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1、28014d,第5章 压电式传感器,5.1 压电式传感器的工作原理及等效电路 5.2 压电式传感器的结构及特性 5.3 压电式传感器的转换电路 5.4 压电式传感器的应用,28014d,5.1 压电式传感器的工作原理及等效电路,5.1.1 压电式传感器的工作原理 5.1.2 压电式传感器的等效电路,28014d,5.1.1 压电式传感器的工作原理,1.石英晶体 2.压电陶瓷,28014d,5.1.1 压电式传感器的工作原理,图5-1 石英晶体 a)天然晶体 b)晶体切片,28014d,2.压电陶瓷,图5-3 晶体切片上电荷极性与受力方向的关系 a)X轴方向受压力 b)X轴方向受拉力 c)Y轴方
2、向受压力 d)Y轴方向受拉力,28014d,5.1.2 压电式传感器的等效电路,图5-5 压电传感器的等效电路 a)电压源 b)电荷源,28014d,5.1.2 压电式传感器的等效电路,图5-6 压电传感器的实际等效电路 a)电压源 b)电荷源,28014d,5.2 压电式传感器的结构及特性,5.2.1 压电式传感器的结构 5.2.2 压电式传感器特性,28014d,5.2.1 压电式传感器的结构,1.压电材料 2.结构,28014d,1.压电材料,(1)压电晶体 压电晶体的种类很多，如石英、电气石、磷酸铵、硫酸锂等。 (2)压电陶瓷 压电陶瓷的特点是：压电常数大，灵敏度高；制造工艺成熟，可通
3、过合理配方和掺杂等人工控制方法来达到所要求的性能；成形工艺性好，成本低廉，利于广泛应用。 (3)新型压电材料,28014d,图5-7 石英晶体的切族 a)X切族原始位置 b)Y切族原始位置,28014d,表5-1 常用压电材料的性能,28014d,图5-8 “双压电晶片”的结构原理图,28014d,图5-9 压电片的连接方式 a)并联连接 b)串联连接,28014d,2.结构,表5-2 压电片两种连接的特点及适用范围,28014d,5.2.2 压电式传感器特性,图5-10 平行六面体晶体切片,28014d,5.2.2 压电式传感器特性,图5-11 石英晶体的切应力示意图,28014d,5.3
4、压电式传感器的转换电路,5.3.1 电压放大器 5.3.2 电荷放大器,28014d,5.3.1 电压放大器,图5-12 压电传感器与电压放大器连接的等效电路 a)等效电路 b)简化等效电路,28014d,5.3.2 电荷放大器,图5-13 装入压电式传感器内部的 超小型阻抗变换器电路,28014d,5.3.2 电荷放大器,图5-14 压电式传感器与电荷 放大器连接的等效电路,28014d,5.4 压电式传感器的应用,5.4.1 压电式力传感器 5.4.2 振动的监控、检测 5.4.3 压电引信 5.4.4 压电式玻璃破碎报警器 5.4.5 压电式料位测量系统,28014d,5.4.1 压电式
5、力传感器,1.单向力传感器 2.双向力传感器 3.三向力传感器,28014d,5.4.1 压电式力传感器,图5-15 单向压电石 英力传感器的结构,28014d,图5-16 双向压电石英力传感器的结构,28014d,图5-17 厚度剪切的yx(即)切型,28014d,图5-18 三向压电式石英力 传感器的结构,28014d,5.4.2 振动的监控、检测,图5-19 汽轮发电机工况监测系统,28014d,5.4.3 压电引信,图5-20 破甲弹上的压电引信的结构 1压电元件 2导线 3药形罩 4炸药 5启爆装置,28014d,5.4.3 压电引信,图5-21 压电引信的原理电路,28014d,5
6、.4.4 压电式玻璃破碎报警器,图5-22 BSD2压电式玻璃破碎传感器,28014d,5.4.4 压电式玻璃破碎报警器,图5-23 压电式玻璃破碎传感器测 量电路的原理框图,28014d,5.4.5 压电式料位测量系统,图5-24 压电式料位测量系统的原理电路,28014d,5.4.5 压电式料位测量系统,图5-25 压电式传感器实际 应用中的一点接地示意图,28014d,第6章 磁电式传感器,6.1 磁电感应式传感器 6.2 霍尔传感器 6.3 磁敏电阻 6.4 磁敏二极管和磁敏晶体管,28014d,6.1 磁电感应式传感器,6.1.1 磁电感应式传感器的工作原理 6.1.2 磁电感应式传
7、感器的结构及特性 6.1.3 磁电感应式传感器的转换电路 6.1.4 磁电感应式传感器的应用,28014d,6.1.1 磁电感应式传感器的工作原理,磁电感应式传感器是利用导体和磁场发生相对运动产生感应电动势的原理而制作的。,28014d,6.1.2 磁电感应式传感器的结构及特性,1.磁电感应式传感器的结构 2.磁电感应式传感器的基本特性,28014d,1.磁电感应式传感器的结构,(1)恒磁通式 图6-1所示为恒定磁通磁电感应式传感器的典型结构图，它由永久磁铁(俗称磁钢)、线圈、弹簧、金属框架和外壳等组成。 (2)变磁通式 变磁通式磁电传感器又称为变磁阻式或变气隙式，常用来测量旋转体的角速度。,
8、28014d,图6-1 恒磁通磁电式传感器的结构原理图 a)动铁式 b)动圈式 c)动圈式 1外壳 2线圈 3框架 4永久磁铁 5弹簧 6磁轭 7补偿线圈 8运动部分,28014d,图6-2 变磁通磁电式传感器 a)衔铁上下振动结构 b)衔铁旋转结构 1永久磁铁(磁钢) 2磁轭 3动铁心(衔铁) 4线圈 5气隙,28014d,2.磁电感应式传感器的基本特性,(1)非线性误差 (2)温度误差 当温度变化时，式(6-9)中右边3项都不为零，对铜线而言，每摄氏度变化量为dl/l0.16710-4，dR/R0.4310-2，dB/B每摄氏度的变化量取决于永久磁铁的磁性材料。,28014d,2.磁电感应
9、式传感器的基本特性,图6-3 磁电式传感器 测量电路,28014d,图6-4 传感器电流 的磁场效应,28014d,6.1.3 磁电感应式传感器的转换电路,磁电感应式传感器直接输出感应电动势，所以任何具有一定工作频带的电压表或示波器都可进行测量。并且由于磁电感应式传感器通常具有较高的灵敏度，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，如若获取位移或加速度信号，就需要配用积分电路或微分电路。,28014d,6.1.4 磁电感应式传感器的应用,1.转速测量 2.转矩测量,28014d,1.转速测量,图6-5 磁电式传感器测量电路的方框图 1-1测量线速度 2-2测量位移 3-3测量加速
10、度,28014d,2.转矩测量,图6-6 磁电式转度传感器的结构 1磁盘 2被测转轴 3永久磁铁 4线圈 5外壳,28014d,2.转矩测量,图6-7 磁电式转矩传感器的结构 1线圈 2永久磁铁 3铁心 4齿轮,28014d,2.转矩测量,图6-8 转矩测量 a)安装图 b)输出波形图 1齿轮 2磁电式传感器 3转轴,28014d,6.2 霍尔传感器,6.2.1 霍尔传感器的工作原理 6.2.2 霍尔传感器的结构及特性 6.2.3 霍尔传感器的转换电路 6.2.4 霍尔传感器的应用,28014d,6.2.1 霍尔传感器的工作原理,图6-9 霍尔效应的原理图,28014d,6.2.1 霍尔传感器
11、的工作原理,表6-1 霍尔元件的材料特性,28014d,6.2.1 霍尔传感器的工作原理,表6-2 形状效应系数,28014d,6.2.2 霍尔传感器的结构及特性,1.霍尔传感器的结构 2.霍尔传感器的基本特性,28014d,1.霍尔传感器的结构,图6-10 霍尔传感器 a)外形结构示意图 b)图形符号 c)霍尔电极位置 1-1控制电极 2-2输出电极,28014d,2.霍尔传感器的基本特性,(1)UH-I特性 在一定温度下，由式(6-15)可知，若固定磁感应强度B，霍尔输出电动势UH与控制电流I之间呈线性关系，如图6-11所示。 (2)UH-B特性 由式(6-15)可知，如果固定控制电流，霍
12、尔元件的开路霍尔输出电动势与磁感应强度B呈线性关系，但霍尔元件的开路霍尔输出电动势随磁感应强度的增加并不完全呈线性关系，而是有所偏离。 (3)主要参数 霍尔传感器的基本特性与霍尔元件的主要参数也有关系。 (4)基本误差及其补偿 霍尔元件在实际应用时，存在多种因素影响其测量精度，造成测量误差的主要因素有两类：半导体固有特性及半导体制造工艺的缺陷。,28014d,图6-11 霍尔元件的-I关系,28014d,图6-12 -B特性曲线,28014d,表6-3 几种霍尔元件的主要技术参数,28014d,图6-13 采用恒流源并联 电阻法的温度补偿电路,28014d,图6-14 采用热敏元件的温度误差补
13、偿电路 a)电压源与热敏电阻并联 b)电压源与热敏电阻串联 c)电压源与热敏电阻串并联 d)电流源与热敏电阻并联,28014d,图6-15 不等位电动势的补偿电路 a)不等位电路 b)等效电路 c)补偿电路,28014d,6.2.3 霍尔传感器的转换电路,图6-16 霍尔传感器的基本转换电路,28014d,6.2.3 霍尔传感器的转换电路,图6-17 霍尔传感器叠加的联结方式 a)并联 b)串联,28014d,6.2.4 霍尔传感器的应用,1.霍尔位移传感器 2.霍尔转速测量 3.霍尔记数装置 4.汽车霍尔点火器,28014d,图6-18 霍尔位移传感器的结构示意图,28014d,6.3 磁敏
14、电阻,6.3.1 磁敏电阻的工作原理 6.3.2 磁敏电阻的结构及特性 6.3.3 磁敏电阻的应用,28014d,6.3.1 磁敏电阻的工作原理,磁敏电阻的工作原理是基于磁阻效应。将一载流导体置于外磁场中，除了产生霍尔效应外，其电阻也会随磁场而变化。这种现象称为磁电阻效应，简称磁阻效应。磁阻效应是伴随霍尔效应同时发生的一种物理效应。当温度恒定时，在弱磁场范围内，磁阻与磁感应强度B的平方成正比。,28014d,6.3.2 磁敏电阻的结构及特性,1.磁敏电阻的结构 2.磁敏电阻主要特性,28014d,1.磁敏电阻的结构,图6-23 栅格磁敏电阻,28014d,1.磁敏电阻的结构,图6-24 磁敏电
15、阻的结构 a)两端型 b)三端型 1基片 2InSb,28014d,2.磁敏电阻主要特性,(1)磁电特性(电阻变化与磁感应强度的关系) 因材料不同，电阻相对变化率与磁感应强度B的关系如图6-26所示。 (2)温度特性 由于磁敏电阻是由半导体材料制作的，因此，它受温度影响极大，InSb-NiSb磁阻元件温度系数和磁感应强度B的关系如图6-27所示。 (3)频率特性 磁敏电阻的工作频率范围一般为110MHz。,28014d,图6-25 不同磁敏电阻的结构 a)串联的磁敏电阻 b)磁敏电阻接成的电桥,28014d,图6-26 InSb-NiSb磁阻变化与 磁感应强度B的关系,28014d,图6-27
16、 InSb-NiSb磁阻元件温度系数和 磁感应强度B的关系,28014d,6.3.3 磁敏电阻的应用,1.无触点开关 2.转速测量,28014d,图6-28 InSb磁敏电阻 无触点开关电路,28014d,图6-29 InSb-NiSb电阻检测旋转参数的应用 a)工作原理 b)输出波形 c)检测电路,28014d,6.4 磁敏二极管和磁敏晶体管,6.4.1 磁敏二极管 6.4.2 磁敏晶体管,28014d,6.4.1 磁敏二极管,1.磁敏二极管的工作原理 2.磁敏二极管的基本特性,28014d,1.磁敏二极管的工作原理,图6-30 锗磁敏二极管 的结构及电路符号 a)锗磁敏二极管的结构 b)锗磁敏二极管的电路符号,28014d,1.磁敏二极管的工作原理,图6-31 磁敏二极管载流子受磁场影响情况,28014d,2.磁敏二极管的基本特性,(1)磁电特性 在给定条件下，磁敏二极管输出的电压变化与外加磁场的关系称为磁敏二极管的磁电特性。 (2)伏安特性 磁敏二极管正向偏压和通过其上电流的关
