bP第四章電感電容壓電傳感器ljppt課件

1、第四章第四章 常用傳感器原理及應(yīng)用常用傳感器原理及應(yīng)用 電感式傳感器是基于電磁感應(yīng)原理，把被測(cè)量轉(zhuǎn)化電感式傳感器是基于電磁感應(yīng)原理，把被測(cè)量轉(zhuǎn)化為電感量的一種裝置。為電感量的一種裝置。電感式傳感器電感式傳感器分類(lèi)分類(lèi)第二節(jié)第二節(jié) 電感式傳感器電感式傳感器 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高（能測(cè)靈敏度高（能測(cè)0.1mm的位移）、線性較好的位移）、線性較好（非線性誤差（非線性誤差0.1%）、輸出功率大等。）、輸出功率大等。缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：頻率響應(yīng)較低；測(cè)量范圍越大，分辨率越低頻率響應(yīng)較低；測(cè)量范圍越大，分辨率越低自感式自感式互感式互感式可變磁阻式可變磁阻式渦流式渦流式第四章第四章 常用傳感器原理及應(yīng)用常用傳感器原

2、理及應(yīng)用一一、 自感式傳感器自感式傳感器1 1、變氣隙式、變氣隙式 變氣隙式自感傳感器由線圈、鐵心和變氣隙式自感傳感器由線圈、鐵心和銜鐵三部分組成。線圈繞在鐵心上銜鐵三部分組成。線圈繞在鐵心上,銜鐵銜鐵和鐵心間有一氣隙和鐵心間有一氣隙。線圈線圈鐵芯鐵芯銜鐵銜鐵分分變氣隙式變氣隙式、變面積式變面積式、螺旋管式螺旋管式三類(lèi)三類(lèi) 見(jiàn)圖見(jiàn)圖4-44-4線圈線圈自感量自感量L為：為：mRNL2線圈匝數(shù)線圈匝數(shù)磁路總磁阻磁路總磁阻(4-14)第四章第四章 常用傳感器原理及應(yīng)用常用傳感器原理及應(yīng)用 由于由于很小，可認(rèn)為氣隙磁場(chǎng)是均勻很小，可認(rèn)為氣隙磁場(chǎng)是均勻的，的，若忽略磁路的鐵損，則總磁阻為若忽略磁路的鐵

3、損，則總磁阻為線圈線圈鐵芯鐵芯銜鐵銜鐵線圈線圈自感量自感量L為：為：mRNL2線圈匝數(shù)線圈匝數(shù)磁路總磁阻磁路總磁阻(4-14)002AAlRm鐵芯導(dǎo)磁長(zhǎng)度鐵芯導(dǎo)磁長(zhǎng)度鐵芯磁導(dǎo)率鐵芯磁導(dǎo)率鐵芯截面積鐵芯截面積空氣磁導(dǎo)率空氣磁導(dǎo)率氣隙長(zhǎng)度氣隙長(zhǎng)度氣隙截面積氣隙截面積(4-15)亨亨/米米70104第四章第四章 常用傳感器原理及應(yīng)用常用傳感器原理及應(yīng)用這種傳感器適用于較小這種傳感器適用于較小位移的測(cè)量，測(cè)量范圍位移的測(cè)量，測(cè)量范圍約在約在0.0011mm左右。左右。002AAlRm002ARm由于鐵心磁阻與氣隙相比要小得多，可以忽略由于鐵心磁阻與氣隙相比要小得多，可以忽略2002ANL dANdL2

4、0022 傳感器傳感器靈敏度：靈敏度：20022ANK(4-16)(4-17)第四章第四章 常用傳感器原理及應(yīng)用常用傳感器原理及應(yīng)用2 2 、變面積式、變面積式3 、螺管式、螺管式 特點(diǎn)：特點(diǎn)：靈敏度比變氣隙型的低，但其靈靈敏度比變氣隙型的低，但其靈敏度為一常數(shù)，因而線性度較好，量程范敏度為一常數(shù)，因而線性度較好，量程范圍可取大些，自由行程可按需要安排，制圍可取大些，自由行程可按需要安排，制造裝配也較方便，因而應(yīng)用較為廣泛。造裝配也較方便，因而應(yīng)用較為廣泛。鐵芯鐵芯線圈線圈銜鐵銜鐵 原理：原理：氣隙長(zhǎng)度不變，鐵心與銜鐵之間氣隙長(zhǎng)度不變，鐵心與銜鐵之間相對(duì)而言覆蓋面積隨被測(cè)量的變化而改，相對(duì)而言

5、覆蓋面積隨被測(cè)量的變化而改，導(dǎo)致線圈的電感量發(fā)生變化，導(dǎo)致線圈的電感量發(fā)生變化，鐵芯鐵芯線圈線圈 原理：原理：銜鐵隨被測(cè)對(duì)象移動(dòng)，線圈銜鐵隨被測(cè)對(duì)象移動(dòng)，線圈磁力線路徑上的磁阻發(fā)生變化，線圈磁力線路徑上的磁阻發(fā)生變化，線圈電感量也因此而變化。電感量也因此而變化。 特點(diǎn)：特點(diǎn)：靈敏度更低，但測(cè)量范圍大，線靈敏度更低，但測(cè)量范圍大，線性也較好，同時(shí)還具備自由行程可任意安性也較好，同時(shí)還具備自由行程可任意安排，制造裝配方便等，其應(yīng)用比較廣泛。排，制造裝配方便等，其應(yīng)用比較廣泛。第四章第四章 常用傳感器原理及應(yīng)用常用傳感器原理及應(yīng)用 以上三種類(lèi)型的自感式傳感器在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，一般由以上三種類(lèi)型的自感式傳

6、感器在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，一般由兩單一兩單一結(jié)構(gòu)對(duì)稱組合，構(gòu)成差動(dòng)式自感傳感器結(jié)構(gòu)對(duì)稱組合，構(gòu)成差動(dòng)式自感傳感器。采用差動(dòng)式結(jié)構(gòu)除了。采用差動(dòng)式結(jié)構(gòu)除了可以改善非線性，提高靈敏度外，對(duì)電源電壓及溫度變化等外可以改善非線性，提高靈敏度外，對(duì)電源電壓及溫度變化等外界影響也有補(bǔ)償作用，從而提高了傳感器的穩(wěn)定性。界影響也有補(bǔ)償作用，從而提高了傳感器的穩(wěn)定性。 差動(dòng)式電感傳感器差動(dòng)式電感傳感器 (a) 變間隙型變間隙型 (b) 變面積型變面積型 (c) 螺管型螺管型 1線圈線圈 2 鐵芯鐵芯 3 銜鐵銜鐵 4 到桿到桿(a)(a)(b)(b)(c)(c)第四章第四章 常用傳感器原理及應(yīng)用常用傳感器原理及應(yīng)用二、

7、差動(dòng)變壓器式傳感器二、差動(dòng)變壓器式傳感器 差動(dòng)變壓器式傳感器差動(dòng)變壓器式傳感器是把被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換成互感系數(shù)是把被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換成互感系數(shù) M 的的變化變化。傳感器本身是互感系數(shù)可變的變壓器傳感器本身是互感系數(shù)可變的變壓器。因?yàn)樗腔诨ジ?。因?yàn)樗腔诨ジ凶兓脑?，故也稱為變化的原理，故也稱為互感式互感式傳感器。傳感器。EwEoutEW1EW2WW1W2Esx-x輸出電壓輸出電壓Eout=EW1-EW2，當(dāng)鐵芯在中，當(dāng)鐵芯在中央位置時(shí)，央位置時(shí)，EW1=EW2 。第四章第四章 常用傳感器原理及應(yīng)用常用傳感器原理及應(yīng)用單螺管線圈型單螺管線圈型螺管線圈差動(dòng)螺管線圈差動(dòng)雙螺管線圈差動(dòng)型雙螺管線圈

8、差動(dòng)型傳感器測(cè)量電路傳感器測(cè)量電路第四章第四章 常用傳感器原理及應(yīng)用常用傳感器原理及應(yīng)用差動(dòng)變壓器位移傳感器差動(dòng)變壓器位移傳感器第四章第四章 常用傳感器原理及應(yīng)用常用傳感器原理及應(yīng)用案例：案例：板的厚度測(cè)量板的厚度測(cè)量 第四章第四章 常用傳感器原理及應(yīng)用常用傳感器原理及應(yīng)用案例：案例：張力測(cè)量張力測(cè)量第四章第四章 常用傳感器原理及應(yīng)用常用傳感器原理及應(yīng)用三、電渦流式傳感器三、電渦流式傳感器原理原理: :將金屬導(dǎo)體置于變化的磁場(chǎng)中，導(dǎo)體內(nèi)就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電，將金屬導(dǎo)體置于變化的磁場(chǎng)中，導(dǎo)體內(nèi)就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電，這種電流的流線在導(dǎo)體內(nèi)自行閉合，稱為這種電流的流線在導(dǎo)體內(nèi)自行閉合，稱為電渦流效應(yīng)電渦流效應(yīng)。

9、高頻交高頻交變電流變電流線圈線圈交變磁交變磁通通電渦流電渦流交變磁交變磁通通1使原線圈的等效阻抗使原線圈的等效阻抗 Z 發(fā)生變化發(fā)生變化第四章第四章 常用傳感器原理及應(yīng)用常用傳感器原理及應(yīng)用原線圈的等效阻抗原線圈的等效阻抗Z變化：變化：),(ZZ 金屬板的金屬板的電阻率電阻率金屬板的金屬板的磁導(dǎo)率磁導(dǎo)率線圈與金屬線圈與金屬板的距離板的距離線圈激勵(lì)線圈激勵(lì)角頻率角頻率第四章第四章 常用傳感器原理及應(yīng)用常用傳感器原理及應(yīng)用第四章第四章 常用傳感器原理及應(yīng)用常用傳感器原理及應(yīng)用案例：無(wú)損探傷案例：無(wú)損探傷原理裂紋檢測(cè)，缺陷造成渦流變化?；疖?chē)輪檢測(cè)火車(chē)輪檢測(cè)油管檢測(cè)油管檢測(cè)第四章第四章 常用傳感器原理

10、及應(yīng)用常用傳感器原理及應(yīng)用第三節(jié)第三節(jié) 電容式傳感器電容式傳感器 原理：將被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)化為電容量變化。原理：將被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)化為電容量變化。兩平行極板組成的電容兩平行極板組成的電容器器, ,它的電容量為它的電容量為: :AC +A 介電常數(shù)介電常數(shù)兩 極 板 相兩 極 板 相互 覆 蓋 的互 覆 蓋 的面積面積極板間的距離極板間的距離極距變化型極距變化型 面積變化型面積變化型 介電常數(shù)變化型介電常數(shù)變化型 電容式傳感器的三電容式傳感器的三種類(lèi)型：種類(lèi)型：(4-18) r 相對(duì)介電常數(shù)相對(duì)介電常數(shù) ，空氣的空氣的相對(duì)介電常數(shù)相對(duì)介電常數(shù) r=1真空的介電常數(shù)真空的介電常數(shù) 0=8.8510-1

11、2 F/m介電常數(shù)介電常數(shù) = r 0 第四章第四章 常用傳感器原理及應(yīng)用常用傳感器原理及應(yīng)用相對(duì)介電常數(shù)相對(duì)介電常數(shù) 第四章第四章 常用傳感器原理及應(yīng)用常用傳感器原理及應(yīng)用1.1.極距變化型極距變化型+21AddCK靈敏度靈敏度(4-19)第四章第四章 常用傳感器原理及應(yīng)用常用傳感器原理及應(yīng)用駐極體電容傳聲器駐極體電容傳聲器 它采用聚四氟乙烯材料作為振動(dòng)膜片。這種材它采用聚四氟乙烯材料作為振動(dòng)膜片。這種材料經(jīng)特殊電處理后，料經(jīng)特殊電處理后，表面永久地駐有極化電荷表面永久地駐有極化電荷，取，取代了電容傳聲器極板，故名為駐極體電容傳聲器。代了電容傳聲器極板，故名為駐極體電容傳聲器。特點(diǎn)是體積小、

12、性能優(yōu)越、使用方便。特點(diǎn)是體積小、性能優(yōu)越、使用方便。 最大的最大的應(yīng)小于極板間距應(yīng)小于極板間距的的1/51/10。因此極距變化型電。因此極距變化型電容傳感器的量程范圍在容傳感器的量程范圍在0.01um數(shù)百數(shù)百u(mài)m。為了提高靈敏度和。為了提高靈敏度和改善非線性，在實(shí)際應(yīng)用中常常采用差動(dòng)的形式。靈敏度可改善非線性，在實(shí)際應(yīng)用中常常采用差動(dòng)的形式。靈敏度可提高一倍。提高一倍。第四章第四章 常用傳感器原理及應(yīng)用常用傳感器原理及應(yīng)用2.2.面積變化型面積變化型 在面積變化型傳感器中，常用的有直線位移型和角位在面積變化型傳感器中，常用的有直線位移型和角位移型兩種。圖為直線位移型。當(dāng)動(dòng)極板沿移型兩種。圖為

13、直線位移型。當(dāng)動(dòng)極板沿x方向移動(dòng)方向移動(dòng)時(shí)，動(dòng)、靜極板覆蓋面積發(fā)生變化，電容量也隨之變時(shí)，動(dòng)、靜極板覆蓋面積發(fā)生變化，電容量也隨之變化?；?。xbbxC 其電容量其電容量bdxdCK靈敏度靈敏度= =常數(shù)常數(shù)(4-20)輸入與輸出成線性關(guān)系輸入與輸出成線性關(guān)系(4-21)第四章第四章 常用傳感器原理及應(yīng)用常用傳感器原理及應(yīng)用+角位移型角位移型r r(a) 平面線位移型平面線位移型 (c) 圓柱體線位移型圓柱體線位移型 (b) 角位移型角位移型 第四章第四章 常用傳感器原理及應(yīng)用常用傳感器原理及應(yīng)用角位移型角位移型+2222rrA覆蓋面積覆蓋面積(4-22)+r r所以，所以，電容量電容量22rC

14、 靈敏度靈敏度 22rddCK=常數(shù)常數(shù)(4-23)(4-24)第四章第四章 常用傳感器原理及應(yīng)用常用傳感器原理及應(yīng)用 面積變化型線性度好，但靈敏度低，故適用于較大面積變化型線性度好，但靈敏度低，故適用于較大位移的測(cè)量。位移的測(cè)量。柱面線位移型柱面線位移型. .)/ln(2)/ln(2dDxrRxC電容量電容量靈敏度靈敏度 =常數(shù)常數(shù))/ln(2rRdxdCK第四章第四章 常用傳感器原理及應(yīng)用常用傳感器原理及應(yīng)用3. 3. 介電常數(shù)變化型介電常數(shù)變化型這種類(lèi)型的傳感器可用來(lái)測(cè)量液體的液位和材料的厚度等。這種類(lèi)型的傳感器可用來(lái)測(cè)量液體的液位和材料的厚度等。第四章第四章 常用傳感器原理及應(yīng)用常用傳

15、感器原理及應(yīng)用兩圓筒間為空氣介質(zhì)的電容為：兩圓筒間為空氣介質(zhì)的電容為：)ln(21rRLC空氣的介電常數(shù)空氣的介電常數(shù)電極長(zhǎng)度電極長(zhǎng)度內(nèi)電極外半徑內(nèi)電極外半徑外電極內(nèi)半徑外電極內(nèi)半徑如果電極的一部分被非導(dǎo)電性液體如果電極的一部分被非導(dǎo)電性液體所浸沒(méi)時(shí)，則會(huì)有電容量的增量所浸沒(méi)時(shí)，則會(huì)有電容量的增量C C產(chǎn)生產(chǎn)生)ln()(212rRlC液體的介電常數(shù)液體的介電常數(shù)液體浸沒(méi)長(zhǎng)度液體浸沒(méi)長(zhǎng)度lC 圖4-10液位測(cè)量示意圖真空的介電常數(shù)真空的介電常數(shù) 0=8.8510-12 F/m介電常數(shù)介電常數(shù) 2 = r2 0 (4-25)(4-26)第四章第四章 常用傳感器原理及應(yīng)用常用傳感器原理及應(yīng)用 如果

16、如果被測(cè)介質(zhì)為導(dǎo)電性液體被測(cè)介質(zhì)為導(dǎo)電性液體，內(nèi)電極要用絕緣物（如聚乙烯），內(nèi)電極要用絕緣物（如聚乙烯）覆蓋作為中間介質(zhì)，而液體和外圓筒一起作為外電極。此時(shí)兩覆蓋作為中間介質(zhì)，而液體和外圓筒一起作為外電極。此時(shí)兩極間的電容量為：極間的電容量為：)ln(23rRlC中間介質(zhì)的介電常數(shù)中間介質(zhì)的介電常數(shù)絕緣覆蓋層外半徑絕緣覆蓋層外半徑液體浸沒(méi)長(zhǎng)度，即電極長(zhǎng)度液體浸沒(méi)長(zhǎng)度，即電極長(zhǎng)度 電容傳感器的轉(zhuǎn)換電路主要有：電容傳感器的轉(zhuǎn)換電路主要有：電橋型電路，諧振電路，調(diào)電橋型電路，諧振電路，調(diào)頻電路，運(yùn)算放大器電路頻電路，運(yùn)算放大器電路等。等。 電容傳感器的優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好等電容傳感器

17、的優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好等 影響測(cè)量精度的主要因素：電路寄生電容、電纜電容和溫度、影響測(cè)量精度的主要因素：電路寄生電容、電纜電容和溫度、濕度等外界干擾。以往減小這些干擾的措施成本很高，但隨著濕度等外界干擾。以往減小這些干擾的措施成本很高，但隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展和工藝的進(jìn)步，已使上述因素的影響大為集成電路技術(shù)的發(fā)展和工藝的進(jìn)步，已使上述因素的影響大為減小，為減小，為電容傳感器的應(yīng)用開(kāi)辟了廣闊的前景。電容傳感器的應(yīng)用開(kāi)辟了廣闊的前景。第四章第四章 常用傳感器原理及應(yīng)用常用傳感器原理及應(yīng)用產(chǎn)品產(chǎn)品. .電容式液位傳感器（液位計(jì)電容式液位傳感器（液位計(jì)/ /料位計(jì)）料位計(jì)）第四章第四章

18、 常用傳感器原理及應(yīng)用常用傳感器原理及應(yīng)用電容式接近開(kāi)關(guān)電容式接近開(kāi)關(guān)振蕩電路振蕩電路被測(cè)物體被測(cè)物體感應(yīng)電極感應(yīng)電極被測(cè)電容被測(cè)電容測(cè)量頭構(gòu)成電容器的一個(gè)極板，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)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)測(cè)量頭相連的電路狀態(tài)也隨之發(fā)生變化生變化. .接近開(kāi)關(guān)的檢測(cè)物體，接近開(kāi)關(guān)的檢測(cè)物體，并不限于金屬導(dǎo)體，也可以是絕并不限于金屬導(dǎo)體，也可以是絕緣的液體或粉狀物體。緣的液體或粉狀物體。第四章第四章 常用傳感器原理及應(yīng)

19、用常用傳感器原理及應(yīng)用第四章第四章 常用傳感器原理及應(yīng)用常用傳感器原理及應(yīng)用第四節(jié)第四節(jié) 壓電式傳感器壓電式傳感器一一、壓電效應(yīng)壓電效應(yīng) 某些材料（如石英），當(dāng)沿著一定方向受到外力作某些材料（如石英），當(dāng)沿著一定方向受到外力作用時(shí)，不僅產(chǎn)生機(jī)械變形，而且內(nèi)部會(huì)被極化，表面產(chǎn)用時(shí)，不僅產(chǎn)生機(jī)械變形，而且內(nèi)部會(huì)被極化，表面產(chǎn)生電荷；當(dāng)外力去掉時(shí)，又重新回到原來(lái)的狀態(tài)，這種生電荷；當(dāng)外力去掉時(shí)，又重新回到原來(lái)的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)。 相反，在這些材料的某些方向上施加電場(chǎng)，它會(huì)產(chǎn)相反，在這些材料的某些方向上施加電場(chǎng)，它會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形，當(dāng)去掉外加電場(chǎng)后，變形隨之消失，這種生機(jī)械變形

20、，當(dāng)去掉外加電場(chǎng)后，變形隨之消失，這種現(xiàn)象稱為現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)或或電致伸縮效應(yīng)電致伸縮效應(yīng)。二、二、 壓電材料及其特性壓電材料及其特性 常用的壓電材料大致有三類(lèi)：常用的壓電材料大致有三類(lèi)：壓電單晶壓電單晶、壓電陶瓷壓電陶瓷和和新型壓電材料新型壓電材料。壓力壓力 壓電材料壓電材料 產(chǎn)生電荷產(chǎn)生電荷 第四章第四章 常用傳感器原理及應(yīng)用常用傳感器原理及應(yīng)用 1、 壓電單晶壓電單晶 壓電單晶為單晶體，各壓電單晶為單晶體，各向異性。主要有向異性。主要有石英石英（Si02）、鈮酸鋰鈮酸鋰（LiNb03）等）等 石英晶體有天然與人工石英晶體有天然與人工之分，是壓電單晶體中最之分，是壓電單晶體中最

21、具代表性的。石英晶體呈具代表性的。石英晶體呈六角棱柱體。有六角棱柱體。有光軸光軸（中中性軸性軸） 、電軸電軸和和機(jī)械軸機(jī)械軸。 光軸光軸z縱軸線，沿該軸方向縱軸線，沿該軸方向無(wú)壓電效應(yīng)。無(wú)壓電效應(yīng)。光軸光軸 電軸電軸x通過(guò)六角棱柱的棱而通過(guò)六角棱柱的棱而垂直于光軸的軸。在垂直于此軸垂直于光軸的軸。在垂直于此軸的平面上壓電效應(yīng)最強(qiáng)。的平面上壓電效應(yīng)最強(qiáng)。電軸電軸 機(jī)械軸機(jī)械軸y垂直于棱面的垂直于棱面的y軸軸，在電場(chǎng)作用下，沿該軸的機(jī)械，在電場(chǎng)作用下，沿該軸的機(jī)械變形最明顯。變形最明顯。機(jī)械軸機(jī)械軸 第四章第四章 常用傳感器原理及應(yīng)用常用傳感器原理及應(yīng)用zxyFxFx+-zxyFyFy + -zx

22、yFyFy - + 縱向壓電效應(yīng)縱向壓電效應(yīng)沿沿x軸受力產(chǎn)生的壓電效應(yīng)；軸受力產(chǎn)生的壓電效應(yīng)；橫向壓電效應(yīng)橫向壓電效應(yīng)沿沿y軸軸受力產(chǎn)生的壓電效應(yīng)；受力產(chǎn)生的壓電效應(yīng)；切向壓電效應(yīng)切向壓電效應(yīng)沿切向受力產(chǎn)生的壓電效應(yīng)沿切向受力產(chǎn)生的壓電效應(yīng) 從晶體上沿各軸線切下一片平行六面體切片，當(dāng)受到力的作用時(shí)，其從晶體上沿各軸線切下一片平行六面體切片，當(dāng)受到力的作用時(shí)，其電荷分布在垂直于電荷分布在垂直于x x軸的平面上。軸的平面上。第四章第四章 常用傳感器原理及應(yīng)用常用傳感器原理及應(yīng)用 由縱向壓電效應(yīng)產(chǎn)生的電荷量由縱向壓電效應(yīng)產(chǎn)生的電荷量q為：為：Fdq11作用力作用力縱向壓電常數(shù)縱向壓電常數(shù) 石英晶體：

23、石英晶體：壓電常數(shù)比較低，壓電常數(shù)比較低，d11=2.3110-12C/N 良好的機(jī)械強(qiáng)度和時(shí)間及溫度穩(wěn)定性。良好的機(jī)械強(qiáng)度和時(shí)間及溫度穩(wěn)定性。 適用于精確度和穩(wěn)定度要求特別高的場(chǎng)合。適用于精確度和穩(wěn)定度要求特別高的場(chǎng)合。鈮酸鋰晶體：鈮酸鋰晶體：是人工拉制晶體。居里點(diǎn)高（是人工拉制晶體。居里點(diǎn)高（12000C)，適用于做，適用于做高溫傳感器；缺點(diǎn)：質(zhì)地脆，抗沖擊性差，價(jià)格較貴高溫傳感器；缺點(diǎn)：質(zhì)地脆，抗沖擊性差，價(jià)格較貴 2、 壓電陶瓷壓電陶瓷 壓電陶瓷壓電陶瓷是一種經(jīng)極化處理后的人工多晶體。如是一種經(jīng)極化處理后的人工多晶體。如鈦酸鋇鈦酸鋇、 鋯鈦酸鋇。鋯鈦酸鋇。 壓電陶瓷特點(diǎn)：壓電陶瓷特點(diǎn)：

24、壓電系數(shù)大，靈敏度高，價(jià)格低廉，居里點(diǎn)較低壓電系數(shù)大，靈敏度高，價(jià)格低廉，居里點(diǎn)較低第四章第四章 常用傳感器原理及應(yīng)用常用傳感器原理及應(yīng)用 3、新型新型壓電材料壓電材料 （1）有機(jī)壓電薄膜）有機(jī)壓電薄膜 某些合成高分子聚合物，經(jīng)延展拉伸和電場(chǎng)極化后形成具有壓某些合成高分子聚合物，經(jīng)延展拉伸和電場(chǎng)極化后形成具有壓電特性的薄膜。電特性的薄膜。 如聚偏氟乙烯（如聚偏氟乙烯（PVF2)、聚氟乙烯（、聚氟乙烯（PVF)等。等。 特點(diǎn)：柔軟，不易破碎，面積大等?？芍瞥纱竺娣e陣列傳感器特點(diǎn)：柔軟，不易破碎，面積大等。可制成大面積陣列傳感器和機(jī)器人觸覺(jué)傳感器。和機(jī)器人觸覺(jué)傳感器。 （2）壓電半導(dǎo)體）壓電半導(dǎo)體

25、 有些材料，如硫化鋅（有些材料，如硫化鋅（ZnS)、氧化鋅（、氧化鋅（ZnO)、硫化鈣、硫化鈣(CaS)、砷化鎵（砷化鎵（GaAs)等，等，既具有半導(dǎo)體特性，又有壓電特性既具有半導(dǎo)體特性，又有壓電特性。因此，。因此，既可利用壓電性能制作敏感器件，又可利用半導(dǎo)體特性制成電既可利用壓電性能制作敏感器件，又可利用半導(dǎo)體特性制成電路器件，研制成新型集成壓電傳感器。路器件，研制成新型集成壓電傳感器。第四章第四章 常用傳感器原理及應(yīng)用常用傳感器原理及應(yīng)用 三、等效電路三、等效電路蒸鍍金屬蒸鍍金屬形成電極形成電極晶片兩表面相當(dāng)于電晶片兩表面相當(dāng)于電容器的兩個(gè)極板容器的兩個(gè)極板F + + + + + + +

26、+ - - - - - - - 兩極板之間的壓電材兩極板之間的壓電材料等效于電介質(zhì)料等效于電介質(zhì)因此，壓電晶片相當(dāng)于一只平行極板電容器，其電容量為因此，壓電晶片相當(dāng)于一只平行極板電容器，其電容量為ACa極板面積極板面積壓電材料的介電常數(shù)壓電材料的介電常數(shù)壓電晶片的厚度壓電晶片的厚度壓電元件可等效為一個(gè)具有一定電容的電荷源。電容器上的開(kāi)壓電元件可等效為一個(gè)具有一定電容的電荷源。電容器上的開(kāi)路電壓路電壓U0為為aCqU 0壓電元件上所產(chǎn)生的電荷量壓電元件上所產(chǎn)生的電荷量第四章第四章 常用傳感器原理及應(yīng)用常用傳感器原理及應(yīng)用+并聯(lián)：適于測(cè)緩并聯(lián)：適于測(cè)緩變信號(hào)和以電荷變信號(hào)和以電荷為輸出量的場(chǎng)合為輸

27、出量的場(chǎng)合+ 當(dāng)壓電式傳感器接入測(cè)量電路，連接電纜的寄生電容形成當(dāng)壓電式傳感器接入測(cè)量電路，連接電纜的寄生電容形成傳感器的并聯(lián)寄生電容傳感器的并聯(lián)寄生電容Cc，傳感器中的漏電阻和后繼電路的輸，傳感器中的漏電阻和后繼電路的輸入阻抗形成泄漏電阻入阻抗形成泄漏電阻R0，等效電路為：，等效電路為：R0CcqCa 由于后繼電路的輸入阻抗不可能為無(wú)窮大，而且壓電元件由于后繼電路的輸入阻抗不可能為無(wú)窮大，而且壓電元件本身也存在漏電阻，極板上的電荷由于放電而無(wú)法保持不變，本身也存在漏電阻，極板上的電荷由于放電而無(wú)法保持不變，從而造成測(cè)量誤差。因此，從而造成測(cè)量誤差。因此，不宜利用壓電式傳感器測(cè)量靜態(tài)或不宜利用

28、壓電式傳感器測(cè)量靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)信號(hào)，而適宜做動(dòng)態(tài)測(cè)量準(zhǔn)靜態(tài)信號(hào)，而適宜做動(dòng)態(tài)測(cè)量。 壓電晶片有方形、圓形、圓環(huán)形等各種，而且往往是兩片壓電晶片有方形、圓形、圓環(huán)形等各種，而且往往是兩片或多片進(jìn)行串聯(lián)或并聯(lián)?；蚨嗥M(jìn)行串聯(lián)或并聯(lián)。串聯(lián)：適于測(cè)高串聯(lián)：適于測(cè)高頻信號(hào)和以電壓頻信號(hào)和以電壓為輸出量的場(chǎng)合為輸出量的場(chǎng)合第四章第四章 常用傳感器原理及應(yīng)用常用傳感器原理及應(yīng)用四、測(cè)量電路四、測(cè)量電路 輸出電荷量很小，輸出電荷量很小，且壓電元件本身且壓電元件本身的內(nèi)阻很大的內(nèi)阻很大壓電式壓電式傳感器傳感器高輸入阻抗高輸入阻抗前置前置放大器放大器輸出電壓輸出電壓或電荷或電荷電壓電壓放大器放大器電荷電荷放大器放大

29、器可采用比例放大器。電可采用比例放大器。電路簡(jiǎn)單，但輸出受到連路簡(jiǎn)單，但輸出受到連接電纜對(duì)地電容的影響接電纜對(duì)地電容的影響目前常用目前常用U Uy yU Ui i傳感器電容傳感器電容電纜電容電纜電容放大器輸入電容放大器輸入電容電荷放大器：電荷放大器：高增益帶高增益帶電容反饋的運(yùn)算放大器電容反饋的運(yùn)算放大器第四章第四章 常用傳感器原理及應(yīng)用常用傳感器原理及應(yīng)用如果電荷放大器的開(kāi)環(huán)增益足夠大，放大器輸出電壓為如果電荷放大器的開(kāi)環(huán)增益足夠大，放大器輸出電壓為fyCqU可見(jiàn)，在一定條件下，輸出電壓與傳感器的電荷量成正比，且與可見(jiàn)，在一定條件下，輸出電壓與傳感器的電荷量成正比，且與電纜電容無(wú)關(guān)。電纜電容無(wú)關(guān)。 壓電式傳感器動(dòng)態(tài)特性好、體積小、重量輕，常用來(lái)測(cè)量動(dòng)壓電式傳感器動(dòng)態(tài)特性好、體積小、重量輕，常用來(lái)測(cè)量動(dòng)態(tài)力、壓力，特別是測(cè)量振動(dòng)加速度的慣性拾振器大多采用壓電態(tài)力、壓力，特別是測(cè)量振動(dòng)加速度的慣性拾振器大多采用壓電式傳感器。式傳感器。第四章第四章 常用傳感器原理及應(yīng)用常用傳感器原理及應(yīng)用產(chǎn)品產(chǎn)品壓力變送器壓力變送器加速度計(jì)加速度計(jì)力傳感器力傳感器 第四章第四章 常用傳感器原理及應(yīng)用常用傳感器原理及應(yīng)用案例：熱軋?jiān)O(shè)備診斷案例：熱軋?jiān)O(shè)備診斷第四章第四章 常用傳感器原理及應(yīng)