第二章傳感器原理

1、第二章傳感器原理傳感器是將被測量按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成輸出信號的器件，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。敏感元件是指傳感器中能直接感受被測量的部分。轉(zhuǎn)換元件是指傳感器中能將敏感元件感受的被測量轉(zhuǎn)換成適于傳輸和測量的電信號的部分。2.1 彈性敏感元件變形：物體在外力作用下而改變尺寸或形狀的現(xiàn)象。彈性變形：當外力去掉后能完全恢復(fù)原來的尺寸和形狀的變形。彈性元件：具有彈性變形的物體，飛機上用來將力、力矩等被測參數(shù)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的線位移或角位移。常用彈性元件圓柱彈簧平板彈簧膜盒膜片彈簧管彈性特性：作用在彈性元件上的外力與其相應(yīng)變形的關(guān)系。用 來表示。 彈性敏感元件在外力作用下抵抗變形的能力。 單位力產(chǎn)生變形的大

2、小，是剛度的倒數(shù)。以相同的力作用在彈性元件上時，變形大的靈敏度高，變形小的靈敏度低。如果彈性特性是線性的，則靈敏度為常數(shù)。如果彈性特性是非線性的，則靈敏度為變量。剛度靈敏度剛度xd Fkd x靈敏度fdxkdF彈性遲滯：彈性元件在彈性變形范圍內(nèi)，彈性特性的加載曲線與卸載曲線不重合的現(xiàn)象。x1x2F2xF1F彈性后效：彈性元件所加載荷改變后，不是立即完成相應(yīng)的變形，而是在一定時間間隔中逐漸完成變形的現(xiàn)象。x1x2xF1F彈性遲滯與彈性后效都反映了變形落后于壓力的現(xiàn)象，其原因在于材料內(nèi)部分子的內(nèi)摩擦?；疽螅簭椥赃t滯和彈性后效要小。彈性敏感元件測量原理圓柱彈簧將被測力轉(zhuǎn)換為線位移。其一端固定，另

3、一端受力的作用產(chǎn)生變形。設(shè)彈簧原長度為l，受外力F1作用時產(chǎn)生位移l，彈簧變形產(chǎn)生彈性力F2，且F2 =F1F2=k1l,因此有F1=k1l彈簧剛度一定，彈簧感受的外力越大，變形也越大。在相同的外力作用下，彈簧變形與自身的剛度成反比。因此，采用剛度小的彈簧，可以提高靈敏度。平板螺旋彈簧 把被測力矩轉(zhuǎn)換為角位移。 外端固定，內(nèi)端受外力矩作用，彈簧將產(chǎn)生角位移變形。設(shè)平板螺旋彈簧感受外力矩M1之后產(chǎn)生角位移，從而產(chǎn)生彈性力矩M2與外力矩相平衡，即M1= M2 M2=k,因此有M1=k 彈性剛度一定，外力矩越大，平板螺旋彈簧的角位移變形量越大。同樣，采用彈性剛度小的彈簧，可以提高靈敏度。膜片和膜盒

4、膜盒是兩個波紋膜片對焊在一起具有腔體的盒狀元件。 膜盒的一面受壓力p作用后，產(chǎn)生變形。這種變形一方面是膜片向上彎曲，另一方面是膜片的波紋展平，于是膜片上各點都產(chǎn)生向上位移。 在膜片材料、波紋形狀和壓力一定的條件下，膜片越薄、膜片波紋數(shù)越少、波紋高度越低，位移越大。選擇膜片薄的、波紋數(shù)少的和波紋高度低的膜片可以提高膜片測量位移量的靈敏度。彈簧管 彎成弧狀的彈性金屬管，自由端可以隨整個管子移動，開口的一端安裝在固定座上。流體進入管內(nèi)后，在壓力的作用下，彈簧管有伸直的趨勢，自由端產(chǎn)生位移。 流體壓力越大，管子伸直變形越多，自由端產(chǎn)生的位移越大。 彈簧管是一個將流體壓力轉(zhuǎn)換為角位移的測壓元件。2.2

5、干簧管傳感器把模擬量轉(zhuǎn)換為開關(guān)量的變換器。充有惰性氣體的小型密封玻璃管，在管內(nèi)有用導(dǎo)磁導(dǎo)電材料制成的兩支簧片。當有磁性物質(zhì)靠近玻璃管時，在磁場的作用下，管內(nèi)的兩個簧片被磁化而互相吸引，簧片就會吸合在一起，使結(jié)點的電路連通。外磁力消失后，兩個簧片由于本身的彈性而分開，電路也就斷開了。因此，干簧管可以作為利用磁場信號控制的線路開關(guān)器件。在實際運用中，通常用永久磁鐵作為磁性物質(zhì)。干簧管體積小，質(zhì)量輕。閉合和釋放時間快而短，約為一般繼電器1/10的動作時間。結(jié)點的開閉幾乎沒有機械摩擦，不易產(chǎn)生火花，使用壽命長。簧片部分與惰性氣體一起被封存，不受開關(guān)切換時所產(chǎn)生的火花和大氣中塵埃、濕度等的影響，提高了工

6、作可靠性，減小了維護工作量。2.3 電阻式傳感器把力、位移、加速度、溫度和力矩等非電量轉(zhuǎn)換為電阻值變化的傳感器。電位器式傳感器工作原理16（線位移或角位移）（線位移或角位移）電位器式傳感器分類17線線繞繞式式薄薄膜膜電電位位器器導(dǎo)導(dǎo)電電塑塑料料電電位位器器光光電電電電位位器器非非線線繞繞式式電電位位器器式式傳傳感感器器線線繞繞式式電電阻阻傳傳感感器器非非線線繞繞式式電電阻阻傳傳感感器器電電位位器器式式傳傳感感器器電位器式傳感器18maxmaxRxxRxmaxmaxUxxUx當電阻絲直徑與材質(zhì)一定時，則電阻當電阻絲直徑與材質(zhì)一定時，則電阻R R隨導(dǎo)線長度隨導(dǎo)線長度l l而變化。而變化。空載時輸出

7、電壓與電刷位移成正比。實際上，電位器總是有負載的。在有負載情況下，輸出電壓與位移不成正比。xmaxxU空載時有負載時熱電阻式傳感器電阻率隨其本身溫度的變化而變化，這一物理現(xiàn)象稱為熱電阻效應(yīng)。利用這一特性制成的感溫元件稱為熱電阻或熱敏電阻，它們大都采用導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料。1、熱電阻大多數(shù)金屬，在溫度變化范圍不大時，電阻與溫度的關(guān)系可以表示為Rt=R01+(t-t0) 熱電阻傳感器是測量溫度的傳感器。在選擇金屬電阻作測溫元件時應(yīng)滿足以下一些要求：（1）要有盡可能大而且穩(wěn)定的電阻溫度系數(shù)。（2）電阻率大，以便在同樣靈敏度下減小零件尺寸。（3）電阻隨溫度變化為線性關(guān)系。（4）材料的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定

8、且材料復(fù)制性好。（5）材料易于制取，價格便宜。鉑（Pt）是一種貴重金屬，它的性能極為穩(wěn)定，尤其耐氧化能力很強，并且在很寬溫度范圍內(nèi)都可以保持上述特性。另外，它易于提純，復(fù)現(xiàn)性好，工藝性好，可以制成極細的鉑絲和鉑箔。它是比較理想的熱電阻材料。它的缺點是電阻溫度系數(shù)小，價格高及在還原介質(zhì)中工作時易被玷污變脆。銅（Cu）在-50150范圍內(nèi)有很好的穩(wěn)定性，且溫度系數(shù)大，阻值與溫度之間接近線性關(guān)系，易于提純，價格低廉。缺點是易氧化，不宜在侵蝕性介質(zhì)或高溫下工作。鎳（Ni）在航空儀表中應(yīng)用廣泛。它的優(yōu)點是機械性能強，化學(xué)性能穩(wěn)定，電阻率比銅高，價格便宜，溫度系數(shù)大。缺點是電阻與溫度關(guān)系為非線性，另外復(fù)制

9、性差。2.熱敏電阻電阻值隨溫度變化而顯著變化的半導(dǎo)體電阻，有正溫度系數(shù)、負溫度系數(shù)和臨界溫度系數(shù)三類。優(yōu)點：輸出靈敏度高，即對于溫度較大的變化，其阻值變化較大；便于大批量生產(chǎn)，因而價格便宜；體積小而且堅固；信號處理非常方便。缺點是測溫范圍窄、互換性差。液體擺把角位移轉(zhuǎn)換為電阻的元件。由殼體、導(dǎo)電液和氣泡組成。在殼體內(nèi)的前、后、左、右和中心位置有固定電極，中心電極與液面相連，其他電極受氣泡控制分別與各自電路連接。當在電極之間接入電源時，電極之間會形成離子電流，電極之間的液體相當于電阻。當殼體水平時，電極插入導(dǎo)電液的深度相同，氣泡居中，導(dǎo)電液與前后、左右兩對電極的接觸面積相等，前后左右四條電路的電

10、阻均相等。當殼體傾斜時，電極間的導(dǎo)電液不相等，電極浸入液體的深度也發(fā)生變化。如圖所示傾斜，右邊電極浸入深度大，則導(dǎo)電液增加，導(dǎo)電的離子數(shù)增加，電阻減少，左邊電極導(dǎo)電液減少，導(dǎo)電的離子數(shù)減少，電阻增加。2.4 電感式傳感器是利用電磁感應(yīng)把被測的物理量轉(zhuǎn)換成線圈的自感系數(shù)和互感系數(shù)的變化，再由電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化量輸出，實現(xiàn)非電量到電量的轉(zhuǎn)換。電感式傳感器變氣隙式傳感器差動變壓器式傳感器渦流式傳感器電感傳感器的特點（1）結(jié)構(gòu)簡單：沒有活動的電觸點，壽命長。（2）靈敏度高：輸出信號強，電壓靈敏度每毫米能達到上百毫伏。（3）分辨率大：能感受微小的機械位移和微小的角度變化。（4）重復(fù)性和線性度好：

11、在一定位移范圍內(nèi)，輸出特性的線性度好，輸出穩(wěn)定。（5）缺點是不適宜進行高頻動態(tài)測量。圖（圖（a a）是變氣隙式電感傳感器，它）是變氣隙式電感傳感器，它由線圈由線圈1 1、銜鐵、銜鐵3 3、鐵心、鐵心2 2和測桿和測桿4 4組成。組成。鐵心與銜鐵之間有一個厚度為鐵心與銜鐵之間有一個厚度為 的空的空氣隙，儀器的測桿氣隙，儀器的測桿4 4與銜鐵與銜鐵3 3連接在一連接在一起。當被測工件尺寸發(fā)生變化時，引起。當被測工件尺寸發(fā)生變化時，引起測桿向上或向下移動，帶動銜鐵移起測桿向上或向下移動，帶動銜鐵移動，使空氣隙的厚度動，使空氣隙的厚度 也隨之改變。也隨之改變。引起磁路中磁阻變化，從而導(dǎo)致電感引起磁路中

12、磁阻變化，從而導(dǎo)致電感線圈的電感值變化。因此，測出電感線圈的電感值變化。因此，測出電感量的變化，就能確定銜鐵位移量的大量的變化，就能確定銜鐵位移量的大小和方向。小和方向。變磁阻式電感傳感器線圈電感量與氣隙厚度和導(dǎo)磁體的截面積有關(guān)，因此，可分為變氣隙長度和變氣隙截面兩種。此種傳感器的靈敏度高，但其缺點是電感量的變化與位移量的變化呈非線性關(guān)系，因此誤差較大。為減小由于非線性關(guān)系產(chǎn)生的誤差；氣隙的變化必須限制在較小的范圍內(nèi)（0.10.20）。適用于測量微小位移的場合變氣隙式變氣隙差動式為了減小非線性誤差，實際測量中廣泛采用變氣隙差動式電感傳感器。由兩只完全對稱的變氣隙電感式傳感器合用一個活動銜鐵構(gòu)成

13、。兩個鐵心上的線圈與兩個電阻構(gòu)成了一個交流電橋，電橋上接有交流電源U0，電橋的另一對角端為輸出端。在起始位置時，銜鐵處于中間，兩邊氣隙相等，兩線圈的電感相等，輸出交流電壓Us=0。當銜鐵偏離中間位置時，一個鐵心與銜鐵的氣隙縮短，其線圈的電感增大；另一個鐵心與銜鐵的氣隙增長，其線圈的電感減小。這樣，兩線圈的感抗不等，電橋失去平衡，有輸出電壓。當電源電壓和初始氣隙確定后，電橋的輸出電壓與銜鐵的位移量成正比，其相位與銜鐵移動方向有關(guān)。02sUU差動變壓器式電感傳感器把被測的非電量變化轉(zhuǎn)換為線圈互感變化的傳感器稱為互感式傳感器。這種傳感器是根據(jù)變壓器的基本原理制成的，并且次級繞組用差動形式連接，故稱差

14、動變壓器式電感傳感器。差動變壓器結(jié)構(gòu)形式較多，有變隙式、變面積式和螺管式?！吧健弊中尾顒幼儔浩鞴ぷ髟龛F心是“山”字形，鐵心中央繞有初級線圈，接交流電源U0，鐵心兩邊各繞有一個次級線圈，兩次級線圈繞向相反，互相串聯(lián)。當銜鐵處于中間時，左右空氣隙的橫截面積相等，磁阻相等，磁通相等，互感相等，兩次級線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢大小相等，方向相反，輸出電壓為0。當銜鐵偏離中央位置時，兩邊氣隙的橫截面積不相等，磁阻不等，磁通不等，互感不等，兩次級線圈感應(yīng)電動勢不相等，輸出電壓的大小和相位取決于銜鐵角位移的大小和方向。2.5 電容式傳感器電容式傳感器是以各種類型的電容器作為傳感元件，將被測物理量的變化轉(zhuǎn)換為電

15、容量的變化。特點：（1）小功率、高阻抗。（2）小的靜電引力和良好的動態(tài)特性。（3）本身發(fā)熱影響小。（4）可進行非接觸測量。應(yīng)用：壓力、位移、厚度、加速度、液位、物位、濕度和成分含量等測量之中。缺點：泄漏電阻和非線性2.5 電容式傳感器工作原理及類型由物理學(xué)可知，當忽略電容器邊緣效應(yīng)時，對圖示平行極板電容器，電容量為0rSSCdd +Srd_可見：在可見：在S、d、三個參量中，改變其中任意一個三個參量中，改變其中任意一個量，均可使電容量量，均可使電容量C改變。也就是說，如果被檢測改變。也就是說，如果被檢測參數(shù)參數(shù)( (如位移、壓力、液位等如位移、壓力、液位等) )的變化引起的變化引起S、d、三個

16、參量中之一發(fā)生變化，就可利用相應(yīng)的電容量三個參量中之一發(fā)生變化，就可利用相應(yīng)的電容量的改變實現(xiàn)參數(shù)測量。據(jù)此，電容式傳感器可分為的改變實現(xiàn)參數(shù)測量。據(jù)此，電容式傳感器可分為以下三大類：以下三大類：(1) (1) 極距變化型電容傳感器；極距變化型電容傳感器；(2) (2) 面積變化型電容傳感器；面積變化型電容傳感器；(3) (3) 介質(zhì)變化型電容傳感器。介質(zhì)變化型電容傳感器。1.變極距型電容傳感器00000rSSCdd 設(shè)初始電容為：設(shè)初始電容為：當間隙d0減小d時,則電容量增大C，則：0000000000rrrSSSddCCCCdddddddd 電容的相對變化為：00011CddCdd2300

17、0001.CddddCdddd當當 時，將上式按泰勒級數(shù)展開，得：時，將上式按泰勒級數(shù)展開，得：0/1d d可見，電容可見，電容C C的相對變化與位移之間呈現(xiàn)的是一種非線性關(guān)系。的相對變化與位移之間呈現(xiàn)的是一種非線性關(guān)系。在誤差允許范圍內(nèi)通過略去高次項得到其近似的線性關(guān)系：在誤差允許范圍內(nèi)通過略去高次項得到其近似的線性關(guān)系：00CdCd00/1C CKdd電容傳感器的靜態(tài)靈敏度為電容傳感器的靜態(tài)靈敏度為靈敏度隨極板間距的減小而增大如果只考慮二次非線性項，忽略其它高次項，則得非線如果只考慮二次非線性項，忽略其它高次項，則得非線性誤差：性誤差： 2000(/)100%/100%/Ld dd dd

18、d 由以上分析可知：變極距型電容式傳由以上分析可知：變極距型電容式傳感器只有在感器只有在d/d0很小時，才有近似的很小時，才有近似的線性輸出。線性輸出。 Cdd0ddC1C2C1C2如圖，極距變化相同值如圖，極距變化相同值d所對應(yīng)的電容變所對應(yīng)的電容變化量化量不同不同非線性隨極板間距的減小而增大2.變面積的電容式傳感器 0 xb axb xCCdd當動極板移動后當動極板移動后, ,極板相對有效面極板相對有效面積發(fā)生變化，對應(yīng)的電容值為：積發(fā)生變化，對應(yīng)的電容值為：00 xb xxCCCCdaCbkxd靈敏度：靈敏度：靈敏度為常數(shù)（3）介質(zhì)變化型電容傳感器 將相對介電系數(shù)為r2的電介質(zhì)以不同深度

19、插入電容器中，從而改變兩種介質(zhì)的極板覆蓋面積。傳感器的總電容器C為兩個不同電容C1和C2的并聯(lián)結(jié)果。 當l=0時傳感器的初始電容為C0；當電介質(zhì)r2進入極板后引起電容的相對變化為00121020()rrbCCCllld02100011rrrCCClrCCl可見，電容的變化與電介質(zhì)r2的移動量l呈線性關(guān)系。該原理可用于液位測量。將電容極板插入被檢測的介質(zhì)中，隨著液體量的增加，極板覆蓋面增大。根據(jù)上式，測出的電容量即反應(yīng)液位高度。2.6 熱電式傳感器熱電式傳感器是利用轉(zhuǎn)換元件電磁參量隨溫度變化的特性，對溫度和與溫度有關(guān)的參量進行檢測的裝置。其中，將溫度變化轉(zhuǎn)換為電阻變化的稱為熱電阻傳感器；將溫度變

20、化轉(zhuǎn)換為熱電勢變化的稱為熱電偶傳感器。熱電阻傳感器可分為金屬熱電阻式和半導(dǎo)體熱電阻式兩大類。熱電偶傳感器熱電阻熱敏電阻熱電偶是將溫度的變化轉(zhuǎn)換為熱電勢變化的元件，是目前接觸式測溫中應(yīng)用最廣的熱電勢傳感器。其測溫范圍較寬，一般為-501600，并有較高的測量精度。另外，它具有結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、熱慣性小、輸出信號便于遠距離傳輸?shù)忍攸c，常用來測量飛機發(fā)動機的排氣溫度。熱電偶傳感器 熱電偶是當前熱電測溫中普遍使用的一種感溫元件，它的工作原理是基于熱電效應(yīng)（一）熱電效應(yīng)及基本定律 兩種不同材料的金屬絲兩端牢靠地接觸在一起，組成圖所示的閉合回路，當兩個接觸點(稱為結(jié)點)溫度t和t0不相同時，回路中既產(chǎn)生

21、電勢，并有電流流通，這種把熱能轉(zhuǎn)換成電能的現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。此電動勢的大小除了與材料本身的性質(zhì)有關(guān)外，還取決于結(jié)點處的溫差。稱回路電勢為熱電勢。兩金屬絲稱為偶極或熱電極。稱回路電勢為熱電勢。兩金屬絲稱為偶極或熱電極。兩個結(jié)點中與被測介質(zhì)接觸的一個稱為測量結(jié)成工作兩個結(jié)點中與被測介質(zhì)接觸的一個稱為測量結(jié)成工作端、熱端，另一個稱為參考端或自由端、冷端。端、熱端，另一個稱為參考端或自由端、冷端。 (一)兩種導(dǎo)體的接觸電動勢兩種導(dǎo)體接觸的時候，由于導(dǎo)體內(nèi)的自由電子密度不同，如果NANB電子密度大的導(dǎo)體A中的電子就向電子密度小的導(dǎo)體B擴散，從而由于導(dǎo)體A失去了電子而具有正電位。相反導(dǎo)體B由于接收到了擴散

22、來的電子而具有負電位。這樣在擴散達到動態(tài)平衡時A、B之間就形成了一個電位差。這個電位差稱為接觸電動勢。式中EAB(T)為A、B兩種材料在溫度為T時的接觸電動勢；K為玻耳茲曼常數(shù)；e為電子電荷：NA(T)、NB(T)為A、B兩種材料在溫度T時的自由電子密度。 (二)單一導(dǎo)體中的溫差電動勢 對單一金屬導(dǎo)體，如果兩端的溫度不同，則兩端的自由電子就具有不同的動能。溫度高則動能大，動能大的自由電子就會向溫度低的一段擴散。失去了電子的這一端就處于正電位，而低溫端由于得到電子處于負電位。這樣兩端就形成了電位差，稱為溫差電動勢。綜上所述，在整個閉合回路中產(chǎn)生的總電動勢EAB(T,T0)可表示為由式可知，熱電偶

23、總電動勢與電子密度NA、NB及兩節(jié)點溫度T、T0有關(guān)，電子密度取決于熱電偶材料的特性。當熱電偶材料一定時，熱電偶的總電動勢EAB(T，T0)成為溫度T和To的函數(shù)差，即從上式可知：（1）如果組成熱電偶的兩個電極的材料相同，即使兩結(jié)點的溫度不同，也不會產(chǎn)生熱電勢；（2）組成熱電偶的兩個電極的材料雖然不相同，但是兩結(jié)點的溫度相同也不會產(chǎn)生熱電勢；（3）由不同電極材料A、B組成的熱電偶，當冷端溫度T0恒定時，產(chǎn)生的熱電勢在一定的溫度范圍內(nèi)是熱端溫度T的單值函數(shù)。2.7 壓電式傳感器壓電式傳感器是一種有源的發(fā)電型傳感器。壓電式傳感器是一種有源的發(fā)電型傳感器。它的工作原理是基于電介質(zhì)的壓電效應(yīng)。它的工作

24、原理是基于電介質(zhì)的壓電效應(yīng)。在外力作用下，在電介質(zhì)表面產(chǎn)生電荷，從在外力作用下，在電介質(zhì)表面產(chǎn)生電荷，從而實現(xiàn)非電量測量。而實現(xiàn)非電量測量。壓電式傳感器可以直接用于測壓電式傳感器可以直接用于測力力或測量與力或測量與力有關(guān)的有關(guān)的位移位移、振動加速度振動加速度等。等。某些晶體或多晶陶瓷，當沿著一定方向受到外某些晶體或多晶陶瓷，當沿著一定方向受到外力作用時，內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在某兩力作用時，內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在某兩個表面上產(chǎn)生符號相反的電荷；當外力去掉后，個表面上產(chǎn)生符號相反的電荷；當外力去掉后，又恢復(fù)到不帶電狀態(tài)；當作用力方向改變時，又恢復(fù)到不帶電狀態(tài)；當作用力方向改變時，電荷的極性

25、也隨著改變；晶體受力所產(chǎn)生的電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荷量與外力的大小成正比。上述現(xiàn)象稱為上述現(xiàn)象稱為正壓正壓電效應(yīng)電效應(yīng)。 機械能轉(zhuǎn)化為電能機械能轉(zhuǎn)化為電能反之，如對晶體施加一定變電場，晶體本身將反之，如對晶體施加一定變電場，晶體本身將產(chǎn)生機械變形，外電場撤離，變形也隨著消失，產(chǎn)生機械變形，外電場撤離，變形也隨著消失，稱為稱為逆壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)。 電能轉(zhuǎn)化為機械能電能轉(zhuǎn)化為機械能具有壓電效應(yīng)的物質(zhì)很多，如天然形成的石英晶體和人工制造的壓電陶瓷。|天然石英晶體的結(jié)構(gòu)外形 光軸(Z軸):晶體的對稱軸,光線沿Z軸通過晶體不產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象,且無壓電效應(yīng)； 電軸

26、(X軸):與該壓軸垂直的面，壓電效應(yīng)最為顯著; 機械軸(Y軸):在外電場作用時，在此軸上產(chǎn)生的機械變形最大。石英晶體石英晶體若從晶體上沿y方向切下一塊晶片，當在電軸方向施加作用力時, 在與電軸 x 垂直的平面上將產(chǎn)生電荷, 其大小為qx=d11Fx。 式中: d11x方向受力的壓電系數(shù) Fx作用力若在同一切片上, 沿機械軸y方向施加作用力Fy, 則仍在與x軸垂直的平面上產(chǎn)生電荷qy, 其大小為Qy=d12Fya/b 式中: d12y軸方向受力的壓電系數(shù), d12=-d11 a、 b晶體切片長度和厚度負號表示沿y軸的壓縮力產(chǎn)生的電荷與沿x軸施加的壓縮力所產(chǎn)生的電荷極性相反。當沿機械軸方向?qū)w片

27、施力時，產(chǎn)生的電荷量是與晶片的幾何尺寸有關(guān)的。如果在y軸方向?qū)w片施加拉力，其電荷方向相反。當石英晶體在沿光軸方向受力時，無論壓縮力還是拉伸力，都不會產(chǎn)生電荷。壓電陶瓷壓電陶瓷壓電陶瓷是人工制造的多晶體壓電材料。材料內(nèi)部的晶粒有許多自發(fā)極化的電疇，它有一定的極化方向，從而存在電場。在無外電場作用時，電疇在晶體中雜亂分布，它們的極化效應(yīng)被相互抵消，壓電陶瓷內(nèi)極化強度為零，因此原始的壓電陶瓷呈中性，不具有壓電效應(yīng)，如圖（a）所示。在陶瓷上施加外電場時，電疇的極化方向發(fā)生轉(zhuǎn)動，趨向于按外電場方向排列，從而使材料得到極化，如圖（b）所示。外電場愈強，就有更多的電疇更完全地轉(zhuǎn)向外電場方向。讓外電場強度

28、大到使材料的極化達到飽和的程度，即所有電疇極化方向都整齊的與外電場方向一致時，外電場去掉后，電疇的極化方向基本不變，即剩余極化強度很大，這時的材料才具有壓電特性。壓電陶瓷經(jīng)過極化處理后具有非常高的壓電常數(shù)，是石英晶體的幾百倍。因此，采用壓電陶瓷作為傳感器的壓電元件，其靈敏度比用石英高得多。2.8 同位器及隨動系統(tǒng)同位器是一種感應(yīng)式交流控制電機，主要功能是實現(xiàn)角度跟蹤。在飛機上，同位器廣泛應(yīng)用于遠距離指示裝置和伺服系統(tǒng)中，其功能是將轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的角信號變換為電信號或?qū)㈦娦盘栕儞Q為轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角信號，實現(xiàn)角度信號的變換、發(fā)送、傳輸和接收。例如，在遠讀地平儀中，同位器用來測量和傳遞飛機的俯仰角或傾斜角。又如

29、，在航向系統(tǒng)中，同位器用來測量飛機的轉(zhuǎn)彎角等。電位器式同位器直流同位器，由發(fā)送器和接收器兩部分組成。發(fā)送器是一個環(huán)形電位器，接收器是三線圈式電流比值表。發(fā)送器的三把電刷互成120，同軸相連，由被測角位移的機構(gòu)帶動而轉(zhuǎn)動。接收器三個結(jié)構(gòu)相同的線圈互成120，可以接成星形，也可以接成三角形。指針固定在活動磁鐵轉(zhuǎn)子軸上，用來指示被測角位移的大小。發(fā)送器的三把電刷通過三根線與接收器相連，直流電源加在發(fā)送器電阻直徑的兩端?；竟ぷ髟硎抢幂斎虢俏灰剖拱l(fā)送器三把電刷的電位改變，從而使接收器線圈相應(yīng)點的電位改變，電流比值表線圈中電流改變，結(jié)果使合成磁場的方向改變。在這個磁場的作用下，活動磁鐵的角位移改變。

30、當輸入角位移為0時，電刷處于電位器上正極的位置，線圈端點的電位最高，、兩線圈端點的電位相等且較低。因此，線圈中的電流最大，、線圈中的電流相等且較小，線圈中的磁場強度最大，、線圈中的磁場強度相等且較小,合成磁場方向與線圈中的磁場方向一致?；顒鱼曡F停的位置與合成磁場的方向一致，表示輸入角位移為0。當輸入角位移為30時，電刷從起始位置順時針方向轉(zhuǎn)過30，線圈端點的電位較高，線圈一端的電位較低、線圈兩端的電位相等。因此，、兩線圈中有同樣大小的電流，線圈中無電流。線圈的磁場和線圈的磁場大小相等，合成磁場方向與線圈中的磁場方向夾角為30，活動銜鐵轉(zhuǎn)到與合成磁場的方向一致的位置，表示輸入角位移為30。雙電位

31、器隨動系統(tǒng)雙電位器隨動系統(tǒng)是用兩個電位器作為測量元件的隨動系統(tǒng)，該系統(tǒng)的輸入量是發(fā)送器電刷與環(huán)形電阻的相對角位移；輸出量是輸出軸的角位移，此角位移反饋到測量部分時，即是雙電位器接收器電刷與環(huán)形電阻間的相對角位移。雙電位器隨動系統(tǒng)在協(xié)調(diào)狀態(tài)時，發(fā)送器電刷A、B的空間位置與接收器輸出端a、b的空間位置互相垂直, a、b兩端輸出信號電壓為0。當系統(tǒng)有輸入角位移時，發(fā)送器兩把電刷A、B相對環(huán)形電阻轉(zhuǎn)動，如順時針轉(zhuǎn)動30 ，電位器上1、2、3點電位隨之變化，2、3兩點電位不再相等，接收器輸出端a、b電位也不相等，有信號電壓輸出，此時稱為失調(diào)狀態(tài)。失調(diào)電壓經(jīng)放大器放大后使電動機轉(zhuǎn)動，接收器電刷在電動機帶動

32、下順時針轉(zhuǎn)動30 ，這時，b端電位等于1/2電源電壓， a端電位也等于1/2電源電壓，輸出電壓為0，電機停轉(zhuǎn)，系統(tǒng)重新協(xié)調(diào)。變壓器式同位器在精度要求高和負載轉(zhuǎn)矩大的同步角位移傳送系統(tǒng)中，多采用變壓器式同位器系統(tǒng)。發(fā)送器和接收器都有三個互成120的定子繞組和一個轉(zhuǎn)子繞組。發(fā)送器的轉(zhuǎn)子接受輸入的角位移，接收器的轉(zhuǎn)子則對外輸出角位移。在初始狀態(tài)時，發(fā)送器轉(zhuǎn)子繞組軸線與接收器轉(zhuǎn)子繞組軸線互相垂直。當發(fā)送器轉(zhuǎn)子繞組通以單相交流電時，便產(chǎn)生磁通1，其方向與軸線相重合。交變磁通1在發(fā)送器三相定子繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電勢，并有感應(yīng)電流。感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁通1與1方向相反，起去磁作用。來自發(fā)送器定子繞組的三相感應(yīng)電流進

33、入接收器三相定子繞組時，其方向相反。接收器三相定子繞組中的電流，在接收器中產(chǎn)生磁通1” ，方向與接收器定子A相繞組的軸線相重合。由于接收器轉(zhuǎn)子繞組的軸線與磁通1”相垂直，接收器轉(zhuǎn)子繞組不會產(chǎn)生感應(yīng)電勢，這種狀態(tài)稱為協(xié)調(diào)狀態(tài)。當發(fā)送器轉(zhuǎn)子繞組的軸線順時針旋轉(zhuǎn)1時，接收器中磁通1”也跟著相對于定子A相繞組軸線偏轉(zhuǎn)1。接收器轉(zhuǎn)子繞組軸線不再與接收器定子磁通1”垂直。將磁通1”分解為互相垂直的兩個分量，h= 1”sin1全部穿過接收器轉(zhuǎn)子繞組，使接收器轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生感應(yīng)電勢E。當發(fā)送器和接收器處于不協(xié)調(diào)狀態(tài)時，接收器轉(zhuǎn)子繞組輸出的感應(yīng)電勢被送入放大器中進行放大，放大后的信號去控制伺服電動機轉(zhuǎn)動，伺服電動

34、機轉(zhuǎn)動時帶動接收器轉(zhuǎn)子繞組。當接收器轉(zhuǎn)子繞組的軸線與發(fā)送器轉(zhuǎn)子繞組軸線再次垂直時，接收器轉(zhuǎn)子繞組輸出的感應(yīng)電勢又為0，放大器不工作，電動機停止轉(zhuǎn)動，系統(tǒng)重新進入?yún)f(xié)調(diào)狀態(tài)。電動機軸所輸出的角位移就是發(fā)送器轉(zhuǎn)子輸入軸的角位移。這樣。完成了輸入軸角位移在空間遠距離傳輸?shù)哪康?。在遠讀式地平儀中，變壓器式同位器用來測量飛機的俯仰角和傾斜角。傾斜同位器發(fā)送器的轉(zhuǎn)子安裝在外框軸上，定子安裝在殼體上。接收器安裝在遠讀地平儀的指示器上，轉(zhuǎn)子輸出的電壓經(jīng)放大后，加在交流伺服電動機的控制繞組上，使電動機旋轉(zhuǎn)，經(jīng)減速器帶動指示器上的小飛機和接收器轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。當飛機平飛時，發(fā)送器轉(zhuǎn)子軸線與其定子A相繞組軸線重合，接收器轉(zhuǎn)

35、子軸線與其定子A相軸線相垂直。電動機不轉(zhuǎn)動，指示器上的小飛機處于水平位置。當飛機傾斜1時，發(fā)送器轉(zhuǎn)子軸線相對于定子A相繞組軸線轉(zhuǎn)過1角，接收器的磁通1”相對其定子A相繞組軸線也轉(zhuǎn)過1角。 1”在接收器轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電勢，經(jīng)放大后使電動機轉(zhuǎn)動，帶動指示器中的小飛機轉(zhuǎn)動，同時帶動接收器轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。直到轉(zhuǎn)子軸線也從初始位置轉(zhuǎn)過1，接收器轉(zhuǎn)子的軸線又與磁通1”相垂直，轉(zhuǎn)子繞組的感應(yīng)電勢為0，電動機停止轉(zhuǎn)動，小飛機停止轉(zhuǎn)動，傾斜刻度盤上指出的角度正是飛機的傾斜角。在航向系統(tǒng)中，變壓器式同位器用來測量飛機的磁航向。發(fā)送器是一個地磁感應(yīng)元件。它能夠測量和傳遞地球磁場與飛機的航向角信號。接收器為輸入同位器，轉(zhuǎn)子繞組與放大器、電動機、輸出同位器的轉(zhuǎn)子繞組組成一個隨動系統(tǒng)。該系統(tǒng)中的磁同位器的三相定子繞組接成星形，與輸入同位器三相定子繞組對應(yīng)連接。磁同位器轉(zhuǎn)子磁場就是地球磁場，相當于發(fā)送器的轉(zhuǎn)子是一個永磁轉(zhuǎn)子。當飛機改變航向時，地球磁場的軸線相對于定子A軸轉(zhuǎn)動一個角度，輸入同位器的磁通也隨之相對定子A軸轉(zhuǎn)動一個角度，轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電勢，放大后，使電動機帶動指針和輸出同位器轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)子在空間位置可以正