《ch7压电式传感器》ppt课件

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1、第7章 压电式传感器,压电式传感器是由压电元件作为转换元件的有源传感器。它可以将机械能转化为电能，也可以将电能转化为机械能。可以用于与力有关的物理量测量，如：压力，加速度，机械冲击，振动等。,下页,返回,图库,有源传感器：无需外接电源 早在1680年，发过科学家皮埃尔.居里兄弟发现了石英晶体的压电效应，直到1948年才制作出第一个石英传感器。,一、 压电效应和压电材料,某些物质的材料，当沿一定方向施加外力作用时，会产生变形，同时在某两个表面上产生符号相反的电荷；当外力去掉后，又恢复到不带电状态。上述现象称为正压电效应。,下页,上页,返回,图库,反之，如对某些物质的材料施加一定变化电场，材料将产

2、生机械变形；外电场撤离，变形也随着消失，称为逆压电效应（负压电效应）。,1、压电效应,正、负压电效应统称为压电效应。,自然界中大多数晶体都具有压电效应。然而，许多经典的压电效应很微弱。只有石英晶体，钛酸钡，锆钛酸铅等可以用作压电式传感器。 压电材料根据物理性质大致分为： 压电晶体：天然和人造石英晶体，酒石酸钾等多晶体 压电陶瓷：人工合成的多晶体，如：钛酸钡，锆钛酸铅,下页,上页,返回,图库,2、压电材料,压电材料是设计高性能传感器的关键，选用时应考虑： 转换性能：具有较高的耦合系数或具有较大的压电常数。 机械性能：压电元件作为受力元件，希望它的机械强度高、机械刚度大，以期获得宽的线性范围和高的

3、固有振动频率。 电性能：具有高的电阻率和大的介电常数，以期望减弱外部分布电容的影响并获得良好的低频特性。 温度和湿度稳定性要好：期望得到宽的工作温度范围。 时间稳定性：压电特性不随时间蜕变。,下页,上页,返回,图库,压电材料选用,石英晶体的外形和晶轴 石英晶体是单晶体结构，其形状为六角形晶柱，两端呈六棱锥形 石英晶体各个方向的特性不同，可用三坐标轴系表述： Z轴：晶体的光轴，沿着Z轴的光线照射到晶体上，不发生双折射现象（双折射：当一束光照射到晶体，产生两束透视光的现象） Y轴：晶体的力轴，沿Y轴施加力，晶体变形最明显 X轴：晶体的电轴，沿X轴施加力，压电效应最明显,下页,上页,返回,图库,3、

4、石英晶体的压电特性,石英晶体的外形、晶轴和压电效应,退出,z轴是光轴，是对称轴，光沿着光轴穿过晶体没有双折射现象。,x轴是电轴。石英晶体剖面是6边形，所以电轴x有3个。力沿着电轴施加作用，垂直电轴有压电效应。,y轴是机械轴。石英晶体剖面是6边形，所以机械轴y有3个。力沿着机械轴施加作用，也会在垂直电轴有压电效应。,石英晶体压电效应示意图,退出,a) 未受力时，3个电偶极矩大小相等，夹角120,合作用为0,3个硅离子，3个O2离子在六边形的顶点，形成3个电偶极矩。方向（ 从负离子指向正离子 ）,b) 受挤压力时，p1减小，合作用沿p1反方向 c 受拉伸力（效果同：y方向挤压时）时，p1增加，合作

5、用沿p1方向,石英晶体受力方向与电荷极性的关系,退出,沿X方向，受挤压力，垂直X轴表面产生电荷，正电荷方向与x轴一致；受拉伸力，垂直X轴表面产生电荷，正电荷方向与x轴相反；,沿y方向，受挤压力，垂直X轴表面产生电荷，正电荷方向与x轴相反；受拉伸力，垂直X轴表面产生电荷，正电荷方向与x轴一致；,沿z方向，施加力时，对x轴，y轴方向的电偶极距没有影响，因此没有压电效应。,退出,压电陶瓷的压电机理和石英晶体并不相同。 压电陶瓷内部有许多自发极化的电畴（电偶极性相同的小区域）。极化处理以前，各晶粒内电畴的极性任意排列，极化作用相互抵消，对外不显示极化特性。,4、压电陶瓷的压电现象,压电陶瓷的极化过程和

6、压电原理图,退出,压电陶瓷的极化过程：在压电陶瓷施加直流外电场，电畴的自发极性与外电场所加方向一致，规则排列“电畴”；极化后，外电场消失，电畴不立即回复原状，有剩余极化强度。,由于束缚电荷影响，在压电陶瓷极化两端会吸引外界电荷，这是束缚电荷与自由电荷数量相等，极性相反，因此陶瓷片对外不显示极性。,+,-,压电陶瓷的压电原理图,退出,压电陶瓷受到与极化方向平行的压力：陶瓷内部束缚电荷（极化电荷）的极距减小，吸引自由电荷的能力减弱，会失去一部分自由电荷，呈现放电现象。 当外力撤销，极化强度恢复原状，又会吸引一部分自由电荷，呈现充电现象。,压电陶瓷受到与极化方向垂直的力：力沿y轴方向挤压，或x轴方向

7、挤压，等同于极化方向的施加拉力，压电原理.？只是压电效果不很明显。,退出,无论是石英晶体还是压电陶瓷，研究表明：压电作用的电荷量与外力成正比。,压电元件的压电过程有电荷的充、放电过程，类似电容的充放电，因此等效电路中由电荷源+电容构成。,压电原理的定量分析,二、 等效电路,压电式传感器对被测量的变化是通过其压电元件产生电荷量的大小来反映的，因此它相当于一个电荷源。 而压电元件电极表面聚集电荷时，它又相当于一个以压电材料为电介质的电容器，其电容量为：,式中 s 极板面积 r 压电材料相对介电常数 0 真空介电常数 压电元件厚度,下页,上页,返回,图库,实际等效电路 压电式传感器实际使用时总要与测

8、试仪表或测量电路相连，因而还必须要考虑电缆连接电容Cc，前置放大器的输入电阻Ri和输入电容Ci以及压电式传感器绝缘电阻Ra，这样压电式传感器在测量系统中的等效电路就如图所示。,下页,上页,返回,由于压电式传感器产生的电量非常小，所以要求测量电路的输入电阻非常大以减小测量误差。而且压电式传感器的输出端要接前置放大器，放大器有两种形式： 电压放大器：其输出电压与输入电压(压电元件的输出电压)成正比。 电荷放大器：其输出电压与输入电荷成正比。,三、 测量电路,下页,上页,返回,图库,1、压电元件的串并联 在压电传感器中，为了提高灵敏度，通常压电材料采用两片或两片以上组合在一起。由于压电材料是有极性的

9、，因此连接方法有两种，如图所示。,四、 压电式传感器的合理使用,下页,上页,返回,图库,并联,串联,下页,上页,返回,1、压电元件的串并联,在图 (a)中，两压电片的负极都集中在中间电极上，正电极在两边的电极上。这种接法称为并联。其输出电容C并为单片电容C的两倍，但输出电压U并等于单片电压U，极板上电荷量q并为单片电荷量q的两倍，即,下页,上页,返回,图 (b)的接法，正电荷集中在上极板，负电荷集中在下极板，而中间的极板上片产生的负电荷与下片产生的正电荷相互抵消，这种接法称为串联。由图可知，输出的总电荷q串等于单电荷q，而输出电压U串为单片电压U的两倍，总电容C串为单片电容C的一半，即,两种接

10、法，并联接法电容大，时间常数长，适合于测量慢变信号，并且适用于以电荷作为输出量的场合； 串联接法，输出电压大，电容相对小，适合以电压作为输出型号，并且测量电路的输入阻抗很高的场合。,下页,上页,返回,2、压电力传感器的安装 压电式力传感器安装时应保证传感器的敏感轴与受力方向一致。安装传感器的上、下接触面要经过精细加工，以保证平行度和平面度。 当接触表面粗糙时，可加装应力分布块并用螺栓紧固。,3、合理选择传感器的量程和频率响应,4、合理选用测量仪表,5、合理选择安装连接电缆,6、选择纵、横向压电效应,五、 压电式传感器的应用,压电元件是一种典型的力敏感元件。可用来测量最终能转换为力的多种物理量。

11、 在检测技术中，常用来测量力和加速度。,下页,上页,返回,图库,1 压电式测心跳 2 压电式自制吉他 3 压电蜂鸣器,6.5 压电式传感器的应用举例,1 压电式测心跳 2 压电式自制吉他 3 压电蜂鸣器,下页,上页,返回,图库,第7章 本章要点,压电原理 石英晶体的压电原理（受力，画电荷方向） 压电陶瓷的压电原理（受力，画电荷方向） 压电式传感器的应用,结束,上页,返回,图库,第8章 霍尔式传感器,下页,上页,返回,霍尔效应与霍尔元件 霍尔式传感器工作原理 霍尔式传感器的应用举例,霍尔式传感器是利用霍尔元件基于霍尔效应原理而将被测量（如电流、磁场、位移、压力）等转换成电动势输出的一种传感器。,

12、图库,一、霍尔效应和霍尔元件,下页,上页,返回,霍尔效应 一块半导体薄片置于磁感应强度为B的磁场(磁场方向垂直于薄片)中，当有电流 I 流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势UH。 UH的大小正比于B和I的乘积，这种现象称为霍尔效应。,图库,霍尔效应在1879年由美国物理学家霍尔在金属材料中发现，但是由于金属材料的霍尔效应太微弱并未引起重视。直到20世纪50年代，半导体的霍尔效应才被广泛重视和利用。,下页,上页,返回,一块长为l、宽为b、厚为d的半导体薄片置于磁感应强度为B的磁场(磁场方向垂直于薄片)中。当有电流I流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势UH。,图库,当磁场方向不

13、垂直于元件平面，而是与元件平面的法线成一角度 时，实际作用于元件上的有效磁场是其法线方向的分量，即 ，产生的感应电动势,式中：KH霍尔元件的灵敏度。 式中：RH霍尔系数，它反应元件霍尔效应的强弱，由材料性质决定。（单位体积内导电粒子数越少，霍尔效应越强，半导体比金属导体霍尔效应强，所以常采用半导体材料做霍尔元件；） d霍尔元件的厚度。 由UH公式可知，对于材料和尺寸确定的元件, KH保持常数，霍尔电势UH仅与I B的乘积成正比。利用这一特性，在恒定电流之下可用来测量磁感应强度B；反之，在恒定的磁场之下，也可以用来测量电流I。 减小霍尔元件的厚度可以增强霍尔效应。,下页,上页,返回,2、霍尔元件

14、材料,1锗(Ge)，N型及P型均可。 2硅(Si)N型及P型均可。 3砷化铟(InAs)和锑化铟(InSb),霍尔元件型号命名方法如下图所示。,3 霍尔元件构造及测量电路,下页,上页,霍尔元件构造由:霍尔片、四极引线、壳体组成 霍尔片是一块矩形半导体薄片，在它的四个端面引出四根引线，其中引线1和3为激励电压或电流引线，称为激励电极。引线2和4为霍尔电势输出引线，称为霍尔电极。,返回,图库,4、 霍尔元件的主要技术指标,下页,上页,额定激励电流IH 使霍尔元件温升10所施加的控制电流值称为额定激励电流。通常用IH表示。 输入电阻Ri 指控制电流极间的电阻值。它规定要在室温(205)的环境温度中测

15、取。 输出电阻Rs 指霍尔电极间的电阻值。规定中要求在(205)的条件下测取。 不等位电势 当霍尔元件通以控制电流IH而不加外磁场时，它的霍尔输出端之间仍有空载电动势存在，该电动势就称为不等位电势(或零位电动势)。,返回,图库,下页,上页,寄生直流电动势 当不加外磁场，控制电流改用额定交流电流时，霍尔电极间的空载电动势为直流与交流电动势之和。其中的交流霍尔电动势与前述零位电动势相对应，而直流霍尔电动势是个寄生量，称为寄生直流电动势V。 热阻RQ、霍尔电势温度系数 它表示在霍尔电极开路情况下，在霍尔元件上输入lmW的电功率时产生的温升，单位为mW。所以称它为热阻是因为这个温升的大小在一定条件下与

16、电阻有关。,返回,图库,1） 温度补偿 下图示为各种不同材料的内阻与温度的关系。,下页,上页,返回,上图示为各种不同材料的霍尔输出电势随温度变化的情况。,5、霍尔元件的温度补偿和不等位电势补偿,为了减少由温度变化所引起的温差电势对霍尔元件输出的影响，可根据不同情况，采取一些不同的补偿方法。 恒流源补偿,下页,上页,返回,利用输出回路的负载进行补偿,激励电源串联一个很大电阻R,不等位电势补偿 不等位电势的产生，会使霍尔元件或传感器在使用中产生零位误差。在高精度测量中，需采用不等位电势补偿的方法来尽量排除它对霍尔输出的影响。,下页,上页,返回,霍尔元件的等效电路,当两电极不相等时（如r1r2），电桥失去平衡，U0 = 0，此时就需进行补偿，其补偿电路如右上图所示。,下页,上页,返回,霍尔元件使用注意事项 1）驱动方式 霍尔元件的驱动方式有恒压和恒流两种，其电路如下图所示。 2）散热 3）安装 安装应坚实牢固；不可有扭曲现象。,二、霍尔集成传