第三章 常用传感器及其调理电路（课件）- 《电气与电子测量技术（第3版）》同步教学（电子工业出版社）

3:1 第三章 常用传感器及其调理电路 1 Page . 01热敏电阻 热敏电阻 材料 陶瓷材料 高分子材料 测量范围 -100 —+300℃ 热敏电阻分类 NTC: 负温度系数热敏电阻 PTC: 正温度系数热敏电阻 CTR: 临界温度系数热敏电阻 1 Page . 温度-电阻特性 灵敏度 热敏电阻（Thermistor） 或 Pros 灵敏度比热电阻高1-2个数量级 常温下阻值大，可忽略引线电阻 体积可以做得很小，响应快 成本低 灵敏度 Crons 非线性严重 分散性大 互换性不好 长期稳定性差 NTC的R-T关系式 Page . NTC和PTC的应用 Page . 02霍尔传感器 常用传感器及其调理电路 1 传感器概述 2 金属温度传感器 3 热电偶 4 热敏电阻 5 霍尔传感器 6 磁阻传感器 7 电场测量探头 8 电涡流传感器 9 压电传感器 10 光电传感器 11 电容式传感器 12 电感式传感器 13 差动传感器与测量电桥 霍尔效应 霍尔效应是美国物理学家Edwin Hall于1879年发现的。Hall在他的论文“On a New Action of the Magnet on Electric Currents”中详细介绍了霍尔效应发现的过程。 金属导体或半导体薄片处于磁场中，当垂直于磁场方向有电流流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势的现象。 Page . 霍尔效应 FE = -eE = -e UH b FL = evB FL = -FE i = -j ∙bd =-nev ∙bd UH = bvB n－材料的电子（载流子）浓度。 e－电子（载流子）电荷量； j－电流密度； （1） （2） Page . 霍尔效应 UH＝KH·B·i 其中KH为霍尔片的灵敏度，与温度、材料的性质、形状有关。 两横侧间的霍尔电压： 为霍尔系数。 其中 （3） （4） 当l/b较小时,需考虑形状系数: Page . 霍尔元件 1 Page . 具有霍尔效应的元件称霍尔元件。 霍尔传感器由霍尔元件和电子电路组成。 金属材料的自由电子浓度n很高，RH很小。 半导体的电子浓度n适中，霍尔传感器中的霍尔元件都是由半导体材料构成,多用N型半导体材料。 霍尔元件越薄，KH越大，所以霍尔元件都是薄片状 开关型霍尔传感器—A3141 A3141是一个三端器件 电源 GND OC门输出 当穿过A3141霍尔片的S极磁感应强度增大并超过BOP=100GS时，施密特触发器翻转，输出拉低； 而当S极磁感应强度变弱并小于约BRP=45GS时，施密特触发器翻转，输出变高。 Page . 霍尔传感器用于电机转子位置检测 BLDC内部的Hall传感器 Page . 线性霍尔磁场传感器—AD21551 AD21551的特点 支持单极性或双极性工作 在整个温度范围内具有低失调漂移和低增益漂移 宽增益可调范围 可调一阶温度补偿 与 Vcc成比例 Page . ADI公司的AD22151芯片一款线性磁场传感器，其输出电压与垂直施加于封装上表面的磁场成比例 双极性方式 磁场零点对应输出电压为Vcc/2 AD21551的工作方式 单极性方式 磁场为零时，输出电压不为Vcc/2 1 Page . 单极性 双极性 Page . Page . Hall电流传感器 直测式电流传感器 磁平衡式电流传感器 UH＝KHIB （I为恒流，KH为常数） 通过UH就可计算B或H 由安培环路定律 H·L＝ N1 IP 可计算IP 霍尔直测式电流传感器 霍尔直测式电流传感器 IP B I Page . 霍尔磁补式电流传感器 磁平衡时， NpIp＝NsIs 磁补式霍尔电流传感器工作时磁路中的磁感应强度在零点附近。由于磁性材料的磁化曲线在零点附近对电流的变化最敏感，所以对快速电流的变化也比直测式霍尔电流传感器更敏感，从频率响应上看，磁补式霍尔电流传感器更容易获得更宽频带的频率响应。 Page . 将环形磁芯做成张合结构，在磁芯开口处放置霍尔片，载流导线穿过磁环 霍尔钳形电流表既可测交流也可测直流，而CT型钳形电流表只能测交流电流 霍尔钳形电流表 1 Page . Page . Page . 03磁阻传感器 磁阻传感器 式中， B——为磁感应强度； ρ ——材料在磁感应强度为B时的电阻率； ρ0 ——材料在磁感应强度为0时的电阻率； μ——载流子的迁移率； k——比例系数； L、W——磁敏电阻的长(沿电流方向)和宽； f(L/W) ——磁敏电阻的形状效应系数。 1 Page . 磁阻效应 置于磁场中的载流金属导体或半导体材料，其电阻值随磁场变化的现象，称为磁致电阻变化效应，简称为磁阻效应。利用磁阻效应制成的元件称为磁敏电阻，也称MR元件。磁阻效应与材料性质、几何形状等因素有关。 灵敏度特性 K＝RB/R0 磁场-电阻特性 电阻-温度特性 标称阻值和额定功率 电阻值通常为50～500，额定功率在环境温度低于80℃时一般为几毫瓦 频率特性 工作频率范围通常在1MHz～10MHz 磁阻元件的主要特性 Page . 磁敏电阻的应用 磁敏电阻组成的无触点开关电路 1 Page . 常用传感器及其调理电路 1 传感器概述 2 金属温度传感器 3 热电偶 4 热敏电阻 5 霍尔传感器 6 磁阻传感器 7 电场测量探头 8 电涡流传感器 9 压电传感器 10 光电传感器 11 电容式传感器 12 电感式传感器 13 差动传感器与测量电桥 悬浮体型探头 地参考场强仪 光电场强仪 Page . Page . 探头或传感器 模拟或数字显示的信号处理电路组成的检测器 探头到检测器的信号传输通道（导线或光纤等） 电场强度仪 电场强度测量探头 悬浮体型 地参考型 光电型 04电涡流传感器 电涡流传感器 1 Page . 工作原理：金属导体置于变化着的磁场中，导体内就会产生漩涡状感应电流，称之为电涡流或涡流。 特点：非接触测量 应用：位移、振动、厚度、转速、应力、硬度等 工作原理 电涡流作用原理 Page . 电涡流效应既与被测体的电阻率ρ 、磁导率μ以及几何形状有关，还与线圈的几何参数、线圈中激磁电流频率f有关，同时还与线圈与导体间的距离x有关。 测量原理 1 Page . 传感器线圈受电涡流影响时的等效阻抗Z的函数关系式为：Z=f (ρ, μ, f, x) 如果保持上式中其他参数不变，而只使其中一个参数发生变化，则传感器线圈的阻抗Z就仅仅是这个参数的单值函数。通过与传感器配用的测量电路测出阻抗Z的变化量，即可实现对该参数的测量。 例如，被测材料不变，电流频率不变，阻抗Z为距离x的单值函数，可制成电涡流距离传感器。 工作原理 为了说明传感器的工作原理与基本特性，一般采用如图示的电涡流传感器的简化模型。在简化模型中，假定电涡流仅分布在环体之内，并且把在被测金属导体上形成的电涡流等效为一个短路环。 （a）电涡流作用原理图 （b）电涡流传感器与被测体等效电路图 1 Page . 线圈的等效品质因数Q值为: 被测参数变化，既能引起线圈阻抗Z的变化，也能引起线圈电感L，电阻R和线圈品质因数Q值的变化。所以选用Z，L、R、Q的任一参数，并将其转化为电量，即可达到测量的目的。 式中 ω ——线圈激磁电流角频率；R1、L1——线圈电阻和电感；L2——短路环等效电感；R2——短路环等效电阻；M——互感系数。 解得等效阻抗Z的表达式为: Req——线圈受电涡流影响后的等效电阻: Leq——线圈受电涡流影响后的等效电感: 工作原理 Page . 工作原理 Page . M、R1，R2，L1，L2变化会引起等效Z，Q，L，R变化 M与距离x相关，用于测量位移、振幅，厚度等。 R1，R2与传感线圈、金属导体的电导率有关，且电导率是温度函数。用于表面温度,材质判别等。 L1，L2与金属导体的磁导率有关。用于测量应力、硬度。 电涡流强度与距离的关系 电涡流的轴向贯穿深度 电涡流密度主要分布在表面附近，被测体电阻率越大，相对磁导率越小，以及传感器线圈的激磁电流频率越低，则电涡流贯穿深度 电涡流传感器的基本特性 电涡流密度与距离曲线 Page . 调理电路 Page . 由涡流式传感器的工作原理可知，被测量数变化可以转换成传感器线圈的品质因素Q、等效阻抗Z和等效电感L，电阻R的变化。调理电路的任务是把这些种参数转换为电压或电流输出,主要类型包括： 利用Q值的转换电路使用较少。 利用z的转换电路一般用交流电桥，它属于调幅电路。 利用L的转换电路一般用谐振电路，根据输出是电压幅值还是电压频率，谐振电路又分为调幅和调频两种。 Z1，Z2为线圈阻抗，它们可以是差动式传感器的两个线圈阻抗，也可以一个是传感器线圈，另一个是平衡用的固定线圈。它们与电容C1，C2，电阻R1，R2组成电桥的四个臂。电源u由振荡器供给，振荡频率根据涡流式传感器的需求选择。电桥将反映线圈阻抗的变化，把线圈阻抗变化转换成电压幅值的变化。 调理电路——电桥 涡流式传感器电桥 Page . 由传感器线圈L、电容器C和石英晶体组成的石英晶体振荡电路如图所示。石英晶体振荡器起恒流源的作用，给谐振回路提供一个频率(f0)稳定的激励电流io，LC回路输出电压为： 式中，Z为LC回路的阻抗。 2) 调幅式测量电路示意图 调理电路——调幅式电路 Page . 传感器线圈接入LC振荡回路，当传感器与被测导体距离x改变时，在涡流影响下，传感器的电感变化，将导致振荡频率的变化，该变化的频率是距离x的函数，即f=L(x)，该频率可由数字频率计直接测量。 振荡频率为： 调理电路——调频式电路 Page . 1) 低频透射式涡流厚度传感器 透射式涡流厚度传感器的结构原理如图所示。 在被测金属板的上方设有发射传感器线圈L1，在被测金属板下方设有接收传感器线圈L2。当在L1上加低频电压U1时，L1上产生交变磁通1，若两线圈间无金属板，则交变磁通直接耦合至L2中，L2产生感应电压U2。如果将被测金属板放入两线圈之间，则L1线圈产生的磁场将导致在金属板中产生电涡流，并将贯穿金属板，此时磁场能量受到损耗，使到达L2的磁通将减弱为1，从而使L2产生的感应电压U2下降。金属板越厚，涡流损失就越大，电压U2就越小。因此，可根据U2电压的大小得知被测金属板的厚度。 U2与金属板厚度关系 电涡流式传感器的应用 Page . 2) 电涡流式转速传感器 电涡流式转速传感器工作原理如图所示。在软磁材料制成的输入轴上加工一键槽，在距输入表面d0处设置电涡流传感器，输入轴与被测旋转轴相连。 电涡流式转速传感器工作原理图 电涡流式传感器的应用 Page . 0.3 B/T 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0 强场下呈直线特性变化 弱磁场下呈平方特性变化 温度(25℃) 5 10 RB R0 15 B/T S极 500 1000 R/Ω 0.3 0.2 0.1 0 0.1 0.2 N极 电阻变化率% 温度/℃ 100 60 20 0 -40 6 10 2 4 102 2 4 8 103 UO VCC VT1 磁敏电阻 N S RB RC 10� � � � � � � � � � � dB� � � � L C R 石 英 振 荡 器 $$