傳感器第三章

傳感器第三章第一頁，共四十六頁，2022年，8月28日3.6磁電式傳感器

磁電式傳感器是把被測量的物理量轉(zhuǎn)換為感應電動勢的一種轉(zhuǎn)換器。又稱電磁感應式或電動力式傳感器。

磁電式傳感器是利用電磁感應原理，將輸入運動速度變換成感應電勢輸出的傳感器。它不需要輔助電源，就能把被測對象的機械能轉(zhuǎn)換成易于測量的電信號，是一種有源傳感器。由于它有較大的輸出功率，故配用電路較簡單；零位及性能穩(wěn)定；工作頻帶一般為10---1000Hz

磁電式傳感器具有雙向轉(zhuǎn)換特性，利用其逆轉(zhuǎn)換效應可構(gòu)成力發(fā)生器和電磁激振器等。因此磁電式傳感器獲得比較普遍的應用。第二頁，共四十六頁，2022年，8月28日1.變換原理:

磁電式傳感器是把被測量的物理量轉(zhuǎn)換為感應電動勢的一種轉(zhuǎn)換器。感應線圈的感應電動勢e為磁通變化率與磁場強度、磁阻、線圈運動速度有關(guān)，改變其中一個因素，都會改變感應電動勢。

3.6磁電式傳感器

磁場強度，面積第三頁，共四十六頁，2022年，8月28日磁電式傳感器分類：

磁電式動圈式磁阻式線速度型角速度型N第四頁，共四十六頁，2022年，8月28日動圈式傳感器線速度型

第五頁，共四十六頁，2022年，8月28日角速度型測速電機第六頁，共四十六頁，2022年，8月28日磁阻式傳感器

磁電式車速傳感器第七頁，共四十六頁，2022年，8月28日3.6.1動圈式（1）線速度型永久磁鐵產(chǎn)生的直流磁場內(nèi)，設(shè)置一個可動線圈，當線圈在磁場中作直線運動時，它所產(chǎn)生的感應電動勢:當θ＝90時可見，感應電動勢大小與線圈運動的線速度成正比，這就是慣性式速度計的工作原理。第八頁，共四十六頁，2022年，8月28日（2）角速度型永久磁鐵產(chǎn)生的直流磁場內(nèi)，設(shè)置一個可動線圈，當線圈在磁場中作旋轉(zhuǎn)運動時，它所產(chǎn)生的感應電動勢:可見，傳感器結(jié)構(gòu)一定時，W，B，A均為常數(shù)，感應電動勢e與線圈相對磁場的角速度成正比，這種傳感器被用于轉(zhuǎn)速測量。第九頁，共四十六頁，2022年，8月28日

磁電式傳感器可以直接測量線速度與角速度。在其感應電路中接一個積分或微分電路，輸出就會與位移或加速度成正比。在磁電式感應傳感器中，其輸出除電動勢幅值外，還可以是頻率，如磁電式轉(zhuǎn)速傳感器。由以上分析可知，磁電式傳感器有兩個基本組成部分：（1）磁路系統(tǒng)用于產(chǎn)生磁場，一般采用永磁鐵（為了減小體積）

(2)線感圈與磁場中的磁通作用產(chǎn)生感應電動勢。感應電動勢是線圈與磁場相對運動產(chǎn)生的，可以是動圈式，也可以是動鐵式。第十頁，共四十六頁，2022年，8月28日3.6.2磁阻式磁電式傳感器的工作原理是可逆的。測振傳感器工作于發(fā)電機狀態(tài)。磁阻式傳感器的線圈與磁鐵彼此不作相對運動，由運動著的物體（導磁材料）來改變磁路的磁阻，使磁力線增強或減弱，使線圈產(chǎn)生感應電動勢。磁阻式傳感器使用方便，結(jié)構(gòu)簡單。第十一頁，共四十六頁，2022年，8月28日3.7壓電式傳感器

壓電式傳感器是以具有壓電效應的壓電器件為核心組成的傳感器，已被廣泛應用于超聲，通信，宇航，雷達和引爆等領(lǐng)域。壓電式傳感器是一種可逆型換能器，既可以將機械能轉(zhuǎn)換為電能，又可以將電能轉(zhuǎn)換為機械能。

壓電式傳感器是以某些電介質(zhì)的壓電效應為基礎(chǔ)，在外力作用下，在電介質(zhì)的表面上產(chǎn)生電荷，從而實現(xiàn)非電量測量。壓電傳感元件是力敏感元件，所以它能測量最終能變換為與力相關(guān)的物理量，例如力、壓力、加速度等。壓電式傳感器具有響應頻帶寬、靈敏度高、信噪比大、結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、重量輕等優(yōu)點。近年來，由于電子技術(shù)的飛速發(fā)展，隨著與之配套的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。因此，在工程力學、生物醫(yī)學、石油勘探、聲波測井、電聲學等許多技術(shù)領(lǐng)域中獲得了廣泛的應用。

第十二頁，共四十六頁，2022年，8月28日3.7.1壓電效應正壓電效應（順壓電效應）：某些電介質(zhì)，當沿著一定方向?qū)ζ涫┝Χ顾冃螘r，內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在它的一定表面上產(chǎn)生電荷，當外力去掉后，又重新恢復不帶電狀態(tài)的現(xiàn)象。當作用力方向改變時，電荷極性也隨著改變。逆壓電效應（電致伸縮效應）：當在電介質(zhì)的極化方向施加電場，這些電介質(zhì)就在一定方向上產(chǎn)生機械變形或機械壓力，當外加電場撤去時，這些變形或應力也隨之消失的現(xiàn)象。電能機械能正壓電效應逆壓電效應

某些物質(zhì)，如石英，受到外力作用時，不僅幾何尺寸會發(fā)生變化，而且內(nèi)部會被極化，表面產(chǎn)生電荷；當外力去掉時，又重新回到原來的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為壓電效應。具有壓電效應的材料稱之為壓電材料，石英是一種常用的壓電材料。第十三頁，共四十六頁，2022年，8月28日（一）石英晶體的壓電效應石英晶體俗稱水晶，有天然和人工之分天然結(jié)構(gòu)石英晶體的理想外形是一個正六面體，在晶體學中它可用三根互相垂直的軸來表示，其中縱向軸Z－Z稱為光軸；經(jīng)過正六面體棱線，并垂直于光軸的X－X軸稱為電軸；與X－X軸和Z－Z軸同時垂直的Y－Y軸（垂直于正六面體的棱面）稱為機械軸。ZXY(a)(b)石英晶體(a)理想石英晶體的外形(b)坐標系ZYX

通常把沿電軸X－X方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應稱為“縱向壓電效應”，而把沿機械軸Y－Y方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應稱為“橫向壓電效應”，沿光軸Z－Z方向受力則不產(chǎn)生壓電效應。第十四頁，共四十六頁，2022年，8月28日實驗證明：壓電體表面集聚的電荷與作用力成正比。若沿單一晶軸x－x方向加力F，則在垂直于x－x方向的壓電體表面上積聚的電荷量為：FXFX++++－－－－－－－－++++(a)(b)XX

如果在同一晶片上作用力是沿著機械軸的方向，其電荷仍在與X軸垂直平面上出現(xiàn)，其極性見圖（c）、（d），此時電荷的大小為++++++++－－－－－－－－(c)(d)FYFYXX第十五頁，共四十六頁，2022年，8月28日3.7.2壓電材料

壓電材料的主要特征參數(shù)：

1，壓電常數(shù)

2，彈性常數(shù)

3，介電常數(shù)

4，機電耦合系數(shù)

5，電阻

6，居里點迄今出現(xiàn)的壓電材料壓電晶體（單晶）壓電陶瓷（多晶半導體）新型壓電材料（有機壓電薄膜）石英比較常用，其主要性能特點：1.壓電常數(shù)小，時間和溫度穩(wěn)定；2.機械強度和品質(zhì)因素高，剛度大，固有頻率高，動態(tài)性好；3.居里點573攝氏度，無熱釋電性，絕緣性和重復性佳．第十六頁，共四十六頁，2022年，8月28日壓電陶瓷特點：壓電常數(shù)大，靈敏度高；制造工藝成熟；成型工藝性好，成本低廉；熱電釋性。鈦酸鋇是使用最早的壓電陶瓷。壓電半導體硫化鋅，碲化鎘，氧化鋅，硫化鎘等有機高分子壓電材料某些合成高分子聚合物，經(jīng)延展拉伸和電極化后具有壓電性高分子壓電薄膜。高分子化合物中參雜壓電陶瓷PZT或鈦酸鋇粉末制成的高分子壓電薄膜高分子壓電薄膜的壓電特性并不太好，但其可以大量生產(chǎn)，且具有面積大、柔軟不易破碎等優(yōu)點。第十七頁，共四十六頁，2022年，8月28日3.7.3壓電式傳感器及其等效電路

在壓電晶片的兩個工作面上進行金屬蒸鍍，形成金屬膜，構(gòu)成兩個電極。當壓電傳感器中的壓電晶體承受被測機械應力的作用時，在它的兩個極面上出現(xiàn)極性相反但電量相等的電荷，形成了電場。

壓電器件從功能上講，是一個電荷發(fā)生器壓電器件從性質(zhì)上講，是一個有源電容器

+并聯(lián)+串聯(lián)F+q=DF第十八頁，共四十六頁，2022年，8月28日+并聯(lián)+串聯(lián)第十九頁，共四十六頁，2022年，8月28日壓電式傳感器的前置放大器有兩個作用：把壓電式傳感器的高輸出阻變換成低阻抗輸出；放大壓電式傳感器輸出的弱信號。前置放大器形式：電壓放大器其輸出電壓與輸入電壓（傳感器的輸出電壓）成正比；電荷放大器其輸出電壓與輸入電荷成正比。3.7.4壓電式傳感器及其等效電路

壓電式傳感器輸出電信號很微弱，通常應把傳感器信號先輸入到高輸入阻抗的前置放大器中，經(jīng)過阻抗變換后，方可輸入到后續(xù)顯示儀表中。

第二十頁，共四十六頁，2022年，8月28日如果用導線將壓電傳感器和測量儀器連接時,則應考慮連線的等效電容,前置放大器的輸入電阻、輸入電容。CaRaCcRiCiq壓電傳感器的完整等效電路Ca傳感器的固有電容Ci

前置放大器輸入電容Cc

連線電容Ra傳感器的漏電阻Ri前置放大器輸入電阻可見，壓電傳感器的絕緣電阻Ra與前置放大器的輸入電阻Ri相并聯(lián)。為保證傳感器和測試系統(tǒng)有一定的低頻或準靜態(tài)響應，要求壓電傳感器絕緣電阻應保待在1013Ω以上，才能使內(nèi)部電荷泄漏減少到滿足一般測試精度的要求。與上相適應，測試系統(tǒng)則應有較大的時間常數(shù)，亦即前置放大器要有相當高的輸入阻抗，否則傳感器的信號電荷將通過輸入電路泄漏，即產(chǎn)生測量誤差。

第二十一頁，共四十六頁，2022年，8月28日電壓放大器電荷放大器－A－ACaCaRaRiCiCcCRUiUSCUSCUa(a)(b)Ua電荷放大器是一個具有深度負反饋的高增益放大器，其基本電路如圖。若放大器的開環(huán)增益A0足夠大，并且放大器的輸入阻抗很高，則放大器輸入端幾乎沒有分流，運算電流僅流入反饋回路CF與RF。由圖可知i的表達式為：

－A0CaU∑USC電荷放大器原理電路圖iRaqCFRF第二十二頁，共四十六頁，2022年，8月28日前置放大器的主要作用有兩點：（1）將傳感器的高阻抗輸出變?yōu)榈妥杩馆敵?；?）放大傳感器輸出的微弱信號。前置放大器有兩種形式：（1）電阻反饋的電壓放大器，其輸出電壓與輸入電壓成正比。（2）帶電容反饋的電荷放大器，輸出電壓與輸入電荷成正比。第二十三頁，共四十六頁，2022年，8月28日3.7.5壓電式傳感器的應用（一）壓電式加速度傳感器（二）壓電式壓力傳感器（三）壓電式流量計（四）集成壓電式傳感器（五）壓電式傳感器在自來水管道測漏中的應用第二十四頁，共四十六頁，2022年，8月28日

當傳感器感受振動時，因為質(zhì)量塊相對被測體質(zhì)量較小，因此質(zhì)量塊感受與傳感器基座相同的振動，并受到與加速度方向相反的慣性力，此力F＝ma。同時慣性力作用在壓電陶瓷片上產(chǎn)生電荷為

運動方向21345縱向效應型加速度傳感器的截面圖（一）

壓電式加速度傳感器其結(jié)構(gòu)一般有縱向效應型、橫向效應型和剪切效應型三種?？v向效應是最常見的,如圖。壓電陶瓷4和質(zhì)量塊2為環(huán)型，通過螺母3對質(zhì)量塊預先加載，使之壓緊在壓電陶瓷上。測量時將傳感器基座5與被測對象牢牢地緊固在一起。輸出信號由電極1引出。q＝d33F＝d33ma第二十五頁，共四十六頁，2022年，8月28日此式表明電荷量直接反映加速度大小。其靈敏度與壓電材料壓電系數(shù)和質(zhì)量塊質(zhì)量有關(guān)。為了提高傳感器靈敏度，一般選擇壓電系數(shù)大的壓電陶瓷片。若增加質(zhì)量塊質(zhì)量會影響被測振動，同時會降低振動系統(tǒng)的固有頻率，因此一般不用增加質(zhì)量辦法來提高傳感器靈敏度。此外用增加壓電片數(shù)目和采用合理的連接方法也可提高傳感器靈敏度。

第二十六頁，共四十六頁，2022年，8月28日（二）

壓電式壓力傳感器根據(jù)使用要求不同，壓電式測壓傳感器有各種不同的結(jié)構(gòu)形式。但它們的基本原理相同。壓電式測壓傳感器的原理簡圖。它由引線1、殼體2、基座3、壓電晶片4、受壓膜片5及導電片6組成。當膜片5受到壓力P作用后，則在壓電晶片上產(chǎn)生電荷。在一個壓電片上所產(chǎn)生的電荷q為F——作用于壓電片上的力；d11——壓電系數(shù)；P——壓強，；S——膜片的有效面積。123456p壓電式測壓傳感器原理圖第二十七頁，共四十六頁，2022年，8月28日

測壓傳感器的輸入量為壓力P，如果傳感器只由一個壓電晶片組成，則根據(jù)靈敏度的定義有：因為，所以電壓靈敏度也可表示為

U0——壓電片輸出電壓；C0——壓電片等效電容電壓靈敏度電荷靈敏度電荷靈敏度第二十八頁，共四十六頁，2022年，8月28日（三）

壓電式流量計利用超聲波在順流方向和逆流方向的傳播速度進行測量。其測量裝置是在管外設(shè)置兩個相隔一定距離的收發(fā)兩用壓電超聲換能器，每隔一段時間(如1/100s)，發(fā)射和接收互換一次。在順流和逆流的情況下，發(fā)射和接收的相位差與流速成正比。據(jù)這個關(guān)系，可精確測定流速。流速與管道橫截面積的乘積等于流量。

流量顯示1789輸出信號換能器換能器接收接收發(fā)射發(fā)射壓電式流量計此流量計可測量各種液體的流速，中壓和低壓氣體的流速，不受該流體的導電率、粘度、密度、腐蝕性以及成分的影響。其準確度可達0.5%，有的可達到0.01%。根據(jù)發(fā)射和接收的相位差隨海洋深度深度的變化，測量聲速隨深度的分布情況第二十九頁，共四十六頁，2022年，8月28日（四）集成壓電式傳感器是一種高性能、低成本動態(tài)微壓傳感器，產(chǎn)品采用壓電薄膜作為換能材料，動態(tài)壓力信號通過薄膜變成電荷量，再經(jīng)傳感器內(nèi)部放大電路轉(zhuǎn)換成電壓輸出。該傳感器具有靈敏度高，抗過載及沖擊能力強，抗干擾性好，操作簡便，體積小、重量輕、成本低等特點，廣泛應用于醫(yī)療、工業(yè)控制、交通、安全防衛(wèi)等領(lǐng)域。

脈搏計照片

典型應用：

·脈搏計數(shù)探測

·按鍵鍵盤，觸摸鍵盤

·振動、沖擊、碰撞報警

·振動加速度測量

·管道壓力波動

·其它機電轉(zhuǎn)換、動態(tài)力檢測等

第三十頁，共四十六頁，2022年，8月28日（五）壓電式傳感器在自來水管道測漏中的應用如果地面下有一條均勻的直管道某處O點為漏點，振動聲音從O點向管道兩端傳播，傳播速度為V，在管道上A、B兩點放兩只傳感器，A、B距離為L（已知或可測），從A、B兩個傳感器接收的由O點傳來的t0時刻發(fā)出的振動信號所用時間為tA（=LA/V）和tB（=LB/V），兩者時間差為

Δt=tA-tB=（LA-LB）/V（1）又L=LA+LB

（2）LABO點LALB地面1、檢測原理第三十一頁，共四十六頁，2022年，8月28日因為管道埋設(shè)在地下，看不到O點，也不知道LA和LB的長度，已知的是L和V，如果能設(shè)法求出Δt，則聯(lián)立（1）+（2）得：

LA=(L+ΔtV)/2（3）或者將（1）-（2）得：

LB=（L-ΔtV）/2（4）

關(guān)鍵是確定Δt，就可準確確定漏點O。如果從O點出發(fā)的是一極短暫的脈沖，在A、B兩點用雙線掃描同時開始記錄，在示波器上兩脈沖到達的時間差就是Δt。實際的困難在于漏水聲是連續(xù)不斷發(fā)出的，在A、B兩傳感器測得的是一片連續(xù)不斷，幅度雜亂變化的噪聲。相關(guān)檢漏儀的功能就是要將這兩路表面雜亂無章的信號找出規(guī)律來，把它們“對齊”，對齊移動所需要的時間就是Δt。LABO點LALB地面第三十二頁，共四十六頁，2022年，8月28日3.8半導體傳感器

半導體材料的重要特性：對光、熱、力、磁、氣體、濕度等理化量的敏感性。半導體傳感器是一些物性型傳感器優(yōu)點是：結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕；功耗低、安全可靠、壽命長；對被測量敏感、相應快；易于實現(xiàn)集成化。缺點是：輸出特性一般是非線性的，常采用線性化電路；受溫度影響大，需要采用溫度補償措施；性能參數(shù)分散性較大。第三十三頁，共四十六頁，2022年，8月28日3.8.1磁敏傳感器利用半導體材料的磁敏特性工作的傳感器有霍爾元件、磁阻元件、磁敏管等。（1）霍爾元件半導體材料的霍爾效應

金屬或半導體薄片置于磁場中，當有電流流過時，在垂直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生電動勢，這種物理現(xiàn)象稱為霍爾效應。

霍爾元件一般由鍺（Ge）、銻化銦（InSb）、砷化銦（InAs）等半導體材料制成。第三十四頁，共四十六頁，2022年，8月28日霍爾元件由霍爾片、四根引線和殼體組成，如圖示。

第三十五頁，共四十六頁，2022年，8月28日霍爾元件位移測量的實例以微小位移測量為基礎(chǔ)，霍爾元件還可以應用于微壓、壓差、高度、加速度和振動的測量。第三十六頁，共四十六頁，2022年，8月28日測轉(zhuǎn)角：第三十七頁，共四十六頁，2022年，8月28日電流傳感器

當電流流過導線時，將在導線周圍產(chǎn)生磁場，磁場大小與流過導線的電流大小成正比，這一磁場可以通過軟磁材料來聚集，然后用霍爾器件進行檢測。

第三十八頁，共四十六頁，2022年，8月28日鐵磁材料裂紋檢測

NS第三十九頁，共四十六頁，2022年，8月28日葉片和齒輪位置傳感器應用第四十頁，共四十六頁，2022年，8月28日案例：汽車速度測量:第四十一頁，共四十六頁，2022年，8月28日（2）磁阻元件

磁阻元件是利用半導體材料的磁阻效應來工作的。是一種電阻隨磁場變化而變化的磁敏元件，也稱MR元件。若給通以電流的金屬或半導體材料的薄片加以與電流垂直或平行的外磁場，則其電阻值就增加。稱此種現(xiàn)象為磁致電阻變化效應，簡稱為磁阻效應。

在磁場中，電流的流動路徑會因磁場的作用而加長，使得材料的電阻率增加。若某種金屬或半導體材料的兩種載流子(電子和空穴)的遷移率十分懸殊，主要由遷移率較大的一種載流子引起電阻率變化,它可表示為：Ｂ——為磁感應強度；ρ——材料在磁感應強度為Ｂ時的電阻率；ρ0——材料在磁感應強度為0時的電阻率；μ——載流子的遷移率。第四十二頁，共四十六頁，2022年，8月28日

當材料中僅存在一種載流子時磁阻效應幾乎可以忽略，此時霍耳效應更為強烈。若在電子和空穴都存在的材料（如InSb）中，則磁阻效應很強。磁阻效應還與樣品的形狀、尺寸密切相關(guān)