第五章-压变式传感器

传感器与检测技术董春利主编潘洪坤执笔大连职业技术学院电气电子工程系2008年3月全国高等职业教育规划教材省级精品课程配套教材第五章压变式传感器5.1压电式传感器5.2压磁式传感器第一节压电式传感器压电式传感元件是力敏感元件，所以它能测量最终能变换为力的那些物理量，例如力、压力、加速度等各种动态力、机械冲击与振动的测量。压电式传感器具有响应频带宽、灵敏度高、信噪比大、结构简单、工作可靠、重量轻等优点一、压电传感器工作原理1．压电效应某些电介质，当沿着一定方向对其施力而使它变形时，其内部就产生极化现象，同时在它的两个表面上便产生符号相反的电荷，当外力去掉后，其又重新恢复到不带电状态，当作用力方向改变时，电荷的极性也随之改变，这种现象称压电效应。又叫顺压电效应）。反之，当在电介质的极化方向施加电场，这些电介质就在一定方向上产生机械变形或机械压力，当外加电场撤去时，这些变形或应力也随之消失。这个现象叫做逆压电效应，又叫电致伸缩效应。在自然界中许多物质具有压电效应和你压电效应，常见的有石英晶体、压电陶瓷等。2．石英晶体石英晶体化学式为SiO2,是一个正六面体。英晶体各个方向的特性是不同的。其中纵向轴z称为光轴，经过六面体棱线并垂直于光轴的x轴称为电轴，与x和z轴同时垂直的轴y称为机械轴。通常把沿电轴x方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“纵向压电效应”；而把沿机械轴y方向的作用下产生电荷的压电效应称为“横向压电效应”；而沿光轴z方向受（1）石英晶体的压电效应1）石英晶体未受外力作用，此时正负电荷重心重合，电偶极矩的矢量和等于零，P1+P2+P3=0，所以晶体表面不产生电荷，即呈中性。2）当石英晶体受到沿x轴方向的压力fx作用时，X轴P1减小和P2、P3的增加，即：（P1+P2+P3)x0。在Y、Z方向上的分量为零，可见，在X轴的正向出现正电荷，在Y、Z轴方向则不出现电荷。3）当晶体受到沿y轴方向的压力fy作用时，P1增大，P2、P3减小，即：（P1+P2+P3)x0。在x轴上出现电荷，它的极性为x轴正向为负电荷。在y轴方向上不出现电荷。当作用力fy的方向相反时，电荷的极性也随之改变。4）如果沿z轴方向施加作用力，因为晶体在x方向和y方向所产生的形变完全相同，所以正负电荷重心保持重合，电偶极矩矢量和等于零。这表明沿z轴方向施加作用力，晶体不会产生压电效应。“⊕”代表Si4+离子，“”代表氧离子O2-（a）不受力时（b）x轴方向受力时（c）y轴方向受力时（2）压电效应参数的分析1、从石英晶体上沿y方向切下一块，使它的晶面分别平行于X、Y、Z轴。并在垂直X轴方向两面用真空镀膜或沉银法得到电极面。2、若在同一切片上，沿机械轴y方向施加作用力FY极间电荷：1、2、1：在X轴方向施加压力时，左旋石英晶体的X轴正向带正电；如果作用力FX改为拉力，则在垂直于X轴的平面上仍出现等量电荷，但极性相反。2、仍在与x轴垂直的平面上产生电荷qY但产生的电荷的符号是不同的。结论：①无论是正或逆压电效应，其作用力（或应变）与电荷（或电场强度）之间呈线性关系；②晶体在哪个方向上有正压电效应，则在此方向上一定存在逆压电效应；③石英晶体不是在任何方向都存在压电效应的。x11xFdqy11yFdbaq2．压电陶瓷（1）压电陶瓷的极化压电陶瓷属于铁电体一类的物质，是人工制造的多晶压电材料，它具有类似铁磁材料磁畴结构的电畴结构。原始的压电陶瓷呈中性，不具有压电性质。在陶瓷上施加外电场时，电畴的极化方向发生转动，趋向于按外电场方向的排列，从而使材料得到极化。外电场愈强，就有更多的电畴更完全地转向外电场方向。当把电压表接到陶瓷片的两个电极上进行测量时，在陶瓷的一端出现正束缚电荷，另一端出现负束缚电荷。（2）压电陶瓷的压电效应1）正压电效应：由机械效应转为电效应，或由机械能转为电能的现象，就是正压电效应。2）逆压电效应：外加电场与极化方向相同，沿极化方向伸长，反之，产生缩短形变。由电效应而转为机械效应或由电能转为机械能的现象，就是逆压电效应。3）结论：压电陶瓷所以具有压电效应，是由于陶瓷内部存在自发极化。这些自发极化经过极化工序处理而被迫取向排列后，陶瓷内即存在剩余极化强度。如果外界的作用（如压力或电场的作用）能使此极化强度发生变化，陶瓷就出现压电效应。陶瓷片加与电场极化强度变化陶瓷片形变陶瓷片压缩形变极化强度变小释放电荷力撤消充电施加力（2）压电效应分析压电效应产生的电荷量的大小与外力成正比关系：式中：d33—压电陶瓷的压电系数；F—作用力。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。极化处理后的压电陶瓷材料的剩余极化强度和特性与温度有关，它的参数也随时间变化，从而使其压电特性减弱。Fdq33二、压电式传感器测量电路1．压电式传感器测量特点（1）测量对象压电是传感器主要测量力及力的派生物理量（压力、位移、加速度等）。1）宜用于动态测量：只能施加交变力，电荷才能得到不断的补充，才能供给回路一定的电流，故只宜做动态测量2）接高阻前置放大器：减少晶片的漏电流以减少测量误差前置放大器要有相当高的输入阻抗，保证较大的时间常数（2）压电元件的联接形式在压电式传感器中，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，因此接法也有两种。并联：输出电荷量，本身电容大，因此时间常数也大，通常适用于测量慢速信号，并以电荷量作为输出的场合。串联：输出电压高，本身电容小，因此时间常数也小，通常适用于测量快速信号，并以电压量作为输出，且测量电路输入阻抗很高的场合。（a）并联；（b）串联2．压电式传感器的等效电路理想等效电路（a）电压源实际等效电路：考虑连接电缆的等效电容Cc，放大器的输入电Ri，输入电容Ci以及压电传感器的泄漏电阻Ra。（b）电荷源（a）电压源；（b）电荷源3．压电式传感器的测量电路压电传感器本身的内阻抗很高，而输出能量较小，因此它的测量电路通常需要接入一个高输入阻抗的前置放大器，其作用为：一是把它的高输出阻抗变换为低输出阻抗；二是放大传感器输出的微弱信号。压电传感器的输出可以是电压信号，也可以是电荷信号，因此前置放大器也有两种形式：电压放大器和电荷放大器。三、压电式传感器的应用1．压电式测力传感器该传感器的测力范围为0～50N，最小分辨率为0.01，固有频率为50～60kHz，整个传感器重10g。2．压电式加速度传感器测得加速度传感器输出的电荷便可知加速度的大小。压电传感器将切削力转换为电信号输出，记录下电信号的变化便测得切削力的变化由于压电陶瓷元件的自振频率高，特别适合测量变化剧烈的载荷3．压电式金属加工切削力测量4．压电式玻璃破碎报警器BS-D2压电式传感器是专门用于检测玻璃破碎的一种传感器，它利用压电元件对振动敏感的特性来感知玻璃受撞击和破碎时产生的振动波。BS-D2压电式玻璃破碎传感器的外形及内部电路图报警器使用时传感器用胶粘贴在玻璃上，然后通过电缆和报警电路相连。为了提高报警器的灵敏度，信号经放大后，需经带通滤波器进行滤波，要求它对选定的频谱通带的衰减要小，而带外衰减要尽量大。第二节压磁式传感器压磁式传感器是基于铁磁材料压磁效应的传感器，又称磁弹性传感器。压磁式传感器的敏感元件由铁磁材料制成，它把作用力（如弹性应力、残余应力）的变化转换成导磁率的变化，并引起绕于其上的线圈的阻抗或电动势的变化，从而感应出电信号。从而实现非电量测量，是典型的无源传感器。压磁式传感器是测力传感器的一种，它利用铁磁材料受力后导磁性能的变化，将被测力转换为电信号。所以它能测量最终能变换为力的那些物理量，例如力、压力、加速度等各种动态力、机械冲击与振动的测量。压磁式传感器是一种新型传感器，它的优点是输出功率大、信号强、结构简单、牢固可靠、抗干扰性好、过载能力强、价格便宜。缺点是测量精度不很高、频响较低。一、压磁式传感器基本原理1．铁磁材料的压磁效应磁材料的压磁效应具体可表述为：当材料受到压力时，在作用力方向导磁系数减小，而在作用力垂直方向，导磁系数增大；当作用力是拉力时，其效果相反；作用力取消后，导磁系数复原。铁磁材料的压磁效应还与磁场有关。只有在一定条件下（如磁场强度恒定时），压磁效应才有单值特性，但不是线性关系。（1）磁致伸缩效应铁磁材料在磁场中磁化时，在磁场方向会伸长或缩短，这种现象称为磁致伸缩效应。材料随磁场强度的增加而伸长或缩短不是无限制的，最终会达到饱和。各种材料的饱和伸缩比是定值，称为磁致伸缩系数，用λs表示，即：Δl/l—伸缩比；λs—磁致伸缩系数（2）磁弹性效应对于正磁致伸缩材料，如果存在拉应力，将使磁化方向转向拉应力方向，加强拉应力方向的磁化，从而使拉应力方向的磁导率增大。反之，压应力将使磁化方向转向垂直于压应力的方向，削弱应力方向的磁化，从而使压应力方向的磁导率减小。llS2．压磁应变传感器工作原理压磁式传感器的结构：原理：在励磁线圈中通以交变电流时，导磁系数的变化将导致线圈耦合系数的变化，从而使输出的感应电动势变化，达到把作用力转换成电荷量输出的目的。1-压磁元件2-弹性支架3-传力刚球3．铁磁材料的压磁应变灵敏度压磁式传感器所使用的铁磁材料，一般为硅钢片、坡莫合金等。又因硅钢片性能稳定，价格便宜故选用者居多。压磁应力灵敏度定义为：单位机械应力所引起的磁导率相对变化：压磁传感器可以用来测量压力、拉力、弯矩、扭转力（或力矩），其变换链为：力转化为内应力表现为磁导率，影响磁阻从而改变阻抗或电动势。/S二、压磁式传感器的结构1．压磁元件的基本结构压磁式传感器核心部分是压磁元件，它常用的材料有硅钢片、坡莫合金和一些铁氧体。2．压磁传感器的基本结构压磁传感器可分为阻流圈式、变压器式、桥式、电阻式、魏德曼效应和巴克豪森效应传感器。其中阻流圈式、变压器式和桥式用得较多。（1）阻流圈式这种传感器的敏感元件是绕有线圈的用铁磁材料制成的铁芯这种结构在不受力时有初始信号，需要用补偿电路加以抵消。（2）变压器式在它的铁芯上有两个分开的线圈，一是接交流电源的激励线圈，另一是输出测量线圈。改变线圈的匝数比即可得到不同档次的电压输出信号（3）桥式这种传感器用于测量铁磁材料的受力状况（例如扭矩），在被测材料上4点P1、S1、P2、S2之间的磁阻形成一个磁桥。由于铁磁材料的磁化特性随温度而变，压磁式传感器通常要进行温度补偿。最常用的方法是将工作传感器与不受载体作用的补偿传感器构成差动回路。三、压磁传感器的应用压磁式测力传感器具有输出功率大，抗干扰能力强，过载性能好，结构与电路简单，能在恶劣环境下工作，寿命长等一系列特点。尽管它的测量精度不高（误差约为1%），反应速度低，但由于上述优点，尤其是寿命长，常用于重工业、化工、冶金、矿山、运输等工业部门作为测力和称重传感器。1．压磁传感器的测量电路2．测量一个方向变化的传感器（1）测量压力的传感器1）测量电感值的改变：通过改变磁导率来达到电感值的改变2）测量互感值的改变：通过改变磁导率来达到互感值的改变PKKL21PuPKWWE1122)(L—传感器的电感K1、K2—与激磁电流大小有关的系数E2—传感器输出感生电势；u1—原端励磁电压W1、W2—一次和二次绕组的匝数；K(P)—系数，它与激磁电流频率及幅值有关，同时也与被测力P有关。一个方向产生磁导率的变化的压磁式传感器（2）测量应变的传感器在日字形铁芯凸起在外的中间铁舌上绕上绕组，使用时将它粘在被测应变的工件表面，使其整体与被测工件同时发生变形，从而引起铁芯中磁导率改变、导致电感值改变。这种结构也可在铁舌上绕两个绕组做成变压器形传感器，常称为互感型压磁应变片。3．测量二个方向变化的传感器两个方向产生磁导率的变化的压磁式传感器常用来测量几万牛顿的压力，耐过载能力强，线性度3%-5%。作业与思考题1．什么是压电效应？以石英晶体为例说明压电晶体是怎样产生压电效应的？2．常用的压电材料有哪