第4章-傳感器原理3

4.5壓電式傳感器

1.變換原理:壓電效應

壓電式傳感器的工作原理是以某些物質的壓電效應為基礎的。壓電效應：物質在機械力作用下發(fā)生變形時，內部產(chǎn)生極化現(xiàn)象，在其表面上產(chǎn)生符號相反的電荷，去掉外力時電荷立即消失。第四章傳感器測量原理與測量電路極化強度：由于壓電效應而產(chǎn)生的電荷的密度。Px,Py沿電軸(X軸)方向的作用力)產(chǎn)生的壓電效應---縱向壓電效應把沿機械軸(Y軸)方向的作用力產(chǎn)生的壓電效應---橫向壓電效應沿光軸(Z軸)方向的作用力不產(chǎn)生壓電效應石英晶體切片（六角棱柱）：X軸：電軸（通過棱角）Y軸：機械軸（垂直棱面）Z軸：光軸（垂直于六邊形）縱向壓電效應和橫向壓電效應：電荷方向相反極化強度：由于壓電效應而產(chǎn)生的電荷的密度。Px,Py晶片的長、寬、厚分別為l、w、td11、d12分別為縱向壓電系數(shù)和橫向壓電系數(shù)結論：對縱向壓電效應，晶面產(chǎn)生的電荷與作用力成正比，而與晶片的幾何尺寸無關。對橫向壓電效應，晶面產(chǎn)生的電荷不僅與作用力成正比，而且與晶片幾何尺寸有關在壓電晶片的兩個工作面上進行金屬蒸鍍，形成金屬膜，構成兩個電極

可以看作是一個電荷發(fā)生器，也可以看成是一個電容器。若要測得力值F，主要問題是如何測得電荷值。注意：利用壓電式傳感器測量靜態(tài)或準靜態(tài)量值時，必須采取一定的措施，使電荷從壓電晶片上經(jīng)測量電路的漏失減小到足夠小程度。在動態(tài)力作用下，電荷可以得到不斷補充，可以供給測量電路一定的電流，故壓電傳感器適宜作動態(tài)測量壓電材料分為壓電晶體和壓電陶瓷居里點：壓電材料失去壓電特性時的臨界溫度。1壓電晶體1）石英晶體：化學成分：二氧化硅溫度穩(wěn)定性好居里點為573℃壓電系數(shù)比較小2）水溶性壓電晶體化學成分：酒石酸鉀鈉壓電系數(shù)很大（1000倍）機械強度低居里點低，容易受潮壓電材料2壓電陶瓷壓電陶瓷是由多種材料燒制而成的，本身并沒有壓電效應，需用強電場對其進行極化處理后其才有壓電效應。1）鈦酸鋇壓電陶瓷較高的壓電系數(shù)（50）抗?jié)裥阅茌^好居里點低（120℃）溫度穩(wěn)定性也較差2）鋯鈦酸鉛壓電陶瓷壓電系數(shù)較高（100）居里點310℃等效電路和測量電路壓電晶體的絕緣電阻很高，表面有電荷，可視為電容器。等效電路：1）電荷等效電路2）電壓等效電路在使用壓電式傳感器時，它是與測量儀器配合一起使用的，此時必須考慮連接電纜電容Cc，放大器輸入電容Ci和輸入電阻Ri，再加上傳感器本身的電容Ca和泄漏電阻Ra，則完整的等效電路如圖所示。根據(jù)傳感器的工作原理和等效電路，它的輸出可以是電壓信號，也可以使電荷信號，因此放大器分別有電壓放大器和電荷放大器兩種。壓電式傳感器的輸出電信號很微弱，通常先把傳感器信號先輸入到高輸入阻抗的前置放大器中，經(jīng)過阻抗交換以后，方可用一般的放大檢波電路再將信號輸入到指示儀表或記錄器中。

前置放大器的作用有兩點：其一是將傳感器的高阻抗輸出變換為低阻抗輸出；其二是放大傳感器輸出的微弱電信號。

前置放大器電路有兩種形式：一種是用電阻反饋的電壓放大器，其輸出電壓與輸入電壓(即傳感器的輸出)成正比；另一種是用帶電容板反饋的電荷放大器，其輸出電壓與輸入電荷成正比。

輸出電壓為復數(shù)，其函數(shù)關系由其傳遞函數(shù)（一階高通環(huán)節(jié)）確定。1電壓放大器前置放大器的輸入電壓和傳感器的電壓靈敏度都與連接傳感器到前置放大器之間的電纜電容Cc有關。當改變電纜長度時，前置放大器輸入電壓與傳感器靈敏度都會發(fā)生變化。因此，在使用中，電纜不是規(guī)定的長度時，要重新標定靈敏度。電纜電容的變化會引入壓電傳感器的測量誤差，這就是電壓放大器的一個突出缺點。忽略輸入電阻和絕緣電阻2電荷放大器放大器的輸出電壓與電纜電容無關，也就是說傳感器的輸出靈敏度與電纜電容無關。因此，采用電荷放大器時，電纜長度的變化對傳感器的靈敏度影響不大，這就是電荷放大器的一個突出優(yōu)點。但是，電纜長度的增加，會使電纜噪聲增大，降低了測量的信噪比，為了減小電纜的噪聲，不僅要用屏蔽電纜，還要使用價格較貴的低噪聲電纜。ICP壓電傳感器ICP（IntegretedCircuitPiezoelectric)特點：將前端的放大器置于傳感器內好處：允許信號傳輸采用普通的屏蔽電纜（低阻抗），長距離傳輸特點屬能量轉換型傳感器，無需外界供電。固有頻率高，適用于進行動態(tài)測量。（60kHz～200kHz）常因絕緣電阻不夠高存在漏電現(xiàn)象，從而影響其低頻特性，不適于靜態(tài)測量。靈敏度高，體積小。廣泛應用于加速度和動態(tài)力、壓力的測量。產(chǎn)品

加速度計力傳感器4.6壓阻式傳感器

一、工作原理壓阻式傳感器是以單晶硅膜片作為敏感元件，在該膜片上采用集成電路工藝制作四個電阻并組成惠斯登電橋，當膜片受力后，由于半導體的壓阻效應，電阻阻值發(fā)生變化，使電橋有輸出。半導體電阻的相對變化為：

由于半導體材料的各向異性，對不同的晶軸方向其壓阻系數(shù)不同，則電阻的相對變化可表示為：和——縱向應力和橫向應力和——縱向壓阻系數(shù)和橫向壓阻系數(shù)二、測量電路

1.恒壓源供電四個電阻假設初始值都相等且為R，電阻變化時，增加量為R，減小量為-R，由于溫度的影響，使每個電阻都變化了Rt。則電橋輸出為整理后得2.恒流源供電

四個電阻假設初始值都相等且為R，電阻變化時，增加量為R，減小量為-R，由于溫度的影響，使每個電阻都變化了Rt。流過兩支路的電流相等，都等于總電流的一半(I/2)，則電橋輸出為整理后得三、壓阻式傳感器的特點(1)結構簡單，可微型化。(2)固有頻率高。(3)靈敏度高。(4)精度高。(5)使用溫度范圍小。4.7霍爾氏傳感器

一.霍爾效應在一塊長為l，寬為b，厚為d的半導體薄片兩側通過電流I，在薄片的垂直方向施加磁場B，則在半導體另兩側產(chǎn)生一個與電流I和磁場B乘積成正比的電動勢UH，這一現(xiàn)象稱為霍爾效應，所產(chǎn)生的電動勢稱為霍爾電勢。RH——霍爾系數(shù)d——霍爾元件厚度二.霍爾元件及基本電路

霍爾元件一般是半導體材料制成。其電阻率高，載流子遷移率大，霍爾系數(shù)很大。其基本電路如圖所示，圖中電源E是供給元件的激勵電流，可調電阻R用來調節(jié)激勵電流的大小，Rf為霍爾電勢輸出端的負載電阻，通常它是放大器或記錄儀表的輸入阻抗。三.霍爾元件的誤差及其補償1.溫度誤差及其補償霍爾元件由半導體制成，因半導體對溫度很敏感，霍爾元件的載流子遷移率，電阻率和霍爾系數(shù)都隨溫度而變化，導致霍爾傳感器產(chǎn)生溫度誤差?；魻栐臏囟日`差可采用多種方法進行補償，最常用的方法是采用恒流源激勵。此電路的溫度補償效果取決于并聯(lián)電阻R值的選擇。2.

不等位電勢及其補償霍爾元件在額定激勵電流作用下，不加外磁場時霍爾電極間的空載電勢稱為不等位電勢。產(chǎn)生不等位電勢的原因是由于在制作霍爾元件時，兩個霍爾電極沒有完全對稱地焊在霍爾元件兩側，或霍爾元件材料的電阻率不均勻，基片寬度，厚度不一致；或激勵電流極與基片的端面接觸不良。以上原因引起的不等位電勢要完全消除是很困難的，可通過補償措施使不等位電勢減小到一定程度，一般要求不等位電勢u0要小于1mV。

在進行不等位電勢補償時，是把霍爾元件看成一個電橋，不等位電勢就相當于電橋的不平衡輸出，因此凡是能使電橋達到平衡的方法都可以補償不等位電勢。四、霍爾元件的特點

由于結構簡單，體積小，頻帶寬，動態(tài)特性好，壽命長等優(yōu)點，在自動化技術，檢測技術，和信息處理技術等方面有著廣泛的應用，用于測量位移，壓力，力，加速度，振動，轉速等參數(shù)。1.

位移測量2.

壓力測量4.8磁電式傳感器

1.變換原理:

磁電式傳感器是把被測量的物理量轉換為感應電動勢的一種轉換器。感應線圈的感應電動勢e為磁通變化率與磁場強度、磁阻、線圈運動速度有關，改變其中一個因素，都會改變感應電動勢。

2分類

磁電式動圈式磁阻式線速度型角速度型N3.7磁電式傳感器

動圈式傳感器線速度型3.7磁電式傳感器

角速度型測速電機3.7磁電式傳感器

在傳感器中當結構參數(shù)確定后，B、l、N、S均為定值，感應電動勢e與線圈相對磁場的運動速度(v或ω)成正比這類傳感器的基本形式是速