任务三发电型传感器综述

任务三 发电型传感器 天津冶金职业技术学院天津冶金职业技术学院 任务务要求 Ø 熟悉发电型传感器的基本原理，理解压电 效应、霍尔效应将非电量信号转换为电信号 的过程 Ø 掌握压电传感器、霍尔传感器、磁电传感 器、超声波传感器的几种应用 天津冶金职业技术学院天津冶金职业技术学院 情境一情境一 压电式传感器压电式传感器 1 1 情境二情境二 霍尔传感器霍尔传感器 2 2 情境三情境三 磁电式传感器磁电式传感器 3 3 情境四情境四 超声波传感器超声波传感器 4 4 任务三 发电型传感器 天津冶金职业技术学院天津冶金职业技术学院 情境一 压电式传感器 压电式传感器是一种有源传感器，亦即发电 型传感器。它是以某些材料的压电效应为基础， 在外力作用下，这些材料的表面上产生电荷，从 而把力转换为电荷，实现非电量到电量的转换。 因此压电式传感器是力敏元件，它能测量最终能 变换为力的那些物理量，例如压力、应力、加速 度振动等。由于没有运动部件，因此结构坚固， 可靠性稳定性高，在工程上有着广泛的应用。 天津冶金职业技术学院天津冶金职业技术学院 一 压电效应 科学研究中发现，某些电介质在沿一定的方向受到外力 作用变形时，由于内部电荷的极化现象，会在其表面产生电 荷，当外力去掉后，又重新恢复到不带电状态。这种现象称 作压电效应。 天津冶金职业技术学院天津冶金职业技术学院 图（a）是在X轴方向受压力，图（b）是在X轴方向受拉 力，图（c）是在Y轴方向受压力，图（d）是在Y轴方向受拉 力。从图中可以看出，改变压电材料的变形方向，可以改变 其产生电荷的极性。 实验证明，压电元件上产生的电荷量Q与施加的 外力F成正比，即 （3-1） 式中，d为压电材料的压电系数；F为施加在压电材料上 的外力。 天津冶金职业技术学院天津冶金职业技术学院 二 电致伸缩效应 压电效应是可逆的，当在压电元件上沿着电轴的方向 施加电场，压电元件将产生机械变形。如果外加电场的大 小、方向发生变化，压电元件的机械变形的大小也随之相 应变化，这种现象称作电致伸缩效应。 可以想象如果外 加电场以很高的频率按正弦规律变化，压电元件的机械变 形也按正弦规律快速变化，这种变化使压电元件产生机械 振动。超声波就是利用这种效应制作的。 天津冶金职业技术学院天津冶金职业技术学院 三 压电材料 常见的压电材料可分为三大类：压电晶体、压电陶瓷 与新型高分子压电材料。 1压电晶体： 石英晶体一种性能良好的天然压电晶体，其突出的优 点是稳定性好，转换效率和转换精度高。此外石英晶体还 具有线性范围宽、重复性好、固有频率高、动态特性好、 工作温度高（可达550且压电系数不随温度而改变）等 优点，但石英晶体压电系数较低，价格较贵。 2压电陶瓷 ： 人工制造的多晶体，将各成分按照一定的比例混合 均匀后在高温中烧结而成。与石英晶体相比其优点是压 电陶瓷的压电系数高制造的成本低，因此在实际使用的 天津冶金职业技术学院天津冶金职业技术学院 压电传感器，大都采用压电陶瓷材料。缺点是熔点低，性 能没有石英晶体稳定。 3新型压电材料： 新型压电材料主要有有机压电薄膜和压电半导体等。有 机压电薄膜是由某些高分子聚合物，经延展拉伸和电场极化 后形成的具有压电特性的薄膜，如聚仿氟乙烯、聚氟乙烯等 。有机压电薄膜具有柔软、不易破碎、具有防水性、面积大 等优点，可制成大面积阵列传感器和机器人触觉传感器。 有些材料如硫化锌、氧化锌、硫化钙等，既具有半导体 特性又具有压电特性。由于同一材料上兼有压电和半导体两 种物理性能，故可以利用压电性能制作敏感元件，又可以利 用半导体特性制成电路器件，研制成新型集成压电传感器。 天津冶金职业技术学院天津冶金职业技术学院 天津冶金职业技术学院天津冶金职业技术学院 四 等效电 路 压电元件是在压电晶片产生电荷的两个工作面上进行 金属蒸镀，形成两个金属膜电极，当压电晶片受力时，在 晶片的两个表面上聚积等量的正、负电荷，晶片两表面相 当于电容器的两个极板，两极板之间的压电材料等效于一 种介质，因此压电晶片相当于一只平行极板介质电容器。 因此，压电元件可以等效为一个电荷源Q与一个电容Ca并 联的电路 ，也可以等效成一个电压源U = Q/Ca 和一个电容 Ca的串联电路 天津冶金职业技术学院天津冶金职业技术学院 五 压电传感器的测量电路 由于压电元件上产生的电荷量很小，必须选择一种合适 的放大器将电荷量检测出来。常用的压电传感器的测量电 路有以下两种。 1电压放大器 图图3-3电压电压 放大器 图中： Ca：传感器的电容、 Ra：传感器的漏电阻、 Cc：连接电缆的等效电容、Ri：放大器的输入电阻、 Ci：放大器的输入电容。 天津冶金职业技术学院天津冶金职业技术学院 假设有一交变的力作用到压电元件上，则压电元件上 产生的电荷量为： （3-2） 此时放大器输入端的电压为： （3-3） 因此放大器的输出与Ca、Cc、Ci有关，实际使用时，不能 随意更换传感器出厂时的连接电缆，否则，会给测量带来误差 。 天津冶金职业技术学院天津冶金职业技术学院 压电式传感器在与电压放大器配合使用时，连接电缆不 能太长。电缆长，电缆电容Cc就大，电缆电容增大必然使传 感器的电压灵敏度降低。这在一定程度上限制了压电式传感 器在某些场合的应用。 2电荷放大器 图3-4电荷放大器 天津冶金职业技术学院天津冶金职业技术学院 放大器的输出电压为： 由于放大器的增益很大，所以上式中的Ca+Cc+Ci，可 以忽略。放大器的输出电压为： 电荷放大器的输出电压只与反馈电容有关，而与连接电 缆无关，更换连接电缆时不会影响传感器的灵敏度，这是电 荷放大器的最大优点。 天津冶金职业技术学院天津冶金职业技术学院 由于压电式传感器的输出电信号是微弱的电荷 ，而且传感器本身有很大内阻，故输出能量甚微， 这给后接电路带来一定困难。 为此，通常把传感 器信号先输到高输入阻抗的前置放大器。经 过阻抗变换以后，方可用于一般的放大、检测电 路将信号输给指示 仪表或记录器。目前，制造厂 家已有把压电式传感器与前置放大器集成在一起 的产品，不仅方便了使用，而且也大大降低了成 本。 天津冶金职业技术学院天津冶金职业技术学院 六 压电传感器的应用 玻璃打碎报警装置。玻璃破碎时会发出几千赫兹的振动。 将高分子压电薄膜粘贴在玻璃上，可以感受到这一振动， 图3-5为高分子压电薄膜振动感应片示意图。 天津冶金职业技术学院天津冶金职业技术学院 高分子薄膜厚约0.2mm，用聚偏二氟乙烯（PVDF） 薄膜制成10mm20mm大小。在它的正、反两面各喷 涂透明的二氧化锡导电电极，也可以用热印制工艺 制作铝薄膜电极再用超声波焊接上两根柔软的电极 引线，并用保护膜覆盖。使用时，用胶将其粘贴在 玻璃上，当玻璃遭到暴力打碎时，压电薄膜感受到 剧烈振动。在两个输出引脚之间产生窄脉冲信号， 该信号经放大后，用电缆输送到集中报警装置，产 生报警信号。由于感应片很小且透明，不易察觉， 所以可安装于贵重物品柜台、展览橱窗等。 天津冶金职业技术学院天津冶金职业技术学院 情境二 霍尔传感器 霍尔传感器是目前国内外应用最为广泛的一种 磁敏传感器，它利用磁场作为媒介，可以检测很多 的物理量，如微位移、加速度、转速、流量、角度 等，也可用于制作高斯计、电流表、功率计、乘法 器、接近开关和无刷直流电机等。它可以实现非接 触测量，而且在很多情况下，可采用永久磁铁来产 生磁场，不需附加能源。因此，这种传感器广泛应 用于自动控制、电磁检测等各个领域中。 天津冶金职业技术学院天津冶金职业技术学院 霍尔传感器有霍尔元件和霍尔集成电路两种类型。目前 ，霍尔传感器已从分立型结构发展到集成电路阶段。霍尔集 成电路是把霍尔元件、放大器、温度补偿电路及稳压电源等 做在一个芯片上的集成电路型结构。与前者相比，霍尔集成 电路更具有微型化、可靠性高、寿命长、功耗低以及负载能 力强等优点，正越来越受到人们的重视，应用日益广泛。 一 霍尔效应 如图所示将金属或半导体薄片垂直放置于磁场中，并 通以控制电流I，那么，在垂直于电流和磁场的方向上将 产生电势，这种现象称为霍尔效应。 天津冶金职业技术学院天津冶金职业技术学院 产生的电动势 称为霍尔电势，金属或半导体薄片称霍 尔元件。该效应是由E.H.Hall于1879年发现的。 霍尔效应的产生是由于运动电荷受到磁场中洛伦兹力 作用的结果。霍尔电势可表示为： 天津冶金职业技术学院天津冶金职业技术学院 式中 ，I为控制电流；B为磁感应强度； 为霍尔元件的灵敏度系数 。 与霍尔元件材料的性质及几何尺寸有关。由于 金属的电子浓度高，所以它的霍尔系数或灵敏度 都很小，因此不适宜制做霍尔元件；元件的厚度d 愈小，灵敏度愈高，因而制做霍尔片时可采取减 小d 的方法来增加灵敏度。但是不能认为d愈小愈 好，因为这会导致元件的输入和输出电阻增加。 一般采用霍尔系数或灵敏度比较大的N型半导体材 料做霍尔元件。 天津冶金职业技术学院天津冶金职业技术学院 二 、霍尔元件的主要技术参数 霍尔元件是一种四端型器件，如下图所示，它由霍尔片 、4根引线和壳体组成。霍尔片是一块矩形半导体单晶薄片 ，尺寸一般为4mm× 2mm× 0.1 mm。通常为红色的两个引线 A、B 为控制电流输入线， C、D 两个绿色引线为霍尔电势 输出线。 天津冶金职业技术学院天津冶金职业技术学院 1输入电阻()和输出电阻(OUT) 为霍尔器件两个电流电极（控制电极）之间 的电阻，OUT为两个霍尔电极之间的电阻。 2额定控制电流C 霍尔器件将因通电流而发热。使在空气中的霍尔器件产 生允许温升10时的控制电流称为额定控制电流。当控制电 流超过额定控制电流C时，器件温升将大于允许的温升，器 件特性将变坏。 3不等位电势（也称为非平衡电压或残留电压 ）0和不等位电阻0 天津冶金职业技术学院天津冶金职业技术学院 当外加磁场为零时，霍尔输出端之间的开路电压称为不 等位电势。它是由于四个电极的几何尺寸不对称引起的， 使用时多采用电桥法来补偿不等位电势引起的误差。 4灵敏度H 5霍尔电势温度系数 在磁感应强度及控制电流一定清况下，温度变化l,相 应霍尔电势变化的百分数。它与霍尔元件的材料有关，一般 为0.1/左右。在要求较高场合，应选择低温漂的霍尔元 件。 天津冶金职业技术学院天津冶金职业技术学院 表1 典型霍尔元件主要参数 天津冶金职业技术学院天津冶金职业技术学院 三 霍尔集成电路 将霍尔元件、放大器、温度补偿电路、输出电路及稳 压电源等集成在一块芯片上，称为霍尔集成电路，常见的 有线性型和开关型两种。 1线性型霍尔集成传感器 在一定的控制电流条件下，线性型霍尔传感器的输出 电压与外加磁场强度呈线性关系。它有单端输出型与双端 输出型两种。 图3-8线性型霍尔集成电路 天津冶金职业技术学院天津冶金职业技术学院 2.开关型霍尔集成传感器 常见的霍尔开关集成电路有UGN-3000系列，其外形与 UGN3501T相同，内部由霍尔元件、放大器、整形电路及输 出电路组成，如图3-9所示。 图3-9 开关型霍尔集成电路 天津冶金职业技术学院天津冶金职业技术学院 四 霍尔传感器的应用 1钳型电流表 由霍尔元件构成的电流传感器具有测量为非接触式 、测量精度高、不必切断电路电流、测量的频率范围广 （从零到几千赫兹）、本身几乎不消耗电路功率等特点 。 根据安培定律，在载流导体周围将产生一正比于该 电流的磁场。用霍尔元件来测量这一磁场，可得到 一正比于该磁场的霍尔电动势。通过测量霍尔电动 势的大小来间接测量电流的大小，这就是霍尔钳形 电流表的基本测量原理。如图3-10所示。 天津冶金职业技术学院天津冶金职业技术学院 图3-10霍尔钳型电流表 天津冶金职业技术学院天津冶金职业技术学院 2液位探测与报警 在容器的上部安装上 开关型霍尔集成电路，液 体里放置