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1、第四节 磁电、压电、热电式传感器,磁电式传感器,磁电式传感器：利用电磁感应原理将被测量（如振动、位移、转速等）转换成电信号（电动势）的一种传感器。它不需要辅助电源就能把被测对象的机械量转换成易于测量的电信号,是有源传感器。由于它输出功率大且性能稳定,具有一定的工作带宽（101000 Hz）,所以得到普遍应用。根据电磁感应定律,当N匝线圈在恒定磁场内运动时,设穿过线圈的磁通为,则线圈内的感应电势E与磁通变化率d/dt有如下关系:E=-w(d/dt),若线圈相对磁场运动为速度v或角转度时，则式E=-w(d/dt)可改写为 eNBlv 或 ekNBA,磁电感应式传感器工作原理,按结构不同分类,动圈式
2、,压电式传感器,压电效应石英晶体的压电效应等效电路测量电路,压电式传感器,压电式传感器是一种无源的双向机电传感器。它的工作原理是基于压电材料的压电效应。特点：体积小，结构轻可以实现力的测量，以及可以转换为力的物理量的测量，如加速度。测量动态参数。,由于外力作用在压电元件上产生的电荷只有在无泄漏的情况下才能保存，即需要测量回路具有无限大的输入阻抗，这实际上是不可能的，因此压电式传感器不能用于静态测量。压电元件在交变力的作用下，电荷可以不断补充，可以供给测量回路以一定的电流，故只适用于动态测量。,压电效应,某些晶体或多晶陶瓷，当沿着一定方向受到外力作用时，内部就产生极化现象，同时在某两个表面上产生
3、符号相反的电荷；当外力去掉后，又恢复到不带电状态；晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。上述现象称为正压电效应。反之，如对晶体施加一定变电场，晶体本身将产生机械变形，外电场撤离，变形也随着消失，称为逆压电效应。,自然界中与压电效应有关的现象,举例：黑暗的环境中，榔头敲碎冰糖，冰糖在破碎的一瞬间，发出暗淡的蓝色闪光，晶体的压电效应。例：在敦煌的鸣沙丘，当许多游客在沙丘上蹦跳或从鸣沙丘上往下滑时，可以听到雷鸣般的隆隆声。产生这个现象的原因是无数干燥的沙子（SiO2晶体）在重压引起振动，表面产生电荷，在某些时刻，恰好形成电压串联，产生很高的电压，并通过空气放电而发出声音。例：在电子打火机中，多片
4、串连的压电材料受到敲击，产生很高的电压，通过尖端放电，而点燃火焰。,压电材料,压电晶体石英（单晶体），性能稳定，机械强度和温度、时间稳定性比较好。在20200的范围内压电常数的变化率只有-0.0001/。但是压电常数不高（表示压电性能的参数），多用于标准传感器和高精度传感器中，高温较高传感器中。压电薄膜高分子压电材料，压电常数较大，动态测量范围比较广,聚偏二氟乙烯（PVDF）、聚氟乙烯（PVF）、改性聚氯乙烯（PVC）等。其中以PVDF的压电常数最高。高分子压电材料是一种柔软的压电材料。可根据需要制成薄膜或电缆套管等形状。经极化处理后就显现出电压特性。它不易破碎，具有防水性，可以大量连续拉制，
5、制成较大面积或较长的尺度，因此价格便宜。,压电陶瓷人工制作的多晶体，由无数电畴组成，原始的压电陶瓷无压电性质，必须在一定得温度下做极化处理。价格便宜，制作方便，居里温度高、压电常数大，国内外大部分压电元件采用的是压电陶瓷。（1）锆钛酸铅系列压电陶瓷（PZT）有较高的压电常数d（200500）10-12C/N和居里点（500左右），是目前经常采用的一种压电材料。,压电常数是衡量材料压电效应强弱的参数,它直接关系到压电输出的灵敏度压电关系表达式：压电常数压电材料开始丧失压电特性的温度称为居里点温度。,压电材料的主要特性参数,石英晶体的压电机理分析,石英的晶体结构为六方形晶柱，两端对称棱锥化学式为S
6、iO2。定义：x：两相邻柱面内夹角等分线，垂直此轴压电效应最强。称为电轴。y：垂直于平行柱面，在电场作用下变形最大，称为机械轴。z：无压电效应，中心轴，也称光轴。,当石英晶体未受外力作用时,正、负离子正好分布在正六边形的顶角上,形成三个互成120夹角的电偶极矩P1、P2、P3,P1+P2+P3=0,所以晶体表面不产生电荷,即呈中性。,当石英晶体受到沿x轴方向的压力作用时,晶体沿x方向将产生压缩变形,正负电荷重心不再重合,在x轴的正方向出现正电荷,电偶极矩在y方向上的分量仍为零,不出现电荷.,当晶体受到沿y轴方向的压力作用时,在x轴上出现电荷,它的极性为x轴正向为负电荷。在y轴方向上不出现电荷。
7、,如果沿z轴方向施加作用力,因为晶体在x方向和y方向所产生的形变完全相同,所以正负电荷重心保持重合,电偶极矩矢量和等于零。这表明沿z轴方向施加作用力,晶体不会产生压电效应。,压电陶瓷,极化后的压电陶瓷，当受外力变形后，由于电极矩的重新定位而产生电荷，压电陶瓷的压电系数是石英的几十倍甚至几百倍，但稳定性不如石英好。,等效电路,压电式传感器对被测量的变化是通过其压电元件产生电荷量的大小来反映的，因此它相当于一个电荷源。而压电元件电极表面聚集电荷时，它又相当于一个以压电材料为电介质的电容器，其电容量为：,式中 s-极板面积 r-压电材料相对介电常数 0-真空介电常数-压电元件厚度,等效电路,当压电元
8、件受外力作用时，两表面产生等量的正、负电荷Q，压电元件的开路电压(认为其负载电阻为无穷大)U为 这样，可以把压电元件等效为一个电荷源Q和一个电容器Ca的等效电路，如图6-8(a)中的虚线方框；同时也等效为一个电压源U和一个电容器Ca串联的等效电路，如图6-8的虚线方框所示。其中Ra为压电元件的漏电阻。,下页,上页,返回,图库,压电式传感器的测量电路,压电式传感器的特点：高阻抗，低能量。接入高输入阻抗前置放大器的作用：1.把传感器的高输出阻抗变换为低输出阻抗。2.放大微弱信号 根据压电元件的工作原理及上节所述两种等效电路，与压电元件配套的测量电路的前置放大器也有两种形式：电压放大器：其输出电压与
9、输入电压(压电元件的输出电压)成正比。电荷放大器：其输出电压与输入电荷成正比,测量电路,电压放大器 电压放大器的作用是将压电式传感器的高输出阻抗经放大器变换为低阻抗输出，并将微弱的电压信号进行适当放大因此也把这种测量电路称为阻抗变换器。,电压放大器,当时，与电缆电容有关,当时，,测量电路,电荷放大器 由于电压放大器使所配接的压电式传感器的电压灵敏度将随电缆分布电容及传感器自身电容的变化而变化，而且电缆的更换得引起重新标定的麻烦，为此又发展了便于远距离测量的电荷放大器，目前它巳被公认是一种较好的冲击测量放大器。,下页,上页,返回,图库,电荷放大器,运算放大器输入阻抗很高故可近似，并将反馈电容折算
10、到输入端,输出电压与电缆电容Cc无关，且的影响不明显（由于作了简化假设，表达式上是无关的）与q成正比这些优点使得压电传感器基本上都用电荷放大器作为转换电路。,电荷放大器等效电路,压电式传感器的应用,压电式测力传感器（单向动态力）,常用压电式振动加速度传感器与被测振动加速度的机件紧固在一起后，传感器受机械运动的振动加速度作用，压电晶片受到质量块惯性引起的交变力，其方向与振动加速度方向相反，大小由F=ma决定。惯性引起的压力作用在压电晶片上产生电荷。电荷由引出电极输出，由此将振动加速度转换成电参量。,概述,热电式传感器是一种将温度变化转换为电量变化的装置。它利用传感元件的电磁参数随温度变化的特征来
11、达到测量的目的。通常将被测温度转换为敏感元件的电阻、磁导或电势等的变化，通过适当的测量电路，就可由电压、电流这些电参数的变化来表达所测温度的变化。将温度转换为电势大小的热电式传感器叫热电偶；将温度转换为电阻值大小的热电式传感器叫做热电阻。,8.2 热电偶,热电偶作为敏感元件优点为：结构简单：其主体实际上是由两种不同性质的导体或半导体互相绝缘并将一端焊接在一起而成的；具有较高的准确度；测量范围宽，常用的热电偶，低温可测到-50，高温可以达到1600左右，配用特殊材料的热电极，最低可测到-180，最高可达到+2800的温度；具有良好的敏感度；使用方便等。,下页,上页,返回,图库,3.4.3 热电式
12、传感器,8.2.2 热电偶基本规律,标准电极定律 如果将导体C(热电极，一般为纯铂丝)作为标准电极(也称参考电极)，并已知标准电极与任意导体配对时的热电势，则在相同结点温度(T，T0)下，任意两导体A、B组成的热电偶，其热电势可由下式求得 EAB(T,T0)=EAC(T,T0)-EBC(T,T0)（8-10）,下页,上页,返回,图库,8.2.2 热电偶基本规律,连接导体定律和中间温度定律 连接导体定律：在热电偶回路中，如果热电极A、B分别与连接导线A、B相连接，结点温度分别为T、Tn、T0，那么回路的热电势将等于热电偶的热电势EAB(T,Tn)与连接导线A、B在温度Tn、T0 时热电势 EAB
13、(T,Tn)的代数和(见图8-10)，即 EABBA(T,Tn,T0)=EAB(T,Tn)+EAB(Tn,T0)（8-11）,下页,上页,返回,图库,8.2.3 热电偶材料及常用热电偶,对热电偶的电极材料主要要求是：配制成的热电偶应具有较大的热电势，并希望热电势与温度之间成线性关系或近似线性关系。能在较宽的温度范围内使用并且在长期工作后物理化学性能与热电性能都比较稳定。电导率要求高，电阻温度系数要小。易于复制，工艺简单，价格便宜。标准化热电偶有：铂铑一铂热电偶、镍铬一镍铝热电偶、镍铬考铜热电偶及铜一康铜热电偶等。标准化热电偶的主要技术数据列于表8-2中。,下页,上页,返回,图库,热电偶传感器,
14、热电偶基本定律均质导体定律：热电偶必须由两种不同性质的均质材料构成。中间导体定律：在热电偶测温回路内，接入第三种导体时，只要第三种导体的两端温度相同，则对回路的总热电势没有影响，即热电偶接过渡（中间）导体（传感器引出）时，总回路电势不变。（测量引线）中间温度定律：在热电偶测温回路中，tc为热电极上某一点的温度，热电偶AB在接点温度为t、t0时的热电势eAB(t,t0)等于热电偶AB在接点温度t、tc和 tc、t0时的热电势（温度补偿）常用热电偶铂铹铂热电偶，特点：精度高，1300C镍铬镍硅热电偶，特点：线性好，-501300C，价格低镍铬铐铜热电偶，特点：灵敏度高，常温测量，-50500C，价格低钨铼10钨铼20热电偶，特点：精度高，测高温、2000C，成本高,热电偶传感器,热电偶的温度补偿标准测量时，T=0C，但实际应用时较难实现。常用方法为电位补偿法。补偿电路置于变化的温度环境（tn）中，调整R使E(tn，to)=UA，一般t0=0C,Rt为正温度系数电阻。当tn,UA以补偿U(t,tn)的下降,
