電動勢式傳感器

關(guān)于電動勢式傳感器第一頁，共四十五頁，2022年，8月28日7.1磁電式傳感器

通過磁電作用將被測量（如振動、轉(zhuǎn)速、扭矩）轉(zhuǎn)換成電勢信號。 利用導(dǎo)體和磁場發(fā)生相對運動而在導(dǎo)體兩端輸出感應(yīng)電勢；機-電能量變換型傳感器

優(yōu)點:

不需要供電電源，電路簡單，性能穩(wěn)定，輸出阻抗小第二頁，共四十五頁，2022年，8月28日7.1.1磁電式傳感器的工作原理7.1.2動圈式磁電傳感器7.1.3磁阻式磁電傳感器7.1磁電式傳感器第三頁，共四十五頁，2022年，8月28日7.1.1磁電式傳感器的工作原理法拉第電磁感應(yīng)定律：不同類型的磁電式傳感器磁通量Ф的變化實現(xiàn)辦法:

磁鐵與線圈之間作相對運動；恒定磁場中線圈面積的變化；

磁路中磁阻的變化.直接應(yīng)用：測定速度在信號調(diào)節(jié)電路中接積分電路，或微分電路，磁電式傳感器就可以用來測量位移或加速度。第四頁，共四十五頁，2022年，8月28日7.1.1磁電式傳感器的工作原理7.1.2動圈式磁電傳感器7.1.3磁阻式磁電傳感器7.1磁電式傳感器第五頁，共四十五頁，2022年，8月28日動圈式磁電傳感器結(jié)構(gòu)磁電式傳感器構(gòu)成：

1、磁路系統(tǒng)由它產(chǎn)生恒定直流磁場。為了減小傳感器的體積，一般都采用永久磁鐵；

2、線圈由它切割磁力線運動產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。作為一個完整的磁電式傳感器，除了磁路系統(tǒng)和線圈外，還有一些其它元件，如殼體、支承、阻尼器、接線裝置等。第六頁，共四十五頁，2022年，8月28日（1）線圈做直線運動的傳感器：當線圈在磁場中做直線運動時，它產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢為：B—工作氣隙中的磁感應(yīng)強度（1T=1Wb/m2）L—每匝線圈的有效長度(垂直切割磁感線的導(dǎo)線的等效長度，即圓形線圈的直徑（與運動速度方向垂直）)N—工作氣隙中線圈繞組的匝數(shù)v—線圈與磁場的相對直線速度θ—線圈面的法線方向與磁場方向夾角結(jié)構(gòu)一定時，感應(yīng)電勢與線圈對磁場的相對速度成正比。第七頁，共四十五頁，2022年，8月28日當穿過某一不閉合線圈的磁通量發(fā)生變化時，線圈中雖無感應(yīng)電流，但感應(yīng)電動勢依舊存在。當一段導(dǎo)體在勻強磁場中做勻速切割磁感線運動時，不論電路是否閉合，感應(yīng)電動勢的大小只與磁感應(yīng)強度B、導(dǎo)體長度L、切割速度v及v和B方向間夾角θ的正弦值成正比，即e=BLvsinθ(θ為B,L,v三者間通過互相轉(zhuǎn)化兩兩垂直所得的角)。在導(dǎo)體棒不切割磁感線時，但閉合回路中有磁通量變化時，同樣能產(chǎn)生感應(yīng)電流。應(yīng)用楞次定律可以判斷電流方向。第八頁，共四十五頁，2022年，8月28日（2）線圈做旋轉(zhuǎn)運動的傳感器：（類似于發(fā)電機）θ—線圈面的法線方向與磁場方向夾角ω—角頻率。ω為常數(shù)時，θ=ωtN—工作氣隙中線圈繞組的匝數(shù)A—線圈所包圍的面積結(jié)構(gòu)一定時，感應(yīng)電勢與線圈對磁場的相對角速度成正比。第九頁，共四十五頁，2022年，8月28日7.1.1磁電式傳感器的工作原理7.1.2動圈式磁電傳感器7.1.3磁阻式磁電傳感器7.1磁電式傳感器第十頁，共四十五頁，2022年，8月28日7.1.3磁阻式磁電傳感器

線圈和磁鐵部分都是靜止的，與被測物連接而運動的部分是用導(dǎo)磁材料制成的，在運動中，它們改變磁路的磁阻，因而改變貫穿線圈的磁能量，在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。 用來測量轉(zhuǎn)速，線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢的頻率作為輸出，而電勢的頻率取決于磁通變化的頻率。

結(jié)構(gòu)：開磁路、閉磁路第十一頁，共四十五頁，2022年，8月28日

當齒輪旋轉(zhuǎn)時，由齒輪的凹凸引起磁阻的周期性變化，磁通也周期性變化，從而在線圈中感應(yīng)出交變電勢，其頻率f與轉(zhuǎn)速n及齒輪齒數(shù)z的關(guān)系為：開磁路磁阻式轉(zhuǎn)速傳感器1－永久磁鐵3－感應(yīng)線圈2－軟鐵4－齒輪結(jié)構(gòu)比較簡單，但輸出信號較小，當被測軸振動較大時，傳感器輸出波形失真較大。第十二頁，共四十五頁，2022年，8月28日閉磁路磁阻式轉(zhuǎn)速傳感器閉磁路磁組式轉(zhuǎn)速傳感器當轉(zhuǎn)軸連接到被測軸上轉(zhuǎn)動時，內(nèi)外齒輪的相對運動使磁路氣隙發(fā)生變化，因而磁阻發(fā)生變化并使貫穿于線圈中的磁通量變化，在線圈中感應(yīng)出電動勢。采用在振動強的場合，有下限工作頻率（50Hz）傳感器的輸出電勢取決于線圈中磁場變化速度，5－永久磁鐵4－感應(yīng)線圈3－外齒輪2－內(nèi)齒輪1－轉(zhuǎn)軸第十三頁，共四十五頁，2022年，8月28日7.2壓電式傳感器7.2.1壓電式傳感器的工作原理7.2.2等效電路及信號變換電路7.2.3壓電式加速度傳感器7.2.4壓電式測力傳感器第十四頁，共四十五頁，2022年，8月28日壓電效應(yīng)：由法國物理學(xué)家居里兄弟皮埃爾、雅克于1880年發(fā)現(xiàn)。正壓電效應(yīng)：外力→電荷當晶體受到某固定方向外力的作用時,內(nèi)部就產(chǎn)生電極化現(xiàn)象,同時在某兩個表面上產(chǎn)生符號相反的電荷；當外力撤去后，晶體又恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)；若外力作用方向改變時，電荷的極性也隨之改變；晶體受力所產(chǎn)生的電荷量與外力的大小成正比。逆壓電效應(yīng)：外加電場→機械形變

指對晶體施加電場引起晶體機械變形的現(xiàn)象，在撤掉外加電場時，這些物質(zhì)的機械變形隨之消失。第十五頁，共四十五頁，2022年，8月28日7.2.1壓電式傳感器的工作原理電勢型傳感器以壓電效應(yīng)為基礎(chǔ) 壓電效應(yīng)可逆“雙向傳感器”正壓電效應(yīng) 加力變形產(chǎn)生電荷逆壓電效應(yīng)

施加電場電介質(zhì)產(chǎn)生變形應(yīng)力

常見的壓電材料有石英、鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等。第十六頁，共四十五頁，2022年，8月28日1.石英晶體的壓電效應(yīng)X軸：電軸或1軸；Y軸：機械軸或2軸；Z軸：光軸或3軸?！翱v向壓電效應(yīng)”：沿電軸（X軸）方向的力作用下產(chǎn)生電荷“橫向壓電效應(yīng)”：沿機械軸（Y軸）方向的力作用下產(chǎn)生電荷在光軸（Z軸）方向時則不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。第十七頁，共四十五頁，2022年，8月28日晶體切片當沿電軸方向加作用力Fx時，則在與電軸垂直的平面上產(chǎn)生電荷

d11——壓電系數(shù)（C/N）作用力是沿著機械軸方向電荷仍在與X軸垂直的平面第十八頁，共四十五頁，2022年，8月28日切片上電荷的符號與受力方向的關(guān)系圖（a）是在X軸方向受壓力，圖（b）是在X軸方向受拉力，圖（c）是在Y軸方向受壓力，圖（d）是在Y軸方向受拉力。第十九頁，共四十五頁，2022年，8月28日石英晶體的壓電效應(yīng)（a）正負電荷是互相平衡的，所以外部沒有帶電現(xiàn)象。（b）在X軸方向壓縮，表面A上呈現(xiàn)負電荷、B表面呈現(xiàn)正電荷。（c）沿Y軸方向壓縮，在A和B表面上分別呈現(xiàn)正電荷和負電荷第二十頁，共四十五頁，2022年，8月28日石英晶體一種天然晶體，壓電系數(shù)d11＝2.31×10－12C/N；莫氏硬度為7、熔點為1750℃、膨脹系數(shù)僅為鋼的1/30。優(yōu)點：轉(zhuǎn)換精度高、線性范圍寬、重復(fù)性好、固有頻率高、動態(tài)特性好、工作溫度高達550℃（壓電系數(shù)不隨溫度變化而改變）、工作濕度高達100%、穩(wěn)定性好。第二十一頁，共四十五頁，2022年，8月28日2、壓電陶瓷的壓電效應(yīng)：(1)壓電陶瓷介紹：壓電陶瓷是一種具有壓電效應(yīng)的功能陶瓷。人工制造、各向同性、多晶體。原始的壓電陶瓷材料內(nèi)部具有無數(shù)自發(fā)極化的電疇，各電疇的極化方向無規(guī)則，不具備壓電性。壓電陶瓷要經(jīng)極化處理之后才具有壓電性。第二十二頁，共四十五頁，2022年，8月28日直流電場E剩余極化強度P剩余伸長電場作用下的伸長(a)極化處理前(b)極化處理（取極化方向為Z軸方向）(c)極化處理后

極化處理后，大多數(shù)電疇仍大致沿原外電場方向排列，因而陶瓷內(nèi)部極化強度不為0，即存在剩余極化強度，壓電陶瓷兩端出現(xiàn)束縛電荷，但整體上仍表現(xiàn)為電中性(2)極化處理：Z軸方向外加強直流電場1000~3000V/mm第二十三頁，共四十五頁，2022年，8月28日極化處理后壓電陶瓷整體上仍表現(xiàn)為電中性：極化處理→內(nèi)部極化強度不為0→兩端面出現(xiàn)正負束縛電荷；束縛電荷→陶瓷表面吸附自由電荷自由電荷與束縛電荷數(shù)量相等、極性相反第二十四頁，共四十五頁，2022年，8月28日(3)壓電陶瓷的壓電效應(yīng)：壓電效應(yīng)：沿極化方向施加外力外力→壓縮變形→電疇偏轉(zhuǎn)→極化強度減小→釋放部分自由電荷。（放電）外力撤消→恢復(fù)原形→電疇回轉(zhuǎn)→極化強度增大→吸附部分自由電荷。（充電）逆壓電效應(yīng)：沿極化方向施加電場

電場方向與極化方向相同：極化強度增強→正負束縛電荷間距變大→極化方向伸長電場方向與極化方向相反：極化強度減弱→正負束縛電荷間距變小→極化方向縮短剩余極化強度剩余伸長第二十五頁，共四十五頁，2022年，8月28日壓電陶瓷的正壓電效應(yīng)壓電陶瓷片上加上一個與極化反向平行的外力，陶瓷片將產(chǎn)生壓縮變形，原來吸附在極板上的自由電荷，一部分被釋放而出現(xiàn)放電現(xiàn)象。 當壓力撤消后，陶瓷片恢復(fù)原狀，片內(nèi)的正、負電荷之間的距離變大，極化強度也變大，因此電極上又吸附部分自由電荷而出現(xiàn)充電現(xiàn)象。放電電荷的多少與外力的大小成比例關(guān)系

第二十六頁，共四十五頁，2022年，8月28日常見壓電陶瓷：（1）鈦酸鋇（BaTiO3）壓電陶瓷 具有較高的壓電系數(shù)和介電常數(shù)，機械強度不如石英。（2）鋯鈦酸鉛Pb（Zr·Ti）O3系壓電陶瓷（PZT） 壓電系數(shù)較高，各項機電參數(shù)隨溫度、時間等外界條件的變化小，在鋯鈦酸鉛的基方中添加一兩種微量元素，可以獲得不同性能的PZT材料。（3）鈮鎂酸鉛Pb(MgNb)O3-PbTiO3-PbZrO3壓電陶瓷（PMN） 具有較高的壓電系數(shù)，在壓力大至700kg/cm2仍能繼續(xù)工作，可作為高溫下的力傳感器。第二十七頁，共四十五頁，2022年，8月28日7.2壓電式傳感器7.2.1壓電式傳感器的工作原理7.2.2等效電路及信號變換電路7.2.3壓電式加速度傳感器7.2.4壓電式測力傳感器第二十八頁，共四十五頁，2022年，8月28日7.2.2等效電路及信號變換電路1.壓電元件的等效電路2.壓電式傳感器的信號調(diào)節(jié)電路第二十九頁，共四十五頁，2022年，8月28日1.壓電元件的等效電路靜電荷發(fā)生器：當壓電元件受到外力作用時，會在壓電元件一定方向的兩個表面（電極面）上產(chǎn)生電量相等、極性相反的電荷。電容器：在壓電元件的兩個電極面上有電荷聚集，并且電極面間的物質(zhì)可以等效為電介質(zhì)。第三十頁，共四十五頁，2022年，8月28日壓電式傳感器的等效電路(a)等效為一個電荷源Q與一個電容Ca并聯(lián)的電路(b)等效成一個電源U=Q/Ca

和一個電容Ca的串聯(lián)電路第三十一頁，共四十五頁，2022年，8月28日兩個壓電片的聯(lián)接方式（a）“并聯(lián)”，Q’=2Q，U’=U，C’=2C并聯(lián)接法輸出電荷大，本身電容大，時間常數(shù)大，適宜用在測量慢變信號并且以電荷作為輸出量的地方，（b）“串聯(lián)”Q’=Q，U’=2U，C’=C/2而串聯(lián)接法輸出電壓大，本身電容小。適宜用于以電壓作輸出信號，且測量電路輸入阻抗很高的地方。第三十二頁，共四十五頁，2022年，8月28日2.壓電式傳感器的信號調(diào)節(jié)電路

壓電式傳感器要求負載電阻RL必須有很大的數(shù)值，才能使測量誤差小到一定數(shù)值以內(nèi)。 因此常先接入一個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。

測量電路關(guān)鍵在高阻抗的前置放大器。前置放大器兩個作用:把壓電式傳感器的微弱信號放大；把傳感器的高阻抗輸出變換為低阻抗輸出。第三十三頁，共四十五頁，2022年，8月28日

前置放大器的形式：1、電壓放大器：輸出電壓與輸入電壓（傳感器輸出電壓）成正比；要求高輸入阻抗，以提高低頻段測量范圍。電纜長度應(yīng)設(shè)為常數(shù)（靈敏度易受電纜電容的影響）。2、電荷放大器：輸出電壓與傳感器的輸出電荷成正比。輸出電壓與傳輸電纜長度無關(guān)（電纜電容影響小），適合長距離傳輸工作。經(jīng)前置放大后，可采用一般放大、檢波、記錄等電路，或經(jīng)功率放大至記錄器。第三十四頁，共四十五頁，2022年，8月28日7.2壓電式傳感器7.2.1壓電式傳感器的工作原理7.2.2等效電路及信號變換電路7.2.3壓電式加速度傳感器7.2.4壓電式測力傳感器第三十五頁，共四十五頁，2022年，8月28日7.2.3壓電式加速度傳感器壓縮式壓電加速度傳感器結(jié)構(gòu)第三十六頁，共四十五頁，2022年，8月28日測量原理當傳感器感受振動時，質(zhì)量塊感受與傳感器基座相同的振動，并受到與加速度方向相反的慣性力的作用。這樣，質(zhì)量塊就有一正比于加速度的交變力作用在壓電片上。由于壓電片壓電效應(yīng)，兩個表面上就產(chǎn)生交變電荷，當振動頻率遠低于傳感器的固有頻率時，傳感器的輸出電荷（電壓）與作用力成正比，亦即與試件的加速度成正比。輸出電量由傳感器輸出端引出，輸入到前置放大器后就可以用普通的測量儀器測出試件的加速度，如在放大器中加進適當?shù)姆e分電路，就可以測出試件的振動速度或位移。第三十七頁，共四十五頁，2022年，8月28日7.2壓電式傳感器7.2.1壓電式傳感器的工作原理7.2.2等效電路及信號變換電路7.2.3壓電式加速度傳感器7.2.4壓電式測力傳感器第三十八頁，共四十五頁，2022年，8月28日7.2.4壓電式測力傳感器

壓電元件是直接把力轉(zhuǎn)換為電荷的傳感器。變形方式：利用縱向壓電效應(yīng)的TE方式最簡便。材料選擇：決定于所測力的量值大小，對測量誤差提出的要求、工作環(huán)境溫度等各種因素。晶片數(shù)目：通常是使用機械串聯(lián)而電氣并聯(lián)的兩片。 晶片電氣并聯(lián)兩片，可以使傳感器的電荷輸出靈敏度增大一倍。第三十九頁，共四十五頁，2022年，8月28日單向壓電式測力傳感器用于機床動態(tài)切削力的測量。第四十頁，共四十五頁，2022年，8月