第4章基于物理特性的传感器（课件）- 《传感器与检测技术基础》同步教学（北京理工版）

第4章基于物理特性的传感器 4. 1压电式传感器 4. 2超声波传感器 4. 3霍尔传感器 4. 4光电传感器 4. 1压电式传感器 4.1.1压电式传感器的工作原理 1.压电效应 某些单晶体或多晶体陶瓷电介质，当沿着一定方向对其施力而使它变形时，内部就产生极化现象，同时在它的两个对应晶面上便产生符号相反的等量电荷，当外力取消后，电荷也消失，又重新恢复不带电状态，这种现象称为压电效应(如图4一1所示)。当作用力的方向改变时，电荷的极性也随着改变。相反，当在电介质的极化方向上施加电场(加电压)作用时，这些电介质晶体会在一定的晶轴方向产生机械变形，外加电场消失，变形也随之消失，这种现象称为逆压电效应(电致伸缩)。具有这种压电效应的物质称为压电材料或压电元件。常见的压电材料有石英晶体和各种压电陶瓷材料。 下一页 返回 4. 1压电式传感器 压电材料的压电特性常用压电方程来描述 2.压电材料及压电机理 压电材料的主要特性有: (1)机-电转换性能。应具有较大的压电常数d。 (2)力学性能。压电元件作为受力元件，希望它的强度高，刚度大，以期获得宽的线性范围和高的固有振动频率。 (3)电性能。希望具有高的电阻率和大的介电常数，以期减弱外部分布电容的影响和减小电荷泄漏并获得良好的低频特性。 (4)温度和湿度稳定性良好，具有较高的居里点(在此温度时，压电材料的压电性能被破坏)，以期得到较宽的工作温度范围。 (5)时间稳定性。压电特性不随时间蜕变。 下一页 返回 上一页 4. 1压电式传感器 石英晶体(Si02)是最常用的压电晶体之一。如图4一3所示为大然结构的石英晶体。 石英晶体的化学分子式为Si02，在一个晶体结构单元(晶胞)中，有3个硅离子Si4+和6个氧离子O2-，后者是成对的，所以1个硅离子和2个氧离子交替排列，为了讨论方便，我们将石英晶体的内部结构等效为硅，氧离子的正六边形排列，如图4 -4所示。图中“⊕”代表Sip +、“ ”表示O2- 。 当作用力的方向相反时，很显然，电荷的极性也随之改变。如果对石英晶体的各个方向同时施加相等的力时(如液体压力、应力等)，石英晶体始终保持电中性不变。所以，石英晶体没有体积形变的压电效应。 下一页 返回 上一页 4. 1压电式传感器 4. 1. 2压电传感器的测量转换电路 1.压电元件的等效电路 压电元件在承受沿敏感轴方向的外力作用时，就产生电荷，因此它相当于一个电荷发生器。当压电元件表面聚集电荷时，它又相当于一个以压电材料为介质的电容器，两电极板间的电容Ca为 当忽略压电元件的漏电阻时，可以把压电元件等效为一个电荷源与一个电容相并联的电荷等效电路，压电元件的等效电路如图4 -7所示。图中的R0是压电元件的漏电阻，它与空气的湿度有关。压电元件的端电压u与产生的电荷Q的关系为 下一页 返回 上一页 4. 1压电式传感器 2.电荷放大器 当被测振动较小时，压电传感器的输出信号非常微弱，一般需将电信号放大后才能检测出来。根据图4 -7所示的压电传感器等效电路，它的输出可以是电荷信号也可以是电压信号，因此与之相配的前置放大器有电压前置放大器和电荷放大器两种形式。 因为压电传感器的内阻抗极高，因此需要与高输入阻抗的前置放大器配合。如果使用电压放大器，则电压放大器输入端得到的电压 导致电压放大器的输出电压与屏蔽电缆线的分布电容鱿及放大器的输入电容C;有关，它们均是不稳定的，会影响测量结果。因此，压电传感器的测量电路多采用性能稳定的电荷放大器(即电荷/电压转换器)，电荷放大器如图4一8所示。 下一页 返回 上一页 4. 1压电式传感器 4. 1. 3压电传感器的应用 压电元件是一种典型的力敏感元件，可以用来测量各种与力有关的物理量，在检测技术中，常用来测量力和加速度。 1.压电式加速度传感器 压电式加速度传感器是一种常用的加速度计(占所有加速度传感器的80%以上)，因其固有频率高，有较好的频率响应(几千赫至几十千赫)，如果配以电荷放大器，低频响应也很好(可低至零点几赫)。另外，压电式传感器体积小、重量轻。缺点是要经常校正灵敏度。 (1)工作原理。如图4一9所示为压缩式压电加速度传感器的结构原理图。 下一页 返回 上一页 4. 1压电式传