《常用傳感器》PPT課件.ppt

《《常用傳感器》PPT課件.ppt》由會(huì)員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《《常用傳感器》PPT課件.ppt（54頁(yè)珍藏版）》請(qǐng)?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

1、4.7半導(dǎo)體傳感器,半導(dǎo)體的重要特性 對(duì)光、熱、力、氣體、濕度等物理量具有敏感性。利用半導(dǎo)體材料的這些特性使其成為非電量電測(cè)的轉(zhuǎn)換元件，是近代半導(dǎo)體技術(shù)應(yīng)用的一個(gè)重要方面。 半導(dǎo)體傳感器的優(yōu)點(diǎn) 1、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕。 2、功耗低、安全可靠、壽命長(zhǎng)。 3、對(duì)被測(cè)量敏感、響應(yīng)快 4、易于實(shí)現(xiàn)集成化。,一、磁敏傳感器,磁敏傳感器 利用半導(dǎo)體材料中的自由電子或空穴 隨磁場(chǎng)改變其運(yùn)動(dòng)方向這一特性而制成的 一種傳感器。 利用半導(dǎo)體材料的磁敏特性來(lái)工作的 傳感器 1、霍爾元件 2、磁阻元件。 3、磁敏管,1、霍爾元件 霍爾傳感器是利用半導(dǎo)體材料的霍爾效應(yīng)進(jìn)行測(cè)量的一種傳感器。它可以直接測(cè)量

2、磁場(chǎng)及微位移量，也可以間接測(cè)量液位、壓力等工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程參數(shù)。,霍爾效應(yīng)：通電的導(dǎo)體或半導(dǎo)體，在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向上將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象。,當(dāng)磁場(chǎng)垂直于薄片時(shí)，電子受到洛侖茲力的作用，向內(nèi)側(cè)偏移，在半導(dǎo)體薄片c、d方向的端面之間建立起霍爾電勢(shì)。,產(chǎn)生霍爾效應(yīng)的原理： 電子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)受磁場(chǎng)力（洛侖茲力）的作用而產(chǎn) 生偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，向垂直于磁場(chǎng)方向與電流方向的側(cè)面聚 集。 在一側(cè)面形成負(fù)電荷累積的同時(shí)，另一側(cè)面形成正電 荷的累積。兩端面間建立起霍爾電場(chǎng)。 電場(chǎng)對(duì)電子的作用力與洛侖茲力的方向相反，當(dāng)它們 達(dá)到平衡時(shí)，就形成了穩(wěn)定的霍爾電壓。,若磁感應(yīng)強(qiáng)度B不垂直于霍爾元件，而是與其法線成某一角度時(shí)，實(shí)

3、際上作用于霍爾元件上的有效磁感應(yīng)強(qiáng)度是其法線方向（與薄片垂直的方向）的分量，這時(shí)的霍爾電勢(shì)為,式中 KB為霍爾常數(shù)，取決于材質(zhì)、溫度和元件尺寸 B為磁感應(yīng)強(qiáng)度 a為電流與磁場(chǎng)方向的夾角 近年生產(chǎn)的銻化銦薄膜霍爾元件是用鍍膜法制造的，其厚度約為0.2mm，用于極窄縫隙中的磁場(chǎng)測(cè)量。,霍耳器件片 a)實(shí)際結(jié)構(gòu)(mm)；(b)簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu),線性型三端霍爾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。,霍爾元件的應(yīng)用： 測(cè)量磁場(chǎng) 將霍爾傳感器置于待測(cè)磁場(chǎng)中，控制電極兩端通以恒定電流，則其輸出電壓就反映了磁場(chǎng)的大小，可用電位差計(jì)進(jìn)行輸出顯示。

4、測(cè)量位移 將霍爾元件置于梯度磁場(chǎng)中，保持控制極電流不變，則當(dāng)元件沿磁場(chǎng)梯度方向有位移時(shí)，元件輸出端有霍爾電壓輸出。 測(cè)量壓力 測(cè)量電流,可在不斷電的情況下，用霍爾鉗形電流表測(cè)量 電動(dòng)機(jī)的相電流,2、磁阻元件 是一種電阻隨磁場(chǎng)變化而變化的磁敏元件，也稱MR元件。它的理論基礎(chǔ)為磁阻效應(yīng)。 磁阻效應(yīng)：若給通以電流的金屬或半導(dǎo)體材料的薄片加以與電流垂直或平行的外磁場(chǎng)，則其電阻值就增加。稱此種現(xiàn)象為磁致電阻變化效應(yīng)，簡(jiǎn)稱為磁阻效應(yīng)。,磁阻元件可用于位移、力、加速度等參數(shù)的測(cè)量。,磁阻IC用于筆式驗(yàn)鈔器,驗(yàn)鈔筆順著紙幣上的磁性防偽線掃描,,3、磁敏管,磁敏二極管、三極管是繼霍耳元件和磁敏電阻之后迅速發(fā)展起

5、來(lái)的新型磁電轉(zhuǎn)換元件。它們具有磁靈敏度高（磁靈敏度比霍耳元件高數(shù)百甚至數(shù)千倍）；能識(shí)別磁場(chǎng)的極性；體積小、電路簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，因而正日益得到重視；并在檢測(cè)、控制等方面得到普遍應(yīng)用。,二、熱敏傳感器,熱敏電阻是一種半導(dǎo)體溫度傳感器，它利用半導(dǎo)體材料的電阻隨溫度顯著變化這一特性制成的感溫元件。它是由某些金屬氧化物按一定的配方比例壓制燒結(jié)而成。在某一溫度范圍內(nèi)，根據(jù)測(cè)量熱敏電阻阻值的變化，便可知道被測(cè)介質(zhì)的溫度變化。 熱敏電阻是非線性電阻，它的非線性特性表現(xiàn)在其電阻值與溫度間呈指數(shù)關(guān)系。,式中 R為溫度T時(shí)的電阻 R0為溫度T0時(shí)的電阻 為材料的特征常數(shù),半導(dǎo)體熱敏電阻與金屬電阻相比具有下述優(yōu)點(diǎn)：

6、靈敏度高，可測(cè)0.0010.005C的微小溫度變化。 熱敏電阻元件可制作成珠狀、桿狀和片狀。 即使長(zhǎng)距離測(cè)量，導(dǎo)線的電阻影響也可以不考慮。 熱敏電阻具有良好的穩(wěn)定性。,三、氣敏傳感器,氣敏傳感器是用來(lái)檢測(cè)氣體類別、濃度和成分的傳感器。 其材料是金屬氧化物，使用氣敏電阻傳感器，可以把某種氣體的成分、濃度等參數(shù)轉(zhuǎn)換成電阻變化量，再轉(zhuǎn)換為電流、電壓信號(hào)。 工作原理：當(dāng)氣敏元件吸附了被測(cè)氣體時(shí)，其點(diǎn)導(dǎo)率發(fā)生了變化。當(dāng)半導(dǎo)體氣敏元件表面吸附氣體分子時(shí)，由于二者相互接收電子的能力不同，產(chǎn)生了正離子和負(fù)離子吸附，引起表面能帶彎曲，導(dǎo)致電導(dǎo)率變化。 優(yōu)點(diǎn)：在低濃度下對(duì)可燃?xì)怏w和某些有毒氣體檢測(cè)靈敏度高，響應(yīng)

7、快，制造使用和保養(yǎng)方便、價(jià)格便宜等。,用半導(dǎo)體氣敏元件組成的氣敏傳感器工業(yè)上用于天然氣、煤氣、石油化工等部門的易燃、易爆、有毒、有害氣體的監(jiān)測(cè)、預(yù)報(bào)和自動(dòng)控制, 氣敏元件是以化學(xué)物質(zhì)的成分為檢測(cè)參數(shù)的化學(xué)敏感元件。 ,酒精傳感器,酒精測(cè)試儀,呼氣管,,家庭用煤氣報(bào)警器,一氧化碳傳感器,汽車尾氣分析,四、濕敏傳感器,絕對(duì)濕度：是指大氣中水汽的密度，即每一立方米大氣中所含水汽的質(zhì)量(克數(shù))。,濕敏電阻的原理：水是一種強(qiáng)極性的電解質(zhì)。水分子極易吸附于固體表面并滲透到固體內(nèi)部，引起半導(dǎo)體的電阻值降低，因此可以利用多孔陶瓷、三氧化二鋁等吸濕材料制作濕敏電阻。,濕度對(duì)電子元件的影響,當(dāng)環(huán)境的相對(duì)濕度增大時(shí)

8、，物體表面就會(huì)附著一層水膜，并滲入材料內(nèi)部。這不僅降低了絕緣強(qiáng)度，還會(huì)造成漏電、擊穿和短路現(xiàn)象；潮濕還會(huì)加速金屬材料的腐蝕并引起有機(jī)材料的霉?fàn)€。,電子濕度計(jì)模塊,五、固態(tài)圖象傳感器,光固態(tài)圖象傳感器由光敏元件陣列和電荷轉(zhuǎn)移器件集合而成。它的核心是電荷耦合器件CCD(Charge Coupled Device)。CCD自1970年問(wèn)世以后，由于它的低噪聲等特點(diǎn)，CCD圖象傳感器廣泛的被應(yīng)用在微光電視攝像、信息存儲(chǔ)和信息處理等方面。 優(yōu)點(diǎn)：小型、輕便、響應(yīng)快、靈敏度高、穩(wěn)定性好、壽命高和以光為媒介可以對(duì)人員不便出入的環(huán)境進(jìn)行遠(yuǎn)距離測(cè)量等。 可用于物位、尺寸、形狀、工件探傷等測(cè)量。,3.10 傳感器

9、的選用原則,靈敏度 一般來(lái)講，傳感器靈敏度越高越好。但過(guò)高的靈敏度也會(huì)縮小其適用的范圍。靈敏度越高，與測(cè)量信號(hào)無(wú)關(guān)的外界干擾也越容易混入。 響應(yīng)特性 在所測(cè)頻率范圍內(nèi)，傳感器的響應(yīng)特性必須滿足不失真測(cè)試條件。在選用時(shí)，還要考慮到被測(cè)物理量的變化特點(diǎn)。 線性范圍 線性范圍越大，表明傳感器的工作量程越大。選用傳感器時(shí)要保證傳感器工作在線性區(qū)域內(nèi)，以保證測(cè)量精度。,可靠性 為保證傳感器應(yīng)用中具有高的可靠性，事前須選用設(shè)計(jì)、制造良好，使用條件適宜的傳感器；使用過(guò)程中，盡量減輕使用條件的不良影響。 精確度 傳感器精確度越高，越能得到精確量值?？紤]精確度同時(shí)考慮經(jīng)濟(jì)性。 測(cè)量方法 傳感器在實(shí)際條件下的工作

10、方式，也是選用傳感器時(shí)應(yīng)考慮的重要因素。 其他還考慮結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、價(jià)格便宜、易于維修、易于更換等因素。,傳感器輸出信號(hào)的基本形式 1、電信號(hào)，如電壓、電流或電荷量 2、電參數(shù)的變化，如電阻、電感和電容等 信號(hào)并不能被讀取或者記錄 1、非電壓信號(hào)難以被直接顯示 2、信號(hào)太微弱 3、信號(hào)本身還攜帶不期望的信息或噪聲 因此，傳感器的輸出信號(hào)尚需經(jīng)過(guò)調(diào)理、放大、濾波等處理，然后被顯示或記錄。,4信號(hào)的調(diào)理和記錄,信號(hào)調(diào)理的目的：便于信號(hào)的傳輸與處理 傳感器輸出的信號(hào)很微弱，大多數(shù)不能直接輸送到顯示、記錄或分析儀器中去，需要進(jìn)一步放大。 有些傳感器輸出的是電參量，需要轉(zhuǎn)換成電信號(hào)才能進(jìn)行

11、處理。 有些傳感器輸出的是電信號(hào)，但信號(hào)中混雜有干擾噪聲，需要去掉噪聲，提高信噪比。 某些場(chǎng)合，為便于信號(hào)的遠(yuǎn)距離傳輸，需要對(duì)傳感器測(cè)量信號(hào)進(jìn)行調(diào)制解調(diào)處理。,本章學(xué)習(xí)要求 了解電橋工作原理 了解信號(hào)調(diào)制解調(diào)原理 了解信號(hào)濾波器工作原理 了解測(cè)試信號(hào)的顯示與記錄,4.1電橋,電阻應(yīng)變片，其電阻的變化量只有0.00010.1歐的變化量，如此微小的電阻變化量，是很難用測(cè)量?jī)x器直接測(cè)量出來(lái)，常用的就是采用一定形式的電橋，將其轉(zhuǎn)換為電壓的變化，再進(jìn)行放大。 電橋是將電阻、電感、電容等參量的變化變?yōu)殡妷夯螂娏鬏敵龅囊环N測(cè)量電路。其輸出既可用指示儀表直接測(cè)量，也可以送入放大器進(jìn)行放大。 由于橋式測(cè)量電路簡(jiǎn)

12、單，并具有較高精確度和靈敏度，因此在測(cè)量裝置中被廣泛應(yīng)用。按照其激勵(lì)電壓的性質(zhì)，可分為直流與交流電橋；按照輸出方式，可分為不平衡橋式電路與平衡橋式電路。,一、直流電橋,基本結(jié)構(gòu)：如圖所示，由四個(gè)阻抗構(gòu)成四個(gè)橋臂。A和C接入直流電源作為電橋的激勵(lì)電源，B和D端為輸出端。 當(dāng)電橋輸出端后接輸入電阻較大的儀表或放大器時(shí)，可視為開(kāi)路，電流輸出為零。此時(shí)橋路電流為：,a、b之間與a、d之間電位差：,輸出電壓：,由此可以看出，若要使電橋平衡，輸出為零，應(yīng)滿足：,橋臂阻抗可以是電阻、電感和電容式傳感器。當(dāng)被測(cè)量為某一初始值并未發(fā)生變化時(shí)希望電橋輸出為0。 當(dāng)某一橋臂電阻發(fā)生變化使電橋的平衡發(fā)生破壞時(shí)，通過(guò)手

13、動(dòng)或自動(dòng)的方法對(duì)電橋的某一調(diào)整環(huán)節(jié)進(jìn)行調(diào)整，使電橋重新恢復(fù)平衡，其電阻的變化可以從調(diào)整值獲得。,3、在測(cè)試技術(shù)中，一般根據(jù)工作中電阻值參與變化的橋臂數(shù)可分為單臂電橋連接、半橋式與全橋式聯(lián)接，如圖42所示。四個(gè)阻抗臂都感受被測(cè)量的變化稱之為全橋。,3、輸出特性 （1）半橋單臂接法 輸出電壓,為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，取相鄰兩橋臂 電阻相等，即,若 ，則輸出電壓,一般,可見(jiàn)，電橋的輸出 與激勵(lì)電壓 成正比，且在 條件下，與 成正比。 靈敏度,（2）半橋雙臂接法 輸出,靈敏度,與半橋單臂相比，靈敏度提高了一倍，電橋的輸出 與 成完全線性關(guān)系。,（3）全橋接法,輸出,靈敏度,顯然，電橋接法不同，靈敏

14、度也不同，全橋接法可以獲得最大的靈敏度。,4、和差特性 當(dāng),輸出,所以,從這個(gè)等式中我們可以看出：當(dāng)一對(duì)相對(duì)邊感受大小相等、方向相同的信號(hào)時(shí)，電橋輸出不為0，感受大小相等、方向相反的信號(hào)時(shí)，輸出為0。當(dāng)相鄰邊感受大小相等、方向相反的信號(hào)時(shí)，電橋輸出不為0；而感受大小相等、方向相同的信號(hào)時(shí)，輸出為0。 因此，我們把相對(duì)邊稱為同變輸入端工作時(shí)接入同變信號(hào)；把相鄰邊稱為差變輸入端工作是接入差變信號(hào)。這樣電橋才有最大輸出。這就是電橋的和差特性。利用這一特性，通常電橋可用于合理布置應(yīng)變片和連接電橋等，使靈敏度得到提高。,5、和差特性的應(yīng)用舉例,懸臂梁受彎矩力和拉伸力同時(shí)作用時(shí)，現(xiàn)要求分別測(cè)出彎矩力和拉伸

15、力，應(yīng)該如何布片，如何接橋？ 分析：懸臂梁在受彎矩力作用時(shí)，上側(cè)面為拉應(yīng)變，下側(cè)面為壓應(yīng)變；在受到拉伸力時(shí)作用時(shí)，上、下側(cè)面均為拉應(yīng)變。,利用電橋的和差特性，在測(cè)彎矩力時(shí)，將應(yīng)變片貼于懸臂梁的上、下側(cè)面，同時(shí)在接橋時(shí)把應(yīng)變片接在電橋的相鄰橋臂上，另外兩個(gè)橋臂為固定電阻。 這樣，在彎矩力F作用下，dR1=-dR2,同時(shí)dR3=dR4=0,電橋輸出為,而在拉伸力作用下，由于dR1=dR2，所以,電橋的輸出電壓僅反映的是彎矩力作用的結(jié)果而與拉伸力無(wú)關(guān)。 而在測(cè)量拉伸力時(shí)，只要把上、下側(cè)面的應(yīng)變片、連接在電橋的相對(duì)橋臂上即可，這時(shí)電橋的輸出電壓僅反映的是拉伸力作用的結(jié)果而與彎矩力大小無(wú)關(guān)。 如果要進(jìn)一

16、步提高電橋的靈敏度，可采用如下的布片和連接方式，將電橋連接成全橋形式，不過(guò)這時(shí)電橋的輸出電壓同時(shí)反映了彎矩力與拉伸力綜合作用的結(jié)果。,二、交流電橋,交流電橋采用交流激勵(lì)電壓。電橋 的四個(gè)臂可為電感、電容或電阻。電路 結(jié)構(gòu)與直流電橋完全一樣，其平衡關(guān)系 式在交流電橋中也可適用。,把各阻抗用指數(shù)式表示并代入：,若此式成立，必須同時(shí)滿足下列兩等式：,i為各阻抗角，是各橋臂電流與電壓之間的相位差,Z0i為各阻抗的模,純電阻時(shí)電流與電壓同相位， 0；電感性阻抗， 0；電容性阻抗， 0。 交流電橋平衡必須滿足兩個(gè)條件，即相對(duì)兩臂阻抗之模的乘積應(yīng)相等，并且它們的阻抗角之和也必須相等。,圖44是一種常用電容電

17、橋：,根據(jù)平衡條件有，上式的實(shí)數(shù)和虛數(shù)部分分別相等，則有下面兩個(gè)平衡條件：,圖4-5是一種常用電感電橋，電橋平衡條件為：,對(duì)于純電阻交流電橋，即使各橋臂均為電阻，但由于導(dǎo)線間存在分布電容，相當(dāng)于在各橋臂上并聯(lián)了一個(gè)電容（圖4-6）。為此，除了有電阻平衡外，還須有電容平衡。,三、帶感應(yīng)耦合臂的電橋 帶感應(yīng)耦合臂的電橋是將感應(yīng)耦合的兩個(gè)繞組作為橋臂而組成的電橋，一般有下列兩種形式。 圖4-8a是用于電感比較儀中的電橋，感應(yīng)耦合的繞組W1、W2與阻抗Z3、Z4構(gòu)成電橋的四個(gè)臂。繞組W1、W2相當(dāng)于變壓器的二次邊繞組，這種橋路又稱變壓器電橋。平衡時(shí)，指零儀G指零。 另一種形式如圖4-8b所示，電橋平衡時(shí)，繞組W1、W2 的激磁效應(yīng)互相抵消，鐵心中無(wú)磁通，所以指零儀G指零。,帶感應(yīng)耦合臂的電橋與一般電橋比較，具有較高的精確度、靈敏度以及性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。 例：4-2 第一問(wèn) 答：不能提高靈敏度，因?yàn)榘霕螂p臂時(shí)，其輸出電壓,當(dāng)兩橋臂各串聯(lián)電阻應(yīng)變片時(shí)，其電阻的相對(duì)變化量為：,即仍然沒(méi)有發(fā)生變化，故靈敏度不變。,作業(yè)：4-1,