最新传感器技术-第6讲-压电磁敏传感器PPT课件PPT
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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
③ 激励电极接触不良造成激励电流不 均匀分布等。
（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；
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。
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。
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
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。
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。
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。
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。
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。
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
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。
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wenku.baidu.com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
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
③ 激励电极接触不良造成激励电流不 均匀分布等。
（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；
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。
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。
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
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。
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。
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。
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。
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。
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
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。
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wenku.baidu.com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