传感器技术116章BW

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1、1 1 本章内容：本章内容： 1）压电式传感器）压电式传感器 2）霍尔传感器）霍尔传感器 3）磁敏电阻）磁敏电阻 4）磁敏二极管、磁敏三极管）磁敏二极管、磁敏三极管 5） 压电、磁敏传感技术工程应用实例） 压电、磁敏传感技术工程应用实例 6.1压电式传感器压电式传感器 6.2 磁敏式传感器磁敏式传感器 2 压电器件压电器件 受力、表面形变受力、表面形变电荷电荷 3 6.1.1、 工作原理及压电材料、 工作原理及压电材料 （一）、压电效应（一）、压电效应 1、正（顺）压电效应、正（顺）压电效应 2、逆压电效应（电致伸缩）、逆压电效应（电致伸缩） 4 压电介质压电介质 正压电效应正压电效应 Q(E

2、) 电能电能T(S) 机械能机械能 逆压电效应逆压电效应 （二）、压电材料简介（二）、压电材料简介 压电常数压电常数 弹性常数（刚度）弹性常数（刚度） 介电常数介电常数 机电耦合系数机电耦合系数 电阻电阻 居里点居里点 压电效应强弱：灵敏度压电效应强弱：灵敏度 固有频率、动态特性固有频率、动态特性 固有电容、频率下限固有电容、频率下限 机电转换效率机电转换效率 泄漏电荷、改善低频特性泄漏电荷、改善低频特性 丧失压电性的温度丧失压电性的温度 5 类类 别 别 材材 料 料 成成 分 分 特特 性 性 石英晶体石英晶体 单晶体、水晶单晶体、水晶 （人（人造造、 天然天然） ） SiO2 d11=2

3、.31 10 - 12 C/N， ， 压电系数压电系数稳定，稳定，固有频率固有频率稳定稳定 承承受压力受压力700- 1000Kg/cm2 压电压电陶瓷陶瓷 人人造多造多晶体晶体 钛酸钡钛酸钡、锆钛酸锆钛酸 钡钡、铌酸盐铌酸盐系 系 压电系数压电系数高高d33=19010- 11C/N 品种多品种多、性能、性能各异 各异 新型新型压电压电 材料材料 压电压电半导半导体体 压电特性压电特性 半导半导体特性体特性 集集成压电传感器成压电传感器 有机有机高高分分子子 压电材料压电材料 质轻柔软质轻柔软、抗拉抗拉强度强度高高、 机电耦合系数机电耦合系数高高 常用压电材料常用压电材料 6 （三三）、石英

4、晶体的压电特性）、石英晶体的压电特性 石英 居里点居里点573，六角，六角晶系晶系结构结构 光轴光轴 电电轴轴 机械机械轴轴 xxfdq11= xf yyyf b a df b a dq1112= yf PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 6 2 7 x轴方向受力：压力轴方向受力：压力 x轴方向受力：拉力轴方向受力：拉力 y轴方向受力：压力轴方向受力：压力 y轴方向受力：拉力轴方向受力：拉力 横向效应横向效应 纵向效应纵向效应 剪切效应剪切效应8 （四四）、压电）、压电陶瓷陶瓷的压电的压电现象现象 人人造多造多晶体：晶体：经极化处经极化处理理后后的人工的人工多多晶

5、晶铁铁电体电体 电电畴畴 未极化前未极化前：不具不具压电性压电性 撤销外撤销外电电场场加外加外电电场场 E 9 对外不呈极对外不呈极性性 加加力力F：放放电电现象现象 取消取消F：充充电电现象现象 机械能电能机械能电能 正压电效正压电效 应：应： Fdq=33 10 6.1.2 等等效电效电路和测量路和测量电电路路 一、压电晶一、压电晶片片的的连接方连接方式式 （1）并联并联： UUqqCC=,2,2 （2）串联串联： UUqqCC2, 2 1 = 11 二、压电传感器的二、压电传感器的等等效电效电路路 d S Ce = 只适宜只适宜动态动态测量测量 压电晶压电晶片片： eC Q U = 压电

6、传感器：压电传感器： 12 压电传感器压电传感器在在实实际测量际测量 系系统中统中的的等等效电效电路路 Ce- - 电电缆缆电容电容， Ci输入输入电容电容， Ce器器件件电容电容， Ri输入输入电阻电阻， Rd泄漏电阻泄漏电阻。 PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 3 13 三、压电传感器的测量电路三、压电传感器的测量电路 icCCC+= id id RR RR R + = 前前置置放放大大器的作用：器的作用： （1）放放大大 （2）阻）阻抗抗转换转换 电压电压放放大大器器 电荷电荷放放大大器器 1、电压、电压放放大大器器 tsinFFm= tsin C Fd

7、C Fd C q U e m ee = = Ce- - 电电缆缆电容电容， Ci输入输入电容电容， Ri输入输入电阻电阻， Rd泄漏电阻泄漏电阻。 受力：受力： 14 f f C q UU=0 2、电荷、电荷放放大大器器 ficeCACCC Aq U )1 ( 0 + = fC q fCq U K 10 = 灵敏度灵敏度 与与电电缆缆电容电容无关无关 )(2 1 cec H CCR f + = 上上限限 ff L CR f 2 1 = 下限下限 高高增益深增益深度度负反馈运算负反馈运算放放 大大器器。 输输出出电压电压与与输入输入电荷成正电荷成正 比比的的前前置置放放大大器器。 15 6.1.

8、3 压电传感器的应用压电传感器的应用 例例1： 压电式： 压电式测测力传感器力传感器 压电式压电式三向三向力传感器力传感器 16 例例2： 压电式压力传感器： 压电式压力传感器 Fdq=11 SPF= 电电极结构极结构 预紧预紧力力 17 例例3：压电：压电引信引信 压电压电陶瓷陶瓷：弹：弹丸起爆装置丸起爆装置破甲破甲弹弹 18 例例4：火炮堂内火炮堂内压力压力测测试试 发射药发射药在在堂内燃烧堂内燃烧形成压力形成压力完完成成炮炮弹的弹的发射发射。 堂内堂内压力的压力的大小大小，不，不仅决仅决定定着炮着炮弹的弹的飞行速飞行速度度，而且而且 与火炮与火炮、弹、弹丸丸的的设计设计有有着密着密切切关

9、关系系。 PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 孛 4 19 例例5：压电式加速度传感器：压电式加速度传感器 madFdq= C dma C q U= maF = 重块重块质量质量 加加速速度度 m a 20 例例6：冲击试验台冲击试验台的的标标定和定和检检测测 产产品品过载冲击试验过载冲击试验 跌落跌落高高度度h 被冲击被冲击介介质质：钢钢、橡胶橡胶、塑塑料、料、木块木块 加加速速度度 产产品品 21 例例7：汽车安全气囊汽车安全气囊系系统统 事故事故性性碰撞碰撞：点：点火信号火信号、电点、电点火管火管、气气体体发生剂发生剂、 气气体、体、充充气气、弹性体、弹性体

10、 22 例例8： 气气体体发生发生器器输输出出特性特性测测试试 密封密封容器压力容器压力测测试法试法 23 例例10： 压电式： 压电式血血压传感器压传感器 例例11：指套指套式电式电子子血血压压计计 24 例例12：玻璃破碎报警玻璃破碎报警器器 PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 孛 5 25 例例13：水深测量仪：水深测量仪 mMPa /01. 0 26 磁敏传感器磁敏传感器 磁磁场场电能电能 测量测量原理：原理：半导半导体材料体材料中中的的自由自由电电子子及及空空穴穴 随随磁磁场场改变改变其其运运动动方向方向 结构结构 结型结型 体体型型 霍尔霍尔传感器传感

11、器 磁敏电阻磁敏电阻 磁敏二磁敏二极极管管 磁敏磁敏三极三极管管 27 6.2.1 霍尔霍尔传感器传感器 一、一、霍尔霍尔效应效应 IBKUHH= 霍尔元霍尔元件件灵敏度灵敏度HK HU 霍尔霍尔电电势势 1、定定义霍尔义霍尔：1879年年 + L b d B I HE I HU x y z 半导体 I d IB RUHH= RH 霍尔霍尔系数系数 28 2、霍尔霍尔电电势势的的产生产生 N型半导型半导体：体：evBqvBFL=洛仑兹洛仑兹力力 电电场场力力 HEeEF= b U E H H=而 动态动态平衡平衡bvBUH= P型型： ped IB UH= IBKUHH= + L b d B

12、I HE I HU x y z ned IB UH= d IB RUHH= 或 ne RH 1 = pe RH 1 = 令令 霍尔霍尔系数系数 enbdvI= 电电流流 E LFF= 29 pqu 1 = nqu 1 = 或或 ne RH 1 = pe RH 1 = 或或 uRH= 半导半导体体 绝缘绝缘体体 金属金属 材料：材料：锗锗、硅硅、砷砷化化镓镓、砷砷化化铟铟、锑锑化化铟铟 灵敏度低、温度灵敏度低、温度 特性及特性及线线性度性度好好 灵敏度灵敏度最最高高、 受温度受温度影响影响大大 输入1 输入2 输出1 输出2 磁性顶端 引线 衬底 霍尔元件 溅溅射射工工艺制艺制作的作的 锑锑化化

13、铟霍尔元铟霍尔元件件 30 二、二、霍尔元霍尔元件件的的主要主要技术技术参参数及特点数及特点 （1）额额定定激励激励电电流流 IH 霍尔元霍尔元件件温温升升10 时所时所加加的电的电流流 （3）不不平衡平衡电电势势U0 不等不等位位电电势势、零位零位电电势势 IH、 、B=0、 、空载空载霍尔霍尔电电势势 原原因因：两个霍尔两个霍尔电电极不在极不在同同一一等等位位面面上上 材料材料不不均匀均匀、工、工艺艺不不良良 （2）输入输入电阻及电阻及输输出出电阻电阻 输入输入电阻电阻- - - 激励激励电电极极的电阻的电阻；输输出出电阻电阻=器器件件内内阻（阻（其 相当一个电压源） Ri 控制控制电电流

14、流电电极极间间的电阻的电阻 R0 输输出出霍尔霍尔电电势势电电极极间间的电阻的电阻 PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 6 31 （4）霍尔电压）霍尔电压 VH 0.1 0.2 0.3 0.4 ）（磁通密度TB 250 200 150 100 50 0 ）霍尔电压（mV ）（恒流CmA2510 0.1 0.2 0.3 0.4 ）（磁通密度TB 250 200 150 100 50 0 ）霍尔电压（mV ）（恒压CV251 （5）霍尔霍尔电压的温度特性电压的温度特性 负负温度特性温度特性 32 型型号号 材料材料 控制控制 电电流流 (mA) 霍尔霍尔 电压电压 (

15、mV, 0.1T) 输入输入 电阻电阻 () 输输出出 电阻电阻 () 灵敏度灵敏度 (mV/m A.T) 不等不等 位位电电 势势 (mV) VH温温 度 系度 系 数数(%/ ) EA218 InAs 100 8.5 3 1.5 0.35 13 6.5 2.4 0.75 2.5 _ -0.02 MF07FZZ InSb 10 40-290 8-60 8-65 _ 10 -2 MF19FZZ InSb 10 80-600 8-60 8-65 _ 10 -2 MH07FZZ InSb 1V 80-120 80-400 80-430 _ 10 -0.3 MH19FZZ InSb 1V 150-250 80-400 80-430 _ 10 -0.3 KH- 400A InSb 5 250-550 240-550 50-110 50-1100 10 8 43 + P + NI 面r H + P + NI 面r + H + P + NI 面r 2、工作原理、工作原理 磁磁场场H = 0： 少少量量电电子和子和空空穴穴 在在 I 区区、r区复区复合合 正正