第六章電動(dòng)勢(shì)傳感器

本章學(xué)習(xí)的主要內(nèi)容：6.1壓電式傳感器6.2霍爾式傳感器

6.1壓電式傳感器

壓電傳感器振動(dòng)分析動(dòng)畫演示6.1.1壓電式傳感器的基本工作原理1．壓電效應(yīng)電介質(zhì)在沿一定方向上受到外力

產(chǎn)生變形

外力去掉，回到不帶電狀態(tài)

內(nèi)部產(chǎn)生極化現(xiàn)象，表面產(chǎn)生電荷

壓電效應(yīng)動(dòng)畫演示逆壓電效應(yīng)極化方向上施加交變電場(chǎng)

產(chǎn)生機(jī)械變形

去外加電場(chǎng)，變形消失

逆壓電效應(yīng)動(dòng)畫演示2．壓電材料（1）壓電晶體石英晶體外形圖壓電晶體是一種單晶體例如：石英晶體；酒石酸鉀鈉等

天然形成的石英晶體外形圖（2）壓電陶瓷壓電陶瓷是一種人工制造的多晶體例如：鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛、鈮酸鍶等

壓電陶瓷外形圖高分子壓電材料外形圖（3）有機(jī)壓電材料有機(jī)壓電材料屬于新一代的壓電材料主要有壓電半導(dǎo)體和高分子壓電材料

壓電材料的主要特性指標(biāo)（1）壓電系數(shù)d

（2）剛度H（3）介電常數(shù)ε（4）電阻R（5）居里點(diǎn)6.1.2壓電式傳感器及其等效電路

1．壓電晶片的連接方式

壓電傳感器產(chǎn)生的電荷量甚微，所以使用時(shí)常采用兩片或兩片以上的壓電元件粘結(jié)在一起成為疊層式壓電組合器件。由于壓電材料的電荷是有極性的，因此有兩種接法。壓電元件常用的結(jié)構(gòu)形式并聯(lián)接法C’＝2CU’＝UQ’=2Q（1）串聯(lián)（2）并聯(lián)U’＝2UQ’=Q圖6-4兩壓電片的連接方式在圖6-4（a）中，為兩壓電片的并聯(lián)：

Q'=2Q，U'=U，C'=2C在圖6-4（b）中，為兩壓電片的串聯(lián)：Q’=Q，U=2U，C=C/2這兩種接法中：并聯(lián)接法輸出電荷大，本身電容大，時(shí)間常數(shù)大，適用于測(cè)量慢變信號(hào)，以及以電荷作為輸出量的的場(chǎng)合。串聯(lián)接法輸出電壓大，本身電容小，適用于以電壓作輸出信號(hào)，以及測(cè)量電路輸入阻抗很高的場(chǎng)合。2．壓電式傳感器的等效電路提問：壓電式傳感器能用于靜態(tài)測(cè)量嗎？提示：電荷有無泄漏？轉(zhuǎn)換電路的輸入阻抗是否無限大？6.1.3壓電式傳感器的測(cè)量電路

壓電傳感器的輸出信號(hào)很微弱，而且內(nèi)阻很高，一般不能直接顯示和記錄，需要采用低噪聲電纜把信號(hào)送到具有高輸入阻抗的前置放大器。前置放大器作用：一是放大壓電傳感器的微弱輸出信號(hào)；二是把傳感器的高阻抗輸出變換成低阻抗輸出。圖6-8壓電傳感器的測(cè)量系統(tǒng)框圖1.電壓放大器（阻抗變換器）圖6-9阻抗變換器電路圖

該阻抗變換器第一級(jí)采用MOS場(chǎng)效應(yīng)管構(gòu)成源極輸出器，第二級(jí)是用鍺管構(gòu)成對(duì)輸入端的負(fù)反饋，以提高輸入阻抗，電路中的R1，R2是場(chǎng)效應(yīng)管V的偏置電阻，R3是一個(gè)100MΩ的大電阻，主要起提高輸入阻抗的作用，R5是場(chǎng)效應(yīng)管的漏極負(fù)載電阻，根據(jù)V漏極電流大小即可確定R5的數(shù)值(在調(diào)試中確定)，R4是源極接地電阻，也是VT的負(fù)載。無放大電荷的作用（Q/U轉(zhuǎn)換器）輸出電壓僅與輸入電荷和反饋電容有關(guān)電纜長(zhǎng)度影響小2.電荷放大器注意：電荷放大器等效電路電荷放大器外形圖6.1.4壓電式傳感器的應(yīng)用1.微振動(dòng)檢測(cè)儀圖6-11微振動(dòng)檢測(cè)電路由圖6-11可知：第一級(jí)是電荷放大器，其低頻響應(yīng)由反饋電容C1和反饋電阻R1決定。低頻截止頻率為0.053Hz。RF是過載保護(hù)電阻。第二級(jí)為輸出調(diào)整放大器，調(diào)整電位器W1可使其輸出約為50mV/gal(1gal=1cm/1cm/S2)。在低頻檢測(cè)時(shí)，頻率愈低，閃變效應(yīng)的噪聲愈大，該電路的噪聲電平主要由電荷放大器的噪聲決定，為了降低噪聲，最有效的方法是減小電荷放大器的反饋電容。但是當(dāng)時(shí)間常數(shù)一定時(shí)，由于C1和R1呈反比關(guān)系，考慮到穩(wěn)定性，則反饋電容C1的減小應(yīng)適當(dāng)。2.壓電加速度傳感器1－基座2－引出電極3－壓電晶片4－質(zhì)量塊5－彈簧6－殼體

圖6-12是BAT-5型壓電加速度傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖。壓電片(采用鋯鈦酸鉛)放在基座上，上面為重塊組件，用彈簧片把壓電片壓緊，基座固接于待測(cè)物上，當(dāng)待測(cè)物振動(dòng)時(shí)，傳感器也受有同樣的振動(dòng)，此時(shí)慣性質(zhì)量產(chǎn)生一個(gè)與加速度成正比的慣性力f作用在壓電片上，因而產(chǎn)生了電荷q，因?yàn)镕=ma，m是重塊組件的質(zhì)量，在傳感器中是一常數(shù)，所以F與所測(cè)加速度a成正比。這樣傳感器產(chǎn)生的電荷q與所測(cè)加速度a成正比。因?yàn)閭鞲衅鞯碾娙萘緾不變，因此也可以用電壓U(U=q/C)來表示所測(cè)的加速度值。壓電加速度傳感器的頻率范圍寬，線性好，而且尺寸小，重量輕，附加于被測(cè)物件上不會(huì)使振動(dòng)信號(hào)嚴(yán)重失真，從而在振動(dòng)測(cè)量中應(yīng)用非常廣泛。壓電式振動(dòng)加速度傳感器3.壓電式力傳感器壓電式壓力傳感器測(cè)力動(dòng)畫演示

壓電式壓力傳感器的測(cè)量范圍很寬，能測(cè)低至102N/m2的低壓，高至108N/m2的高壓，且頻響特性好，結(jié)構(gòu)堅(jiān)實(shí)，體積小，重量輕，使用壽命長(zhǎng)，所以廣泛應(yīng)用于內(nèi)燃機(jī)的氣缸、油管、進(jìn)排氣管的壓力測(cè)量，在航天和軍事工業(yè)上的應(yīng)用也很廣泛。4.基于壓電效應(yīng)的超聲波傳感器

超聲波傳感器(也稱超聲探頭)實(shí)質(zhì)上是一種可逆的換能器，它將電振蕩的能量轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械振蕩，形成超聲波;或者由超聲波能量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娬袷?。因此超聲波傳感器可分為發(fā)送器及接收器，發(fā)送器是將電能轉(zhuǎn)變?yōu)槌暡?而接收器則是將接收到的超聲波能量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋?/p>

基于壓電效應(yīng)的超聲波傳感器結(jié)構(gòu)如圖6-14所示，其核心部分為壓電晶片。壓電式超聲探頭可發(fā)射和接收超聲波。它是由壓電晶片、阻尼塊(吸收塊)及保護(hù)膜組成。

上圖是用超聲波檢測(cè)厚度的方法之一——回波法的工作原理圖。超聲波探頭與被測(cè)物體表面接觸。主控制器控制發(fā)射電路，使探頭發(fā)出的超聲波到達(dá)被測(cè)物體底面而反射回來，該脈沖信號(hào)又被探頭接收，經(jīng)放大加到示波器垂直偏轉(zhuǎn)板上。標(biāo)記發(fā)生器輸出時(shí)間標(biāo)記脈沖信號(hào)，同時(shí)加到該垂直偏轉(zhuǎn)板上，而掃描電壓則加在水平偏轉(zhuǎn)板上。因此，在示波器上可直接讀出發(fā)射與接收超聲波之間的時(shí)間間隔t。若已知超聲波的傳播速度為c，則可求得被測(cè)物體的厚度h=ct/2。6.2.1霍爾元件的基本工作原理1．霍爾效應(yīng)

6.2霍爾式傳感器

霍爾效應(yīng)動(dòng)畫演示

如左圖所示的半導(dǎo)體薄片，若在它的兩端通以控制電流I，在薄片的垂直方向上施加磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場(chǎng)，那么在薄片的另兩側(cè)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與控制電流I和磁感應(yīng)強(qiáng)度B的乘積成比例的電動(dòng)勢(shì)EH，這個(gè)電動(dòng)勢(shì)稱霍爾電動(dòng)勢(shì)，這一現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)，該半導(dǎo)體薄片稱為霍爾元件。2．工作原理霍爾電動(dòng)勢(shì)EH為：

e——電子電量

KH——霍爾元件靈敏度式中n——載流子數(shù)濃度KH＝1/ned霍爾效應(yīng)動(dòng)畫演示

如果磁感應(yīng)強(qiáng)度B和元件平面法線成一角度時(shí)，則作用在元件上的有效磁場(chǎng)是其法線方向的分量，即Bcosθ，這時(shí)霍爾元件示意圖（a）霍爾元件結(jié)構(gòu)示意圖（b）圖形符號(hào)（c）外形

霍爾元件圖片3．基本電路注意：時(shí)間短（約10-12s～10-14s之間）頻率高（幾千兆赫）。

由于霍爾元件須在磁場(chǎng)與控制電流的作用下，才會(huì)輸出霍爾電動(dòng)勢(shì)，所以在實(shí)際使用時(shí)，可把I或B作為輸入信號(hào)，或這兩者同時(shí)作為輸入信號(hào)，而輸出信號(hào)則正比與I或B，或兩者的乘積。4.霍爾元件的結(jié)構(gòu)

(a)霍爾元件外形(b)霍爾元件結(jié)構(gòu)示意圖圖6-19霍爾元件6.2.2霍爾元件的測(cè)量電路和誤差分析1.不等位電勢(shì)Uo及其補(bǔ)償

不等位電勢(shì)Uo是一個(gè)主要的零位誤差，如下圖所示?；魻栯妱?dòng)勢(shì)是從A，B兩點(diǎn)引出的，由于工藝上無法保證霍爾電極A，B完全焊在同一等位面上，因此當(dāng)控制電流I流過元件時(shí)，即使不加磁場(chǎng)，A，B兩點(diǎn)間也存在一個(gè)電勢(shì)Uo，這就是不等位電勢(shì)。

在分析不等位電勢(shì)時(shí)，可以把霍爾元件等效為一個(gè)電橋，見圖6-21。電橋臂的四個(gè)電阻分別是R1，R2，R3，R4，當(dāng)兩個(gè)霍爾電極A，B處在同一等位面上時(shí)，R1=R2=R3=R4，電橋平衡，不等位電勢(shì)Uo等于零。當(dāng)兩個(gè)霍爾電極不在同一等位面上時(shí)，電橋不平衡，不等位電勢(shì)不等于零。此時(shí)可根據(jù)A，B兩點(diǎn)電位的高低，判斷應(yīng)在某一橋臂上并聯(lián)一定的電阻，使電橋達(dá)到平衡，從而使不等位電勢(shì)為零。圖6-22霍爾元件的等效電路圖6-23不等電位電勢(shì)的幾種補(bǔ)償線路幾種補(bǔ)償線路如圖6-23所示。2.溫度誤差及其補(bǔ)償

霍爾元件與一般半導(dǎo)體器件一樣，對(duì)溫度的變化是很敏感的，會(huì)給測(cè)量帶來較大的誤差。為了減小霍爾元件的溫度誤差，除選用溫度系數(shù)小的元件或采用恒溫措施外，用恒流源供電往往可以得到明顯的效果。另外可采用溫度補(bǔ)償線路。（1）不等位電勢(shì)的橋式補(bǔ)償電路圖6-24具有溫度補(bǔ)償?shù)牟坏任浑妱?shì)補(bǔ)償電路

左圖中，其中一個(gè)橋?yàn)闊崦綦娮鑂t，并且Rt與霍爾元件的等效電路的溫度特性相同。在磁感應(yīng)強(qiáng)度B為零時(shí)調(diào)節(jié)Rp1和Rp2，使補(bǔ)償電壓抵消霍爾元件，此時(shí)輸出不等位電勢(shì)，從而使B=0時(shí)的總輸出電壓為零。（2）恒流源供電圖6-25恒流源溫度補(bǔ)償電路

圖6-25中，在控制極并聯(lián)一個(gè)合適的補(bǔ)償電阻rp，這個(gè)電阻起分流作用。當(dāng)溫度升高時(shí)，霍爾元件的霍爾電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻Ri都隨之增加，由于補(bǔ)償電阻rp的存在，在I為定值時(shí)，通過霍爾元件的電流減小，而通過補(bǔ)償電阻rp的電流卻增加，這樣利用元件內(nèi)阻的溫度特性和一個(gè)補(bǔ)償電阻，就可以使霍爾電動(dòng)勢(shì)的溫度誤差得到補(bǔ)償。（3）采用熱敏元件（a）在輸入回路進(jìn)行補(bǔ)償（b）在輸出回路進(jìn)行補(bǔ)償圖6-26采用熱敏元件的溫度補(bǔ)償電路

圖（a）是在輸入回路進(jìn)行溫度補(bǔ)償?shù)碾娐?；圖（b）則是在輸出回路進(jìn)行溫度補(bǔ)償?shù)碾娐贰Ｔ诎惭b測(cè)量電路時(shí)，熱敏元件最好和霍爾元件封裝在一起或盡量靠近，以使二者的溫度變化一致。6.2.3霍爾元件的使用1.主要技術(shù)參數(shù)（1）額定控制電流；（2）輸入電阻Ri與輸出電阻Ro；（3）不等位電勢(shì)Uo和不等位電阻ro；（4）靈敏度KH；（5）寄生直流電勢(shì)U；（6）霍爾電動(dòng)勢(shì)溫度系數(shù)；（7）內(nèi)阻溫度系數(shù)；（8）熱阻RQ。2.元件的連接

為了得到較大的霍爾電動(dòng)勢(shì)輸出，當(dāng)元件的工作電流為直流時(shí)，可把幾個(gè)霍爾元件輸出串聯(lián)起來，但控制電流極應(yīng)該并聯(lián)，如圖6-27（a）所示。通過調(diào)節(jié)RPl，RP2可使兩單個(gè)元件輸出電動(dòng)勢(shì)相等，而A，B端的輸出就等于單個(gè)元件的兩倍。這種連接方式雖增加了輸出電動(dòng)勢(shì)，但輸出內(nèi)阻隨之增加。（a）正確接法（b）錯(cuò)誤接法圖6-27霍爾元件輸出迭加連接3.集成霍爾器件1）霍爾線性集成器件

霍爾線性集成器件是將霍爾元件和放大電路等集成制作在一塊芯片上，它的特點(diǎn)是輸出電壓在一定范圍內(nèi)與磁感應(yīng)強(qiáng)度B成線性關(guān)系，被廣泛使用于磁場(chǎng)檢測(cè)、直流無刷電動(dòng)機(jī)等場(chǎng)合?；魻柧€性集成器件由霍爾元件、放大、電壓調(diào)整、電流放大輸出級(jí)、失調(diào)調(diào)整及線性度調(diào)整等部分組成，有三端T型單端輸出和八腳雙列直插型雙端輸出兩種結(jié)構(gòu)。2）霍爾開關(guān)集成器件

霍爾開關(guān)集成器件由霍爾元件、差分放大器、施密特觸發(fā)器、功率放大輸出器四個(gè)部分組成。它的特性如右圖所示，其高低電平的轉(zhuǎn)變所對(duì)應(yīng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B值不同，形成切換差（回差）這是位式作用傳感器的特點(diǎn)，對(duì)防止干擾引起的誤動(dòng)作有利。這種器件也有單端和雙端輸出兩種結(jié)構(gòu)。6.2.4霍爾元件的應(yīng)用

霍爾接近開關(guān)電路能控制220V交流電的霍爾開關(guān)，它通過對(duì)磁信號(hào)的探測(cè)實(shí)現(xiàn)電路的通斷。通過控制一塊條形磁鐵的位置來實(shí)現(xiàn)控制磁場(chǎng)的變化，產(chǎn)生我們所需的0.01T的磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化量。用SS495霍爾片檢測(cè)信號(hào)，靜態(tài)時(shí)輸出低電平，動(dòng)態(tài)時(shí)輸出高電平。uA741構(gòu)成電流并聯(lián)正反饋放大電路。控制執(zhí)行用單向硅管2N1596，Ie=1A，U≥400V，電源可變換器用交流電橋，靜態(tài)時(shí)，它輸出整流后的直流電位霍爾電路供電；動(dòng)態(tài)時(shí)，它與可控硅作用，使電路導(dǎo)通。1.霍爾接近開關(guān)霍爾接近開關(guān)有四部分構(gòu)成。（1）穩(wěn)壓電路圖6-30穩(wěn)壓二極管（2）信號(hào)采集圖6-31信號(hào)采集電路（3）放大電路圖6-32放大電路（4）整流電路圖6-33整流電路2.霍爾式壓力傳感器

霍爾元件組成的壓力傳感器基本包括兩部分：一部分是彈性元件，如彈簧管或膜盒等，用它感受壓力，并把它轉(zhuǎn)換成位移量；另一部分是霍爾元件和磁路系統(tǒng)。如下圖所示為霍爾式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。其中，彈性元件