任务三发电型传感器综述

1、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 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 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

2、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

3、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

4、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

5、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

6、。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

7、、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

8、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

9、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

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