部分传感器原理4磁电压电与热电式

+
•并接：电容量大、输出电荷量多
、时间常数大，宜于测量
并接
缓变信号，适宜于以电荷 量输出的场合。
+ •串接：电容量小、输出电压大，
串接
适用于以电压作为输出信
号的场合。
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压电式传感器
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压电传感器是一个具有一定电容的电荷源，其开 路电压u0 与电荷q、传感器电容 Ca 存在下列关系
优点：体积小、质量小，精确度及灵敏度高等。
现在与其配套的后续仪器，如电荷放大器等技术性 能的日益提高，使这种传感器的应用愈来愈广泛。
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压电式传感器
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1.压电效应 ←变换原理 某些物质，如石英，受到外力作用时，
不仅几何尺寸会发生变化，而且内部会被 极化，表面出现电荷，形成电场；当外力去掉时， 又重新回到原来的状态，这种现象称为压电效应。
压电效应是可逆的，即将压电晶体置于外电场中， 其几何尺寸也会发生变化—逆压电效应
实验证明：压电效应和逆压电效应是线性的，即晶体
表面出现电荷的多少与形变的大小成正比，当形变改
变符号时，电荷也改变符号；在外电场作用下，晶体
形变的大小与电场强度成正比，当电场反向时，形变
也改变符号。
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压电式传感器
磁电式传感器的工作原理也是可逆的。作为测量
振动或转速，它工作于发电机状态；若在线圈上加以
交变激励电压，则线圈就在磁场中振动，成为激振器
（电动机状态）。
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磁电式传感器—磁阻式
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2. 磁阻式传感器
磁阻式传感器的线圈 与磁铁彼此不作相对运动， 由运动着的物体（导磁材料）改变磁路的磁阻，而引 起磁力线增强或减弱，使线圈产生感应电动势。这种 传感器是由永久磁铁及缠绕其上的线圈组成，如下图
测频数
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当齿轮旋转时，齿的凸 凹引起磁阻变化，使磁通量 变化，在线圈中感应出交流 电动势，其频率等于齿轮的 齿数和转速的乘积。
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磁电式传感器—磁阻式
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磁阻式传感器使用方便、结构简单，在不同场 合下可用来测量转速、偏心量、振动等。
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磁电式传感器—动圈式
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当线圈在磁场中作转动时，它所产生的感应电动势
ek N B A
与结构有关的 系数，k < 1
线圈相对磁场运动 的角速度
单匝线圈的截面积
上式表明，当传感器结构一定时，N、B、A 均为常
数，感应电动势大小与线圈相对磁场运动的角速度成 正比 — 用于转速测量
运器 价算突 格放出昂大的贵器优。的点开。环但与电压放大器相比，其电路复杂， 增益为 A，则有
Aq
uy (C Cf ) ACf
简化为
(3-39)
q
若A足够大，则 ACf (C Cf )
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uy Cf24
压电式传感器
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5. 压电式传感器的应用 常用来测量应力、压力、振动的加速度，也用
通过凸台作用于压电片上，使之产生相应的电荷量。
②利用活塞的承压面承受压力，并便活塞所受的力通
过在活塞另一端的顶杆作用在压电片上。测得此作用
力便可推算出活塞所受的压力。
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压电式传感器
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现在广泛采用压电式传感器来测量加速度。此种传
感器的压电片处于其壳体和一质量块之间，用强弹簧
在外力为正弦力F0 sinwt 作用
u
时，传感器产生的电荷为
q deF0 sint q0 sint
考虑负载影响时，根据电荷平衡条
件，有 q Cu idt
式中 C Ca Cc
q0 sint CR0i
求导
idt q0
cos t
CR0
di dt
i
忽略过渡过程，上式的稳态解
i
q0
sin(t )
于声、超声和声发射等测量。 压电效应是力—电荷变换，可直接用作测力。现
在己形成系列的压电式力传感器，测量范围从微小 力值10-3 N到104 kN ，动态范围一般为60dB；测量方 向有单方向的，也有多方向的。形式如下：
①利用膜片式弹性元件，通过膜片承压面积将压力转
换为力。膜片中间有凸台，凸台背面放置压电片。力
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磁电式传感器
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磁通变化率与磁场强度、磁路磁阻、线圈运动速 度有关，改变其中一个因素，都会改变感应电动势。
按照结构不同，磁电式传感器可分为：
动圈式
磁 电 式
磁阻式
线速度型 角速度型
N
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2
磁电式传感器—动圈式
1. 动圈式
线速度型
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压电式传感器
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2.压电材料
常用的压电材料大致可分为三类:压电单晶、压电
陶瓷和有机压电薄膜。
• 石英是压电单晶中最具有代表性的，应用广泛。除 天然石英外，还大量应用人造石英。石英的压电常数 不高，但具有较好的机械强度和时间、温度稳定性。
• 传感技术中最普遍应用的是压电陶瓷。压电陶瓷制 作方便，成本低，压电常数比单晶体高得多，一般比 石英高数百倍。现在的压电元件多数采用压电陶瓷。
第三章 常用传感器与敏感元件
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第四节 磁电、压电与热电式传感器
一、磁电式传感器
变换原理把: 被测量的物理量转换为感应电动势的一 种传感器，又称电磁感应式或电动力式传感器。
对于一个匝数为N的线圈，当穿过该线圈的磁通F
发生变化时，其感应电动势 e 为
e
N
d
dt
线圈感应电动势的大小，取决于匝数和磁通变化率。
量电路必须有高输入阻抗并在输入端并联一定的电
容 Ci 以加大时间常数 R0C 。但并联电容过大也会使 输出电压降低过多，降低了测量装置的灵敏度。
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压电式传感器
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4.测量电路
① 使压用电电式压传放感大器器输时出，电放信大号器很的微输弱入，电而压且如传式感器(3-本38身) 所地有定的表电很困前达容大难置。内。放C为c由阻大比此于，器C，a电故，和通容输经常C出过iC都把包能阻大传括量抗，感了很变故器C小换整a信、，以个号C这后i测先和给，量输C后方c系到，接可统高其电用对输中路一电入电带般缆阻缆来的对抗对一放 地大电、容检波Cc电的路变将化信非号常输敏给感指。示连仪接表电或缆记的录长器度。和形态 变从•高前而化阻置会使抗放引仪输大起器出器的变C电c 灵换的路敏为变的度低化主也阻，要发抗导用生输致途变出传有化；感两。②器点放输：大出①传电将感压传器u感的输器变出的化的，
微弱电信号。
•前置放大器电路有两种形式： ① 是用电阻反馈的电
压放大器，其输出电压与输入电压(即传感器的输出)
成正比； ② 是带电容反馈的电荷放大器，其输出电
压2与021/3输/7 入电荷成正比。
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压电式传感器
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② 电荷放大器是一个高增益带电容反馈的运算放大
器，当略去传感器漏电阻及电荷放大器输人电阻，
感应电动势： e B L v
时其余四指所指的方向就 式中：
是感生电流的方向。如右 图所示。
v —与外磁场B垂直的速度
L —切割磁力线的导线长度
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磁电式传感器—动圈式
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在永久磁铁产生的恒定磁场内，放置一个可动线
圈，当线圈在磁场中作直线运动时，它所产生的感应
必须注意，上述所讨论的速度（v 或 w）是指线圈
与磁场（壳体）的相对速度，而不是壳体本身的绝对
速度。
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磁电式传感器—动圈式
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•动圈磁电式传感器等效电路 电缆导线电阻（很小可忽略）
负载电阻（放大器输入电阻）
电缆导线分布电容
e —感应电动势 Z0 —线圈阻抗
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压电效应与方通向常把沿电轴(X 轴)方向的作用力(一般 利用压力)产生的压电效应称为“纵向压电效应”， 把沿机械轴(Y 轴)方向的作用力产生的压电效应称为 “横向压电效应”，沿光轴(Z 轴)方向的作用力不产
Baidu Nhomakorabea
生压电效应。沿相对两棱加力时，则产生切向效应。
压电式传感器主要是利用纵向压电效应。
若不使用特别加长电缆导线时， CC可忽略，且RL>> Z0 ，
输出电压
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1
uL
e
1
Z0 RL
jCC Z0
uL e
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磁电式传感器—动圈式
动圈式传感器
线速度型
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磁电式传感器—动圈式
角速度型
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测速电机
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F 金属板
q=deF
因此压电传感器可看作是一个 电荷发生器，又是一个电容器，
其电容量为 C 0 A d
压电式传感器适宜作动态测量。
等效电荷源
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压电式传感器
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实际压电传感器中，通常用两个或两个以上的压电 晶片进行并接或串接使用。
角速度型
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磁电式传感器—动圈式
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【右手定则】
亦称“发电机定则”。确 定导体在磁场中运动时导 B
Ie
体中感生电流方向的定则。 伸开石手，使拇指与其余 四指垂直，并都和手掌在
v
G
同一平面内。假想将右手
放入磁场中，让磁力线垂
直地从手心进入，使拇指 指向导体运动的方向，这
压电式传感器是一种可逆型换能器，既可以将机械
能转换为电能，又可以将电能转换为机械能。这种性
能使它被广泛用于压力、应力、加速度测量，也被用
于超声波发射与接收装置。
在用做加速度传感器时，可测频率范围从0.1Hz ~ 20kHz，可测振动加速度按其不同结构可达10-2 ~ 105 m/s2 。用做测力传感器时，其灵敏度可达10-3 N 。
它式的(3等-39效)表电明路，如在下一图定(3条-38件)所下示，。电由荷于放忽大略器漏的电输阻出电
压q 与 传ui感(C器a 的C电c荷量C成i ) 正(比ui，-u并y )且C与f 电缆分布电容无 关 百。米=u因以iC此上，时(采，ui其用-u灵电y )敏荷Cf度放也大无器明时显，变即化使，连接这是电电缆荷长放度大达
• 高分子压电薄膜的压电特性并不很好，但它易于大
批量生产，且具有面积大、柔软不易破碎等优点，可
用于微压测量和机器人的触觉。
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压电式传感器
3.压电式传感器及其等效电路 在压电晶体的两个工作面上进 +
行金属蒸镀，形成金属膜，构成 d
两个电极。如图所示 在压电晶体受到外力作用时，
在两个极板上将聚积数量相等、 极性相反的电荷，形成了电场。
u0 q Ca
当传感器接入测量电路，
连接电缆的寄生电容就形成
传感器的并联寄生电容 C，
后续电路的输入阻抗和传感
器中的漏电阻就形成泄露电阻
R0，为了防止漏电阻造成电荷损失，通常要求 R0 > 1011 W，因此传感器可近似视为开路。
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压电式传感器
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(或预紧螺栓)将质量块、压电片紧压在壳体上。运动 时，传感器壳体推动压电片和质量块一起运动。在加 速时，压电片承受由质量块加速而产生的惯性力。
• 按不同需要做成不同灵敏度、不同量程和不同大小， 形成系列产品。大型高灵敏度加速度计灵敏阈可达106 gn (gn 标准重力加速度)，但其测量上限也很小，只能 测量微弱振动。而小型的加速度计仅重0·149 g，灵敏 度虽低，但可测量上千gn的强振动。 •压电式传感器的工作频率范围广，理论上其低端从 直流开始，高端截止频率取决于结构的连接刚度，一
电动势
e N B l v sin
线圈匝数
线圈运动方向与
磁场的磁感应强度
磁场方向的夹角
单匝线圈有效长度
线圈与磁场的 相对运动速度
上式表明，当N、B、l 均为常数时，感应电动势大小
与线圈运动的线速度成正比 — 惯性式磁电速度计的 工作原理
当线圈运动方向与磁场方向的夹角为90°时，上式
可改写为 e N B l v
磁电式传感器—磁阻式
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转速测量
偏心测量
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振动测量
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磁电式传感器—磁阻式
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案例：鼠笼电机转子断细条检测
N
S
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第四节 磁电、压电与热电式传感器
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二、压电式传感器
1 (CR0 )2
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arctan 1 CR0
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压电式传感器
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电容上的电压为
u
R0i
q0 C
1
sin(t )
1
1
CR0
2
(3-38)
上式表明：压电元件的电压输出还受回路的时间
常数 R0C 的影响。在测试动态量时，为了建立一定 的输出电压并实现不失真测量，压电式传感器的测