第3章常用傳感器

1、 2021年年9月月3日星期五日星期五測測試試技技術(shù)術(shù)第第3 3章章 常用傳感器常用傳感器 第第1 1節(jié)節(jié) 概述概述第第2 2節(jié)節(jié) 電阻式傳感器電阻式傳感器第第3 3節(jié)節(jié) 電感式傳感器電感式傳感器第第4節(jié)節(jié) 電容式傳感器電容式傳感器第第5節(jié)節(jié) 壓電式傳感器壓電式傳感器第第6節(jié)節(jié) 傳感器的選用原則傳感器的選用原則 習(xí)題習(xí)題 2021年年9月月3日星期五日星期五測測試試技技術(shù)術(shù)第第3 3章章 常用傳感器常用傳感器 本章重點(diǎn)：本章重點(diǎn)：1 1、傳感器的定義、組成和分類。傳感器的定義、組成和分類。2、電阻式、電感式、電容式和壓電、電阻式、電感式、電容式和壓電式傳感器的工作原理。式傳感器的工作原理。3、

2、常用傳感器的選用原則。、常用傳感器的選用原則。 2021年年9月月3日星期五日星期五測測試試技技術(shù)術(shù)第第3 3章章 第第1 1節(jié)節(jié) 概述概述 一、傳感器的定義一、傳感器的定義 傳感器是借助于檢測元件接收一種形式的信息，并按傳感器是借助于檢測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。一。一般也稱為般也稱為變換器、換能器和探測器變換器、換能器和探測器。 傳感器獲取的信息可以為各種物理量、化學(xué)量和生物傳感器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。量，而轉(zhuǎn)換后的信息也可以有各種形式。 目

3、前，傳感器轉(zhuǎn)換后的信號大多為電信號。在機(jī)械工目前，傳感器轉(zhuǎn)換后的信號大多為電信號。在機(jī)械工程的程的非電量的電測法非電量的電測法中，傳感器是把被測量的的非電信號中，傳感器是把被測量的的非電信號轉(zhuǎn)換成電信號的裝置。轉(zhuǎn)換成電信號的裝置。 傳感器是人類感官的擴(kuò)展和延伸，借助傳感器，人類傳感器是人類感官的擴(kuò)展和延伸，借助傳感器，人類可以去探測那些無法直接用感官獲取的信息?？梢匀ヌ綔y那些無法直接用感官獲取的信息。 2021年年9月月3日星期五日星期五測測試試技技術(shù)術(shù)第第3 3章章 第第1 1節(jié)節(jié) 概述概述 二、傳感器的組成二、傳感器的組成 傳感器一般由傳感器一般由敏感元件敏感元件與與輔助元件輔助元件組成。

4、組成。 敏感器件敏感器件是傳感器的核心，它的作用是直接感受被測是傳感器的核心，它的作用是直接感受被測物理量，并將信號進(jìn)行必要的轉(zhuǎn)換輸出。物理量，并將信號進(jìn)行必要的轉(zhuǎn)換輸出。 輔助元件輔助元件一般指安裝、連接、支承敏感元件的一些輔一般指安裝、連接、支承敏感元件的一些輔助的裝置，如傳感器的殼體、引線等。助的裝置，如傳感器的殼體、引線等。 傳感器的未來發(fā)展是與微處理器相結(jié)合，封裝在一個(gè)傳感器的未來發(fā)展是與微處理器相結(jié)合，封裝在一個(gè)檢測器中形成一種新型的檢測器中形成一種新型的“智能傳感器智能傳感器”。它將具有一定。它將具有一定的信號調(diào)理、信號分析、誤差校正、環(huán)境適應(yīng)等能力，甚的信號調(diào)理、信號分析、誤差

5、校正、環(huán)境適應(yīng)等能力，甚至具有一定的辨認(rèn)、識別和判斷的功能。至具有一定的辨認(rèn)、識別和判斷的功能。 2021年年9月月3日星期五日星期五測測試試技技術(shù)術(shù)第第3 3章章 第第1 1節(jié)節(jié) 概述概述 三、傳感器的分類三、傳感器的分類 1 1、按被測物理量來分類（適用于使用者）、按被測物理量來分類（適用于使用者） 根據(jù)被測物理量的種類不同，可分為根據(jù)被測物理量的種類不同，可分為位移傳感器、速位移傳感器、速度傳感器、力傳感器、溫度傳感器度傳感器、力傳感器、溫度傳感器等。等。 2. 2. 按變換原理來分類按變換原理來分類（適用于研究者）（適用于研究者） 參量型：參量型：這種傳感器在感受到被測量后，輸出的不直

6、這種傳感器在感受到被測量后，輸出的不直接是電信號，而是與電量有關(guān)的自身參數(shù)變化的信號，因接是電信號，而是與電量有關(guān)的自身參數(shù)變化的信號，因而稱之為參量型傳感器，如而稱之為參量型傳感器，如電阻式、電感式和電容式電阻式、電感式和電容式傳感傳感器。器。 發(fā)電型：發(fā)電型：這種傳感器在感受到被測量后，輸出的直接這種傳感器在感受到被測量后，輸出的直接是電信號，因而稱之為發(fā)電型傳感器，如是電信號，因而稱之為發(fā)電型傳感器，如壓電式壓電式傳感器。傳感器。 2021年年9月月3日星期五日星期五測測試試技技術(shù)術(shù)第第3 3章章 第第2 2節(jié)節(jié) 電阻式傳感器電阻式傳感器 一、電阻式傳感器的分類一、電阻式傳感器的分類 電

7、阻式傳感器的基本原理是將被測物理量的變化轉(zhuǎn)換電阻式傳感器的基本原理是將被測物理量的變化轉(zhuǎn)換成自身電阻值的變化成自身電阻值的變化, ,再經(jīng)相應(yīng)的變換電路和裝置顯示或記再經(jīng)相應(yīng)的變換電路和裝置顯示或記錄被測量值的變化。錄被測量值的變化。 電阻式傳感器按其工作原理可分為以下兩種：電阻式傳感器按其工作原理可分為以下兩種： 1 1、變阻器式，、變阻器式，又稱為電位器式。又稱為電位器式。 2 2、應(yīng)變片式，、應(yīng)變片式，又分為金屬電阻應(yīng)變式和半導(dǎo)體應(yīng)變片又分為金屬電阻應(yīng)變式和半導(dǎo)體應(yīng)變片式兩種。式兩種。 2021年年9月月3日星期五日星期五測測試試技技術(shù)術(shù)第第3 3章章 第第2 2節(jié)節(jié) 電阻式傳感器電阻式傳

8、感器 二、變阻器式傳感器二、變阻器式傳感器 1 1、工作原理、工作原理 變阻器式傳感器的工作原理是將物體的位移轉(zhuǎn)換為電變阻器式傳感器的工作原理是將物體的位移轉(zhuǎn)換為電阻的變化，由此再進(jìn)一步轉(zhuǎn)換為電壓等電量的變化。阻的變化，由此再進(jìn)一步轉(zhuǎn)換為電壓等電量的變化。 常用變阻器式傳感器有常用變阻器式傳感器有直線位移型、角位移型和非線直線位移型、角位移型和非線性型性型等，如下圖所示。等，如下圖所示。 2021年年9月月3日星期五日星期五測測試試技技術(shù)術(shù)第第3 3章章 第第2 2節(jié)節(jié) 電阻式傳感器電阻式傳感器 二、變阻器式傳感器二、變阻器式傳感器 2 2、特點(diǎn)、特點(diǎn) 變阻器式傳感器的變阻器式傳感器的優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)

9、是：是：(1)(1)結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小、重結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小、重量輕、價(jià)格低廉且性能穩(wěn)定；量輕、價(jià)格低廉且性能穩(wěn)定；(2)(2)受環(huán)境因素受環(huán)境因素( (如溫度、濕如溫度、濕度、電磁場干擾等度、電磁場干擾等) )影響??；影響??；(3)(3)可以實(shí)現(xiàn)輸出可以實(shí)現(xiàn)輸出輸入間任輸入間任意函數(shù)關(guān)系；意函數(shù)關(guān)系；(4)(4)輸出信號大，一般不需要放大。輸出信號大，一般不需要放大。 變阻器式傳感器的變阻器式傳感器的缺點(diǎn)缺點(diǎn)是是：(1)(1)因?yàn)榇嬖陔娝⑴c線圈或因?yàn)榇嬖陔娝⑴c線圈或電阻膜之間的摩擦，因此需要較大的輸入能量；電阻膜之間的摩擦，因此需要較大的輸入能量；(2)(2)由于磨由于磨損不僅影響使用壽命和降低

10、可靠性，而且會降低測量的精損不僅影響使用壽命和降低可靠性，而且會降低測量的精度，所以分辨力較低；度，所以分辨力較低；(3)(3)動態(tài)響應(yīng)較差，適合于測量變化動態(tài)響應(yīng)較差，適合于測量變化較緩慢的物理量。較緩慢的物理量。 2021年年9月月3日星期五日星期五測測試試技技術(shù)術(shù)第第3 3章章 第第2 2節(jié)節(jié) 電阻式傳感器電阻式傳感器 二、變阻器式傳感器二、變阻器式傳感器 3 3、應(yīng)用、應(yīng)用 變阻器式傳感器常用于變阻器式傳感器常用于角位移和線位移角位移和線位移的測量。的測量。 測量線位移的變阻器式傳感器結(jié)構(gòu)圖測量線位移的變阻器式傳感器結(jié)構(gòu)圖如下所示如下所示。被測。被測位移使測量軸沿導(dǎo)軌軸移動時(shí)，帶動電刷

11、在滑線電阻上產(chǎn)位移使測量軸沿導(dǎo)軌軸移動時(shí)，帶動電刷在滑線電阻上產(chǎn)生相同的位移，從而改變電位器的輸出電阻。生相同的位移，從而改變電位器的輸出電阻。 2021年年9月月3日星期五日星期五測測試試技技術(shù)術(shù)第第3 3章章 第第2 2節(jié)節(jié) 電阻式傳感器電阻式傳感器 三、應(yīng)變片式傳感器三、應(yīng)變片式傳感器 1 1、應(yīng)變片的組成、應(yīng)變片的組成 (1)(1)敏感元件：敏感元件：感受應(yīng)變并將其轉(zhuǎn)感受應(yīng)變并將其轉(zhuǎn)換為自身阻值的變化。一般用康銅、換為自身阻值的變化。一般用康銅、鎳鉻合金或半導(dǎo)體材料做成。它要用鎳鉻合金或半導(dǎo)體材料做成。它要用粘合劑牢牢地固定在基片上。粘合劑牢牢地固定在基片上。(2)(2)基片：基片：固

12、定和保護(hù)敏感元件，固定和保護(hù)敏感元件，并將應(yīng)變準(zhǔn)確的傳遞給敏感元件。材并將應(yīng)變準(zhǔn)確的傳遞給敏感元件。材料可以是紙、膠膜、玻璃纖維布等。料可以是紙、膠膜、玻璃纖維布等。 (3)(3)覆蓋層：覆蓋層：保護(hù)敏感元件不受外保護(hù)敏感元件不受外界環(huán)境中灰塵、濕氣等的影響。界環(huán)境中灰塵、濕氣等的影響。 (4)(4)引線：引線：將敏感元件的阻值變化將敏感元件的阻值變化引入后接電路。引入后接電路。 2021年年9月月3日星期五日星期五測測試試技技術(shù)術(shù)第第3 3章章 第第2 2節(jié)節(jié) 電阻式傳感器電阻式傳感器 三、應(yīng)變片式傳感器三、應(yīng)變片式傳感器 2 2、應(yīng)變片的分類、應(yīng)變片的分類 (1)(1)按敏感元件的材料分為

13、按敏感元件的材料分為金屬電阻應(yīng)變片金屬電阻應(yīng)變片和和半導(dǎo)體應(yīng)變半導(dǎo)體應(yīng)變片片兩大類。兩大類。 金屬電阻應(yīng)變片根據(jù)敏感金屬電阻應(yīng)變片根據(jù)敏感元件的形狀不同又分為元件的形狀不同又分為絲式絲式和和箔式箔式兩種。兩種。(2)(2)按用途分為按用途分為一般應(yīng)變片一般應(yīng)變片、應(yīng)變花應(yīng)變花和和特殊應(yīng)變片特殊應(yīng)變片。 2021年年9月月3日星期五日星期五測測試試技技術(shù)術(shù)第第3 3章章 第第2 2節(jié)節(jié) 電阻式傳感器電阻式傳感器 三、應(yīng)變片式傳感器三、應(yīng)變片式傳感器 3 3、應(yīng)變片的工作原理、應(yīng)變片的工作原理 (1)(1)金屬電阻應(yīng)變片金屬電阻應(yīng)變片 應(yīng)變效應(yīng)：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)，金屬導(dǎo)

14、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)械變形其電阻值隨著它所受機(jī)械變形( (伸長或縮短伸長或縮短) )的變化而發(fā)生的變化而發(fā)生變化的現(xiàn)象。變化的現(xiàn)象。 推導(dǎo)：推導(dǎo)： dRdAARdllRdRAlR 電電阻阻變變化化量量為為：金金屬屬導(dǎo)導(dǎo)體體發(fā)發(fā)生生變變形形，則則則則有有：給給定定金金屬屬導(dǎo)導(dǎo)體體 , 2021年年9月月3日星期五日星期五測測試試技技術(shù)術(shù)第第3 3章章 第第2 2節(jié)節(jié) 電阻式傳感器電阻式傳感器 三、應(yīng)變片式傳感器三、應(yīng)變片式傳感器 3 3、應(yīng)變片的工作原理、應(yīng)變片的工作原理 (1)(1)金屬電阻應(yīng)變片金屬電阻應(yīng)變片 推導(dǎo)：推導(dǎo)： 是是壓壓阻阻系系數(shù)數(shù)。，電電阻阻率率的

15、的相相對對變變化化是是泊泊松松比比。，橫橫向向應(yīng)應(yīng)變變縱縱向向應(yīng)應(yīng)變變，則則有有：若若 EddldlrdrrdrldldrdrldlRdRrA )2(2 2021年年9月月3日星期五日星期五測測試試技技術(shù)術(shù)第第3 3章章 第第2 2節(jié)節(jié) 電阻式傳感器電阻式傳感器 )21(21)21( RdREERdR，則有：，則有：對金屬導(dǎo)體，對金屬導(dǎo)體，綜合以上各式可得：綜合以上各式可得：三、應(yīng)變片式傳感器三、應(yīng)變片式傳感器 3 3、應(yīng)變片的工作原理、應(yīng)變片的工作原理 (1)(1)金屬電阻應(yīng)變片金屬電阻應(yīng)變片 推導(dǎo)：推導(dǎo)： 之之間間。，一一般般在在系系數(shù)數(shù)。靈靈敏敏度度，又又稱稱為為應(yīng)應(yīng)變變等等。、標(biāo)標(biāo)稱稱

16、阻阻值值，有有結(jié)結(jié)論論：3.61.72112060 gggSSRSRR 2021年年9月月3日星期五日星期五測測試試技技術(shù)術(shù)第第3 3章章 第第2 2節(jié)節(jié) 電阻式傳感器電阻式傳感器 三、應(yīng)變片式傳感器三、應(yīng)變片式傳感器 3 3、應(yīng)變片的工作原理、應(yīng)變片的工作原理 (2)(2)半導(dǎo)體應(yīng)變片半導(dǎo)體應(yīng)變片 壓阻效應(yīng)：壓阻效應(yīng)：單晶單晶半導(dǎo)體材料沿某一軸向受到外力作用半導(dǎo)體材料沿某一軸向受到外力作用時(shí)，其電阻率會發(fā)生變化的現(xiàn)象。時(shí)，其電阻率會發(fā)生變化的現(xiàn)象。 推導(dǎo)：推導(dǎo)： ERdREERdR，則則有有：對對半半導(dǎo)導(dǎo)體體，類類似似可可得得：半半導(dǎo)導(dǎo)體體材材料料與與金金屬屬導(dǎo)導(dǎo)體體21)21( 2021年

17、年9月月3日星期五日星期五測測試試技技術(shù)術(shù)第第3 3章章 第第2 2節(jié)節(jié) 電阻式傳感器電阻式傳感器 三、應(yīng)變片式傳感器三、應(yīng)變片式傳感器 3 3、應(yīng)變片的工作原理、應(yīng)變片的工作原理 (2)(2)半導(dǎo)體應(yīng)變片半導(dǎo)體應(yīng)變片倍。倍。，比金屬電阻應(yīng)變片大，比金屬電阻應(yīng)變片大系數(shù)。系數(shù)。靈敏度，又稱為應(yīng)變靈敏度，又稱為應(yīng)變等。等。、標(biāo)稱阻值，有標(biāo)稱阻值，有結(jié)論：結(jié)論：705012060ESSRSRRggg 2021年年9月月3日星期五日星期五測測試試技技術(shù)術(shù)第第3 3章章 第第2 2節(jié)節(jié) 電阻式傳感器電阻式傳感器 三、應(yīng)變片式傳感器三、應(yīng)變片式傳感器 3 3、應(yīng)變片的工作原理、應(yīng)變片的工作原理 (3)(

18、3)兩種應(yīng)變片的比較兩種應(yīng)變片的比較 工作原理不同：工作原理不同：金屬電阻應(yīng)變片基于機(jī)械變形引起金屬電阻應(yīng)變片基于機(jī)械變形引起 電阻的變化；半導(dǎo)體應(yīng)變片基于電電阻的變化；半導(dǎo)體應(yīng)變片基于電 阻率變化引起電阻的變化。阻率變化引起電阻的變化。靈敏度不同：靈敏度不同：金屬電阻應(yīng)變片的靈敏度取決于泊松金屬電阻應(yīng)變片的靈敏度取決于泊松 比的大?。话雽?dǎo)體應(yīng)變片的靈敏度取比的大?。话雽?dǎo)體應(yīng)變片的靈敏度取 決于壓阻系數(shù)和彈性模量的大小。決于壓阻系數(shù)和彈性模量的大小。 2021年年9月月3日星期五日星期五測測試試技技術(shù)術(shù)第第3 3章章 第第2 2節(jié)節(jié) 電阻式傳感器電阻式傳感器 三、應(yīng)變片式傳感器三、應(yīng)變片式傳感

19、器 4 4、應(yīng)變片的應(yīng)用、應(yīng)變片的應(yīng)用 (1)(1)直接應(yīng)用直接應(yīng)用 將應(yīng)變片粘貼于被測構(gòu)件上，直接用來測定構(gòu)件的應(yīng)將應(yīng)變片粘貼于被測構(gòu)件上，直接用來測定構(gòu)件的應(yīng)變和應(yīng)力。變和應(yīng)力。 2021年年9月月3日星期五日星期五測測試試技技術(shù)術(shù)第第3 3章章 第第2 2節(jié)節(jié) 電阻式傳感器電阻式傳感器 三、應(yīng)變片式傳感器三、應(yīng)變片式傳感器 4 4、應(yīng)變片的應(yīng)用、應(yīng)變片的應(yīng)用 (2)(2)間接應(yīng)用間接應(yīng)用 將應(yīng)變片貼于彈性元件上，與彈性元件一起構(gòu)成應(yīng)變將應(yīng)變片貼于彈性元件上，與彈性元件一起構(gòu)成應(yīng)變式傳感器。在這種情況下，彈性元件將被測物理量轉(zhuǎn)換為式傳感器。在這種情況下，彈性元件將被測物理量轉(zhuǎn)換為成正比變化

20、的應(yīng)變，再通過應(yīng)變片轉(zhuǎn)換為電阻變化輸出。成正比變化的應(yīng)變，再通過應(yīng)變片轉(zhuǎn)換為電阻變化輸出。 2021年年9月月3日星期五日星期五測測試試技技術(shù)術(shù)第第3 3章章 第第3 3節(jié)節(jié) 電感式傳感器電感式傳感器 一、電感式傳感器的分類一、電感式傳感器的分類 電感式傳感器的工作原理是基于電感式傳感器的工作原理是基于電磁感應(yīng)電磁感應(yīng)原理，原理，它是把被測量轉(zhuǎn)化為電感量的一種裝置。它是把被測量轉(zhuǎn)化為電感量的一種裝置。 按照轉(zhuǎn)換方式的不同可分為以下兩大類：按照轉(zhuǎn)換方式的不同可分為以下兩大類： 1 1、自感型：、自感型：又分為又分為可變磁阻式可變磁阻式和和渦電流式渦電流式兩種。兩種。 2 2、互感型：、互感型：常

21、用的是常用的是差動變壓器式差動變壓器式。 2021年年9月月3日星期五日星期五測測試試技技術(shù)術(shù)第第3 3章章 第第3 3節(jié)節(jié) 電感式傳感器電感式傳感器 ：磁磁阻阻。：線線圈圈匝匝數(shù)數(shù)，mmRWRWL,2 ?？諝獯艑?dǎo)率，空氣磁導(dǎo)率，所以有：所以有：因?yàn)橐驗(yàn)?000020000104222 AWLAAAlRm二、自感型二、自感型 1 1、可變磁阻式、可變磁阻式 可變磁阻式傳感器的結(jié)構(gòu)原理如圖所示，它由可變磁阻式傳感器的結(jié)構(gòu)原理如圖所示，它由線圈線圈1 1、鐵芯、鐵芯2 2及銜鐵及銜鐵3 3組成。組成。 成正比。成正比。積積成反比，而與導(dǎo)磁截面成反比，而與導(dǎo)磁截面與氣隙與氣隙結(jié)論：自感量結(jié)論：自感量

22、0AL 2021年年9月月3日星期五日星期五測測試試技技術(shù)術(shù)第第3 3章章 第第3 3節(jié)節(jié) 電感式傳感器電感式傳感器 二、自感型二、自感型 1 1、可變磁阻式、可變磁阻式。一般取一般?。?，），范圍是（范圍是（的變化的變化線性誤差，若線性誤差，若不是常數(shù)，為了減小不是常數(shù)，為了減?。捍藭r(shí)傳感器的靈敏度為此時(shí)傳感器的靈敏度為成反比，成反比，與與時(shí)，時(shí)，變化，變化當(dāng)固定當(dāng)固定0.12)1(00020020 SAWSLA 2021年年9月月3日星期五日星期五測測試試技技術(shù)術(shù)第第3 3章章 第第3 3節(jié)節(jié) 電感式傳感器電感式傳感器 二、自感型二、自感型 1 1、可變磁阻式、可變磁阻式 2)2(0200W

23、SALA ：此此時(shí)時(shí)傳傳感感器器的的靈靈敏敏度度為為成成正正比比，與與時(shí)時(shí)，變變化化當(dāng)當(dāng)固固定定 2021年年9月月3日星期五日星期五測測試試技技術(shù)術(shù)第第3 3章章 第第3 3節(jié)節(jié) 電感式傳感器電感式傳感器 二、自感型二、自感型 1 1、可變磁阻式、可變磁阻式 常用可變磁阻式傳感器的典型結(jié)構(gòu)有常用可變磁阻式傳感器的典型結(jié)構(gòu)有: :可變導(dǎo)磁面積型、可變導(dǎo)磁面積型、差動型、單螺管線圈型、雙螺管線圈差動型差動型、單螺管線圈型、雙螺管線圈差動型。 雙螺管線圈差動型測量范圍為雙螺管線圈差動型測量范圍為0 0300m300m，最小分辨力，最小分辨力為為0.5m0.5m。這種傳感器的線圈接于電橋上，構(gòu)成兩個(gè)

24、橋臂，。這種傳感器的線圈接于電橋上，構(gòu)成兩個(gè)橋臂，線圈電感線圈電感L L1 1、L L2 2 隨鐵芯位移而變化，其輸出特性如下圖所隨鐵芯位移而變化，其輸出特性如下圖所示。示。 2021年年9月月3日星期五日星期五測測試試技技術(shù)術(shù)第第3 3章章 第第3 3節(jié)節(jié) 電感式傳感器電感式傳感器 二、自感型二、自感型 2 2、渦電流式、渦電流式 渦電流式傳感器的變換原理是利用金屬導(dǎo)體在渦電流式傳感器的變換原理是利用金屬導(dǎo)體在交流磁場中的交流磁場中的渦電流效應(yīng)渦電流效應(yīng)。 將一塊金屬板置于一直線圈附近，相互將一塊金屬板置于一直線圈附近，相互間距為間距為。當(dāng)線圈通入交變電流。當(dāng)線圈通入交變電流i時(shí)，便產(chǎn)生時(shí)，

25、便產(chǎn)生磁通磁通。該磁通在金屬板中產(chǎn)生感應(yīng)電流。該磁通在金屬板中產(chǎn)生感應(yīng)電流i1，此電流在金屬板內(nèi)是閉合的，因而稱之為此電流在金屬板內(nèi)是閉合的，因而稱之為“渦電流渦電流”或簡稱為或簡稱為“渦流渦流”。 “ “渦電流渦電流”也會產(chǎn)生磁通也會產(chǎn)生磁通1，它與，它與的的方向相反，從而引起線圈自感量方向相反，從而引起線圈自感量L L發(fā)生變化。發(fā)生變化。 2021年年9月月3日星期五日星期五測測試試技技術(shù)術(shù)第第3 3章章 第第3 3節(jié)節(jié) 電感式傳感器電感式傳感器 二、自感型二、自感型 2 2、渦電流式、渦電流式 線圈自感量線圈自感量L L的大小與金屬板的電阻率的大小與金屬板的電阻率、磁導(dǎo)率、磁導(dǎo)率、厚度厚

26、度h h、金屬板與線圈的距離、金屬板與線圈的距離、激勵電流角頻率、激勵電流角頻率等參數(shù)等參數(shù)有關(guān)。有關(guān)。 渦電流式電感傳感器主要用于渦電流式電感傳感器主要用于位移、振動、轉(zhuǎn)速、距位移、振動、轉(zhuǎn)速、距離、厚度離、厚度等參數(shù)的測量。等參數(shù)的測量。),( hfL 2021年年9月月3日星期五日星期五測測試試技技術(shù)術(shù)第第3 3章章 第第3 3節(jié)節(jié) 電感式傳感器電感式傳感器 三、互感型三、互感型差動變壓器式差動變壓器式 互感型電感式傳感器是利用互感互感型電感式傳感器是利用互感M的變化來反映被測的變化來反映被測量的變化量的變化，其實(shí)質(zhì)是一個(gè)輸出電壓可變的變壓器。其實(shí)質(zhì)是一個(gè)輸出電壓可變的變壓器。 當(dāng)變壓器

27、初級線圈當(dāng)變壓器初級線圈W 輸入穩(wěn)定交流電壓輸入穩(wěn)定交流電壓i后，次后，次級線圈級線圈W0便會有感應(yīng)電壓便會有感應(yīng)電壓e0輸出，該電壓隨被測量輸出，該電壓隨被測量的變化而變化。的變化而變化。 dtdiMe 0M互感量。互感量。 2021年年9月月3日星期五日星期五測測試試技技術(shù)術(shù)第第3 3章章 第第3 3節(jié)節(jié) 電感式傳感器電感式傳感器 三、互感型三、互感型差動變壓器式差動變壓器式 互感型傳感器常用的是互感型傳感器常用的是差動變壓器式差動變壓器式，其結(jié)構(gòu)形式多，其結(jié)構(gòu)形式多為螺管形，主要由線圈、鐵芯和活動銜鐵三部分組成。線為螺管形，主要由線圈、鐵芯和活動銜鐵三部分組成。線圈包括一個(gè)初級線圈和兩個(gè)

28、反接的次級線圈，當(dāng)初級線圈圈包括一個(gè)初級線圈和兩個(gè)反接的次級線圈，當(dāng)初級線圈輸入交流激勵電壓時(shí)，次級線圈將產(chǎn)生感應(yīng)電動勢輸入交流激勵電壓時(shí)，次級線圈將產(chǎn)生感應(yīng)電動勢e1和和e2。由于兩個(gè)次級線圈極性反接，因此，傳感器的輸出電壓為由于兩個(gè)次級線圈極性反接，因此，傳感器的輸出電壓為兩者之差，即兩者之差，即e0=e1-e2 。 2021年年9月月3日星期五日星期五測測試試技技術(shù)術(shù)第第3 3章章 第第3 3節(jié)節(jié) 電感式傳感器電感式傳感器 三、互感型三、互感型差動變壓器式差動變壓器式 差動變壓器式傳感器使用要注意的問題：差動變壓器式傳感器使用要注意的問題： (1)差動變壓器式傳感器輸出的電壓是交流量，其

29、輸出差動變壓器式傳感器輸出的電壓是交流量，其輸出值只能反應(yīng)鐵芯位移的大小，而不能反應(yīng)移動的方向；值只能反應(yīng)鐵芯位移的大小，而不能反應(yīng)移動的方向； (2)傳感器輸出電壓存在一定的零點(diǎn)殘余電壓，即使活傳感器輸出電壓存在一定的零點(diǎn)殘余電壓，即使活動銜鐵位于中間位置時(shí)，輸出也不為零，這是由于兩個(gè)次動銜鐵位于中間位置時(shí)，輸出也不為零，這是由于兩個(gè)次級線圈的結(jié)構(gòu)不對稱以及初級線圈銅損電阻、鐵磁材質(zhì)不級線圈的結(jié)構(gòu)不對稱以及初級線圈銅損電阻、鐵磁材質(zhì)不均勻、線圈間分布電容等原因所造成的。均勻、線圈間分布電容等原因所造成的。 解決方法解決方法：后接電路應(yīng)采用既能反應(yīng)鐵芯位移方向，：后接電路應(yīng)采用既能反應(yīng)鐵芯位移

30、方向，又能補(bǔ)償零點(diǎn)殘余電壓的又能補(bǔ)償零點(diǎn)殘余電壓的差動直流輸出電路差動直流輸出電路。 特點(diǎn)特點(diǎn)：差動變壓器式傳感器精度可高達(dá)：差動變壓器式傳感器精度可高達(dá)0.lm，線圈變，線圈變化范圍可擴(kuò)大到化范圍可擴(kuò)大到l00mm，結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定性好，被廣泛，結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定性好，被廣泛應(yīng)用于直線位移測量及其它壓力、振動等參量的測量。應(yīng)用于直線位移測量及其它壓力、振動等參量的測量。 2021年年9月月3日星期五日星期五測測試試技技術(shù)術(shù)第第3 3章章 第第4 4節(jié)節(jié) 電容式傳感器電容式傳感器 一、一、電容式傳感器變換原理電容式傳感器變換原理 電容式傳感器是將被測量（如尺寸、壓力等）的電容式傳感器是將被測量（如尺

31、寸、壓力等）的變化轉(zhuǎn)換成電容變化量的一種傳感器。實(shí)際上變化轉(zhuǎn)換成電容變化量的一種傳感器。實(shí)際上, ,它本身它本身（或和被測物）就是一個(gè)可變電容器。（或和被測物）就是一個(gè)可變電容器。 。極板之間的距離極板之間的距離；，極板的相互覆蓋面積極板的相互覆蓋面積；空氣中，空氣中，介質(zhì)的介電常數(shù)，在介質(zhì)的介電常數(shù)，在；真空介電常數(shù)，真空介電常數(shù)，式中：式中：mmAmFAC,1/10854. 8212000 根據(jù)電容器參數(shù)變化的特性，電容式傳感器可分為根據(jù)電容器參數(shù)變化的特性，電容式傳感器可分為極極距變化型、面積變化型和介質(zhì)變化型距變化型、面積變化型和介質(zhì)變化型三種，其中極距變化三種，其中極距變化型和面積變

32、化型應(yīng)用較廣。型和面積變化型應(yīng)用較廣。 2021年年9月月3日星期五日星期五測測試試技技術(shù)術(shù)第第3 3章章 第第4 4節(jié)節(jié) 電容式傳感器電容式傳感器 2001 ASAC 靈敏度為：靈敏度為：，二、極距變化型二、極距變化型 極距變化型電容式傳感器是指在兩極板相互覆蓋面積極距變化型電容式傳感器是指在兩極板相互覆蓋面積及極間介質(zhì)不變的情況下，由兩極板在被測對象作用下發(fā)及極間介質(zhì)不變的情況下，由兩極板在被測對象作用下發(fā)生位移變化而引起電容器的電容量發(fā)生變化生位移變化而引起電容器的電容量發(fā)生變化。一一般般取?。?，范范圍圍是是（的的變變化化線線性性誤誤差差，若若不不是是常常數(shù)數(shù)，為為了了減減小小0.100

33、0 S 2021年年9月月3日星期五日星期五測測試試技技術(shù)術(shù)第第3 3章章 第第4 4節(jié)節(jié) 電容式傳感器電容式傳感器 二、極距變化型二、極距變化型 實(shí)際應(yīng)用中，為了提高傳感器的靈敏度、增大線實(shí)際應(yīng)用中，為了提高傳感器的靈敏度、增大線性工作范圍和克服外界條件性工作范圍和克服外界條件( (如電源電壓、環(huán)境溫度等如電源電壓、環(huán)境溫度等) )的的變化對測量精度的影響，常常采用變化對測量精度的影響，常常采用差動型電容式傳感器差動型電容式傳感器。 2021年年9月月3日星期五日星期五測測試試技技術(shù)術(shù)第第3 3章章 第第4 4節(jié)節(jié) 電容式傳感器電容式傳感器 三、面積變化型三、面積變化型 面積變化型是改變極板

34、間覆蓋面積的電容式傳面積變化型是改變極板間覆蓋面積的電容式傳感器，常用的有感器，常用的有角位移型和線位移角位移型和線位移型兩種。型兩種。 1 1、角位移型電容式傳感器、角位移型電容式傳感器 當(dāng)動板有一轉(zhuǎn)角時(shí)，與定板之間相互覆蓋的面積就發(fā)當(dāng)動板有一轉(zhuǎn)角時(shí)，與定板之間相互覆蓋的面積就發(fā)生變化，因而導(dǎo)致電容量變化。生變化，因而導(dǎo)致電容量變化。 當(dāng)覆蓋面積對應(yīng)的中心角為當(dāng)覆蓋面積對應(yīng)的中心角為 、極板半徑為極板半徑為r時(shí)，時(shí)，覆蓋面積為：覆蓋面積為：22rA 222020rSrC 靈靈敏敏度度為為：則則： 2021年年9月月3日星期五日星期五測測試試技技術(shù)術(shù)第第3 3章章 第第4 4節(jié)節(jié) 電容式傳感器

35、電容式傳感器 三、面積變化型三、面積變化型 2 2、線位移型電容式傳感器、線位移型電容式傳感器 線位移型電容式傳感器有線位移型電容式傳感器有平面線位移型平面線位移型和和圓柱線位移圓柱線位移型型兩種。兩種。 對于平面線位移型電容式傳感器，當(dāng)寬度為對于平面線位移型電容式傳感器，當(dāng)寬度為b的動板沿的動板沿箭頭箭頭x方向移動時(shí)，覆蓋面積變化，電容量也隨之變化，電方向移動時(shí)，覆蓋面積變化，電容量也隨之變化，電容量為：容量為： bSxbC00 靈敏度為：靈敏度為： 2021年年9月月3日星期五日星期五測測試試技技術(shù)術(shù)第第3 3章章 第第4 4節(jié)節(jié) 電容式傳感器電容式傳感器 三、面積變化型三、面積變化型 2

36、 2、線位移型電容式傳感器、線位移型電容式傳感器 對于圓柱線位移型電容式傳感器，若對于圓柱線位移型電容式傳感器，若外圓筒內(nèi)半徑為外圓筒內(nèi)半徑為r1，內(nèi)圓筒（或內(nèi)圓柱）外半徑為，內(nèi)圓筒（或內(nèi)圓柱）外半徑為r2（它們的工作半徑）時(shí)，（它們的工作半徑）時(shí)，當(dāng)當(dāng)覆蓋長度覆蓋長度x變化時(shí)，電容量也隨之變化，其電容為：變化時(shí)，電容量也隨之變化，其電容為：)/ln(2)/ln(2210210rrSxrrC 靈敏度為：靈敏度為： 面積變化型電容傳感器的優(yōu)點(diǎn)面積變化型電容傳感器的優(yōu)點(diǎn)是輸出與輸入成線性關(guān)系，但靈敏是輸出與輸入成線性關(guān)系，但靈敏度較低，適用于較大量程范圍的角度較低，適用于較大量程范圍的角位移和直線

37、位移的測量。位移和直線位移的測量。 2021年年9月月3日星期五日星期五測測試試技技術(shù)術(shù)第第3 3章章 第第4 4節(jié)節(jié) 電容式傳感器電容式傳感器 四、介質(zhì)變化型四、介質(zhì)變化型 介質(zhì)變化型是指變介電常數(shù)型電容式傳感器，這介質(zhì)變化型是指變介電常數(shù)型電容式傳感器，這種傳感器大多用于測量電介質(zhì)的厚度、位移、液位，還可種傳感器大多用于測量電介質(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、容量改變而改變來測量溫度、濕度、容量等。變來測量溫度、濕度、容量等。 2021年年9月月3日星期五日星期五測測試試技技術(shù)術(shù)第第3 3章章 第第5 5節(jié)節(jié)

38、 壓電式傳感器壓電式傳感器 一、工作原理一、工作原理 壓電式傳感器是一種可逆型換能器，它既可以將壓電式傳感器是一種可逆型換能器，它既可以將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，又可以將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。它機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，又可以將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。它的工作原理是基于某些物質(zhì)的的工作原理是基于某些物質(zhì)的壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)。 1 1、壓電效應(yīng)、壓電效應(yīng) 某些物質(zhì)某些物質(zhì)( (物體物體) )，如石英、鐵酸鋇等，當(dāng)受到外力作，如石英、鐵酸鋇等，當(dāng)受到外力作用時(shí)，不僅幾何尺寸會發(fā)生變化，而且內(nèi)部也會被極化，用時(shí)，不僅幾何尺寸會發(fā)生變化，而且內(nèi)部也會被極化，表面會產(chǎn)生電荷；當(dāng)外力去掉時(shí)，又重新回到原來的狀態(tài)，表面會產(chǎn)生電荷；當(dāng)

39、外力去掉時(shí)，又重新回到原來的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)。 相反，如果將這些物質(zhì)相反，如果將這些物質(zhì) ( (物體物體) )置于電場中，其幾何尺置于電場中，其幾何尺寸也會發(fā)生變化，這種由外電場作用導(dǎo)致物質(zhì)寸也會發(fā)生變化，這種由外電場作用導(dǎo)致物質(zhì) ( (物體）產(chǎn)物體）產(chǎn)生機(jī)械變形的現(xiàn)象，稱為生機(jī)械變形的現(xiàn)象，稱為逆壓電效應(yīng)或電致伸縮效應(yīng)逆壓電效應(yīng)或電致伸縮效應(yīng)。 2021年年9月月3日星期五日星期五測測試試技技術(shù)術(shù)第第3 3章章 第第5 5節(jié)節(jié) 壓電式傳感器壓電式傳感器 一、工作原理一、工作原理 2 2、壓電效應(yīng)的形式、壓電效應(yīng)的形式 以石英晶體為例，以石英晶體為例，其結(jié)構(gòu)形狀為

40、一個(gè)六角形晶柱，兩其結(jié)構(gòu)形狀為一個(gè)六角形晶柱，兩端為一對稱棱錐，端為一對稱棱錐，可以將其劃分出三根互相垂直的軸如圖可以將其劃分出三根互相垂直的軸如圖所示所示。Z-Z稱為稱為光軸光軸X-X軸稱為軸稱為電軸電軸Y-Y軸稱為軸稱為機(jī)械軸機(jī)械軸 2021年年9月月3日星期五日星期五測測試試技技術(shù)術(shù)第第3 3章章 第第5 5節(jié)節(jié) 壓電式傳感器壓電式傳感器 一、工作原理一、工作原理 2 2、壓電效應(yīng)的形式、壓電效應(yīng)的形式 沿電軸沿電軸( (X X軸軸) )方向施加壓力產(chǎn)生的壓電效應(yīng)稱為方向施加壓力產(chǎn)生的壓電效應(yīng)稱為“縱向縱向效應(yīng)效應(yīng)”，沿機(jī)械軸，沿機(jī)械軸( (Y Y軸軸) )方向施加壓力產(chǎn)生的壓電效應(yīng)稱為

41、方向施加壓力產(chǎn)生的壓電效應(yīng)稱為“橫向效應(yīng)橫向效應(yīng)”，沿相對兩棱施加剪切力，沿相對兩棱施加剪切力產(chǎn)生的壓電效應(yīng)稱產(chǎn)生的壓電效應(yīng)稱為為“切向效應(yīng)切向效應(yīng)”。 2021年年9月月3日星期五日星期五測測試試技技術(shù)術(shù)第第3 3章章 第第5 5節(jié)節(jié) 壓電式傳感器壓電式傳感器 一、工作原理一、工作原理 3 3、壓電材料、壓電材料 把具有壓電效應(yīng)的物質(zhì)稱為把具有壓電效應(yīng)的物質(zhì)稱為壓電材料壓電材料( (或稱為壓電元或稱為壓電元件件) )。常見的壓電材料可分為以下三類：。常見的壓電材料可分為以下三類： （1 1）壓電單晶）壓電單晶 壓電單晶為單晶體，常用的有石英晶體（壓電單晶為單晶體，常用的有石英晶體（SiOSi

42、O2 2），鈮），鈮酸鋰（酸鋰（LiNbOLiNbO3 3），鉭酸鋰（），鉭酸鋰（LiTaOLiTaO2 2）等。）等。 （2 2）壓電陶瓷）壓電陶瓷 現(xiàn)在常用的是現(xiàn)在常用的是PZTPZT鋯鈦酸鉛系列壓電陶瓷，其具有制作鋯鈦酸鉛系列壓電陶瓷，其具有制作方便，成本低等優(yōu)點(diǎn)。方便，成本低等優(yōu)點(diǎn)。 （3 3）有機(jī)壓電薄膜）有機(jī)壓電薄膜 這類壓電材料具有面積大、柔軟不易破碎等優(yōu)點(diǎn)，可這類壓電材料具有面積大、柔軟不易破碎等優(yōu)點(diǎn)，可用于微壓測量和機(jī)器人的觸覺，常用的是二氟乙烯用于微壓測量和機(jī)器人的觸覺，常用的是二氟乙烯PVdFPVdF。 居里點(diǎn)居里點(diǎn)：壓電材料失去壓電特性的溫度點(diǎn)。：壓電材料失去壓電特性的

43、溫度點(diǎn)。 2021年年9月月3日星期五日星期五測測試試技技術(shù)術(shù)第第3 3章章 第第5 5節(jié)節(jié) 壓電式傳感器壓電式傳感器 二、壓電式傳感器及其等效電路二、壓電式傳感器及其等效電路 1 1、壓電式傳感器、壓電式傳感器 壓電式傳感器是在壓電晶片的兩個(gè)工作面上進(jìn)行金屬壓電式傳感器是在壓電晶片的兩個(gè)工作面上進(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 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。電荷，形成電場。 壓電傳感器可以看作是一個(gè)壓電傳感器可以看作是一個(gè)電荷源

44、，電荷源，也可以看成是一個(gè)也可以看成是一個(gè)電壓源。電壓源。 如果施加于壓電晶片的外力不變，如果施加于壓電晶片的外力不變，在極板上積聚的電荷與力的關(guān)系為：在極板上積聚的電荷與力的關(guān)系為： 。和和壓壓電電效效應(yīng)應(yīng)的的形形式式有有關(guān)關(guān)壓壓電電常常數(shù)數(shù)，與與材材料料壓壓力力；電電荷荷；式式中中： ccdFqFdq 2021年年9月月3日星期五日星期五測測試試技技術(shù)術(shù)第第3 3章章 第第5 5節(jié)節(jié) 壓電式傳感器壓電式傳感器 二、壓電式傳感器及其等效電路二、壓電式傳感器及其等效電路 2 2、等效電路、等效電路 利用壓電式傳感器測量靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)量值時(shí)，利用壓電式傳感器測量靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)量值時(shí)，要防止要防止電荷

45、從壓電晶片上經(jīng)測量電路的漏失。而在電荷從壓電晶片上經(jīng)測量電路的漏失。而在測測動態(tài)動態(tài)量時(shí)量時(shí)，電荷可以得到不斷補(bǔ)充，可以供給測量電路一定的電流，電荷可以得到不斷補(bǔ)充，可以供給測量電路一定的電流，故故壓電傳感器適宜作動態(tài)測量。壓電傳感器適宜作動態(tài)測量。 。泄漏電流，泄漏電流，電容，電容，電容上的電壓；電容上的電壓；電荷；電荷；式中：式中：0,RuiiCCCCCuqidtCuqica 2021年年9月月3日星期五日星期五測測試試技技術(shù)術(shù)第第3 3章章 第第5 5節(jié)節(jié) 壓電式傳感器壓電式傳感器 二、壓電式傳感器及其等效電路二、壓電式傳感器及其等效電路 2 2、等效電路、等效電路 在實(shí)際應(yīng)用中，常常將

46、兩片或兩片以上的晶片粘結(jié)在在實(shí)際應(yīng)用中，常常將兩片或兩片以上的晶片粘結(jié)在一起。粘結(jié)的方法有一起。粘結(jié)的方法有并聯(lián)并聯(lián)和和串聯(lián)串聯(lián)。 并聯(lián)方法并聯(lián)方法兩片壓電晶片的負(fù)電荷集中在中間電極上，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，適用于正電荷集中在兩側(cè)的電極上，適用于電荷量電荷量輸出信號。輸出信號。 串聯(lián)方法串聯(lián)方法正電荷集中于上極板，負(fù)電荷集中于下極板，正電荷集中于上極板，負(fù)電荷集中于下極板，適用于適用于電壓量電壓量輸出信號。輸出信號。 并并聯(lián)聯(lián)串串聯(lián)聯(lián) 2021年年9月月3日星期五日星期五測測試試技技術(shù)術(shù)第第3 3章章 第第5 5節(jié)節(jié) 壓電式傳感器壓電式傳感器 三、測量

47、電路三、測量電路前置放大器前置放大器 由于壓電式傳感器的輸出電信號很微弱，通常先由于壓電式傳感器的輸出電信號很微弱，通常先經(jīng)過經(jīng)過高輸入阻抗的高輸入阻抗的前置放大器前置放大器。 前置放大器的作用有兩點(diǎn)：前置放大器的作用有兩點(diǎn)： 其一其一是將傳感器的高阻抗輸出變換為低阻抗輸出；是將傳感器的高阻抗輸出變換為低阻抗輸出； 其二其二是放大傳感器輸出的微弱電信號。是放大傳感器輸出的微弱電信號。 前置放大器電路有兩種形式：前置放大器電路有兩種形式： 1 1、電阻反饋的、電阻反饋的電壓放大器電壓放大器，其輸出電壓與輸入電壓，其輸出電壓與輸入電壓( (即傳感器的輸出即傳感器的輸出) )成正比。成正比。 2 2

48、、電容反饋的、電容反饋的電荷放大器電荷放大器，其輸出電壓與輸入電荷成，其輸出電壓與輸入電荷成正比。正比。 2021年年9月月3日星期五日星期五測測試試技技術(shù)術(shù)第第3 3章章 第第5 5節(jié)節(jié) 壓電式傳感器壓電式傳感器 三、測量電路三、測量電路前置放大器前置放大器 1 1、電阻反饋的電壓放大器、電阻反饋的電壓放大器 采用電壓式放大器時(shí)，采用電壓式放大器時(shí)，電路如圖所示：電路如圖所示： 輸出電壓與輸出電壓與各種各種電容有關(guān)系，即：電容有關(guān)系，即： 電容中的電纜對地電容受電纜電容中的電纜對地電容受電纜Cc的長度和形態(tài)影響，的長度和形態(tài)影響，會對輸出電壓造成較大的誤差。會對輸出電壓造成較大的誤差。電電容

49、容，式式中中：icaCCCCCCqu 2021年年9月月3日星期五日星期五測測試試技技術(shù)術(shù)第第3 3章章 第第5 5節(jié)節(jié) 壓電式傳感器壓電式傳感器 三、測量電路三、測量電路前置放大器前置放大器 2 2、電容反饋的電荷放大器、電容反饋的電荷放大器 fafaoficafiofoiicaiaCqACAquCCCCACAuuCuuCCCuq 時(shí)，可得：時(shí)，可得：當(dāng)當(dāng))(,)()(結(jié)論：結(jié)論：電荷放大器的輸出電荷放大器的輸出電壓與傳感器的電荷量成電壓與傳感器的電荷量成正此，與電纜分布電容無關(guān)。正此，與電纜分布電容無關(guān)。 因此，采用電荷放大器時(shí)，即使連接電纜長度在百米以因此，采用電荷放大器時(shí)，即使連接電纜

50、長度在百米以上，其靈敏度也無明顯變化，這是電荷放大器的突出優(yōu)點(diǎn)。上，其靈敏度也無明顯變化，這是電荷放大器的突出優(yōu)點(diǎn)。 2021年年9月月3日星期五日星期五測測試試技技術(shù)術(shù)第第3 3章章 第第5 5節(jié)節(jié) 壓電式傳感器壓電式傳感器 四、應(yīng)用四、應(yīng)用 1 1、直接應(yīng)用、直接應(yīng)用 壓電效應(yīng)是一種力壓電效應(yīng)是一種力電荷的轉(zhuǎn)換，因此可直接用作電荷的轉(zhuǎn)換，因此可直接用作力的測量，測量范圍力的測量，測量范圍10-3N104KN。 2 2、間接應(yīng)用、間接應(yīng)用 最典型的是壓電式加速度傳感器，簡稱為加速度計(jì)。最典型的是壓電式加速度傳感器，簡稱為加速度計(jì)。它是借助于一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的質(zhì)量塊，將加速度轉(zhuǎn)換為力以后再它是借助于一

51、個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的質(zhì)量塊，將加速度轉(zhuǎn)換為力以后再作用在壓電元件上從而得到電量輸出。作用在壓電元件上從而得到電量輸出。 注意：注意：（1 1）橫向輸出和橫向靈敏度。）橫向輸出和橫向靈敏度。 （2 2）及時(shí)校準(zhǔn)。）及時(shí)校準(zhǔn)。 2021年年9月月3日星期五日星期五測測試試技技術(shù)術(shù)第第3 3章章 第第6 6節(jié)節(jié) 傳感器的選用原則傳感器的選用原則 選擇傳感器主要考慮選擇傳感器主要考慮靈敏度、響應(yīng)特性、線性范靈敏度、響應(yīng)特性、線性范圍、穩(wěn)定性、精確度、測量方式圍、穩(wěn)定性、精確度、測量方式等六個(gè)方面的問題。等六個(gè)方面的問題。 一、靈敏度一、靈敏度 一般說來，傳感器靈敏度越高越好一般說來，傳感器靈敏度越高越好。因?yàn)殪`敏

52、度越高，因?yàn)殪`敏度越高，就意味著傳感器所能感知的變化量小，即只要被測量有一微就意味著傳感器所能感知的變化量小，即只要被測量有一微小變化，傳感器就有較大的輸出。在確定靈敏度時(shí)，主要考小變化，傳感器就有較大的輸出。在確定靈敏度時(shí)，主要考慮以下幾個(gè)問題。慮以下幾個(gè)問題。 1 1、當(dāng)傳感器的靈敏度很高時(shí)，那些與被測信號無關(guān)的、當(dāng)傳感器的靈敏度很高時(shí)，那些與被測信號無關(guān)的外界噪聲也會同時(shí)被檢測到，并通過傳感器輸出，從而干擾外界噪聲也會同時(shí)被檢測到，并通過傳感器輸出，從而干擾被測信號。被測信號。 2 2、與靈敏度緊密相關(guān)的是量程范圍。當(dāng)傳感器的線性、與靈敏度緊密相關(guān)的是量程范圍。當(dāng)傳感器的線性工作范圍一定

53、時(shí)，傳感器的靈敏度越高，干擾噪聲越大，則工作范圍一定時(shí)，傳感器的靈敏度越高，干擾噪聲越大，則難以保證傳感器的輸入在線性區(qū)域內(nèi)工作。難以保證傳感器的輸入在線性區(qū)域內(nèi)工作。 3 3、當(dāng)被測量有方向性時(shí)，要求傳感器單向靈敏度愈高、當(dāng)被測量有方向性時(shí)，要求傳感器單向靈敏度愈高愈好，而橫向靈敏度愈小愈好愈好，而橫向靈敏度愈小愈好。 2021年年9月月3日星期五日星期五測測試試技技術(shù)術(shù)第第3 3章章 第第6 6節(jié)節(jié) 傳感器的選用原則傳感器的選用原則 二、響應(yīng)特性（動態(tài)特性）二、響應(yīng)特性（動態(tài)特性） 傳感器的響應(yīng)特性傳感器的響應(yīng)特性頻域頻域是指在所測頻率范圍內(nèi)，是指在所測頻率范圍內(nèi)，保持不失真測量的條件。保

54、持不失真測量的條件。在時(shí)域是指傳感器從輸入到在時(shí)域是指傳感器從輸入到輸出響應(yīng)的快慢。輸出響應(yīng)的快慢。 一般物性型傳感器一般物性型傳感器( (如利用光電效應(yīng)、壓電效應(yīng)如利用光電效應(yīng)、壓電效應(yīng)等傳感器等傳感器) )響應(yīng)時(shí)間短，工作頻率響應(yīng)時(shí)間短，工作頻率范圍范圍寬；而結(jié)構(gòu)型寬；而結(jié)構(gòu)型傳感器，如電感、電容、磁電等傳感器，由于受到結(jié)傳感器，如電感、電容、磁電等傳感器，由于受到結(jié)構(gòu)特性的影響和機(jī)械系統(tǒng)慣性質(zhì)量的限制，其固有頻構(gòu)特性的影響和機(jī)械系統(tǒng)慣性質(zhì)量的限制，其固有頻率低，工作頻率范圍窄率低，工作頻率范圍窄，響應(yīng)時(shí)間較長，響應(yīng)時(shí)間較長。 2021年年9月月3日星期五日星期五測測試試技技術(shù)術(shù)第第3 3

55、章章 第第6 6節(jié)節(jié) 傳感器的選用原則傳感器的選用原則 三、線性范圍三、線性范圍 任何傳感器都有一定的線性工作范圍，在線性范任何傳感器都有一定的線性工作范圍，在線性范圍內(nèi)輸出與輸入成比例關(guān)系，線性范圍愈寬，則表明圍內(nèi)輸出與輸入成比例關(guān)系，線性范圍愈寬，則表明傳感器的工作量程愈大。傳感器的工作量程愈大。 傳感器工作在線性區(qū)域內(nèi)，是保證測試精度的基傳感器工作在線性區(qū)域內(nèi)，是保證測試精度的基本條件。例如，機(jī)械式傳感器中的測力彈性元件，其本條件。例如，機(jī)械式傳感器中的測力彈性元件，其材料的彈性極限是決定測力量程的基本因素，當(dāng)超出材料的彈性極限是決定測力量程的基本因素，當(dāng)超出測力元件允許的彈性范圍時(shí)，將

56、產(chǎn)生非線性誤差。測力元件允許的彈性范圍時(shí)，將產(chǎn)生非線性誤差。 但是，對實(shí)際使用的傳感器，保證其絕對工作在但是，對實(shí)際使用的傳感器，保證其絕對工作在線性區(qū)域內(nèi)是不容易的。在某些情況下，在許可限度線性區(qū)域內(nèi)是不容易的。在某些情況下，在許可限度內(nèi)，也可以取其近似線性區(qū)域。例如，變間隙型的電內(nèi)，也可以取其近似線性區(qū)域。例如，變間隙型的電容、電感式傳感器，其工作區(qū)域均選在初始間隙附近。容、電感式傳感器，其工作區(qū)域均選在初始間隙附近。而且必須考慮被測量變化范圍，令其非線性誤差在允而且必須考慮被測量變化范圍，令其非線性誤差在允許限度以內(nèi)。許限度以內(nèi)。 2021年年9月月3日星期五日星期五測測試試技技術(shù)術(shù)第第

57、3 3章章 第第6 6節(jié)節(jié) 傳感器的選用原則傳感器的選用原則 四、穩(wěn)定性（可靠性）四、穩(wěn)定性（可靠性） 穩(wěn)定性是表示傳感器經(jīng)過長期使用以后，其輸出穩(wěn)定性是表示傳感器經(jīng)過長期使用以后，其輸出特性不發(fā)生變化的性能。影響傳感器穩(wěn)定性的因素主特性不發(fā)生變化的性能。影響傳感器穩(wěn)定性的因素主要是時(shí)間與環(huán)境。要是時(shí)間與環(huán)境。為了保證傳感器的穩(wěn)定性，在選擇傳感器時(shí)，一為了保證傳感器的穩(wěn)定性，在選擇傳感器時(shí)，一般般會出現(xiàn)兩種情況會出現(xiàn)兩種情況： 1 1、根據(jù)環(huán)境條件選擇傳感器。例如，選擇電阻、根據(jù)環(huán)境條件選擇傳感器。例如，選擇電阻應(yīng)變式傳感器時(shí)，應(yīng)考慮到濕度會影響其絕緣性，濕應(yīng)變式傳感器時(shí)，應(yīng)考慮到濕度會影響其

58、絕緣性，濕度會產(chǎn)生零漂，長期使用會產(chǎn)生蠕動現(xiàn)象等。又如，度會產(chǎn)生零漂，長期使用會產(chǎn)生蠕動現(xiàn)象等。又如，對變極距型電容式傳感器，因環(huán)境濕度的影響或油劑對變極距型電容式傳感器，因環(huán)境濕度的影響或油劑浸人間隙時(shí)，會改變電容器的介質(zhì)。浸人間隙時(shí)，會改變電容器的介質(zhì)。 2 2、要創(chuàng)造或保持一個(gè)良好的環(huán)境，在要求傳感、要創(chuàng)造或保持一個(gè)良好的環(huán)境，在要求傳感器長期地工作而不需經(jīng)常地更換或校準(zhǔn)的情況下，應(yīng)器長期地工作而不需經(jīng)常地更換或校準(zhǔn)的情況下，應(yīng)對傳感器的穩(wěn)定性有嚴(yán)格的要求。對傳感器的穩(wěn)定性有嚴(yán)格的要求。 2021年年9月月3日星期五日星期五測測試試技技術(shù)術(shù)第第3 3章章 第第6 6節(jié)節(jié) 傳感器的選用原則

59、傳感器的選用原則 五、精確度五、精確度 精確度是表示傳感器的輸出與被測量的對應(yīng)程度。精確度是表示傳感器的輸出與被測量的對應(yīng)程度。傳感器處于測試系統(tǒng)的輸入端，其能否真實(shí)地反映被測量，傳感器處于測試系統(tǒng)的輸入端，其能否真實(shí)地反映被測量，對整個(gè)測試系統(tǒng)具有直接的影響。對整個(gè)測試系統(tǒng)具有直接的影響。 在實(shí)際使用中，傳感器精確度的選擇主要考慮測試的在實(shí)際使用中，傳感器精確度的選擇主要考慮測試的目的和傳感器的經(jīng)濟(jì)性。因?yàn)閭鞲衅鞯木仍礁?，其價(jià)格目的和傳感器的經(jīng)濟(jì)性。因?yàn)閭鞲衅鞯木仍礁撸鋬r(jià)格就越昂貴，所以應(yīng)從實(shí)際出發(fā)來選擇傳感器。就越昂貴，所以應(yīng)從實(shí)際出發(fā)來選擇傳感器。在選擇時(shí)，根據(jù)測試的目的，判斷是定

60、性分析還是定在選擇時(shí)，根據(jù)測試的目的，判斷是定性分析還是定量分析。如果是相對比較性的試驗(yàn)研究，只需獲得相對比量分析。如果是相對比較性的試驗(yàn)研究，只需獲得相對比較值即可，那么應(yīng)要求傳感器的重復(fù)精度高，而不要求測較值即可，那么應(yīng)要求傳感器的重復(fù)精度高，而不要求測試的絕對量值準(zhǔn)確，則傳感器的精確度可以低一點(diǎn)。如果試的絕對量值準(zhǔn)確，則傳感器的精確度可以低一點(diǎn)。如果是定量分析，通常必須獲得精確量值，在這些情況下，要是定量分析，通常必須獲得精確量值，在這些情況下，要求傳感器的精確度愈高愈好。例如，對現(xiàn)代超精密切削機(jī)求傳感器的精確度愈高愈好。例如，對現(xiàn)代超精密切削機(jī)床，測量其運(yùn)動部件的定位精度，主軸的回轉(zhuǎn)運(yùn)