壓電-磁電式傳感器

1、1機(jī)械工程測試技術(shù)溫州大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院磁電式傳感器磁電式-壓電式傳感器2機(jī)械工程測試技術(shù)磁電式-壓電式傳感器磁電式傳感器磁電式傳感器包括磁感應(yīng)電式傳感器、霍爾式傳感器和磁柵磁感應(yīng)電傳感器特點(diǎn)按工作原理不同，又可分為恒定磁通式和變磁通溫州大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院3機(jī)械工程測試技術(shù)溫州大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院磁電式-壓電式傳感器4機(jī)械工程測試技術(shù)恒定磁通磁電感應(yīng)式傳感器的結(jié)構(gòu)原理溫州大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院磁電式-壓電式傳感器5機(jī)械工程測試技術(shù)溫州大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院磁電式-壓電式傳感器6機(jī)械工程測試技術(shù)溫州大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院磁電式-壓電式傳感器7機(jī)械工程測試技術(shù)磁電式-壓電式傳感器霍爾式傳感器霍爾傳感器是基于霍爾效應(yīng)的一種傳

2、感器。1879年美國物理學(xué)家霍爾首先在金屬材料中發(fā)現(xiàn)了霍爾效應(yīng), 但由于金屬材料的霍爾效應(yīng)太弱而沒有得到應(yīng)用。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展, 開始用半導(dǎo)體材料制成霍爾元件, 由于它的霍爾效應(yīng)顯著而得到應(yīng)用和發(fā)展。霍爾傳感器廣泛用于電磁測量、壓力、加速度、振動(dòng)等方面的測量。溫州大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院8機(jī)械工程測試技術(shù)磁電式-壓電式傳感器霍爾元件的結(jié)構(gòu)及工作原理半導(dǎo)體薄片置于磁感應(yīng)強(qiáng)度為B 的磁場中，磁場方向垂直于薄片，當(dāng)有電流I 流過薄片時(shí)，在垂直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生電動(dòng)勢EH ，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。產(chǎn)生的電動(dòng)勢稱為霍爾電勢，半導(dǎo)體薄片稱為霍爾元件。DbACdB溫州大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院9EH = B vb

3、 =機(jī)械工程測試技術(shù)載流子受洛侖茲力：F = Bev霍爾電場強(qiáng)度： H = U Hb磁電式-壓電式傳感器平衡狀態(tài)：eE H = Bev U H = Bvb因?yàn)镮 = n bdve所以 電子運(yùn)動(dòng)平均速度：v =IbdneU 霍爾電勢：B Ibdne b =1 IBne d令：霍爾系數(shù) RH =令：靈敏度系數(shù)K H =溫州大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院1neRHdU H = R HIBd= K H IB10機(jī)械工程測試技術(shù)磁電式-壓電式傳感器a. 霍爾系數(shù)大小取決于導(dǎo)體的載流子密度金屬的自由電子密度太大，因而霍爾常數(shù)小，霍爾電勢也小，所以金屬材料不易制作霍爾元件。b. 霍爾電勢與導(dǎo)體厚度d成反比為了提高霍爾電勢

4、值，霍爾元件制成薄片形狀。半導(dǎo)體中電子遷移率（電子定向運(yùn)動(dòng)平均速度）比空穴遷移高，因此N型半導(dǎo)體較適合制造靈敏度高的霍爾元件溫州大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院11機(jī)械工程測試技術(shù)溫州大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院磁電式-壓電式傳感器12機(jī)械工程測試技術(shù)磁電式-壓電式傳感器霍爾元件：有三個(gè)腳和四個(gè)腳，一般是三個(gè)腳，是其中一個(gè)電壓端和電源的負(fù)極共用溫州大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院13機(jī)械工程測試技術(shù)溫州大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院磁電式-壓電式傳感器14機(jī)械工程測試技術(shù)磁電式-壓電式傳感器汽車防抱死裝置（ABS）中的應(yīng)用帶有微型磁鐵的霍爾傳感器鋼質(zhì)霍爾當(dāng)齒對準(zhǔn)霍爾元件時(shí)，磁力線集中穿過霍爾元件，可產(chǎn)生較大的霍爾電動(dòng)勢，放大、整形后輸出高電平；反之，

5、當(dāng)齒輪的空擋對準(zhǔn)霍爾元件時(shí)，輸出為低電平。溫州大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院15機(jī)械工程測試技術(shù)溫州大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院磁電式-壓電式傳感器16機(jī)械工程測試技術(shù)溫州大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院磁電式-壓電式傳感器17機(jī)械工程測試技術(shù)溫州大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院磁電式-壓電式傳感器18機(jī)械工程測試技術(shù)磁電式-壓電式傳感器壓電式傳感器主講：學(xué)習(xí)目標(biāo)1.掌握傳感器工作原理壓電效應(yīng)2.掌握測量電路3.了解傳感器的應(yīng)用溫州大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院19機(jī)械工程測試技術(shù)溫州大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院磁電式-壓電式傳感器20機(jī)械工程測試技術(shù)典型用途：倒車?yán)走_(dá)探頭超聲波發(fā)探頭可以分為兩大類:一類是用電氣方式產(chǎn)生超聲波,一類是用機(jī)械方式產(chǎn)生超聲波.目前較為常用的是壓電

6、式超聲波發(fā)生器.其有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)共振板.當(dāng)它的兩極外加脈沖信號,其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時(shí),壓電晶片將會(huì)發(fā)生共振,并帶動(dòng)共振板振動(dòng),便產(chǎn)生超聲波.反之,如果兩電極間未外加電壓,當(dāng)共振板接收到超聲波時(shí),將壓迫壓電晶片作振動(dòng),將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號,這時(shí)它就成為超聲波探頭了.溫州大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院磁電式-壓電式傳感器21機(jī)械工程測試技術(shù)壓電式腳踏報(bào)警器溫州大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院磁電式-壓電式傳感器22機(jī)械工程測試技術(shù)磁電式-壓電式傳感器天然形成的石英晶體外形（正六面體）晶體外形溫州大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院切割方向晶片23按特定方向切下晶片機(jī)械工程測試技術(shù)電軸（X軸):與石英晶體橫截面上的對角線重合，沿

7、x方向?qū)w施加壓力時(shí)產(chǎn)生的壓電效應(yīng)最顯著，也稱為縱向壓電效應(yīng)。機(jī)械軸（Y軸)：垂直于六棱體的棱面沿著y軸方向的作用力產(chǎn)生壓電效應(yīng)。在電場作用下，此方向的機(jī)械變形最明顯，故稱機(jī)械軸。光軸（Z軸）：與石英晶體的上、下頂角連線重合，光線沿z軸通過石英晶體時(shí)不產(chǎn)生折射，故稱為光軸,不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。溫州大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院磁電式-壓電式傳感器24機(jī)械工程測試技術(shù)溫州大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院磁電式-壓電式傳感器25機(jī)械工程測試技術(shù)溫州大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院石英的壓電效應(yīng)解釋磁電式-壓電式傳感器26機(jī)械工程測試技術(shù)溫州大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院磁電式-壓電式傳感器27機(jī)械工程測試技術(shù)磁電式-壓電式傳感器壓電陶瓷的壓電效應(yīng)壓電陶瓷是人

8、工制造的多晶壓電材料，它比石英晶體的壓電靈敏度高得多，而制造成本卻較低，因此目前國內(nèi)外生產(chǎn)的壓電元件絕大多數(shù)都采用壓電陶瓷 。常用的壓電陶瓷材料有鋯鈦酸鉛系列壓電陶瓷（PZT）及非鉛系壓電陶瓷 （如BaTiO3等）。溫州大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院28機(jī)械工程測試技術(shù)磁電式-壓電式傳感器壓電陶瓷的極化施加外電場時(shí)，電疇的極化方向發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，趨向外電場方向排列（如圖b)。外電場強(qiáng)度達(dá)到飽和程度時(shí)，所有的電疇與外電場一致。外電場去掉后，仍存在有很強(qiáng)的剩余極化。當(dāng)陶瓷材料受到外力的作用時(shí)，電疇的界限發(fā)生移動(dòng)，因此引起極化強(qiáng)度的變化，于是壓電陶瓷就有了壓電效應(yīng)。溫州大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院未極化電極化29機(jī)械工程測試技術(shù)磁

9、電式-壓電式傳感器壓電陶瓷的正壓電效應(yīng)極化后，如果在陶瓷片上加一個(gè)與極化方向平行的壓力F，陶瓷片將產(chǎn)生壓縮形變。片內(nèi)的正、負(fù)束縛電荷之間的距離變小，極化強(qiáng)度也變小。釋放部分吸附在電極上的自由電荷，而出現(xiàn)放電現(xiàn)象。當(dāng)壓力撤消后，陶瓷片恢復(fù)原狀，極化強(qiáng)度也變大，因此電極上又吸附一部分自由電荷而出現(xiàn)充電現(xiàn)象。正壓電效應(yīng)。溫州大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院30機(jī)械工程測試技術(shù)磁電式-壓電式傳感器壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)若在片上加一個(gè)與極化方向相同的電場，電場的作用使極化強(qiáng)度增大。陶瓷片內(nèi)的正、負(fù)束縛電荷之間距離也增大，即陶瓷片沿極化方向產(chǎn)生伸長形變。同理，如果外加電場的方向與極化方向相反，則陶瓷片沿極化方向產(chǎn)生縮短形變

10、。這種由于電效應(yīng)而轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械效應(yīng)，或者由電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的現(xiàn)象，就是壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)。溫州大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院31機(jī)械工程測試技術(shù)磁電式-壓電式傳感器壓電元件的結(jié)構(gòu)形式及其等效電路溫州大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院32C = 2C ,U = U，Q = 2QC機(jī)械工程測試技術(shù)磁電式-壓電式傳感器壓電元件結(jié)構(gòu)形式在實(shí)際使用中，如僅用單片壓電元件工作的話，要產(chǎn)生足夠的表面電荷就要很大的作用力，因此一般采用兩片或兩片以上壓電元件組合在一起使用。由于壓電元件是有極性的，因此連接方法有兩種：并聯(lián)連接和串聯(lián)連接。電路并聯(lián)C = 2C ,U = U，Q = 2Q溫州大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院電路串聯(lián)C = , Q = Q，U =

11、2U233機(jī)械工程測試技術(shù)磁電式-壓電式傳感器并聯(lián)接法，其電容量大，輸出電荷大，時(shí)間常數(shù)大，適宜測量緩變信號，并以電荷量作為輸出的地方；串聯(lián)接法，電容量小，輸出電壓大，適于以電壓輸入出，且要求測量電路輸入阻抗很高的地方。溫州大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院34機(jī)械工程測試技術(shù)磁電式-壓電式傳感器當(dāng)需要壓電元件輸出電荷時(shí)，可以把壓電元件等效為電荷源和一個(gè)電容并聯(lián)。當(dāng)需要壓電元件輸出電壓時(shí)，可以把壓電元件等效為電壓源和一個(gè)電容串聯(lián)。溫州大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院壓電傳感器等效電路(35)工作時(shí)，壓電元件與二次儀表配套使用必定與測量電路相連接，這就要考慮連接電纜的等效電容Cc，放大器的輸入電阻Ri 及輸入電容Ci 以及壓電傳

12、感器的泄漏電阻Ra。這樣，壓電傳感器在測量系統(tǒng)中的實(shí)際等效電路， 如圖所示。URa:壓電元件壓電元件的漏電阻Cc：電纜：電纜電容qRi：放大器：放大器高輸入電阻Ci：放大器：放大器輸入電容(36)壓電傳感器本身的內(nèi)阻很高，輸出能量很小，要求其測量電路的輸入電阻應(yīng)非常大。因此在壓電傳感器的輸出端總是先接入高輸入阻抗的前置放大器，然后再接入一般放大器。前置放大器的作用為：1、將傳感器的高阻抗輸出變換為低阻抗輸出。2、放大傳感器輸出的微弱信號。壓電傳感器的輸出可以是電壓信號，也可以是電荷信號，因此，前置放大器也有兩種形式：電壓放大器和電荷放大器。(37)U a壓電傳感器測量電路（電壓放大器）圖(a)

13、、(b)是電壓放大器電路原理圖及其等效電路。壓電傳感器配接電壓放大器的等效電路在 圖 (b) 中 ， 電 阻 R=RaRi/(Ra+Ri) ， 電 容 C=Cc+Ci ， 而ua=q/Ca，若壓電元件受正弦力f=Fm sint的作用，則其電壓為& = q = dF = dFm sin tCa Ca Ca式中d為壓電元件某方向的壓電系數(shù)(c/n);F為交變力的瞬時(shí)值，F(xiàn)m為交變力的幅值。+1(38)RU 0 =U aR1 j Cj C a R + 1j Cj CR +j C A =A dFm j R1 + j R (C a + C i + C c )sin t式中U0為放大器的輸出電壓,

14、A為放大器的電壓放大倍數(shù)；Ra為一片壓電元件的漏電阻；Cc為連接電纜的等效電容，Ri;Ci分別為放大器的輸入電阻，輸入電容，R為Ra與Ri 的等效電阻。C為Cc與Ci的等效電容。(39)在理想情況下，傳感器的Ra 電阻值與前置放大器輸入電阻 Ri 都為無限大 ，即 R(Ca+Cc+Ci) 1，理想情況下輸入電壓幅值U0為U 0 =A dFmC a + C i + C csin t可見，前置電壓放大器輸出電壓U0與Ca,Cc,Ci有關(guān)；還與有關(guān)。(40)同時(shí)表明壓電傳感器有很好的高頻響應(yīng)，但是，當(dāng)作用于壓電元件的力為靜態(tài)力（=0）時(shí)， 前置放大器的輸出電壓等于零， 因?yàn)殡姾蓵?huì)通過放大器輸入電阻和

15、傳感器本身漏電阻漏掉， 所以壓電傳感器不能用于靜態(tài)力的測量。P85 2-13 問題答案當(dāng)(Ca+Cc+Ci)R1 時(shí)，放大器輸入電壓Uim如前式所示，式中 Cc 為連接電纜電容，當(dāng)電纜長度改變時(shí)，Cc也將改變，因而Uim也隨之變化。因此，壓電傳感器與前置放大器之間連接電纜不能隨意更換，否則將引入測量誤差。(41)2. 電荷放大器電荷放大器常作為壓電傳感器的輸入電路，由一個(gè)反饋電容Cf和高增益運(yùn)算放大器構(gòu)成。由于運(yùn)算放大器輸入阻抗極高， 放大器輸入端幾乎沒有分流，故可略去Ra和Ri并聯(lián)電阻。uo qC f(42)由運(yùn)算放大器基本特性， 可求出電荷放大器的輸出電壓uo = KqCa + Cc + Ci + (1 + K )C f通常電荷放大器的放大倍數(shù)極大，一般為K=104-108，因此,當(dāng)滿足(1+K)CfCa+Cc+Ci時(shí)，上式表示為uo qC f由此可見，電荷放大器的輸出電壓uo只取決于輸入電荷與反饋電容Cf，與電纜電容Cc無關(guān)，且與q成正比，這是電荷放大器的最大特點(diǎn)。(43)重點(diǎn)壓電