傳感器教案課程

1、薂緒論袁一、傳感器的概念、 羇傳感器：把特定的被測(cè)信息（包括物理量、化學(xué)量、生物量等）按一定袆規(guī)律轉(zhuǎn)換成某種可用信號(hào)輸出的器件或裝置。螞這里“可用信號(hào)”是指便于處理、傳輸?shù)男盘?hào)。當(dāng)今電信號(hào)最易于處理和便于傳輸，因此，可以把傳感器狹義地定義為：羈傳感器（狹義定義）：能將外界非電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出的器件。蠆當(dāng)人類進(jìn)入光子時(shí)代，光信息成為更便于快速、高效地處理與傳輸?shù)目捎眯盘?hào)時(shí)，傳感器的概念也可以變?yōu)椋耗馨淹饨缧畔⑥D(zhuǎn)換成光信號(hào)輸出的器件。、 蚅傳感器技術(shù)：是涉及傳感（檢測(cè)）原理、傳感器設(shè)計(jì)、傳感器開(kāi)發(fā)和應(yīng)用螂的綜合技術(shù)。荿傳感技術(shù)的含義則更為廣泛，它是傳感器技術(shù)、敏感功能材料科學(xué)、細(xì)微加工技術(shù)等多

2、學(xué)科技術(shù)相互交叉滲透而形成的一門新技術(shù)學(xué)科傳感器工程學(xué)。、 膇傳感（檢測(cè)）原理：是指?jìng)鞲衅鞴ぷ魉罁?jù)的物理、化學(xué)和生物效應(yīng)，并莄受相應(yīng)的定律和法則所支配。如：物理基礎(chǔ)的基本定律包括：守恒定律（能量、動(dòng)量、電荷等），場(chǎng)的定律（包括動(dòng)力場(chǎng)運(yùn)動(dòng)定律、電磁場(chǎng)的感應(yīng)定律等，其作用與物體在空間的位置及分布有關(guān)。），物質(zhì)定律（如虎克定律、歐姆定律、半導(dǎo)體材料的各種效應(yīng)等，表示本身內(nèi)在性質(zhì)的定律），統(tǒng)計(jì)法則（它把微觀系統(tǒng)與宏觀系統(tǒng)聯(lián)系起來(lái)的物理法則，它們常與傳感器的工作狀態(tài)有關(guān)）。袂敏感材料：是傳感技術(shù)發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)；此外，傳感器的加工技術(shù)也是傳感技術(shù)必不可少的組成部分，現(xiàn)代的微細(xì)加工技術(shù)、光學(xué)刻劃技術(shù)、光學(xué)

3、鍍磨技術(shù)、擴(kuò)散及各向異性腐蝕技術(shù)等新型加工方法的引入，使傳感器的加工上了一個(gè)大臺(tái)階。螀二、傳感器的組成衿傳感器一般由三部分組成：敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、測(cè)量電路組成。蕆圖0-1傳感器的組成羂其中，能把非電信息轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的轉(zhuǎn)換元件，是傳感器的核心。敏感元件是傳感器預(yù)先將被測(cè)非電量變換為另一種易于變換成電量的非電量，然后再變換為電量，如彈性元件。因此，并非所有傳感器都包含這兩部分，對(duì)于物性型傳感器，一般就只有轉(zhuǎn)換元件；而結(jié)構(gòu)型傳感器就包括敏感和轉(zhuǎn)換元件兩部分。膁測(cè)量電路，將轉(zhuǎn)換元件輸出的電量變成便于顯示、記錄、控制和處理的有用電信號(hào)的電路。傳感器的測(cè)量電路，經(jīng)常采用電橋電路、高阻抗輸入電路、脈沖調(diào)寬

4、電路、振蕩電路等特殊電路。芆三、傳感器的分類芅按基本效應(yīng)分：物理型、化學(xué)型、生物型等。羂按構(gòu)成原理分：結(jié)構(gòu)型、物性型。薁按測(cè)量原理分：應(yīng)變式、電容式、壓電式、熱電式等。肈按能量關(guān)系分：能量轉(zhuǎn)換型（自源型）、能量控制型（外源型）。羄按輸入量分：位移、溫度、壓力、流量、加速度等。肂按輸出量分：模擬式、數(shù)字式。蚈傳感器，作為測(cè)量與控制系統(tǒng)的首要環(huán)節(jié)，必須具有快速、準(zhǔn)確、可靠、經(jīng)濟(jì)實(shí)現(xiàn)信息轉(zhuǎn)換的基本要求：、 蒆足夠的容量工作范圍或量程足夠大、有一定的過(guò)載能力。、 螃與測(cè)量或控制系統(tǒng)匹配性好，轉(zhuǎn)換靈敏度高。、 膂精度適當(dāng)，且穩(wěn)定性高。、 腿反應(yīng)速度快、工作可靠性好。、 膈適用性和適應(yīng)性強(qiáng)。對(duì)被測(cè)對(duì)象的狀

5、態(tài)影響小，不易受外界干擾的影響，使用安全。、 螆使用經(jīng)濟(jì)，成本低，壽命長(zhǎng)，且易于使用、維修和校準(zhǔn)。芁四、傳感器的發(fā)展趨勢(shì)薀1、開(kāi)發(fā)新型傳感器蚆進(jìn)一步探索具有新效應(yīng)的敏感功能材料，并以此研制出具有新原理的新型物性型傳感器件，物性型傳感器亦稱固態(tài)傳感器，它包括半導(dǎo)體、電解質(zhì)和強(qiáng)磁性體三類。其中利用量子力學(xué)諸效應(yīng)研制的高靈敏閾傳感器，用來(lái)檢測(cè)微弱信號(hào)，是傳感器技術(shù)發(fā)展的新趨勢(shì)，例如，利用核磁共振吸收效應(yīng)的磁敏傳感器，可將檢測(cè)限擴(kuò)展到地磁強(qiáng)度的10的7次方，利用約瑟夫遜效應(yīng)的熱噪聲溫度傳感器，可測(cè)量10的負(fù)6次方的超低溫；以及由于光子滯后效應(yīng)的利用，出現(xiàn)了響應(yīng)速度極快的紅外傳感器。目前最先進(jìn)的固態(tài)傳感

6、器，在一塊芯片上可同時(shí)集成差壓、靜壓、溫度三個(gè)傳感器，使差壓傳感器具有溫度和壓力補(bǔ)償功能。薅2、傳感器的集成化和多功能化莁所謂集成化，就是將敏感元件、信息處理或轉(zhuǎn)換單元以及電源等部分利用半導(dǎo)體技術(shù)將其制做在同一芯片上；多功能化則意味著傳感器具有多種參數(shù)的檢測(cè)功能，如半導(dǎo)體溫濕敏傳感器、多功能氣體傳感器等。借助于半導(dǎo)體的蒸鍍技術(shù)、擴(kuò)散技術(shù)、光刻技術(shù)、精密加工及組裝技術(shù)等，使得傳感器的這種發(fā)展趨勢(shì)得以實(shí)現(xiàn)。羈3、傳感器的智能化莈傳感器與微型計(jì)算機(jī)相結(jié)合就形成了智能傳感器，它兼有檢測(cè)和信息處理功能，同時(shí)還具有記憶、存儲(chǔ)、解析、統(tǒng)計(jì)處理及自診斷、自校準(zhǔn)、自適應(yīng)等功能和遠(yuǎn)距離通訊。將傳感器和計(jì)算機(jī)的這些

7、功能集成于同一芯片，就形成智能傳感器。莄4、研究生物傳感器和開(kāi)發(fā)仿生傳感器蒁大自然是生物傳感器的優(yōu)秀設(shè)計(jì)師。如狗的嗅覺(jué)（靈敏閾是人的一百萬(wàn)倍）、鳥(niǎo)的視覺(jué)（視力是人的850倍）、蝙蝠、飛蛾、海豚的聽(tīng)覺(jué)（主動(dòng)型生物雷達(dá)超聲波傳感器）、蛇的接近覺(jué)（分辨力達(dá)0.001度的紅外測(cè)溫傳感器）等。所以，這也是傳感器的一個(gè)發(fā)展方向。莂5、傳感器的圖像化袆現(xiàn)代的傳感器已不再僅限于對(duì)于一點(diǎn)的測(cè)量，而開(kāi)始研究一維、二維甚至三維空間的測(cè)量問(wèn)題?，F(xiàn)已研制成功的二維圖像傳感器，有MOS型、CCD型、CID型全固體式攝像器件等。莇第一章傳感器的一般特性薁傳感器的輸入量可分為靜態(tài)量和動(dòng)態(tài)量?jī)深悺o(wú)論對(duì)靜態(tài)量或動(dòng)態(tài)量，傳感器的

8、輸出量都應(yīng)不失真地復(fù)現(xiàn)輸入量的變化。這主要取決于傳感器的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性。葿1.1傳感器的靜態(tài)特性薇一、靜態(tài)數(shù)學(xué)模型膆靜態(tài)模型是指在靜態(tài)條件下（即輸入量對(duì)時(shí)間t的各階導(dǎo)數(shù)為零）得到的數(shù)學(xué)模型。不考慮滯后及蠕變，傳感器的靜態(tài)模型可用一代數(shù)方程表示：薁式中：Y輸出量；袀X輸入量；艿零位輸出；襖傳感器的靈敏度，常用K或S表示；蟻，非線性項(xiàng)待定常數(shù)。芀這種多項(xiàng)式方程可分為四種典型情況，見(jiàn)書(shū)。表示輸出量與輸入量之間的關(guān)系曲線稱為特性曲線，圖1-1表示了這四種典型曲線。其中，理想的模型為：蚇后三種情況表示的是非線性情況，必須采取線性補(bǔ)償措施。蚃二、靜態(tài)特性指標(biāo)：螁1線性度：表征傳感器曲線與擬合直線間最大

9、偏差與滿量程（FS）輸出蟻值的百分比。葿L=max/YFS100%蚆max校準(zhǔn)曲線與擬合直線間最大偏差；袁YFS傳感器滿量稱輸出；YFS=YmaxY0螈擬合直線的方法不同，線性度的大小也不同。擬合直線的方法有：1）2） 袇端基法（簡(jiǎn)單直觀，未考慮數(shù)據(jù)分布、擬合精度低）；3）4） 蒅理論直線法（與測(cè)試值無(wú)關(guān)，簡(jiǎn)單、方便）；5）6） 羀最小二乘法（擬合精度高，可得最佳擬合直線）；7）8） 腿端點(diǎn)平移法（最佳直線法）：正、負(fù)偏差最小且相等，擬合精度最高；9）10） 蕿平均斜率法：精度比端基法高；11）12） 芄平均選點(diǎn)法：我國(guó)專家提出，等等。芄2靈敏度：在穩(wěn)定工作狀態(tài)時(shí)，輸出變化量與引起此變化的輸入

10、量之比。薀3精度：在規(guī)定條件的最大絕對(duì)誤差相對(duì)傳感器滿量程輸出的百分比。肇表征測(cè)量結(jié)果的可靠程度，芇A=A/YFS100%莄工程中，經(jīng)常使用精度等級(jí)表征傳感器的精度：0.05,0.1,0.5,1.0,1.5,羈2.0,5.0etc。蝿4分辨率：在規(guī)定的測(cè)量范圍內(nèi)，所能檢測(cè)出被測(cè)輸入量的最小變化量。也可用該值相對(duì)滿量程輸入值之百分?jǐn)?shù)表示。也稱為最小檢測(cè)量。肆5遲滯：在相同工作條件下，傳感器在正、反行程中輸入-輸出曲線的不重合程度。正、反行程的最大偏差與滿量程之比。蒄原因：傳感器機(jī)械結(jié)構(gòu)、制造工藝上的缺陷；摩擦、軸承間隙、螺釘松動(dòng)、元件損壞、積塵等。莂6重復(fù)性：在相同的工作條件下，輸入量按同一方向

11、在全量程范圍內(nèi)連續(xù)多次所特性曲線的不一致性。數(shù)值上，是各測(cè)量值標(biāo)準(zhǔn)偏差最大值兩倍或三倍與滿量程的百分比表示。芆它反映測(cè)量結(jié)果偶然誤差的大小。而不表示與真值的誤差。裊7零點(diǎn)漂移：在無(wú)輸入時(shí)，傳感器輸出偏離零值的大小與滿量程只比。薄8溫漂：溫度變化時(shí)，傳感器輸出值的偏離程度。一般以溫度每變化1度，輸出最大偏差與滿量程的百分?jǐn)?shù)。蕿9閾值：使傳感器輸出產(chǎn)生可測(cè)變化量的最小輸入量值。也稱為死區(qū)。羈1.2傳感器的動(dòng)態(tài)特性薃動(dòng)態(tài)特性：是指?jìng)鞲衅鲗?duì)于隨時(shí)間變化的輸入量的響應(yīng)特性。它是反映傳感器的輸出值真實(shí)再現(xiàn)變化的輸入量的能力；因?yàn)閭鞲衅魉鶛z測(cè)的信號(hào)大多是時(shí)間的函數(shù)。一、二、 蚄動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型：罿動(dòng)態(tài)模型一般是

12、由常系數(shù)微分方程、傳遞函數(shù)的形式來(lái)表述的。莆傳遞函數(shù)：輸出的拉氏變換與輸入的拉氏變換之比。蚆常微分方程形式（anDn+an-1Dn-1+a1D+a0）Y(t)螄=(bmDm+bm-1Dm-1+b1D+b0)X(t)莀傳遞函數(shù)的形式肈絕大多數(shù)傳感器動(dòng)態(tài)模型，一般均可用零階傳感器、一階傳感器、二階傳感器三種形式來(lái)描述，習(xí)慣用傳遞函數(shù)的形式來(lái)表示。蒞1零階傳感器螄微分方程形式：y=b0/a0=Kx螁傳遞函數(shù)形式：；K：靜態(tài)靈敏度。薆2一階傳感器：膄微分方程形式：a1dy/dt+a0y=b0x袃傳遞函數(shù)形式：袈其中，K=b0/a0靜態(tài)靈敏度；=a1/a0時(shí)間常數(shù)。羋2二階傳感器：羃微分方程形式：a2d

13、2y/dt2+a1dy/dt+a0y=b0x羃傳遞函數(shù)形式：艿其中，K=b0/a0靜態(tài)靈敏度；0=（a0/a2）0.5固有頻率；螆=a1/2(a0a2)0.5阻尼比。羆二、動(dòng)態(tài)特性：肅傳感器的動(dòng)態(tài)特性包括兩部分：1）輸出量達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后與理想輸出量的差別；2）當(dāng)輸入量發(fā)生躍變時(shí)，輸出量由一個(gè)穩(wěn)態(tài)到另一個(gè)穩(wěn)態(tài)之間的過(guò)渡狀態(tài)中的誤差。工程上，常用輸入“標(biāo)準(zhǔn)”信號(hào)函數(shù)的方法進(jìn)行分析：正弦函數(shù)和階躍函數(shù)。原因：任何周期函數(shù)都可以用傅立葉級(jí)數(shù)分解為各次諧波分量，并把它近似表示為這些正弦量之和。（一）（二） 蝕零階傳感器12 蒈頻率響應(yīng)特性：與頻率無(wú)關(guān)，沒(méi)有幅值和相位失真問(wèn)題。故可稱為比例環(huán)節(jié)或無(wú)慣性環(huán)節(jié)

14、。34 螅階躍響應(yīng)特性：階躍響應(yīng)與輸入成正比。它具有理想的動(dòng)態(tài)特性。（三）（四） 膃一階傳感器肁1頻率響應(yīng)特性：頻率傳遞函數(shù)為：裊設(shè)輸入量為：x=Xsint蒄輸出量為：y=Ysin(t+)芃幅頻特性：蒂相頻特性：蚇由頻率特性可知：時(shí)間常數(shù)愈小，頻率響應(yīng)特性愈好。薆2階躍響應(yīng)特性：莃階躍響應(yīng)指標(biāo)：蚈（1）時(shí)間常數(shù)：輸出值上升到穩(wěn)態(tài)值63.2%所需的時(shí)間。荿（2）上升時(shí)間Tr：由10%到90%所需的時(shí)間。芅（3）響應(yīng)時(shí)間Ts：輸出值達(dá)到誤差范圍%所經(jīng)歷的時(shí)間。莃（4）超調(diào)量%：過(guò)渡過(guò)程中超過(guò)穩(wěn)態(tài)值的最大值A(chǔ)（過(guò)沖）與穩(wěn)態(tài)值之比的百分?jǐn)?shù)表示。螅（5）衰減率：相鄰兩個(gè)波峰高度下降的百分?jǐn)?shù)。薃（6）穩(wěn)態(tài)

15、誤差ess:穩(wěn)態(tài)輸出值與目標(biāo)值之差。螀階躍響應(yīng)：Y（t）=1-e-t/羋由上式可知：一階傳感器的動(dòng)態(tài)特性取絕于時(shí)間常數(shù)。越小，響應(yīng)越迅速。無(wú)超調(diào)量%和衰減率；當(dāng)t5時(shí)，輸出已接近穩(wěn)態(tài)值。（五）（六） 膆二階傳感器12 芅頻率響應(yīng)特性：頻率傳遞函數(shù)為：蕿幅頻特性：莈相頻特性：薇由幅頻特性和相頻特性可知：1）2） 蚃/01時(shí)，A（）0，；即傳感器無(wú)響應(yīng)，被測(cè)參數(shù)的頻率遠(yuǎn)高于其固有頻率。5）6） 莈/0=1時(shí)，且0，傳感器出現(xiàn)諧振；A（）；輸出信號(hào)的幅值和相位嚴(yán)重失真。7）8） 蚄阻尼比對(duì)頻率特性有很大影響：增大，幅頻特性的最大值減小。0.707，諧振不會(huì)發(fā)生；=0.707，幅頻特性的平直段最寬。稱

16、為最佳阻尼。蒅2階躍響應(yīng)特性：1）2） 莁欠阻尼1；3）臨界阻尼=1；三鐘情況。蒈固有頻率越高，響應(yīng)曲線上升越快；反之，則越慢。欠阻尼時(shí)，發(fā)生衰減振蕩；1，不產(chǎn)生振蕩，無(wú)過(guò)沖；=0，固有頻率時(shí)，形成等幅振蕩。肅第二章應(yīng)變式傳感器袃電阻式傳感器的種類繁多，應(yīng)用廣泛，其基本原理是將被測(cè)物理量的變化轉(zhuǎn)換成電阻值的變化，再經(jīng)相應(yīng)的測(cè)量電路而最后顯示被測(cè)量值的變化。電阻式傳感器與相應(yīng)的測(cè)量電路組成的測(cè)力、測(cè)壓、稱重、測(cè)位移、測(cè)加速度、測(cè)扭矩、測(cè)溫度等測(cè)試系統(tǒng)。目前，已成為生產(chǎn)過(guò)程檢測(cè)以及實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動(dòng)化不可缺少的手段之一。膀電阻式傳感器的種類主要有：電位器式傳感器和應(yīng)變式傳感器。本章主要介紹應(yīng)變式傳感器。

17、它包括：金屬應(yīng)變片式傳感器和壓阻式傳感器。薈2.1金屬應(yīng)變片式傳感器蒆一、應(yīng)變效應(yīng)薄金屬應(yīng)變片的工作原理是基于電阻應(yīng)變效應(yīng)，即在金屬絲產(chǎn)生機(jī)械變形時(shí)，它的電阻值相應(yīng)發(fā)生變化膃圖2-1金屬絲伸長(zhǎng)后幾何尺寸變化蚈由袆兩邊取對(duì)數(shù)，微分后得肂式中：電阻得相對(duì)變化；電阻率的相對(duì)變化；羈長(zhǎng)度相對(duì)變化，令金屬絲的軸向應(yīng)變（縱向）；螈截面積的相對(duì)變化，即為徑向應(yīng)變（橫向）。芇又由螄所以，螀稱為應(yīng)變靈敏度系數(shù)，由兩部分組成：一為幾何尺寸引起，一為電阻率變化引起；對(duì)特定的金屬材料，在一定應(yīng)變范圍內(nèi)為一常數(shù)。袈二、金屬應(yīng)變片蒄1結(jié)構(gòu)與材料膂結(jié)構(gòu)組成：敏感柵、基底、蓋片、粘結(jié)劑、引線。葿材料要求：較大靈敏度系數(shù)且為常

18、數(shù)；高而穩(wěn)定的電阻率；電阻溫度系數(shù)小；機(jī)械強(qiáng)度高易于加工；抗氧化耐腐蝕。常用材料：銅鎳合金、卡瑪合金、伊文合金、鉑和鉑合金等。袇2分類裊包括：金屬絲式應(yīng)變片、金屬箔式應(yīng)變片（見(jiàn)下圖）、金屬薄膜式應(yīng)變片。羄圖22金屬箔式應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu)薂圖23各式箔式應(yīng)變花羇三、主要特性芆包括：靈敏度系數(shù)、橫向效應(yīng)、機(jī)械滯后，零漂及蠕變、溫度效應(yīng)、應(yīng)變極限、疲勞壽命、動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性等。莂1靈敏度系數(shù)：，一般。主要原因：粘結(jié)劑與基底的傳遞應(yīng)變失真、橫向效應(yīng)等。芁2橫向效應(yīng)：敏感柵由軸向縱柵和圓弧橫柵兩部分組成。所以應(yīng)變片既受到軸向應(yīng)變又受到橫向應(yīng)變的影響，且其影響方向相反，這種現(xiàn)象為橫向效應(yīng)。一般，敏感柵愈窄、基長(zhǎng)

19、愈長(zhǎng)，橫向效應(yīng)愈小，誤差愈小。肇3機(jī)械滯后：殘余變形所致，使加載與卸載特性出現(xiàn)偏差。蚇4零點(diǎn)漂移和蠕變：溫度效應(yīng)、片內(nèi)應(yīng)力、粘結(jié)劑固化不充分、膠層間產(chǎn)生滑動(dòng)等造成。肄5動(dòng)態(tài)特性：柵長(zhǎng)愈短，動(dòng)態(tài)特性愈好。肀四、溫度誤差及補(bǔ)償膇在外界溫度變化的條件下，由于敏感柵溫度系數(shù)t及柵絲與試件膨脹系數(shù)(g及e)之差異性而產(chǎn)生虛假應(yīng)變輸出有時(shí)會(huì)產(chǎn)生與真實(shí)應(yīng)變同數(shù)量級(jí)的誤差。肈虛假應(yīng)變：薂必須采取補(bǔ)償溫度誤差的措施。通常溫度誤差補(bǔ)償方法有兩類：肅1自補(bǔ)償法：?jiǎn)谓z自補(bǔ)償法、組合式自補(bǔ)償法芇2電路補(bǔ)償法膅圖24組合式自動(dòng)補(bǔ)償法圖2-5電橋補(bǔ)償法芃圖2-6差動(dòng)電橋補(bǔ)償法袂電路補(bǔ)償法要求：補(bǔ)償電阻與應(yīng)變電阻同一批號(hào)，具

20、有相同的t、e和K，初始阻值相同；粘結(jié)補(bǔ)償片的材料與被測(cè)試件材料相同；兩片處于同一溫度環(huán)境。莇五、測(cè)量電路薅（a）當(dāng)負(fù)載為無(wú)窮大時(shí)，羅（b）為單臂電橋；（c）為半橋電路；（d）為全橋電路。12 蝕等臂電橋：蕆一般情況下，羆上式表明：蒃當(dāng)時(shí)，輸出電壓與應(yīng)變呈線性關(guān)系；荿相鄰橋臂，應(yīng)變極性一致時(shí)，輸出電壓為兩者之差；應(yīng)變極性相反時(shí)，輸出電壓為兩者之和；蕆相對(duì)橋臂，應(yīng)變極性一致時(shí)，輸出電壓為兩者之和；應(yīng)變極性相反時(shí)，輸出電壓為兩者之差。莇對(duì)于單臂電橋，輸出為：膅非線性誤差，由下式?jīng)Q定，蒂所以，；當(dāng)已知非線性誤差時(shí)，由此式可計(jì)算出最大應(yīng)變值。34 薆對(duì)稱電橋：特性與等臂電橋相近。薄第一對(duì)稱電橋：，；特

21、性與等臂電橋相同。蚃第二對(duì)稱電橋：，；分析方法相同，令，膁非線性誤差為：蚆3交流測(cè)量電橋：羅六、應(yīng)變式傳感器蒞可用于測(cè)量應(yīng)力、應(yīng)變、壓力、力、扭矩及加速度等。羀應(yīng)用特點(diǎn)：應(yīng)用和測(cè)量范圍廣。測(cè)力傳感器：102N107N；壓力傳感器：103108Pa；加速度傳感器：103級(jí)m/s2。肀分辨力、靈敏度高。莆結(jié)構(gòu)輕小，對(duì)試件影響小。螃易商品化、使用方便、便于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距、自動(dòng)測(cè)量。羃2.2壓阻式傳感器膀由硅、鍺等半導(dǎo)體材料制成。特點(diǎn)為：靈敏度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好、精度高、橫向效應(yīng)小，易于微型化和集成化。螇壓阻效應(yīng)是1954年發(fā)現(xiàn)，1958年貝爾實(shí)驗(yàn)室研制出硅力敏電阻；70年代后得到迅速發(fā)展。蒅一、壓阻效應(yīng)螂沿半

22、導(dǎo)體底某一軸向施加一定的載荷產(chǎn)生應(yīng)變時(shí)，電阻率會(huì)發(fā)生明顯的變化，這種現(xiàn)象稱作壓阻效應(yīng)。膀?qū)饘俨牧希^小，有時(shí)可忽略不計(jì)，故起作用的是應(yīng)變效應(yīng)；膈對(duì)半導(dǎo)體材料，；為壓阻系數(shù)，E為彈性模量。羂由于比大幾十到上百倍，故起作用的是壓阻效應(yīng)；薁在彈性范圍內(nèi)，應(yīng)力作用使半導(dǎo)體電阻發(fā)生變化，應(yīng)力除去后，電阻又恢復(fù)到原來(lái)的數(shù)值，故壓阻效應(yīng)是可逆的。芀二、壓阻系數(shù)12 芄晶體晶向的作用蚄晶體是具有多面體形態(tài)的固體，沿不同的晶軸方向，、E的值是不同的。荿對(duì)于半導(dǎo)體Si：P111、N100晶向，最大；莀對(duì)于半導(dǎo)體Ge：P111、N111晶向，最大。34 蚅影響的因素：膂雜質(zhì)濃度，擴(kuò)散電阻的雜質(zhì)濃度愈高，壓阻系數(shù)愈

23、??；莂溫度，一般溫度愈高，壓阻系數(shù)愈小。蒀三、固態(tài)壓阻器件12 肆結(jié)構(gòu)原理襖利用固態(tài)擴(kuò)散技術(shù)，在N型Si半導(dǎo)體底層上擴(kuò)散P型雜質(zhì)的導(dǎo)電層，形成擴(kuò)散型半導(dǎo)體應(yīng)變片。膁當(dāng)在任意晶向上，受到縱向和橫向應(yīng)力作用時(shí)，薀式中：、縱向應(yīng)力、縱向壓阻系數(shù)；蕆、橫向應(yīng)力、橫向壓阻系數(shù)。節(jié)所以，徑向電阻Rr和切向電阻Rt受到應(yīng)力作用時(shí)：34 袀測(cè)量電橋及溫度補(bǔ)償蠆測(cè)量電橋仍采用金屬應(yīng)變片的測(cè)量橋路，為了減少溫度影響，一般采用恒流源供電。所以，采用全橋測(cè)量時(shí)蚄溫度補(bǔ)償：零點(diǎn)溫度補(bǔ)償，采用串并聯(lián)電阻實(shí)現(xiàn)；肄靈敏度溫度補(bǔ)償，采用在電源回路中串聯(lián)二極管的方法實(shí)現(xiàn)。蠆第三章電容式傳感器蝿電容器是電子技術(shù)中三大無(wú)源元件（電阻

24、、電容、電感）之一。電容式傳感器是將被測(cè)量(如尺寸、壓力等)的變化轉(zhuǎn)換成電容量變化的-種傳感器。19201925年Whiddington就利用電容傳感器成功測(cè)量了大氣壓下的9.3104Pa的壓力變化，108cm機(jī)械位移，1/16000的溫度變化，1010N的重量等。肅優(yōu)點(diǎn)：溫度穩(wěn)定性好；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、適應(yīng)性強(qiáng)；動(dòng)態(tài)響應(yīng)好；可以實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量，具有平均效應(yīng)點(diǎn)；機(jī)械損失小。蒂缺點(diǎn)是：輸出阻抗高，負(fù)載能力差；寄生電容影響大；輸出特性非線性螞應(yīng)用領(lǐng)域包括：位移、壓力、厚度、物位、溫度、濕度、振動(dòng)、轉(zhuǎn)速、流量及成分分析等。蝿3.1電容式傳感器的工作原理蒆由物理學(xué)可知，兩個(gè)平行金屬極板組成的電容器，如果不考慮

25、其邊緣效應(yīng)，其電容為：膄式中：兩個(gè)極板間介質(zhì)的介電常數(shù)；蒁S兩個(gè)極板相對(duì)有效面積；衿d兩個(gè)極板間的距離。袇由上式可知，改變電容C的方法有三種，其一為改變介質(zhì)的介電常數(shù)；其二為改變形成電容的有效面積；其三為改變兩個(gè)極板間的距離。而得到電參數(shù)的輸出為電容值的增量C，這就成了電容式傳感器。蟻根據(jù)上述原理，在應(yīng)用中電容式傳感器可以有三種基本類型，即變極距(或稱變間隙)型、變面積型和變介電常數(shù)型。芀它們的電極形狀有平板形、圓柱形和球平面形三種。罿一、變面積型：芇如上圖所示，為變面積型電容傳感器的四種形式。靈敏度表示為：莃所以，變面積型傳感器是線性的。增大初始電容C0可以提高靈敏度K，這種傳感器主要用于位

26、移等參數(shù)的測(cè)量。節(jié)二、變介電常數(shù)型：聿各種介質(zhì)的介電常數(shù)不同，改變，就可以改變電容C。莄上圖為變介電常數(shù)型電容傳感器的四種形式，其靈敏度系數(shù)為：肅所以，變面積型傳感器是線性的。增大初始電容C0可以提高靈敏度K，這種傳感器主要用于物位測(cè)量、介電常數(shù)測(cè)量和測(cè)厚儀。肁三、變間距型（常用形式）腿假設(shè)極板間只有一種介質(zhì)，如下圖情況。螅對(duì)單極式電容表達(dá)式為：薃其初始電容值為：螀當(dāng)極板距離有一個(gè)增量d時(shí)，則傳感器電容為：羋所以，靈敏度K為膆非線性誤差為：芅只有當(dāng)d/d0很小時(shí)才可認(rèn)為是接近線性關(guān)系，這就意味著使用這種形式傳感器時(shí)，被測(cè)量范圍不應(yīng)太大。提高靈敏度的措施為：增大初始電容C0；減小間距d0。蕿為在

27、比較大的范圍內(nèi)使用此種傳感器，可適當(dāng)?shù)脑龃髽O板間的初始距離d0，以保證比值d/d0不致過(guò)大，但會(huì)帶來(lái)靈敏度下降的缺點(diǎn)，同時(shí)也使電容傳感器的初始值減小，寄生電容的干擾作用將增加。莈常采用差動(dòng)式電容傳感器，此時(shí)電容傳感器輸出為：薇靈敏度為：蚃非線性誤差為：薂變面積型和變介電常數(shù)型(測(cè)厚除外)電容傳感器具有很好的線性。但它們的結(jié)論都是忽略了邊緣效應(yīng)得到的。實(shí)際上由于邊緣效應(yīng)仍存在非線性問(wèn)題，且靈敏度下降，但比變極距型好得多。莈3.2電容式傳感器的測(cè)量電路蚄一、等效電路蒅若忽略RP和CP的影響，則等效電容為：莁在這種情況下，實(shí)際電容的相對(duì)變化量為：蒈上式表明，電容傳感器標(biāo)定和測(cè)量時(shí)必須在同樣條件下進(jìn)行

28、。肅二、測(cè)量電路袃電容式傳感器把被測(cè)量轉(zhuǎn)換成電路參數(shù)C0，從而使信號(hào)能傳輸、放大、運(yùn)算、處理、指示、記錄、控制，得到所需的測(cè)量結(jié)果或控制某些設(shè)備工作。同時(shí)，還根據(jù)需要將電路參數(shù)C進(jìn)一步轉(zhuǎn)換成電壓、電流、頻率等電量參數(shù)。膀目前這樣的轉(zhuǎn)換電路種類很多，一般歸結(jié)為兩大類型：調(diào)制型和脈沖型(或稱為電容充放電器)。薈調(diào)制型電路分為：調(diào)頻電路和調(diào)幅電路；1交流激勵(lì)法，2.交流電橋電路蒆脈沖型電路，脈沖型轉(zhuǎn)換電路的基本原理是利用電容的充放電。兩種性能較好，較常用的電路為：雙T型充放電網(wǎng)絡(luò)，脈沖調(diào)寬型電路。1.2. 薄交流電橋膃上圖為交流電橋的幾種主要形式。蚈以單臂電橋?yàn)槔?，介紹其工作原理。袆電橋輸出為：肂經(jīng)

29、變換后，有：羈其中，為阻抗相對(duì)變化，；螈K為橋臂系數(shù)，；芇由，所以，螄由上述函數(shù)關(guān)系，可得：螀時(shí)，k有最大值；袈時(shí)，；時(shí)，；時(shí)，。芆所以，提高電橋靈敏度的方法為：羄，且使兩橋臂阻抗幅角差盡量大。芁實(shí)際電橋輸出一般偏小，而且無(wú)法判別輸入信號(hào)的極性。蝕2脈沖寬度調(diào)制電路蚇如圖所示，Cx1和Cx2構(gòu)成差動(dòng)電容傳感器。工作過(guò)程中，各點(diǎn)的電位變化如以下波形：螆令，則電路輸出為：莄為觸發(fā)器輸出高電平，當(dāng)電容為變間距電容傳感器時(shí)，螀所以，該測(cè)量電路具有線性輸出。肈3.3誤差分析膄1溫度的影響肅從選材、結(jié)構(gòu)、加工工藝等方面可以有效的減小溫度誤差，同時(shí)保證絕緣材料具有高的絕緣性能。衿2邊緣效應(yīng)及其消除葿邊緣效應(yīng)

30、不僅使電容傳感器的靈敏度降低而且產(chǎn)生非線性，因此應(yīng)盡量消除或減小它。消除邊緣效應(yīng)的方法：袆?增加原始電容值袂?加裝等位環(huán)罿3寄生與分布電容的影響及消除袀寄生電容是電容極板與周圍物體產(chǎn)生的電容。它改變電容傳感器的電容量且本身極不穩(wěn)定，影響傳感器的靈敏度，而它的變化則為虛假信號(hào)影響儀器的精度，必須消除和減小它。莄消除和減小寄生電容可采用如下方法：裊?增加原始電容值可減小寄生電容的影響。聿注意傳感器的接地和屏蔽。羇?將傳感器與電子線路的前置級(jí)(集成化)裝在一個(gè)殼體內(nèi)，省去傳感器至前置級(jí)的電纜。肆?采用驅(qū)動(dòng)電線技術(shù)(也稱雙層屏蔽等位傳輸技術(shù))。蚄?采用運(yùn)算放大器法腿?整體屏蔽法。防止和減小外界干擾莈防

31、止和減小外界干擾的措施：螈?屏蔽和接地。蒃?增加原始電容值以降低容抗。艿?導(dǎo)線和導(dǎo)線要離得遠(yuǎn)，以減小導(dǎo)線間分布電容的靜電感應(yīng)。導(dǎo)線要盡可能短，最好成直角排列，必須平行排列時(shí)可采用同軸屏蔽線。蝿?盡可能一點(diǎn)接地，避免多點(diǎn)按地。地線要用粗的良導(dǎo)體或?qū)捰∷⒕€。芅?盡量采用差動(dòng)式電容傳感電路，可減小非線性誤差，提高傳感器靈敏度，減小寄生電容的影響和干擾。膁3.4電容傳感器的應(yīng)用艿電容傳感器可用來(lái)測(cè)量直線位移、角位移，振動(dòng)振幅(可測(cè)至0.05m的微小振幅)，尤其適合測(cè)量高頻振動(dòng)振幅、精密軸系回轉(zhuǎn)精度、加速度等機(jī)械量，還可用來(lái)測(cè)量壓力、差壓力、液位、料面、糧食中的水分含量、非金屬材料的涂層、油膜厚度、測(cè)量

32、電介質(zhì)的濕度、密度、厚度等等。在自動(dòng)檢測(cè)和控制系統(tǒng)中也常常用來(lái)作為位置信號(hào)發(fā)生器。腿當(dāng)測(cè)量金屬表面狀況、距離尺寸、振動(dòng)振幅時(shí)，往往采用單電極式變極距型電容傳感器，這時(shí)被測(cè)物是電容器的一個(gè)電極，另一個(gè)電極則在傳感器內(nèi)。羇上圖分別為差動(dòng)式電容壓力傳感器和電容式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖芄上圖為電容式料位傳感器和電容式振動(dòng)位移傳感器應(yīng)用示意圖。荿第四章電感式傳感器莆電感式傳感器是利用線圈自感或互感的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)量的一種裝置?？梢杂脕?lái)測(cè)量位移、振動(dòng)、壓力、流量、重量、力矩、應(yīng)變等多種物理量。蒞電感式傳感器可分為自感式、互感式兩種，在被測(cè)量轉(zhuǎn)換成線圈自感或互感的變化時(shí)，一般要利用磁場(chǎng)作為媒介或利用鐵磁體的

33、某些現(xiàn)象。這類傳感器的主要特征是具有線圈繞組。羃4.1自感式傳感器葿自感傳感器的常見(jiàn)形式有氣隙型和螺管型。螇一、氣隙型電感傳感器膇電感值與以下幾個(gè)參數(shù)有關(guān)：與線圈匝數(shù)N平方成正比；與空氣隙有效截面積S成正比；與空氣隙長(zhǎng)度所反比。螂所以，自感式傳感器又可分為變間距式、變面積式兩類。袂特性分析：膈1變間距式：薅由于，則有螅所以，靈敏度為：羂非線性誤差為：蕿若采用差動(dòng)形式：芇靈敏度為：薄非線性誤差為：羂所以，差動(dòng)形式的靈敏度提高一倍，非線性誤差有很大降低。羀2變面積型螅其中，為一常數(shù)。可見(jiàn)變面積式在忽略氣隙邊緣效應(yīng)條件下，呈線性。莃從提高靈敏度的角度看，初始空氣隙距離應(yīng)盡量小。其結(jié)果是被測(cè)量的范圍也

34、變小。同時(shí)，靈敏度的非線性也將增加。如采用增大空氣隙等效截面積和增加線圈匝數(shù)的方法來(lái)提高靈敏度，則必將增大傳感器的幾何尺寸和重量。這些矛盾在設(shè)計(jì)傳感器時(shí)應(yīng)適當(dāng)考慮。與變面積型自感傳感器相比，氣隙型的靈敏度較高。但其非線性嚴(yán)重，自由行程小，制造裝配困難。因此近年來(lái)這種類型的使用逐漸減少。差動(dòng)式傳感器其靈敏度與單極式比較。其靈敏度提高一倍，非線性大大減小。肂二、螺管型電感傳感器肇從結(jié)構(gòu)形式上，可分為：?jiǎn)尉€圈和差動(dòng)兩類。帶有鐵芯的螺管電感為：蕆式中，、為螺管、鐵芯的半徑；、為螺管、鐵芯的長(zhǎng)度；位移量。膂所以，傳感器靈敏度為：膂采用差動(dòng)形式，靈敏度可提高一倍。蒈提高靈敏度的途徑：使線圈與鐵芯尺寸比值和

35、趨于1；羄鐵芯的材料選用導(dǎo)磁率大的材料。膄三種自感式傳感器的比較： 節(jié)變間距式，靈敏度最高，且隨間距增大而減?。环蔷€性誤差大；量程有限制且較小，一般在氣隙的1/5以下，裝配較困難。 袈變面積式，靈敏度較前者小，理論上為常數(shù)，線性度好，量程較大，使用較廣泛。 蚆螺管型，量程大，靈敏度低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于制作、裝配，應(yīng)用廣泛。羃自感式傳感器有如下幾個(gè)特點(diǎn)：莂靈敏度比較好，目前可測(cè)0.1m的直線位移，輸出信號(hào)比較大、信噪比較好；艿測(cè)量范圍比較小，適用于測(cè)量較小位移；肄存在非線性；螞消耗功率較大，尤其是單極式電感傳感器，這是由于它有較大的電磁吸力的緣故；蒂工藝要求不高，加工容易。蒆三、測(cè)量電路螆1等效電

36、路蒁自感式傳感器從電路角度來(lái)看并非純電感，它既有線圈的銅耗，又有鐵芯的渦流及磁滯損耗，這可用折合的有功電阻抗Rs表示。此外，無(wú)功阻抗除電感之外還包括繞組間分布電容。這部分電容用集總參數(shù)C表示，一個(gè)電感線圈的完整等效電路可用下圖表示蒁當(dāng)時(shí)，等效阻抗為：袇則電感的相對(duì)變化為：芄上式表明，并聯(lián)電容后，傳感器的靈敏度提高了。蒄2測(cè)量電路薁自感式傳感器實(shí)現(xiàn)了把被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡姼辛康淖兓?。為了測(cè)出電感量的變化，同時(shí)也為了送入下級(jí)電路進(jìn)行放大和處理。就要用轉(zhuǎn)換電路把電感變化轉(zhuǎn)換成電壓(或電流)變化。把傳感器電感接入不同的轉(zhuǎn)換電路后，原則上可將電感變化轉(zhuǎn)換成電壓(或電流)的幅值、頻率、相位的變化，它們分別

37、稱為調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相電路。交流測(cè)量電橋的一般形式如圖所示：(a)(b) 羋電阻平衡臂電橋，(b)變壓器電橋。電橋的測(cè)量原理同前所述。羆當(dāng)電感線圈的品質(zhì)因數(shù)很高時(shí)，；芃當(dāng)電感線圈的品質(zhì)因數(shù)很低時(shí)，。蟻4.2差動(dòng)變壓器蠆變壓器式傳感器是將非電量轉(zhuǎn)換為線圈間互感M的一種磁電機(jī)構(gòu)，很象變壓器的工作原理，因此常稱變壓器式傳感器。這種傳感器多采用差動(dòng)形式。下圖所示為典型結(jié)構(gòu)原理。其中：A、B為兩個(gè)山字形固定鐵芯，在其窗中各繞有兩個(gè)線圈，W1a及W1b為一次繞組，W2a及W2b為二次繞組；C為銜鐵。蒄一、結(jié)構(gòu)原理及等效電路肂等效電路見(jiàn)教材圖415所示。螁初級(jí)線圈的電流為：，則輸出為：肀則，幅值為：膅輸出阻抗

38、為：肅互感量的變化與銜鐵的位移x有關(guān)，此時(shí)，幅值可表示為x的函數(shù)：袁所以，非線性誤差：，；膇靈敏度系數(shù)：袇當(dāng)時(shí)，A為系數(shù)。所以，匝數(shù)比增大，增大。蕿當(dāng)時(shí)，。所以，在低頻時(shí)，激勵(lì)電源的頻率升高，增大。蚇二、誤差分析12 芃激勵(lì)電源的影響肁幅值和頻率都會(huì)直接影響輸出，必須適當(dāng)選擇合適的值。34 莈溫度的影響：螇溫度變化，引起線圈磁場(chǎng)發(fā)生變化，從而產(chǎn)生溫漂（品質(zhì)因數(shù)Q低時(shí)，影響更為嚴(yán)重。蚄解決方法：采用恒流源供電；提高線圈的品質(zhì)因數(shù)；采用差動(dòng)電橋。56 螃零點(diǎn)殘余電壓肇差動(dòng)變壓器在初始狀態(tài)下，銜鐵處于中間位置，零點(diǎn)存在零點(diǎn)殘余電壓，如圖所示。影響：造成零點(diǎn)附近的不靈敏區(qū)；影響電路的正確工作。1）2）

39、 袆產(chǎn)生原因：肅基波分量：次級(jí)繞組兩線圈的電氣參數(shù)、幾何尺寸不對(duì)稱，使得感生電勢(shì)的幅值、相位不相等，無(wú)論如何調(diào)整，都無(wú)法消除。芁高次諧波：主要是三次諧波，由磁性材料磁化曲線的非線性造成。膀2）減小的方法：羆盡可能保證次級(jí)線圈的幾何尺寸、電氣參數(shù)和磁路的對(duì)稱性。提高磁性能的均勻性和穩(wěn)定性，工作點(diǎn)選擇在磁化曲線的線性段。節(jié)選用合適的測(cè)量線路，如采用相敏檢波電路。羃采用補(bǔ)償線路：如下圖衿主要有，調(diào)相位式補(bǔ)償電路、電位器式補(bǔ)償電路、R、L補(bǔ)償電路。肆原則，串聯(lián)電阻可減小零位輸出的基波分量；并聯(lián)電阻、電容可減小零位輸出的諧波分量；反饋支路可減小基波和諧波分量。蚃三、測(cè)量電路莁差動(dòng)變壓器隨銜鐵的位移輸出一

40、個(gè)調(diào)幅波，因而用電壓表來(lái)測(cè)量存在下述問(wèn)題：總有零位電壓輸出，因而零位附近的小位移測(cè)量困難。交流電壓表無(wú)法判別銜鐵移動(dòng)方向，為此常采用必要的測(cè)量電路來(lái)解決。常用測(cè)量電路為：相敏檢波電路、差動(dòng)整流電路1.2. 蚈差動(dòng)整流電路肆差動(dòng)整流電路分為全波和半波電路，如圖所示：肄以圖（c）為例，波形變化為：膃2相敏檢測(cè)電路螁電路圖見(jiàn)教材圖430所示。圖中，；er與e保持同相和反相，且，工作過(guò)程中：1）2） 膆在平衡位置上，只有er起作用。蒅er正半周時(shí)，A為“”，B為“”；D1、D2導(dǎo)通；R1、R2上流過(guò)的電流相等方向相反；薀er負(fù)半周時(shí)，A為“”，B為“”；D3、D4導(dǎo)通；R1、R2上流過(guò)的電流相等方向相

41、反；。3）4） 蒀鐵芯上移，設(shè)er與e同相。芆er正半周時(shí)，A為“”，B為“”；D1、D2導(dǎo)通；D1回路電壓，D2回路電壓；裊er負(fù)半周時(shí)，A為“”，B為“”；D3、D4導(dǎo)通；D3回路電壓，D4回路電壓；。5）6） 節(jié)鐵芯下移，同理可得，。所以，輸出波形為，羋4.3電渦流式傳感器莆一、工作原理羂金屬導(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，稱之為電渦流或渦流。這種現(xiàn)象稱為渦流效應(yīng)。渦流式傳感器就是在這種渦流效應(yīng)的基礎(chǔ)上建立起來(lái)的。螀渦流產(chǎn)生磁場(chǎng)H2,從而使原線圈的電感、阻抗和品質(zhì)因數(shù)發(fā)生變化。肇分類：高頻反射式和低頻透射式兩類。蒆特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度高、適用性強(qiáng)，易于非接觸測(cè)量。莃用途

42、：可測(cè)量振動(dòng)、位移、溫度、轉(zhuǎn)速、厚度、無(wú)損探傷。蒂工作原理及等效電路見(jiàn)下圖所示：肀由基爾霍夫定律可得：薅所以，線圈的等效電感、等效電阻為：螄；羀二、特性分析衿影響M的因素：位移x，導(dǎo)體材料，線圈幾何尺寸、電源等。蚅當(dāng)導(dǎo)體材料，為非磁性材料時(shí)，不變，L下降，R上升，Q值下降；膅當(dāng)導(dǎo)體材料，為磁性材料時(shí)，增大（靜磁效應(yīng)，有效磁導(dǎo)率升高），L增大，R上升，Q值下降。螞測(cè)量時(shí)，常并聯(lián)一電容，形成諧振回路，此時(shí)，輸出曲線為：薈導(dǎo)體是傳感器的一部分：電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率和形狀對(duì)靈敏度都有影響。蚅電導(dǎo)率大，靈敏度高，線性好；磁導(dǎo)率高，靈敏度小；面積減小，靈敏度下降。薆三、測(cè)量電路肀由渦流式傳感器的工作原理可知，被

43、測(cè)量數(shù)變化可以轉(zhuǎn)換成傳感器線圈的品質(zhì)因素Q、等效阻抗Z和等效電感L的變化。轉(zhuǎn)換電路的任務(wù)是把這些種參數(shù)轉(zhuǎn)換為電壓或電流輸出?？偟膩?lái)說(shuō)，利用Q值的轉(zhuǎn)換電路使用較少，這里不作討論。利用z的轉(zhuǎn)換電路一般用橋路，它屬于調(diào)幅電路。利用L的轉(zhuǎn)換電路一般用諧振電路，根據(jù)輸出是電壓幅值還是電壓頻率，諧振電路又分為調(diào)幅和調(diào)頻兩種。蟻諧振電路的調(diào)幅、調(diào)頻電路見(jiàn)下圖：螅渦流式傳感器的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于進(jìn)行非接觸的連續(xù)測(cè)量，靈敏度較高，適用性強(qiáng)，因此得到了廣泛的應(yīng)用。螃螂第五章壓電式傳感器莀壓電式傳感器是一種有源的雙向機(jī)電傳感器。它的工作原理是基于壓電材料的壓電效應(yīng)。石英晶體的壓電效應(yīng)早在1680年即已發(fā)現(xiàn)，194

44、8年制作出第一個(gè)石英傳感器。5.15.2 裊壓電效應(yīng)膄某些晶體或多晶陶瓷，當(dāng)沿著一定方向受到外力作用時(shí)，內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在某兩個(gè)表面上產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷；當(dāng)外力去掉后，又恢復(fù)到不帶電狀態(tài)；當(dāng)作用力方向改變時(shí)，電荷的極性也隨著改變；晶體受力所產(chǎn)生的電荷量與外力的大小成正比。上述現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)。反之，如對(duì)晶體施加一定變電場(chǎng)，晶體本身將產(chǎn)生機(jī)械變形，外電場(chǎng)撤離，變形也隨著消失，稱為逆壓電效應(yīng)。薃壓電式傳感器大都是利用壓電材料的壓電效應(yīng)制成的。在電聲和超聲工程中也有利用逆壓電效應(yīng)制作的傳感器。壓電轉(zhuǎn)換元件受力變形的狀態(tài)可分為下圖所示的幾種基本形式。腿一、石英晶體的壓電效應(yīng)羅石英晶體是正六棱

45、柱體（六面體），如圖所示。Z軸是晶體的對(duì)稱軸，稱為光軸；X軸壓電效應(yīng)最顯著，電軸；Y軸（機(jī)械軸，力軸），加力產(chǎn)生的變形最大。薄X軸和Y軸受力后，石英晶體壓電效應(yīng)示意圖如下圖所示，羈石英晶體受力方向與電荷極性的關(guān)系，如下所示：羇但由于壓電晶體的各向異性，并不是所有的壓電晶體都能在這幾種變形狀態(tài)下產(chǎn)生壓電效應(yīng)。例如石英晶體就沒(méi)有體積變形壓電效應(yīng)。但它具有良好的厚度變形和長(zhǎng)度變形壓電效應(yīng)，即在X軸和Y軸受力時(shí)，才會(huì)產(chǎn)生壓電效應(yīng)，被稱為縱向、橫向壓電效應(yīng)；當(dāng)沿X軸方向施加切向應(yīng)力時(shí)，將在垂直于Y軸的表面上產(chǎn)生電荷，稱為切向壓電效應(yīng)。肅假設(shè)在石英晶體上切下一片平行六面體晶體切片。羅1當(dāng)X軸方向受力時(shí)，垂

46、直X軸平面上產(chǎn)生的電荷為：蚃則極間電壓為：羀當(dāng)在垂直X軸平面上，外加電場(chǎng)Ex時(shí)，23 膅Y軸方向受力時(shí)，垂直X軸平面上產(chǎn)生的電荷為：肂逆壓電效應(yīng)：膁所以，有如下結(jié)論：蝿無(wú)論正和逆壓電效應(yīng)，其作用力(或應(yīng)變)與電荷（電場(chǎng)強(qiáng)度）之間成線性關(guān)系；膄晶體在哪個(gè)方向有正壓電效應(yīng)，則在此方向上一定存在逆壓電效應(yīng)；蒃石英晶體不是在任何方向上都存在正壓電效應(yīng)。袃二、壓電陶瓷的壓電效應(yīng)蒈壓電陶瓷是一種人工制造的多晶鐵電體，1847年就發(fā)現(xiàn)了鈦酸鋇這種陶瓷材料具有壓電特性。薈壓電陶瓷首先需經(jīng)過(guò)極化處理，其過(guò)程如下圖所示：襖此時(shí)，壓電陶瓷受力后，變具有壓電特性，但原理與晶體不同：莁壓電陶瓷受壓變形后，內(nèi)部極化強(qiáng)度變

47、小，表面吸附的一部分自由電荷被釋放，出現(xiàn)放電現(xiàn)象；外力撤消后，有恢復(fù)原狀正壓電效應(yīng)。薁壓電陶瓷在外電場(chǎng)作用下，會(huì)產(chǎn)生變形逆壓電效應(yīng)。蚈為什么壓電陶瓷對(duì)外不顯電性？芅壓電陶瓷的剩余極化強(qiáng)度，總是以電偶極矩的形式表現(xiàn)，故在陶瓷的一端出現(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，在陶瓷表面吸附了一層來(lái)自外界的自由電荷，其數(shù)量與束縛電荷相等，它們起著屏蔽和抵消片內(nèi)極化強(qiáng)度對(duì)外的作用，所以，無(wú)法用電壓表測(cè)出極化強(qiáng)度。裊5.2壓電材料肂選用合適的壓電材料是設(shè)計(jì)高性能傳感器的關(guān)鍵。一般應(yīng)考慮以下幾個(gè)方面：薀轉(zhuǎn)換性能：具有較高的耦合系數(shù)或具有較大的壓電常數(shù)；膄機(jī)械性能：壓電元件作為受力元件，希望它

48、的機(jī)械強(qiáng)度高、機(jī)械剛度大。以期獲得寬的線性范圍和高的固有振動(dòng)頻率；聿電性能：希望具有高的電阻率和大的介電常數(shù)，以期望減弱外部分布電容的影響并獲得良好的低頻特性；薇溫度和濕度穩(wěn)定性要好：具有較高的居里點(diǎn)、以期望得到寬的工作溫度范圍；莆時(shí)間穩(wěn)定性：壓電特性不隨時(shí)間蛻變。莁主要有兩種材料：一種是壓電晶體，如石英晶體；一種是壓電陶瓷，如鈦酸鋇，鋯鈦酸鉛等。螁5.3測(cè)量電路莆一、等效電路蒆壓電式傳感器對(duì)被測(cè)量的變化是通過(guò)其壓電元件產(chǎn)生電荷量的大小來(lái)反映的，因此它相當(dāng)于一個(gè)電荷源。螂而壓電元件電極表面聚集電荷時(shí)，它又相當(dāng)于一個(gè)以壓電材料為電介質(zhì)的電容器，其電容量為：膈式中：s-極板面積；-壓電材料相對(duì)介電

49、常數(shù)；葿-真空介電常數(shù)；-壓電元件厚度薆當(dāng)壓電元件受外力作用時(shí)，兩表面產(chǎn)生等量的正、負(fù)電荷Q，壓電元件的開(kāi)路電壓(認(rèn)為其負(fù)載電阻為無(wú)窮大)U為膂這樣，可以把壓電元件等效為一個(gè)電荷源Q和一個(gè)電容器Ca的等效電路，如圖中的虛線方框；同時(shí)也等效為一個(gè)電壓源U和一個(gè)電容器Ca串聯(lián)的等效電路，如圖6-8的虛線方框所示。其中Ra為壓電元件的漏電阻。袀二、測(cè)量電路膇根據(jù)壓電元件的工作原理及上節(jié)所述兩種等效電路，與壓電元件配套的測(cè)量電路的前置放大器也有兩種形式：薆電壓放大器：其輸出電壓與輸入電壓(壓電元件的輸出電壓)成正比。薃電荷放大器：其輸出電壓與輸入電荷成正比。莈1.電壓放大器：羆電壓放大器的作用是將壓電

50、式傳感器的高輸出阻抗經(jīng)放大器變換為低阻抗輸出，并將微弱的電壓信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)放大因此也把這種測(cè)量電路稱為阻抗變換器。等效電路如上圖。蚆等效電阻：；蝕等效電容：肀所以，當(dāng)壓電元件受到作用力F為：則，螅放大器輸入電壓為：螆幅值為：肁相位差為：薈當(dāng)時(shí)，輸出幅值與頻率無(wú)關(guān)：螈當(dāng)測(cè)量回路的時(shí)間常數(shù)滿足一定條件時(shí)，壓電傳感器具有相當(dāng)好的高頻響應(yīng)特性。裊在低頻時(shí)，若測(cè)量回路的時(shí)間常數(shù)不大，則靈敏度會(huì)下降。蒂擴(kuò)大工作頻帶低頻下限的方法：芀增大回路電容，增大，但靈敏度下降；薇增大輸入電阻，增大，低頻相應(yīng)變好。羅2電荷放大器袃由于電壓放大器使所配接的壓電式傳感器的電壓靈敏度將隨電纜分布電容及傳感器自身電容的變化而變化

51、，而且電纜的更換得引起重新標(biāo)定的麻煩，為此又發(fā)展了便于遠(yuǎn)距離測(cè)量的電荷放大器，目前它巳被公認(rèn)是一種較好的沖擊測(cè)量放大器。蚈電荷放大器的輸出為：芆當(dāng)足夠大時(shí)，輸出為：肅計(jì)算證明，對(duì)的要求并不很高，實(shí)際器件很容易達(dá)到。芄電荷放大器也存在下限截止頻率，如-3dB的截止頻率為：蒀54壓電傳感器的應(yīng)用荿壓電元件是一種典型的力敏感元件?？捎脕?lái)測(cè)量最終能轉(zhuǎn)換為力的多種物理量。在檢測(cè)技術(shù)中，常用來(lái)測(cè)量力和加速度，如下圖。膅影響壓電式傳感器精度的因素分析蒁1非線性：壓電傳感器的幅值線性度是指被測(cè)物理量(如力、壓力、加速度等)的增加，其靈敏度的變化程度。膁2橫向靈敏度：壓電加速度傳感器的橫向靈敏度是指當(dāng)加速度傳感

52、器感受到與其主軸向(軸向靈敏度方向)垂直的單位加速度振動(dòng)時(shí)的靈敏度，一般用它與主軸向靈敏度的百分比來(lái)表示，稱為橫向靈敏度比。肈3環(huán)境溫度的影響：環(huán)境溫度的變化對(duì)壓電材料的壓電常數(shù)和介電常數(shù)的影響都很大，它將使傳感器靈敏度發(fā)生變化，壓電材料不同，溫度影響的程度也不同。當(dāng)溫度低于400時(shí)，其壓電常數(shù)和介電常數(shù)都很穩(wěn)定。膅4濕度的影響：環(huán)境濕度對(duì)壓電式傳感器性能的影響也很大。如果傳感器長(zhǎng)期在高濕度環(huán)境下工作，其絕緣電阻將會(huì)減小，低頻響應(yīng)變壞。袁5電纜噪聲：為了減小這種噪聲?？墒褂锰刂频牡驮肼曤娎|，同時(shí)將電纜固緊，以免產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。蕿6接地回路噪聲：在測(cè)試系統(tǒng)中接有多種測(cè)量?jī)x器，如果各儀器與傳感器分別接地，各接地點(diǎn)又有電位差，這便在測(cè)量系