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1、关于电动势式传感器第1页，讲稿共45张，创作于星期二7.1 磁电式传感器通过磁电作用将被测量（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；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，输出阻抗小第2页，讲稿共45张，创作于星期二7.1.1 磁电式传感器的工作原理磁电式传感器的工作原理7.1.2 动圈式磁电传感器7.1.3 磁阻式磁电传感器7.1 磁电式传感器第3页，讲稿共45张，创作于星期二7.1.1 磁电式传感器的工作原理 法拉第电磁感应定律：不同类型的磁电式传感器磁通量的变化实现办法:磁铁与线圈之间作相对运动；恒定磁场中线圈面积
2、的变化；磁路中磁阻的变化.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。第4页，讲稿共45张，创作于星期二7.1.1 磁电式传感器的工作原理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 磁电式传感器第5页，讲稿共45张，创作于星期二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。为了减小传感器的体积，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。作为一个完整的磁电式传感器，除了磁路系统和线圈外，还有一些其它元件，如壳体、支承、阻尼器、接线装置等。第6页，讲稿共45
3、张，创作于星期二（1 1）线圈做直线运动的传感器：线圈做直线运动的传感器：当线圈在磁场中做直线运动时，它产生的感应电动势为：当线圈在磁场中做直线运动时，它产生的感应电动势为：B工作气隙中的磁感应强度（工作气隙中的磁感应强度（1T=1Wb/m2）L每匝线圈的有效长度每匝线圈的有效长度(垂直切割磁感线的垂直切割磁感线的导线的等效长度，即圆形线圈的直径（与导线的等效长度，即圆形线圈的直径（与运动速度方向垂直）运动速度方向垂直）)N工作气隙中线圈绕组的匝数工作气隙中线圈绕组的匝数v线圈与磁场的相对直线速度线圈与磁场的相对直线速度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结构一定时，感
4、应电势与线圈对磁场结构一定时，感应电势与线圈对磁场的相对速度成正比。的相对速度成正比。第7页，讲稿共45张，创作于星期二（2 2）线圈做旋转运动的传感器：线圈做旋转运动的传感器：（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，感应电势与线圈对磁结构一定时，感应电势与线圈对磁场的相对角速度成正比。场的相对角速度成正比。第9页，讲稿共45张，创作于星期二7.1.1 磁电式传感器的工作原理7.1.2 动圈式磁电传感器7.1
5、.3 磁阻式磁电传感器磁阻式磁电传感器7.1 磁电式传感器第10页，讲稿共45张，创作于星期二7.1.3 磁阻式磁电传感器 线圈和磁铁部分都是静止的，与被测物连接而运动的部分是用导磁材料制成的，在运动中，它们改变磁路的磁阻，因而改变贯穿线圈的磁能量，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的频率作为输出，而电势的频率取决于磁通变化的频率。结构：开磁路、闭磁路 第11页，讲稿共45张，创作于星期二 当齿轮旋转时，由齿轮的凹凸引起磁阻的周期性变化，磁通也周期磁通也周期 性变化，从而性变化，从而在线圈中感应出交变电势在线圈中感应出交变电势，其频率，其频率f与转与转速速n及齿轮齿数及
6、齿轮齿数z的关系的关系为：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，但输出信号较小，结构比较简单，但输出信号较小，当被测轴振动较大时，传感器输出波形失真较大。当被测轴振动较大时，传感器输出波形失真较大。第12页，讲稿共45张，创作于星期二闭磁路磁阻式转速传感器 闭闭磁磁路路磁磁组组式式转转速速传传感感器器当转轴连接到被测轴上转动时，内外齿轮的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的磁通量变化，在线圈中感应出电动势。采用在振动强的场合，有下限工作频率（50Hz）传感器的输出电势取决于线圈中磁场变化速度，5永久磁铁永久
7、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转轴转轴第13页，讲稿共45张，创作于星期二7.2 压电式传感器7.2.1 压电式传感器的工作原理压电式传感器的工作原理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 压电式测力传感器第14页，讲稿共45张，创作于星期二压电效应：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：外力正压电效应：外力电荷电荷 当晶体受到某固定方向外力的作用时当晶体受到某固定方向外力的作用时,内部就产生电极化现象内部就产生电极化现象,同时在某两个表面上产生符号
8、相反的电荷；当外力撤去后，晶体同时在某两个表面上产生符号相反的电荷；当外力撤去后，晶体又恢复到不带电的状态；若外力作用方向改变时，电荷的极性也又恢复到不带电的状态；若外力作用方向改变时，电荷的极性也随之改变；晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。随之改变；晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。逆压电效应：外加电场逆压电效应：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的现象，在撤掉外加电场时，指对晶体施加电场引起晶体机械变形的现象，在撤掉外加电场时，这些物质的机械变形随之消失。这些物质的机械变形随之消失。第15页，讲稿共45张，创作于星期二7.2.1 压电式传感器的工作原
9、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 常见的压电材料有石英、钛酸钡、锆钛酸铅等。第16页，讲稿共45张，创作于星期二1.石英晶体的压电效应X轴：电轴或轴：电轴或1轴；轴；Y轴：机械轴或轴：机械轴或2轴；轴；Z轴：光轴或轴：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）方向的力作用下产生电荷轴）方向的力作用下产生电荷“横向压电效应横向压电效应”：沿机械轴（：沿机械轴（Y轴）方向的力作用下产生电荷轴）方向的力作用下产生电荷在光轴（在光轴（Z轴）方向时则不产生压电效应。轴）方向时
10、则不产生压电效应。第17页，讲稿共45张，创作于星期二晶体切片 当沿电轴方向加作用力Fx时，则在与电轴垂直的平面上产生电荷 d11压电系数（压电系数（C/N）作用力是沿着机械轴方向作用力是沿着机械轴方向电荷仍在与电荷仍在与X轴垂直的平面轴垂直的平面第18页，讲稿共45张，创作于星期二切片上电荷的符号与受力方向的关系 图（图（a）是在）是在X轴方向受压力，轴方向受压力，图（图（b）是在）是在X轴方向受拉力，轴方向受拉力，图（图（c）是在）是在Y轴方向受压力，轴方向受压力，图（图（d）是在）是在Y轴方向受拉力。轴方向受拉力。第19页，讲稿共45张，创作于星期二石英晶体的压电效应（a）正负电荷是互相
11、平衡的，所以外部没有带电现象。）正负电荷是互相平衡的，所以外部没有带电现象。（b）在）在X轴方向压缩，表面轴方向压缩，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，在轴方向压缩，在A和和B表面上分别呈现正电荷和负电荷表面上分别呈现正电荷和负电荷 第20页，讲稿共45张，创作于星期二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、膨胀系数仅为钢的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。第21页
12、，讲稿共45张，创作于星期二2、压电陶瓷的压电效应：(1)压电陶瓷介绍：压电陶瓷是一种具有压电效应的功能陶瓷。人工制造、各向同性、多晶体。原始的压电陶瓷材料内部具有无数自发极化的电畴，各电畴的极化方向无规则，不具备压电性。压电陶瓷要经极化处理之后才具有压电性。第22页，讲稿共45张，创作于星期二直流电场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1
13、0003000V/mm第23页，讲稿共45张，创作于星期二(3)压电陶瓷的压电效应：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第25页，讲稿共45张，创作于星期二压电陶瓷的正压电效应 压电陶瓷片上加上一个与极化反向平行的外力，陶瓷片将产生压缩变形，原来吸附在极板上的自由电荷，一部分被释放而出现放电现象
14、。当压力撤消后，陶瓷片恢复原状，片内的正、负电荷之间的距离变大，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。放电电荷的多少与外力的大小成比例关系放电电荷的多少与外力的大小成比例关系 第26页，讲稿共45张，创作于星期二常见压电陶瓷：（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（ZrTi）O3系压电陶瓷（PZT）压电系数较高，各项机电参数随温度、时间等外界条件的 变化小，在锆钛酸铅的基方中添加一两种微量元素，可以 获得不同性能的PZT材料。（3）铌镁酸铅Pb(MgNb)O3-PbTiO3-PbZrO3压电陶瓷（PMN）具
15、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。第27页，讲稿共45张，创作于星期二7.2 压电式传感器7.2.1 压电式传感器的工作原理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 压电式测力传感器第28页，讲稿共45张，创作于星期二7.2.2 等效电路及信号变换电路1.压电元件的等效电路2.压电式传感器的信号调节电路第29页，讲稿共45张，创作于星期二1.压电元件的等效电路 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的两个表面（电极面）上产生电量相等、极性相反的电荷。电容器：在压电元
16、件的两个电极面上有电荷聚集，并且电极面间的物质可以等效为电介质。第30页，讲稿共45张，创作于星期二压电式传感器的等效电路(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并联的电路并联的电路(b)等效成一个电源等效成一个电源U=Q/Ca 和一个电容和一个电容Ca的串联电路的串联电路 第31页，讲稿共45张，创作于星期二两个压电片的联接方式（a）“并联并联”，Q=2Q，U=U，C=2C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）“串联串
17、联”Q=Q，U=2U，C=C/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32页，讲稿共45张，创作于星期二2.压电式传感器的信号调节电路压电式传感器要求负载电阻RL必须有很大的数值，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的前置放大器，然后再接一般的放大电路及其它电路。测量电路关键在高阻抗的前置放大器。前置放大器两个作用:把压电式传感器的微弱信号放大；把传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出。第33页，讲稿共45张，创作于星期二 前置放大器
18、的形式：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的影响）。2、电荷放大器：输出电压与传感器的输出电荷成正比。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。第34页，讲稿共45张，创作于星期二7.2 压电式传感器7.2.1 压电式传感器的工作原理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 压电式测力传感器第35页，讲稿共45张，创作于星期二7.2.3 压电式加速度
19、传感器压压缩缩式式压压电电加加速速度度传传感感器器结结构构第36页，讲稿共45张，创作于星期二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的振动，并受到与加速度方向相反的惯性力的作用。这样，质量块就有一正比于加速度的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的固有频率时，传感器的输出电荷（电压）与作用力成正比，亦即与试件的加速度成正比。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的测量仪器测出试件的加速度，如在放大器中加进适当的积分电路，就可以测出试件的振动速度或位移。第37页，讲稿共45张，创作于星期二7.2 压电式传感
20、器7.2.1 压电式传感器的工作原理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第38页，讲稿共45张，创作于星期二7.2.4 压电式测力传感器 压电元件是直接把力转换为电荷的传感器。变形方式：利用纵向压电效应的TE方式最简便。材料选择：决定于所测力的量值大小，对测量误差提 出的要求、工作环境温度等各种因素。晶片数目：通常是使用机械串联而电气并联的两片。晶片电气并联两片，可以使传感器的电荷 输出灵敏度增大一倍。第39页，讲稿共45张，创作于星期二单向压电式测力传感器 用于机床动态切削力的测量。第40页，讲稿共45张，创作于星期二压
21、电式压力传感器 测量均布压力的传感器 第41页，讲稿共45张，创作于星期二教学总结教学总结1 1、线圈式磁电传感器（工作原理、恒定磁通、线圈式磁电传感器（工作原理、恒定磁通式结构及类型）。式结构及类型）。1 1、压电效应及产生的机理；、压电效应及产生的机理；2 2、压电晶片的测量电路类型及电路性能特点；、压电晶片的测量电路类型及电路性能特点；4 4、压电传感器的级联方式；、压电传感器的级联方式；5 5、压电传感器的应用。、压电传感器的应用。第42页，讲稿共45张，创作于星期二2、石英晶体压电式传感器，面积为100mm2，厚度为1mm，固定在两金属板之间，用来测量通过晶体两面力的变化。材料的弹性模量为9*1010Pa，若所加力F=0.01sin(1000t)N，求晶体厚度的最大变化。3、有一压电晶体，其面积Sx=20mm2，厚度=10mm，当受到P=10MPa的压力作用时，求产生的电荷量Q及输出电压。1）压力沿X方向作用的石英晶体（已知石英晶体的相对介电常数为4.5，压电系数d11=2.310-12C/N）；2）压力沿极化方向作用的BaTiO3。（已知BaTiO3的相对介电常数为1900，压电系数为d33=19010-12C/N）第44页，讲稿共45张，创作于星期二感感谢谢大大家家观观看看第45页，讲稿共45张，创作于星期二