電壓型傳感器.ppt

1、概 述,磁電式傳感器是利用電磁感應(yīng)原理，將運(yùn)動(dòng)速度、位移等物理量轉(zhuǎn)換成線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)輸出。工作時(shí)不需要外加電源，可直接將被測(cè)物體的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電量輸出。是典型的有源傳感器。,特點(diǎn)：輸出功率大，穩(wěn)定可靠，可簡化二次儀表，但頻率響應(yīng)低。通常在101000HZ,適合作機(jī)械振動(dòng)測(cè)量、轉(zhuǎn)速測(cè)量。傳感器尺寸大、重。,5.1 磁電感應(yīng)式傳感器,5.1.1 基本原理和組成,一、基本原理電磁感應(yīng)定律, 由法拉第電磁感應(yīng)定律，N匝線圈若每匝通過相同變化的磁通量，則整個(gè)線圈中所產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為：,磁通量變化方法： 磁鐵與線圈之間作相對(duì)運(yùn)動(dòng)； 磁路中磁阻的變化 ； 恒定磁場(chǎng)中線圈面積的變化等；,二、基本組成,1

2、磁路系統(tǒng)產(chǎn)生恒定的直流磁場(chǎng)，一般用永久磁鋼 2線圈產(chǎn)生感應(yīng)電壓 3運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)感受被測(cè)運(yùn)動(dòng),鐵心運(yùn)動(dòng)使氣隙和磁路磁阻變化引起磁通變化，而在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)。,感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e與d/dt成正比,5.1.2 結(jié)構(gòu)類型,圖5-1-1 變磁通式結(jié)構(gòu),一、變磁通式 永久磁鐵和線圈均不動(dòng)（變磁阻式）,鐵芯平移型,鐵芯旋轉(zhuǎn)型,通過適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)可使感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與銜鐵相對(duì)于磁鋼的振動(dòng)速度成線性關(guān)系，可用于振動(dòng)速度的測(cè)量,鐵芯旋轉(zhuǎn)的恒定角速度,磁路中最大與最小磁通密度之差,圖5-1-2 恒磁通式結(jié)構(gòu),二、恒磁通式 永久磁鐵與線圈相對(duì)運(yùn)動(dòng)（線圈切割磁力線產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)）,1. 動(dòng)鐵式,線圈不動(dòng)磁鐵運(yùn)動(dòng)。,圖5-1-2 恒磁通式

3、結(jié)構(gòu),2. 動(dòng)圈式,磁鐵不動(dòng)線圈運(yùn)動(dòng)。,平移型,旋轉(zhuǎn)型,線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)e與線圈相對(duì)磁鐵運(yùn)動(dòng)的線速度v或角速度成正比。, 直接輸出感應(yīng)電勢(shì)且具有較高的靈敏度，一般不需要高增益放大器，獲取位移和加速度信號(hào)需用積分或微分電路,5.1.3 測(cè)量電路,圖5-1-3 磁電式傳感器測(cè)量電路方框圖,測(cè)振動(dòng)速度雙刀三擲開關(guān)置于1-1，磁電感應(yīng)式傳感器后面不接積分電路也不接微分電路,測(cè)振動(dòng)位移雙刀三擲開關(guān)置于2-2，磁電感應(yīng)式傳感器后面接積分電路,測(cè)振動(dòng)加速度雙刀三擲開關(guān)置于3-3，磁電感應(yīng)式傳感器后面接微分電路, 磁電感應(yīng)式傳感器雖然配接積分電路后可測(cè)量位移，但是它只能測(cè)位移隨時(shí)間的變化即動(dòng)態(tài)位移。區(qū)別于

4、前面電阻式、電感式和電容式位移傳感器測(cè)量固定不變的位移或距離。, 5-1-1（a）磁電感應(yīng)式傳感器與4-3-1（a）自感式傳感器的異同。,答：相同點(diǎn)：都有線圈和活動(dòng)銜鐵。 不同點(diǎn)：圖5-1-1(a)磁電式傳感器的線圈是繞在永久磁鋼上，圖4-3-1(a)自感式傳感器的線圈是繞在不帶磁性的鐵心上。自感式傳感器的線圈的自感取決于活動(dòng)銜鐵與鐵心的距離，磁電式傳感器線圈的感應(yīng)電壓取決于活動(dòng)銜鐵的運(yùn)動(dòng)速度。當(dāng)銜鐵不動(dòng)時(shí)，氣隙磁阻不變化，線圈磁通不變化，線圈就沒有感應(yīng)電壓，因此后者可測(cè)量靜位移或距離而前者卻不能。,5.2 壓電式傳感器,概述,壓電式傳感器是一種典型的發(fā)電型傳感器，以電介質(zhì)的壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)，外

5、力作用下在電介質(zhì)表面產(chǎn)生電荷，從而實(shí)現(xiàn)非電量測(cè)量。,壓電式傳感器可以對(duì)各種動(dòng)態(tài)力、機(jī)械沖擊和振動(dòng)進(jìn)行測(cè)量，在聲學(xué)、醫(yī)學(xué)、力學(xué)、導(dǎo)航方面都得到廣泛的應(yīng)用。,概述,某些電介質(zhì)（晶體） 當(dāng)沿著一定方向施加力而變形時(shí)，內(nèi)部產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在它表面會(huì)產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷； 當(dāng)外力去掉后，又重新恢復(fù)不帶電狀態(tài)； 當(dāng)作用力方向改變后，電荷的極性也隨之改變； 這種現(xiàn)象稱壓電效應(yīng)。,5.2.1 壓電效應(yīng)及其表達(dá)式,一、壓電效應(yīng),壓電效應(yīng)是可逆的 在介質(zhì)極化的方向施加電場(chǎng)時(shí)，電介質(zhì)會(huì)產(chǎn)生形變，將電能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，這種現(xiàn)象稱“逆壓電效應(yīng)”。 所以壓電元件可以將機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電能 也可以將電能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能。,圖5-2-

6、1 壓電元件的力、電分布,二、力電表示法,T1、T2、T3：沿x、y、z軸的正應(yīng)力分量（拉應(yīng)力為正，壓應(yīng)力為負(fù)）；,1、2、3：垂直于x、y、z軸的表面（x、y、z軸面）上的電荷密度。,T4、T5、T6：繞xyz軸的切應(yīng)力分量（逆時(shí)針方向?yàn)檎槙r(shí)針方向?yàn)樨?fù)）；,假定有一個(gè)正六面體的壓電元件，在三維直角坐標(biāo)系內(nèi)的力-電作用狀況如圖所示。,三、壓電效應(yīng)表達(dá)式,1. 單一壓電效應(yīng)單一應(yīng)力作用,單一應(yīng)力作用下的壓電效應(yīng)為：,i面上產(chǎn)生的電荷密度，i=1,2,3,庫侖/米2 ；,j方向的外加應(yīng)力，j=1,2,3,4,5,6, Pa;,j方向應(yīng)力引起i面產(chǎn)生電荷時(shí)的壓電常數(shù), C/N 庫侖/牛頓。,i

7、電荷產(chǎn)生面的下標(biāo)，i=1,2,3;,j 應(yīng)力方向的下標(biāo)，j=1,2,3,4,5,6;,單一應(yīng)力作用下的壓電效應(yīng)有以下四種類型：,圖5-2-2 壓電效應(yīng)的幾種類型,i=j,應(yīng)力與電荷面垂直，厚度伸縮（縱向壓電效應(yīng)）,d11,d33,ij,j3,應(yīng)力與電荷面平行，長寬伸縮（橫向壓電效應(yīng)）d12,d31,d32,j-i=3,j4, 電荷面受剪切（面切壓電效應(yīng)）d14,d25,j-i3,j4,厚度受剪切（剪切壓電效應(yīng)）d24,d15,d26,2. 全壓電效應(yīng)多應(yīng)力同時(shí)作用,常見實(shí)例體積壓電效應(yīng)，P101圖5-2-2（e），在三個(gè)單向力同時(shí)作用下，產(chǎn)生體積變形壓電效應(yīng)，則有：,（i=1,2,3）,3壓電

8、常數(shù)矩陣,由于電荷面有xyz軸面（i=1,2,3）3種情況，應(yīng)力方向有（j=1,2,3,4,5,6）6種情況，所以壓電常數(shù)在理論上有18種可能值，寫成矩陣形式：,對(duì)不同的壓電材料，由于各向異性的程度不同，上述壓電常數(shù)矩陣的18個(gè)壓電常數(shù)中，有的常數(shù)為0，表示不存在壓電效應(yīng)。有的常數(shù)與另一個(gè)常數(shù)數(shù)字上相等或成倍數(shù)關(guān)系。壓電常數(shù)可通過測(cè)試獲得。,四、力電荷轉(zhuǎn)換公式,因?yàn)?，j方向所受應(yīng)力Tj等于j方向所受外力Fj與受力面積Sj之比：,電荷密度i等于電荷量Qi和電荷產(chǎn)生面的面積Si之比：,又壓電效應(yīng)可表示為：,所以電荷量：,壓電常數(shù),電荷產(chǎn)生面的面積,施加外力,受力面積,確定壓電效應(yīng)產(chǎn)生的電荷與所受外

9、力的關(guān)系。,對(duì)于縱向壓電效應(yīng)，因i=j，Si=Sj,故Qi=dijFj=diiFi,圖5-2-3 石英晶片上電荷極性與受力方向的關(guān)系,縱向壓電效應(yīng),橫向壓電效應(yīng),如圖（a）所示長l寬b厚h的左旋石英晶體切片，若在x軸方向施加壓力Fx，則晶體的x軸正向帶正電，如圖（b）。,產(chǎn)生的電荷量,產(chǎn)生的電荷量,若在y軸方向施加壓力Fy，則晶體的x軸正向帶負(fù)電，如圖（c）。,若Fy為拉力，則電荷極性相反,若Fx為拉力，則電荷極性相反,5.2.2 常用壓電材料,具有壓電效應(yīng)的電介質(zhì)稱為壓電材料。,自然界許多晶體具有壓電效應(yīng)，但十分微弱，迄今已出現(xiàn)的壓電材料可分為三種類型：, 壓電晶體（單晶），包括壓電石英晶體

10、和其他壓電單晶； 壓電陶瓷（多晶半導(dǎo)瓷）； 新型壓電材料，壓電半導(dǎo)體和有機(jī)高分子壓電材料。 目前國內(nèi)普遍應(yīng)用的是石英晶體和壓電陶瓷。,一、石英晶體,石英晶體是最常用的壓電晶體之一，是單晶體結(jié)構(gòu)，化學(xué)式為SiO2。,圖5-2-4 石英晶體,外形如圖所示呈六角棱柱體，兩端呈六角凌錐形狀。,石英晶體具有較好的對(duì)稱性，但各個(gè)方向的特性是不同的。,Z軸（光軸或中性軸）：與晶體上下晶錐頂點(diǎn)連線重合，光線沿該軸通過石英晶體時(shí)無折射，且該軸方向上沒有壓電效應(yīng)）,x軸（電軸） ：經(jīng)過六棱柱棱線垂直于光軸z，垂直于此軸的面上壓電效應(yīng)最強(qiáng),y軸（機(jī)軸或機(jī)械軸）：垂直于光軸z和電軸x，在電場(chǎng)作用下沿該軸方向的機(jī)械變形

11、最明顯,石英晶體坐標(biāo)系的確定：,石英晶體壓電特性與內(nèi)部分子結(jié)構(gòu)的關(guān)系：,當(dāng)石英晶體未受外力作用時(shí), 正、負(fù)離子正好分布在正六邊形的頂角上, 形成三個(gè)互成120夾角的電偶極矩P1、 P2、P3, P1+P2+P3 = 0, 所以晶體表面不產(chǎn)生電荷, 即呈中性。 ,當(dāng)石英晶體受到沿x軸方向的壓力作用時(shí), 晶體沿x方向?qū)a(chǎn)生壓縮變形,正負(fù)電荷重心不再重合,在x軸的正方向出現(xiàn)正電荷, 電偶極矩在y方向上的分量仍為零, 不出現(xiàn)電荷.,當(dāng)晶體受到沿y軸方向的壓力作用時(shí),在x軸上出現(xiàn)電荷, 它的極性為x軸正向?yàn)樨?fù)電荷。在y軸方向上不出現(xiàn)電荷。 ,如果沿z軸方向施加作用力, 因?yàn)榫w在x方向和y方向所產(chǎn)生的形

12、變完全相同, 所以正負(fù)電荷重心保持重合, 電偶極矩矢量和等于零。這表明沿z軸方向施加作用力, 晶體不會(huì)產(chǎn)生壓電效應(yīng)。 ,石英晶體壓電常數(shù)矩陣：,石英晶體獨(dú)立的壓電常數(shù)只有兩個(gè)d11和d14，其壓電常數(shù)矩陣為：,石英晶體不是在任何方向上都存在壓電效應(yīng)的。,在x方向上：只有d11的縱向壓電效應(yīng)（圖a）；d12（d12=-d11）的橫向壓電效應(yīng)（圖b）；d14的面切壓電效應(yīng)。,圖5-2-5 石英晶體的壓電效應(yīng),圖5-2-5 石英晶體的壓電效應(yīng),在y方向上：只有d25（d25=-d14）的面切壓電效應(yīng)（圖c）和d26（d26=-2d11）的剪切壓電效應(yīng)；,在z方向上：無任何壓電效應(yīng)。,壓電陶瓷是一種經(jīng)

13、極化處理后的人工多晶體（由無數(shù)細(xì)微的單晶組成）鐵電體（具有類似鐵磁材料磁疇的電疇結(jié)構(gòu)）壓電材料。 每個(gè)單晶形成一單個(gè)電疇； 無電場(chǎng)作用時(shí)，電疇在晶體中雜亂分布，極化相互抵消，呈中性。,二、壓電陶瓷,施加外電場(chǎng)時(shí)，電疇的極化方向發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，趨向外電場(chǎng)方向排列。外電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到飽和程度時(shí)，所有的電疇與外電場(chǎng)一致。 外電場(chǎng)去掉后，電疇極化方向基本不變，剩余極化強(qiáng)度很大。所以，壓電陶瓷極化后才具有壓電特性，未極化時(shí)是非壓電體。 對(duì)于壓電陶瓷，通常將極化方向定義為Z軸，垂直于Z軸的平面內(nèi)則各向同性，與Z軸垂直的任何正交方向都可取做x和y軸，且壓電特性相同。,由實(shí)驗(yàn)測(cè)得鈦酸鋇壓電陶瓷的壓電常數(shù)矩陣為：,壓電陶

14、瓷的壓電常數(shù)比石英晶體的大數(shù)十倍。,鈦酸鋇壓電陶瓷的壓電效應(yīng)：,圖5-2-7 壓電陶瓷的壓電效應(yīng),在x方向上：只有d15的厚度剪切壓電效應(yīng),在y方向上：只有d24的厚度剪切壓電效應(yīng),圖5-2-7 壓電陶瓷的壓電效應(yīng), d33的縱向壓電效應(yīng),在z方向上：, d31的橫向壓電效應(yīng), d32的橫向壓電效應(yīng), 三向應(yīng)力T1、T2、T3同時(shí)作用下的體積形壓電效應(yīng),圖5-2-7 壓電陶瓷的壓電效應(yīng),當(dāng)外加三向壓力相等（如液體壓力）時(shí)，有：,體積壓縮壓電常數(shù),5.2.3 壓電元件,一、壓電元件的基本變形方式,有5種基本變形方式：厚度伸縮、長寬伸縮、厚度切變、長寬切變、體積壓縮。,石英晶體的長寬切變壓電效應(yīng)最

15、差，很少取用。,壓電陶瓷的厚度切變壓電效應(yīng)最好，要盡量取用。,壓電陶瓷的的體積壓縮壓電效應(yīng)具有優(yōu)越性，適用于空間力場(chǎng)（如液體壓力）的測(cè)量。,在壓電式傳感器中，一般利用壓電元件的縱向壓電效應(yīng)較多，這時(shí)壓電元件大多是圓片式。,壓電晶體與壓電陶瓷的比較： 相同點(diǎn)：都是具有壓電效應(yīng)的壓電材料。 不同點(diǎn)： 石英的優(yōu)點(diǎn)是它的介電和壓電常數(shù)的溫度穩(wěn)定性好，適合做工作溫度范圍很寬的傳感器。 極化后的壓電陶瓷，當(dāng)受外力變形后，由于電極矩的重新定位而產(chǎn)生電荷，壓電陶瓷的壓電系數(shù)是石英的幾十倍甚至幾百倍，但穩(wěn)定性不如石英好，居里點(diǎn)也低。,圖5-2-8 雙晶片懸臂梁式壓電元件,壓電元件的橫向壓電效應(yīng)的應(yīng)用,自由端受力

16、F作用，壓電元件產(chǎn)生形變，中心面oo長度不變，aa被拉長，bb被壓縮短了，產(chǎn)生壓電效應(yīng)，這時(shí)每片壓電片產(chǎn)生的電荷為：,可用作加速度傳感器和測(cè)量粗糙度的輪廓儀的測(cè)頭,懸臂長度,單片壓電片的厚度,二、壓電元件的等效電路,壓電元件的兩電極間的石英晶體或壓電陶瓷為絕緣體，因此就構(gòu)成了一個(gè)電容器，其等效電容為：,壓電陶瓷或石英晶體的介電常數(shù),極板面積,壓電元件厚度（兩極板間距離）,當(dāng)壓電元件受外力作用時(shí)，兩電極表面產(chǎn)生等量的正、負(fù)電荷Q。因此壓電元件可等效為一個(gè)電荷源Q和電容Ca并聯(lián)。,圖5-2-9 壓電元件的等效電路,壓電元件受外力作用時(shí)，在電極表面產(chǎn)生電荷時(shí)，兩電極間將形成電壓，其值為：,注意：壓電

17、元件不受外力作用時(shí)，電極表面沒有電荷產(chǎn)生，此時(shí)壓電元件等效為一個(gè)電容器Ca,壓電元件可等效為一個(gè)電壓源Ua與電容Ca的串聯(lián)。,三、壓電元件的串并聯(lián),在實(shí)際應(yīng)用中為提高靈敏度使表面有足夠的電荷，常常把兩片、多片壓電元件組合在一起使用。由于壓電材料有極性，因此存在兩種連接方法：,并聯(lián)時(shí)，相鄰兩片壓電元件按極化方向相反粘貼，兩片之間夾墊金屬片并引出導(dǎo)線，兩端導(dǎo)線相間并聯(lián)，n個(gè)壓電元件可視為一個(gè)壓電元件,串聯(lián)時(shí)，相鄰兩片壓電元件按相同極化方向粘貼，端面用金屬墊片引出導(dǎo)線,圖5-2-10 壓電元件的串并聯(lián),圖5-2-10 壓電元件的串并聯(lián),并聯(lián)組合后等效壓電元件有：,串聯(lián)組合后等效壓電元件有：,（1）串

18、聯(lián)使壓電傳感器時(shí)間常數(shù)減小，電壓靈敏度增大，適用于電壓輸出、高頻信號(hào)測(cè)量的場(chǎng)合； （2）并聯(lián)使壓電傳感器時(shí)間常數(shù)增大，電荷靈敏度增大，適用于電荷輸出、低頻信號(hào)測(cè)量的場(chǎng)合。,壓電傳感器與其前置放大器相連接時(shí)的等效電路如圖(a):,5.2.4 接口電路,圖5-2-11 壓電傳感器等效電路,一、壓電傳感器等效電路,壓電元件的電容、漏電阻,連接電纜電容,前置放大器的輸入電阻和輸入電容,壓電傳感器的輸出信號(hào)非常微弱，因此，在壓電傳感器的后面，先接一個(gè)高輸入阻抗的前置放大器，然后再接一般的放大電路及其他電路。,圖5-2-12 電壓放大器電路,二、電壓放大器,壓電傳感器與電壓放大器的連接電路如圖所示：,輸出電壓為：,電壓靈敏度為：,輸出電壓與輸入電荷之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系為：,輸出電壓與輸入電荷的轉(zhuǎn)換靈敏度為：,電壓放大器輸出電壓與輸入電荷之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系具有一階高通濾波特性,又電荷量與所受力成正比：,電纜電容Cc改變會(huì)引起C改變而引起靈敏度改變，更換電纜需重新校正傳感器的靈敏度，這是電壓放大器的缺點(diǎn),減小0(增大R或C)可擴(kuò)展傳感器工作頻帶的低頻端，但