第6章 电动势式传感器
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《传感器与检测技术》高教(4版) 第六章
差动变压器位移计
当铁芯处于中间位置时，输出电压: UU 21 U 220
当铁芯向右移动时，则输出电压: UU 21 U 220
当铁芯向左移动时，则输出电压: UU 21 U 220
输出电压的方向反映了铁芯的运动方向，大小反映了铁 芯的位移大小。
差动变压器位移计
输出特性如图所示。
差动变压器位移计
角度的精密测量。 光栅的基本结构
1、光栅：光栅是在透明的玻璃上刻有大量平行等宽等 距的刻线构成的，结构如图。
设其中透光的缝宽为a，不透光的缝宽为b，
一般情况下，光栅的透光缝宽等于不透光
的缝宽，即a = b。图中d = a + b 称为光
栅栅距（也称光栅节距或称光栅常数）。
光栅位移测试
2、光栅的分类
1、激光的特性
（1）方向性强
（2）单色性好
（3） 亮度高
（4） 相干性好
2、激光器
按激光器的工作物质可分为以下几类： （1）固体激光器：常用的有红宝石激光器、钕玻 璃激光器等。
（2）气体激光器：常用的为氦氖激光器、二氧化 碳激光器、一氧化碳激光器等。
激光式传感器
（3） 液体激光器：液体激光器分为无机液体激光器 和有机液体激光器等。
数小，对铜的热电势应尽可能小，常用材料有： 铜镍合金类、铜锰合金类、镍铬丝等。 2、骨架：
对骨架材料要求形状稳定表面绝缘电阻高， 有较好的散热能力。常用的有陶瓷、酚醛树脂 和工程塑料等。 3、电刷：
电刷与电阻丝材料应配合恰当、接触电势 小，并有一定的接触压力。这能使噪声降低。
电位器传感器
电位计式位移传感器
6.2.2 差动变压器位移计结构
1-测头； 2-轴套； 3-测杆； 4-铁芯；5-线圈架； 6-导线； 7-屏蔽筒；8-圆片弹簧；9-弹簧； 10-防尘罩
《传感与检测技术》习题及解答
第1章 传感与检测技术基础第2章 电阻式传感器 第3章 电感式传感器1、电感式传感器有哪些种类？它们的工作原理分别是什么？2、说明3、变气隙长度自感式传感器的输出特性与哪些因素有关？怎样改善其非线性？怎样提高其灵敏度？答：根据变气隙自感式传感器的计算式：00022l S W L μ=，线圈自感的大小，即线圈自感的输出与线圈的匝数、等效截面积S 0和空气中的磁导率有关，还与磁路上空气隙的长度l 0有关；传感器的非线性误差：%100])([200⨯+∆+∆= l ll l r 。
由此可见，要改善非线性，必须使l l∆要小，一般控制在0.1~0.2。
（因要求传感器的灵敏度不能太小，即初始间隙l 0应尽量小，故l ∆不能过大。
）传感器的灵敏度：20022l S W dl dL l L K l ⨯-=≈∆∆≈μ，由此式可以看出，为提高灵敏度可增加线圈匝数W ，增大等效截面积S 0，但这样都会增加传感器的尺寸；同时也可以减小初始间隙l 0，效果最明显。
4、试推导 5、气隙型 6、简述 7、试分析 8、试推导 9、试分析 10、如何通过11、互感式12、零点残余电压产生的原因是什么？怎样减小和消除它的影响？答：在差动式自感传感器和差动变压器中，衔铁位于零点位置时，理论上电桥输出或差动变压器的两个次级线圈反向串接后电压输出为零。
但实际输出并不为零，这个电压就是零点残余电压。
残差产生原因：①由于差动式自感传感器的两个线圈结构上不对称，如几何尺寸不对称、电气参数不对称。
②存在寄生参数；③供电电源中有高次谐波，而电桥只能对基波较好地预平衡。
④供电电源很好，但磁路本身存在非线性。
⑤工频干扰。
差动变压器的零点残余电压可用以下几种方法减少或消除：①设计时，尽量使上、下磁路对称；并提高线圈的品质因素Q=ωL/R；②制造时，上、下磁性材料性能一致，线圈松紧、每层匝数一致等③采用试探法。
在桥臂上串/并电位器，或并联电容等进行调整，调试使零残最小后，再接入阻止相同的固定电阻和电容。
高中物理--传感器
B. 物体M运动时，电压表的示数会发生变化
C. 物体M不动时，电路中没有电流
D. 物体M不动时，电压表没有示数
2、热电传感器
热电传感器是利用热敏电阻的阻值会随温度的变化而变化的原理制成的，
如各种家用电器（空调、冰箱、热水器、饮水机、电饭煲等）的温度控制、火
警报警器、恒温箱等。
例5：如图是一火警报警的一部分电路示意图。其中R2 为用半导
器。其中有一种是动圈式的，它的工作原理是在弹性
膜片后面粘接一个轻小的金属线圈，线圈处于永磁体
的磁场中，当声波使膜片前后振动时，就将声音信号 转变为电信号。下列说法正确的是
(B
)
A 该传感器是根据电流的磁效应工作的
B 该传感器是根据电磁感应原理工作的
C 膜片振动时，穿过金属线圈的磁通量不变
D 膜片振动时，金属线圈中不会产生感应电动势
受热时电阻值小，ab间电流大，电磁继电器磁性强，衔铁与下触点接 触，电铃响。
①将热敏电阻、小灯泡、学生用电源、滑动变阻器、开关串联接入继电器的a、b 端，如图示：
②将学生用电源与绿灯泡分别接入c、e之 间。
③将学生用电源与电铃分别接入c、d、之 间。
t° 变式：提高灵敏度，应该如何调节
滑动变阻器？
a bc d e
①风力大小F与θ的关系式； F=Mg·tanθ①
②风力大小F与电流表示数I/ 的关系式。思路？ tanθ=L//h②
I/=E/[R0+k(L-L/）] ③ E=I(R0+kL) ④ ③由此①装到置④所得测：F定 的Mhg最• (大kL风 Rk力0I)(/ 是I / 多I )少⑤？
F Mg L ⑥ 两种理解
例7.如图示，将一光敏电阻连入多用电表两表笔上，将多用电表的
C. 物体M不动时，电路中没有电流
D. 物体M不动时，电压表没有示数
2、热电传感器
热电传感器是利用热敏电阻的阻值会随温度的变化而变化的原理制成的，
如各种家用电器（空调、冰箱、热水器、饮水机、电饭煲等）的温度控制、火
警报警器、恒温箱等。
例5：如图是一火警报警的一部分电路示意图。其中R2 为用半导
器。其中有一种是动圈式的，它的工作原理是在弹性
膜片后面粘接一个轻小的金属线圈，线圈处于永磁体
的磁场中，当声波使膜片前后振动时，就将声音信号 转变为电信号。下列说法正确的是
(B
)
A 该传感器是根据电流的磁效应工作的
B 该传感器是根据电磁感应原理工作的
C 膜片振动时，穿过金属线圈的磁通量不变
D 膜片振动时，金属线圈中不会产生感应电动势
受热时电阻值小，ab间电流大，电磁继电器磁性强，衔铁与下触点接 触，电铃响。
①将热敏电阻、小灯泡、学生用电源、滑动变阻器、开关串联接入继电器的a、b 端，如图示：
②将学生用电源与绿灯泡分别接入c、e之 间。
③将学生用电源与电铃分别接入c、d、之 间。
t° 变式：提高灵敏度，应该如何调节
滑动变阻器？
a bc d e
①风力大小F与θ的关系式； F=Mg·tanθ①
②风力大小F与电流表示数I/ 的关系式。思路？ tanθ=L//h②
I/=E/[R0+k(L-L/）] ③ E=I(R0+kL) ④ ③由此①装到置④所得测：F定 的Mhg最• (大kL风 Rk力0I)(/ 是I / 多I )少⑤？
F Mg L ⑥ 两种理解
例7.如图示，将一光敏电阻连入多用电表两表笔上，将多用电表的
传感器原理及其应用 第6章 磁电式传感器
材料(单晶) N型锗(Ge) N型硅(Si) 锑化铟(InSb)
1/ 2
4000 1840 4200
砷化铟(InAs)
磷砷铟(InAsP) 砷化镓(GaAs)
0.36
0.63 1.47
0.0035
0.08 0.2
25000
10500 8500
100
850 1700
1530
3000 3800
哪种材料制作的霍尔元件灵敏度高
1、8—圆形弹簧片；2—圆环形阻尼器；3—永久磁铁；4—铝架； 5—心轴；6—工作线圈；7—壳体；9—引线 工作频率 固有频率 灵敏度 10～500 Hz 12 Hz 最大可测加速度 5g 可测振幅范围 精度 ≤10％ 45mm×160 mm 0.7 kg
0.1～1000 m 外形尺寸 1.9 k 质量
d E N dt
武汉理工大学机电工程学院
第6章 磁电式传感器
磁通量的变化可以通过很多办法来实现，如磁铁与线圈之间作 相对运动；磁路中磁阻的变化；恒定磁场中线圈面积的变化等， 一般可将磁电感应式传感器分为恒磁通式和变磁通式两类。 6.1.1 恒磁通式磁电感应传感器结构与工作原理 恒磁通式磁电感应传感器结构中，工作气隙中的磁通恒定，感 应电动势是由于永久磁铁与线圈之间有相对运动——线圈切割 磁力线而产生。这类结构有动圈式和动铁式两种，如图所示。
武汉理工大学机电工程学院
第6章 磁电式传感器 磁铁与线圈相对运动使线圈切割磁力线，产生与运动速度dx/dt 成正比的感应电动势E，其大小为
dx E NBl dt
式中：N为线圈在工作气隙磁场中的匝数；B为工作气隙磁感应 强度；l为每匝线圈平均长度。 当传感器结构参数确定后，N、B和l均为恒定值，E与dx/dt成正 比，根据感应电动势E的大小就可以知道被测速度的大小。 由理论推导可得，当振动频率低于传感器的固有频率时，这种传 感器的灵敏度(E/v)是随振动频率而变化的；当振动频率远大于 固有频率时，传感器的灵敏度基本上不随振动频率而变化，而近 似为常数；当振动频率更高时，线圈阻抗增大，传感器灵敏度随 振动频率增加而下降。 不同结构的恒磁通磁电感应式传感器的频率响应特性是有差异的， 但一般频响范围为几十赫至几百赫。低的可到10 Hz左右，高的可 达2 kHz左右。
第六章-自感式传感器
L0
L10
L20
m
0W
2
mr
rc
l2 c
l2
k1
k2
m0W 2mr rc2
l2
综上所述，螺管式自感传感器的特点： ①结构简单，制造装配容易； ②由于空气间隙大，磁路的磁阻高，因此灵敏度低 ，但线性范围大； ③由于磁路大部分为空气，易受外部磁场干扰； ④由于磁阻高，为了达到某一自感量，需要的线圈 匝数多，因而线圈分布电容大； ⑤要求线圈框架尺寸和形状必须稳定，否则影响其 线性和稳定性。
2
3
（2）单线圈是忽略
0
以上高次项，差动式是忽略
0
以上偶次项，
因此差动式自感式传感器线性度得到明显改善。
*另一种形式： Π型
6 自感式传感器
6.1 工作原理 6.2 变气隙式自感传感器 6.3 变面积式自感传感器 6.4 螺线管式自感传感器 6.5 自感式传感器测量电路 6.6 自感式传感器应用举例
第6章 电感式传感器
电感式传感器是建立在电磁感应基础上，利用 线圈自感或互感的改变来实现测量的一种装置。它 可对直线位移和角位移进行直接测量，也可通过一 定的敏感元件把振动、压力、应变、流量等转换成 位移量而进行测量。通常可由下列方法使线圈的电 感变化：
(1)改变几何形状； (2)改变磁路的磁阻； (3)改变磁芯材料的导磁率； (4)改变一组线圈的两部分或几部分间的耦合度。
1. 交流电桥 2. 变压器电桥 3. 自感传感器的灵敏度
（一）交流电桥式测量电路
分析：
• 衔铁在初始位置时，电桥平衡
L1
L2
L0
W 2m0S 20
• 若衔铁上移，则：
1 0 ,2 0
测试与传感器作业答案
第一章 测试技术基础1.用测量范围为-50～150kPa 的压力传感器测量140kPa 压力时，传感器测得示值为+142kPa ，试求该示值的绝对误差、相对误差、标称相对误差和引用误差。
解：绝对误差2kPa140142=-=∆p相对误差 1.43%100%1401401420=⨯-=∆=p p p δ标称相对误差1.41%100%142140142=⨯-=∆='p p p δ引用误差 1%100%50150140142m =⨯+-=∆=p p p γ2．某压力传感器静态标定的结果如下表所示。
试求用端点连线拟合法拟合的该传感器输出与输入关系的直线方程，并试计算其非线性误差、灵敏度和迟滞误差。
解： 端点连线拟合法拟合的直线方程 p p U 450200==非线性误差0.1%100%2000.2100%=⨯=⨯∆=FS Y L max γ灵敏度 4mV/Pa =∆∆=pUS 迟滞误差0.3%100%2001.221100%21=⨯⨯=⨯∆=FS H Y H max γ或0.6%100%2001.2100%max =⨯=⨯∆=FS H Y H γ3.玻璃水银温度计的热量是通过玻璃温包传导给水银的，其特性可用微分方程表示（式中y 为水银柱高度，单位m ；x 为输入温度，单位℃）。
x y dtdy310123-⨯=+试确定温度计的时间常数τ、静态灵敏度k 和传递函数及其频率响应函数。
解：x y dtdy310123-⨯=+x y D 3101)23(-⨯=+x y D 31021)123(-⨯=+时间常数静态灵敏度s 51.=τC m/1050o 3-⨯=.k 传递函数 频率响应函数1511050(s)3+⨯=-s H ..15.1105.0)(j 3+⨯=-ωωj H 4. 某热电偶测温系统可看作一阶系统，已知其时间常数为0.5s ，静态灵敏度。
试计1=k 算其幅频特性误差不大于5%的最高工作频率。
第6章 电动势式传感器
成形工艺性好，成本低廉，得到了广泛 的应用。
6.1.1 压电式传感器的工作原理
3．新型压电材料-压电半导体
有些晶体材料既有半导体性质，又具有压电 效应，如硫化锌（ZnS）、碲化镉（CdTe）、 氧化锌（ZnO）、硫化镉（CdS）、碲化锌 （ZnTe）和砷化镓（GaAs）等。
因此既可利用其压电效应制成传感器，又可 利用其半导体特性制成电子器件，也可以两 者结合，集元件与线路于一体，研制成新型 集成压电式传感器测试系统。近些年，就利 用氧化锌的压电效应来制作纳米发电机，实 现了纳米机器的自我供电。
结束
6.1 压电式传感器
压电式传感器是一种典型的自发电式传 感器（也称有源传感器），它的工作原 理基于压电效应，即某些材料受力后在 其表面产生电荷的现象。压电式传感器 主要用于力的测量和可以转变为力的非 电量的测量。因此，压电元件是一种力 敏感元件，可以测量那些可以转换为力 的非电物理量，如力、压力、加速度、 力矩等。
6.1.1 压电式传感器的工作原理
1．压电效应-正压电效应
Hale Waihona Puke 图6.1分别绘出了某种压电材料在各种受力条件下产生电荷的 情况。从图6.1中可以看出，改变压电材料的受力方向，可以 改变其产生的电荷的极性。实验表明，压电材料的线应变、 剪应变、体积应变都可以使其表面产生电荷，利用压电效应 可以制造出感受各种外力的传感元件，用压电材料制造的传 感元件称作压电元件。
如果外加电场以很高的频率按正弦规律变化， 压电元件的机械形变也将按正弦规律快速变 化，使压电元件产生机械振动，超声波发射 元件就是利用这种效应制作的。
6.1.1 压电式传感器的工作原理
1．压电效应-逆压电效应
利用正压电效应制成的压电式传感器，可将 力、压力、振动、加速度等非电量转换为电 量，从而进行精密测量。
6.1.1 压电式传感器的工作原理
3．新型压电材料-压电半导体
有些晶体材料既有半导体性质，又具有压电 效应，如硫化锌（ZnS）、碲化镉（CdTe）、 氧化锌（ZnO）、硫化镉（CdS）、碲化锌 （ZnTe）和砷化镓（GaAs）等。
因此既可利用其压电效应制成传感器，又可 利用其半导体特性制成电子器件，也可以两 者结合，集元件与线路于一体，研制成新型 集成压电式传感器测试系统。近些年，就利 用氧化锌的压电效应来制作纳米发电机，实 现了纳米机器的自我供电。
结束
6.1 压电式传感器
压电式传感器是一种典型的自发电式传 感器（也称有源传感器），它的工作原 理基于压电效应，即某些材料受力后在 其表面产生电荷的现象。压电式传感器 主要用于力的测量和可以转变为力的非 电量的测量。因此，压电元件是一种力 敏感元件，可以测量那些可以转换为力 的非电物理量，如力、压力、加速度、 力矩等。
6.1.1 压电式传感器的工作原理
1．压电效应-正压电效应
Hale Waihona Puke 图6.1分别绘出了某种压电材料在各种受力条件下产生电荷的 情况。从图6.1中可以看出，改变压电材料的受力方向，可以 改变其产生的电荷的极性。实验表明，压电材料的线应变、 剪应变、体积应变都可以使其表面产生电荷，利用压电效应 可以制造出感受各种外力的传感元件，用压电材料制造的传 感元件称作压电元件。
如果外加电场以很高的频率按正弦规律变化， 压电元件的机械形变也将按正弦规律快速变 化，使压电元件产生机械振动，超声波发射 元件就是利用这种效应制作的。
6.1.1 压电式传感器的工作原理
1．压电效应-逆压电效应
利用正压电效应制成的压电式传感器，可将 力、压力、振动、加速度等非电量转换为电 量，从而进行精密测量。
(第6章)磁电式传感器
6.2.2 霍尔元件的应用
1．霍尔式微量位移的测量 ．
由霍尔效应可知，当控制电流恒定时， 由霍尔效应可知，当控制电流恒定时， 霍尔电压U与磁感应强度B成正比，若磁感 成正比， 的函数， 应强度B是位置x的函数，即 UH=kx 13） （6-13） 式中： ——位移传感器灵敏度 位移传感器灵敏度。 式中：ｋ——位移传感器灵敏度。
测量转速时，传感器的转轴1 测量转速时，传感器的转轴1与被测物 体转轴相连接，因而带动转子2转动。 体转轴相连接，因而带动转子2转动。当转 的齿与定子5的齿相对时，气隙最小， 子2的齿与定子5的齿相对时，气隙最小， 磁路系统中的磁通最大。而磁与槽相对时， 磁路系统中的磁通最大。而磁与槽相对时， 气隙最大，磁通最小。因此当转子2转动时， 气隙最大，磁通最小。因此当转子2转动时， 磁通就周期性地变化，从而在线圈3 磁通就周期性地变化，从而在线圈3中感应 出近似正弦波的电压信号， 出近似正弦波的电压信号，其频率与转速 成正比例关系。 成正比例关系。
2．霍尔元件基本结构 ．
霍尔元件的外形结构图，它由霍尔片、 霍尔元件的外形结构图，它由霍尔片、 根引线和壳体组成， 4根引线和壳体组成，激励电极通常用红色 而霍尔电极通常用绿色或黄色线表示。 线，而霍尔电极通常用绿色或黄色线表示。
图6-8阻 ）
I v= nebd
得
IB EH = nebd
IB UH = ned
式中： 称之为霍尔常数， 式中：令RH=1/ne，称之为霍尔常数， 其大小取决于导体载流子密度， 其大小取决于导体载流子密度，则
RH IB = K H IB UH = d
（6-12） 12）
称为霍尔片的灵敏度。 式中： 式中：KH=RH/d称为霍尔片的灵敏度。
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Ca =
F
εA
h
q U= Ca q U= Ca
a
Ca = Ca
第六章
电动势式传感器
2. 压电晶片的连接方式 串联
Q′ = Q,
U′ = 2U,
C C′ = 2
并联
Q′ = 2Q,
U′ = U,
C′ = 2C
Q ′ = Q, 第六章U , U′ = 2
C′ =
C 2
电动势式传感器
四．压电传感器的测量电路（前置放大器） 压电传感器的测量电路（前置放大器）
电动势式传感器
四．应用举例
1．振动速度传感器 ．
第六章
电动势式传感器
2．直流测速发电机 ． 它的结构类似小型直流电机， 它的结构类似小型直流电机，大多采用永磁励磁方 式，其输出直流电压为
U = Keφ n
一般的直流伺服电机虽然结构与测速电机相同，但由 一般的直流伺服电机虽然结构与测速电机相同， 于测量误差较大， 于测量误差较大，在测量精度要求较高时不能用作测速发 电机 没有相位误差，但结构复杂、价格贵、 没有相位误差，但结构复杂、价格贵、会产生高频干扰
Uo = −AUi
q = CaUi + CcUi + CiUi + Cf (Ui −Uo )
第六章
电动势式传感器
q = CaUi + CcUi + CiUi + Cf (Ui + AUi )
= [Ca + Cc + Ci + (1+ A)Cf ]Ui
q Ui = Ca + Cc + Ci + (1+ A)Cf − Aq q Uo = −AUi = ≈− Ca + Cc + Ci + (1+ A)Cf Cf
6.2 压电晶体传感器
压电传感是以某些物质的压电效应为基础的一种有源 传感器。在外力作用下， 传感器。在外力作用下，某些物质变形后其表面会产生电 荷，从而实现非电量电测的目的。 从而实现非电量电测的目的。
压电传感器尺寸小，重量轻，工作频率宽， 压电传感器尺寸小，重量轻，工作频率宽，可测量变 化很快的动态压力、加速度、振动等。 化很快的动态压力、加速度、振动等。
第六章
电动势式传感器
6.3 霍尔传感器 一．霍尔元件的基本工作原理
1．半导体材料的霍尔效应 ．
B I
EH
在图中所示的半导体薄片两端通以电流I， 在图中所示的半导体薄片两端通以电流 ，并在薄片 的垂直方向上施加磁感应强度为B的磁场，那么， 的垂直方向上施加磁感应强度为 的磁场，那么，在垂直 的磁场 于电流和磁场的方向上将产生电势E 于电流和磁场的方向上将产生电势 H（称为霍尔电动 势）。这种现象成为霍尔效应。 ）。这种现象成为霍尔效应。 这种现象成为霍尔效应
前置放大器有两个作用： 前置放大器有两个作用： (1) 放大传感器输出的微弱信号； 放大传感器输出的微弱信号； (2) 将传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出。 将传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出。 1. 电压放大器 采用电压放大器要 考虑的两个主要问 题 （1）输入电阻要大 ） 电路的时间常数是由等效电阻及等效电容来决定的
Uo =Uo0
KH0 (1+α t)I H B = KH0 I H 0 B
(1+ α t)I H = I H0
(1+ α t) rp Ri + rp I= rp Ri0 + rp I
(1+ α t) =
Ri + rp Ri0 + rp
第六章
电动势式传感器
(1+ α t) =
Ri0 (1+ βt) + rp Ri0 + rp
极化后，两端出现束缚电荷， 极化后，两端出现束缚电荷， 吸引一层外来电荷， 吸引一层外来电荷，因而仍呈 中性。在外力的作用下， 中性。在外力的作用下，极化 电畴变化使两极板上电荷变化。 电畴变化使两极板上电荷变化。
第六章
电动势式传感器
三．压电传感器的等效电路
1. 压电传感器的等效电路
q
压电晶体
F
q
q ui = Ca + CC + Ci
可见， 可见，当改变连接传感器与前置放大器的电缆长度 将改变， 也随之变化， 时，CC 将改变，ui 也随之变化，从而使整个测量系统的 输出电压与电缆电容有关
第六章
电动势式传感器
2、电荷放大器 、
q Ca Ra Cc Ri Ci
Cf
ui
A
uo
电荷放大器是一个有反馈电容的高增益运算放大器 在不考虑电荷泄漏的情况下（不考虑电阻） 在不考虑电荷泄漏的情况下（不考虑电阻）
第六章
电动势式传感器
第六章
电动势式传感器
2．温度误差及其补偿 ．
Uo = EH = KH IB
Ri = Ri0 (1+ β t)
补偿方法 （1）恒流源供电 ）
KH = KH0 (1+α t)
EH 0 = K H 0 I H 0 B
第六章
电动势式传感器
（2）恒流源供电再并一个合适的电阻 ） 当温度为 T0 时
第六章
电动势式传感器
2．元件的连接 ．
正确接法
错误接法
与放大器连接
第六章
电动势式传感器
四．集成霍尔器件
1．霍尔线性集成器件 ． 2．霍尔开关集成器件 ．
N S x
五．霍尔元件在非电量电 测技术中的应用举例
1．位移传感器 ．
S B
N
x
第六章
电动势式传感器
2．霍尔无接触开关 ． 3．转速测量 ．
4．汽车霍尔点火器 ．
感应电动势与线圈对磁场的相对运动线速度或角 速度成正比， 速度成正比，因此磁电式传感器用于测量线速度与角 速度。 速度。 在测量电路中接入微分或积分电路则可用来测量 运动的位移和加速度。 运动的位移和加速度。
第六章
电动势式传感器
二．传感器的灵敏度
e S= = B1 dx dt
三． 测量电路
第六章
在电荷放大器中，输出电压与电缆电容无关， 在电荷放大器中，输出电压与电缆电容无关，只与电 荷成正比， 荷成正比，这是电荷放大器的突出优点
第六章
Cf q Ca Ra Cc Ri Ci
电动势式传感器
ui
A
uo
电路的时间常数是由等效电阻及等效电容来决定的
R = (Ra // Ri )
C = Ca + Cc + Ci + (1+ A)Cf
τ = (Ra // Ri )[Ca + Cc + Ci + (1+ A)Cf ] ≈ Ri ACf
与使用电压放大器相比时间常数要大得多， 与使用电压放大器相比时间常数要大得多，对输入电 阻的要求相对降低
第六章
电动势式传感器
五．应用举例
1．压电加速度传感器 ． 2．压电式压力传感器 ． 3．基于压电效应的超声波传感器 ． (1) 探伤 (2) 侧厚 (3) 检测材料
第六章
电动势式传感器
一．压电效应 某些电介质物质， 某些电介质物质，当沿一定方向受到外力作用而变形 时，在它的两个表面会产生符号相反的电荷；当将外力去 在它的两个表面会产生符号相反的电荷； 掉后，又重新回到不带电状态，这种现象称为压电效应。 掉后，又重新回到不带电状态，这种现象称为压电效应。
F
F
F
Ri0 βt = 1+ Ri0 + rp
Ri0 β α= Ri0 + rp
β −α rp = Ri0 α
Uo
Rp
第六章
电动势式传感器
三．霍尔传感器的使用
1．主要技术参数 ． 和输出电阻（ （1）输入电阻（RIN）和输出电阻（Rout） ）输入电阻（ （2）额定控制电流 IC ） （3）寄生直流电势 OD ）寄生直流电势U （4）不等位电势 0和不等位电阻 0 ）不等位电势U 和不等位电阻R （不等位电势与额定控制电流之比称为不等位电阻。） 不等位电势与额定控制电流之比称为不等位电阻。） （5）灵敏度 H ）灵敏度K （6）霍尔电势温度系数 ）霍尔电势温度系数α （7）电阻温度系数 ）电阻温度系数β
第六章
电动势式传感器
第六章 电动势式传感器
6.1 磁电式传感器
磁电式传感器是一种利用电磁感应原理， 磁电式传感器是一种利用电磁感应原理，将运动 速度转换成线圈中的感应电动势输出的传感器。 速度转换成线圈中的感应电动势输出的传感器。
第六章
电动势式传感器
一．工作原理
dΦ e=N 电磁感应定律 dt dx e = Blv = Bl dt
Ri = Ri0
KH = KH0
I H0
rP = I Ri0 + rp
Uo0 = KH0IH 0B
当温度为 T 时
Ri = Ri0 (1+ β t)
KH = KH0 (1+α t)
第六章
电动势式传感器
IH =
rp Ri + rp
I
Uo = KH IH B = KH0 (1+α t)IH B
要求温度变化时输出不变 即
沿Y轴方向受拉力 轴方向受拉力
第六章
电动势式传感器
二．压电材料
1．压电晶体 压电晶体 石英晶体（SiO2），铌酸锂 石英晶体（ ），铌酸锂(LiNbO3)，钽酸锂(LiTaO3)， ，钽酸锂 ， 铌酸锂 锗酸锂(LiGeO3) 锗酸锂 2．压电陶瓷 压电陶瓷 钛酸钡（ ），锆钛酸钡 锆钛酸钡（ 钛酸钡（BaTiO3），锆钛酸钡（PZT）等 ） 聚二氟乙烯（ 聚二氟乙烯（PVF2）高分子压电材料
F
εA
h
q U= Ca q U= Ca
a
Ca = Ca
第六章
电动势式传感器
2. 压电晶片的连接方式 串联
Q′ = Q,
U′ = 2U,
C C′ = 2
并联
Q′ = 2Q,
U′ = U,
C′ = 2C
Q ′ = Q, 第六章U , U′ = 2
C′ =
C 2
电动势式传感器
四．压电传感器的测量电路（前置放大器） 压电传感器的测量电路（前置放大器）
电动势式传感器
四．应用举例
1．振动速度传感器 ．
第六章
电动势式传感器
2．直流测速发电机 ． 它的结构类似小型直流电机， 它的结构类似小型直流电机，大多采用永磁励磁方 式，其输出直流电压为
U = Keφ n
一般的直流伺服电机虽然结构与测速电机相同，但由 一般的直流伺服电机虽然结构与测速电机相同， 于测量误差较大， 于测量误差较大，在测量精度要求较高时不能用作测速发 电机 没有相位误差，但结构复杂、价格贵、 没有相位误差，但结构复杂、价格贵、会产生高频干扰
Uo = −AUi
q = CaUi + CcUi + CiUi + Cf (Ui −Uo )
第六章
电动势式传感器
q = CaUi + CcUi + CiUi + Cf (Ui + AUi )
= [Ca + Cc + Ci + (1+ A)Cf ]Ui
q Ui = Ca + Cc + Ci + (1+ A)Cf − Aq q Uo = −AUi = ≈− Ca + Cc + Ci + (1+ A)Cf Cf
6.2 压电晶体传感器
压电传感是以某些物质的压电效应为基础的一种有源 传感器。在外力作用下， 传感器。在外力作用下，某些物质变形后其表面会产生电 荷，从而实现非电量电测的目的。 从而实现非电量电测的目的。
压电传感器尺寸小，重量轻，工作频率宽， 压电传感器尺寸小，重量轻，工作频率宽，可测量变 化很快的动态压力、加速度、振动等。 化很快的动态压力、加速度、振动等。
第六章
电动势式传感器
6.3 霍尔传感器 一．霍尔元件的基本工作原理
1．半导体材料的霍尔效应 ．
B I
EH
在图中所示的半导体薄片两端通以电流I， 在图中所示的半导体薄片两端通以电流 ，并在薄片 的垂直方向上施加磁感应强度为B的磁场，那么， 的垂直方向上施加磁感应强度为 的磁场，那么，在垂直 的磁场 于电流和磁场的方向上将产生电势E 于电流和磁场的方向上将产生电势 H（称为霍尔电动 势）。这种现象成为霍尔效应。 ）。这种现象成为霍尔效应。 这种现象成为霍尔效应
前置放大器有两个作用： 前置放大器有两个作用： (1) 放大传感器输出的微弱信号； 放大传感器输出的微弱信号； (2) 将传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出。 将传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出。 1. 电压放大器 采用电压放大器要 考虑的两个主要问 题 （1）输入电阻要大 ） 电路的时间常数是由等效电阻及等效电容来决定的
Uo =Uo0
KH0 (1+α t)I H B = KH0 I H 0 B
(1+ α t)I H = I H0
(1+ α t) rp Ri + rp I= rp Ri0 + rp I
(1+ α t) =
Ri + rp Ri0 + rp
第六章
电动势式传感器
(1+ α t) =
Ri0 (1+ βt) + rp Ri0 + rp
极化后，两端出现束缚电荷， 极化后，两端出现束缚电荷， 吸引一层外来电荷， 吸引一层外来电荷，因而仍呈 中性。在外力的作用下， 中性。在外力的作用下，极化 电畴变化使两极板上电荷变化。 电畴变化使两极板上电荷变化。
第六章
电动势式传感器
三．压电传感器的等效电路
1. 压电传感器的等效电路
q
压电晶体
F
q
q ui = Ca + CC + Ci
可见， 可见，当改变连接传感器与前置放大器的电缆长度 将改变， 也随之变化， 时，CC 将改变，ui 也随之变化，从而使整个测量系统的 输出电压与电缆电容有关
第六章
电动势式传感器
2、电荷放大器 、
q Ca Ra Cc Ri Ci
Cf
ui
A
uo
电荷放大器是一个有反馈电容的高增益运算放大器 在不考虑电荷泄漏的情况下（不考虑电阻） 在不考虑电荷泄漏的情况下（不考虑电阻）
第六章
电动势式传感器
第六章
电动势式传感器
2．温度误差及其补偿 ．
Uo = EH = KH IB
Ri = Ri0 (1+ β t)
补偿方法 （1）恒流源供电 ）
KH = KH0 (1+α t)
EH 0 = K H 0 I H 0 B
第六章
电动势式传感器
（2）恒流源供电再并一个合适的电阻 ） 当温度为 T0 时
第六章
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2．元件的连接 ．
正确接法
错误接法
与放大器连接
第六章
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四．集成霍尔器件
1．霍尔线性集成器件 ． 2．霍尔开关集成器件 ．
N S x
五．霍尔元件在非电量电 测技术中的应用举例
1．位移传感器 ．
S B
N
x
第六章
电动势式传感器
2．霍尔无接触开关 ． 3．转速测量 ．
4．汽车霍尔点火器 ．
感应电动势与线圈对磁场的相对运动线速度或角 速度成正比， 速度成正比，因此磁电式传感器用于测量线速度与角 速度。 速度。 在测量电路中接入微分或积分电路则可用来测量 运动的位移和加速度。 运动的位移和加速度。
第六章
电动势式传感器
二．传感器的灵敏度
e S= = B1 dx dt
三． 测量电路
第六章
在电荷放大器中，输出电压与电缆电容无关， 在电荷放大器中，输出电压与电缆电容无关，只与电 荷成正比， 荷成正比，这是电荷放大器的突出优点
第六章
Cf q Ca Ra Cc Ri Ci
电动势式传感器
ui
A
uo
电路的时间常数是由等效电阻及等效电容来决定的
R = (Ra // Ri )
C = Ca + Cc + Ci + (1+ A)Cf
τ = (Ra // Ri )[Ca + Cc + Ci + (1+ A)Cf ] ≈ Ri ACf
与使用电压放大器相比时间常数要大得多， 与使用电压放大器相比时间常数要大得多，对输入电 阻的要求相对降低
第六章
电动势式传感器
五．应用举例
1．压电加速度传感器 ． 2．压电式压力传感器 ． 3．基于压电效应的超声波传感器 ． (1) 探伤 (2) 侧厚 (3) 检测材料
第六章
电动势式传感器
一．压电效应 某些电介质物质， 某些电介质物质，当沿一定方向受到外力作用而变形 时，在它的两个表面会产生符号相反的电荷；当将外力去 在它的两个表面会产生符号相反的电荷； 掉后，又重新回到不带电状态，这种现象称为压电效应。 掉后，又重新回到不带电状态，这种现象称为压电效应。
F
F
F
Ri0 βt = 1+ Ri0 + rp
Ri0 β α= Ri0 + rp
β −α rp = Ri0 α
Uo
Rp
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三．霍尔传感器的使用
1．主要技术参数 ． 和输出电阻（ （1）输入电阻（RIN）和输出电阻（Rout） ）输入电阻（ （2）额定控制电流 IC ） （3）寄生直流电势 OD ）寄生直流电势U （4）不等位电势 0和不等位电阻 0 ）不等位电势U 和不等位电阻R （不等位电势与额定控制电流之比称为不等位电阻。） 不等位电势与额定控制电流之比称为不等位电阻。） （5）灵敏度 H ）灵敏度K （6）霍尔电势温度系数 ）霍尔电势温度系数α （7）电阻温度系数 ）电阻温度系数β
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电动势式传感器
第六章 电动势式传感器
6.1 磁电式传感器
磁电式传感器是一种利用电磁感应原理， 磁电式传感器是一种利用电磁感应原理，将运动 速度转换成线圈中的感应电动势输出的传感器。 速度转换成线圈中的感应电动势输出的传感器。
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一．工作原理
dΦ e=N 电磁感应定律 dt dx e = Blv = Bl dt
Ri = Ri0
KH = KH0
I H0
rP = I Ri0 + rp
Uo0 = KH0IH 0B
当温度为 T 时
Ri = Ri0 (1+ β t)
KH = KH0 (1+α t)
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电动势式传感器
IH =
rp Ri + rp
I
Uo = KH IH B = KH0 (1+α t)IH B
要求温度变化时输出不变 即
沿Y轴方向受拉力 轴方向受拉力
第六章
电动势式传感器
二．压电材料
1．压电晶体 压电晶体 石英晶体（SiO2），铌酸锂 石英晶体（ ），铌酸锂(LiNbO3)，钽酸锂(LiTaO3)， ，钽酸锂 ， 铌酸锂 锗酸锂(LiGeO3) 锗酸锂 2．压电陶瓷 压电陶瓷 钛酸钡（ ），锆钛酸钡 锆钛酸钡（ 钛酸钡（BaTiO3），锆钛酸钡（PZT）等 ） 聚二氟乙烯（ 聚二氟乙烯（PVF2）高分子压电材料