第4章-传感器原理3

1、4.5 4.5 压电式传感器压电式传感器 1.1.变换原理变换原理: :压电效应压电效应 压电式传感器的工作原理是以某些物质的压电效压电式传感器的工作原理是以某些物质的压电效应为基础的。应为基础的。压电效应压电效应：物质在机械力作用下发生：物质在机械力作用下发生变形时，内部产生极化现象，在其表面上产生符号变形时，内部产生极化现象，在其表面上产生符号相反的电荷，去掉外力时电荷立即消失。相反的电荷，去掉外力时电荷立即消失。第四章第四章 传感器测量原理传感器测量原理与测量电路测量电路n极化强度：由于压电效应而产生的电荷的密度。Px,Py沿电轴沿电轴( (X X轴轴) )方向的作用力方向的作用力) )

2、产生的压电效应产生的压电效应-纵纵向压电效应向压电效应把沿机械轴把沿机械轴( (Y Y轴轴) )方向的作用力产生的压电效应方向的作用力产生的压电效应-横向压电效应横向压电效应沿光轴沿光轴( (Z Z轴轴) )方向的作用力不产生压电效应方向的作用力不产生压电效应 石英晶体切片（六角棱柱）：石英晶体切片（六角棱柱）：X X轴：电轴（通过棱角）轴：电轴（通过棱角）Y Y轴：机械轴（垂直棱面）轴：机械轴（垂直棱面）Z Z轴：光轴（垂直于六边形）轴：光轴（垂直于六边形）n纵向压电效应和横向压电效应：电荷方向相反纵向压电效应和横向压电效应：电荷方向相反n极化强度：由于压电效应而产生的电荷的密度。极化强度：

3、由于压电效应而产生的电荷的密度。P Px x,P,Py y晶片的长、宽、厚分别为l、w、td11 、d12分别为纵向压电系数和横向压电系数xxxxxxxFdqlwqPlwFddP111111yyyyyyyFdqlwqPtwFddPtl121212结论：对纵向压电效应，晶面产生的电荷与作用力成正比，而与晶片的几何尺寸无关。对横向压电效应，晶面产生的电荷不仅与作用力成正对横向压电效应，晶面产生的电荷不仅与作用力成正比，而且与晶片几何尺寸有关比，而且与晶片几何尺寸有关在压电晶片的两个工作面上进行金属蒸镀，形成金属在压电晶片的两个工作面上进行金属蒸镀，形成金属膜，构成两个电极膜，构成两个电极 可以看作

4、是一个电荷发生器，也可以看成是一个可以看作是一个电荷发生器，也可以看成是一个电容器。电容器。 若要测得力值若要测得力值F F，主要问题是如何测得电荷值。，主要问题是如何测得电荷值。注意：注意：利用压电式传感器测量静态或准静态量值时，必须利用压电式传感器测量静态或准静态量值时，必须采取一定的措施，使电荷从压电晶片上经测量电路采取一定的措施，使电荷从压电晶片上经测量电路的漏失减小到足够小程度的漏失减小到足够小程度。在动态力作用下，电荷可以得到不断补充，可以供给测量电路一定的电流，故压电传感器适宜作动态测量 压电材料n分为压电晶体和压电陶瓷n居里点：压电材料失去压电特性时的临界温度。1 压电晶体1）

5、石英晶体：化学成分：二氧化硅温度稳定性好居里点为573压电系数比较小2）水溶性压电晶体化学成分：酒石酸钾钠压电系数很大（1000倍）机械强度低居里点低，容易受潮压电材料2 压电陶瓷 压电陶瓷是由多种材料烧制而成的，本身并没有压电效应，需用强电场对其进行极化处理后其才有压电效应。1）钛酸钡压电陶瓷较高的压电系数（50）抗湿性能较好居里点低（120）温度稳定性也较差2）锆钛酸铅压电陶瓷压电系数较高（100）居里点310等效电路和测量电路压电晶体的绝缘电阻很高，表面有电荷，可视为电容器。等效电路：1）电荷等效电路 2）电压等效电路aaCqU 在使用压电式传感器时，它是与测量仪器配合一起使用的，此时必

6、须考虑连接电缆电容Cc，放大器输入电容Ci和输入电阻Ri ，再加上传感器本身的电容Ca 和泄漏电阻Ra，则完整的等效电路如图所示。根据传感器的工作原理和等效电路，它的输出可以是电压信号，也可以使电荷信号，因此放大器分别有电压放大器和电荷放大器两种。压电式传感器的输出电信号很微弱，通常先把传感器信号先输入到高输入阻抗的前置放大器中，经过阻抗交换以后，方可用一般的放大检波电路再将信号输入到指示仪表或记录器中。前置放大器的作用有两点：其一是将传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出；其二是放大传感器输出的微弱电信号。 前置放大器电路有两种形式：一种是用电阻反馈的电压放大器，其输出电压与输入电压(即传感器的

7、输出)成正比；另一种是用带电容板反馈的电荷放大器，其输出电压与输入电荷成正比。 iciaiaCCCRRRRRtCFdCFdCqUtFFamaaamsinsin1111输出电压为复数，其函数关系由其传递函数（一阶高通环节）确定。1 1 电压放大器电压放大器2221111)(1)(1icamimicaiCCCRRFdUCCCRjRjFdUicamimicamimCCCdFUkRCCCFdU1111)(前置放大器的输入电压和传感器的电压灵敏度都与连接传感器到前置放大器之间的电缆电容Cc有关。当改变电缆长度时，前置放大器输入电压与传感器灵敏度都会发生变化。因此，在使用中，电缆不是规定的长度时，要重新标

8、定灵敏度。电缆电容的变化会引入压电传感器的测量误差，这就是电压放大器的一个突出缺点。ficasrscficasrCkCCCkqkUUCkCCCqU)1 ()1 (忽略输入电阻和绝缘电阻2 电荷放大器ffscicafCqCkkqUCCCCkk)1 ()1 (放大器的输出电压与电缆电容无关，也就是说传感器的输出灵敏度与电缆电容无关。因此，采用电荷放大器时，电缆长度的变化对传感器的灵敏度影响不大，这就是电荷放大器的一个突出优点。但是，电缆长度的增加，会使电缆噪声增大，降低了测量的信噪比，为了减小电缆的噪声，不仅要用屏蔽电缆，还要使用价格较贵的低噪声电缆。ICP压电传感器ICP（Integreted

9、Circuit Piezoelectric)特点：将前端的放大器置于传感器内好处：允许信号传输采用普通的屏蔽电缆（低阻抗），长距离传输特点特点属能量转换型传感器，无需外界供电。固有频率高，适用于进行动态测量。（60kHz200kHz）常因绝缘电阻不够高存在漏电现象，从而影响其低频特性，不适于静态测量。灵敏度高，体积小。广泛应用于加速度和动态力、压力的测量。产品产品加速度计加速度计力传感器力传感器 4.6 4.6 压阻式传感器压阻式传感器一、工作原理一、工作原理 压阻式传感器是以单晶硅膜片作为敏感元件，在该膜片上采用集成电路工艺制作四个电阻并组成惠斯登电桥，当膜片受力后，由于半导体的压阻效应，电

10、阻阻值发生变化，使电桥有输出。半导体电阻的相对变化为： EERR)21 (ttllRRltlt由于半导体材料的各向异性，对不同的晶轴方向其压阻系数不同，则电阻的相对变化可表示为：和纵向应力和横向应力和纵向压阻系数和横向压阻系数二、测量电路二、测量电路1. 1. 恒压源供电恒压源供电 四个电阻假设初始值都相等且为R，电阻变化时，增加量为R，减小量为- R，由于温度的影响，使每个电阻都变化了Rt。则电桥输出为ttttttscRRRRRRRRRURRRRRRRRRUUtscRRRUU整理后得2. 恒流源供电 四个电阻假设初始值都相等且为R，电阻变化时，增加量为R，减小量为- R，由于温度的影响，使每

11、个电阻都变化了Rt。流过两支路的电流相等，都等于总电流的一半(I/2)，则电桥输出为ttscRRRIRRRIU2121RIUsc整理后得三、压阻式传感器的特点三、压阻式传感器的特点(1) 结构简单，可微型化。(2) 固有频率高。(3) 灵敏度高。(4) 精度高。(5) 使用温度范围小。4.7 4.7 霍尔氏传感器一. 霍尔效应1HHHUR BIK BId在一块长为l，宽为b，厚为d 的半导体薄片两侧通过电流I，在薄片的垂直方向施加磁场B，则在半导体另两侧产生一个与电流I 和磁场B乘积成正比的电动势UH ，这一现象称为霍尔效应，所产生的电动势称为霍尔电势。HHRdK1RH霍尔系数d霍尔元件厚度

12、二. 霍尔元件及基本电路 霍尔元件一般是半导体材料制成。其电阻率高，载流子迁移率大，霍尔系数很大。其基本电路如图所示， 图中电源E 是供给元件的激励电流，可调电阻R用来调节激励电流的大小，Rf 为霍尔电势输出端的负载电阻，通常它是放大器或记录仪表的输入阻抗。三. 霍尔元件的误差及其补偿1. 温度误差及其补偿 霍尔元件由半导体制成，因半导体对温度很敏感，霍尔元件的载流子迁移率，电阻率和霍尔系数都随温度而变化，导致霍尔传感器产生温度误差。 霍尔元件的温度误差可采用多种方法进行补偿，最常用的方法是采用恒流源激励。此电路的温度补偿效果取决于并联电阻R值的选择。0IRR2. 不等位电势及其补偿霍尔元件在

13、额定激励电流作用下，不加外磁场时霍尔电极间的空载电势称为不等位电势。 产生不等位电势的原因是由于在制作霍尔元件时，两个霍尔电极没有完全对称地焊在霍尔元件两侧，或霍尔元件材料的电阻率不均匀，基片宽度，厚度不一致；或激励电流极与基片的端面接触不良。以上原因引起的不等位电势要完全消除是很困难的，可通过补偿措施使不等位电势减小到一定程度，一般要求不等位电势u0要小于1mV。 在进行不等位电势补偿时，是把霍尔元件看成一个电桥，不等位电势就相当于电桥的不平衡输出，因此凡是能使电桥达到平衡的方法都可以补偿不等位电势。四、霍尔元件的特点 由于结构简单，体积小，频带宽，动态特性好，寿命长等优点，在自动化技术，检

14、测技术，和信息处理技术等方面有着广泛的应用，用于测量位移，压力，力，加速度，振动，转速等参数。1. 位移测量2. 压力测量4.8 4.8 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。应电动势的一种转换器。dtdWe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。 cosSB),(mdtdRB2 2 分类分类 磁磁电电

15、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速度型N3.7 磁电式传感器磁电式传感器 动圈式传感器动圈式传感器 线速度型线速度型3.7 磁电式传感器磁电式传感器 角速度型角速度型测速电机测速电机3.7 磁电式传感器磁电式传感器 在传感器中当结构参数确定后，在传感器中当结构参数确定后，B B、l l、N N、S S均为定均为定值，感应电动势值，感应电动势e e与线圈相对磁场的运动速度与线圈相对磁场的运动速度( (v v或或) )成正比成正比这类传感器的基本形式是速度传感器，能直接测量这类传感器的基本形式是速度传感器，能直接测量线速度或角速度。如果在其测量电路中接入积分电线速度或角速度。如果在其测量电路中接入积分电路或微分电路，那么还可以用来测量位移或加速度。路或微分电路，那么还可以用来测量位移或加速度。由工作原理可知，磁电感应式传感器只适