第二章-阻抗式結構性傳感器課件1

1、第二章阻抗式結構型傳感器阻抗式結構型傳感器：依靠敏感結構的變形、運動，將被測量轉變成測試電路的阻抗；主要有電阻應變式傳感器、電容式傳感器、電感式傳感器。這類傳感器除結構相似外，它們的共同特點還有：1)同時存在兩種轉換器件， 其一是將被測量轉換成變形、位移、運動等機械量的敏感元件，如：彈性元件、各種運動機構，敏感元件的形式決定了傳感器的結構； 其二是將機械量轉換成電阻、電容、電感等電量的轉換元件，轉換元件決定了傳感器的測試原理。僅由轉換元件也可以直接構成簡單的傳感器，但轉換元件的使用范圍（被測量類型、量程等）將受到很大限制。實際上，常常是敏感元件決定了傳感器的功能和外貌。2)這類傳感器是無源性器

2、件，必須有外接電源才能有電信號輸出。因此，傳感器的精度和靈敏度也與供電電壓有關。2.1阻抗式結構型傳感器的敏感元件 2.1.1彈性敏感元件的主要性能 2.1.2常用彈性元件的結構和性能 2.1.3彈性敏感元件的材料阻抗式結構型傳感器的敏感結構可分為彈性變形和運動機構兩類。彈性變形式敏感結構的原理是：利用被測量伴隨的力作用，將被測量轉變成彈性體的微量彈性變形，或由被測對象直接牽引引起敏感元件的變形或位移。運動機構主要作用是運動變換或放大，如將直線運動變換成旋轉運動，常用的機構主要是齒輪機構、杠桿和連桿機構，可參考機械設計的有關書籍。本章主要介紹彈性敏感元件。2.1.1彈性敏感元件的主要性能彈性敏

3、感元件的主要性能有：彈性特性、靈敏度，剛度、諧振頻率、品質因數、安全系數等。1、彈性特性：指元件的輸入輸出特性，一般指力變形位移（撓度）特性?？捎孟率奖硎荆夯?(2-1)式中：F表示施加于敏感元件的力或力矩，為變形量或位移2、靈敏度與剛度：靈敏度S由下式表示：敏感元件的剛度是靈敏度的倒數。理想傳感器要求有較高的靈敏度，同時傳感器的位移與被測量對象的運動誤差無關，即有足夠的剛性。但是，很多情形下，傳感器的位移也是被測對象的運動誤差。因此，設計傳感器時應當綜合考慮。 (2-2)3、諧振頻率：彈性敏感元件的固有頻率決定其動態(tài)特性，一般來說，固有頻率越高，動態(tài)特性越好。彈性元件是一個質量連續(xù)分布的系統(tǒng)

4、，可以有無窮多個諧振點，一般最關心諧振頻率的最低一個，稱為基頻。敏感元件的諧振頻率可由計算獲得，但必須由實驗校正?？捎孟率焦烙嫞夯?me元件的等效振動質量，k元件的彈簧常數。 (2-3)4、彈性滯后和后效 彈性滯后：是指彈性敏感元件在彈性變形范圍內，加、卸載的正反行程變形不重合的現象，一般用最大變形滯后與最大變形的百分比表示。加在彈性敏感元件上的載荷發(fā)生變化后，其變形并不能立即隨載荷變化，加載（或卸載）后經過一段時間應變才增加（或減?。┑揭欢〝抵档默F象稱為彈性后效，在動態(tài)測試時，易造成測試誤差。5、安全系數： 安全系數反映敏感元件的承載能力，用下式表示：或： 表示材料單位面積的受力，即應力 ，

5、單位為Pa。F為受力或載荷，A為承載面積, 表示材料的許用應力。安全系數越大，敏感元件的過載能力越強，但可能體積越大，越笨重。一般以1.55為宜。除上述特性外，還有材料的蠕變、溫度特性等。2.1.2常用彈性元件的結構和性能常用彈性元件主要有：環(huán)形結構、梁、膜片式結構、波紋管和波登管、諧振結構，它們的性能取決于元件的結構和材料的力學特性。1、基本拉壓 ：材料受力變形的最基本形式是拉壓變形，由下式計算：式中：為應變，即單位長度的變形， 因此它是一個無量綱，習慣上將10-6稱為一個微應變；l 是受力后發(fā)生的變形，l為受載變形長度；E為材料的彈性模量，單位Pa，它是一個僅與材料有關的參數。一般材料受力

6、方向稱為縱向，受力發(fā)生縱向變形的同時，橫向也會發(fā)生變形，用x或y表示，則有下述關系： y, 稱為泊松比，泊松比是材料的基本力學參數，一般鋼材可取0.25，其它材料可從有關手冊查得。等截面桿件、等壁厚圓筒可視為基本拉伸結構。設計時應滿足： 。2、彈性梁: 變形以彎曲為主的結構稱為彈性梁。按支承形式可分有懸臂梁、簡支梁等；按承載特性可分有等截面梁、等強度梁等。只有一端支承的梁稱為懸臂梁結構，如圖2.1所示。圖2.1等截面梁圖中，b為懸臂梁截面寬度，l為力的作用點距固定端的長度，h為梁的厚度，x為測試點的位置。 圖2.1等截面梁圖2.5 扁環(huán)形結構3、環(huán)形結構 稱重式傳感器中常用到如圖2.4所示的圓

7、環(huán)形結構。圖2.5所示的扁環(huán)形結構也常用于測量力傳感器;圖2.4 環(huán)形結構4、膜片式結構膜片式結構可用于測量與微小位移有關的量。雖然膜片的結構非常簡單，但應力分布卻比較復雜，按膜的形狀可分為平膜片、帶硬中心的膜片和波紋膜等，按受力方式可分為集中力載荷和均布力載荷，按應力的性質可分為厚膜和薄膜。膜受載后變形，中心的撓度0最大。設膜厚為h，如果0/h1/3，則可按厚膜計算，厚膜的變形以彎曲為主，膜的拉壓處于次要地位；如果0/h5，則按薄膜計算，認為薄膜是柔軟的，無彎曲剛度和彎曲應力，膜的變形以拉壓為主。圖2.6 平薄膜受均布載荷1)平膜 平膜適合與測量受均布載荷的情形，圓形平膜的結構如圖所示， 2

8、)帶有硬中心的膜片在傳感器中，帶有硬中心的膜片也有廣泛的應用，其特征是膜的中心很厚，可以認為是剛體。常利用硬中心將均布壓力轉換為集中力，在小位移下有較高的應力，因而有更高的靈敏度。圖2.7 硬中心的薄膜受均布載荷5、彈性諧振元件 : 彈性諧振元件能將被測量轉變成頻率信號，常用的諧振元件有振動弦、振動梁、振動膜和振動筒。6、其它結構傳感器器還常采用波紋管和波登管作敏感元件。波紋管是具有規(guī)則形狀的圓形薄殼，在軸向力、徑向力或扭矩的作用下能產生相應的位移，按波紋成型方法可分為無縫波紋管和有縫波紋管。無縫波紋管采用液壓成型，已經有完整的規(guī)格系列；有縫波紋管采用膜片沖壓成型，再沿周邊焊接的工藝制造，其性

9、能優(yōu)越，在精密儀器中應用廣泛。(a)圓形截面 (b)蝶形截面圖2.8 波紋管2.1.3彈性敏感元件的材料對彈性元件材料的性能有以下要求：強度高，彈性極限高；有較高的沖擊韌性和疲勞極限；彈性模量的溫度系數小而穩(wěn)定熱處理后有均勻穩(wěn)定的組織，且各向同性；熱膨脹系數小；具有良好的工藝性，如機械加工性能和熱處理性能；較好的耐腐蝕性能彈性滯后小。一種材料很難滿足上述所有的條件，選用時要根據傳感器的工作和使用條件綜合考慮。常用的彈性合金可分為兩大類：高彈性合金和恒彈性合金。2.2電阻應變式傳感器電阻應變式傳感器的工作原理基于四個基本的轉換環(huán)節(jié)：力(F) 應變() 電阻變化(R) 電壓輸出(V)。其中，力 應

10、變由敏感元件完成，這一轉換依賴于傳感器的結構；應變電阻變化由電阻應變式轉換元件完成，即金屬應變效應；電阻變化電壓輸出則由測試電路完成，三個轉換過程構成一個完整的電阻應變式傳感器。2.2.1 應變效應 導體或半導體在受到外界力的作用時，產生機械變形，機械變形導致其阻值變化，這種因形變而使阻值發(fā)生變化的現象稱為應變效應。 2.2.2 電阻應變片的結構和工作原理基本結構:引線-連接測量導線之用蓋層基底與面膠中間介質和絕緣作用電阻絲(敏感柵)轉換元件 電阻應變片式傳感器是目前用 于測量力、力矩、壓力、加速度、質量等參數最廣泛的傳感器之一。其基本結構與組成如左圖示意。工作原理 對于一長為L、橫截面積為A

11、、電阻率為的金屬絲，其電阻值R為：如果對電阻絲長度作用均勻應力，則、L、A的變化(d、dL、dA)將引起電阻R變化dR ，dR可通過對上式的全微分求得：電阻相對變化量為： 若電阻絲是圓形的，則A=r ,對r 微分得dA=2r dr，則： ll+ dl2r2(r-dr)F圖2-1 金屬絲的應變效應由材料力學的知識：在彈性范圍內，金屬絲受拉力時，沿軸向伸長，沿徑向縮短，則軸向應變和徑向應變的關系為： y=-x （2-5） 為金屬材料的泊松系數。將（2-4）式、（2-5）代入（2-3）式得：KS稱為金屬絲的靈敏系數，表示單位應變所引起的電阻的相對變化。對于確定的材料，(1+2)項是常數，其數值約在1

12、2之間，實驗證明d/x 也是一個常數。上式表示金屬絲的電阻相對變化與軸向應變成正比關系。根據應力和應變的關系:應力 =E，即 ，而 dR，所以 dR 2.2.3 電阻應變片的分類金屬電阻應變片半導體電阻應變片1金屬電阻應變片:絲式、箔式、薄膜式。(1)金屬絲式應變片：將金屬電阻絲（一般是合金，電阻率較高，直徑約0.02mm）粘貼在絕緣基片上，上面覆蓋一層薄膜，使它們變成一個整體。 基片覆蓋層金屬絲引線圖2-2 金屬絲應變片結構（2）金屬箔式應變片 利用光刻、腐蝕等工藝制成一種很薄的金屬箔柵，厚度一般在0.0030.010 mm，粘貼在基片上，上面再覆蓋一層薄膜而制成。其優(yōu)點是表面積和截面積之比

13、大，散熱條件好，允許通過的電流較大，可制成各種需要的形狀，便于批量生產。圖2-3 箔式應變片（3）金屬薄膜應變片 金屬薄膜應變片是采用真空蒸鍍或濺射式陰極擴散等方法，在薄的基底材料上制成一層金屬電阻材料薄膜以形成應變片。 這種應變片有較高的靈敏度系數，允許電流密度大，工作溫度范圍較廣。 常用應變片的形式金屬應變計:2半導體應變片 半導體應變片的工作原理是基于半導體材料的壓阻效應而制成的一種純電阻性元件 。當半導體材料某一軸向受外力作用時，其電阻率會發(fā)生變化。 當半導體應變片受軸向力作用時，其電阻相對變化為 :式中 為半導體應變片的電阻率的相對變化，其值與半導體敏感條在軸向所受的應力之比為一常數

14、。即代入（2-10）式，得：上式中1+2項隨幾何形狀而變化，LE項為壓阻效應，隨電阻率而變化。實驗證明LE比1+2大近百倍，所以1+2可以忽略，因而半導體應變片的靈敏系數為： 半導體應變片的突出優(yōu)點是體積小，靈敏度高，頻率響應范圍寬，輸出幅值大，不需要放大器，可直接與記錄儀連接，使測量系統(tǒng)簡單。但其溫度系數大，應變時非線性較嚴重。2.2.4 電阻應變片的重要特性靈敏度系數. 物理意義：單位應變所引起的電阻相對變化 橫向效應. 機械滯后. 零點漂移和蠕變. 應變極限. 動態(tài)響應特性.2.2.4.1 靈敏度系數 金屬應變絲的電阻相對變化與它所感受的應變之間具有線性關系，用靈敏度系數KS表示。當金屬

15、絲做成應變片后，其電阻應變特性與金屬單絲情況不同。因此，須用實驗方法對應變片的電阻應變特性重新測定。實驗表明，金屬應變片的電阻相對變化與應變在很寬的范圍內均為線性關系。即:K為金屬應變片的靈敏系數。 測量結果表明，應變片的靈敏系數K恒小于線材的靈敏系數KS。原因主要是膠層傳遞變形失真及橫向效應。 2.2.4.2 橫向效應 金屬絲式應變片由于敏感柵的兩端為半圓弧形的橫柵，測量應變時，構件的軸向應變使敏感柵電阻發(fā)生變化，而其橫向應變r也使敏感柵半圓弧部分的電阻發(fā)生變化。 2.2.4.3 機械滯后、零漂及蠕變應變片粘貼在被測試件上，當溫度恒定時，其加載特性與卸載特性不重合，即為機械滯后。1機械應變R

16、卸載加載指示應變i圖2-6 應變片的機械滯后2.2.4.4 應變極限在一定溫度下，應變片的指示應變對測試值的真實應變的相對誤差不超過規(guī)定范圍（一般為10%）時的最大真實應變值。真實應變是由于工作溫度變化或承受機械載荷，在被測試件內產生應力時所引起的表面應變。j真實應變g指示應變i圖2-7 應變片的應變極限100%190%2.2.4.5 動態(tài)特性應變波的波長為 ；應變片的基長為 ；推導應變片在其基長內測得的平均應變最大值 ： 2.2.5 溫度補償1. 單絲自補償應變片由(2-21)式知，若使應變片在溫度變化t時的熱輸出值為零，必須使即： 單絲自補償應變片的優(yōu)點是結構簡單，制造和使用都比較方便，但

17、它必須在具有一定線膨脹系數材料的試件上使用，否則不能達到溫度自補償的目的。2. 雙絲組合式自補償應變片由兩種不同電阻溫度系數（一種為正值，一種為負值）的材料串聯組成敏感柵，以達到一定溫度范圍內在一定材料的試件上實現溫度補償這種應變片的自補償條件要求粘貼在某種試件上的兩段敏感柵，隨溫度變化而產生的電阻增量大小相等，符號相反，即：(Ra) t= (Rb) t焊點RaRb3. 電路補償法 測量應變時，使用兩個應變片，一片貼在被測試件的表面,稱為工作應變片R1 。另一片貼在與被測試件材料相同的補償塊上，稱為補償應變片R2。在工作過程中補償塊不承受應變，僅隨溫度發(fā)生變形。補償應變片粘貼示意圖R1R2補償

18、塊試件4.熱敏電阻補償法熱敏電阻Rt與應變片處在相同的溫度下，當應變片的靈敏度隨溫度升高而下降時，熱敏電阻Rt的阻值下降，使電橋的輸入電壓增加，從而提高了電橋的輸出電壓。選擇分流電阻R的值，可以使應變片靈敏度下降對電橋輸出的影響得到很好的補償。ER2R4R1R3圖2-10 橋路補償法USCRtR2.3 電容式傳感器各種電容式傳感器:電容式接近開關電容式指紋傳感器電容式變送器差壓傳感器 以電容器為敏感元件，將機械位移量轉換為電容量變化的傳感器稱為電容式傳感器。 電容式傳感器是將被測非電量的變化轉換為電容量變化的一種傳感器。結構簡單、分辨力高、可非接觸測量，并能在高溫、輻射和強烈振動等惡劣條件下工

19、作，這是它的獨特優(yōu)點。隨著集成電路技術和計算機技術的發(fā)展，促使它揚長避短，成為一種很有發(fā)展前途的傳感器。2.3.1 電容式傳感器的原理與結構2.3.1.1 基本工作原理平行極板電容器的電容量為：S 極板的遮蓋面積，單位為m2； 極板間介質的介電系數；兩平行極板間的距離，單位為m；0 真空的介電常數，0 =8.85410-12 F/m；r 極板間介質的相對介電常數，對于空氣介質，r 1。一、變面積式 變面積式電容傳感器的輸出特性是線性的，靈敏度是常數。變面積式電容傳感器還可以做成其他形式。這一類傳感器多用于檢測直線位移、角位移、尺寸等參量角位移變面積型:板狀線位移變面積型二、變極距式 近年來，隨

20、著計算機技術的發(fā)展，電容傳感器大多都配置了單片機，所以其非線性誤差可用微機來計算修正。為了提高傳感器的靈敏度，減小非線性，常常把傳感器做成差動形式。三、變介電常數式 圖2.24 變介質型電容傳感器(a)電介質插入式 (b)非導電流散材料物位的電容測量下表列出了幾種常用氣體、液體、固體介質的相對介電常數。介質名稱 相對介電常數r 介質名稱 相對介電常數真空 1 玻璃釉 35 空氣 略大于1 SiO2 38 其他氣體 11.2 云母 58 變壓器油 24 干的紙 24 硅油 23.5 干的谷物 35 聚丙烯 22.2 環(huán)氧樹脂 310 聚苯乙烯 2.42.6 高頻陶瓷 10160 聚四氟乙烯 2.

21、0 低頻陶瓷、壓電陶瓷 100010000 聚偏二氟乙烯 35 純凈的水 80 2.3.2應用中存在的問題及其改進措施1變極距型平板電容傳感器的非線性問題 變極距型電容傳感器的輸出特性是非線性的，雖可采用差動結構來改善，但不可能完全消除。其他類型的電容傳感器只有忽略了電場的邊緣效應時，輸出特性才呈線性。否則邊緣效應所產生的附加電容量將與傳感器電容量直接疊加，使輸出特性非線性。 一 存在的問題2 邊緣效應當極板厚度h與極距之比相對較大時，電容器極板的邊緣處將不再是均勻電場，邊緣效應不僅使電容傳感器的靈敏度降低，還產生非線性。為了消除邊緣效應的影響，可以采用帶有保護環(huán)的結構，如圖2.30所示。保護

22、環(huán)與定極板同心、電氣上絕緣且間隙越小越好，同時始終保持等電位，以保證中間工作區(qū)得到均勻的場強分布，從而克服邊緣效應的影響。為減小極板厚度，往往不用整塊金屬板做極板，而是在石英或陶瓷等非金屬材料表面上蒸涂一薄層金屬作為極板。圖2.30帶有保護環(huán)的電容傳感器的原理結構圖2.31帶保護環(huán)的電容傳感器圖2.31所示為一帶保護環(huán)的微位移電容傳感器，可用來測量偏心、不平行度、振動振幅等。只要被測對象在所用頻率下是導電的，氣隙中介質的介電常數不隨時間、溫度和機械應力而變化，均可獲得較高的測量精度。設計上如作些改變，還能作介電材料的測厚傳感器。3 溫度影響環(huán)境溫度的變化可能改變傳感器的結構參數或介質的介電常數

23、，從而改變電容傳感器的輸出相對于被測輸入量的單值函數關系，產生溫度溫度干擾誤差.圖2.32電容式傳感器的溫度誤差(1)溫度對結構尺寸的影響電容傳感器由于極板間隙很，靈敏度很高，因而對結構尺寸的變化特別敏感。當傳感器各零件材料線脹系數不匹配時，溫度變化將導致極間間隙較大的相對變化，產生很大的溫度誤差。現以圖2-32所示變極距型為例，設定極板厚度為g0，絕緣件厚度b0，動極板至絕緣底部的殼體長為a0，各零件材料的線脹系數分別為a、b、g。當溫度由t0變化t后，極板間隙將由0a0b0g0變成t；由此引起的溫度誤差由此可見，消除溫度誤差的條件為：在設計電容式傳感器時，適當選擇材料及有關結構參數，可以滿

24、足溫度誤差補償要求?；颍?）溫度對介質的影響溫度對介電常數的影響隨介質不同而異，空氣及云母的介電常數溫度系數近似為零；而某些液體介質，如硅油、蓖麻油、煤油等，其介電常數的溫度系數較大。例如煤油的介電常數的溫度系數可達 0.07；若環(huán)境溫度變化50，則將帶來 7的溫度誤差，故采用此類介質時必須注意溫度變化造成的誤差。4 寄生電容影響大 傳感器的初始電容量很小，而其引線電纜電容(l2m導線可達800pF)、測量電路的雜散電容以及傳感器極板與其周圍導體構成的電容等“寄生電容”卻較大?！凹纳娙荨?降低了傳感器的靈敏度，且是隨機變化的，使傳感器的工作不穩(wěn)定，影響測量精度，其變化量甚至超過被測量引起的電

25、容變化量，致使傳感器無法工作。因此對電纜選擇、安裝、接法有要求二 改進措施1 消除和減小邊緣效應 適當減小極間距，使電極直徑或邊長與間距比增大，可減小邊緣效應的影響，但易產生擊穿并有可能限制測量范圍。 電極應做得極薄使之與極間距相比很小，這樣也可減小邊緣電場的影響。 可在結構上增設等位環(huán)來消除邊緣效應。 等位環(huán)3與電極2同平面并將電極2包圍，彼此電絕緣但等電位，使電極1和2之間的電場基本均勻，而發(fā)散的邊緣電場發(fā)生在等位環(huán)3外周不影響傳感器兩極板間電場。 +-等位環(huán)3電極2電極12 消除和減小寄生電容的影響 寄生電容與傳感器電容相并聯，影響傳感器靈敏度，而它的變化則為虛假信號影響儀器的精度，必須

26、消除和減小它。（1）增加傳感器原始電容值（2）注意傳感器的接地和屏蔽；（3）集成化（4）采用“驅動電纜”(雙層屏蔽等位傳輸)技術（5）采用運算放大器法；（6）整體屏蔽法 （1）增加傳感器原始電容值 采用減小極片或極筒間的間距(平板式間距為0.20.5mm，圓筒式間距為0.15mm)，增加工作面積或工作長度來增加原始電容值，但受加工及裝配工藝、精度、示值范圍、擊穿電壓、結構等限制。一般電容值變化在 10-3103 pF范圍內，相對值變化在 10-61范圍內。 （2）集成化 將傳感器與測量電路本身或其前置級裝在一個殼體內，省去傳感器的電纜引線。這樣，寄生電容大為減小而且易固定不變，使儀器工作穩(wěn)定。

27、但這種傳感器因電子元件的特點而不能在高、低溫或環(huán)境差的場合使用。 （3）“驅動電纜”(雙層屏蔽等位傳輸)技術 當電容式傳感器的電容值很小，而因某些原因(如環(huán)境溫度較高)，測量電路只能與傳感器分開時，可采用“驅動電纜”技術。采用這種技術可使電纜線長達10m之遠也不影響儀器的性能。傳感器與測量電路前置級間的引線為雙屏蔽層電纜，其內屏蔽層與信號傳輸線(即電纜芯線)通過增益為1的放大器成為等電位，從而消除了芯線與內屏蔽層之間的電容。圖3-21 “驅動電纜”技術由于屏蔽線上有隨傳感器輸出信號變化而變化的電壓，因此稱為“驅動電纜”。外屏蔽層接大地或接儀器地，用來防止外界電場的干擾。 當電容式傳感器的初始電

28、容值很大(幾百F)時，只要選擇適當的接地點仍可采用一般的同軸屏蔽電纜，電纜可以長達10m，儀器仍能正常工作。 內外屏蔽層之間的電容是1:1放大器的負載。1:1放大器是一個輸入阻抗要求很高、具有容性負載、放大倍數為1(準確度要求達1/10000)的同相(要求相移為零)放大器。因此“驅動電纜”技術對1:1放大器要求很高，電路復雜，但能保證電容式傳感器的電容值小于1pF時，也能正常工作。 （4）整體屏蔽法C1C2CP1CP2Z1Z2-A 將電容式傳感器和所采用的轉換電路、傳輸電纜等用同一個屏蔽殼屏蔽起來，正確選取接地點可減小寄生電容的影響和防止外界的干擾。圖3-23 交流電橋的整體屏蔽2.4 電感式

29、傳感器2.4.1 電感器式傳感器的原理電感式傳感器種類很多，本章主要介紹基于變磁阻原理的自感式和互感式傳感器，電渦流式傳感器。l銜鐵如圖2.33所示：定義為均勻鐵芯的閉合磁路中的磁阻。式中l(wèi)為磁路長度，為磁路的磁導率，S為鐵芯面積，磁通量與線圈參數有如下關系：W為線圈的匝數，I為線圈的電流強度，WI稱為磁通勢。對于不均勻磁路，如存在鐵芯（固定鐵芯）、街鐵（活動鐵芯）和氣隙（或其它介質）的磁路中，總磁阻可分段疊加計算：由于RM而是與結構有關的參量，改變傳感器的結構參數會引起磁路磁阻的變化，從而引起磁路磁通量的變化。因此，改變磁路的長度li，通磁面積S均可改變磁阻大小，從而改變磁通量的大小:(2-

30、67)2.4.2 自感式傳感器的原理與結構 自感式傳感器實質上是一個帶氣隙的鐵心線圈。按磁路幾何參數變化形式的不同，可分為變氣隙式、變面積式與螺管式三種；按磁路的結構型式又有型、E型或罐型等等；按組成方式分，有單一式與差動式兩種。圖4-4是變氣隙型、變面積型及螺管型三種類型的差動式自感傳感器的結構示意圖。當銜鐵3移動時，一個線圈的電感量增加，另一個線圈的電感量減少，形成差動形式。123444321314（a） 變氣隙型（b） 變面積型 （c） 螺管型圖4-4 差動式自感傳感器1-線圈 2-鐵芯 3-銜鐵 4-導桿1 變氣隙型差動式自感傳感器銜鐵下移： 上式中不存在偶次項，顯然差動式自感傳感器的

31、非線性誤差在工作范圍內要比單個自感傳感器的小得多。 忽略高次項： 提高一倍 差動式與單線圈電感式傳感器相比，具有下列優(yōu)點： 線性好； 靈敏度提高一倍，即銜鐵位移相同時，輸出信號大一倍； 溫度變化、電源波動、外界干擾等對傳感器精度的影響，由于能互相抵消而減小； 電磁吸力對測力變化的影響也由于能相互抵消而減小。 三種類型比較： 氣隙型自感傳感器靈敏度高，它的主要缺點是非線性嚴重，為了限制線性誤差，示值范圍只能較小；它的自由行程小，因為銜鐵在運動方向上受鐵心限制，制造裝配困難。 截面型自感傳感器靈敏度較低，截面型的優(yōu)點是具有較好的線性，因而示但范圍可取大些。 螺管型自感傳感器的靈敏度比截而型的更低，

32、但示值范圍大，線性也較好，得到廣泛應用。2 螺管式自感傳感器特點：測量范圍大，數百毫米，靈敏度低，大量程直線位移。 差動螺管式自感傳感器測量范圍 1 200mm線性度 0.1% 1%分辨率 0.01um 2.4.3 互感式（差動式）傳感器的結構與工作原理分氣隙型和螺管型兩種。目前多采用螺管型差動變壓器。123(b)螺管型41243(a)氣隙型1 初級線圈;2.3次級線圈;4銜鐵(a)、(b) 變隙式差動變壓器(c)、(d) 螺線管式差動變壓器(e)、(f) 變面積式差動變壓器 工作原理類似于變壓器。主要包括有銜鐵、初級繞組、次級繞組和線圈框架等。初、次級繞組的耦合能隨銜鐵的移動而變化，即繞組間

33、的互感隨被測位移的改變而變化。初級線圈作為差動變壓器激勵用，相當于變壓器的原邊，而次級線圈由結構尺寸和參數相同的兩個線圈反相串接而成，且以差動方式輸出，相當于變壓器的副邊。所以又把這種傳感器稱為差動變壓器式電感傳感器，通常簡稱為差動變壓器。 2.4.4 自感式和互感式傳感器的誤差 1輸出特性的非線性 變氣隙自感式傳感器，電其輸出與氣隙寬度成反比，在原理就存在非線性誤差，即使變面積型電感傳感器，也由于氣隙邊緣磁場不均勻等原因，實際上也存在非線性誤差。此外，測量電路也往往存在非線性。為了減小非線性，常用的方法是采用差動結構和限制測量范圍。例如變氣隙式常?。?/5一1/10）氣隙長度，螺管式?。?/

34、31/10）線圈長度。 對于螺管式自感式傳感器，增加線圈的長度有利于擴大線性范圍或提高線性度。在工藝上應注意導磁體和線圈骨架的加工精度、導磁體材料與線圈繞制的均勻性，對于差動式則應保證其對稱性。采用差動結構，可以抵消誤差的偶次項，十分有利于減小傳感器的非線性誤差。 2零位誤差 當差動變壓器的銜鐵處于中間位置時，理想條件下其輸出電壓為零。但實際上，當使用橋式電路時，在零點仍有一個微小的電壓值(從零點幾mV到數十mV)存在，稱為零點殘余電壓。如圖是擴大了的零點殘余電壓的輸出特性。零點殘余電壓的存在造成零點附近的不靈敏區(qū)；零點殘余電壓輸入放大器內會使放大器末級趨向飽和，影響電路正常工作等。 圖2.3

35、8 零位誤差 圖2.39零位誤差的波形產生零位殘余誤差的原因十分復雜，但從示波器上可看到，零位殘余誤差含有基波和高次諧波，如圖2.39所示。一般來講，產生零位殘余誤差的主要原因有：傳感器線圈的電電氣參數、結構尺寸不可能完全一致，這是產生基波的主要原因；電感線圈不是理想電感，存在鐵損，導致磁化曲線非線性；線圈中還存在寄生電容，在線圈子的外殼、鐵心間存在分布電容；這是產生高次諧波的原因。此外，電感式傳感器是無源性器件，其輸出與電源電壓成正比，因此，電源電壓中的高次諧波也會疊加到傳感器輸出中。 3溫度誤差圖2.40 溫度補償電路 環(huán)境溫度的變化會引起自感傳感器的零點溫度漂移、靈敏度溫度漂移以及線性度

36、和相位的變化，造成溫度誤差。環(huán)境溫度對自感式傳感器的影響主要通過（1）材料的線膨脹系數引起零件尺寸的變化，（2）材料的電阻率溫度系數引起線圈銅阻的變化，（3）磁性材料磁導綱度系數，繞阻絕緣材料的介質溫度系數和線圈幾何尺寸變化引起線圈電感量及寄生電容的改變等造成。上述因素對單電感傳感器影響較大，特別對小氣隙式與螺管式影響更大，而第（2）項對低頻激勵的傳感器影響較大。 4互感式傳感器的溫度誤差圖2.41 差動變壓器零位補償為減小溫度誤差，還可采取穩(wěn)定激勵電流的方法，如圖2.40所示。在初級串入一高阻值降壓電阻R，或同時串入熱敏電阻RT進行補償。適當選擇RT，可使溫度變化時原邊總電阻近似不變，從而使

37、激勵電流保持恒定。零位補償電路有許多種，最簡單的補償方法是在輸出端接一可調電位器器，如圖2.41所示。改變電位器電制的位置，可使兩只次級線圈的輸出電壓的大小和相位發(fā)生改變，從而使零位電壓為最小值。這種方法對零位電壓中基波正交分量有顯著的補償效果，但無法補償諧波分量。如果在輸出端再并聯一只電容器C，就可以有效地補償零位電壓的高次諧波分量。2.4.5 電渦流式傳感器 2.4.5.1 工作原理 圖4-22 電渦流式傳感器原理圖（a） 傳感器激勵線圈; （b） 被測金屬導體 根據法拉第定律，當傳感器線圈通以正弦交變電流I1時，線圈周圍空間必然產生正弦交變磁場H1，使置于此磁場中的金屬導體中感應電渦流I

38、2，I2又產生新的交變磁場H2。根據愣次定律， H2的作用將反抗原磁場H1，由于磁場H2的作用，渦流要消耗一部分能量，導致傳感器線圈的等效阻抗發(fā)生變化。 線圈阻抗的變化完全取決于被測金屬導體的電渦流效應。式中, r為線圈與被測體的尺寸因子。 測量方法： 如果保持上式中其它參數不變，而只改變其中一個參數， 傳感器線圈阻抗Z就僅僅是這個參數的單值函數。通過與傳感器配用的測量電路測出阻抗Z的變化量，即可實現對該參數的測量。 Z=F(,r,f,x) 傳感器線圈受電渦流影響時的等效阻抗Z的函數關系式為(4-40) 2.4.5.2 電渦流傳感器測量電路 主要有調頻式、 調幅式電路兩種。 1. 調頻式電路

39、圖4-28 調頻式測量電路 (a) 測量電路框圖； (b) 振蕩電路 傳感器線圈接入LC振蕩回路，當傳感器與被測導體距離x改變時，在渦流影響下，傳感器的電感變化，將導致振蕩頻率的變化，該變化的頻率是距離x的函數，即f=L(x), 該頻率可由數字頻率計直接測量，或者通過f-V變換，用數字電壓表測量對應的電壓。 振蕩器的頻率為 為了避免輸出電纜的分布電容的影響，通常將L、C裝在傳感器內。 此時電纜分布電容并聯在大電容C2、C3上，因而對振蕩頻率f的影響將大大減小。 2. 調幅式電路 由傳感器線圈L、電容器C和石英晶體組成的石英晶體振蕩電路如圖4-29所示。石英晶體振蕩器起恒流源的作用，給諧振回路提

40、供一個頻率（f0）穩(wěn)定的激勵電流io，LC回路輸出電壓 （4-48） 式中, Z為LC回路的阻抗。 圖4-29 調幅式測量電路示意圖 當金屬導體遠離或去掉時，LC并聯諧振回路諧振頻率即為石英振蕩頻率fo，回路呈現的阻抗最大， 諧振回路上的輸出電壓也最大；當金屬導體靠近傳感器線圈時，線圈的等效電感L發(fā)生變化，導致回路失諧，從而使輸出電壓降低，L的數值隨距離x的變化而變化。因此，輸出電壓也隨x而變化。輸出電壓經放大、 檢波后， 由指示儀表直接顯示出x的大小。 除此之外， 交流電橋也是常用的測量電路。 2.4.5.3電渦流式傳感器的結構和類型 1反射式變間隙式是電渦流式傳感器中最常用的一種結構型式。

41、它的結構很簡單，由一個扁平線圈固定在框架上構成。線圈用高強度漆包銅線或銀線繞制（高溫使用時可采用欽鎢合金線），用粘結劑粘在框架端部或繞制在框架槽內，后者如圖3.44所示。圖3.44 電渦流傳感器的結構1線圈；2框架；3襯套；4支座；5電纜；6接頭2透射式這種類型與前述反射式主要不同在于它采用低頻激勵，貫穿深度大，適用于測量金屬材料的厚度。圖2.45為其工作原理示意。圖2.45 透射式渦流傳感器工作原理2.5 調理電路2.51 電橋式測量電路 直流與交流電橋1電橋的分類阻抗式傳感器將被測量的變化轉換成電阻、電容或電感等電量的變化，但電量變化一般都很微小，不僅難以精確測量，也不便于直接處理。因此，

42、必須采用轉換電路，把這些電量的變化轉換成電壓或電流變化。具有這種轉換功能的電路謂之測量電路，通常由應變測量電橋作為前端電路。典型的電橋如圖2-48所示：四個臂Z1、Z2、Z3、Z4按順鐘向為序AC為電源端，BD為輸出端。AB、BC、CD及DA都稱為電橋的一個臂。當一個臂、二個臂乃至四個臂接入傳感器時，就相應謂之單臂工作、雙臂工作和全臂工作電橋。測量電橋按如下方法分類。圖2.48電橋結構（1）按電源分，有直流電橋和交流電橋。 直流電橋橋臂只能接入電阻性元件（應變計）。它主要用于電橋輸出可直接顯示（如接磁電式指示器或光線示波器振子）而無需中間放大的場合。如半導體應變計。交流電橋橋臂可以是R、L、C

43、。主要用于輸出需放大的場合，如金屬應變計等。（2）按工作方式分，有平衡橋式電路（零位測量法）和不平衡橋式電路（偏差測量法）。 圖2.48電橋結構. 平衡橋式電路帶有手調或自調整橋臂平衡的伺服反饋機構。儀表指示測量值時，電橋處于平衡狀態(tài)。常用于高精度、長時間靜態(tài)應變測量，如雙橋式靜態(tài)應變儀。 不平衡橋式電路的輸出，是與橋臂應變量成一定函數關系的不平衡電量，然后放大、顯示。儀表指示測量值時，電橋處于不平衡狀態(tài)，它響應快，便于處理；常用于動態(tài)應變測量。(3）按橋臂關系分，有：對輸出端對稱（第一種對稱）電橋（Z1=Z2，Z3=Z4）；對電源端對稱（第二種對稱）電橋（Z1=Z4，Z2=Z3）；半等臂（Z

44、I=Z2，Z3=Z4）和全等臂電橋（Z1Z2Z3Z4）。（4）接負載輸出電壓或電流的不同要求：電橋還可分電壓輸出橋和功率輸出橋。2直流電壓電橋的輸出直流電橋只能接入電阻，適用于電阻應變式傳感器。因此圖2-48中Z=R，當橋路負載電阻RL很大時，Io可以忽略，此時輸出的電壓靈敏度最高。平衡條件為：各臂應變計電阻變化分別為R1、R2、R3、R4。輸出電壓為Uo：由于在分母中含有電阻變化量，輸出電壓變化Uo與電阻變化R1、R2、R3、R4為非線性關系，但在小的電阻變化時可近似為線性。如果只有一個橋臂R1為傳感器，其它橋臂為平衡固定電阻，且：R1R2R3R4，則上式為：分母中忽略R，則：由此引起的相對

45、誤差為：一般金屬應變計的K1.84.8，因此 =(0.451.2)。 若采用半導體應變計，設K=120，其他條件同上，則由此可見： 采用金屬應變計，在一般應變范圍內，非線性誤差 l。故在此允許的非線性范圍內，金屬應變計電橋的電壓輸出特性可由式（2-105）表示成線性關系。采用半導體應變計時，由于非線性誤差隨K而大增，必須采取補償措施3電橋的非線性誤差及其補償 從上述分析可以看出，電橋的輸出特性實際上都與應變呈非線性關系。當測量精度要求較高或變傳感器的靈敏度較時，這種非線性誤差必須適當補償。 1）恒流源補償法 應變電橋非線性誤差的成因，主要由于應變電阻Ri的變化引起工作臂電流的變化所致。采用恒流

46、源，可望減小非線性誤差。如圖2.49，恒流源供電，圖2.49恒流源電橋2）差動電橋補償法 差動電橋法就是利用上述電橋輸出特性中呈現的相對臂與相鄰臂之“和”、“差”特征，通過應變計的合理布置與接橋來達到補償目的的。圖2.50四臂差動電橋圖2.51 雙臂差動電橋四臂差動工作，不僅消除了非線性誤差，而且輸出為單臂工作是的4倍。此外，差動電橋還能有效地消除或補償溫度引起的誤差。采用雙臂差動電橋時，消除了溫度的影響和非線性誤差，還使電橋的輸出提高1倍。提高靈敏度、降低非線性誤差、有效地補償溫度誤差是差動技術的特點，在電橋測量中有廣泛的應用。4.信號調理電路 對于橋路電壓的放大，一般采用圖2.52所示儀表

47、放大器（或稱儀器放大器、數據放大器）電路解決。圖2.52 儀表放大器5交流電橋 1)緊耦合電感電橋（Blumlein電橋） 圖2.54所示為用于電容傳感器測量的緊耦合電感臂電橋。其結構特點是兩個電感橋臂互為緊耦合。圖2.54緊耦合電感臂電橋圖 圖2.55用緊耦合和不耦合電感做橋臂時的靈敏度電橋輸出電壓的一般表達式為： 輸出特性曲線如圖2.55所示。諧振點在即對于小的 值，緊耦合的靈敏度是無耦合的二倍；對于高的 值，無耦合時不存在靈敏度與頻率（或電感）變化無關的區(qū)域，因而穩(wěn)定性很差。 緊耦合電感電橋抗干擾性好、穩(wěn)定性高，目前已廣泛用于電容式傳感器中，同時它也很適合較高載波頻率的電感式和電阻式傳感

48、器使用。2)電容傳感器測量電橋 如圖2.56所示，C1、C2為傳感器的兩個差動電容圖2.56變壓器電橋電橋的空載輸出電壓為 對變極距型電容傳感器可見，對變極距型差動電容傳感器的變壓器電橋，在負載阻抗極大時，其輸出特性呈線性3）電感傳感器測量電橋自感式傳感器常用的交流電橋有以下幾種圖2.57 輸出端對稱電橋（a）一般形式 (b)變壓器電橋源端對稱電橋 如圖2.58所示圖2.58 電源端對稱電橋4)電容式和電感式傳感器的辨向電路電感式和電容式傳感器采用交流電橋作測量電路，電橋輸出電壓的極性不能反映銜鐵或動極板的運動方向，需要專門的差分電路來辨向。圖2.59 相敏檢波電路(a)帶相敏檢波的交流電橋

49、(b)實用電路2.52 阻抗式傳感器的差動結構結構型傳感器依靠其靈活的結構可以實現各種樣的功能，差動技術由于能實現溫度影響補償、有效地減小非線性誤差并提高傳感器的靈敏度，因此在結構型傳感器中應用較為普遍。1電阻應變式傳感器的差動結構 如圖2.60為典型的應變式傳感器差動結構。圖2.60 差動式應變梁2電容式傳感器的差動結構圖2.61所示為差動電容式傳感器結構。圖2.61變極距型差動式結構3差動式自感傳感器 單一型自感式傳感器，由于線圈電流的存在，它們的銜鐵受單向電磁力作用，而且易受電源電壓和頻率的波動與溫度變化等外界干擾的影響，因此不適合精密測量。在不少場合，它們的非線性（即使是變面積式傳感器

50、，由于磁通的邊緣效應，實際上也存在非線性）限制了使用。因此，絕大多數自感式傳感器都運用差動技術來改善性能。圖2.62 差動自感傳感器（a）氣隙式；(b)變截面式； (c)螺管式 1，2線圈；3鐵芯或磁性套管；4銜2.53 電流電壓積分差動電路 1積分電路電容式傳感器常用積分電路來測量，圖2.65示為由運算放大器構成的簡單積分電路。圖2.65 積分運算電路2雙T二極管交流電橋如圖2.64所示：U是高頻電源，提供幅值為U的對稱方波（正弦波也適用）；D1、D2為特性完全相同的兩個二極管，R1R2=R；C1、C2為傳感器的兩個差動電容。圖2.64雙T二極管交流電橋 3脈沖調寬電路 圖2.66為一種差動

51、脈沖寬度調制電路。圖中C1和C2為傳感器的兩個差動電容。線路由兩個電壓比較器IC1和IC2，一個雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器FF和兩個充放電回路R1C1和R2C2（R1R2）所組成；Ur為參考直流電壓；雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的兩輸出端電平由兩比較器控制。 圖2.66差動脈沖調寬電路2.54 直接放大1.運算放大器直接放大圖2.68為其電原理圖。CX為傳感器電容，它跨接在高增益運算放大器的輸入端和輸出端之間。放大器的輸入阻抗很高（ ），因此可視作理想運算成大器。圖2.68運算放大器直接放大2.專用集成電路圖2.69 MS3110電容通用讀出集成電路已有一些專用集成電路可用于電容測量。MS3110便是其中一例，內部原理如圖

52、2.69所示。圖2.69 MS3110電容通用讀出集成電路3.頻率式測量電路： 阻抗式電路還常采用頻率式測量電路。將電容式傳感器或電感式傳感器接入高頻振蕩器的LC諧振回路中，當被測量變化使傳感器的電容或電感改變時，振蕩器的振蕩頻率 隨之改變。測定頻率或經鑒頻器將頻率變化轉換成電壓幅值的變化，就可測得被測量的變化。一種電路如圖2.70所示。圖2.70 調頻電路原理圖2.6 微機械傳感器MEMS(Micro - Electro - Mechanical Systems) 通常稱為微機電系統(tǒng)技術，其含義是指可批量制作的、集微型機構、微型傳感器、微型執(zhí)行器以及信號處理和控制電路、包括接口、通信和電源等

53、于一體的微型器件或系統(tǒng)。MEMS 可以完成大尺寸機電系統(tǒng)所不能完成的任務；可以嵌入到大尺寸系統(tǒng)中，把自動化、智能化和可靠性水平提高到一個新的水平。由于微機電系統(tǒng)是在微機械傳感器基礎之上發(fā)展起來的，因此微機械傳感器不僅具有微機電系統(tǒng)的典型特征，而且是微機電系統(tǒng)中一個非常有特色的獨立分支，也是目前微機電系統(tǒng)中發(fā)展最快、已經具有實用價值的研究方向之一。2.61 微機電系統(tǒng)的分類和特點微機電系統(tǒng)是指總尺度在毫米級以下的機電系統(tǒng)，表2-2給出了以尺度為標準的分類表2-2 微機電系統(tǒng)的分類微機械系統(tǒng)有以下特點：(1) 微機械中起主導作用的力是表面力。由于體積是長度的三次方，表面積是長度的兩次方，因此微機械

54、體積的縮小要快于表面積的縮小。這將使表面力（如摩擦力、靜電力）和體積力（如重力）之比相對增大，表面力成為微機械系統(tǒng)統(tǒng)中的主導作用力。隨著尺寸的縮小，粘性力、靜電力、摩擦力成為影響微機械性能的主要因素。(2) 材料不同。首先，微機械裝置制品的尺寸可能接近甚至小于材料的晶體尺寸，由于尺寸微小，材料的內部缺陷減少，材料的機械性能與常態(tài)相比有很大提高，表征材料性能的物理量需要重新定義；其次，微小尺寸下材料會表現出更多的各向異性；再其次，微機械傳感器多采用硅作為原材料，也有用石英作為原材料，材料不同將導致系統(tǒng)的性能和工藝與普通機電裝置都有很大的區(qū)別。(3)能源供給。對于具有移動和轉動功能的微型機械系統(tǒng),

55、 電纜成為運動的障礙, 所以一般不采用電纜供電。目前微機械一般用靜電力供能, 此外常用振動直接激勵供能(壓電、電磁及形狀記憶合金制動)、熱力供能等。（4）由于尺寸微小，微機電傳感器的信號十分微弱，相應地外界的干擾信號就顯得很大，因此，微機械傳感器的信號獲取、傳輸都與傳統(tǒng)傳感器不同。（5）制品的性能不同。微機械尺寸小，重量輕，但表面積相對大，導致構件的慣性小，而熱傳導、動態(tài)響應快，遲滯小，重復性好等優(yōu)點。（6）微機電系統(tǒng)的設計理論和制造方法與普通傳感器不同。由于主要阻力、驅動力的變化,使運動學和動力學方程起主要作用的因素改變。需要新的構造原理和控制方式、新的驅動原理和方法；由于微機械器件結構的微

56、型化, 需要新的制造工藝和裝備；另外，由于尺寸細小導致制造工藝的復雜化，使微機械產品的研制成本和風險大大增加，因此，微機械傳感的設計方法需要新的理論指導，而仿真設計在微機電系統(tǒng)設計中占有更重要的地位。（7）微機械傳感器的應用領域更為廣泛。它不僅能代替?zhèn)鹘y(tǒng)通傳感器，還能應用于傳統(tǒng)傳感器無法涉及的領域，如人體血管微環(huán)境的監(jiān)測。2.62微機械傳感器的制造技術微機械傳感器有其獨特的加工方法，而這些制造工藝能更好地說明微機械傳感器的特點?；竟に囉校荷L、摻雜、腐蝕、刻蝕、淀積、犧牲層、鍵合、制膜等。其中光刻、腐蝕、鍵合、制膜是最基本的方法。1.光刻（LIGA）技術：光刻的原理是光只對掩膜版上的透明區(qū)起

57、作用，掩膜版下面是一層光敏材料層，受光照后可以顯影。被光照的區(qū)域在顯影過程中溶解，原來被掩蓋的地方就暴露出來，以便進一步的工藝處理。光刻技術可以刻蝕出深度（或稱高度）為數百um，而寬度僅1um的平面三維結構。LIGA的缺點是只有制造出不能自由活動的結構，為此，將光刻技術與犧牲層技術結合，形成一種新的SLIGA技術。2.鍵合技術：鍵合的意思是依靠化學鍵的靜電引力實現兩個零件的永久性接合，相當于常規(guī)制造中的焊接技術，但其原理不同。3.腐蝕：腐蝕技術是體成型技術，用以加工各種形狀的元件或形狀。包含材料去除方法和去除過程控制兩方面的含義。腐蝕方法可分為干法刻蝕（惰性氣體腐蝕）和濕法腐蝕（化學溶液腐蝕）

58、。其中最重要的是濕法腐蝕。濕法腐蝕又可分為各向同性腐蝕和各向異性腐蝕4.薄膜生成技術：微機械傳感器常需要在襯底材料的表面制作有各種各樣的膜，如多晶硅膜、二氧化硅膜、合金膜及金剛石膜等。膜可以作為敏感膜，或作為絕緣膜，或起防腐等保護作用?？煞譃槲锢淼矸e法和化學淀積法兩種。5.犧牲層技術：用光刻的方法只能制作平面三維結構，為了獲取內部空腔和可活動的三維結構，必須采用犧牲層技術。其方法是將多層膜組合在一起，設法腐蝕掉兩層薄膜中下面（或是里面）的一層，在膜與襯底之間或膜與膜之間形成內部的空腔。被腐蝕掉的一層稱為犧牲層。犧牲層是一種為制作某種形狀而設置的工藝結構，這種技術對創(chuàng)造新的元件、敏感結構有重大的

59、意義。薄膜生成技術和犧性層技術合稱表面成型技術2.63 微機械傳感器的結構和原理傳感器首先是一個能量轉換裝置，微機械傳感器常用的換能機理有壓阻效應、壓電效應、光學共振和干涉、電容與幾何尺寸的關系等；此外，流體傳感器常應用熱疇的方法。以下以加速度傳感器為例介紹的微機械傳感器原理1電容式硅微加速度傳感器原理微硅加速度傳感器的工作原理與一般常用的加速度傳感器如液浮擺式加速度傳感器、石英加速度傳感器、金屬撓性加速度傳感器等的工作原理基本一樣，都有一個質量擺敏感加速度， 并轉換為電容信號。但硅微電容式加速度傳感器多為力平衡式傳感器，目前它的敏感部可分為單擺式結構、梳齒結構、蹺蹺板式結構。如圖2.71所示

60、為最基本的單擺式結構。圖2.71 質量擺的結構圖2.72為傳感器的結構原理圖。當被測對象的速度變化時，質量塊產生慣性力使懸臂梁彎曲，產生一個擺角，導致差動電容改變，此信號經電子線路相敏放大后反饋到力矩器。力矩器在差動電容上產生反饋力矩（靜電力）與加速度產生的慣性力矩平衡，使活動質量塊保持在原有的平衡位置,反饋電壓的正負和大小可度量輸入加速度的方向和大小。圖2.72 電容式硅微加速度傳感器（平衡式）2壓阻式加速度傳感器壓阻式加速度傳感器的彈性元件一般采用硅梁外加質量塊，質量塊由懸臂梁支撐，并在懸臂梁上制作電阻，連接成測量電橋。在慣性力作用下質量塊上下運動，懸臂梁上電阻的阻值隨應力的作用發(fā)生變化，