电动势式传感器.ppt

单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第,5,章,电动势式传感器,1,磁电式传感器,2,压电晶体传感器,3,霍尔传感器,介绍三种传感器,即磁电式传感器、压电晶体传感器和霍尔传感器。虽然它们的工作原理截然不同,但它们的输出量都是电势,所以归类为电动势式传感器。,一、,磁电式传感器,磁电式传感器是一种利用电磁感应原理,将运动速度转换成线圈中的感应电动势输出的传感器,它也被称为感应式传感器。这种传感器工作时不需要电源,直接从被测物体吸取机械能,转换为电信号输出。由于它的输出功率较大,所以大大简化了测量电路,且性能稳定,具有一定的工作带宽(一般为101000,Hz),所以获得较普遍的应用。,1,工作原理及结构,根据电磁感应定律,具有,N,匝的线圈在磁场中运动时,所产生的感应电动势,e,的大小取决于穿过这线圈的磁通,的变化率,即,(1),图,1,是磁电式传感器的原理图,其中,(,a),是当线圈在磁场中作直线运动时产生感应电动势的传感器,;(,b),是线圈在磁场中作旋转运动时产生感应电动势的传感器。,图,1,磁电式传感器原理图,(,a),线圈直线运动,;(,b),线圈旋转运动,1线圈;2运动体;3磁钢,如果式,(1),不以磁通变化,而用线圈运动速度形式来表示,则对应于图,1(,a),和,(,b),可分别写成,(2),e=NBA,(V)(3),式中,B,磁感应强度,(,T,1T=1Wb/m,2,);,l,线圈导线的总长度,(,m);,线圈与磁铁相对直线运动的线速度（,m/s,）,;,N,线圈匝数,;,A,线圈截面积,(,m,2,);,线圈的角速度(,rad,/s)。,在传感器中,当结构已定时，,B，A，N，,l,都是常数,感应电动势就与线圈对磁场的相对运动速度或成正比,因此磁电式传感器可直接用于测量线速度与角速度。由于速度与位移、加速度之间存在一定的积分或微分关系。因此,如果在感应电动势的测量电路中接入一微分电路,其输出就与运动的加速度成正比;如果在测量电路中加接一积分电路,则其输出就与位移成正比。,由此可见,磁电式传感器除测量速度外,还可用来测量运动的位移和加速度。此外,在磁电式传感器中,其输出除电动势幅值外,还可以是电动势的频率值,例如磁电式转速传感器,将在应用举例中介绍。,以上分析可知,磁电式传感器有两个基本组成部分:一个是磁路系统,由它产生磁场,为了减小传感器的体积,一般都采用永久磁铁;另一个是线圈,由它与磁场中的磁通交链产生感应电动势。由式(2)和(3)可知,感应电动势,e,是线圈与磁场相对运动而产生的。作为相对运动,运动部分可以是线圈,也可以是永久磁铁,前者称为动圈式,后者称为动铁式。作为一个完整的传感器,除磁路系统和线圈外,还有一些其它部件,如壳体、支承、阻尼器、接线装置等等。,2,传感器的灵敏度和温度补偿,由基本公式,(2),可以导出磁电式传感器的灵敏度,(4),从提高灵敏度的观点来看,B,值大,灵敏度,S,也大,所以要选择,B,值大的永磁材料,;,另外导线长度,l,也可取得大一些,但这是有条件的,必须考虑下列两种情况,:,(1),线圈电阻与指示器电阻匹配问题。因传感器相当于一个电压源,为使指示器从传感器获得最大功率,必须使线圈的电阻,R,等于指示器的电阻,Rd,即,R=Rd,。,(2),线圈的发热。因为传感器线圈产生感应电动势,接上负载后,线圈中有电流流过,因而线圈会发热。为此,根据传感器灵敏度,R,与,Rd,匹配求得线圈所需尺寸后,还必须发热方面对线圈加以核算,使线圈的温升在允许的温升范围以内。,图2 磁电式传感器与指示仪表相连的等效电路,图,(2),是磁电式传感器与指示仪表相连的等效电路。整个回路电流为,(5),当温度变化时,上式的分子分母都会随温度而变,而且它们的变化方向是相反的。因为永久磁铁的磁感应强度随温度增加而减小,即感应电动势随温度增加而减小。,例如钨钢和铬钢做的磁铁,当温度在,50,60,以下时,其磁感应强度变化大约为每,10,变化,0.3%,。而传感器线圈与指示器的电阻都是铜电阻,所以它们的电阻温度系数都是正的。当温度增加,t,时,回路电流将从,i,变化到,i,。,(6),式中,磁铁磁通密度的负温度系数,;,传感器线圈电阻正温度系数,;,1,指示器电阻正温度系数。,温度误差,(7),可见温度误差,是负值,即随着温度的增加,传感器的输出将变小。,补偿温度误差的办法是在结构许可的情况下,在传感器的磁铁下装置热磁分路。,热磁分路是用磁分路片搭装在磁系统的极靴上,把气隙中的磁通分出一部分,亦即把总磁通分出一部分。磁分路片用特种的镍铁合金制成,当温度在-80+80之间,这类合金片的磁感应强度随温度增加而明显地下降。所以,随着温度增加,分到热磁分路的磁通减少,而分到气隙的那部分磁通增加,这使,e,的数值增加,从而使电流增大,起到了温度补偿作用。,3,测量电路,根据磁电式传感器的工作原理,可知它输出电动势大小与运动速度成正比,所以是一个测速的传感器。但是在实际测量中,它常常还被用来测量运动的位移(或振幅)和加速度,为此必须将信号加以变换。一般是在测量电路中配以积分电路和微分电路,通过开关切换,来达到不同的测量目的。,测量电路方框图如图,3,所示。通常把积分和微分电路置于两级放大器中间,以利于各级间的阻抗匹配。由于磁电式传感器具有较高的灵敏度,所以一般不需要高增益放大器,用一般晶体管放大器即可胜任。,图3 磁电式传感器测量电路方框图,图3中,当联动开关,S,在1位置时,经过一个积分电路,可测位移;当,S,在2位置时,经过微分电路,可测加速度;若,S,在3位置,传感器输出信号直接送主放大器,此时测量参数为速度信号。,4,应用举例,（,1,）,CD-1,型振动速度传感器,它是一种动圈式的磁电传感器。其磁路系统由钢制圆柱形外壳和由它包裹着的永久磁铁构成。工作线圈放置在磁路系统的空气隙中。使用时把振动传感器和被测报体固紧在一起,当振动体振动时,壳体也随之振动,此时线圈、阻尼器和芯轴由于惯性并不随之振动,因此位于气隙间的线圈与壳体就产生相对运动,从而切割磁力线,于是产生正比于振动速度的电动势,该电动势通过引线接到测量电路。,图,4,CD-1,型振动速度传感器,1,一弹簧片,;2,一永久磁铁,;3,一阻尼器,;4,一引线,;5,一芯轴,;6,一外壳,;7,一工作线圈,;8,一弹簧片,这种传感器测量的基本参数是振动速度,其灵敏度约为600,mV/(cm.s,-1,)。,若在测量电路中接入积分电路和微分电路后,也可测量振动体的振幅和加速度,可测振幅范围为0.11000,m,可测最大加速度为5,g(g,为重力加速度)。,（,2,）转速传感器,转速传感器是一种测量机械转速的器件,根据转速测量方法的不同,转速传感器的种类也有很多,这里主要介绍利用电磁作用原理检测转速的传感器,检测所得信号有正比于机械转速的直流、交流电压信号或频率信号,。,(,I),测速发电机。测速发电机是一种应用十分普遍的转速传感器,按其输出电压类型不同,分为直流和交流两种。直流测速发电机,它的结构类似小型直流电机,大多采用永磁励磁方式,其输出直流电压为,(8),式中,K,e,电动势系数,与电机结构有关,;,磁极磁通,(,Wb,);,n,机械转速,(,r/min),。,由式(8)可见,直流测速发电机的输出电压,U,和被测对象的转速,n,成正比,并且直流电压的极性能反映转向。但实际应用中,由于电枢绕组电阻、电枢反应的存在以及工作时引起的发热等因素,将影响输出信号的线性以及产生测量误差,一般其精度不超过1%。,交流测速发电机输出交流电压信号,常见的交流测速发电机的结构是:定子上绕有二个在空间互相垂直的绕组,W1,和,W2,转子是用铝合金制成的杯形。当频率为,f,的交流电压,u,1,加在励磁绕组,W1,后,沿着绕组,Wl,轴线(,d,轴)产生出频率为,f,的脉振磁通,d,当转子静止不动(,n,=0),时,由于,d,与绕组,W2,轴线(,g,轴)相互垂直,故输出绕组,W2,没有感应电动势,当转子旋转后,杯形转子切割磁通,d,随之在转子上产生电动势和电流,转子电流将在,g,轴方向产生频率为,f,的脉振磁通,g,并在输出绕组,W2,上感应出交流输出电压,u,2,输出电压的幅值与转速成正比,而频率与励磁电压的频率相同。交流测速发电机结构简单,输出信号误差小。,(,II),输出频率量的转速传感器。它由定子(永久磁铁)、转子和线圈等组成。转子端面均匀地铣了若干槽。测量时,转子与被测对象转轴连接,当转子在图5所示位置时,气隙最小,磁通最大;转子转过一定角度,气隙最大,磁通最小。这样当定子不动而转子转动时,磁通会周期性地变化,在线圈中感应出近似正弦波的电动势信号。,这种传感器的输出量以感应电动势的频率来表示时,其频率,f,与被测转速,n,关系是,(9),式中,N,定子或转子端面齿数,;,n,被测转速(,r/min)。,图,5,输出频率量的磁电式转速传感器示意图,1,一定子,;2,一线圈,;3,一转子,这种测速传感器可靠性高,输出稳定,但要从被测对象吸收能量,且不宜测量太低的转速。现有的产品如,SZMB,3,磁电式转速传感器,其,N=60,所以用数字频率计可直接显示每分钟的转速。,（,3,）电磁流量计,在图,6,所示的一段绝缘材料制成的管道上,左右安装磁极,N,和,S,，,在管道上下安装两个电极,A,和,C,。,当导电流体以平均速度,v,流过管道时,它将切割磁力线,在电极上就会出现感应电动势,E,图,6,电磁流量计原理图,(10),式中,B,磁感应强度,(,Wb,/m,2,);d,管道内径,即导体在磁场内的长度,(,m);v,导体在磁场内切割磁力线的速度,即被测流体经传感器时的平均流速,(,m/s);Q,容积流量,Q=,d,2,v/4(m,3,/s),。,式(10)表明,在,B,d,一定时,感应电动势,E,与流量成正比。,必须指出，使用电磁流量计的流体，应具有导电性,蒸馏水及各种油类都不能使用;为了防止流体电解和电极被极化腐蚀,一般不采用直流磁场,而用交流磁场。由于感应电动势一般为毫伏数量级,所以对电磁流量计的抗干扰要求很高,必须妥善屏蔽。近年来,随着抗干扰技术的提高,电磁流量计的精度已可优于1级,并且还可制成直径3,m,的大管径流量计。,二、压电晶体传感器,压电传感器是以某些物质的压电效应为基础的一种有源传感器。在外力作用下,某些物质变形后其表面会产生电荷,从而实现非电量电测的目的。压电传感器尺寸小,重量轻,工作频率宽,可测量变化很快的动态压力、加速度、振动等。,1,压电效应,某些电介质物质当沿一定方向受到外力作用而变形时,在它的两个表面会产生符号相反的电荷;当将外力去掉后,又重新回到不带电状态,这种现象称为压电效应。具有压电效应的电介质称压电材料或压电元件,常见的压电材料有石英晶体、钛酸坝、锆钛酸铅等。,以石英晶体为例来说明应电材料的性质。石英晶体是各向异性体,即在各个方向晶体性质是不同的。图7(,a),表示石英晶体的形状,它是一个六棱柱,两端是六棱锥。在结晶学中可以把它用三根互相垂直的轴来表示。其中纵向轴,Z-Z,称为光轴,经过六棱柱棱线,并垂直于光轴的,X-X,轴称为电轴,与,X-X,轴和,Z-Z,轴同时垂直的,Y,一,Y,轴(垂直于棱面)称为机械轴。通常把沿电轴,X-X,方向的力作用下产生电荷的效应称为纵向压电效应,而把沿机械轴,Y-Y,方向的力作用下产生电荷的效应称为横向压电效应。在光轴,Z-Z,方向受力时,不产生压电效应。,图,7,石英晶体,(,a),石英晶体形状；(,b),晶体切片,假设从石英晶体上沿,Y-Y,轴方向切下一片薄片,称为晶体切片,(,图,7(,b),。,在每一片中,当沿电轴方向作用有力,Fx,时,则在与电轴垂直的平面,(,即切片的切面,),上,产生电荷,qx,但它的大小为,q,x,=d,11,F,x,(11),式中,d,11,X,轴方向受力的压电系数(,C/N)。,电荷,qx,应包含相应的符号,它是由,Fx,是压力还是拉力而定,(,参看图,8),。由式,(11),可见,电荷的多少与切片的几何尺寸无关。,如果在同一切片上作用力沿着机械轴方向,其电荷仍在与,X,轴垂直的平面上出现,而极性相反,此时电荷的大小为,(12),式中,a,晶体切片的长度,;,b,晶体切片的厚度,;,d,12,Y,轴方向受力的压电系数。,图,8,晶片上电荷的极性与受力方向的关系,(,a),沿,X,铀方向受压力,;(,b),沿,X,轴方向受拉力,;(,c),沿,Y,轴方向受压力;(,d),沿,Y,轴方向受拉力,由式,(12),可见,沿机械轴方向的力作用在晶体上时,产生的电荷与晶体切片的几何尺寸有关。式中负号说明,沿,Y,轴的压力所引起的电荷极性与沿,X,轴的压力所引起的电荷极性相反。,图8表示晶体切片上电荷的极性与受力方向的关系。图中(,a)X,轴方向受压力;(,b)X,轴方向受拉力;(,c)Y,轴方向受压力;(,d)Y,轴方向受拉力。,如果在片状压电材料的两个平面(或称电极面)上加以交流电压,石英晶片将产生机械振动,亦即晶片在电极方向有伸长和缩短的现象。当外加电压撤去时,其变形也随之消失。压电材料的这种现象称为电致伸缩效应,又称逆压电效应。利用压电材料的电致伸缩效应,可做高频振动台、超声波发射探头等。超声波式的检测仪表,一般都是利用压电材料作为超声波发射探头和接收探头的,例如超声波液面计,超声波流量计,超声波测厚仪等。,2,压电材料简介,压电材料有两类,:,一类是压电晶体,;,另一类是经过极化处理的压电陶瓷。前者为单晶体,后者为多晶体。,（,1,）压电晶体,石英是典型的压电晶体,其化学成分是二氧化硅,(,SiO,2,),压电系数较低,d,11,=2.3,10,-12,C/N,。,它在几百度的温度范围内不随温度而变,但到,573,时,完全丧失压电性质,这是它的居里点。石英具有很大的机械强度,在研磨质量好时,可以承受,7001000,kg/cm,2,的压力,并且机械性能也较稳定。,除天然石英和人造石英晶体外,近年来铌酸锂,LiNbO3、,钽酸锂,LiTaO3、,锗酸锂,LiGeO3,等许多压电单晶在传感技术中也获得广泛应用。,图,9,石英的晶体模型,(,a),不受力时;(,b)X,轴方向受力;(,c)Y,轴方向受力,以石英晶体为例来说明压电晶体内部发生压电效应的物理过程。设想在石英晶体中取一单元组体,它有3个硅离子和6个氧离子,后者是成对的。这就构成六边的形状(图9(,a)。,由于硅离子带有4个正电荷,而氧离子带有2个负电荷,所以在没有外力作用时,电荷互相平衡,外部没有带电现象。如果在,X,轴方向受压,如图9(,b),硅离子挤入氧离子2和6之间,而氧离子4挤入硅离子3和5之间,结果在表面,A,上呈现负电荷,而在表面,B,上呈现正电荷。,如果所受的力为拉伸,则在表面,A,和,B,上的电荷符号与前者相反,这就是纵向压电效应。如果在,Y,轴方向受力,如图9(,c),硅离子3和氧离子2,以及硅离子5和氧离子6都向内移动同样数值,故在电极,C,和,D,上仍不呈现电荷,而在表面,A,和,B,上,由于相对地把硅离子1和氧离子4挤向外边,而分别呈现正、负电荷。如果使其受拉力,则在,A,和,B,的电荷极性恰好相反。这就是横向压电效应。在,Z,轴方向受力时,由于硅离子和氧离子是对称的平移,故表面不呈现电荷,没有压电效应。,（,2,）压电陶瓷,压电陶瓷是人工制造的晶体压电材料。它在极化前是各向同性的,没有压电效应。要在一定温度和高压电场作用下,使晶体产生剩余极化后,才具有压电效应。对压电陶瓷来说,垂直于极化面的轴为,X,轴,Y,轴垂直于,X,轴,它不再具有,Z,轴,这是与压电晶体不同之处。,表1 常用压电材料性能,压电陶瓷有钛酸钡,(,BaTiO3),、,锆钛酸铅,(,PZT),等等,它们的压电系数比石英大得多,但机械强度、稳定性、居里点温度均不如石英晶体。还有聚二氟乙烯,(,PVF2),高分子压电材料,其特点是柔软,不易破碎,把,PZT,粉末与,PVF2,混合成型之后形成,PZT-PVF2,复合材料,压电性能更有改善,兼有两者优点而弥补了各自的缺点。,压电材料是各向异性物质,其压电系数与极化方向和受力方向都有关,而受力又分垂直和剪切力,所以应该用矩阵来描述,表1中,d,11,，d,33,等的下角数码代表该压电系数在矩阵里所处的位置。表1中数据是绝对值最大的典型值。,3.,压电传感器及其等效电路,压电传感器的基本原理是利用压电材料的压电效应。当有力作用于压电材料上时,传感器就有电荷(或电压)输出,因此,压电传感器可测量的基本参数是力,但也可以测量能变换成力的参数如加速度、位移等。,由于外力作用而在压电材料上产生的电荷,只有在无泄漏的情况下才能保存,即需要测量回路具有无限大的输入阻抗,这实际上是不可能的,因此压电传感器不适用于静态测量。当压电材料在交变力作用下,电荷不断得到补充,可以供给测量回路一定的电流,故适宜于动态测量,主要用来测量动态的力、压力、加速度等参数。,（,1,）压电晶片的连接方式,压电传感器产生的电荷量甚微,所以使用时常采用两片或两片以上的压电元件粘结在一起成为叠层式压电组合器件。由于压电材料的电荷是有极性的,因此有两种接法。在图,10(,a),中,两片压电元件的负电荷都集中在中间电极上,这种接法叫两压电片的并联,其输出电容,C,为单片电容,C,的两倍,(,压电片受力时可等效为一个电容器,详细介绍见本节第,2,部分,),但输出电压,U,等于单片电压的,U,极板上的电荷,Q,为单片电压,Q,的两倍,即,Q=2Q,U=U,C=2C,图10 两压电片的连接方式,图,10(,b),的接法中,正电荷集中在上极板,负电荷集中在下极板,在两极板中间,上片产生的负电荷与下片产生的正电荷相互抵消,这种接法称两压电片的串联。输出总电荷,Q,等于单片电荷,Q,输出电压,U,为单片电压,U,的两倍,总电容,C,为单片电容的一半,即,Q=Q,U=2U,C=C/2。,这两种接法中,并联接法输出电荷大,本身电容大,时间常数大,适用于测量慢变信号,以及以电荷作为输出量的的场合。串联接法输出电压大,本身电容小,适用于以电压作输出信号,以及测量电路输入阻抗很高的场合。,（,2,）压电传感器的等效电路,当压电片受力时,在两个电极表面分别聚集等量的正电荷和负电荷,如图,11(,a),所示,相当于一个以压电材料为介质的电容器,见图,(,b),。,其电容量为,(13),式中,A,极板面积,(,m,2,);h,压电片厚度,(,m);,压电材料介电常数(,F/m)。,介电常数随着压电材料不同而异,如锆钛酸铅相对介电常数)为4603400。,图,11,等效电路,(,a),原理图；,(,b),等效电路,1一银电极;2一压电材料,当两极板聚集异性电荷时,两极板之间所呈现电压为,(14)所以可以把压电传感器等效为一个电源,U,和一个电容器,Ca,的串联电路,如图12(,a),所示。由图可见,只有在负载元穷大,内部也无漏电时,受力所产生的电压,U,才能长期保存下来;如果负载不是无穷大,则电路就要以时间常数,R,L,Ca,(R,L,为负载电阻)按指数规律放电。,图,12,压电传感器的等效电路,(,a),电压源;(,b),电荷源,因此当用来测量一个变化频率很低的参数时,就必须保证,R,L,很大,以使时间常数,R,L,Ca,足够大,通常,R,L,需达数百兆欧以上。压电传感器也可看作是个电荷发生器,这样可等效为一个电荷源与一个电容并联的等效电路,如图,12(,b),所示。,图,13,压电传感器完整的等效电路,(,a),电压源,;(,b),电荷源,4,压电传感器的测量电路,压电传感器的输出信号很微弱,而且内阻很高,一般不能直接显示和记录,需要采用低噪声电缆把信号送到具有高输入阻抗的前置放大器。前置放大器有两个作用,一是放大压电传感器的微弱输出信号;另一作用是把传感器的高阻抗输出变换成低阻抗输出。图14是压电传感器的测量系统框图。,图14 压电传感器的测量系统框图,根据压电传感器的等效电路,它的输出可以是电压,也可以是电荷,因此前置放大器也有两种形式,:,电压放大器和电荷放大器。,（,1,）电压放大器,(,阻抗变换器,),将图,13(,a),中的,R,a,与,R,i,并联成为等效电阻,R,又将,C,c,与,C,i,并联为等效电容,C,则,压电传感器的开路电压,如果压电元件沿着电轴作用的交变力,f=,F,m,sin,t,则所产生的电荷与电压均按正弦规律变化,其电压为,(15),式中,d,压电系数。,电压的幅值 ,送到放大器输入端的电压,则放大器输入电压,U,im,与频率无关。因此为了扩展频带的低频段,就必须提高回路的时间常数,R(C,a,+C,c,+,C,i,)。,如果单靠增大测量回路电容量的办法来达到,必然将影响传感器的灵敏度,S（S=,U,im,/F,m,d/,(C,a,+C,c,+,C,i,)）,为此常采用,R,i,很大的前置放大器。由式(19)可见,当改变连接传感器与前置放大器的电缆长度时,C,c,将改变,U,im,也随之变化,从而使前置放大器的输出电压,U,o,=,AU,i,也变化(,A,为前置放大器的增益)。,因此,传感器与前置放大器组成的整个测量系统的输出电压与电缆电容有关,在设计时,常常把电缆长度定为一常数,所以在使用时,如果改变电缆长度,必须重新校正灵敏度,否则由于电缆电容,C,c,的改变将引入误差。随着集成技术的发展,将阻抗变换器直接与后面测量电路的器件集成,引线很短,避免了电缆电容对灵敏度的影响,同时,消除了电缆噪声。,图,15,是一种电压放大器,(,阻抗变换器,),电路图。它具有很高的输入阻抗,(,一般,1000,M,以上,),和很低的输出阻抗,(,小于,100,频率范围,2100,kHz),。,因此用该阻抗变换器可将高内阻的压电传感器与一般放大器相匹配。,图15 阻抗变换器电路图,该阻抗变换器第一级采用,MOS,场效应管构成源极输出器,第二级是用锗管构成对输入端的负反馈,以提高输入阻抗,电路中的,R,1,R,2,是场效应管,V,的偏置电阻,R,3,是一个100,M,的大电阻,主要起提高输入阻抗的作用,R,5,是场效应管的漏极负载电阻,根据,V,漏极电流大小即可确定,R,5,的数值(在调试中确定),R,4,是源极接地电阻,也是,VT,的负载。,R,4,上的交流电压通过,C,2,反馈到场效应管的输入端,使,A,点电位提高,保证了较高的交流输入阻抗。二极管,VD,1,VD,2,起保护场效应管的作用,同时又可以起温度补偿作用。它是利用二极管的反向电流随温度变化来补偿场效应管泄漏电流,I,SG,和,I,DG,随温度的变化。由于,V,和,VT,是直接耦合,所以采用稳压管,VD,W,时起稳定,VT,的固定偏压作用,:,R,6,是,V,DW,的限流电阻,使,VD,W,工作在稳定区。,图15中,如果只考虑,V,构成的场效应管源极输出器,则输入阻抗(20)通过,C,2,从输出端引入负反馈电压后,输入阻抗为(21),式中,Ku,是加上负反馈后的源极输出器的电压增益,其值接近1。因此加负反馈后的输入阻抗可提高到几百甚至几千兆欧,以满足压电传感器对前置放大器的要求。,（2）电荷放大器,电荷放大器是一个有反馈电容,C,f,的高增益运算放大器。当略去,R,a,与,R,i,并联的等效电阻,R,后,压电传感器和电荷放大器连接的等效电路可用图16表示。图中,A,是运算放大器。由于放大器的输入阻抗极高,因此认为放大器输入端没有分流。根据运算放大器的基本特性,当工作频率足够高时,忽略(1+,A)/,R,f,可以求得电荷放大器的输出电压,(22)式中,A,是运算放大器的开环增益,负号表示放大器的输入和输出反相。当,A1,满足(1+,A),C,f,10(C,a,+C,c,+,C,i,),时,就可以认为(23),可见,在电荷放大器中,输出电压,Uo,与电缆电容,Cc,无关,而与,q,成正比,这是电荷放大器的突出优点。,图 16 压电传感器与电荷放大器连接的等效电路,在图16中,为了稳定直流工作点,减小零点漂移,所以在反馈电容,C,f,上并联一个直流反馈电阻,R,f,一般取,R,f,10,9,。,超低频宽带电荷放大器下限截止频率可达10,-4,Hz,输出阻抗小于100,可见其低频响应也优于电压放大器。电荷放大器的工作上限允许频率由运算放大器的频率响应特性决定。,5,应用举例,压电传感器已被广泛用于工业、军事和民用等领域,表,2,列出了其主要应用类型,其中力敏类型应用最多。,表2压电传感器的主要应用类型,（,1,）压电加速度传感器,图17是,BAT-5,型压电加速度传感器的结构原理图。压电片(采用锆钛酸铅)放在基座上,上面为重块组件,用弹簧片把压电片压紧,基座固接于待测物上,当待测物振动时,传感器也受有同样的振动,此时惯性质量产生一个与加速度成正比的惯性力,f,作用在压电片上,因而产生了电荷,q,因为,F=ma,m,是重块组件的质量,在传感器中是一常数,所以,F,与所测加速度,a,成正比。这样传感器产生的电荷,q,与所测加速度,a,成正比。因为传感器的电容量,C,不变,因此也可以用电压,U(U=q/C),来表示所测的加速度值。压电片产生的电荷(或电压)由导电片通过导线引到前置放大器,并用插头引到测量电路。,图,17,BAT-5,型加速度传感器结构原理图,1-基座；2-压电片；3-导电片；4-重块组件；5-壳体；6-弹簧片；7-插头,压电加速度传感器的频率范围宽,线性好,而且尺寸小,重量轻,附加于被测物件上不会使振动信号严重失真,从而在振动测量中应用非常广泛。,表3是一种6200系列集成压电加速度计主要技术参数,这种产品和一般压电加速度计不同的地方是在传感器内部含集成电路,用以进行阻抗变换。,表3 6200系列集成压电加速度计主要参数,（,2,）压电式压力传感器,压电式压力传感器根据使用要求不同,有各种不同结构,但工作原理相同。图18是其结构示意图。,当压力,p,作用在膜片上时,压电元件的上、下表面产生电荷,电荷量与作用力,F,成正比。而,F=,pS,式中,S,为压电元件受力面积。因此式,(11),可以写成,q=d,11,F=d,11,pS,可见,对于选定结构的传感器,输出电荷量,(,或电压,),与输入压力成正比关系,所以线性度较好。,图,18,压电式压力传感器结构示意图,1一引线插件；2一绝缘体;3一壳体;4一压电元件:5一膜片,压电式压力传感器的测量范围很宽,能测低至10,2,N/m,2,的低压,高至10,8,N/m,2,的高压,且频响特性好,结构坚实,体积小,重量轻,使用寿命长,所以广泛应用于内燃机的气缸、油管、进排气管的压力测量,在航天和军事工业上的应用也很广泛。,(3),基于压电效应的超声波传感器,超声波是机械波的一种,其频率大于,20,kHZ,由于超声波的波长短,绕射现象小,能定向传播,并在传播的过程中衰减很小,所以超声波在工业和医学领域内得到广泛应用。,超声波传感器,(,也称超声探头,),实质上是一种可逆的换能器,它将电振荡的能量转变为机械振荡,形成超声波,;,或者由超声波能量转变为电振荡。因此超声波传感器可分为发送器及接收器,发送器是将电能转变为超声波,;,而接收器则是将接收到的超声波能量转变为电能。,基于压电效应的超声波传感器结构如图19所示,其核心部分为压电晶片。压电式超声探头可发射和接收超声波。它是由压电晶片、阻尼块(吸收块)及保护膜组成。,图,19,压电式探头结构图,1,一绝缘柱,;2,一接触座,;3,一导电螺杆,;4,一接线片,;5一吸收块;6一晶片座;7一保护膜;8-压电晶片;9一金属外壳,压电晶片为圆形平板,其厚度与超声波频率成反比。晶片的两面镀有银层作为导电电极。为防止晶片与工件接触而磨损,在晶片下层粘结一层保护膜,阻尼块的作用是降低晶片的机械品质因数,Q,m,吸收声能,其目的是当激励的电振荡脉冲停止时,可防止压电晶片因惯性作用继续振动,而使超声波的脉冲宽度改变,分辨率变差。,图,20,是用超声波检测厚度的方法之一回波法的工作原理图。,超声波探头与被测物体表面接触。主控制器控制发射电路,使探头发出的超声波到达被测物体底面而反射回来,该脉冲信号又被探头接收,经放大加到示波器垂直偏转板上。标记发生器输出时间标记脉冲信号,同时加到该垂直偏转板上,而扫描电压则加在水平偏转板上。因此,在示波器上可直接读出发射与接收超声波之间的时间间隔,t。,若已知超声波的传播速度为,c,则可求得被测物体的厚度,h=ct/2。,图20 超声波测厚工作原理图,三、霍尔传感器,利用霍尔效应制成的传感元件称霍尔传感器。霍尔效应这种物理现象的发现,虽然已有一百多年的历史,但是直到20世纪40年代后期,由于半导体工艺的不断改进,才被人们所重视和应用。现在霍尔元件已广泛应用于非电量测量、自动控制、电磁测量、计算装置以及现代军事技术等各个领域。,1,霍尔元件的基本工作原理,（,1,）半导体材料的霍尔效应,如图21所示的半导体薄片,若在它的两端通以控制电流,I,在薄片的垂直方向上施加磁感应强度为,B,的磁场,那么在薄片的另两侧会产生一个与控制电流,I,和磁感应强度,B,的乘积成比例的电动势,E,H,这个电动势称霍尔电动势,这一现象称为霍尔效应,该半导体薄片称为霍尔元件。,图21 霍尔效应原理图,（,2,）工作原理,霍尔效应的产生是由于运动电荷受磁场中洛仑兹力作用的结果。假设在,N,型半导体薄片上通以电流,I，,如图21所示,则半导体中的载流子(电子)沿着和电流相反的方向运动(电子速度为,v),由于在垂直于半导体薄片平面的方向上施加磁场,B,所以电子受到洛仑兹力,f,L,的作用,向一边偏转(见图21中虚线方向),并使该边形成电子积累,而另一边则为正电荷织累,于是形成电场。该电场阻止运动电子的继续偏转。当电场作用在运动电子上的力,f,E,与洛仑兹力,f,L,相等时,电子的积累便达到动态平衡。,在薄片两横断面之间建立电场,其对应的电动势称为霍尔电动势,E,H,其大小可用下式表示,(24),式中,R,H,霍尔系数,(,m,3,/C);I,控制电流,(,A);B,磁感应强度,(,T)D,霍尔元件厚度(,m)。,霍尔系数,R,H,=,，,为载流体的电阻率,为载流子的迁移率,半导体材料,(,尤其是,N,型半导体,),电阻率大,载流子迁移率很高,因而可以获得很大的霍尔系数,适合于制造霍尔元件。,令,K,H,=R,H,/d(V,m,2,/(A,Wb,),称为霍尔元件的灵敏度,则,E,H,=K,H,IB(25),如果磁感应强度,B,和元件平面法线成一角度,时,则作用在元件上的有效磁场是其法线方向的分量,即,Bcos,这时,E,H,=,K,H,IBcos,(26),当控制电流的方向或磁场的方向改变时,输出电动势的方向也将改变。但当磁场与电流同时改变方向时,霍尔电动势极性不变。,由上分析可知,霍尔电动势的大小正比于控制电流,I,和磁感应强度,B。,灵敏度,K,H,表示在单位磁感应强度和单位控制电流时输出霍尔电动势的大小,一般要求它越大越好。此外,元件的厚度,d,愈薄,K,H,也愈高,所以霍尔元件的厚度一般都比较薄。,(3),基本电路,在电路中,霍尔元件可用两种符号表示,见图22。霍尔元件的基本电路如图23所示。控制电流由电源,E,供给,RP,为调节电阻,调节控制电流的大小。霍尔输出端接负载电阻,R,L,它也可以是放大器的输入电阻或表头内阻等。,图22 霍尔元件的符号,图 23 霍尔元件的基本电路,由于霍尔元件须在磁场与控制电流的作用下,才会输出霍尔电动势,所以在实际使用时,可把,I,或,B,作为输入信号,或这两者同时作为输入信号,而输出信号则正比与,I,或,B,或两者的乘积。,由于建立霍尔效应所需的时间很短(约10,-12,10,-14,S,之间),因此控制电流用交流时,频率可达10,9,HZ,以上。,2,霍尔元件的测量误差及其补偿,在实际使用中,存在着各种影响霍尔元件精度的因素,即在霍尔电动势中迭加着各种误差电势,这些误差电势产生的主要原因有两类:一类是由于制造工艺的缺陷;另一类是由于半导体本身固有的特性。这里只分析不等位电势和温度影响两个主要误差。,（,1,）不等位电势,Uo,及其补偿,不等位电势,Uo,是一个主要的零位误差,如图24所示。霍尔电动势是从,A,B,两点引出的,由于工艺上无法保证霍尔电极,A,B,完全焊在同一等位面上,因此当控制电流,I,流过元件时,即使不加磁场，,A,B,两点间也存在一个电势,Uo,这就是不等位电势。,图24 不等电位电势示意图,在分析不等位电势时,可以把霍尔元件等效为一个电桥,见图,25,。电桥臂的四个电阻分别是,r,1,，,r,2,，,r,3,，,r,4,当两个霍尔电极,A,B,处在同一等位面上时,r,1,=r,2,=r,3,=r,4,电桥平衡,不等位电势,Uo,等于零。当两个霍尔电极不在同一等位面上时,电桥不平衡,不等位电势不等于零。此时可根据,A,B,两点电位的高低,判断应在某一桥臂上并联一定的电阻,使电桥达到平衡,从而使不等位电势为零。,图25 霍尔元件的等效电路,几种补偿线路如图26所示。图中(,a),(b),为常见补偿电路,(,b),(c),相当于在等效电桥的两个桥臂上同时并联电阻,其中图(,c),调整比较方便,图(,d),用于交流供电情况。如果确切知道霍尔电极偏离等位面的方向,则可在工艺上采取措施来减小不等位电势。,图,26,不等电位电势的几种补偿线路,(,a),在等效电桥的一个桥臂并联电阻,;(,b),(c),在等效电桥的两个桥臂同时并联电阻,;(,d),用于交流供电情况,（,2,）温度误差及其补偿,霍尔元件与一般半导体器件一样,对温度的变化是很敏感的,会给测量带来较大的误差。这是因为半导体材料的电阻率、迁移率和载流子浓度等都随温度变化的缘故。因此,霍尔元件的性能参数如内阻、霍尔电势等也将随温度变化。,为了减小霍尔元件的温度误差,除选用温度系数小的元件或采用恒温措施外,用恒流源供电往往可以得到明显的效果。恒流源供电的作用是减小元件内阻随温度变化而引起的控制电流的变化。但是这还不能完全解决霍尔电动势的稳定问题。下面介绍一种简单的补偿线路。,图27 温度补偿线路,图27中,在控制极并联一个合适的补偿电阻,r,p,，,这个电阻起分流作用。当温度升高时,霍尔元件的霍尔电动势和内阻,R,i,都随之增加,由于补偿电阻,r,p,的存在,在,I,为定值时,通过霍尔元件的电流减小,而通过补偿电阻,r,p,的电流却增加,这样利用元件内阻的温度特性和一个补偿电阻,就可以使霍尔电动势的温度误差得到补偿。,设恒流源供给的电流为,I,当温度为,To,时,霍尔元件中控制电流为,(27),式中,I,HO,温度为,To,时,霍尔元件控制电流,;,R,i,温度为,To,时,霍尔元件的内阻,;,r,p,温度为,To,时补偿电阻。,当温度升到,T,时,同理可得,(28),式中,R,温度为,T,时,霍尔元件的内阻，,R=,R,i,(1+,t),，,是霍尔元件的电阻温度系数，,t=T-To,为相对于基准温度,To,的温差,;,r,温度为,T,时,补偿电阻的阻值，,r,=,r,p,(1+,t)，,是补偿电阻的温度系数。,由式,(27),可知,当温度为,To,时,霍尔电动势为,E,H0,=K,H0,I,H0,B,式中,K,H0,温度为,To,时,霍尔元件的灵敏度。,温度为,T,时的霍尔电动势为,E,H,=K,H,I,H,B=K,H0,(1+t)I,H,B,式中,K,H,温度为,T,时,霍尔元件的灵敏度,;,霍尔电动势的温度系数。由它的定义可知,实质上它就是灵敏度温度系数。,为使霍尔电动势不变化,必须保持,E,H,=E,H0,即,K,H0,(1+t)I,H,B=K,H0,I,H0,B,将式,(27),和,(28),代入上式,经整理后得,将上式展开,并略去,t,2,项,(,温差,t100,时,可认为此项很小,),则,r,p,=,R,i,(,-),所以,(29),由于,及,故上式可简化