Chapter61-6傳感器原理與測(cè)量電路

1、華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院第第6章、傳感器原理與測(cè)量電路章、傳感器原理與測(cè)量電路本章學(xué)習(xí)要求：本章學(xué)習(xí)要求：1.1.了解傳感器的分類了解傳感器的分類 2.2.掌握常用傳感器測(cè)量原理掌握常用傳感器測(cè)量原理4.4.了解傳感器測(cè)量電路了解傳感器測(cè)量電路機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院種類繁多；大量學(xué)科交叉；應(yīng)用廣泛；實(shí)用性強(qiáng)；6.1 概述概述華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院6.6.本章的學(xué)習(xí)要求本章的學(xué)習(xí)要求掌握常用傳感器的工作原理及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)；了解傳感器的應(yīng)用方法；常用傳感器的典型后續(xù)處理電路；常用傳感器的使用注意事項(xiàng)；太陽能熱水器上傳感

2、器應(yīng)用6.1 概述概述華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院第第6章、傳感器測(cè)量原理章、傳感器測(cè)量原理6.1 6.1 概述概述1. 1. 傳感器定義傳感器定義 傳感器是借助檢測(cè)元件將一種形式的信息轉(zhuǎn)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。換成另一種信息的裝置。 物理量物理量電量電量 目前，傳感器轉(zhuǎn)換后的信號(hào)大多為電信號(hào)。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。號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的裝置。華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院2. 2. 傳感器的構(gòu)成傳感器的構(gòu)成 傳感器由敏感

3、器件與輔助器件組成。敏感器件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。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、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。阻抗匹配，以便于后續(xù)儀表接入。 6.1 概述概述dV華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院4. 4. 傳感器的分類傳感器的分類6.1 概述概述1)1)按被測(cè)物理量分類按被測(cè)物理量分類常見的被測(cè)物理量常見的被測(cè)物理量機(jī)械量機(jī)械量: :長度長度, ,厚度厚度, ,位移位移, ,速度速度, ,加速度加速度, , 旋轉(zhuǎn)角旋轉(zhuǎn)角

4、, ,轉(zhuǎn)數(shù)轉(zhuǎn)數(shù), ,質(zhì)量質(zhì)量, ,重量重量, ,力力, , 壓力壓力, ,真空度真空度, ,力矩力矩, ,風(fēng)速風(fēng)速, ,流速流速, , 流量流量; ;聲聲: : 聲壓聲壓, ,噪聲噪聲. .磁磁: : 磁通磁通, ,磁場(chǎng)磁場(chǎng). .溫度溫度: : 溫度溫度, ,熱量熱量, ,比熱比熱. .光：光： 亮度，色彩亮度，色彩華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院6.1 概述概述機(jī)械式機(jī)械式, ,電氣式電氣式, ,光學(xué)式光學(xué)式, ,流體式等流體式等. .2)2)按工作的物理基礎(chǔ)分類按工作的物理基礎(chǔ)分類: :華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院6.1 概述概述能量轉(zhuǎn)換型和能量控制型能量轉(zhuǎn)換型和能量控

5、制型. .3)3)按信號(hào)變換特征按信號(hào)變換特征: :能量轉(zhuǎn)換型能量轉(zhuǎn)換型: :直接由被測(cè)對(duì)象輸入能量使其工作直接由被測(cè)對(duì)象輸入能量使其工作. . 例如例如: :熱電偶溫度計(jì)熱電偶溫度計(jì), ,壓電式加速度計(jì)壓電式加速度計(jì). .能量控制型能量控制型: :從外部供給能量并由被測(cè)量控制外部從外部供給能量并由被測(cè)量控制外部 供給能量的變化供給能量的變化. .例如例如: :電阻應(yīng)變片電阻應(yīng)變片. .華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院6.1 概述概述4)4)按敏感元件與被測(cè)對(duì)象之間的能量關(guān)系按敏感元件與被測(cè)對(duì)象之間的能量關(guān)系: :物性型物性型: :依靠敏感元件材料本身物理性質(zhì)的變化來依靠敏感元件材料本

6、身物理性質(zhì)的變化來實(shí)現(xiàn)信號(hào)變換實(shí)現(xiàn)信號(hào)變換. .如如: :水銀溫度計(jì)水銀溫度計(jì). .結(jié)構(gòu)型結(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. . 例如例如: :電容式和電感式傳感器電容式和電感式傳感器. .華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院6.2 6.2 電阻式傳感器電阻式傳感器 電阻式傳感器電阻式傳感器是把被測(cè)量轉(zhuǎn)換為電阻變化的一是把被測(cè)量轉(zhuǎn)換為電阻變化的一種傳感器種傳感器, , 按工作的原理可分為按工作的原理可分為: :變阻器式、電阻應(yīng)變式、變阻器式、電阻應(yīng)變式、熱敏式、光敏式、電敏式熱敏式、光敏式、電敏式.1 1 變阻器式傳感器變阻器式傳感器第第

7、6章、傳感器測(cè)量原理章、傳感器測(cè)量原理華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院 等效電路分析等效電路分析: :xL6.2 電阻式傳感器電阻式傳感器L-L-變阻器總長變阻器總長; ;x-x-電刷移動(dòng)量電刷移動(dòng)量. .R-R-總電阻總電阻; ; R RL L電刷電阻電刷電阻; ;R=K*ll=R/KEE1Lx=RRL=EE1x=L*E1 / E華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院6.2 電阻式傳感器電阻式傳感器x=L*E1 / E= K*E10 LEE1x華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院6.2 電阻式傳感器電阻式傳感器EE1V VRmRxR-Rx1EE1= =xLRmR+ +Lx()-

8、華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院6.2 電阻式傳感器電阻式傳感器負(fù)載效應(yīng)負(fù)載效應(yīng)1EE1= =xLRmR+ +Lx()-0LE華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院(2) (2) 變阻器式傳感器的性能參數(shù)變阻器式傳感器的性能參數(shù): : 1) 1)線性線性( (或曲線的一致性或曲線的一致性); 4); 4)移動(dòng)或旋轉(zhuǎn)角度范圍移動(dòng)或旋轉(zhuǎn)角度范圍; ; 2) 2) 分辨率分辨率; 5); 5)電阻溫度系數(shù)電阻溫度系數(shù); ; 3) 3)整個(gè)電阻值的偏差整個(gè)電阻值的偏差; 6); 6)壽命壽命; ;(3)(3)變阻器式傳感器的分類變阻器式傳感器的分類6.2 電阻式傳感器電阻式傳感器按測(cè)量類型：

9、按測(cè)量類型：?jiǎn)稳﹄娢黄鲉稳﹄娢黄鞫嗳﹄娢黄鞫嗳﹄娢黄髦本€滑動(dòng)式電位器直線滑動(dòng)式電位器華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院6.2 電阻式傳感器電阻式傳感器按制作方式：按制作方式：線繞電位器線繞電位器導(dǎo)電塑料電位器導(dǎo)電塑料電位器普通塑料基底普通塑料基底導(dǎo)電導(dǎo)電材料粉材料粉華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院變阻器式傳感器產(chǎn)品變阻器式傳感器產(chǎn)品6.2 電阻式傳感器電阻式傳感器華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院案例：案例：重量的自動(dòng)檢測(cè)重量的自動(dòng)檢測(cè)-配料設(shè)備配料設(shè)備 比較比較重量設(shè)定原材料原材料6.2 電阻式傳感器電阻式傳感器原理：彈簧原理：彈簧-力力-位移位移 -電位器電位器-電阻電

10、阻華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院案例：案例：煤氣包儲(chǔ)量檢測(cè)煤氣包儲(chǔ)量檢測(cè)煤氣包煤氣包鋼絲鋼絲6.2 電阻式傳感器電阻式傳感器原理：鋼絲原理：鋼絲-收線圈數(shù)收線圈數(shù) -電位器電位器 -電阻電阻華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院案例：案例：玩具機(jī)器人（廣州中鳴數(shù)碼玩具機(jī)器人（廣州中鳴數(shù)碼 ）6.2 電阻式傳感器電阻式傳感器原理：電機(jī)原理：電機(jī)-轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)角 -電位器電位器 -電阻電阻華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院2 2 電阻應(yīng)變式傳感器電阻應(yīng)變式傳感器-應(yīng)變片應(yīng)變片 電阻應(yīng)變片工作原理是基于金屬導(dǎo)體的應(yīng)變效電阻應(yīng)變片工作原理是基于金屬導(dǎo)體的應(yīng)變效應(yīng)，即金屬導(dǎo)體在外力作用下發(fā)生

11、機(jī)械變形時(shí)，其應(yīng)，即金屬導(dǎo)體在外力作用下發(fā)生機(jī)械變形時(shí)，其電阻值隨著所受機(jī)械變形電阻值隨著所受機(jī)械變形( (伸長或縮短伸長或縮短) )的變化而發(fā)的變化而發(fā)生變化象。生變化象。 6.2 電阻式傳感器電阻式傳感器華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院1) 1) 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)6.2 電阻式傳感器電阻式傳感器金屬應(yīng)變片的電阻金屬應(yīng)變片的電阻R R為為AlR/=dAldAAldlAdR+=2代入代入AlR/=dRAdARldlRdR+=華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院6.2 電阻式傳感器電阻式傳感器d

12、AdAldlRdR+=有：有：金屬絲：金屬絲：2rA=drdrldlRdR+=2金屬絲體積不變：金屬絲體積不變：=ldlrdr華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院6.2 電阻式傳感器電阻式傳感器有：有：dRdR+=2對(duì)金屬材料，導(dǎo)電率不變：對(duì)金屬材料，導(dǎo)電率不變：)21(+=RdR金屬絲應(yīng)變片：金屬絲應(yīng)變片：華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院應(yīng)變計(jì)6.2 電阻式傳感器電阻式傳感器金屬應(yīng)變計(jì)金屬應(yīng)變計(jì)華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院6.2 電阻式傳感器電阻式傳感器半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)drdrldlRdR+=2簡(jiǎn)化為：簡(jiǎn)化為：dRdR=E= 優(yōu)點(diǎn)：靈敏度大優(yōu)點(diǎn)：靈敏度大; ;

13、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。華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院3) 3) 應(yīng)變片的主要參數(shù)應(yīng)變片的主要參數(shù) 4 4）其它表示應(yīng)變計(jì)性能的參數(shù)（工作溫度、滯后、）其它表示應(yīng)變計(jì)性能的參數(shù)（工作溫度、滯后、 蠕變、零漂以及疲勞壽命、橫向靈敏度等）。蠕變、零漂以及疲勞壽命、橫向靈敏度等）。 6.2 電阻式傳感器電阻式傳感器1 1）幾何參數(shù)：表距）幾何參數(shù)：表距L L和絲柵寬度和絲柵寬度b b，制造廠常用，制造廠常用 b bL L表示。表示。2 2）電阻值：應(yīng)變計(jì)的原始電阻值。）電阻值：應(yīng)變計(jì)的原始電阻值。 3 3）靈敏

14、系數(shù)：表示應(yīng)變計(jì)變換性能的重要參數(shù)。）靈敏系數(shù)：表示應(yīng)變計(jì)變換性能的重要參數(shù)。 華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院6.2 電阻式傳感器電阻式傳感器3) 3) 應(yīng)變片測(cè)量電路應(yīng)變片測(cè)量電路VER1R2R3R4ERRRRRRRRV)(32413142+=華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院6.2 電阻式傳感器電阻式傳感器ERRRRRRRRV)(32413142+=令：令：RR =1dRRR+=4RRR=32ERRdRRRRRdRRRV)()(+=RdRE=4)21(+=RdR金屬絲應(yīng)變片：金屬絲應(yīng)變片：V V與應(yīng)變成線形關(guān)系，可以用電橋測(cè)量電壓測(cè)量應(yīng)變與應(yīng)變成線形關(guān)系，可以用電橋測(cè)量電壓

15、測(cè)量應(yīng)變?nèi)A中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院6.2 電阻式傳感器電阻式傳感器電阻應(yīng)變片的選擇、粘貼技術(shù)電阻應(yīng)變片的選擇、粘貼技術(shù) 1.1.目測(cè)電阻應(yīng)變片有無折痕目測(cè)電阻應(yīng)變片有無折痕. .斷絲等斷絲等 缺陷，有缺陷的應(yīng)變片不能粘貼。缺陷，有缺陷的應(yīng)變片不能粘貼。2.2.用數(shù)字萬用表測(cè)量應(yīng)變片電阻值大用數(shù)字萬用表測(cè)量應(yīng)變片電阻值大 小。同一電橋中各應(yīng)變片之間阻值小。同一電橋中各應(yīng)變片之間阻值 相差不得大于相差不得大于0.50.5歐姆歐姆. .4.4.試件表面處理：貼片處置用細(xì)紗紙打磨干凈，用試件表面處理：貼片處置用細(xì)紗紙打磨干凈，用 酒精棉球反復(fù)擦洗貼處，直到棉球無黑跡為止。酒精棉球反復(fù)擦洗

16、貼處，直到棉球無黑跡為止。4.4.應(yīng)變片粘貼應(yīng)變片粘貼: :在應(yīng)變片基底上擠一小滴在應(yīng)變片基底上擠一小滴502502膠水，膠水， 輕輕涂抹均勻，立即放在應(yīng)變貼片位置。輕輕涂抹均勻，立即放在應(yīng)變貼片位置。華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院6.2 電阻式傳感器電阻式傳感器5.5.焊線焊線: :用電烙鐵將應(yīng)變片的引線焊接到導(dǎo)引線上。用電烙鐵將應(yīng)變片的引線焊接到導(dǎo)引線上。6.6.用兆歐表檢查應(yīng)變片與試件之間的絕緣組織，應(yīng)用兆歐表檢查應(yīng)變片與試件之間的絕緣組織，應(yīng) 大于大于500M500M歐。歐。7.7.應(yīng)變片保護(hù)：用應(yīng)變片保護(hù)：用704704硅橡膠覆于應(yīng)變片上，防止硅橡膠覆于應(yīng)變片上，防止 受潮

17、。受潮。華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院6.2 電阻式傳感器電阻式傳感器電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用：測(cè)力電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用：測(cè)力華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院6.2 電阻式傳感器電阻式傳感器標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院案例：案例：橋梁固有頻率測(cè)量橋梁固有頻率測(cè)量6.2 電阻式傳感器電阻式傳感器華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院案例：案例：電子稱電子稱原理將物品重量通過懸臂梁轉(zhuǎn)化結(jié)構(gòu)變形再通過應(yīng)變片轉(zhuǎn)化為電量輸出。6.2 電阻式傳感器電阻式傳感器華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院案例：沖床生產(chǎn)記數(shù)案例：沖床生產(chǎn)記數(shù) 和生產(chǎn)過程監(jiān)測(cè)和生產(chǎn)過

18、程監(jiān)測(cè)6.2 電阻式傳感器電阻式傳感器華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院案例：機(jī)器人握力測(cè)量案例：機(jī)器人握力測(cè)量6.2 電阻式傳感器電阻式傳感器華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院6.2 電阻式傳感器電阻式傳感器案例：案例：振動(dòng)式地音入侵探測(cè)器振動(dòng)式地音入侵探測(cè)器 適合于金庫、倉庫、古建筑的防范，挖墻、打適合于金庫、倉庫、古建筑的防范，挖墻、打洞、爆破等破壞行為均可及時(shí)發(fā)現(xiàn)。洞、爆破等破壞行為均可及時(shí)發(fā)現(xiàn)。華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院6.2 電阻式傳感器電阻式傳感器華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院第第6章、傳感器測(cè)量原理章、傳感器測(cè)量原理6.3 6.3 電感式傳感

19、器電感式傳感器 電感式傳感器是基于電磁感應(yīng)原理，它是把被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。測(cè)量轉(zhuǎn)化為電感量的一種裝置。分類分類: :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華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院6.3 電感式傳感器電感式傳感器1 1 自感型自感型-可變磁阻式可變磁阻式可變導(dǎo)磁面積型可變導(dǎo)磁面積型差動(dòng)型差動(dòng)型2002ANL =原理原理: :電磁感應(yīng)電磁感應(yīng)華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院自感式傳感器自感式傳感器 自感式傳感器原自感式傳感器原理結(jié)構(gòu)如圖所示。纏理結(jié)構(gòu)如圖所示。纏繞在鐵芯上的線圈中繞在

20、鐵芯上的線圈中通以交變電流通以交變電流 ，產(chǎn)生，產(chǎn)生磁通，形成磁通回路。磁通，形成磁通回路。線圈自感可按下式計(jì)線圈自感可按下式計(jì)算。算。式中式中NN線圈匝數(shù)；線圈匝數(shù)； 磁路總磁阻磁路總磁阻m2RNL=mRdi1 S23圖自感式傳感器 線圈； 2 鐵芯； 3 銜鐵。 1華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院 對(duì)圖示情況，因?yàn)闅庀逗穸葘?duì)圖示情況，因?yàn)闅庀逗穸萪 d較小，可以認(rèn)為氣較小，可以認(rèn)為氣隙磁場(chǎng)是均勻的，若忽略磁路鐵損，則總磁阻隙磁場(chǎng)是均勻的，若忽略磁路鐵損，則總磁阻為為 式中式中 l li i各段磁導(dǎo)體各段磁導(dǎo)體 的長度；的長度；S Si i各段磁導(dǎo)體截面積；各段磁導(dǎo)體截面積； i i

21、各段磁導(dǎo)體的磁導(dǎo)率各段磁導(dǎo)體的磁導(dǎo)率；S S 空氣隙橫截面積空氣隙橫截面積； 0 0空氣的磁導(dǎo)率空氣的磁導(dǎo)率 SdSlRiii0m2)(+=6.3.2電感式傳感器電感式傳感器華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院 常用的三種類型自感式位移傳感器 變氣隙式變面積式螺管式 (a)(b)(c)dx(a)(b)xx(c)6.3.2電感式傳感器電感式傳感器華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院 為了提高傳感器的靈敏度和精度，增大線性范為了提高傳感器的靈敏度和精度，增大線性范圍，實(shí)際上許多傳感器都做成差動(dòng)式。如圖圍，實(shí)際上許多傳感器都做成差動(dòng)式。如圖4- 4-1616所示，其機(jī)械結(jié)構(gòu)相當(dāng)于兩個(gè)上述變氣

22、隙厚所示，其機(jī)械結(jié)構(gòu)相當(dāng)于兩個(gè)上述變氣隙厚度元件的組合。輸出特性如圖度元件的組合。輸出特性如圖4-174-17所示。后續(xù)所示。后續(xù)電路采用交流電橋，兩電感式傳感元件，分別電路采用交流電橋，兩電感式傳感元件，分別接到交流電橋相鄰兩臂，形成電橋電路。接到交流電橋相鄰兩臂，形成電橋電路。差動(dòng)式自感傳感器的輸出特性圖4-16 差動(dòng)式自感傳感器圖4-17 輸出輸出 iL1-x0+x位移d0d0L2i1i2ZLucL1L2x06.3.2電感式傳感器電感式傳感器華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院電感式接近傳感器（金屬）電感式接近傳感器（金屬）6.3 電感式傳感器電感式傳感器華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技

23、大學(xué)機(jī)械學(xué)院2 2 渦流式渦流式原理原理: :渦流效應(yīng)渦流效應(yīng)6.3 電感式傳感器電感式傳感器華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院原線圈的等效阻抗原線圈的等效阻抗Z Z變化：變化：),(ZZ =4.4 電感式傳感器電感式傳感器華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院電渦流傳感器電渦流傳感器 電渦流式傳感器的工作原理是基于金屬平板置電渦流式傳感器的工作原理是基于金屬平板置于交變磁場(chǎng)中產(chǎn)生感應(yīng)電流，這種電流在金屬于交變磁場(chǎng)中產(chǎn)生感應(yīng)電流，這種電流在金屬平板內(nèi)自行閉合，稱之為渦流。平板內(nèi)自行閉合，稱之為渦流。 類型：高頻反射式和低頻透射式類型：高頻反射式和低頻透射式 特點(diǎn)：靈敏度高，分辨率可達(dá)特

24、點(diǎn)：靈敏度高，分辨率可達(dá)1m1m，頻率范圍，頻率范圍 010kHz010kHz，非接觸式測(cè)量和抗干擾性強(qiáng)。，非接觸式測(cè)量和抗干擾性強(qiáng)。6.3.2電感式傳感器電感式傳感器華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院 如圖如圖4-204-20所示，將扁平線圈所示，將扁平線圈1 1置于金置于金屬導(dǎo)體屬導(dǎo)體2 2附近，當(dāng)線圈中通以正弦附近，當(dāng)線圈中通以正弦交變電流交變電流i i1 1時(shí)，線圈的周圍空間產(chǎn)時(shí)，線圈的周圍空間產(chǎn)生正弦交變磁場(chǎng)生正弦交變磁場(chǎng)H H1 1，處于此交變磁，處于此交變磁場(chǎng)中的金屬導(dǎo)體內(nèi)就會(huì)產(chǎn)生渦流場(chǎng)中的金屬導(dǎo)體內(nèi)就會(huì)產(chǎn)生渦流i i2 2，此渦流也將產(chǎn)生交變磁場(chǎng)此渦流也將產(chǎn)生交變磁場(chǎng)H

25、H2 2，H H2 2的的方向與方向與H H1 1的方向相反，由于渦流要的方向相反，由于渦流要消耗一部分能量，從而使線圈的等消耗一部分能量，從而使線圈的等效參數(shù)發(fā)生變化，這種變化可用等效參數(shù)發(fā)生變化，這種變化可用等效電路作簡(jiǎn)化推導(dǎo)效電路作簡(jiǎn)化推導(dǎo)。 H1H2i1i212 d圖4-20 電渦流作用原理1線圈；2金屬導(dǎo)體。6.3.2電感式傳感器電感式傳感器華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院 圖圖4-214-21所示是渦流傳所示是渦流傳感器元件及被測(cè)金屬感器元件及被測(cè)金屬表面所形成的電磁耦表面所形成的電磁耦合等效電路，它相當(dāng)合等效電路，它相當(dāng)于一個(gè)變壓器耦合，于一個(gè)變壓器耦合，初級(jí)為扁平線圈，

26、次初級(jí)為扁平線圈，次級(jí)為渦電流形成的單級(jí)為渦電流形成的單圈線圈。兩線圈分別圈線圈。兩線圈分別可等效為一電阻與電可等效為一電阻與電感的組合感的組合。 圖 4-21 電渦流傳感器的 等效電路R1L1 R2L2 M6.3.2電感式傳感器電感式傳感器華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院 兩線圈通過磁通耦合，用互感系數(shù)兩線圈通過磁通耦合，用互感系數(shù) 來表示它們的來表示它們的耦合程度。根據(jù)基爾霍夫定律，可寫出方程組耦合程度。根據(jù)基爾霍夫定律，可寫出方程組由此方程組求解可得線圈的等效阻抗為由此方程組求解可得線圈的等效阻抗為=+=+0jjjj2222121111ILIRIMEIMILIR)( j)(222

27、2222122222221LRMLLLRMRRZ+=6.3.2電感式傳感器電感式傳感器華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院 線圈的等效電感為線圈的等效電感為線圈的等效品質(zhì)因數(shù)線圈的等效品質(zhì)因數(shù) Q Q值為值為式中式中 無渦流影響下線圈的無渦流影響下線圈的Q Q值，值， 金屬導(dǎo)體中產(chǎn)生電渦流部分的阻抗，金屬導(dǎo)體中產(chǎn)生電渦流部分的阻抗，22222221)( LRMLLL+=222212222212011ZMRRZMLLQQ+=0Q110RLQ=2Z2222222LRZ+=6.3.2電感式傳感器電感式傳感器華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院6.3 電感式傳感器電感式傳感器華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)

28、院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院產(chǎn)品：產(chǎn)品：6.3 電感式傳感器電感式傳感器華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院案例：連續(xù)油管的橢圓度測(cè)量案例：連續(xù)油管的橢圓度測(cè)量Coiled TubeEddy Sensor Reference Circle6.3 電感式傳感器電感式傳感器華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院案例：無損探傷案例：無損探傷原理裂紋檢測(cè)，缺陷造成渦流變化。火車輪檢測(cè)火車輪檢測(cè)油管檢測(cè)油管檢測(cè)6.3 電感式傳感器電感式傳感器華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院2 2 互感型互感型-差動(dòng)變壓器差動(dòng)變壓器WW1W2Esx-x工作原理工作原理: :互感現(xiàn)象互感現(xiàn)象.EwEout6.3 電

29、感式傳感器電感式傳感器華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院?jiǎn)温莨芫€圈型單螺管線圈型螺管線圈差動(dòng)螺管線圈差動(dòng)雙螺管線圈差動(dòng)型雙螺管線圈差動(dòng)型傳感器測(cè)量電路傳感器測(cè)量電路4.4 電感式傳感器電感式傳感器華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院差動(dòng)變壓器差動(dòng)變壓器測(cè)量電路測(cè)量電路4.4 電感式傳感器電感式傳感器華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院互感式傳感器互感式傳感器1）工作原理與結(jié)構(gòu)）工作原理與結(jié)構(gòu) 其基本結(jié)構(gòu)與原理和常用變壓器類似，常其基本結(jié)構(gòu)與原理和常用變壓器類似，常稱變壓器式傳感器。與變壓器的不同之處：變稱變壓器式傳感器。與變壓器的不同之處：變壓器是閉合磁路，而差動(dòng)變壓器是開磁路；

30、前壓器是閉合磁路，而差動(dòng)變壓器是開磁路；前者原、副邊間的互感系數(shù)是常數(shù)，而后者的互者原、副邊間的互感系數(shù)是常數(shù)，而后者的互感系數(shù)隨銜鐵移動(dòng)有相應(yīng)變化。感系數(shù)隨銜鐵移動(dòng)有相應(yīng)變化。6.3.2電感式傳感器電感式傳感器華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院 基本互感傳感器的原基本互感傳感器的原理結(jié)構(gòu)如圖理結(jié)構(gòu)如圖4-184-18所示，所示，線圈線圈W1W1為初級(jí)線圈為初級(jí)線圈（原邊），線圈（原邊），線圈W2W2為為次級(jí)線圈（副邊）。次級(jí)線圈（副邊）。當(dāng)原邊通以交流當(dāng)原邊通以交流i i1 1時(shí)，時(shí)，根據(jù)變磁通全回路上根據(jù)變磁通全回路上磁通的交變變化，而磁通的交變變化，而在副邊上感生感應(yīng)電在副邊上感生

31、感應(yīng)電勢(shì)，其大小為勢(shì)，其大小為 121dieMdt= i1e21 3 圖 4-18 互感式傳感器 1初級(jí)線圈； 2鐵芯； 3次級(jí)線圈；4銜鐵。 2146.3.2電感式傳感器電感式傳感器華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院 如圖如圖4-194-19（a a）、（）、（b b）所示是用以測(cè)量直線位移）所示是用以測(cè)量直線位移和角位移的兩種差動(dòng)變壓器，它們具有一個(gè)原邊線圈和角位移的兩種差動(dòng)變壓器，它們具有一個(gè)原邊線圈和兩個(gè)副邊線圈。根據(jù)前述分析，兩次級(jí)分別具有感和兩個(gè)副邊線圈。根據(jù)前述分析，兩次級(jí)分別具有感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，將二電勢(shì)相互反接，如圖應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，將二電勢(shì)相互反接，如圖4-194-19（c c）所

32、示。）所示。當(dāng)銜鐵處于中央位置時(shí)，若兩次級(jí)線圈參數(shù)及磁路尺當(dāng)銜鐵處于中央位置時(shí)，若兩次級(jí)線圈參數(shù)及磁路尺寸相等，即寸相等，即 ，故，故 ；當(dāng)銜鐵向上運(yùn)動(dòng)；當(dāng)銜鐵向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，時(shí)， ，當(dāng)銜鐵向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，當(dāng)銜鐵向下運(yùn)動(dòng)時(shí)， ，其特性如圖，其特性如圖4-194-19（d d）所示。）所示。12ee =00e =12ee12ee (a)直線位移差動(dòng)變壓器；(b)角度位移差動(dòng)變壓器；(c)差動(dòng)工作原理 ；(d)輸出特性。 圖 4-19 差動(dòng)傳感器 P x W1 W W2 W1 e 0 eo W2 W W W1 W2 e1 e2 eo= e1 e2 P x 鐵芯位置x e1 e2 eo=e1-e2 (a)

33、(b) (c) (d) 6.3.2電感式傳感器電感式傳感器華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院差動(dòng)變壓器位移傳感器差動(dòng)變壓器位移傳感器6.3 電感式傳感器電感式傳感器華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院案例：案例：板的厚度測(cè)量板的厚度測(cè)量 6.3 電感式傳感器電感式傳感器華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院案例：案例：張力測(cè)量張力測(cè)量6.3 電感式傳感器電感式傳感器華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院第第6章、傳感器測(cè)量原理章、傳感器測(cè)量原理6.4 6.4 電容式傳感器電容式傳感器 變換原理變換原理: :將被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)化為電容量變化將被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)化為電容量變化兩平行極板組成

34、的電兩平行極板組成的電容器容器, ,它的電容量為它的電容量為: :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。華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院（1）優(yōu)點(diǎn)）優(yōu)點(diǎn)高阻抗，小功率，因而僅需要很小的輸入力和很低高阻抗，小功率，因而僅需要很小的輸入力和很低的輸入能量；的輸入能量；可獲得較大的相對(duì)改變量，從而具有較高的信噪比可獲得較大的相對(duì)改變量，從而具有較高的信噪比和系統(tǒng)穩(wěn)定性；和系統(tǒng)穩(wěn)定性；動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，能在幾兆赫的頻率下工作；動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，能在幾兆赫的頻率下工作；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，應(yīng)用較廣，可在惡劣環(huán)境中工作；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，應(yīng)用較廣，可在惡劣環(huán)境中工作；可以進(jìn)

35、行非接觸測(cè)量。可以進(jìn)行非接觸測(cè)量。（2）缺點(diǎn)）缺點(diǎn)輸出特性非線性較嚴(yán)重；輸出特性非線性較嚴(yán)重；分布電容影響較大，分布電容不僅降低了轉(zhuǎn)換效率，分布電容影響較大，分布電容不僅降低了轉(zhuǎn)換效率，還會(huì)引起測(cè)量誤差。還會(huì)引起測(cè)量誤差。華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院工作原理及結(jié)構(gòu)工作原理及結(jié)構(gòu) 電容傳感器是將各種被測(cè)物理量轉(zhuǎn)換成電容量變電容傳感器是將各種被測(cè)物理量轉(zhuǎn)換成電容量變化的一種傳感器。其最基本結(jié)構(gòu)形式如圖化的一種傳感器。其最基本結(jié)構(gòu)形式如圖4-224-22所所示。根據(jù)物理學(xué)中的推導(dǎo)，兩平行平板導(dǎo)體之間示。根據(jù)物理學(xué)中的推導(dǎo)，兩平行平板導(dǎo)體之間的電容量為的電容量為 極板間介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)極

36、板間介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)； 真空介電常數(shù)；真空介電常數(shù)； S兩極板間相互覆蓋面積；兩極板間相互覆蓋面積；d d兩極板間的距離。兩極板間的距離。dSC0r= d圖4-22 電容傳感器r06.3.36.3.3電容傳感器電容傳感器華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院6.4 電容式傳感器電容式傳感器 a)a)極距極距變化型變化型+AC0=+華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院 圖中（圖中（a a）是最基本的變極距型電容傳感器。定極板固定，動(dòng)）是最基本的變極距型電容傳感器。定極板固定，動(dòng)極板隨被測(cè)體而移動(dòng)，這樣就能改變二極板之間的電容量。極板隨被測(cè)體而移動(dòng)，這樣就能改變二極板之間的電容量。 為了提

37、高靈敏度和線性度，以及克服某些外界條件，如電源為了提高靈敏度和線性度，以及克服某些外界條件，如電源電壓、環(huán)境溫度變化的影響，常采用差動(dòng)形式的電容傳感器，電壓、環(huán)境溫度變化的影響，常采用差動(dòng)形式的電容傳感器，其原理結(jié)構(gòu)如圖其原理結(jié)構(gòu)如圖4-234-23（b b）所示，上下兩極板是固定板，中間）所示，上下兩極板是固定板，中間極板是活動(dòng)極板。極板是活動(dòng)極板。 圖圖4-23(d)4-23(d)是一種電容式加速度傳感器。敏感加速度的質(zhì)量塊是一種電容式加速度傳感器。敏感加速度的質(zhì)量塊用二彈簧片固定，其上下兩平面為差動(dòng)式電容器的活動(dòng)板。用二彈簧片固定，其上下兩平面為差動(dòng)式電容器的活動(dòng)板。質(zhì)量塊感受加速度而產(chǎn)

38、生位移時(shí)電容隨之變化。質(zhì)量塊感受加速度而產(chǎn)生位移時(shí)電容隨之變化。 (a)基本變極距型；(b)差動(dòng)型 ；(c)壓力傳感器 ；(d)加速度傳感器。 圖 4-23 變極距型電容傳感器 P a (a) (b) (c) (d) 可動(dòng)極板固定極板1可動(dòng)極板固定極板2固定極板固定極板固定極板華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院駐極體電容傳聲器駐極體電容傳聲器 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，取代了電容傳聲器極板，故名為駐極體電容傳聲器。代了電容傳聲器極板，故名為駐極體電容

39、傳聲器。特點(diǎn)是體積小、性能優(yōu)越、使用方便。特點(diǎn)是體積小、性能優(yōu)越、使用方便。 6.4 電容式傳感器電容式傳感器 華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院b)b)面積變化型面積變化型AC0=角位移型角位移型+6.4 電容式傳感器電容式傳感器 華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院AC0=平面線位移型平面線位移型6.4 電容式傳感器電容式傳感器 華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院柱面線位移型柱面線位移型. .AC0=6.4 電容式傳感器電容式傳感器 華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院 圖圖4-264-26（a a）、（）、（b b）、（）、（c c）、（）、（d d）是用以測(cè)量線位）

40、是用以測(cè)量線位移的電容傳感器元件，圖移的電容傳感器元件，圖4-264-26（e e）是用以測(cè)量角位）是用以測(cè)量角位移的電容傳感元件，它們都是將位移變?yōu)殡娙萜鞯囊频碾娙輦鞲性?，它們都是將位移變?yōu)殡娙萜鞯南嗷ジ采w面積的變化。為了提高靈敏度，可以采用相互覆蓋面積的變化。為了提高靈敏度，可以采用差動(dòng)式（差動(dòng)式（b b）、多片式）、多片式(a)(a)、(e)(e)或多齒式（或多齒式（d d）。因?yàn)椋?。因?yàn)樵谑剑ㄔ谑剑?-374-37）中電容的變化是與二極板相互覆蓋面積）中電容的變化是與二極板相互覆蓋面積成線性關(guān)系，所以這種方案較之變極距型方案在此成線性關(guān)系，所以這種方案較之變極距型方案在此方面有可取之

41、處方面有可取之處。6.3.36.3.3電容傳感器電容傳感器 (a) (b) (c) (d) (e) 圖 4-26 變面積型電容傳感元件 華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院c) c) 介質(zhì)變化型介質(zhì)變化型AC0=6.4 電容式傳感器電容式傳感器 華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院 圖圖4-274-27是利用改變介電常是利用改變介電常數(shù)的電容傳感元件。數(shù)的電容傳感元件。(a)(a)在在兩固定極板間有一介質(zhì)層兩固定極板間有一介質(zhì)層通過，介質(zhì)層的厚度變化通過，介質(zhì)層的厚度變化或濕度變化均會(huì)引起其在或濕度變化均會(huì)引起其在極板內(nèi)的介電常數(shù)總的變極板內(nèi)的介電常數(shù)總的變化；化；(b)(b)為工業(yè)上

42、廣泛應(yīng)用為工業(yè)上廣泛應(yīng)用的液位計(jì)，內(nèi)外二圓筒作的液位計(jì)，內(nèi)外二圓筒作為電容器的二極板，液位為電容器的二極板，液位的變化引起極板間總的介的變化引起極板間總的介電常數(shù)的變化，介電常數(shù)電常數(shù)的變化，介電常數(shù)的變化引起電容的變化，的變化引起電容的變化，從而達(dá)到測(cè)量厚度、濕度從而達(dá)到測(cè)量厚度、濕度或液體等物理參數(shù)的目的?；蛞后w等物理參數(shù)的目的。 圖 4-27 變介電常數(shù)電容傳感元件 h x 2 (b) 1 D1 C (a) D2 6.3.36.3.3電容傳感器電容傳感器華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院產(chǎn)品產(chǎn)品. .電容式液位傳感器（液位計(jì)電容式液位傳感器（液位計(jì)/ /料位計(jì)）料位計(jì)）6.4 電容

43、式傳感器電容式傳感器 華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院電容式接近開關(guān)電容式接近開關(guān)振蕩電路振蕩電路被測(cè)物體被測(cè)物體 感應(yīng)電極感應(yīng)電極被測(cè)電容被測(cè)電容測(cè)量頭構(gòu)成電容器的一個(gè)極板，測(cè)量頭構(gòu)成電容器的一個(gè)極板，另一個(gè)極板是物體本身，當(dāng)物體另一個(gè)極板是物體本身，當(dāng)物體移向接近開關(guān)時(shí)，物體和接近開移向接近開關(guān)時(shí)，物體和接近開關(guān)的介電常數(shù)發(fā)生變化，使得和關(guān)的介電常數(shù)發(fā)生變化，使得和測(cè)量頭相連的電路狀態(tài)也隨之發(fā)測(cè)量頭相連的電路狀態(tài)也隨之發(fā)生變化生變化. .接近開關(guān)的檢測(cè)物體，接近開關(guān)的檢測(cè)物體，并不限于金屬導(dǎo)體，也可以是絕并不限于金屬導(dǎo)體，也可以是絕緣的液體或粉狀物體。緣的液體或粉狀物體。6.4 電

44、容式傳感器電容式傳感器 華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院6.4 電容式傳感器電容式傳感器 華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院3 3 測(cè)量電路測(cè)量電路a)a)電橋電路電橋電路 6.4 電容式傳感器電容式傳感器 華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院b) b) 諧振電路諧振電路 LCf210=6.4 電容式傳感器電容式傳感器 華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院d) d) 運(yùn)算放大器電路運(yùn)算放大器電路 6.4 電容式傳感器電容式傳感器 華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院動(dòng)手做：動(dòng)手做：觀察你計(jì)算機(jī)上使用的麥觀察你計(jì)算機(jī)上使用的麥克風(fēng)，并用它測(cè)量你自己克風(fēng)，并用它測(cè)量你自己

45、的聲音，繪出頻譜。的聲音，繪出頻譜。6.4 電容式傳感器電容式傳感器 華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院第第6章、傳感器測(cè)量原理章、傳感器測(cè)量原理6.56.5壓電式傳感器壓電式傳感器 1.1.變換原理變換原理: :壓電效應(yīng)壓電效應(yīng) +串聯(lián)串聯(lián)+并聯(lián)并聯(lián)某些晶體物質(zhì)，當(dāng)沿一定方向?qū)ζ涫┘恿Χ顾兡承┚w物質(zhì)，當(dāng)沿一定方向?qū)ζ涫┘恿Χ顾冃螘r(shí)，內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，在它們的表面會(huì)產(chǎn)生形時(shí)，內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，在它們的表面會(huì)產(chǎn)生電荷；當(dāng)外力除去后，又重新恢復(fù)不帶電狀態(tài)，這電荷；當(dāng)外力除去后，又重新恢復(fù)不帶電狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為種現(xiàn)象稱為“正壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng)”。壓電式傳感器就是利。壓電式傳感器

46、就是利用了物質(zhì)的用了物質(zhì)的“正壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng)”，通常均簡(jiǎn)稱壓電效應(yīng)。，通常均簡(jiǎn)稱壓電效應(yīng)。F+q=DF華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院 1) 壓電式傳感器的等效電路壓電式傳感器的等效電路 由壓電元件的工作原理可知，壓電式傳感器可以看作由壓電元件的工作原理可知，壓電式傳感器可以看作一個(gè)電荷傳感器。同時(shí)，它也是一個(gè)電容器，晶體上一個(gè)電荷傳感器。同時(shí)，它也是一個(gè)電容器，晶體上聚集正負(fù)電荷的兩表面相當(dāng)于電容的兩個(gè)極板，極板聚集正負(fù)電荷的兩表面相當(dāng)于電容的兩個(gè)極板，極板間物質(zhì)等效于一種電介質(zhì)，則其電容量為間物質(zhì)等效于一種電介質(zhì)，則其電容量為dAC0ra=華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)

47、院 壓電傳感器可以等效為壓電傳感器可以等效為一個(gè)與電容相串聯(lián)的電一個(gè)與電容相串聯(lián)的電壓源壓源 壓電傳感器也可以等壓電傳感器也可以等效為一個(gè)電荷源效為一個(gè)電荷源 圖 4-37 壓電傳感器的等效電路 Ua (a)電壓源 ；(b)電荷源。 (a) (b) Q Ca Ca6.3.4 6.3.4 壓電式傳感器壓電式傳感器華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院6.5壓電式傳感器壓電式傳感器 2 2、測(cè)量電路、測(cè)量電路 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)感器信號(hào)先輸入到高輸入阻抗的前置放大器中，經(jīng)過阻抗變換后，方可輸

48、入到后續(xù)顯示儀表中。過阻抗變換后，方可輸入到后續(xù)顯示儀表中。 華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院2) 電壓放大器電壓放大器 壓電傳感器本身的內(nèi)阻抗很高，而輸出能壓電傳感器本身的內(nèi)阻抗很高，而輸出能量較小，因此它的測(cè)量電路通常需接入一個(gè)高量較小，因此它的測(cè)量電路通常需接入一個(gè)高輸入阻抗的前置放大器。根據(jù)壓電傳感器的等輸入阻抗的前置放大器。根據(jù)壓電傳感器的等效電路，它的輸出可以是電壓，也可以是電荷，效電路，它的輸出可以是電壓，也可以是電荷，因此前置放大器有兩種形式：因此前置放大器有兩種形式：電壓放大器和電電壓放大器和電荷放大器。荷放大器。 電壓前置放大器（阻抗變換器）的作用是電壓前置放大器（

49、阻抗變換器）的作用是將壓電傳感器的高輸出阻抗變?yōu)榈洼敵鲎杩梗瑢弘妭鞲衅鞯母咻敵鲎杩棺優(yōu)榈洼敵鲎杩?，并將壓電傳感器的微弱電壓信?hào)放大。并將壓電傳感器的微弱電壓信號(hào)放大。6.3.4 6.3.4 壓電式傳感器壓電式傳感器華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院 電壓放大器電路原理圖及其等效電路。等效電阻等效電阻R為為 ：等效電容等效電容C為：為： 圖 4-39 電壓放大器電路原理及其等效電路圖 (a) (b) (a)放大器電路 ；(b)輸入端簡(jiǎn)化等效電路。 Ca Cc Ua Ra Ci Ri Ui A Uo Ua C R Ca Uo Ui A iaiaRRRRR+=icaCCCC+=6.3.4 6

50、.3.4 壓電式傳感器壓電式傳感器華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院 若壓電元件受正弦力若壓電元件受正弦力F F= =F Fm msinsintt 的作用，則其的作用，則其電壓為電壓為 式中式中 U Um m壓電元件輸出電壓幅值，壓電元件輸出電壓幅值，U Um m= =dFdFm m/ /C Ca a ；d d壓電系數(shù)。壓電系數(shù)。由此可求得放大器輸入端電壓，其復(fù)數(shù)形式由此可求得放大器輸入端電壓，其復(fù)數(shù)形式tUtCdFUasinsinmma=)(j1j)(j1jaicaiCCCRRdFCCRRdFU+=+=6.3.4 6.3.4 壓電式傳感器壓電式傳感器華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械

51、學(xué)院放大器輸入端電壓的幅值及與所測(cè)作用力的相位差放大器輸入端電壓的幅值及與所測(cè)作用力的相位差將由下式表示，即將由下式表示，即 在理想情況下，在理想情況下，R Ra a、R Ri i 都為無限大，即都為無限大，即 R R（C Cc c+ +C Ci i+ +C Ca a）11，那么由式（，那么由式（4-494-49），放大），放大器輸入端的電壓器輸入端的電壓U Usrmsrm為為 表明表明U Usrmsrm與被測(cè)頻率與被測(cè)頻率 無關(guān)。無關(guān)。+=+=)(arctg2)(1aic2aic22msrmCCCRCCCRRdFUaicmsrmCCCdFU+=6.3.4 6.3.4 壓電式傳感器壓電式傳感器

52、華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院3) 電荷放大器電荷放大器 電荷放大器常作為壓電傳感器的輸入電路，它電荷放大器常作為壓電傳感器的輸入電路，它實(shí)際上是一個(gè)具有深度電容負(fù)反饋的高增益運(yùn)實(shí)際上是一個(gè)具有深度電容負(fù)反饋的高增益運(yùn)算放大器，當(dāng)略去算放大器，當(dāng)略去R Ra a和和R Ri i后，電荷放大器可用后，電荷放大器可用圖圖4-404-40表示。表示。 C CF F為電荷放大器反饋電容，為電荷放大器反饋電容，R RF F為并在反饋電容為并在反饋電容兩端的漏電阻。兩端的漏電阻。 圖 4-40 電荷放大器等效電路 Cc Q Ci Ui A Uo Ca CF RF 華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院 電荷放大器輸出電壓為電荷放大器輸出電壓為通常通常A A=10=104 410106 6，故式中，故式中所以所以由上式可知，電荷放大器的輸出電壓由上式可知，電荷放大器的輸出電壓 與電纜電容與電纜電容C Cc c無關(guān)，而與無