1、電動勢式傳感器第1頁，共150頁，2022年，5月20日，18點45分，星期四 介紹三種傳感器,即磁電式傳感器、壓電晶體傳感器和霍爾傳感器。雖然它們的工作原理截然不同,但它們的輸出量都是電勢,所以歸類為電動勢式傳感器。第2頁，共150頁，2022年，5月20日，18點45分，星期四一、磁電式傳感器 磁電式傳感器是一種利用電磁感應原理,將運動速度轉換成線圈中的感應電動勢輸出的傳感器,它也被稱為感應式傳感器。這種傳感器工作時不需要電源,直接從被測物體吸取機械能,轉換為電信號輸出。由于它的輸出功率較大,所以大大簡化了測量電路,且性能穩定,具有一定的工作帶寬(一般為101000Hz),所以獲得較普遍的

2、應用。第3頁，共150頁，2022年，5月20日，18點45分，星期四 1工作原理及結構 根據電磁感應定律,具有N匝的線圈在磁場中運動時,所產生的感應電動勢e的大小取決于穿過這線圈的磁通的變化率,即(1)圖1是磁電式傳感器的原理圖,其中(a)是當線圈在磁場中作直線運動時產生感應電動勢的傳感器;(b)是線圈在磁場中作旋轉運動時產生感應電動勢的傳感器。第4頁，共150頁，2022年，5月20日，18點45分，星期四圖1 磁電式傳感器原理圖(a) 線圈直線運動;(b)線圈旋轉運動1線圈;2運動體;3磁鋼 第5頁，共150頁，2022年，5月20日，18點45分，星期四 如果式(1)不以磁通變化,而用

3、線圈運動速度形式來表示,則對應于圖1(a)和(b)可分別寫成 (2)e=NBA (V)(3)式中B磁感應強度(T,1T=1Wb/m2);l線圈導線的總長度(m); 線圈與磁鐵相對直線運動的線速度（m/s）;N線圈匝數;A線圈截面積(m2);線圈的角速度(rad/s)。 第6頁，共150頁，2022年，5月20日，18點45分，星期四 在傳感器中,當結構已定時，B，A，N，l都是常數,感應電動勢就與線圈對磁場的相對運動速度或成正比,因此磁電式傳感器可直接用于測量線速度與角速度。由于速度與位移、加速度之間存在一定的積分或微分關系。因此,如果在感應電動勢的測量電路中接入一微分電路,其輸出就與運動的加

4、速度成正比;如果在測量電路中加接一積分電路,則其輸出就與位移成正比。 第7頁，共150頁，2022年，5月20日，18點45分，星期四由此可見,磁電式傳感器除測量速度外,還可用來測量運動的位移和加速度。此外,在磁電式傳感器中,其輸出除電動勢幅值外,還可以是電動勢的頻率值,例如磁電式轉速傳感器,將在應用舉例中介紹。 第8頁，共150頁，2022年，5月20日，18點45分，星期四 以上分析可知,磁電式傳感器有兩個基本組成部分:一個是磁路系統,由它產生磁場,為了減小傳感器的體積,一般都采用永久磁鐵;另一個是線圈,由它與磁場中的磁通交鏈產生感應電動勢。由式(2)和(3)可知,感應電動勢e是線圈與磁場

5、相對運動而產生的。作為相對運動,運動部分可以是線圈,也可以是永久磁鐵,前者稱為動圈式,后者稱為動鐵式。作為一個完整的傳感器,除磁路系統和線圈外,還有一些其它部件,如殼體、支承、阻尼器、接線裝置等等。 第9頁，共150頁，2022年，5月20日，18點45分，星期四 2傳感器的靈敏度和溫度補償 由基本公式(2)可以導出磁電式傳感器的靈敏度(4)從提高靈敏度的觀點來看,B值大,靈敏度S也大,所以要選擇B值大的永磁材料;另外導線長度l也可取得大一些,但這是有條件的,必須考慮下列兩種情況:第10頁，共150頁，2022年，5月20日，18點45分，星期四 (1)線圈電阻與指示器電阻匹配問題。因傳感器相

6、當于一個電壓源,為使指示器從傳感器獲得最大功率,必須使線圈的電阻R等于指示器的電阻Rd,即R=Rd。 (2)線圈的發熱。因為傳感器線圈產生感應電動勢,接上負載后,線圈中有電流流過,因而線圈會發熱。為此,根據傳感器靈敏度,R與Rd匹配求得線圈所需尺寸后,還必須發熱方面對線圈加以核算,使線圈的溫升在允許的溫升范圍以內。 第11頁，共150頁，2022年，5月20日，18點45分，星期四圖2 磁電式傳感器與指示儀表相連的等效電路 第12頁，共150頁，2022年，5月20日，18點45分，星期四 圖(2)是磁電式傳感器與指示儀表相連的等效電路。整個回路電流為(5) 當溫度變化時,上式的分子分母都會隨

7、溫度而變,而且它們的變化方向是相反的。因為永久磁鐵的磁感應強度隨溫度增加而減小,即感應電動勢隨溫度增加而減小。 第13頁，共150頁，2022年，5月20日，18點45分，星期四例如鎢鋼和鉻鋼做的磁鐵,當溫度在5060以下時,其磁感應強度變化大約為每10變化0.3%。而傳感器線圈與指示器的電阻都是銅電阻,所以它們的電阻溫度系數都是正的。當溫度增加t時,回路電流將從i變化到i。 (6)式中磁鐵磁通密度的負溫度系數;傳感器線圈電阻正溫度系數;1指示器電阻正溫度系數。第14頁，共150頁，2022年，5月20日，18點45分，星期四溫度誤差(7)可見溫度誤差是負值,即隨著溫度的增加,傳感器的輸出將變

8、小。 補償溫度誤差的辦法是在結構許可的情況下,在傳感器的磁鐵下裝置熱磁分路。 第15頁，共150頁，2022年，5月20日，18點45分，星期四 熱磁分路是用磁分路片搭裝在磁系統的極靴上,把氣隙中的磁通分出一部分,亦即把總磁通分出一部分。磁分路片用特種的鎳鐵合金制成,當溫度在-80+80之間,這類合金片的磁感應強度隨溫度增加而明顯地下降。所以,隨著溫度增加,分到熱磁分路的磁通減少,而分到氣隙的那部分磁通增加,這使e的數值增加,從而使電流增大,起到了溫度補償作用。 第16頁，共150頁，2022年，5月20日，18點45分，星期四3測量電路 根據磁電式傳感器的工作原理,可知它輸出電動勢大小與運動

9、速度成正比,所以是一個測速的傳感器。但是在實際測量中,它常常還被用來測量運動的位移(或振幅)和加速度,為此必須將信號加以變換。一般是在測量電路中配以積分電路和微分電路,通過開關切換,來達到不同的測量目的。 第17頁，共150頁，2022年，5月20日，18點45分，星期四測量電路方框圖如圖3所示。通常把積分和微分電路置于兩級放大器中間,以利于各級間的阻抗匹配。由于磁電式傳感器具有較高的靈敏度,所以一般不需要高增益放大器,用一般晶體管放大器即可勝任。第18頁，共150頁，2022年，5月20日，18點45分，星期四圖3 磁電式傳感器測量電路方框圖 第19頁，共150頁，2022年，5月20日，1

10、8點45分，星期四 圖3中,當聯動開關S在1位置時,經過一個積分電路,可測位移;當S在2位置時,經過微分電路,可測加速度;若S在3位置,傳感器輸出信號直接送主放大器,此時測量參數為速度信號。 第20頁，共150頁，2022年，5月20日，18點45分，星期四4應用舉例（1）CD-1型振動速度傳感器 它是一種動圈式的磁電傳感器。其磁路系統由鋼制圓柱形外殼和由它包裹著的永久磁鐵構成。工作線圈放置在磁路系統的空氣隙中。使用時把振動傳感器和被測報體固緊在一起,當振動體振動時,殼體也隨之振動,此時線圈、阻尼器和芯軸由于慣性并不隨之振動,因此位于氣隙間的線圈與殼體就產生相對運動,從而切割磁力線,于是產生正

11、比于振動速度的電動勢,該電動勢通過引線接到測量電路。 第21頁，共150頁，2022年，5月20日，18點45分，星期四圖4 CD-1型振動速度傳感器1一彈簧片;2一永久磁鐵;3一阻尼器;4一引線;5一芯軸;6一外殼;7一工作線圈;8一彈簧片第22頁，共150頁，2022年，5月20日，18點45分，星期四 這種傳感器測量的基本參數是振動速度,其靈敏度約為600mV/(cm.s-1)。若在測量電路中接入積分電路和微分電路后,也可測量振動體的振幅和加速度,可測振幅范圍為0.11000m,可測最大加速度為5g(g為重力加速度)。 第23頁，共150頁，2022年，5月20日，18點45分，星期四（

12、2）轉速傳感器 轉速傳感器是一種測量機械轉速的器件,根據轉速測量方法的不同,轉速傳感器的種類也有很多,這里主要介紹利用電磁作用原理檢測轉速的傳感器,檢測所得信號有正比于機械轉速的直流、交流電壓信號或頻率信號。第24頁，共150頁，2022年，5月20日，18點45分，星期四(I)測速發電機。測速發電機是一種應用十分普遍的轉速傳感器,按其輸出電壓類型不同,分為直流和交流兩種。直流測速發電機,它的結構類似小型直流電機,大多采用永磁勵磁方式,其輸出直流電壓為(8)式中Ke電動勢系數,與電機結構有關;磁極磁通(Wb);n機械轉速(r/min)。第25頁，共150頁，2022年，5月20日，18點45分

13、，星期四 由式(8)可見,直流測速發電機的輸出電壓U和被測對象的轉速n成正比,并且直流電壓的極性能反映轉向。但實際應用中,由于電樞繞組電阻、電樞反應的存在以及工作時引起的發熱等因素,將影響輸出信號的線性以及產生測量誤差,一般其精度不超過1%。 第26頁，共150頁，2022年，5月20日，18點45分，星期四 交流測速發電機輸出交流電壓信號,常見的交流測速發電機的結構是:定子上繞有二個在空間互相垂直的繞組W1和W2,轉子是用鋁合金制成的杯形。當頻率為f的交流電壓u1,加在勵磁繞組W1后,沿著繞組Wl軸線(d軸)產生出頻率為f的脈振磁通d,當轉子靜止不動(n=0)時,由于d與繞組W2軸線(g軸)

14、相互垂直,故輸出繞組W2沒有感應電動勢, 第27頁，共150頁，2022年，5月20日，18點45分，星期四當轉子旋轉后,杯形轉子切割磁通d,隨之在轉子上產生電動勢和電流,轉子電流將在g軸方向產生頻率為f的脈振磁通g,并在輸出繞組W2上感應出交流輸出電壓u2,輸出電壓的幅值與轉速成正比,而頻率與勵磁電壓的頻率相同。交流測速發電機結構簡單,輸出信號誤差小。 第28頁，共150頁，2022年，5月20日，18點45分，星期四 (II)輸出頻率量的轉速傳感器。它由定子(永久磁鐵)、轉子和線圈等組成。轉子端面均勻地銑了若干槽。測量時,轉子與被測對象轉軸連接,當轉子在圖5所示位置時,氣隙最小,磁通最大;

15、轉子轉過一定角度,氣隙最大,磁通最小。這樣當定子不動而轉子轉動時,磁通會周期性地變化,在線圈中感應出近似正弦波的電動勢信號。第29頁，共150頁，2022年，5月20日，18點45分，星期四 這種傳感器的輸出量以感應電動勢的頻率來表示時,其頻率f與被測轉速n關系是(9)式中N定子或轉子端面齒數;n被測轉速(r/min)。 第30頁，共150頁，2022年，5月20日，18點45分，星期四圖5輸出頻率量的磁電式轉速傳感器示意圖1一定子;2一線圈;3一轉子 第31頁，共150頁，2022年，5月20日，18點45分，星期四 這種測速傳感器可靠性高,輸出穩定,但要從被測對象吸收能量,且不宜測量太低的

16、轉速。現有的產品如SZMB3磁電式轉速傳感器,其N=60,所以用數字頻率計可直接顯示每分鐘的轉速。 第32頁，共150頁，2022年，5月20日，18點45分，星期四 （3）電磁流量計 在圖6所示的一段絕緣材料制成的管道上,左右安裝磁極N和S，在管道上下安裝兩個電極A和C。當導電流體以平均速度v流過管道時,它將切割磁力線,在電極上就會出現感應電動勢E第33頁，共150頁，2022年，5月20日，18點45分，星期四圖6 電磁流量計原理圖第34頁，共150頁，2022年，5月20日，18點45分，星期四 (10)式中B磁感應強度(Wb/m2);d管道內徑,即導體在磁場內的長度(m);v導體在磁場

17、內切割磁力線的速度,即被測流體經傳感器時的平均流速(m/s);Q容積流量,Q=d2v/4(m3/s)。式(10)表明,在B,d一定時,感應電動勢E與流量成正比。 第35頁，共150頁，2022年，5月20日，18點45分，星期四必須指出，使用電磁流量計的流體，應具有導電性,蒸餾水及各種油類都不能使用;為了防止流體電解和電極被極化腐蝕,一般不采用直流磁場,而用交流磁場。由于感應電動勢一般為毫伏數量級,所以對電磁流量計的抗干擾要求很高,必須妥善屏蔽。近年來,隨著抗干擾技術的提高,電磁流量計的精度已可優于1級,并且還可制成直徑3m的大管徑流量計。 第36頁，共150頁，2022年，5月20日，18點

18、45分，星期四二、壓電晶體傳感器 壓電傳感器是以某些物質的壓電效應為基礎的一種有源傳感器。在外力作用下,某些物質變形后其表面會產生電荷,從而實現非電量電測的目的。壓電傳感器尺寸小,重量輕,工作頻率寬,可測量變化很快的動態壓力、加速度、振動等。 第37頁，共150頁，2022年，5月20日，18點45分，星期四1壓電效應 某些電介質物質當沿一定方向受到外力作用而變形時,在它的兩個表面會產生符號相反的電荷;當將外力去掉后,又重新回到不帶電狀態,這種現象稱為壓電效應。具有壓電效應的電介質稱壓電材料或壓電元件,常見的壓電材料有石英晶體、鈦酸壩、鋯鈦酸鉛等。 第38頁，共150頁，2022年，5月20日

19、，18點45分，星期四 以石英晶體為例來說明應電材料的性質。石英晶體是各向異性體,即在各個方向晶體性質是不同的。圖7(a)表示石英晶體的形狀,它是一個六棱柱,兩端是六棱錐。在結晶學中可以把它用三根互相垂直的軸來表示。其中縱向軸Z-Z稱為光軸,經過六棱柱棱線,并垂直于光軸的X-X軸稱為電軸,與X-X軸和Z-Z軸同時垂直的Y一Y軸(垂直于棱面)稱為機械軸。通常把沿電軸X-X方向的力作用下產生電荷的效應稱為縱向壓電效應,而把沿機械軸Y-Y方向的力作用下產生電荷的效應稱為橫向壓電效應。在光軸Z-Z方向受力時,不產生壓電效應。 第39頁，共150頁，2022年，5月20日，18點45分，星期四圖7 石英

20、晶體(a)石英晶體形狀；(b)晶體切片 第40頁，共150頁，2022年，5月20日，18點45分，星期四 假設從石英晶體上沿Y-Y軸方向切下一片薄片,稱為晶體切片(圖7(b)。在每一片中,當沿電軸方向作用有力Fx時,則在與電軸垂直的平面(即切片的切面)上,產生電荷qx但它的大小為qx=d11Fx(11)式中d11X軸方向受力的壓電系數(C/N)。 第41頁，共150頁，2022年，5月20日，18點45分，星期四 電荷qx應包含相應的符號,它是由Fx是壓力還是拉力而定(參看圖8)。由式(11)可見,電荷的多少與切片的幾何尺寸無關。 如果在同一切片上作用力沿著機械軸方向,其電荷仍在與X軸垂直的

21、平面上出現,而極性相反,此時電荷的大小為(12)式中a晶體切片的長度;b晶體切片的厚度;d12Y軸方向受力的壓電系數。 第42頁，共150頁，2022年，5月20日，18點45分，星期四圖8 晶片上電荷的極性與受力方向的關系(a)沿X鈾方向受壓力;(b)沿X軸方向受拉力;(c)沿Y軸方向受壓力;(d)沿Y軸方向受拉力 第43頁，共150頁，2022年，5月20日，18點45分，星期四 由式(12)可見,沿機械軸方向的力作用在晶體上時,產生的電荷與晶體切片的幾何尺寸有關。式中負號說明,沿Y軸的壓力所引起的電荷極性與沿X軸的壓力所引起的電荷極性相反。 圖8表示晶體切片上電荷的極性與受力方向的關系。

22、圖中(a)X軸方向受壓力;(b)X軸方向受拉力;(c)Y軸方向受壓力;(d)Y軸方向受拉力。 第44頁，共150頁，2022年，5月20日，18點45分，星期四 如果在片狀壓電材料的兩個平面(或稱電極面)上加以交流電壓,石英晶片將產生機械振動,亦即晶片在電極方向有伸長和縮短的現象。當外加電壓撤去時,其變形也隨之消失。壓電材料的這種現象稱為電致伸縮效應,又稱逆壓電效應。利用壓電材料的電致伸縮效應,可做高頻振動臺、超聲波發射探頭等。超聲波式的檢測儀表,一般都是利用壓電材料作為超聲波發射探頭和接收探頭的,例如超聲波液面計,超聲波流量計,超聲波測厚儀等。 第45頁，共150頁，2022年，5月20日，

23、18點45分，星期四 2壓電材料簡介 壓電材料有兩類:一類是壓電晶體;另一類是經過極化處理的壓電陶瓷。前者為單晶體,后者為多晶體。第46頁，共150頁，2022年，5月20日，18點45分，星期四 （1）壓電晶體 石英是典型的壓電晶體,其化學成分是二氧化硅(SiO2),壓電系數較低,d11=2.310-12C/N。它在幾百度的溫度范圍內不隨溫度而變,但到573時,完全喪失壓電性質,這是它的居里點。石英具有很大的機械強度,在研磨質量好時,可以承受7001000kg/cm2的壓力,并且機械性能也較穩定。 除天然石英和人造石英晶體外,近年來鈮酸鋰LiNbO3、鉭酸鋰LiTaO3、鍺酸鋰LiGeO3等

24、許多壓電單晶在傳感技術中也獲得廣泛應用。 第47頁，共150頁，2022年，5月20日，18點45分，星期四圖9 石英的晶體模型(a)不受力時;(b)X軸方向受力;(c)Y軸方向受力 第48頁，共150頁，2022年，5月20日，18點45分，星期四 以石英晶體為例來說明壓電晶體內部發生壓電效應的物理過程。設想在石英晶體中取一單元組體,它有3個硅離子和6個氧離子,后者是成對的。這就構成六邊的形狀(圖9(a)。由于硅離子帶有4個正電荷,而氧離子帶有2個負電荷,所以在沒有外力作用時,電荷互相平衡,外部沒有帶電現象。如果在X軸方向受壓,如圖9(b),硅離子擠入氧離子2和6之間,而氧離子4擠入硅離子3

25、和5之間,結果在表面A上呈現負電荷,而在表面B上呈現正電荷。 第49頁，共150頁，2022年，5月20日，18點45分，星期四如果所受的力為拉伸,則在表面A和B上的電荷符號與前者相反,這就是縱向壓電效應。如果在Y軸方向受力,如圖9(c),硅離子3和氧離子2,以及硅離子5和氧離子6都向內移動同樣數值,故在電極C和D上仍不呈現電荷,而在表面A和B上,由于相對地把硅離子1和氧離子4擠向外邊,而分別呈現正、負電荷。如果使其受拉力,則在A和B的電荷極性恰好相反。這就是橫向壓電效應。在Z軸方向受力時,由于硅離子和氧離子是對稱的平移,故表面不呈現電荷,沒有壓電效應。 第50頁，共150頁，2022年，5月

26、20日，18點45分，星期四（2）壓電陶瓷 壓電陶瓷是人工制造的晶體壓電材料。它在極化前是各向同性的,沒有壓電效應。要在一定溫度和高壓電場作用下,使晶體產生剩余極化后,才具有壓電效應。對壓電陶瓷來說,垂直于極化面的軸為X軸,Y軸垂直于X軸,它不再具有Z軸,這是與壓電晶體不同之處。 第51頁，共150頁，2022年，5月20日，18點45分，星期四表1 常用壓電材料性能 第52頁，共150頁，2022年，5月20日，18點45分，星期四 壓電陶瓷有鈦酸鋇(BaTiO3)、鋯鈦酸鉛(PZT)等等,它們的壓電系數比石英大得多,但機械強度、穩定性、居里點溫度均不如石英晶體。還有聚二氟乙烯(PVF2)高

27、分子壓電材料,其特點是柔軟,不易破碎,把PZT粉末與PVF2混合成型之后形成PZT-PVF2復合材料,壓電性能更有改善,兼有兩者優點而彌補了各自的缺點。 壓電材料是各向異性物質,其壓電系數與極化方向和受力方向都有關,而受力又分垂直和剪切力,所以應該用矩陣來描述,表1中d11，d33等的下角數碼代表該壓電系數在矩陣里所處的位置。表1中數據是絕對值最大的典型值。 第53頁，共150頁，2022年，5月20日，18點45分，星期四3. 壓電傳感器及其等效電路 壓電傳感器的基本原理是利用壓電材料的壓電效應。當有力作用于壓電材料上時,傳感器就有電荷(或電壓)輸出,因此,壓電傳感器可測量的基本參數是力,但

28、也可以測量能變換成力的參數如加速度、位移等。 第54頁，共150頁，2022年，5月20日，18點45分，星期四 由于外力作用而在壓電材料上產生的電荷,只有在無泄漏的情況下才能保存,即需要測量回路具有無限大的輸入阻抗,這實際上是不可能的,因此壓電傳感器不適用于靜態測量。當壓電材料在交變力作用下,電荷不斷得到補充,可以供給測量回路一定的電流,故適宜于動態測量,主要用來測量動態的力、壓力、加速度等參數。第55頁，共150頁，2022年，5月20日，18點45分，星期四 （1）壓電晶片的連接方式 壓電傳感器產生的電荷量甚微,所以使用時常采用兩片或兩片以上的壓電元件粘結在一起成為疊層式壓電組合器件。由

29、于壓電材料的電荷是有極性的,因此有兩種接法。在圖10(a)中,兩片壓電元件的負電荷都集中在中間電極上,這種接法叫兩壓電片的并聯,其輸出電容C為單片電容C的兩倍(壓電片受力時可等效為一個電容器,詳細介紹見本節第2部分),但輸出電壓U等于單片電壓的U,極板上的電荷Q為單片電壓Q的兩倍,即Q=2Q,U=U,C=2C 第56頁，共150頁，2022年，5月20日，18點45分，星期四圖10 兩壓電片的連接方式 第57頁，共150頁，2022年，5月20日，18點45分，星期四 圖10(b)的接法中,正電荷集中在上極板,負電荷集中在下極板,在兩極板中間,上片產生的負電荷與下片產生的正電荷相互抵消,這種接

30、法稱兩壓電片的串聯。輸出總電荷Q等于單片電荷Q,輸出電壓U為單片電壓U的兩倍,總電容C為單片電容的一半,即Q=Q,U=2U,C=C/2。 這兩種接法中,并聯接法輸出電荷大,本身電容大, 時間常數大,適用于測量慢變信號,以及以電荷作為輸出量的的場合。串聯接法輸出電壓大,本身電容小,適用于以電壓作輸出信號,以及測量電路輸入阻抗很高的場合。 第58頁，共150頁，2022年，5月20日，18點45分，星期四 （2）壓電傳感器的等效電路 當壓電片受力時,在兩個電極表面分別聚集等量的正電荷和負電荷,如圖11(a)所示,相當于一個以壓電材料為介質的電容器,見圖(b)。其電容量為(13) 式中A極板面積(m

31、2);h壓電片厚度(m);壓電材料介電常數(F/m)。介電常數隨著壓電材料不同而異,如鋯鈦酸鉛相對介電常數)為4603400。 第59頁，共150頁，2022年，5月20日，18點45分，星期四圖11 等效電路(a)原理圖；(b)等效電路1一銀電極;2一壓電材料 第60頁，共150頁，2022年，5月20日，18點45分，星期四 當兩極板聚集異性電荷時,兩極板之間所呈現電壓為(14)所以可以把壓電傳感器等效為一個電源U和一個電容器Ca的串聯電路,如圖12(a)所示。由圖可見,只有在負載元窮大,內部也無漏電時,受力所產生的電壓U才能長期保存下來;如果負載不是無窮大,則電路就要以時間常數RLCa(

32、RL為負載電阻)按指數規律放電。 第61頁，共150頁，2022年，5月20日，18點45分，星期四圖12 壓電傳感器的等效電路(a)電壓源;(b)電荷源 第62頁，共150頁，2022年，5月20日，18點45分，星期四因此當用來測量一個變化頻率很低的參數時,就必須保證RL很大,以使時間常數RLCa足夠大,通常RL需達數百兆歐以上。壓電傳感器也可看作是個電荷發生器,這樣可等效為一個電荷源與一個電容并聯的等效電路,如圖12(b)所示。第63頁，共150頁，2022年，5月20日，18點45分，星期四圖13 壓電傳感器完整的等效電路(a)電壓源;(b)電荷源第64頁，共150頁，2022年，5月

33、20日，18點45分，星期四 4壓電傳感器的測量電路 壓電傳感器的輸出信號很微弱,而且內阻很高,一般不能直接顯示和記錄,需要采用低噪聲電纜把信號送到具有高輸入阻抗的前置放大器。前置放大器有兩個作用,一是放大壓電傳感器的微弱輸出信號;另一作用是把傳感器的高阻抗輸出變換成低阻抗輸出。圖14是壓電傳感器的測量系統框圖。 第65頁，共150頁，2022年，5月20日，18點45分，星期四圖14 壓電傳感器的測量系統框圖 第66頁，共150頁，2022年，5月20日，18點45分，星期四 根據壓電傳感器的等效電路,它的輸出可以是電壓,也可以是電荷,因此前置放大器也有兩種形式:電壓放大器和電荷放大器。（1

34、）電壓放大器(阻抗變換器) 將圖13(a)中的Ra與Ri并聯成為等效電阻R,又將Cc與Ci并聯為等效電容C,則第67頁，共150頁，2022年，5月20日，18點45分，星期四 壓電傳感器的開路電壓 ,如果壓電元件沿著電軸作用的交變力f=Fmsint,則所產生的電荷與電壓均按正弦規律變化,其電壓為(15)式中d壓電系數。電壓的幅值 ,送到放大器輸入端的電壓 第68頁，共150頁，2022年，5月20日，18點45分，星期四第69頁，共150頁，2022年，5月20日，18點45分，星期四則放大器輸入電壓Uim與頻率無關。因此為了擴展頻帶的低頻段,就必須提高回路的時間常數R(Ca+Cc+Ci)。

35、如果單靠增大測量回路電容量的辦法來達到,必然將影響傳感器的靈敏度S（S=Uim/Fmd/(Ca+Cc+Ci)）,為此常采用Ri很大的前置放大器。由式(19)可見,當改變連接傳感器與前置放大器的電纜長度時,Cc將改變, Uim也隨之變化,從而使前置放大器的輸出電壓Uo=AUi也變化(A為前置放大器的增益)。 第70頁，共150頁，2022年，5月20日，18點45分，星期四因此,傳感器與前置放大器組成的整個測量系統的輸出電壓與電纜電容有關,在設計時,常常把電纜長度定為一常數,所以在使用時,如果改變電纜長度,必須重新校正靈敏度,否則由于電纜電容Cc的改變將引入誤差。隨著集成技術的發展,將阻抗變換器

36、直接與后面測量電路的器件集成,引線很短,避免了電纜電容對靈敏度的影響,同時,消除了電纜噪聲。 第71頁，共150頁，2022年，5月20日，18點45分，星期四 圖15是一種電壓放大器(阻抗變換器)電路圖。它具有很高的輸入阻抗(一般1000M以上)和很低的輸出阻抗(小于100,頻率范圍2100kHz)。因此用該阻抗變換器可將高內阻的壓電傳感器與一般放大器相匹配。第72頁，共150頁，2022年，5月20日，18點45分，星期四圖15 阻抗變換器電路圖 第73頁，共150頁，2022年，5月20日，18點45分，星期四 該阻抗變換器第一級采用MOS場效應管構成源極輸出器,第二級是用鍺管構成對輸入

37、端的負反饋,以提高輸入阻抗,電路中的R1,R2是場效應管V的偏置電阻,R3是一個100M的大電阻,主要起提高輸入阻抗的作用, R5是場效應管的漏極負載電阻,根據V漏極電流大小即可確定R5的數值(在調試中確定), R4是源極接地電阻,也是VT的負載。第74頁，共150頁，2022年，5月20日，18點45分，星期四 R4上的交流電壓通過C2反饋到場效應管的輸入端,使A點電位提高,保證了較高的交流輸入阻抗。二極管VD1,VD2起保護場效應管的作用,同時又可以起溫度補償作用。它是利用二極管的反向電流隨溫度變化來補償場效應管泄漏電流ISG和IDG隨溫度的變化。由于V和VT是直接耦合,所以采用穩壓管VD

38、W時起穩定VT的固定偏壓作用,:R6是VDW的限流電阻,使VDW工作在穩定區。 第75頁，共150頁，2022年，5月20日，18點45分，星期四圖15中,如果只考慮V構成的場效應管源極輸出器,則輸入阻抗(20)通過C2從輸出端引入負反饋電壓后,輸入阻抗為(21)式中Ku是加上負反饋后的源極輸出器的電壓增益,其值接近1。因此加負反饋后的輸入阻抗可提高到幾百甚至幾千兆歐,以滿足壓電傳感器對前置放大器的要求。 第76頁，共150頁，2022年，5月20日，18點45分，星期四 （2）電荷放大器 電荷放大器是一個有反饋電容Cf的高增益運算放大器。當略去Ra與Ri并聯的等效電阻R后,壓電傳感器和電荷放

39、大器連接的等效電路可用圖16表示。圖中A是運算放大器。由于放大器的輸入阻抗極高,因此認為放大器輸入端沒有分流。根據運算放大器的基本特性,當工作頻率足夠高時, ,忽略(1+A)/Rf可以求得電荷放大器的輸出電壓第77頁，共150頁，2022年，5月20日，18點45分，星期四 (22)式中A是運算放大器的開環增益,負號表示放大器的輸入和輸出反相。當A1,滿足(1+A)Cf10(Ca+Cc+Ci)時,就可以認為(23)可見,在電荷放大器中,輸出電壓Uo與電纜電容Cc無關,而與q成正比,這是電荷放大器的突出優點。 第78頁，共150頁，2022年，5月20日，18點45分，星期四圖 16 壓電傳感器

40、與電荷放大器連接的等效電路 第79頁，共150頁，2022年，5月20日，18點45分，星期四 在圖16中,為了穩定直流工作點,減小零點漂移,所以在反饋電容Cf上并聯一個直流反饋電阻Rf,一般取Rf109。超低頻寬帶電荷放大器下限截止頻率可達10-4Hz,輸出阻抗小于100,可見其低頻響應也優于電壓放大器。電荷放大器的工作上限允許頻率由運算放大器的頻率響應特性決定。第80頁，共150頁，2022年，5月20日，18點45分，星期四5應用舉例 壓電傳感器已被廣泛用于工業、軍事和民用等領域,表2列出了其主要應用類型,其中力敏類型應用最多。表2壓電傳感器的主要應用類型 第81頁，共150頁，2022

41、年，5月20日，18點45分，星期四（1）壓電加速度傳感器 圖17是BAT-5型壓電加速度傳感器的結構原理圖。壓電片(采用鋯鈦酸鉛)放在基座上,上面為重塊組件,用彈簧片把壓電片壓緊,基座固接于待測物上,當待測物振動時,傳感器也受有同樣的振動,此時慣性質量產生一個與加速度成正比的慣性力f作用在壓電片上,因而產生了電荷q,因為F=ma ,m是重塊組件的質量,在傳感器中是一常數,所以F與所測加速度a成正比。這樣傳感器產生的電荷q與所測加速度a成正比。因為傳感器的電容量C不變,因此也可以用電壓U(U=q/C)來表示所測的加速度值。壓電片產生的電荷(或電壓)由導電片通過導線引到前置放大器,并用插頭引到測

42、量電路。 第82頁，共150頁，2022年，5月20日，18點45分，星期四圖17 BAT-5型加速度傳感器結構原理圖1-基座；2-壓電片；3-導電片；4-重塊組件；5-殼體；6-彈簧片；7-插頭 第83頁，共150頁，2022年，5月20日，18點45分，星期四 壓電加速度傳感器的頻率范圍寬,線性好,而且尺寸小,重量輕,附加于被測物件上不會使振動信號嚴重失真,從而在振動測量中應用非常廣泛。 表3是一種6200系列集成壓電加速度計主要技術參數,這種產品和一般壓電加速度計不同的地方是在傳感器內部含集成電路,用以進行阻抗變換。 第84頁，共150頁，2022年，5月20日，18點45分，星期四表3

43、 6200系列集成壓電加速度計主要參數 第85頁，共150頁，2022年，5月20日，18點45分，星期四（2）壓電式壓力傳感器 壓電式壓力傳感器根據使用要求不同,有各種不同結構,但工作原理相同。圖18是其結構示意圖。 當壓力p作用在膜片上時,壓電元件的上、下表面產生電荷,電荷量與作用力F成正比。而F=pS,式中S為壓電元件受力面積。因此式(11)可以寫成 q=d11F=d11pS可見,對于選定結構的傳感器,輸出電荷量(或電壓)與輸入壓力成正比關系,所以線性度較好。第86頁，共150頁，2022年，5月20日，18點45分，星期四圖18 壓電式壓力傳感器結構示意圖1一引線插件；2一絕緣體;3一

44、殼體;4一壓電元件: 5一膜片 第87頁，共150頁，2022年，5月20日，18點45分，星期四 壓電式壓力傳感器的測量范圍很寬,能測低至102N/m2的低壓,高至108N/m2的高壓,且頻響特性好,結構堅實,體積小,重量輕,使用壽命長,所以廣泛應用于內燃機的氣缸、油管、進排氣管的壓力測量,在航天和軍事工業上的應用也很廣泛。 第88頁，共150頁，2022年，5月20日，18點45分，星期四 (3) 基于壓電效應的超聲波傳感器 超聲波是機械波的一種,其頻率大于20kHZ,由于超聲波的波長短,繞射現象小,能定向傳播,并在傳播的過程中衰減很小,所以超聲波在工業和醫學領域內得到廣泛應用。第89頁，

45、共150頁，2022年，5月20日，18點45分，星期四 超聲波傳感器(也稱超聲探頭)實質上是一種可逆的換能器,它將電振蕩的能量轉變為機械振蕩,形成超聲波;或者由超聲波能量轉變為電振蕩。因此超聲波傳感器可分為發送器及接收器,發送器是將電能轉變為超聲波;而接收器則是將接收到的超聲波能量轉變為電能。 基于壓電效應的超聲波傳感器結構如圖19所示,其核心部分為壓電晶片。壓電式超聲探頭可發射和接收超聲波。它是由壓電晶片、阻尼塊(吸收塊)及保護膜組成。 第90頁，共150頁，2022年，5月20日，18點45分，星期四圖19 壓電式探頭結構圖1一絕緣柱;2一接觸座;3一導電螺桿;4一接線片;5一吸收塊;6

46、一晶片座;7一保護膜;8-壓電晶片;9一金屬外殼 第91頁，共150頁，2022年，5月20日，18點45分，星期四 壓電晶片為圓形平板,其厚度與超聲波頻率成反比。晶片的兩面鍍有銀層作為導電電極。為防止晶片與工件接觸而磨損,在晶片下層粘結一層保護膜,阻尼塊的作用是降低晶片的機械品質因數Qm,吸收聲能,其目的是當激勵的電振蕩脈沖停止時,可防止壓電晶片因慣性作用繼續振動,而使超聲波的脈沖寬度改變,分辨率變差。 第92頁，共150頁，2022年，5月20日，18點45分，星期四 圖20是用超聲波檢測厚度的方法之一回波法的工作原理圖。 超聲波探頭與被測物體表面接觸。主控制器控制發射電路,使探頭發出的超

47、聲波到達被測物體底面而反射回來,該脈沖信號又被探頭接收,經放大加到示波器垂直偏轉板上。標記發生器輸出時間標記脈沖信號,同時加到該垂直偏轉板上,而掃描電壓則加在水平偏轉板上。因此,在示波器上可直接讀出發射與接收超聲波之間的時間間隔t。若已知超聲波的傳播速度為c,則可求得被測物體的厚度h=ct/2。 第93頁，共150頁，2022年，5月20日，18點45分，星期四圖20 超聲波測厚工作原理圖 第94頁，共150頁，2022年，5月20日，18點45分，星期四三、霍爾傳感器 利用霍爾效應制成的傳感元件稱霍爾傳感器。霍爾效應這種物理現象的發現,雖然已有一百多年的歷史,但是直到20世紀40年代后期,由

48、于半導體工藝的不斷改進,才被人們所重視和應用。現在霍爾元件已廣泛應用于非電量測量、自動控制、電磁測量、計算裝置以及現代軍事技術等各個領域。第95頁，共150頁，2022年，5月20日，18點45分，星期四1霍爾元件的基本工作原理（1）半導體材料的霍爾效應如圖21所示的半導體薄片,若在它的兩端通以控制電流I,在薄片的垂直方向上施加磁感應強度為B的磁場,那么在薄片的另兩側會產生一個與控制電流I和磁感應強度B的乘積成比例的電動勢EH,這個電動勢稱霍爾電動勢,這一現象稱為霍爾效應,該半導體薄片稱為霍爾元件。 第96頁，共150頁，2022年，5月20日，18點45分，星期四圖21 霍爾效應原理圖 第9

49、7頁，共150頁，2022年，5月20日，18點45分，星期四 （2）工作原理 霍爾效應的產生是由于運動電荷受磁場中洛侖茲力作用的結果。假設在N型半導體薄片上通以電流I，如圖21所示,則半導體中的載流子(電子)沿著和電流相反的方向運動(電子速度為v),由于在垂直于半導體薄片平面的方向上施加磁場B,所以電子受到洛侖茲力fL的作用,向一邊偏轉(見圖21中虛線方向),并使該邊形成電子積累,而另一邊則為正電荷織累,于是形成電場。該電場阻止運動電子的繼續偏轉。當電場作用在運動電子上的力fE與洛侖茲力fL相等時,電子的積累便達到動態平衡。 第98頁，共150頁，2022年，5月20日，18點45分，星期四

50、在薄片兩橫斷面之間建立電場,其對應的電動勢稱為霍爾電動勢EH,其大小可用下式表示(24)式中RH霍爾系數(m3/C);I控制電流(A);B磁感應強度(T)D霍爾元件厚度(m)。 第99頁，共150頁，2022年，5月20日，18點45分，星期四 霍爾系數RH=，為載流體的電阻率,為載流子的遷移率,半導體材料(尤其是N型半導體)電阻率大,載流子遷移率很高,因而可以獲得很大的霍爾系數,適合于制造霍爾元件。令KH=RH/d(Vm2/(AWb)稱為霍爾元件的靈敏度,則 EH =KHIB(25) 如果磁感應強度B和元件平面法線成一角度時,則作用在元件上的有效磁場是其法線方向的分量,即Bcos,這時EH

51、=KHIBcos(26) 第100頁，共150頁，2022年，5月20日，18點45分，星期四 當控制電流的方向或磁場的方向改變時,輸出電動勢的方向也將改變。但當磁場與電流同時改變方向時,霍爾電動勢極性不變。 由上分析可知,霍爾電動勢的大小正比于控制電流I和磁感應強度B。靈敏度KH表示在單位磁感應強度和單位控制電流時輸出霍爾電動勢的大小,一般要求它越大越好。此外,元件的厚度d愈薄,KH也愈高,所以霍爾元件的厚度一般都比較薄。 第101頁，共150頁，2022年，5月20日，18點45分，星期四 (3)基本電路 在電路中,霍爾元件可用兩種符號表示,見圖22。霍爾元件的基本電路如圖23所示。控制電

52、流由電源E供給,RP為調節電阻,調節控制電流的大小。霍爾輸出端接負載電阻RL,它也可以是放大器的輸入電阻或表頭內阻等。 第102頁，共150頁，2022年，5月20日，18點45分，星期四圖22 霍爾元件的符號 圖 23 霍爾元件的基本電路 第103頁，共150頁，2022年，5月20日，18點45分，星期四 由于霍爾元件須在磁場與控制電流的作用下,才會輸出霍爾電動勢,所以在實際使用時,可把I或B作為輸入信號,或這兩者同時作為輸入信號,而輸出信號則正比與I或B,或兩者的乘積。由于建立霍爾效應所需的時間很短(約10-1210-14S之間),因此控制電流用交流時,頻率可達109HZ以上。 第104

53、頁，共150頁，2022年，5月20日，18點45分，星期四 2霍爾元件的測量誤差及其補償 在實際使用中,存在著各種影響霍爾元件精度的因素,即在霍爾電動勢中迭加著各種誤差電勢,這些誤差電勢產生的主要原因有兩類:一類是由于制造工藝的缺陷;另一類是由于半導體本身固有的特性。這里只分析不等位電勢和溫度影響兩個主要誤差。 第105頁，共150頁，2022年，5月20日，18點45分，星期四 （1）不等位電勢Uo及其補償 不等位電勢Uo是一個主要的零位誤差,如圖24所示。霍爾電動勢是從A,B兩點引出的,由于工藝上無法保證霍爾電極A,B完全焊在同一等位面上,因此當控制電流I流過元件時,即使不加磁場，A,B

54、兩點間也存在一個電勢Uo,這就是不等位電勢。 第106頁，共150頁，2022年，5月20日，18點45分，星期四圖24 不等電位電勢示意圖 第107頁，共150頁，2022年，5月20日，18點45分，星期四 在分析不等位電勢時,可以把霍爾元件等效為一個電橋,見圖25。電橋臂的四個電阻分別是r1，r2，r3，r4, 當兩個霍爾電極A,B處在同一等位面上時, r1=r2=r3=r4,電橋平衡,不等位電勢Uo等于零。當兩個霍爾電極不在同一等位面上時,電橋不平衡,不等位電勢不等于零。此時可根據A,B兩點電位的高低,判斷應在某一橋臂上并聯一定的電阻,使電橋達到平衡,從而使不等位電勢為零。 第108頁

55、，共150頁，2022年，5月20日，18點45分，星期四圖25 霍爾元件的等效電路 第109頁，共150頁，2022年，5月20日，18點45分，星期四 幾種補償線路如圖26所示。圖中(a),(b)為常見補償電路,(b),(c)相當于在等效電橋的兩個橋臂上同時并聯電阻,其中圖(c)調整比較方便,圖(d)用于交流供電情況。如果確切知道霍爾電極偏離等位面的方向,則可在工藝上采取措施來減小不等位電勢。 第110頁，共150頁，2022年，5月20日，18點45分，星期四圖26不等電位電勢的幾種補償線路(a) 在等效電橋的一個橋臂并聯電阻;(b),(c)在等效電橋的兩個橋臂同時并聯電阻;(d)用于交

56、流供電情況 第111頁，共150頁，2022年，5月20日，18點45分，星期四 （2）溫度誤差及其補償 霍爾元件與一般半導體器件一樣,對溫度的變化是很敏感的,會給測量帶來較大的誤差。這是因為半導體材料的電阻率、遷移率和載流子濃度等都隨溫度變化的緣故。因此,霍爾元件的性能參數如內阻、霍爾電勢等也將隨溫度變化。 第112頁，共150頁，2022年，5月20日，18點45分，星期四 為了減小霍爾元件的溫度誤差,除選用溫度系數小的元件或采用恒溫措施外,用恒流源供電往往可以得到明顯的效果。恒流源供電的作用是減小元件內阻隨溫度變化而引起的控制電流的變化。但是這還不能完全解決霍爾電動勢的穩定問題。下面介紹

57、一種簡單的補償線路。 第113頁，共150頁，2022年，5月20日，18點45分，星期四圖27 溫度補償線路 第114頁，共150頁，2022年，5月20日，18點45分，星期四 圖27中,在控制極并聯一個合適的補償電阻rp，這個電阻起分流作用。當溫度升高時,霍爾元件的霍爾電動勢和內阻Ri都隨之增加,由于補償電阻rp的存在,在I為定值時,通過霍爾元件的電流減小,而通過補償電阻rp的電流卻增加,這樣利用元件內阻的溫度特性和一個補償電阻,就可以使霍爾電動勢的溫度誤差得到補償。 第115頁，共150頁，2022年，5月20日，18點45分，星期四 設恒流源供給的電流為I,當溫度為To時,霍爾元件中

58、控制電流為(27)式中IHO溫度為To時,霍爾元件控制電流;Ri溫度為To時,霍爾元件的內阻;rp溫度為To時補償電阻。 第116頁，共150頁，2022年，5月20日，18點45分，星期四當溫度升到T時,同理可得(28)式中R溫度為T時,霍爾元件的內阻，R=Ri(1+t )，是霍爾元件的電阻溫度系數，t=T-To為相對于基準溫度To的溫差;r溫度為T時,補償電阻的阻值，r=rp(1+t)，是補償電阻的溫度系數。 第117頁，共150頁，2022年，5月20日，18點45分，星期四由式(27)可知,當溫度為To時,霍爾電動勢為EH0=KH0IH0B式中KH0溫度為To時,霍爾元件的靈敏度。溫度

59、為T時的霍爾電動勢為EH =KHIHB=KH0(1+t)IHB式中KH溫度為T時,霍爾元件的靈敏度;霍爾電動勢的溫度系數。由它的定義可知,實質上它就是靈敏度溫度系數。 第118頁，共150頁，2022年，5月20日，18點45分，星期四為使霍爾電動勢不變化,必須保持EH=EH0,即KH0(1+t)IHB=KH0IH0B將式(27)和(28)代入上式,經整理后得將上式展開,并略去t2項(溫差t100時,可認為此項很小),則rp=Ri(-)第119頁，共150頁，2022年，5月20日，18點45分，星期四所以(29)由于及,故上式可簡化為 (30)當及以及內阻Ri確定后,補償電阻rp的大小就可以

60、確定了。一般和可以從元件參數表中查得, 約(210)10-4/, 約10-2/,故rp=(1050)Ri，Ri可直接在無外磁場和室溫條件下測得。 除此之外,還可以通過選取合適的負載電阻和利用輸入回路的串聯電阻等方法進行補償。第120頁，共150頁，2022年，5月20日，18點45分，星期四 3霍爾元件的使用A主要技術參數(1)額定控制電流。指霍爾元件溫升10所施加的控制電流值,單位(mA),增大元件的控制電流可以獲得較大的輸出霍爾電動勢。但在實際使用時,控制電流的增加受到霍爾元件的最高溫升的限制。(2)輸入電阻Ri與輸出電阻Ro。Ri是指控制電流極之間的電阻值，Ro指霍爾電極之間的電阻,單位