第三章常用傳感器與敏感元件

1、第三章常用傳感器與敏感元件 第三章第三章 常用傳感器與敏感元件常用傳感器與敏感元件 學(xué)習(xí)目標(biāo) 1.了解傳感器的分類(lèi)； 2.了解傳感器的選用原則； 3.掌握電阻式傳感器的原理及其應(yīng)用； 4.掌握電感式傳感器的原理及其應(yīng)用； 5.掌握壓電式傳感器的原理及其應(yīng)用； 6.掌握磁電式傳感器的原理及其應(yīng)用； 7.了解新型傳感器的原理及其應(yīng)用。 學(xué)習(xí)難點(diǎn) 各類(lèi)傳感器的工作原理。 第三章常用傳感器與敏感元件 傳感器概述 人通過(guò)感官來(lái)接收外界的信號(hào)，并將所接收的信號(hào)送人大腦，進(jìn)行分析處理后獲取 有用的信息。對(duì)現(xiàn)有的或者正在發(fā)展中的機(jī)械電子裝置來(lái)說(shuō)，電子計(jì)算機(jī)相當(dāng)于人的大 腦 (即常稱(chēng)電腦)，而相應(yīng)于人的感官部分

2、的裝置就是傳感器。所以說(shuō)，傳感器是人類(lèi)感 官的擴(kuò)展和延伸，借助傳感器，人類(lèi)可以去探測(cè)那些無(wú)法直接用感官獲取的信息。例如， 用超聲波探測(cè)器可以探測(cè)海水的深度，用紅外遙感器可以從高空探測(cè)地球上的植被和污 染信況等等。 傳感器是一種獲取信息的裝置。傳感器是一種獲取信息的裝置。它的定義是:借助于 檢測(cè)元件接收一種形式的信息，并按一定的規(guī)律將所獲取的信息轉(zhuǎn)換成另一種信息的裝 置。它獲取的信息可以為各種物理量、化學(xué)量和生物量，而轉(zhuǎn)換后的信息也可以有各種 形式。但目前，傳感器轉(zhuǎn)換的大多為電信號(hào)。因而從狹義上講，傳感器定義為，把外界 輸入的非電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的裝置。所以一般也稱(chēng)傳感器為變換器、換能器和探測(cè)器

3、， 其輸出的電信號(hào)繼續(xù)輸送給后續(xù)的配套的測(cè)量電路及終端裝置，以便進(jìn)行電信號(hào)的調(diào)理、 分析、記錄或顯示等等。 第三章常用傳感器與敏感元件 傳感器定義的含義傳感器定義的含義: (1) 傳感器是測(cè)量裝置,能完成檢測(cè)任務(wù); (2) 它的輸入量是某一被測(cè)量,可能是物理量(如長(zhǎng)、熱、力、電、時(shí)間、頻 率等),也可能是化學(xué)量、生物量等; (3) 它的輸出量是某種物理量,這種量要便于傳輸、轉(zhuǎn)換、處理、顯示等,可 以是氣、光、電量,但主要是電量; (4）輸出與輸入有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系,且應(yīng)有一定的精確度。 第三章常用傳感器與敏感元件 傳感器通常由三部分組成： 敏感元件： 直接感受被測(cè)量,輸出與被測(cè)量成確定關(guān)系。 轉(zhuǎn)

4、換元件： 敏感元件的輸出就是轉(zhuǎn)換元件的輸入,它把輸入轉(zhuǎn)換成電量參量 。 轉(zhuǎn)換電路：把轉(zhuǎn)換元件輸出的電量信號(hào)轉(zhuǎn)換為便于處理、顯示、記錄或控制的有用的電 信號(hào)的電路。 其組成如圖所示 第三章常用傳感器與敏感元件 傳感器的分類(lèi) 1、按傳感器的工作機(jī)理，分為物理型、化學(xué)型和生物型 2、按傳感器的構(gòu)成原理，分為結(jié)構(gòu)型和物性型兩大類(lèi)。 結(jié)構(gòu)型傳感器則是依靠傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化而實(shí)現(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)換的。例如，電容式 傳感器依靠極板間距離變化引起電容量變化；電感式傳感器依靠銜鐵位移引起自感或 互感變化等。 物性型傳感器是依靠敏感元件材料本身物理性質(zhì)的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)變換的。例如利 用水銀的熱脹冷縮現(xiàn)象制成水銀溫度計(jì)來(lái)測(cè)

5、溫；利用石英晶體的壓電效應(yīng)制成壓電測(cè)力 計(jì)等。 3、按傳感器的能量轉(zhuǎn)換情況，分為能量控制型和能量轉(zhuǎn)換型。 能量轉(zhuǎn)換型傳感器是直接由被測(cè)對(duì)象輸入能量使其工作的，例如，熱電偶溫度計(jì)、 彈性壓力計(jì)等。但由千這類(lèi)傳感器是被測(cè)對(duì)象與傳感器之間的能量傳輸，必然導(dǎo)致被 測(cè)對(duì)象狀態(tài)的變化，而造成測(cè)量誤差。 能量控制型傳感器是從外部供給輔助能量使其工作的，并由被測(cè)量來(lái)控制外部供給 能量的變化。例如，電阻應(yīng)變測(cè)量中，應(yīng)變計(jì)接于電橋上，電橋工作能源由外部供給， 而由于被測(cè)量變化所引起應(yīng)變計(jì)的電阻變化來(lái)控制電橋的不平衡程度。如電感式測(cè)微儀、 電容式測(cè)振儀等均屬此種類(lèi)型。 第三章常用傳感器與敏感元件 4、按傳感器工作的

6、物理原理來(lái)分，可分為機(jī)械式、電氣式、輻射式、流體式等。 常見(jiàn)機(jī)械式傳感器如下： 測(cè)力計(jì) 溫度計(jì) 第三章常用傳感器與敏感元件 5、另外，按傳感器輸出量的性質(zhì)可分為模擬式和數(shù)字式兩種，前者的輸出量為連續(xù)變 化的模擬量，而后者的輸出量為數(shù)字量。由于計(jì)算機(jī)在工程測(cè)試中的應(yīng)用，數(shù)字式傳感 器是很有發(fā)展前途的。當(dāng)然，模擬量也可以通過(guò)模-數(shù)轉(zhuǎn)換變?yōu)閿?shù)字量。 6、按被測(cè)物理量來(lái)分，可分為位移傳感器、速度傳感器、加速度傳感器、力傳感器、溫 度傳感器等。 第三章常用傳感器與敏感元件 電阻式傳感器電阻式傳感器 電阻式傳感器種類(lèi)繁多，應(yīng)用廣泛，其基本原理就是將被測(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)量電路顯

7、示或記錄被測(cè)量值的變化。 1、變阻式傳感器的結(jié)構(gòu)、變阻式傳感器的結(jié)構(gòu) 變阻式傳感器又稱(chēng)為電位器式傳感器，其工作原理是通過(guò)改變電路中電阻值的大小， 將物體的位移轉(zhuǎn)換為電阻的變化。 它們是由電阻元件及電刷(活動(dòng)觸點(diǎn))兩個(gè)基本部分組成。 電刷相對(duì)于電阻元件的運(yùn)動(dòng)可以是直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)和螺旋運(yùn)動(dòng)，因而可以將直線(xiàn)位移或角 位移轉(zhuǎn)換為與其成一定函數(shù)關(guān)系的電阻或電壓輸出。 利用電位器作為傳感元件可制成各種電位器式傳感器，除可以測(cè)量線(xiàn)位移或角位移 外，還可以測(cè)量一切可以轉(zhuǎn)換為位移的其它物理量參數(shù)，如壓力、加速度等。 根據(jù)式 如果電阻絲直徑與材質(zhì)一定時(shí)，則電阻R隨導(dǎo)線(xiàn)長(zhǎng)度L而變化。變阻式傳 感器就是根據(jù)這種原理制

8、成的。 第三章常用傳感器與敏感元件 當(dāng)被測(cè)位移變化時(shí)，觸點(diǎn)C沿電位器移動(dòng)。如果移至x，則C點(diǎn)與A點(diǎn)之間的電阻為 式中 單位長(zhǎng)度的電阻，當(dāng)導(dǎo)線(xiàn)材質(zhì)分布均勻時(shí)是一常數(shù)。這種傳感器的輸出 (電阻)與 輸入(位移)成線(xiàn)性關(guān)系。 傳感器的靈敏度為： =常數(shù) 第三章常用傳感器與敏感元件 回轉(zhuǎn)型變阻器式傳感器，其電阻值隨轉(zhuǎn)角而變化，故為角位移型。傳感器的靈敏度為： 式中 單位弧度對(duì)應(yīng)的電阻值，當(dāng)導(dǎo)線(xiàn)材質(zhì)分布均勻時(shí)， =常數(shù)； 轉(zhuǎn)角（ rad）。 第三章常用傳感器與敏感元件 非線(xiàn)性電位器 輸出電阻(或電壓)與電刷位移(包括線(xiàn)位移或角位移)之間具有非線(xiàn)性函數(shù)關(guān) 系的一種電位器 非線(xiàn)性電位器,又稱(chēng)函數(shù)電位器。是其

9、輸出電阻(或電壓)與電刷位移(包括線(xiàn)位移或角位移) 之間具有非線(xiàn)性函數(shù)關(guān)系的一種電位器，即 ,它可以實(shí)現(xiàn)指數(shù)函數(shù)、三角函數(shù)、 對(duì)數(shù)函數(shù)等各種特定函數(shù)，也可以是其它任意函數(shù)。非線(xiàn)性電位器可以應(yīng)用于測(cè)量控制系 統(tǒng)、解算裝置以及對(duì)某些傳感器某些環(huán)節(jié)非線(xiàn)性進(jìn)行補(bǔ)償?shù)?。例如，若輸入量?則為了得到輸出的電阻值 與輸入量 成線(xiàn)性關(guān)系，電位計(jì)的骨架應(yīng)采用三角形；若 輸入量為 , ，則電位計(jì)的骨架應(yīng)采用拋物線(xiàn)型。 第三章常用傳感器與敏感元件 線(xiàn)性電阻器的電阻分壓電路 負(fù)載電阻為 電位器長(zhǎng)度為XP 總電阻為p，電刷位移為x， 電源電壓為Ue，輸出電壓為U0為: )1)( 0 pL P p e x x R R x

10、 x u u 第三章常用傳感器與敏感元件 變阻式傳感器的優(yōu)點(diǎn)變阻式傳感器的優(yōu)點(diǎn) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸小、重量輕、價(jià)格低廉且性能穩(wěn)定； 受環(huán)境因素(如溫度、濕度、電磁場(chǎng)干擾等)影響??； 可以實(shí)現(xiàn)輸出輸入間任意函數(shù)關(guān)系； 輸出信號(hào)大，一般不需放大。 它的缺點(diǎn)是：它的缺點(diǎn)是：因?yàn)榇嬖陔娝⑴c線(xiàn)圈或電阻膜之間摩擦，因此需要較大的輸入能量；由于磨 損不僅影響使用壽命和降低可靠性，而且會(huì)降低測(cè)量精度，分辨力較低；動(dòng)態(tài)響應(yīng)較差， 適合于測(cè)量變化較緩慢的量。 第三章常用傳感器與敏感元件 電阻應(yīng)變式傳感器電阻應(yīng)變式傳感器 應(yīng)變式傳感器是基于測(cè)量物體受力變形所產(chǎn)生應(yīng)變的一種傳感器，最常用的傳感 元件為電阻應(yīng)變片。 應(yīng)用范

11、圍：可測(cè)量位移、加速度、力、力矩、壓力等各種參數(shù)。 應(yīng)變式傳感器特點(diǎn)應(yīng)變式傳感器特點(diǎn) 精度高，測(cè)量范圍廣； 使用壽命長(zhǎng)，性能穩(wěn)定可靠； 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，重量輕； 頻率響應(yīng)較好，既可用于靜態(tài)測(cè)量又可用于動(dòng)態(tài)測(cè)量； 價(jià)格低廉，品種多樣，便于選擇和大量使用。 第三章常用傳感器與敏感元件 應(yīng)變式傳感器的工作原理應(yīng)變式傳感器的工作原理 (1) 金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng) 金屬導(dǎo)體在外力作用下發(fā)生機(jī)械變形時(shí)，其電阻值隨著它所受機(jī)械變形(伸長(zhǎng)或縮短) 的變化而發(fā)生變化的現(xiàn)象，稱(chēng)為金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)。 若金屬絲的長(zhǎng)度為L(zhǎng)，截面積為S，電阻率為，其未受力時(shí)的電阻為R，則: 如果金屬絲沿軸向方向受拉力而變形，其長(zhǎng)度L變

12、化dL，截面積S變化dS，電阻率 變化 ，因而引起電阻R變化dR。 將式上式微分，整理可得: 對(duì)于圓形截面有： 為金屬絲軸向相對(duì)伸長(zhǎng)，即軸向應(yīng)變；而 則為電阻絲徑向相對(duì)伸長(zhǎng)， 即徑向應(yīng)變， 兩者之比即為金屬絲材料的泊松系數(shù)，負(fù)號(hào)表示符號(hào)相反，有: 第三章常用傳感器與敏感元件 得: 整理得： K0稱(chēng)為金屬絲的靈敏系數(shù)，其物理意義是單位應(yīng)變所引起的電阻相對(duì)變化 由式 可以明顯看出，金屬材料的靈敏系數(shù)受兩個(gè)因素影響： 一個(gè)是受力后材料的幾何尺寸變化所引起的，即 項(xiàng)；另一個(gè)是受力后材料的電阻率 變化所引起的，即 項(xiàng)。對(duì)于金屬材料 項(xiàng)比 項(xiàng)小得多。 大量實(shí)驗(yàn)表明，在電阻絲拉伸比例極限范圍內(nèi)，電阻的相對(duì)變

13、化與其所受的軸向應(yīng)變是成 正比的，即K0為常數(shù)，于是可以寫(xiě)成： 通常金屬電阻絲的K0=1.73.6。 第三章常用傳感器與敏感元件 應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu)及測(cè)量原理 電阻絲應(yīng)變片是用直徑為0.025mm具有高電 阻率的電阻絲制成的。為了獲得高的阻值， 將電阻絲排列成柵狀，稱(chēng)為敏感柵，并粘貼 在絕緣的基底上。電阻絲的兩端焊接引線(xiàn)接 后續(xù)電路，敏感柵上面粘貼有保護(hù)作用的覆 蓋層。 應(yīng)變式傳感器是將應(yīng)變片粘貼于彈性體表面或者直接將應(yīng)變片粘貼于被測(cè)試件上。彈性 體或試件的變形通過(guò)基底和粘結(jié)劑傳遞給敏感柵，其電阻值發(fā)生相應(yīng)的變化，通過(guò)轉(zhuǎn)換 電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化，即可測(cè)量應(yīng)變。若通過(guò)彈性體或試件把位移、力、

14、力矩、 加速度、壓力等物理量轉(zhuǎn)換成應(yīng)變，則可測(cè)量上述各量，而做成各種應(yīng)變式傳感器。 第三章常用傳感器與敏感元件 半導(dǎo)體應(yīng)變片 半導(dǎo)體材料受到應(yīng)力作用時(shí)，其電阻率會(huì)發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱(chēng)為壓阻效應(yīng)。實(shí)際上， 任何材料都不同程度地呈現(xiàn)壓阻效應(yīng)，但半導(dǎo)體材料的這種效應(yīng)特別強(qiáng)。電阻應(yīng)變效 應(yīng)的分析公式也適用于半導(dǎo)體電阻材料，故仍可用式 來(lái)表達(dá)。對(duì)于金屬材料來(lái)說(shuō)， 比較小，但對(duì)于半導(dǎo)體材料 ，即 因機(jī)械變形引起的電阻變化可以忽略，電阻的變化率主要是由 引起的，即 E 為壓阻系數(shù)E為材料的彈性模量 第三章常用傳感器與敏感元件 電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用舉例電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用舉例 1）將應(yīng)變片粘貼于被測(cè)構(gòu)件上

15、，直接用來(lái)測(cè)定構(gòu)件的應(yīng)力或應(yīng)變。例如，為了研究或驗(yàn) 證機(jī)械、橋梁、建筑等某些構(gòu)件在工作狀態(tài)下的受力、變形情況，可利用形狀不同的應(yīng) 變片，粘貼在構(gòu)件的預(yù)測(cè)部位，可測(cè)得構(gòu)件的拉、壓應(yīng)力、扭矩或彎矩等。 電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用舉例: 測(cè)構(gòu)件的拉、壓應(yīng)力 第三章常用傳感器與敏感元件 2）應(yīng)變片粘貼于彈性元件上，與彈性元件一起構(gòu)成應(yīng)變式傳感器。這種傳感器常用來(lái)測(cè) 量力、位移、壓力、加速度等物理參數(shù)。在這種情況下，彈性元件將得到與被測(cè)量成正 比的應(yīng)變，再通過(guò)應(yīng)變片轉(zhuǎn)換成電阻的變化后輸出。 電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用舉例: 測(cè)量位移、加速度物理參數(shù) 當(dāng)被測(cè)物體產(chǎn)生位移時(shí)，懸臂梁隨之產(chǎn)生 于位移相等的撓度，因而應(yīng)

16、變片產(chǎn)生相應(yīng) 的應(yīng)變。在小撓度情況下，撓度與應(yīng)變情 況成正比。將應(yīng)變片接入橋路，輸出與位 移成正比的電壓信號(hào)。 測(cè)量時(shí)，基座固定在振動(dòng)體上。振動(dòng)加速 度使質(zhì)量塊產(chǎn)生慣性力，懸臂梁則相當(dāng)于 慣性系統(tǒng)中的彈簧，在慣性力的作用下產(chǎn) 生彎曲變形。因此，梁的應(yīng)變?cè)谝欢ǖ念l 率范圍內(nèi)與振動(dòng)體的加速度成正比。 第三章常用傳感器與敏感元件 壓阻式傳感器壓阻式傳感器 半導(dǎo)體材料受到應(yīng)力作用時(shí)，其電阻率會(huì)發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱(chēng)為壓阻效應(yīng)。實(shí)際上， 任何材料都不同程度地呈現(xiàn)壓阻效應(yīng)，但半導(dǎo)體材料的這種效應(yīng)特別強(qiáng)。半導(dǎo)體電阻材料 的靈敏系數(shù)比金屬絲的要高5070倍。 最常用的半導(dǎo)體電阻材料有硅和鍺，摻入雜質(zhì)可形成P型或

17、N型半導(dǎo)體。由于半導(dǎo)體 (如單晶硅)是各向異性材料，因此它的壓阻效應(yīng)不僅與摻雜濃度、溫度和材料類(lèi)型有關(guān)， 還與晶向有關(guān)(即對(duì)晶體的不同方向上施加力時(shí)，其電阻的變化方式不同)。 1. 基本工作原理基本工作原理 2. 壓阻式傳感器類(lèi)型與特點(diǎn)壓阻式傳感器類(lèi)型與特點(diǎn) 壓阻式傳感器有兩種類(lèi)型：半導(dǎo)體應(yīng)變式傳感器、固態(tài)壓阻式傳感器。 半導(dǎo)體應(yīng)變式傳感器: 利用半導(dǎo)體材料的體電阻制成粘貼式的應(yīng)變片，其使用方法與電 阻應(yīng)變片類(lèi)似 固態(tài)壓阻式傳感器：在半導(dǎo)體材料的基片上用集成電路工藝制成擴(kuò)散電阻，作為測(cè)量 傳感元件，亦稱(chēng)擴(kuò)散型壓阻式傳感器。固態(tài)壓阻式傳感器主要用 于測(cè)量壓力和加速度等物理量。 第三章常用傳感器與

18、敏感元件 壓阻式傳感器的特點(diǎn)壓阻式傳感器的特點(diǎn): 壓阻式傳感器的優(yōu)點(diǎn)是: 靈敏度非常高，有時(shí)傳感器的輸出不需放大可直接用于測(cè)量； 分辨率高，例如測(cè)量壓力時(shí)可測(cè)出1020Pa的微壓； 測(cè)量元件的有效面積可做得很小，故頻率響應(yīng)高； 可測(cè)量低頻加速度和直線(xiàn)加速度。 最大的缺點(diǎn)是: 溫度誤差大，故需溫度補(bǔ)償或恒溫條件下使用。 第三章常用傳感器與敏感元件 電容式傳感器電容式傳感器 電容式傳感器是將被測(cè)量（如尺寸、壓力等）的變化轉(zhuǎn)換成電容量變化的一種傳感器。 工作原理及類(lèi)型工作原理及類(lèi)型 由物理學(xué)可知，在忽略邊緣效應(yīng)的情況下，平板電容器的電容量為 式中 真空的介電常數(shù)， =8.85410-12F/m； 極

19、板間介質(zhì)的相對(duì)介電系數(shù)，在空氣中，=1； S極板的遮蓋面積（m2）； 兩平行極板間的距離（m)。 上式表明，當(dāng)被測(cè)量、S或發(fā)生變化時(shí)，會(huì)引起電容的變化。如果保持其中的兩個(gè)參數(shù) 不變，而僅改變另一個(gè)參數(shù)，就可把該參數(shù)的變化變換為單一電容量的變化，再通過(guò)配套 的測(cè)量電路，將電容的變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出。根據(jù)電容器參數(shù)變化的特性，電容式傳感 器可分為極距變化型、面積變化型和介質(zhì)變化型三種，其中極距變化型和面積變化型應(yīng)用 較廣。 第三章常用傳感器與敏感元件 1. 極距變化型電容式傳感器極距變化型電容式傳感器 在電容器中，如果兩極板相互覆蓋面積及極間介質(zhì)不變，則電容量與極距呈非線(xiàn)性關(guān)系。 當(dāng)兩極板在被測(cè)參

20、數(shù)作用下發(fā)生位移，引起電容量的變化為： 由此可得到傳感器的靈敏度為： 結(jié)論：結(jié)論： 從 可看出，靈敏度K與極距平方成反比，極距愈小，靈敏度越高 一般通過(guò)減小初始極距來(lái)提高靈敏度。 由于電容量C與極距呈非線(xiàn)性關(guān)系，故這將引起 非線(xiàn)性誤差。 為了減小這一誤差，通常規(guī)定測(cè)量范圍 。一般取極距變化范圍為 第三章常用傳感器與敏感元件 此時(shí)，傳感器的靈敏度近似為常數(shù)。實(shí)際應(yīng)用中，為了提高傳感器的靈敏度、增大 線(xiàn)性工作范圍和克服外界條件（如電源電壓、環(huán)境溫度等）的變化對(duì)測(cè)量精度的影 響，常常采用差動(dòng)型電容式傳感器。 C1 1 C2 2 第三章常用傳感器與敏感元件 2. 面積變化型電容式傳感器面積變化型電容式

21、傳感器 面積變化型電容傳感器的工作原理是在被測(cè)參數(shù)的作用下來(lái)變化極板的有效面積， 常用的有角位移型和線(xiàn)位移型兩種。 平面線(xiàn)位移型電容傳感器當(dāng)寬度為b的動(dòng)板沿箭頭x方向 移動(dòng)時(shí)，覆蓋面積變化，電容量也隨之變化，電容量為： 其靈敏度為： 故輸出與輸入為線(xiàn)性關(guān)系。 平面線(xiàn)位移型 第三章常用傳感器與敏感元件 角位移型 角位移型電容傳感器當(dāng)動(dòng)板有一轉(zhuǎn)角時(shí)，與定板之間相互 覆蓋的面積就變化，因而導(dǎo)致電容量變化。當(dāng)覆蓋面積對(duì) 應(yīng)的中心角為a、極板半徑為r時(shí)，覆蓋面積為： 電容量為： 其靈敏度為： 第三章常用傳感器與敏感元件 由于平板型傳感器的可動(dòng)極板稍有極距方向移動(dòng)會(huì)影響測(cè)量精度，因此，一般情況下， 變截面

22、積型電容式傳感器常做成圓柱形, 當(dāng)覆蓋長(zhǎng)度x變化時(shí)，電容量變化，其靈敏度為 式中 x外圓筒與內(nèi)圓筒覆蓋部分長(zhǎng)度（m)； r1、r2外圓筒內(nèi)半徑與內(nèi)圓筒（或內(nèi)圓柱）外半徑，即它們的工作半徑（m)。 結(jié)論：上述可知，面積 變化型電容傳感器的優(yōu) 點(diǎn)是輸出與輸入成線(xiàn)性 關(guān)系，但與極板變化型 相比，靈敏度較低，適 用于較大角位移及直線(xiàn) 位移的測(cè)量。 第三章常用傳感器與敏感元件 3.介電常數(shù)變化型電容傳感器介電常數(shù)變化型電容傳感器 大多用于測(cè)量電介質(zhì)的厚度、位移、液位，還可根據(jù)極板間介質(zhì)的介電常數(shù)隨溫度、 濕度、容量改變而改變來(lái)測(cè)量溫度、濕度、容量等。 若忽略邊緣效應(yīng)，圖a、b、c所示傳感器的電容量與被測(cè)

23、量的關(guān)系為 式中 、h 、0兩固定極板間的距離、極間高度及間隙中空氣的介電常數(shù)； x、hx、被測(cè)物的厚度、被測(cè)液面高度和它的介電常數(shù)； l、 b、 ax固定極板長(zhǎng)、寬及被測(cè)物進(jìn)入兩極板中的長(zhǎng)度（被測(cè)值）； r1、r2內(nèi)、外極筒的工作半徑。 上述測(cè)量方法中，若電極間存在導(dǎo)電介質(zhì)時(shí)，電極表面應(yīng)涂蓋絕緣層（如涂0.1mm厚的 聚四氟乙烯等），防止電極間短路。 第三章常用傳感器與敏感元件 電容傳感器特點(diǎn)與應(yīng)用電容傳感器特點(diǎn)與應(yīng)用 主要優(yōu)點(diǎn)主要優(yōu)點(diǎn): (1) 輸人能量小而靈敏度高。極距變化型電容壓力傳感器只需很小的能量就能改 變電容極板的位置，如在一對(duì)直徑為1.27cm圓形電容極板上施加l0V電壓， 極

24、 板間隙為2.54x10-3cm，只需3x1O-5N的力就能使極板產(chǎn)生位移。因此電容傳感 器可以測(cè)量很小的力、振動(dòng)加速度、而且很靈敏。精度高達(dá)0.01%電容式傳感器 已有商品出現(xiàn)，如一種250mm量程的電容式位移傳感器，精度可達(dá)5m。 (2)電參量相對(duì)變化大。 (3) 動(dòng)態(tài)特性好。 (4) 能量損耗小。 (5)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適應(yīng)性好。 第三章常用傳感器與敏感元件 主要缺點(diǎn): （1）非線(xiàn)性大。 解決辦法：利用測(cè)量電路。常用的電橋電路如下： 電容傳感器的電橋電路 結(jié)論：電容轉(zhuǎn)換成電壓變化也是非線(xiàn)性的。因此，輸出與輸人之間的關(guān)系出現(xiàn)較大的非線(xiàn) 性。采用差動(dòng)式結(jié)構(gòu)非線(xiàn)性可以得到適當(dāng)改善，但不能完全消除。

25、第三章常用傳感器與敏感元件 比例運(yùn)算放大器電路比例運(yùn)算放大器電路 當(dāng)采用比例運(yùn)算放大器電路時(shí)，可以得到輸出電壓與位移量的線(xiàn)性關(guān)系。輸入阻抗采用 固定電容C0，反饋?zhàn)杩共捎秒娙輦鞲衅?，根據(jù)運(yùn)算放大器的運(yùn)算關(guān)系，當(dāng)激勵(lì)電壓為 時(shí)，輸出電壓為： 所以 由此式可知，輸出電壓 與電容傳感器間隙 成線(xiàn)性關(guān)系。這種電路常用于位移測(cè)量傳感器。 第三章常用傳感器與敏感元件 傳感器兩極板之間的電容很小，僅幾十個(gè)F，小的甚至只有幾個(gè)F。而傳感器與 電子儀器之間的連接電纜卻具有很大的電容，如屏蔽線(xiàn)的電容最小的l米也有幾個(gè)F，最 大的可達(dá)上百個(gè)F。這不僅使傳感器的電容相對(duì)變化大大降低，靈敏度也降低，更嚴(yán)重 的是電纜本

26、身放置的位置和形狀不同，或因振動(dòng)等原因，都會(huì)引起電纜本身電容的較大變 化，使輸出不真實(shí)，給測(cè)量帶來(lái)誤差。解決的辦法，一種方法是利用集成電路，使放大測(cè) 量電路小型化，把它放在傳感器內(nèi)部，這樣傳輸導(dǎo)線(xiàn)輸出是直流電壓信號(hào)，不受分布電容 的影響!另一種方法是采用雙屏蔽傳輸電纜，適當(dāng)降低分布電容的影響。由于電纜分布電 容對(duì)傳感器的影響，使電容式傳感器的應(yīng)用受到一定的限制。 （2）電纜分布電容影響大。 第三章常用傳感器與敏感元件 電容式傳感器應(yīng)用舉例電容式傳感器應(yīng)用舉例 電容式傳感器廣泛應(yīng)用在位移、壓力、流量、液位等的測(cè)試中。電容式傳感器的精度 和穩(wěn)定性也日益提高，高精度達(dá)0.01%電容式傳感器已有商品出

27、現(xiàn)，如一種250mm量程的 電容式位移傳感器，精度可達(dá)5m。 （1）電容式測(cè)厚儀: 測(cè)量金屬帶材在軋制過(guò)程中厚度 C1、C2工作極板與帶材之間形成兩個(gè)電容， 其總 電容為C= C1+C2 。當(dāng)金屬帶材在軋制中厚度發(fā) 生變化時(shí)，將引起電容量的變化。通過(guò)檢測(cè)電路 可以反映這個(gè)變化，并轉(zhuǎn)換和顯示出帶材的厚度。 （2）電容式轉(zhuǎn)速傳感器 當(dāng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電容量發(fā)生周期性變化，通過(guò)測(cè)量 電路轉(zhuǎn)換為脈沖信號(hào)，則頻率計(jì)顯示的頻率代表轉(zhuǎn) 速大小。設(shè)齒數(shù)為z,頻率為f,則轉(zhuǎn)速為: 第三章常用傳感器與敏感元件 電感式傳感器電感式傳感器 電感式傳感器的工作原理是電磁感應(yīng)。它是把被測(cè)量如位移等，轉(zhuǎn)換為電感量變化的 一種裝

28、置。按照轉(zhuǎn)換方式的不同，可分為自感式（包括可變磁阻式與渦流式）和互感式 （差動(dòng)變壓器式）兩種。 1、自感型傳感器：、自感型傳感器： （1） 可變磁阻式傳感器可變磁阻式傳感器 第三章常用傳感器與敏感元件 由線(xiàn)圈、鐵芯及銜鐵組成。在鐵芯和銜鐵之間有空氣隙。由電工學(xué)可知，線(xiàn)圈自感 量L為 式中，W 線(xiàn)圈匝數(shù)； 磁路總磁阻。 當(dāng)空氣隙較小，而且不考慮磁路的鐵損時(shí)，則磁路總磁阻為： 式中：導(dǎo)磁體 (鐵芯)的長(zhǎng)度(m)； 鐵芯導(dǎo)磁率(H/m)； s鐵芯導(dǎo)磁橫截面積(m2)， 空氣隙長(zhǎng)度(m); 空氣導(dǎo)磁率； 空氣隙導(dǎo)磁橫截面積(m2)； 因?yàn)?，所以 因此，自感L可寫(xiě)為： 自感L與氣隙成反比，而與氣隙導(dǎo)磁

29、截面積S0 成正比。 第三章常用傳感器與敏感元件 S0固定不變，變化時(shí) L 與呈非線(xiàn)性（雙曲線(xiàn)）關(guān)系。傳感器的靈敏度為 靈敏度S與氣隙長(zhǎng)度的平方成反比，愈小，靈敏度S愈高。為了減小非線(xiàn)性誤差，在實(shí) 際應(yīng)用中，一般取 。這種傳感器適用于較小位移的測(cè)量，一般約為 0.0011 mm。 固定不變，S0 變化時(shí) 自感L與S0 呈線(xiàn)性關(guān)系。這種傳感器靈敏度較低。 第三章常用傳感器與敏感元件 幾種常用可變磁阻式傳感器的典型結(jié)構(gòu)幾種常用可變磁阻式傳感器的典型結(jié)構(gòu) 自惑L與S0成線(xiàn)性關(guān)系，這種傳 感器靈敏度較低。 差動(dòng)型，當(dāng)銜鐵有位移時(shí)，可以 使兩個(gè)線(xiàn)圈的間隙按 變化。一個(gè)線(xiàn)圈自感增加，另一 個(gè)線(xiàn)圈自感減小。

30、將兩線(xiàn)圈接于 電橋的相鄰橋臂時(shí)，其輸出靈敏 度可提高一倍，并改善了線(xiàn)性特 性。 第三章常用傳感器與敏感元件 單螺管線(xiàn)圈型，當(dāng)鐵芯在線(xiàn)圈中運(yùn)動(dòng) 時(shí)，將改變磁阻，使線(xiàn)圈自感發(fā)生變 化。這種傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造容易， 但靈敏度低，適用于較大位移(數(shù)毫米) 測(cè)量。 雙螺管線(xiàn)圈差動(dòng)型，較之單螺管線(xiàn)圈型有較高 靈敏度及線(xiàn)性，被用于電感測(cè)微計(jì)上，其測(cè)量 范圍為0300m，最小分辨力為0.5m。這種 傳感器的線(xiàn)圈接于電橋上，構(gòu)成兩個(gè)橋臂，線(xiàn) 圈電感L1、L2隨鐵芯位移而變化，其輸出特性 如圖所示。 第三章常用傳感器與敏感元件 電渦流式傳感器電渦流式傳感器 渦流式電感傳感器可分為高頻反射式和低頻透射式兩類(lèi)。 1

31、、高頻反射式渦流傳感器工作原理 高頻（數(shù)MHz以上）激勵(lì)電流 施加于鄰近金屬板一側(cè)的線(xiàn)圈，由線(xiàn)圈產(chǎn)生的高頻電磁 場(chǎng)作用于金屬板的表面。在金屬板表面薄層內(nèi)產(chǎn)生渦流 ，渦流 又產(chǎn)生反向的磁 場(chǎng)，反作用于線(xiàn)圈上，由此引起線(xiàn)圈自感L或線(xiàn)圈阻抗 的變化。 的變化程度取決 于線(xiàn)圈至金屬板之間的距離 、金屬板的電阻率 、磁導(dǎo)率 以及激勵(lì)電流 的幅值 與角頻率 等。當(dāng)被測(cè)位移量發(fā)生變化時(shí)，使線(xiàn)圈與金屬板的距離發(fā)生變化，從而導(dǎo) 致線(xiàn)圈阻抗 的變化，通過(guò)測(cè)量電路轉(zhuǎn)化為電壓輸出。高頻反射式渦流式傳感器常 用于位移測(cè)量。 第三章常用傳感器與敏感元件 2、低頻透射式渦流傳感器 低頻透射式渦流傳感器多用于測(cè)定材料厚度。發(fā)

32、射線(xiàn)圈 和接收線(xiàn)圈 分別放在被測(cè)材料 G的上下，低頻(音頻范圍)電壓 加到線(xiàn)圈 的兩端后，在周?chē)臻g產(chǎn)生一交變磁場(chǎng)，并在 被測(cè)材料G中產(chǎn)生渦流 ，此渦流損耗了部分能量，使貫穿 的磁力線(xiàn)減少，從而使 產(chǎn) 生的感應(yīng)電勢(shì) 減小。 的大小與G的厚度及材料性質(zhì)有關(guān)，實(shí)驗(yàn)與理論證明， 隨材料 厚度h增加按負(fù)指數(shù)規(guī)律減小。因而按 的變化便可測(cè)得材料的厚度。 第三章常用傳感器與敏感元件 渦流式電感傳感器優(yōu)點(diǎn) 可用于非接觸式動(dòng)態(tài)測(cè)量，測(cè)量范圍視傳感器結(jié)構(gòu)尺寸、線(xiàn)圈匝數(shù)和勵(lì)磁頻率而定， 一般從（110）mm不等，最高分辨力可達(dá)0.1 ，此外這種傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝方 便，不受油污等介質(zhì)的影響。 um 應(yīng)用 1、利

33、用位移x作為變換量，做成測(cè)量位移、厚度、振動(dòng)、轉(zhuǎn)速等傳感器，也可做成接近開(kāi) 關(guān)、計(jì)數(shù)器等； 2、利用材料電阻率作為變換量，可以做成溫度測(cè)量、材質(zhì)判別等傳感器； 3、利用材料導(dǎo)磁率作為變換量，可以做成測(cè)量應(yīng)力、硬度等傳感器； 4、利用變換量，x的綜合影響，可以做成探傷裝置。 第三章常用傳感器與敏感元件 a)徑向振動(dòng)測(cè)量 渦流式傳感器工程應(yīng)用實(shí)例渦流式傳感器工程應(yīng)用實(shí)例 b)軸心軌跡測(cè)量 第三章常用傳感器與敏感元件 c)轉(zhuǎn)速測(cè)量 d)穿透式測(cè)厚 第三章常用傳感器與敏感元件 e）零件計(jì)數(shù)器 f）表面裂紋測(cè)量 第三章常用傳感器與敏感元件 互感型（互感型（差動(dòng)變壓器式差動(dòng)變壓器式）傳感器）傳感器 互感型

34、傳感器的工作原理是利用電磁感應(yīng)中的互感現(xiàn)象，將被測(cè)位移量轉(zhuǎn)換成線(xiàn)圈互 感的變化。它本身是一個(gè)變壓器，其初級(jí)線(xiàn)圈接入交流電源，次級(jí)為感應(yīng)線(xiàn)圈，當(dāng)初級(jí)線(xiàn) 圈的互感變化時(shí)，輸出電壓將作相應(yīng)的變化。由于常采用兩個(gè)次級(jí)線(xiàn)圈組成差動(dòng)式，故又 稱(chēng)差動(dòng)變壓器式傳感器。 差動(dòng)變壓器式電感傳感器是常用的互感型傳感器，其結(jié)構(gòu)形式有多種，以螺管形應(yīng)用較 為普遍，其結(jié)構(gòu)及工作原理如圖所示。傳感器主要由線(xiàn)圈、鐵芯和活動(dòng)銜鐵三個(gè)部分組 成。線(xiàn)圈包括一個(gè)初級(jí)線(xiàn)圈和兩個(gè)反接的次級(jí)線(xiàn)圈，當(dāng)初級(jí)線(xiàn)圈輸入交流激勵(lì)電壓時(shí)， 次級(jí)線(xiàn)圈將產(chǎn)生感壓電動(dòng)勢(shì)e1和e2。由于兩個(gè)次級(jí)線(xiàn)圈極性反接，因此，傳感器的輸出 電壓為兩者之差，即ey=e1-

35、e2。活動(dòng)銜鐵能改變線(xiàn)圈之間的藕合程度。輸出ey的大小隨 活動(dòng)銜鐵的位置而變。當(dāng)活動(dòng)銜鐵的位置居中時(shí)，即e1=e2，ey=0；當(dāng)活動(dòng)銜鐵向上移 時(shí)，即e1e2，ey0;當(dāng)活動(dòng)銜鐵向下移時(shí)，即e1e2，eyZ0時(shí)，則放大器輸入電壓 ULe0。感應(yīng)電動(dòng)式經(jīng)放大、檢波后，即可推動(dòng)指示儀表。使用動(dòng)圈式磁電傳感器， 如果測(cè)量電路中接有微分網(wǎng)絡(luò)，則可以得到加速度或位移。 第三章常用傳感器與敏感元件 變磁通式磁電感應(yīng)式傳感器: 變磁通式又稱(chēng)(變)磁阻式或變氣隙式，常用來(lái)測(cè)量旋轉(zhuǎn)物體的角速度。 線(xiàn)圈3和磁鐵5靜止不動(dòng)，測(cè)量齒輪1（導(dǎo)磁材料制成）每轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)齒，傳感器磁路 磁阻變化一次，線(xiàn)圈3產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的變

36、化頻率等于測(cè)量齒輪1上齒輪的齒數(shù) 和轉(zhuǎn)速的乘積。 變磁通式傳感器對(duì)環(huán)境條件要求不高，能在-15090的溫度下工作，不影響測(cè) 量精度，也能在油、水霧、灰塵等條件下工作。但它的工作頻率下限較高，約為50Hz， 上限可達(dá)100Hz。 第三章常用傳感器與敏感元件 壓電式傳感器壓電式傳感器 壓電式傳感器的工作原理是以某些物質(zhì)的壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)，它具有自發(fā)電和可逆兩種 重要特性。 壓電效應(yīng)與壓電材料壓電效應(yīng)與壓電材料 : 某些物質(zhì)，當(dāng)沿著一定方向?qū)ζ浼恿Χ蛊渥冃螘r(shí)，在一定表面上將產(chǎn)生電荷，當(dāng) 外力去掉后，又重新回到不帶電狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱(chēng)為壓電效應(yīng)。明顯呈現(xiàn)壓電效應(yīng)的敏 感功能材料叫壓電材料。 常用的壓電材

37、料有：壓電單晶體，如石英、酒石酸鉀鈉等；多晶壓電陶瓷，如鈦酸 鋇、鋯鈦酸鉛、鈮鎂酸鉛等，又稱(chēng)為壓電陶瓷。此外，聚偏二氟乙烯(PVDF)作為一種 新型的高分子物性型傳感材料得到廣泛的應(yīng)用。 第三章常用傳感器與敏感元件 石英(SiO2)晶體結(jié)晶形狀為六角形晶柱。兩端為一對(duì)稱(chēng)的棱錐，六棱柱是它的基本組 織，縱軸z-z稱(chēng)作光軸，通過(guò)六角棱線(xiàn)而垂直于光軸的軸線(xiàn) x-x稱(chēng)作電軸，垂直于棱 面的軸線(xiàn)y-y稱(chēng)作機(jī)械軸。如果從晶體中切下一個(gè)平行六面體，并使其晶面分別平行 于z-z、y-y、x-x軸線(xiàn)，這個(gè)晶片在正常狀態(tài)下不呈現(xiàn)電性。當(dāng)施加外力時(shí)，將沿x-x 方向形成電場(chǎng)，其電荷分布在垂直于x-x軸的平面上。沿x

38、軸方向加力產(chǎn)生縱向壓電效 應(yīng)，沿y軸加力產(chǎn)生橫向壓電效應(yīng)，沿相對(duì)兩平面加力產(chǎn)生切向壓電效應(yīng)。 第三章常用傳感器與敏感元件 石英的壓電效應(yīng) 石英的化學(xué)式為SiO2，在一個(gè)晶體單元中，有三個(gè)硅離子Si 4+ 和六個(gè)氧離子O2- ，后 者是成對(duì)的，所以一個(gè)硅離子和兩個(gè)氧離子交替排列。當(dāng)沒(méi)有力作用時(shí)，Si 4+ 和 O2- 在 垂直于晶體Z軸的XY平面上的投影恰好等效為正六邊形排列，如圖a示。這時(shí)正負(fù)離子正 好分布在正六邊形的頂角上，呈現(xiàn)電中性。如果沿X方向壓縮，如圖b所示，則硅離子1被 擠入氧離子2和6之間，而氧離子4被擠入硅離子3和5之間，結(jié)果表面A上呈現(xiàn)負(fù)電荷，而 在表面B上呈現(xiàn)正電荷。這一現(xiàn)象

39、稱(chēng)為縱向壓電效應(yīng)。若沿Y方向壓縮，如圖c所示，硅離 子3和氧離子2，以及硅離子5和氧離子6都向內(nèi)移動(dòng)同樣的數(shù)值，故在電極C和D上不呈現(xiàn) 電荷，而在表面A和B上，即在X軸的端面上又呈現(xiàn)電荷，但與圖b的極性正好相反，這時(shí) 稱(chēng)為橫向壓電效應(yīng)。從研究的模型同樣可以看出：如果是使其伸長(zhǎng)而不是壓縮時(shí)，則電荷 的極性正好相反。總之，石英等單晶體材料是各向異性的物體，在X或Y軸向施力時(shí)，在 與X軸垂直的面上產(chǎn)生電荷，電場(chǎng)方向與X軸平行，在Z軸方向施力時(shí)，不能產(chǎn)生壓電效應(yīng)。 第三章常用傳感器與敏感元件 壓電式傳感器及其等效電路壓電式傳感器及其等效電路 最簡(jiǎn)單的壓電式傳感器的工作原理如圖所示。在壓電晶片的兩個(gè)工作

40、面上進(jìn)行金屬 蒸鍍，形成金屬膜，構(gòu)成兩個(gè)電極。當(dāng)壓電晶片受到壓力F的作用時(shí)，分別在兩個(gè)極板 上積聚數(shù)量相等而極性相反的電荷，形成電場(chǎng)。因此，壓電傳感器可以看作是一個(gè)電荷 發(fā)生器，也可以看成是一個(gè)電容器。其電容量為 式中 壓電材料的相對(duì)介電常數(shù)，石英晶體 ，鈦酸鋇 ； 極板間距，即壓電元件厚度(m)； S壓電元件工作面面積(m2)。 這樣可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；同時(shí)也可等效 為一個(gè)電壓源U和一個(gè)電容器Ca串聯(lián)的等效電路。 第三章常用傳感器與敏感元件 如果施加于壓電晶片的外力不變，積聚在極板上的電荷又無(wú)泄漏，那么在外力繼續(xù) 作用時(shí)，電荷量將保持不變。這時(shí)在極板上積

41、聚的電荷與力的關(guān)系為 q=DF 式中，q為電荷量；F為作用力(N)；D為壓電常數(shù)(C/N)，與材質(zhì)及切片的方向有關(guān)。 上式表明，電荷量與作用力成正比。當(dāng)然，在作用力終止時(shí)，電荷就隨之消失。顯然， 若要測(cè)得力值F，主要問(wèn)題是如何測(cè)得電荷值。值得注意的是:利用壓電式傳感器測(cè)量靜態(tài) 或準(zhǔn)靜態(tài)量值時(shí)，必須采取一定的措施，使電荷從壓電晶片上經(jīng)測(cè)量電路的漏失減小到足 夠小程度。而在動(dòng)態(tài)力作用下，電荷可以得到不斷補(bǔ)充，可以供給測(cè)量電路一定的電流， 故壓電傳感器適宜作動(dòng)態(tài)測(cè)量。 第三章常用傳感器與敏感元件 在實(shí)際應(yīng)用中，由于單片的輸出電荷很小，因此，組成壓電式傳感器的晶片不止一片， 而常常將兩片或兩片以上的晶

42、片粘結(jié)在一起。粘結(jié)的方法有兩種，即并聯(lián)和串聯(lián)。兩片壓 電晶片的負(fù)電荷集中在中間電極上，正電荷集中在兩側(cè)的電極上。并接時(shí)，傳感器的電容 量大，輸出電荷量大，時(shí)間常數(shù)大，故這種傳感器適用于測(cè)量緩變信號(hào)及電荷量輸出情號(hào)， 串聯(lián)方法，正電荷集中于上極板，負(fù)電荷集中于下極板，串聯(lián)時(shí)，傳感器本身的電容量小， 響應(yīng)較快，輸出電壓大，故這種傳感器適用于測(cè)量以電壓作輸出的信號(hào)和頻率較高的信號(hào)。 “并聯(lián)并聯(lián)”，Q=2Q，U=U，C=2C“串聯(lián)串聯(lián)” Q=Q，U=2U，C=C/2 第三章常用傳感器與敏感元件 測(cè)量電路測(cè)量電路 由于壓電式傳感器的輸出電信號(hào)很微弱，通常應(yīng)把傳感器信號(hào)先輸入到高輸入阻抗 的前置放大器中，

43、經(jīng)過(guò)阻抗交換以后，方可用一般的放大檢波電路再將信號(hào)輸入到指示 儀表或證錄器中。(其中，測(cè)量電路的關(guān)鍵在于高阻抗輸入的前置放大器。） 前置放大器的作用有兩點(diǎn);其二是將傳感器的高阻抗輸出變換為低阻抗輸出;其二是 放大傳感器輸出的微弱電信號(hào)。 前置放大器電路有兩種形式:一種是用電阻反饋的電壓放大器，其輸出電壓與輸入電壓 (即傳感器的輸出)成正比;另一種是用帶電容板反饋的電荷放大器，其輸出電壓與輸入電荷 成正比。由于電荷放大器電路的電纜長(zhǎng)度變化的影響不大，幾乎可以忽略不計(jì)，故而電荷 放大器應(yīng)用日益廣泛。 第三章常用傳感器與敏感元件 電荷放大器的等效電路如圖所示，由于忽略了漏電阻，所以電荷量為 式中，u

44、i為放大器輸入端電壓；uy為放大器輸出端電壓，uy=-Aui，其中-A為電荷放大器 開(kāi)環(huán)放大倍數(shù),表示放大器的輸出與輸入反相；ci為放大器輸入電容；cf為電荷放大器反 饋電容。上式可簡(jiǎn)化為: 如果放大器開(kāi)環(huán)增益足夠大，則kCf(C+Cf),固上式可簡(jiǎn)化為： 上式表明，在一定情況下，電荷放大器的輸出電壓與傳感器的電荷量成正此，并且與電纜 分布電容無(wú)關(guān)。因此，采用電荷放大器時(shí)，即使聯(lián)接電纜長(zhǎng)度在百米以上，其靈敏度也無(wú) 明顯變化，這是電荷放大器的突出優(yōu)點(diǎn)。 fyiifyiicai CuuCuCuuCCCuq)()()( ff y ACCC Aq u )( f y C q u 第三章常用傳感器與敏感元

45、件 幾點(diǎn)結(jié)論：幾點(diǎn)結(jié)論： 1、電荷放大器的輸出電壓只與輸入電荷量和反饋電容有關(guān)，、電荷放大器的輸出電壓只與輸入電荷量和反饋電容有關(guān)， 而與放大器的放大系數(shù)的變化或電纜電容等均無(wú)關(guān)系，而與放大器的放大系數(shù)的變化或電纜電容等均無(wú)關(guān)系， 2、只要保持反饋電容的數(shù)值不變，就可得到與電荷量、只要保持反饋電容的數(shù)值不變，就可得到與電荷量Q變化成變化成 線(xiàn)形關(guān)系的輸出電壓。線(xiàn)形關(guān)系的輸出電壓。 3、反饋電容、反饋電容Cf小，輸出就大，小，輸出就大， 4、要達(dá)到一定的輸出靈敏度要求，就必須選擇適當(dāng)?shù)姆答侂娙?。、要達(dá)到一定的輸出靈敏度要求，就必須選擇適當(dāng)?shù)姆答侂娙荨?5、輸出電壓與電纜電容無(wú)關(guān)條件：、輸出電壓與

46、電纜電容無(wú)關(guān)條件： ACfC+Cf 第三章常用傳感器與敏感元件 左圖是一種壓電式加速度傳感器左圖是一種壓電式加速度傳感器 的結(jié)構(gòu)圖。它主要由壓電元件、的結(jié)構(gòu)圖。它主要由壓電元件、 質(zhì)量塊、預(yù)壓彈簧、基座及外殼質(zhì)量塊、預(yù)壓彈簧、基座及外殼 等組成。整個(gè)部件裝在外殼內(nèi)，等組成。整個(gè)部件裝在外殼內(nèi)， 并由螺栓加以固定。并由螺栓加以固定。 當(dāng)傳感器感受振動(dòng)時(shí)，質(zhì)量塊感受與傳感器基座相同的振動(dòng)，并受到與加速度方向當(dāng)傳感器感受振動(dòng)時(shí)，質(zhì)量塊感受與傳感器基座相同的振動(dòng)，并受到與加速度方向 相反的慣性力的作用。這樣，質(zhì)量塊就有一正比于加速度的交變力作用在壓電片上。由于相反的慣性力的作用。這樣，質(zhì)量塊就有一正比

47、于加速度的交變力作用在壓電片上。由于 壓電片壓電效應(yīng)，兩個(gè)表面上就產(chǎn)生交變電荷，當(dāng)振動(dòng)頻率遠(yuǎn)低于傳感器的固有頻率時(shí)，壓電片壓電效應(yīng)，兩個(gè)表面上就產(chǎn)生交變電荷，當(dāng)振動(dòng)頻率遠(yuǎn)低于傳感器的固有頻率時(shí)， 傳感器的輸出電荷（電壓）與作用力成正比，亦即與試件的加速度成正比。傳感器的輸出電荷（電壓）與作用力成正比，亦即與試件的加速度成正比。 輸出電量由傳感器輸出端引出，輸入到前置放大器后就可以用普通的測(cè)量?jī)x器測(cè)出試輸出電量由傳感器輸出端引出，輸入到前置放大器后就可以用普通的測(cè)量?jī)x器測(cè)出試 件的加速度，如在放大器中加進(jìn)適當(dāng)?shù)姆e分電路，就可以測(cè)出試件的振動(dòng)速度或位移。件的加速度，如在放大器中加進(jìn)適當(dāng)?shù)姆e分電路，就可以測(cè)出試件的振動(dòng)速度或位移。 1、 第三章常用傳感器與敏感元件 將兩根高分子壓電電纜相距若干米，平行埋設(shè)于