1、第五講第五講 其它類(lèi)型的傳感器其它類(lèi)型的傳感器(二二) 電感式傳感器的定義電感式傳感器的定義: :是利用線圈的自感是利用線圈的自感或互感變化實(shí)現(xiàn)非電量轉(zhuǎn)換的一種裝置。或互感變化實(shí)現(xiàn)非電量轉(zhuǎn)換的一種裝置。 電感式傳感器的工作原理如下圖：電感式傳感器的工作原理如下圖：位移、振動(dòng)、壓力、應(yīng)變、流量、力、力矩、重量、密度等被測(cè)非電量電感變換元件（確定關(guān)系）電感變化量DL、DM被測(cè)電路（確定關(guān)系）可用電量U, I, f電感式傳感器一一、電感式傳感器各種電感式傳感器各種電感式傳感器非接觸式位移傳感器測(cè)厚傳感器電感粗糙度儀接近式傳感器a)氣隙型 b)截面型 c)螺管型自感式傳感器原理圖SfL, SfL2 1

2、fL 變氣隙型傳感器變截面型傳感器 線圈中放入圓形銜鐵 可變自感 螺管型傳感器。（一）、自感式傳感器（一）、自感式傳感器（1）、組成 由線圈、鐵芯及銜鐵三部分組成Dx D DRm DL 標(biāo)度變換S1l1L1W23l2D1線圈；2鐵芯(定鐵芯)；3銜鐵(動(dòng)鐵芯)S2 磁路總磁阻為： 002221112SSlSlRm式中： 1鐵芯材料的導(dǎo)磁率；2銜鐵材料的導(dǎo)磁率； l1磁通通過(guò)鐵芯的長(zhǎng)度；l2磁通通過(guò)銜鐵的長(zhǎng)度； S1鐵芯的截面積； S2銜鐵的截面積； 0空氣的導(dǎo)磁率； S0氣隙的截面積； 氣隙的厚度。 (5-1)mRNL2線圈中電感量：(5-2)（2 ）、工作原理通常氣隙磁阻遠(yuǎn)大于鐵芯和銜鐵的磁

3、阻， 即 ：222001110022SlSSlS（5-3） 則式（5-2）可寫(xiě)為： 002SRm（5-4） 聯(lián)立式（5-1）及式（5-4）， 可得： 20022SNRNLm（5-5） （3）、輸出特性）、輸出特性220000000000/ 22()(1/)1/NSNSLLLL D D D D200002NSL0 0LL0 L0+L L0-L22002NSNLRm量為量為特性曲線非線性特性曲線非線性/ / 1 1時(shí)，用泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)。時(shí)，用泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)。/ / 1 1時(shí)，可將前式用泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)時(shí)，可將前式用泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi), ,求出電感增量求出電感增量23000001()()LLLLDDDD 2230

4、0000001()()()LLDDDDDDD 銜鐵下移時(shí)電感的相對(duì)增量增大銜鐵下移時(shí)電感的相對(duì)增量增大銜鐵上移時(shí)電感的相對(duì)增量減小銜鐵上移時(shí)電感的相對(duì)增量減小22300000001()()()LLDDDDDDD 對(duì)上式作線性處理對(duì)上式作線性處理 定義定義變磁阻式傳感器的靈敏度為變磁阻式傳感器的靈敏度為: : / / rlr，當(dāng)銜鐵工作在螺管的中部時(shí)，當(dāng)銜鐵工作在螺管的中部時(shí)，可以認(rèn)為線圈內(nèi)磁場(chǎng)強(qiáng)度是均勻的，線圈電感量可以認(rèn)為線圈內(nèi)磁場(chǎng)強(qiáng)度是均勻的，線圈電感量L L與銜鐵的與銜鐵的插入深度插入深度l l大致上成正比。大致上成正比。這種傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制作容易，靈敏度較低，適用這種傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，

5、制作容易，靈敏度較低，適用于測(cè)量較大的位移量。于測(cè)量較大的位移量。三種形式的差動(dòng)式自感傳感器以變氣隙式電感傳三種形式的差動(dòng)式自感傳感器以變氣隙式電感傳感器的應(yīng)用最廣。感器的應(yīng)用最廣。(a)(a)差動(dòng)變氣隙差動(dòng)變氣隙 (b)(b)差動(dòng)螺管差動(dòng)螺管差動(dòng)式自感傳感器結(jié)構(gòu)剖面圖差動(dòng)式自感傳感器結(jié)構(gòu)剖面圖 電感式傳感器的線圈并非是純電感，該電感由有功分量和無(wú)功分量?jī)刹糠纸M成有功分量包括：線圈線繞電阻和渦流損耗電阻及磁滯損耗電阻，這些都可折合成為有功電阻，其總電阻可用R來(lái)表示；無(wú)功分量包含：線圈的自感L, 繞線間分布電容，為簡(jiǎn)便起見(jiàn)可視為集中參數(shù)，用C來(lái)表示。電感式傳感器的等效電路RCLZ(5-6) cj

6、LjRcjLjRZ)( 兩個(gè)橋臂由相同線圈組成差動(dòng)形式，另外兩個(gè)為平衡電阻兩個(gè)橋臂由相同線圈組成差動(dòng)形式，另外兩個(gè)為平衡電阻 等效電路等效電路1012020c0340,cRZZjL ZZjLZRj L ZZRDD為線圈銅阻142301234ACZ ZZ ZUUZZZZ 電橋的兩臂是傳感器線圈阻電橋的兩臂是傳感器線圈阻抗臂、另外兩個(gè)臂是交流變壓抗臂、另外兩個(gè)臂是交流變壓器次級(jí)線圈各占器次級(jí)線圈各占1/21/2，交流供電。，交流供電。 橋路輸出電壓為：橋路輸出電壓為：1201121222ZZUUUUZZZZZ 當(dāng)銜鐵在中間位置當(dāng)銜鐵在中間位置：Z1 = Z2 = Z， U0 = 0 銜鐵上下移動(dòng)相

7、同距離時(shí)，輸出電壓大小相等方向相反，相差銜鐵上下移動(dòng)相同距離時(shí)，輸出電壓大小相等方向相反，相差180180，要判斷銜鐵方向就是判斷信號(hào)相位，可采用相敏檢波電路，要判斷銜鐵方向就是判斷信號(hào)相位，可采用相敏檢波電路解決。該電路最大特點(diǎn)是輸出阻抗較小，其輸出阻抗為解決。該電路最大特點(diǎn)是輸出阻抗較小，其輸出阻抗為 當(dāng)銜鐵偏移時(shí)，當(dāng)銜鐵偏移時(shí)，Z Z1 1ZZ2 2，輸出電壓為輸出電壓為 02ULULD 當(dāng)銜鐵偏向另一方向當(dāng)銜鐵偏向另一方向 Z Z1 1Z0 0 在在y y、z z方向上的分量為方向上的分量為: : (P P1 1+P+P2 2+P+P3 3)y=0 (P P1 1+P+P2 2+P+P

8、3 3)z =0+ + + + +X XY Y+ + + +- - - -P P1 1P P2 2P P3 3F FX XF FX X在在x x軸的正向出現(xiàn)正電荷，軸的正向出現(xiàn)正電荷，在在y y、z z方向不出現(xiàn)電荷方向不出現(xiàn)電荷。晶體受到沿晶體受到沿x方向的拉力方向的拉力P P1 1增大，增大， P P2 2、P P3 3減小減小 (P(P1 1+P+P2 2+P+P3 3) )x0 0 0 在在x x軸的正向出現(xiàn)正電荷，在軸的正向出現(xiàn)正電荷，在y y、z z方向不出現(xiàn)電荷方向不出現(xiàn)電荷。Y+-X-P2P3P1+ + + + +FYFY晶體受到沿晶體受到沿Y方向的壓力方向的壓力與與X X方向

9、拉力相同方向拉力相同 (P (P1 1+P+P2 2+P+P3 3) )x0 0 在在x x軸的正向出現(xiàn)負(fù)電荷，在軸的正向出現(xiàn)負(fù)電荷，在y y、z z方向不出現(xiàn)電荷方向不出現(xiàn)電荷。 這種沿這種沿Y Y軸施加力，而在垂直于軸施加力，而在垂直于X X軸晶面上產(chǎn)生電軸晶面上產(chǎn)生電荷的現(xiàn)象即為荷的現(xiàn)象即為橫向壓電效應(yīng)橫向壓電效應(yīng)。Y Y+ + + +- - - -X XP P1 1P P2 2P P3 3Z Z軸方向受力軸方向受力: :晶體沿晶體沿x x方向和沿方向和沿y y方向所產(chǎn)生的正應(yīng)變完全相同，所以，正、方向所產(chǎn)生的正應(yīng)變完全相同，所以，正、負(fù)電荷中心保持重合，電偶極矩矢量和等于零。負(fù)電荷中心

10、保持重合，電偶極矩矢量和等于零。在沿在沿z( z(即光軸即光軸) )方向的力方向的力Fz Fz 作用下，晶體不產(chǎn)生壓電作用下，晶體不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。效應(yīng)。11xxQdFFXFX+ + + + + +XX11dxFxQ為產(chǎn)生的電荷；為產(chǎn)生的電荷；為為x x方向受力的壓電系數(shù)；方向受力的壓電系數(shù)；為作用力。為作用力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：+ + + + + FYXFYX12yyaQdFb12d為為y y方向受力的壓電系數(shù)方向受力的壓電系數(shù)yQ為產(chǎn)生的電荷為產(chǎn)生的電荷為作用力。為作用力。yFa a：厚度：厚度 b b：寬度：寬度 當(dāng)晶片受到當(dāng)晶片受到x x方向的壓力作用時(shí)，方向的壓力作用時(shí)，q

11、qx x只與作用只與作用力力x x成正比，而與晶片的幾何尺寸無(wú)關(guān)；成正比，而與晶片的幾何尺寸無(wú)關(guān)； 沿機(jī)械軸沿機(jī)械軸y y方向向晶片施加壓力時(shí)，產(chǎn)生的電方向向晶片施加壓力時(shí)，產(chǎn)生的電荷是與幾何尺寸有關(guān)的；荷是與幾何尺寸有關(guān)的； 石英晶體在石英晶體在Z Z軸方向受力時(shí)，沒(méi)有壓電效應(yīng)；軸方向受力時(shí)，沒(méi)有壓電效應(yīng)； 晶體在哪個(gè)方向上有正壓電效應(yīng)，則在此方晶體在哪個(gè)方向上有正壓電效應(yīng)，則在此方向上一定存在逆壓電效應(yīng)；向上一定存在逆壓電效應(yīng)； 無(wú)論是正或逆壓電效應(yīng)，其作用力與電荷之無(wú)論是正或逆壓電效應(yīng)，其作用力與電荷之間皆呈線性關(guān)系。間皆呈線性關(guān)系。6、結(jié)論：、結(jié)論：無(wú)外電場(chǎng)作用時(shí)無(wú)外電場(chǎng)作用時(shí)總極化強(qiáng)

12、度為零總極化強(qiáng)度為零外電場(chǎng)去掉后外電場(chǎng)去掉后具剩余極化強(qiáng)度具剩余極化強(qiáng)度施加外電場(chǎng)時(shí)施加外電場(chǎng)時(shí)電疇自發(fā)極化方向電疇自發(fā)極化方向與外電場(chǎng)一致與外電場(chǎng)一致自由電荷自由電荷束縛電荷束縛電荷電極電極電極電極 極化方向極化方向無(wú)外力作用時(shí)電壓表不能測(cè)出陶瓷片內(nèi)的極化程度無(wú)外力作用時(shí)電壓表不能測(cè)出陶瓷片內(nèi)的極化程度束縛電荷會(huì)吸附自由電荷束縛電荷會(huì)吸附自由電荷陶瓷片對(duì)外不表現(xiàn)極性陶瓷片對(duì)外不表現(xiàn)極性這種由機(jī)械效應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦?yīng)，或者由機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)檫@種由機(jī)械效應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦?yīng)，或者由機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿默F(xiàn)象，就是電能的現(xiàn)象，就是正壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng)。 Fdq33d33 :壓電陶瓷壓電系數(shù)壓電陶瓷壓電系數(shù)F：作用力

13、作用力 加外力加外力 極化方向極化方向F電疇偏轉(zhuǎn)，極化強(qiáng)度電疇偏轉(zhuǎn)，極化強(qiáng)度變小，自由電荷釋放變小，自由電荷釋放 逆壓電效應(yīng)：逆壓電效應(yīng)：由于電效應(yīng)而轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械效應(yīng)或者由由于電效應(yīng)而轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械效應(yīng)或者由電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的現(xiàn)象。電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的現(xiàn)象。 極 化極 化方向方向電場(chǎng)方向電場(chǎng)方向指壓電材料開(kāi)始喪失壓電特性的溫度）指壓電材料開(kāi)始喪失壓電特性的溫度） 1 1、石英晶體、石英晶體 石英（石英（SiOSiO2 2）是一種具有良好壓電特性的壓電晶）是一種具有良好壓電特性的壓電晶體。其體。其壓電系數(shù)壓電系數(shù)的溫度穩(wěn)定性的溫度穩(wěn)定性相當(dāng)好。相當(dāng)好。 在在2020200200范圍內(nèi)，溫度每升高范圍內(nèi)，

14、溫度每升高11，壓電系數(shù)，壓電系數(shù)僅減少僅減少0.0160.016。但是當(dāng)?shù)健５钱?dāng)?shù)?73573時(shí)，它完全失去了壓時(shí)，它完全失去了壓電特性，這就是它的電特性，這就是它的居里點(diǎn)居里點(diǎn)。 斜率：0.016/1.000.990.980.970.960.9520406080 100 120 140 160 180 200dt/d20t石英的d11系數(shù)系數(shù)相對(duì)于20的d11溫度變化特性 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)： 性能非常穩(wěn)定性能非常穩(wěn)定，機(jī)械強(qiáng)度高，絕緣性能也相當(dāng)好。，機(jī)械強(qiáng)度高，絕緣性能也相當(dāng)好。 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)： 價(jià)格昂貴價(jià)格昂貴，且，且壓電系數(shù)比壓電陶瓷低得多壓電系數(shù)比壓電陶瓷低得多。用于。用于標(biāo)準(zhǔn)儀器標(biāo)準(zhǔn)儀器

15、或要求較高的傳感器中。或要求較高的傳感器中。 切割：切割： 各向異性晶體各向異性晶體，按不同方向切割，物理性質(zhì)，按不同方向切割，物理性質(zhì)（如彈性、壓電效應(yīng)、溫度特性等）相差很大。根（如彈性、壓電效應(yīng)、溫度特性等）相差很大。根據(jù)不同使用要求正確地選擇據(jù)不同使用要求正確地選擇石英片的切型石英片的切型。 組成：組成： 天然天然和和人工培養(yǎng)人工培養(yǎng)兩種類(lèi)型。因其物理和化學(xué)性質(zhì)兩種類(lèi)型。因其物理和化學(xué)性質(zhì)幾乎沒(méi)有區(qū)別，廣泛應(yīng)用成本較低的人造石英晶體。幾乎沒(méi)有區(qū)別，廣泛應(yīng)用成本較低的人造石英晶體。天然形成的石英晶體外形天然形成的石英晶體外形雙面鍍銀并封裝雙面鍍銀并封裝石英晶體薄片石英晶體薄片石英晶體切片及

16、封裝 鈦酸鋇壓電陶瓷鈦酸鋇壓電陶瓷 鈦酸鋇（鈦酸鋇（BaTiO3）是由碳酸鋇（）是由碳酸鋇（BaCO3）和二）和二氧化鈦（氧化鈦（TiO2）按）按1：1比例，在高溫下合成的壓電比例，在高溫下合成的壓電陶瓷。陶瓷。 它具有較大的它具有較大的壓電系數(shù)壓電系數(shù)約為石英晶體的約為石英晶體的50倍。不倍。不足之處是居里溫度低（足之處是居里溫度低（120），溫度穩(wěn)定性和機(jī)），溫度穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度不如石英晶體。械強(qiáng)度不如石英晶體。2 2、壓電陶瓷、壓電陶瓷 鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷（鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷（PZT） 鋯鈦酸鉛與鈦酸鋇相比，鋯鈦酸鉛與鈦酸鋇相比，壓電系數(shù)更大，居里壓電系數(shù)更大，居里溫度在溫度在30030

17、0以上以上，各項(xiàng)機(jī)電參數(shù)受溫度影響小，各項(xiàng)機(jī)電參數(shù)受溫度影響小，時(shí)間穩(wěn)定性好。此外，在鋯鈦酸中添加一種或兩種時(shí)間穩(wěn)定性好。此外，在鋯鈦酸中添加一種或兩種其它微量元素（如銻、錫、錳、鎢等）還可以獲得其它微量元素（如銻、錫、錳、鎢等）還可以獲得不同性能的不同性能的PZTPZT材料。因此鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷是材料。因此鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷是目前壓電式傳感器中目前壓電式傳感器中應(yīng)用最廣泛應(yīng)用最廣泛的壓電材料。的壓電材料。 壓電陶瓷外形超聲波美容儀器用壓電陶瓷晶片超聲波美容儀器用壓電陶瓷晶片醫(yī)用醫(yī)用B超換能器用晶片超換能器用晶片 由于外力作用而使壓電材料上產(chǎn)生電荷，該電荷只由于外力作用而使壓電材料上產(chǎn)生電荷

18、，該電荷只有在無(wú)泄漏的情況下才會(huì)長(zhǎng)期保存，因此需要測(cè)量電有在無(wú)泄漏的情況下才會(huì)長(zhǎng)期保存，因此需要測(cè)量電路具有無(wú)限大的輸入阻抗，而實(shí)際上這是不可能的。路具有無(wú)限大的輸入阻抗，而實(shí)際上這是不可能的。 所以壓電傳感器不宜作靜態(tài)測(cè)量，只能在其上加交所以壓電傳感器不宜作靜態(tài)測(cè)量，只能在其上加交變力，電荷才能不斷得到補(bǔ)充，可以供給測(cè)量電路變力，電荷才能不斷得到補(bǔ)充，可以供給測(cè)量電路定的電流，故壓電傳感器只宜作定的電流，故壓電傳感器只宜作動(dòng)態(tài)動(dòng)態(tài)測(cè)量。測(cè)量。在實(shí)際應(yīng)用中，由于單片的輸出電荷很小，因此，組在實(shí)際應(yīng)用中，由于單片的輸出電荷很小，因此，組成壓電式傳感器的晶片不止一片，常常將兩片或兩片成壓電式傳感器

19、的晶片不止一片，常常將兩片或兩片以上的晶片粘結(jié)在一起。粘結(jié)的方法有兩種，即并聯(lián)以上的晶片粘結(jié)在一起。粘結(jié)的方法有兩種，即并聯(lián)和串聯(lián)。和串聯(lián)。并聯(lián)連接并聯(lián)連接+ + + -+ + + + -qq2CC2UU 并聯(lián)接法輸出電荷大，本身電容大，并聯(lián)接法輸出電荷大，本身電容大， 時(shí)間常數(shù)大，適時(shí)間常數(shù)大，適宜用在宜用在測(cè)量低頻信號(hào)測(cè)量低頻信號(hào)并且以并且以電荷作為輸出量電荷作為輸出量的場(chǎng)合。的場(chǎng)合。串聯(lián)連接串聯(lián)連接+ + + -+ + + -+ qq 2CC UU2串聯(lián)接法輸出電壓大，本身電容小，適宜用于測(cè)量串聯(lián)接法輸出電壓大，本身電容小，適宜用于測(cè)量電電壓作輸出信號(hào)壓作輸出信號(hào)和和快變化信號(hào)快變化信號(hào)

20、的場(chǎng)合。的場(chǎng)合。 由壓電元件的工作原理可知，壓電式傳感器可以看作一由壓電元件的工作原理可知，壓電式傳感器可以看作一個(gè)電荷發(fā)生器。同時(shí)，它也是一個(gè)電容器，晶體上聚集等個(gè)電荷發(fā)生器。同時(shí)，它也是一個(gè)電容器，晶體上聚集等量的正負(fù)電荷的兩表面相當(dāng)于電容的兩個(gè)極板，極板間物量的正負(fù)電荷的兩表面相當(dāng)于電容的兩個(gè)極板，極板間物質(zhì)等效于一種介質(zhì)，則其電容量為質(zhì)等效于一種介質(zhì)，則其電容量為: :eACd AA壓電片的面積；壓電片的面積； dd壓電片的厚度；壓電片的厚度； 壓電材料介電常數(shù)。壓電材料介電常數(shù)。 q電極電極壓電晶體壓電晶體qCedAdACre0eCqU 靜電發(fā)生靜電發(fā)生器器電容器電容器 壓電傳感器可

21、等效為電壓源壓電傳感器可等效為電壓源Ua和一個(gè)電容器和一個(gè)電容器Ce的串聯(lián)電路，如圖的串聯(lián)電路，如圖(a)。 （a）電壓等效電路CeUq/ Ce 壓電傳感器本身的內(nèi)阻抗很高壓電傳感器本身的內(nèi)阻抗很高(大于大于1010歐姆），歐姆），輸出能量較小，給后續(xù)測(cè)量電路（放大電路）提出輸出能量較小，給后續(xù)測(cè)量電路（放大電路）提出很高要求。很高要求。 為了保證壓電傳感器的測(cè)量誤差較小，它的測(cè)量電為了保證壓電傳感器的測(cè)量誤差較小，它的測(cè)量電路通常需要接入一個(gè)高輸入阻抗的前置放大器，其路通常需要接入一個(gè)高輸入阻抗的前置放大器，其作用為：作用為：一是把它的高輸出阻抗變換為低輸出阻抗；一是把它的高輸出阻抗變換為低

22、輸出阻抗；二是放大傳感器輸出的微弱信號(hào)。二是放大傳感器輸出的微弱信號(hào)。 壓電傳感器的輸出可以是電壓信號(hào)，也可以是電荷壓電傳感器的輸出可以是電壓信號(hào)，也可以是電荷信號(hào)，因此前置放大器也有兩種形式：電壓放大器信號(hào)，因此前置放大器也有兩種形式：電壓放大器和電荷放大器。和電荷放大器。超小型電荷放大器模塊超小型電荷放大器模塊主要指標(biāo)主要指標(biāo):靈靈 敏敏 度度：1、10、100mV/pC(任選一檔任選一檔)頻率范圍頻率范圍：0.3100kHz(上、下限可選上、下限可選)噪聲噪聲(最大靈敏度最大靈敏度)：輸出端小于：輸出端小于1mV歸歸 一一 化化：外接電阻調(diào)整：外接電阻調(diào)整線性誤差線性誤差：1%最大輸出最

23、大輸出：5V或或10V電電 源源：6V15V特特 點(diǎn)點(diǎn)：可組成經(jīng)濟(jì)的多點(diǎn)測(cè)試系統(tǒng)：可組成經(jīng)濟(jì)的多點(diǎn)測(cè)試系統(tǒng)四通道電荷放大器外形四通道電荷放大器外形上圖所示的四通道電荷放大器指標(biāo)上圖所示的四通道電荷放大器指標(biāo)靈靈 敏敏 度：度：0.11000mV/pC頻率范圍：頻率范圍：0.3100kHz噪聲噪聲(最大增益最大增益)：折合至輸入端小于：折合至輸入端小于5V準(zhǔn)準(zhǔn) 確確 度：度：1%最大輸出：最大輸出：10V/10mA電電 源：源：220V/50Hz控制方式：控制方式： 計(jì)算機(jī)或手動(dòng)計(jì)算機(jī)或手動(dòng)例：壓電式加速度傳感器例：壓電式加速度傳感器madFdq3333傳感器輸出電荷與加速度傳感器輸出電荷與加速

24、度a成正比。因此，測(cè)得加速度傳感器成正比。因此，測(cè)得加速度傳感器輸出的電荷便可知加速度的大小。輸出的電荷便可知加速度的大小。 例例 壓電式聲傳感器壓電式聲傳感器當(dāng)一定頻率的聲頻信號(hào)加在換能器上時(shí)，換能器上的壓電陶當(dāng)一定頻率的聲頻信號(hào)加在換能器上時(shí)，換能器上的壓電陶瓷片受到外力作用而產(chǎn)生壓縮變形，由于壓電陶瓷的正壓電瓷片受到外力作用而產(chǎn)生壓縮變形，由于壓電陶瓷的正壓電效應(yīng)，壓電陶瓷上將出現(xiàn)充、放電現(xiàn)象，即將聲頻信號(hào)轉(zhuǎn)換效應(yīng)，壓電陶瓷上將出現(xiàn)充、放電現(xiàn)象，即將聲頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成了交變電信號(hào)。這時(shí)的聲傳感器就是聲頻信號(hào)接收器。成了交變電信號(hào)。這時(shí)的聲傳感器就是聲頻信號(hào)接收器。例例 壓電式傳感器在測(cè)漏中的

25、應(yīng)用壓電式傳感器在測(cè)漏中的應(yīng)用 如果地面下一均勻的自來(lái)水直管道某處如果地面下一均勻的自來(lái)水直管道某處OO發(fā)生漏水，水漏發(fā)生漏水，水漏引起的引起的振動(dòng)振動(dòng)從從O O點(diǎn)向管道兩端傳播，在管道上點(diǎn)向管道兩端傳播，在管道上A、B B兩點(diǎn)放兩兩點(diǎn)放兩只壓電傳感器，由從兩個(gè)傳感器接收到的由只壓電傳感器，由從兩個(gè)傳感器接收到的由O O點(diǎn)傳來(lái)的點(diǎn)傳來(lái)的t t0 0時(shí)刻時(shí)刻發(fā)出的振動(dòng)信號(hào)所用時(shí)間差可計(jì)算出發(fā)出的振動(dòng)信號(hào)所用時(shí)間差可計(jì)算出L LA A或或L LB B。當(dāng)使用者將開(kāi)關(guān)往里按時(shí)，壓縮一個(gè)彈簧并釋放，有一很大的力沖擊壓電陶瓷，由于壓電效應(yīng)，在壓電陶瓷上產(chǎn)生數(shù)千伏高壓脈沖，通過(guò)電極尖端放電，產(chǎn)生了電火花；

26、將開(kāi)關(guān)旋轉(zhuǎn)，把氣閥門(mén)打開(kāi)，電火花就將燃燒氣體點(diǎn)燃了。燃?xì)恻c(diǎn)火器燃?xì)恻c(diǎn)火器煤氣灶電子點(diǎn)火裝置示意圖產(chǎn)品產(chǎn)品壓力變送器壓力變送器加速度計(jì)加速度計(jì)力傳感器力傳感器 脈搏計(jì)脈搏計(jì)三、三、 霍爾傳感器（霍爾傳感器（Hall effect sensorHall effect sensor）（1）工作原理工作原理 （2 2）主要技術(shù)參數(shù)主要技術(shù)參數(shù)（3 3）結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)（4 4）主要特性參數(shù)主要特性參數(shù)（5 5）誤差及補(bǔ)償誤差及補(bǔ)償（6 6）應(yīng)用應(yīng)用1 1、霍爾元件的工作原理、霍爾元件的工作原理 半導(dǎo)體薄片置于磁感應(yīng)強(qiáng)度為B 的磁場(chǎng)中，磁場(chǎng)方向垂直于薄片，當(dāng)有電流I 流過(guò)薄片時(shí)，在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向上將產(chǎn)生

27、電動(dòng)勢(shì)UH，這種現(xiàn)象稱(chēng)為霍爾效應(yīng)。 （1）霍爾效應(yīng)（2）UH的產(chǎn)生是電子受到磁場(chǎng)力作用的結(jié)果。（3）UH的出現(xiàn)阻止電子進(jìn)一步積累，最終達(dá)到平 衡，稱(chēng)霍爾電勢(shì)。（4）平衡時(shí)的電場(chǎng)稱(chēng)為霍爾電場(chǎng)。（5）實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，霍爾電勢(shì)UH可用下式表示：HHHIBURk IBddRKHHRH 靈敏度系數(shù)；靈敏度系數(shù)；d d為半導(dǎo)體片的厚度；為半導(dǎo)體片的厚度；I為控制電流為控制電流； B B為磁感應(yīng)強(qiáng)度；為磁感應(yīng)強(qiáng)度；KH為霍爾系數(shù)。為霍爾系數(shù)。（6）半導(dǎo)體的半導(dǎo)體的KH比金屬的大得多，一般采用比金屬的大得多，一般采用N型半導(dǎo)體。型半導(dǎo)體。（7）目前最常用的霍爾元件材料有鍺）目前最常用的霍爾元件材料有鍺(Ge)、

28、硅、硅(Si)、銻化銦、銻化銦(InSb)、砷化銦、砷化銦(InAs)等半導(dǎo)體材料。等半導(dǎo)體材料。（8 8）霍爾元件的電磁特性）霍爾元件的電磁特性 霍爾元件的電磁特性包括：控制電流（直流或交流）與霍霍爾元件的電磁特性包括：控制電流（直流或交流）與霍爾輸出電勢(shì)之間的關(guān)系，即爾輸出電勢(shì)之間的關(guān)系，即U UH H-I-I特性；霍爾輸出與磁場(chǎng)（恒定特性；霍爾輸出與磁場(chǎng)（恒定或交變）之間的關(guān)系，即或交變）之間的關(guān)系，即U UH H-B-B特性；元件的輸入或輸出電阻與特性；元件的輸入或輸出電阻與磁場(chǎng)之間的關(guān)系，即磁場(chǎng)之間的關(guān)系，即R-BR-B特性。特性。U UH H-I-I特性特性磁場(chǎng)恒定，在一定環(huán)境磁場(chǎng)

29、恒定，在一定環(huán)境溫度下，控制電流溫度下，控制電流I與與霍爾輸出電勢(shì)霍爾輸出電勢(shì)UH之間之間呈線性關(guān)系。呈線性關(guān)系。霍爾元件的霍爾元件的R-B特性特性U UH H-B-B特性特性 當(dāng)控制電流恒定時(shí)，霍當(dāng)控制電流恒定時(shí)，霍爾元件的開(kāi)路霍爾輸出隨磁爾元件的開(kāi)路霍爾輸出隨磁感應(yīng)強(qiáng)度增加并不完全呈線感應(yīng)強(qiáng)度增加并不完全呈線性關(guān)系。性關(guān)系。R-BR-B特性特性 實(shí)驗(yàn)得出，霍爾元件的實(shí)驗(yàn)得出，霍爾元件的內(nèi)阻內(nèi)阻R R隨磁場(chǎng)的絕對(duì)值增加而隨磁場(chǎng)的絕對(duì)值增加而增加，這種現(xiàn)象稱(chēng)為磁阻效增加，這種現(xiàn)象稱(chēng)為磁阻效應(yīng)。應(yīng)。3、 霍爾元件的結(jié)構(gòu)霍爾元件的結(jié)構(gòu) 霍爾元件常用非導(dǎo)磁金屬、陶瓷或環(huán)氧樹(shù)脂封裝而成；1和1 為控制

30、電極。2和2 為霍爾電極。 霍爾片是一半導(dǎo)體單晶薄片霍爾片是一半導(dǎo)體單晶薄片(4mm2mm0.1mm)，兩端面，兩端面上所焊上所焊a、b兩根引線為兩根引線為紅色紅色稱(chēng)為稱(chēng)為控制電極，控制電極，通控制電流通控制電流I；在它；在它的另兩側(cè)端面的中間對(duì)稱(chēng)地焊有的另兩側(cè)端面的中間對(duì)稱(chēng)地焊有c、d兩根霍爾電壓輸出引線，通兩根霍爾電壓輸出引線，通常為常為綠色綠色，稱(chēng)為，稱(chēng)為霍爾電極霍爾電極。霍爾元件的殼體是用非導(dǎo)磁金屬、陶。霍爾元件的殼體是用非導(dǎo)磁金屬、陶瓷或環(huán)氧樹(shù)脂封裝。瓷或環(huán)氧樹(shù)脂封裝。 霍爾元件的結(jié)構(gòu)與其制造工藝有關(guān)。霍爾元件的結(jié)構(gòu)與其制造工藝有關(guān)。 體型霍爾元件是體型霍爾元件是將半導(dǎo)體單晶材料定向

31、切片，研將半導(dǎo)體單晶材料定向切片，研磨拋光，用蒸發(fā)合金法或其它方法制作歐姆接觸電磨拋光，用蒸發(fā)合金法或其它方法制作歐姆接觸電極，焊上引線封裝。極，焊上引線封裝。薄膜霍爾元件薄膜霍爾元件則是在一片極薄則是在一片極薄的基片上用蒸發(fā)或的基片上用蒸發(fā)或外延外延的方法做成霍爾片，再制作的方法做成霍爾片，再制作歐姆接觸電極，焊引線最后封裝。相對(duì)來(lái)說(shuō)，薄膜歐姆接觸電極，焊引線最后封裝。相對(duì)來(lái)說(shuō)，薄膜霍爾元件的厚度比體型霍爾元件小一、二個(gè)數(shù)量級(jí)霍爾元件的厚度比體型霍爾元件小一、二個(gè)數(shù)量級(jí)，可以與放大電路一起集成在一塊很小的晶片上，可以與放大電路一起集成在一塊很小的晶片上，便于微型化。便于微型化。 在超高真空條

32、件下，將各組成元素的分子束流以一個(gè)個(gè)分子的形式噴射到襯底表面，在適當(dāng)?shù)臏囟认峦庋映练e成膜。4、霍爾元件的主要特性參數(shù)(1) 輸入電阻和輸出電阻輸入電阻和輸出電阻 輸入電阻：控制電極間的電阻輸入電阻：控制電極間的電阻 輸出電阻：霍爾電極之間的電阻輸出電阻：霍爾電極之間的電阻(2) 額定控制電流和最大允許控制電流額定控制電流和最大允許控制電流 額定控制電流：當(dāng)霍爾元件有控制電流使其本身在空氣中額定控制電流：當(dāng)霍爾元件有控制電流使其本身在空氣中 產(chǎn)生產(chǎn)生10溫升時(shí)，對(duì)應(yīng)的控制電流值溫升時(shí)，對(duì)應(yīng)的控制電流值 最大允許控制電流：以元件允許的最大溫升限制所對(duì)最大允許控制電流：以元件允許的最大溫升限制所對(duì)

33、應(yīng)應(yīng)的控制電流值的控制電流值 （3）不等位電勢(shì)和不等位電阻）不等位電勢(shì)和不等位電阻 當(dāng)霍爾元件的控制電流為額定值時(shí)，元件所處位置的磁感應(yīng)當(dāng)霍爾元件的控制電流為額定值時(shí)，元件所處位置的磁感應(yīng)強(qiáng)度為零時(shí)，測(cè)得的空載霍強(qiáng)度為零時(shí)，測(cè)得的空載霍爾電勢(shì)稱(chēng)不等位電勢(shì)；是由霍爾電勢(shì)稱(chēng)不等位電勢(shì)；是由霍爾電極爾電極2和和2之間的電阻決定，之間的電阻決定， r 0稱(chēng)不等位電阻稱(chēng)不等位電阻(4) 寄生直流電勢(shì) 當(dāng)沒(méi)有外加磁場(chǎng)，霍爾元件用交流控制電流時(shí)，霍爾電極的輸出有一個(gè)直流電勢(shì)。控制電極和霍爾電極與基片的連接是非完全歐姆接觸時(shí)，會(huì)產(chǎn)生整流效應(yīng)。兩個(gè)霍爾電極焊點(diǎn)的不一致，引起兩電極溫度不同產(chǎn)生溫差電勢(shì)。(5) 霍

34、爾電勢(shì)溫度系數(shù) 在一定磁感應(yīng)強(qiáng)度和控制電流下，溫度每變化1度時(shí)，霍爾電勢(shì)變化的百分率。（1）不等位電勢(shì)誤差的補(bǔ)償）不等位電勢(shì)誤差的補(bǔ)償 霍爾元件可等效為一個(gè)四臂電橋。 B=0時(shí)理想狀況下UH=0，但由于霍爾元件的某種結(jié)構(gòu)（引出電極不再同一等位線上或制造霍爾片的材料不均勻）原因造成UH0，則電橋處于不平衡狀態(tài)，即四個(gè)分布電阻的阻值不等。 可采用幾種不等位電勢(shì)補(bǔ)償線路。5、霍爾元件誤差及補(bǔ)償不等位電勢(shì)的補(bǔ)償電路 對(duì)稱(chēng)電路，當(dāng)溫度變化時(shí)，補(bǔ)償?shù)姆€(wěn)定性要好些對(duì)稱(chēng)電路，當(dāng)溫度變化時(shí)，補(bǔ)償?shù)姆€(wěn)定性要好些 （2）溫度誤差及其補(bǔ)償）溫度誤差及其補(bǔ)償 溫度誤差產(chǎn)生原因：霍爾元件的基片是半導(dǎo)體材料，因而對(duì)溫度的變

35、化很敏感。其載流子濃度和載流子遷移率、電阻率和霍爾系數(shù)都是溫度的函數(shù)。霍爾片與引出電極材料性質(zhì)不同，各接點(diǎn)溫度不同時(shí)，產(chǎn)生熱電勢(shì)。實(shí)際使用中，由于接觸電阻不同、材料不均勻、散熱條件不同等都可能造成霍爾元件溫度場(chǎng)不均勻。 溫度升高時(shí)溫度升高時(shí)KH增加，控制電流增加，控制電流I相應(yīng)地減小，能保持相應(yīng)地減小，能保持KHI不變，就抵消了靈敏系數(shù)值增加的影響。當(dāng)霍爾元件的不變，就抵消了靈敏系數(shù)值增加的影響。當(dāng)霍爾元件的輸入電阻隨溫度升高而增加時(shí)，旁路分流電阻自動(dòng)地加強(qiáng)輸入電阻隨溫度升高而增加時(shí)，旁路分流電阻自動(dòng)地加強(qiáng)分流，減少了霍爾元件的控制電流。分流，減少了霍爾元件的控制電流。)1 (TKKHOHD恒

36、流源溫度補(bǔ)償 當(dāng)當(dāng)霍霍爾爾元元件件選選定定后，后，它它的的輸輸入入電電阻阻 和和溫溫度度系系數(shù)數(shù) 及及霍霍爾爾電電勢(shì)勢(shì)溫溫度度系系數(shù)數(shù) 可可以以從從元元件件參參數(shù)數(shù)表表中中查查到到（ 可可以以測(cè)測(cè)量量出出來(lái)）來(lái)），用用上上式式即即可可計(jì)計(jì)算算出出分分流流電電阻阻 及及所所需需分分流流電電阻阻溫溫度度系系數(shù)數(shù) 值。值。 0 iR0 pR0 iR恒流源溫度補(bǔ)償恒流源溫度補(bǔ)償 (1)(1)按功能分按功能分: :霍爾線性器件和霍爾開(kāi)關(guān)器件霍爾線性器件和霍爾開(kāi)關(guān)器件。 線性器件線性器件輸出模擬量，其輸出電壓和加在霍爾元件上的磁感輸出模擬量，其輸出電壓和加在霍爾元件上的磁感強(qiáng)度強(qiáng)度B B成比例，精度高、線

37、性度好，成比例，精度高、線性度好，適用于各種磁場(chǎng)檢測(cè)適用于各種磁場(chǎng)檢測(cè)； 開(kāi)關(guān)器件開(kāi)關(guān)器件輸出數(shù)字量，無(wú)觸點(diǎn)、輸出波形清晰、無(wú)抖動(dòng)、位輸出數(shù)字量，無(wú)觸點(diǎn)、輸出波形清晰、無(wú)抖動(dòng)、位置重復(fù)精度高（可達(dá)置重復(fù)精度高（可達(dá)mm級(jí)）。級(jí)）。(2)(2)按應(yīng)用分按應(yīng)用分 直接應(yīng)用：直接應(yīng)用：直接檢測(cè)出被檢測(cè)對(duì)象本身的磁場(chǎng)或磁特性直接檢測(cè)出被檢測(cè)對(duì)象本身的磁場(chǎng)或磁特性, ,將霍將霍爾器件做成各種形式的探頭，放在被測(cè)磁場(chǎng)中，使磁力線和器件爾器件做成各種形式的探頭，放在被測(cè)磁場(chǎng)中，使磁力線和器件表面垂直，通電后即可輸出與被測(cè)磁感應(yīng)強(qiáng)度成線性正比的電壓。表面垂直，通電后即可輸出與被測(cè)磁感應(yīng)強(qiáng)度成線性正比的電壓。

38、間接應(yīng)用：間接應(yīng)用：后者是檢測(cè)被測(cè)對(duì)象上人為設(shè)置的磁場(chǎng)，用這個(gè)后者是檢測(cè)被測(cè)對(duì)象上人為設(shè)置的磁場(chǎng)，用這個(gè)磁場(chǎng)來(lái)作被檢測(cè)的信息的載體，通過(guò)它，將許多非電、非磁的物磁場(chǎng)來(lái)作被檢測(cè)的信息的載體，通過(guò)它，將許多非電、非磁的物理量例如力、力矩、壓力、應(yīng)力、位置、位移、速度、加速度、理量例如力、力矩、壓力、應(yīng)力、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、轉(zhuǎn)數(shù)、轉(zhuǎn)速以及工作狀態(tài)發(fā)生變化的時(shí)間等，轉(zhuǎn)角度、角速度、轉(zhuǎn)數(shù)、轉(zhuǎn)速以及工作狀態(tài)發(fā)生變化的時(shí)間等，轉(zhuǎn)變成電量來(lái)進(jìn)行檢測(cè)和控制。變成電量來(lái)進(jìn)行檢測(cè)和控制。6、霍爾式傳感器的應(yīng)用霍爾集成電路霍爾集成電路 線性集成電路是將霍爾元件和恒流源、線性差動(dòng)放大器等做在一個(gè)芯

39、線性集成電路是將霍爾元件和恒流源、線性差動(dòng)放大器等做在一個(gè)芯片上，輸出電壓為伏級(jí)，比直接使用霍爾元件方便得多。片上，輸出電壓為伏級(jí)，比直接使用霍爾元件方便得多。 較典型的線性型霍爾器件如較典型的線性型霍爾器件如UGN3501等。霍爾線性接近傳感器主要用等。霍爾線性接近傳感器主要用于黑色金屬的厚度檢測(cè)、距離檢測(cè)、齒輪數(shù)齒、轉(zhuǎn)速檢測(cè)、測(cè)速調(diào)速、缺口于黑色金屬的厚度檢測(cè)、距離檢測(cè)、齒輪數(shù)齒、轉(zhuǎn)速檢測(cè)、測(cè)速調(diào)速、缺口傳感、張力檢測(cè)、棉條均勻檢測(cè)、電磁量檢測(cè)、角度檢測(cè)等。傳感、張力檢測(cè)、棉條均勻檢測(cè)、電磁量檢測(cè)、角度檢測(cè)等。 線性型霍爾特性線性型霍爾特性 右圖示出了具有雙端差動(dòng)輸出特性的線性霍爾器件的輸

40、出特性曲線。當(dāng)磁場(chǎng)為零時(shí)，它的輸出電壓等于零；當(dāng)感受的磁場(chǎng)為正向（磁鋼的S極對(duì)準(zhǔn)霍爾器件的正面）時(shí)， 輸出為正；磁場(chǎng)反向時(shí)，輸出為負(fù)。 線性范圍線性范圍開(kāi)關(guān)型霍爾集成電路開(kāi)關(guān)型霍爾集成電路 開(kāi)關(guān)型霍爾集成電路是將霍爾元件、穩(wěn)壓電路、放大器、施密特觸發(fā)器、OC門(mén)（集電極開(kāi)路輸出門(mén)）等電路做在同一個(gè)芯片上。當(dāng)外加磁場(chǎng)強(qiáng)度超過(guò)規(guī)定的工作點(diǎn)時(shí)，OC門(mén)由高阻態(tài)變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)，輸出變?yōu)榈碗娖剑划?dāng)外加磁場(chǎng)強(qiáng)度低于釋放點(diǎn)時(shí)，OC門(mén)重新變?yōu)楦咦钁B(tài)，輸出高電平。 開(kāi)關(guān)型霍爾元件有單穩(wěn)態(tài)和雙穩(wěn)態(tài)兩種：較典型的單穩(wěn)態(tài)開(kāi)關(guān)型霍爾器件如UGN3019 、UGN3020等，雙穩(wěn)態(tài)有UGN3030 、 UGN3075 。雙穩(wěn)態(tài)特點(diǎn)是當(dāng)外加磁場(chǎng)達(dá)到規(guī)定工作點(diǎn)時(shí)，器件導(dǎo)通，磁場(chǎng)消失后仍保持導(dǎo)通。只有施加反向磁場(chǎng)且達(dá)到規(guī)定工作點(diǎn)時(shí)才會(huì)到關(guān)閉狀態(tài)。 霍爾接近開(kāi)關(guān)主要用于各