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1、1.变换原理:,磁电式传感器是把被测量的物理量转换为感应电动势的一种转换器。,感应线圈的感应电动势e为,磁通变化率与磁场强度、磁阻、线圈运动速度有关，改变其中一个因素，都会改变感应电动势。,3.5 磁电式传感器,2 分类,磁电式,动圈式,磁阻式,线速度型,角速度型,3.5 磁电式传感器,动圈式传感器,线速度型,3.5 磁电式传感器,E=WBLVsin,角速度型,测速电机,3.5 磁电式传感器,E=KWBA,磁阻式传感器,3.5 磁电式传感器,变换原理:压电效应,以某些电介质的压电效应为基础，在外力作用下，在电介质的表面上产生电荷，从而实现非电量测量。 压电传感元件是力敏感元件，所以它能测量最终
2、能变换为力的那些物理量，例如力、压力、加速度等,3.6压电式传感器,一、 压电效应及压电材料,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， 这种现象称压电效应。,具有压电效应的材料称为压电材料, 压电材料能实现机电能量的相互转换,当作用力方向改变时, 电荷的极性也随之改变。 有时人们把这种机械能转为电能的现象, 称为“正压电效应” 。 相反, 当在电介质极化方向施加电场, 这些电介质也会产生变形, 这种现象称为“逆压电效应”（电致伸缩效应）。,在自然界中大多数晶体具有压电效应,
3、 但压电效应十分微弱。石英晶体、钛酸钡、锆钛酸铅等材料是性能优良的压电材料。,1. 石英晶体,石英晶体化学式为SiO2, 是单晶体结构。,石英晶体各个方向的特性是不同的。 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。,图示是组成石英晶体的硅离子和氧离子在xy平面上的投影, 等效为一个正六边形排列。 当石英晶体未受外力作用时, 正、负离子正好分布在正六边形的顶角上, 形成三个互成120夹角的电偶极矩P1、 P2、P3。 如图 所示,此时有:,当石英晶体受沿x轴方向的压力作用时, 由于形变而正、负离子相对位置发生变化。 如
4、图所示,此时,电偶极矩有:,X方向:,X轴正方向出现正电荷,当石英晶体受沿x轴方向的拉力作用时, 由于形变而正、负离子相对位置发生变化。 如图所示,此时,电偶极矩有:,X方向:,X轴正方向出现负电荷,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 方向受力时不产生压电效应。 ,若从晶体上沿 y 方向切下一块如图所示晶片, 当在电轴x方向施加作用力时, 在与电轴 x 垂直的平面上将产生电荷, 其大小为 qx = d11 fx 式中:d11 x方向受力的压电系数; fx 作用力。,若在同一切片
5、上, 沿机械轴y方向施加作用力fy, 则仍在与x轴垂直的平面上产生电荷qy, 其大小为 qy=d12 fy 式中: d12y轴方向受力的压电系数, d12=-d11; a、 b晶体切片长度和厚度。,电荷qx和qy 的符号由所受力的性质决定。,（一）等效电路 当压电传感器中的压电晶体承受被测机械应力的作用时，在它的两个极面上出现极性相反但电量相等的电荷。可把压电传感器看成一个静电发生器，如图(a)。,压电传感器的等效电路,二、 压电式传感器的测量电路,也可把它视为两极板上聚集异号电荷，中间为绝缘体的电容器，如图(b)。 其电容量为 :,当两极板聚集异号电荷时，则两极板呈现一定的电压，其大小为:,
6、因此，压电传感器可等效为电压源ua和一个电容器Ca的串联电路，如图(a)；也可等效为一个电荷源q和一个电容器Ca的并联电路，如图(b)。,压电传感器在测量系统中的实际等效电路 考虑连接电缆的等效电容Cc, 放大器的输入电阻Ri, 输入电容Ci以及压电传感器的泄漏电阻Ra,（二） 测量电路 压电式传感器的前置放大器有两个作用： 把压电式传感器的高阻抗输出变换成低阻抗 输出； 放大压电式传感器输出的微弱电信号。 前置放大器形式： 电压放大器，其输出电压与输入电压（传感 器的输出电压）成正比； 电荷放大器，其输出电压与输入电荷成正 比。,1、电压放大器(阻抗变换器),若压电元件受正弦力f = Fms
7、int的作用, 则电压ua为,幅值为,输入电压和作用力之间相位差为,在理想情况下, 传感器的Ra电阻值与前置放大器输入电阻Ri都为无限大, 即（Ca +Cc+Ci）R1, 那么由上式可知, 理想情况下输入电压幅值Uim为,即:前置放大器输入电压最大值Uim与频率无关。这表明压电传感器有很好的高频响应.式中Cc为连接电缆电容, 当电缆长度改变时, Cc也将改变, 因而Uim也随之变化。因此, 压电传感器与前置放大器之间连接电缆不能随意更换, 否则将引入测量误差。,但是, 当作用于压电元件力为静态力（=0）时, 则前置放大器的输入电压等于零, 因为电荷会通过放大器输入电阻和传感器本身漏电阻漏掉,
8、所以压电传感器不能用于静态力测量。 ,2. 电荷放大器(Ri很高,忽略泄漏电阻),图中A为运算放大器增益。,uo 放大器输出电压; uCf 反馈电容两端电压。,可见, 电荷放大器的输出电压uo与电缆电容Cc无关, 且与q成正比, 这是电荷放大器的最大特点。,通常A=104106, 因此,其结构一般有纵向效应型、横向效应型和剪切效应型三种。纵向效应是最常见的,如图。压电陶瓷4和质量块2为环型，通过螺母3对质量块预先加载，使之压紧在压电陶瓷上。测量时将传感器基座5与被测对象牢牢地紧固在一起。输出信号由电极1引出。,三、 压电式传感器的应用,（一） 压电式加速度传感器,当传感器感受振动时，因为质量块
9、相对被测体质量较小，因此质量块感受与传感器基座相同的振动，并受到与加速度方向相反的惯性力，此力Fma。同时惯性力作用在压电陶瓷片上产生电荷为,qd33Fd33ma,此式表明电荷量直接反映加速度大小。,怎样提高灵敏度?,连接方式：,图(a)为并联形式，片上的负极集中在中间极上，其输出电容C为单片电容C的两倍，但输出电压U等于单片电压U，极板上电荷量q为单片电荷量q的两倍，即,图(b)为串联形式，正电荷集中在上极板，负电荷集中在下极板，而中间的极板上产生的负电荷与下片产生的正电荷相互抵消。从图中可知，输出的总电荷q等于单片电荷q，而输出电压U为单片电压U的二倍，总电容C为单片电容C的一半，即,并联接法，输出电荷大，时间常数大，宜用于测量缓变信号，并且适用于以电荷作为输出量的场合。 串联接法，输出电压大，本身电容小，适用于以电压作为输出信号，且测量电路输入阻抗很高的场合。,并联形式,串联形式,图中压电传感器位于车刀前部的下方, 当进行切削加工时, 切削力通过刀具传给压电传感器, 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。,（二） 压电式金属加工切削力测量,