傳感器第五章 電勢式傳感器原理與應(yīng)用

傳感器第五章電勢式傳感器原理與應(yīng)用第一頁，共七十九頁，2022年，8月28日5.1.1磁電式傳感器的工作原理5.1.2動圈式磁電傳感器5.1.3磁阻式磁電傳感器5.1.4磁電式傳感器的動態(tài)特性5.1磁電式傳感器第二頁，共七十九頁，2022年，8月28日5.1.1磁電式傳感器的工作原理法拉第電磁感應(yīng)定律：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，則整個線圈中所產(chǎn)生的電動勢為：第三頁，共七十九頁，2022年，8月28日不同類型的磁電式傳感器磁通量Ф的變化實現(xiàn)辦法:磁鐵與線圈之間作相對運動；磁路中磁阻的變化；恒定磁場中線圈面積的變化.直接應(yīng)用：測定速度在信號調(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測量位移或加速度。第四頁，共七十九頁，2022年，8月28日5.1.1磁電式傳感器的工作原理5.1.2動圈式磁電傳感器5.1.3磁阻式磁電傳感器5.1.4磁電式傳感器的動態(tài)特性5.1磁電式傳感器第五頁，共七十九頁，2022年，8月28日5.1.2動圈式磁電傳感器1.動圈式磁電傳感器原理2.動圈式磁電傳感器結(jié)構(gòu)第六頁，共七十九頁，2022年，8月28日1.動圈式磁電傳感器原理動圈式磁電傳感器原理圖第七頁，共七十九頁，2022年，8月28日傳感器原理如果在線圈運動部分的磁場強度B是均勻的，則當線圈與磁場的相對速度為υ時，線圈的感應(yīng)電動勢：當α＝90°，線圈的感應(yīng)電動勢為：當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。第八頁，共七十九頁，2022年，8月28日2.動圈式磁電傳感器結(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。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。第九頁，共七十九頁，2022年，8月28日磁電式振動傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖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-彈簧片第十頁，共七十九頁，2022年，8月28日5.1.1磁電式傳感器的工作原理5.1.2動圈式磁電傳感器5.1.3磁阻式磁電傳感器5.1.4磁電式傳感器的動態(tài)特性5.1磁電式傳感器第十一頁，共七十九頁，2022年，8月28日5.1.3磁阻式磁電傳感器線圈和磁鐵部分都是靜止的，與被測物連接而運動的部分是用導磁材料制成的，在運動中，它們改變磁路的磁阻，因而改變貫穿線圈的磁能量，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、閉磁路第十二頁，共七十九頁，2022年，8月28日開磁路磁阻式轉(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)比較簡單，但輸出信號較小，當被測軸振動較大時，傳感器輸出波形失真較大。第十三頁，共七十九頁，2022年，8月28日閉磁路磁阻式轉(zhuǎn)速傳感器閉磁路磁組式轉(zhuǎn)速傳感器采用在振動強的場合，有下限工作頻率（50Hz）傳感器的輸出電勢取決于線圈中磁場變化速度，第十四頁，共七十九頁，2022年，8月28日5.1.1磁電式傳感器的工作原理5.1.2動圈式磁電傳感器5.1.3磁阻式磁電傳感器5.1.4磁電式傳感器的動態(tài)特性5.1磁電式傳感器第十五頁，共七十九頁，2022年，8月28日5.1.4磁電式傳感器的動態(tài)特性一個二階系統(tǒng)。Vo為傳感器外殼的運動速度，即被測物體運動速度；Vm為傳感器慣性質(zhì)量塊的運動速度。等效機械系統(tǒng)第十六頁，共七十九頁，2022年，8月28日若V(t)為慣性質(zhì)量塊相對外殼的運動速度幅頻特性相頻特性式中，ω——被測振動的角頻率；

ωn——傳感器運動系統(tǒng)的固有角頻率

ξ——傳感器運動系統(tǒng)的阻尼比運動方程第十七頁，共七十九頁，2022年，8月28日磁電式速度傳感器的頻率響應(yīng)特性曲線只有ω>>ωn的情況下，Av(ω)≈1，相對速度V(t)的大小才可以作為被測振動速度V0(t)的量度。因此磁電式速度傳感器的頻率較低，一般為10～15Hz。第十八頁，共七十九頁，2022年，8月28日測量振動速度的原理相對運動速度V（t）就是前面的線圈相對磁場的運動速度dx/dt.傳感器的輸出電勢E與相對速度V（t）成正比，而V（t）可以度量被測振動速度V0（t），所以電勢E也可以度量V0（t）。Endthe5.1第十九頁，共七十九頁，2022年，8月28日5.2霍爾傳感器5.2.1霍爾傳感器工作原理5.2.2霍爾元件的結(jié)構(gòu)和基本電路5.2.3霍爾元件的主要特性參數(shù)5.2.4霍爾元件誤差及補償5.2.5霍爾式傳感器的應(yīng)用第二十頁，共七十九頁，2022年，8月28日5.2.1霍爾傳感器工作原理 在金屬或半導體薄片的兩端通過控制電流，并在薄片的垂直方向上施加磁場，則在垂直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生電動勢（霍爾電勢），這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。

第二十一頁，共七十九頁，2022年，8月28日霍爾效應(yīng)原理——霍爾常數(shù)

第二十二頁，共七十九頁，2022年，8月28日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第二十三頁，共七十九頁，2022年，8月28日霍爾常數(shù)霍爾常數(shù)大小取決于導體的載流子密度：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?；魻栯妱菖c導體厚度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型半導體較適合于制造靈敏度高的霍爾元件，第二十四頁，共七十九頁，2022年，8月28日5.2霍爾傳感器5.2.1霍爾傳感器工作原理5.2.2霍爾元件的結(jié)構(gòu)和基本電路5.2.3霍爾元件的主要特性參數(shù)5.2.4霍爾元件誤差及補償5.2.5霍爾式傳感器的應(yīng)用第二十五頁，共七十九頁，2022年，8月28日5.2.2霍爾元件的結(jié)構(gòu)和基本電路霍爾元件第二十六頁，共七十九頁，2022年，8月28日5.2霍爾傳感器5.2.1霍爾傳感器工作原理5.2.2霍爾元件的結(jié)構(gòu)和基本電路5.2.3霍爾元件的主要特性參數(shù)5.2.4霍爾元件誤差及補償5.2.5霍爾式傳感器的應(yīng)用第二十七頁，共七十九頁，2022年，8月28日5.2.3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(2)額定控制電流和最大允許控制電流

額定控制電流：當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)的控制電流值第二十八頁，共七十九頁，2022年，8月28日(3)不等位電勢Uo和不等位電阻ro

不等位電勢：當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。r

0稱不等位電阻

第二十九頁，共七十九頁，2022年，8月28日(4)寄生直流電勢霍爾元件零位誤差的一部分當沒有外加磁場，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第三十頁，共七十九頁，2022年，8月28日5.2霍爾傳感器5.2.1霍爾傳感器工作原理5.2.2霍爾元件的結(jié)構(gòu)和基本電路5.2.3霍爾元件的主要特性參數(shù)5.2.4霍爾元件誤差及補償5.2.5霍爾式傳感器的應(yīng)用第三十一頁，共七十九頁，2022年，8月28日5.3.4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?shù)谌?，共七十九頁?022年，8月28日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，不等位電勢就相當于電橋的初始不平衡輸出電壓。第三十三頁，共七十九頁，2022年，8月28日不等位電勢的補償電路不對稱電路簡單，而對稱補償?shù)臏囟确€(wěn)定性要好些第三十四頁，共七十九頁，2022年，8月28日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。第三十五頁，共七十九頁，2022年，8月28日減小霍爾元件的溫度誤差選用溫度系數(shù)小的元件采用恒溫措施采用恒流源供電第三十六頁，共七十九頁，2022年，8月28日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)值增加的影響第三十七頁，共七十九頁，2022年，8月28日恒流源溫度補償電路當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。第三十八頁，共七十九頁，2022年，8月28日控制電流溫度升到T時，電路中各參數(shù)變?yōu)槭街?，δ——霍爾元件輸入電阻溫度系?shù)；

β——分流電阻溫度系。第三十九頁，共七十九頁，2022年，8月28日

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)值第四十頁，共七十九頁，2022年，8月28日5.2霍爾傳感器5.2.1霍爾傳感器工作原理5.2.2霍爾元件的結(jié)構(gòu)和基本電路5.2.3霍爾元件的主要特性參數(shù)5.2.4霍爾元件誤差及補償5.2.5霍爾式傳感器的應(yīng)用第四十一頁，共七十九頁，2022年，8月28日5.2.5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。第四十二頁，共七十九頁，2022年，8月28日1.微位移和壓力的測量測量原理： 霍爾電勢與磁感應(yīng)強度成正比，若磁感應(yīng)強度是位置的函數(shù)，則霍爾電勢的大小就可以用來反映霍爾元件的位置。應(yīng)用： 位移測量、力、壓力、應(yīng)變、機械振動、加速度第四十三頁，共七十九頁，2022年，8月28日產(chǎn)生梯度磁場的示意圖位移量較小，適于測量微位移和機械振動第四十四頁，共七十九頁，2022年，8月28日霍爾式壓力傳感器彈簧管磁鐵霍爾片第四十五頁，共七十九頁，2022年，8月28日加速度傳感器第四十六頁，共七十九頁，2022年，8月28日2.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Endthe5.2第四十七頁，共七十九頁，2022年，8月28日5.3壓電式傳感器5.3.1壓電式傳感器的工作原理5.3.2等效電路及信號變換電路5.3.3壓電式加速度傳感器5.3.4壓電式測力傳感器第四十八頁，共七十九頁，2022年，8月28日5.3.1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。第四十九頁，共七十九頁，2022年，8月28日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)。第五十頁，共七十九頁，2022年，8月28日晶體切片當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軸垂直的平面第五十一頁，共七十九頁，2022年，8月28日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。第五十二頁，共七十九頁，2022年，8月28日石英晶體的壓電效應(yīng)（a）正負電荷是互相平衡的，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)正電荷和負電荷第五十三頁，共七十九頁，2022年，8月28日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。第五十四頁，共七十九頁，2022年，8月28日2.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。壓電陶瓷的極化第五十五頁，共七十九頁，2022年，8月28日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)的束縛電荷符合相反而數(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。第五十六頁，共七十九頁，2022年，8月28日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。 當壓力撤消后，陶瓷片恢復原狀，片內(nèi)的正、負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

第五十七頁，共七十九頁，2022年，8月28日常見壓電陶瓷：（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。第五十八頁，共七十九頁，2022年，8月28日5.3壓電式傳感器5.3.1壓電式傳感器的工作原理5.3.2等效電路及信號變換電路5.3.3壓電式加速度傳感器5.3.4壓電式測力傳感器第五十九頁，共七十九頁，2022年，8月28日5.3.2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)電路第六十頁，共七十九頁，2022年，8月28日1.壓電元件的等效電路第六十一頁，共七十九頁，2022年，8月28日壓電式傳感器的等效電路(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)電路第六十二頁，共七十九頁，2022年，8月28日兩個壓電片的聯(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。第六十三頁，共七十九頁，2022年，8月28日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。第六十四頁，共七十九頁，2022年，8月28日（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：輸入電容第六十五頁，共七十九頁，2022年，8月28日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)相當好。第六十六頁，共七十九頁，2022年，8月28日傳感器的低頻響應(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。第六十七頁，共七十九頁，2022年，8月28日電壓放大器應(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，但是電纜長度對傳感器測量精度的影響較大，在一定程度上限制了壓電式傳感器在某些場合的應(yīng)用。第六十八頁，共七十九頁，2022年，8月28日解決電纜問題的辦法將放大器裝入傳感器中，組成一體化傳感器。第六十九頁，共七十九頁，2022年，8月28日（2）電荷放大器 壓電式傳感器另一種專用的前置放大器。 能將高內(nèi)阻的電荷源轉(zhuǎn)換為低內(nèi)阻的電壓源，而且輸出電壓正比于輸入電荷，因此，電荷放大器同樣也起著阻抗變換的作用，其輸入阻抗高達1010~1012Ω，輸出阻抗小于100Ω。 使用電荷放大器突出的一個優(yōu)點：在一定條件下，傳感器的靈敏度與電纜長度無關(guān)。第七十頁，共七十九頁，2022年，8月28日壓電傳感器與電荷放大器連接等效電路K是放大器的開環(huán)增益，（-K）表示放大器的輸出與輸入反相，若開環(huán)增益足夠高，則放大器的輸入端的電位接近“地”電位。第七十一頁，共七十九頁，2022年，8月28日充電電壓接近等于放大器的輸出電壓幾點結(jié)論：1、電荷放大器的輸出電壓只與輸入電荷量和反饋電容有關(guān)，而與放大器的放大系數(shù)的