电感式,电容式,压电式,磁电式传感器传感器测量原理

1、电容式传感器电容式传感器 变换原理变换原理: :将被测量的变化转化为电容量变化将被测量的变化转化为电容量变化两平行极板组成的电两平行极板组成的电容器容器, ,它的电容量为它的电容量为: :AC0+ A 、A A或或发生变发生变化时，都会引起化时，都会引起电容的变化。电容的变化。3.3 电容式传感器电容式传感器 a)a)极距极距变化型变化型+AC0+驻极体电容传声器驻极体电容传声器 它采用聚四氟乙烯材料作为振动膜片。这种材它采用聚四氟乙烯材料作为振动膜片。这种材料经特殊电处理后，表面永久地驻有极化电荷，取料经特殊电处理后，表面永久地驻有极化电荷，取代了电容传声器极板，故名为驻极体电容传声器。代了

2、电容传声器极板，故名为驻极体电容传声器。特点是体积小、性能优越、使用方便。特点是体积小、性能优越、使用方便。 3.3 电容式传感器电容式传感器 b)b)面积变化型面积变化型AC0角位移型角位移型+3.3 电容式传感器电容式传感器 AC0平面线位移型平面线位移型3.3 电容式传感器电容式传感器 柱面线位移型柱面线位移型. .AC03.3 电容式传感器电容式传感器 c) c) 介质变化型介质变化型AC03.3 电容式传感器电容式传感器 电容式接近开关电容式接近开关振荡电路振荡电路被测物体被测物体 感应电极感应电极被测电容被测电容测量头构成电容器的一个极板，测量头构成电容器的一个极板，另一个极板是物

3、体本身，当物体另一个极板是物体本身，当物体移向接近开关时，物体和接近开移向接近开关时，物体和接近开关的介电常数发生变化，使得和关的介电常数发生变化，使得和测量头相连的电路状态也随之发测量头相连的电路状态也随之发生变化生变化. .接近开关的检测物体，接近开关的检测物体，并不限于金属导体，也可以是绝并不限于金属导体，也可以是绝缘的液体或粉状物体。缘的液体或粉状物体。3.3 电容式传感器电容式传感器 3.3 电容式传感器电容式传感器 4.5.3 4.5.3 电容式料位传感器电容式料位传感器u下图是电容式料位传感器结构示意图。测下图是电容式料位传感器结构示意图。测定电极安装在罐的顶部，这样在罐壁和测定

4、电极安装在罐的顶部，这样在罐壁和测定电极之间就形成了一个电容器。定电极之间就形成了一个电容器。图图4-20 电电容式料位容式料位传传感器感器结构结构示意示意图图4.5 电容式传感器的应用检测出这种电容量的变化就可测定物料在罐内检测出这种电容量的变化就可测定物料在罐内的高度。的高度。 传感器的静电电容可由下式表示：传感器的静电电容可由下式表示：式中：式中：k k 比例常数；比例常数； 被测物料的相对介电常数；被测物料的相对介电常数； 空气的相对介电常数；空气的相对介电常数；DD储罐的内径；储罐的内径；d d 测定电极的直径；测定电极的直径；h h 被测物料的高度。被测物料的高度。0()Clnsk

5、hDds04.5 电容式传感器的应用u假定罐内没有物料时的传感器静电电容假定罐内没有物料时的传感器静电电容为为 ，放入物料后传感器静电电容为，放入物料后传感器静电电容为 ，则两者电容差为则两者电容差为u 由上式可见，两种介质常数差别越大，由上式可见，两种介质常数差别越大，极径极径D D与与d d相差愈小，传感器灵敏度就愈相差愈小，传感器灵敏度就愈高。高。10CCC0C1C 电感式传感器是利用电磁感应原理将被电感式传感器是利用电磁感应原理将被测非电量如位移、压力、流量、重量、振测非电量如位移、压力、流量、重量、振动等转换成线圈自感量动等转换成线圈自感量L L或互感量或互感量MM的变的变化，再由测

6、量电路转换为电压或电流的变化，再由测量电路转换为电压或电流的变化量输出的装置。化量输出的装置。u优点优点: :结构简单，工作可靠寿命长，测量结构简单，工作可靠寿命长，测量精度高，零点稳定，输出功率较大等。精度高，零点稳定，输出功率较大等。u缺点缺点: :灵敏度、线性度和测量范围相互制灵敏度、线性度和测量范围相互制约，传感器自身频率响应低，不适用于快约，传感器自身频率响应低，不适用于快速动态测量。速动态测量。电感式传感器电感式传感器概述u电感式传感器种类很多，有利用自电感式传感器种类很多，有利用自感原理的自感式传感器，利用互感感原理的自感式传感器，利用互感原理做成的差动变压器式传感器，原理做成的

7、差动变压器式传感器，还有利于涡流原理的涡流式传感器、还有利于涡流原理的涡流式传感器、利用压磁原理的压磁式传感器等利用压磁原理的压磁式传感器等u本章主要介绍自感式、互感式和电本章主要介绍自感式、互感式和电涡流式三种传感器。涡流式三种传感器。1 1 自感型自感型-可变磁阻式可变磁阻式可变导磁面积型可变导磁面积型差动型差动型2002ANL 原理原理: :电磁感应电磁感应3.1 变磁阻式传感器1- 1-线圈；线圈；2- 2-铁芯（定铁芯）；铁芯（定铁芯）；3- 3-衔衔铁（动铁芯）铁（动铁芯）图图3-1 3-1 变磁阻式传感器变磁阻式传感器 结构图结构图3.1 3.1 变磁阻式传感器变磁阻式传感器3.

8、1.1 3.1.1 工作原理工作原理3.1 变磁阻式传感器u铁芯和衔铁由导磁材料如硅钢片或坡莫铁芯和衔铁由导磁材料如硅钢片或坡莫合金制成，在铁芯和衔铁之间有气隙，合金制成，在铁芯和衔铁之间有气隙，气隙厚度为气隙厚度为 ，传感器的运动部分与衔铁，传感器的运动部分与衔铁相连。相连。u当衔铁移动时，气隙厚度当衔铁移动时，气隙厚度 发生改变，引发生改变，引起磁路中磁阻变化，从而导致电感线圈起磁路中磁阻变化，从而导致电感线圈的电感值变化，只要能测出这种电感量的电感值变化，只要能测出这种电感量的变化，就能确定衔铁位移量的大小和的变化，就能确定衔铁位移量的大小和方向。方向。u电路的磁阻指由于电流引起的链合磁

9、通电路的磁阻指由于电流引起的链合磁通量。根据电感定义，线圈中电感量可由量。根据电感定义，线圈中电感量可由下式确定：下式确定：NLII3.1 变磁阻式传感器u上式中：上式中：线圈总磁链；线圈总磁链；I I 通过线圈的电流；通过线圈的电流；NN线圈的匝数；线圈的匝数；穿过线圈的磁通。穿过线圈的磁通。u由磁路欧姆定律，得磁通表达式：由磁路欧姆定律，得磁通表达式： 磁路总磁阻。磁路总磁阻。u对于变隙式传感器，因为气隙很小，所对于变隙式传感器，因为气隙很小，所以可以认为气隙中的磁场是均匀的。以可以认为气隙中的磁场是均匀的。mINR mR3.1 变磁阻式传感器u若忽略磁路磁损，则磁路总磁阻为若忽略磁路磁损

10、，则磁路总磁阻为: :式中：式中： 铁芯材料的导磁率铁芯材料的导磁率(H/m)(H/m)； 衔铁材料的导磁率衔铁材料的导磁率(H/m)(H/m)； 磁通通过铁芯的长度磁通通过铁芯的长度(m)(m)； 磁通通过衔铁的长度磁通通过衔铁的长度(m)(m)； 铁芯的截面积铁芯的截面积( )( )； 衔铁的截面积衔铁的截面积( )( )； 空气的导磁率空气的导磁率(4(4 H/m) H/m)； 气隙的截面积气隙的截面积( )( )； 气隙的厚度气隙的厚度(m)(m)。12m1122002LLRSSS121L2L1S2S00S2m2m7102m3.1 变磁阻式传感器u通常气隙磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻，通

11、常气隙磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻，即：即：u则可近似认为：则可近似认为：u联立前几式，可得联立前几式，可得 1001 1200222SS2SSLLm002SR2200mS2NNLR3.1 变磁阻式传感器u上式表明，当线圈匝数为常数时，上式表明，当线圈匝数为常数时，电感电感L L仅仅是磁路中磁阻仅仅是磁路中磁阻 的函数，的函数，只要改变只要改变 或或 均可导致电感变化。均可导致电感变化。u因此变磁阻式传感器又可分为变气因此变磁阻式传感器又可分为变气隙厚度隙厚度 的传感器和变气隙面积的传感器和变气隙面积 的的传感器。传感器。u使用最广泛的是变气隙厚度使用最广泛的是变气隙厚度 式电感式电感传感器。传

12、感器。0SmR0S3.1 变磁阻式传感器 图图3-93-9变隙电感式传感器结构图变隙电感式传感器结构图3.1.5 变磁阻式传感器的应用变磁阻式传感器的应用3.1 变磁阻式传感器u变隙电感式传感器由膜盒、铁芯、衔铁变隙电感式传感器由膜盒、铁芯、衔铁及线圈等组成，衔铁与膜盒的上端连在及线圈等组成，衔铁与膜盒的上端连在一起。一起。u当压力进入膜盒时，膜盒的顶端在压力当压力进入膜盒时，膜盒的顶端在压力P P的作用下产生与压力的作用下产生与压力P P大小成正比的位移，大小成正比的位移，于是衔铁也发生移动，从而使气隙发生于是衔铁也发生移动，从而使气隙发生变化，流过线圈的电流也发生相应的变变化，流过线圈的电

13、流也发生相应的变化，电流表指示值就反映了被测压力的化，电流表指示值就反映了被测压力的大小。大小。3.2 互感式传感器 互感式传感器是把被测的非电量变化转互感式传感器是把被测的非电量变化转换为线圈互感量变化的传感器。它根据换为线圈互感量变化的传感器。它根据变压器的基本原理制成，并且次级绕组变压器的基本原理制成，并且次级绕组都用差动形式连接，故又称为差动变压都用差动形式连接，故又称为差动变压器式传感器。器式传感器。u差动变压器结构形式较多，有变隙式、差动变压器结构形式较多，有变隙式、 变面积式和螺线管式等，但其工作原理变面积式和螺线管式等，但其工作原理基本一样。基本一样。u非电量测量中，应用最多的

14、是螺线管式非电量测量中，应用最多的是螺线管式差动变压器，它可以测量差动变压器，它可以测量1 1100mm100mm范围范围内的机械位移，并具有测量精度高，灵内的机械位移，并具有测量精度高，灵敏度高，结构简单，性能可靠等优点。敏度高，结构简单，性能可靠等优点。3.2 互感式传感器3.2.1 3.2.1 工作原理工作原理u螺线管式差动变压器结构如下图所示。螺线管式差动变压器结构如下图所示。u它由一个初级线圈，两个次级线圈和插它由一个初级线圈，两个次级线圈和插入线圈中央的圆柱形铁芯等组成。入线圈中央的圆柱形铁芯等组成。- -活动衔铁；活动衔铁；- -导磁外壳；导磁外壳；- -骨架；骨架；- -匝数为

15、匝数为 的初级绕组；的初级绕组；- -匝数为匝数为 的次级绕组；的次级绕组；- -匝数为匝数为 的次级绕组的次级绕组 图图3-11 3-11 螺线管式差动变压器结构图螺线管式差动变压器结构图1W2aW2bW工作原理工作原理: :互感现象互感现象.EwEoout3.2 互感式传感器u螺线管式差动变压器按线圈绕组排列的螺线管式差动变压器按线圈绕组排列的方式不同，可分为一节、二节、三节、方式不同，可分为一节、二节、三节、四节和五节式等类型，如图所示。四节和五节式等类型，如图所示。 一节一节式灵敏度高，三节式零点残余电压较小，式灵敏度高，三节式零点残余电压较小，通常采用的是二节式和三节式两类。通常采用

16、的是二节式和三节式两类。 （a a）一节式；（）一节式；（b b）二节式）二节式 （c c）三节式；（）三节式；（d d）四节式；（）四节式；（e e）五节式）五节式线圈排列方式图线圈排列方式图3.2 互感式传感器u当初级绕组当初级绕组 加以激励电压加以激励电压 时，根据变时，根据变压器的工作原理，在两个次级绕组压器的工作原理，在两个次级绕组 和和 中便会产生感应电势中便会产生感应电势 和和 。 u如果工艺上保证变压器结构完全对称，如果工艺上保证变压器结构完全对称，则当活动衔铁处于初始平衡位置时，必则当活动衔铁处于初始平衡位置时，必然会使两互感系数然会使两互感系数 。根据电磁感应原。根据电磁感

17、应原理，将有理，将有 u变压器两次级绕组反向串联，因而变压器两次级绕组反向串联，因而 即差动变压器输出电压为零。即差动变压器输出电压为零。1U2aW2bW1W2aE2bE12MM22abEE2220abUEEu活动衔铁向上移动时，由于磁阻的影响，活动衔铁向上移动时，由于磁阻的影响， 中中磁通将大于磁通将大于 ，使，使 ，因而，因而 增加，而增加，而 减小。反之，减小。反之， 增加，增加， 减小。因为减小。因为 ，所以当，所以当 、 随着衔铁位移随着衔铁位移x x变化时，变化时， 也必将随也必将随x x变化。下图给出了变压器变化。下图给出了变压器输出电压输出电压 与活动衔铁位移与活动衔铁位移x

18、x的关系曲线。的关系曲线。u实际上，当衔铁位于中心位置时，差动变压器实际上，当衔铁位于中心位置时，差动变压器输出电压并不等于零，我们把差动变压器在零输出电压并不等于零，我们把差动变压器在零位移时的输出电压称为零点残余电压，记作位移时的输出电压称为零点残余电压，记作 它的存在使传感器的输出特性不过零点，造成它的存在使传感器的输出特性不过零点，造成实际特性与理论特性不完全一致。实际特性与理论特性不完全一致。2aW2bW12MM2aE2bE2bE2aE222abUEE2bE2aE2UoU2U3.2 互感式传感器3-14 3-14 差动变压器输出电压特性曲线差动变压器输出电压特性曲线差动变压器位移传感

19、器差动变压器位移传感器3.4 电感式传感器电感式传感器案例：案例：板的厚度测量板的厚度测量 3.4 电感式传感器电感式传感器案例：案例：张力测量张力测量3.4 电感式传感器电感式传感器3.3 电涡流式传感器3.3.13.3.1电涡流式传感器电涡流式传感器 下图为电涡流式传感器的原理图，下图为电涡流式传感器的原理图，该图由传感器线圈和被测导体组成该图由传感器线圈和被测导体组成线圈线圈导体系统。导体系统。图图3-19 3-19 电涡流传感器原理图电涡流传感器原理图 涡流式涡流式原理原理: :涡流效应涡流效应3.3 电涡流式传感器u根据法拉第定律，当传感器线圈通以正根据法拉第定律，当传感器线圈通以正

20、弦交变电流弦交变电流 时，线圈周围空间必然产生时，线圈周围空间必然产生正弦交变磁场正弦交变磁场 ，使置于此磁场中的金属，使置于此磁场中的金属导体中感应电涡流导体中感应电涡流 ， 又产生新的交变又产生新的交变磁场磁场 。根据愣次定律。根据愣次定律 的作用将反抗原的作用将反抗原磁场磁场 ，导致传感器线圈的等效阻抗发，导致传感器线圈的等效阻抗发生变化，此电涡流的闭合流线的圆心同生变化，此电涡流的闭合流线的圆心同线圈在金属板上的投影的圆心重合。线圈在金属板上的投影的圆心重合。u由上可知，线圈阻抗的变化完全取决于由上可知，线圈阻抗的变化完全取决于被测金属导体的电涡流效应。而电涡流被测金属导体的电涡流效应

21、。而电涡流效应既与被测体的电阻率效应既与被测体的电阻率 、相对磁导率、相对磁导率 以及几何形状有关，又与线圈几何参数、以及几何形状有关，又与线圈几何参数、线圈中激磁电流频率线圈中激磁电流频率 有关，还与线圈与有关，还与线圈与导体间的距离导体间的距离 有关。有关。1I1H2I2I2H2H1Hfx3.3 电涡流式传感器u传感器线圈受电涡流影响时的等效阻抗传感器线圈受电涡流影响时的等效阻抗 的函数关的函数关系式为：系式为：式中：式中： 被测体的电阻率；被测体的电阻率； 相对磁导率；相对磁导率； 线圈与被测体的尺寸因子；线圈与被测体的尺寸因子； 线圈激磁电流的频率；线圈激磁电流的频率； 线圈与导体间的

22、距离。线圈与导体间的距离。u保持上式中其它参数不变，而只改变其中一个参数，保持上式中其它参数不变，而只改变其中一个参数，传感器线圈阻抗传感器线圈阻抗 就仅仅是这个参数的单值函数。就仅仅是这个参数的单值函数。通过与传感器配用的测量电路测出阻抗通过与传感器配用的测量电路测出阻抗 的变化量，的变化量，即可实现对该参数的测量。即可实现对该参数的测量。, , , ,ZFr f x ZfxrZZ3.3 电涡流式传感器3.3.5 3.3.5 电涡流式传感器的应用电涡流式传感器的应用1 1测位移测位移u电涡流式传感器的主要用途之一是可用电涡流式传感器的主要用途之一是可用来测量金属件的静态或动态位移，最大来测量

23、金属件的静态或动态位移，最大量程达数百毫米，分辨率为量程达数百毫米，分辨率为0.1%0.1%。u目前电涡流位移传感器分辨力最高已到目前电涡流位移传感器分辨力最高已到0.05m(0.05m(量程量程0 015m)15m)。u凡是可转换为位移量的参数，都可用电凡是可转换为位移量的参数，都可用电涡流式传感器测量，如机器转轴的轴向涡流式传感器测量，如机器转轴的轴向窜动、金属材料的热膨胀系数、钢水液窜动、金属材料的热膨胀系数、钢水液位、纱线张力、流体压力等。位、纱线张力、流体压力等。3.3 电涡流式传感器u下图为用电涡流式传感器构成的液位监下图为用电涡流式传感器构成的液位监控系统。控系统。u通过浮子通过

24、浮子3 3与杠杆带动涡流板与杠杆带动涡流板1 1上下位移，上下位移，由电涡流式传感器由电涡流式传感器2 2发出信号控制电动泵发出信号控制电动泵的开启而使液位保持一定。的开启而使液位保持一定。图图3-27 3-27 液位监控系统液位监控系统u电涡流传感器测位移，由于测量范围宽、电涡流传感器测位移，由于测量范围宽、反应速度快、可实现非接触测量，常用反应速度快、可实现非接触测量，常用于在线检测。于在线检测。3.3 电涡流式传感器2 2涡流探伤涡流探伤u涡流探伤可以用来检查金属的表面裂纹、涡流探伤可以用来检查金属的表面裂纹、热处理裂纹以及用于焊接部位的探伤等。热处理裂纹以及用于焊接部位的探伤等。 综合

25、参数综合参数( )( )的变化将引起传感器参数的变化将引起传感器参数的变化，通过测量传感器参数的变化即的变化，通过测量传感器参数的变化即可达到探伤的目的。可达到探伤的目的。u在探伤时导体与线圈之间是有着相对运在探伤时导体与线圈之间是有着相对运动速度的，在测量线圈上就会产生调制动速度的，在测量线圈上就会产生调制频率信号。在探伤时，重要的是缺陷信频率信号。在探伤时，重要的是缺陷信号和干扰信号比。为了获得需要的频率号和干扰信号比。为了获得需要的频率而采用滤波器，使某一频率的信号通过，而采用滤波器，使某一频率的信号通过，而将干扰频率信号衰减。而将干扰频率信号衰减。, ,x a) a)比较浅的裂缝信号比

26、较浅的裂缝信号 b)b)经过幅值甄别后的信号经过幅值甄别后的信号图图3-28 3-28 用涡流探伤时的测量信号用涡流探伤时的测量信号3.3 电涡流式传感器a) a)比较浅的裂缝信号比较浅的裂缝信号 b)b)经过幅值甄别后的信号经过幅值甄别后的信号图图3-28 3-28 用涡流探伤时的测量信号用涡流探伤时的测量信号产品：产品：3.4 电感式传感器电感式传感器案例：连续油管的椭圆度测量案例：连续油管的椭圆度测量Coiled TubeEddy Sensor Reference Circle3.4 电感式传感器电感式传感器案例：无损探伤案例：无损探伤原理裂纹检测，缺陷造成涡流变化。火车轮检测火车轮检测

27、油管检测油管检测3.4 电感式传感器电感式传感器3.63.6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 +串联串联+并联并联 某些物质，如石英，受到外力作用时，不仅几某些物质，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=DF 概述 压电式传感器的工作原理压电式传感器的工作原理u当某些材料受力作用而变形时，其表面当某些材料受力作用而变形时，其表面会有电荷产生，

28、从而实现非电量测量。会有电荷产生，从而实现非电量测量。u压电式传感器具有体积小，重量轻，工压电式传感器具有体积小，重量轻，工作频带宽、灵敏度高、工作可靠、测量作频带宽、灵敏度高、工作可靠、测量范围广等特点，因此在各种动态力、范围广等特点，因此在各种动态力、 机机械冲击与振动的测量等方面都得到了非械冲击与振动的测量等方面都得到了非常广泛的应用。常广泛的应用。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 3.6压电式传感器压电式传感器 5.1 压电效应及压电材料 某些电介质，当沿着一定方向对其施力某些电介质，当沿着一定方向对其施力而使它变形时，其内部就产生极化现象，而使它变形时，其

29、内部就产生极化现象，同时在它的两个表面上便产生符号相反的同时在它的两个表面上便产生符号相反的电荷，当外力去掉后，其又重新恢复到不电荷，当外力去掉后，其又重新恢复到不带电状态，这种现象称压电效应。带电状态，这种现象称压电效应。u当作用力方向改变时，电荷的极性也随之当作用力方向改变时，电荷的极性也随之改变。有时人们把这种机械能转为电能的改变。有时人们把这种机械能转为电能的现象，称为现象，称为“正压电效应正压电效应”。相反，当在。相反，当在电介质极化方向施加电场，这些电介质也电介质极化方向施加电场，这些电介质也会产生变形，这种现象称为会产生变形，这种现象称为“逆压电效应逆压电效应”（电致伸缩效应）。

30、（电致伸缩效应）。5.1 压电效应及压电材料u具有压电效应的材料称为压电材料，具有压电效应的材料称为压电材料，压电材料能实现机压电材料能实现机电能量的相互转电能量的相互转换，如图换，如图5-15-1所示。所示。图图5-1 5-1 压电效应可逆性压电效应可逆性5.1 压电效应及压电材料u石英晶体、钛酸钡、锆钛酸铅等材石英晶体、钛酸钡、锆钛酸铅等材料是性能优良的压电材料。料是性能优良的压电材料。u压电材料可以分为两大类：压电晶压电材料可以分为两大类：压电晶体和压电陶瓷。前者为晶体，后者为体和压电陶瓷。前者为晶体，后者为极化处理的多晶体。极化处理的多晶体。u他们都具有较大的压电常数，机械他们都具有较

31、大的压电常数，机械性能良好，时间稳定性好，温度稳定性能良好，时间稳定性好，温度稳定性好等特性，所以是较理想的压电材性好等特性，所以是较理想的压电材料。料。5.1 压电效应及压电材料u 压电材料的主要特性参数有：压电材料的主要特性参数有： （1 1） 压电常数：压电常数是衡量材料压电效应压电常数：压电常数是衡量材料压电效应强弱的参数，它直接关系到压电输出的灵敏强弱的参数，它直接关系到压电输出的灵敏度。度。（2 2） 弹性常数：压电材料的弹性常数、弹性常数：压电材料的弹性常数、 刚度刚度决定着压电器件的固有频率和动态特性。决定着压电器件的固有频率和动态特性。（3 3） 介电常数：对于一定形状、尺寸

32、的压电元介电常数：对于一定形状、尺寸的压电元件，其固有电容与介电常数有关；而固有电件，其固有电容与介电常数有关；而固有电容又影响着压电传感器的频率下限。容又影响着压电传感器的频率下限。 (4 (4） 机械耦合系数：在压电效应中，其值等机械耦合系数：在压电效应中，其值等于转换输出能量（如电能）与输入的能量于转换输出能量（如电能）与输入的能量（如机械能）之比的平方根；（如机械能）之比的平方根； 它是衡量它是衡量压电材料机电能量转换效率的一个重要压电材料机电能量转换效率的一个重要参数。参数。（5 5）电阻压电材料的绝缘电阻：将减少电）电阻压电材料的绝缘电阻：将减少电荷泄漏，从而改善压电传感器的低频特

33、荷泄漏，从而改善压电传感器的低频特性。性。（6 6） 居里点：压电材料开始丧失压电特居里点：压电材料开始丧失压电特性的温度称为居里点。性的温度称为居里点。5.1 压电效应及压电材料5.1.1 5.1.1 石英晶体石英晶体u石英晶体化学式为石英晶体化学式为SiOSiO2 2（二氧化硅），是（二氧化硅），是单晶体结构单晶体结构u它的转换效率和转换精度高、线性范围宽、它的转换效率和转换精度高、线性范围宽、重复性好、固有频率高、动态特性好、工重复性好、固有频率高、动态特性好、工作温度高达作温度高达550550（压电系数不随温度而改（压电系数不随温度而改变）、工作湿度高达变）、工作湿度高达100%100

34、%、稳定性好。、稳定性好。（a a） （b b） （c c）图图5-2 5-2 石英晶体石英晶体5.1 压电效应及压电材料u图图5-25-2（a a）表示了天然结构的石英晶体外）表示了天然结构的石英晶体外形。它是一个正六面体。石英晶体各个方形。它是一个正六面体。石英晶体各个方向的特性是不同的。向的特性是不同的。u其中纵向轴其中纵向轴z z称为光轴，经过六面体棱线称为光轴，经过六面体棱线并垂直于光轴的并垂直于光轴的x x轴称为电轴，与轴称为电轴，与x x和和z z轴轴同时垂直的轴同时垂直的轴y y称为机械轴。称为机械轴。u通常把沿电轴通常把沿电轴x x方向的力作用下产生电荷方向的力作用下产生电荷

35、的压电效应称为的压电效应称为“纵向压电效应纵向压电效应”，而把，而把沿机械沿机械y y方向的作用下产生电荷的压电效方向的作用下产生电荷的压电效应称为应称为“横向压电效应横向压电效应”。而沿光轴。而沿光轴z z方方向受力时不产生压电效应。向受力时不产生压电效应。5.1 压电效应及压电材料u若从晶体上沿若从晶体上沿y y方向切下一块如图方向切下一块如图5-25-2（c c）所示晶片，当在电轴方向施加作用力所示晶片，当在电轴方向施加作用力 时，时，在与电轴在与电轴x x垂直的平面上将产生电荷垂直的平面上将产生电荷Q Qx x，其，其大小为大小为式中：式中： xx方向受力的压电系数；方向受力的压电系数

36、； 作用力。作用力。u若在同一切片上，沿机械轴若在同一切片上，沿机械轴y y方向施加作用方向施加作用力力 ，则仍在与，则仍在与x x轴垂直的平面上产生电荷轴垂直的平面上产生电荷QyQy，其大小为：，其大小为： 11xxQdF11dxFxFyF5.1 压电效应及压电材料式中：式中： y轴方向受力的压电系数，轴方向受力的压电系数， a、b晶体切片长度和厚度。晶体切片长度和厚度。电荷电荷Qx和和Qy的符号由所受力的性质决定。的符号由所受力的性质决定。12yyQdF12d1211dd 5.1 压电效应及压电材料u石英晶体的上述特性与其内部分子结构有关。图石英晶体的上述特性与其内部分子结构有关。图5-

37、5-3 3是一个单元组体中构成石英晶体的硅离子和氧离是一个单元组体中构成石英晶体的硅离子和氧离子，在垂直于子，在垂直于z z轴的轴的xyxy平面上的投影，等效为一个平面上的投影，等效为一个正六边形排列。图中正六边形排列。图中“+” +” 代表代表 离子，离子，“-” -” 代代表氧离子表氧离子4Si2O图图5-3 5-3 石英晶体压电模型石英晶体压电模型5.1 压电效应及压电材料u当石英晶体未受外力作用时，正、负离子当石英晶体未受外力作用时，正、负离子正好分布在正六边形的顶角上，形成三个正好分布在正六边形的顶角上，形成三个互成互成120120夹角的电偶极矩夹角的电偶极矩P1P1、P2P2、P3

38、P3。此。此时正负电荷重心重合，电偶极矩的矢量和时正负电荷重心重合，电偶极矩的矢量和等于零，即等于零，即P1+P2+P3= 0P1+P2+P3= 0，所以晶体表面不，所以晶体表面不产生电荷，即呈中性。产生电荷，即呈中性。u当石英晶体受到沿当石英晶体受到沿x x轴方向的压力作用时，轴方向的压力作用时，晶体沿晶体沿x x方向将产生压缩变形，正负离子的方向将产生压缩变形，正负离子的相对位置也随之变动。如图相对位置也随之变动。如图5-35-3（b b）所示，）所示，此时正负电荷重心不再重合，即此时正负电荷重心不再重合，即（P1+P2+P3P1+P2+P3）x 0 x 0 。在。在x x轴的正方向出现轴

39、的正方向出现正电荷，电偶极矩在正电荷，电偶极矩在y y方向上的分量仍为零，方向上的分量仍为零，不出现电荷。不出现电荷。5.1 压电效应及压电材料u当晶体受到沿当晶体受到沿y y轴方向的压力作用时，晶体轴方向的压力作用时，晶体变形如图变形如图5-35-3（c c）所示，与图）所示，与图5-35-3（b b）情况）情况相似，相似，P1P1增大，增大，P2P2、P3 P3 减小。在减小。在x x轴上出轴上出现电荷，它的极性为现电荷，它的极性为x x轴正向为负电荷。在轴正向为负电荷。在y y轴方向上不出现电荷。轴方向上不出现电荷。u如果沿如果沿z z轴方向施加作用力，因为晶体在轴方向施加作用力，因为晶

40、体在x x方向和方向和y y方向所产生的形变完全相同，所以方向所产生的形变完全相同，所以正负电荷重心保持重合，电偶极矩矢量和正负电荷重心保持重合，电偶极矩矢量和等于零。这表明沿等于零。这表明沿z z轴方向施加作用力，晶轴方向施加作用力，晶体不会产生压电效应。体不会产生压电效应。u当作用力当作用力FxFx、FyFy的方向相反时，电荷的极的方向相反时，电荷的极性也随之改变。性也随之改变。5.1 压电效应及压电材料5.1.2 5.1.2 压电陶瓷压电陶瓷u压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料。压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料。在无外电场作用时，电畴在晶体中杂乱分在无外电场作用时，电畴在晶体中杂乱分布

41、，它们的极化效应被相互抵消，压电陶布，它们的极化效应被相互抵消，压电陶瓷内极化强度为零，因此原始的压电陶瓷瓷内极化强度为零，因此原始的压电陶瓷呈中性，不具有压电性质。呈中性，不具有压电性质。u在陶瓷上施加外电场时，电畴的极化方向在陶瓷上施加外电场时，电畴的极化方向发生转动，从而使材料得到极化。让外电发生转动，从而使材料得到极化。让外电场强度大到使材料的极化达到饱和的程度，场强度大到使材料的极化达到饱和的程度，即所有电畴极化方向都整齐地与外电场方即所有电畴极化方向都整齐地与外电场方向一致时，外电场去掉后，电畴的极化方向一致时，外电场去掉后，电畴的极化方向基本不变，即剩余极化强度很大，这时向基本不

42、变，即剩余极化强度很大，这时的材料才具有压电特性。如图的材料才具有压电特性。如图5-45-4。5.1 压电效应及压电材料u当陶瓷材料受到外力作用时，电畴的界当陶瓷材料受到外力作用时，电畴的界限发生移动，电畴发生偏转，从而引起限发生移动，电畴发生偏转，从而引起剩余极化强度的变化，因而在垂直于极剩余极化强度的变化，因而在垂直于极化方向的平面上将出现极化电荷的变化。化方向的平面上将出现极化电荷的变化。这种因受力而产生的由机械效应转变为这种因受力而产生的由机械效应转变为电效应，将机械能转变为电能的现象，电效应，将机械能转变为电能的现象，就是压电陶瓷的正压电效应。电荷量的就是压电陶瓷的正压电效应。电荷量

43、的大小与外力成正比关系：大小与外力成正比关系：（a a）未极化）未极化 （b b）电极化）电极化图图5-4 5-4 压电陶瓷的极化压电陶瓷的极化33Qd F5.1 压电效应及压电材料上式中：上式中：d33 d33 压电陶瓷的压电系数；压电陶瓷的压电系数；F F 作用力。作用力。u压电陶瓷的压电系数比石英晶体的大得多，压电陶瓷的压电系数比石英晶体的大得多，所以采用压电陶瓷制作的压电式传感器的所以采用压电陶瓷制作的压电式传感器的灵敏度较高。但极化处理后的压电陶瓷材灵敏度较高。但极化处理后的压电陶瓷材料的剩余极化强度和特性与温度有关，它料的剩余极化强度和特性与温度有关，它的参数也随时间变化，从而使其

44、压电特性的参数也随时间变化，从而使其压电特性减弱。减弱。u最早使用的压电陶瓷材料是钛酸钡最早使用的压电陶瓷材料是钛酸钡（BaTiO3BaTiO3）。它是由碳酸钡和二氧化钛按）。它是由碳酸钡和二氧化钛按 一定比例混合后一定比例混合后烧结而成的。它的压电烧结而成的。它的压电系数约为石英的系数约为石英的5050倍，但使用温度较低，倍，但使用温度较低，最高只有最高只有7070，温度稳定性和机械强度，温度稳定性和机械强度都不如石英。都不如石英。目前使用较多的压电陶瓷材料是锆钛酸目前使用较多的压电陶瓷材料是锆钛酸铅（铅（PZTPZT系列），它有较高的压电系数系列），它有较高的压电系数和较高的工作温度。和较

45、高的工作温度。铌镁酸铅是铌镁酸铅是2020世纪世纪6060年代发展起来的压年代发展起来的压电陶瓷。具有极高的压电系数和较高的电陶瓷。具有极高的压电系数和较高的工作温度，而且能承受较高的压力。工作温度，而且能承受较高的压力。 5.1 压电效应及压电材料 由压电元件的工作原理可知，压电式传由压电元件的工作原理可知，压电式传感器可以看作一个电荷发生器。同时，它感器可以看作一个电荷发生器。同时，它也是一个电容器，晶体上聚集等量的正负也是一个电容器，晶体上聚集等量的正负电荷的两表面相当于电容的两个极板，极电荷的两表面相当于电容的两个极板，极板间物质等效于一种介质，则其电容量为板间物质等效于一种介质，则其

46、电容量为: :式中：式中：AA压电片的面积；压电片的面积；dd压电片的厚度；压电片的厚度； 空气介电常数空气介电常数 压电材料的相对介电常数。压电材料的相对介电常数。0(54)raACd 0r 磁敏式传感器是通过磁电作用将被测量（如磁敏式传感器是通过磁电作用将被测量（如振动、位移、转速等）转换成电信号的一种传振动、位移、转速等）转换成电信号的一种传感器。磁敏式传感器种类不同，其原理也不完感器。磁敏式传感器种类不同，其原理也不完全相同，因此各有各的特点和应用范围。全相同，因此各有各的特点和应用范围。 磁敏式传传感器 磁电感应式传感器也称为电动式传感磁电感应式传感器也称为电动式传感器或感应式传感器

47、。器或感应式传感器。磁电感应式传感器是利用导体和磁场发生磁电感应式传感器是利用导体和磁场发生相对运动产生电动式的，它不需要辅助电相对运动产生电动式的，它不需要辅助电源就能把被测对象的机械量转换成易于测源就能把被测对象的机械量转换成易于测量的电信号，是有源传感器。量的电信号，是有源传感器。由于它输出功率大且性能稳定，具有一定由于它输出功率大且性能稳定，具有一定的工作带宽（的工作带宽（101000 Hz），所以得到普），所以得到普遍的应用。遍的应用。 6.1 磁电电感应应式传传感器 6.1.1 磁电感应式传感器工作原理磁电感应式传感器工作原理根据电磁感应定律，当根据电磁感应定律，当w匝线圈在恒定磁

48、场内匝线圈在恒定磁场内运动时，设穿过线圈的磁通为运动时，设穿过线圈的磁通为，则线圈内的，则线圈内的感应电势感应电势E与磁通变化率与磁通变化率d/dt有如下关系：有如下关系： 根据这一原理，可以设计成两种磁电传感器结根据这一原理，可以设计成两种磁电传感器结构：变磁通式和恒磁通式。构：变磁通式和恒磁通式。图图6-1是变磁通式磁电传感器，用来测量旋转物是变磁通式磁电传感器，用来测量旋转物体的角速度。体的角速度。(61)dEwdt 图图6-1（a）为开磁路变磁）为开磁路变磁 通式：线圈、磁铁静止通式：线圈、磁铁静止 不动，测量齿轮安装在被不动，测量齿轮安装在被 测旋转体上，随之一起转测旋转体上，随之一

49、起转 动。每转动一个齿，齿的动。每转动一个齿，齿的 图图6-1（a） 凹凸引起磁路磁阻变化凹凸引起磁路磁阻变化一次，磁通也就变化一次，线圈中产生感应电势，其变一次，磁通也就变化一次，线圈中产生感应电势，其变化频率等于被测转速与测量齿轮齿数的乘积。这种传感化频率等于被测转速与测量齿轮齿数的乘积。这种传感器结构简单，但输出信号较小，且因高速轴上加装齿轮器结构简单，但输出信号较小，且因高速轴上加装齿轮较危险而不宜测量高转速。较危险而不宜测量高转速。6.1 磁电电感应应式传传感器图图6-1（b） 图图6-1（b）为闭磁路变磁通式，它由装在转轴上的内齿）为闭磁路变磁通式，它由装在转轴上的内齿轮和外齿轮、

50、永久磁铁和感应线圈组成，内外齿轮齿数轮和外齿轮、永久磁铁和感应线圈组成，内外齿轮齿数相同。当转轴连接到被测转轴上时，外齿轮不动，内齿相同。当转轴连接到被测转轴上时，外齿轮不动，内齿轮随被测轴而转动，内、外齿轮的相对转动使气隙磁阻轮随被测轴而转动，内、外齿轮的相对转动使气隙磁阻产生周期性变化，从而引起磁路中磁通的变化，使线圈产生周期性变化，从而引起磁路中磁通的变化，使线圈内产生周期性变化的感生电动势。感应电势的频率与被内产生周期性变化的感生电动势。感应电势的频率与被测转速成正比。测转速成正比。图图6-2 恒磁通式磁电传感器结构原理图恒磁通式磁电传感器结构原理图图图6-2 6-2 恒磁通式磁电传感

51、器结构原理图恒磁通式磁电传感器结构原理图磁路系统产生恒定的直流磁场，磁路中的磁路系统产生恒定的直流磁场，磁路中的工作气隙固定不变，因而气隙中磁通也是工作气隙固定不变，因而气隙中磁通也是恒定不变的。其运动部件可以是线圈（动恒定不变的。其运动部件可以是线圈（动圈式），也可以是磁铁（动铁式），动圈圈式），也可以是磁铁（动铁式），动圈式（如图式（如图6-2（a）和动铁式（如图）和动铁式（如图6-2（b）的工作原理是完全相同的。当壳体）的工作原理是完全相同的。当壳体随被测振动体一起振动时，由于弹簧较软，随被测振动体一起振动时，由于弹簧较软，运动部件质量相对较大。当振动频率足够运动部件质量相对较大。当振动

52、频率足够高（远大于传感器固有频率）时，运动部高（远大于传感器固有频率）时，运动部件惯性很大，来不及随振动体一起振动，件惯性很大，来不及随振动体一起振动，近乎静止不动，近乎静止不动， 振动能量几乎全被弹簧吸收，永久磁铁与线圈振动能量几乎全被弹簧吸收，永久磁铁与线圈之间的相对运动速度接近于振动体振动速度，之间的相对运动速度接近于振动体振动速度，磁铁与线圈的相对运动切割磁力线，从而产生磁铁与线圈的相对运动切割磁力线，从而产生感应电势为感应电势为: 式中：式中： B0工作气隙磁感应强度；工作气隙磁感应强度； L每匝线圈平均长度；每匝线圈平均长度； w线圈在工作气隙磁场中的匝数；线圈在工作气隙磁场中的匝

53、数； v相对运动速度。相对运动速度。0(62)EwB Lv 霍尔传感器为载流半导体在磁场中有霍尔传感器为载流半导体在磁场中有电磁效应（霍尔效应）而输出电动势的一电磁效应（霍尔效应）而输出电动势的一种传感器。种传感器。 随着半导体技术的发展，开始用半导体材随着半导体技术的发展，开始用半导体材料制成霍尔元件，由于它的霍尔效应显著料制成霍尔元件，由于它的霍尔效应显著而得到应用和发展。而得到应用和发展。霍尔传感器广泛用于电磁测量电流、磁场、霍尔传感器广泛用于电磁测量电流、磁场、压力、加速度、振动等方面的测量。压力、加速度、振动等方面的测量。 6.2 霍尔传传感器6.2.1 霍尔效应及霍尔元件霍尔效应及

54、霍尔元件1）霍尔效应）霍尔效应 置于磁场中的静止载流导体，当它的电置于磁场中的静止载流导体，当它的电流方向与磁场方向不一致时，载流导体上平行于电流方向与磁场方向不一致时，载流导体上平行于电流和磁场方向上的两个面之间产生电动势，这种现流和磁场方向上的两个面之间产生电动势，这种现象称霍尔效应，该电势称霍尔电势，半导体薄片称象称霍尔效应，该电势称霍尔电势，半导体薄片称霍尔元件。霍尔元件。图图6-5所示，在垂直于外磁场所示，在垂直于外磁场B的方向上放置一个导的方向上放置一个导电板，导电板通以电流电板，导电板通以电流I，方向如图所示。，方向如图所示。霍尔效应原理图霍尔效应原理图6.2 霍尔传传感器导电板

55、中的电流是金属中自由电子在电场作导电板中的电流是金属中自由电子在电场作用下的定向运动。此时，每个电子受洛仑磁力用下的定向运动。此时，每个电子受洛仑磁力Fm的作用，的作用，Fm的大小为：的大小为：式中：式中：e-电子电荷；电子电荷；v-电子运动平均速度；电子运动平均速度； B-磁场的磁感应强度。磁场的磁感应强度。 Fm的方向在图的方向在图6-5中是向上的，此时电子除中是向上的，此时电子除了沿电流反方向作定向运动外，还在了沿电流反方向作定向运动外，还在Fm的作的作用下向上漂移，结果使金属导电板上底面积累用下向上漂移，结果使金属导电板上底面积累电子，而下电子，而下mFevB 6.2 霍尔传传感器 底

56、面积累正电荷，从而形成了附加内电场底面积累正电荷，从而形成了附加内电场EH，称霍尔电场，该电场强度为称霍尔电场，该电场强度为: 则则 此时电荷不再向两底面积累，达到平衡状态。此时电荷不再向两底面积累，达到平衡状态。 (610)HHUEb(6 11)HeEevB (6 12)HEvB(6 13)HUbvB6.2 霍尔传传感器 一般金属材料载流子迁移率很高，但电阻率很小；一般金属材料载流子迁移率很高，但电阻率很小；而绝缘材料电阻率极高，但载流子迁移率极低。而绝缘材料电阻率极高，但载流子迁移率极低。故只有半导体材料适于制造霍尔片。目前常用的故只有半导体材料适于制造霍尔片。目前常用的霍尔元件材料有：锗

57、、霍尔元件材料有：锗、 硅、砷化铟、硅、砷化铟、 锑化铟等锑化铟等半导体材料。其中半导体材料。其中N型锗容易加工制造，其霍尔型锗容易加工制造，其霍尔系数、温度性能和线性度都较好。系数、温度性能和线性度都较好。N型硅的线性型硅的线性度最好，其霍尔系数、温度性能同度最好，其霍尔系数、温度性能同N型锗相近。型锗相近。锑化铟对温度最敏感，尤其在低温范围内温度系锑化铟对温度最敏感，尤其在低温范围内温度系数大，但在室温时其霍尔系数较大。砷化铟的霍数大，但在室温时其霍尔系数较大。砷化铟的霍尔系数较小，温度系数也较小，输出特性线性度尔系数较小，温度系数也较小，输出特性线性度好。好。6.2 霍尔传传感器 霍尔元件的结构很简霍尔元件的结构很简 单，它由霍尔片、引单，它由霍尔片、引 线和壳体组成，如图线和壳体组成，如图 6-6（a）所示。霍尔）所示。霍尔片片 是一块矩形半导体单是一块矩形半导体单晶薄片，引出四个引线。晶薄片，引出四个引线。1、1两根引线加激励电压或两根引线加激励电压或电流，称为激励电极；电流，称为激励电极；2、2引线为霍尔输出引线，称引线为霍尔输出引线，称为霍