1、7 電動勢式傳感器本章介紹磁電式傳感器和壓電式傳感器的原理與應(yīng)用。這兩種傳感器是將被測量轉(zhuǎn)換為電動勢的裝置。磁電式傳感器是應(yīng)用磁感應(yīng)原理工作，常用來測量振動與轉(zhuǎn)速；壓電式傳感器的工作原理是壓電效應(yīng)，常用來測量振動、加速度等動態(tài)物理量。7.1 磁電式傳感器通過磁電作用將被測量（如振動、轉(zhuǎn)速、扭矩）轉(zhuǎn)換成電勢信號。利用導(dǎo)體和磁場發(fā)生相對運動而在導(dǎo)體兩端輸出感應(yīng)電勢；機-電能量變換型傳感器優(yōu)點: 不需要供電電源，電路簡單， 性能穩(wěn)定，輸出阻抗小7.1.1 磁電式傳感器的工作原理磁電式傳感器的工作原理7.1.2 動圈式磁電傳感器7.1.3 磁阻式磁電傳感器7.1 磁電式傳感器7.1.1 磁電式傳感器的

2、工作原理 法拉第電磁感應(yīng)定律：dENdt 不同類型的磁電式傳感器磁通量的變化實現(xiàn)辦法: 磁鐵與線圈之間作相對運動； 恒定磁場中線圈面積的變化； 磁路中磁阻的變化.l直接應(yīng)用：測定速度 在信號調(diào)節(jié)電路中接積分電路，或微分電路，磁電式傳感器就可以用來測量位移或加速度。7.1.1 磁電式傳感器的工作原理7.1.2 動圈式磁電傳感器動圈式磁電傳感器7.1.3 磁阻式磁電傳感器7.1 磁電式傳感器動圈式磁電傳感器結(jié)構(gòu)磁電式傳感器構(gòu)成： 1、磁路系統(tǒng) 由它產(chǎn)生恒定直流磁場。為了減小傳感器的體積，一般都采用永久磁鐵； 2、線圈 由它切割磁力線運動產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。作為一個完整的磁電式傳感器，除了磁路系統(tǒng)和線圈

3、外，還有一些其它元件，如殼體、支承、阻尼器、接線裝置等。（1 1）線圈做直線運動的傳感器：線圈做直線運動的傳感器：當(dāng)線圈在磁場中做直線運動時，它產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢為：當(dāng)線圈在磁場中做直線運動時，它產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢為：sinsindxeNBLNBLvdtB工作氣隙中的磁感應(yīng)強度（工作氣隙中的磁感應(yīng)強度（1T=1Wb/m2）L每匝線圈的有效長度每匝線圈的有效長度(垂直切割磁感垂直切割磁感線的導(dǎo)線的等效長度，即圓形線圈的直線的導(dǎo)線的等效長度，即圓形線圈的直徑（與運動速度方向垂直）徑（與運動速度方向垂直）)N工作氣隙中線圈繞組的匝數(shù)工作氣隙中線圈繞組的匝數(shù)v線圈與磁場的相對直線速度線圈與磁場的相對直線速

4、度線圈面的法線方向與磁場方向夾角線圈面的法線方向與磁場方向夾角090 ,eifB vN L結(jié)構(gòu)一定時，感應(yīng)電勢與線圈對結(jié)構(gòu)一定時，感應(yīng)電勢與線圈對磁場的相對速度成正比。磁場的相對速度成正比。 當(dāng)穿過某一不閉合線圈的磁通量發(fā)生變化時，線圈中雖無當(dāng)穿過某一不閉合線圈的磁通量發(fā)生變化時，線圈中雖無感應(yīng)電流，但感應(yīng)電動勢依舊存在。當(dāng)一段導(dǎo)體在勻強感應(yīng)電流，但感應(yīng)電動勢依舊存在。當(dāng)一段導(dǎo)體在勻強磁場磁場中中做勻速切割磁感線運動時，不論電路是否閉合，感應(yīng)電動勢的做勻速切割磁感線運動時，不論電路是否閉合，感應(yīng)電動勢的大小只與磁感應(yīng)強度大小只與磁感應(yīng)強度B、導(dǎo)體長度、導(dǎo)體長度L、切割速度、切割速度v及及v和和

5、B方向間方向間夾角夾角的正弦值成正比，即的正弦值成正比，即e=BLvsin(為為B,L,v三者間通過互相三者間通過互相轉(zhuǎn)化兩兩垂直所得的角轉(zhuǎn)化兩兩垂直所得的角)。 在導(dǎo)體棒不切割磁感線時，但閉合回路中有磁通量變化時在導(dǎo)體棒不切割磁感線時，但閉合回路中有磁通量變化時，同樣能產(chǎn)生感應(yīng)電流。應(yīng)用楞次定律可以判斷電流方向。，同樣能產(chǎn)生感應(yīng)電流。應(yīng)用楞次定律可以判斷電流方向。（2 2）線圈做旋轉(zhuǎn)運動的傳感器：線圈做旋轉(zhuǎn)運動的傳感器： （類似于發(fā)電機）（類似于發(fā)電機）0090360 ,meifkENBA(cos )( )sinsind BAde tNNBANBAtdtdt 線圈面的法線方向與磁場方向夾角線

6、圈面的法線方向與磁場方向夾角角頻率。角頻率。為常數(shù)時，為常數(shù)時，=tN工作氣隙中線圈繞組的匝數(shù)工作氣隙中線圈繞組的匝數(shù)A線圈所包圍的面積線圈所包圍的面積結(jié)構(gòu)一定時，感應(yīng)電勢與線圈結(jié)構(gòu)一定時，感應(yīng)電勢與線圈對磁場的相對角速度成正比。對磁場的相對角速度成正比。7.1.1 磁電式傳感器的工作原理7.1.2 動圈式磁電傳感器7.1.3 磁阻式磁電傳感器磁阻式磁電傳感器7.1 磁電式傳感器7.1.3 磁阻式磁電傳感器 線圈和磁鐵部分都是靜止的，與被測物連接而運動的部分是用導(dǎo)磁材料制成的，在運動中，它們改變磁路的磁阻，因而改變貫穿線圈的磁能量，在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。用來測量轉(zhuǎn)速，線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢的頻

7、率作為輸出，而電勢的頻率取決于磁通變化的頻率。 結(jié)構(gòu)：開磁路、閉磁路 當(dāng)齒輪旋轉(zhuǎn)時，由齒輪的凹凸引起磁阻的周期性變化，磁通也周期磁通也周期 性變化，從而性變化，從而在線圈中感應(yīng)出交變電勢在線圈中感應(yīng)出交變電勢，其，其頻率頻率f與轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)速n及齒輪齒數(shù)及齒輪齒數(shù)z的關(guān)系的關(guān)系為：為：開磁路磁阻式轉(zhuǎn)速傳感器 1永久磁鐵永久磁鐵3感應(yīng)線圈感應(yīng)線圈2軟鐵軟鐵4齒輪齒輪 結(jié)構(gòu)比較簡單，但輸出信號較小，結(jié)構(gòu)比較簡單，但輸出信號較小，當(dāng)被測軸振動較大時，傳感器輸出波形失真較大。當(dāng)被測軸振動較大時，傳感器輸出波形失真較大。 /60fz n閉磁路磁阻式轉(zhuǎn)速傳感器 閉磁路閉磁路磁組式轉(zhuǎn)速傳感器磁組式轉(zhuǎn)速傳感器當(dāng)轉(zhuǎn)

8、軸連接到被測軸上轉(zhuǎn)動時，內(nèi)外齒輪的相對運動使磁路氣隙發(fā)生變化，因而磁阻發(fā)生變化并使貫穿于線圈中的磁通量變化，在線圈中感應(yīng)出電動勢。采用在振動強的場合，有下限工作頻率（50Hz ）傳感器的輸出電勢取決于線圈中磁場變化速度，5永久磁鐵永久磁鐵4感應(yīng)線圈感應(yīng)線圈3外齒輪外齒輪2內(nèi)齒輪內(nèi)齒輪1轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)軸7.2 壓電式傳感器7.2.1 壓電式傳感器的工作原理壓電式傳感器的工作原理7.2.2 等效電路及信號變換電路7.2.3 壓電式加速度傳感器7.2.4 壓電式測力傳感器壓電效應(yīng)：壓電效應(yīng)： 由法國物理學(xué)家居里兄弟皮埃爾、雅克于由法國物理學(xué)家居里兄弟皮埃爾、雅克于18801880年發(fā)現(xiàn)。年發(fā)現(xiàn)。正壓電效應(yīng)：

9、外力正壓電效應(yīng)：外力電荷電荷 當(dāng)晶體受到某固定方向外力的作用時當(dāng)晶體受到某固定方向外力的作用時, ,內(nèi)部就產(chǎn)生電極內(nèi)部就產(chǎn)生電極化現(xiàn)象化現(xiàn)象, ,同時在某兩個表面上產(chǎn)生符號相反的電荷；當(dāng)外力同時在某兩個表面上產(chǎn)生符號相反的電荷；當(dāng)外力撤去后，晶體又恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)；若外力作用方向改撤去后，晶體又恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)；若外力作用方向改變時，電荷的極性也隨之改變；晶體受力所產(chǎn)生的電荷量變時，電荷的極性也隨之改變；晶體受力所產(chǎn)生的電荷量與外力的大小成正比。與外力的大小成正比。逆壓電效應(yīng)：外加電場逆壓電效應(yīng)：外加電場機械形變機械形變 指對晶體施加電場引起晶體機械變形的現(xiàn)象，在撤掉指對晶體施加電場引起晶

10、體機械變形的現(xiàn)象，在撤掉外加電場時，這些物質(zhì)的機械變形隨之消失。外加電場時，這些物質(zhì)的機械變形隨之消失。7.2.1 壓電式傳感器的工作原理電勢型傳感器 以壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)壓電效應(yīng)可逆 “雙向傳感器”正壓電效應(yīng) 加力 變形 產(chǎn)生電荷逆壓電效應(yīng) 施加電場 電介質(zhì)產(chǎn)生變形 應(yīng)力 常見的壓電材料有石英、鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等。1. 石英晶體的壓電效應(yīng)X軸：電軸或軸：電軸或1軸；軸；Y軸：機械軸或軸：機械軸或2軸；軸；Z軸：光軸或軸：光軸或3軸。軸。 “縱向壓電效應(yīng)縱向壓電效應(yīng)”：沿電軸（：沿電軸（X軸）方向的力作用下產(chǎn)生電荷軸）方向的力作用下產(chǎn)生電荷“橫向壓電效應(yīng)橫向壓電效應(yīng)”：沿機械軸（：沿機械軸（Y軸）

11、方向的力作用下產(chǎn)生電荷軸）方向的力作用下產(chǎn)生電荷在光軸（在光軸（Z軸）方向時則不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。軸）方向時則不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。晶體切片 當(dāng)沿電軸方向加作用力Fx時，則在與電軸垂直的平面上產(chǎn)生電荷 xxFdQ11d11壓電系數(shù)（壓電系數(shù)（C/N） yyxFbadFbadQ1112作用力是沿著機械軸方向作用力是沿著機械軸方向電荷仍在與電荷仍在與X軸垂直的平面軸垂直的平面切片上電荷的符號與受力方向的關(guān)系 圖（圖（a）是在）是在X軸方向受壓力，軸方向受壓力，圖（圖（b）是在）是在X軸方向受拉力，軸方向受拉力，圖（圖（c）是在）是在Y軸方向受壓力，軸方向受壓力，圖（圖（d）是在）是在Y軸方向受拉力。軸方向受

12、拉力。石英晶體的壓電效應(yīng) （a）正負(fù)電荷是互相平衡的，所以外部沒有帶電現(xiàn)象。）正負(fù)電荷是互相平衡的，所以外部沒有帶電現(xiàn)象。（b）在）在X軸方向壓縮，表面軸方向壓縮，表面A上呈現(xiàn)負(fù)電荷、上呈現(xiàn)負(fù)電荷、B表面呈現(xiàn)正電荷。表面呈現(xiàn)正電荷。（c）沿）沿Y軸方向壓縮，在軸方向壓縮，在A和和B表面上分別呈現(xiàn)正電荷和負(fù)電荷表面上分別呈現(xiàn)正電荷和負(fù)電荷 石英晶體一種天然晶體，壓電系數(shù)d112.311012C/N；莫氏硬度為7、熔點為1750、膨脹系數(shù)僅為鋼的1/30。優(yōu)點： 轉(zhuǎn)換精度高、線性范圍寬、重復(fù)性好、固有頻率高、動態(tài)特性好、工作溫度高達(dá)550（壓電系數(shù)不隨溫度變化而改變）、工作濕度高達(dá)100%、穩(wěn)定性

13、好。2、壓電陶瓷的壓電效應(yīng)：(1) 壓電陶瓷介紹： 壓電陶瓷是一種具有壓電效應(yīng)的功能陶瓷。 人工制造、各向同性、多晶體。 原始的壓電陶瓷材料內(nèi)部具有無數(shù)自發(fā)極化的電疇，各電疇的極化方向無規(guī)則，不具備壓電性。 壓電陶瓷要經(jīng)極化處理之后才具有壓電性。直流電場E剩余極化強度P剩余伸長電場作用下的伸長(a)極化處理前(b)極化處理（取極化方向為Z軸方向）(c)極化處理后 極化處理后，大多數(shù)電疇仍大致沿原外電場方向排列，因而陶瓷內(nèi)部極化強度不為0，即存在剩余極化強度， 壓電陶瓷兩端出現(xiàn)束縛電荷，但整體上仍表現(xiàn)為電中性(2)極化處理：Z軸方向外加強直流電場10003000V/mm極化處理后壓電陶瓷整體上仍

14、表現(xiàn)為電中性： 極化處理內(nèi)部極化強度不為0兩端面出現(xiàn)正負(fù)束縛電荷； 束縛電荷陶瓷表面吸附自由電荷 自由電荷與束縛電荷數(shù)量相等、極性相反(3)壓電陶瓷的壓電效應(yīng)：壓電效應(yīng)： 沿極化方向施加外力 外力壓縮變形電疇偏轉(zhuǎn)極化強度減小釋放部分自由電荷。（放電） 外力撤消恢復(fù)原形電疇回轉(zhuǎn)極化強度增大吸附部分自由電荷。（充電）逆壓電效應(yīng)：沿極化方向施加電場 電場方向與極化方向相同： 極化強度增強正負(fù)束縛電荷間距變大極化方向伸長 電場方向與極化方向相反： 極化強度減弱正負(fù)束縛電荷間距變小極化方向縮短剩余極化強度剩余伸長壓電陶瓷的正壓電效應(yīng) 壓電陶瓷片上加上一個與極化反向平行的外力，陶瓷片將產(chǎn)生壓縮變形，原來吸

15、附在極板上的自由電荷，一部分被釋放而出現(xiàn)放電現(xiàn)象。當(dāng)壓力撤消后，陶瓷片恢復(fù)原狀，片內(nèi)的正、負(fù)電荷之間的距離變大，極化強度也變大，因此電極上又吸附部分自由電荷而出現(xiàn)充電現(xiàn)象。 放電電荷的多少與外力的大小成比例關(guān)系放電電荷的多少與外力的大小成比例關(guān)系 FdQ33常見壓電陶瓷 ：（1）鈦酸鋇（BaTiO3）壓電陶瓷 具有較高的壓電系數(shù)和介電常數(shù)，機械強度不如石英。（2）鋯鈦酸鉛Pb（ZrTi）O3系壓電陶瓷（PZT）壓電系數(shù)較高，各項機電參數(shù)隨溫度、時間等外界條件的 變化小，在鋯鈦酸鉛的基方中添加一兩種微量元素，可以 獲得不同性能的PZT材料。（3）鈮鎂酸鉛Pb(MgNb)O3-PbTiO3-PbZ

16、rO3壓電陶瓷（PMN）具有較高的壓電系數(shù)，在壓力大至700kg/cm2仍能繼續(xù)工 作，可作為高溫下的力傳感器。7.2 壓電式傳感器7.2.1 壓電式傳感器的工作原理7.2.2 等效電路及信號變換電路等效電路及信號變換電路7.2.3 壓電式加速度傳感器7.2.4 壓電式測力傳感器7.2.2 等效電路及信號變換電路1. 壓電元件的等效電路2. 壓電式傳感器的信號調(diào)節(jié)電路1. 壓電元件的等效電路hshsCra0aCQU 靜電荷發(fā)生器 ： 當(dāng)壓電元件受到外力作用時，會在壓電元件一定方向的兩個表面（電極面）上產(chǎn)生電量相等、極性相反的電荷。電容器：在壓電元件的兩個電極面上有電荷聚集，并且電極面間的物質(zhì)可

17、以等效為電介質(zhì)。壓電式傳感器的等效電路 (a)等效為一個電荷源等效為一個電荷源Q與一個電容與一個電容Ca并聯(lián)的電路并聯(lián)的電路 (b) 等效成一個電源等效成一個電源U = Q/Ca 和一個電容和一個電容Ca的串聯(lián)電路的串聯(lián)電路 兩個壓電片的聯(lián)接方式 （a） “并聯(lián)并聯(lián)”，Q=2Q，U=U，C=2C并聯(lián)接法輸出電荷大，本身電容大，時間常數(shù)大，并聯(lián)接法輸出電荷大，本身電容大，時間常數(shù)大，適宜用在測量慢變信號并且以電荷作為輸出量的地方，適宜用在測量慢變信號并且以電荷作為輸出量的地方，（b） “串聯(lián)串聯(lián)” Q=Q，U=2U，C=C/2而串聯(lián)接法輸出電壓大，本身電容小。而串聯(lián)接法輸出電壓大，本身電容小。適

18、宜用于以電壓作輸出信號，且測量電路輸入阻抗很高的地方。適宜用于以電壓作輸出信號，且測量電路輸入阻抗很高的地方。2. 壓電式傳感器的信號調(diào)節(jié)電路壓電式傳感器要求負(fù)載電阻RL必須有很大的數(shù)值，才能使測量誤差小到一定數(shù)值以內(nèi)。因此常先接入一個高輸入阻抗的前置放大器，然后再接一般的放大電路及其它電路。測量電路關(guān)鍵在高阻抗的前置放大器。前置放大器兩個作用:把壓電式傳感器的微弱信號放大；把傳感器的高阻抗輸出變換為低阻抗輸出。 前置放大器的形式：1、電壓放大器：輸出電壓與輸入電壓（傳感器輸出電壓）成正比；要求高輸入阻抗，以提高低頻段測量范圍。電纜長度應(yīng)設(shè)為常數(shù)（靈敏度易受電纜電容的影響）。2、電荷放大器：輸

19、出電壓與傳感器的輸出電荷成正比。輸出電壓與傳輸電纜長度無關(guān)（電纜電容影響小），適合長距離傳輸工作。 經(jīng)前置放大后，可采用一般放大、檢波、記錄等電路，或經(jīng)功率放大至記錄器。7.2 壓電式傳感器7.2.1 壓電式傳感器的工作原理7.2.2 等效電路及信號變換電路7.2.3 壓電式加速度傳感器壓電式加速度傳感器7.2.4 壓電式測力傳感器7.2.3 壓電式加速度傳感器壓縮式壓電加速度傳感器結(jié)構(gòu)壓縮式壓電加速度傳感器結(jié)構(gòu)測量原理當(dāng)傳感器感受振動時，質(zhì)量塊感受與傳感器基座相同的振動，并受到與加速度方向相反的慣性力的作用。這樣，質(zhì)量塊就有一正比于加速度的交變力作用在壓電片上。由于壓電片壓電效應(yīng)，兩個表面上

20、就產(chǎn)生交變電荷，當(dāng)振動頻率遠(yuǎn)低于傳感器的固有頻率時，傳感器的輸出電荷（電壓）與作用力成正比，亦即與試件的加速度成正比。輸出電量由傳感器輸出端引出，輸入到前置放大器后就可以用普通的測量儀器測出試件的加速度，如在放大器中加進(jìn)適當(dāng)?shù)姆e分電路，就可以測出試件的振動速度或位移。7.2 壓電式傳感器7.2.1 壓電式傳感器的工作原理7.2.2 等效電路及信號變換電路7.2.3 壓電式加速度傳感器7.2.4 壓電式測力傳感器壓電式測力傳感器7.2.4 壓電式測力傳感器 壓電元件是直接把力轉(zhuǎn)換為電荷的傳感器。變形方式：利用縱向壓電效應(yīng)的TE方式最簡便。材料選擇：決定于所測力的量值大小，對測量誤差提 出的要求、工作環(huán)境溫度等各種因素。晶片數(shù)目：通常是使用機械串聯(lián)而電氣并聯(lián)的兩片。晶片電氣并聯(lián)兩片，可以使傳感器的電荷 輸出靈敏度增大一倍。單向壓電式測力