最新传感器技术-第6讲-压电磁敏传感器PPT课件PPT

4 构成报警器电路
利用压电传感器对敲击、振动敏感的 特性，可以制成报警器电路，玻璃防冲击 报警器电路原理方框图。图中压电元件用 来感知玻璃受到撞击时产生的振动波，传 感器把振动波转换成电压输出，输出电压 经放大、滤波、比较等处理后提供给报警 使用时，将传感器用胶粘贴在玻璃上，然 后通过电缆和报警电路连接。
eEH=eBv
则
EH=Bv
若金属导电板单位体积内电子数为n， 电子定向运动平均速度为v，则激励电流 I=nevbd，则
v I nebd
得
EH
IB nebd
UH
IB ned
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，则
UH RHdIBKHIB （6-12） 式中：KH=RH/d称为霍尔片的灵敏度。
F ma
传感器输出的电荷与作用力成正比， 即
Q d11Fd11m a
3 压电式金属加工切削力测量
利用压电陶瓷传感器进行测量刀具切 削力的示意图适合测量变化剧烈的载荷。 图中压电陶瓷传感器位于车刀前部的下方， 当进行切削加工时，切削力通过刀具传给 压电传感器，压电传感器将切削力转换为 电信号输出，记录下电信号的变化便测得 切削力的变化。
2．霍尔元件基本结构
霍尔元件的外形结构图，它由霍尔片、 4根引线和壳体组成，激励电极通常用红色 线，而霍尔电极通常用绿色或黄色线表示。
图3 霍尔元件
3．霍尔元件基本特性
（1）输入电阻和输出电阻
霍尔元件激励电极之间电阻为输入电 阻，霍尔电极输出电势对于电路外部来说 相当于一个电压源，其电源内阻即为输出 电阻。
6.1.3 压电式传感器的应用
1 压电式测力传感器
组成：
主要由石英晶片、绝缘套、电极、上 盖和基座等组成。
2、原理
传感器的上盖为传力元件，当受到外 力作用时，它将产生弹性形变，将力传递 到石英晶片上，利用石英晶片的压电效应 实现力—电转换。绝缘套用于绝缘和定位。
它的测力范围是0～50N，最小分辨率 为0.01N，绝缘阻抗为 21014，固有频 率为50～60kHz。非线性误差小于±1%。 整个该传感器重为10g，可用于机床动态 切削力的测量。
（2）额定激励电流
当霍尔元件自身温升10℃时所流过的 激励电流称为额定激励电流。
（3）不等位电势UO
霍尔元件在额定激励电流作用下，若
元件不加外磁场，输出的霍尔电势的理想 值应为零，但实际不等于零，此时的空载 霍尔电势称为不等位电势。原因有以下几 方面。
① 由于存在电极的安装位置不对称；
② 半导体材料电阻率不均衡或几何尺 寸不均匀；
③ 激励电极接触不良造成激励电流不 均匀分布等。
压电材料的主要特性参数以下几种：
压电常数、弹性常数、介电常数、机 械耦合系数、电阻、居里点。
当在陶瓷上施加外电场时，材料整体
得到极化。外电场越强，极化程度越高， 让外电场强度大到使材料的极化达到饱和 程度，这时的材料就具有了压电特性。
压电陶瓷的压电系数比石英晶体大得 多，因此用它制成的传感器灵敏度较高， 但稳定性、机械强度等不如石英晶体。
6.1.3 压电式加速度传感器
1、组成
主要由压电元件、质量块、预压弹簧、 基座及外壳等组成。压电元件一般由两片 压电片组成，在两个压电片的表面镀上一 层银，并在银层上焊接输出引线，在压电 片上放置一个比重较大的质量块，然后对 质量块预加载荷。
2、原理
测量时，将传感器基座与试件刚性固 定在一起。当传感器与被测物体一起受到 冲击振动时，质量块与传感器基座感受到 相同的振动，并受到与加速度方向相反的 惯性力的作用，根据牛顿第二定律，此惯 性力为
电压放大器
如果压电元件受到交变力f = Fmsin t的作用，则其产生的电压为
ua dC FamsintUmsint
所以适合于动态测量。
为了提高灵敏度，在使用中常把几片
同型号的压电元件粘结在一起，两个压电 元件的组合形式有①并联接法，电容量也 增加一倍，输出电压与单个压电元件相同。 ②串接形式，其输出的电荷量与单个压电 元件的相同，输出电压增大增大一倍。
由于放大器的输入阻抗很高，其输入 端几乎没有分流，输出电压为
Uo
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
Q Cf
Ucf
上式表明：
（1）放大器的输出电压接近于反馈电容 两端的电压。电荷Q只对反馈电容充电。
（2）电荷放大器的输出电压与电缆电容 无关，而与Q成正比，这是电荷放大器的 突出优点。由于Q与被测压力成线性关系， 所以，输出电压也与被测压力成线性关系。
当于电容器的两个极板，板间的物质相当 于一种介质。
在实际使用中，压电式传感器总是与
测量仪器或测量电路相连接，压电传感器 在测量系统中的实际等效电路如下图所示。
图1 压电传感器的实际等效电路
2、 测量电路
电荷放大器
Ci为传感器、连接电缆、放大器的输 入等效电容合并的电容，Cf为放大器的反 馈电容，Rf的作用是稳定直流工作点，减 小零点漂移，一般取Rf≥10。
传感器技术-第6讲-压电磁敏传 感器PPT
2、逆压电效应
当在电介质的极化方向施加电场，电 介质也会产生几何变形，这种现象称为 “逆压电效应”。
3、压电材料
可分为压电晶体、压电陶瓷和有机压 电材料。
压电晶体是一种天然单晶体，例如石 英晶体、酒石酸钾钠等；压电陶瓷是一种 人工合成的多晶体，例如钛酸钡、锆钛酸 铅等；有机压电材料是近些年来研制成的 有机高分子聚合材料。
压电陶瓷材料有多种，最早的是钛酸 钡（BaTiO3），现在最常用的是锆钛酸铅 （PbZrO3-PbTiO3），简称PZT等。
6.1.2 压电式传感器及测量电路
1、 压电式传感器
压电传感器中的压电元件无论是石英 晶体还是压电陶瓷，它的内阻都很高，而 输出的信号很微弱。其元件可等效为一个
电容器Ca，正、负电荷积聚的两个表面相
图2 压电式玻璃破碎报警器电路框图
6.2 霍尔式传感器
6.2.1 霍尔效应及霍尔元件
1．霍尔效应
金属或半导体薄片在磁场中，当有电 流流过时，在垂直于电流和磁场的方向上 将产生电动势，这种物理现象称为霍尔效 应，该电势称为霍尔电势。
霍尔电场强度为
EH
UH b
洛仑兹力fL的大小为
fL=eBv
该电场的电场力又阻碍电子的偏移， 当电场力与洛仑兹力相等时，即