配套教學(xué)課件測試技術(shù)與傳感器

1、一、測試技術(shù)與傳感器的基本概念二、傳感器的發(fā)展過程及發(fā)展途徑一、測試技術(shù)與傳感器的基本概念1. 測試與測試技術(shù)測試 (Measurement and Test Technology)，指的是“測量”和“試驗(yàn)”，是一種具有實(shí)驗(yàn)性質(zhì)的測量。測量包括為確定被測對象的量值而進(jìn)行的所有操作過程，試驗(yàn)是對迄今未知事物的探索性認(rèn)識過程。因此，測試具有探索、分析和研究的特征，是測量和試驗(yàn)的綜合。測試技術(shù)泛指與測試相關(guān)的各種技術(shù)，凡需要考察事物的狀態(tài)、變化和特征等，并要對它進(jìn)行定量的描述時，都離不開測試技術(shù)。測試過程由相應(yīng)的測試系統(tǒng)完成和實(shí)現(xiàn)。2. 測試系統(tǒng)組成測試的各個操作過程構(gòu)成了測試系統(tǒng)，如圖0-1所示。

2、一個典型的測試系統(tǒng)由傳感器、信號調(diào)理電路和信息處理、顯示記錄儀器等三部分組成。圖 0-1 測試系統(tǒng)的組成傳感器的作用是將被測信號轉(zhuǎn)換為適合系統(tǒng)進(jìn)行后續(xù)處理的電信號。信號調(diào)理電路的作用是對傳感器輸出的信號做進(jìn)一步的加工和處理，完成信號間的轉(zhuǎn)換，如放大、調(diào)制解調(diào)、濾波等；有些測試系統(tǒng)中，該部分還包括信息處理，其作用是借助微處理器或計(jì)算機(jī)完成信號的檢測、判斷、智能分析等處理功能。傳統(tǒng)的測試系統(tǒng)并不包括信息處理部分，但隨著電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，已經(jīng)有越來越多的測試系統(tǒng)具備了信息處理的能力。顯示記錄儀器的作用是將所測得的信號轉(zhuǎn)換成一種能為人所理解的形式，供人們觀察和分析，或轉(zhuǎn)換成應(yīng)用場合所要求

3、的形式，形成輸出。3. 測試的目的和意義人類對客觀世界的認(rèn)識和改造活動總是以測試工作為基礎(chǔ)的。測試是人類認(rèn)識自然、掌握自然規(guī)律的實(shí)踐途徑之一，是科學(xué)研究中獲得感性材料、接受自然信息的途徑，是形成、發(fā)展和檢驗(yàn)自然科學(xué)理論的實(shí)踐基礎(chǔ)。在工程技術(shù)中，許多復(fù)雜的工程問題至今還難以進(jìn)行完善的理論分析和計(jì)算，必須依靠實(shí)驗(yàn)研究來解決實(shí)際問題。通過測試工作積累原始數(shù)據(jù)，是工程設(shè)計(jì)和研究中非常艱巨但又是很重要的一項(xiàng)工作。4. 傳感器及其相關(guān)技術(shù)簡介信息革命的三大重要支柱是信息的采集、傳輸和處理。信息采集中，首先要獲得原始的信息，其最基本的元件是傳感器，關(guān)鍵技術(shù)就是傳感器技術(shù)。 因此，傳感器及其相關(guān)的應(yīng)用技術(shù)(傳

4、感器、與傳感器相關(guān)的電子技術(shù)、信息處理)是信息領(lǐng)域的源頭技術(shù)。目前，傳感器技術(shù)已成為許多國家高新技術(shù)競爭的核心，世界各國尤其是發(fā)達(dá)國家都將傳感器技術(shù)列為重點(diǎn)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一。因此，在電子信息類專業(yè)開設(shè)“測試技術(shù)與傳感器”課程，對培養(yǎng)掌握現(xiàn)代信息技術(shù)的工程技術(shù)人員具有十分重要的意義。傳感器技術(shù)在某種意義上與測試技術(shù)是等同的，是測量技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息處理技術(shù)、微電子學(xué)、光學(xué)、聲學(xué)、精密機(jī)械、仿生學(xué)和材料科學(xué)等眾多學(xué)科相互交叉的綜合性和高新技術(shù)密集型前沿技術(shù)之一，是現(xiàn)代新技術(shù)革命和信息社會的重要基礎(chǔ)，是自動檢測和自動控制技術(shù)不可缺少的重要組成部分。目前，傳感器及其應(yīng)用技術(shù)已成為我國

5、國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展不可或缺的一部分，傳感器在工業(yè)部門的應(yīng)用普及率已被國際社會作為衡量一個國家智能化、數(shù)字化以及網(wǎng)絡(luò)化的重要標(biāo)志之一。傳感器技術(shù)是新技術(shù)革命和信息社會的重要技術(shù)基礎(chǔ)，是現(xiàn)代科技的開路先鋒，也是當(dāng)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的一個重要標(biāo)志。傳感器技術(shù)、通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)分別對應(yīng)信息技術(shù)中的采集、傳輸和處理。如果說計(jì)算機(jī)是人類大腦的擴(kuò)展，那么傳感器就是人類五官的延伸。當(dāng)集成電路、計(jì)算機(jī)技術(shù)飛速發(fā)展時，電腦的運(yùn)算速度和信息處理能力得以成倍地提高，這時人們才逐步認(rèn)識到信息攝取裝置傳感器沒有跟上信息技術(shù)的發(fā)展，因而驚呼“大腦發(fā)達(dá)、五官不靈”。 世界上技術(shù)發(fā)達(dá)的國家對傳感器技術(shù)開發(fā)都十分重視。美、日、英、法、

6、德等國都把傳感器技術(shù)列為國家重點(diǎn)開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)之一。美國在20世紀(jì)80年代就聲稱世界已進(jìn)入傳感器時代，并在其確定的國家長期安全和經(jīng)濟(jì)繁榮至關(guān)重要的22項(xiàng)技術(shù)中，有項(xiàng)與傳感器及信息處理技術(shù)直接相關(guān)；對于保護(hù)美國武器系統(tǒng)質(zhì)量優(yōu)勢至關(guān)重要的關(guān)鍵技術(shù)，其中項(xiàng)為無源傳感器；美國空軍本世紀(jì)初舉出15項(xiàng)有助于提高21世紀(jì)空戰(zhàn)能力的關(guān)鍵技術(shù)，傳感器技術(shù)名列第二。日本則把傳感器技術(shù)列為十大技術(shù)之首，將傳感器技術(shù)列為國家重點(diǎn)發(fā)展的六大核心技術(shù)之一，與計(jì)算機(jī)、通信、激光半導(dǎo)體、超導(dǎo)并列，日本工商界人士甚至聲稱: “掌握了傳感器技術(shù)，就能夠支配新時代”。德國視軍用傳感器為優(yōu)先發(fā)展技術(shù)，英、法等國對傳感器的開發(fā)投資也在

7、逐年升級。正是由于世界各發(fā)達(dá)國家的普遍重視和投入開發(fā)，傳感器的發(fā)展十分迅速，近十幾年來，其產(chǎn)量及市場需求年增長率均在10以上，遠(yuǎn)高于世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展速度。目前世界上從事傳感器的研制和生產(chǎn)工作的單位已增至5000余家。美國、俄羅斯以及歐盟各自從事傳感器研究和生產(chǎn)工作的廠家有1000余家，日本有800余家，我國有1300余家。盡管我國在數(shù)量上位居世界第一，但多數(shù)企業(yè)是低水平的重復(fù)，生產(chǎn)的產(chǎn)品仿制較多，沒有自主知識產(chǎn)權(quán)，研發(fā)實(shí)力還不強(qiáng)。世界上傳感器的種類約有兩萬種，我國目前僅有3000多種，尚有大量的品種需要我們?nèi)パ芯亢烷_發(fā)。5. 測試技術(shù)的任務(wù)和內(nèi)容測試工作的任務(wù)是為了獲取有關(guān)研究對象的狀態(tài)、變化和

8、特征等方面的信息。信息(Information)一般理解為消息、情報(bào)或知識。例如: 語言文字是社會信息；商品情報(bào)是經(jīng)濟(jì)信息；遺傳密碼是生物信息等。然而，從物理學(xué)觀點(diǎn)出發(fā)，信息是物質(zhì)所固有的，是其客觀存在或運(yùn)動狀態(tài)的特征。傳輸信息的載體稱為信號(Signal)，信息蘊(yùn)涵于信號之中。例如，古代的烽火發(fā)出的光信號所蘊(yùn)涵的信息是“敵人來進(jìn)攻了”。有些信息是可以直接檢測的，而有些信息卻不容易被直接檢測，例如彈簧剛度的計(jì)算。 彈簧的剛度無法直接測出，但我們知道彈簧在外力作用下可產(chǎn)生形變，其形變量是可以直接檢測的，由此可以根據(jù)外力和形變量，通過計(jì)算得到剛度。 信息在對象中，有時是外顯的，有時是內(nèi)含的，被研究

9、對象的信息量是非常豐富的，測試工作就是根據(jù)一定的目的和要求，獲取有限的、觀察者感興趣的某些特定的信息。例如，研究一個簡單的單自由度的質(zhì)量-彈簧系統(tǒng)的微小自由振動，我們感興趣的是該系統(tǒng)的固有頻率和阻尼比，所以可以通過施加一定的激勵來觀察質(zhì)量塊的運(yùn)動，而并不去研究彈簧的微觀表現(xiàn)。而當(dāng)我們要研究的問題是彈簧的疲勞時，有關(guān)彈簧材料性質(zhì)和缺陷(如微裂紋)的信息就非常重要了。測試工作總是要用最簡捷的方法獲得和研究任務(wù)相聯(lián)系的、最有用的、表征其目標(biāo)特性的有關(guān)信息，而不是企圖獲得該事物的全部信息。 信號是信息的載體。信息總是通過某些物理量的形式表現(xiàn)出來，這些物理量就是信號。例如，上述振動系統(tǒng)可以通過質(zhì)量塊的位

10、移-時間關(guān)系來描述，質(zhì)量塊位移的時間歷程(信號)就包含了該系統(tǒng)固有頻率和阻尼比的信息。從信息的獲取、變換、加工、傳輸、顯示和記錄等方面來看，以電量形式表示的電信號最為方便。所以本書中所指的信號，一般是指隨時間變化的電信號。信號中雖然攜帶著信息，但是信號中既含有我們所需的信息，也常常含有大量我們不感興趣的其它信息，后者統(tǒng)稱為干擾。相應(yīng)地，對信號也有“有用信號”和“干擾信號”的提法，但這是相對的。在某種場合中，我們認(rèn)為是干擾的信號，在另一種場合中卻可能是有用的。例如，齒輪噪聲對工作環(huán)境是一種“污染”，但是齒輪噪聲是齒輪副傳動缺陷的一種表現(xiàn)，因此可以用來評價齒輪副的運(yùn)行狀況，并用做故障診斷的方法。

11、測試工作的一個任務(wù)就是要從復(fù)雜的信號中提取有用的信息。如前所述，測試系統(tǒng)包括傳感器、信號調(diào)理和信息處理、顯示記錄等三部分，這些環(huán)節(jié)保證了由獲取信號到提供觀測的最必要的信號的流程功能，其目的是將觀察者感興趣的信息以明確的方式表示出來?！皽y試技術(shù)與傳感器”就是一門研究測試系統(tǒng)中最基本的傳感、信號變換和處理技術(shù)的課程。傳感器作為測試系統(tǒng)的第一環(huán)節(jié)，將被測系統(tǒng)或過程中需要觀測的信息轉(zhuǎn)化為人們所熟悉的各種信號，這是測試過程必須完成的首要任務(wù)。通常，傳感器將被測物理量轉(zhuǎn)換成以電量為主要形式的電信號。例如，將機(jī)械位移轉(zhuǎn)換為電阻、電容或電感等電參數(shù)的變化；將振動或聲音轉(zhuǎn)換成電壓或電荷的變化。信號調(diào)理和信息處理

12、部分的任務(wù)是對傳感器所送出的信號進(jìn)行加工，包括信號轉(zhuǎn)換、放大濾波和處理等。例如，將傳感得到的電阻、 電容值轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷夯螂娏髦?，對電壓或電流信號進(jìn)行放大、噪聲濾除等。為了用傳感器輸出的信號進(jìn)一步推動顯示、記錄儀器和控制器工作，或者，將此信號輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)字分析和處理，需對傳感器輸出的信號做進(jìn)一步變換。信號調(diào)理和信息處理的具體方法很多，如: 用電橋?qū)㈦娐穮⒘?如電阻、電容、電感)轉(zhuǎn)換為可供傳輸、處理、顯示和記錄的電壓或電流信號；利用濾波電路抑制噪聲，選出有用信號；對傳感器及后續(xù)各環(huán)節(jié)中出現(xiàn)的一些誤差做必要的補(bǔ)償和校正；信號經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換送入計(jì)算機(jī)、用計(jì)算機(jī)進(jìn)行信息處理以及在計(jì)算機(jī)處理后的數(shù)模轉(zhuǎn)換等。

13、經(jīng)過這樣的加工，使傳感器輸出的信號變?yōu)榉蠈?shí)際需要，便于傳輸、顯示或記錄以及可做進(jìn)一步處理的信號。測試系統(tǒng)的三個組成部分只是學(xué)術(shù)上的定義與劃分，在實(shí)際工作中，它們所表達(dá)的具體裝置或儀器的伸縮性是很大的。例如，信號調(diào)理電路部分的信號轉(zhuǎn)換有時可以是由很多儀器組合成的一個完成特定功能的復(fù)雜群體，有時卻可能簡單到僅有一個變換電路，甚至可能僅是一根導(dǎo)線。測試系統(tǒng)是要測出被測對象中人們所需要的某些特征性參量信號，不管中間經(jīng)過多少環(huán)節(jié)的變換，在這些過程中必須忠實(shí)地把所需信息通過其載體信號傳輸?shù)捷敵龆恕Ｕ麄€過程要求既不失真，也不受干擾。這就要求系統(tǒng)本身既具有不失真?zhèn)鬏斝盘柕哪芰?，又具有在外界各種干擾存在的情況

14、下能提取和辨識信號中所包含的有用信息的能力。測試系統(tǒng)在人類感官延伸的基礎(chǔ)上，能獲得比人的感官更客觀、更正確的量值，具有更為寬廣的量程，反應(yīng)更為迅速。不僅如此，信號處理技術(shù)近年來的迅速發(fā)展，也給測試系統(tǒng)賦予了更深的內(nèi)涵。測試系統(tǒng)經(jīng)過對所測結(jié)果的處理和分析，還能把最能反映研究對象本質(zhì)特征的量提取出來并加以處理，這就不僅是單純的感官的延伸了，而是具有了選擇、加工、處理以及判斷的能力，所以也可認(rèn)為測試系統(tǒng)是一種智能的復(fù)制和延長。二、傳感器的發(fā)展過程及發(fā)展途徑1. 傳感器的發(fā)展過程簡介傳感器的發(fā)展過程大體可分為以下三代: 第一代是結(jié)構(gòu)型傳感器，它利用結(jié)構(gòu)參量的變化來感受和轉(zhuǎn)化信號。第二代是20世紀(jì)70年

15、代發(fā)展起來的固體型傳感器，這種傳感器由半導(dǎo)體、電介質(zhì)、磁性材料等固體元件構(gòu)成，是利用材料的某些特性制成的，如利用熱電效應(yīng)、霍爾效應(yīng)、光敏效應(yīng)，分別制成熱電偶傳感器、霍爾傳感器以及光敏傳感器。第三代傳感器是近年來剛剛發(fā)展起來的智能型傳感器，是微型計(jì)算機(jī)技術(shù)與檢測技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，使傳感器具有一定的人工智能?，F(xiàn)代傳感器大量應(yīng)用了新的材料和新的加工工藝，尤其是集成電路加工工藝，使傳感器技術(shù)越來越成熟，傳感器種類越來越多，除了早期使用的半導(dǎo)體材料、陶瓷材料外，光纖以及超導(dǎo)材料的研究成果為傳感器的發(fā)展提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。未來還會有更新的材料，如納米材料，將更加有利于傳感器的小型化。目前，現(xiàn)代傳感器正從傳統(tǒng)的

16、分立式結(jié)構(gòu)，朝著集成化、智能化、數(shù)字化、系統(tǒng)化、免維護(hù)、多功能化與網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展；在技術(shù)指標(biāo)方面，會更加注重實(shí)現(xiàn)微功耗、高精度、高可靠性、高信噪比和寬量程。2. 傳感器的發(fā)展途徑開發(fā)新型傳感器的途徑大致有以下幾個方面:(1) 新型功能性材料的誕生?；诓牧峡茖W(xué)的研究和新發(fā)現(xiàn)，各種新型的功能性材料將誕生，可利用這些新材料的物理現(xiàn)象和性能開發(fā)出新的傳感器。例如：半導(dǎo)體材料研究的進(jìn)展，促進(jìn)了半導(dǎo)體傳感器的迅速發(fā)展；光導(dǎo)纖維的問世，產(chǎn)生了各種光纖傳感器。(2) 新現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)。傳感器的工作原理多基于各種效應(yīng)、反應(yīng)和物理現(xiàn)象，所以發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象與新效應(yīng)是發(fā)展傳感技術(shù)的重要工作，是研制開發(fā)新型傳感器的重要途徑。

17、(3) 新技術(shù)的采用。 隨著生產(chǎn)工藝水平的不斷提高，新的加工方法不但使傳感器的性能指標(biāo)有了很大的提高，而且使其應(yīng)用范圍也有所擴(kuò)大，甚至還能加工出原有工藝不能制造的新型傳感器。例如，將敏感材料與集成電路的制造工藝相結(jié)合，可以生產(chǎn)出微型和智能化的傳感器、高密度陣列分布式傳感器，并使這些傳感器能夠進(jìn)行低成本的批量生產(chǎn)，這在集成電路制造工藝出現(xiàn)之前是難以想象的。1.1 信號的分類及其描述 1.2 信號的時域分析 1.3 信號的頻域分析 思考題與習(xí)題 1.1 信號的分類及其描述1.1.1 信號的分類根據(jù)研究角度的不同，信號具有不同的分類方法。常見的信號分類方法如圖1-1所示。圖 1-1 信號的分類1.

18、確定性信號和非確定性信號1) 確定性信號確定性信號是指可以用明確的數(shù)學(xué)關(guān)系式來描述的信號。根據(jù)信號波形是否隨時間呈規(guī)律性變化，確定性信號可分為周期信號和非周期信號。周期信號是指其波形以一定的周期重復(fù)出現(xiàn)的信號?？梢员硎緸閒(t)=f(t+nT) n=0，1，2， (1-1)式中: T為周期， T=2/0(0為基頻)。周期信號又可分為簡諧周期信號和復(fù)雜周期信號。簡諧周期信號即單一頻率的正弦信號，復(fù)雜周期信號是由若干正弦信號合成的，各正弦信號的頻率比為有理數(shù)，如圖1-2所示。圖 1-2 周期性信號(a) 簡諧周期信號；(b) 復(fù)雜周期信號非周期信號是不論經(jīng)過多少時間都不會重復(fù)出現(xiàn)的信號，具有瞬變性

19、，可分為準(zhǔn)周期信號和瞬變信號，如圖1-3所示。準(zhǔn)周期信號由有限個不同頻率的簡諧周期信號合成，但各信號的頻率比不為有理數(shù)，沒有共同周期。瞬變信號是指在有限的時域范圍內(nèi)出現(xiàn)的信號，又稱為時限信號，在該時域范圍之外取值均為零。 圖 1-3 非周期信號(a) 瞬變信號；(b) 準(zhǔn)周期信號2) 非確定性信號非確定性信號是指無法用明確的數(shù)學(xué)關(guān)系式來描述的信號，其變化是不可預(yù)知的，反映的是一種隨機(jī)過程，例如各種噪聲信號等，如圖1-4所示。非確定性信號可分為平穩(wěn)隨機(jī)信號和非平穩(wěn)隨機(jī)信號，也稱為隨機(jī)過程。平穩(wěn)隨機(jī)過程又分為各態(tài)歷經(jīng)隨機(jī)過程和非各態(tài)歷經(jīng)隨機(jī)過程。統(tǒng)計(jì)特征參數(shù)不隨時間變化的隨機(jī)過程稱為平穩(wěn)隨機(jī)過程；

20、否則稱為非平穩(wěn)隨機(jī)過程。圖 1-4 非確定性信號單個樣本函數(shù)的時間平均統(tǒng)計(jì)特征等于該過程的集合平均統(tǒng)計(jì)特征的平穩(wěn)隨機(jī)過程稱為各態(tài)歷經(jīng)隨機(jī)過程；否則稱為非各態(tài)歷經(jīng)隨機(jī)過程。在工程實(shí)際中所遇到的各種物理過程往往很復(fù)雜，不是理想的確定或非確定性信號，而是相互摻雜的。2. 時限信號和頻限信號時限信號分為時域有限信號和時域無限信號。時域有限信號是指信號在有限時間區(qū)間內(nèi)存在不全為零的函數(shù)值，而在區(qū)間外則恒為零，如三角脈沖、矩形脈沖等信號。時域無限信號是指信號出現(xiàn)在無限的時間區(qū)間上，如周期信號、指數(shù)信號等。頻限信號分為頻域有限信號和頻域無限信號。頻域有限信號是指信號在有限頻率區(qū)間內(nèi)存在不全為零的函數(shù)值，而在

21、區(qū)間外則恒為零。頻域無限信號是指信號出現(xiàn)在無限的頻率區(qū)間上。3. 連續(xù)時間信號和離散時間信號連續(xù)時間信號是指在某一時間范圍內(nèi)，在任意時刻，除若干個第一類間斷點(diǎn)外，都存在確定函數(shù)值的信號，也稱為模擬信號。例如，單位階躍信號、矩形脈沖信號等均為連續(xù)信號，如圖1-5所示。第一類間斷點(diǎn)的條件是，函數(shù)在間斷點(diǎn)處存在左極限與右極限，但左極限與右極限不等，間斷點(diǎn)收斂于左、右極限函數(shù)值的中點(diǎn)。離散時間信號是指在某一時間范圍內(nèi)，只在某些不連續(xù)的瞬時才存在確定函數(shù)值的信號，也稱為時域離散信號或時間序列。離散時間信號通常又可分為采樣信號和數(shù)字信號。采樣信號是指時間離散而幅值連續(xù)的信號；數(shù)字信號是指時間離散而幅值量化

22、的信號。圖 1-5 連續(xù)時間信號4. 物理可實(shí)現(xiàn)信號和物理不可實(shí)現(xiàn)信號物理可實(shí)現(xiàn)信號是指在實(shí)際應(yīng)用中出現(xiàn)的信號，滿足以下條件：t0時，x(t)=0，即在零時刻之前信號不存在，只有在大于零時刻才有確定的信號值，因此物理可實(shí)現(xiàn)信號也稱為單邊信號。物理不可實(shí)現(xiàn)信號是指不滿足以上條件的實(shí)際應(yīng)用中不可能出現(xiàn)的信號。物理可實(shí)現(xiàn)信號表明，信號經(jīng)由物理系統(tǒng)產(chǎn)生，在零時刻之前沒有輸入，系統(tǒng)沒有響應(yīng)，即輸出為零，反映了物理上的因果關(guān)系。1.1.2 信號的描述根據(jù)實(shí)際測控系統(tǒng)的不同要求，信號需要從不同的角度描述，通常分為時域描述和頻域描述。1. 信號的時域描述信號的時域描述是指以時間為獨(dú)立變量來描述信號，反映信號幅

23、值隨時間變化的情況，描述信號幅值與時間的對應(yīng)關(guān)系，是信號的自然表現(xiàn)形式，是實(shí)際系統(tǒng)響應(yīng)過程的一種直觀描述。2. 信號的頻域描述信號的頻域描述是指以頻率為獨(dú)立變量來描述信號，反映信號幅值和相角隨頻率變化的情況，揭示了信號的頻率構(gòu)成，包括幅頻特性和相頻特性的描述。例如，信號f(t)=A1sin(1t+1)+A2 sin(2t+2)+A3 sin(3t+3)的時域描述如圖1-6(a)所示，頻域描述如圖1-6(b)所示。圖 1-6 信號時域和頻域描述1.2 信號的時域分析1.2.1 信號的時域分解為了便于進(jìn)行信號分析，在時域中常把復(fù)雜信號分解為若干個簡單信號的分量之和，信號的時域分解因信號的種類不同而

24、有多種形式。1. 交流分量和直流分量信號f(t)可分解為直流分量fD(t)與交流分量fA(t)之和，即f(t)=fD(t)+fA(t)。直流分量也稱為信號平均值，是信號的靜態(tài)分量； 交流分量則包含了信號的頻率和相位信息，如圖1-7所示。圖 1-7 信號分解為直流分量和交流分量2. 偶分量和奇分量信號f(t)可分解為偶分量fE(t)與奇分量fO(t)之和，即f(t)=fE(t)+fO(t)，偶分量關(guān)于縱軸對稱，奇分量關(guān)于原點(diǎn)對稱，如圖1-8所示。圖 1-8 信號分解為偶分量和奇分量3. 實(shí)部分量和虛部分量信號f(t)可分解為實(shí)部分量fR(t)與虛部分量fI(t)之和，即f(t)=fR(t)+jf

25、I(t)，虛部信號實(shí)際不存在，但可以借助其研究實(shí)信號或進(jìn)行化簡運(yùn)算。4. 脈沖分量之和信號f(t)可分解為脈沖寬度無窮小的矩形脈沖分量之和，如圖1-9所示。圖 1-9 信號分解為矩形窄脈沖分量和5. 正交分量之和信號f(t)可以用正交函數(shù)集來表示，即，各分量的正交條件為 (1-2)即在(t1，t2)區(qū)間內(nèi)各分量乘積為零，能量為有限值。例如，三角函數(shù)、復(fù)指數(shù)函數(shù)等都滿足正交條件。各分量系數(shù)由下式得 (1-3)1.2.2 信號的統(tǒng)計(jì)分析1. 均值均值是函數(shù)f(t)在整個時間軸上的平均，也稱數(shù)學(xué)期望值，即 (1-4)實(shí)際應(yīng)用中，無限長時間是不可實(shí)現(xiàn)的，因此以有限長樣本的估計(jì)值代替，即 (1-5)2.

26、 均方值均方值是信號f(t)的平方值的均值，也稱為平均功率，即 (1-6)其有限長樣本的估計(jì)值為 (1-7)均方值反映了信號的強(qiáng)度。均方值的正平方根稱為均方根值(root mean square)，又稱為有效值，是信號平均能量的表達(dá)，即 (1-8)3. 方差方差反映隨機(jī)信號f(t)的幅值的波動程度，定義為 (1-9)其中，f稱為均方差或標(biāo)準(zhǔn)差。均值f、均方值和方差三者之間具有以下關(guān)系: (1-10)4. 概率密度函數(shù)隨機(jī)信號f(t)的概率密度函數(shù)定義為 (1-11)對各態(tài)歷經(jīng)隨機(jī)過程，有 (1-12)式中，Pff(t)f+f表示瞬時值落在增量f范圍內(nèi)的概率，Tf=t1+t2+表示信號瞬時值落在

27、f，f+f區(qū)間的總時間，如圖1-10所示。圖 1-10 概率密度函數(shù)5. 概率分布函數(shù)概率分布函數(shù)表示信號f(t)落在某一區(qū)間的概率，又稱為累積概率，是瞬時值f(t)小于等于某值f的概率，即 (1-13)亦可寫成 (1-14)1.2.3 信號的相關(guān)分析相關(guān)函數(shù)描述兩個信號的相似程度，也可以描述同一信號在不同時刻的相似程度。1. 自相關(guān)信號f(t)的自相關(guān)函數(shù)定義為 (1-15)實(shí)際應(yīng)用時采用有限長樣本，即自相關(guān)函數(shù)的估計(jì)值為 (1-16)2. 互相關(guān)信號f(t)的互相關(guān)函數(shù)定義為 (1-17)或 (1-18)實(shí)際應(yīng)用時采用有限長樣本，即互相關(guān)函數(shù)的估計(jì)值為 (1-19)或 (1-20)3. 相

28、關(guān)系數(shù)函數(shù)信號本身的取值大小影響著相關(guān)函數(shù)值的大小。如果信號本身取值大，即使相關(guān)程度很低的兩個信號，也可能得到很大的相關(guān)函數(shù)值，致使信號的相關(guān)程度無法準(zhǔn)確判斷。將相關(guān)函數(shù)進(jìn)行歸一化處理，即引入相關(guān)系數(shù)函數(shù) (1-21)則當(dāng)12()=0時，說明f1(t)和f2(t)完全不相關(guān)；當(dāng)12()=1時，說明f1(t)和f2(t)完全相關(guān)； 當(dāng)0|12()|0時，( f )=0；當(dāng)sinc f1時，特征根為兩個不同的負(fù)實(shí)根，階躍響應(yīng)是一個不振蕩的衰減過程，這種狀態(tài)又稱為過阻尼狀態(tài)； 當(dāng)=1時，特征根為兩個相同的負(fù)實(shí)根，階躍響應(yīng)也是一個不振蕩的衰減過程，但是它是一個由不振蕩衰減到振蕩衰減的臨界過程，故又稱為

29、臨界阻尼狀態(tài)；當(dāng)0C2，則各點(diǎn)電壓波形如圖6-11(c)所示，輸出電壓uAB的平均值不再是零。圖 6-11 脈沖寬度調(diào)制電路及波形輸出電壓uAB經(jīng)低通濾波后，便可得到一直流輸出電壓Uo，其值為 A、B 兩點(diǎn)電壓平均值uA與uB之差，即 (6-27)式中: T1、T2分別為C1、C2充至Uc需要的時間，即A點(diǎn)和B點(diǎn)的脈沖寬度；U1為觸發(fā)器輸出的高電位。由于U1的大小是固定的，因此，輸出直流電壓Uo隨T1和T2而變，即隨uA和uB的脈沖寬度而變，而電容C1和C2分別與T1和T2成正比。 當(dāng)電阻R1=R2=R時， (6-28) 由此可知，直流輸出電壓Uo與電容C1和C2之差成比例，極性可正可負(fù)。對于

30、差動式變極距型電容式傳感器, (6-29) 對于差動式變面積型電容式傳感器, (6-30)根據(jù)以上分析可知:(1) 不論是變極距型還是變面積型電容式傳感器，其輸入與輸出變化量都呈線性關(guān)系，而且脈沖寬度調(diào)制電路對傳感元件的線性度要求不高；(2) 不需要解調(diào)電路，只要經(jīng)過低通濾波器就可以得到直流輸出；(3) 調(diào)寬脈沖頻率的變化對輸出無影響；(4) 由于采用直流穩(wěn)壓電源供電，因此不存在對其波形及頻率的要求。所有這些特點(diǎn)都是其它電容測量電路無法比擬的。6.3 電容式傳感器的應(yīng)用6.3.1 電容式加速度傳感器圖6-12為一種差動結(jié)構(gòu)的電容式加速度傳感器結(jié)構(gòu)圖。它有兩個固定極板(與殼體絕緣)，中間有一個用

31、彈簧片支撐的質(zhì)量塊，此質(zhì)量塊的兩個端面經(jīng)過磨平拋光后作為可動極板(與殼體電連接)。圖 6-12 電容式加速度傳感器結(jié)構(gòu)圖當(dāng)傳感器的殼體隨被測對象沿垂直方向做直線加速運(yùn)動時，質(zhì)量塊在慣性空間中相對靜止，兩個固定電極將相對于質(zhì)量塊在垂直方向產(chǎn)生大小正比于被測加速度的位移，此位移使兩電容的間隙發(fā)生變化，一個增加，一個減小，從而使C1、C2產(chǎn)生大小相等、符號相反的增量，此增量正比于被測加速度。電容式加速度傳感器的主要特點(diǎn)是頻率響應(yīng)快和量程范圍大，大多采用空氣或其它氣體作為阻尼物質(zhì)。6.3.2 電容式傳聲器圖6-13為電容式傳聲器。傳聲器也叫話筒，用來把聲壓轉(zhuǎn)換成電信號。完成聲電轉(zhuǎn)換分為兩步，首先是將聲

32、能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，由膜片完成，膜片將聲壓轉(zhuǎn)換成膜片的振動，然后由傳感器將膜片的振動轉(zhuǎn)換成電信號。傳聲器由很薄的(4 6 m)金屬膜片和緊靠著它的固定極板組成，膜片與固定極板之間留有空氣薄層，構(gòu)成空氣介質(zhì)電容器。當(dāng)聲壓作用在膜片上時，膜片內(nèi)外產(chǎn)生壓差，使膜片產(chǎn)生與外界聲波信號一致的振動，從而使膜片與固定極板之間的距離改變，引起電容量的變化，通過測量電路變成電壓輸出。極板上阻尼孔的作用是抑制振膜的振幅，殼體上的減壓孔用來平衡振膜兩側(cè)的靜壓力，以防振膜破裂。圖 6-13 電容式傳聲器思考題與習(xí)題6-1 說明電容式傳感器的工作原理及其類型?6-2 推導(dǎo)差動式變極距型電容式傳感器的靈敏度和非線性誤差，并與

33、單一型傳感器做比較。6-3 說明脈沖寬度調(diào)制電路的工作原理及在差動電容相等和不相等時的各點(diǎn)電壓波形。6-4 變極距型平板電容式傳感器，d0=1mm，要求測量線性度為0.1%，求允許測量的最大變化量。7.1 壓電轉(zhuǎn)換和壓電材料 7.2 壓電傳感器的測量電路 7.3 壓電傳感器的應(yīng)用 思考題與習(xí)題 7.1 壓電轉(zhuǎn)換和壓電材料7.1.1 壓電轉(zhuǎn)換考察壓電材料的受壓情況，如圖7-1所示。設(shè)壓電材料的壓電常數(shù)為d，受壓力F作用后產(chǎn)生電荷Q，則有Q=dF (7-1)式中，d為壓電常數(shù)，單位是pC/N。圖 7-1 壓電材料的受壓假設(shè)圖7-1的受力方向?yàn)閦方向，那么該壓電材料在z方向有壓電效應(yīng)。 一般情況下，

34、除了z方向的壓電效應(yīng)外，在y、 x方向及三個剪切方向上也有可能產(chǎn)生壓電效應(yīng)，為此，觀察圖7-2的壓電微單元及受力模型。設(shè)在x、 y、 z三個方向產(chǎn)生的電荷分別為 q1、 q2和q3 ，其中，q1表示垂直于x方向的兩個端面產(chǎn)生的電荷，q2表示垂直于y方向的兩個端面產(chǎn)生的電荷，q3表示垂直于z方向的兩個端面產(chǎn)生的電荷。微單元上的作用力分別是正應(yīng)力1、2、3和剪切力1、2、 3，統(tǒng)一用應(yīng)力j表示，=1 2 3 1 2 3T，則微單元受力后產(chǎn)生的單位面積電荷可表示為qi=dijj (7-2)其中： dij表示在j方向受力，在i方向產(chǎn)生電荷的壓電系數(shù)，這里，正應(yīng)力和剪切力統(tǒng)一用表示。例如：d23表示z方

35、向上的應(yīng)力3在y方向(q2)產(chǎn)生壓電效應(yīng)的壓電系數(shù)；4表示x方向的剪切力1等等。圖 7-2 壓電材料微單元及其受壓分析將式(7-2)寫成矩陣的形式，有 (7-3)式中，D為壓電系數(shù)矩陣。實(shí)際應(yīng)用時，往往沒有那么復(fù)雜，比如，壓電材料僅僅在x方向受到力的作用，壓電材料的電荷輸出面是z方向，則受x方向(拉、壓)力作用后在z方向產(chǎn)生的電荷為q3=d311。又如, 受z方向力作用后在z方向產(chǎn)生的電荷為q3=d333。表征壓電材料壓電性能的參數(shù)還有以下幾種: (1) 壓電電壓常數(shù)： 式中，為壓電材料的介電常數(shù)。(2) 壓電應(yīng)變常數(shù): h=gE式中，E為壓電材料的彈性模量。(3) 機(jī)電耦合系數(shù)： 它表達(dá)了壓

36、電材料的電能與應(yīng)變能之比，反映了機(jī)電轉(zhuǎn)換的效率。壓電材料除壓電常數(shù)外，還有其它幾個比較重要的性能指標(biāo)，如壓電材料的機(jī)械性能、壓電系數(shù)的溫度和時間穩(wěn)定性、絕緣阻抗等。溫度穩(wěn)定性指的是溫度變化時壓電常數(shù)的變化情況，一般情況下，對于某種壓電材料，當(dāng)溫度超過某一值時，壓電性能會急劇下降，這個溫度點(diǎn)又稱居里點(diǎn)，居里點(diǎn)越高越好。時間穩(wěn)定性表示壓電特性隨時間的衰減情況，這種衰減越小越好，因?yàn)樗p將導(dǎo)致輸出的不確定，使傳感器在某一精度范圍內(nèi)的標(biāo)定時間縮短。7.1.2 石英的壓電機(jī)理分析石英的晶體結(jié)構(gòu)為六方晶體系。其晶體結(jié)構(gòu)、切片及坐標(biāo)定義如圖7-3所示。 其坐標(biāo)定義具體如下：(1) x軸: 兩平行柱面內(nèi)夾角的

37、等分線，垂直此軸壓電效應(yīng)最強(qiáng)，又稱為電軸。(2) y軸: 垂直于平行柱面，該軸方向在電場作用下變形最大，又稱為機(jī)械軸。(3) z軸: 無壓電效應(yīng)，又稱為中心軸。 圖 7-3 石英的晶體結(jié)構(gòu)及切片方式(a) 晶體結(jié)構(gòu)； (b) 沿軸切片；(c) 壓電片；(d) 坐標(biāo)定義由于壓電材料可能在多個方向上具有壓電效應(yīng)，所以，為便于這些方向壓電效應(yīng)的具體應(yīng)用，往往對壓電材料采取不同的切片方式。圖7-3(b)是沿垂直x軸的yOz平面切片，切片下來的壓電片如圖7-3(c)所示。如果集電荷的電極鍍膜在垂直x軸的兩個端面上，受力為x方向，則該壓電片對應(yīng)的壓電系數(shù)是d11。 下面分析石英晶體(SiO2)的壓電機(jī)理。

38、由石英晶體的分子結(jié)構(gòu)知，3個硅離子和6個成對的氧離子構(gòu)成正六邊形排列，如圖7-4所示。圖 7-4 石英的壓電機(jī)理分析當(dāng)石英晶體未受外力作用時，如圖7-4(a)所示，一個正離子Si+和兩個負(fù)離子2O-正好相間分布在正六邊形的頂角上，形成3個大小相等、互成120夾角的電偶極矩p1、 p2、 p3。 未受力時，p1+p2+p3=0，這時，晶體表面不產(chǎn)生電荷。當(dāng)x方向受壓力作用時，如圖7-4(b)所示，晶體沿x方向?qū)a(chǎn)生壓縮變形，電偶極矩在x方向不平衡，在x的正方向出現(xiàn)正電荷d110， 其它兩個方向不產(chǎn)生電荷。當(dāng)y方向受壓力作用時，如圖7-4(c)所示，晶體沿y方向產(chǎn)生壓縮變形，電偶極矩在x方向不平衡

39、，在x的正方向出現(xiàn)負(fù)電荷d120，且d12=-d11，其它兩個方向不產(chǎn)生電荷。當(dāng)z方向受壓力作用時，如圖7-4(d)所示，晶體沿z方向產(chǎn)生壓縮變形，由晶體結(jié)構(gòu)知，電偶極矩仍保持平衡，任何方向都不產(chǎn)生電荷。依次類推，可以得到石英在各個方向的壓電系數(shù)，并寫成矩陣的形式如下： (7-4)7.1.3 壓電陶瓷的壓電機(jī)理分析壓電陶瓷是人工制造的多晶壓電材料。常用的壓電材料有鈦酸鋇(BaTiO3)、鋯鈦酸鉛(PZT)等。制作時，將粉末材料粘結(jié)成需要的形狀，經(jīng)高溫?zé)Y(jié)得到，其加工工藝類似陶瓷。這樣得到的材料還不具有壓電效應(yīng)，還需要在一定溫度下經(jīng)強(qiáng)直流電場(2030 kV/cm)23小時的極化,才具有較高的壓

40、電系數(shù)，其壓電系數(shù)可達(dá)石英晶體的幾十倍到幾百倍。為了得到穩(wěn)定的壓電性能，極化后的壓電材料一般需要一段時間的時效處理。壓電陶瓷的極化過程如圖7-5所示。壓電陶瓷由無數(shù)細(xì)微的電疇組成，極化前，這些電疇是自發(fā)極化的，方向呈任意排列，所以整體上并無壓電效應(yīng)。施加高壓電場E后，各微單元電疇趨向一致，這種極化現(xiàn)象在電場去掉后被部分保留了下來。當(dāng)壓電陶瓷受外力作用時，電疇的界限發(fā)生移動，致使其呈現(xiàn)壓電效應(yīng)。圖 7-5 壓電陶瓷的極化(a) 未極化前的電疇方向；(b) 極化后的電疇方向與石英晶體相比，壓電陶瓷具有壓電常數(shù)大，制造工藝成熟，能方便地制成不同形狀，成本低等特點(diǎn)，但居里點(diǎn)比石英晶體低，壓電常數(shù)的穩(wěn)定

41、性也沒有石英晶體好。石英晶體的突出優(yōu)點(diǎn)是性能非常穩(wěn)定，機(jī)械強(qiáng)度高，絕緣性能也相當(dāng)好。但石英材料價格昂貴，因此一般僅用于標(biāo)準(zhǔn)儀器或要求較高的傳感器中。常用壓電材料的壓電常數(shù)及相關(guān)性能參數(shù)可查閱有關(guān)手冊。7.1.4 新型壓電材料半導(dǎo)體的壓電性能近幾十年才被發(fā)現(xiàn)，如硫化鋅(ZnS)、碲化鎘(CdTe)和砷化鎵(GaAs)等，這些材料的顯著特點(diǎn)是既有壓電性能又有半導(dǎo)體的特性。利用其壓電性能可研制壓電傳感器，利用其半導(dǎo)體的特性又可制作電子器件，所以用這些材料可以研制壓電轉(zhuǎn)換和放大電路一體化的新型集成壓電傳感器。7.1.5 高分子壓電材料PVDF某些高分子聚合物，如聚氟乙烯(PVF)、聚偏氟乙烯(PVDF

42、)、聚氯乙烯(PVC)等，經(jīng)延展拉伸和電極化后具有壓電性和熱釋電性能。其電極化過程與壓電陶瓷的電極化類似。同樣，高分子壓電材料也需要時效處理，其居里點(diǎn)比壓電陶瓷還要低，通常在100以下，這影響了高分子壓電材料傳感器的應(yīng)用范圍。但由于高分子壓電材料具有質(zhì)輕柔軟、耐沖擊、絕緣阻抗高(1012 m以上)和聲阻抗與水及其有機(jī)組織接近等優(yōu)點(diǎn)，所以仍在許多場合得到了廣泛的應(yīng)用。這種高分子聚合物拉伸成薄膜，可以屈曲和大面積成型，所以可以制成形狀復(fù)雜的傳感器和大面積陣列傳感器。 如在機(jī)器人的傳感器方面，用PVDF可以研制成人工皮膚，它不僅具有觸覺感知功能，還具有熱敏感能力。用高分子壓電材料PVDF還可以制成高

43、性能、低成本的動態(tài)微壓傳感器。傳感器采用壓電薄膜作為換能材料，動態(tài)壓力信號通過薄膜變成電荷量，再經(jīng)傳感器內(nèi)部放大電路轉(zhuǎn)換成電壓輸出。由于PVDF厚度可以小到50 m以下，再加上其優(yōu)良的綜合機(jī)械性能，與集成電路相結(jié)合，將得到靈敏度高、抗過載及沖擊能力強(qiáng)、抗干擾性好、體積小、重量輕的集成化傳感器，目前已應(yīng)用于醫(yī)療、工業(yè)控制、交通、安全防衛(wèi)等領(lǐng)域。其典型應(yīng)用有脈搏計(jì)數(shù)探測、觸摸鍵盤、振動沖擊檢測、碰撞報(bào)警和管道壓力波動測量等。7.2 壓電傳感器的測量電路當(dāng)壓電傳感器的壓電元件受力時，在壓電元件的兩側(cè)端面分別產(chǎn)生正負(fù)電荷，因此，可將壓電傳感器等效為一個電荷源和傳感器自身電容相并聯(lián)的等效電路，根據(jù)電路轉(zhuǎn)

44、換原理，也可等效為一個電壓源和電容相串聯(lián)的電路，如圖7-6所示。其中，Ca為傳感器的等效電容，Ra為傳感器的絕緣電阻。圖 7-6 壓電傳感器及其等效電路(a) 傳感器；(b) 傳感器等效為電荷源；(c) 傳感器等效為電壓源由圖7-6可知，電壓源的輸出電壓為 (7-5) 當(dāng)傳感器接入后續(xù)放大電路時，電路的輸入部分還會受到兩個因素的影響: 一個是連接電纜，電纜有絕緣阻抗和電纜電容；另一個是輸入放大器，放大器具有輸入電阻和輸入電容。7.2.1 電壓放大器電路壓電傳感器的電壓放大器電路如圖7-7所示。圖中，放大器的輸入電阻是Ri，輸入電容為Ci，傳輸電纜的電容為Cc，忽略電纜的絕緣電阻對放大器的影響。

45、圖 7-7 壓電傳感器的電壓放大電路為簡化起見，后續(xù)式中用“”表示并聯(lián)。令 (7-6) (7-7)設(shè)壓電元件受頻率為的交變力作用F=Fm sint (7-8)對于z向受壓，輸出電荷q3的壓電模式，則有 (7-9) (7-10) (7-11)將式(7-11)化簡，得到 (7-12)令C=Ca+Cc+Ci (7-13)求式(7-12)的幅值與相角，得到輸入電壓的幅頻特性和相頻特性如下：幅頻: (7-14)相頻：由式(7-14)知，當(dāng)時 (7-15) 當(dāng)0時(直流狀態(tài))，Uim(0)=0 顯然，電壓放大器不能放大壓電傳感器靜態(tài)受力時的輸出信號，事實(shí)上，當(dāng)傳感器所受力的頻率很低時，信號的衰減也非常嚴(yán)重

46、。圖 7-8 幅值響應(yīng)比隨頻率變化的曲線令k1()=Uim()/Uim()，為幅值響應(yīng)比。由式(7-14)和式(7-15)可得 (7-16) 幅值響應(yīng)比隨頻率變化的曲線如圖7-8所示。當(dāng)時，對應(yīng)壓電傳感器的截止頻率L，即 (7-17) 求解式(7-17)，可得幅值衰減到0.707時的截止頻率L為 (7-18) 由此可見，任何低于截止頻率的壓電信號，當(dāng)采用電壓放大器為放大電路時，信號的衰減將非常明顯。7.2.2 電荷放大器電路電荷放大器電路是壓電傳感器更為常用的一種前置放大電路，它將高內(nèi)阻的電荷源轉(zhuǎn)化為低內(nèi)阻的電壓源，使輸出電壓正比于輸入電荷。電荷放大器電路由高輸入阻抗的高增益運(yùn)算放大器和反饋電

47、容組成，其等效電路如圖7-9所示。由于運(yùn)算放大器的輸入阻抗Ri、傳感器的絕緣電阻Ra都非常高，故可略去它們的影響，簡化電路如圖7-10所示，其中C的定義同式(7-13)。圖 7-9 電荷放大器電路的等效電路圖7-10的反饋電容CF，可以折算成輸入端電容(1A)CF，其等效關(guān)系不變，如圖7-11 所示。此時， (7-19)通常，放大倍數(shù)A在106以上，因此，C(1+A)CF，式(7-19)進(jìn)一步可簡化為 (7-20)圖 7-10 電荷放大器電路的簡化電路圖 7-11 電荷放大器電路簡化電路的等效電路從式(7-20)得知，輸出電壓Uo僅取決于壓電傳感器產(chǎn)生的電荷和反饋電容的大小，與傳輸線的電纜電容

48、Cc等影響測量精度的多種因素?zé)o關(guān)，且壓電信號頻率對輸出電壓Uo的幅值沒有影響(由于作了簡化假設(shè)，從表達(dá)式上看是無關(guān)的)，所以，電荷放大器與電壓放大器相比，更適宜放大低頻的壓電信號。由于壓電信號一般采用同軸低噪聲電纜傳輸，因此如果采用電壓放大器放大，其輸出電壓與電纜電容有關(guān)，所以當(dāng)使用不同的電纜時，壓電測試系統(tǒng)需要重新標(biāo)定，而電荷放大器的輸出與電纜電容無關(guān)，這為使用帶來了很大的方便。在電荷放大器中，反饋電容CF的精度和穩(wěn)定性對測量精度有較大的影響，所以一般選擇高精度的電容。根據(jù)不同量程的需要，范圍一般為100104pF。7.3 壓電傳感器的應(yīng)用 壓電材料受力產(chǎn)生電荷后，需要由鍍附在表面的電極完成

49、輸出。壓電元件是一個電荷源，同時也是一個以壓電材料為介質(zhì)的電容。電荷只有在電容無泄漏的情況下才能保存，壓電材料和后續(xù)放大器的輸入阻抗盡管很高，但還是不能保證電荷的不泄漏，只是泄漏的速度有快有慢，因此壓電傳感器不適宜做靜態(tài)測量。壓電傳感器一般用來檢測交變的力信號，如機(jī)床切削力的動態(tài)測量、振動的測量(壓電加速度傳感器)等。單片壓電材料產(chǎn)生的電荷很小，為了提高響應(yīng)的靈敏度，在實(shí)際使用中常采用兩片或多片同類壓電材料疊放的結(jié)構(gòu)。由于壓電材料產(chǎn)生的電荷是有極性的，因此有串聯(lián)、并聯(lián)兩種接法。如圖7-12所示，圖(a)是兩片壓電材料的負(fù)端粘結(jié)在一起，中間插入金屬電極，成為壓電傳感器負(fù)端輸出，外側(cè)的兩個正端短接

50、形成壓電傳感器的正端輸出，這種接法類似兩個電容的并聯(lián)，稱為并聯(lián)接法。圖(b)是兩片壓電材料的不同極性的端面粘結(jié)在一起，另外兩側(cè)形成壓電傳感器的正、負(fù)端輸出，這種接法類似于兩個電容的串聯(lián)，稱為串聯(lián)接法。 圖 7-12 多片壓電材料的組合接法壓電材料并聯(lián)時的電容比單片壓電材料增加一倍，串聯(lián)時的電容為單片壓電材料電容的二分之一。如果兩者都受同樣的壓力作用，并聯(lián)時的電荷q、電容C、電壓U與串聯(lián)時的電荷q、電容C、電壓U之間的相應(yīng)關(guān)系為q=2q 7-21)C=4C (7-22) (7-23)由此可知，并聯(lián)接法產(chǎn)生的電荷是串聯(lián)接法產(chǎn)生電荷的2倍，并聯(lián)接法的電容是串聯(lián)接法電容的4倍，并聯(lián)接法產(chǎn)生的輸出電壓是

51、串聯(lián)接法的1/2。所以，實(shí)際制作傳感器時，可以根據(jù)不同的需要選擇不同的接法。7.3.1 壓電式力傳感器由前面的分析得知，由于傳感器本身的阻抗和后續(xù)放大器的輸入阻抗都不可能為無窮大，因此壓電傳感器產(chǎn)生的電荷會隨著時間的推移慢慢衰減，如果用做靜態(tài)力的測量，必須采取其它的信號處理辦法，原則上壓電傳感器不用做靜態(tài)力的測量。壓電式力傳感器有單向、雙向、三向力傳感器之分，這種力傳感器常用做機(jī)床動態(tài)單向或多向切削力的測量。圖7-13是單向壓電力傳感器的結(jié)構(gòu)圖。壓電片石英晶體采用沿yOz平面的切片，利用的壓電系數(shù)是d11，采用兩片并聯(lián)的接法，壓電片的兩外側(cè)端面連接后接地，以增強(qiáng)壓電傳感器的靈敏度和抗干擾能力。

52、當(dāng)傳感器正面受力后，經(jīng)傳力蓋傳遞至壓電片，由電極輸出電荷信號。圖 7-13 單向壓電力傳感器結(jié)構(gòu)圖圖7-14(a)是壓電式三向力傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。壓電組為三組石英雙晶片疊合并接的方式，可以測量作用在傳感器上的任何一個或三個方向的力。三組石英晶片的輸出極性相同，其中，x、y方向測力的石英晶片組采用剪切壓電效應(yīng)的切型晶片，即剪切力3在y方向產(chǎn)生的壓電效應(yīng)，對應(yīng)式(7-4)中的-2d11=d26，而且這一剪切壓電效應(yīng)是d11的2倍。x方向和y方向的石英晶片組其剪切壓電效應(yīng)相互垂直。 z方向的縱向壓電效應(yīng)仍采用單向壓電力傳感器的晶片組，利用石英的d11壓電系數(shù)。三個方向的受力分析與壓電效應(yīng)如圖7-1

53、4(b)所示。圖 7-14 壓電式三向力傳感器及壓電片的受力分析7.3.2 壓電式加速度傳感器壓電式加速度傳感器具有高頻響應(yīng)特性良好、結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠等一系列優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于振動沖擊測量信號分析和故障診斷等場合。圖7-15是壓電式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。傳感器由預(yù)壓彈簧、質(zhì)量塊、壓電元件和基座等組成。質(zhì)量塊一般由質(zhì)量大、物理性能穩(wěn)定的金屬材料制作，預(yù)壓彈簧使質(zhì)量塊對壓電元件產(chǎn)生預(yù)緊力，保證作用力變化時壓電元件始終受壓。壓電式加速度傳感器采用兩片壓電元件并接的方式，壓電材料的切片與單向壓電力傳感器一樣。圖 7-15 壓電式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)當(dāng)加速度傳感器和被測物體一起受到?jīng)_擊振動時，壓電元

54、件將受到質(zhì)量塊慣性力的作用。慣性力是加速度的函數(shù)，即F=ma (7-24)式中: F為質(zhì)量塊產(chǎn)生的慣性力；m為質(zhì)量塊的質(zhì)量； a為加速度。此時慣性力F作用于壓電元件上，因而產(chǎn)生電荷q，當(dāng)傳感器選定后，m為常數(shù)，則傳感器的輸出電荷為q=d11F=d11ma (7-25)q與加速度a成正比。因此，只要測得加速度傳感器輸出的電荷，便可知加速度的大小。安防傳感器中的玻璃破碎報(bào)警器，其實(shí)就是壓電式加速度傳感器的具體應(yīng)用。它利用傳感器檢測玻璃破碎時的振動，達(dá)到報(bào)警的目的。玻璃破碎報(bào)警器的電路原理框圖如圖7-16所示。使用時傳感器用膠粘貼在玻璃上，為了提高報(bào)警器的靈敏度和抗干擾能力，首先應(yīng)對玻璃的破碎振動進(jìn)

55、行必要的檢測，以確定玻璃破碎時振動的頻率范圍。傳感器的二次處理電路包括放大、帶通濾波、比較輸出電路和報(bào)警裝置。其中，帶通濾波器尤為重要，由于玻璃破碎產(chǎn)生的振動的頻率在音頻和超聲波的范圍內(nèi)，所以要求帶通濾波器在破碎振動頻率范圍內(nèi)的衰減小，而頻帶外的衰減要盡可能的大。當(dāng)玻璃破碎發(fā)生時，比較電路輸出報(bào)警信號，驅(qū)動報(bào)警裝置工作。圖 7-16 壓電式玻璃破碎報(bào)警器電路原理框圖思考題與習(xí)題7-1 什么是正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)？簡述壓電陶瓷的壓電原理。7-2 試比較天然石英和壓電陶瓷的壓電性能和相關(guān)指標(biāo)(壓電系數(shù)、居里點(diǎn)、穩(wěn)定性等)。7-3 某壓電晶體的電容為1000 pF， 電荷靈敏度系數(shù)Kq=2.5 C

56、/cm，Cc=3000 pF，電壓放大器的輸入阻抗為1 M，并聯(lián)電容為50 pF，求:(1) 壓電晶體的電壓靈敏度。(2) 測量系統(tǒng)的高頻()響應(yīng)。(3) 如果系統(tǒng)允許的測量幅值誤差為5，可測的最低頻率是多少?(4) 如果頻率為10 Hz，允許誤差為5，采用并聯(lián)方式，電容值是多少？7-4 用石英晶體加速度計(jì)及電荷放大器測量機(jī)器的振動，已知加速度計(jì)的靈敏度為5 pC/g，電荷放大器的靈敏度為50 mV/pC，當(dāng)機(jī)器達(dá)到最大加速度值時相應(yīng)的輸出電壓為2 V，試求該機(jī)器的振動加速度(用重力加速度的相對值表示)。7-5 石英晶體壓電式傳感器的面積為1 cm2，厚度為1mm，固定在兩金屬板之間，用來測量

57、通過晶體兩面力的變化。材料彈性模量為91010Pa，電荷靈敏度為2pC/N，相對介電常數(shù)為5.1，材料相對兩面間的電阻為1014。壓電傳感器后接放大電路，放大電路的輸入電容為20 pF，輸入電阻為100 M(與極板并聯(lián))。若所加力F=0.01sin(103t) N，求: (1) 兩極板間的電壓峰峰值；(2) 晶體厚度的最大變化(應(yīng)力應(yīng)變彈性模量，=E)。8.1 霍爾傳感器 8.2 磁電感應(yīng)式傳感器 思考題與習(xí)題 8.1 霍 爾 傳 感 器8.1.1 霍爾效應(yīng)與霍爾元件1. 霍爾效應(yīng)霍爾傳感器是利用霍爾效應(yīng)實(shí)現(xiàn)磁電轉(zhuǎn)換的一種傳感器。如圖 8-1所示的導(dǎo)電板，其長度為l，寬度為 b，厚度為d，當(dāng)它

58、被置于磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場中(z方向)時，如果在它相對的兩邊通以控制電流I(y方向)，磁場方向與電流方向正交，則在導(dǎo)電板的另外兩邊(x方向)將產(chǎn)生一個電勢UH，這一現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)，該電勢稱為霍爾電勢。圖 8-1 霍爾效應(yīng)原理圖霍爾效應(yīng)是導(dǎo)電板中的電子受磁場洛侖茲力作用而產(chǎn)生的。當(dāng)給導(dǎo)電板通以電流I時，導(dǎo)電板中的電子受到磁場中洛侖茲力的作用，其方向如圖8-1所示，大小為FL= qvB=-evB (8-1)式中: q為電子的電荷量，q=-e； v為電子的速度。電子在洛侖茲力FL作用下向C面積聚。這樣，在 C面產(chǎn)生負(fù)電荷積累，而在D面產(chǎn)生正電荷積累，CD間形成靜電場EH，該電場將阻止電荷繼續(xù)積累，

59、當(dāng)電場力與洛侖茲力相等時，達(dá)到動態(tài)平衡，即FE=FL(8-2)則 -eEH=-evB(8-3)而 (8-4)則 UH= bvB(8-5)流過霍爾元件的電流I可表示為I=-enbdv (8-6)式中: bd為與電流方向垂直的截面積；n為單位體積內(nèi)的電子數(shù)(載流子濃度)。由式(8-5)和式(8-6)得 (8-7)在式(8-7)中取則 (8-8) RH為霍爾傳感器的霍爾系數(shù)，它由霍爾元件的材料性質(zhì)決定，設(shè) (8-9) 則UH=KHIB (8-10)式中，KH為霍爾元件的靈敏度。由式(8-10)可見，霍爾電勢正比于激勵電流及磁感應(yīng)強(qiáng)度，其靈敏度與霍爾系數(shù)RH成正比，而與霍爾片厚度d成反比。為了提高靈敏

60、度，霍爾元件常制成薄片形狀。對霍爾片材料的要求，希望有較大的霍爾系數(shù)RH，霍爾元件激勵極間電阻R=l/(bd), 同時R=U/I=El/I=vl/(-nevbd)=l/(-nebd)(因?yàn)?v/E，為電子遷移率)，其中U為加在霍爾元件兩端的激勵電壓，E為霍爾元件激勵極間內(nèi)電場，v為電子移動的平均速度，則 (8-11)解得 RH = (8-12)由式(8-12)可知，霍爾系數(shù)等于霍爾片材料的電阻率與電子遷移率的乘積。若要增強(qiáng)霍爾效應(yīng)，就要增大RH值，即要求霍爾片材料有較大的電阻率和載流子遷移率。一般金屬材料的載流子遷移率很高，但電阻率很低；而絕緣材料電阻率極高，但載流子遷移率極低。故只有半導(dǎo)體材