傳感器和調(diào)理技術(shù)

1、關(guān)于傳感器與調(diào)理技術(shù)第1頁(yè)，共95頁(yè)，2022年，5月20日，21點(diǎn)6分，星期四2.1 虛擬儀器常用傳感器21世紀(jì)的社會(huì)是信息社會(huì)。現(xiàn)代信息技術(shù)包括三大組成部分： 傳感器技術(shù)信息采集 通信技術(shù)-信息傳遞 計(jì)算機(jī)技術(shù)信息處理傳感器技術(shù)位于信息技術(shù)之首。 第2頁(yè)，共95頁(yè)，2022年，5月20日，21點(diǎn)6分，星期四傳感器 給我們的生活帶來(lái)了便利和幫助第3頁(yè)，共95頁(yè)，2022年，5月20日，21點(diǎn)6分，星期四2.1.1 傳感器概述 傳感器（Sensor）：能感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件和裝置。包含的概念它是由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件構(gòu)成的檢測(cè)裝置； 能按一定規(guī)律將被測(cè)量轉(zhuǎn)換成

2、電信號(hào)輸出； 傳感器的輸出與輸入之間存在確定的關(guān)系。按使用的場(chǎng)合不同又稱(chēng)為:變換器、換能器、探測(cè)器。1.傳感器的定義第4頁(yè)，共95頁(yè)，2022年，5月20日，21點(diǎn)6分，星期四2.傳感器的組成傳感器由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、測(cè)量電路三部分組成。敏感元件 轉(zhuǎn)換元件 測(cè)量電路 電量輸出被測(cè)量 敏感元件感受被測(cè)量; 轉(zhuǎn)換元件將響應(yīng)的被測(cè)量轉(zhuǎn)換成電參量; 測(cè)量電路（信號(hào)調(diào)節(jié)與轉(zhuǎn)換電路）將傳感元件輸出的微小的電信號(hào)變換成便于顯示、記錄、處理和控制的能直接利用的電信號(hào)。 。第5頁(yè)，共95頁(yè)，2022年，5月20日，21點(diǎn)6分，星期四3.傳感器分類(lèi)傳感器分類(lèi)方法較多,大體有以下2種：按傳感器的工作原理分類(lèi) 如：

3、應(yīng)變式傳感器 電容式傳感器 壓電式傳感器按被測(cè)參數(shù)分類(lèi) 如：溫度傳感器 壓力傳感器 位移傳感器第6頁(yè)，共95頁(yè)，2022年，5月20日，21點(diǎn)6分，星期四4.傳感器技術(shù)的作用和地位 傳感器廣泛用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、商業(yè)、交通、環(huán)境監(jiān)測(cè)、醫(yī)療診斷、軍事科研、航空航天、現(xiàn)代辦公設(shè)備、智能樓宇和家用電器等領(lǐng)域。是構(gòu)建現(xiàn)代信息系統(tǒng)的重要組成部分。第7頁(yè)，共95頁(yè)，2022年，5月20日，21點(diǎn)6分，星期四機(jī)械手、機(jī)器人中的傳感器 轉(zhuǎn)動(dòng)/移動(dòng)位置傳感器、力傳感器、視覺(jué)傳感器、聽(tīng)覺(jué)傳感器、接近距離傳感器、觸覺(jué)傳感器、熱覺(jué)傳感器、嗅覺(jué)傳感器。 密歇根大學(xué)的機(jī)械手裝配模型廣州中鳴數(shù)碼的機(jī)器狗第8頁(yè)，共95頁(yè)，202

4、2年，5月20日，21點(diǎn)6分，星期四AGV自動(dòng)送貨車(chē) 超聲波測(cè)距傳感器、判斷建筑物內(nèi)人和物所在位置；紅外線(xiàn)色彩傳感器運(yùn)動(dòng)軌跡和AGV小車(chē)位置識(shí)別；條形碼傳感器，貨品識(shí)別。香港理工AGV模型第9頁(yè)，共95頁(yè)，2022年，5月20日，21點(diǎn)6分，星期四循跡小車(chē)第10頁(yè)，共95頁(yè)，2022年，5月20日，21點(diǎn)6分，星期四產(chǎn)品質(zhì)量測(cè)量 在汽車(chē)、機(jī)床等設(shè)備，電機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)等零部件出廠(chǎng)時(shí)，必須對(duì)其性能質(zhì)量進(jìn)行測(cè)量和出廠(chǎng)檢驗(yàn)。 圖示為汽車(chē)出廠(chǎng)檢驗(yàn)原理框圖，測(cè)量參數(shù)包括潤(rùn)滑油溫度、冷卻水溫度、燃油壓力及發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速等。通過(guò)對(duì)抽樣汽車(chē)的測(cè)試，工程師可以了解產(chǎn)品質(zhì)量。汽車(chē)扭距測(cè)量機(jī)床加工精度測(cè)量第11頁(yè)，共95頁(yè)，

5、2022年，5月20日，21點(diǎn)6分，星期四樓宇控制與安全防護(hù) 4、 為使建筑物成為安全、健康、舒適、溫馨的生活、工作環(huán)境，并能保證系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和管理的智能化。在樓宇中應(yīng)用了許多測(cè)試技術(shù)，如闖入監(jiān)測(cè)、空氣監(jiān)測(cè)、溫度監(jiān)測(cè)、電梯運(yùn)行狀況。 圖示為某公司樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)。該系統(tǒng)分為：電源管理、安全監(jiān)測(cè)、照明控制、空調(diào)控制、停車(chē)管理、水/廢水管理和電梯監(jiān)控。煙霧傳感器亮度傳感器紅外人體探測(cè)器第12頁(yè)，共95頁(yè)，2022年，5月20日，21點(diǎn)6分，星期四其他應(yīng)用 航天農(nóng)業(yè)交通醫(yī)學(xué)第13頁(yè)，共95頁(yè)，2022年，5月20日，21點(diǎn)6分，星期四5.傳感器發(fā)展趨勢(shì) 目前傳感器總的發(fā)展趨勢(shì)是 : （1）新材料的

6、開(kāi)發(fā)和應(yīng)用； （2）新工藝、新技術(shù)的應(yīng)用；（3）新的效應(yīng)的應(yīng)用；（4）傳感器的集成化； （5）傳感器的多維化； （6）傳感器的多功能化； （7）傳感器的智能化。 第14頁(yè)，共95頁(yè)，2022年，5月20日，21點(diǎn)6分，星期四有人說(shuō)：征服了傳感器 幾乎就征服了科學(xué)技術(shù)。第15頁(yè)，共95頁(yè)，2022年，5月20日，21點(diǎn)6分，星期四2.1.2 應(yīng)變式傳感器高精度電子汽車(chē)衡廣泛應(yīng)用于：第16頁(yè)，共95頁(yè)，2022年，5月20日，21點(diǎn)6分，星期四1. 工作原理應(yīng)變效應(yīng)：當(dāng)導(dǎo)體或半導(dǎo)體在外界力的作用下發(fā)生機(jī)械變形時(shí)，其電阻值相應(yīng)發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱(chēng)為應(yīng)變效應(yīng)。第17頁(yè)，共95頁(yè)，2022年，5月20日

7、，21點(diǎn)6分，星期四應(yīng)變效應(yīng)當(dāng)電阻絲受到拉力F作用時(shí), 將伸長(zhǎng)L, 橫截面積相應(yīng)減小S, 電阻率將因晶格發(fā)生變形等因素而改變, 故引起電阻值相對(duì)變化量。第18頁(yè)，共95頁(yè)，2022年，5月20日，21點(diǎn)6分，星期四應(yīng)變效應(yīng)式中L/L是長(zhǎng)度相對(duì)變化量, 用應(yīng)變表示 S/S為圓形電阻絲的截面積相對(duì)變化量, 即 又由材料力學(xué)可知，在彈性范圍內(nèi)電阻絲材料的泊松比第19頁(yè)，共95頁(yè)，2022年，5月20日，21點(diǎn)6分，星期四電阻絲的靈敏系數(shù)電阻絲的靈敏系數(shù)：把單位應(yīng)變能引起的電阻值變化稱(chēng)為電阻絲的靈敏度系數(shù)。其物理意義是單位應(yīng)變所引起的電阻相對(duì)變化量， 其表達(dá)式為：第20頁(yè)，共95頁(yè)，2022年，5月2

8、0日，21點(diǎn)6分，星期四工作原理說(shuō)明演示實(shí)驗(yàn)第21頁(yè)，共95頁(yè)，2022年，5月20日，21點(diǎn)6分，星期四2. 應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu)與種類(lèi) 金屬應(yīng)變片由敏感柵、基片、覆蓋層和引線(xiàn)等部分組成。 敏感柵是應(yīng)變片的核心部分，它粘貼在絕緣的基片上，其上再粘貼起保護(hù)作用的覆蓋層，兩端焊接引出導(dǎo)線(xiàn)。金屬電阻應(yīng)變片的敏感柵有： 絲式箔式第22頁(yè)，共95頁(yè)，2022年，5月20日，21點(diǎn)6分，星期四金屬絲式應(yīng)變片 金屬電阻絲應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu) 1-基片；2-電阻絲；3-覆蓋層；4-引出線(xiàn) 其靈敏度系數(shù)多在1.73.6之間第23頁(yè)，共95頁(yè)，2022年，5月20日，21點(diǎn)6分，星期四金屬箔式應(yīng)變片 箔式應(yīng)變片結(jié)構(gòu)在絕

9、緣基底上，將厚度為0.0030.01mm電阻箔材，利用照相制板或光刻腐蝕的方法，制成適用于各種需要的形狀。 第24頁(yè)，共95頁(yè)，2022年，5月20日，21點(diǎn)6分，星期四3. 電阻應(yīng)變片的測(cè)量電路 由于機(jī)械應(yīng)變一般都很小，要把微小應(yīng)變引起的微小電阻變化測(cè)量出來(lái)，同時(shí)要把電阻相對(duì)變化R/R轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化。需要有專(zhuān)用測(cè)量電路用于測(cè)量應(yīng)變變化而引起電阻變化的測(cè)量電路。 直流電橋 交流電橋 第25頁(yè)，共95頁(yè)，2022年，5月20日，21點(diǎn)6分，星期四直流電橋 直流電橋的平衡條件 負(fù)載RL（開(kāi)路）當(dāng)電橋平衡時(shí), Uo=0, 則有 R1R4 = R2R3 或這說(shuō)明欲使電橋平衡, 其相鄰兩臂電阻的

10、比值應(yīng)相等, 或相對(duì)兩臂電阻的乘積相等。第26頁(yè)，共95頁(yè)，2022年，5月20日，21點(diǎn)6分，星期四 電壓靈敏度設(shè)R1為應(yīng)變片，應(yīng)變時(shí)R1變化量為R1，這時(shí)電橋失衡，不平衡輸出電壓為： 設(shè)橋臂比n = R2/R1第27頁(yè)，共95頁(yè)，2022年，5月20日，21點(diǎn)6分，星期四電壓靈敏度討論 由第28頁(yè)，共95頁(yè)，2022年，5月20日，21點(diǎn)6分，星期四差動(dòng)電橋電壓靈敏度 差動(dòng)電橋可補(bǔ)償非線(xiàn)性誤差，而且電橋電壓靈敏度KU比單臂工作時(shí)提高, 同時(shí)還具有溫度補(bǔ)償作用。電壓靈敏度是單片的 4 倍電壓靈敏度是單片的 2 倍第29頁(yè)，共95頁(yè)，2022年，5月20日，21點(diǎn)6分，星期四差動(dòng)應(yīng)變實(shí)驗(yàn)第30

11、頁(yè)，共95頁(yè)，2022年，5月20日，21點(diǎn)6分，星期四4. 應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用電阻應(yīng)變式傳感器按用途不同可分為： 應(yīng)變式測(cè)力（稱(chēng)重）傳感器 應(yīng)變式壓力傳感器 應(yīng)變式位移傳感器 應(yīng)變式加速度傳感器 等幾類(lèi)第31頁(yè)，共95頁(yè)，2022年，5月20日，21點(diǎn)6分，星期四應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面將應(yīng)變片粘貼于被測(cè)構(gòu)件上，直接用來(lái)測(cè)定構(gòu)件的應(yīng)變和應(yīng)力。將應(yīng)變片貼于彈性元件上，與彈性元件一起構(gòu)成應(yīng)變式傳感器。這種傳感器常用來(lái)測(cè)量力、位移、加速度等物理參數(shù)。第32頁(yè)，共95頁(yè)，2022年，5月20日，21點(diǎn)6分，星期四（1）應(yīng)變式傳感器測(cè)力第33頁(yè)，共95頁(yè)，2022年，5月20日，21點(diǎn)6分

12、，星期四應(yīng)變式傳感器測(cè)力演示第34頁(yè)，共95頁(yè)，2022年，5月20日，21點(diǎn)6分，星期四（2）應(yīng)變式壓力傳感器Phr0圓形金屬膜片徑向應(yīng)變切向應(yīng)變R1 R20.58rR3 R4膜片式壓力傳感器第35頁(yè)，共95頁(yè)，2022年，5月20日，21點(diǎn)6分，星期四（3）應(yīng)變式加速度傳感器 1質(zhì)量塊 2等強(qiáng)度梁 3殼體 4電阻應(yīng)變片第36頁(yè)，共95頁(yè)，2022年，5月20日，21點(diǎn)6分，星期四（4）應(yīng)變式傳感器測(cè)橋梁固有頻率測(cè)量第37頁(yè)，共95頁(yè)，2022年，5月20日，21點(diǎn)6分，星期四南京長(zhǎng)江二橋通車(chē)應(yīng)變?cè)囼?yàn)第38頁(yè)，共95頁(yè)，2022年，5月20日，21點(diǎn)6分，星期四2.1.3 電容式傳感器電容式

13、傳感器是把被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換成電容量變化的一種傳感器。傳統(tǒng)電容式傳感器主要用于位移、振動(dòng)、角度、加速度等機(jī)械量精密測(cè)量?，F(xiàn)逐漸應(yīng)用于壓力、壓差、液面、成份含量等方面的測(cè)量。第39頁(yè)，共95頁(yè)，2022年，5月20日，21點(diǎn)6分，星期四各種電容式傳感器電容式接近開(kāi)關(guān)電容式指紋傳感器電容式變送器差壓傳感器第40頁(yè)，共95頁(yè)，2022年，5月20日，21點(diǎn)6分，星期四1. 電容式傳感器工作原理和類(lèi)型由絕緣介質(zhì)分開(kāi)的兩個(gè)平行金屬板組成的平板電容器，如果不考慮邊緣效應(yīng)，其電容量為： A 極板相對(duì)覆蓋面積d 極板間距離r相對(duì)介電常數(shù)0真空介電常數(shù) 電容極板間介質(zhì)的介電常數(shù) dA第41頁(yè)，共95頁(yè)，2022年

14、，5月20日，21點(diǎn)6分，星期四電容傳感器的結(jié)構(gòu)類(lèi)型變極距型傳感器第42頁(yè)，共95頁(yè)，2022年，5月20日，21點(diǎn)6分，星期四變面積式電容傳感器平面線(xiàn)位移型+柱面線(xiàn)位移型.角位移型.第43頁(yè)，共95頁(yè)，2022年，5月20日，21點(diǎn)6分，星期四變介質(zhì)型傳感器第44頁(yè)，共95頁(yè)，2022年，5月20日，21點(diǎn)6分，星期四(1)變極距型電容傳感器 當(dāng)傳感器的r和A為常數(shù), 初始極距為d0時(shí), 其初始電容量C0為:第45頁(yè)，共95頁(yè)，2022年，5月20日，21點(diǎn)6分，星期四變極距型電容傳感器若電容器極板間距離由初始值d0縮小d，電容量增大C，則有:電容傳感器的靈敏度：電容的相對(duì)容量為:第46頁(yè)，

15、共95頁(yè)，2022年，5月20日，21點(diǎn)6分，星期四變極距型差動(dòng)結(jié)構(gòu)差動(dòng)結(jié)構(gòu)的電容特征方程式為：dd上靜片下靜片動(dòng)片電容總的變化量為：略去高次項(xiàng)：電容傳感器的靈敏度：第47頁(yè)，共95頁(yè)，2022年，5月20日，21點(diǎn)6分，星期四（2）變面積型電容傳感器當(dāng)動(dòng)極板相對(duì)于定極板沿著長(zhǎng)度方向平移時(shí)，其電容變化量化為第48頁(yè)，共95頁(yè)，2022年，5月20日，21點(diǎn)6分，星期四（3）變介電常數(shù)型電容式傳感器當(dāng)某種介質(zhì)在兩固定極板之間運(yùn)動(dòng)時(shí)，電容量與介質(zhì)參數(shù)之間的關(guān)系為：rdD動(dòng)片變介電常數(shù)式電容傳感器分幾種情況： 測(cè)介電常數(shù) 測(cè)厚度d第49頁(yè)，共95頁(yè)，2022年，5月20日，21點(diǎn)6分，星期四變介電常

16、數(shù)的兩種類(lèi)型d為運(yùn)動(dòng)介質(zhì)的厚度，d保持不變，改變介電常數(shù)， 可作為介電常數(shù)的測(cè)試儀器。第50頁(yè)，共95頁(yè)，2022年，5月20日，21點(diǎn)6分，星期四2. 電容式傳感器測(cè)量電路將電容量轉(zhuǎn)換成電量 (電壓或電流)的電路稱(chēng)作電容式傳感器的測(cè)量電路。測(cè)量電路主要有：運(yùn)算放大電路二極管雙T型交流電橋脈沖寬度調(diào)制電路等第51頁(yè)，共95頁(yè)，2022年，5月20日，21點(diǎn)6分，星期四（1）運(yùn)算放大器式電路最大特點(diǎn)：能克服變極距型電容傳感器的非線(xiàn)性. Cx是傳感器電容C是固定電容u0是輸出電壓信號(hào) uCCxu0A第52頁(yè)，共95頁(yè)，2022年，5月20日，21點(diǎn)6分，星期四（2）二極管雙T型電路e是高頻電源,

17、它提供幅值為Ui的對(duì)稱(chēng)方波D1、D2為特性完全相同的兩個(gè)二極管R1 = R2 = RC1、C2為傳感器的兩個(gè)差動(dòng)電容，當(dāng)傳感器沒(méi)有輸入時(shí),C1=C2 工作原理分析：e為正半周 e為負(fù)半周第53頁(yè)，共95頁(yè)，2022年，5月20日，21點(diǎn)6分，星期四雙T型電路工作原理若傳感器輸入不為 0, 則C1C2, 那么I1I2, 此時(shí)RL上必定有信號(hào)輸出, 其輸出在一個(gè)周期內(nèi)的平均值為式中f為電源頻率。 當(dāng)RL已知（常數(shù)）則：當(dāng)電源電壓確定后, 輸出電壓Uo是電容C1和C2的函數(shù) 第54頁(yè)，共95頁(yè)，2022年，5月20日，21點(diǎn)6分，星期四（3）脈沖寬度調(diào)制電路Q(chēng)BQD2D1 AR2R1FGC1C2A2

18、A1uABUr雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器A1、A2為比較器C1、C2為差動(dòng)式電容傳感器電阻R1=R2D1、D2為特性完全相同的兩個(gè)二極管當(dāng)差動(dòng)電容器的C1=C2時(shí), 其平均電壓值為零。T1、T2C1、C2充放電至Ur所需時(shí)間U1觸發(fā)器輸出的高電位第55頁(yè)，共95頁(yè)，2022年，5月20日，21點(diǎn)6分，星期四脈沖寬度調(diào)制電路工作原理由于由電路知識(shí)可知C1、C2的充電時(shí)間將T1、T2代入上式 得結(jié)論：輸出的直流電壓與傳感器兩電容差值成正比。第56頁(yè)，共95頁(yè)，2022年，5月20日，21點(diǎn)6分，星期四3. 電容式傳感器的應(yīng)用 電子技術(shù)的發(fā)展，解決了電容式傳感器存在的許多技術(shù)問(wèn)題，使電容式傳感器不但廣泛應(yīng)用于精確

19、測(cè)量位移、厚度、角度、振動(dòng)等物理量，還應(yīng)用于測(cè)量力、壓力、差壓、流量、成分、液位等參數(shù)，在自動(dòng)檢測(cè)與控制系統(tǒng)中也常常用來(lái)作為位置信號(hào)發(fā)生器。 第57頁(yè)，共95頁(yè)，2022年，5月20日，21點(diǎn)6分，星期四電容式差壓傳感器差動(dòng)型凹玻璃圓片彈性膜片(動(dòng)電極)固定電極P(1) 電容式壓差傳感器P彈性膜片(動(dòng)電極)固定電極電容式壓力傳感器單只變間隙型第58頁(yè)，共95頁(yè)，2022年，5月20日，21點(diǎn)6分，星期四 當(dāng)PH=PL時(shí)，中心膜片處于平直狀態(tài)，膜片兩側(cè)電容均為C0；當(dāng)PHPL時(shí)，中心膜片上凸，上部電容為CL，下部電容為CH。CH 相當(dāng)于當(dāng)前膜片位置與平直位置間的電容CA和C0的串聯(lián)；而C0又可看

20、成是膜片上部電容CL與的CA串聯(lián)。hmaxd0CACLCHC0PHPL第59頁(yè)，共95頁(yè)，2022年，5月20日，21點(diǎn)6分，星期四（2）電容測(cè)厚儀 電容測(cè)厚儀用于測(cè)量金屬帶材在軋制過(guò)程中的厚度變化。 帶材是電容的動(dòng)極板，總電容C1+C2作為橋臂。 帶材只是上下波動(dòng)時(shí)Cx=C1+C2總的電容量不變；帶材的厚度變化使電容Cx變化。 第60頁(yè)，共95頁(yè)，2022年，5月20日，21點(diǎn)6分，星期四（3）電容式料位計(jì)傳感器的靜電電容可由下式表示:式中: k比例常數(shù); s被測(cè)物料的相對(duì)介電常數(shù) ； 0空氣的相對(duì)介電常數(shù); D儲(chǔ)罐的內(nèi)徑; d測(cè)定電極的直徑; h被測(cè)物料的高度。測(cè)定電極安裝在金屬儲(chǔ)罐的頂部

21、，儲(chǔ)罐的罐壁和測(cè)定電極之間形成了一個(gè)電容器。第61頁(yè)，共95頁(yè)，2022年，5月20日，21點(diǎn)6分，星期四（4）電容式接近開(kāi)關(guān)振蕩電路被測(cè)物體感應(yīng)電極被測(cè)電容測(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)物體移向接近開(kāi)關(guān)時(shí)，物體和接近開(kāi)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)生變化.接近開(kāi)關(guān)的檢測(cè)物體，并不限于金屬導(dǎo)體，也可以是絕緣的液體或粉狀物體。第62頁(yè)，共95頁(yè)，2022年，5月20日，21點(diǎn)6分，星期四2.1.4 壓電式傳感器壓電式傳感器是一種典型的發(fā)電型傳感器，以電介質(zhì)的壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)，外力作用下在電介質(zhì)表面產(chǎn)生電荷，從而實(shí)現(xiàn)非電量測(cè)量。 壓電式傳感器可以對(duì)各種

22、動(dòng)態(tài)力、機(jī)械沖擊和振動(dòng)進(jìn)行測(cè)量，在聲學(xué)、醫(yī)學(xué)、力學(xué)、導(dǎo)航方面都得到廣泛的應(yīng)用。第63頁(yè)，共95頁(yè)，2022年，5月20日，21點(diǎn)6分，星期四壓電式傳感器應(yīng)用概述壓電陶瓷位移器壓電陶瓷超聲換能器壓電秤重浮游計(jì)壓電加速度計(jì)壓電警號(hào)第64頁(yè)，共95頁(yè)，2022年，5月20日，21點(diǎn)6分，星期四1. 壓電式傳感器的工作原理壓電效應(yīng) 某些物質(zhì)在沿一定方向受到壓力或拉力作用而發(fā)生改變時(shí)，其表面上會(huì)產(chǎn)生電荷，若將外力去掉時(shí)，它們又重新回到不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象就稱(chēng)為壓電效應(yīng)(正)。 在壓電材料的兩個(gè)電極面上，如果加以交流電壓，那么壓電片能產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，即壓電片在電極方向上有伸縮的現(xiàn)象，壓電材料的這種現(xiàn)象稱(chēng)為

23、電致伸縮效應(yīng)，也叫逆壓電效應(yīng)。第65頁(yè)，共95頁(yè)，2022年，5月20日，21點(diǎn)6分，星期四壓電效應(yīng)說(shuō)明當(dāng)作用力的方向改變時(shí)，電荷的極性也隨之改變第66頁(yè)，共95頁(yè)，2022年，5月20日，21點(diǎn)6分，星期四壓電材料壓電材料:具有壓電效應(yīng)的材料稱(chēng)為壓電材料。壓電材料能實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量的相互轉(zhuǎn)換,如圖所示：壓電材料分為兩大類(lèi): 壓電晶體和壓電陶瓷 。壓電元件機(jī)械能電能第67頁(yè)，共95頁(yè)，2022年，5月20日，21點(diǎn)6分，星期四（1）石英晶體壓 電 晶 片按特定方向切片人工合成水晶石英晶體是最常用的壓電晶體之一第68頁(yè)，共95頁(yè)，2022年，5月20日，21點(diǎn)6分，星期四石英晶體的壓電效應(yīng)石英晶體它

24、理想的幾何形狀為正六面體晶柱，如圖 在晶體學(xué)中可用三根互相垂直的晶軸表示，其中縱向軸Z稱(chēng)為光軸；經(jīng)過(guò)正六面體棱線(xiàn)且垂直于光軸的x軸稱(chēng)為電軸；與x軸和z軸同時(shí)垂直的y軸稱(chēng)為機(jī)械軸。沿電軸x方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱(chēng)為“縱向壓電效應(yīng)”，把沿機(jī)械軸y軸方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)，稱(chēng)為“橫向壓電效應(yīng)”。而沿z軸方向受力時(shí)不會(huì)產(chǎn)生壓電效應(yīng)。第69頁(yè)，共95頁(yè)，2022年，5月20日，21點(diǎn)6分，星期四表面電荷與外力關(guān)系壓電元件受力后,表面電荷與外力成正比關(guān)系: d為壓電系數(shù) 當(dāng)在電軸x方向施加作用力時(shí), 在與電軸垂直的平面上將產(chǎn)生電荷, 其大小為：d11x方向受力的壓電系數(shù)qx垂直于x軸平

25、面上的電荷Fx沿電軸x方向施加的作用力第70頁(yè)，共95頁(yè)，2022年，5月20日，21點(diǎn)6分，星期四表面電荷與外力關(guān)系若在同一切片上, 沿機(jī)械軸y方向施加作用力Fy, 則仍在與x軸垂直的平面上產(chǎn)生電荷qy, 其大小為：d12y軸方向受力的壓電系數(shù)，根據(jù)石英晶體軸的對(duì)稱(chēng)條 件d12= -d11a,b-晶體切片的長(zhǎng)度與厚度電荷q x、 qy的符號(hào)由晶體受壓還是受拉而決定當(dāng)石英晶體沿z軸方向被壓縮或被拉伸時(shí)，晶體沿x方向和y方向產(chǎn)生同樣的變形，因此沿z軸方向施加作用力時(shí)，石英晶體不會(huì)產(chǎn)生壓電效應(yīng)，即d13=0。第71頁(yè)，共95頁(yè)，2022年，5月20日，21點(diǎn)6分，星期四石英晶體壓電模型石英晶體的壓

26、電效應(yīng)示意圖第72頁(yè)，共95頁(yè)，2022年，5月20日，21點(diǎn)6分，星期四（2）壓電陶瓷壓電陶瓷與石英晶體不同，它是人工制造的多晶體壓電材料。壓電陶瓷在未進(jìn)行極化處理時(shí)，不具有壓電效應(yīng)；經(jīng)過(guò)極化處理后，它的壓電效應(yīng)非常明顯，具有很高的壓電系數(shù)，為石英晶體的幾百倍。第73頁(yè)，共95頁(yè)，2022年，5月20日，21點(diǎn)6分，星期四電疇結(jié)構(gòu) 電疇實(shí)質(zhì)上是自發(fā)形成的小區(qū)域，每個(gè)小區(qū)域有一定的極化方向，從而存在著一定的電場(chǎng)，但由于電疇分布雜亂無(wú)章，如圖所示。因此在沒(méi)有外加電場(chǎng)的情況下，它們的極化作用被相互低消了。 上述情況下，壓電陶瓷不會(huì)產(chǎn)生壓電效應(yīng)。 壓電陶瓷具有與鐵磁材料磁疇結(jié)構(gòu)類(lèi)似的電疇結(jié)構(gòu)，如圖所

27、示。第74頁(yè)，共95頁(yè)，2022年，5月20日，21點(diǎn)6分，星期四壓電陶瓷極化處理所謂極化處理，就是給壓電陶瓷加外電場(chǎng)，使電疇規(guī)則排列，從而具備壓電性能。外加電場(chǎng)的方向即是壓電陶瓷的極化方向，通常取沿z軸方向。外電場(chǎng)去掉后，電疇極化方向基本不變，剩余極化強(qiáng)度很大。所以，壓電陶瓷極化后才具有壓電特性，未極化時(shí)是非壓電體。施加外電場(chǎng)時(shí)，電疇的極化方向發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，趨向外電場(chǎng)方向排列。外電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到飽和程度時(shí)，所有的電疇與外電場(chǎng)一致。第75頁(yè)，共95頁(yè)，2022年，5月20日，21點(diǎn)6分，星期四壓電陶瓷極化壓電陶瓷的極化強(qiáng)度不恢復(fù)為零，而是存在著很強(qiáng)的剩余極化強(qiáng)度。此時(shí)，在與極化方向垂直的兩端面將會(huì)出現(xiàn)

28、束縛電荷，一端面為正，另一端面為負(fù)，如圖所示。由于束縛電荷的作用，在束縛電荷附近很快吸附一層來(lái)自周?chē)饨绲淖杂呻姾?，且束縛電荷與自由電荷多少相等，極性相反，因此壓電陶瓷對(duì)外不呈現(xiàn)極性。第76頁(yè)，共95頁(yè)，2022年，5月20日，21點(diǎn)6分，星期四壓電陶瓷的極化過(guò)程第77頁(yè)，共95頁(yè)，2022年，5月20日，21點(diǎn)6分，星期四壓電陶瓷的電荷晶體極化后，沿極化方向（垂直極化平面）作用力時(shí)，引起剩余極化強(qiáng)度變化，在極化面上產(chǎn)生電荷，電荷量的大小與外力成正比關(guān)系。電荷密度：d33壓電陶瓷的壓電系數(shù) d33 比d11、 d12大的多 所以壓電陶瓷制作傳感器靈敏度比壓電晶體高第78頁(yè)，共95頁(yè)，2022年

29、，5月20日，21點(diǎn)6分，星期四（3）壓電式傳感器壓電傳感器可以看作是一個(gè)電荷發(fā)生器，也可以看成是一個(gè)電容器。第79頁(yè)，共95頁(yè)，2022年，5月20日，21點(diǎn)6分，星期四2. 壓電式傳感器的等效電路和測(cè)量電路（1）壓電式傳感器的等效電路 當(dāng)壓電元件受到外力作用時(shí)，就會(huì)在受力縱向或橫向表面上出現(xiàn)電荷，在一個(gè)極板上聚集正電荷，而在另一個(gè)極板上聚集等量的負(fù)電荷。因此壓電傳感器可以看作是一個(gè)電荷發(fā)生器，也是一個(gè)電容器。 若已知壓電片面積為A，壓電片厚度d，壓電材料的相對(duì)介電常數(shù)r ，則其電容值為: Ca=第80頁(yè)，共95頁(yè)，2022年，5月20日，21點(diǎn)6分，星期四壓電元件的等效電路壓電傳感器可以等

30、效為一個(gè)與電容相串聯(lián)的電壓源。 如圖（b）所示，電容器上的電壓Ua、電荷量q和電容量Ca三者關(guān)系為 壓電元件電荷q的開(kāi)路電壓Ua可等效為電源與電容串聯(lián)或等效為一個(gè)電荷源q和電容Ca并聯(lián)。(b)電壓源(a)電荷源第81頁(yè)，共95頁(yè)，2022年，5月20日，21點(diǎn)6分，星期四壓電傳感器的實(shí)際等效電路壓電傳感器在實(shí)際使用時(shí)總要與測(cè)量?jī)x器或測(cè)量電路相連接, 因此還須考慮連接電纜的等效電容Cc, 放大器的輸入電Ri, 輸入電容Ci以及壓電傳感器的泄漏電阻Ra, 這樣壓電傳感器在測(cè)量系統(tǒng)中的實(shí)際等效電路, 如圖所示:第82頁(yè)，共95頁(yè)，2022年，5月20日，21點(diǎn)6分，星期四（2）壓電式傳感器的測(cè)量電路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)量電路通常需要接入一個(gè)高輸入阻抗的前置放大器，其作用為： 一是把它的高輸出阻抗變換為低輸出阻抗； 二是放大傳感器輸出的微弱信號(hào)。 壓電傳感器的輸出可以是電壓信號(hào)，也可以是電荷信號(hào)，因此前置放大器也有兩種形式： 電壓放大器 電荷放大器第83頁(yè)，共95頁(yè)，2022年，5月20日，21點(diǎn)6分，星期四電壓放大器下圖（a）、（b）是電壓放大器電路原理圖及其等效電路（ Cc連接電纜的等效電容）（a）電壓放大器電路 （b）等效電路圖（b）中， 電