1、压电式传感器与霍尔磁敏传感器原理及应用要点 题目：压电式传感器与霍尔磁敏传感器原理及应用学 院：机械工程学院专 业： 机制班 级： 102学 号：1008030121学生姓名： 指导教师： 2013年 12 月 5 日目录一、 绪论 3二、 压电式传感器1压电式传感器的基本原理 4（1） 压电效应（2）压电材料(3) 测量电路2压电式压力传感器原理和结构图 83压电式传感器的举例应用 10三、 霍尔磁敏传感器1引言 102工作原理 123霍尔磁敏传感器 144基本特性 165应用举例 17四、 小结 19一 绪论 国家标准GB7665-87对传感器下的定义是：“能感受规定的被测量并按照一定的规
2、律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。新技术革命的到来，世界开始进入信息时代。在利用信息的过程中，首先要解决的就是要获取准确可靠的信息，而传感器是获取自然和生产领域中信息的主要途径与手段。 在现代工业生产尤其是自动化生产过程中，要用各种传感器来监视和控制生产过程中的各个参数，使设备工作在正常状态或最佳状态，并使产品达到最好的质量。 在基础学科研究中，传感器更具有突
3、出的地位。现代科学技术的发展，进入了许多新领域，还出现了对深化物质认识、开拓新能源、新材料等具有重要作用的各种极端技术研究，如超高温、超低温、超高压、超高真空、超强磁场等。显然，要获取大量人类感官无法直接获取的信息，没有适应的传感器是不可能的。 传感器早已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等等极其之泛的领域。 由此可见，传感器发展经济、推动社会进步方面的重要作用，是十分明显的。世界各国都十分重视这一领域的发展。二 压电式传感器压电式传感器可用于力、压力、速度、加速度、振动等许多非电量的测量，可做成力传感器、压力传感器、振动传感器等等。由
4、于它的一系列突出优点，在工业生产和自动化控制中得到广泛应用。近年来由于电子技术的发展，随着配套的二次仪表，及低噪音、小电容、高绝缘电阻电缆的出现使压电传感器使用更方便，集成化、智能化的新型压电传感器正被开发出来。压电式传感器的基本原理1、压电效应压电式传感器是基于压电效应的传感器。是一种自发电式和机电转换式传感器。它的敏感元件由压电材料制成。压电材料受力后表面产生电荷。此电荷经电荷放大器和测量电路放大和变换阻抗后就成为正比于所受外力的电量输出。常见有以下几种压电效应模型（见图1） 图1压电效应可分为正压电效应和逆压电效应。正压电效应是指：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,
5、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；当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。压电式传感器大多是利用正压电效应制成的。逆压电效应是指对晶体施加交变电场引起晶体机械变形的现象，又称电致伸缩效应。用逆压电效应制造的变送器可用于电声和超声工程。压电敏感元件的受力变形有厚度变形型、长度变形型、体积变形型、厚度切变型、平面切变型 5种基本形式（见图2）。 图2压电晶体是各向异性的，并非所有晶体都能在这 5种状态下产生压电效应。例如石英晶体就没有体积变形压电效应，但具有良好的厚度变形和长度变形压电效应。 压电式传感器大致
6、可以分为4种，即：压电式测力传感器，压电式压力传感器，压电式加速度传感器及高分子材料压力传感器。2 、压电材料(piezoelectric material) 选用合适的压电材料是设计高性能传感器的关键。一般应考虑一下几个方面：（1） 转换性能：具有较高的耦合系数或具有较大的压电常数。（2） 机械性能：压电元件作为受力元件，希望它的机械强度高、机械刚度大。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，以期望减弱外部分布电容的影响而获得良好的低率特性。（4） 温度和湿度稳定性要好：具有较高的居里点、以期望得到宽的工作温度范围。（5） 时间稳定性：压电特
7、性不随时间蜕变。 常见的压电材料有：石英、钛酸钡陶瓷、钙钛矿型的铌酸盐等，下面简单介绍两种： 钛酸钡压电陶瓷：钛酸钡（BaTiO3）是由碳酸钡（BaCO3）和二氧化钛（TiO2）按1：1分子比例在高温下合成的压电陶瓷。它具有很高的介电常数和较大的压电系数（约为石英晶体的50倍）。不足之处是居里点温度低（120），温度稳定性和机械强度不如石英晶体。高分子压电材料：某些合成高分子聚合物薄膜经延展拉伸和电场极化后，具有一定的压电性能，这类薄膜称为高分子压电薄膜。目前出现的压电薄膜有聚二氟乙烯PVF2、聚氟乙烯PVF、聚氯乙烯PVC、聚甲基-L谷氨酸脂PMG等。高分子压电材料是一种柔软的压电材料，不易
8、破碎，可以大量生产和制成较大的面积。3、测量电路压电式传感器简单的说就是压电敏感元件的受力变形后表面产生电荷。此电荷经电荷放大器和测量电路放大和变换阻抗后就成为正比于所受外力的电量输出。电荷放大器由电荷变换级、适调级、低通滤波器、高通滤波器、末级功放、电源几部分组成。压电传感器接放大器的等效电路如图3： 图3：（a） 放大器电路 （b） 等效电路压电式压力传感器原理和结构压电式压力传感器（piezoelectric type pressure transducer）：基于压电效应的压力传感器。它的种类和型号繁多，按弹性敏感元件和受力机构的形式可分为膜片式和活塞式两类。膜片式主要由本体、膜片和压
9、电元件组成（见图4）。压电元件支撑于本体上，由膜片将被测压力传递给压电元件，再由压电元件输出与被测压力成一定关系的电信号。这种传感器的特点是体积小、动态特性好、耐高温等。现代测量技术对传感器的性能出越来越高的要求。例如用压力传感器测量绘制内燃机示功图，在测量中不允许用水冷却，并要求传感器能耐高温和体积小。压电材料最适合于研制这种压力传感器。目前比较有效的办法是选择适合高温条件的石英晶体切割方法,例如XY（+20+30）割型的石英晶体可耐350的高温。而LiNbO3单晶的居里点高达1210，是制造高温传感器的理想压电材料。 图4压电式传感器在具体工程中的应用压电式报警器玻璃破碎报警装置它利用压电
10、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。传感器把振动波转换成电压输出，输出电压经放大、滤波、比较等处理后提供给报警系统。压电式玻璃破碎传感器的原理结构如图5-11所示。传感器的最小输出电压为100mV，最大输出电压为100V，内阻抗为1520kq。玻璃破碎时会发出几千赫兹至几十千赫兹的振动，使用时将高分子压电薄膜传感器粘贴在玻璃上，感受这一振动，然后通过电缆和报警电路相连，将压电信号传送给集中报警系统。为了提高报警器的灵敏度，信号经放大后，再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，而频带外衰减要尽量大。玻璃振动的波长在音频和超声波的范围内，这就使滤波器成为电路
11、中的关键。只有当传感器输出信号高于设定的阈值时，才会输出报警信号，驱动报警执行机构工作。玻璃破碎报警器可广泛用于文物保管、贵重商品保管及其他商品柜台保管等场合三 霍尔磁敏传感器原理与应用一 引言磁敏传感器，顾名思义就是感知磁性物体的存在或者磁性强度(在有效范围内)这些磁性材料除永磁体外，还包括顺磁材料(铁、钴、 镍及其它们的合金)当然也可包括感知通电(直、交)线包或导线周围的磁场。传统的磁检测中首先被采用的是电感线圈为敏感元件。特点正是无须在线圈中通电，一般仅对运动中的永磁体或电流载体起敏感作用。后来发展为用线圈组成振荡槽路的。 如探雷器， 金属异物探测器，测磁通的磁通计等. (磁通门，振动样
12、品磁强计)。霍尔传感器是依据霍尔效应制成的器件。霍尔效应：通电的载体在受到垂直于载体平面的外磁场作用时，则载流子受到洛伦兹力的作用， 并有向两边聚集的倾向,由于自由电子的聚集(一边多一边必然少)从而形成电势差， 在经过特殊工艺制备的半导体材料这种效应更为显著。从而形成了霍尔元件。早期的霍尔效应的材料Insb(锑化铟)。为增强对磁场的敏感度,在材料方面半导体IIIV 元素族都有所应用。霍尔器件由于其工作机理的原因都制成全桥路器件，其内阻大约都在150500之间。对线性传感器工作电流大约在210mA左右，一般采用恒流供电法。Insb与硅衬底霍尔器件典型工作电流为10mA。而砷化镓典型工作电流为2
13、mA。作为低弱磁场测量，我们希望传感器自身所需的工作电流越低越好。目前的传感器对温度很敏感，通的电流大了，有一个自身加热问题。这些方面除外附补偿电路外，在材料方面也在不断的进行改进。霍尔传感器主要有两大类，一类为开关型器件，一类为线性霍尔器件，从结构形式（品种）及用量、产量前者大于后者。霍尔器件的响应速度大约在1us 量级。以磁场作为媒介，利用霍尔传感器可以检测多种物理量，如位移、振动、转速、加速度、流量、电流、电功率等。它不仅可以实现非接触测量，并且采用永久磁铁产生磁场，不需附加能源。另外，霍尔传感器尺寸小、价格便宜、应用电路简单、性能可靠，因而获得极为广泛的应用。除了直接利用霍尔传感器外，
14、还利用它开发出各种派生的传感器。二 工作原理1.霍尔效应通电的导体或半导体，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势的现象。2.霍尔磁敏传感器工作原理设霍尔片的长度为l，宽度为w，厚度为d。又设电子以均匀的速度v运动，则在垂直方向施加的磁感应强度B的作用下，它受到洛仑兹力e电子电量(1.6210-19C)； v电于运动速度。同时，作用于电子的电场力当达到动态平衡时电流密度霍尔电势VH与 I、B的乘积成正比，而与d成反比。于是可改写成： 霍尔系数，由载流材料物理性质决定。材料电阻率载流子迁移率,=v/E,即单位电场强度作用下载流子的平均速度。金属材料，电子很高但很小，绝缘材料，很高但很小。故为获得
15、较强霍尔效应，霍尔片全部采用半导体材料制成。设 KH=RH / d VH KH I BKH霍尔器件的乘积灵敏度。它与载流材料的物理性质和几何尺寸有关，表示在单位磁感应强度和单位控制电流时霍尔电势的大小。若磁感应强度B的方向与霍尔器件的平面法线夹角为时，霍尔电势应为： VH KH I B cos 注意：当控制电流的方向或磁场方向改变时，输出霍尔电势的方向也改变。但当磁场与电流同时改变方向时，霍尔电势并不改变方向。三霍尔磁敏传感器（霍尔器件）器件电流(控制电流或输入电流):流入到器件内的电流。电流端子A、B相应地称为器件电流端、控制电流端或输入电流端。霍尔输出端的端子C、D相应地称为霍尔端或输出端
16、。若霍尔端子间连接负载,称为霍尔负载电阻或霍尔负载。电流电极间的电阻，称为输入电阻，或者控制内阻。霍尔端子间的电阻，称为输出电阻或霍尔侧内部电阻。 图中控制电流I由电源E供给,R为调节电阻,保证器件内所需控制电流I。霍尔输出端接负载R3,R3可是一般电阻或放大器的输入电阻、或表头内阻等。磁场B垂直通过霍尔器件,在磁场与控制电流作用下，由负载上获得电压。实际使用时,器件输入信号可以是I或B，或者IB,而输出可以正比于I或B, 或者正比于其乘积IB。实际使用时,器件输入信号可以是I或B，或者IB,而输出可以正比于I或B, 或者正比于其乘积IB。同样，若给出控制电压V，由于V=R1I，可得控制电压和
17、霍尔电势的关系式上两式是霍尔器件中的基本公式。即：输入电流或输入电压和霍尔输出电势完全呈线性关系。如果输入电流或电压中任一项固定时，磁感应强度和输出电势之间也完全呈线性关系。四基本特性 1、直线性：指霍尔器件的输出电势VH分别和基本参数I、V、B之间呈线性关系。2、灵敏度：可以用乘积灵敏度或磁场灵敏度以及电流灵敏度、电势灵敏度表示：VH=KHBI KB磁场灵敏度， 若磁场值固定，则：VHKIIKI电流灵敏度，电流灵敏度等于霍尔元件在单位磁感应强度下电流对应的霍尔电势值。3、额定电流：霍尔元件的允许温升规定着一个最大控制电流。4、最大输出功率。 5、最大效率 霍尔器件的输出与输入功率之比，称为效
18、率，和最大输出对应的效率，称为最大效率6、负载特性 当霍尔电极间串接有负载时，因为流过霍尔电流，在其内阻上将产生压降，故实际霍尔电势比理论值小。由于霍尔电极间内阻和磁阻效应的影响，霍尔电势和磁感应强度间便失去了线性关系。如上图所示7、温度特性：指霍尔电势或灵敏度的温度特性，以及输入阻抗和输出阻抗的温度特性。它们可归结为霍尔系数和电阻率（或电导率）与温度的关系。 五应用举例利用霍尔效应制作的霍尔器件，不仅在磁场测量方面，而且在测量技术、无线电技术、计算技术和自动化技术等领域中均得到了广泛应用。 利用霍尔电势与外加磁通密度成比例的特性，可借助于固定元件的控制电流，对磁量以及其他可转换成磁量的电量、
19、机械量和非电量等进行测量和控制。应用这类特性制作的器具有磁通计、电流计、磁读头、位移计、速度计、振动计、罗盘、转速计、无触点开关等。利用霍尔传感器制作的仪器优点： (1) 体积小，结构简单、坚固耐用。 (2)无可动部件，无磨损，无摩擦热，噪声小。 (3)装置性能稳定，寿命长，可靠性高。 (4)频率范围宽，从直流到微波范围均可应用。 (5)霍尔器件载流子惯性小，装置动态特性好。 霍尔器件也存在转换效率低和受温度影响大等明显缺点。但是，由于新材料新工艺不断出现，这些缺点正逐步得到克服。 霍尔位移传感器将霍尔元件置于磁场中，左半部磁场方向向上，右半部磁场方向向下，从 a端通人电流I，根据霍尔效应，左
20、半部产生霍尔电势VH1，右半部产生露尔电势VH2，其方向相反。因此，c、d两端电势为VH1VH2。如果霍尔元件在初始位置时VH1=VH2，则输出为零；当改变磁极系统与霍尔元件的相对位置时，即可得到输出电压，其大小正比于位移量。小结随着自动检测控制和信息技术的发展，对传感器的性能要求越来越高，一方面要求尽可能精确，可靠性要求高；另一方面要求价格尽可能廉价。压电式传感器和霍尔传感器是一种理想器件。压电式传感器可用于力、压力、速度、加速度、振动等许多非电量的测量，可做成力传感器、压力传感器、振动传感器等等。由于它的一系列突出优点，在工业生产和自动化控制中得到广泛应用。近年来由于电子技术的发展，随着配套的二次仪表，及低噪音、小电容、高绝缘电阻电缆的出现使压电传感器使用更方便，集成化、智能化的新型压电传感器正被开发出来。目前，人类社会正逐渐由工业化时代向信息化时代迈进。作为感知、采集、转换、传输和处理各种信息必不可少的功能器件之传感器，已成为与微机同等重要的技术工具。特别是霍尔效应磁敏传感器一问世，就因它的高可靠性、高灵敏度和好的温度稳定性。在工业、军事和科学技术各领域得到广泛的应用，显示了其强大的生命力。随着谢量技术和自动控制等技术的发展，其研制、生产和应用已进入了一个新的发展阶段。
