传感器技术及应用教学课件作者张巍学习情境3.ppt

学习情境3 声控开关的制作与调试,信息单 计划单 决策单 仪器、材料、工具清单 实施单 检查单 评价单,返回,信息单,3. 1声音传感器的类型 声音传感器通常又叫传声器，有时也被称为“麦克风”“话筒”“微音器”“拾音器”等它的功能是把声音信号转化成电信号，俗称为“拾音器” 声音传感器的种类很多，可根据换能原理、声场作用力、指向性和工作时能量的来源等来进行分类 1.按换能原理分类 按换能原理可分为:电动式(动圈式、铝带式)声音传感器，电容式(直流极化式)声音传感器、压电式(晶体式、陶瓷式)声音传感器以及碳粒式声音传感器和半导体式声音传感器等下一页,返回,信息单,声音传感器本身就是一种换能器件，通常是将声能转换为电能但是，这种换能器件内部结构不同，它们的换能方式也不同大部分声音传感器是按电磁感应定律工作的，其输出电压正比于振膜的振动速度而电容传声器和压电传声器是通过改变传声器内部电路的参数来进行工作的，输出电压正比于振膜的位移碳粒传声器的工作原理是碳粒的接触电阻正比于振膜的位置 2.按声场作用力分类 按声场作用力分为:压强式声音传感器、压差式声音传感器、组合式声音传感器、线列式声音传感器等。

声场作用力是指某点的声压和振膜面积的乘积这里的声压是标量，无方向性，与频率没有关系上一页,下一页,返回,信息单,根据这种分类方法进行分类的声音传感器主要有两种形式:压强式和压差式压强式传声器是对空间声场某点的声压起响应;而压差式传声器是对空间两点或多点之间的声压差起响应声压差是声压梯度的函数，声压梯度是有方向性的，是矢量且与频率有关，所以压差式传声器是具有方向性的 3.按指向性分类 指向性分类方法比较直观并且容易理解当声波波长接近声音传感器的结构尺寸时，就会发生衍射，产生相位损失、障板效应等现象，因而不可避免地要在高频区产生方向性具体方向性有单向、双向、全向、8字形、无指向和可变指向等6种上一页,下一页,返回,信息单,4.按能量的来源分类 按能量的来源可分为:有源类传声器和无源类传声器两类有源类传声器用外加直流电源作为其能量来源，传声器的振膜在声场作用下，其电学参量发生变化，从而将声能转化为电能，如碳粒式传声器、半导体式传声器及射频式传声器均属于有源类传声器;无源类传声器可直接把振膜的振动能量转变为电能，而不消耗其他能量，无须外加电源 目前常用的传声器有动圈式、电容式、压电式和驻极体式等。

3. 2压电传感器的基本知识 压电传感器是基于某些电介质材料的压电效应而工作的上一页,下一页,返回,信息单,压电效应就是当电介质材料在力的作用下或因振动而变形时，电介质表面会产生电荷，由此实现非电量到电量的转换 压电传感器体积小，重量轻，工作频带宽，属于力敏传感器件，它可以测量各种动态力，如压力，也可测量最终能变换为力的非电物理量，如加速度、机械冲击与振动等近年来，随着电子技术的发展和应用，压电传感器在力学、生物医学、电声学、交通等多个领域得到了广泛的应用图3 -2所示是常见的一些压电传感器 一、压电效应 压电效应有正压电效应和逆压电效应之分1880年，法国人居里兄弟发现了这两种效应上一页,下一页,返回,信息单,1.正压电效应 正压电效应又称顺压电效应，某些电介质，当沿着一定方向对其施加力的作用而使它产生形变时，内部就产生极化现象，同时它的两个相对表面上出现正负相反的电荷;当外力去掉后，又重新恢复不带电的状态当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变 2.逆压电效应 当在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质就在一定方向上产生机械变形或机械应力，当外加电场撤去时，这些变形或应力也随之消失。

图3-3所示为压电效应的可逆性示意图上一页,下一页,返回,信息单,压电传感器是利用压电材料的正压电效应而制作的 二、压电材料 1.石英晶体 石英晶体是最典型而常用的压电晶体天然结构石英晶体的外形如图3-4所示，它是一个正六面体，在晶体学中它可用3根互相垂直的轴来表示，其中Z轴称为光轴;X轴称为电轴;与X轴和Z轴同时垂直的Y轴(垂直于正六面体的棱面)称为机械轴 从晶体上沿轴线方向切下的薄片称为晶体切片，简称晶片，如图3 -5所示当沿着电轴X方向对压电晶片施加力的作用时，将在垂直于X轴的表面上产生电荷，这种现象称为纵向压电效应上一页,下一页,返回,信息单,沿着机械轴Y方向施加力的作用时，电荷仍出现在与X轴垂直的表面上，这种现象称为横向压电效应当沿着光轴Z方向施加力的作用时不产生压电效应 那么晶片在机械力的作用下，为什么会在其表面产生电荷呢?这和其内部的分子结构有关，石英晶体的每一个晶体单元中，有3个硅离子和6个氧离子，图3-6(a)是一个晶体单元的硅离子和氧离子在垂直于Z轴的XY平面上的投影，等效为一个正六边形当晶片未受外力作用时，正负离子刚好分布在正六边形的顶角上，形成3个大小相等、互成120°夹角的电偶极矩P1, P2和P3。

上一页,下一页,返回,信息单,电偶极矩的方向为负电荷指向正电荷此时，正、负电荷中心重合，电偶极矩的矢量和等于零，即: 电偶极矩的方向为负电荷指向正电荷此时，正、负电荷中心重合，电偶极矩的矢量和等于零，即: 这时晶体表面不产生电荷，整体上呈电中性 当晶片受到沿X方向的压力FX作用时，晶片将沿X方向产生压缩变形，正、负离子的相对位置随之变动，正、负电荷中心不再重合，如图3 -6(b)所示上一页,下一页,返回,信息单,当晶片受到沿Y轴方向的压力FY作用时，晶体变形如图3-6(c)所示 如果沿着Z轴施加力的作用，无论是压力还是拉力，晶体在X轴方向和Y轴方向的变形相同，正、负电荷中心始终保持重合，电偶极矩在X, Y方向的分量等于零，石英晶体不会产生压电效应 需要指出的是，上述讨论均假设晶体沿X轴和Y轴方向受到了压力，当晶体沿X轴和Y轴方向受到拉力作用时，同样有压电效应，只是电荷的极性将随之改变，如图3 -7所示 石英晶体的突出优点是性能非常稳定，机械强度高，绝缘性能也相当好但石英材料价格昂贵，且压电系数比压电陶瓷低得多因此一般仅用于标准仪器或要求较高的传感器中上一页,下一页,返回,信息单,2.压电陶瓷 与石英晶体不同，压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料，主要有钦酸钡压电陶瓷、错钦酸铅压电陶瓷、妮酸盐系压电陶瓷等。

1942年，第一个压电陶瓷材料—钦酸钡先后在美国、苏联和日本制成1947年，第一个压电陶瓷器件钦酸钡拾音器诞生了 压电陶瓷内部的晶粒有许多自发极化的电畴，有一定的极化方向，从而存在一定电场在没有外电场时，电畴杂乱分布，它们各自的极化效应被相互抵消，压电陶瓷内极化强度为零因此原始的压电陶瓷呈中性，不具有压电性质，如图3-8(a)所示在陶瓷上施加外电场时，材料得到极化上一页,下一页,返回,信息单,外电场越强，就有更多的电畴更完全地转向外电场方向当外电场去掉时，剩余极化强度很大，这时的材料才具有压电特性，如图3-8(b)所示 极化处理后陶瓷材料内部存有很强的剩余极化，当陶瓷材料受到外力作用时，电畴的界限发生移动，电畴发生偏转，从而引起剩余极化强度的变化，因而在垂直于极化方向的平面上将出现极化电荷的变化，即极化面上将出现极化电荷的变化这种因受力而产生的机械效应转变为电效应，将机械能转变为电能的现象，就是压电陶瓷的正压电效应声控电路中的声音传感器就可以利用压电陶瓷片来实现上一页,下一页,返回,信息单,压电陶瓷具有压电常数大、灵敏度高的优点;制造工艺成熟，可以通过合理配方和掺杂等人工控制方法来达到所要求的性能;成型工艺性好，成本低廉，得到了广泛的应用。

图3-9所示是常见的压电陶瓷片 3.新型压电材料 1)压电半导体 有些晶体材料既有半导体性质，又有压电效用，如硫化锌(ZnS) ,碲化镉(CdTe) ,氧化锌(ZnO)、硫化镉(add) ,碲化锌(ZnTe)和砷化镓(GaAs)等因此既可用其压电性研制传感器，又可用其半导体特性制作电子器件;也可以两者结合，集元件与线路于一体，研制成新型集成压电传感器测试系统上一页,下一页,返回,信息单,某些合成高分子聚合物经延展拉伸和电场极化后，形成具有一定压电性能的薄膜，我们称之为高分子压电薄膜目前常见的压电薄膜有聚氟乙烯(PVF) ,聚偏氟乙烯(PVF2) ,聚氯乙烯(PVa)，与传统的压电材料相比，这些材料的优点是质轻柔软，抗拉强度较高、耐冲击，声阻抗近于水和生物体含水组织，热释电性和热稳定性好，易制成任意形状及面积不等的片或管等，且便于大批生产和大面积使用，可制成大面积阵列传感器乃至人工皮肤 3.3 电容式传感器的基本知识 声控电路中常用的驻极体电容传声器是基于电容式传感器的原理而工作的上一页,下一页,返回,信息单,电容式传感器是把被测量转换为电容量变化的一种传感器，实际上，它的敏感部分就是一个可变电容器。

它具有结构简单、灵敏度高、适应性强、抗过载能力强及价格低等特点，可以用来测量压力、位移及振动等参数 一、电容式传感器的工作原理 用两块金属平行板作电极，就可以构成最简单的平板电容器，如图3-10所示 如图3-10所示，两极板相互覆盖的有效面积为S，两极板间的距离为d，两极板间的介质介电常数为ε，在忽略边缘效应的条件下，平板电容器的电容C为:,上一页,下一页,返回,信息单,如果保持其中两个参数不变，而使另外一个参数改变，则电容就会发生变化这实际上就是电容式传感器的基本原理根据发生变化的参数不同，电容式传感器可以分为3种:改变极板面积的变面积型、改变极板距离的变间隙型和改变介电常数的变介电常数型 二、电容式传感器的类型及特性 1.变面积型电容式传感器 通常变面积型电容式传感器的两个极板中，一个是固定不动的，称为定极板;另一个是可移动的，称为动极板根据动极板相对于定极板的移动情况，变面积型电容式传感器又分为直线位移型和角位移型两种上一页,下一页,返回,信息单,1)直线位移型电容式传感器 图3-11所示是直线位移型电容式传感器的示意图 当动极板移动△x后，覆盖面积就发生了变化，电容也随之改变，其值为: 电容因位移而产生的变化量为: 其灵敏度为:,上一页,下一页,返回,信息单,2)角位移型电容式传感器 角位移型电容式传感器的工作原理如图3-12所示。

当被测量的变化引起动极板有一角位移θ时，两极板间相互覆盖的面积发生变化，从而引起电容的变化 当θ=0时，初始电容为: 当θ ≠ 0时，电容就变为:,上一页,下一页,返回,信息单,电容产生的变化量为: 其灵敏度为: 变面积型电容式传感器的电容变化是线性的，灵敏度是一个常数 变面积型电容式传感器还可以做成其他许多形式(如图3-13所示)，常用来检测位移、振动等参量为了提高传感器灵敏度，减小非线性误差，实际应用中多采用差动式结构，图3-13(c)所示即圆筒变面积型差动电容式传感器，灵敏度可提高一倍 2.变间隙型电容式传感器 变间隙型电容式传感器的原理如图3-14所示上一页,下一页,返回,信息单,当只改变电容两极板间的距离时，电容量发生变化 如图3-14所示，电容器由于受到外力作用，两极板间距减小了△d，则电容大小变为： 如果 ，则式(3一7)可简化为: 于是:,上一页,下一页,返回,信息单,电容值的相对变化量为: 只有当 才近似为线性关系，此时，传感器的灵敏度为: 由式((3 -9)可以得出，增大S和减小d0都可提高传感器的灵敏度，但要受到传感器体积和击穿电压的限制，并且也会引起较大的非线性误差，差动结构的变间隙型电容式传感器就可以解决这些问题，差动结构的变间隙型电容式传感器原理见图3-15。

上一页,下一页,返回,信息单,3.变介电常数型电容式传感器 变介电常数型电容式传感器的结构很多，有介质本身的介电常数并没有发生变化，但是极板之间的介质成分发生了变化，这类传感器就可以测量电介质的厚度变化(见图3-16( a))、测量位移变化(见。