部分传感器原理4磁电压电与热电式

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1、第三章常用传感器与敏感元件第四节磁电、压电与热电式传感器一、磁电式传感器变换原理:把被测量的物理量转换为感应电动势的一种传感器，又称电磁感应式或电动力式传感器。对于一个匝数为N的线圈，当穿过该线圈的磁通F发生变化时，其感应电动势e为线圈感应电动势的大小，取决于匝数和磁通变化率。磁通变化率与磁场强度、磁路磁阻、线圈运动速度有关，改变其中一个因素，都会改变感应电动势。按照结构不同，磁电式传感器可分为：磁电式动圈式磁阻式线速度型角速度型N磁电式传感器磁电式传感器—动圈式1.动圈式线速度型角速度型【右手定则】亦称“发电机定则”。确定导体在磁

2、场中运动时导体中感生电流方向的定则。伸开石手，使拇指与其余四指垂直，并都和手掌在同一平面内。假想将右手放入磁场中，让磁力线垂直地从手心进入，使拇指指向导体运动的方向，这时其余四指所指的方向就是感生电流的方向。如右图所示。eI感应电动势：式中：v—与外磁场B垂直的速度L—切割磁力线的导线长度GvB磁电式传感器—动圈式在永久磁铁产生的恒定磁场内，放置一个可动线圈，当线圈在磁场中作直线运动时，它所产生的感应电动势线圈匝数线圈与磁场的相对运动速度磁场的磁感应强度单匝线圈有效长度线圈运动方向与磁场方向的夹角上式表明，当N、B、l均为常数时，感

3、应电动势大小与线圈运动的线速度成正比—惯性式磁电速度计的工作原理当线圈运动方向与磁场方向的夹角为90°时，上式可改写为磁电式传感器—动圈式当线圈在磁场中作转动时，它所产生的感应电动势与结构有关的系数，k<1单匝线圈的截面积线圈相对磁场运动的角速度上式表明，当传感器结构一定时，N、B、A均为常数，感应电动势大小与线圈相对磁场运动的角速度成正比—用于转速测量必须注意，上述所讨论的速度（v或w）是指线圈与磁场（壳体）的相对速度，而不是壳体本身的绝对速度。磁电式传感器—动圈式动圈磁电式传感器等效电路e—感应电动势Z0—线圈阻抗负载电阻（放大

4、器输入电阻）电缆导线电阻（很小可忽略）电缆导线分布电容输出电压若不使用特别加长电缆导线时，CC可忽略，且RL>>Z0，磁电式传感器—动圈式动圈式传感器线速度型磁电式传感器—动圈式测速电机磁电式传感器的工作原理也是可逆的。作为测量振动或转速，它工作于发电机状态；若在线圈上加以交变激励电压，则线圈就在磁场中振动，成为激振器（电动机状态）。角速度型磁电式传感器—动圈式2.磁阻式传感器磁阻式传感器的线圈与磁铁彼此不作相对运动，由运动着的物体（导磁材料）改变磁路的磁阻，而引起磁力线增强或减弱，使线圈产生感应电动势。这种传感器是由永久磁铁及缠绕

5、其上的线圈组成，如下图测频数当齿轮旋转时，齿的凸凹引起磁阻变化，使磁通量变化，在线圈中感应出交流电动势，其频率等于齿轮的齿数和转速的乘积。磁电式传感器—磁阻式磁阻式传感器使用方便、结构简单，在不同场合下可用来测量转速、偏心量、振动等。磁电式传感器—磁阻式转速测量偏心测量振动测量磁电式传感器—磁阻式NS案例：鼠笼电机转子断细条检测磁电式传感器—磁阻式二、压电式传感器压电式传感器是一种可逆型换能器，既可以将机械能转换为电能，又可以将电能转换为机械能。这种性能使它被广泛用于压力、应力、加速度测量，也被用于超声波发射与接收装置。第四节磁电、

6、压电与热电式传感器在用做加速度传感器时，可测频率范围从0.1Hz~20kHz，可测振动加速度按其不同结构可达10-2~105m/s2。用做测力传感器时，其灵敏度可达10-3N。优点：体积小、质量小，精确度及灵敏度高等。现在与其配套的后续仪器，如电荷放大器等技术性能的日益提高，使这种传感器的应用愈来愈广泛。1.压电效应←变换原理某些物质，如石英，受到外力作用时，不仅几何尺寸会发生变化，而且内部会被极化，表面出现电荷，形成电场；当外力去掉时，又重新回到原来的状态，这种现象称为压电效应。压电式传感器压电效应是可逆的，即将压电晶体置于外电场

7、中，其几何尺寸也会发生变化—逆压电效应实验证明：压电效应和逆压电效应是线性的，即晶体表面出现电荷的多少与形变的大小成正比，当形变改变符号时，电荷也改变符号；在外电场作用下，晶体形变的大小与电场强度成正比，当电场反向时，形变也改变符号。通常把沿电轴(X轴)方向的作用力(一般利用压力)产生的压电效应称为“纵向压电效应”，把沿机械轴(Y轴)方向的作用力产生的压电效应称为“横向压电效应”，沿光轴(Z轴)方向的作用力不产生压电效应。沿相对两棱加力时，则产生切向效应。压电式传感器主要是利用纵向压电效应。压电效应与方向压电式传感器2.压电材料常用

8、的压电材料大致可分为三类:压电单晶、压电陶瓷和有机压电薄膜。石英是压电单晶中最具有代表性的，应用广泛。除天然石英外，还大量应用人造石英。石英的压电常数不高，但具有较好的机械强度和时间、温度稳定性。传感技术中最普遍应用的是压电陶瓷。压电