1、第3章 常用傳感器的工作原理,3.1 傳感器的基本概念 3.2 電阻式傳感器 3.3 電容式傳感器 3.4 電感式傳感器 3.5 電渦流式傳感器 3.6 壓電式傳感器 3.7 磁電式傳感器 3.8 熱電式傳感器 3.9 光電式傳感器 3.10 霍爾式傳感器 3.11 光纖傳感器 3.12 超聲波傳感器 3.13 微波傳感器 3.14 智能式傳感器,下頁,返回,3.1 傳感器的基本概念,3.1.1 傳感器定義 3.1.2 傳感器的基本組成 3.1.3 傳感器的分類 3.1.4 傳感器的性能參數(shù)及要求 3.1.5 傳感器的標(biāo)定與校準(zhǔn),下頁,上頁,返回,3.2 電阻式傳感器,3.2.1 金屬電阻應(yīng)變

2、片 3.2.2 半導(dǎo)體應(yīng)變片 3.2.3 電阻應(yīng)變傳感器的應(yīng)用,下頁,上頁,返回,3.3 電容式傳感器,3.3.1 基本工作原理及分類 3.3.2 電容式傳感器的應(yīng)用,下頁,上頁,返回,3.4 電感式傳感器,3.4.1 自感式傳感器 3.4.2 互感型變壓器式電感傳感器 3.4.3 電感傳感器的應(yīng)用,下頁,上頁,返回,3.5 電渦流式傳感器,3.5.1 工作原理 3.5.2 高頻反射電渦流傳感器的基本結(jié)構(gòu) 3.5.3 渦流傳感器的應(yīng)用,下頁,上頁,返回,3.6 壓電式傳感器,3.6.1 壓電效應(yīng) 3.6.2 壓電式傳感器及其等效電路 3.6.3 壓電式傳感器的測(cè)量電路,下頁,上頁,返回,3.7

3、 磁電式傳感器,3.7.1 動(dòng)圈式磁電傳感器 3.7.2 磁組式磁電傳感器 3.7.3 磁電傳感器的測(cè)量電路,下頁,上頁,返回,3.8 熱電式傳感器,3.8.1 熱電偶 3.8.2 熱電阻和熱敏電阻,下頁,上頁,返回,3.9 光電式傳感器,3.9.1 光電效應(yīng)及器件 3.9.2 光電器件的特性 3.9.3 光電耦合器件 3.9.4 電荷耦合器件（CCD） 3.9.5 光電式傳感器,下頁,上頁,返回,3.10 霍爾式傳感器,3.10.1 霍爾效應(yīng) 3.10.2 霍爾元件 3.10.3 霍爾式傳感器的組成 3.10.4 測(cè)量誤差補(bǔ)償,下頁,上頁,返回,3.11 光纖傳感器,3.11.1 光纖的結(jié)構(gòu)

4、和導(dǎo)光原理 3.11.2 光纖傳感器基本原理及類型 3.11.3 光纖傳感器的調(diào)制 3.11.4 光纖傳感器的應(yīng)用,下頁,上頁,返回,3.12 超聲波傳感器,3.12.1 超聲檢測(cè)的物理基礎(chǔ) 3.12.2 超聲波傳感器的原理及結(jié)構(gòu) 3.12.3 超聲波傳感器的基本應(yīng)用電路,下頁,上頁,返回,3.13 微波傳感器,3.13.1 微波的基本知識(shí) 3.13.2 微波傳感器及其分類 3.13.3 微波傳感器的優(yōu)點(diǎn)與存在的問題 3.13.4 微波傳感器的應(yīng)用,下頁,上頁,返回,3.14 智能式傳感器,3.14.1 概述 3.14.2 壓阻式壓力傳感器智能化 3.14.3 智能傳感器 3.14.4 智能結(jié)

5、構(gòu) 3.14.5 智能傳感器的發(fā)展方向和途徑,下頁,上頁,返回,3.1.1 傳感器定義 傳感器是信息檢測(cè)的必要工具，是生產(chǎn)自動(dòng)化、科學(xué)測(cè)試、計(jì)量核算、監(jiān)測(cè)診斷等系統(tǒng)中必不可少的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)。通常是檢測(cè)系統(tǒng)與被測(cè)量對(duì)象之間的接口，處于檢測(cè)系統(tǒng)的輸入端，其性能直接影響著整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)，對(duì)檢測(cè)精確度起著主要作用。一般來講，自動(dòng)檢測(cè)裝置中最初感受被測(cè)量并將它轉(zhuǎn)換為可用信號(hào)輸出的器件叫傳感器，在工程上也稱為探測(cè)器、換能器、測(cè)量頭。,下頁,返回,3.1.2 傳感器的基本組成 傳感器由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和其他輔助部件組成。敏感元件指傳感器中能直接感受（或響應(yīng)）與檢測(cè)出被測(cè)對(duì)象的待測(cè)信息（非電量）的元件。如機(jī)械類傳

6、感器當(dāng)中的彈性元件。轉(zhuǎn)換元件指傳感器中能將敏感元件所感受（或響應(yīng)）的信息直接轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的部分。例如，應(yīng)變式壓力傳感器由彈性膜片和電阻應(yīng)變片組成，其中電阻應(yīng)變片就是轉(zhuǎn)換元件。輔助器件通常包括電源，如交流、直流供電系統(tǒng)。 值得注意的是，有一些傳感器的敏感元件和轉(zhuǎn)換元件是二者合一的。例如：熱電偶、壓電晶體，光電器件。,下頁,上頁,返回,3.1.3 傳感器的分類 由于工作原理、測(cè)量方法和被測(cè)對(duì)象不同，傳感器的分類方法也不同。目前，采用較多的分類方法有： 按信號(hào)變換的特征，分為物性型傳感器和結(jié)構(gòu)型傳感器。物性型傳感器是指依靠敏感元件材料本身物理變化來實(shí)現(xiàn)信號(hào)的變換。例如水銀溫度計(jì)是利用水銀的熱脹冷縮現(xiàn)

7、象把溫度的變化變成水銀柱的高低實(shí)現(xiàn)溫度的測(cè)量。結(jié)構(gòu)型的傳感器是依靠傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化來實(shí)現(xiàn)信號(hào)的轉(zhuǎn)換。例如：極距變化型電容式傳感器就是通過極板間距離的變化來實(shí)現(xiàn)測(cè)量。 按用途，分為力傳感器、加速度傳感器、位移傳感器、溫度傳感器、流量傳感器等等。 按工作的物理基礎(chǔ)，分為電氣式傳感器、光學(xué)式傳感器、機(jī)械式傳感器等等。,下頁,上頁,返回,按能量關(guān)系，分為有源傳感器和無源傳感器。有源傳感器能將非電能量轉(zhuǎn)換為電能量，也稱為能量轉(zhuǎn)換型傳感器。通常配有電壓測(cè)量和放大電路，例如光電式傳感器、熱電式傳感器屬此類傳感器。無源傳感器本身不能換能，被測(cè)非電量僅對(duì)傳感器中的能量起控制或調(diào)節(jié)作用，所以必須具有輔助能源（

8、電源），故又稱為能量控制型傳感器。例如電阻式、電容式和電感式等參數(shù)型傳感器屬此類傳感器，此類傳感器通常使用的測(cè)量電路有電橋和諧振電路。 按測(cè)量方式，分為接觸式傳感器和非接觸式傳感器。接觸式傳感器與被測(cè)物體接觸，如電阻應(yīng)變式傳感器和壓電式傳感器。非接觸式傳感器與被測(cè)物體不接觸，如光電式傳感器、紅外線傳感器、渦流式傳感器和超聲波傳感器等。 按輸出信號(hào)的形式，分為模擬式傳感器和數(shù)字式傳感器。模擬式傳感器輸出信號(hào)是連續(xù)變化的模擬量，如電容式傳感器。數(shù)字式傳感器的輸出信號(hào)是數(shù)字量，如光柵。,下頁,上頁,返回,3.1.4 傳感器的性能參數(shù)及要求 傳感器的優(yōu)劣，一般通過若干主要性能指標(biāo)來表示。除了前面已在一

9、般檢測(cè)系統(tǒng)中介紹的特征參數(shù)如靈敏度、線性度、分辨率、準(zhǔn)確度、頻率特性等特性外，還常用閥值、漂移、過載能力、穩(wěn)定性、可靠性以及環(huán)境相關(guān)的參數(shù)、使用條件等。不同的傳感器常常根據(jù)實(shí)際需要來確定其主要指標(biāo)參數(shù)。有些指標(biāo)可以低些或可不考慮。下面簡介閥值、漂移、過載能力、穩(wěn)定性、重復(fù)性的定義，可靠性的指標(biāo)內(nèi)容以及傳感器工作要求。 （1）閥值 即零位附近的分辨力，也就是指能使傳感器輸出端產(chǎn)生可測(cè)變化量的最小被測(cè)輸入量值。 （2）漂移 指一定時(shí)間間隔內(nèi)傳感器輸出量存在著與被測(cè)輸入量無關(guān)的、不需要的變化。包括有：零點(diǎn)漂移與靈敏度漂移。 （3）過載能力 指傳感器在不致引起規(guī)定性能指標(biāo)永久改變的條件下，允許超過測(cè)量

10、范圍的能力。,下頁,上頁,返回,（4）穩(wěn)定性 指傳感器在具體時(shí)間內(nèi)仍保持其性能的能力。 （5）重復(fù)性 指傳感器輸入量在同一方向做全量程內(nèi)連續(xù)重復(fù)測(cè)量所得輸出輸入特性曲線不一致的程度。產(chǎn)生不一致主要原因是傳感器的機(jī)械部分不可避免地存在著間隔、摩擦及松動(dòng)等。 （6）可靠性 通常包括以下指標(biāo)：工作壽命、平均無故障時(shí)間、保險(xiǎn)期、疲勞性能、絕緣電阻、耐壓等。 （7）傳感器工作要求 主要要求有：高精度、低成本；高靈敏度；穩(wěn)定性好；工作可靠；抗干拓能力強(qiáng)；動(dòng)態(tài)特性良好；結(jié)構(gòu)簡單、使用維護(hù)方便、功耗低等。,下頁,上頁,返回,3.1.5 傳感器的標(biāo)定與校準(zhǔn) （1）傳感器的標(biāo)定 標(biāo)定指是利用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備產(chǎn)生已知非電量

11、（標(biāo)準(zhǔn)量），或用基準(zhǔn)量來確定傳感器輸出電量與非電輸入量之間關(guān)系的過程。工程測(cè)試中傳感器的標(biāo)定在與其使用條件相似的環(huán)境狀態(tài)下進(jìn)行，并將傳感器所配用的濾波器、放大器及電纜等和傳感器聯(lián)接后一起標(biāo)定。標(biāo)定時(shí)應(yīng)按傳感器規(guī)定的安裝條件進(jìn)行安裝。 1）標(biāo)定系統(tǒng)的組成 一般由被測(cè)非電量的標(biāo)準(zhǔn)發(fā)生器，被測(cè)非電量的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試系統(tǒng)，待標(biāo)定傳感器所配接的信號(hào)調(diào)節(jié)器和顯示、記錄器等組成。 2）靜態(tài)標(biāo)定 指輸入已知標(biāo)準(zhǔn)非電量，測(cè)出傳感器的輸出，給出標(biāo)定曲線，標(biāo)定方程和標(biāo)定常數(shù)，計(jì)算靈敏度、線性度、滯差、重復(fù)性等傳感器的靜態(tài)指標(biāo)。靜態(tài)標(biāo)定用于檢測(cè)傳感器（或系統(tǒng)）的靜態(tài)特性指標(biāo)。對(duì)標(biāo)定設(shè)備的要求是：具有足夠的精度，至少應(yīng)比被標(biāo)

12、定的傳感器及其系統(tǒng)高一個(gè)精度等級(jí)，且符合國家計(jì)量量值傳遞的規(guī)定，或經(jīng)計(jì)量部門檢定合格；量程范圍應(yīng)與被標(biāo)定的傳感器的量程相適應(yīng)；性能穩(wěn)定可靠；使用方便，能適用多種環(huán)境。,下頁,上頁,返回,3）動(dòng)態(tài)標(biāo)定 用于確定動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)。通過確定其線性工作范圍（用同一頻率不同幅值的正弦信號(hào)輸入傳感器，測(cè)量其輸出）、頻率響應(yīng)函數(shù)、幅頻特性和相頻特性曲線、階躍響應(yīng)曲線來確定傳感器的頻率響應(yīng)范圍、幅值誤差和相位誤差、時(shí)間常數(shù)、阻尼比、固有頻率等。 （2）傳感器的校準(zhǔn) 傳感器需定期檢測(cè)其基本性能參數(shù)，判定是否可繼續(xù)使用，如能繼續(xù)使用，則應(yīng)對(duì)其有變化的主要指標(biāo)（如靈敏度）進(jìn)行數(shù)據(jù)修正，確保傳感器的測(cè)量精度的過程，稱之為

13、傳感器的校準(zhǔn)。校準(zhǔn)與標(biāo)定的內(nèi)容是基本相同的。 總之，由于傳感器種類很多，一種傳感器可以測(cè)量幾種不同的被測(cè)量，而同一種被測(cè)量可以用幾種不同類型的傳感器來測(cè)量。再加上，被測(cè)量要求千變?nèi)f化，為此選用的傳感器也不同。傳感器的工作原理與測(cè)量電路密切相關(guān)，相互聯(lián)系，為了能夠正確選用傳感器，必須熟悉常用傳感器的工作原理、結(jié)構(gòu)性能、測(cè)量電路和使用性能等方面內(nèi)容。在以后幾節(jié)中，將分別介紹常用傳感器的工作原理。,下頁,上頁,返回,3.2 電阻式傳感器 電阻式傳感器是一種把被測(cè)參量轉(zhuǎn)換為電阻變化的傳感器。常用的電阻式傳感器有電位器式、電阻應(yīng)變式、熱敏效應(yīng)式等類型的電阻傳感器。本節(jié)主要介紹應(yīng)變式電阻傳感器。 應(yīng)變式電

14、阻傳感器是一種利用電阻應(yīng)變效應(yīng)，由電阻應(yīng)變片和彈性敏感元件組合起來的傳感器。將應(yīng)變片粘貼在各種彈性敏感元件上，當(dāng)彈性敏感元件感受到外力、位移、加速度等參數(shù)的作用，彈性敏感元件產(chǎn)生應(yīng)變，再通過粘貼在上面的電阻應(yīng)變片將其轉(zhuǎn)換成電阻的變化。通常，它主要是由敏感元件、基底、引線和覆蓋層等組成。其核心元件是電阻應(yīng)變片（敏感元件），它主要作用是敏感元件實(shí)現(xiàn)應(yīng)變電阻的變換。根據(jù)敏感元件材料與結(jié)構(gòu)的不同，應(yīng)變片可分為，金屬電阻應(yīng)變片和半導(dǎo)體式應(yīng)變片。,下頁,上頁,返回,3.2.1 金屬電阻應(yīng)變片 （1）金屬電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)和類型 金屬電阻應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu)如圖3.1所示。它由蓋層、敏感柵、基底及引線四部分組成。

15、敏感柵可金屬絲、金屬箔制成，它是轉(zhuǎn)換元件，被粘貼在基底上。用粘合劑粘貼在傳感器彈性元件或試件上的應(yīng)變片通過基底把應(yīng)變傳遞到敏感柵上，同時(shí)基底起絕緣作用。蓋層起絕緣保護(hù)作用。焊接于敏感柵兩端引線連接測(cè)量導(dǎo)線之用。 圖3.1 應(yīng)變式電阻傳感器的結(jié)構(gòu)原理示意圖 1敏感柵 2基底 3引線 4蓋層 5粘貼劑,下頁,上頁,返回,目前，常用的金屬電阻應(yīng)變片主要有：金屬絲式應(yīng)變片、箔式應(yīng)變片、及金屬薄膜應(yīng)變片等結(jié)構(gòu)形式。 金屬絲式應(yīng)變片的敏感柵由金屬絲繞制而成。金屬絲材料為電阻率大而電阻溫度系數(shù)小的材料。絲式應(yīng)變片的規(guī)格一般以使用面積（Lb）和敏感柵的電阻值來表示。阻值一般在501000范圍內(nèi)，常用的為120

16、。 箔式應(yīng)變片是利用光刻、腐蝕等工藝制成的一種很薄的金屬薄柵，厚度在0.003-0.010mm。其優(yōu)點(diǎn)是表面積與截面積之比大，散熱條件好，允許通過電流較大，可制成各種需要的形狀，便于大批量生產(chǎn)。 金屬薄膜應(yīng)變片是采用真空濺射或真空沉積的方法制成，它將可產(chǎn)生形變的金屬或合金直接沉積在彈性元件上而不用粘合劑。這樣應(yīng)變片的性能更好，靈敏度高。所謂薄膜指厚度在0.1m以下的金屬膜。厚度在25m左右的稱厚膜箔式應(yīng)變片即屬厚膜。 （2）金屬電阻應(yīng)變片的工作原理 金屬電阻應(yīng)變片的工作原理是利用金屬材料的電阻定律。當(dāng)應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)尺寸發(fā)生變化時(shí)，其電阻也發(fā)生相應(yīng)的變化。下面介紹應(yīng)變片電阻變化與應(yīng)變的關(guān)系。,下頁

17、,上頁,返回,金屬導(dǎo)體的電阻為 （3.1） 式中： 為金屬導(dǎo)線電阻率（ ）； l金屬絲長（m）； A金屬絲的橫截面積（ ， ）； d金屬絲直徑（m）。 如果對(duì)電阻絲長度作用均勻應(yīng)力，則導(dǎo)線電阻的相對(duì)變化： （3.2） 式中： 材料的軸向應(yīng)變，令 為金屬絲徑向應(yīng)變，常用單位 （ ） 根據(jù)材料力學(xué)的知識(shí)，在彈性范圍內(nèi)，金屬絲受拉力，沿軸向伸長時(shí)，沿徑向縮短，則軸向應(yīng)變和徑向應(yīng)變的關(guān)系為：,下頁,上頁,返回,式中： 為金屬材料的泊松系數(shù)。 根據(jù)此關(guān)系 ，故 （3.3） 式中： 為電阻絲幾何尺寸改變引起，為形變效應(yīng)部分； 為電阻絲的電阻率隨應(yīng)變的改變所引起，為壓阻 效應(yīng)部分；對(duì)大多數(shù)金屬電阻絲而言，其

18、值為常數(shù)，通常很小，可以忽略。該式表明材料電阻的變化是應(yīng)力引起形狀的變化和電阻率變化的綜合結(jié)果。 （3）電阻傳感器的測(cè)量電路 電阻式傳感器輸出電阻變化范圍為 ，所以測(cè)量電路應(yīng)精確地測(cè)量出這些小的電阻變化，常用橋式測(cè)量電路。,下頁,上頁,返回,1）電橋的工作原理 橋式測(cè)量電路由四個(gè)橋臂和一個(gè)供橋電源組成（如圖3.2）。電橋的一個(gè)對(duì)角線接激勵(lì)電壓，另一個(gè)對(duì)角線輸出電壓。其特點(diǎn)是：當(dāng)被測(cè)量無變化，四橋臂滿足一定的關(guān)系，輸出為零；當(dāng)被測(cè)量發(fā)生變化時(shí)，測(cè)量電橋平衡被破壞，有電壓輸出。 輸出電壓 可以用 和 之差表示：,下頁,上頁,返回,（3.4） 當(dāng)輸出電壓為零時(shí)，電橋平衡，故 為電橋平衡條件。為了獲得

19、最大的電橋輸出，在設(shè)計(jì)時(shí)，可使 ， ，實(shí)際中常取 。當(dāng)電橋電阻發(fā)生變化，電阻應(yīng)變 代入式（3.4）得 （3.5） 2）電橋的基本類型 根據(jù)電橋工作臂的組合不同，分為三種工作方式：半橋單臂、半橋雙臂以及全橋。 半橋單臂 若電橋四橋臂中只有一個(gè)為應(yīng)變片，在外力的作用下，電橋輸出電壓為,下頁,上頁,返回,（3.6） 半橋雙臂 若電橋相鄰的兩個(gè)橋臂都接成應(yīng)變片，其中一個(gè)受壓，一個(gè)受拉。故電阻變化一個(gè)為增量 ，一個(gè)為減量 ，電橋輸出為 （3.7） 全橋 若電橋四個(gè)橋臂都接成應(yīng)變片，設(shè)四個(gè)應(yīng)變片電阻的變化量分別為 ，則相應(yīng)的輸出電壓為 （3.8）,下頁,上頁,返回,由以上各式可見，半橋雙臂的電橋靈敏度比半

20、橋單臂的電橋靈敏度提高一倍，全橋的靈敏度又比半橋雙臂的電橋靈敏度提高一倍。并且在半橋雙臂和全橋電路中，應(yīng)變片由于溫度引起的阻值變化，可以被補(bǔ)償。,下頁,上頁,返回,3.2.2 半導(dǎo)體應(yīng)變片 根據(jù)其制造工藝及安裝方法不同，可分為體型、薄膜型、擴(kuò)散型。 （1）體型半導(dǎo)體應(yīng)變片 它也是一種粘貼式應(yīng)變片，所使用的粘貼技術(shù)與金屬應(yīng)變片相同，但半導(dǎo)體應(yīng)變片較脆、易損壞。體型半導(dǎo)體應(yīng)變片又分為一般型、溫度自補(bǔ)型、靈敏度補(bǔ)償型、高阻型、超線性型、PN組合型等不同特點(diǎn)的應(yīng)變片。 （2）擴(kuò)散型半導(dǎo)體應(yīng)變片 它是利用真空沉積技術(shù)將半導(dǎo)體材料沉積在帶絕緣層的基底上制成的，也是一種粘貼式應(yīng)變片。其靈敏系靈敏系數(shù)、溫度系

21、數(shù)與電阻溫度系數(shù)較其他類型半導(dǎo)體應(yīng)變片低，使用溫度范圍為-150200。 （3）擴(kuò)散型半導(dǎo)體應(yīng)變片 它是在半導(dǎo)體材料硅的基片上用集成電路工藝制成擴(kuò)散電阻構(gòu)成的。它具有穩(wěn)定性好、機(jī)械滯后、蠕變小等特點(diǎn)。但其線性度較金屬與體型的差，靈敏系數(shù)、溫度系數(shù)與體型相同，較金屬和薄膜型大。,下頁,上頁,返回,（4）半導(dǎo)體應(yīng)變片的特性 1）線性度 半導(dǎo)體應(yīng)變片在幾百微應(yīng)變范圍內(nèi)輸出輸入特性呈線性關(guān)系，超出此范圍則為非線性。P型硅的線性范圍較N型硅的大，它在拉伸時(shí)比壓縮時(shí)線性好。N型硅的壓應(yīng)變線性較其拉應(yīng)變好。采用P、N型并聯(lián)的雙元件應(yīng)變片，可改善其非線性，也可用其他非線性補(bǔ)償方法。 2）電阻溫度特性 其電阻溫

22、度系數(shù)較金屬應(yīng)變片大12個(gè)數(shù)量級(jí)，須用溫度補(bǔ)償。 3）靈敏度溫度特性 半導(dǎo)體應(yīng)變片的靈敏系數(shù)比金屬應(yīng)變片的大許多，但其靈敏系數(shù)在溫度變化時(shí)變化也相對(duì)大，因此溫度變化時(shí)要給予補(bǔ)償。 （5）溫度補(bǔ)償和非線性補(bǔ)償 1）溫度補(bǔ)償 采用電橋電路補(bǔ)償：用同型號(hào)、同溫度特性的兩片或四片接成差動(dòng)半橋或全橋工作，則可提高靈敏度，減小或消除溫度誤差。 采用熱敏電阻補(bǔ)償：在轉(zhuǎn)換電橋的電源輸入回路中串入負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻，可實(shí)現(xiàn)靈敏系數(shù)溫度補(bǔ)償。,下頁,上頁,返回,使用PN組合型半導(dǎo)體應(yīng)變片：將P型和N型應(yīng)變片粘貼在彈性敏感元件上，組成同一力方向上電橋相鄰兩臂，當(dāng)溫度變化時(shí)，它們的電阻變化率符號(hào)相反，大小相等，則可實(shí)

23、現(xiàn)溫度補(bǔ)償。 2）非線性補(bǔ)償 半導(dǎo)體應(yīng)變片在大應(yīng)變時(shí)非線性嚴(yán)重，需作補(bǔ)償。利用預(yù)應(yīng)力補(bǔ)償：高于工作溫度下粘貼N型應(yīng)變片于較高膨脹系數(shù)的彈性元件上，冷卻后相當(dāng)于受預(yù)壓力，使應(yīng)變片線性范圍增加。 利用PN組合型補(bǔ)償：P型和N型應(yīng)變片的靈敏系數(shù)非線性方向相反，組合后則可減小非線性誤差。,下頁,上頁,返回,3.2.3 電阻應(yīng)變傳感器的應(yīng)用 電阻應(yīng)變傳感器是把應(yīng)變片作為敏感元件來測(cè)量力、扭矩、加速度和壓力等物理量的，測(cè)量時(shí)，把應(yīng)變片粘貼到傳感器的受力結(jié)構(gòu)，一般為彈性元件上，使應(yīng)變片上的應(yīng)變與被測(cè)量成比例，從而實(shí)現(xiàn)測(cè)量。 圖3.3為壓力傳感器，工作原理是利用彈性元件先將壓力轉(zhuǎn)換成力，然后再轉(zhuǎn)換成應(yīng)變，從而

24、使應(yīng)變片電阻發(fā)生變化。應(yīng)變片粘貼在懸臂梁上，懸臂梁的剛度應(yīng)比壓力敏感元件更高，就可降低元件固有的不穩(wěn)定性和遲滯。其優(yōu)點(diǎn)是在適當(dāng)選擇尺寸和制作材料后，可測(cè)量較低的壓力。缺點(diǎn)是：自振頻率低，不適于測(cè)量瞬態(tài)過程。,下頁,上頁,返回,下頁,上頁,返回,3.3 電容式傳感器 電容式傳感器是將被測(cè)物理量轉(zhuǎn)換為電容變化的一種轉(zhuǎn)換裝置，實(shí)際上就是一個(gè)具有可變參數(shù)的電容器。電容式傳感器廣泛用于位移、角度、振動(dòng)、速度、物位、壓力、成份分析、介質(zhì)特性等方面的測(cè)量。 3.3.1 基本工作原理及分類 以平行板電容為例（如圖3.4），如果不考慮其邊緣效應(yīng)，其電容量為 （3.9） 式中： 極板間介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)，空氣介質(zhì)

25、 ； 真空介電常數(shù) ； 二平行極板覆蓋面積；,下頁,上頁,返回,極板間距離。 顯然，電容量 是 、 、 的函數(shù)。如果保持其中兩個(gè)參數(shù)不變，只改變其中一個(gè)參數(shù)，就可把該參數(shù)的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化。因此，電容式傳感器分為極距變化型，面積變化型，介質(zhì)變化型三類。,下頁,上頁,返回,（1）極距變化型電容式傳感器 極距變化型電容式傳感器結(jié)構(gòu)原理如圖3.5所示。由式（3.9）知，電容量 與極板間距 成雙曲線關(guān)系。極距變化 時(shí)，電容 變化量為,下頁,上頁,返回,傳感器靈敏度： （3.10） 可見，靈敏度與成反比，極距越小，靈敏度越高。為減小非線 性誤差，該類傳感器通常用于測(cè)量微小位移。 在實(shí)際應(yīng)用中，為提

26、高靈敏度，減小非線性，克服壓力、環(huán)境 溫度、電源電壓等外界因素對(duì)測(cè)量精度的影響，通常情況下把電容 器接成差動(dòng)形式，如圖3.6所示。 差動(dòng)式電容傳感器一般采用三塊極板，其中中間一塊極板為動(dòng) 極板，兩邊為定極板。當(dāng)動(dòng)極板移動(dòng) 距離， ， 。 對(duì)應(yīng)的電容量 、 的變化通過差動(dòng)電橋疊加使輸出和靈敏度均提 高一倍，非線性得到改善，且工作穩(wěn)定性好。,下頁,上頁,返回,（2）面積變化型電容傳感器 面積變化型電容傳感器有線位移和角位移兩種。線位移型電容 式傳感器又分為平面線位移和圓柱線位移兩種。 圖3.7a為平面線位移型傳感器，電容量為： （3.11）,下頁,上頁,返回,靈敏度為： 常數(shù) （3.12） 圖3.

27、7b為圓柱型線位移傳感器，電容量為： （3.13） 靈敏度為： 常數(shù) （3.14） 圖3.7c所示為角位移型傳感器，電容量,下頁,上頁,返回,因?yàn)?故 （3.15） 靈敏度為： 常數(shù) （3.16）,下頁,上頁,返回,變面積式電容傳感器的輸出與輸入呈線性關(guān)系，但靈敏度比變極矩形低，適用于較大為線位移和角位移測(cè)量。變面積式電容器通常也采用差動(dòng)形式，傳感器的輸出和靈敏度可提高一倍。 （3）介質(zhì)變化型電容傳感器 圖3.8為介質(zhì)變化型電容傳感器，在固定兩極板之間加入空氣以外的其他被測(cè)固體介質(zhì)，當(dāng)介質(zhì)變化時(shí)，電容量也隨之變化。忽略邊界效應(yīng)，假設(shè)空氣相對(duì)介電常數(shù)為 ，固體介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)為 ，電容量為 （3

28、.17） 假設(shè)兩極板間距離為 ，則 ，電容量為： （3.18）,下頁,上頁,返回,由式（3.18）可得，當(dāng)極板面積 和極板間距 一定時(shí)，電容量大小和被測(cè)固體材料的厚度 和被測(cè)固體材料的介電常數(shù)有關(guān)。如果已知材料的介電常數(shù)，可以制成測(cè)厚儀，而已知材料的厚度，可制成介電常數(shù)的測(cè)量儀。,下頁,上頁,返回,3.3.2 電容式傳感器的應(yīng)用 （1）電容測(cè)厚儀 圖3.9為電容測(cè)厚傳感器的系統(tǒng)原理框圖。當(dāng)被軋板材的厚度相 對(duì)于要求值發(fā)生變化時(shí)，則 發(fā)生變化。 增大，表示板材厚度 變厚； 減小，表示板材厚度變薄。 的變化經(jīng)過電橋調(diào)節(jié)后，由 耦合電容輸出給運(yùn)放進(jìn)行放大，再經(jīng)過整流濾波和差動(dòng)放大后，一 方面由顯示儀

29、表讀出板材厚度，一方面通過反饋回路將偏差信號(hào)送 給壓力調(diào)節(jié)器，使板材厚度控制在規(guī)定范圍內(nèi)。,下頁,上頁,返回,（2）電容式壓力傳感器 圖3.10為差動(dòng)式壓力傳感器。其工作原理為：在兩隔離膜外的 壓力 時(shí)，彈性膜片與左右固定極板間距相同，初始間距相同，初始最大間距為 ，電容 。當(dāng) ，即有壓差作用，其作用通過隔離膜與硅油將壓差傳遞給彈性膜片，在壓差的作用下彈性膜片產(chǎn)生形變，相當(dāng)于動(dòng)電極與固定電極間隙改變（ ），由于 很小，可以認(rèn)為 （式中 為比例常數(shù)，,下頁,上頁,返回,壓差）。這樣，彈性膜片與左右極板間距離由原來的 變?yōu)?和 ，相應(yīng)的兩個(gè)電容 ， 分別為 （3.19）,下頁,上頁,返回,（3.2

30、0） 式中： 由電容器極板的面積和介電常數(shù)決定的常數(shù)。 聯(lián)立解以上關(guān)系，可得出壓差 與電容 ， 的關(guān)系為 （3.21） 式中： 由上式可知，被測(cè)輸入量 與 呈 線性關(guān)系，通過差動(dòng)電橋法等測(cè)量電路可以將 轉(zhuǎn)換為電壓和電流。 除電橋以外，電容式傳感器常用的轉(zhuǎn)換電路還有諧振電路、調(diào)頻電路和運(yùn)算放大電路等。,下頁,上頁,返回,3.4 電感式傳感器,電感式傳感器是利用電磁感應(yīng)的原理將被測(cè)非電量轉(zhuǎn)換為線圈 的自感系數(shù)或互感系數(shù)變化的裝置。由于電感式傳感器是將被測(cè)量 的變化轉(zhuǎn)化成電感量的變化，所以根據(jù)電感的類型不同，電感傳感 器可分為自感系數(shù)變化型和互感系數(shù)變化型兩類。 3.4.1 自感式傳感器 當(dāng)匝數(shù)為N

31、的線圈通以電流I產(chǎn)生磁通鏈為 。磁通鏈與線圈電 流之比稱為自感系數(shù)，簡稱電感L （3.22） 式中： 為穿過每匝線圈的磁通。 根據(jù)磁路的歐姆定律,下頁,上頁,返回,（3.23） 式中： 為磁路的總磁阻。 由式（3.22）、式（3.23）可得： （3.24） 由此可知，要將被測(cè)非電量的變化轉(zhuǎn)化為自感的變化，在線圈形狀不變的情況下可以通過改變線圈匝數(shù)使得線圈的自感系數(shù)產(chǎn)生改變，相應(yīng)地就可制成線圈匝數(shù)變化型自感式傳感器。要將被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)變?yōu)槭咕€圈匝數(shù)變化是很不方便的，實(shí)際極少用。當(dāng)線圈的匝數(shù)一定時(shí)，被測(cè)量可以通過改變磁路的磁阻的變化來改變自感系數(shù)。因此這類傳感器又稱為可變磁阻型自感式傳感器。根據(jù)結(jié)

32、構(gòu)形式不同，可變磁阻式傳感器又分為氣隙厚度變化型、氣隙面積變化型和螺管型三種類型。,下頁,上頁,返回,（1）氣隙厚度變化型自感傳感器 典型的氣隙變化型自感傳感器主要由線圈、鐵芯和活動(dòng)銜鐵組 成（如圖3.11所示）?；顒?dòng)銜鐵與被測(cè)物相連，并與鐵芯保持一定 距離 。當(dāng)被測(cè)物移動(dòng)時(shí)，氣隙 發(fā)生變化，引起磁阻變化，從而 使線圈的電感值發(fā)生變化。設(shè)鐵芯導(dǎo)磁長度為 ，導(dǎo)磁率 ， 導(dǎo)磁面積 ；氣隙長度為 ，導(dǎo)磁率 ，導(dǎo)磁面 積 ， 。如果不考慮磁路的損失，則總的磁 阻為： （3.25） 因?yàn)闅庀兜拇抛璞辱F芯的磁阻大得多，鐵芯磁阻可忽略不計(jì)，故,下頁,上頁,返回,（3.26） 式（3.26）代入式（3.24）

33、得,下頁,上頁,返回,（3.27） 由此可知，自感 與氣隙 的大小成反比，與氣隙導(dǎo)磁面積 成正比。如固定 ，改變 ，傳感器的靈敏度為： （3.28） 由于靈敏度 不是常數(shù)，故會(huì)出現(xiàn)非線性誤差，為了減小非線性誤 差，在實(shí)際應(yīng)用中，一般規(guī)定傳感器在較小間隙的變化范圍內(nèi)工 作，或者采用差動(dòng)接法（如圖3.12）。 由圖可知，由兩個(gè)傳感器構(gòu)成差動(dòng)工作方式，銜鐵最初居中，兩側(cè)初始電感為 ，當(dāng)銜鐵有位移 時(shí)，兩個(gè)線圈的間隙分別為 和 ，表明一個(gè)線圈自感增加，另一個(gè)線圈自感減小，,下頁,上頁,返回,把兩線圈接入電橋的相鄰臂時(shí)，輸出靈敏度比單個(gè)的提高一倍，并 且可以降低非線性誤差，消除外界干擾。,下頁,上頁,返

34、回,（2）氣隙面積變化型自感傳感器 當(dāng)固定，改變氣隙導(dǎo)磁面積，自感與成線性關(guān)系。如圖3.13所 示為氣隙面積變化型自感傳感器。 （3）螺管型自感傳感器 螺管型自感傳感器是在螺管線圈中插入一個(gè)活動(dòng)銜鐵，當(dāng)活動(dòng) 銜鐵在線圈中運(yùn)動(dòng)時(shí)，使磁阻發(fā)生變化，從而使自感變化。在實(shí)際 應(yīng)用中，該類傳感器通常也采用差動(dòng)的結(jié)構(gòu)（如圖3.14所示）。將 鐵芯置于兩個(gè)線圈的中間，當(dāng)鐵芯移動(dòng)時(shí)，兩個(gè)線圈的電感產(chǎn)生相 反方向的增減，然后利用電橋?qū)蓚€(gè)電感接入電橋的相鄰的橋臂， 以獲得比單個(gè)工作方式更高的靈敏度和更好的線性度。 （4）測(cè)量電路 電感傳感器所采用的測(cè)量電路一般為交流電橋，其原理已在前 面介紹過。,下頁,上頁,返

35、回,下頁,上頁,返回,3.4.2 互感型變壓器式電感傳感器 （a） （b）,下頁,上頁,返回,（c） 圖3.15 差動(dòng)變壓器工作原理、等效電路及輸出特性圖 （a）結(jié)構(gòu)原理 （b）等效電路圖 （c）輸出特性圖 1一次線圈 2二次線圈 3可移動(dòng)銜鐵 4線圈骨架 5導(dǎo)磁外殼 6端蓋,下頁,上頁,返回,（1）工作原理 互感型變壓器式電感傳感器是利用被測(cè)量變化改變互感系數(shù) 來實(shí)現(xiàn)的，其實(shí)質(zhì)上是一個(gè)輸出電壓可變的變壓器，又常采用差動(dòng) 的形式，故又稱為差動(dòng)變壓器。其結(jié)構(gòu)形式有多種，應(yīng)用較為普遍 的是螺管型，其結(jié)構(gòu)和工作原理如圖3.15（a）所示。傳感器主要由線圈（包括一個(gè)一次線圈和兩個(gè)二次反接線圈）、鐵芯、

36、活動(dòng)銜 鐵三部分組成。理想情況下，差動(dòng)變壓器的等效電路如圖3.15 （b）所示。差動(dòng)變壓器一次線圈加勵(lì)磁電壓 的角頻率為 ； 為 一次線圈有效電阻； 為一次線圈電感： 為一次線圈與二次線圈I之 間的互感； 為一次線圈與二次線圈之間的互感； 為二次線圈I 中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)； 為二次線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)； 為一次線圈勵(lì) 磁電流； 為二次線圈I的電感； 為二次線圈I的有效電阻； 為二次線圈的電感； 為二次線圈的有效電阻； 為空載時(shí)差動(dòng)變壓器輸出電壓。由等效電路可得：,下頁,上頁,返回,測(cè)量前，可動(dòng)銜鐵處于中間位置，由于二次線圈的參數(shù)相同， 則 ，此時(shí) 0，變壓器無輸出。測(cè)量時(shí)，可動(dòng)銜鐵偏 移，兩線圈互感

37、量發(fā)生變化，設(shè) ，由于兩 者為差動(dòng)，銜鐵在一定范圍內(nèi)有 ，故在輸出端開路情 況下，輸出為： 此式表明：當(dāng)線圈參數(shù)和 確定后，變壓器的輸出電壓由二次線圈與一次線圈互感量的差值 決定。而 與螺管內(nèi)磁場變化有關(guān)，而磁場的變化取決于可移動(dòng)銜鐵的位移量。因此，在銜鐵位移的一定范圍內(nèi)， 與銜鐵位移 有近似線性關(guān)系，輸出特性如圖3.15（c）所示。,下頁,上頁,返回,（2）測(cè)量電路 差動(dòng)變壓器的輸出電壓是調(diào)幅波，為辨別銜鐵的移動(dòng)方向，要 進(jìn)行解調(diào)。常用解調(diào)電路有：差動(dòng)相敏檢波與差動(dòng)整流電路。采用 解調(diào)電路還可消除零位電壓。 1）差動(dòng)相敏檢波電路 差動(dòng)相敏檢波的形式較多，如圖3.16（a）所示是兩例。相敏 檢

38、波電路要求參考電壓與差動(dòng)變壓器次級(jí)輸出電壓頻率相同，相位 相同或相反；因此常接入移相電路。為提高檢波效率，參考電壓幅 值取為信號(hào)的35倍。圖中是調(diào)零電位器。對(duì)測(cè)量小位移的差動(dòng)變 壓器，若輸出信號(hào)過小，電路中可接入放大器。 2）差動(dòng)整流電路 如圖3.16（b）所示，這種電路簡單，不需要參考電壓，不需 考慮相位調(diào)整和零位電壓影響，對(duì)感應(yīng)和分布電容影響不敏感。此 外經(jīng)差動(dòng)整流后變成直流輸出全球遠(yuǎn)距離輸送。需注意的是：經(jīng)相 敏檢波和差動(dòng)整流輸出的信號(hào)還需經(jīng)低通濾波消除高頻分量，才能 獲得與銜鐵運(yùn)動(dòng)一致的有用信號(hào)。,下頁,上頁,返回,全波檢波,半波檢波,（a）,下頁,上頁,返回,（b） 圖3.16 差動(dòng)

39、變壓器測(cè)量電路 （a）差動(dòng)相敏檢波電路 （b）差動(dòng)整流電路,全波電流輸出,半波電流輸出,全波電壓輸出,半波電壓輸出,下頁,上頁,返回,3.4.3 電感傳感器的應(yīng)用 給電感傳感器配用不同的敏感元件，可以測(cè)量位移、壓力、振 動(dòng)等多種參量。其中應(yīng)用的較為普遍的是差動(dòng)變壓器式。差動(dòng)變壓 器式傳感器常用于測(cè)量位移、壓力、壓差、液位等參數(shù)，例如液位 測(cè)量原理如圖3.17所示。當(dāng)液位不變時(shí)，鐵芯處中間位置，無輸出 電壓。當(dāng)液位增加或降低時(shí)，鐵芯上移或下移，其輸出電壓經(jīng)交流 放大、相敏檢波及相關(guān)測(cè)量電路處理后，得到液面的高度。,下頁,上頁,返回,下頁,上頁,返回,3.5 電渦流式傳感器,基于法拉第電磁感應(yīng)原理

40、，將塊狀的金屬導(dǎo)體置于變化的磁場 中或者在磁場中作切割磁力線運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)將產(chǎn)生旋渦的感應(yīng)電 流，該電流叫電渦流，此現(xiàn)象稱為電渦流效應(yīng)。 根據(jù)電渦流效應(yīng)制成的傳感器叫做電渦流傳感器。由于該傳感 器具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、靈敏度高、測(cè)量線性范圍大（頻率響應(yīng) 寬）、抗干擾能力強(qiáng)、不受油污等介質(zhì)的影響，并且可以進(jìn)行無接觸測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)。所以該類型傳感器廣泛用于工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究的各個(gè)領(lǐng)域，可以用于測(cè)量位移、厚度、速度、表面溫度、應(yīng)力、材 料損傷等。按照電渦流在導(dǎo)體中的貫穿情況，電渦流傳感器可以分成高頻反射式和低頻透射式兩類，其基本工作原理是相似的，為此 本節(jié)主要以高頻反射式電渦流傳感器為例介紹其基本原理以

41、及應(yīng)用。 3.5.1 工作原理 圖3.18為電渦流傳感器原理圖，它是由金屬導(dǎo)體和通電線圈組成的渦流系統(tǒng)導(dǎo)體系統(tǒng)。,下頁,上頁,返回,下頁,上頁,返回,根據(jù)法拉第定律，當(dāng)傳感器線圈通以正弦交流電流 時(shí)，線圈 周圍空間必然產(chǎn)生正弦交變磁場 ，使置于此磁場中的金屬導(dǎo)體感 應(yīng)電渦流 ， 又產(chǎn)生新的交變磁場 。根據(jù)楞次定律， 的作用將 反抗原磁場 ，導(dǎo)致傳感器線圈的等效阻抗發(fā)生變化。由上可知， 線圈阻抗的變化完全取決于被測(cè)金屬導(dǎo)體的電渦流效應(yīng)。電渦流的 大小與金屬體的電阻率 、磁導(dǎo)率 、激磁電流頻率 以及傳感器 與被測(cè)導(dǎo)電體間距離 有關(guān)，可用函數(shù)式表示如下： （3.29） 當(dāng)激磁電流頻率及另外兩參量為恒

42、定，只改變一個(gè)參數(shù)，傳感 器線圈阻抗就為此參數(shù)的單值函數(shù)，例如： 因此，當(dāng) 變化時(shí)，通過測(cè)量電路，可以將 的變化轉(zhuǎn)換為電 壓 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。 同理，固定其它三個(gè)參量使 或 為變量，渦流傳感器就可以用于測(cè)電阻率 或磁導(dǎo)率 的變化。,下頁,上頁,返回,3.5.2 高頻反射電渦流傳感器的基本結(jié)構(gòu) 高頻反射電渦流傳感器的結(jié)構(gòu)很簡單，主要由線圈和框架組 成。線圈安置在框架上，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)形成一個(gè)線圈。由 于電渦流式傳感器的主體是激磁線圈，所以線圈的性能和幾何尺 寸、形狀對(duì)整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的性能將產(chǎn)生重要

43、的影響。一般情況下， 線圈的導(dǎo)線采用高強(qiáng)度漆包線；要求較高的場合，可以用銀或銀合 金線；在較高溫度條件下，需要用高溫漆包線。 例如CZF1型渦流傳感器就是采用聚氟乙烯材料的框架，然后 將導(dǎo)線繞在框架上形成的。其結(jié)構(gòu)圖和性能分別如圖3.19、表3.1所 示。,下頁,上頁,返回,下頁,上頁,返回,表3.1 CFZ1型電渦流式傳感器性能表,下頁,上頁,返回,3.5.3 渦流傳感器的應(yīng)用 （1）厚度計(jì) 渦流傳感器可以無接觸地測(cè)量金屬板的厚度和非金屬板的鍍層 厚度，當(dāng)金屬板的厚度發(fā)生變化時(shí)，傳感器與金屬板間的距離改 變，從而引起電壓的變化。為了克服金屬板不平整或運(yùn)行中上下波 動(dòng)的影響，通常采用比較的方法

44、進(jìn)行測(cè)量。在金屬板的上下各裝一 只渦流傳感器，二者相隔距離 （如圖3.20），它們與金屬板上下 表面的距離分別為 和 ，故板厚為 ，測(cè)出 和 對(duì)應(yīng)的 電壓值，通過加法器相加后與 對(duì)應(yīng)電壓相減，就得到與板厚相對(duì) 應(yīng)的電壓值。,下頁,上頁,返回,下頁,上頁,返回,（2）轉(zhuǎn)速計(jì) 在轉(zhuǎn)軸上開一個(gè)或多個(gè)鍵槽，靠近軸表面安裝一個(gè)渦流傳感器 （如圖3.21），當(dāng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，渦流傳感器將周期性地改變輸出信 號(hào)，該電壓信號(hào)經(jīng)放大、整形后，可以用頻率計(jì)指示輸出頻率值。 該值與頻率和槽數(shù)有關(guān)，其關(guān)系為 式中： 為頻率值； 為軸上開的槽數(shù)； 為被測(cè)軸的轉(zhuǎn)速，單位為 。,下頁,上頁,返回,下頁,上頁,返回,3.6 壓電式

45、傳感器,壓電式傳感器是以具有壓電效應(yīng)的元件作為轉(zhuǎn)換元件的有源傳 感器，它既可以把機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，也可以把電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械 能。這樣的特性使其可用于跟力有關(guān)的物理量的測(cè)量，如力、壓 力、加速度、機(jī)械沖擊和振動(dòng)等，也被用于超聲波的發(fā)射與接受裝 置。 壓電式傳感器具有體積小、重量輕、工作頻帶寬、靈敏度和精 確度高等特點(diǎn)，而且目前與其配套的后續(xù)儀器，如電荷放大器等技 術(shù)的日益提高，這種傳感器在聲學(xué)、醫(yī)學(xué)、力學(xué)、宇航等方面越來 越得到廣泛的應(yīng)用。 壓電式傳感器的工作原理是基于某些材料的壓電效應(yīng)。 3.6.1 壓電效應(yīng) 某些物質(zhì)，當(dāng)沿著一定方向受到壓力或者拉力作用而發(fā)生變 形，其兩個(gè)表面上會(huì)產(chǎn)生符號(hào)相反的

46、電荷；當(dāng)外力去掉時(shí)，它們又 重新回到不帶電的狀態(tài)；當(dāng)受力方向變化時(shí)，電荷的極性也隨著變 化，我們把現(xiàn)象就稱為壓電效應(yīng)。相反，如果把這些物質(zhì)置于電場,下頁,上頁,返回,中，其幾何尺寸也會(huì)發(fā)生變化，我們把這種由于電場作用導(dǎo)致物質(zhì) 發(fā)生形變的現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)（也稱電致伸縮效應(yīng)）。這種具有 壓電效應(yīng)的物質(zhì)我們稱為壓電材料或壓電元件，常見的壓電材料主 要有石英、鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等。,下頁,上頁,返回,從石英晶體上沿機(jī)械軸（y）方向切下一塊如圖3.23a所示的晶 體片，當(dāng)在電軸（x軸）方向受到力作用時(shí)，在與電軸（x軸）垂直 的平面上將產(chǎn)生電荷 ，如圖3.23b所示，其大小為 （3.30） 式中 x軸方向

47、受力的壓電系數(shù)； x軸方向受到的力。 若在同一晶體片上，當(dāng)在機(jī)械軸（y軸）方向受到力作用時(shí)，則 仍在與電軸（x軸）垂直的平面上將產(chǎn)生電荷 ，如圖3.23c所示，其 大小為 （3.31） 式中 y軸方向受力的壓電系數(shù)，； y軸方向受到的力； ， 晶體片的長度和厚度。,下頁,上頁,返回,電荷 和 的符號(hào)由受力是拉力還是壓力決定的。同時(shí)從式 （3.30）和（3.31）可以看出， 的大小與晶體片形狀尺寸無關(guān)， 而 與晶體片的幾何尺寸有關(guān)。,下頁,上頁,返回,3.6.2 壓電式傳感器及其等效電路 當(dāng)壓電晶體片受力作用時(shí)，在晶體片的兩表面上出現(xiàn)等量的 正、負(fù)電荷，晶體片的兩表面相等于一個(gè)電容的兩個(gè)極板，兩

48、極板 之間的物質(zhì)就相等于電容極板間的介質(zhì)，因而壓電晶體片在工作時(shí) 就等效于一只平行板介質(zhì)電容，如圖3.24所示。其電容量為 （3.32） 式中 壓電材料的介電常數(shù)； 壓電晶體片工作面的面積（m2）； 極板間距，即晶體片厚度（m）。,下頁,上頁,返回,如果施加于晶體片上的外力不變時(shí)，晶體片兩表面上的電荷又無泄漏，那么在外力繼續(xù)作用時(shí)，電荷數(shù)保持不變，而在外力作用消失時(shí)，電荷也隨之消失。故壓電式傳感器在工作時(shí)可以等效為一與電容并聯(lián)的電荷源，如圖3.25a所示；同時(shí)壓電式傳感器也可看成為一電壓源，如圖3.25b所示。電壓 、電荷量 和電容量 三者之間的關(guān)系為 （3.33）,下頁,上頁,返回,下頁,上

49、頁,返回,壓電式傳感器在實(shí)際使用時(shí)總要與測(cè)試儀表或測(cè)量電路相連， 因而還必須要考慮電纜連接電容Cc，前置放大器的輸入電阻Ri和輸 入電容Ci以及壓電式傳感器絕緣電阻Ra，這樣壓電式傳感器在測(cè)量 系統(tǒng)中的等效電路就如圖3.26所示。 實(shí)際壓電式傳感器中，往往采用兩片或兩片以上的具有相同性 能的壓電晶體片粘貼在一起使用，由于壓電晶體片有電荷極性，因 而接法有串聯(lián)和并聯(lián)兩種，我們這里以兩片為例對(duì)其串聯(lián)和并聯(lián)進(jìn) 行分析，如圖3.27所示。 串聯(lián)時(shí)，輸出電荷等于單片上的電荷，輸出電壓為單片電壓的 兩倍，總電容為單片電容的1/2。即 （3.34）,下頁,上頁,返回,下頁,上頁,返回,并聯(lián)時(shí)，輸出電荷為單片

50、上電荷的兩倍，輸出電壓等于單片電 壓，總電容等于單片電容的兩倍。即 ， ， （3.35） 由此可見，串聯(lián)接法時(shí)輸出電壓高，本身電容小。適用于以電 壓輸出的信號(hào)和測(cè)量電路輸入阻抗很高的情況；而并聯(lián)接法時(shí)電荷 輸出大，本身電容也大，因而時(shí)間常數(shù)大，故適用于測(cè)量緩慢變化 信號(hào)，并以電荷作為輸出的情況。,下頁,上頁,返回,實(shí)際中，由于壓電晶片在加工時(shí)即使磨得再光滑，也難保證其 接觸面的絕對(duì)平坦，如果沒有足夠的壓力，就不能保證全面的均勻 接觸。因而在制作和使用壓電式傳感器時(shí)，應(yīng)使壓電晶片有一定的 預(yù)應(yīng)力。當(dāng)然預(yù)應(yīng)力也不能太大，否則將影響壓電式傳感器的工作 靈敏度。,下頁,上頁,返回,3.6.3 壓電式傳

51、感器的測(cè)量電路 由于壓電式傳感器的輸出電信號(hào)是很微弱的電壓或電荷信號(hào)， 而且傳感器本身具有很大的內(nèi)阻，因而輸出能量相當(dāng)微小，這給后 接電路的連接帶來了一定的困難，為此通常把傳感器的信號(hào)先輸入 到高輸入阻抗的前置放大器，經(jīng)過阻抗變換后，方可進(jìn)行一般的放 大、檢波電路將信號(hào)輸給測(cè)試儀表或記錄儀。 根據(jù)前面的等效電路，它的輸出可以是電壓，也可以是電荷， 因而其前置放大器也有兩種形式：電壓放大器和電荷放大器。 （1）電壓放大器（阻抗變換器） 如圖3.28a、b所示為電壓放大器電路原理圖與其等效電路。,下頁,上頁,返回,在圖3.28b中 電阻 （3.36） 式中 壓電式傳感器絕緣電阻； 前置放大器的輸入

52、電阻。,下頁,上頁,返回,電容 （3.37） 式中 壓電式傳感器內(nèi)部電容； 電纜連接電容； 前置放大器的輸入電容。 ，若壓電元件受正弦力的作用，則其電壓為 （3.38） 式中 壓電元件輸出電壓幅值； 壓電系數(shù)。,下頁,上頁,返回,由此可得放大器輸入端電壓，復(fù)數(shù)形式為 （3.39） 令 ，則 （3.40） 由于電壓放大器的增益 ，則輸出電壓為 （3.41）,下頁,上頁,返回,由式（3.41）可見，電壓放大器的輸出電壓 與壓電傳感器所受力 之間具有一階高通濾波特性，其轉(zhuǎn)換靈敏度 為 （3.42） 由此可見，為了擴(kuò)展傳感器的工作頻帶的低頻端須減小 ，據(jù)可知需增大R或增大C，由式（3.42）可知，增大

53、C時(shí)會(huì)降低系統(tǒng)的靈敏度S，所以一般采取增大R，故應(yīng)配置Ri很大的前置放大器。 由式（3.39）可知，當(dāng) （即靜態(tài)力）時(shí)，放大器的輸入電壓等于零，故壓電式傳感器不適合用于靜態(tài)力測(cè)量。同時(shí)由式（3.36）、式（3.42）可知，連接電纜電容Cc改變會(huì)引起C改變從而引起靈敏度改變，故在使用壓電式傳感器過程中，當(dāng)改變連接電纜時(shí)就必須對(duì)傳感器進(jìn)行重新標(biāo)定，這是采用電壓放大器的弊端。,下頁,上頁,返回,（2）電荷放大器 電荷放大器常常作為壓電式傳感器的輸入電路，如圖3.29所 示，它是由一個(gè)反饋電容Cf和高增益運(yùn)算放大器構(gòu)成，圖中A為運(yùn) 算放大器增益，由于運(yùn)算放大器具有高的輸入阻抗，其輸出電壓Uo 為 （3

54、.43） 式中 放大器輸出電壓； 反饋電容兩端的電壓。,下頁,上頁,返回,由運(yùn)算放大器基本特性可知，電荷放大器的輸出電壓 （3.44） 通常 ，故 ，則上式可近似表達(dá)為 （3.45）,下頁,上頁,返回,根據(jù)式（3.37）和式（3.45）可以看出，使用電荷放大器時(shí)， 電纜連接電容對(duì)放大器的影響幾乎可以忽略不計(jì)?；诖?，電荷放 大器的應(yīng)用日益增多。,下頁,上頁,返回,3.7 磁電式傳感器,磁電式傳感器是利用電磁感應(yīng)原理將被測(cè)量（如振動(dòng)、位移、 速度等）轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的一種傳感器，也稱為電磁感應(yīng)傳感器。 根據(jù)電磁感應(yīng)定律，當(dāng)N匝線圈在恒定磁場內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)，設(shè)穿過 線圈的磁通為 ，則線圈內(nèi)會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) （3.46） 可見，線圈中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小，跟線圈的匝數(shù)和穿過線圈的 磁通變化率有關(guān)。一般情況下，匝數(shù)是確定的；而磁通變化率與磁 場強(qiáng)度 、磁路磁阻 、線圈的運(yùn)動(dòng)速度 有關(guān)，故只要改變其 中一個(gè)參數(shù)，都會(huì)改變線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。 根據(jù)結(jié)構(gòu)方式的不同，磁電式傳感器通常分為動(dòng)圈式和磁阻式 兩大類，下面分別對(duì)其介紹。,下頁,上頁,返回,3.7.1 動(dòng)圈式磁電傳感器 動(dòng)圈式磁電傳感器又可分為線速度型與角速度型。圖3.30表示 線速度型傳感器工作原理。在永久磁鐵產(chǎn)生的直流磁