传感器第五章 电势式传感器原理与应用.ppt

1、第五章电势传感器的原理和应用5.1磁电传感器5.2霍尔传感器5.3压电传感器5.1磁电传感器通过磁电作用将测量值(如振动、速度、扭矩)转换成电势信号。利用导体和磁场之间的相对运动在导体两端输出感应电势；机电能量转换传感器：的优点是不需要电源，电路简单，性能稳定，输出阻抗小，5.1.1磁电传感器5.1.2动圈磁电传感器5.1.3磁阻磁电传感器5.1.4磁电传感器的动态特性，5.1磁电传感器的工作原理，5.1.1磁电传感器，法拉第电磁感应定律：如果线圈为n匝，磁场强度为b。 线圈每匝的平均长度la和线圈相对磁场运动的速度=dx/dt，则整个线圈产生的电动势为：对于不同类型的磁电传感器，磁通量的变化

2、实现了磁体与线圈：之间的相对运动； 磁路中磁阻的变化；恒定磁场中线圈面积的变化。直接应用：测量速度连接到信号调节电路中的积分电路或差分电路。磁电传感器可以用来测量位移或加速度。5.1.1磁电传感器工作原理5.1.2动圈磁电传感器5.1.3磁阻磁电传感器5.1.4磁电传感器动态特性，5.1磁电传感器，5.1.2动圈磁电传感器，1.2动圈磁电传感器原理2 .动圈磁电传感器结构，1 .动圈磁电传感器原理，动圈磁电传感器原理图，传感器原理如果动圈部分的磁场强度b均匀，则线圈的感应电动势为：当=90 线圈的感应电动势为：当n、b和la不变时，e与=dx/dt成正比，根据感应电动势的大小可以知道测量的速度

3、。磁路系统产生恒定的直流磁场。 为了减小传感器的体积，通常使用永磁体。2.线圈通过运动切断磁力线，产生感应电动势。作为一个完整的磁电式传感器，除了磁路系统和线圈外，还有一些其他部件，如外壳、支架、阻尼器、接线装置等。磁电式振动传感器的结构原理，图5.1.2磁电式振动传感器的结构原理图1-弹簧片2-永磁体3-阻尼器4-导线5-芯棒6-外壳7-线圈8-弹簧片5.1.1磁电式传感器的工作原理5.1.2动圈磁电式传感器5.1.3磁阻磁电式传感器5.1.4磁电式传感器的动态特性5.1磁电式传感器5.1磁电式传感器5.1.3磁电式磁电式传感器5 . 1 . 3磁电式磁电式磁电式传感器，线圈和磁体部分都是静

4、止的，并且运动在运动过程中，它们改变磁路的磁阻，从而改变穿过线圈的磁能，并在线圈中产生感应电动势。为了测量转速，线圈中产生的感应电动势的频率作为输出，电动势的频率取决于磁通量变化的频率。结构：开路磁路、闭合磁路、开路磁路磁阻速度传感器、1-永磁体3-感应线圈2-软铁4-齿轮。结构相对简单，但输出信号小。当被测轴的振动较大时，传感器的输出波形失真较大。采用闭合磁路磁阻速度传感器和闭合磁路磁组式速度传感器。当振动强烈时，工作频率较低(50Hz)的传感器的输出电势取决于线圈中磁场的变化速度。5.1.1磁电传感器的工作原理5.1.2动圈磁电传感器5.1.3磁阻磁电传感器5.1.4磁电传感器动态特性，5

5、.1磁电传感器，5.1.4磁电传感器动态特性，一个二阶系统。Vo是传感器外壳的运动速度，即mea的运动速度等效机械系统，如果V(t)是惯性质量相对于外壳的运动速度、幅频特性和相频特性，其中是测得振动的角频率；n传感器运动系统的固有角频率传感器运动系统的阻尼比、运动方程和磁电式速度传感器的频率响应特性曲线。只有在 n、Av()1和相对速度V(t)的条件下，才能作为测量振动速度V0 (t)的量度。因此，磁电式速度传感器的频率相对较低，一般为10 15Hz。测量振动速度的原理是，相对运动速度V(t)是前面线圈相对磁场的运动速度dx/dt。传感器的输出电势e与相对速度V(t)成比例，V(t)可以测量测

6、量的振动速度V0(t)，因此电势e也可以测量V0(t)。5.1、5.2、5.2霍尔传感器、5.2.1霍尔传感器的工作原理5.2.2霍尔元件的结构和基本电路5.2.3霍尔元件的主要特性参数5.2.4霍尔元件的误差和补偿5.2.5霍尔传感器的应用、5.2.1霍尔传感器的工作原理，通过控制金属或半导体薄片两端的电流，并在薄片磁场的垂直方向上，将在垂直于电流和磁场的方向上产生电动势(霍尔电势)，这种现象称为霍尔效应。霍尔效应的原理，霍尔常数，载流子受到洛伦兹力，霍尔电场强度，平衡态，电子运动的平均速度，霍尔势，霍尔常数，霍尔常数的大小取决于导体的载流子密度：金属的自由电子密度太大，因此霍尔常数小，霍尔

7、势也小，所以金属材料不适合制作霍尔元件。霍尔电位与导体厚度D成反比：为了增加霍尔电位值，霍尔元件被制成片状。半导体中的霍尔元件灵敏度(灵敏度系数)、电子迁移率(电子定向运动的平均速度)高于空穴迁移率，因此N型半导体更适合制造高灵敏度的霍尔元件，5.2霍尔传感器，5.2.1霍尔传感器的工作原理5.2.2霍尔元件的结构和基本电路5.2.3霍尔元件的主要特性参数5.2.4霍尔元件的误差和补偿的应用5.2.5霍尔传感器，5.2.2霍尔元件的结构和基本电路，霍尔元件， 5.2霍尔传感器，5.2.1霍尔传感器的工作原理5.2.2霍尔元件的结构和基本电路5.2.3霍尔元件的主要特性参数5.2.4霍尔元件的误

8、差和补偿5.2.5霍尔传感器的应用， 5.2.3霍尔元件的主要特性参数：(1)输入电阻和输出电阻输入电阻：控制电极之间的电阻输出电阻：霍尔电极之间的电阻(2)额定控制电流和最大允许控制电流额定控制电流：当霍尔元件有控制电流使其在空气中产生10的温升时，相应的控制电流值为最大允许控制电流：相应的控制电流值受元件最大允许温升的限制。 (3)不等电位Uo和不等电阻ro，不等电位：当霍尔元件的控制电流为额定值时，如果元件的磁感应强度为零，则测量空载霍尔电位。R 0称为不等电阻，(4)寄生DC势霍尔元件的零误差部分当没有外磁场，霍尔元件采用交流控制电流时，当霍尔电极的输出有一个DC势控制电极，霍尔电极与

9、衬底的连接是不完全欧姆接触时，会产生整流效应。两个霍尔电极的不一致的焊点导致两个电极的不同温度产生温差电势(5)。在一定的磁感应强度和控制电流下，当温度变化为1C时，霍尔电位的温度系数按霍尔电位的百分比变化，5.2霍尔传感器，5.2.1霍尔传感器的工作原理5.2.2霍尔元件的结构和基本电路5.2.3霍尔元件的主要特性参数5.2.4霍尔元件误差和补偿5.2.5霍尔传感器的应用，5.3.4霍尔元件误差和补偿，1。不相等潜在误差的补偿2。温度误差和补偿，1。不等电位误差补偿，霍尔元件可重复使用对于不等电位补偿电路，非对称电路简单，但对称补偿的温度稳定性较好。2.温度误差及其补偿，温度误差的原因：霍尔

10、元件的衬底是半导体材料，所以对温度变化非常敏感。载流子浓度、载流子迁移率、电阻率和霍尔系数都是温度的函数。当温度变化时，霍尔元件的一些特征参数，如霍尔电位、输入电阻和输出电阻将发生变化，从而导致霍尔传感器产生温度误差。为了减小霍尔元件的温度误差，采用恒流源为温度系数小的元件供电。恒流源用于温度补偿。霍尔元件的灵敏度系数也是温度的函数。它导致霍尔电位随温度的变化而变化。霍尔元件灵敏度系数与温度的关系。当大多数霍尔元件的温度系数为正值时，它们的霍尔电位随温度的升高而增加(1 t)。同时，控制电流I相应减小，可以保持KHI不变，抵消敏感系数值增大的影响。在恒流源温度补偿电路中，当霍尔元件的输入电阻随

11、着温度的升高而增大时，旁路分流电阻自动加强分流，从而减小霍尔元件的控制电流。控制电流，当温度上升到T时，电路中的各个参数变为，其中霍尔元件输入电阻温度系数；Beta 分流电阻温度系统。为了使霍尔电位不变，补偿电路必须满足：霍尔电位在加热前后不变，在完成并忽略高阶项后，分流电阻和所需的温度系数值可以用上述公式计算，5.2霍尔传感器、 5.2.1霍尔传感器的工作原理5.2.2霍尔元件的结构和基本电路5.2.3霍尔元件的主要特性参数5.2.4霍尔元件的误差和补偿的应用5.2.5霍尔传感器的应用5.2.5霍尔传感器的应用5.2.5优点：结构简单、体积小、重量轻、频带宽、动态特性好、使用寿命长应用：电磁

12、测量：测量恒定或交变磁感应强度、有功功率、无功功率、相位、电能等参数； 自动检测系统：主要用于位移和压力测量。微位移和压力测量原理：霍尔电位与磁感应强度成正比。如果磁感应强度是位置的函数，霍尔电位的大小可以用来反映霍尔元件的位置。应用：位移测量，力，压力，应变，机械振动，加速度，产生梯度磁场示意图，小位移，适用于测量微位移和机械振动，霍尔式压力传感器，弹簧管磁铁霍尔片，加速度传感器，2。磁场测量，在恒定控制电流的条件下，霍尔电位与磁感应强度成正比，由于霍尔元件的结构特点，它特别适用于测量小气隙中的磁感应强度和高梯度磁场参数。霍尔电势是磁场方向和霍尔基片法线方向之间角度的函数。应用：霍尔磁罗盘、

13、霍尔方位传感器、霍尔速度传感器、5.2端、5.3压电传感器、5.3.1压电传感器的工作原理5.3.2等效电路和信号转换电路5.3.3压电加速度传感器5.3.4压电力传感器、5.3.1压电传感器的工作原理、基于压电效应的电位传感器。压电效应可逆“双向传感器”正压电效应施加力和变形来产生电荷。负压电效应施加电场，电介质产生变形应力。常见的压电材料包括应时、钛酸钡、锆钛酸铅等。应时晶体的压电效应，X轴：电轴或1轴；y轴：机械轴或2轴；z轴：光轴或3轴。“纵向压电效应”:电荷“横向压电效应”是在沿电轴(X轴)的力的作用下产生的；电的对于晶体片，当沿着电轴施加作用力Fx时，在垂直于电轴的平面上产生电荷，

14、d11压电系数(C/N)，作用力是沿着机械轴垂直于x轴的平面，片上电荷的符号与应力方向有关，图(a)在x轴方向上受压，图(b)在x轴方向上受压，图(C)在y轴方向上受压，图(d)在y轴方向上受压。应时晶体的压电效应，(a)正负电荷相互平衡，因此不存在外部充电现象。(B)在X轴方向上的压缩，表面A上的负电荷和表面B上的正电荷。(c)沿Y轴的压缩，分别在A和B表面上显示正电荷和负电荷，应时晶体，天然晶体，压电系数D11=2.3110-12C/N；莫氏硬度为7，熔点为1750，膨胀系数仅为钢的1/30。优点：转换精度高，线性范围宽，重复性好，固有频率高，动态特性好，工作温度高达550(压电系数不随温

15、度变化)，工作湿度高达100%，稳定性好。压电陶瓷、人造多晶、压电机理的压电效应不同于压电晶体。压电陶瓷的极化、陶瓷片的极化、压电陶瓷片中的束缚电荷和吸附在电极上的自由电荷的示意图、陶瓷片中的自由电荷和束缚电荷符合相反但相等的值，这在陶瓷片中起到屏蔽和抵消外部极化强度的作用，因此陶瓷片不显示外部极性。压电陶瓷的正压电效应当平行于极化的外力施加到压电陶瓷片上时，陶瓷片将被压缩和变形，原本吸附在极板上的部分自由电荷将被释放并发生放电。当移除压力时，陶瓷片恢复到其原始状态，片中的正电荷和负电荷之间的距离变大，并且极化强度也变大，使得部分自由电荷被吸附在电极上并且发生充电。(1)钛酸钡压电陶瓷具有较高

16、的压电系数和介电常数，其机械强度不如应时。(2)锆钛酸铅铅铅(锆钛酸铅)O3压电陶瓷压电系数高，各种机电参数随温度、时间等外界条件变化不大。在锆钛酸铅基体中加入一种或两种微量元素，可以得到不同性能的压电材料。(3)铌酸铅镁铅(MgNb)O3-钛酸铅-锆酸铅压电陶瓷(PMN)具有高压电系数，即使在高达700千克/平方厘米的压力下也可以继续工作，并且可以用作高温下的力传感器。5.3压电传感器，5.3.1压电传感器的工作原理，5.3.2等效电路和信号转换电路，5.3.3压电加速度传感器，5.3.4压电称重传感器，5.3.2等效电路和信号转换电路，1。压电元件的等效电路。压电传感器的信号调节电路，1。压电元件的等效电路，压电传感器的等效电路(a)等效于一个电荷源Q与一个电容器Ca并联的电路(b)等效于一个电源U=Q/Ca和一个电容器Ca的串联电路，两个压电板的连接方式，(a)“并联”，Q=2Q，U=U，C=2C并联方法输出大电荷、大电容和大时间常数， 其适用于测量慢变信号并以电荷为输出，(b)“串联”Q=Q，U=2U，C=C/2和串联方法。它适用于使用电压作为输出信号且测量电路的输入阻抗很