No電動(dòng)勢(shì)式傳感器原理與應(yīng)用 ppt課件

1、5.1 5.1 磁電式傳感器磁電式傳感器 1.1.變換原理變換原理: : 磁電式傳感器是把被測(cè)量的物理量轉(zhuǎn)換為感磁電式傳感器是把被測(cè)量的物理量轉(zhuǎn)換為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的一種轉(zhuǎn)換器。應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的一種轉(zhuǎn)換器。dtdWe感應(yīng)線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)感應(yīng)線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e e為為磁通變化率與磁場(chǎng)強(qiáng)度、磁阻、線圈運(yùn)動(dòng)速度有磁通變化率與磁場(chǎng)強(qiáng)度、磁阻、線圈運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)，改變其中一個(gè)因素，都會(huì)改變感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。關(guān)，改變其中一個(gè)因素，都會(huì)改變感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。 cosSB),(mdtdRB第五章第五章 電動(dòng)勢(shì)式傳感器原理與應(yīng)用電動(dòng)勢(shì)式傳感器原理與應(yīng)用 2. 2. 分類分類 磁磁電電式式動(dòng)圈式動(dòng)圈式磁阻式磁阻式線速度型線速度型角速度型角

2、速度型5.1.2 5.1.2 動(dòng)圈式傳感器動(dòng)圈式傳感器 線速度型線速度型 角速度型角速度型測(cè)速電機(jī)測(cè)速電機(jī)5.1.3 5.1.3 磁阻效應(yīng)傳感器磁阻效應(yīng)傳感器 磁阻元件的工作原理是利用半導(dǎo)體材料的磁阻元件的工作原理是利用半導(dǎo)體材料的磁阻效磁阻效應(yīng)應(yīng)( (或稱高斯效應(yīng)或稱高斯效應(yīng)) )。 實(shí)際運(yùn)動(dòng)中載流子速度是不完全相同的，因而，實(shí)際運(yùn)動(dòng)中載流子速度是不完全相同的，因而，在洛倫茲力作用下使一些載流子往一邊偏轉(zhuǎn)，所以半在洛倫茲力作用下使一些載流子往一邊偏轉(zhuǎn)，所以半導(dǎo)體片內(nèi)電流分布是不均勻的，改變磁場(chǎng)的強(qiáng)弱就影導(dǎo)體片內(nèi)電流分布是不均勻的，改變磁場(chǎng)的強(qiáng)弱就影響電流密度的分布，故表現(xiàn)為半導(dǎo)體片的電阻變化

3、。響電流密度的分布，故表現(xiàn)為半導(dǎo)體片的電阻變化。磁阻效應(yīng)傳感器磁阻效應(yīng)傳感器 將磁阻元件置于磁場(chǎng)中，當(dāng)它相對(duì)于磁場(chǎng)發(fā)生位移時(shí)，將磁阻元件置于磁場(chǎng)中，當(dāng)它相對(duì)于磁場(chǎng)發(fā)生位移時(shí)，磁阻元件內(nèi)阻磁阻元件內(nèi)阻R1、R2發(fā)生變化，如果將它們接于電發(fā)生變化，如果將它們接于電橋，則其輸出電壓比例于電阻的變化。橋，則其輸出電壓比例于電阻的變化。 5.1.4 5.1.4 磁電式傳感器的動(dòng)態(tài)特性磁電式傳感器的動(dòng)態(tài)特性磁電式傳感器只適用于測(cè)量動(dòng)態(tài)物理量，這種傳感磁電式傳感器只適用于測(cè)量動(dòng)態(tài)物理量，這種傳感器是機(jī)電能量轉(zhuǎn)換型，下圖是其等效的機(jī)械系統(tǒng)器是機(jī)電能量轉(zhuǎn)換型，下圖是其等效的機(jī)械系統(tǒng)磁阻式傳感器磁阻式傳感器 磁電

4、式車速傳感器磁電式車速傳感器帶電粒子在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)會(huì)受到洛倫茲力帶電粒子在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)會(huì)受到洛倫茲力 FL 的作用使帶電粒的作用使帶電粒子偏向子偏向 c，d 電極，在垂直于電極，在垂直于 B 和和 I 的方向上產(chǎn)生一感應(yīng)電動(dòng)的方向上產(chǎn)生一感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)勢(shì) VH。該現(xiàn)象稱為該現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)霍爾效應(yīng)，所產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)，所產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì) VH 稱為稱為霍爾霍爾電勢(shì)電勢(shì)厚度為厚度為 d 的的N型半導(dǎo)體薄片上垂直作型半導(dǎo)體薄片上垂直作用了磁感應(yīng)強(qiáng)度為用了磁感應(yīng)強(qiáng)度為 B 的磁場(chǎng)的磁場(chǎng)若在一個(gè)方向上通以電流若在一個(gè)方向上通以電流 IN型半導(dǎo)體中多數(shù)載流子為電子型半導(dǎo)體中多數(shù)載流子為電子 它沿與電流的相反方向運(yùn)動(dòng)

5、它沿與電流的相反方向運(yùn)動(dòng)5.2 5.2 霍爾傳感器霍爾傳感器霍爾電勢(shì)霍爾電勢(shì) VH 的大小的大小 由下式?jīng)Q定：由下式?jīng)Q定：sinHHVK IBa=式中式中 KH霍爾常數(shù)，表示單位磁感應(yīng)強(qiáng)度和霍爾常數(shù)，表示單位磁感應(yīng)強(qiáng)度和 單位控制電流下所得的開路霍爾電勢(shì)，單位控制電流下所得的開路霍爾電勢(shì)， 取決于材質(zhì)、元件尺寸，并受溫度變化影響；取決于材質(zhì)、元件尺寸，并受溫度變化影響； 電流方向與磁場(chǎng)方向夾角，如兩者垂直，則電流方向與磁場(chǎng)方向夾角，如兩者垂直，則sin1。 純金屬中自由電子濃度過高，霍爾效應(yīng)微弱，無實(shí)用價(jià)值純金屬中自由電子濃度過高，霍爾效應(yīng)微弱，無實(shí)用價(jià)值半導(dǎo)體是霍爾元件的常用材料半導(dǎo)體是霍爾

6、元件的常用材料材料的厚度材料的厚度 d 愈小，則愈小，則 KH 就愈大、靈敏度愈高就愈大、靈敏度愈高 磁阻效應(yīng)與霍爾效應(yīng)的磁阻效應(yīng)與霍爾效應(yīng)的區(qū)別區(qū)別：霍爾電勢(shì)是指垂直于電流方向的：霍爾電勢(shì)是指垂直于電流方向的橫向電壓，而磁阻效應(yīng)則是沿電流方向的電阻變化。橫向電壓，而磁阻效應(yīng)則是沿電流方向的電阻變化。片芯是一塊矩形半導(dǎo)體薄片片芯是一塊矩形半導(dǎo)體薄片 一般采用一般采用N N形鍺、銻化銦、砷化銦、砷化鎵和磷砷化銦形鍺、銻化銦、砷化銦、砷化鎵和磷砷化銦等等長(zhǎng)邊兩側(cè)面焊有兩根控制電流極引線，短邊兩側(cè)面的中點(diǎn)長(zhǎng)邊兩側(cè)面焊有兩根控制電流極引線，短邊兩側(cè)面的中點(diǎn)焊以兩導(dǎo)線用于焊以兩導(dǎo)線用于輸出霍爾電勢(shì)輸出霍

7、爾電勢(shì)霍爾芯片一般用非磁性金屬、陶瓷或環(huán)氧樹脂封裝霍爾芯片一般用非磁性金屬、陶瓷或環(huán)氧樹脂封裝 在磁場(chǎng)和控制電流的作用下，輸出端有電在磁場(chǎng)和控制電流的作用下，輸出端有電壓輸出壓輸出使用時(shí)，使用時(shí)，I 和和 B 都可作為輸入信號(hào)，輸出都可作為輸入信號(hào)，輸出信號(hào)正比于兩者的乘積信號(hào)正比于兩者的乘積建立霍爾電勢(shì)所需的時(shí)間極短建立霍爾電勢(shì)所需的時(shí)間極短(10-1210-14)所測(cè)外界信號(hào)頻率可以很高所測(cè)外界信號(hào)頻率可以很高3. 3. 霍爾元件的基本電路霍爾元件的基本電路 R為調(diào)節(jié)電阻，調(diào)節(jié)控制電流的大小為調(diào)節(jié)電阻，調(diào)節(jié)控制電流的大小UH 兩端為霍爾電勢(shì)輸出端兩端為霍爾電勢(shì)輸出端霍爾元件在靜止?fàn)顟B(tài)下具有

8、感受磁場(chǎng)的獨(dú)特能力霍爾元件在靜止?fàn)顟B(tài)下具有感受磁場(chǎng)的獨(dú)特能力霍爾元件的特點(diǎn)：霍爾元件的特點(diǎn)： 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠 體積小體積小 噪聲低噪聲低 動(dòng)態(tài)范圍大動(dòng)態(tài)范圍大(輸出電壓變化范圍可達(dá)輸出電壓變化范圍可達(dá)1000:1) 頻率范圍寬頻率范圍寬(從直流到微波頻段從直流到微波頻段) 壽命長(zhǎng)壽命長(zhǎng) 價(jià)格低價(jià)格低可以廣泛應(yīng)用于測(cè)量：可以廣泛應(yīng)用于測(cè)量： 位移位移 可轉(zhuǎn)化為位移的力和加速度可轉(zhuǎn)化為位移的力和加速度 磁場(chǎng)變化磁場(chǎng)變化應(yīng)用中不用永久磁鐵產(chǎn)生的磁場(chǎng)，而是用一個(gè)可變電流作激磁應(yīng)用中不用永久磁鐵產(chǎn)生的磁場(chǎng)，而是用一個(gè)可變電流作激磁的可變磁場(chǎng)，輸出電壓就決定于的可變磁場(chǎng)，輸出電壓就決定于控制電流

9、控制電流和和激磁電流激磁電流的乘積的乘積 霍爾元件就成了一種兩個(gè)霍爾元件就成了一種兩個(gè)模擬信號(hào)的乘法器模擬信號(hào)的乘法器 霍爾傳感器的應(yīng)用霍爾傳感器的應(yīng)用改變改變 I I 或或 B B，或兩者同時(shí)改變均會(huì)引起，或兩者同時(shí)改變均會(huì)引起 V VH H 的變化的變化利用該原理可以做成各種傳感元件利用該原理可以做成各種傳感元件sinHHVK IBa=霍爾元件置于兩相反方向的磁場(chǎng)中霍爾元件置于兩相反方向的磁場(chǎng)中在在a、b兩端通入控制電流兩端通入控制電流 i左半產(chǎn)生的霍爾電勢(shì)左半產(chǎn)生的霍爾電勢(shì)VH1和右半產(chǎn)生的霍爾電勢(shì)和右半產(chǎn)生的霍爾電勢(shì)VH2方向相反方向相反c，d兩端輸出電壓是兩端輸出電壓是VH1-VH2

10、，若使初始位置時(shí)，若使初始位置時(shí)VH1=VH2，則輸，則輸出電壓為零。出電壓為零。當(dāng)霍爾元件相對(duì)于磁極作當(dāng)霍爾元件相對(duì)于磁極作x方向位移時(shí)，可得到輸出電壓方向位移時(shí)，可得到輸出電壓VH=VH1-VH2，且，且VH數(shù)值正比于位移量數(shù)值正比于位移量x，正負(fù)方向取決于位，正負(fù)方向取決于位移移x的方向的方向霍爾元件傳感器既能測(cè)量位移的大小，又能鑒別位移的方向霍爾元件傳感器既能測(cè)量位移的大小，又能鑒別位移的方向 霍爾位移傳感器霍爾位移傳感器霍爾乘法器霍爾乘法器霍爾元件置于由坡莫合金霍爾元件置于由坡莫合金(Ni79Mo4)制成的鐵芯氣隙中，激制成的鐵芯氣隙中，激磁線圈繞于中間芯柱上，當(dāng)輸入直流激磁電流磁線

11、圈繞于中間芯柱上，當(dāng)輸入直流激磁電流Im時(shí)，形成時(shí)，形成恒定磁場(chǎng)。如果通入霍爾元件的控制電流為恒定磁場(chǎng)。如果通入霍爾元件的控制電流為i，則霍爾電勢(shì)，則霍爾電勢(shì) 即正比于即正比于i與與Im的乘積，因此霍爾元件可作為乘法器。的乘積，因此霍爾元件可作為乘法器。5.3 5.3 壓電式傳感器壓電式傳感器 1.1.變換原理變換原理: :壓電效應(yīng)壓電效應(yīng) +并聯(lián)并聯(lián)+串聯(lián)串聯(lián) 某些物質(zhì)，如石英，受到外力作用時(shí)，不僅幾某些物質(zhì)，如石英，受到外力作用時(shí)，不僅幾何尺寸會(huì)發(fā)生變化，而且內(nèi)部會(huì)被極化，表面產(chǎn)生何尺寸會(huì)發(fā)生變化，而且內(nèi)部會(huì)被極化，表面產(chǎn)生電荷；當(dāng)外力去掉時(shí)，又重新回到原來的狀態(tài)，這電荷；當(dāng)外力去掉時(shí)，又

12、重新回到原來的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。F+q=DF2.2.壓電材料壓電材料明顯呈現(xiàn)壓電效應(yīng)的敏感功能材料叫明顯呈現(xiàn)壓電效應(yīng)的敏感功能材料叫壓電材料壓電材料。壓電材料一般應(yīng)考慮以下主要特性：壓電材料一般應(yīng)考慮以下主要特性：1) 1) 具有較大的壓電常數(shù)。具有較大的壓電常數(shù)。2) 2) 壓電元件的機(jī)械強(qiáng)度高、剛度大并具有較高的固有壓電元件的機(jī)械強(qiáng)度高、剛度大并具有較高的固有振動(dòng)頻率。振動(dòng)頻率。3) 3) 具有高的電阻率和較大的介電常數(shù)。具有高的電阻率和較大的介電常數(shù)。4) 4) 具有較高的居里點(diǎn)。居里點(diǎn)高可以得到較寬的工作具有較高的居里點(diǎn)。居里點(diǎn)高可以得到較寬的工作溫度范圍

13、。溫度范圍。5) 5) 壓電特性不隨時(shí)間蛻變，有較好的時(shí)間穩(wěn)定性。壓電特性不隨時(shí)間蛻變，有較好的時(shí)間穩(wěn)定性。(1) (1) 石英晶體石英晶體 石英晶體有天然和人工培養(yǎng)兩種類型。人工培石英晶體有天然和人工培養(yǎng)兩種類型。人工培養(yǎng)的石英晶體的物理養(yǎng)的石英晶體的物理+ +化學(xué)性質(zhì)幾乎與天然石英晶體化學(xué)性質(zhì)幾乎與天然石英晶體無多大區(qū)別，因此目前廣泛應(yīng)用成本較低的人造石無多大區(qū)別，因此目前廣泛應(yīng)用成本較低的人造石英晶體。它在幾百攝氏度的溫度范圍內(nèi)，壓電、系英晶體。它在幾百攝氏度的溫度范圍內(nèi)，壓電、系數(shù)不隨溫度而變化。石英晶體的居里點(diǎn)為數(shù)不隨溫度而變化。石英晶體的居里點(diǎn)為573573，即，即到到573573

14、時(shí)，它將完全喪失壓電性質(zhì)。它有很大的機(jī)時(shí)，它將完全喪失壓電性質(zhì)。它有很大的機(jī)械強(qiáng)度和穩(wěn)定的機(jī)械性能，沒有熱釋電效應(yīng)，但靈械強(qiáng)度和穩(wěn)定的機(jī)械性能，沒有熱釋電效應(yīng)，但靈敏度很低，介電常數(shù)小，因此逐漸被其他壓電材料敏度很低，介電常數(shù)小，因此逐漸被其他壓電材料所代替。所代替。縱軸縱軸z-z稱作光軸，通過六角棱線而垂稱作光軸，通過六角棱線而垂直于光軸的軸線直于光軸的軸線 x-x稱作電軸，垂直于稱作電軸，垂直于棱面的軸線棱面的軸線y-y稱作機(jī)械軸。如果從晶稱作機(jī)械軸。如果從晶體中切下一個(gè)平行六面體，并使其晶體中切下一個(gè)平行六面體，并使其晶面分別平行于面分別平行于z-z、y-y、x-x軸線，這軸線，這個(gè)晶片

15、在正常狀態(tài)下不呈現(xiàn)電性。當(dāng)個(gè)晶片在正常狀態(tài)下不呈現(xiàn)電性。當(dāng)施加外力時(shí)，將沿施加外力時(shí)，將沿x-x方向形成電場(chǎng)，方向形成電場(chǎng)，其電荷分布在垂直于其電荷分布在垂直于x-x軸的平面上。軸的平面上。沿沿x軸方向加力產(chǎn)生縱向壓電效應(yīng)，沿軸方向加力產(chǎn)生縱向壓電效應(yīng)，沿y軸加力產(chǎn)生橫向壓電效應(yīng)，沿相對(duì)兩軸加力產(chǎn)生橫向壓電效應(yīng)，沿相對(duì)兩平面加力產(chǎn)生切向壓電效應(yīng)。平面加力產(chǎn)生切向壓電效應(yīng)。 石英石英(SiO2)晶體結(jié)晶形狀晶體結(jié)晶形狀為六角形晶柱。兩端為一為六角形晶柱。兩端為一對(duì)稱的棱錐，六棱柱是它對(duì)稱的棱錐，六棱柱是它的基本組織的基本組織石英的壓電效應(yīng)石英的壓電效應(yīng) 這時(shí)正負(fù)離子正好分布在正六邊形的頂角上，呈

16、現(xiàn)電中性。如果沿這時(shí)正負(fù)離子正好分布在正六邊形的頂角上，呈現(xiàn)電中性。如果沿X方向壓方向壓縮，如圖縮，如圖b所示，則硅離子所示，則硅離子1被擠入氧離子被擠入氧離子2和和6之間，而氧離子之間，而氧離子4被擠入硅離被擠入硅離子子3和和5之間，結(jié)果表面之間，結(jié)果表面A上呈現(xiàn)負(fù)電荷，而在表面上呈現(xiàn)負(fù)電荷，而在表面B上呈現(xiàn)正電荷。這一現(xiàn)象上呈現(xiàn)正電荷。這一現(xiàn)象稱為縱向壓電效應(yīng)。若沿稱為縱向壓電效應(yīng)。若沿Y方向壓縮，如圖方向壓縮，如圖c所示，硅離子所示，硅離子3和氧離子和氧離子2，以及，以及硅離子硅離子5和氧離子和氧離子6都向內(nèi)移動(dòng)同樣的數(shù)值，故在電極都向內(nèi)移動(dòng)同樣的數(shù)值，故在電極C和和D上不呈現(xiàn)電荷，而上

17、不呈現(xiàn)電荷，而在表面在表面A和和B上，即在上，即在X軸的端面上又呈現(xiàn)電荷，但與圖軸的端面上又呈現(xiàn)電荷，但與圖b的極性正好相反，的極性正好相反，這時(shí)稱為橫向壓電效應(yīng)。從研究的模型同樣可以看出：如果是使其伸長(zhǎng)而不這時(shí)稱為橫向壓電效應(yīng)。從研究的模型同樣可以看出：如果是使其伸長(zhǎng)而不是壓縮時(shí)，則電荷的極性正好相反?？傊?，石英等單晶體材料是各向異性的是壓縮時(shí)，則電荷的極性正好相反。總之，石英等單晶體材料是各向異性的物體，在物體，在X或或Y軸向施力時(shí)，在與軸向施力時(shí)，在與X軸垂直的面上產(chǎn)生電荷，電場(chǎng)方向與軸垂直的面上產(chǎn)生電荷，電場(chǎng)方向與X軸軸平行，在平行，在Z軸方向施力時(shí)，不能產(chǎn)生壓電效應(yīng)。軸方向施力時(shí)，不

18、能產(chǎn)生壓電效應(yīng)。aQUC石英的化學(xué)式為石英的化學(xué)式為SiO2，在一個(gè)晶體單元中，有在一個(gè)晶體單元中，有三個(gè)硅離子三個(gè)硅離子si4+和六個(gè)氧和六個(gè)氧離子離子O2-，后者是成對(duì)的，后者是成對(duì)的，所以一個(gè)硅離子和兩個(gè)所以一個(gè)硅離子和兩個(gè)氧離子交替排列。當(dāng)沒氧離子交替排列。當(dāng)沒有力作用時(shí)有力作用時(shí)si4+和和O2-在在垂直于晶體垂直于晶體Z軸的軸的XY平平面上的投影恰好等效為面上的投影恰好等效為正六邊形排列，如圖正六邊形排列，如圖a示。示。(2) (2) 水溶性壓電晶體水溶性壓電晶體 這類壓電晶體有酒石酸鉀鈉這類壓電晶體有酒石酸鉀鈉(NaKC(NaKC4 4H H4 4O O6 64H20)4H20)

19、、硫酸、硫酸鋰鋰(Li(Li2 2SOSO4 4H H2 2O)O)、磷酸二氫鉀、磷酸二氫鉀(KH(KH2 2POPO4 4) )等。水溶性壓電晶等。水溶性壓電晶體具有較高的壓電靈敏度和介電常數(shù)，但易于受潮，機(jī)體具有較高的壓電靈敏度和介電常數(shù)，但易于受潮，機(jī)械強(qiáng)度也較低，只適用于室溫和濕度低的環(huán)境下。械強(qiáng)度也較低，只適用于室溫和濕度低的環(huán)境下。(3) (3) 鈮酸鋰晶體鈮酸鋰晶體 鈮酸鋰是一種透明單晶，熔點(diǎn)為鈮酸鋰是一種透明單晶，熔點(diǎn)為12501250，居里點(diǎn)為，居里點(diǎn)為12101210。它具有良好的壓電性能和時(shí)間穩(wěn)定性，在耐高。它具有良好的壓電性能和時(shí)間穩(wěn)定性，在耐高溫傳感器上有廣泛的前途。

20、溫傳感器上有廣泛的前途。(4)(4)壓電陶瓷壓電陶瓷 這是一種應(yīng)用最普遍的壓電材料，壓電陶瓷具有這是一種應(yīng)用最普遍的壓電材料，壓電陶瓷具有燒制方便、耐濕、耐高溫、易于成形等特點(diǎn)。燒制方便、耐濕、耐高溫、易于成形等特點(diǎn)。 1) 1) 鈦酸鋇壓電陶瓷鈦酸鋇壓電陶瓷 鈦酸鋇鈦酸鋇(BaTiO(BaTiO3 3) )是由是由BaCOBaCO3 3和和TiOTiO2 2二者在高溫下合成的。具有較高的壓電系數(shù)和二者在高溫下合成的。具有較高的壓電系數(shù)和介電常數(shù)。但它的居里點(diǎn)較低，為介電常數(shù)。但它的居里點(diǎn)較低，為120120，此外機(jī)械，此外機(jī)械強(qiáng)度不如石英。強(qiáng)度不如石英。 2) 2) 鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷鋯鈦酸

21、鉛系壓電陶瓷(PZT) (PZT) 鋯鈦酸鉛是鋯鈦酸鉛是PbTiOPbTiO3 3和和PbZrOPbZrO3 3組成的固溶體組成的固溶體Pb(ZrTi)OPb(ZrTi)O2 2。它具有。它具有較高的壓電系數(shù)和居里點(diǎn)較高的壓電系數(shù)和居里點(diǎn)(300(300以上以上) )。 3) 3) 鈮酸鹽系壓電陶瓷鈮酸鹽系壓電陶瓷 鉭鈮酸鉛具有鉭鈮酸鉛具有很高的居里點(diǎn)和較低的介電常數(shù)。鈮酸鉀的居很高的居里點(diǎn)和較低的介電常數(shù)。鈮酸鉀的居里點(diǎn)為里點(diǎn)為435C435C，常用于水聲傳感器中。，常用于水聲傳感器中。 4) 4) 鈮鎂酸鉛壓電陶瓷鈮鎂酸鉛壓電陶瓷(PMN) (PMN) 這是一種這是一種由由Pb(MgNb)

22、OPb(MgNb)O3 3、PbTiOPbTiO3 3、PbZrOPbZrO3 3組成的三元系組成的三元系陶瓷。它具有較高的壓陶瓷。它具有較高的壓 電系數(shù)和居里點(diǎn)，電系數(shù)和居里點(diǎn)，能夠在較高的壓力下工作，適合作為高溫下的能夠在較高的壓力下工作，適合作為高溫下的力傳感器。力傳感器。(5) (5) 壓電半導(dǎo)體壓電半導(dǎo)體 有些晶體既具有半導(dǎo)體特性又同時(shí)具有壓電性能，如有些晶體既具有半導(dǎo)體特性又同時(shí)具有壓電性能，如ZnSZnS、CaSCaS、GaAsGaAs等。因此既可利用它的壓電特性研制傳感等。因此既可利用它的壓電特性研制傳感器，又可利用半導(dǎo)體特性以微電子技術(shù)制成電子器件。器，又可利用半導(dǎo)體特性以微

23、電子技術(shù)制成電子器件。(6) (6) 高分子壓電材料高分子壓電材料 某些合成高分子聚合物薄膜經(jīng)延展拉伸和電場(chǎng)極化后，某些合成高分子聚合物薄膜經(jīng)延展拉伸和電場(chǎng)極化后，有一定的壓電性能，這就是高分子壓電薄膜。目前出現(xiàn)的有一定的壓電性能，這就是高分子壓電薄膜。目前出現(xiàn)的壓電薄膜有聚二氟乙烯壓電薄膜有聚二氟乙烯PVF2PVF2、聚氟乙烯、聚氟乙烯PVFPVF、聚氯乙烯、聚氯乙烯PVCPVC、聚聚甲基甲基-L-L谷氨酸脂谷氨酸脂PMGPMG等。這是一種柔軟的壓電材料，不等。這是一種柔軟的壓電材料，不易破碎，可以大量生產(chǎn)和制成較大的面積。易破碎，可以大量生產(chǎn)和制成較大的面積。 5.3.2 5.3.2 壓電

24、元件的等效電路及信號(hào)變換電路壓電元件的等效電路及信號(hào)變換電路壓電元件兩電極間的壓電陶瓷或石英為絕緣體，而兩壓電元件兩電極間的壓電陶瓷或石英為絕緣體，而兩個(gè)工作面上進(jìn)行金屬蒸鍍，形成金屬膜，因此就構(gòu)成個(gè)工作面上進(jìn)行金屬蒸鍍，形成金屬膜，因此就構(gòu)成一個(gè)電容器。當(dāng)壓電元件受外力作用時(shí)，兩表面產(chǎn)生一個(gè)電容器。當(dāng)壓電元件受外力作用時(shí)，兩表面產(chǎn)生等量的正、負(fù)電荷等量的正、負(fù)電荷Q，壓電元件的開路電壓，壓電元件的開路電壓(負(fù)載電阻負(fù)載電阻為無窮大為無窮大)U為：為： 這樣可把壓電傳感器等效為一個(gè)電流源這樣可把壓電傳感器等效為一個(gè)電流源Q和一個(gè)電容和一個(gè)電容器器Ca的等效電路；同時(shí)也可等效為一個(gè)電壓源的等效電

25、路；同時(shí)也可等效為一個(gè)電壓源U和一和一個(gè)電容器個(gè)電容器Ca串聯(lián)的等效電路。串聯(lián)的等效電路。 1. 1. 壓電元件的等效電路壓電元件的等效電路其中其中Ra為壓電元件的漏電阻。為壓電元件的漏電阻。工作時(shí)，壓電元件與二次儀表工作時(shí)，壓電元件與二次儀表配套使用必定與測(cè)量電路相連接，這就要考慮連接電纜電容配套使用必定與測(cè)量電路相連接，這就要考慮連接電纜電容Ca、放大器的輸入電阻、放大器的輸入電阻Ri和輸入電容和輸入電容Ci。 壓電元件常用的結(jié)構(gòu)形式壓電元件常用的結(jié)構(gòu)形式 在實(shí)際使用中，如僅用單片壓電元件工作的話，要產(chǎn)生足在實(shí)際使用中，如僅用單片壓電元件工作的話，要產(chǎn)生足夠的表面電荷就要很大的作用力，因此

26、一般采用兩片或兩片夠的表面電荷就要很大的作用力，因此一般采用兩片或兩片以上壓電元件組合在一起使用。由于壓電元件是有極性的，以上壓電元件組合在一起使用。由于壓電元件是有極性的，因此連接方法有兩種：因此連接方法有兩種：并聯(lián)連接和串聯(lián)連接。并聯(lián)連接和串聯(lián)連接。 壓電元件并聯(lián)連接和串聯(lián)連接壓電元件并聯(lián)連接和串聯(lián)連接 并聯(lián)連接：兩壓電元件的并聯(lián)連接：兩壓電元件的負(fù)極集中在中間極板上，正負(fù)極集中在中間極板上，正極在上下兩邊并連接在一起，極在上下兩邊并連接在一起，其輸出電容其輸出電容C C為單片的為單片的n n倍，倍，即即 C=nC， U=U，Q=nQ。 串聯(lián)連接：上極板為正極，串聯(lián)連接：上極板為正極，下極

27、板為負(fù)極，在中間是一元下極板為負(fù)極，在中間是一元件的負(fù)極與另一元件的正極相件的負(fù)極與另一元件的正極相連接，連接，這時(shí)有這時(shí)有QQ，U= nU，C=C/n 在以上兩種聯(lián)接方式中，并聯(lián)接法輸出電荷大，在以上兩種聯(lián)接方式中，并聯(lián)接法輸出電荷大，本身電容大，因此時(shí)間常數(shù)也大，適用于測(cè)量緩變本身電容大，因此時(shí)間常數(shù)也大，適用于測(cè)量緩變信號(hào)，并以電荷量作為輸出的場(chǎng)合。串聯(lián)接法輸出信號(hào)，并以電荷量作為輸出的場(chǎng)合。串聯(lián)接法輸出電壓高，本身電容小，適用于以電壓作為輸出量以電壓高，本身電容小，適用于以電壓作為輸出量以及測(cè)量電路輸入阻抗很高的場(chǎng)合。及測(cè)量電路輸入阻抗很高的場(chǎng)合。 壓電元件在壓電式傳感器中，必須有一定

28、的預(yù)壓電元件在壓電式傳感器中，必須有一定的預(yù)應(yīng)力，這樣可以保證在作用力變化時(shí)，壓電片始終應(yīng)力，這樣可以保證在作用力變化時(shí)，壓電片始終受到壓力，同時(shí)也保證了壓電片的輸出與作用力的受到壓力，同時(shí)也保證了壓電片的輸出與作用力的線性關(guān)系。線性關(guān)系。 2. 壓電式傳感器的信號(hào)調(diào)節(jié)電路壓電式傳感器的信號(hào)調(diào)節(jié)電路壓電式傳感器要求負(fù)載電阻壓電式傳感器要求負(fù)載電阻RL必須有很大的必須有很大的數(shù)值，才能使測(cè)量誤差小到一定數(shù)值以內(nèi)。數(shù)值，才能使測(cè)量誤差小到一定數(shù)值以內(nèi)。因此因此常先接入一個(gè)高輸入阻抗的前置放大器常先接入一個(gè)高輸入阻抗的前置放大器，然后再接一般的放大電路及其它電路。然后再接一般的放大電路及其它電路。測(cè)

29、量電路關(guān)鍵在高阻抗的前置放大器。測(cè)量電路關(guān)鍵在高阻抗的前置放大器。u 前置放大器兩個(gè)作用前置放大器兩個(gè)作用:（1）把壓電式傳感器的微弱信號(hào)放大；）把壓電式傳感器的微弱信號(hào)放大；（2）把傳感器的高阻抗輸出變換為低阻抗輸出。）把傳感器的高阻抗輸出變換為低阻抗輸出。（1）電壓放大器）電壓放大器iaiaRRRRRCa：傳感器的電容：傳感器的電容 Ra：傳感器的絕緣電阻：傳感器的絕緣電阻 Cc：連接電纜的等效電容：連接電纜的等效電容Ri：放大器的輸入電阻：放大器的輸入電阻Ci：輸入電容：輸入電容icaCCCCRCjRiUi1前置放大器輸入電壓前置放大器輸入電壓 tFddtdQimcos11壓電元件的力壓

30、電元件的力 F=Fmsint壓電元件的壓電系數(shù)為壓電元件的壓電系數(shù)為d11，產(chǎn)生的電荷為，產(chǎn)生的電荷為Q = d11F。FdjI11RCjRjFdUi111。2211)()(1icamimCCCRRFdu輸入電壓的幅值輸入電壓的幅值 當(dāng)作用力是靜態(tài)力（當(dāng)作用力是靜態(tài)力（=0） 時(shí)，前置放大器的輸入電壓為零。時(shí)，前置放大器的輸入電壓為零。原理上決定了壓電式傳感器不能測(cè)量靜態(tài)物理量。原理上決定了壓電式傳感器不能測(cè)量靜態(tài)物理量。壓電式傳感器突出優(yōu)點(diǎn)：高頻響應(yīng)相當(dāng)好。壓電式傳感器突出優(yōu)點(diǎn)：高頻響應(yīng)相當(dāng)好。 擴(kuò)大傳感器的低頻響應(yīng)范圍的方法擴(kuò)大傳感器的低頻響應(yīng)范圍的方法 如果被測(cè)物理量是緩慢變化的動(dòng)態(tài)量，

31、而測(cè)量回路如果被測(cè)物理量是緩慢變化的動(dòng)態(tài)量，而測(cè)量回路的時(shí)間常數(shù)又不大，則造成傳感器靈敏度下降。的時(shí)間常數(shù)又不大，則造成傳感器靈敏度下降。因因此為了擴(kuò)大傳感器的低頻響應(yīng)范圍，就必須盡量提此為了擴(kuò)大傳感器的低頻響應(yīng)范圍，就必須盡量提高回路的時(shí)間常數(shù)。高回路的時(shí)間常數(shù)。但這不能靠增加測(cè)量回路的電容量來提高時(shí)間常數(shù)，但這不能靠增加測(cè)量回路的電容量來提高時(shí)間常數(shù)，因?yàn)閭鞲衅鞯碾妷红`敏度與電容成反比的，因?yàn)閭鞲衅鞯碾妷红`敏度與電容成反比的，切實(shí)可切實(shí)可行的辦法是提高測(cè)量回路的電阻行的辦法是提高測(cè)量回路的電阻。由于傳感器本身。由于傳感器本身的絕緣電阻一般都很大，所以的絕緣電阻一般都很大，所以測(cè)量回路的電阻

32、主要測(cè)量回路的電阻主要取決于前置放大器的輸入電阻。取決于前置放大器的輸入電阻。放大器的輸入電阻放大器的輸入電阻越大，測(cè)量回路的時(shí)間常數(shù)就越大，傳感器的低頻越大，測(cè)量回路的時(shí)間常數(shù)就越大，傳感器的低頻響應(yīng)也就越好。響應(yīng)也就越好。電壓放大器應(yīng)用限制電壓放大器應(yīng)用限制 壓電式傳感器在與電壓放大器配合使用時(shí)，壓電式傳感器在與電壓放大器配合使用時(shí)，連接連接電纜不能太長(zhǎng)電纜不能太長(zhǎng)。電纜長(zhǎng)，電纜電容。電纜長(zhǎng)，電纜電容Cc就大，電纜就大，電纜電容增大必然使傳感器的電壓靈敏度降低。電容增大必然使傳感器的電壓靈敏度降低。 電壓放大器與電荷放大器相比，電路簡(jiǎn)單，元件電壓放大器與電荷放大器相比，電路簡(jiǎn)單，元件少，價(jià)格便宜，工作可靠，但是電纜長(zhǎng)度對(duì)傳感少，價(jià)格便宜，工作可靠，但是電纜長(zhǎng)