傳感器人大課程

傳感器人大課程第1頁/共268頁

傳感器在工業(yè)生產(chǎn)中的作用自動化生產(chǎn)中用于過程參數(shù)的監(jiān)測和控制例1化工產(chǎn)品自動生產(chǎn)過程控制

進(jìn)料——

稱重、成分或濃度傳感器原料反應(yīng)容器——

測定容器中的壓力、液位等傳感器半成品傳輸管道——

傳輸速度或流量傳感器管道上執(zhí)行機(jī)構(gòu)——

壓力或壓強(qiáng)檢測傳感器成品自動分裝——

稱重傳感器

例2

蒸汽加熱器的出口溫度控制傳感器在科學(xué)研究中的作用第2頁/共268頁

例1、以現(xiàn)代飛行器為例

“阿波羅10”

所用傳感器運(yùn)載火箭部分：2077個(gè)；宇宙飛船部分：1218個(gè)

傳感器——神舟七號飛船的神經(jīng)系統(tǒng)

研究人員為“神舟”系列飛船研制、配套生產(chǎn)了幾十種傳感器。從航天員手腕到飛船的軌道艙、推進(jìn)艙、返回艙的各個(gè)艙段上，傳感器遍布“神舟七號”飛船。有控制航天員生活環(huán)境的傳感器，有環(huán)境測量用的傳感器,有航天員生理監(jiān)測用的傳感器，還有航天員艙外服使用的環(huán)境監(jiān)測和生理指標(biāo)監(jiān)測用的傳感器。

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例2：顯微鏡的發(fā)明對生物科學(xué)的影響人眼只能看清大小為0.1~0.2mm的東西；十六世紀(jì)出現(xiàn)了光學(xué)顯微鏡，分辨力可達(dá)2000埃

(1埃=10-7mm)

，人類發(fā)現(xiàn)了構(gòu)成生物基礎(chǔ)的細(xì)胞；

二十世紀(jì)三十年代出現(xiàn)了電子顯微鏡，分辨率高達(dá)

2~3埃，可觀察細(xì)胞內(nèi)的超微結(jié)構(gòu)，清晰辨別出細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)。

傳感器在現(xiàn)代化戰(zhàn)爭中的作用

例：兩次伊拉克戰(zhàn)爭為例

1991年海灣戰(zhàn)爭美國使用的精密制導(dǎo)炸彈和導(dǎo)彈占8%

2003年伊拉克戰(zhàn)爭精密制導(dǎo)炸彈和導(dǎo)彈的使用率提高到90%以上第4頁/共268頁二.傳感器的定義和組成

1.什么是傳感器？

2.傳感器包含的四層含義

3.傳感器的組成

傳感器一般由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、基本轉(zhuǎn)換電路

三部分組成。（1）

敏感元件-----直接感受被測量，并輸出與被測量成確定關(guān)系的某一物理量的元件。（2）

轉(zhuǎn)換元件-----它把敏感元件的輸出轉(zhuǎn)換成電路參數(shù)

（3）

轉(zhuǎn)換電路------有時(shí)轉(zhuǎn)換電路也納入信號調(diào)理部分，它將電路參量（電阻、電感、電容等）轉(zhuǎn)換成電量輸出。第5頁/共268頁三三、傳感器的分類及對它的一般要求（一）分類

1、按傳感器的工作機(jī)理劃分

2、按構(gòu)成原理劃分

3、根據(jù)傳感器的能量轉(zhuǎn)換情況劃分

4、按照物理原理劃分

5、按照傳感器的用途劃分（二）一般要求靜態(tài)精度、動態(tài)性能、靈敏度、分辨力、量程等。第6頁/共268頁四.傳感器技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和展望

1、擴(kuò)展檢測范圍，提高檢測性能

包括檢測參數(shù)的種類以及檢測范圍

2、高新技術(shù)和最新科技成果的大量采用

新技術(shù)包括：計(jì)算機(jī)技術(shù)、激光技術(shù)、微納米技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和傳感技術(shù)等；

新理論成果：信息論、控制論、系統(tǒng)工程論等；

新工藝技術(shù)：微機(jī)電技術(shù)、光學(xué)橢偏技術(shù)、光纖技術(shù)及近場光學(xué)技術(shù)等；

新材料應(yīng)用：半導(dǎo)體敏感材料、陶瓷材料、磁性材料和智能材料；第7頁/共268頁

3、傳感器的集成化、功能化

集成化：其一是實(shí)現(xiàn)傳感器一體化其二是構(gòu)成二維或三維傳感器

功能化：使傳感器具有理解、分析、判斷、控制等多種功能。4、傳感器工作方式的立體化、系統(tǒng)化和網(wǎng)絡(luò)化

使單個(gè)傳感器能同時(shí)處理一維、二維和三維的信息；

將傳感器進(jìn)行空間配置，通過計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，對大型工業(yè)裝置和工業(yè)控制過程實(shí)施立體化網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)測。

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5.便攜式和具有個(gè)性化的傳感器的發(fā)展

使傳感器體現(xiàn)出便攜性、靈活性和個(gè)性化的特點(diǎn)。

6.我國傳感器的差距可靠性差；性能落后；自動化程度低；更新周期慢第9頁/共268頁五.本課程的特點(diǎn)和任務(wù)

教學(xué)目的及要求1.本課程作為測試技術(shù)與儀器專業(yè)的專業(yè)核心課，旨在為學(xué)生掌握測控儀器及測控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用知識打下基礎(chǔ)。2.本課程主要講述幾何量、機(jī)械量以及其他相關(guān)量的檢測中所選用的傳感器的基本原理、性能及工程設(shè)計(jì)方法，同時(shí)還將介紹部分新型傳感器的知識。要求學(xué)生通過學(xué)習(xí)掌握傳感器設(shè)計(jì)的基本方法和思路，并具有正確選用傳感器的能力，了解傳感器的發(fā)展方向，增強(qiáng)學(xué)生開發(fā)新型傳感器的能力。3.所需前修課程為：高等數(shù)學(xué)、普通物理、電路分析基礎(chǔ)、模電、數(shù)電基礎(chǔ)。第10頁/共268頁第11頁/共268頁(b)(c)第12頁/共268頁(2)常用的擬和方法第13頁/共268頁五、分辨力與閾值

分辨力-----是指傳感器能檢測到的輸出量變化的最小輸入增量。

閾值-----是指當(dāng)輸入量變小到某一值時(shí)，傳感器不能檢測到輸出量的變化,這時(shí)的輸入量稱為傳感器的閾值。即傳感器輸入零點(diǎn)附近的分辨力。兩個(gè)概念

——分辨力說明傳感器可測出的最小輸入增量；

的區(qū)別而閾值則說明了傳感器最小可測出的輸入量。第14頁/共268頁

九、靜態(tài)測量不確定度1、定義——靜態(tài)測量不確定度（即靜態(tài)誤差）是指傳感器在其全量程內(nèi)任一點(diǎn)的輸出值與其理論值的可能偏離程度。2、標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算方法

——各測試點(diǎn)的殘差；

——測試點(diǎn)數(shù)。

3、靜態(tài)誤差第15頁/共268頁

動特性——是指傳感器對隨時(shí)間變化的輸入量的響應(yīng)特性。總的來說，它取決于傳感器本身，但另一方面它也與被測量的變化形式有關(guān)。就傳感器本身而言，它一般由若干環(huán)節(jié)組成。我們把傳感器的組成環(huán)節(jié)分為以下三類：（1）接觸式環(huán)節(jié)（2）模擬環(huán)節(jié)（3）數(shù)字環(huán)節(jié)就被測量的變化形式來講，可分為以下幾類：

第二節(jié)傳感器的動特性第16頁/共268頁動態(tài)測量輸入信號可分類如下：

傳感器的“標(biāo)準(zhǔn)”輸入有三種：正弦輸入；階躍輸入和線性輸入，經(jīng)常使用的是前兩種。第17頁/共268頁一、數(shù)學(xué)模型與傳遞函數(shù)

用線性微分方程式表示的數(shù)學(xué)模型

初始條件為零的條件下所得的傳遞函數(shù)為

傳感器的傳遞函數(shù)具備三個(gè)重要特征第18頁/共268頁二、頻率特性第19頁/共268頁

第三節(jié)傳感器的標(biāo)定

概述1、什么是傳感器的標(biāo)定？2、傳感器標(biāo)定有哪兩層含義？3、為什么傳感器要進(jìn)行標(biāo)定？（標(biāo)定的目的）4、標(biāo)定的基本方法？5、絕對法標(biāo)定系統(tǒng)和比較法標(biāo)定系統(tǒng)？第20頁/共268頁4、標(biāo)定的基本方法

標(biāo)定的基本方法是利用一種標(biāo)準(zhǔn)裝置產(chǎn)生的已知非電量（如標(biāo)準(zhǔn)力、壓力、位移等）作為輸入量，輸入至待標(biāo)定的傳感器中，得到傳感器的輸出量；對所獲得的傳感器的輸入量和輸出量進(jìn)行處理和比較，從而得到一系列表征兩者對應(yīng)關(guān)系的標(biāo)定曲線，進(jìn)而得到傳感器性能指標(biāo)的實(shí)測結(jié)果。換句話講，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)確定傳感器的各項(xiàng)性能指標(biāo)，實(shí)際上也就是確定傳感器的測量精度。第21頁/共268頁5、絕對法標(biāo)定系統(tǒng)和比較法標(biāo)定系統(tǒng)絕對法標(biāo)定系統(tǒng)比較法標(biāo)定系統(tǒng)第22頁/共268頁一、傳感器靜特性的標(biāo)定方法1、建立靜態(tài)標(biāo)定的環(huán)境條件2、靜態(tài)標(biāo)定的技術(shù)指標(biāo)線性度、遲滯性、重復(fù)性、靈敏度等3、靜態(tài)標(biāo)定的步驟二、傳感器動特性的實(shí)驗(yàn)確定法常見方法：階躍信號響應(yīng)法正弦信號響應(yīng)法隨機(jī)信號響應(yīng)法脈沖信號響應(yīng)法第23頁/共268頁（一）階躍信號響應(yīng)法1.一階傳感器時(shí)間常數(shù)的確定當(dāng)輸入x是幅值為A的階躍函數(shù)時(shí)，可以解得

第24頁/共268頁

不考慮瞬態(tài)響應(yīng)的全過程，在測得的傳感器階躍響應(yīng)曲線上，取輸出值達(dá)到其穩(wěn)態(tài)值的63.2%處所經(jīng)過的時(shí)間即為其時(shí)間常數(shù)。KA第25頁/共268頁考慮瞬態(tài)響應(yīng)的全過程有：根據(jù)測得的輸出信號做出曲線，則

第26頁/共268頁如圖為無杠桿傳動的電接觸式傳感器檢測圓工件示意圖3—測桿

2—螺旋彈簧1—平行片簧4—工件一個(gè)圓形工件基本粗磨——精磨——停止加工的磨加工過程：第27頁/共268頁通過受力分析可求得：結(jié)論：一般情況下，工作頻率不可超過，若超過，測桿將脫離工件，產(chǎn)生動態(tài)誤差。第28頁/共268頁如圖為具有傳動杠桿的接觸式傳感器測量圓工件示意圖第29頁/共268頁如圖為采用抬頭機(jī)構(gòu)的接觸式傳感器測量工件示意圖第30頁/共268頁測桿振蕩曲線如下：第31頁/共268頁2.強(qiáng)制送入測位的情況第32頁/共268頁

第二章電阻式傳感器2-1應(yīng)變式傳感器一.工作原理

（一）金屬電阻應(yīng)變效應(yīng)

第33頁/共268頁（二）應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu)及測量原理

1.應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)

2.測量原理

（1）測受力應(yīng)變

測量時(shí)，應(yīng)變片直接粘貼在被測對象表面。應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系：

（2）測量力、位移、加速度等參數(shù)測量時(shí)，應(yīng)變片粘貼在彈性元件上，通過彈性敏感元件，將測量參數(shù)的變化轉(zhuǎn)換為應(yīng)變，而應(yīng)變引起的阻值變化再通過轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓或電流變化。

3.特點(diǎn)第34頁/共268頁（二）直流電橋的非線性誤差電橋?qū)嶋H輸出特性與理想的線性特性之間的偏差，即為電橋輸出的非線性誤差。1.非線性誤差的計(jì)算以單臂電橋?yàn)槔?，設(shè)等臂工作條件下的實(shí)際輸出為：第35頁/共268頁則非線性誤差應(yīng)為：設(shè)理想的線性輸出為:第36頁/共268頁2.減小非線性誤差的措施

（1）采用差動電橋（參考P29）

（2）采用恒流源電橋（參考P30）恒流源電橋如圖所示：第37頁/共268頁恒流源電橋如圖所示：恒壓源電橋的輸出：

兩者相比，恒流源輸出電壓的分母中被除，所以非線性誤差減小1/2。第38頁/共268頁五.溫度誤差及其補(bǔ)償（一）溫度誤差

1.應(yīng)變片的溫度誤差

2.產(chǎn)生原因（二）溫度補(bǔ)償

1.自補(bǔ)償法單絲自補(bǔ)償法組合式自補(bǔ)償法第39頁/共268頁2.線路補(bǔ)償法（1）補(bǔ)償原理

電橋電路中相鄰兩臂同時(shí)產(chǎn)生大小相等，符號相同的電阻增量時(shí)，其電橋的輸出不會改變。

（2）補(bǔ)償方法采用補(bǔ)償應(yīng)變片采用差動半橋、全橋電路采用負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻

第40頁/共268頁（二）應(yīng)變式壓力傳感器

1.膜片式壓力傳感器第41頁/共268頁（2）膜片內(nèi)任意一點(diǎn)的應(yīng)變值計(jì)算式：

（3）由應(yīng)力分布規(guī)律可找出貼片方法：一般在圓心處沿切向貼兩片（產(chǎn)生最大正應(yīng)變），在邊緣處沿徑向貼兩片（產(chǎn)生最大負(fù)應(yīng)變），組成四臂差動電橋，以提高靈敏度和進(jìn)行溫度補(bǔ)償。

（1）膜片上各點(diǎn)的徑向應(yīng)力和切向應(yīng)力計(jì)算式：

第42頁/共268頁（4）應(yīng)變分布分析：

膜片中心處的應(yīng)變（）（正向最大）膜片邊緣處的應(yīng)變（）（負(fù)向最大）第43頁/共268頁

應(yīng)變式加速度傳感器第44頁/共268頁2-2壓阻式傳感器一.基本工作原理（一）簡述（二）壓阻效應(yīng)

1定義——所謂半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)是指單晶半導(dǎo)體材料在沿某一軸向受力作用時(shí)，其電阻率隨之發(fā)生變化。

2工作原理第45頁/共268頁

應(yīng)變靈敏度系數(shù)：由于半導(dǎo)體是各向異性材料，因此它的壓阻系數(shù)不僅與摻雜濃度、溫度和材料類型有關(guān)，而且還與晶向有關(guān)。第46頁/共268頁

應(yīng)變靈敏度系數(shù)：3壓阻效應(yīng)的產(chǎn)生（1）機(jī)理（2）晶向及表示方法：截距表示法；法線表示法

（3）壓阻系數(shù)的求法的定義的矩陣表示法單晶硅的壓阻系數(shù)計(jì)算：

第47頁/共268頁

壓阻系數(shù)的矩陣表示法第48頁/共268頁

單晶硅壓阻系數(shù)矩陣第49頁/共268頁4.半導(dǎo)體應(yīng)變片的特點(diǎn)（1）應(yīng)變片系數(shù)遠(yuǎn)大于金屬絲應(yīng)變片。前者可達(dá)

50

~100,后者1.7~3.6；（2）最大缺點(diǎn)：溫度影響及非線性大，安裝困難。二.溫度誤差及其補(bǔ)償

1、產(chǎn)生原因

零位漂移——壓阻式傳感器中，四個(gè)擴(kuò)散電阻的阻值及其溫度系數(shù)不一致，電阻值隨溫度變化而變化，引起傳感器的零位漂移。

靈敏度漂移——由于壓阻系數(shù)隨溫度變化而引起。當(dāng)溫度升高時(shí)，壓阻系數(shù)變小，傳感器的靈敏度要降低；反之，靈敏度將升高。

2、補(bǔ)償措施第50頁/共268頁2、補(bǔ)償措施（1）采用串、并聯(lián)電阻的方法，可對零位溫漂進(jìn)行補(bǔ)償。（2）在電橋的電源回路中串聯(lián)二極管VD可補(bǔ)償靈敏度溫漂。第51頁/共268頁（二）壓阻式壓力傳感器1、硅集成微型壓力傳感器第52頁/共268頁

微機(jī)電系統(tǒng)（也稱微機(jī)械）是20世紀(jì)末新興的“微、納米級的制造”技術(shù)領(lǐng)域。它是采用與半導(dǎo)體集成電路相似的批處理工藝制造的，尺寸在微米到毫米之間，含有可活動的機(jī)械元件或特定機(jī)械結(jié)構(gòu)的微器件或微系統(tǒng)；多以微型傳感器或微型制動器的形式出現(xiàn)，并和處理電路相連。完整的微機(jī)電系統(tǒng)還可能包含能源、通信等其他功能模塊。微機(jī)電系統(tǒng)——第53頁/共268頁

壓阻式壓力傳感器用于流體壓力、差壓、液位等的測量。在生物學(xué)上可測量血管內(nèi)壓、顱內(nèi)壓等參數(shù).第54頁/共268頁2、X型硅壓力傳感器第55頁/共268頁第三章電感式傳感器概述

1、什么是電感傳感器？2、電感傳感器的特點(diǎn)第56頁/共268頁

第一節(jié)工作原理

一、自感式傳感器的工作原理（一）組成結(jié)構(gòu)線圈、鐵心和銜鐵（二）工作原理第57頁/共268頁（三）類型

1、變氣隙型電感傳感器

2、變截面型電感傳感器

3、螺管型電感傳感器（四）三種傳感器的性能比較第58頁/共268頁二、差動變壓器的工作原理

（互感式傳感器)（一）組成結(jié)構(gòu)一次線圈、二次線圈、磁心和線圈框（二）工作原理

傳感器工作時(shí)，被測量的變化將使磁心位移，而磁心位移將引起磁鏈和互感變化，最終使輸出電壓變化。第59頁/共268頁

差動變壓器等效電路及輸出特性第60頁/共268頁

第三節(jié)轉(zhuǎn)換電路和傳感器靈敏度一、自感傳感器的轉(zhuǎn)換電路和靈敏度

轉(zhuǎn)換電路（一）變壓器電橋

第61頁/共268頁（二）帶相敏整流的交流電橋+-+-第62頁/共268頁0當(dāng)活動鐵芯處于初始平衡狀態(tài)時(shí)當(dāng)活動鐵芯向線圈1方向移動時(shí)（D點(diǎn)電位高于C點(diǎn)）當(dāng)活動鐵芯向線圈2方向移動時(shí)（D點(diǎn)電位低于C點(diǎn)）結(jié)論：不論電源電壓的極性如何變化，傳感器經(jīng)相敏整流后的輸出信號極性只隨其被測輸入量極性改變，即傳感器輸出采用帶相敏整流的交流電橋后，得到的輸出特性既能反映位移的大小，又能反映位移的方向。（假設(shè)輸出參考方向取DC的方向）第63頁/共268頁差動式電感測厚儀第64頁/共268頁（三）諧振式調(diào)幅電路（四）調(diào)頻電路（五）調(diào)相電路自感傳感器的靈敏度結(jié)構(gòu)靈敏度轉(zhuǎn)換電路靈敏度總靈敏度第65頁/共268頁

（三）諧振式調(diào)幅電路第66頁/共268頁

（四）調(diào)頻電路第67頁/共268頁

（五）調(diào)相電路第68頁/共268頁二、差動變壓器的轉(zhuǎn)換電路（一）反串電路（二）橋路（三）差動整流電路

1、常用兩種形式電流輸出型電壓輸出型

2、工作原理：分析“全波電壓輸出電路”第69頁/共268頁

全波電壓輸出差動整流電路電路工作原理：如圖所示，無論兩個(gè)次級線圈的輸出瞬時(shí)電壓極性如何，流經(jīng)電阻R的電流總是從a到b,或從d到c.第70頁/共268頁工作原理：如圖所示，無論兩個(gè)次級線圈的輸出瞬時(shí)電壓極性如何，流經(jīng)電阻R的電流總是從a到b,或從d到c.

假設(shè)點(diǎn)為“+”點(diǎn)為“-”，則電流路徑是

假設(shè)點(diǎn)為“-”點(diǎn)為“+”，則電流路徑是同理，可分析另一個(gè)次級線圈的情況。輸出電壓波形如下：第71頁/共268頁磁心下移，

則磁心在零位，則磁心上移，則第72頁/共268頁

一、工作原理

1、什么是電渦流？當(dāng)金屬導(dǎo)體置于變化著的磁場中或者在磁場中運(yùn)動時(shí)，在金屬導(dǎo)體內(nèi)部會產(chǎn)生感應(yīng)電流，由于這種電流在導(dǎo)體內(nèi)是自行閉合的，因此稱之為電渦流或渦流。

2、產(chǎn)生渦流的兩個(gè)條件存在交變磁場；導(dǎo)體處在交變磁場中或在磁場中作切割磁力線運(yùn)動。

第五節(jié)渦流傳感器及其應(yīng)用第73頁/共268頁第74頁/共268頁式中：----渦流線圈的等效阻抗

----金屬導(dǎo)體的電阻率

-----金屬導(dǎo)體的磁導(dǎo)率

-----激磁電流的頻率3.等效電路分析

第75頁/共268頁3.等效電路分析由等效電路列寫電壓方程式可得：第76頁/共268頁線圈的等效電感：

線圈的等效電阻等效阻抗第77頁/共268頁

*注意當(dāng)金屬導(dǎo)體為磁性材料時(shí)，增大；當(dāng)金屬導(dǎo)體為非磁性材料時(shí)，減??；等效電阻的變化與材料性質(zhì)無關(guān)，它始終是增加的。

4.高頻反射式和低頻透射式渦流傳感器

（1）高頻反射式渦流傳感器：

它是指渦流只存在于金屬導(dǎo)體的表面薄層內(nèi)。金屬導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生的渦流所建立起來的反磁場以及渦流要損耗一部分能量，其結(jié)果是使原激勵(lì)線圈的阻抗改變。這種情況下，激勵(lì)電流的頻率達(dá)到兆赫以上，這種傳感器通常用來測量位移、振動等物理量。第78頁/共268頁（2）低頻透射式渦流傳感器第79頁/共268頁1.渦流式傳感器的特點(diǎn)

渦流式傳感器結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，易于進(jìn)行非接觸的連續(xù)測量，靈敏較高，適用性強(qiáng)，因此得到廣泛應(yīng)用。

二、渦流傳感器的應(yīng)用第80頁/共268頁

渦流式傳感器的被測量可以是位移，也可以是被測材料的性質(zhì)（或），其應(yīng)用大致有下列四個(gè)方面：（1）利用位移作為變換量，可以做成測量位移厚度、振幅、振擺、轉(zhuǎn)速等傳感器，也可以做成接近開關(guān)、計(jì)數(shù)器等；（2）利用作為變換量，可以做成測量溫度、材質(zhì)判別等傳感器；

（3）利用作為變換量，可以做成測量應(yīng)力、硬度等傳感器；（4）利用等綜合影響，可以做成探傷裝置等。2.渦流式傳感器的應(yīng)用第81頁/共268頁3.渦流傳感器應(yīng)用舉例第82頁/共268頁第83頁/共268頁第84頁/共268頁習(xí)題1（提示：渦流滲透深度計(jì)算公式為：）習(xí)題2分析變氣隙式電感傳感器的靈敏度和非線性的表達(dá)式。當(dāng)組成差動形式后，該傳感器的性能有何改善？（用推導(dǎo)結(jié)果說明）第85頁/共268頁

電容式傳感器

電容式傳感器采用電容器作為傳感元件，將不同物理量的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化。

一、工作原理第86頁/共268頁二、類型

忽略邊緣效應(yīng)，一平板電容器的電容可表達(dá)為：

顯然，決定C值大小有三個(gè)因素:改變、或任何一個(gè)參數(shù)都能引起電容C值的變化。電容傳感器的類型：變型、變型、變型。其中：為真空介電常數(shù)第87頁/共268頁變極距型電容傳感器的原理圖及輸出特性

（一）變極距型電容傳感器第88頁/共268頁設(shè)平板電容的極間距改變，則

當(dāng)，則傳感器的靈敏度:

結(jié)論：變極距型傳感器存在著原理非線性，可用差動結(jié)構(gòu)形式改善非線性。第89頁/共268頁

（二）變面積型電容傳感器

（1）由圖（b），當(dāng)線性位移改變，則：

（輸入與輸出關(guān)系為線性關(guān)系）第90頁/共268頁（2）由圖（a），當(dāng)有轉(zhuǎn)角變化時(shí)，

（輸入與輸出關(guān)系為線性關(guān)系）

（扇形面積：）（3）由圖（c），當(dāng)園柱移動位移時(shí)，

（園柱體的電容公式：

）第91頁/共268頁說明：這種形式的傳感器電容變化量△C與位移變化量△L成線性關(guān)系。采用圓柱形電容器的原因，主要考慮到動極板作徑向移動時(shí)，不影響電容器的輸出特性。結(jié)論：

●與變極距型電容傳感器相比，變面積型傳感器的測量范圍大，可測較大的線位移或角位移（1至幾十度）?！褡儤O距型電容傳感器，要求傳感器的絕緣材料有高的絕緣性能。第92頁/共268頁（三）變介電常數(shù)型傳感器極板長為a，極板寬為b，介質(zhì)介電系數(shù)，真空介電系數(shù)圖4—2厚度傳感器極板間兩種介質(zhì)厚度分別是和，則傳感器的電容量等于兩個(gè)電容串聯(lián)，輸出電容關(guān)系式：第93頁/共268頁表4—1中型單組式平板形線位移傳感器的電容量與被測量的關(guān)系式：

C1與C2

相并聯(lián)極板長為a，極板寬為b，介質(zhì)插入深度介質(zhì)介電系數(shù)，真空介電系數(shù)第94頁/共268頁圖4—3液位傳感器的電容量與被測量的關(guān)系式：

C1與C2

相并聯(lián)第95頁/共268頁說明：在上述測量方法中，當(dāng)電極間存在導(dǎo)電物質(zhì)時(shí)，電極表面應(yīng)涂蓋絕緣層，如涂0.1mm厚的聚四氟乙烯等），防止電極短路。第96頁/共268頁

第二節(jié)轉(zhuǎn)換電路

一、電容式傳感器的等效電路二、電橋電路三、二極管雙T形電路四、差動脈沖調(diào)寬電路五、運(yùn)算放大器式電路六、調(diào)頻電路第97頁/共268頁四、差動脈沖調(diào)寬電路

高，低，合向，合向，合向，經(jīng)向充電，經(jīng)到地放電；第98頁/共268頁

高，低，合向，合向，合向，經(jīng)向充電，經(jīng)到地放電；第99頁/共268頁第100頁/共268頁

第三節(jié)主要性能、特點(diǎn)和設(shè)計(jì)要點(diǎn)主要性能（一）靜態(tài)靈敏度——被測量變化緩慢的狀態(tài)下，電容變化量與引起其變化的被測量之比。

1.對變極距型

改進(jìn)方法：（1）在極板間放置云母片或塑料薄膜可改善電容傳感器的靈敏度。（2）采用差動傳感器結(jié)構(gòu)第101頁/共268頁2.對圓柱變面積型

差動結(jié)構(gòu)的傳感器靈敏度：（二）非線性

1.對單組式變極距型傳感器第102頁/共268頁(4)采用“驅(qū)動電纜”技術(shù)（“雙層屏蔽等位傳輸”技術(shù)）

所謂“驅(qū)動電纜”技術(shù)是指傳感器與測量電路前置級之間采用雙屏蔽層電纜連接，其內(nèi)屏蔽層與信號傳輸線通過1：1

放大器保持為等電位，從而消除連線分布電容的影響。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(qū)動電纜”。第103頁/共268頁注意：該技術(shù)對1:1放大器的輸入阻抗要求很高，且放大倍數(shù)準(zhǔn)確度要達(dá)到1/1000，相移為零。它能保證傳感器電容值小于1pF,電纜長度超過10m遠(yuǎn)時(shí)，也能正常工作。第104頁/共268頁第四節(jié)電容式傳感器舉例一、集成式電容傳感器（一）基本類型及工作原理1、加速度集成電容傳感器懸臂梁第105頁/共268頁2、壓力集成電容傳感器——采用硅腐蝕技術(shù)、硅和玻璃的靜電鍵合以及常規(guī)集成電路工藝技術(shù)制造。第106頁/共268頁（二）轉(zhuǎn)換電路1、開關(guān)電容轉(zhuǎn)換電路1）在控制脈沖的前半周期，置，置，即接而接地；2）在控制脈沖的后半周期，置，置，即接而接地；第107頁/共268頁1）在控制脈沖的前半周期，置，置，即接而接地；輸出電壓為：2）在控制脈沖的后半周期，置，置，即接而接地；輸出電壓為：

故輸出電壓經(jīng)隔直后為一方波電壓，其前后半周期的幅值差為：第108頁/共268頁

2、二極管環(huán)形檢波電路U為正半周的信號流向：導(dǎo)通；截止；U為負(fù)半周的信號流向：導(dǎo)通；截止；第109頁/共268頁U為正半周的信號流向：U為負(fù)半周的信號流向：上述充放、電過程，即在一個(gè)周期內(nèi)，有電荷QBA

從B點(diǎn)經(jīng)CX轉(zhuǎn)移到A點(diǎn)，同時(shí)有電荷QAB從A點(diǎn)經(jīng)C0轉(zhuǎn)移到B點(diǎn)。被測壓力使CX變化，則，結(jié)果從而使A點(diǎn)和B點(diǎn)有靜電荷積累，存在電勢差U0，且

（三）特點(diǎn)與應(yīng)用第110頁/共268頁二、容柵式傳感器容柵式傳感器是在變面積型電容傳感器的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型傳感器。即將電容傳感器中的電容極板刻成一定形狀和尺寸的柵片，再配以相應(yīng)的測量電路就可構(gòu)成容柵測量系統(tǒng)。三、力平衡式電容傳感器（一）閉環(huán)反饋式傳感器的原理與特點(diǎn)第111頁/共268頁閉環(huán)系統(tǒng)框圖及傳遞函數(shù)（二）力平衡式加速度電容傳感器1、系統(tǒng)組成位移傳感器力矩器第112頁/共268頁2、傳遞函數(shù)第113頁/共268頁第五節(jié)電容式傳感器的應(yīng)用一、電容式位移傳感器第114頁/共268頁二、電容式加速度傳感器三、電容式差壓傳感器第115頁/共268頁第五章磁電式傳感器

本章主要內(nèi)容：

*磁電感應(yīng)式傳感器*霍爾式傳感器

磁電式傳感器是通過磁電作用將被測量(如振動、位移、轉(zhuǎn)速等）轉(zhuǎn)換成電信號的一種傳感器。

§5.1磁電感應(yīng)式傳感器

磁電感應(yīng)式傳感器簡稱感應(yīng)式傳感器，也稱電動式傳感器。第116頁/共268頁

原理：導(dǎo)體和磁場發(fā)生相對運(yùn)動，導(dǎo)體兩端產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。

用途：

振動、轉(zhuǎn)速、扭矩等參數(shù)測量。

特點(diǎn)：（1）機(jī)-電能量變換型，不需要供電電源；（2）電路簡單，性能穩(wěn)定；（3）輸出阻抗??；（4）頻率響應(yīng)范圍10~1000Hz；（5）尺寸和重量較大；

(6)只適用于動態(tài)測量。第117頁/共268頁一、類型及其工作原理

◎工作原理：

法拉第電磁感應(yīng)定律：

◎類型：恒定磁通式、變磁通式

（一）恒定磁通式：磁路中工作氣隙固定不變，因而氣隙中的磁通也恒定不變。

1、組成結(jié)構(gòu)：永久磁鐵、線圈、骨架、殼體

2、類型：動圈式、動鐵式（按運(yùn)動部件不同劃分）如圖5-1所示：

第118頁/共268頁

動圈式如圖5-1(a)：永久磁鐵４與傳感器殼體５固定，線圈組件（線圈３和金屬骨架１）用柔軟彈簧２支承，運(yùn)動件為線圈。

動鐵式如圖5-1(b)

所示：線圈組件３與殼體５固定，永久磁鐵４用柔軟彈簧２支承，運(yùn)動部件為磁鐵。第119頁/共268頁

注意：上述兩種傳感器的工作原理相同。動圈、動鐵都是相

對于傳感器殼體而言。被測振動速度近似為磁鐵與線圈之間的相對運(yùn)動速度。

速度

與感應(yīng)電動勢

的關(guān)系式為

式中：-工作氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度；

-線圈工作匝數(shù)；

-每匝線圈的平均長度。

振動頻率與傳感器靈敏度的關(guān)系：

※

當(dāng)振動頻率低于傳感器的固有頻率時(shí)，靈敏度隨振動頻率而變；

※

當(dāng)振動頻率遠(yuǎn)大于傳感器的固有頻率時(shí)，靈敏度不隨頻率而變?yōu)槌?shù)；

※

當(dāng)振動頻率更高時(shí)，線圈阻抗增大，靈敏度隨頻率增加而下降。

第120頁/共268頁

1-被測旋轉(zhuǎn)體2-測量輪3-線圈4-軟鐵5-永久磁鐵

（二）變磁通式：即改變磁路的磁阻。常用來測量旋轉(zhuǎn)物體的角速度。

(a)開磁路(b)閉磁路第121頁/共268頁

該傳感器的特點(diǎn)：

1．環(huán)境條件要求不高，能在-150~+90℃

的溫度下工作，也能在油、水霧、灰塵等條件下工作；

2．工作頻率下限較高,約為50，上限可達(dá)1000。二、測量電路

下圖所示為一般測量電路的方框圖

第122頁/共268頁注意：1．磁電感應(yīng)式傳感器直接輸出感應(yīng)電動勢。所以任何具有一定頻帶的電壓表或示波器都可采用。由于該傳感器通常具有較高的靈敏度，所以一般不需要增益放大器。

2．該傳感器是速度傳感器，如要獲取位移和加速度信號，就需配用積分電路或微分電路。實(shí)際電路中通常將微分電路或積分電路置于兩級放大器的中間，以利于級間的阻抗匹配。第123頁/共268頁三、應(yīng)用

（一）磁電感應(yīng)式振動速度傳感器

如圖5-3所示為CD-1型振動速度傳感器，它屬于動圈式恒定磁通型。1、8-圓形彈簧片2-阻尼器3-永久磁鐵4-鋁架5-心軸6-線圈7-殼體9-引線第124頁/共268頁

1-轉(zhuǎn)軸2-轉(zhuǎn)子3-永久磁鐵4-線圈5-定子（二）磁電感應(yīng)式速度傳感器如圖5-4所示是一種磁電感應(yīng)式速度傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖，它是開磁路變磁通式傳感器。

頻率

與轉(zhuǎn)速

及齒數(shù)

的關(guān)系為：

第125頁/共268頁

§5-2霍爾傳感器原理：基于霍爾效應(yīng)測量參數(shù)：電流、磁場、壓力、位移、轉(zhuǎn)速等特點(diǎn)：

（1）結(jié)構(gòu)簡單，體積小，堅(jiān)固；

（2）頻率響應(yīng)寬，動態(tài)范圍大；（3）無觸點(diǎn)，使用壽命長，可靠性高；（4）易于微型化和集成化；（5）轉(zhuǎn)換率較低，溫度影響大。第126頁/共268頁

一、基本原理與特性（一）霍爾效應(yīng)

1、霍爾效應(yīng)及霍爾電勢

如圖示在一個(gè)半導(dǎo)體薄片相對兩側(cè)面通以控制電流

I，在薄片垂直方向施加磁場B

，則在半導(dǎo)體另外兩側(cè)面會產(chǎn)生一個(gè)大小與I和B的乘積成正比的電動勢UH,這一現(xiàn)象就叫做霍爾效應(yīng)。第127頁/共268頁

所產(chǎn)生的電動勢稱為霍爾電動勢，所用薄片稱為霍爾元件。

2、基本原理已知：電子運(yùn)動速度,為電量則：在磁場

作用下電子所受洛倫茲力

為：

又：電場

作用于電子的電場力為：

當(dāng)：

時(shí)，則：

第128頁/共268頁

對N型半導(dǎo)體材料，電流密度

J為：式中：

n--

單位體積中的電子數(shù)（電子濃度）

e--

電子電量

v--電子運(yùn)動速度（負(fù)號指速度與電流方向相反）而：(S為電流流過的橫截面積）

(2)

比較（1)（2）式得：故：

第129頁/共268頁

RH----霍爾系數(shù)，RH=-1/ne,由載流材料物理性質(zhì)所決定；

KH----靈敏度系數(shù)，

KH=RH/d

，它和載流材料物理性質(zhì)及幾何尺寸有關(guān)，表示在單位磁感應(yīng)強(qiáng)度和單位控制電流時(shí)霍爾電勢的大小。

注意：RH

及KH對UH

的影響：

◎金屬材料不宜制作霍爾元件；◎

N型半導(dǎo)體比P型半導(dǎo)體更適合制作霍爾元件；

◎通?；魻栐龀杀∑瑺?。（二）霍爾元件

1、組成：霍爾片、4根引線和殼體。第130頁/共268頁

如圖5-7所示為霍爾元件的外形、結(jié)構(gòu)和符號：

a、b為控制電極c、d

為霍爾電極2、基本測量電路第131頁/共268頁二、霍爾元件的誤差及其補(bǔ)償（一）零位誤差及其補(bǔ)償

1、不等位電勢UO及其補(bǔ)償

（1）定義：額定電流I作用下，不加外磁場時(shí)的霍爾輸出。

（2）產(chǎn)生原因：電極點(diǎn)不完全在同一等位面上；由于加工原因引起等位面傾斜，致使霍爾電極不在同一等位面上。

第132頁/共268頁（3）補(bǔ)償方法：第133頁/共268頁2、寄生直流電動勢第134頁/共268頁（二）溫度誤差及其補(bǔ)償

1、產(chǎn)生原因：由材料的性質(zhì)決定。

2、補(bǔ)償方法：

（1）采用恒流源供電和輸入回路并聯(lián)電阻第135頁/共268頁

（2）合理選取負(fù)載電阻RL的阻值

（3）采用恒壓源供電和輸入回路串聯(lián)電阻（4）采用溫度補(bǔ)償元件（熱敏電阻、電阻絲）

第136頁/共268頁

第137頁/共268頁(5)不等位電勢UO的溫度補(bǔ)償?shù)?38頁/共268頁

三、霍爾傳感器的應(yīng)用（一）測位移（二）測壓力

(三)測速度第139頁/共268頁（三）測速度如圖為一數(shù)字式轉(zhuǎn)速計(jì)集成霍爾傳感器導(dǎo)磁材料

利用開關(guān)集成霍爾傳感器可檢測轉(zhuǎn)輪的轉(zhuǎn)速。帶有一永久磁鐵的轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動時(shí)，通過霍爾傳感器的磁場交替的變換方向，從而使傳感器輸出一系列脈沖信號。對這些信號進(jìn)行計(jì)數(shù)或分頻計(jì)數(shù)處理，就可以得出轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速的數(shù)字化信息。第140頁/共268頁

第六章壓電式傳感器

工作原理：基于壓電效應(yīng)

測量參數(shù)：力、壓力、加速度等。

特點(diǎn)：

（1）典型的力敏元件；（2）發(fā)電式傳感器（即有源傳感器），具有雙向特性；（3）體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠；（4）固有頻率高，靈敏度和信噪比高等；（5）無靜態(tài)輸出，要求很高的負(fù)載阻抗。

第141頁/共268頁

第一節(jié)壓電效應(yīng)

一、壓電效應(yīng)及表達(dá)式

1、正、逆壓電效應(yīng)定義

2、表達(dá)式

如圖所示，當(dāng)壓電元件受到外力F

作用時(shí)，在其極化面上會產(chǎn)生極化電荷。

Q=dFd---為壓電系數(shù)若用電荷密度（即單位面積上的電荷數(shù)）表示，則有：

q=dijσj

下標(biāo)i、j的含義：

i=1.2.3，表示晶體的極化方向，即產(chǎn)生電荷的面的軸向（簡稱電學(xué)量方向）；

j=1.2.3.4.5.6,表示施加單向應(yīng)力和剪切力的軸向（簡稱力學(xué)量方向）。第142頁/共268頁第143頁/共268頁

3、晶體受力產(chǎn)生的電荷密度方程式及其矩陣形式列方程組為：矩陣方程為：第144頁/共268頁（一）壓電常數(shù)（二）壓電常數(shù)（三）機(jī)電耦合系數(shù)二、壓電常數(shù)的其它形式

第145頁/共268頁二、壓電材料

1.單晶體

(1)石英晶體的壓電效應(yīng)結(jié)構(gòu)：外形是一個(gè)正六面體，在晶體學(xué)中用三根互相垂直的軸表示。

第146頁/共268頁

X-X軸電軸：垂直于X軸向的面上壓電效應(yīng)最顯著；

Y-Y軸機(jī)械軸：沿Y軸方向的機(jī)械變形最顯著；

Z-Z軸光軸：此軸由光學(xué)方法確定，該軸向不產(chǎn)生壓電效應(yīng)

規(guī)定：

縱向壓電效應(yīng)：指沿X軸方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)。

橫向壓電效應(yīng)：指沿Y軸方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)。第147頁/共268頁(2)壓電效應(yīng)的表達(dá)式如圖所示的石英晶體切片示意圖：已知：

（1）當(dāng)晶片在X軸向受壓應(yīng)力時(shí)，

有：

又：

則

式中：

：受力后，X軸面上產(chǎn)生的電荷密度；

:沿X軸向施加的壓力；：壓電系數(shù)（2.1*10-12C/N)第148頁/共268頁結(jié)論：當(dāng)晶片受到X軸向的壓力時(shí)，輸出電荷與作用力成正比，而與晶片的幾何尺寸無關(guān)。

（2）當(dāng)沿Y軸方向施力，其電荷仍在垂直于X軸面上產(chǎn)生。

其中：結(jié)論：當(dāng)晶片受到Y(jié)軸向的壓力時(shí)，輸出電荷與作用力成正比，且與晶片的幾何尺寸有關(guān)。負(fù)號表明：兩種情況下所產(chǎn)生的電荷極性相反。（3）沿Z軸方向施力，無壓電效應(yīng)產(chǎn)生。第149頁/共268頁(3)石英晶體壓電效應(yīng)的物理解釋

化學(xué)式：

每個(gè)晶體單元中有三個(gè)硅離子和六個(gè)氧離子（三對），氧離子是成對出現(xiàn)的。是正四價(jià)元素，帶四個(gè)正電荷；是負(fù)二價(jià)元素，帶兩個(gè)負(fù)電荷。

一個(gè)硅離子和兩個(gè)氧離子交替排列，若將相近的兩個(gè)氧離子用一個(gè)等效的2離子代替，則一個(gè)晶體單元中硅、氧離子的排列可畫成正六邊形。第150頁/共268頁

石英晶體壓電效應(yīng)示意圖第151頁/共268頁

（1）當(dāng)無外力作用時(shí)，因?yàn)殡姾墒腔ハ嗥胶獾?，晶體單元中正負(fù)離子對外顯電中性。

（2）當(dāng)沿晶片X

軸向作用壓力時(shí)，使離子產(chǎn)生不對稱的相對位移，結(jié)果晶片上表面會顯現(xiàn)正電荷，下表面顯現(xiàn)負(fù)電荷。

（3）當(dāng)沿晶片Y軸向作用壓力時(shí),離子將在縱向產(chǎn)生相對位移，晶片表面會顯現(xiàn)負(fù)電荷，下表面顯現(xiàn)正電荷。

如果沿

X軸和Y軸施加拉應(yīng)力，則晶體表面產(chǎn)生的電荷符號將改變。（如圖所示）

(4)當(dāng)沿Z軸方向施力，不能改變電荷分布情況。

第152頁/共268頁第153頁/共268頁

（5）當(dāng)切應(yīng)力作用時(shí)產(chǎn)生切應(yīng)變，同時(shí)有方向上的伸縮應(yīng)變。且：（6）當(dāng)和作用時(shí)產(chǎn)生切應(yīng)變，這種應(yīng)變使Y方向也產(chǎn)生壓電效應(yīng)。且：

注意：石英晶體的壓電常數(shù)只有和是獨(dú)立的。其壓電常數(shù)矩陣為：

第154頁/共268頁

(4)石英材料的特點(diǎn)介電和壓電常數(shù)的溫度穩(wěn)定性好，適合做工作溫度范圍很寬的傳感器；機(jī)械強(qiáng)度很高，可承受約的壓力；在沖擊力作用下漂移很??；彈性系數(shù)較大；測量大量程的力和加速度。居里溫度點(diǎn)較低，為573℃。

5、居里點(diǎn)

指壓電效應(yīng)現(xiàn)象消失的溫度轉(zhuǎn)變點(diǎn)。二、多晶體的壓電特性

1、電荷密度公式：

2、壓電常數(shù)矩陣

3、與單晶體的區(qū)別

4、常見類型

①②③④⑤第155頁/共268頁三、壓電元件常用結(jié)構(gòu)形式（一）壓電元件的基本變形，如圖6-6所示。

1、厚度變形：利用縱向壓電效應(yīng)

2、長度變形：利用橫向壓電效應(yīng)

3、面剪切變形

4、彎曲變形（二）雙晶片元件，如圖6-7所示。第156頁/共268頁第157頁/共268頁（二）雙晶片元件

當(dāng)自由端受力F時(shí)，

每個(gè)單片產(chǎn)生的電荷和電壓為：第158頁/共268頁第159頁/共268頁(三)壓電片的連接

1、并聯(lián)特點(diǎn)：輸出電荷大，自身電容也大，時(shí)間常數(shù)大，宜于測緩變信號，適用于以電荷作輸出的場合。公式：

2、串聯(lián)特點(diǎn)：輸出電壓大，自身電容小，時(shí)間常數(shù)小，適用于以電壓作輸出的場合，且測量電路輸入電阻要求很高。

公式：第160頁/共268頁

第四節(jié)等效電路與測量電路一、等效電路

壓電元件的電容量：

1.電壓等效電路——等效為一個(gè)電壓源和一個(gè)電容器串聯(lián)的電路。

壓電元件的開路電壓：如圖6-9（b)所示。

2.電荷等效電路——等效為一個(gè)電荷源和一個(gè)電容器并聯(lián)的電路。且：

如圖6-9（a)所示。

第161頁/共268頁第162頁/共268頁

3、壓電式傳感器的靈敏度

(1)電壓靈敏度：表示單位力作用下產(chǎn)生的電壓大小。

(2)電荷靈敏度：表示單位力作用下產(chǎn)生的電荷多少。

(3)

兩者的關(guān)系：二、測量電路第163頁/共268頁壓電式傳感器前置放大器的作用：

（1）放大傳感器輸出的微弱信號（2）進(jìn)行阻抗變換兩種形式：（1）電壓放大器（2）電荷放大器第164頁/共268頁一、電壓放大器等效電阻等效電容

如果壓電元件受到交變力作用則第165頁/共268頁由此，送入放大器輸入端的電壓為：

電壓的幅值以及它與作用力之間的相位差為

第166頁/共268頁又設(shè)：

則：當(dāng)：

有：傳感器的電壓靈敏度

結(jié)論：由于電纜電容及放大器輸入電容的存在，使靈敏度減小。如果更換電纜，電纜電容變化，靈敏度隨之變化。必須重新校正靈敏度。第167頁/共268頁工程上規(guī)定：

隨頻率變化，當(dāng)放大器的放大倍數(shù)下降為中頻區(qū)放大倍數(shù)的倍時(shí)，相對應(yīng)頻率為下限頻率。

實(shí)際上，此時(shí)的變化也就等效于放大倍數(shù)的變化。又因?yàn)槭窃冢磿r(shí)）求出的，顯然，此時(shí)的上限頻率，所以可近似認(rèn)為此時(shí)的通頻帶（即中頻區(qū)）為

則可認(rèn)為是放大器中頻區(qū)的輸入電壓。第168頁/共268頁欲求下限頻率

只須令：得公式解得下限頻率為：當(dāng)下限頻率已選定，時(shí)間常數(shù)應(yīng)滿足：

可以認(rèn)為：

隨頻率變化，當(dāng)放大器的輸入電壓下降為中頻區(qū)輸入電壓的倍時(shí)，相對應(yīng)頻率為下限頻率。第169頁/共268頁結(jié)論：壓電式傳感器的高頻響應(yīng)是很好的，這是其顯著的特點(diǎn)。

壓電式傳感器在與電壓放大器配合使用時(shí)，連接電纜不能太長。電纜長，電纜電容就大，電纜電容增大必然使傳感器的電壓靈敏度降低。第170頁/共268頁二、電荷放大器

導(dǎo)納是容抗的倒數(shù)；電導(dǎo)是電阻的倒數(shù).

即：

對輸入端節(jié)點(diǎn)o有：

且：

~~～第171頁/共268頁將化簡后，得：結(jié)論：壓電元件本身的電容大小和電纜長短將不影響或極少影響電荷放大器的輸出。第172頁/共268頁（1）當(dāng)工作頻率足夠高時(shí)，有（2）當(dāng)工作頻率很低時(shí)，有幅值相位差下限截止頻率第173頁/共268頁(3)若反饋回路不接RF，則gF=0此時(shí)，當(dāng)與足夠大時(shí)，可得(4)將Q=CaU代入得：取可得下限頻率：第174頁/共268頁3差動式電荷放大器輸入輸出特性如下：第175頁/共268頁

第五節(jié)應(yīng)用舉例一、壓電加速度傳感器如圖6-13所示。第176頁/共268頁二、壓電式測力傳感器1、單向壓電測力傳感器第177頁/共268頁二、壓電式測力傳感器2、三向壓電測力傳感器第178頁/共268頁三、PVDF壓電薄膜1、血壓傳感器第179頁/共268頁2、PVDF觸覺傳感器四、集成化壓電傳感器第180頁/共268頁五、粗糙度測量傳感器如圖6-14所示。第181頁/共268頁

第八章熱電式傳感器

第一節(jié)熱電偶傳感器一、熱電偶的工作原理

1、熱電效應(yīng)（即溫差效應(yīng)）（1）定義（2）接觸電勢——由兩種導(dǎo)體之間電子擴(kuò)散形成。（3）溫差電勢——單一導(dǎo)體間電子擴(kuò)散形成。（4）回路總電勢

第182頁/共268頁結(jié)論：

（1）A、B材料相同，即使溫度T和T0不同，總熱電勢為零；（2）溫度T和T0相同，即使A、B材料不同，總熱電勢為零；（3）熱電偶AB的總熱電勢只與材料性質(zhì)、結(jié)點(diǎn)溫度有關(guān)，而與A、B材料的中間溫度、尺寸、形狀無關(guān)；（4）當(dāng)T0恒定，熱電偶AB的輸出熱電勢與溫度成單值函數(shù)關(guān)系。第183頁/共268頁2.熱電偶的基本定律（1）中間導(dǎo)體定律①內(nèi)容：在熱電偶回路中接入第三種材料的導(dǎo)線，只要其兩端的溫度相等，第三導(dǎo)線的引入不會影響熱電偶的熱電勢。②

證明：忽略溫差電勢，且證：第184頁/共268頁令所有結(jié)點(diǎn)溫度為T0，則代（2）入（1）式，得③應(yīng)用：利用熱電偶測溫時(shí)，必須在熱電偶回路中引入測量儀表或顯示儀表，并用連接導(dǎo)線將它們連接。利用此定律，只要保持引入部分兩結(jié)點(diǎn)的溫度相同，就可以對熱電勢進(jìn)行測量，而不影響原熱電勢的數(shù)值。第185頁/共268頁（2）參考電極定律①內(nèi)容：當(dāng)熱電偶兩個(gè)結(jié)點(diǎn)溫度為T和T0時(shí)，用導(dǎo)體A、B組成熱電偶的熱電勢等于AC熱電偶和

CB熱電偶的熱電動勢的代數(shù)和。②

證明：忽略溫差電勢。③應(yīng)用：通常用鉑作為參考電極C，若已知A、B分別與C組成熱電偶的熱電勢，則任意A、B組成熱電偶的熱電勢就已知。由此可簡化熱電偶的選配工作。第186頁/共268頁（3）連接導(dǎo)線定律與中間溫度定律

連接導(dǎo)線定律①內(nèi)容：在熱電偶回路中，若導(dǎo)體、分別與連接導(dǎo)線、相接，接點(diǎn)溫度分別為、、如圖所示，則回路總熱電勢等于熱電偶AB的熱電勢與連接導(dǎo)線熱電勢的代數(shù)和。②

證明：考慮溫差電勢。③應(yīng)用：連接導(dǎo)線定律是工業(yè)上運(yùn)用補(bǔ)償導(dǎo)線進(jìn)行熱電偶溫度測量的理論基礎(chǔ)。第187頁/共268頁（3）連接導(dǎo)線定律與中間溫度定律

中間溫度定律①內(nèi)容：在連接導(dǎo)線定律中，當(dāng)導(dǎo)體與、與材料分別相同時(shí)，則有

稱為中間溫度。②

證明：略。③應(yīng)用：中間溫定律為熱電偶制定熱電勢分度表提供了理論依據(jù)。只要求得參考端溫度時(shí)的熱電勢與溫度關(guān)系，就可根據(jù)中間溫度定律求出參考溫度不等于時(shí)的熱電動勢。第188頁/共268頁二、常用熱電偶1、鉑銠10——鉑熱電偶符號LB（S）2、鎳鉻——鎳硅熱電偶