1、6.1.1壓電效應(yīng)和壓電材料，1。正壓電效應(yīng)一些具有晶體結(jié)構(gòu)的材料，當(dāng)在一定方向上受到外力時，會在內(nèi)部產(chǎn)生極化，并在晶體的某些兩個表面上產(chǎn)生符號相反的電荷；當(dāng)外力被移除時，它會回到不帶電荷的狀態(tài)。這種現(xiàn)象被稱為“正壓電效應(yīng)”。6.1壓電傳感器，2，逆壓電效應(yīng)當(dāng)在電介質(zhì)的極化方向上施加電場時，電介質(zhì)也將產(chǎn)生幾何變形。這種現(xiàn)象被稱為“逆壓電效應(yīng)”。壓電材料可分為壓電晶體、壓電陶瓷和有機(jī)壓電材料。壓電晶體是一種天然單晶，如應(yīng)時晶體、酒石酸鉀鈉等；壓電陶瓷是一種合成多晶體，如鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等。有機(jī)壓電材料是近年來發(fā)展起來的有機(jī)高分子材料。壓電材料的主要特征參數(shù)有：壓電常數(shù)、彈性常數(shù)、介電常數(shù)、機(jī)械耦

2、合系數(shù)、電阻和居里點。應(yīng)時晶體應(yīng)時晶體是一種具有電軸x、機(jī)械軸y和光軸Z的單晶，沿Z軸的應(yīng)力不會產(chǎn)生壓電效應(yīng)。沿Y軸從晶體上切下一個晶體。晶體上產(chǎn)生的電荷極性與力的方向有關(guān)。如果在X軸方向施加力，正負(fù)電荷將出現(xiàn)在兩個受壓表面上。如果在Y軸上施加壓力，電荷不會出現(xiàn)在受壓表面上，但仍會出現(xiàn)在垂直于X軸的表面上，但電荷的極性相反。壓電陶瓷(多晶)壓電陶瓷是一種合成的多晶壓電材料。原始壓電陶瓷沒有壓電特性。當(dāng)外部電場施加到陶瓷上時，整個材料被極化。外部電場越強(qiáng)，極化程度越高，使得外部電場的強(qiáng)度大到足以使材料的極化達(dá)到飽和，進(jìn)而使材料具有壓電特性。壓電陶瓷的壓電系數(shù)遠(yuǎn)大于應(yīng)時晶體，因此用壓電陶瓷制成的傳

3、感器靈敏度較高，但其穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度不如應(yīng)時晶體。壓電陶瓷材料有很多種，最早的是鈦酸鋇，現(xiàn)在最常用的是鋯鈦酸鉛，簡稱PZT。6.1.2壓電傳感器和測量電路1。壓電傳感器中的壓電元件，無論是應(yīng)時晶體還是壓電陶瓷，都具有較高的內(nèi)阻和較弱的輸出信號。它的元素可以相當(dāng)于一個電容器，正負(fù)電荷聚集的兩個表面相當(dāng)于電容器的兩個極板，極板之間的物質(zhì)相當(dāng)于一種介質(zhì)。在實際使用中，壓電傳感器總是與測量儀器或電路相連。測量系統(tǒng)中壓電傳感器的實際等效電路如下圖所示。圖1壓電傳感器的實際等效電路，2。測量電路電荷放大器Ci是傳感器、連接電纜和放大器的輸入等效電容的組合電容，Cf是放大器的反饋電容，Rf的作用是穩(wěn)定DC工

4、作點和減少零點漂移，一般取Rf10。由于放大器的輸入阻抗很高，所以其輸入端幾乎沒有分流，輸出電壓為，上述公式表明：(1)放大器的輸出電壓接近反饋電容兩端的電壓。電荷q只對反饋電容充電。(2)電荷放大器的輸出電壓與電纜電容無關(guān)，但與Q成正比，這是電荷放大器的突出優(yōu)點。由于Q與測量的壓力成線性關(guān)系，輸出電壓也與測量的壓力成線性關(guān)系。電壓放大器如果壓電元件受到交變力f=Fmsint的作用，它產(chǎn)生的電壓適合動態(tài)測量。為了提高靈敏度，在使用中經(jīng)常將幾個相同類型的壓電元件結(jié)合在一起。兩個壓電元件的組合形式為并聯(lián)方式，電容加倍，輸出電壓為sam原理傳感器上蓋是一個傳力元件，受外力作用會產(chǎn)生彈性變形，并將力傳

5、遞給應(yīng)時芯片，利用應(yīng)時芯片的壓電效應(yīng)實現(xiàn)力電轉(zhuǎn)換。絕緣套管用于絕緣和定位。測力范圍為050牛頓，最小分辨率為0.01牛頓，絕緣阻抗為0，固有頻率為5060千赫。非線性誤差小于1%。整個傳感器重10g，可用于測量機(jī)床的動態(tài)切削力。6.1.3壓電加速度傳感器1。其組成主要由壓電元件、質(zhì)量塊、預(yù)壓彈簧、底座和外殼組成。壓電元件通常由兩塊涂有一層銀的壓電片組成，輸出引線焊接在銀層上。將比重較大的質(zhì)量塊放在壓電片上，然后預(yù)加載質(zhì)量塊。在原理測量中，傳感器基座和測試件剛性固定在一起。當(dāng)傳感器和被測物體一起受到?jīng)_擊和振動時，質(zhì)量塊和傳感器基座感受到相同的振動，并受到與加速度方向相反的慣性力的作用。根據(jù)牛頓第

6、二定律，慣性力為，傳感器輸出的電荷與作用力成正比，即、3壓電金屬加工切削力測量用壓電陶瓷傳感器測量刀具切削力的原理圖適用于測量劇烈變化的載荷。在圖中，壓電陶瓷傳感器位于車刀前部下方。切割時，切割力通過工具傳遞給壓電傳感器。壓電傳感器將切削力轉(zhuǎn)換成電信號并輸出，記錄電信號的變化以測量切削力的變化。由、和4組成的報警電路，利用壓電傳感器對敲擊和振動敏感的特點，可制成報警電路和玻璃防撞報警電路原理框圖。在圖中，壓電元件用于感測玻璃被撞擊時產(chǎn)生的振動波，并且傳感器將振動波轉(zhuǎn)換成電壓輸出。當(dāng)輸出電壓被放大、濾波、比較，然后提供給報警器時，傳感器被粘在玻璃上，然后通過電纜與報警電路相連。圖2壓電玻璃破損報

7、警器電路框圖6.2霍爾傳感器6.2.1霍爾效應(yīng)和霍爾元件1霍爾效應(yīng)金屬或半導(dǎo)體片在電流流過時會在垂直于電流和磁場的方向上產(chǎn)生電動勢。這種物理現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)，這種勢稱為霍爾勢?；魻栯妶鰪?qiáng)度是洛倫茲力F1=F1=EBv，這個電場的電場力阻礙了電子的偏離。當(dāng)電場力等于洛侖茲力，即eEH=eBv，EH=Bv，并且如果每單位體積的金屬導(dǎo)電板的電子數(shù)為n，并且電子的平均定向運(yùn)動速度為v，則激勵電流I=nevbd，然后、霍爾元件的基本結(jié)構(gòu)霍爾元件的外形結(jié)構(gòu)圖，由霍爾板、四根引線和外殼組成。激勵電極通常用紅線表示，而霍爾電極通常用綠線或黃線表示。3霍爾元件，3霍爾元件基本特性(1)輸入電阻和輸出電阻霍爾元件

8、激勵電極之間的電阻為輸入電阻，霍爾電極的輸出電位相當(dāng)于電路外部的電壓源，其電源的內(nèi)阻為輸出電阻。(2)額定勵磁電流當(dāng)霍爾元件溫度上升10時流動的勵磁電流稱為額定勵磁電流。(3)不等電勢UO，霍爾元件在額定勵磁電流下，如果元件不加外磁場，輸出霍爾電勢的理想值應(yīng)該為零，但實際值不等于零，此時空載霍爾電勢稱為不等電勢。原因如下。因為電極安裝位置不對稱；半導(dǎo)體材料的不平衡電阻率或不均勻幾何尺寸；激勵電極接觸不良導(dǎo)致激勵電流分布不均勻等。(4)霍爾勢的溫度特性當(dāng)溫度升高時，霍爾勢降低，表現(xiàn)出負(fù)溫度特性。6.2.2霍爾元件1霍爾式微位移測量的應(yīng)用從霍爾效應(yīng)可以看出，當(dāng)控制電流不變時，霍爾電壓U與磁感應(yīng)強(qiáng)度

9、B成正比，如果磁感應(yīng)強(qiáng)度B是位置X的函數(shù)，即UH=kx (6-13):位移傳感器的靈敏度?；魻栯妷旱拇笮】梢杂脕矸从郴魻栐奈恢?。當(dāng)霍爾元件在磁場中移動時，輸出霍爾電壓u的變化反映了霍爾元件的位移X。微位移可以用上述原理測量。動態(tài)范圍可達(dá)5毫米。當(dāng)位移小于2毫米時，輸出霍爾電壓與位移之間存在良好的線性關(guān)系。傳感器的分辨率為0.001毫米.霍爾位移傳感器工作原理圖霍爾元件在轉(zhuǎn)速測量中的應(yīng)用霍爾元件測量轉(zhuǎn)速的工作原理非常簡單。永磁體以適當(dāng)?shù)姆绞焦潭ㄔ诒粶y軸上，霍爾元件放置在磁體的氣隙中。當(dāng)重要官員旋轉(zhuǎn)時，霍爾元件輸出的電壓包含轉(zhuǎn)速信息，轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)經(jīng)過后續(xù)電路處理后即可得到。圖(a)和(b)是測量轉(zhuǎn)

10、速的兩種方法的示意圖。圖5幾種霍爾型速度傳感器的結(jié)構(gòu)霍爾型接近開關(guān)可以通過霍爾效應(yīng)制成開關(guān)型傳感器。廣泛用于測量轉(zhuǎn)速和制造接近開關(guān)?；魻柦咏_關(guān)主要由霍爾元件、放大電路、整形電路、輸出驅(qū)動和穩(wěn)壓電路組成。從工作特性曲線可以看出，開關(guān)在工作過程中具有一定的遲滯特性，可以使開關(guān)工作更加可靠。在圖中，BH是工作點“開”時的磁場強(qiáng)度，BL是釋放點“關(guān)”時的磁場強(qiáng)度。和4構(gòu)成了金屬計數(shù)器用于計數(shù)的霍爾接近開關(guān)的原理圖。當(dāng)磁性物體接近霍爾元件時，霍爾元件輸出脈沖電壓，該脈沖電壓被放大和整形以驅(qū)動光電池工作，計數(shù)器計數(shù)并由顯示器顯示。圖6霍爾接近開關(guān)應(yīng)用于計數(shù)磁敏二極管和磁敏三極管的電氣原理圖磁敏二極管和三

11、極管是繼霍爾元件和磁阻之后迅速發(fā)展起來的新型磁電轉(zhuǎn)換元件。它們具有高磁靈敏度(比霍爾元件高數(shù)百甚至數(shù)千倍)；可以識別磁場的極性；由于其體積小、電路簡單，越來越受到人們的重視。它廣泛應(yīng)用于檢測和控制。6.3半導(dǎo)體磁傳感器，1。磁二極管1的工作原理和主要特性。磁二極管的結(jié)構(gòu)和工作原理：(1)磁二極管的結(jié)構(gòu)包括硅磁二極管和鍺磁二極管。與普通二極管不同，普通二極管的PN結(jié)基區(qū)很短，以避免基區(qū)載流子的復(fù)合，而磁敏二極管的PN結(jié)基區(qū)很長，比載流子的擴(kuò)散長度長，但基區(qū)由接近本征半導(dǎo)體的高阻材料制成。通常，鍺磁敏二極管使用大約=40厘米的P型或N型單晶作為基區(qū)(=對于鍺本征半導(dǎo)體為50厘米)，并且在其兩端有P

12、型和N型鍺被引出。如果它代表一個長基區(qū)，它的PN結(jié)實際上是由磷結(jié)和氮結(jié)組成的。以2ACM1A為例，磁敏二極管的結(jié)構(gòu)為P iN型。圖7示出了磁敏二極管的結(jié)構(gòu)和電路符號(a)的結(jié)構(gòu)；(b)電路符號，h、h-、n、p、I、r、電流，(a)兩個高摻雜的p型和n型區(qū)用合金法制作在高純鍺半導(dǎo)體的兩端，在本征區(qū)(I)的一側(cè)。這構(gòu)成了磁敏二極管的核心，其結(jié)構(gòu)如圖所示。p，n，p，n，h=0，h，h-，為什么磁敏二極管有這樣的特性？下面是一個分析。(2)磁敏二極管的工作原理當(dāng)磁敏二極管的P區(qū)接電源的正極，N區(qū)接電源的負(fù)極，即外加正偏壓時，隨著磁場、I、I、I、電子、空穴和復(fù)合面積的變化，結(jié)論：隨著磁場大小和方向

13、的變化，正負(fù)輸出電壓會發(fā)生變化，特別是在弱磁場的作用下，可以獲得更大的輸出電壓。如果R區(qū)和外部R區(qū)之間的復(fù)合能力的差異較大，磁敏二極管的靈敏度將較高。當(dāng)磁敏二極管反向偏置時，只有很小的電流在R區(qū)流動，這幾乎與磁場無關(guān)。因此，二極管兩端的電壓不會因磁場而改變。磁敏二極管的主要特性(1)伏安特性在給定磁場下，正向偏置和通過磁敏二極管的電流之間的關(guān)系曲線。從圖中可以看出，硅磁敏二極管有兩種伏安特性。如圖(b)所示，在大的偏置范圍內(nèi)，電流的變化相對平緩，并且電流隨著施加的偏置電壓的增加而逐漸增加；此后，伏安特性曲線迅速上升，表明其動態(tài)電阻相對較小。另一個如圖(c)所示。硅磁敏二極管的伏安特性曲線上存在

14、負(fù)阻現(xiàn)象，即偏置電壓突然下降。負(fù)阻現(xiàn)象的原因是高阻硅中熱平衡載流子很少，注入的載流子在填充復(fù)合中心前不會產(chǎn)生大電流，填充復(fù)合中心后電流會急劇增加。(2)磁電特性在給定條件下，磁敏二極管的輸出電壓變化與外加磁場之間的關(guān)系稱為磁敏二極管的磁電特性。圖中顯示了磁敏二極管在單獨使用和互補(bǔ)使用時的磁電特性曲線。(3)溫度特性溫度特性是指在標(biāo)準(zhǔn)試驗條件下，輸出電壓變化(或無磁場時的中點電壓)隨溫度變化的規(guī)律，如圖所示。從圖中可以看出，磁敏二極管受溫度影響很大。反映磁敏二極管的溫度特性，也可以用溫度系數(shù)來表示。在標(biāo)準(zhǔn)試驗條件下，u0的溫度系數(shù)小于20mV，U0的溫度系數(shù)小于0.6%/。而鍺磁敏二極管u0的溫

15、度系數(shù)小于-60mV，鍺磁敏二極管u0的溫度系數(shù)小于1.5%/。因此，硅管的使用溫度被指定為-4085，而鍺管現(xiàn)在被設(shè)置為-4065。(4)頻率特性硅磁敏二極管的響應(yīng)時間幾乎等于注入載流子在漂移過程中重組并達(dá)到動態(tài)平衡的時間。因此，頻率響應(yīng)時間相當(dāng)于載波的有效壽命。硅管的響應(yīng)時間小于1，即響應(yīng)頻率高達(dá)1兆赫茲。鍺磁敏二極管的響應(yīng)頻率小于10kHz。磁靈敏度磁敏感二極管的磁靈敏度有三種定義方法：(1)恒定電流條件下偏置電壓隨磁場變化的電壓相對磁靈敏度，即當(dāng)磁場強(qiáng)度為零時二極管兩端的電壓；當(dāng)磁場強(qiáng)度為B時，二極管兩端的電壓。(B)恒定電壓條件下偏置電流隨磁場變化的電流相對磁靈敏度(hi)，即(c)給定電壓源E和負(fù)載電阻R，電壓相對磁靈敏度和電流相對磁靈敏度定義如下：如果使用磁敏二極管時的條件與出廠組件的測試條件不一致，應(yīng)特別注意重新測試靈敏度。二.磁敏三極管1的工作原理和主要特點。磁敏三極管的結(jié)構(gòu)(1) NPN