《电压型传感器》PPT课件

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1、第5章电压型传感器基本要求：了解电压型传感器的常见类型理解常见电压型传感器的基本工作原理掌握常见电压型传感器的测量电路主要内容5.1磁电式传感器5.2压电式传感器5.3热电偶传感器5.4光电传感器5.5霍尔传感器5.1磁电式传感器通过电磁感应原理将被测量（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；属于机-电能量变换型传感器优点:不需要供电电源，电路简单，性能稳定，输出阻抗小一、基本原理磁电式传感器是基于电磁感应原理的传感器。根据电磁感应定律可得：即回路中产生的感应电势与磁通量对时间的变化律成正比二、基本组成1．磁

2、路系统——产生恒定直流磁场，一般用永久磁铁2．线圈——产生感应电压3．运动机构——感受被测运动三、结构类型1.变磁通式结构: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通量，在线圈中产生感应电动势。(a)铁芯平移型e与成正比这种结构可做成测线速度(b)铁心旋转型这种结构可做成测角速度三、结构类型2恒磁通结构:工作气隙中的磁通恒定，感应电动势是由于永久磁铁与线圈之间有相对运动－线圈切割磁力线产生。分为：动铁式和动圈式动铁式动圈式基本原理如果在线圈运动部分的磁场强度B是均匀的，则当线圈与

3、磁场的相对速度为υ时，线圈的感应电动势：α为运动方向与磁场方向间夹角，当α＝90°，线圈的感应电动势为：当N、B和la恒定不变时，E与υ=dx/dt成正比，根据感应电动势E的大小就可以知道被测速度的大小。四、测量电路磁电式传感器直接输出感应电势，常具有较高灵敏度，一般不需要高增益放大器。但磁电式传感器是速度传感器，若要获取被测位移或加速度信号，则要配用积分或微分电路。5.2压电式传感器压电器件受力、表面形变电荷原理——材料受力变形时,表面产生电荷，实现非电量测量；特点——体积小、重量轻、工作频带宽等；应用——动态力、机械冲击、振动声学、医学、宇航。§5-1压

4、电效应和压电材料一、压电效应1、正（顺）压电效应正压电效应——某些材料沿一定方向施力变形，内部产生极化现象，两表面产生极性相反的电荷，外力去掉后，表面又回到不带电状态。压电介质正压电效应Q(E)电能T(S)机械能逆压电效应2、逆压电效应（电致伸缩）逆压电效应——在电介质的极化方向上施加电场，电介质也会产生变形。二、压电效应表达式——i面上产生的电荷密度——j方向的外加应力——j方向应力引起i面产生电荷时的压电常数压电常数矩阵Tj——Pa牛顿/米2—C/N库仑/牛顿(1)应力与电荷面垂直——纵向压电效应(2)应力与电荷面平行直——横向压电效应(3)电荷面受到剪

5、切——面切压电效应(4)电荷面厚度受到剪切——剪切压电效应三、力——电荷转换公式灵敏度为常数四、压电材料压电材料——具有压电效应的电介质，包括石英晶体和压电陶瓷。1.石英晶体单晶结构，结晶形状为六角晶柱，是一个正六面体。光轴机械轴电轴纵轴线z——光轴穿过棱线且垂直z轴的x轴——电轴（压电效应最强）垂直棱面的y轴——力轴（机械轴）（机械形变最明显）石英晶体的压电常数：x方向——存在纵向压电效应，横向压电效应和面切向压电效应。y方向——有面切压电效应和剪切压电效若改变受力方向，表面极性也相应改变；z方向——表面不产生电荷。石英晶体的特点天然晶体，压电系数d11＝

6、2.31×10－12C/N；莫氏硬度为7、熔点为1750℃、膨胀系数仅为钢的1/30。优点：转换效率和转换精度高、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℃（压电系数不随温度而改变，稳定性好。2.压电陶瓷多晶体压电材料，压电系数高，灵敏度较石英材料高，但工作温度低，温度稳定性和机械强度都不如石英。未极化前：不具压电性加外电场E撤销外电场原始压电陶瓷材料没有压电性，极化后具有压电性。压电常数为：钛酸钡常见压电陶瓷：（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

7、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。（3）铌镁酸铅Pb(MgNb)O3-PbTiO3-PbZrO3压电陶瓷（PMN）具有较高的压电系数，在压力大至700kg/cm2仍能继续工作，可作为高温下的力传感器。五、压电式传感器(1)被测量直接转换为电荷输出；(2)适用于动态测量：电荷只在无泄漏情况下保存，需要测量回路输入阻抗无限大，不适于静态测量。交变力作用下，电荷不断补充，供给回路一定的电流；(3)必须有一定的预应力。1.等效电路——晶片相对介电常数；——真空介电常数；S——工作面面积；h——晶片厚度不同于普通电容器，力消失，

8、电荷消失两种等效电路：注意：不受外力，压电元件只等效