【正文】 H=KHIB mV (47) 第 4章 物性型傳感器 式中， KH［ mV／ (mA電子積累越多， 電場(chǎng)力越大。 第 4章 物性型傳感器 圖 412 采用超聲波模塊的測(cè)距計(jì) 第 4章 物性型傳感器 磁 敏 傳 感 器 霍爾元件 1. 霍爾效應(yīng) 1879年霍爾發(fā)現(xiàn)， 在通有電流的金屬板上加一勻強(qiáng)磁場(chǎng)， 當(dāng)電流方向與磁場(chǎng)方向垂直時(shí)， 在與電流和磁場(chǎng)都垂直的金屬板的兩表面間出現(xiàn)電勢(shì)差， 這個(gè)現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。電路輸出為高頻電壓， 實(shí)際上后面還要接檢波電路、放大電路以及開關(guān)電路等。 如圖 410所示，采用 NPN晶體管 V進(jìn)行放大構(gòu)成超聲波接收電路，超聲波傳感器采用 MA40S2R。該電路通過調(diào)節(jié) R可改變振蕩頻率： )Hz( 10 RCf ?第 4章 物性型傳感器 圖 48 數(shù)字式超聲波振蕩電路 第 4章 物性型傳感器 圖 49是采用脈沖變壓器的超聲波振蕩電路實(shí)例。接收器應(yīng)能良好地接收超聲波信號(hào)，因此它的靈敏度大于－ 60 dB。它所發(fā)射的超聲波采用固定的中心頻率，諧振頻率 f0一般為 40kHz。 診斷及水和空氣中用超聲波傳感器的結(jié)構(gòu)如圖 47所示。 按原理有壓電式、 磁致伸縮式、 電磁式等， 其中壓電式最常用。 第 4章 物性型傳感器 （ 3） 超聲波的反射與折射： 當(dāng)超聲波從一種介質(zhì)傳播到另一種介質(zhì)時(shí) ， 在兩種介質(zhì)的分界面上 ， 會(huì)發(fā)生反射與折射 。如平面波傳播時(shí)的衰減公式可寫作 Ix= I0e2αx。 超聲波在介質(zhì)中的傳播速度取決于介質(zhì)密度、 介質(zhì)的彈性系數(shù)及波型。 第 4章 物性型傳感器 超聲波可分為縱波 、 橫波和表面波 。但當(dāng)頻率很低時(shí)， 1/Rf與 ω Cf相比不可忽略。 第 4章 物性型傳感器 圖中， Cf為反饋電容，與 Cf并聯(lián)的 Rf用于為 Cf提供電荷泄放回路和為運(yùn)算放大器反相輸入端的偏置電流提供回路。 第 4章 物性型傳感器 圖 44 (a) 原理圖； (b) 電荷源； (c) 電壓源； (d) 電路符號(hào) 第 4章 物性型傳感器 2. 電荷放大器 壓電式傳感器測(cè)量電路的關(guān)鍵是高輸入阻抗的前置放大器 ， 它有電壓放大器和電荷放大器兩種形式 。因此， 壓電元件可等效為一個(gè)電荷源 Q和一個(gè)電容 Ca的并聯(lián)電路；也可等效為一個(gè)電壓源 Ua和一個(gè)電容 Ca的串聯(lián)電路。 PVDF有很好的柔性和加工性能， 可制成有不同厚度和形狀各異的大面積有撓性的膜， 適于做大面積的傳感陣列器件。實(shí)用的壓電陶瓷片的結(jié)構(gòu)形式與壓電極性如圖 43所示。 第 4章 物性型傳感器 3. 壓電陶瓷的壓電效應(yīng) 壓電陶瓷屬于鐵電體物質(zhì) ， 是一種人造的多晶體壓電材料 。 第 4章 物性型傳感器 圖 42 石英晶體切片受力與電荷極性的關(guān)系示意圖 第 4章 物性型傳感器 3） 如果沿 y軸施力為 Fy時(shí)，電荷仍出現(xiàn)在與 x軸垂直的平面上， 其電荷量為 yxy FldQ?12?（ 42） 式中 ， d12=d11為橫向壓電系數(shù) 。通常把沿電軸方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為縱向壓電效應(yīng)； 而把沿機(jī)械軸方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為橫向壓電效應(yīng)。 第 4章 物性型傳感器 表 41 常見的壓電材料及性能 第 4章 物性型傳感器 2. 石英晶體的壓電效應(yīng) 1） 如圖 41所示，我們用三條互相垂直的軸來表示石英晶體的各方向。第 4章 物性型傳感器 第 4章 物性型傳感器 壓電式傳感器 超聲波傳感器 磁敏傳感器 光電式傳感器 光纖與激光傳感器 第 4章 物性型傳感器 壓電式傳感器 壓電效應(yīng)與壓電元件 1. 壓電效應(yīng)與壓電材料 當(dāng)某些電介質(zhì)受到一定方向外力作用而變形時(shí)， 其內(nèi)部便會(huì)產(chǎn)生極化現(xiàn)象， 在它們的上、 下表面會(huì)產(chǎn)生符號(hào)相反的等量電荷； 當(dāng)外力的方向改變時(shí)， 其表面產(chǎn)生的電荷極性也隨之改變； 當(dāng)外力消失后又恢復(fù)不帶電狀態(tài)， 這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。 其中， 縱向軸稱為光軸 (z軸 )； 經(jīng)過棱線并垂直于光軸的稱為電軸 (x軸 )； 與光軸、 電軸同時(shí)垂直的稱為機(jī)械軸 (y軸 )。 在光軸方向受力時(shí)不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。l為壓電片的長(zhǎng)度 。 它由無數(shù)細(xì)微的電疇組成 。三角牌壓電陶瓷片的特性見表 42。 PVDF分子結(jié)構(gòu)鏈中有氟原子， 使其化學(xué)穩(wěn)定性和耐疲勞性高、吸濕性低，并具有良好的熱穩(wěn)定性。 圖（ d）為壓電元件的電路符號(hào)。 考慮到壓電片的泄漏電阻 Ra、 連接電纜的等效電容 Cc、 前置放大器的輸入電阻 Ri和輸入電容 Ci， 其等效電路如圖 45的左半部分所示 。 Rf的阻值由 Cf的放電時(shí)間常數(shù)確定。 當(dāng) ω Cf =1/Rf時(shí)，電路的下限截止頻率為 ffL 21CRf ??（ 45） 第 4章 物性型傳感器 圖 45 電荷放大器的原理電路 第 4章 物性型傳感器 超聲波傳感器 超聲波的傳輸特性 人耳能夠聽到的機(jī)械波，頻率在 16 Hz～ 20 kHz之間，稱為聲波。 質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向和波的傳播方向一致的波稱為縱波 ， 它能在固體 、 液體和氣體中傳播 。一般來說， 在同一固體中橫波聲速為縱波聲速的一半左右，而表面波聲速又低于橫波聲速。其中， I0為聲源處的聲強(qiáng) 。 同樣遵循反射定律和折射定律：入射角與反射角 、 折射角的正弦比等于入射波速與反射波速 、 折射波速之比 。 壓電式利用壓電材料的逆壓電效應(yīng)制成超聲波發(fā)射頭， 利用壓電效應(yīng)制成超聲波接收頭。 第 4章 物性型傳感器 圖 46 （ a） 直探頭；（ b） 斜探頭；（ c） 雙探頭 第 4章 物性型傳感器 圖 47 (a) 診斷用陣列型超聲波傳感器； (b) 水聽器； (c) 空氣中用超聲波傳感器 第 4章 物性型傳感器 空氣中傳播的超聲波傳感器及其基本電路 1. 遙控用超聲波傳感器 超聲波遙控電路采用專用的在空氣中傳播的超聲發(fā)射器（用符號(hào) T表示）與接收器 (用符號(hào) R表示 )成對(duì)配套使用。這種傳感器有一種單峰特性，即在中心頻率 f0處靈敏度最高，輸出信號(hào)幅度最大，接收器的接收靈敏度最高， 而在中心頻率兩側(cè)則迅速衰減。 第 4章 物性型傳感器 表 43 T/R40型超聲傳感器的外形與尺寸 第 4章 物性型傳感器 2. 超聲波發(fā)射電路 圖 48是由數(shù)字集成電路構(gòu)成的超聲波振蕩電路，振蕩器產(chǎn)生的高頻電壓通過耦合電容 CP供給超聲波振子 MA40S2S。電路中用NPN晶體管 V放大頻率可調(diào)振蕩器 OSC的輸出信號(hào)，放大的信號(hào)經(jīng)脈沖變壓器 T升壓為較高的交流電壓供給超聲波傳感器MA40S2S。 超聲波傳感器一般用于檢測(cè)反射波，它遠(yuǎn)離超聲波發(fā)生源，能量衰減較大，只能接收到幾 mV左右的微弱信號(hào)。 第 4章 物性型傳感器 圖 411 集成運(yùn)放超聲波接收電路 第 4章 物性型傳感器 4. 采用超聲波模塊 RS2410的測(cè)距計(jì) 圖 412 RS2410的測(cè)距計(jì)， RS2401模塊內(nèi)有發(fā)送與接收電路以及相應(yīng)的定時(shí)控制電路等。 產(chǎn)生的電勢(shì)差稱為霍爾電勢(shì)。洛倫茲力的方向可用左手定則判斷，它與電場(chǎng)力的方向恰好相反。T)］稱為霍爾元件的靈敏度系數(shù)。 一對(duì)稱為激勵(lì)電流端 ， 另外一對(duì)稱為霍爾電勢(shì)輸出端 。 砷化鎵 (GaAs)是新型的霍爾元件材料， 溫度特性和輸出線性都好，但價(jià)格貴。線性集成霍爾傳感器用于無觸點(diǎn)電位器、 無刷直流馬達(dá)、速度傳感器和位置傳感器等；開關(guān)集成霍爾傳感器用于鍵盤開關(guān)、接近開關(guān)、速度傳感器和位置傳感器。 T型厚度為 mm， U型厚度為 mm。 隨 R56阻值的減小， 輸出電壓升高，但線性度下降。 第 4章 物性型傳感器 表 44 國產(chǎn)開關(guān)集成霍爾傳感器的參數(shù) 第 4章 物性型傳感器 表 45 美國開關(guān)集成霍爾傳感器 第 4章 物性型傳感器 表 46 國產(chǎn)線性集成霍爾傳感器的參數(shù) 第 4章 物性型傳感器 表 47 美國、日本線性集成霍爾傳感器的參數(shù) 第 4章 物性型傳感器 霍爾式傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域 由式 (48)可得出霍爾式傳感器具有以下幾個(gè)方面的應(yīng)用： （ 1） 維持激勵(lì)電流 I不變 ， 可構(gòu)成磁場(chǎng)強(qiáng)度計(jì) 、 霍爾轉(zhuǎn)速表 、 角位移測(cè)量?jī)x 、 磁性產(chǎn)品計(jì)數(shù)器 、 霍爾式角編碼器以及基于測(cè)量微小位移的霍爾式加速度計(jì) 、 微壓力計(jì)等 。 可見光只是電磁波譜中的一小部分，波長(zhǎng)在 780～ 380 nm之間， 紅光頻率最低， 紫光頻率最高。式中，h= 1034J 基于外光電效應(yīng)的光電元件有光電二極管和光電倍增管及紫外線傳感器等。 這個(gè)能使物體發(fā)射光電子的最低光頻率稱為紅限頻率。 欲使光電流為零必須加負(fù)向的截止電壓， 截止電壓應(yīng)與入射光的頻率成正比。 基于該效應(yīng)的光電器件有光電池 、 光敏二極管 、 光敏三極管和光敏晶閘管等 。 光電陰極發(fā)射的光電子在電場(chǎng)作用下被加速 ， 以高速射入倍增極 ， 倍增極表面逸出加倍的電子 ， 稱為二次發(fā)射 。使用和存放時(shí)必須特別注意： 絕對(duì)避免強(qiáng)光照射光陰極面，以防損壞光電陰極。 此外， 它還具有靈敏度高、 受光角度寬（視角范圍達(dá) 120176。 第 4章 物性型傳感器 紫外線傳感器的外形結(jié)構(gòu)如圖 417所示， 其中 ( a)為頂式結(jié)構(gòu)， (b)為臥式結(jié)構(gòu)。 在強(qiáng)電場(chǎng)的作用下，光電子高速向陽極運(yùn)動(dòng)， 與管內(nèi)氣體分子相碰撞而使氣體分子電離，氣體電離產(chǎn)生的電子再與氣體分子相碰撞， 最終使陰極和陽極間被大量的光電子和離子所充斥， 造成輝光放電現(xiàn)象， 電路中形成很大的電流值。 因此紫外線傳感器適合作光電開關(guān)，不適合作精密的紫外線測(cè)量。 CdS光敏電阻覆蓋了紫外光和可見光范圍，其典型結(jié)構(gòu)如圖 419所示。 第 4章 物性型傳感器 圖 41