測試技術(shù)基礎(chǔ)課件：傳感器

傳感器4.1傳感器概述4.2電阻式傳感器4.3電感式傳感器4.4電容式傳感器4.5壓電式傳感器4.6磁電式傳感器4.7光電式傳感器4.8其他類型傳感器 4.1傳感器概述

傳感器(Sensor)的概念來自于“感覺(Sense)”一詞。在人類的生產(chǎn)生活中,僅靠人的感覺器官獲取外界信息是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的,于是人們發(fā)明了能代替或補(bǔ)充人類感官功能的傳感器,可以說傳感器是人類感官的延伸。由于傳感器處于測試系統(tǒng)的第一個環(huán)節(jié),用來獲取被測量,其性能將直接影響整個測試工作的質(zhì)量,因此傳感器已成為現(xiàn)代測試系統(tǒng)中的關(guān)

鍵環(huán)節(jié)。4.1.1傳感器的定義

根據(jù)中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)(GB7665-1987),傳感器的定義為:能感受規(guī)定的被測量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置。傳感器通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件

組成。其中,敏感元件是指傳感器中能直接感受被測量的部分;轉(zhuǎn)換元件是指傳感器中能將敏感元件輸出信號轉(zhuǎn)換為適合傳輸和測量的信號的部分。這一定義包含如下幾個方面的

含義:(1)傳感器是測量裝置,能完成檢測任務(wù)。

(2)傳感器的輸入量是某一被測量,可能是物理量(如長度、熱量、力、時間、頻率等),也可能是化學(xué)量、生物量等。

(3)傳感器的輸出量是某種物理量,這種量要便于傳輸、轉(zhuǎn)換、處理、顯示等,可以是氣、光、電量,但主要是電量。

(4)輸出與輸入有一定的對應(yīng)關(guān)系,且應(yīng)有一定的精確度。4.1.2傳感器的分類

傳感器的分類方法很多,常用的方法有:

·按被測物理量進(jìn)行分類,如力傳感器、速度傳感器、溫度傳感器、流量傳感器等。

·按傳感器的工作原理或傳感過程中信號轉(zhuǎn)換的原理來分類,可分為結(jié)構(gòu)型和物性型。結(jié)構(gòu)型傳感器根據(jù)傳感器的結(jié)構(gòu)變化來實現(xiàn)信號的傳感,如電容傳感器是依靠改變電容極板的間距或作用面積來實現(xiàn)電容的變化,可變電阻傳感器是利用電刷的移動來改變作用電阻絲的長度從而改變電阻值的大小。物性型傳感器根據(jù)傳感器敏感元件材料本身物理

特性的變化來實現(xiàn)信號的轉(zhuǎn)換,如壓電加速度計是利用了傳感器中石英晶體的壓電效應(yīng),光敏電阻則是利用材料在受光照作用下改變電阻的效應(yīng)等。

·根據(jù)傳感器與被測對象間的能量轉(zhuǎn)換關(guān)系可將傳感器分為能量轉(zhuǎn)換型和能量控制型。能量轉(zhuǎn)換型傳感器(也稱無源傳感器)是直接由被測對象輸入能量使傳感器工作的,如

熱電偶溫度計、彈性壓力計等。能量控制型傳感器(也稱有源傳感器)則依靠外部提供輔助能源來工作,由被測量來控制該能量的變化,如電橋電阻應(yīng)變儀,其中電橋電路的能源由

外部提供,應(yīng)變片的變化由被測量所引起,從而也導(dǎo)致電橋輸出的變化。

·根據(jù)傳感器輸出是模擬信號還是數(shù)字信號,可分為模擬傳感器和數(shù)字傳感器。4.1.3傳感器的發(fā)展趨勢

1.開發(fā)新材料、新型傳感器

傳感器材料是傳感器技術(shù)的重要基礎(chǔ),由于材料科學(xué)的進(jìn)步,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、陶瓷材料以外,光導(dǎo)纖維以及超

導(dǎo)材料的發(fā)展,為傳感器技術(shù)的發(fā)展提供了新的物質(zhì)基礎(chǔ)。未來將會有更多的新材料開發(fā)出來。鑒于傳感器的工作機(jī)理是基于各種效應(yīng)和定律,由此啟發(fā)人們進(jìn)一步探索具有新效

應(yīng)的敏感功能材料,并以此研制出基于新原理的傳感器。其中利用量子力學(xué)諸效應(yīng)研制的高靈敏度傳感器,可用來檢測極微弱的信號,是傳感器技術(shù)發(fā)展的新趨勢之一。

2.傳感器的集成化和多功能化

固態(tài)功能材料———半導(dǎo)體、電介質(zhì)、強(qiáng)磁體的進(jìn)一步開發(fā)和集成技術(shù)的不斷發(fā)展,為傳感器集成化開辟了廣闊的前景。所謂集成化,就是在同一芯片上,或?qū)⒈姸嗤活愋偷?/p>

單個傳感器集成為一維線型、二維陣列(面)型傳感器,或?qū)鞲衅髋c調(diào)理、補(bǔ)償?shù)入娐芳梢惑w化。前一種集成化使傳感器的檢測參數(shù)由點到線到面到體不斷擴(kuò)展,甚至還能加上時序,變單參數(shù)檢測為多參數(shù)檢測;后一種傳感器由單一的信號變換功能,擴(kuò)展為兼有放大、運算、誤差補(bǔ)償?shù)榷喾N功能。多功能集成傳感器可以在一個集成傳感器上同時測量多個被測量。例如硅壓阻式復(fù)合傳感器,可以同時測量溫度和壓力。

3.傳感器的智能化

智能化傳感器是一種帶微處理器的傳感器,不僅具有信號檢測、轉(zhuǎn)換功能,同時還具有記憶、存儲、分析、統(tǒng)計處理、通信以及自診斷、自校準(zhǔn)、自適應(yīng)等功能。近年來,智能化傳感器有了很大發(fā)展,開始同人工智能相結(jié)合,創(chuàng)造出基于模糊推理、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)等人工智能技術(shù)的高度智能傳感器。它已經(jīng)在家用電器方面得到應(yīng)用,未來將會

更加成熟。

4.2電阻式傳感器

電阻式傳感器種類繁多、應(yīng)用廣泛,其基本原理是將被測量的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮柚档淖兓?再經(jīng)相應(yīng)的測量電路顯示或記錄被測量的變化。

一個電導(dǎo)體的電阻值按如下的公式進(jìn)行變化:(4-1)式中,R為電阻,單位為Ω;ρ為材料的電阻率,單位為Ω·mm2/m;l為導(dǎo)體的長度,單位為m;A為導(dǎo)體的截面積,單位為mm2

。4.2.1變阻器式傳感器

變阻器式傳感器也稱為電位器式傳感器,它通過滑動觸點改變電阻絲的長度,從而改變電阻值大小,進(jìn)而再將這種變化值轉(zhuǎn)換成電壓或電流的變化值。

常用變阻器式傳感器有直線位移型和角位移型兩種。按其結(jié)構(gòu)形式不同可分為線繞式、薄膜式等,按其特性曲線不同可分為線性電位器和非線性電位器。

圖4-1所示為幾種變阻器式傳感器電路及輸出波形。圖4－1幾種變阻器式傳感器電路及輸出波形

1.變阻器式傳感器的原理及特性

直線位移型變阻器如圖4－1(a)所示。觸點C沿變阻器表面移動的距離x與A

、C

兩點間的電阻值R之間有如下關(guān)系:式中,kt

為單位長度的電阻,當(dāng)導(dǎo)線分布均勻時為一常數(shù)。此時傳感器的輸出(電阻)與輸入(位移)間為線性關(guān)系,傳感器的靈敏度為(4-2)(4-3)角位移型變阻器如圖4-1(b)所示。電阻值隨轉(zhuǎn)角變化,傳感器的靈敏度為(4-4)式中,α為觸點轉(zhuǎn)角,單位為rad;kr

為單位弧度對應(yīng)的電阻值。當(dāng)變阻器式傳感器后接一電路(如圖4-2(a)所示)時,該電路會從傳感器抽取電流,形成所謂的負(fù)載效應(yīng)。分析該電路可得出輸入與輸出的關(guān)系為(4-5)圖4-2變阻器式傳感器的負(fù)載效應(yīng)實際工作中有時需對這種非線性進(jìn)行補(bǔ)償,因此常采用滑動觸點距離與電阻值間成非線性比例關(guān)系的變阻器。這種非線性變阻器或電位計可設(shè)計成具有平方的、正余弦的、對

數(shù)式的特性曲線(如圖4-1(c)~(e)所示)。

變阻器的分辨率也是一個重要的參數(shù),它取決于電阻元件的結(jié)構(gòu)形式。

為在小范圍空間中得到足夠高的電阻值,常采用線繞式電阻元件(如圖4-1所示)。當(dāng)滑臂觸點從一圈導(dǎo)線移至下一圈時,電阻值的變化是臺階形的,限制了器件的分辨率。實際中能做到繞線間的密度為25圈/毫米,對直線移動式裝置,分辨率最小為40μm,而對一個直徑為5cm的單線圈的轉(zhuǎn)動式電位計來說,其最好的角分辨率約為0.1°。為改善分辨率,也可采用碳膜或?qū)щ娝芰想娮柙?。如碳合成膜和陶瓷金屬合成?前者是在一種環(huán)氧樹脂或聚酯結(jié)合劑中懸浮有石墨或碳粒子,后者是將陶瓷和貴金屬粉末

進(jìn)行混合所得的一種材料。兩種情況下碳薄膜均被一層陶瓷或塑料的背襯材料所支撐。這種導(dǎo)電膜電位計的優(yōu)點是價格便宜,尤其是碳膜裝置具有極高的耐磨性,因而壽命長。但

它們的共同缺點是易受溫漂和濕度的影響。

2.變阻器式傳感器的特點及應(yīng)用

變阻器式傳感器的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小、質(zhì)量小、價格低廉且性能穩(wěn)定;受環(huán)境因素(如溫度、濕度、電磁場等)影響小;可以實現(xiàn)輸出-輸入間任意函數(shù)關(guān)系;輸出信號大,一般不用放大。變阻器式傳感器的缺點是由于在滑動觸點與線圈或電阻膜之間有摩擦,需要較大的輸入能量;由于磨損不僅影響使用壽命,而且會降低測量精度,分辨率較低;動態(tài)響應(yīng)較差,適合測量變化緩慢的量。

變阻器式傳感器常被用于線位移和角位移的測量,在測量儀器中用于伺服記錄儀或電子電位差計等。4.2.2電阻應(yīng)變式傳感器

1.電阻應(yīng)變片的工作原理

金屬導(dǎo)體在外力作用下發(fā)生機(jī)械變形(伸長或縮短)時,其電阻值隨著機(jī)械變形而發(fā)生變化的現(xiàn)象,稱為金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)。

以金屬材料為敏感元件的應(yīng)變片測量試件應(yīng)變的原理是基于金屬絲的應(yīng)變效應(yīng)。若金屬絲的長度為l,橫截面積為A,電阻率為ρ,其未受力時的電阻為R

。如果金屬絲沿軸向受拉力而變形,其長度l變化dl,截面積A

變化dA,電阻率ρ

變化dρ,因而引起電阻R變化dR

。對式(4-1)微分,整理可得(4-7)將式(4-8)和式(4-9)代入式(4-7)中,可得(4-10)

2.應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu)

圖43是一種電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)示意圖。電阻絲應(yīng)變片是用直徑為0.025mm、具有高電阻率的電阻絲制成的。為了獲得高的阻值,將電阻絲排列成柵狀,稱為敏感柵,并粘

貼在絕緣的基底上。電阻絲的兩端焊接引線,敏感柵上面貼有保護(hù)作用的覆蓋層。l稱為柵長(標(biāo)距),b稱為柵寬(基寬),b×l稱為應(yīng)變片的使用面積。應(yīng)變片的規(guī)格一般以使用

面積和電阻值表示,如3mm×20mm,120Ω。

3.電阻應(yīng)變片的分類

1)按敏感柵的材料分類

按敏感柵的材料不同,主要分為絲式、箔式、薄膜式。

(1)絲式應(yīng)變片。金屬絲式應(yīng)變片是用0.01~0.05mm的金屬絲做成敏感柵,有回線式和短接式兩種。如圖43所示為絲式應(yīng)變片,它制作簡單、性能穩(wěn)定、成本低、易粘貼,但因圓弧部分參與變形,橫向效應(yīng)較大。短接式應(yīng)變片的敏感柵平行排列,兩端用直徑比柵線直徑大5~10倍的鍍銀絲短接而成,其優(yōu)點是克服了橫向效應(yīng)。絲式應(yīng)變片敏感柵常用的材料有康銅、鎳鉻合金、鎳鉻鋁合金以及鉑、鉑鎢合金等。圖4－3電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)示意圖

(2)箔式應(yīng)變片。金屬箔式應(yīng)變片是利用照相制版或光刻技術(shù),將厚為0.003~0.01mm的金屬箔片制成敏感柵,如圖4－4所示。圖4－4箔式應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)示意圖箔式應(yīng)變片具有如下優(yōu)點:①可制成多種復(fù)雜形狀、尺寸準(zhǔn)確的敏感柵,其柵長最小可做到0.2mm,以適應(yīng)不同的測量要求;②橫向效應(yīng)小;③散熱條件好,允許電流大,提

高了輸出靈敏度;④蠕變和機(jī)械滯后小,疲勞壽命長;⑤生產(chǎn)效率高,便于實現(xiàn)自動化生產(chǎn)。金屬箔常用的材料是康銅、鎳鉻合金等。

(3)薄膜式應(yīng)變片。金屬薄膜式應(yīng)變片是采用真空蒸發(fā)或真空沉積等方法,在薄的絕緣基底上形成厚度在0.1μm以下的金屬電阻薄膜的敏感柵,最后再加上保護(hù)層。它的優(yōu)點是應(yīng)變靈敏度大,允許電流密度大,工作范圍廣,可達(dá)－197~317℃。

2)按基底材料分類

按應(yīng)變片的基底材料分類,可分為紙基和膠基兩類。

紙基逐漸被膠基(有機(jī)聚合物)取代,因為膠基各方面的性能優(yōu)于紙基。膠基一般采用酚醛樹脂、環(huán)氧樹脂和聚酰亞胺等制成膠膜,厚約0.03~0.05mm。

對基底材料的性能有如下要求:力學(xué)性能好、撓性好、易于粘貼;電絕緣性能好;熱穩(wěn)定性能和抗潮濕性能好;滯后和蠕變小等。

3)按被測量應(yīng)力場分類

應(yīng)變片按被測量應(yīng)力場分類,可分為單向應(yīng)力的應(yīng)變片和測量平面應(yīng)力的應(yīng)變片。

如圖4－4(a)所示為測量單向應(yīng)力的應(yīng)變片,圖4－4(c)、(d)所示為測量平面應(yīng)力的應(yīng)變片?？捎脙善陨系碾娮钁?yīng)變片組成測量平面應(yīng)力的應(yīng)變花。它又可分為測量主應(yīng)力已知的互成90°的二軸應(yīng)變花,如圖4-4(c)所示。測量主應(yīng)力未知的應(yīng)變花一般由三個方向的三片式應(yīng)變片組成,如圖4-4(d)所示。

4.應(yīng)變片的粘貼

由于在使用時需將應(yīng)變片粘貼到構(gòu)件上,因而黏結(jié)劑的選擇和粘貼工藝至關(guān)更要。常用的黏結(jié)劑有環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂等,高溫下也采用專用陶瓷粉末等無機(jī)黏結(jié)劑。黏結(jié)劑

應(yīng)能保證粘接面有足夠的強(qiáng)度、絕緣性能、抗蠕變以及溫度變化范圍等。目前所采用的應(yīng)變片和粘接方法已經(jīng)覆蓋從-249℃至+816℃的溫度范圍。對超高溫度來說,常需采用焊接技術(shù)進(jìn)行連接。為得到高質(zhì)量的粘接層,某些黏結(jié)劑需要在室溫下進(jìn)行熟化或焙燒處理,熟化時間從幾分鐘到幾天時間不等。有時為防潮或防腐,還需在應(yīng)變片上覆蓋防水或

保護(hù)層。

5.應(yīng)變片的特點

電阻應(yīng)變傳感器的主要優(yōu)點如下:

(1)性能穩(wěn)定、精度高。高精度力傳感器的測量精度一般可達(dá)0.05%,少數(shù)傳感器的精度可達(dá)0.015%。

(2)測量范圍廣。例如壓力傳感器量程從0.03MPa至1000MPa,力傳感器量程可從10-1N至107N。

(3)頻率響應(yīng)較好。

(4)體積小,重量輕,結(jié)構(gòu)簡單,價格低,使用方便,使用壽命長。

(5)對環(huán)境條件適應(yīng)能力強(qiáng)。能在比較大的溫度范圍內(nèi)工作,能在強(qiáng)磁場及核輻射條件下工作,能耐較大的振動和沖擊。電阻應(yīng)變式傳感器缺點是輸出信號微弱,在大應(yīng)變狀態(tài)下具有較明顯的非線性等。

6.應(yīng)變片的應(yīng)用

應(yīng)變片主要用于以下兩個方面:

(1)結(jié)構(gòu)應(yīng)力和應(yīng)變分析應(yīng)用方面,常將應(yīng)變片貼于待測構(gòu)件的測量部位上,從而測得構(gòu)件的應(yīng)力或應(yīng)變,用于研究機(jī)械、建筑、橋梁等構(gòu)件在工作狀態(tài)下的受力、變形等情況,為結(jié)構(gòu)的設(shè)計、應(yīng)力校驗以及構(gòu)件破損的預(yù)測等提供可靠的實驗數(shù)據(jù)。

(2)用作不同的傳感器應(yīng)用方面,常將應(yīng)變片貼在或形成在彈性元件上,構(gòu)成測量各種物理量的傳感器,再通過轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化,可測量力、位移、壓力、力矩和加速度等,如圖45所示。圖4－5應(yīng)變片式力和力矩傳感器結(jié)構(gòu)示意圖4.2.3壓阻式傳感器

1.基本工作原理

半導(dǎo)體材料受到應(yīng)力作用時,其電阻率會發(fā)生變化,這種現(xiàn)象稱為壓阻效應(yīng)。實際上,任何材料都不同程度地呈現(xiàn)壓阻效應(yīng),但半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)特別強(qiáng)。電阻應(yīng)變效應(yīng)的

分析公式(－0)也適用于半導(dǎo)體電阻材料。

電阻值的相對變化主要由兩部分因素決定:一部分是應(yīng)變片的幾何尺寸,即(1+2υ)ε項;另一部分是應(yīng)變片材料的電阻率變化,即π1Eε

項。半導(dǎo)體應(yīng)變片的電阻變化主要由后者決定,前者可以解釋金屬應(yīng)變片電阻變化的主要原因。兩者相比,第二項的值要遠(yuǎn)大于第一項的值,這也是半導(dǎo)體應(yīng)變片的靈敏度(即應(yīng)變

系數(shù))遠(yuǎn)大于金屬絲電阻應(yīng)變片的靈敏度的原因。

最常用的半導(dǎo)體電阻材料有硅和鍺,摻入雜質(zhì)可形成P型或N型半導(dǎo)體。由于半導(dǎo)體(如單晶硅)是各向異性材料,因此它的壓阻效應(yīng)不僅與摻雜濃度、溫度和材料類型有關(guān),還與晶向有關(guān)(即對晶體在不同方向上施加力時,其電阻的變化方式不同)。表4－1列出了幾種常用半導(dǎo)體材料的特性。

2.壓阻式傳感器的特點及應(yīng)用

壓阻式傳感器的優(yōu)點是靈敏度高(比電阻應(yīng)變片高50~80倍)、尺寸小、橫向效應(yīng)小、滯后和蠕變都小,適用于動態(tài)測量,其主要缺點是溫度穩(wěn)定性差、測量較大應(yīng)變時非線性嚴(yán)重、批量生產(chǎn)時性能分散度大。

壓阻式傳感器可用于壓力、加速度等物理量的測量。圖4－6所示為一種半導(dǎo)體膜片式絕對壓力傳感器的截面結(jié)構(gòu)圖。在一個N型基底材料中擴(kuò)散有一個P型區(qū)域,用作一個電阻器。在受到應(yīng)變時該電阻器的值迅速增大,這一現(xiàn)象稱為壓阻效應(yīng)。當(dāng)傳感器受外部壓力作用時,膜片發(fā)生彎曲,從而使傳感器受應(yīng)變作用,應(yīng)變的變化又促使電阻值的變化。利用這種傳感器也可測應(yīng)變和加速度。圖4－6半導(dǎo)體膜片式絕對壓力傳感器的截面結(jié)構(gòu)圖

4.3電感式傳感器

4.3.1自感式傳感器

自感式傳感器可分為可變磁阻式傳感器和渦流式傳感器兩類。

1.可變磁阻式傳感器

可變磁阻式傳感器的結(jié)構(gòu)及原理如圖4－7所示。它由鐵心、線圈和銜鐵組成,鐵心與銜鐵間設(shè)有空氣隙δ,當(dāng)線圈中通以電流i時,由電磁感應(yīng)原理,則在其中產(chǎn)生磁通Φm,

其大小與所加電流i成正比:式中,W

為線圈匝數(shù);L

為比例系數(shù),稱為自感,單位為H

。根據(jù)磁路歐姆定律有（4-13）式中,Wi

為磁動勢,單位為A;R

m

為磁阻,單位為H-1

。將式(4-13)代入式(4-12)得(4-14)當(dāng)不考慮磁路的鐵損且當(dāng)氣隙δ較小時,該磁路的總磁阻為(4-15)圖4-7可變磁阻式傳感器結(jié)構(gòu)及原理式中,l為鐵心的導(dǎo)磁長度,單位為m;μ

為鐵心磁導(dǎo)率,單位為H/m;A

為鐵心導(dǎo)磁截面積,A=a×b(m2);δ

為氣隙寬度,單位為m;μ

0

為空氣磁導(dǎo)率,μ

0=4π×10-7H/m;A0為空氣隙導(dǎo)磁橫截面積,單位為m2

。

由于式(4-15)中右邊第一項鐵心磁阻與第二項氣隙磁阻相比甚小,因此在忽略第一項情況下可得總磁阻Rm

近似為(4-16)(4-17)將上式代入式(4-14),則有自感L

與空氣隙導(dǎo)磁截面積A

0

成正比,而與氣隙δ成反比。當(dāng)A

0

固定,變化δ

時,L與δ

成非線性變化關(guān)系(如圖4-7(b)所示),此時傳感器靈敏度為(4-18)可見靈敏度S

與δ

的平方成反比,δ

越小,靈敏度越高。由于δ不是常數(shù),會產(chǎn)生非線性誤差,因此這種傳感器常規(guī)定在較小氣隙變化范圍內(nèi)工作。設(shè)氣隙變化為(δ

0,δ0+Δδ),由(4-18)式得(4-19)(4-20)S

此時為一定值,輸出與輸入近似成線性關(guān)系。實際應(yīng)用中常選取Δδ/δ

0≤0.1。這種傳感器適宜于測量小位移(一般為0.001~1mm)。改變電感也可通過改變導(dǎo)磁面積A0

和線圈匝數(shù)W

來實現(xiàn)。圖4-8所示為幾種常用的可變磁阻式電感傳感器結(jié)構(gòu)。圖4-8幾種常用的可變磁阻式電感傳感器結(jié)構(gòu)圖4-9可變磁阻式傳感器應(yīng)用實例

2.渦流式傳感器

渦流式傳感器的變換原理是利用金屬導(dǎo)體在交流磁場中的渦流效應(yīng)。當(dāng)金屬導(dǎo)體置于變化著的磁場中或者在磁場中運動時,其內(nèi)部會產(chǎn)生感應(yīng)電流,這種電流在金屬導(dǎo)體內(nèi)是自身閉合的,因此稱之為渦電流或渦流。渦流的大小與金屬板的電阻率ρ

、磁導(dǎo)率μ、厚度t

以及金屬板與線圈距離δ、激勵電流i

、角頻率ω

等參數(shù)有關(guān)。若固定其他參數(shù),僅僅改變其中某一參數(shù),就可以根據(jù)渦流大小測定該參數(shù)。

渦流在金屬導(dǎo)體的縱深方向分布不均勻,越接近導(dǎo)體表面,電流密度越大,這種現(xiàn)象稱為集膚效應(yīng)。集膚效應(yīng)與激勵源頻率和導(dǎo)體的電阻率、相對磁導(dǎo)率等有關(guān)。激勵源頻率越高,電渦流的滲透深度就越淺,集膚效應(yīng)越嚴(yán)重,故渦流傳感器可分為高頻反射式和低頻透射式兩類。

1)高頻反射式渦流傳感器

如圖4－10所示,線圈與金屬板相距δ,當(dāng)線圈中通交變高頻電流時,會引起交變磁通Φ。由于該交變磁通的作用,在靠近線圈的金屬表面內(nèi)部產(chǎn)生感應(yīng)電流i1

。該電流i1即為渦流,在金屬板內(nèi)部是閉合的。根據(jù)楞次定律,由該渦流產(chǎn)生的交變磁通Φ1將與線圈產(chǎn)生的磁場方向相反,亦即Φ1將抵抗Φ

的變化。圖4－10高頻反射式渦流傳感器的工作原理示意圖由于該渦流磁場的作用,線圈的等效阻抗將發(fā)生變化,其變化的程度除了與兩者間的距離δ

有關(guān)外,還與金屬導(dǎo)體的電阻率ρ

、磁導(dǎo)率μ

以及線圈的激磁電流角頻率ω等有關(guān)。

改變上述任意一種參數(shù),均可改變線圈的等效阻抗,通過測量電路轉(zhuǎn)換為電壓輸出,從而可做成不同的傳感器件。

2)低頻透射式渦流傳感器

低頻透射式渦流傳感器的工作原理如圖4－11(a)所示。圖4－11低頻透射式渦流傳感器的工作原理及電壓和厚度關(guān)系曲線在被測材料G

的上、下方分別置有發(fā)射線圈W

1

和接收線圈W

2

。在發(fā)射線圈W1

的兩端加有低頻(一般為音頻范圍)電壓u1,因此形成一交變磁場,該磁場在材料G

中感應(yīng)產(chǎn)生渦流i。由于渦流i的產(chǎn)生消耗了磁場的部分能量,使穿過接收線圈W2

的磁通量減小,從而使W2產(chǎn)生的感應(yīng)電勢u2

減小。u2

的大小與材料G

的材質(zhì)和厚度有關(guān),u2

隨材料厚度h的增加按指數(shù)規(guī)律減小(如圖4－11(b)所示),因此利用u2

的變化即可確定材料的厚度。

低頻透射式渦流傳感器多用于測量材料的厚度。

3)渦流傳感器的測量電路

渦流傳感器的測量電路一般有阻抗分壓調(diào)幅電路及調(diào)頻電路。

圖4－12所示為一種渦流測振儀分壓調(diào)幅電路的原理。它由晶體振蕩器、高頻放大器、檢波器和濾波器等組成。由晶體振蕩器產(chǎn)生高頻振蕩信號作為載波信號。由傳感器輸出的信號經(jīng)與該高頻載波信號作調(diào)制后輸出的信號u為高頻調(diào)制信號,該信號經(jīng)放大器放大后再經(jīng)檢波與濾波,即可得到氣隙δ的動態(tài)變化信息。圖4－12渦流測振儀分壓調(diào)幅電路圖4－13渦流測振儀的諧振分壓電路、諧振曲線及輸出特性渦流傳感器線圈與并聯(lián)電容C

以及分壓電阻R

組成的諧振分壓電路如圖413(a)所示,在該等效電路中,R'、L'、C構(gòu)成一諧振回路,其諧振頻率為(4-21)當(dāng)諧振頻率f與振蕩器提供的振蕩頻率相同時,輸出電壓u

最大。測量時,線圈阻抗隨間隙δ而改變,此時LC

回路失諧,輸出信號u(t)雖仍為振蕩器的工作頻率的信號,但其幅值隨

δ而發(fā)生變化,它相當(dāng)于一個調(diào)幅波;電阻R

的作用是進(jìn)行分壓,當(dāng)R

遠(yuǎn)大于諧振回路的阻抗值|Z|,輸出的電壓值則取決于諧振回路的阻抗值|Z|。圖4-14調(diào)頻電路工作原理4)渦流傳感器的特點及應(yīng)用

渦流傳感器可用于動態(tài)非接觸測量,測量范圍為0~30mm,工作頻率范圍為0~104Hz,線性度誤差約為1%~3%,分辨力最高可達(dá)0.05μm。它具有結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便、靈敏度較高、抗干擾能力較強(qiáng)、不受油污等介質(zhì)的影響等優(yōu)點。

圖4－15所示是渦流傳感器的工程應(yīng)用實例。圖4－15渦流傳感器的工程應(yīng)用渦流傳感器可用于以下幾個方面的測量:

(1)利用位移作為變換量,做成測量位移、厚度、振動、轉(zhuǎn)速等量的傳感器,也可做成接近開關(guān)、計數(shù)器等。

(2)利用材料電阻率作為變換量,可以做成溫度測量、材質(zhì)判別等傳感器。

(3)利用材料磁導(dǎo)率作為變換量,可以做成測量應(yīng)力、硬度等量的傳感器。

(4)利用變換磁導(dǎo)率、電阻率、位移的綜合影響,可以做成探傷裝置。4.3.2互感式傳感器

互感式傳感器的工作原理是利用電磁感應(yīng)中的互感現(xiàn)象,將被測位移量轉(zhuǎn)換成線圈互感的變化,如圖416所示。當(dāng)線圈W1

輸入交流電流i

時,在線圈W2

中則產(chǎn)生感應(yīng)電動

勢e12,其大小正比于電流i

的變化率:式中,M

為比例系數(shù),也稱互感(單位為H),是兩線圈W1

和W2

之間耦合程度的度量,其大小與兩線圈的相對位置及周圍介質(zhì)的磁導(dǎo)率等因素有關(guān)。圖4－16互感現(xiàn)象(互感式傳感器的工作原理)互感式傳感器實質(zhì)上就是一個變壓器,其初級線圈接入穩(wěn)定的交流激勵電源,次級線圈被感應(yīng)而產(chǎn)生對應(yīng)輸出電壓,當(dāng)被測參數(shù)使互感M

產(chǎn)生變化時,輸出電壓也隨之變化。

由于次級常采用兩個線圈接成差動型,故這種傳感器又稱差動變壓器式傳感器。圖4－17螺管線圈型差動變壓器的工作原理實際中應(yīng)用較多的是螺管線圈型差動變壓器,其工作原理如圖4－17所示。裝置的初級線圈激勵通常用電壓為3~15V、頻率為60~20000Hz的交流電。兩次級感應(yīng)產(chǎn)生與之同頻的正弦電壓,但其幅值隨鐵心位置的變化而變化。當(dāng)鐵心位于中間位置時通?？扇〉靡涣阄?此時輸出電壓uo為零;當(dāng)鐵心朝任一方向移動時,次級線圈中的一個具有較大

的互感,而另一個則具有較小的互感。這樣在零位的兩側(cè)一定范圍內(nèi),輸出uo與鐵心位置間便是一種線性函數(shù)的關(guān)系。當(dāng)uo通過零位時,它要經(jīng)受一個180°的相移。輸出uo通常與激勵電壓ux

不同相,但這一點隨ux的頻率而變化,且對每一個差動變壓器式傳感器來說,總存在一個相移為零的特定頻率,該頻率值一般由廠家提供。在一個相移為零的特定頻率,該頻率值一般由廠家提供。

因此對某些要求uo和ux間允許很小相移的場合(如某些載波放大系統(tǒng)),則要求激勵源的頻率合適。但對一般接至交流表或示波器的場合,該相移并不是大問題。

盡管理想情況下輸出電壓在零位時應(yīng)為零,但初級與次級線圈之間耦合的雜散電容以及激勵電源的諧波分量仍會造成非零的零位電壓。該電壓值在普通情況下不大于滿量程輸出的1%。

圖4－18是一種用于測量小位移的差動變壓器相敏檢波電路。在無輸入信號時,鐵心處于中間位置,調(diào)節(jié)電阻R使零位殘余電壓為最小;當(dāng)鐵心上、下移動時,傳感器有信號輸出,其輸出的電壓信號經(jīng)交流放大、相敏檢波和濾波之后得到直流輸出,由指示儀表指示出位移量的大小與方向。圖4－18差動相敏檢波電路的工作原理差動變壓器式傳感器的特點是測量精度高(可達(dá)0.1μm量級)、線性量程大(可達(dá)±100mm)、穩(wěn)定性好、使用方便。這種傳感器廣泛用于直線位移、轉(zhuǎn)動位移、力的測量(借助于彈性元件也可將壓力、重量等物理量轉(zhuǎn)換成位移量)。4.3.3壓磁式互感傳感器

鐵磁材料如鎳、鐵鎳、鐵鋁、鐵硅合金等,在外力作用下發(fā)生機(jī)械變形,內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力,并引起磁導(dǎo)率的變化。這種由于機(jī)械變形導(dǎo)致材料磁性質(zhì)的變化稱之為壓磁效應(yīng)(PiezomagneticEffect)或磁應(yīng)變效應(yīng)。

將鐵磁材料置于磁場中,它的形狀和尺寸就發(fā)生變化,這種在外磁場作用下材料發(fā)生機(jī)械變形的現(xiàn)象,稱為磁致伸縮效應(yīng)。

鐵磁材料在外力作用下引起磁導(dǎo)率變化的原因,是由于材料應(yīng)變使晶體點陣發(fā)生畸變,這將阻礙材料的磁化過程。圖4-19表明了一種79%鎳鐵合金磁導(dǎo)率μmax

隨壓應(yīng)力增大而下降的情況。

鐵磁材料的磁致伸縮特性是由于在外磁場作用下“磁疇”的磁軸轉(zhuǎn)了向,引起晶體尺寸變化。圖4-20表明了一種45%鎳鐵合金相對伸長與外磁場強(qiáng)度H

的關(guān)系。圖4－2045%鎳鐵合金磁致伸縮效應(yīng)與磁場強(qiáng)度的關(guān)系鐵磁材料的這種特性被廣泛用于制造測量力和扭矩的傳感器以及超聲發(fā)生器中的機(jī)/電換能器等。

壓磁式測力傳感器是應(yīng)用壓磁元件將力、扭矩等參數(shù)轉(zhuǎn)換為磁導(dǎo)率變化的一種傳感器。它的變換實質(zhì)是,繞有線圈的鐵心在外力作用下磁導(dǎo)率發(fā)生變化,引起鐵心中的磁通改變,進(jìn)而引起磁阻Rm的變化,從而導(dǎo)致自感或互感變化。

壓磁式傳感器具有輸出功率大、抗干擾能力強(qiáng)、過載性能好、結(jié)構(gòu)和電路簡單、能在惡劣環(huán)境下工作、壽命長等一系列優(yōu)點,缺點是線性及穩(wěn)定性差。目前,這種傳感器已成功地用在冶金、礦山、造紙、印刷、運輸?shù)雀鱾€部門。例如用來測量軋鋼的軋制力、鋼帶的張力、紙張的張力、吊車提物的自動測量、配料的稱量、金屬切削過程的切削力以及電梯安全保護(hù)等。圖4－21所示是兩種壓磁式測力傳感器的工作原理。其中圖4－21(a)是測扭矩傳感器,它利用了線圈自感變化;圖421(b)是測力傳感器,它利用了互感變化,次級線圈W2

的感應(yīng)電勢隨力大小而變化。圖4－21兩種壓磁式測力傳感器的工作原理

4.4電容式傳感器

1.電容式傳感器的工作原理

如圖4-22所示的平板電容器結(jié)構(gòu)示意圖,忽略邊緣效應(yīng),其電容可表達(dá)為（4-23）圖4-22平板電容器結(jié)構(gòu)示意圖

1)間隙變化型電容傳感器

如圖4-23(a)所示,這種類型的傳感器常常固定一塊極板(圖中定極板)而使另一塊極板移動(圖中動極板),從而改變間隙δ,以引起電容的變化。

設(shè)板間隙有一改變量Δδ,則圖4-23變間隙型電容傳感器結(jié)構(gòu)及電容和間隙關(guān)系曲線此式表明間隙變化型電容傳感器的靈敏度與間隙的平方值成反比,間隙越小時靈敏度越高。但當(dāng)靈敏度提高時,非線性誤差也增大,因此一般規(guī)定這種傳感器在較小范圍內(nèi)工作,以減小非線性誤差。實際應(yīng)用中為提高傳感器的靈敏度,常采用差動式結(jié)構(gòu),如圖4-24所示。圖4－24差動式電容傳感器結(jié)構(gòu)示意圖差動式電容傳感器的中間可移動的電容器極板分別與兩邊固定的電容器極板形成兩個電容C1

和C2,當(dāng)中間極板向一方面移動時,其中一個電容器C1

的電容因間隙增大而減

小,而另一個電容器C2

的電容則因間隙的減小而增大,由式(4－25)可得電容總變化量為（4-28）（4-29）這種差動式電容傳感器不僅可提高靈敏度,也相應(yīng)地改善了測量線性度。

間隙變化型電容傳感器用于測量位移及一切能轉(zhuǎn)換為位移測量的物理參數(shù)。其特點是非接觸式測量,因而對被測量影響小,靈敏度高;測量范圍最大可達(dá)1mm,非線性誤差約

為滿量程的1%~3%;測量的頻率范圍為0~105Hz。該傳感器對溫度變化十分敏感,也可用來作溫度測量。其主要缺點是具有非線性特性,因此限制了它的測量范圍,且其內(nèi)阻很大;傳感器的雜散電容也易影響測量精度,故要求傳感器導(dǎo)線長度不能過大。傳感器的后續(xù)電路也比較復(fù)雜。

2)面積變化型電容傳感器

面積變化型電容傳感器的工作原理是在被測參數(shù)的作用下變化極板的有效面積,常用的有圖425(a)為通過線性位移改變電容器極板面積的形式。當(dāng)動極板在x方向有位移

Δx

時,電容的改變量為線位移型和角位移型兩種。該靈敏度為一常數(shù),因此輸入與輸出為線性關(guān)系。（4-30）（4-31）圖4-25面積變化型電容傳感器結(jié)構(gòu)示意圖圖4-25(b)為角位移型結(jié)構(gòu)。當(dāng)動極板有一轉(zhuǎn)角時,兩極板之間的相互覆蓋面積發(fā)生變化,從而導(dǎo)致電容量變化。由圖可知,該公共覆蓋面積為（4-32）（4-33）（4-34）由于平板式線位移型傳感器的可動極板沿極距方向移動會影響測量精度,因此一般情況下,變面積型電容傳感器常做成圓柱形。圖4－25(c)為圓柱體式線位移型結(jié)構(gòu),其中圓筒固定,圓柱在其中移動。利用高斯積分可得該電容器的電容量為（4-35）式中,D

為圓柱內(nèi)徑;d為圓柱外徑。當(dāng)兩者覆蓋長度x

的變化Δx

時,電容變化量為（4-36）其靈敏度為（4-37）變面積型電容傳感器的最大優(yōu)點是輸入與輸出是一種線性關(guān)系。其缺點是電容器的橫向靈敏度較大,其機(jī)械結(jié)構(gòu)要求十分精確,因此相對于變間隙式傳感器,測量精度較低。

變面積型電容傳感器與間隙變化型相比靈敏度較低,適用于較大直線位移及角位移的測量,其測量范圍對于線位移型為幾個厘米,對于轉(zhuǎn)角度型為180°,測量的頻率范圍為0~104Hz。為提高變面積型電容傳感器的靈敏度,可將這種傳感器做成差動式的。

3)介質(zhì)變化型電容傳感器

介質(zhì)變化型電容傳感器的基本原理是當(dāng)兩極板間介質(zhì)改變時,其電容量發(fā)生變化。當(dāng)極板間介質(zhì)的種類或其他參數(shù)變化時,其相對介電常數(shù)改變導(dǎo)致電容量發(fā)生相應(yīng)變化。

介質(zhì)變化型電容傳感器有兩種形式。

(1)相當(dāng)于電容串聯(lián)的形式。

如圖4-26(a)所示,該電容器具有兩個不同的電介質(zhì),其介電常數(shù)分別為εr1

和εr2

,介質(zhì)厚度分別為a1

和a2

,且a1

+a2

=a0

,即兩者之和等于兩極板間距a0

。整個裝置可視為由兩電容器串聯(lián)而成,其總電容量C由兩電容器的電容C1和C2

所確定,由此得式中,A為電容器極板面積。設(shè)介質(zhì)1為空氣,即εr1

=1,則式(4－39)變?yōu)椋?-40）由此可知,總電容量C取決于介電常數(shù)εr2及介質(zhì)厚度a2。因此當(dāng)這兩個參數(shù)中一個為已知時,可通過上述公式來確定另一個。

這種方法常用來對不同材料(如紙、塑料膜、合成纖維等)進(jìn)行厚度測定。測量時讓材料通過電容器兩極板之間,通常是已知材料的介電常數(shù),從而可從被測的電容值來確定材料厚度。圖4－26介質(zhì)變化型電容傳感器結(jié)構(gòu)圖4－27用電容傳感器測量液位的裝置

2.電容傳感器的測量電路

由于電容傳感器測出的電容及電容變化量均很小,因此必須連接適當(dāng)?shù)姆糯箅娐穼⑺鼈冝D(zhuǎn)換成電壓、電流或頻率等輸出量。以下是常用的幾種電路。

1)運算放大器電路

如圖428所示,用該電路可獲得輸出電壓隨輸入電容值線性變化的關(guān)系。由于運算圖4－28運算放大器電路放大器增益很大,輸入阻抗很高,因此有圖4－28運算放大器電路

2)電橋測量電路

如圖4-29所示,將電容傳感器接入圖示電橋的一橋臂中(圖中C2

),根據(jù)電橋平衡公式有圖4-29文氏電橋電路變壓器式電橋電路如圖4-30所示。其中差動式電容傳感器組成電橋的相鄰兩臂,當(dāng)負(fù)載阻抗為無窮大時,電橋的輸出電壓為(4－49)式中,u

為電橋激勵電壓;C1

、C2為差動電容傳感器的電容,由此得(4－50)圖4-30變壓器電橋電路

3)調(diào)頻電路

如圖4－31所示,電容傳感器作為振蕩器諧振回路的一部分,調(diào)頻振蕩器的諧振頻率f為(4－51)式中,L

為振蕩回路電感。圖4-31調(diào)頻電路工作原理

當(dāng)被測量使電容值發(fā)生變化時,振蕩器頻率也發(fā)生變化。其輸出經(jīng)限幅、鑒頻和放大后變成電壓輸出。

該電路的優(yōu)點是靈敏度高,可測0.01μm的微小位移變化。缺點是易受電纜形成的雜散電容的影響,也易受溫度變化的影響,給使用帶來一定困難。

3.電容式傳感器的特點及應(yīng)用

電容式傳感器的主要優(yōu)點有如下幾點:

(1)輸入能量小而靈敏度高。極距變化型電容壓力傳感器只需很小的能量就能改變電容極板的位置,如在一對直徑為1.27cm圓形電容極板上施加10V電壓,極板間隙為2.54×10-3cm,只需3×10-5N的力就能使極板產(chǎn)生位移。因此,電容傳感器可以測量很小的力、振動加速度,并且很靈敏。精度高達(dá)0.01%的電容式傳感器已有商品出現(xiàn),如一種250mm量程的電容式位移傳感器,精度可達(dá)5μm。

(2)電參量相對變化大。電容式壓力傳感器電容的相對變化量為ΔC/C≥100%,有的甚至可達(dá)200%,這說明傳感器的信噪比大,穩(wěn)定性好。

(3)動態(tài)特性好。電容傳感器活動零件少,而且質(zhì)量很小,本身具有很高的自振頻率,加之供給電源的載波頻率很高,因此電容式傳感器可用于動態(tài)參數(shù)的測量。

(4)能量損耗小。電容式傳感器的工作是變化極板的間距或面積,而電容變化并不產(chǎn)生熱量。

(5)結(jié)構(gòu)簡單,適應(yīng)性好。電容式傳感器主要結(jié)構(gòu)是兩塊金屬極板和絕緣層,結(jié)構(gòu)很簡單,在振動、輻射環(huán)境下仍能可靠工作,如采用冷卻措施,還可在高溫條件下使用。

(6)納米測量技術(shù)應(yīng)用。電容式傳感器可以實現(xiàn)非接觸測量,它是以極板間的電場力代替了測頭與被測件的表面接觸。由于極板間的電場力極其微弱,不會產(chǎn)生遲滯和變形,消除了接觸式測量由于表面應(yīng)力給測量帶來的不利影響,加之測量靈敏度高,使其在納米測量領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。電容式傳感器的主要缺點是電纜分布電容影響大。傳感器兩極板之間的電容很小,僅幾十個皮法,有的甚至只有幾個皮法。而傳感器與電子儀器之間的連接電纜卻具有很大的電容,如屏蔽線的電容最小的1m也有幾個皮法,最大的可達(dá)上百個皮法。

連接電纜的電容大的問題不僅使傳感器的電容相對變化大大降低,靈敏度也降低,更嚴(yán)重的是電纜本身放置的位置和形狀不同,或因振動等原因,都會引起電纜本身電容的較大變化,使輸出不真實,給測量帶來誤差。解決這個問題的方法有兩種:一種是利用集成電路,使放大測量電路小型化,把它放在傳感器內(nèi)部,這樣傳輸導(dǎo)線輸出是電壓信號,不受分布電容的影響;另一種是采用雙屏蔽傳輸電纜,適當(dāng)降低分布電容的影響。由于電纜分布電容對傳感器的影響,使電容式傳感器的應(yīng)用受到一定的限制。電容對傳感器的影響,使電容式傳感器的應(yīng)用受到一定的限制。

目前,電容傳感器已廣泛應(yīng)用于位移、振動、角度、速度、壓力、轉(zhuǎn)速、流量、液位、料位以及成分分析等方面的測量。電容式傳感器的精度和穩(wěn)定性也日益提高。

圖4－32為測量金屬帶材在軋制過程中厚度的電容式測厚儀工作原理。工作極板與帶材之間形成兩個電容,即C1、C2

,其總電容為C

=C1

+C2

。當(dāng)金屬帶材在軋制中厚度發(fā)

生變化時,將引起電容量的變化。通過檢測電路可以反映這個變化,并轉(zhuǎn)換和顯示出帶材的厚度。圖4－32電容式測厚儀工作原理圖4－33為電容式轉(zhuǎn)速傳感器的工作原理。圖中齒輪外沿面為電容器的動極板,當(dāng)電容器定極板與齒頂相對時,電容量最大,而與齒隙相對時,則電容量最小。當(dāng)齒輪轉(zhuǎn)動時,

電容量發(fā)生周期性變化,通過測量電路轉(zhuǎn)換為脈沖信號,則頻率計顯示的頻率代表轉(zhuǎn)速大小。設(shè)齒數(shù)為z,頻率為f,則轉(zhuǎn)速n(單位為r·min-1

)為圖4－33電容式轉(zhuǎn)速傳感器的工作原理

4.5壓電式傳感器

4.5.1壓電效應(yīng)

某些物質(zhì),當(dāng)沿一定方向?qū)ζ涫┘恿Χ蛊渥冃螘r,在一定表面上將產(chǎn)生電荷,當(dāng)外力去掉后,又重新回到不帶電狀態(tài),這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。相反,如果在這些物質(zhì)的極化方向施加電場,這些物質(zhì)就在一定方向上產(chǎn)生機(jī)械變形或機(jī)械應(yīng)力,當(dāng)外電場撤去時,這些變形或應(yīng)力也隨之消失,這種現(xiàn)象稱之為逆壓電效應(yīng),或稱之為電致伸縮效應(yīng)。變形或應(yīng)力也隨之消失,這種現(xiàn)象稱之為逆壓電效應(yīng),或稱之為電致伸縮效應(yīng)。

明顯呈現(xiàn)壓電效應(yīng)的敏感功能材料稱為壓電材料。常用的壓電材料有三大類:①單晶壓電晶體,如石英、羅歇爾鹽(四水酒石酸鉀鈉)、硫酸鋰、磷酸二氫銨等;②多晶壓電陶

瓷,如極化的鐵電陶瓷(鈦酸鋇)、鋯鈦酸鉛等;③某些高分子壓電薄膜,如聚偏二氟乙烯(PVDF),作為一種新型的高分子物性型傳感材料,自1972年首次應(yīng)用以來,已研制了多種用途的傳感器,如壓力、加速度、溫度、聲和無損檢測,尤其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。石英晶體有天然石英和人造石英。天然石英的穩(wěn)定性好,但資源少,并且大都存在一些缺陷,一般只用在校準(zhǔn)用的標(biāo)準(zhǔn)傳感器或精度很高的傳感器中。壓電陶瓷是通過高溫?zé)Y(jié)的多晶體,具有制作工藝方便、耐濕、耐高溫等優(yōu)點,在檢測技術(shù)、電子技術(shù)和超聲等領(lǐng)域中用得最普遍,在長度計量儀器中,目前用得最多的壓電材料是壓電陶瓷,例如鋯鈦酸鉛。

石英晶體的外形呈六面體結(jié)構(gòu),如圖4-34所示,用三根互相垂直的軸表示其晶軸,其中縱軸Oz

稱為光軸,經(jīng)過正六面體棱線而垂直于光軸的Ox

軸稱為電軸,而垂直于Ox軸和Oz軸的Oy軸稱為機(jī)軸。通常將沿電軸Ox

方向作用的力所產(chǎn)生的壓電效應(yīng)稱為縱向壓電效應(yīng),將沿機(jī)軸Oy方向作用的力所產(chǎn)生的壓電效應(yīng)稱為橫向壓電效應(yīng),沿光軸Oz方向的作用力不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。通常從晶體上沿軸線切下一個平行六面體切片,使其晶面分別平行于晶體的三根晶軸。切片在受到沿不同方向的作用力時會產(chǎn)生不同的極化作用,如圖4－35所示,主要的壓電效應(yīng)有橫向效應(yīng)、縱向效應(yīng)和剪切效應(yīng)三種。

壓電體表面產(chǎn)生的電荷量與作用力成正比。當(dāng)石英晶體切片受x向壓力作用時,所產(chǎn)生的電荷量與作用力成正比,但與切片的幾何尺寸無關(guān)。當(dāng)沿著機(jī)軸Oy方向施加壓力時,產(chǎn)生的電荷量與晶片幾何尺寸有關(guān),而該電荷的極性與沿電軸Ox

方向加壓力時產(chǎn)生的電荷極性相反。

壓電體受到多方面的作用力時,內(nèi)部將產(chǎn)生一個復(fù)雜的應(yīng)力場,從而縱向和橫向效應(yīng)可能都會出現(xiàn)。引發(fā)壓電效應(yīng)的對應(yīng)面上所產(chǎn)生的電荷量不僅與作用于其面上的垂直力有關(guān),且與其他方向的受力有關(guān)。圖4－34石英晶體外形及坐標(biāo)系圖4－35壓電效應(yīng)類型石英晶體產(chǎn)生壓電效應(yīng)的機(jī)理可解釋如下。石英晶體是一種二氧化硅(SiO2

)結(jié)晶體。

在每個晶體單元中,它具有三個硅原子和六個氧原子,而氧原子是成對靠在一起的。每個硅原子帶4個單位正電荷,每個氧原子帶2個單位負(fù)電荷。在晶體單元中,硅、氧原子排列成六邊形的形式,所產(chǎn)生的極化效應(yīng)正好互相抵消,因此整個晶體單元呈中性。如圖4－36(a)所示,沿x

軸方向施加力Fx

時,單元中硅、氧原子這種排列的平衡性被破壞,晶體單元被極化,在垂直于Fx

的兩個表面上分別產(chǎn)生正、電荷,這便是所謂的縱向效應(yīng)。如圖4－36(b)所示,沿y

軸方向施加力Fy時,同樣也引起晶體單元變形而產(chǎn)生極化現(xiàn)象,在與圖(a)情況相同的兩個面(垂直于x

軸的兩個晶面)上產(chǎn)生電荷,只是電荷的極性與圖(a)的情況相反,此即橫向效應(yīng)。當(dāng)施加反向力(拉力)時,產(chǎn)生的電荷極性相反。由于原子排列沿z軸(光軸)的對稱性,因此在z

軸施加作用力不會使晶體單元極化。圖4－36石英晶體壓電效應(yīng)外加電場的方向排列,材料由此得到極化。在制造過程完畢撤去外電場之后,陶瓷材料內(nèi)部仍存在有很強(qiáng)的剩余極化強(qiáng)度。該剩余極化強(qiáng)度束縛住了晶體表面產(chǎn)生的自由電荷,使其不能被釋放。材料在外力作用下,剩余極化強(qiáng)度因電疇界限的進(jìn)一步移動而變化,使晶體表面部分自由電荷被釋放,由此形成壓電效應(yīng)。圖4－37鈦酸鋇陶瓷電疇結(jié)構(gòu)4.5.2壓電式傳感器的測量電路

為測量壓電晶片兩工作面上產(chǎn)生的電荷,要在該兩個面上做上電極,通常用金屬蒸鍍法蒸上一層金屬薄膜,材料常為銀或金,從而構(gòu)成兩個相應(yīng)的電極,如圖4－38所示。

當(dāng)晶片受外力作用而在兩極上產(chǎn)生等量而極性相反的電荷時,便形成了相應(yīng)的電場。

因此壓電傳感器可視為一個電荷發(fā)生器,也是一個電容器,其電容量為（4-52）式中,ε為壓電材料相對介電常數(shù),石英ε=4.5;ε0為真空介電常數(shù),ε0

=8.854×10-12

F·m-1;δ為極板間距,單位為m。圖4-38壓電晶片及等效電路如果施加于晶片的外力不變,而積聚在極板上的電荷又無泄漏,則當(dāng)外力持續(xù)作用時,電荷量保持不變,但當(dāng)外力撤去時,電荷隨之消失。

對于一個壓電式力傳感器來說,測量的力與傳感器產(chǎn)生的電荷量成正比,因此通過測量電荷值便可求得所施加的力。測量中如能得到精確測量結(jié)果,必須采用不消耗極板上產(chǎn)生的電荷的措施,亦即所采用的測量手段不從信號源吸取能量,這在實際上是難以實現(xiàn)的。在測量動態(tài)交變力時,電荷量可不斷地得以補(bǔ)充,可以供給測量電路一定的電流;在作靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)量的測量時,必須采取措施,使所產(chǎn)生的電荷因測量電路所引起的漏失減小到最低程度。因此壓電傳感器較適宜于作動態(tài)量的測量。一個壓電傳感器可被等效為一個電荷源,如圖4-39(a)所示。等效電路圖中電容器上的開路電壓ua

、電荷量q

以及電容C

a

三者間的關(guān)系有圖4-39壓電傳感器的等效電路（4-53）若將壓電傳感器接入測量電路,則必須考慮電纜電容Cc、后續(xù)電路的輸入阻抗R

i

、輸入電容C

i

以及壓電傳感器的漏電阻Ra

,此時壓電傳感器的等效電路如圖4－40所示。圖4－40壓電傳感器的實際等效電路壓電傳感器本身所產(chǎn)生的電荷量很小,而傳感器本身的內(nèi)阻又很大,因此其輸出信號十分微弱,這給后續(xù)測量電路提出了很高的要求。為了順利地進(jìn)行測量,要將壓電傳感器先接到高輸入阻抗的前置放大器,經(jīng)阻抗變換之后再采用一般的放大、檢波電路處理,方可將輸出信號提供給指示及記錄儀表。

壓電傳感器的前置放大器通常有兩種:

(1)采用電阻反饋的電壓放大器,其輸出電壓正比于輸入電壓(即壓電傳感器的輸出)。

(2)采用電容反饋的電荷放大器,其輸出電壓與輸入電荷成正比。

1.電壓放大器

電壓放大器的等效電路圖如圖4－41所示?？紤]負(fù)載影響時,根據(jù)電荷平衡建立方程式有（4-54）式中,q為壓電元件所產(chǎn)生的電荷量;C

為等效電路總電容,C=Ca+Cc+Ci

,其中Ci

為放大器輸入電容,Ca為壓電傳感器等效電容,Cc為電纜形成的雜散電容;ui

為電容上建立的電壓;i為泄漏電流。而ui

=Ri,其中,R

為放大器輸入阻抗R

i

和傳感器的泄漏電阻Ra的等效電阻,R=Ri∥Ra

。圖4-41壓電傳感器接至電壓放大器的等效圖（4-55）（4-56）（4-57）（4-58）（4-59）壓電傳感器的低頻響應(yīng)取決于由傳感器、連接電纜和負(fù)載組成的電路的時間常數(shù)RC

。同樣在作動態(tài)測量時,為建立一定的輸出電壓且為了不失真地測量,壓電傳感器的測量電路應(yīng)具有高輸入阻抗,并在輸入端并聯(lián)一定的電容Ci

以加大時間常數(shù)RC。但并聯(lián)電容過大會使輸出電壓降低過多。

2.電荷放大器

電荷放大器是一個帶電容負(fù)反饋的高增益運算放大器,其等效電路圖如圖4－42所示。圖4－42電荷放大器原理圖在一定條件下,電荷放大器的輸出電壓與壓電傳感器產(chǎn)生的電荷量成正比,與電纜引線所形成的分布電容無關(guān)。從而電荷放大器徹底消除了電纜長度的改變對測量精度帶來的影響,因此是壓電傳感器常用的后續(xù)放大電路。電荷放大器與電壓放大器相比,其電路構(gòu)造復(fù)雜,因而造價高。4.5.3壓電式傳感器的應(yīng)用

壓電式傳感器具有自發(fā)電和可逆兩種重要特性,同時還具有體積小、質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、固有頻率高、靈敏度和信噪比高等優(yōu)點,因此壓電式傳感器得到了飛躍的

發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。在測試技術(shù)中,壓電轉(zhuǎn)換元件是一種典型的力敏元件,能測量最終能變換成力的那些物理量,例如壓力、加速度、機(jī)械沖擊和振動等,因此在機(jī)械、聲學(xué)、力

學(xué)、醫(yī)學(xué)和宇航等領(lǐng)域都可見到壓電式傳感器的應(yīng)用。

常用的壓電式傳感器可分為壓電加速度傳感器和壓電力傳感器兩類。

(1)壓電加速度傳感器。該傳感器通常被廣泛用于測震和測振。由于壓電式運動傳感器所固有的基本特征,壓電加速度計對恒定的加速度輸入并不給出響應(yīng)輸出。其主要特點

是輸出電壓大、體積小以及固有頻率高,這些特點對測振都是十分必要的。壓電加速度傳感器材料的遲滯性是它唯一的能量損耗源,除此之外一般不再施加阻尼,因此傳感器的阻

尼比很小(約0.01),但由于其固有頻率十分高,這種小阻尼是可以接受的。壓電加速度傳感器按其晶片受力狀態(tài)的不同可分為壓縮式和剪切式兩種類型。

(2)壓電力傳感器。該傳感器具有與壓電加速度傳感器相同形式的傳遞函數(shù),由于這種傳感器具有使用頻率上限高、動態(tài)范圍大和體積小等優(yōu)點,故適合于動態(tài)力,尤其是沖擊力的測量,盡管某些類型的力傳感器(如石英傳感器外加電荷放大器)具有足夠大的時間常數(shù)τ,也可用于對靜態(tài)力的短時間測量和靜態(tài)標(biāo)定。典型的壓電力傳感器的非線性度為1%,具有很高的剛度(2×107

~2×109N/m)和固有頻率(10~300kHz)。這些傳感器通常是用石英晶體片制成的,因為石英具有很高的機(jī)械強(qiáng)度,能承受很大的沖擊載荷。但在測量小的動態(tài)力時,為獲得足夠靈敏度,也可采用壓電陶瓷。壓電力傳感器對側(cè)向負(fù)載敏感,易引起輸出誤差,故使用者必須注意減小側(cè)向負(fù)載。但廠家的技術(shù)指標(biāo)中一般并不給出這

種橫向靈敏度值。通常推薦的橫向靈敏度值應(yīng)小于縱向(軸面)靈敏度值的7%。壓電效應(yīng)是可逆的,施加電壓使壓電片產(chǎn)生伸縮,導(dǎo)致壓電片幾何尺寸的改變。利用這種逆壓電效應(yīng)可做成壓電制動器,例如施加一高頻交變電壓,可將壓電體做成一振動源,利用這一原理可制造高頻振動臺、超聲發(fā)生器、揚聲器、高頻開關(guān)等。逆壓電效應(yīng)也可用于精密微位移裝置,通過施加一定電壓使之產(chǎn)生可控的微伸縮。若將兩壓電片粘在一起,施加電壓使其中一個伸長、另一個縮短,則可形成薄片翹曲或彎曲,用于制成錄像帶頭定位器、點陣式打印機(jī)頭、繼電器以及壓電風(fēng)扇等。

4.6磁電式傳感器

4.6.1磁電感應(yīng)傳感器

磁電感應(yīng)傳感器是一種將被測物理量轉(zhuǎn)換為感應(yīng)電動勢的裝置,也稱電磁感應(yīng)式或電動力式傳感器。磁電感應(yīng)傳感器是一種機(jī)-電能量轉(zhuǎn)換型傳感器,不需要外部供電電源,

其電路簡單,性能穩(wěn)定、輸出小,又具有一定的頻率響應(yīng)范圍(一般10~1000Hz),適用于振動、轉(zhuǎn)速、扭矩等測量。但這種傳感器的尺寸和質(zhì)量都較大。由法拉第電磁感應(yīng)定律可知,當(dāng)穿過線圈的磁通Φ發(fā)生變化時,線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢為(4－63)式中,W

為線圈匝數(shù)。

1.動圈式和動磁鐵式傳感器

動圈式和動磁鐵式傳感器結(jié)構(gòu)如圖443所示。由圖443(a)所示的線速度型裝置的工作原理可知,當(dāng)彈簧片敏感到一速度時,線圈就在磁場中作直線運動,切割磁力線,它

所產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢為式中,B

為磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度,單位為T

;l

為單匝線圈的有效長度,單位為m;W

為有效線圈匝數(shù),指在均勻磁場內(nèi)參與切割磁力線的線圈匝數(shù);vy為敏感軸(y

軸)方向線圈相對于磁場的速度,單位為m/s;θ

為線圈運動方向與磁場方向的夾角。圖4－43動圈式和動磁鐵式傳感器結(jié)構(gòu)當(dāng)線圈運動方向與磁場方向垂直(θ

=90°)時,式(4－64)可寫為(4－65)當(dāng)傳感器的結(jié)構(gòu)參數(shù)(B,l,W)選定,則感應(yīng)電動勢e的大小正比于線圈的運動速度vy

。由于直接測量到的是線圈的運動速度,故這種傳感器也稱速度傳感器。將測到的速度經(jīng)微分和積分運算可得到運動物體的加速度和位移,因此速度傳感器又可用來測量運動物體的位移和加速度。圖4-43(b)為角速度型動圈式傳感器的結(jié)構(gòu)。線圈在磁場中轉(zhuǎn)動時,所產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢為(4－66)式中,ω為線圈轉(zhuǎn)動的角頻率;A為單匝線圈的截面積,單位為m2;k為依賴于結(jié)構(gòu)的參數(shù),k<1。由式(4-66)可知,當(dāng)W

、B

、A

選定時,感應(yīng)電動勢e與線圈相對于磁場的轉(zhuǎn)動角速度成正比。用這種傳感器可測量物體轉(zhuǎn)速。將傳感器線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢e

經(jīng)電纜與電壓放大器相連接時,其等效電路如圖4-44所示。圖中e

為感應(yīng)電動勢,Z

0為線圈等效阻抗,R1為負(fù)載電阻(包括放大器輸入電阻),Cc為電線的分布電容,R

c為電纜電阻。R

c=0.03Ω/m,C

c=70pF/m,發(fā)電線圈阻抗Z0=r+jωL,r約為300~2000Ω,L

為數(shù)百毫亨,因此相對來說R

c可以忽略。圖4-44動圈式磁電感應(yīng)傳感器等效電路此時等效電路中的輸出電壓為(4－67)若電纜不長,則Cc可以忽略,又若使R1?Z0

,則上式可簡化為u1

≈e。感應(yīng)電動勢經(jīng)放大、檢波后即可推動指示儀表,若經(jīng)微分或積分電路,又可得到運動物體的加速度或位移。

2.磁阻式傳感器

動圈式傳感器的工作原理也可視為線圈在磁場中運動時切割磁力線而產(chǎn)生電動勢。磁阻式傳感器則是使線圈與磁鐵固定不動,由運動物體(導(dǎo)磁材料)運動來影響磁路的磁阻,從而引起磁場的強(qiáng)弱變化,使線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電勢。

如圖4－45所示,磁阻式傳感器由永磁體及在其上繞制的線圈組成。其特點是結(jié)構(gòu)簡單、使用方便,可用來測量轉(zhuǎn)速、振動、偏心量等。圖4-45磁阻式傳感器工作原理及應(yīng)用4.6.2霍爾傳感器

1.霍爾效應(yīng)

金屬或半導(dǎo)體薄片置于磁場中,當(dāng)有電流通過時,在垂直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生電動勢,這種物理現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。

假設(shè)薄片為N型半導(dǎo)體,磁感應(yīng)強(qiáng)度為B

的磁場方向垂直于薄片,如圖4－46所示,在薄片左右兩端通以控制電流I,那么半導(dǎo)體中的載流子(電子)將沿著與電流I

相反的方向運動。由于外磁場B

的作用,使電子受到磁場力F

L(洛倫茲力)而發(fā)生偏轉(zhuǎn),結(jié)果在半導(dǎo)體的后端面上電子積累帶負(fù)電,而前端面缺少電子帶正電,在前、后端面間形成電場。該電場產(chǎn)生的電場力F

E

阻止電子繼續(xù)偏轉(zhuǎn)。當(dāng)F

E

和F

L

相等時,電子積累達(dá)到動態(tài)平衡。這時在半導(dǎo)體前、后兩端面之間(即垂直于電流和磁場方向)建立電場,稱霍爾電場,相應(yīng)的電動勢稱為霍爾電動勢eH

?；魻栯妱觿菘捎孟率奖硎?（4-68）式中,I

為電流,單位為A;B為磁感應(yīng)強(qiáng)度,單位為T;RH為霍爾常數(shù),單位為m3·C-1

,由載流材料的物理性質(zhì)決定;S

H為靈敏度,單位為V·A-1

·T-1,與載流材料的物理性質(zhì)和幾何尺寸有關(guān),表示在單位磁感應(yīng)強(qiáng)度和單位控制電流時的霍爾電動勢的大小;d

為霍爾片厚度,單位為m。如果磁場和薄片法線有α角,那么圖4-46霍爾效應(yīng)原理圖(4-69)

2.霍爾元件

基于霍爾效應(yīng)工作的半導(dǎo)體器件稱為霍爾元件,霍爾元件多采用N型半導(dǎo)體材料。霍爾元件越薄(d

越小),S

H

就越大,薄膜霍爾元件厚度只有1μm左右?；魻栐苫魻柶?、4根引線和殼體組成,如圖4－47所示。圖4－47霍爾元件霍爾片是一塊半導(dǎo)體單晶薄片(一般為4mm×2mm×0.1mm),在它的長度方向兩端面上焊有a

、b兩根引線,稱為控制電流端引線,通常用紅色導(dǎo)線,其焊接處稱為控制電

極;在它的另兩側(cè)端面的中間以點的形式對稱地焊有c

、d兩根霍爾輸出引線,通常用綠色導(dǎo)線,其焊接處稱為霍爾電極?；魻栐臍んw是用非導(dǎo)磁金屬、陶瓷或環(huán)氧樹脂封裝。

目前最常用的霍爾元件材料有鍺(Ge)、硅(Si)、銻化銦(InSb)、砷化銦(InAs)等半導(dǎo)體材料。

3.霍爾傳感器的應(yīng)用

霍爾傳感器的應(yīng)用主要有以下三個方面:

(1)當(dāng)輸入電流恒定不變時,傳感器的輸出正比于磁感應(yīng)強(qiáng)度。因此,凡是能轉(zhuǎn)換為磁感應(yīng)強(qiáng)度B變化的物理量均可用霍爾傳感器進(jìn)行測量,如位移、角度、轉(zhuǎn)速和加速度等。

(2)當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度B保持恒定時,傳感器的輸出正比于控制電流I的變化。因此,凡能轉(zhuǎn)換為電流變化的物理量均可用霍爾傳感器進(jìn)行測量和控制。

(3)由于霍爾電壓正比于控制電流I和磁感應(yīng)強(qiáng)度B,所以凡是可以轉(zhuǎn)換為乘法的物理量(如功率)都可用霍爾傳感器進(jìn)行測量。圖4－48霍爾效應(yīng)位移傳感器工作原理圖4－49霍爾效應(yīng)轉(zhuǎn)速傳感器工作原理圖4－50所示是一種利用霍爾效應(yīng)對鋼絲繩作斷絲監(jiān)測的例子。當(dāng)鋼絲繩通過霍爾元件時,鋼絲繩中的斷絲會改變永久磁鐵產(chǎn)生的磁場,從而在霍爾元件中產(chǎn)生一個脈動電壓信號。對該脈動信號進(jìn)行放大和處理后,可確定斷絲根數(shù)及斷絲位置。圖4－50用霍爾效應(yīng)對鋼絲繩斷絲進(jìn)行監(jiān)測的裝置 4.7光電式傳感器4.7.1外光電效應(yīng)在光照作用下,物體內(nèi)的電子從物體表面逸出的現(xiàn)象稱外光電效應(yīng),也稱光電子發(fā)射效應(yīng)。其實質(zhì)是能量形式的轉(zhuǎn)變,即光輻射能轉(zhuǎn)換為電磁能。一般在金屬中都存在著大量的自由電子,普