5.1磁電式傳感器

1.變換原理:

磁電式傳感器是把被測量的物理量轉換為感應電動勢的一種轉換器。感應線圈的感應電動勢e為磁通變化率與磁場強度、磁阻、線圈運動速度有關，改變其中一個因素，都會改變感應電動勢。

第五章電動勢式傳感器原理與應用2.分類

磁電式動圈式磁阻式線速度型角速度型5.1.2動圈式傳感器

線速度型

5.1.3磁阻效應傳感器

磁阻元件的工作原理是利用半導體材料的磁阻效應(或稱高斯效應)。實際運動中載流子速度是不完全相同的，因而，在洛倫茲力作用下使一些載流子往一邊偏轉，所以半導體片內電流分布是不均勻的，改變磁場的強弱就影響電流密度的分布，故表現為半導體片的電阻變化。5.1.4磁電式傳感器的動態特性磁電式傳感器只適用于測量動態物理量，這種傳感器是機－電能量轉換型，下圖是其等效的機械系統磁阻式傳感器

磁電式車速傳感器帶電粒子在磁場中的運動會受到洛倫茲力FL的作用使帶電粒子偏向c，d電極，在垂直于B和I的方向上產生一感應電動勢VH。該現象稱為霍爾效應，所產生的電動勢VH稱為霍爾電勢1.基本原理厚度為d的N型半導體薄片上垂直作用了磁感應強度為B的磁場若在一個方向上通以電流IN型半導體中多數載流子為電子

——它沿與電流的相反方向運動5.2霍爾傳感器霍爾電勢VH的大小

由下式決定：式中KH——霍爾常數，表示單位磁感應強度和單位控制電流下所得的開路霍爾電勢，取決于材質、元件尺寸，并受溫度變化影響；

α——電流方向與磁場方向夾角，如兩者垂直，則sinα＝1。純金屬中自由電子濃度過高，霍爾效應微弱，無實用價值半導體是霍爾元件的常用材料材料的厚度d愈小，則KH就愈大、靈敏度愈高磁阻效應與霍爾效應的區別：霍爾電勢是指垂直于電流方向的橫向電壓，而磁阻效應則是沿電流方向的電阻變化。片芯是一塊矩形半導體薄片一般采用N形鍺、銻化銦、砷化銦、砷化鎵和磷砷化銦等長邊兩側面焊有兩根控制電流極引線，短邊兩側面的中點焊以兩導線用于輸出霍爾電勢霍爾芯片一般用非磁性金屬、陶瓷或環氧樹脂封裝2.霍爾元件的結構

在磁場和控制電流的作用下，輸出端有電壓輸出使用時，I和B都可作為輸入信號，輸出信號正比于兩者的乘積建立霍爾電勢所需的時間極短(10-12~10-14)所測外界信號頻率可以很高3.霍爾元件的基本電路

R為調節電阻，調節控制電流的大小UH兩端為霍爾電勢輸出端霍爾元件在靜止狀態下具有感受磁場的獨特能力霍爾元件的特點：

結構簡單可靠體積小噪聲低動態范圍大(輸出電壓變化范圍可達1000:1)

頻率范圍寬(從直流到微波頻段)

壽命長價格低可以廣泛應用于測量：

位移可轉化為位移的力和加速度磁場變化應用中不用永久磁鐵產生的磁場，而是用一個可變電流作激磁的可變磁場，輸出電壓就決定于控制電流和激磁電流的乘積

——霍爾元件就成了一種兩個模擬信號的乘法器

霍爾傳感器的應用改變I或B，或兩者同時改變均會引起VH的變化利用該原理可以做成各種傳感元件霍爾乘法器霍爾元件置于由坡莫合金(Ni79Mo4)制成的鐵芯氣隙中，激磁線圈繞于中間芯柱上，當輸入直流激磁電流Im時，形成恒定磁場。如果通入霍爾元件的控制電流為i，則霍爾電勢即正比于i與Im的乘積，因此霍爾元件可作為乘法器。5.3壓電式傳感器

1.變換原理:壓電效應

+并聯+串聯

某些物質，如石英，受到外力作用時，不僅幾何尺寸會發生變化，而且內部會被極化，表面產生電荷；當外力去掉時，又重新回到原來的狀態，這種現象稱為壓電效應。F+q=DF2.壓電材料明顯呈現壓電效應的敏感功能材料叫壓電材料。壓電材料一般應考慮以下主要特性：1)具有較大的壓電常數。2)壓電元件的機械強度高、剛度大并具有較高的固有振動頻率。3)具有高的電阻率和較大的介電常數。4)具有較高的居里點。居里點高可以得到較寬的工作溫度范圍。5)壓電特性不隨時間蛻變，有較好的時間穩定性。(1)石英晶體石英晶體有天然和人工培養兩種類型。人工培養的石英晶體的物理+化學性質幾乎與天然石英晶體無多大區別，因此目前廣泛應用成本較低的人造石英晶體。它在幾百攝氏度的溫度范圍內，壓電、系數不隨溫度而變化。石英晶體的居里點為573℃，即到573℃時，它將完全喪失壓電性質。它有很大的機械強度和穩定的機械性能，沒有熱釋電效應，但靈敏度很低，介電常數小，因此逐漸被其他壓電材料所代替。縱軸z-z稱作光軸，通過六角棱線而垂直于光軸的軸線x-x稱作電軸，垂直于棱面的軸線y-y稱作機械軸。如果從晶體中切下一個平行六面體，并使其晶面分別平行于z-z、y-y、x-x軸線，這個晶片在正常狀態下不呈現電性。當施加外力時，將沿x-x方向形成電場，其電荷分布在垂直于x-x軸的平面上。沿x軸方向加力產生縱向壓電效應，沿y軸加力產生橫向壓電效應，沿相對兩平面加力產生切向壓電效應。石英(SiO2)晶體結晶形狀為六角形晶柱。兩端為一對稱的棱錐，六棱柱是它的基本組織石英的壓電效應

這時正負離子正好分布在正六邊形的頂角上，呈現電中性。如果沿X方向壓縮，如圖b所示，則硅離子1被擠入氧離子2和6之間，而氧離子4被擠入硅離子3和5之間，結果表面A上呈現負電荷，而在表面B上呈現正電荷。這一現象稱為縱向壓電效應。若沿Y方向壓縮，如圖c所示，硅離子3和氧離子2，以及硅離子5和氧離子6都向內移動同樣的數值，故在電極C和D上不呈現電荷，而在表面A和B上，即在X軸的端面上又呈現電荷，但與圖b的極性正好相反，這時稱為橫向壓電效應。從研究的模型同樣可以看出：如果是使其伸長而不是壓縮時，則電荷的極性正好相反。總之，石英等單晶體材料是各向異性的物體，在X或Y軸向施力時，在與X軸垂直的面上產生電荷，電場方向與X軸平行，在Z軸方向施力時，不能產生壓電效應。石英的化學式為SiO2，在一個晶體單元中，有三個硅離子si4+和六個氧離子O2-，后者是成對的，所以一個硅離子和兩個氧離子交替排列。當沒有力作用時si4+和O2-在垂直于晶體Z軸的XY平面上的投影恰好等效為正六邊形排列，如圖a示。(2)水溶性壓電晶體這類壓電晶體有酒石酸鉀鈉(NaKC4H4O64H20)、硫酸鋰(Li2SO4H2O)、磷酸二氫鉀(KH2PO4)等。水溶性壓電晶體具有較高的壓電靈敏度和介電常數，但易于受潮，機械強度也較低，只適用于室溫和濕度低的環境下。(3)鈮酸鋰晶體鈮酸鋰是一種透明單晶，熔點為1250℃，居里點為1210℃。它具有良好的壓電性能和時間穩定性，在耐高溫傳感器上有廣泛的前途。(4)壓電陶瓷這是一種應用最普遍的壓電材料，壓電陶瓷具有燒制方便、耐濕、耐高溫、易于成形等特點。1)鈦酸鋇壓電陶瓷鈦酸鋇(BaTiO3)是由BaCO3和TiO2二者在高溫下合成的。具有較高的壓電系數和介電常數。但它的居里點較低，為120℃，此外機械強度不如石英。2)鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷(PZT)鋯鈦酸鉛是PbTiO3和PbZrO3組成的固溶體Pb(Zr·Ti)O2。它具有較高的壓電系數和居里點(300℃以上)。3)鈮酸鹽系壓電陶瓷鉭鈮酸鉛具有很高的居里點和較低的介電常數。鈮酸鉀的居里點為435C，常用于水聲傳感器中。4)鈮鎂酸鉛壓電陶瓷(PMN)這是一種由Pb(MgNb)O3、PbTiO3、PbZrO3組成的三元系陶瓷。它具有較高的壓電系數和居里點，能夠在較高的壓力下工作，適合作為高溫下的力傳感器。(5)壓電半導體有些晶體既具有半導體特性又同時具有壓電性能，如ZnS、CaS、GaAs等。因此既可利用它的壓電特性研制傳感器，又可利用半導體特性以微電子技術制成電子器件。(6)高分子壓電材料某些合成高分子聚合物薄膜經延展拉伸和電場極化后，有一定的壓電性能，這就是高分子壓電薄膜。目前出現的壓電薄膜有聚二氟乙烯PVF2、聚氟乙烯PVF、聚氯乙烯PVC、聚γ甲基-L谷氨酸脂PMG等。這是一種柔軟的壓電材料，不易破碎，可以大量生產和制成較大的面積。5.3.2壓電元件的等效電路及信號變換電路壓電元件兩電極間的壓電陶瓷或石英為絕緣體，而兩個工作面上進行金屬蒸鍍，形成金屬膜，因此就構成一個電容器。當壓電元件受外力作用時，兩表面產生等量的正、負電荷Q，壓電元件的開路電壓(負載電阻為無窮大)U為：這樣可把壓電傳感器等效為一個電流源Q和一個電容器Ca的等效電路；同時也可等效為一個電壓源U和一個電容器Ca串聯的等效電路。1.壓電元件的等效電路其中Ra為壓電元件的漏電阻。工作時，壓電元件與二次儀表配套使用必定與測量電路相連接，這就要考慮連接電纜電容Ca、放大器的輸入電阻Ri和輸入電容Ci。

壓電元件常用的結構形式

在實際使用中，如僅用單片壓電元件工作的話，要產生足夠的表面電荷就要很大的作用力，因此一般采用兩片或兩片以上壓電元件組合在一起使用。由于壓電元件是有極性的，因此連接方法有兩種：并聯連接和串聯連接。

壓電元件并聯連接和串聯連接

并聯連接：兩壓電元件的負極集中在中間極板上，正極在上下兩邊并連接在一起，其輸出電容C＇為單片的n倍，即C＇=nC，U＇=U，Q＇=nQ。

串聯連接：上極板為正極，下極板為負極，在中間是一元件的負極與另一元件的正極相連接，這時有Q＇＝Q，U＇=nU，C＇=C/n在以上兩種聯接方式中，并聯接法輸出電荷大，本身電容大，因此時間常數也大，適用于測量緩變信號，并以電荷量作為輸出的場合。串聯接法輸出電壓高，本身電容小，適用于以電壓作為輸出量以及測量電路輸入阻抗很高的場合。

壓電元件在壓電式傳感器中，必須有一定的預應力，這樣可以保證在作用力變化時，壓電片始終受到壓力，同時也保證了壓電片的輸出與作用力的線性關系。

2.壓電式傳感器的信號調節電路 壓電式傳感器要求負載電阻RL必須有很大的數值，才能使測量誤差小到一定數值以內。因此常先接入一個高輸入阻抗的前置放大器，然后再接一般的放大電路及其它電路。

測量電路關鍵在高阻抗的前置放大器。前置放大器兩個作用:（1）把壓電式傳感器的微弱信號放大；（2）把傳感器的高阻抗輸出變換為低阻抗輸出。（1）電壓放大器Ca：傳感器的電容Ra：傳感器的絕緣電阻Cc：連接電纜的等效電容Ri：放大器的輸入電阻Ci：輸入電容前置放大器輸入電壓壓電元件的力F=Fmsinωt壓電元件的壓電系數為d11，產生的電荷為Q=d11·F。輸入電壓的幅值當作用力是靜態力（ω=0）時，前置放大器的輸入電壓為零。原理上決定了壓電式傳感器不能測量靜態物理量。壓電式傳感器突出優點：高頻響應相當好。

擴大傳感器的低頻響應范圍的方法如果被測物理量是緩慢變化的動態量，而測量回路的時間常數又不大，則造成傳感器靈敏度下降。因此為了擴大傳感器的低頻響應范圍，就必須盡量提高回路的時間常數。但這不能靠增加測量回路的電容量來提高時間常數，因為傳感器的電壓靈敏度與電容成反比的，切實可行的辦法是提高測量回路的電阻。由于傳感器本身的絕緣電阻一般都很大，所以測量回路的電阻主要取決于前置放大器的輸入電阻。放大器的輸入電阻越大，測量回路的時間常數就越大，傳感器的低頻響應也就越好。電壓放大器應用限制壓電式傳感器在與電壓放大器配合使用時，連接電纜不能太長。電纜長，電纜電容Cc就大，電纜電容增大必然使傳感器的電壓靈敏度降低。電壓放大器與電荷放大器相比，電路簡單，元件少，價格便宜，工作可靠，但是電