第二章電容式熱電式壓電式1

改變A、d、

三個參量中的任意一個量，均可使平板電容的電容量C改變。固定三個參量中的兩個，可以做成三種類型的電容傳感器。

電容檢測元件實際上是各種類型的可變電容器，它能將被測量的改變轉(zhuǎn)換為電容量的變化電容傳感器的基本理想公式為第四節(jié)電容式檢測元件第四節(jié)電容式檢測元件平板型電容器當(dāng)忽略該電容器的邊緣效應(yīng)時，其電容量C為

為極板面積；為兩極板間的距離；為極板間介質(zhì)的介電常數(shù)；為真空介電常數(shù)；為介質(zhì)相對真空的相對介電常數(shù)。第四節(jié)電容式檢測元件圓筒形電容器其電容量C為

為圓筒長度；R為外圓筒內(nèi)半徑；r為內(nèi)圓筒外半徑；其他符號上式相同第四節(jié)電容式檢測元件電容元件的結(jié)構(gòu)和特性（參考動畫）變極距式電容器

變極距式電容器結(jié)構(gòu)原理圖

1、3--定極板；2動極板變極距式電容傳感器

當(dāng)動極板受被測物體作用引起位移時，改變了兩極板之間的距離d，從而使電容量發(fā)生變化。

實際使用時，總是使初始極距d0盡量小些，以提高靈敏度，但這也帶來了變極距式電容器的行程較小的缺點。變極距式電容傳感器的特性曲線

從圖中可以看到，為了提高靈敏度，應(yīng)使當(dāng)d0小些還是大些？當(dāng)變極距式電容傳感器的初始極距d0較小時，它的測量范圍變大還是變??？

a）

結(jié)構(gòu)示意圖b）電容量與極板距離的關(guān)系1—定極板

2—動極板

第四節(jié)電容式檢測元件改變極板間的距離，導(dǎo)致電容量的變化，其相對變化可近似為：靈敏度：變極距式電容傳感器能用來測微小的線位移。第四節(jié)電容式檢測元件變面積式電容器變面積電容器結(jié)構(gòu)原理圖1、3--定極板；2--動極板變面積式電容傳感器圖a是平板形直線位移式結(jié)構(gòu)，其中極板1可以左右移動，稱為動極板。極板2固定不動，稱為定極板。圖b是同心圓筒形變面積式傳感器。外圓筒不動，內(nèi)圓筒在外圓筒內(nèi)作上、下直線運動。圖c是一個角位移式的結(jié)構(gòu)。極板2的軸由被測物體帶動而旋轉(zhuǎn)一個角位移

度時，兩極板的遮蓋面積A就減小，因而電容量也隨之減小。第四節(jié)電容式檢測元件當(dāng)可動極板在被測量的作用下發(fā)生位移，使兩極板相對有效面積改變，則會導(dǎo)致電容器的電容量的變化靈敏度變面積式電容傳感器的輸出特性是線性的，靈敏度是常數(shù)。這一類傳感器多用于檢測直線位移、角位移、尺寸等參量。第四節(jié)電容式檢測元件變介電常數(shù)式電容器當(dāng)兩極板間介質(zhì)的介電常數(shù)變化，由此引起的電容改變量為變介電常數(shù)式

因為各種介質(zhì)的相對介電常數(shù)不同，所以在電容器兩極板間插入不同介質(zhì)時，電容器的電容量也就不同。表5-1幾種介質(zhì)的相對介電常數(shù)變介電常數(shù)式電容傳感器的用途

根據(jù)表5-1，分析不同介質(zhì)對變介電常數(shù)電容器的影響。在電容器兩極板間插入干的紙和潮濕的紙時，哪一種情況下的電容量大？可以用于測量什么非電量？可測含水量、物位及介質(zhì)厚度等物理參數(shù)荷重測量

電容式傳感器的應(yīng)用料位指示儀電容式液位計棒狀電極（金屬管）外面包裹聚四氟乙烯套管，當(dāng)被測液體的液面上升時，引起棒狀電極與導(dǎo)電液體之間的電容變大。

聚四氟乙烯外套液位限位傳感器的設(shè)定智能化液位傳感器的設(shè)定方法十分簡單：用手指壓住設(shè)定按鈕，當(dāng)液位達到設(shè)定值時，放開按鈕，智能儀器就記住該設(shè)定。正常使用時，當(dāng)水位高于該點后，即可發(fā)出報警信號和控制信號。設(shè)定按鈕從實驗到理論：熱電效應(yīng)

1821年，德國物理學(xué)家賽貝克用兩種不同金屬組成閉合回路，并用酒精燈加熱其中一個接觸點（稱為結(jié)點），發(fā)現(xiàn)放在回路中的指南針發(fā)生偏轉(zhuǎn)（說明什么？），如果用兩盞酒精燈對兩個結(jié)點同時加熱，指南針的偏轉(zhuǎn)角反而減?。ㄓ终f明什么？）。顯然，指南針的偏轉(zhuǎn)說明回路中有電動勢產(chǎn)生并有電流在回路中流動，電流的強弱與兩個結(jié)點的溫差有關(guān)。

第五節(jié)熱電式檢測元件結(jié)點產(chǎn)生熱電勢的微觀解釋及圖形符號

兩種不同的金屬互相接觸時，由于不同金屬內(nèi)自由電子的密度不同，在兩金屬A和B的接觸點處會發(fā)生自由電子的擴散現(xiàn)象。自由電子將從密度大的金屬A擴散到密度小的金屬B，使A失去電子帶正電，B得到電子帶負電，從而產(chǎn)生熱電勢。

自由電子＋ABeAB（

T）T先看一個實驗——熱電偶工作原理演示

結(jié)論：當(dāng)兩個結(jié)點溫度不相同時，回路中將產(chǎn)生電動勢。

熱電極A右端稱為：自由端（參考端、冷端）熱電偶的工作原理

左端稱為：測量端（工作端、熱端）

熱電極B熱電勢AB將熱電極A、B的兩個接點分別置于溫度為T

及（設(shè)T

＞）的熱源中，則在該回路內(nèi)就會產(chǎn)生熱電動勢。這種現(xiàn)象稱之為熱電效應(yīng)。溫度高的接點稱為熱端（或工作端），溫溫度低的接點稱為冷端（或自由端）第五節(jié)熱電式檢測元件熱電偶的熱電勢由接觸電勢和溫差電勢組成接觸電勢：與兩種金屬材料和接觸點溫度有關(guān)兩者電子密度不同，擴散速度不同圖2.5.2接觸電勢原理圖第五節(jié)熱電式檢測元件溫差電勢導(dǎo)體內(nèi)自由電子在高溫端具有較大的動能，因而向低溫端擴散，當(dāng)達到動態(tài)平衡時，在導(dǎo)體的兩端便產(chǎn)生一個相應(yīng)的電位差。該電位差就稱為溫差電勢?？杀硎緸椋旱谖骞?jié)熱電式檢測元件熱電偶回路熱電勢對于由導(dǎo)體A、B組成的熱電偶閉合回路，當(dāng)溫度為T＞，＞時，閉合回路總的熱電勢為有關(guān)熱電偶熱電勢的討論熱電偶兩結(jié)點所產(chǎn)生的總的熱電勢等于熱端熱電勢與冷端熱電勢之差，是兩個結(jié)點的溫差Δt的函數(shù)：

EAB（T，T0）=eAB

（

T）-eAB

（

T0

）熱電勢大致與兩個結(jié)點的溫差Δt成正比

結(jié)論：①如果熱電偶兩材料相同，則無論接點處的溫度如何，總電勢為零；②如果兩接點處的溫度相同，盡管兩種金屬材料不同，總熱電勢為零；③熱電偶產(chǎn)生的熱電勢只與材料、接點處的溫度有關(guān)，而與材料的尺寸、幾何形狀無關(guān)；④若A、B材料確定，熱電勢EAB（T，T0）是兩接點溫度T和T0的函數(shù)差即EAB（T，T0）=eAB

（

T）-eAB

（

T0

）如果T0保持恒定則f(t0)=c(常數(shù)),熱電勢EAB（T，T0）只是工作端溫度的單值函數(shù)。

熱電偶基本定律(1)均質(zhì)導(dǎo)體定律如果熱電偶回路中的兩個熱電極材料相同，無論兩接點的溫度如何，熱電動勢均為零；反之，如果有熱電動勢產(chǎn)生，兩個熱電極的材料則一定是不同的。根據(jù)這一定律，可以檢驗兩個熱電極材料的成分是否相同(稱為同名極檢驗法)，也可以檢查熱電極材料的均勻性。(2)中間導(dǎo)體定律在熱電偶回路中接入第三種導(dǎo)體C，只要第三種導(dǎo)體的兩接點溫度相同，則回路中總的熱電動勢不變。右圖回路中的總電動勢為：T0T0BTAC如果回路中三個接點的溫度都相同，即T＝T0，則回路總電動勢必為零，即：即則如果按右圖接入第三種導(dǎo)體C，則回路中的總電動勢為：T1CT0T1TBA而所以(3)標準電極定律如果兩種導(dǎo)體分別與第三種導(dǎo)體組成的熱電偶所產(chǎn)生的熱電動勢已知，則由這兩種導(dǎo)體組成的熱電偶所產(chǎn)生的熱電動勢也就可知。T0TEAB(T,T0)ABT0TEAC(T,T0)ACT0TEBC(T,T0)BC兩式相減得：若一個熱電偶由A、B、C三種導(dǎo)體組成，且回路中三個接點的溫度都相同，則回路總電動勢必為零，即：或即導(dǎo)體A與B組成的熱電偶的熱電動勢也可知。代入（6-13）式可得：解：由標準電極定律，鎳鉻和考銅熱電偶的熱電動勢應(yīng)等于鎳鉻合金與純鉑熱電偶與考銅與純鉑熱電偶的熱電動勢的差，即例6-1熱端為100℃、冷端為0℃時，鎳鉻合金與純鉑組成的熱電偶的熱電動勢為2.95mV，而考銅與純鉑組成的熱電偶的熱電動勢為-4.0mV，求鎳鉻和考銅組合而成的熱電偶所產(chǎn)生的熱電動勢。2.95mV-(-4.0mV)=6.95mVBBA

TnTT0

AAB(4)中間溫度定律熱電偶在兩接點溫度分別為T、T0時的熱電動勢等于該熱電偶在接點溫度分別為T、Tn和接點溫度分別為Tn、T0時的相應(yīng)熱電動勢的代數(shù)和。證明：即：對于冷端溫度不是零度時，熱電偶如何分度表的問題提供了依據(jù)。

當(dāng)Tn=0℃時，則：上式說明：只要A、B組成的熱電偶在冷端溫度為零時的“熱電動勢—溫度”關(guān)系已知，則它在冷端溫度不為零時的熱電動勢即可知。中間溫度定律表明：當(dāng)在原來熱電偶回路中分別引入與導(dǎo)體材料A、B相同熱電特性的材料C、D即引入所謂補償導(dǎo)線時，只要它們之間連接的兩點溫度相同，則總回路的熱電動勢與兩連接點溫度無關(guān)，只與熱電偶兩端的溫度有關(guān)。熱電偶補償導(dǎo)線接線圖ABTTnTnCDT0T0M由于A與C、B與D的熱電特性相同，由熱電偶的基本性質(zhì)可知：eAC（Tn）=

eBD（Tn）=0，則回路總電動勢為:

熱電偶測溫線路1.測量某一點的溫度流過測溫毫伏表的電流為:圖6-15單點測溫線路TnT0T0TnCDMRLEABT2.測量兩點之間的溫度差圖6-16測兩點溫差線路AT2儀表BT1CDT0’T0BAC回路內(nèi)的總電動勢為:因為故3.熱電偶并聯(lián)線路圖6-17并聯(lián)測量線路T1R1T0T2R2T0’T3R3T0’’儀表ABABAB每只熱電偶的輸出為：回路總的熱電動勢為:4.熱電偶串聯(lián)線路(可測幾點溫度之和，但有缺點）圖6-18串聯(lián)測量線路T0DCCT0DT1T2儀表T3ABDCABAB因為所以第六節(jié)壓電式檢測元件壓電式傳感器是一種自發(fā)電式傳感器。它以某些電介質(zhì)的壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)，在外力作用下，在電介質(zhì)表面產(chǎn)生電荷，從而實現(xiàn)非電量電測的目的。壓電傳感元件是力敏感元件，它可以測量最終能變換為力的那些非電物理量，例如動態(tài)力、動態(tài)壓力、振動加速度等，但不能用于靜態(tài)參數(shù)的測量。

壓電式傳感器具有體積小、質(zhì)量輕、頻響高、信噪比大等特點。由于它沒有運動部件，因此結(jié)構(gòu)堅固、可靠性、穩(wěn)定性高。

一、壓電效應(yīng)天然結(jié)構(gòu)的石英晶體呈六角形晶柱，用金剛石刀具切割出一片正方形薄片。當(dāng)晶體薄片受到壓力時，晶格產(chǎn)生變形，表面產(chǎn)生正電荷，電荷Q與所施加的力F成正比，當(dāng)外力去掉后，晶體又恢復(fù)到不帶電狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。還有一些人造的材料也具有壓電效應(yīng)。若在電介質(zhì)的極化方向上施加交變電壓，它就會產(chǎn)生機械變形（振動）。當(dāng)去掉外加電場時，電介質(zhì)的變形隨之消失，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)（電致伸縮效應(yīng)）。

天然石英晶體—正六面體光軸、電軸、機械軸縱向壓電效應(yīng)和橫向壓電效應(yīng)受力和產(chǎn)生電荷的關(guān)系石英晶體的壓電效應(yīng)演示當(dāng)力的方向改變時，電荷的極性隨之改變，輸出電壓的頻率與動態(tài)力的頻率相同；當(dāng)動態(tài)力變?yōu)殪o態(tài)力時，電荷將由于表面漏電而很快泄漏、消失。壓電特性與晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化如果對石英晶體各個方向施加相等的作用力時，晶體表面有電荷產(chǎn)生嗎?沿z軸方向施加作用力時有電荷產(chǎn)生嗎？壓電效應(yīng)是可逆的在介質(zhì)極化的方向施加電場時，電介質(zhì)會產(chǎn)生形變，將電能轉(zhuǎn)化成機械能，這種現(xiàn)象稱“逆壓電效應(yīng)”。所以壓電元件可以將機械能——轉(zhuǎn)化成電能也可以將電能——轉(zhuǎn)化成機械能。

壓電元件

機械能

電能

二、壓電材料的分類及特性

壓電傳感器中的壓電元件材料一般有三類：一類是壓電晶體（如上述的石英晶體）；另一類是經(jīng)過極化處理的壓電陶瓷；第三類是高分子壓電材料。（一）石英晶體天然形成的石英晶體外形天然形成的石英晶體外形（續(xù)）

石英晶體切片及封裝石英晶體薄片雙面鍍銀并封裝石英晶體振蕩器（晶振）石英晶體在振蕩電路中工作時，壓電效應(yīng)與逆壓電效應(yīng)交替作用，從而產(chǎn)生穩(wěn)定的振蕩輸出頻率。晶振（二）壓電陶瓷壓電陶瓷是人工制造的多晶壓電材料，它比石英晶體的壓電靈敏度高得多，而制造成本卻較低，因此目前國內(nèi)外生產(chǎn)的壓電元件絕大多數(shù)都采用壓電陶瓷。常用的壓電陶瓷材料有鋯鈦酸鉛系列壓電陶瓷（PZT）及非鉛系壓電陶瓷（如BaTiO3等）。

壓電陶瓷外形

無鉛壓電陶瓷及其換能器外形

（上海硅酸鹽研究所研制）

高分子壓電薄膜及拉制

（三）高分子壓電材料典型的高分子壓電材料有聚偏二氟乙烯（PVF2或PVDF）、聚氟乙烯（PVF）、改性聚氯乙烯（PVC）等。它是一種柔軟的壓電材料，可根據(jù)需要制成薄膜或電纜套管等形狀。它不易破碎，具有防水性，可以大量連續(xù)拉制，制成較大面積或較長的尺度，價格便宜，頻率響應(yīng)范圍較寬，測量動態(tài)范圍可達80dB。高分子壓電材料制作的壓電薄膜和電纜

可用于波形分析及報警的高分子壓電踏腳板

壓電式腳踏報警器

高分子壓電薄膜制作的壓電喇叭

（逆壓電效應(yīng)）壓電效應(yīng)的應(yīng)用換能器，機電轉(zhuǎn)換器件：壓電點火器、打火機、炮彈引爆裝置電聲器件：由壓電陶瓷構(gòu)成的擴音器超聲工程：醫(yī)學(xué)超聲壓電傳感器的應(yīng)用

一、高分子壓電材料的應(yīng)用

1.玻璃打碎報警裝置將高分子壓電測振薄膜粘貼在玻璃上，可以感受到玻璃破碎時會發(fā)出的振動，并將電壓信號傳送給集中報警系統(tǒng)。

粘貼位置高分子壓電材料制作的玻璃打碎傳感器質(zhì)量塊將厚約0.2mm左右的PVDF薄膜裁制成10

20mm大小。在它的正反兩面各噴涂透明的二氧化錫導(dǎo)電電極，再用超聲波焊接上兩根柔軟的電極引線。并用保護膜覆蓋。

使用時，用瞬干膠將其粘貼在玻璃上。當(dāng)玻璃遭暴力打碎的瞬間，壓電薄膜感受到劇烈振動，表面產(chǎn)生電荷Q

，在兩個輸出引腳之間產(chǎn)生窄脈沖報警信號。壓電傳感器只能應(yīng)用于動態(tài)測量由于外力作用在壓電元件上產(chǎn)生的電荷只有在無泄漏的情況下才能