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1、检测技术压电磁敏传感器第1页，本讲稿共23页n压电效应（正向压电效应）：对某些电介质沿一定方向施以外力使其变形时，其内部将产生极化现象而使其表面出现电荷集聚的现象。在外力去除后又重新恢复到不带电状态。称为压电效应。n逆向压电效应（电致伸缩效应）：当某晶体沿一定方向受电场作用时，在一定的晶轴方向将产生机械变形或应力。外加电场消失后，晶体内部的应力或变形也随之消失。8.1 压电效应第2页，本讲稿共23页压电材料具有压电效应的电介质材料，如石英晶体，钛酸钡，锆钛酸铅等石英晶体：各向异性。纵轴Z（光轴）；X轴（电轴）:经过六棱柱棱线并垂直于光轴；Y轴（机械轴）。第3页，本讲稿共23页n沿X轴向受力：n
2、（纵向压电效应）n沿Y轴向受力：n（横向压电效应）n沿Z轴向受力：q无电荷产生如果对石英晶片施加交变电场，将产生机械振动（逆压电效应），如超声波探头。第4页，本讲稿共23页第5页，本讲稿共23页压电材料分为：压电晶体、压电陶瓷、高分子压电材料居里点：压电材料完全丧失压电性质时对应的温度点。（1）石英晶体压电系数d11=2.1x10-12C/N居里点：573度机械性能稳定，强度高。（2）压电陶瓷：人工合成的多晶体压电材料，由无数细微电畴组成。电畴：自发极化的小区域。第6页，本讲稿共23页 压电陶瓷的压电系数比石英晶体的大得多，所以采用压电陶瓷制作的压电式传感器的灵敏度较高。目前使用较多的压电陶瓷
3、材料是锆钛酸铅（PZT）系列，它是钛酸铅（PbTiO2）和锆酸铅（PbZrO3）组成的（Pb（ZrTi）O3）。居里点在300以上，性能稳定，有较高的介电常数和压电系数（3）高分子压电材料如聚二氟乙烯(PVF2)、聚氯乙烯(PVC)等。第7页，本讲稿共23页8.2 压电式传感器的测量电路压电式传感器的测量电路压电传感器等效电路压电传感器等效电路第8页，本讲稿共23页前置放大器前置放大器压电传感器产生的电荷量很小，而内阻又非压电传感器产生的电荷量很小，而内阻又非常大，故其带负载能力非常弱。后续测量电常大，故其带负载能力非常弱。后续测量电路必须具有极高的输入阻抗，因此压电传感路必须具有极高的输入阻
4、抗，因此压电传感器通常要先接一个高输入阻抗的前置放大器，器通常要先接一个高输入阻抗的前置放大器，作阻抗变换后再进行其他变换和处理。作阻抗变换后再进行其他变换和处理。前置放大器种类：前置放大器种类：电压放大器、电荷放大器电压放大器、电荷放大器第9页，本讲稿共23页第10页，本讲稿共23页电荷放大器电荷放大器图8-6 电荷放大器原理第11页，本讲稿共23页8.3 压电式传感器的应用n压电式力传感器可用于测量动态、短期静态的振动和冲击力，机械结构的拉伸和压缩力 第12页，本讲稿共23页压电式加速度传感器主要指标：主要指标：电荷灵敏度：电荷灵敏度：50pC/g 频率范围：频率范围：0.2-9000Hz
5、（10%)安装谐振点安装谐振点:27kHz 横向灵敏度：横向灵敏度：5%副值线性：副值线性：1500g（10%)重量：重量：15gm使用温度范围：使用温度范围：-40+150 安装螺纹：安装螺纹：M5 mm 内部结构：隔离剪切内部结构：隔离剪切 用途：用途：通用测振通用测振第13页，本讲稿共23页第9章 磁敏式传感器n主要内容：nA 霍尔传感器n-霍尔效应与霍尔元件n-参数及特性n-霍尔传感器应用nB 磁敏电阻第14页，本讲稿共23页9.1 9.1 霍尔式传感器（霍尔式传感器（Hall Sensor)Hall Sensor)霍尔效应霍尔效应（Hall effect)Hall effect)一半
6、导体薄片，在它两端通以电流一半导体薄片，在它两端通以电流I，在薄片的垂直，在薄片的垂直方向上施加磁感应强度为方向上施加磁感应强度为B的磁场，则在薄片的另两端会产的磁场，则在薄片的另两端会产生一个与控制电流生一个与控制电流I和磁感应强度和磁感应强度B的乘积成比例的电动势的乘积成比例的电动势UH,这个电动势称霍尔电动势，这个现象称霍尔效应。这个电动势称霍尔电动势，这个现象称霍尔效应。第15页，本讲稿共23页霍尔效应产生机理n霍尔效应是由于运动的载流子（电子/空穴）受到洛伦兹力作用的结果。洛伦兹力是磁场对运动电荷的作用力。洛伦兹力的方向循右手螺旋定则垂直于v和B构成的平面，为由v转向B的右手螺旋的前
7、进方向（若q为负电荷，则反向）。由于洛伦兹力始终垂直于电荷的运动方向，所以它对电荷不作功，不改变运动电荷的速率和动能，只能改变电荷的运动方向使之偏转。n 第16页，本讲稿共23页霍尔电势当电场力和洛仑兹力相等时，电子积累达到动态平衡，此时形成的电位差就是霍尔电势UH。由于半导体材料的电阻率及迁移率都很大，故霍尔系数很大，适合制作霍尔元件第17页，本讲稿共23页n霍尔元件的灵敏度霍尔元件的灵敏度K KH HnKH=RH/dn则UH=KHIB(霍尔电势的大小正比于激励电流I和磁感应强度B的成绩）n霍尔元件的主要特性参数：霍尔元件的主要特性参数：n（1）额定激励电流）额定激励电流IHn（2）灵敏度）
8、灵敏度KHn（3）输入电阻）输入电阻Ri和输出电阻和输出电阻Ron（4）不等位电势）不等位电势U0和不等位电阻和不等位电阻r0n（5）霍尔电势温度系数和（）霍尔电势温度系数和（6）内阻温度系数）内阻温度系数第18页，本讲稿共23页9.2 霍尔传感器的应用霍尔传感器的应用n霍尔元件根据其输出特性分为线性输出型和开关输霍尔元件根据其输出特性分为线性输出型和开关输出型两种。出型两种。n1 1）霍尔线性输出传感器）霍尔线性输出传感器,广泛用于磁场检测，无刷直流广泛用于磁场检测，无刷直流电机控制等场合。电机控制等场合。A1301(Allegro公司）第19页，本讲稿共23页例2 单片霍尔式电流传感器nA
9、llegromicro 公司 ACS系列霍尔式电流传感器n不同系列量程在20A100A不等第20页，本讲稿共23页开关量输出型霍尔传感器例3：A1101系列霍尔开关式传感器应用电路第21页，本讲稿共23页霍尔传感器的应用n1）保持激励电流I不变，使磁感应强度B变化，用于测量磁场强度（高斯计），微位移，转速等n2）保持B不变，而激励电流变化，用于测量电流、电压n3）当B和I都变化时，传感器输出与两者的成绩成正比，用于乘法器、功率测量等。第22页，本讲稿共23页磁敏电阻n磁阻效应：当一载流导体在磁场中，其电阻值会随磁场发生变化，这种现象称为磁阻效应。磁阻效应与材料性质、几何尺寸有关。n磁敏电阻是基于磁阻效应而工作的，可用于测量磁场变化，或做非接触式位移测量。一种磁敏电阻电桥式传感器传感器输出特性第23页，本讲稿共23页