磁電式傳感器教材

磁電或者壓電作用

被測(cè)非電量電動(dòng)勢(shì)測(cè)量電路U、I第5章電動(dòng)勢(shì)式傳感器電動(dòng)勢(shì)式傳感器的定義通過磁電或壓電作用，被測(cè)非電量轉(zhuǎn)換為電動(dòng)勢(shì)的傳感器。電動(dòng)勢(shì)式傳感器的感測(cè)量磁場(chǎng)、速度、位移、加速度、壓力、電流等。電動(dòng)勢(shì)式傳感器的種類根據(jù)工作原理：感應(yīng)式、霍爾式和壓電式等。5.1磁電式傳感器5.2霍爾式傳感器5.3壓電式傳感器第5章電動(dòng)勢(shì)式傳感器磁電式傳感器：利用電磁感應(yīng)原理將被測(cè)量（如振動(dòng)、位移、轉(zhuǎn)速等）轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的一種傳感器。有源傳感器：不需要輔助電源，就能把被測(cè)對(duì)象的機(jī)械量轉(zhuǎn)換成易于測(cè)量的電信號(hào)。特點(diǎn)：輸出功率大，性能穩(wěn)定，具有一定的工作帶寬（10～1000Hz）。一、磁電式傳感器概述§5.1

磁電式傳感器根據(jù)電磁感應(yīng)定律，當(dāng)導(dǎo)體在穩(wěn)恒均勻磁場(chǎng)中，沿垂直磁場(chǎng)方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)為B穩(wěn)恒均勻磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度；l導(dǎo)體有效長(zhǎng)度；v導(dǎo)體相對(duì)磁場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)速度。二、磁電式傳感器工作原理1、恒磁通式工作原理變磁通式恒磁通式分類感生電動(dòng)勢(shì)原理動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)原理§5.1

磁電式傳感器磁路系統(tǒng)產(chǎn)生恒定的磁場(chǎng)，磁路中的工作氣隙固定不變，因而氣隙中磁通也是恒定不變的。二、磁電式傳感器工作原理1、恒磁通式工作原理該傳感器在使用時(shí)，把它與被測(cè)物體緊固在一起；當(dāng)物體振動(dòng)時(shí)，殼體隨被測(cè)振動(dòng)體一起振動(dòng)。此時(shí)線圈、阻尼器和心桿的整體由于慣性而不隨之振動(dòng)，因此它們與殼體產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，位于磁路氣隙間的線圈就切割磁力線，于是線圈就產(chǎn)生正比于振動(dòng)速度的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)該電動(dòng)勢(shì)與速度呈一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，可直接測(cè)量速度，經(jīng)過幾分或微分電路便可測(cè)量位移或加速度?！?.1

磁電式傳感器當(dāng)一個(gè)W匝線圈相對(duì)靜止地處于隨時(shí)間變化的磁場(chǎng)中時(shí)，設(shè)穿過線圈的磁通為φ，則線圈內(nèi)的感應(yīng)電勢(shì)E與磁通變化率dφ/dt關(guān)系為二、磁電式傳感器工作原理2、變磁通式工作原理1—永久磁鐵；2—軟磁鐵；3—感應(yīng)線圈；4—鐵齒輪；開磁路變磁通式：線圈、磁鐵靜止不動(dòng)，測(cè)量齒輪安裝在被測(cè)旋轉(zhuǎn)體上，隨被測(cè)體一起轉(zhuǎn)動(dòng)。每轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)齒，齒的凹凸引起磁路磁阻變化一次，磁通也就變化一次，線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)。感應(yīng)電勢(shì)變化頻率等于被測(cè)轉(zhuǎn)速與測(cè)量齒輪上齒數(shù)的乘積。這種傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但輸出信號(hào)較小，不宜測(cè)量高轉(zhuǎn)速的場(chǎng)合。三、磁電式傳感器測(cè)量電路§5.1

磁電式傳感器磁電式傳感器直接輸出電動(dòng)勢(shì)，且通常具有高的靈敏度，一般不需要高增益放大器。磁電式傳感器是速度傳感器，若要獲得被測(cè)位移或加速度信號(hào)，則需配用積分電路或微分電路。5.1磁電式傳感器5.2霍爾式傳感器5.3壓電式傳感器第5章電動(dòng)勢(shì)式傳感器霍爾：1879年設(shè)霍爾元件為N型半導(dǎo)體，當(dāng)通電流I時(shí)FL=qvB一、霍爾效應(yīng)§5.2

霍爾式傳感器UHbldIFFvB當(dāng)電場(chǎng)力與洛侖茲力相等時(shí)，達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，有qEH=qvB霍爾電場(chǎng)的強(qiáng)度為EH=vB霍爾電壓UH可表示為UH=EHb=vBb流過霍爾元件的電流為I=dQ/dt=bdvnq；v=I/nqbdUH=BI/nqd；若取RH=1/nq則有RH被定義為霍爾元件的霍爾系數(shù)?；魻栂禂?shù)由半導(dǎo)體材料性質(zhì)決定，反映材料霍爾效應(yīng)的強(qiáng)弱。一、霍爾效應(yīng)§5.2

霍爾式傳感器UHbldIFFvB霍爾電壓為霍爾元件的靈敏度：

一個(gè)霍爾元件在單位控制電流和單位磁感應(yīng)強(qiáng)度時(shí)產(chǎn)生的霍爾電壓的大小。KH即為霍爾元件的靈敏度?；魻栯妷号c材料的性質(zhì)有關(guān)；與元件的尺寸有關(guān)。霍爾元件：基于霍爾效應(yīng)工作的半導(dǎo)體器件。霍爾元件材料：多采用N型半導(dǎo)體材料。霍爾元件組成：霍爾片、四根引線和殼體。二、霍爾元件的結(jié)構(gòu)與特性§5.2

霍爾式傳感器最常用的霍爾元件材料有：鍺(Ge)、硅(Si)、銻化銦(InSb)、砷化銦(InAs)等半導(dǎo)體材料?；魻栐臍んw：用非導(dǎo)磁金屬、陶瓷或環(huán)氧樹脂封裝。1、霍爾元件的構(gòu)造霍爾片是一塊半導(dǎo)體單晶薄片(4×2×0.1mm3)，長(zhǎng)度方向兩端面上焊有a、b兩根引線，通常用紅色導(dǎo)線，稱為控制電極；在另兩側(cè)端面的中間以點(diǎn)的形式對(duì)稱地焊有c、d兩根霍爾輸出引線，通常用綠色導(dǎo)線，稱為霍爾電極。二、霍爾元件的結(jié)構(gòu)與特性§5.2

霍爾式傳感器鍺（Ge）：靈敏度低、溫度特性及線性度好。銻化銦（InSb）：靈敏度最高、受溫度影響大。1、霍爾元件的構(gòu)造濺射工藝制作的銻化銦霍爾元件輸出1輸出2輸入1輸入2磁性頂端引線襯底霍爾元件霍爾元件電路圖形符號(hào)：

1—1’激勵(lì)電極2—2’霍爾電極基本連接方式與測(cè)量電路二、霍爾元件的結(jié)構(gòu)與特性§5.2

霍爾式傳感器2、霍爾元件的測(cè)量電路WUHRLE（1）額定功耗在環(huán)境溫度25℃時(shí)，允許通過霍爾元件的電流和電壓的乘積。二、霍爾元件的結(jié)構(gòu)與特性§5.2

霍爾式傳感器3、霍爾元件的技術(shù)參數(shù)（4）霍爾溫度系數(shù)在一定的磁感應(yīng)強(qiáng)度和控制電流下，溫度變化1℃時(shí)，霍爾電勢(shì)變化的百分率。（2）輸入電阻和輸出電阻輸入電阻：控制電流極之間的電阻。輸出電阻：霍爾元件電極間的電阻。在無(wú)磁場(chǎng)時(shí)用歐姆表等測(cè)量。（3）不平衡（等位）電勢(shì)在額定控制電流下，不加磁場(chǎng)時(shí)霍爾電極間的空載霍爾電勢(shì)。AIU0BCD霍爾元件不等位電動(dòng)勢(shì)也叫傳感器輸出電壓的零位誤差。三、霍爾元件測(cè)量誤差和補(bǔ)償§5.2

霍爾式傳感器1、零位誤差及補(bǔ)償方法AIU0BCDDR1R2R4ABCR3R4不等位電動(dòng)勢(shì)與等效電路電橋補(bǔ)償原理：在阻值較大的橋臂上并聯(lián)電阻。溫度影響電阻率、遷移率、載流子濃度，導(dǎo)致霍爾元件內(nèi)阻、霍爾電勢(shì)隨溫度變化。三、霍爾元件測(cè)量誤差和補(bǔ)償§5.2

霍爾式傳感器2、溫度誤差及補(bǔ)償方法（1）恒流源補(bǔ)償當(dāng)負(fù)載電阻比霍爾元件輸出電阻大得多時(shí)，輸出電阻變化對(duì)霍爾電壓輸出的影響很小。在這種情況下，可考慮在輸入端采用恒流源補(bǔ)償。輸入電阻隨溫度變化而引起控制電流的變化極小，減少了輸入端溫度影響?；魻栐撵`敏系數(shù)也是溫度的函數(shù)，大多數(shù)霍爾元件的溫度系數(shù)α是正值時(shí)，霍爾電勢(shì)隨溫度的升高而增加。同時(shí)，讓控制電流I相應(yīng)地減小，能保持KHI不變就抵消了靈敏系數(shù)值增加的影響

三、霍爾元件測(cè)量誤差和補(bǔ)償§5.2

霍爾式傳感器2、溫度誤差及補(bǔ)償方法（2）熱敏電阻補(bǔ)償對(duì)于用溫度系數(shù)大的半導(dǎo)體材料制成的霍爾元件，常采用熱敏電阻進(jìn)行補(bǔ)償?；魻栞敵鲭S溫度升高而下降，只要能使控制電流隨溫度升高而上升，就能補(bǔ)償。RRt輸入回路補(bǔ)償：在輸入回路串入熱敏電阻，當(dāng)溫度上升時(shí)其阻值下降，從而使控制電流上升。三、霍爾元件測(cè)量誤差和補(bǔ)償§5.2

霍爾式傳感器2、溫度誤差及補(bǔ)償方法（2）熱敏電阻補(bǔ)償輸出回路補(bǔ)償：在負(fù)載RL上的霍爾電勢(shì)隨溫度上升而下降的量被熱敏電阻阻值減小所補(bǔ)償。實(shí)際使用熱敏電阻補(bǔ)償時(shí)，熱敏電阻最好與霍爾元件封在一起或靠近，溫度變化一致。（3）電橋補(bǔ)償調(diào)節(jié)電位器W1可消除不等位電勢(shì)。電橋由溫度系數(shù)低的電阻構(gòu)成，在某一橋臂電阻上并聯(lián)一熱敏電阻。RLRRtw1w2E1w3R2R3R4R1E2RtUHt檢測(cè)磁場(chǎng)是霍爾式傳感器最典型的應(yīng)用之一?；魻柶骷龀筛鞣N形式的探頭，放在被測(cè)磁場(chǎng)中，使磁力線和器件表面垂直，通電后即可輸出與被測(cè)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度成線性正比的電壓。

1、霍爾元件檢測(cè)磁場(chǎng)電位差計(jì)mAESNR霍爾磁敏傳感器測(cè)磁場(chǎng)原理四、霍爾傳感器的應(yīng)用§5.2霍爾式傳感器霍爾元件置于磁場(chǎng)中，左半部磁場(chǎng)方向向上，右半部磁場(chǎng)方向向下。從a端通人電流I，左和右半部產(chǎn)生霍爾電勢(shì)UH1和UH2，方向相反。因此，c、d兩端電勢(shì)為UH1-UH2。若霍爾元件在初始位置時(shí)UH1=UH2，則輸出為零。改變磁極系統(tǒng)與霍爾元件的相對(duì)位置時(shí)，可得輸出電壓，大小正比于位移量。2、霍爾式位移傳感器四、霍爾傳感器的應(yīng)用§5.2霍爾式傳感器加上壓力后，使磁系統(tǒng)和霍爾元件間產(chǎn)生相對(duì)位移，改變作用到霍爾元件上的磁場(chǎng)，從而改變它的輸出電壓UH。由事先校準(zhǔn)的P～f(UH)曲線即可得到被測(cè)壓力的值。3、霍爾式壓力傳感器霍爾元件磁鋼壓力P波登管NSSN四、霍爾傳感器的應(yīng)用§5.2霍爾式傳感器4、霍爾式計(jì)數(shù)裝置霍爾開關(guān)傳感器絕緣板磁鐵NS霍爾計(jì)數(shù)裝置及電路+12VSL3051ASVT+VCR5RLR4R3R1R2計(jì)數(shù)器四、霍爾傳感器的應(yīng)用§5.2霍爾式傳感器5、霍爾式表面覆蓋層厚度測(cè)量裝置測(cè)量鐵磁性物質(zhì)表面非磁性涂層0123

500400300200100四、霍爾傳感器的應(yīng)用§5.2霍爾式傳感器6、霍爾式汽車電子點(diǎn)火器霍爾傳感器隔磁罩磁鋼缺口霍爾傳感器隔磁罩缺口磁鋼當(dāng)缺口對(duì)準(zhǔn)霍爾元件時(shí)，磁通通過霍爾傳感器形成閉合回路，電路導(dǎo)通，霍爾電路輸出≤0.4V的低電平。當(dāng)隔磁罩豎邊的凸出部分擋在霍爾元件和磁體之間時(shí)，電路截止，霍爾電路輸出高電平。

四、霍爾傳感器的應(yīng)用§5.2霍爾式傳感器7、霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器結(jié)構(gòu)輸入軸輸入軸霍爾式傳感器四、霍爾傳感器的應(yīng)用§5.2霍爾式傳感器5.1磁電式傳感器5.2霍爾式傳感器5.3壓電式傳感器第5章電動(dòng)勢(shì)式傳感器

5.3壓電式傳感器壓電式傳感器的定義利用壓電材料的壓電效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械能與電能相互轉(zhuǎn)換的傳感器。壓電式傳感器的感測(cè)量動(dòng)態(tài)力、機(jī)械沖擊和振動(dòng)，在聲學(xué)、醫(yī)學(xué)、力學(xué)、導(dǎo)航方面應(yīng)用廣泛。壓電式傳感器的種類根據(jù)工作原理：正壓電效應(yīng)型和逆壓電效應(yīng)型。壓電效應(yīng)

被測(cè)非電量電壓值測(cè)量電路U、I電荷值

5.3壓電式傳感器壓電加速度計(jì)壓電陶瓷超聲換能器壓電陶瓷位移器壓電秤重浮游計(jì)壓電警號(hào)一、壓電效應(yīng)的基本概念1、正壓電效應(yīng)某些物質(zhì)沿某一方向受到外力作用時(shí)，會(huì)產(chǎn)生變形，同時(shí)內(nèi)部產(chǎn)生極化現(xiàn)象，在這種材料的兩個(gè)表面產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷，當(dāng)外力去掉后，又重新恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。FF＋＋＋＋＋＋－－－－－－F=0F－－－－－－＋＋＋＋＋＋F當(dāng)作用力方向改變時(shí)，電荷極性也隨之改變。這種機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的現(xiàn)象稱為“正壓電效應(yīng)”或“順壓電效應(yīng)”。

5.3壓電式傳感器一、壓電效應(yīng)的基本概念2、逆壓電效應(yīng)當(dāng)在某些物質(zhì)的極化方向上施加電場(chǎng)，這些材料在某一方向上產(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。這種電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的現(xiàn)象稱為“逆壓電效應(yīng)”或“電致伸縮效應(yīng)”。壓電元件機(jī)械能電能應(yīng)力應(yīng)變電荷電場(chǎng)3、壓電效應(yīng)的特點(diǎn)（1）壓電效應(yīng)具有可逆性

5.3壓電式傳感器一、壓電效應(yīng)的基本概念3、壓電效應(yīng)的特點(diǎn)（2）具有瞬時(shí)性當(dāng)力的方向改變時(shí)，電荷的極性隨之改變，輸出電壓的頻率與動(dòng)態(tài)力的頻率相同。（3）具有不穩(wěn)定性當(dāng)動(dòng)態(tài)力變?yōu)殪o態(tài)力時(shí)，電荷將由于表面漏電而很快泄漏、消失。

5.3壓電式傳感器二、壓電效應(yīng)的基本原理壓電單晶體：石英(包括天然石英和人造石英)、水溶性壓電晶體(包括酒石酸鉀鈉、酒石酸乙烯二銨、酒石酸二鉀、硫酸錘等)。常見的壓電材料可分為兩類：壓電單晶體和多晶體壓電陶瓷。多晶體壓電陶瓷：鈦酸鋇壓電陶瓷、鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷、鈮酸鹽系壓電陶瓷和鈮鎂酸鉛壓電陶瓷等。天然石英壓電陶瓷

5.3壓電式傳感器二、壓電效應(yīng)的基本原理天然石英晶體，結(jié)構(gòu)形狀為一個(gè)六角形晶柱，兩端為一對(duì)稱的棱錐。在晶體學(xué)中，用三根互相垂直的軸建立描述晶體結(jié)構(gòu)形狀的坐標(biāo)系?？v軸Z稱為光軸，通過六棱線而垂直于光鈾的X鈾稱為電軸，與X-X軸和Z-Z軸垂直的Y-Y軸(垂直于六棱柱體的棱面)稱為機(jī)械軸。1、石英晶體壓電效應(yīng)

5.3壓電式傳感器如果從石英晶體中切下一個(gè)平行六面體并使其晶面分別平行于Z-Z、Y-Y、X-X軸線。晶片在正常情況下呈現(xiàn)電性。二、壓電效應(yīng)的基本原理1、石英晶體壓電效應(yīng)縱向壓電效應(yīng)：沿電軸(X軸)方向的作用力產(chǎn)生的壓電效應(yīng)。橫向壓電效應(yīng)：沿機(jī)械軸(Y軸)方向的作用力產(chǎn)生的壓電效應(yīng)切向壓電效應(yīng)：沿相對(duì)兩棱加力時(shí)產(chǎn)生的壓電效應(yīng)。沿光軸(Z軸)方向的作用力不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。壓電式傳感器主要是利用縱向壓電效應(yīng)。

5.3壓電式傳感器二、壓電效應(yīng)的基本原理石英晶體具有壓電效應(yīng)，由內(nèi)部分子結(jié)構(gòu)決定的。一個(gè)單元組體中，構(gòu)成石英晶體的硅離子和氧離子，在垂直于z軸的xy平面上的投影，等效為一個(gè)正六邊形排列?！埃贝砉桦x子Si4+，“－”代表氧離子O2-。2、石英晶體壓電效應(yīng)的微觀機(jī)理

5.3壓電式傳感器（a）正負(fù)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(fù)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(fù)電荷二、壓電效應(yīng)的基本原理d11—壓電系數(shù)。下標(biāo)的意義為產(chǎn)生電荷的面的軸向及施加作用力的軸向；a、b、c—石英晶片的長(zhǎng)度、厚度和寬度。3、石英晶體壓電效應(yīng)作用力與電荷關(guān)系若從晶體上沿y方向切下一塊晶片，當(dāng)沿電軸x方向施加應(yīng)力時(shí)，晶片將產(chǎn)生厚度變形，并發(fā)生極化現(xiàn)象。在晶體線性彈性范圍內(nèi)，極化強(qiáng)度與應(yīng)力成正比。在垂直于x軸晶面上產(chǎn)生的電荷量為yxzOxzyacb

5.3壓電式傳感器二、壓電效應(yīng)的基本原理d11=-d12

，石英晶體軸對(duì)稱條件。

若在同一切片上，沿機(jī)械軸y方向施加應(yīng)力，則仍在與x軸垂直的平面上產(chǎn)生電荷為yxzOxzyacb產(chǎn)生電荷q11和q12的符號(hào)，決定于受壓力還是受拉力。

3、石英晶體壓電效應(yīng)作用力與電荷關(guān)系

5.3壓電式傳感器二、壓電效應(yīng)的基本原理①當(dāng)晶片受到x方向的壓力作用時(shí)，qx只與作用力Fx成正比，而與晶片的幾何尺寸無(wú)關(guān)；②

沿機(jī)械軸y方向向晶片施加壓力時(shí)，產(chǎn)生的電荷是與幾何尺寸有關(guān)的；③石英晶體不是在任何方向都存在壓電效應(yīng)的；④

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)；⑤無(wú)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）之間皆呈線性關(guān)系。4、石英晶體壓電效應(yīng)特點(diǎn)

5.3壓電式傳感器壓電陶瓷是人工制造的多晶體壓電材料。材料內(nèi)部的晶粒有許多自發(fā)極化的電疇，有一定的極化方向，從而存在電場(chǎng)。二、壓電效應(yīng)的基本原理5、壓電陶瓷的壓電效應(yīng)極化處理前極化處理后在無(wú)外電場(chǎng)作用時(shí)，電疇在晶體中雜亂分布，各自的極化效應(yīng)被相互抵消，壓電陶瓷內(nèi)極化強(qiáng)度為零。因此，原始的壓電陶瓷呈中性，不具有壓電性質(zhì)。

5.3壓電式傳感器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)強(qiáng)度大到使材料的極化達(dá)到飽和的程度，即所有電疇極化方向都整齊地與外電場(chǎng)方向一致時(shí)，當(dāng)外電場(chǎng)去掉后，電疇的極化方向基本不變化，即剩余極化強(qiáng)度很大，這時(shí)材料才具有壓電特性。

二、壓電效應(yīng)的基本原理5、壓電陶瓷的壓電效應(yīng)極化處理前極化處理后極化處理后壓電陶瓷才具有壓電特性。

5.3壓電式傳感器陶瓷片內(nèi)的極化強(qiáng)度總是以電偶極矩的形式表現(xiàn)出來：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。二、壓電效應(yīng)的基本原理5、壓電陶瓷的壓電效應(yīng)陶瓷片內(nèi)束縛電荷與電極上吸附的自由電荷示意圖極化方向-----＋＋＋＋＋自由電荷束縛電荷電極-----＋＋＋＋＋由于束縛電荷的作用，在陶瓷片的電極面上吸附了一層來自外界的自由電荷。這些自由電荷與陶瓷片內(nèi)的束縛電荷符號(hào)相反而數(shù)量相等，屏蔽和抵消了陶瓷片內(nèi)極化強(qiáng)度對(duì)外界的作用。因此，無(wú)外力或外場(chǎng)作用時(shí)，極化處理后的壓電陶瓷也表現(xiàn)不出來對(duì)外界的電場(chǎng)或應(yīng)力。

5.3壓電式傳感器-----＋＋＋＋＋-----＋＋＋＋＋極化方向（1）正壓電效應(yīng)在陶瓷片上加一個(gè)與極化方向平行的壓力F，陶瓷片產(chǎn)生壓縮形變。片內(nèi)的正、負(fù)束縛電荷之間的距離變小，極化強(qiáng)度也變小。釋放部分吸附在電極上的自由電荷，而出現(xiàn)放電現(xiàn)象。二、壓電效應(yīng)的基本原理5、壓電陶瓷的壓電效應(yīng)當(dāng)壓力撤消后，陶瓷片恢復(fù)原狀，極化強(qiáng)度也變大。因此，電極上又吸附一部分自由電荷而出現(xiàn)充電現(xiàn)象。這些過程出現(xiàn)的電現(xiàn)象為正壓電效應(yīng)。F－＋-----＋＋＋＋＋-----＋＋＋＋＋極化方向－＋

5.3壓電式傳感器Ｅ電場(chǎng)方向極化方向-----＋＋＋＋＋-----＋＋＋＋＋（2）逆壓電效應(yīng)若在壓電陶瓷片上加一個(gè)與極化方向相同的電場(chǎng)，電場(chǎng)的作用使極化強(qiáng)度增大。陶瓷片內(nèi)的正、負(fù)束縛電荷之間距離也增大，即陶瓷片沿極化方向產(chǎn)生伸長(zhǎng)形變。二、壓電效應(yīng)的基本原理5、壓電陶瓷的壓電效應(yīng)同理，如果外加電場(chǎng)的方向與極化方向相反，則陶瓷片沿極化方向產(chǎn)生縮短形變。這種由于電效應(yīng)而轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械效應(yīng)，或者由電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的現(xiàn)象，就是壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)或電致伸縮效應(yīng)。

5.3壓電式傳感器（3）電荷量與作用力的關(guān)系與石英晶體不同，通常取壓電陶瓷的極化方向?yàn)閦軸，垂直于z軸的平面上任何直線都可作為x或y軸。二、壓電效應(yīng)的基本原理5、壓電陶瓷的壓電效應(yīng)d33為壓電陶瓷的壓電系數(shù)。因此，在z軸方向上受力時(shí)，在極化方向上出現(xiàn)電荷，與壓電陶瓷幾何尺寸無(wú)關(guān)。y----++++FzFzxz縱向變形當(dāng)壓電陶瓷在沿極化方向受力時(shí)，則在垂直于z軸的上、下兩表面上將會(huì)出現(xiàn)電荷，電荷量q與作用力Fz成正比，即

5.3壓電式傳感器（3）電荷量與作用力的關(guān)系壓電陶瓷在受到沿y方向的作用力Fy或沿x方向的作用力Fx時(shí)，在垂直于z軸的上、下平面上分別出現(xiàn)正、負(fù)電荷，電荷量q與作用力Fy、Fx也成正比，即二、壓電效應(yīng)的基本原理5、壓電陶瓷的壓電效應(yīng)Az極化面面積；Ax、Ay受力面面積；d32、d31壓電陶瓷的橫向壓電系數(shù)。y----++++FyFyxz橫向變形y----++++FxFxxz橫向變形

5.3壓電式傳感器（3）電荷量與作用力的關(guān)系當(dāng)作用力Fz、Fy或Fx反向時(shí)，電荷的極性也反向。壓電陶瓷在受到作用力Fx、Fy、Fz共同作用時(shí)，在垂直于z軸的上、下平面上分別出現(xiàn)正、負(fù)電荷。二、壓電效應(yīng)的基本原理5、壓電陶瓷的壓電效應(yīng)y----++++FzFzxzFyFyxyzFx++++----FzFyFyxyzFxFz++++----縱向變形橫向變形體積變形因此，無(wú)論在什么方向上施加作用力產(chǎn)生壓縮形變時(shí)，壓電陶瓷的正、逆壓電效應(yīng)只出現(xiàn)在其極化方向。但在力矩作用下產(chǎn)生剪切形變時(shí)，在其他方向上也會(huì)呈現(xiàn)壓電效應(yīng)。

5.3壓電式傳感器壓電式傳感器基本原理：壓電材料的壓電效應(yīng)，即當(dāng)有力作用在壓電材料上時(shí)，傳感器就有電荷或電壓輸出。三、壓電式傳感器的測(cè)量特性壓電式傳感器不能用于靜態(tài)測(cè)量：外力作用在壓電材料上產(chǎn)生的電荷只有在無(wú)泄漏的情況下才能保存，需要測(cè)量回路具有無(wú)限大的輸入阻抗，這實(shí)際上是不可能的。壓電式傳感器適用于動(dòng)態(tài)測(cè)量：壓電材料在交變力的作用下，電荷可以不斷補(bǔ)充，以供給測(cè)量回路一定的電流。無(wú)鉛壓電陶瓷及換能器雙面鍍銀封裝石英晶片

5.3壓電式傳感器壓電式傳感器在有些測(cè)量中需要預(yù)載：壓電式傳感器在測(cè)量低壓力時(shí)線性度不好，這主要是傳感器受力系統(tǒng)中力傳遞系數(shù)為非線性所致，即低壓力下力的傳遞損失較大。為此，在力傳遞系統(tǒng)中加入預(yù)加力，稱預(yù)載。預(yù)載除了消除低壓力使用中的非線性外，還可以消除傳感器內(nèi)外接觸表面的間隙，提高剛度。三、壓電式傳感器的測(cè)量特性拉力和拉、壓交變力及剪力和扭矩，只有在加預(yù)載后才能用壓電式傳感器測(cè)量。各種壓電式傳感器

5.3壓電式傳感器單片壓電元件產(chǎn)生的電荷量甚微，為了提高壓電傳感器的輸出靈敏度，在實(shí)際應(yīng)用中常采用兩片或兩片以上同型號(hào)的壓電元件粘結(jié)在一起。常見粘結(jié)兩種方法：并聯(lián)和串聯(lián)。

四、壓電元件的連接方式1、壓電元件的并聯(lián)連接兩片壓電晶片的負(fù)電荷集中在中間電極上，正電荷集中在兩側(cè)的電極上，傳感器的電容量大、輸出電荷量大、時(shí)間常數(shù)也大，故這種傳感器適用于測(cè)量緩變信號(hào)及電荷量輸出信號(hào)。外力作用下正負(fù)電極上的電荷量增加了1倍，電容量也增加了1倍，輸出電壓與單片時(shí)相同。++－－－+

5.3壓電式傳感器四、壓電元件的連接方式2、壓電元件的串聯(lián)連接正電荷集中于上極板，負(fù)電荷集中于下極板，傳感器本身的電容量小、響應(yīng)快、輸出電壓大。這種傳感器適用于測(cè)量以電壓作輸出的信號(hào)和頻率較高的信號(hào)。并聯(lián)接法適宜用在測(cè)量慢變信號(hào)并且以電荷作為輸出量的場(chǎng)合。串聯(lián)接法適宜用于以電壓作為輸出信號(hào)，并且測(cè)量電路輸入阻抗很高的場(chǎng)合。

+－－+－+外力作用下正負(fù)電極上的電荷量與單片時(shí)相同，輸出電壓增加了1倍，電容量為單片時(shí)的1/2倍。

5.3壓電式傳感器四、壓電元件的連接方式

5.3壓電式傳感器當(dāng)壓電晶體承受應(yīng)力作用時(shí)，在其兩個(gè)極面上出現(xiàn)極性相反但電量相等的電荷。壓電傳感器看成一個(gè)電荷源與一個(gè)電容并聯(lián)的電荷發(fā)生器。電容量為五、壓電式傳感器的等效電路1、電荷源等效電路qCa電荷源等效電路

5.3壓電式傳感器當(dāng)兩極板聚集異性電荷時(shí)，板間就呈現(xiàn)出一定的電壓。壓電傳感器也可看成一個(gè)電壓與一個(gè)電容串聯(lián)的電壓源。電壓為五、壓電式傳感器的等效電路2、電壓源等效電路電壓源等效電路UaCa

5.3壓電式傳感器實(shí)際使用時(shí)，壓電傳感器通過導(dǎo)線與測(cè)量?jī)x器相連接，連接導(dǎo)線的等效電容CC、前置放大器的輸入電阻Ri、輸入電容Ci對(duì)電路的影響就必須一起考慮進(jìn)去。當(dāng)考慮了壓電元件的絕緣電阻Ra以后，壓電傳感器完整的等效電路可表示成電壓等效電路和電荷等效電路。五、壓電式傳感器的等效電路3、實(shí)際使用的電荷源和電壓源等效電路等效電壓源等效電荷源這兩種等效電路是完全等效的。

5.3壓電式傳感器前置放大器的作用：一是將傳感器的高阻抗輸出變換為低阻抗輸出；二是放大傳感器輸出的微弱電信號(hào)。壓電式傳感器本身內(nèi)阻抗很高，輸出電信號(hào)很微弱，通常先把傳感器信號(hào)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(hào)輸入到指示儀表或記錄器中。前置放大器的形式：一般有兩種電路，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。高阻抗輸入的前置放大器是測(cè)量電路的關(guān)鍵。電荷放大器電路的電纜長(zhǎng)度變化的影響不大，幾乎可以忽略不計(jì)，故而電荷放大器應(yīng)用日益廣泛。六、壓電式傳感器測(cè)量電路

5.3壓電式傳感器在等效電路中，電阻R=ReRi/(Re+Ri),電容C=Ce+Ci，而ua=q/Ca，若壓電元件受正弦作用力為1、電壓放大器（阻抗變換器）（1）電壓放大器電路原理壓電元件電壓為輸入等效電路電壓放電器原理電路Um=dFm/Ca壓電元件輸出電壓幅值，d壓電系數(shù)。

5.3壓電式傳感器放大器輸入端電壓復(fù)數(shù)形式為1、電壓放大器（阻抗變換器）（1）電壓放大器電路原理在理想情況下，傳感器的Ra電阻值與前置放大器輸入電阻Ri都為無(wú)限大，即ω(Ca+Cc+Ci)R>>1。根據(jù)Uim(ω)的表達(dá)式，在理想情況下輸入電壓幅值為輸入等效電路放大器輸入端電壓幅值為輸入電壓和作用力之間相位差為

5.3壓電式傳感器1、電壓放大器（阻抗變換器）（1）電壓放大器電路原理輸入等效電路①壓電傳感器不能測(cè)量靜態(tài)物理量。

②當(dāng)ωτ>>1時(shí)（工程中認(rèn)為ωτ>3可滿足要求），輸入電壓與信號(hào)頻率無(wú)關(guān)。優(yōu)點(diǎn)：時(shí)間常數(shù)一定時(shí)，高頻響應(yīng)特性好。缺點(diǎn)：低頻響應(yīng)差。提高低頻響應(yīng)的辦法是增大時(shí)間常數(shù)，即增大電容或提高輸入電阻。前置放大器輸入回路的時(shí)間常數(shù)為

5.3壓電式傳感器1、電壓放大器（阻抗變換器）（2）傳感器電壓靈敏度前置電路要有高輸入阻抗：

因?yàn)閭鞲衅麟妷红`敏度與電容成反比，所以提高低頻響應(yīng)的辦法只能是增大前置輸入回路電阻，這樣導(dǎo)致電壓放大器響應(yīng)差。壓電式傳感器的電壓靈敏度為因此，要求電壓放電器前置電路具有高輸入阻抗。前置電壓放電器采用高輸入阻抗的運(yùn)算放大器，具有阻抗變換的作用。

5.3壓電式傳感器1、電壓放大器（阻抗變換器）從傳感器的輸出電壓和電壓靈敏度可見，連接電纜的分布電容Ce影響傳感器輸出電壓和靈敏度，使用時(shí)更換電纜就要求重新標(biāo)定，測(cè)量系統(tǒng)對(duì)電纜長(zhǎng)度變化很敏感，這是電壓放大器的缺點(diǎn)。因此，壓電傳感器與前置放大器之間連接電纜不能隨意更換，否則將引入測(cè)量誤差。解決電纜分布電容的影響和低頻響應(yīng)差的缺點(diǎn)可采用電荷放大。

（2）傳感器電壓靈敏度

5.3壓電式傳感器運(yùn)算放大器輸入阻抗極高，放大器輸入端幾乎沒有分流，故可等效成略去Ra和Ri并聯(lián)電阻的電路。2、電荷放大器電荷放大器是一種輸出電壓與輸入電荷量成正比的前置放大器。利用電容作反饋元件的深度負(fù)反饋的高增益運(yùn)放。通常A=104~108，當(dāng)滿足(1+A)Cr>>Ca+Cc+Ci時(shí)，則有（1）電荷放電器輸出電壓電荷放大器等效電路反饋電容Cr折合到放大器輸入端的有效電容為(1+A)Cr。電荷放大器的輸出電壓為

5.3壓電式傳感器2、電荷放大器電荷放大器輸出電壓（2）電荷放電器的特點(diǎn)①電荷放大器的輸出電壓只取決于輸入電荷與反饋電容，與電纜電容無(wú)關(guān)，且與電荷成正比。②采用電荷放大器時(shí)，即使連接電纜長(zhǎng)度在百米以上，靈敏度也無(wú)明顯變化，這是電荷放大器的最大特點(diǎn)。④為了得到必要的測(cè)量精度，要求反饋電容Cr的溫度和時(shí)間穩(wěn)定性都很好。在實(shí)際電路中，考慮到不同的量程等因素，Cr的容量做成可選擇的，范圍一般為102~104pF。③電路復(fù)雜，價(jià)格昂貴。

5.3壓電式傳感器壓電式傳感器主要測(cè)量動(dòng)態(tài)力、機(jī)械沖擊和振動(dòng)，在聲學(xué)、醫(yī)學(xué)、力學(xué)、導(dǎo)航方面應(yīng)用廣泛。1、壓電式力傳感器壓電式單向測(cè)力傳感器的結(jié)構(gòu)，主要由石英晶片、絕緣套、電極、上蓋及基座等組成。傳感器上蓋為傳力元件，外緣壁厚為0.1~0.5mm，當(dāng)外力作用時(shí)，產(chǎn)生彈性變形，將力傳遞到石英晶片上。利用壓電效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)力—電轉(zhuǎn)換。石英晶片的尺寸為φ8×1mm。該傳感器的測(cè)力范圍為0~50N，最小分辨率為0.01N，固有頻率為50~60kHz，整個(gè)傳感器重為10g。七、壓電式傳感器的應(yīng)用

5.3壓電式傳感器2、壓電式加速度傳感器壓電式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)，主要由壓電元件、質(zhì)量塊、預(yù)壓彈簧、基座及