电压型传感器

1 d11 d 2 21 3 d 31
d12 d 22 d 32
d13 d 23 d 33
ห้องสมุดไป่ตู้
d14 d 24 d 34
d15 d 25 d 35
T1 T d16 2 T3 d 26 T4 d 36 T 5 T6
六、应用
1 压电式单向测力传感器
F
石英晶片 上盖
绝缘套
电极
基座
压电式压力传感器 型 号:MYD-8553 应用领域：高频动 态压力测量，风洞 压力测量等。
2 交通监测
将高分子压电电缆埋在公路上，可以获取车型分类信息（包括 轴数、轴距、轮距、单双轮胎）、车速监测、收费站地磅、停
车区域监控、交通数据信息采集（道路监控）及机场滑行道等。
适合电压输出， 高频信号
Ce C / n
Qe Q
U e nU
3.压电式传感器的测量电路
前置放大器的作用
阻抗变换作用：高阻抗－低阻抗
放大传感器输出的微弱信号
电压放大器
前置放大器
电荷放大器
实际等效电路：
CC 为连接电缆，R 为放大器输入电阻，C i 为输入电容，R a 为压电传感器泄 i 露电阻，Ca为压电元件的电容。.
S ——工作面面积 ； h——晶片厚度
两种等效电路：
注意：不受外力，压电元件只等效为一个电容器Ca。
2.压电元件的串并联
并联——相邻两片压电元件按极化方向相反粘贴。
串联——相邻两片压电元件按极化方向相同粘贴。
n个元件并联：
适合电荷输出， 低频信号
Ce nC
Qe nQ
Ue U
n个元件串联：
三、力——电荷转换公式
Tj Fj / S j
i Qi / Si
i dij Tj
灵敏度为常数
Si Qi dij Fj Sj
四、压电材料
压电材料——具有压电效应的电介质，包括石英晶体和压电 陶瓷。
1.石英晶体
单晶结构，结晶形状为六角晶柱，是一个正六面体。
光轴
电轴
机械 轴
t＝0.2mm，圆片半径r＝1cm， r 4.5 ，x切型
12
5.3热电偶型传感器
温度
热电偶
电压
特点：
①结构简单，制造容易，使用方便。测量时，可以不要 外加电源； ②测温范围广，- 269℃<T<1800℃。 ③测量精确度较高； ④便于远距离测量、自动记录及多点测量。
5.3.1
热电效应
热电效应——两种不同的金属导体A、B串接成一个闭 合回路。当两个结点处于不同温度时，导体在回路中产 生热电势和相应的热电流。
2 1 T N B 图8—1
1—工作端 2—热电极
3
A
S I
T0
4
热电效应
3—指南针 4—参考端
热端（工作端）——通常用于对被测介质温度测量； 冷端（参考端）——通常保持为某一恒定温度或室温； 热电势—— EAB (T ,T0 )
第5章 电压型传感器
理解常见电压
型传感器的基

本工作原理 基本要求： 掌握常见电压 型传感器的测 量电路
主要内容
5.1磁电式传感器 5.2压电式传感器 5.3热电偶传感器 5.4光电传感器 5.5霍尔传感器
5.1 磁电式传感器
通过电磁感应原理将被测量（如振动、转速、 扭矩）转换成电势信号。 利用导体和磁场发生相对运动而在导体两端输 出感应电势；属于机-电能量变换型传感器 优点: 不需要供电电源，电路简单， 性能稳定，输出阻抗小
使用时，用瞬干胶将其 粘贴在玻璃上。当玻璃 遭暴力打碎的瞬间，压 电薄膜感受到剧烈振动， 表面产生电荷Q ，在两 个输出引脚之间产生窄 脉冲报警信号。
例题：
某压电式传感器为两片石英晶体并联，每片厚度
d11 2.3110 C / N 。当0.1MPa的压强垂直作于与x
平面时，求传感器输出电荷Q与电极间电压Ua的值。
C Cc Ci
Ra Ri R Ri Ra
（1）电压放大器（阻抗变换器）
C Cc Ci
Ra Ri R Ri Ra
在压电元件上的力为正弦变化的力 F ，有
F Fm sin t
压电元件产生电荷：
Q dF dFm sin t Qm sin t Qm－压电元件输出电荷的幅值 d－压电系数
纵轴线z——光轴 穿过棱线且垂直z轴的x轴——电轴 （压电效应最强） 垂直棱面的y轴——力轴（机械轴）（机械形变最明显）
石英晶体的压电常数：
d11 [dij ] 0 0
d11 0 d14 0 0 0 0 0 0
0 d14 0
0 2d11 0
x方向——存在纵向压电效应 d11，横向压电效应 d12 d11和面 切向压电效应 d14 。 y方向——有面切压电效应 d25 d14 和剪切压电效 d26 2d11 若 改变受力方向，表面极性也相应改变；
二、压电效应表达式
i dij Tj
Tj——Pa 牛顿/米2 1Pa 1N / m 2 d ij ——j方向应力引起i面产生电荷时的压电常数
T j ——j方向的外加应力
—C/N 库仑/牛顿
i——i面上产生的电荷密度 C / m2 i
d ij
压电常数矩阵
d11 d12 [dij ] d d 21 22 d31 d32
2.压电陶瓷
多晶体压电材料，压电系数高，灵敏度较石英材料高， 但工作温度低，温度稳定性和机械强度都不如石英。
未极化前：不具压电性
E
加外电场
撤销外电场
原始压电陶瓷材料没有压电性，极化后具有压电性。
压电常数为：
钛酸钡
0 [dij ] 0 d31
0 0 d31
0 0 d33
0 d15 0
五、压电式传感器
(1)被测量直接转换为电荷输出；
(2)适用于动态测量：电荷只在无泄漏情况下保存，
需要测量回路输入阻抗无限大，不适于静态测量。交
变力作用下，电荷不断补充，供给回路一定的电流；
(3) 必须有一定的预应力。
1. 等效电路
C
r 0 S
h
不同于普通电容 器，力消失，电 荷消失
r ——晶片相对介电常数； 0 ——真空介电常数；
(b)铁心旋转型
e ANB cos 2t
这种结构可做成测角速度
三、结构类型
2 恒磁通结构:
工作气隙中的磁通恒定，感应电动势是由于永 久磁铁与线圈之间有相对运动－线圈切割磁力 线产生。
分为 ：动铁式和动圈式
动铁式
动圈式
基本原理
如果在线圈运动部分的磁场强度B是均匀的， 则当线圈与磁场的相对速度为υ时，线圈的感应电动势：
与电缆电容无关
U 理o 一般C f 100 ~ 104 pF
q Cf
A不是很大，产生误差 C Cf U理0 U实0 ＝ 100%＝ U理0 C (1 A)C f
结论：
1、压电传感器不能测量静态参数；
2、采用电压放大器，更换电缆时，须重新校正； 3、采用电荷放大器，更换电缆时，无须重新校正。
一、压电效应
1、正（顺）压电效应
正压电效应——某些材料沿一定方向施力变形，内部产生
极化现象，两表面产生极性相反的电荷，外力去掉后，表面又 回到不带电状态。
2、逆压电效应（电致伸缩）
正压电效应
T(S) 机械能
压电介质
逆压电效应
Q(E) 电 能
逆压电效应——在电介质的极化方向上施加电场，电
介质也会产生变形。
高分子压电电缆的应用演示
将两根高分子压电电缆相距若干米，平行埋设于柏油公路的路面下约 5cm，可以用来测量车速及汽车的载重量，并根据存储在计算机内部的档案
数据，判定汽车的车型。
3 玻璃破碎报警
将高分子压电测振薄膜粘贴在玻璃上，可以感受到玻璃破
碎时会发出振动，并将电压信号传送给集中报警系统。
粘贴 位置
但磁电式传感器是速度传感器，若要获取被
测位移或加速度信号，则要配用积分或微分 电路。
5.2 压电式传感器
受力、表面形变
压电器件
电荷
原理——材料受力变形时, 表面产生电荷，实现非电量测量；
特点——体积小、重量轻、工作频带宽等；
应用——动态力、 机械冲击、振动声学、 医学、宇航。
§5-1 压电效应和压电材料
（2）电荷放大器
由一个反馈电容 C f 和高 增益运算放大器构成。 略去 Ra 和 Ri并联电阻。 运算放大器输入阻抗极 高，放大器输入端几乎 没有分流。
U o U cf
q Cf
电荷放大器实际的输出电压为： Aq U 实o Ca Cc Ci 1 A C f 通常A 104 ~ 108 , 若满足 1 A C f Ca Cc Ci
d15 0 0
0 0 0
常见压电陶瓷 ：
（1）钛酸钡（BaTiO3）压电陶瓷 具有较高的压电系数和介电常数，机械强度不如石英。 （2）锆钛酸铅Pb（Zr· Ti）O3系压电陶瓷（PZT） 压电系数较高，各项机电参数随温度、时间等外界条件的 变化小。 （3）铌镁酸铅Pb(MgNb)O3-PbTiO3-PbZrO3压电陶瓷（PMN） 具有较高的压电系数，在压力大至700kg/cm2仍能继续工 作，可作为高温下的力传感器。
T0
T
δ:汤姆逊系数，温度为1℃时所产生的电动势值，与材料的性质有 关。
3 热电偶回路的总热电势
E AB ( T ,T0 ) e AB ( T ) e A ( T ,T0 ) e AB ( T0 ) eB ( T ,T0 ) [ e AB ( T ) e AB ( T0 )] [ e A ( T ,T0 ) eB ( T ,T0 )]