电压型传感器

④j-i≠3,j≥4,厚 度受剪切（剪 切压电效应） d24,d15,d26
2. 全压电效应——多应力同时作用
常见实例—体积压电效应，P101图5-2-2（e），在三个单 向力同时作用下，产生体积变形压电效应，则有：
3
i dij Tj j 1
（i=1,2,3）
3．压对不电同常的数压矩电阵材料，由于各向异性的程度不同，上述压
5.1.2 结构类型 一➢、通感对—铁过应于变—心适 电 磁永磁运当动钢久通动的势的磁式使设与振铁气计衔动和隙可铁速线和使相度圈磁均路不铁恒磁动芯定阻（旋角变变转速化磁的度引阻起式磁）通变化磁与密，路最度而中小之在最磁差线大通
成振圈线动感d中性 速δ应产/关度d电生系的t成动感，测正势应可量比e电用与势于。
i ——电荷产生面的下标，i=1,2,3; 1Pa 1N / m2
j ——应力方向的下标，j=1,2,3,4,5,6;
i ——i面上产生的电荷密度，i=1,2,3,库仑/米2 ；
T j ——j方向的外加应力，j=1,2,3,4,5,6, Pa;
d ij
——j方向应力引起i面产生电荷时的压电常数, C/N 库仑/牛顿。
接微分电路
测振动加速度——双 刀三掷开关置于3-3'， 磁电感应式传感器后 图5-1-3面磁接电微式分传感电器路测量电路方框图
◆ 磁电感应式传感器虽然配接积分电路后可测量位移，但是 它只能测位移随时间的变化即动态位移。区别于前面电阻 式、电感式和电容式位移传感器测量固定不变的位移或距 离。
◆ 5-1-1（a）磁电感应式传感器与4-3-1（a）自感式传感 器的异同。
➢ T4、T5、T6：绕xyz轴的 切应力分量（逆时针方向
为正，顺时针方向为负）；
图5-2-1 压电元件的力、电分布
➢ σ1、σ2、σ3：垂直于x、 y、z轴的表面（x、y、z
轴面）上的电荷密度。
三、压电效应表达式 1. 单一压电效应——单一应力作用
➢ 单一应力作用下的压电效应为：
i dij Tj
5.1.1 基本原理和组成
一、基本原理——电磁感应定律
◆ 由法拉第电磁感应定律，N匝线圈若每匝通过相同变化的 磁通量Φ，则整个线圈中所产生的感应电动势为：
磁通量Φ变化方法： ➢ 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；
二、基本组成
1．磁路系统——产生恒定的直流磁场，一般用永久磁钢 2．线圈——产生感应电压 3．运动机构——感受被测运动
平移型
图5-1-2 恒磁通式结构 旋转型
5.1.3 测量电路
◆ 测直振接动输速出度感—应—电双势刀且具有较高的灵敏度测，振一动般位不移需—要—高双增刀
三益掷放开大关器置，于获1取-1位'，移和加速度信号需用三积掷分开或关微置分于电2-路2'，
磁电感应式传感器后
磁电感应式传感器后
面不接积分电路也不
面接积分电路
压电警号
压电陶瓷位移器
压电秤重浮游计
5.2.1 压电效应及其表达式
一、压Байду номын сангаас效应
某些电介质（晶体）
➢ 当沿着一定方向施加力而变形时， 内部产生极化现象，同时在它表面会 产生符号相反的电荷；
➢ 当外力去掉后，又重新恢复不带电 状态；
➢ 当作用力方向改变后，电荷的极性 也随之改变；
❖ 这种现象称压电效应。
铁芯平移型 图5-1-1 变磁通式结构 铁芯旋转型
二、恒磁通式
——永久磁铁与线圈相对运动（线圈切割磁力线产生感应电 势）
1. 动铁式
➢ 线圈不动磁铁运动。
图5-1-2 恒磁通式结构
2. 动圈式
➢ 磁铁不动线圈运动。
➢ 线圈中产生的感90应o 电势e与线圈相对磁铁运动的 线90o速度v
e B或l角 v速s度inω成正比。Bl v e BS sin BS
❖ 压电效应是可逆的 ➢在介质极化的方向施加电场时，电介质会产生形变， 将电能转化成机械能，这种现象称“逆压电效应”。
• 所以压电元件可以将机械能——转化成电能
也可以将电能——转化成机械能。
机 械 能
压电元件
电 能
二、力－电表示法
➢ 假定有一个正六面体的压电元件，在三维直角坐标系内的 力-电作用状况如图所示。 ➢ T1、T2、T3：沿x、y、z轴 的正应力分量（拉应力为 正，压应力为负）；
➢ 由电于常电数荷矩面阵有的x1y8z个轴压面电（常i=数1,中2,，3）有3的种常情数况为，0应，力表方示向不有 （存j在=1压,2电,3效,4应,5。,6）有6的种常情数况与，另所一以个压常电数常数数字在上理相论等上或有成 1倍8数种关可系能。值压，电写常成数矩可阵通形过式测：试获得。
d11 d12 d13 d14 d15 d16
➢ 单一应力作用下的压电效应有以下四种类型：
①i=j,应力与电荷面垂直， 厚度伸缩（纵向压电效 应）,d11,d33
②i≠j,j≤3,应力与电荷面平 行，长宽伸缩（横向压电效 应）d12,d31,d32
③j-i=3,j≥4, 电荷面受剪切 （面切压电效 应）d14,d25
图5-2-2 压电效应的几种类型
或距离而前者却不能。
概述
5.2 压电式传感器
➢ 压电式传感器是一种典型的发电型传感 器，以电介质的压电效应为基础，外力作用 下在电介质表面产生电荷，从而实现非电量 测量。
➢ 压电式传感器可以对各种动态力、机械冲 击和振动进行测量，在声学、医学、力学、 导航方面都得到广泛的应用。
概述
压电加速度计
压电陶瓷超声换能器
[dij ] d21
d 22
d 23
d 24
d 25
d
26
d31 d32 d33 d34 d35 d36
四、力——电荷转换公式
➢ 确定压电效应产生的电荷与所受外力的关系。
➢ 因为，j方向所受应力Tj等于j方向所受外力Fj与受力面积Sj
之比：
Tj Fj / S j
➢ 电荷密度σi等于电荷量Qi和电荷产生面的面积Si之比：
答：相同点：都有线圈和活动衔铁。
不同点：①图5-1-1(a)磁电式传感器的线圈是绕在永久磁 钢上，图4-3-1(a)自感式传感器的线圈是绕在不带磁性的 铁心上。②自感式传感器的线圈的自感取决于活动衔铁与 铁心的距离，磁电式传感器线圈的感应电压取决于活动衔 铁的运动速度。当衔铁不动时，气隙磁阻不变化，线圈磁 通不变化，线圈就没有感应电压，因此后者可测量静位移