第3章 传感器简介(3).ppt

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1、压电式传感器压电式传感器第三章 常用传感器简介（三）概述概述压电式传感器的压电式传感器的工作原理工作原理是基于某些介质材料的是基于某些介质材料的压压电效应电效应,是典型的是典型的有源传感器有源传感器。当材料受力作用而。当材料受力作用而变形时变形时,其表面会有电荷产生，从而实现非电量测其表面会有电荷产生，从而实现非电量测量。量。压电传感元件是力敏感元件，所以它能测量最终能压电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。变换为力的那些物理量，例如力、压力、加速度等。压电式传感器具有体积小压电式传感器具有体积小,重量轻重量轻,工作频带宽等优工作频带宽等优点。

2、近年来，由于电子技术的飞速发展，使压电传点。近年来，由于电子技术的飞速发展，使压电传感器的使用更为方便。因此，在工程力学、生物医感器的使用更为方便。因此，在工程力学、生物医学、石油勘探、声波测井、电声学等许多技术领域学、石油勘探、声波测井、电声学等许多技术领域中获得了广泛的应用。中获得了广泛的应用。压电效应压电效应某些电介质某些电介质,当沿着一定方向对其施力而使它变形时当沿着一定方向对其施力而使它变形时,其内部其内部就产生极化现象就产生极化现象,同时在它的两个表面上便产生符号相反的同时在它的两个表面上便产生符号相反的电荷电荷,当外力去掉后当外力去掉后,其又重新恢复到不带电状态，其又重新恢复到不

3、带电状态，这种现象这种现象称压电效应称压电效应。当作用力方向改变时当作用力方向改变时,电荷的极性也随之改变。电荷的极性也随之改变。有时人们把这种机械能转为电能的现象有时人们把这种机械能转为电能的现象,称为称为“正压电效应正压电效应”。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，这些变形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或应力也随之消失,这种现象称为这种现象称为“逆压电效应逆压电效应”（电致伸（电致伸缩效应）。缩效应）。具有压电效应的材料称为压电材料具有压电效

4、应的材料称为压电材料,压电材料能实现机压电材料能实现机电电能量的相互转换。能量的相互转换。压电材料可以分为两大类压电材料可以分为两大类:压电晶体和压电陶瓷压电晶体和压电陶瓷。石英晶体的压电效应石英晶体的压电效应天然结构石英晶体的理想外形是一个正天然结构石英晶体的理想外形是一个正六面体，在晶体学中它可用三根互相垂六面体，在晶体学中它可用三根互相垂直的轴来表示，其中纵向轴直的轴来表示，其中纵向轴ZZ称为光称为光轴；经过正六面体棱线，并垂直于光轴轴；经过正六面体棱线，并垂直于光轴的的XX轴称为电轴；与轴称为电轴；与XX轴和轴和ZZ轴同时垂直的轴同时垂直的YY轴（垂直于正六面体轴（垂直于正六面体的棱面

5、）称为机械轴。的棱面）称为机械轴。通常把沿电轴通常把沿电轴x 方向的力作用下产生电方向的力作用下产生电荷的压电效应称为荷的压电效应称为“纵向压电效应纵向压电效应”沿机械轴沿机械轴y 方向的作用下产生电荷的压方向的作用下产生电荷的压电效应称为电效应称为“横向压电效应横向压电效应”。沿光轴沿光轴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。石英晶体的压电效应（纵向）石英晶体的压电效应（纵向）假设从石英晶体上切下一片平行六面体假设从石英晶体上切下一片平行六面体晶体切晶体切片，使它的晶面分别平行于片，使它的晶面分别平行于X、Y、Z轴，如图。当轴，如图。当在电轴方向施加作用力在电轴方向施加作用

6、力Fx时时,在与电轴在与电轴 x 垂直的平垂直的平面上将产生电荷面上将产生电荷,其大小为其大小为ZYXba石英晶体切片石英晶体切片bqxx 为垂直于为垂直于X轴平面上的电荷；轴平面上的电荷；dxx 为压电系数，下标的意义为产生电为压电系数，下标的意义为产生电 荷的面的轴向及施加作用力的轴向；荷的面的轴向及施加作用力的轴向；Fx 为沿晶轴为沿晶轴X方向施加的压力方向施加的压力石英晶体的压电效应（横向）石英晶体的压电效应（横向）若在同一切片上若在同一切片上,沿机械轴沿机械轴y方向施加作用力方向施加作用力Fy,则仍在与则仍在与x轴垂直的平面上产生电荷轴垂直的平面上产生电荷,其大小为其大小为ZYXba

7、石英晶体切片石英晶体切片b根据石英晶体的对称条件根据石英晶体的对称条件dXY=-dXXdXY为压电系数，为压电系数，Y轴向施加压力，轴向施加压力，在垂直于在垂直于X轴平面上产生电荷时的轴平面上产生电荷时的压电系数压电系数石英晶体压电效应的产生原因石英晶体压电效应的产生原因石石英英晶晶体体具具有有压压电电效效应应，是是由由其其内内部部结结构构决决定定的的。组组成成石石英英晶晶体体的的硅硅离离子子Si4+和和氧氧离离子子O2-在在Z平平面面投投影影，如如图图(a)。为为讨讨论论方方便便，将将这这些些硅硅、氧氧离离子子等等效效为为图图(b)中中正正六六边边形形排排列列，图中图中“”代表代表Si4+，

8、“”代表代表2O2-。(b)(a)+-YXXY硅氧离子的排列示意图硅氧离子的排列示意图(a)硅氧离子在硅氧离子在Z平面上的投影平面上的投影 （b）等效为正六边形排列的投影等效为正六边形排列的投影+FXXY+FX(b)FX0+-P1P2P3石英晶体压电效应的产生原因石英晶体压电效应的产生原因当当作作用用力力F FX X=0=0时时，正正、负负离离子子（即即SiSi4+4+和和2O2O2-2-）正正好好分分布布在在正正六六边边形形顶顶角角上上，形形成成三三个个互互成成120120夹夹角角的的偶偶极极矩矩P P1 1、P P2 2、P P3 3，如如图图（a a）所所示示。此此时时正正负负电电荷荷中

9、中心心重重合合，电电偶偶极极矩矩的的矢量和等于零，即：矢量和等于零，即：P1P2P30 当当晶晶体体受受到到沿沿X X方方向向的的压压力力（F FX X000，在在Y Y、Z Z方方向向上上的的分分量量为为（P1+P2+P3）Y=（P1+P2+P3）Z=0Y+-X(a)FX=0P1P2P3 在在X轴的正向出现正电荷，在轴的正向出现正电荷，在Y、Z方向则不出现电荷。方向则不出现电荷。石英晶体压电效应的产生原因石英晶体压电效应的产生原因 当晶体受到沿当晶体受到沿X X方向的拉力（方向的拉力（F FX X0 0）作用时，其变化）作用时，其变化情况如图（情况如图（c c）。此时电极矩的三个分量为）。此

10、时电极矩的三个分量为（P1+P2+P3）X0Y+-X-+FXFXP2P3P1+在在X轴的正向出现负电荷，在轴的正向出现负电荷，在Y、Z方向则不出现电荷。方向则不出现电荷。当晶体受到沿当晶体受到沿X(电轴电轴)方向的力方向的力FX作用时，它在作用时，它在X方向产生正压电效应，而方向产生正压电效应，而Y、Z方向则不产生压电方向则不产生压电效应。效应。石英晶体压电效应的产生原因石英晶体压电效应的产生原因 晶体在晶体在Y轴方向力轴方向力FY作用下的作用下的情况与情况与FX相似。当相似。当FY0时，晶体时，晶体的形变与图（的形变与图（b）相似；当）相似；当FY0时，则与图（时，则与图（c）相似。）相似。

11、晶体在晶体在Y（即机械轴）方（即机械轴）方向的力向的力FY作用下，使它在作用下，使它在X方方向产生正压电效应，在向产生正压电效应，在Y、Z方向则不产生压电效应。方向则不产生压电效应。石英晶体压电效应的产生原因石英晶体压电效应的产生原因晶体在晶体在Z轴方向力轴方向力FZ的作用下，因为晶体沿的作用下，因为晶体沿X方向方向和沿和沿Y方向所产生的正应变完全相同，所以，正、方向所产生的正应变完全相同，所以，正、负电荷中心保持重合，电偶极矩矢量和等于零。负电荷中心保持重合，电偶极矩矢量和等于零。这就表明：这就表明：沿沿Z(即光轴即光轴)方向的力方向的力FZ作用下，晶体不作用下，晶体不产生压电效应。产生压电

12、效应。压电陶瓷压电陶瓷 压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料。压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料。材料内部材料内部的晶粒有许多自发极化的电畴的晶粒有许多自发极化的电畴,它有一定的极化方向它有一定的极化方向,从从而存在电场。而存在电场。在无外电场作用时在无外电场作用时,电畴在晶体中杂乱分电畴在晶体中杂乱分布布,它们的极化效应被相互抵消它们的极化效应被相互抵消,压电陶瓷内极化强度为压电陶瓷内极化强度为零。因此原始的压电陶瓷呈中性零。因此原始的压电陶瓷呈中性,不具有压电性质。不具有压电性质。在陶瓷上施加外电场时在陶瓷上施加外电场时,电畴的极化方向发生转动电畴的极化方向发生转动,趋向于按外电场方向的排列

13、趋向于按外电场方向的排列,从而使材料得到极化。外电从而使材料得到极化。外电场愈强场愈强,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。让让外电场强度大到使材料的极化达到饱和的程度外电场强度大到使材料的极化达到饱和的程度,即所有电即所有电畴极化方向都整齐地与外电场方向一致时畴极化方向都整齐地与外电场方向一致时,外电场去掉后外电场去掉后,电畴的极化方向基本不变电畴的极化方向基本不变,即剩余极化强度很大即剩余极化强度很大,这时的这时的材料才具有压电特性。材料才具有压电特性。压电陶瓷压电陶瓷 极化处理后陶瓷材料内部仍存在有很强的剩余极化处理后陶瓷材料内部仍存在有很强的剩余

14、极化极化,当陶瓷材料受到外力作用时当陶瓷材料受到外力作用时,电畴的界限发电畴的界限发生移动生移动,电畴发生偏转电畴发生偏转,从而引起剩余极化强度的从而引起剩余极化强度的变化变化,因而在垂直于极化方向的平面上将出现极化因而在垂直于极化方向的平面上将出现极化电荷的变化。这种因受力而产生的由机械效应转变电荷的变化。这种因受力而产生的由机械效应转变为电效应为电效应,将机械能转变为电能的现象将机械能转变为电能的现象,就是压电就是压电陶瓷的正压电效应。电荷量的大小与外力成正比关陶瓷的正压电效应。电荷量的大小与外力成正比关系系:q=d33 F 式中式中:d33 压电陶瓷的压电系数压电陶瓷的压电系数;F作用力

15、。作用力。压电陶瓷压电陶瓷压电陶瓷的压电系数比石英晶体的大得多压电陶瓷的压电系数比石英晶体的大得多,所以采所以采用压电陶瓷制作的压电式传感器的灵敏度较高。极用压电陶瓷制作的压电式传感器的灵敏度较高。极化处理后的压电陶瓷材料的剩余极化强度和特性与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温度有关,它的参数也随时间变化它的参数也随时间变化,从而使其压电特从而使其压电特性减弱。性减弱。钛酸钡（钛酸钡（BaTiO3）：压电系数约为石英的）：压电系数约为石英的50倍倍,但使用温但使用温度较低度较低,最高只有最高只有70,温度稳定性和机械强度都不如石温度稳定性和机械强度都不如石英。英。锆钛酸铅（

16、锆钛酸铅（PZT系列）：有较高的压电系数和较高的工作系列）：有较高的压电系数和较高的工作温度。温度。铌镁酸铅：铌镁酸铅：具有极高的压电系数和较高的工作温度具有极高的压电系数和较高的工作温度,而而且能承受较高的压力。且能承受较高的压力。压电元件的常用结构型式压电元件的常用结构型式在压电式传感器中，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+(a)并联并联+并联接法并联接法输出电容输出电容C为单片的为单片的n倍，即倍，即C=nC输出电压输出电压U=U极板上的电荷量极板上的电荷量Q为单片电荷量为单片电荷量的的n倍，即倍，即Q=nQ并联接法输出电荷大，本身电容大，并联接法输

17、出电荷大，本身电容大，因此时间常数也大，适用于测量缓因此时间常数也大，适用于测量缓变信号，并以电荷量作为输出的场变信号，并以电荷量作为输出的场合。合。压电元件的常用结构型式压电元件的常用结构型式串联接法串联接法极板上的电荷量极板上的电荷量QQ输出电压输出电压U=nU输出电容输出电容C=C/n串联接法输出电压高，本身串联接法输出电压高，本身电容小，适用于以电压作为电容小，适用于以电压作为输出量以及测量电路输入阻输出量以及测量电路输入阻抗很高的场合。抗很高的场合。+(b)串联串联+压电式传感器等效电路压电式传感器等效电路压电传感器在受外力作用时，在两个电极表面将要聚集电压电传感器在受外力作用时，在

18、两个电极表面将要聚集电荷，且电荷量相等，极性相反。可把压电传感器看成一个荷，且电荷量相等，极性相反。可把压电传感器看成一个静电发生器，如图静电发生器，如图(a)。也可把它视为两极板上聚集异性。也可把它视为两极板上聚集异性电荷，中间为绝缘体的电容器，如图电荷，中间为绝缘体的电容器，如图(b)。其电容量为。其电容量为：qq电极电极压电晶体压电晶体Ca(b)(a)压电传感器的等效电路压电传感器的等效电路A压电片的面积压电片的面积;d压电片的厚度；压电片的厚度；r压电材料的相对压电材料的相对介电常数。介电常数。压电式传感器等效电路压电式传感器等效电路当两极板聚集异性电荷时，则两极板呈现一定的电当两极板

19、聚集异性电荷时，则两极板呈现一定的电压，电容器上的电压压，电容器上的电压Ua、电荷量、电荷量q和电容量和电容量Ca三者三者关系为关系为因因此此，压压电电传传感感器器可可等等效效为为电电压压源源Ua和和一一个个电电容容器器Ca的的串串联联电电路路，如如图图(a)；也也可可等等效效为为一一个个电电荷荷源源q和和一一个个电电容容器器Ca的的并并联联电电路路，如图如图(b)。qCaUaUaq/Caq UaCaCa（a）电压等效电路电压等效电路 （b）电荷等效电路电荷等效电路压电传感器等效原理压电传感器等效原理传传感感器器内内部部信信号号电电荷荷无无“漏漏损损”，外外电电路路负负载载无无穷穷大大时时，压

20、压电电传传感感器器受受力力后后产产生生的的电电压压或或电电荷荷才才能能长长期期保保存存，否否则则电电路路将将以以某某时时间间常常数数按按指指数数规规律律放放电电。这这对对于于静静态态标标定定以以及及低低频频准准静静态态测测量量极极为为不不利利，必必然然带带来来误误差差。事事实实上上，传传感感器器内内部部不不可可能能没没有有泄泄漏漏，外外电电路路负负载载也也不不可可能能无无穷穷大大，只只有有外外力力以以较较高高频频率率不不断断地地作作用用，传传感感器器的的电电荷荷才才能能得得以以补补充充，因因此此，压压电电晶晶体体不适合于静态测量不适合于静态测量。压电式传感器等效电路压电式传感器等效电路压电传感

21、器在实际使用时总要与测量仪器或测量电路相连接,因此还须考虑连接电缆的等效电容Cc,放大器的输入电Ri,输入电容Ci以及压电传感器的泄漏电阻RaCaRaCcRiCiqRaCcRiCiCaUaCa传感器的固有电容传感器的固有电容 Ci 前置放大器输入电容前置放大器输入电容 Cc 连线电容连线电容 Ra传感器的漏电阻传感器的漏电阻Ri前置放大器输入电阻前置放大器输入电阻为保证传感器和测试系统有一定的低频或准静态为保证传感器和测试系统有一定的低频或准静态响应，要求压电传感器绝缘电阻应保待在响应，要求压电传感器绝缘电阻应保待在1013以上，才能使内部电荷泄漏减少到满足一般测试以上，才能使内部电荷泄漏减少

22、到满足一般测试精度的要求。与之相适应，测试系统则应有较大精度的要求。与之相适应，测试系统则应有较大的时间常数，亦即前置放大器要有相当高的输入的时间常数，亦即前置放大器要有相当高的输入阻抗，否则传感器的信号电荷将通过输入电路泄阻抗，否则传感器的信号电荷将通过输入电路泄漏，即产生测量误差。漏，即产生测量误差。压电式传感器测量电路压电式传感器测量电路压电传感器本身的内阻抗很高压电传感器本身的内阻抗很高,而输出能量较小而输出能量较小,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，其作用为的前置放大器，其作用为:把它的高输出阻抗变换为低输出阻抗把它的高

23、输出阻抗变换为低输出阻抗;放大传感器输出的微弱信号。放大传感器输出的微弱信号。压电传感器的输出可以是电压信号压电传感器的输出可以是电压信号,也可以是电也可以是电荷信号荷信号,因此前置放大器也有两种形式因此前置放大器也有两种形式:电压放大器电压放大器电荷放大器电荷放大器压电式传感器的应用压电式传感器的应用压电式压力传感器压电式压力传感器根据使用要求不同，压电式测压传感器有各种不同的结构根据使用要求不同，压电式测压传感器有各种不同的结构形式。但它们的基本原理相同。压电式测压传感器的原理形式。但它们的基本原理相同。压电式测压传感器的原理简图。它由引线简图。它由引线1、壳体、壳体2、基座、基座3、压电

24、晶片、压电晶片4、受压膜片、受压膜片5及导电片及导电片6组成。当膜片组成。当膜片5受到压力受到压力P作用后，则在压电晶作用后，则在压电晶片上产生电荷。在一个压电片上所产生的电荷片上产生电荷。在一个压电片上所产生的电荷q为为 123456p压电式测压传感器原理图压电式测压传感器原理图F作用于压电片上的力；作用于压电片上的力；d11压电系数；压电系数；P压强，压强，；S膜片的有效面积。膜片的有效面积。压电式传感器的应用压电式传感器的应用压电式加速度传感器压电式加速度传感器其结构一般有纵向效应型、横向效应型和剪切效应型三种。其结构一般有纵向效应型、横向效应型和剪切效应型三种。纵向效应是最常见的纵向效

25、应是最常见的,如图。压电陶瓷如图。压电陶瓷4和质量块和质量块2为环型，为环型，通过螺母通过螺母3对质量块预先加载，使之压紧在压电陶瓷上。对质量块预先加载，使之压紧在压电陶瓷上。测量时将传感器基座测量时将传感器基座5与被测对象牢牢地紧固在一起。输与被测对象牢牢地紧固在一起。输出信号由电极出信号由电极1引出。引出。运运动动方方向向21345纵向效应型加速度纵向效应型加速度传感器的截面图传感器的截面图 当当传传感感器器感感受受振振动动时时，因因为为质质量量块块相相对对被被测测体体质质量量较较小小，因因此此质质量量块块感感受受与与传传感感器器基基座座相相同同的的振振动动，并并受受到到与与加加速速度度方

26、方向向相相反反的的惯惯性性力力，此此力力F Fmama。同同时时惯性力作用在压电陶瓷片上产生电荷为惯性力作用在压电陶瓷片上产生电荷为 qd33Fd33ma此式表明电荷量直接反映加速度大小。此式表明电荷量直接反映加速度大小。其灵敏度与压电材料压电系数和质量块其灵敏度与压电材料压电系数和质量块质量有关。为了提高传感器灵敏度，一质量有关。为了提高传感器灵敏度，一般选择压电系数大的压电陶瓷片。若增般选择压电系数大的压电陶瓷片。若增加质量块质量会影响被测振动，同时会加质量块质量会影响被测振动，同时会降低振动系统的固有频率，因此一般不降低振动系统的固有频率，因此一般不用增加质量办法来提高传感器灵敏度。用增

27、加质量办法来提高传感器灵敏度。此外用增加压电片数目和采用合理的连此外用增加压电片数目和采用合理的连接方法也可提高传感器灵敏度。接方法也可提高传感器灵敏度。压电式传感器的应用压电式传感器的应用压电式金属加工切削力测量压电式金属加工切削力测量右图为利用压电陶瓷传感右图为利用压电陶瓷传感器测量刀具切削力的示意器测量刀具切削力的示意图。图。由于压电陶瓷元件的由于压电陶瓷元件的自振频率高自振频率高,特别适合测特别适合测量变化剧烈的载荷。图中量变化剧烈的载荷。图中压电传感器位于车刀前部压电传感器位于车刀前部的下方的下方,当进行切削加工当进行切削加工时时,切削力通过刀具传给切削力通过刀具传给压电传感器压电传

28、感器,压电传感器压电传感器将切削力转换为电信号输将切削力转换为电信号输出出,记录下电信号的变化记录下电信号的变化便测得切削力的变化。便测得切削力的变化。压电式传感器的应用压电式传感器的应用压电式玻璃破碎报警器压电式玻璃破碎报警器BSD2压电式传感器是专门用于检测玻璃破碎的一种传感压电式传感器是专门用于检测玻璃破碎的一种传感器器,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。传感器把振动波转换成电压输出，破碎时产生的振动波。传感器把振动波转换成电压输出，输出电压经放大、输出电压经放大、滤波、滤波、比较等处理后提供给报警系统。比

29、较等处理后提供给报警系统。使用时传感器用胶粘贴在玻璃上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然后通过电缆和报警电路相连。为了提高报警器的灵敏度相连。为了提高报警器的灵敏度,信号经放大后信号经放大后,需经带通需经带通滤波器进行滤波滤波器进行滤波,要求它对选定的频谱通带的衰减要小要求它对选定的频谱通带的衰减要小,而而带外衰减要尽量大。带外衰减要尽量大。由于玻璃振动的波长在音频和超声波由于玻璃振动的波长在音频和超声波的范围内的范围内,这就使滤波器成为电路中的关键。这就使滤波器成为电路中的关键。当传感器输当传感器输出信号高于设定的阈值时出信号高于设定的阈值时,才会输出报警信号才会输出报警

30、信号,驱动报警执驱动报警执行机构工作。行机构工作。磁电式传感器磁电式传感器 磁电感应式传感器磁电感应式传感器霍尔式传感器霍尔式传感器磁电感应式传感器磁电感应式传感器 磁电感应式传感器又称磁电式传感器，磁电感应式传感器又称磁电式传感器，是利用是利用电磁感应原理将被测量（如振动、位移、转速等）电磁感应原理将被测量（如振动、位移、转速等）转换成电信号的一种传感器。它不需要辅助电源，转换成电信号的一种传感器。它不需要辅助电源，就能把被测对象的机械量转换成易于测量的电信号，就能把被测对象的机械量转换成易于测量的电信号，是一种有源传感器。是一种有源传感器。由于它输出功率大，由于它输出功率大，且性能稳定，具

31、有一定且性能稳定，具有一定的工作带宽（的工作带宽（101000 Hz），所以得到普遍应用。），所以得到普遍应用。磁电感应式传感器工作原理磁电感应式传感器工作原理根据电磁感应定律根据电磁感应定律,当当w匝线圈在恒定磁场内运动切割磁力匝线圈在恒定磁场内运动切割磁力线圈或线圈所在磁场的磁通发生变化时线圈或线圈所在磁场的磁通发生变化时,线圈内的感应电线圈内的感应电势势E与磁通与磁通的变化率有如下关系：的变化率有如下关系：根据以上原理，可设计出两种磁电式传感器根据以上原理，可设计出两种磁电式传感器结构：变磁通式和恒磁通式。结构：变磁通式和恒磁通式。变磁通式磁电传感器变磁通式磁电传感器变磁通式磁电传感器结

32、构图变磁通式磁电传感器结构图(a)开磁路；开磁路；(b)闭磁路闭磁路 变磁通式磁电传感器变磁通式磁电传感器图（图（a）为开磁路变磁通式：线）为开磁路变磁通式：线圈、磁铁静止不动，圈、磁铁静止不动，测量齿轮测量齿轮安装在被测旋转体上，随被测体安装在被测旋转体上，随被测体一起转动。每转动一个齿，一起转动。每转动一个齿，齿齿的凹凸引起磁路磁阻变化一次，的凹凸引起磁路磁阻变化一次，磁通也就变化一次，磁通也就变化一次，线圈中产线圈中产生感应电势，其变化频率等于被生感应电势，其变化频率等于被测转速与测量齿轮上齿数的乘积。测转速与测量齿轮上齿数的乘积。这种传感器结构简单，但输出信这种传感器结构简单，但输出信

33、号较小，且因高速轴上加装齿轮号较小，且因高速轴上加装齿轮较危险而不宜测量高转速的场合。较危险而不宜测量高转速的场合。变磁通式磁电传感器变磁通式磁电传感器 当转轴连接到被测转轴上当转轴连接到被测转轴上时，外齿轮不动，内齿轮随被时，外齿轮不动，内齿轮随被测轴而转动，内、外齿轮的相测轴而转动，内、外齿轮的相对转动使气隙磁阻产生周期性对转动使气隙磁阻产生周期性变化，从而引起磁路中磁通的变化，从而引起磁路中磁通的变化，使线圈内产生周期性变变化，使线圈内产生周期性变化的感应电动势。化的感应电动势。感应电势的频率与被测转感应电势的频率与被测转速成正比。速成正比。图图(b)为闭磁路变磁通式传感器，它由装在转轴

34、上的为闭磁路变磁通式传感器，它由装在转轴上的内齿轮和外齿轮、永久磁铁和感应线圈组成，内外齿轮齿内齿轮和外齿轮、永久磁铁和感应线圈组成，内外齿轮齿数相同。数相同。恒磁通式磁电传感器恒磁通式磁电传感器恒定磁通式磁电传感器结构原理图恒定磁通式磁电传感器结构原理图（a）动圈式；动圈式；(b)动铁式动铁式 磁路系统产生恒定的直流磁场磁路系统产生恒定的直流磁场,磁路中的工作磁路中的工作气隙固定不变气隙固定不变,因而气隙中磁通也是恒定不变的。因而气隙中磁通也是恒定不变的。其运动部件其运动部件可以是线圈（动可以是线圈（动圈式）圈式）,也可以也可以是磁铁（动铁式）是磁铁（动铁式）,动圈式（图动圈式（图（a）和动

35、铁）和动铁式（图式（图(b)）的）的工作原理是完全工作原理是完全相同的。相同的。恒磁通式磁电传感器恒磁通式磁电传感器 当壳体随被测振动体一起振动时当壳体随被测振动体一起振动时,由于弹簧较由于弹簧较软软,运动部件质量相对较大。当振动频率足够高运动部件质量相对较大。当振动频率足够高（远大于传感器固有频率）时（远大于传感器固有频率）时,运动部件惯性很大运动部件惯性很大,来不及随振动体一起振动来不及随振动体一起振动,近乎静止不动近乎静止不动,振动能振动能量几乎全被弹簧吸收量几乎全被弹簧吸收,永久磁铁与线圈之间的相对永久磁铁与线圈之间的相对运动速度接近于振动体振动速度运动速度接近于振动体振动速度,磁铁与

36、线圈的相磁铁与线圈的相对运动切割磁力线对运动切割磁力线,从而产生感应电势为从而产生感应电势为 式中：式中：B0工作气隙磁感应强度；工作气隙磁感应强度；l每匝线圈平均长度；每匝线圈平均长度；W线圈在工作气隙磁场中的匝数；线圈在工作气隙磁场中的匝数；v相对运动速度。相对运动速度。磁电感应式传感器的测量电路磁电感应式传感器的测量电路磁电式传感器直接输出感应电势磁电式传感器直接输出感应电势,且传感器通常具且传感器通常具有较高的灵敏度有较高的灵敏度,所以一般不需要高增益放大器。所以一般不需要高增益放大器。但磁电式传感器是速度传感器但磁电式传感器是速度传感器,若要获取被测位移若要获取被测位移或加速度信号或

37、加速度信号,则需要配用积分或微分电路。则需要配用积分或微分电路。磁电感应式传感器的应用磁电感应式传感器的应用动圈式振动速度传感器：主要由钢制圆形外壳制成动圈式振动速度传感器：主要由钢制圆形外壳制成,里面里面用铝支架将圆柱形永久磁铁与外壳固定成一体用铝支架将圆柱形永久磁铁与外壳固定成一体,永久磁铁永久磁铁中间有一小孔中间有一小孔,穿过小孔的芯轴两端架起线圈和阻尼环穿过小孔的芯轴两端架起线圈和阻尼环,芯芯轴两端通过圆形膜片支撑架空且与外壳相连。轴两端通过圆形膜片支撑架空且与外壳相连。工工作作时时,传传感感器器与与被被测测物物体体刚刚性性连连接接,当当物物体体振振动动时时,传传感感器器外外壳壳和和永

38、永久久磁磁铁铁随随之之振振动动,而而架架空空的的芯芯轴轴、线线圈圈和和阻阻尼尼环环因因惯惯性性而而不不随随之之振振动动。因因而而,磁磁路路空空气气隙隙中中的的线线圈圈切切割割磁磁力力线线而而产产生生正正比比于于振振动动速速度度的的感感应应电电动动势势,线线圈圈的的输输出出通通过过引引线线输输出出到到测测量量电电路路。该该传传感感器器测测量量的的是是振振动动速速度度参参数数,若若在在测测量量电电路路中中接接入入积积分分电电路路,则则输输出出电电势势与与位位移移成成正正比比;若若在在测测量量电电路路中接入微分电路中接入微分电路,则其输出与加速度成正比。则其输出与加速度成正比。磁电感应式传感器的应用

39、磁电感应式传感器的应用磁电式扭矩传感器：磁电式扭矩传感器：在驱动源和负载之间的扭转轴在驱动源和负载之间的扭转轴的两侧安装有齿形圆盘的两侧安装有齿形圆盘,它们旁边装有相应的两个它们旁边装有相应的两个磁电传感器。磁电传感器。当扭矩作用在扭转轴上时当扭矩作用在扭转轴上时,两个磁电传感器输出的两个磁电传感器输出的感应电压感应电压u1和和u2存在相位差。这个相位差与扭转轴存在相位差。这个相位差与扭转轴的扭转角成正比。这样传感器就可以把扭矩引起的的扭转角成正比。这样传感器就可以把扭矩引起的扭转角转换成相位差的电信号。扭转角转换成相位差的电信号。磁电感应式传感器的应用磁电感应式传感器的应用磁电传感器的结构见

40、下图所示。磁电传感器的结构见下图所示。传感器的检测元件部分传感器的检测元件部分由永久磁场、感应线圈和铁芯组成。由永久磁场、感应线圈和铁芯组成。永久磁铁产生的磁永久磁铁产生的磁力线与齿形圆盘交链。当齿形圆盘旋转时力线与齿形圆盘交链。当齿形圆盘旋转时,圆盘齿凸凹圆盘齿凸凹引起磁路气隙的变化引起磁路气隙的变化,于是磁通量也发生变化于是磁通量也发生变化,在线圈中在线圈中感应出交流电压感应出交流电压,其频率等于圆盘上齿数与转数乘积。其频率等于圆盘上齿数与转数乘积。霍尔式传感器霍尔式传感器概述概述霍尔传感器是基于霍尔效应的一种传感器。霍尔传感器是基于霍尔效应的一种传感器。1879年年美国物理学家霍尔首先在

41、金属材料中发现了霍尔效美国物理学家霍尔首先在金属材料中发现了霍尔效应。应。按被检测的对象的性质可将它们的应用分为按被检测的对象的性质可将它们的应用分为:直接直接应用和间接应用。前者是直接检测出被检测对象本应用和间接应用。前者是直接检测出被检测对象本身的磁场或磁特性，后者是检测被检对象上人为设身的磁场或磁特性，后者是检测被检对象上人为设置的磁场，用这个磁场作为被检测的信息的载体，置的磁场，用这个磁场作为被检测的信息的载体，通过它，将许多非电、非磁的物理量例如力、力矩、通过它，将许多非电、非磁的物理量例如力、力矩、压力、应力、位置、位移、速度、加速度、角度、压力、应力、位置、位移、速度、加速度、角

42、度、角速度、转数、转速以及工作状态发生变化的时间角速度、转数、转速以及工作状态发生变化的时间等，转换成电量来进行检测和控制。等，转换成电量来进行检测和控制。霍耳效应霍耳效应霍尔效应霍尔效应置于磁场中的静止载流导体置于磁场中的静止载流导体,当它的电流方向与当它的电流方向与磁场方向不一致时磁场方向不一致时,载流导体上垂直于电流和磁载流导体上垂直于电流和磁场方向上的两个面之间产生电动势场方向上的两个面之间产生电动势,这种现象称这种现象称霍尔效应。该电势称霍尔电势。霍尔效应。该电势称霍尔电势。霍尔效应霍尔效应+I+lbd霍耳效应原理图霍耳效应原理图UH 在垂直于外磁在垂直于外磁场场B的方向上放的方向上

43、放置一导电板置一导电板,导导电板通以电流电板通以电流I,方向如图所示。方向如图所示。导电板中的电流导电板中的电流是金属中自由电是金属中自由电子在电场作用下子在电场作用下的定向运动。此的定向运动。此时时,每个电子受每个电子受洛仑磁力洛仑磁力FL的作的作用，用，FL大小为大小为FL=qvB式中式中:q电子电荷电子电荷;v电子运动平均速度电子运动平均速度;B磁场的磁感应强度。磁场的磁感应强度。霍尔效应霍尔效应 在洛仑兹力的作用下，电子向一侧偏转，使该侧形成负电在洛仑兹力的作用下，电子向一侧偏转，使该侧形成负电荷的积累，另一侧则形成正电荷的积累。这样，前后两端面因荷的积累，另一侧则形成正电荷的积累。这

44、样，前后两端面因电荷积累而建立了一个电场电荷积累而建立了一个电场，称为霍尔电场。该电场对电，称为霍尔电场。该电场对电子的作用力与洛仑兹力的方向相反，即阻止电荷的继续积累。子的作用力与洛仑兹力的方向相反，即阻止电荷的继续积累。当电场力与洛仑兹力相等时，达到动态平衡，这时有当电场力与洛仑兹力相等时，达到动态平衡，这时有 qEh=qvB霍尔电场的强度为霍尔电场的强度为 Eh=vB在在A与与B两点间建立的电势差称为霍尔电压，用两点间建立的电势差称为霍尔电压，用UH表示表示 UH=Ehb=vBb由此可见，霍尔电压的大小决定于载流体中电子的运动速度，由此可见，霍尔电压的大小决定于载流体中电子的运动速度，它

45、随载流体材料的不同而不同。它随载流体材料的不同而不同。霍尔效应霍尔效应材材料料中中电电子子在在电电场场作作用用下下运运动动速速度度的的大大小小常常用用载载流流子子迁迁移移率率来来表表征征，所所谓谓载载流流子子迁迁移移率率，是是指指在在单单位位电电场场强强度度作作用用下下，载载流流子子的的平平均均速速度度值值。载载流流子子迁迁移移率率用用符符号号表表示示，=v/EI。其其中中EI是是电电场场强强度度。它它是是由由外外加加电电压压U产产生生的的，即即EIU/l。因此我们可以把电子运动速度表示为因此我们可以把电子运动速度表示为v=U/l。另一方面，若金属导电板单位体积内电子数为另一方面，若金属导电板

46、单位体积内电子数为n,电子定向电子定向运动平均速度为运动平均速度为v,则激励电流则激励电流I=nqvbd,则则霍尔效应霍尔效应RH为霍尔系数，它反映材料霍尔效应的强弱，为霍尔系数，它反映材料霍尔效应的强弱，KH为霍尔灵敏度，它表示一个霍尔元件在单位控制电流和单为霍尔灵敏度，它表示一个霍尔元件在单位控制电流和单位磁感应强度时产生的霍尔电压的大小，位磁感应强度时产生的霍尔电压的大小，KH=RH/d，它的单，它的单位是位是mV/(mAT)由此可见由此可见,霍尔电势正比于激励电流及磁感应强度霍尔电势正比于激励电流及磁感应强度,其灵敏其灵敏度与霍尔常数度与霍尔常数RH成正比而与霍尔片厚度成正比而与霍尔片

47、厚度d成反比。为了提高成反比。为了提高灵敏度灵敏度,霍尔元件常制成薄片形状。霍尔元件常制成薄片形状。霍尔效应霍尔效应载流体的电阻率载流体的电阻率与霍尔系数与霍尔系数RH和载流子迁移率和载流子迁移率之间的关系之间的关系 霍尔系数等于霍尔片霍尔系数等于霍尔片材料的电阻率与电子迁移材料的电阻率与电子迁移率率的乘积。若要霍尔效的乘积。若要霍尔效应强应强,则则RH值大值大,因此要因此要求霍尔片材料有较大的电求霍尔片材料有较大的电阻率和载流子迁移率。阻率和载流子迁移率。霍尔效应霍尔效应一般金属材料载流子迁移率很高一般金属材料载流子迁移率很高,但电阻率很小但电阻率很小;而绝缘材料电阻率极高而绝缘材料电阻率极

48、高,但载流子迁移率极低。故但载流子迁移率极低。故只有半导体材料适于制造霍尔片。只有半导体材料适于制造霍尔片。目前常用的霍尔元件材料有目前常用的霍尔元件材料有:锗、锗、硅、砷化铟、硅、砷化铟、锑化铟锑化铟等半导体材料。等半导体材料。其中其中N型锗容易加工制造型锗容易加工制造,其霍尔系数、其霍尔系数、温度性能和线性度都较好。温度性能和线性度都较好。N型硅的型硅的线性度最好线性度最好,其霍尔系数、其霍尔系数、温度性能同温度性能同N型锗相近。型锗相近。锑化铟对温度最敏感锑化铟对温度最敏感,尤其在低温范围内温度系数尤其在低温范围内温度系数大，但在室温时其霍尔系数较大。砷化铟的霍尔系大，但在室温时其霍尔系

49、数较大。砷化铟的霍尔系数较小数较小,温度系数也较小温度系数也较小,输出特性线性度好。输出特性线性度好。霍尔元件基本结构霍尔元件基本结构霍尔元件的结构很简单,它由霍尔片、引线和壳体组成。霍尔片是一块矩形半导体单晶薄片，引出四个引线。1、1两根引线加激励电压或电流，称为激励电极；2、2引线为霍尔输出引线，称为霍尔电极。霍尔元件壳体由非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装而成。在电路中霍尔元件可用两种符号表示。霍耳器件的基本电路霍耳器件的基本电路控制电流控制电流I；霍耳电势霍耳电势VH；控制电压控制电压V；输出电阻输出电阻R2；输入电阻输入电阻R1；霍耳电流霍耳电流IH；霍耳负载电阻霍耳负载电阻R3。图中控

50、制电流图中控制电流I I由电源由电源E E供给供给,R R为调节电阻为调节电阻,保证器件内所保证器件内所需控制电流需控制电流I I。霍耳输出端接负载霍耳输出端接负载R R3 3,R R3 3可是一般电阻或放大器可是一般电阻或放大器的输入电阻、或表头内阻等。磁场的输入电阻、或表头内阻等。磁场B B垂直通过霍耳器件垂直通过霍耳器件,在磁场在磁场与控制电流作用下，由负载上获得电压。与控制电流作用下，由负载上获得电压。实际使用时实际使用时,器件输入信号可以是器件输入信号可以是I或或B，或者，或者IB,而输出可而输出可以正比于以正比于I或或B,或者正比于其乘积或者正比于其乘积IB。霍尔式传感器的应用霍尔