1、本章内容与学时安排：本章内容与学时安排：=Nd/dt式中：式中：l每匝线圈的平均长度；每匝线圈的平均长度；B线圈所在磁场的磁感应强度。线圈所在磁场的磁感应强度。=NBlv 引起引起d/dt 变化的因素：变化的因素：线圈切割磁力线线圈切割磁力线-恒定磁通式恒定磁通式（动圈式和动铁式）；（动圈式和动铁式）；=BS，磁场强度，磁场强度B改变改变-变磁通式变磁通式（磁阻式）。（磁阻式）。类型类型 磁磁电电感感应应式式动圈式动圈式磁磁阻阻式式线速度型线速度型角速度型角速度型N变变磁磁通通式式恒恒定定磁磁通通式式动磁式动磁式闭磁路闭磁路开磁路开磁路 下图下图(b)(b)为为闭磁路闭磁路变磁通式传感器结构示
2、意图，被测转轴变磁通式传感器结构示意图，被测转轴带动椭圆形测量齿轮在磁场气隙中等速转动，使气隙平均长带动椭圆形测量齿轮在磁场气隙中等速转动，使气隙平均长度周期性变化，因而磁路磁阻也周期性变化，磁通同样周期度周期性变化，因而磁路磁阻也周期性变化，磁通同样周期性变化，则在线圈中产生感应电动势，其频率性变化，则在线圈中产生感应电动势，其频率f f与测量齿轮转与测量齿轮转速速n n(r/min)(r/min)成正比，即成正比，即f=n/30f=n/30。图图(a)(a)为为开磁路开磁路变磁通式传感器结构示意图，变磁通式传感器结构示意图，1 1、变磁通式磁电传感器、变磁通式磁电传感器测速测速电机电机磁电
3、式车速传感器磁电式车速传感器磁阻式传感器磁阻式传感器 图图5.3 5.3 动圈式动圈式NS12345图图5.4 5.4 动动铁（磁）式铁（磁）式2 2、恒定磁通式磁电传感器、恒定磁通式磁电传感器 图图5.35.3。当线圈在垂直于磁场方向作直线运动时，。当线圈在垂直于磁场方向作直线运动时，若线圈相对磁场的运动速度为若线圈相对磁场的运动速度为v v，则所产生的感应电则所产生的感应电动势：动势：e=B l v式中：式中：l 每匝线圈的平均长度；每匝线圈的平均长度；B 线圈所在磁场的磁感应强度；线圈所在磁场的磁感应强度；线圈线圈有效匝数有效匝数。当传感器结构参数确定后，当传感器结构参数确定后，B、l、
4、N均为定值，均为定值，故感应电动势故感应电动势e e与线圈相对运动速度与线圈相对运动速度v v成正比，所以这成正比，所以这类传感器的基本形式是类传感器的基本形式是速度型速度型传感器，能直接测量线传感器，能直接测量线速度。速度。实物图片实物图片 如果在其测量电路中接入积分电路或微分电路，那么还如果在其测量电路中接入积分电路或微分电路，那么还可以用来测量可以用来测量位移位移或或加速度加速度。由上述工作原理可知，磁电感。由上述工作原理可知，磁电感应式传感器只适用于应式传感器只适用于动态测量动态测量。IXIdSdBdldRSBlR2 2、静态误差静态误差非线性误差非线性误差:产生原因：传感器灵敏度：产
5、生原因：传感器灵敏度：ke/vBlN0，但实际上，但实际上，这种传感器的灵敏度是随振动频率这种传感器的灵敏度是随振动频率f 而变化。而变化。当振动频率当振动频率f 大于固有频率大于固有频率f0 时，传感器的灵敏度基本时，传感器的灵敏度基本 不随振动频率变化，近似为常数；不随振动频率变化，近似为常数；当振动频率更高时，由于线圈内阻增大，传感器灵敏度随当振动频率更高时，由于线圈内阻增大，传感器灵敏度随 振动频率增大而下降。振动频率增大而下降。解决办法：在传感器中加补偿线圈解决办法：在传感器中加补偿线圈(参见图参见图5.3)。产生原因：产生原因：B、l、R均随温度变化，使均随温度变化，使x0，而且该
6、误差足够影响测量精度。而且该误差足够影响测量精度。解决办法：采用热磁分流器补偿。解决办法：采用热磁分流器补偿。磁电感应式传感器是机电能量变换型传感器，其磁电感应式传感器是机电能量变换型传感器，其等效系统如图所示，为二阶系统。等效系统如图所示，为二阶系统。其运动方程为其运动方程为 ：磁电感应式传感器的等效系统磁电感应式传感器的等效系统0()()()()dV tdV tmcV tK V t dtmdtdt 3 3、频率响应特性分析、频率响应特性分析22 22(/)()1(/)2(/)nVnnA 22(/)()arg1(/)nVntg /K m被测振动的角频率；被测振动的角频率；0 0传感器运动系统
7、的固有角频率，传感器运动系统的固有角频率，0 0 ；传感器运动系统的阻尼比，传感器运动系统的阻尼比，。/(2)cmK10Av()欠阻尼中频灵敏度过阻尼最佳阻尼二次谐振高频下降10.10.11.010102/0磁电感应式速度传感器的幅频响应特性曲线磁电感应式速度传感器的幅频响应特性曲线作业题：P128，、。型号CD-1CD-2CD-4CD-7-CCD-7-SCD-8-FCD-21-2-CCD-21-2-SBCD-21灵敏度mv/m600300600600，600020200,280290频率范围Hz10500250023000.5202500101000101000最大可测位移1mm1.5mm7
8、.5mm6mm1mm1mm最 大 可 测加速度m/s250100100，所以上式可简化为：所以上式可简化为：r R00UR0LRHUL 霍尔元件的输出电阻霍尔元件的输出电阻R R0 0和和霍尔电动势霍尔电动势U UH H也都是温度的函数，当霍尔元件接有负也都是温度的函数，当霍尔元件接有负载载R RL L时，如右图示，在时，如右图示，在R RL L上的上的电压为：电压为：)T(T1RR)T(T1URURRRU0O0L0H0LHttLLL式中：式中：R RO 0O 0-温度温度T=TT=T0 0时，霍尔元件的输出电阻；其他符号含义如前相时，霍尔元件的输出电阻；其他符号含义如前相同。为使负载上的电压
9、不随温度而变化，应使同。为使负载上的电压不随温度而变化，应使dUdUL L/d(T/d(TT T0 0)0 0，即：即：）（5.18 1)(RRO0L 当霍尔元件采用当霍尔元件采用稳压电源供电稳压电源供电，且霍尔元件输出开，且霍尔元件输出开路状态下工作时，可在输入回路中路状态下工作时，可在输入回路中串入适当的电阻串入适当的电阻来补来补偿温度误差。其分析过程与结果同式（偿温度误差。其分析过程与结果同式（5.175.17）。）。ItRtUHt，RtIUHt，Rt电阻丝霍尔元件的输出具有正温度系数t，UHUHItRtRttUHRLa)输入回路串接热敏电阻c)输出端串接热敏电阻d)输入端并接热敏电阻图
10、5-11 采用热敏元件的温度误差补偿电路b)输入回路并接电阻丝采用温度补偿元件采用温度补偿元件（如热敏电阻、电阻丝等）（如热敏电阻、电阻丝等）图图a)a)、b)b)、c)c)为霍尔元件具有为霍尔元件具有负温度系数负温度系数（温度升高，（温度升高，输出减小）时的补偿电路。输出减小）时的补偿电路。图图d)d)为霍尔元件具有为霍尔元件具有正温度系数正温度系数时的补偿电路。时的补偿电路。采用桥路补偿电路采用桥路补偿电路 图中图中R RP P用来补偿不等位电用来补偿不等位电势，势，R RX X是是热敏电阻热敏电阻，在霍尔，在霍尔元件输出端串接温度补偿电桥。元件输出端串接温度补偿电桥。若将霍尔元件与放大电
11、路、温度补偿电路等集成在一起制成集成若将霍尔元件与放大电路、温度补偿电路等集成在一起制成集成霍尔传感器，则性能优良、使用方便、体积小、成本低，输出功率大霍尔传感器，则性能优良、使用方便、体积小、成本低，输出功率大和输出电压高，应用比较广泛。和输出电压高，应用比较广泛。桥路输出随温度变化的补桥路输出随温度变化的补偿电压，与霍尔元件输出的电偿电压，与霍尔元件输出的电压相加作为传感器的输出。压相加作为传感器的输出。图图5.20 UGN3501M5.20 UGN3501M内部框图内部框图 图图5.215.21 霍尔磁感应强度测量电路霍尔磁感应强度测量电路电压表电压表 稳压1 1、霍尔磁感应强度测量仪、
12、霍尔磁感应强度测量仪 当电流流过导线时，将在导线周围产生磁场，磁场大当电流流过导线时，将在导线周围产生磁场，磁场大小与流过导线的电流大小成正比，这一磁场可以通过软磁材小与流过导线的电流大小成正比，这一磁场可以通过软磁材料来聚集，然后用霍尔器件进行检测。料来聚集，然后用霍尔器件进行检测。2 2、霍尔传感器测电流、霍尔传感器测电流(a)(a)图5.23 霍尔开关电子点火器霍尔传感器磁钢图图5.22 5.22 数显霍尔电流表数显霍尔电流表2 2、霍尔传感器测电流、霍尔传感器测电流(b)ICIC1 1为为A/DA/D转换器转换器,内含液晶显示驱动电路。内含液晶显示驱动电路。3 3、霍尔开关电子点火器、
13、霍尔开关电子点火器图图5.23 5.23 霍尔开关电子点火器霍尔开关电子点火器 霍尔传感器 磁钢4 4、霍尔元件在直流无刷电机中的应用、霍尔元件在直流无刷电机中的应用图图5.24 5.24 直流无刷电机霍尔开关电子换向直流无刷电机霍尔开关电子换向H1H4为开关型霍尔元件为开关型霍尔元件5 5、霍尔传感器测位移、霍尔传感器测位移6 6、汽车速度测量、汽车速度测量11、13、14、15逆压电效应逆压电效应机械能机械能正压电效应正压电效应电能电能ZXY(a)(b)石英晶体石英晶体(a a)理想石英晶体的外形理想石英晶体的外形 (b b)坐标系坐标系ZYX石英晶体石英晶体具有压电效应，是由其内部结构决
14、定的。具有压电效应，是由其内部结构决定的。天然结构石英晶体的理想外形是一个正六面体，在晶体学天然结构石英晶体的理想外形是一个正六面体，在晶体学中它可用三根互相垂直的轴来表示，其中：中它可用三根互相垂直的轴来表示，其中：轴轴-机械轴机械轴。在电场中，。在电场中，沿该轴机械变形最明显；沿该轴机械变形最明显；轴轴-称为称为电轴电轴，垂直此轴的面上，压电效应最强，垂直此轴的面上，压电效应最强；轴轴-中性轴中性轴，该方向无压，该方向无压电效应，用光学方法确定该轴，电效应，用光学方法确定该轴，故称为故称为光轴光轴。图图5.25 5.25 石英晶体的切片石英晶体的切片 通常把沿电轴通常把沿电轴X X方向的力
15、作用下产生电荷的压电效应方向的力作用下产生电荷的压电效应称为称为“纵向压电效应纵向压电效应”，而把沿机械轴，而把沿机械轴Y Y方向的力作用下方向的力作用下产生电荷的压电效应称为产生电荷的压电效应称为“横向压电效应横向压电效应”。晶体的许多特性取决于晶体的方向。为了利用石英晶体的许多特性取决于晶体的方向。为了利用石英晶体的压电效应，需将晶体沿一定方向切割成晶片。方晶体的压电效应，需将晶体沿一定方向切割成晶片。方法很多，常用的是法很多，常用的是X X切和切和Y Y切。切。X X切切xSOZXYY Y切切 石英晶片受压力或拉力时，电荷的极性如下图所示。石英晶片受压力或拉力时，电荷的极性如下图所示。a
16、)b)c)d)a)b)c)d)图图5.26 5.26 晶片受力方向与电荷极性的关系晶片受力方向与电荷极性的关系 切切：厚度边：厚度边/X/X轴，长度边轴，长度边/Y/Y轴，宽度边轴，宽度边/Z/Z轴。轴。切切：厚度边：厚度边/Y/Y轴，长度边轴，长度边/X/X轴，宽度边轴，宽度边/Z/Z轴。轴。多晶体多晶体（压电陶瓷）（压电陶瓷）压电陶瓷属于铁电体物质，是人工制造的多晶压电材料。将原料压电陶瓷属于铁电体物质，是人工制造的多晶压电材料。将原料粉碎、碾磨和成型，在粉碎、碾磨和成型，在10001000以上烧结而成。它具有类似铁磁材料磁以上烧结而成。它具有类似铁磁材料磁畴结构的电畴结构。电畴是分子自发
17、形成的区域，它有一定的极化方畴结构的电畴结构。电畴是分子自发形成的区域，它有一定的极化方向，从而存在一定的电场。在无外电场作用时，各个电畴在晶体上杂向，从而存在一定的电场。在无外电场作用时，各个电畴在晶体上杂乱分布，它们的极化效应被相互抵消，因此原始的压电陶瓷内极化强乱分布，它们的极化效应被相互抵消，因此原始的压电陶瓷内极化强度为零，见图（度为零，见图（a a）。）。(a)极化处理前(b)极化处理中(c)极化处理后 剩余极化强度直流电场直流电场E E剩余伸长电场作用下的伸长 此式的物理表现为：当压电元此式的物理表现为：当压电元件受到外力件受到外力F F作用时，在相应的表面作用时，在相应的表面会
18、产生电荷。会产生电荷。沿一定的方向，将压电晶体切成一定尺寸的长方体，表沿一定的方向，将压电晶体切成一定尺寸的长方体，表面再镀上金属膜，如图面再镀上金属膜，如图5.275.27，这便形成了常用压电式传感器，这便形成了常用压电式传感器的敏感元件的敏感元件-压电晶片压电晶片。当压电晶片受到压力的作当压电晶片受到压力的作用时，分别在两个极板上积聚用时，分别在两个极板上积聚数量相等而极性相反的电荷。数量相等而极性相反的电荷。因此，压电传感器可以看作是因此，压电传感器可以看作是一个一个电荷发生器电荷发生器，也可以看成，也可以看成是一个是一个电容器电容器。0rassChh 其电容量其电容量a a为为:这样，
19、可把压电晶片等效成一个与电容相并联的这样，可把压电晶片等效成一个与电容相并联的电荷源电荷源，图图5.28a5.28a，也可以等效为一个，也可以等效为一个电压源电压源，UaUa=Q/Ca=Q/Ca，图，图5.28b5.28b。QCaua=Q/Cau0Caua=Q/Caa)a)电荷源电荷源 b)b)电压源电压源 图图5.28 5.28 压电晶片的等效电路压电晶片的等效电路 压电传感器与测量仪表联接时，还必须考虑压电传感器与测量仪表联接时，还必须考虑电缆电容电缆电容C CC C，放大器的放大器的输入电阻输入电阻R Ri i 和和输入电容输入电容C Ci i以及传感器的以及传感器的泄漏电阻泄漏电阻R
20、Ra a。下图画出了压电传感下图画出了压电传感器完整的等效电路。器完整的等效电路。QCaCcCiRaRiQCaCcCiRaRia)a)电荷源电荷源 b)b)电压源电压源 图图5.29 5.29 压电晶片测试系统的等效电路压电晶片测试系统的等效电路 2,2QQUUCC 实际设计中，压电晶片常用两片或多片组合在一起使用。实际设计中，压电晶片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，因此存在并联和串联两种接法。由于压电材料是有极性的，因此存在并联和串联两种接法。并联接法并联接法（如图（如图a）特征：两压电晶片的结构形式不同，上、下两极板通过特征：两压电晶片的结构形式不同，上、下两极板通过
21、导线连接，两片晶片中间一般加铜片或银片作为引出电极。导线连接，两片晶片中间一般加铜片或银片作为引出电极。并联接法输出电荷大，本身电容大，因此时间常数也大，并联接法输出电荷大，本身电容大，因此时间常数也大，适用于测量缓变信号，并以适用于测量缓变信号，并以电荷量电荷量作为输出的场合。作为输出的场合。,2,2CQQUUC串联接法串联接法（如图（如图b b）特征特征：两压电晶片的结构形式相同，引线分别从两片压电：两压电晶片的结构形式相同，引线分别从两片压电晶片引出。上晶片负电荷和下晶片正电荷相消。晶片引出。上晶片负电荷和下晶片正电荷相消。串联接法输出电压高，本身电容小，适用于以串联接法输出电压高，本身
22、电容小，适用于以电压电压作为作为输出量以及测量电路输入阻抗很高的场合。输出量以及测量电路输入阻抗很高的场合。另外需注意：压电元件在压电式传感器中，必须有一定的预另外需注意：压电元件在压电式传感器中，必须有一定的预应力，这样可以保证在作用力变化时，压电片始终受到压力，应力，这样可以保证在作用力变化时，压电片始终受到压力，同时也保证了压电片的输出与作用力的线性关系。同时也保证了压电片的输出与作用力的线性关系。压电式传感器的内阻很高，输出电信号很微弱，通常应把传感器信压电式传感器的内阻很高，输出电信号很微弱，通常应把传感器信号先输入到高输入阻抗的号先输入到高输入阻抗的前置放大器前置放大器中，经过阻抗
23、变换后，方可输入到中，经过阻抗变换后，方可输入到后续显示仪表中。后续显示仪表中。压电传感器要求测量电路的前级输入端要有足够高的阻抗，这样才压电传感器要求测量电路的前级输入端要有足够高的阻抗，这样才能防止电荷迅速泄漏而使测量误差变大。能防止电荷迅速泄漏而使测量误差变大。前置放大器有两个前置放大器有两个作用作用：把传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出；：把传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出；把传感器的微弱信号进行放大。把传感器的微弱信号进行放大。用于压电传感器的前置放大器也有两种形式：用于压电传感器的前置放大器也有两种形式：电压放大器电压放大器：其输出电压与输入：其输出电压与输入电压电压（传感器输出
24、电压）成正比；（传感器输出电压）成正比；电荷放大器电荷放大器：其输出电压与输入：其输出电压与输入电荷电荷（传感器输出电荷）成正比。（传感器输出电荷）成正比。、电荷放大器、电荷放大器 电荷放大器实际上是一个具有反馈电容的高增益运算放电荷放大器实际上是一个具有反馈电容的高增益运算放大器。下图是压电传感器与电荷放大器连接的等效电路。图大器。下图是压电传感器与电荷放大器连接的等效电路。图中中C CF F 和和R RF F 分别为放大器的反馈电容、电阻。分别为放大器的反馈电容、电阻。图图5.31 5.31 压电传感器与电荷放大器连接等效电路压电传感器与电荷放大器连接等效电路由以上分析推知：由以上分析推知
25、：压电传感器后接电荷放大器的具有下面特点：压电传感器后接电荷放大器的具有下面特点：uaCaCcCiRaRiR1R2+-uaCaCRui a)b)a)b)压电传感器接电压放大器的等效电路压电传感器接电压放大器的等效电路、电压放大器、电压放大器 压电传感器接电压放大器的等效电路如下图压电传感器接电压放大器的等效电路如下图a a所示。所示。图图b b是压电晶片简化后的等效电路。其中，是压电晶片简化后的等效电路。其中，u ui i为电压放大为电压放大器输入电压；器输入电压；R=RR=Ra a/R Ri i ;C=C=C CC C+C+Ci i；u ua a=Q Q/C Ca a 。如果压电传感器受交变
26、力：如果压电传感器受交变力：f f=F Fm msinsintt 则在压电元件上产生的电压为：则在压电元件上产生的电压为：(d(d为压电系数为压电系数)u ua a=Q/=Q/C Ca a=(=(d dF Fm m/C Ca a)sin)sintt=U=Um m sinsinttFdCCRjRjuCjRCjRCjCjRCjRUaaa)(111111222mm i)(R1RdF)(UicaCCC幅值：幅值：U可推导出送入放大器输入端的电压为可推导出送入放大器输入端的电压为：注意：此式中的注意：此式中的F F为输入，为输入，为等效电路的输出（放大器的输入），为等效电路的输出（放大器的输入），为输入
27、力的变化频率。为输入力的变化频率。可表示成另一种形式可表示成另一种形式-幅值和相位差：幅值和相位差：U放大器输入电压与输入力放大器输入电压与输入力F之间的相位差为：之间的相位差为：RCCCica)(arctan)(当当时，则放大器输入端电压的幅值为：时，则放大器输入端电压的幅值为：dF)(Umm iicaCCC 这时，传感器的电压灵敏度为这时，传感器的电压灵敏度为 )/(/)(Ukm iuicamCCCdF此式表明：由于电缆电容此式表明：由于电缆电容C Cc c及放大器输入电容及放大器输入电容C Ci i的存在，使的存在，使k ku u。如果如果更换电缆，则更换电缆，则C Cc c变化，使变化
28、，使k ku u也变化。因此更换电缆长度，则必须重新校也变化。因此更换电缆长度，则必须重新校正传感器的电压灵敏度值。正传感器的电压灵敏度值。1 1、压电式加速度传感器、压电式加速度传感器（）加速度传感器结构（）加速度传感器结构 微振动测试仪电路图Q0传感器的电荷 C0传感器静电容 Ce电缆静电容（）压电式加速度传感器测量电路（）压电式加速度传感器测量电路产品加速度计理论模型 压电式单向测力传感器结构图晶片电子束焊接上盖绝缘套基座电极2 2、压电式测力传感器、压电式测力传感器压电式压力传感器的结构 消除振动加速度影响的结构 压力变送器压力变送器力传感器力传感器 压电式力压电式力/压力传感器压力传
29、感器各种锤头（钢、铝、尼龙、橡胶）各种锤头（钢、铝、尼龙、橡胶）型测力锤，利用石英晶体的纵向压型测力锤，利用石英晶体的纵向压电效应。可以测量动态力、准静态电效应。可以测量动态力、准静态力和冲击力。力和冲击力。发动机燃烧传感器，适用于发动机汽缸内压力测试。发动机燃烧传感器，适用于发动机汽缸内压力测试。M119M119系列为系列为高频、抗高冲击型，特别适用于榴弹炮、液体发射武器的测试。高频、抗高冲击型，特别适用于榴弹炮、液体发射武器的测试。一、思考题一、思考题 1 1、为什么说压电式传感器只适用于动态测量而不能用于静态测量、为什么说压电式传感器只适用于动态测量而不能用于静态测量?2 2、压电式传感
30、器测量电路的作用是什么、压电式传感器测量电路的作用是什么?其核心是解决什么问题其核心是解决什么问题?3 3一压电式传感器的灵敏度一压电式传感器的灵敏度K K1 110pC10pCMPaMPa，连接灵敏度连接灵敏度K K2 2=0.008V=0.008VpCpC的电荷放大器，所用的笔式记录仪的灵敏度的电荷放大器，所用的笔式记录仪的灵敏度K K3 3=25mm=25mmV V，当压力当压力变化变化p p=8MPa=8MPa时，记录笔在记录纸上的偏移为多少时，记录笔在记录纸上的偏移为多少?4 4、某加速度计的校准振动台，它能作、某加速度计的校准振动台，它能作50Hz50Hz和和1g1g的振动，今有压电式的振动，今有压电式加速度计出厂时标出灵敏度加速度计出厂时标出灵敏度K K100mV100mVg g，由于测试要求需加长导线，由于测试要求需加长导线，因此要重新标定加速度计灵敏度，假定所用的阻抗变换器放大倍数为因此要重新标定加速度计灵敏度，假定所用的阻抗变换器放大倍数为1 1，电压放大器放大倍数为，电压放大器放大倍数为100100，标定时晶体管毫伏表上指示为，标定时晶体管毫伏表上指示为9.13V9.13V，试画出标定系统的框图，并计算加速度计的电压灵敏度。试画出标定系统的框图，并计算加速度计的电压灵敏度。二、作业题二、作业题P128P128，17,20,23.17,20,23.
