1、山東理工大學機械學院第三章 常用傳感器技術第一節(jié)第一節(jié) 傳感器的基本概念傳感器的基本概念第二節(jié)第二節(jié) 電阻式傳感器電阻式傳感器第三節(jié)第三節(jié) 電容式傳感器電容式傳感器第四節(jié)第四節(jié) 電感式傳感器電感式傳感器第五節(jié)第五節(jié) 壓電式傳感器壓電式傳感器第六節(jié)第六節(jié) 磁電與熱電式傳感器磁電與熱電式傳感器第七節(jié)第七節(jié) 光電式傳感器光電式傳感器第八節(jié)第八節(jié) 光纖傳感器光纖傳感器第九節(jié)第九節(jié) 半導體傳感器半導體傳感器第十節(jié)第十節(jié) 其它類型傳感器其它類型傳感器山東理工大學機械學院第一節(jié)第一節(jié) 傳感器的基本概念傳感器的基本概念一、傳感器的定義與組成一、傳感器的定義與組成： 傳感器是以一定的精度和規(guī)律把被測量轉換為與之

2、有傳感器是以一定的精度和規(guī)律把被測量轉換為與之有確定關系的、便于應用的某種物理量的測量裝置。確定關系的、便于應用的某種物理量的測量裝置。定義的解釋：定義的解釋：1.1. 傳感器是測量裝置傳感器是測量裝置, ,能完成檢測任務能完成檢測任務; ;2.2. 它的輸入量是某一被測量它的輸入量是某一被測量, ,可能是物理量可能是物理量( (如位移、溫度、如位移、溫度、力、壓力、速度、加速度等力、壓力、速度、加速度等),),也可能是化學量、生物量也可能是化學量、生物量等等; ;3.3. 它的輸出量是某種物理量它的輸出量是某種物理量, ,這種量要便于這種量要便于傳輸、轉換、處傳輸、轉換、處理、顯示理、顯示等

3、等, ,可以是氣、光、電量可以是氣、光、電量, ,但主要是但主要是電量電量; ; 4.4. 輸出與輸入有一定的對應關系輸出與輸入有一定的對應關系, ,且應有一定的且應有一定的精確度精確度。 山東理工大學機械學院傳感器的基本組成：傳感器的基本組成：1.1. 敏感元件敏感元件：直接感受被測量：直接感受被測量, ,輸出與被測量成確定關輸出與被測量成確定關系的某一物理量。系的某一物理量。 2.2. 轉換元件轉換元件：敏感元件的輸出就是轉換元件的輸入：敏感元件的輸出就是轉換元件的輸入, ,它它把輸入轉換成把輸入轉換成電路參量電路參量 。 3.3. 轉換電路轉換電路：把轉換元件的電路參量轉換為：把轉換元件

4、的電路參量轉換為便于處理、便于處理、顯示、記錄或控制顯示、記錄或控制的有用的電信號。的有用的電信號。 其組成如圖所示。其組成如圖所示。山東理工大學機械學院二、常用傳感器的分類二、常用傳感器的分類1 1、按被測物理量分類、按被測物理量分類機械量機械量: :長度長度, ,厚度厚度, ,位移位移, ,速度速度, ,加速度加速度, , 旋轉角旋轉角, ,轉數(shù)轉數(shù), ,質量質量, ,重量重量, ,力力, , 壓力壓力, ,真空度真空度, ,力矩力矩, ,風速風速, ,流速流速, , 流量流量; ;聲聲: : 聲壓聲壓, ,噪聲噪聲. .磁磁: : 磁通磁通, ,磁場磁場. .溫度溫度: : 溫度溫度,

5、,熱量熱量, ,比熱比熱. .光：光： 亮度，色彩亮度，色彩常見的被測物理量常見的被測物理量山東理工大學機械學院 機械式傳感器以機械式傳感器以彈性體彈性體作為敏感元件，輸入量可以是力、作為敏感元件，輸入量可以是力、壓力、溫度等物理量，輸出量為彈性元件本身的彈性變形。壓力、溫度等物理量，輸出量為彈性元件本身的彈性變形。 彈性變形經(jīng)放大后可轉化為儀表指針的偏轉，借助刻度指彈性變形經(jīng)放大后可轉化為儀表指針的偏轉，借助刻度指示被測量的大小。示被測量的大小。 應用實例：測力計、壓力計和溫度計。應用實例：測力計、壓力計和溫度計。測力計2 2、按傳感器工作原理分類、按傳感器工作原理分類機械式機械式, ,電氣

6、式電氣式, ,光學式光學式, ,流體式等流體式等. .山東理工大學機械學院壓力計溫度計彈性膜片彈性膜片波紋管波紋管波登管波登管山東理工大學機械學院特點：特點： 機械式指示儀表結構簡單、可靠、使用方便、價格低、機械式指示儀表結構簡單、可靠、使用方便、價格低、讀數(shù)直觀；讀數(shù)直觀； 彈性變形不宜大，以減小線性誤差；彈性變形不宜大，以減小線性誤差； 慣性大、固有頻率低，只宜測緩變或靜態(tài)被測量。慣性大、固有頻率低，只宜測緩變或靜態(tài)被測量。 彈性元件具有彈性元件具有蠕變、彈性后效蠕變、彈性后效等現(xiàn)象，影響輸出與輸?shù)痊F(xiàn)象，影響輸出與輸入的線性關系。入的線性關系。山東理工大學機械學院3 3、按信號變換特征、按

7、信號變換特征: :物性型物性型: :依靠敏感元件材料本身依靠敏感元件材料本身物理性質的變化物理性質的變化來實現(xiàn)信號來實現(xiàn)信號變換變換. .如如: :水銀溫度計水銀溫度計. .結構型結構型: :依靠傳感器依靠傳感器結構參數(shù)的變化結構參數(shù)的變化實現(xiàn)信號轉變實現(xiàn)信號轉變. . 例如例如: :電容式和電感式傳感器電容式和電感式傳感器. .山東理工大學機械學院能量轉換型和能量控制型能量轉換型和能量控制型. .4 4、按敏感元件與被測對象之間的能量關系按敏感元件與被測對象之間的能量關系能量轉換型能量轉換型( (無源傳感器）無源傳感器）: : 直接由被測對象輸入能量使其工作直接由被測對象輸入能量使其工作.

8、. 例如例如: :熱電偶溫度計熱電偶溫度計, ,磁電式加速度計磁電式加速度計. .能量控制型（有源傳感器）能量控制型（有源傳感器）: : 從外部供給能量并由被測量控制外部供給能量的變從外部供給能量并由被測量控制外部供給能量的變化化. .例如例如: :電阻應變片電阻應變片. .山東理工大學機械學院V山東理工大學機械學院5 5按傳感器的輸出量分按傳感器的輸出量分 模擬式傳感器和數(shù)字式傳感器 模擬式傳感器是指傳感器的輸出信號為連續(xù)形式的模擬量； 數(shù)字式傳感器是指傳感器的輸出信號為離散形式的數(shù)字量。山東理工大學機械學院第二節(jié)第二節(jié) 電阻式傳感器電阻式傳感器一、電阻式傳感器一、電阻式傳感器電阻式傳感器是

9、將被測量轉變?yōu)殡娮枳兓膫鞲衅鳌ｋ娮枋絺鞲衅魇菍⒈粶y量轉變?yōu)殡娮枳兓膫鞲衅鳌?電阻式傳感器分類：電阻式傳感器分類： 變阻器式傳感器變阻器式傳感器 電阻應變式傳感器電阻應變式傳感器 固態(tài)壓阻式傳感器固態(tài)壓阻式傳感器山東理工大學機械學院1 1、變阻器式傳感器、變阻器式傳感器變阻器式傳感器又稱為變阻器式傳感器又稱為電位器式傳感器電位器式傳感器。工作原理：工作原理：一個電導體的電阻值：一個電導體的電阻值：式中：式中：R R電阻（電阻（）；）； 材料的電阻率（材料的電阻率（mmmm2 2/m/m）；）； l l導體的長度（導體的長度（m m）；）； A A導體的截面積（導體的截面積（mmmm2 2）。

10、）。電阻絲直徑和材質一定，電阻值隨導線長度改變。電阻絲直徑和材質一定，電阻值隨導線長度改變。變阻器式傳感器有變阻器式傳感器有直線位移型、角位移型和非線性型直線位移型、角位移型和非線性型等。等。)(AlR山東理工大學機械學院直線位移型直線位移型k kl l為單位長度中的為單位長度中的電阻電阻 。其靈敏度：其靈敏度：角位移型角位移型 靈敏度：靈敏度：觸點轉角觸點轉角(rad)(rad)；k ka a單位弧度對應的電阻單位弧度對應的電阻值。值。ldxdRkskddRsxkRlkR 非線性型非線性型 輸出電阻輸出電阻( (或電壓或電壓) )與電刷位移與電刷位移( (包括線位移或角位移包括線位移或角位移

11、) )之間具有非線性函數(shù)關系的一種電位器之間具有非線性函數(shù)關系的一種電位器 。山東理工大學機械學院山東理工大學機械學院變阻器式傳感器的后接電路：電阻分壓電路變阻器式傳感器的后接電路：電阻分壓電路ueuopLPpeoxxRRxxuu1山東理工大學機械學院變阻器式傳感器的優(yōu)缺點：變阻器式傳感器的優(yōu)缺點：優(yōu)點：結構簡單，性能穩(wěn)定，使用方便；優(yōu)點：結構簡單，性能穩(wěn)定，使用方便；缺點：分辨力受電阻絲直徑限制，很難優(yōu)于缺點：分辨力受電阻絲直徑限制，很難優(yōu)于2020m m；較；較大的噪聲（大的噪聲（電刷和電阻元件之間接觸面磨損、塵埃附電刷和電阻元件之間接觸面磨損、塵埃附著等原因著等原因）。）。山東理工大學機

12、械學院2 2、電阻應變式傳感器、電阻應變式傳感器 可測參數(shù)：可測參數(shù)：應變、力、位移、加速度、扭矩等。應變、力、位移、加速度、扭矩等。 電阻應變式傳感器電阻應變式傳感器: :金屬電阻應變片金屬電阻應變片和和半導體應變片半導體應變片。 （1 1）金屬電阻應變片）金屬電阻應變片 基本工作原理：基本工作原理： 當應變片發(fā)生機械變形時，其電阻值發(fā)生變化。當應變片發(fā)生機械變形時，其電阻值發(fā)生變化。山東理工大學機械學院主要形式：主要形式：金屬電阻應變片有金屬電阻應變片有絲式絲式和和箔式箔式兩種。兩種。金屬絲式應變片是用金屬絲式應變片是用0.010.010.05mm0.05mm的金屬絲繞成敏感的金屬絲繞成敏

13、感柵柵 ，粘貼在，粘貼在絕緣的基片和覆蓋層絕緣的基片和覆蓋層之間，由引出導線接之間，由引出導線接于電路上。于電路上。金屬箔式應變片是利用金屬箔式應變片是利用照相制版或光刻技術照相制版或光刻技術，將厚約，將厚約為為0.0030.0030.01mm0.01mm的金屬箔片制成敏感柵。的金屬箔片制成敏感柵。 優(yōu)點：優(yōu)點：可可制成多種復雜形狀、尺寸準確的敏感柵；散熱條件好；制成多種復雜形狀、尺寸準確的敏感柵；散熱條件好；生產(chǎn)效率高，便于實現(xiàn)自動化生產(chǎn)。生產(chǎn)效率高，便于實現(xiàn)自動化生產(chǎn)。山東理工大學機械學院山東理工大學機械學院山東理工大學機械學院山東理工大學機械學院應變計實際中的金屬應變片實際中的金屬應變片

14、山東理工大學機械學院 將將應變片應變片粘貼于彈性元件粘貼于彈性元件或被測構件或被測構件預定部位預定部位的表面。的表面。電阻應變片的選擇、粘貼技術電阻應變片的選擇、粘貼技術 1.目測電阻應變片有無缺陷目測電阻應變片有無缺陷2.用數(shù)字萬用表測量應變片電阻值大用數(shù)字萬用表測量應變片電阻值大 小小3.試件表面處理試件表面處理4.應變片粘貼應變片粘貼5.焊線焊線6.用兆歐表檢查應變片的引線與試件之間的絕緣阻值，用兆歐表檢查應變片的引線與試件之間的絕緣阻值，應大于應大于50M歐歐 7.應變片保護應變片保護應變片的使用應變片的使用：山東理工大學機械學院2ALdAALdAdLdRdAARdLLRdRALR公式

15、推導：公式推導：應變片實際使用：應變片實際使用：將其粘貼于彈性元件或被測物體表面。外將其粘貼于彈性元件或被測物體表面。外力作用下，金屬絲隨物體一同變形，電阻值發(fā)生變化，將被力作用下，金屬絲隨物體一同變形，電阻值發(fā)生變化，將被測量的變化轉換為電阻值的變化。測量的變化轉換為電阻值的變化。山東理工大學機械學院設設A=rA=r2 2，r r為電阻絲半徑，代入上式得為電阻絲半徑，代入上式得)2(2322rdrdldlRdrrldrldlrdR電阻的相對變化電阻的相對變化)2(rdrdLdLRdR山東理工大學機械學院山東理工大學機械學院山東理工大學機械學院山東理工大學機械學院山東理工大學機械學院 （1 1

16、）電阻應變片的種類）電阻應變片的種類 常用的電阻應變片有兩種：金屬電阻應變片和半導體應變片。 （1）金屬電阻應變片有絲式和箔式等結構形式。絲式應變片，將一根電阻絲繞成柵狀，用膠粘劑貼于基底，其直徑在0.0120.050mm之間。 箔式應變片如圖3-9b、c、d所示，它是用光刻、腐蝕等工藝方法制成的一種很薄的金屬箔柵，其厚度一般在0.0030.010mm。它的優(yōu)點是表面積和截面積之比大，散熱條件好，故允許通過較大的電流，并可做成任意的形狀，適于大批量生產(chǎn)。 箔式應變片的使用范圍日益廣泛，并有逐漸取代絲式應變片的趨勢。山東理工大學機械學院山東理工大學機械學院（2 2）半導體應變片）半導體應變片 半

17、導體應變片的結構如圖，使用方法同電阻絲應變片。半導體應變片的結構如圖，使用方法同電阻絲應變片。 工作原理：工作原理：單晶半導體材料在沿某一軸向受到應力作用時，單晶半導體材料在沿某一軸向受到應力作用時，其電阻率會發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為其電阻率會發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為壓阻效應壓阻效應。 實際上，任何材料都不同程度地呈現(xiàn)壓阻效應，但實際上，任何材料都不同程度地呈現(xiàn)壓阻效應，但半導體半導體材料的這種效應特別強材料的這種效應特別強。 單晶半導體在外力作用下，原單晶半導體在外力作用下，原子點陣排列規(guī)則變化，導致載流子遷移率及載流子濃度變子點陣排列規(guī)則變化，導致載流子遷移率及載流子濃度變化，從而引起電阻率變

18、化?；瑥亩痣娮杪首兓?。山東理工大學機械學院山東理工大學機械學院 半導體應變片的優(yōu)點是半導體應變片的優(yōu)點是: : 靈敏度非常高，有時傳感器的輸出不需放大可直接用靈敏度非常高，有時傳感器的輸出不需放大可直接用于測量；于測量； 分辨率高，例如測量壓力時可測出分辨率高，例如測量壓力時可測出101020Pa20Pa的微壓；的微壓；機械滯后小，橫向效應小、體積小。機械滯后小，橫向效應小、體積小。 最大的缺點是最大的缺點是溫度誤差大溫度誤差大，故需溫度補償或恒溫條件下使，故需溫度補償或恒溫條件下使用。用。山東理工大學機械學院（3 3）電阻應變片式傳感器的應用實例）電阻應變片式傳感器的應用實例將應變片粘

19、貼于被測構件上，直接用來測定構件的應將應變片粘貼于被測構件上，直接用來測定構件的應力或應變。力或應變。山東理工大學機械學院應變片粘貼于應變片粘貼于彈性元件彈性元件上，與彈性元件一起構成應變式上，與彈性元件一起構成應變式傳感器。這種傳感器常用來測量力、位移、壓力、加速傳感器。這種傳感器常用來測量力、位移、壓力、加速度等物理參數(shù)。在這種情況下，彈性元件將得到與被測度等物理參數(shù)。在這種情況下，彈性元件將得到與被測量成正比的應變，再通過應變片轉換成電阻的變化后輸量成正比的應變，再通過應變片轉換成電阻的變化后輸出。出。 山東理工大學機械學院測量時，基座固定在測量時，基座固定在振動體振動體上。振動加速度使

20、質量塊產(chǎn)生慣性上。振動加速度使質量塊產(chǎn)生慣性力，懸臂梁則相當于慣性系統(tǒng)中的彈簧，在慣性力的作用下產(chǎn)力，懸臂梁則相當于慣性系統(tǒng)中的彈簧，在慣性力的作用下產(chǎn)生彎曲變形。因此，生彎曲變形。因此，梁的應變梁的應變在一定的頻率范圍內與振動體的在一定的頻率范圍內與振動體的加速度成正比。加速度成正比。 山東理工大學機械學院第三節(jié)第三節(jié) 電容式傳感器電容式傳感器一、工作原理及類型一、工作原理及類型 定義：定義：電容式傳感器采用電容器作為傳感元件，將不同電容式傳感器采用電容器作為傳感元件，將不同物理量的變化轉換為電容量的變化。物理量的變化轉換為電容量的變化。 公式：公式：忽略邊緣效應，平板電容器的電容可表達為：

21、忽略邊緣效應，平板電容器的電容可表達為： FAC0山東理工大學機械學院各參數(shù)含義：各參數(shù)含義：極板間介質的介電常數(shù)，當介質為空氣時極板間介質的介電常數(shù)，當介質為空氣時=1=1；0 0真空介電常數(shù)真空介電常數(shù),0 0=8.85=8.851010-1 2-1 2(F/m);(F/m); A A極板面積（極板面積（m m2 2）；）；兩極板間距離（兩極板間距離（m m）。）。結論：結論：被測量使被測量使、A A或或變化，均會引起電容變化，均會引起電容C C變化。保變化。保持其中的兩個參數(shù)不變，僅改變另一參數(shù)，即可把該參持其中的兩個參數(shù)不變，僅改變另一參數(shù)，即可把該參數(shù)的變化變換成電容量的變化。數(shù)的變

22、化變換成電容量的變化。分類分類：根據(jù)電容器參數(shù)變化的特性，電容式傳感器可分為：根據(jù)電容器參數(shù)變化的特性，電容式傳感器可分為極距變化型、面積變化型和介質變化型極距變化型、面積變化型和介質變化型三種，前兩種應三種，前兩種應用較廣。用較廣。 山東理工大學機械學院（1 1）極距變化型）極距變化型極距有一微小變化量極距有一微小變化量d d時，引起電容變化量時，引起電容變化量dCdC為為dAdC20山東理工大學機械學院靈敏度為靈敏度為20AddCS結論：結論：山東理工大學機械學院（2 2）面積變化型）面積變化型山東理工大學機械學院a)a)角位移型角位移型電容量電容量靈敏度靈敏度結論：輸出與輸入成線性關系。

23、結論：輸出與輸入成線性關系。山東理工大學機械學院b)b)平面線位移型平面線位移型山東理工大學機械學院c)c)圓柱體線位移型圓柱體線位移型山東理工大學機械學院山東理工大學機械學院（3 3）介質變化型）介質變化型 大多用于測量電介質的厚度、位移、液位，還可根據(jù)極大多用于測量電介質的厚度、位移、液位，還可根據(jù)極板間介質的介電常數(shù)隨溫度、濕度、容量改變而改變來板間介質的介電常數(shù)隨溫度、濕度、容量改變而改變來測量溫度、濕度、容量等。測量溫度、濕度、容量等。圖解：圖解：圖圖3 324a24a，在兩固定極板間的介質層的厚度、溫度或濕，在兩固定極板間的介質層的厚度、溫度或濕 度發(fā)生變化時，介電常數(shù)變，導致電容

24、量變；度發(fā)生變化時，介電常數(shù)變，導致電容量變；圖圖3 324b24b，電容式液面計，液面位置變動，兩電極侵入，電容式液面計，液面位置變動，兩電極侵入高度變化，電容量變化。高度變化，電容量變化。 山東理工大學機械學院山東理工大學機械學院二、測量電路二、測量電路 電容式傳感器將被測量轉換為電容量的變化后再由后續(xù)電容式傳感器將被測量轉換為電容量的變化后再由后續(xù)電路轉換成電壓、電流或頻率等輸出量。電路轉換成電壓、電流或頻率等輸出量。（1 1）變壓器式交流電橋）變壓器式交流電橋 電容傳感器所用變壓器式交流電橋測量電路如圖電容傳感器所用變壓器式交流電橋測量電路如圖3-3-2121所示，電橋兩臂所示，電橋兩

25、臂C1C1、C2C2為差動式電容傳感器，另外兩臂為差動式電容傳感器，另外兩臂為交流變壓器二次繞組阻抗的一半，即為交流變壓器二次繞組阻抗的一半，即L1L1和和L2L2。電橋的輸。電橋的輸出為一調幅波，經(jīng)放大、相敏解調、濾波后獲得輸出，再出為一調幅波，經(jīng)放大、相敏解調、濾波后獲得輸出，再推動顯示儀表。推動顯示儀表。山東理工大學機械學院圖3-21 變壓器式交流電橋應用電路 山東理工大學機械學院（2 2）直流極化電路）直流極化電路 又稱靜壓電容傳感器電路，多用于電容傳聲器或壓力又稱靜壓電容傳感器電路，多用于電容傳聲器或壓力傳感器。傳感器。 組成：組成：彈性膜片、電容器、直流極化電壓彈性膜片、電容器、直

26、流極化電壓E E0 0、高阻值、高阻值電阻電阻R R。 輸出電壓：輸出電壓： 被測量：被測量：測量氣流（或液流）振動速度，進而測其壓測量氣流（或液流）振動速度，進而測其壓力。力。dtdAREdtdREUCg2000山東理工大學機械學院山東理工大學機械學院（3 3）調頻電路）調頻電路 電容傳感器作為振蕩器諧振回路一部分，調頻振蕩器的電容傳感器作為振蕩器諧振回路一部分，調頻振蕩器的諧振頻率諧振頻率f f為：為： 式中式中L L振蕩回路電感。振蕩回路電感。 當被測量使電容值發(fā)生變化時，則振蕩器頻率也發(fā)生變當被測量使電容值發(fā)生變化時，則振蕩器頻率也發(fā)生變化，頻率的變化經(jīng)鑒頻器變?yōu)殡妷鹤兓?，再放大后由?/p>

27、錄化，頻率的變化經(jīng)鑒頻器變?yōu)殡妷鹤兓?，再放大后由記錄器或顯示儀表指示。器或顯示儀表指示。LCf21山東理工大學機械學院調頻電路工作原理調頻電路工作原理 山東理工大學機械學院(4(4）運算放大電路）運算放大電路 輸出電壓和位移量的關系：輸出電壓和位移量的關系：xgCCuu00ACuug000則有則有 式中式中u u0 0信號源電壓；信號源電壓；u ug g運放輸出電壓；運放輸出電壓；c co o固定電容；固定電容；c cx x傳感器等效電容。傳感器等效電容。輸出電壓輸出電壓u uo o與電容傳感器間隙與電容傳感器間隙成正比關系。成正比關系。 山東理工大學機械學院0ugu山東理工大學機械學院三、電

28、容式傳感器的應用：三、電容式傳感器的應用：電容式傳感器廣泛應用在電容式傳感器廣泛應用在位移、壓力、流量、液位位移、壓力、流量、液位等的測等的測試中。電容式傳感器的精度和穩(wěn)定性也日益提高，高精度試中。電容式傳感器的精度和穩(wěn)定性也日益提高，高精度達達0.01%0.01%電容式傳感器已有商品出現(xiàn)，如一種電容式傳感器已有商品出現(xiàn)，如一種250mm250mm量程的量程的電容式位移傳感器，精度可達電容式位移傳感器，精度可達5m5m。 山東理工大學機械學院（1 1）電容式測厚儀）電容式測厚儀: : 測量金屬帶材在軋制過程中厚度測量金屬帶材在軋制過程中厚度 C C1 1、C C2 2工作極板與帶材之間形成兩個

29、電容，工作極板與帶材之間形成兩個電容， 其總電容為其總電容為C= CC= C1 1+C+C2 2 。當金屬帶材在軋制中厚度發(fā)生變化時，將引。當金屬帶材在軋制中厚度發(fā)生變化時，將引起電容量的變化。通過檢測電路可以反映這個變化，并轉起電容量的變化。通過檢測電路可以反映這個變化，并轉換和顯示出帶材的厚度。換和顯示出帶材的厚度。 山東理工大學機械學院（2 2）電容式轉速傳感器）電容式轉速傳感器 當齒輪轉動時，電容量發(fā)生周期性變化，通過測量電路轉換當齒輪轉動時，電容量發(fā)生周期性變化，通過測量電路轉換為脈沖信號，則頻率計顯示的頻率代表轉速大小。設齒數(shù)為為脈沖信號，則頻率計顯示的頻率代表轉速大小。設齒數(shù)為z

30、 z, ,頻率為頻率為f f, ,則轉速為則轉速為: : min)/ r (zf60n 山東理工大學機械學院第四節(jié)、電感式傳感器第四節(jié)、電感式傳感器 電感式傳感器的工作原理是把被測量如位移等，轉換為電電感式傳感器的工作原理是把被測量如位移等，轉換為電感量變化的一種裝置。感量變化的一種裝置。1、自感式電感傳感器、自感式電感傳感器 自感式電感傳感器的結構是由線圈、鐵心和銜鐵組成，自感式電感傳感器的結構是由線圈、鐵心和銜鐵組成，鐵心與銜鐵之間留有氣隙，其長度為鐵心與銜鐵之間留有氣隙，其長度為，銜鐵與運動部件，銜鐵與運動部件相連。銜鐵移動時，由于相連。銜鐵移動時，由于變化使磁路的磁阻發(fā)生變化，變化使磁

31、路的磁阻發(fā)生變化，從而引起線圈電感量從而引起線圈電感量L的變化。將傳感器與測量電路連接的變化。將傳感器與測量電路連接后，可將電感量的變化轉換成電壓、電流或頻率的變化，后，可將電感量的變化轉換成電壓、電流或頻率的變化，實現(xiàn)由非電量到電量的轉換。常用的有變氣隙型、變面積實現(xiàn)由非電量到電量的轉換。常用的有變氣隙型、變面積型和螺管型。型和螺管型。山東理工大學機械學院自感式電感傳感器（變氣隙型）的結構和特性曲線自感式電感傳感器（變氣隙型）的結構和特性曲線 山東理工大學機械學院由電磁感應原理，線圈自感由電磁感應原理，線圈自感L L為為N-N-線圈匝數(shù)，線圈匝數(shù)，R Rm m- -磁路總磁阻磁路總磁阻HH-

32、1-1 。當不考慮磁路的鐵損且當氣隙當不考慮磁路的鐵損且當氣隙較小時，則該磁路的總磁阻較小時，則該磁路的總磁阻mRNL2002AAlRm式中式中 l l鐵芯的導磁長度鐵芯的導磁長度(m); (m); 鐵芯磁導率鐵芯磁導率 (H/m);(H/m);A A鐵芯導磁截面積鐵芯導磁截面積,A=a,A=ab(mb(m2 2); ); 氣隙寬氣隙寬(m);(m);0 0空氣導磁率空氣導磁率,0 0=4=41010-7-7(H/m); (H/m); A A0 0空氣隙導磁橫截面積空氣隙導磁橫截面積(m(m2 2) )(3(328)28)山東理工大學機械學院代入代入3 32828，得，得2002ANL 當當A

33、 A0 0固定，變化固定，變化時，時，L L與與成非線性變化關系，此時傳成非線性變化關系，此時傳感器靈敏度感器靈敏度20022ANddLS鐵心磁阻與空氣氣隙的磁阻相比很小，可忽略，則總磁鐵心磁阻與空氣氣隙的磁阻相比很小，可忽略，則總磁阻阻R Rm m近似為近似為 002ARm山東理工大學機械學院靈敏度靈敏度S S與與的平方值成反比，由于不是常數(shù)，因此會產(chǎn)生的平方值成反比，由于不是常數(shù)，因此會產(chǎn)生非線性誤差。因此這種傳感器常規(guī)定在較小氣隙變化范圍非線性誤差。因此這種傳感器常規(guī)定在較小氣隙變化范圍內工作。這樣輸出與輸入近似成線性關系。內工作。這樣輸出與輸入近似成線性關系。實際應用中常選取實際應用中

34、常選取/0 00.10.1。這種傳感器適宜于測量小位移，一般為這種傳感器適宜于測量小位移，一般為0.0010.0011mm1mm。山東理工大學機械學院幾種常用可變磁阻式傳感器的典型結構幾種常用可變磁阻式傳感器的典型結構1、差動式自感傳感器、差動式自感傳感器 實際應用中，為了提高自感式傳感器的靈敏度，增大其線性工作范圍，實際應用中，為了提高自感式傳感器的靈敏度，增大其線性工作范圍，常將兩個結構相同的自感線圈組合在一起形成差動式自感傳感器，常將兩個結構相同的自感線圈組合在一起形成差動式自感傳感器， 差動式自感傳感器差動式自感傳感器00 x山東理工大學機械學院2 2、變面積型自感傳感器變面積型自感傳

35、感器 變面積型自感傳感器在工作時氣隙長度變面積型自感傳感器在工作時氣隙長度保持不變，使保持不變，使氣隙導磁截面積氣隙導磁截面積A0隨被測量變化，自感隨被測量變化，自感L與與A0呈線性關呈線性關系如下圖示。系如下圖示。 ixLOA0=abA0 x線圈鐵心圖3-30 變面積型自感傳感器 圖3-31 差動式螺管型自感傳感器山東理工大學機械學院山東理工大學機械學院雙螺管線圈差動型，較之單螺管線圈型有較高靈敏度及線雙螺管線圈差動型，較之單螺管線圈型有較高靈敏度及線性，被用于電感測微計上，其測量范圍為性，被用于電感測微計上，其測量范圍為0 0300m300m，最，最小分辨力為小分辨力為0.5m0.5m。這

36、種傳感器的線圈接于電橋上，構成。這種傳感器的線圈接于電橋上，構成兩個橋臂，線圈電感兩個橋臂，線圈電感L L1 1、L L2 2隨鐵芯位移而變化，其輸出特隨鐵芯位移而變化，其輸出特性如圖所示。其測量電路可采用圖性如圖所示。其測量電路可采用圖3-213-21所示的變壓器式交所示的變壓器式交流電橋，只需將電橋中的差動電容換為差動電感線圈即可。流電橋，只需將電橋中的差動電容換為差動電感線圈即可。 山東理工大學機械學院山東理工大學機械學院2 2、互感式電感傳感器、互感式電感傳感器n 互感型傳感器的工作原理：互感型傳感器的工作原理： 利用電磁感應中的利用電磁感應中的互感現(xiàn)象互感現(xiàn)象，將被測，將被測位移量位

37、移量轉換成轉換成線線圈互感的圈互感的變化。變化。山東理工大學機械學院n傳感器實質是一個變壓器傳感器實質是一個變壓器，初級線圈接入穩(wěn)定交流電源，次，初級線圈接入穩(wěn)定交流電源，次級線圈感應產(chǎn)生輸出電壓。級線圈感應產(chǎn)生輸出電壓。M M變化，副線圈輸出電壓變化。由變化，副線圈輸出電壓變化。由于常采用兩個次級線圈組成差動式，故又稱于常采用兩個次級線圈組成差動式，故又稱差動變壓器式傳差動變壓器式傳感器感器。工作原理如圖。工作原理如圖3 32020。山東理工大學機械學院山東理工大學機械學院n差動變壓器后續(xù)電路形式：差動變壓器后續(xù)電路形式：差動變壓器式傳感器輸出的電壓是交流量，如用交流電壓差動變壓器式傳感器輸

38、出的電壓是交流量，如用交流電壓表指示，則輸出值只能反應鐵芯位移的大小，而不能反應移表指示，則輸出值只能反應鐵芯位移的大小，而不能反應移動的極性；動的極性；同時，交流電壓輸出存在一定的零點殘余電壓，使活動銜同時，交流電壓輸出存在一定的零點殘余電壓，使活動銜鐵位于中間位置時，輸出也不為零。鐵位于中間位置時，輸出也不為零。差動變壓器式傳感器的后接電路應采用既能反應鐵芯位移差動變壓器式傳感器的后接電路應采用既能反應鐵芯位移極性，又能補償零點殘余電壓的差動直流輸出電路。極性，又能補償零點殘余電壓的差動直流輸出電路。差動相敏檢波電路工作原理圖。差動相敏檢波電路工作原理圖。 山東理工大學機械學院n差動變壓器

39、式傳感器的優(yōu)點是：差動變壓器式傳感器的優(yōu)點是： 測量精度高，可達測量精度高，可達0.1m0.1m； 線性范圍大，可到線性范圍大，可到100100mmmm； 穩(wěn)定性好，使用方便。穩(wěn)定性好，使用方便。因而被廣泛應用于直線位移因而被廣泛應用于直線位移, ,或借助彈性元件將壓力、重或借助彈性元件將壓力、重量等參數(shù)轉換為位移變化，實現(xiàn)間接測量。量等參數(shù)轉換為位移變化，實現(xiàn)間接測量。山東理工大學機械學院3 3、電渦流式傳感器、電渦流式傳感器n 渦電流式傳感器變換原理：利用金屬導體在交變磁場中的渦電流式傳感器變換原理：利用金屬導體在交變磁場中的渦電流效應渦電流效應。n 高頻反射式渦流傳感器工作原理：高頻反射

40、式渦流傳感器工作原理：渦流產(chǎn)生：渦流產(chǎn)生：當線圈中通以一當線圈中通以一交變高頻電流交變高頻電流i i時，會引起時，會引起一一交變磁通交變磁通H H。在靠近線圈的金屬表面內部產(chǎn)生一。在靠近線圈的金屬表面內部產(chǎn)生一感應感應電流電流I I1 1，該電流，該電流I I1 1即為渦流。即為渦流。抵抗作用：抵抗作用：根據(jù)楞次定律，由該渦電流產(chǎn)生的根據(jù)楞次定律，由該渦電流產(chǎn)生的交變磁交變磁通通H H1 1將與線圈產(chǎn)生的磁場方向相反，亦即將與線圈產(chǎn)生的磁場方向相反，亦即H H1 1將抵抗將抵抗H H的的變化。變化。山東理工大學機械學院當傳感器激勵線圈中通以正弦交變電流I1時，線圈的周圍空間就產(chǎn)生了正弦交變磁場

41、H1，處于此交變磁場中的金屬導體內就會產(chǎn)生渦流I2，此渦流也將產(chǎn)生交變磁場H2，H2的方向與H1的方向相反。由于磁場H2對磁場H1的反抗作用，導致傳感器激勵線圈的等效阻抗發(fā)生變化。等效阻抗Z山東理工大學機械學院線圈的阻抗變化及影響因素：線圈的阻抗變化及影響因素：由于該渦流磁場的作用，由于該渦流磁場的作用，會使線圈的會使線圈的等效阻抗等效阻抗Z Z發(fā)生變化，其變化的程度除了與發(fā)生變化，其變化的程度除了與兩者間的兩者間的距離距離X X有關外，還與金屬導體的有關外，還與金屬導體的電阻率電阻率、磁磁導率導率以及線圈的以及線圈的激磁電流圓頻率激磁電流圓頻率等有關。等有關。主要應用：主要應用：變化變化x

42、x，可作為位移、振動測量；變化，可作為位移、振動測量；變化，可作為材質鑒別；變化可作為材質鑒別；變化，可用于探傷。，可用于探傷。n 渦流式傳感器的測量電路：渦流式傳感器的測量電路：阻抗分壓式調幅電路阻抗分壓式調幅電路 下圖是用于下圖是用于渦流測振儀渦流測振儀上的分上的分壓式調幅電路原理；圖壓式調幅電路原理；圖3 31717為諧振曲線和輸出特性為諧振曲線和輸出特性山東理工大學機械學院高頻反射式渦流傳感器高頻反射式渦流傳感器 。如圖所示，如圖所示，高頻高頻(1MHz)激勵電激勵電流流產(chǎn)生的高頻磁場作用于金屬板的表產(chǎn)生的高頻磁場作用于金屬板的表面，由于面，由于集膚效應集膚效應，在金屬板表面將，在金屬

43、板表面將形成渦電流形成渦電流。與此同時，該渦流產(chǎn)生。與此同時，該渦流產(chǎn)生的交變磁場又的交變磁場又反作用反作用于線圈，引起線于線圈，引起線圈自感圈自感L或阻抗或阻抗ZL的的變化變化。線圈自感。線圈自感L或阻抗或阻抗ZL的變化與距離該金屬板的的變化與距離該金屬板的電阻率電阻率、磁導率、磁導率、激勵電流、激勵電流i及角及角頻率頻率等有關。若等有關。若只改變距離只改變距離而保而保持其它參數(shù)不變，則可將持其它參數(shù)不變，則可將位移變化轉位移變化轉換換為線圈為線圈自感變化自感變化，通過測量電路轉，通過測量電路轉換為電壓輸出。高頻反射式渦流傳感換為電壓輸出。高頻反射式渦流傳感器器多用于位移測量多用于位移測量。

44、3.3電感式傳感器電感式傳感器山東理工大學機械學院低頻透射式渦流傳感器低頻透射式渦流傳感器 低頻透射式渦流傳感器的工作原低頻透射式渦流傳感器的工作原理如圖所示，理如圖所示，發(fā)射線圈發(fā)射線圈1和和接收線圈接收線圈2分別置于被測金屬板材料分別置于被測金屬板材料G的上、的上、下方。由于低頻磁場下方。由于低頻磁場集膚效應小集膚效應小，滲滲透深透深，當?shù)皖l，當?shù)皖l(音頻范圍音頻范圍)電壓電壓e1加到線加到線圈圈1的兩端后，所產(chǎn)生磁力線的一部的兩端后，所產(chǎn)生磁力線的一部分透過金屬板材料分透過金屬板材料G,使線圈使線圈2產(chǎn)生產(chǎn)生感感應電動勢應電動勢e2。但由于。但由于渦流消耗渦流消耗部分磁部分磁場能量，使感

45、應電動勢場能量，使感應電動勢e2減少，當金減少，當金屬板材料屬板材料G越厚時，損耗的能量越大，越厚時，損耗的能量越大，輸出電動勢輸出電動勢e2越小。因此，越小。因此，e2的大小與的大小與G的厚度及材料的性質有關，試驗表的厚度及材料的性質有關，試驗表明，明，e2隨材料厚度隨材料厚度h的增加按負指數(shù)規(guī)的增加按負指數(shù)規(guī)律減少律減少,如圖所示，因此，若金屬板材如圖所示，因此，若金屬板材料的性質一定，則利用料的性質一定，則利用e2的變化即可的變化即可測量其厚度。測量其厚度。3.3電感式傳感器電感式傳感器山東理工大學機械學院電渦流式傳感器的測量電路有阻抗分壓式調幅電路及調頻電路電渦流式傳感器的測量電路有阻

46、抗分壓式調幅電路及調頻電路壓式調幅電路原理，它主要包括振蕩器、并聯(lián)諧振回路、放大器、壓式調幅電路原理，它主要包括振蕩器、并聯(lián)諧振回路、放大器、檢波器及濾波器等。傳感器線圈檢波器及濾波器等。傳感器線圈L L和電容和電容C C 組成并聯(lián)諧振回路組成并聯(lián)諧振回路n 渦流式傳感器的測量電路：渦流式傳感器的測量電路：山東理工大學機械學院山東理工大學機械學院調頻電路：調頻電路：把傳感器線圈接入LC振蕩回路，當金屬導體至傳感器之間的距離x發(fā)生變化時，將引起線圈電感變化，使振蕩器的振蕩頻率f發(fā)生變化，再通過鑒頻器進行頻率-電壓轉換，即可得到與位移x成比例的電壓信號。山東理工大學機械學院電渦流式傳感器的電渦流式

47、傳感器的特點 結構簡單、使用方便、不受油污等介質的影響等, 頻率響應范圍寬（0104Hz），能進行動態(tài)非接觸測量， 其測量的范圍和精度視傳感器結構尺寸、線圈匝數(shù)以及激勵頻率而異，最高分辨力可達0.1m。 近年來渦流式位移和振動測量儀、測厚儀和無損檢測探傷儀等在工程檢測中得到廣泛應用。山東理工大學機械學院n渦電流式傳感器應用：渦電流式傳感器應用：動態(tài)非接觸測量動態(tài)非接觸測量u渦電流式位移和振動測量儀渦電流式位移和振動測量儀u測厚儀測厚儀u無損探傷無損探傷u徑向振擺、回轉軸誤差運動、轉速和厚度測量徑向振擺、回轉軸誤差運動、轉速和厚度測量u零件計數(shù)、表面裂紋和缺陷測量零件計數(shù)、表面裂紋和缺陷測量徑向

48、振動測量 軸心軌跡測量 山東理工大學機械學院轉速測量 零件計數(shù)器 表面裂紋測量 穿透式測厚 山東理工大學機械學院第五節(jié)第五節(jié) 壓電式傳感器壓電式傳感器壓電式傳感器是一種可逆型換能器。壓電式傳感器是一種可逆型換能器。l 機械能機械能電能：可用來測量力、壓力、加速度等；電能：可用來測量力、壓力、加速度等；l 電能電能機械能：可用于高頻振動臺、超聲發(fā)射器、揚聲器機械能：可用于高頻振動臺、超聲發(fā)射器、揚聲器等。等。主要優(yōu)點：主要優(yōu)點：l 體積??；體積??；l 重量小；重量??；l 固有頻率高（加速度傳感器，可測頻率范圍固有頻率高（加速度傳感器，可測頻率范圍0.120kHz) ；l 靈敏度高（加速度傳感器，

49、可測靈敏度高（加速度傳感器，可測10102 210105 5m ms s-2-2、力傳感器，、力傳感器，分辨力達分辨力達10103 3N N）。山東理工大學機械學院1 1、壓電效應、壓電效應 定義：定義： 某些物質，如石英、鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等晶體，當受到外力作用時，某些物質，如石英、鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等晶體，當受到外力作用時，不僅幾何尺寸發(fā)生變化，而且其內部會產(chǎn)生極化作用，從而會在晶體不僅幾何尺寸發(fā)生變化，而且其內部會產(chǎn)生極化作用，從而會在晶體的相應表面產(chǎn)生電荷，形成電場。當外力去掉后，又重新回到不帶電的相應表面產(chǎn)生電荷，形成電場。當外力去掉后，又重新回到不帶電狀態(tài)，晶體的這一性質稱為壓電效應。

50、狀態(tài)，晶體的這一性質稱為壓電效應。說明：說明： 壓電效應可逆：當壓電晶體置于外電場，其幾何尺寸也會發(fā)生變壓電效應可逆：當壓電晶體置于外電場，其幾何尺寸也會發(fā)生變化，這種物理現(xiàn)象稱為化，這種物理現(xiàn)象稱為逆壓電效應逆壓電效應。 具有壓電效應的晶體稱之為壓電晶體，具有壓電效應的晶體稱之為壓電晶體， 如石英、鈦酸鋇（如石英、鈦酸鋇（BaTiO3）、鋯鈦酸鉛（）、鋯鈦酸鉛（PZT）等。）等。 天然壓電晶體例如石英、電氣石、閃鋅礦等。不易獲得、價格昂天然壓電晶體例如石英、電氣石、閃鋅礦等。不易獲得、價格昂貴。石英晶體是常用的壓電材料之一。貴。石英晶體是常用的壓電材料之一。 人造晶體，如酒石酸鉀鈉（羅謝耳鹽

51、）、磷酸二氫銨、磷酸二氫人造晶體，如酒石酸鉀鈉（羅謝耳鹽）、磷酸二氫銨、磷酸二氫鉀、酒石酸乙二鉀、硫酸鋰等鉀、酒石酸乙二鉀、硫酸鋰等。山東理工大學機械學院下面以石英晶體為例，介紹壓電效應下面以石英晶體為例，介紹壓電效應 石英晶體的化學成分是SiO2，是單晶體，兩端為一對稱的棱錐，如圖3-41a所示石英晶體是各向異性材料，可用x、y、z軸來描述，如圖3-41b所示。zyxOzxyOzxybacz軸是稱為光軸，沿該方向受力不會產(chǎn)生壓電效應；x軸是經(jīng)過六面體的棱線并垂直于z軸的軸線，稱為電軸又稱 “縱向壓電效應”y軸是與x、z軸垂直的軸線，稱為機械軸，又稱 “橫向壓電效應”。山東理工大學機械學院xy

52、zFxFxxyzFxFxxyzFyFyxyzFyFy山東理工大學機械學院2 2、壓電材料、壓電材料單晶壓電晶體單晶壓電晶體，如石英、羅歇爾鹽（四水酒石酸鉀，如石英、羅歇爾鹽（四水酒石酸鉀鈉）、硫酸鋰、磷酸二氫銨等；鈉）、硫酸鋰、磷酸二氫銨等； 特點特點: :石英壓電常數(shù)不高，但具有較好的機械強度和石英壓電常數(shù)不高，但具有較好的機械強度和溫度、時間穩(wěn)定性，其他壓電單晶的壓電常數(shù)為石英溫度、時間穩(wěn)定性，其他壓電單晶的壓電常數(shù)為石英的的2.52.53.53.5倍，但價格較高。倍，但價格較高。 多晶壓電陶瓷多晶壓電陶瓷，如極化的鐵電陶瓷（鈦酸鋇）、鋯鈦，如極化的鐵電陶瓷（鈦酸鋇）、鋯鈦酸鉛（酸鉛（PZ

53、TPZT）等；）等； 組成：鐵電體微晶（指某些存在自發(fā)極化的特點晶體），組成：鐵電體微晶（指某些存在自發(fā)極化的特點晶體），微晶再細分為電疇，壓電陶瓷可視為多疇晶體。微晶再細分為電疇，壓電陶瓷可視為多疇晶體。 特點：壓電陶瓷的壓電常數(shù)比單晶體高的多，一般比石特點：壓電陶瓷的壓電常數(shù)比單晶體高的多，一般比石英高數(shù)百倍。英高數(shù)百倍。有機壓電薄膜有機壓電薄膜。山東理工大學機械學院山東理工大學機械學院 PVDFPVDF壓電薄膜壓電薄膜l 聚偏二氟乙烯（聚偏二氟乙烯（PVF2）是壓電效應較強的聚合物薄膜，這種合成高分子薄膜就其對稱）是壓電效應較強的聚合物薄膜，這種合成高分子薄膜就其對稱性來看，不存在壓電效

54、應，但是它們具有性來看，不存在壓電效應，但是它們具有“平面鋸齒平面鋸齒”結構，存在抵消不了的偶極子。結構，存在抵消不了的偶極子。經(jīng)延展和拉伸后可以使分子鏈軸成規(guī)則排列，并在與分子軸垂直方向上產(chǎn)生自發(fā)極化經(jīng)延展和拉伸后可以使分子鏈軸成規(guī)則排列，并在與分子軸垂直方向上產(chǎn)生自發(fā)極化偶極子。當在膜厚方向加直流高壓電場極化后，就可以成為具有壓電性能的高分子薄偶極子。當在膜厚方向加直流高壓電場極化后，就可以成為具有壓電性能的高分子薄膜。這種薄膜有可撓性，并容易制成大面積壓電元件。這種元件耐沖擊、不易破碎、膜。這種薄膜有可撓性，并容易制成大面積壓電元件。這種元件耐沖擊、不易破碎、穩(wěn)定性好、靈敏度高、頻帶寬。

55、為提高其壓電性能還可以摻入壓電陶瓷粉末，制成混穩(wěn)定性好、靈敏度高、頻帶寬。為提高其壓電性能還可以摻入壓電陶瓷粉末，制成混合復合材料合復合材料(PVF2 PZT)。l應用應用 ：l人體接觸安全舒適，聲阻抗接近人體肌肉，適宜作生物醫(yī)學工程的傳感器元件。人體接觸安全舒適，聲阻抗接近人體肌肉，適宜作生物醫(yī)學工程的傳感器元件。lPVDF血壓傳感器：圓柱體縱切形狀，與上腕部動脈溝吻合，使用方便。血壓傳感器：圓柱體縱切形狀，與上腕部動脈溝吻合，使用方便。l機器人觸覺傳感器：同時具有壓電效應和熱釋電效應，薄膜柔軟，做成大面積傳感陣機器人觸覺傳感器：同時具有壓電效應和熱釋電效應，薄膜柔軟，做成大面積傳感陣列器件

56、。列器件。山東理工大學機械學院 對壓電材料特性要求：對壓電材料特性要求： 轉換性能。要求具有較大壓電常數(shù)。轉換性能。要求具有較大壓電常數(shù)。 機械性能。壓電元件作為受力元件，希望它的機械強機械性能。壓電元件作為受力元件，希望它的機械強度高、剛度大，以期獲得寬的線性范圍和高的固有振動頻度高、剛度大，以期獲得寬的線性范圍和高的固有振動頻率。率。 電性能。希望具有高電阻率和大介電常數(shù)，以減弱外電性能。希望具有高電阻率和大介電常數(shù)，以減弱外部分布電容的影響并獲得良好的低頻特性。部分布電容的影響并獲得良好的低頻特性。 環(huán)境適應性強。溫度和濕度穩(wěn)定性要好，要求具有較環(huán)境適應性強。溫度和濕度穩(wěn)定性要好，要求具

57、有較高的居里點，獲得較寬的工作溫度范圍。高的居里點，獲得較寬的工作溫度范圍。 時間穩(wěn)定性。要求壓電性能不隨時間變化。時間穩(wěn)定性。要求壓電性能不隨時間變化。山東理工大學機械學院3 3、等效電路、等效電路山東理工大學機械學院山東理工大學機械學院使用時的注意事項：使用時的注意事項：l負載不是無窮大時，會有漏電現(xiàn)象。因此，靜態(tài)測量時，負載不是無窮大時，會有漏電現(xiàn)象。因此，靜態(tài)測量時，必須采用極高阻抗負載；動態(tài)測量，漏電量影響較小，故必須采用極高阻抗負載；動態(tài)測量，漏電量影響較小，故適于動態(tài)測量。適于動態(tài)測量。l實際壓電傳感器，常采用串接或并接。實際壓電傳感器，常采用串接或并接。并接：電容量大，輸出電荷

58、量大，宜于測緩變信號，并接：電容量大，輸出電荷量大，宜于測緩變信號，適宜電荷量輸出場合；適宜電荷量輸出場合；串接：電容小，輸出電壓大，適宜于電壓輸出的場串接：電容小，輸出電壓大，適宜于電壓輸出的場合。合。山東理工大學機械學院aCQU 可以把壓電元件等效為一個電荷源可以把壓電元件等效為一個電荷源Q Q和一個電容器和一個電容器CaCa并并聯(lián)的等效電路聯(lián)的等效電路; ;也可等效為一個電壓源也可等效為一個電壓源U U和一個電容器和一個電容器CaCa串聯(lián)的等效電串聯(lián)的等效電路，其中路，其中RaRa為壓電元件的漏電阻。為壓電元件的漏電阻。 當有外力作用時，在壓電晶片的兩個極板上產(chǎn)生數(shù)量相等、當有外力作用時

59、，在壓電晶片的兩個極板上產(chǎn)生數(shù)量相等、極性相反的電荷極性相反的電荷Q Q，開路電壓開路電壓U U以及電容以及電容Ca,Ca,三者間的關系三者間的關系山東理工大學機械學院 若將壓電傳感器接入測量電路，則必須考慮電纜電容若將壓電傳感器接入測量電路，則必須考慮電纜電容C CC C、后續(xù)電路的輸入電容后續(xù)電路的輸入電容C Ci i、以及后續(xù)電路的輸入阻抗和壓電、以及后續(xù)電路的輸入阻抗和壓電傳感器的漏電阻形成的泄漏電阻傳感器的漏電阻形成的泄漏電阻R Ra a，此時壓電傳感器的等，此時壓電傳感器的等效電路如圖所示。效電路如圖所示。 山東理工大學機械學院4 4、測量電路、測量電路 電壓放大器，輸出電壓與電容

60、電壓放大器，輸出電壓與電容C（包括連接電纜的寄生電容（包括連接電纜的寄生電容Cc、放大器的輸入、放大器的輸入電容電容Ci和壓電式傳感器的等效電容和壓電式傳感器的等效電容Ca）密切相關，因）密切相關，因Cc比比Ci和和Ca都大，故整個測都大，故整個測量系統(tǒng)對電纜寄生電容的變化非常敏感。連接電纜的長度和形狀變化會引起量系統(tǒng)對電纜寄生電容的變化非常敏感。連接電纜的長度和形狀變化會引起Cc的的變化，導致傳感器的輸出電壓變化，使儀器的靈敏度也發(fā)生變化。故目前多采用變化，導致傳感器的輸出電壓變化，使儀器的靈敏度也發(fā)生變化。故目前多采用性能穩(wěn)定的電荷放大器。性能穩(wěn)定的電荷放大器。山東理工大學機械學院山東理工