电动势式传感器原理与应用

1、会计学1电动势式传感器原理与应用电动势式传感器原理与应用第1页/共73页5.1.2 5.1.2 动圈式传感器动圈式传感器 线速度型线速度型 第2页/共73页角速度型角速度型测速电机测速电机第3页/共73页第4页/共73页第5页/共73页第6页/共73页磁阻效应传感器磁阻效应传感器 将磁阻元件置于磁场中，当它相对于磁场发生位移时将磁阻元件置于磁场中，当它相对于磁场发生位移时，磁阻元件内阻，磁阻元件内阻R1、R2发生变化，如果将它们接于发生变化，如果将它们接于电桥，则其输出电压比例于电阻的变化。电桥，则其输出电压比例于电阻的变化。 第7页/共73页5.1.4 5.1.4 磁电式传感器的动态特性磁电

2、式传感器的动态特性磁电式传感器只适用于测量动态物理量，这种传感磁电式传感器只适用于测量动态物理量，这种传感器是机电能量转换型，下图是其等效的机械系统器是机电能量转换型，下图是其等效的机械系统第8页/共73页磁阻式传感器磁阻式传感器 磁电式车速传感器磁电式车速传感器第9页/共73页带电粒子在磁场中的运动会受到洛伦兹力带电粒子在磁场中的运动会受到洛伦兹力 FL 的作用使带电粒的作用使带电粒子偏向子偏向 c，d 电极，在垂直于电极，在垂直于 B 和和 I 的方向上产生一感应电动的方向上产生一感应电动势势 VH。该现象称为该现象称为霍尔效应霍尔效应，所产生的电动势，所产生的电动势 VH 称为称为霍尔霍

3、尔电势电势厚度为厚度为 d 的的N型半导体薄片上垂直作型半导体薄片上垂直作用了磁感应强度为用了磁感应强度为 B 的磁场的磁场若在一个方向上通以电流若在一个方向上通以电流 IN型半导体中多数载流子为电子型半导体中多数载流子为电子 它沿与电流的相反方向运动它沿与电流的相反方向运动5.2 5.2 霍尔传感器霍尔传感器第10页/共73页第11页/共73页霍尔电势霍尔电势 VH 的大小的大小 由下式决定由下式决定：sinHHVK IBa=式中式中 KH霍尔常数，表示单位磁感应强度和霍尔常数，表示单位磁感应强度和 单位控制电流下所得的开路霍尔电势，单位控制电流下所得的开路霍尔电势， 取决于材质、元件尺寸，

4、并受温度变化影响；取决于材质、元件尺寸，并受温度变化影响； 电流方向与磁场方向夹角，如两者垂直，则电流方向与磁场方向夹角，如两者垂直，则sin1。 纯金属中自由电子浓度过高，霍尔效应微弱，无实用价值纯金属中自由电子浓度过高，霍尔效应微弱，无实用价值半导体是霍尔元件的常用材料半导体是霍尔元件的常用材料材料的厚度材料的厚度 d 愈小，则愈小，则 KH 就愈大、灵敏度愈高就愈大、灵敏度愈高 磁阻效应与霍尔效应的磁阻效应与霍尔效应的区别区别：霍尔电势是指垂直于电流方向的：霍尔电势是指垂直于电流方向的横向电压，而磁阻效应则是沿电流方向的电阻变化。横向电压，而磁阻效应则是沿电流方向的电阻变化。第12页/共

5、73页片芯是一块矩形半导体薄片片芯是一块矩形半导体薄片 一般采用一般采用N N形锗、锑化铟、砷化铟、砷化镓和磷砷化铟形锗、锑化铟、砷化铟、砷化镓和磷砷化铟等等长边两侧面焊有两根控制电流极引线，短边两侧面的中点长边两侧面焊有两根控制电流极引线，短边两侧面的中点焊以两导线用于焊以两导线用于输出霍尔电势输出霍尔电势霍尔芯片一般用非磁性金属、陶瓷或环氧树脂封装霍尔芯片一般用非磁性金属、陶瓷或环氧树脂封装 第13页/共73页在磁场和控制电流的作用下，输出端有电在磁场和控制电流的作用下，输出端有电压输出压输出使用时，使用时，I 和和 B 都可作为输入信号，输出都可作为输入信号，输出信号正比于两者的乘积信号

6、正比于两者的乘积建立霍尔电势所需的时间极短建立霍尔电势所需的时间极短(10-1210-14)所测外界信号频率可以很高所测外界信号频率可以很高3. 3. 霍尔元件的基本电路霍尔元件的基本电路 R为调节电阻，调节控制电流的大小为调节电阻，调节控制电流的大小UH 两端为霍尔电势输出端两端为霍尔电势输出端第14页/共73页第15页/共73页霍尔元件在静止状态下具有感受磁场的独特能力霍尔元件在静止状态下具有感受磁场的独特能力霍尔元件的特点：霍尔元件的特点： 结构简单可靠结构简单可靠 体积小体积小 噪声低噪声低 动态范围大动态范围大(输出电压变化范围可达输出电压变化范围可达1000:1) 频率范围宽频率范

7、围宽(从直流到微波频段从直流到微波频段) 寿命长寿命长 价格低价格低第16页/共73页第17页/共73页第18页/共73页第19页/共73页第20页/共73页第21页/共73页第22页/共73页第23页/共73页第24页/共73页第25页/共73页可以广泛应用于测量：可以广泛应用于测量： 位移位移 可转化为位移的力和加速度可转化为位移的力和加速度 磁场变化磁场变化应用中不用永久磁铁产生的磁场，而是用一个可变电流作激磁应用中不用永久磁铁产生的磁场，而是用一个可变电流作激磁的可变磁场，输出电压就决定于的可变磁场，输出电压就决定于控制电流控制电流和和激磁电流激磁电流的乘积的乘积 霍尔元件就成了一种两

8、个霍尔元件就成了一种两个模拟信号的乘法器模拟信号的乘法器 霍尔传感器的应用霍尔传感器的应用改变改变 I I 或或 B B，或两者同时改变均会引起，或两者同时改变均会引起 V VH H 的变化的变化利用该原理可以做成各种传感元件利用该原理可以做成各种传感元件sinHHVK IBa=第26页/共73页霍尔元件置于两相反方向的磁场中霍尔元件置于两相反方向的磁场中在在a、b两端通入控制电流两端通入控制电流 i左半产生的霍尔电势左半产生的霍尔电势VH1和右半产生的霍尔电势和右半产生的霍尔电势VH2方向相反方向相反c，d两端输出电压是两端输出电压是VH1-VH2，若使初始位置时，若使初始位置时VH1=VH

9、2，则输，则输出电压为零。出电压为零。当霍尔元件相对于磁极作当霍尔元件相对于磁极作x方向位移时，可得到输出电压方向位移时，可得到输出电压VH=VH1-VH2，且，且VH数值正比于位移量数值正比于位移量x，正负方向取决于位，正负方向取决于位移移x的方向的方向霍尔元件传感器既能测量位移的大小，又能鉴别位移的方向霍尔元件传感器既能测量位移的大小，又能鉴别位移的方向 霍尔位移传感器霍尔位移传感器第27页/共73页霍尔乘法器霍尔乘法器霍尔元件置于由坡莫合金霍尔元件置于由坡莫合金(Ni79Mo4)制成的铁芯气隙中，激制成的铁芯气隙中，激磁线圈绕于中间芯柱上，当输入直流激磁电流磁线圈绕于中间芯柱上，当输入直

10、流激磁电流Im时，形成时，形成恒定磁场。如果通入霍尔元件的控制电流为恒定磁场。如果通入霍尔元件的控制电流为i，则霍尔电势，则霍尔电势 即正比于即正比于i与与Im的乘积，因此霍尔元件可作为乘法器。的乘积，因此霍尔元件可作为乘法器。第28页/共73页第29页/共73页第30页/共73页第31页/共73页第32页/共73页第33页/共73页第34页/共73页5.3 5.3 压电式传感器压电式传感器 第35页/共73页1.1.变换原理变换原理: :压电效应压电效应 +并联并联+串联串联 某些物质，如石英，受到外力作用时，不仅几某些物质，如石英，受到外力作用时，不仅几何尺寸会发生变化，而且内部会被极化，

11、表面产生何尺寸会发生变化，而且内部会被极化，表面产生电荷；当外力去掉时，又重新回到原来的状态，这电荷；当外力去掉时，又重新回到原来的状态，这种现象称为压电效应。种现象称为压电效应。F+q=DF第36页/共73页第37页/共73页(1) (1) 石英晶体石英晶体 石英晶体有天然和人工培养两种类型。人工培石英晶体有天然和人工培养两种类型。人工培养的石英晶体的物理养的石英晶体的物理+ +化学性质几乎与天然石英晶体化学性质几乎与天然石英晶体无多大区别，因此目前广泛应用成本较低的人造石无多大区别，因此目前广泛应用成本较低的人造石英晶体。它在几百摄氏度的温度范围内，压电、系英晶体。它在几百摄氏度的温度范围

12、内，压电、系数不随温度而变化。石英晶体的居里点为数不随温度而变化。石英晶体的居里点为573573，即，即到到573573时，它将完全丧失压电性质。它有很大的机时，它将完全丧失压电性质。它有很大的机械强度和稳定的机械性能，没有热释电效应，但灵械强度和稳定的机械性能，没有热释电效应，但灵敏度很低，介电常数小，因此逐渐被其他压电材料敏度很低，介电常数小，因此逐渐被其他压电材料所代替。所代替。第38页/共73页纵轴纵轴z-z称作光轴，通过六角棱线而垂称作光轴，通过六角棱线而垂直于光轴的轴线直于光轴的轴线 x-x称作电轴，垂直于称作电轴，垂直于棱面的轴线棱面的轴线y-y称作机械轴。如果从晶称作机械轴。如

13、果从晶体中切下一个平行六面体，并使其晶体中切下一个平行六面体，并使其晶面分别平行于面分别平行于z-z、y-y、x-x轴线，这轴线，这个晶片在正常状态下不呈现电性。当个晶片在正常状态下不呈现电性。当施加外力时，将沿施加外力时，将沿x-x方向形成电场，方向形成电场，其电荷分布在垂直于其电荷分布在垂直于x-x轴的平面上。轴的平面上。沿沿x轴方向加力产生纵向压电效应，沿轴方向加力产生纵向压电效应，沿y轴加力产生横向压电效应，沿相对两轴加力产生横向压电效应，沿相对两平面加力产生切向压电效应。平面加力产生切向压电效应。 石英石英(SiO2)晶体结晶形状晶体结晶形状为六角形晶柱。两端为一为六角形晶柱。两端为

14、一对称的棱锥，六棱柱是它对称的棱锥，六棱柱是它的基本组织的基本组织第39页/共73页石英的压电效应石英的压电效应 这时正负离子正好分布在正六边形的顶角上，呈现电中性。如果沿这时正负离子正好分布在正六边形的顶角上，呈现电中性。如果沿X方向压方向压缩，如图缩，如图b所示，则硅离子所示，则硅离子1被挤入氧离子被挤入氧离子2和和6之间，而氧离子之间，而氧离子4被挤入硅离被挤入硅离子子3和和5之间，结果表面之间，结果表面A上呈现负电荷，而在表面上呈现负电荷，而在表面B上呈现正电荷。这一现象上呈现正电荷。这一现象称为纵向压电效应。若沿称为纵向压电效应。若沿Y方向压缩，如图方向压缩，如图c所示，硅离子所示，

15、硅离子3和氧离子和氧离子2，以及，以及硅离子硅离子5和氧离子和氧离子6都向内移动同样的数值，故在电极都向内移动同样的数值，故在电极C和和D上不呈现电荷，而上不呈现电荷，而在表面在表面A和和B上，即在上，即在X轴的端面上又呈现电荷，但与图轴的端面上又呈现电荷，但与图b的极性正好相反，的极性正好相反，这时称为横向压电效应。从研究的模型同样可以看出：如果是使其伸长而不这时称为横向压电效应。从研究的模型同样可以看出：如果是使其伸长而不是压缩时，则电荷的极性正好相反。总之，石英等单晶体材料是各向异性的是压缩时，则电荷的极性正好相反。总之，石英等单晶体材料是各向异性的物体，在物体，在X或或Y轴向施力时，在

16、与轴向施力时，在与X轴垂直的面上产生电荷，电场方向与轴垂直的面上产生电荷，电场方向与X轴轴平行，在平行，在Z轴方向施力时，不能产生压电效应。轴方向施力时，不能产生压电效应。石英的化学式为石英的化学式为SiO2，在一个晶体单元中，有在一个晶体单元中，有三个硅离子三个硅离子si4+和六个氧和六个氧离子离子O2-，后者是成对的，后者是成对的，所以一个硅离子和两，所以一个硅离子和两个氧离子交替排列。当个氧离子交替排列。当没有力作用时没有力作用时si4+和和O2-在垂直于晶体在垂直于晶体Z轴的轴的XY平面上的投影恰好等效平面上的投影恰好等效为正六边形排列，如图为正六边形排列，如图a示。示。第40页/共7

17、3页(2) (2) 水溶性压电晶体水溶性压电晶体 这类压电晶体有酒石酸钾钠这类压电晶体有酒石酸钾钠(NaKC(NaKC4 4H H4 4O O6 64H20)4H20)、硫酸、硫酸锂锂(Li(Li2 2SOSO4 4H H2 2O)O)、磷酸二氢钾、磷酸二氢钾(KH(KH2 2POPO4 4) )等。水溶性压电晶等。水溶性压电晶体具有较高的压电灵敏度和介电常数，但易于受潮，机体具有较高的压电灵敏度和介电常数，但易于受潮，机械强度也较低，只适用于室温和湿度低的环境下。械强度也较低，只适用于室温和湿度低的环境下。(3) (3) 铌酸锂晶体铌酸锂晶体 铌酸锂是一种透明单晶，熔点为铌酸锂是一种透明单晶

18、，熔点为12501250，居里点为，居里点为12101210。它具有良好的压电性能和时间稳定性，在耐高。它具有良好的压电性能和时间稳定性，在耐高温传感器上有广泛的前途。温传感器上有广泛的前途。第41页/共73页(4)(4)压电陶瓷压电陶瓷 这是一种应用最普遍的压电材料，压电陶瓷具有这是一种应用最普遍的压电材料，压电陶瓷具有烧制方便、耐湿、耐高温、易于成形等特点。烧制方便、耐湿、耐高温、易于成形等特点。 1) 1) 钛酸钡压电陶瓷钛酸钡压电陶瓷 钛酸钡钛酸钡(BaTiO(BaTiO3 3) )是由是由BaCOBaCO3 3和和TiOTiO2 2二者在高温下合成的。具有较高的压电系数和二者在高温下

19、合成的。具有较高的压电系数和介电常数。但它的居里点较低，为介电常数。但它的居里点较低，为120120，此外机械，此外机械强度不如石英。强度不如石英。 2) 2) 锆钛酸铅系压电陶瓷锆钛酸铅系压电陶瓷(PZT) (PZT) 锆钛酸铅是锆钛酸铅是PbTiOPbTiO3 3和和PbZrOPbZrO3 3组成的固溶体组成的固溶体Pb(ZrPb(ZrTi)OTi)O2 2。它具有较。它具有较高的压电系数和居里点高的压电系数和居里点(300(300以上以上) )。 第42页/共73页 3) 3) 铌酸盐系压电陶瓷铌酸盐系压电陶瓷 钽铌酸铅具有钽铌酸铅具有很高的居里点和较低的介电常数。铌酸钾的居很高的居里点

20、和较低的介电常数。铌酸钾的居里点为里点为435C435C，常用于水声传感器中。，常用于水声传感器中。 4) 4) 铌镁酸铅压电陶瓷铌镁酸铅压电陶瓷(PMN) (PMN) 这是一种这是一种由由Pb(MgNb)OPb(MgNb)O3 3、PbTiOPbTiO3 3、PbZrOPbZrO3 3组成的三元系组成的三元系陶瓷。它具有较高的压陶瓷。它具有较高的压 电系数和居里点，电系数和居里点，能够在较高的压力下工作，适合作为高温下的能够在较高的压力下工作，适合作为高温下的力传感器。力传感器。第43页/共73页(5) (5) 压电半导体压电半导体 有些晶体既具有半导体特性又同时具有压电性能，如有些晶体既具

21、有半导体特性又同时具有压电性能，如ZnSZnS、CaSCaS、GaAsGaAs等。因此既可利用它的压电特性研制传感等。因此既可利用它的压电特性研制传感器，又可利用半导体特性以微电子技术制成电子器件。器，又可利用半导体特性以微电子技术制成电子器件。(6) (6) 高分子压电材料高分子压电材料 某些合成高分子聚合物薄膜经延展拉伸和电场极化后某些合成高分子聚合物薄膜经延展拉伸和电场极化后，有一定的压电性能，这就是高分子压电薄膜。目前出现，有一定的压电性能，这就是高分子压电薄膜。目前出现的压电薄膜有聚二氟乙烯的压电薄膜有聚二氟乙烯PVF2PVF2、聚氟乙烯、聚氟乙烯PVFPVF、聚氯乙烯、聚氯乙烯PV

22、CPVC、聚、聚甲基甲基-L-L谷氨酸脂谷氨酸脂PMGPMG等。这是一种柔软的压电材等。这是一种柔软的压电材料，不易破碎，可以大量生产和制成较大的面积。料，不易破碎，可以大量生产和制成较大的面积。 第44页/共73页压电元件两电极间的压电陶瓷或石英为绝缘体，而两压电元件两电极间的压电陶瓷或石英为绝缘体，而两个工作面上进行金属蒸镀，形成金属膜，因此就构成个工作面上进行金属蒸镀，形成金属膜，因此就构成一个电容器。当压电元件受外力作用时，两表面产生一个电容器。当压电元件受外力作用时，两表面产生等量的正、负电荷等量的正、负电荷Q，压电元件的开路电压，压电元件的开路电压(负载电阻负载电阻为无穷大为无穷大

23、)U为：为： 这样可把压电传感器等效为一个电流源这样可把压电传感器等效为一个电流源Q和一个电容和一个电容器器Ca的等效电路；同时也可等效为一个电压源的等效电路；同时也可等效为一个电压源U和一和一个电容器个电容器Ca串联的等效电路。串联的等效电路。 aQUC1. 1. 压电元件的等效电路压电元件的等效电路第45页/共73页其中其中Ra为压电元件的漏电阻。为压电元件的漏电阻。工作时，压电元件与二次仪表工作时，压电元件与二次仪表配套使用必定与测量电路相连接，这就要考虑连接电缆电容配套使用必定与测量电路相连接，这就要考虑连接电缆电容Ca、放大器的输入电阻、放大器的输入电阻Ri和输入电容和输入电容Ci。

24、 压电元件常用的结构形式压电元件常用的结构形式 在实际使用中，如仅用单片压电元件工作的话，要产生足在实际使用中，如仅用单片压电元件工作的话，要产生足够的表面电荷就要很大的作用力，因此一般采用两片或两片够的表面电荷就要很大的作用力，因此一般采用两片或两片以上压电元件组合在一起使用。由于压电元件是有极性的，以上压电元件组合在一起使用。由于压电元件是有极性的，因此连接方法有两种：因此连接方法有两种：并联连接和串联连接。并联连接和串联连接。 第46页/共73页压电元件并联连接和串联连接压电元件并联连接和串联连接 并联连接：两压电元件的并联连接：两压电元件的负极集中在中间极板上，正负极集中在中间极板上，

25、正极在上下两边并连接在一起，极在上下两边并连接在一起，其输出电容其输出电容C C为单片的为单片的n n倍，倍，即即 C=nC， U=U，Q=nQ。 串联连接：上极板为正极，串联连接：上极板为正极，下极板为负极，在中间是一元下极板为负极，在中间是一元件的负极与另一元件的正极相件的负极与另一元件的正极相连接，连接，这时有这时有QQ，U= nU，C=C/n第47页/共73页 在以上两种联接方式中，并联接法输出电荷大在以上两种联接方式中，并联接法输出电荷大，本身电容大，因此时间常数也大，适用于测量缓，本身电容大，因此时间常数也大，适用于测量缓变信号，并以电荷量作为输出的场合。串联接法输变信号，并以电荷

26、量作为输出的场合。串联接法输出电压高，本身电容小，适用于以电压作为输出量出电压高，本身电容小，适用于以电压作为输出量以及测量电路输入阻抗很高的场合。以及测量电路输入阻抗很高的场合。 压电元件在压电式传感器中，必须有一定的预压电元件在压电式传感器中，必须有一定的预应力，这样可以保证在作用力变化时，压电片始终应力，这样可以保证在作用力变化时，压电片始终受到压力，同时也保证了压电片的输出与作用力的受到压力，同时也保证了压电片的输出与作用力的线性关系。线性关系。 第48页/共73页第49页/共73页Ca：传感器的电容：传感器的电容 Ra：传感器的绝缘电阻：传感器的绝缘电阻 Cc：连接电缆的等效电容：连

27、接电缆的等效电容Ri：放大器的输入电阻：放大器的输入电阻Ci：输入电容：输入电容iaiaRRRRRicaCCCC第50页/共73页前置放大器输入电压前置放大器输入电压 RCjRiUi1压电元件的力压电元件的力 F=Fmsint压电元件的压电系数为压电元件的压电系数为d11，产生的电荷为，产生的电荷为Q = d11F。tFddtdQimcos11FdjI11RCjRjFdUi111。2211)()(1icamimCCCRRFdu输入电压的幅值输入电压的幅值 当作用力是静态力（当作用力是静态力（=0） 时，前置放大器的输入电压为零。时，前置放大器的输入电压为零。原理上决定了压电式传感器不能测量静态

28、物理量。原理上决定了压电式传感器不能测量静态物理量。压电式传感器突出优点：高频响应相当好。压电式传感器突出优点：高频响应相当好。 第51页/共73页第52页/共73页第53页/共73页第54页/共73页K是放大器的开环增益，（是放大器的开环增益，（-K）表示放大器的输出与）表示放大器的输出与输入反相，若开环增益足够高，则放大器的输入端的输入反相，若开环增益足够高，则放大器的输入端的电位接近电位接近“地地”电位。电位。 第55页/共73页充电电压约等于放大器的输出电压充电电压约等于放大器的输出电压 fficacfCQCkCCCkQUU)1 (0几点结论：几点结论：1、电荷放大器的输出电压只与输入电荷量和反馈电容、电荷放大器的输出电压只与输入电荷量和反馈电容有关，而与放大器的放大系数的变化或电缆电容等均有关，而与放大器的放大系数的变化或电缆电容等均无关系。无关系。2、只要保持反馈电容的数值不变，就可得到与电荷量、只要保持反馈电容的数值不变，就可得到与电荷量Q变化成线形关系的输出电压。变化成线形关系的输出电压。3、反馈电容、反馈电容Cf小，输出就大。小，输出就大。4、要达到一定的输出灵敏度要求，就必须选择适当的、要达到一定的输出灵敏度要求，就必须选择适当的反馈电容。反馈电容。5、输出电压与电缆电容无关条件：、输出电压与电缆电容无关条