第3章電感與壓電式傳感器技術(shù)3.1自感式傳感器3.2差動(dòng)變壓器3.3電渦流傳感器3.4感應(yīng)同步器3.5壓電式傳感器3.6石英晶體諧振式傳感器3.7聲表面波傳感器 3.1自感式傳感器

3.1.1自感式傳感器的工作原理及分類

圖3.1.1是自感式傳感器或稱可變磁阻式傳感器的原理圖，是由鐵芯1、線圈2和銜鐵3所組成。線圈套在鐵芯上，鐵芯與銜鐵之間有一個(gè)空氣隙，空氣隙厚度為δ，傳感器的運(yùn)動(dòng)部分與銜鐵相連，運(yùn)動(dòng)部分產(chǎn)生位移時(shí)，δ產(chǎn)生變化，從而使電感值發(fā)生變化。

由電磁學(xué)理論可知，線圈的電感值可按式(3.1.1)計(jì)算：(3.1.1)圖3.1.1鐵芯線圈

如不考慮鐵損，且氣隙δ較小時(shí)，其總磁阻由鐵芯與銜鐵的磁阻Rc和空氣隙的磁阻Rδ兩部分組成，即:(3.1.2)式中，l—鐵芯和銜鐵的磁路長(zhǎng)度，m；

μ—鐵芯和銜鐵的導(dǎo)磁率，L/m；

S—鐵芯和銜鐵的橫截面，m2；

S0—空氣隙的導(dǎo)磁橫截面積，m2；

δ

—?dú)庀堕L(zhǎng)度，m；

μ0—空氣隙的導(dǎo)磁率，L/m。

由于鐵芯和銜鐵通常是用高導(dǎo)磁率的材料，如電工純鐵、鎳鐵合金或硅鐵合金等制成，而且工作在非飽和狀態(tài)下，其導(dǎo)磁率遠(yuǎn)大于空氣隙的導(dǎo)磁率，即μ>>μ0，故Rc可以忽略，即式(3.1.3)代入式(3.1.1)可得(3.14)

由式(3.1.4)可知，當(dāng)鐵芯材料和線圈匝數(shù)確定后，電感L與導(dǎo)磁橫截面S0成正比，與氣隙長(zhǎng)度δ成反比。如通過(guò)被測(cè)量改變S0和δ(即移動(dòng)銜鐵位置)，則可實(shí)現(xiàn)位移與電感間的轉(zhuǎn)換，這就是自感傳感器的工作原理。

根據(jù)式(3.1.4)可知，自感式傳感器分為三種類型，如圖3.1.2所示，(1)改變氣隙厚度δ的自感傳感器，稱為變間隙式自感傳感器，如圖(a)所示；(2)改變氣隙截面S的自感傳感器，稱為變截面式自感傳感器，如圖(b)所示；(3)螺管式(同時(shí)改變?chǔ)暮蚐0)的自感傳感器，稱為螺管式自感傳感器，如圖(c)所示。圖3.1.2自感應(yīng)傳感器3.1.2自感式傳感器輸出特性

為了正確使用這類傳感器，下面討論自感式傳感器的輸出特性。由式(3.1.4)可知，改變氣隙δ的自感傳感器的輸出特性如圖3.1.3所示，其L與δ呈雙曲線關(guān)系，即輸出特性為非線性，其靈敏度為(3.15)由式(3.1.5)可知，在δ小的情況下，具有很高的靈敏度，故傳感器的初始間隙δ0之值不能過(guò)大，但太小裝配又比較困難，通常δ0

=0.1mm～0.5mm。為了使傳感器有較好的線性輸出特性，必須限制測(cè)量范圍，銜鐵的位移一般不能超過(guò)(0.1～0.2)δ0，故這種傳感器多用于微小位移測(cè)量。圖3.1.3變間隙式自感傳感器的輸出特性圖3.1.4變截面式自感傳感器的輸出特性由式(3.1.4)可知，改變氣隙截面積S的自感傳感器輸出特性如圖3.1.4所示，其L與S0呈線性關(guān)系，靈敏度為(3.1.6)這種傳感器在改變截面時(shí)，其銜鐵行程受到的限制小，故測(cè)量范圍較大。又因銜鐵易做成轉(zhuǎn)動(dòng)式，故多用于角位移測(cè)量。螺管式自感傳感器，由于磁場(chǎng)分布不均勻，故從理論上來(lái)分析較困難。由實(shí)驗(yàn)可知，其輸出特性為非線性關(guān)系，且靈敏度較前兩種形式低，但測(cè)量范圍廣，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，裝配容易，又因螺管可以做得較長(zhǎng)，故宜于測(cè)量較大的位移。3.1.3差動(dòng)自感傳感器的原理

上述三種類型的自感式傳感器，雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)用方便，但存在著缺點(diǎn)，如線圈流往負(fù)載的電流不可能等于零；銜鐵永遠(yuǎn)受到吸力；線圈電阻受溫度影響，有溫度誤差，不能反映被測(cè)量的變化方向等。因此，在實(shí)際中應(yīng)用較少，而常采用差動(dòng)自感傳感器。

差動(dòng)自感傳感器是將有公共銜鐵的兩個(gè)相同自感傳感器結(jié)合在一起的一種傳感器，上述三種類型的電感式傳感器都有相應(yīng)的差動(dòng)形式。圖3.1.5為差動(dòng)變間隙式電感傳感器結(jié)構(gòu)及特性。圖3.1.5差動(dòng)變間隙式自感傳感器(3.1.7)因L1

、L2總是接成差動(dòng)形式，故總的電感變化量為為便于比較，將圖3.1.5(a)中的下鐵芯和線圈去掉不用，使其單邊工作，則在相同的初始?xì)庀鼎?下，測(cè)桿移動(dòng)相同的Δδ時(shí)，其電感變化量為通過(guò)以上討論可知，差動(dòng)方式工作比相同情況下單邊方式工作有如下優(yōu)點(diǎn):

(1).由式(3.1.11)和式(3.1.13)可知，銜鐵在中間位置附近，差動(dòng)方式比單邊方式的靈敏度高一倍。

(2).差動(dòng)方式工作實(shí)際上是將L1和L2接在電橋的相鄰臂上，故有溫度自補(bǔ)償作用和抗外磁場(chǎng)干擾能力較強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。

(3).差動(dòng)方式工作由于結(jié)構(gòu)對(duì)稱，故銜鐵受到的電磁吸力為上下兩部分電磁吸力之差，這在某種程度上可以得到補(bǔ)償，且線性度高。3.1.4自感式位移傳感器

1.軸向自感式位移傳感器的結(jié)構(gòu)

圖3.1.6為軸向自感式位移傳感器結(jié)構(gòu)圖。可換測(cè)頭10連接測(cè)桿8，測(cè)桿受力后鋼球?qū)к?作軸向移動(dòng)，帶動(dòng)上端的銜鐵3在線圈4中移動(dòng)。兩個(gè)線圈接成差動(dòng)形式，通過(guò)導(dǎo)線1接入測(cè)量電路，測(cè)桿的復(fù)位靠彈簧5，端部裝有密封套9，以防止灰塵等臟物進(jìn)入傳感器。這種自感式傳感器的自由行程較大，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝容易，缺點(diǎn)是靈敏度低，且不宜測(cè)量快速變化的位移。

2.自感式位移傳感器的測(cè)量電路

自感式位移計(jì)測(cè)量電路將電感量的變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流變化，送入放大器，再由指示儀表或記錄儀表指示或記錄。

測(cè)量電路的形式很多，通常都采用電橋電路，如圖3.1.7所示。電橋的兩臂Z1和Z2是電路位移計(jì)兩個(gè)線圈的阻抗(因?yàn)榫€圈的導(dǎo)線具有電阻R，所以阻抗可看作電阻R和電感L的串聯(lián)，即Z1=R1+jωL1，Z2=R2+jωL2)；電橋的另外兩個(gè)橋臂為電源變壓器次級(jí)線圈的兩個(gè)半繞組，半繞組的電壓為U0/2；電橋?qū)茿、B兩點(diǎn)的電位差為電橋的輸出電壓。圖3.1.6軸向自感式位移傳感器的結(jié)構(gòu)圖3.1.7電感式位移傳感器測(cè)量電路假設(shè)阻抗Z1上端點(diǎn)處的電位為0，則A點(diǎn)的電位B點(diǎn)的電位A、B兩點(diǎn)的電位差即輸出電壓(3.1.16)由式(3.1.16)可知:

(1)當(dāng)測(cè)桿的鐵芯或銜鐵處于中間位置時(shí)，兩線圈的電感相等，如果兩線圈繞制得對(duì)稱，則阻抗也相等。因Z1=Z2=Z0，則輸出電壓

(2)當(dāng)測(cè)桿的鐵芯向上移動(dòng)時(shí)，上線圈的阻抗增加，下線圈的阻抗減小，即Z1=Z0+ΔZ，Z2=Z0－ΔZ，則輸出電壓由式(3.1.18)和式(3.1.19)可知，當(dāng)測(cè)桿的鐵芯，由平衡位置上下移動(dòng)相同的距離、產(chǎn)生相同電感增量時(shí)，電橋空載輸出電壓大小相等而符號(hào)相反，由此測(cè)得位移的大小和方向。 3.2差動(dòng)變壓器

3.2.1差動(dòng)變壓器工作原理及特性

差動(dòng)變壓器主要由一個(gè)線框和一個(gè)鐵芯組成，在線框上繞有一組初級(jí)線圈作為輸入線圈，在同一線框上另繞兩組次級(jí)線圈作為輸出線圈，并在線框中央圓柱孔中放入鐵芯，如圖3.2.1所示，當(dāng)初級(jí)線圈加以適當(dāng)頻率的電壓激勵(lì)時(shí)，根據(jù)變壓器的作用原理，在兩個(gè)次級(jí)線圈中就產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。

當(dāng)鐵芯處于中間位置時(shí)，由于兩個(gè)次級(jí)線圈完全相同，即兩個(gè)次級(jí)線圈通過(guò)的磁力線相等，因而感應(yīng)電勢(shì)U21=U22

，則輸出電壓U2=U21

－U22=0(3.2.1)圖3.2.1差動(dòng)變壓器當(dāng)鐵芯向右移動(dòng)時(shí)，右邊次級(jí)線圈內(nèi)所穿過(guò)磁通要比左邊次級(jí)線圈所穿過(guò)磁通多一些，所以互感也大些，感應(yīng)電勢(shì)U22也增大，而左邊次級(jí)線圈中穿過(guò)的磁通減少，感應(yīng)電勢(shì)U21也減小，則輸出電壓U=U21－U22<0(3.2.2)當(dāng)鐵芯向左移動(dòng)時(shí)，與上述情況恰好相反，則輸出電壓U=U21－U22>0(3.2.3)由上述討論可見，輸出電壓的正負(fù)反映了鐵芯的運(yùn)動(dòng)方向，輸出電壓的大小反映了鐵芯的位移大小，其輸出特性如圖3.2.2(a)所示；在實(shí)際中使用的差動(dòng)變壓器，其特性如圖3.2.2(b)所示，當(dāng)x=0時(shí)，其輸出電壓ΔU≠0，而是Uδ，此值約為1mV～幾十mV，并稱為零位電壓。產(chǎn)生零位電壓的原因很多，首先是結(jié)構(gòu)和電氣參數(shù)不對(duì)稱；其次是導(dǎo)磁材料的不均質(zhì)，電源電壓波形失真及含有噪聲等諸多因素所引起。零位電壓是有害的，首先給測(cè)試結(jié)果帶來(lái)誤差，其次使零位附近變得不靈敏(因在x=0附近曲線較平坦)，故在實(shí)際使用時(shí)，在測(cè)量電路中要采取補(bǔ)償措施，才能加以應(yīng)用。此外，這種傳感器易受溫度影響，其中影響最大的是初級(jí)線圈電阻溫度系數(shù)，當(dāng)溫度升高時(shí)，電阻增大，在工作電壓不變時(shí)電流將減小，從而引起輸出電壓減小，為克服此缺點(diǎn)，可采用恒流源供電或加熱敏電阻補(bǔ)償。圖3.2.2差動(dòng)變壓器的輸出特性3.2.2差動(dòng)變壓器測(cè)量電路

1.差動(dòng)整流電路

差動(dòng)變壓器最常用的測(cè)量電路是差動(dòng)整流電路，如圖3.2.3所示。把差動(dòng)變壓器的兩個(gè)次級(jí)輸出電壓分別整流，然后將整流的電壓或電流的差值作為輸出。圖3.2.3(a)和圖3.2.3(b)為電壓輸出型，用于連接高阻抗負(fù)載電路，圖中的電位器用于調(diào)整零點(diǎn)殘余電壓；圖3.2.3(c)和圖3.2.3(d)為電流輸出型，用于連接低阻抗負(fù)載電路。采用差動(dòng)整流電路后，不但可以用零值居中的直流電表指示輸出電壓或電流的大小和極性，還可以有效地消除殘余電壓，同時(shí)可使線性工作范圍得到一定的擴(kuò)展。

圖3.2.3差動(dòng)整流電路下面結(jié)合圖3.2.3(b)全波電壓輸出電路，分析差動(dòng)整流電路的工作原理。全波整流電路，是根據(jù)半導(dǎo)體二極管單向?qū)ㄔ磉M(jìn)行解調(diào)的。設(shè)某瞬間載波為正半周，此時(shí)差動(dòng)變壓器兩個(gè)次級(jí)線圈的相位關(guān)系為A正B負(fù)，C正D負(fù)；在上線圈中，電流自A點(diǎn)出發(fā)，路徑為A→1→2→9→11→4→3→B，流過(guò)電容的電流是由2到4，電容C1上的電壓為U24；在下線圈中，電流自C點(diǎn)出發(fā)，路徑為C→5→6→10→11→8→7→D，流過(guò)電容C2的電流是由6到8，電容兩端的電壓為U68。差動(dòng)變壓器的輸出電壓為上述兩電壓的代數(shù)和，即U2=U24－U68

。鐵芯在零位以上或以下時(shí)，輸出電壓的極性相反，于是零點(diǎn)殘余電壓會(huì)自動(dòng)抵消，由此可見，差動(dòng)整流電路可以不考慮相位調(diào)整和零點(diǎn)殘余電壓的影響。此外，還具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、分布電容影響小和便于遠(yuǎn)距離傳輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)，獲得廣泛的應(yīng)用。在遠(yuǎn)距離傳輸時(shí)，將此電路的整流部分放在差動(dòng)變壓器的一端，整流后的輸出線延長(zhǎng)，就可避免感應(yīng)和引出線分布電容的影響。3.2.3微小位移測(cè)量

對(duì)于測(cè)量小位移的差動(dòng)變壓器，由于輸出信號(hào)小，還需在差動(dòng)變壓器的輸出端接入放大器，把放大的信號(hào)輸入到LZX1的信號(hào)輸入端。一般經(jīng)過(guò)相敏檢波和差動(dòng)整流輸出的信號(hào)，還需通過(guò)低通濾波器，把調(diào)制時(shí)引入的高頻信號(hào)衰減掉，只讓鐵芯運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的有用信號(hào)通過(guò)。DGS—20C/A型測(cè)微儀的框圖如圖3.2.4所示。該測(cè)微儀由穩(wěn)壓電源、振蕩器和指示儀表組成。位移計(jì)和測(cè)量電橋?qū)⑽灰妻D(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，電壓信號(hào)經(jīng)調(diào)制后送放大器放大，然后送相敏檢波器檢波，獲得原始位移信號(hào)，最后送指示電表或記錄器顯示或記錄。

此位移傳感器的測(cè)量范圍一般為幾mm，分辨率可達(dá)0.1μm～0.5μm，工作可靠。缺點(diǎn)是動(dòng)態(tài)性能差，只能用于靜態(tài)測(cè)量。4圖3.2.4DGS—20C/A測(cè)微儀的方框圖 3.3電渦流傳感器

3.3.1電渦流效應(yīng)

金屬導(dǎo)體置于變化著的磁場(chǎng)中，導(dǎo)體內(nèi)就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，這種電流像水中旋渦那樣在導(dǎo)體內(nèi)轉(zhuǎn)圈，所以稱之為電渦流或渦流，這種現(xiàn)象就稱為電渦流效應(yīng)。電渦流的產(chǎn)生必然要消耗一部分磁場(chǎng)能量，從而使產(chǎn)生磁場(chǎng)的線圈阻抗發(fā)生變化，要形成渦流必須具備下列兩個(gè)條件：

(1)存在交變磁場(chǎng)；

(2)導(dǎo)電體處于交變磁場(chǎng)中。因此，渦流式傳感器主要是由產(chǎn)生交變磁場(chǎng)的通電線圈和置于線圈附近處于交變磁場(chǎng)中的金屬導(dǎo)體兩部分組成。金屬導(dǎo)體也可以是被測(cè)對(duì)象本身。

渦流的大小與金屬導(dǎo)體的電阻率ρ、導(dǎo)磁率μ、厚度h以及線圈與金屬體的距離x、線圈的激磁電流角頻率ω等參數(shù)有關(guān)。固定其中若干參數(shù)，就能按渦流大小測(cè)量出另外一些參數(shù)，從而做成位移、振幅、厚度等傳感器。

渦流傳感器在金屬導(dǎo)體上產(chǎn)生的渦流，其滲透深度是與傳感器線圈激磁電流的頻率有關(guān)的，所以渦流傳感器主要可分為高頻反射式和低頻透射式兩類。3.3.2高頻反射式渦流傳感器

1.工作原理

高頻反射式渦流傳感器的工作原理如圖3.3.1所示。如果把一個(gè)半徑為r的線圈置于一塊電阻率為ρ、磁導(dǎo)率為μ、厚度為h、溫度為T的金屬板附近，當(dāng)線圈中通以正弦交變電流時(shí)，線圈的周圍空間就產(chǎn)生了正弦交變磁場(chǎng)H1，處于此交變磁場(chǎng)中的金屬導(dǎo)體內(nèi)就會(huì)產(chǎn)生渦流，此渦流也將產(chǎn)生交變磁場(chǎng)H2，H2

的方向與H1的方向相反，由于交變磁場(chǎng)H2的作用，渦流要消耗一部分能量，從而使產(chǎn)生磁場(chǎng)的線圈阻抗發(fā)生變化。由物理學(xué)原理可知，線圈阻抗發(fā)生的變化不僅與電渦流效應(yīng)有關(guān)，而且與靜磁學(xué)效應(yīng)有關(guān)，即與金屬導(dǎo)體的電阻率ρ、磁導(dǎo)率μ、勵(lì)磁頻率f以及傳感器與被測(cè)導(dǎo)體間的距離x有關(guān)，可用如下函數(shù)表示

Z=F(ρ、μ、x、f)(3.3.1)當(dāng)金屬導(dǎo)體的電阻率ρ、磁導(dǎo)率μ、勵(lì)磁頻率f保持不變時(shí)，上式可寫成Z=F(x)(3.3.2)由此可見，當(dāng)傳感器與被測(cè)導(dǎo)體間的距離x發(fā)生變化時(shí)，通過(guò)測(cè)量電路，可將Z的變化轉(zhuǎn)換為電壓U的變化，這樣就達(dá)到了把位移(或振幅)轉(zhuǎn)換為電量的目的。輸出電壓U與位移x間的關(guān)系曲線如圖3.3.2所示，在中間一般呈線性關(guān)系，其范圍為平面線圈外徑的1/3～1/5(線性誤差為3%～4%)。傳感器的靈敏度與線圈的形狀和大小有關(guān)，線圈的形式最好是盡可能窄而扁平，當(dāng)線圈的直徑增大時(shí)，線性范圍也相應(yīng)增大，但靈敏度相應(yīng)地降低。圖3.3.1高頻反射式渦流傳感器的關(guān)系曲線圖3.3.2輸出電壓U與位移X間的工作原理

2.結(jié)構(gòu)形式

高頻反射式渦流傳感器的結(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)單，主要是一個(gè)安裝在框架上的線圈，線圈可以繞成一個(gè)扁平圓形，粘貼在框架上，也可以在框架上開一個(gè)槽，導(dǎo)線繞制在槽內(nèi)而形成一個(gè)線圈，線圈的導(dǎo)線一般采用高強(qiáng)度漆包銅線，如要求高一些，可用銀或銀合金線；在較高溫度的條件下，需用高溫漆包線。

圖3.3.3為CZF1型渦流傳感器的結(jié)構(gòu)圖，它是采用把導(dǎo)線繞制在框架上形成的，框架采用聚四氟乙烯，CZF1型渦流傳感器的性能如表3.3.1所示。應(yīng)該指出，由于這種傳感器的線圈與被測(cè)金屬之間是磁性耦合的，并利用這種耦合程度的變化作為測(cè)試值，所以作為傳感器的線圈裝置僅為“實(shí)際傳感器的一半”，而另一半是被測(cè)體，無(wú)論是被測(cè)體的物理性質(zhì)，還是它的尺寸和形狀都與測(cè)量裝置的特性有關(guān)，所以，在電渦流式傳感器的設(shè)計(jì)和使用中，必須同時(shí)考慮被測(cè)物體的物理性質(zhì)和幾何形狀及尺寸。圖3.3.3CZF1型渦流傳感器的結(jié)構(gòu)圖

3.測(cè)量電路

由工作原理可知，被測(cè)參數(shù)的變化可以轉(zhuǎn)化為傳感器線圈阻抗Z的變化，轉(zhuǎn)換電路的作用是把線圈阻抗Z的變化轉(zhuǎn)換為電壓或電流的輸出。

(1)電橋電路

電橋電路的原理如圖3.3.4所示，圖中A、B為傳感器線圈，它們與C1、C2和電阻R1、R2組成電橋的四個(gè)臂。電橋電路的電源由振蕩器供給，振蕩頻率根據(jù)渦流式傳感器的需要選擇，當(dāng)傳感器線圈的阻抗變化時(shí)，電橋失去平衡。電橋的不平衡輸出經(jīng)線性放大和檢波，就可以得到與被測(cè)量(距離)成比例的電壓輸出。這種方法電路簡(jiǎn)單，主要用在差動(dòng)式電渦流傳感器中。圖3.3.4電橋法原理圖

(2)諧振幅值電路

諧振幅值電路是把傳感器線圈與電容并聯(lián)組成LC并聯(lián)諧振回路，并聯(lián)諧振回路的諧振頻率為(3.3.3)(3.3.4)諧振時(shí)回路的等效阻抗最大，為式中，R’—回路的等效損耗電阻。當(dāng)電感L發(fā)生變化時(shí)，回路的等效阻抗和諧振頻率將隨著L的變化而變化，由此我們可以利用測(cè)量回路阻抗的方法間接反映出傳感器的被測(cè)值，即所謂的調(diào)幅法。圖3.3.5(a)是調(diào)幅法的原理圖。傳感器線圈與電容組成LC并聯(lián)諧振回路，它由石英振蕩器輸出的高頻信號(hào)激勵(lì)，它的輸出電壓為(3.3.5)式中，i0—高頻激勵(lì)電流；

Z—LC回路的阻抗。由圖3.3.5和式(3.3.5)可知，Z越大，則輸出電壓u越大。

當(dāng)傳感器遠(yuǎn)離被測(cè)導(dǎo)體時(shí)，調(diào)整LC回路，使其諧振頻率等于激勵(lì)振蕩器的振蕩頻率。當(dāng)傳感器接近被測(cè)導(dǎo)體時(shí)，線圈的等效電感發(fā)生變化，致使回路失諧而偏離激勵(lì)頻率，回路的諧振峰將向左右移動(dòng)，如圖3.3.5(b)所示。若被測(cè)導(dǎo)體為非磁性材料，傳感器線圈的等效電感減小，回路的諧振頻率提高，諧振峰右移，回路所呈現(xiàn)的阻抗減小為Z1’或Z2’

，輸出電壓就將由u降為u1’

或u2’

。當(dāng)被測(cè)導(dǎo)體為磁性材料時(shí)，由于磁路的等效磁導(dǎo)率增大，使傳感器線圈的等效電感增大，回路的諧振頻率降低，諧振峰左移，阻抗和輸出電壓分別減小為Z1或Z2

和u1

或u2

，因此，可以由輸出電壓的變化來(lái)表示傳感器與被測(cè)導(dǎo)體間距離的變化，如圖3.3.5(c)所示。圖3.3.5調(diào)幅線路原理圖和特性曲線3.3.3低頻透射式渦流傳感器

1.低頻透射式渦流傳感器測(cè)厚原理

低頻透射式渦流傳感器工作原理如圖3.3.6所示。圖中的發(fā)射線圈L1和接收線圈L2是兩個(gè)繞于膠木棒上的線圈，分別位于被測(cè)材料M的上、下方。由振蕩器產(chǎn)生的音頻電壓u加到L1的兩端后，線圈中即流過(guò)一個(gè)同頻率的交流電流，并在其周圍產(chǎn)生一交變磁場(chǎng)。下面分兩種情況進(jìn)行討論。

1)兩線圈之間不存在被測(cè)材料M

如果兩線圈之間不存在被測(cè)材料M，L1的磁場(chǎng)就能直接貫穿L2，于是L2的兩端會(huì)感生出一交變電勢(shì)E。E的大小與u的幅值、頻率以及L1和L2圈數(shù)、結(jié)構(gòu)和兩者間的相對(duì)位置有關(guān)，如果這些參數(shù)都確定不變，那么E就是一個(gè)恒定值。

2)兩線圈之間存在被測(cè)材料M

如果在L1和L2之間放置一金屬板M后，情況就不同了，L1產(chǎn)生的磁力線必然切割M(M可以看作是一匝短路線圈)，并在其中產(chǎn)生渦流i，這個(gè)渦流損耗了部分磁場(chǎng)能量，使到達(dá)L2的磁力線減少，從而引起E的下降。M的厚度h越大，渦流損耗也越大，E就越小，由此可知，E的大小間接反映了M的厚度h，這就是低頻透射式渦流傳感器測(cè)厚原理。

2.低頻透射式渦流傳感器測(cè)厚應(yīng)注意的問(wèn)題

(1)實(shí)際上，M中的渦流i的大小不僅取決于厚度h，且與金屬板M的電阻率ρ有關(guān)，而ρ又與金屬材料的化學(xué)成份和物理狀態(tài)(特別是與溫度)有關(guān)，于是引起相應(yīng)的測(cè)試誤差，并限制了這種傳感器的測(cè)厚范圍。但是，可以采用對(duì)不同化學(xué)成分的材料分別進(jìn)行校正，以及要求被測(cè)材料溫度恒定等辦法補(bǔ)救。

(2)為了使交變電勢(shì)E與厚度h得到較好的線性關(guān)系，即使傳感器具有較寬的測(cè)量范圍，應(yīng)選用較低的測(cè)試頻率f，通常選1kHz。但這時(shí)靈敏度較低，不同頻率下對(duì)同一種材料的E=f(h)的關(guān)系曲線如圖3.3.7所示。

(3)對(duì)于一定的測(cè)試頻率f，當(dāng)被測(cè)材料的電阻率ρ不同時(shí)，引起了E=f(t)曲線形狀的變化。為使測(cè)量不同ρ的材料時(shí)所得曲線形狀相近，就需在ρ變動(dòng)時(shí)同時(shí)改變f，即測(cè)ρ較小的材料(如紫銅)時(shí)，選用較低的f(500Hz)，而測(cè)ρ較大的材料(如黃銅、鋁)時(shí)，則選用較高的f(2kHz)，從而保證傳感器在測(cè)量不同材料時(shí)的線性度和靈敏度。圖3.3.6透射式渦流傳感器原理圖圖3.3.7線圈感應(yīng)電勢(shì)與厚度關(guān)系曲線3.3.4電渦流式傳感器的應(yīng)用

1．電渦流位移傳感器

電渦流位移傳感器是根據(jù)高頻反射式渦流傳感器的基本原理研制和生產(chǎn)的。電渦流位移傳感器可以用來(lái)測(cè)量各種形狀試件的位移量，例如：

(1)汽輪機(jī)主軸的軸向位移，如圖3.3.8(a)所示；

(2)磨床換向閥、先導(dǎo)閥的位移，如圖3.3.8(b)所示；

(3)金屬試件的熱膨脹系數(shù)，如圖3.3.8(c)所示。

圖3.3.8電渦流位移傳感器電渦流位移計(jì)測(cè)量位移的范圍可以從0～1mm至0～30mm，國(guó)外個(gè)別產(chǎn)品可以達(dá)80mm，一般的分辨率為滿量程的0.1%，也有達(dá)到0.5um(其全量程為0～5um)的。例如，CZF1-1000型傳感器與BZF-1、ZZF-5310型配套時(shí)，有0～1mm、0～3mm、0～5mm等幾種主要類型傳感器，其分辨率為0.1%。另外，凡是可變換成位移量的參數(shù)，都可用電渦流式傳感器來(lái)測(cè)量，如鋼水液位，紗線張力，流體壓力等。

2.厚度測(cè)量

渦流傳感器可無(wú)接觸地測(cè)量金屬板厚度和非金屬板的鍍層厚度，如圖3.3.9(a)所示。當(dāng)金屬板的厚度變化時(shí)，傳感器與金屬板間的距離改變，從而引起輸出電壓的變化。由于在工作過(guò)程中金屬板會(huì)上下波動(dòng)，這將影響其測(cè)量精度，因此常用比較的方法測(cè)量，在板的上下各安裝一渦流傳感器，如圖3.3.9(b)所示，其距離為D，而它們與板的上下表面分別相距為d1和d2，這樣板厚h為h=D－(d1+d2)(3.3.6)圖3.3.9厚度檢測(cè) 3.4感應(yīng)同步器

3.4.1感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)

1.直線感應(yīng)同步器

直線感應(yīng)同步器由定尺和滑尺組成，如圖3.4.1所示，定尺和滑尺上均做成印刷電路繞組。定尺為一組長(zhǎng)度為250mm均勻分布的連續(xù)繞組，如圖3.4.2所示，節(jié)距W2=2(a2+b2)，其中a2為導(dǎo)電片片寬，b2為片間間隔。滑尺包括兩組節(jié)距相等，兩組間相差900電角交替排列的正弦繞組和余弦繞組，為此兩相繞組中心線距應(yīng)為l1=(n/2+1/4)W2，其中n為正整數(shù)。兩相繞組節(jié)距相同，都為W1=2(a1+b1)，其中a1為片寬，b1為片間間隔。目前一般取W2=2mm?；哂袌D3.4.2(b)所示的W型和圖3.4.2(c)所示的U型。圖3.4.1直線感應(yīng)同步器的外形定尺、滑尺截面結(jié)構(gòu)如圖3.4.3所示。定尺繞組表面上涂一層耐切削液絕緣清漆涂層?；呃@組表面帶絕緣層的鋁箔，起靜電屏蔽作用。因?yàn)閷⒒哂寐葆敯惭b在機(jī)械設(shè)備上時(shí)，鋁箔起著自然接地的作用。它應(yīng)足夠薄，以免產(chǎn)生較大渦流，不但損耗功率，而且影響電磁耦合和造成去磁現(xiàn)象。可選用帶塑料的鋁箔(鋁金紙)，總厚度約為0.04mm左右。圖3.4.2繞組結(jié)構(gòu)常用電解銅箔構(gòu)成平面繞組導(dǎo)片，要求厚薄均勻，無(wú)缺陷，一般厚度選用0.1mm以下，容許通過(guò)的電流密度為5A/mm2?；逵脤?dǎo)磁系數(shù)高，矯頑磁力小的導(dǎo)磁材料制成，一般用優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，其厚度為10mm左右。

通過(guò)用酚醛玻璃環(huán)氧絲布和聚乙烯醇縮丁醛膠或采用聚酰胺做固化劑的環(huán)氧樹脂為絕緣層的粘合材料，其粘著力強(qiáng)、絕緣性好，一般絕緣粘合薄膜厚度小于0.1mm。

圖3.4.3定尺、滑尺的截面結(jié)構(gòu)滑尺的配置與接線如圖3.4.4所示，它共有48個(gè)U形激磁繞組。為了減小由于定尺和滑尺工作面不平行或氣隙不均勻帶來(lái)的誤差，正弦和余弦繞組交替排列。圖3.4.4滑尺的配置與接線

2.圓感應(yīng)同步器

圓感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)如圖3.4.5所示，圓感應(yīng)同步器又稱旋轉(zhuǎn)式感應(yīng)同步器，其轉(zhuǎn)子相當(dāng)于直線感應(yīng)同步器的定尺，定子相當(dāng)于滑尺。目前按圓感應(yīng)同步器直徑大致可分成302mm、178mm、76mm、50mm四種，其徑向?qū)w數(shù)，也稱極數(shù)，有360、720、1080和512極。一般說(shuō)來(lái)，在極數(shù)相同的情況下，圓感應(yīng)同步器的直徑做得越大，越容易做得準(zhǔn)確，精度也就越高。圖3.4.5圓感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)示意圖3.4.2感應(yīng)同步器的工作原理

當(dāng)激磁繞組用10kHz的正弦電壓激磁時(shí)，將產(chǎn)生同頻率的交變磁通，如圖3.4.6所示(這里只畫了一相激磁繞組)。這個(gè)交變磁通與感應(yīng)繞組耦合，在感應(yīng)繞組上產(chǎn)生同頻率的交變電勢(shì)，這個(gè)電勢(shì)的幅值，除了與激磁頻率、感應(yīng)繞組耦合的導(dǎo)體組、耦合長(zhǎng)度、激磁電流、兩繞組間隙有關(guān)外，還與兩繞組的相對(duì)位置有關(guān)。為了說(shuō)明感應(yīng)電勢(shì)和位置的關(guān)系，由圖3.4.7可知，當(dāng)滑尺上的正弦繞組S和定尺上的繞組位置重合(A點(diǎn))時(shí)，耦合磁通最大，感應(yīng)電勢(shì)最大；當(dāng)繼續(xù)平行移動(dòng)滑尺時(shí)，感應(yīng)電勢(shì)慢慢減小，當(dāng)移動(dòng)到1/4節(jié)距位置處(B點(diǎn))，在感應(yīng)繞組內(nèi)的感應(yīng)電勢(shì)相抵消，總電勢(shì)為0；繼續(xù)移動(dòng)到半個(gè)節(jié)距時(shí)(C點(diǎn))，可得到與初始位置極性相反的最大感應(yīng)電勢(shì)；在3/4節(jié)距處(D點(diǎn))又變?yōu)?，移動(dòng)到下一個(gè)節(jié)距時(shí)(E點(diǎn))，又回到與初始位置完全相同的耦合狀態(tài)，感應(yīng)電勢(shì)為最大；這樣感應(yīng)電勢(shì)隨著滑尺相對(duì)定尺的移動(dòng)而呈周期性變化。圖3.4.6感應(yīng)同步器的工作原理示意圖圖3.4.7感應(yīng)電勢(shì)與兩繞組相對(duì)位置的關(guān)系

同理，可以得到定尺繞組與滑尺上余弦繞組C之間的感應(yīng)電勢(shì)周期變化圖像，如圖3.4.7下部所示。適當(dāng)加大激磁電壓將獲得較大的感應(yīng)電勢(shì)，但過(guò)大的激磁電壓將引起過(guò)大的激磁電流，致使溫升過(guò)高而不能正常工作，一般選用1～2V。當(dāng)激磁頻率f等一些參數(shù)選定之后，通過(guò)信號(hào)處理電路就能得到被測(cè)位移與感應(yīng)電勢(shì)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而達(dá)到測(cè)量的目的。3.4.3感應(yīng)同步器的電氣參數(shù)

通過(guò)電氣參數(shù)的分析，可進(jìn)一步了解感應(yīng)同步器的工作原理，感應(yīng)同步器的電氣原理與變壓器相同，故可用一等效電路來(lái)表征，但由于感應(yīng)同步器是弱磁場(chǎng)空氣耦合器件，因而與一般的鐵心電機(jī)有很大的差別。

1)感抗遠(yuǎn)小于電阻

同步器繞組處在磁導(dǎo)率為μ0的介質(zhì)中(即使是鐵基板，也還存在很大的氣隙)，因而在通常所采用的工作頻率下(f=1～10kHz)，繞組的感抗小于電阻，感抗值大約是后者的2%。

2)輸出電壓遠(yuǎn)小于勵(lì)磁電壓

由于原、副端之間存在很大的氣隙，大致相當(dāng)于極距的25%左右，原副端耦合很松，故勵(lì)磁電壓遠(yuǎn)比輸出電壓大。當(dāng)原、副端耦合的電壓最大時(shí)，兩者之比稱為電壓傳遞系數(shù)ku。電壓傳遞系數(shù)與感應(yīng)同步器的尺寸、極數(shù)、工作頻率及氣隙大小有關(guān)，其變化很大，通常在幾十到幾百之間。

3)輸入電壓失真系數(shù)大于勵(lì)磁電壓失真系數(shù)

由于勵(lì)磁電壓幾乎全部變?yōu)殡娮鑹航?，所以?lì)磁電流的大小只決定于勵(lì)磁電壓和繞組電阻，而與頻率無(wú)關(guān)。頻率愈高，ku愈小，在相同的勵(lì)磁電壓下，輸出電壓愈高。由此可知，在勵(lì)磁電壓存在失真的情況下，次諧波電壓成分對(duì)基波電壓成分的比值，經(jīng)過(guò)感應(yīng)同步器，在其輸出電壓中將與諧波次數(shù)成正比地增大，故輸出電壓的失真系數(shù)要大于勵(lì)磁電壓的失真系數(shù)。

4)有較強(qiáng)的抗干擾能力

輸出阻抗的絕對(duì)值較小，約為幾Ω到幾十Ω，因而雖然輸出信號(hào)較小，但構(gòu)成的系統(tǒng)仍有較強(qiáng)的抗干擾能力。

3.5壓電式傳感器

3.5.1壓電傳感器的工作原理

1.壓電效應(yīng)

當(dāng)某些物質(zhì)沿其某一方向施加壓力或拉力時(shí)，會(huì)產(chǎn)生變形，此時(shí)這種材料的兩個(gè)表面將產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷，當(dāng)去掉外力后，它又重新回到不帶電狀態(tài)，這種現(xiàn)象被稱為壓電效應(yīng)。有時(shí)人們又把這種機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿默F(xiàn)象，稱為“順壓電效應(yīng)”。反之，在某些物質(zhì)的極化方向上施加電場(chǎng)，它會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形，當(dāng)去掉外加電場(chǎng)后，該物質(zhì)的變形隨之消失，把這種電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的現(xiàn)象，稱為“逆壓電效應(yīng)”。具有壓電效應(yīng)的電介物質(zhì)稱為壓電材料。在自然界中，大多數(shù)晶體都具有壓電效應(yīng)，如天然形成的石英晶體、人工制造的壓電陶瓷等。現(xiàn)以石英晶體為例說(shuō)明壓電效應(yīng)。

石英晶體是最常用的壓電晶體之一，石英晶體是單晶體結(jié)構(gòu)。圖3.5.1為天然結(jié)構(gòu)的石英晶體理想外形，它是一個(gè)正六面體，在晶體學(xué)中可以把它用三根互相垂直的軸來(lái)表示，其中縱向軸Z稱為晶體的光軸，經(jīng)過(guò)正六面體棱線，并垂直于光軸Z的X軸稱為電軸，垂直于光軸Z和電軸X的Y軸稱為機(jī)械軸。把沿電軸施加作用力后的壓電效應(yīng)稱為“縱向壓電效應(yīng)”；把沿機(jī)械軸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方向施加作用力則不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。從晶體上沿軸線切下的一片平行六面體稱為壓電晶體切片，如圖3.5.2所示。當(dāng)晶體在沿X軸的方向上受到壓縮應(yīng)力Fx的作用時(shí)，晶片將產(chǎn)生厚度變形，會(huì)在與電軸垂直的平面上產(chǎn)生電荷Qx，其大小為：(3.5.1)式中，d11—x軸方向受力的壓電系數(shù)；圖3.5.1石英晶體圖3.5.2晶體切片電荷Qx的符號(hào)由Fx是受壓還是受拉而決定。從式(3.5.1)也可以看出，該電荷的大小與切片的幾何尺寸無(wú)關(guān)。

若在同一切片上，沿機(jī)械軸Y方向施加作用力Fy，則仍在與X鈾垂直的平面上產(chǎn)生電荷，但極性方向相反，此時(shí)電荷的大小為：(3.5.2)式中，d11—y軸方向受力的壓電系數(shù)，因石英軸對(duì)稱，所以有d12=-d11；a，b一分別為切片的長(zhǎng)度和厚度。從式(3.5.2)可以看出，沿機(jī)械軸方向的力作用在晶體上產(chǎn)生的電荷大小與晶體切片的尺寸有關(guān)。式中的“-”號(hào)說(shuō)明沿Y軸的壓力所引起的電荷極性與沿X軸的壓力所引起的電荷極性是相反的。據(jù)上述所講，晶體切片上受力后產(chǎn)生電荷極性與受力方向的關(guān)系如圖3.5.3所示。圖3.5.3晶體切片上電荷極性與受力方向的關(guān)系如果在片狀壓電材料的兩個(gè)電極面上加以交流電壓，那么壓電片會(huì)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，即壓電晶片在電極方向上有伸縮現(xiàn)象，壓電材料的這種現(xiàn)象稱為“電致伸縮效應(yīng)”，因?yàn)檫@種現(xiàn)象與壓電效應(yīng)結(jié)果正好相反，故也稱之為“逆壓電效應(yīng)”。石英晶體的壓電效應(yīng)與其內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān)。石英晶體即二氧化硅，它的化學(xué)式為SiO2。為了直觀地了解其壓電效應(yīng)，將一個(gè)單元中構(gòu)成石英晶體的硅離子和氧離子，在垂直于Z軸的XY平面上的投影，等效為圖3.5.4中的正六邊形排列，圖中代表Si4+，代表2O2-。當(dāng)石英晶體未受外力作用時(shí)，正、負(fù)離子(即Si4+和2O2-)正好分布在正六邊形的頂角上，形成三個(gè)大小相等、互成120°夾角的電偶極矩P1、P2和P3，如圖3.5.4(a)所示。P=ql，q為電荷量，l為正、負(fù)電荷之間的距離。電偶極矩方向?yàn)樨?fù)電荷指向正電荷，此時(shí)，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，這時(shí)晶體表面不產(chǎn)生電荷，從整體上說(shuō)它呈電中性。圖3.5.4石英晶體壓電效應(yīng)機(jī)理示意圖當(dāng)石英晶體受到沿X軸方向的壓力作用時(shí)，將產(chǎn)生壓縮變形，正、負(fù)離子的相對(duì)位置隨之變動(dòng)，正、負(fù)電荷中心不再重合，如圖3.5.4(b)所示。電偶極矩在X軸方向的分量為(P1+P2+P3)X＞0，在X軸的正方向的晶體表面上出現(xiàn)正電荷；而在Y軸和Z軸方向的分量均為零，即(P1+P2+P3)Y=0，(P1+P2+P3)Z=0；在垂直于Y軸和Z軸的晶體表面上不出現(xiàn)電荷。這種沿X軸施加力，而在垂直于X軸的晶體表面上產(chǎn)生電荷的現(xiàn)象，稱為“縱向壓電效應(yīng)”。當(dāng)石英晶體受到沿Y軸方向的壓力作用時(shí)，晶體變形，如圖3.5.4(c)所示。電偶極矩在X軸方向的分量(P1+P2+P3)X＜0，在X軸的正方向的晶體表面上出現(xiàn)負(fù)電荷；同樣，在垂直于Y軸和Z軸的晶體表面上不出現(xiàn)電荷。這種沿Y軸施加力，而在垂直于X軸的晶體表面上產(chǎn)生電荷的現(xiàn)象，稱為“橫向壓電效應(yīng)”。

當(dāng)晶體受到沿Z軸方向的力(無(wú)論是壓力或拉力)作用時(shí)，因?yàn)榫w在X方向和Y方向的變形相同，正、負(fù)電荷中心始終保持重合，電偶極矩在X、Y方向的分量等于零。所以沿光軸方向施加力，石英晶體不會(huì)產(chǎn)生壓電效應(yīng)。

2.壓電材料

應(yīng)用于壓電傳感器中的壓電材料可以分為三大類：一類是壓電晶體，如石英晶體等；另一類為壓電陶瓷，如鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛、鈮酸鹽系壓電陶瓷等；第三類是高分子壓電材料，如聚偏二氟乙稀(PVF2)等，這是一種新的壓電材料。

(1)壓電晶體

壓電晶體的種類很多，如石英、酒石酸鉀鈉、電氣石、磷酸銨(ADP)、硫酸鋰等，其中，石英晶體是壓電傳感器中常用的一種性能優(yōu)良的壓電材料。石英晶體在XYZ直角坐標(biāo)中，沿不同方位進(jìn)行切割，可得到不同的幾何切型，而不同切型的晶片，其壓電常數(shù)、彈性常數(shù)、介電常數(shù)、溫度特性等參數(shù)都不一樣。石英晶體的切型很多，如xy(即X0°)切型，表示晶體的厚度方向平行于X軸，晶片面與X軸垂直，不繞任何坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)，簡(jiǎn)稱X切，如圖3.5.5(a)所示；又如yx(即Y0°)切型，表示晶片的厚度方向與Y軸平行，晶片面與Y軸垂直，不繞任何坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)，簡(jiǎn)稱Y切，如圖3.5.5(b)所示。設(shè)計(jì)傳感器時(shí)可根據(jù)需要，適當(dāng)選擇切型。圖3.5.5石英晶體的切族石英晶體的突出優(yōu)點(diǎn)是性能非常穩(wěn)定，它不需要人工極化處理，沒(méi)有熱釋電效應(yīng)，介電常數(shù)和壓電常數(shù)的溫度穩(wěn)定性好，在常溫范圍內(nèi)，這兩個(gè)參數(shù)幾乎不隨溫度變化。在20～200℃溫度范圍內(nèi)，溫度每升高1℃，壓電常數(shù)僅減小0.061%，溫度上升到400℃，壓電常數(shù)d11也只減小5%；但當(dāng)溫度超過(guò)500℃時(shí)，d11值急劇下降；當(dāng)溫度達(dá)到573℃(居里點(diǎn)溫度)時(shí)，石英晶體就完全失去壓電特性。此外，石英晶體還具有自振頻率高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好、機(jī)械強(qiáng)度高、絕緣性能好、遲滯小、重復(fù)性好、線性范圍寬等優(yōu)點(diǎn)。

石英晶體的缺點(diǎn)是壓電常數(shù)較小，因此，它大多只在標(biāo)準(zhǔn)傳感器、高精度傳感器或使用溫度較高的傳感器中用作壓電元件，而在一般要求測(cè)量用的壓電式傳感器中，則基本上采用壓電陶瓷。

(2)壓電陶瓷

壓電陶瓷的特點(diǎn)是：壓電常數(shù)大，靈敏度高；制造工藝成熟，可通過(guò)合理配方和摻雜等人工控制方法來(lái)達(dá)到所要求的性能；成形工藝性好，成本低廉，利于廣泛應(yīng)用。壓電陶瓷除具有壓電性外，還具有熱釋電性。

常用的一種壓電陶瓷是鈦酸鋇，它的壓電常數(shù)要比石英晶體的壓電常數(shù)大幾十倍，且介電常數(shù)和體電阻率也都比較高。但其溫度穩(wěn)定性、長(zhǎng)時(shí)期穩(wěn)定性以及機(jī)械強(qiáng)度都不如石英，而且工作溫度最高只有80℃左右。另一種著名的壓電陶瓷是鋯鈦酸鉛(PZT)壓電陶瓷，它是由鈦酸鉛和鋯酸鉛組成的固熔體，它具有很高的介電常數(shù)，工作溫度可達(dá)250℃，各項(xiàng)機(jī)電參數(shù)隨溫度和時(shí)間等外界因素的變化較小。由于鋯鈦酸鉛壓電陶瓷在壓電性能和溫度穩(wěn)定性等方面都遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于鈦酸鋇壓電陶瓷，因此，它是目前最普遍使用的一種壓電材料。

(3)新型壓電材料

①壓電半導(dǎo)體

壓電半導(dǎo)體材料有硫化鋅(ZnS)、碲化鎘(CdTe)、氧化鋅(ZnO)、硫化鎘(CdS)、碲化鋅(ZnTe)和砷化鎵(GaAs)等，這些材料的顯著特點(diǎn)是：既有壓電特性，又有半導(dǎo)體特性。因此，既可用其壓電特性研制傳感器，又可用其半導(dǎo)體特性制作電子器件；也可以兩者結(jié)合，集敏感元件與電子線路于一體，研制新型集成壓電傳感器測(cè)試系統(tǒng)。②有機(jī)高分子壓電材料

某些合成高分子聚合物(如聚氟乙烯(PVF)、聚偏二氟乙烯(PVF2)、聚氯乙烯(PVC)等)，經(jīng)延展拉伸和電極化后，可形成具有壓電性高分子的壓電材料。聚偏二氟乙烯(PVF2)是有機(jī)高分子半晶態(tài)聚合物，結(jié)晶度約50%，PVF2原料可制成薄膜、厚膜、管狀和粉狀等各種形狀。當(dāng)聚合物由150℃熔融狀態(tài)冷卻時(shí)主要生存α晶型，α晶型沒(méi)有壓電效應(yīng)。若將α晶型定向拉抻，則得到β晶型，β晶型的碳-氟偶極矩在垂直分子鏈取向，形成自發(fā)極化強(qiáng)度，再經(jīng)一定的極化處理后，晶胞內(nèi)部的偶極矩進(jìn)一步旋轉(zhuǎn)定向，形成垂直于薄膜平面的碳-氟偶極矩固定結(jié)構(gòu)，當(dāng)薄膜受外力作用時(shí)，剩余極化強(qiáng)度改變，薄膜呈現(xiàn)出壓電效應(yīng)。

PVF2壓電薄膜的壓電靈敏度極高，比PZT壓電陶瓷大17倍，且在10-5Hz～500MHz頻率范圍內(nèi)具有平坦的響應(yīng)特性。此外，它還有機(jī)械強(qiáng)度高、柔軟、不脆、耐沖擊、易加工成大面積元件和陣列元件、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)。

(4)壓電材料的主要特性

壓電材料的主要特性有：

①機(jī)-電轉(zhuǎn)換性能：應(yīng)具有較大的壓電常數(shù)d；

②機(jī)械性能：壓電元件作為受力元件，應(yīng)具有強(qiáng)度高，剛度大，以期獲得寬的線性范圍和高的固有振動(dòng)頻率；

③電性能：應(yīng)具有高的電阻率和大的介電常數(shù)，以期減弱外部分布電容的影響和減小電荷泄漏并獲得良好的低頻特性。

④溫度和濕度穩(wěn)定性良好，具有較高的居里點(diǎn)(在此溫度時(shí)，壓電材料的壓電性能被破壞)，以期得到較寬的工作溫度范圍。

⑤時(shí)間穩(wěn)定性：壓電特性不隨時(shí)間蛻變。3.5.2壓電傳感器的連接形式及等效電路

1.壓電傳感器的連接方式

壓電傳感器的基本原理是壓電材料的壓電效應(yīng)，因此可以用它來(lái)測(cè)量力和與力有關(guān)的參數(shù)，如壓力、位移、加速度等。

由于外力作用而使壓電材料上產(chǎn)生電荷，該電荷只有在無(wú)泄漏的情況下才會(huì)長(zhǎng)期保存，因此需要測(cè)量電路具有無(wú)限大的輸入阻抗，而實(shí)際上這是不可能的，所以壓電傳感器不宜作靜態(tài)測(cè)量，只能在其上加交變力，電荷才能不斷得到補(bǔ)充，可以供給測(cè)量電路一定的電流，故壓電傳感器只宜作動(dòng)態(tài)測(cè)量。圖3.5.6兩塊壓電片的連接方式由此可見，在這兩種接法中，并聯(lián)接法輸出電荷量大、電容大、時(shí)間常數(shù)大，適宜用在測(cè)量慢信號(hào)并且以電荷作為輸出量的情況；串聯(lián)接法輸出電壓大、電容小，適宜用于以電壓作為輸出信號(hào)、并且測(cè)量電路輸入阻抗很高的情況。

壓電元件在傳感器中，必須有一定的預(yù)應(yīng)力，以保證在作用力變化時(shí)，壓電元件始終受到壓力；其次是保證壓電元件與作用力之間的全面均勻接觸，獲得輸出電壓(或電荷)與作用力的線性關(guān)系。但是預(yù)應(yīng)力不能太大，否則將會(huì)影響其靈敏度。在壓電式傳感器中，一般利用壓電元件的縱向壓電效應(yīng)較多，這時(shí)壓電元件大多是圓片式。也有利用其橫向壓電效應(yīng)的，如圖3.5.7(a)所示的雙片彎曲式壓電傳感器。當(dāng)自由端受力F時(shí)，壓電元件將產(chǎn)生形變，如圖3.5.7(b)所示，其中心面OO

的長(zhǎng)度沒(méi)有改變，上面aa

被拉長(zhǎng)了，下面bb

被壓縮短了，從而產(chǎn)生壓電效應(yīng)，這時(shí)每片壓電片產(chǎn)生的電荷為(3.5.3)式中，l—壓電片的懸臂長(zhǎng)度；

b—單片壓電片的寬度。產(chǎn)生的電荷呈現(xiàn)在aa

和bb

面上，這種傳感器可用作加速度傳感器，以及測(cè)量粗糙度的輪廓儀的測(cè)頭等。圖3.5.7雙片彎曲式壓電傳感器原理圖

2.壓電傳感器的等效電路

壓電式傳感器可以看作一個(gè)電荷發(fā)生器，同時(shí)，它也是一個(gè)電容器，如圖3.5.8所示，其電容量為(3.5.4)兩極板間開路電壓為(3.5.5)壓電式傳感器可以等效為一個(gè)與電容并聯(lián)的電荷源，如圖3.5.8(c)所示；或等效為一個(gè)與電容串聯(lián)的電壓源，如圖3.5.8(d)所示。壓電式傳感器在測(cè)量時(shí)要與測(cè)量電路相連接，所以實(shí)際傳感器需考慮連接電纜電容Cc、放大器輸入電阻Ri和輸入電容Ci，以及壓電式傳感器的泄漏電阻Ra，因此壓電傳感器的實(shí)際等效電路如圖3.5.9(a)、(b)所示。圖3.5.8壓電式傳感器等效電路圖3.5.9壓電式傳感器輸入端等效電路壓電式傳感器的靈敏度可定義為：

(1)電壓靈敏度Ku=Ua／F，它表示單位力所產(chǎn)生的電壓；

(2)電荷靈敏度Kq=Q／F，它表示單位力所產(chǎn)生的電荷。

二者之間的關(guān)系為(3.5.6)3.5.3壓電傳感器的測(cè)量電路

1．電壓放大器

壓電傳感器相當(dāng)于一個(gè)靜電荷發(fā)生器或電容器，為了盡可能保持壓電傳感器的輸出電壓(或電荷)不變，要求電壓放大器應(yīng)具有很高的輸入阻抗(大于1000MΩ)和很低的輸出阻抗(小于100Ω)。

壓電傳感器與電壓放大器連接的等效電路如圖3.5.9所示，圖3.5.10(b)是圖3.5.10(a)的簡(jiǎn)化電路。圖3.5.10(b)中，等效電阻R為

(3.5.7)等效電容C為(3.5.8)假設(shè)給石英晶體壓電元件沿著電軸作用的交變力為F=Fmsinωt，則壓電元件上產(chǎn)生的電壓值為(3.5.9)而送到放大器輸入端的電壓為UST，表示成復(fù)數(shù)形式為(3.5.10)圖3.5.10壓電傳感器與電壓放大器連接的等效電路于是前置放大器的輸入電壓的幅值Usrm為(3.5.11)輸入電壓與作用力之間的相位差φ為(3.5.12)在回路時(shí)間常數(shù)R(Ca+C)一定的條件下，作用力的頻率越高，越能滿足(ωR)2(Ca+C)2>>1的條件；同樣，在作用力的頻率一定的條件下，回路時(shí)間常數(shù)越大，越能滿足(ωR)2(Ca+C)2.>>1的條件。于是，前置放大器的輸入電壓越接近壓電傳感器的實(shí)際輸出電壓。需要注意的一個(gè)問(wèn)題是：如果被測(cè)物理量是緩慢變化的動(dòng)態(tài)量，而測(cè)量回路的時(shí)間常數(shù)又不變，則必將會(huì)造成壓電傳感器的靈敏度下降，而且頻率的變化還會(huì)使得靈敏度變化。為了擴(kuò)大傳感器的低頻響應(yīng)范圍，就必須想法提高回路時(shí)間常數(shù)。應(yīng)當(dāng)指出，不能靠增加電容量來(lái)提高時(shí)間常數(shù)，如果靠增大電容量的辦法來(lái)達(dá)到這一目的，勢(shì)必影響到傳感器的靈敏度。由于傳感器的電壓靈敏度定義為：(3.5.13)(3.5.14)由式(3.5.12)可知，當(dāng)增大回路電容時(shí)，k將下降。因此，應(yīng)該用增大R的辦法來(lái)提高回路時(shí)間常數(shù)。采用Ri很大的前置放大器就是為此目的。

由式(3.5.10)可以看到，壓電傳感器與前置放大器之間的連接電纜不能隨意亂用，電纜的長(zhǎng)度變化，將使Cc變化，從而使Usr變化，引起Usc變化，引入誤差，系統(tǒng)就得重新進(jìn)行校正。

2.電荷放大器

電荷放大器是一個(gè)具有反饋電容Cf的高增益運(yùn)算放大器。壓電傳感器與電荷放大器連接的等效電路如圖3.5.11所示。圖3.5.11壓電傳感器與電荷放大器連接的等效電路當(dāng)放大器開環(huán)增益k和輸入電阻Ri、反饋電阻Rf相當(dāng)大，視為開路時(shí)，放大器的輸出電壓Usc正比于輸入電荷q。由圖3.5.10可見Usc=-kUsr(3.5.15)(3.5.16)式中，Cf(k+1)為等效到放大器輸入端的密勒電容。一般k均很大，則Cf(k+1)>>(Ca+Cc+Ci)，于是式(3.5.16)可寫為(3.5.17)3.5.4壓電傳感器應(yīng)用舉例

1.壓電式測(cè)力傳感器

壓電式測(cè)力傳感器在直接測(cè)量拉力或壓力時(shí)，通常多采用雙片或多片石英晶體作壓電元件，配以適當(dāng)?shù)姆糯笃骺蓽y(cè)量動(dòng)態(tài)或靜態(tài)力。按測(cè)力狀態(tài)分為單向力、雙向力和三向力傳感器，它可測(cè)量幾百至幾萬(wàn)牛頓的動(dòng)、靜態(tài)力。

1)單向力傳感器

一種用于機(jī)床動(dòng)態(tài)切削力測(cè)量的單向壓電石英力傳感器的結(jié)構(gòu)如圖3.5.11所示。壓電元件采用xy(即X0°)切型石英晶體，利用其縱向壓電效應(yīng)，通過(guò)d11實(shí)現(xiàn)力-電轉(zhuǎn)換。上蓋為傳力元件，其彈性變形部分的厚度較薄(其厚度由測(cè)力大小決定)，聚四氟乙烯絕緣套用來(lái)絕緣和定位。這種結(jié)構(gòu)的單向力傳感器體積小，重量輕(僅10g)，固有頻率高(約50～60kHz)，最大可測(cè)5000N的動(dòng)態(tài)力，分辨率達(dá)10-3N。圖3.5.12單向壓電石英力傳感器的結(jié)構(gòu)

2)雙向力傳感器

雙向力傳感器基本上有兩種組合：其一是測(cè)量垂直分力與切向分力，即Fz與Fx(或Fy)；其二是測(cè)量互相垂直的兩個(gè)切向分力，即Fx與Fy。無(wú)論哪一種組合，傳感器的結(jié)構(gòu)形式相似。圖3.5.13所示為雙向壓電石英力傳感器的結(jié)構(gòu)。兩組石英晶片分別測(cè)量?jī)蓚€(gè)分力。下面一組(兩片)采用xy(X0°)切型，通過(guò)d11實(shí)現(xiàn)力-電轉(zhuǎn)換，測(cè)量軸向圖3.5.13雙向壓電石英力傳感器的結(jié)構(gòu)

2．壓電式加速度傳感器

用于測(cè)量加速度的傳感器種類很多，和其它類型的傳感器相比較，用壓電傳感器測(cè)量加速度具有一系列優(yōu)點(diǎn)：如體積小、重量輕、堅(jiān)實(shí)牢固、振動(dòng)頻率高(頻率范圍約0.3～10kHz)和加速度的測(cè)量范圍大(加速度為10-5～10-4g，g為重力加速度9.8m／s2)以及工作溫度范圍寬等。下面介紹一種如圖3.5.14所示的壓電式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)原理。

壓電元件置于基座上，其上面加一塊重物，用彈簧片將壓電元件壓緊，測(cè)量加速度時(shí)，由于被測(cè)物件與傳感器固定在同一體上，因此，壓電元件也受加速度的作用，此時(shí)慣性質(zhì)量產(chǎn)生一個(gè)與加速度成正比的慣性力F作用于壓電元件，因而產(chǎn)生電荷q，因?yàn)?m為重塊質(zhì)量，為加速度)，當(dāng)傳感器選定后，m為常數(shù)，所以傳感器輸出電荷為(3.5.18)圖3.5.14BAT－5型加速度傳感器 3.6石英晶體諧振式傳感器

3.6.1石英晶體諧振式溫度傳感器

由于石英晶體的固有振蕩頻率隨溫度變化，利用石英晶體的這一溫度特性，可以制成溫度傳感器。圖3.6.1石英晶體諧振器的等效電路圖3.6.2溫度與頻率關(guān)系各種切型的石英晶體的頻率溫度特性如圖3.6.2所示。從圖中可以看出，y切型、lc切型、ac切型的石英晶體具有良好的線性頻率溫度特性，石英晶體的固有諧振頻率與溫度T的關(guān)系可以表達(dá)為式中，fT

—T時(shí)的頻率；

f0—T0時(shí)的頻率；

T—任意溫度；

T0—基準(zhǔn)溫度；

A,B,C—常數(shù)。對(duì)于lc和y切型石英晶體，其頻率溫度靈敏度約為1000Hz/K，AC切型的靈敏度約為200Hz/K～300Hz/K，石英晶體的測(cè)量范圍內(nèi)–40℃～250℃，在此溫度范圍內(nèi)，線性誤差在±0.05%以內(nèi)。

圖3.6.3是石英晶體數(shù)字溫度計(jì)的原理框圖，利用石英晶體固有振蕩頻率和溫度的線性關(guān)系，把溫度的變化轉(zhuǎn)化為振蕩頻率的變化。由于振蕩頻率隨溫度變化相對(duì)于中心頻率f0較小，將測(cè)溫振蕩器的信號(hào)與頻率穩(wěn)定的基準(zhǔn)振蕩器混頻后，取差頻f－f0進(jìn)行計(jì)數(shù)，