发电式传感器及其应用

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1、第五章  发电式传感器及其应用1、压电式传感器（工作原理、测量电路、特点及应用）2、光电式传感器（工作原理、测量电路、特点及应用）3、霍尔传感器（工作原理、测量电路、特点及应用）4、热电偶传感器（工作原理、测量电路、特点及应用）本章学习要求：压电式传感器是一种典型的发电型传感器，以电介质的压电效应为基础，外力作用下在电介质表面产生电荷，从而实现非电量测量。压电式传感器可以对各种动态力、机械冲击和振动进行测量，在声学、医学、力学、导航方面都得到广泛的应用。5.1压电式传感器当沿着一定方向施加力变形时，内部产生极化现象，同时在它表面会产生符号相反的电荷；当外力去掉后，又重

2、新恢复不带电状态当作用力方向改变后，电荷的极性也随之改变；这种现象称压电效应。一、变换原理:压电式传感器是一种可逆型换能器，机械能电能。它的工作原理是基于某些物质的压电效应。压电效应是可逆的在这些材料的极化方向施加电场，它们就在一定方向上产生机械变形或机械应力，当外电场撤去时，这些变形或应力也随之消失，这种现象称为“逆压电效应”，或称为“电致伸缩效应”。所以压电元件可以将机械能——转化成电能也可以将电能——转化成机械能。压电元件机械能电能压电效应是可逆的，压电传感器是双向传感器。二、压电材料具有压电效应的物质(物体)称为压电材料(或压电元件)。常见的压电材料可分为两类

3、：单晶体：石英晶体等多晶体：压电陶瓷等石英晶体有天然石英和人工石英单晶体两种。特点：石英晶体的相对介电常数较小，温度稳定性很好。机械强度很高。性能稳定，没有热释电效应（由于温度变化导致电荷释放），绝缘性能相当好。天然石英晶体，其结构形状为一个六角形晶柱，两端为一对称棱锥。在晶体学中，可以将其用三根互相垂直的轴表示。纵轴Z——光轴通过六棱线而垂直于光轴的X轴——电轴垂直于六棱柱体的棱面——机械轴压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料，它由无数细微的单晶组成。如钛酸钡压电陶瓷、锆钛酸铅系压电陶瓷，即PZT系压电陶瓷、铌镁酸铅压电陶瓷（PMN)、铌酸盐系压电陶瓷等。特点：稳定性较

4、石英晶体差，有明显的热释电效应。压电常数大，灵敏度高。制作工艺方便，耐湿、耐高温等特点，用的较多。压电晶片按特定方向切片人工合成水晶从石英晶体中切下一个平行六面体，并使其晶面分别平行于Z-Z、Y-Y、X-X轴线。若对其施力，则有几种不同的效应。纵向压电效应——沿电轴(X轴)方向的作用力产生的横向压电效应——沿机械轴(Y轴)方向的作用力产生的切向效应——沿相对两棱加力时沿光轴(Z轴)方向的作用力不产生压电效应。压电式传感器主要是利用纵向压电效应。三、压电式传感器及其等效电路在压电晶片的两个工作面上进行金属蒸镀，形成金属膜，构成两个电极。当压电晶片受到压力F的作用时，分别

5、在两个极板上积聚数量相等而极性相反的电荷，形成电场。实验证明，压电晶体片在某特定平面上产生的电荷量与作用外力成正比，即q=DF式中q——为电荷量；F——作用力D——压电常数，与材质及切片的方向有关注意：利用压电式传感器测量静态或准静态量值时，必须采取一定的措施，使电荷从压电晶片上经测量电路的漏失减小到足够小程度。而在动态力作用下，电荷可以得到不断补充，可以供给测量电路一定的电流，故压电传感器适宜作动态测量。因此，压电传感器可以看作是一个电荷发生器，也可以看成是一个电容器。压电元件可以等效为一个电压源和一个串联电容表示的电压等效电路，也等效成为一个电荷源和一个电容的电荷

6、等效电路。压电元件的连接方法压电晶片串联:电容量小、响应快、输出电压大，适用于测量以电压作输出的信号和频率较高的信号。--------适合前置电压放大器在实际应用中，由于单片的输出电荷很小，常常将两片或两片以上的晶片连接在一起，以提高灵敏度。方法有两种，即并联和串联。压电晶片并联:电容量大、输出电荷量大、时间常数也大，适用于测量缓变信号及电荷量输出信号--------适合前置电荷放大器四、测量电路压电式传感器输出电信号很微弱，通常应把传感器信号先输入到高输入阻抗的前置放大器中，经过阻抗变换后，方可输入到后续显示仪表中。前置放大器的作用：将传感器的高阻抗输出变为低阻抗输

7、出；放大传感器输出的微弱电信号。前置放大器电路的形式：用电阻反馈的电压放大器其输出电压与输入电压(即传感器的输出)成正比；用电容做反馈的电荷放大器其输出电压与输入电荷成正比。由于电荷放大器电路的电缆长度变化的影响不大，几乎可以忽略不计，故而电荷放大器应用日益广泛。Ra：传感器的漏电阻；Cc：连接电缆的分布电容；Ri：相连放大器的输入电阻；Ci：相连放大器的输入电容。加速度计电缆阻抗变换、放大四、特点及应用体积小、重量轻、结构简单、频率范围宽适于动态测量多用于力、振动加速度、噪声的测量产品压力变送器加速度计力传感器压电式加速度传感器压电式压力传感器点火