压电磁敏传感技术讲稿.ppt

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1、压电磁敏传感技术第一页，讲稿共一百一十页哦6.1.1 6.1.1 压电效应压电效应 正压电效应正压电效应 某些电介质物质，在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，某些电介质物质，在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，内部会产生极化现象，同时在其表面上产生电荷；当外力去掉后，内部会产生极化现象，同时在其表面上产生电荷；当外力去掉后，又重新回到不带电的状态，又重新回到不带电的状态，这种将这种将机械能转变为电能机械能转变为电能机械能转变为电能机械能转变为电能的现象，称的现象，称为为“正压电效应正压电效应”。逆压电效应（电致伸缩效应）逆压电效应（电致伸缩效应）在电介质的极化方向上施加电场，它会产生机械变

2、形，在电介质的极化方向上施加电场，它会产生机械变形，当去掉外加电场时，电介质的变形随之消失。当去掉外加电场时，电介质的变形随之消失。这种将这种将电能转电能转电能转电能转换为机械能换为机械能换为机械能换为机械能的现象，称为的现象，称为“逆压电效应逆压电效应”。第二页，讲稿共一百一十页哦F FF F极化面极化面Q Q压电介质压电介质机械能机械能电能电能正压电效应正压电效应逆压电效应逆压电效应压电效应及可逆性压电效应及可逆性第三页，讲稿共一百一十页哦具具有有压压电电效效应应的的电电介介物物质质称称为为压压电电材材料料。具具有有压压电电效效应应的的物物质质很很多多，如如天天然然形形成成的的石石英英晶晶

3、体体，人人工工制制 造造 的的 压压 电电 陶陶 瓷瓷、钛钛 酸酸 钡钡、锆锆 钛钛 酸酸 铅铅 等等。常见的压电材料可分为两类，即压电单晶体和多常见的压电材料可分为两类，即压电单晶体和多晶体压电陶瓷。晶体压电陶瓷。第四页，讲稿共一百一十页哦一、石英晶体的压电效应一、石英晶体的压电效应 石英晶体有天然和人造石英单晶两石英晶体有天然和人造石英单晶两种。种。石英晶体属六方晶系，是一个正六面石英晶体属六方晶系，是一个正六面体，有右旋和左旋石英晶体之分，在晶体体，有右旋和左旋石英晶体之分，在晶体学中用三根互相学中用三根互相 垂直的轴垂直的轴 Z Z、X X、Y Y 表表示它的坐标。示它的坐标。第五页，

4、讲稿共一百一十页哦第六章第六章第六章第六章 压电、磁敏传感技压电、磁敏传感技压电、磁敏传感技压电、磁敏传感技术术术术第六页，讲稿共一百一十页哦 Z Z 轴为光轴（中性轴），轴为光轴（中性轴），它是晶体的对称轴，光线沿它是晶体的对称轴，光线沿Z Z轴通过晶体不轴通过晶体不产生双折射现象，因而它的贡献是作为基准轴。产生双折射现象，因而它的贡献是作为基准轴。X X 轴为电轴（垂直于光轴），轴为电轴（垂直于光轴），该轴压电效应最显著，它通过正六棱该轴压电效应最显著，它通过正六棱柱相对的两个棱线且垂直于光轴柱相对的两个棱线且垂直于光轴Z Z，显然，显然X X轴共有三个。轴共有三个。Y Y 轴为机械轴（力

5、轴），轴为机械轴（力轴），显然也有三个，它垂直于两个相对的表显然也有三个，它垂直于两个相对的表面，在此轴上加力产生的变形最大。面，在此轴上加力产生的变形最大。第七页，讲稿共一百一十页哦+YXp3p1p2（a）YX+p1p2p3Fx+Fx（b）YX Fy+Fy+p1p2p3（c）现将组成石英（现将组成石英（SiOSiO2 2）晶体的硅离子和氧离子的排列）晶体的硅离子和氧离子的排列在垂直于晶体在垂直于晶体Z Z轴的轴的xyxy平面上进行投影，等效为正六边形排平面上进行投影，等效为正六边形排列。列。图中图中“”代表代表SiSi4+4+，“”代表代表2O2O2 2。+第八页，讲稿共一百一十页哦 当石英

6、晶体未受力作用时，当石英晶体未受力作用时，正、负离子（即正、负离子（即SiSi4+4+和和2O2O2 2）正好）正好分布在正六边形的顶角上，形成三分布在正六边形的顶角上，形成三个大小相等，互成个大小相等，互成120120夹角的电夹角的电偶极矩偶极矩 p p1 1、p p2 2 和和 p p3 3。电偶极矩的矢量和等于零，电偶极矩的矢量和等于零，即即 ，这时晶体表，这时晶体表面不产生电荷，面不产生电荷，石英晶体从整体石英晶体从整体上呈电中性。上呈电中性。（见图（见图a a）+YXp3p1p2图（图（a）第九页，讲稿共一百一十页哦YX+p1p2p3Fx+Fx图（图（b b）当石英晶体受到沿当石英晶

7、体受到沿X X方向的方向的压缩压缩力力作用时，晶体沿作用时，晶体沿X X方向产生压缩变方向产生压缩变形，正、负离子的相对位置随之变形，正、负离子的相对位置随之变动，正、负电荷中心不再重合，电动，正、负电荷中心不再重合，电偶极矩在偶极矩在X X轴方向的分量，轴方向的分量，在，在X X轴的正方向的晶体表面上出现正轴的正方向的晶体表面上出现正电荷。电荷。而在而在Y Y 轴和轴和Z Z 轴方向的分量均轴方向的分量均为零。在垂直于为零。在垂直于Y Y 轴和轴和Z Z 轴的晶体轴的晶体表面上不出现电荷。表面上不出现电荷。这种沿这种沿X X轴作用力，而在垂直于此轴作用力，而在垂直于此轴晶面上产生电荷的现象，

8、称为轴晶面上产生电荷的现象，称为“纵纵向压电效应向压电效应”。（见图。（见图b b）第十页，讲稿共一百一十页哦YX Fy+Fy+p1p2p3图（图（c）当石英晶体受到沿当石英晶体受到沿Y Y轴方向的轴方向的压缩力作用时，电偶极矩在压缩力作用时，电偶极矩在X X轴方轴方向的分量向的分量 ，在在X X轴的轴的正方向的晶体表面上出现负电荷正方向的晶体表面上出现负电荷。（这种情况等同于沿这种情况等同于沿X X轴方向的拉轴方向的拉力作用力作用），同样在垂直于），同样在垂直于Y Y轴和轴和Z Z轴轴的晶面上不出现电荷。的晶面上不出现电荷。这种沿这种沿Y Y轴作用力，而在垂直轴作用力，而在垂直于于X X轴的

9、晶面上产生电荷的现象，轴的晶面上产生电荷的现象，称为称为“横向压电效应横向压电效应横向压电效应横向压电效应。”（见图（见图c c）。）。第十一页，讲稿共一百一十页哦 当晶体受到沿当晶体受到沿Z Z轴方向的力（无论是压缩力或拉伸力）轴方向的力（无论是压缩力或拉伸力）作用时，因为石英晶体在作用时，因为石英晶体在X X轴方向和轴方向和Y Y方向的变形相同，方向的变形相同，正、负电荷中心始终保持重合，电偶极矩在正、负电荷中心始终保持重合，电偶极矩在X X、Y Y方向的方向的分量等于零。分量等于零。所以沿光轴方向施加作用力，石英晶体不会产生压电效应。所以沿光轴方向施加作用力，石英晶体不会产生压电效应。当

10、作用力当作用力FxFx或或FyFy的方向相反时，电荷的极性随之改变。的方向相反时，电荷的极性随之改变。如果石英晶体的各个方向同时受到均等的作用力（如液体压如果石英晶体的各个方向同时受到均等的作用力（如液体压力），石英晶体将保持电中性。力），石英晶体将保持电中性。所以石英晶体没有体积变形就没有压电效应。所以石英晶体没有体积变形就没有压电效应。第十二页，讲稿共一百一十页哦切片上电荷的符号与受力方向的关系 图（图（a a）是在）是在X X轴方向受压力，轴方向受压力，图（图（b b）是在）是在X X轴方向受拉力，轴方向受拉力，图（图（c c）是在）是在Y Y轴方向受压力，轴方向受压力，图（图（d d）

11、是在）是在Y Y轴方向受拉力。轴方向受拉力。第六章第六章 压电、磁敏传感压电、磁敏传感技术技术第十三页，讲稿共一百一十页哦二、压电陶瓷的压电效应二、压电陶瓷的压电效应 压电陶瓷是人工制造的压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料。多晶压电材料。它由无数细微的电畴组成，这些电畴实际上是它由无数细微的电畴组成，这些电畴实际上是自发极化的小区域，自发极化的方向完全是任意排自发极化的小区域，自发极化的方向完全是任意排列的。列的。在无外电场作用时，从整体来看，这些电畴的极在无外电场作用时，从整体来看，这些电畴的极化效应被互相抵消，使原始的压电陶瓷呈电中性，不具化效应被互相抵消，使原始的压电陶瓷呈电中性，不具有压

12、电性质。有压电性质。未极化未极化的电畴的电畴第十四页，讲稿共一百一十页哦为了使压电陶瓷具有压电效应，必须进行极化处理。为了使压电陶瓷具有压电效应，必须进行极化处理。所谓极化处理，就是在一定温度下对压电陶瓷施加强电场（如所谓极化处理，就是在一定温度下对压电陶瓷施加强电场（如202030kv/cm30kv/cm直流电场），经过直流电场），经过2 23 3小时以后，压电陶瓷就具备压小时以后，压电陶瓷就具备压电性能了，这是因为陶瓷内部的电畴的极化方向在外电场作用电性能了，这是因为陶瓷内部的电畴的极化方向在外电场作用下都趋向于电场的方向，这个方向就是压电陶瓷的极化方向，下都趋向于电场的方向，这个方向就是

13、压电陶瓷的极化方向，通常取通常取 z z 轴轴方向。方向。经过极化处理的压电陶瓷，在外电场去掉后，其内部仍存在着很强经过极化处理的压电陶瓷，在外电场去掉后，其内部仍存在着很强的剩余极化强度，当压电陶瓷受外力作用时，电畴的界限发生移动，因的剩余极化强度，当压电陶瓷受外力作用时，电畴的界限发生移动，因此剩余极化强度将发生变化，压电陶瓷就呈现出压电效应。此剩余极化强度将发生变化，压电陶瓷就呈现出压电效应。电电场场方方向向电极化处理电极化处理后的电畴后的电畴第十五页，讲稿共一百一十页哦v人工制造的多晶体，压电机理与压电晶体不同。压电陶瓷的极化压电陶瓷的极化第六章第六章 压电、磁敏传感压电、磁敏传感技术

14、技术第十六页，讲稿共一百一十页哦第六章第六章 压电、磁敏传感压电、磁敏传感技术技术第十七页，讲稿共一百一十页哦超声波美容仪器用压电陶瓷晶片医 用B超 换 能 器 用 晶 片第六章第六章第六章第六章 压电、磁敏传感技压电、磁敏传感技压电、磁敏传感技压电、磁敏传感技术术术术第十八页，讲稿共一百一十页哦高分子压电薄膜高分子压电薄膜v压电薄膜聚偏二氟乙烯（PVF2）、聚氟乙烯（PVF）、聚偏氟乙烯（PVDF）、改性聚氯乙烯（PVC）等 第六章第六章 压电、磁敏传感压电、磁敏传感技术技术第十九页，讲稿共一百一十页哦三、压电常数和表面电荷的计算三、压电常数和表面电荷的计算 石英晶体的压电常数和表面电荷的计

15、算石英晶体的压电常数和表面电荷的计算 从石英晶体上切一片平行六面体从石英晶体上切一片平行六面体 晶体切片，使它的晶面晶体切片，使它的晶面分别平行于分别平行于x x、y y、z z轴。轴。btl1zxyT1（1 1）当晶片受到）当晶片受到 x x 方向压方向压缩应力缩应力T T1 1(N/m(N/m2 2)作用时，晶作用时，晶片将产生厚度变形，在垂片将产生厚度变形，在垂直于直于x x轴表面上产生的电荷轴表面上产生的电荷 与应力与应力T T1 1成正比。成正比。第二十页，讲稿共一百一十页哦 当石英晶片在当石英晶片在 x x 轴方向施加压缩力时，产生的电荷轴方向施加压缩力时，产生的电荷q q正比于作

16、用力正比于作用力F F1 1，与晶片的几何尺寸无关，若晶片在晶轴，与晶片的几何尺寸无关，若晶片在晶轴 x x 方向受到拉力（大小与压缩力相等）的作用，则仍方向受到拉力（大小与压缩力相等）的作用，则仍在垂直于在垂直于 x x 轴表面上出现轴表面上出现等量电荷等量电荷，但，但极性相反极性相反。+xF1F1+xF1F1石英晶片上电荷极性与受力方向的关系石英晶片上电荷极性与受力方向的关系第二十一页，讲稿共一百一十页哦（2 2）当晶片受到沿）当晶片受到沿 y y（即机械轴）方向的应力（即机械轴）方向的应力T T2 2作用时，作用时，在垂直于在垂直于 x x 轴表面出现电荷，电荷的极性如下图示。轴表面出现

17、电荷，电荷的极性如下图示。+xF2F2+xF2F2电荷q12与施加的应力T2成正比。第二十二页，讲稿共一百一十页哦 （3 3）当石英晶体受到）当石英晶体受到 z z 轴（即光轴）方向应力轴（即光轴）方向应力T T3 3作用时，作用时，无论是拉伸应力，还是压缩应力，都不会产生电荷，即：无论是拉伸应力，还是压缩应力，都不会产生电荷，即：d dxzxz=0=0。xyz分析石英晶体通过分析石英晶体通过d dijij的基本变形方式可将的基本变形方式可将机械能转换为电能。机械能转换为电能。(a)(a)厚度变形厚度变形，通过，通过d dxxxx产生产生x x方向的方向的纵向压电效应纵向压电效应；(b)(b)

18、长度变形长度变形，通过，通过d dxyxy产生产生y y方向的方向的横向压电效应横向压电效应；第二十三页，讲稿共一百一十页哦石英晶体与压电陶瓷的比较石英晶体与压电陶瓷的比较石英晶体 压电陶瓷a 单晶体 人工制造的多晶体b 极化方向：X、Y Z轴c 介电和压电常数 灵敏度高的温度稳定性好第六章第六章第六章第六章 压电、磁敏传感技压电、磁敏传感技压电、磁敏传感技压电、磁敏传感技术术术术第二十四页，讲稿共一百一十页哦l压电材料的主要性能指标压电材料的主要性能指标压电常数压电常数衡量压电效应强弱的参数，直接关系到压电输衡量压电效应强弱的参数，直接关系到压电输出的灵敏度出的灵敏度 弹性常数弹性常数决定着

19、压电器件的固有频率和动态特性决定着压电器件的固有频率和动态特性 介电常数介电常数影响压电器件的固有电容与频率下限影响压电器件的固有电容与频率下限绝缘电阻绝缘电阻影响电荷泄漏和低频特性影响电荷泄漏和低频特性居里点居里点压电材料开始丧失压电特性的温度压电材料开始丧失压电特性的温度 第六章第六章 压电、磁敏传感压电、磁敏传感技术技术第二十五页，讲稿共一百一十页哦一、压电元件的结构形式一、压电元件的结构形式 在压电式传感器中，常用两片或多片组合在一起使用。在压电式传感器中，常用两片或多片组合在一起使用。由于压电材料是有极性的，因此接法也有两种，如图所示。由于压电材料是有极性的，因此接法也有两种，如图所

20、示。图图a a为为并联接法并联接法，其输出电容，其输出电容C C 为单片的为单片的n n倍，即倍，即C C=nC=nC，输出电压，输出电压U U=U U，极板上的电荷量，极板上的电荷量Q Q为单片电荷量的为单片电荷量的n n倍，即倍，即Q=nQ。图中图中b b为为串联接法串联接法，这时有，这时有Q Q，U=nU，C=C/n。6.1.2 6.1.2 压电式传感器的等效电路压电式传感器的等效电路第六章第六章第六章第六章 压电、磁敏传感技压电、磁敏传感技压电、磁敏传感技压电、磁敏传感技术术术术第二十六页，讲稿共一百一十页哦a b第六章第六章 压电、磁敏传感压电、磁敏传感技术技术第二十七页，讲稿共一百

21、一十页哦两个压电片的联结方式（a a）“并联并联”，Q Q=2=2Q Q，U U=U U，C C=2=2C C并联接法输出电荷大，本身电容大，时间常数大，并联接法输出电荷大，本身电容大，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的地方。适宜用在测量慢变信号并且以电荷作为输出量的地方。（b b）“串联串联”Q Q=Q Q，U U=2=2U U，C C=C C/2/2而串联接法输出电压大，本身电容小。而串联接法输出电压大，本身电容小。适宜用于以电压作输出信号，且测量电路输入阻抗很高的地方。适宜用于以电压作输出信号，且测量电路输入阻抗很高的地方。第六章第六章第六章第六章 压电、磁敏传感技压

22、电、磁敏传感技压电、磁敏传感技压电、磁敏传感技术术术术第二十八页，讲稿共一百一十页哦二、压电式传感器的等效电路二、压电式传感器的等效电路 压电式传感器对被测量的感受程度是通过其压电元压电式传感器对被测量的感受程度是通过其压电元件产生电荷量大小来反映的件产生电荷量大小来反映的，因此它相当于一个电荷源，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。料为电介质的电容器。第二十九页，讲稿共一百一十页哦QCaRfUaUCaRfUa 因为传感器既是电荷源又是电容器，其等效电路可以认为是两者因为传感器既是电

23、荷源又是电容器，其等效电路可以认为是两者的并联。也可以等效为一个电压源和一个电容串联的电路。的并联。也可以等效为一个电压源和一个电容串联的电路。其开路电压：其开路电压：由上图可知，只有在外电路负载由上图可知，只有在外电路负载R Rf f无穷大，而且内部无漏无穷大，而且内部无漏电时，压电传感器所产生的电荷及其形成的电压电时，压电传感器所产生的电荷及其形成的电压UaUa才能长期保持，才能长期保持，如果负载不是无穷大，则电路将以如果负载不是无穷大，则电路将以R Rf fC Ca a为时间常数按指数规律为时间常数按指数规律放电。放电。第三十页，讲稿共一百一十页哦 利用压电式传感器进行测量时，由于它要与

24、测量电路相连接，于是利用压电式传感器进行测量时，由于它要与测量电路相连接，于是应考虑应考虑电缆电容电缆电容CcCc，放大器的，放大器的输入电阻输入电阻R Ri i、输入电容输入电容C Ci i以及压电传感以及压电传感器的器的泄漏电阻泄漏电阻RaRa，从而可以得到压电传感器完整等效电路。，从而可以得到压电传感器完整等效电路。QCaRaCcRiCiUCaRaCcRiCi 压电传感器产生的电荷很少，信号微弱，而自身又要有极高的绝压电传感器产生的电荷很少，信号微弱，而自身又要有极高的绝缘电阻，因此需经测量电路进行阻抗变换和信号放大，且缘电阻，因此需经测量电路进行阻抗变换和信号放大，且要求测量电路要求测

25、量电路输入端必须有足够高的阻抗和较小的分布电容输入端必须有足够高的阻抗和较小的分布电容，以防止电荷迅速泄漏，以防止电荷迅速泄漏，电荷泄漏将引起测量误差。电荷泄漏将引起测量误差。第三十一页，讲稿共一百一十页哦6.1.3 6.1.3 压电式传感器的测量线路压电式传感器的测量线路 根据压电式传感器的工作原理及其等效电路，它的根据压电式传感器的工作原理及其等效电路，它的输出可以是电压信号也可以是电荷信号，因此设计前置输出可以是电压信号也可以是电荷信号，因此设计前置放大器也有两种形式：放大器也有两种形式：一种是电压放大器一种是电压放大器，其输出电压与，其输出电压与输入电压（传感器的输出电压）成正比；另输

26、入电压（传感器的输出电压）成正比；另一种是电荷放大一种是电荷放大器，器，其输出电压与输入电荷成正比。其输出电压与输入电荷成正比。第三十二页，讲稿共一百一十页哦一、电压放大器一、电压放大器 左图为电压放大器电路简化等左图为电压放大器电路简化等效电路图，图中效电路图，图中 UCaRCUscUsrA如果压电元件受的作用力为交变力如果压电元件受的作用力为交变力 FFm Sint Fm 作作用力幅值用力幅值。则产生的电荷与电压均按正弦规律变化。则产生的电荷与电压均按正弦规律变化Qd33F；d33压电系数压电系数。则压电元件上产生的电压值则压电元件上产生的电压值：第三十三页，讲稿共一百一十页哦 根据上面的

27、电路，可得到前置放大器的输入电压根据上面的电路，可得到前置放大器的输入电压Vsr，写成复，写成复数形式数形式：则前置放大器输入电压的幅值则前置放大器输入电压的幅值Vsrm为：为：输入电压与作用力之间相位差为：输入电压与作用力之间相位差为：第三十四页，讲稿共一百一十页哦传感器的电压灵敏度传感器的电压灵敏度：因为因为，则，则第三十五页，讲稿共一百一十页哦结论：结论：（1 1）当）当0 0（作用在压电元件上的力是静态力），则放大器输（作用在压电元件上的力是静态力），则放大器输入电压等于零，这意味着电荷被泄漏，从入电压等于零，这意味着电荷被泄漏，从原理上这时压电传感器原理上这时压电传感器不能测静态量；

28、不能测静态量；（2 2）当）当 ，可近似看作放大器输入电压与作用力的频率无关，可近似看作放大器输入电压与作用力的频率无关，（被测物理量变化频率越高越能满足上述条件），（被测物理量变化频率越高越能满足上述条件），可见压电式传感器高可见压电式传感器高频响应非常好。频响应非常好。（3 3）为扩大低频响应范围，必须尽量提高回路的时间常数，但不）为扩大低频响应范围，必须尽量提高回路的时间常数，但不能提高电容，否则电压灵敏度会下降，因此只能提高电阻。主要能提高电容，否则电压灵敏度会下降，因此只能提高电阻。主要取决于前置放大器的输入电阻，放大器输入电阻越大，测量回路取决于前置放大器的输入电阻，放大器输入电阻

29、越大，测量回路的时间常数越大，传感器的低频响应越好。的时间常数越大，传感器的低频响应越好。电压放大器电路简单，元器件少、价格便宜、工作可靠，但电电压放大器电路简单，元器件少、价格便宜、工作可靠，但电缆长度不能长，增加电缆长度会降低传感器的电压灵敏度，而且缆长度不能长，增加电缆长度会降低传感器的电压灵敏度，而且不不能随便更换出厂时规定的电缆，一旦更换电缆，必须重新校正灵敏度，否能随便更换出厂时规定的电缆，一旦更换电缆，必须重新校正灵敏度，否则将引起测量误差则将引起测量误差。第三十六页，讲稿共一百一十页哦二、电荷放大器二、电荷放大器 用电压放大器作为前置变换电路使得输出用电压放大器作为前置变换电路

30、使得输出U USCSC不仅与电不仅与电荷量有关，还与连接电缆等分布参数如荷量有关，还与连接电缆等分布参数如C CC C有关，所以系统有关，所以系统的互换性不好，采用电荷放大器就可以较好地解决这个问题。的互换性不好，采用电荷放大器就可以较好地解决这个问题。电荷放大器实际上是一个具有深度负反馈的高增益电荷放大器实际上是一个具有深度负反馈的高增益运算放大器。运算放大器。当放大器开环增益和输入电阻、反馈电阻相当大时，当放大器开环增益和输入电阻、反馈电阻相当大时，放大器的输出电压放大器的输出电压VscVsc正比于输入电荷正比于输入电荷Q Q。第三十七页，讲稿共一百一十页哦 基本电路（基本电路（A无限大、

31、无限大、Ri无限大的理想放大器）无限大的理想放大器）分压分压 系统的实际等效电路系统的实际等效电路分析（分析（A有限大、有限大、C=Cc+Ca+Ci ）A为运放的开环增为运放的开环增益，一般为益，一般为10104 410106 6。结果与结果与C无关。无关。第三十八页，讲稿共一百一十页哦QCaCcCiCfRfUscK式中式中 Ca传感器压电元件传感器压电元件 的电容；的电容；Cc电缆电容电缆电容 Ci放大器输入电容放大器输入电容 Cf放大器反馈电容放大器反馈电容 k放大器的开环增益放大器的开环增益第三十九页，讲稿共一百一十页哦当当k足够大，则：足够大，则：则则：电荷放大器的输出电压仅与电荷量和

32、反馈电容有关，只要保电荷放大器的输出电压仅与电荷量和反馈电容有关，只要保持反馈电容的数值不变，输入电压就正比于输入电荷量，且当持反馈电容的数值不变，输入电压就正比于输入电荷量，且当（1+1+K K）C Cf f 1010（CaCa+CcCc+CiCi）以上时，以上时，可认为传感器的灵敏度与电缆电容无关，更换电缆和使可认为传感器的灵敏度与电缆电容无关，更换电缆和使用较长电缆（数百米）时，无需重新校正传感器灵敏度。用较长电缆（数百米）时，无需重新校正传感器灵敏度。R Rf f（约（约1010101010101414）提供直流反馈；）提供直流反馈；电荷放大器的时间常数电荷放大器的时间常数R Rf f

33、C Cf f相当大（相当大（10105 5S S以上），下限截止频率以上），下限截止频率f fL L=1/=1/(2(2RRf fC Cf f)，低达，低达310310-6-6HzHz，上限频率高达，上限频率高达100KHz100KHz，输入阻抗大于，输入阻抗大于10101212，输出阻抗小于，输出阻抗小于100100。压电式传感器配用电荷放大器时，压电式传感器配用电荷放大器时，低频响应比配用电压放大器要低频响应比配用电压放大器要好得多好得多，可对准静态的物理量进行有效的测量可对准静态的物理量进行有效的测量。第四十页，讲稿共一百一十页哦6.1.4 6.1.4 压电式传感器的应用压电式传感器的应

34、用一一、压电式加速度传感器、压电式加速度传感器 通过压电元件与质量块的结合，可以构成压电式通过压电元件与质量块的结合，可以构成压电式加速度传感器，压电式加速度传感器常见的结构型式加速度传感器，压电式加速度传感器常见的结构型式有基于压电元件厚度变形的有基于压电元件厚度变形的压缩型压缩型和基于剪切变形的和基于剪切变形的剪切型剪切型。第四十一页，讲稿共一百一十页哦（c）梁式）梁式（a）单端中心压缩式）单端中心压缩式（b）挑担式）挑担式1 惯性质量块惯性质量块2 双压电晶片双压电晶片3 引线引线4 底座底座第四十二页，讲稿共一百一十页哦灵敏度：灵敏度：100mV/g 100mV/g 量程：量程：50g

35、 50g 频率范围：频率范围：0.5-8000Hz0.5-8000Hz（10%)10%)分辨率：分辨率：0.0002g 0.0002g 线性：线性：1%1%横向灵敏度：横向灵敏度：5%5%典型值：典型值：3%3%温度范围：温度范围：-40+120用途：模态试验用途：模态试验LC0101第六章第六章 压电、磁敏传感压电、磁敏传感技术技术第四十三页，讲稿共一百一十页哦LC0106 灵敏度：灵敏度：1000mV/g 量程：量程：5g 频率范围：频率范围：0.04-1500Hz（10%)分辨率：分辨率：0.00002g 重量：重量：200gm 安装螺纹：安装螺纹：M5 mm 线性：线性：1%横向灵敏度

36、：横向灵敏度：5%典型值：典型值：3%温度范围：温度范围：-40+120 用途：超低频、小用途：超低频、小g测量测量第六章第六章 压电、磁敏传感压电、磁敏传感技术技术第四十四页，讲稿共一百一十页哦二、压电式力和压力传感器二、压电式力和压力传感器 按用途和压电元件的组成可分为单向力、双向力和三向按用途和压电元件的组成可分为单向力、双向力和三向力传感器。力传感器。左图是压电式压力传感器的左图是压电式压力传感器的结构图，它主要由石英晶片、结构图，它主要由石英晶片、膜片、薄壁管、外壳等组成。膜片、薄壁管、外壳等组成。石英晶片由多片叠堆放在薄石英晶片由多片叠堆放在薄壁管内，并由拉紧的薄壁管壁管内，并由拉

37、紧的薄壁管对石英晶片施加预载力。感对石英晶片施加预载力。感受外部压力的是位于外壳和受外部压力的是位于外壳和薄壁管之间的膜片，它由挠薄壁管之间的膜片，它由挠性很好的材料制成。性很好的材料制成。第四十五页，讲稿共一百一十页哦ULT25系列 压电石英力传感器 ULT25ULT25系列产品可用于测量动态、短期静态的振动和系列产品可用于测量动态、短期静态的振动和冲击力，机械结构的拉伸和压缩力。与激振器配合，能够冲击力，机械结构的拉伸和压缩力。与激振器配合，能够测量和控制激振力。与加速度、速度传感器配合，可测量测量和控制激振力。与加速度、速度传感器配合，可测量机械阻抗。机械阻抗。ULT0501 ULT05

38、02 ULT0503 第六章第六章 压电、磁敏传感压电、磁敏传感技术技术第四十六页，讲稿共一百一十页哦v压电式脚踏报警器压电式脚踏报警器第六章第六章第六章第六章 压电、磁敏传感技压电、磁敏传感技压电、磁敏传感技压电、磁敏传感技术术术术第四十七页，讲稿共一百一十页哦三、压电式超声波传感器三、压电式超声波传感器 超声波传感器（又称超声波探头），按其作用原理分超声波传感器（又称超声波探头），按其作用原理分为压电式、磁致伸缩式、电磁式等数种，其中以压电式为为压电式、磁致伸缩式、电磁式等数种，其中以压电式为最常用。最常用。压电式超声波探头是利用压电元件的逆压电效应，压电式超声波探头是利用压电元件的逆压电

39、效应，将高频电振动转换成高频机械振动，产生超声波（发射将高频电振动转换成高频机械振动，产生超声波（发射探头）。探头）。利用正压电效应将接收的超声波振动转换成电信号（接利用正压电效应将接收的超声波振动转换成电信号（接收探头）。收探头）。由此构成的超声波传感器可以测量厚度、液位、流量由此构成的超声波传感器可以测量厚度、液位、流量等。（将在第七章学习）等。（将在第七章学习）第四十八页，讲稿共一百一十页哦v玻璃打碎报警装置玻璃打碎报警装置第六章第六章第六章第六章 压电、磁敏传感技压电、磁敏传感技压电、磁敏传感技压电、磁敏传感技术术术术第四十九页，讲稿共一百一十页哦v交通监测交通监测第六章第六章 压电、

40、磁敏传感压电、磁敏传感技术技术第五十页，讲稿共一百一十页哦v海啸预警系统海啸预警系统第六章第六章 压电、磁敏传感压电、磁敏传感技术技术第五十一页，讲稿共一百一十页哦 磁是人们所熟悉的一种物理现象，因此磁传感器具有古老的磁是人们所熟悉的一种物理现象，因此磁传感器具有古老的历史。最简单的把磁转换成电的磁传感器就是线圈，根据电磁感历史。最简单的把磁转换成电的磁传感器就是线圈，根据电磁感应定律，在切割磁通的电路里，产生与磁通量变化速率成正比的应定律，在切割磁通的电路里，产生与磁通量变化速率成正比的感应电动势。感应电动势。现代的磁传感器已向固体化发展，它是利用磁场作用使物质现代的磁传感器已向固体化发展，

41、它是利用磁场作用使物质的电性能发生变化的各种物理效应制成的，从而使磁场强度转换的电性能发生变化的各种物理效应制成的，从而使磁场强度转换为电信号。为电信号。磁传感器的种类较多，制作传感器的材料有半导体、磁性体、磁传感器的种类较多，制作传感器的材料有半导体、磁性体、超导体等，不同材料制作的磁传感器其工作原理和特性也不相同。超导体等，不同材料制作的磁传感器其工作原理和特性也不相同。磁敏传感器磁敏传感器第五十二页，讲稿共一百一十页哦6.5 6.5 霍尔传感器霍尔传感器 霍尔传感器是利用霍尔元件基于霍尔传感器是利用霍尔元件基于霍尔效应原理霍尔效应原理而将被测量，而将被测量，如电流、磁场、位移、压力等转换

42、成电动势输出的一种传感如电流、磁场、位移、压力等转换成电动势输出的一种传感器。器。一、霍尔效应一、霍尔效应 霍尔效应是导电材料中的电流与磁场相互作用而产生霍尔效应是导电材料中的电流与磁场相互作用而产生电动势的物理效应。电动势的物理效应。置于磁场中的静止载流导体，当它的电流方向与磁场方向置于磁场中的静止载流导体，当它的电流方向与磁场方向不一致时，载流导体上垂直于电流与磁场方向上的两个面之间不一致时，载流导体上垂直于电流与磁场方向上的两个面之间产生电动势。这一现象为美国物理学家爱德文产生电动势。这一现象为美国物理学家爱德文霍尔于霍尔于1879年发年发现，称为现，称为霍尔效应霍尔效应，相应的电动势称

43、为，相应的电动势称为霍尔电势霍尔电势。第五十三页，讲稿共一百一十页哦bdVHIlBvFF称为霍尔系数，它是由基片材料的物理性质称为霍尔系数，它是由基片材料的物理性质决定常数；决定常数；灵敏度系数，表示在单位磁感应强度和单位灵敏度系数，表示在单位磁感应强度和单位控制电流时的霍尔电势大小。控制电流时的霍尔电势大小。l设为设为N型半导体，型半导体，载流子为电子。载流子为电子。当磁感应强度当磁感应强度B和霍尔片平面和霍尔片平面法线成角度法线成角度时，霍尔电势为：时，霍尔电势为：第五十四页，讲稿共一百一十页哦 霍尔式传感器是利用霍尔元件基于霍尔效应原霍尔式传感器是利用霍尔元件基于霍尔效应原理而将被测量，

44、如电流、磁场、位移、压力等转换理而将被测量，如电流、磁场、位移、压力等转换成电动势输出的一种传感器。成电动势输出的一种传感器。优点：优点：结构简单，体积小，坚固，频率响应宽，结构简单，体积小，坚固，频率响应宽，动态范围大动态范围大,无触点无触点,使用寿命长使用寿命长,可靠性高可靠性高,易微型易微型化和集成电路化。化和集成电路化。不足：不足：温度影响大，要求转换精度较高时必须温度影响大，要求转换精度较高时必须进行温度补偿。进行温度补偿。第六章第六章 压电、磁敏传感压电、磁敏传感技术技术第五十五页，讲稿共一百一十页哦二、霍尔元件二、霍尔元件砷化铟霍尔器件砷化铟霍尔器件温度系数小，灵敏度高，线性度好

45、，温漂小，稳定性高，体积小第六章第六章第六章第六章 压电、磁敏传感技压电、磁敏传感技压电、磁敏传感技压电、磁敏传感技术术术术第五十六页，讲稿共一百一十页哦三、霍尔元件基本特性三、霍尔元件基本特性1、额定激励电流、额定激励电流 IH 使霍尔片温升使霍尔片温升10所施加的激励电流。所施加的激励电流。（限制额定激励电流的主要因素是散热条件）（限制额定激励电流的主要因素是散热条件）2、输入电阻、输入电阻 Ri 激励电极间的电阻值，规定在室温（激励电极间的电阻值，规定在室温（205）的环境）的环境温度中测取。温度中测取。指霍尔电极间的电阻值，规定在（指霍尔电极间的电阻值，规定在（205）条件下测）条件下

46、测取。取。3、输出电阻、输出电阻 RS第五十七页，讲稿共一百一十页哦4、不等位电势、不等位电势V0及不等位电阻及不等位电阻r0 当控制磁感应强度为零，激励电流为额定值当控制磁感应强度为零，激励电流为额定值IH时，霍尔电时，霍尔电极间的空载电势称为极间的空载电势称为不等位电势不等位电势（或零位电势）。（或零位电势）。不等位电势也可用不等位电阻（零位电阻）表示：不等位电势也可用不等位电阻（零位电阻）表示：不等位电阻不等位电阻 第五十八页，讲稿共一百一十页哦产生不等位电势的原因主要是：产生不等位电势的原因主要是：霍尔电极安装位置不正确（不对称或不在同一等电位面上）；霍尔电极安装位置不正确（不对称或不

47、在同一等电位面上）；半导体材料不均匀造成了电阻率不均匀或是几何尺寸不均匀；半导体材料不均匀造成了电阻率不均匀或是几何尺寸不均匀；激励电极接触不良造成控制电流不均匀分布等。激励电极接触不良造成控制电流不均匀分布等。（均是制造工艺造成的）（均是制造工艺造成的）第六章第六章第六章第六章 压电、磁敏传感技压电、磁敏传感技压电、磁敏传感技压电、磁敏传感技术术术术第五十九页，讲稿共一百一十页哦四、霍尔片的电路四、霍尔片的电路 1、不等位电势的补偿、不等位电势的补偿 由于不等位电势与不等位电阻是一致的，因此由于不等位电势与不等位电阻是一致的，因此可以可以用分析其电阻的方法来进行补偿用分析其电阻的方法来进行补

48、偿。第六十页，讲稿共一百一十页哦ABCDIR1R2R3R4 补偿原理补偿原理：将将R1、R2、R3、R4其视为电桥的四其视为电桥的四个臂，即电桥不平衡，为使其个臂，即电桥不平衡，为使其平衡可在阻值较大的臂上并联平衡可在阻值较大的臂上并联电阻，或在两个臂上同时并联电阻，或在两个臂上同时并联电阻。电阻。图中图中A、B为为激励电极激励电极，C、D为为霍尔电极霍尔电极，在极间分布的，在极间分布的电阻用电阻用R1、R2、R3、R4表示，理想情况是表示，理想情况是R1R2R3R4，即零位电势为零（或零位电阻为零）。但实际上存在着零，即零位电势为零（或零位电阻为零）。但实际上存在着零位电势，则说明此四个电阻

49、不等。位电势，则说明此四个电阻不等。第六十一页，讲稿共一百一十页哦 下图给出几种常用的补偿方法。为了消除不等位电势，可在阻值较大的下图给出几种常用的补偿方法。为了消除不等位电势，可在阻值较大的桥臂上并联电阻，如下图桥臂上并联电阻，如下图(a)(a)所示，或在两个桥臂上同时并联如下图所示，或在两个桥臂上同时并联如下图(b)(b)、(c)(c)所示的电阻。所示的电阻。第六十二页，讲稿共一百一十页哦2、温度补偿、温度补偿 霍尔片是采用半导体材料制造的，因此它们的许霍尔片是采用半导体材料制造的，因此它们的许多参数都具有较大的温度系数。如半导体材料的电阻多参数都具有较大的温度系数。如半导体材料的电阻率，

50、迁移率和载流子浓度等都随温度而变化。率，迁移率和载流子浓度等都随温度而变化。霍尔片的性能参数如输入和输出电阻，霍尔系数等霍尔片的性能参数如输入和输出电阻，霍尔系数等也随温度而变化，致使霍尔电势变化，产生温度误差，也随温度而变化，致使霍尔电势变化，产生温度误差，为了减小温度差：为了减小温度差：除选用温度系数较小的材料（如砷化铟）；除选用温度系数较小的材料（如砷化铟）；采用适当的补偿电路。采用适当的补偿电路。第六十三页，讲稿共一百一十页哦（1）采用恒流源供电和输入回路并联电阻）采用恒流源供电和输入回路并联电阻 温度变化引起霍尔元件输入电阻变化，在稳压源供温度变化引起霍尔元件输入电阻变化，在稳压源供