第5章電動(dòng)勢(shì)傳感器資料

1、第第5 5章章 電動(dòng)勢(shì)式傳感器電動(dòng)勢(shì)式傳感器 本章包含三部分內(nèi)容：本章包含三部分內(nèi)容：5.1 5.1 磁電感應(yīng)式傳感器磁電感應(yīng)式傳感器5.2 5.2 霍爾傳感器霍爾傳感器5.3 5.3 壓電式傳感器壓電式傳感器5.1 5.1 磁電感應(yīng)式傳感器磁電感應(yīng)式傳感器 簡(jiǎn)稱簡(jiǎn)稱感應(yīng)式感應(yīng)式傳感器，也稱傳感器，也稱電動(dòng)式電動(dòng)式傳感器。傳感器。 利用利用磁電作用磁電作用將被測(cè)物理量的變化轉(zhuǎn)變?yōu)楦袘?yīng)電動(dòng)勢(shì)，是將被測(cè)物理量的變化轉(zhuǎn)變?yōu)楦袘?yīng)電動(dòng)勢(shì)，是一種機(jī)電能量變換型傳感器。一種機(jī)電能量變換型傳感器。 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：輸出功率大，性能穩(wěn)定，且不需要工作電源。輸出功率大，性能穩(wěn)定，且不需要工作電源。調(diào)理電路簡(jiǎn)單，調(diào)理電路

2、簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定，輸出阻抗小，具有一定頻性能穩(wěn)定，輸出阻抗小，具有一定頻率響應(yīng)（一般率響應(yīng)（一般101010001000HzHz），靈敏度較高，一般不需靈敏度較高，一般不需要高增益放大器。要高增益放大器。 缺點(diǎn)缺點(diǎn)：傳感器的尺寸和重量都較大。：傳感器的尺寸和重量都較大。 應(yīng)用應(yīng)用：適用于振動(dòng)、轉(zhuǎn)速、扭矩等測(cè)量。：適用于振動(dòng)、轉(zhuǎn)速、扭矩等測(cè)量。5.1.1 5.1.1 工作原理工作原理N匝線圈在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)切割磁力線或線圈所在磁場(chǎng)的磁匝線圈在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)切割磁力線或線圈所在磁場(chǎng)的磁通變化時(shí)，線圈中所產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)通變化時(shí)，線圈中所產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e的大小決定于穿過(guò)線的大小決定于穿過(guò)線圈的磁通量圈的磁通

3、量的變化率，即：的變化率，即： 如如:當(dāng)線圈垂直于磁場(chǎng)方向運(yùn)動(dòng)以速度當(dāng)線圈垂直于磁場(chǎng)方向運(yùn)動(dòng)以速度 v切割磁力線時(shí)，切割磁力線時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為：感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為：=Nd/dt式中：式中：l每匝線圈的平均長(zhǎng)度；每匝線圈的平均長(zhǎng)度； B線圈所在磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度。線圈所在磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度。=NBlv 引起引起d/dt 變化的因素：變化的因素： 線圈切割磁力線線圈切割磁力線-恒定磁通式恒定磁通式（動(dòng)圈式和動(dòng)鐵式）；（動(dòng)圈式和動(dòng)鐵式）； =BS，磁場(chǎng)強(qiáng)度，磁場(chǎng)強(qiáng)度B改變改變-變磁通式變磁通式（磁阻式）。（磁阻式）。磁磁電電感感應(yīng)應(yīng)式式動(dòng)圈式動(dòng)圈式磁磁阻阻式式線速度型線速度型角速度型角速度型N變變磁磁通通式式

4、恒恒定定磁磁通通式式動(dòng)磁式動(dòng)磁式閉磁路閉磁路開磁路開磁路5.1.2 5.1.2 磁電感應(yīng)式傳感器的類型磁電感應(yīng)式傳感器的類型 下圖下圖(b)(b)為為閉磁路閉磁路變磁通式傳感器結(jié)構(gòu)示意圖，被測(cè)轉(zhuǎn)軸變磁通式傳感器結(jié)構(gòu)示意圖，被測(cè)轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)橢圓形測(cè)量齒輪在磁場(chǎng)氣隙中等速轉(zhuǎn)動(dòng)，使氣隙平均長(zhǎng)帶動(dòng)橢圓形測(cè)量齒輪在磁場(chǎng)氣隙中等速轉(zhuǎn)動(dòng)，使氣隙平均長(zhǎng)度周期性變化，因而磁路磁阻也周期性變化，磁通同樣周期度周期性變化，因而磁路磁阻也周期性變化，磁通同樣周期性變化，則在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，其頻率性變化，則在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，其頻率f f與測(cè)量齒輪轉(zhuǎn)與測(cè)量齒輪轉(zhuǎn)速速n n(r/min)(r/min)成正比，即成正

5、比，即f=n/30f=n/30。 圖圖(a)(a)為為開磁路開磁路變磁通式傳感器結(jié)構(gòu)示意圖，變磁通式傳感器結(jié)構(gòu)示意圖，1 1、變磁通式磁電傳感器、變磁通式磁電傳感器測(cè)速測(cè)速電機(jī)電機(jī)磁電式車速傳感器磁電式車速傳感器磁阻式傳感器磁阻式傳感器 圖圖5.35.3和圖和圖5.45.4分別為動(dòng)圈式和動(dòng)磁式的結(jié)構(gòu)原理圖。分別為動(dòng)圈式和動(dòng)磁式的結(jié)構(gòu)原理圖。 組成：金屬骨架組成：金屬骨架1 1、彈簧、彈簧2 2、線圈、線圈3 3、永久磁鐵、永久磁鐵4 4和導(dǎo)磁殼體和導(dǎo)磁殼體5 5等。等。 特征：這種結(jié)構(gòu)磁路系統(tǒng)產(chǎn)生恒定的直流磁場(chǎng)，磁路氣隙不特征：這種結(jié)構(gòu)磁路系統(tǒng)產(chǎn)生恒定的直流磁場(chǎng)，磁路氣隙不變，氣隙中磁通也不變

6、，運(yùn)動(dòng)部件可以是磁鐵，也可以是線圈。變，氣隙中磁通也不變，運(yùn)動(dòng)部件可以是磁鐵，也可以是線圈。兩者工作原理完全相同。兩者工作原理完全相同。圖圖5.3 5.3 動(dòng)圈式動(dòng)圈式NS12345圖圖5.4 5.4 動(dòng)動(dòng)鐵（磁）式鐵（磁）式2 2、恒定磁通式磁電傳感器、恒定磁通式磁電傳感器 圖圖5.35.3。當(dāng)線圈在垂直于磁場(chǎng)方向作直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，。當(dāng)線圈在垂直于磁場(chǎng)方向作直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，若線圈相對(duì)磁場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)速度為若線圈相對(duì)磁場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)速度為v v，則所產(chǎn)生的感應(yīng)電則所產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)：動(dòng)勢(shì)： e =B l v式中：式中： l 每匝線圈的平均長(zhǎng)度；每匝線圈的平均長(zhǎng)度； B 線圈所在磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度；線圈所在磁場(chǎng)的磁感

7、應(yīng)強(qiáng)度； 線圈線圈有效匝數(shù)有效匝數(shù) 。 當(dāng)傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)確定后，當(dāng)傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)確定后，B、l、N均為定值，均為定值，故感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)故感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e e與線圈相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度與線圈相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度v v成正比，所以這成正比，所以這類傳感器的基本形式是類傳感器的基本形式是速度型速度型傳感器，能傳感器，能直接測(cè)量線直接測(cè)量線速度速度。5.1.3 5.1.3 特性分析特性分析 磁電感應(yīng)式傳感器是慣性式拾振器，適用于測(cè)磁電感應(yīng)式傳感器是慣性式拾振器，適用于測(cè)量動(dòng)態(tài)物理量，因此動(dòng)態(tài)特性是這種傳感器的主要量動(dòng)態(tài)物理量，因此動(dòng)態(tài)特性是這種傳感器的主要性能。其等效電路如下性能。其等效電路如下(L(L傳感器線圈電感、線圈電

8、阻傳感器線圈電感、線圈電阻) )若在其測(cè)量電路中接入積分電路或微分電路，若在其測(cè)量電路中接入積分電路或微分電路，那么還可以用來(lái)測(cè)量那么還可以用來(lái)測(cè)量位移位移或或加速度加速度。由上述工作原。由上述工作原理可知，磁電感應(yīng)式傳感器只適用于理可知，磁電感應(yīng)式傳感器只適用于動(dòng)態(tài)測(cè)量動(dòng)態(tài)測(cè)量。 1 1、磁電式振動(dòng)速度傳感器、磁電式振動(dòng)速度傳感器 CD/BCD-21系列利用線圈在永久磁場(chǎng)中作切割磁力線運(yùn)動(dòng)，系列利用線圈在永久磁場(chǎng)中作切割磁力線運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生與振動(dòng)速度成正比的電壓信號(hào)。經(jīng)放大，微分或積分運(yùn)算可產(chǎn)生與振動(dòng)速度成正比的電壓信號(hào)。經(jīng)放大，微分或積分運(yùn)算可測(cè)振動(dòng)速度、加速度或位移。靈敏度高難度、內(nèi)阻低。在

9、機(jī)械振測(cè)振動(dòng)速度、加速度或位移。靈敏度高難度、內(nèi)阻低。在機(jī)械振動(dòng)測(cè)試中被廣泛采用。為使用方便，配有動(dòng)測(cè)試中被廣泛采用。為使用方便，配有CZ-3CZ-3磁座。磁座。 5.1.4 磁電感應(yīng)式傳感器應(yīng)用磁電感應(yīng)式傳感器應(yīng)用 型號(hào)CD-1CD-2CD-4CD-7-CCD-7-SCD-8-FCD-21-2-CCD-21-2-SBCD-21靈敏度mv/m600300600600，600020200,280290頻率范圍Hz10500250023000.5202500101000101000最大可測(cè)位移1mm1.5mm7.5mm6mm1mm1mm最 大 可 測(cè)加速度m/s250100100，所以上式可簡(jiǎn)化為

10、：所以上式可簡(jiǎn)化為： r R00合理選取負(fù)載電阻合理選取負(fù)載電阻R RL L的阻值的阻值UR0LRHUL 當(dāng)霍爾元件接有負(fù)載當(dāng)霍爾元件接有負(fù)載R RL L時(shí)，如右圖示，時(shí)，如右圖示，在在R RL L上的上的電壓為：電壓為：)T(T1RR)T(T1URURRRU0O0L0H0LHttLLL式中：式中：R RO 0O 0-溫度溫度T=TT=T0 0時(shí)，霍爾元件的輸出電阻；其他符號(hào)含義如前相時(shí)，霍爾元件的輸出電阻；其他符號(hào)含義如前相同。為使負(fù)載上的電壓不隨溫度而變化，應(yīng)使同。為使負(fù)載上的電壓不隨溫度而變化，應(yīng)使dUdUL L/d(T/d(TT T0 0) )0 0，即：即：）（5.18 1)( RR

11、O0L采用恒壓源和輸入回路串聯(lián)電阻采用恒壓源和輸入回路串聯(lián)電阻 當(dāng)霍爾元件采用當(dāng)霍爾元件采用穩(wěn)壓電源供電穩(wěn)壓電源供電，且霍爾元件輸出開，且霍爾元件輸出開路狀態(tài)下工作時(shí)，可在輸入回路中路狀態(tài)下工作時(shí)，可在輸入回路中串入適當(dāng)?shù)碾娮璐脒m當(dāng)?shù)碾娮鑱?lái)補(bǔ)來(lái)補(bǔ)償溫度誤差。其分析過(guò)程與結(jié)果同式（償溫度誤差。其分析過(guò)程與結(jié)果同式（5.175.17）。）。ItRtUHt，RtIUHt，Rt電阻絲霍爾元件的輸出具有正溫度系數(shù)t，UHUHItRtRttUHRLa)輸入回路串接熱敏電阻c)輸出端串接熱敏電阻d)輸入端并接熱敏電阻圖5-11 采用熱敏元件的溫度誤差補(bǔ)償電路b)輸入回路并接電阻絲采用溫度補(bǔ)償元件采用溫度補(bǔ)

12、償元件（如熱敏電阻、電阻絲等）（如熱敏電阻、電阻絲等） 圖圖a)a)、b)b)、c)c)為霍爾元件具有為霍爾元件具有負(fù)溫度系數(shù)負(fù)溫度系數(shù)（溫度升高，（溫度升高，輸出減小）時(shí)的補(bǔ)償電路。輸出減小）時(shí)的補(bǔ)償電路。 圖圖d)d)為霍爾元件具有為霍爾元件具有正溫度系數(shù)正溫度系數(shù)時(shí)的補(bǔ)償電路。時(shí)的補(bǔ)償電路。采用橋路補(bǔ)償電路采用橋路補(bǔ)償電路 圖中圖中R RP P用來(lái)補(bǔ)償不等位電勢(shì)，用來(lái)補(bǔ)償不等位電勢(shì)， R RX X是是熱敏電阻熱敏電阻，在霍爾元件輸出，在霍爾元件輸出端串接溫度補(bǔ)償電橋。端串接溫度補(bǔ)償電橋。 若將霍爾元件與放大電路、溫度補(bǔ)償電路等集成在一起制成集成若將霍爾元件與放大電路、溫度補(bǔ)償電路等集成在

13、一起制成集成霍爾傳感器，則性能優(yōu)良、使用方便、體積小、成本低，輸出功率大霍爾傳感器，則性能優(yōu)良、使用方便、體積小、成本低，輸出功率大和輸出電壓高，應(yīng)用比較廣泛。和輸出電壓高，應(yīng)用比較廣泛。 橋路輸出隨溫度變化的補(bǔ)橋路輸出隨溫度變化的補(bǔ)償電壓，與霍爾元件輸出的電償電壓，與霍爾元件輸出的電壓相加作為傳感器的輸出。壓相加作為傳感器的輸出。5.2.5 5.2.5 霍爾傳感器的應(yīng)用霍爾傳感器的應(yīng)用 霍爾元件具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、霍爾元件具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、頻帶寬、動(dòng)態(tài)特性好和壽命長(zhǎng)等許多優(yōu)點(diǎn)，因頻帶寬、動(dòng)態(tài)特性好和壽命長(zhǎng)等許多優(yōu)點(diǎn)，因而得到廣泛應(yīng)用。而得到廣泛應(yīng)用。 在電磁測(cè)量中，用它

14、測(cè)量恒定或交變?cè)陔姶艤y(cè)量中，用它測(cè)量恒定或交變磁感磁感應(yīng)強(qiáng)度應(yīng)強(qiáng)度、有功功率有功功率、無(wú)功功率無(wú)功功率、相位相位、電能電能等等參數(shù)；在自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)中，多用于參數(shù)；在自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)中，多用于位移位移、壓力壓力和和轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速測(cè)量。測(cè)量。 圖圖5.20 UGN3501M5.20 UGN3501M內(nèi)部框圖內(nèi)部框圖 圖圖5.215.21 霍爾磁感應(yīng)強(qiáng)度測(cè)量電路霍爾磁感應(yīng)強(qiáng)度測(cè)量電路電壓表電壓表 穩(wěn)壓1 1、霍爾磁感應(yīng)強(qiáng)度測(cè)量?jī)x、霍爾磁感應(yīng)強(qiáng)度測(cè)量?jī)x 當(dāng)電流流過(guò)導(dǎo)線時(shí)，將在導(dǎo)線周圍產(chǎn)生磁場(chǎng)，磁場(chǎng)大當(dāng)電流流過(guò)導(dǎo)線時(shí)，將在導(dǎo)線周圍產(chǎn)生磁場(chǎng)，磁場(chǎng)大小與流過(guò)導(dǎo)線的電流大小成正比，這一磁場(chǎng)可以通過(guò)軟磁材小與流過(guò)導(dǎo)線的電

15、流大小成正比，這一磁場(chǎng)可以通過(guò)軟磁材料來(lái)聚集，然后用霍爾器件進(jìn)行檢測(cè)。料來(lái)聚集，然后用霍爾器件進(jìn)行檢測(cè)。2 2、霍爾傳感器測(cè)電流、霍爾傳感器測(cè)電流(a)(a)圖5.23 霍爾開關(guān)電子點(diǎn)火器霍爾傳感器磁鋼圖圖5.22 5.22 數(shù)顯霍爾電流表數(shù)顯霍爾電流表2 2、霍爾傳感器測(cè)電流、霍爾傳感器測(cè)電流(b)ICIC1 1為為A/DA/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器, ,內(nèi)含液晶顯示驅(qū)動(dòng)電路。內(nèi)含液晶顯示驅(qū)動(dòng)電路。3 3、霍爾開關(guān)電子點(diǎn)火器、霍爾開關(guān)電子點(diǎn)火器圖圖5.23 5.23 霍爾開關(guān)電子點(diǎn)火器霍爾開關(guān)電子點(diǎn)火器 霍爾傳感器 磁鋼4 4、霍爾元件在直流無(wú)刷電機(jī)中的應(yīng)用、霍爾元件在直流無(wú)刷電機(jī)中的應(yīng)用圖圖5.24

16、 5.24 直流無(wú)刷電機(jī)霍爾開關(guān)電子換向直流無(wú)刷電機(jī)霍爾開關(guān)電子換向H1H4為開關(guān)型霍爾元件為開關(guān)型霍爾元件5、霍爾傳感器測(cè)位移6、汽車速度測(cè)量5.3 5.3 壓電式傳感器壓電式傳感器n壓電式傳感器的工作原理是以某些晶體材壓電式傳感器的工作原理是以某些晶體材料的料的壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)，在外力作用下，在為基礎(chǔ)，在外力作用下，在晶體材料的表面上能產(chǎn)生電荷，從而實(shí)現(xiàn)晶體材料的表面上能產(chǎn)生電荷，從而實(shí)現(xiàn)非電量轉(zhuǎn)換和測(cè)量。非電量轉(zhuǎn)換和測(cè)量。n壓電傳感元件是壓電傳感元件是力敏感元件力敏感元件，所以它能測(cè)，所以它能測(cè)量最終能變換為力的那些物理量，例如力、量最終能變換為力的那些物理量，例如力、壓力、加速度

17、等。壓力、加速度等。n壓電式傳感器具有壓電式傳感器具有許多優(yōu)點(diǎn)許多優(yōu)點(diǎn)：體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)：體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，固有頻率高、響應(yīng)頻帶寬、靈敏度和信噪單，固有頻率高、響應(yīng)頻帶寬、靈敏度和信噪比高。近年由于電子技術(shù)的發(fā)展，與之配套的比高。近年由于電子技術(shù)的發(fā)展，與之配套的二次儀表以及低噪聲、小電容、高絕緣電阻電二次儀表以及低噪聲、小電容、高絕緣電阻電纜的出現(xiàn)，使壓電傳感器的使用更為方便。因纜的出現(xiàn)，使壓電傳感器的使用更為方便。因此，在工程力學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、石油勘探、聲波此，在工程力學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、石油勘探、聲波測(cè)井、電聲學(xué)等許多技術(shù)領(lǐng)域中獲得了廣泛的測(cè)井、電聲學(xué)等許多技術(shù)領(lǐng)域中獲得了廣泛的應(yīng)用。應(yīng)用。n缺點(diǎn)

18、缺點(diǎn)：一般：一般無(wú)靜態(tài)輸出無(wú)靜態(tài)輸出，要求測(cè)量電路有高輸，要求測(cè)量電路有高輸出阻抗、電纜電容要低等，工作溫度較低出阻抗、電纜電容要低等，工作溫度較低250250。5.3.1 壓電效應(yīng)與壓電材料壓電效應(yīng)與壓電材料n正壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng)-某些晶體（壓電材料）（如石英某些晶體（壓電材料）（如石英sio2，鈦酸鋇鈦酸鋇等），在受到外力作用時(shí)，不僅幾何尺寸發(fā)生變化，而且內(nèi)部極等），在受到外力作用時(shí)，不僅幾何尺寸發(fā)生變化，而且內(nèi)部極化，表面上有電荷出現(xiàn)，形成電場(chǎng)，當(dāng)外力去掉，表面又恢復(fù)到化，表面上有電荷出現(xiàn)，形成電場(chǎng)，當(dāng)外力去掉，表面又恢復(fù)到原來(lái)狀態(tài)的現(xiàn)象。具有這種性質(zhì)的材料稱為壓電材料。原來(lái)狀態(tài)的現(xiàn)象。

19、具有這種性質(zhì)的材料稱為壓電材料。 逆壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)機(jī)械能機(jī)械能正壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng)電能電能n逆壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)（電致伸縮效應(yīng)）（電致伸縮效應(yīng)）-若把壓電材料放置在電場(chǎng)中，若把壓電材料放置在電場(chǎng)中，則在一定方向上其幾何尺寸發(fā)生變形；當(dāng)外電場(chǎng)撤去，該電場(chǎng)隨則在一定方向上其幾何尺寸發(fā)生變形；當(dāng)外電場(chǎng)撤去，該電場(chǎng)隨之消失。這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)。之消失。這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)。n所以說(shuō)壓電傳感器是一種可逆型換能器。機(jī)械能所以說(shuō)壓電傳感器是一種可逆型換能器。機(jī)械能電能。電能。 自然界大多數(shù)晶體材料都具有壓電效應(yīng)，作為敏感材自然界大多數(shù)晶體材料都具有壓電效應(yīng)，作為敏感材料，主要考慮以下性能：料，主要

20、考慮以下性能：壓電常數(shù)壓電常數(shù)d d大大；機(jī)械強(qiáng)度、剛度高機(jī)械強(qiáng)度、剛度高；高電阻率高電阻率和和大介電系數(shù)大介電系數(shù)；具有；具有較高的居里點(diǎn)較高的居里點(diǎn)（壓電效應(yīng)不（壓電效應(yīng)不明顯時(shí)的溫度）；對(duì)明顯時(shí)的溫度）；對(duì)時(shí)間穩(wěn)定性好時(shí)間穩(wěn)定性好，等。，等。目前有四類可供選擇的壓電材料：目前有四類可供選擇的壓電材料： 單晶體（單晶體（壓電單晶體壓電單晶體） 多晶體（多晶體（壓電陶瓷壓電陶瓷） 壓電半導(dǎo)體材料壓電半導(dǎo)體材料 有機(jī)高分子壓電材料有機(jī)高分子壓電材料ZXY(a)(b)石英晶體石英晶體( (a a) )理想石英晶體的外形理想石英晶體的外形 ( (b b) )坐標(biāo)系坐標(biāo)系ZYX石英晶體石英晶體具有壓

21、電效應(yīng)，是由其內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定的。具有壓電效應(yīng)，是由其內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定的。天然結(jié)構(gòu)石英晶體的理想外形是一個(gè)正六面體，在晶體學(xué)天然結(jié)構(gòu)石英晶體的理想外形是一個(gè)正六面體，在晶體學(xué)中它可用三根互相垂直的軸來(lái)表示，其中：中它可用三根互相垂直的軸來(lái)表示，其中： 軸軸-機(jī)械軸機(jī)械軸。在電場(chǎng)中，。在電場(chǎng)中，沿該軸機(jī)械變形最明顯；沿該軸機(jī)械變形最明顯； 軸軸-稱為稱為電軸電軸，垂直此軸的面上，壓電效應(yīng)最強(qiáng)，垂直此軸的面上，壓電效應(yīng)最強(qiáng)； 軸軸-中性軸中性軸，該方向無(wú)壓，該方向無(wú)壓電效應(yīng)，用光學(xué)方法確定該軸，電效應(yīng)，用光學(xué)方法確定該軸，故稱為故稱為光軸光軸。圖圖5.26 5.26 石英晶體的切片石英晶體的切片 通常把沿

22、電軸通常把沿電軸X X方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為稱為“縱向壓電效應(yīng)縱向壓電效應(yīng)”，而把沿機(jī)械軸，而把沿機(jī)械軸Y Y方向的力作用下方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為“橫向壓電效應(yīng)橫向壓電效應(yīng)”。 晶體的許多特性取決于晶體的方向。為了利用石英晶體的許多特性取決于晶體的方向。為了利用石英晶體的壓電效應(yīng)，需將晶體沿一定方向切割成晶片。方晶體的壓電效應(yīng)，需將晶體沿一定方向切割成晶片。方法很多，常用的是法很多，常用的是X X切和切和Y Y切。切。 X X切切xSOZXYY Y切切 石英晶片受壓力或拉力時(shí)，電荷的極性如下圖所示。石英晶片受壓力

23、或拉力時(shí)，電荷的極性如下圖所示。 a) b) c) d)a) b) c) d)圖圖5.27 5.27 晶片受力方向與電荷極性的關(guān)系晶片受力方向與電荷極性的關(guān)系 切切：厚度邊：厚度邊/X/X軸，長(zhǎng)度邊軸，長(zhǎng)度邊/Y/Y軸，寬度邊軸，寬度邊/Z/Z軸。軸。切切：厚度邊：厚度邊/Y/Y軸，長(zhǎng)度邊軸，長(zhǎng)度邊/X/X軸，寬度邊軸，寬度邊/Z/Z軸。軸。多晶體多晶體（壓電陶瓷）（壓電陶瓷） 壓電陶瓷屬于鐵電體物質(zhì)，是人工制造的多晶壓電材料。將原料壓電陶瓷屬于鐵電體物質(zhì)，是人工制造的多晶壓電材料。將原料粉碎、碾磨和成型，在粉碎、碾磨和成型，在10001000以上燒結(jié)而成。它具有類似鐵磁材料磁以上燒結(jié)而成。它

24、具有類似鐵磁材料磁疇結(jié)構(gòu)的電疇結(jié)構(gòu)。電疇是分子自發(fā)形成的區(qū)域，它有一定的極化方疇結(jié)構(gòu)的電疇結(jié)構(gòu)。電疇是分子自發(fā)形成的區(qū)域，它有一定的極化方向，從而存在一定的電場(chǎng)。在無(wú)外電場(chǎng)作用時(shí)，各個(gè)電疇在晶體上雜向，從而存在一定的電場(chǎng)。在無(wú)外電場(chǎng)作用時(shí)，各個(gè)電疇在晶體上雜亂分布，它們的極化效應(yīng)被相互抵消，因此原始的壓電陶瓷內(nèi)極化強(qiáng)亂分布，它們的極化效應(yīng)被相互抵消，因此原始的壓電陶瓷內(nèi)極化強(qiáng)度為零，見圖（度為零，見圖（a a）。）。 (a)極化處理前(b)極化處理中(c)極化處理后 剩余極化強(qiáng)度直流電場(chǎng)直流電場(chǎng)E E剩余伸長(zhǎng)電場(chǎng)作用下的伸長(zhǎng)n機(jī)械能與電能轉(zhuǎn)換關(guān)系用機(jī)械能與電能轉(zhuǎn)換關(guān)系用壓電方程壓電方程來(lái)描述。

25、壓電方程。來(lái)描述。壓電方程。有多種形式，常用的形式為：有多種形式，常用的形式為： d F (5.19) (5.19)式中：式中：F-F-壓電元件所受外力；壓電元件所受外力； Q-Q-相應(yīng)表面產(chǎn)生的電荷。相應(yīng)表面產(chǎn)生的電荷。 d-d-壓電系數(shù)（與壓電材料、切面方向有關(guān)）壓電系數(shù)（與壓電材料、切面方向有關(guān)） 此式的物理表現(xiàn)為：當(dāng)壓電元此式的物理表現(xiàn)為：當(dāng)壓電元件受到外力件受到外力F F作用時(shí)，在相應(yīng)的表面作用時(shí)，在相應(yīng)的表面會(huì)產(chǎn)生電荷。會(huì)產(chǎn)生電荷。5.3.2 5.3.2 工作原理工作原理 沿一定的方向，將壓電晶體切成一定尺寸的長(zhǎng)方體，表沿一定的方向，將壓電晶體切成一定尺寸的長(zhǎng)方體，表面再鍍上金屬膜

26、，如圖面再鍍上金屬膜，如圖5.285.28，這便形成了常用壓電式傳感器，這便形成了常用壓電式傳感器的敏感元件的敏感元件-壓電晶片壓電晶片。 當(dāng)壓電晶片受到壓力的作當(dāng)壓電晶片受到壓力的作用時(shí)，分別在兩個(gè)極板上積聚用時(shí)，分別在兩個(gè)極板上積聚數(shù)量相等而極性相反的電荷。數(shù)量相等而極性相反的電荷。因此，壓電傳感器可以看作是因此，壓電傳感器可以看作是一個(gè)一個(gè)電荷發(fā)生器電荷發(fā)生器，也可以看成，也可以看成是一個(gè)是一個(gè)電容器電容器。式中：式中：h h壓電片厚度；壓電片厚度； S S 極板面積；極板面積； 相對(duì)介質(zhì)介電常數(shù)；相對(duì)介質(zhì)介電常數(shù)； 0 0 真空中的介電常數(shù)，其值為真空中的介電常數(shù)，其值為8.88.85

27、 51010-12-12 F/mF/m； r r 壓電材料的相對(duì)介電常數(shù)，隨材料不同而變。壓電材料的相對(duì)介電常數(shù)，隨材料不同而變。0rassChh 其電容量其電容量a a為為: :這樣，可把壓電晶片等效成一個(gè)與電容相并聯(lián)的這樣，可把壓電晶片等效成一個(gè)與電容相并聯(lián)的電荷源電荷源，圖圖5.29a5.29a，也可以等效為一個(gè)，也可以等效為一個(gè)電壓源電壓源，UaUa=Q/Ca=Q/Ca，圖，圖5.29b5.29b。QCaua=Q/Cau0Caua=Q/Caa)a)電荷源電荷源 b)b)電壓源電壓源 圖圖5.29 5.29 壓電晶片的等效電路壓電晶片的等效電路 壓電傳感器與測(cè)量?jī)x表聯(lián)接時(shí)，還必須考慮壓電

28、傳感器與測(cè)量?jī)x表聯(lián)接時(shí)，還必須考慮電纜電容電纜電容C CC C，放大器的放大器的輸入電阻輸入電阻R Ri i 和和輸入電容輸入電容C Ci i以及傳感器的以及傳感器的泄漏電阻泄漏電阻R Ra a。下圖畫出了壓電傳感下圖畫出了壓電傳感器完整的等效電路。器完整的等效電路。a)a)電荷源電荷源 b)b)電壓源電壓源 圖圖5.30 5.30 壓電晶片測(cè)試系統(tǒng)的等效電路壓電晶片測(cè)試系統(tǒng)的等效電路 Ua2,2QQUUCC 實(shí)際設(shè)計(jì)中，壓電晶片常用兩片或多片組合在一起使用。實(shí)際設(shè)計(jì)中，壓電晶片常用兩片或多片組合在一起使用。由于壓電材料是有極性的，因此存在并聯(lián)和串聯(lián)兩種接法。由于壓電材料是有極性的，因此存在并

29、聯(lián)和串聯(lián)兩種接法。并聯(lián)接法并聯(lián)接法（如圖（如圖a） 特征：兩壓電晶片的結(jié)構(gòu)形式不同，上、下兩極板通過(guò)特征：兩壓電晶片的結(jié)構(gòu)形式不同，上、下兩極板通過(guò)導(dǎo)線連接，兩片晶片中間一般加銅片或銀片作為引出電極。導(dǎo)線連接，兩片晶片中間一般加銅片或銀片作為引出電極。 并聯(lián)接法輸出電荷大，本身電容大，因此時(shí)間常數(shù)也大，并聯(lián)接法輸出電荷大，本身電容大，因此時(shí)間常數(shù)也大，適用于測(cè)量緩變信號(hào)，并以適用于測(cè)量緩變信號(hào)，并以電荷量電荷量作為輸出的場(chǎng)合。作為輸出的場(chǎng)合。,2,2CQQUUC串聯(lián)接法串聯(lián)接法（如圖（如圖b b） 特征特征：兩壓電晶片的結(jié)構(gòu)形式相同，引線分別從兩片壓電：兩壓電晶片的結(jié)構(gòu)形式相同，引線分別從兩片

30、壓電晶片引出。上晶片負(fù)電荷和下晶片正電荷相消。晶片引出。上晶片負(fù)電荷和下晶片正電荷相消。 串聯(lián)接法輸出電壓高，本身電容小，適用于以串聯(lián)接法輸出電壓高，本身電容小，適用于以電壓電壓作為作為輸出量以及測(cè)量電路輸入阻抗很高的場(chǎng)合。輸出量以及測(cè)量電路輸入阻抗很高的場(chǎng)合。另外需注意：壓電元件在壓電式傳感器中，必須有一定的預(yù)另外需注意：壓電元件在壓電式傳感器中，必須有一定的預(yù)應(yīng)力，這樣可以保證在作用力變化時(shí)，壓電片始終受到壓力，應(yīng)力，這樣可以保證在作用力變化時(shí)，壓電片始終受到壓力，同時(shí)也保證了壓電片的輸出與作用力的線性關(guān)系。同時(shí)也保證了壓電片的輸出與作用力的線性關(guān)系。 5.3.3 5.3.3 測(cè)量電路測(cè)量

31、電路 壓電式傳感器的內(nèi)阻很高，輸出電信號(hào)很微弱，通常應(yīng)把傳感器信壓電式傳感器的內(nèi)阻很高，輸出電信號(hào)很微弱，通常應(yīng)把傳感器信號(hào)先輸入到高輸入阻抗的號(hào)先輸入到高輸入阻抗的前置放大器前置放大器中，經(jīng)過(guò)阻抗變換后，方可輸入到中，經(jīng)過(guò)阻抗變換后，方可輸入到后續(xù)顯示儀表中。后續(xù)顯示儀表中。 壓電傳感器要求測(cè)量電路的前級(jí)輸入端要有足夠高的阻抗，這樣才壓電傳感器要求測(cè)量電路的前級(jí)輸入端要有足夠高的阻抗，這樣才能防止電荷迅速泄漏而使測(cè)量誤差變大。能防止電荷迅速泄漏而使測(cè)量誤差變大。 前置放大器有兩個(gè)前置放大器有兩個(gè)作用作用：把傳感器的高阻抗輸出變換為低阻抗輸出；：把傳感器的高阻抗輸出變換為低阻抗輸出；把傳感器的

32、微弱信號(hào)進(jìn)行放大。把傳感器的微弱信號(hào)進(jìn)行放大。 用于壓電傳感器的前置放大器也有兩種形式：用于壓電傳感器的前置放大器也有兩種形式：電壓放大器電壓放大器：其輸出電壓與輸入：其輸出電壓與輸入電壓電壓（傳感器輸出電壓）成正比；（傳感器輸出電壓）成正比；電荷放大器電荷放大器：其輸出電壓與輸入：其輸出電壓與輸入電荷電荷（傳感器輸出電荷）成正比。（傳感器輸出電荷）成正比。、電荷放大器、電荷放大器 電荷放大器實(shí)際上是一個(gè)具有反饋電容的高增益運(yùn)算放電荷放大器實(shí)際上是一個(gè)具有反饋電容的高增益運(yùn)算放大器。下圖是壓電傳感器與電荷放大器連接的等效電路。圖大器。下圖是壓電傳感器與電荷放大器連接的等效電路。圖中中C CF

33、F 和和R RF F 分別為放大器的反饋電容、電阻。分別為放大器的反饋電容、電阻。圖圖5.32 5.32 壓電傳感器與電荷放大器連接等效電路壓電傳感器與電荷放大器連接等效電路當(dāng)運(yùn)算放大器的當(dāng)運(yùn)算放大器的放大倍數(shù)足夠大放大倍數(shù)足夠大，而且當(dāng)，而且當(dāng)工作頻率足工作頻率足夠高夠高時(shí)，輸出電壓為：時(shí)，輸出電壓為： U0Q/CF （5.215.21） 輸出電壓輸出電壓U0只取決只取決于于Q和和CF。壓電元件本身的電容大小和壓電元件本身的電容大小和電纜長(zhǎng)短將不影響電纜長(zhǎng)短將不影響或極少影響或極少影響電荷放大器的輸出電荷放大器的輸出-這就是電荷放大器的突出優(yōu)點(diǎn)之一。這就是電荷放大器的突出優(yōu)點(diǎn)之一。不加證明，直接給出電荷放大器的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)：電荷放不加證明，直接給出電荷放大器的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)：電荷放大器的低頻截止頻率是電壓放大器的大器的低頻截止頻率是電壓放大器的1/A1/A，而，而A A較大，顯然較大，顯然電電荷放大器的低頻截止頻率遠(yuǎn)比電壓放大器低很多荷放大器的低頻截止頻率遠(yuǎn)比電壓放大器低很多。uaCaCcCiRaRiR1R2+-uaCaCRui a) b)a) b) 壓電傳感器接電壓放大器的等效電路壓電傳感器接電壓放大器的等效電路、電壓放大器、電壓放大器 壓電傳感器接電壓放大器