第3章 物性型傳感器

1、36330z3,主編,第3章　物性型傳感器,第3章　物性型傳感器,3.1　壓電式傳感器3.2　光電式傳感器3.3　霍爾式傳感器3.4　磁電式傳感器3.5　超聲波傳感器3.6　核輻射傳感器,3.1　壓電式傳感器,3.1.1　壓電效應(yīng)某些電介質(zhì)在沿一定方向上受到外力的作用而發(fā)生變形時(shí)，內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在其表面上產(chǎn)生電荷，當(dāng)外力去掉后，電介質(zhì)表面又重新回到不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。反之，這些電介質(zhì)在極化方向上施加

2、交變電場(chǎng)，它會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形，當(dāng)去掉外加電場(chǎng)后，電介質(zhì)變形隨之消失，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)。在自然界中大多數(shù)晶體具有壓電效應(yīng)，但壓電效應(yīng)十分微弱。隨著對(duì)材料的深入研究，發(fā)現(xiàn)石英晶體、鈦酸鋇和鋯鈦酸鉛等材料是性能優(yōu)良的壓電材料?，F(xiàn)以石英晶體為例，簡(jiǎn)要說明壓電效應(yīng)的機(jī)理。,3.1　壓電式傳感器,圖3-1　石英晶體a)天然結(jié)構(gòu)的石英晶體外形　b)晶體切片　c)晶片結(jié)構(gòu)a—晶體切片長(zhǎng)度　b—晶體切片厚度　c—晶體切片高度　x—電軸　y—機(jī)械軸

3、　z—光軸,3.1　壓電式傳感器,圖3-2　石英晶體壓電模型a)不受力　b)x軸方向受力　c)y軸方向受力,3.1.2　壓電式傳感器的等效電路,3.1　壓電式傳感器,由壓電元件的工作原理可知，壓電式傳感器可以看做一個(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Ca為,圖3-3　壓電傳感器的等效電路a)電壓源　b)電荷源,3.1　壓電式傳感器,圖3-4　壓電傳

4、感器的實(shí)際等效電路a)電壓源實(shí)際等效電路　b)電荷源實(shí)際等效電路,3.1　壓電式傳感器,圖3-5　電荷放大器等效電路,3.1.3　壓電式傳感器的測(cè)量電路,3.1　壓電式傳感器,壓電式傳感器本身的內(nèi)阻抗很高，而輸出能量很小，因此它的測(cè)量電路通常需要接入一個(gè)高輸入阻抗的前置放大器，其作用為：一是把壓電式傳感器的高輸出阻抗變換為低輸出阻抗；二是放大傳感器輸出的微弱信號(hào)。壓電式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電

5、壓放大器和電荷放大器兩種形式。由于電壓前置放大器中的輸出電壓與屏蔽電纜的分布電容及放大器的輸入電容有關(guān)，故目前多采用性能較穩(wěn)定的電荷前置放大器。3.1.4　壓電式傳感器的應(yīng)用1.壓電式單向測(cè)力傳感器　圖3-6是壓電式單向測(cè)力傳感器結(jié)構(gòu)圖，它主要由石英晶片、絕緣套、電極、上蓋及基座等組成。,3.1　壓電式傳感器,圖3-6　壓電式單向測(cè)力傳感器結(jié)構(gòu)圖1—絕緣套　2—石英晶片　3—上蓋4—基座　5—電極,3.1　壓電式傳感器,2.壓電

6、式加速度傳感器　圖3-7是壓電式加速度傳感器結(jié)構(gòu)圖。F=ma(3?7)3.壓電式金屬加工切削力測(cè)量　圖3-8是利用壓電陶瓷傳感器測(cè)量刀具切削力的示意圖。,圖3-7　壓電式加速度傳感器結(jié)構(gòu)圖1—螺栓　2—壓電元件　3—預(yù)壓彈簧4—外殼　5—質(zhì)量塊　6—基座,3.1　壓電式傳感器,1.tif,3Z8.TIF,3.1　壓電式傳感器,圖3-8　壓電式刀具切削力測(cè)量示意圖1—壓電式傳感器　2—輸出信號(hào),1.工作原理　“一拍亮”延時(shí)小夜燈

7、的電路如圖3-9所示，它實(shí)際上是一個(gè)“聲控延時(shí)小夜燈”電路。,3.1　壓電式傳感器,圖3-9　“一拍亮”延時(shí)小夜燈的電路,2.元器件選擇,3.1　壓電式傳感器,1)IC選用靜態(tài)功耗很小的CMOS時(shí)基集成電路，如5G7555或ICM7555等。2)VT1、VT2均選用9014或3DG8型硅NPN小功率晶體管。3)R1～R5均用RTX—1/8W型碳膜電阻。4)C用漏電很小的CD11—10V型電解電容。5)B用?27mm壓電陶瓷片，如

8、FT—27型等，要求配上簡(jiǎn)易塑料或金屬共振腔盒。6)H用手電筒常用的3.8V、0.3A指示燈(三節(jié)電池供電的手電筒專用)。7)GB用三節(jié)5號(hào)電池串聯(lián)(須配塑料電池架)而成，電壓4.5V。,3.1　壓電式傳感器,圖3-10　“一拍亮”延時(shí)小夜燈的印制電路板焊接圖,3.制作與使用　圖3-10所示為“一拍亮”延時(shí)小夜燈的印制電路板,3.1　壓電式傳感器,焊接圖，印制電路板實(shí)際尺寸約為50mm×30mm。全部電路可裝入一體積合適

9、的市售塑料動(dòng)物玩具或其他造型的工藝品硬殼體內(nèi)，以起到裝飾美化作用。,3.2　光電式傳感器,3.2.1　光電效應(yīng)光電器件工作的物理基礎(chǔ)是光電效應(yīng)。通常把光電效應(yīng)分為外光電效應(yīng)、內(nèi)光電效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)三類：1.外光電效應(yīng)　在光線作用下能使電子逸出物體表面的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)，基于外光電效應(yīng)的光電元件有光電管、光電倍增管和光電攝像管等。2.內(nèi)光電效應(yīng)　在光線作用下能使物體的電阻率改變的現(xiàn)象稱為內(nèi)光電效應(yīng)，基于內(nèi)光電效應(yīng)的光電元件有光敏

10、電阻、光敏晶體管等。3.光生伏特效應(yīng)　在光線作用下能使物體產(chǎn)生一定方向的電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象稱為光生伏特效應(yīng)，基于光生伏特效應(yīng)的光電元件有光電池等。,3.2　光電式傳感器,3.2.2　光電器件及特征1.光電管　以外光電效應(yīng)原理制作的光電管的結(jié)構(gòu)由真空管、光電陰極K和光電陽(yáng)極A組成，其符號(hào)及基本工作電路如圖3-11所示。,1.tif,3.2　光電式傳感器,3Z11.TIF,3.2　光電式傳感器,圖3-11　光電管符號(hào)及基本工作電路,3Z12.

11、TIF,3.2　光電式傳感器,圖3-12　光電管的光電特性,2.光敏電阻　光敏電阻又稱光導(dǎo)管，是基于內(nèi)光電效應(yīng)工作的。,圖3-13　光敏電阻的結(jié)構(gòu)原理1—電源　2—金屬電極　3—半導(dǎo)體4—玻璃底板　5—檢流計(jì),3.2　光電式傳感器,(1)光敏電阻的主要參數(shù)1)暗電阻。2)亮電阻。3)光電流。(2)光敏電阻的基本特性1)伏安特性。2)光譜特性。,圖3-14　硫化鎘光敏電阻的伏安特性,3.2　光電式傳感器,圖3-15　幾種不

12、同材料光敏電阻的光譜特性,3)溫度特性。,3.2　光電式傳感器,圖3-16　硫化鉛光敏電阻的光譜溫度特性,3.光敏半導(dǎo)體管,3.2　光電式傳感器,(1)光敏半導(dǎo)體管的種類　光敏二極管、光敏晶體管、光敏晶閘管等統(tǒng)稱為光敏半導(dǎo)體管，它們的工作原理都是基于內(nèi)光電效應(yīng)的。1)光敏二極管的結(jié)構(gòu)與一般二極管相似，它的PN結(jié)設(shè)置在透明管殼頂部的正下方，可以直接受到光的照射。,圖3-17　光敏二極管a)外形圖　b)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化圖　c)圖形符號(hào),3.2　

13、光電式傳感器,2)光敏晶體管有PNP型和NPN型兩種，它的結(jié)構(gòu)、等效電路、圖形符號(hào)及應(yīng)用電路如圖3-19所示。,圖3-18　光敏二極管的反向偏置接法,3.2　光電式傳感器,圖3-19　光敏晶體管a)結(jié)構(gòu)　b)等效電路　c)圖形符號(hào)　d)應(yīng)用電路　e)達(dá)林頓光敏晶體管,3)光敏晶閘管也稱為光控晶閘管，它是由PNPN四層半導(dǎo)體構(gòu)成，其工作原理可用光敏二極管和普通晶閘管的工作原理解釋，它的導(dǎo)通電流比光敏晶體管大得多，工作電壓有的可達(dá)數(shù)百伏，

14、因此輸出功率大，主要用于光控開關(guān)電路及光耦合電路器中。,3.2　光電式傳感器,(2)光敏半導(dǎo)體管的基本特性1)光譜特性。2)伏安特性。3)光電特性。4)溫度特性。,圖3-20　光敏半導(dǎo)體管的伏安特性a)光敏二極管的伏安特性　b)光敏晶體管的伏安特性,3.2　光電式傳感器,5)響應(yīng)時(shí)間。4.光電池　光電池的工作原理是基于光生伏特效應(yīng)的。,圖3-21　光電池a)光電池結(jié)構(gòu)示意圖　b)符號(hào),3.2　光電式傳感器,(1)結(jié)構(gòu)及工作

15、原理　如圖3-21所示，光電池實(shí)質(zhì)上是一個(gè)大面積的PN結(jié)，當(dāng)光照射到PN結(jié)的一個(gè)面，例如P型面時(shí)，若光子能量大于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度，那么P型區(qū)每吸收一個(gè)光子就產(chǎn)生一對(duì)自由電子和空穴，電子-空穴對(duì)從表面向內(nèi)迅速擴(kuò)散，在結(jié)電場(chǎng)的作用下，最后建立一個(gè)與光照強(qiáng)度有關(guān)的電動(dòng)勢(shì)。(2)基本特性1)光譜特性。2)光照特性。,圖3-22　硅光電池的開路電壓和短路電流與當(dāng)照的關(guān)系曲線,3.2　光電式傳感器,3)溫度特性。4)頻率特性。3.2

16、.3　光電式傳感器的應(yīng)用1.火焰探測(cè)報(bào)警器　圖3-23是采用硫化鉛光敏電阻為探測(cè)元件的火焰探測(cè)器電路。,1.tif,3.2　光電式傳感器,3Z23.TIF,3.2　光電式傳感器,圖3-23　火焰探測(cè)報(bào)警器電路,2.燃?xì)鉄崴髦械拿}沖點(diǎn)火控制器　由于煤氣是易燃、易爆氣體，所以對(duì)燃?xì)馄骶咧械狞c(diǎn)火控制器的要求是安全、穩(wěn)定和可靠。,3.2　光電式傳感器,燃?xì)鉄崴髦械拿}沖點(diǎn)火控制器原理如圖3?24所示。在高壓打火時(shí)，火花電壓可達(dá)一萬(wàn)多伏，這個(gè)

17、脈沖高電壓對(duì)電路工作影響極大。為保證電路正常工作，采用光耦合器VB進(jìn)行電平隔離，大大增強(qiáng)了電路抗干擾能力。當(dāng)高壓打火針對(duì)打火確認(rèn)針放電時(shí)，光耦合器VB中的發(fā)光二極管發(fā)光，耦合器中的光敏晶體管導(dǎo)通，經(jīng)VT1、VT2、VT3放大，驅(qū)動(dòng)強(qiáng)吸電磁閥，將氣路打開，燃?xì)馀龅交鸹慈紵Ｈ舾邏捍蚧疳樑c打火確認(rèn)針之間不放電，則光耦合器VB不工作，VT1等不導(dǎo)通，燃?xì)忾y門關(guān)閉。,1.tif,3.2　光電式傳感器,圖3-24　燃?xì)鉄崴髦械拿}沖點(diǎn)火控制器原

18、理,3.光電轉(zhuǎn)速傳感器　圖3-25a是在待測(cè)轉(zhuǎn)速的軸上固定一個(gè)帶孔的轉(zhuǎn)速調(diào)置盤，在調(diào)置盤一邊由白熾燈產(chǎn)生恒定光，,3.2　光電式傳感器,透過盤上小孔到達(dá)光敏二極管組成的光電轉(zhuǎn)換器上，轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電脈沖信號(hào)，經(jīng)過放大整形電路輸出整齊的脈沖信號(hào)，轉(zhuǎn)速由該脈沖頻率決定。,圖3-25　光電數(shù)字式轉(zhuǎn)速表的工作原理a)透射式轉(zhuǎn)速表　b)反射式轉(zhuǎn)速表,3.2　光電式傳感器,1.工作原理　天明提醒器原理如圖3-26所示。2.元器件選擇1)KD-1

19、54B集成電路。2)光敏電阻RG選用?5mm系列的GL5649D。3)B采用KLJ-5020型貼片蜂鳴器。4)GB用兩節(jié)5號(hào)電池串聯(lián)。5)R選用20kΩ、RTX-1/8W型碳膜電阻。6)BL選用8Ω、25W揚(yáng)聲器。7)開關(guān)可選用廢棄設(shè)備上的小的按鍵開關(guān)。3.制作與安裝(1)制作　按照?qǐng)D3-27所示制作好電路板。,3.2　光電式傳感器,圖3-26　天明提醒器原理,3.2　光電式傳感器,1.tif,3Z27.TIF,3.2　

20、光電式傳感器,圖3-27　天明提醒器印制電路板,(2)安裝　將電路板裝入一個(gè)小收音機(jī)殼體內(nèi)，用烙鐵將電源線焊到收音機(jī)的電源端，裝入兩節(jié)5號(hào)電池即可。(3)使用　使用時(shí)，將裝好的提醒器放置到重要的文件柜內(nèi)，一旦有人打開柜子，就會(huì)發(fā)出蜂鳴報(bào)警。,3.3　霍爾式傳感器,圖3-28　霍爾效應(yīng)原理圖,3.3.1　霍爾式傳感器的原理及特性,3.3　霍爾式傳感器,1.工作原理　將半導(dǎo)體薄片置于磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場(chǎng)(磁場(chǎng)方向垂直于薄片)中，如圖3-2

21、8所示，當(dāng)有電流I流過薄片時(shí)，在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向上將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)UH，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。假設(shè)薄片為N型半導(dǎo)體，在其左右兩端通以電流I(稱為控制電流)，那么半導(dǎo)體中的載流子(電子)將沿著與電流I相反的方向運(yùn)動(dòng)。由于外磁場(chǎng)B的作用，使電子受到洛侖茲力FL作用而發(fā)生偏轉(zhuǎn)，結(jié)果在半導(dǎo)體的后端面上電子有所積累。而前端面缺少電子，因此后端面帶負(fù)電，前端面帶正電，在前后端面間形成電場(chǎng)。該電場(chǎng)產(chǎn)生的電場(chǎng)力FE阻止電子繼續(xù)偏轉(zhuǎn)。當(dāng)FE與FL相等

22、時(shí)，電子積累達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。這時(shí)，在半導(dǎo)體前后兩端面之間(即垂直于電流和磁場(chǎng)方向)建立電場(chǎng)，稱為霍爾電場(chǎng)EH，相應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)就稱為霍爾電動(dòng)勢(shì)UH。,3.3　霍爾式傳感器,2.特性參數(shù)(1)輸入電阻Ri　霍爾元件兩激勵(lì)電流端的直流電阻稱為輸入電阻。(2)輸出電阻Ro　兩個(gè)霍爾電動(dòng)勢(shì)輸出端之間的電阻稱為輸出電阻，它的數(shù)值與輸入電阻屬同一數(shù)量級(jí)，它也隨溫度改變而改變。(3)額定激勵(lì)電流Im　由于霍爾電動(dòng)勢(shì)隨激勵(lì)電流增大而增大，故在應(yīng)用中總希

23、望選用較大的激勵(lì)電流。(4)靈敏度kH　kH=UH/(I·B)，它的數(shù)值約為10MV/(mA·T)。(5)最大磁感應(yīng)強(qiáng)度BM　磁感應(yīng)強(qiáng)度為BM時(shí)，霍爾電動(dòng)勢(shì)的非線性誤差將明顯增大，BM一般為零點(diǎn)幾特斯拉。,3.3　霍爾式傳感器,(6)不等位電動(dòng)勢(shì)　在額定激勵(lì)電流下，當(dāng)外加磁場(chǎng)為零時(shí)，霍爾元件輸出端之間的開路電壓稱為不等位電動(dòng)勢(shì)，它是由于四個(gè)電極的幾何尺寸不對(duì)稱引起的，使用時(shí)多采用電橋法來補(bǔ)償不等位電動(dòng)勢(shì)引起的誤差

24、。(7)霍爾電動(dòng)勢(shì)溫度系數(shù)　在一定磁場(chǎng)強(qiáng)度和激勵(lì)電流的作用下，溫度每變化1℃時(shí)霍爾電動(dòng)勢(shì)變化的百分?jǐn)?shù)稱為霍爾電動(dòng)勢(shì)溫度系數(shù)，它與霍爾元件的材料有關(guān)，一般約為0.1%/℃。3.3.2　霍爾元件的結(jié)構(gòu)及測(cè)量電路1.霍爾元件的材料及結(jié)構(gòu)　根據(jù)霍爾效應(yīng)原理做成的器件稱為霍爾元件。,3.3　霍爾式傳感器,霍爾元件的外形、結(jié)構(gòu)和符號(hào)如圖3?29所示?；魻栐慕Y(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)單，由霍爾片、四條引線和殼體組成。霍爾片是一塊矩形半導(dǎo)體單晶薄片(一般為4m

25、m×2mm×0．1mm)。在它的長(zhǎng)度方向兩端面上焊有兩根引線(見圖3?29b中1、1′線)，稱為控制電流端引線，通常用紅色導(dǎo)線。其焊接處稱為控制電流極(或稱激勵(lì)電極)，要求焊接處接觸電阻很小，即歐姆接觸(無(wú)PN結(jié)特性)。在薄片的另兩側(cè)端面的中間以點(diǎn)的形式對(duì)稱地焊有兩根霍爾輸出端引線(見圖3?29b中2、2′線)，通常用綠色導(dǎo)線。其焊接處稱為霍爾電極，要求歐姆接觸，且電極寬度與長(zhǎng)度之比要小于0．1，否則影響輸出。霍爾元

26、件的殼體是用非導(dǎo)磁金屬、陶瓷或環(huán)氧樹脂封裝?；魻栐陔娐分械膱D形符號(hào)如圖3?29c所示。,3.3　霍爾式傳感器,圖3-29　霍爾元件a)外形　b)結(jié)構(gòu)　c)符號(hào),2.基本電路　霍爾元件的基本測(cè)量電路如圖3-30所示。,3.3　霍爾式傳感器,圖3-30　霍爾元件的基本測(cè)量電路,3.3　霍爾式傳感器,3.集成霍爾元件　隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，目前霍爾元件多已集成化。,圖3-31　線性型集成霍爾元件a)外形尺寸　b)內(nèi)部電路框圖　c)輸

27、出特性,3.3　霍爾式傳感器,圖3-32　開關(guān)型集成霍爾元件a)外形尺寸　b)內(nèi)部電路框圖　c)輸出特性,3.3.3　霍爾傳感器的應(yīng)用由于霍爾元件存在對(duì)磁場(chǎng)的敏感作用而被廣泛應(yīng)用，歸納起來主要有三個(gè)方面。,3.3　霍爾式傳感器,1)當(dāng)控制電流不變，使傳感器處于非均勻磁場(chǎng)時(shí)，傳感器的輸出正比于磁感應(yīng)強(qiáng)度，可反映位置、角度或激勵(lì)電流的變化。2)當(dāng)保持磁感應(yīng)強(qiáng)度恒定不變時(shí)，則利用霍爾電壓與控制電流成正比的關(guān)系，可以做成過電流控制裝置等。

28、3)當(dāng)控制電流與磁感應(yīng)強(qiáng)度都為變量時(shí)，傳感器的輸出與這兩者乘積成正比的關(guān)系。,圖3-33　用集成霍爾傳感器構(gòu)成的按鈕a)按鈕未按下　b)按下按鈕時(shí)1—外殼　2—導(dǎo)磁材料　3—集成傳感器　4—按鈕,3.3　霍爾式傳感器,1.非直接接觸的鍵盤開關(guān)　如圖3-33所示是一個(gè)由開關(guān)型集成霍爾傳感器和兩小塊永久磁鐵構(gòu)成的鍵盤開關(guān)的結(jié)構(gòu)原理圖。2.霍爾角位移傳感器　其結(jié)構(gòu)如圖3-34所示。,圖3-34　霍爾角位移傳感器示意圖1—?jiǎng)?lì)磁線圈　2

29、—極靴　3—霍爾元件,3.3　霍爾式傳感器,3.霍爾位移傳感器　如圖3-35所示，磁場(chǎng)是由極性相反、磁場(chǎng)強(qiáng)度相同的兩個(gè)磁鋼構(gòu)成，氣隙中的磁場(chǎng)強(qiáng)度分布呈線性梯度，即B=Kx。UH=Kx(3?11)4.霍爾壓力傳感器　如圖3-36所示，被測(cè)壓力p使彈簧管自由端發(fā)生位移，使霍爾元件在磁路系統(tǒng)中運(yùn)動(dòng)，改變了霍爾元件感受的磁場(chǎng)大小及方向，引起霍爾電動(dòng)勢(shì)的大小和極性的改變，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力的測(cè)量。,1.tif,3.3　霍爾式傳感器,圖3-35　霍

30、爾位移傳感器原理示意圖,3.3　霍爾式傳感器,圖3-36　霍爾壓力傳感器1—彈簧管　2—磁鐵　3—霍爾元件,3.4　磁電式傳感器,3.4.1　磁電式傳感器的原理及結(jié)構(gòu)1.工作原理　磁電感應(yīng)式傳感器以電磁感應(yīng)原理為基礎(chǔ)的。e=－NdΦ/dt=－NBlv=－NBSω(3?12)2.磁電感應(yīng)式傳感器的結(jié)構(gòu)　磁電式傳感器有兩種結(jié)構(gòu)類型：一種是變磁通式；另一種是恒定磁通式。(1)變磁通式磁電傳感器　變磁通式也稱為變磁阻式或變氣隙式，常用

31、于旋轉(zhuǎn)角速度的測(cè)量，如圖3-37所示。,3Z37.TIF,3.4　磁電式傳感器,圖3-37　變磁通式磁電傳感器結(jié)構(gòu)示意圖a)開磁路變磁通式　b)兩極式閉磁路變磁通式1—被測(cè)轉(zhuǎn)軸　2—鐵心　3—線圈　4—軟鐵　5—磁鐵,(2)恒定磁通式磁電傳感器　恒定磁通式結(jié)構(gòu)有動(dòng)圈式和動(dòng)鐵式兩種，如圖3-38所示。,3.4　磁電式傳感器,圖3-38　恒定磁通式磁電傳感器結(jié)構(gòu)原理a)動(dòng)圈式　b)動(dòng)鐵式1—金屬骨架　2—彈簧　3—線圈　4—永久磁鐵

32、　5—?dú)んw,3.4　磁電式傳感器,3.4.2　磁電式傳感器的測(cè)量電路磁電式傳感器直接輸出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，且傳感器通常具有較高的靈敏度，所以一般不需要高增益放大器。但磁電式傳感器是速度傳感器，若要獲取被測(cè)位移或加速度信號(hào)，則需要配用積分或微分電路。磁電式傳感器的測(cè)量電路如圖3?39所示。,圖3-39　磁電式傳感器的測(cè)量電路,3.4.3　磁電式傳感器的應(yīng)用,3.4　磁電式傳感器,1.磁電感應(yīng)式振動(dòng)速度傳感器　圖3-40所示為CD—1型磁電感應(yīng)

33、式振動(dòng)速度傳感器的結(jié)構(gòu)原理，它屬于動(dòng)圈式恒定磁通型。,1.tif,3Z40.TIF,3.4　磁電式傳感器,圖3-40　磁電感應(yīng)式振動(dòng)速度傳感器的結(jié)構(gòu)原理1、8—圓形彈簧片　2—圓環(huán)形阻尼器　3—永久磁鐵　4—鋁架　5—圓環(huán)形阻尼器用心軸　6—工作線圈　7—?dú)んw　9—引線,2.磁電式扭矩傳感器　圖3-41是磁電式扭矩傳感器的工作原理。,1.tif,3.4　磁電式傳感器,圖3-41　磁電式扭矩傳感器的工作原理1—齒形圓盤　2—扭轉(zhuǎn)軸　

34、3—磁電式傳感器,3.電磁流量傳感器　電磁流量傳感器的結(jié)構(gòu)如圖3-42所示，,3.4　磁電式傳感器,電磁流量傳感器與電磁流量轉(zhuǎn)換器配套組成電磁流量計(jì)。E=BD(3?14),圖3-42　電磁流量傳感器的結(jié)構(gòu)1—?jiǎng)?lì)磁線圈　2—測(cè)量管　3—磁力線　4—電極I—?jiǎng)?lì)磁電流　—流速,3.5　超聲波傳感器,3.5.1　超聲波的物理基礎(chǔ)1.聲波的分類　振動(dòng)在彈性介質(zhì)內(nèi)的傳播稱為波動(dòng)，簡(jiǎn)稱波。,圖3-43　聲波的頻率界限圖,2.超聲波的傳播方式

35、　由于聲源在介質(zhì)中施力方向與波在介質(zhì)中傳播方向的不同，聲波的波形也不同。,3.5　超聲波傳感器,1)縱波是質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與波的傳播方向一致的波，能在固體、液體和氣體中傳播。2)橫波是質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向垂直于傳播方向的波，只能在固體中傳播。3)表面波是質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)介于橫波與縱波之間，沿著介質(zhì)表面?zhèn)鞑サ牟ā?圖3-44　超聲波的反射與折射,3.5　超聲波傳感器,3.超聲波的反射和折射　當(dāng)入射聲波以一定的入射角從一種介質(zhì)傳播到另一種介質(zhì)的分界面時(shí)，

36、一部分能量反射回原介質(zhì)，稱為反射波；另一部分能量則透過分界面，在另一種介質(zhì)內(nèi)部繼續(xù)傳播，稱為折射波或透視波，如圖3-44所示。如果入射角α足夠大時(shí)，將導(dǎo)致折射角β=90°，則折射聲波只能在介質(zhì)分界面?zhèn)鞑?，折射波形將轉(zhuǎn)換為表面波，這時(shí)的入射角稱為臨界角。如果入射聲波的入射角α大于臨界角，將導(dǎo)致聲波的全反射。4.超聲波的衰減　由于多數(shù)介質(zhì)中都含有微小的結(jié)晶體或不規(guī)則的缺陷，超聲波在這樣的介質(zhì)中傳播時(shí)，在眾多的晶體交界面或缺陷界

37、面上會(huì)引起散射，從而使沿入射方向傳播的超聲波聲強(qiáng)下降。,3.5　超聲波傳感器,介質(zhì)中的聲強(qiáng)衰減與超聲波的頻率、晶粒粗細(xì)等因素有關(guān)。晶粒越粗或密度越小，衰減越快；頻率越高，衰減也越快。氣體的密度很小，因此衰減較快，尤其在頻率高時(shí)衰減更快。因此在空氣中傳導(dǎo)的超聲波的頻率選得較低，為數(shù)十千赫茲，而在固體和液體中則選用較高的頻率(MHz數(shù)量級(jí))。,圖3-45　超聲波探頭結(jié)構(gòu)1—保護(hù)膜　2—吸收塊　3—金屬殼4—導(dǎo)電螺桿　5—接線　6—壓電晶

38、片,3.5　超聲波傳感器,3.5.2　超聲波傳感器的結(jié)構(gòu)利用超聲波在超聲場(chǎng)中的物理特性和各種效應(yīng)而研制的裝置可稱為超聲波換能器、探測(cè)器或傳感器。3.5.3　超聲波傳感器的應(yīng)用1.超聲波物位傳感器　如圖3-46所示，在液位上方安裝空氣傳導(dǎo)型超聲波反射器和接收器，按照聲脈沖反射原理，根據(jù)超聲波的往返時(shí)間就可測(cè)出液體的液面。,圖3-46　超聲波液位計(jì)原理1—液面　2—直管　3—空氣超聲探頭　4—反射小板　5—電子開關(guān),3.5　超聲波傳

39、感器,例3-1　從圖3-46所示的超聲波液位計(jì)的顯示屏上測(cè)得t0=1.8ms，t1=5.0ms，已知容器底部與超聲波探頭的間距為10m，反射小板與探頭的間距為0.9m，求液位h。解：由于c==,圖3-47　超聲波流量計(jì)原理,3.5　超聲波傳感器,2.超聲波流量傳感器　圖3-47是超聲波流量計(jì)原理。時(shí)間差法流量與聲速c有關(guān)，而聲速一般隨介質(zhì)溫度的變化而變化，因此將造成溫漂。如果使用下面的頻差法測(cè)量流量，即可克服溫度的影響。,圖3-48

40、　頻差法測(cè)量流量的原理a)投射型安裝圖　b)反射型安裝圖,3.5　超聲波傳感器,例3-2　超聲波流量傳感器安裝于管道直徑500mm的管道中，如圖3-47所示，兩換能器相距600mm，超聲波傳播方向與流體流動(dòng)方向的夾角為30°，逆流傳播與順流傳播的超聲波時(shí)間差為1μs，超聲波在該靜止介質(zhì)中傳播速度為1450m/s，求管道中流體的流量。解：設(shè)超聲波在該靜止介質(zhì)中傳播速度為c，流體的流速為v，兩換能器相距l(xiāng)3.超聲波測(cè)厚　如圖

41、3-49所示，雙晶直探頭左邊的壓電晶片發(fā)射超聲脈沖，經(jīng)探頭底部的延遲塊延遲后，超聲脈沖進(jìn)入被測(cè)試件，在到達(dá)試件地面時(shí)，被反射回來，并被右邊的壓電晶片所接收。,3.5　超聲波傳感器,圖3-49　超聲波測(cè)厚示意圖1—雙晶探頭　2—引線電纜　3—入射波　4—反射波5—試件　6—測(cè)厚顯示器,1.電路工作原理　該霧化器電路如圖3-50a所示，,3.5　超聲波傳感器,電源經(jīng)變壓器T降壓(AC36V)送VD1～VD4整流和C5、C6濾波后給電路提

42、供工作電壓。,1.tif,3.5　超聲波傳感器,3Z50.TIF,圖3-50　超聲波霧化器原理a)霧化器電路　b)霧化器外形,2.元器件選擇1)振蕩器和換能器：壓電陶瓷片的振蕩頻率為1.65MHz；晶片尺寸：?16mm，厚度：(1.2±0.01)mm。,3.5　超聲波傳感器,2)霧化頭型號(hào)：T25—17，規(guī)格尺寸：25mm×1.2mm，其上安裝兩根水位控制觸針。3)R1～R6均用RTX—1/8W型碳膜電阻，C1

43、～C6用CD11—10V型電解電容。4)VT1選用BU406，VT2選用1815，VT3選用9015。5)電源選用220V交流供電。6)變壓器T為AC220V/36V，30W。3.超聲波霧化器制作和使用方法(1)霧化器制作　該霧化器外形如圖3-50b所示。(2)使用方法　若將該霧化器用于室內(nèi)加濕或消毒，可準(zhǔn)備一個(gè)小塑料盆，盆內(nèi)盛一定量的溶液，溶液量不宜太多(淺水為準(zhǔn))，僅比水位觸針高出一定距離即可(溶液太深其霧化量相對(duì)減小)

44、。,3.6　核輻射傳感器,3.6.1　放射源和探測(cè)器放射源和探測(cè)器是核輻射傳感器的重要組成部分，放射源由放射性同位素組成，探測(cè)器即核輻射檢測(cè)器，它可以探測(cè)出射線的強(qiáng)弱及變化。1.射線的種類及衰變規(guī)律(1)放射性同位素　各種物質(zhì)都是由一些最基本的物質(zhì)所組成。(2)核輻射的種類及性質(zhì)　放射性同位素在衰變過程中放射出一種特殊的、帶有一定能量的粒子或射線，這種現(xiàn)象稱為放射性或核輻射，根據(jù)其性質(zhì)的不同，放射出的粒子或射線有α粒子、β粒子和

45、γ射線等。1)α粒子一般具有4～10MeV能量。,3.6　核輻射傳感器,2)β粒子實(shí)際上是高速運(yùn)動(dòng)的電子，它在氣體中的射程可達(dá)20m，在自動(dòng)檢測(cè)儀表中，主要是根據(jù)β粒子輻射和吸收來測(cè)量材料的厚度、密度或重量；根據(jù)輻射的反射和散射來測(cè)量覆蓋層的厚度，利用β粒子很大的電離能力來測(cè)量氣體流量。3)γ射線是一種從原子核內(nèi)發(fā)射出來的電磁輻射，它在物質(zhì)中的穿透能力比較強(qiáng)，在氣體中的射程為數(shù)百納米，能穿過幾十百米厚的固體物質(zhì)。2.射線與物質(zhì)的相

46、互作用　核輻射與物質(zhì)的相互作用是探測(cè)帶電粒子或射線存在與否及其強(qiáng)弱的基礎(chǔ)，也是設(shè)計(jì)和研究放射性檢測(cè)與防護(hù)的基礎(chǔ)。,3.6　核輻射傳感器,(1)帶電粒子與物質(zhì)的相互作用　具有一定能量的帶電粒子(如α粒子、β粒子)在其穿過物質(zhì)時(shí)，由于電離作用，在其路徑上生成許多離子對(duì)，所以常稱α粒子和β粒子為電離性輻射。(2)γ射線和物質(zhì)的相互作用　γ射線通過物質(zhì)后的強(qiáng)度將逐漸減弱，γ射線與物質(zhì)的作用主要有光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)和電子對(duì)效應(yīng)三種。3.常用

47、探測(cè)器　探測(cè)器就是核輻射的接收器，它是核輻射傳感器的重要組成部分。(1)電離室　電離室基本上是以氣體為介質(zhì)的射線探測(cè)器，可以探測(cè)α粒子、β粒子和γ射線，能把這些帶電粒子或射線的能量轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。,3.6　核輻射傳感器,圖3-51　電離室基本工作原理,3.6　核輻射傳感器,圖3-52　圓筒形電離室結(jié)構(gòu)示意圖1、3—絕緣物　2—保護(hù)環(huán)　4—收集極5—高壓極　6—外殼　7—鐵鋁薄膜,3.6　核輻射傳感器,(2)閃爍計(jì)數(shù)器　閃爍計(jì)數(shù)器先將

48、微電能變?yōu)楣饽?，然后再將光能變?yōu)殡娔芏M(jìn)行探測(cè)，它不僅能探測(cè)射線，還能探測(cè)各種帶電和不帶電的粒子，不但能探測(cè)它們的存在，而且能鑒別其能量的大小。,圖3-53　光電倍增管及輸出電器,3.6　核輻射傳感器,3.6.2　核輻射傳感器的應(yīng)用1.核輻射厚度計(jì)　核輻射厚度計(jì)原理框圖如圖3-54所示。測(cè)量電路常用振動(dòng)電容器調(diào)制的高輸入阻抗靜電放大器。用振動(dòng)電容器是把直流調(diào)制成交流，并維持高輸入阻抗，這樣可以解決漂移問題。有的測(cè)量電路采用變?nèi)荻O管

49、調(diào)制器來代替靜電放大器。2.核輻射液位計(jì)　核輻射液位計(jì)的原理如圖3-55所示，它是一種基于物質(zhì)對(duì)射線的吸收程度的變化而對(duì)液位進(jìn)行測(cè)量的物位計(jì)。,1.tif,3.6　核輻射傳感器,3Z54.TIF,圖3-54　核輻射厚度計(jì)原理框圖,3.6　核輻射傳感器,圖3-55　核輻射液位計(jì)的原理,3.6.3　核輻射傳感器的使用與防護(hù),3.6　核輻射傳感器,核輻射傳感器具有廣泛的應(yīng)用前景，有些人由于對(duì)其缺乏了解，往往談核色變。事實(shí)上，核輻射傳感器所用

50、的放射源都是封閉型的，對(duì)于封閉型放射源的防護(hù)是比較簡(jiǎn)單容易的。例如，在距工業(yè)核儀表0．5m強(qiáng)度最大點(diǎn)工作8h，所受射線照射劑量小于20mrem，而一次胸部X光透視的射線照射劑量為100～200mrem，一次牙齒透視的射線照射劑量為1500～15000mrem，所以，只要遵守有關(guān)規(guī)定正確操作，就不必有什么顧慮。1)接收器一般在50～60℃就不能正常工作，因此在高溫環(huán)境下，必須進(jìn)行冷卻。2)對(duì)輻射源必須采取嚴(yán)格的防護(hù)措施，遵守安全操作規(guī)

51、程，確保人身安全。,3.6　核輻射傳感器,3)傳感器到貨后應(yīng)單獨(dú)妥善保管，不得與易燃、易爆、腐蝕性等物品放在一起。4)安裝地點(diǎn)除從工藝核儀表要求考慮外，盡量置于其他人員很少接近的地方，并設(shè)置有關(guān)標(biāo)志，安裝地,圖3-56　帶防護(hù)結(jié)構(gòu)的輻射源1—輻射源　2—不銹鋼悶頭　3—偏心孔4—鉛罐　5—鋁板　6—不銹鋼片(上開一個(gè)小孔)　7—鉛封頭　8—轉(zhuǎn)軸9—手把　10—指針　11—輻射源工作標(biāo)記12—小孔,3.6　核輻射傳感器,5)安

52、裝時(shí)，應(yīng)先安裝有關(guān)機(jī)械部件和探測(cè)器，并初步調(diào)校正常，然后再安裝輻射源，安裝時(shí)應(yīng)將輻射源容器關(guān)閉，使用時(shí)再打開。6)檢修時(shí)應(yīng)關(guān)閉輻射源容器，需要帶源檢修時(shí)，應(yīng)事先制定操作步驟，動(dòng)作準(zhǔn)確迅速，盡量縮短時(shí)間，防止不必要的照射。7)輻射源半衰期以后，需要更換，否則會(huì)影響測(cè)量準(zhǔn)確度，更換輻射源時(shí)，一般請(qǐng)儀表制造廠家或?qū)I(yè)單位進(jìn)行，有條件的單位也可自行更換。8)廢舊輻射源的處置，應(yīng)與當(dāng)?shù)匦l(wèi)生防護(hù)部門聯(lián)系，交由專門的放射性廢物處理單位處理，用戶

53、不得將其作為一般廢舊物資處理，更不能隨意亂丟。,3.6　核輻射傳感器,1.制作原理　如圖3-57所示，檢測(cè)器所用的敏感元件是一個(gè)與場(chǎng)效應(yīng)晶體管VF連接的電感線圈L1。,圖3-57　電磁輻射檢測(cè)器原理,3.6　核輻射傳感器,2.元器件選擇1)VF:BS170；VT1:BC547C；VT2:BC557C。2)R1～R7均用RTX—1/8W型碳膜電阻。3)電源選用9V直流電源。4)VL選用BT系列普通發(fā)光二極管。3.制作與調(diào)試(1

54、)制作　圖3-58所示為電磁輻射檢測(cè)器印制電路布線圖。,圖3-58　電磁輻射檢測(cè)器印制電路布線圖,3.6　核輻射傳感器,(2)調(diào)試　安裝完畢后，首先把檢測(cè)器放置在遠(yuǎn)離照明線或電壓較高的電線的位置上(例如房間中央)。(3)使用　試用結(jié)果表明，只要離開視頻設(shè)備或計(jì)算機(jī)屏幕1m以上。1.什么叫壓電效應(yīng)？什么叫逆壓電效應(yīng)？2.一壓電式傳感器的靈敏度K1＝10pC／MPa，連接靈敏度K2=0.008V／pC3.用石英晶體加速度計(jì)及電荷放大

55、器測(cè)量加速度，已知：加速度計(jì)靈敏度為5PC/g，電荷放大器靈敏度為50mV/PC，當(dāng)機(jī)器加速度達(dá)到最大值時(shí)，相應(yīng)輸出電壓幅值為2V，試求該機(jī)器的振動(dòng)加速度。4.什么是光電效應(yīng)？有哪幾種？,3.6　核輻射傳感器,5.什么叫霍爾效應(yīng)？可進(jìn)行哪些參數(shù)的測(cè)量？6.簡(jiǎn)述光電傳感器的主要形式及其應(yīng)用。7.霍爾元件靈敏度KH=40V/A·T，控制電流I8.什么是磁電式傳感器？磁電式傳感器主要用來測(cè)量哪些參數(shù)？9.什么是超聲波傳感器

56、？超聲波流量計(jì)可以用來測(cè)量哪些流體？10.利用超聲波測(cè)厚的基本方法是什么？已知超聲波在工件中的聲速為5640m/s，測(cè)得的時(shí)間間隔t為22μs，試求工件厚度。11.什么是核輻射傳感器？12.核輻射傳感器可以用來實(shí)現(xiàn)對(duì)哪些參數(shù)的測(cè)量？13.使用核輻射傳感器時(shí)應(yīng)該注意什么問題？,3.6　核輻射傳感器,14.某超聲波液位計(jì)用于測(cè)量敞口容器液位(見圖3-46)，換能器安裝在容器上方，距離容器底部3m，從發(fā)射到接收超聲波需要3ms，超聲波