第五章電動勢式傳感器原理與應(yīng)用

任課教師：2015－2016學(xué)年第一學(xué)期第五章電動勢式傳感器原理與應(yīng)用2本章教學(xué):一、教學(xué)要求：了解磁電式傳感器的種類與應(yīng)用特點；掌握霍爾傳感器的原理、結(jié)構(gòu)及應(yīng)用。特性和轉(zhuǎn)換電路；理解壓電效應(yīng)的機理；了解常用壓電材料的種類與特性掌握壓電式傳感器的結(jié)構(gòu)、等效電路、測量電路和應(yīng)用范圍。理解電動勢式傳感器的設(shè)計思想和設(shè)計要點，從中領(lǐng)會應(yīng)用中應(yīng)注意的問題；明確各種傳感器的應(yīng)用范圍。3介紹磁電式傳感器、霍爾傳感器和壓電式傳感器的原理與應(yīng)用。這幾種傳感器是將被測量轉(zhuǎn)換為電動勢的裝置。磁電式傳感器應(yīng)用磁感應(yīng)原理工作，常用來測量振動與轉(zhuǎn)速；霍爾元件的工作原理是霍爾效應(yīng)，多用于測量位移和壓力；壓電式傳感器的工作原理是壓電效應(yīng)，常用來測量振動、加速度等動態(tài)物理量。4二、教學(xué)時間安排：8學(xué)時

三、主要內(nèi)容：磁電式傳感器霍爾傳感器壓電式傳感器本章重點：霍爾傳感器的原理與應(yīng)用；本章難點：霍爾傳感器系統(tǒng)的構(gòu)成、測量方法。四、教學(xué)過程：本章教學(xué):5第一節(jié)磁電式傳感器電磁感應(yīng)式傳感器又稱磁電式傳感器，是利用電磁感應(yīng)原理將被測量（如振動、位移、轉(zhuǎn)速等）轉(zhuǎn)換成電信號的一種傳感器。它不需要輔助電源，就能把被測對象的機械量轉(zhuǎn)換成易于測量的電信號，是一種有源傳感器。由于它輸出功率大，且電路簡單，性能穩(wěn)定，輸出阻抗小，具有一定的工作帶寬（10～1000Hz），所以得到普遍應(yīng)用。但是只適合進行動態(tài)測量。6第一節(jié)磁電式傳感器1、磁電式傳感器的工作原理2、動圈式磁電傳感器3、磁阻式磁電傳感器4、磁電式傳感器的動態(tài)特性71、工作原理第一節(jié)磁電式傳感器法拉第電磁感應(yīng)定律：根據(jù)電磁感應(yīng)定律，當(dāng)導(dǎo)體在穩(wěn)恒均勻磁場中，沿垂直磁場方向運動時，導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生的感應(yīng)電勢為

如果線圈是N匝，磁場強度是B，每匝線圈的平均長度la，線圈相對磁場運動的速度為υ=dx/dt，角速度為則整個線圈中所產(chǎn)生的電動勢為：S為每匝線圈的平均截面積81、工作原理第一節(jié)磁電式傳感器不同類型的磁電式傳感器92、動圈式磁電傳感器第一節(jié)磁電式傳感器工作原理102、動圈式磁電傳感器第一節(jié)磁電式傳感器工作原理

磁路系統(tǒng)產(chǎn)生恒定的直流磁場，磁路中的工作氣隙固定不變，因而氣隙中磁通也是恒定不變的。其運動部件可以是線圈（動圈式），也可以是磁鐵（動鐵式），動圈式（圖（a））和動鐵式（圖(b)）的工作原理是完全相同的。當(dāng)殼體隨被測振動體一起振動時，由于彈簧較軟，運動部件質(zhì)量相對較大，當(dāng)振動頻率足夠高（遠(yuǎn)大于傳感器固有頻率）時，運動部件慣性很大，來不及隨振動體一起振動，近乎靜止不動，振動能量幾乎全被彈簧吸收，永久磁鐵與線圈之間的相對運動速度接近于振動體振動速度，磁鐵與線圈的相對運動切割磁力線，從而產(chǎn)生感應(yīng)電勢。112、動圈式磁電傳感器第一節(jié)磁電式傳感器工作原理122、動圈式磁電傳感器第一節(jié)磁電式傳感器工作原理132、動圈式磁電傳感器第一節(jié)磁電式傳感器工作原理142、動圈式磁電傳感器第一節(jié)磁電式傳感器工作原理如果在線圈運動部分的磁場強度B是均勻的，則當(dāng)線圈與磁場的相對速度為υ時，線圈的感應(yīng)電動勢：當(dāng)α＝90°，線圈的感應(yīng)電動勢為：當(dāng)N、B和la恒定不變時，E與υ=dx/dt成正比，根據(jù)感應(yīng)電動勢E的大小就可以知道被測速度的大小。152、動圈式磁電傳感器第一節(jié)磁電式傳感器結(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。為了減小傳感器的體積，一般都采用永久磁鐵；

2、線圈：由它運動切割磁力線產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。作為一個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。162、動圈式磁電傳感器第一節(jié)磁電式傳感器結(jié)構(gòu)圖5.1.2磁電式振動傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖1-彈簧片2-永久磁鐵3-阻尼器4-引線5-芯桿6-外殼7-線圈8-彈簧片173、磁阻式磁電傳感器第一節(jié)磁電式傳感器

線圈和磁鐵部分都是靜止的，與被測物連接而運動的部分是用導(dǎo)磁材料制成的，在運動中，它們改變磁路的磁阻，因而改變貫穿線圈的磁通量，在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。 用來測量轉(zhuǎn)速，線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢的頻率作為輸出，而電勢的頻率取決于磁通變化的頻率。

結(jié)構(gòu)：開磁路、閉磁路

183、磁阻式磁電傳感器第一節(jié)磁電式傳感器193、磁阻式磁電傳感器第一節(jié)磁電式傳感器開磁路1－永久磁鐵3－感應(yīng)線圈2－軟鐵4－齒輪結(jié)構(gòu)比較簡單，但輸出信號較小，當(dāng)被測軸振動較大時，傳感器輸出波形失真較大。203、磁阻式磁電傳感器第一節(jié)磁電式傳感器開磁路變磁通式：線圈、磁鐵靜止不動，測量齒輪安裝在被測旋轉(zhuǎn)體上，隨被測體一起轉(zhuǎn)動。每轉(zhuǎn)動一個齒，齒的凹凸引起磁路磁阻變化一次，磁通也就變化一次，線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電勢，其變化頻率等于被測轉(zhuǎn)速與測量齒輪上齒數(shù)的乘積。這種傳感器結(jié)構(gòu)簡單，但輸出信號較小，且因高速軸上加裝齒輪較危險而不宜測量高轉(zhuǎn)速的場合。213、磁阻式磁電傳感器第一節(jié)磁電式傳感器閉磁路磁阻式轉(zhuǎn)速傳感器采用在振動強的場合，有下限工作頻率（50Hz）有上限工作頻率可達到（100Hz）223、磁阻式磁電傳感器第一節(jié)磁電式傳感器閉磁路變磁通式傳感器，它由裝在轉(zhuǎn)軸上的內(nèi)齒輪和外齒輪、永久磁鐵和感應(yīng)線圈組成，內(nèi)外齒輪齒數(shù)相同。當(dāng)轉(zhuǎn)軸連接到被測轉(zhuǎn)軸上時，外齒輪不動，內(nèi)齒輪隨被測軸而轉(zhuǎn)動，內(nèi)、外齒輪的相對轉(zhuǎn)動使氣隙磁阻產(chǎn)生周期性變化，從而引起磁路中磁通的變化，使線圈內(nèi)產(chǎn)生周期性變化的感應(yīng)電動勢。顯然，感應(yīng)電勢的頻率與被測轉(zhuǎn)速成正比。234、磁電感應(yīng)式傳感器基本特性第一節(jié)磁電式傳感器當(dāng)測量電路接入磁電傳感器電路時，磁電傳感器的輸出電流Io為式中：

Rf——測量電路輸入電阻；

R——線圈等效電阻。==244、磁電感應(yīng)式傳感器基本特性第一節(jié)磁電式傳感器而傳感器的輸出電壓和電壓靈敏度分別為

B值大，靈敏度也大，因此要選用B值大的永磁材料；線圈的平均長度大也有助于提高靈敏度，但這是有條件的，要考慮兩種情況：線圈電阻與指示器電阻匹配問題

因傳感器相當(dāng)于一個電壓源，為使指示器從傳感器獲得最大功率，必須使線圈的電阻等于指示器的電阻。線圈的發(fā)熱問題

傳感器線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，接上負(fù)載后，線圈中有電流流過而發(fā)熱。傳感器的電流靈敏度為254、磁電感應(yīng)式傳感器基本特性第一節(jié)磁電式傳感器測量誤差

當(dāng)傳感器的工作溫度發(fā)生變化或受到外界磁場干擾、受到機械振動或沖擊時，其靈敏度將發(fā)生變化，從而產(chǎn)生測量誤差，其相對誤差為：264、磁電感應(yīng)式傳感器基本特性第一節(jié)磁電式傳感器測量誤差

非線性誤差

主要原因：當(dāng)磁電式傳感器在進行測量時，傳感器線圈會有電流流過，這時線圈會產(chǎn)生一定的交變磁通，此交變磁通會疊加在永久磁鐵產(chǎn)生的傳感器工作磁通上，導(dǎo)致氣隙磁通變化。這種影響分為兩種情況274、磁電感應(yīng)式傳感器基本特性第一節(jié)磁電式傳感器測量誤差

當(dāng)傳感器線圈相對磁場運動所產(chǎn)生的附加磁場與原工作磁場方向相反時，附加磁場將減弱工作磁場的作用，從而使得傳感器的靈敏度隨著被測速度的增大而降低。即當(dāng)傳感器向上運動時，兩個磁場方向相反，減弱了工作磁場的作用，使傳感器靈敏度降低；當(dāng)傳感器線圈相對磁場運動所產(chǎn)生的附加磁場與原工作磁場方向相同時，附加磁場將增強工作磁場的作用，從而使得傳感器的靈敏度隨著被測速度的增大而增高。即當(dāng)傳感器向下運動時，兩個磁場方向相同，增強了工作磁場的作用，使傳感器靈敏度增強；這兩種情況將導(dǎo)致測量結(jié)果中出現(xiàn)非線性項，且速度越大，影響越明顯。這種非線性特性同時伴隨著傳感器輸出的諧波失真。補償上述干擾的方法是在傳感器中加入補償線圈，補償線圈被通以一定的電流，適當(dāng)選擇補償線圈的參數(shù)，使其產(chǎn)生的交變補償磁通可以與傳感器線圈本身產(chǎn)生的交變附加磁通相互抵消，從而達到補償?shù)哪康摹?84、磁電感應(yīng)式傳感器基本特性第一節(jié)磁電式傳感器測量誤差

溫度誤差（比較嚴(yán)重）

溫度誤差補償辦法：在結(jié)構(gòu)允許的情況下，在傳感器的磁鐵下設(shè)置熱磁分路，進行溫度補償。熱磁分路片具有很大的負(fù)溫度系數(shù)。永久磁鐵的磁感應(yīng)強度隨溫度的增加而減小，傳感器線圈是用銅線繞成的，線圈的電阻R的溫度系數(shù)是正的，溫度增加10℃，電阻大約增加4%。295、磁電感應(yīng)式傳感器的動態(tài)特性第一節(jié)磁電式傳感器當(dāng)被測物振動頻率低于傳感器的固有頻率時，傳感器的靈敏度是隨振動頻率的升高而明顯增加的；在振動頻率更高（過大）的情況下，線圈阻抗增加，傳感器靈敏度會隨著振動頻率的增加反而下降。當(dāng)振動頻率遠(yuǎn)大于傳感器固有頻率時，傳感器的靈敏度接近為一個常數(shù)，它基本上不隨頻率變化，即在這一頻率范圍內(nèi)，傳感器的輸出電壓與振動速度成正比關(guān)系，這一頻段就是傳感器的理想工作頻段；306、測量電路第一節(jié)磁電式傳感器317、磁電感應(yīng)式傳感器的應(yīng)用第一節(jié)磁電式傳感器磁電感應(yīng)式振動速度傳感器

327、磁電感應(yīng)式傳感器的應(yīng)用第一節(jié)磁電式傳感器測量扭矩時，需要兩個傳感器，將他們分別固定到被測軸的兩端，安裝時一個定子齒與轉(zhuǎn)子齒相對，一個是齒與槽相對，當(dāng)無轉(zhuǎn)矩時，扭矩角為零，則兩個傳感器輸出相位差為0或者180度的兩個近似正弦波的感應(yīng)電勢，工作時軸兩端產(chǎn)生扭矩角β，此時兩個傳感器輸出的電動勢將產(chǎn)生附加相位角β0，經(jīng)測量電路，將相位差轉(zhuǎn)換為時間差，就可以測量出扭矩磁電感應(yīng)式扭矩傳感器337、磁電感應(yīng)式傳感器的應(yīng)用第一節(jié)磁電式傳感器電磁流量計34第二節(jié)霍爾傳感器霍爾式傳感器是利用霍爾元件基于霍爾效應(yīng)原理而將被測量，如電流、磁場、位移、壓力等轉(zhuǎn)換成電動勢輸出的一種傳感器。

優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，體積小，堅固，頻率響應(yīng)寬，動態(tài)范圍大,無觸點,使用壽命長,可靠性高,易微型化和集成電路化。

不足：溫度影響大，要求轉(zhuǎn)換精度較高時必須進行溫度補償。35第二節(jié)霍爾傳感器霍爾傳感器工作原理霍爾元件的結(jié)構(gòu)和基本電路霍爾元件的主要特性參數(shù)霍爾元件誤差及補償霍爾式傳感器的應(yīng)用36第二節(jié)霍爾傳感器1、霍爾傳感器的工作原理將半導(dǎo)體薄片置于磁場中，當(dāng)它的電流方向與磁場方向不一致時，半導(dǎo)體薄片上平行于電流和磁場方向的兩個面之間產(chǎn)生電動勢，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)，該電動勢稱霍爾電勢，半導(dǎo)體薄片稱霍爾元件。37第二節(jié)霍爾傳感器1、霍爾傳感器的工作原理——霍爾常數(shù)

38第二節(jié)霍爾傳感器1、霍爾傳感器的工作原理載流子受洛侖茲力霍爾電場強度平衡狀態(tài)電子運動平均速度霍爾電勢39第二節(jié)霍爾傳感器1、霍爾傳感器的工作原理霍爾常數(shù)霍爾常數(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，所以金屬材料不宜制作霍爾元件。霍爾電勢與導(dǎo)體厚度d成反比：為了提高霍爾電勢值，霍爾元件制成薄片形狀?；魻栐`敏度（靈敏系數(shù)）半導(dǎo)體中電子遷移率（電子定向運動平均速度）比空穴遷移率高，因此N型半導(dǎo)體較適合于制造靈敏度高的霍爾元件，40第二節(jié)霍爾傳感器2、霍爾元件的結(jié)構(gòu)和基本電路41第二節(jié)霍爾傳感器2、霍爾元件的結(jié)構(gòu)和基本電路砷化鈉霍爾器件

溫度系數(shù)小，靈敏度高，線性度好，溫漂小，穩(wěn)定性高，體積小

42第二節(jié)霍爾傳感器3、霍爾元件的主要特性參數(shù)(1)輸入電阻和輸出電阻

輸入電阻：控制電極間的電阻

輸出電阻：霍爾電極之間的電阻兩者均規(guī)定在室溫（20±5℃）的環(huán)境溫度中測取。(2)額定控制電流和最大允許控制電流額定控制電流：當(dāng)霍爾元件有控制電流使其本身在空氣中產(chǎn)生10℃溫升時，對應(yīng)的控制電流值最大允許控制電流：以元件允許的最大溫升為限制所對應(yīng)的控制電流值43第二節(jié)霍爾傳感器3、霍爾元件的主要特性參數(shù)不等位電勢：當(dāng)霍爾元件的控制電流為額定值時，若元件所處位置的磁感應(yīng)強度為零，測得的空載霍爾電勢。r0稱不等位電阻

不等位電勢也可用不等位電阻表示：—零位電阻44第二節(jié)霍爾傳感器3、霍爾元件的主要特性參數(shù)產(chǎn)生不等位電勢的原因主要是：①霍爾電極安裝位置不正確（不對稱或不在同一等電位面上）；②半導(dǎo)體材料不均勻造成了電阻率不均勻或是幾何尺寸不均勻；③控制電極接觸不良造成控制電流不均勻分布等。（均是制造工藝造成的）45第二節(jié)霍爾傳感器3、霍爾元件的主要特性參數(shù)(4)寄生直流電勢霍爾元件零位誤差的一部分當(dāng)沒有外加磁場，霍爾元件用交流控制電流時，霍爾電極的輸出有一個直流電勢控制電極和霍爾電極與基片的連接是非完全歐姆接觸時，會產(chǎn)生整流效應(yīng)。兩個霍爾電極焊點的不一致，引起兩電極溫度不同產(chǎn)生溫差電勢(5)霍爾電勢溫度系數(shù)

在一定磁感應(yīng)強度和控制電流下，溫度每變化1oC時，霍爾電勢變化的百分率。46第二節(jié)霍爾傳感器4、霍爾元件誤差及補償1）不等位電勢誤差的補償2）溫度誤差及其補償47第二節(jié)霍爾傳感器4、霍爾元件誤差及補償1）不等位電勢誤差的補償可以把霍爾元件視為一個四臂電阻電橋，不等位電勢就相當(dāng)于電橋的初始不平衡輸出電壓。補償原理：將R1、R2、R3、R4其視為電橋的四個臂，即電橋不平衡，為使其平衡可在阻值較大的臂上并聯(lián)電阻，或在兩個臂上同時并聯(lián)電阻。48第二節(jié)霍爾傳感器4、霍爾元件誤差及補償1）不等位電勢誤差的補償不對稱電路簡單，而對稱補償?shù)臏囟确€(wěn)定性要好些49第二節(jié)霍爾傳感器4、霍爾元件誤差及補償2）溫度誤差及其補償溫度誤差產(chǎn)生原因： 霍爾元件的基片是半導(dǎo)體材料，因而對溫度的變化很敏感。其載流子濃度和載流子遷移率、電阻率和霍爾系數(shù)都是溫度的函數(shù)。 當(dāng)溫度變化時，霍爾元件的一些特性參數(shù)，如霍爾電勢、輸入電阻和輸出電阻等都要發(fā)生變化，從而使霍爾式傳感器產(chǎn)生溫度誤差。50第二節(jié)霍爾傳感器4、霍爾元件誤差及補償2）溫度誤差及其補償選用溫度系數(shù)小的元件采用恒溫措施采用恒流源供電51第二節(jié)霍爾傳感器4、霍爾元件誤差及補償2）溫度誤差及其補償恒流源溫度補償霍爾元件的靈敏系數(shù)也是溫度的函數(shù)，它隨溫度的變化引起霍爾電勢的變化，霍爾元件的靈敏系數(shù)與溫度的關(guān)系大多數(shù)霍爾元件的溫度系數(shù)α是正值時，它們的霍爾電勢隨溫度的升高而增加（1+α△t）倍。同時，讓控制電流I相應(yīng)地減小，能保持KHI不變就抵消了靈敏系數(shù)值增加的影響。52第二節(jié)霍爾傳感器4、霍爾元件誤差及補償2）溫度誤差及其補償恒流源溫度補償當(dāng)霍爾元件的輸入電阻隨溫度升高而增加時，旁路分流電阻自動地加強分流，減少了霍爾元件的控制電流。53第二節(jié)霍爾傳感器4、霍爾元件誤差及補償2）溫度誤差及其補償恒流源溫度補償控制電流溫度升到T時，電路中各參數(shù)變?yōu)槭街?，δ—?/p>

霍爾元件輸入電阻溫度系數(shù)；

β——

分流電阻溫度系。54第二節(jié)霍爾傳感器4、霍爾元件誤差及補償2）溫度誤差及其補償恒流源溫度補償為使霍爾電勢不變，補償電路必須滿足:升溫前、后的霍爾電勢不變:

經(jīng)整理，忽略高次項后得用上式即可計算出分流電阻及所需的溫度系數(shù)值。55第二節(jié)霍爾傳感器5、霍爾式傳感器的應(yīng)用優(yōu)點:

結(jié)構(gòu)簡單，體積小，重量輕，頻帶寬，動態(tài)特性好和壽命長應(yīng)用：電磁測量：測量恒定的或交變的磁感應(yīng)強度、有功功率、無功功率、相位、電能等參數(shù)；自動檢測系統(tǒng)：多用于位移、壓力的測量。56第二節(jié)霍爾傳感器5、霍爾式傳感器的應(yīng)用轉(zhuǎn)速測量NS霍爾元件ωα（轉(zhuǎn)角）VH0π2πNS霍爾元件ωα（轉(zhuǎn)角）VH0永磁體裝在軸端的轉(zhuǎn)速測量方法永磁體裝在軸側(cè)的轉(zhuǎn)速測量方法57第二節(jié)霍爾傳感器5、霍爾式傳感器的應(yīng)用轉(zhuǎn)速測量工作原理及用途：

被測體上貼一磁鋼，非接觸式測量，高可靠，適用于低轉(zhuǎn)速，體積小、安裝方便，對環(huán)境無要求，適合各種惡劣環(huán)境、污濁環(huán)境、功耗低，適宜長期工作?；魻柺睫D(zhuǎn)速計58第二節(jié)霍爾傳感器5、霍爾式傳感器的應(yīng)用利用霍爾線性集成傳感器進行磁法覆蓋層厚度測量

磁法覆蓋厚度測量是指對鐵磁性物質(zhì)表面非磁性涂層的厚度測量。例如對鋼鐵表面的鍍膜、油漆、塑料、搪瓷等覆蓋層的厚度等便可使用磁法厚度測量的方法。59第二節(jié)霍爾傳感器5、霍爾式傳感器的應(yīng)用利用霍爾線性集成傳感器進行磁法覆蓋層厚度測量U型鐵心永磁體鐵磁基體磁回路SL3501M覆蓋層60第二節(jié)霍爾傳感器5、霍爾式傳感器的應(yīng)用利用霍爾線性集成傳感器進行磁法覆蓋層厚度測量測量時將U形鐵芯的兩極放到被測物體表面上，這時永磁體產(chǎn)生的磁通便通過U形鐵芯和被測物體構(gòu)成磁回路。當(dāng)被測物體表面覆蓋層厚度不同時，磁回路的磁阻和磁通量將會發(fā)生變化，磁回路中的霍爾集成傳感器將會檢測出磁場強度的不同，從而使霍爾集成傳感器產(chǎn)生的輸出電壓隨覆蓋層厚度的不同而變化，完成覆蓋層非電量到電量的轉(zhuǎn)換。將U型硅鋼片鐵芯中間斷開，然后將SL3501M霍爾線性集成傳感器和一片釹鐵硼永磁體夾在中間，用502膠粘牢。61第二節(jié)霍爾傳感器5、霍爾式傳感器的應(yīng)用霍爾元件在電流測量上的應(yīng)用

用霍爾元件測量電流，都是通過霍爾元件檢測通電導(dǎo)線周圍的磁場來實現(xiàn)的。在現(xiàn)代工程技術(shù)中，往往要測量大直流電流，有時直流電流值高達10KA以上。過去，多采用電阻器分流的方法來測量這樣大的電流。這種方法有許多缺點，如分流器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、笨重、耗電、耗銅等。利用霍爾效應(yīng)原理測量大電流可以克服上述的一些缺點?；魻栃?yīng)大電流計結(jié)構(gòu)簡單、成本低、準(zhǔn)確度高，在很大程度上與頻率無關(guān)，便于遠(yuǎn)距離測量，測量時不需要斷開回路。62第二節(jié)霍爾傳感器5、霍爾式傳感器的應(yīng)用霍爾元件在電流測量上的應(yīng)用（1）導(dǎo)線旁測法

這種方法是一種最簡單的方法，將霍爾元件放在通電導(dǎo)線的附近，給霍爾元件通以恒定電流，用霍爾元件測量被測電流產(chǎn)生的磁場，就可以從元件輸出的霍爾電壓中確定被測電流值。這種方法雖然結(jié)構(gòu)簡單，但測量精度較差，受外界干擾也大，只適用一些不重要的場合。BICI通電電流VH63第二節(jié)霍爾傳感器5、霍爾式傳感器的應(yīng)用霍爾元件在電流測量上的應(yīng)用當(dāng)導(dǎo)線中有電流流通時，導(dǎo)線周圍產(chǎn)生磁場，使導(dǎo)磁體鐵芯磁化成暫時性磁鐵，在環(huán)形氣隙中就會形成一個磁場，導(dǎo)體中的電流越大，氣隙處的磁感應(yīng)強度就越大，霍爾元器件輸出的霍爾電壓VH就越大?？梢酝ㄟ^霍爾電壓檢測到導(dǎo)線中的電流。這種方法可以提高電流測量的精度。導(dǎo)磁鐵心霍爾元器件通電導(dǎo)線I（2）導(dǎo)線貫串磁芯法如果用鐵磁材料做成磁導(dǎo)體的鐵芯，使被測通電導(dǎo)線貫串它的中央，將霍爾元件或霍爾集成傳感器放在磁導(dǎo)體的氣隙中，這樣，可以通過環(huán)形鐵芯集中磁力線，如下圖所示。測量原理64第二節(jié)霍爾傳感器5、霍爾式傳感器的應(yīng)用霍爾元件在電流測量上的應(yīng)用在實際應(yīng)用中，為了測量的方便，還可以把導(dǎo)磁鐵芯做成鉗式形狀，或非閉合磁路的形狀，如下圖所示。I霍爾元器件通電導(dǎo)線導(dǎo)磁鐵心霍爾元器件通電導(dǎo)線導(dǎo)磁鐵心I鉗式非閉合磁路式65第二節(jié)霍爾傳感器5、霍爾式傳感器的應(yīng)用霍爾元件在電流測量上的應(yīng)用（3）磁芯繞線法這種方法如下圖所示。它由標(biāo)準(zhǔn)環(huán)形導(dǎo)磁鐵芯和SL3501M霍爾線性集成傳感器組合而成。SL3501M通電導(dǎo)線導(dǎo)磁鐵心I被測通電導(dǎo)線繞在導(dǎo)磁鐵芯上，每1安1匝在氣隙處可產(chǎn)生0.0056T的磁感應(yīng)強度。若測量范圍是0~20A時，則導(dǎo)線繞制9匝便可產(chǎn)生約0.1T的磁感應(yīng)強度，SL3501M會有1.4V的電壓輸出。66第二節(jié)霍爾傳感器5、霍爾式傳感器的應(yīng)用霍爾元件在電流測量上的應(yīng)用（3）磁芯繞線法數(shù)字鉗型表用途：

主要用于大電流測量，可用于機械加工車間，工廠，及各種耗電量較大的任何場合。67第二節(jié)霍爾傳感器5、霍爾式傳感器的應(yīng)用霍爾元件在磁性材料研究上的應(yīng)用被測磁性物質(zhì)交流信號源霍爾元件示波器電流表磁化繞組在磁性材料特性研究中，往往需要復(fù)雜的過程才能得到B-H曲線或磁場分布圖。因為霍爾電壓同鐵芯磁化繞組的電流的關(guān)系VH=f(IM）同樣反映了磁感應(yīng)強度B與磁場強度H之間的關(guān)系B=f(H)，所以可以直接用示波器來觀察這個關(guān)系。68第二節(jié)霍爾傳感器5、霍爾式傳感器的應(yīng)用霍爾線性位移傳感器霍爾線性位移傳感器69第二節(jié)霍爾傳感器5、霍爾式傳感器的應(yīng)用霍爾線性位移傳感器若令霍爾元件的工作電流保持不變，而使其在一個均勻梯度磁場中移動，它輸出的霍爾電壓VH值只由它在該磁場中的位移量Z來決定。圖中3種產(chǎn)生梯度磁場的磁系統(tǒng)及其與霍爾器件組成的位移傳感器的輸出特性曲線，將它們固定在被測系統(tǒng)上，可構(gòu)成霍爾微位移傳感器。從曲線可見，結(jié)構(gòu)（b）在Z<2mm時，VH與Z有良好的線性關(guān)系，且分辨力可達1μm，結(jié)構(gòu)（C）的靈敏度高，但工作距離較小。

幾種產(chǎn)生梯度磁場的磁系統(tǒng)和幾種霍爾位移傳感器的靜態(tài)特性霍爾線性位移傳感器原理70第二節(jié)霍爾傳感器5、霍爾式傳感器的應(yīng)用霍爾壓力傳感器霍爾壓力傳感器由彈性元件，磁系統(tǒng)和霍爾元件等部分組成，如圖所示。(a)的彈性元件為膜盒，(b)為彈簧片，(c)為波紋管。磁系統(tǒng)最好用能構(gòu)成均勻梯度磁場的復(fù)合系統(tǒng)，如圖中的(a)、(b)，也可采用單一磁體，如(c)。加上壓力后，使磁系統(tǒng)和霍爾元件間產(chǎn)生相對位移，改變作用到霍爾元件上的磁場，從而改變它的輸出電壓VH。由事先校準(zhǔn)的p～f(VH)曲線即可得到被測壓力p的值。

霍爾壓力傳感器的構(gòu)成原理71第二節(jié)霍爾傳感器5、霍爾式傳感器的應(yīng)用加速度傳感器72第二節(jié)霍爾傳感器5、霍爾式傳感器的應(yīng)用磁場的測量

在控制電流恒定條件下，霍爾電勢大小與磁感應(yīng)強度成正比，由于霍爾元件的結(jié)構(gòu)特點，它特別適用于微小氣隙中的磁感應(yīng)強度、高梯度磁場參數(shù)的測量?；魻栯妱菔谴艌龇较蚺c霍爾基片法線方向之間夾角的函數(shù)。應(yīng)用：霍爾式磁羅盤、霍爾式方位傳感器、霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器73第三節(jié)壓電式傳感器壓電式傳感器的工作原理是基于某些物質(zhì)的壓電效應(yīng)。壓電效應(yīng)分正、逆壓電效應(yīng)，利用正壓電效應(yīng)制作成了電勢型傳感器。壓電式傳感器具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、動態(tài)特性好、靜態(tài)特性差的特點。多用于加速度和動態(tài)力或壓力的測量74第三節(jié)壓電式傳感器壓電式傳感器的工作原理等效電路及信號變換電路壓電式加速度傳感器壓電式測力傳感器75第三節(jié)壓電式傳感器1、壓電式傳感器的工作原理電勢型傳感器

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)

施加電場電介質(zhì)產(chǎn)生變形應(yīng)力

常見的壓電材料有石英、鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等。76第三節(jié)壓電式傳感器1、壓電式傳感器的工作原理（1）石英晶體的壓電效應(yīng)X軸：電軸或1軸；Y軸：機械軸或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)”：沿機械軸（Y軸）方向的力作用下產(chǎn)生電荷在光軸（Z軸）方向時則不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。77第三節(jié)壓電式傳感器1、壓電式傳感器的工作原理（1）石英晶體的壓電效應(yīng)晶體切片：當(dāng)沿電軸方向加作用力Fx時，則在與電軸垂直的平面上產(chǎn)生電荷。d11——壓電系數(shù)（C/N）作用力是沿著機械軸方向電荷仍在與X軸垂直的平面78第三節(jié)壓電式傳感器1、壓電式傳感器的工作原理（1）石英晶體的壓電效應(yīng)切片上電荷的符號與受力方向的關(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。79第三節(jié)壓電式傳感器1、壓電式傳感器的工作原理（1）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80第三節(jié)壓電式傳感器1、壓電式傳感器的工作原理（1）石英晶體的壓電效應(yīng)一種天然晶體，壓電系數(shù)d11＝2.31×10－12C/N；莫氏硬度為7、熔點為1750℃、膨脹系數(shù)僅為鋼的1/30。優(yōu)點：轉(zhuǎn)換精度高、線性范圍寬、重復(fù)性好、固有頻率高、動態(tài)特性好、工作溫度高達550℃（壓電系數(shù)不隨溫度變化而改變）、工作濕度高達100%、穩(wěn)定性好。81第三節(jié)壓電式傳感器1、壓電式傳感器的工作原理（1）壓電陶瓷的壓電效應(yīng)人工制造的多晶體，壓電機理與壓電晶體不同。壓電陶瓷的極化82第三節(jié)壓電式傳感器1、壓電式傳感器的工作原理（1）壓電陶瓷的壓電效應(yīng)陶瓷片極化壓電陶瓷片內(nèi)束縛電荷與電極上吸附的自由電荷示意圖自由電荷與陶瓷片內(nèi)的束縛電荷符號相反而數(shù)值相等，它起著屏蔽和抵消陶瓷片內(nèi)極化強度對外的作用，因此陶瓷片對外不表現(xiàn)極性。83第三節(jié)壓電式傳感器1、壓電式傳感器的工作原理（1）壓電陶瓷的壓電效應(yīng)壓電陶瓷的正壓電效應(yīng)壓電陶瓷片上加上一個與極化反向平行的外力，陶瓷片將產(chǎn)生壓縮變形，原來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

84第三節(jié)壓電式傳感器1、壓電式傳感器的工作原理（1）壓電陶瓷的壓電效應(yīng)常見壓電陶瓷：（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)，機械強度不如石英。（2）鋯鈦酸鉛Pb（Zr·Ti）O3系壓電陶瓷（PZT） 壓電系數(shù)較高，各項機電參數(shù)隨溫度、時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。85第三節(jié)壓電式傳感器2、等效電路及信號變換電路1）

壓電元件的等效電路2）壓電式傳感器的信號調(diào)節(jié)電路86第三節(jié)壓電式傳感器2、等效電路及信號變換電路1)壓電元件的等效電路87第三節(jié)壓電式傳感器2、等效電路及信號變換電路1)壓電元件的等效電路(a)等效為一個電荷源Q與一個電容Ca并聯(lián)的電路(b)等效成一個電源U=Q/Ca

和一個電容Ca的串聯(lián)電路88第三節(jié)壓電式傳感器2、等效電路及信號變換電路1)壓電元件的等效電路兩個壓電片的聯(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，時間常數(shù)大，適宜用在測量慢變信號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，且測量電路輸入阻抗很高的地方。89第三節(jié)壓電式傳感器2、等效電路及信號變換電路2)壓電式傳感器的信號調(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，才能使測量誤差小到一定數(shù)值以內(nèi)。 因此常先接入一個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。

測量電路關(guān)鍵在高阻抗的前置放大器。前置放大器兩個作用:把壓電式傳感器的微弱信號放大；把傳感器的高阻抗輸出變換為低阻抗輸出。90第三節(jié)壓電式傳感器2、等效電路及信號變換電路2)壓電式傳感器的信號調(diào)節(jié)電路（1）電壓放大器Ca：傳感器的電容Ra：傳感器的漏電阻Cc：連接電纜的等效電容Ri：放大器的輸入電阻Ci：輸入電容91第三節(jié)壓電式傳感器2、等效電路及信號變換電路2)壓電式傳感器的信號調(diào)節(jié)電路（1）電壓放大器前置放大器輸入電壓壓電元件的力F=Fmsinωt壓電元件的壓電系數(shù)為d11，產(chǎn)生的電荷為Q=d11·F。輸入電壓的幅值當(dāng)作用力是靜態(tài)力（ω=0）時，前置放大器的輸入電壓為零。原理上決定了壓電式傳感器不能測量靜態(tài)物理量。壓電式傳感器突出優(yōu)點：高頻響應(yīng)相當(dāng)好。92第三節(jié)壓電式傳感器2、等效電路及信號變換電路2)壓電式傳感器的信號調(diào)節(jié)電路（1）電壓放大器傳感器的低頻響應(yīng)范圍如果被測物理量是緩慢變化的動態(tài)量，而測量回路的時間常數(shù)又不大，則造成傳感器靈敏度下降。因此為了擴大傳感器的低頻響應(yīng)范圍，就必須盡量提高回路的時間常數(shù)。但這不能靠增加測量回路的電容量來提高時間常數(shù)，因為傳感器的電壓靈敏度與電容成反比的，切實可行的辦法是提高測量回路的電阻。由于傳感器本身的絕緣電阻一般都很大，所以測量回路的電阻主要取決于前置放大器的輸入電阻。放大器的輸入電阻越大，測量回路的時間常數(shù)就越大，傳感器的低頻響應(yīng)也就越好。93第三節(jié)壓電式傳感器2、等效電路及信號變換電路2)壓電式傳感器的信號調(diào)節(jié)電路（1）電壓放大器—應(yīng)用限制壓電式傳感器在與電壓放大器配合使用時，連接電纜不能太長。電纜長，電纜電容Cc就大，電纜電容增大必然使傳感器的電壓靈敏度降低。電壓放大器與電荷放大器相比，電路簡單，元件少，價格便宜，工作可靠，但