機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)31

1、3.1 概述1. 傳感器定義 傳感器是借助檢測(cè)元件將一種形式的信息轉(zhuǎn)換成另一種信息的裝置。 物理量電量 目前，傳感器轉(zhuǎn)換后的信號(hào)大多為電信號(hào)。因而從狹義上講，傳感器是把外界輸入的非電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的裝置。第第3章章 常用傳感器常用傳感器2. 傳感器的構(gòu)成 傳感器由敏感器件與輔助器件組成。敏感器件的作用是感受被測(cè)物理量，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換輸出。輔助器件則是對(duì)敏感器件輸出的電信號(hào)進(jìn)行放大、阻抗匹配，以便于后續(xù)儀表接入。 傳感器可以用來(lái)探測(cè)人們無(wú)法用感官直接感知的事物，比如：用熱電偶測(cè)得物體的溫度，用超聲波感知海水深度及水下地貌形態(tài)等。 3. 傳感器的分類(lèi)1)按被測(cè)物理量分類(lèi)常見(jiàn)的被測(cè)物理量機(jī)械量:

2、長(zhǎng)度,厚度,位移,速度,加速度, 旋轉(zhuǎn)角,轉(zhuǎn)數(shù),質(zhì)量,重量,力, 壓力,真空度,力矩,風(fēng)速,流速, 流量; 聲: 聲壓,噪聲. 磁: 磁通,磁場(chǎng). 溫度: 溫度,熱量,比熱. 光： 亮度，色彩2)按工作原理分類(lèi):機(jī)械式,電氣式,光學(xué)式,流體式等.3)按信號(hào)變換特征分類(lèi):物性型: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.如:水銀溫度計(jì). 結(jié)構(gòu)型:依靠傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化實(shí)現(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)變. 例如:電容式和電感式傳感器.4)按敏感元件與被測(cè)對(duì)象之間的能量關(guān)系:能量轉(zhuǎn)換型:直接由被測(cè)對(duì)象輸入能量使其工作. 例如:熱電偶溫度計(jì),壓電式加速度計(jì). 能量控制型:從外部供給能量并由被測(cè)量控制外部 供給能量

3、的變化.例如:電阻應(yīng)變片.不同情況下，傳感器可能只有一個(gè)，也可能有幾 個(gè)換能元件，也可能是一個(gè)小型裝置。 機(jī)械式傳感器是以彈性體作為機(jī)械式傳感器是以彈性體作為傳感器的敏感元件。它的輸入量傳感器的敏感元件。它的輸入量可以是力、壓力或溫度等物理量，可以是力、壓力或溫度等物理量，輸出則是彈性元件本身的彈性變輸出則是彈性元件本身的彈性變形。形。 該彈性變形可以轉(zhuǎn)變成其他形該彈性變形可以轉(zhuǎn)變成其他形式的變量，如被測(cè)量可放大而成式的變量，如被測(cè)量可放大而成為儀表指針的偏轉(zhuǎn)，借助刻度指為儀表指針的偏轉(zhuǎn)，借助刻度指示出被測(cè)量的大小。示出被測(cè)量的大小。 優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠、使用優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠、使用方便、

4、價(jià)格低廉、讀數(shù)直觀。方便、價(jià)格低廉、讀數(shù)直觀。2機(jī)械式傳感器及儀器機(jī)械式傳感器及儀器彈性敏感元件：彈性體彈性敏感元件：彈性體 輸入量：力、壓力、溫度等物理量輸入量：力、壓力、溫度等物理量 輸出量：彈性體本身的彈性變形輸出量：彈性體本身的彈性變形 為了提高測(cè)量的頻率范圍，可先用彈性元件將為了提高測(cè)量的頻率范圍，可先用彈性元件將被測(cè)量轉(zhuǎn)換成位移量，然后用其他形式的傳感被測(cè)量轉(zhuǎn)換成位移量，然后用其他形式的傳感器（如電容等）將位移量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出。器（如電容等）將位移量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出。 被測(cè)量被測(cè)量彈性元件彈性元件位移量位移量其他型式的傳其他型式的傳感器感器電信號(hào)輸出電信號(hào)輸出 彈性元件具有蠕變、

5、彈性后效等現(xiàn)象。彈性元件具有蠕變、彈性后效等現(xiàn)象。 蠕變?nèi)渥?金屬在一定的壓力和溫度作用下逐漸產(chǎn)金屬在一定的壓力和溫度作用下逐漸產(chǎn)生塑性變形的現(xiàn)象。生塑性變形的現(xiàn)象。 彈性后效：加載彈性后效：加載(或卸載或卸載)后經(jīng)過(guò)一段時(shí)間應(yīng)后經(jīng)過(guò)一段時(shí)間應(yīng)變才增加變才增加(或減小或減小)到一定數(shù)值的現(xiàn)象。到一定數(shù)值的現(xiàn)象。 微型探測(cè)開(kāi)關(guān)能把物體的微型探測(cè)開(kāi)關(guān)能把物體的運(yùn)動(dòng)、位置或尺寸變化轉(zhuǎn)換運(yùn)動(dòng)、位置或尺寸變化轉(zhuǎn)換為接通、斷開(kāi)信號(hào)。它由兩為接通、斷開(kāi)信號(hào)。它由兩個(gè)簧片組成，在常態(tài)下處于個(gè)簧片組成，在常態(tài)下處于斷開(kāi)狀態(tài)。當(dāng)它與磁性塊接斷開(kāi)狀態(tài)。當(dāng)它與磁性塊接近時(shí)，簧片被磁化而接合，近時(shí)，簧片被磁化而接合，成

6、為接通狀態(tài)；只有當(dāng)鋼制成為接通狀態(tài)；只有當(dāng)鋼制工件通過(guò)簧片和電磁鐵之間工件通過(guò)簧片和電磁鐵之間時(shí)，簧片才會(huì)被磁化而接合，時(shí)，簧片才會(huì)被磁化而接合，從而表達(dá)了有一件工件通過(guò)。從而表達(dá)了有一件工件通過(guò)。 3電阻、電容與電感式傳感器電阻、電容與電感式傳感器一、電阻式傳感器一、電阻式傳感器 電阻式傳感器：是一種把被測(cè)量（如位電阻式傳感器：是一種把被測(cè)量（如位移、速度、力、加速度等）轉(zhuǎn)換為電阻變化移、速度、力、加速度等）轉(zhuǎn)換為電阻變化的傳感器。按其工作原理可分為變阻器式和的傳感器。按其工作原理可分為變阻器式和電阻應(yīng)變式兩類(lèi)。電阻應(yīng)變式兩類(lèi)。電阻式電阻式 傳感器傳感器變阻器式變阻器式電阻應(yīng)變電阻應(yīng)變 片式

7、片式線性線繞線性線繞非線性線繞非線性線繞金屬應(yīng)變片金屬應(yīng)變片半導(dǎo)體應(yīng)變片半導(dǎo)體應(yīng)變片工作原理工作原理特特性性曲曲線線材材料料電阻應(yīng)變式壓力傳感器電阻應(yīng)變式壓力傳感器 變阻器式傳感器變阻器式傳感器 、變阻器式傳感器、變阻器式傳感器 變阻器式傳感器也稱(chēng)為電位計(jì)式傳感器變阻器式傳感器也稱(chēng)為電位計(jì)式傳感器, ,它通過(guò)改變電它通過(guò)改變電位器觸頭位置位器觸頭位置, ,把位移轉(zhuǎn)換為電阻的變化。把位移轉(zhuǎn)換為電阻的變化。AlR式中式中 電阻率電阻率 ll電阻絲長(zhǎng)度電阻絲長(zhǎng)度 AA電阻絲截面積電阻絲截面積 如果電阻絲直徑和材質(zhì)一定時(shí)如果電阻絲直徑和材質(zhì)一定時(shí), ,則電阻值隨導(dǎo)線長(zhǎng)則電阻值隨導(dǎo)線長(zhǎng)度而變化。度而變化

8、。 常用變阻器式傳感器有直線位移型、角位移型和非常用變阻器式傳感器有直線位移型、角位移型和非線性型等。線性型等。直線位移型直線位移型 若觸點(diǎn)若觸點(diǎn)B沿變阻器移動(dòng)沿變阻器移動(dòng)x,則則C點(diǎn)與點(diǎn)與A點(diǎn)之間的電點(diǎn)之間的電阻值為：阻值為： xkRllkdxdRS傳感器靈敏度：傳感器靈敏度： 當(dāng)導(dǎo)線分布均勻時(shí)，當(dāng)導(dǎo)線分布均勻時(shí)，kl為一常數(shù)，這時(shí)傳感器的輸出為一常數(shù)，這時(shí)傳感器的輸出（電阻）與輸入（位移）成線性關(guān)系。（電阻）與輸入（位移）成線性關(guān)系。 回轉(zhuǎn)型變阻式傳感器回轉(zhuǎn)型變阻式傳感器 若單位弧度對(duì)應(yīng)的電若單位弧度對(duì)應(yīng)的電阻值為阻值為ka，電阻值隨電，電阻值隨電刷轉(zhuǎn)角而變化，其靈敏刷轉(zhuǎn)角而變化，其靈敏度

9、為度為 kddRS 當(dāng)導(dǎo)線分布均勻時(shí)，傳感器的輸出（電阻）與輸入當(dāng)導(dǎo)線分布均勻時(shí)，傳感器的輸出（電阻）與輸入（位移）成線性關(guān)系。（位移）成線性關(guān)系。 非線性變阻器式傳感器非線性變阻器式傳感器 又稱(chēng)為函數(shù)電位器。其骨又稱(chēng)為函數(shù)電位器。其骨架架形狀根據(jù)要求的輸出形狀根據(jù)要求的輸出f(x)f(x)來(lái)決定。例如來(lái)決定。例如 , , 輸出輸出 f(x) f(x) =kx=kx2 2, , 其中其中x x為輸入位移為輸入位移 , , 為要得到輸出電阻值為要得到輸出電阻值 R(x) R(x) 與與 f(x)f(x)成線性關(guān)系成線性關(guān)系 , , 變阻變阻器骨架應(yīng)做成直角三角形。器骨架應(yīng)做成直角三角形。如果輸出

10、要求為如果輸出要求為 f(x)=kxf(x)=kx3 3, , 則應(yīng)采用拋物線形骨架。則應(yīng)采用拋物線形骨架。 輸入與變阻器位移成某種輸入與變阻器位移成某種函數(shù)關(guān)系，但輸出與輸入仍函數(shù)關(guān)系，但輸出與輸入仍成線性。成線性。因?yàn)橐驗(yàn)?2)(kxxf且輸出要求與且輸出要求與f(x)成線性關(guān)系成線性關(guān)系 則則 )()(xSfxR設(shè)點(diǎn)變阻器高度為設(shè)點(diǎn)變阻器高度為r(x)，則有：，則有： xSkxdxxrxR02)()(Skxxr2)(結(jié)果表明，傳感器形狀為三角形，顯然三角形的結(jié)果表明，傳感器形狀為三角形，顯然三角形的厚度會(huì)引起誤差，因此厚度會(huì)引起誤差，因此x和高度要遠(yuǎn)大于厚度。和高度要遠(yuǎn)大于厚度。 因?yàn)橐?/p>

11、為 2)(kxxf且輸出要求與且輸出要求與f(x)成線性關(guān)系成線性關(guān)系 則則 )()(xSfxR設(shè)點(diǎn)變阻器高度為設(shè)點(diǎn)變阻器高度為r(x)，則有：，則有： xSkxdxxrxR02)()(Skxxr2)(結(jié)果表明，傳感器形狀為三角形，顯然三角形的結(jié)果表明，傳感器形狀為三角形，顯然三角形的厚度會(huì)引起誤差，因此厚度會(huì)引起誤差，因此x和高度要遠(yuǎn)大于厚度。和高度要遠(yuǎn)大于厚度。 當(dāng)接一負(fù)載，傳感器的輸出電壓為當(dāng)接一負(fù)載，傳感器的輸出電壓為 )1( )(00200plpplxlpxpxpxplxlxlxlxpxlxlxlxlyxxRRxxURRRRRRURRRRRRRURRRRRRRRRRURRRRIu電位

12、計(jì)式傳感器通常用電阻絲繞在框電位計(jì)式傳感器通常用電阻絲繞在框架上，改變電阻絲的接入長(zhǎng)度，引起架上，改變電阻絲的接入長(zhǎng)度，引起輸出電阻的改變。輸出電阻的改變。 特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、可靠，特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、可靠，使用方便；但受電阻絲直徑的限制，使用方便；但受電阻絲直徑的限制，分辨力不高，精度低，動(dòng)態(tài)響應(yīng)差。分辨力不高，精度低，動(dòng)態(tài)響應(yīng)差。且由于磨損與塵埃等，引起接觸電阻且由于磨損與塵埃等，引起接觸電阻變化，從而引入噪聲。變化，從而引入噪聲。 應(yīng)用：可用來(lái)測(cè)位移及可變成位移的應(yīng)用：可用來(lái)測(cè)位移及可變成位移的物理量。物理量。 、電阻應(yīng)變式傳感器、電阻應(yīng)變式傳感器 電阻應(yīng)變式傳感器用于應(yīng)變

13、、力、位移、電阻應(yīng)變式傳感器用于應(yīng)變、力、位移、加速度、扭矩等參數(shù)測(cè)量。具有體積小、動(dòng)態(tài)加速度、扭矩等參數(shù)測(cè)量。具有體積小、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、測(cè)量精確度高、使用簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)。在響應(yīng)快、測(cè)量精確度高、使用簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)。在航空、船舶、機(jī)械、建筑等行業(yè)里獲得廣泛應(yīng)航空、船舶、機(jī)械、建筑等行業(yè)里獲得廣泛應(yīng)用。用。 將應(yīng)變片貼在被測(cè)定物上，使其隨著被測(cè)將應(yīng)變片貼在被測(cè)定物上，使其隨著被測(cè)定物的應(yīng)變一起伸縮，這樣里面的金屬箔材就定物的應(yīng)變一起伸縮，這樣里面的金屬箔材就隨著應(yīng)變伸長(zhǎng)或縮短。很多金屬在機(jī)械性地伸隨著應(yīng)變伸長(zhǎng)或縮短。很多金屬在機(jī)械性地伸長(zhǎng)或縮短時(shí)其電阻會(huì)隨之變化。應(yīng)變片就是應(yīng)長(zhǎng)或縮短時(shí)其電阻會(huì)隨之變化。應(yīng)

14、變片就是應(yīng)用這個(gè)原理，通過(guò)測(cè)量電阻的變化而對(duì)應(yīng)變進(jìn)用這個(gè)原理，通過(guò)測(cè)量電阻的變化而對(duì)應(yīng)變進(jìn)行測(cè)定。一般應(yīng)變片的敏感柵使用的是銅鉻合行測(cè)定。一般應(yīng)變片的敏感柵使用的是銅鉻合金，其電阻變化率為常數(shù)，與應(yīng)變成正比例關(guān)金，其電阻變化率為常數(shù)，與應(yīng)變成正比例關(guān)系。系。 電阻應(yīng)變式傳感器可分為金屬電阻應(yīng)變片式電阻應(yīng)變式傳感器可分為金屬電阻應(yīng)變片式與半導(dǎo)體應(yīng)變片式兩類(lèi)。與半導(dǎo)體應(yīng)變片式兩類(lèi)。 1)、金屬電阻應(yīng)變片、金屬電阻應(yīng)變片 常常用的金屬電阻應(yīng)變片有絲式和箔式兩種。其用的金屬電阻應(yīng)變片有絲式和箔式兩種。其工作原理都是基于應(yīng)變片發(fā)生機(jī)械變形時(shí)工作原理都是基于應(yīng)變片發(fā)生機(jī)械變形時(shí) , ,其其電阻值發(fā)生變化。

15、電阻值發(fā)生變化。 金屬絲電阻應(yīng)變片金屬絲電阻應(yīng)變片 ( ( 又稱(chēng)電阻絲應(yīng)變片又稱(chēng)電阻絲應(yīng)變片 ) ) 出現(xiàn)出現(xiàn)得較早得較早 , , 現(xiàn)仍在廣泛采用。其典型結(jié)構(gòu)是把一根現(xiàn)仍在廣泛采用。其典型結(jié)構(gòu)是把一根具有高電阻率的金屬絲具有高電阻率的金屬絲 ( ( 康銅或鎳鉻合金等康銅或鎳鉻合金等 , , 直直徑徑 0 .025mm 0 .025mm 左右左右 ) ) 繞成柵形繞成柵形 , , 粘貼在絕緣的基粘貼在絕緣的基片和覆蓋層之間片和覆蓋層之間 , , 由引出導(dǎo)線接于電路上。由引出導(dǎo)線接于電路上。 箔式應(yīng)變片是利用光刻、腐蝕等工藝制成的一種箔式應(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

16、很薄的金屬薄柵，厚度在0.003-0.010mm0.003-0.010mm。其優(yōu)點(diǎn)。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(guò)是表面積與截面積之比大，散熱條件好，允許通過(guò)電流較大，可制成各種需要的形狀，便于大批量生電流較大，可制成各種需要的形狀，便于大批量生產(chǎn)。產(chǎn)。 工作原理工作原理上述任何一個(gè)參數(shù)變換均會(huì)引起電阻變化上述任何一個(gè)參數(shù)變換均會(huì)引起電阻變化, ,求導(dǎo)數(shù)求導(dǎo)數(shù) 金屬應(yīng)變片的電阻金屬應(yīng)變片的電阻R R為為AlR/dAldAAldlAdR2代入代入AlR/dRAdARldlRdRdAdAldlRdR有：有：金屬絲：金屬絲：2rAdrdrldlRdR2金屬絲軸向伸長(zhǎng)徑向必縮短：金

17、屬絲軸向伸長(zhǎng)徑向必縮短：ldlrdr（泊松定律）（泊松定律）有：有：dRdR2對(duì)金屬材料，導(dǎo)電率變化很?。簩?duì)金屬材料，導(dǎo)電率變化很?。?21(RdREd表明了電阻相對(duì)變化率與應(yīng)變成正比，一般表明了電阻相對(duì)變化率與應(yīng)變成正比，一般用用Sg表征電阻應(yīng)變片的應(yīng)變或靈敏度。表征電阻應(yīng)變片的應(yīng)變或靈敏度。 5.焊線焊線:用電烙鐵將應(yīng)變片的引線焊接到導(dǎo)用電烙鐵將應(yīng)變片的引線焊接到導(dǎo)引線上。引線上。 6.用兆歐表檢查應(yīng)變片與試件之間的絕緣組用兆歐表檢查應(yīng)變片與試件之間的絕緣組織，應(yīng)大于織，應(yīng)大于500M歐。歐。 7.應(yīng)變片保護(hù)：用應(yīng)變片保護(hù)：用704硅橡膠覆于應(yīng)變片上，硅橡膠覆于應(yīng)變片上，防止受潮。防止受潮

18、。)、半導(dǎo)體應(yīng)變片、半導(dǎo)體應(yīng)變片 工作原理工作原理基于半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)。基于半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)。 所謂壓阻效應(yīng)是指單晶半導(dǎo)體材料在沿某一軸所謂壓阻效應(yīng)是指單晶半導(dǎo)體材料在沿某一軸向受到外力作用時(shí)向受到外力作用時(shí) , , 其電阻率其電阻率 發(fā)生變化的現(xiàn)發(fā)生變化的現(xiàn)象。象。由半導(dǎo)體物理可知，半導(dǎo)體在壓力、溫度由半導(dǎo)體物理可知，半導(dǎo)體在壓力、溫度及光輻射作用下，其電阻率發(fā)生很大變化。及光輻射作用下，其電阻率發(fā)生很大變化。EERdR212根據(jù)式根據(jù)式簡(jiǎn)化為：簡(jiǎn)化為：dRdREERdRsg/靈敏度靈敏度這一數(shù)值比金屬絲電阻應(yīng)變片大這一數(shù)值比金屬絲電阻應(yīng)變片大50-70 50-70 倍。倍。 區(qū)別：

19、金屬絲電阻應(yīng)變片是利用導(dǎo)體的形變引起區(qū)別：金屬絲電阻應(yīng)變片是利用導(dǎo)體的形變引起電阻的變化，半導(dǎo)體應(yīng)變片是利用半導(dǎo)體電阻率電阻的變化，半導(dǎo)體應(yīng)變片是利用半導(dǎo)體電阻率引起電阻的變化引起電阻的變化 優(yōu)點(diǎn)：靈敏度大優(yōu)點(diǎn)：靈敏度大; ;體積小體積小; ; 缺點(diǎn)：溫度穩(wěn)定性和可重復(fù)性不如金屬應(yīng)變片。缺點(diǎn)：溫度穩(wěn)定性和可重復(fù)性不如金屬應(yīng)變片。 電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用實(shí)例電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用實(shí)例案例：橋梁固有頻率測(cè)量案例：橋梁固有頻率測(cè)量3.2電阻式傳感器電阻式傳感器案例：沖床生產(chǎn)記數(shù)和生產(chǎn)過(guò)程監(jiān)測(cè)案例：沖床生產(chǎn)記數(shù)和生產(chǎn)過(guò)程監(jiān)測(cè)二、電容傳感器二、電容傳感器電容式傳感器是將被測(cè)物理量轉(zhuǎn)換為電容量變電容式傳感

20、器是將被測(cè)物理量轉(zhuǎn)換為電容量變化的裝置。它實(shí)質(zhì)上是一個(gè)具有可變參數(shù)的電容器?；难b置。它實(shí)質(zhì)上是一個(gè)具有可變參數(shù)的電容器。兩個(gè)平行極板組成的電容器其電容量?jī)蓚€(gè)平行極板組成的電容器其電容量 式中式中 極板間介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)極板間介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù) , , 在空氣中在空氣中 =1; =1; 。 真空中介電常數(shù)真空中介電常數(shù) , o=8.85 , o=8.85 10 10-12-12F/m; F/m; 極板間距離極板間距離 ; ; A A 極板面積極板面積。AC0+ + + A 、A A或或發(fā)生變發(fā)生變化時(shí)，都會(huì)引起化時(shí)，都會(huì)引起電容的變化。電容的變化。a)a)極距極距變化型變化型+ + + AC

21、0+ + + 電容傳感器電容傳感器 拍手實(shí)驗(yàn)拍手實(shí)驗(yàn) 駐極體麥克風(fēng)的工作原理是：當(dāng)人聲通過(guò)駐極體麥克風(fēng)的工作原理是：當(dāng)人聲通過(guò)空氣使振膜震動(dòng)，從而使上振膜和下金屬空氣使振膜震動(dòng)，從而使上振膜和下金屬鐵片的距離產(chǎn)生變化，使其電容改變，形鐵片的距離產(chǎn)生變化，使其電容改變，形成電流。進(jìn)一步解釋來(lái)說(shuō)就是：話筒中成電流。進(jìn)一步解釋來(lái)說(shuō)就是：話筒中“電容電容”的一個(gè)極板固定，另一個(gè)極板在的一個(gè)極板固定，另一個(gè)極板在一個(gè)振動(dòng)薄膜上，人說(shuō)話時(shí)，薄膜隨著聲一個(gè)振動(dòng)薄膜上，人說(shuō)話時(shí)，薄膜隨著聲波的強(qiáng)弱振動(dòng)，也就是電容的兩個(gè)極板間波的強(qiáng)弱振動(dòng)，也就是電容的兩個(gè)極板間距在變動(dòng)，電容的容量也在變動(dòng)，再用話距在變動(dòng)，電容

22、的容量也在變動(dòng)，再用話筒中的高輸入阻抗的場(chǎng)效應(yīng)管將信號(hào)放大，筒中的高輸入阻抗的場(chǎng)效應(yīng)管將信號(hào)放大，再經(jīng)外置功放去推動(dòng)揚(yáng)聲器還原成聲音。再經(jīng)外置功放去推動(dòng)揚(yáng)聲器還原成聲音。 駐極體電容傳聲器 它采用聚四氟乙烯材料作為振動(dòng)膜片。這種材料經(jīng)特它采用聚四氟乙烯材料作為振動(dòng)膜片。這種材料經(jīng)特殊電處理后，表面永久地駐有極化電荷，取代了電容傳聲殊電處理后，表面永久地駐有極化電荷，取代了電容傳聲器極板，故名為駐極體電容傳聲器。特點(diǎn)是體積小、性能器極板，故名為駐極體電容傳聲器。特點(diǎn)是體積小、性能優(yōu)越、使用方便。優(yōu)越、使用方便。 駐極體話筒是電容話筒的一種。電容話筒的基本原理駐極體話筒是電容話筒的一種。電容話筒的

23、基本原理就是用一個(gè)電容器作為聲信號(hào)就是用一個(gè)電容器作為聲信號(hào)電信號(hào)的轉(zhuǎn)化器，這個(gè)電信號(hào)的轉(zhuǎn)化器，這個(gè)電容的一個(gè)極板可以感應(yīng)聲壓的變化，起到聲信號(hào)攝入的電容的一個(gè)極板可以感應(yīng)聲壓的變化，起到聲信號(hào)攝入的作用。通常這一極由金屬化的高分子膜片構(gòu)成，與另一極作用。通常這一極由金屬化的高分子膜片構(gòu)成，與另一極構(gòu)成一個(gè)極間距離可以改變的可變電容。在有聲壓作用時(shí)，構(gòu)成一個(gè)極間距離可以改變的可變電容。在有聲壓作用時(shí)，膜片發(fā)生振動(dòng)，振動(dòng)強(qiáng)度、振動(dòng)頻率都由即時(shí)聲壓決定，膜片發(fā)生振動(dòng)，振動(dòng)強(qiáng)度、振動(dòng)頻率都由即時(shí)聲壓決定，電容容量也相應(yīng)的隨聲信號(hào)而發(fā)生變化。假如此時(shí)已經(jīng)給電容容量也相應(yīng)的隨聲信號(hào)而發(fā)生變化。假如此時(shí)已

24、經(jīng)給電容加上了一個(gè)恒定的電壓，那么電容容量的改變將使得電容加上了一個(gè)恒定的電壓，那么電容容量的改變將使得電容上極化的電荷量發(fā)生改變，從而在電容兩端產(chǎn)生一個(gè)電容上極化的電荷量發(fā)生改變，從而在電容兩端產(chǎn)生一個(gè)電信號(hào)，達(dá)到聲電信號(hào)，達(dá)到聲電信號(hào)轉(zhuǎn)換。電信號(hào)轉(zhuǎn)換。 某些材料在加上電荷后可以基本上永久性的保存住這些某些材料在加上電荷后可以基本上永久性的保存住這些電荷，這就是通常所說(shuō)的駐極體材料，使用這些材料的話電荷，這就是通常所說(shuō)的駐極體材料，使用這些材料的話筒就是所謂的駐極體電容話筒。電容話筒拾聲單元有兩個(gè)筒就是所謂的駐極體電容話筒。電容話筒拾聲單元有兩個(gè)極，其中的一極是可以振動(dòng)的金屬化膜片，另一極則

25、為金極，其中的一極是可以振動(dòng)的金屬化膜片，另一極則為金屬極板。對(duì)駐極體電容話筒來(lái)說(shuō)，就是將其中一個(gè)極用駐屬極板。對(duì)駐極體電容話筒來(lái)說(shuō)，就是將其中一個(gè)極用駐極體材料制成或加上駐極體材料，利用駐極體材料本身可極體材料制成或加上駐極體材料，利用駐極體材料本身可以保存電荷的特點(diǎn)，由駐極體提供正常工作所需恒定電壓。以保存電荷的特點(diǎn)，由駐極體提供正常工作所需恒定電壓。這樣省去了提供給話筒極頭工作所需電源電壓的部分，結(jié)這樣省去了提供給話筒極頭工作所需電源電壓的部分，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積也小。構(gòu)簡(jiǎn)單，體積也小。 依據(jù)使用駐極體材料的位置，又可分為膜片式和背極依據(jù)使用駐極體材料的位置，又可分為膜片式和背極式兩種。早期

26、駐極體話筒多采用膜片式，即使用駐極體材式兩種。早期駐極體話筒多采用膜片式，即使用駐極體材料制作膜片，工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，技術(shù)要求不高。但是由于使料制作膜片，工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，技術(shù)要求不高。但是由于使用駐極體材料制作的膜片的音質(zhì)效果并不是很好，現(xiàn)在的用駐極體材料制作的膜片的音質(zhì)效果并不是很好，現(xiàn)在的駐極體話筒多采用背極式，即在電容的另一極（背極）上駐極體話筒多采用背極式，即在電容的另一極（背極）上附著駐極體材料、極化電荷，而膜片材料則可從拾音角度附著駐極體材料、極化電荷，而膜片材料則可從拾音角度考慮，選擇音質(zhì)效果較好的材質(zhì)的膜片。從目前技術(shù)發(fā)展考慮，選擇音質(zhì)效果較好的材質(zhì)的膜片。從目前技術(shù)發(fā)展來(lái)看，背極式

27、傳聲器是駐極體話筒的一個(gè)趨勢(shì)。來(lái)看，背極式傳聲器是駐極體話筒的一個(gè)趨勢(shì)。駐極體話筒的品質(zhì)主要受兩個(gè)方面的影響：一、膜片的品駐極體話筒的品質(zhì)主要受兩個(gè)方面的影響：一、膜片的品質(zhì)，這個(gè)方面和電容話筒是一樣的。二、內(nèi)置場(chǎng)效應(yīng)晶體質(zhì)，這個(gè)方面和電容話筒是一樣的。二、內(nèi)置場(chǎng)效應(yīng)晶體管的品質(zhì)。這種晶體管，必須是低噪聲寬頻響的。因?yàn)樗艿钠焚|(zhì)。這種晶體管，必須是低噪聲寬頻響的。因?yàn)樗菍?duì)信號(hào)的第一級(jí)放大，所以要求比較高。是對(duì)信號(hào)的第一級(jí)放大，所以要求比較高。 駐極體傳聲器相對(duì)于一般電容傳聲器來(lái)說(shuō)，生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)駐極體傳聲器相對(duì)于一般電容傳聲器來(lái)說(shuō)，生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，成本低，適于大批量生產(chǎn)。同時(shí)體積較小，使用時(shí)比單，

28、成本低，適于大批量生產(chǎn)。同時(shí)體積較小，使用時(shí)比較方便，廣泛應(yīng)用于多種場(chǎng)合，比如一般會(huì)議場(chǎng)合，語(yǔ)音較方便，廣泛應(yīng)用于多種場(chǎng)合，比如一般會(huì)議場(chǎng)合，語(yǔ)音通訊系統(tǒng)，如電話機(jī)、攝像機(jī)、手機(jī)、復(fù)讀機(jī)等等。但駐通訊系統(tǒng)，如電話機(jī)、攝像機(jī)、手機(jī)、復(fù)讀機(jī)等等。但駐極體話筒拾聲的音質(zhì)效果相對(duì)差些，多用在對(duì)于音質(zhì)效果極體話筒拾聲的音質(zhì)效果相對(duì)差些，多用在對(duì)于音質(zhì)效果要求不高的場(chǎng)合。要求不高的場(chǎng)合。 不過(guò)，目前也有一些駐極體話筒，品質(zhì)已經(jīng)達(dá)到了電容不過(guò)，目前也有一些駐極體話筒，品質(zhì)已經(jīng)達(dá)到了電容話筒的品質(zhì)。在一些測(cè)量話筒和一些小型傳聲器上有廣泛話筒的品質(zhì)。在一些測(cè)量話筒和一些小型傳聲器上有廣泛的應(yīng)用。的應(yīng)用。 如果兩

29、極板互相覆蓋面積及極間介質(zhì)不變?nèi)绻麅蓸O板互相覆蓋面積及極間介質(zhì)不變 , , 則電容量則電容量 C C 與極距與極距 呈非線性關(guān)系呈非線性關(guān)系 。當(dāng)極距有。當(dāng)極距有一微小變化量一微小變化量 d d 時(shí)時(shí) , , 引起電容的變化量引起電容的變化量 dC dC 為為 dAdC201得到傳感器靈敏度得到傳感器靈敏度 靈敏度靈敏度 S S 與極距平方成反比與極距平方成反比 , , 極距越小靈敏極距越小靈敏度越高。度越高。為減小非線性誤差，該類(lèi)傳感器通常為減小非線性誤差，該類(lèi)傳感器通常用于測(cè)量微小位移。用于測(cè)量微小位移。 201AddCS優(yōu)點(diǎn)是可進(jìn)行優(yōu)點(diǎn)是可進(jìn)行動(dòng)態(tài)非接觸式測(cè)量動(dòng)態(tài)非接觸式測(cè)量，靈敏度較高

30、，靈敏度較高，可適用于較小位移的測(cè)量，缺點(diǎn)是具有非線性可適用于較小位移的測(cè)量，缺點(diǎn)是具有非線性特性。特性。b)b)面積變化型面積變化型角位移型角位移型+ + + 面積變化型面積變化型角位移型角位移型 線位移型線位移型角位移型。當(dāng)動(dòng)板有一轉(zhuǎn)角時(shí)角位移型。當(dāng)動(dòng)板有一轉(zhuǎn)角時(shí) , , 與定板之間相與定板之間相互覆蓋面積就改變互覆蓋面積就改變 , , 因而導(dǎo)致電容量改變。因而導(dǎo)致電容量改變。由于覆蓋面積由于覆蓋面積 覆蓋面積對(duì)應(yīng)的中心角覆蓋面積對(duì)應(yīng)的中心角 ; ; r r 極板半徑。極板半徑。 22rA所以電容量所以電容量 靈敏度靈敏度 輸出與輸入成線性關(guān)系。輸出與輸入成線性關(guān)系。 220rC 常數(shù)22

31、0rddCS平面線位移型電容傳感器平面線位移型電容傳感器bxC0式中式中 b 極板寬度。極板寬度。常數(shù)bdxdCS0面積型電容傳感器的優(yōu)點(diǎn)是輸出與輸入成線性關(guān)系，面積型電容傳感器的優(yōu)點(diǎn)是輸出與輸入成線性關(guān)系，與極距變化型相比，靈敏度較低，適用于較大直線位與極距變化型相比，靈敏度較低，適用于較大直線位移及角位移測(cè)量。移及角位移測(cè)量。c) c) 介質(zhì)變化型介質(zhì)變化型利用介質(zhì)介電常數(shù)的變化將被測(cè)量轉(zhuǎn)換為電量的傳感器利用介質(zhì)介電常數(shù)的變化將被測(cè)量轉(zhuǎn)換為電量的傳感器。用來(lái)測(cè)量電介質(zhì)的液位或某些材料的厚度、溫度和濕。用來(lái)測(cè)量電介質(zhì)的液位或某些材料的厚度、溫度和濕度等度等 , , 也可用來(lái)測(cè)量空氣的濕度。也

32、可用來(lái)測(cè)量空氣的濕度。3 3 測(cè)量電路測(cè)量電路a)a)電橋電路電橋電路 b) b) 諧振電路諧振電路 LCf210d) d) 運(yùn)算放大器電路運(yùn)算放大器電路 例例1：極板間距式電容式傳感器，極板半徑：極板間距式電容式傳感器，極板半徑r=4mm，間隙間隙=0.5mm，極板介質(zhì)為空氣，試求其靈敏度。，極板介質(zhì)為空氣，試求其靈敏度。若極板移動(dòng)，求其電容變化。若極板移動(dòng)，求其電容變化。1）掌握電容式傳感器原理，寫(xiě)出電容的表達(dá)式。）掌握電容式傳感器原理，寫(xiě)出電容的表達(dá)式。2)掌握靈敏度的概念，列出電容式傳感器靈敏度的計(jì)算公式。掌握靈敏度的概念，列出電容式傳感器靈敏度的計(jì)算公式。(3)帶入給定參數(shù)計(jì)帶入給定

33、參數(shù)計(jì)算算c=s=2.84710-7210-3=5.69410-10(F) 5. 為什么電容式傳感器易受干擾？如何減小干擾？為什么電容式傳感器易受干擾？如何減小干擾？ 答：答：(1)傳感器兩極板之間的電容很小，僅幾十個(gè)傳感器兩極板之間的電容很小，僅幾十個(gè)F，小，小的甚至只有幾個(gè)的甚至只有幾個(gè)F。 (2)而傳感器與電子儀器之間的連接電纜卻具有很大的電容，而傳感器與電子儀器之間的連接電纜卻具有很大的電容，如屏蔽線的電容最小的如屏蔽線的電容最小的l米也有幾個(gè)米也有幾個(gè)F，最大的可達(dá)上百，最大的可達(dá)上百個(gè)個(gè)F。這不僅使傳感器的電容相對(duì)變化大大降低，靈敏。這不僅使傳感器的電容相對(duì)變化大大降低，靈敏度也降

34、低，更嚴(yán)重的是電纜本身放置的位置和形狀不同，度也降低，更嚴(yán)重的是電纜本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。輸出不真實(shí)，給測(cè)量帶來(lái)誤差。 (3)解決的辦法，一種方法是利用集成電路，使放大測(cè)量電解決的辦法，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)線輸出是直路小型化，把它放在傳感器內(nèi)部，這樣傳輸導(dǎo)線輸出是直流電壓信號(hào)，不受分布電容的影響流電壓信號(hào)，不受分布電容的影響; (4)另一種方法是采用雙屏蔽傳輸電纜，適當(dāng)降低分布電容另一種方法是采用雙屏蔽傳輸電

35、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。感器的應(yīng)用受到一定的限制。三三 電感式傳感器電感式傳感器 電感式傳感器是基于電磁感應(yīng)原理，它是電感式傳感器是基于電磁感應(yīng)原理，它是把被測(cè)量轉(zhuǎn)化為電感量的一種裝置。把被測(cè)量轉(zhuǎn)化為電感量的一種裝置。分類(lèi)分類(lèi): :電感式傳感器電感式傳感器自感型自感型可變磁阻型可變磁阻型渦流式渦流式互感型互感型3.4電感式傳感器電感式傳感器3.4.1自感型自感型-可變磁阻式可變磁阻式原理原理:電磁感應(yīng)電磁感應(yīng)原線圈的等效阻抗原線圈的等效阻抗Z變化：變化：Z = Z( , ,

36、 , )案例：無(wú)損探傷案例：無(wú)損探傷原理原理裂紋檢測(cè)，缺陷造成渦流變化。裂紋檢測(cè)，缺陷造成渦流變化。思考題：思考題：1、電容式傳感器的工作原理、電容式傳感器的工作原理是什么？是什么？2、電感式傳感器可分為幾類(lèi)？、電感式傳感器可分為幾類(lèi)？3、何謂渦流效應(yīng)？怎樣利用、何謂渦流效應(yīng)？怎樣利用渦流效應(yīng)進(jìn)行位移測(cè)量？渦流效應(yīng)進(jìn)行位移測(cè)量？4、請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)幾種測(cè)量物體位移、請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)幾種測(cè)量物體位移的方法，描述其基本原理。的方法，描述其基本原理。3.6:壓電式傳感器輸出電信號(hào)很微弱，通常應(yīng)把傳壓電式傳感器輸出電信號(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，經(jīng)過(guò)感器信號(hào)先輸入到高輸入阻抗的前置放大器

37、中，經(jīng)過(guò)阻抗變換后，方可輸入到后續(xù)顯示儀表中。阻抗變換后，方可輸入到后續(xù)顯示儀表中。 一、壓電效應(yīng)：某些電介質(zhì)在沿一定方向上受到外力的一、壓電效應(yīng)：某些電介質(zhì)在沿一定方向上受到外力的作用而變形時(shí)，內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在其表面上作用而變形時(shí)，內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在其表面上產(chǎn)生電荷，當(dāng)外力去掉后，又重新回到不帶電的狀態(tài)，產(chǎn)生電荷，當(dāng)外力去掉后，又重新回到不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱(chēng)為壓電效應(yīng)（這種現(xiàn)象稱(chēng)為壓電效應(yīng)（Piezoelectric Effect）。）。在電介質(zhì)的極化方向上施加交變電場(chǎng)或電壓，它會(huì)產(chǎn)生在電介質(zhì)的極化方向上施加交變電場(chǎng)或電壓，它會(huì)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)。當(dāng)去掉外加電場(chǎng)時(shí)，電介質(zhì)變形

38、隨之消失，機(jī)械振動(dòng)。當(dāng)去掉外加電場(chǎng)時(shí)，電介質(zhì)變形隨之消失，這種現(xiàn)象稱(chēng)為逆壓電效應(yīng)（電致伸縮效應(yīng)）。這種現(xiàn)象稱(chēng)為逆壓電效應(yīng)（電致伸縮效應(yīng)）。例如，音樂(lè)賀卡中的壓電片就是利用逆壓電效應(yīng)而發(fā)聲的。例如，音樂(lè)賀卡中的壓電片就是利用逆壓電效應(yīng)而發(fā)聲的。 自然界中與壓電效應(yīng)有關(guān)的現(xiàn)象很多。自然界中與壓電效應(yīng)有關(guān)的現(xiàn)象很多。 舉例：在完全黑暗的環(huán)境中，將一塊干燥的冰糖用舉例：在完全黑暗的環(huán)境中，將一塊干燥的冰糖用榔頭敲碎，可以看到冰糖在破碎的一瞬間，發(fā)出暗榔頭敲碎，可以看到冰糖在破碎的一瞬間，發(fā)出暗淡的藍(lán)色閃光，這是強(qiáng)電場(chǎng)放電所產(chǎn)生的閃光，產(chǎn)淡的藍(lán)色閃光，這是強(qiáng)電場(chǎng)放電所產(chǎn)生的閃光，產(chǎn)生閃光的機(jī)理也是晶體的

39、壓電效應(yīng)。生閃光的機(jī)理也是晶體的壓電效應(yīng)。 又例：在敦煌的鳴沙丘，當(dāng)許多游客在沙丘上蹦跳又例：在敦煌的鳴沙丘，當(dāng)許多游客在沙丘上蹦跳或從鳴沙丘上往下滑時(shí)，可以聽(tīng)到雷鳴般的隆隆聲?；驈镍Q沙丘上往下滑時(shí)，可以聽(tīng)到雷鳴般的隆隆聲。產(chǎn)生這個(gè)現(xiàn)象的原因是無(wú)數(shù)干燥的沙子（產(chǎn)生這個(gè)現(xiàn)象的原因是無(wú)數(shù)干燥的沙子（SiO2晶晶體）在重壓引起振動(dòng)，表面產(chǎn)生電荷，在某些時(shí)刻，體）在重壓引起振動(dòng)，表面產(chǎn)生電荷，在某些時(shí)刻，恰好形成電壓串聯(lián)，產(chǎn)生很高的電壓，并通過(guò)空氣恰好形成電壓串聯(lián)，產(chǎn)生很高的電壓，并通過(guò)空氣放電而發(fā)出聲音。放電而發(fā)出聲音。 再例：在電子打火機(jī)中，多片串連的壓電材料受到再例：在電子打火機(jī)中，多片串連的壓

40、電材料受到敲擊，產(chǎn)生很高的電壓，通過(guò)尖端放電，而點(diǎn)燃火敲擊，產(chǎn)生很高的電壓，通過(guò)尖端放電，而點(diǎn)燃火焰。焰。 三、壓電加速度傳感器的安裝及使用三、壓電加速度傳感器的安裝及使用 理論上壓電加速度傳感器應(yīng)與被測(cè)振動(dòng)體剛性連接。但在具體使用理論上壓電加速度傳感器應(yīng)與被測(cè)振動(dòng)體剛性連接。但在具體使用中，壓電振動(dòng)加速度傳感器安裝使用方法如圖所示。中，壓電振動(dòng)加速度傳感器安裝使用方法如圖所示。 壓電振動(dòng)加速度傳感器安裝使用方法壓電振動(dòng)加速度傳感器安裝使用方法a）雙頭螺釘固定法）雙頭螺釘固定法 b）磁鐵吸附法）磁鐵吸附法 c）膠水粘結(jié)法）膠水粘結(jié)法 d）手持探針式）手持探針式法法1壓電式加速度傳感器壓電式加速

41、度傳感器 2雙頭螺栓雙頭螺栓 3磁鋼磁鋼 4黏接劑黏接劑 5頂針頂針提示：提示：壓電式振動(dòng)加速度傳感器必須與被測(cè)振動(dòng)加速度的機(jī)件緊固在一起。壓電式振動(dòng)加速度傳感器必須與被測(cè)振動(dòng)加速度的機(jī)件緊固在一起。傳感器受機(jī)械運(yùn)動(dòng)的振動(dòng)加速度作用，壓電晶片受到質(zhì)量塊慣性引起傳感器受機(jī)械運(yùn)動(dòng)的振動(dòng)加速度作用，壓電晶片受到質(zhì)量塊慣性引起的交變力（的交變力（F=ma），從而產(chǎn)生電荷。彈簧是給壓電晶片施加預(yù)緊力），從而產(chǎn)生電荷。彈簧是給壓電晶片施加預(yù)緊力的，以防損壞壓電片。的，以防損壞壓電片。 1）用于長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)振動(dòng)機(jī)械的壓電加速度傳感器）用于長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)振動(dòng)機(jī)械的壓電加速度傳感器應(yīng)采用雙頭螺栓牢固地固定在監(jiān)視點(diǎn)上，如圖

42、應(yīng)采用雙頭螺栓牢固地固定在監(jiān)視點(diǎn)上，如圖a所示。所示。 2）短時(shí)間監(jiān)測(cè)低頻微弱振動(dòng)時(shí)，可用磁鐵將）短時(shí)間監(jiān)測(cè)低頻微弱振動(dòng)時(shí)，可用磁鐵將鋼質(zhì)傳感器底座吸附在監(jiān)測(cè)點(diǎn)上，如圖鋼質(zhì)傳感器底座吸附在監(jiān)測(cè)點(diǎn)上，如圖b所示。所示。 3）測(cè)量更微弱的振動(dòng)時(shí)，可以用環(huán)氧樹(shù)脂或）測(cè)量更微弱的振動(dòng)時(shí)，可以用環(huán)氧樹(shù)脂或瞬干膠將傳感器膠接在監(jiān)測(cè)點(diǎn)上，如圖瞬干膠將傳感器膠接在監(jiān)測(cè)點(diǎn)上，如圖c所示。所示。 4）在對(duì)許多測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行定期巡檢時(shí)，也可采）在對(duì)許多測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行定期巡檢時(shí)，也可采用手持探針式加速度傳感器。使用時(shí)，用手握住用手持探針式加速度傳感器。使用時(shí)，用手握住探針，緊緊地抵觸在監(jiān)測(cè)點(diǎn)上，如圖探針，緊緊地抵觸在監(jiān)測(cè)點(diǎn)上

43、，如圖d所示。此所示。此方法方便，但重復(fù)性差，使用頻率上限在方法方便，但重復(fù)性差，使用頻率上限在500Hz以下。以下。為什么說(shuō)壓電式傳感器只適用于動(dòng)態(tài)為什么說(shuō)壓電式傳感器只適用于動(dòng)態(tài)測(cè)量而不能用于靜態(tài)測(cè)量測(cè)量而不能用于靜態(tài)測(cè)量? 由于外力作用在壓電元件上產(chǎn)生的電荷只由于外力作用在壓電元件上產(chǎn)生的電荷只有在無(wú)泄漏的情況下才能保存，即需要測(cè)有在無(wú)泄漏的情況下才能保存，即需要測(cè)量回路具有無(wú)限大的輸入阻抗，這實(shí)際上量回路具有無(wú)限大的輸入阻抗，這實(shí)際上是不可能的，因此壓電式傳感器不能用于是不可能的，因此壓電式傳感器不能用于靜態(tài)測(cè)量。壓電元件在交變力的作用下，靜態(tài)測(cè)量。壓電元件在交變力的作用下，電荷可以電

44、荷可以 壓電式傳感器測(cè)量電路的作用是什么壓電式傳感器測(cè)量電路的作用是什么?其核其核心是解決什么問(wèn)題心是解決什么問(wèn)題? 答：壓電式傳感器測(cè)量電路的作用是將壓答：壓電式傳感器測(cè)量電路的作用是將壓電晶體產(chǎn)生的電荷轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)輸出，電晶體產(chǎn)生的電荷轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)輸出，其核心是要解決微弱信號(hào)的轉(zhuǎn)換與放大，其核心是要解決微弱信號(hào)的轉(zhuǎn)換與放大，得到足夠強(qiáng)的輸出信號(hào)。得到足夠強(qiáng)的輸出信號(hào)。 請(qǐng)同學(xué)們回答常用的壓電材料有哪些請(qǐng)同學(xué)們回答常用的壓電材料有哪些? 最具代表性的是什么材料？最具代表性的是什么材料？ 普遍應(yīng)用的是什么材料？普遍應(yīng)用的是什么材料？ 最早使用的壓電陶瓷是什么？最早使用的壓電陶瓷是什么？ 何

45、為居里點(diǎn)？何為居里點(diǎn)？ 高分子壓電薄膜的用途？高分子壓電薄膜的用途？ 前置放大器的主要用途？前置放大器的主要用途？ 電壓放大器和電荷放大器的區(qū)別？電壓放大器和電荷放大器的區(qū)別？ 壓電傳感器常用于測(cè)量什么？壓電傳感器常用于測(cè)量什么？ 壓電式力傳感器的主要形式？壓電式力傳感器的主要形式？檢測(cè)機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速，發(fā)電機(jī)檢測(cè)機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速，發(fā)電機(jī)實(shí)驗(yàn)：用微型發(fā)電機(jī)制作機(jī)械式轉(zhuǎn)速表實(shí)驗(yàn)：用微型發(fā)電機(jī)制作機(jī)械式轉(zhuǎn)速表3.7磁敏元件傳感器磁敏元件傳感器請(qǐng)同學(xué)們閱讀有關(guān)半導(dǎo)體材料的基本情況請(qǐng)同學(xué)們閱讀有關(guān)半導(dǎo)體材料的基本情況3.7.1 霍爾元件霍爾元件 V= KHIB sin導(dǎo)體或半導(dǎo)體薄片置于磁場(chǎng)導(dǎo)體或半導(dǎo)體薄片置

46、于磁場(chǎng)B 中，在相對(duì)兩側(cè)通以電流中，在相對(duì)兩側(cè)通以電流I，在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向上將產(chǎn)生一個(gè)大小與電流在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向上將產(chǎn)生一個(gè)大小與電流I和磁和磁感應(yīng)強(qiáng)度感應(yīng)強(qiáng)度B的乘積成正比的電動(dòng)勢(shì)。這一現(xiàn)象稱(chēng)為霍爾效應(yīng)。的乘積成正比的電動(dòng)勢(shì)。這一現(xiàn)象稱(chēng)為霍爾效應(yīng)。該電勢(shì)稱(chēng)為霍爾電勢(shì)，該薄片稱(chēng)為霍爾元件。該電勢(shì)稱(chēng)為霍爾電勢(shì)，該薄片稱(chēng)為霍爾元件。KH霍爾元件靈敏度。它與材料的物理性質(zhì)和幾何尺寸有關(guān)，霍爾元件靈敏度。它與材料的物理性質(zhì)和幾何尺寸有關(guān)，它決定霍爾電勢(shì)的強(qiáng)弱。它決定霍爾電勢(shì)的強(qiáng)弱?；舳娀舳妱?shì)勢(shì)應(yīng)為：應(yīng)為： VH KH I B VH KH I B Sin 注意：當(dāng)控制電流的方向或磁場(chǎng)

47、方向改變時(shí)，輸出注意：當(dāng)控制電流的方向或磁場(chǎng)方向改變時(shí)，輸出霍霍耳電耳電勢(shì)的方向也改變。但當(dāng)磁場(chǎng)與電流同時(shí)改變方向勢(shì)的方向也改變。但當(dāng)磁場(chǎng)與電流同時(shí)改變方向時(shí)，時(shí)，霍耳電霍耳電勢(shì)并不改變方向。勢(shì)并不改變方向。汽車(chē)手柄轉(zhuǎn)角測(cè)量特點(diǎn)特點(diǎn)電阻的增量與磁場(chǎng)的平方成正比；電阻的增量與磁場(chǎng)的平方成正比；與磁場(chǎng)的正負(fù)無(wú)關(guān)；與磁場(chǎng)的正負(fù)無(wú)關(guān)；溫度系數(shù)影響大；溫度系數(shù)影響大；磁感應(yīng)的范圍比霍爾元件大。磁感應(yīng)的范圍比霍爾元件大。應(yīng)用應(yīng)用磁頭；接近開(kāi)關(guān)和無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)。磁頭；接近開(kāi)關(guān)和無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)。磁阻元件：利用半導(dǎo)體材料的磁阻效應(yīng)磁阻元件：利用半導(dǎo)體材料的磁阻效應(yīng)來(lái)工作的。來(lái)工作的。 所謂巨磁阻效應(yīng)，是指磁性材料的電阻

48、率所謂巨磁阻效應(yīng)，是指磁性材料的電阻率在有外磁場(chǎng)作用時(shí)較之無(wú)外磁場(chǎng)作用時(shí)存在有外磁場(chǎng)作用時(shí)較之無(wú)外磁場(chǎng)作用時(shí)存在巨大變化的現(xiàn)象。巨磁阻是一種量子力在巨大變化的現(xiàn)象。巨磁阻是一種量子力學(xué)效應(yīng)，它產(chǎn)生于層狀的磁性薄膜結(jié)構(gòu)。學(xué)效應(yīng)，它產(chǎn)生于層狀的磁性薄膜結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)是由鐵磁材料和非鐵磁材料薄層這種結(jié)構(gòu)是由鐵磁材料和非鐵磁材料薄層交替疊合而成。當(dāng)鐵磁層的磁矩相互平行交替疊合而成。當(dāng)鐵磁層的磁矩相互平行時(shí)，載流子與自旋有關(guān)的散射最小，材料時(shí)，載流子與自旋有關(guān)的散射最小，材料有最小的電阻。當(dāng)鐵磁層的磁矩為反平行有最小的電阻。當(dāng)鐵磁層的磁矩為反平行時(shí)，與自旋有關(guān)的散射最強(qiáng)，材料的電阻時(shí)，與自旋有關(guān)的散射最

49、強(qiáng)，材料的電阻最大。最大。 2007年年10月，科學(xué)界的最高盛典月，科學(xué)界的最高盛典瑞典瑞典皇家科學(xué)院頒發(fā)的諾貝爾獎(jiǎng)揭曉了。本年皇家科學(xué)院頒發(fā)的諾貝爾獎(jiǎng)揭曉了。本年度，法國(guó)科學(xué)家度，法國(guó)科學(xué)家阿爾貝阿爾貝費(fèi)爾費(fèi)爾和德國(guó)科學(xué)家和德國(guó)科學(xué)家彼得彼得格林貝格爾格林貝格爾因分別獨(dú)立發(fā)現(xiàn)因分別獨(dú)立發(fā)現(xiàn)巨磁阻巨磁阻效效應(yīng)而共同獲得應(yīng)而共同獲得2007年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。瑞年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。瑞典皇家科學(xué)院在評(píng)價(jià)這項(xiàng)成就時(shí)表示，今典皇家科學(xué)院在評(píng)價(jià)這項(xiàng)成就時(shí)表示，今年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)主要獎(jiǎng)勵(lì)年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)主要獎(jiǎng)勵(lì)“用于讀取硬用于讀取硬盤(pán)數(shù)據(jù)的技術(shù)，得益于這項(xiàng)技術(shù)，硬盤(pán)在盤(pán)數(shù)據(jù)的技術(shù)，得益于這項(xiàng)技術(shù)，硬盤(pán)在近

50、年來(lái)迅速變得越來(lái)越小近年來(lái)迅速變得越來(lái)越小”。 格林貝格爾格林貝格爾 早在早在1988年，費(fèi)爾和格林貝格爾就各自獨(dú)立發(fā)年，費(fèi)爾和格林貝格爾就各自獨(dú)立發(fā)現(xiàn)了這一特殊現(xiàn)象：非常弱小的磁性變化就能導(dǎo)現(xiàn)了這一特殊現(xiàn)象：非常弱小的磁性變化就能導(dǎo)致磁性材料發(fā)生非常顯著的電阻變化。那時(shí)，法致磁性材料發(fā)生非常顯著的電阻變化。那時(shí)，法國(guó)的費(fèi)爾在鐵、鉻相間的多層膜電阻中發(fā)現(xiàn)，微國(guó)的費(fèi)爾在鐵、鉻相間的多層膜電阻中發(fā)現(xiàn)，微弱的磁場(chǎng)變化可以導(dǎo)致電阻大小的急劇變化，其弱的磁場(chǎng)變化可以導(dǎo)致電阻大小的急劇變化，其變化的幅度比通常高十幾倍，他把這種效應(yīng)命名變化的幅度比通常高十幾倍，他把這種效應(yīng)命名為巨磁阻效應(yīng)（為巨磁阻效應(yīng)（G

51、iant Magneto-Resistive，GMR）。有趣的是，就在此前）。有趣的是，就在此前3個(gè)月，德國(guó)優(yōu)利個(gè)月，德國(guó)優(yōu)利希研究中心格林貝格爾教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組在具希研究中心格林貝格爾教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組在具有層間反平行磁化的鐵有層間反平行磁化的鐵/鉻鉻/鐵三層膜結(jié)構(gòu)中也發(fā)鐵三層膜結(jié)構(gòu)中也發(fā)現(xiàn)了完全同樣的現(xiàn)象。現(xiàn)了完全同樣的現(xiàn)象。 巨磁阻效應(yīng)自從被發(fā)現(xiàn)以來(lái)就被用于開(kāi)發(fā)巨磁阻效應(yīng)自從被發(fā)現(xiàn)以來(lái)就被用于開(kāi)發(fā)研制用于硬磁盤(pán)的體積小而靈敏的數(shù)據(jù)讀研制用于硬磁盤(pán)的體積小而靈敏的數(shù)據(jù)讀出頭（出頭（Read Head）。這使得存儲(chǔ)單字節(jié)）。這使得存儲(chǔ)單字節(jié)數(shù)據(jù)所需的磁性材料尺寸大為減少，從而數(shù)據(jù)所需的磁性

52、材料尺寸大為減少，從而使得磁盤(pán)的存儲(chǔ)能力得到大幅度的提高。使得磁盤(pán)的存儲(chǔ)能力得到大幅度的提高。第一個(gè)商業(yè)化生產(chǎn)的數(shù)據(jù)讀取探頭是由第一個(gè)商業(yè)化生產(chǎn)的數(shù)據(jù)讀取探頭是由IBM公司于公司于1997年投放市場(chǎng)的，到目前為止，年投放市場(chǎng)的，到目前為止，巨磁阻技術(shù)已經(jīng)成為全世界幾乎所有電腦、巨磁阻技術(shù)已經(jīng)成為全世界幾乎所有電腦、數(shù)碼相機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、MP3播放器的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)。播放器的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)。 諾貝爾評(píng)委會(huì)主席佩爾諾貝爾評(píng)委會(huì)主席佩爾卡爾松用比較通俗的語(yǔ)卡爾松用比較通俗的語(yǔ)言解答了這個(gè)問(wèn)題。他用兩張圖片的對(duì)比說(shuō)明了巨言解答了這個(gè)問(wèn)題。他用兩張圖片的對(duì)比說(shuō)明了巨磁阻的重大意義：一臺(tái)磁阻的重大意義：一臺(tái)1954年體

53、積占滿(mǎn)整間屋子年體積占滿(mǎn)整間屋子的電腦，和一個(gè)如今非常普通、手掌般大小的硬盤(pán)。的電腦，和一個(gè)如今非常普通、手掌般大小的硬盤(pán)。正因?yàn)橛辛诉@兩位科學(xué)家的發(fā)現(xiàn)，單位面積介質(zhì)存正因?yàn)橛辛诉@兩位科學(xué)家的發(fā)現(xiàn)，單位面積介質(zhì)存儲(chǔ)的信息量才得以大幅度提升。目前，根據(jù)該效應(yīng)儲(chǔ)的信息量才得以大幅度提升。目前，根據(jù)該效應(yīng)開(kāi)發(fā)的小型大容量硬盤(pán)已得到了廣泛的應(yīng)用。開(kāi)發(fā)的小型大容量硬盤(pán)已得到了廣泛的應(yīng)用。 正如一位中國(guó)科研人員所言：正如一位中國(guó)科研人員所言：“看看你的計(jì)算看看你的計(jì)算機(jī)硬盤(pán)存儲(chǔ)能力有多大，就知道他們的貢獻(xiàn)有多大機(jī)硬盤(pán)存儲(chǔ)能力有多大，就知道他們的貢獻(xiàn)有多大了。了?！被蛟S我們這才明白，司空見(jiàn)慣的筆記本電腦、或

54、許我們這才明白，司空見(jiàn)慣的筆記本電腦、MP3、U盤(pán)等消費(fèi)品，居然都閃爍著耀眼的科學(xué)光盤(pán)等消費(fèi)品，居然都閃爍著耀眼的科學(xué)光芒。諾貝爾獎(jiǎng)并不總是代表著深?yuàn)W的理論和艱澀的芒。諾貝爾獎(jiǎng)并不總是代表著深?yuàn)W的理論和艱澀的知識(shí)，它往往就在我們身邊，在我們不曾留意的日知識(shí)，它往往就在我們身邊，在我們不曾留意的日常生活中。常生活中。 眾所周知，計(jì)算機(jī)硬盤(pán)是通過(guò)磁介質(zhì)來(lái)存儲(chǔ)信息眾所周知，計(jì)算機(jī)硬盤(pán)是通過(guò)磁介質(zhì)來(lái)存儲(chǔ)信息的。一塊密封的計(jì)算機(jī)硬盤(pán)內(nèi)部包含若干個(gè)磁盤(pán)的。一塊密封的計(jì)算機(jī)硬盤(pán)內(nèi)部包含若干個(gè)磁盤(pán)片，磁盤(pán)片的每一面都被以轉(zhuǎn)軸為軸心、以一定片，磁盤(pán)片的每一面都被以轉(zhuǎn)軸為軸心、以一定的磁密度為間隔劃分成多個(gè)磁道，

55、每個(gè)磁道又被的磁密度為間隔劃分成多個(gè)磁道，每個(gè)磁道又被劃分為若干個(gè)扇區(qū)。磁盤(pán)片上的磁涂層是由數(shù)量劃分為若干個(gè)扇區(qū)。磁盤(pán)片上的磁涂層是由數(shù)量眾多的、體積極為細(xì)小的磁顆粒組成，若干個(gè)磁眾多的、體積極為細(xì)小的磁顆粒組成，若干個(gè)磁顆粒組成一個(gè)記錄單元來(lái)記錄顆粒組成一個(gè)記錄單元來(lái)記錄1比特（比特（bit）信息，）信息，即即0或或1。磁盤(pán)片的每個(gè)磁盤(pán)面都相應(yīng)有一個(gè)磁頭。磁盤(pán)片的每個(gè)磁盤(pán)面都相應(yīng)有一個(gè)磁頭。當(dāng)磁頭當(dāng)磁頭“掃描掃描”過(guò)磁盤(pán)面的各個(gè)區(qū)域時(shí)，各個(gè)區(qū)域過(guò)磁盤(pán)面的各個(gè)區(qū)域時(shí)，各個(gè)區(qū)域中記錄的不同磁信號(hào)就被轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，電信號(hào)中記錄的不同磁信號(hào)就被轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，電信號(hào)的變化進(jìn)而被表達(dá)為的變化進(jìn)而被表達(dá)為

56、“0”和和“1”，成為所有信息的，成為所有信息的原始譯碼。原始譯碼。 最早的磁頭是采用錳鐵磁體制成的，該類(lèi)磁頭是最早的磁頭是采用錳鐵磁體制成的，該類(lèi)磁頭是通過(guò)電磁感應(yīng)的方式讀寫(xiě)數(shù)據(jù)。然而，隨著信息通過(guò)電磁感應(yīng)的方式讀寫(xiě)數(shù)據(jù)。然而，隨著信息技術(shù)發(fā)展對(duì)存儲(chǔ)容量的要求不斷提高，這類(lèi)磁頭技術(shù)發(fā)展對(duì)存儲(chǔ)容量的要求不斷提高，這類(lèi)磁頭難以滿(mǎn)足實(shí)際需求。因?yàn)槭褂眠@種磁頭，磁致電難以滿(mǎn)足實(shí)際需求。因?yàn)槭褂眠@種磁頭，磁致電阻的變化僅為阻的變化僅為12之間，讀取數(shù)據(jù)要求一定之間，讀取數(shù)據(jù)要求一定的強(qiáng)度的磁場(chǎng)，且的強(qiáng)度的磁場(chǎng)，且磁道磁道密度不能太大，因此使用密度不能太大，因此使用傳統(tǒng)磁頭的硬盤(pán)最大容量只能達(dá)到每平方英

57、寸傳統(tǒng)磁頭的硬盤(pán)最大容量只能達(dá)到每平方英寸20兆位。硬盤(pán)體積不斷變小，容量卻不斷變大時(shí)，兆位。硬盤(pán)體積不斷變小，容量卻不斷變大時(shí)，勢(shì)必要求磁盤(pán)上每一個(gè)被劃分出來(lái)的獨(dú)立區(qū)域越勢(shì)必要求磁盤(pán)上每一個(gè)被劃分出來(lái)的獨(dú)立區(qū)域越來(lái)越小，這些區(qū)域所記錄的磁信號(hào)也就越來(lái)越弱。來(lái)越小，這些區(qū)域所記錄的磁信號(hào)也就越來(lái)越弱。 1997年，全球首個(gè)基于年，全球首個(gè)基于巨磁阻效應(yīng)巨磁阻效應(yīng)的讀出磁的讀出磁頭問(wèn)世。正是借助了巨磁阻效應(yīng)，人們才能夠制頭問(wèn)世。正是借助了巨磁阻效應(yīng)，人們才能夠制造出如此靈敏的磁頭，能夠清晰讀出較弱的磁信造出如此靈敏的磁頭，能夠清晰讀出較弱的磁信號(hào)，并且轉(zhuǎn)換成清晰的電流變化。新式磁頭的出號(hào)，并且轉(zhuǎn)

58、換成清晰的電流變化。新式磁頭的出現(xiàn)引發(fā)了硬盤(pán)的現(xiàn)引發(fā)了硬盤(pán)的“大容量、小型化大容量、小型化”革命。革命。 本模塊采用磁性檢測(cè)原理來(lái)探測(cè)鋼管缺陷。探頭由磁鐵和可本模塊采用磁性檢測(cè)原理來(lái)探測(cè)鋼管缺陷。探頭由磁鐵和可檢測(cè)磁場(chǎng)強(qiáng)度的霍爾傳感器組成。磁鐵與被測(cè)的鐵磁材料工檢測(cè)磁場(chǎng)強(qiáng)度的霍爾傳感器組成。磁鐵與被測(cè)的鐵磁材料工件間形成磁路，若工件上有缺陷，則磁路的磁阻增大，霍爾件間形成磁路，若工件上有缺陷，則磁路的磁阻增大，霍爾傳感器附近的磁場(chǎng)強(qiáng)度變?nèi)?。?dāng)探頭在試件表面移動(dòng)時(shí)，正傳感器附近的磁場(chǎng)強(qiáng)度變?nèi)?。?dāng)探頭在試件表面移動(dòng)時(shí)，正常情況下磁場(chǎng)強(qiáng)度是不變的，當(dāng)試件表面有缺陷的時(shí)候，會(huì)常情況下磁場(chǎng)強(qiáng)度是不變的，

59、當(dāng)試件表面有缺陷的時(shí)候，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)磁場(chǎng)的跳變，產(chǎn)生一個(gè)磁場(chǎng)的跳變，通過(guò)監(jiān)測(cè)磁場(chǎng)的跳變即可進(jìn)行試件的探傷。通過(guò)監(jiān)測(cè)磁場(chǎng)的跳變即可進(jìn)行試件的探傷。 熱電偶傳感器熱電偶傳感器 溫度測(cè)量的基本概念溫度測(cè)量的基本概念 一、一、溫度測(cè)溫度測(cè)量的基本概念量的基本概念 溫度標(biāo)志著物溫度標(biāo)志著物質(zhì)內(nèi)部大量分子無(wú)質(zhì)內(nèi)部大量分子無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)的劇烈程規(guī)則運(yùn)動(dòng)的劇烈程度。溫度越高，表度。溫度越高，表示物體內(nèi)部分子熱示物體內(nèi)部分子熱運(yùn)動(dòng)越劇烈。運(yùn)動(dòng)越劇烈。 模擬圖：模擬圖：在一個(gè)密閉的空間里，氣體分在一個(gè)密閉的空間里，氣體分子在高溫時(shí)的運(yùn)動(dòng)速度比低溫時(shí)快！子在高溫時(shí)的運(yùn)動(dòng)速度比低溫時(shí)快！低溫低溫高溫高溫二、溫標(biāo)二、溫標(biāo) 1

60、 1、溫度的數(shù)值表示方法稱(chēng)為溫標(biāo)溫度的數(shù)值表示方法稱(chēng)為溫標(biāo)。它規(guī)定了溫度的讀數(shù)的起點(diǎn)（即零點(diǎn)）它規(guī)定了溫度的讀數(shù)的起點(diǎn)（即零點(diǎn)）以及溫度的單位。各類(lèi)溫度計(jì)的刻度均以及溫度的單位。各類(lèi)溫度計(jì)的刻度均由溫標(biāo)確定。由溫標(biāo)確定。 2 2、國(guó)際上規(guī)定的溫標(biāo)有：攝氏溫標(biāo)、國(guó)際上規(guī)定的溫標(biāo)有：攝氏溫標(biāo)、華氏溫標(biāo)、熱力學(xué)溫標(biāo)等。華氏溫標(biāo)、熱力學(xué)溫標(biāo)等。 幾種溫標(biāo)的對(duì)比幾種溫標(biāo)的對(duì)比 正常體溫正常體溫為為37 C C ，相當(dāng)于華相當(dāng)于華氏溫度多氏溫度多少度？少度？98.6熱力學(xué)溫標(biāo)（熱力學(xué)溫標(biāo)（K K） 熱力學(xué)溫標(biāo)是建熱力學(xué)溫標(biāo)是建立在熱力學(xué)第二定律立在熱力學(xué)第二定律基礎(chǔ)上的最科學(xué)的溫基礎(chǔ)上的最科學(xué)的溫標(biāo)，是由