中國石油大學(xué)常用傳感器

1、第四章第四章 常見傳感器常見傳感器主要內(nèi)容：主要內(nèi)容：傳感器的概念、作用及分類傳感器的概念、作用及分類 電阻傳感器、電感傳感器及其測量電路電阻傳感器、電感傳感器及其測量電路 電容傳感器、壓電傳感器及其測量電路電容傳感器、壓電傳感器及其測量電路 磁電傳感器及其傳感器的選用原則磁電傳感器及其傳感器的選用原則4.14.1 傳感器概述傳感器概述1.1.傳感器的作用傳感器的作用: : 工程上通常把直接作用于被測量，能按一定規(guī)律將工程上通常把直接作用于被測量，能按一定規(guī)律將其轉(zhuǎn)換成同種或別種量值輸出的器件，稱為傳感器。其轉(zhuǎn)換成同種或別種量值輸出的器件，稱為傳感器。 作用：把被測量，如力、位移、溫度等，轉(zhuǎn)換

2、為易作用：把被測量，如力、位移、溫度等，轉(zhuǎn)換為易測信號測信號( (電信號），傳送給測量系統(tǒng)的信號調(diào)理環(huán)節(jié)。電信號），傳送給測量系統(tǒng)的信號調(diào)理環(huán)節(jié)。 傳感器是人類感官的延伸傳感器是人類感官的延伸a a視覺與光傳感器；視覺與光傳感器；b b聽覺與聲壓傳感器聽覺與聲壓傳感器; ;c c觸覺與溫度、壓力傳感器；觸覺與溫度、壓力傳感器；d d嗅覺與氣敏傳感器；嗅覺與氣敏傳感器； 是現(xiàn)代測控系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是現(xiàn)代測控系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié) 傳感器的作用類似于人的感覺器官，又是人的感官傳感器的作用類似于人的感覺器官，又是人的感官的延伸，它的作用是擴(kuò)展人的信息功能。因此，從廣義的延伸，它的作用是擴(kuò)展人的信息功能。因此，

3、從廣義講，傳感器是一個(gè)感知系統(tǒng)，是為了從外部感知信息而講，傳感器是一個(gè)感知系統(tǒng)，是為了從外部感知信息而工作的系統(tǒng)。工作的系統(tǒng)。 傳感技術(shù)是信息科學(xué)中的一個(gè)重要組成部分，在現(xiàn)傳感技術(shù)是信息科學(xué)中的一個(gè)重要組成部分，在現(xiàn)代被稱之為代被稱之為信息探測工程學(xué)信息探測工程學(xué)，是研究物質(zhì)的物理效應(yīng)、，是研究物質(zhì)的物理效應(yīng)、化學(xué)效應(yīng)及生物效應(yīng)，作為信息探測實(shí)際應(yīng)用的一門科化學(xué)效應(yīng)及生物效應(yīng)，作為信息探測實(shí)際應(yīng)用的一門科學(xué)，它對科學(xué)技術(shù)發(fā)展的作用和意義，已日益顯得重要學(xué)，它對科學(xué)技術(shù)發(fā)展的作用和意義，已日益顯得重要和突出。和突出。 借助于傳感器人們可以去探索那些無法用感官直接借助于傳感器人們可以去探索那些無法

4、用感官直接測量的事物，從微觀世界到宏觀世界、太空探索，從人測量的事物，從微觀世界到宏觀世界、太空探索，從人體（體（CT)CT)到自然界到自然界( (海水深度、海底探測）都離不開傳感海水深度、海底探測）都離不開傳感器。器。 傳感器處于測試裝置的輸入端，其性能將直接影響傳感器處于測試裝置的輸入端，其性能將直接影響著整個(gè)測試裝置的工作質(zhì)量。著整個(gè)測試裝置的工作質(zhì)量。輸入輸入P P大氣壓大氣壓殼體殼體膜盒膜盒電感線圈電感線圈磁芯磁芯基本轉(zhuǎn)基本轉(zhuǎn)換電路換電路敏感元件敏感元件轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換元件敏感元件敏感元件轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換元件基本轉(zhuǎn)換電路基本轉(zhuǎn)換電路被測量被測量電量電量R L CR L C2 2傳感器的基本組

5、成：傳感器的基本組成：例：壓力傳感器：例：壓力傳感器：物性型：物性型：（壓電、半導(dǎo)體傳感器）（壓電、半導(dǎo)體傳感器）結(jié)構(gòu)型：結(jié)構(gòu)型：（電容、電感傳感器）（電容、電感傳感器）1.1.能量控制型能量控制型( (有源傳感器有源傳感器):():(電阻溫度計(jì)、電容式電阻溫度計(jì)、電容式測振儀測振儀) )能量轉(zhuǎn)換型能量轉(zhuǎn)換型( (無源傳感器無源傳感器):():(熱電偶、彈性壓力計(jì)熱電偶、彈性壓力計(jì)) )2.2.4. 4. 位移、速度、加速度、力、溫度位移、速度、加速度、力、溫度. .3 3傳感器的分類：傳感器的分類：3. 3. 激勵(lì)型：超聲波探傷儀、激勵(lì)型：超聲波探傷儀、r r射線測厚儀、射線測厚儀、X X射

6、線衍射射線衍射 儀等。儀等。4 4傳感器的發(fā)展動(dòng)向：傳感器的發(fā)展動(dòng)向：1 1、發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象、發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象2 2、開發(fā)新材料、開發(fā)新材料3 3、采用微細(xì)加工技術(shù)、采用微細(xì)加工技術(shù)4 4、研究多功能集成傳感器、研究多功能集成傳感器 “ “ Intelligent Sensor ”Intelligent Sensor ”5 5、智能化傳感器、智能化傳感器 “ “ Smart Sensor ”Smart Sensor ”6 6、仿生傳感器、仿生傳感器第二節(jié)第二節(jié) 機(jī)械式傳感器機(jī)械式傳感器1 1組成：組成： 彈性敏感元件在傳感器中因?yàn)橹苯訁⑴c變換和測量，彈性敏感元件在傳感器中因?yàn)橹苯訁⑴c變換和測量，所以對它

7、有一定的要求。所以對它有一定的要求。2 2彈性敏感元件的材料：彈性敏感元件的材料：1 1）彈性滯后和彈性后效要?。椥詼蠛蛷椥院笮б? 2）彈性模數(shù)的溫度系數(shù)要?。椥阅?shù)的溫度系數(shù)要小敏感元件敏感元件（彈性體）（彈性體）機(jī)械放大機(jī)械放大指示系統(tǒng)指示系統(tǒng)輸入量輸入量輸出量輸出量彈性變形彈性變形輸出輸出力力壓力壓力溫度溫度.機(jī)械式指機(jī)械式指針儀表針儀表3 3典型應(yīng)用典型應(yīng)用: :3 3）線膨脹系數(shù)要小且穩(wěn)定）線膨脹系數(shù)要小且穩(wěn)定4 4）彈性極限和強(qiáng)度極限要高）彈性極限和強(qiáng)度極限要高5 5）具有良好的穩(wěn)定性和耐腐蝕性）具有良好的穩(wěn)定性和耐腐蝕性6 6）具有良好的機(jī)械加工性和熱處理性）具有良好的

8、機(jī)械加工性和熱處理性 機(jī)械式放大，指示系統(tǒng)使其慣性大，固有頻率低，機(jī)械式放大，指示系統(tǒng)使其慣性大，固有頻率低， 故多用于靜態(tài)量或低頻變化量的測量。故多用于靜態(tài)量或低頻變化量的測量。 彈性元件的蠕變，彈性后效現(xiàn)象會影響輸入、彈性元件的蠕變，彈性后效現(xiàn)象會影響輸入、輸出的關(guān)系。輸出的關(guān)系。5.5.改進(jìn)：改進(jìn)： 為提高測量的頻率范圍為提高測量的頻率范圍, ,常把機(jī)械傳感器與其它傳感常把機(jī)械傳感器與其它傳感器結(jié)合起來器結(jié)合起來, ,即先用彈性元件把被測量轉(zhuǎn)換成位移量即先用彈性元件把被測量轉(zhuǎn)換成位移量, ,再再用其它類型的傳感器用其它類型的傳感器( (電阻、電容、電渦流式等）把位移電阻、電容、電渦流式等

9、）把位移轉(zhuǎn)換成電信號輸出。轉(zhuǎn)換成電信號輸出。 結(jié)構(gòu)簡單，使用方便；價(jià)格低廉，讀數(shù)直觀。結(jié)構(gòu)簡單，使用方便；價(jià)格低廉，讀數(shù)直觀。4 4特點(diǎn)：特點(diǎn)：AlR 1 1工作原理：工作原理：第三節(jié)第三節(jié) 電阻式傳感器電阻式傳感器變阻器式傳感器變阻器式傳感器金屬電阻應(yīng)變式金屬電阻應(yīng)變式電阻應(yīng)變式傳感器電阻應(yīng)變式傳感器半導(dǎo)體應(yīng)變式半導(dǎo)體應(yīng)變式基本原理：基本原理：將被測物理量的變化轉(zhuǎn)換成電阻值的變化。將被測物理量的變化轉(zhuǎn)換成電阻值的變化。一變阻器式傳感器：一變阻器式傳感器：),(lAfR)(lfR 即即 。當(dāng)電阻絲直徑。當(dāng)電阻絲直徑A A與材質(zhì)與材質(zhì)一定時(shí)，一定時(shí)， 的單值函數(shù)。的單值函數(shù)。2 2直線位移型變阻

10、器式傳感器直線位移型變阻器式傳感器：設(shè)電位計(jì)觸頭移動(dòng)設(shè)電位計(jì)觸頭移動(dòng)xx，其相應(yīng)電阻值變化，其相應(yīng)電阻值變化RR，則：，則：（常常量量）傳傳感感器器的的靈靈敏敏度度：AtbaxRS)(2 txbaAAlR )(21成成線線性性關(guān)關(guān)系系。與與輸輸入入（位位移移）傳傳感感器器的的輸輸出出（電電阻阻）常量）常量）(2AtrxRS 3 3角位移型角位移型 同理，可得：同理，可得：)(xfRx4 4非線性電位計(jì)非線性電位計(jì)： 5 5電阻分壓電路電阻分壓電路：xxuuRRxxRRxxuupypLpLppy00)1( 時(shí)：時(shí)：當(dāng)當(dāng)6 6特點(diǎn)特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定，使用方便。結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定，使用方便。分

11、辨力低，噪聲大。分辨力低，噪聲大。二電阻應(yīng)變式傳感器二電阻應(yīng)變式傳感器 金屬電阻應(yīng)變式金屬電阻應(yīng)變式半導(dǎo)體應(yīng)變式半導(dǎo)體應(yīng)變式1 1電阻應(yīng)變效應(yīng)：電阻應(yīng)變效應(yīng)： 電阻應(yīng)變效應(yīng)是指電阻絲在外力的作用下發(fā)生變形，電阻應(yīng)變效應(yīng)是指電阻絲在外力的作用下發(fā)生變形，其電阻值發(fā)生變化的現(xiàn)象。其電阻值發(fā)生變化的現(xiàn)象。 AlR 設(shè)一根電阻絲，未受力時(shí)的原始電阻值：設(shè)一根電阻絲，未受力時(shí)的原始電阻值：drdrldlRdRdrdrldlRdrldrrldlrdRrA2)2(22322當(dāng)受到外力當(dāng)受到外力F F作用，其作用，其R R的變化：的變化：dRdAARdllRdR（縱縱向向應(yīng)應(yīng)變變） ldl為為泊泊松松系系數(shù)數(shù)

12、）（橫橫向向應(yīng)應(yīng)變變 rdr 變變引引起起的的。是是由由電電阻阻絲絲電電阻阻率率的的改改改改變變引引的的；是是由由電電阻阻絲絲幾幾何何尺尺寸寸的的其其中中，（ E)21為為材材料料彈彈性性模模量量）為為正正應(yīng)應(yīng)力力；為為壓壓阻阻系系數(shù)數(shù)；（EEd ERdR22 2金屬電阻應(yīng)變片：金屬電阻應(yīng)變片：靈靈敏敏度度常常量量很很小小，可可忽忽略略S 21RdRSE)21(RdR工作原理：工作原理： RRSg 結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)：絲式絲式箔式箔式a.a.絲式：絲式：四個(gè)基本部分組成：四個(gè)基本部分組成：敏感柵（電阻絲）敏感柵（電阻絲）基片基片覆蓋層覆蓋層引出線引出線b.b.箔式：箔式： 特點(diǎn)：特點(diǎn)：光刻技術(shù)；光刻技

13、術(shù)；橫向效應(yīng)?。粰M向效應(yīng)?。簧釛l件好；散熱條件好；疲勞壽命長；疲勞壽命長；生產(chǎn)率高。生產(chǎn)率高。 材料：材料： 見表見表3-23-2。3 3半導(dǎo)體應(yīng)變片：半導(dǎo)體應(yīng)變片：工作原理：工作原理：“壓阻效應(yīng)壓阻效應(yīng) ”壓阻效應(yīng)壓阻效應(yīng) ：單晶半導(dǎo)體材料在沿某一軸向受到外力作用：單晶半導(dǎo)體材料在沿某一軸向受到外力作用時(shí)，其電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象。時(shí)，其電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象。ERdRSERdR g為材料的壓阻系數(shù)為材料的壓阻系數(shù)S Sg g比金屬絲電阻應(yīng)變片大比金屬絲電阻應(yīng)變片大50-7050-70倍。倍。膠膜襯底膠膜襯底半導(dǎo)體敏感柵半導(dǎo)體敏感柵內(nèi)引線內(nèi)引線焊接端焊接端外引線外引線結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)：材料：材料：

14、見表見表3-33-3。 P P型硅單晶型硅單晶特點(diǎn)：特點(diǎn)：（1 1）靈敏度高；機(jī)械滯后小，橫向效應(yīng)??；）靈敏度高；機(jī)械滯后小，橫向效應(yīng)小；（2 2）溫度穩(wěn)定性差；靈敏度離散度大；在較大應(yīng)力作）溫度穩(wěn)定性差；靈敏度離散度大；在較大應(yīng)力作用下，非線性誤差大等。用下，非線性誤差大等。tRRt 1)(靈敏度系數(shù)高；靈敏度系數(shù)高；橫向效應(yīng)??；橫向效應(yīng)?。粰C(jī)械滯后；機(jī)械滯后；溫度效應(yīng)明顯；溫度效應(yīng)明顯； 虛假應(yīng)變虛假應(yīng)變ta a由敏感柵材料的電阻溫度系數(shù)由敏感柵材料的電阻溫度系數(shù) 引起的；引起的；b b由敏感柵材料和試件材料的膨脹系數(shù)不同引起的；由敏感柵材料和試件材料的膨脹系數(shù)不同引起的；;)1(;)1(

15、0201tlltll 絲絲試試4 4電阻應(yīng)變片的主要特性：電阻應(yīng)變片的主要特性：;0201tlltll 絲絲試試ttkkRRtt )()(絲絲試試總總的的虛虛假假應(yīng)應(yīng)變變：21)()(RRRRRR 零漂及蠕變：零漂及蠕變：應(yīng)變極限；應(yīng)變極限；疲勞壽命；疲勞壽命；最大工作電流；最大工作電流；絕緣電阻絕緣電阻；動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。 kRR2)(k k為應(yīng)變片的靈敏度為應(yīng)變片的靈敏度;)(0tll 絲絲試試tll )(0絲絲試試應(yīng)用應(yīng)用：u0u0uyuyR1R1R2R2R3R3R4R4)(4)(4,43210443322110 gyySuuRRRRRRRRuuRR則則：若若：)(4;0210

16、43 gySuu實(shí)驗(yàn)應(yīng)力分析實(shí)驗(yàn)應(yīng)力分析電橋電路：電橋電路： 相鄰兩臂相鄰兩臂R1R1，R2R2為性為性能相同的應(yīng)變計(jì)；其余兩臂能相同的應(yīng)變計(jì)；其余兩臂為平衡電阻。為平衡電阻。043214231)(uRRRRRRRRuy 43214321,RRRRRRRRR 四四個(gè)個(gè)橋橋臂臂電電阻阻的的變變化化為為若若：)(4;031042 gySuupggySuSuu 002141總總 相對兩臂相對兩臂R1R1，R3R3為應(yīng)變計(jì)，其余兩臂為為應(yīng)變計(jì)，其余兩臂為平衡電阻。平衡電阻。應(yīng)變片的布置和接橋方法：應(yīng)變片的布置和接橋方法：; 0; 0;43332111 MpMp；總總4321 pppMM 2;3131總

17、總又又 )1 (214100 pggySuSuu總總)(;112111MpMp );(;334333MpMp ；總總4321 pppMM )1(2;3131總總又又 電阻應(yīng)變傳感器應(yīng)用示例電阻應(yīng)變傳感器應(yīng)用示例 立柱應(yīng)力立柱應(yīng)力橋梁應(yīng)力橋梁應(yīng)力柱式測力傳感器柱式測力傳感器位移傳感器位移傳感器 加速度傳感器加速度傳感器 筒式壓力傳感器筒式壓力傳感器第四節(jié)第四節(jié) 電感式傳感器電感式傳感器 被測量的變化被測量的變化 線圈自感或互感的變化線圈自感或互感的變化 位移位移振動(dòng)振動(dòng)壓力壓力 利用磁場作為媒介利用磁場作為媒介或鐵磁體的某些現(xiàn)象或鐵磁體的某些現(xiàn)象主要特征：具有線圈繞組。主要特征：具有線圈繞組。分

18、類：分類： 電感式電感式 自感式自感式互感式互感式- - 差動(dòng)變壓器式差動(dòng)變壓器式可變磁阻式（氣隙型、截面型、螺管型）可變磁阻式（氣隙型、截面型、螺管型）渦電流式渦電流式（一）可變磁阻式：（一）可變磁阻式：基本組成：基本組成：線圈線圈 鐵心鐵心銜鐵銜鐵基本工作原理基本工作原理：磁磁路路總總磁磁阻阻。線線圈圈匝匝數(shù)數(shù)； mmRWRWL/2002AuuAlRm ，則則：假假設(shè)設(shè)氣氣隙隙磁磁場場是是均均勻勻的的0002AuRuum 一、自感式一、自感式l l：鐵心導(dǎo)磁長度：鐵心導(dǎo)磁長度：鐵心磁導(dǎo)率：鐵心磁導(dǎo)率A A：鐵心磁導(dǎo)截面積：鐵心磁導(dǎo)截面積：氣隙長度：氣隙長度0：空氣磁導(dǎo)率：空氣磁導(dǎo)率A0：空

19、氣氣隙導(dǎo)磁截面：空氣氣隙導(dǎo)磁截面積積),(,200002AfLuWAuWL 為為常常數(shù)數(shù)，當(dāng)當(dāng)動(dòng)畫演示動(dòng)畫演示類型類型（變變量量）靈靈敏敏度度：2002200222 AuWSdAuWdLL L0 0L L0 00 0單線圈變氣隙型：單線圈變氣隙型： 10LA一一定定，當(dāng)當(dāng)特點(diǎn)：特點(diǎn)：21 Sa: a: ，非線性關(guān)系。取較小的初始間隙，非線性關(guān)系。取較小的初始間隙0 0可獲得可獲得高的靈敏度；高的靈敏度；b: b: 由于非線性，工作范圍受限。只能對微小的位移進(jìn)行測量。由于非線性，工作范圍受限。只能對微小的位移進(jìn)行測量。 （/0 00.1 ,0.1 ,：0.0010.0011mm)1mm)差動(dòng)變氣

20、隙型：差動(dòng)變氣隙型：a.a.結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)特點(diǎn)： 兩個(gè)完全相同的單線圈電感兩個(gè)完全相同的單線圈電感傳感器共用一個(gè)活動(dòng)銜鐵。傳感器共用一個(gè)活動(dòng)銜鐵。（電氣參數(shù)、幾何尺寸均相同）（電氣參數(shù)、幾何尺寸均相同）)(2)(20002000221 AuWAuWLLL差差)(122222000002220002 AuWAuW單單差差差差SAuWLLS22220200200 )(122000 L0002,1 LL差差有有當(dāng)當(dāng))(122000 Lb.b.與單線圈相比，有下列優(yōu)點(diǎn)：與單線圈相比，有下列優(yōu)點(diǎn)：（常常量量）一一定定時(shí)時(shí)，當(dāng)當(dāng) 20200uWALSAL線圈線圈1 1線圈線圈2 2磁芯磁芯x x線性得到改

21、善；線性得到改善；靈敏度提高一倍。靈敏度提高一倍。變截面型：變截面型：差動(dòng)螺管型：差動(dòng)螺管型：動(dòng)畫演示動(dòng)畫演示(二二) 渦電流型渦電流型渦電流效應(yīng)渦電流效應(yīng)12工作原理：工作原理：12金屬板),u,(fZ金屬板的電阻率金屬板的電阻率金屬板的磁導(dǎo)率金屬板的磁導(dǎo)率距離距離線圈激勵(lì)電流的圓頻率線圈激勵(lì)電流的圓頻率2.2.線圈阻抗：線圈阻抗：測量電路測量電路fee0e1e2f0f1f2=12阻抗分壓式阻抗分壓式調(diào)幅電路調(diào)幅電路：LCf210e12e2e1調(diào)頻電路調(diào)頻電路eeffLL 00渦流傳感器的應(yīng)用：渦流傳感器的應(yīng)用：主要用于動(dòng)態(tài)非接觸測量；主要用于動(dòng)態(tài)非接觸測量； 金屬導(dǎo)體。金屬導(dǎo)體。測位移；測

22、位移；測軸的振動(dòng)；測軸的振動(dòng)；測轉(zhuǎn)速；測轉(zhuǎn)速；分分）轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速速（轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)齒齒數(shù)數(shù)/)(60 NZHzfZfN測厚度測厚度；探傷探傷. .二、互感式二、互感式-差動(dòng)變壓器式電感傳感器差動(dòng)變壓器式電感傳感器dtidMe112 工作原理工作原理：把被測量的變化轉(zhuǎn)化成互感系數(shù)把被測量的變化轉(zhuǎn)化成互感系數(shù) M M 的變化。的變化。M-M-互感系數(shù)（互感系數(shù)（H H）表示兩線圈之間的耦合程度。表示兩線圈之間的耦合程度。其大小與兩線圈相對位置及其大小與兩線圈相對位置及周圍介質(zhì)的導(dǎo)磁能力等因素周圍介質(zhì)的導(dǎo)磁能力等因素有關(guān)。有關(guān)。i i1 1- - 一次側(cè)線圈的勵(lì)磁電流。一次側(cè)線圈的勵(lì)磁電流。e e1212- - 二

23、次側(cè)線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢二次側(cè)線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢。相當(dāng)于一個(gè)互感系數(shù)可變的變壓器相當(dāng)于一個(gè)互感系數(shù)可變的變壓器差動(dòng)結(jié)構(gòu)差動(dòng)結(jié)構(gòu)：e1e1e2e2e0e0 x xe e0 0輸出特性輸出特性：測量電路：測量電路：差動(dòng)相敏檢波電路差動(dòng)相敏檢波電路補(bǔ)償零點(diǎn)殘余電壓補(bǔ)償零點(diǎn)殘余電壓-可調(diào)電位器可調(diào)電位器R R；分辨鐵心移動(dòng)方向（極性判別）分辨鐵心移動(dòng)方向（極性判別）-相敏檢波電路。相敏檢波電路。各點(diǎn)信號波形。各點(diǎn)信號波形。第五節(jié)第五節(jié) 電容式傳感器電容式傳感器）。）。極板面積（極板面積（）；）；極板間距離（極板間距離（）（空氣（空氣極間介質(zhì)相對介電常數(shù)極間介質(zhì)相對介電常數(shù)真空介電常數(shù)（真空介電常數(shù)（2120

24、01)/1085. 8mAmmFACrrr ),( AfC一工作原理：一工作原理：將被測量的變化轉(zhuǎn)換成電容的變化。將被測量的變化轉(zhuǎn)換成電容的變化。平行平板電容器平行平板電容器： ）。（介介質(zhì)質(zhì)變變化化型型）；（面面積積變變化化型型）；（極極距距變變化化型型fCAfCfC極距變化型極距變化型（常量）時(shí)，僅當(dāng)2001ASrC CACr0dAdCr20兩邊微分：（變量）靈敏度：20AddCSr差動(dòng)式差動(dòng)式00單單差差動(dòng)動(dòng)SSCAACCCrrba2.)(1220000000 常常數(shù)數(shù)）(222020 rddCSrCrr常常數(shù)數(shù)）(00 bdxdCSbxCrr常常數(shù)數(shù)）()/ln(2)/ln(200dD

25、dxdCSdDxCrr 面積變化型：面積變化型：角位移型角位移型 線位移型線位移型圓柱體線位移型圓柱體線位移型特點(diǎn)：特點(diǎn)：輸入輸出成線性關(guān)系；輸入輸出成線性關(guān)系；靈敏度相對較?。混`敏度相對較??；適用于較大直線位移及角位移的測量。適用于較大直線位移及角位移的測量。121212)/ln()(2)/ln(2KhACrRKrRhA ；令令介質(zhì)變化型：介質(zhì)變化型：如圖如圖3-143-14液位測量液位測量。)/ln()(2)/ln(221222rRhhrRhC 氣氣體體介介質(zhì)質(zhì)間間的的電電容容量量：)/ln(2111rRhC 液液體體介介質(zhì)質(zhì)間間的的電電容容量量：)/ln()(2)/ln(2211221r

26、RhrRhCCC 介質(zhì)溫度，濕度或介質(zhì)溫度，濕度或厚度測量；厚度測量；二電容傳感器的測量電路二電容傳感器的測量電路dtdAREdtdCREuRtiutidtdCEdtdQCEQryy 200000)()(測測量量時(shí)時(shí)：穩(wěn)穩(wěn)態(tài)態(tài)時(shí)時(shí)：交流電橋交流電橋直流極化電路直流極化電路諧振電路諧振電路調(diào)頻電路調(diào)頻電路運(yùn)算放大器電路運(yùn)算放大器電路三電容傳感器的特點(diǎn)三電容傳感器的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：溫度穩(wěn)定性好；溫度穩(wěn)定性好； 結(jié)構(gòu)簡單，適應(yīng)性強(qiáng)；結(jié)構(gòu)簡單，適應(yīng)性強(qiáng)；動(dòng)態(tài)響應(yīng)好；動(dòng)態(tài)響應(yīng)好；可以實(shí)現(xiàn)非接觸測量，具有平均效應(yīng)?？梢詫?shí)現(xiàn)非接觸測量，具有平均效應(yīng)。缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：輸出阻抗高，負(fù)載能力差；輸出阻抗高，負(fù)載能力差

27、；寄生電容大；寄生電容大；措施：措施：驅(qū)動(dòng)電纜技術(shù)；驅(qū)動(dòng)電纜技術(shù)；縮短距離，集成技術(shù)?？s短距離，集成技術(shù)。輸出的非線性。輸出的非線性。應(yīng)用舉例：應(yīng)用舉例：電容測厚儀電容測厚儀軋輥軋輥工作極板工作極板被測帶材被測帶材第六節(jié)第六節(jié) 壓電式傳感器壓電式傳感器能量轉(zhuǎn)換型傳感器能量轉(zhuǎn)換型傳感器一壓電效應(yīng)：一壓電效應(yīng)：正向壓電效應(yīng)：機(jī)正向壓電效應(yīng)：機(jī) 電電逆向壓電效應(yīng)：電逆向壓電效應(yīng)：電 機(jī)機(jī)可逆過程可逆過程二壓電材料：二壓電材料：單晶單晶石英晶體石英晶體鈮酸鋰，鉭酸鋰鈮酸鋰，鉭酸鋰多晶多晶- 壓電陶瓷（鈦酸鋇，鋯鈦酸鉛壓電陶瓷（鈦酸鋇，鋯鈦酸鉛PZTPZT）新型材料新型材料石英晶體石英晶體xFDq11

28、石英晶體并不是在任何方石英晶體并不是在任何方 向都存在壓電效應(yīng)。向都存在壓電效應(yīng)。壓電效應(yīng)模型：壓電效應(yīng)模型：縱向效應(yīng)縱向效應(yīng)：x xz zy y光軸光軸機(jī)械軸機(jī)械軸電軸電軸yFDq22 FDq33橫向效應(yīng)橫向效應(yīng)：切向效應(yīng)切向效應(yīng)：特點(diǎn)：溫度穩(wěn)定好；機(jī)械強(qiáng)度高；特點(diǎn)：溫度穩(wěn)定好；機(jī)械強(qiáng)度高；可用來測量大量程的力和加速度?？捎脕頊y量大量程的力和加速度。 ACra0aCqU 0三壓電式傳感器及其等效電路：三壓電式傳感器及其等效電路： 等效電路等效電路：具有一定電容的電荷源具有一定電容的電荷源等效電容：等效電容：開路電壓開路電壓：等效電路等效電路：)()()(0sQssIsICR 兩兩邊邊取取拉拉

29、氏氏變變換換：等效電路等效電路aiicaRRRCCCC/0 idtCuq式：式：根據(jù)電荷平衡建立方程根據(jù)電荷平衡建立方程 qidtiCRRui00:則則又又 )(1)()(0sHCsRssQsI 傳感器傳感器 電纜電纜 外部設(shè)備外部設(shè)備 壓電元件常用結(jié)構(gòu)形式壓電元件常用結(jié)構(gòu)形式C=2C u=u q=2qC=2C u=u q=2q時(shí)間常數(shù)大，動(dòng)態(tài)響應(yīng)差，適合于慢變時(shí)間常數(shù)大，動(dòng)態(tài)響應(yīng)差，適合于慢變信號的測量。以電荷量輸出的場合。信號的測量。以電荷量輸出的場合。C=C/2 u=2u q=qC=C/2 u=2u q=q時(shí)間常數(shù)小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，適合于快變時(shí)間常數(shù)小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，適合于快變信號的測量。以電壓作為輸出的場合。信號的測量。以電壓作為