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sunbet传感器与检测技术第四版 第五章

发布日期:2020-10-12 11:15

  传感器与检测技术第四版 第五章_数学_自然科学_专业资料。第5章 电动势式传感器原理与应用 5.1 磁电式传感器 5.2 霍尔传感器 5.3 压电式传感器 5.1 磁电式传感器 5.1.1 磁电式传感器的工作原理 法拉第电磁感应定律 E ? ?k d

  第5章 电动势式传感器原理与应用 5.1 磁电式传感器 5.2 霍尔传感器 5.3 压电式传感器 5.1 磁电式传感器 5.1.1 磁电式传感器的工作原理 法拉第电磁感应定律 E ? ?k d? dt 感应电势 E ? ? d? dt 整个线圈中所产生的电动势 d? dx E ? ? N dt ? ? NBla dt ? ? NBlav 磁通量Ф的变化实现办法 磁铁与线圈之间做相对运动; 磁路中磁阻的变化; 恒定磁场中线圈面积的变化。 不同类型的磁电式传感器 直接应用:测定速度 在信号调节电路中接积分电路或微分电路,磁电式传感器 可以用来测量位移或加速度 5.1.2 动圈式磁电传感器 1. 动圈式磁电传感器原理 工作原理: 线圈运动部分的磁场强度B是均匀的,sunbet则当线圈与磁场的相对 速度为v时,线圈的感应电动势 若? ? 90? E ? NBl av sin? E ? NBlav 2. 动圈式磁电传感器结构 (1) 磁路系统 产生恒定直流磁场。为了减小传感器的体积,采用永久磁铁 (2) 线圈 切割磁力线产生感应电动势 其它元件:壳体、支承、阻尼器、接线 磁阻式磁电传感器 线圈和磁铁静止,与被测物连接而运动的部分用导磁材料制成 测量转速,线圈中产生感应电动势的频率作为输出 结构:开磁路、闭磁路 开磁路磁阻式转速传感器 f ? Zn 60 特点: 结构比较简单,输出信号小; 当被测轴振动较大时,传感器 输出波形失真较大 闭磁路磁阻式转速传感器 特点: 传感器的输出电势取决于线圈中磁场变化速度,因而与被测速度 成一定比例关系 5.1.4 磁电式传感器的动态特性 一个二阶系统。 vo为传感器外壳的运动速度,即被测物体运动速度; vm为传感器惯性质量块的运动速度 若v(t)为惯性质量块相对外壳的运动速度 ? 运动方程 m dv(t) ? cv(t) ? K v(t)dt ? ?m dv0(t) dt dt 幅频特性 Av (? ) ? (? / ?n )2 1 ? (? / ?n )2 ? [2? (? / ?n )2 ] 相频特性 ?v (? ) ? ?arctg 2? (? 1 ? (? / ?n ) / ?n )2 式中,ω——被测振动的角频率; ωn——传感器运动系统的固有角频率 ?n ? K / m ξ——传感器运动系统的阻尼比 ? ? c /(2 mK ) 频率响应曲线 ? ?? ?n A(?) ? 1 相对速度v(t)的大小才可以作为被测振动速度v0 (t) 的量度 磁电式速度传感器的频率较低,一般为10~15Hz 测量振动速度的原理 相对运动速度v(t)就是线圈相对磁场的运动速度dx/dt E ? NBla dx dt ? ? NBlav(t) 5.2 霍尔传感器 5.2.1 霍尔传感器的工作原理 霍尔效应:半导体薄片置于磁场中,当它的电流方向与磁场 方向不一致时,sunbet。半导体薄片上平行于电流和磁场 方向的两个面之间产生电动势 霍尔电势 UH ? RH ? IB d 载流子受洛仑兹力 F ? e?B 霍尔电场强度 EH ? UH b 平衡状态 eEH ? evB ? EH ? vB ?I ? nbdve 电子运动平均速度 v ? I bdne 霍尔电势 UH ? 1? ne IB d 霍尔常数 1 RH ? ne 霍尔常数大小取决于导体的载流子密度 霍尔电势与导体厚度d成反比 U H ? K H BI 霍尔元件灵敏度 KH ? RH d ? 1 ned 5.2.2 霍尔元件的结构和基本电路 5.2.3 霍尔元件的主要特性参数 (1) 输入电阻和输出电阻 输入电阻:控制电极间的电阻 输出电阻:霍尔电极之间的电阻 (2) 额定控制电流和最大允许控制电流 额定控制电流:当霍尔元件有控制电流使其本身在空气中产生 10℃温升时,对应的控制电流值 最大允许控制电流:元件允许的最大温升限制对应的控制电流值 (3) 不等位电势Uo和不等位电阻ro 不等位电势:控制电流为额定值时,若元件所处位置的磁感应 强度为零,测得的空载霍尔电势 不等位电势是由霍尔电极之间的电阻决定的, r o称不等位电阻 (4) 寄生直流电势 当没有外加磁场,霍尔元件用交流控制电流时,霍尔电极的输出 有一个直流电势 (5) 霍尔电势温度系数 在一定磁感应强度和控制电流下,温度每变化1 ℃时,霍尔 电势变化的百分率。 5.2.4 霍尔元件的误差及补偿 1. 不等位电势误差的补偿 不等位电势就相当于电桥的 初始不平衡输出电压 2. 温度误差及其补偿 温度误差产生原因: (1) 霍尔元件的基片是半导体材料,因而对温度的变化很敏感 (2) 温度变化时,霍尔元件的特性参数发生变化,产生温度误差 减小霍尔元件的温度误差 选用温度系数小的元件、采用恒温措施、采用恒流源供电 恒流源温度补偿 灵敏系数 K H ? K HO (1 ? ??T ) 温度为T0时 I 20 ? R0 R0 ? Ri0 Is 温度升到T时,电路中各参数变为 R ? R0(1 ? ??T ) Ri ? Ri0 (1 ? ??T ) ? :霍尔元件输入电阻温度系数 ? :分流电阻温度系数 I2 ? R R ? Ri Is ? R0 (1 ? ??T ) R0 (1 ? ??T ) ? Ri0 (1 ? ??T ) IS 为使霍尔电势不变,补偿电路须满足:升温前、后霍尔电势不变 U H 0 ? K H 0 I20B ? U H ? K H I2B K H 0 I20 ? K H I2 KH0 R0 R0 ? Ri0 Is ? K H 0 (1 ? ??T ) R0 (1 ? R0 (1 ? ??T ) ??T ) ? Ri0 (1 ? ??T ) IS R0 ? ? ?? ? ?? Ri 0 ? :霍尔元件输入电阻温度系数 ? :霍尔电势温度系数 ? :分流电阻温度系数 5.2.5 霍尔元件的应用 1. 微位移和压力的测量 测量原理:霍尔电势与磁感应强度成正比,若磁感应强度是 位置的函数,则霍尔电势的大小就可反映霍尔元件的位置 位移量较小,适于测量微位移和机械振动 霍尔式压力传感器 加速度传感器 2. 磁场的测量 在控制电流恒定条件下,霍尔电势大小与磁感应强度成正比 适用于微小气隙中的磁感应强度、高梯度磁场参数的测量 U H ? K H BI cos ? 霍尔电势是磁场方向与霍尔基片法线方向之间夹角的函数 应用:霍尔式磁罗盘、霍尔式方位传感器、霍尔式转速传感器 5.3 压电式传感器 5.3.1 压电式传感器的工作原理 正压电效应: 加力 变形 产生电荷 某些物质沿一定方向受到压力或拉力作用而发生改变时,其表 面会产生电荷;将外力去掉时,它们又重新回到不带电的状态 逆压电效应: “电致伸缩效应” 在压电材料的两个电极面上,如果加以交流电压,那么压电片 能产生机械振动。即压电片在电极方向上有伸缩的现象 压电材料有石英、钛酸钡、锆钛酸铅 1. 石英晶体的压电效应 X轴:电轴或1轴; Y轴:机械轴或2轴; Z轴:光轴或3轴。 纵向压电效应:沿电轴(X轴)方向的力作用下产生电荷 横向压电效应:沿机械轴(Y轴)方向的力作用下产生电荷 在光轴(Z轴)方向时则不产生压电效应 沿电轴方向加作用力Fx时,则在 与电轴垂直的平面上产生电荷 Qx ? d11 ? Fx 作用力是沿着机械轴方向电荷 仍在与X轴垂直的平面 Qx ? d12 a b Fy ? ?d11 a b Fy 压电系数 d12 ? ?d11 晶体切片 切片上电荷的符号与受力方向的关系 石英晶体的压电效应 2. 压电陶瓷的压电效应 常见压电陶瓷: (1) 钛酸钡(BaTiO3)压电陶瓷 (2) 锆钛酸铅Pb(Zr·Ti)O3系压电陶瓷(PZT) (3) 铌镁酸铅Pb(MgNb)O3-PbTiO3-PbZrO3压电陶瓷(PMN) 5.3.2 压电元件的等效电路及信号变换电路 1. 压电元件的等效电路 Ca ? ??S h ? ? r? 0 S h Q U? Ca 两个压电片的联结方式 (a) “并联”,Q=2Q,U=U,C=2C 用在测量慢变信号并且以电荷作为输出量的地方 (b) “串联” Q=Q,U=2U,C=C/2 用于以电压作输出信号,且测量电路输入阻抗很高的地方 2. 压电式传感器的信号调节电路 测量电路关键在高阻抗的前置放大器 前置放大器两个作用: 把压电式传感器的微弱信号放大; 把传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出。 (1) 电压放大器 R ? Ra Ri Ra ? Ri C ? Ca ? Cc ?C i 前置放大器输入电压 U? i ? I? 1? R j?RC 压电元件的力 F=Fmsinωt,压电元件的压电系数为d11 产生的电荷为Q = d11·F i ? dQ dt ? ? ? d11 ? Fm cos?t I? ? j? ? d11 ? F? U? i ? d11F? j?R 1 ? j?RC 输入电压的幅值 Uim ? d11Fm?R 1 ? (?R)2(Ca ? Cc ? Ci )2 压电式传感器不能测量静态物理量。高频响应相当好 传感器的低频响应范围 1.为了扩大传感器的低频响应范围,须提高回路的时间常数 2.不能靠增加测量回路的电容量来提高时间常数 切实可行的办法是提高测量回路的电阻 电压放大器应用限制 1.连接电缆不能太长 2.电路简单,元件少,价格便宜,工作可靠 但是电缆长度对传感器测量精度的影响较大 解决电缆问题的办法 将放大器装入传感器中,组成一体化传感器 (2) 电荷放大器 优点:在一定条件下,传感器的灵敏度与电缆长度无关 充电电压接近等于放大器的输出电压 kQ Q U0 ? Ucf ?? Ca ? Cc ? Ci ? (1 ? k)C f ?? Cf kQ Q U0 ? Ucf ?? Ca ? Cc ? Ci ? (1 ? k)C f ?? Cf 几点结论: 1.电荷放大器的输出电压只与输入电荷量和反馈电容有关, 而与放大器的放大系数的变化或电缆电容等均无关系 2.只要保持反馈电容的数值不变,就可得到与电荷量Q变化成 线.反馈电容Cf小,输出就大 4.要达到一定的输出灵敏度要求,就必须选择适当的反馈电容 5. 输出电压与电缆电容无关条件:(1+k)Cf (Ca+Cc+Ci) 5.3.3 压电式加速度传感器 1. 压电式加速度传感器 2. 压电式测力传感器 压电元件是直接把力转换为电荷的传感器 变形方式:利用纵向压电效应的方式最简便 材料选择:决定于所测力的量值大小,对测量误差提出的要求、 工作环境温度等各种因素 晶片数目:通常是使用机械串联而电气并联的两片。晶片电气 并联两片,可使传感器的电荷输出灵敏度增大一倍 压电式单向测力传感器——用于机床动态切削力的测量 测量均布压力的传感器 3. 影响压电式传感器工作的主要因素 (1) 横向灵敏度 衡量横向干扰效应的指标 产生横向灵敏度的必要条件: a. 伴随轴向作用力的同时,存在横向力; b. 压电元件本身具有横向压电效应; 消除横向灵敏度的技术途径: a. 从设计、工艺和使用等方面确保力与电轴一致; b. 采用剪切型力-电转换方式; 好的压电传感器,最大横向灵敏度不大于5% (2) 环境温度和湿度 环境温度的影响: a. 压电材料的特性参数; b. 某些压电材料的热释电效应; c. 传感器结构; 环境湿度影响压电元件的绝缘电阻 (3) 安装差异及基座应变 a. 保证传感器的敏感轴向与受力方向的一致性; b. 选择合适的安装方式; c. 刚度、质量和接触面小的试件,选用微小型压电传感器; (4) 噪声 声场、电源和接地回路噪声