第4部分 传感器原理4-磁电-压电与热电式.ppt

1、第3章常用传感器和敏感元件，第4节磁电、压电和热电传感器，1。磁电传感器，转换原理：一种将测量的物理量转换成感应电动势的传感器，也称为电磁感应或电动传感器。对于n匝线圈，当通过线圈的磁通量f变化时，其感应电动势e为，这取决于匝数和磁通量的变化率。磁通量的变化率与磁场强度、磁路磁阻和线圈速度有关。改变其中一个因素会改变感应电动势。根据结构的不同，磁电传感器可以分为：磁电式、动圈式、磁阻式、线速度式、角速度式、磁电式传感器、动圈式、线速度式和角速度式。右手规则也称为“生成器规则”。确定导体在磁场中运动时感应电流方向的规则。伸出石手，使拇指垂直于其他四个手指，它们都在手掌的同一平面上。假设，将右手放

2、入磁场中，让磁力线从手掌垂直进入，拇指指向导体运动的方向。这时，其他四个手指指向的方向就是感应电流的方向。如右图所示。其中v垂直于外磁场b，l是线切割磁力线的长度，v，b是动线圈式磁电传感器，动线圈置于永磁体产生的恒定磁场中，当线圈在磁场中直线运动时，产生感应电动势、线圈匝数、线圈与磁场的相对运动速度以及磁场的磁感应强度。上述公式表明，当n、b和l都是常数时，感应电动势与线圈的线速度成正比。当线圈与磁场之间的夹角为90时，上述公式可改写为动线圈式磁电传感器。当线圈在磁场中旋转时，它产生的感应电动势，与结构有关的系数，k 1，单匝线圈的截止值。上述公式表明，当传感器结构固定时，N、B和A都是常数

3、，感应电动势与相对于速度测量磁场运动的线圈的角速度成正比。必须注意的是，上面讨论的速度是指线圈和磁场(外壳)之间的相对速度，而不是外壳本身的绝对速度。磁电传感器动圈式、动圈式磁电传感器等效电路、e感应电动势、Z0线圈阻抗、负载电阻(放大器输入电阻)、电缆导体电阻(可忽略不计)、电缆导体分布电容、输出电压、CC如果不使用特别加长的电缆导体，可以忽略不计；RL Z0、磁电传感器动圈式、动圈式传感器，作为振动或转速的量度，它在发电机状态下工作；当交变激励电压加到线圈上时，线圈在磁场中振动，成为激振器(电机状态)。角速度型、磁电传感器动圈型、2。磁阻传感器，磁阻传感器的线圈和磁铁不相对运动，磁路的磁阻

4、被运动的物体(导磁材料)改变，使磁力线加强或减弱，使线圈产生感应电动势。这个传感器由一个永磁体和缠绕在其上的线圈组成。如下图所示，测量频率。当齿轮转动时，由于凸齿和凹齿，磁阻改变，从而磁通量改变，并且在线圈中感应出交流电动势，其频率等于齿轮的齿数和转速的乘积。磁电传感器磁阻传感器使用方便，结构简单，可用于测量不同场合的转速、偏心率和振动。磁电传感器磁阻式，转速测量，偏心测量，振动测量，磁电传感器磁阻式，外壳：鼠笼式电机转子断条检测，磁电传感器磁阻式，2。压电式传感器，压电式传感器是一种可逆的传感器，它能转换m这一特性使其广泛用于压力、应力和加速度测量，也用于超声波发射和接收装置。第四节磁电、压

5、电和热电传感器，当用作加速度传感器时，可测频率范围为0.1赫兹至20千赫兹，根据不同的结构，可测振动加速度可达10-2 105米/秒2。当用作称重传感器时，其灵敏度可达10-3 N。优点：体积小、质量小、精度高、灵敏度高。现在，随着其配套的后续仪器如电荷放大器的技术性能不断提高，该传感器得到了广泛的应用。1.压电效应转换原理，当一些物质，如应时，受到外力时，不仅几何尺寸会发生变化，而且内部会被极化，表面会出现电荷形成电场；外力消除后，它会恢复到原来的状态。这种现象被称为压电效应。压电传感器中，压电效应是可逆的，也就是说，当压电晶体置于外部电场中时，其几何尺寸也会发生变化。实验证明压电效应和逆压

6、电效应是线性的，即晶体表面出现的电荷量与形变的大小成正比，当形变改变符号时，电荷也改变符号；在外加电场的作用下，晶体的变形与电场强度成正比，当电场反转时，变形也改变符号。一般来说，沿电轴(X轴)的力产生的压电效应称为“纵向压电效应”，沿机械轴(Y轴)的力产生的压电效应称为“横向压电效应”，而沿光轴(Z轴)的力不产生压电效应。当力沿着两个相对的边缘施加时，将产生切向效应。压电传感器主要利用纵向压电效应。压电效应和方向，压电传感器，2。压电材料，常用的压电材料大致可以分为三类：压电单晶，压电陶瓷和有机压电薄膜。应时是最具代表性的压电单晶，应用广泛。除了天然应时，人造应时被广泛使用。应时的压电常数不

7、高，但具有良好的机械强度和时间温度稳定性。压电陶瓷是应用最广泛的传感技术。压电陶瓷易于制造，成本低，压电常数比单晶高得多，一般比应时高几百倍。压电陶瓷目前主要用于压电元件。聚合物压电薄膜的压电性能不是很好，但易于大规模生产，具有面积大、柔软、不易断裂等优点，可用于微压测量和机器人触觉。压电传感器及其等效电路，在压电晶体的两个工作面上进行金属蒸发，形成金属薄膜，形成两个电极。如图所示，当压电晶体受到外力作用时，数量相等、极性相反的电荷会聚集在两个极板上，形成电场。因此，压电传感器既可视为电荷发生器，又可视为电容器，其电容相当于电荷源。压电传感器适用于动态测量。在实际的压电传感器中，通常并联或串联

8、使用两个或多个压电晶片。并联：电容大，输出电荷大，时间常数大，适用于测量缓慢变化的信号，也适用于有电荷输出的场合。串联：电容小，输出电压大，适用于电压作为输出信号的场合。压电传感器是具有一定电容的电荷源，其开路电压u0与电荷Q和传感器电容Ca有如下关系。当传感器连接到测量电路时，连接电缆的寄生电容将形成传感器的并联寄生电容C，后续电路的输入阻抗和传感器中的泄漏电阻将形成泄漏电阻R0。为了防止泄漏电阻导致电荷损失，通常需要R0 1011 W，因此传感器测试动态量时，为了建立一定的输出电压，实现无失真测量，压电传感器的测量电路必须具有高输入阻抗，并在输入端并联一定的电容Ci，以增加时间常数R0C。

9、然而，过大的并联电容会使输出电压降低太多，并降低测量装置的灵敏度。(3-38)，压电传感器，4。测量电路中，压电传感器的输出电信号很弱，而且传感器本身有很大的内阻，所以输出能量很小，这给后续电路带来了一些困难。由于这个原因，通常传感器信号首先被发送到具有高输入阻抗的前置放大器，并且在阻抗变换之后，信号可以通过通用放大和检测电路被发送到指示仪器或记录器。前置放大电路的主要目的是将传感器的高阻抗输出转换成低阻抗输出；放大传感器输出的微弱电信号。前置放大器电路有两种形式：具有电阻反馈的电压放大器，其输出电压与输入电压(即传感器的输出)成正比；它是一个具有电容反馈的电荷放大器，其输出电压与输入电荷成正

10、比。当使用电压放大器时，放大器的输入电压用公式(3-38)表示。因为电容c包括ca、ci和Cc，其中电缆对地电容Cc大于ca和Ci，所以整个测量系统对电缆对地电容Cc的变化非常敏感。连接电缆的长度和形状的变化会引起Cc的变化，这将导致传感器输出电压U的变化，从而仪器的灵敏度也会发生变化。压电传感器、电荷放大器是一种具有电容反馈的高增益运算放大器。当忽略电荷放大器的传感器泄漏电阻和输入电阻时，其等效电路如下图(3-38)。由于忽略了泄漏电阻，运算放大器的开环增益为A，因此如果A足够大，可以简化为等式(3-39)，等式(3-39)表明，在特定条件下，电荷放大器的输出电压与传感器的电荷成正比，与电缆

11、的分布电容无关。因此，使用电荷放大器时，即使连接电缆长度达到100米以上，其灵敏度也没有明显变化，这是电荷放大器的突出优点。但与电压放大器相比，它的电路复杂而昂贵。(3-39)，压电传感器，5。压电传感器的应用通常用于测量应力、压力和振动加速度，也用于声学、超声波和声发射测量。压电效应是力和电荷的转换，可以直接用来测量力。目前已经形成了一系列的压电式力传感器，测量范围从10-3 N到104 kN，动态范围一般为60dB。测量方向是单向和多向的。其形式如下：(1)利用膜片弹性元件，通过膜片的承压面积将压力转化为力。膜片中间有一个凸台，凸台的背面有一个压电片。力通过凸台作用在压电片上，使其产生相应

12、的电荷。活塞的承压面承受压力，活塞施加的力通过活塞另一端的顶杆作用在压电片上。活塞上的压力可以通过测量这个力来计算。压电传感器广泛用于测量加速度。该传感器的压电板位于其外壳和质量块之间，质量块和压电板通过强弹簧(或预紧螺栓)紧紧地压在外壳上。移动时，传感器外壳推动压电板和质量块一起移动。加速时，压电板承受质量加速产生的惯性力。根据不同的需求制作不同的灵敏度、范围和尺寸，形成一系列产品。大型高灵敏度加速度计的灵敏度阈值可达10-6 gn (gn标准重力加速度)，但其测量上限也很小，只能测量微弱振动。然而，这种小型加速度计仅重0149 g，并且其灵敏度较低，但它可以测量数千gn的强振动。压电s集成

13、了阻抗转换器和传感器的集成传感器，其输出阻抗非常低。由于电荷的泄漏，压电传感器的低端工作频率达不到DC，难以精确测量恒力。压电加速度计在低频振动时，振动周期小，受灵敏度限制，输出信号弱，信噪比差。特别是当需要通过积分网络获得振动的速度和加速度时，网络中运算放大器的漂移和低频噪声的影响使得压电加速度计在低于1Hz的低频带难以应用。压电传感器，一般用于测量沿其轴向的力，它对压电片和相应的电荷产生纵向效应，形成传感器的通常输出；然而，垂直于轴向作用的力也将产生横向效应和相应的输出，这被称为横向输出。相应的灵敏度称为横向灵敏度。对于传感器，横向输出是干扰和测量误差的原因。使用时，应选择横向灵敏度低的传

14、感器。压电传感器的横向灵敏度在所有方向上都不同。为了减少横向输出的影响，安装和使用时，最小横向灵敏度的方向应与最大横向干扰力的方向一致。环境温度和湿度的变化以及压电材料的老化会引起压电常数的变化，从而导致压电传感器灵敏度的变化。压电传感器，产品，加速度计，压电传感器，力传感器，压力变送器，案例：飞机模态分析，压电传感器，热电传感器转换测量(主要是温度)的变化为电量变化，根据不同的转换方式，可分为热电偶和热电阻传感器。1.热电偶的工作原理热电效应将两种不同材料的导体串联成一个闭环。当两个接头的温度不同时，回路中将产生热电势，并形成电流。这种现象被称为热电效应。热电传感器，一种结合两种导体并将温度

15、转换成热电动力的传感器，被称为热电偶。在图中所示的热电偶电路中，产生的热电势由两部分组成：热电势和接触电动势。热电动力：由于温度不同，在同一导体两端产生的热电动力。由于高温端(T)的电子能量大于低温端(T0)，从高温端向低温端移动的电子数大于从低温端向高温端移动的电子数，使高温端带正电，低温端带负电，从而在导体两端形成电位差，即热电势。热电偶传感器，接触电动势：其大小与两种导体材料的性质和接头温度有关。导体内部的电子密度是不同的。当两种电子密度不同的导体A和B接触时，接触表面会发生电子扩散，电子将从电子密度高的导体流向电子密度低的导体。电子扩散的速率与两个导体的电子密度有关，并且与接触区域的温

16、度成正比。假设导体甲和乙的自由电子密度是钠和铌，钠和铌。由于电子扩散，导体甲失去电子并带正电，而导体乙获得电子并带负电，在接触面形成电场。该电场阻碍电子的扩散，并且当达到动态平衡时，在接触区域中形成稳定的电势差，即接触电动势。热电偶传感器，k玻尔兹曼常数，k=1.3810-23j/k；e电子电荷，e 1.610-19c；接触温度(k)；钠和铌分别是导体甲和导体乙的自由电子密度。接触电动势，热电偶传感器，当热电偶材料固定时，热电偶的总热电势为，如果冷端温度T0固定，那么当热电偶材料固定时，热电偶的总热电势只与温度呈单值函数关系，而由固定温度T0确定的常数简化为热电偶传感器，热电偶测温的基本规律和特点，1)由均匀导体组成的闭环，无论导体的截面积、长度和温度分布如何，都不会产生热电势。2)如果热电偶的两个触点的温度相同，尽管两个导体A和B的材料不同，热电偶回路中的总热