《傳感器與檢測(cè)技術(shù)》課件 廣教版 項(xiàng)目3 重力和壓力的檢測(cè)；項(xiàng)目4 物位檢測(cè)

項(xiàng)目3重力和壓力的檢測(cè)任務(wù)3.1基于電阻應(yīng)變式傳感器的電子秤設(shè)計(jì)

任務(wù)3.2基于壓阻式傳感器的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)吸氣壓力檢測(cè)

任務(wù)3.3基于壓電式傳感器的物體壓力檢測(cè)任務(wù)3.1基于電阻應(yīng)變式傳感器的電子秤設(shè)計(jì)3.1.1電阻應(yīng)變片的工作原理

導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料在外界力的作用下，會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形，其電阻值也將隨著發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為應(yīng)變效應(yīng)。下面我們以金屬絲應(yīng)變計(jì)為例來分析應(yīng)變效應(yīng)。

設(shè)有一長度為l、截面積為S、半徑為r、電阻率為ρ的金屬絲，它的電阻值R可表示為：

（3-1）任務(wù)3.1基于電阻應(yīng)變式傳感器的電子秤設(shè)計(jì)

當(dāng)沿金屬絲的長度方向作用均勻拉力（或壓力）時(shí)，上式中ρ、r、l都將發(fā)生變化（見圖3-1）,從而導(dǎo)致電阻值R發(fā)生變化。例如金屬絲受拉時(shí)，l將變長、r變小，均導(dǎo)致R變大。

電阻的變化為：

（3-2）

令電阻絲的軸向應(yīng)變?yōu)棣?Δl/l，徑向應(yīng)變?yōu)棣/r，由材料力學(xué)可知Δr/r=-μ(Δl/l)=-με，μ為電阻絲材料的泊松系數(shù)。經(jīng)整理可得：

（3-3）任務(wù)3.1基于電阻應(yīng)變式傳感器的電子秤設(shè)計(jì)

通常把單位應(yīng)變所引起的電阻相對(duì)變化稱為電阻絲的靈敏度，其表達(dá)式為：

（3-4）

從式（3-4）可以看出，電阻絲靈敏度系數(shù)K由兩部分組成：受力后由材料幾何尺寸變化引起的1+2μ；由材料電阻率變化引起的(Δρ/ρ)/ε。對(duì)于金屬絲材料，(Δρ/ρ)/ε的值比1+2μ小很多，可以忽略，故有K≈1+2μ。任務(wù)3.1基于電阻應(yīng)變式傳感器的電子秤設(shè)計(jì)

大量實(shí)驗(yàn)證明，在電阻絲拉伸比例極限內(nèi)，電阻相對(duì)變化與應(yīng)變成正比，即K為常數(shù)。通常金屬絲的K=1.7～3.6。式（3-4）可寫成：

（3-5）由材料力學(xué)可知，ε=F/(SE)，其中E為彈性模量，所以ΔR/R又可表示為：

（3-6）

如果應(yīng)變片的靈敏度K和試件的橫截面積S以及彈性模量E均為已知，則只要設(shè)法測(cè)出的數(shù)值，即可從式（3-6）中得到試件受力F的大小。任務(wù)3.1基于電阻應(yīng)變式傳感器的電子秤設(shè)計(jì)3.1.2電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)與分類1.電阻應(yīng)變片的類型電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)形式很多，但其主要組成部分基本相同。電阻絲應(yīng)變片通常用高電阻率的電阻絲制成。為了獲得高的阻值，將電阻絲排列成柵網(wǎng)狀，稱為敏感柵，并粘貼在絕緣的基片上，電阻絲的兩端焊接引線。敏感柵上面粘貼有保護(hù)用的覆蓋層，如圖3-2所示。1-引線2-覆蓋層3-基底4-敏感柵圖3-2金屬電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)及組成

任務(wù)3.1基于電阻應(yīng)變式傳感器的電子秤設(shè)計(jì)2.電阻應(yīng)變片的分類金屬電阻應(yīng)變片有金屬絲式、金屬箔式和薄膜式三種典型結(jié)構(gòu)，如圖3-3所示。（a）金屬絲式

（b）金屬箔式

（c）薄膜式圖3-3幾種不同類型的電阻應(yīng)變?nèi)蝿?wù)3.1基于電阻應(yīng)變式傳感器的電子秤設(shè)計(jì)（1）金屬絲式：金屬絲式應(yīng)變計(jì)由直徑為0.02～0.05mm的錳白銅絲或鎳鉻絲繞成敏感柵。由于金屬絲式應(yīng)變計(jì)蠕變較大，金屬絲易脫膠，有逐漸被箔式應(yīng)變計(jì)所取代的趨勢(shì)。但金屬絲式應(yīng)變計(jì)價(jià)格便宜，多用于要求不高的應(yīng)變的大批量、一次性試驗(yàn)。任務(wù)3.1基于電阻應(yīng)變式傳感器的電子秤設(shè)計(jì)（2）金屬箔式：金屬箔通過光刻、腐蝕等工藝制成箔柵。箔的材料多為電阻率高、熱穩(wěn)定性好的銅鎳合金(錳白銅)。箔的厚度一般為幾微米，箔柵的尺寸、形狀可以根據(jù)使用者的需要制作。由于金屬箔式應(yīng)變計(jì)與片基的接觸面積比金屬絲式大得多，所以散熱條件較好，可允許流過較大的電流，而且在長時(shí)間測(cè)量時(shí)蠕變也較小。箔式應(yīng)變計(jì)的一致性較好，適合于大批量生產(chǎn)，目前廣泛用于各種應(yīng)變式傳感器的制造中。任務(wù)3.1基于電阻應(yīng)變式傳感器的電子秤設(shè)計(jì)（3）薄膜式：金屬薄膜式應(yīng)變計(jì)的敏感柵是用蒸鍍或?yàn)R射法沉積的金屬、合金薄膜制成的。在絕緣基片上蒸鍍金屬材料薄膜，最后加上保護(hù)層，其厚度一般在0.1μm以下。也可以直接蒸鍍?cè)趶椥栽慕^緣層表面，不易產(chǎn)生蠕變。它是近年來薄膜技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物。任務(wù)3.1基于電阻應(yīng)變式傳感器的電子秤設(shè)計(jì)1.剛度剛度是彈性元器件在外力作用下變形大小的量度，一般用k表示，即

（3-7）

式中：F——作用在彈性元器件上的外力；

x——彈性元器件產(chǎn)生的變形。3.1.3電阻應(yīng)變片的主要特性任務(wù)3.1基于電阻應(yīng)變式傳感器的電子秤設(shè)計(jì)2.靈敏度靈敏度是指彈性敏感元器件在單位力作用下產(chǎn)生變形的大小，在彈性力學(xué)中稱為彈性元器件的柔度。它是剛度的倒數(shù)，用K表示，即

（3-8）在測(cè)控系統(tǒng)中，希望K是常數(shù)。任務(wù)3.1基于電阻應(yīng)變式傳感器的電子秤設(shè)計(jì)3.彈性滯后實(shí)際的彈性元器件在加/卸載的正反行程中變形曲線是不重合的，這種現(xiàn)象稱為彈性滯后現(xiàn)象，它會(huì)給測(cè)量帶來誤差。產(chǎn)生彈性滯后的主要原因是彈性敏感元器件在工作過程中分子間存在內(nèi)摩擦。當(dāng)比較兩種彈性材料時(shí)，應(yīng)都用加載變形曲線或都用卸載變形曲線，這樣才有可比性。4.零漂和蠕變對(duì)于已粘貼好的應(yīng)變片，在溫度保持恒定、不承受應(yīng)變作用時(shí)，應(yīng)變片的電阻值會(huì)隨時(shí)間增加而變化的特性，稱為應(yīng)變片的零點(diǎn)漂移，簡(jiǎn)稱零漂。在一定溫度下，使應(yīng)變片承受恒定的機(jī)械應(yīng)變，其電阻值會(huì)隨時(shí)間增加而變化的特性稱為蠕變。在應(yīng)變片工作時(shí)，零漂和蠕變是同時(shí)存在的。任務(wù)3.1基于電阻應(yīng)變式傳感器的電子秤設(shè)計(jì)5.溫度效應(yīng)用作測(cè)量應(yīng)變的金屬應(yīng)變片，希望其阻值僅隨應(yīng)變變化，而不受其他因素的影響。實(shí)際上應(yīng)變片的阻值受環(huán)境溫度（包括被測(cè)試件的溫度）影響很大。這種由溫度變化引起的應(yīng)變片電阻變化，從而產(chǎn)生虛假應(yīng)變的現(xiàn)象，稱為應(yīng)變片的溫度效應(yīng)。由溫度效應(yīng)給測(cè)量帶來的附加誤差稱為應(yīng)變片的溫度誤差，又稱為熱輸出。任務(wù)3.1基于電阻應(yīng)變式傳感器的電子秤設(shè)計(jì)

金屬應(yīng)變片的電阻變化范圍很小，如果直接用歐姆表測(cè)量其電阻值的變化將十分困難，且誤差很大，這從下面的運(yùn)算結(jié)果就可看出來?！纠?-1】有一金屬箔式應(yīng)變片，標(biāo)稱阻值R0為100Ω，靈敏度K=2，粘貼在橫截面積為9.8mm2的鋼制圓柱體上，鋼的彈性模量E=2×1011N/m2，鋼圓柱所受拉力F=0.2t，求受拉后應(yīng)變片的阻值R?！窘狻夸搱A柱體的軸向應(yīng)變3.1.4電阻應(yīng)變片的橋式測(cè)量電路任務(wù)3.1基于電阻應(yīng)變式傳感器的電子秤設(shè)計(jì)

通常情況下，可以認(rèn)為粘貼在試件上的應(yīng)變片的應(yīng)變約等于試件上的應(yīng)變，所以有

應(yīng)變片電阻的變化量

由于應(yīng)變片受到拉伸，所以電阻值比標(biāo)稱阻值增加了ΔR。受拉力后的阻值R為

直接用歐姆表很難觀察到這0.2的變化，所以必須使用不平衡電橋來測(cè)量這一微小的變化量。任務(wù)3.1基于電阻應(yīng)變式傳感器的電子秤設(shè)計(jì)

下面分析利用橋式測(cè)量轉(zhuǎn)換電路是如何將ΔR/R轉(zhuǎn)換成輸出電壓Uo的。

圖3-4稱為橋式測(cè)量轉(zhuǎn)換電路，簡(jiǎn)稱電橋。電橋的一個(gè)對(duì)角線結(jié)點(diǎn)接入電源電壓Ui，另一個(gè)對(duì)角線結(jié)點(diǎn)為輸出電壓Uo。當(dāng)電橋輸出端有放大器時(shí)，由于放大器的輸入阻抗很高，所以可以認(rèn)為電橋的負(fù)載電阻為無窮大，輸出電壓為電橋輸出端的開路電壓。

（3-9）任務(wù)3.1基于電阻應(yīng)變式傳感器的電子秤設(shè)計(jì)

為了使電橋在測(cè)量前的輸出電壓為零，應(yīng)該選擇四個(gè)橋臂電阻，使R1R3=R2R4或R1/R2=R4/R3，這就是電橋平衡的條件。四個(gè)橋臂電阻中任意一個(gè)、兩個(gè)、三個(gè)甚至四個(gè)發(fā)生變化，此電橋平衡條件即不成立，使輸出電壓Uo不為零，此時(shí)的輸出電壓Uo就反映了橋臂電阻變化的情況。

（a）基本應(yīng)變橋路（b）橋路的調(diào)零原理圖3-4橋式測(cè)量轉(zhuǎn)換電路任務(wù)3.1基于電阻應(yīng)變式傳感器的電子秤設(shè)計(jì)1.單臂電橋當(dāng)電橋中R1為電阻應(yīng)變片，R2、R3、R4為電橋固定電阻，這就構(gòu)成了單臂電橋。當(dāng)產(chǎn)生應(yīng)變時(shí)，若應(yīng)變片電阻R1變化為ΔR，其它橋臂固定不變，電橋輸出電壓Uo≠0，則電橋不平衡輸出電壓為

（3-10）

若取R1=R2=R3=R4=R0，因?yàn)棣<<R1，則

（3-11）任務(wù)3.1基于電阻應(yīng)變式傳感器的電子秤設(shè)計(jì)2.雙臂半橋

當(dāng)電橋中R1、R2為電阻應(yīng)變片，R3、R4為電橋固定電阻，這就構(gòu)成了雙臂電橋。工作應(yīng)變片R1、R2接入電橋兩相鄰臂，跨在電源兩端。感受到的應(yīng)變?chǔ)?、ε2以及產(chǎn)生的電阻增量ΔR1、ΔR2大小相等，方向相反，ΔR1=ΔR2=ΔR。同樣，可推導(dǎo)出公式為

（3-12）任務(wù)3.1基于電阻應(yīng)變式傳感器的電子秤設(shè)計(jì)3.四臂全橋

當(dāng)四個(gè)橋臂均接有應(yīng)變片，即四個(gè)橋臂電阻都發(fā)生變化時(shí)稱為四臂全橋。設(shè)初始時(shí)R1=R2=R3=R4=R0，工作時(shí)各個(gè)橋臂中電阻的變化為ΔR1、ΔR2、ΔR3、ΔR4，兩個(gè)電阻應(yīng)變片受拉，兩個(gè)電阻應(yīng)變片受壓，即ΔR1=ΔR3=ΔR，ΔR2=ΔR4=-ΔR，則電橋輸出為

（3-13）

任務(wù)3.1基于電阻應(yīng)變式傳感器的電子秤設(shè)計(jì)4.電橋的零點(diǎn)輸出調(diào)整

實(shí)際使用中，R1～R4不可能成嚴(yán)格的比例關(guān)系，所以即使無載荷時(shí)，電橋的輸出電壓也不能嚴(yán)格為零，因此，必須設(shè)置“零點(diǎn)輸出調(diào)整電路”?？刹捎貌⒙?lián)電位器RP的方法來調(diào)零，如圖3-4b所示。任務(wù)3.1基于電阻應(yīng)變式傳感器的電子秤設(shè)計(jì)

任務(wù)3.2基于壓阻式傳感器的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)吸氣壓力檢測(cè)

任務(wù)3.3基于壓電式傳感器的物體壓力檢測(cè)

對(duì)一塊半導(dǎo)體沿某一軸向施加一定的應(yīng)力而產(chǎn)生應(yīng)變時(shí)，它的電阻率會(huì)發(fā)生一定的變化，這種現(xiàn)象稱為半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)。壓阻式傳感器就是基于半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)原理工作的，它也屬于一種電阻式傳感器。

半導(dǎo)體應(yīng)變片受軸向力作用時(shí)，其電阻相對(duì)變化仍可用金屬絲電阻應(yīng)變片方程式（3-3）表示。實(shí)驗(yàn)證明，對(duì)于金屬電阻應(yīng)變片而言，其中Δρ/ρ很小，即電阻率的變化很小，因而可以忽略不計(jì)，所以金屬電阻應(yīng)變片的電阻變化主要由金屬材料的幾何尺寸所決定。但對(duì)于半導(dǎo)體材料而言，情況正好相反，由材料幾何尺寸變化而引起電阻的變化很小，可忽略不計(jì)，而Δρ/ρ很大，也就是說，半導(dǎo)體材料電阻的變化主要由半導(dǎo)體材料電阻率的變化所造成，這就是壓阻式傳感器的工作原理。任務(wù)3.2基于壓阻式傳感器的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)吸氣壓力檢測(cè)3.2.1半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)

壓阻式傳感器電阻的變化表示為

（3-18）

式中：πl(wèi)——半導(dǎo)體晶體縱向壓阻系數(shù)；

σ——應(yīng)力；

E——半導(dǎo)體材料彈性模量；

ε——應(yīng)變。任務(wù)3.2基于壓阻式傳感器的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)吸氣壓力檢測(cè)

1.壓阻式傳感器的結(jié)構(gòu)

半導(dǎo)體應(yīng)變片由基片、敏感柵和電極引線等部分組成，基片是絕緣膠膜，敏感柵由硅或鍺等半導(dǎo)體材料構(gòu)成，內(nèi)引線是連接基片和敏感柵的金屬線，帶狀電極引線又稱外引線，一般由康銅箔等制成，如圖3-11所示。任務(wù)3.2基于壓阻式傳感器的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)吸氣壓力檢測(cè)3.2.2壓阻式傳感器的結(jié)構(gòu)與特性

根據(jù)敏感柵形成的方法不同，壓阻式傳感器主要有體型、薄膜型和擴(kuò)散型三種類型。體型半導(dǎo)體應(yīng)變片是一種將硅或鍺晶體按一定方向切割成的片狀小條，經(jīng)腐蝕壓焊粘貼在基片上而成的應(yīng)變片；薄膜型半導(dǎo)體應(yīng)變片是利用真空沉積技術(shù)，將半導(dǎo)體材料沉積在帶有絕緣層的試件上而制成；擴(kuò)散型半導(dǎo)體應(yīng)變片是將P型雜質(zhì)擴(kuò)散到N型硅單晶基底上，形成一層極薄的P型導(dǎo)電膜片而制成。任務(wù)3.2基于壓阻式傳感器的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)吸氣壓力檢測(cè)

2.壓阻式傳感器的特性（1）應(yīng)變-電阻特性以硅片應(yīng)變片為例，由圖3-12可知，N型半導(dǎo)體受壓時(shí)，阻值變小；P型半導(dǎo)體受壓,時(shí)，阻值變大。且在數(shù)百微應(yīng)變內(nèi)呈線性，在較大的應(yīng)變范圍內(nèi)則呈非線性。任務(wù)3.2基于壓阻式傳感器的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)吸氣壓力檢測(cè)（2）電阻-溫度特性粘貼在試件上的體型半導(dǎo)體應(yīng)變片也和金屬絲電阻應(yīng)變片一樣受溫度變化影響，溫度變化引起的電阻變化為

（3-19）

式中：α——敏感柵電阻溫度系數(shù)；

βg——試件材料線膨脹系數(shù)；

βs——敏感柵材料線膨脹系數(shù)；S——敏感柵靈敏度系數(shù)；Δt——溫度變化值。任務(wù)3.2基于壓阻式傳感器的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)吸氣壓力檢測(cè)

因?yàn)榘雽?dǎo)體材料對(duì)溫度很敏感，溫度穩(wěn)定性和線性度比金屬電阻應(yīng)變片差得多，因此，壓阻式傳感器的溫度誤差較大，必須要有溫度補(bǔ)償。

壓阻式傳感器的測(cè)量電路仍然使用平衡電橋。由于制造、溫度影響等原因，電橋存在失調(diào)、零位溫漂、靈敏度溫度系數(shù)和非線性等問題，以致影響傳感器的準(zhǔn)確性。因此，必須采取減小與補(bǔ)償誤差措施。任務(wù)3.2基于壓阻式傳感器的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)吸氣壓力檢測(cè)3.2.3壓阻式傳感器的測(cè)量電路1.恒流源供電電橋恒流源供電的全橋差動(dòng)電路如圖3-13所示。任務(wù)3.2基于壓阻式傳感器的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)吸氣壓力檢測(cè)

假設(shè)ΔRT為溫度引起的電阻變化，而IABC=IADC=?I，所以電橋的輸出為

（3-20）

可見，電橋的輸出電壓與電阻變化成正比，與恒流源電流成正比，但與溫度無關(guān)，因此此測(cè)量不受溫度的影響。任務(wù)3.2基于壓阻式傳感器的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)吸氣壓力檢測(cè)2.零點(diǎn)與靈敏度溫度補(bǔ)償

采用圖3-14所示的零漂和靈敏度漂移補(bǔ)償電路，可以有效地解決零漂和靈敏度漂移問題。

并聯(lián)電阻RP//R2，串聯(lián)電阻Rs、R1用于抑制零位溫漂，串聯(lián)電阻Rs起調(diào)零作用，并聯(lián)RP電阻起補(bǔ)償作用。串聯(lián)二極管VD，用于靈敏度的溫漂補(bǔ)償。任務(wù)3.2基于壓阻式傳感器的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)吸氣壓力檢測(cè)任務(wù)3.1基于電阻應(yīng)變式傳感器的電子秤設(shè)計(jì)

任務(wù)3.2基于壓阻式傳感器的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)吸氣壓力檢測(cè)

任務(wù)3.3基于壓電式傳感器的物體壓力檢測(cè)任務(wù)3.3基于壓電式傳感器的物體壓力檢測(cè)3.3.1壓電式傳感器的工作原理1.壓電效應(yīng)

壓電現(xiàn)象是100多年前居里兄弟研究石英時(shí)發(fā)現(xiàn)的。某些電介質(zhì)，當(dāng)沿著一定方向?qū)ζ涫┘恿Χ蛊渥冃螘r(shí)，內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在它的兩個(gè)表面上會(huì)產(chǎn)生異號(hào)電荷，當(dāng)外力消失后，又重新恢復(fù)到不帶電狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)，如圖3-20所示。任務(wù)3.3基于壓電式傳感器的物體壓力檢測(cè)

當(dāng)作用力的方向改變時(shí)，電荷極性也隨之改變。當(dāng)在電介質(zhì)極化方向施加電場(chǎng)，這些電介質(zhì)也會(huì)發(fā)生變形，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)（或電致伸縮效應(yīng)），說明壓電效應(yīng)具有可逆性。壓電式壓力傳感器都是利用壓電材料的正壓電效應(yīng)。

在晶體的彈性限度內(nèi)，壓電材料受力后，其表面產(chǎn)生的電荷Q與所施加的力F成正比，即：

Q=dFx

（3-22）

式中

d——壓電系數(shù)。任務(wù)3.3基于壓電式傳感器的物體壓力檢測(cè)2.壓電材料

自然界中的大多數(shù)晶體具有壓電效應(yīng)，但壓電效應(yīng)十分明顯的并不多。天然形成的石英晶體、人工制造的壓電陶瓷、鋯鈦酸鉛、鈦酸鋇等材料是壓電效應(yīng)性能優(yōu)良的壓電材料。壓電材料基本上可分為三大類：壓電晶體（單晶體）、經(jīng)過極化處理的壓電陶瓷（多晶體）和高分子壓電材料。任務(wù)3.3基于壓電式傳感器的物體壓力檢測(cè)（1）石英晶體（單晶體）

石英晶體是一種性能良好的壓電晶體，其化學(xué)式為SiO2，為單晶結(jié)構(gòu)，天然結(jié)構(gòu)的石英晶體呈六角形晶柱，如圖3-21(a)所示。石英晶體是各向異性材料，不同晶向具有各異的物理特性，用x、y、z軸來描述,如圖3-21(b)所示。z軸又稱為光軸，它與晶體的縱軸線方向一致；x軸又稱為電軸，經(jīng)過六面體相對(duì)的兩個(gè)棱線并垂直于光軸；y軸又稱為機(jī)械軸，是與x軸和z

軸同時(shí)垂直的軸。任務(wù)3.3基于壓電式傳感器的物體壓力檢測(cè)

從晶體上沿x、y、z軸線切下的一片平行六面體的薄片稱為晶體切片，如圖3-21(c)所示。通常把沿電軸x方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為縱向壓電效應(yīng)；把沿機(jī)械軸y方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為橫向壓電效應(yīng)；而沿光軸z方向的力作用時(shí)不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。（a）完整的石英晶體（b）石英晶片的切割（c）石英晶片任務(wù)3.3基于壓電式傳感器的物體壓力檢測(cè)

石英晶體的壓電效應(yīng)與其內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān)，產(chǎn)生極化現(xiàn)象的機(jī)理可用圖3-22來說明。石英晶體的每個(gè)晶胞中有3個(gè)硅離子和6個(gè)氧離子，1個(gè)硅離子和2個(gè)氧離子交替排列（氧原子是成對(duì)出現(xiàn)的）。沿光軸看去，可以等效地認(rèn)為它是如圖3-22(a)所示的正六邊形排列結(jié)構(gòu)。（a）未受力的石英晶體（b）受x向壓力時(shí)的石英晶體（c）受y向壓力時(shí)的石英晶體1-正電荷等效中心

2-負(fù)電荷等效中心

任務(wù)3.3基于壓電式傳感器的物體壓力檢測(cè)①在無外力作用時(shí)，如圖3-22(a)所示。硅離子所帶正電荷的等效中心與氧離子所帶負(fù)電荷的等效中心是重合的，整個(gè)晶胞不呈現(xiàn)帶電現(xiàn)象。任務(wù)3.3基于壓電式傳感器的物體壓力檢測(cè)②當(dāng)石英晶體受到沿x軸方向的壓力作用時(shí)，如圖3-22(b)所示，晶體沿x方向?qū)a(chǎn)生壓縮變形，正負(fù)電荷重心不再重合，在x軸的正方向出現(xiàn)正電荷，電偶極矩在y方向上的分量仍為零，不出現(xiàn)電荷。在晶體的線性彈性范圍內(nèi)，當(dāng)沿x軸方向作用壓力Fx時(shí)，在與x軸垂直的平面上產(chǎn)生的電荷量為：

Q=d11Fx

（3-23）式中d11——沿x軸方向施力的壓電系數(shù)；

Fx——沿x軸方向的作用力。任務(wù)3.3基于壓電式傳感器的物體壓力檢測(cè)③當(dāng)晶體受到沿y軸方向的壓力作用時(shí)，如圖3-22(c)所示。在x軸上出現(xiàn)電荷，它的極性為x軸正向?yàn)樨?fù)電荷，在y軸方向上不出現(xiàn)電荷。在晶體的線性彈性范圍內(nèi)，當(dāng)沿y軸方向作用壓力Fy時(shí)，在與x軸垂直的平面上產(chǎn)生的電荷量為：

（3-24）式中

d12——沿y軸方向施力的壓電系數(shù)，由于晶體的軸對(duì)稱，所以d12=-d11；

a——石英晶片的長度，單位為m；

b——石英晶片的寬度，單位為m；

Fy——沿y軸方向的作用力任務(wù)3.3基于壓電式傳感器的物體壓力檢測(cè)④如果沿z軸方向施加作用力，因?yàn)榫w在x方向和y方向所產(chǎn)生的形變完全相同，所以正負(fù)電荷重心保持重合，電偶極矩矢量和等于零。這表明沿z軸方向施加作用力，晶體不會(huì)產(chǎn)生壓電效應(yīng)。任務(wù)3.3基于壓電式傳感器的物體壓力檢測(cè)綜上所述，石英晶體具有以下結(jié)構(gòu)特性：①沿x軸、y軸方向作用力時(shí)，可產(chǎn)生壓電效應(yīng)。沿z軸方向施力，無壓電效應(yīng)。同樣道理，如果對(duì)石英晶體的各個(gè)方向同時(shí)施加相等的力（如液體壓力、熱應(yīng)力等），石英晶體無壓電效應(yīng)。②不論沿x軸方向還是y軸方向作用力，正、負(fù)電荷等效中心只在x軸方向移動(dòng)，此為極化方向，即電荷只產(chǎn)生在垂直于x軸的兩平面上。③沿y軸方向作用拉力與沿x軸方向作用壓力，晶胞結(jié)構(gòu)變形相同，因而產(chǎn)生的電荷極性相同；同理，沿x軸方向作用拉力與沿y軸方向作用壓力而產(chǎn)生的電荷極性相同。任務(wù)3.3基于壓電式傳感器的物體壓力檢測(cè)

石英晶體的突出優(yōu)點(diǎn)是性能非常穩(wěn)定。在20～200℃的范圍內(nèi)壓電系數(shù)的變化率只有-0.0001/℃。此外，它還具有自振頻率高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好、機(jī)械強(qiáng)度高、絕緣性能好、遲滯小、重復(fù)性好、線性范圍寬等優(yōu)點(diǎn)。石英晶體的不足之處是壓電系數(shù)較?。╠=2.31×10-12C/N）。因此石英晶體大多只在標(biāo)準(zhǔn)傳感器、高準(zhǔn)確度傳感器或溫度較高的傳感器中使用，而在一般要求的測(cè)量中，基本上釆用壓電陶瓷任務(wù)3.3基于壓電式傳感器的物體壓力檢測(cè)

（2）壓電陶瓷（多晶體）

與石英晶體不同，壓電陶瓷是人工制造的多晶體壓電材料。晶體內(nèi)有許多自發(fā)晶化的電疇，它有一定的極化方向，但是在極化處理之前，這些電疇分布雜亂，自發(fā)極化效應(yīng)相互抵消，不具有壓電性質(zhì)，如圖3-23(a)所示。（a）未極化（b）)已極化圖3-23壓電陶瓷任務(wù)3.3基于壓電式傳感器的物體壓力檢測(cè)

當(dāng)在陶瓷上施加外加電場(chǎng)時(shí)，電疇的極化方向發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，趨向于按外電場(chǎng)方向排列，從而使材料得到極化。外電場(chǎng)愈強(qiáng)，就有更多的電疇完全地轉(zhuǎn)向外電場(chǎng)方向。當(dāng)外電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到飽和程度時(shí)，所有的電疇極化方向都整齊地與外電場(chǎng)方向一致，使陶瓷材料得到極化。當(dāng)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，如圖3-23(b)所示。任務(wù)3.3基于壓電式傳感器的物體壓力檢測(cè)

極化處理后陶瓷材料內(nèi)部存在有很強(qiáng)的剩余極化，當(dāng)陶瓷材料受到外力作用時(shí)，電疇的界限發(fā)生移動(dòng)，電疇發(fā)生偏轉(zhuǎn)，從而引起剩余極化強(qiáng)度的變化，因而在垂直于極化方向的平面上將出現(xiàn)極化電荷的變化。這種因受力而產(chǎn)生的由機(jī)械效應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦?yīng)、機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿默F(xiàn)象，就是壓電陶瓷的正壓電效應(yīng)。電荷量的大小與外力成如下的正比關(guān)系：

Q=d33F

（3-25）式中d33——壓電陶瓷的壓電系數(shù)；

F——作用力。任務(wù)3.3基于壓電式傳感器的物體壓力檢測(cè)

壓電陶瓷的壓電系數(shù)比石英晶體的大得多，所以采用壓電陶瓷制作的壓電式傳感器的靈敏度較高。但壓電陶瓷的特性不穩(wěn)定，隨時(shí)間變化比較明顯，用壓電陶瓷做成的傳感器要經(jīng)常校準(zhǔn)。壓電陶瓷除作為機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的傳感器導(dǎo)件之外，還經(jīng)常用作電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的執(zhí)行控制器件。

目前使用較多的壓電陶瓷材料是鋯鈦酸鉛（PZT）系列，它是鈦酸鉛（PbTiO2）和鋯酸鉛（PbZrO3）組成的（Pb（ZrTi）O3）。其居里點(diǎn)在300°C以上，性能穩(wěn)定，有較高的介電常數(shù)和壓電系數(shù)。任務(wù)3.3基于壓電式傳感器的物體壓力檢測(cè)3）壓電高分子材料

高分子材料屬于有機(jī)分子半結(jié)晶或結(jié)晶聚合物，其壓電效應(yīng)較復(fù)雜，不僅要考慮晶格中均勻的內(nèi)應(yīng)變對(duì)壓電效應(yīng)的貢獻(xiàn)，還要考慮高分子材料中非均勻內(nèi)應(yīng)變所產(chǎn)生的各種高次效應(yīng)以及同整個(gè)體系平均變形無關(guān)的電荷位移而表現(xiàn)出來的壓電特性。

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。高分子壓電材料的工作溫度一般低于100°C，溫度升高，會(huì)導(dǎo)致其靈敏度降低。因此，高分子壓電材料常用于對(duì)測(cè)量精度要求不高的場(chǎng)合，如水聲測(cè)量、防盜、振動(dòng)測(cè)量等方面。任務(wù)3.3基于壓電式傳感器的物體壓力檢測(cè)3.壓電材料的主要特性指標(biāo)（1）壓電系數(shù)d。它表示壓電材料產(chǎn)生電荷與作用力的關(guān)系。它是衡量材料壓電效應(yīng)強(qiáng)弱的參數(shù)，它直接關(guān)系到壓電元件的輸出靈敏度。一般用單位作用力產(chǎn)生電荷的多少來表示，單位為C/N(庫侖/牛頓)。（2）彈性常數(shù)。壓電材料的彈性常數(shù)、剛度是決定其固有頻率和動(dòng)態(tài)的重要參數(shù)。（3）介電常數(shù)。這是決定壓電晶體固有電容的主要參數(shù)，而固有電容影響傳感器工作頻率的下限值。任務(wù)3.3基于壓電式傳感器的物體壓力檢測(cè)（4）機(jī)械耦合系數(shù)。衡量壓電材料機(jī)電能量轉(zhuǎn)換效率的重要參數(shù)，其值等于轉(zhuǎn)換輸出能量（如電能）與輸入能量（如機(jī)械能）之比的平方根。（5）電阻R。它是壓電晶體的內(nèi)阻，它的大小決定其泄漏電流。（6）居里點(diǎn)。壓電材料的溫度達(dá)到某一值時(shí)，便開始失去壓電特性，這一溫度稱為居里點(diǎn)或居里溫度。任務(wù)3.3基于壓電式傳感器的物體壓力檢測(cè)4.壓電式傳感器

（1）壓電式測(cè)力傳感器

根據(jù)壓電效應(yīng)，壓電式傳感器可以直接用于實(shí)現(xiàn)力-電轉(zhuǎn)換。壓電式單向測(cè)力傳感器的結(jié)構(gòu)如圖3-24所示，它主要由石英片、絕緣套、電極、上蓋和基座等組成。上蓋為傳力元件，當(dāng)受外力作用時(shí)，它將產(chǎn)生彈性形變，將力傳遞到石英晶片上，利用石英晶片的壓電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)力-電轉(zhuǎn)換。絕緣套用于絕緣和定位。該傳感器可用于機(jī)床動(dòng)態(tài)切削力的測(cè)量。（a）單向力傳感器外形（b）三維切削力傳感器外形（c）內(nèi)部結(jié)構(gòu)1－剛性傳力上蓋2－壓電片3－電極4－電極引出插頭5－絕緣材料6－底座圖3-24壓電式單向動(dòng)態(tài)力傳感器任務(wù)3.3基于壓電式傳感器的物體壓力檢測(cè)

（2）壓電式加速度傳感器

壓電式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)如圖3-25所示，它主要由壓電元件、質(zhì)量塊、預(yù)壓彈簧、基座和外殼組成。整個(gè)部件用螺栓固定。a）原理圖b）中心壓縮式壓電加速度傳感器結(jié)構(gòu)c）環(huán)形剪切式壓電加速度傳感器結(jié)構(gòu)d）外形1－基座2－引出電極3－壓電片4－質(zhì)量塊5－彈簧6－殼體7－固定螺孔圖3-25常用的壓電式振動(dòng)加速度傳感器

任務(wù)3.3基于壓電式傳感器的物體壓力檢測(cè)

壓電元件一般由兩片壓電片組成，在壓電片的兩個(gè)表面鍍上一層銀，并在銀層上焊接輸出引線，或在兩個(gè)壓電片之間夾一片金屬，引線就焊接在金屬片上，輸出端的另一根引線直接與傳感器基座相連。在壓電片上放置一個(gè)密度較大的質(zhì)量塊，然后用一個(gè)硬彈簧或螺栓、螺帽對(duì)質(zhì)量塊預(yù)加載荷。整個(gè)組件裝在一個(gè)厚基座的金屬殼體中，為了隔離試件的任何應(yīng)變傳遞到壓電元件上去，避免產(chǎn)生假信號(hào)輸出，一般要加厚基座或選用剛度較大的材料來制造基座。任務(wù)3.3基于壓電式傳感器的物體壓力檢測(cè)

測(cè)量時(shí)，將傳感器基座與試件剛性固定在一起。當(dāng)傳感器與被測(cè)物體一起受到?jīng)_擊振動(dòng)時(shí)，由于彈簧的剛度相當(dāng)大，而質(zhì)量塊的質(zhì)量相對(duì)較小，可以認(rèn)為質(zhì)量塊的慣性很小，因此，質(zhì)量塊與傳感器基座感受到相同的振動(dòng)，并受到與加速度方向相反的慣性力的作用，這樣，質(zhì)量塊就有一個(gè)正比于加速度的交變力作用于壓電片上：F=ma。由于壓電片的壓電效應(yīng)，因此，在它的兩個(gè)表面上產(chǎn)生交變電荷Q，當(dāng)振動(dòng)頻率遠(yuǎn)低于傳感器的固有頻率時(shí)，傳感器的輸出電荷與作用力成正比，即與試件的加速度成正比：

Q=d11F=d11ma

（3-26）式中d11——壓電系數(shù)；

m——質(zhì)量塊的質(zhì)量；

a——加速度；

F——作用力。任務(wù)3.3基于壓電式傳感器的物體壓力檢測(cè)5.壓電元件的連接

壓電元件作為壓電式傳感器的敏感部件，單片壓電元件產(chǎn)生的電荷量很小，在實(shí)際應(yīng)用中，通常采用兩片（或兩片以上）同規(guī)格的壓電元件粘結(jié)在一起，以提高壓電式傳感器的輸出靈敏度。

由于壓電元件所產(chǎn)生的電荷具有極性區(qū)分，相應(yīng)的連接方法有兩種，如圖3-26所示。從作用力的角度看，壓電元件是串接的，每片受到的作用力相同，產(chǎn)生的變形和電荷量大小也一致。(a)同極性黏結(jié)(b)不同極性黏結(jié)圖3-26壓電元件連接方式任務(wù)3.3基于壓電式傳感器的物體壓力檢測(cè)

圖3-26（a）從電路上看是并聯(lián)接法，類似兩個(gè)電容的并聯(lián)。所以，外力作用下正負(fù)電極上的電荷量增加了一倍，電容量也增加了一倍，輸出電壓與單片時(shí)相同。

圖3-26（b）從電路上看是串聯(lián)接法，兩壓電片中間粘結(jié)處正負(fù)電荷中和，上、下極板的電荷量與單片時(shí)相同，總電容量為單片的一半，輸出電壓增大了一倍。

在這兩種接法中，并聯(lián)接法輸岀電荷量大、本身電容大、時(shí)間常數(shù)大，適用于測(cè)量慢信號(hào)并且以電荷作為輸出量的情況。而串聯(lián)接法輸出電壓大、電容小，適用于以電壓作為輸出信號(hào)，并且測(cè)量電路輸入阻抗很高的場(chǎng)合。任務(wù)3.3基于壓電式傳感器的物體壓力檢測(cè)3.3.2壓電式傳感器的測(cè)量電路1.等效電路

如圖3-27（a）所示，當(dāng)壓電片受力時(shí)，在兩電極表面岀現(xiàn)等量而極性相反的電荷。當(dāng)兩極板聚集一定電荷時(shí)，兩極板就呈現(xiàn)一定的電壓，即可等效為一個(gè)電容器。因此，壓電元件可等效為一個(gè)電荷源Q和一個(gè)電容Ca的并聯(lián)電路，如圖3-27（b）所示；也可等效為一個(gè)電壓源Ua以和一個(gè)電容Ca的串聯(lián)電路，如圖3-27（c）所示。圖3-27(d)所示為壓電元件的電路符號(hào)。（a）原理圖（b）電荷源（c）電壓源（d）電路符號(hào)圖3-27壓電元件的等效電路和電路符號(hào)

任務(wù)3.3基于壓電式傳感器的物體壓力檢測(cè)

電容器的電容量為：

（3-27）式中A——壓電片的面積，單位為m2；

δ——壓電片的厚度，單位為m；

εr——壓電材料的相對(duì)介電常數(shù)；

ε0——真空的介電常數(shù)（ε0=8.85×10-12F/m）。

而電容器上的電壓Ua、電荷量Q和電容量Ca三者之間的關(guān)系為：

（3-28）任務(wù)3.3基于壓電式傳感器的物體壓力檢測(cè)

在實(shí)際使用中，壓電式傳感器總是與測(cè)量儀器或測(cè)量電路相連接，因此還須考慮連接電纜的等效電容Cc、放大器的輸入電阻Ri、放大器輸入電容Ci以及壓電式傳感器的泄露電阻Ra，這樣，壓電式傳感器在測(cè)量系統(tǒng)中的實(shí)際等效電路如圖3-28所示。（a）電荷等效圖

（b）簡(jiǎn)化的電荷等效圖任務(wù)3.3基于壓電式傳感器的物體壓力檢測(cè)（c）電壓等效電路（d）簡(jiǎn)化的電壓等效電路圖3-28放大器輸入端等效電路任務(wù)3.3基于壓電式傳感器的物體壓力檢測(cè)2.測(cè)量電路

由于壓電傳感器本身的內(nèi)阻抗很高（通常1010Ω以上），輸出能量較小，因此它的測(cè)量電路通常要接入一個(gè)高輸入阻抗前置放大器。其作用一是把它的高輸出阻抗（一般1000MΩ以上）變換為低輸出阻抗（小于100Ω）；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電壓放大器和電荷放大器兩種形式。任務(wù)3.3基于壓電式傳感器的物體壓力檢測(cè)2.測(cè)量電路

由于壓電傳感器本身的內(nèi)阻抗很高（通常1010Ω以上），輸出能量較小，因此它的測(cè)量電路通常要接入一個(gè)高輸入阻抗前置放大器。其作用一是把它的高輸出阻抗（一般1000MΩ以上）變換為低輸出阻抗（小于100Ω）；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電壓放大器和電荷放大器兩種形式。任務(wù)3.3基于壓電式傳感器的物體壓力檢測(cè)

（1）電荷放大器

由于運(yùn)算放大器的輸入阻抗很高，其輸入端幾乎沒有分流，故可略去壓電式傳感器的泄漏電阻Ra和放大器輸入電阻Ri兩個(gè)并聯(lián)電阻的影響，將壓電式傳感器等效電容Ca、連接電纜的等效電容Cc、放大器輸入電容Ci合并為電容C后，電荷放大器等效電路如圖3-28（b）所示。它由一個(gè)負(fù)反饋電容Cf和高增益運(yùn)算放大器構(gòu)成。圖中運(yùn)算放大器的增益為A。由于負(fù)反饋電容工作于直流時(shí)相當(dāng)于開路，對(duì)電纜噪聲敏感，放大器的零點(diǎn)漂移也較大，因此一般在反饋電容兩端并聯(lián)一個(gè)電阻Rf，其作用是為了穩(wěn)定直流工作點(diǎn)，減小零漂；Rf通常為1010～1014Ω，當(dāng)工作頻率足夠高時(shí)，1/Rf<<ωCf，可忽略（1+A）/Rf。反饋電容折合到放大器輸入端的有效電容為Cf′=（1+A）Cf。任務(wù)3.3基于壓電式傳感器的物體壓力檢測(cè)由于

（3-29）因此輸出電壓為

（3-30）式中“-”號(hào)表示放大器的輸入與輸出反相。當(dāng)A>>1（通常A=104～106），滿足（1+A）Cf＞10（Ca+Cc+Ci）時(shí)，就可將上式近似為

（3-31）任務(wù)3.3基于壓電式傳感器的物體壓力檢測(cè)

由此可見，電荷放大器的輸出電壓Uo只取決于輸入電荷Q與反饋電容Cf，與電纜電容Cc無關(guān)，且與Q成正比，這是電荷放大器的最大特點(diǎn)。為了得到必要的測(cè)量精度，要求反饋電容Cf的溫度和時(shí)間穩(wěn)定性都很好，在實(shí)際電路中，考慮到不同的量程等因素，Cf的容量做成可選擇的，范圍一般為100?104pF。任務(wù)3.3基于壓電式傳感器的物體壓力檢測(cè)

（2）電壓放大器

電壓放大器的功能是將壓電傳感器的高輸出阻抗變?yōu)檩^低阻抗，并將壓電式傳感器的微弱電壓信號(hào)放大。電壓放大器電路如圖3-28所示。圖中電阻R=Ra//Ri=RaRi/（Ra+Ri），電容C=Ca+Ci，而U=Q/Ca，若壓電元件受正弦力的作用F=Fmsinωt，則其電壓為

（3-32）式中d——壓電系數(shù)；

Um——壓電元件輸出電壓的幅值，Um=dFm/Ca。任務(wù)3.3基于壓電式傳感器的物體壓力檢測(cè)由此可得放大器輸入端Ui，其復(fù)數(shù)形式為

（3-33）于是可得放大器輸入電壓的幅值為

（3-34）輸入電壓和作用力之間相位差為

（3-35）任務(wù)3.3基于壓電式傳感器的物體壓力檢測(cè)在理想情況下，傳感器的電阻值Ra與前置放大器輸入電阻Ri都為無限大，這時(shí)ωR（Ca+Cc+Ci）>>1，代入式（3-35）可得放大器的輸入電壓幅值為

（3-36）上式表明前置放大器輸入電壓Uim與頻率無關(guān)，一般在ω/ω0＞3時(shí)，就可以認(rèn)為Uim與ω?zé)o關(guān)，ω0表示測(cè)量電路時(shí)間常數(shù)的倒數(shù)，即

（3-37）任務(wù)3.3基于壓電式傳感器的物體壓力檢測(cè)

這表明壓電傳感器有很好的高頻響應(yīng)，但是，當(dāng)作用于壓電元件的力為靜態(tài)力（ω=0）時(shí)，前置放大器的輸出電壓等于零，因?yàn)殡姾蓵?huì)通過放大器輸入電阻和傳感器本身漏電阻漏掉，所以壓電傳感器不能用于靜態(tài)力的測(cè)量。

當(dāng)ωR（Ca+Cc+Ci）>>1時(shí)，放大器輸入電壓Uim如式（3-36）所示，式中Cc為連接電纜電容，當(dāng)電纜長度改變時(shí)，Cc也將改變，因而Uim也隨之變化。因此，壓電傳感器與前置放大器之間連接電纜不能隨意更換，否則將引入測(cè)量誤差。項(xiàng)目4物位檢測(cè)任務(wù)4.1基于電容傳感器的汽車油量表改造

任務(wù)4.2基于超聲波傳感器的城市排水管道液位檢測(cè)項(xiàng)目4物位檢測(cè)項(xiàng)目背景物位——液位、料位、界位。

液位——容器中的液體介質(zhì)的高低。

料位——容器中固體或顆粒狀物質(zhì)的堆積高度。

界位——兩種互不相溶的液體介質(zhì)的分界面的高低。

物位傳感器——液位傳感器、料位傳感器及界位傳感器。物位、液位、料位檢測(cè)中，液位的檢測(cè)使用的最廣泛，本項(xiàng)目主要介紹液位的檢測(cè)。液位檢測(cè)根據(jù)檢測(cè)儀表是否與液位接觸分為兩類。一類為接觸式，包括單法蘭靜壓/雙法蘭差壓液位變送器，浮球式液位變送器，磁性液位變送器，投入式液位變送器，電動(dòng)內(nèi)浮球液位變送器，電動(dòng)浮筒液位變送器，電容式液位變送器，磁致伸縮液位變送器，伺服液位變送器等。第二類為非接觸式，分為超聲波液位變送器，雷達(dá)液位變送器等。項(xiàng)目背景液位計(jì)類型液位測(cè)量范圍/m允許溫度/℃允許壓力/MPa特點(diǎn)玻璃管式1.5100-150常壓讀數(shù)直觀，價(jià)格便宜，易破碎。差壓式3020015可適合黏性介質(zhì)浮筒式58016讀數(shù)直觀，價(jià)格便宜，無源電容式201203讀數(shù)精確,溫漂小超聲波式601000.8受溫度影響較大，不適合霧氣或粉塵場(chǎng)合以及有泡沫的液體。音叉式2802不能用于連續(xù)測(cè)量雷達(dá)式3512010準(zhǔn)確度高，不受蒸氣、霧的影響，可在灰塵等惡劣環(huán)境工作。核輻射式6060020量程大，適合高溫高壓等惡劣環(huán)境。表4-1液位傳感器分類及主要特征任務(wù)4.1基于電容傳感器的汽車油量表改造

任務(wù)導(dǎo)入：最初的汽車油量計(jì)采用傳統(tǒng)的機(jī)械式油量計(jì)，存在精度低，穩(wěn)定性不高，使用環(huán)境存在局限等問題，已經(jīng)被淘汰。隨著技術(shù)的進(jìn)步，出現(xiàn)了使用滑動(dòng)變阻器為基本檢測(cè)元件的油量計(jì)（電阻式液位計(jì)），工作原理是由浮子帶動(dòng)電位器，再用歐姆表檢測(cè)其阻值，從而達(dá)到顯示油位的目的，但當(dāng)油垢覆蓋電位器后，其阻值會(huì)發(fā)生變化，造成誤差太大，甚至不能使用，使此類油箱傳感器成為壽命很短的易損件。另一類是用電感線圈為基本檢測(cè)元件。它是用浮子帶動(dòng)電感線圈（電感式液位計(jì)），改變震蕩電路的震蕩頻率，再通過頻率計(jì)檢測(cè)其頻率來測(cè)定油位。但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，調(diào)試麻煩，成本高，價(jià)格貴，不能被廣泛使用。現(xiàn)很多大型客車、重卡等采用電阻式液位計(jì)，容易損壞，本任務(wù)將電容液位傳感器用于東風(fēng)卡車汽車油量表的改造中，具有精度高、壽命長、穩(wěn)定性強(qiáng)的特點(diǎn)。相關(guān)知識(shí)4.1.1電容式傳感器的基本原理

電容式傳感器是將被測(cè)非電量的變化轉(zhuǎn)化成為電容量變化的一種傳感器。電容式傳感器采用的是平行板電容器，如圖所示。我們知道，當(dāng)忽略邊緣效應(yīng)的時(shí)候，平行板電容器的電容C可用下式表示：

ε——電容極板間介質(zhì)的介電常數(shù)；ε0——真空介電常數(shù)，其值為8.854×10-12F/m；εr——極板間介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)；A——兩平行板互相遮蓋的有效面積，單位為m2；d——極距，兩平行板之間的距離，單位為m.相關(guān)知識(shí)4.1.1電容式傳感器的基本原理由式可知，當(dāng)A、d或者εr發(fā)生變化時(shí)，電容量C也會(huì)隨之發(fā)生變化。如果保持上述三個(gè)參數(shù)中的兩個(gè)參數(shù)不變，改變另外一個(gè)參數(shù)，就可以將該參數(shù)的變化轉(zhuǎn)換成電容量的變化，再通過測(cè)量電路將電容量的變化轉(zhuǎn)換為電壓、電流或者頻率輸出并顯示，這就是電容傳感器的工作原理。電容式傳感器具有如下優(yōu)點(diǎn)1、相對(duì)變化量可達(dá)到200%以上；2、能在高溫和強(qiáng)輻射等惡劣環(huán)境中工作；3、所需激勵(lì)源功率較??；4、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，適用于動(dòng)態(tài)測(cè)量。4.1.2電容式傳感器的分類及其特性

根據(jù)上述電容傳感器的工作原理，按照變化的參數(shù)分類，電容傳感器可分為變極距式、變面積式及變介質(zhì)式三種類型。1、變極距型電容傳感器變極距式電容傳感器如圖所示。圖中極板1固定不動(dòng)，極板2為可動(dòng)電極（動(dòng)片），當(dāng)動(dòng)片隨被測(cè)量變化而移動(dòng)時(shí)，使兩極板間距變化，從而使電容量產(chǎn)生變化。圖4-2（b）為電容與距離的關(guān)系曲線。當(dāng)傳感器的A和ε為定值，初始極距為d0時(shí)，初始電容的值可表示為：

當(dāng)動(dòng)極板2移動(dòng)x值后，電容值可表示為：4.1.2電容式傳感器的分類及其特性由式可知，變極距式電容傳感器電容值C與極距的變化量x不是線性關(guān)系。由上式可知，此時(shí)電容值C與動(dòng)極距x為線性關(guān)系。即當(dāng)極距的變化量相對(duì)初始極距值較小時(shí)，才有線性關(guān)系。這樣導(dǎo)致這種傳感器應(yīng)用在線性范圍的量程較小。變極距式電容傳感器的靈敏度K為：所以當(dāng)d0較小時(shí)，該類型傳感器靈敏度較高，動(dòng)極板的微小位移變化可產(chǎn)生較大的電容變化量。一般電容式傳感器的其實(shí)電容量在20~300nF之間，極板距離在25~200μm的范圍，最大位移應(yīng)小于極板間距的10%，所以電容傳感器經(jīng)常應(yīng)用于微小位移的測(cè)量。相反，當(dāng)d0過小時(shí)，電容器容易短路或被擊穿，所以，極板間可采用高介電常數(shù)的材料，例如云母、塑料膜等。4.1.2電容式傳感器的分類及其特性2、變面積式電容傳感器變面積式電容傳感器分為平板形、圓柱形及角位移式三種類型，分別如圖所示(1)平行板型變面積電容傳感器如圖4-3（a），動(dòng)極板移動(dòng)引起兩極板有效覆蓋面積A改變，使電容量發(fā)生變化。當(dāng)動(dòng)極板相對(duì)于定極板沿長度方向平移x時(shí)，電容量C也隨之變?yōu)椋涸黾訕O板長度b，減小極板間距d均可以提高傳感器的靈敏度。但是當(dāng)d太小時(shí)，容易發(fā)生短路。4.1.2電容式傳感器的分類及其特性(2)圓柱型變面積電容傳感器平板形結(jié)構(gòu)對(duì)極距變化特別敏感，對(duì)精度影響較大。但是圓柱形結(jié)構(gòu)受極板徑向變化的影響很小，成為實(shí)際中最常采用的結(jié)構(gòu)。圓柱形電容式傳感器如圖4-3(b)所示忽略邊緣效應(yīng)時(shí)，電容量C為：式中：l——外圓筒與內(nèi)圓柱覆蓋部分的長度；r2——圓筒內(nèi)半徑；r1——內(nèi)圓柱外半徑。當(dāng)兩圓筒相對(duì)移動(dòng)Δl時(shí)，電容變C為：4.1.2電容式傳感器的分類及其特性(3)角位移式電容傳感器如圖4-3（c），當(dāng)動(dòng)極板有一個(gè)角位移θ時(shí)，與定極板間的有效覆蓋面積就發(fā)生改變，從而改變了兩極板間的電容量。初始狀態(tài)，當(dāng)θ=0時(shí)，則初始電容為：當(dāng)動(dòng)極板轉(zhuǎn)動(dòng)角度θ時(shí)，電容值變?yōu)椋?/p>

4.1.2電容式傳感器的分類及其特性從以上分析可知,變面積電容傳感器在理論上均為線性關(guān)系,但實(shí)際上只在中間一小段是線性的（如圖4-5所示），與變極距型相比，靈敏度較低。多用于檢測(cè)直線位移、角位移、尺寸等參量。4.1.2電容式傳感器的分類及其特性3、變介電常數(shù)型電容式傳感器介質(zhì)的介電常數(shù)也是影響電容傳感器電容量的一個(gè)因素。由于各種介質(zhì)的介電常數(shù)不同，故在電容器兩極板間加以不同介電常數(shù)的介質(zhì)時(shí)，電容器的電容量會(huì)隨之發(fā)生變化。利用這種原理制成的傳感器在檢測(cè)容器中液面高度、片狀材料厚度等方面得到普遍應(yīng)用。介質(zhì)名稱相對(duì)介電常數(shù)介質(zhì)名稱相對(duì)介電常數(shù)介質(zhì)名稱相對(duì)介電常數(shù)真空1玻璃釉3-5聚苯乙烯2.4-2.6空氣略大于1二氧化硅38變壓器油2-4其他氣體1-1.2云母5-8環(huán)氧樹脂3-10硅油2-3.5干紙2-4高頻陶瓷10-160聚丙烯2-2.2干谷子3-5純凈水80聚四氟乙烯2壓電陶瓷1000-10000聚偏二氟乙烯3-54.1.2電容式傳感器的分類及其特性變介電常數(shù)電容式傳感器測(cè)量原理如下圖4-6所示，設(shè)被測(cè)介質(zhì)的介電常數(shù)為ε1，液面高度為h，變換器總高度為H，外筒內(nèi)徑為D，內(nèi)筒外徑為d，此時(shí)變換器電容值為：式中：ε——空氣介電常數(shù)；

C0——初始電容量。由式4-15可知，電容的變化量ΔC為：電容的變化量與被測(cè)液位的高度h成線性關(guān)系。4.1.2電容式傳感器的分類及其特性4、差動(dòng)電容傳感器在實(shí)際應(yīng)用中，為了提高靈敏度，減小非線性誤差，大都采用差動(dòng)式結(jié)構(gòu)。如圖4-7所示：其中圖(a)為變極距的差動(dòng)式電容器，中間的極板為動(dòng)極板，上下兩塊為定極板。當(dāng)動(dòng)極板向上移動(dòng)Δd距離后，上面的電容器極距減小為d0－Δd，相應(yīng)下面的電容器極距增大為C1和C2。電容C1和C2呈差動(dòng)變化，C1增大，C2減小。將C1和C2差接后，能使靈敏度提高一倍，外界的影響諸如溫度、激勵(lì)源電壓、頻率變化等也基本能相互抵消。圖(b)、圖(c)同理，請(qǐng)讀者自行分析。4.1.3電容傳感器的測(cè)量電路

電容傳感器輸出的電容變化量非常微小，很難精確的顯示、記錄及傳輸，電容傳感器的測(cè)量電路就是將微小的電容變化量轉(zhuǎn)換成與其正比的電壓、電流或者頻率信號(hào)，才能進(jìn)行精確的顯示、記錄和傳輸。

電容傳感器的測(cè)量電路很多，常見的有交流橋式電路、調(diào)頻電路、脈寬調(diào)制電路和運(yùn)算放大電路等。(1)單臂橋式電路。電路中，電容構(gòu)成電橋的四臂，C1、C2、C3、Cx為固定電容，Cx為電容式物位傳感器的轉(zhuǎn)換元件，由高頻電源經(jīng)變壓器接到電容橋的一個(gè)對(duì)角線上，另一個(gè)對(duì)角線上接有交流電壓表。跟電阻橋類似的是，交流電橋平衡時(shí)有：C1/C2=C3/Cx，電壓表電壓值UO為零。當(dāng)Cx改變時(shí)，UO不等0,電壓表有反應(yīng)電容變化的輸出電壓值.由于Cx值隨著被測(cè)物理量變化而變化，所以輸出電壓也就反映了被測(cè)物理量的變化值。(2)差動(dòng)橋式電路。如圖4-9所示，其中Cx1

、Cx2均可變化，其輸出電壓UO為：2、調(diào)頻測(cè)量電路振蕩器輸出的高頻電壓是一個(gè)電容Cx控制的調(diào)頻波，其頻率的變化在鑒頻器中轉(zhuǎn)換成電壓幅度變化的輸出。經(jīng)過放大器放大后，可用電壓表指示電容Cx的變化數(shù)值。這種轉(zhuǎn)換電路抗干擾能力強(qiáng)，能取得高電平直流信號(hào)，但振蕩頻率容易受到電纜電容的影響。3、脈沖寬度調(diào)制電路本電路的原理是將變化電容的大小轉(zhuǎn)換成脈沖的寬度（脈沖幅值不變）。如圖4-11所示，當(dāng)雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的Q端輸出為高電平時(shí)，A點(diǎn)通過R1對(duì)C1充電，F(xiàn)點(diǎn)電位逐漸升高。在Q端為高電平期間，Q端為低電平，電容C2通過低內(nèi)阻的二極管VD2迅速放電，G點(diǎn)電位被鉗制在低電平。當(dāng)F點(diǎn)電位升高超過參考電壓UR時(shí)，比較器A1產(chǎn)生一個(gè)“置零脈沖”，觸發(fā)雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，A點(diǎn)跳變?yōu)榈碗娢唬珺點(diǎn)跳變?yōu)楦唠娢?。此時(shí)C1經(jīng)二極管VD1迅速放電，F(xiàn)點(diǎn)被鉗制在低電平，而同時(shí)B點(diǎn)高電位經(jīng)R2向C2充電。當(dāng)G點(diǎn)電位超過UR時(shí)，比較器A2產(chǎn)生一個(gè)“置1脈沖”，使觸發(fā)器再次翻轉(zhuǎn)，A點(diǎn)恢復(fù)為高電位，B點(diǎn)恢復(fù)為低電位。如此周而復(fù)始，在雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的兩輸出端各自產(chǎn)生一個(gè)寬度受C1、C2調(diào)制的脈沖波形。當(dāng)C1>C2時(shí)，t1>t2，經(jīng)低通濾波器后，獲得的輸出電壓平均值Uo為正值。4、運(yùn)算式測(cè)量電路圖4-13所示是運(yùn)算式測(cè)量電路。根據(jù)集成運(yùn)算比例放大器的工作原理，當(dāng)放大器的開環(huán)增益和輸入阻抗足夠大時(shí)，輸出電壓與轉(zhuǎn)換元件的電容變化呈線性關(guān)系，即:從上式可以看出，如果傳感器是變極距電容傳感器，則放大器的輸出電壓與極板間距為線性關(guān)系。運(yùn)算放大器電路解決非差動(dòng)式電容傳感器的線性問題，但要求運(yùn)算放大器輸入阻抗和放大倍數(shù)足夠大。4.1.4電容傳感器應(yīng)用1、電容傳感器選用的基本原則由于被測(cè)介質(zhì)的不同，電容式物位傳感器有不同的形式。（1）測(cè)量非導(dǎo)電液體的電容物位傳感器，當(dāng)用于較稀的非導(dǎo)電液體（如輕油等）時(shí)，可采用一金屬電極，外部同軸套上一金屬管，相互絕緣固定，以被測(cè)介質(zhì)為中間絕緣物質(zhì)構(gòu)成同軸套筒形電容器；（2）測(cè)量導(dǎo)電液體的電容物位傳感器，容器（規(guī)則）和液體作為電容器的一個(gè)電極，插入的金屬電極作為另一電極，絕緣套管作為中間介質(zhì)，三者組成圓筒形電容器。當(dāng)容器為非導(dǎo)電體時(shí)，需另加一個(gè)接地極，其下端浸至被測(cè)容器底部，上端與安裝法蘭有可靠的導(dǎo)電連接，以使兩電極中有一個(gè)與大地及儀表地線相連，保證儀表正常測(cè)量；（3）當(dāng)測(cè)量粉狀非導(dǎo)電固體料位和粘滯性非導(dǎo)電液體液位時(shí)，可采用金屬電極直接插入圓筒形容器的中央，將儀表地線與容器相連，以容器作為外電極，料或液體作為絕緣介質(zhì)構(gòu)成圓筒形電容器。所以應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，即被測(cè)介質(zhì)的性質(zhì)（導(dǎo)電特性、粘滯性）、容器類型（規(guī)則/非規(guī)則金屬罐、規(guī)則/非規(guī)則非金屬罐），選擇合適的電容式物位傳感器。2、電容傳感器安裝注意事項(xiàng)安裝物位傳感器時(shí)應(yīng)注意選取合適的安裝點(diǎn)，避開下料口；注意信號(hào)線的屏蔽和接地,防止干擾。注意物料溫度、濕度、運(yùn)動(dòng)速度的變化以及物料粘掛容器壁和電極等因素的影響，引起電容介電常數(shù)的變化。3、電容傳感器的特點(diǎn)（1）電容式傳感器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于生產(chǎn)，精度高。電容式傳感器一般用金屬作電極，用無機(jī)材料作絕緣支承，因此在高低溫、強(qiáng)輻射及強(qiáng)磁場(chǎng)等惡劣的環(huán)境中工作時(shí)，它能承受很大的溫度變化，能承受高壓力、高沖擊、過載等，而且能測(cè)量超高壓。（2）由于傳感器極板間的靜電引力很小，需要的輸入能量小，所以特別適合用來解決輸入能量低的問題，如測(cè)量極小的力、壓力和微小的位移等，由于其靈敏度很高，所以分辨率非常高，能測(cè)量0.001μm甚至更小的位移。（3）電容式傳感器的可動(dòng)部分可以做得小而薄，質(zhì)量輕，因此固有頻率高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間短，能在幾兆赫的頻率下工作，非常適合用于動(dòng)態(tài)測(cè)量；也可以用較高頻率的電壓供電，因此系統(tǒng)工作頻率高，可用于測(cè)量高速變化的參數(shù)，如振動(dòng)等。（4）電容式傳感器的電容值一般與電極材料無關(guān)，故有利于選擇溫度系數(shù)低的材料，又由于傳感器本身發(fā)熱量極小，因此溫度穩(wěn)定性好。（5）電容式傳感器在測(cè)量回轉(zhuǎn)軸的振動(dòng)或偏心、小型滾珠軸承的徑向間隙等時(shí)，可以采用非接觸式測(cè)量方法，具有平均效應(yīng)，能夠減小工件表面粗糙度等對(duì)測(cè)量的影響。任務(wù)實(shí)施

1、傳感器的選型在自動(dòng)化生產(chǎn)的今天，各種液位傳感器數(shù)不勝數(shù)。在液位測(cè)量中如何選擇最佳的液位測(cè)量方式，是擺在每個(gè)設(shè)計(jì)人員面前的首要問題。那么，液位測(cè)量如何選擇最佳的測(cè)量方式呢？首先，必須對(duì)傳感器的應(yīng)用工況有較為清楚的了解。比如要了解被測(cè)液體屬性，其中包括狀態(tài)、顏色、腐蝕性、粘稠度、是否含雜質(zhì)，是否需要符合食品衛(wèi)生認(rèn)證等，根據(jù)這些具體的工況要求，選用合適的傳感器。比如：在日化用品乳霜的灌裝過程中，需要監(jiān)控儲(chǔ)液罐高、低液位。就需要先對(duì)乳霜的物理屬性有大致的了解：乳霜為流體狀態(tài)，較粘稠，顏色為半透明乳白色，非腐蝕性，無需食品衛(wèi)生認(rèn)證。本任務(wù)要測(cè)量的是汽油，一般為淡黃色的粘稠液體，容器（油箱）一般為異形、非標(biāo)準(zhǔn)的。其次，了解不同測(cè)量方式的優(yōu)缺點(diǎn)和其具有的功能。先清楚我們需要傳感器達(dá)到哪些功能、是屬于開關(guān)量輸出還是模擬量輸出，通常開關(guān)量/數(shù)字量輸出用于報(bào)警或者保護(hù)作用，例如灌裝時(shí)防溢報(bào)警、低液位防泵空轉(zhuǎn)保護(hù)等；模擬量輸出主要用于過程控制，包括灌裝容量、液位顯示、加料速度控制等。本任務(wù)需要模擬量輸出。最后，對(duì)擬選用的測(cè)量方式是否為與工況相匹配的最佳測(cè)量方式做最終評(píng)估。具體包括產(chǎn)品的安裝調(diào)試、應(yīng)用溫度、壓力范圍、價(jià)格等。根據(jù)以上分析，結(jié)合實(shí)際情況，我們選用CR-606電容式傳感器。傳感器如圖4-14所示。任務(wù)實(shí)施下面介紹型號(hào)CR-606系列電容液位計(jì)適用范圍及特點(diǎn)、主要技術(shù)參數(shù)、型號(hào)及說明等。CR-606系列電容式液位計(jì)的傳感部分是一個(gè)同軸的容器，當(dāng)油進(jìn)入容器后引起傳感器殼體和感應(yīng)電極

之間電容量的變化，這個(gè)變化量通過電路的轉(zhuǎn)換并進(jìn)行精確的線性和溫度補(bǔ)償，輸出4~20mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)供給顯示儀表。產(chǎn)品核心部件采用先進(jìn)的射頻電容檢測(cè)電路經(jīng)過16位單片機(jī)經(jīng)過精確的溫度補(bǔ)償和線性修正，轉(zhuǎn)化成標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)（4~20mA）?？蛇xHART、CANBUS、485通訊協(xié)議進(jìn)行系統(tǒng)組態(tài)。全系列變送器都具有自校準(zhǔn)功能，用戶可通過按鍵或引線進(jìn)行“零點(diǎn)”、“量程”自動(dòng)校準(zhǔn)，以適應(yīng)各種復(fù)雜場(chǎng)所的不同要求。

CR-606是為鐵路機(jī)車、汽車油箱、油罐車、油庫等油位的精確測(cè)量而量身定做的專門儀表，整機(jī)無任何可動(dòng)或彈性部件，耐沖擊、安裝方便、可靠性高、精度高、性能價(jià)格比好?？砂惭b在各種場(chǎng)合對(duì)汽油、柴油、液壓油等油位進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)控，也適用于各種非導(dǎo)電液體的測(cè)量。在現(xiàn)場(chǎng)條件特別惡劣，電磁干擾特別嚴(yán)重、攪拌特別厲害情況下測(cè)量導(dǎo)電介質(zhì)也可以采用此類產(chǎn)品。

任務(wù)實(shí)施CR-606系列電容油位傳感器的傳感部分是一個(gè)同軸的容器，油進(jìn)入容器后導(dǎo)致傳感器殼體與感應(yīng)電極之間電容量的變化，通過測(cè)量轉(zhuǎn)換電路后得到標(biāo)準(zhǔn)輸出信號(hào)進(jìn)行顯示。圖4-15為測(cè)量電路原理，當(dāng)油箱中無油時(shí)，電容傳感器的電容Cx

0為最小值。此時(shí)應(yīng)使電橋輸出為零。油量表調(diào)零過程如下：首先斷開減速箱與RP的機(jī)械連接，將RP人為地調(diào)到零，即：電位器RP的滑動(dòng)臂位于0點(diǎn)。此時(shí)R3=R4。再調(diào)節(jié)半可變電容C0，使C0=Cx

0，此時(shí)，電橋滿足：任務(wù)實(shí)施當(dāng)油箱中注入油，液位上升至h處，Cx=Cx0+ΔCx，ΔCx與h成正比。此時(shí)電橋失去平衡，電橋的輸出電壓Ubdo經(jīng)放大后驅(qū)動(dòng)伺服電動(dòng)機(jī)，再由減速箱減速后，帶動(dòng)指針順時(shí)針偏轉(zhuǎn)，同時(shí)帶動(dòng)RP的滑動(dòng)臂向c點(diǎn)移動(dòng)，從而使RP的阻值增大，Rcd

=R3+RRP也隨之增大。當(dāng)RP阻值達(dá)到一定值時(shí)，(Cx0+ΔCx)/C0=(R3+RRP)/R4，電橋又達(dá)到新的平衡狀態(tài)，Ubdo再次等于零，于是伺服電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)，指針停留在轉(zhuǎn)角為θmax處。

當(dāng)油位降低時(shí)，伺服電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，指針逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)，同時(shí)帶動(dòng)RP的滑動(dòng)臂移動(dòng),使RP阻值減小。當(dāng)RP阻值達(dá)到某一數(shù)值時(shí),電橋又達(dá)到新的平衡狀態(tài)，Uo=0，于是伺服電動(dòng)機(jī)再次停轉(zhuǎn),指針停留在與該液位相對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)角θ處。該裝置采用了閉環(huán)零位式測(cè)量方法。任務(wù)實(shí)施如圖4-16所示為油量表改造原理圖，由于傳感器已考慮到現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜的需求環(huán)境，是參考原車傳感器的功能、外觀、安裝方式的產(chǎn)品。所以在使用時(shí)可直接替換掉原車傳感器，無需打孔，不破壞原車線路。配套使用的調(diào)制解調(diào)器支持多種輸出信息，不但可以驅(qū)動(dòng)原車儀表，還可以將數(shù)字信息實(shí)時(shí)傳輸至衛(wèi)星定位車載終端等設(shè)備。任務(wù)實(shí)施4、傳感器的安裝及注意事項(xiàng)（1）安裝前檢查附件：法蘭、橡膠墊、O型圈、螺絲等是否齊備。（2）將O型圈套在傳感器根部。（3）將橡膠墊的兩面涂抹上耐油密封膠，然后和法蘭盤與油箱法蘭對(duì)好孔位，并用螺絲固定好，擰緊時(shí)應(yīng)對(duì)稱輪流加力，以保證各方向受力均勻，避免漏油。（4）將傳感器插入用扳手?jǐn)Q緊完成傳感器的安裝。（5）接好電源和通訊線，檢查線路。（6）傳感器的安裝位置應(yīng)盡量靠近油箱中心，從而減小汽車在上下坡時(shí)造成的油面傾斜寄油面波動(dòng)對(duì)其的影響。（7）由于車上環(huán)境惡劣，供電應(yīng)采用隔離電源供電。信號(hào)傳輸線纜采用屏蔽線纜。（8）校準(zhǔn)流程：在通電情況下將傳感器緩慢放入被測(cè)介質(zhì)中。使也為從傳感器的下空出開始緩慢上升超過傳感器測(cè)量部分的三分之一處，傳感器的上孔處于較好校準(zhǔn)位置，則完成校準(zhǔn)。為防止校準(zhǔn)失敗，此過程應(yīng)操作兩次以上。知識(shí)拓展1、電容濕度傳感器變介電常數(shù)式電容傳感器當(dāng)介質(zhì)厚度δ保持不變、而相對(duì)介電常數(shù)εr改變時(shí)，該電容器可作為相對(duì)介電常數(shù)εr的測(cè)試儀器。又如，當(dāng)空氣濕度變化，介質(zhì)吸入潮氣（εr水=80）時(shí)，電容將發(fā)生較大的變化。因此該電容器又可作為空氣相對(duì)濕度傳感器。反之，若εr不變，則可作為檢測(cè)介質(zhì)厚度的傳感器。知識(shí)拓展2、電容