第七章 电动势式传感器讲解

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
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
Qx
d12
a b
Fy
d11
a b
Fy
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。
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
开磁路磁阻式转速传感器
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。
(2)极化处理：Z轴方向外加强直流电场1000~3000V/mm
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
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 产生电荷
优点:
不需要供电电源，电路简ຫໍສະໝຸດ ， 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
法拉第电磁感应定律： E N d
dt
不同类型的磁电式传感器
磁通量Ф的变化实现办法:
dt
当线圈在磁场中做直线运动时，它产生的感应电动势为：
e NBL dx sin NBLv sin
dt
if 900, e NBLv
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）)
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。
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
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
（2）线圈做旋转运动的传感器： （类似于发电机）
e N d
dt
e(t) N d(BAcos ) NBAsin d NBA sin t
dt
dt
if 900 k 3600,
放电电荷的多少与外力的大小成比例关系
Q d33 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）
闭
磁 路 磁
5－永久磁铁 4－感应线圈
组
3－外齿轮
式
2－内齿轮
转 速
1－转轴
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，
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。
(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）
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
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。 逆压电效应：外加电场→机械形变
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。 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。
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
出的要求、工作环境温度等各种因素。 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。
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。
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。
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
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。
e N d
（1）线圈做直线运动的传感器：
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。
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
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。