传感技术与测控系统

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5.电涡流效应
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
8.塞曼效应
塞曼效应：正常和反常塞曼效应 正常塞曼效应：在弱磁场 中,电子自旋量子数为零时 (S=0)产生的塞曼效应。 反常塞曼效应：在弱磁场 中,电子自旋量子数不为零 (S≠0)时产生的塞曼效应
z
N O
S S
v1 v0
x
v2
σ成分
v2 v0 y
v1
π成分
光泵式磁敏传感器，不管是碱金属Cs、Rb还是He4、He3光泵传 感器，电子自旋量子数均不为零（S≠0），并且均是在弱磁场中 25 工作，故属反常塞曼效应。
接触电势的大小与温度高低及导体中的电子密度有关。
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（2） 温差电势
To A eA(T,To)
温差电势原理图
T
eA (T , T0 ) AdT
T0
T
eA(T，T0)——导体A两端温度为T、T0时形成的温差电动势； T，T0——高低端的绝对温度； σA——汤姆逊系数，表示导体A两端的温度差为1℃时所产生的 温差电动势，例如在0℃时，铜的σ =2μV/℃。 21
（3）回路总电势
由导体材料A、B组成的闭合回路，其接点温度分别为T、 T0,如果T＞T0，则必存在着两个接触电势和两个温差电 势，回路总电势： E AB (T , T0 ) e AB (T ) e AB (T0 ) e A (T , T0 ) eB (T , T0 )
N AT kT N AT kT0 ln ln e N BT e N BT
U H IB / nqd
p—P型半导体 中的孔穴浓度
霍耳电势UH与 I、B的乘积成正比，而与d成反比。于 1 是可改写成： R （N型）
UH
qn 1 RH qp
（P型）
RH—霍耳系数，由载流材料物理性质决定。ρ —材料电阻率 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。 14 故为获得较强霍耳效应，霍耳片全部采用半导体材料制成。
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。
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传感器物理效应
电涡流效应 霍尔效应 压电效应 磁阻效应 压阻效应
应变效应
热电效应
约瑟夫逊效应 塞曼效应
光电效应 热释电效应
磁光效应
工作 机理
传感器原理
设 KH=RH / d
UH＝ KH I B
KH—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＝ KH I B cosθ
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注意：当控制电流的方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。
0 0

T
T0
( A B )dT
NAT、NAT0——导体A在结点温度为T和T0时的电子密度； NBT、NBT0——导体B在结点温度为T和T0时的电子密度；
σA 、 σB——导体A和B的汤姆逊系数。
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热电偶回路热电势的大小只与组成热电偶的材料 及两端温度有关；与热电偶的长度、粗细无关。 只有用不同性质的导体(或半导体)才能组合成热 电偶；相同材料不会产生热电势，因为当A、B 在实际测量中只需用仪表测出回路中总电势即可。由于 两种导体是同一种材料时， ln(NA/NB)=0，也即 温差电势与接触电势相比较，其值很小，因此，在工程 E AB(T，T0)=0。 技术中认为热电势近似等于接触电势。 只有当热电偶两端温度不同，热电偶的两导体材 在工程应用中，测出回路总电势后，用查热电偶分度表 料不同时才能有热电势产生。 的方法确定被测温度。
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。
w
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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
f L qvB
q—电子电量(1.62×10-19C)； v—电于运动速度。
dR E R
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3. 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，简称为磁阻 效应。
0 2 2 0.273 B 0 0
μ——载流子的迁移率
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4.霍耳效应——Hall effect
■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。
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传感器的组成
物理、化学、 生物信息
辅助电源
被测量
敏感元件
转换元件
基本转换电路
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。
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1.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 l ，其电阻R为 R
两边取对数，得 等式两边取微分，得
S
ln R ln ln l ln S
dR d dl dS R l S
S=π r 2
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压电效应是可逆的 在介质极化的方向施加电场时，电介质会产 生形变，将电能转化成机械能，这种现象称

“逆压电效应”。 •压电元件可以将机械能——转化成电能 也可以将电能——转化成机械能。
正压电效应
机 械 能
压电元件
逆压电效应
电 能
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10.光电效应
定义：是指物体吸收了光能后转换为该物体中某些电 子的能量，从而产生的电效应。光电传感器的工作原 理基于光电效应。光电效应分为外光电效应和内光电 效应两大类。
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。
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R / l (1 2 ) KS R l / l l 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ห้องสมุดไป่ตู้尺寸变化引起，一般 金属μ≈0.3，因此（1+2μ）≈1.6； 后一部分 l / l 效应”）。
绝缘层
超导电子能通过绝缘介质层，表现为电流能够无阻挡地 流过，表明夹在两超导体之间的绝缘层很薄且具有超导 性。约瑟夫逊结能够通过很小超导电流的现象，称为超 导隧道结的约瑟夫逊效应，也称直流约瑟夫逊效应。超 导结在直流电压作用下可产生交变电流，从而辐射和吸 收电磁波。这种特性称为交流约瑟夫逊效应。
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传感技术与测控系统
凌 振 宝
2013.12.22
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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
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传感器的定义
■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。
dR d 1 2 R
π——压阻系数 σ——应力 E——弹性模量
dR 1 2 对半导体材料 d E 对金属材料 R
dR 1 2 E 1 2 R
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
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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变 磁场 H1 ，当金属导体靠近交变磁场中时，导体 内部就会产生涡流I2，这个涡流同样产生反抗H1 的交变磁场H2 。
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6、热电效应 两种不同的导体或半导体 A和B组合成闭合回路， 若导体 A 和 B 的连接处温度不同（设 T ＞ T0 ）， 则在此闭合回路中就有电流产生，也就是说回 路中有电动势存在，这种现象叫做热电效应。 这种现象早在 1821 年首先由西拜克（ See － back ） 发现,所以又称西拜克效应。 回路中所产生的电动 势，叫热电势。热电 势 thermo-electric force 由两部分组成，即温 热端 冷端 差电势和接触电势。
（1）外光电效应
在光线的作用下，物体内的电子逸出物体表面向外 发射的现象称为外光电效应。向外发射的电子叫做光 电子。基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍 增管等。 光子是具有能量的粒子，每个光子的能量：
E=hν
h—普朗克常数，6.626×10-34J· s；ν—光的频率（s-1）