ch7 壓電式傳感器

1、第7章 壓電式傳感器,壓電式傳感器是由壓電元件作為轉(zhuǎn)換元件的有源傳感器。它可以將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，也可以將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能?？梢杂糜谂c力有關(guān)的物理量測(cè)量，如：壓力，加速度，機(jī)械沖擊，振動(dòng)等。,下頁(yè),返回,圖庫(kù),有源傳感器：無(wú)需外接電源早在1680年，發(fā)過(guò)科學(xué)家皮埃爾.居里兄弟發(fā)現(xiàn)了石英晶體的壓電效應(yīng)，直到1948年才制作出第一個(gè)石英傳感器。,一、 壓電效應(yīng)和壓電材料,某些物質(zhì)的材料，當(dāng)沿一定方向施加外力作用時(shí)，會(huì)產(chǎn)生變形，同時(shí)在某兩個(gè)

2、表面上產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷；當(dāng)外力去掉后，又恢復(fù)到不帶電狀態(tài)。上述現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)。,下頁(yè),上頁(yè),返回,圖庫(kù),反之，如對(duì)某些物質(zhì)的材料施加一定變化電場(chǎng)，材料將產(chǎn)生機(jī)械變形；外電場(chǎng)撤離，變形也隨著消失，稱為逆壓電效應(yīng)（負(fù)壓電效應(yīng)）。,1、壓電效應(yīng),正、負(fù)壓電效應(yīng)統(tǒng)稱為壓電效應(yīng)。,自然界中大多數(shù)晶體都具有壓電效應(yīng)。然而，許多經(jīng)典的壓電效應(yīng)很微弱。只有石英晶體，鈦酸鋇，鋯鈦酸鉛等可以用作壓電式傳感器。壓電材料根據(jù)物理性質(zhì)大致分為：壓電晶

3、體：天然和人造石英晶體，酒石酸鉀等多晶體壓電陶瓷：人工合成的多晶體，如：鈦酸鋇，鋯鈦酸鉛,下頁(yè),上頁(yè),返回,圖庫(kù),2、壓電材料,壓電材料是設(shè)計(jì)高性能傳感器的關(guān)鍵，選用時(shí)應(yīng)考慮： ①轉(zhuǎn)換性能：具有較高的耦合系數(shù)或具有較大的壓電常數(shù)。 ②機(jī)械性能：壓電元件作為受力元件，希望它的機(jī)械強(qiáng)度高、機(jī)械剛度大，以期獲得寬的線性范圍和高的固有振動(dòng)頻率。③電性能：具有高的電阻率和大的介電常數(shù)，以期望減弱外部分布電容的影響并獲得良好的低頻特性

4、。 ④溫度和濕度穩(wěn)定性要好：期望得到寬的工作溫度范圍。⑤時(shí)間穩(wěn)定性：壓電特性不隨時(shí)間蛻變。,下頁(yè),上頁(yè),返回,圖庫(kù),壓電材料選用,石英晶體的外形和晶軸石英晶體是單晶體結(jié)構(gòu)，其形狀為六角形晶柱，兩端呈六棱錐形石英晶體各個(gè)方向的特性不同，可用三坐標(biāo)軸系表述：Z軸：晶體的光軸，沿著Z軸的光線照射到晶體上，不發(fā)生雙折射現(xiàn)象（雙折射：當(dāng)一束光照射到晶體，產(chǎn)生兩束透視光的現(xiàn)象）Y軸：晶體的力軸，沿Y軸施加力，晶體變形最明顯X軸：晶體的

5、電軸，沿X軸施加力，壓電效應(yīng)最明顯,下頁(yè),上頁(yè),返回,圖庫(kù),3、石英晶體的壓電特性,,石英晶體的外形、晶軸和壓電效應(yīng),退出,z軸是光軸，是對(duì)稱軸，光沿著光軸穿過(guò)晶體沒(méi)有雙折射現(xiàn)象。,x軸是電軸。石英晶體剖面是6邊形，所以電軸x有3個(gè)。力沿著電軸施加作用，垂直電軸有壓電效應(yīng)。,y軸是機(jī)械軸。石英晶體剖面是6邊形，所以機(jī)械軸y有3個(gè)。力沿著機(jī)械軸施加作用，也會(huì)在垂直電軸有壓電效應(yīng)。,,石英晶體壓電效應(yīng)示意圖,退出,a) 未受力時(shí)，3個(gè)電偶

6、極矩大小相等，夾角120°,合作用為0,3個(gè)硅離子，3個(gè)O2離子在六邊形的頂點(diǎn)，形成3個(gè)電偶極矩。方向（ 從負(fù)離子指向正離子 ）,b) 受擠壓力時(shí)，p1減小，合作用沿p1反方向c 受拉伸力（效果同：y方向擠壓時(shí)）時(shí)，p1增加，合作用沿p1方向,,石英晶體受力方向與電荷極性的關(guān)系,退出,沿X方向，受擠壓力，垂直X軸表面產(chǎn)生電荷，正電荷方向與x軸一致；受拉伸力，垂直X軸表面產(chǎn)生電荷，正電荷方向與x軸相反；,沿y方向，受擠壓力

7、，垂直X軸表面產(chǎn)生電荷，正電荷方向與x軸相反；受拉伸力，垂直X軸表面產(chǎn)生電荷，正電荷方向與x軸一致；,沿z方向，施加力時(shí)，對(duì)x軸，y軸方向的電偶極距沒(méi)有影響，因此沒(méi)有壓電效應(yīng)。,,退出,壓電陶瓷的壓電機(jī)理和石英晶體并不相同。壓電陶瓷內(nèi)部有許多自發(fā)極化的電疇（電偶極性相同的小區(qū)域）。極化處理以前，各晶粒內(nèi)電疇的極性任意排列，極化作用相互抵消，對(duì)外不顯示極化特性。,4、壓電陶瓷的壓電現(xiàn)象,,壓電陶瓷的極化過(guò)程和壓電原理圖,退出,壓電陶瓷的

8、極化過(guò)程：在壓電陶瓷施加直流外電場(chǎng)，電疇的自發(fā)極性與外電場(chǎng)所加方向一致，規(guī)則排列“電疇”；極化后，外電場(chǎng)消失，電疇不立即回復(fù)原狀，有剩余極化強(qiáng)度。,由于束縛電荷影響，在壓電陶瓷極化兩端會(huì)吸引外界電荷，這是束縛電荷與自由電荷數(shù)量相等，極性相反，因此陶瓷片對(duì)外不顯示極性。,+,-,,壓電陶瓷的壓電原理圖,退出,壓電陶瓷受到與極化方向平行的壓力：陶瓷內(nèi)部束縛電荷（極化電荷）的極距減小，吸引自由電荷的能力減弱，會(huì)失去一部分自由電荷，呈現(xiàn)放電現(xiàn)象

9、。當(dāng)外力撤銷，極化強(qiáng)度恢復(fù)原狀，又會(huì)吸引一部分自由電荷，呈現(xiàn)充電現(xiàn)象。,壓電陶瓷受到與極化方向垂直的力：力沿y軸方向擠壓，或x軸方向擠壓，等同于極化方向的施加拉力，壓電原理.....？只是壓電效果不很明顯。,,退出,無(wú)論是石英晶體還是壓電陶瓷，研究表明：壓電作用的電荷量與外力成正比。,壓電元件的壓電過(guò)程有電荷的充、放電過(guò)程，類似電容的充放電，因此等效電路中由電荷源+電容構(gòu)成。,壓電原理的定量分析,二、 等效電路,壓電式傳感器對(duì)被測(cè)量的

10、變化是通過(guò)其壓電元件產(chǎn)生電荷量的大小來(lái)反映的，因此它相當(dāng)于一個(gè)電荷源。 而壓電元件電極表面聚集電荷時(shí)，它又相當(dāng)于一個(gè)以壓電材料為電介質(zhì)的電容器，其電容量為：,式中 s ― 極板面積 εr ―壓電材料相對(duì)介電常數(shù) ?0 ―真空介電常數(shù) δ ― 壓電元件厚度,下頁(yè),上頁(yè),返回,圖庫(kù),實(shí)際等效電路 壓電式傳感器實(shí)際使用時(shí)總要與測(cè)試儀表或測(cè)量電路相連，因而還必須要考慮

11、電纜連接電容Cc，前置放大器的輸入電阻Ri和輸入電容Ci以及壓電式傳感器絕緣電阻Ra，這樣壓電式傳感器在測(cè)量系統(tǒng)中的等效電路就如圖所示。,下頁(yè),上頁(yè),返回,,,,由于壓電式傳感器產(chǎn)生的電量非常小，所以要求測(cè)量電路的輸入電阻非常大以減小測(cè)量誤差。而且壓電式傳感器的輸出端要接前置放大器，放大器有兩種形式：電壓放大器：其輸出電壓與輸入電壓(壓電元件的輸出電壓)成正比。電荷放大器：其輸出電壓與輸入電荷成正比。,三、 測(cè)量電路,下頁(yè),上頁(yè),

12、返回,圖庫(kù),1、壓電元件的串并聯(lián) 在壓電傳感器中，為了提高靈敏度，通常壓電材料采用兩片或兩片以上組合在一起。由于壓電材料是有極性的，因此連接方法有兩種，如圖所示。,四、 壓電式傳感器的合理使用,下頁(yè),上頁(yè),返回,圖庫(kù),并聯(lián),串聯(lián),下頁(yè),上頁(yè),返回,,,,,,,1、壓電元件的串并聯(lián),在圖 (a)中，兩壓電片的負(fù)極都集中在中間電極上，正電極在兩邊的電極上。這種接法稱為并聯(lián)。其輸出電容C并為單片電容C的兩倍，但輸出電壓U并等于

13、單片電壓U，極板上電荷量q并為單片電荷量q的兩倍，即,下頁(yè),上頁(yè),返回,圖 (b)的接法，正電荷集中在上極板，負(fù)電荷集中在下極板，而中間的極板上片產(chǎn)生的負(fù)電荷與下片產(chǎn)生的正電荷相互抵消，這種接法稱為串聯(lián)。由圖可知，輸出的總電荷q串等于單電荷q，而輸出電壓U串為單片電壓U的兩倍，總電容C串為單片電容C的一半，即,兩種接法，并聯(lián)接法電容大，時(shí)間常數(shù)長(zhǎng)，適合于測(cè)量慢變信號(hào)，并且適用于以電荷作為輸出量的場(chǎng)合；串聯(lián)接法，輸出電壓大，電容相對(duì)小，

14、適合以電壓作為輸出型號(hào)，并且測(cè)量電路的輸入阻抗很高的場(chǎng)合。,下頁(yè),上頁(yè),返回,2、壓電力傳感器的安裝 壓電式力傳感器安裝時(shí)應(yīng)保證傳感器的敏感軸與受力方向一致。安裝傳感器的上、下接觸面要經(jīng)過(guò)精細(xì)加工，以保證平行度和平面度。 當(dāng)接觸表面粗糙時(shí)，可加裝應(yīng)力分布?jí)K并用螺栓緊固。,3、合理選擇傳感器的量程和頻率響應(yīng),4、合理選用測(cè)量?jī)x表,5、合理選擇安裝連接電纜,6、選擇縱、橫向壓電效應(yīng),五、 壓電式傳感器的應(yīng)用,壓

15、電元件是一種典型的力敏感元件?？捎脕?lái)測(cè)量最終能轉(zhuǎn)換為力的多種物理量。 在檢測(cè)技術(shù)中，常用來(lái)測(cè)量力和加速度。,下頁(yè),上頁(yè),返回,圖庫(kù),1 壓電式測(cè)心跳2 壓電式自制吉他3 壓電蜂鳴器,6.5 壓電式傳感器的應(yīng)用舉例,1 壓電式測(cè)心跳2 壓電式自制吉他3 壓電蜂鳴器,下頁(yè),上頁(yè),返回,圖庫(kù),第7章 本章要點(diǎn),壓電原理石英晶體的壓電原理（受力，畫(huà)電荷方向）壓電陶瓷的壓電原理（受力，畫(huà)電荷方向）壓電式傳感器的應(yīng)

16、用,結(jié)束,上頁(yè),返回,圖庫(kù),第8章 霍爾式傳感器,下頁(yè),上頁(yè),返回,霍爾效應(yīng)與霍爾元件霍爾式傳感器工作原理霍爾式傳感器的應(yīng)用舉例,霍爾式傳感器是利用霍爾元件基于霍爾效應(yīng)原理而將被測(cè)量（如電流、磁場(chǎng)、位移、壓力）等轉(zhuǎn)換成電動(dòng)勢(shì)輸出的一種傳感器。,圖庫(kù),一、霍爾效應(yīng)和霍爾元件,下頁(yè),上頁(yè),返回,霍爾效應(yīng) 一塊半導(dǎo)體薄片置于磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場(chǎng)(磁場(chǎng)方向垂直于薄片)中，當(dāng)有電流 I 流過(guò)時(shí)，在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向上將

17、產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)UH。 UH的大小正比于B和I的乘積，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。,圖庫(kù),霍爾效應(yīng)在1879年由美國(guó)物理學(xué)家霍爾在金屬材料中發(fā)現(xiàn)，但是由于金屬材料的霍爾效應(yīng)太微弱并未引起重視。直到20世紀(jì)50年代，半導(dǎo)體的霍爾效應(yīng)才被廣泛重視和利用。,下頁(yè),上頁(yè),返回,一塊長(zhǎng)為l、寬為b、厚為d的半導(dǎo)體薄片置于磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場(chǎng)(磁場(chǎng)方向垂直于薄片)中。當(dāng)有電流I流過(guò)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)UH。,圖庫(kù),當(dāng)磁場(chǎng)方向不垂直于元件平

18、面，而是與元件平面的法線成一角度 時(shí)，實(shí)際作用于元件上的有效磁場(chǎng)是其法線方向的分量，即 ，產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),式中：KH——霍爾元件的靈敏度。 式中：RH——霍爾系數(shù)，它反應(yīng)元件霍爾效應(yīng)的強(qiáng)弱，由材料性質(zhì)決定。（單位體積內(nèi)導(dǎo)電粒子數(shù)越少，霍爾效應(yīng)越強(qiáng)，半導(dǎo)體比金屬導(dǎo)體

19、霍爾效應(yīng)強(qiáng)，所以常采用半導(dǎo)體材料做霍爾元件；） d——霍爾元件的厚度。由UH公式可知，對(duì)于材料和尺寸確定的元件, KH保持常數(shù)，霍爾電勢(shì)UH僅與I B的乘積成正比。利用這一特性，在恒定電流之下可用來(lái)測(cè)量磁感應(yīng)強(qiáng)度B；反之，在恒定的磁場(chǎng)之下，也可以用來(lái)測(cè)量電流I。減小霍爾元件的厚度可以增強(qiáng)霍爾效應(yīng)。,,下頁(yè),上頁(yè),返回,,,2、霍爾元件材料,1．鍺(Ge)，N型及P型均可。 2．硅(Si)．N型及P型

20、均可。3．砷化銦(InAs)和銻化銦(InSb),霍爾元件型號(hào)命名方法如下圖所示。,3 霍爾元件構(gòu)造及測(cè)量電路,下頁(yè),上頁(yè),霍爾元件構(gòu)造由:霍爾片、四極引線、殼體組成霍爾片是一塊矩形半導(dǎo)體薄片，在它的四個(gè)端面引出四根引線，其中引線1和3為激勵(lì)電壓或電流引線，稱為激勵(lì)電極。引線2和4為霍爾電勢(shì)輸出引線，稱為霍爾電極。,返回,圖庫(kù),4、 霍爾元件的主要技術(shù)指標(biāo),下頁(yè),上頁(yè),額定激勵(lì)電流IH 使霍爾元件溫升10℃所

21、施加的控制電流值稱為額定激勵(lì)電流。通常用IH表示。輸入電阻Ri 指控制電流極間的電阻值。它規(guī)定要在室溫(20±5℃)的環(huán)境溫度中測(cè)取。 輸出電阻Rs 指霍爾電極間的電阻值。規(guī)定中要求在(20±5℃)的條件下測(cè)取。不等位電勢(shì)當(dāng)霍爾元件通以控制電流IH而不加外磁場(chǎng)時(shí)，它的霍爾輸出端之間仍有空載電動(dòng)勢(shì)存在，該電動(dòng)勢(shì)就稱為不等位電勢(shì)(或零位電動(dòng)勢(shì))。,返回,圖庫(kù),下頁(yè),上頁(yè),

22、寄生直流電動(dòng)勢(shì) 當(dāng)不加外磁場(chǎng)，控制電流改用額定交流電流時(shí)，霍爾電極間的空載電動(dòng)勢(shì)為直流與交流電動(dòng)勢(shì)之和。其中的交流霍爾電動(dòng)勢(shì)與前述零位電動(dòng)勢(shì)相對(duì)應(yīng)，而直流霍爾電動(dòng)勢(shì)是個(gè)寄生量，稱為寄生直流電動(dòng)勢(shì)V。熱阻RQ、霍爾電勢(shì)溫度系數(shù) 它表示在霍爾電極開(kāi)路情況下，在霍爾元件上輸入lmW的電功率時(shí)產(chǎn)生的溫升，單位為℃／mW。所以稱它為熱阻是因?yàn)檫@個(gè)溫升的大小在一定條件下與電阻有關(guān)。,返回,圖庫(kù),1） 溫度補(bǔ)償

23、 下圖示為各種不同材料的內(nèi)阻與溫度的關(guān)系。,,下頁(yè),上頁(yè),返回,上圖示為各種不同材料的霍爾輸出電勢(shì)隨溫度變化的情況。,5、霍爾元件的溫度補(bǔ)償和不等位電勢(shì)補(bǔ)償,為了減少由溫度變化所引起的溫差電勢(shì)對(duì)霍爾元件輸出的影響，可根據(jù)不同情況，采取一些不同的補(bǔ)償方法。恒流源補(bǔ)償,,下頁(yè),上頁(yè),返回,利用輸出回路的負(fù)載進(jìn)行補(bǔ)償,激勵(lì)電源串聯(lián)一個(gè)很大電阻R,不等位電勢(shì)補(bǔ)償 不等位電勢(shì)的產(chǎn)生，會(huì)使霍爾元件或傳感器在使用中產(chǎn)生零

24、位誤差。在高精度測(cè)量中，需采用不等位電勢(shì)補(bǔ)償?shù)姆椒▉?lái)盡量排除它對(duì)霍爾輸出的影響。,下頁(yè),上頁(yè),返回,霍爾元件的等效電路,當(dāng)兩電極不相等時(shí)（如r1>r2），電橋失去平衡，U0 = 0，此時(shí)就需進(jìn)行補(bǔ)償，其補(bǔ)償電路如右上圖所示。,,,下頁(yè),上頁(yè),返回,霍爾元件使用注意事項(xiàng) 1）驅(qū)動(dòng)方式 霍爾元件的驅(qū)動(dòng)方式有恒壓和恒流兩種，其電路如下圖所示。 2）散熱 3）安裝 ①安

25、裝應(yīng)堅(jiān)實(shí)牢固；②不可有扭曲現(xiàn)象。,二、霍爾集成傳感器,由霍爾元件及有關(guān)電路組成的傳感器稱為霍爾傳感器。目前霍爾傳感器都已集成化，即把霍爾元件、放大器、溫度補(bǔ)償電路及穩(wěn)壓電源或恒流電源等集成在一個(gè)芯片上，由于其外形與集成電路相同，故又稱霍爾集成電路。 霍爾傳感器的霍爾材料仍以半導(dǎo)體硅作為主要材料，按其輸出信號(hào)的形式可分為線性型和開(kāi)關(guān)型兩種。,下頁(yè),上頁(yè),返回,線性型霍爾集成傳感器是將霍爾元件和恒流源，線性放大器等做在同一芯片上，輸出

26、電壓較高，使用非常方便。 例如：UGN3501M是具有雙端差動(dòng)輸出特性的線性霍爾器件，UGN3501M的外形、內(nèi)部電路框圖如下圖,,,,,,,下頁(yè),上頁(yè),返回,1、線性型霍爾集成傳感器,開(kāi)關(guān)型霍爾集成傳感器是將霍爾元件、穩(wěn)壓電路、放大器、施密特觸發(fā)器、OC門等電路做在同一芯片上。例：開(kāi)關(guān)型霍爾集成電路UGN3019，其外型與內(nèi)部電路框圖如下圖所示。,,下頁(yè),上頁(yè),返回,2、開(kāi)關(guān)型霍爾集成傳感器,（1）簡(jiǎn)易高斯計(jì)

27、 霍爾元件及傳感器廣泛用于磁場(chǎng)測(cè)量。圖為一個(gè)簡(jiǎn)易高斯計(jì)電路，它直接采用線性型霍爾傳感器 UGN-3501M。,,下頁(yè),上頁(yè),返回,恒流源輸入，通過(guò)調(diào)整電位器使輸出電動(dòng)勢(shì)與磁感應(yīng)強(qiáng)度成正比；電壓表的指針輸出反應(yīng)磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小,（2）計(jì)數(shù)裝置 圖是一個(gè)應(yīng)用霍爾傳感器對(duì)鋼球進(jìn)行計(jì)數(shù)的裝置及電路。,,下頁(yè),上頁(yè),返回,當(dāng)鋼球滾過(guò)，磁場(chǎng)發(fā)生一次變化，霍爾元件輸出一次脈沖電流，經(jīng)放大后，三極管導(dǎo)通一次。在三極管的輸出端接上計(jì)

28、數(shù)器即可。,（3）霍爾接近開(kāi)關(guān) 利用開(kāi)關(guān)型霍爾集成電路制作的接近開(kāi)關(guān)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)，如圖所示。,,下頁(yè),上頁(yè),返回,（4）霍爾轉(zhuǎn)速表 霍爾轉(zhuǎn)速表如圖所示。,,下頁(yè),上頁(yè),返回,（5）角位移測(cè)量?jī)x 角位移測(cè)量?jī)x其結(jié)構(gòu)如圖所示。,,下頁(yè),上頁(yè),返回,（6）汽車霍爾點(diǎn)火器圖所示為霍爾電子點(diǎn)火器原理圖。,,下頁(yè),上頁(yè),返回,,下頁(yè),上頁(yè),返回,紗線定長(zhǎng)和自停裝置圖示為利用霍爾開(kāi)關(guān)