3.3 压电、霍尔传感器应用举例

3.3.1 压电传感器应用举例

1. 压电式测加速度传感器

压电式测加速度传感器是一种常用的加速度计（占所有加速度传感器的80%以上）。因其固有频率高，有较好的频率响应（几千赫兹至几十千赫兹），如果配以电荷放大器，低频响应也很好（可低至零点几赫兹），另外体积小、重量轻。缺点是要经常校正灵敏度。

图3-12是一种压电式加速度传感器的结构图。它主要由压电元件、质量块、预压弹簧、基座及外壳等组成。整个部件装在外壳内，并由螺栓加以固定。质量块一般由体积质量较大的材料（如钨或重合金）制成。预压弹簧的作用是对质量块加载，产生预紧力，以保证在作用力变化时，晶片始终受到压缩。整个组件都装在基座上。为防止被测件的任何应变传到晶片上而产生假信号，基座一般要求做得较厚。基座与被测物件刚性固定在一起。

当加速度传感器和被测物一起受到冲击振动时，压电元件受质量块惯性力的作用，所以，在压电元件的两个表面上产生交变电压或电荷。当振动频率远低于传感器的固有频率时，传感器输出的电压或电荷与作用力成正比，即与被测件的加速度成正比。

2. 压电式报警器

BS-D2压电式传感器是专门用于检测玻璃破碎的一种传感器，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、滤波及比较等处理后提供给报警系统。

BS-D2压电式玻璃破碎传感器的外形如图3-13a所示，其内部结构如图3-13b所示。传感器的最小输出电压力100mV，最大输出电压为100V，内阻抗为15～20kΩ。

报警器的电路原理框图如图3-14所示。使用时把传感器贴在玻璃上，然后通过电缆和报警电路相连。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。由于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。

3.3.2 霍尔传感器应用举例

1. 霍尔转速传感器

在被测转速的转轴上安装一个齿盘，也可选取机械系统中的一个齿轮，将线性霍尔器件及磁路系统靠近齿盘。齿盘的转动使磁路的磁阻随气隙的改变而周期性地变化，霍尔器件输出的微小脉冲信号经隔直、放大、整形后可以确定被测物的转速，霍尔转速传感器测速原理图如图3-15所示。

当齿对准霍尔元件时，磁力线集中穿过霍尔元件，可产生较大的霍尔电动势，放大、整形后输出高电压；反之，当齿轮的空档对准霍尔元件时，输出为低电平。通过频率计测量脉冲可得转速。

n=60f/N （3-17）

式中 f——频率计的频率；

N——齿轮齿数。

2. 霍尔无刷直流电动机

采用霍尔元器件做直流电动机的整流子与有刷直流电动机相比具有高速转换、可靠性高、噪声小及效率高等优点，并且由于取消了电刷，不存在电刷磨损问题，使电动机的使用寿命大大提高。因此在录像机、音响设备及CD唱机等家用电器以及计算机中得到了广泛应用。

霍尔无刷直流电动机的磁场由永久磁铁做成的转子产生，在定子上安装有与电枢线圈相连的霍尔元器件，线圈被安放在定子槽内。

图3-16为霍尔无刷直流电动机的工作原理图。电动机的转子由磁钢制成（一对磁极），定子由4个极靴绕上线圈W1、W2、W3、W4组成，各个线圈通过相应的晶体管VT1～VT4供电。4个霍尔元器件H1～H4配置在4个极靴电极上，可实现电动机的双极性、4状态电子换向电路。

当霍尔元器件H2面向转子N极方向时，则霍尔元器件导通，为低电平，功率晶体管VT2导通，绕组W2通过电流IW2，使定子绕组W2下极性呈S极，转子的N极将受定子的S极吸引使转子顺时针转动，直到H3对准转子N极；此时H2处于零磁场，H3导通，从而使VT3导通，通过电流IW3使定子绕组W3呈S极性，使转子进一步顺时针转动；依此类推下去，转子开始顺时针旋转。如果改变电源极性，则电动机转子反转。