第五章 压变式传感器PPT讲稿.ppt

第五章 压变式传感器第1页，共36页，编辑于2022年，星期三第五章第五章 压变式传感器压变式传感器5.1 压电式传感器5.2 压磁式传感器第2页，共36页，编辑于2022年，星期三第一节第一节 压电式传感器压电式传感器 第3页，共36页，编辑于2022年，星期三n n压电式传感元件是力敏感元件，所以它能测量最终能变换为力的那些物理量，例如力、压力、加速度等各种动态力、机械冲击与振动的测量。n n压电式传感器具有响应频带宽、灵敏度高、信噪比大、结构简单、工作可靠、重量轻等优点 第4页，共36页，编辑于2022年，星期三一、压电传感器工作原理一、压电传感器工作原理 1 1压电效应压电效应压电效应压电效应n n某些电介质，当沿着一定方向对其施力而使它变形时，其内部就产生某些电介质，当沿着一定方向对其施力而使它变形时，其内部就产生极化现象，同时在它的两个表面上便产生符号相反的电荷，当外力去极化现象，同时在它的两个表面上便产生符号相反的电荷，当外力去掉后，其又重新恢复到不带电状态，当作用力方向改变时，电荷的极掉后，其又重新恢复到不带电状态，当作用力方向改变时，电荷的极性也随之改变，这种现象称压电效应。又叫顺压电效应）。性也随之改变，这种现象称压电效应。又叫顺压电效应）。n n反之，当在电介质的极化方向施加电场，这些电介质就在一定反之，当在电介质的极化方向施加电场，这些电介质就在一定方向上产生机械变形或机械压力，当外加电场撤去时，这些变方向上产生机械变形或机械压力，当外加电场撤去时，这些变形或应力也随之消失。这个现象叫做逆压电效应，又叫电致伸形或应力也随之消失。这个现象叫做逆压电效应，又叫电致伸缩效应。缩效应。n n在自然界中许多物质具有压电效应和你压电效应，常见的有石在自然界中许多物质具有压电效应和你压电效应，常见的有石英晶体、压电陶瓷等。英晶体、压电陶瓷等。第5页，共36页，编辑于2022年，星期三2 2石英晶体石英晶体n n石英晶体化学式为石英晶体化学式为SiO2,SiO2,是一个正六面体。是一个正六面体。n n英晶体各个方向的特性是不同的。其中纵向轴英晶体各个方向的特性是不同的。其中纵向轴z z称为光轴，经称为光轴，经过六面体棱线并垂直于光轴的过六面体棱线并垂直于光轴的x x轴称为电轴，与轴称为电轴，与x x和和z z轴同时垂直轴同时垂直的轴的轴y y称为机械轴。称为机械轴。n n通常把沿电轴通常把沿电轴x x方向的力作用下产生电荷的压电效应称为方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“纵向纵向压电效应压电效应”；而把沿机械轴；而把沿机械轴y y方向的作用下产生电荷的压电效应称方向的作用下产生电荷的压电效应称为为“横向压电效应横向压电效应”；而沿光轴；而沿光轴z z方向受力时不产生压电效应。方向受力时不产生压电效应。第6页，共36页，编辑于2022年，星期三（1 1）石英晶体的压电效应）石英晶体的压电效应1 1）石英晶体）石英晶体未受外力作用未受外力作用未受外力作用未受外力作用，此时正负电荷重心重合，电偶极矩的矢量和等于零，此时正负电荷重心重合，电偶极矩的矢量和等于零，P1+P2+P3=0P1+P2+P3=0，所以，所以晶体表面不产生电荷，即呈中性晶体表面不产生电荷，即呈中性晶体表面不产生电荷，即呈中性晶体表面不产生电荷，即呈中性。2 2）当石英晶体受到）当石英晶体受到沿沿沿沿x x轴方向轴方向轴方向轴方向的压力的压力fxfx作用时，作用时，X X轴轴P1P1减小和减小和P2P2、P3P3的增加，即：的增加，即：（P1+P2+P3)x0P1+P2+P3)x0。在。在Y Y、Z Z方向上的分量为零，可见，方向上的分量为零，可见，在在在在X X轴的正向出现正电荷，在轴的正向出现正电荷，在轴的正向出现正电荷，在轴的正向出现正电荷，在Y Y、Z Z轴方向则不出现电荷。轴方向则不出现电荷。轴方向则不出现电荷。轴方向则不出现电荷。3 3）当晶体受到）当晶体受到沿沿沿沿y y轴方向的压力轴方向的压力轴方向的压力轴方向的压力fyfy作用时，作用时，P1P1增大，增大，P2P2、P3P3减小，即：减小，即：（P1+P2+P3)x0P1+P2+P3)x0。在。在x x轴上出现电荷轴上出现电荷轴上出现电荷轴上出现电荷，它的，它的极性为极性为极性为极性为x x轴正向为负电荷轴正向为负电荷轴正向为负电荷轴正向为负电荷。在。在y y轴方向上不轴方向上不轴方向上不轴方向上不出现电荷出现电荷出现电荷出现电荷。当作用力。当作用力fyfy的方向相反时，电荷的极性也随之改变。的方向相反时，电荷的极性也随之改变。4 4）如果）如果沿沿沿沿z z轴方向施加作用力轴方向施加作用力轴方向施加作用力轴方向施加作用力，因为晶体在，因为晶体在x x方向和方向和y y方向所产生的形变完全相同，所以正方向所产生的形变完全相同，所以正负电荷重心保持重合，电偶极矩矢量和等于零。这表明沿负电荷重心保持重合，电偶极矩矢量和等于零。这表明沿z z轴方向施加作用力，轴方向施加作用力，晶晶晶晶体不会产生压电效应体不会产生压电效应体不会产生压电效应体不会产生压电效应。“”代表代表Si Si4+4+离子，离子，“”代表氧离子代表氧离子OO2-2-（a）不受力时（b）x轴方向受力时（c）y轴方向受力时 第7页，共36页，编辑于2022年，星期三（2 2）压电效应参数的分析）压电效应参数的分析1 1、从石英晶体上沿、从石英晶体上沿y y方向切下一块，使它的晶面分别平行于方向切下一块，使它的晶面分别平行于X X、Y Y、Z Z轴。并在垂直轴。并在垂直X X轴方轴方向两面用真空镀膜或沉银法得到电极面。向两面用真空镀膜或沉银法得到电极面。2 2、若在同一切片上，沿机械轴、若在同一切片上，沿机械轴y y方向施加作用力方向施加作用力F FY Yn n极间电荷：极间电荷：1 1、2 2、1 1：在：在X X轴方向施加压力时，左旋石英晶体的轴方向施加压力时，左旋石英晶体的X X轴正向带正电；如果作用力轴正向带正电；如果作用力F FX X改为拉力，则在改为拉力，则在垂直于垂直于X X轴的平面上仍出现等量电荷，但极性相反。轴的平面上仍出现等量电荷，但极性相反。2 2、仍在与、仍在与x x轴垂直的平面上产生电荷轴垂直的平面上产生电荷q qY Y 但产生的电荷的符号是不同的但产生的电荷的符号是不同的 。n n结论：结论：无论是正或逆压电效应，其作用力（或应变）与电荷（或电场强度）之间呈线性关无论是正或逆压电效应，其作用力（或应变）与电荷（或电场强度）之间呈线性关系；系；晶体在哪个方向上有正压电效应，则在此方向上一定存在逆压电效应；晶体在哪个方向上有正压电效应，则在此方向上一定存在逆压电效应；石英晶体不是在任何方向都存在压电效应的。石英晶体不是在任何方向都存在压电效应的。第8页，共36页，编辑于2022年，星期三2 2压电陶瓷压电陶瓷（1 1）压电陶瓷的极化）压电陶瓷的极化n n压电陶瓷属于铁电体一类的物质，是人工制造的多晶压电材料，压电陶瓷属于铁电体一类的物质，是人工制造的多晶压电材料，它具有类似铁磁材料磁畴结构的电畴结构。它具有类似铁磁材料磁畴结构的电畴结构。n n原始的压电陶瓷呈中性，不具有压电性质。原始的压电陶瓷呈中性，不具有压电性质。n n在陶瓷上施加外电场时，电畴的极化方向发生转动，趋向于在陶瓷上施加外电场时，电畴的极化方向发生转动，趋向于按外电场方向的排列，从而使材料得到极化。外电场愈强，按外电场方向的排列，从而使材料得到极化。外电场愈强，就有更多的电畴更完全地转向外电场方向。就有更多的电畴更完全地转向外电场方向。n n当把电压表接到陶瓷片的两个电极上进行测量时当把电压表接到陶瓷片的两个电极上进行测量时 ，在陶瓷的一端，在陶瓷的一端出现正束缚电荷，另一端出现负束缚电荷。出现正束缚电荷，另一端出现负束缚电荷。第9页，共36页，编辑于2022年，星期三（2 2）压电陶瓷的压电效应）压电陶瓷的压电效应1 1）正压电效应：）正压电效应：n n由机械效应转为电效应，或由机械能转为电能的现象，就是正压电效应。由机械效应转为电效应，或由机械能转为电能的现象，就是正压电效应。2 2）逆压电效应：）逆压电效应：n n外加电场与极化方向相同，沿极化方向伸长，反之，产生缩短形变外加电场与极化方向相同，沿极化方向伸长，反之，产生缩短形变 。n n由电效应而转为机械效应或由电能转为机械能的现象，就是逆压电效应。由电效应而转为机械效应或由电能转为机械能的现象，就是逆压电效应。3 3）结论：）结论：n n压电陶瓷所以具有压电效应，是由于陶瓷内部存在自发极化。压电陶瓷所以具有压电效应，是由于陶瓷内部存在自发极化。n n这些自发极化经过极化工序处理而被迫取向排列后，陶瓷内即存在剩余极化强度。这些自发极化经过极化工序处理而被迫取向排列后，陶瓷内即存在剩余极化强度。n n如果外界的作用（如压力或电场的作用）能使此极化强度发生变化，陶瓷就出如果外界的作用（如压力或电场的作用）能使此极化强度发生变化，陶瓷就出现压电效应。现压电效应。陶瓷片加与电场 极化强度变化 陶瓷片形变 陶瓷片压缩形变极化强度变小释放电荷 力撤消 充电 施加力施加力第10页，共36页，编辑于2022年，星期三（2 2）压电效应分析）压电效应分析 压电效应产生的电荷量的大小与外力成正比关系：压电效应产生的电荷量的大小与外力成正比关系：式中：式中：d33d33压电陶瓷的压电系数；压电陶瓷的压电系数；F F作用力。作用力。n n压电陶瓷的压电系数比石英晶体的大得多，所以采用压电陶瓷制作的压电陶瓷的压电系数比石英晶体的大得多，所以采用压电陶瓷制作的压电式传感器的灵敏度较高。压电式传感器的灵敏度较高。n n极化处理后的压电陶瓷材料的剩余极化强度和特性与温度有关，它的极化处理后的压电陶瓷材料的剩余极化强度和特性与温度有关，它的参数也随时间变化，从而使其压电特性减弱。参数也随时间变化，从而使其压电特性减弱。第11页，共36页，编辑于2022年，星期三二、压电式传感器测量电路二、压电式传感器测量电路二、压电式传感器测量电路二、压电式传感器测量电路 1 1压电式传感器测量特点压电式传感器测量特点压电式传感器测量特点压电式传感器测量特点（1 1）测量对象）测量对象n n压电是传感器主要测量力及力的派生物理量（压力、位移、加速压电是传感器主要测量力及力的派生物理量（压力、位移、加速度等）。度等）。1 1）宜用于动态测量：只能施加交变力，电荷才能得到不断的补充，）宜用于动态测量：只能施加交变力，电荷才能得到不断的补充，才能供给回路一定的电流，故只宜做动态测量才能供给回路一定的电流，故只宜做动态测量2 2）接高阻前置放大器：减少晶片的漏电流以减少测量误差）接高阻前置放大器：减少晶片的漏电流以减少测量误差 n n前置放大器要有相当高的输入阻抗前置放大器要有相当高的输入阻抗 ，保证较大的时间常数，保证较大的时间常数 第12页，共36页，编辑于2022年，星期三（2 2）压电元件的联接形式）压电元件的联接形式）压电元件的联接形式）压电元件的联接形式n n在压电式传感器中，常用两片或多片组合在一起使用。由于压电材料在压电式传感器中，常用两片或多片组合在一起使用。由于压电材料是有极性的，因此接法也有两种。是有极性的，因此接法也有两种。n n并联：输出电荷量，本身电容大，因此时间常数也大，通常并联：输出电荷量，本身电容大，因此时间常数也大，通常 适用于测量慢速信号，并以电荷量作为输出的场合。适用于测量慢速信号，并以电荷量作为输出的场合。n n串联：输出电压高，本身电容小，因此时间常数也小，通常串联：输出电压高，本身电容小，因此时间常数也小，通常 适用于测量快速信号，并以电压量作为输出，且测量适用于测量快速信号，并以电压量作为输出，且测量 电路输入阻抗很高的场合。电路输入阻抗很高的场合。（a）并联；（b）串联 第13页，共36页，编辑于2022年，星期三2 2压电式传感器的等效电路压电式传感器的等效电路压电式传感器的等效电路压电式传感器的等效电路n n理想等效电路理想等效电路 （a a）电压源）电压源 n n实际等效电路实际等效电路 ：n n考虑连接电缆的等效电容考虑连接电缆的等效电容CcCc，n n放大器的输入电放大器的输入电RiRi，n n输入电容输入电容CiCi以及以及n n压电传感器的泄漏电阻压电传感器的泄漏电阻RaRa。（b）电荷源 （a）电压源；（b）电荷源第14页，共36页，编辑于2022年，星期三3 3压电式传感器的测量电路压电式传感器的测量电路压电式传感器的测量电路压电式传感器的测量电路n n压电传感器本身的内阻抗很高，而输出能量较小，因此它的测压电传感器本身的内阻抗很高，而输出能量较小，因此它的测量电路通常需要接入一个高输入阻抗的前置放大器，其作用为：量电路通常需要接入一个高输入阻抗的前置放大器，其作用为：n n一是把它的高输出阻抗变换为低输出阻抗；一是把它的高输出阻抗变换为低输出阻抗；n n二是放大传感器输出的微弱信号。二是放大传感器输出的微弱信号。n n压电传感器的输出可以是电压信号，也可以是电荷信号，因此前压电传感器的输出可以是电压信号，也可以是电荷信号，因此前置放大器也有两种形式：电压放大器和电荷放大器。置放大器也有两种形式：电压放大器和电荷放大器。第15页，共36页，编辑于2022年，星期三三、压电式传感器的应用三、压电式传感器的应用三、压电式传感器的应用三、压电式传感器的应用 1 1压电式测力传感器压电式测力传感器n n该传感器的测力范围为该传感器的测力范围为0 050N50N，最小分辨率为，最小分辨率为0.010.01，固有频率为，固有频率为505060kHz60kHz，整个传感器重，整个传感器重10g10g。第16页，共36页，编辑于2022年，星期三2 2压电式加速度传感器压电式加速度传感器压电式加速度传感器压电式加速度传感器n n测得加速度传感器输出的电荷便可知加速度的大小。测得加速度传感器输出的电荷便可知加速度的大小。第17页，共36页，编辑于2022年，星期三n n压电传感器将切削力转换为电信号输出，记录下电信号的变化便压电传感器将切削力转换为电信号输出，记录下电信号的变化便测得切削力的变化测得切削力的变化 n n由于压电陶瓷元件的自振频率高，特别适合测量变化剧烈的载荷由于压电陶瓷元件的自振频率高，特别适合测量变化剧烈的载荷 3 3压电式金属加工切削力测量压电式金属加工切削力测量压电式金属加工切削力测量压电式金属加工切削力测量 第18页，共36页，编辑于2022年，星期三4 4压电式玻璃破碎报警器压电式玻璃破碎报警器压电式玻璃破碎报警器压电式玻璃破碎报警器n nBS-D2BS-D2压电式传感器是专门用于检测玻璃破碎的一种传感器，它利用压电元件对压电式传感器是专门用于检测玻璃破碎的一种传感器，它利用压电元件对振动敏感的特性来感知玻璃受撞击和破碎时产生的振动波。振动敏感的特性来感知玻璃受撞击和破碎时产生的振动波。BS-D2BS-D2压电式玻璃破碎传感器的外形及内部电路图压电式玻璃破碎传感器的外形及内部电路图n n报警器使用时传感器用胶粘贴在玻璃上，然后通过电缆和报警电路相连。为了提高报警器报警器使用时传感器用胶粘贴在玻璃上，然后通过电缆和报警电路相连。为了提高报警器的灵敏度，信号经放大后，需经带通滤波器进行滤波，要求它对选定的频谱通带的衰减要的灵敏度，信号经放大后，需经带通滤波器进行滤波，要求它对选定的频谱通带的衰减要小，而带外衰减要尽量大。小，而带外衰减要尽量大。第19页，共36页，编辑于2022年，星期三第二节第二节 压磁式传感器压磁式传感器第20页，共36页，编辑于2022年，星期三n n压磁式传感器是基于铁磁材料压磁效应的传感器，又称磁弹压磁式传感器是基于铁磁材料压磁效应的传感器，又称磁弹性传感器。压磁式传感器的敏感元件由铁磁材料制成，它把性传感器。压磁式传感器的敏感元件由铁磁材料制成，它把作用力（如弹性应力、残余应力）的变化转换成导磁率的变作用力（如弹性应力、残余应力）的变化转换成导磁率的变化，并引起绕于其上的线圈的阻抗或电动势的变化，从而感化，并引起绕于其上的线圈的阻抗或电动势的变化，从而感应出电信号。从而实现非电量测量，是典型的无源传感器。应出电信号。从而实现非电量测量，是典型的无源传感器。n n压磁式传感器是测力传感器的一种，它利用铁磁材料受力后导磁性能压磁式传感器是测力传感器的一种，它利用铁磁材料受力后导磁性能的变化，将被测力转换为电信号。所以它能测量最终能变换为力的那的变化，将被测力转换为电信号。所以它能测量最终能变换为力的那些物理量，例如力、压力、加速度等各种动态力、机械冲击与振动的些物理量，例如力、压力、加速度等各种动态力、机械冲击与振动的测量。测量。n n压磁式传感器是一种新型传感器，它的优点是输出功率大、信号压磁式传感器是一种新型传感器，它的优点是输出功率大、信号强、结构简单、牢固可靠、抗干扰性好、过载能力强、价格便宜。强、结构简单、牢固可靠、抗干扰性好、过载能力强、价格便宜。缺点是测量精度不很高、频响较低。缺点是测量精度不很高、频响较低。第21页，共36页，编辑于2022年，星期三一、压磁式传感器基本原理一、压磁式传感器基本原理1 1铁磁材料的压磁效应铁磁材料的压磁效应铁磁材料的压磁效应铁磁材料的压磁效应磁材料的压磁效应具体可表述为：磁材料的压磁效应具体可表述为：n n当材料受到压力时，在作用力方向导磁系数减小，而在作用力垂直方当材料受到压力时，在作用力方向导磁系数减小，而在作用力垂直方向，导磁系数增大；向，导磁系数增大；n n当作用力是拉力时，其效果相反；作用力取消后，导磁系数复原。当作用力是拉力时，其效果相反；作用力取消后，导磁系数复原。n n铁磁材料的压磁效应还与磁场有关。只有在一定条件下（如磁场强度铁磁材料的压磁效应还与磁场有关。只有在一定条件下（如磁场强度恒定时），压磁效应才有单值特性，但不是线性关系。恒定时），压磁效应才有单值特性，但不是线性关系。第22页，共36页，编辑于2022年，星期三（1 1）磁致伸缩效应）磁致伸缩效应n n铁磁材料在磁场中磁化时，在磁场方向会伸长或缩短，这种现铁磁材料在磁场中磁化时，在磁场方向会伸长或缩短，这种现象称为磁致伸缩效应。材料随磁场强度的增加而伸长或缩短不象称为磁致伸缩效应。材料随磁场强度的增加而伸长或缩短不是无限制的，最终会达到饱和。各种材料的饱和伸缩比是定值，是无限制的，最终会达到饱和。各种材料的饱和伸缩比是定值，称为磁致伸缩系数，用称为磁致伸缩系数，用ss表示，即：表示，即：l l/l l伸缩比；伸缩比；伸缩比；伸缩比；ss磁致伸缩系数磁致伸缩系数磁致伸缩系数磁致伸缩系数 （2 2）磁弹性效应）磁弹性效应）磁弹性效应）磁弹性效应n n对于正磁致伸缩材料，如果存在拉应力，将使磁化方向转向拉应对于正磁致伸缩材料，如果存在拉应力，将使磁化方向转向拉应对于正磁致伸缩材料，如果存在拉应力，将使磁化方向转向拉应对于正磁致伸缩材料，如果存在拉应力，将使磁化方向转向拉应力方向，加强拉应力方向的磁化，从而使拉应力方向的磁导率增力方向，加强拉应力方向的磁化，从而使拉应力方向的磁导率增力方向，加强拉应力方向的磁化，从而使拉应力方向的磁导率增力方向，加强拉应力方向的磁化，从而使拉应力方向的磁导率增大。反之，压应力将使磁化方向转向垂直于压应力的方向，削弱大。反之，压应力将使磁化方向转向垂直于压应力的方向，削弱大。反之，压应力将使磁化方向转向垂直于压应力的方向，削弱大。反之，压应力将使磁化方向转向垂直于压应力的方向，削弱应力方向的磁化，从而使压应力方向的磁导率减小。应力方向的磁化，从而使压应力方向的磁导率减小。应力方向的磁化，从而使压应力方向的磁导率减小。应力方向的磁化，从而使压应力方向的磁导率减小。第23页，共36页，编辑于2022年，星期三2 2压磁应变传感器工作原理压磁应变传感器工作原理压磁应变传感器工作原理压磁应变传感器工作原理n n压磁式传感器的结构压磁式传感器的结构 ：n n原理：在励磁线圈中通以交变电流时，导磁系数的变化将导致线原理：在励磁线圈中通以交变电流时，导磁系数的变化将导致线圈耦合系数的变化，从而使输出的感应电动势变化，达到把作用圈耦合系数的变化，从而使输出的感应电动势变化，达到把作用力转换成电荷量输出的目的。力转换成电荷量输出的目的。1-压磁元件2-弹性支架3-传力刚球 第24页，共36页，编辑于2022年，星期三3铁磁材料的压磁应变灵敏度铁磁材料的压磁应变灵敏度铁磁材料的压磁应变灵敏度铁磁材料的压磁应变灵敏度n n压磁式传感器所使用的铁磁材料，一般为硅钢片、坡莫合金等。又因硅压磁式传感器所使用的铁磁材料，一般为硅钢片、坡莫合金等。又因硅钢片性能稳定，价格便宜故选用者居多。钢片性能稳定，价格便宜故选用者居多。n n压磁应力灵敏度定义为：单位机械应力所引起的磁导率相对变化：压磁应力灵敏度定义为：单位机械应力所引起的磁导率相对变化：n n压磁传感器可以用来测量压力、拉力、弯矩、扭转力（或力矩）压磁传感器可以用来测量压力、拉力、弯矩、扭转力（或力矩），其变换链为：力转化为内应力表现为磁导率，影响磁阻从而，其变换链为：力转化为内应力表现为磁导率，影响磁阻从而改变阻抗或电动势。改变阻抗或电动势。第25页，共36页，编辑于2022年，星期三二、压磁式传感器的结构二、压磁式传感器的结构1 1压磁元件的基本结构压磁元件的基本结构压磁元件的基本结构压磁元件的基本结构n n压磁式传感器核心部分是压磁元件，它常用的材料有硅钢片、坡压磁式传感器核心部分是压磁元件，它常用的材料有硅钢片、坡莫合金和一些铁氧体。莫合金和一些铁氧体。2 2压磁传感器的基本结构压磁传感器的基本结构压磁传感器的基本结构压磁传感器的基本结构n n压磁传感器可分为阻流圈式、变压器式、桥式、电阻式、魏德压磁传感器可分为阻流圈式、变压器式、桥式、电阻式、魏德曼效应和巴克豪森效应传感器。其中阻流圈式、变压器式和桥曼效应和巴克豪森效应传感器。其中阻流圈式、变压器式和桥式用得较多。式用得较多。第26页，共36页，编辑于2022年，星期三（1 1）阻流圈式）阻流圈式）阻流圈式）阻流圈式n n这种传感器的敏感元件是绕有线圈的用铁磁材料制成的铁芯这种传感器的敏感元件是绕有线圈的用铁磁材料制成的铁芯 n n这种结构在不受力时有初始信号，需要用补偿电路加以抵消。这种结构在不受力时有初始信号，需要用补偿电路加以抵消。第27页，共36页，编辑于2022年，星期三（2 2）变压器式）变压器式）变压器式）变压器式 n n在它的铁芯上有两个分开的线圈，一是接交流电源的激励线圈，在它的铁芯上有两个分开的线圈，一是接交流电源的激励线圈，另一是输出测量线圈。改变线圈的匝数比即可得到不同档次的电另一是输出测量线圈。改变线圈的匝数比即可得到不同档次的电压输出信号压输出信号 （3 3）桥式）桥式）桥式）桥式n n这种传感器用于测量铁磁材料的受力状况（例如扭矩），在被测材料这种传感器用于测量铁磁材料的受力状况（例如扭矩），在被测材料上上4 4点点P1P1、S1S1、P2P2、S2S2之间的磁阻形成一个磁桥。之间的磁阻形成一个磁桥。n n由于铁磁材料的磁化特性随温度而变，压磁式传感器通常要进行温度由于铁磁材料的磁化特性随温度而变，压磁式传感器通常要进行温度补偿。最常用的方法是将工作传感器与不受载体作用的补偿传感器补偿。最常用的方法是将工作传感器与不受载体作用的补偿传感器构成差动回路。构成差动回路。第28页，共36页，编辑于2022年，星期三三、压磁传感器的应用三、压磁传感器的应用 n n压磁式测力传感器具有输出功率大，抗干扰能力强，过载性能好，结构与电路简单，能在恶劣环境下工作，寿命长等一系列特点。n n尽管它的测量精度不高（误差约为尽管它的测量精度不高（误差约为1%），反应速度低，），反应速度低，但由于上述优点，尤其是寿命长，但由于上述优点，尤其是寿命长，n n常用于重工业、化工、冶金、矿山、运输等工业部门作为常用于重工业、化工、冶金、矿山、运输等工业部门作为测力和称重传感器。测力和称重传感器。第29页，共36页，编辑于2022年，星期三1 1压磁传感器的测量电路压磁传感器的测量电路压磁传感器的测量电路压磁传感器的测量电路 第30页，共36页，编辑于2022年，星期三2 2测量一个方向变化的传感器测量一个方向变化的传感器测量一个方向变化的传感器测量一个方向变化的传感器（1 1）测量压力的传感器）测量压力的传感器）测量压力的传感器）测量压力的传感器1 1）测量电感值的改变：通过改变磁导率来达到电感值的改变）测量电感值的改变：通过改变磁导率来达到电感值的改变 2 2）测量互感值的改变：通过改变磁导率来达到互感值的改变）测量互感值的改变：通过改变磁导率来达到互感值的改变 L传感器的电感K1、K2与激磁电流大小有关的系数 E2传感器输出感生电势；u1原端励磁电压 W1、W2一次和二次绕组的匝数；K(P)系数，它与激磁电流频率及幅值有关，同时也与被测力P有关。第31页，共36页，编辑于2022年，星期三一个方向产生磁导率的变化的压磁式传感器 第32页，共36页，编辑于2022年，星期三（2 2）测量应变的传感器）测量应变的传感器）测量应变的传感器）测量应变的传感器n n在日字形铁芯凸起在外的中间铁舌上绕上绕组，使用时将它粘在在日字形铁芯凸起在外的中间铁舌上绕上绕组，使用时将它粘在被测应变的工件表面，使其整体与被测工件同时发生变形，从而被测应变的工件表面，使其整体与被测工件同时发生变形，从而引起铁芯中磁导率改变、导致电感值改变。引起铁芯中磁导率改变、导致电感值改变。n n这种结构也可在铁舌上绕两个绕组做成变压器形传感器，常称为互感型压这种结构也可在铁舌上绕两个绕组做成变压器形传感器，常称为互感型压磁应变片。磁应变片。第33页，共36页，编辑于2022年，星期三3 3测量二个方向变化的传感器测量二个方向变化的传感器测量二个方向变化的传感器测量二个方向变化的传感器 两个方向产生磁导率的变化的压磁式传感器 常用来测量几万牛顿的压力，耐过载能力强，线性度3%-5%。第34页，共36页，编辑于2022年，星期三作业与思考题作业与思考题n n1 1什么是压电效应？以石英晶体为例说明压电晶体是怎样产生压电效应的？什么是压电效应？以石英晶体为例说明压电晶体是怎样产生压电效应的？n n2 2常用的压电材料有哪些？各有哪些特点？常用的压电材料有哪些？各有哪些特点？n n3 3压电式传感器能否用于静态测量？为什么？压电式传感器能否用于静态测量？为什么？n n4 4某压电式压力传感器的灵敏度为某压电式压力传感器的灵敏度为8X10-4pC/Pa8X10-4pC/Pa，假设输入压力为，假设输入压力为300kPa300kPa时的输时的输出电压式出电压式1V1V，试确定传感器总电容量。，试确定传感器总电容量。n n5 5用压电式加速度计及电荷放大器测量振动，若传感器灵敏度为用压电式加速度计及电荷放大器测量振动，若传感器灵敏度为7pC/g7pC/g（g g为重为重力加速度），电荷放大器灵敏度为力加速度），电荷放大器灵敏度为100mV/pC100mV/pC，试确定输入，试确定输入3g3g加速度时系统的输加速度时系统的输出电压。出电压。n n6 6用压电式传感器和电荷放大器测量某种机器的振动，已知传感器的灵敏度为用压电式传感器和电荷放大器测量某种机器的振动，已知传感器的灵敏度为100pG/g100pG/g，电荷放大器的反馈电容，电荷放大器的反馈电容Cf=0.01uFCf=0.01uF，测得输出电压峰值为，测得输出电压峰值为Uom=0.4VUom=0.4V，振动频率为，振动频率为100Hz100Hz。n n求机器振动的加速度最大值求机器振动的加速度最大值am(m/s2)am(m/s2)；2 2）假定振动为正弦波，求振动的速度）假定振动为正弦波，求振动的速度v(t)v(t)；3 3）求出振动的幅度的最大值）求出振动的幅度的最大值xm0 xm0第35页，共36页，编辑于2022年，星期三n n7 7根据图所示石英晶体切片上的受力方向，标出晶体切片上产生电荷的符号。根据图所示石英晶体切片上的受力方向，标出晶体切片上产生电荷的符号。n n8 8压电式传感器测量电路的作用是什么？其核心是解决什么问题？压电式传感器测量电路的作用是什么？其核心是解决什么问题？n n9 9一压电式传感器的灵敏度一压电式传感器的灵敏度K1=10pC/mPaK1=10pC/mPa，连接灵敏度，连接灵敏度K2=0.008V/pCK2=0.008V/pC的电荷放大的电荷放大器，所用的笔式记录仪的灵敏度器，所用的笔式记录仪的灵敏度K3=25mm/VK3=25mm/V，当压力变化，当压力变化p=8mPap=8mPa时，纪录笔时，纪录笔在记录纸上的偏移为多少？在记录纸上的偏移为多少？n n1010某加速度计的校准振动台，它能作某加速度计的校准振动台，它能作50HZ50HZ和和1g1g的振动，今有压电式加速度计出厂时的振动，今有压电式加速度计出厂时标出灵敏度标出灵敏度K=100mV/gK=100mV/g，由于测试要求需加长导线，因此要重新标定加速度计灵敏度，由于测试要求需加长导线，因此要重新标定加速度计灵敏度，假定所用的阻抗变换器放大倍数为假定所用的阻抗变换器放大倍数为1 1，电压放大器放大倍数为，电压放大器放大倍数为100100，标定时晶体管毫，标定时晶体管毫伏表上指示为伏表上指示为9.139.13。试画出标定系统的框图，并计算加速度计的电压灵敏度。试画出标定系统的框图，并计算加速度计的电压灵敏度。n n1111什么是压磁效应？什么是压磁效应？n n1212与其他测量压力的传感器相比压磁传感器有什么特点？与其他测量压力的传感器相比压磁传感器有什么特点？n n1313通过一个实例说明压磁式传感器的应用。通过一个实例说明压磁式传感器的应用。第36页，共36页，编辑于2022年，星期三