传感器原理与检测技术（第六章） ppt课件.ppt

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1、第六章压电磁敏传感技术通过本章的学习，应了解压电传感技术和磁敏传感技术的基本原理，掌握压电式传感器、磁敏电阻、磁敏二极管、磁敏三极管和霍耳传感器的结构、特性及使用方法。第一节压电式传感器压电式传感器是一种能量转换型传感器。它既可以将机械能转换为电能，又可以将电能转化为机械能。它的工作原理是基于某些晶体受力后，在其表面产生电荷的效应。这类传感器的刚度大、固有频率高，一般都在几十千赫以上，配上适当的电荷放大器，能在低至接近0Hz，高达10kHz的范围内工作，尤其适合于测量迅速变化的参数；其测量值最大

2、可到上百吨力，最小可分辨出几克力。该传感器主要是用于动态作用力、压力和加速度的测量，近年来得到了迅速的发展。一．压电效应某些晶体(如石英等)在一定方向的外力作用下，不仅几何尺寸会发生变化，而且晶体内部将产生极化现象，使晶体表面出现电荷形成电场，当这一外力去除后，表面又恢复到不带电状态，这种现象称为压电效应。具有这种性质的材料，称为压电材料。若将压电材料置于电场之中，其几何尺寸也会发生变化，这种在外电场作用下导致压电材料产生机械变形的现象，称为电致伸缩效应（或逆压电效应）。二、压电元件对压电材料的

3、要求1．具有较大的压电常数2．压电元件的机械强度高、刚度大并具有较高的固有振动频率。3．具有高的电阻率和较大的介电常数，以减少电荷的泄漏以及外部分布电容的影响，获得良好的低频特性。4．具有较高的居里点（指在压电性能失效时的温度转变点）。居里点高可以得到较宽的工作温度范围。5．压电材料的压电特性不随时间蜕变，有较好的时间稳定性。三、常见的压电材料1．石英晶体2．水溶性压电晶体3．铌酸锂晶体4．压电陶瓷5．压电半导体6．高分子压电材料1．石英晶体石英晶体有天然和人工制造两种。人造石英晶体的物理、化学

4、性质几乎与天然石英晶体无多大区别，因此目前广泛应用成本较低的人造石英晶体。它在几百摄氏度的温度范围内，压电系数不随温度变化。石英晶体的居里点为573℃，即到573℃时，它将完全丧失压电特性。石英晶体有很大的机械强度和稳定的机械性能，没有热释电效应；但灵敏度很低，介电常数小，因此逐渐被其他压电材料所代替。2．水溶性压电晶体这类晶体有酒石酸钾钠(NaKC4H4O6·4H2O)、硫酸锂(Li2SO4·H2O)、磷酸二氢钾(KH2PO4)等。水溶性压电晶体具有较高的压电灵敏度和介电常数；但易于受潮，机械

5、强度较低，只适用在室温和湿度低的环境下工作。3．铌酸锂晶体铌酸锂是一种透明单晶，熔点为1250℃，居里点为1210℃。它具有良好的压电性能和时间稳定性，在耐高温传感器上有广泛的用途，但成本较高。4．压电陶瓷它具有烧制方便、耐湿、耐高温、易于成型等特点，应用最普遍。这类材料可细分以下几种：(1)钛酸钡(BaTiO3)压电陶瓷：BaCO3和TiO2在高温下合成，具有较高压电系数和介电常数。居里点较低，为120℃，此外机械强度不如石英晶体。(2)锆钛酸铅系压电陶瓷(PZT)：由PbTiO3和PbZrO

6、3组成的固溶体Pb(ZrTi)O3。具有较高压电系数，居里点为300℃以上。(3)铌酸盐系压电陶瓷：如铌酸铅具有很高的居里点和较低的介电常数。铌酸钾的居里点为435℃，常用于水声传感器中。(4)铌镁酸铅压电陶瓷(PMN)：它是一种新型陶瓷，具有较高的压电系数和居里点，能够在较高的压力下工作，适合作高温下的力传感器。5．压电半导体有些晶体既具有半导体特性又同时具有压电性能，如ZnS，CaS，GaAs等。因此既可利用它的压电特性研制传感器，又可利用半导体特性以微电子技术制成电子器件。两者结合起来，就

7、出现了集转换元件和电子线路为一体的新型传感器，它的应用前途非常远大。6．高分子压电材料某些合成高分子聚合物薄膜经延展拉伸和电场极化后，具有一定的压电性能。目前这类压电薄膜有聚二氟乙烯(PVF2)、聚氟乙烯(PVF)、聚氯乙烯(P‘VC)，聚γ甲基－L谷氨酸酯(PMG)等。是一种柔软的压电材料，不易破碎，可大批量生产。若将压电陶瓷粉末加入高分子化合物中，可制成高分子压电陶瓷薄膜，它既保持了高分子压电薄膜的柔软性，又具有较高的压电系数，是一种很有希望的压电材料。四、压电元件的常用结构形式压电式传感器

8、常用两片或多片组合在一起使用。由于压电材料有极性，因此，接法有并连和串连两种。前者的总电容C’=nC(单片电容)，输出电压U’=U（单片电压），极板的总电荷量Q’=nQ(单片电荷量）；后者Q’=Q，U’=nU，C’=C/n。在这两种连接方式中，并连接法输出电荷大，本身电容大，因此时间常数也大，适用于测量缓变信号，并以电荷量作为输出的场合。串连接法输出电压高，本身电容小，适用于以电压作为输出量以及测量电路输入阻抗很高的场合。压电元件在压电传感器中，必须有一定的预应力，这样可以保证在作用力变化时，压