传感器基础02

1、第二章第二章 压电式与压压电式与压磁式传感器磁式传感器 压电式传感器是以某种物质的压电效应压电式传感器是以某种物质的压电效应制作的一种传感器。当材料表面受力作用变制作的一种传感器。当材料表面受力作用变形时，其表面会有电荷产生从而实现非电量形时，其表面会有电荷产生从而实现非电量测量。测量。 压磁式传感器是以铁磁元件的压磁效应压磁式传感器是以铁磁元件的压磁效应制成的一种传感器。当外力作用于铁磁元件制成的一种传感器。当外力作用于铁磁元件时，引起铁磁元件的导磁率变化来实现力的时，引起铁磁元件的导磁率变化来实现力的测量和控制。测量和控制。 2.1 2.1 压电式传感器压电式传感器一一 电压效应与压电材料

2、电压效应与压电材料1 1压电效应压电效应v压电效应：当某些物质沿其某一方向被施加压力或压电效应：当某些物质沿其某一方向被施加压力或拉力时，会产生变形，此时这种材料的两个表面将拉力时，会产生变形，此时这种材料的两个表面将产生符号相反的电荷；当去掉外力后，它又重新回产生符号相反的电荷；当去掉外力后，它又重新回到不带电状态，这种现象称为压电效应。机械能转到不带电状态，这种现象称为压电效应。机械能转变为电能变为电能“顺压电效应顺压电效应”。v逆压电效应：在某些物质的极化方向上施加电场，逆压电效应：在某些物质的极化方向上施加电场，它会产生机械变形，当去掉外电场后，该物质的变它会产生机械变形，当去掉外电场

3、后，该物质的变形随之消失，这种电能转变为机械能的现象，称为形随之消失，这种电能转变为机械能的现象，称为“逆压电效应逆压电效应”。v石英晶体，钛酸钡、锆钛酸铅等人造压电陶瓷是性石英晶体，钛酸钡、锆钛酸铅等人造压电陶瓷是性能优良的压电材料。能优良的压电材料。2 2压电材料简介压电材料简介v压电材料可为两大类：压电晶体（晶体）和压电陶压电材料可为两大类：压电晶体（晶体）和压电陶瓷（极化处理的多晶体）。瓷（极化处理的多晶体）。v它们都具有较好的特性：具有较大的压电常数；机它们都具有较好的特性：具有较大的压电常数；机械性能优良（强度高，固有振荡频率稳定）；时间械性能优良（强度高，固有振荡频率稳定）；时间

4、稳定性好；温度稳定性很好。稳定性好；温度稳定性很好。v（1 1）压电晶体）压电晶体v天然和人造石英晶体，化学成分为二氧化硅。是理天然和人造石英晶体，化学成分为二氧化硅。是理想的压电传感器的压电材料。想的压电传感器的压电材料。v水溶性压电晶体。属于单斜晶系。水溶性压电晶体。属于单斜晶系。v（2 2）压电陶瓷）压电陶瓷v常用的压电陶瓷有钛酸钡、锆钛酸铅、铌酸盐系。常用的压电陶瓷有钛酸钡、锆钛酸铅、铌酸盐系。v它们的压电常数比石英晶体高，但介电常数、机械它们的压电常数比石英晶体高，但介电常数、机械性能不如石英好。品种多，性能各异性能不如石英好。品种多，性能各异。二二 石英晶体的压电特性石英晶体的压电

5、特性 石英晶体是单晶体结构，其形状为六角石英晶体是单晶体结构，其形状为六角形晶柱，两端呈六棱锥形状。形晶柱，两端呈六棱锥形状。 图图2-1 2-1 石英晶体石英晶体 v在三维直角坐标系中，在三维直角坐标系中，z z轴称为晶体的光轴。经轴称为晶体的光轴。经过六棱柱棱线，垂直于光轴过六棱柱棱线，垂直于光轴z z的的x x轴称为电轴。轴称为电轴。v把沿电轴x施加作用力后的压电效应称为纵向压电效应。v垂直于光轴z和电轴x的y轴称为机械轴。把沿机械轴y方向的力作用下产生电荷的压电效应称为横向压电效应。v沿光轴z方向施加作用力则不产生压电效应。 若从石英晶体上沿若从石英晶体上沿y y方向切下一块方向切下一

6、块 晶片。，晶片。，当在电轴当在电轴x x方向施加作用力时，在与电轴（方向施加作用力时，在与电轴（X X）垂直的平面上将产生电荷垂直的平面上将产生电荷qxqx, ,其大小为其大小为 xxFdq11式中：式中：d11xd11x轴方向受力的压电系数；轴方向受力的压电系数； FxFx作用力作用力若在同一切片上，沿机械轴若在同一切片上，沿机械轴y y方向施加作用方向施加作用力力FyFy，则仍在与，则仍在与x x轴垂直的平面上将产生电轴垂直的平面上将产生电荷，其大小为荷，其大小为yyyFbadFbadq1112式中：式中：d12yd12y轴方向受力的压电系数，因石英轴对称，轴方向受力的压电系数，因石英轴

7、对称，所以所以d12=-d11d12=-d11； a a，bb晶体片的长度和厚度。晶体片的长度和厚度。 石英晶体压电模型石英晶体压电模型 晶体片上电荷极性与受力方向的关系晶体片上电荷极性与受力方向的关系 三三 压电陶瓷的压电现象压电陶瓷的压电现象 压电陶瓷是人造多晶体，它的压电机理压电陶瓷是人造多晶体，它的压电机理与石英晶体并不相同。压电陶瓷材料内的晶与石英晶体并不相同。压电陶瓷材料内的晶粒有许多粒有许多自发极化的电畴自发极化的电畴。在极化处理以前，。在极化处理以前，各晶粒内电畴任意方向排列，自发极化的作各晶粒内电畴任意方向排列，自发极化的作用相互抵消，陶瓷内极化强度为零。用相互抵消，陶瓷内极

8、化强度为零。原始的原始的压电陶瓷材料压电陶瓷材料的整体对外不显极化方向，各的整体对外不显极化方向，各向同性，向同性，不具有压电特性不具有压电特性。 v单晶单晶电畴电畴铁电体铁电体v进行极化处理进行极化处理 让外电场强度大到使材料的极化达到饱和的程度，即所有电畴极化方向都整齐地与外电场方向一致。剩余极化强度大，才具有压电特性。 同时陶瓷片极化的两端出现束缚电荷，同时陶瓷片极化的两端出现束缚电荷，一端为正，另一端为负一端为正，另一端为负 。 这种因受力而产生的机械效应转变为电效应，这种因受力而产生的机械效应转变为电效应，将机械能转变为电能，就是压电陶瓷的正压将机械能转变为电能，就是压电陶瓷的正压电

9、效应。放电电荷的多少与外力成正比例关电效应。放电电荷的多少与外力成正比例关系。即系。即Fdq33式中：式中：d33d33压电陶瓷的压电系数；压电陶瓷的压电系数； FF作用力。作用力。石英晶体与压电陶瓷比较：石英晶体与压电陶瓷比较：v压电陶瓷具有良好的压电效应。它的压电系压电陶瓷具有良好的压电效应。它的压电系数比石英晶体大得多。采用压电陶瓷制成的数比石英晶体大得多。采用压电陶瓷制成的传感器灵敏度高；石英晶体压电系数较小，传感器灵敏度高；石英晶体压电系数较小，但稳定性最好。但稳定性最好。v压电陶瓷材料：压电陶瓷材料：v最早的是钛酸钡（最早的是钛酸钡（BaTiO3BaTiO3），它由碳酸钡和），它由

10、碳酸钡和二氧化钛按一定比例混合后烧结。压电系数二氧化钛按一定比例混合后烧结。压电系数约为石英的约为石英的5050倍。倍。v目前使用较多的是锆酸铅（目前使用较多的是锆酸铅（PZTPZT系列），它系列），它是钛酸铅（是钛酸铅（PbTiO2PbTiO2）和锆酸铅（）和锆酸铅（PbZrO3PbZrO3）组成的固溶体（组成的固溶体（PbPb（ZrTiZrTi）O3O3），优于钛酸），优于钛酸钡。钡。 压电陶瓷常用形状：压电陶瓷常用形状： 片状片状（压缩式）；（压缩式）； 管状管状（剪切式，可以沿轴向极化，或圆环（剪切式，可以沿轴向极化，或圆环的径向）的径向） 四四 压电传感器等效电路和测量电路压电传感器

11、等效电路和测量电路1 1压电晶片的连接方式压电晶片的连接方式v为提高灵敏度，常把几片同型号的压电元件为提高灵敏度，常把几片同型号的压电元件叠起来，分叠起来，分串联串联和和并联并联接法。接法。 图图2-6 2-6 两块压电片的连接方式两块压电片的连接方式 2 2压电传感器的等效电路压电传感器的等效电路v压电片相当于一平行板介质电容器。压电片相当于一平行板介质电容器。 dACe 图图2-7 2-7 等效电路等效电路 v把压电传感器等效为一个电压源把压电传感器等效为一个电压源U U和一只电容和一只电容C C串联的电路。见图串联的电路。见图2-82-8（a a）所示。）所示。v把压电传感器等效为一个电

12、荷源与一个电容并联把压电传感器等效为一个电荷源与一个电容并联电路。电荷发生器。见图电路。电荷发生器。见图2-82-8（b b）所示。）所示。 图图2-8 2-8 压电式传感器的等效电路压电式传感器的等效电路 v压电式传感器在测量系统中的等效电路压电式传感器在测量系统中的等效电路 等效电容等效电容CcCc、放大器的输入电阻、放大器的输入电阻RiRi和输入电容和输入电容CiCi， 图图2-9 2-9 压电传感器在测量系统中的等效电路压电传感器在测量系统中的等效电路 3 3压电传感器的测量电路压电传感器的测量电路 由于压电传感器的等效电路，输出可以是电压，也可以是电荷，因此，前置放大器也有两种形式：

13、电压放大器和电荷放大器。 电压放大器电压放大器 电荷放大器电荷放大器v五五 压电传感器应用举例压电传感器应用举例v压电式传感器中的压电元件，按受力和变形压电式传感器中的压电元件，按受力和变形方式不同方式不同，分成：厚度变形、长度变形、体，分成：厚度变形、长度变形、体积变形和厚度剪切或面剪切变形几种形式。积变形和厚度剪切或面剪切变形几种形式。v最普遍的是厚度变形的压缩式最普遍的是厚度变形的压缩式，其次是剪切，其次是剪切变形的剪切式。变形的剪切式。v压电式传感器具有体积小压电式传感器具有体积小，重量轻、结构简，重量轻、结构简单、工作可靠、测量频率范围宽等优点。应单、工作可靠、测量频率范围宽等优点。

14、应用广泛。用广泛。v但不能测量频率太低的被测量但不能测量频率太低的被测量，特别是不能，特别是不能测量静态量，目前多用测量加速度和动态的测量静态量，目前多用测量加速度和动态的力或压力。力或压力。 图图2-12 YDS-782-12 YDS-78型压电式单向力传感器的结构型压电式单向力传感器的结构 图图2-13 2-13 双向压电石英力传感器双向压电石英力传感器 图图2-14 2-14 三向力传感器三向力传感器 图图2-15 2-15 压电式压力传感器压电式压力传感器 图图2-16 BAT-52-16 BAT-5型压电式加速度传感器型压电式加速度传感器 2.2 压磁式传感器压磁式传感器v压磁式传感

15、器压磁式传感器也称为磁弹性传感器。其作用原理是也称为磁弹性传感器。其作用原理是建立在磁弹性效应或称为建立在磁弹性效应或称为压磁效应基础压磁效应基础之上的。当之上的。当作用力（如弹性应力、残余应力等）作用于该传感作用力（如弹性应力、残余应力等）作用于该传感器后，它能将这些力的变化转换为传感器导磁体的器后，它能将这些力的变化转换为传感器导磁体的导磁率变化，再配以相应的测量电路，最终将导磁导磁率变化，再配以相应的测量电路，最终将导磁率变化量转换成电信号。率变化量转换成电信号。v它的优点它的优点：输出功率大输出功率大、信号强、结构简单、牢固、信号强、结构简单、牢固可靠、抗干扰性能好、过载能力强、制造方

16、便、经可靠、抗干扰性能好、过载能力强、制造方便、经济实用等。作为测力和称重传感器。济实用等。作为测力和称重传感器。 一一 压磁效应压磁效应v压磁效应压磁效应：在外力作用下，引起铁磁材料内：在外力作用下，引起铁磁材料内部发生应变，则产生应力或应力的变化，使部发生应变，则产生应力或应力的变化，使各磁畴之间的界限发生移动，从而使磁畴磁各磁畴之间的界限发生移动，从而使磁畴磁化强度也发生相应的变化，这种由于应力使化强度也发生相应的变化，这种由于应力使铁磁材料磁化强度变化的现象称之为压磁效铁磁材料磁化强度变化的现象称之为压磁效应。应。v磁畴磁畴：铁磁材料内部相邻原子间，由于电子：铁磁材料内部相邻原子间，由

17、于电子自旋而产生的元磁矩之间有相互作用力，它自旋而产生的元磁矩之间有相互作用力，它趋使相邻的元磁矩平行排列在同一方向上，趋使相邻的元磁矩平行排列在同一方向上，而只在相当小的区域内发生相互作用，则形而只在相当小的区域内发生相互作用，则形成磁畴。成磁畴。v铁磁材料铁磁材料在机械力在机械力F F（ ）（拉、压、扭）的作用下，）（拉、压、扭）的作用下，其导磁率其导磁率 发生变化，导磁率的变化引起铁磁材料发生变化，导磁率的变化引起铁磁材料的磁阻的磁阻RMRM变化，而磁阻变化又引起铁磁材料的线变化，而磁阻变化又引起铁磁材料的线圈阻抗圈阻抗Z Z或电动势或电动势E E变化。这种外力作用于铁材料产变化。这种外

18、力作用于铁材料产生的生的F F（ ）的变化，与磁性材料受力方向有关：的变化，与磁性材料受力方向有关：如果作用力是拉力，则在作用力方向上的导磁率如果作用力是拉力，则在作用力方向上的导磁率 提高，垂直于作用力方向上的导磁率提高，垂直于作用力方向上的导磁率 略有降低；略有降低；反之，在铁磁材料上的作用是压力，则其效果恰好反之，在铁磁材料上的作用是压力，则其效果恰好相反。同时，铁磁材料的压磁效应还与外磁场有关，相反。同时，铁磁材料的压磁效应还与外磁场有关，因此，为了使磁感应强度与应力有单值函数关系，因此，为了使磁感应强度与应力有单值函数关系，必须使外磁场强度恒定。必须使外磁场强度恒定。v用来做压磁元件

19、的铁磁材料要求应变大用来做压磁元件的铁磁材料要求应变大、导磁率大、导磁率大及饱和磁感应强度小。及饱和磁感应强度小。二二 压磁元件工作原理及其结构压磁元件工作原理及其结构v压磁式传感器是一种无源传感器压磁式传感器是一种无源传感器。当铁磁材。当铁磁材料上同时绕有激磁绕组和测量绕组时，导磁料上同时绕有激磁绕组和测量绕组时，导磁率的变化就转换为绕组间耦合系数的变化，率的变化就转换为绕组间耦合系数的变化，从而使输出电势发生变化。通过相应的测量从而使输出电势发生变化。通过相应的测量电路，就可以根据输出电势的变化来衡量外电路，就可以根据输出电势的变化来衡量外力作用。力作用。v压磁元件是压磁式传感器的外部作用

20、力的敏压磁元件是压磁式传感器的外部作用力的敏感元件感元件，它是压磁式传感器的核心部分，它是压磁式传感器的核心部分。图图2-17 2-17 压磁元件的工作原理压磁元件的工作原理 v在硅钢片上冲有四个对称的圆孔在硅钢片上冲有四个对称的圆孔1 1、2 2和和3 3、4 4。孔。孔1 1、2 2间绕间绕有激磁绕组（初级绕组）有激磁绕组（初级绕组）n12n12，孔，孔3 3、4 4间绕有测量绕组（次间绕有测量绕组（次级绕组）级绕组）n34n34，当激磁绕组，当激磁绕组n12n12通过一定的交变电流时，铁通过一定的交变电流时，铁芯中就产生一定大小的磁场。芯中就产生一定大小的磁场。 三三 压磁式传感器的结构及其工作原理压磁式传感器的结构及其工作原理1 1阻流圈式压磁传感器阻流圈式压磁传感器v阻流圈式压磁传感器用单一线圈完成信号检阻流圈式压磁传感器用单一线圈完成信号检测、控制和电源电流供电。如图测、控制和电源电流供电。如图2-182-18所示。所示。当线圈通以交变电流时，压磁元件（铁芯）当线圈通以交变电流时，压磁元件（铁芯）在外力在外力F F作用下，其导磁力将发生变化，磁阻作用下，其导磁力将发生变化，磁阻和磁通也