传感器第五章 电势式传感器原理与应用

1、传感器第五章 电势式传感器原理与应用第1页，共79页，2022年，5月20日，16点46分，星期日5.1.1 磁电式传感器的工作原理5.1.2 动圈式磁电传感器5.1.3 磁阻式磁电传感器5.1.4 磁电式传感器的动态特性5.1 磁电式传感器第2页，共79页，2022年，5月20日，16点46分，星期日5.1.1 磁电式传感器的工作原理 法拉第电磁感应定律：如果线圈是N匝，磁场强度是B，每匝线圈的平均长度la，线圈相对磁场运动的速度为=dx/dt，则整个线圈中所产生的电动势为：第3页，共79页，2022年，5月20日，16点46分，星期日不同类型的磁电式传感器磁通量的变化实现办法: 磁铁与线圈

2、之间作相对运动； 磁路中磁阻的变化； 恒定磁场中线圈面积的变化.直接应用：测定速度 在信号调节电路中接积分电路，或微分电路，磁电式传感器就可以用来测量位移或加速度。第4页，共79页，2022年，5月20日，16点46分，星期日5.1.1 磁电式传感器的工作原理5.1.2 动圈式磁电传感器5.1.3 磁阻式磁电传感器5.1.4 磁电式传感器的动态特性5.1 磁电式传感器第5页，共79页，2022年，5月20日，16点46分，星期日5.1.2 动圈式磁电传感器 1. 动圈式磁电传感器原理2. 动圈式磁电传感器结构第6页，共79页，2022年，5月20日，16点46分，星期日1. 动圈式磁电传感器原

3、理动圈式磁电传感器原理图 第7页，共79页，2022年，5月20日，16点46分，星期日传感器原理 如果在线圈运动部分的磁场强度B是均匀的，则当线圈与磁场的相对速度为时，线圈的感应电动势： 当90，线圈的感应电动势为： 当N、B和la恒定不变时，E与=dx/dt成正比，根据感应电动势E的大小就可以知道被测速度的大小。 第8页，共79页，2022年，5月20日，16点46分，星期日2. 动圈式磁电传感器结构磁电式传感器构成： 1、磁路系统 由它产生恒定直流磁场。为了减小传感器的体积，一般都采用永久磁铁； 2、线圈 由它运动切割磁力线产生感应电动势。作为一个完整的磁电式传感器，除了磁路系统和线圈外

4、，还有一些其它元件，如壳体、支承、阻尼器、接线装置等。第9页，共79页，2022年，5月20日，16点46分，星期日磁电式振动传感器的结构原理 图5.1.2 磁电式振动传感器的结构原理图1-弹簧片 2-永久磁铁 3-阻尼器 4-引线 5-芯杆 6-外壳 7-线圈 8-弹簧片第10页，共79页，2022年，5月20日，16点46分，星期日5.1.1 磁电式传感器的工作原理5.1.2 动圈式磁电传感器5.1.3 磁阻式磁电传感器5.1.4 磁电式传感器的动态特性5.1 磁电式传感器第11页，共79页，2022年，5月20日，16点46分，星期日5.1.3 磁阻式磁电传感器 线圈和磁铁部分都是静止的

5、，与被测物连接而运动的部分是用导磁材料制成的，在运动中，它们改变磁路的磁阻，因而改变贯穿线圈的磁能量，在线圈中产生感应电动势。 用来测量转速，线圈中产生感应电动势的频率作为输出，而电势的频率取决于磁通变化的频率。 结构：开磁路、闭磁路 第12页，共79页，2022年，5月20日，16点46分，星期日开磁路磁阻式转速传感器 1永久磁铁3感应线圈2软铁4齿轮 结构比较简单，但输出信号较小，当被测轴振动较大时，传感器输出波形失真较大。 第13页，共79页，2022年，5月20日，16点46分，星期日闭磁路磁阻式转速传感器 闭磁路磁组式转速传感器采用在振动强的场合，有下限工作频率（50Hz ）传感器的

6、输出电势取决于线圈中磁场变化速度，第14页，共79页，2022年，5月20日，16点46分，星期日5.1.1 磁电式传感器的工作原理5.1.2 动圈式磁电传感器5.1.3 磁阻式磁电传感器5.1.4 磁电式传感器的动态特性5.1 磁电式传感器第15页，共79页，2022年，5月20日，16点46分，星期日5.1.4 磁电式传感器的动态特性 一个二阶系统。Vo为传感器外壳的运动速度，即被测物体运动速度；Vm为传感器惯性质量块的运动速度。 等效机械系统第16页，共79页，2022年，5月20日，16点46分，星期日若V(t)为惯性质量块相对外壳的运动速度幅频特性相频特性 式中，被测振动的角频率；

7、n传感器运动系统的固有角频率 传感器运动系统的阻尼比运动方程第17页，共79页，2022年，5月20日，16点46分，星期日磁电式速度传感器的频率响应特性曲线 只有n的情况下，Av()1，相对速度V(t)的大小才可以作为被测振动速度V0 (t) 的量度。因此磁电式速度传感器的频率较低，一般为1015Hz。 第18页，共79页，2022年，5月20日，16点46分，星期日测量振动速度的原理相对运动速度V（t）就是前面的线圈相对磁场的运动速度dx/dt. 传感器的输出电势E与相对速度V（t）成正比，而V（t）可以度量被测振动速度V0（t），所以电势E也可以度量V0（t）。 End the 5.1第

8、19页，共79页，2022年，5月20日，16点46分，星期日5.2 霍尔传感器5.2.1 霍尔传感器工作原理5.2.2 霍尔元件的结构和基本电路5.2.3 霍尔元件的主要特性参数5.2.4 霍尔元件误差及补偿5.2.5 霍尔式传感器的应用第20页，共79页，2022年，5月20日，16点46分，星期日5.2.1 霍尔传感器工作原理 在金属或半导体薄片的两端通过控制电流，并在薄片的垂直方向上施加磁场，则在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势（霍尔电势），这种现象称为霍尔效应。 第21页，共79页，2022年，5月20日，16点46分，星期日霍尔效应原理霍尔常数 第22页，共79页，2022年，

9、5月20日，16点46分，星期日载流子受洛仑兹力 霍尔电场强度平衡状态 电子运动平均速度 霍尔电势第23页，共79页，2022年，5月20日，16点46分，星期日霍尔常数 霍尔常数大小取决于导体的载流子密度： 金属的自由电子密度太大，因而霍尔常数小，霍尔电势也小，所以金属材料不宜制作霍尔元件。霍尔电势与导体厚度d成反比： 为了提高霍尔电势值， 霍尔元件制成薄片形状。 霍尔元件灵敏度（灵敏系数） 半导体中电子迁移率（电子定向运动平均速度）比空穴迁移率高，因此N型半导体较适合于制造灵敏度高的霍尔元件， 第24页，共79页，2022年，5月20日，16点46分，星期日5.2 霍尔传感器5.2.1 霍

10、尔传感器工作原理5.2.2 霍尔元件的结构和基本电路5.2.3 霍尔元件的主要特性参数5.2.4 霍尔元件误差及补偿5.2.5 霍尔式传感器的应用第25页，共79页，2022年，5月20日，16点46分，星期日5.2.2 霍尔元件的结构和基本电路霍尔元件 第26页，共79页，2022年，5月20日，16点46分，星期日5.2 霍尔传感器5.2.1 霍尔传感器工作原理5.2.2 霍尔元件的结构和基本电路5.2.3 霍尔元件的主要特性参数5.2.4 霍尔元件误差及补偿5.2.5 霍尔式传感器的应用第27页，共79页，2022年，5月20日，16点46分，星期日5.2.3 霍尔元件的主要特性参数：(

11、1) 输入电阻和输出电阻 输入电阻：控制电极间的电阻 输出电阻：霍尔电极之间的电阻(2) 额定控制电流和最大允许控制电流 额定控制电流：当霍尔元件有控制电流使其本身在 空气中产生10温升时，对应的控制电流值 最大允许控制电流：以元件允许的最大温升为限制 所对应的控制电流值 第28页，共79页，2022年，5月20日，16点46分，星期日(3) 不等位电势Uo和不等位电阻ro 不等位电势：当霍尔元件的控制电流为额定值时，若元件所处位置的磁感应强度为零，测得的空载霍尔电势。r 0称不等位电阻 第29页，共79页，2022年，5月20日，16点46分，星期日(4) 寄生直流电势 霍尔元件零位误差的一

12、部分 当没有外加磁场，霍尔元件用交流控制电流时，霍尔电极的输出有一个直流电势 控制电极和霍尔电极与基片的连接是非完全欧姆接触时，会产生整流效应。 两个霍尔电极焊点的不一致，引起两电极温度不同产生温差电势(5) 霍尔电势温度系数 在一定磁感应强度和控制电流下，温度每变化1C时，霍尔电势变化的百分率第30页，共79页，2022年，5月20日，16点46分，星期日5.2 霍尔传感器5.2.1 霍尔传感器工作原理5.2.2 霍尔元件的结构和基本电路5.2.3 霍尔元件的主要特性参数5.2.4 霍尔元件误差及补偿5.2.5 霍尔式传感器的应用第31页，共79页，2022年，5月20日，16点46分，星期

13、日5.3.4 霍尔元件误差及补偿1. 不等位电势误差的补偿2. 温度误差及其补偿第32页，共79页，2022年，5月20日，16点46分，星期日1. 不等位电势误差的补偿可以把霍尔元件视为一个四臂电阻电桥，不等位电势就相当于电桥的初始不平衡输出电压。 第33页，共79页，2022年，5月20日，16点46分，星期日不等位电势的补偿电路 不对称电路简单，而对称补偿的温度稳定性要好些 第34页，共79页，2022年，5月20日，16点46分，星期日2. 温度误差及其补偿温度误差产生原因：霍尔元件的基片是半导体材料，因而对温度的变化很敏感。其载流子浓度和载流子迁移率、电阻率和霍尔系数都是温度的函数。

14、当温度变化时，霍尔元件的一些特性参数，如霍尔电势、输入电阻和输出电阻等都要发生变化，从而使霍尔式传感器产生温度误差。 第35页，共79页，2022年，5月20日，16点46分，星期日减小霍尔元件的温度误差 选用温度系数小的元件采用恒温措施采用恒流源供电 第36页，共79页，2022年，5月20日，16点46分，星期日恒流源温度补偿 霍尔元件的灵敏系数也是温度的函数，它随温度的变化引起霍尔电势的变化，霍尔元件的灵敏系数与温度的关系 大多数霍尔元件的温度系数是正值时，它们的霍尔电势随温度的升高而增加（1+t）倍。同时，让控制电流I相应地减小，能保持KHI不变就抵消了灵敏系数值增加的影响 第37页，

15、共79页，2022年，5月20日，16点46分，星期日恒流源温度补偿电路 当霍尔元件的输入电阻随温度升高而增加时，旁路分流电阻自动地加强分流，减少了霍尔元件的控制电流。第38页，共79页，2022年，5月20日，16点46分，星期日控制电流 温度升到T时，电路中各参数变为 式中， 霍尔元件输入电阻温度系数； 分流电阻温度系。第39页，共79页，2022年，5月20日，16点46分，星期日 为使霍尔电势不变，补偿电路必须满足: 升温前、后的霍尔电势不变， 经整理，忽略 高次项后得 用上式即可计算出分流电阻及所需的温度系数值 第40页，共79页，2022年，5月20日，16点46分，星期日5.2

16、霍尔传感器5.2.1 霍尔传感器工作原理5.2.2 霍尔元件的结构和基本电路5.2.3 霍尔元件的主要特性参数5.2.4 霍尔元件误差及补偿5.2.5 霍尔式传感器的应用第41页，共79页，2022年，5月20日，16点46分，星期日5.2.5 霍尔式传感器的应用优点: 结构简单，体积小，重量轻，频带宽，动态特性好和寿命长应用：电磁测量：测量恒定的或交变的磁感应强度、有功功率、无功功率、相位、电能等参数；自动检测系统：多用于位移、压力的测量。第42页，共79页，2022年，5月20日，16点46分，星期日1. 微位移和压力的测量测量原理：霍尔电势与磁感应强度成正比，若磁感应强度是位置的函数，则

17、霍尔电势的大小就可以用来反映霍尔元件的位置。 应用：位移测量、力、压力、应变、机械振动、加速度 第43页，共79页，2022年，5月20日，16点46分，星期日产生梯度磁场的示意图 位移量较小，适于测量微位移和机械振动 第44页，共79页，2022年，5月20日，16点46分，星期日霍尔式压力传感器 弹簧管 磁铁 霍尔片 第45页，共79页，2022年，5月20日，16点46分，星期日加速度传感器 第46页，共79页，2022年，5月20日，16点46分，星期日2. 磁场的测量在控制电流恒定条件下，霍尔电势大小与磁感应强度成正比，由于霍尔元件的结构特点，它特别适用于微小气隙中的磁感应强度、高梯

18、度磁场参数的测量。霍尔电势是磁场方向与霍尔基片法线方向之间夹角的函数。应用：霍尔式磁罗盘、霍尔式方位传感器、霍尔式转速传感器End the 5.2第47页，共79页，2022年，5月20日，16点46分，星期日5.3 压电式传感器5.3.1 压电式传感器的工作原理5.3.2 等效电路及信号变换电路5.3.3 压电式加速度传感器5.3.4 压电式测力传感器第48页，共79页，2022年，5月20日，16点46分，星期日5.3.1 压电式传感器的工作原理电势型传感器 以压电效应为基础压电效应可逆 “双向传感器”正压电效应 加力 变形 产生电荷逆压电效应 施加电场 电介质产生变形 应力 常见的压电材

19、料有石英、钛酸钡、锆钛酸铅等。第49页，共79页，2022年，5月20日，16点46分，星期日1. 石英晶体的压电效应X轴：电轴或1轴；Y轴：机械轴或2轴；Z轴：光轴或3轴。 “纵向压电效应”：沿电轴（X轴）方向的力作用下产生电荷“横向压电效应”：沿机械轴（Y轴）方向的力作用下产生电荷在光轴（Z轴）方向时则不产生压电效应。第50页，共79页，2022年，5月20日，16点46分，星期日晶体切片 当沿电轴方向加作用力Fx时，则在与电轴垂直的平面上产生电荷 d11压电系数（C/N） 作用力是沿着机械轴方向电荷仍在与X轴垂直的平面第51页，共79页，2022年，5月20日，16点46分，星期日切片上

20、电荷的符号与受力方向的关系 图（a）是在X轴方向受压力，图（b）是在X轴方向受拉力，图（c）是在Y轴方向受压力，图（d）是在Y轴方向受拉力。第52页，共79页，2022年，5月20日，16点46分，星期日石英晶体的压电效应 （a）正负电荷是互相平衡的，所以外部没有带电现象。（b）在X轴方向压缩，表面A上呈现负电荷、B表面呈现正电荷。（c）沿Y轴方向压缩，在A和B表面上分别呈现正电荷和负电荷 第53页，共79页，2022年，5月20日，16点46分，星期日石英晶体 一种天然晶体，压电系数d112.311012C/N；莫氏硬度为7、熔点为1750、膨胀系数仅为钢的1/30。优点： 转换精度高、线性

21、范围宽、重复性好、固有频率高、动态特性好、工作温度高达550（压电系数不随温度变化而改变）、工作湿度高达100%、稳定性好。第54页，共79页，2022年，5月20日，16点46分，星期日2. 压电陶瓷的压电效应人工制造的多晶体，压电机理与压电晶体不同。 压电陶瓷的极化第55页，共79页，2022年，5月20日，16点46分，星期日陶瓷片极化 压电陶瓷片内束缚电荷与电极上吸附的自由电荷示意图 自由电荷与陶瓷片内的束缚电荷符合相反而数值相等，它起着屏蔽和抵消陶瓷片内极化强度对外的作用，因此陶瓷片对外不表现极性。 第56页，共79页，2022年，5月20日，16点46分，星期日压电陶瓷的正压电效应

22、 压电陶瓷片上加上一个与极化反向平行的外力，陶瓷片将产生压缩变形，原来吸附在极板上的自由电荷，一部分被释放而出现放电现象。当压力撤消后，陶瓷片恢复原状，片内的正、负电荷之间的距离变大，极化强度也变大，因此电极上又吸附部分自由电荷而出现充电现象。 放电电荷的多少与外力的大小成比例关系 第57页，共79页，2022年，5月20日，16点46分，星期日常见压电陶瓷 ：（1）钛酸钡（BaTiO3）压电陶瓷 具有较高的压电系数和介电常数，机械强度不如石英。（2）锆钛酸铅Pb（ZrTi）O3系压电陶瓷（PZT） 压电系数较高，各项机电参数随温度、时间等外界条件的变化小，在锆钛酸铅的基方中添加一两种微量元素

23、，可以获得不同性能的PZT材料。（3）铌镁酸铅Pb(MgNb)O3-PbTiO3-PbZrO3压电陶瓷（PMN）具有较高的压电系数，在压力大至700kg/cm2仍能继续工 作，可作为高温下的力传感器。第58页，共79页，2022年，5月20日，16点46分，星期日5.3 压电式传感器5.3.1 压电式传感器的工作原理5.3.2 等效电路及信号变换电路5.3.3 压电式加速度传感器5.3.4 压电式测力传感器第59页，共79页，2022年，5月20日，16点46分，星期日5.3.2 等效电路及信号变换电路1. 压电元件的等效电路2. 压电式传感器的信号调节电路第60页，共79页，2022年，5月

24、20日，16点46分，星期日1. 压电元件的等效电路第61页，共79页，2022年，5月20日，16点46分，星期日压电式传感器的等效电路 (a)等效为一个电荷源Q与一个电容Ca并联的电路 (b) 等效成一个电源U = Q/Ca 和一个电容Ca的串联电路 第62页，共79页，2022年，5月20日，16点46分，星期日两个压电片的联接方式 （a） “并联”，Q=2Q，U=U，C=2C并联接法输出电荷大，本身电容大，时间常数大，适宜用在测量慢变信号并且以电荷作为输出量的地方，（b） “串联” Q=Q，U=2U，C=C/2而串联接法输出电压大，本身电容小。适宜用于以电压作输出信号，且测量电路输入阻

25、抗很高的地方。第63页，共79页，2022年，5月20日，16点46分，星期日2. 压电式传感器的信号调节电路 压电式传感器要求负载电阻RL必须有很大的数值，才能使测量误差小到一定数值以内。 因此常先接入一个高输入阻抗的前置放大器，然后再接一般的放大电路及其它电路。 测量电路关键在高阻抗的前置放大器。前置放大器两个作用:把压电式传感器的微弱信号放大；把传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出。第64页，共79页，2022年，5月20日，16点46分，星期日（1）电压放大器Ca：传感器的电容 Ra：传感器的漏电阻 Cc：连接电缆的等效电容Ri：放大器的输入电阻Ci：输入电容第65页，共79页，2022

26、年，5月20日，16点46分，星期日前置放大器输入电压 压电元件的力 F=Fmsint压电元件的压电系数为d11，产生的电荷为Q = d11F。输入电压的幅值 当作用力是静态力（=0） 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。压电式传感器突出优点：高频响应相当好。 第66页，共79页，2022年，5月20日，16点46分，星期日传感器的低频响应范围 如果被测物理量是缓慢变化的动态量，而测量回路的时间常数又不大，则造成传感器灵敏度下降。因此为了扩大传感器的低频响应范围，就必须尽量提高回路的时间常数。但这不能靠增加测量回路的电容量来提高时间常数，因为传感器的电压灵

27、敏度与电容成反比的，切实可行的办法是提高测量回路的电阻。由于传感器本身的绝缘电阻一般都很大，所以测量回路的电阻主要取决于前置放大器的输入电阻。放大器的输入电阻越大，测量回路的时间常数就越大，传感器的低频响应也就越好。第67页，共79页，2022年，5月20日，16点46分，星期日电压放大器应用限制压电式传感器在与电压放大器配合使用时，连接电缆不能太长。电缆长，电缆电容Cc就大，电缆电容增大必然使传感器的电压灵敏度降低。电压放大器与电荷放大器相比，电路简单，元件少，价格便宜，工作可靠，但是电缆长度对传感器测量精度的影响较大，在一定程度上限制了压电式传感器在某些场合的应用。第68页，共79页，20

28、22年，5月20日，16点46分，星期日解决电缆问题的办法将放大器装入传感器中，组成一体化传感器。第69页，共79页，2022年，5月20日，16点46分，星期日（2）电荷放大器压电式传感器另一种专用的前置放大器。能将高内阻的电荷源转换为低内阻的电压源，而且输出电压正比于输入电荷，因此，电荷放大器同样也起着阻抗变换的作用，其输入阻抗高达10101012，输出阻抗小于100。使用电荷放大器突出的一个优点：在一定条件下，传感器的灵敏度与电缆长度无关。第70页，共79页，2022年，5月20日，16点46分，星期日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，（-K）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电位接近“地”电位。 第71页，共79页，2022年，5月20日，16点46分，星期日充电电压接近等于放大器的输出电压 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，2、只要保持反馈电容的数值不变，就可得到与电荷