第5章電動(dòng)勢(shì)傳感器第一頁，共71頁。5.1磁電感應(yīng)式傳感器

簡稱感應(yīng)式傳感器，也稱電動(dòng)式傳感器。利用磁電作用將被測(cè)物理量的變化轉(zhuǎn)變?yōu)楦袘?yīng)電動(dòng)勢(shì)，是一種機(jī)－電能量變換型傳感器。

優(yōu)點(diǎn)：輸出功率大，性能穩(wěn)定，且不需要工作電源。調(diào)理電路簡單，性能穩(wěn)定，輸出阻抗小，具有一定頻率響應(yīng)（一般10～1000Hz），靈敏度較高，一般不需要高增益放大器。缺點(diǎn)：傳感器的尺寸和重量都較大。

應(yīng)用：適用于振動(dòng)、轉(zhuǎn)速、扭矩等測(cè)量。第二頁，共71頁。5.1.1工作原理

N匝線圈在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)切割磁力線或線圈所在磁場(chǎng)的磁通變化時(shí)，線圈中所產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e的大小決定于穿過線圈的磁通量Φ的變化率，即：如:當(dāng)線圈垂直于磁場(chǎng)方向運(yùn)動(dòng)以速度v切割磁力線時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為：ｅ=－Ndφ/dt式中：l－每匝線圈的平均長度；B－線圈所在磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度。ｅ=－NBlv引起dφ/dt變化的因素：①線圈切割磁力線----恒定磁通式（動(dòng)圈式和動(dòng)鐵式）；②Φ=BS，磁場(chǎng)強(qiáng)度B改變----變磁通式（磁阻式）。第三頁，共71頁。磁電感應(yīng)式動(dòng)圈式磁阻式線速度型角速度型N變磁通式恒定磁通式動(dòng)磁式閉磁路開磁路5.1.2磁電感應(yīng)式傳感器的類型第四頁，共71頁。

下圖(b)為閉磁路變磁通式傳感器結(jié)構(gòu)示意圖，被測(cè)轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)橢圓形測(cè)量齒輪在磁場(chǎng)氣隙中等速轉(zhuǎn)動(dòng)，使氣隙平均長度周期性變化，因而磁路磁阻也周期性變化，磁通同樣周期性變化，則在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，其頻率f與測(cè)量齒輪轉(zhuǎn)速n(r/min)成正比，即f=n/30。圖(a)為開磁路變磁通式傳感器結(jié)構(gòu)示意圖，1、變磁通式磁電傳感器第五頁，共71頁。測(cè)速電機(jī)第六頁，共71頁。磁電式車速傳感器磁阻式傳感器

第七頁，共71頁。

圖5.3和圖5.4分別為動(dòng)圈式和動(dòng)磁式的結(jié)構(gòu)原理圖。組成：金屬骨架1、彈簧2、線圈3、永久磁鐵4和導(dǎo)磁殼體5等。特征：這種結(jié)構(gòu)磁路系統(tǒng)產(chǎn)生恒定的直流磁場(chǎng)，磁路氣隙不變，氣隙中磁通也不變，運(yùn)動(dòng)部件可以是磁鐵，也可以是線圈。兩者工作原理完全相同。圖5.3動(dòng)圈式圖5.4動(dòng)鐵（磁）式2、恒定磁通式磁電傳感器第八頁，共71頁。

圖5.3。當(dāng)線圈在垂直于磁場(chǎng)方向作直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，若線圈相對(duì)磁場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)速度為v，則所產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)：

e=－BlＮ０v式中：l——每匝線圈的平均長度；

B——線圈所在磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度；

Ｎ０——線圈有效匝數(shù)。

當(dāng)傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)確定后，B、l、N０均為定值，故感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e與線圈相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度v成正比，所以這類傳感器的基本形式是速度型傳感器，能直接測(cè)量線速度。第九頁，共71頁。5.1.3特性分析

磁電感應(yīng)式傳感器是慣性式拾振器，適用于測(cè)量動(dòng)態(tài)物理量，因此動(dòng)態(tài)特性是這種傳感器的主要性能。其等效電路如下(L傳感器線圈電感、Ｒ線圈電阻)第十頁，共71頁。

若在其測(cè)量電路中接入積分電路或微分電路，那么還可以用來測(cè)量位移或加速度。由上述工作原理可知，磁電感應(yīng)式傳感器只適用于動(dòng)態(tài)測(cè)量。

第十一頁，共71頁。1、磁電式振動(dòng)速度傳感器

CD/BCD-21系列利用線圈在永久磁場(chǎng)中作切割磁力線運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生與振動(dòng)速度成正比的電壓信號(hào)。經(jīng)放大，微分或積分運(yùn)算可測(cè)振動(dòng)速度、加速度或位移。靈敏度高難度、內(nèi)阻低。在機(jī)械振動(dòng)測(cè)試中被廣泛采用。為使用方便，配有CZ-3磁座。

5.1.4磁電感應(yīng)式傳感器應(yīng)用

第十二頁，共71頁。型號(hào)CD-1CD-2CD-4CD-7-C

CD-7-SCD-8-FCD-21-2-C

CD-21-2-SBCD-21靈敏度mv/μm600300600600，6000>20200,280290頻率范圍Hz10～5002～5002～3000.5～202～50010～100010～1000最大可測(cè)位移±1mm±1.5mm±7.5mm±6mm

±1mm±1mm最大可測(cè)

加速度m/s250100100<10

500(沖擊）500(沖擊)線性度(%)5555555測(cè)量方式絕對(duì)相對(duì)相對(duì)絕對(duì)非接觸絕對(duì)絕對(duì)尺寸(mm)φ45×135φ50×170φ65×17070×70×130φ22×55φ35×70φ60×115應(yīng)用范圍穩(wěn)態(tài)穩(wěn)態(tài)穩(wěn)態(tài)低頻轉(zhuǎn)速監(jiān)視用防爆型號(hào)及技術(shù)參數(shù)第十三頁，共71頁。

圖5.8為CD-1型振動(dòng)速度傳感器結(jié)構(gòu)圖。磁路系統(tǒng)：永久磁鐵3用鋁架4支撐，與殼體7固定在一起；工作線圈6和環(huán)行阻尼器2用心軸5連在一起組成質(zhì)量塊，由彈簧1、8支撐在殼體上。測(cè)試時(shí)，用磁性表座固定并夾緊傳感器下端。第十四頁，共71頁。2、磁電式轉(zhuǎn)速傳感器

圖5.9所示，磁路系統(tǒng)----永久磁鐵3+定子5+轉(zhuǎn)子2+氣隙轉(zhuǎn)子2的齒與定子5的齒相對(duì)時(shí)，氣隙最小，磁阻最?。ù磐孔畲螅┺D(zhuǎn)子2的齒與定子5的槽相對(duì)時(shí)，氣隙最大，磁通量最小。第十五頁，共71頁。磁電感應(yīng)式扭矩儀工作原理圖磁電傳感器測(cè)量儀表齒形圓盤扭轉(zhuǎn)軸磁電傳感器213、磁電感應(yīng)式扭矩儀由永久磁鐵、線圈、彈性元件和齒狀盤組成。測(cè)量扭矩時(shí)，將其轉(zhuǎn)軸固定在被測(cè)軸兩端，由兩個(gè)磁電式傳感器讀出扭轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)角后的信號(hào)，再作信號(hào)分析、處理，可求出扭轉(zhuǎn)角。第十六頁，共71頁。檢測(cè)原理如下：受扭矩M作用，軸產(chǎn)生的變形角φ為：則兩感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)相位差φ0與扭角φ的關(guān)系為：式中：Z為齒盤齒數(shù)。角度放大了Z倍，只要檢測(cè)出φ0就能求出扭角φ。第十七頁，共71頁。圖5.11電磁流量傳感器的原理示意圖4、磁流量傳感器利用導(dǎo)體切割磁力線，會(huì)在導(dǎo)體中產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的原理來工作的。需注意：所測(cè)流體必須為導(dǎo)體。如酸、堿溶液等。第十八頁，共71頁。5.2霍爾傳感器

基于霍爾效應(yīng)，將被測(cè)量（如電流、磁場(chǎng)、位移、壓力、壓差、轉(zhuǎn)速等）轉(zhuǎn)換成電動(dòng)勢(shì)輸出的一類傳感器。

優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、堅(jiān)固、體積??；頻率響應(yīng)寬，動(dòng)態(tài)范圍（輸出電動(dòng)勢(shì)的變化）大；無觸點(diǎn)，壽命長，可靠性高，易于微型化和集成化。

缺點(diǎn)：轉(zhuǎn)換率較低，溫度影響大，要求轉(zhuǎn)換精度較高時(shí)必須進(jìn)行溫度補(bǔ)償。第十九頁，共71頁。SS500系列表面貼裝霍爾效應(yīng)傳感器SS94B1系列線性位置傳感器

霍爾接近開關(guān)

半導(dǎo)體磁性傳感器

各類霍爾傳感器產(chǎn)品

產(chǎn)品

第二十頁，共71頁。

金屬或半導(dǎo)體薄片置于磁場(chǎng)中，當(dāng)有電流流過時(shí)，在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向上將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，這種物理現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。敏感元件也稱霍爾元件。

圖5.12霍爾效應(yīng)原理圖5.2.1霍爾效應(yīng)第二十一頁，共71頁。霍爾電勢(shì)的計(jì)算：式中：n---N型半導(dǎo)體材料中的電子密度；d---霍爾片的厚度；

e---電子的電荷量，e＝1.602×10-19C；

RH---霍爾系數(shù)，RH＝－1/(ne)，由載流材料物理性質(zhì)決定；

ＫH----霍爾元件的靈敏度系數(shù)，與材料的物理性質(zhì)和幾何尺寸有關(guān)。ＫＨ＝RH／d。

I----控制電流的大?。?/p>

B----磁感應(yīng)強(qiáng)度；若磁場(chǎng)與霍爾片法線方向夾角θ≠0，則：第二十二頁，共71頁。5.2.2霍爾元件結(jié)構(gòu)及其特性分析①霍爾元件選材：N型鍺---霍爾系數(shù)、溫度性能、線性度好；P型硅---線性度最好，但帶負(fù)載能力較差。②霍爾元件結(jié)構(gòu)和外形見附圖a：由霍爾片、4根引線和殼體組成?；魻柶笮。?mm×2mm×0.1mm4根引線:2根控制電流端引線（紅色導(dǎo)線），要求焊接處歐姆接觸----接觸面積大、電阻小，呈純電阻。2根霍爾電勢(shì)輸出引線以點(diǎn)接觸對(duì)焊（綠色線）。③簡化符號(hào)見附圖2.１.

霍爾元件材料和結(jié)構(gòu)第二十三頁，共71頁。附圖１外形與結(jié)構(gòu)第二十四頁，共71頁。

霍爾元件的主要技術(shù)參數(shù)有：

１）靈敏度KH:

B=1，I=1時(shí)的UH。２）輸入、輸出電阻：控制電流極間的電阻、霍爾電壓極間的電阻。３）額定控制電流：在空氣中使霍爾元件產(chǎn)生10℃溫升的控制電流。４）不等位電勢(shì)與不等位電阻(后面詳述)５）寄生直流電勢(shì)：當(dāng)B=0時(shí)，在控制電流作用下的輸出電勢(shì)。６）感應(yīng)零電勢(shì)：當(dāng)I=0時(shí)，在交變或脈動(dòng)磁場(chǎng)中輸出的電勢(shì)。７）霍爾電勢(shì)溫度系數(shù)８）電阻溫度系數(shù)：９）靈敏度溫度系數(shù)：溫度每變化1℃時(shí)霍爾元件靈敏度KH的變化率。10)線性度：２、霍爾元件的主要技術(shù)參數(shù)第二十五頁，共71頁。包括以下三方面：１）控制電流與輸出之間的關(guān)系（UH

–I特性）

UH=KHIB，當(dāng)磁場(chǎng)和環(huán)境溫度一定，UH–I為線性關(guān)系。3、霍爾元件的電磁特性２）霍爾輸出與磁場(chǎng)之間的關(guān)系（UH–B特性）當(dāng)控制電流一定時(shí)，霍爾元件開路輸出與B并不是完全線性關(guān)系。３）霍爾元件輸入或輸出電阻與磁場(chǎng)之間關(guān)系（R–B特性）霍爾元件的內(nèi)阻隨磁場(chǎng)的絕對(duì)值增加而加大—磁阻效應(yīng)；霍爾元件的磁阻效應(yīng)使霍爾輸出降低，尤其在強(qiáng)磁場(chǎng)時(shí)。第二十六頁，共71頁。5.2.3霍爾元件的基本驅(qū)動(dòng)電路

霍爾元件的基本驅(qū)動(dòng)電路如圖所示，電路比較簡單，其中R用來調(diào)節(jié)控制電流，RL為負(fù)載電阻。

第二十七頁，共71頁。

其中：恒壓驅(qū)動(dòng)電路簡單，但性能較差，隨著磁感應(yīng)強(qiáng)度增加，線性變壞，僅用于精度要求不太高的場(chǎng)合；

恒流驅(qū)動(dòng)線性度高，精度高，受溫度影響小。

（a）恒流驅(qū)動(dòng)（b）恒壓驅(qū)動(dòng)霍爾元件可采用兩種方式：恒流驅(qū)動(dòng)或恒壓驅(qū)動(dòng)第二十八頁，共71頁。5.2.4霍爾元件的誤差分析及補(bǔ)償

由于制造工藝問題以及實(shí)際使用時(shí)各種影響霍爾元件性能的因素，如元件安裝不合理、環(huán)境溫度變化等，都會(huì)影響霍爾元件的轉(zhuǎn)換精度，帶來誤差。不等位電動(dòng)勢(shì)零位誤差霍爾元件誤差產(chǎn)生的主要原因：寄生直流電動(dòng)勢(shì)溫度誤差感應(yīng)零電勢(shì)第二十九頁，共71頁。

霍爾元件的零位誤差包括不等位電勢(shì)、寄生直流電勢(shì)和感應(yīng)零電勢(shì)等，其中不等位電勢(shì)是最主要的零位誤差。要降低除了在工藝上采取措施以外，還需采用補(bǔ)償電路加以補(bǔ)償。

1、霍爾元件的零位誤差及其補(bǔ)償?shù)谌?，?1頁。（a）兩電極點(diǎn)不在同一等位面上（b）等位面歪斜圖5.17霍爾元件不等位電勢(shì)示意圖（1）不等位電勢(shì)及其補(bǔ)償不等位電動(dòng)勢(shì)：當(dāng)霍爾元件在額定控制電流作用下，不加外磁場(chǎng)（B=0）時(shí)，霍爾元件輸出端之間的空載電動(dòng)勢(shì)。不等位電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的原因：見圖5.17。第三十一頁，共71頁?；魻栐牡刃щ娐罚嚎傻刃樗谋垭姌颍ㄏ聢Da）。零位誤差補(bǔ)償方法：①制造工藝上采取措施，減少誤差；②選材更精細(xì)；③采用補(bǔ)償電路（圖5.17b）第三十二頁，共71頁。當(dāng)霍爾元件通以交流控制電流而不加外磁場(chǎng)(B=0)時(shí)，霍爾輸出除了交流不等位電動(dòng)勢(shì)外，還有直流電動(dòng)勢(shì)分量，稱為寄生直流電動(dòng)勢(shì)。產(chǎn)生原因：由于元件的兩對(duì)電極不是完全歐姆接觸而形成整流效應(yīng)，以及兩個(gè)霍爾電極的焊點(diǎn)大小不等、熱容量不同引起溫差所產(chǎn)生的。它隨時(shí)間而變化，導(dǎo)致輸出漂移。因此在元件制作和安裝時(shí)，應(yīng)盡量使電極歐姆接觸，并做到散熱均勻，有良好的散熱條件。（2）寄生直流電動(dòng)勢(shì)第三十三頁，共71頁。2、霍爾元件的溫度誤差及其補(bǔ)償①采用恒流源供電和輸入回路并聯(lián)電阻

圖5.18溫度補(bǔ)償電路α--霍爾元件靈敏度溫度系數(shù)；β--霍爾元件的電阻溫度系數(shù)；r0--霍爾元件的初始輸入電阻．

霍爾元件的r0、α和β均可在產(chǎn)品說明書中查到。通常α>>β，所以上式可簡化為：第三十四頁，共71頁。②合理選取負(fù)載電阻RL的阻值

當(dāng)霍爾元件接有負(fù)載RL時(shí)，如右圖示，在RL上的電壓為：式中：RO0--溫度T=T0時(shí)，霍爾元件的輸出電阻；其他符號(hào)含義如前相同。為使負(fù)載上的電壓不隨溫度而變化，應(yīng)使dUL/d(T－T0)＝0，即：第三十五頁，共71頁。③采用恒壓源和輸入回路串聯(lián)電阻

當(dāng)霍爾元件采用穩(wěn)壓電源供電，且霍爾元件輸出開路狀態(tài)下工作時(shí)，可在輸入回路中串入適當(dāng)?shù)碾娮鑱硌a(bǔ)償溫度誤差。其分析過程與結(jié)果同式（5.17）。第三十六頁，共71頁。④采用溫度補(bǔ)償元件（如熱敏電阻、電阻絲等）

圖a)、b)、c)為霍爾元件具有負(fù)溫度系數(shù)（溫度升高，輸出減?。r(shí)的補(bǔ)償電路。圖d)為霍爾元件具有正溫度系數(shù)時(shí)的補(bǔ)償電路。第三十七頁，共71頁。⑤采用橋路補(bǔ)償電路

圖中RP用來補(bǔ)償不等位電勢(shì)，RX是熱敏電阻，在霍爾元件輸出端串接溫度補(bǔ)償電橋。若將霍爾元件與放大電路、溫度補(bǔ)償電路等集成在一起制成集成霍爾傳感器，則性能優(yōu)良、使用方便、體積小、成本低，輸出功率大和輸出電壓高，應(yīng)用比較廣泛。橋路輸出隨溫度變化的補(bǔ)償電壓，與霍爾元件輸出的電壓相加作為傳感器的輸出。第三十八頁，共71頁。5.2.5霍爾傳感器的應(yīng)用

霍爾元件具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、頻帶寬、動(dòng)態(tài)特性好和壽命長等許多優(yōu)點(diǎn)，因而得到廣泛應(yīng)用。在電磁測(cè)量中，用它測(cè)量恒定或交變磁感應(yīng)強(qiáng)度、有功功率、無功功率、相位、電能等參數(shù)；在自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)中，多用于位移、壓力和轉(zhuǎn)速測(cè)量。

第三十九頁，共71頁。

圖5.20UGN3501M內(nèi)部框圖

圖5.21

霍爾磁感應(yīng)強(qiáng)度測(cè)量電路電壓表穩(wěn)壓1、霍爾磁感應(yīng)強(qiáng)度測(cè)量儀第四十頁，共71頁。

當(dāng)電流流過導(dǎo)線時(shí)，將在導(dǎo)線周圍產(chǎn)生磁場(chǎng)，磁場(chǎng)大小與流過導(dǎo)線的電流大小成正比，這一磁場(chǎng)可以通過軟磁材料來聚集，然后用霍爾器件進(jìn)行檢測(cè)。2、霍爾傳感器測(cè)電流(a)第四十一頁，共71頁。圖5.23霍爾開關(guān)電子點(diǎn)火器霍爾傳感器磁鋼圖5.22數(shù)顯霍爾電流表2、霍爾傳感器測(cè)電流(b)IC1為A/D轉(zhuǎn)換器,內(nèi)含液晶顯示驅(qū)動(dòng)電路。第四十二頁，共71頁。3、霍爾開關(guān)電子點(diǎn)火器圖5.23霍爾開關(guān)電子點(diǎn)火器霍爾傳感器

磁鋼第四十三頁，共71頁。4、霍爾元件在直流無刷電機(jī)中的應(yīng)用圖5.24直流無刷電機(jī)霍爾開關(guān)電子換向H1~H4為開關(guān)型霍爾元件第四十四頁，共71頁。5、霍爾傳感器測(cè)位移第四十五頁，共71頁。6、汽車速度測(cè)量第四十六頁，共71頁。5.3壓電式傳感器壓電式傳感器的工作原理是以某些晶體材料的壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)，在外力作用下，在晶體材料的表面上能產(chǎn)生電荷，從而實(shí)現(xiàn)非電量轉(zhuǎn)換和測(cè)量。壓電傳感元件是力敏感元件，所以它能測(cè)量最終能變換為力的那些物理量，例如力、壓力、加速度等。第四十七頁，共71頁。壓電式傳感器具有許多優(yōu)點(diǎn)：體積小、結(jié)構(gòu)簡單，固有頻率高、響應(yīng)頻帶寬、靈敏度和信噪比高。近年由于電子技術(shù)的發(fā)展，與之配套的二次儀表以及低噪聲、小電容、高絕緣電阻電纜的出現(xiàn)，使壓電傳感器的使用更為方便。因此，在工程力學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、石油勘探、聲波測(cè)井、電聲學(xué)等許多技術(shù)領(lǐng)域中獲得了廣泛的應(yīng)用。缺點(diǎn)：一般無靜態(tài)輸出，要求測(cè)量電路有高輸出阻抗、電纜電容要低等，工作溫度較低<250℃。第四十八頁，共71頁。5.3.1壓電效應(yīng)與壓電材料正壓電效應(yīng)----某些晶體（壓電材料）（如石英sio2，鈦酸鋇等），在受到外力作用時(shí)，不僅幾何尺寸發(fā)生變化，而且內(nèi)部極化，表面上有電荷出現(xiàn)，形成電場(chǎng)，當(dāng)外力去掉，表面又恢復(fù)到原來狀態(tài)的現(xiàn)象。具有這種性質(zhì)的材料稱為壓電材料。逆壓電效應(yīng)機(jī)械能正壓電效應(yīng)電能逆壓電效應(yīng)（電致伸縮效應(yīng)）---若把壓電材料放置在電場(chǎng)中，則在一定方向上其幾何尺寸發(fā)生變形；當(dāng)外電場(chǎng)撤去，該電場(chǎng)隨之消失。這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)。所以說壓電傳感器是一種可逆型換能器。機(jī)械能←→電能。第四十九頁，共71頁。

自然界大多數(shù)晶體材料都具有壓電效應(yīng)，作為敏感材料，主要考慮以下性能：壓電常數(shù)d大；機(jī)械強(qiáng)度、剛度高；高電阻率和大介電系數(shù)；具有較高的居里點(diǎn)（壓電效應(yīng)不明顯時(shí)的溫度）；對(duì)時(shí)間穩(wěn)定性好，等。目前有四類可供選擇的壓電材料：①單晶體（壓電單晶體）②多晶體（壓電陶瓷）③壓電半導(dǎo)體材料④有機(jī)高分子壓電材料第五十頁，共71頁。ZXY(a)(b)石英晶體(a)理想石英晶體的外形(b)坐標(biāo)系ZYX

石英晶體具有壓電效應(yīng)，是由其內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定的。天然結(jié)構(gòu)石英晶體的理想外形是一個(gè)正六面體，在晶體學(xué)中它可用三根互相垂直的軸來表示，其中：

Ｙ軸--機(jī)械軸。在電場(chǎng)中，沿該軸機(jī)械變形最明顯；

Ｘ軸--稱為電軸，垂直此軸的面上，壓電效應(yīng)最強(qiáng)；

Ｚ軸--中性軸，該方向無壓電效應(yīng)，用光學(xué)方法確定該軸，故稱為光軸。第五十一頁，共71頁。圖5.26石英晶體的切片

通常把沿電軸X方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為“縱向壓電效應(yīng)”，而把沿機(jī)械軸Y方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為“橫向壓電效應(yīng)”。

晶體的許多特性取決于晶體的方向。為了利用石英晶體的壓電效應(yīng)，需將晶體沿一定方向切割成晶片。方法很多，常用的是X切和Y切。X切Y切第五十二頁，共71頁。

石英晶片受壓力或拉力時(shí)，電荷的極性如下圖所示。

a)b)c)d)圖5.27晶片受力方向與電荷極性的關(guān)系Ｘ切：厚度邊//X軸，長度邊//Y軸，寬度邊//Z軸。Ｙ切：厚度邊//Y軸，長度邊//X軸，寬度邊//Z軸。第五十三頁，共71頁。多晶體（壓電陶瓷）

壓電陶瓷屬于鐵電體物質(zhì)，是人工制造的多晶壓電材料。將原料粉碎、碾磨和成型，在1000℃以上燒結(jié)而成。它具有類似鐵磁材料磁疇結(jié)構(gòu)的電疇結(jié)構(gòu)。電疇是分子自發(fā)形成的區(qū)域，它有一定的極化方向，從而存在一定的電場(chǎng)。在無外電場(chǎng)作用時(shí)，各個(gè)電疇在晶體上雜亂分布，它們的極化效應(yīng)被相互抵消，因此原始的壓電陶瓷內(nèi)極化強(qiáng)度為零，見圖（a）。

(a)極化處理前(b)極化處理中(c)極化處理后

剩余極化強(qiáng)度直流電場(chǎng)E剩余伸長電場(chǎng)作用下的伸長第五十四頁，共71頁。機(jī)械能與電能轉(zhuǎn)換關(guān)系用壓電方程來描述。壓電方程。有多種形式，常用的形式為：

Ｑ＝dF(5.19)式中：F--壓電元件所受外力；Q----相應(yīng)表面產(chǎn)生的電荷。

d--壓電系數(shù)（與壓電材料、切面方向有關(guān)）

此式的物理表現(xiàn)為：當(dāng)壓電元件受到外力F作用時(shí)，在相應(yīng)的表面會(huì)產(chǎn)生電荷。第五十五頁，共71頁。5.3.2工作原理

沿一定的方向，將壓電晶體切成一定尺寸的長方體，表面再鍍上金屬膜，如圖5.28，這便形成了常用壓電式傳感器的敏感元件--壓電晶片。當(dāng)壓電晶片受到壓力的作用時(shí)，分別在兩個(gè)極板上積聚數(shù)量相等而極性相反的電荷。因此，壓電傳感器可以看作是一個(gè)電荷發(fā)生器，也可以看成是一個(gè)電容器。第五十六頁，共71頁。式中：h—壓電片厚度；S—極板面積；

ε—相對(duì)介質(zhì)介電常數(shù)；

ε0

—真空中的介電常數(shù)，其值為8.85×10-12

F/m；

εr

—壓電材料的相對(duì)介電常數(shù)，隨材料不同而變。其電容量Ｃa為:這樣，可把壓電晶片等效成一個(gè)與電容相并聯(lián)的電荷源，圖5.29a，也可以等效為一個(gè)電壓源，Ua=Q/Ca，圖5.29b。a)電荷源b)電壓源

圖5.29壓電晶片的等效電路

第五十七頁，共71頁。

壓電傳感器與測(cè)量儀表聯(lián)接時(shí)，還必須考慮電纜電容CC，放大器的輸入電阻Ri和輸入電容Ci以及傳感器的泄漏電阻Ra。下圖畫出了壓電傳感器完整的等效電路。a)電荷源b)電壓源圖5.30壓電晶片測(cè)試系統(tǒng)的等效電路Ua第五十八頁，共71頁。

實(shí)際設(shè)計(jì)中，壓電晶片常用兩片或多片組合在一起使用。由于壓電材料是有極性的，因此存在并聯(lián)和串聯(lián)兩種接法。①并聯(lián)接法（如圖a）特征：兩壓電晶片的結(jié)構(gòu)形式不同，上、下兩極板通過導(dǎo)線連接，兩片晶片中間一般加銅片或銀片作為引出電極。并聯(lián)接法輸出電荷大，本身電容大，因此時(shí)間常數(shù)也大，適用于測(cè)量緩變信號(hào)，并以電荷量作為輸出的場(chǎng)合。第五十九頁，共71頁。②串聯(lián)接法（如圖b）

特征：兩壓電晶片的結(jié)構(gòu)形式相同，引線分別從兩片壓電晶片引出。上晶片負(fù)電荷和下晶片正電荷相消。串聯(lián)接法輸出電壓高，本身電容小，適用于以電壓作為輸出量以及測(cè)量電路輸入阻抗很高的場(chǎng)合。另外需注意：壓電元件在壓電式傳感器中，必須有一定的預(yù)應(yīng)力，這樣可以保證在作用力變化時(shí)，壓電片始終受到壓力，同時(shí)也保證了壓電片的輸出與作用力的線性關(guān)系。

第六十頁，共71頁。5.3.3測(cè)量電路

壓電式傳感器的內(nèi)阻很高，輸出電信號(hào)很微弱，通常應(yīng)把傳感器信號(hào)先輸入到高輸入阻抗的前置放大器中，經(jīng)過阻抗變換后，方可輸入到后續(xù)顯示儀表中。壓電傳感器要求測(cè)量電路的前級(jí)輸入端要有足夠高的阻抗，這樣才能防止電荷迅速泄漏而使測(cè)量誤差變大。前置放大器有兩個(gè)作用：①把傳感器的高阻抗輸出變換為低阻抗輸出；②把傳感器的微弱信號(hào)進(jìn)行放大。用于壓電傳感器的前置放大器也有兩種形式：電壓放大器：其輸出電壓與輸入電壓（傳感器輸出電壓）成正比；電荷放大器：其輸出電壓與輸入電荷（傳感器輸出電荷）成正比。第六十一頁，共71頁。１、電荷放大器

電荷放大器實(shí)際上是一個(gè)具有反饋電容的高增益運(yùn)算放大器。下圖是壓電傳感器與電荷放大器連接的等效電路。圖中CF和RF分別為放大器的反饋電容、電阻。圖5.32壓電傳感器與電荷放大器連接等效電路第六十二頁，共71頁。當(dāng)運(yùn)算放大器的放大倍數(shù)Ａ足夠大，而且當(dāng)工作頻率足夠高時(shí)，輸出電壓為：U0≈Q/CF

（5.21）輸出電壓U0只取決于Q和CF。

壓電元件本身的電容大小和電纜長短將不影響或極少影響電荷放大器的輸出----這就是電荷放大器的突出優(yōu)點(diǎn)之一。不加證明，直接給出電荷放大器的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)：電荷放大器的低頻截止頻率是電壓放大器的1/A，而A較大，顯然電荷放大器的低頻截止頻率遠(yuǎn)比電壓放大器低很多。第六十三頁，共71頁。

a)b)

壓電傳感器接電壓放大器的等效電路２、電壓放大器

壓電傳感器接電壓放大器的等效電路如下圖a所示。圖b是壓電晶片簡化后的等效電路。其中，ui為電壓放大器輸入電壓；R=Ra//Ri

;C=CC+Ci；ua=Q/Ca

。如果壓電傳感器受交變力：f=Fmsinωt

則在壓電元件上產(chǎn)生的電壓為：(d為壓電