西安交通大学非电量电测课件-第6章_电动势式传感器

1、第六章电动势式传感器第第六六章章 电电动势动势式传感器式传感器6.1 磁电式传感器磁电式传感器 磁电式传感器是一种利用电磁感应原理，将运动磁电式传感器是一种利用电磁感应原理，将运动速度转换成线圈中的感应电动势输出的传感器。速度转换成线圈中的感应电动势输出的传感器。 第六章电动势式传感器一工作原理一工作原理电磁感应定律电磁感应定律 dtdNedtdxBlBlve 感应电动势与线圈对磁场的相对运动线速度或角感应电动势与线圈对磁场的相对运动线速度或角速度成正比，速度成正比，因此磁电式传感器用于测量线速度与角因此磁电式传感器用于测量线速度与角速度。速度。 在测量电路中接入微分或积分电路则可用来测量在测

2、量电路中接入微分或积分电路则可用来测量运动的位移和加速度。运动的位移和加速度。 第六章电动势式传感器二传感器的灵敏度二传感器的灵敏度1BdtdxeS三三 测量电路测量电路第六章电动势式传感器 四应用举例四应用举例 1振动速度传感器振动速度传感器 第六章电动势式传感器 2直流测速发电机直流测速发电机 它的结构类似小型直流电机，大多采用永磁励磁方它的结构类似小型直流电机，大多采用永磁励磁方式，其输出直流电压为式，其输出直流电压为 nKUe 一般的直流伺服电机虽然结构与测速电机相同，但由一般的直流伺服电机虽然结构与测速电机相同，但由于测量误差较大，在测量精度要求较高时不能用作测速发于测量误差较大，在

3、测量精度要求较高时不能用作测速发电机电机没有相位误差，但结构复杂、价格贵、会产生高频干扰没有相位误差，但结构复杂、价格贵、会产生高频干扰第六章电动势式传感器3交流测速发机交流测速发机 KnU 0第六章电动势式传感器4磁电式转速传感器磁电式转速传感器输出频率输出频率 60Nnf 第六章电动势式传感器5电磁流量计电磁流量计BdvE vdQ241因为因为所以所以QdBE4第六章电动势式传感器 压电传感是以某些物质的压电效应为基础的一种有源压电传感是以某些物质的压电效应为基础的一种有源传感器。在外力作用下，某些物质变形后其表面会产生电传感器。在外力作用下，某些物质变形后其表面会产生电荷，从而实现非电量

4、电测的目的。荷，从而实现非电量电测的目的。 压电传感器尺寸小，重量轻，工作频率宽，可测量变压电传感器尺寸小，重量轻，工作频率宽，可测量变化很快的动态压力、加速度、振动等。化很快的动态压力、加速度、振动等。第六章电动势式传感器一一压电效应压电效应 某些电介质物质，当沿一定方向受到外力作用而变形某些电介质物质，当沿一定方向受到外力作用而变形时，在它的两个表面会产生符号相反的电荷；当将外力去时，在它的两个表面会产生符号相反的电荷；当将外力去掉后，又重新回到不带电状态，这种现象称为压电效应。掉后，又重新回到不带电状态，这种现象称为压电效应。第六章电动势式传感器xyF+ +- - - - - - - -

5、xy+ +- - - - - - - -Fxy- - - - - - - -+ +Fxy+ +- - - - - - - -F沿沿X轴方向受压力轴方向受压力沿沿X轴方向受拉力轴方向受拉力沿沿Y轴方向受压力轴方向受压力沿沿Y轴方向受拉力轴方向受拉力晶片上电荷的极性与受力方向的关系晶片上电荷的极性与受力方向的关系第六章电动势式传感器二压电材料二压电材料1压电晶体压电晶体石英晶体（石英晶体（SiO2），铌酸锂），铌酸锂(LiNbO3)，钽酸锂，钽酸锂(LiTaO3)，锗酸锂锗酸锂(LiGeO3)2压电陶瓷压电陶瓷钛酸钡（钛酸钡（BaTiO3），锆钛酸钡（），锆钛酸钡（PZT）等）等聚二氟乙烯（聚二氟

6、乙烯（PVF2）高分子压电材料）高分子压电材料第六章电动势式传感器未极化时，电畴排列杂未极化时，电畴排列杂乱无章。呈中性，不具乱无章。呈中性，不具有压电性质。有压电性质。在施加外电场时，电畴在施加外电场时，电畴转到与外电场一致。转到与外电场一致。+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 极化后，两端出现束缚电荷，极化后，两端出现束缚电荷，吸引一层外来电荷，因而仍呈吸引一层外来电荷，因而仍呈中性。在外力的作用下，极化

7、中性。在外力的作用下，极化电畴变化使两极板上电荷变化。电畴变化使两极板上电荷变化。第六章电动势式传感器三压电传感器的等效电路三压电传感器的等效电路aCqU hACaaaCC aCqU 1. 压电传感器的等效电路压电传感器的等效电路第六章电动势式传感器2. 压电晶片的连接方式压电晶片的连接方式串联串联并联并联CCUUQQ2,22,2,CCUUQQ第六章电动势式传感器2,2,CCUUQQ2,2,CCUUQQ四压电传感器的测量电路（前置放大器）四压电传感器的测量电路（前置放大器）1. 电压放大器电压放大器采用电压放大器要采用电压放大器要考虑的两个主要问考虑的两个主要问题题 （1）输入电阻要大）输入电

8、阻要大电路的时间常数是由等效电阻及等效电容来决定的电路的时间常数是由等效电阻及等效电容来决定的 前置放大器有两个作用：前置放大器有两个作用： (1) 放大传感器输出的微弱信号；放大传感器输出的微弱信号； (2) 将传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出。将传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出。第六章电动势式传感器（2） 测量系统的灵敏度与连接电缆的分布电容有关测量系统的灵敏度与连接电缆的分布电容有关传感器的输出电压或电压放大器的输入电压传感器的输出电压或电压放大器的输入电压 iCaiCCCqu 可见，当改变连接传感器与前置放大器的电缆长度可见，当改变连接传感器与前置放大器的电缆长度时，时，CC 将改

9、变，将改变，ui 也随之变化，从而使整个测量系统的也随之变化，从而使整个测量系统的输出电压与电缆电容有关输出电压与电缆电容有关 为了保证测量系统有一定的带宽，要求输入电阻一定要大为了保证测量系统有一定的带宽，要求输入电阻一定要大)(/(icaiaCCCRRRC第六章电动势式传感器2、电荷放大器、电荷放大器电荷放大器是一个有反馈电容的高增益运算放大器电荷放大器是一个有反馈电容的高增益运算放大器 )U(UCUCUCUCqoifiiiciaioAUU在不考虑电荷泄漏的情况下（不考虑电阻）在不考虑电荷泄漏的情况下（不考虑电阻）第六章电动势式传感器ificaUCACCC)1 ()AU(UCUCUCUCq

10、iifiiiciafficaioCqCACCCAqAUU)1 (ficaiCACCCqU)1 ( 在电荷放大器中，输出电压与电缆电容无关，只与电在电荷放大器中，输出电压与电缆电容无关，只与电荷成正比，这是电荷放大器的突出优点荷成正比，这是电荷放大器的突出优点 第六章电动势式传感器电路的时间常数是由等效电阻及等效电容来决定的电路的时间常数是由等效电阻及等效电容来决定的fificaiaACRCACCCRR)1 ()/(ficaCACCCC)1 ( )/(iaRRR 与使用电压放大器相比时间常数要大得多，对输入电与使用电压放大器相比时间常数要大得多，对输入电阻的要求相对降低阻的要求相对降低 第六章电

11、动势式传感器五应用举例五应用举例1压电加速度传感器压电加速度传感器2压电式压力传感器压电式压力传感器3基于压电效应的超声波传感器基于压电效应的超声波传感器(1) 探伤探伤(2) 侧厚侧厚(3) 检测材料检测材料第六章电动势式传感器6.3 霍尔传感器霍尔传感器一霍尔元件的基本工作原理一霍尔元件的基本工作原理1半导体材料的霍尔效应半导体材料的霍尔效应 在图中所示的半导体薄片两端通以电流在图中所示的半导体薄片两端通以电流I，并在薄片，并在薄片的垂直方向上施加磁感应强度为的垂直方向上施加磁感应强度为B的磁场，那么，在垂直的磁场，那么，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电势于电流和磁场的方向上将产生电势E

12、H（称为霍尔电动（称为霍尔电动势）。这种现象成为霍尔效应。势）。这种现象成为霍尔效应。 第六章电动势式传感器2工作原理工作原理)(VdIBREHHIBKEHH3. 基本电路基本电路第六章电动势式传感器二二 霍尔元件的测量误差及其补偿霍尔元件的测量误差及其补偿 1不等位电势及其补偿不等位电势及其补偿IBKEUHHo当磁场为零时输出电压应该为零，如果此时输出电压不当磁场为零时输出电压应该为零，如果此时输出电压不为零，即意味着存在着一个零位误差为零，即意味着存在着一个零位误差不等位电势。不等位电势。第六章电动势式传感器第六章电动势式传感器2温度误差及其补偿温度误差及其补偿IBKEUHHo)1 (0t

13、RRii)1 (0tKKHH补偿方法补偿方法（1）恒流源供电）恒流源供电第六章电动势式传感器（2）恒流源供电再并一个合适的电阻）恒流源供电再并一个合适的电阻当温度为当温度为 T0 时时 0iiRR 0HHKKIrRrIpiPH00BIKUHHo000BIKEHHH000当温度为当温度为 T 时时 )1 (0tRRii)1 (0tKKHH第六章电动势式传感器IrRrIpipHBItKBIKUHHHHo)1 (0要求温度变化时输出不变要求温度变化时输出不变 即即0ooUU BIKBItKHHHH000)1 (0)1 (HHIItIrRrIrRrtpippip0)1 (pipirRrRt0)1 (第六章电动势式传感器piipipirRtRrRrtRt00001)1 ()1 (piirRR000ipRr第六章电动势式传感器三霍尔传感器的使用三霍尔传感器的使用1主要技术参数主要技术参数（1）输入电阻（）输入电阻（RIN）和输出电阻（）和输出电阻（Rout）（2）额定控制电流）额定控制电流 IC（3）寄生直流电势）寄生直流电势UOD（4）不等位电势不等位电势U0和不等位电阻和不等位电阻R0 （不等位电势与额定控制电流之比称为不等位电阻。）（不等位电势与额定控制电流之比称为不等位电阻。）（5）灵敏度）灵敏度KH（6）霍尔电势温度系数）霍尔电势温度系数（7）