第七章 电动势式传感器

当压力撤消后，陶瓷片恢复原状，片内的正、 负电荷之间的距离变大，极化强度也变大，因 此电极上又吸附部分自由电荷而出现充电现象。
放电电荷的多少与外力的大小成比例关系
Q d 33 F
常见压电陶瓷 ：
（1）钛酸钡（BaTiO3）压电陶瓷 具有较高的压电系数和介电常数，机械强度不如石英。 （2）锆钛酸铅Pb（Zr· Ti）O3系压电陶瓷（PZT） 压电系数较高，各项机电参数随温度、时间等外界条件的 变化小，在锆钛酸铅的基方中添加一两种微量元素，可以 获得不同性能的PZT材料。 （3）铌镁酸铅Pb(MgNb)O3-PbTiO3-PbZrO3压电陶瓷（PMN） 具有较高的压电系数，在压力大至700kg/cm2仍能继续工 作，可作为高温下的力传感器。
7 电动势式传感器
本章介绍磁电式传感器和压电式传感器的原理与应
用。这两种传感器是将被测量转换为电动势的装置 。
磁电式传感器是应用磁感应原理工作，常用来测量
振动与转速；压电式传感器的工作原理是压电效应 ，常用来测量振动、加速度等动态物理量。
7.1 磁电式传感器
通过磁电作用将被测量（如振动、转速、扭矩）转换成电势 信号。 利用导体和磁场发生相对运动而在导体两端输出感应电势； 机-电能量变换型传感器
石英晶体的压电效应
（a）正负电荷是互相平衡的，所以外部没有带电现象。 （b）在X轴方向压缩，表面A上呈现负电荷、B表面呈现正电荷。 （c）沿Y轴方向压缩，在A和B表面上分别呈现正电荷和负电荷
石英晶体
一种天然晶体，压电系数d11＝2.31×10－12C/N； 莫氏硬度为 7 、熔点为 1750℃、膨胀系数仅为钢的 1/30。 优点： 转换精度高、线性范围宽、重复性好、固有频率 高、动态特性好、工作温度高达550℃（压电系数 不随温度变化而改变）、工作湿度高达100%、稳 定性好。
θ—线圈面的法线方向与磁场方向夹角 N—工作气隙中线圈绕组的匝数
ω—角频率。ω为常数时，θ=ωt
A—线圈所包围的面积
7.1 磁电式传感器
7.1.1 磁电式传感器的工作原理 7.1.2 动圈式磁电传感器 7.1.3 磁阻式磁电传感器
7.1.3 磁阻式磁电传感器
线圈和磁铁部分都是静止的，与被测物连接而运 动的部分是用导磁材料制成的，在运动中，它们改 变磁路的磁阻，因而改变贯穿线圈的磁能量，在线 圈中产生感应电动势。 用来测量转速，线圈中产生感应电动势的频率作为 输出，而电势的频率取决于磁通变化的频率。 结构：开磁路、闭磁路
逆压电效应：外加电场→机械形变
指对晶体施加电场引起晶体机械变形的现象，在撤掉 外加电场时，这些物质的机械变形随之消失。
7.2.1 压电式传感器的工作原理
电势型传感器 以压电效应为基础
压电效应可逆 “双向传感器”
正压电效应
加力 变形 产生电荷
逆压电效应
施加电场 电介质产生变形
应力
常见的压电材料有石英、钛酸钡、锆钛酸铅等。
7.2 压电式传感器
7.2.1 压电式传感器的工作原理 7.2.2 等效电路及信号变换电路 7.2.3 压电式加速度传感器 7.2.4 压电式测力传感器
压电效应：
由法国物理学家居里兄弟皮埃尔、雅克于1880年发现。
正压电效应：外力→电荷
当晶体受到某固定方向外力的作用时,内部就产生电极 化现象,同时在某两个表面上产生符号相反的电荷；当外力 撤去后，晶体又恢复到不带电的状态；若外力作用方向改 变时，电荷的极性也随之改变；晶体受力所产生的电荷量 与外力的大小成正比。
h
U
Q Ca
• 静电荷发生器 ： 当压电元件受到外力作用时，会在压电元件一定 方向的两个表面（电极面）上产生电量相等、极性相反的电荷。 •电容器：在压电元件的两个电极面上有电荷聚集，并且电极面间的 物质可以等效为电介质。
压电式传感器的等效电路
(a)等效为一个电荷源Q与一个电容Ca并联的电路 (b) 等效成一个电源U = Q/Ca 和一个电容Ca的串联电路
7.2 压电式传感器
7.2.1 压电式传感器的工作原理 7.2.2 等效电路及信号变换电路 7.2.3 压电式加速度传感器 7.2.4 压电式测力传感器
7.2.2 等效电路及信号变换电路
1. 压电元件的等效电路
2. 压电式传感器的信号调节电路
1. 压电元件的等效电路
Ca
s
h

r 0 s
7.2 压电式传感器
7.2.1 压电式传感器的工作原理 7.2.2 等效电路及信号变换电路 7.2.3 压电式加速度传感器 7.2.4 压电式测力传感器
7.2.4 压电式测力传感器
压电元件是直接把力转换为电荷的传感器。
变形方式：利用纵向压电效应的TE方式最简便。 材料选择：决定于所测力的量值大小，对测量误差提
2. 压电式传感器的信号调节电路
压电式传感器要求负载电阻 RL必须有很大的数 值，才能使测量误差小到一定数值以内。 因此常先接入一个高输入阻抗的前置放大器， 然后再接一般的放大电路及其它电路。 测量电路关键在高阻抗的前置放大器。
前置放大器两个作用:
把压电式传感器的微弱信号放大； 把传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出。
优点:
不需要供电电源，电路简单， 性能稳定，输出阻抗小
7.1 磁电式传感器
7.1.1 磁电式传感器的工作原理 7.1.2 动圈式磁电传感器 7.1.3 磁阻式磁电传感器
7.1.1 磁电式传感器的工作原理
d 法拉第电磁感应定律： E N dt
不同类型的磁电式传感器
磁通量Ф的变化实现办法:
2、压电陶瓷的压电效应：
(1) 压电陶瓷介绍： • 压电陶瓷是一种具有压电效应的功能陶瓷。 • 人工制造、各向同性、多晶体。 • 原始的压电陶瓷材料内部具有无数自发极化的电畴，各电 畴的极化方向无规则，不具备压电性。 • 压电陶瓷要经极化处理之后才具有压电性。
(2)极化处理：Z轴方向外加强直流电场1000~3000V/mm
前置放大器的形式： 1、电压放大器：输出电压与输入电压（传感器输出 电压）成正比；要求高输入阻抗，以提高低频段测 量范围。电缆长度应设为常数（灵敏度易受电缆电 容的影响）。 2、电荷放大器：输出电压与传感器的输出电荷成正 比。输出电压与传输电缆长度无关（电缆电容影响 小），适合长距离传输工作。 经前置放大后，可采用一般放大、检波、记录 等电路，或经功率放大至记录器。
闭磁路磁阻式转速传感器
闭 磁 5－永久磁铁 路 4－感应线圈 磁 3－外齿轮 组 式 2－内齿轮 转 1－转轴 速 传 感 器 当转轴连接到被测轴上转动时，内外齿轮的相对运动使磁路气隙发 生变化，因而磁阻发生变化并使贯穿于线圈中的磁通量变化，在线 圈中感应出电动势。 采用在振动强的场合，有下限工作频率（50Hz ） 传感器的输出电势取决于线圈中磁场变化速度，
两个压电片的联接方式
（a） “并联”，Q’=2Q，U’=U，C’=2C 并联接法输出电荷大，本身电容大，时间常数大， 适宜用在测量慢变信号并且以电荷作为输出量的地方， （b） “串联” Q’=Q，U’=2U，C’=C/2 而串联接法输出电压大，本身电容小。 适宜用于以电压作输出信号，且测量电路输入阻抗很高的地方。
逆压电效应：沿极化方向施加电场 • 电场方向与极化方向相同： 极化强度增强→正负束缚电荷间距 变大→极化方向伸长 • 电场方向与极化方向相反： 极化强度减弱→正负束缚电荷间距 变小→极化方向缩短
剩余极 化强度
剩余伸长
压电陶瓷的正压电效应
压电陶瓷片上加上一个与极化反向平行的外力， 陶瓷片将产生压缩变形，原来吸附在极板上的 自由电荷，一部分被释放而出现放电现象。
磁电式传感器构成： 1、磁路系统 由它产生恒定直流磁场。为了减小传感器的体积， 一般都采用永久磁铁； 2、线圈 由它切割磁力线运动产生感应电动势。作为一个 完整的磁电式传感器，除了磁路系统和线圈外， 还有一些其它元件，如壳体、支承、阻尼器、接 线装置等。
（1）线圈做直线运动的传感器： 当线圈在磁场中做直线运动时，它产生的感应电动势为：
7.2 压电式传感器
7.2.1 压电式传感器的工作原理 7.2.2 等效电路及信号变换电路 7.2.3 压电式加速度传感器 7.2.4 压电式测力传感器
7.2.3 压电式加速度传感器
压 缩 式 压 电 加 速 度 传 感 器 结 构
测量原理
当传感器感受振动时，质量块感受与传感器基座相同的
振动，并受到与加速度方向相反的惯性力的作用。这样， 质量块就有一正比于加速度的交变力作用在压电片上。 由于压电片压电效应，两个表面上就产生交变电荷，当 振动频率远低于传感器的固有频率时，传感器的输出电 荷（电压）与作用力成正比，亦即与试件的加速度成正 比。 输出电量由传感器输出端引出，输入到前置放大器后就 可以用普通的测量仪器测出试件的加速度，如在放大器 中加进适当的积分电路，就可以测出试件的振动速度或 位移。
d e N dt
dx e NBL sin NBLv sin if 900 , e NBLv dt
结构一定时，感应电势与线圈对 磁场的相对速度成正比。
B—工作气隙中的磁感应强度（ 1T=1Wb/m2） L—每匝线圈的有效长度(垂直切割磁感 线的导线的等效长度，即圆形线圈的直 径（与运动速度方向垂直）) N—工作气隙中线圈绕组的匝数 v—线圈与磁场的相对直线速度 θ—线圈面的法线方向与磁场方向夹角
开磁路磁阻式转速传感器
1－永久磁铁 3－感应线圈 2－软铁 4－齿轮 当齿轮旋转时，由齿轮的凹凸引起磁阻的周期性变化 ，磁通也周期 性变化，从而在线圈中感应出交变电势，其 频率f与转速n及齿轮齿数z的关系为： f z n / 60
结构比较简单，但输出信号较小， 当被测轴振动较大时，传感器输出波形失真较大。
产生电荷
Qx d11 Fx
d11——压电系数（C/N） 作用力是沿着机械轴方向 电荷仍在与X轴垂直的平面
Q x d12 a a Fy d11 Fy b b
切片上电荷的符号与受力方向的关系
图（a）是在X轴方向受压力， 图（b）是在X轴方向受拉力， 图（c）是在Y轴方向受压力， 图（d）是在Y轴方向受拉力。
1. 石英晶体的压电效应
X轴：电轴或1轴； Y轴：机械轴或2轴； Z轴：光轴或3轴。
“纵向压电效应”：沿电轴（X轴）方向的力作用下产生电荷 “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（Z轴）方向时则不产生压电效应。
晶体切片
当沿电轴方向加作用力Fx时，则在与电轴垂直的平面上
磁铁与线圈之间作相对运动； 恒定磁场中线圈面积的变化； 磁路中磁阻的变化.
直接应用：测定速度
在信号调节电路中接积分电路，或微分电路，磁电式传 感器就可以用来测量位移或加速度。
7.1 磁电式传感器
7.1.1 磁电式传感器的工作原理 7.1.2 动圈式磁电传感器 7.1.3 磁阻式磁电传感器
动圈式磁电传感器结构
直流电场E 剩余极化强度P
(a)极化处理前
电场作用下的伸长 (b) 极化处理（取极 化方向为Z轴方向）
剩余伸长 (c)极化处理后
极化处理后，大多数电畴仍大致沿原外电场方向排列，因而陶 瓷内部极化强度不为0，即存在剩余极化强度， 压电陶瓷两端出现 束缚电荷，但整体上仍表现为电中性
(3)压电陶瓷的压电效应： 压电效应： 沿极化方向施加外力 • 外力→压缩变形→电畴偏转→极化强 度减小→释放部分自由电荷。（放电） • 外力撤消→恢复原形→电畴回转→极 化强度增大→吸附部分自由电荷。（充 电）
（2）线圈做旋转运动的传感器： （类似于发电机）
d e N dt
d ( BA cos ) d e(t ) N NBA sin NBA sin t dt dt
if 90 k 360 ,
0 0
e Em NBA
结构一定时，感应电势与线圈 对磁场的相对角速度成正比。
出的要求、工作环境温度等各种因素。Biblioteka Baidu
晶片数目：通常是使用机械串联而电气并联的两片。
晶片电气并联两片，可以使传感器的电荷
输出灵敏度增大一倍。
单向压电式测力传感器
用于机床动态切削力的测量。
压电式压力传感器