传感器与检测技术林锦实第3章节物性型传感器

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1、36330z3主编第3章　物性型传感器第3章　物性型传感器3.1　压电式传感器3.2　光电式传感器3.3　霍尔式传感器3.4　磁电式传感器3.5　超声波传感器3.6　核辐射传感器3.1　压电式传感器3.1.1　压电效应某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而发生变形时，内部会产生极化现象，同时在其表面上产生电荷，当外力去掉后，电介质表面又重新回到不带电的状态，这种现象称为压电效应。反之，这些电介质在极化方向上施加交变电场，它会产生机械变形，当去掉外加电场后，电介质变形随之消失，这种现象称为逆压电效应。在自然界中大多数晶体具有压电效应，但压电效应十分微弱。随着对材料的深入研究，发现石

2、英晶体、钛酸钡和锆钛酸铅等材料是性能优良的压电材料。现以石英晶体为例，简要说明压电效应的机理。3.1　压电式传感器图3-1　石英晶体a)天然结构的石英晶体外形　b)晶体切片　c)晶片结构a—晶体切片长度　b—晶体切片厚度　c—晶体切片高度　x—电轴　y—机械轴　z—光轴3.1　压电式传感器图3-2　石英晶体压电模型a)不受力　b)x轴方向受力　c)y轴方向受力3.1.2　压电式传感器的等效电路3.1　压电式传感器由压电元件的工作原理可知，压电式传感器可以看做一个电荷发生器。同时，它也是一个电容器，晶体上聚集正负电荷的两表面相当于电容的两个极板，极板间物质等效于一种介质，则其电容量C

3、a为图3-3　压电传感器的等效电路a)电压源　b)电荷源3.1　压电式传感器图3-4　压电传感器的实际等效电路a)电压源实际等效电路　b)电荷源实际等效电路3.1　压电式传感器图3-5　电荷放大器等效电路3.1.3　压电式传感器的测量电路3.1　压电式传感器压电式传感器本身的内阻抗很高，而输出能量很小，因此它的测量电路通常需要接入一个高输入阻抗的前置放大器，其作用为：一是把压电式传感器的高输出阻抗变换为低输出阻抗；二是放大传感器输出的微弱信号。压电式传感器的输出可以是电压信号，也可以是电荷信号，因此前置放大器也有电压放大器和电荷放大器两种形式。由于电压前置放大器中的输出电压与屏蔽电

4、缆的分布电容及放大器的输入电容有关，故目前多采用性能较稳定的电荷前置放大器。3.1.4　压电式传感器的应用1.压电式单向测力传感器　图3-6是压电式单向测力传感器结构图，它主要由石英晶片、绝缘套、电极、上盖及基座等组成。3.1　压电式传感器图3-6　压电式单向测力传感器结构图1—绝缘套　2—石英晶片　3—上盖4—基座　5—电极3.1　压电式传感器2.压电式加速度传感器　图3-7是压电式加速度传感器结构图。F=ma(3⁃7)3.压电式金属加工切削力测量　图3-8是利用压电陶瓷传感器测量刀具切削力的示意图。图3-7　压电式加速度传感器结构图1—螺栓　2—压电元件　3—预压弹簧4—外壳　

5、5—质量块　6—基座3.1　压电式传感器1.tif3Z8.TIF3.1　压电式传感器图3-8　压电式刀具切削力测量示意图1—压电式传感器　2—输出信号1.工作原理　“一拍亮”延时小夜灯的电路如图3-9所示，它实际上是一个“声控延时小夜灯”电路。3.1　压电式传感器图3-9　“一拍亮”延时小夜灯的电路2.元器件选择3.1　压电式传感器1)IC选用静态功耗很小的CMOS时基集成电路，如5G7555或ICM7555等。2)VT1、VT2均选用9014或3DG8型硅NPN小功率晶体管。3)R1～R5均用RTX—1/8W型碳膜电阻。4)C用漏电很小的CD11—10V型电解电容。5)B用ϕ27

6、mm压电陶瓷片，如FT—27型等，要求配上简易塑料或金属共振腔盒。6)H用手电筒常用的3.8V、0.3A指示灯(三节电池供电的手电筒专用)。7)GB用三节5号电池串联(须配塑料电池架)而成，电压4.5V。3.1　压电式传感器图3-10　“一拍亮”延时小夜灯的印制电路板焊接图3.制作与使用　图3-10所示为“一拍亮”延时小夜灯的印制电路板3.1　压电式传感器焊接图，印制电路板实际尺寸约为50mm×30mm。全部电路可装入一体积合适的市售塑料动物玩具或其他造型的工艺品硬壳体内，以起到装饰美化作用。3.2　光电式传感器3.2.1　光电效应光电器件工作的物理基础是光电效应。通常把光电效应分

7、为外光电效应、内光电效应和光生伏特效应三类：1.外光电效应　在光线作用下能使电子逸出物体表面的现象称为外光电效应，基于外光电效应的光电元件有光电管、光电倍增管和光电摄像管等。2.内光电效应　在光线作用下能使物体的电阻率改变的现象称为内光电效应，基于内光电效应的光电元件有光敏电阻、光敏晶体管等。3.光生伏特效应　在光线作用下能使物体产生一定方向的电动势的现象称为光生伏特效应，基于光生伏特效应的光电元件有光电池等。3.2　光电式传感器3.2.2　光电器件及特征1.光电管