磁电、压电、电容传感器的特性研究实验

实验十三 磁电、压电、电容传感器的特性研究
[实验目的]
1、理解磁电感应式传感器是一种对速度敏感的传感器，并熟悉传感器的双向转换特性。
2、理解压电加速度传感器是一种对外力作用敏感的传感器。
3、熟悉差动变面积式电容传感器灵敏度的测量方法。
[实验原理]
1．磁电感应式传感器的基本原理
磁电感应式传感器是利用电磁感应原理，将运动速度转化成感应电动势。它不需要辅助
电源，就能把被测对象的机械能转化成易于测量的电信号，是一种有源传感器，也称为电动
式传感器。
根据电磁感应定律，W匝线圈中的感应电动势e 的大小取决于穿过线圈的磁通***的变化
率：

。实验中的磁电感应式传感器由永久磁钢构成的动铁和感应线圈组成，动
铁产生均衡直流磁场，当动铁与线圈相对运动时、线圈与磁场中磁通交链产生感应电势，e 与
磁通变化率成正比，是一种动态传感器。
2．压电效应及压电陶瓷的特点
某些离子型晶体的电介质，当沿着一定方向对其施力使它变形，其内部就产生极化现象，
在它的两个表面产生符号相反的电荷，当外力消失，就恢复到不带电状态；当外力方向改变，
电荷的极性随着改变。这种现象称为正压电效应，简称压电效应。相反，当在电介质极化方
向施加电场，这些电介质会产生变形。这种现象称
为逆压电效应，或称电致伸缩效应。
压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料，其内
部的晶粒有许多自发极化的电畴（电畴是分子自
发形成的区域，有一定的极化方向），在无外电场
作用时，他们是无序排列的，如图13-1（a）所示。
极化效应相互抵消，极化强度为零，材料不具有压
电特性；在施加外电场时，电畴的极化方向随外电
场的增强而逐步趋向到完全转向并整齐地与外电场
方向一致，如图13-1（b）所示。外电场去掉后，
电畴的极化方向基本不变，即剩余极化强度很大，这时的材料具有压电特性。
极化处理的陶瓷材料当受到外力作用时会引起剩余极化强度变化，在垂直极化方向的平
面上将出现极化的电荷的变化，电荷量的大小与外力成正比。这种将机械效应转变为电效应，
将机械能转变为电能，就是压电陶瓷的压电效应。即
[实验单元]
1．磁电感应式传感器：磁电式传感器，低频振荡器，激振器I，涡流式传感器，涡流变
换器，双踪示波器，差动放大器。
2．压电加速度传感器：压电式传感器，电荷放大器（电压放大器），低频振荡器，电压
/频率表，示波器，激振器Ⅱ。
3．差动变面积式电容传感器：电容传感器，电容变换器，差动放大器，低频振荡器，T[实验内容]
1．磁电感应式传感器
低频振荡器接“激振I”，磁电两端口接
差动放大器两输入端，差动放大器输出端接
示波器。如图13-2 所示。开启电源，调节振
荡频率和幅度，观察输出波形。 图13-2 磁电式传感器接差动放大器
安装好电涡流传感器，因为不要求进行位 振动圆盘上下振动时，带动磁电传
置测量，所示平面线圈与金属涡流片的相对位 感器的动铁在线圈中运动
置可以稍高些，以振动时不相碰为宜。
双踪示波器的通道1 和通道2 分别接差动放大器输出端和涡流变换器的输出端，调节改
变低频振荡器的振动频率和振幅，观察比较两传感器在不同的振动频率和振幅下产生的波
形。通过观察可得结论：磁电式传感器对速度敏感，电涡流传感器对位置敏感。
将“激振I”与“磁电”端接线互换，接通低频振荡器，观察差动放大器的输出波形。
与原磁电式传感器波形比较，可得结论：磁电式传感器是一种磁→ 电，电→ 磁转换的双向
式传感器。
2．压电加速度传感器
观察了解压电加速度传感器的结构：
由双压电陶瓷晶片，惯性质量块，压簧，
引出电极组装于塑料外壳中。
按图13-3 接线，低频振荡器输出端
接“激振II”开启电源，调节振动频率与
振幅，用示波器观察低通滤波器输出波形。 图13-3
当悬臂梁处于谐振状态时振幅最大，此时示波器所观察到的波形p p V ? 也最大，由此可得
结论：压电加速度传感器是一种对外力作用敏感的传感器。
3．差动变面积式电容传感器
按图13-4 接线，电容变换器和差动放大器和增益适中。
装上测微头，带动动极位移，使电容动极位于两定极中某一位置时，差动放大器输出为零。

低频振荡器输出接“激振I”端，在工作台上安装好电容传感器，适当调节频率和振幅，
使差动放大器输出波形较大（切勿产生相互碰檫）但不失真，用示波器观察波形。
[注意事项]
1．压电加速度实验中，悬臂梁振动频率不能过低，否则传感器特性决定电荷放大器将
无输出波形。
2．电容式传感器实验中，电容动片与两定片间距须相等，必要时可稍作调整。位移和
振动时不可有擦片现象，否则会引起输出信号畸变。
3．如果差动放大器输出端用示波器观察到波形中有杂波，可将电容变换器增益适当减
小。
[思考题]
1．简要说明磁电感应式传感器的双向转换特性？
2．差动变面积式的电容传感器优点是什么？
3．试说明压电传感器只宜作动态测量的原因？
[实验附录]
1．“极化”解释。
在外电场作用下，电介质表面或内部出现电荷的现象称为极化。出现的电荷称极化电荷。
均匀介质内部因极化正、负电荷所在区域相互重合，仍呈中性，只剩下与电场垂直的介质两
端面的表面电荷。电力线进入电介质处出现负电荷；电力线穿出电介质处出现正电荷。
理论上电介质是绝缘的，其中不存在可以运动的自由电荷。电介质的分子中，原子核与电子之间吸引力相当大，电子处于束缚状态。这与导体表面的感应电荷完全不同。极化电荷
只是电介质分子中正、负电荷在分子范围内微小移动的结果，所以又叫束缚电荷。电介质上
的极化电荷比导体上的感应电荷少得多，也不能用接地等办法将它从电介质中转移出来。
量度电介质极化的程度，用物理量电极化强度P（矢量）来表示。它是取电介质内单位
体积内分子电偶极矩的矢量和。所以，电介质的电极化强度既包含极化大小又包含极化方向。
2．电荷放大器特点简介。
电荷放大器是利用电容进行反馈的高增益运算放大器。它是对应电荷源的放大器，能把
压电器件高内阻的电荷源变换为传感器低内阻的电压源，以实现阻抗匹配；能使输出电压与
输入电荷成正比；能使传感器的灵敏度不受电荷引导电缆变化的影响。
3．变面积式电容传感器特性。
图13-5（a）为变面积式平板电容传感器原理图。当两极板完全重叠时，其电容量
C ab / d 0 = ε 。（ε 为两极板间介质的介电常数，d 为两极板内表面的距离，a、b 分别为两
极板的宽、长）在动极移动Δ x 时，两极板重叠面积A 就会改变，电容量由Co  变为Cx  。如
果忽略边缘效应，根据分析可得传感器的特性方程，