第5章电动势传感器资料.ppt

第第5 5章章 电动势式传感器电动势式传感器 本章包含三部分内容：本章包含三部分内容：5.1 5.1 磁电感应式传感器磁电感应式传感器5.2 5.2 霍尔传感器霍尔传感器5.3 5.3 压电式传感器压电式传感器5.1 5.1 磁电感应式传感器磁电感应式传感器    简称简称感应式感应式传感器，也称传感器，也称电动式电动式传感器 利用利用磁电作用磁电作用将被测物理量的变化转变为感应电动势，是将被测物理量的变化转变为感应电动势，是一种机－电能量变换型传感器一种机－电能量变换型传感器   优点优点：：输出功率大，性能稳定，且不需要工作电源输出功率大，性能稳定，且不需要工作电源调理电路简单，调理电路简单，性能稳定，输出阻抗小，具有一定频率性能稳定，输出阻抗小，具有一定频率响应（一般响应（一般1010～～10001000HzHz）），，灵敏度较高，一般不需要高灵敏度较高，一般不需要高增益放大器增益放大器 缺点缺点：传感器的尺寸和重量都较大传感器的尺寸和重量都较大 应用应用：适用于振动、转速、扭矩等测量适用于振动、转速、扭矩等测量5.1.1 5.1.1 工作原理工作原理　　　　　　N匝线圈在磁场中运动切割磁力线或线圈所在磁场的磁匝线圈在磁场中运动切割磁力线或线圈所在磁场的磁通变化时，线圈中所产生的感应电动势通变化时，线圈中所产生的感应电动势e的大小决定于穿过线的大小决定于穿过线圈的磁通量圈的磁通量Φ的变化率，即：的变化率，即：　　 　如　如:当线圈垂直于磁场方向运动以速度当线圈垂直于磁场方向运动以速度 v切割磁力线时，切割磁力线时，感应电动势为：感应电动势为：ｅｅ=－－Ndφ/dt式中：式中：l－每匝线圈的平均长度；－每匝线圈的平均长度； B－线圈所在磁场的磁感应强度。

－线圈所在磁场的磁感应强度ｅｅ=－－NBlv 引起引起dφ/dt 变化的因素：变化的因素： ①① 线圈切割磁力线线圈切割磁力线----恒定磁通式恒定磁通式（动圈式和动铁式）；（动圈式和动铁式）； ②② Φ=BS，磁场强度，磁场强度B改变改变----变磁通式变磁通式（磁阻式）磁阻式）磁磁电电感感应应式式动圈式动圈式磁磁阻阻式式线速度型线速度型角速度型角速度型N变变磁磁通通式式恒恒定定磁磁通通式式动磁式动磁式闭磁路闭磁路开磁路开磁路5.1.2 5.1.2 磁电感应式传感器的类型磁电感应式传感器的类型 下图下图(b)(b)为为闭磁路闭磁路变磁通式传感器结构示意图，被测转轴变磁通式传感器结构示意图，被测转轴带动椭圆形测量齿轮在磁场气隙中等速转动，使气隙平均长带动椭圆形测量齿轮在磁场气隙中等速转动，使气隙平均长度周期性变化，因而磁路磁阻也周期性变化，磁通同样周期度周期性变化，因而磁路磁阻也周期性变化，磁通同样周期性变化，则圈中产生感应电动势，其频率性变化，则圈中产生感应电动势，其频率f f与测量齿轮转与测量齿轮转速速n n(r/min)(r/min)成正比，即成正比，即f=n/30f=n/30。

图图(a)(a)为为开磁路开磁路变磁通式传感器结构示意图，变磁通式传感器结构示意图，1 1、变磁通式磁电传感器、变磁通式磁电传感器测速电机测速电机磁电式车速传感器磁电式车速传感器磁阻式传感器磁阻式传感器  图图5.35.3和图和图5.45.4分别为动圈式和动磁式的结构原理图分别为动圈式和动磁式的结构原理图 组成：金属骨架组成：金属骨架1 1、弹簧、弹簧2 2、线圈、线圈3 3、永久磁铁、永久磁铁4 4和导磁壳体和导磁壳体5 5等 特征：这种结构磁路系统产生恒定的直流磁场，磁路气隙不特征：这种结构磁路系统产生恒定的直流磁场，磁路气隙不变，气隙中磁通也不变，运动部件可以是磁铁，也可以是线圈变，气隙中磁通也不变，运动部件可以是磁铁，也可以是线圈两者工作原理完全相同两者工作原理完全相同图图5.3 5.3 动圈式动圈式图图5.4 5.4 动铁（磁）式动铁（磁）式2 2、恒定磁通式磁电传感器、恒定磁通式磁电传感器         图图5.35.3当线圈在垂直于磁场方向作直线运动时，当线圈在垂直于磁场方向作直线运动时，若线圈相对磁场的运动速度为若线圈相对磁场的运动速度为v v，则所产生的感应电，则所产生的感应电动势：动势： e =－－B l ＮＮ００ v式中：式中： l —— 每匝线圈的平均长度；每匝线圈的平均长度； 　　　　　　 B—— 线圈所在磁场的磁感应强度；线圈所在磁场的磁感应强度； 　　　　　　 ＮＮ００——线圈线圈有效匝数有效匝数 。

当传感器结构参数确定后，当传感器结构参数确定后，B、、l、、N００均为定值，均为定值，故感应电动势故感应电动势e e与线圈相对运动速度与线圈相对运动速度v v成正比，所以这成正比，所以这类传感器的基本形式是类传感器的基本形式是速度型速度型传感器，能传感器，能直接测量线直接测量线速度速度5.1.3 5.1.3 特性分析特性分析 磁电感应式传感器是惯性式拾振器，适用于测磁电感应式传感器是惯性式拾振器，适用于测量动态物理量，因此动态特性是这种传感器的主要量动态物理量，因此动态特性是这种传感器的主要性能其等效电路如下性能其等效电路如下(L(L传感器线圈电感、Ｒ线圈电阻传感器线圈电感、Ｒ线圈电阻) )　　若在其测量电路中接入积分电路或微分电路，若在其测量电路中接入积分电路或微分电路，那么还可以用来测量那么还可以用来测量位移位移或或加速度加速度由上述工作原由上述工作原理可知，磁电感应式传感器只适用于理可知，磁电感应式传感器只适用于动态测量动态测量 1 1、磁电式振动速度传感器、磁电式振动速度传感器 CD/BCD-21系系列列利利用用线线圈圈在在永永久久磁磁场场中中作作切切割割磁磁力力线线运运动动，，产产生生与与振振动动速速度度成成正正比比的的电电压压信信号号。

经经放放大大，，微微分分或或积积分分运运算算可可测测振振动动速速度度、、加加速速度度或或位位移移灵灵敏敏度度高高难难度度、、内内阻阻低低在在机机械械振振动测试中被广泛采用为使用方便，配有动测试中被广泛采用为使用方便，配有CZ-3CZ-3磁座 5.1.4 磁电感应式传感器应用磁电感应式传感器应用 型号CD-1CD-2CD-4CD-7-CCD-7-SCD-8-FCD-21-2-CCD-21-2-SBCD-21灵敏度mv/μm600300600600，6000>20200,280290频率范围Hz10～5002～5002～3000.5～202～50010～100010～1000最大可测位移±1mm±1.5mm±7.5mm±6mm　±1mm±1mm最 大 可 测加速度m/s250100100<10　500(冲击）500(冲击)线性度(%)5555555测量方式绝对相对相对绝对非接触绝对绝对尺寸(mm)φ45×135φ50×170φ65×17070×70×130φ22×55φ35×70φ60×115应用范围稳态稳态稳态低频转速监视用防爆型号及技术参数型号及技术参数 图图5.85.8为为CD-1CD-1型振动速度型振动速度传感器结构图。

传感器结构图 磁路系统：永久磁铁磁路系统：永久磁铁3 3用铝架用铝架4 4支撑，与壳体支撑，与壳体7 7固固定在一起；工作线圈定在一起；工作线圈6 6和和环行阻尼器环行阻尼器2 2用心轴用心轴5 5连在连在一起组成质量块，由弹簧一起组成质量块，由弹簧1 1、、8 8支撑在壳体上支撑在壳体上 测试时，用磁性表座测试时，用磁性表座固定并夹紧传感器下端固定并夹紧传感器下端2 2、磁电式转速传感器、磁电式转速传感器 图图5.95.9所示，磁路系统所示，磁路系统--------永久磁铁永久磁铁3+3+定子定子5+5+转子转子2+2+气隙气隙 转子转子2 2的齿与定子的齿与定子5 5的齿相对时，气隙最小，磁阻最小（磁通量最大）的齿相对时，气隙最小，磁阻最小（磁通量最大） 转子转子2 2的齿与定子的齿与定子5 5的槽相对时，气隙最大，磁通量最小的槽相对时，气隙最大，磁通量最小  磁电感应式扭矩仪工作原理图磁电传感器    测量仪表齿形圆盘扭转轴     磁电传感器213 3、磁电感应式扭矩仪、磁电感应式扭矩仪 由永久磁铁、线圈、弹性元件和齿状盘组成。

测量扭由永久磁铁、线圈、弹性元件和齿状盘组成测量扭矩时，将其转轴固定在被测轴两端，由两个磁电式传感器矩时，将其转轴固定在被测轴两端，由两个磁电式传感器读出扭转转角后的信号，再作信号分析、处理，可求出扭读出扭转转角后的信号，再作信号分析、处理，可求出扭转角检测原理如下：受扭矩检测原理如下：受扭矩M作用，轴产生的变形角作用，轴产生的变形角φφ为：为：则两感应电动势相位差则两感应电动势相位差φφ0 0与扭角与扭角φφ的关系为：的关系为：式中：式中：Z Z为齿盘齿数角度放大了为齿盘齿数角度放大了Z Z倍，只要检测出倍，只要检测出φφ0 0就就能求出扭角能求出扭角φφ图5.11 电磁流量传感器的原理示意图4 4、磁流量传感器、磁流量传感器 利用导体切割磁力线，会在导体中产生电动势的原利用导体切割磁力线，会在导体中产生电动势的原理来工作的理来工作的 需注意：所测流体必须为导体如酸、碱溶液等需注意：所测流体必须为导体如酸、碱溶液等5.2 5.2 霍尔传感器霍尔传感器　　　　基于基于霍尔效应霍尔效应，将被测量（如电流、磁场、位移、压，将被测量（如电流、磁场、位移、压力、压差、转速等）转换成力、压差、转速等）转换成电动势电动势输出的一类传感器。

输出的一类传感器　　优点优点：：　　　结构简单、坚固、体积小；　　　结构简单、坚固、体积小；　　　频率响应宽，动态范围（输出电动势的变化）大；　　　频率响应宽，动态范围（输出电动势的变化）大；　　　无触点，寿命长，可靠性高，易于微型化和集成化　　　无触点，寿命长，可靠性高，易于微型化和集成化　　缺点缺点：：　　　转换率较低，温度影响大，要求转换精度较高时必须　　　转换率较低，温度影响大，要求转换精度较高时必须进行温度补偿进行温度补偿SS500系列表面贴装霍尔系列表面贴装霍尔效应传感器效应传感器 SS94B1系列线性位置传感器系列线性位置传感器 霍尔接近开关霍尔接近开关 半导体磁性传感器半导体磁性传感器 各类霍尔传感器产品各类霍尔传感器产品 产品产品  金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流流过时，在垂金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势，这种物理现象称为直于电流和磁场的方向上将产生电动势，这种物理现象称为霍尔效应敏感元件也称霍尔效应敏感元件也称霍尔元件霍尔元件 图图5.12 5.12 霍尔效应原理图霍尔效应原理图5.2.1 5.2.1 霍尔效应霍尔效应霍尔电势的计算：霍尔电势的计算：式中：式中：n---Nn---N型半导体材料中的电子密度；型半导体材料中的电子密度；d---d---霍尔片的厚度；霍尔片的厚度； e---e---电子的电荷量，电子的电荷量，e e＝＝1.602×101.602×10-19-19C C；； R RH H------霍尔系数，霍尔系数，R RH H＝－＝－1/(ne)1/(ne)，由，由载流材料物理性质载流材料物理性质决定；决定； ＫＫH H--------霍尔元件的灵敏度系数，与材料的物理性质和几何霍尔元件的灵敏度系数，与材料的物理性质和几何 尺寸有关。

Ｋ尺寸有关ＫＨＨ＝＝R RH H／／d d I ----I ----控制电流的大小；控制电流的大小； B----B----磁感应强度；磁感应强度；若磁场与霍尔片法线方向夹角若磁场与霍尔片法线方向夹角θ≠0θ≠0，则：，则：5.2.2 霍尔元件结构及其特性分析①①霍尔元件霍尔元件选材选材：：N N型锗型锗------霍尔系数、温度性能、线性霍尔系数、温度性能、线性度好；度好；P P型硅型硅------线性度最好，但带负载能力较差线性度最好，但带负载能力较差②②霍尔元件结构和外形见附图霍尔元件结构和外形见附图a a：由霍尔片、：由霍尔片、4 4根引线和根引线和壳体组成壳体组成 霍尔片大小：霍尔片大小：4mm×2mm×0.1mm4mm×2mm×0.1mm 4 4根引线根引线:2:2根控制电流端引线（根控制电流端引线（红色导线红色导线），要求焊接），要求焊接处欧姆接触处欧姆接触--------接触面积大、电阻小，呈纯电阻接触面积大、电阻小，呈纯电阻2 2根根霍尔电势输出引线以点接触对焊（霍尔电势输出引线以点接触对焊（绿色线绿色线）③③简化符号见附图简化符号见附图2.2.１１.　　霍尔元件材料和结构霍尔元件材料和结构附图１附图１ 外形与结构外形与结构 霍尔元件的主要霍尔元件的主要技术参数技术参数有：有： １）１）灵敏度灵敏度KH: 　　B=1，，I=1时的时的UH 。

　２）　２）输入、输出电阻输入、输出电阻：控制电流极间的电阻、霍尔电压极间的电阻控制电流极间的电阻、霍尔电压极间的电阻　３）　３）额定控制电流额定控制电流：在空气中使霍尔元件产生：在空气中使霍尔元件产生10℃℃温升的控制电流温升的控制电流　４）不等位电势与不等位电阻　４）不等位电势与不等位电阻 (后面详述后面详述)　５）寄生直流电势：当　５）寄生直流电势：当B=0时，在控制电流作用下的输出电势时，在控制电流作用下的输出电势　６）感应零电势：当　６）感应零电势：当I=0时，在交变或脉动磁场中输出的电势时，在交变或脉动磁场中输出的电势　７）　７）霍尔电势温度系数霍尔电势温度系数　８）　８）电阻温度系数：电阻温度系数： ９）９）灵敏度温度系数：温度每变化灵敏度温度系数：温度每变化1℃℃时霍尔元件灵敏度时霍尔元件灵敏度KH的变化率的变化率 10) 10) 线性度线性度 ：２、霍尔元件的主要技术参数２、霍尔元件的主要技术参数包括以下三方面：包括以下三方面：１）控制电流与输出之间的关系（１）控制电流与输出之间的关系（UH –I–I特性）特性） UH=K=KHIBIB，当磁场和环境温度一定，，当磁场和环境温度一定，UH–I–I为线性关系。

为线性关系3、霍尔元件的、霍尔元件的电磁特性电磁特性２）霍尔输出与磁场之间的关系（２）霍尔输出与磁场之间的关系（UH–B–B特性）特性） 当控制电流一定时，霍尔元件开路输出与当控制电流一定时，霍尔元件开路输出与B B并不是完全并不是完全 线性关系线性关系３）霍尔元件输入或输出电阻与磁场之间关系（３）霍尔元件输入或输出电阻与磁场之间关系（R–B–B特性）特性） 霍尔元件的内阻随磁场的绝对值增加而加大霍尔元件的内阻随磁场的绝对值增加而加大——磁阻效应磁阻效应；； 霍尔元件的磁阻效应使霍尔输出降低，尤其在强磁场时霍尔元件的磁阻效应使霍尔输出降低，尤其在强磁场时5.2.3 5.2.3 霍尔元件的基本驱动电路霍尔元件的基本驱动电路  霍尔元件的基本驱动电路如图所示，电路比较简霍尔元件的基本驱动电路如图所示，电路比较简单，其中单，其中R R用来调节控制电流，用来调节控制电流，R RL L为负载电阻为负载电阻  其中：其中：恒压驱动恒压驱动电路简单，但性能较差，随着磁感应强度电路简单，但性能较差，随着磁感应强度 增加，线性变坏，仅用于精度要求不太高的场合；增加，线性变坏，仅用于精度要求不太高的场合； 恒流驱动恒流驱动线性度高，精度高，受温度影响小。

线性度高，精度高，受温度影响小 （a） 恒流驱动（b） 恒压驱动霍尔元件可采用两种方式：恒流驱动或恒压驱动霍尔元件可采用两种方式：恒流驱动或恒压驱动5.2.4 5.2.4 霍尔元件的误差分析及补偿霍尔元件的误差分析及补偿           由由于于制制造造工工艺艺问问题题以以及及实实际际使使用用时时各各种种影影响响霍霍尔尔元元件件性性能能的的因因素素，，如如元元件件安安装装不不合合理理、、环环境境温温度度变变化化等等，，都会影响霍尔元件的转换精度，带来误差都会影响霍尔元件的转换精度，带来误差 不等位电动势不等位电动势 零位误差零位误差霍尔元件误差产生的主要原因：霍尔元件误差产生的主要原因： 寄生直流电动势寄生直流电动势 温度误差温度误差 感应零电势感应零电势 霍尔元件的零位误差包括霍尔元件的零位误差包括不等位电势不等位电势、、寄生直流电势寄生直流电势和和感应零电势感应零电势等，其中不等位等，其中不等位电势是最主要的零位误差。

要降低除了在工电势是最主要的零位误差要降低除了在工艺上采取措施以外，还需采用补偿电路加以艺上采取措施以外，还需采用补偿电路加以补偿 1 1、霍尔元件的、霍尔元件的零位误差零位误差及其补偿及其补偿（（a a）） 两电极点不在同一等位面上（两电极点不在同一等位面上（b b））等位面歪斜等位面歪斜图图5.17 5.17 霍尔元件不等位电势示意图霍尔元件不等位电势示意图（（1 1）不等位电势及其补偿）不等位电势及其补偿不等位电动势不等位电动势：当霍尔元件在额定控制电流作用下，不加：当霍尔元件在额定控制电流作用下，不加外磁场（外磁场（B=0B=0）时，霍尔元件输出端之间的空载电动势时，霍尔元件输出端之间的空载电动势不等位电动势产生的原因：见图不等位电动势产生的原因：见图5.175.17•霍尔元件的等效电路：可等效为四臂电桥（下图霍尔元件的等效电路：可等效为四臂电桥（下图a a）•零位误差补偿方法：零位误差补偿方法：①①制造工艺上采取措施，减少误差；制造工艺上采取措施，减少误差； ② ②选材更精细；选材更精细； ③③采用补偿电路（图采用补偿电路（图5.17b5.17b））n当霍尔元件通以当霍尔元件通以交流控制电流交流控制电流而不加外磁场而不加外磁场(B=0)(B=0)时，霍尔输出除了交流不等位电动势外，还有直流时，霍尔输出除了交流不等位电动势外，还有直流电动势分量，称为寄生直流电动势。

电动势分量，称为寄生直流电动势n产生原因：由于元件的两对电极不是完全欧姆接触产生原因：由于元件的两对电极不是完全欧姆接触而形成而形成整流效应整流效应，以及两个霍尔，以及两个霍尔电极的焊点大小不电极的焊点大小不等等、热容量不同引起温差所产生的它随时间而变、热容量不同引起温差所产生的它随时间而变化，导致输出漂移因此在元件制作和安装时，应化，导致输出漂移因此在元件制作和安装时，应尽量使电极尽量使电极欧姆接触欧姆接触，并做到散热均匀，有良好的，并做到散热均匀，有良好的散热条件散热条件 （（2 2）寄生直流电动势）寄生直流电动势2 2、霍尔元件的温度误差及其补偿、霍尔元件的温度误差及其补偿①①采用采用恒流源供电恒流源供电和输入回路和输入回路并联电阻并联电阻      图图5.18 5.18 温度补偿电路温度补偿电路α--α--霍尔元件灵敏度温度系数；霍尔元件灵敏度温度系数；β--β--霍尔元件的电阻温度系数；霍尔元件的电阻温度系数；r r0 0 ----霍尔元件的初始输入电阻．霍尔元件的初始输入电阻． 霍尔元件的霍尔元件的r r0 0、、αα和和ββ均可在均可在产品说明书中查到通常产品说明书中查到。

通常α>>βα>>β，所以上式可简化为：，所以上式可简化为：②②合理选取负载电阻合理选取负载电阻R RL L的阻值的阻值 当霍尔元件接有负载当霍尔元件接有负载R RL L时，如右图示，时，如右图示，在在R RL L上的电压为：上的电压为：式中：式中：R RO 0O 0----温度温度T=TT=T0 0时，霍尔元件的输出电阻；其他符号含义如前相时，霍尔元件的输出电阻；其他符号含义如前相同为使负载上的电压不随温度而变化，应使同为使负载上的电压不随温度而变化，应使dUdUL L/d(T/d(T－－T T0 0) )＝＝0 0，即：，即：③③采用恒压源和输入回路串联电阻采用恒压源和输入回路串联电阻 当霍尔元件采用当霍尔元件采用稳压电源供电稳压电源供电，且霍尔元件输出开，且霍尔元件输出开路状态下工作时，可在输入回路中路状态下工作时，可在输入回路中串入适当的电阻串入适当的电阻来补来补偿温度误差其分析过程与结果同式（偿温度误差其分析过程与结果同式（5.175.17）④④采用温度补偿元件采用温度补偿元件（如热敏电阻、电阻丝等）（如热敏电阻、电阻丝等）        图图a)a)、、b)b)、、c)c)为霍尔元件具有为霍尔元件具有负温度系数负温度系数（温度升高，（温度升高，输出减小）时的补偿电路。

输出减小）时的补偿电路 图图d)d)为霍尔元件具有为霍尔元件具有正温度系数正温度系数时的补偿电路时的补偿电路⑤⑤采用桥路补偿电路采用桥路补偿电路        图中图中R RP P用来补偿不等位电势，用来补偿不等位电势， R RX X是是热敏电阻热敏电阻，在霍尔元件输出，在霍尔元件输出端串接温度补偿电桥端串接温度补偿电桥 若将霍尔元件与放大电路、温度补偿电路等集成在一起制成集成若将霍尔元件与放大电路、温度补偿电路等集成在一起制成集成霍尔传感器，则性能优良、使用方便、体积小、成本低，输出功率大霍尔传感器，则性能优良、使用方便、体积小、成本低，输出功率大和输出电压高，应用比较广泛和输出电压高，应用比较广泛 桥路输出随温度变化的补桥路输出随温度变化的补偿电压，与霍尔元件输出的电偿电压，与霍尔元件输出的电压相加作为传感器的输出压相加作为传感器的输出5.2.5 5.2.5 霍尔传感器的应用霍尔传感器的应用 霍尔元件具有结构简单、体积小、重量轻、霍尔元件具有结构简单、体积小、重量轻、频带宽、动态特性好和寿命长等许多优点，因频带宽、动态特性好和寿命长等许多优点，因而得到广泛应用。

而得到广泛应用 在电磁测量中，用它测量恒定或交变在电磁测量中，用它测量恒定或交变磁感磁感应强度应强度、、有功功率有功功率、、无功功率无功功率、、相位相位、、电能电能等等参数；在自动检测系统中，多用于参数；在自动检测系统中，多用于位移位移、、压力压力和和转速转速测量               图图5.20 UGN3501M5.20 UGN3501M内部框图内部框图                        图图5.215.21  霍尔磁感应强度测量电路霍尔磁感应强度测量电路电压表电压表  稳压1 1、霍尔磁感应强度测量仪、霍尔磁感应强度测量仪 当电流流过导线时，将在导线周围产生磁场，磁场大当电流流过导线时，将在导线周围产生磁场，磁场大小与流过导线的电流大小成正比，这一磁场可以通过软磁材小与流过导线的电流大小成正比，这一磁场可以通过软磁材料来聚集，然后用霍尔器件进行检测料来聚集，然后用霍尔器件进行检测2 2、霍尔传感器测电流、霍尔传感器测电流(a)(a)图5.23  霍尔开关电子点火器霍尔传感器磁钢图图5.22 5.22 数显霍尔电流表数显霍尔电流表2 2、霍尔传感器测电流、霍尔传感器测电流(b)ICIC1 1为为A/DA/D转换器转换器, ,内含液晶显示驱动电路。

内含液晶显示驱动电路3 3、霍尔开关电子点火器、霍尔开关电子点火器图图5.23 5.23 霍尔开关电子点火器霍尔开关电子点火器  霍尔传感器      磁钢4 4、霍尔元件在直流无刷电机中的应用、霍尔元件在直流无刷电机中的应用图图5.24 5.24 直流无刷电机霍尔开关电子换向直流无刷电机霍尔开关电子换向H1~H4为开关型霍尔元件为开关型霍尔元件5、霍尔传感器测位移6、汽车速度测量5.3 5.3 压电式传感器压电式传感器n压电式传感器的工作原理是以某些晶体材压电式传感器的工作原理是以某些晶体材料的料的压电效应压电效应为基础，在外力作用下，在为基础，在外力作用下，在晶体材料的表面上能产生电荷，从而实现晶体材料的表面上能产生电荷，从而实现非电量转换和测量非电量转换和测量n压压电电传传感感元元件件是是力力敏敏感感元元件件，，所所以以它它能能测测量量最最终终能能变变换换为为力力的的那那些些物物理理量量，，例例如如力力、、压力、加速度等压力、加速度等n压压电电式式传传感感器器具具有有许许多多优优点点：：体体积积小小、、结结构构简简单单，，固固有有频频率率高高、、响响应应频频带带宽宽、、灵灵敏敏度度和和信信噪噪比比高高。

近近年年由由于于电电子子技技术术的的发发展展，，与与之之配配套套的的二二次次仪仪表表以以及及低低噪噪声声、、小小电电容容、、高高绝绝缘缘电电阻阻电电缆缆的的出出现现，，使使压压电电传传感感器器的的使使用用更更为为方方便便因因此此，，在在工工程程力力学学、、生生物物医医学学、、石石油油勘勘探探、、声声波波测测井井、、电电声声学学等等许许多多技技术术领领域域中中获获得得了了广广泛泛的的应用n缺缺点点：：一一般般无无静静态态输输出出，，要要求求测测量量电电路路有有高高输输出出阻阻抗抗、、电电缆缆电电容容要要低低等等，，工工作作温温度度较较低低<250℃<250℃5.3.1 压电效应与压电材料压电效应与压电材料n正正压压电电效效应应--------某某些些晶晶体体（（压压电电材材料料））（（如如石石英英sio2，，钛钛酸酸钡钡等等）），，在在受受到到外外力力作作用用时时，，不不仅仅几几何何尺尺寸寸发发生生变变化化，，而而且且内内部部极极化化，，表表面面上上有有电电荷荷出出现现，，形形成成电电场场，，当当外外力力去去掉掉，，表表面面又又恢恢复复到到原原来来状状态的现象具有这种性质的材料称为压电材料。

态的现象具有这种性质的材料称为压电材料 逆压电效应逆压电效应机械能机械能正压电效应正压电效应电能电能n逆逆压压电电效效应应（（电电致致伸伸缩缩效效应应））------若若把把压压电电材材料料放放置置在在电电场场中中，，则则在在一一定定方方向向上上其其几几何何尺尺寸寸发发生生变变形形；；当当外外电电场场撤撤去去，，该该电电场场随随之之消失这种现象称为逆压电效应这种现象称为逆压电效应n所以说压电传感器是一种可逆型换能器机械能所以说压电传感器是一种可逆型换能器机械能←→←→电能 自然界大多数晶体材料都具有压电效应，作为敏感材料，自然界大多数晶体材料都具有压电效应，作为敏感材料，主要考虑以下性能：主要考虑以下性能：压电常数压电常数d d大大；；机械强度、刚度高机械强度、刚度高；；高高电阻率电阻率和和大介电系数大介电系数；具有；具有较高的居里点较高的居里点（压电效应不明（压电效应不明显时的温度）；对显时的温度）；对时间稳定性好时间稳定性好，等目前有四类可供选择的压电材料：目前有四类可供选择的压电材料： ① ①单晶体（单晶体（压电单晶体压电单晶体）） ② ②多晶体（多晶体（压电陶瓷压电陶瓷）） ③ ③压电半导体材料压电半导体材料 ④ ④有机高分子压电材料有机高分子压电材料ZXY(a)(b)石英晶体石英晶体( (a a) )理想石英晶体的外形理想石英晶体的外形 ( (b b) )坐标系坐标系ZYX　　石英晶体石英晶体具有压电效应，是由其内部结构决定的。

具有压电效应，是由其内部结构决定的天然结构石英晶体的理想外形是一个正六面体，在晶体学天然结构石英晶体的理想外形是一个正六面体，在晶体学中它可用三根互相垂直的轴来表示，其中：中它可用三根互相垂直的轴来表示，其中： ＹＹ轴轴----机械轴机械轴在电场中，在电场中，沿该轴机械变形最明显；沿该轴机械变形最明显； ＸＸ轴轴----称为称为电轴电轴，垂直此轴的面上，压电效应最强，垂直此轴的面上，压电效应最强； ＺＺ轴轴----中性轴中性轴，该方向无压，该方向无压电效应，用光学方法确定该轴，电效应，用光学方法确定该轴，故称为故称为光轴光轴　　图图5.26 5.26 石英晶体的切片石英晶体的切片 　　通常把沿电轴通常把沿电轴X X方向的力作用下产生电荷的压电效应方向的力作用下产生电荷的压电效应称为称为““纵向压电效应纵向压电效应””，而把沿机械轴，而把沿机械轴Y Y方向的力作用下方向的力作用下产生电荷的压电效应称为产生电荷的压电效应称为““横向压电效应横向压电效应”” 晶体的许多特性取决于晶体的方向为了利用石英晶体的许多特性取决于晶体的方向为了利用石英晶体的压电效应，需将晶体沿一定方向切割成晶片。

方晶体的压电效应，需将晶体沿一定方向切割成晶片方法很多，常用的是法很多，常用的是X X切和切和Y Y切 X X切切Y Y切切 石英晶片受压力或拉力时，电荷的极性如下图所示石英晶片受压力或拉力时，电荷的极性如下图所示  a) b) c) d)a) b) c) d)图图5.27 5.27 晶片受力方向与电荷极性的关系晶片受力方向与电荷极性的关系 Ｘ切Ｘ切：厚度边：厚度边//X//X轴，长度边轴，长度边//Y//Y轴，宽度边轴，宽度边//Z//Z轴Ｙ切Ｙ切：厚度边：厚度边//Y//Y轴，长度边轴，长度边//X//X轴，宽度边轴，宽度边//Z//Z轴多晶体多晶体（压电陶瓷）（压电陶瓷） 压压电电陶陶瓷瓷属属于于铁铁电电体体物物质质，，是是人人工工制制造造的的多多晶晶压压电电材材料料将将原原料料粉粉碎碎、、碾碾磨磨和和成成型型，，在在1000℃1000℃以以上上烧烧结结而而成成它它具具有有类类似似铁铁磁磁材材料料磁磁畴畴结结构构的的电电畴畴结结构构。

电电畴畴是是分分子子自自发发形形成成的的区区域域，，它它有有一一定定的的极极化化方方向向，，从从而而存存在在一一定定的的电电场场在在无无外外电电场场作作用用时时，，各各个个电电畴畴在在晶晶体体上上杂杂乱乱分分布布，，它它们们的的极极化化效效应应被被相相互互抵抵消消，，因因此此原原始始的的压压电电陶陶瓷瓷内内极极化化强强度为零，见图（度为零，见图（a a） (a)极化处理前(b)极化处理中(c)极化处理后 剩余极化强度直流电场直流电场E E剩余伸长电场作用下的伸长n机机械械能能与与电电能能转转换换关关系系用用压压电电方方程程来来描描述述压压电电方方程程有多种形式，常用的形式为：有多种形式，常用的形式为：　　　　　　　　 　　 Ｑ＝Ｑ＝d F (5.19) (5.19)式中：式中：F--F--压电元件所受外力；压电元件所受外力； Q----Q----相应表面产生的电荷相应表面产生的电荷 d--d--压电系数（与压电材料、切面方向有关）压电系数（与压电材料、切面方向有关） 此式的物理表现为：当压电元此式的物理表现为：当压电元件受到外力件受到外力F F作用时，在相应的表面作用时，在相应的表面会产生电荷。

会产生电荷5.3.2 5.3.2 工作原理工作原理  沿一定的方向，将压电晶体切成一定尺寸的长方体，表面沿一定的方向，将压电晶体切成一定尺寸的长方体，表面再镀上金属膜，如图再镀上金属膜，如图5.285.28，这便形成了常用压电式传感器的敏，这便形成了常用压电式传感器的敏感元件感元件----压电晶片压电晶片 当压电晶片受到压力的作当压电晶片受到压力的作用时，分别在两个极板上积聚用时，分别在两个极板上积聚数量相等而极性相反的电荷数量相等而极性相反的电荷因此，压电传感器可以看作是因此，压电传感器可以看作是一个一个电荷发生器电荷发生器，也可以看成，也可以看成是一个是一个电容器电容器式中：式中：h h——压电片厚度；压电片厚度； S S ——极板面积；极板面积； εε——相对介质介电常数；相对介质介电常数； εε0 0 ——真空中的介电常数，其值为真空中的介电常数，其值为8.88.85×5×1010-12-12 F/mF/m；； εεr r ——压电材料的相对介电常数，随材料不同而变压电材料的相对介电常数，随材料不同而变。

其电容量其电容量ＣＣa a为为: :　　这样，可把压电晶片等效成一个与电容相并联的　　这样，可把压电晶片等效成一个与电容相并联的电荷源电荷源，，图图5.29a5.29a，也可以等效为一个，也可以等效为一个电压源电压源，，Ua=Q/CaUa=Q/Ca，图，图5.29b5.29ba)a)电荷源电荷源 b)b)电压源电压源 图图5.29 5.29 压电晶片的等效电路压电晶片的等效电路  压电传感器与测量仪表联接时，还必须考虑压电传感器与测量仪表联接时，还必须考虑电缆电容电缆电容C CC C，放大器的，放大器的输入电阻输入电阻R Ri i 和和输入电容输入电容C Ci i以及传感器的以及传感器的泄漏电阻泄漏电阻R Ra a下图画出了压电传感下图画出了压电传感器完整的等效电路器完整的等效电路a)a)电荷源电荷源 b)b)电压源电压源 图图5.30 5.30 压电晶片测试系统的等效电路压电晶片测试系统的等效电路 Ua 实际设计中，压电晶片常用两片或多片组合在一起使用。

实际设计中，压电晶片常用两片或多片组合在一起使用由于压电材料是有极性的，因此存在并联和串联两种接法由于压电材料是有极性的，因此存在并联和串联两种接法①①并联接法并联接法（如图（如图a）） 特征：两压电晶片的结构形式不同，上、下两极板通过特征：两压电晶片的结构形式不同，上、下两极板通过导线连接，两片晶片中间一般加铜片或银片作为引出电极导线连接，两片晶片中间一般加铜片或银片作为引出电极 并联接法输出电荷大，本身电容大，因此时间常数也大，并联接法输出电荷大，本身电容大，因此时间常数也大，适用于测量缓变信号，并以适用于测量缓变信号，并以电荷量电荷量作为输出的场合作为输出的场合②②串联接法串联接法（如图（如图b b）） 特征特征：两压电晶片的结构形式相同，引线分别从两片压电：两压电晶片的结构形式相同，引线分别从两片压电晶片引出上晶片负电荷和下晶片正电荷相消晶片引出上晶片负电荷和下晶片正电荷相消 串联接法输出电压高，本身电容小，适用于以串联接法输出电压高，本身电容小，适用于以电压电压作为作为输出量以及测量电路输入阻抗很高的场合输出量以及测量电路输入阻抗很高的场合。

另外需注意：压电元件在压电式传感器中，必须有一定的预另外需注意：压电元件在压电式传感器中，必须有一定的预应力，这样可以保证在作用力变化时，压电片始终受到压力，应力，这样可以保证在作用力变化时，压电片始终受到压力，同时也保证了压电片的输出与作用力的线性关系同时也保证了压电片的输出与作用力的线性关系 5.3.3 5.3.3 测量电路测量电路 压电式传感器的内阻很高，输出电信号很微弱，通常应把传感器信压电式传感器的内阻很高，输出电信号很微弱，通常应把传感器信号先输入到高输入阻抗的号先输入到高输入阻抗的前置放大器前置放大器中，经过阻抗变换后，方可输入到中，经过阻抗变换后，方可输入到后续显示仪表中后续显示仪表中 压电传感器要求测量电路的前级输入端要有足够高的阻抗，这样才压电传感器要求测量电路的前级输入端要有足够高的阻抗，这样才能防止电荷迅速泄漏而使测量误差变大能防止电荷迅速泄漏而使测量误差变大 前置放大器有两个前置放大器有两个作用作用：：①①把传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出；把传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出；②②把传感器的微弱信号进行放大把传感器的微弱信号进行放大。

用于压电传感器的前置放大器也有两种形式：用于压电传感器的前置放大器也有两种形式：Ø电压放大器电压放大器：其输出电压与输入：其输出电压与输入电压电压（传感器输出电压）成正比；（传感器输出电压）成正比；Ø电荷放大器电荷放大器：其输出电压与输入：其输出电压与输入电荷电荷（传感器输出电荷）成正比传感器输出电荷）成正比１、电荷放大器１、电荷放大器 电荷放大器实际上是一个具有反馈电容的高增益运算放电荷放大器实际上是一个具有反馈电容的高增益运算放大器下图是压电传感器与电荷放大器连接的等效电路下图是压电传感器与电荷放大器连接的等效电路图中中C CF F 和和R RF F 分别为放大器的反馈电容、电阻分别为放大器的反馈电容、电阻图图5.32 5.32 压电传感器与电荷放大器连接等效电路压电传感器与电荷放大器连接等效电路　　　当运算放大器的　　　当运算放大器的放大倍数Ａ足够大放大倍数Ａ足够大，而且当，而且当工作频率足工作频率足够高够高时，输出电压为：时，输出电压为： U0≈Q/CF 　（　（5.215.21）） 输出电压输出电压U0只取决只取决于于Q和和CF。

　　　　压电元件本身的电容大小和压电元件本身的电容大小和电缆长短将不影响电缆长短将不影响或极少影响或极少影响电荷放大器的输出电荷放大器的输出--------这就是电荷放大器的突出优点之一这就是电荷放大器的突出优点之一　　　不加证明，直接给出电荷放大器的另一个优点：电荷放　　　不加证明，直接给出电荷放大器的另一个优点：电荷放大器的低频截止频率是电压放大器的大器的低频截止频率是电压放大器的1/A1/A，而，而A A较大，显然较大，显然电电荷放大器的低频截止频率远比电压放大器低很多荷放大器的低频截止频率远比电压放大器低很多 a) b)a) b) 压电传感器接电压放大器的等效电路压电传感器接电压放大器的等效电路２、电压放大器２、电压放大器 压电传感器接电压放大器的等效电路如下图压电传感器接电压放大器的等效电路如下图a a所示图图b b是压电晶片简化后的等效电路其中，是压电晶片简化后的等效电路其中，u ui i为电压放大为电压放大器输入电压；器输入电压；R=RR=Ra a//R//Ri i ; ;C=CC=CC C+C+Ci i；；u ua a= =Q Q/ /C Ca a 。

如果压电传感器受交变力：如果压电传感器受交变力：f f = = F Fm msinsinωtωt 则在压电元件上产生的电压为：则在压电元件上产生的电压为： (d(d为压电系数为压电系数) ) u ua a=Q/=Q/C Ca a =(d =(dF Fm m/ /C Ca a)sin)sinωt= Uωt= Um m sinsinωtωt幅值：幅值：                                                                 可推导出送入放大器输入端的电压为可推导出送入放大器输入端的电压为：：                                                                                                                                                                       注意：此式中的注意：此式中的F F为输入，为输入， 为等效电路的输出（放大器的输入），为等效电路的输出（放大器的输入），ω ω 为输入力的变化频率。

为输入力的变化频率            可表示成另一种形式可表示成另一种形式--------幅值和相位差：幅值和相位差：放大器输入电压与输入力放大器输入电压与输入力F之间的相位差为：之间的相位差为： 当当ω→∞时，则放大器输入端电压的幅值为：时，则放大器输入端电压的幅值为： 这时，传感器的电压灵敏度为这时，传感器的电压灵敏度为此式表明：由于电缆电容此式表明：由于电缆电容C Cc c及放大器输入电容及放大器输入电容C Ci i的存在，使的存在，使k ku u↓↓如果更换电缆，则更换电缆，则C Cc c变化，使变化，使k ku u也变化因此也变化因此更换电缆长度，则必须重新校更换电缆长度，则必须重新校正传感器的电压灵敏度值正传感器的电压灵敏度值1 1、压电式加速度传感器、压电式加速度传感器（１）加速度传感器结构（１）加速度传感器结构5.3.4 5.3.4 压电式传感器的应用压电式传感器的应用  目前多用于测量目前多用于测量加速度加速度和和动态力或压力动态力或压力                        微振动测试仪电路图Q0－传感器的电荷        C0－传感器静电容         Ce－电缆静电容（２）压电式加速度传感器测量电路（２）压电式加速度传感器测量电路产品                                                                                                                                                                                                                                                                    加速度计理论模型                               压电式单向测力传感器结构图晶片电子束焊接上盖绝缘套基座电极2 2、压电式测力传感器、压电式测力传感器压电式压力传感器的结构 消除振动加速度影响的结构 。