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1、5.1 磁电式传感器,1.变换原理:,磁电式传感器是把被测量的物理量转换为感应电动势的一种转换器。,感应线圈的感应电动势e为,磁通变化率与磁场强度、磁阻、线圈运动速度有关，改变其中一个因素，都会改变感应电动势。,第五章 电动势式传感器原理与应用,2. 分类,磁电式,动圈式,磁阻式,线速度型,角速度型,5.1.2 动圈式传感器,线速度型,角速度型,测速电机,5.1.3 磁阻效应传感器 磁阻元件的工作原理是利用半导体材料的磁阻效应(或称高斯效应)。 实际运动中载流子速度是不完全相同的，因而，在洛伦兹力作用下使一些载流子往一边偏转，所以半导体片内电流分布是不均匀的，改变磁场的强弱就影响电流密度的分布
2、，故表现为半导体片的电阻变化。,磁阻效应传感器,将磁阻元件置于磁场中，当它相对于磁场发生位移时，磁阻元件内阻R1、R2发生变化，如果将它们接于电桥，则其输出电压比例于电阻的变化。,5.1.4 磁电式传感器的动态特性,磁电式传感器只适用于测量动态物理量，这种传感器是机电能量转换型，下图是其等效的机械系统,磁阻式传感器,带电粒子在磁场中的运动会受到洛伦兹力 FL 的作用使带电粒子偏向 c，d 电极，在垂直于 B 和 I 的方向上产生一感应电动势 VH。该现象称为霍尔效应，所产生的电动势 VH 称为霍尔电势,1. 基本原理,厚度为 d 的N型半导体薄片上垂直作用了磁感应强度为 B 的磁场若在一个方向
3、上通以电流 IN型半导体中多数载流子为电子 它沿与电流的相反方向运动,5.2 霍尔传感器,霍尔电势 VH 的大小 由下式决定：,式中 KH霍尔常数，表示单位磁感应强度和 单位控制电流下所得的开路霍尔电势， 取决于材质、元件尺寸，并受温度变化影响； 电流方向与磁场方向夹角，如两者垂直，则sin1。,纯金属中自由电子浓度过高，霍尔效应微弱，无实用价值半导体是霍尔元件的常用材料材料的厚度 d 愈小，则 KH 就愈大、灵敏度愈高,磁阻效应与霍尔效应的区别：霍尔电势是指垂直于电流方向的横向电压，而磁阻效应则是沿电流方向的电阻变化。,片芯是一块矩形半导体薄片 一般采用N形锗、锑化铟、砷化铟、砷化镓和磷砷化
4、铟等长边两侧面焊有两根控制电流极引线，短边两侧面的中点焊以两导线用于输出霍尔电势霍尔芯片一般用非磁性金属、陶瓷或环氧树脂封装,2. 霍尔元件的结构,在磁场和控制电流的作用下，输出端有电压输出使用时，I 和 B 都可作为输入信号，输出信号正比于两者的乘积建立霍尔电势所需的时间极短(10-1210-14)所测外界信号频率可以很高,3. 霍尔元件的基本电路,R为调节电阻，调节控制电流的大小UH 两端为霍尔电势输出端,霍尔元件在静止状态下具有感受磁场的独特能力霍尔元件的特点： 结构简单可靠 体积小 噪声低 动态范围大(输出电压变化范围可达1000:1) 频率范围宽(从直流到微波频段) 寿命长 价格低,
5、可以广泛应用于测量： 位移 可转化为位移的力和加速度 磁场变化应用中不用永久磁铁产生的磁场，而是用一个可变电流作激磁的可变磁场，输出电压就决定于控制电流和激磁电流的乘积 霍尔元件就成了一种两个模拟信号的乘法器,霍尔传感器的应用,改变 I 或 B，或两者同时改变均会引起 VH 的变化利用该原理可以做成各种传感元件,霍尔元件置于两相反方向的磁场中在a、b两端通入控制电流 i左半产生的霍尔电势VH1和右半产生的霍尔电势VH2方向相反c，d两端输出电压是VH1-VH2，若使初始位置时VH1=VH2，则输出电压为零。当霍尔元件相对于磁极作x方向位移时，可得到输出电压VH=VH1-VH2，且VH数值正比于
6、位移量x，正负方向取决于位移x的方向霍尔元件传感器既能测量位移的大小，又能鉴别位移的方向,霍尔位移传感器,霍尔乘法器,霍尔元件置于由坡莫合金(Ni79Mo4)制成的铁芯气隙中，激磁线圈绕于中间芯柱上，当输入直流激磁电流Im时，形成恒定磁场。如果通入霍尔元件的控制电流为i，则霍尔电势 即正比于i与Im的乘积，因此霍尔元件可作为乘法器。,5.3 压电式传感器,1.变换原理:压电效应,某些物质，如石英，受到外力作用时，不仅几何尺寸会发生变化，而且内部会被极化，表面产生电荷；当外力去掉时，又重新回到原来的状态，这种现象称为压电效应。,2.压电材料明显呈现压电效应的敏感功能材料叫压电材料。压电材料一般应
7、考虑以下主要特性：1) 具有较大的压电常数。2) 压电元件的机械强度高、刚度大并具有较高的固有振动频率。3) 具有高的电阻率和较大的介电常数。4) 具有较高的居里点。居里点高可以得到较宽的工作温度范围。5) 压电特性不随时间蜕变，有较好的时间稳定性。,(1) 石英晶体 石英晶体有天然和人工培养两种类型。人工培养的石英晶体的物理+化学性质几乎与天然石英晶体无多大区别，因此目前广泛应用成本较低的人造石英晶体。它在几百摄氏度的温度范围内，压电、系数不随温度而变化。石英晶体的居里点为573，即到573时，它将完全丧失压电性质。它有很大的机械强度和稳定的机械性能，没有热释电效应，但灵敏度很低，介电常数小
8、，因此逐渐被其他压电材料所代替。,纵轴z-z称作光轴，通过六角棱线而垂直于光轴的轴线 x-x称作电轴，垂直于棱面的轴线y-y称作机械轴。如果从晶体中切下一个平行六面体，并使其晶面分别平行于z-z、y-y、x-x轴线，这个晶片在正常状态下不呈现电性。当施加外力时，将沿x-x方向形成电场，其电荷分布在垂直于x-x轴的平面上。沿x轴方向加力产生纵向压电效应，沿y轴加力产生横向压电效应，沿相对两平面加力产生切向压电效应。,石英(SiO2)晶体结晶形状为六角形晶柱。两端为一对称的棱锥，六棱柱是它的基本组织,石英的压电效应,这时正负离子正好分布在正六边形的顶角上，呈现电中性。如果沿X方向压缩，如图b所示，
9、则硅离子1被挤入氧离子2和6之间，而氧离子4被挤入硅离子3和5之间，结果表面A上呈现负电荷，而在表面B上呈现正电荷。这一现象称为纵向压电效应。若沿Y方向压缩，如图c所示，硅离子3和氧离子2，以及硅离子5和氧离子6都向内移动同样的数值，故在电极C和D上不呈现电荷，而在表面A和B上，即在X轴的端面上又呈现电荷，但与图b的极性正好相反，这时称为横向压电效应。从研究的模型同样可以看出：如果是使其伸长而不是压缩时，则电荷的极性正好相反。总之，石英等单晶体材料是各向异性的物体，在X或Y轴向施力时，在与X轴垂直的面上产生电荷，电场方向与X轴平行，在Z轴方向施力时，不能产生压电效应。,石英的化学式为SiO2，
10、在一个晶体单元中，有三个硅离子si4+和六个氧离子O2-，后者是成对的，所以一个硅离子和两个氧离子交替排列。当没有力作用时si4+和O2-在垂直于晶体Z轴的XY平面上的投影恰好等效为正六边形排列，如图a示。,(2) 水溶性压电晶体 这类压电晶体有酒石酸钾钠(NaKC4H4O64H20)、硫酸锂(Li2SO4H2O)、磷酸二氢钾(KH2PO4)等。水溶性压电晶体具有较高的压电灵敏度和介电常数，但易于受潮，机械强度也较低，只适用于室温和湿度低的环境下。(3) 铌酸锂晶体 铌酸锂是一种透明单晶，熔点为1250，居里点为1210。它具有良好的压电性能和时间稳定性，在耐高温传感器上有广泛的前途。,(4)
11、压电陶瓷 这是一种应用最普遍的压电材料，压电陶瓷具有烧制方便、耐湿、耐高温、易于成形等特点。 1) 钛酸钡压电陶瓷 钛酸钡(BaTiO3)是由BaCO3和TiO2二者在高温下合成的。具有较高的压电系数和介电常数。但它的居里点较低，为120，此外机械强度不如石英。 2) 锆钛酸铅系压电陶瓷(PZT) 锆钛酸铅是PbTiO3和PbZrO3组成的固溶体Pb(ZrTi)O2。它具有较高的压电系数和居里点(300以上)。,3) 铌酸盐系压电陶瓷 钽铌酸铅具有很高的居里点和较低的介电常数。铌酸钾的居里点为435C，常用于水声传感器中。 4) 铌镁酸铅压电陶瓷(PMN) 这是一种由Pb(MgNb)O3、Pb
12、TiO3、PbZrO3组成的三元系陶瓷。它具有较高的压 电系数和居里点，能够在较高的压力下工作，适合作为高温下的力传感器。,(5) 压电半导体 有些晶体既具有半导体特性又同时具有压电性能，如ZnS、CaS、GaAs等。因此既可利用它的压电特性研制传感器，又可利用半导体特性以微电子技术制成电子器件。(6) 高分子压电材料 某些合成高分子聚合物薄膜经延展拉伸和电场极化后，有一定的压电性能，这就是高分子压电薄膜。目前出现的压电薄膜有聚二氟乙烯PVF2、聚氟乙烯PVF、聚氯乙烯PVC、聚甲基-L谷氨酸脂PMG等。这是一种柔软的压电材料，不易破碎，可以大量生产和制成较大的面积。,5.3.2 压电元件的等
13、效电路及信号变换电路,压电元件两电极间的压电陶瓷或石英为绝缘体，而两个工作面上进行金属蒸镀，形成金属膜，因此就构成一个电容器。当压电元件受外力作用时，两表面产生等量的正、负电荷Q，压电元件的开路电压(负载电阻为无穷大)U为： 这样可把压电传感器等效为一个电流源Q和一个电容器Ca的等效电路；同时也可等效为一个电压源U和一个电容器Ca串联的等效电路。,1. 压电元件的等效电路,其中Ra为压电元件的漏电阻。工作时，压电元件与二次仪表配套使用必定与测量电路相连接，这就要考虑连接电缆电容Ca、放大器的输入电阻Ri和输入电容Ci。,压电元件常用的结构形式 在实际使用中，如仅用单片压电元件工作的话，要产生足
14、够的表面电荷就要很大的作用力，因此一般采用两片或两片以上压电元件组合在一起使用。由于压电元件是有极性的，因此连接方法有两种：并联连接和串联连接。,在以上两种联接方式中，并联接法输出电荷大，本身电容大，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合。串联接法输出电压高，本身电容小，适用于以电压作为输出量以及测量电路输入阻抗很高的场合。 压电元件在压电式传感器中，必须有一定的预应力，这样可以保证在作用力变化时，压电片始终受到压力，同时也保证了压电片的输出与作用力的线性关系。,2. 压电式传感器的信号调节电路,压电式传感器要求负载电阻RL必须有很大的数值，才能使测量误差小到一定数值以
15、内。因此常先接入一个高输入阻抗的前置放大器，然后再接一般的放大电路及其它电路。测量电路关键在高阻抗的前置放大器。 前置放大器两个作用:（1）把压电式传感器的微弱信号放大；（2）把传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出。,（1）电压放大器,Ca：传感器的电容 Ra：传感器的绝缘电阻 Cc：连接电缆的等效电容Ri：放大器的输入电阻Ci：输入电容,前置放大器输入电压,压电元件的力 F=Fmsint压电元件的压电系数为d11，产生的电荷为Q = d11F。,输入电压的幅值,当作用力是静态力（=0） 时，前置放大器的输入电压为零。原理上决定了压电式传感器不能测量静态物理量。压电式传感器突出优点：高频响应相当好。,扩大传感器的低频响应范围的方法,如果被测物理量是缓慢变化的动态量，而测量回路的时间常数又不大，则造成传感器灵敏度下降。因此为了扩大传感器的低频响应范围，就必须尽量提高回路的时间常数。但这不能靠增加测量回路的电容量来提高时间常数，因为传感器的电压灵敏度与电容成反比的，切实可行的办法是提高测量回路的电阻。由于传感器本身的绝缘电阻一般都很大，所以测量回路的电阻主要取决于前置放大器的输入电阻。放大器的输入电阻越大，测量回路的时间常数就越大，传感器的低频响应也就越好。,
