发电型传感器

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3.2 霍尔式传感器
线性型霍尔集成电路线性型霍尔集成电路的输出电压与外加磁场强度呈线性
比例关系。这类传感器一般由霍尔元件和放大器组成，当外加磁场时，霍尔元件产生与磁场成线性比例变化的霍尔电压，经放大器放大后输出。在实际电路设计中，为厂提高传感器的性能，往往在电路中设置稳压、电流放大输出级、失调调整和线性度调整等电路。
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3.1 压电型传感器
3.1.2 压电型传感器测量转换电路压电元件的等效电路
在压电晶片产生电荷的两个平面上装上金属电极，就构成了一个压电元件。当压电晶片受力时，在晶体的一个表面会聚集正电荷，而在另一个表面会聚集等量的负电荷，所以它可以被看做是一个电荷发生器，同时，它又相当于一个以压电材料为绝缘介质的电容器，其电容值为：
如图3-1所示为压电效应示意图。若将压电材料置于电场之中，其几何尺寸也会发生变化，这种由于外电场作用，导致压电材料产生机械变形的现象，称为逆压电效应或电致收缩效应。
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3.1 压电型传感器
压电材料常见的压电材料有三类：石英，晶体、压电陶瓷和高分
子压电材料。
1）石英晶体。石英晶体亦称为水晶，它是重要的压电材料，具有很多独特的优点，是目前高精度压电式传感器中常用的压电材料。由于天然石英晶体产量有限，所以近年来广泛采用人造石英晶体。
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3.1 压电型传感器
电荷放大器
如图3-7是压电传感器连接电荷放大器的等效电路。电荷放大器是压电式传感器另一种专用的前置放大器，它可以将高内阻的电荷源转换为低内阻的电压源输出，而且输出电压正比于输入电荷。因此，它也同样起着阻抗变换的作用。
使用电荷放大器最大的一个优点是传感器的灵敏度与连接电缆长度无关。
工作原理当有磁场作用在传感器上时，根据霍尔效应，霍尔元件输
出霍尔电压，该电压经放大器放大后，送至施密特触发整形电路，当放大后的电压大于施密特触发器“开启”阀值电压时，施密特整形电路翻转，输出高电平，使三极管V 导通，这种状态我们称之为“开状态”；当磁场减弱时，霍尔元件输出的电压很小，经放大器放大后其值也小于施密特整形电路的“关闭”阀值电压，施密特整形电路再次翻转，输出低电平，使三极管V 截止，这种状态我们称为“关状态”。这样，一次磁场强度的变化，就使传感器完成了一次开关动作。
在制造霍尔元件的过程中，可采用机械修磨或用化学腐蚀的方法来使电桥恢复平衡，减小不等位电压。
对已制成的霍尔元件，可采用外接补偿线路等方法进行补偿如图3-19所示为几种常用的补偿电路。
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3.2 霍尔式传感器
温度误差及其补偿由于霍尔元件基片的载流子迁移率、电阻率和霍尔常数
等均是温度的函数，因此在工作温度变化时，它的一些特性参数，如霍尔电势、输入电阻和输出电阻等都要发生相应的变化，从而使霍尔式传感器产生温度误差。
Ca
r 0 A
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3.1 压电型传感器
如图3-4（a）所示，压电元件可以等效为一个与电容相并联的电荷源。如图3-4（b）所示，压电元件也可以等效为一个与电容相串联的电压源。压电元件的端电压为：
Ua
Q Ca
压电元件在交变力的作用下，电荷可以不断产生，可以供给测量回路以一定的电流，因此，压电式传感器适用于动态测量。
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3.1 压电型传感器
3）高分子压电材料高分子压电材料是一种新型材料，有聚偏二氟乙烯（PVF 或
PVDF ）、聚氟乙烯（PVF ）、聚氯乙烯（PVC ）等。高分子压电材料的最大特点具有柔软性，它不易破碎，具有
防水性，测量动态范围宽，频响范围大但其工作温度一般低于100 ℃，当温度升高时，其灵敏度将降低，同时机械强度不高，耐紫外线能力较差，不宜暴晒。
电荷放大器的输出电压为：
UO
AQ C(1 A)C f
当A>>1时，输出电压为
UO
Q Cf
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3.1 压电型传感器
由于引入了深度的电容负反馈，使放大器输出只与稳定的 Cf有关，与电缆分布电容等无关，甚至可以忽略其影响。
压电传感器的应用压电传感器主要用于脉动力、冲击力、振动等动态参数的测
实验可知，霍尔电动势的大小正比于流过霍尔元件的电流I和加在霍尔元件上的磁感应强度B 。即
U H K H IB
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3.2 霍尔式传感器
若磁感应强度不垂直于霍尔元件，而是与法线成某一角度，则霍尔电动势为：
U H KH IB cos
霍尔元件霍尔元件的结构很简单，它由霍尔片、引线和壳体组成。
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3.2 霍尔式传ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ器
霍尔式传感器是基于霍尔效应的一种传感器。1879年美国物理学家霍尔首先在金属材料中发现了霍尔效应，但由于金属材料的霍尔效应太弱而没有得到应用。
随着半导体技术的发展，开始用半导体材料制成霍尔元件，由于其霍尔效应显著而得到广泛的应用和迅速的发展。目前，霍尔传感器已广泛用于电磁、压力、位移、加速度、振动等方面的测量。
霍尔元件的输出电压一般较小，一般裔要用放大电路将其进行放大处理。为了获得较好的放大效果，通常采用差分放大电路，如图3-15所示。
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3.2 霍尔式传感器
霍尔元件的误差及补偿由于制造工艺的缺陷及半导体材料本身的特性，霍尔元
件在使用中存在各种零位误差及温度误差。
不等位电压及其补偿霍尔元件的零位误差主要包括不等位电压、寄生直流电压、
第3章发电型传感器
3.1 压电型传感器 3.2 霍尔式传感器 3.3 热电偶传感器
3.1 压电型传感器
压电型传感器是一种典型的有源传感器，又称自发电式传感器或电势式传感器。它既能将机械能转换成电能，又能将电能转换成机械能。其工作原理是基于某些晶体受力后在其表面产生电荷的压电效应。常见的压电材料有石英晶体、人工合成的多晶体陶瓷和有机高分子材料。
量。由于压电材料可以是石英晶体、压电陶瓷和高分子压电材料等，它们的特性不尽相同，所以用途也不一样。石英晶体主要用于精密测量，多用于基准传感器；压电陶瓷灵敏度较高，机械强度稍低，多用于测力和振动传感器；而高分子压电材料多用于定性测量。下面介绍压电传感器的应用
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3.1 压电型传感器
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3.1 压电型传感器
压电式振动加速度传感器压电式加速度传感器是将被测加速度转换成电荷或电压
输出的装置，其结构同测力传感器很相似。
玻璃打碎报警装置玻璃打碎报警装置是将高分子压电薄膜粘贴在玻璃上，
当玻璃破碎时，会发出几千赫兹或更高频率的振动，高分子压电薄膜可以感受这一振动，同时将振动波转换成电压，然后经放大、滤波、比较等处理后提供给报警系统。
为了减小霍尔元件的温度误差，除选用温度系数小的元件（如砷化锢）或采用恒温措施外，采用恒流源供电是个有效的措施，但这还不能完全解决霍尔电压的稳定性问题，还需采用其他补偿电路。图3-20所示是一种较好的温度补偿电路。
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3.2 霍尔式传感器
经补偿之后的霍尔电动势受温度的影响极小，而且对霍尔元件的其他性能没有影响，只是由于激励电流被分流了，霍尔电压的输出稍有降低，但这可以通过增大恒流源的数值以达到原来的霍尔电压的输出值。
近年来，压电测试技术发展迅速，特别是电子技术的迅速发展，使压电式传感器的应用日益广泛。
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3.1 压电型传感器
3.1.1 压电型传感器工作原理压电效应
在某些晶体切片（如石英晶体切片）上，沿一定方向加上外力，晶体切片不仅几何尺寸会发生变化，而且晶体内部也会发生极化现象，导致晶体表面积累电荷，形成电场，当外力除去后晶体表面又恢复到不带电状态，这种现象被称为压电效应。
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3.2 霍尔式传感器
3.2.1 霍尔式传感器的工作原理霍尔效应
如图3-12所示为霍尔效应原理图。将金属或半导体霍尔元件放置于磁感应强度为B的磁场中，若磁场方向垂直于霍尔元件，当有电流I流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势认UH，这种现象称为霍尔效应。产生的电动势UH 为霍尔电动势。
石英晶体外形及切片如图3-2所示。
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3.1 压电型传感器
2）压电陶瓷
压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料。它山无数细微的电畴组成，这些电畴实际上是分子自发极化的小区域，在无外电场作用时，各个电畴在晶体中杂乱分布，它们的极化效应被相互抵消，因此原始的压电陶瓷呈电中性，不具有压电性质。为了使压电陶瓷具有压电效应，必须在一定温度下做极化处理，极化处理之后，陶瓷材料内部存在很强的剩余极化强度。当压电陶瓷受外力作用时，其表面也能产生电荷，所以压电陶瓷具有压电效应。如图3-3 所示为压电陶瓷的极化过程。
如图3-13所示。霍尔片是一块矩形半导体薄片，一般采用N型的锗、锑
化锢和砷化锢半导体单晶体材料制成。
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3.2 霍尔式传感器
霍尔元件的基本电路霍尔元件的基本电路如图3-14所示。控制电流由电源E
供给，RP为调节电阻，调节控制电流的大小。霍尔兀件输出端接负载电阻Rf， Rf可以是一般电阻，也可以是放大器的输入电阻或指示器内阻。在磁场和控制电流的作用下，负载上就有电压输出。
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3.1 压电型传感器
压电传感器的测量电路
根据压电式传感器的转换原理及其等效电路，它的输出可以是电压，也可以是电荷，为此，前置放大器有两种形式：一种是电压放大器，其输出电压与输入电压（即传感器的输出电压）成比例，通常将此种前置放大器称作阻抗变换器，它对整个测量系统电缆电容的变化非常敏感，尤其是连接电缆长度的变化更为明显；另一种是电荷放大器，其输出电压与输入电荷成比例，这种放大器对电缆长度变化的影响极为迟钝，所以对其造成的影响可忽略不计。
合而制成的一种磁敏传感器模块，它能感知一切与磁信息有关的物理量，并以开关形式输出。霍尔开关集成传感器具有使用寿命长、无触点磨损、无火花干扰、无转换抖动、工作频率高、温度特性好、能适应恶劣的环境等优点。霍尔开关集成传感器的工作特性曲线如图3-23所示.
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3.2 霍尔式传感器
感应电压及自激磁场零电压。其中不等位电压是最主要的一个零位误差。
由于控制电极的端面接触不良，两个霍尔电极在制造时不可能绝对对称地焊在霍尔片两侧，从而造成霍尔片电阻率不均匀。
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3.2 霍尔式传感器
两电极不处在同一等位面上，因此在两极之间存在着电位差，该电位差称为不等位电压。在分析不等位电压时，可把霍尔电极等效为一个电桥，如图3-18所示。
3.2.3霍尔集成电路随着微电子技术的发展，目前霍尔器件多已集成化。霍
尔集成电路（又称霍尔IC）有许多优点，如灵敏度高、体积小、温漂小、输出幅度大、对电源稳定性要求低等。霍尔集成电路可分为开关型和线性型两大类。
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3.2 霍尔式传感器
开关型霍尔集成电路开关型霍尔集成电路是利用霍尔元件与集成电路技术结
压电元件的连接如图3-8所示为压电元件的连接方式。压电元件通常是两
片或两片以卡粘贴在一起，由于压电片上的电荷是有极性的，因此有串联和并联两种连接方法，用的比较多的是并联接法，并联之后极板上的总电荷量是单块极板的两倍。压电式动态力传感器
如图3-9所示为压电式单向动态力传感器结构示意图。当压电片受压后产生电荷（电压），由两根输出线输出，然后接人电荷放大器或电压放大器，转换成与作用力大小成正比的电压。这种动态力传感器主要用于变化频率不太高的动态力测量。
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3.1 压电型传感器
电压放大器
如图3-6所示，（a）为压电传感器连接电压放大器的等效电路，（b）是简化后的等效电路。
输入电压为
jR ui 1 jR(Cc Ca ) dF
当 R(Ci Cc Ca ) 1 时，输出电压为：
dF ui Ci Cc Ca
可以看出放大器输入电压幅度与被测频率无关，当改变连接传感器与前置放大器的电缆长度时，Cc将改变，从而引起放大器的输出电压也发生变化。