CH7壓電式傳感器課件

第7章壓電式傳感器

壓電式傳感器是由壓電元件作為轉換元件的有源傳感器。它可以將機械能轉化為電能，也可以將電能轉化為機械能?？梢杂糜谂c力有關的物理量測量，如：壓力，加速度，機械沖擊，振動等。下頁返回圖庫有源傳感器：無需外接電源早在1680年，發(fā)過科學家皮埃爾.居里兄弟發(fā)現了石英晶體的壓電效應，直到1948一、壓電效應和壓電材料

某些物質的材料，當沿一定方向施加外力作用時，會產生變形，同時在某兩個表面上產生符號相反的電荷；當外力去掉后，又恢復到不帶電狀態(tài)。上述現象稱為正壓電效應。下頁上頁返回圖庫反之，如對某些物質的材料施加一定變化電場，材料將產生機械變形；外電場撤離，變形也隨著消失，稱為逆壓電效應（負壓電效應）。

1、壓電效應正、負壓電效應統(tǒng)稱為壓電效應。自然界中大多數晶體都具有壓電效應。然而，許多經典的壓電效應很微弱。只有石英晶體，鈦酸鋇，鋯鈦酸鉛等可以用作壓電式傳感器。壓電材料根據物理性質大致分為：壓電晶體：天然和人造石英晶體，酒石酸鉀等多晶體壓電陶瓷：人工合成的多晶體，如：鈦酸鋇，鋯鈦酸鉛下頁上頁返回圖庫2、壓電材料石英晶體的外形和晶軸石英晶體是單晶體結構，其形狀為六角形晶柱，兩端呈六棱錐形石英晶體各個方向的特性不同，可用三坐標軸系表述：Z軸：晶體的光軸，沿著Z軸的光線照射到晶體上，不發(fā)生雙折射現象（雙折射：當一束光照射到晶體，產生兩束透視光的現象）Y軸：晶體的力軸，沿Y軸施加力，晶體變形最明顯X軸：晶體的電軸，沿X軸施加力，壓電效應最明顯下頁上頁返回圖庫3、石英晶體的壓電特性石英晶體的外形、晶軸和壓電效應

退出z軸是光軸，是對稱軸，光沿著光軸穿過晶體沒有雙折射現象。x軸是電軸。石英晶體剖面是6邊形，所以電軸x有3個。力沿著電軸施加作用，垂直電軸有壓電效應。y軸是機械軸。石英晶體剖面是6邊形，所以機械軸y有3個。力沿著機械軸施加作用，也會在垂直電軸有壓電效應。石英晶體壓電效應示意圖退出a)未受力時，3個電偶極矩大小相等，夾角120°,合作用為03個硅離子，3個O2離子在六邊形的頂點，形成3個電偶極矩。方向（從負離子指向正離子

）b)受擠壓力時，p1減小，合作用沿p1反方向c受拉伸力（效果同：y方向擠壓時）時，p1增加，合作用沿p1方向退出壓電陶瓷的壓電機理和石英晶體并不相同。壓電陶瓷內部有許多自發(fā)極化的電疇（電偶極性相同的小區(qū)域）。極化處理以前，各晶粒內電疇的極性任意排列，極化作用相互抵消，對外不顯示極化特性。4、壓電陶瓷的壓電現象壓電陶瓷的極化過程和壓電原理圖退出壓電陶瓷的極化過程：在壓電陶瓷施加直流外電場，電疇的自發(fā)極性與外電場所加方向一致，規(guī)則排列“電疇”；極化后，外電場消失，電疇不立即回復原狀，有剩余極化強度。由于束縛電荷影響，在壓電陶瓷極化兩端會吸引外界電荷，這是束縛電荷與自由電荷數量相等，極性相反，因此陶瓷片對外不顯示極性。+-壓電陶瓷的壓電原理圖退出壓電陶瓷受到與極化方向平行的壓力：陶瓷內部束縛電荷（極化電荷）的極距減小，吸引自由電荷的能力減弱，會失去一部分自由電荷，呈現放電現象。當外力撤銷，極化強度恢復原狀，又會吸引一部分自由電荷，呈現充電現象。壓電陶瓷受到與極化方向垂直的力：力沿y軸方向擠壓，或x軸方向擠壓，等同于極化方向的施加拉力，壓電原理.....？只是壓電效果不很明顯。二、等效電路壓電式傳感器對被測量的變化是通過其壓電元件產生電荷量的大小來反映的，因此它相當于一個電荷源。而壓電元件電極表面聚集電荷時，它又相當于一個以壓電材料為電介質的電容器，其電容量為：

式中

s

―極板面積εr―壓電材料相對介電常數

0―真空介電常數δ―壓電元件厚度下頁上頁返回圖庫實際等效電路壓電式傳感器實際使用時總要與測試儀表或測量電路相連，因而還必須要考慮電纜連接電容Cc，前置放大器的輸入電阻Ri和輸入電容Ci以及壓電式傳感器絕緣電阻Ra，這樣壓電式傳感器在測量系統(tǒng)中的等效電路就如圖所示。

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由于壓電式傳感器產生的電量非常小，所以要求測量電路的輸入電阻非常大以減小測量誤差。而且壓電式傳感器的輸出端要接前置放大器，放大器有兩種形式：電壓放大器：其輸出電壓與輸入電壓(壓電元件的輸出電壓)成正比。電荷放大器：其輸出電壓與輸入電荷成正比。三、測量電路下頁上頁返回圖庫下頁上頁返回1、壓電元件的串并聯

在圖(a)中，兩壓電片的負極都集中在中間電極上，正電極在兩邊的電極上。這種接法稱為并聯。其輸出電容C并為單片電容C的兩倍，但輸出電壓U并等于單片電壓U，極板上電荷量q并為單片電荷量q的兩倍，即

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圖(b)的接法，正電荷集中在上極板，負電荷集中在下極板，而中間的極板上片產生的負電荷與下片產生的正電荷相互抵消，這種接法稱為串聯。由圖可知，輸出的總電荷q串等于單電荷q，而輸出電壓U串為單片電壓U的兩倍，總電容C串為單片電容C的一半，即兩種接法，并聯接法電容大，時間常數長，適合于測量慢變信號，并且適用于以電荷作為輸出量的場合；串聯接法，輸出電壓大，電容相對小，適合以電壓作為輸出型號，并且測量電路的輸入阻抗很高的場合。下頁上頁返回2、壓電力傳感器的安裝壓電式力傳感器安裝時應保證傳感器的敏感軸與受力方向一致。安裝傳感器的上、下接觸面要經過精細加工，以保證平行度和平面度。當接觸表面粗糙時，可加裝應力分布塊并用螺栓緊固。3、合理選擇傳感器的量程和頻率響應4、合理選用測量儀表5、合理選擇安裝連接電纜6、選擇縱、橫向壓電效應6.5壓電式傳感器的應用舉例

1壓電式測心跳2壓電式自制吉他3壓電蜂鳴器

下頁上頁返回圖庫第7章本章要點壓電原理石英晶體的壓電原理（受力，畫電荷方向）壓電陶瓷的壓電原理（受力，畫電荷方向）壓電式傳感器的應用結束上頁返回圖庫第8章霍爾式傳感器下頁上頁返回霍爾效應與霍爾元件霍爾式傳感器工作原理霍爾式傳感器的應用舉例

霍爾式傳感器是利用霍爾元件基于霍爾效應原理而將被測量（如電流、磁場、位移、壓力）等轉換成電動勢輸出的一種傳感器。圖庫下頁上頁返回

一塊長為l、寬為b、厚為d的半導體薄片置于磁感應強度為B的磁場(磁場方向垂直于薄片)中。當有電流I流過時，在垂直于電流和磁場的方向上將產生電動勢UH。圖庫當磁場方向不垂直于元件平面，而是與元件平面的法線成一角度時，實際作用于元件上的有效磁場是其法線方向的分量，即，產生的感應電動勢式中：KH——霍爾元件的靈敏度。

式中：RH——霍爾系數，它反應元件霍爾效應的強弱，由材料性質決定。（單位體積內導電粒子數越少，霍爾效應越強，半導體比金屬導體霍爾效應強，所以常采用半導體材料做霍爾元件；）

d——霍爾元件的厚度。由UH公式可知，對于材料和尺寸確定的元件,KH保持常數，霍爾電勢UH僅與IB的乘積成正比。利用這一特性，在恒定電流之下可用來測量磁感應強度B；反之，在恒定的磁場之下，也可以用來測量電流I。減小霍爾元件的厚度可以增強霍爾效應。下頁上頁返回2、霍爾元件材料1．鍺(Ge)，N型及P型均可。2．硅(Si)．N型及P型均可。3．砷化銦(InAs)和銻化銦(InSb)霍爾元件型號命名方法如下圖所示。4、霍爾元件的主要技術指標下頁上頁額定激勵電流IH

使霍爾元件溫升10℃所施加的控制電流值稱為額定激勵電流。通常用IH表示。輸入電阻Ri

指控制電流極間的電阻值。它規(guī)定要在室溫(20±5℃)的環(huán)境溫度中測取。輸出電阻Rs

指霍爾電極間的電阻值。規(guī)定中要求在(20±5℃)的條件下測取。不等位電勢當霍爾元件通以控制電流IH而不加外磁場時，它的霍爾輸出端之間仍有空載電動勢存在，該電動勢就稱為不等位電勢(或零位電動勢)。返回圖庫下頁上頁寄生直流電動勢當不加外磁場，控制電流改用額定交流電流時，霍爾電極間的空載電動勢為直流與交流電動勢之和。其中的交流霍爾電動勢與前述零位電動勢相對應，而直流霍爾電動勢是個寄生量，稱為寄生直流電動勢V。熱阻RQ、霍爾電勢溫度系數

它表示在霍爾電極開路情況下，在霍爾元件上輸入lmW的電功率時產生的溫升，單位為℃／mW。所以稱它為熱阻是因為這個溫升的大小在一定條件下與電阻有關。返回圖庫1）溫度補償下圖示為各種不同材料的內阻與溫度的關系。下頁上頁返回上圖示為各種不同材料的霍爾輸出電勢隨溫度變化的情況。

5、霍爾元件的溫度補償和不等位電勢補償為了減少由溫度變化所引起的溫差電勢對霍爾元件輸出的影響，可根據不同情況，采取一些不同的補償方法。恒流源補償下頁上頁返回利用輸出回路的負載進行補償

激勵電源串聯一個很大電阻R不等位電勢補償不等位電勢的產生，會使霍爾元件或傳感器在使用中產生零位誤差。在高精度測量中，需采用不等位電勢補償的方法來盡量排除它對霍爾輸出的影響。下頁上頁返回霍爾元件的等效電路當兩電極不相等時（如r1>r2），電橋失去平衡，U0=0，此時就需進行補償，其補償電路如右上圖所示。

下頁上頁返回霍爾元件使用注意事項

1）驅動方式霍爾元件的驅動方式有恒壓和恒流兩種，其電路如下圖所示。

2）散熱

3）安裝①安裝應堅實牢固；②不可有扭曲現象。二、霍爾集成傳感器由霍爾元件及有關電路組成的傳感器稱為霍爾傳感器。目前霍爾傳感器都已集成化，即把霍爾元件、放大器、溫度補償電路及穩(wěn)壓電源或恒流電源等集成在一個芯片上，由于其外形與集成電路相同，故又稱霍爾集成電路?；魻杺鞲衅鞯幕魻柌牧先砸园雽w硅作為主要材料，按其輸出信號的形式可分為線性型和開關型兩種。下頁上頁返回線性型霍爾集成傳感器是將霍爾元件和恒流源，線性放大器等做在同一芯片上，輸出電壓較高，使用非常方便。例如：UGN3501M是具有雙端差動輸出特性的線性霍爾器件，UGN3501M的外形、內部電路框圖如下圖下頁上頁返回

1、線性型霍爾集成傳感器開關型霍爾集成傳感器是將霍爾元件、穩(wěn)壓電路、放大器、施密特觸發(fā)器、OC門等電路做在同一芯片上。例：開關型霍爾集成電路UGN3019，其外型與內部電路框圖如下圖所示。下頁上頁返回2、開關型霍爾集成傳感器（1）簡易高斯計霍爾元件及傳感器廣泛用于磁場測量。圖為一個簡易高斯計電路，它直接采用線性型霍爾傳感器UGN-3501M。下頁上頁返回恒流源輸入，通過調整電位器使輸出電動勢與磁感應強度成正比；電壓表的指針輸出反應磁感應強度的大?。?）計數裝置圖是一個應用霍爾傳感器對鋼球進行計數的裝置及電路。下頁上頁返回當鋼球滾過，磁場發(fā)生一次變化，霍爾元件輸出一次脈沖電流，經放大后，三極管導通一次。在三極管的輸出端接上計數器即可。（3）霍爾接近開關利用開關型霍爾集成電路制作的接近開關具