第七章电动势式传感器-PPT.pptx

第七章电动势式传感器7、1、1 磁电式传感器得工作原理磁电式传感器得工作原理7、1、2 动圈式磁电传感器7、1、3 磁阻式磁电传感器7、1 磁电式传感器7、1、1 磁电式传感器得工作原理 法拉第电磁感应定律:不同类型得磁电式传感器磁通量得变化实现办法:磁铁与线圈之间作相对运动;恒定磁场中线圈面积得变化;磁路中磁阻得变化、l直接应用:测定速度 在信号调节电路中接积分电路,或微分电路,磁电式传感器就可以用来测量位移或加速度。7、1、1 磁电式传感器得工作原理7、1、2 动圈式磁电传感器动圈式磁电传感器7、1、3 磁阻式磁电传感器7、1 磁电式传感器动圈式磁电传感器结构磁电式传感器构成:1、磁路系统 由它产生恒定直流磁场。为了减小传感器得体积,一般都采用永久磁铁;2、线圈 由它切割磁力线运动产生感应电动势。作为一个完整得磁电式传感器,除了磁路系统与线圈外,还有一些其它元件,如壳体、支承、阻尼器、接线装置等。(1)1)线圈做直线运动得传感器线圈做直线运动得传感器:当线圈在磁场中做直线运动时当线圈在磁场中做直线运动时,它产生得感应电动势为它产生得感应电动势为:B工作气隙中得磁感应强度工作气隙中得磁感应强度(1T=1Wb/m2)L每匝线圈得有效长度每匝线圈得有效长度(垂直切割磁感垂直切割磁感线得导线得等效长度线得导线得等效长度,即圆形线圈得直径即圆形线圈得直径(与运动速度方向垂直与运动速度方向垂直)N工作气隙中线圈绕组得匝数工作气隙中线圈绕组得匝数v线圈与磁场得相对直线速度线圈与磁场得相对直线速度线圈面得法线方向与磁场方向夹角线圈面得法线方向与磁场方向夹角结构一定时结构一定时,感应电势与线圈对感应电势与线圈对磁场得相对速度成正比。磁场得相对速度成正比。(2)(2)线圈做旋转运动得传感器线圈做旋转运动得传感器:(类似于发电机类似于发电机)线圈面的法线方向与磁场方向夹角线圈面的法线方向与磁场方向夹角角频率。角频率。为常数时，为常数时，=tN工作气隙中线圈绕组的匝数工作气隙中线圈绕组的匝数A线圈所包围的面积线圈所包围的面积结构一定时结构一定时,感应电势与线圈对感应电势与线圈对磁场得相对角速度成正比。磁场得相对角速度成正比。7、1、1 磁电式传感器得工作原理7、1、2 动圈式磁电传感器7、1、3 磁阻式磁电传感器磁阻式磁电传感器7、1 磁电式传感器7、1、3 磁阻式磁电传感器 线圈与磁铁部分都就是静止得,与被测物连接而运动得部分就是用导磁材料制成得,在运动中,它们改变磁路得磁阻,因而改变贯穿线圈得磁能量,在线圈中产生感应电动势。用来测量转速,线圈中产生感应电动势得频率作为输出,而电势得频率取决于磁通变化得频率。结构:开磁路、闭磁路 当齿轮旋转时,由齿轮得凹凸引起磁阻得周期性变化,磁通也周期磁通也周期 性变化性变化,从而在线圈中感应出交变电势从而在线圈中感应出交变电势,其频率其频率f与转速与转速n及齿轮齿数及齿轮齿数z得关系得关系为为:开磁路磁阻式转速传感器 1永久磁铁永久磁铁3感应线圈感应线圈2软铁软铁4齿轮齿轮 结构比较简单结构比较简单,但输出信号较小但输出信号较小,当被测轴振动较大时当被测轴振动较大时,传感器输出波形失真较大。传感器输出波形失真较大。12大家应该也有点累了，稍作休息大家有疑问的，可以询问和交流大家有疑问的，可以询问和交流大家有疑问的，可以询问和交流大家有疑问的，可以询问和交流闭磁路磁阻式转速传感器 闭磁路闭磁路磁组式转速传感器磁组式转速传感器当转轴连接到被测轴上转动时,内外齿轮得相对运动使磁路气隙发生变化,因而磁阻发生变化并使贯穿于线圈中得磁通量变化,在线圈中感应出电动势。采用在振动强得场合,有下限工作频率(50Hz)传感器得输出电势取决于线圈中磁场变化速度,5永久磁铁永久磁铁4感应线圈感应线圈3外齿轮外齿轮2内齿轮内齿轮1转轴转轴7、2 压电式传感器7、2、1 压电式传感器得工作原理压电式传感器得工作原理7、2、2 等效电路及信号变换电路7、2、3 压电式加速度传感器7、2、4 压电式测力传感器压电效应压电效应:由法国物理学家居里兄弟皮埃尔、雅克于由法国物理学家居里兄弟皮埃尔、雅克于18801880年发现。年发现。正压电效应正压电效应:外力外力电荷电荷 当晶体受到某固定方向外力得作用时当晶体受到某固定方向外力得作用时,内部就产生电极内部就产生电极化现象化现象,同时在某两个表面上产生符号相反得电荷同时在某两个表面上产生符号相反得电荷;当外力当外力撤去后撤去后,晶体又恢复到不带电得状态晶体又恢复到不带电得状态;若外力作用方向改变若外力作用方向改变时时,电荷得极性也随之改变电荷得极性也随之改变;晶体受力所产生得电荷量与外晶体受力所产生得电荷量与外力得大小成正比。力得大小成正比。逆压电效应逆压电效应:外加电场外加电场机械形变机械形变 指对晶体施加电场引起晶体机械变形得现象指对晶体施加电场引起晶体机械变形得现象,在撤掉外在撤掉外加电场时加电场时,这些物质得机械变形随之消失。这些物质得机械变形随之消失。7、2、1 压电式传感器得工作原理电势型传感器 以压电效应为基础压电效应可逆 “双向传感器”正压电效应 加力 变形 产生电荷逆压电效应 施加电场 电介质产生变形 应力 常见得压电材料有石英、钛酸钡、锆钛酸铅等。1、石英晶体得压电效应X轴轴:电轴或电轴或1轴轴;Y轴轴:机械轴或机械轴或2轴轴;Z轴轴:光轴或光轴或3轴。轴。“纵向压电效应纵向压电效应”:沿电轴沿电轴(X轴轴)方向得力作用下产生电荷方向得力作用下产生电荷“横向压电效应横向压电效应”:沿机械轴沿机械轴(Y轴轴)方向得力作用下产生电荷方向得力作用下产生电荷在光轴在光轴(Z轴轴)方向时则不产生压电效应。方向时则不产生压电效应。晶体切片 当沿电轴方向加作用力Fx时,则在与电轴垂直得平面上产生电荷 d11压电系数压电系数(C/N)作用力就是沿着机械轴方向作用力就是沿着机械轴方向电荷仍在与电荷仍在与X轴垂直得平面轴垂直得平面切片上电荷得符号与受力方向得关系 图图(a)就是在就是在X轴方向受压力轴方向受压力,图图(b)就是在就是在X轴方向受拉力轴方向受拉力,图图(c)就是在就是在Y轴方向受压力轴方向受压力,图图(d)就是在就是在Y轴方向受拉力。轴方向受拉力。石英晶体得压电效应(a)正负电荷就是互相平衡得正负电荷就是互相平衡得,所以外部没有带电现象。所以外部没有带电现象。(b)在在X轴方向压缩轴方向压缩,表面表面A上呈现负电荷、上呈现负电荷、B表面呈现正电荷。表面呈现正电荷。(c)沿沿Y轴方向压缩轴方向压缩,在在A与与B表面上分别呈现正电荷与负电荷表面上分别呈现正电荷与负电荷 石英晶体一种天然晶体,压电系数d112、311012C/N;莫氏硬度为7、熔点为1750、膨胀系数仅为钢得1/30。优点:转换精度高、线性范围宽、重复性好、固有频率高、动态特性好、工作温度高达550(压电系数不随温度变化而改变)、工作湿度高达100%、稳定性好。2、压电陶瓷得压电效应:(1)压电陶瓷介绍:压电陶瓷就是一种具有压电效应得功能陶瓷。人工制造、各向同性、多晶体。原始得压电陶瓷材料内部具有无数自发极化得电畴,各电畴得极化方向无规则,不具备压电性。压电陶瓷要经极化处理之后才具有压电性。直流电场E剩余极化强度P剩余伸长电场作用下的伸长(a)极化处理前(b)极化处理（取极化方向为Z轴方向）(c)极化处理后 极化处理后,大多数电畴仍大致沿原外电场方向排列,因而陶瓷内部极化强度不为0,即存在剩余极化强度,压电陶瓷两端出现束缚电荷,但整体上仍表现为电中性(2)极化处理:Z轴方向外加强直流电场10003000V/mm(3)压电陶瓷得压电效应:压电效应:沿极化方向施加外力 外力压缩变形电畴偏转极化强度减小释放部分自由电荷。(放电)外力撤消恢复原形电畴回转极化强度增大吸附部分自由电荷。(充电)逆压电效应:沿极化方向施加电场 电场方向与极化方向相同:极化强度增强正负束缚电荷间距变大极化方向伸长 电场方向与极化方向相反:极化强度减弱正负束缚电荷间距变小极化方向缩短剩余极化强度剩余伸长压电陶瓷得正压电效应 压电陶瓷片上加上一个与极化反向平行得外力,陶瓷片将产生压缩变形,原来吸附在极板上得自由电荷,一部分被释放而出现放电现象。当压力撤消后,陶瓷片恢复原状,片内得正、负电荷之间得距离变大,极化强度也变大,因此电极上又吸附部分自由电荷而出现充电现象。放电电荷得多少与外力得大小成比例关系放电电荷得多少与外力得大小成比例关系 常见压电陶瓷:(1)钛酸钡(BaTiO3)压电陶瓷 具有较高得压电系数与介电常数,机械强度不如石英。(2)锆钛酸铅Pb(ZrTi)O3系压电陶瓷(PZT)压电系数较高,各项机电参数随温度、时间等外界条件得 变化小,在锆钛酸铅得基方中添加一两种微量元素,可以 获得不同性能得PZT材料。(3)铌镁酸铅Pb(MgNb)O3-PbTiO3-PbZrO3压电陶瓷(PMN)具有较高得压电系数,在压力大至700kg/cm2仍能继续工 作,可作为高温下得力传感器。7、2 压电式传感器7、2、1 压电式传感器得工作原理7、2、2 等效电路及信号变换电路等效电路及信号变换电路7、2、3 压电式加速度传感器7、2、4 压电式测力传感器7、2、2 等效电路及信号变换电路1、压电元件得等效电路2、压电式传感器得信号调节电路1、压电元件得等效电路 静电荷发生器:当压电元件受到外力作用时,会在压电元件一定方向得两个表面(电极面)上产生电量相等、极性相反得电荷。电容器:在压电元件得两个电极面上有电荷聚集,并且电极面间得物质可以等效为电介质。压电式传感器得等效电路(a)等效为一个电荷源等效为一个电荷源Q与一个电容与一个电容Ca并联得电路并联得电路(b)等效成一个电源等效成一个电源U=Q/Ca 与一个电容与一个电容Ca得串联电路得串联电路 两个压电片得联接方式(a)“并联并联”,Q=2Q,U=U,C=2C并联接法输出电荷大并联接法输出电荷大,本身电容大本身电容大,时间常数大时间常数大,适宜用在测量慢变信号并且以电荷作为输出量得地方适宜用在测量慢变信号并且以电荷作为输出量得地方,(b)“串联串联”Q=Q,U=2U,C=C/2而串联接法输出电压大而串联接法输出电压大,本身电容小。本身电容小。适宜用于以电压作输出信号适宜用于以电压作输出信号,且测量电路输入阻抗很高得地方。且测量电路输入阻抗很高得地方。2、压电式传感器得信号调节电路压电式传感器要求负载电阻RL必须有很大得数值,才能使测量误差小到一定数值以内。因此常先接入一个高输入阻抗得前置放大器,然后再接一般得放大电路及其它电路。测量电路关键在高阻抗得前置放大器。前置放大器两个作用:把压电式传感器得微弱信号放大;把传感器得高阻抗输出变换为低阻抗输出。前置放大器得形式:1、电压放大器:输出电压与输入电压(传感器输出电压)成正比;要求高输入阻抗,以提高低频段测量范围。电缆长度应设为常数(灵敏度易受电缆电容得影响)。2、电荷放大器:输出电压与传感器得输出电荷成正比。输出电压与传输电缆长度无关(电缆电容影响小),适合长距离传输工作。经前置放大后,可采用一般放大、检波、记录等电路,或经功率放大至记录器。7、2 压电式传感器7、2、1 压电式传感器得工作原理7、2、2 等效电路及信号变换电路7、2、3 压电式加速度传感器压电式加速度传感器7、2、4 压电式测力传感器7、2、3 压电式加速度传感器压缩式压电加速度传感器结构压缩式压电加速度传感器结构测量原理当传感器感受振动时,质量块感受与传感器基座相同得振动,并受到与加速度方向相反得惯性力得作用。这样,质量块就有一正比于加速度得交变力作用在压电片上。由于压电片压电效应,两个表面上就产生交变电荷,当振动频率远低于传感器得固有频率时,传感器得输出电荷(电压)与作用力成正比,亦即与试件得加速度成正比。输出电量由传感器输出端引出,输入到前置放大器后就可以用普通得测量仪器测出试件得加速度,如在放大器中加进适当得积分电路,就可以测出试件得振动速度或位移。7、2 压电式传感器7、2、1 压电式传感器得工作原理7、2、2 等效电路及信号变换电路7、2、3 压电式加速度传感器7、2、4 压电式测力传感器压电式测力传感器7、2、4 压电式测力传感器 压电元件就是直接把力转换为电荷得传感器。变形方式:利用纵向压电效应得TE方式最简便。材料选择:决定于所测力得量值大小,对测量误差提 出得要求、工作环境温度等各种因素。晶片数目:通常就是使用机械串联而电气并联得两片。晶片电气并联两片,可以使传感器得电荷 输出灵敏度增大一倍。