電動勢式傳感器

電動勢式傳感器第1頁，共150頁，2023年，2月20日，星期一介紹三種傳感器,即磁電式傳感器、壓電晶體傳感器和霍爾傳感器。雖然它們的工作原理截然不同,但它們的輸出量都是電勢,所以歸類為電動勢式傳感器。第2頁，共150頁，2023年，2月20日，星期一一、磁電式傳感器

磁電式傳感器是一種利用電磁感應(yīng)原理,將運(yùn)動速度轉(zhuǎn)換成線圈中的感應(yīng)電動勢輸出的傳感器,它也被稱為感應(yīng)式傳感器。這種傳感器工作時(shí)不需要電源,直接從被測物體吸取機(jī)械能,轉(zhuǎn)換為電信號輸出。由于它的輸出功率較大,所以大大簡化了測量電路,且性能穩(wěn)定,具有一定的工作帶寬(一般為10~1000Hz),所以獲得較普遍的應(yīng)用。第3頁，共150頁，2023年，2月20日，星期一

1．工作原理及結(jié)構(gòu)根據(jù)電磁感應(yīng)定律,具有N匝的線圈在磁場中運(yùn)動時(shí),所產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢e的大小取決于穿過這線圈的磁通φ的變化率,即 (1)圖1是磁電式傳感器的原理圖,其中(a)是當(dāng)線圈在磁場中作直線運(yùn)動時(shí)產(chǎn)生感應(yīng)電動勢的傳感器;(b)是線圈在磁場中作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動時(shí)產(chǎn)生感應(yīng)電動勢的傳感器。第4頁，共150頁，2023年，2月20日，星期一圖1磁電式傳感器原理圖

(a)

線圈直線運(yùn)動;(b)線圈旋轉(zhuǎn)運(yùn)動

1—線圈;2—運(yùn)動體;3—磁鋼

第5頁，共150頁，2023年，2月20日，星期一如果式(1)不以磁通變化,而用線圈運(yùn)動速度形式來表示,則對應(yīng)于圖1(a)和(b)可分別寫成 (2) e=NBAω(V) (3)式中 B——磁感應(yīng)強(qiáng)度(T,1T=1Wb/m2);l——線圈導(dǎo)線的總長度(m);——線圈與磁鐵相對直線運(yùn)動的線速度（m/s）;N——線圈匝數(shù);A——線圈截面積(m2);ω——線圈的角速度(rad/s)。第6頁，共150頁，2023年，2月20日，星期一

在傳感器中,當(dāng)結(jié)構(gòu)已定時(shí)，B，A，N，l都是常數(shù),感應(yīng)電動勢就與線圈對磁場的相對運(yùn)動速度或成正比,因此磁電式傳感器可直接用于測量線速度與角速度。由于速度與位移、加速度之間存在一定的積分或微分關(guān)系。因此,如果在感應(yīng)電動勢的測量電路中接入一微分電路,其輸出就與運(yùn)動的加速度成正比;如果在測量電路中加接一積分電路,則其輸出就與位移成正比。

第7頁，共150頁，2023年，2月20日，星期一由此可見,磁電式傳感器除測量速度外,還可用來測量運(yùn)動的位移和加速度。此外,在磁電式傳感器中,其輸出除電動勢幅值外,還可以是電動勢的頻率值,例如磁電式轉(zhuǎn)速傳感器,將在應(yīng)用舉例中介紹。第8頁，共150頁，2023年，2月20日，星期一以上分析可知,磁電式傳感器有兩個(gè)基本組成部分:一個(gè)是磁路系統(tǒng),由它產(chǎn)生磁場,為了減小傳感器的體積,一般都采用永久磁鐵;另一個(gè)是線圈,由它與磁場中的磁通交鏈產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。由式(2)和(3)可知,感應(yīng)電動勢e是線圈與磁場相對運(yùn)動而產(chǎn)生的。作為相對運(yùn)動,運(yùn)動部分可以是線圈,也可以是永久磁鐵,前者稱為動圈式,后者稱為動鐵式。作為一個(gè)完整的傳感器,除磁路系統(tǒng)和線圈外,還有一些其它部件,如殼體、支承、阻尼器、接線裝置等等。第9頁，共150頁，2023年，2月20日，星期一

2．傳感器的靈敏度和溫度補(bǔ)償

由基本公式(2)可以導(dǎo)出磁電式傳感器的靈敏度

(4)

從提高靈敏度的觀點(diǎn)來看,B值大,靈敏度S也大,所以要選擇B值大的永磁材料;另外導(dǎo)線長度l也可取得大一些,但這是有條件的,必須考慮下列兩種情況:

第10頁，共150頁，2023年，2月20日，星期一(1)線圈電阻與指示器電阻匹配問題。因傳感器相當(dāng)于一個(gè)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R等于指示器的電阻Rd,即R=Rd。(2)線圈的發(fā)熱。因?yàn)閭鞲衅骶€圈產(chǎn)生感應(yīng)電動勢,接上負(fù)載后,線圈中有電流流過,因而線圈會發(fā)熱。為此,根據(jù)傳感器靈敏度,R與Rd匹配求得線圈所需尺寸后,還必須發(fā)熱方面對線圈加以核算,使線圈的溫升在允許的溫升范圍以內(nèi)。第11頁，共150頁，2023年，2月20日，星期一圖2磁電式傳感器與指示儀表

相連的等效電路第12頁，共150頁，2023年，2月20日，星期一圖(2)是磁電式傳感器與指示儀表相連的等效電路。整個(gè)回路電流為 (5)

當(dāng)溫度變化時(shí),上式的分子分母都會隨溫度而變,而且它們的變化方向是相反的。因?yàn)橛谰么盆F的磁感應(yīng)強(qiáng)度隨溫度增加而減小,即感應(yīng)電動勢隨溫度增加而減小。第13頁，共150頁，2023年，2月20日，星期一例如鎢鋼和鉻鋼做的磁鐵,當(dāng)溫度在50℃~60℃以下時(shí),其磁感應(yīng)強(qiáng)度變化大約為每10℃變化0.3%。而傳感器線圈與指示器的電阻都是銅電阻,所以它們的電阻溫度系數(shù)都是正的。當(dāng)溫度增加t℃時(shí),回路電流將從i變化到i'。 (6)式中

——磁鐵磁通密度的負(fù)溫度系數(shù);——傳感器線圈電阻正溫度系數(shù);1——指示器電阻正溫度系數(shù)。第14頁，共150頁，2023年，2月20日，星期一溫度誤差

(7)

可見溫度誤差是負(fù)值,即隨著溫度的增加,傳感器的輸出將變小。

補(bǔ)償溫度誤差的辦法是在結(jié)構(gòu)許可的情況下,在傳感器的磁鐵下裝置熱磁分路。第15頁，共150頁，2023年，2月20日，星期一熱磁分路是用磁分路片搭裝在磁系統(tǒng)的極靴上,把氣隙中的磁通分出一部分,亦即把總磁通分出一部分。磁分路片用特種的鎳鐵合金制成,當(dāng)溫度在-80℃~+80℃之間,這類合金片的磁感應(yīng)強(qiáng)度隨溫度增加而明顯地下降。所以,隨著溫度增加,分到熱磁分路的磁通減少,而分到氣隙的那部分磁通增加,這使e的數(shù)值增加,從而使電流增大,起到了溫度補(bǔ)償作用。第16頁，共150頁，2023年，2月20日，星期一3．測量電路

根據(jù)磁電式傳感器的工作原理,可知它輸出電動勢大小與運(yùn)動速度成正比,所以是一個(gè)測速的傳感器。但是在實(shí)際測量中,它常常還被用來測量運(yùn)動的位移(或振幅)和加速度,為此必須將信號加以變換。一般是在測量電路中配以積分電路和微分電路,通過開關(guān)切換,來達(dá)到不同的測量目的。第17頁，共150頁，2023年，2月20日，星期一測量電路方框圖如圖3所示。通常把積分和微分電路置于兩級放大器中間,以利于各級間的阻抗匹配。由于磁電式傳感器具有較高的靈敏度,所以一般不需要高增益放大器,用一般晶體管放大器即可勝任。

第18頁，共150頁，2023年，2月20日，星期一圖3磁電式傳感器測量電路方框圖第19頁，共150頁，2023年，2月20日，星期一圖3中,當(dāng)聯(lián)動開關(guān)S在"1"位置時(shí),經(jīng)過一個(gè)積分電路,可測位移;當(dāng)S在"2"位置時(shí),經(jīng)過微分電路,可測加速度;若S在"3"位置,傳感器輸出信號直接送主放大器,此時(shí)測量參數(shù)為速度信號。第20頁，共150頁，2023年，2月20日，星期一4．應(yīng)用舉例

（1）CD-1型振動速度傳感器

它是一種動圈式的磁電傳感器。其磁路系統(tǒng)由鋼制圓柱形外殼和由它包裹著的永久磁鐵構(gòu)成。工作線圈放置在磁路系統(tǒng)的空氣隙中。使用時(shí)把振動傳感器和被測報(bào)體固緊在一起,當(dāng)振動體振動時(shí),殼體也隨之振動,此時(shí)線圈、阻尼器和芯軸由于慣性并不隨之振動,因此位于氣隙間的線圈與殼體就產(chǎn)生相對運(yùn)動,從而切割磁力線,于是產(chǎn)生正比于振動速度的電動勢,該電動勢通過引線接到測量電路。第21頁，共150頁，2023年，2月20日，星期一圖4CD-1型振動速度傳感器

1一彈簧片;2一永久磁鐵;3一阻尼器;4一引線;5一芯軸;6一外殼;7一工作線圈;8一彈簧片

第22頁，共150頁，2023年，2月20日，星期一這種傳感器測量的基本參數(shù)是振動速度,其靈敏度約為600mV/(cm.s-1)。若在測量電路中接入積分電路和微分電路后,也可測量振動體的振幅和加速度,可測振幅范圍為0.1~1000μm,可測最大加速度為5g(g為重力加速度)。

第23頁，共150頁，2023年，2月20日，星期一（2）轉(zhuǎn)速傳感器

轉(zhuǎn)速傳感器是一種測量機(jī)械轉(zhuǎn)速的器件,根據(jù)轉(zhuǎn)速測量方法的不同,轉(zhuǎn)速傳感器的種類也有很多,這里主要介紹利用電磁作用原理檢測轉(zhuǎn)速的傳感器,檢測所得信號有正比于機(jī)械轉(zhuǎn)速的直流、交流電壓信號或頻率信號。

第24頁，共150頁，2023年，2月20日，星期一(I)測速發(fā)電機(jī)。測速發(fā)電機(jī)是一種應(yīng)用十分普遍的轉(zhuǎn)速傳感器,按其輸出電壓類型不同,分為直流和交流兩種。直流測速發(fā)電機(jī),它的結(jié)構(gòu)類似小型直流電機(jī),大多采用永磁勵(lì)磁方式,其輸出直流電壓為

(8)

式中

Ke——電動勢系數(shù),與電機(jī)結(jié)構(gòu)有關(guān);

——磁極磁通(Wb);

n——機(jī)械轉(zhuǎn)速(r/min)。第25頁，共150頁，2023年，2月20日，星期一由式(8)可見,直流測速發(fā)電機(jī)的輸出電壓U和被測對象的轉(zhuǎn)速n成正比,并且直流電壓的極性能反映轉(zhuǎn)向。但實(shí)際應(yīng)用中,由于電樞繞組電阻、電樞反應(yīng)的存在以及工作時(shí)引起的發(fā)熱等因素,將影響輸出信號的線性以及產(chǎn)生測量誤差,一般其精度不超過1%。

第26頁，共150頁，2023年，2月20日，星期一交流測速發(fā)電機(jī)輸出交流電壓信號,常見的交流測速發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)是:定子上繞有二個(gè)在空間互相垂直的繞組W1和W2,轉(zhuǎn)子是用鋁合金制成的杯形。當(dāng)頻率為f的交流電壓u1,加在勵(lì)磁繞組W1后,沿著繞組Wl軸線(d軸)產(chǎn)生出頻率為f的脈振磁通d,當(dāng)轉(zhuǎn)子靜止不動(n=0)時(shí),由于d與繞組W2軸線(g軸)相互垂直,故輸出繞組W2沒有感應(yīng)電動勢,第27頁，共150頁，2023年，2月20日，星期一當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)后,杯形轉(zhuǎn)子切割磁通d,隨之在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生電動勢和電流,轉(zhuǎn)子電流將在g軸方向產(chǎn)生頻率為f的脈振磁通g,并在輸出繞組W2上感應(yīng)出交流輸出電壓u2,輸出電壓的幅值與轉(zhuǎn)速成正比,而頻率與勵(lì)磁電壓的頻率相同。交流測速發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單,輸出信號誤差小。

第28頁，共150頁，2023年，2月20日，星期一

(II)輸出頻率量的轉(zhuǎn)速傳感器。它由定子(永久磁鐵)、轉(zhuǎn)子和線圈等組成。轉(zhuǎn)子端面均勻地銑了若干槽。測量時(shí),轉(zhuǎn)子與被測對象轉(zhuǎn)軸連接,當(dāng)轉(zhuǎn)子在圖5所示位置時(shí),氣隙最小,磁通最大;轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一定角度,氣隙最大,磁通最小。這樣當(dāng)定子不動而轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時(shí),磁通會周期性地變化,在線圈中感應(yīng)出近似正弦波的電動勢信號。第29頁，共150頁，2023年，2月20日，星期一這種傳感器的輸出量以感應(yīng)電動勢的頻率來表示時(shí),其頻率f與被測轉(zhuǎn)速n關(guān)系是

(9)

式中

N——定子或轉(zhuǎn)子端面齒數(shù);

n——被測轉(zhuǎn)速(r/min)。

第30頁，共150頁，2023年，2月20日，星期一圖5輸出頻率量的磁電式轉(zhuǎn)速傳感器示意圖

1一定子;2一線圈;3一轉(zhuǎn)子

第31頁，共150頁，2023年，2月20日，星期一這種測速傳感器可靠性高,輸出穩(wěn)定,但要從被測對象吸收能量,且不宜測量太低的轉(zhuǎn)速?，F(xiàn)有的產(chǎn)品如SZMB—3磁電式轉(zhuǎn)速傳感器,其N=60,所以用數(shù)字頻率計(jì)可直接顯示每分鐘的轉(zhuǎn)速。

第32頁，共150頁，2023年，2月20日，星期一

（3）電磁流量計(jì)

在圖6所示的一段絕緣材料制成的管道上,左右安裝磁極N和S，在管道上下安裝兩個(gè)電極A和C。當(dāng)導(dǎo)電流體以平均速度v流過管道時(shí),它將切割磁力線,在電極上就會出現(xiàn)感應(yīng)電動勢E

第33頁，共150頁，2023年，2月20日，星期一圖6電磁流量計(jì)原理圖第34頁，共150頁，2023年，2月20日，星期一

(10)

式中

B——磁感應(yīng)強(qiáng)度(Wb/m2);

d——管道內(nèi)徑,即導(dǎo)體在磁場內(nèi)的長度(m);

v——導(dǎo)體在磁場內(nèi)切割磁力線的速度,即被測流體經(jīng)傳感器時(shí)的平均流速(m/s);

Q——容積流量,Q=d2v/4(m3/s)。

式(10)表明,在B,d一定時(shí),感應(yīng)電動勢E與流量成正比。第35頁，共150頁，2023年，2月20日，星期一必須指出，使用電磁流量計(jì)的流體，應(yīng)具有導(dǎo)電性,蒸餾水及各種油類都不能使用;為了防止流體電解和電極被極化腐蝕,一般不采用直流磁場,而用交流磁場。由于感應(yīng)電動勢一般為毫伏數(shù)量級,所以對電磁流量計(jì)的抗干擾要求很高,必須妥善屏蔽。近年來,隨著抗干擾技術(shù)的提高,電磁流量計(jì)的精度已可優(yōu)于1級,并且還可制成直徑3m的大管徑流量計(jì)。第36頁，共150頁，2023年，2月20日，星期一二、壓電晶體傳感器

壓電傳感器是以某些物質(zhì)的壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)的一種有源傳感器。在外力作用下,某些物質(zhì)變形后其表面會產(chǎn)生電荷,從而實(shí)現(xiàn)非電量電測的目的。壓電傳感器尺寸小,重量輕,工作頻率寬,可測量變化很快的動態(tài)壓力、加速度、振動等。

第37頁，共150頁，2023年，2月20日，星期一1．壓電效應(yīng)

某些電介質(zhì)物質(zhì)當(dāng)沿一定方向受到外力作用而變形時(shí),在它的兩個(gè)表面會產(chǎn)生符號相反的電荷;當(dāng)將外力去掉后,又重新回到不帶電狀態(tài),這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。具有壓電效應(yīng)的電介質(zhì)稱壓電材料或壓電元件,常見的壓電材料有石英晶體、鈦酸壩、鋯鈦酸鉛等。第38頁，共150頁，2023年，2月20日，星期一以石英晶體為例來說明應(yīng)電材料的性質(zhì)。石英晶體是各向異性體,即在各個(gè)方向晶體性質(zhì)是不同的。圖7(a)表示石英晶體的形狀,它是一個(gè)六棱柱,兩端是六棱錐。在結(jié)晶學(xué)中可以把它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)過六棱柱棱線,并垂直于光軸的X-X軸稱為電軸,與X-X軸和Z-Z軸同時(shí)垂直的Y一Y軸(垂直于棱面)稱為機(jī)械軸。通常把沿電軸X-X方向的力作用下產(chǎn)生電荷的效應(yīng)稱為"縱向壓電效應(yīng)",而把沿機(jī)械軸Y-Y方向的力作用下產(chǎn)生電荷的效應(yīng)稱為"橫向壓電效應(yīng)"。在光軸Z-Z方向受力時(shí),不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。第39頁，共150頁，2023年，2月20日，星期一圖7石英晶體

(a)石英晶體形狀；(b)晶體切片第40頁，共150頁，2023年，2月20日，星期一假設(shè)從石英晶體上沿Y-Y軸方向切下一片薄片,稱為晶體切片(圖7(b))。在每一片中,當(dāng)沿電軸方向作用有力Fx時(shí),則在與電軸垂直的平面(即切片的切面)上,產(chǎn)生電荷qx但它的大小為

qx=d11Fx

(11)

式中d11——X軸方向受力的壓電系數(shù)(C/N)。第41頁，共150頁，2023年，2月20日，星期一電荷qx應(yīng)包含相應(yīng)的符號,它是由Fx是壓力還是拉力而定(參看圖8)。由式(11)可見,電荷的多少與切片的幾何尺寸無關(guān)。

如果在同一切片上作用力沿著機(jī)械軸方向,其電荷仍在與X軸垂直的平面上出現(xiàn),而極性相反,此時(shí)電荷的大小為

(12)

式中

a——晶體切片的長度;

b——晶體切片的厚度;

d12——Y軸方向受力的壓電系數(shù)。第42頁，共150頁，2023年，2月20日，星期一圖8晶片上電荷的極性與受力方向的關(guān)系

(a)沿X鈾方向受壓力;(b)沿X軸方向受拉力;

(c)沿Y軸方向受壓力;(d)沿Y軸方向受拉力第43頁，共150頁，2023年，2月20日，星期一由式(12)可見,沿機(jī)械軸方向的力作用在晶體上時(shí),產(chǎn)生的電荷與晶體切片的幾何尺寸有關(guān)。式中負(fù)號說明,沿Y軸的壓力所引起的電荷極性與沿X軸的壓力所引起的電荷極性相反。

圖8表示晶體切片上電荷的極性與受力方向的關(guān)系。圖中(a)X軸方向受壓力;(b)X軸方向受拉力;(c)Y軸方向受壓力;(d)Y軸方向受拉力。第44頁，共150頁，2023年，2月20日，星期一如果在片狀壓電材料的兩個(gè)平面(或稱電極面)上加以交流電壓,石英晶片將產(chǎn)生機(jī)械振動,亦即晶片在電極方向有伸長和縮短的現(xiàn)象。當(dāng)外加電壓撤去時(shí),其變形也隨之消失。壓電材料的這種現(xiàn)象稱為"電致伸縮效應(yīng)",又稱"逆壓電效應(yīng)"。利用壓電材料的電致伸縮效應(yīng),可做高頻振動臺、超聲波發(fā)射探頭等。超聲波式的檢測儀表,一般都是利用壓電材料作為超聲波發(fā)射探頭和接收探頭的,例如超聲波液面計(jì),超聲波流量計(jì),超聲波測厚儀等。第45頁，共150頁，2023年，2月20日，星期一

2．壓電材料簡介

壓電材料有兩類:一類是壓電晶體;另一類是經(jīng)過極化處理的壓電陶瓷。前者為單晶體,后者為多晶體。

第46頁，共150頁，2023年，2月20日，星期一

（1）壓電晶體

石英是典型的壓電晶體,其化學(xué)成分是二氧化硅(SiO2),壓電系數(shù)較低,d11=2.3×10-12C/N。它在幾百度的溫度范圍內(nèi)不隨溫度而變,但到573℃時(shí),完全喪失壓電性質(zhì),這是它的居里點(diǎn)。石英具有很大的機(jī)械強(qiáng)度,在研磨質(zhì)量好時(shí),可以承受700~1000kg/cm2的壓力,并且機(jī)械性能也較穩(wěn)定。

除天然石英和人造石英晶體外,近年來鈮酸鋰LiNbO3、鉭酸鋰LiTaO3、鍺酸鋰LiGeO3等許多壓電單晶在傳感技術(shù)中也獲得廣泛應(yīng)用。第47頁，共150頁，2023年，2月20日，星期一圖9石英的晶體模型

(a)不受力時(shí);(b)X軸方向受力;(c)Y軸方向受力

第48頁，共150頁，2023年，2月20日，星期一以石英晶體為例來說明壓電晶體內(nèi)部發(fā)生壓電效應(yīng)的物理過程。設(shè)想在石英晶體中取一單元組體,它有3個(gè)硅離子和6個(gè)氧離子,后者是成對的。這就構(gòu)成六邊的形狀(圖9(a))。由于硅離子帶有4個(gè)正電荷,而氧離子帶有2個(gè)負(fù)電荷,所以在沒有外力作用時(shí),電荷互相平衡,外部沒有帶電現(xiàn)象。如果在X軸方向受壓,如圖9(b),硅離子擠入氧離子2和6之間,而氧離子4擠入硅離子3和5之間,結(jié)果在表面A上呈現(xiàn)負(fù)電荷,而在表面B上呈現(xiàn)正電荷。第49頁，共150頁，2023年，2月20日，星期一如果所受的力為拉伸,則在表面A和B上的電荷符號與前者相反,這就是縱向壓電效應(yīng)。如果在Y軸方向受力,如圖9(c),硅離子3和氧離子2,以及硅離子5和氧離子6都向內(nèi)移動同樣數(shù)值,故在電極C和D上仍不呈現(xiàn)電荷,而在表面A和B上,由于相對地把硅離子1和氧離子4擠向外邊,而分別呈現(xiàn)正、負(fù)電荷。如果使其受拉力,則在A和B的電荷極性恰好相反。這就是橫向壓電效應(yīng)。在Z軸方向受力時(shí),由于硅離子和氧離子是對稱的平移,故表面不呈現(xiàn)電荷,沒有壓電效應(yīng)。第50頁，共150頁，2023年，2月20日，星期一（2）壓電陶瓷

壓電陶瓷是人工制造的晶體壓電材料。它在極化前是各向同性的,沒有壓電效應(yīng)。要在一定溫度和高壓電場作用下,使晶體產(chǎn)生剩余極化后,才具有壓電效應(yīng)。對壓電陶瓷來說,垂直于極化面的軸為X軸,Y軸垂直于X軸,它不再具有Z軸,這是與壓電晶體不同之處。第51頁，共150頁，2023年，2月20日，星期一表1常用壓電材料性能

第52頁，共150頁，2023年，2月20日，星期一壓電陶瓷有鈦酸鋇(BaTiO3)、鋯鈦酸鉛(PZT)等等,它們的壓電系數(shù)比石英大得多,但機(jī)械強(qiáng)度、穩(wěn)定性、居里點(diǎn)溫度均不如石英晶體。還有聚二氟乙烯(PVF2)高分子壓電材料,其特點(diǎn)是柔軟,不易破碎,把PZT粉末與PVF2混合成型之后形成PZT-PVF2復(fù)合材料,壓電性能更有改善,兼有兩者優(yōu)點(diǎn)而彌補(bǔ)了各自的缺點(diǎn)。

壓電材料是各向異性物質(zhì),其壓電系數(shù)與極化方向和受力方向都有關(guān),而受力又分垂直和剪切力,所以應(yīng)該用矩陣來描述,表1中d11，d33等的下角數(shù)碼代表該壓電系數(shù)在矩陣?yán)锼幍奈恢谩１?中數(shù)據(jù)是絕對值最大的典型值。第53頁，共150頁，2023年，2月20日，星期一3.壓電傳感器及其等效電路

壓電傳感器的基本原理是利用壓電材料的壓電效應(yīng)。當(dāng)有力作用于壓電材料上時(shí),傳感器就有電荷(或電壓)輸出,因此,壓電傳感器可測量的基本參數(shù)是力,但也可以測量能變換成力的參數(shù)如加速度、位移等。

第54頁，共150頁，2023年，2月20日，星期一由于外力作用而在壓電材料上產(chǎn)生的電荷,只有在無泄漏的情況下才能保存,即需要測量回路具有無限大的輸入阻抗,這實(shí)際上是不可能的,因此壓電傳感器不適用于靜態(tài)測量。當(dāng)壓電材料在交變力作用下,電荷不斷得到補(bǔ)充,可以供給測量回路一定的電流,故適宜于動態(tài)測量,主要用來測量動態(tài)的力、壓力、加速度等參數(shù)。

第55頁，共150頁，2023年，2月20日，星期一

（1）壓電晶片的連接方式

壓電傳感器產(chǎn)生的電荷量甚微,所以使用時(shí)常采用兩片或兩片以上的壓電元件粘結(jié)在一起成為疊層式壓電組合器件。由于壓電材料的電荷是有極性的,因此有兩種接法。在圖10(a)中,兩片壓電元件的負(fù)電荷都集中在中間電極上,這種接法叫兩壓電片的并聯(lián),其輸出電容C’為單片電容C的兩倍(壓電片受力時(shí)可等效為一個(gè)電容器,詳細(xì)介紹見本節(jié)第2部分),但輸出電壓U‘等于單片電壓的U,極板上的電荷Q’為單片電壓Q的兩倍,即

Q'=2Q,U'=U,C'=2C第56頁，共150頁，2023年，2月20日，星期一圖10兩壓電片的連接方式第57頁，共150頁，2023年，2月20日，星期一圖10(b)的接法中,正電荷集中在上極板,負(fù)電荷集中在下極板,在兩極板中間,上片產(chǎn)生的負(fù)電荷與下片產(chǎn)生的正電荷相互抵消,這種接法稱兩壓電片的串聯(lián)。輸出總電荷Q’等于單片電荷Q,輸出電壓U‘為單片電壓U的兩倍,總電容C為單片電容的一半,即Q’=Q,U=2U,C=C/2。

這兩種接法中,并聯(lián)接法輸出電荷大,本身電容大,時(shí)間常數(shù)大,適用于測量慢變信號,以及以電荷作為輸出量的的場合。串聯(lián)接法輸出電壓大,本身電容小,適用于以電壓作輸出信號,以及測量電路輸入阻抗很高的場合。第58頁，共150頁，2023年，2月20日，星期一

（2）壓電傳感器的等效電路

當(dāng)壓電片受力時(shí),在兩個(gè)電極表面分別聚集等量的正電荷和負(fù)電荷,如圖11(a)所示,相當(dāng)于一個(gè)以壓電材料為介質(zhì)的電容器,見圖(b)。其電容量為

(13)

式中

A——極板面積(m2);

h——壓電片厚度(m);

——壓電材料介電常數(shù)(F/m)。介電常數(shù)隨著壓電材料不同而異,如鋯鈦酸鉛相對介電常數(shù))為460~3400。第59頁，共150頁，2023年，2月20日，星期一圖11等效電路

(a)原理圖；(b)等效電路

1一銀電極;2一壓電材料

第60頁，共150頁，2023年，2月20日，星期一當(dāng)兩極板聚集異性電荷時(shí),兩極板之間所呈現(xiàn)電壓為

(14)

所以可以把壓電傳感器等效為一個(gè)電源U和一個(gè)電容器Ca的串聯(lián)電路,如圖12(a)所示。由圖可見,只有在負(fù)載元窮大,內(nèi)部也無漏電時(shí),受力所產(chǎn)生的電壓U才能長期保存下來;如果負(fù)載不是無窮大,則電路就要以時(shí)間常數(shù)RLCa(RL為負(fù)載電阻)按指數(shù)規(guī)律放電。第61頁，共150頁，2023年，2月20日，星期一圖12壓電傳感器的等效電路

(a)電壓源;(b)電荷源第62頁，共150頁，2023年，2月20日，星期一因此當(dāng)用來測量一個(gè)變化頻率很低的參數(shù)時(shí),就必須保證RL很大,以使時(shí)間常數(shù)RLCa足夠大,通常RL需達(dá)數(shù)百兆歐以上。壓電傳感器也可看作是個(gè)電荷發(fā)生器,這樣可等效為一個(gè)電荷源與一個(gè)電容并聯(lián)的等效電路,如圖12(b)所示。

第63頁，共150頁，2023年，2月20日，星期一圖13壓電傳感器完整的等效電路

(a)電壓源;(b)電荷源第64頁，共150頁，2023年，2月20日，星期一

4．壓電傳感器的測量電路

壓電傳感器的輸出信號很微弱,而且內(nèi)阻很高,一般不能直接顯示和記錄,需要采用低噪聲電纜把信號送到具有高輸入阻抗的前置放大器。前置放大器有兩個(gè)作用,一是放大壓電傳感器的微弱輸出信號;另一作用是把傳感器的高阻抗輸出變換成低阻抗輸出。圖14是壓電傳感器的測量系統(tǒng)框圖。第65頁，共150頁，2023年，2月20日，星期一圖14壓電傳感器的測量系統(tǒng)框圖第66頁，共150頁，2023年，2月20日，星期一根據(jù)壓電傳感器的等效電路,它的輸出可以是電壓,也可以是電荷,因此前置放大器也有兩種形式:電壓放大器和電荷放大器。

（1）電壓放大器(阻抗變換器)

將圖13(a)中的Ra與Ri并聯(lián)成為等效電阻R,又將Cc與Ci并聯(lián)為等效電容C,則

第67頁，共150頁，2023年，2月20日，星期一壓電傳感器的開路電壓,如果壓電元件沿著電軸作用的交變力f=Fmsinωt,則所產(chǎn)生的電荷與電壓均按正弦規(guī)律變化,其電壓為

(15)

式中d——壓電系數(shù)。

電壓的幅值,送到放大器輸入端的電壓第68頁，共150頁，2023年，2月20日，星期一

第69頁，共150頁，2023年，2月20日，星期一則放大器輸入電壓Uim與頻率無關(guān)。因此為了擴(kuò)展頻帶的低頻段,就必須提高回路的時(shí)間常數(shù)R(Ca+Cc+Ci)。如果單靠增大測量回路電容量的辦法來達(dá)到,必然將影響傳感器的靈敏度S（S=Uim/Fm≈d/(Ca+Cc+Ci)）,為此常采用Ri很大的前置放大器。由式(19)可見,當(dāng)改變連接傳感器與前置放大器的電纜長度時(shí),Cc將改變,Uim也隨之變化,從而使前置放大器的輸出電壓Uo=AUi也變化(A為前置放大器的增益)。第70頁，共150頁，2023年，2月20日，星期一因此,傳感器與前置放大器組成的整個(gè)測量系統(tǒng)的輸出電壓與電纜電容有關(guān),在設(shè)計(jì)時(shí),常常把電纜長度定為一常數(shù),所以在使用時(shí),如果改變電纜長度,必須重新校正靈敏度,否則由于電纜電容Cc的改變將引入誤差。隨著集成技術(shù)的發(fā)展,將阻抗變換器直接與后面測量電路的器件集成,引線很短,避免了電纜電容對靈敏度的影響,同時(shí),消除了電纜噪聲。第71頁，共150頁，2023年，2月20日，星期一圖15是一種電壓放大器(阻抗變換器)電路圖。它具有很高的輸入阻抗(一般

1000MΩ以上)和很低的輸出阻抗(小于100Ω,頻率范圍2~100kHz)。因此用該阻抗變換器可將高內(nèi)阻的壓電傳感器與一般放大器相匹配。第72頁，共150頁，2023年，2月20日，星期一圖15阻抗變換器電路圖

第73頁，共150頁，2023年，2月20日，星期一該阻抗變換器第一級采用MOS場效應(yīng)管構(gòu)成源極輸出器,第二級是用鍺管構(gòu)成對輸入端的負(fù)反饋,以提高輸入阻抗,電路中的R1,R2是場效應(yīng)管V的偏置電阻,R3是一個(gè)100MΩ的大電阻,主要起提高輸入阻抗的作用,R5是場效應(yīng)管的漏極負(fù)載電阻,根據(jù)V漏極電流大小即可確定R5的數(shù)值(在調(diào)試中確定),R4是源極接地電阻,也是VT的負(fù)載。第74頁，共150頁，2023年，2月20日，星期一

R4上的交流電壓通過C2反饋到場效應(yīng)管的輸入端,使A點(diǎn)電位提高,保證了較高的交流輸入阻抗。二極管VD1,VD2起保護(hù)場效應(yīng)管的作用,同時(shí)又可以起溫度補(bǔ)償作用。它是利用二極管的反向電流隨溫度變化來補(bǔ)償場效應(yīng)管泄漏電流ISG和IDG隨溫度的變化。由于V和VT是直接耦合,所以采用穩(wěn)壓管VDW時(shí)起穩(wěn)定VT的固定偏壓作用,:R6是VDW的限流電阻,使VDW工作在穩(wěn)定區(qū)。

第75頁，共150頁，2023年，2月20日，星期一圖15中,如果只考慮V構(gòu)成的場效應(yīng)管源極輸出器,則輸入阻抗

(20)

通過C2從輸出端引入負(fù)反饋電壓后,輸入阻抗為

(21)

式中Ku是加上負(fù)反饋后的源極輸出器的電壓增益,其值接近1。因此加負(fù)反饋后的輸入阻抗可提高到幾百甚至幾千兆歐,以滿足壓電傳感器對前置放大器的要求。

第76頁，共150頁，2023年，2月20日，星期一

（2）電荷放大器

電荷放大器是一個(gè)有反饋電容Cf的高增益運(yùn)算放大器。當(dāng)略去Ra與Ri并聯(lián)的等效電阻R后,壓電傳感器和電荷放大器連接的等效電路可用圖16表示。圖中A是運(yùn)算放大器。由于放大器的輸入阻抗極高,因此認(rèn)為放大器輸入端沒有分流。根據(jù)運(yùn)算放大器的基本特性,當(dāng)工作頻率足夠高時(shí),,忽略(1+A)/Rf可以求得電荷放大器的輸出電壓第77頁，共150頁，2023年，2月20日，星期一

(22)

式中A是運(yùn)算放大器的開環(huán)增益,負(fù)號表示放大器的輸入和輸出反相。

當(dāng)A》1,滿足(1+A)Cf>10(Ca+Cc+Ci)時(shí),就可以認(rèn)為

(23)

可見,在電荷放大器中,輸出電壓Uo與電纜電容Cc無關(guān),而與q成正比,這是電荷放大器的突出優(yōu)點(diǎn)。

第78頁，共150頁，2023年，2月20日，星期一圖16壓電傳感器與電荷放大器連接的等效電路

第79頁，共150頁，2023年，2月20日，星期一在圖16中,為了穩(wěn)定直流工作點(diǎn),減小零點(diǎn)漂移,所以在反饋電容Cf上并聯(lián)一個(gè)直流反饋電阻Rf,一般取Rf109。超低頻寬帶電荷放大器下限截止頻率可達(dá)10-4Hz,輸出阻抗小于100,可見其低頻響應(yīng)也優(yōu)于電壓放大器。電荷放大器的工作上限允許頻率由運(yùn)算放大器的頻率響應(yīng)特性決定。第80頁，共150頁，2023年，2月20日，星期一5．應(yīng)用舉例

壓電傳感器已被廣泛用于工業(yè)、軍事和民用等領(lǐng)域,表2列出了其主要應(yīng)用類型,其中力敏類型應(yīng)用最多。

表2壓電傳感器的主要應(yīng)用類型第81頁，共150頁，2023年，2月20日，星期一（1）壓電加速度傳感器

圖17是BAT-5型壓電加速度傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖。壓電片(采用鋯鈦酸鉛)放在基座上,上面為重塊組件,用彈簧片把壓電片壓緊,基座固接于待測物上,當(dāng)待測物振動時(shí),傳感器也受有同樣的振動,此時(shí)慣性質(zhì)量產(chǎn)生一個(gè)與加速度成正比的慣性力f作用在壓電片上,因而產(chǎn)生了電荷q,因?yàn)镕=ma,m是重塊組件的質(zhì)量,在傳感器中是一常數(shù),所以F與所測加速度a成正比。這樣傳感器產(chǎn)生的電荷q與所測加速度a成正比。因?yàn)閭鞲衅鞯碾娙萘緾不變,因此也可以用電壓U(U=q/C)來表示所測的加速度值。壓電片產(chǎn)生的電荷(或電壓)由導(dǎo)電片通過導(dǎo)線引到前置放大器,并用插頭引到測量電路。

第82頁，共150頁，2023年，2月20日，星期一圖17BAT-5型加速度傳感器結(jié)構(gòu)原理圖

1-基座；

2-壓電片；

3-導(dǎo)電片；

4-重塊組件；5-殼體；

6-彈簧片；

7-插頭

第83頁，共150頁，2023年，2月20日，星期一壓電加速度傳感器的頻率范圍寬,線性好,而且尺寸小,重量輕,附加于被測物件上不會使振動信號嚴(yán)重失真,從而在振動測量中應(yīng)用非常廣泛。

表3是一種6200系列集成壓電加速度計(jì)主要技術(shù)參數(shù),這種產(chǎn)品和一般壓電加速度計(jì)不同的地方是在傳感器內(nèi)部含集成電路,用以進(jìn)行阻抗變換。第84頁，共150頁，2023年，2月20日，星期一表36200系列集成壓電加速度計(jì)主要參數(shù)第85頁，共150頁，2023年，2月20日，星期一（2）壓電式壓力傳感器

壓電式壓力傳感器根據(jù)使用要求不同,有各種不同結(jié)構(gòu),但工作原理相同。圖18是其結(jié)構(gòu)示意圖。

當(dāng)壓力p作用在膜片上時(shí),壓電元件的上、下表面產(chǎn)生電荷,電荷量與作用力F成正比。而F=pS,式中S為壓電元件受力面積。因此式(11)可以寫成

q=d11F=d11pS

可見,對于選定結(jié)構(gòu)的傳感器,輸出電荷量(或電壓)與輸入壓力成正比關(guān)系,所以線性度較好。第86頁，共150頁，2023年，2月20日，星期一圖18壓電式壓力傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

1一引線插件；2一絕緣體;

3一殼體;

4一壓電元件:5一膜片第87頁，共150頁，2023年，2月20日，星期一壓電式壓力傳感器的測量范圍很寬,能測低至102N/m2的低壓,高至108N/m2的高壓,且頻響特性好,結(jié)構(gòu)堅(jiān)實(shí),體積小,重量輕,使用壽命長,所以廣泛應(yīng)用于內(nèi)燃機(jī)的氣缸、油管、進(jìn)排氣管的壓力測量,在航天和軍事工業(yè)上的應(yīng)用也很廣泛。第88頁，共150頁，2023年，2月20日，星期一

(3)基于壓電效應(yīng)的超聲波傳感器

超聲波是機(jī)械波的一種,其頻率大于20kHZ,由于超聲波的波長短,繞射現(xiàn)象小,能定向傳播,并在傳播的過程中衰減很小,所以超聲波在工業(yè)和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域內(nèi)得到廣泛應(yīng)用。

第89頁，共150頁，2023年，2月20日，星期一超聲波傳感器(也稱超聲探頭)實(shí)質(zhì)上是一種可逆的換能器,它將電振蕩的能量轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械振蕩,形成超聲波;或者由超聲波能量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娬袷?。因此超聲波傳感器可分為發(fā)送器及接收器,發(fā)送器是將電能轉(zhuǎn)變?yōu)槌暡?而接收器則是將接收到的超聲波能量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋?/p>

基于壓電效應(yīng)的超聲波傳感器結(jié)構(gòu)如圖19所示,其核心部分為壓電晶片。壓電式超聲探頭可發(fā)射和接收超聲波。它是由壓電晶片、阻尼塊(吸收塊)及保護(hù)膜組成。第90頁，共150頁，2023年，2月20日，星期一圖19壓電式探頭結(jié)構(gòu)圖

1一絕緣柱;

2一接觸座;

3一導(dǎo)電螺桿;

4一接線片;

5一吸收塊;

6一晶片座;

7一保護(hù)膜;

8-壓電晶片;

9一金屬外殼

第91頁，共150頁，2023年，2月20日，星期一壓電晶片為圓形平板,其厚度與超聲波頻率成反比。晶片的兩面鍍有銀層作為導(dǎo)電電極。為防止晶片與工件接觸而磨損,在晶片下層粘結(jié)一層保護(hù)膜,阻尼塊的作用是降低晶片的機(jī)械品質(zhì)因數(shù)Qm,吸收聲能,其目的是當(dāng)激勵(lì)的電振蕩脈沖停止時(shí),可防止壓電晶片因慣性作用繼續(xù)振動,而使超聲波的脈沖寬度改變,分辨率變差。第92頁，共150頁，2023年，2月20日，星期一圖20是用超聲波檢測厚度的方法之一——回波法的工作原理圖。

超聲波探頭與被測物體表面接觸。主控制器控制發(fā)射電路,使探頭發(fā)出的超聲波到達(dá)被測物體底面而反射回來,該脈沖信號又被探頭接收,經(jīng)放大加到示波器垂直偏轉(zhuǎn)板上。標(biāo)記發(fā)生器輸出時(shí)間標(biāo)記脈沖信號,同時(shí)加到該垂直偏轉(zhuǎn)板上,而掃描電壓則加在水平偏轉(zhuǎn)板上。因此,在示波器上可直接讀出發(fā)射與接收超聲波之間的時(shí)間間隔t。若已知超聲波的傳播速度為c,則可求得被測物體的厚度h=ct/2。第93頁，共150頁，2023年，2月20日，星期一圖20超聲波測厚工作原理圖第94頁，共150頁，2023年，2月20日，星期一三、霍爾傳感器利用霍爾效應(yīng)制成的傳感元件稱霍爾傳感器?；魻栃?yīng)這種物理現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn),雖然已有一百多年的歷史,但是直到20世紀(jì)40年代后期,由于半導(dǎo)體工藝的不斷改進(jìn),才被人們所重視和應(yīng)用。現(xiàn)在霍爾元件已廣泛應(yīng)用于非電量測量、自動控制、電磁測量、計(jì)算裝置以及現(xiàn)代軍事技術(shù)等各個(gè)領(lǐng)域。第95頁，共150頁，2023年，2月20日，星期一1．霍爾元件的基本工作原理

（1）半導(dǎo)體材料的霍爾效應(yīng)

如圖21所示的半導(dǎo)體薄片,若在它的兩端通以控制電流I,在薄片的垂直方向上施加磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場,那么在薄片的另兩側(cè)會產(chǎn)生一個(gè)與控制電流I和磁感應(yīng)強(qiáng)度B的乘積成比例的電動勢EH,這個(gè)電動勢稱霍爾電動勢,這一現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng),該半導(dǎo)體薄片稱為霍爾元件。第96頁，共150頁，2023年，2月20日，星期一圖21霍爾效應(yīng)原理圖第97頁，共150頁，2023年，2月20日，星期一

（2）工作原理

霍爾效應(yīng)的產(chǎn)生是由于運(yùn)動電荷受磁場中洛侖茲力作用的結(jié)果。假設(shè)在N型半導(dǎo)體薄片上通以電流I，如圖21所示,則半導(dǎo)體中的載流子(電子)沿著和電流相反的方向運(yùn)動(電子速度為v),由于在垂直于半導(dǎo)體薄片平面的方向上施加磁場B,所以電子受到洛侖茲力fL的作用,向一邊偏轉(zhuǎn)(見圖21中虛線方向),并使該邊形成電子積累,而另一邊則為正電荷織累,于是形成電場。該電場阻止運(yùn)動電子的繼續(xù)偏轉(zhuǎn)。當(dāng)電場作用在運(yùn)動電子上的力fE與洛侖茲力fL相等時(shí),電子的積累便達(dá)到動態(tài)平衡。第98頁，共150頁，2023年，2月20日，星期一在薄片兩橫斷面之間建立電場,其對應(yīng)的電動勢稱為霍爾電動勢EH,其大小可用下式表示

(24)

式中

RH——霍爾系數(shù)(m3/C);

I——控制電流(A);

B——磁感應(yīng)強(qiáng)度(T)

D——霍爾元件厚度(m)。第99頁，共150頁，2023年，2月20日，星期一霍爾系數(shù)RH=，為載流體的電阻率,μ為載流子的遷移率,半導(dǎo)體材料(尤其是N型半導(dǎo)體)電阻率大,載流子遷移率很高,因而可以獲得很大的霍爾系數(shù),適合于制造霍爾元件。

令KH=RH/d(Vm2/(AWb))稱為霍爾元件的靈敏度,則

EH=KHIB (25)

如果磁感應(yīng)強(qiáng)度B和元件平面法線成一角度時(shí),則作用在元件上的有效磁場是其法線方向的分量,即Bcos,這時(shí)

EH=KHIBcos (26)第100頁，共150頁，2023年，2月20日，星期一當(dāng)控制電流的方向或磁場的方向改變時(shí),輸出電動勢的方向也將改變。但當(dāng)磁場與電流同時(shí)改變方向時(shí),霍爾電動勢極性不變。

由上分析可知,霍爾電動勢的大小正比于控制電流I和磁感應(yīng)強(qiáng)度B。靈敏度KH表示在單位磁感應(yīng)強(qiáng)度和單位控制電流時(shí)輸出霍爾電動勢的大小,一般要求它越大越好。此外,元件的厚度d愈薄,KH也愈高,所以霍爾元件的厚度一般都比較薄。第101頁，共150頁，2023年，2月20日，星期一

(3)基本電路

在電路中,霍爾元件可用兩種符號表示,見圖22?；魻栐幕倦娐啡鐖D23所示。控制電流由電源E供給,RP為調(diào)節(jié)電阻,調(diào)節(jié)控制電流的大小。霍爾輸出端接負(fù)載電阻RL,它也可以是放大器的輸入電阻或表頭內(nèi)阻等。

第102頁，共150頁，2023年，2月20日，星期一圖22霍爾元件的符號

圖23霍爾元件的基本電路第103頁，共150頁，2023年，2月20日，星期一由于霍爾元件須在磁場與控制電流的作用下,才會輸出霍爾電動勢,所以在實(shí)際使用時(shí),可把I或B作為輸入信號,或這兩者同時(shí)作為輸入信號,而輸出信號則正比與I或B,或兩者的乘積。

由于建立霍爾效應(yīng)所需的時(shí)間很短(約10-12~10-14S之間),因此控制電流用交流時(shí),頻率可達(dá)109HZ以上。第104頁，共150頁，2023年，2月20日，星期一

2．霍爾元件的測量誤差及其補(bǔ)償

在實(shí)際使用中,存在著各種影響霍爾元件精度的因素,即在霍爾電動勢中迭加著各種誤差電勢,這些誤差電勢產(chǎn)生的主要原因有兩類:一類是由于制造工藝的缺陷;另一類是由于半導(dǎo)體本身固有的特性。這里只分析不等位電勢和溫度影響兩個(gè)主要誤差。第105頁，共150頁，2023年，2月20日，星期一

（1）不等位電勢Uo及其補(bǔ)償

不等位電勢Uo是一個(gè)主要的零位誤差,如圖24所示?；魻栯妱觿菔菑腁,B兩點(diǎn)引出的,由于工藝上無法保證霍爾電極A,B完全焊在同一等位面上,因此當(dāng)控制電流I流過元件時(shí),即使不加磁場，A,B兩點(diǎn)間也存在一個(gè)電勢Uo,這就是不等位電勢。第106頁，共150頁，2023年，2月20日，星期一圖24不等電位電勢示意圖第107頁，共150頁，2023年，2月20日，星期一在分析不等位電勢時(shí),可以把霍爾元件等效為一個(gè)電橋,見圖25。電橋臂的四個(gè)電阻分別是r1，r2，r3，r4,當(dāng)兩個(gè)霍爾電極A,B處在同一等位面上時(shí),r1=r2=r3=r4,

電橋平衡,不等位電勢Uo等于零。當(dāng)兩個(gè)霍爾電極不在同一等位面上時(shí),電橋不平衡,不等位電勢不等于零。此時(shí)可根據(jù)A,B兩點(diǎn)電位的高低,判斷應(yīng)在某一橋臂上并聯(lián)一定的電阻,使電橋達(dá)到平衡,從而使不等位電勢為零。第108頁，共150頁，2023年，2月20日，星期一圖25霍爾元件的等效電路第109頁，共150頁，2023年，2月20日，星期一幾種補(bǔ)償線路如圖26所示。圖中(a),(b)為常見補(bǔ)償電路,(b),(c)相當(dāng)于在等效電橋的兩個(gè)橋臂上同時(shí)并聯(lián)電阻,其中圖(c)調(diào)整比較方便,圖(d)用于交流供電情況。如果確切知道霍爾電極偏離等位面的方向,則可在工藝上采取措施來減小不等位電勢。第110頁，共150頁，2023年，2月20日，星期一圖26不等電位電勢的幾種補(bǔ)償線路

(a)

在等效電橋的一個(gè)橋臂并聯(lián)電阻;

(b),(c)在等效電橋的兩個(gè)橋臂同時(shí)并聯(lián)電阻;

(d)用于交流供電情況

第111頁，共150頁，2023年，2月20日，星期一

（2）溫度誤差及其補(bǔ)償

霍爾元件與一般半導(dǎo)體器件一樣,對溫度的變化是很敏感的,會給測量帶來較大的誤差。這是因?yàn)榘雽?dǎo)體材料的電阻率、遷移率和載流子濃度等都隨溫度變化的緣故。因此,霍爾元件的性能參數(shù)如內(nèi)阻、霍爾電勢等也將隨溫度變化。第112頁，共150頁，2023年，2月20日，星期一為了減小霍爾元件的溫度誤差,除選用溫度系數(shù)小的元件或采用恒溫措施外,用恒流源供電往往可以得到明顯的效果。恒流源供電的作用是減小元件內(nèi)阻隨溫度變化而引起的控制電流的變化。但是這還不能完全解決霍爾電動勢的穩(wěn)定問題。下面介紹一種簡單的補(bǔ)償線路。第113頁，共150頁，2023年，2月20日，星期一圖27溫度補(bǔ)償線路第114頁，共150頁，2023年，2月20日，星期一圖27中,在控制極并聯(lián)一個(gè)合適的補(bǔ)償電阻rp，這個(gè)電阻起分流作用。當(dāng)溫度升高時(shí),霍爾元件的霍爾電動勢和內(nèi)阻Ri都隨之增加,由于補(bǔ)償電阻rp的存在,在I為定值時(shí),通過霍爾元件的電流減小,而通過補(bǔ)償電阻rp的電流卻增加,這樣利用元件內(nèi)阻的溫度特性和一個(gè)補(bǔ)償電阻,就可以使霍爾電動勢的溫度誤差得到補(bǔ)償。

第115頁，共150頁，2023年，2月20日，星期一設(shè)恒流源供給的電流為I,當(dāng)溫度為To時(shí),霍爾元件中控制電流為

(27)

式中

IHO——溫度為To時(shí),霍爾元件控制電流;

Ri——溫度為To時(shí),霍爾元件的內(nèi)阻;

rp——溫度為To時(shí)補(bǔ)償電阻。第116頁，共150頁，2023年，2月20日，星期一當(dāng)溫度升到T時(shí),同理可得

(28)

式中

R——溫度為T時(shí),霍爾元件的內(nèi)阻，R=Ri(1+t)，是霍爾元件的電阻溫度系數(shù)，t=T-To為相對于基準(zhǔn)溫度To的溫差;

r——溫度為T時(shí),補(bǔ)償電阻的阻值，r=rp(1+t)，是補(bǔ)償電阻的溫度系數(shù)。

第117頁，共150頁，2023年，2月20日，星期一由式(27)可知,當(dāng)溫度為To時(shí),霍爾電動勢為

EH0=KH0IH0B

式中KH0——溫度為To時(shí),霍爾元件的靈敏度。

溫度為T時(shí)的霍爾電動勢為

EH=KHIHB=KH0(1+αt)IHB

式中

KH——溫度為T時(shí),霍爾元件的靈敏度;

——霍爾電動勢的溫度系數(shù)。由它的定義可知,實(shí)質(zhì)上它就是靈敏度溫度系數(shù)。第118頁，共150頁，2023年，2月20日，星期一為使霍爾電動勢不變化,必須保持EH=EH0,即

KH0(1+αt)IHB=KH0IH0B

將式(27)和(28)代入上式,經(jīng)整理后得

將上式展開,并略去t2項(xiàng)(溫差t<100℃時(shí),可認(rèn)為此項(xiàng)很小),則

rpα=Ri(-α-δ)第119頁，共150頁，2023年，2月20日，星期一所以

(29)

由于<<及<<,故上式可簡化為

(30)

當(dāng)及以及內(nèi)阻Ri確定后,補(bǔ)償電阻rp的大小就可以確定了。一般和可以從元件參數(shù)表中查得,約(2~10)×10-4/℃,約10-2/℃,故rp=(10~50)Ri，Ri可直接在無外磁場和室溫條件下測得。

除此之外,還可以通過選取合適的負(fù)載電阻和利用輸入回路的串聯(lián)電阻等方法進(jìn)行補(bǔ)償。第120頁，共150頁，2023年，2月20日，星期一

3．霍爾元件的使用

A．主要技術(shù)參數(shù)

(1)額定控制電流。指霍爾元件溫升10℃所施加的控制電流值,單位(mA),增大元件的控制電流可以獲得較大的輸出霍爾電動勢。但在實(shí)際使用時(shí),控制電流的增加受到霍爾元件的最高溫升的限制。

(2)輸入電阻Ri與輸出電阻Ro。Ri是指控制電流極之間的電阻值，Ro指霍爾電極之間的電阻,單位()。Ri和Ro可以用直流電橋或歐姆表,在無外磁場和室溫條件下進(jìn)行測量。第121頁，共150頁，2023年，2月20日，星期一

(3)不等位電勢Uo和不等位電阻ro。在額定控制電流下,不加外磁場時(shí),霍爾電極間的空載電動勢稱為不等位電勢Uo,單位(mV)?？梢栽诓患油獯艌龅臈l件下,將元件通以直流的額定控制電流,用直流電位差計(jì)測得空載霍爾電動勢,這就是其不等位電勢。

不等位電勢Uo與額定控制電流I之比,為元件的不等位電阻ro,即ro=Uo/I,單位（）。

(4)靈敏度KH?；魻栐趩挝淮鸥袘?yīng)強(qiáng)度和單位控制電流作用下的空載霍爾電動勢值,稱為霍爾元件的靈敏度KH。第122頁，共150頁，2023年，2月20日，星期一

(5)寄生直流電勢U。在無外磁場的情況下,霍爾元件通以交流控制電流,開路的霍爾電極間輸出的交流電勢稱為交流不等位電勢Uf,單位(mV)。在此情況下輸出的直流電勢稱為寄生直流電勢U,單位(μV)。

(6)霍爾電動勢溫度系數(shù)。在一定的磁感應(yīng)強(qiáng)度和單位控制電流下,溫度每改變1℃時(shí),霍爾電動勢值變化的百分率,稱為霍爾電動勢溫度系數(shù),單位（1/℃）。第123頁，共150頁，2023年，2月20日，星期一

(7)內(nèi)阻溫度系數(shù)。元件在無外磁場及工作溫度范圍內(nèi),溫度每變化1℃時(shí),輸入電阻Ri與輸出電阻R0變化的百分率稱為內(nèi)阻溫度系數(shù),單位(1/℃)。由于不同溫度時(shí),內(nèi)阻溫度系數(shù)值不等,一般取平均值。

(8)熱阻RQ。在霍爾電極開路情況下,元件上的電功率損耗I2Ri每改變1mW時(shí),元件溫度的變化值稱熱阻RQ,單位(℃/mW)。

常用國產(chǎn)霍爾元件的技術(shù)參數(shù)見表4。第124頁，共150頁，2023年，2月20日，星期一表4常用國產(chǎn)霍爾元件的技術(shù)參數(shù)第125頁，共150頁，2023年，2月20日，星期一

B元件的連接

為了得到較大的霍爾電動勢輸出,當(dāng)元件的工作電流為直流時(shí),可把幾個(gè)霍爾元件輸出串聯(lián)起來,但控制電流極應(yīng)該并聯(lián),如圖28(a)所示。不要連接成圖28(b),因?yàn)榭刂齐娏鳂O相串聯(lián)時(shí),有大部分控制電流將被相連的霍爾電勢極短接,見圖(b)中箭頭所示,而使元件不能正常工作。通過調(diào)節(jié)RPl,RP2可使兩單個(gè)元件輸出電動勢相等,而A,B端的輸出就等于單個(gè)元件的兩倍。這種連接方式雖增加了輸出電動勢,但輸出內(nèi)阻隨之增加。第126頁，共150頁，2023年，2月20日，星期一圖28霍爾元件輸出迭加連接

(a)正確接法;(b)錯(cuò)誤接法

第127頁，共150頁，2023年，2月20日，星期一

霍爾電動勢一般為毫伏級,所以實(shí)際使用時(shí)都采用運(yùn)算放大器加以放大,如圖29所示。

圖29霍爾電勢的放大電路第128頁，共150頁，2023年，2月20日，星期一

4．集成霍爾器件

將霍爾元件與放大電路集成在同一芯片內(nèi)構(gòu)成獨(dú)立器件,已獲得廣泛應(yīng)用。它體積小、價(jià)格便宜,而且?guī)в醒a(bǔ)償電路,有助于減小誤差,改善穩(wěn)定性。根據(jù)功能不同,集成霍爾器件有霍爾線性集成器件和霍爾開關(guān)集成器件兩種。第129頁，共150頁，2023年，2月20日，星期一（1）霍爾線性集成器件

霍爾線性集成器件是將霍爾元件和放大電路等集成制作在一塊芯片上,它的特點(diǎn)是輸出電壓在一定范圍內(nèi)與磁感應(yīng)強(qiáng)度B成線性關(guān)系,被廣泛使用于磁場檢測、直流無刷電動機(jī)等場合。第130頁，共150頁，2023年，2月20日，星期一霍爾線性集成器件由霍爾元件、放大、電壓調(diào)整、電流放大輸出級、失調(diào)調(diào)整及線性度調(diào)整等部分組成,有三端T型單端輸出和八腳雙列直插型雙端輸出兩種結(jié)構(gòu)。

表5是我國CS835霍爾線性集成器件的主要參數(shù),它與日本松下公司的該類型器件DN835特性相似。第131頁，共150頁，2023年，2月20日，星期一表5CS835主要參數(shù)第132頁，共150頁，2023年，2月20日，星期一

（2）霍爾開關(guān)集成器件

霍爾開關(guān)集成器件由霍爾元件、差分放大器、施密特觸發(fā)器、功率放大輸出器四個(gè)部分組成。它的特性如圖30所示,其高低電平的轉(zhuǎn)變所對應(yīng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B值不同,形成切換差(回差),這是位式作用傳感器的特點(diǎn),對防止干擾引起的誤動作有利。這種器件也有單端和雙