信息与通信]第4部分传感器原理4-磁电-压电与热电式.ppt

第三章 常用传感器与敏感元件,第四节 磁电、压电与热电式传感器,一、磁电式传感器,变换原理:,把被测量的物理量转换为感应电动势的一种传感器，又称电磁感应式或电动力式传感器对于一个匝数为N的线圈，当穿过该线圈的磁通F 发生变化时，其感应电动势 e 为,线圈感应电动势的大小，取决于匝数和磁通变化率磁通变化率与磁场强度、磁路磁阻、线圈运动速度有关，改变其中一个因素，都会改变感应电动势按照结构不同，磁电式传感器可分为：,磁电式,动圈式,磁阻式,线速度型,角速度型,,,磁电式传感器,磁电式传感器—动圈式,1. 动圈式,线速度型,角速度型,【右手定则】 亦称“发电机定则”确定导体在磁场中运动时导体中感生电流方向的定则伸开石手，使拇指与其余四指垂直，并都和手掌在同一平面内假想将右手放入磁场中，让磁力线垂直地从手心进入，使拇指指向导体运动的方向，这时其余四指所指的方向就是感生电流的方向如右图所示e,I,感应电动势：,式中： v —与外磁场B垂直的速度 L —切割磁力线的导线长度,v,,B,磁电式传感器—动圈式,在永久磁铁产生的恒定磁场内，放置一个可动线圈，当线圈在磁场中作直线运动时，它所产生的感应电动势,线圈匝数,线圈与磁场的相对运动速度,磁场的磁感应强度,单匝线圈有效长度,线圈运动方向与磁场方向的夹角,上式表明，当N、B、l 均为常数时，感应电动势大小与线圈运动的线速度成正比 — 惯性式磁电速度计的 工作原理,当线圈运动方向与磁场方向的夹角为90°时，上式可改写为,磁电式传感器—动圈式,当线圈在磁场中作转动时，它所产生的感应电动势,与结构有关的系数，k 1,单匝线圈的截面积,线圈相对磁场运动的角速度,上式表明，当传感器结构一定时，N、B、A 均为常数，感应电动势大小与线圈相对磁场运动的角速度成正比 — 用于转速测量,必须注意，上述所讨论的速度（v 或 w）是指线圈与磁场（壳体）的相对速度，而不是壳体本身的绝对速度。

磁电式传感器—动圈式,动圈磁电式传感器等效电路,e —感应电动势,Z0 —线圈阻抗,负载电阻（放大器输入电阻）,电缆导线电阻（很小可忽略）,电缆导线分布电容,,,,输出电压,,,,若不使用特别加长电缆导线时，CC可忽略，且RL Z0 ，,磁电式传感器—动圈式,动圈式传感器,,线速度型,,,磁电式传感器—动圈式,,测速电机,磁电式传感器的工作原理也是可逆的作为测量振动或转速，它工作于发电机状态；若圈上加以交变激励电压，则线圈就在磁场中振动，成为激振器（电动机状态）角速度型,磁电式传感器—动圈式,2. 磁阻式传感器,磁阻式传感器的线圈 与磁铁彼此不作相对运动， 由运动着的物体（导磁材料）改变磁路的磁阻，而引起磁力线增强或减弱，使线圈产生感应电动势这种传感器是由永久磁铁及缠绕其上的线圈组成，如下图,测频数,当齿轮旋转时，齿的凸凹引起磁阻变化，使磁通量变化，圈中感应出交流电动势，其频率等于齿轮的齿数和转速的乘积磁电式传感器—磁阻式,,,磁阻式传感器使用方便、结构简单，在不同场合下可用来测量转速、偏心量、振动等磁电式传感器—磁阻式,转速测量,偏心测量,振动测量,磁电式传感器—磁阻式,,案例：鼠笼电机转子断细条检测,磁电式传感器—磁阻式,二、压电式传感器,压电式传感器是一种可逆型换能器，既可以将机械能转换为电能，又可以将电能转换为机械能。

这种性能使它被广泛用于压力、应力、加速度测量，也被用于超声波发射与接收装置第四节 磁电、压电与热电式传感器,在用做加速度传感器时，可测频率范围从0.1Hz ~ 20kHz，可测振动加速度按其不同结构可达10-2 ~ 105 m/s2 用做测力传感器时，其灵敏度可达10-3 N 优点：体积小、质量小，精确度及灵敏度高等现在与其配套的后续仪器，如电荷放大器等技术性能的日益提高，使这种传感器的应用愈来愈广泛1.压电效应 ← 变换原理,某些物质，如石英，受到外力作用时， 不仅几何尺寸会发生变化，而且内部会被 极化，表面出现电荷，形成电场；当外力去掉时，又重新回到原来的状态，这种现象称为压电效应压电式传感器,压电效应是可逆的，即将压电晶体置于外电场中，其几何尺寸也会发生变化—逆压电效应,实验证明：压电效应和逆压电效应是线性的，即晶体表面出现电荷的多少与形变的大小成正比，当形变改变符号时，电荷也改变符号；在外电场作用下，晶体形变的大小与电场强度成正比，当电场反向时，形变也改变符号通常把沿电轴(X 轴)方向的作用力(一般利用压力)产生的压电效应称为“纵向压电效应”，把沿机械轴(Y 轴)方向的作用力产生的压电效应称为“横向压电效应”，沿光轴(Z 轴)方向的作用力不产生压电效应。

沿相对两棱加力时，则产生切向效应压电式传感器主要是利用纵向压电效应压电效应与方向,压电式传感器,2.压电材料,常用的压电材料大致可分为三类:压电单晶、压电陶瓷和有机压电薄膜石英是压电单晶中最具有代表性的，应用广泛除天然石英外，还大量应用人造石英石英的压电常数不高，但具有较好的机械强度和时间、温度稳定性传感技术中最普遍应用的是压电陶瓷压电陶瓷制作方便，成本低，压电常数比单晶体高得多，一般比石英高数百倍现在的压电元件多数采用压电陶瓷高分子压电薄膜的压电特性并不很好，但它易于大批量生产，且具有面积大、柔软不易破碎等优点，可用于微压测量和机器人的触觉压电式传感器,3.压电式传感器及其等效电路,在压电晶体的两个工作面上进行金属蒸镀，形成金属膜，构成两个电极如图所示,在压电晶体受到外力作用时， 在两个极板上将聚积数量相等、 极性相反的电荷，形成了电场因此压电传感器可看作是一个 电荷发生器，又是一个电容器，,其电容量为,等效电荷源,压电式传感器适宜作动态测量压电式传感器,实际压电传感器中，通常用两个或两个以上的压电晶片进行并接或串接使用并接：电容量大、输出电荷量多 、时间常数大，宜于测量 缓变信号，适宜于以电荷 量输出的场合。

串接：电容量小、输出电压大， 适用于以电压作为输出信 号的场合压电式传感器,压电传感器是一个具有一定电容的电荷源，其开路电压 u0 与电荷 q、传感器电容 Ca 存在下列关系,当传感器接入测量电路， 连接电缆的寄生电容就形成 传感器的并联寄生电容 C， 后续电路的输入阻抗和传感 器中的漏电阻就形成泄露电阻 R0，为了防止漏电阻造成电荷损失，通常要求 R0 1011 W，因此传感器可近似视为开路压电式传感器,在外力为正弦力F0 sinw t 作用时，传感器产生的电荷为,考虑负载影响时，根据电荷平衡条件，有,式中,,u,,,求导,忽略过渡过程，上式的稳态解,压电式传感器,电容上的电压为,上式表明：压电元件的电压输出还受回路的时间常数 R0C 的影响在测试动态量时，为了建立一定的输出电压并实现不失真测量，压电式传感器的测量电路必须有高输入阻抗并在输入端并联一定的电容 Ci 以加大时间常数 R0C 但并联电容过大也会使输出电压降低过多，降低了测量装置的灵敏度3-38),压电式传感器,4.测量电路,压电式传感器输出电信号很微弱，而且传感器本身有很大内阻，故输出能量很小，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，方可用一般的放大、检波电路将信号输给指示仪表或记录器。

前置放大器电路的主要用途有两点：①将传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出；②放大传感器输出的微弱电信号前置放大器电路有两种形式： ① 是用电阻反馈的电压放大器，其输出电压与输入电压(即传感器的输出)成正比； ② 是带电容反馈的电荷放大器，其输出电压与输入电荷成正比① 使用电压放大器时，放大器的输入电压如式 (3-38)所表达由于电容 C 包括了Ca、Ci 和 Cc，其中电缆对地电容 Cc 比 Ca 和 Ci 都大，故整个测量系统对电缆对地电容 Cc 的变化非常敏感连接电缆的长度和形态变化会引起 Cc 的变化，导致传感器输出电压u的变化，从而使仪器的灵敏度也发生变化压电式传感器,② 电荷放大器是一个高增益带电容反馈的运算放大器，当略去传感器漏电阻及电荷放大器输人电阻，它的等效电路如下图(3-38)所示由于忽略漏电阻,运算放大器的开环 增益为 A，则有,若 A足够大，则,,简化为,式 (3-39)表明，在一定条件下，电荷放大器的输出电压与传感器的电荷量成正比，并且与电缆分布电容无关因此，采用电荷放大器时，即使连接电缆长度达百米以上时，其灵敏度也无明显变化，这是电荷放大器突出的优点但与电压放大器相比，其电路复杂，价格昂贵。

3-39),压电式传感器,,5. 压电式传感器的应用,常用来测量应力、压力、振动的加速度，也用于声、超声和声发射等测量压电效应是力—电荷变换，可直接用作测力现在己形成系列的压电式力传感器，测量范围从微小力值10-3 N到104 kN ，动态范围一般为60dB；测量方向有单方向的，也有多方向的形式如下：,①利用膜片式弹性元件，通过膜片承压面积将压力转换为力膜片中间有凸台，凸台背面放置压电片力通过凸台作用于压电片上，使之产生相应的电荷量 ②利用活塞的承压面承受压力，并便活塞所受的力通过在活塞另一端的顶杆作用在压电片上测得此作用力便可推算出活塞所受的压力压电式传感器,现在广泛采用压电式传感器来测量加速度此种传感器的压电片处于其壳体和一质量块之间，用强弹簧 (或预紧螺栓)将质量块、压电片紧压在壳体上运动时，传感器壳体推动压电片和质量块一起运动在加速时，压电片承受由质量块加速而产生的惯性力 按不同需要做成不同灵敏度、不同量程和不同大小，形成系列产品大型高灵敏度加速度计灵敏阈可达10-6 gn (gn 标准重力加速度)，但其测量上限也很小，只能测量微弱振动而小型的加速度计仅重0·149 g，灵敏度虽低，但可测量上千gn的强振动。

压电式传感器的工作频率范围广，理论上其低端从直流开始，高端截止频率取决于结构的连接刚度，一般为数十赫到兆赫的量级，这使它广泛用于各领域的测量压电式传感器,压电式传感器内阻很高，产生的电荷量很小，易受传输电缆杂散电容的影响，必须采用前面已谈到的阻抗变换器或电荷放大器已有将阻抗变换器和传感器集成在一起的集成传感器，其输出阻抗很低 由于电荷的泄漏，使压电式传感器实际上低端工作频率无法达到直流，难以精确测量常值力在低频振动时，压电式加速度计振动圆频率小，受灵敏度限制，其输出信号很弱，信噪比差尤其在需要通过积分网络来获取振动的速度和加速度值的情况下，网络中运算放大器的漂移及低频噪声的影响，使得难于在小于1Hz的低频段中应用压电式加速度计压电式传感器,压电式传感器一般用来测量沿其轴向的作用力，该力对压电片产生纵向效应并产生相应的电荷，形成传感器通常的输出；然而，垂直于轴向的作用力，也会便压电片产生横向效应和相应的输出，称为横向输出与此相应的灵敏度，称为横向灵敏度对于传感器而言，横向输出是一种干扰和产生测量误差的原因使用时，应该选用横向灵敏度小的传感器一个 压电式传感器各方向的横向灵敏度是不同的为了减少横向输出的影响，在安装使用时，应力求使最小横向灵敏度方向与最大横向干扰力方向重合。

环境温度、湿度的变化和压电材料自身的时效，都会引起压电常数的变化，导致压电传感器灵敏度的变化→经常校准是十分必要的,压电式传感器,产品,加速度计,,压电式传感器,力传感器,压力变送器,案例：飞机模态分析,,压电式传感器,三、热电式传感器,把被测量（主要是温度的）变化转换成电量变化，,其变换是基于金属的热电效应按变换方式的不同，可分为热电偶和热电阻传感器1. 热电偶工作原理→热电效应,将两种不同材料的导体A和B串接成一个闭合回路，当两个接点温度不同时，在回路中就会产生热电势，形成电流，此现象称为热电效应热电式传感器,由两种导体的组合并将温度转化为热电动势的传感器叫做热电偶如图所示的热电。