第89章压电式传感器磁敏式传感器

第89章压电式传感器磁敏式传感器压电式传感器是一种可逆型换能器，既可以将机械能转变为电能，又能将电能转变成机械能。其工作原理是利用某些物质的压电效应。压电常数d与材料和机械形变方向有关，q的极性与变形的形式有关。压电式传感器某些材料（如石英）当沿着一定方向施加力变形，由于材料分子不具备中心对称性，其内部产生极化现象，同时在它的两个表面上产生符号相反的电荷，当外力去掉后，重新恢复到不带电状态，此现象称为正压电效应。压电效应是可逆的。逆压电效应是指当压电材料沿一定方向受到电场作用时，相应的在一定的晶轴方向将产生机械变形或机械应力，又称电致伸缩效应。当外加电场撤去后，晶体内部的应力或变形也随之消失。压电效应纵轴z-z称作光轴，通过六棱柱棱线而垂直于光轴的轴线x-x称作电轴，垂直于棱面的轴线y-y称作机械轴。每个晶体单元中，具有3个硅离子和6个氧离子，氧离子是成对的，构成六边的形状。在没有外力的作用时，电荷互相平衡，外部没有带电现象。压电效应纵向压电效应：沿电轴(x轴)施加作用力，电荷出现在与x轴相垂直的表面上。横向压电效应：沿机械轴(y轴)施加作用力，电荷仍出现在与x轴相垂直的表面上，但极性相反。横向效应（垂直极化）纵向效应（平行极化）石英晶体动画效果压电效应压电常数——表示产生电荷与作用力之间的关系；弹性模量——表示压电元件的刚度，刚度越大，固有振动频率越高；电阻率——电阻率越大，压电元件内阻越大，将减少电荷泄漏；居里点——温度超过居里点时，压电材料的压电性能被破坏。居里点高，压电元件的工作温度范围大。压电材料主要特征参数1.压电晶体——性能优良，压电常数较小，常做标准高精度传感器。石英（SiO2）——天然或人工合成。具有良好的机械强度和压电效应。压电系数较小，但压电系数的时间和温度稳定性好。在20~200℃内，温度每升高1℃，压电系数仅减小0.016%，升高到200℃时，仅减小5%，达到573℃时，失去压电特性，此温度称为石英的居里点。介电常数为4.5。主要压电材料2.压电陶瓷——如钛酸钡、锆钛酸铅、铌镁酸铅等，由多种材料经烧结合成，制作方便，成本低。压电常数一般比石英高数百倍。现代压电元件大多采用压电陶瓷。缺点是机械强度和居里点较低，高温时容易老化，在一般工业广泛应用。3.高分子压电材料——如聚偏二氟乙烯（PVF2）、聚氯乙稀（PVC）等，易于大量生产、面积大、柔软不易破碎，可制成阵列器件，价格便宜。用于微压和机器人触觉。4.压电半导体——具有压电和半导体两种特性，易于集成。主要压电材料压电传感器相当于电荷发生器，或平板电容器，其电容量为：S——压电片面积，ε——压电材料介电常数，δ——极板间距。电容两极板间开路电压为：压电式传感器主要是利用纵向压电效应。等效电路压电材料有很大内阻R，等效为电压源和电流源的电路分别为：等效电路压电传感器本身产生的电荷量很小，且传感器本身的内阻很大，因此输出信号很微弱，给后续测量电路提出很高的要求。由于传感器的内阻及后续测量电路输入电阻Ri非无限大，电路将按指数规律放电，造成测量误差。为了减小误差，Ri越大越好。电荷泄漏使得利用压电传感器测量静态或准静态量非常困难。通常压电传感器适宜作动态测量。实际应用中为了增大输出值，压电传感器往往用两个或两个以上的晶体串联或并联：压电传感器测量电路特点并联时，输出电荷量大、电容大、时间常数大；适宜测量缓变信号和以电荷输出的场合。串联时，输出电压大、电容小、时间常数小。适宜测量高频信号和以电压输出的场合。测量电路电荷放大器的性能稳定，其输出不受电缆分布电容的影响。由于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：电压放大器或电荷放大器，对传感器输出的电压或电荷信号进行放大处理，并实现阻抗变换，将传感器的高输出阻抗变为放大器的低输出阻抗，再用一般的放大检波电路输入到指示仪表或记录器。前置放大器的作用：放大信号、阻抗变换测量电路电荷放大器是一个高增益带电容负反馈的运算放大器，其输入阻抗极高。可将传感器的漏电阻Ra和电荷放大器的输入电阻Ri视为开路。等效电路电荷放大器表明:在一定条件下，电荷放大器的输出电压与外力成正比，与反馈电容成反比，而与Ca、Cc和Ci无关。电荷放大器能量转换型传感器。体积小，重量轻，刚性好，可以提高其固有频率，得到较宽的工作频率范围。灵敏度高，稳定性好，可靠。对应于纵向压电效应的传感器，电荷量与晶体的变形无关，因而灵敏度与传感器刚度无关。有比较理想的线性，且通常没有滞后现象。低频特性较差，主要用于动态测量。压电式传感器的特点动态力、机械冲击、振动、压力、形变、加速度、位移传感器等。压电式传感器的应用如左图所示：当被测物体与传感器一起受到冲击振动时，压电元件受质量块惯性力作用，根据牛顿第二定律，此惯性力是加速度的函数，即：F=m×a传感器输出电荷为：压电式传感器应用最多的是测力，尤其是对冲击、振动加速度的测量。在众多型式的测振传感器中，压电加速度传感器占80%以上，如金属加工切削力传感器、玻璃破碎报警器等应用。压电式传感器的应用压电式传感器的应用防水型高效高灵敏度压电天平式粉尘计压电剪切式加速度探头压电超能传感器霍尔传感器磁敏电阻磁敏二极管、磁敏晶体管磁敏式传感器磁电式传感器种类：变磁通式，也称磁阻式，由被测物体运动改变磁阻，线圈与磁铁之间没有相对运动； 恒磁通式，线圈与磁铁之间存在相对运动，分为动圈式和动铁式。原理：根据电磁感应定律，在任何电路或与磁通φ交链的w匝线圈中，当φ随时间变化时，将感应出与磁通变化速率成正比的电压或电势：磁电式传感器例1：闭磁路变磁通式由被测物体运动引起磁通量变化，在线圈中产生感应电势。频数转速偏心量振动量磁电式传感器例2：动铁恒磁通式，包括动圈式和动铁式，线圈和磁铁间存在相对运动。B0——工作气隙磁感应强度；L——每匝线圈平均长度；W——线圈匝数；v——相对运动速度构成线速度传感器磁电式传感器例3：电磁流量计——在导电的、非磁性液体外部建立激励磁场，将产生与磁场和流动方向垂直的电动势。此方法适用于导电、非磁性液体，输出与液体、密度、温度、粘滞度等无关，可用于血液流量测量。液体流动方向由外到内磁电式传感器置于磁场中的载流导体，当它的电流方向与磁场方向不一致时，载流导体上平行电流和磁场方向上的两个面之间产生电动势，这种现象称为霍尔效应。霍尔式传感器动画效果

霍尔式传感器基本原理载流子在磁场中受到洛伦兹力的作用而发生偏转，从而形成电场E，当载流子受到的电场力与洛伦兹力达到动态平衡时，累积电荷形成稳定的电势UH。其中——霍尔常数 ——磁场与元件平面法线方向的夹角d——与磁场方向一致的霍尔元件厚度 由得知，d越小，越大，则感生电动势越大，故一般霍尔元件是由霍尔系数很大的N型半导体材料制作的薄片，厚度微米级。霍尔式传感器的结构霍尔元件由霍尔片、四根引线和壳体组成。霍尔元件多采用N型半导体材料（高的电阻率和载流子的迁移率）。目前最常用的霍尔元件材料有锗(Ge)、硅(Si)、锑化铟(InSb)、砷化铟(InAs)等半导体材料。霍尔式传感器的材料霍尔元件的转换效率较低，实际应用中，可将几个霍尔元件的输出串联或采用运算放大器放大，以获得较大的UH。将霍尔元件与放大、整形等电路集成在同一芯片上，具有体积小、灵敏度高、价格便宜、性能稳定等优点。霍尔集成传感器有线性型和开关型两种。霍尔式传感器的测量电路线性型霍尔集成传感器将霍尔元件、恒流源和线性放大器等集成在一块芯片上，输出电压较高（伏级），使用方便。线性型霍尔式传感器开关型霍尔集成传感器将霍尔元件、稳压器、差分放大器、施密特触发器、OC门（集电极开路输出门）等电路做在一块芯片上。当外加磁场强度达到或超过工作点时，OC门由高阻态变为导通状态，输出为低电平；当外加磁场强度低于释放点时，OC门重新变为高阻态，输出变为高电平。开关型霍尔式传感器应用：磁场强度传感器（高斯计）；电流、电压传感器；位移、压力、加速度传感器等。特点：结构简单、体积小、噪声小、频率范围宽、动态范围大(输出电势变化范围可达1000:1)、寿命长等。霍尔式转速测量传感器——根据霍尔传感器的输出脉冲数可计算出车轮转速霍尔式传感器的应用霍尔器件在x方向上长度为b，x0是位于气隙下的初始长度。此传感器常采用差动结构。霍尔式位移传感器ΔxUH0计数传感器霍尔式计数传感器霍尔式传感器的应用霍尔电流传感器霍尔电压传感器目前汽车中大部分使用的还是接触型的传感器，非接触型传感器的价格不占优势，但它却具有环保、耐用、抗震、易安装等接触型传感器无法匹敌的优点，向非接触传感方向发展将是大势所趋。在非接触型传感器中，凭借着高可靠性等优势，霍尔效应传感器(HallEffectSensor)在汽车领域赢得广泛的应用空间。如检测齿轮齿速、油门位置、尾气再循环阀位置、马达与传动的速度和位置、用于防锁闸和牵引系统的车轮速度传感器、脚踏板、座椅安全带、刹车与离合器的位置、车锁、车窗及油耗等诸多方面。

当一载流半导体置于磁场中，其电阻值会随磁场而变化的这种现象称为磁阻效应。在磁场作用下，半导体片内电流分布是不均匀的，改变磁场的强弱就影响电流密度的分布，故表现为半导体片的电阻变化。式中：ρ0——零磁场时的电阻率；

Δρ——磁感应强度为B时电阻率的变化量；

K——比例因子；

μ——电子迁移率；

B——磁感应强度；

L，b——分别为磁敏电阻的长（沿电流方向）和宽；

f(L/b)——形状效应系数。磁敏电阻磁阻效应与材料性质及几何形状有关，一般迁移率大的材料，磁阻效应愈显著；元件的长、宽比愈小，磁阻效应愈大。与霍尔效应的区别：霍尔电势是指垂直于电流方向的横向电压，而磁阻效应则是沿电流方向的电阻变化。磁阻效应磁敏电阻常选用锑化铟（InSb）、砷化铟（InAs）和锑化铌（NiSb）等半导体材料，在绝缘基片上蒸镀薄的半导体材料，也可在半导体薄片上光刻或腐蚀成型（栅状结构）。磁敏电阻的结构和特性主要特性：磁电特性：电阻的增量与磁场的平方成正比；与磁场的正负无关；温度特性：温度系数影响大；频率特性：工作频率范围大；磁感应的范围比霍尔元件大。磁敏电阻的结构和特性接近开关和无触点开关、计数器；无接触线位移传感器；力、加速度等参数的测量；精密倾斜角测量等。R1、R2磁敏电阻位移传感器磁敏电阻的应用线性、角度、旋转位移传感器，可以测量磁场强度。磁敏二极管、三极管P型和N型电极由高阻材料制成，I为本征区。I区的r面粗糙，设置成高复合区（r区），目的是使电子－空穴对易于在粗糙表面复合而消失；另一面比较光滑。磁敏二极管磁场强度的改变引起电流发生变化，实现磁电转换。当磁敏二极管受到外界磁场H+作用时，电子和空穴受到洛仑兹力的作用向r区偏转，电子和空穴复合速度加快，所形成的电流减小；当磁敏二极管受到外界磁场H－作用时，电子和空穴受到洛仑兹力的作用向I区偏转，电子和空穴复合速度减慢，所形成的电流增大。磁敏二极管工作原理如果外加正向偏压，即P区接正，N区接负，那么将会有大量空穴从P区注入到I区，同时也有大量电子从N区注入到I区，如将这样的磁敏三极管置于磁场中，则注入的电子和空穴都要受到洛仑兹力的作用而向一个方向偏转，当磁场方向使电子和空穴向r面偏转时，它们将因复合而消失，因而电流很小；当磁场方向使电子和空穴向光滑面偏转时它们的复合率变小，电流就大。磁敏三极管工作原理由此可见，高复合面与光滑面的复合率差别愈大，磁敏三极管的灵敏度也就愈高。磁敏三极管在不同的磁场强度和方向下的伏安特性曲线不同。利用这些特性曲线就能根据某一偏