壓變式傳感器

壓變式傳感器第1頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三第五章壓變式傳感器5.1壓電式傳感器5.2壓磁式傳感器第2頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三第一節(jié)壓電式傳感器

第3頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三壓電式傳感元件是力敏感元件，所以它能測(cè)量最終能變換為力的那些物理量，例如力、壓力、加速度等各種動(dòng)態(tài)力、機(jī)械沖擊與振動(dòng)的測(cè)量。壓電式傳感器具有響應(yīng)頻帶寬、靈敏度高、信噪比大、結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、重量輕等優(yōu)點(diǎn)第4頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三一、壓電傳感器工作原理

1．壓電效應(yīng)某些電介質(zhì)，當(dāng)沿著一定方向?qū)ζ涫┝Χ顾冃螘r(shí)，其內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在它的兩個(gè)表面上便產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷，當(dāng)外力去掉后，其又重新恢復(fù)到不帶電狀態(tài)，當(dāng)作用力方向改變時(shí)，電荷的極性也隨之改變，這種現(xiàn)象稱壓電效應(yīng)。又叫順壓電效應(yīng)）。反之，當(dāng)在電介質(zhì)的極化方向施加電場(chǎng)，這些電介質(zhì)就在一定方向上產(chǎn)生機(jī)械變形或機(jī)械壓力，當(dāng)外加電場(chǎng)撤去時(shí)，這些變形或應(yīng)力也隨之消失。這個(gè)現(xiàn)象叫做逆壓電效應(yīng)，又叫電致伸縮效應(yīng)。在自然界中許多物質(zhì)具有壓電效應(yīng)和你壓電效應(yīng)，常見的有石英晶體、壓電陶瓷等。第5頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三2．石英晶體石英晶體化學(xué)式為SiO2,是一個(gè)正六面體。英晶體各個(gè)方向的特性是不同的。其中縱向軸z稱為光軸，經(jīng)過六面體棱線并垂直于光軸的x軸稱為電軸，與x和z軸同時(shí)垂直的軸y稱為機(jī)械軸。通常把沿電軸x方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為“縱向壓電效應(yīng)”；而把沿機(jī)械軸y方向的作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為“橫向壓電效應(yīng)”；而沿光軸z方向受力時(shí)不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。第6頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三（1）石英晶體的壓電效應(yīng)1）石英晶體未受外力作用，此時(shí)正負(fù)電荷重心重合，電偶極矩的矢量和等于零，P1+P2+P3=0，所以晶體表面不產(chǎn)生電荷，即呈中性。2）當(dāng)石英晶體受到沿x軸方向的壓力fx作用時(shí)，X軸P1減小和P2、P3的增加，即：（P1+P2+P3)x>0。在Y、Z方向上的分量為零，可見，在X軸的正向出現(xiàn)正電荷，在Y、Z軸方向則不出現(xiàn)電荷。3）當(dāng)晶體受到沿y軸方向的壓力fy作用時(shí)，P1增大，P2、P3減小，即：（P1+P2+P3)x<0。在x軸上出現(xiàn)電荷，它的極性為x軸正向?yàn)樨?fù)電荷。在y軸方向上不出現(xiàn)電荷。當(dāng)作用力fy的方向相反時(shí)，電荷的極性也隨之改變。4）如果沿z軸方向施加作用力，因?yàn)榫w在x方向和y方向所產(chǎn)生的形變完全相同，所以正負(fù)電荷重心保持重合，電偶極矩矢量和等于零。這表明沿z軸方向施加作用力，晶體不會(huì)產(chǎn)生壓電效應(yīng)?！皑挕贝鞸i4+離子，“

”代表氧離子O2-（a）不受力時(shí)（b）x軸方向受力時(shí)（c）y軸方向受力時(shí)

第7頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三（2）壓電效應(yīng)參數(shù)的分析1、從石英晶體上沿y方向切下一塊，使它的晶面分別平行于X、Y、Z軸。并在垂直X軸方向兩面用真空鍍膜或沉銀法得到電極面。2、若在同一切片上，沿機(jī)械軸y方向施加作用力FY極間電荷：

1、

2、1：在X軸方向施加壓力時(shí)，左旋石英晶體的X軸正向帶正電；如果作用力FX改為拉力，則在垂直于X軸的平面上仍出現(xiàn)等量電荷，但極性相反。2、仍在與x軸垂直的平面上產(chǎn)生電荷qY

但產(chǎn)生的電荷的符號(hào)是不同的。結(jié)論：①無論是正或逆壓電效應(yīng)，其作用力（或應(yīng)變）與電荷（或電場(chǎng)強(qiáng)度）之間呈線性關(guān)系；②晶體在哪個(gè)方向上有正壓電效應(yīng)，則在此方向上一定存在逆壓電效應(yīng)；③石英晶體不是在任何方向都存在壓電效應(yīng)的。第8頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三2．壓電陶瓷（1）壓電陶瓷的極化壓電陶瓷屬于鐵電體一類的物質(zhì)，是人工制造的多晶壓電材料，它具有類似鐵磁材料磁疇結(jié)構(gòu)的電疇結(jié)構(gòu)。原始的壓電陶瓷呈中性，不具有壓電性質(zhì)。在陶瓷上施加外電場(chǎng)時(shí)，電疇的極化方向發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，趨向于按外電場(chǎng)方向的排列，從而使材料得到極化。外電場(chǎng)愈強(qiáng)，就有更多的電疇更完全地轉(zhuǎn)向外電場(chǎng)方向。當(dāng)把電壓表接到陶瓷片的兩個(gè)電極上進(jìn)行測(cè)量時(shí)，在陶瓷的一端出現(xiàn)正束縛電荷，另一端出現(xiàn)負(fù)束縛電荷。

第9頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三（2）壓電陶瓷的壓電效應(yīng)1）正壓電效應(yīng)：

由機(jī)械效應(yīng)轉(zhuǎn)為電效應(yīng)，或由機(jī)械能轉(zhuǎn)為電能的現(xiàn)象，就是正壓電效應(yīng)。

2）逆壓電效應(yīng)：外加電場(chǎng)與極化方向相同，沿極化方向伸長，反之，產(chǎn)生縮短形變。由電效應(yīng)而轉(zhuǎn)為機(jī)械效應(yīng)或由電能轉(zhuǎn)為機(jī)械能的現(xiàn)象，就是逆壓電效應(yīng)。3）結(jié)論：壓電陶瓷所以具有壓電效應(yīng)，是由于陶瓷內(nèi)部存在自發(fā)極化。這些自發(fā)極化經(jīng)過極化工序處理而被迫取向排列后，陶瓷內(nèi)即存在剩余極化強(qiáng)度。如果外界的作用（如壓力或電場(chǎng)的作用）能使此極化強(qiáng)度發(fā)生變化，陶瓷就出現(xiàn)壓電效應(yīng)。陶瓷片加與電場(chǎng)

極化強(qiáng)度變化

陶瓷片形變

陶瓷片壓縮形變極化強(qiáng)度變小釋放電荷

力撤消

充電

施加力第10頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三（2）壓電效應(yīng)分析

壓電效應(yīng)產(chǎn)生的電荷量的大小與外力成正比關(guān)系：

式中：d33—壓電陶瓷的壓電系數(shù)；F—作用力。壓電陶瓷的壓電系數(shù)比石英晶體的大得多，所以采用壓電陶瓷制作的壓電式傳感器的靈敏度較高。極化處理后的壓電陶瓷材料的剩余極化強(qiáng)度和特性與溫度有關(guān)，它的參數(shù)也隨時(shí)間變化，從而使其壓電特性減弱。第11頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三二、壓電式傳感器測(cè)量電路

1．壓電式傳感器測(cè)量特點(diǎn)（1）測(cè)量對(duì)象壓電是傳感器主要測(cè)量力及力的派生物理量（壓力、位移、加速度等）。1）宜用于動(dòng)態(tài)測(cè)量：只能施加交變力，電荷才能得到不斷的補(bǔ)充，才能供給回路一定的電流，故只宜做動(dòng)態(tài)測(cè)量2）接高阻前置放大器：減少晶片的漏電流以減少測(cè)量誤差前置放大器要有相當(dāng)高的輸入阻抗，保證較大的時(shí)間常數(shù)第12頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三（2）壓電元件的聯(lián)接形式在壓電式傳感器中，常用兩片或多片組合在一起使用。由于壓電材料是有極性的，因此接法也有兩種。并聯(lián)：輸出電荷量，本身電容大，因此時(shí)間常數(shù)也大，通常適用于測(cè)量慢速信號(hào)，并以電荷量作為輸出的場(chǎng)合。串聯(lián)：輸出電壓高，本身電容小，因此時(shí)間常數(shù)也小，通常適用于測(cè)量快速信號(hào)，并以電壓量作為輸出，且測(cè)量電路輸入阻抗很高的場(chǎng)合。

（a）并聯(lián)；（b）串聯(lián)

第13頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三2．壓電式傳感器的等效電路理想等效電路

（a）電壓源

實(shí)際等效電路：考慮連接電纜的等效電容Cc，放大器的輸入電Ri，輸入電容Ci以及壓電傳感器的泄漏電阻Ra。（b）電荷源

（a）電壓源；（b）電荷源第14頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三3．壓電式傳感器的測(cè)量電路壓電傳感器本身的內(nèi)阻抗很高，而輸出能量較小，因此它的測(cè)量電路通常需要接入一個(gè)高輸入阻抗的前置放大器，其作用為：一是把它的高輸出阻抗變換為低輸出阻抗；二是放大傳感器輸出的微弱信號(hào)。壓電傳感器的輸出可以是電壓信號(hào)，也可以是電荷信號(hào)，因此前置放大器也有兩種形式：電壓放大器和電荷放大器。第15頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三三、壓電式傳感器的應(yīng)用

1．壓電式測(cè)力傳感器該傳感器的測(cè)力范圍為0～50N，最小分辨率為0.01，固有頻率為50～60kHz，整個(gè)傳感器重10g。第16頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三2．壓電式加速度傳感器測(cè)得加速度傳感器輸出的電荷便可知加速度的大小。第17頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三壓電傳感器將切削力轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出，記錄下電信號(hào)的變化便測(cè)得切削力的變化由于壓電陶瓷元件的自振頻率高，特別適合測(cè)量變化劇烈的載荷3．壓電式金屬加工切削力測(cè)量

第18頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三4．壓電式玻璃破碎報(bào)警器BS-D2壓電式傳感器是專門用于檢測(cè)玻璃破碎的一種傳感器，它利用壓電元件對(duì)振動(dòng)敏感的特性來感知玻璃受撞擊和破碎時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)波。

BS-D2壓電式玻璃破碎傳感器的外形及內(nèi)部電路圖報(bào)警器使用時(shí)傳感器用膠粘貼在玻璃上，然后通過電纜和報(bào)警電路相連。為了提高報(bào)警器的靈敏度，信號(hào)經(jīng)放大后，需經(jīng)帶通濾波器進(jìn)行濾波，要求它對(duì)選定的頻譜通帶的衰減要小，而帶外衰減要盡量大。第19頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三第二節(jié)壓磁式傳感器

第20頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三壓磁式傳感器是基于鐵磁材料壓磁效應(yīng)的傳感器，又稱磁彈性傳感器。壓磁式傳感器的敏感元件由鐵磁材料制成，它把作用力（如彈性應(yīng)力、殘余應(yīng)力）的變化轉(zhuǎn)換成導(dǎo)磁率的變化，并引起繞于其上的線圈的阻抗或電動(dòng)勢(shì)的變化，從而感應(yīng)出電信號(hào)。從而實(shí)現(xiàn)非電量測(cè)量，是典型的無源傳感器。壓磁式傳感器是測(cè)力傳感器的一種，它利用鐵磁材料受力后導(dǎo)磁性能的變化，將被測(cè)力轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。所以它能測(cè)量最終能變換為力的那些物理量，例如力、壓力、加速度等各種動(dòng)態(tài)力、機(jī)械沖擊與振動(dòng)的測(cè)量。壓磁式傳感器是一種新型傳感器，它的優(yōu)點(diǎn)是輸出功率大、信號(hào)強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡單、牢固可靠、抗干擾性好、過載能力強(qiáng)、價(jià)格便宜。缺點(diǎn)是測(cè)量精度不很高、頻響較低。第21頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三一、壓磁式傳感器基本原理1．鐵磁材料的壓磁效應(yīng)磁材料的壓磁效應(yīng)具體可表述為：當(dāng)材料受到壓力時(shí)，在作用力方向?qū)Т畔禂?shù)減小，而在作用力垂直方向，導(dǎo)磁系數(shù)增大；當(dāng)作用力是拉力時(shí)，其效果相反；作用力取消后，導(dǎo)磁系數(shù)復(fù)原。鐵磁材料的壓磁效應(yīng)還與磁場(chǎng)有關(guān)。只有在一定條件下（如磁場(chǎng)強(qiáng)度恒定時(shí)），壓磁效應(yīng)才有單值特性，但不是線性關(guān)系。第22頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三（1）磁致伸縮效應(yīng)鐵磁材料在磁場(chǎng)中磁化時(shí)，在磁場(chǎng)方向會(huì)伸長或縮短，這種現(xiàn)象稱為磁致伸縮效應(yīng)。材料隨磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加而伸長或縮短不是無限制的，最終會(huì)達(dá)到飽和。各種材料的飽和伸縮比是定值，稱為磁致伸縮系數(shù)，用λs表示，即：

Δl/l—伸縮比；λs—磁致伸縮系數(shù)

（2）磁彈性效應(yīng)對(duì)于正磁致伸縮材料，如果存在拉應(yīng)力，將使磁化方向轉(zhuǎn)向拉應(yīng)力方向，加強(qiáng)拉應(yīng)力方向的磁化，從而使拉應(yīng)力方向的磁導(dǎo)率增大。反之，壓應(yīng)力將使磁化方向轉(zhuǎn)向垂直于壓應(yīng)力的方向，削弱應(yīng)力方向的磁化，從而使壓應(yīng)力方向的磁導(dǎo)率減小。第23頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三2．壓磁應(yīng)變傳感器工作原理壓磁式傳感器的結(jié)構(gòu)：原理：在勵(lì)磁線圈中通以交變電流時(shí)，導(dǎo)磁系數(shù)的變化將導(dǎo)致線圈耦合系數(shù)的變化，從而使輸出的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)變化，達(dá)到把作用力轉(zhuǎn)換成電荷量輸出的目的。1-壓磁元件2-彈性支架3-傳力剛球第24頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三3．鐵磁材料的壓磁應(yīng)變靈敏度壓磁式傳感器所使用的鐵磁材料，一般為硅鋼片、坡莫合金等。又因硅鋼片性能穩(wěn)定，價(jià)格便宜故選用者居多。壓磁應(yīng)力靈敏度定義為：單位機(jī)械應(yīng)力所引起的磁導(dǎo)率相對(duì)變化：壓磁傳感器可以用來測(cè)量壓力、拉力、彎矩、扭轉(zhuǎn)力（或力矩），其變換鏈為：力轉(zhuǎn)化為內(nèi)應(yīng)力表現(xiàn)為磁導(dǎo)率，影響磁阻從而改變阻抗或電動(dòng)勢(shì)。

第25頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三二、壓磁式傳感器的結(jié)構(gòu)1．壓磁元件的基本結(jié)構(gòu)壓磁式傳感器核心部分是壓磁元件，它常用的材料有硅鋼片、坡莫合金和一些鐵氧體。2．壓磁傳感器的基本結(jié)構(gòu)壓磁傳感器可分為阻流圈式、變壓器式、橋式、電阻式、魏德曼效應(yīng)和巴克豪森效應(yīng)傳感器。其中阻流圈式、變壓器式和橋式用得較多。第26頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三（1）阻流圈式這種傳感器的敏感元件是繞有線圈的用鐵磁材料制成的鐵芯這種結(jié)構(gòu)在不受力時(shí)有初始信號(hào)，需要用補(bǔ)償電路加以抵消。

第27頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三（2）變壓器式

在它的鐵芯上有兩個(gè)分開的線圈，一是接交流電源的激勵(lì)線圈，另一是輸出測(cè)量線圈。改變線圈的匝數(shù)比即可得到不同檔次的電壓輸出信號(hào)（3）橋式這種傳感器用于測(cè)量鐵磁材料的受力狀況（例如扭矩），在被測(cè)材料上4點(diǎn)P1、S1、P2、S2之間的磁阻形成一個(gè)磁橋。由于鐵磁材料的磁化特性隨溫度而變，壓磁式傳感器通常要進(jìn)行溫度補(bǔ)償。最常用的方法是將工作傳感器與不受載體作用的補(bǔ)償傳感器構(gòu)成差動(dòng)回路。第28頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三三、壓磁傳感器的應(yīng)用

壓磁式測(cè)力傳感器具有輸出功率大，抗干擾能力強(qiáng)，過載性能好，結(jié)構(gòu)與電路簡單，能在惡劣環(huán)境下工作，壽命長等一系列特點(diǎn)。盡管它的測(cè)量精度不高（誤差約為1%），反應(yīng)速度低，但由于上述優(yōu)點(diǎn)，尤其是壽命長，常用于重工業(yè)、化工、冶金、礦山、運(yùn)輸?shù)裙I(yè)部門作為測(cè)力和稱重傳感器。第29頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三1．壓磁傳感器的測(cè)量電路

第30頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三2．測(cè)量一個(gè)方向變化的傳感器（1）測(cè)量壓力的傳感器1）測(cè)量電感值的改變：通過改變磁導(dǎo)率來達(dá)到電感值的改變

2）測(cè)量互感值的改變：通過改變磁導(dǎo)率來達(dá)到互感值的改變L—傳感器的電感K1、K2—與激磁電流大小有關(guān)的系數(shù)E2—傳感器輸出感生電勢(shì)；u1—原端勵(lì)磁電壓W1、W2—一次和二次繞組的匝數(shù)；K(P)—系數(shù)，它與激磁電流頻率及幅值有關(guān)，同時(shí)也與被測(cè)力P有關(guān)。第31頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三一個(gè)方向產(chǎn)生磁導(dǎo)率的變化的壓磁式傳感器第32頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三（2）測(cè)量應(yīng)變的傳感器在日字形鐵芯凸起在外的中間鐵舌上繞上繞組，使用時(shí)將它粘在被測(cè)應(yīng)變的工件表面，使其整體與被測(cè)工件同時(shí)發(fā)生變形，從而引起鐵芯中磁導(dǎo)率改變、導(dǎo)致電感值改變。這種結(jié)構(gòu)也可在鐵舌上繞兩個(gè)繞組做成變壓器形傳感器，常稱為互感型壓磁應(yīng)變片。

第33頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三3．測(cè)量二個(gè)方向變化的傳感器

兩個(gè)方向產(chǎn)生磁導(dǎo)率的變化的壓磁式傳感器常用來測(cè)量幾萬牛頓的壓力，耐過載能力強(qiáng)，線性度3%-5%。第34頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三作業(yè)與思考題1．什么是壓電效應(yīng)？以石英晶體為例說明壓電晶體是怎樣產(chǎn)生壓電效應(yīng)的？2．常用的壓電材料有哪些？各有哪些特點(diǎn)？3．壓電式傳感器能否用于靜態(tài)測(cè)量？為什么？4．某壓電式壓力傳感器的靈敏度為8X10-4pC/Pa，假設(shè)輸入壓力為300kPa時(shí)的輸出電壓式1V，試確定傳感器總電容量。