CH 2 传感器原理5-6节

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,2.5,压电式传感器,2.5.1,压电效应,基于压电材料的,压电效应,，把被测量的变化转换为,电荷量,的变化。,某些物质，当沿着一定方向对其加力使其变形时，内部会被极化，在一定表面上将产生电荷；外力去掉后，又重新回到不带电状态，这种现象称为,压电效应,。,如果在这些物质的极化方向上施加电场，这些物质就在一定方向上产生机械变形或机械应力；撤去外电场时，变形或应力也随之消失，这种现象为,逆压电效应,/,电致伸缩效应,。,压电单晶体,：如石英、酒石酸钾钠（罗谢尔盐,Rochelle salt,）,等；,压电多晶体,（压电陶瓷）：,钛酸钡,BaTiO,3,BaCO,3,+TiO,2,锆钛酸铅,PZT,，,P,b(,Z,r,T,i,),O,3,PbTiO,3,+PbZrO,3,铌镁酸铅,PMN,，,P,b(ZrTi,),O,3,+Pb(,M,g1/3,、,N,b2/3)O,3,高分子聚合物,：聚偏二氟乙烯（,PVDF,p,oly,v,inyli,d,ene,f,luoride,）,压电材料,:,明显呈现压电效应的敏感功能材料。,光轴,电轴,力轴,结构：中间为,六棱柱,，两端为对称,六棱锥,。,纵轴,z-z,称为,光轴（中性轴）,，光线沿光轴传播时不产生,双折射,现象，沿光轴施加力时不产生压电效应。,通过棱线垂直于光轴的轴线,x-x,称为,电轴,，压电效应最显著，有三根。,垂直于棱面的轴线,y-y,称为,力轴（机械轴）,，沿力轴加力时机械变形最显著，有三根。,天然石英晶体,o,光：,ordinary ray,寻常光,e,光：,extraordinary ray,非常光,双折射,birefringence,方解石,的双折射现象,无色透明的方解石(,C,alcite)也叫,冰洲石,(Iceland Spar),(CaCO,3,),从石英晶体上切下一个长方体晶片，其晶面分别平行于,z-z,、,y-y,、,x-x,轴。,晶片在自然状态下不呈现电性。,沿,电轴,(x,轴,),方向的作用力产生的压电效应称为,纵向压电效应,；,沿,力轴,(y,轴,),方向的作用力产生的压电效应称为,横向压电效应,；,沿,相对两棱,加力时产生的压电效应称为,切向压电效应,。,力轴,光轴,电轴,压电方程和压电常数,压电常数的第一个下标,i,表示晶体的极化方向，即产生电荷的表面垂直于,x,轴,(,y,轴或,z,轴,),，记作,i,=1 (,或,2,、,3),；第二个下标,j,=1 (,或,2,、,3,、,4,、,5,、,6 ),，分别表示在沿,x,轴、,y,轴、,z,轴方向作用的单位应力和在垂直于,x,轴、,y,轴、,z,轴,的平面内（即,yz,平面、,xz,平面、,xy,平面,),作用的剪切力。,2.5.2,压电传感器及其等效电路,R,a,并联,压电式传感器适宜作,动态测量,压电元件常用的结构形式,单片压电元件的输出电荷很少，常将多片并联或串联起来使用。,并联,：两片压电晶片的负电荷集中在中间电极上，正电荷集中在两侧的电极上。并联时，传感器的,电容量大,，输出电荷量大，时间常数大，适用于测量,缓变,信号，并以,电荷,为输出量。,串联,：正电荷集中于上极板，负电荷集中于下极板。串联时，传感器的,电容量小,，输出电压大，响应较快，适用于测量,频率高,的信号，并以,电压,作为输出量。,压电式传感器的输出电信号很微弱，通常把压电传感器的输出信号首先输入到,高输入阻抗的前置放大器,，阻抗变换以后，再用一般的放大检波电路将信号输入到指示仪表或记录器中。,测量电路的关键在于高阻抗输入的前置放大器。前置放大器的作用有两点：其一是,放大压电传感器输出的微弱电信号,；其二是,将压电传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出,。,2.5.3,测量电路的前置放大器,根据压电元件的工作原理及两种等效电路，与压电元件配套的,前置放大器,也有两种形式：,电压放大器：其输出电压与,输入电压,成正比。,电荷放大器：其输出电压与,输入电荷,成正比。,指压电元件的输出电压、输出电荷,1.,电压放大器,作用：将压电传感器的,高阻抗输出,变换为,低阻抗输出,，并将微弱的电压信号进行适当放大。（阻抗变换器）,电压放大器的简化电路,Q,等效电阻,R,=,R,a,/,R,i,，,R,a,为压电元件的漏电阻，,R,i,为放大器的输入电阻；,等效电容,C,=,C,a,+,C,c,+,C,i,，,C,a,为压电元件的等效电容，,C,c,为电缆分布电容,C,i,为放大器的输入电容。,电压放大器的,突出缺点,：压电传感器的电压灵敏度随电缆分布电容,C,c,及传感器自身电容,C,a,的变化而变化,2.,电荷放大器,具有深度,电容负反馈,的高增益运放，便于远距离测量。,电荷放大器的,突出优点,：电荷放大器的输出电压与传感器的电荷量成正此，,与电缆分布电容无关,，即使联接电缆长度在百米以上，其灵敏度也无明显变化。,漏电阻,R,a,、放大器输入电阻,R,i,看作无限大而忽略。,压力变送器,加速度计,力传感器,2.5.4,压电传感器及其应用,压电元件是一种典型的,力,敏感元件,可用来测量最终能转换为力的多种物理量。,压电式单向测,力,传感器,(,传力元件,),(,并联,),压电式,压力,传感器,均布压力,(,感受压力,),(,提供预载力,),飞机模态分析,高分子聚合物压电电缆的应用,将两根高分子聚合物压电电缆相距若干米，平行埋设于路面下约,5cm,，可以用来测量,车速,及,载重量,，判定汽车的,车型,（包括轴数、轴距、轮距、单双轮胎）。,闯红灯拍照、停车区域监控、交通数据信息采集等。,压电式动态力传感器测量车床动态切削力,2.6,磁电式传感器,工作原理：通过磁电作用把被测物理量的变化转变为,感应 电动势,。,分类：磁电感应传感器、霍尔传感器,2.6.1,磁电感应传感器（感应传感器、电动传感器）,优点,：机,-,电,能量转换型,传感器，不需要外部供电电源，电路简单，性能稳定，输出阻抗小，具有一定的频率响应范围（一般为,10,1000Hz,），适用于振动、转速、扭矩等测量。,缺点,：尺寸、质量都比较大。,根据,法拉第电磁感应定律,，,N,匝,线圈在磁场中运动,切割磁力线或线圈所在磁场的,磁通变化,时，线圈中所产生的感应电动势的大小取决于穿过线圈的,磁通量的变化率,，即,磁通变化率与,磁场强度、磁路磁阻、线圈运动速度,有关，若改变,其中某一个因素，都会改变线圈的感应电动势。,按,工作原理,不同，磁电感应传感器可分为,恒定磁通,式和,变磁通,式。,动圈式动铁式,变磁阻式,/,变气隙式,直线运动,旋转运动,2.6.2,恒定磁通式,磁电感应传感器,当线圈在垂直于磁场方向作,直线运动,或,旋转运动,时，若以线圈相对磁场运动的速度,v,或角速度,表示，则所产生的感应电动势为,l,每匝线圈的平均长度；,B,线圈所在磁场的磁感应强度；,S,每匝线圈的平均截面积；,线圈运动方向与磁场方向的夹角；,k,传感器结构系数,。,磁电感应传感器结构确定后，,B,、,l,、,N,、,S,为定值，感应电动势,e,与线圈相对磁场的运动速度,(,v,或,),成正比。,磁电感应传感器的基本形式是,速度传感器,，可直接测量,线速度,或,角速度,。,测量电路中接入,积分电路,或,微分电路,，可以测量,位移,或,加速度,。,只适用于,动态测量,。,线速度型,测速电机,角速度型,2.6.3,变磁通,式磁电感应传感器,(a),开路变磁通式,(b),闭合磁路变磁通式,1.,被测转轴；,2.,测量齿轮；,3.,线圈；,4.,软铁心；,5.,永久磁铁,变磁通式又称,变磁阻式,或,变气隙式,，常用来测量旋转体的,角速度,。,(a),开路变磁通式，线圈,3,和磁铁,5,静止不动，测量齿轮,2 (,导磁材料制成,),安装在被测旋转体,1,上，随之一起转动，每转过一个齿，磁路磁阻变化一次，线圈,3,产生的感应电动势的变化频率,f,、测量齿轮齿数,z,和转速,n,满足,n,=60,f,/,z,(r/min),。,(b),闭合磁路变磁通式，被测转轴,1,带动椭圆形测量齿轮,2,在磁场气隙中等速转动，使气隙平均长度周期性变化，因而磁路磁阻也周期性变化，磁通同样周期性变化，则在线圈,3,中产生感应电动势，其频率,f,与测量齿轮,2,的转速,n,满足,n,=30,f,(r/min),。,利用,霍尔元件,基于,霍尔效应,将被测量的变化转换成,霍尔电势,的变化。,2.6.4,霍尔传感器,霍尔元件在静止状态下具有,感受磁场,的独特能力，并且具有结构简单、体积小、噪声小、频率范围宽（从直流到微波）动态范围大（霍尔电势变化范围可达,10001,）、寿命长等特点。,霍尔效应（,Hall effect,）,一块长为,l,、宽为,b,、厚为,d,的半导体薄片置于磁感应强度为,B,的磁场中（磁场方向垂直于薄片），当半导体中有电流,I,流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势,U,H,。,霍尔效应原理图,霍尔效应原理图,Lorentz,force,为什么霍尔元件多用,N,型半导体制作，而不用金属或,P,型半导体制作？为什么霍尔元件通常做得比较薄？,霍尔元件材料,1,锗,(,Ge,),2,硅,(,Si,),3,砷化铟,(,InAs,),和锑化铟,(,InSb,),两者的特性很相似。,霍尔元件结构,霍尔电极,控制电流极,霍尔元件的主要技术指标,2.,输入电阻,R,i,控制电流极,间的电阻值。室温,(205),下测定。,3.,输出电阻,R,s,霍尔电极,间的电阻值。室温,(205),下测定。,1.,额定激励电流,I,H,使霍尔元件温升,10,所施加的控制电流。,霍尔元件做好之后，限制,I,H,的主要因素是,散热条件,。,A,为散热系数,4.,零位电压,/,不等位电压,当霍尔元件通以,额定激励电流,I,H,而不加外磁场时，霍尔电极 之间的空载电压,U,0,。,零位电阻：,不等位电压的补偿,将霍尔元件置于磁场中，左半部磁场方向向上，右半部磁场方向向下，从,a,端通入电流,i,，根据霍尔效应，左半部产生霍尔电势,V,H1,，右半部产生露尔电势,V,H2,，其方向相反。因此，,c,、,d,两端电势为,V,H1,-,V,H2,。,霍尔元件在初始位置时,V,H1,=,V,H2,，则输出为零；当改变磁极系统与霍尔元件的相对位置时，即可得到输出电压，其大小正比于位移量。,应用举例,1.,霍尔式,位移,传感器,霍尔位移传感器,2.,霍尔式,压力,传感器,Bourdon tube,霍尔式压力传感器结构原理图及磁钢外形,当电流流过导线时，将在导线周围产生磁场，磁场大小与流过导线的电流大小成正比，这一磁场可以通过软磁材料来聚集，然后用霍尔器件进行检测。,3.,霍尔式,电流,传感器,(1),霍尔,计数,装置,霍尔开关传感器,SL3501,是具有较高灵敏度的集成霍尔元件,能感受到很小的磁场变化,因而可对金属零件进行计数检测。当钢球通过霍尔开关传感器时,传感器可输出峰值,20mV,的脉冲电压。,4.,其它应用,(2),霍尔,接近开关,