力傳感器知識第1頁，課件共177頁，創(chuàng)作于2023年2月力是物理基本量之一，因此各種動態(tài)、靜態(tài)力的大小的測量十分重要。力的測量需要通過力傳感器間接完成，力傳感器是將各種力學(xué)量轉(zhuǎn)換為電信號的器件。力敏感元件轉(zhuǎn)換元件顯示設(shè)備F力傳感器的測量示意圖第2頁，課件共177頁，創(chuàng)作于2023年2月3.1彈性敏感元件

彈性敏感元件把力或壓力轉(zhuǎn)換成了應(yīng)變或位移，然后再由傳感器將應(yīng)變或位移轉(zhuǎn)換成電信號。彈性敏感元件是一個非常重要的傳感器部件，應(yīng)具有：良好的彈性足夠的精度應(yīng)保證長期使用和溫度變化時的穩(wěn)定性。第3頁，課件共177頁，創(chuàng)作于2023年2月3.1.1彈性敏感元件的特性1.剛度剛度是彈性元件在外力作用下變形大小的量度,一般用k表示。

2.靈敏度靈敏度是指彈性敏感元件在單位力作用下產(chǎn)生變形的大小，在彈性力學(xué)中稱為彈性元件的柔度。它是剛度的倒數(shù)，用K表示。

第4頁，課件共177頁，創(chuàng)作于2023年2月3.彈性滯后實(shí)際的彈性元件在加\卸載的正反行程中變形曲線是不重合的,這種現(xiàn)象稱為彈性滯后現(xiàn)象,它會給測量帶來誤差。4.彈性后效當(dāng)載荷從某一數(shù)值變化到另一數(shù)值時,彈性元件變形不是立即完成相應(yīng)的變形，而是經(jīng)一定的時間間隔逐漸完成變形的，這種現(xiàn)象稱為彈性后效。第5頁，課件共177頁，創(chuàng)作于2023年2月5.固有振蕩頻率彈性敏感元件都有自己的固有振蕩頻率f0，它將影響傳感器的動態(tài)特性。傳感器的工作頻率應(yīng)避開彈性敏感元件的固有振蕩頻率。往往希望f0較高。第6頁，課件共177頁，創(chuàng)作于2023年2月3.1.2彈性敏感元件的分類彈性敏感元件在形式上可分為兩大類：變換力的彈性敏感元件。變換壓力的彈性敏感元件。1.變換力的彈性敏感元件有：（1）等截面圓柱式（2）圓環(huán)式（3）等截面薄板式（4）懸臂梁式（5）扭轉(zhuǎn)軸第7頁，課件共177頁，創(chuàng)作于2023年2月一些變換力的彈性敏感元件形狀

第8頁，課件共177頁，創(chuàng)作于2023年2月2.變換壓力的彈性敏感元件（1）彈簧管變換壓力的彈性敏感元件

(a)彈簧管；(b)波紋管；(c)等截面薄板；(d)膜盒；(e)薄壁圓筒；(f)薄壁半球

第9頁，課件共177頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）波紋管

波紋管是有許多同心環(huán)狀皺紋的薄壁圓管.第10頁，課件共177頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）波紋膜片和膜盒平膜片在壓力或力作用下位移量小，因而常把平膜片加工制成具有環(huán)狀同心波紋的圓形薄膜，這就是波紋膜片。

波紋管膜片波紋的形狀

第11頁，課件共177頁，創(chuàng)作于2023年2月（4）薄壁圓筒薄壁圓筒的壁厚一般小于圓筒直徑的二十分之一。薄壁圓筒彈性敏感元件的靈敏度取決于圓筒的半徑和壁厚，與圓筒長度無關(guān)。

薄壁圓筒彈性敏感元件的結(jié)構(gòu)

第12頁，課件共177頁，創(chuàng)作于2023年2月3.2電阻應(yīng)變片傳感器電阻應(yīng)變片的分類

電阻應(yīng)變片主要分為金屬電阻應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片兩類。金屬電阻應(yīng)變片分體型和薄膜型。屬于體型的有電阻絲柵應(yīng)變片、箔式應(yīng)變片、應(yīng)變花等。半導(dǎo)體應(yīng)變片是用鍺或硅等半導(dǎo)體材料作為敏感柵。第13頁，課件共177頁，創(chuàng)作于2023年2月半導(dǎo)體應(yīng)變片及金屬絲式應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體應(yīng)變片外形金屬絲式應(yīng)變片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)第14頁，課件共177頁，創(chuàng)作于2023年2月箔式應(yīng)變片的外形第15頁，課件共177頁，創(chuàng)作于2023年2月

在平面力場中，為測量某一點(diǎn)上主應(yīng)力的大小和方向，常需測量該點(diǎn)上兩個或三個方向的應(yīng)變。為此需要把兩個或三個應(yīng)變片逐個粘結(jié)成應(yīng)變花，或直接通過光刻技術(shù)制成。應(yīng)變花分互成45°的直角形應(yīng)變花和互成60°的等角形應(yīng)變花兩種基本形式。第16頁，課件共177頁，創(chuàng)作于2023年2月a—絲式應(yīng)變花；b—箔式應(yīng)變花應(yīng)變花的基本形式第17頁，課件共177頁，創(chuàng)作于2023年2月應(yīng)變片的工作原理

金屬絲受拉時，l變長、r變小，導(dǎo)致R變大。第18頁，課件共177頁，創(chuàng)作于2023年2月金屬電阻絲應(yīng)變效應(yīng)

第19頁，課件共177頁，創(chuàng)作于2023年2月3.2.1電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)及工作原理1.結(jié)構(gòu)

電阻應(yīng)變片（簡稱應(yīng)變片）的作用是把導(dǎo)體的機(jī)械應(yīng)變轉(zhuǎn)換成電阻應(yīng)變，以便進(jìn)一步電測。電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)第20頁，課件共177頁，創(chuàng)作于2023年2月2.應(yīng)變效應(yīng)

金屬和半導(dǎo)體材料的電阻值隨它承受的機(jī)械變形大小而發(fā)生變化的現(xiàn)象就稱為“應(yīng)變效應(yīng)”。

應(yīng)變片的工作原理設(shè)有一長度為l、截面積為A、半徑為r、電阻率為的金屬單絲，它的電阻值R可表示為、、第21頁，課件共177頁，創(chuàng)作于2023年2月

當(dāng)沿金屬絲的長度方向作用均勻拉力（或壓力）時，上式中、r、l都將發(fā)生變化，從而導(dǎo)致電阻值R發(fā)生變化。例如金屬絲受拉時，l將變長、r變小，均導(dǎo)致R變大；又如，某些半導(dǎo)體受拉時，將變大，導(dǎo)致R變大。實(shí)驗(yàn)證明，電阻絲及應(yīng)變片的電阻相對變化量R

R與材料力學(xué)中的軸向應(yīng)變x的關(guān)系在很大范圍內(nèi)是線性的，即

K—電阻應(yīng)變片的靈敏度第22頁，課件共177頁，創(chuàng)作于2023年2月∴由于

根據(jù)應(yīng)用要求的不同，可接入不同數(shù)目的電阻應(yīng)變片，一般分為下面幾種形式的電橋：3.測量電路——不平衡電橋

第23頁，課件共177頁，創(chuàng)作于2023年2月單臂電橋

全橋四臂工作方式的靈敏度最高，雙臂半橋次之，單臂半橋靈敏度最低。第24頁，課件共177頁，創(chuàng)作于2023年2月雙臂電橋

R1、

R2為應(yīng)變片，

R3、R4為固定電阻。應(yīng)變片R1、R2感受到的應(yīng)變1~2以及產(chǎn)生的電阻增量正負(fù)號相間，可以使輸出電壓Uo成倍地增大。第25頁，課件共177頁，創(chuàng)作于2023年2月四臂全橋

全橋的四個橋臂都為應(yīng)變片，如果設(shè)法使試件受力后，應(yīng)變片R1~

R4產(chǎn)生的電阻增量（或感受到的應(yīng)變1~4）正負(fù)號相間，就可以使輸出電壓Uo成倍地增大。上述三種工作方式中，全橋四臂工作方式的靈敏度最高，雙臂半橋次之，單臂半橋靈敏度最低。采用全橋（或雙臂半橋）還能實(shí)現(xiàn)溫度自補(bǔ)償。第26頁，課件共177頁，創(chuàng)作于2023年2月3.2.2應(yīng)變式電阻傳感器使用注意事項(xiàng)1.應(yīng)變片的粘貼：

(1)去污：采用手持砂輪工具除去構(gòu)件表面的油污、漆、銹斑等，并用細(xì)紗布交叉打磨出細(xì)紋以增加粘貼力，用浸有酒精或丙酮的紗布片或脫脂棉球擦洗。第27頁，課件共177頁，創(chuàng)作于2023年2月

(2)貼片：在應(yīng)變片的表面和處理過的粘貼表面上，各涂一層均勻的粘貼膠，用鑷子將應(yīng)變片放上去，并調(diào)好位置，然后蓋上塑料薄膜，用手指揉和滾壓，排出下面的氣泡。第28頁，課件共177頁，創(chuàng)作于2023年2月

(3)測量：從分開的端子處，預(yù)先用萬用表測量應(yīng)變片的電阻，發(fā)現(xiàn)端子折斷和壞的應(yīng)變片。第29頁，課件共177頁，創(chuàng)作于2023年2月

(4)焊接：將引線和端子用烙鐵焊接起來，注意不要把端子扯斷。

第30頁，課件共177頁，創(chuàng)作于2023年2月

(5)固定：焊接后用膠布將引線和被測對象固定在一起，防止損壞引線和應(yīng)變片。

第31頁，課件共177頁，創(chuàng)作于2023年2月2.實(shí)際應(yīng)用中電橋電路的調(diào)零

調(diào)節(jié)RP，最終可以使R1/R2=R4/R3（R1、R2是R1、R2并聯(lián)RP后的等效電阻），電橋趨于平衡，Uo被預(yù)調(diào)到零位，這一過程稱為調(diào)零。圖中的R5是用于減小調(diào)節(jié)范圍的限流電阻。

第32頁，課件共177頁，創(chuàng)作于2023年2月

當(dāng)環(huán)境溫度升高時，橋臂上的應(yīng)變片溫度同時升高，溫度引起的電阻值漂移數(shù)值一致，可以相互抵消，所以全橋的溫漂較?。话霕蛞餐瑯幽芸朔仄?。3．傳感器的溫度補(bǔ)償?shù)?3頁，課件共177頁，創(chuàng)作于2023年2月3.2.3應(yīng)變式電阻荷重傳感器及其應(yīng)用

應(yīng)變效應(yīng)的應(yīng)用十分廣泛。它可以測量應(yīng)變應(yīng)力、彎矩、扭矩、加速度、位移等物理量。電阻應(yīng)變片的應(yīng)用可分為兩大類：第一類是將應(yīng)變片粘貼于某些彈性體上，并將其接到測量轉(zhuǎn)換電路，這樣就構(gòu)成測量各種物理量的專用應(yīng)變式傳感器。

第二類是將應(yīng)變片貼于被測試件上，然后將其接到應(yīng)變儀上就可直接從應(yīng)變儀上讀取被測試件的應(yīng)變量。第34頁，課件共177頁，創(chuàng)作于2023年2月應(yīng)變式力傳感器

FFFF第35頁，課件共177頁，創(chuàng)作于2023年2月各種懸臂梁

FF固定點(diǎn)固定點(diǎn)電纜第36頁，課件共177頁，創(chuàng)作于2023年2月應(yīng)變片在懸臂梁上的粘貼及變形

第37頁，課件共177頁，創(chuàng)作于2023年2月應(yīng)變式荷重傳感器的外形及應(yīng)變片的粘貼位置FR1R2R4第38頁，課件共177頁，創(chuàng)作于2023年2月應(yīng)變式荷重傳感器外形及受力位置（續(xù)）FF第39頁，課件共177頁，創(chuàng)作于2023年2月荷重傳感器原理演示荷重傳感器上的應(yīng)變片在重力作用下產(chǎn)生變形。軸向變短，徑向變長。

第40頁，課件共177頁，創(chuàng)作于2023年2月汽車衡第41頁，課件共177頁，創(chuàng)作于2023年2月汽車衡（以下參考北京遠(yuǎn)亞興業(yè)商貿(mào)有限公司資料）第42頁，課件共177頁，創(chuàng)作于2023年2月汽車衡稱重系統(tǒng)第43頁，課件共177頁，創(chuàng)作于2023年2月荷重傳感器計算公式

當(dāng)KF為常數(shù)時，橋路所加的激勵源電壓Ui越高，滿量程輸出電壓Uom也越高。思考：綜合考慮靈敏度與功耗發(fā)熱，Ui的取值范圍多少為好？第44頁，課件共177頁，創(chuàng)作于2023年2月荷重傳感器應(yīng)用估算

例：現(xiàn)用銘牌指標(biāo)為F=

100103N，KF=2mV/V的荷重傳感器稱重。當(dāng)橋路電壓6V時，測得橋路的輸出電壓為24mV，求被測荷重為多少噸。

解由荷重傳感器銘牌上得到，Uom=24mV。被測荷重

第45頁，課件共177頁，創(chuàng)作于2023年2月荷重傳感器應(yīng)用估算

在上面介紹過的汽車衡示意圖中，共使用了4個荷重傳感器，量程Fm=20t，靈敏度KF=2.5mV/V，使用4個獨(dú)立的橋路電源，每一個電源電壓均相等，Ui=12V，四個荷重傳感器的輸出串聯(lián)，總的輸出電壓Uo=24mV，請估算汽車的質(zhì)量。

汽車在鋼板上有少許的前、后、左、右偏位，是否會影響測量結(jié)果？為什么？

第46頁，課件共177頁，創(chuàng)作于2023年2月荷重傳感器用于構(gòu)件的稱重

荷重傳感器（共3個，120度分布，以達(dá)到均衡目的，另兩個未拍出）底座墊塊電纜第47頁，課件共177頁，創(chuàng)作于2023年2月電子秤

磅秤超市打印秤遠(yuǎn)距離顯示第48頁，課件共177頁，創(chuàng)作于2023年2月電子天平電子天平的精度可達(dá)十萬分之一第49頁，課件共177頁，創(chuàng)作于2023年2月人體秤

第50頁，課件共177頁，創(chuàng)作于2023年2月吊鉤秤

便攜式第51頁，課件共177頁，創(chuàng)作于2023年2月應(yīng)變式數(shù)顯扭矩扳手可用于汽車、摩托車、飛機(jī)、內(nèi)燃機(jī)、機(jī)械制造和家用電器等領(lǐng)域，準(zhǔn)確控制緊固螺紋的裝配扭矩。量程2~500N.m，耗電量≤10mA，有公制/英制單位轉(zhuǎn)換、峰值保持、自動斷電等功能。第52頁，課件共177頁，創(chuàng)作于2023年2月

圖示應(yīng)變式電阻加速度傳感器由基座(用來固定在被測物體上)、等截面懸臂梁、質(zhì)量塊和4個電阻應(yīng)變片組成，以等截面懸臂梁為彈性敏感元件。加速度傳感器l一基座；2一質(zhì)量塊；3一應(yīng)變片；4一懸臂梁3.2.4應(yīng)變式加速度傳感器及其應(yīng)用第53頁，課件共177頁，創(chuàng)作于2023年2月

測量時，根據(jù)所測振動體加速度的方向，把傳感器固定在被測部位。當(dāng)被測點(diǎn)的加速度沿圖中箭頭所示方向，

輸出信號大小與加速度成正比。

應(yīng)變式電阻加速度傳感器具有靈敏度高、靜態(tài)和動態(tài)特性好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于汽車安全氣囊的控制、油箱和電梯疲勞強(qiáng)度的測試以及電腦游戲控制桿的傾角感應(yīng)器中。第54頁，課件共177頁，創(chuàng)作于2023年2月3.3壓阻式壓力傳感器是利用硅的壓阻效應(yīng)和微電子技術(shù)制成的，是一種新的物性型傳感器。靈敏度高、動態(tài)響應(yīng)好、精度高、易于微型化和集成化等。壓阻效應(yīng)

單晶硅材料在受到應(yīng)力作用后，其電阻率發(fā)生明顯變化，這種現(xiàn)象被稱為壓阻效應(yīng)。對半導(dǎo)體材料對金屬材料電阻相對變化量第55頁，課件共177頁，創(chuàng)作于2023年2月擴(kuò)散硅壓力傳感器1一引出線；2一電極；3一擴(kuò)散電阻引線；4一擴(kuò)散型應(yīng)變片5—單晶硅膜片；6—硅環(huán)；7一玻璃粘接劑；8一玻璃基板根據(jù)結(jié)構(gòu)不同，擴(kuò)散硅型傳感器可用來測量壓力、力、壓力差、加速度等，其中應(yīng)用最廣的是擴(kuò)散硅壓力傳感器。第56頁，課件共177頁，創(chuàng)作于2023年2月壓阻式固態(tài)壓力傳感器的隔離、承壓膜片隔離、承壓膜片可以將腐蝕性的氣體、液體與硅膜片隔離開來。

第57頁，課件共177頁，創(chuàng)作于2023年2月壓阻式固態(tài)壓力傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)信號處理電路第58頁，課件共177頁，創(chuàng)作于2023年2月小型壓阻式固態(tài)壓力傳感器高壓進(jìn)氣口低壓進(jìn)氣口絕對壓力傳感器第59頁，課件共177頁，創(chuàng)作于2023年2月小型壓阻式固態(tài)壓力傳感器（續(xù)）呼吸、透析和注射泵設(shè)備中用的壓力傳感器p1進(jìn)氣管p2進(jìn)氣管固態(tài)壓力傳感器K—傳感器的靈敏度系數(shù)

第60頁，課件共177頁，創(chuàng)作于2023年2月小型壓阻式固態(tài)壓力傳感器（續(xù)）表壓壓力傳感器p1進(jìn)氣管第61頁，課件共177頁，創(chuàng)作于2023年2月投入式液位計

壓阻式固態(tài)壓力傳感器用于投入式液位計：p1的進(jìn)氣孔用柔性不銹鋼隔離膜片隔離，并用硅油傳導(dǎo)壓力而與液體相通。

第62頁，課件共177頁，創(chuàng)作于2023年2月投入式液位計外形（續(xù)）壓阻式固態(tài)壓力傳感器光柱顯示器

橡膠背壓管

第63頁，課件共177頁，創(chuàng)作于2023年2月

投入式液位傳感器

投入式液位傳感器安裝方便，適應(yīng)于深度為幾米至幾十米，且混有大量污物、雜質(zhì)的水或其他液體的液位測量。

第64頁，課件共177頁，創(chuàng)作于2023年2月投入式液位計液位的計算：

安裝高度h0處水的表壓

p1=gh1

h=h0+h1=h0+p1/（g）

例：液位計安裝高度為1m，測得壓力為98kPa，求水的深度。第65頁，課件共177頁，創(chuàng)作于2023年2月是以某些電介質(zhì)的壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)，在外力作用下，在電介質(zhì)的表面上產(chǎn)生電荷，從而實(shí)現(xiàn)非電量測量。壓電傳感元件是力敏感元件，所以它能測量最終能變換為力的那些物理量，例如力、壓力、加速度等。壓電式傳感器具有響應(yīng)頻帶寬、靈敏度高、信噪比大、結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、重量輕等優(yōu)點(diǎn)。在工程力學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、石油勘探、聲波測井、電聲學(xué)等許多技術(shù)領(lǐng)域中獲得了廣泛的應(yīng)用。

3.4壓電式傳感器第66頁，課件共177頁，創(chuàng)作于2023年2月壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng)（順壓電效應(yīng)）：某些電介質(zhì)，當(dāng)沿著一定方向?qū)ζ涫┝Χ顾冃螘r，內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在它的一定表面上產(chǎn)生電荷，當(dāng)外力去掉后，又重新恢復(fù)不帶電狀態(tài)的現(xiàn)象。當(dāng)作用力方向改變時，電荷極性也隨著改變。逆壓電效應(yīng)（電致伸縮效應(yīng)）：當(dāng)在電介質(zhì)的極化方向施加電場，這些電介質(zhì)就在一定方向上產(chǎn)生機(jī)械變形或機(jī)械壓力，當(dāng)外加電場撤去時，這些變形或應(yīng)力也隨之消失的現(xiàn)象。電能機(jī)械能正壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)第67頁，課件共177頁，創(chuàng)作于2023年2月天然結(jié)構(gòu)石英晶體的理想外形是一個正六面體，在晶體學(xué)中它可用三根互相垂直的軸來表示，其中Z－Z稱為光軸；X－X軸稱為電軸；與X－X軸和Z－Z軸同時垂直的Y－Y軸（垂直于正六面體的棱面）稱為機(jī)械軸。ZXY(a)(b)石英晶體(a)理想石英晶體的外形(b)坐標(biāo)系ZYX通常把沿電軸X－X方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為“縱向壓電效應(yīng)”，而把沿機(jī)械軸Y－Y方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為“橫向壓電效應(yīng)”，沿光軸Z－Z方向受力則不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。3.4.1石英晶體的壓電效應(yīng)第68頁，課件共177頁，創(chuàng)作于2023年2月

石英晶體具有壓電效應(yīng)，是由其內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定的。組成石英晶體的硅離子Si4+和氧離子O2-在Z平面投影，如圖(a)。為討論方便，將這些硅、氧離子等效為圖(b)中正六邊形排列，圖中“＋”代表Si4+，“－”代表2O2-。

(b)(a)++---YXXY硅氧離子的排列示意圖(a)硅氧離子在Z平面上的投影（b）等效為正六邊形排列的投影+第69頁，課件共177頁，創(chuàng)作于2023年2月

當(dāng)作用力FX=0時，正、負(fù)離子（即Si4+和2O2-）正好分布在正六邊形頂角上，形成三個互成120o夾角的偶極矩P1、P2、P3，如圖（a）所示。此時正負(fù)電荷中心重合，電偶極矩的矢量和等于零，即P1＋P2＋P3＝0當(dāng)晶體受到沿X方向的壓力（FX<0）作用時，晶體沿X方向?qū)a(chǎn)生收縮，正、負(fù)離子相對位置隨之發(fā)生變化，如圖（b）所示。此時正、負(fù)電荷中心不再重合，電偶極矩在X方向的分量為(P1+P2+P3)X>0在Y、Z方向上的分量為（P1+P2+P3）Y=0（P1+P2+P3）Z=0由上式看出，在X軸的正向出現(xiàn)正電荷，在Y、Z軸方向則不出現(xiàn)電荷。Y+++---X(a)FX=0P1P2P3FXXY++++－－－－FX(b)FX<0+++---P1P2P3第70頁，課件共177頁，創(chuàng)作于2023年2月可見，當(dāng)晶體受到沿X(電軸)方向的力FX作用時，它在X方向產(chǎn)生正壓電效應(yīng)，而Y、Z方向則不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。晶體在Y軸方向力FY作用下的情況與FX相似。由此可見，晶體在Y（即機(jī)械軸）方向的力FY作用下，使它在X方向產(chǎn)生正壓電效應(yīng)，在Y、Z方向則不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。

（P1+P2+P3）X<0（P1+P2+P3）Y=0（P1+P2+P3）Z=0(c)FX>0Y+++--X-+++－－－FXFXP2P3P1+－當(dāng)晶體受到沿X方向的拉力（FX＞0）作用時，其變化情況如圖（c）。此時電極矩的三個分量為在X軸的正向出現(xiàn)負(fù)電荷，在Y、Z方向則不出現(xiàn)電荷。第71頁，課件共177頁，創(chuàng)作于2023年2月a—石英晶體結(jié)構(gòu)；b、c、d、e—壓電效應(yīng)示意圖石英晶體結(jié)構(gòu)及壓電效應(yīng)

第72頁，課件共177頁，創(chuàng)作于2023年2月假設(shè)從石英晶體上切下一片平行六面體——晶體切片，使它的晶面分別平行于X、Y、Z軸，并在垂直X軸方向兩面用真空鍍膜或沉銀法得到電極面。

當(dāng)晶片受到沿X軸方向的壓縮應(yīng)力σXX作用時，晶片將產(chǎn)生厚度變形，并發(fā)生極化現(xiàn)象。在晶體線性彈性范圍內(nèi)，極化強(qiáng)度PXX與應(yīng)力σXX成正比ZYXca垂直于電軸X石英晶體切片b第73頁，課件共177頁，創(chuàng)作于2023年2月沿Ｘ方向施加作用力Ｆx時，在與電軸垂直的表面上產(chǎn)生電荷Ｑxx為：

式中d11—石英晶體的縱向壓電系數(shù)在覆以金屬極面間產(chǎn)生的電壓為：

第74頁，課件共177頁，創(chuàng)作于2023年2月如果在同一切片上，沿機(jī)械軸Y方向施加作用力Fy時，則在與X軸垂直的平面上產(chǎn)生電荷為：

式中d12—石英晶體的橫向壓電系數(shù)。根據(jù)石英晶體的軸對稱條件可得d12=-d11,所以

產(chǎn)生電壓為：

第75頁，課件共177頁，創(chuàng)作于2023年2月3.4.2壓電陶瓷的壓電效應(yīng)當(dāng)壓電陶瓷極化處理后，陶瓷材料內(nèi)部存有很強(qiáng)的剩余場極化。當(dāng)陶瓷材料受到外力作用時，電疇的界限發(fā)生移動，引起極化強(qiáng)度變化，產(chǎn)生了壓電效應(yīng)。經(jīng)極化處理的壓電陶瓷具有非常高的壓電系數(shù)，約為石英晶體的幾百倍，但機(jī)械強(qiáng)度較石英晶體差。第76頁，課件共177頁，創(chuàng)作于2023年2月3.4.2壓電陶瓷的壓電效應(yīng)壓電陶瓷屬于鐵電體一類的物質(zhì)，是人工制造的多晶壓電材料，它具有類似鐵磁材料磁疇結(jié)構(gòu)的電疇結(jié)構(gòu)。電疇是分子自發(fā)形成的區(qū)域，它有一定的極化方向，從而存在一定的電場。在無外電場作用時，各個電疇在晶體上雜亂分布，它們的極化效應(yīng)被相互抵消，因此原始的壓電陶瓷內(nèi)極化強(qiáng)度為零，見圖（a）。

直流電場E剩余極化強(qiáng)度剩余伸長電場作用下的伸長(a)極化處理前(b)極化處理中(c)極化處理后

第77頁，課件共177頁，創(chuàng)作于2023年2月但是，當(dāng)把電壓表接到陶瓷片的兩個電極上進(jìn)行測量時，卻無法測出陶瓷片內(nèi)部存在的極化強(qiáng)度。這是因?yàn)樘沾善瑑?nèi)的極化強(qiáng)度總是以電偶極矩的形式表現(xiàn)出來，即在陶瓷的一端出現(xiàn)正束縛電荷，另一端出現(xiàn)負(fù)束縛電荷。由于束縛電荷的作用，在陶瓷片的電極面上吸附了一層來自外界的自由電荷。這些自由電荷與陶瓷片內(nèi)的束縛電荷符號相反而數(shù)量相等，它起著屏蔽和抵消陶瓷片內(nèi)極化強(qiáng)度對外界的作用。所以電壓表不能測出陶瓷片內(nèi)的極化程度，如圖。－－－－－

－－－－－

＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋自由電荷束縛電荷電極電極極化方向陶瓷片內(nèi)束縛電荷與電極上吸附的自由電荷示意圖第78頁，課件共177頁，創(chuàng)作于2023年2月如果在陶瓷片上加一個與極化方向平行的壓力F，如圖，陶瓷片將產(chǎn)生壓縮形變（圖中虛線），片內(nèi)的正、負(fù)束縛電荷之間的距離變小，極化強(qiáng)度也變小。因此，原來吸附在電極上的自由電荷，有一部分被釋放，而出現(xiàn)放電荷現(xiàn)象。當(dāng)壓力撤消后，陶瓷片恢復(fù)原狀(這是一個膨脹過程)，片內(nèi)的正、負(fù)電荷之間的距離變大，極化強(qiáng)度也變大，因此電極上又吸附一部分自由電荷而出現(xiàn)充電現(xiàn)象。這種由機(jī)械效應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦?yīng)，或者由機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿默F(xiàn)象，就是正壓電效應(yīng)。

＋＋＋＋＋－－－－－－－－－－＋＋＋＋＋

極化方向正壓電效應(yīng)示意圖（實(shí)線代表形變前的情況，虛線代表形變后的情況）F－＋第79頁，課件共177頁，創(chuàng)作于2023年2月

同樣，若在陶瓷片上加一個與極化方向相同的電場，如圖，由于電場的方向與極化強(qiáng)度的方向相同，所以電場的作用使極化強(qiáng)度增大。這時，陶瓷片內(nèi)的正負(fù)束縛電荷之間距離也增大，就是說，陶瓷片沿極化方向產(chǎn)生伸長形變（圖中虛線）。同理，如果外加電場的方向與極化方向相反，則陶瓷片沿極化方向產(chǎn)生縮短形變。這種由于電效應(yīng)而轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械效應(yīng)或者由電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的現(xiàn)象，就是逆壓電效應(yīng)。逆壓電效應(yīng)示意圖（實(shí)線代表形變前的情況，虛線代表形變后的情況）－－－－－－＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋－－－－－－極化方向電場方向Ｅ第80頁，課件共177頁，創(chuàng)作于2023年2月

由此可見，壓電陶瓷所以具有壓電效應(yīng)，是由于陶瓷內(nèi)部存在自發(fā)極化。這些自發(fā)極化經(jīng)過極化工序處理而被迫取向排列后，陶瓷內(nèi)即存在剩余極化強(qiáng)度。如果外界的作用（如壓力或電場的作用）能使此極化強(qiáng)度發(fā)生變化，陶瓷就出現(xiàn)壓電效應(yīng)。此外，還可以看出，陶瓷內(nèi)的極化電荷是束縛電荷，而不是自由電荷，這些束縛電荷不能自由移動。所以在陶瓷中產(chǎn)生的放電或充電現(xiàn)象，是通過陶瓷內(nèi)部極化強(qiáng)度的變化，引起電極面上自由電荷的釋放或補(bǔ)充的結(jié)果。第81頁，課件共177頁，創(chuàng)作于2023年2月當(dāng)壓電陶瓷在極化面上受到沿極化方向（Z向）的作用力Fz時（即作用力垂直于極化面），則在兩個鍍銀（或金）的極化面上分別出現(xiàn)正負(fù)電荷，電荷量Qzz與力Fz成比例，即:式中dzz—壓電陶瓷的縱向壓電系數(shù)。輸出電壓為:

壓電陶瓷的壓電效應(yīng)

第82頁，課件共177頁，創(chuàng)作于2023年2月

當(dāng)沿X軸方向施加作用力Fx時，在鍍銀極化面上產(chǎn)生電荷Qzx為:

同理

式中的dz1、dz2是壓電陶瓷在橫向力作用時的壓電系數(shù)，且均為負(fù)值；電荷除以壓電陶瓷片電容Cz可得電壓輸出。

第83頁，課件共177頁，創(chuàng)作于2023年2月3.4.3壓電材料種類：壓電晶體，如石英等；壓電陶瓷，如鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等；壓電半導(dǎo)體，如硫化鋅、碲化鎘等。

對壓電材料特性要求：①轉(zhuǎn)換性能。②機(jī)械性能。③電性能。④環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)。⑤時間穩(wěn)定性。要求壓電性能不隨時間變化。

第84頁，課件共177頁，創(chuàng)作于2023年2月（一）

石英晶體

石英（SiO2）是一種具有良好壓電特性的壓電晶體。其介電常數(shù)和壓電系數(shù)的溫度穩(wěn)定性相當(dāng)好，在常溫范圍內(nèi)這兩個參數(shù)幾乎不隨溫度變化，如下兩圖。由圖可見，在20℃～200℃范圍內(nèi)，溫度每升高1℃，壓電系數(shù)僅減少0.016％。但是當(dāng)?shù)?73℃時，它完全失去了壓電特性，這就是它的居里點(diǎn)。

1.000.990.980.970.960.9520406080100120140160180200dt/d20斜率：－0.016％/℃t℃石英的d11系數(shù)相對于20℃的d11溫度變化特性6543210100200300400500600t/℃相對介電常數(shù)ε居里點(diǎn)石英在高溫下相對介電常數(shù)的溫度特性第85頁，課件共177頁，創(chuàng)作于2023年2月

石英晶體的突出優(yōu)點(diǎn)是性能非常穩(wěn)定，機(jī)械強(qiáng)度高，絕緣性能也相當(dāng)好。但石英材料價格昂貴，且壓電系數(shù)比壓電陶瓷低得多。因此一般僅用于標(biāo)準(zhǔn)儀器或要求較高的傳感器中。因?yàn)槭⑹且环N各向異性晶體，因此，按不同方向切割的晶片，其物理性質(zhì)（如彈性、壓電效應(yīng)、溫度特性等）相差很大。為了在設(shè)計石英傳感器時，根據(jù)不同使用要求正確地選擇石英片的切型。

第86頁，課件共177頁，創(chuàng)作于2023年2月天然形成的石英晶體外形第87頁，課件共177頁，創(chuàng)作于2023年2月天然形成的石英晶體外形（續(xù)）

第88頁，課件共177頁，創(chuàng)作于2023年2月石英晶體切片及封裝石英晶體薄片雙面鍍銀并封裝第89頁，課件共177頁，創(chuàng)作于2023年2月石英晶體振蕩器（晶振）

石英晶體在振蕩電路中工作時，壓電效應(yīng)與逆壓電效應(yīng)交替作用，從而產(chǎn)生穩(wěn)定的振蕩輸出頻率。晶振第90頁，課件共177頁，創(chuàng)作于2023年2月（二）

壓電陶瓷

1、

鈦酸鋇壓電陶瓷鈦酸鋇（BaTiO3）具有很高的介電常數(shù)和較大的壓電系數(shù)（約為石英晶體的50倍）。不足之處是居里溫度低（120℃），溫度穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度不如石英晶體。2、

鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷（PZT）鋯鈦酸鉛是由PbTiO3和PbZrO3組成的固溶體Pb（Zr、Ti）O3。它與鈦酸鋇相比，壓電系數(shù)更大，居里溫度在300℃以上，各項(xiàng)機(jī)電參數(shù)受溫度影響小，時間穩(wěn)定性好。此外，在鋯鈦酸中添加一種或兩種其它微量元素（如鈮、銻、錫、錳、鎢等）還可以獲得不同性能的PZT材料。因此鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷是目前壓電式傳感器中應(yīng)用最廣泛的壓電材料。

第91頁，課件共177頁，創(chuàng)作于2023年2月壓電陶瓷外形

第92頁，課件共177頁，創(chuàng)作于2023年2月無鉛壓電陶瓷及其換能器外形

（上海硅酸鹽研究所研制）

第93頁，課件共177頁，創(chuàng)作于2023年2月（四）壓電半導(dǎo)體材料如ZnO、CdS、ZnO、CdTe，這種力敏器件具有靈敏度高，響應(yīng)時間短等優(yōu)點(diǎn)。此外用ZnO作為表面聲波振蕩器的壓電材料，可測取力和溫度等參數(shù)。（三）壓電聚合物聚二氟乙烯（PVF2）是目前發(fā)現(xiàn)的壓電效應(yīng)較強(qiáng)的聚合物薄膜，這種合成高分子薄膜就其對稱性來看，不存在壓電效應(yīng)，但是它們具有“平面鋸齒”結(jié)構(gòu)，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)極化偶極子。當(dāng)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、穩(wěn)定性好、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(fù)合材料(PVF2—PZT)。

第94頁，課件共177頁，創(chuàng)作于2023年2月高分子壓電薄膜及拉制第95頁，課件共177頁，創(chuàng)作于2023年2月壓電式腳踏報警器

第96頁，課件共177頁，創(chuàng)作于2023年2月3.4.4壓電式傳感器的測量電路壓電傳感器可等效為如圖(a)所示的電壓源,也可等效為一個電荷源，如圖(b)所示。

壓電傳感器電壓源與電荷源等效電路

第97頁，課件共177頁，創(chuàng)作于2023年2月壓電傳感器與測量電路連接時，還應(yīng)考慮連接線路的分布電容Cc，放大電路的輸入電阻Ri，輸入電容Ci及壓電傳感器的內(nèi)阻Ra。

壓電傳感器實(shí)際等效電路第98頁，課件共177頁，創(chuàng)作于2023年2月1.電壓放大器壓電傳感器本身的內(nèi)阻抗很高，而輸出能量較小，因此它的測量電路通常需要接入一個高輸入阻抗的前置放大器。①電壓放大器（阻抗變換器）電壓放大器等效電路圖

放大器的輸出與、、放大器的輸出與，，有關(guān)，而與輸入信號的頻率無關(guān)。

第99頁，課件共177頁，創(chuàng)作于2023年2月②電荷放大器電荷放大器是一種輸出電壓與輸入電荷量成正比的放大器。電荷放大器等效電路

電荷放大器的輸出電壓只與反饋電容有關(guān)，而與連接電纜無關(guān)。放大器的輸出靈敏度取決于。第100頁，課件共177頁，創(chuàng)作于2023年2月3.4.5壓電式傳感器的應(yīng)用

1.YDS-781型壓電式單向傳感器

壓電測力傳感器的結(jié)構(gòu)通常為荷重墊圈式。圖示為YDS-781型壓電式單向傳感器結(jié)構(gòu)，它由底座、傳力上蓋、片式電極、石英晶片、絕緣件及電極引出插座等組成。1-傳力上蓋；2-壓電片；3-片式電極；4-電極引出插頭；5-絕緣材料；6-底座YDS-781型壓電式單向力傳感器結(jié)構(gòu)第101頁，課件共177頁，創(chuàng)作于2023年2月

當(dāng)傳感器感受振動時，因?yàn)橘|(zhì)量塊相對被測體質(zhì)量較小，因此質(zhì)量塊感受與傳感器基座相同的振動，并受到與加速度方向相反的慣性力，此力F＝ma。同時慣性力作用在壓電陶瓷片上產(chǎn)生電荷為

運(yùn)動方向21345縱向效應(yīng)型加速度傳感器的截面圖2.

壓電式加速度傳感器其結(jié)構(gòu)一般有縱向效應(yīng)型、橫向效應(yīng)型和剪切效應(yīng)型三種?？v向效應(yīng)是最常見的,如圖。壓電陶瓷4和質(zhì)量塊2為環(huán)型，通過螺母3對質(zhì)量塊預(yù)先加載，使之壓緊在壓電陶瓷上。測量時將傳感器基座5與被測對象牢牢地緊固在一起。輸出信號由電極1引出。q＝d33F＝d33ma第102頁，課件共177頁，創(chuàng)作于2023年2月3.用壓電式傳感器測表面粗糙度

圖示為壓電式傳感器在輪廓儀上應(yīng)用時的結(jié)構(gòu)示意圖。傳感器由驅(qū)動箱拖動使其觸針在工件表面以恒速滑行。工件表面的起伏不平使觸針上下運(yùn)動，通過針桿使壓電晶體隨之變形，這樣，在壓電晶體表面就產(chǎn)生電荷，由引線輸出與觸針位移成正比的電信號。

壓電式傳感器表面粗糙度測試示意圖第103頁，課件共177頁，創(chuàng)作于2023年2月4.煤氣灶電子點(diǎn)火裝置

煤氣灶電子點(diǎn)火裝置原理是利用高壓跳火來點(diǎn)燃煤氣。當(dāng)使用者將開關(guān)往里壓時，把氣閥打開；將開關(guān)旋轉(zhuǎn)，則使彈簧往左壓；此時，彈簧有一很大的力撞擊壓電晶體，則產(chǎn)生高壓放電，導(dǎo)致燃燒盤點(diǎn)火。在工程和機(jī)械加工中，壓電力傳感器可用于測量各種機(jī)械設(shè)備及部件所受的沖擊力。例如鍛造工作中的鍛錘、打夯機(jī)、打樁機(jī)、振動給料機(jī)的激振器、地質(zhì)鉆機(jī)鉆探?jīng)_擊器、船舶、車輛碰撞等機(jī)械設(shè)備沖擊力的測量，均可采用壓電力傳感器。煤氣灶電子點(diǎn)火裝置第104頁，課件共177頁，創(chuàng)作于2023年2月優(yōu)點(diǎn)：測量范圍大、靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡單、適應(yīng)性強(qiáng)、動態(tài)響應(yīng)時間短、易實(shí)現(xiàn)非接觸測量等。應(yīng)用：壓力、位移、厚度、加速度、液位、物位、濕度和成分含量等測量之中。3.5電容式傳感器及其應(yīng)用第105頁，課件共177頁，創(chuàng)作于2023年2月3.5.1電容式傳感器的工作原理和結(jié)構(gòu)

用兩塊金屬平板作電極可構(gòu)成電容器，當(dāng)忽略邊緣效應(yīng)時，其電容C為S—極板相對覆蓋面積；δ—極板間距離；εr—相對介電常數(shù)；ε0—真空介電常數(shù)，ε0＝8.85pF/m；ε—電容極板間介質(zhì)的介電常數(shù)。Sδε

上式中，哪幾個參量是變量？可以做成哪幾種類型的電容傳感器？

第106頁，課件共177頁，創(chuàng)作于2023年2月δ、S和εr中的某一項(xiàng)或幾項(xiàng)有變化時，就改變了電容C0。δ或S的變化可以反映線位移或角位移的變化，也可以間接反映壓力、加速度等的變化；εr的變化則可反映液面高度、材料厚度等的變化。

三種基本類型：變極距(變間隙)(δ)型變面積型(S)型變介電常數(shù)(εr)型第107頁，課件共177頁，創(chuàng)作于2023年2月1.變極距型電容傳感器平行板電容器的ε和S不變，只改變電容器兩極板之間距離d。該類型傳感器常用于壓力的測量。

設(shè)初始極距為，當(dāng)動極板有位移，使極板間距減小值后，其電容值變大。C0為初始電容值。電容量Cx與位移x不是線性關(guān)系。其靈敏度不為常數(shù)

第108頁，課件共177頁，創(chuàng)作于2023年2月為了提高傳感器靈敏度，減小非線性誤差，實(shí)際應(yīng)用中大都采用差動式結(jié)構(gòu)。

如圖示(1為動片、2為定片)，中間電極若受力向上位移Δd，則C1容量增加，C2容量減小，兩電容差值為：

電容傳感器做成差動型后之后，靈敏度提高一倍。

得到：第109頁，課件共177頁，創(chuàng)作于2023年2月2.變面積型傳感器

變面積式差動電容結(jié)構(gòu)原理圖

第110頁，課件共177頁，創(chuàng)作于2023年2月圖（a）所示平板形位移x后，電容量由初始值變?yōu)椋弘娙萘孔兓?/p>

靈敏度為：

第111頁，課件共177頁，創(chuàng)作于2023年2月

圓柱形電容式位移傳感器，圖（b），設(shè)內(nèi)外電極長度為L，起始電容量為C0，動極向上位移y后，電容量變?yōu)镃y：

電容量變化

：

靈敏度為：第112頁，課件共177頁，創(chuàng)作于2023年2月

對于角位移傳感器，圖（c），設(shè)兩片極板全重合（θ=0）時的電容量為C0，動片轉(zhuǎn)動角度θ后，電容量變?yōu)椋弘娙萘孔兓?/p>

靈敏度為：

第113頁，課件共177頁，創(chuàng)作于2023年2月3.變介電常數(shù)式在電容器兩極板間插入不同介質(zhì)，電容器的電容量就不同，利用這種原理制作的變介電常數(shù)型電容式傳感器常被用來測量液體的液位和材料的厚度。

電容液位計原理圖

第114頁，課件共177頁，創(chuàng)作于2023年2月可見，傳感器電容量C與被測液位高度hx成線性關(guān)系。

第115頁，課件共177頁，創(chuàng)作于2023年2月3.5.2電容式傳感器測量電路1．橋式電路單臂接法的橋式測量轉(zhuǎn)換電路。當(dāng)交流電橋平衡時有：

當(dāng)Cx改變時，，有電壓信號輸出。圖(b)為差動電容式傳感器，其空載輸出電壓為：

第116頁，課件共177頁，創(chuàng)作于2023年2月電容式傳感器橋式轉(zhuǎn)換電路

式中，為傳感器的初始電容值；為傳感器的電容變化值。需要注意的是，該轉(zhuǎn)換電路的輸出需經(jīng)過相敏檢波電路處理才能分辨。第117頁，課件共177頁，創(chuàng)作于2023年2月2.調(diào)頻電路

調(diào)頻電路將電容式傳感器作為LC振蕩器諧振回路的一部分，當(dāng)電容傳感器工作時，電容Cx發(fā)生變化，就使振蕩器的頻率f產(chǎn)生相應(yīng)的變化。第118頁，課件共177頁，創(chuàng)作于2023年2月3.脈沖調(diào)制電路

脈沖寬度調(diào)制電路是利用傳感器電容的充放電使電路輸出脈沖的寬度隨電容式傳感器的電容量變化而變化，通過低通濾波器得到對應(yīng)于被測量變化的直流信號。

第119頁，課件共177頁，創(chuàng)作于2023年2月脈沖寬度調(diào)制電路的輸出電壓波形圖差動電容的變化使充電時間t1、t2不相等，從而使觸發(fā)器輸出端的脈沖寬度不同，經(jīng)濾波器有直流電壓輸出。

第120頁，課件共177頁，創(chuàng)作于2023年2月P2玻璃盤鍍金層金屬膜片C2電極引線p1C1電容式差壓傳感器

結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、響應(yīng)速度快(約100ms)能測微小壓差(0～0.75Pa)、真空或微小絕對壓力需把膜片的一側(cè)密封并抽成高真空(10-5Pa)即可。3.5.3電容式傳感器的應(yīng)用

第121頁，課件共177頁，創(chuàng)作于2023年2月231B面A面546Cx1Cx21、5－固定極板2－殼體3－簧片4－質(zhì)量塊6－絕緣體精度較高，頻率響應(yīng)范圍寬，量程大，可以測很高的加速度.電容式加速度傳感器第122頁，課件共177頁，創(chuàng)作于2023年2月a)測振幅b)測軸回轉(zhuǎn)精度和軸心偏擺被測物振動電容式傳感器被測軸電容式傳感器電容式位移傳感器應(yīng)用

第123頁，課件共177頁，創(chuàng)作于2023年2月電容式液位計

棒狀電極（金屬管）外面包裹聚四氟乙烯套管，當(dāng)被測液體的液面上升時，引起棒狀電極與導(dǎo)電液體之間的電容變大。

聚四氟乙烯外套第124頁，課件共177頁，創(chuàng)作于2023年2月電容式液位限位傳感器

液位限位傳感器與液位變送器的區(qū)別在于：它不給出模擬量，而是給出開關(guān)量。當(dāng)液位到達(dá)設(shè)定值時，它輸出低電平。但也可以選擇輸出為高電平的型號。第125頁，課件共177頁，創(chuàng)作于2023年2月液位限位傳感器的設(shè)定

智能化液位傳感器的設(shè)定方法十分簡單：用手指壓住設(shè)定按鈕，當(dāng)液位達(dá)到設(shè)定值時，放開按鈕，智能儀器就記住該設(shè)定。正常使用時，當(dāng)水位高于該點(diǎn)后，即可發(fā)出報警信號和控制信號。設(shè)定按鈕第126頁，課件共177頁，創(chuàng)作于2023年2月智能化液位限位傳感器的設(shè)定按鈕超限燈正常工作指示燈設(shè)定按鈕電源指示燈第127頁，課件共177頁，創(chuàng)作于2023年2月硅微加工加速度傳感器圖示加速度傳感器以微細(xì)加工技術(shù)為基礎(chǔ)，既能測量交變加速度（振動），也可測量慣性力或重力加速度。其工作電壓為2.7～5.25V，加速度測量范圍為數(shù)個g，可輸出與加速度成正比的電壓也可輸出占空比正比于加速度的PWM脈沖。第128頁，課件共177頁，創(chuàng)作于2023年2月硅微加工加速度傳感器原理

1—加速度測試單元

2—信號處理電路

3—襯底

4—底層多晶硅（下電極）

5—多晶硅懸臂梁

6—頂層多晶硅（上電極）第129頁，課件共177頁，創(chuàng)作于2023年2月

利用微電子加工技術(shù)，可以將一塊多晶硅加工成多層結(jié)構(gòu)。在硅襯底上，制造出三個多晶硅電極，組成差動電容C1、C2。圖中的底層多晶硅和頂層多晶硅固定不動。中間層多晶硅是一個可以上下微動的振動片。其左端固定在襯底上，所以相當(dāng)于懸臂梁。

當(dāng)它感受到上下振動時，C1、C2呈差動變化。與加速度測試單元封裝在同一殼體中的信號處理電路將ΔC轉(zhuǎn)換成直流輸出電壓。它的激勵源也做在同一殼體內(nèi)，所以集成度很高。由于硅的彈性滯后很小，且懸臂梁的質(zhì)量很輕，所以頻率響應(yīng)可達(dá)1kHz以上，允許加速度范圍可達(dá)10g以上。

如果在殼體內(nèi)的三個相互垂直方向安裝三個加速度傳感器，就可以測量三維方向的振動或加速度。第130頁，課件共177頁，創(chuàng)作于2023年2月加速度傳感器在汽車中的應(yīng)用

加速度傳感器安裝在轎車上，可以作為碰撞傳感器。當(dāng)測得的負(fù)加速度值超過設(shè)定值時，微處理器據(jù)此判斷發(fā)生了碰撞，于是就啟動轎車前部的折疊式安全氣囊迅速充氣而膨脹，托住駕駛員及前排乘員的胸部和頭部。

裝有傳感器的假人氣囊第131頁，課件共177頁，創(chuàng)作于2023年2月汽車氣囊的保護(hù)作用

使用加速度傳感器可以在汽車發(fā)生碰撞時，經(jīng)控制系統(tǒng)使氣囊迅速充氣。

第132頁，課件共177頁，創(chuàng)作于2023年2月汽車氣囊對駕駛員的保護(hù)作用第133頁，課件共177頁，創(chuàng)作于2023年2月利用加速度傳感器實(shí)現(xiàn)延時起爆的鉆地炸彈傳感器安裝位置第134頁，課件共177頁，創(chuàng)作于2023年2月濕敏電容

利用具有很大吸濕性的絕緣材料作為電容傳感器的介質(zhì)，在其兩側(cè)面鍍上多孔性電極。當(dāng)相對濕度增大時，吸濕性介質(zhì)吸收空氣中的水蒸氣，使兩塊電極之間的介質(zhì)相對介電常數(shù)大為增加（水的相對介電常數(shù)為80），所以電容量增大。

第135頁，課件共177頁，創(chuàng)作于2023年2月濕敏電容外形吸水高分子薄膜第136頁，課件共177頁，創(chuàng)作于2023年2月濕敏電容模塊及傳感器外形第137頁，課件共177頁，創(chuàng)作于2023年2月濕敏電容傳感器的安裝使用在野外的使用帶報警器的家庭使用型第138頁，課件共177頁，創(chuàng)作于2023年2月多孔性氧化鋁濕敏電容傳感器外形

第139頁，課件共177頁，創(chuàng)作于2023年2月電容式油量表

機(jī)械式油量表：在油箱內(nèi)，裝有類似衛(wèi)生間水箱里的浮球，通過杠桿帶動電阻絲式圓盤電位器，由電流表指示出油量。第140頁，課件共177頁，創(chuàng)作于2023年2月電容式油量表

當(dāng)油箱中注滿油時，液位上升，指針停留在轉(zhuǎn)角為m處。當(dāng)油箱中的油位降低時，電容傳感器的電容量Cx減小，電橋失去平衡，伺服電動機(jī)反轉(zhuǎn)，指針逆時針偏轉(zhuǎn)（示值減?。瑫r帶動RP的滑動臂移動。當(dāng)RP阻值達(dá)到一定值時，電橋又達(dá)到新的平衡狀態(tài)，伺服電動機(jī)停轉(zhuǎn)，指針停留在新的位置（

x處）。該油量表屬于開環(huán)系統(tǒng)還是閉環(huán)系統(tǒng)？第141頁，課件共177頁，創(chuàng)作于2023年2月

該油量表可用于飛機(jī)油箱第142頁，課件共177頁，創(chuàng)作于2023年2月電容式接近開關(guān)

被檢測物體可以是導(dǎo)電體、介質(zhì)損耗較大的絕緣體、含水的物體（例如飼料、人體等）；可以是接地的，也可以是不接地的。調(diào)節(jié)接近開關(guān)尾部的靈敏度調(diào)節(jié)電位器，可以根據(jù)被測物不同來改變動作距離。第143頁，課件共177頁，創(chuàng)作于2023年2月電容式接近開關(guān)外形齊平式非齊平式第144頁，課件共177頁，創(chuàng)作于2023年2月非齊平式接近開關(guān)的安裝非齊平式安裝時，傳感器高于安裝支架，易損壞。第145頁，課件共177頁，創(chuàng)作于2023年2月全密封防水式遠(yuǎn)距離式（大量程）第146頁，課件共177頁，創(chuàng)作于2023年2月電容式接近開關(guān)在液位測量控制中的使用第147頁，課件共177頁，創(chuàng)作于2023年2月電容式接近開關(guān)在

液位物位測量控制中的使用第148頁，課件共177頁，創(chuàng)作于2023年2月電容式接近開關(guān)在物位測量控制中的使用演示第149頁，課件共177頁，創(chuàng)作于2023年2月不同材料的非金屬檢測物對電容式接近開關(guān)動作距離的影響第150頁，課件共177頁，創(chuàng)作于2023年2月3.6電感式傳感器

電感傳感器的基本原理是電磁感應(yīng)原理。利用電磁感應(yīng)將被測非電量（如壓力、位移等）轉(zhuǎn)換成電感量的變化輸出。常用的有自感式和互感式兩類。電感式壓力傳感器大都采用變隙式電感做為檢測元件，它和彈性敏感元件組合在一起構(gòu)成電感式壓力傳感器。第151頁，課件共177頁，創(chuàng)作于2023年2月先看一個實(shí)驗(yàn)：

將一只380V交流接觸器線圈與交流毫安表串聯(lián)后，接到機(jī)床用控制變壓器的36V交流電壓源上，如下頁圖所示。這時毫安表的示值約為幾十毫安。用手慢慢將接觸器的活動鐵心（稱為銜鐵）往下按，我們會發(fā)現(xiàn)毫安表的讀數(shù)逐漸減小。當(dāng)銜鐵與固定鐵心之間的氣隙等于零時，毫安表的讀數(shù)只剩下十幾毫安。

第152頁，課件共177頁，創(chuàng)作于2023年2月電感傳感器的基本工作原理演示F220V準(zhǔn)備工作第153頁，課件共177頁，創(chuàng)作于2023年2月電感傳感器的基本工作原理演示氣隙變小，電感變大，電流變小F第154頁，課件共177頁，創(chuàng)作于2023年2月自感式電感傳感器常見的形式

變隙式變截面式螺線管式

第155頁，課件共177頁，創(chuàng)作于2023年2月電感傳感器的基本工作原理當(dāng)鐵心的氣隙較大時，磁路的磁阻Rm也較大，線圈的電感量L和感抗XL較小，所以電流I較大。當(dāng)鐵心閉合時，磁阻變小、電感變大，電流減小。

第156頁，課件共177頁，創(chuàng)作于2023年2月線圈自感

Ψ——線圈總磁鏈,單位：韋伯；I——通過線圈的電流，單位：安培；N——線圈的匝數(shù)；Rm——磁路總磁阻，單位：1/亨。a)氣隙型b)截面型c)螺管型自感式傳感器原理圖3.6.1自感式傳感器1.工作原理第157頁，課件共177頁，創(chuàng)作于2023年2月自感式電感傳感器有變氣隙式、變截面式和螺管式3種類型。（1）變氣隙式電感傳感器電感量L為：

當(dāng)銜鐵受外力作用使氣隙厚度減小，則線圈電感也發(fā)生變化，為：靈敏度為：

第158頁，課件共177頁，創(chuàng)作于2023年2月電感式傳感器的輸出特性1—實(shí)際輸出特性；2—理想輸出特性

氣隙變化量Δδ越小，非線性失真越??；氣隙δo越小，靈敏度越高。輸出特性如圖(a)所示。

第159頁，課件共177頁，創(chuàng)作于2023年2月

（2）變截面式電感傳感器若保持氣隙厚度δ為常數(shù)，則L=f(A)即電感L是氣隙截面積的函數(shù)，故稱這種傳感器為變截面式電感傳感器。其輸入輸出是線性關(guān)系，靈敏度為：

靈敏度是一常數(shù)。但是，由于漏感、結(jié)構(gòu)的限制等原因，這種類型的傳感器線性區(qū)較小，量程也不大，在工業(yè)中用得不多。

第160頁，課件共177頁，創(chuàng)作于2023年2月

（3）螺管式電感傳感器

螺管式電感傳感器由1只螺管線圈和1根柱形銜鐵組成。當(dāng)被測量作用在銜鐵上時，會引起銜鐵在線圈中伸入長度的變化，從而引起螺管線圈電感量的變化。對于長螺管線圈且銜鐵工作在螺管的中部時，可以認(rèn)為線圈內(nèi)磁場強(qiáng)度是均勻的。此時線圈電感量與銜鐵插入深度成正比。

這種傳感器結(jié)構(gòu)簡單，制作容易，但靈敏度較低、且銜鐵在螺管中間部分工作時，才能獲得較好的線性關(guān)系。因此，螺管式電感傳感器適用于測量比較大的位移。第161頁，課件共177頁，創(chuàng)作于2023年2月

（4）差動電感傳感器

兩個完全相同的單個線圈的電感傳感器共用1根活動銜鐵就構(gòu)成了差動式電感傳感器。靈敏度為：第162頁，課件共177頁，創(chuàng)作于2023年2月

差動電感傳感器的輸出特性如圖所示。其中曲線1、2是上、下單線圈自感式電感傳感器的輸出特性，曲線3是差接后的輸出特性。由此可以看出，差動式電感傳感器除了可以改善線性、提高靈敏度外，對溫度的變化、電源頻率變化等影響，也可進(jìn)行補(bǔ)償，從而減少了外界影響造成的誤差。差動式電感傳感器輸出特性第163頁，課件共177頁，創(chuàng)作于2023年2月1.變壓器式交流電橋

變壓器電橋電路相鄰兩工作臂是差動電感傳感器的兩個線圈，阻抗Z1、Z2；另外兩臂為激勵變壓器的二次線圈。輸出電壓取自A、B兩點(diǎn)。若D點(diǎn)為零電位，且傳感器線圈的品質(zhì)因素(Q值)較高，即線圈直流電阻遠(yuǎn)小于其感抗?？赏茖?dǎo)出輸出電壓為：

2.測量電路第164頁，課件共177頁，創(chuàng)作于2023年2月

當(dāng)傳感器的銜鐵下移時，即Z1=Z-ΔZ，Z2=Z+ΔZ，此時：由此可見，輸出電壓反映了傳感器線圈阻抗的變化，由于是交流信號，因此還要經(jīng)過適當(dāng)電路處理才能判別銜鐵位移的大小及方向。第165頁，課件共177頁，創(chuàng)作于2023年2月2.相敏檢波電路

下圖是相敏檢波電路圖。圖中，UX為電感傳感器的輸出信號，UR為參考電壓，相敏檢波