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1、5.1 5.1 磁电式传感器磁电式传感器 1.1.变换原理变换原理: : 磁电式传感器是把被测量的物理量转换为感应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。电动势的一种转换器。感应线圈的感应电动势感应线圈的感应电动势e e为为磁通变化率与磁场强度、磁阻、线圈运动速度有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。关，改变其中一个因素，都会改变感应电动势。 第五章第五章 电动势式传感器原理与应用电动势式传感器原理与应用 No范文7电动势式传感器原理与应用课件2. 2. 分类分类 磁磁电电式式动圈式动圈式磁阻式磁阻式线速度型线速度型角速度型角
2、速度型No范文7电动势式传感器原理与应用课件5.1.2 5.1.2 动圈式传感器动圈式传感器 线速度型线速度型 No范文7电动势式传感器原理与应用课件角速度型角速度型测速电机测速电机No范文7电动势式传感器原理与应用课件5.1.3 5.1.3 磁阻效应传感器磁阻效应传感器 磁阻元件的工作原理是利用半导体材料的磁阻元件的工作原理是利用半导体材料的磁阻效磁阻效应应( (或称高斯效应或称高斯效应) )。 实际运动中载流子速度是不完全相同的，因而，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
3、匀的，改变磁场的强弱就影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，故表现为半导体片的电阻变化。响电流密度的分布，故表现为半导体片的电阻变化。No范文7电动势式传感器原理与应用课件No范文7电动势式传感器原理与应用课件No范文7电动势式传感器原理与应用课件磁阻效应传感器磁阻效应传感器 将磁阻元件置于磁场中，当它相对于磁场发生位移时，将磁阻元件置于磁场中，当它相对于磁场发生位移时，磁阻元件内阻磁阻元件内阻R1、R2发生变化，如果将它们接于电发生变化，如果将它们接于电桥，则其输出电压比例于电阻的变化。桥，则其输出电压比例于电阻的变化。No范文7电动势式传感器原理与应用课件5.1
4、.4 5.1.4 磁电式传感器的动态特性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器是机电能量转换型，下图是其等效的机械系统No范文7电动势式传感器原理与应用课件磁阻式传感器磁阻式传感器 磁电式车速传感器磁电式车速传感器No范文7电动势式传感器原理与应用课件带带电电粒粒子子在在磁磁场场中中的的运运动动会会受受到到洛洛伦伦兹兹力力 FL 的的作作用用使使带带电电粒粒子子偏偏向向 c，d 电电极极，在在垂垂直直于于 B 和和 I 的的方方向向上上产产生生一一感感应应电电动动势势 VH。该该
5、现现象象称称为为霍霍尔尔效效应应，所所产产生生的的电电动动势势 VH 称称为为霍霍尔尔电势电势1. 1. 基本原理基本原理基本原理基本原理厚厚度度为为 d 的的N型型半半导导体体薄薄片片上上垂垂直直作作用了磁感应强度为用了磁感应强度为 B 的磁场的磁场若在一个方向上通以电流若在一个方向上通以电流 IN型半导体中多数载流子为电子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它沿与电流的相反方向运动5.2 5.2 霍尔传感器霍尔传感器No范文7电动势式传感器原理与应用课件No范文7电动势式传感器原理与应用课件霍尔电势霍尔电势 VH 的大小的大小 由下式决定：由下式决定：式中式中 KH霍尔常数
6、，表示单位磁感应强度和霍尔常数，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，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；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半导体是霍尔元件的常用材料材料的厚度材料的厚度 d 愈小，则愈小，则 KH 就愈大、灵敏度愈高就愈大、灵敏度愈高 磁阻效应与霍尔效应的磁阻效应与霍尔效应的区别区别：霍尔电势是指垂直
7、于电流方向的：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。横向电压，而磁阻效应则是沿电流方向的电阻变化。No范文7电动势式传感器原理与应用课件片芯是一块矩形半导体薄片片芯是一块矩形半导体薄片 一般采用一般采用N N形锗、锑化铟、砷化铟、砷化镓和磷砷化铟形锗、锑化铟、砷化铟、砷化镓和磷砷化铟等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以两导线用于输出霍尔电势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霍尔芯片一般用非磁性金属、陶瓷或环氧树脂封装2. 2. 2. 2. 霍尔元件的结
8、构霍尔元件的结构霍尔元件的结构霍尔元件的结构 No范文7电动势式传感器原理与应用课件在磁场和控制电流的作用下，输出端有电在磁场和控制电流的作用下，输出端有电压输出压输出使用时，使用时，I 和和 B 都可作为输入信号，输出都可作为输入信号，输出信号正比于两者的乘积信号正比于两者的乘积建立霍尔电势所需的时间极短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所测外界信号频率可以很高3. 3. 霍尔元件的基本电路霍尔元件的基本电路 R为调节电阻，调节控制电流的大小为调节电阻，调节控制电流的大小UH 两端为霍尔电势输出端两端为霍尔电势输出端No范文7电动势式传感器原理与应用课
9、件No范文7电动势式传感器原理与应用课件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在静止状态下具有感受磁场的独特能力霍尔元件的特点：霍尔元件的特点： 结构简单可靠结构简单可靠 体积小体积小 噪声低噪声低 动态范围大动态范围大(输出电压变化范围可达输出电压变化范围可达1000:1) 频率范围宽频率范围宽(从直流到微波频段从直流到微波频段) 寿命长寿命长 价格低价格低No范文7电动势式传感器原理与应用课件No范文7电动势式传感器原理与应用课件No范文7电动势式传感器原理与应用课件No范文7电动势式传感器原理与应用课件No范文7电动势式传感器原理与应用课件No范文7电动势式传感器原理与应用课
10、件No范文7电动势式传感器原理与应用课件No范文7电动势式传感器原理与应用课件No范文7电动势式传感器原理与应用课件No范文7电动势式传感器原理与应用课件可以广泛应用于测量：可以广泛应用于测量： 位移位移 可转化为位移的力和加速度可转化为位移的力和加速度 磁场变化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，输出电压就决定于的可变磁场，输出电压就决定于控制电流控制电流和和激磁电流激磁电流的乘积的乘积 霍尔元件就成了一种两个霍尔元件就成了一种两个模拟信号的乘法器模拟信号的乘法器 霍尔传感器的应用霍尔传感器的应用改变
11、改变 I I 或或 B B，或两者同时改变均会引起，或两者同时改变均会引起 V VH H 的变化的变化利用该原理可以做成各种传感元件利用该原理可以做成各种传感元件No范文7电动势式传感器原理与应用课件霍尔元件置于两相反方向的磁场中霍尔元件置于两相反方向的磁场中在在a、b两端通入控制电流两端通入控制电流 i左半产生的霍尔电势左半产生的霍尔电势VH1和右半产生的霍尔电势和右半产生的霍尔电势VH2方向相反方向相反c，d两端输出电压是两端输出电压是VH1-VH2，若使初始位置时，若使初始位置时VH1=VH2，则输，则输出电压为零。出电压为零。当霍尔元件相对于磁极作当霍尔元件相对于磁极作x方向位移时，可
12、得到输出电压方向位移时，可得到输出电压VH=VH1-VH2，且，且VH数值正比于位移量数值正比于位移量x，正负方向取决于位，正负方向取决于位移移x的方向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位移传感器No范文7电动势式传感器原理与应用课件霍尔乘法器霍尔乘法器霍尔元件置于由坡莫合金霍尔元件置于由坡莫合金(Ni79Mo4)制成的铁芯气隙中，激制成的铁芯气隙中，激磁线圈绕于中间芯柱上，当输入直流激磁电流磁线圈绕于中间芯柱上，当输入直流激磁电流Im时，形成恒时，形成恒定磁场。如果通入霍尔元件的控制电流为定磁场。
13、如果通入霍尔元件的控制电流为i，则霍尔电势，则霍尔电势即正比于即正比于i与与Im的乘积，因此霍尔元件可作为乘法器。的乘积，因此霍尔元件可作为乘法器。No范文7电动势式传感器原理与应用课件No范文7电动势式传感器原理与应用课件No范文7电动势式传感器原理与应用课件No范文7电动势式传感器原理与应用课件No范文7电动势式传感器原理与应用课件No范文7电动势式传感器原理与应用课件No范文7电动势式传感器原理与应用课件5.3 5.3 压电式传感器压电式传感器 No范文7电动势式传感器原理与应用课件1.1.变换原理变换原理: :压电效应压电效应 +并联并联+串联串联 某些物质，如石英，受到外力作用时，不
14、仅几某些物质，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。种现象称为压电效应。F+q=DFNo范文7电动势式传感器原理与应用课件2.2.压电材料压电材料明显呈现压电效应的敏感功能材料叫明显呈现压电效应的敏感功能材料叫压电材料压电材料。压电材料一般应考虑以下主要特性：压电材料一般应考虑以下主要特性：1) 1) 具有较大的压电常数。具有较大的压电常数。2) 2) 压电元件的机械强度高、刚度大并具有较高的固有压电元件的机
15、械强度高、刚度大并具有较高的固有振动频率。振动频率。3) 3) 具有高的电阻率和较大的介电常数。具有高的电阻率和较大的介电常数。4) 4) 具有较高的居里点。居里点高可以得到较宽的工作具有较高的居里点。居里点高可以得到较宽的工作温度范围。温度范围。5) 5) 压电特性不随时间蜕变，有较好的时间稳定性。压电特性不随时间蜕变，有较好的时间稳定性。No范文7电动势式传感器原理与应用课件(1) (1) 石英晶体石英晶体 石英晶体有天然和人工培养两种类型。人工培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养的石英晶体的物理+ +化学性质几乎与天然石英晶体化学性质几乎与天然石英晶体无多大区别
16、，因此目前广泛应用成本较低的人造石无多大区别，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数不随温度而变化。石英晶体的居里点为573573，即，即到到573573时，它将完全丧失压电性质。它有很大的机时，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，因此逐渐被其他压电材料敏度很低，介电常数小，因此逐渐被其他压电材料所代替。所代替。No范文7电动势式传感器原理与应用课件纵轴纵轴z-z称作光
17、轴，通过六角棱线而垂称作光轴，通过六角棱线而垂直于光轴的轴线直于光轴的轴线x-x称作电轴，垂直于称作电轴，垂直于棱面的轴线棱面的轴线y-y称作机械轴。如果从晶称作机械轴。如果从晶体中切下一个平行六面体，并使其晶体中切下一个平行六面体，并使其晶面分别平行于面分别平行于z-z、y-y、x-x轴线，这轴线，这个晶片在正常状态下不呈现电性。当个晶片在正常状态下不呈现电性。当施加外力时，将沿施加外力时，将沿x-x方向形成电场，方向形成电场，其电荷分布在垂直于其电荷分布在垂直于x-x轴的平面上。轴的平面上。沿沿x轴方向加力产生纵向压电效应，沿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
18、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。平面加力产生切向压电效应。石英石英(SiO2)晶体结晶形状晶体结晶形状为六角形晶柱。两端为一为六角形晶柱。两端为一对称的棱锥，六棱柱是它对称的棱锥，六棱柱是它的基本组织的基本组织No范文7电动势式传感器原理与应用课件石英的压电效应石英的压电效应 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，方向压缩，如图如图b所示，则硅离子所示，则硅离子1被挤入氧离子被挤入氧离子2和和6之间，而氧离子之间，而氧离子4被挤入硅离子被挤入硅离子3和和5之间，结果表面之间，结果
19、表面A上呈现负电荷，而在表面上呈现负电荷，而在表面B上呈现正电荷。这一现象称为上呈现正电荷。这一现象称为纵向压电效应。若沿纵向压电效应。若沿Y方向压缩，如图方向压缩，如图c所示，硅离子所示，硅离子3和氧离子和氧离子2，以及硅离，以及硅离子子5和氧离子和氧离子6都向内移动同样的数值，故在电极都向内移动同样的数值，故在电极C和和D上不呈现电荷，而在表上不呈现电荷，而在表面面A和和B上，即在上，即在X轴的端面上又呈现电荷，但与图轴的端面上又呈现电荷，但与图b的极性正好相反，这时称的极性正好相反，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为横向压电效应。从研究的模型同样可
20、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，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，在在X或或Y轴向施力时，在与轴向施力时，在与X轴垂直的面上产生电荷，电场方向与轴垂直的面上产生电荷，电场方向与X轴平行，在轴平行，在Z轴方向施力时，不能产生压电效应。轴方向施力时，不能产生压电效应。石英的化学式为石英的化学式为SiO2，在一个晶体单元中，有在一个晶体单元中，有三个硅离子三个硅离子si4+和六个氧和六个氧离子离子O2-，后者是成对的，后者是成对的，所以一个硅离子和两个所以一个硅离子和两个氧离子交替排列。当没氧离子交替排
21、列。当没有力作用时有力作用时si4+和和O2-在在垂直于晶体垂直于晶体Z轴的轴的XY平平面上的投影恰好等效为面上的投影恰好等效为正六边形排列，如图正六边形排列，如图a示。示。No范文7电动势式传感器原理与应用课件(2) (2) 水溶性压电晶体水溶性压电晶体 这这类类压压电电晶晶体体有有酒酒石石酸酸钾钾钠钠(NaKC(NaKC4 4H H4 4O O6 64H20)4H20)、硫硫酸酸锂锂(Li(Li2 2SOSO4 4H H2 2O)O)、磷磷酸酸二二氢氢钾钾(KH(KH2 2POPO4 4) )等等。水水溶溶性性压压电电晶晶体体具具有有较较高高的的压压电电灵灵敏敏度度和和介介电电常常数数，但
22、但易易于于受受潮潮，机机械强度也较低，只适用于室温和湿度低的环境下。械强度也较低，只适用于室温和湿度低的环境下。(3) (3) 铌酸锂晶体铌酸锂晶体 铌铌酸酸锂锂是是一一种种透透明明单单晶晶，熔熔点点为为12501250，居居里里点点为为12101210。它它具具有有良良好好的的压压电电性性能能和和时时间间稳稳定定性性，在在耐耐高高温传感器上有广泛的前途。温传感器上有广泛的前途。No范文7电动势式传感器原理与应用课件(4)(4)压电陶瓷压电陶瓷 这这是是一一种种应应用用最最普普遍遍的的压压电电材材料料，压压电电陶陶瓷瓷具具有有烧制方便、耐湿、耐高温、易于成形等特点。烧制方便、耐湿、耐高温、易于
23、成形等特点。 1) 1) 钛钛酸酸钡钡压压电电陶陶瓷瓷 钛钛酸酸钡钡(BaTiO(BaTiO3 3) )是是由由BaCOBaCO3 3和和TiOTiO2 2二二者者在在高高温温下下合合成成的的。具具有有较较高高的的压压电电系系数数和和介介电电常常数数。但但它它的的居居里里点点较较低低，为为120120，此此外外机机械械强强度不如石英。度不如石英。 2) 2) 锆锆钛钛酸酸铅铅系系压压电电陶陶瓷瓷(PZT) (PZT) 锆锆钛钛酸酸铅铅是是PbTiOPbTiO3 3和和PbZrOPbZrO3 3组组成成的的固固溶溶体体Pb(ZrTi)OPb(ZrTi)O2 2。它它具具有有较较高的压电系数和居里
24、点高的压电系数和居里点(300(300以上以上) )。 No范文7电动势式传感器原理与应用课件 3) 3) 铌铌酸酸盐盐系系压压电电陶陶瓷瓷 钽钽铌铌酸酸铅铅具具有有很很高高的的居居里里点点和和较较低低的的介介电电常常数数。铌铌酸酸钾钾的的居居里点为里点为435C435C，常用于水声传感器中。，常用于水声传感器中。 4) 4) 铌铌镁镁酸酸铅铅压压电电陶陶瓷瓷(PMN) (PMN) 这这是是一一种种由由Pb(MgNb)OPb(MgNb)O3 3、PbTiOPbTiO3 3、PbZrOPbZrO3 3组组成成的的三三元元系系陶陶瓷瓷。它它具具有有较较高高的的压压 电电系系数数和和居居里里点点，能
25、能够够在在较较高高的的压压力力下下工工作作，适适合合作作为为高高温温下下的的力传感器。力传感器。No范文7电动势式传感器原理与应用课件(5) (5) 压电半导体压电半导体 有些晶体既具有半导体特性又同时具有压电性能，如有些晶体既具有半导体特性又同时具有压电性能，如ZnSZnS、CaSCaS、GaAsGaAs等。因此既可利用它的压电特性研制传感等。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。器，又可利用半导体特性以微电子技术制成电子器件。(6) (6) 高分子压电材料高分子压电材料 某些合成高分子聚合物薄膜经延展拉伸和电场极化后，某些合成高分子聚合物薄膜经延展
26、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压电薄膜有聚二氟乙烯PVF2PVF2、聚氟乙烯、聚氟乙烯PVFPVF、聚氯乙烯、聚氯乙烯PVCPVC、聚聚甲基甲基-L-L谷氨酸脂谷氨酸脂PMGPMG等。这是一种柔软的压电材料，不等。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。易破碎，可以大量生产和制成较大的面积。 No范文7电动势式传感器原理与应用课件5.3.2 5.3.2 压电元件的等效电路及信号变换电路压电元件的等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，而两压
27、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、负电荷等量的正、负电荷Q，压电元件的开路电压，压电元件的开路电压(负载电阻负载电阻为无穷大为无穷大)U为：为：这样可把压电传感器等效为一个电流源这样可把压电传感器等效为一个电流源Q和一个电容和一个电容器器Ca的等效电路；同时也可等效为一个电压源的等效电路；同时也可等效为一个电压源U和一和一个电容器个电容器Ca串联的等效电路。串联的等效电路。1. 1. 压电元件
28、的等效电路压电元件的等效电路No范文7电动势式传感器原理与应用课件其中其中Ra为压电元件的漏电阻。为压电元件的漏电阻。工作时，压电元件与二次仪表工作时，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、放大器的输入电阻Ri和输入电容和输入电容Ci。 压电元件常用的结构形式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，要产生足在实际使用中，如仅用单片压电元件工作的话，要产生足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
29、压电元件组合在一起使用。由于压电元件是有极性的，因此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：连接方法有两种：并联连接和串联连接。并联连接和串联连接。 No范文7电动势式传感器原理与应用课件压电元件并联连接和串联连接压电元件并联连接和串联连接 并联连接：两压电元件的并联连接：两压电元件的负极集中在中间极板上，正负极集中在中间极板上，正极在上下两边并连接在一起，极在上下两边并连接在一起，其输出电容其输出电容C C为单片的为单片的n n倍，倍，即即 C=nC， U=U，Q=nQ。 串联连接：上极板为正极，串联连接：上极板为正极，下极板为负极，在中间是一元下极板为负极，在
30、中间是一元件的负极与另一元件的正极相件的负极与另一元件的正极相连接，连接，这时有这时有QQ，U= nU，C=C/nNo范文7电动势式传感器原理与应用课件 在在以以上上两两种种联联接接方方式式中中，并并联联接接法法输输出出电电荷荷大大，本本身身电电容容大大，因因此此时时间间常常数数也也大大，适适用用于于测测量量缓缓变变信信号号，并并以以电电荷荷量量作作为为输输出出的的场场合合。串串联联接接法法输输出出电电压压高高，本本身身电电容容小小，适适用用于于以以电电压压作作为为输输出出量量以以及测量电路输入阻抗很高的场合。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，必须有一定的预压电元件在压
31、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。线性关系。 No范文7电动势式传感器原理与应用课件2.压电式传感器的信号调节电路压电式传感器的信号调节电路压压电电式式传传感感器器要要求求负负载载电电阻阻RL必必须须有有很很大大的的数数值值，才才能能使使测测量量误误差差小小到到一一定定数数值值以以内内。因因此此常常先先接接入入一一个个高高输输入入阻阻抗抗的的前前置置放放大大器器，然后再接一般的放大电路及其它电路。然后再接一般的放大电
32、路及其它电路。测量电路关键在高阻抗的前置放大器。测量电路关键在高阻抗的前置放大器。u 前置放大器两个作用前置放大器两个作用:（1）把压电式传感器的微弱信号放大；）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。）把传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出。No范文7电动势式传感器原理与应用课件（1）电压放大器）电压放大器Ca：传感器的电容：传感器的电容 Ra：传感器的绝缘电阻：传感器的绝缘电阻 Cc：连接电缆的等效电容：连接电缆的等效电容Ri：放大器的输入电阻：放大器的输入电阻Ci：输入电容：输入电容No范文7电动势式传感器原理与应用课件前置放大器输入电压前置放大器输入电压
33、 压电元件的力压电元件的力 F=Fmsint压电元件的压电系数为压电元件的压电系数为d11，产生的电荷为，产生的电荷为Q = d11F。输入电压的幅值输入电压的幅值 当作用力是静态力（当作用力是静态力（=0） 时，前置放大器的输入电压为零。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。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。压电式传感器突出优点：高频响应相当好。 No范文7电动势式传感器原理与应用课件扩大传感器的低频响应范围的方法扩大传感器的低频响应范围的方法如如果果被被测测物物理理量量是是缓缓慢慢变变化化的的动动态态量量，
34、而而测测量量回回路路的的时时间间常常数数又又不不大大，则则造造成成传传感感器器灵灵敏敏度度下下降降。因因此此为为了了扩扩大大传传感感器器的的低低频频响响应应范范围围，就就必必须须尽尽量量提提高回路的时间常数。高回路的时间常数。但但这这不不能能靠靠增增加加测测量量回回路路的的电电容容量量来来提提高高时时间间常常数数，因因为为传传感感器器的的电电压压灵灵敏敏度度与与电电容容成成反反比比的的，切切实实可可行行的的办办法法是是提提高高测测量量回回路路的的电电阻阻。由由于于传传感感器器本本身身的的绝绝缘缘电电阻阻一一般般都都很很大大，所所以以测测量量回回路路的的电电阻阻主主要要取取决决于于前前置置放放大
35、大器器的的输输入入电电阻阻。放放大大器器的的输输入入电电阻阻越越大大，测测量量回回路路的的时时间间常常数数就就越越大大，传传感感器器的的低低频频响应也就越好。响应也就越好。No范文7电动势式传感器原理与应用课件电压放大器应用限制电压放大器应用限制压压电电式式传传感感器器在在与与电电压压放放大大器器配配合合使使用用时时，连连接接电电缆缆不不能能太太长长。电电缆缆长长，电电缆缆电电容容Cc就就大大，电电缆缆电容增大必然使传感器的电压灵敏度降低。电容增大必然使传感器的电压灵敏度降低。电电压压放放大大器器与与电电荷荷放放大大器器相相比比，电电路路简简单单，元元件件少少，价价格格便便宜宜，工工作作可可靠
36、靠，但但是是电电缆缆长长度度对对传传感感器器测测量量精精度度的的影影响响较较大大，在在一一定定程程度度上上限限制制了了压压电式传感器在某些场合的应用。电式传感器在某些场合的应用。解解决决电电缆缆问问题题的的办办法法将将放放大大器器装装入入传传感感器器中中，组组成一体化传感器。成一体化传感器。No范文7电动势式传感器原理与应用课件（2）电荷放大器）电荷放大器压电式传感器另一种专用的前置放大器。压电式传感器另一种专用的前置放大器。能能将将高高内内阻阻的的电电荷荷源源转转换换为为低低内内阻阻的的电电压压源源，而而且且输输出出电电压压正正比比于于输输入入电电荷荷，因因此此，电电荷荷放放大大器器同同样样
37、也也起起着着阻阻抗抗变变换换的的作作用用，其其输输入入阻阻抗抗高达高达10101012，输出阻抗小于，输出阻抗小于100。使使用用电电荷荷放放大大器器突突出出的的一一个个优优点点：在在一一定定条条件件下，传感器的灵敏度与电缆长度无关。下，传感器的灵敏度与电缆长度无关。No范文7电动势式传感器原理与应用课件压电传感器与电荷放大器连接等效电路压电传感器与电荷放大器连接等效电路K是放大器的开环增益，（是放大器的开环增益，（-K）表示放大器的输出与）表示放大器的输出与输入反相，若开环增益足够高，则放大器的输入端的输入反相，若开环增益足够高，则放大器的输入端的电位接近电位接近“地地”电位。电位。 No范
38、文7电动势式传感器原理与应用课件充电电压约等于放大器的输出电压充电电压约等于放大器的输出电压 几点结论：几点结论：1、电荷放大器的输出电压只与输入电荷量和反馈电容、电荷放大器的输出电压只与输入电荷量和反馈电容有关，而与放大器的放大系数的变化或电缆电容等均无有关，而与放大器的放大系数的变化或电缆电容等均无关系。关系。2、只要保持反馈电容的数值不变，就可得到与电荷量、只要保持反馈电容的数值不变，就可得到与电荷量Q变化成线形关系的输出电压。变化成线形关系的输出电压。3、反馈电容、反馈电容Cf小，输出就大。小，输出就大。4、要达到一定的输出灵敏度要求，就必须选择适当的、要达到一定的输出灵敏度要求，就必
39、须选择适当的反馈电容。反馈电容。5、输出电压与电缆电容无关条件：、输出电压与电缆电容无关条件：（1+K）Cf （Ca+Cc+Ci）No范文7电动势式传感器原理与应用课件产品产品压力变送器压力变送器加速度计加速度计力传感器力传感器 No范文7电动势式传感器原理与应用课件1. 1. 横向灵敏度横向灵敏度影响压电式传感器工作的主要因素影响压电式传感器工作的主要因素No范文7电动势式传感器原理与应用课件No范文7电动势式传感器原理与应用课件2. 2. 环境温度和湿度环境温度和湿度= RC= RCNo范文7电动势式传感器原理与应用课件No范文7电动势式传感器原理与应用课件No范文7电动势式传感器原理与应用课件3. 3. 安装差异及基座应变安装差异及基座应变No范文7电动势式传感器原理与应用课件No范文7电动势式传感器原理与应用课件4. 4. 噪声噪声No范文7电动势式传感器原理与应用课件No范文7电动势式传感器原理与应用课件
