1、4 電容式傳感器,一. 電容式傳感器(Capacitance-type sensor) 電容式傳感器是以各種類型的電容器作為傳感器元件，通過(guò)電容式傳感器元件將被測(cè)物理量的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化，再經(jīng)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為電壓、電流或頻率以達(dá)到檢測(cè)目的的一種傳感器。因此，凡是能引起電容量變化的有關(guān)非電量，均可用電容式傳感器進(jìn)行檢測(cè)。 二. 電容式傳感器的檢測(cè)對(duì)象 其主要檢測(cè)對(duì)象為：位移、振動(dòng)、角度、加速度等機(jī)械量及壓力、差壓、液面、料面、成份含量等熱工參量。,電容式傳感器的主要優(yōu)點(diǎn)為： 1. 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、適應(yīng)性強(qiáng)。 2. 需要的動(dòng)作能量低，動(dòng)態(tài)響應(yīng)好。 3. 靈敏度高。 4. 動(dòng)態(tài)響應(yīng)快。 5. 適應(yīng)性強(qiáng)

2、。 6. 自熱效應(yīng)小，溫度穩(wěn)定性好。 7. 可實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量、具有平均效應(yīng)。 電容式傳感器的主要缺點(diǎn)有如下三點(diǎn)： 1. 寄生電容的影響較大。 2. 輸出特性具有非線性。 3. 小功率、高阻抗。,三. 電容式傳感器的主要優(yōu)缺點(diǎn),四. 電容式傳感器的工作原理,電容式傳感器的基本工作原理如圖 4.4.1所示。 平板式電容器由兩個(gè)金屬極板構(gòu)成。 在兩極板間加上電壓，電極上就貯存有 電荷，電容器即為一種貯存電場(chǎng)能的元 件。設(shè)兩極板相互覆蓋的有效面積為 S(m2)，兩極板間距離為(m)，極板間 介質(zhì)的介電常數(shù)與相對(duì)介電常數(shù)分別為 (Fm-1)與r，真空介電常數(shù)為0 (8.8510-12Fm-1)，在忽略電

3、容器的邊緣 效應(yīng)時(shí)，平板電容器的電容量為,C=S/=r0S/=f(,S,) (4.4.1),圖4.4.1 平板電容器,由此可見(jiàn)，電容量是、S、的三元函數(shù)，當(dāng)、S、某一個(gè)或幾個(gè)參數(shù)發(fā)生變化，都會(huì)引起電容量C的變化，從而使輸出電壓或電流發(fā)生變化。實(shí)際制作電容式傳感器時(shí)，常使、S、三個(gè)參數(shù)中的兩個(gè)保持不變，僅改變其中的一個(gè)參數(shù)，且使變化的參數(shù)與被測(cè)量之間存在一定的函數(shù)關(guān)系，那么被測(cè)量的變化就可直接由電容量的變化反映出來(lái)。這就是電容式傳感器的基本工作原理。,五. 電容式傳感器的分類及結(jié)構(gòu),根據(jù)上述基本工作原理一般可制成三種類型。 1. 變極距(變間隙)式電容傳感器 。 2. 變面積式電容傳感器。 3.

4、 變介電常數(shù)式電容傳感器。,圖4.4.2 電容式傳感器常見(jiàn)結(jié)構(gòu)形式,六. 電容式傳感器的靜態(tài)特性,1. 變極距(變間隙)式電容傳感器 由式(4.4.1)可知，當(dāng)極距(極板間距)因被測(cè)量變化而引起改變量時(shí)，電容變化量為,(4.4.2),其中C0為極距為時(shí)的初始電容量。由(4.4.2)可知，變極距型電容式傳感器存在著原理上的非線性誤差，實(shí)際應(yīng)用時(shí)，如同電感式傳感器一樣，常利用差動(dòng)式結(jié)構(gòu)來(lái)改善其非線性誤差。,2. 變面積式電容傳感器,對(duì)于變面積式平板形結(jié)構(gòu)電容傳感器，假設(shè)忽略極距的影響及邊緣效應(yīng)，則如圖4.4.3(a)所示線位移平板式電容傳感器兩極板相對(duì)位移量為x時(shí)，電容變化量與靈敏度分別為,可見(jiàn)其

5、具有原理上的線性性，且其靈敏度為常數(shù)。如圖4.4.3(b)所示線位移平板式電容傳感器兩圓柱極板相對(duì)位移量為x時(shí)，電容變化量為具有良好的線性性的形式,(4.4.3),(4.4.4),圖4.4.3 變面積式線位移電容傳感器結(jié)構(gòu)原理圖,3. 變介電常數(shù)式電容傳感器,如圖4.4.4所示，設(shè)被測(cè)介質(zhì)()進(jìn)入兩極板之間的距離為x，其厚度為，忽略邊緣效應(yīng)，其輸出特性為,(4.4.5),圖4.4.4 變介電常數(shù)式平板線位移電容傳感器結(jié)構(gòu)原理圖,七. 電容式傳感器的主要性能,1. 靜態(tài)靈敏度 電容式傳感器的靜態(tài)靈敏度是被測(cè)量緩慢變化時(shí)傳感器電容變化量與引起其變化的被測(cè)量變化之比。(同學(xué)自己推導(dǎo)三種不同類型的電容

6、式傳感器的靜態(tài)靈敏度),2. 非線性 變面積式與變介電常數(shù)式(除厚度測(cè)量外) 原理上具有很好的線性。由(4.4.2)式知，變極距(變間隙)式電容傳感器具有原理上的非線性。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，如同電感式傳感器一樣，常利用差動(dòng)式結(jié)構(gòu)來(lái)改善其非線性誤差。,采用差動(dòng)式改善非線性特性,設(shè)變極距式電容傳感器工作范圍足夠小(0.01m至零點(diǎn)幾mm)，即/1，采用差動(dòng)式結(jié)構(gòu)，兩電容極距變化為時(shí)，則由(4.4.2)式，兩電容變化量按Tarlor展開(kāi)式展開(kāi)，得,取兩電容之差為傳感器輸出量C，則,(4.4.6),(4.4.7),(4.4.7)式與(4.4.6)式相比，差動(dòng)式非線性得到了極大地改善，其靈敏度也提高了1倍。,八

7、. 電容式傳感器的應(yīng)用,電容式傳感器可用來(lái)測(cè)量直線位移、角位移、振動(dòng)振幅，尤其適合測(cè)量高頻振動(dòng)振幅、精密軸系回轉(zhuǎn)精度、加速度等機(jī)械量。變極距型的適用于較小位移的測(cè)量，量程在0.01m至數(shù)百m、精度可達(dá)0.01m、分辨力可達(dá)0.001m。變面積型的能測(cè)量較大的位移，量程為零點(diǎn)幾毫米至數(shù)百毫米之間、線性優(yōu)于0.5%、分辨力為0.010.001m。電容式角度和角位移傳感器的動(dòng)態(tài)范圍為0.1至幾十度，分辨力約為0.1，零位穩(wěn)定性可達(dá)角秒級(jí)，廣泛用于精密測(cè)角，如用于高精度陀螺和擺式加速度計(jì)。電容式測(cè)振幅傳感器可測(cè)峰值為050m、頻率為102kHz，靈敏度高于0.01m，非線性誤差小于0.05m。,電容式

8、傳感器還可用來(lái)測(cè)量壓力、壓差、液位、料面、成分含量(如油、糧食中的含水量)、非金屬材料的涂層、油膜等的厚度，測(cè)量電介質(zhì)的濕度、密度、厚度等等，在自動(dòng)檢測(cè)和控制系統(tǒng)中也常常用來(lái)作為位置信號(hào)發(fā)生器。差動(dòng)電容式壓力傳感器測(cè)量范圍可達(dá)50MPa，精度為0.25%0.5%。電容式傳感器厚度測(cè)量范圍為幾百微米，分辨力可達(dá)0.01urn。電容式接近開(kāi)關(guān)不僅能檢測(cè)金屬，而且能檢測(cè)塑料、木材、紙、液體等其他電介質(zhì)，但目前還不能達(dá)到超小型，其動(dòng)作距離約為1020 mm。靜電電容式電平開(kāi)關(guān)是廣泛用于檢測(cè)儲(chǔ)存在油罐、料斗等容器中各種物體位置的一種成熟產(chǎn)品。 當(dāng)電容式傳感器測(cè)量金屬表面狀況、距離尺寸、振動(dòng)振幅時(shí)，往往采

9、用單邊式變極距型，這時(shí)被測(cè)物是電容器的一個(gè)電極，另一個(gè)電極則在傳感器內(nèi)。這類傳感器屬非接觸測(cè)量，動(dòng)態(tài)范圍比較小，約為十分之幾毫米左右，測(cè)量精度超過(guò)0.1m，分辨力為0.010.001m。,電容式傳感器是以各種類型的電容器作為傳感器元件，通過(guò)電容式傳感器元件將被測(cè)物理量的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化，再經(jīng)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為電壓、電流或頻率以達(dá)到檢測(cè)目的的一種傳感器。因此，凡是能引起電容量變化的有關(guān)非電量，均可用電容式傳感器進(jìn)行檢測(cè)。其主要檢測(cè)對(duì)象為：位移、振動(dòng)、角度、加速度等機(jī)械量及壓力、差壓、液面、料面、成份含量等熱工參量。,本節(jié)小結(jié),5 壓電式傳感器,一. 概述 1. 壓電式傳感器 壓電式傳感器(Pi

10、ezoelectric transducer)是以某些晶體(電介質(zhì))在外力作用下，在其表面產(chǎn)生電荷的“壓電效應(yīng)”為轉(zhuǎn)換原理的傳感器，是一種典型的有源傳感器(發(fā)電型傳感器)。在外力作用下，在電介質(zhì)的表面上產(chǎn)生電荷，從而實(shí)現(xiàn)非電量電測(cè)量的目的。 2. 壓電式傳感器的測(cè)量對(duì)象 壓電式傳感元件是力敏感元件，所以壓電式傳感器能測(cè)量最終能變換為力的各種物理量。如：力、應(yīng)壓力、加速度等，因而其應(yīng)用較為廣泛。,3. 壓電式傳感器的主要優(yōu)缺點(diǎn),優(yōu)點(diǎn)：壓電式傳感器具有響應(yīng)頻帶寬、靈敏度高、信噪比大、工作可靠、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)。 缺點(diǎn)：壓電式傳感器內(nèi)部不可能沒(méi)有泄漏，外電路負(fù)載也不可能為無(wú)窮大，在某種

11、意義上講不適合于靜態(tài)測(cè)量。 4. 壓電式傳感器發(fā)展現(xiàn)狀 壓電傳感器是應(yīng)用較多的一種傳感器，近年來(lái)，由于電子技術(shù)的迅速發(fā)展，隨著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)，使壓電傳感器的應(yīng)用更為方便。因此在工程力學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、電聲學(xué)等許多技術(shù)領(lǐng)域中，壓電傳感器的獲得了廣泛的應(yīng)用。,二. 壓電傳感器的工作原理,壓電式傳感器的工作原理是以某些物質(zhì)的壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)的。這些物質(zhì)在沿一定方向受到力或拉力作用而發(fā)生變形時(shí)，其表面上會(huì)產(chǎn)生電荷；若將外力去掉時(shí)，它們又重新回到不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)(Piezoelectric effect)。而具有這種壓電效應(yīng)的物體稱為壓電材料或壓電

12、元件。常見(jiàn)的壓電材料有石英晶體、鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等。,對(duì)某一具有壓電性的電介質(zhì)，當(dāng)沿著一定的方向?qū)ζ涫┝Χ蛊渥冃螘r(shí)，其內(nèi)部就會(huì)產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)其某些表面上將產(chǎn)生等量而異號(hào)的電荷(電荷量與作用力大小成正比)；當(dāng)外力去掉后，又重新恢復(fù)到不帶電狀態(tài)。這種現(xiàn)象稱為(正)壓電效應(yīng)。 研究表明，正壓電效應(yīng)的產(chǎn)生是由于介質(zhì)在外力作用下產(chǎn)生變形，而由變形產(chǎn)生電荷。因此，變形(S)是外力(F)與電荷(Q)之間的傳遞變量，外力所作機(jī)械功通過(guò)正壓電效應(yīng)轉(zhuǎn)換成電場(chǎng)能，從而實(shí)現(xiàn)能量的傳遞。,1. (正)壓電效應(yīng),壓電介質(zhì)除具有正壓電效應(yīng)外，還具有逆壓電效應(yīng)。在壓電介質(zhì)的極化方向上施加電場(chǎng)時(shí)，壓電介質(zhì)的某些方向會(huì)產(chǎn)生

13、正比于電場(chǎng)的變形，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)，或電致伸縮效應(yīng)。 上述兩種效應(yīng)可簡(jiǎn)單表述為： 正壓電效應(yīng)：FSQ(E) 逆壓電效應(yīng)：ESF,2. 逆壓電效應(yīng),1. 石英晶體及其晶軸 石英晶體是最常用的壓電晶體之一，其化學(xué)式為SiO2。它是二氧化硅單晶，屬于六角晶系。其天然結(jié)構(gòu)石英晶體的理想外形圖為一規(guī)則的六角棱柱體，如圖4.5.1(a)所示。 在晶體學(xué)中，可將石英晶體以三根相互垂直的軸來(lái)表示，這三根軸統(tǒng)稱為晶軸，如圖4.5.1(b)所示，其規(guī)定為： Z軸：又稱為光軸，它與晶體的縱軸線方向一致。 X軸：又稱為電軸，它通過(guò)六面體相對(duì)的兩個(gè)棱線并垂直于光軸。 Y軸：又稱為機(jī)械軸，它垂直于六面體相對(duì)的兩個(gè)棱

14、面(與Z軸、X軸同時(shí)垂直)。,三. 石英晶體的壓電效應(yīng),圖4.5.1 石英晶體,2. 石英晶體的內(nèi)部結(jié)構(gòu),石英晶體的化學(xué)式為SiO2，在每一個(gè)晶體單元中，它有三個(gè)硅離子和六個(gè)氧離子，后者是成對(duì)的，硅離子有4個(gè)正電荷，氧離子有兩個(gè)負(fù)電荷。一個(gè)硅離子和兩個(gè)氧離子交替排列，其在Z平面上的投影如圖4.5.2所示。,圖4.5.2 硅、氧離子在Z平面上的投影,3. 石英晶體的壓電效應(yīng),石英晶體所以能夠產(chǎn)生壓電效應(yīng)是與其內(nèi)部結(jié)構(gòu)分不開(kāi)的。為討論方便，我們將4.5.2中硅、氧離子的排列等效為圖4.5.3(a)中的正六邊形排列。其中“+”與“-”分別代表Si4+與2O2-。我們分下述幾種情況分別討論石英晶體受外

15、力作用時(shí)晶格的變化情況。,(1) 各方向外作用力均為0時(shí)：此時(shí)，由于正負(fù)離子(即Si4+和2O2-)正好分布在正六邊形的頂角上，形成三個(gè)互成120夾角的電偶極矩。各方向外作用力均為0時(shí)，正負(fù)電荷相互平衡，其外部不呈帶電現(xiàn)象。,(4) 僅受Y軸方向作用力時(shí)：此時(shí)類似于X軸受力的討論， 為Y軸方向的拉力或壓力使晶體所產(chǎn)生的形變分別與圖4.5.3之(b)、(c)相同，由此可得結(jié)論：石英晶體沿Y軸方向受力時(shí)，僅在X軸方向產(chǎn)生壓電效應(yīng)，在Y、Z軸方向則不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。這一壓電效應(yīng)稱為“橫向壓電效應(yīng)”。 (5) 僅受Z軸方向作用力時(shí)：此時(shí)晶體在X軸、Y軸方向上產(chǎn)生的形變完全相同(硅離子和氧離子對(duì)稱平移)。

16、其正負(fù)電荷中心仍保持重合，電偶極矩矢量和仍為0，因而不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。 (6) 受切向應(yīng)力作用及其它復(fù)雜情況：我們將在后面簡(jiǎn)介對(duì)應(yīng)情況的結(jié)果。,圖4.5.3 石英晶體的壓電效應(yīng),4. 石英晶體的切片,所謂晶體切片，即按一定的要求對(duì)晶體材料進(jìn)行切割處理所獲得的便于實(shí)際應(yīng)用的晶體立體，簡(jiǎn)稱為晶片，一般為沿軸線切割所得平行六面體。 如圖4.5.4所示，根據(jù)石英晶體的壓電效應(yīng)，其晶面分別平行于X、Y、Z軸，以垂直于X軸方向的兩面為電極面，其電極面一般采用真空鍍?；虺零y法獲得。由前述石英晶體的壓電效應(yīng)可知，晶體受力方向與其晶面上電荷極性的關(guān)系如圖4.5.5所示。,圖4.5.4 晶體切片,圖4.5.5 晶體

17、切片上電荷符號(hào)與受力方向的關(guān)系,四. 壓電陶瓷的壓電效應(yīng),1. 壓電陶瓷及其電疇 壓電陶瓷具有類似鐵磁材料磁疇結(jié)構(gòu)的電疇結(jié)構(gòu)。所謂電疇是分子自發(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(wú)外電場(chǎng)作用時(shí)，各個(gè)電疇在晶體中雜亂分布，它們的極化效應(yīng)被相互抵消，因此，原始狀態(tài)的壓電陶瓷對(duì)外呈中性，不具有壓電效應(yīng)。圖4.5.6(a)為壓電陶瓷原始狀態(tài)(未極化時(shí))的電疇分布情況。 2. 壓電陶瓷的極化 在一定的溫度條件下，對(duì)壓電陶瓷進(jìn)行極化處理即施以強(qiáng)外電場(chǎng)。此時(shí)，電疇的極化方向發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，趨向于按外電場(chǎng)的方向排列，從而便材料得到極化(圖4.5.6(b)，當(dāng)極化電場(chǎng)去除后，電疇基本上保持不變，這

18、樣，極化處理后陶瓷內(nèi)部仍存在很強(qiáng)的剩余極化，如圖4.5.6(c)所示。,圖4.5.6 壓電陶瓷的極化,3. 壓電陶瓷的軸向,對(duì)壓電陶瓷而言，將其極化方向定義為Z軸，在垂直于Z軸的平面上，可任意選擇一正交軸系為X軸及Y軸。對(duì)壓電陶瓷而言其坐標(biāo)系取左手系或右手系是無(wú)關(guān)緊要的。一般情況下，對(duì)于壓電陶瓷切片，Z軸為極化方向，而X、Y軸分別垂直兩個(gè)切面，且成左手系，如圖4.5.7所示。,圖4.5.7 壓電陶瓷的壓電原理,4. 壓電陶瓷的壓電效應(yīng),壓電陶瓷在未極化前不具有壓電現(xiàn)象，是非壓電體。極化后則具有非常高的壓電常數(shù)，為石英晶體的幾百倍。如圖4.5.7(a)所示，壓電陶瓷在沿極化方向受力(即在極化面上

19、受到垂直于它的均勻分布的作用力)時(shí)，則在這兩個(gè)極化面上分別出現(xiàn)正、負(fù)電荷；如圖4.5.7(b)所示，壓電陶瓷在沿X(Y)軸方向受均勻分布的作用力時(shí)，在面上亦出現(xiàn)正、負(fù)電荷，但其符號(hào)與前種情況下相反,圖4.5.8 自由電荷與吸附束縛電荷示意圖,極化處理后，壓電陶瓷內(nèi)部仍存在有很強(qiáng)的剩余極化強(qiáng)度。但其內(nèi)部的極化強(qiáng)度總是以電偶極矩的形式表現(xiàn)出來(lái)，即在其一端出現(xiàn)正束縛電荷，另一端出現(xiàn)負(fù)束縛電荷，如圖4.5.8所示。由于束縛電荷的作用，在陶瓷片的電極面上吸附了一層來(lái)自外界的自由電荷。這些自由電荷與陶瓷片內(nèi)的束縛電荷符號(hào)相反、數(shù)量相等，它起著屏蔽和抵消陶瓷片內(nèi)極化強(qiáng)度對(duì)外界的作用。,如果陶瓷片受到與極化方

20、向平行的均勻分布的作用力F，如圖4.5.9(a)所示，陶瓷片將產(chǎn)生壓縮變形(圖中虛線)，片內(nèi)的正、負(fù)束縛電荷之間的距離變小，極化強(qiáng)度也變小，原來(lái)吸附在電極上的自由電荷，有一部分被釋放，而出現(xiàn)放電現(xiàn)象。當(dāng)F撤消后，陶瓷片恢復(fù)原狀(膨脹過(guò)程)，片內(nèi)的正負(fù)束縛電荷之間的距離變大，因此電極上又吸附一部分自由電荷而出現(xiàn)充電現(xiàn)象。顯然，當(dāng)F的方向與X軸或Y軸平行時(shí)，其充放電現(xiàn)象恰好與上述情況相反。這種由機(jī)械效應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦?yīng)，或者由機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿默F(xiàn)象，就是正壓電效應(yīng)。,正壓電效應(yīng),圖4.5.9 壓電陶瓷的壓電效應(yīng),逆壓電效應(yīng),若在陶瓷片上加一個(gè)與極化方向相同的電場(chǎng)，如圖4.5.9(b)所示，由于電場(chǎng)方向

21、與極化強(qiáng)度的方向相同，所以電場(chǎng)的作用使極化強(qiáng)度增大，即陶瓷片沿極化方向產(chǎn)生伸長(zhǎng)形變(圖中虛線)。反之，若外加電場(chǎng)的方向與極化強(qiáng)度的方向相反，則陶瓷片沿極化方向產(chǎn)生縮短形變。這種由于電效應(yīng)變成為機(jī)械效應(yīng)，或者由電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的現(xiàn)象，就是逆壓電效應(yīng)。,五. 壓電元件的常用結(jié)構(gòu)形式,在壓電式傳感器中，為了提高靈敏度，常常將若干片壓電元件組合在一起。這種組合方法的原則是： 壓電組合元件在力學(xué)上是串聯(lián)結(jié)構(gòu)；在電路上可采用串聯(lián)或并聯(lián)結(jié)構(gòu)，這是由于壓電元件是有極性的。 1. 力學(xué)結(jié)構(gòu) 若干片壓電元件在力學(xué)上的串聯(lián)結(jié)構(gòu)方式，保證了所有壓電元件受到同樣大小的作用力。因此每片壓電元件所產(chǎn)生的應(yīng)變及電荷都與單片時(shí)

22、相同。 疊層式結(jié)構(gòu)：即將若干片壓電元件疊合一起，保證了力學(xué)上的串聯(lián)結(jié)構(gòu)。 預(yù)應(yīng)力：一定的預(yù)應(yīng)力以保證在作用力變化時(shí)，壓電元件始終受到壓力。其次是保證壓電元件與作用力之間的全面均勻接觸，,圖4.5.10 壓電元件的組合結(jié)構(gòu),2. 電學(xué)結(jié)構(gòu),(1) 串聯(lián)結(jié)構(gòu) 圖4.5.10(b)為串聯(lián)結(jié)構(gòu)，設(shè)單片晶片的電容為Ca 輸出電壓為Ua，電荷量為q，n片單晶串聯(lián)后則有 Ca=Ca/n，Ua=nUa，q=q (4.5.1) 可見(jiàn)，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。此時(shí)，與單片晶片相比其電壓靈敏度增大n倍。 (2) 并聯(lián)結(jié)構(gòu) 圖4.5.10(a)為并聯(lián)結(jié)構(gòu)。

23、設(shè)各符號(hào)意義同上，則有 Ca=n Ca，Ua=Ua，q=nq (4.5.2) 可見(jiàn)，并聯(lián)接法輸出電荷量大，本身電容也大，因此時(shí)間常數(shù)也大，適用于測(cè)量慢變信號(hào)，并以電荷量作為輸出的場(chǎng)合。此時(shí)，與單片晶片相比其電荷靈敏度增加n倍。,六. 壓電式傳感器的等效電路,1. 壓電式傳感器的等效電路 由壓電元件的工作原理可以知道，從信號(hào)變換的角度看，壓電元件相當(dāng)于一個(gè)電荷發(fā)生器，其電荷量q正比于應(yīng)力F，如圖4.5.12(a)所示。從結(jié)構(gòu)上來(lái)看，壓電元件又相當(dāng)于一個(gè)電容器，壓電元件的兩極板之間又存在電容Ca，如圖4.5.12(b)所示。,圖4.5.12 壓電傳感器的等效原理圖,設(shè)真空介電常數(shù)為0= 8.851

24、0-1Fm-12，壓電材料的相對(duì)介電常數(shù)為r，壓電片極板的面積為A，厚度為h，則對(duì)于壓電元件而言其上的電荷q、電容Ca、電壓Ua有 Ca=0rA/h，Ua=q/Ca (4.5.3) 這樣，壓電式傳感器可以等效為一個(gè)與電容相并聯(lián)的電荷源，如圖4.5.13(a)所示，也可以等效為一個(gè)與電容串聯(lián)的電壓源。如圖4.5.13(b)所示。,圖4.5.13 壓電式傳感器的等效電路,2. 壓電式傳感器的實(shí)際等效電路,上述壓電式傳感器的等效電路忽略了壓電元件的機(jī)械阻抗Zm，并且假設(shè)為空載時(shí)得到的簡(jiǎn)化模型。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)要與測(cè)量電路相連接，應(yīng)該考慮電纜電容CC，放大器的輸入電阻Ri、輸入電容Ci，以及壓電式傳感器的

25、泄漏電阻Ra?？紤]這些因素時(shí)，其實(shí)際等效電路如圖4.5.14所示。,圖4.5.14 壓電式傳感器的實(shí)際等效電路,3. 壓電式傳感器的適用情況,由等效電路可知，只有壓電式傳感器內(nèi)部信號(hào)電荷無(wú)“漏損”，外電路負(fù)載無(wú)窮大時(shí)，壓電式傳感器受力后產(chǎn)生的電壓或電荷才能長(zhǎng)期保存下來(lái)，否則電路將以某時(shí)間常數(shù)按指數(shù)規(guī)律放電，這對(duì)于靜態(tài)標(biāo)定以及低頻靜態(tài)測(cè)量極為不利，必然帶來(lái)誤差。事實(shí)上，傳感器內(nèi)部不可能沒(méi)有泄漏，外電路負(fù)載也不可能無(wú)窮大，只有外力以較高頻率不斷地作用，傳感器的電荷才能得以補(bǔ)充，從這個(gè)意義上講，壓電晶體不適合于靜態(tài)測(cè)量。 4. 壓電式傳感器的靈敏度,壓電式傳感器的靈敏度K有兩種表示方式。它可表示為單

26、位力的電壓，即電壓靈敏度Ku；也可表示為單位力的電荷，即電荷靈敏度Kq。因?yàn)閁a=q/Ca，故它們之間的關(guān)系為 Ku = Kq/Ca (4.5.4),七. 壓電式傳感器檢測(cè)電路,1. 壓電式傳感器檢測(cè)電路的作用 壓電式傳感器本身內(nèi)阻抗很高，且輸出的信號(hào)很微弱。壓電式傳感器的測(cè)試系統(tǒng)應(yīng)有較大的時(shí)間常數(shù)，即其測(cè)量電路應(yīng)有一個(gè)高輸入阻抗的前置放大級(jí)作為阻抗匹配。這樣也防止了傳感器的信號(hào)電荷通過(guò)輸入電路泄漏而產(chǎn)生測(cè)量誤差。 壓電式傳感器的前置放大器有兩個(gè)作用：一是將壓電式傳感器的高輸出阻抗變換為低阻抗輸出；二是將壓電式傳感器輸出的信號(hào)進(jìn)行放大。 壓電式傳感器的輸出可以是電壓信號(hào)，也可以是電荷信號(hào)。因而

27、，前置放大器有兩種形式： 一種是電壓放大器，其輸出電壓與輸入電壓(傳感器的輸出電壓)成正比；一種是電荷放大器，其輸出電壓與輸入電荷(傳感器的輸出電荷)成正比。,2. 電壓放大器,壓電式傳感器連接電壓放大器的等效電路如圖4.5.15所示。其中(b)為簡(jiǎn)化的等效電路圖。,圖4.5.15 壓電式傳感器接電壓放大器的等效電路,3. 電荷放大器,電荷放大器實(shí)際上是一個(gè)具有反饋電容的深度負(fù)反饋的高增益運(yùn)算放大器。壓電式傳感器與電荷放大器連接的等效電路見(jiàn)圖4.5.16所示。(a)為原理電路圖，(b)為由“密勒效應(yīng)”得到的等效電路圖。,圖4.5.16 壓電式傳感器接電荷放大器的等效電路,八. 壓電式傳感器的應(yīng)

28、用,壓電式傳感元件是力敏感元件，所以壓電式傳感器能測(cè)量最終能變換為力的各種物理量。如：力、應(yīng)壓力、加速度等。圖4.5.17與4.5.18分別為壓電式加速度與振動(dòng)傳感器。,圖4.5.17 壓電式加速度傳感器 圖4.5.18 壓電式振動(dòng)傳感器,本節(jié)小結(jié),壓電式傳感器是以某些晶體(電介質(zhì))在外力作用下，在其表面產(chǎn)生電荷的“壓電效應(yīng)”為轉(zhuǎn)換原理的傳感器，是一種典型的有源傳感器(發(fā)電型傳感器)。在外力作用下，在電介質(zhì)的表面上產(chǎn)生電荷，從而實(shí)現(xiàn)非電量電測(cè)量的目的。壓電式傳感元件是力敏感元件，所以壓電式傳感器能測(cè)量最終能變換為力的各種物理量。如：力、應(yīng)壓力、加速度等，因而其應(yīng)用較為廣泛。壓電材料主要有石英晶

29、體與壓電陶瓷2種，其壓電原理不同。為提高壓電式傳感器的靈敏度，常常將若干片壓電元件組合在一起，其組合方法的原則是壓電組合元件在力學(xué)上是串聯(lián)結(jié)構(gòu)，在電路上可以采用串聯(lián)或并聯(lián)結(jié)構(gòu)。壓電晶體主要適合于動(dòng)態(tài)測(cè)量。其檢測(cè)電路中的前置放大器有兩種形式，即電壓放大器與電荷放大器。,6 磁敏式傳感器,一. 概述 其敏感元件對(duì)磁場(chǎng)變化敏感，能將磁學(xué)物理量轉(zhuǎn)變?yōu)殡妼W(xué)量的器件稱為磁敏傳感器。 磁敏傳感器主要可分為兩大類。第一類是半導(dǎo)體磁敏器件(包括霍爾器件、磁敏電阻器件、磁敏二極管、磁敏三極管、磁敏集成電路)，第二類包括具有強(qiáng)磁性的金屬磁阻器件、韋根德磁敏器件和SQUID器件(約瑟夫遜超導(dǎo)量子干涉器件)。由于半導(dǎo)體

30、磁敏器件具有體積小、靈敏度高、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，在近代測(cè)試技術(shù)中獲得了廣泛的應(yīng)用。本節(jié)介紹一般常用半導(dǎo)體磁敏器件。,二. 霍爾器件,用霍爾元件制成的傳感器稱為霍爾傳感器(Hall type transducer)。 1. 霍爾效應(yīng) 如圖4.6.1所示，置于磁感應(yīng)為B的磁場(chǎng)中的靜止載流體(導(dǎo)體或半導(dǎo)體)，當(dāng)其電流方向與磁場(chǎng)方向不一致時(shí)，載流體上平行于電流和磁場(chǎng)上的兩個(gè)面將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)(Hall effect)，所產(chǎn)生的時(shí)勢(shì)稱為霍爾電勢(shì)(Hall e.m.f)，該載流體稱為霍爾元件(Hall element)。,圖4.6.1 霍爾效應(yīng)原理圖,設(shè)載流體長(zhǎng)l、寬b、厚d，外加磁場(chǎng)B垂直

31、于bl面，電流方向與磁場(chǎng)方向垂直。設(shè)載流體為導(dǎo)體或?yàn)镹型半導(dǎo)體，則其載流子為電子。當(dāng)激勵(lì)電流I工作時(shí)，運(yùn)動(dòng)電子受洛倫茲力fL的作用而偏向載流體一側(cè)(圖中標(biāo)有“-”一側(cè))，使該側(cè)形成電子積累，與它對(duì)立的側(cè)面由于減少了電子濃度而積累了正電荷。這樣，在兩側(cè)面間就形成了一個(gè)電場(chǎng)，即霍爾電場(chǎng)EN，相應(yīng)地產(chǎn)生了霍爾電壓(電勢(shì))UH。此時(shí)，運(yùn)動(dòng)電子在受到洛倫磁力fL的同時(shí)，又受到電場(chǎng)力fE的作用。由圖4.6.1知fL與fE方向恰好相反。隨時(shí)間推移，電子積累增加，fE就越大，最后在這兩作用力相等時(shí)，電子的積累達(dá)到支柱平衡，此時(shí)UH為待測(cè)霍爾電壓。,設(shè)電子電荷為e，電子運(yùn)動(dòng)速度為v(與I的方向相反)，載流體單位

32、體積中的載流子數(shù)為n，那么 fL=evB，fE =eEH=eUH/b，I= -nevbd (4.6.1) 當(dāng)達(dá)動(dòng)態(tài)平衡時(shí)fE=fE，可得 UH =IB/ned =RHIB/d = KHIB (4.6.2) 其中RH=1/ne稱為霍爾系數(shù)。KH =1/ned稱為霍爾元件靈敏度，又稱為積靈敏度，它表示一個(gè)霍爾元件在單位激勵(lì)電流和單位磁感應(yīng)強(qiáng)度時(shí)產(chǎn)生霍爾電勢(shì)的大小。 當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度B和元件平面法線方向成一角度時(shí)，作用在元件上的有效磁場(chǎng)是法線方向的分量，即Bcos，這時(shí) UH =KHIBcos (4.6.3) 如果選用的霍爾元件不是N型而是P型半導(dǎo)體材料，則載流子是空穴，可以用與上述類似的方法分析其霍爾

33、電動(dòng)勢(shì)的大小和方向。,2. 霍元件的材料,只有與大且n小的材料才適合于制造霍爾元件，才能獲得大的霍爾系數(shù)和霍爾電壓。 實(shí)際應(yīng)用的霍爾元件都是半導(dǎo)體材料制成的。因?yàn)榘雽?dǎo)體材料中的載流子濃度遠(yuǎn)比金屬中自由電子濃度小得多，所以它的霍爾系數(shù)大。由于半導(dǎo)體中電子遷移率(電子定向運(yùn)動(dòng)的平均速度)比空穴遷移率高，因此N型半導(dǎo)體較適于制造靈敏度高的霍爾元件。不同的半導(dǎo)體材料的電子遷移率差別較大。另外，對(duì)半導(dǎo)體材料，還需要有較好的溫度特性。常用的材料有鍺(Ge)、硅(Si)、砷化錮(InAs)、銻化錮(InSb)、砷化鎵(GaAs)等。,3. 霍爾元件的結(jié)構(gòu),霍爾元件的結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，如圖4.6.2(a)所示。霍爾

34、元件的符號(hào)如圖4.6.2(b)所示。它由基片、引線、殼體組成。,圖4.6.2 霍爾元件,根據(jù)霍爾效應(yīng)原理，霍爾元件的基本電路形式如圖4.6.2(c)所示?？刂齐娏鱅由電源E供給，其數(shù)值可由可調(diào)電阻R調(diào)節(jié)?；魻栯妱?shì)UH加在負(fù)載電阻RL上，RL代表顯示儀表、記錄裝置或放大器的輸入電阻。 實(shí)際測(cè)量中，B要與元件平面垂直，可將I與B的乘積作為輸入，也可把I或B單獨(dú)作為輸入，通過(guò)霍爾電勢(shì)輸出得到測(cè)量結(jié)果。,4. 霍爾元件的基本電路,5. 霍爾元件的激勵(lì)及其疊加,霍爾元件的激勵(lì)及其疊加有直流激勵(lì)和交流激勵(lì)兩種方式。由于建立霍爾電勢(shì)所需的時(shí)間極短，約為10-1210-14秒，所以其頻率響應(yīng)極高。當(dāng)采用交流激

35、勵(lì)時(shí)，其頻率可達(dá)幾千MHz。 直流激勵(lì)：為獲取較大的霍爾電壓，可將幾塊霍爾元件的輸出電壓串聯(lián)，如圖4.6.4(a)所示。其控制電流端并聯(lián)，R1、R2為可調(diào)電阻，通過(guò)調(diào)節(jié)R1、R2使兩霍爾元件的霍爾電壓相等，c、d為輸出端，其輸出值為單個(gè)元件的2倍。 交流激勵(lì)：圖4.6.4(b)為交流情況，控制電流端串聯(lián)，各霍爾元件端接輸出變壓器各一次繞組，變壓器的二次繞組得到霍爾輸出信號(hào)(霍爾電壓或功率)的疊加值。,圖4.6.4 霍爾元件輸出的疊加連接方式,將霍爾元件、散大器、溫度補(bǔ)償電路及穩(wěn)壓電源等集成于一個(gè)芯片上即構(gòu)成集成線性霍爾傳感器。它有單端輸出和雙端輸出(差動(dòng)輸出)兩種電路，如圖4.6.5(a)、(

36、b)所示。線性霍爾傳感器的輸出電壓與外加磁場(chǎng)強(qiáng)度在一定范圍內(nèi)呈線性關(guān)系，可以用來(lái)檢鍘磁場(chǎng)的強(qiáng)弱。開(kāi)關(guān)型霍爾傳感器由霍爾元件、放大器、施密特整形電路和集電極開(kāi)路輸出等部分組成，如圖4.5.6(c)所示。,6. 集成霍爾傳感器,圖4.6.5 集成霍爾傳感器,8. 霍爾傳感器的應(yīng)用,霍爾元件可以用來(lái)測(cè)量磁場(chǎng)強(qiáng)度、位移、力、角度等。由于霍爾傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、頻率響應(yīng)寬、動(dòng)態(tài)范圍大、無(wú)接觸，壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，所以在工程測(cè)量中有著廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，但受溫度影響較大，在做精密測(cè)量時(shí)應(yīng)作溫度補(bǔ)償。圖4.6.6是霍爾傳感器在工程測(cè)試中應(yīng)用的典型例子。,圖4.6.6所示為霍爾轉(zhuǎn)速傳感器的工作原理，實(shí)際上是利用霍爾開(kāi)關(guān)測(cè)轉(zhuǎn)速。在待測(cè)轉(zhuǎn)盤(pán)上有一對(duì)或多對(duì)小磁鋼，小磁鋼愈多，分辨率愈高。