压电式传感器与霍尔磁敏传感器原理及应用

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

3压电式传感器的举例应用 10

三、 霍尔磁敏传感器

1引言 10 2工作原理 12 3霍尔磁敏传感器 14 4基本特性 16 5应用举例 17

四、 小结 19

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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,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γ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。

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）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XYδ（+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100 mV，最大输出电压为100 V，内阻抗为15～20 kq。

玻璃破碎时会发出几千赫兹至几十千赫兹的振动 …… 此处隐藏：2399字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……