传感器第三章讲稿.ppt

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1、传感器第三章第一页，讲稿共四十六页哦3.6 3.6 磁电式传感器磁电式传感器磁电式传感器是把被测量的物理量转换为感应电动势的一种转换器。磁电式传感器是把被测量的物理量转换为感应电动势的一种转换器。又称电磁感应式或电动力式传感器。又称电磁感应式或电动力式传感器。磁电式传感器是利用磁电式传感器是利用电磁感应原理电磁感应原理，将输入运动速度，将输入运动速度变换成感应电势输出的传感器。它不需要辅助电源，变换成感应电势输出的传感器。它不需要辅助电源，就能把被测对象的机械能转换成易于测量的电信号，就能把被测对象的机械能转换成易于测量的电信号，是一种有源传感器。是一种有源传感器。由于它有较大的输出功率，故配

2、用电路较简单；零位及由于它有较大的输出功率，故配用电路较简单；零位及性能稳定；工作频带一般为性能稳定；工作频带一般为10-1000Hz 磁电式传感器具有双向转换特性，利用其逆转换效应可磁电式传感器具有双向转换特性，利用其逆转换效应可构成力发生器和电磁激振器等。因此磁电式传感器获得构成力发生器和电磁激振器等。因此磁电式传感器获得比较普遍的应用。比较普遍的应用。第二页，讲稿共四十六页哦1.1.变换原理变换原理:磁电式传感器是把被测量的物理量转换为感应电动磁电式传感器是把被测量的物理量转换为感应电动势的一种转换器。势的一种转换器。感应线圈的感应电动势感应线圈的感应电动势e e为为磁通变化率与磁场强度

3、、磁阻、线圈运动速度有关，磁通变化率与磁场强度、磁阻、线圈运动速度有关，改变其中一个因素，都会改变感应电动势。改变其中一个因素，都会改变感应电动势。3.6 3.6 磁电式传感器磁电式传感器磁场强度，面积磁场强度，面积第三页，讲稿共四十六页哦磁电式传感器分类：磁电式传感器分类：磁磁电电式式动圈式动圈式磁阻式磁阻式线速度型线速度型角速度型角速度型N第四页，讲稿共四十六页哦动圈式传感器动圈式传感器 线速度型线速度型第五页，讲稿共四十六页哦角速度型角速度型测速电机测速电机第六页，讲稿共四十六页哦磁阻式传感器磁阻式传感器磁电式车速传感器磁电式车速传感器第七页，讲稿共四十六页哦3.6.1 动圈式动圈式（1

4、）线速度型）线速度型永久磁铁产生的直流磁场内，永久磁铁产生的直流磁场内，设置一个可动线圈，当线圈在设置一个可动线圈，当线圈在磁场中作直线运动时，它所产磁场中作直线运动时，它所产生的感应电动势生的感应电动势:当当90时时可见，感应电动势大小与线圈可见，感应电动势大小与线圈运动的线速度成正比，这就是运动的线速度成正比，这就是惯性式速度计的工作原理。惯性式速度计的工作原理。第八页，讲稿共四十六页哦（2）角速度型）角速度型永久磁铁产生的直流磁场内，永久磁铁产生的直流磁场内，设置一个可动线圈，当线圈在设置一个可动线圈，当线圈在磁场中作旋转运动时，它所产磁场中作旋转运动时，它所产生的感应电动势生的感应电动

5、势:可见，传感器结构一定时，可见，传感器结构一定时，W，B，A均为常数，感应电动势均为常数，感应电动势e与与线圈相对磁场的角速度成正比，线圈相对磁场的角速度成正比，这种传感器被用于转速测量。这种传感器被用于转速测量。第九页，讲稿共四十六页哦 磁电式传感器可以直接测量线速度与角速度。磁电式传感器可以直接测量线速度与角速度。在其感应电路中接一个积分或微分电路，输出就会与位在其感应电路中接一个积分或微分电路，输出就会与位移或加速度成正比。移或加速度成正比。在磁电式感应传感器中，其输出除电动势幅值外，还可以在磁电式感应传感器中，其输出除电动势幅值外，还可以是频率，如磁电式转速传感器。是频率，如磁电式转

6、速传感器。由以上分析可知，磁电式传感器有两个基本组成部分：由以上分析可知，磁电式传感器有两个基本组成部分：（1）磁路系统）磁路系统 用于产生磁场，一般采用永磁铁（为了减小用于产生磁场，一般采用永磁铁（为了减小体积）体积）(2)线感圈线感圈 与磁场中的磁通作用产生感应电动势。与磁场中的磁通作用产生感应电动势。感应电动势是线圈与磁场相对运动产生的，可以是动圈感应电动势是线圈与磁场相对运动产生的，可以是动圈式，也可以是动铁式。式，也可以是动铁式。第十页，讲稿共四十六页哦3.6.2 磁阻式磁阻式磁电式传感器的工作原理是可逆的。测振传感器工作于磁电式传感器的工作原理是可逆的。测振传感器工作于发电机状态。

7、发电机状态。磁阻式传感器的线圈与磁铁彼此不作相对运动，由运磁阻式传感器的线圈与磁铁彼此不作相对运动，由运动着的物体（导磁材料）来改变磁路的磁阻，使磁力动着的物体（导磁材料）来改变磁路的磁阻，使磁力线增强或减弱，使线圈产生感应电动势。线增强或减弱，使线圈产生感应电动势。磁阻式传感器使用方便，结构简单。磁阻式传感器使用方便，结构简单。第十一页，讲稿共四十六页哦3.7 3.7 压电式传感器压电式传感器压电式传感器是以具有压电效应的压电器件为核心组成的传感压电式传感器是以具有压电效应的压电器件为核心组成的传感器，已被广泛应用于超声，通信，宇航，雷达和引爆等领域。器，已被广泛应用于超声，通信，宇航，雷达

8、和引爆等领域。压电式传感器是一种可逆型换能器，既可以将机械能转换，既可以将机械能转换为电能，又可以将电能转换为机械能。为电能，又可以将电能转换为机械能。压电式传感器是以某些电介质的压电式传感器是以某些电介质的压电效应压电效应为基础，在外力作用下，在电介质的表面上为基础，在外力作用下，在电介质的表面上产生电荷，从而实现非电量测量。产生电荷，从而实现非电量测量。压压电电传传感感元元件件是是力力敏敏感感元元件件，所所以以它它能能测测量量最最终终能能变变换换为为与与力力相相关关的的物物理理量量，例例如如力力、压力、加速度等。压力、加速度等。压压电电式式传传感感器器具具有有响响应应频频带带宽宽、灵灵敏敏

9、度度高高、信信噪噪比比大大、结结构构简简单单、工工作作可可靠靠、重重量量轻轻等等优优点点。近近年年来来，由由于于电电子子技技术术的的飞飞速速发发展展，随随着着与与之之配配套套的的二二次次仪仪表表以以及及低低噪噪声声、小小电电容容、高高绝绝缘缘电电阻阻电电缆缆的的出出现现，使使压压电电传传感感器器的的使使用用更更为为方方便便。因因此此，在在工工程程力力学学、生生物物医医学学、石石油勘探、声波测井、电声学等许多技术领域中获得了广泛的应用。油勘探、声波测井、电声学等许多技术领域中获得了广泛的应用。第十二页，讲稿共四十六页哦3.7.1 压电效应压电效应正正压压电电效效应应（顺顺压压电电效效应应）：某某

10、些些电电介介质质，当当沿沿着着一一定定方方向向对对其其施施力力而而使使它它变变形形时时，内内部部就就产产生生极极化化现现象象，同同时时在在它它的的一一定定表表面面上上产产生生电电荷荷，当当外外力力去去掉掉后后，又又重重新新恢恢复复不不带带电电状状态态的的现现象象。当当作作用用力力方方向向改改变变时时，电荷极性也随着改变。电荷极性也随着改变。逆逆压压电电效效应应（电电致致伸伸缩缩效效应应）：当当在在电电介介质质的的极极化化方方向向施施加加电电场场，这这些些电电介介质质就就在在一一定定方方向向上上产产生生机机械械变变形形或或机机械械压压力力，当当外外加加电电场场撤撤去去时时，这这些些变变形或应力也

11、随之消失的现象。形或应力也随之消失的现象。电能电能机械能机械能正压电效应正压电效应逆压电效应逆压电效应某些物质，如石英，受到外力作用时，不仅几何尺寸会发某些物质，如石英，受到外力作用时，不仅几何尺寸会发生变化，而且内部会被极化，表面产生电荷；当外力去掉时，生变化，而且内部会被极化，表面产生电荷；当外力去掉时，又重新回到原来的状态，这种现象称为又重新回到原来的状态，这种现象称为压电效应压电效应。具有压电效应的材料称之为压电材料，石英是一种常用的压电材料。具有压电效应的材料称之为压电材料，石英是一种常用的压电材料。第十三页，讲稿共四十六页哦（一）石英晶体的压电效应（一）石英晶体的压电效应石英晶体俗

12、称水晶，有天然和人工之分天天然然结结构构石石英英晶晶体体的的理理想想外外形形是是一一个个正正六六面面体体，在在晶晶体体学学中中它它可可用用三三根根互互相相垂垂直直的的轴轴来来表表示示，其其中中纵纵向向轴轴ZZ称称为为光光轴轴；经经过过正正六六面面体体棱棱线线，并并垂垂直直于于光光轴轴的的XX轴轴称称为为电电轴轴；与与XX轴轴和和ZZ轴轴同同时垂直的时垂直的YY轴（垂直于正六面体的棱面）称为轴（垂直于正六面体的棱面）称为机械轴机械轴。ZXY(a)(b)石英晶体(a)理想石英晶体的外形(b)坐标系ZYX 通常把沿电轴通常把沿电轴XX方向的方向的力作用下产生电荷的压电效应称力作用下产生电荷的压电效应

13、称为为“纵向压电效应纵向压电效应”，而把沿，而把沿机械轴机械轴YY方向的力作用下产方向的力作用下产生电荷的压电效应称为生电荷的压电效应称为“横向横向压电效应压电效应”，沿光轴，沿光轴ZZ方向方向受力则不产生压电效应。受力则不产生压电效应。第十四页，讲稿共四十六页哦实验证明：压电体表面集聚的电荷与作用力成正比。若沿单一晶轴实验证明：压电体表面集聚的电荷与作用力成正比。若沿单一晶轴x xx x方向方向加力加力F F，则在垂直于，则在垂直于x xx x方向的压电体表面上积聚的电荷量为：方向的压电体表面上积聚的电荷量为：FXFX+(a)(b)XX 如如果果在在同同一一晶晶片片上上作作用用力力是是沿沿着

14、着机机械械轴轴的的方方向向，其其电电荷荷仍仍在在与与X X轴轴垂垂直直平平面面上上出出现现，其其极极性性见见图图（c c）、（d d），此此时时电电荷荷的的大大小小为为 +(c)(d)FYFYXX第十五页，讲稿共四十六页哦3.7.2 压电材料压电材料 压电材料的主要特征参数：压电材料的主要特征参数：1，压电常数，压电常数 2，弹性常数，弹性常数 3，介电常数，介电常数 4，机电耦合系数，机电耦合系数 5，电阻，电阻 6，居里点，居里点 迄今出现的压电材料迄今出现的压电材料压电晶体（单晶）压电晶体（单晶）压电陶瓷（多晶半导体）压电陶瓷（多晶半导体）新型压电材料（有机压电薄膜）新型压电材料（有机压

15、电薄膜）石英比较常用，其主要性能特点：石英比较常用，其主要性能特点：1.1.压电常数小，时间压电常数小，时间和温度稳定；和温度稳定；2.2.机械强度和品质因素高，刚度大，固有机械强度和品质因素高，刚度大，固有频率高，动态性好；频率高，动态性好；3.3.居里点573573摄氏度，无热释电性，摄氏度，无热释电性，绝缘性和重复性佳绝缘性和重复性佳第十六页，讲稿共四十六页哦压电陶瓷特点：压电常数大，灵敏度高；制造工艺成熟；成型压电陶瓷特点：压电常数大，灵敏度高；制造工艺成熟；成型工艺性好，成本低廉；热电释性。工艺性好，成本低廉；热电释性。钛酸钡是使用最早的压电陶瓷。钛酸钡是使用最早的压电陶瓷。n压电半

16、导体压电半导体 硫化锌，碲化镉，氧化锌，硫化镉等硫化锌，碲化镉，氧化锌，硫化镉等n有机高分子压电材料有机高分子压电材料n某些合成高分子聚合物，经延展拉伸和电极化后具有压电性高某些合成高分子聚合物，经延展拉伸和电极化后具有压电性高分子压电薄膜。分子压电薄膜。n高分子化合物中参杂压电陶瓷高分子化合物中参杂压电陶瓷PZT或钛酸钡粉末制成的高分子压或钛酸钡粉末制成的高分子压电薄膜电薄膜高分子压电薄膜的压电特性并不太好，但其可以大量生产，且具有面高分子压电薄膜的压电特性并不太好，但其可以大量生产，且具有面积大、柔软不易破碎等优点。积大、柔软不易破碎等优点。第十七页，讲稿共四十六页哦3.7.3 压电式传感

17、器及其等效电路压电式传感器及其等效电路 在压电晶片的两个工作面上进行金属蒸镀，形成金属膜，构成两个电极。在压电晶片的两个工作面上进行金属蒸镀，形成金属膜，构成两个电极。当压电传感器中的压电晶体承受被测机械应力的作用时，在它的两个极面上出现极性当压电传感器中的压电晶体承受被测机械应力的作用时，在它的两个极面上出现极性相反但电量相等的电荷，形成了电场。相反但电量相等的电荷，形成了电场。压电器件从功能上讲，是一个电荷发生器压电器件从功能上讲，是一个电荷发生器 压电器件从性质上讲，是一个有源电容器+并联并联+串联串联F+q=DF第十八页，讲稿共四十六页哦+并联并联+串联串联第十九页，讲稿共四十六页哦压

18、电式传感器的前置放大器有两个作用：压电式传感器的前置放大器有两个作用：u把压电式传感器的高输出阻变换成低阻抗输出把压电式传感器的高输出阻变换成低阻抗输出；u放大压电式传感器输出的弱信号放大压电式传感器输出的弱信号。前置放大器形式：前置放大器形式：u电压放大器电压放大器 其输出电压与输入电压（传感器的输出电压）成正比；其输出电压与输入电压（传感器的输出电压）成正比；u电荷放大器电荷放大器 其输出电压与输入电荷成正比。其输出电压与输入电荷成正比。3.7.4 压电式传感器及其等效电路压电式传感器及其等效电路压电式传感器输出电信号很微弱，通常应把传感器信号压电式传感器输出电信号很微弱，通常应把传感器信

19、号先输入到高输入阻抗的前置放大器中，经过阻抗变换后，方先输入到高输入阻抗的前置放大器中，经过阻抗变换后，方可输入到后续显示仪表中。可输入到后续显示仪表中。第二十页，讲稿共四十六页哦如果用导线将压电传感器和测量仪器连接时如果用导线将压电传感器和测量仪器连接时,则应考虑连则应考虑连线的等效电容线的等效电容,前置放大器的输入电阻、输入电容。前置放大器的输入电阻、输入电容。CaRaCcRiCiq压电传感器的完整等效电路Ca传感器的固有电容传感器的固有电容Ci前置放大器输入电容前置放大器输入电容Cc连线电容连线电容Ra传感器的漏电阻传感器的漏电阻Ri前置放大器输入电阻前置放大器输入电阻可可见见，压压电电

20、传传感感器器的的绝绝缘缘电电阻阻Ra与与前前置置放放大大器器的的输输入入电电阻阻Ri相相并并联联。为为保保证证传传感感器器和和测测试试系系统统有有一一定定的的低低频频或或准准静静态态响响应应，要要求求压压电电传传感感器器绝绝缘缘电电阻阻应应保保待待在在1013以以上上，才才能能使使内内部部电电荷荷泄泄漏漏减减少少到到满满足足一一般般测测试试精精度度的的要要求求。与与上上相相适适应应，测测试试系系统统则则应应有有较较大大的的时时间间常常数数，亦亦即即前前置置放放大大器器要要有有相相当当高高的的输输入入阻阻抗抗，否否则则传传感感器器的的信信号号电电荷荷将将通通过过输输入入电电路路泄泄漏漏，即产生测

21、量误差。即产生测量误差。第二十一页，讲稿共四十六页哦电压放大器电荷放大器电荷放大器AACaCaRaRiCiCcCRUiUSCUSCUa(a)(b)Ua电电荷荷放放大大器器是是一一个个具具有有深深度度负负反反馈馈的的高高增增益益放放大大器器，其其基基本本电电路路如如图图。若若放放大大器器的的开开环环增增益益A0足足够够大大，并并且且放放大大器器的的输输入入阻阻抗抗很很高高，则则放放大大器器输输入入端端几几乎乎没没有有分分流流，运运算算电电流流仅仅流流入反馈回路入反馈回路CF与与RF。由图可知。由图可知i的表达式为：的表达式为：A0CaUUSC电荷放大器原理电路图电荷放大器原理电路图iRaqCFR

22、F第二十二页，讲稿共四十六页哦前置放大器的主要作用有两点：前置放大器的主要作用有两点：（1）将传感器）将传感器 的高阻抗输出变为低阻抗输出；的高阻抗输出变为低阻抗输出；（2）放大传感器输出的微弱信号。）放大传感器输出的微弱信号。前置放大器有两种形式：前置放大器有两种形式：（1）电阻反馈的电压放大器，其输出电压与输入电压成）电阻反馈的电压放大器，其输出电压与输入电压成正比。正比。（2）带电容反馈的电荷放大器，输出电压与输入电荷成）带电容反馈的电荷放大器，输出电压与输入电荷成正比。正比。第二十三页，讲稿共四十六页哦3.7.5 压电式传感器的应用压电式传感器的应用（一）压电式加速度传感器（一）压电式

23、加速度传感器（二）压电式压力传感器（二）压电式压力传感器（三）压电式流量计（三）压电式流量计（四）集成压电式传感器（四）集成压电式传感器（五）压电式传感器在自来水管道测漏中的应用（五）压电式传感器在自来水管道测漏中的应用第二十四页，讲稿共四十六页哦 当当传传感感器器感感受受振振动动时时，因因为为质质量量块块相相对对被被测测体体质质量量较较小小，因因此此质质量量块块感感受受与与传传感感器器基基座座相相同同的的振振动动，并并受受到到与与加加速速度度方方向向相相反反的的惯惯性性力力，此此力力Fma。同同时时惯惯性性力力作作用用在在压压电电陶陶瓷瓷片片上产生电荷为上产生电荷为运动方向21345纵向效应

24、型加速度纵向效应型加速度传感器的截面图传感器的截面图（一）（一）压电式加速度传感器压电式加速度传感器其其结结构构一一般般有有纵纵向向效效应应型型、横横向向效效应应型型和和剪剪切切效效应应型型三三种种。纵纵向向效效应应是是最最常常见见的的,如如图图。压压电电陶陶瓷瓷4和和质质量量块块2为为环环型型，通通过过螺螺母母3对对质质量量块块预预先先加加载载，使使之之压压紧紧在在压压电电陶陶瓷瓷上上。测测量量时时将将传传感感器器基基座座5与与被被测测对对象象牢牢牢牢地地紧紧固固在在一起。输出信号由电极一起。输出信号由电极1引出。引出。qd33Fd33ma第二十五页，讲稿共四十六页哦此式表明此式表明电荷量直

25、接反映加速度大小。电荷量直接反映加速度大小。其灵敏度与压电材其灵敏度与压电材料料压电系数压电系数和和质量块质量质量块质量有关。为了提高传感器灵敏度，有关。为了提高传感器灵敏度，一般选择压电系数大的压电陶瓷片。若增加质量块质量一般选择压电系数大的压电陶瓷片。若增加质量块质量会影响被测振动，同时会降低振动系统的固有频率，因会影响被测振动，同时会降低振动系统的固有频率，因此一般不用增加质量办法来提高传感器灵敏度。此外用此一般不用增加质量办法来提高传感器灵敏度。此外用增加压电片数目和采用合理的连接方法也可提高传感器增加压电片数目和采用合理的连接方法也可提高传感器灵敏度。灵敏度。第二十六页，讲稿共四十六

26、页哦（二）（二）压电式压力传感器压电式压力传感器根根据据使使用用要要求求不不同同，压压电电式式测测压压传传感感器器有有各各种种不不同同的的结结构形式。但它们的基本原理相同。构形式。但它们的基本原理相同。压压电电式式测测压压传传感感器器的的原原理理简简图图。它它由由引引线线1、壳壳体体2、基基座座3、压压电电晶晶片片4、受受压压膜膜片片5及及导导电电片片6组组成成。当当膜膜片片5受受到到压压力力P作作用用后后，则则在在压压电电晶晶片片上上产产生生电电荷荷。在在一一个个压压电电片片上上所所产生的电荷产生的电荷q为为F作用于压电片上的力；d11压电系数；P压强，；S膜片的有效面积。123456p压电

27、式测压传感器原理图压电式测压传感器原理图第二十七页，讲稿共四十六页哦测测压压传传感感器器的的输输入入量量为为压压力力P，如如果果传传感感器器只只由由一一个个压压电晶片组成，则根据灵敏度的定义有：电晶片组成，则根据灵敏度的定义有：因为因为，所以电压灵敏度也可表示为，所以电压灵敏度也可表示为U0压电片输出电压；压电片输出电压；C0压电片等效电容压电片等效电容电压灵敏度电压灵敏度电荷灵敏度电荷灵敏度电荷灵敏度电荷灵敏度第二十八页，讲稿共四十六页哦（三）（三）压电式流量计压电式流量计利利用用超超声声波波在在顺顺流流方方向向和和逆逆流流方方向向的的传传播播速速度度进进行行测测量量。其其测测量量装装置置是

28、是在在管管外外设设置置两两个个相相隔隔一一定定距距离离的的收收发发两两用用压压电电超超声声换换能能器器，每每隔隔一一段段时时间间(如如1/100s)，发发射射和和接接收收互互换换一一次次。在在顺顺流流和和逆逆流流的的情情况况下下，发发射射和和接接收收的的相相位位差差与与流流速速成成正正比比。据据这这个个关关系系，可可精精确确测测定定流流速速。流流速速与与管管道道横横截截面面积积的的乘乘积积等等于流量。于流量。流量显示1789输出信号换能器换能器接收接收发射发射压电式流量计此此流流量量计计可可测测量量各各种种液液体体的的流流速速，中中压压和和低低压压气气体体的的流流速速，不不受受该该流流体体的的

29、导导电电率率、粘粘度度、密密度度、腐腐蚀蚀性性以以及及成成分分的的影影响响。其其准准确确度度可可达达0.5%，有的可达到，有的可达到0.01%。根据发射和接收的相位差随海洋深度深度根据发射和接收的相位差随海洋深度深度的变化，测量声速随深度的分布情况的变化，测量声速随深度的分布情况第二十九页，讲稿共四十六页哦（四）集成压电式传感器（四）集成压电式传感器是是一一种种高高性性能能、低低成成本本动动态态微微压压传传感感器器，产产品品采采用用压压电电薄薄膜膜作作为为换换能能材材料料，动动态态压压力力信信号号通通过过薄薄膜膜变变成成电电荷荷量量，再再经经传传感感器器内内部部放放大大电电路路转转换换成成电电

30、压压输输出出。该该传传感感器器具具有有灵灵敏敏度度高高，抗抗过过载载及及冲冲击击能能力力强强，抗抗干干扰扰性性好好，操操作作简简便便，体体积积小小、重重量量轻轻、成成本本低低等等特特点点，广广泛泛应应用用于于医医疗疗、工工业业控制、交通、安全防卫等领域。控制、交通、安全防卫等领域。脉搏计照片脉搏计照片典型应用：典型应用：脉搏计数探测脉搏计数探测按键键盘，触摸键盘按键键盘，触摸键盘振动、冲击、碰撞报警振动、冲击、碰撞报警振动加速度测量振动加速度测量管道压力波动管道压力波动 其它机电转换、动态力检测等其它机电转换、动态力检测等第三十页，讲稿共四十六页哦（五）压电式传感器在自来水管道测漏中的应用（五

31、）压电式传感器在自来水管道测漏中的应用如果地面下有一条均匀的直管道某处如果地面下有一条均匀的直管道某处O点为漏点，振动声音从点为漏点，振动声音从O点向管道两端传播，传播速度为点向管道两端传播，传播速度为V，在管道上，在管道上A、B两点放两两点放两只传感器，只传感器，A、B距离为距离为L（已知或可测），从（已知或可测），从A、B两个传感两个传感器接收的由器接收的由O点传来的点传来的t0时刻发出的振动信号所用时间为时刻发出的振动信号所用时间为tA（=LA/V）和）和tB（=LB/V），两者时间差为），两者时间差为t=tA-tB=（LA-LB）/V（1）又又L=LA+LB（2）LABO点LALB地面

32、1、检测原理、检测原理第三十一页，讲稿共四十六页哦因因为为管管道道埋埋设设在在地地下下，看看不不到到O点点，也也不不知知道道LA和和LB的的长长度度，已已知知的的是是L和和V，如果能设法求出，如果能设法求出t，则联立（，则联立（1）+（2）得：）得：LA=(L+tV)/2（3）或者将（或者将（1）-（2）得：）得：LB=（L-tV）/2（4）关关键键是是确确定定t，就就可可准准确确确确定定漏漏点点O。如如果果从从O点点出出发发的的是是一一极极短短暂暂的的脉脉冲冲，在在A、B两两点点用用双双线线扫扫描描同同时时开开始始记记录录，在在示示波波器器上上两两脉脉冲冲到到达达的的时时间间差差就就是是t。

33、实实际际的的困困难难在在于于漏漏水水声声是是连连续续不不断断发发出出的的，在在A、B两两传传感感器器测测得得的的是是一一片片连连续续不不断断，幅幅度度杂杂乱乱变变化化的的噪噪声声。相相关关检检漏漏仪仪的的功功能能就就是是要要将将这这两两路路表表面面杂杂乱乱无无章章的的信信号号找找出出规规律律来来，把把它它们们“对对齐齐”，对对齐移动所需要的时间就是齐移动所需要的时间就是t。LABO点LALB地面第三十二页，讲稿共四十六页哦3.8 3.8 半导体传感器半导体传感器半导体材料的重要特性：对光、热、力、磁、气体、湿度等理化量的半导体材料的重要特性：对光、热、力、磁、气体、湿度等理化量的敏感性。敏感性

34、。半导体传感器是一些物性型传感器半导体传感器是一些物性型传感器优点是：优点是：结构简单、体积小、重量轻；功耗低、安全可靠、结构简单、体积小、重量轻；功耗低、安全可靠、寿命长；对被测量敏感、相应快；易于实现集成化。寿命长；对被测量敏感、相应快；易于实现集成化。缺点是：输出特性一般是非线性的，常采用线性化电路；受缺点是：输出特性一般是非线性的，常采用线性化电路；受温度影响大，需要采用温度补偿措施；性能参数分散性较大。温度影响大，需要采用温度补偿措施；性能参数分散性较大。第三十三页，讲稿共四十六页哦3.8.1 磁敏传感器磁敏传感器利用半导体材料的磁敏特性工作的传感器有霍尔元件、利用半导体材料的磁敏特

35、性工作的传感器有霍尔元件、磁阻元件、磁敏管等。磁阻元件、磁敏管等。（1）霍尔元件）霍尔元件半导体材料的霍尔效应半导体材料的霍尔效应 金属或半导体薄片置于磁金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流流过时，在场中，当有电流流过时，在垂直于电流和磁场的方向上垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势，这种物理现将产生电动势，这种物理现象称为象称为霍尔效应。霍尔效应。霍尔元件一般由锗（霍尔元件一般由锗（Ge）、锑化铟（）、锑化铟（InSb）、砷化铟（）、砷化铟（InAs）等半导体材料制）等半导体材料制成。成。第三十四页，讲稿共四十六页哦霍尔元件由霍尔片、四根引线和壳体组成，如图示。霍尔元件由霍尔片、四根引线和壳

36、体组成，如图示。第三十五页，讲稿共四十六页哦霍尔元件位移测量的实例霍尔元件位移测量的实例以微小位移测量为基础，霍尔元件还可以应用于微压、压差、以微小位移测量为基础，霍尔元件还可以应用于微压、压差、高度、加速度和振动的测量。高度、加速度和振动的测量。第三十六页，讲稿共四十六页哦测转角：测转角：第三十七页，讲稿共四十六页哦电流传感器电流传感器 当电流流过导线时，将在导线周围产生磁场，磁场大当电流流过导线时，将在导线周围产生磁场，磁场大小与流过导线的电流大小成正比，这一磁场可以通过软磁小与流过导线的电流大小成正比，这一磁场可以通过软磁材料来聚集，然后用霍尔器件进行检测。材料来聚集，然后用霍尔器件进行

37、检测。第三十八页，讲稿共四十六页哦铁磁材料裂纹检测铁磁材料裂纹检测NS第三十九页，讲稿共四十六页哦叶片和齿轮位置传感器叶片和齿轮位置传感器应用应用 第四十页，讲稿共四十六页哦案例：案例：汽车速度测量汽车速度测量:第四十一页，讲稿共四十六页哦（2）磁阻元件）磁阻元件 磁阻元件是利用半导体材料的磁阻效应来工作的。磁阻元件是利用半导体材料的磁阻效应来工作的。是一种电是一种电阻随磁场变化而变化的磁敏元件，也称阻随磁场变化而变化的磁敏元件，也称MR元件。元件。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，则其电阻值就增加。称此种现象为磁致电阻变化效应，简称为磁阻效应。在磁场中，电流的

38、流动路径会因磁场的作用而加长，使得材料的电在磁场中，电流的流动路径会因磁场的作用而加长，使得材料的电阻率增加。若某种金属或半导体材料的两种载流子阻率增加。若某种金属或半导体材料的两种载流子(电子和空穴电子和空穴)的迁移的迁移率十分悬殊，主要由迁移率较大的一种载流子引起电阻率变化率十分悬殊，主要由迁移率较大的一种载流子引起电阻率变化,它可表示它可表示为：为：为磁感应强度；为磁感应强度；材料在磁感应强度为时的电阻率；材料在磁感应强度为时的电阻率；0材料在磁感应强度为材料在磁感应强度为0时的电阻率；时的电阻率；载流子的迁移率。载流子的迁移率。第四十二页，讲稿共四十六页哦当材料中仅存在一种载流子时磁阻

39、效应几乎可以忽略，此时霍耳效应更为强烈。若在当材料中仅存在一种载流子时磁阻效应几乎可以忽略，此时霍耳效应更为强烈。若在电子和空穴都存在的材料（如电子和空穴都存在的材料（如InSb）中，则磁阻效应很强。）中，则磁阻效应很强。磁磁阻阻效效应应还还与与样样品品的的形形状状、尺尺寸寸密密切切相相关关。这这种种与与样样品品形形状状、尺尺寸寸有有关关的的磁磁阻效应称为磁阻效应的几何磁阻效应。阻效应称为磁阻效应的几何磁阻效应。长长方方形形磁磁阻阻器器件件只只有有在在L(长长度度)W（宽宽度度）的的条条件件下下，才才表表现现出出较较高高的的灵灵敏敏度度。把把LW的的扁扁平平器器件件串串联联起起来来，就就会会零

40、零磁磁场场电电阻阻值值较较大大、灵灵敏敏度度较较高高的的磁磁阻阻器器件。件。磁敏电阻的应用磁敏电阻的应用磁阻元件可用于位移、力、加速度等参数的测量。磁阻元件可用于位移、力、加速度等参数的测量。磁敏电阻可以用来作为电流传感器、磁敏接近开关、角速度磁敏电阻可以用来作为电流传感器、磁敏接近开关、角速度/角位移传感器、磁场角位移传感器、磁场传感器等。可用于开关电源、传感器等。可用于开关电源、UPS、变频器、伺服马达驱动器、家庭网络智能化、变频器、伺服马达驱动器、家庭网络智能化管理、电度表、电子仪器仪表、工业自动化、智能机器人、电梯、智能住管理、电度表、电子仪器仪表、工业自动化、智能机器人、电梯、智能住

41、宅、机床、工业设备、断路器、防爆电机保护器、家用电器、电子产品、宅、机床、工业设备、断路器、防爆电机保护器、家用电器、电子产品、电力自动化、医疗设备、机床、远程抄表、仪器、自动测量、地磁场的测电力自动化、医疗设备、机床、远程抄表、仪器、自动测量、地磁场的测量、探矿等。量、探矿等。第四十三页，讲稿共四十六页哦（3）磁敏管）磁敏管 磁磁敏敏二二极极管管、三三极极管管是是继继霍霍耳耳元元件件和和磁磁敏敏电电阻阻之之后后迅迅速速发发展展起起来来的的新新型型磁磁电电转转换换元元件件。它它们们具具有有磁磁灵灵敏敏度度高高（磁磁灵灵敏敏度度比比霍霍耳耳元元件件高高数数百百甚甚至至数数千千倍倍）；能能识识别别

42、磁磁场场的的极极性性（方方向向）；体体积积小小、电电路路简简单单等等特特点点，因因而而正正日日益益得得到到重重视视；并在检测、控制等方面得到普遍应用。并在检测、控制等方面得到普遍应用。但是磁敏管有较大的噪声、漂移和温度系数。但是磁敏管有较大的噪声、漂移和温度系数。它们很适合检测微弱磁场的变化，可应用于磁力探伤和它们很适合检测微弱磁场的变化，可应用于磁力探伤和借助磁场触发的无触点开关，也用于非接触转速、位移测量。借助磁场触发的无触点开关，也用于非接触转速、位移测量。第四十四页，讲稿共四十六页哦3.8.2 光敏传感器光敏传感器光敏传感器是一种光电导元件，其工作原理是利用半导光敏传感器是一种光电导元

43、件，其工作原理是利用半导体材料的光电效应。体材料的光电效应。光敏传感器主要有光敏电阻、光敏管和光电池等。光敏传感器主要有光敏电阻、光敏管和光电池等。（1）光敏电阻）光敏电阻当光照射在物体上，使物体的电阻率当光照射在物体上，使物体的电阻率发生变发生变化，或产生光生电动势的现象化，或产生光生电动势的现象叫做内光电效应，叫做内光电效应，它多发生于半导体内。根据工作原理的不同，它多发生于半导体内。根据工作原理的不同，内光电效应分为内光电效应分为光电导效应光电导效应和和光生伏特效应光生伏特效应两两类。类。在光线作用，电子吸收光子能量从键在光线作用，电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态，而引起材料电导合状态过渡到自由状态，而引起材料电导率的变化，这种现象被称为率的变化，这种现象被称为光电导效应光电导效应。基。基于这种效应的光电器件有光敏电阻。于这种效应的光电器件有光敏电阻。光敏电阻是一种光电导元件，其工作原理是基于半导体材料光敏电阻是一种光电导元件，其工作原理是基于半导体材料的内光电效应。的内光电效应。第四十五页，讲稿共四十六页哦第四十六页，讲稿共四十六页哦