No17電動(dòng)勢(shì)式傳感器原理與應(yīng)用課件

5.1磁電式傳感器

1.變換原理:

磁電式傳感器是把被測(cè)量的物理量轉(zhuǎn)換為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的一種轉(zhuǎn)換器。感應(yīng)線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e為磁通變化率與磁場(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)。

第五章電動(dòng)勢(shì)式傳感器原理與應(yīng)用2.分類

磁電式動(dòng)圈式磁阻式線速度型角速度型5.1.2動(dòng)圈式傳感器

線速度型

5.1.3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，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)弱就影響電流密度的分布，故表現(xiàn)為半導(dǎo)體片的電阻變化。5.1.4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FL的作用使帶電粒子偏向c，d電極，在垂直于B和I的方向上產(chǎn)生一感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)VH。該現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)，所產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)VH稱為霍爾電勢(shì)1.基本原理厚度為d的N型半導(dǎo)體薄片上垂直作用了磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場(chǎng)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

——它沿與電流的相反方向運(yùn)動(dòng)5.2霍爾傳感器霍爾電勢(shì)VH的大小

由下式?jīng)Q定：式中KH——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)，取決于材質(zhì)、元件尺寸，并受溫度變化影響；

α——電流方向與磁場(chǎng)方向夾角，如兩者垂直，則sinα＝1。純金屬中自由電子濃度過(guò)高，霍爾效應(yīng)微弱，無(wú)實(shí)用價(jià)值半導(dǎo)體是霍爾元件的常用材料材料的厚度d愈小，則KH就愈大、靈敏度愈高磁阻效應(yīng)與霍爾效應(yīng)的區(qū)別：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。片芯是一塊矩形半導(dǎo)體薄片一般采用N形鍺、銻化銦、砷化銦、砷化鎵和磷砷化銦等長(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)焊以兩導(dǎo)線用于輸出霍爾電勢(shì)霍爾芯片一般用非磁性金屬、陶瓷或環(huán)氧樹脂封裝2.霍爾元件的結(jié)構(gòu)

在磁場(chǎng)和控制電流的作用下，輸出端有電壓輸出使用時(shí)，I和B都可作為輸入信號(hào)，輸出信號(hào)正比于兩者的乘積建立霍爾電勢(shì)所需的時(shí)間極短(10-12~10-14)所測(cè)外界信號(hào)頻率可以很高3.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UH兩端為霍爾電勢(shì)輸出端霍爾元件在靜止?fàn)顟B(tài)下具有感受磁場(chǎng)的獨(dú)特能力霍爾元件的特點(diǎn)：

結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠體積小噪聲低動(dòng)態(tài)范圍大(輸出電壓變化范圍可達(dá)1000:1)

頻率范圍寬(從直流到微波頻段)

壽命長(zhǎng)價(jià)格低可以廣泛應(yīng)用于測(cè)量：

位移可轉(zhuǎn)化為位移的力和加速度磁場(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)可變電流作激磁的可變磁場(chǎng)，輸出電壓就決定于控制電流和激磁電流的乘積

——霍爾元件就成了一種兩個(gè)模擬信號(hào)的乘法器

霍爾傳感器的應(yīng)用改變I或B，或兩者同時(shí)改變均會(huì)引起VH的變化利用該原理可以做成各種傳感元件霍爾乘法器霍爾元件置于由坡莫合金(Ni79Mo4)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Im時(shí)，形成恒定磁場(chǎng)。如果通入霍爾元件的控制電流為i，則霍爾電勢(shì)即正比于i與Im的乘積，因此霍爾元件可作為乘法器。5.3壓電式傳感器

1.變換原理:壓電效應(yīng)

+并聯(lián)+串聯(lián)

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)生電荷；當(dāng)外力去掉時(shí)，又重新回到原來(lái)的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。F+q=DF2.壓電材料明顯呈現(xiàn)壓電效應(yīng)的敏感功能材料叫壓電材料。壓電材料一般應(yīng)考慮以下主要特性：1)具有較大的壓電常數(shù)。2)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。3)具有高的電阻率和較大的介電常數(shù)。4)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。5)壓電特性不隨時(shí)間蛻變，有較好的時(shí)間穩(wěn)定性。(1)石英晶體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+化學(xué)性質(zhì)幾乎與天然石英晶體無(wú)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、系數(shù)不隨溫度而變化。石英晶體的居里點(diǎn)為573℃，即到573℃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)，但靈敏度很低，介電常數(shù)小，因此逐漸被其他壓電材料所代替?？v軸z-z稱作光軸，通過(guò)六角棱線而垂直于光軸的軸線x-x稱作電軸，垂直于棱面的軸線y-y稱作機(jī)械軸。如果從晶體中切下一個(gè)平行六面體，并使其晶面分別平行于z-z、y-y、x-x軸線，這個(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x-x方向形成電場(chǎng)，其電荷分布在垂直于x-x軸的平面上。沿x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)兩平面加力產(chǎn)生切向壓電效應(yīng)。石英(SiO2)晶體結(jié)晶形狀為六角形晶柱。兩端為一對(duì)稱的棱錐，六棱柱是它的基本組織石英的壓電效應(yīng)

這時(shí)正負(fù)離子正好分布在正六邊形的頂角上，呈現(xiàn)電中性。如果沿X方向壓縮，如圖b所示，則硅離子1被擠入氧離子2和6之間，而氧離子4被擠入硅離子3和5之間，結(jié)果表面A上呈現(xiàn)負(fù)電荷，而在表面B上呈現(xiàn)正電荷。這一現(xiàn)象稱為縱向壓電效應(yīng)。若沿Y方向壓縮，如圖c所示，硅離子3和氧離子2，以及硅離子5和氧離子6都向內(nèi)移動(dòng)同樣的數(shù)值，故在電極C和D上不呈現(xiàn)電荷，而在表面A和B上，即在X軸的端面上又呈現(xiàn)電荷，但與圖b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物體，在X或Y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X軸平行，在Z軸方向施力時(shí)，不能產(chǎn)生壓電效應(yīng)。石英的化學(xué)式為SiO2，在一個(gè)晶體單元中，有三個(gè)硅離子si4+和六個(gè)氧離子O2-，后者是成對(duì)的，所以一個(gè)硅離子和兩個(gè)氧離子交替排列。當(dāng)沒有力作用時(shí)si4+和O2-在垂直于晶體Z軸的XY平面上的投影恰好等效為正六邊形排列，如圖a示。(2)水溶性壓電晶體這類壓電晶體有酒石酸鉀鈉(NaKC4H4O64H20)、硫酸鋰(Li2SO4H2O)、磷酸二氫鉀(KH2PO4)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)械強(qiáng)度也較低，只適用于室溫和濕度低的環(huán)境下。(3)鈮酸鋰晶體鈮酸鋰是一種透明單晶，熔點(diǎn)為1250℃，居里點(diǎn)為1210℃。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。(4)壓電陶瓷這是一種應(yīng)用最普遍的壓電材料，壓電陶瓷具有燒制方便、耐濕、耐高溫、易于成形等特點(diǎn)。1)鈦酸鋇壓電陶瓷鈦酸鋇(BaTiO3)是由BaCO3和TiO2二者在高溫下合成的。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120℃，此外機(jī)械強(qiáng)度不如石英。2)鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷(PZT)鋯鈦酸鉛是PbTiO3和PbZrO3組成的固溶體Pb(Zr·Ti)O2。它具有較高的壓電系數(shù)和居里點(diǎn)(300℃以上)。3)鈮酸鹽系壓電陶瓷鉭鈮酸鉛具有很高的居里點(diǎn)和較低的介電常數(shù)。鈮酸鉀的居里點(diǎn)為435C，常用于水聲傳感器中。4)鈮鎂酸鉛壓電陶瓷(PMN)這是一種由Pb(MgNb)O3、PbTiO3、PbZrO3組成的三元系陶瓷。它具有較高的壓電系數(shù)和居里點(diǎn)，能夠在較高的壓力下工作，適合作為高溫下的力傳感器。(5)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ZnS、CaS、GaAs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。(6)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，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PVF2、聚氟乙烯PVF、聚氯乙烯PVC、聚γ甲基-L谷氨酸脂PMG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。5.3.2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)生等量的正、負(fù)電荷Q，壓電元件的開路電壓(負(fù)載電阻為無(wú)窮大)U為：這樣可把壓電傳感器等效為一個(gè)電流源Q和一個(gè)電容器Ca的等效電路；同時(shí)也可等效為一個(gè)電壓源U和一個(gè)電容器Ca串聯(lián)的等效電路。1.壓電元件的等效電路其中Ra為壓電元件的漏電阻。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Ca、放大器的輸入電阻Ri和輸入電容Ci。

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，因此連接方法有兩種：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：兩壓電元件的負(fù)極集中在中間極板上，正極在上下兩邊并連接在一起，其輸出電容C＇為單片的n倍，即C＇=nC，U＇=U，Q＇=nQ。

串聯(lián)連接：上極板為正極，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連接，這時(shí)有Q＇＝Q，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，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。

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。

2.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RL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)。因此常先接入一個(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。

測(cè)量電路關(guān)鍵在高阻抗的前置放大器。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；（2）把傳感器的高阻抗輸出變換為低阻抗輸出。（1）電壓放大器Ca：傳感器的電容Ra：傳感器的絕緣電阻Cc：連接電纜的等效電容Ri：放大器的輸入電阻Ci：輸入電容前置放大器輸入電壓壓電元件的力F=Fmsinωt壓電元件的壓電系數(shù)為d11，產(chǎn)生的電荷為Q=d11·F。輸入電壓的幅值當(dāng)作用力是靜態(tài)力（ω=0）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。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。因此為了擴(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)。但這不能靠增加測(cè)量回路的電容量來(lái)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，切實(shí)可行的辦法是提高測(cè)量回路的電阻。由于傳感器本身的絕緣電阻一般都很大，所以測(cè)量回路的電阻主要取決于前置放大器的輸入電阻。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，傳感器的低頻響應(yīng)也就越好。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)，連接電纜不能太長(zhǎng)。電纜長(zhǎng)，電纜電容Cc就大，電纜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，元件少，價(jià)格便宜，工作可靠，但是電