位移与速度测量传感器.ppt

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1、实用传感器技术教程实用传感器技术教程2022/11/221电感式位移传感器电感式位移传感器 第第4章章 位移与速度测量传感器位移与速度测量传感器 4.1电容式位移传感器电容式位移传感器 4.3霍尔传感器霍尔传感器 4.4电涡流式传感器电涡流式传感器 4.2光栅传感器光栅传感器 4.5微波传感器微波传感器 4.6超声波传感器超声波传感器 4.7位移检测传感器性位移检测传感器性能比较能比较 4.82v无论是科学研究还是生产实践中，需要进行位无论是科学研究还是生产实践中，需要进行位移测量的场合非常多。此外，还有许多被测物移测量的场合非常多。此外，还有许多被测物理量可以转化为位移进行测量，如压力、位置

2、理量可以转化为位移进行测量，如压力、位置等都可以通过某种转换部件，先将它们转换为等都可以通过某种转换部件，先将它们转换为直线位移，然后通过测量位移间接得到被测量。直线位移，然后通过测量位移间接得到被测量。在不同的场合、不同的应用领域，对位移测量在不同的场合、不同的应用领域，对位移测量传感器的要求差异也很大，比如测量范围、测传感器的要求差异也很大，比如测量范围、测量精度、动态响应等。因此，位移测量传感器量精度、动态响应等。因此，位移测量传感器的种类也是相当多，并且各自的特性也不相同。的种类也是相当多，并且各自的特性也不相同。34.1 电感式位移传感器电感式位移传感器电感式传感器是基于电感式传感器

3、是基于电磁感应原理电磁感应原理，将输入量转换成，将输入量转换成电感变化量的一种装置。常配以不同的敏感元件用来测量电感变化量的一种装置。常配以不同的敏感元件用来测量位移、压力、振动位移、压力、振动等物理参数。等物理参数。44.1 电感式位移传感器电感式位移传感器 电感位移传感器原理与分类电感位移传感器原理与分类图图4-1 4-1 电感式传感器的结构原理电感式传感器的结构原理 5自感自感L与气隙与气隙成反比，而与气隙导磁截面积成反比，而与气隙导磁截面积A成正比。成正比。W线圈匝数，线圈匝数，0空气磁导率。空气磁导率。气隙型传感器的结构原理图气隙型传感器的结构原理图 6电感位移传感器原理与分类电感位

4、移传感器原理与分类v差动变隙式电感传感器的原理差动变隙式电感传感器的原理结构结构初态时：若结构对称，且动铁居中，初态时：若结构对称，且动铁居中，则则1=2，U0=0。动铁上移时：则动铁上移时：则1L1I1=I1-I2L2I2=I2+II=I2-I1=2IU0=2IZL同理，动铁下移时：同理，动铁下移时：U0=-2IZL 74.1.2 电感位移传感器输出特性电感位移传感器输出特性 v由图可以看出由图可以看出L=f()不是线性的，即变气隙式不是线性的，即变气隙式传感器传感器和和L之间不满足线形变化关系。理论上之间不满足线形变化关系。理论上，当，当=0时，时，L为为，如果考虑到导磁体的磁阻，如果考虑

5、到导磁体的磁阻，即当即当=0时，时，L不等于不等于，而有一定的数值。变，而有一定的数值。变截面积式传感器的面积截面积式传感器的面积S与与L值则是线性关系，值则是线性关系，即即L=f(S)的特性曲线为一条直线。的特性曲线为一条直线。84.1.2 电感位移传感器输出特性电感位移传感器输出特性 v变气隙式、变面积式和螺线管式三种类型电感传感器相比较，变气隙式、变面积式和螺线管式三种类型电感传感器相比较，变气隙式变气隙式灵敏度最高，因而它对电路的放大倍数要求很低，缺灵敏度最高，因而它对电路的放大倍数要求很低，缺点是非线性严重。为了限制非线性误差，示值范围只能很小，点是非线性严重。为了限制非线性误差，示

6、值范围只能很小，导致自由行程小，因此制造装配比较困难。导致自由行程小，因此制造装配比较困难。变面积式变面积式的优点是的优点是具有较好的线性，自由行程较大。具有较好的线性，自由行程较大。螺线管式螺线管式主要优点是结构简主要优点是结构简单、制造装配容易、自由行程大，但是灵敏度最低。但灵敏度单、制造装配容易、自由行程大，但是灵敏度最低。但灵敏度低可以通过放大电路加以解决，因此，目前螺管型电感传感器低可以通过放大电路加以解决，因此，目前螺管型电感传感器用得越来越多。用得越来越多。9电感位移传感器测量电路电感位移传感器测量电路 1.变压器电桥变压器电桥v输出特性公式为输出特性公式为v在初始位置时在初始位

7、置时Z1=Z2=Z，电桥处于平衡状态，电桥处于平衡状态，U0=0 动铁芯上移时：动铁芯上移时：1L1Z1=Z+Z2L2Z2=Z-Z代入式（代入式（4-2），得），得图图4-4 4-4 变压器电桥变压器电桥 10电感位移传感器测量电路电感位移传感器测量电路2.相敏相敏检波波电路路相敏检波电路是常用的判别电路。下面以带二极管式环形相敏检波的交流电桥为例介绍该电路的作用。图4.5相敏检波电路()带相敏检波的交流电桥；()实用电路11电感位移传感器测量电路电感位移传感器测量电路如图3.11(a)所示，Z1、Z2为传感器两线圈的阻抗，Z3Z4构成另两个桥臂，U为供桥电压，U为输出。当衔铁处于中间位置时，

8、Z1Z2Z，电桥平衡，U0。若衔铁上移，Z1增大，Z2减小。如供桥电压为正半周，即A点电位高于B点，二极管D1、D4导通，D2、D3截止。在AECB支路中，C点电位由于Z1增大而降低；在AFDB支路中，D点电位由于Z2减小而增高。因此D点电位高于C点，输出信号为正12电感位移传感器测量电路电感位移传感器测量电路如供桥电压为负半周，B点电位高于A 点，二极管D2、D3导通，D1、D4截止。在BCFA支路中，C点电位由于Z2减小而比平衡时降低；在BDEA支路中，D点电位则因Z1增大而比平衡时增高。因此D点电位仍高于C点，输出信号仍为正。同理可以证明，衔铁下移时输出信号总为负。于是，输出信号的正负代

9、表了衔铁位移的方向。实际采用的电路如图3.11(b)所示。L1、L2为传感器的两个线圈，C1、C2为另两个桥臂。电桥供桥电压由变压器B的次级提供。R1、R2、R3、R4为四个线绕电阻，用于减小温度误差。C3为滤波电容，Rw1为调零电位器，Rw2为调倍率电位器，输出信号由电压表V指示。13其中：其中：金属电阻率，金属电阻率，金属磁导率，金属磁导率，r 线圈与被测物体的尺寸因子，线圈与被测物体的尺寸因子，f 激磁激磁电流频率，电流频率，x 线圈与导体间的距离线圈与导体间的距离 基于法拉第电磁感应原理，当传感基于法拉第电磁感应原理，当传感器线圈通以正弦交变电流器线圈通以正弦交变电流 I1 时，线圈周

10、时，线圈周围空间将产生正弦交变磁场围空间将产生正弦交变磁场 H1，被测导被测导体内产生呈涡旋状的交变感应电流体内产生呈涡旋状的交变感应电流I2，称称电涡流效应。电涡流效应。电涡流效应。电涡流效应。电涡流产生的交变磁场电涡流产生的交变磁场H2与与H1方向相反，它使传感器线圈等效方向相反，它使传感器线圈等效阻抗发生变化。阻抗发生变化。4.2 电涡流式传感器电涡流式传感器14应用：应用：x位移、厚度、振幅；位移、厚度、振幅；表面温度、电解质浓度、材质判别等；表面温度、电解质浓度、材质判别等；，无损探伤等。无损探伤等。特点：非接触连续测量，灵敏度高、频响宽、分辨率高特点：非接触连续测量，灵敏度高、频响

11、宽、分辨率高涡流分布在导体表面涡流分布在导体表面 4.2 电涡流式传感器电涡流式传感器15 电涡流在我们日常生活中应用干干净净、高高效效的的电电磁磁炉炉16电涡流探雷器 17电磁炉内部的励磁线圈184.2 电涡流式传感器电涡流式传感器194.2 电涡流式传感器电涡流式传感器20低频透射式电涡流式传感低频透射式电涡流式传感器：器：音频音频(20kHz)激励电流激励电流低频透射式涡流传感器多低频透射式涡流传感器多用于测定材料厚度。用于测定材料厚度。4.2 电涡流式传感器电涡流式传感器214.2 电涡流式传感器电涡流式传感器v3.技术参数技术参数型号测量范围mm分辨率m重复性m线性度频响kHz温漂静

12、态 动态KD19251.270.761.30.7621.50100.054/KD19503.811.32.52.5410100.036/KD197552.52.52.54102.50.018/KD1925M0.90.761.30.7621.50100.054/表表4-1 4-1 英国真尚有电涡流传感器主要技术指标英国真尚有电涡流传感器主要技术指标22电磁炉的工作原理图电磁炉电磁炉是采用是采用磁场感应涡流加热原理磁场感应涡流加热原理，它利用电流通过线圈产生，它利用电流通过线圈产生磁场，当磁场内之磁力通过含铁质锅底部时，即会产生无数之小磁场，当磁场内之磁力通过含铁质锅底部时，即会产生无数之小涡流，

13、使锅体本身自行高速发热，然后再加热于锅内食物。电磁涡流，使锅体本身自行高速发热，然后再加热于锅内食物。电磁炉工作时产生的电磁波，完全被线圈底部的屏蔽层和顶板上的含炉工作时产生的电磁波，完全被线圈底部的屏蔽层和顶板上的含铁质锅所吸收，铁质锅所吸收，不会泄漏，对人体健康绝对无危害。不会泄漏，对人体健康绝对无危害。23 电涡流探头外形电涡流探头外形交变磁场交变磁场电涡流式传感器的结构电涡流式传感器的结构 24电涡流探头内部结构 1线圈线圈 2线圈管架线圈管架 3壳体壳体 4输出电缆输出电缆 5接插件接插件 6瓷罩瓷罩 25w 测量电路测量电路交流电桥、谐振电路交流电桥、谐振电路4.2 电涡流式传感器

14、电涡流式传感器264.2 电涡流式传感器电涡流式传感器LC并联阻抗并联阻抗274.2 电涡流式传感器电涡流式传感器LC回路是振荡器的一部分回路是振荡器的一部分284.2 电涡流式传感器电涡流式传感器v2.电桥测量电路电桥测量电路v电桥将反映线圈阻抗的变化，电桥将反映线圈阻抗的变化，线圈阻抗的变化反映被测金属线圈阻抗的变化反映被测金属导体的接近程度。当静态时，导体的接近程度。当静态时，电桥平衡，输出电压电桥平衡，输出电压u u0 0=0=0。当传。当传感器接近被测金属导体时，传感器接近被测金属导体时，传感器线圈的阻抗发生变化，电感器线圈的阻抗发生变化，电桥失去平衡，即桥失去平衡，即u u0 00

15、0，该信号，该信号经经过线性放大和检波器检波经经过线性放大和检波器检波后输出直流电压，其幅值经过后输出直流电压，其幅值经过标定即可以实现对位移量的测标定即可以实现对位移量的测量。量。图4-11 涡流传感器电桥测量电路 294.2 电涡流式传感器电涡流式传感器v 电涡流式传感器的特点：电涡流式传感器的特点：非接触测量，不易受油液介质影响；非接触测量，不易受油液介质影响；结构简单，使用方便，灵敏度高，最高分辨率达结构简单，使用方便，灵敏度高，最高分辨率达0.05微米；微米；频率响应范围宽（频率响应范围宽（010kHz），适合动态测量。），适合动态测量。30电涡流传感器应用电涡流传感器应用 v1.位

16、移测量位移测量图4-12 电涡流位移测量方法 31电涡流传感器应用电涡流传感器应用v2.振动测量振动测量图4-13 电涡流振动测量方法 32420420mAmA电涡流位移传感器外形图电涡流位移传感器外形图电涡流位移传感器外形图电涡流位移传感器外形图（3）传感器外形）传感器外形33V V系列电涡流位移传感器外形图系列电涡流位移传感器外形图系列电涡流位移传感器外形图系列电涡流位移传感器外形图34无损探伤无损探伤 电涡流传感器应用电涡流传感器应用35电涡流传感器应用电涡流传感器应用测转速测转速 测厚度测厚度 计数计数 测裂纹测裂纹 36电涡流传感器应用电涡流传感器应用v5.液位测量与控制液位测量与控

17、制图4-15 利用电涡流传感器构成的液位监控系统 37偏心和振动检测38汽轮机叶片测试汽轮机叶片测试393转速测量 转速测量类型转速测量类型1传感器传感器 2被测体被测体40转速转速n（单位为（单位为r/min）的计算公式为）的计算公式为电涡流传感器转速测量动画演示电涡流传感器转速测量动画演示41齿轮转速测量示意图【例例】下图中，设齿数下图中，设齿数z=48，测得频率，测得频率 f=120Hz，求该齿轮的转速，求该齿轮的转速n。42用于用于ABS系统的速度传感器系统的速度传感器43444电涡流表面探伤 手持式裂纹测量仪手持式裂纹测量仪油管探伤油管探伤45用掌上型电涡流探伤仪检测飞机裂纹46电涡

18、流传感器探伤检测动画演示475厚度测量 测量前，可先用电涡流测厚仪对标准厚度的镀层和铜箔作出测量前，可先用电涡流测厚仪对标准厚度的镀层和铜箔作出“厚度输出厚度输出”电压的标定曲线，以便测量时对照。电压的标定曲线，以便测量时对照。48电涡流涂层厚度仪 49电涡流传感器测量厚度动画演示50其它应用电涡流传感器计数动画演示电涡流传感器计数动画演示51电涡流传感器轴心轨迹测量动画演示52原理：被测非电量转换为电容量的变化原理：被测非电量转换为电容量的变化 种类：变极距种类：变极距、变面积变面积A、变介质变介质 、A或或发生变化时，都会引起电容的变化。发生变化时，都会引起电容的变化。4.3 电容式位移传

19、感器电容式位移传感器 4.3.1 电容式位移传感器原理与分类电容式位移传感器原理与分类 5354551.变极距型电容传感器变极距型电容传感器 561.变极距型电容传感器变极距型电容传感器 57输入输出特性：输入输出特性：灵敏度：灵敏度：面积变化型电容传感器的优面积变化型电容传感器的优点是点是输出与输入成线性关系输出与输入成线性关系，但，但与极板变化型相比，灵敏度较低，与极板变化型相比，灵敏度较低，适用于适用于较大角位移及直线位移的较大角位移及直线位移的测量测量。2.变面积型电容传感器变面积型电容传感器 58 介质含水量、介质厚度、温度、密度等变化引起介电常介质含水量、介质厚度、温度、密度等变化

20、引起介电常数变化，因此可以构成含水量、物位高度、温度等测量用传数变化，因此可以构成含水量、物位高度、温度等测量用传感器。感器。图中，厚度为图中，厚度为2的介质（的介质（2为其介电常数）在电容器为其介电常数）在电容器中左右运动，由于电容器中左右运动，由于电容器中介质的介电常数改变，中介质的介电常数改变，电容量改变。电容量改变。3.变介电常数型电容传感器变介电常数型电容传感器 594.3.2 电容式位移传感器特点电容式位移传感器特点 1.优点：优点：.温度稳定性好温度稳定性好 电容式传感器的电容值一般与电极材料无关，有利于选择温度系数低的材料，又因本身发热极小，影响稳定性甚微。而电阻传感器有铜损等

21、，易发热产生零漂。.结构简单结构简单电容式传感器结构简单，易于制造，易于保证高的精度，可以做得非常小巧，以实现某些特殊的测量；能工作在高温，强辐射及强磁场等恶劣的环境中，可以承受很大的温度变化，承受高压力，高冲击，过载等；能测量超高温和低压差，也能对带磁工作进行测量。604.3.2 电容式位移传感器特点电容式位移传感器特点.动态响应好动态响应好 电容式传感器由于带电极板间的静电引力很小（约几个105N），需要的作用能量极小，又由于它的可动部分可以做得很小很薄，即质量很轻，因此其固有频率很高，动态响应时间短，能在几兆Hz的频率下工作，特别适用于动态测量。又由于其介质损耗小可以用较高频率供电，因此

22、系统工作频率高。它可用于测量高速变化的参数。.可以非接触测量，具有平均效应可以非接触测量，具有平均效应 例如 非接触测量回转轴的振动或偏心率、小型滚珠轴承的径向间隙等。当采用非接触测量时，电容式传感器具有平均效应，可以减小工件表面粗糙度等对测量的影响。电容式传感器除了上述的优点外，还因其带电极板间的静电引力很小，所需输入力和输入能量极小，因而可测极低的压力、力和很小的加速度、位移等，可以做得很灵敏，分辨力高，能敏感0.01m 甚至更小的位移；由于其空气等介质损耗小，采用差动结构并接成电桥式时产生的零残极小，因此允许电路进行高倍率放大，使仪器具有很高的灵敏度。612.缺点缺点（1）输出阻抗高，负

23、载能力差）输出阻抗高，负载能力差电容式传感器的容量受其电极的几何尺寸等限制，一般微几十导几百皮法，其值只有几个皮法，使 传感器的输出阻抗很高，尤其当采用音频范围内的交流电源时，输出阻抗高达108106。因此传感器的负载能力很差，易受外界干扰影响而产生不稳定现象，严重时甚至无法工作，必须采取屏蔽措施，从而给设计和使用带来极大的不便。容抗大还要求传感器绝缘部分的电阻值极高（几十兆欧以上），否则绝缘部分将作为旁路电阻而影响仪器的性能（如灵敏度降低），为此还要特别注意周围的环境如湿度、清洁度等。4.3.2 电容式位移传感器特点电容式位移传感器特点62（2）寄生电容影响大。）寄生电容影响大。电容式传感器

24、的初始电容量很小，而传感器的引线电缆电容、测量电路的杂散电容以及传感器极板与其周围导体构成的电容等“寄生电容”却较大，降低了传感器的灵敏度，影响测量精度，因此对电缆的选择、安装、接法都要有要求。（3）输出特性非线性。）输出特性非线性。变极距型电容传感器的输出是非线性的。其它类型传感器也只有忽略电场的边缘效应时，输出才是线性的。4.3.2 电容式位移传感器特点电容式位移传感器特点63644.3.3 电容式位移传感器测量电路电容式位移传感器测量电路 1.交流电桥电路交流电桥电路v交流电桥电路如图交流电桥电路如图4-22所示，高频电源经所示，高频电源经变压器接到电桥的一条对角线上，电容变压器接到电桥

25、的一条对角线上，电容C1、C2、C3、Cx构成电桥的构成电桥的4个臂，个臂，Cx为电容传感器，交流电桥平衡时则为电容传感器，交流电桥平衡时则U0=0。当当Cx改变时，改变时，U00，有电压输出。，有电压输出。v此种电桥电路要求交流电源的幅度和频率此种电桥电路要求交流电源的幅度和频率都十分稳定；电桥放大器的输入阻抗要高；都十分稳定；电桥放大器的输入阻抗要高；测量系统的动态响应受电桥供电电源的频测量系统的动态响应受电桥供电电源的频率限制，一般要求电源频率为被测信号最率限制，一般要求电源频率为被测信号最高频率的高频率的510倍。倍。图4-22 交流电桥电路 654.3.3 电容式位移传感器测量电路电

26、容式位移传感器测量电路2.2.变压器电桥变压器电桥 如图4-23所示，C1、C2为传感器的两个差动电容。电桥的空载输出电压为对变极距型电容传感器，代入上式得对变极距型电容传感器，代入上式得4-23 变压器电桥 664.3.3 电容式位移传感器测量电路电容式位移传感器测量电路 3.调频电路调频电路67686970714.3.3 电容式位移传感器测量电路电容式位移传感器测量电路 4.脉冲宽度调制电路脉冲宽度调制电路当接通电源后，若触发器当接通电源后，若触发器Q Q端为端为高电平，高电平，端为低电平，则触端为低电平，则触发器通过发器通过R R1 1对对C C1 1充电；当充电；当F F点电点电位位U

27、 UF F升到与参考电压升到与参考电压U Ur r相等时，相等时，比较器比较器A A1 1产生一脉冲使触发器翻产生一脉冲使触发器翻转，从而使转，从而使Q Q端为低电平，端为低电平，端为高电平。此时，由电容端为高电平。此时，由电容C C1 1通通过二极管过二极管D D1 1迅速放电至零，而触迅速放电至零，而触发器由端经发器由端经R R2 2向向C C2 2充电；当充电；当G G点点电位电位U UG G与参考电压与参考电压U Ur r相等时，比相等时，比较器较器A A2 2输出一脉冲使触发器翻转，输出一脉冲使触发器翻转，从而循环上述过程。从而循环上述过程。图4-25 脉冲宽度调制电路 724.3.

28、3 电容式位移传感器测量电路电容式位移传感器测量电路 可以看出，电路充放电的时间，即触发器输出方波脉冲的宽度受电容C1、C2调制。当C1=C2时，各点的电压波形如图4.26(a)所示，Q和 两端电平的脉冲宽度相等，两端间的平均电压为零。当C1C2时，各点的电压波形如图4.26(b)所示，Q、两端间的平均电压(经一低通滤波器)为(4-13)式中：T1和T2分别为Q端和 端输出方波脉冲的宽度，亦即C1和C2的充电时间。7374图4-26 各点电压波形图4.3.3 电容式位移传感器测量电路电容式位移传感器测量电路75当该电路用于差动式变极距型电容传感器时，式(4-13)有 (4-14)这种电路只采用

29、直流电源，无需振荡器，要求直流电源地电压稳定度较高，但比高稳定度地稳频稳幅交流电源易于做到。用于差动式变面积型电容传感器时有 (4-15)4.3.3 电容式位移传感器测量电路电容式位移传感器测量电路7677(4-17)可见配用运算放大器测量电路的最大特点是克服了变极距型电容传感器的非线性。4.3.3 电容式位移传感器测量电路电容式位移传感器测量电路784.3.3 电容式传感器的应用电容式传感器的应用 794.3.3 电容传感器应用电容传感器应用v1.电容式位移传感器电容式位移传感器图4-28 电容式移传感器应用 804.3.3 电容传感器应用电容传感器应用v2.电容加速度传感器电容加速度传感器

30、图4-29 电容式加速度传感器结构814.3.3 电容传感器应用电容传感器应用v3.电容式物位传感器电容式物位传感器图4-30 电容式物位传感器原理 82v当两圆筒间充以介电常数为1的气体时，则由该圆筒组成的电容器的电容量为v（4-16）v如果两圆筒形电极间的一部分被介电常数为2的液体所浸没，设被浸没得电极长度为H，此时的电容量为图4-30电容式物位传感器原理v（4-17）v经整理可得v（4-18）v式中，C为电容器的电容值得增量，其值为v4.3.3 电容传感器应用电容传感器应用 834.3.3 电容传感器应用电容传感器应用v3.电容式物位传感器电容式物位传感器图4-31 电容传感器进行料位测

31、量传感器的电容可由下式表示传感器的电容可由下式表示 式中，k为比例常数；s为被测物料的相对介电常数；0为空气的相对介电常数；D为罐内直径；d为测定电极的直径；h为物料的高度。84非接触检测塑料管道内溶液液位非接触检测塑料管道内溶液液位。当液位达到。当液位达到设定高度并超出时，溶液进入电容式传感器检测范设定高度并超出时，溶液进入电容式传感器检测范围，传感器产生输出信号传送给控制机构，控制机围，传感器产生输出信号传送给控制机构，控制机构报警或进行其它动作，达到液位控制的目的。构报警或进行其它动作，达到液位控制的目的。电容式传感器的应用电容式传感器的应用 85电容式传感器的应用电容式传感器的应用v4

32、.电容式测厚传感器电容式测厚传感器图4-32 差动式电容测厚传感器测量原理86电容式传感器的应用电容式传感器的应用 87电容式传感器的应用电容式传感器的应用 88电容式传感器的应用电容式传感器的应用 899091 置于磁场中的载流导体，当它置于磁场中的载流导体，当它的电流方向与磁场方向不一致时，的电流方向与磁场方向不一致时，载流导体上平行电流和磁场方向上载流导体上平行电流和磁场方向上的两个面之间产生电动势，这种现的两个面之间产生电动势，这种现象称为象称为霍尔效应霍尔效应。4.4 霍尔位移传感器霍尔位移传感器4.4.1 4.4.1 霍尔传感器结构与工作原理霍尔传感器结构与工作原理 92长长l l

33、、宽、宽b b、厚、厚 d d，N N型半导体材料型半导体材料沿水平方向通以沿水平方向通以控制电流控制电流 I I半导体中的载流子即半导体中的载流子即电子电子e e沿与沿与电流电流相反的方向运动相反的方向运动，速度为，速度为v v由于磁场的作用，使得电子受到由于磁场的作用，使得电子受到洛仑洛仑兹力兹力f fL L的作用而发生偏转的作用而发生偏转半导体的前后端面上各自积累起数目相等的半导体的前后端面上各自积累起数目相等的正、负电荷，形成电场正、负电荷，形成电场电场产生的作用力电场产生的作用力f fE E阻止电子的偏转，最终阻止电子的偏转，最终二力平衡，形成稳定的霍尔电场二力平衡，形成稳定的霍尔电

34、场E EH H霍霍尔尔效效应应112022/11/2293推导目的：得到霍尔电势推导目的：得到霍尔电势U UH H与与I I、B B的关系的关系二力动态平衡时，有：二力动态平衡时，有：n n：N N型半导体中的电子型半导体中的电子浓度浓度电流密电流密度度霍尔霍尔电势电势霍霍尔尔效效应应2022/11/2294霍尔系数霍尔系数，由载流子的物理性质所决定，由载流子的物理性质所决定灵敏度系数灵敏度系数，表示在单位，表示在单位 B B 和单位和单位 I I 时的时的霍尔电势的大小。霍尔电势的大小。金属材料的自由电子浓度金属材料的自由电子浓度n n很大，不适于做霍尔元件很大，不适于做霍尔元件绝缘材料的几

35、乎没有自由电子，不适于做霍尔元件绝缘材料的几乎没有自由电子，不适于做霍尔元件霍尔元件都是由半导体材料做成（尤其是霍尔元件都是由半导体材料做成（尤其是N N型）型）锗锗(Ge)(Ge)、硅、硅(Si)(Si)、砷化铟砷化铟(InAs)(InAs)、锑化铟锑化铟(InSb)(InSb)霍尔元件一般做得都较薄（霍尔元件一般做得都较薄（0.10.2mm）2022/11/2295材料要求:金属材料:绝缘材料:半导体材料:(霍尔系数)(灵敏度系数)载流子的载流子的迁移率迁移率霍尔元件都是由半导体材料做成（尤其是霍尔元件都是由半导体材料做成（尤其是N N型）：型）：锗锗(Ge)(Ge)、硅、硅(Si)(Si

36、)、砷化铟砷化铟(InAs)(InAs)、锑化铟锑化铟(InSb)(InSb)2022/11/2296 霍霍 尔尔 电电 势（续）势（续）UHIB成正比关系成正比关系.KHn(半导体的电子浓度半导体的电子浓度)、e(电子当量电子当量)、d(霍尔元件霍尔元件的厚度的厚度)成反比关系成反比关系.2022/11/2297霍尔元件的构造霍尔元件的构造控制电流端控制电流端引线，红色（黑端）引线，红色（黑端）霍尔输出端霍尔输出端引线，引线，绿色（白端）绿色（白端）4 4端器件端器件2022/11/2298霍尔元件的测量电路霍尔元件的测量电路提供激励电流提供激励电流调节激励电流的大小调节激励电流的大小负载电

37、阻，通常是显示仪表、记录负载电阻，通常是显示仪表、记录装置、放大器的输入阻抗装置、放大器的输入阻抗UH一般在毫伏量级，实际使用一般在毫伏量级，实际使用后端应加放大器后端应加放大器2022/11/22991 1、额定激励电流、额定激励电流I IH H 使使霍霍尔尔元元件件温温升升1010所所施施加加的的控控制制电电流流值值称称为为额额定激励电流。通常用定激励电流。通常用I IH H表示。表示。2 2、输入电阻、输入电阻R Ri i 它它是是指指控控制制电电流流极极间间的的电电阻阻值值。它它规规定定要要在在室室温温(205)(205)的环境温度中测取。的环境温度中测取。3 3、输出电阻、输出电阻R

38、 Rs s 它它是是指指霍霍尔尔电电极极间间的的电电阻阻值值。规规定定中中要要求求在在(205)(205)的条件下测取。的条件下测取。霍尔元件主要技术指标霍尔元件主要技术指标2022/11/22100霍尔元件主要技术指标霍尔元件主要技术指标不等位电阻：不等位电阻：r ro o=U=Uo o/I/IH H4 4、不等位电势、不等位电势UoUo及零位电阻及零位电阻r0r0 当霍尔元件通以当霍尔元件通以控制电流控制电流I IH H而不加外磁场而不加外磁场时，它时，它的霍尔输出端之间仍有空载电势存在，该电势就称为的霍尔输出端之间仍有空载电势存在，该电势就称为不等位电势不等位电势(或零位电势或零位电势)

39、。2022/11/221011.1.霍尔电极位置不对称或不在同一等位面上霍尔电极位置不对称或不在同一等位面上2.2.*2.2.材料不均匀或几何尺寸不均匀材料不均匀或几何尺寸不均匀3.3.激励电极接触不良激励电极接触不良产生不等位电势的主要原因产生不等位电势的主要原因:理想状况下理想状况下Uo=0，但由于霍，但由于霍尔元件的某种结构原因造成尔元件的某种结构原因造成Uo0，则电桥处于不平衡状，则电桥处于不平衡状态，即四个分布电阻的阻值态，即四个分布电阻的阻值不等；不等；可采用不等位电势补偿线路可采用不等位电势补偿线路进行补偿进行补偿.2022/11/22102霍尔传感器测量电路与误差补偿霍尔传感器

40、测量电路与误差补偿v2.误差补偿误差补偿v（2）温度误差及其补偿图4-39 霍尔元件温度补偿方法103补补偿偿将霍尔元件视为一个电桥，则将霍尔元件视为一个电桥，则A A、B B为控制电流极、为控制电流极、C C、D D为霍尔电极。为霍尔电极。在极间分布的电阻用在极间分布的电阻用4 4个电阻个电阻r r1 1、r r2 2、r r3 3、r r4 4表示。理想情况下，表示。理想情况下，4 4个电个电阻相等，则不等位电势为阻相等，则不等位电势为0 0；实际；实际情况下，情况下，4 4个电阻并不相等，即电个电阻并不相等，即电桥不平衡，所以对外显示有不等桥不平衡，所以对外显示有不等位电势。位电势。1.

41、1.不等电位电势补偿不等电位电势补偿2022/11/22104 不等位电势的补偿电路不等位电势的补偿电路2022/11/22105 霍尔器件在霍尔器件在x方向上长度为方向上长度为b，x0 是位于气隙下的初始长度。是位于气隙下的初始长度。此传感器常采用差动结构。此传感器常采用差动结构。4.4.4 霍尔传感器应用霍尔传感器应用106霍尔式传感器的应用霍尔式传感器的应用测量位移测量位移梯度磁场：磁场梯度变化越大，灵敏度越高；梯度变化越梯度磁场：磁场梯度变化越大，灵敏度越高；梯度变化越均匀，霍尔电势与位移的关系越接近线性。均匀，霍尔电势与位移的关系越接近线性。2022/11/22107霍尔式位移传感器

42、霍尔式位移传感器 霍尔式位移传感器原理示意图霍尔式位移传感器原理示意图梯度磁场：磁场梯度变化越大，灵敏度越高；梯度变化越梯度磁场：磁场梯度变化越大，灵敏度越高；梯度变化越均匀，霍尔电势与位移的关系越接近线性。均匀，霍尔电势与位移的关系越接近线性。2022/11/22108霍尔式压力传感器霍尔式压力传感器 霍尔式压力传感器结钩原理图及磁钢外形霍尔式压力传感器结钩原理图及磁钢外形2022/11/221094.4.4 4.4.4 霍尔传感器应用霍尔传感器应用110111112113 霍尔传感器是一种磁敏感元件，利用霍尔效应工作。霍尔霍尔传感器是一种磁敏感元件，利用霍尔效应工作。霍尔 效效应产生的霍尔

43、电势与通过的控制电流以及垂直于霍尔元件的磁感应产生的霍尔电势与通过的控制电流以及垂直于霍尔元件的磁感应强度有关。应强度有关。霍尔元件的技术指标中最重要的是：霍尔元件的技术指标中最重要的是：不等位电势和不等位电阻。不等位电势和不等位电阻。若将霍尔元件视为电桥，则可采用桥臂上并联电阻的方式进行不若将霍尔元件视为电桥，则可采用桥臂上并联电阻的方式进行不等位电势的补偿。等位电势的补偿。利用霍尔传感器可以测量最终能够转换成电流、磁感应强度的利用霍尔传感器可以测量最终能够转换成电流、磁感应强度的物理量。实际应用中，常利用霍尔集成电路测量位移、磁场强度、物理量。实际应用中，常利用霍尔集成电路测量位移、磁场强

44、度、转速以及电流、电压。转速以及电流、电压。小小 结结2022/11/221144.7.1 4.7.1 超声波及其特性超声波及其特性波动（简称波）：振动在弹性介质内的传播声波：其频率在162104 Hz之间，能为人耳所闻的机械波次声波：低于16 Hz的机械波超声波：高于2104 Hz的机械波微波：频率在310831011 Hz之间的波4.7 4.7 超声波传感器超声波传感器115声波的频率界限图 1164.7.1 超声波及其特性超声波及其特性 超声波的反射和折射 2.2.反射与折射反射与折射 1174.7.1 超声波及其特性超声波及其特性 声波在介质中传播时，随着传播距离的增加，能量逐渐衰减。

45、其声压和声强的衰减规律满足以下函数关系：式中:、声波在距声源x处的声压和声强；、声波在声源处的声压和声强；声波与声源间的距离；衰减系数。3.3.声波的衰减声波的衰减118超声波传感器超声波传感器压电式超声波传感器是利用压电材料的压电效应原理来工作的。压电式超声波传感器是利用压电材料的压电效应原理来工作的。v压电式超声波发生器压电式超声波发生器是利用是利用逆压电效应逆压电效应的原理将高频电振动转换的原理将高频电振动转换成高频机械振动，从而产生超声波。当外加交变电压的频率等于成高频机械振动，从而产生超声波。当外加交变电压的频率等于压电材料的固有频率时会产生共振，此时产生的超声波最强。压电材料的固有

46、频率时会产生共振，此时产生的超声波最强。v压电式超声波接收器压电式超声波接收器是利用是利用正压电效应正压电效应原理进行工作的。当超声原理进行工作的。当超声波作用到压电晶片上时引起晶片伸缩，在晶片的两个表面上便产波作用到压电晶片上时引起晶片伸缩，在晶片的两个表面上便产生极性相反的电荷，这些电荷被转换成电压经放大后送到测量电生极性相反的电荷，这些电荷被转换成电压经放大后送到测量电路，最后记录或显示出来。路，最后记录或显示出来。1.压电式超声波传感器1194.7.3 超声波传感器应用超声波传感器应用v1.超声波探伤超声波探伤1204.7.3 超声波传感器应用超声波传感器应用2.超声波测流量图4-60

47、 超声波测量流量 1214.7.3 超声波传感器应用超声波传感器应用当当A为发射探头，为发射探头，B为接收探头，此时为顺流传播，超声波传播速度为为接收探头，此时为顺流传播，超声波传播速度为c+vcos,于是其传播时间于是其传播时间t1为为 （4-354-35）当当B为发射探头，为发射探头，A为接收探头，此时为逆流传播，超声波传播速度为为接收探头，此时为逆流传播，超声波传播速度为c-vcos,于是其传播时间于是其传播时间t2为为 （4-364-36）则时间差为则时间差为 (4-37)则流体的平均速度为则流体的平均速度为 (4-38)可见，流体速度正比于时间差，也就是流体的流量正比于时间差。因此测

48、出时间差，就测出了流量。可见，流体速度正比于时间差，也就是流体的流量正比于时间差。因此测出时间差，就测出了流量。1224.7.3 超声波传感器应用超声波传感器应用v3.超声波测量液位超声波测量液位v（1）定点式液位测量）定点式液位测量1234.7.3 超声波传感器应用超声波传感器应用v3.超声波测液位图图4-62所示为所示为连续式液位测量连续式液位测量(脉冲回波式测量液位脉冲回波式测量液位)的工作原理图。的工作原理图。探头发出的超声脉冲通过介质到达液面，经液面反射后又被探头探头发出的超声脉冲通过介质到达液面，经液面反射后又被探头接收。测量发射与接收超声脉冲的时间间隔和介质中的传播速度，接收。测

49、量发射与接收超声脉冲的时间间隔和介质中的传播速度，即可求出探头与液面之间的距离。根据传声方式和使用探头数量即可求出探头与液面之间的距离。根据传声方式和使用探头数量的不同，可以分为单探头液介式的不同，可以分为单探头液介式图图(a)；单探头气介式；单探头气介式图图(b)；单探头固介式；单探头固介式图图(c)；双探头液介式；双探头液介式图图(d)等数种。等数种。1244.7.3 超声波传感器应用超声波传感器应用图4-62 连续式液位测量1254.7.3 超声波传感器应用超声波传感器应用4.超声波测厚度超声波检测厚度的方法有共振法、干涉法、脉冲回波法等。图4-63所示为脉冲回波法检测厚度的工作原理图4

50、-63 声波测厚工作原理图1264.8 位移检测传感器性能比较位移检测传感器性能比较传传感器感器类类型型测测量范量范围围mm灵敏度灵敏度线线性度性度F.S精度精度F.S分辨率分辨率工作温度工作温度频频率响率响应应kHz特点特点应变应变片片01000.50.10.51m体体积积小、重量小、重量轻轻、成本低、分辨率高。、成本低、分辨率高。热稳热稳定定性差、非性差、非线线性大、阻性大、阻值值及灵敏度系数分及灵敏度系数分散度大散度大电电感式感式 差差动电动电感感20000.110.210.01m线线性度好、精度高、量程性度好、精度高、量程宽宽、分辨率高。有残、分辨率高。有残余余电压电压、线线性度性度误