传感器 第6章
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《传感器与检测技术》高教(4版) 第六章
差动变压器位移计
当铁芯处于中间位置时，输出电压: UU 21 U 220
当铁芯向右移动时，则输出电压: UU 21 U 220
当铁芯向左移动时，则输出电压: UU 21 U 220
输出电压的方向反映了铁芯的运动方向，大小反映了铁 芯的位移大小。
差动变压器位移计
输出特性如图所示。
差动变压器位移计
角度的精密测量。 光栅的基本结构
1、光栅：光栅是在透明的玻璃上刻有大量平行等宽等 距的刻线构成的，结构如图。
设其中透光的缝宽为a，不透光的缝宽为b，
一般情况下，光栅的透光缝宽等于不透光
的缝宽，即a = b。图中d = a + b 称为光
栅栅距（也称光栅节距或称光栅常数）。
光栅位移测试
2、光栅的分类
1、激光的特性
（1）方向性强
（2）单色性好
（3） 亮度高
（4） 相干性好
2、激光器
按激光器的工作物质可分为以下几类： （1）固体激光器：常用的有红宝石激光器、钕玻 璃激光器等。
（2）气体激光器：常用的为氦氖激光器、二氧化 碳激光器、一氧化碳激光器等。
激光式传感器
（3） 液体激光器：液体激光器分为无机液体激光器 和有机液体激光器等。
数小，对铜的热电势应尽可能小，常用材料有： 铜镍合金类、铜锰合金类、镍铬丝等。 2、骨架：
对骨架材料要求形状稳定表面绝缘电阻高， 有较好的散热能力。常用的有陶瓷、酚醛树脂 和工程塑料等。 3、电刷：
电刷与电阻丝材料应配合恰当、接触电势 小，并有一定的接触压力。这能使噪声降低。
电位器传感器
电位计式位移传感器
6.2.2 差动变压器位移计结构
1-测头； 2-轴套； 3-测杆； 4-铁芯；5-线圈架； 6-导线； 7-屏蔽筒；8-圆片弹簧；9-弹簧； 10-防尘罩
传感器原理及应用技术 第6章 霍尔传感器
霍尔式曲轴位置传感器
小结
❖ 霍尔传感器是一种磁敏感元件，它是利用霍尔效应 工作的。霍尔效应产生的霍尔电势与通过的控制电 流以及垂直与霍尔元件的磁感应强度有关。利用霍 尔传感器可以测量最终能够转换成电流、磁感应强 度的物理量。由于霍尔元件的材料属于半导体，所 以把测量电路集成在一块芯片上，构成霍尔集成电 路。常见的霍尔集成电路有开关型和线性型。实际 应用中，常利用霍尔集成电路测量位移、磁场强度、 转速以及电流、电压。
磁特性分别如图所示，由于它们的BOP、BRP极性相同，所 以适用于单稳态开关、摩托车点火开关以及出租车计价器等。
❖
❖ （4）按温度特性分类
❖ 温度特性表明了IC的可靠性。民用品的可靠性低于工业品的 可靠性；工业品的可靠性不如军品的可靠性。通常军品级的 IC价位是民品级4～5倍。
❖ 通常划分温度等级如下：
❖ 1. 霍尔电机 ❖ 2. 霍尔汽车无触点电子点火器
❖ 在容器的上部安装上开关型霍尔集成电路，液体里放置一个 安有磁极的浮子，当容器内液体的液位达到检测位置时，霍 尔集成电路就会输出一个开关信号，控制其他设备的启停。
❖ 一些数控设备，尤其是机器人中，需要精确地决定移动部件的位 置。下图霍尔IC在位置检测中的应用。当安有磁极的可动部件移动 到指定位置时，霍尔IC就会输出控制信号。
高等职业教育电子信息类贯通制教材（机电技术专业）
传感器原理及应用技术 （第2版）
主 编 刘伟
电子工业出版社
第6章 霍尔传感器
❖ 6.1霍尔传感器及其集成电路 ❖ 6.2霍尔传感器的应用 ❖小 结
6.1霍尔传感器及其集成电路
❖ 6.1.1 霍尔传感器的工作原理 ❖ 6.1.2 霍尔集成电路
6.1.2 霍尔集成电路
小结
❖ 霍尔传感器是一种磁敏感元件，它是利用霍尔效应 工作的。霍尔效应产生的霍尔电势与通过的控制电 流以及垂直与霍尔元件的磁感应强度有关。利用霍 尔传感器可以测量最终能够转换成电流、磁感应强 度的物理量。由于霍尔元件的材料属于半导体，所 以把测量电路集成在一块芯片上，构成霍尔集成电 路。常见的霍尔集成电路有开关型和线性型。实际 应用中，常利用霍尔集成电路测量位移、磁场强度、 转速以及电流、电压。
磁特性分别如图所示，由于它们的BOP、BRP极性相同，所 以适用于单稳态开关、摩托车点火开关以及出租车计价器等。
❖
❖ （4）按温度特性分类
❖ 温度特性表明了IC的可靠性。民用品的可靠性低于工业品的 可靠性；工业品的可靠性不如军品的可靠性。通常军品级的 IC价位是民品级4～5倍。
❖ 通常划分温度等级如下：
❖ 1. 霍尔电机 ❖ 2. 霍尔汽车无触点电子点火器
❖ 在容器的上部安装上开关型霍尔集成电路，液体里放置一个 安有磁极的浮子，当容器内液体的液位达到检测位置时，霍 尔集成电路就会输出一个开关信号，控制其他设备的启停。
❖ 一些数控设备，尤其是机器人中，需要精确地决定移动部件的位 置。下图霍尔IC在位置检测中的应用。当安有磁极的可动部件移动 到指定位置时，霍尔IC就会输出控制信号。
高等职业教育电子信息类贯通制教材（机电技术专业）
传感器原理及应用技术 （第2版）
主 编 刘伟
电子工业出版社
第6章 霍尔传感器
❖ 6.1霍尔传感器及其集成电路 ❖ 6.2霍尔传感器的应用 ❖小 结
6.1霍尔传感器及其集成电路
❖ 6.1.1 霍尔传感器的工作原理 ❖ 6.1.2 霍尔集成电路
6.1.2 霍尔集成电路
高中物理--传感器
B. 物体M运动时，电压表的示数会发生变化
C. 物体M不动时，电路中没有电流
D. 物体M不动时，电压表没有示数
2、热电传感器
热电传感器是利用热敏电阻的阻值会随温度的变化而变化的原理制成的，
如各种家用电器（空调、冰箱、热水器、饮水机、电饭煲等）的温度控制、火
警报警器、恒温箱等。
例5：如图是一火警报警的一部分电路示意图。其中R2 为用半导
器。其中有一种是动圈式的，它的工作原理是在弹性
膜片后面粘接一个轻小的金属线圈，线圈处于永磁体
的磁场中，当声波使膜片前后振动时，就将声音信号 转变为电信号。下列说法正确的是
(B
)
A 该传感器是根据电流的磁效应工作的
B 该传感器是根据电磁感应原理工作的
C 膜片振动时，穿过金属线圈的磁通量不变
D 膜片振动时，金属线圈中不会产生感应电动势
受热时电阻值小，ab间电流大，电磁继电器磁性强，衔铁与下触点接 触，电铃响。
①将热敏电阻、小灯泡、学生用电源、滑动变阻器、开关串联接入继电器的a、b 端，如图示：
②将学生用电源与绿灯泡分别接入c、e之 间。
③将学生用电源与电铃分别接入c、d、之 间。
t° 变式：提高灵敏度，应该如何调节
滑动变阻器？
a bc d e
①风力大小F与θ的关系式； F=Mg·tanθ①
②风力大小F与电流表示数I/ 的关系式。思路？ tanθ=L//h②
I/=E/[R0+k(L-L/）] ③ E=I(R0+kL) ④ ③由此①装到置④所得测：F定 的Mhg最• (大kL风 Rk力0I)(/ 是I / 多I )少⑤？
F Mg L ⑥ 两种理解
例7.如图示，将一光敏电阻连入多用电表两表笔上，将多用电表的
C. 物体M不动时，电路中没有电流
D. 物体M不动时，电压表没有示数
2、热电传感器
热电传感器是利用热敏电阻的阻值会随温度的变化而变化的原理制成的，
如各种家用电器（空调、冰箱、热水器、饮水机、电饭煲等）的温度控制、火
警报警器、恒温箱等。
例5：如图是一火警报警的一部分电路示意图。其中R2 为用半导
器。其中有一种是动圈式的，它的工作原理是在弹性
膜片后面粘接一个轻小的金属线圈，线圈处于永磁体
的磁场中，当声波使膜片前后振动时，就将声音信号 转变为电信号。下列说法正确的是
(B
)
A 该传感器是根据电流的磁效应工作的
B 该传感器是根据电磁感应原理工作的
C 膜片振动时，穿过金属线圈的磁通量不变
D 膜片振动时，金属线圈中不会产生感应电动势
受热时电阻值小，ab间电流大，电磁继电器磁性强，衔铁与下触点接 触，电铃响。
①将热敏电阻、小灯泡、学生用电源、滑动变阻器、开关串联接入继电器的a、b 端，如图示：
②将学生用电源与绿灯泡分别接入c、e之 间。
③将学生用电源与电铃分别接入c、d、之 间。
t° 变式：提高灵敏度，应该如何调节
滑动变阻器？
a bc d e
①风力大小F与θ的关系式； F=Mg·tanθ①
②风力大小F与电流表示数I/ 的关系式。思路？ tanθ=L//h②
I/=E/[R0+k(L-L/）] ③ E=I(R0+kL) ④ ③由此①装到置④所得测：F定 的Mhg最• (大kL风 Rk力0I)(/ 是I / 多I )少⑤？
F Mg L ⑥ 两种理解
例7.如图示，将一光敏电阻连入多用电表两表笔上，将多用电表的
传感器原理及其应用 第6章 磁电式传感器
材料(单晶) N型锗(Ge) N型硅(Si) 锑化铟(InSb)
1/ 2
4000 1840 4200
砷化铟(InAs)
磷砷铟(InAsP) 砷化镓(GaAs)
0.36
0.63 1.47
0.0035
0.08 0.2
25000
10500 8500
100
850 1700
1530
3000 3800
哪种材料制作的霍尔元件灵敏度高
1、8—圆形弹簧片；2—圆环形阻尼器；3—永久磁铁；4—铝架； 5—心轴；6—工作线圈；7—壳体；9—引线 工作频率 固有频率 灵敏度 10～500 Hz 12 Hz 最大可测加速度 5g 可测振幅范围 精度 ≤10％ 45mm×160 mm 0.7 kg
0.1～1000 m 外形尺寸 1.9 k 质量
d E N dt
武汉理工大学机电工程学院
第6章 磁电式传感器
磁通量的变化可以通过很多办法来实现，如磁铁与线圈之间作 相对运动；磁路中磁阻的变化；恒定磁场中线圈面积的变化等， 一般可将磁电感应式传感器分为恒磁通式和变磁通式两类。 6.1.1 恒磁通式磁电感应传感器结构与工作原理 恒磁通式磁电感应传感器结构中，工作气隙中的磁通恒定，感 应电动势是由于永久磁铁与线圈之间有相对运动——线圈切割 磁力线而产生。这类结构有动圈式和动铁式两种，如图所示。
武汉理工大学机电工程学院
第6章 磁电式传感器 磁铁与线圈相对运动使线圈切割磁力线，产生与运动速度dx/dt 成正比的感应电动势E，其大小为
dx E NBl dt
式中：N为线圈在工作气隙磁场中的匝数；B为工作气隙磁感应 强度；l为每匝线圈平均长度。 当传感器结构参数确定后，N、B和l均为恒定值，E与dx/dt成正 比，根据感应电动势E的大小就可以知道被测速度的大小。 由理论推导可得，当振动频率低于传感器的固有频率时，这种传 感器的灵敏度(E/v)是随振动频率而变化的；当振动频率远大于 固有频率时，传感器的灵敏度基本上不随振动频率而变化，而近 似为常数；当振动频率更高时，线圈阻抗增大，传感器灵敏度随 振动频率增加而下降。 不同结构的恒磁通磁电感应式传感器的频率响应特性是有差异的， 但一般频响范围为几十赫至几百赫。低的可到10 Hz左右，高的可 达2 kHz左右。
《传感器技术》教学课件第6章
19
当晶体受到沿y轴方向的压力作用时，晶体的变形如图6-4 （c）所示。与图6-4（b）情况相似，P1增大，P2、P3减小。在x 轴上出现电荷，它的极性为x轴正向为正电荷。在y轴方向上仍 不出现电荷。
如果沿z轴方向施加作用力，因为晶体在x方向和y方向所产 生的形变完全相同，所以正负电荷重心保持重合，电偶极矩矢 量和等于零。这表明沿z轴方向施加作用力，晶体不会产生压电 效应。
a、b——晶体切片的长度和厚度。
电荷qx和qy的符号由受压力还是受拉力决定。
15
上述讨论假设晶体沿x轴和y轴方向受到的是压力， 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。石英晶片上电荷极性 与受力方向的关系如图6-3所示。
图6-3 晶体切片上电荷极性与受力方向的关系
在自然界中大多数晶体都具有压电效应，但压 电效应十分微弱。随着对材料的深入研究，发现石 英晶体、钛酸钡、锆钛酸铅等材料是性能优良的压 电材料。
7
表6-1 常用压电材料的性能参数
8
6.1.1 压电晶体
以石英晶体为例，它是单晶体中具有代表性同时也是应用 最广泛的一种压电晶体，化学式为SiO2。图6-2（a）表示了天 然结构的石英晶体外形是一个正六面体。
当压电元件受外力作用时，两表面产生等量的正、负电荷Q， 压电元件的开路电压（认为其负载电阻为无限大）U为：
压电常数 压电效应强弱：灵敏度 弹性常数（刚度） 固有频率、动态特性 介电常数 固有电容、频率下限 机电耦合系数 机电转换效率 电阻 泄漏电荷、改善低频特性 居里点 丧失压电性的温度
6
压电材料可以分为两大类：压电晶体和压电陶 瓷。压电材料要求具有大的压电系数，机械强度高， 刚度大，具有高电阻率、大介电系数和高居里点， 温度、湿度和时间稳定性好等特点。
当晶体受到沿y轴方向的压力作用时，晶体的变形如图6-4 （c）所示。与图6-4（b）情况相似，P1增大，P2、P3减小。在x 轴上出现电荷，它的极性为x轴正向为正电荷。在y轴方向上仍 不出现电荷。
如果沿z轴方向施加作用力，因为晶体在x方向和y方向所产 生的形变完全相同，所以正负电荷重心保持重合，电偶极矩矢 量和等于零。这表明沿z轴方向施加作用力，晶体不会产生压电 效应。
a、b——晶体切片的长度和厚度。
电荷qx和qy的符号由受压力还是受拉力决定。
15
上述讨论假设晶体沿x轴和y轴方向受到的是压力， 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。石英晶片上电荷极性 与受力方向的关系如图6-3所示。
图6-3 晶体切片上电荷极性与受力方向的关系
在自然界中大多数晶体都具有压电效应，但压 电效应十分微弱。随着对材料的深入研究，发现石 英晶体、钛酸钡、锆钛酸铅等材料是性能优良的压 电材料。
7
表6-1 常用压电材料的性能参数
8
6.1.1 压电晶体
以石英晶体为例，它是单晶体中具有代表性同时也是应用 最广泛的一种压电晶体，化学式为SiO2。图6-2（a）表示了天 然结构的石英晶体外形是一个正六面体。
当压电元件受外力作用时，两表面产生等量的正、负电荷Q， 压电元件的开路电压（认为其负载电阻为无限大）U为：
压电常数 压电效应强弱：灵敏度 弹性常数（刚度） 固有频率、动态特性 介电常数 固有电容、频率下限 机电耦合系数 机电转换效率 电阻 泄漏电荷、改善低频特性 居里点 丧失压电性的温度
6
压电材料可以分为两大类：压电晶体和压电陶 瓷。压电材料要求具有大的压电系数，机械强度高， 刚度大，具有高电阻率、大介电系数和高居里点， 温度、湿度和时间稳定性好等特点。
传感器原理及应用-第6章 - 压电式传感器剖析
二、压电效应的基本原理
常见的压电材料可分为两类： 压电单晶体和多晶体压电陶瓷。
压电单晶体： 石英(包括天然石英和人造石 英)、水溶性压电晶体(包括酒石酸钾 钠、酒石酸乙烯二铵、酒石酸二钾、 硫酸锤等)。
多晶体压电陶瓷： 钛酸钡压电陶瓷、锆钛酸铅系 压电陶瓷、铌酸盐系压电陶瓷和铌 镁酸铅压电陶瓷等。
天然石英
若在同一切片上，沿机械轴y方向施加应 力，则仍在与x轴垂直的平面上产生电荷为
O
y
q12
d12
a b
Fy
x
b
z
d11
a b
FyxΒιβλιοθήκη yd11 = -d12 ，石英晶体轴对称条件。
产生电荷q11和q12的符号，决定于受压力
c a
还是受拉力。
§6.1 压电效应
二、压电效应的基本原理 4、石英晶体压电效应特点
Fx- -
++
- P1 +
P3 - + x
-
P2
+
- - ++
§6.1 压电效应
二、压电效应的基本原理 2、石英晶体压电效应的微观机理
在x轴的正向出现正电荷，在y、 z方向不出现电荷。
Fx<0 y
Fx- -
+ + Fx
- P1 +
P3 + -
x
-
P2
+
--
++
§6.1 压电效应
二、压电效应的基本原理 2、石英晶体压电效应的微观机理
§6.1 压电效应
二、压电效应的基本原理 5、压电陶瓷的压电效应
压电陶瓷是人工制造的多晶体 压电材料。
第六章-自感式传感器
L0
L10
L20
m
0W
2
mr
rc
l2 c
l2
k1
k2
m0W 2mr rc2
l2
综上所述，螺管式自感传感器的特点： ①结构简单，制造装配容易； ②由于空气间隙大，磁路的磁阻高，因此灵敏度低 ，但线性范围大； ③由于磁路大部分为空气，易受外部磁场干扰； ④由于磁阻高，为了达到某一自感量，需要的线圈 匝数多，因而线圈分布电容大； ⑤要求线圈框架尺寸和形状必须稳定，否则影响其 线性和稳定性。
2
3
（2）单线圈是忽略
0
以上高次项，差动式是忽略
0
以上偶次项，
因此差动式自感式传感器线性度得到明显改善。
*另一种形式： Π型
6 自感式传感器
6.1 工作原理 6.2 变气隙式自感传感器 6.3 变面积式自感传感器 6.4 螺线管式自感传感器 6.5 自感式传感器测量电路 6.6 自感式传感器应用举例
第6章 电感式传感器
电感式传感器是建立在电磁感应基础上，利用 线圈自感或互感的改变来实现测量的一种装置。它 可对直线位移和角位移进行直接测量，也可通过一 定的敏感元件把振动、压力、应变、流量等转换成 位移量而进行测量。通常可由下列方法使线圈的电 感变化：
(1)改变几何形状； (2)改变磁路的磁阻； (3)改变磁芯材料的导磁率； (4)改变一组线圈的两部分或几部分间的耦合度。
1. 交流电桥 2. 变压器电桥 3. 自感传感器的灵敏度
（一）交流电桥式测量电路
分析：
• 衔铁在初始位置时，电桥平衡
L1
L2
L0
W 2m0S 20
• 若衔铁上移，则：
1 0 ,2 0
第6章-磁电磁敏式传感器
• 磁电式传感器是一种有源传感器，工作时无需加电压，直 接将机械能转化为电能输出。
• 测速度时，传感器的输出电压正比于速度信号 u v ，可
以直接放大。
• 输出功率大，稳定可靠，但传感器尺寸大、重，输出阻抗 低，通常几十～几千欧，对后置电路要求低，干扰小。
CD-1 型震动速度传感器
工作频率 固有频率 灵敏度
• 磁阻元件在工作时通常需要加偏置磁 场，使磁敏电阻工作在线性区域。
• 无偏置磁场时只能检测磁场不能 判别磁性。输出弱磁场时磁阻与 磁场关系为：
R =R0（1+MB2）
R0 ——为零磁场内阻； M ——为零磁场系数；
• 外加偏置磁场时磁阻具有极性， 相当在检测磁场外加了偏置磁场， 工作点移到线性区，磁极性也作 为电阻值变化表现出来，这时电 阻值的变化为：
代入后：
UH
Bb
IB ned
RH
IB d
K H IB
霍尔常数
RH
1 ne
与材料有关
霍尔灵敏度
KH
RH d
与薄片尺寸有关
式中：ρ—电阻率、n —电子浓度、μ—电子迁移率 μ = υ / E 单位电场强度作用下载流子运动速度。
☻ 可见霍尔电势与电流和磁场强度的乘积成正比
U K I B ☻ 讨论 H
敏 元
件
6.3.1 磁敏电阻
（1） 磁阻效应
➢ 载流导体置于磁场中，除了产生霍尔效应外，导体中载流子 因受洛仑兹力作用要发生偏转，磁场使载流子运动方向的偏 转使电流路径变化，起到了加大电阻的作用，磁场越强增大 电阻的作用越强。
☺ 外加磁场使导体(半导体)电阻随磁场增加而增大的现象 称磁阻效应。
➢ 磁阻效应表达式为
• 测速度时，传感器的输出电压正比于速度信号 u v ，可
以直接放大。
• 输出功率大，稳定可靠，但传感器尺寸大、重，输出阻抗 低，通常几十～几千欧，对后置电路要求低，干扰小。
CD-1 型震动速度传感器
工作频率 固有频率 灵敏度
• 磁阻元件在工作时通常需要加偏置磁 场，使磁敏电阻工作在线性区域。
• 无偏置磁场时只能检测磁场不能 判别磁性。输出弱磁场时磁阻与 磁场关系为：
R =R0（1+MB2）
R0 ——为零磁场内阻； M ——为零磁场系数；
• 外加偏置磁场时磁阻具有极性， 相当在检测磁场外加了偏置磁场， 工作点移到线性区，磁极性也作 为电阻值变化表现出来，这时电 阻值的变化为：
代入后：
UH
Bb
IB ned
RH
IB d
K H IB
霍尔常数
RH
1 ne
与材料有关
霍尔灵敏度
KH
RH d
与薄片尺寸有关
式中：ρ—电阻率、n —电子浓度、μ—电子迁移率 μ = υ / E 单位电场强度作用下载流子运动速度。
☻ 可见霍尔电势与电流和磁场强度的乘积成正比
U K I B ☻ 讨论 H
敏 元
件
6.3.1 磁敏电阻
（1） 磁阻效应
➢ 载流导体置于磁场中，除了产生霍尔效应外，导体中载流子 因受洛仑兹力作用要发生偏转，磁场使载流子运动方向的偏 转使电流路径变化，起到了加大电阻的作用，磁场越强增大 电阻的作用越强。
☺ 外加磁场使导体(半导体)电阻随磁场增加而增大的现象 称磁阻效应。
➢ 磁阻效应表达式为
第6章光敏传感器
IA/ μA
100
75
2
50
25
1
0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5
Φ/1m
图6-1 光电管的光照特性 25
(3) 光电管的光谱特性
一般光电阴极材料不同的光电管对应不同 的红限频率，因此它们可用于不同的光谱范围。
另外，同一光电管对于不同频率的光的灵 敏度不同。以GD-4型光电管为例，阴极是用锑
紫外光
可见光
红外光
10 nm 380 nm 780 nm
1000,000 nm
性质：光都具有反射、折射、散射、衍
射、干涉和吸收等性质。
4
6.1.2 光源（发光器件） 1. 白炽光源
最为普通的是用钨丝通电加热作为光辐射源。 一般白炽灯的辐射光谱是连续的。
发光范围：320 nm~2500 nm, 所以任何光敏 元件都能和它配合接收到光信号。 特点：寿命短而且发热大、效率低、动态特性 差，但对接收光敏元件的光谱特性要求不高， 是可取之处。
倍增系数M
106 105 104 103
极间电压/V
25 50 75 100 125
最大灵敏度可达
图6-2 光电倍增管的特性
10A/lm不能受强光照射。
曲线
32
（3）暗电流和本底电流
由于环境温度、热辐射和其它因素的影响，即使 没有光信号输入，加上电压后阳极仍有电流，这 种电流称为暗电流。 在其受人眼看不到的宇宙射线的照射后，光电倍 增管会有电流信号输出—本底脉冲。
半导体激光器（如砷化镓激光器）
14
6.2 光电效应
两类：外光电效应和内光电效应。 6.2.1 外光电效应 在光的作用下，物体内的电子逸出物体表 面向外发射的现象叫做外光电效应。
第6章 压电式传感器
2.电荷放大器 电荷放大器
压电式传感器另一种专用的前置放大器。 压电式传感器另一种专用的前置放大器。 能将高内阻的电荷源转换为低内阻的电压源， 能将高内阻的电荷源转换为低内阻的电压源，而 且输出电压正比于输入电荷，因此， 且输出电压正比于输入电荷，因此，电荷放大器 同样也起着阻抗变换的作用， 其输入阻抗高达 同样也起着阻抗变换的作用 ， 1010~1012 ，输出阻抗小于 输出阻抗小于100 。 使用电荷放大器突出的一个优点：在一定条件下， 使用电荷放大器突出的一个优点：在一定条件下， 传感器的灵敏度与电缆长度无关。 传感器的灵敏度与电缆长度无关。
切片上电荷的符号与受力方向的关系
轴方向受压力， 轴方向受拉力， 图（a）是在 轴方向受压力，图（b）是在 轴方向受拉力， ）是在X轴方向受压力 ）是在X轴方向受拉力 轴方向受压力， 轴方向受拉力。 图（c）是在 轴方向受压力，图（d）是在 轴方向受拉力。 ）是在Y轴方向受压力 ）是在Y轴方向受拉力 “纵向压电效应”：沿电轴（X轴）方向的力作用下产生电荷 纵向压电效应” 沿电轴（ 轴 纵向压电效应 横向压电效应” 沿机械轴（ 轴 “横向压电效应”：沿机械轴（Y轴）方向的力作用下产生电荷 在光轴（ 轴 方向时则不产生压电效应。 在光轴（Z轴）方向时则不产生压电效应。
3.高分子压电材料 3.高分子压电材料
典型的高分子压电材料有聚偏二氟乙烯（ 典型的高分子压电材料有聚偏二氟乙烯（PVF2或 PVDF）、聚氟乙烯（PVF）、聚氯乙烯（PVC） PVDF）、聚氟乙烯（PVF）、聚氯乙烯（PVC）等。 ）、聚氟乙烯 ）、聚氯乙烯 它是一种柔软的压电材料， 它是一种柔软的压电材料，可根据需要制成薄膜 或电缆套管等形状。它不易破碎，具有防水性， 或电缆套管等形状。它不易破碎，具有防水性， 可以大量连续拉制，制成较大面积或较长的尺度， 可以大量连续拉制，制成较大面积或较长的尺度， 价格便宜，频率响应范围较宽， 价格便宜，频率响应范围较宽，测量动态范围可 达80dB。 80dB。
(第6章)磁电式传感器
6.2.2 霍尔元件的应用
1．霍尔式微量位移的测量 ．
由霍尔效应可知，当控制电流恒定时， 由霍尔效应可知，当控制电流恒定时， 霍尔电压U与磁感应强度B成正比，若磁感 成正比， 的函数， 应强度B是位置x的函数，即 UH=kx 13） （6-13） 式中： ——位移传感器灵敏度 位移传感器灵敏度。 式中：ｋ——位移传感器灵敏度。
测量转速时，传感器的转轴1 测量转速时，传感器的转轴1与被测物 体转轴相连接，因而带动转子2转动。 体转轴相连接，因而带动转子2转动。当转 的齿与定子5的齿相对时，气隙最小， 子2的齿与定子5的齿相对时，气隙最小， 磁路系统中的磁通最大。而磁与槽相对时， 磁路系统中的磁通最大。而磁与槽相对时， 气隙最大，磁通最小。因此当转子2转动时， 气隙最大，磁通最小。因此当转子2转动时， 磁通就周期性地变化，从而在线圈3 磁通就周期性地变化，从而在线圈3中感应 出近似正弦波的电压信号， 出近似正弦波的电压信号，其频率与转速 成正比例关系。 成正比例关系。
2．霍尔元件基本结构 ．
霍尔元件的外形结构图，它由霍尔片、 霍尔元件的外形结构图，它由霍尔片、 根引线和壳体组成， 4根引线和壳体组成，激励电极通常用红色 而霍尔电极通常用绿色或黄色线表示。 线，而霍尔电极通常用绿色或黄色线表示。
图6-8阻 ）
I v= nebd
得
IB EH = nebd
IB UH = ned
式中： 称之为霍尔常数， 式中：令RH=1/ne，称之为霍尔常数， 其大小取决于导体载流子密度， 其大小取决于导体载流子密度，则
RH IB = K H IB UH = d
（6-12） 12）
称为霍尔片的灵敏度。 式中： 式中：KH=RH/d称为霍尔片的灵敏度。
传感器(电子教案)第6章
6.6.1非线性
压电传感器的幅值线性度是指被测物理量(如力、压力、 加速度等)的增加，其灵敏度的变化程度。
6.6.2横向灵敏度
压电加速度传感器的横向灵敏度是指当加速度传感器 感受到与其主轴向(轴向灵敏度方向)垂直的单位加速度 振动时的灵敏度，一般用它与主轴向灵敏度的百分比 来表示，称为横向灵敏度比。
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6.1 压电效应
压电式传感器大都是利用压电材料的压电效应制 成的。在电声和超声工程中也有利用逆压电效应 制作的传感器。压电转换元件受力变形的状态可 分为图6-1所示的几种基本形式。
但由于压电晶体的各向异性，并不是所有的压电 晶体都能在这几种变形状态下产生压电效应。例 如石英晶体就没有体积变形压电效应。但它具有 良好的厚度变形和长度变形压电效应。
第6章 压电式传感器
压电式传感器是一种有源的双向机电 传感器。它的工作原理是基于压电材 料的压电效应。石英晶体的压电效应 早在1680年即已发现，1948年制作出 第一个石英传感器。
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第6章 压电式传感器
6.1压电效应 6.2压电材料 6.3等效电路 6.4测量电路 6.5压电式传感器的应用举例 6.6影响压电式传感器精度的因素分析 本章要点
电压放大器的作用是将压电式传感器的高输 出阻抗经放大器变换为低阻抗输出，并将微 弱的电压信号进行适当放大．因此也把这种 测量电路称为阻抗变换器。图6-9是电压放大 器的简化电路图。
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6.4 测量电路
6.4.2电荷放大器
由于电压放大器使所配接的压电式传感器的 电压灵敏度将随电缆分布电容及传感器自身 电容的变化而变化，而且电缆的更换得引起 重新标定的麻烦，为此又发展了便于远距离 测量的电荷放大器，目前它巳被公认是一种 较好的冲击测量放大器。
压电传感器的幅值线性度是指被测物理量(如力、压力、 加速度等)的增加，其灵敏度的变化程度。
6.6.2横向灵敏度
压电加速度传感器的横向灵敏度是指当加速度传感器 感受到与其主轴向(轴向灵敏度方向)垂直的单位加速度 振动时的灵敏度，一般用它与主轴向灵敏度的百分比 来表示，称为横向灵敏度比。
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6.1 压电效应
压电式传感器大都是利用压电材料的压电效应制 成的。在电声和超声工程中也有利用逆压电效应 制作的传感器。压电转换元件受力变形的状态可 分为图6-1所示的几种基本形式。
但由于压电晶体的各向异性，并不是所有的压电 晶体都能在这几种变形状态下产生压电效应。例 如石英晶体就没有体积变形压电效应。但它具有 良好的厚度变形和长度变形压电效应。
第6章 压电式传感器
压电式传感器是一种有源的双向机电 传感器。它的工作原理是基于压电材 料的压电效应。石英晶体的压电效应 早在1680年即已发现，1948年制作出 第一个石英传感器。
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第6章 压电式传感器
6.1压电效应 6.2压电材料 6.3等效电路 6.4测量电路 6.5压电式传感器的应用举例 6.6影响压电式传感器精度的因素分析 本章要点
电压放大器的作用是将压电式传感器的高输 出阻抗经放大器变换为低阻抗输出，并将微 弱的电压信号进行适当放大．因此也把这种 测量电路称为阻抗变换器。图6-9是电压放大 器的简化电路图。
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6.4 测量电路
6.4.2电荷放大器
由于电压放大器使所配接的压电式传感器的 电压灵敏度将随电缆分布电容及传感器自身 电容的变化而变化，而且电缆的更换得引起 重新标定的麻烦，为此又发展了便于远距离 测量的电荷放大器，目前它巳被公认是一种 较好的冲击测量放大器。
传感器6（ＰＤＦ）
压灵敏度与电容成反比。实际是增大前置输入回路电阻Ri.。
• 从传感器电压灵敏度Ku可见，连接电缆的分布电容Cc影响传
感器灵敏度，使用时更换电缆就要求重新标定，测量系统对
电缆长度变化很敏感，这是电压放大器的缺点。
Ku
Ca
d Cc
Ci
Ku
Kq Ca
第6章 压电式传感器
6.4 等效电路与测量电路 6.4.2 测量电路
•晶体受沿Z轴方向的应力时X、Y方向形变相同不产生压电效 应；
•应力方向为拉力时，电荷极性与上述相反。
第6章 压电式传感器
6.2 压电材料 6.2.1 石英晶体
传感器原理及应用
石英晶体压电模型
第6章 压电式传感器 传感器原理及应用
6.2 压电材料 6.2.1 石英晶体 石英晶体压电模型动画演示
动画演示
U im ( )
U im ( )
R (C a C c C i ) 1 2 R 2 (C a C c C i )2
令前置放大器输入回路的时间常数为： R(Ca Cc Ci )
相对幅频特性和相频特性分别为：
U im ( )
U im ( )
1 ( )2
K1
tan1( ) (90 70 )
传感器原理及应用
电压放大器实例： 阻抗变换电路，用场放应管实现高阻 抗匹配的放大自举反馈电路（跟随器）。
R1、R2分压，经 Rg 耦合作场效应管偏置。 观察Rg两端电压，信号到经C1耦合到Rg 的A端，由于场效应管跟随作用，使S（源） G（栅）间电压大小近似相等、相位相同。 信号经C2耦合到Rg的B端，这时Rg两端电 压近相等，Rg上的电流很小，意味着场效 应管的输入阻抗并没有因分压电路而降低。
传感器原理及应用第六章 磁电式传感器
两者工作原理是完全相同的。 当壳体随被测振动体一起 振动时, 由于弹簧较软, 运动部件质量相对较大。当振动频率 足够高（远大于传感器固有频率）时, 运动部件惯性很大, 来 不及随振动体一起振动, 近乎静止不动, 振动能量几乎全被弹 簧吸收, 永久磁铁与线圈之间的相对运动速度接近于振动体振 动速度, 磁铁与线圈的相对运动切割磁力线, 从而产生感应电 势为
（一）磁电感应式传感器的工作原理
电磁式传感器工作原理
当一个W匝线圈相对静止地处于随时间变化的磁场中时，设穿 过线圈的磁通为Ф，则整个线圈中所产生的感应电动势e为
e W d dt
（二）磁电感应式传感器的结构及特点
1、磁电感应式传感器的结构
磁电式传感器基本上由以下三部分组成： ①磁路系统：它产生一个恒定的直流磁场，为了减小传感器 体积，一般都采用永久磁铁； ②线圈：它与磁铁中的磁通相交产生感应电动势； ③运动机构：它感受被测体的运动使线圈磁通发生变化。
式(7 - 7)可得近似值:
γt ≈(-4.5%)/10 ℃
(Hale Waihona Puke - 8)这一数值是很可观的, 所以需要进行温度补偿。 补偿通常采
用热磁分流器。热磁分流器由具有很大负温度系数的特殊磁
性材料做成。它在正常工作温度下已将空气隙磁通分路掉一
小部分。当温度升高时, 热磁分流器的磁导率显著下降, 经它
分流掉的磁通占总磁通的比例较正常工作温度下显著降低, 从
而保持空气隙的工作磁通不随温度变化, 维持传感器灵敏度为
常数。
（三）磁电感应式传感器的转换电路
磁电式传感器直接输出感应电势, 且传感器通常具有较高 的灵敏度, 所以一般不需要高增益放大器。但磁电式传感器是 速度传感器, 若要获取被测位移或加速度信号, 则需要配用积 分或微分电路。 图为一般测量电路方框图
高中物理 第六章 传感器 第1节 传感器及其工作原理(含解析)2
第1节传感器及其工作原理1．传感器按照一定的规律把非电学量转化为电学量，可以很方便地进行测量、传输、处理和控制。
2．光敏电阻能够把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量。
3．热敏电阻和金属热电阻能把温度这个热学量转换为电阻这个电学量。
4．电容式位移传感器能把物体位移这个力学量转换为电容这个电学量。
5．霍尔元件能把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量。
一、传感器1．传感器的定义能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等物理量，并能把它们按照一定的规律转换为便于传送和处理的另一个物理量(通常是电压、电流等电学量)，或转换为电路的通断的元件。
2．非电学量转换为电学量的意义把非电学量转换为电学量，可以方便地进行测量、传输、处理和控制。
二、光敏电阻1．特点光照越强，电阻越小。
2．原因无光照时，载流子极少，导电性能不好；随着光照的增强，载流子增多，导电性变好。
3．作用把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量。
三、热敏电阻和金属热电阻1．热敏电阻热敏电阻由半导体材料制成，其电阻值随温度的变化明显，温度升高电阻减小，如图所示为某一热敏电阻的电阻值随温度变化的特性曲线。
2．金属热电阻有些金属的电阻率随温度的升高而增大，这样的电阻也可以制作温度传感器，称为热电阻，如图所示为某金属导线电阻的温度特性曲线。
四、霍尔元件1．霍尔元件如图所示，在一个很小的矩形半导体(例如砷化铟)薄片上，制作四个电极E 、F 、M 、N ，它就成为一个霍尔元件。
霍尔元件能够把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量。
2．霍尔电压U H ＝k IB d(1)其中d 为薄片的厚度，k 为霍尔系数，其大小与薄片的材料有关。
(2)一个霍尔元件的厚度d 、霍尔系数k 为定值，再保持I 恒定，则U H 的变化就与B 成正比，因此霍尔元件又称磁敏元件。
1．自主思考——判一判(1)所有传感器的材料都是由半导体材料做成的。
(×)(2)传感器是把非电学量转换为电学量的元件。
传感器技术及应用第6章 霍尔式传感器
第 霍尔元件在两磁铁中间产生相对位移，霍尔元件感受到的
6 磁感应强度也随之改变，这时有输出U，其量值大小反映出
章 霍尔元件与磁铁之间相对位置的变化量。这种结构的传感
器，其动态范围可达5mm，当位移小于2mm时，输出霍尔电
霍 压与位移之间有良好的线性关系。图6-4（b）所示的是一
尔 种结构简单的霍尔位移传感器，是由一块永久磁铁组成磁
感
器
传
感
器
技
术
及
6.2.3 构成金属计数器
应
用
第•
如图6-6所示是应用于计数的霍尔接近开
6 关原理图。当带磁性的物体接近霍尔元件时，
章 霍尔元件就输出一个脉冲电压，经过放大整形
后驱动光电管工作，计数器便进行计数，并由
霍 显示器进行显示。
尔
式
传
感
器
传 感 器 技 术 及 应 用
第
6 章
霍
尔
图6-6 霍尔式接近开关应用于计数电原理图
第
6 章
霍 尔 式 传 感 器
传
感 器
6.1 霍尔效应及霍尔元件
技
术
及 应
6.1.1 霍尔效应
用
第•
霍尔式传感器是利用半导体在磁场中的霍
6 尔效应制成的一种传感器。1879年美国物理学
章 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。
霍 随着半导体技术的发展，开始用半导体材料制
及 应 用
EH
IB nebd
（6-6）
第 将式（6-6）代入式（6-1），得
6
章
IB
霍
U H ned
传感器原理及应用第三版第6章
下一页
2n （
26 ? 64 ）
② 二进制码为有权码，编码若是 CnCn?1 ? ? C1 ，则对应于零位转
? 过的转角为 ：
n
Ci 2 i?1? 1
i?1
③ 码盘转动中，CK
若变化时，则所有
C
(
j
j
?
K
)应同时变化。
二进制码存在的问题：
① 提高分辨力困难。例如：二进制码盘，为了达到1〞左右的分辨力，需
倍，当位数很多时，光电元件位置安装困难。
〈2〉采用循环码码盘
右图为一个六位的循环码码盘，对于
n位的循环码码盘有下列特点：
上
① n位的循环码有2n种不同编码：
其容量为：2 n
下 对 称
最小分辨力：? 1
?
360 0 2n
最外圈角节距：4?1（比二进制大一倍）
② 循环码为无权码，Rn Rn?1 ? ? R1 不产生粗误差；
10 1× 0
01 ×1
0
01 1
10 1
11 00
Ci
因此就大大降低了粗误产生的概率，只要由刻划等因素造成的总
误差不超过相应码道（本码道） ai , bi 之间的间隔即可做到高位不出 现误差。由此可见，在不发生粗误差的前提下，整个编码器的精度
由它最低位（即C1 位码道）决定。双读数头的缺点是读数头多了一
C nCn?1C n? 2 ? ? C1
CnCn?1 ? ? C2
? ——————
二进制码 右移一位并舍去末位 不进位加法
Rn Rn?1Rn?2 ? ? R1
循环码
举例：
0110 ? 011
0101
十进制6 循环码6
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图6.5 压电式传感器的等效电路
第6章 压电式传感器
压电式传感器的灵敏度有两种表示方式。单位外力作用
下产生的电压称为电压灵敏度，用Su=ua/F表示；单位外力 作用下产生的电荷称为电荷灵敏度，用Sq=Q/F表示。它们之 间的关系为
Su
Sq Ca
(6.10)
压电式传感器在实际使用中，常采用两片或多片压电片 粘结在一起以提高灵敏度，如图6.6所示。
轴平面承受剪切应力，压电材料坐标系如图6.4所示。
第6章 压电式传感器
图6.4 压电材料坐标系
第6章 压电式传感器
压电材料在受力状态下产生的电荷密度由下列方程组表
示
qx d11 x d12 y d13 z d14 x d15 y d16 z q y d 21 x d 22 y d 23 z d 24 x d 25 y d 26 z qz d 31 x d 32 y d 33 z d 34 x d 35 y d 36 z
达到573℃时将完全丧失压电性能。此外，石英晶体还具有
动态特性好、固有频率高、机械强度高、机械性能稳定、无 热释电效应等特点，但其灵敏度很低，介电常数较小，主要
用于标准传感器、高精度传感器或使用温度较高的传感器中。
第6章 压电式传感器
2. 水溶性压电晶体
水溶性压电晶体有酒石酸钾钠(NaKC4H4O64H2O)、硫酸 锂(Li2SO4H2O)、磷酸二氢钾(KH2PO4)等，具有较高的灵敏 度和介电常数，但易于受潮，机械强度也较低，只适用于室 温和湿度低的环境中。 3. 铌酸锂晶体 铌酸锂(LiNbO3)是一种透明的单晶体，熔点为1250℃， 居里点高达1200℃，具有良好的压电性能和时间稳定性，在 耐高温传感器中广泛应用。
(6.5)
对于石英晶体，压电常数矩阵为
d11 d 12 0 d 14 0 0 D 0 0 0 0 d 25 d 26 0 0 0 0 0 0
(6.6)
第6章 压电式传感器
式(6.6)中矩阵的第三行和第三列元素全部为零，说明石
英晶体沿z轴方向施加作用力时，不会产生压电效应；压电 常数d11、d12表示沿x轴和y轴方向施加正应力时，都将在垂 直x轴的平面上产生电荷；压电常数d14、d25、d26表示沿垂直 x、y、z轴平面施加剪切应力时，将在垂直x轴和垂直y轴的 平面上产生电荷。且有d12=－d11，d25=－d14，d26=－2d11， 独立的压电常数只有d11和d14，即 d11=2.31×10－12 (C/N) d14=0.73×10－12 (C/N)
单位应力所产生的电荷密度称为压电常数。压电材料施 加应力时，在相应的表面上产生电荷，其电荷密度与施加的 应力成正比，即 q=dijζ 式中：q——电荷密度，即单位面积的电荷； ζ——应力，即单位面积的作用力； dij——压电常数。 压电常数dij有两个下标，下标i=1, 2, 3表示在垂直x、y、 z轴平面上产生电荷。下标j=1, 2, 3, 4, 5, 6，其中j=1, 2, 3表 示沿x、y、z轴方向承受正应力，j=4, 5, 6表示在垂直x、y、z (6.3)
第6章 压电式传感器
6.3
6.3.1 等效电路
等效电路与信号调理电路
在压电元件的两个工作面上进行金属蒸镀，形成金属膜， 构成两个电极。当压电元件受到外力作用时，在两个极板上 聚集数量相等、极性相反的电荷，从而形成电场。因此压电
式传感器可以看作是一个电荷发生器，或一个电容器。若压
电元件的面积为A=l×b，厚度为δ，介电常数为ε，则其电容 量Ca为
第6章 压电式传感器
3. 铌酸盐系列压电陶瓷
铌酸盐系列压电陶瓷是由铁电体铌酸钾(KNbO3)和铌酸 铅(PbNb2O3)组成的。铌酸钾居里点为435℃，铌酸铅居里点 高达570℃，但介电常数较低，常用于水声传感器中。 4. 铌镁酸铅压电陶瓷(PMN) PMN是由铌镁酸铅(Pb(Mg1/3Nb2/3)O3)、钛酸铅(PbTiO3) 和锆酸铅(PbZrO3)组成的三元系陶瓷，具有较高的压电常数 和居里点(260℃)，能承受7×107 Pa的压力，适合于高温下 的力传感器。
第6章 压电式传感器
对于钛酸钡压电陶瓷，压电常数矩阵为
0 0 0 d 15 0 0 D 0 0 0 d 24 0 0 d 31 d 32 d 33 0 0 0
式(6.7)中独立的压电常数有三个，即 d33=190×10－12 (C/N) d15=d24=250×10－12 (C/N) d31=d32=－0.42d33=－78×10－12 (C/N)
第6章 压电式传感器
6.2.2 压电陶瓷
1. 钛酸钡压电陶瓷 钛酸钡(BaTiO3)压电陶瓷是由碳酸钡(BaCO3)和二氧化 钛(TiO2)在高温下混合烧结而成，具有较高的灵敏度和介电 常数, 但其居里点较低(120℃)、机械强度和稳定性都较差。 2. 锆钛酸铅系列压电陶瓷(PZT) PZT是由钛酸铅(PbTiO3)和锆酸铅(PbZrO3)组成的固溶 体pb(Zr, Ti)O3，具有较高的灵敏度和介电常数，居里点在 300℃以上，且性能稳定。在PZT中再添加一种或两种如铌 (Nb)、锑(Sb)、锡(Sn)、锰(Mn)等微量元素，可获得不同性 能的PZT压电陶瓷，因此PZT是目前应用最广泛的压电陶瓷。
第6章 压电式传感器
6.2.3 新型压电材料
1. 压电半导体 压电半导体材料既有半导体特性，又有压电性能，如硫 化锌(ZnS)、硫化镉(CdS)、氧化锌(ZnO)、碲化镉(CaTe)、 碲化锌(ZnTe)、砷化镓(GaAs)等。因此，压电半导体材料既 可利用压电性能研制传感器，又可利用半导体特性制成电子 器件，也可将两者结合起来，研制集转换元件和电子电路于 一体的新型集成压电传感器测试系统。
第6章 压电式传感器
第6章 压电式传感器
6.1 工作原理 6.2 压电材料 6.3 等效电路与信号调理电路
6.4 压电式传感器的应用
6.5 声表面波(SAW)传感器 思考题与习题式传感器的工作原理基于某些物质具有的压电效应， 压电效应是可逆的，因此压电传感器是典型的“双向传感 器”。 6.1.1 压电效应
设测量回路的时间常数η=R(Ca+C)=R(Ca+Cc+Ci)，当
ω→∞，即 1 时，则
d11 Fm U im () Ca Cc Ci
(6.14)
当ωη<3，即被测作用力变化缓慢，测量回路时间常数 也不大时，会造成传感器的灵敏度降低。下限截止频率ωL 与时间常数η应满足 ωLη≥1 间常数η。 (6.15) 为了扩展传感器的低频响应范围，就必须提高测量回路的时
第6章 压电式传感器
2. 高分子压电薄膜
某些合成高分子聚合物薄膜经延展拉伸和电场极化后， 具有一定的压电性能，这类薄膜称为高分子压电薄膜，如聚 二氟乙烯PVF2、聚氟乙烯PVF、聚氯乙烯PVC、聚甲基-L谷 氨酸脂PMG等。这类压电薄膜的灵敏度和机械强度很高、 柔软、耐冲击、不易破碎、易于加工成大面积的压电元件 和阵列元件。 如果将压电陶瓷粉末加入高分子化合物中，可以制成高 分子-压电陶瓷薄膜，它既保持了高分子压电薄膜的柔软性， 又具有较高的压电系数，是一种很有发展前途的压电材料。
(6.7)
第6章 压电式传感器
6.2 压电材料
6.2.1 压电晶体 1. 石英晶体 石英晶体(SiO2)有天然和人造的两种，由于天然石英晶 体资源很少，并且大多存在一定缺陷，所以目前广泛应用成
本较低的人造石英晶体。人造石英晶体的物理及化学性质几
乎与天然石英晶体相同，在几百摄氏度的温度范围内，压电 常数不随温度而变化。石英晶体的居里点为573℃，即温度
第6章 压电式传感器
压电式传感器接入电压放大器后的电压灵敏度S定义为
U im d11R S Fm 1 ( ) 2
Q d11 ua Fm sin t U m sin t Ca Ca
(6.11)
式中：Um——压电元件输出电压的幅值，Um=d11Fm/Ca。
第6章 压电式传感器
图6.7 压电式传感器与电压放大器连接的等效电路
第6章 压电式传感器
电压放大器输入端电压ui(传感器输出电压)为
R // Z C jR ui ua d11 F Z Ca R // Z C 1 jR(Ca C )
1. 石英晶体的压电效应
石英晶体是单晶体，理想几何形状为正六面体晶柱，如 图6.1(a)所示。在晶体学中可用三条互相垂直的晶轴表示，
其中纵轴z称为光轴，经过正六面体棱线且垂直于光轴的x轴
称为电轴，垂直于正六面体棱面且与x轴和z轴同时垂直的y 轴称为机械轴，如图6.1(b)所示。
第6章 压电式传感器
A 0 r A Ca
(6.8)
第6章 压电式传感器
两极板间电压ua为
Q ua Ca
(6.9)
压电式传感器既可以等效成一个电荷源与电容并联电路， 也可以等效成一个电压源与电容串联电路，如图6.5所示。 图中Ra为传感器的泄漏电阻，其阻值在1012 Ω以上。
第6章 压电式传感器
图6.1 石英晶体
第6章 压电式传感器
在晶体上沿y轴线切下一片平行六面体称为压电晶体切
片，如图6.1(c)所示。若压电晶片受到x轴方向的压力Fx作用 时，晶片的厚度方向将产生变形，并发生极化现象。在弹性 范围内，垂直x轴平面产生的电荷Q与作用力Fx成正比，而 与晶片尺寸无关，即 Q=d11Fx 式中：d11——纵向压电常数。 (6.1)
第6章 压电式传感器
图6.6 两片压电片并联和串联接法
第6章 压电式传感器
6.3.2 信号调理电路
1. 电压放大器 压电式传感器与电压放大器连接的等效电路如图6.7所 示。图中Cc为连接电缆的分布电容，Ri和Ci分别为放大器的 输入电阻和电容，R=Ra∥Ri，C=Cc+Ci。如果压电元件沿x轴 方向受到正弦力F=Fmsinωt的作用，则在垂直x轴表面所产生 的电荷Q与电压ua均按正弦规律变化，即