传感技术与测控系统ppt课件.ppt

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1、传感技术与测控系统2013.12.22凌振宝1主要内容传感器物理效应过程参数检测技术及应用无损检测技术及应用智能化网络化传感器技术检测系统应用实例测控系统应用实例2期刊杂志3■广义：传感器是一种能把特定的信息（物理、化学、生物）按一定规律转换成某种可用信号输出的器件和装置。■狭义：能把外界非电信息转换成电信号输出的器件。■国家标准（GB7665-2005）：对传感器（Transducer/Sensor）的定义：能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。传感器的定义4传感器的组成辅助电源敏感元件转换元件

2、基本转换电路被测量电量敏感元件是直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。转换元件：敏感元件的输出就是它的输入，它把输入转换成电路参量。基本转换电路：上述电路参数接入基本转换电路（简称转换电路），便可转换成电量输出。物理、化学、生物信息5传感器物理效应工作机理传感器原理压阻效应磁阻效应霍尔效应热电效应压电效应电涡流效应应变效应塞曼效应光电效应磁光效应热释电效应约瑟夫逊效应61.应变效应定义：当金属丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值将发生变化。设有一根长度为l、截面积为S、电阻率为ρ的金属丝，其电阻R为两

3、边取对数，得等式两边取微分，得7dr/r为金属丝半径的相对变化，即径向应变为εr。S=πr2dS/S=2·dr/rεr=–με由材料力学知将微分dR、dρ改写成增量ΔR、Δρ，则金属丝电阻的相对变化与金属丝的伸长或缩短之间存在比例关系。比例系数KS称为金属丝的应变灵敏系数。8物理意义：单位应变引起的电阻相对变化。KS由两部分组成：前一部分（1+2μ）：由材料的几何尺寸变化引起，一般金属μ≈0.3，因此（1+2μ）≈1.6；后一部分：电阻率随应变而引起的（称“压阻效应”）。对金属材料，以前者为主，则KS≈1+2μ；对半导体，K

4、S值主要由电阻率相对变化所决定。实验表明，在金属丝拉伸比例极限内，电阻相对变化与轴向应变成正比。通常KS在1.8～3.6范围内。92.压阻效应固体材料在应力作用下发生形变时，其电阻率发生变化的现象被称为压阻效应。对半导体材料对金属材料电阻相对变化量π——压阻系数σ——应力E——弹性模量由于πE一般都比（1+2μ）大几十倍甚至上百倍，因此，引起压阻效应的主要原因是半导体材料电阻相对变化，则上式可近似写成103.磁阻效应若给通以电流的金属或半导体材料的薄片加以与电流垂直或平行的外磁场，则其电阻值增加。这种现象称为磁致电阻变化效应

5、，简称为磁阻效应。μ——载流子的迁移率11w4.霍耳效应——Halleffect当电流垂直于外磁场方向通过导体或半导体薄片时,在垂直于电流和磁场方向的两侧产生电势差的现象叫做霍尔效应。12设霍耳片的长度为l，宽度为w，厚度为d。又设电子以均匀的速度v运动，则在垂直方向施加的磁感应强度B的作用下，它受到洛仑兹力q—电子电量(1.62×10-19C)；v—电于运动速度。同时，作用于电子的电场力当达到动态平衡时13霍耳电势UH与I、B的乘积成正比，而与d成反比。于是可改写成：电流密度j=－nqvn—N型半导体中的电子浓度N型半导体

6、P型半导体RH—霍耳系数，由载流材料物理性质决定。ρ—材料电阻率p—P型半导体中的孔穴浓度μ—载流子迁移率,μ=v/E,即单位电场强度作用下载流子的平均速度。金属材料，电子μ很高但ρ很小，绝缘材料，ρ很高但μ很小。故为获得较强霍耳效应，霍耳片全部采用半导体材料制成。14设KH=RH/dKH—霍耳器件的乘积灵敏度。它与载流材料的物理性质和几何尺寸有关，表示在单位磁感应强度和单位控制电流时霍耳电势的大小。若磁感应强度B的方向与霍耳器件的平面法线夹角为θ时，霍耳电势应为：UH＝KHIBUH＝KHIBcosθ15注意：当控制电流的方

7、向或磁场方向改变时，输出霍耳电势的方向也改变。但当磁场与电流同时改变方向时，霍耳电势并不改变方向。讨论：任何材料在一定条件下都能产生霍尔电势，但不是都可以制造霍尔元件绝缘材料电阻率很大，电子迁移率很小，不适用；金属材料电子浓度很高，RH很小，UH很小。半导体电子迁移率一般大于空穴的迁移率，所以霍尔元件多采用N型半导体（多电子）。由上式可见，厚度d越小，霍尔灵敏度KH越大，所以霍尔元件做的较薄，通常近似1微米。16由法拉第电磁感应原理可知：一个块状金属导体置于变化的磁场中或在磁场中作用切割磁力线运动时，体内部会产生一圈圈闭和的

8、电流，这种电流叫电涡流，这种现象叫做电涡流效应。根据电涡流效应制作的传感器称电涡流传感器;电涡流传感器能够对被测量进行非接触测量;形成电涡流必须具备两个条件：①存在交变磁场②导电体处于交变磁场中5.电涡流效应17把一个扁平线圈置于金属导体附近，当线圈中通以交变电流I1时，线圈周围空间产生交