《传感器与检测技术 教学课件 ppt 作者 魏学业 第5章 压电式传感器和霍尔式传感器》由会员分享，可在线阅读，更多相关《传感器与检测技术 教学课件 ppt 作者 魏学业 第5章 压电式传感器和霍尔式传感器（29页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第5章压电式传感器和霍尔式传感器,5.1 压电式传感器,压电式传感器是以某些晶体、陶瓷受力后在其表面产生电荷的传感器，它是一种能量型传感器。它可以测量最终能变换为力的各种物理量，例如力、压力、加速度、微小位移等。 压电式传感器具有体积小、重量轻、频带宽、灵敏度高等优点。近年来基于压电式传感器的测试技术发展迅速，加上电子技术的发展，使压电式传感器的应用越来越广泛。,5.1 压电式传感器,5.1.1 压电效应,某些材料沿某一方向受到外力作用时，会产生变形，同时其内部产生极化现象，此时在这种材料的两个表面产生符号相反的电荷，当外力去掉后，它又重新恢复到不带电荷的状态，这种现象被称为压电效应。可分为正
2、压电效应和逆压电效应。,5.1 压电式传感器,5.1.1 压电效应,正压电效应：当晶体受到某固定方向外力的作用时,内部就产生电极化现象,同时在某两个表面上产生符号相反的电荷；当外力撤去后，晶体又恢复到不带电的状态；当外力作用方向改变时，电荷的极性也随之改变；晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。 逆压电效应：当在某些材料的极化方向上施加电场，这些材料就在某一方向上产生机械变形或机械压力；当外加电场撤去时，这些变形或压力也随之消失。,5.1 压电式传感器,5.1.2 结构和等效电路,压电式传感器的结构 在压电式传感器中，压电元件一般不用单片，常用两片或多片组合在一起使用。由于压电材料是有极性
3、的，因此接法有并联和串联两种。,5.1 压电式传感器,5.1.2 结构和等效电路,压电式传感器的结构 两片并联时，输出电压相同，但电荷量为单片时的两倍，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。两片串联时，输出电荷量相等，输出电压为单片时的两倍，电容量为1/2，适用于以电压作为输出量及测量电路输入阻抗很高的场合。,5.1 压电式传感器,5.1.2 结构和等效电路,压电式传感器的等效电路 压电传感器在受外力作用时，在两个电极表面将要聚集电荷，且电荷量相等，极性相反。这时它相当于一个以压电材料为电介质的电容器，其电容量为,为真空介电常数；为压电材料的相对介电常数；h为压电元件
4、的厚度；A为压电元件极板面积。,5.1 压电式传感器,5.1.2 结构和等效电路,压电式传感器的等效电路 可以把压电式传感器等效成一个与电容相并联的电荷源，如图5-4（a）所示，也可以等效为一个电压源，如图5-4（b）所示。,图5-4 压电式传感器的等效电路,5.1 压电式传感器,5.1.2 结构和等效电路,压电式传感器的等效电路 实际使用时还要考虑连接电缆的等效电容Cc，后续电路中放大器的输入电阻Ri，输入电容Ci及压电传感器的泄漏电阻Ra，如图5-5所示。,图5-5 压电传感器的实际等效电路,5.1 压电式传感器,5.1.3 测量电路,压电传感器本身的内阻抗很高，而输出能量又很小，因此它的
5、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：一是把它的高输出阻抗变换为低输出阻抗；二是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，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。,5.1 压电式传感器,5.1.3 测量电路,电压放大器 压电传感器接电压放大器的等效电路如图（a）所示，图（b）是简化后的等效电路。其中： 为放大器输入电压， 为放大器的输入电容， 为放大器的输出电阻， ，Q为压电传感器的输出电荷。,5.1 压电式传感器,5.1.3 测量电路,电荷放大器 电荷放大器是一种输出电压与输入电荷量成正比的前置放大器。它实际上是一个具有反馈电容
6、的高增益运算放大器。压电传感器与电荷放大器连接的等效电路如图所示，图中 为放大器的反馈电容，图中的 的阻值很大，主要是在压电传感器不工作时，泄放电容 中的电荷。,5.1 压电式传感器,5.1.3 测量电路,电荷放大器 由运算放大器的负反馈公式，可得输出电压 为 由上式可知，电荷放大器的特点：输出电压与电缆电容 和泄电容 无关，即与电缆长度无关，更换电缆不影响传感器灵敏度，且输出电压与输出电荷成正比。,5.1 压电式传感器,5.1.4 应用实例,压电传感器的结构如图所示。压电元件被夹在两个弹性膜片之间，压力作用于膜片，是压电元件受力而产生电荷。压电元件的一个侧面与膜片接触并接地，另一侧通过金属箔
7、和引线将电量引出。电荷经电荷放大器放大转换为电压或电流，输出的大小与输入压力成正比关系。压电传感器可以通过更换压电元件来改变压力的测量范围，还可以使用多个压电元件叠加的方式来提高仪表的灵敏度。,5.2 霍尔式传感器,利用霍尔元件的霍尔效应制成的传感器称为霍尔式传感器，这个效应是1879年霍尔发现的。霍尔式传感器是能将电流、磁场、位移、压力等非电量信号转换成电动势输出的一种传感器。虽然它的转换率较低，受温度影响大，要求转换精度较高时必须进行温度补偿，但霍尔传感器结构简单，体积小，坚固，频率响应宽，动态范围大，无触点，使用寿命长，可靠性高，易微型化和集成电路化，在自动控制系统、自动化仪表等方面得到
8、了广泛的应用。,5.2 霍尔式传感器,5.2.1 基本原理,霍尔效应 金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势，这种物理现象称为霍尔效应。霍尔效应产生的电动势称为霍尔电势。利用霍尔效应制成的传感器称为霍尔传感器。,5.2 霍尔式传感器,5.2.1 基本原理,霍尔效应 如图所示，半导体材料的长、宽、厚分别为 l、 b和d 。在与x轴相垂直的两个端面c和d上各装一个金属电极，称为控制电极。在控制电极上外加电压u，材料中便形成一个沿x方向流动的电流 ，称为控制电流。,5.2 霍尔式传感器,5.2.1 基本原理,霍尔效应 在A与B两点间建立的电势差称为霍尔电压
9、： （5-1） 式中： v为载流子的运动速度；B为磁感应强度。 由式（5-1）可见，霍尔电压的大小决定于载流体中电子的运动速度，它随载流体材料的不同而不同，同时还与磁感应强度成正比。,5.2 霍尔式传感器,5.2.1 基本原理,霍尔元件 霍尔元件是霍尔传感器的核心部分，它的结构比较简单。霍尔元件的基本结构由霍尔片、4根引线和壳体组成，如图5-10所示。,1，2控制电流 引线端 3，4霍尔电势 输出端,图5-10 霍尔元件,5.2 霍尔式传感器,5.2.2 测量电路,基本测量电路 如图所示。激励电流由电压源E供给，其大小由可变电阻来调节。RL为输出霍尔电势UH的负载电阻，通常为显示仪表或放大器的
10、输入阻抗。由于霍尔电动势随激励电流增大而增大，故在应用中总希望选用较大的激励电流。但激励电流增大，霍尔元件的功耗增大，元件的温度升高，从而引起霍尔电动势的温漂增大，因此每种型号的元件均规定了相应的最大激励电流，它的数值从几毫安至几十毫安不等。,5.2 霍尔式传感器,5.2.2 测量电路,常用的测量电路 在实际应用中，霍尔元件通常用其数字性质，因而其测量电路通常是数字信号，通用的测量电路如图所示。,5.2 霍尔式传感器,5.2.3 应用实例,霍尔元件具有结构简单、工艺成熟、体积小和频带宽等特点，因此得到广泛的应用。保持霍尔元件的控制电流恒定不变，就可测量磁感应强度B，以及位移、角度等可直接转换为
11、B的物理量，进一步还可以测量先转换成位移或角度，然后间接转换为B的物理量，如振动、压力、速度、加速度、转速等。此外，任何非电量只要能转化为位移的变化，均可利用霍尔式位移传感器的原理变换成霍尔电动势，从而实现这样的非电量的测量。,5.2 霍尔式传感器,5.2.3 应用实例,霍尔式压力传感器的结构如图所示，它由压力位移转换部分、位移电势转换部分和稳压电源3部分构成。,1弹簧管； 2磁钢；3霍尔片,5.2 霍尔式传感器,5.2.3 应用实例,压力位移转换部分 由霍尔片和弹簧管（或膜盒）等组成。霍尔片被置于弹簧管的自由端，被测压力P由固定端引入，弹簧管感测到压力的变化，引起弹簧管自由端的变化，带动霍尔
12、片位移，将压力值转换成霍尔片的位移 ，其中 为常数。,5.2 霍尔式传感器,5.2.3 应用实例,位移电势转换部分 由霍尔片、磁钢及引线等组成。在霍尔片的上下方，垂直安装着磁钢的两对磁极，形成一个均匀梯度磁场，如图所示。在其工作范围内， ，其中斜率 为常数。霍尔元件固定在弹性元件上，因此霍尔元件在均匀梯度磁场中的位移也是x。霍尔片的4个端面引出4根导线，其中与磁钢平行的两根接直流稳压电源，提供恒定的工作电流，另两根用来输出霍尔电势。霍尔电势 与被测压力P之间的关系就可表示为,第5章 压电式传感器,5.3 测量电路,压电传感器本身的内阻抗很高，而输出能量又很小，因此它的测量电路通常需要接入一个高
13、输入阻抗的前置放大器，其作用：一是把它的高输出阻抗变换为低输出阻抗；二是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，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。,第5章 压电式传感器,5.3 测量电路,电压放大器,电压放大器的等效电路,第5章 压电式传感器,5.3 测量电路,电荷放大器,电荷放大器电路图,电荷放大器的特点：输出电压与电缆电容 和泄电容 无关，即与电缆长度无关，更换电缆不影响传感器灵敏度，且输出电压与输出电荷成正比。,第5章 压电式传感器,5.4 应用实例,压电传感器的结构如图所示。压电元件被夹在两个弹性膜片之间，压力作用于膜片，是压电元件受力而产生电荷。压电元件的一个侧面与膜片接触并接地，另一侧通过金属箔和引线将电量引出。电荷经电荷放大器放大转换为电压或电流，输出的大小与输入压力成正比关系，按压力指示。压电传感器可以通过更换压电元件来改变压力的测量范围，还可以使用多个压电元件叠加的方式来提高仪表的灵敏度。,
