第七章電動(dòng)勢(shì)式傳感器

7.1磁電式傳感器

通過(guò)磁電作用將被測(cè)量（如振動(dòng)、轉(zhuǎn)速、扭矩）轉(zhuǎn)換成電勢(shì)信號(hào)。 利用導(dǎo)體和磁場(chǎng)發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)而在導(dǎo)體兩端輸出感應(yīng)電勢(shì)；機(jī)-電能量變換型傳感器

優(yōu)點(diǎn):

不需要供電電源，電路簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定，輸出阻抗小當(dāng)前第1頁(yè)\共有40頁(yè)\編于星期六\14點(diǎn)7.1.1磁電式傳感器的工作原理7.1.2動(dòng)圈式磁電傳感器7.1.3磁阻式磁電傳感器7.1磁電式傳感器當(dāng)前第2頁(yè)\共有40頁(yè)\編于星期六\14點(diǎn)7.1.1磁電式傳感器的工作原理法拉第電磁感應(yīng)定律：不同類型的磁電式傳感器磁通量Ф的變化實(shí)現(xiàn)辦法:

磁鐵與線圈之間作相對(duì)運(yùn)動(dòng)；恒定磁場(chǎng)中線圈面積的變化；

磁路中磁阻的變化.直接應(yīng)用：測(cè)定速度在信號(hào)調(diào)節(jié)電路中接積分電路，或微分電路，磁電式傳感器就可以用來(lái)測(cè)量位移或加速度。當(dāng)前第3頁(yè)\共有40頁(yè)\編于星期六\14點(diǎn)7.1.1磁電式傳感器的工作原理7.1.2動(dòng)圈式磁電傳感器7.1.3磁阻式磁電傳感器7.1磁電式傳感器當(dāng)前第4頁(yè)\共有40頁(yè)\編于星期六\14點(diǎn)動(dòng)圈式磁電傳感器結(jié)構(gòu)磁電式傳感器構(gòu)成：

1、磁路系統(tǒng)由它產(chǎn)生恒定直流磁場(chǎng)。為了減小傳感器的體積，一般都采用永久磁鐵；

2、線圈由它切割磁力線運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。作為一個(gè)完整的磁電式傳感器，除了磁路系統(tǒng)和線圈外，還有一些其它元件，如殼體、支承、阻尼器、接線裝置等。當(dāng)前第5頁(yè)\共有40頁(yè)\編于星期六\14點(diǎn)（1）線圈做直線運(yùn)動(dòng)的傳感器：當(dāng)線圈在磁場(chǎng)中做直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，它產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為：B—工作氣隙中的磁感應(yīng)強(qiáng)度（1T=1Wb/m2）L—每匝線圈的有效長(zhǎng)度(垂直切割磁感線的導(dǎo)線的等效長(zhǎng)度，即圓形線圈的直徑（與運(yùn)動(dòng)速度方向垂直）)N—工作氣隙中線圈繞組的匝數(shù)v—線圈與磁場(chǎng)的相對(duì)直線速度θ—線圈面的法線方向與磁場(chǎng)方向夾角結(jié)構(gòu)一定時(shí)，感應(yīng)電勢(shì)與線圈對(duì)磁場(chǎng)的相對(duì)速度成正比。當(dāng)前第6頁(yè)\共有40頁(yè)\編于星期六\14點(diǎn)當(dāng)穿過(guò)某一不閉合線圈的磁通量發(fā)生變化時(shí)，線圈中雖無(wú)感應(yīng)電流，但感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)依舊存在。當(dāng)一段導(dǎo)體在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中做勻速切割磁感線運(yùn)動(dòng)時(shí)，不論電路是否閉合，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小只與磁感應(yīng)強(qiáng)度B、導(dǎo)體長(zhǎng)度L、切割速度v及v和B方向間夾角θ的正弦值成正比，即e=BLvsinθ(θ為B,L,v三者間通過(guò)互相轉(zhuǎn)化兩兩垂直所得的角)。在導(dǎo)體棒不切割磁感線時(shí)，但閉合回路中有磁通量變化時(shí)，同樣能產(chǎn)生感應(yīng)電流。應(yīng)用楞次定律可以判斷電流方向。當(dāng)前第7頁(yè)\共有40頁(yè)\編于星期六\14點(diǎn)（2）線圈做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的傳感器：（類似于發(fā)電機(jī)）θ—線圈面的法線方向與磁場(chǎng)方向夾角ω—角頻率。ω為常數(shù)時(shí)，θ=ωtN—工作氣隙中線圈繞組的匝數(shù)A—線圈所包圍的面積結(jié)構(gòu)一定時(shí)，感應(yīng)電勢(shì)與線圈對(duì)磁場(chǎng)的相對(duì)角速度成正比。當(dāng)前第8頁(yè)\共有40頁(yè)\編于星期六\14點(diǎn)7.1.1磁電式傳感器的工作原理7.1.2動(dòng)圈式磁電傳感器7.1.3磁阻式磁電傳感器7.1磁電式傳感器當(dāng)前第9頁(yè)\共有40頁(yè)\編于星期六\14點(diǎn)7.1.3磁阻式磁電傳感器

線圈和磁鐵部分都是靜止的，與被測(cè)物連接而運(yùn)動(dòng)的部分是用導(dǎo)磁材料制成的，在運(yùn)動(dòng)中，它們改變磁路的磁阻，因而改變貫穿線圈的磁能量，在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。 用來(lái)測(cè)量轉(zhuǎn)速，線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的頻率作為輸出，而電勢(shì)的頻率取決于磁通變化的頻率。

結(jié)構(gòu)：開(kāi)磁路、閉磁路當(dāng)前第10頁(yè)\共有40頁(yè)\編于星期六\14點(diǎn)

當(dāng)齒輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，由齒輪的凹凸引起磁阻的周期性變化，磁通也周期性變化，從而在線圈中感應(yīng)出交變電勢(shì)，其頻率f與轉(zhuǎn)速n及齒輪齒數(shù)z的關(guān)系為：開(kāi)磁路磁阻式轉(zhuǎn)速傳感器1－永久磁鐵3－感應(yīng)線圈2－軟鐵4－齒輪結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，但輸出信號(hào)較小，當(dāng)被測(cè)軸振動(dòng)較大時(shí)，傳感器輸出波形失真較大。當(dāng)前第11頁(yè)\共有40頁(yè)\編于星期六\14點(diǎn)閉磁路磁阻式轉(zhuǎn)速傳感器閉磁路磁組式轉(zhuǎn)速傳感器當(dāng)轉(zhuǎn)軸連接到被測(cè)軸上轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，內(nèi)外齒輪的相對(duì)運(yùn)動(dòng)使磁路氣隙發(fā)生變化，因而磁阻發(fā)生變化并使貫穿于線圈中的磁通量變化，在線圈中感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)。采用在振動(dòng)強(qiáng)的場(chǎng)合，有下限工作頻率（50Hz）傳感器的輸出電勢(shì)取決于線圈中磁場(chǎng)變化速度，5－永久磁鐵4－感應(yīng)線圈3－外齒輪2－內(nèi)齒輪1－轉(zhuǎn)軸當(dāng)前第12頁(yè)\共有40頁(yè)\編于星期六\14點(diǎn)7.2壓電式傳感器7.2.1壓電式傳感器的工作原理7.2.2等效電路及信號(hào)變換電路7.2.3壓電式加速度傳感器7.2.4壓電式測(cè)力傳感器當(dāng)前第13頁(yè)\共有40頁(yè)\編于星期六\14點(diǎn)壓電效應(yīng)：由法國(guó)物理學(xué)家居里兄弟皮埃爾、雅克于1880年發(fā)現(xiàn)。正壓電效應(yīng)：外力→電荷當(dāng)晶體受到某固定方向外力的作用時(shí),內(nèi)部就產(chǎn)生電極化現(xiàn)象,同時(shí)在某兩個(gè)表面上產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷；當(dāng)外力撤去后，晶體又恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)；若外力作用方向改變時(shí)，電荷的極性也隨之改變；晶體受力所產(chǎn)生的電荷量與外力的大小成正比。逆壓電效應(yīng)：外加電場(chǎng)→機(jī)械形變

指對(duì)晶體施加電場(chǎng)引起晶體機(jī)械變形的現(xiàn)象，在撤掉外加電場(chǎng)時(shí)，這些物質(zhì)的機(jī)械變形隨之消失。當(dāng)前第14頁(yè)\共有40頁(yè)\編于星期六\14點(diǎn)7.2.1壓電式傳感器的工作原理電勢(shì)型傳感器

以壓電效應(yīng)為基礎(chǔ) 壓電效應(yīng)可逆“雙向傳感器”正壓電效應(yīng) 加力變形產(chǎn)生電荷逆壓電效應(yīng)

施加電場(chǎng)電介質(zhì)產(chǎn)生變形應(yīng)力

常見(jiàn)的壓電材料有石英、鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等。當(dāng)前第15頁(yè)\共有40頁(yè)\編于星期六\14點(diǎn)1.石英晶體的壓電效應(yīng)X軸：電軸或1軸；Y軸：機(jī)械軸或2軸；Z軸：光軸或3軸?！翱v向壓電效應(yīng)”：沿電軸（X軸）方向的力作用下產(chǎn)生電荷“橫向壓電效應(yīng)”：沿機(jī)械軸（Y軸）方向的力作用下產(chǎn)生電荷在光軸（Z軸）方向時(shí)則不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。當(dāng)前第16頁(yè)\共有40頁(yè)\編于星期六\14點(diǎn)晶體切片當(dāng)沿電軸方向加作用力Fx時(shí)，則在與電軸垂直的平面上產(chǎn)生電荷

d11——壓電系數(shù)（C/N）作用力是沿著機(jī)械軸方向電荷仍在與X軸垂直的平面當(dāng)前第17頁(yè)\共有40頁(yè)\編于星期六\14點(diǎn)切片上電荷的符號(hào)與受力方向的關(guān)系圖（a）是在X軸方向受壓力，圖（b）是在X軸方向受拉力，圖（c）是在Y軸方向受壓力，圖（d）是在Y軸方向受拉力。當(dāng)前第18頁(yè)\共有40頁(yè)\編于星期六\14點(diǎn)石英晶體的壓電效應(yīng)（a）正負(fù)電荷是互相平衡的，所以外部沒(méi)有帶電現(xiàn)象。（b）在X軸方向壓縮，表面A上呈現(xiàn)負(fù)電荷、B表面呈現(xiàn)正電荷。（c）沿Y軸方向壓縮，在A和B表面上分別呈現(xiàn)正電荷和負(fù)電荷當(dāng)前第19頁(yè)\共有40頁(yè)\編于星期六\14點(diǎn)石英晶體一種天然晶體，壓電系數(shù)d11＝2.31×10－12C/N；莫氏硬度為7、熔點(diǎn)為1750℃、膨脹系數(shù)僅為鋼的1/30。優(yōu)點(diǎn)：轉(zhuǎn)換精度高、線性范圍寬、重復(fù)性好、固有頻率高、動(dòng)態(tài)特性好、工作溫度高達(dá)550℃（壓電系數(shù)不隨溫度變化而改變）、工作濕度高達(dá)100%、穩(wěn)定性好。當(dāng)前第20頁(yè)\共有40頁(yè)\編于星期六\14點(diǎn)2、壓電陶瓷的壓電效應(yīng)：(1)

壓電陶瓷介紹：壓電陶瓷是一種具有壓電效應(yīng)的功能陶瓷。人工制造、各向同性、多晶體。原始的壓電陶瓷材料內(nèi)部具有無(wú)數(shù)自發(fā)極化的電疇，各電疇的極化方向無(wú)規(guī)則，不具備壓電性。壓電陶瓷要經(jīng)極化處理之后才具有壓電性。當(dāng)前第21頁(yè)\共有40頁(yè)\編于星期六\14點(diǎn)直流電場(chǎng)E剩余極化強(qiáng)度P剩余伸長(zhǎng)電場(chǎng)作用下的伸長(zhǎng)(a)極化處理前(b)極化處理（取極化方向?yàn)閆軸方向）(c)極化處理后

極化處理后，大多數(shù)電疇仍大致沿原外電場(chǎng)方向排列，因而陶瓷內(nèi)部極化強(qiáng)度不為0，即存在剩余極化強(qiáng)度，壓電陶瓷兩端出現(xiàn)束縛電荷，但整體上仍表現(xiàn)為電中性(2)極化處理：Z軸方向外加強(qiáng)直流電場(chǎng)1000~3000V/mm當(dāng)前第22頁(yè)\共有40頁(yè)\編于星期六\14點(diǎn)極化處理后壓電陶瓷整體上仍表現(xiàn)為電中性：極化處理→內(nèi)部極化強(qiáng)度不為0→兩端面出現(xiàn)正負(fù)束縛電荷；束縛電荷→陶瓷表面吸附自由電荷自由電荷與束縛電荷數(shù)量相等、極性相反當(dāng)前第23頁(yè)\共有40頁(yè)\編于星期六\14點(diǎn)(3)壓電陶瓷的壓電效應(yīng)：壓電效應(yīng)：沿極化方向施加外力外力→壓縮變形→電疇偏轉(zhuǎn)→極化強(qiáng)度減小→釋放部分自由電荷。（放電）外力撤消→恢復(fù)原形→電疇回轉(zhuǎn)→極化強(qiáng)度增大→吸附部分自由電荷。（充電）逆壓電效應(yīng)：沿極化方向施加電場(chǎng)

電場(chǎng)方向與極化方向相同：極化強(qiáng)度增強(qiáng)→正負(fù)束縛電荷間距變大→極化方向伸長(zhǎng)電場(chǎng)方向與極化方向相反：極化強(qiáng)度減弱→正負(fù)束縛電荷間距變小→極化方向縮短剩余極化強(qiáng)度剩余伸長(zhǎng)當(dāng)前第24頁(yè)\共有40頁(yè)\編于星期六\14點(diǎn)壓電陶瓷的正壓電效應(yīng)壓電陶瓷片上加上一個(gè)與極化反向平行的外力，陶瓷片將產(chǎn)生壓縮變形，原來(lái)吸附在極板上的自由電荷，一部分被釋放而出現(xiàn)放電現(xiàn)象。 當(dāng)壓力撤消后，陶瓷片恢復(fù)原狀，片內(nèi)的正、負(fù)電荷之間的距離變大，極化強(qiáng)度也變大，因此電極上又吸附部分自由電荷而出現(xiàn)充電現(xiàn)象。放電電荷的多少與外力的大小成比例關(guān)系

當(dāng)前第25頁(yè)\共有40頁(yè)\編于星期六\14點(diǎn)常見(jiàn)壓電陶瓷：（1）鈦酸鋇（BaTiO3）壓電陶瓷 具有較高的壓電系數(shù)和介電常數(shù)，機(jī)械強(qiáng)度不如石英。（2）鋯鈦酸鉛Pb（Zr·Ti）O3系壓電陶瓷（PZT） 壓電系數(shù)較高，各項(xiàng)機(jī)電參數(shù)隨溫度、時(shí)間等外界條件的變化小，在鋯鈦酸鉛的基方中添加一兩種微量元素，可以獲得不同性能的PZT材料。（3）鈮鎂酸鉛Pb(MgNb)O3-PbTiO3-PbZrO3壓電陶瓷（PMN） 具有較高的壓電系數(shù)，在壓力大至700kg/cm2仍能繼續(xù)工作，可作為高溫下的力傳感器。當(dāng)前第26頁(yè)\共有40頁(yè)\編于星期六\14點(diǎn)7.2壓電式傳感器7.2.1壓電式傳感器的工作原理7.2.2等效電路及信號(hào)變換電路7.2.3壓電式加速度傳感器7.2.4壓電式測(cè)力傳感器當(dāng)前第27頁(yè)\共有40頁(yè)\編于星期六\14點(diǎn)7.2.2等效電路及信號(hào)變換電路1.壓電元件的等效電路2.壓電式傳感器的信號(hào)調(diào)節(jié)電路當(dāng)前第28頁(yè)\共有40頁(yè)\編于星期六\14點(diǎn)1.壓電元件的等效電路靜電荷發(fā)生器：當(dāng)壓電元件受到外力作用時(shí)，會(huì)在壓電元件一定方向的兩個(gè)表面（電極面）上產(chǎn)生電量相等、極性相反的電荷。電容器：在壓電元件的兩個(gè)電極面上有電荷聚集，并且電極面間的物質(zhì)可以等效為電介質(zhì)。當(dāng)前第29頁(yè)\共有40頁(yè)\編于星期六\14點(diǎn)壓電式傳感器的等效電路(a)等效為一個(gè)電荷源Q與一個(gè)電容Ca并聯(lián)的電路(b)等效成一個(gè)電源U=Q/Ca

和一個(gè)電容Ca的串聯(lián)電路當(dāng)前第30頁(yè)\共有40頁(yè)\編于星期六\14點(diǎn)兩個(gè)壓電片的聯(lián)接方式（a）“并聯(lián)”，Q’=2Q，U’=U，C’=2C并聯(lián)接法輸出電荷大，本身電容大，時(shí)間常數(shù)大，適宜用在測(cè)量慢變信號(hào)并且以電荷作為輸出量的地方，（b）“串聯(lián)”Q’=Q，U’=2U，C’=C/2而串聯(lián)接法輸出電壓大，本身電容小。適宜用于以電壓作輸出信號(hào)，且測(cè)量電路輸入阻抗很高的地方。當(dāng)前第31頁(yè)\共有40頁(yè)\編于星期六\14點(diǎn)2.壓電式傳感器的信號(hào)調(diào)節(jié)電路

壓電式傳感器要求負(fù)載電阻RL必須有很大的數(shù)值，才能使測(cè)量誤差小到一定數(shù)值以內(nèi)。 因此常先接入一個(gè)高輸入阻抗的前置放大器，然后再接一般的放大電路及其它電路。

測(cè)量電路關(guān)鍵在高阻抗的前置放大器。前置放大器兩個(gè)作用:把壓電式傳感器的微弱信號(hào)放大；把傳感器的高阻抗輸出變換為低阻抗輸出。當(dāng)前第32頁(yè)\共有40頁(yè)\編于星期六\14點(diǎn)

前置放大器的形式：1、電壓放大器：輸出電壓與輸入電壓（傳感器輸出電壓）成正比；要求高輸入阻抗，以提高低頻段測(cè)量范圍。電纜長(zhǎng)度應(yīng)設(shè)為常數(shù)（靈敏度易受電纜電容的影響）。2、電荷放大器：輸出電壓與傳感器的輸出電荷成正比。輸出電壓與傳輸電纜長(zhǎng)度無(wú)關(guān)（電纜電容影響小），適合長(zhǎng)距離傳輸工作。經(jīng)前置放大后，可采用一般放大、檢波、記錄等電路，或經(jīng)功率放大至記錄器。當(dāng)前第33頁(yè)\共有40頁(yè)\編于星期六\14點(diǎn)7.2壓電式傳感器7.2.1壓電式傳感器的工作原理7.2.2等效電路及信號(hào)變換電路7.2.3壓電式加速度傳感器7.2.4壓電式測(cè)力傳感器當(dāng)前第34頁(yè)\共有40頁(yè)\編于星期六\14點(diǎn)7.2.3壓電式加速度傳感器壓縮式壓電加速度傳感器結(jié)構(gòu)當(dāng)前第35頁(yè)\共有40頁(yè)\編于星期六\14點(diǎn)測(cè)量原理當(dāng)傳感器感受振動(dòng)時(shí)，質(zhì)量塊感受與傳感器基座相同的振動(dòng)，并受到與加速度方向相反的慣性力的作用