CH2传感器原理5-6节

1、2.5 压电式传感器压电式传感器 2.5.1 压电效应基于压电材料的基于压电材料的压电效应压电效应，把被测量的变化转换为，把被测量的变化转换为电荷量电荷量的变化。的变化。某些物质，当沿着一定方向对其加力使其变形时，内部会被极某些物质，当沿着一定方向对其加力使其变形时，内部会被极化，在一定表面上将产生电荷；外力去掉后，又重新回到不带化，在一定表面上将产生电荷；外力去掉后，又重新回到不带电状态，这种现象称为电状态，这种现象称为压电效应压电效应。如果在这些物质的极化方向上施加电场，这些物质就在一定方如果在这些物质的极化方向上施加电场，这些物质就在一定方向上产生机械变形或机械应力；撤去外电场时，变形或

2、应力也向上产生机械变形或机械应力；撤去外电场时，变形或应力也随之消失，这种现象为随之消失，这种现象为逆压电效应逆压电效应/电致伸缩效应电致伸缩效应。压电单晶体压电单晶体：如石英、酒石酸钾钠（罗谢尔盐：如石英、酒石酸钾钠（罗谢尔盐Rochelle salt）等；等；压电多晶体压电多晶体（压电陶瓷）：（压电陶瓷）： 钛酸钡钛酸钡 BaTiO3BaCO3+TiO2 锆钛酸铅锆钛酸铅 PZT，Pb(ZrTi)O3 PbTiO3+PbZrO3 铌镁酸铅铌镁酸铅 PMN，Pb(ZrTi)O3+Pb(Mg1/3、Nb2/3)O3 高分子聚合物高分子聚合物：聚偏二氟乙烯（：聚偏二氟乙烯（PVDF, polyv

3、inylidenefluoride）压电材料: 明显呈现压电效应的敏感功能材料。明显呈现压电效应的敏感功能材料。光轴光轴电轴电轴力轴力轴结构：中间为结构：中间为六棱柱六棱柱，两端为，两端为对称对称六棱锥六棱锥。纵轴纵轴z-z称为称为光轴（中性轴）光轴（中性轴），光线沿光轴传播时不产生光线沿光轴传播时不产生双折双折射射现象，沿光轴施加力时不产现象，沿光轴施加力时不产生压电效应。生压电效应。通过棱线垂直于光轴的轴线通过棱线垂直于光轴的轴线x-x称为称为电轴电轴，压电效应最显著，压电效应最显著，有三根。有三根。垂直于棱面的轴线垂直于棱面的轴线y-y称为称为力轴力轴（机械轴）（机械轴），沿力轴加力时机

4、，沿力轴加力时机械变形最显著，有三根。械变形最显著，有三根。天然石英晶体天然石英晶体o光：ordinary ray寻常光e光：extraordinary ray非常光 双折射 birefringence方解石方解石的双折射现象的双折射现象无色透明的方解石(Calcite)也叫冰洲石(Iceland Spar)(CaCO3 )从石英晶体上切下一个长方体晶片，其晶面分别平行于从石英晶体上切下一个长方体晶片，其晶面分别平行于z-z、y-y、x-x轴。轴。晶片在自然状态下不呈现电性。晶片在自然状态下不呈现电性。沿沿电轴电轴(x轴轴)方向的作用力产生的压电效应称为方向的作用力产生的压电效应称为纵向压电效

5、应纵向压电效应；沿沿力轴力轴(y轴轴)方向的作用力产生的压电效应称为方向的作用力产生的压电效应称为横向压电效应横向压电效应；沿沿相对两棱相对两棱加力时产生的压电效应称为加力时产生的压电效应称为切向压电效应切向压电效应。力轴力轴光轴光轴电轴电轴ijqd压电方程和压电常数压电方程和压电常数压电常数的第一个下标压电常数的第一个下标 i 表示晶体的极化方向，即产生电荷的表示晶体的极化方向，即产生电荷的表面垂直于表面垂直于x 轴轴( y 轴或轴或 z 轴轴)，记作，记作 i =1 (或或 2、3)；第二个下标第二个下标 j =1 (或或 2、3 、4 、5、6 )，分别表示在沿，分别表示在沿x 轴、轴、

6、 y轴、轴、 z 轴方向作用的单位应力和在垂直于轴方向作用的单位应力和在垂直于x 轴、轴、 y 轴、轴、 z 轴轴的的平面内（即平面内（即 yz 平面、平面、xz 平面、平面、 xy 平面平面)作用的剪切力。作用的剪切力。2.5.2 压电传感器及其等效电路压电传感器及其等效电路并联并联Raii压电式传感器适宜作压电式传感器适宜作动态测量动态测量压电元件常用的结构形式单片压电元件的输出电荷很少，常将多片并联或串联起来使用。单片压电元件的输出电荷很少，常将多片并联或串联起来使用。 并联并联：两片压电晶片的负电荷集中在中间电极上，正电荷集：两片压电晶片的负电荷集中在中间电极上，正电荷集中在两侧的电极

7、上。并联时，传感器的中在两侧的电极上。并联时，传感器的电容量大电容量大，输出电荷量大，输出电荷量大，时间常数大，适用于测量时间常数大，适用于测量缓变缓变信号，并以信号，并以电荷电荷为输出量。为输出量。 串联串联：正电荷集中于上极板，负电荷集中于下极板。串联时，：正电荷集中于上极板，负电荷集中于下极板。串联时，传感器的传感器的电容量小电容量小，输出电压大，响应较快，适用于测量，输出电压大，响应较快，适用于测量频率高频率高的信号，并以的信号，并以电压电压作为输出量。作为输出量。0ACQUC 压电式传感器的输出电信号很微弱，通常把压电传压电式传感器的输出电信号很微弱，通常把压电传感器的输出信号首先输

8、入到感器的输出信号首先输入到高输入阻抗的前置放大高输入阻抗的前置放大器器，阻抗变换以后，再用一般的放大检波电路将信，阻抗变换以后，再用一般的放大检波电路将信号输入到指示仪表或记录器中。号输入到指示仪表或记录器中。 测量电路的关键在于高输入阻抗的前置放大器。前测量电路的关键在于高输入阻抗的前置放大器。前置放大器的作用有两点：其一是置放大器的作用有两点：其一是放大压电传感器输放大压电传感器输出的微弱电信号出的微弱电信号；其二是；其二是将压电传感器的高阻抗输将压电传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出出变换为低阻抗输出。2.5.3 测量电路的前置放大器测量电路的前置放大器根据压电元件的工作原理及两种等效

9、电路，与压电根据压电元件的工作原理及两种等效电路，与压电元件配套的元件配套的前置放大器前置放大器也有两种形式：也有两种形式：电压放大器：其输出电压与电压放大器：其输出电压与输入电压输入电压成正比。成正比。电荷放大器：其输出电压与电荷放大器：其输出电压与输入电荷输入电荷成正比。成正比。指压电元件的输出指压电元件的输出电压、输出电荷电压、输出电荷1. 电压放大器电压放大器 电压放大器的简化电路电压放大器的简化电路Q等效电阻等效电阻 R=Ra/Ri，Ra为压电元件的漏电阻，为压电元件的漏电阻， Ri为放大器的输入电阻；为放大器的输入电阻；等效电容等效电容 C=Ca+Cc+Ci ，Ca为压电元件的等效

10、电容，为压电元件的等效电容， Cc为电缆分布电容为电缆分布电容, Ci为放大器的输入电容。为放大器的输入电容。电压放大器的电压放大器的突出缺点突出缺点：压电传感器的：压电传感器的电压灵敏度电压灵敏度随电缆分布随电缆分布电容电容Cc及传感器自身电容及传感器自身电容Ca的变化而变化。的变化而变化。UdSC作用：将压电传感器的作用：将压电传感器的高阻抗输出高阻抗输出变换为变换为低阻抗输出低阻抗输出，并将微弱，并将微弱的电压信号进行适当放大。（阻抗变换器）的电压信号进行适当放大。（阻抗变换器）2. 电荷放大器电荷放大器电荷放大器的电荷放大器的突出优点突出优点：电荷放大器的输出电压与传感器的电：电荷放大

11、器的输出电压与传感器的电荷量成正此，荷量成正此，与电缆分布电容无关与电缆分布电容无关，即使联接电缆长度在百米，即使联接电缆长度在百米以上，其灵敏度也无明显变化。以上，其灵敏度也无明显变化。漏电阻漏电阻Ra、放大器输入电阻、放大器输入电阻Ri看作无限大而忽略。看作无限大而忽略。具有深度具有深度电容负反馈电容负反馈的高增益运放，便于远距离测量。的高增益运放，便于远距离测量。若放大器的开环增益足够大，则若放大器的开环增益足够大，则则则0F()FKQuCCKCFFKCCC0FQuC 压力变送器压力变送器加速度传感器加速度传感器力传感器力传感器 2.5.4 压电传感器及其应用压电传感器及其应用压电元件是

12、一种典型的压电元件是一种典型的力力敏感元件敏感元件, 可用来测量最终可用来测量最终能转换为力的多种物理量。能转换为力的多种物理量。 压电式单向测压电式单向测力力传感器传感器( (传力元件传力元件) )( (并联并联) ) 压电式压电式压力压力传感器传感器均布压力均布压力( (感受压力感受压力) )( (提供预载力提供预载力) )( (串联串联) )飞机模态分析飞机模态分析高分子聚合物压电电缆的应用高分子聚合物压电电缆的应用将两根高分子聚合物压电电缆相距若干米，平行埋设于路面将两根高分子聚合物压电电缆相距若干米，平行埋设于路面下约下约5cm，可以用来测量，可以用来测量车速车速及及载重量载重量，判

13、定汽车的，判定汽车的车型车型（包（包括轴数、轴距、轮距、单双轮胎）。括轴数、轴距、轮距、单双轮胎）。闯红灯拍照、停车区域监控、交通数据信息采集等。闯红灯拍照、停车区域监控、交通数据信息采集等。压电式动态力传感器压电式动态力传感器测量车床动态切削力测量车床动态切削力 2.6 磁电式传感器磁电式传感器 工作原理：通过磁电作用把被测物理量的变化转变为工作原理：通过磁电作用把被测物理量的变化转变为感应感应 电动势电动势。分类：磁电感应传感器、霍尔传感器分类：磁电感应传感器、霍尔传感器2.6.1 磁电感应传感器（感应传感器、电动传感器）优点优点：机：机-电电能量转换型能量转换型传感器，不需要外部供电电源

14、，电路传感器，不需要外部供电电源，电路简单，性能稳定，输出阻抗小，具有一定的频率响应范围简单，性能稳定，输出阻抗小，具有一定的频率响应范围（一般为（一般为101000Hz），适用于振动、转速、扭矩等测量。），适用于振动、转速、扭矩等测量。缺点缺点：尺寸、质量都比较大。：尺寸、质量都比较大。根据根据法拉第电磁感应定律法拉第电磁感应定律，N 匝匝线圈在磁场中运动线圈在磁场中运动切割磁力线切割磁力线或线圈所在磁场的或线圈所在磁场的磁通变化磁通变化时，线圈中所产生的感应电动势的时，线圈中所产生的感应电动势的大小取决于穿过线圈的大小取决于穿过线圈的磁通量的变化率磁通量的变化率，即，即dtdNe磁通变化率

15、与磁通变化率与磁场强度、磁路磁阻、线圈运动速度磁场强度、磁路磁阻、线圈运动速度有关，若改变有关，若改变其中某一个因素，都会改变线圈的感应电动势。其中某一个因素，都会改变线圈的感应电动势。按按工作原理工作原理不同，磁电感应传感器可分为不同，磁电感应传感器可分为恒定磁通恒定磁通式和式和变磁通变磁通式。式。动圈式动铁式变磁阻式/变气隙式直线运动直线运动旋转运动旋转运动2.6.2 恒定磁通式恒定磁通式磁电感应传感器磁电感应传感器当线圈在垂直于磁场方向作当线圈在垂直于磁场方向作直线运动直线运动或或旋转运动旋转运动时，若以线圈相时，若以线圈相对磁场运动的速度对磁场运动的速度v 或角速度或角速度表示，则所产

16、生的感应电动势为表示，则所产生的感应电动势为sineNBlvekNBS l 每匝线圈的平均长度； B 线圈所在磁场的磁感应强度； S 每匝线圈的平均截面积； 线圈运动方向与磁场方向的夹角； k 传感器结构系数。 磁电感应传感器结构确定后，磁电感应传感器结构确定后，B、l、N、S为定值，为定值，感应电动势感应电动势e与线圈相对磁场的运动速度与线圈相对磁场的运动速度v或或成正比。成正比。 磁电感应传感器的基本形式是磁电感应传感器的基本形式是速度传感器速度传感器，可直接，可直接测量测量线速度线速度或或角速度角速度。 测量电路中接入测量电路中接入积分电路积分电路或或微分电路微分电路，可以测量，可以测量

17、位移位移或或加速度加速度。 只适用于只适用于动态测量动态测量。 sineNBlvekNBS 线速度型线速度型测速电机测速电机角速度型角速度型2.6.3 变磁通变磁通式磁电感应传感器式磁电感应传感器(a) 开路变磁通式开路变磁通式 (b) 闭合磁路变磁通式闭合磁路变磁通式 1.被测转轴；2.测量齿轮；3.线圈；4.软铁心；5.永久磁铁变磁通式又称变磁通式又称变磁阻式变磁阻式或或变气隙式变气隙式，常用来测量旋转体的，常用来测量旋转体的角速度角速度。(a) 开路变磁通式，线圈开路变磁通式，线圈3和磁铁和磁铁5静止不动，测量齿轮静止不动，测量齿轮2 (导磁材料制成导磁材料制成)安装在安装在被测旋转体被

18、测旋转体1上，随之一起转动，每转过一个齿，磁路磁阻变化一次，线圈上，随之一起转动，每转过一个齿，磁路磁阻变化一次，线圈3产产生的感应电动势的变化频率生的感应电动势的变化频率f、测量齿轮齿数、测量齿轮齿数z 和转速和转速n满足满足n=60f/z (r/min) 。(b) 闭合磁路变磁通式，被测转轴闭合磁路变磁通式，被测转轴1带动椭圆形测量齿轮带动椭圆形测量齿轮2在磁场气隙中等速转在磁场气隙中等速转动，使气隙平均长度周期性变化，因而磁路磁阻也周期性变化，磁通同样周期动，使气隙平均长度周期性变化，因而磁路磁阻也周期性变化，磁通同样周期性变化，则在线圈性变化，则在线圈3中产生感应电动势，其频率中产生感

19、应电动势，其频率f 与测量齿轮与测量齿轮2的转速的转速n满足满足n=30f (r/min) 。利用利用霍尔元件霍尔元件基于基于霍尔效应霍尔效应将被测量的变化转换成将被测量的变化转换成霍尔电势霍尔电势的变化。的变化。2.6.4 霍尔传感器霍尔元件在静止状态下具有霍尔元件在静止状态下具有感受磁场感受磁场的独特能力，并且具有的独特能力，并且具有结构简单、体积小、噪声小、频率范围宽（从直流到微波）结构简单、体积小、噪声小、频率范围宽（从直流到微波）动态范围大（霍尔电势变化范围可达动态范围大（霍尔电势变化范围可达1000 1）、寿命长等）、寿命长等特点。特点。霍尔效应（霍尔效应（Hall effect）

20、 一块长为一块长为l、宽为、宽为b、厚为、厚为d 的半导体薄片置于磁感应强度为的半导体薄片置于磁感应强度为B的磁场中（磁场方向垂直于薄片），当半导体中有电流的磁场中（磁场方向垂直于薄片），当半导体中有电流 I 流过流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势UH。 霍尔效应原理图霍尔效应原理图左手定则左手定则 霍尔效应原理图霍尔效应原理图Lorentz forceHHHIBURk IBd为什么霍尔元件多用为什么霍尔元件多用N型半导体型半导体制作，而不用金属或制作，而不用金属或P型半导体型半导体制作？为什么霍尔元件通常做得比较薄？制作？为什么霍尔元件通

21、常做得比较薄？HHHIBURk IBd 霍尔元件材料霍尔元件材料 1锗锗(Ge) 2硅硅(Si)3砷化铟砷化铟(InAs)和锑化铟和锑化铟(InSb) 两者的特性很相似。两者的特性很相似。霍尔元件结构霍尔元件结构霍尔电极霍尔电极控制电流极控制电流极霍尔元件的主要技术指标霍尔元件的主要技术指标2Hd TAIb2. 输入电阻输入电阻Ri 控制电流极控制电流极间的电阻值。室温间的电阻值。室温(205)下测定。下测定。 3. 输出电阻输出电阻Rs 霍尔电极霍尔电极间的电阻值。室温间的电阻值。室温(205)下测定。下测定。1. 额定激励电流额定激励电流IH 使霍尔元件温升使霍尔元件温升10所施加的控制电流。所施加的控制电流。 霍尔元件做好之后，限制霍尔元件做好之后，限制IH的主要因素是的主要因素是散热条件散热条件。A为散热系数为散热系数4. 零位电压零位电压/不等位电压不等位电压 当霍尔元件通以当霍尔元件通以额定激励电流额定激励电流IH而不加外磁场时，霍尔电极而不加外磁场时，霍尔电极 之间的空载电压之间的空载电压U0。 零位电阻：零位电阻： 00HUrI不等位电压的补偿不等位电压的补偿 将霍尔元件置于磁场中，左半部磁场方向将霍尔元件置于磁场中，左半部磁场方向向上