(m2);?
d——两平行极板间的距离(m)。

第3章 安全检测常用传感器 2)圆筒形电容器? 圆筒形电容器由内外两个金属圆筒组成,设动极筒的 外半径为r,定极筒的内半径为R,动极筒伸进定极筒的长 度为l,如图3-7所示。则圆筒形电容器的电容为

当被测非电量使得式(3-18)中的A、d或ε 发生变化时, 电容量C也随之变化。如果保持其中两个参数不变而仅仅改 变另一个参数,就可把被测参数的变化转换为电容量的变化。 因此,电容量变化的大小与被测参数的大小成比例。这样, 电容式传感器可依此划分为三种类型,即变间隙型(d变 化)、变面积型(A变化)和变介质型(ε 变化)。

2πε0 εr l C? R ln r

(3-20)

第3章 安全检测常用传感器

图3-7圆筒形电容器

第3章 安全检测常用传感器 2.变极距型电容传感器 变极距型电容传感器如图3-8所示,它有一个固定极板 和可动极板,其间为空气介质。当传感器的ε0和A为常数、 初始极距为d时,其初始电容量为

ε0 εr A C? d
一般地,取C=20~300pF,d=0.025~1mm。

(3-21)

第3章 安全检测常用传感器

图3-8变极距型电容传感器 (a)移动型;(b)感应型;(c)差动型

第3章 安全检测常用传感器 当动极板因被测量变化而向上移动使d减小Δd时,电 容量增大ΔC,则有

ε0 ε r A 1 C ? ΔC ? ?C Δd d ? Δd 1d
等式两边同时除以C,有

ΔC Δd ? C d

1 Δd 1d

(3-22)

第3章 安全检测常用传感器 如果满足Δ d/d<<1时,则式(3-22)可用泰勒级数展开成
2 3 ? ? ΔC Δd ? Δd ? Δd ? ? Δd ? ? 1? ?? ? ?? ? ? ...? ? C d ? d ? d ? ? d ? ? ?

(3-23)

略去高次非线性项,则可得近似线性关系和灵敏度Kc,其关
系式分别为

ΔC Δd ? C d

(3-24)

ΔC C 1 Kc ? ? Δd d

(3-25)

第3章 安全检测常用传感器

图3-9 变极距型电容传感器的特性曲线

第3章 安全检测常用传感器

Kc称为电容传感器的灵敏系数。其物理意义是单位位移
引起电容量相对变化的大小。其输出特性曲线如图3-9所示。 如果考虑式(3-23)的前两项,则

ΔC Δd ? Δd ? ? ?1 ? ? C d ? d ?
其非线性误差为

(3-26)

? Δd ? ? ? ? d ? δ? ? 100% Δd d

2

(3-27)

第3章 安全检测常用传感器

图3-10 变极距型电容传感器的非线性特性

第3章 安全检测常用传感器 由上述讨论可知:? (1)变极距型电容传感器只有在Δd很小时,即小测量 范围内时,才有近似的线性输出;?? (2)极距d越小,灵敏度越高,故可用减小极距的办法

来提高灵敏度;?
(3)但是,极距d过小会带来两个问题:一是使非线性 误差δ增加,如图3-10所示;二是易造成极板间介质击穿,并 增加极板的加工与安装的难度。?

第3章 安全检测常用传感器 解决这两个问题的办法:? (1)既要提高灵敏度,又要减小非线性误差,可采 用差动法解决;? (2)既要提高灵敏度,又不使极板介质击穿,可在

两极板之间加固定介质。

第3章 安全检测常用传感器

3.差动变极距型电容传感器
差动变极距型电容传感器结构如图3-11所示,上下为定 极板,中间为动极板,在初始位置时,d1=d2=d,C1=C2=C。

图3-11差动变极距型电容传感器

第3章 安全检测常用传感器 这种传感器工作时,如果动极板上移Δ d,则

d1 ? d ? ?d

d 2 ? d ? ?d

(3-28)

2 3 ? ? 1 Δd ? Δd ? ? Δd ? C1 ? C ? ΔC ? C ? C ?1 ? ?? ? ?? ? ? ... ? (3-29) ? ? Δd d ? d ? ? d ? ? ? 1d

2 3 ? ? 1 ?1 ? Δd ? ? Δd ? ? ? Δd ? ? ... ?(3-30) C 2 ? C ? ΔC ? C ?C ? ? ? ? ? ? Δd d ? d ? ? d ? ? ? 1? d

电容总的变化为

3 ? Δd ? ? Δd ? ΔC ? C1 ? C 2 ? C? 2 ? 2? ? ? ...? ? d ? ? d ? ? ?

(3-31)

第3章 安全检测常用传感器 电容的相对变化为

? ? Δd ? 2 ? Δd ? 4 ? ΔC Δd ? ?2 1? ? ? ?? ? ? ...? ? C d ? ? d ? ? d ? ? ?
略去高次项,则
ΔC C

(3-32)

Δd 与 的近似线性关系式为 d

ΔC Δd ?2 C d
则差动电容传感器的灵敏度为

(3-33)

ΔC C ? 2 ? 2K K? c Δd d

(3-34)

第3章 安全检测常用传感器 4.电容式传感器测量电路? 电容式传感器将被测量转换成电容量的变化,但由于电

容及其变化量均很小(pF级),因此必须借助测量电路检测
出这一微小电容及增量,并将其转换成电压、电流或频率, 以便于显示、记录或传输。电容式传感器的测量电路种类很

多,除前面介绍的电桥电路外,还可采用运算放大器电路、
调频电路和差动脉冲宽度调制电路等。

第3章 安全检测常用传感器 1)运算放大器电路? 为克服电容式传感器极距的变化呈非线性关系缺点,

最方便、简单的办法就是把变极距型电容传感器作为比例
运算放大器的反馈环节,如图3-12所示。图中,运算放大器 的输入端为电容C0 ,其反馈环节为变极距式电容传感器Cx ,

亦为电容,根据比例放大的运算关系

? C0 U0 ? Ui Cx

(3-35)

第3章 安全检测常用传感器 故可得

? C0? U0 ? Ui ? 0?A

(3-36)

上式表明,若激励电压Ui 与输入电容C0 保持不变,则输出

电压Uo与极距δ成线性关系。此电路常用于位移测量传感器。

第3章 安全检测常用传感器

图3-12运算放大器电路

第3章 安全检测常用传感器 2)电桥型电路? 电桥型电路通常将电容传感器接入电桥,作为桥路的一

部分,如图3-13所示。差动电容C1 、C2 作为相邻两臂接入电
桥,另一相邻两臂为电感,构成电容传感器变压器电桥。电 桥的输出是调幅波,经交流放大后,需经过相敏检波和滤波

便可得到与电容量变化相应的直流输出。此电路要求电源电
压和频率一定要非常稳定,否则会产生测量误差。另外,电 容的变化范围亦不能太大,过大会使电桥输出产生非线性失 真,造成较大误差。

第3章 安全检测常用传感器

图3-13电容传感器变压器电桥型电路

第3章 安全检测常用传感器 3)调频电路? 图3-14所示为电容式传感器作为调频振荡器中谐振回路 的一部分。当物体的振动作为输入量时便引起电容传感器的 电容量发生相应的变化,导致振荡器的振动频率的变化并输 出相应的调频波,再由鉴频器转换为相应的电压变化,最后 放大输出。此种电路具有抗干扰性强、灵敏度高等优点,可 测0.01μ m的位移变化量。其缺点是电缆的分布电容影响较大, 对电路设计要求较高。?

第3章 安全检测常用传感器

图3-14电容传感器调频电路

第3章 安全检测常用传感器

4)脉冲宽度调制电路?
脉冲宽度调制电路如图3-15所示。它由比较器Ⅰ和Ⅱ、 双稳态触发器及电容充放电回路组成。C1、C2为传感器的差 动电容,双稳态触发器的两个输出端Q、Q为电路的输出端。

第3章 安全检测常用传感器

图3-15脉冲宽度调制电路

第3章 安全检测常用传感器 当双稳态触发器的输出端Q为高电位时,通过R1对C1充电; Q端的输出为低电位,电容C2通过二极管V2迅速放电,G点被 钳制在低电位。当F点的电位高于参考电位Uc时,比较器Ⅰ的 输出极性改变,产生脉冲,使双稳态触发器翻转,Q端输出变 为低电位,而Q端变为高电位。这时C2充电C1放电,当G点电 位高于Uc 时,比较器Ⅱ的输出使触发器再一次翻转,如此重 复,周而复始,使双稳态触发器的两个输出端各自产生一宽 度受C1和C2调制的方波信号。当C1=C2时,各点的电压波形如

图3-16(a)所示,输出电压的平均值为零。但在工作状态时
C1≠C2,C1、C2充电时间常数发生变化,若C1>C2,各点电压 波形如图3-16(b)所示,输出电压uAB的平均值不再是零。

第3章 安全检测常用传感器

图3-16脉冲宽度调制电路波形? (a)C1=C2时各点的电压波形;(b)C1>C2时各点的电压波形

第3章 安全检测常用传感器 输出电压uAB 经低通滤波后,便可得到一直流输出电压 Uo,其值为A、B两点电压平均值UA与UB之差,即

U0 ? U A ?U B T1 T2 ? U1 ? U1 T1 ? T2 T1 ? T2 T1-T2 ? U1 T1 ? T2
式中:T1 、T2——C1 、C2 充至Uc 需要的时间,即A点和B点的 脉冲宽度;U1——触发器输出的高电位。

第3章 安全检测常用传感器 由于U1的大小是固定的,因此,输出直流电压Uo随T1和 T2而变,即随uA和uB的脉冲宽度而变,而电容C1和C2分别与 T1和T2成正比。在电阻R1=R1=R时

C1-C 2 ΔC U0 ? U1 ? U1 C1 ? C 2 C0

(3-38)

由此可知,直流输出电压 Uo 与电容 C1 和 C2 之差成比例,

极性可正可负。

第3章 安全检测常用传感器 对于极距变化型差动电容传感器

Δd U0 ? U1 d
对于面积变化型差动电容传感器

(3-39)

ΔA U0 ? U1 A

(3-40)

第3章 安全检测常用传感器 根据以上分析可知,电容传感器测量电路具有如下特点: (1)不论是极距变化型或面积变化型,其输入与输出变

化量都呈线性关系,而且脉冲宽度调制电路对传感元件的线
性要求不高;? (2)不需要解调电路,只要经过低通滤波器就可以得到 直流输出;? (3)调宽脉冲频率的变化对输出无影响;?

(4)由于采用直流稳压电源供电,不存在对其波形及频
率的要求。

第3章 安全检测常用传感器 3.2.3电感式传感器 电感式传感器有如下几个特点:?

(1)结构简单,无活动电触点,工作可靠,寿命较长;
(2)灵敏度和分辨率高,电压灵敏度一般每毫米的位移

可达数百毫伏的输出;?
(3)线性度和重复性比较好,在一定位移(如几十微米 至几毫米)内,传感器非线性误差可做到0.05%~0.1%,并 且稳定性好。

第3章 安全检测常用传感器 1.自感式电感传感器 1)自感式电感传感器原理?

自感式电感传感器主要用来测量位移或者是可以转换成
位移的被测量,如振动、厚度、压力、流量等。工作时,衔

铁通过测杆与被测物体相接触,被测物体的位移将引起线圈
电感量的变化,当传感器线圈接入测量转换电路后,电感的 变化将被转换成电压、电流或频率的变化,从而完成非电量

到电量的转换。?

第3章 安全检测常用传感器

由电工知识可知,线圈的自感量等于线圈中通入单位电
流所产生的磁链数,即线圈的自感系数L=ψ/I=NΦ/I(H)。 ψ=NΦ为磁链,Ф为磁通(I为流过线圈的电流,N为线圈匝数。 根据磁路欧姆定律:Φ=μNIS/l,μ为磁导率,S为磁路截面积, l为磁路总长度。令Rm=l/μS为磁路的磁阻,可得线圈的电感量 为

μN 2 S N 2 L ? ψ I ? NΦ ? ? I l Rm

(3-41)

磁路的总长度包括铁芯长度li1、衔铁长度li2和两个空气间 隙l0的长度。因铁芯和衔铁均为导磁材料,磁阻可忽略不计,

则式(3-41)可改写为

N 2 N 2 μ0 S 0 L? ? Rm 2l 0

(3-42)

第3章 安全检测常用传感器 2)变气隙长度式电感传感器? 变气隙长度式电感传感器的结构如图3-17(a)所示。 由式(3-41)可知,若S为常数,则L=f(l),即电感L是气

隙厚度l的函数,故称这种传感器为变气隙截面式电感传感
器。由于电感量L与气隙厚度l成反比,故输入/输出是非线 性关系,输出特性如图3-18(a)所示。

第3章 安全检测常用传感器

图3-17自感式电感传感器结构示意图? (a)变气隙长度式;(b)变气隙截面式;(c)螺管式

第3章 安全检测常用传感器

图3-18电感式传感器的输出特性? (a)变气隙长度式输出特性;(b)变气隙截面式输出特性

第3章 安全检测常用传感器 可见,l越小,灵敏度越高。为提高灵敏度,保证一定的 线性度,变这种传感器适用于较小位移的测量,测量范围约 在0.001~1mm左右。由于行程小,而且衔铁在运行方向上受 铁芯限制,制造装配困难,所以近年来较少使用该类传感器。

第3章 安全检测常用传感器 3)变气隙截面式电感传感器? 变气隙截面式电感传感器的结构如图3-17(b)所示。由 式(3-41)可知,若保持气隙厚度l为常数,则L=f(S),即 电感L是气隙截面积S的函数,故称这种传感器为变截面式电 感传感器。但是,由于漏感等原因,变截面式电感传感器在 S=0时,仍有一定的电感,所以其线性区较小,为了提高灵 敏度,常将l做得很小。变截面式传感器灵敏度比变间隙型小,

但线性较好,量程也比变间隙式大,使用比较广泛。输出特
性如图图3-18(b)所示。

第3章 安全检测常用传感器 4)螺管式电感传感器? 螺管式电感传感器的结构如图3-17(c)所示。螺管型 电感式传感器结构由一柱型衔铁插入螺管圈内构成。其衔铁

随被测对象移动,线圈磁力线路径上的磁阻发生变化,线圈
电感量也因此而变化。线圈电感量的大小与衔铁插入深度有 关。理论上,电感相对变化量与衔铁位移相对变化量成正比, 但由于线圈内磁场强度沿轴线分布不均匀。所以实际上它的 输出仍有非线性。?

第3章 安全检测常用传感器 设线圈长度为l、线圈的平均半径为r、线圈的匝数为n、 衔铁进入线圈的长度为la 、衔铁的半径为ra 、铁芯的有效磁 导率为μm ,则线圈的电感量L与衔铁进入线圈的长度la 的关 系为

4π n L? lr 2 ? μ m ? 1?l a ra2 l2
2 2

?

?

(3-43)

由上式可知,螺管型电感式传感器的灵敏度较低,但由

于其量程大且结构简单,易于制作和批量生产,因此它是使
用最广泛的一种电感式传感器。

第3章 安全检测常用传感器 5)差动电感传感器?

以上三种类型的传感器,由于线圈中流过负载的电流不
等于零,存在起始电流,非线性较大,而且有电磁吸力作用 于活动衔铁;易受外界干扰的影响,如电源电压和频率的波 动、温度变化等都将使输出产生误差,所以不适用于精密测 量,只用在一些继电信号装置。在实际应用中,广泛采用的

是将两个电感式传感器组合在一起,形成差动式传感器。

第3章 安全检测常用传感器

图3-19 差动E型自感传感器结构原理

第3章 安全检测常用传感器 2.互感式电感传感器? 互感式电感传感器是利用线圈的互感作用将位移转换

成感应电势的变化。互感式电感传感器实际上是一个具有
可动铁芯和两个次级线圈的变压器。变压器初级线圈接入 交流电源时,次级线圈因互感作用产生感应电动势,当互 感变化时,输出电势亦发生变化。由于它的两个次级线圈 常接成差动的形式,故又称为差动变压器式电感传感器, 简称差动变压器。差动变压器的结构形式较多,下面介绍 目前广泛采用的螺管式差动变压器。

第3章 安全检测常用传感器 1)工作原理 螺管式差动变压器主要由线圈框架A、绕在框架上的一

组初级线圈W和两个完全相同的次级线圈W1、W2及插入线圈
中心的圆柱形铁芯B组成,如图3-20(a)所示。

第3章 安全检测常用传感器

图3-20差动变压器? (a)结构原理;(b)等效电路;(c)输出特性

第3章 安全检测常用传感器 当初级线圈W加上一定的交流电压时,次级线圈W1和W2 ?由于电磁感应分别产生感应电势e1和e2,其大小与铁芯在线 圈中的位置有关。把感应电势e1和e2反极性串联,则输出电势 为

e0 ? e1 ? e2
di e ? ?M dt

次级线圈产生的感应电势为 (3-44)

式中:M——初级线圈与次级线圈之间的互感;? i——流过初级线圈的激磁电流。

第3章 安全检测常用传感器 以上分析表明,差动变压器输出电压的大小反映了铁芯 位移的大小,输出电压的极性反映了铁芯运动的方向。从特

性曲线看出,差动变压器输出特性的非线性得到很大的改善。
实际上,当铁芯位于中间位置时,差动变压器输出电压eo并 不等于零,把差动变压器在零位移时的输出电压称为零点残

余电压。零点残余电压产生的原因主要是传感器在制作时两
个次级线圈的电气参数与几何尺寸不对称,以及磁性材料的 非线性等问题引起的,零点残余电压一般在几十毫伏以下。 在实际应用时,应设法减小零点残余电压,否则将会影响传 感器的测量结果。

第3章 安全检测常用传感器 2)测量电路? 差动变压器的输出是一个调幅波,且存在一定的零点残

余电压,因此为了判别铁芯移动的大小和方向,必须进行解
调和滤波。另外,为消除零点残余电压的影响,差动变压器 的后接电路常采用差动整流电路和相敏检波电路。差动整流 电路就是把差动变压器的两个次级线圈的感应电动势分别整 流,然后将整流后的两个电压或电流的差值作为输出。现以 电压输出型全波差动整流电路为例来说明其工作原理,电路 连接如图3-21(a)所示。

第3章 安全检测常用传感器

图3-21差动变压器测量电路及波形 (a)电路图;(b)波形图

第3章 安全检测常用传感器 由图3-21(a)可见,无论两个次级线圈的输出瞬时电压 极性如何,流过两个电阻R的电流总是从a到b,从d到c,故整

流电路的输出电压

uo ? uab ? ucd ? uab ? udc

(3-45)

其波形图如图3-21(b)所示,当铁芯在零位时,uo=0,铁

芯在零位以上或零位以下时,输出电压的极性相反,于是
零点残余电压会自动抵消。差动变压器具有测量精度高、 线性范围大(±100mm)、灵敏度高、稳定性好和结构简单

等优点,被广泛用于直线位移的测量。

第3章 安全检测常用传感器

3.2.4磁电式传感器
1.磁电感应式传感器 磁电感应式传感器是利用导体和磁场发生相对运动而在 导体两端输出感应电动势,是一种机-电能量转换型传感器, 不需要供电电源,电路简单,性能稳定,输出阻抗小,又具 有一定的频率范围(一般为10~1000Hz),适应于振动、转 速、扭矩等测量。? 根据法拉第电磁感应定律,N匝线圈在磁场中作切割磁 力线运动或穿过线圈的磁通量变化时,线圈中产生的感应电 动势e与磁通的变化率有如下关系:

dΦ e ? ?N dt

(3-46)

第3章 安全检测常用传感器 在电磁感应现象中,磁通量的变化是关键。进入线圈 的磁通量越大,dΦ也越大,如果相对运动速度越快,即v或 dΦ ω越大,相当于dt越小, 就越大。感应电动势e还与线 dt 圈匝数N成正比。不同类型的磁电感应式传感器,实现磁通 量Φ变化的方法不同,有恒磁通的动圈式与动铁式磁电感应 式传感器,有变磁通的(变磁阻)的开磁路式或闭磁路式 磁电感应式传感器。 磁电感应式传感器的直接应用是测量线速度v和角速度 ω ,如图3-22所示。其中图(a)为测线速度v,图(b)为 测角速度ω 。当线圈垂直于磁场方向运动时,磁电式传感 器是利用电磁感应原理,将输入量转换成线圈中的感应电 势输出的一种传感器。由于不需要辅助电源,所以是一种 有源传感器,也被称为感应式传感器或电动式传感器。

第3章 安全检测常用传感器

图3-22磁电感应式传感器

第3章 安全检测常用传感器 若线圈在恒定磁场中作直线运动,并切割磁力线时,则 线圈两端产生的感应电势e为

dx e ? ? NBl sin θ ? ? NBlvsin θ dt
式中:B——磁场的磁感应强度;? x——线圈与磁场相对运动的位移;?

(3-47)

v——线圈与磁场相对运动的速度;?
θ——线圈运动方向与磁场方向之间的夹角;? N——线圈的有效匝数;?

l——每匝线圈的平均长度。

第3章 安全检测常用传感器 当θ =90°(线圈垂直切割磁力线)时,式(3-47)可写成

dx ? e ? ? NBl sin 90 ? ? NBlv dt
dθ e ? ? NBS sin θ ? ? NBS? sin θ dt

(3-48)

若线圈相对磁场作旋转运动切割磁力线,则线圈的感应电势为 (3-49)

dθ 式中:ω ——旋转运动的相对角速度,? ? dt
S——每匝线圈的截面积;?



θ ——线圈平面的法线方向与磁场方向的夹角。

第3章 安全检测常用传感器 当θ =90°时,式(3-49)可写成

dθ e ? ? NBS sin 90 ? ? ? NBS? dt

(3-50)

由式(3-48)和式(3-50)可知,当传感器的结构确定后,B、 S、N、l均为定值,因此,感应电势e与相对速度v(或ω)

成正比。从磁电感应式传感器的工作原理可知,它只适宜于
动态测量。如果在其测量电路中接入积分电路,输出的感应 电势就会与位移成正比;如果接入微分电路,输出的感应电 势就与加速度成正比。因此,磁电感应式传感器还可用来测 位移和加速度。

第3章 安全检测常用传感器

2.变磁阻式磁电式传感器
1)开磁路变磁阻式转速传感器? 传感器由永久磁铁、感应线圈、软铁、齿轮组成,如图 3-23所示。齿轮安装在被测转轴上,与转轴一起旋转。当齿 轮旋转时,由齿轮的凹凸引起磁阻变化,以使磁通发生变化, 因而在线圈中感应出交变电势,其频率等于齿轮的齿数z和转 速n的乘积,即

z?n f ? 60

(3-51)

式中:z——齿轮的齿数;? n——被测轴转速(rpm);? f——感应电势频率(s-1)。

第3章 安全检测常用传感器

图3-23开磁路变磁阻式转速传感器

第3章 安全检测常用传感器 2)闭磁路变磁阻式转速传感器? 闭磁路变磁阻式转速传感器的结构如图3-24所示。它

是由安装在转轴上的内齿轮和永久磁铁、外齿轮及线圈构
成的。内、外齿轮的齿数相等。测量时,转轴与被测轴相 连,当旋转时,内、外齿的相对运动使磁路气隙发生变化, 从而磁阻发生变化,并使贯穿于线圈的磁通量变化,在线 圈中感应出电势。与开磁路相同,也可通过感应电势频率 测量转速。

第3章 安全检测常用传感器

图3-24闭磁路变磁阻式转速传感器

第3章 安全检测常用传感器

3.3 物性传感器
3.3.1压电式传感器 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,同时在它的两个表面上产生符号相反 的电荷,当外力去掉后,又重新恢复不带电状态,这种现象 称为压电效应。当作用力方向改变时,电荷极性也随着改变。 逆向压电效应是指当某晶体沿一定方向受到电场作用时, 相应地在一定的晶轴方向将产生机械变形或机械应力,又称 电致伸缩效应。当外加电场撤去后,晶体内部的应力或变形 也随之消失。

第3章 安全检测常用传感器 1.压电效应 下面以石英单晶压电晶体为例,说明压电效应原理。石 英是典型的压电晶体,其化学成分是二氧化硅(SiO2),压 电系数较低,d11=2.3×10-12C/N。它的压电效应在几百度的 温度范围内不随温度而变化,但到573℃时,完全丧失压电 性质,这是它的居里点。石英具有很大的机械强度,在研磨 质量好时,可以承受700~1000N/cm2的压力,并且机械性质

也较稳定。

第3章 安全检测常用传感器 图3-25表示了天然结构石英晶体的理想外形,它是一个 正六面体,在晶体学中它可用三根互相垂直的轴来表示,其

中纵向轴z-z称为光轴,经过正六面体棱线,并垂直于光轴的
x-x轴,x-x轴称为电轴,与x-x轴和z-z轴同时垂直的y-y轴 (垂直于正六面体的棱面)称为机械轴。通常把沿电轴x-x方

向的力作用下产生电荷的压电效应称为“纵向压电效应”,
而把沿机械轴y-y方向的力作用下产生电荷的压电效应称为 “横向压电效应”,沿光轴z-z方向受力但不产生压电效应。

第3章 安全检测常用传感器

图3-25石英晶体的理想外形及坐标系

第3章 安全检测常用传感器 石英晶体所以具有压电效应,是与它的内部结构分不开 的。组成石英晶体的硅离子和氧离子O在M平面投影,如图 3-26所示。为讨论方便,将这些硅、氧离子等效为图中正六 边形排列,图中“?”代表Si4+离子,“?”代表2O2-离子。 下面讨论石英晶体受外力作用时晶格的变化情况。当无作用 力Fx时,正、负离子正好分布在正六边形顶角上,形成三个 互成120°夹角的偶极矩,如图3-26(a)所示。此时正负电荷 中心重合,电偶极矩的矢量和等于零。当沿电轴x-x施加作用 力Fy时,在上方正离子局部占优,在下方负离子局部占优, 于是上方带正电,下方带负电,如图3-26(b)所示。当沿机 械轴y-y轴施加作用力Fx时,在上方负离子局部占优,在下方 正离子局部占优,于是上方带负电,下方带正电,如图3-26 (c)所示。

第3章 安全检测常用传感器

图3-26压电效应原理图

第3章 安全检测常用传感器 将沿电轴x轴方向的力作用下产生电荷的压电效应称为 纵向压电效应,而把沿机械轴y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,沿光轴z轴方向受力则不会 产生压电效应。当压电晶片受到沿x轴方向的力Fx 时,就在 与x轴垂直的平面上产生电荷Qx为

Q x ? d11 Fx

(3-52)

式中:d11为压电系数,而石英晶体d11=2.3×10-12C/N。若在 同一压电晶片上的作用力是沿y轴方向,电荷仍在与x轴垂直 的平面上出现,电荷大小为

a a Qx ? d12 Fy ? ?d11 Fy b b

(3-53)

第3章 安全检测常用传感器 2.压电材料 1)压电晶体

石英是典型的压电晶体,其化学成分是二氧化硅 (SiO2 ),压电系数较低,d11=2.3×10-12C/N。它在几百 度的温度范围内不随温度而变,但到573℃时,完全丧失压电 性质,这是它的居里点。石英具有很大的机械强度,在研磨 质量好时,可以承受700~1000kg/mm2的压力,并且机械性 质也较稳定。? 除天然石英和人造石英晶体外,近年来铌酸锂LiNbO3、 钽酸锂LiTaO3 、锗酸锂LiGeO3 等许多压电单晶在传感技术中 也获得广泛应用。

第3章 安全检测常用传感器 2)多晶压电陶瓷?

多晶压电陶瓷是一种经极化处理后的人工多晶体,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。锆钛酸铅系列压电陶瓷(PZT), 随配方和掺杂的变化可获得不同的性能。它的压电常数很 高,约为(200~500)×10-12,居里点约为310℃,温度稳 定性比较好,是目前使用最多的压电陶瓷。
由于压电陶瓷的压电常数大,灵敏度高,价格低廉, 在一般情况下,都采用它作为压电式传感器的压电元件。

第3章 安全检测常用传感器 3)新型压电材料? 新型压电材料主要有有机压电薄膜和压电半导体等。有

机压电薄膜是由某些高分子聚合物,经延展拉伸和电场极化
后形成的具有压电特性的薄膜,如聚仿氟乙烯、聚氟乙烯等。 有机压电薄膜具有柔软、不易破碎、面积大等优点,可制成

大面积阵列传感器和机器人触觉传感器。?
压电半导体是指既具有半导体特性又具有压电特性的材 料,如硫化锌、氧化锌、硫化钙等。由于同一材料上兼有压 电和半导体两种物理性能,故可以利用压电性能制作敏感元 件,又可以利用半导体特性制成电路器件,研制成新型集成

压电传感器。

第3章 安全检测常用传感器 3.压电传感器等效电路 当压电晶片受力时,在它的两个电极上会产生极性相反、 电量相等的电荷。这样可以把压电传感器看成一个静电发生 器。两个极板上聚集电荷,中间为绝缘体,它又可以看成一 个电容器,如图3-27(a)所示。其电容量为

ε0 εr S Ca ? d
式中:S——极板面积;? d——压电晶片厚度;? ε——介质介电常数;

(3-54)

第3章 安全检测常用传感器 ε0——真空介电常数(ε0=8.85×10-12F/m);? εr——压电材料的相对介电常数(石英晶体为4.85)。

由于电容器上的开路电压Ua 电荷量Q与电容Ca 三者之间
存在以下关系:

Q Ua ? Ca
可见压电式传感器可以等效为一个电压源Ua和一个电容Ca的 串联电路,如图3-27(b)所示。也可以等效为一个电流源I 和一个电容Ca的并联电路,如图3-27(c)所示。

第3章 安全检测常用传感器

图3-27压电传感器? (a)压电元件;(b)电压等效电路;(c)电荷等效电路

第3章 安全检测常用传感器 由等效电路可知,只有在外电路负载无穷大,内部信号 电荷无“漏损”时,压电传感器受力后产生的电压或电荷才 能长期保存下来。但事实上,传感器内部不可能没有泄漏, 外电路负载也不可能无穷大,只有外力以较高频率不断地作 用,传感器的电荷能得以补充时才适于使用,因此压电晶片

不适合于静态测量。
如果把压电式传感器和测量仪表连接时,还需考虑连接 导线的等效电容Cc、前置放大器的输入电阻Ri 、输入电容Ci , Ra为压电传感器绝缘电阻,Ca为压电式传感器的等效电容。 因此,压电传感器完整的等效电路如图3-28所示。?

第3章 安全检测常用传感器

图3-28压电传感器完整的等效电路

第3章 安全检测常用传感器 在压电式传感器中,往往采用多片压电晶片粘结在一起, 其连接方式有两种(如图3-29所示)。?? (a)为串联接法,其输出电容C′输出电压U′及电荷量Q′ 与单片间的关系为

Q ? Q,
'

U ? 2U ,
'

C C ? 2
'

(3-55)

(b)为并联接法,其输出电容C′输出电压U′及电荷 量Q′与单片间的关系为

Q ? 2Q ,
'

U ?U ,
'

C ? 2C
'

(3-56)

第3章 安全检测常用传感器

图3-29压电晶片的串、并联 (a)串联接法;(b)并联接法

第3章 安全检测常用传感器

4.压电传感器的测量电路
1)电压放大器(阻抗变换器) 图3-30是一种电压放大器(阻抗变换器)电路图。它具有 很高的输入阻抗(一般1000MΩ以上)和很低的输出阻抗(小 于100Ω,频率范围2~100KHz)。因此用该阻抗变换器可将 高内阻的压电传感器与一般放大器相匹配。该阻抗变换器第 一级采用MOS场效应管构成源极输出器,第二级是用锗管构 成对输入端的负反馈,以提高输入阻抗,电路中的R1、R2是 场效应管V的偏置电阻,R3是一个100MΩ的大电阻,主要起提 高输入阻抗的作用,R5是场效应管的漏极负载电阻,根据V漏 极电流大小即可确定R5的数值(在调试中确定),R4是源极 接地电阻,也是VT的负载。

第3章 安全检测常用传感器 R4上的交流电压通过C2反馈到场效应管的输入端,使A点 电位提高,保证了较高的交流输入阻抗。二极管VD1,VD2起

保护场效应管的作用,同时又可以起温度补偿作用。它是利
用二极管的反向电流随温度变化来补偿场效应管泄漏电流ISG 和IDG随温度的变化。由于V和VT是直接耦合,所以采用稳压 管VDW起稳定VT的固定偏压作用,R6是的限流电阻,使VDW 工作在稳定区。

第3章 安全检测常用传感器

图3-30阻抗变换器电路图

第3章 安全检测常用传感器 图3-30中,如果只考虑V构成的场效应管源极输出器, 则输入阻抗

R1R 2 Ri ? R3 ? R1 ? R 2

(3-57)

通过C2从输出端引入负反馈电压后,输入阻抗为

R if ?

Ri 1- Ku

式中:Ku是加上负反馈后的源极输出器的电压增益,其值接 近1。因此加负反馈后的输入阻抗可提高到几百甚至几千 兆欧,以满足压电传感器对前置放大器的要求。?

第3章 安全检测常用传感器 图3-30中,如果只考虑场效应管构成的源极输出器,其 输出阻抗为

1 R0 ? // R 4 gm

(3-58)

式中:gm为场效应管跨导。由于引入负反馈,所以使输出阻

抗更为减小。

第3章 安全检测常用传感器

2)电荷放大器
电荷放大器是一个有反馈电容Cf的高增益运算放大器。

当略去Ra与Rf 并联的等效电阻R后,压电传感器和电荷放大
器连接的等效电路可用图3-31表示。图中A是运算放大器。 由于放大器的输入阻抗极高,因此认为放大器输入端没有分 流。根据运算放大器的基本特性,当工作频率足够高 1 1 ?? (1,忽略 ? A) 时, ? ? C f ,可以求得电荷放大器的 Rf Rf 输出电压

? Aq U0 ? Ca ? Cc ? Ci ? (1 ? A)Cf

(3-59)

式中:A是运算放大器的开环增益;负号表示放大器的输入和 输出反相。

第3章 安全检测常用传感器

图3-31 压电传感器与电荷放大器连接的等效电路

第3章 安全检测常用传感器 当A>>1,满足(1+A)Cf>10(Ca+Cc+Ci)时,就可以认为

?q U0 ? Cf

(3-60)

可见,在电荷放大器中,输出电压Uo 与电缆电容Cc 无 关,而与q成正比,这是电荷放大器的突出优点。?

第3章 安全检测常用传感器 3.3.2半导体敏感元件 1.半导体热敏电阻 1)分类及特性 半导体热敏电阻按半导体电阻随温度变化的典型特性分 为三种类型,即负电阻温度系数热敏电阻(NTC)、正电阻 温度系数热敏电阻(PTC)和在某一特性温度下电阻值会发 生突变的临界温度电阻(CTR)。它们的特性曲线如图3-32 所示。由图可见,使用CTR组成热控制开关是十分理想的, 但在温度测量中,则主要采用NTC,其温度特性如下式所示

Rt ? R0e

?1 1 B? ?T T 0 ?

? ? ? ?

(3-61)

第3章 安全检测常用传感器

图3-32 三种类型热敏电阻的典型特性

第3章 安全检测常用传感器 若定义热敏电阻的温度系数为α

1 dRt ?? ? Rt dT
则由式(3-61)有
1 1 B( - ) T T0

(3-62)

1 dR t 1 ?? ? ? ? R0 ? e R t dT R t

1 B ? B(? 2 ) ? ? 2 T T

第3章 安全检测常用传感器 2)使用时的注意事项? Ⅰ.热敏电阻温度特性的非线性? 由式3-61可知,热敏电阻随温度变化呈指数规律,也 就是说,其非线性是十分严重的。当需要进行线性转换时,

就应考虑其线性化处理。常用的线性化方法如下:?
(1)线性化网络。 利用包含有热敏电阻的电阻网络(常称线性化网络) 来代替单个的热敏电阻。

第3章 安全检测常用传感器

图3-33温度-频率转换电路

第3章 安全检测常用传感器 (2)利用电子装置中其他部件的特性进行综合修正。 图3-33是一个温度-频率转换电路。它实际是一个三角

波-方波变换器,电容C的充电特性是非线性特性。适当地选
取线路中的电阻r和R加上Rt可以在一定的温度范围内,得到 近似于线性的温度-频率转换特性。

R ? Rt ? ? T ? 2 R1C ln ?1 ? 2 ? r ? ?

(3-63)

第3章 安全检测常用传感器 (3)计算修正法。 Ⅱ.热敏电阻器特性的稳定性和老化问题?

现在已研制出精度优于热电偶,并具有互换性的热敏电
阻,而且还能制造出300℃以下可忽略老化影响的产品。但不 同厂家产品质量差异还比较大,使用时仍应认真选择。? 一般地说,正温度系数热敏电阻器和临界温度热敏电阻 器特性的均匀性要差于负温度系数热敏电阻器。在辐射热检

测器中,人们采用薄膜式金属电阻和热敏电阻薄膜,构成热
量型检测器,将辐射热转换成电阻的变化。?

第3章 安全检测常用传感器 3)应用举例? 电动机过热保护装置组成电路原理如图3-34所示。把三

只特性相同的负温度系数热敏电阻(如RRC6型,经过测试,
阻值在20℃时为10kΩ;100℃时为1kΩ;110℃时为?0.6kΩ) 放置在电动机内绕组旁,紧靠绕组,每相各放置一只,用万 能胶固定。当电动机正常运转时,温度较低,热敏电阻阻值 较高,三极管V1截止,继电器K不动作。当电动机过负荷, 或断相,或一相通地时,电动机温度急剧上升,热敏电阻阻 值急剧减小,小到一定值,使三极管V1完全导通,继电器K 动作,使S闭合,红灯亮,起到报警保护作用。

第3章 安全检测常用传感器

图3-34电动机过热保护装置组成电路原理

第3章 安全检测常用传感器 2.气敏电阻 气敏电阻是由金属氧化物烧结而成的半导体电阻元件, 当环境中气体的成分或浓度发生变化时,导致气敏电阻的阻 值发生变化,其变化范围在103~105Ω 数量级之间。 气敏电阻半导体材料亦分为N型半导体与P型半导体两种。 N型材料如SnO2、ZnO、CdO、W2O3、Mn02、ThO2、TiO2等; P型材料如MoO2、NiO、CoO、Cu2O、Cr2O3等,均为金属氧

化物。

第3章 安全检测常用传感器 其工作机理主要是由于各种可燃性气体的离解能比较小, 容易失去电子,在遇到 N 型半导体材料时,由于其晶格氧离 子缺位,气体中的电子向半导体移动,使半导体中载流子浓 度增加,内阻减小;当遇到P型导体材料时,由于其阳离子 缺位,呈空穴导电性,使半导体中载流子浓度下降,内阻增

加。?
气敏电阻的结构如图3-35所示。图中1为气敏半导体材 料,体积很小,直径在1mm以内;2为加热电极;3为引出端 电极,均为Φ 0.05mm铂电阻丝。在四个电极的支撑下封装在 不锈钢防爆网内,构成气敏电阻。

第3章 安全检测常用传感器

图3-35气敏电阻

第3章 安全检测常用传感器

图3-36 气敏传感器在各种气体浓度q下电路输出电压U的曲线

第3章 安全检测常用传感器 3.3.3光电传感器? 1.光的特性

(1)光的电磁说。光是一种电磁波,由电磁理论可知,光
是电磁波谱中的一员,不同波长光的分布如图3-27所示。这 些光的频率(波长)各不相同,但都具有反射、折射、散射、 衍射、干涉和吸收等特性。可见光只是电磁波谱中的一小部 分,波长在380~780nm之间,红光频率最低,紫光频率最高。

光的频率越高,携带的能量越大。

第3章 安全检测常用传感器

图3-37电磁波频谱图

第3章 安全检测常用传感器 (2)光的量子说。光是一种带有能量的粒子(称为光 子)所形成的粒子流。由光的粒子说可知,光又是由具有一 定能量、动量和质量的粒子所组成,这种粒子称为光子。光 是以光速运动的光子流。每个光子都具有一定的能量,其大 小与它的频率成正比,即

hc E ? hν ? λ

(3-64)

式中:h为普朗克常数,h =6.626 ×10-34J· s;v为光子的频 率(s-1);c为光速,c=3×108m/s;λ为光的波长(m)。 当物质受光照后,物质的电子吸收了光子的能量所产生的 电现象称为光电效应。它是光电元器件的理论基础。

第3章 安全检测常用传感器 可见,不同频率和波长的光具有不同的能量,光的频 率愈高(即波长愈短),光子的能量就愈大,光的能量就

是光子能量的总和。光照射在物体上可以看成一连串具有
一定能量的光子轰击这些物体。根据爱因斯坦假说:一个 光子的能量只能给一个电子,因此电子增加的能量为hν。

电子获得能量后释放出来,参加导电。这种物体吸收光的
能量后产生电效应的现象叫做光电效应。光电效应可以分 为以下三种类型。

第3章 安全检测常用传感器 1)外光电效应? 在光的作用下,物体内的电子逸出物体表面、向外发射 的现象叫外光电效应。物体中的电子吸收的入射光子能量若 足以克服逸出功,电子就逸出物体表面,产生光电发射。如 果逸出电子的能量为mv2/2,m为电子质量,v为逸出速度。则 有 1 2 (3-65) hv ? mv ? A

2

0

式(3-65)称为爱因斯坦光电效应方程式,A0为逸出功。可 见,只有当光子能量大于逸出功,即hν>A 0 时,才有电子发 射出来;当光子的能量等于逸出功,即hν>0= A 0时,逸出 的电子初速度为零,此时光子的频率为该物质产生外光电效 应的最低频率,称为红限频率。

第3章 安全检测常用传感器 由于光子的能量与光的频率成正比,因此要使物体发 射光电子,光的频率必须高于红限频率。小于红限频率的

入射光,光再强也不会激发光电子;大于红限频率的入射
光,光再弱也会激发光电子。单位时间内发射的光电子数 称为光电流,它与入射光的光强成正比。对光敏管,即使

阳极电压为零也会有光电流产生。欲使光电流为零必须加
负向的截止电压,截止电压应与入射光的频率成正比。利 用外光电效应制成的光电器件有真空光电管、充气光电管 和光电倍增管。

第3章 安全检测常用传感器 2) 光电导效应

在光的作用下,电子吸收光子能量从键合状态过渡到自

由状态,引起物体电阻率的变化,这种现象称为光电导效应。
由于这里没有电子从物体向外发射,仅改变物体内部的电阻 或电导,与外光电效应对照,有时也称为内光电效应。光电 导效应是由于在光线的照射下,半导体中的原子受激发成为 自由电子或空穴,它们参加导电使半导体的电导率增加了。 与外光电效应一样,要产生光电导效应,也要受到红限频率 限制。利用光电导效应可制成半导体光敏电阻。

第3章 安全检测常用传感器 3)光生伏特效应? 在光的作用下,能够使物体内部产生一定方向的电动

势的现象叫光生伏特效应。光生伏特效应是由于在光线照
射下,PN结附近被束缚的价电子吸收光子能量,受激发 产生电子空穴对。在内电场的作用下,空穴移向P区,电

子移向N区,使P区带正电,N区带负电,于是在P区和
N区之间产生电动势。利用光生伏特效应制成的光电器件 有光敏二极管、光敏三极管和光电池等。

第3章 安全检测常用传感器 2.光电器件的基本特性 各种光电器件的基本特性包括以下几方面。? 1)光电流? 光敏元件的两端加上一定偏置电压后,在某种光源的特 定照度下产生或增加的电流称为光电流。

第3章 安全检测常用传感器 2)暗电流? 光敏元件在无光照时,两端加电压后产生的电流称为

暗电流。暗电流在电路设计中被认为是一种噪声电流。在
高照度情况下,由于光电流与暗电流的比值大,还不会产 生问题;但在低照度时,因光电流与暗电流的比值较小, 如果电路各级间没有耦合电容隔断直流电流,则容易使线 路产生误动作。因此,暗电流对测量微弱光强及精密测量

的影响很大。在选择时,应选择暗电流小的光电器件。

第3章 安全检测常用传感器

3)光照特性?
当光敏元件加一定电压时,光电流I与光敏元件上光照 度E之间的关系,称为光照特性。一般可表示为I=f(E)。? 4)光谱特性? 当光敏元件加一定电压时,如果照射在光敏元件上的是 一单色光,且入射光功率不变,光电流随入射光波长变化而 变化的关系,称为光谱特性。? 光谱特性对选择光电器件和光源有重要意义。当光电器 件的光谱特性与光源的光谱分布协调一致时,光电传感器的 性能较好,效率也高。在检测中,应选择最大灵敏度在需要 测量的光谱范围内的光敏元件,才有可能获得最高灵敏度。

第3章 安全检测常用传感器 5)伏安特性?

在一定照度下,光电流I与光敏元件两端的电压U的关
系I=f(U)称为伏安特性。同晶体管的伏安特性一样,光敏元 件的伏安特性可以用来确定光敏元件的负载电阻,设计应用 电路。 6)频率特性?

在相同的电压和相同幅值的光强度下,当入射光受不同
的正弦交变频率调制时,光敏元件输出的光电流I和灵敏度

K随调制频率f变化的关系I=f1(f),K=f2(f)称为频率特性。

第3章 安全检测常用传感器 7)温度特性?

环境温度变化后,光敏元件的光学性质也将随之改变,
这种现象称为温度特性。温度升高时,电子热运动增强,引 起光敏元件的光电流及光谱特性等变化。温度超过一定值时, 光电器件的性质会有显著地改变。? 光电器件都有极限工作条件,正常使用时都不允许超过

这些指标,否则会影响光电器件的正常工作,甚至使器件损
坏。通常各种光电器件都规定了工作电压、工作电流、工作 温度等的允许范围,使用时要注意。

第3章 安全检测常用传感器 3.光电管 1)结构和工作原理?

典型的光电管有真空光电管和充气光电管两类,两者结 构相似,图3-38(a)所示为光电管的结构示意图,它由一 个阴极和一个阳极构成,它们一起装在一个被抽成真空的玻 璃泡内,阴极装在光电管玻璃泡内壁或特殊的薄片上,光线 通过玻璃泡的透明部分投射到阴极。要求阴极镀有光电发射 材料,并有足够的面积来接受光的照射。阳极要既能有效地 收集阴极所发射的电子,而又不妨碍光线照到阴极上,因此 是用一细长的金属丝弯成圆形或矩形制成,放在玻璃管的中 心。

第3章 安全检测常用传感器 光电管的连接电路图如图3-38(b)所示。光电管的阴 极K和电源的负极相连,阳极A通过负载电阻RL接电源正极, 当阴极受到光线照射时,电子从阴极逸出,在电场作用下 被阳极收集,形成光电流I,该电流及负载电阻RL上的电压 将随光照的强弱而改变,达到把光信号变化转换为电信号 变化的目的。

第3章 安全检测常用传感器

图3-38光电管结构示意图和连接电路

第3章 安全检测常用传感器 充气光电管的结构基本与真空光电管相同,只是管内充 以少量的惰性气体,如氖气等。当光电管阴极被光线照射产

生电子后,在趋向阳极的过程中,由于电子对气体分子的撞
击,将使惰性气体分子电离,从而得到正离子和更多的自由 电子,使电流增加,提高了光电管的灵敏度。但充气光电管

的频率特性较差,温度影响大,伏安特性为非线性等,所以
在自动检测仪表中多采用真空光电管。?

第3章 安全检测常用传感器 2)主要特性? Ⅰ.光电管的伏安特性?

在一定的光照下,对光电管阴极所加电压与阳极所产
生的电流之间的关系称为光电管的伏安特性。真空光电管

和充气光电管的伏安特性分别如图3-39(a)、(b)所示,
它们是光电传感器的主要参数依据,充气光电管的灵敏度 更高。

第3章 安全检测常用传感器

图3-39光电管的伏安特性 (a)真空光电管;(b)充气光电管

第3章 安全检测常用传感器 Ⅱ.光电管的光照特性? 当光电管的阳极和阴极之间所加电压一定时,光通量与

光电流之间的关系称为光照特性。图3-40为光电管的光照特
性,曲线1是氧铯阴极光电管的特性,光电流I与光通量呈线 性关系;曲线2是锑铯阴极光电管的光照特性,呈非线性关 系。光照特性曲线的斜率(光电流与入射光光通量之比)称 为光电管的灵敏度。

第3章 安全检测常用传感器

图3-40光电管的光照特性

第3章 安全检测常用传感器

图3-41光电管的光谱特性

第3章 安全检测常用传感器 Ⅲ.光电管的光谱特性

一般对于光电阴极材料不同的光电管,它们有不同的红 限频率ν0,因此,它们可用于不同的光谱范围。除此之外, 即使照射在阴极上的入射光的频率高于红限频率ν0,并且强 度相同,随着入射光频率的不同,阴极发射的光电子的数量 还会不同,即同一光电管对于不同频率的光的灵敏度不同, 这就是光电管的光谱特性。所以,对各种不同波长区域的光, 应选用不同材料的光电阴极。图3-41为光电管的光谱特性。 国产GD-4型的光电管,阴极是用锑铯材料制成的,其红限为 7000nm,它对可见光范围的入射光灵敏度比较高,转换效率 可达25%~30%。

第3章 安全检测常用传感器

这种管子适用于白光光源,因而被广泛地应用于各种光
电式自动检测仪表中。对红外光源,常用银氧铯阴极,构成 红外传感器。对紫外光源,常用锑铯阴极和镁锅阴极。另外,

锑、钾、钠、铯阴极的光谱范围较宽,为3000~8500nm,灵
敏度也较高,与人的视觉光谱特性很接近,是一种新型的光 电阴极。但也有些光电管的光谱特性和人的视觉光谱特性有

很大差异,因而在测量和控制技术中,这些光电管可以担负
人眼所不能胜任的工作,如坦克和装甲车的夜视镜等。

第3章 安全检测常用传感器 4.光电倍增管 当入射光很微弱时,普通光电管产生的光电流很小,只 有零点几个微安,很不容易探测。这时,常用光电倍增管对 电流进行放大,图3-42是光电倍增管的外形和工作原理图。

第3章 安全检测常用传感器

图3-42光电倍增管的外形和工作原理图

第3章 安全检测常用传感器 1)光电倍增管的结构? 光电倍增管由光阴极、次阴极(倍增电极)以及阳极 三部分组成。光电倍增管由光电阴极K、倍增电极D以及阳 极A组成,倍增电极上涂有电子轰击下能发射更多电子的材 料,其形状和位置设计得正好使前一级发射的电子继续轰 击下一级,倍增级多的可达30级,通常为12~14级。光阴 极是由半导体光电材料锑铯做成,次阴极是在镍或铜一被 的衬底上涂上锑铯材料而形成的。阳极是最后用来收集电 子的,它输出的是电压脉冲。

第3章 安全检测常用传感器 2)工作原理? 光电倍增管除光电阴极外,还有若干个倍增电极。使用时 在各个倍增电极上均匀加上电压。阴极电位最低,从阴极开始, 各个倍增电极的电位依次升高,阳极电位最高。同时这些倍增 电极用次阴极发射材料制成,这种材料在具有一定能量的电子 轰击下,能够产生更多的“次级电子”。由于相邻两个倍增电 极之间有电位差,因此存在加速电场,对电子加速。从阴极发 出的光电子,在电场的加速下,打到第一个倍增电极上,引起 二次电子发射。每个电子能从这个倍增电极上打出3~6倍个次 级电子;被打出来的次级电子再经过电场的加速后,打在第二 个倍增电极上,电子数又增加3~6倍,如此不断倍增,阳极最 后收集到的电子数将达到阴极发射电子数的105~106倍。即光 电倍增管的放大倍数可达几万倍到几百万倍。光电倍增管的灵 敏度就比普通光电管高几万倍到几百万。

第3章 安全检测常用传感器 3)主要参数 Ⅰ.倍增系数M? 倍增系数M等于各倍增电极的二次电子发射系数δi 的乘 积。如果n个倍增电极的δi 相等,则 M ? ? in ,阳极电流I为

I ? i? in ,式中,i是光电阴极的光电流。?
光电倍增管的电流放大系数β为

I n ? ? ? ?i i

(3-66)

倍增系数M与所加电压有关,一般阳极和阴极之间的电压为 1000~2500V,两个相邻倍增电极的电位差为50~100V。

第3章 安全检测常用传感器 Ⅱ.光电特性? 图3-43(a)是光电倍增管的光电特性,当光通量不大 时,阳极电流I和光通量Φ 之间有良好的线性关系,但当光 通量很大时(Φ >0.01?lm?时,出现严重的非线性。光电 倍增管的光谱特性与相同材料的光电管的光谱特性相似。

第3章 安全检测常用传感器

图3-43光电倍增管的特性曲线? (a)光电特性;(b)光谱特性;(c)伏安特性

第3章 安全检测常用传感器 Ⅲ.光谱特性?

图3-43(b)是锑钾铯光电阴极的光电倍增管的光谱特
性。? Ⅳ.伏安特性? 光电倍增管的阳极电流与最后一级倍增极和阳极电压的 关系,称为光电倍增管的伏安特性。图3-43(c)为光电倍 增管的伏安特性,此时其余各电极的电压保持恒定。由图可 见,实际照到光电阴极上的光通量愈大,相应地达到饱和时 的阳极电流也愈大。使用时,应工作在特性曲线的饱和区。

第3章 安全检测常用传感器 Ⅴ.灵敏度? 一个光子在阴极上能够打出的平均电子数叫做光电阴极 的灵敏度。而一个光子在阳极上产生的平均电子数叫光电倍 增管的总灵敏度。光电倍增管的灵敏度高,频率特性好,频

率可达108Hz,甚至更高,但它需要高压直流电源,价格贵、
体积大,经不起机械冲击。

第3章 安全检测常用传感器 Ⅵ.暗电流? 光电倍增管由于环境温度、热辐射等因素的影响,即使

没有光信号输入,加上电压后仍有电流,这种电流称为暗电
流。光电倍增管的暗电流对于测量微弱的光强和确定管子灵 敏度的影响很大,产生暗电流的主要原因是光电阴极和倍增 极的热电子发射,它随温度增加而增加。一般在使用光电倍 增管时,必须将其放在暗室里避光使用,只对入射光起作用。 这种暗电流通常可以用补偿电路加以消除。表3-1为常见光电 倍增管的特性参数。

第3章 安全检测常用传感器 表3-1常见光电倍增管的特性参数

第3章 安全检测常用传感器 5.光敏电阻 1)结构和原理?

光敏电阻又称为光导管。光敏电阻几乎都是用半导体材
料制成。光敏电阻的结构较简单,如图3-44所示。在玻璃底 板上均匀地涂上薄薄的一层半导体物质,半导体的两端装上 金属电极,使电极与半导体层可靠地电接触,然后,将它们 压入塑料封装体内。为了防止周围介质的污染,在半导体光 敏层上覆盖一层漆膜,漆膜成分的选择应该使它在光敏层最 敏感的波长范围内透射率最大。如果把光敏电阻连接到外电 路中,在外加电压的作用下,用光照射就能改变电路中电流

的大小,如图3-45所示为接线电路。

第3章 安全检测常用传感器

图3-44光敏电阻结构

第3章 安全检测常用传感器

图3-45光敏电阻接线电路

第3章 安全检测常用传感器 半导体的导电能力完全取决于半导体导带内载流子数 目的多少。当光敏电阻受到光照时,若光子能量大于该半 导体材料的禁带宽度,则价带中的电子吸收光子能量后跃 迁到导带,成为自由电子,同时产生空穴,电子空穴对的 出现使电阻率变小。光照愈强,光生电子空穴对就越多, 阻值就愈低。入射光消失,电子空穴对逐渐复合,电阻也 逐渐恢复原值。光敏电阻在受到光的照射时,由于内光电 效应使其导电性能增强,电阻 R 下降,所以流过负载电阻 R 的电流及其两端的电压也随之变化。光线越强,电流越大。 当光照停止时,光电效应消失,电阻恢复原值,因而可将 光信号转换为电信号。

第3章 安全检测常用传感器 2)光敏电阻种类 光敏电阻是一个纯电阻性两端器件,适用于交、直流电 路,因而应用广泛,种类很多。对光照敏感的半导体光敏元 件都可以制成光敏电阻,目前人类已开发应用的光波频谱范 围为0.1~lO21Hz,相应的波长为3×109m~0.3pm。半导体光 敏元件的敏感光波长为纳米波,按其最佳工作波长范围可分 为三类。 Ⅰ.对紫外光敏感元件 紫外光是指紫外线(波长λ=10~380nm)的内侧光波, 波长约300-380nm。对这类光敏感的材料有氧化锌(Zn0)、 硫化锌(ZnS)、硫化镉(CdS)、硒化镐(CdSe)等,这 类敏感元件适于作α、β、γ射线检测及光电控制电路。

第3章 安全检测常用传感器

Ⅱ.对可见光敏感元件?
可见光波长范围约(波长λ=380~760nm),对这类光敏 感 的 材 料 有 硒 ( Se ) 、 硅 ( Si ) 、 锗 ( Ge ) 及 硫 化 铊 (TlS)、硫化镉(CdS)等,尤其是TlS光敏元件,它既适 用于可见光,也适用于红外光。这类敏感元件适用于光电计

数、光电耦合、光电控制等场合。?
Ⅲ.对红外光敏感元件? 红外光是红外线(波长λ=760~106nm)的内侧光波,波 长约760~6000nm。对这类光敏感的材料有硫化铅(PbS)、 硒化铅(PbSe)、锑化铟(InSb)等,这类敏感元件主要用

来探测不可见目标。

第3章 安全检测常用传感器 3)光敏电阻的特性?

Ⅰ.暗电阻、亮电阻与光电流?
光敏电阻在未受到光照射时的阻值称为暗电阻,此时流 过的电流称为暗电流;在受到光照射时的电阻称为亮电阻,此 时的电流称为亮电流。亮电流与暗电流之差称为光电流。 一般暗电阻越大,亮电阻越小,光敏电阻的灵敏度越高。 光敏电阻的暗电阻的阻值一般在兆欧数量级,亮电阻在几千 欧以下。暗电阻与亮电阻之比一般在102 ~106 之间,这个数 值是相当可观的。

第3章 安全检测常用传感器 Ⅱ.光敏电阻的伏安特性? 一般光敏电阻如硫化铅、硫化铊的伏安特性曲线如图 3-46所示。由曲线可知,所加的电压越高,光电流越大, 而且没有饱和现象。在给定的电压下,光电流的数值将随 光照增强而增大。

第3章 安全检测常用传感器 Ⅲ.光敏电阻的光照特性? 光敏电阻的光照特性用于描述光电流I和光照强度之间 的关系,绝大多数光敏电阻光照特性曲线是非线性的,如 图3-47所示。不同光敏电阻的光照特性是不相同的。光敏

电阻不宜作线性测量元件,一般用做开关式的光电转换器。

第3章 安全检测常用传感器

图3-46光敏电阻的伏安特性

第3章 安全检测常用传感器

图3-47光敏电阻的光照特性

第3章 安全检测常用传感器 Ⅳ.光敏电阻的光谱特性? 几种常用光敏电阻材料的光谱特性,如图3-48所示。对 于不同波长的光,光敏电阻的灵敏度是不同的。从图中看出, 硫化镉的峰值在可见光区域,而硫化铅的峰值在红外区域。 因此,在选用光敏电阻时,应当把元件和光源的种类结合起 来考虑,才能获得满意的结果。

第3章 安全检测常用传感器 Ⅴ.光敏电阻的温度特性? 随着温度不断升高,光敏电阻的暗电阻和灵敏度都要下

降,同时温度变化也影响它的光谱特性。图3-49表示出硫化
铅的光谱温度特性曲线。从图中可以看出,它的峰值随着温 度上升向波长短的方向移动。因此,有时为了提高元件的灵 敏度,或为了能够接受较长波段的红外辐射,而采取一些致 冷措施。

第3章 安全检测常用传感器

图3-48光敏电阻的光谱特性

第3章 安全检测常用传感器

图3-49光敏电阻的温度特性

第3章 安全检测常用传感器 Ⅵ.光敏电阻的响应时间和频率特性? 实验证明,光敏电阻的光电流不能立刻随着光照量的改

变而改变,即光敏电阻产生的光电流有一定的延迟性,这个
延迟性通常用时间常数t来描述。所谓时间常数,即为光敏电 阻自停止光照起到电流下降为原来的63%所需要的时间,因 此,时间常数越小,响应越迅速。但大多数光敏电阻的时间 常数都较大,这是它的缺点之一。

第3章 安全检测常用传感器 6.光敏二极管和光敏三极管 1)结构及工作原理?

Ⅰ.光敏二极管?
光敏二极管的结构与一般二极管相似,它装在透明玻璃 外壳中,PN结位于管顶,可直接受到光照射。光敏二极管在 电路中一般处于反向工作状态,见图3-50(a)。在没有光 照射时,反向电阻很大,反向电流很小,反向电流也叫暗电 流,这时光敏二极管处于截止状态。当光照射时,光敏二极 管处于导通状态,工作原理与光电池类似。图3-50(b)是 光敏二极管的符号图。

第3章 安全检测常用传感器

图3-50光敏二极管符号图

第3章 安全检测常用传感器

图3-51光敏二极管接线法

第3章 安全检测常用传感器 Ⅱ.光敏三极管? 光敏三极管的结构与一般三极管很相似,有PNP型和NPN 型两种,只是它的发射极一边做得很大,以扩大光的照射面 积,且基极往往不接引线。如图3-52所示,光敏三极管也有 两个PN结,因此具有电流增益。以NPN型为例,当集电极加上 正电压,基极开路时,集电结处于反向偏置状态。当光线照 在发射结时,会产生电子-空穴对,光生电子被拉到集电极, 基区留下空穴,使基极相对发射极电位升高,这样便有大量 的电子流向集电极,形成输出电流,且集电极电流为光电流 的β 倍。

第3章 安全检测常用传感器

图3-52光敏三极管符号图及工作电路

第3章 安全检测常用传感器 2)光敏二极管的主要特性 Ⅰ.光谱特性? 光敏二极管和光敏晶体管都是由硅或锗材料作敏感元

件,这两种敏感元件的光谱特性如图3-53所示。锗管的敏
感波长范围是500~1800nm,峰值波长约为1500nm。显然, 锗管的光敏感范围比硅管大。由于锗管温度性能比较差,

因而测可见光时,主要用硅管;探测红外光时,主要用锗
管。

第3章 安全检测常用传感器

图3-53 光敏二极管的光谱特性

第3章 安全检测常用传感器 Ⅱ.光照特性? 光敏二极管与光敏晶体管的光照特性有明显不同,以硅 管为例,如图3-54所示。光敏二极管的光照特性近似为线性 关系;光敏晶体管的光照特性为非线性。光照度E(单位:勒 克司lx)较小时,光电流随光照度加强而缓慢增加;当光照度 较大时,光电流又趋于饱和。

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图3-54硅光敏管的光照特性 (a)光敏二极管;(b)光敏晶体管

第3章 安全检测常用传感器 Ⅲ.伏安特性? 图3-55为硅光敏管在不同照度下的伏安特性。由图可见, 光敏管的输出电流与所加的偏置电压关系不大,具有近似的 恒流特性;光敏晶体管比光敏二极管的光电流大近百倍,因 而具有更高的灵敏度;光敏二极管在零偏压下就有一定的电 流输出,光敏晶体管却有一段死区电压。

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图3-55硅光敏管的伏安特性

第3章 安全检测常用传感器 Ⅳ.频率特性? 光敏二极管的频率特性较好,是半导体光敏器件中最好

的一种,其响应速度达0.1μ s,截止频率高,适用于快速变
化的光调制信号。光敏晶体管由于基区面积大,载流子穿越 基区所需的时间长,因而其频率特性比二极管差。无论是哪 一类光敏管,其负载电阻越大,频率特性越差。锗光敏管比 硅光敏管频率特性差。

第3章 安全检测常用传感器 Ⅴ.温度特性? 无论是硅管还是锗管,对温度的变化都比较敏感,温度 升高,热激发产生的电子—空穴对增加,使暗电流上升。尤 其是锗管,其暗电流较大,温度特性较差,如图3-56(a) 所示。温度升高对光电流影响不大,如图3-56(b)所示。 对于在高温低照度下工作的光敏晶体管,此时暗电流上升、 亮电流下降,使信噪比减小。为了提高信噪比,应采取相应 的温度补偿或降温措施。

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图3-56光敏管的温度特性? (a)暗电流与温度关系;?(b)光电流与温度关系

第3章 安全检测常用传感器 3.3.4霍尔传感器 1.霍尔效应 1879年,霍尔发现在通有电流的金属板上加一匀强磁场, 当电流方向与磁场方向垂直时,在与电流和磁场都垂直的金 属板的两表面间出现电势差,这个现象称为霍尔效应,这个 电势差称为霍尔电动势,其成因可用带电粒子在磁场中所受 到的洛仑兹力来解释。如图3-57(a)所示,将金属或半导 体薄片置于磁感应强度为B的磁场中,当有电流流过薄片时, 电子受到洛仑兹力 fL 的作用向一侧偏移,电子向一侧堆积形 成电场,该电场对电子又产生电场力。电子积累越多,电场 力越大。洛仑兹力的方向可用左手定则判断,它与电场力的 方向恰好相反。当两个力达到动态平衡时,在薄片的cd方向 建立稳定电场,即霍尔电动势。

第3章 安全检测常用传感器 霍尔效应的产生是由于电荷受磁场中洛仑兹力作用的 结果。如图3-57(a)所示,一块长为 L ,宽为 b 、厚度为 d 的N型半导体薄片(称为霍尔基片),沿基片长度通以电流

I(称激励电流或控制电流),在垂直于半导体薄片平面的
方向上加以磁B,则半导体中的载流子电子要受到洛仑兹力

的作用,由物理学知

f L ? qvB
v——半导体中电子运动速度;?

(3-67)

式中: q——电子的电荷量,q=1.602×10-19C;?

B——外磁场的磁感应强度。

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图3-57霍尔效应原理图及符号 (a)霍尔效应原理图;(b)图形符号

第3章 安全检测常用传感器 在力fL的作用下,电子被推向半导体的一侧并在该侧 面积累负电荷,而在另一侧面积累正电荷,这样在基片两 侧面间建立起静电场,电子又受到电场力fE的作用,且

f E ? qEH
式中EH——静电场的电场强度。

(3-68)

fE将阻止电子继续偏移,当fE=fL时,qvB=qEH。

EH=vB

(3-69)

第3章 安全检测常用传感器 电荷积累处于动态平衡,即基片宽度两侧面间由于电荷 积累形成的电位差UH ,称为霍尔电势。它与霍尔电场强度 EH的关系为

U H ? bEH

(3-70)

将上式代入式(3-69)得

U H ? bvB
假设流过基片的电流I分布均匀,则有

(3-71)

I ? nqvbd

(3-72)

第3章 安全检测常用传感器 式中 n—N型半导体载流子浓度(单位体积中的电子数); bd—与电流方向垂直的截面积。 将 (3-71)式与 (3-72)式合并整理得

BI BI UH ? ? RH nqd d
1 半导体有 RH ? 。 nq

(3-73)

式中 RH——霍尔系数,它是由材料性质决定的常数,对N型

RH 令 KH ? ,则有 U H ? K H IB d

(3-74)

第3章 安全检测常用传感器 比例系数KH表征霍尔元件的特性,称为霍尔元件的灵敏度。 由上式可见,霍尔电势UH正比于激励电流I和磁感应强度B,

且当I或B的方向改变时,霍尔电动势的方向也随之改变。电
流越大,磁场越强,电子受到的洛仑兹力也越大,霍尔电动 势也就越高。其次,薄片的厚度、半导体材料中的电子浓度

等因素对霍尔电动势也有影响。
如果磁场方向与半导体薄片不垂直,而是与其法线方向 的夹角为θ,则霍尔电动势为

U H ? K H IB cos θ

(3-75)

第3章 安全检测常用传感器 2.霍尔元件 由于导体的霍尔效应很弱,霍尔元件都用半导体材料

制作。目前常用的霍尔元件材料是N型硅,它的霍尔灵敏度
系数、温度特性、线性度均较好。锑化铟(InSb)、砷化 铟(InAs)、N型锗(Ge)等也是常用的霍尔元件材料。锑 化铟元件的输出较大,受温度影响也较大;砷化铟和锗输 出不及锑化铟大,但温度系数小,线性度好。砷化镓 (GaAs)是新型的霍尔元件材料,温度特性和输出线性都 好,但价格贵,今后将逐渐得到应用。

第3章 安全检测常用传感器 霍尔元件是一种半导体四端薄片,它一般做成正方形, 在薄片的相对两侧对称的焊上两对电极引出线。一对称极

为激励电流端,另外一对称极为霍尔电动势输出端。霍尔
元件的结构很简单,它由霍尔片、引线和壳体组成。霍尔 片是一块半导体(多采用N型半导体)矩形薄片,见图3-58

(a)。在短边的两个端面上焊上两根控制电流端(称控制
电极或激励电极)引线1和1′,在元件长边的中间以点的 形式焊上两根霍尔输出端(称霍尔电极)引线2和2′。

在焊接处要求接触电阻小,而且呈纯电阻性质(欧姆接
触)。霍尔片一般用非磁性金属、陶瓷或环氧树脂封装。 在电路中霍尔元件可用两种符号表示,见图3-58(b)。

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图3-58霍尔元件符号及电路图

第3章 安全检测常用传感器 1)利用UH与I的关系? 当磁场恒定时,在一定温度下,霍尔电势UH与控制电 流I呈很好的线性关系,利用这一特性,霍尔元件可用于直 接测量电流,也可用于测量能转换为电流的其他物理量。

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2)利用UH与B的关系?
当控制电流一定时,霍尔电势与磁感应强度成正比。利用 这个关系可以测量交、直流磁感应强度、磁场强度等。利用霍 尔元件制作的钳形电流表可以在不切断电路的情况下,通过测 量电流产生的磁场而测得该电流值,可测最大电流达100kA以 上。?

如果保持霍尔元件的激励电流不变,而让它在一个均匀梯 度的磁场中移动时,则其输出的霍尔电势就取决于它在磁场中 的位置。利用这一原理可以测量微位移和可转换为微位移的其 他量如压力、加速度、振动等。?
利用霍尔元件的“UH-B”关系还研制出霍尔式罗盘、方位 传感器、转速传感器、接近开关、无触点开关、导磁产品计数 器等。

第3章 安全检测常用传感器 3)利用UH与I、B的关系?

如果控制电流为I1,磁感应强度B由励磁电流I2产生,则 据式(3-76),霍尔电势可表示为

U H ? KI1 I 2

(3-76)

利用上述乘法关系,将霍尔元件与激励线圈、放大器等组 合起来,可以做成模拟运算的乘法器、开方器、平方器、

除法器等各种运算器。同样道理,依据式(3-76)也可利
用霍尔元件进行功率测量。

第3章 安全检测常用传感器 3.集成霍尔传感器 集成霍尔传感器是利用硅集成电路工艺将霍尔元件、 放大器、稳压电源、功能电路及输出电路等集成在一起的 单片集成传感器。集成霍尔传感器中霍尔元件的材料仍以 半导体硅为主,按输出信号的形式可分为线性型(又称模 拟型)和开关型两类。霍尔集成电路有扁平封装、双列直 插封装和软封装几种。

第3章 安全检测常用传感器 1)线性集成霍尔传感器? 线性集成霍尔传感器是将霍尔元件、恒流源、线性放大 电路等集成在一个芯片上,输出模拟电压与外加磁场呈线性 关系,输出电压较高(伏级),使用非常方便。线性集成霍 尔传感器用于无触点电位器、无刷直流电动机、速度传感器 和位置传感器等。? UGN3501M是具有双端差动输出的线性霍尔器件,其外形、 内部电路框图如图3-59所示。当感受的磁场为零时,输出电 压等于零;当感受的磁场为正向(磁钢的S极对准UGN3501M的 正面)时,输出为正;磁场反向时,输出为负,因此使用起 来非常方便。它的第5、6、7脚外接一微调电位器,可以进行 微调并消除不等位电势引起的差动输出零点漂移。?

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图3-59差动输出线性霍尔集成传感器

第3章 安全检测常用传感器 2)开关型霍尔集成传感器? 开关型霍尔集成传感器由霍尔元件、稳压器、差分放大

器、施密特触发器、OC门(集电极开路输出门)等电路做在
同一芯片上组成。当外加磁场强度达到或超过规定的工作点 时,OC门由高阻态变为导通状态,输出为低电平;当外加磁

场强度低于释放点时,OC门重新变为高阻态,输出变为高电
平。开关集成霍尔传感器用于键盘开关、接近开关、速度传 感器和位置传感器。

第3章 安全检测常用传感器 开关型霍尔集成传感器有单稳态和双稳态两种,如UGN (S)3019T和UGN(S)3020T均属于单稳开关型霍尔器件,而

UGN(S)3030T和UGN(S)3075T为双稳开关型霍尔器件。双
稳开关型霍尔器件内部包含双稳态电路,其特点是当外加磁 场强度达到规定的工作点时,霍尔器件导通,磁场消失后器

件仍保持导通状态。只有施加反向极性的磁场,而且磁场强
度达到规定的工作点时,器件才能回到关闭状态,也就是说, 具有“锁键”功能。因此,这类器件又称为锁键型霍尔集成

传感器。开关型霍尔集成传感器如图3-60所示。

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图3-60开关型霍尔集成传感器

第3章 安全检测常用传感器 4.霍尔传感器的应用? 保持霍尔元件的控制电流不变,使其在一个均匀梯度

的磁场中移动时,其输出的霍尔电势只取决于它在磁场中
的位移量。利用这个原理,即可进行微位移的测量。如图 3-61(a)所示,在极性相反、磁场强度相同的两个磁钢气 隙中放置一块霍尔片,当霍尔元件沿x方向移动时,霍尔 电势的变化为

UH=Kx
式中: K为霍尔位移传感器输出灵敏度。

第3章 安全检测常用传感器 可见,霍尔电势与位移量x成线性关系(如图3-62所 示),并且霍尔电势的极性反映元件位移的方向。实践证 明,磁场变化率越大,灵敏度越高;磁场变化率越小,线 性度越好。上式还表示当霍尔元件位于磁钢中间位置时, 即x=0时,UH=0,这是由于在此位置元件同时受到方向相反、

大小相等的磁通作用的结果。基于霍尔效应制成的位移传
感器一般可以测量1~2mm的小位移。

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图3-61霍尔微位移测量示意图

第3章 安全检测常用传感器

图3-62霍尔接近开关特性

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3.4其他类型传感器
1.超声波传感器?

为了以超声波作为检测手段,必须产生超声波和接收超 声波。完成这种功能的装置就是超声波传感器,习惯上称为 超声波换能器,或超声波探头。超声波发射探头发出的超声 波脉冲在介质中传到相介面经过反射后,再返回到接收探头, 这就是超声波测距原理。超声波探头常用的材料是压电晶体 和压电陶瓷,这种探头统称为压电式超声波探头,它是利用 压电材料的压电效应来工作的。逆压电效应将高频电振动转 换成高频机械振动,以产生超声波,可作为发射探头;而利 用正压电效应则将接收的超声振动转换成电信号,可作为接 收探头。超声波探头的具体结构如图3-63所示。

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图3-63超声波探头结构 (a)?发射探头;?(b)?接收探头

第3章 安全检测常用传感器 2.微波传感器

由发射天线发出的微波,遇到被测物体时将被吸收或 反射,使功率发生变化。若利用接收天线接收通过被测物 或由被测物反射回来的微波,并将它转换成电信号,再由 测量电路处理,就实现了微波检测。根据这一原理,微波 传感器可分为反射式与遮断式两种。?
(1)反射式传感器通过检测被测物反射回来的微波功率 或经过时间间隔,来表达被测物的位置、厚度等参数。? (2)遮断式传感器通过检测接收天线接收到的微波功率 的大小,来判断发射天线与接收天线间有无被测物或被测 物的位置等参数。

第3章 安全检测常用传感器 3.红外探测器 1)反射式红外探测器?

反射式光学系统的红外探测器的结构如图3-64所示。
它由凹面玻璃反射镜组成,其表面镀金、铝和镍铬等红外

波段反射率很高的材料构成反射式光学系统。为了减小像
差或使用上的方便,常另加一片次镜,使目标辐射经两次 反射聚集到敏感元件上,敏感元件与透镜组合一体,前置

放大器接收热电转换后的电信号,并对其进行放大。

第3章 安全检测常用传感器

图3-64反射式红外探测器示意图

第3章 安全检测常用传感器 2)透射式红外探测器? 透射式光学系统的红外探测器如图3-65所示。透射式光

学系统的部件用红外光学材料做成,不同的红外光波长应选
用不同的红外光学材料:在测量700℃以上的高温时,用波 长为0.75~3μ m范围内的近红外光,用一般光学玻璃和石英

等材料作透镜材料;当测量100~700℃范围的温度时,一般
用3~5μ m的中红外光,多用氟化镁、氧化镁等热敏材料; 测量100℃以下的温度用波为5~14μ m的中远红外光,多采

用锗、硅、硫化锌等热敏材料。获取透射红外光的光学材料
一般比较困难,反射式光学系统可避免这一困难,所以,反 射光学系统用得较多。

第3章 安全检测常用传感器

图3-65透射式红外探测器示意图

第3章 安全检测常用传感器

4.射线式传感器
射线式传感器主要由放射源和探测器组成,利用射线式 传感器进行测量时,都要有可发射出粒子α、β或γ射线的辐射 源。选择射线源应尽量提高检测灵敏度和减小统计误差。为 避免经常更换放射源,要求采用的同位素有较长的半衰期及 合适的放射强度。因此,尽管放射性同位素种类很多,但能 用于测量的有二十种左右。? 放射线源的结构应使射线从测量方向射出,而其他方向 则必须使射线的剂量尽可能小,以减少对人体的危害。β射线 辐射源一般为圆盘状,γ射线辐射源一般为丝状、圆柱状或圆 片状。图3-66所示为β厚度计辐射源容器,射线出口处装有辐 射薄膜,以防灰尘浸入,并能防止放射源受到意外损伤而造 成污染。

第3章 安全检测常用传感器

图3-66辐射源容器

第3章 安全检测常用传感器 5.离子敏传感器 离子敏传感器是一种对离子具有选择敏感作用的场效应 晶体管,它是由离子选择性电极(ISE)与金属—氧化物—半导

体场效应晶体管(MOSFET)组合而成的,简称ISFET。ISFET是
用来测量溶液(或体检)小离子浓度的微型固态电化学敏感器 件。如果将普通MOSFET的金属栅去掉,让绝缘氧化层直接与

溶液相接触,或者将栅极用铂膜作引出线,并在铂膜上涂覆
一层离子敏感膜,就构成了一只ISFET,如图3-67所示。

第3章 安全检测常用传感器

图3-67 敏感膜涂覆在MOSFET栅极的ISFET示意图

第3章 安全检测常用传感器 离子敏传感器的工作原理是MOS场效应。晶体管是利用 金属栅上所加电压大小来控制漏源电流的,ISFET则是利用

其对溶液中离子有选择作用而改变栅极电位,以此来控制漏
源电流变化的。当将ISFET插入溶液时,在测溶液与敏感膜 接触处会产生一定的界面电势,其大小取决于溶液中被测离

子的浓度。

第3章 安全检测常用传感器 6.谐振式传感器 谐振式传感器能直接将被测量转换为振动频率信号,

故也称为频率式传感器。它很容易进行数字显示,因此具
有数字化技术的许多优点:①测量精度和分辨力比模拟式 的要高得多,有很高的抗干扰性和稳定性;②便于信号的 传输、处理和存储;③易于实现多路检测。 谐振式传感器的种类很多,按照它们谐振的原理可分

为:电的、机械的和原子的三类。这里只讨论机械式谐振
传感器。

第3章 安全检测常用传感器 1)振弦式传感器? 振弦式传感器是以被拉紧了的钢弦作为敏感元件,其振 动频率与拉紧力的大小、弦的长度有关。当振弦的长度确定 后,弦振动频率的变化量便表示拉力的大小,且输入是力, 输出是频率。?

振弦式传感器的优点是:结构简单牢固、测量范围大、 灵敏度高、测量线路简单,因此,广泛用于大压力的测试, 也可用来测量位移、扭矩、力和加速度等。其缺点是:对传 感器的材料和加工工艺要求很高,而传感器的精度较低,总 精度约±1.5%。

第3章 安全检测常用传感器 振弦式压力传感器的原理结构,如图3-68所示。振弦 固定在上、下夹块之间,用固紧螺钉固紧,给弦加一定的 初始张力T。振弦是传感器的敏感元件,对传感器的精度、 灵敏度、稳定性有着举足轻重的作用。因此,对振弦材料 提出严格的要求:要抗拉强度高、弹性模量大、磁性和导

电性能好、线膨胀系数小,一般采用含碳量高的含钨、含
钛的材料制造。在振弦的中部固定着软铁块、永久磁铁和 线圈,构成弦的激励器,同时兼作弦的拾振器。永久磁铁

一般用AlNiCO5硬磁合金。磁力线的通路是磁铁—软铁块—振
弦—磁铁,从而形成一个封闭的磁回路。下夹块和膜片相连, 感受被测压力P。

第3章 安全检测常用传感器

图3-68振弦式传感器原理

第3章 安全检测常用传感器

2)振筒式传感器?
振筒式传感器是用振筒的固有振动频率来测量有关参数, 其固有频率取决于筒的形状、大小、材料和筒周围的介质等。 应用均匀薄壁圆筒作敏感元件,是近十多年来发展起来的一 种新技术。这种传感器的优点是迟滞误差和漂移误差极小、 固定性好、分辨率高以及轻便、成本低。它主要用于测量气 体的压力和密度等。? 振筒式压力传感器的结构原理如图3-69所示。振筒是一 个薄壁金属圆筒,它是传感器的敏感元件,壁厚为0.07~ 0.12mm,其一端固定,另一端密封可以自由运动。圆筒材料 必须是能够构成闭合磁回路的磁性材料,并且弹性温度系数 很低(如用合金材料),并用冷挤压和热处理等工艺加工制成。 外保护筒用来防止外磁场的干扰并起机械保护作用。

第3章 安全检测常用传感器

图3-69振筒式传感器的结构原理

第3章 安全检测常用传感器

3.5传感器的选用原则
3.5.1传感器的选用指标 1.灵敏度 一般来讲,检测精度越高,就要求传感器具有较高的灵 敏度。然而要考虑到,当灵敏度高时,与测量信号无关的外 界噪声也容易混入,并且噪声也会被放大系统放大。因此, 必须考虑既要求检测微小量值,又要噪声小。为保证此点, 往往要求信噪比越大越好,即要求传感器本身噪声小,且不 易从外界引入干扰噪声。当输入量增大时,除非有专门的非 线性校正措施,传感器不应进入非线性区,更不能进入饱和 区域。有些检测工作在较强的噪声干扰下进行,这时对传感 器来讲,其输入量不仅包括被测量,也包括干扰量,两者的 叠加不能进入非线性区。显然,过高的灵敏度将会影响其适 用测量范围。

第3章 安全检测常用传感器 2.响应特性? 传感器的响应特性是指在所测频率范围内保持不失真的 测量条件。实际传感器的响应总有一定的延迟,但希望延迟 时间越小越好。? 一般来讲,利用光电效应、压电效应等制作的物性型传 感器,其响应时间短,可工作频率范围宽。而结构型(如电 感、电容、磁电式)传感器等,由于受结构特性的影响,以 及机械系统惯性质量的限制,其固有频率较低。?

在动态测量中,传感器的响应特性对测试结果有直接影 响。在选用时,应充分考虑到被测物理量的变化特点(如稳 态、瞬变、随机等)。

第3章 安全检测常用传感器 3.线性范围

任何传感器都有一定的线性范围,在线性范围内输出与 输入成比例关系。传感器工作在线性区域内,是保证测量精 度的基本条件。线性范围越宽,表明传感器的工作量程越大。
然而,任何传感器都不容易保证其绝对线性,某些情况 下,在保证检测精度的前提下,可利用其近似线性区。例如, 变间隙型电容传感器、电感式传感器等,均采用在初始间隙 附近的近似线性区内工作。选用时必须考虑被测物理量的变 化范围,令其非线性误差在允许的范围之内。在进行自动检 测的情况下,可利用微机系统,通过软件对传感器的输出特 性进行线性补偿,往往可以使其线性范围扩大很多。

第3章 安全检测常用传感器

4.稳定性
稳定性表示传感器经过长时间使用以后,其输出特性不 发生变化的性能,和传感器在正常工作条件下,环境参数 (如温度、湿度、大气压力等)的变化对其输出特性影响程 度的指标。因而,影响传感器稳定性的因素是时间与环境。 为了保证稳定性,在选定传感器之前,应对使用环境进 行调查,以选择较合适的传感器类型。例如湿度会影响电阻 应变式传感器的绝缘性能;温度的变化将产生零点漂移;长 期使用会发生蠕变现象等。又如:变间隙型电容传感器,环 境湿度或油剂侵入间隙时,相当于电容器的介质发生变化; 光电式传感器感光表面有尘埃或水汽时,要导致灵敏度下降; 磁电式传感器在电场或磁场中工作时,亦会带来测量误差等 等。

第3章 安全检测常用传感器 5.精确度 传感器的精确度表示传感器的输出与被测量的对应程度。 传感器处于检测系统的输入端,因此,传感器能否真实地反 映被测量值,对整个系统具有直接影响。? 在实际工作中,并非要求传感器的精确度越高越好。传 感器的精确度越高价格也越昂贵。因此应考虑到经济性从实 际出发来选择。

第3章 安全检测常用传感器 在确定传感器的精确度时,首先应了解检测的目的和

要求,判定是定性分析还是定量分析。如果是属于相对比
较性的试验研究,只需获得相对比较值即可,那么要求传 感器的精密度高,而无需要求绝对量值。如果是进行定量

分析,那就必须获得精确量值,因而要求传感器要有足够
高的精确度。例如,超精密切削机床,为研究其运动部件 的定位精度、主轴回转运动误差、振动及热变形等,往往

要求测量精度在0.15~0.015m范围内,要测得这样的量值,
必须选用高精度的传感器。?

第3章 安全检测常用传感器 6.测量方式? 在实际检测工作中,传感器的工作方式(如接触测量、 在线测量与非在线测量等)也是选用传感器时应考虑的重 要因素。条件的不同,对传感器的要求也不同。? 在机械系统中,运动部件的被测参数(例如回转轴的 运动误差、振动、扭矩等)往往采用接触测量,有许多实 际因素,诸如测量头的磨损、接触状态的变动等都不易妥 善解决,也易造成测量误差,同时给信号的采集带来困难。 若采用电容式、电涡流式等非接触传感器,将带来很大方 便。若选用电阻应变片时,则需配以遥测应变仪。

第3章 安全检测常用传感器 在某些情况下,有时要求对测试件进行破坏性检验,如 果合理地选择检测方法,可以把破坏性检测用非破坏性检测 (如涡流探伤、超声探伤、核辐射探伤、测厚等)来代替。 由于非破坏性检测可带来直接经济效益,最好尽可能地选用 非破坏性检测方在线实时检测是与实际情况更接近一致的检 测方法。特别是实现自动化过程的控制与检测系统,往往对 真实性与可靠性要求很高,因此必须进行在线实时检测才能 达到检测的要求。而实现在线实时检测是比较困难的,对传 感器和测试系统都有一定的特殊要求。例如在加工过程中进 行表面粗糙度的检测时,以往的静态检测方法(如光切法、 触针法、干扰法等)都无法运用,而需要采用激光检测法。 各种新型在线实时检测传感器的研制,是当前检测技术发展 的一个重要方向。

第3章 安全检测常用传感器

3.5.2传感器的选择与应用
1.传感器的选择与方法 如何根据具体的测量目的、测量对象以及测量环境合理 地选用传感器,是在进行某个量测量时首先要解决的问题。 当传感器确定之后,与之相配套的测量方法和测量设备也就 可以确定了。测量结果的成败,在很大程度上取决于传感器 的选用是否合理。为此,要从系统总体考虑,明确使用的目 的以及采用传感器的必要性,绝对不要采用不适宜的传感器 与不必要的传感器。因此,有必要根据不同的测试目的,规 定选择传感器的某些标准。选择传感器所应考虑的项目是各 种各样的,可是要满足所有项目要求也未必是必要的。应根 据传感器实际使用目的、指标、环境条件和成本,从不同的 侧重点,优先考虑几个重要的条件就可以了。选择的标准主 要考虑以下因素:传感器的性能、传感器的可用性、能量消 耗、成本、环境条件以及与购置有关的项目等。

第3章 安全检测常用传感器 1)测试条件与目的?

(1)测试的目的;?
(2)被测量的选择;? (3)测量范围;? (4)过载的发生频度;? (5)输入信号的频带;? (6)测量要求精度;? (7)测量时间。

第3章 安全检测常用传感器 2)传感器的性能? (1)精度;?

(2)稳定性;?
(3)响应速度;? (4)输出信号类型(模拟或数字);? (5)静态特性、动态特性和环境特性;? (6)传感器的工作寿命或循环寿命;?

(7)标定周期;?
(8)信噪比。

第3章 安全检测常用传感器

3)传感器的使用条件? (1)所测量的流体、固体对传感器的影响;? (2)传感器对被测对象的质量(负荷)效应;? (3)安装现场条件及环境条件(温度、湿度、振动等);? (4)信号的传输距离;? (5)传感器的输出端的连接方式;? (6)传感器对所测量物理量的实际值的影响;? (7)传感器是否符合国家标准或工业规范;? (8)传感器的失效形式;? (9)传感器的维护、安装、使用工作人员所具备的最低技术能力; (10)传感器的标定方法;? (11)传感器的安装方式;? (12)过载保护。

第3章 安全检测常用传感器

4)传感器所接数据采集系统及辅助设备?
(1)传感器所连接数据系统的一般性质;? (2)数据系统主要单元的性质,其中包括数据传输连接 方式、数据处理方法、数据存储方法、数据显示方式;? (3)数据系统的精确性和频率的响应特性;?

(4)传感器系统的负荷阻抗特性;?
(5)传感器的输出是否需要进行频率滤波和幅值变换及 其处理方法;? (6)数据系统对传感器输出误差检测或校正能力。

第3章 安全检测常用传感器 5)关于购置与维护项目? (1)传感器的价格;? (2)出厂日期;? (3)服务体制;?

(4)备件;?
(5)保修期间。

第3章 安全检测常用传感器 2.传感器的应用及注意事项? 每一个传感器都有自己的性能和使用条件,因此对于特

定传感器的适应性很大程度上取决于传感器的使用方法。传
感器的种类繁多,应用场合也各种各样,不可能将各种传感 器的使用方法及注意事项一一列举,因此,用户在使用传感

器之前应特别注意阅读较详细的说明书。
这里列出传感器一些常见的使用方法:?

(1)使用前必须要认真阅读使用说明书。

第3章 安全检测常用传感器 (2)正确地选择安装点和正确安装传感器都是非常重要

的环节。若在安装环节失误,轻者影响测量精度,重者会影
响传感器的使用寿命,甚至损坏传感器。安装固定传感器的 方式要简单可靠。在某一周期内,传感器的功能将会达到连

续可靠,该周期长达30天。传感器在工业环境下至少工作两
年或更长,在合理的费用基础之上进行更新和替换。? (3)一定要注意传感器的使用安全性,比如传感器自身 和操作人员的安全性,特别是注意在说明书中所标注的“注 意”和危险项目。

第3章 安全检测常用传感器 (4)传感器和测量仪表必须可靠连接,系统应有良好的 接地,远离强电场、强磁场。传感器和仪表应远离强腐蚀性 物体,远离易燃、易爆物品。? (5)仪器输入端与输出端必须保持干燥和清洁。传感器 在不用时,保持传感器的插头和插座的清洁。?

(6)传感器通过插头与供电电源和二次仪表连接时,应
注意引线号不能接错、颠倒,连接传感器与测量仪表之间的 连接电缆必须符合传感器及使用条件的要求。? (7)精度较高的传感器都需要定期校准,一般来说,需 要3~6周校准一次。

第3章 安全检测常用传感器 (8)各种传感器都有一定的过载能力,但使用时应尽量 不要超量程。?

(9)在插拔仪表与外部设备连接线前,必须先切断仪表
及相应设备电源。? (10)传感器不使用时,应存放在温度为10~35℃,相 对湿度不大于85%,无酸、无碱和无腐蚀性气体的房间内。 (11)传感器如果出现异常或故障应及时与厂家联系,不 得擅自拆卸传感器。


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