【正文】 ch5 發(fā)電式傳感器及其應(yīng)用 工程測(cè)試與信息處理 EXIT 第五章 發(fā)電式傳感器及其應(yīng)用 壓電式傳感器（工作原理、測(cè)量電路、特點(diǎn)及應(yīng)用） 光電式傳感器（工作原理、測(cè)量電路、特點(diǎn)及應(yīng)用） 霍爾傳感器（工作原理、測(cè)量電路、特點(diǎn)及應(yīng)用） 熱電偶傳感器（工作原理、測(cè)量電路、特點(diǎn)及應(yīng)用） 本章學(xué)習(xí)要求： ch5 發(fā)電式傳感器及其應(yīng)用 工程測(cè)試與信息處理 EXIT ?壓電式傳感器是一種典型的發(fā)電型傳感器 ，以電介質(zhì)的 壓電效應(yīng) 為基礎(chǔ) ， 外力作用下在電介質(zhì)表面產(chǎn)生電荷 ， 從而實(shí)現(xiàn)非電量測(cè)量 。 ?壓電式傳感器可以對(duì)各種動(dòng)態(tài)力 、 機(jī)械沖擊和振動(dòng)進(jìn)行測(cè)量 ， 在聲學(xué) 、 醫(yī)學(xué) 、 力學(xué) 、 導(dǎo)航方面都得到廣泛的應(yīng)用 。 壓電式傳感器 ch5 發(fā)電式傳感器及其應(yīng)用 工程測(cè)試與信息處理 EXIT ?當(dāng)沿著一定方向施加力變形時(shí)，內(nèi)部產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在它表面會(huì)產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷； ?當(dāng)外力去掉后，又重新恢復(fù)不帶電狀態(tài) ?當(dāng)作用力方向改變后，電荷的極性也隨之改變； ? 這種現(xiàn)象稱壓電效應(yīng)。 一、變換原理 : 壓電式傳感器是一種可逆型換能器， 機(jī)械能 電能。 它的工作原理是基于某些物質(zhì)的 壓 電效應(yīng)。 ch5 發(fā)電式傳感器及其應(yīng)用 工程測(cè)試與信息處理 EXIT ? 壓電效應(yīng)是可逆的 在這些材料的極化方向施加電場(chǎng)，它們就在一定方向上產(chǎn)生機(jī)械變形或機(jī)械應(yīng)力，當(dāng)外電場(chǎng)撤去時(shí)，這些變形或應(yīng)力也隨之消失，這種現(xiàn)象稱為 “ 逆壓電效應(yīng) ” ，或稱為 “ 電致伸縮效應(yīng) ” 。 所以壓電元件可以將機(jī)械能 —— 轉(zhuǎn)化成電能 也可以將電能 —— 轉(zhuǎn)化成機(jī)械能 。 壓電元件 機(jī)械能 電能 ch5 發(fā)電式傳感器及其應(yīng)用 工程測(cè)試與信息處理 EXIT 壓電效應(yīng)是可逆的，壓電傳感器是 雙向傳感器 。 二、壓電材料 具有壓電效應(yīng)的物質(zhì) (物體 )稱為壓電材料 (或壓電元件 )。 常見(jiàn)的壓電材料可分為兩類： ?單晶體：石英晶體等 多晶體：壓電陶瓷等 石英晶體有天然石英和人工石英單晶體兩種。 特點(diǎn) ： 石英晶體的相對(duì)介電常數(shù)較小，溫度穩(wěn)定性很好。機(jī)械 強(qiáng)度很高。性能穩(wěn)定，沒(méi)有熱釋電效應(yīng)（由于溫度變化 導(dǎo)致電荷釋放），絕緣性能相當(dāng)好。 ch5 發(fā)電式傳感器及其應(yīng)用 工程測(cè)試與信息處理 EXIT 天然石英晶體，其結(jié)構(gòu)形狀為一個(gè)六角形 晶柱，兩端為一對(duì)稱棱錐。在晶體學(xué)中， 可以將其用三根互相垂直的軸表示。 縱軸 Z—— 光軸 通過(guò)六棱線而垂直于光軸的 X軸 —— 電軸 垂直于六棱柱體的棱面 —— 機(jī)械軸 壓電陶瓷是人工制造的多晶壓電材料，它由無(wú)數(shù)細(xì)微的單晶 組成。 如鈦酸鋇壓電陶瓷 、鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷，即 PZT系壓 電陶瓷、鈮鎂酸鉛壓電陶瓷（ PMN)、鈮酸鹽系壓電陶瓷等。 特點(diǎn)： 穩(wěn)定性較石英晶體差，有明顯的熱釋電效應(yīng)。壓電常數(shù) 大， 靈敏度高。 制作工藝方便，耐濕、耐高溫等特點(diǎn)， 用的較多。 ch5 發(fā)電式傳感器及其應(yīng)用 工程測(cè)試與信息處理 EXIT 壓 電 晶 片 按特定方向切片 人工合成水晶 ch5 發(fā)電式傳感器及其應(yīng)用 工程測(cè)試與信息處理 EXIT 從石英晶體中切下一個(gè)平行六面體，并使其晶面分別平行于 ZZ、 YY、 XX軸線。若對(duì)其施力，則有幾種不同的效應(yīng)。 縱向壓電效應(yīng) —— 沿電軸 (X軸 )方向的作用力產(chǎn)生的 橫向壓電效應(yīng) —— 沿機(jī)械軸 (Y軸 )方向的作用力產(chǎn)生的 切向效應(yīng) —— 沿相對(duì)兩棱加力時(shí) 沿光軸 (Z軸 )方向的作用力不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。 壓電式傳感器主要是利用縱向壓電效應(yīng)。 ch5 發(fā)電式傳感器及其應(yīng)用 工程測(cè)試與信息處理 EXIT 三、壓電式傳感器及其等效電路 在壓電晶片的兩個(gè)工作面上進(jìn)行金屬蒸鍍，形成金屬膜，構(gòu)成兩個(gè)電極。當(dāng)壓電晶片受到壓力 F的作用時(shí)，分別在兩個(gè)極板上積聚數(shù)量相等而極性相反的電荷，形成電場(chǎng)。 實(shí)驗(yàn)證明， 壓電晶體片在某特定平面 上產(chǎn)生的電荷量與作用外力成正比 ，即 q=DF 式中 q—— 為電荷量； F—— 作用力 D—— 壓電常數(shù)，與材質(zhì)及切片的方向有關(guān) 注意： 利用壓電式傳感器測(cè)量靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)量值時(shí)，必須采取一定的措施，使電荷從壓電晶片上經(jīng)測(cè)量電路的漏失減小到足夠小程度。而在動(dòng)態(tài)力作用下，電荷可以得到不斷補(bǔ)充，可以供給測(cè)量電路一定的電流，故 壓電傳感器適宜作動(dòng)態(tài)測(cè)量。 ch5 發(fā)電式傳感器及其應(yīng)用 工程測(cè)試與信息處理 EXIT 因此，壓電傳感器可以看作是一個(gè) 電荷發(fā)生器 ，也可以看成 是一個(gè) 電容器 。 壓電元件可以等效為一個(gè)電壓源和一個(gè)串聯(lián)電容表示的 電壓 等效電路 ，也等效成為一個(gè)電荷源和一個(gè)電容的 電荷等效電路 。 ch5 發(fā)電式傳感器及其應(yīng)用 工程測(cè)試與信息處理 EXIT 壓電元件的連接方法 壓電晶片串聯(lián) :電容量小、響應(yīng)快、輸出電壓大，適用于測(cè)量以 電壓作輸出的信號(hào)和 頻率較高 的信號(hào)。 適合前置電壓放大器 在實(shí)際應(yīng)用中，由于單片的輸出電荷很小，常常將兩片或兩片以上的晶片連接在一起，以 提高靈敏度 。方法有兩種，即并聯(lián)和串聯(lián)。 壓電晶片并聯(lián) :電容量大、輸出電荷量大、時(shí)間常數(shù)也大，適用于測(cè)量 緩變信號(hào) 及 電荷量輸出信號(hào) 適合前置電荷放大器 ch5 發(fā)電式傳感器及其應(yīng)用 工程測(cè)試與信息處理 EXIT 四、測(cè)量電路 壓電式傳感器輸出電信號(hào)很微弱，通常應(yīng)把傳感器信號(hào)先輸入到高輸入阻抗的 前置放大器 中，經(jīng)過(guò) 阻抗變換 后，方可輸入到后續(xù)顯示儀表中。 前置放大器的作用： ?將傳感器的高阻抗輸出變?yōu)榈妥杩馆敵觯? ?放大傳感器輸出的微弱電信號(hào)。 前置放大器電路的形式： ?用電阻反饋的 電壓放大器 其輸出電壓與輸入電壓 (即傳感器的輸出 )成正比； ?用電容做反饋的 電荷放大器 其輸出電壓與輸入電荷成正比。 由于電荷放大器電路的電纜長(zhǎng)度變化的 影響不大，幾乎可以忽略不計(jì)，故而電荷 放大器應(yīng)用日益廣泛。 ch5 發(fā)電式傳感器及其應(yīng)用 工程測(cè)試與信息處理 EXIT Ra：傳感器的漏電阻； Cc：連接電纜的分布電容； Ri：相連放大器的輸入電阻； Ci：相連放大器的輸入電容。 加速度計(jì) 電纜 阻抗變換、放大 u aC aC c C iR a R iR 1R 2+u aC aCRu ich5 發(fā)電式傳感器及其應(yīng)用 工程測(cè)試與信息處理 EXIT 四、特點(diǎn)及應(yīng)用 ? 體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、頻率范圍寬 適于 動(dòng)態(tài)測(cè)量 ? 多用于力、振動(dòng)加速度、噪聲的測(cè)量 ch5 發(fā)電式傳感器及其應(yīng)用 工程測(cè)試與信息處理 EXIT 產(chǎn)品 壓力變送器