測試技術(shù)第3章1

1、第3章 常用傳感器技術(shù)n本章要求：n1、熟悉機械工程測試中常用傳感器的工作原理、測量電路及典型應(yīng)用。n2、根據(jù)不同測試對象，能夠按不失真測試條件，合理選擇傳感器。n3、通過實驗了解傳感器的標定方法及測試系統(tǒng)的組成。n3.1 3.1 傳感器的基本概念傳感器的基本概念n3.23.2 電阻式傳感器電阻式傳感器n3.3 3.3 電容式傳感器電容式傳感器n3.43.4 電感式傳感器電感式傳感器n3.53.5 壓電式傳感器壓電式傳感器n3.6 3.6 磁電與熱電式傳感器磁電與熱電式傳感器n3.7 3.7 光電式傳感器光電式傳感器n3.8 3.8 光纖傳感器光纖傳感器n3.9 3.9 半導(dǎo)體傳感器半導(dǎo)體傳感

2、器n3.10 3.10 其他類型傳感器其他類型傳感器n傳感器的作用傳感器的作用n用于捕捉和認識信息，是人之感官的延伸。對認識和改造客觀世界，對經(jīng)濟的發(fā)展，對推動科技的進步都起著相當重要的作用。n應(yīng)用領(lǐng)域：測量、控制n例如：阿波羅10號宇宙飛船共用各種傳感器3295個，其中運載火箭部分用于檢測加速度、溫度、壓力、振動、流量、應(yīng)變等參數(shù)的傳感器2077個，宇宙飛船部分共用各種傳感器1218個。n一架飛機需要3600只傳感器及其配套監(jiān)測儀表；一輛汽車需要30100只，一個電站需要5000只，n一個鋼廠需要20000只，大型發(fā)電機組需要3000只，大型石油化工廠需要6000只等。n從家庭到航天航空等尖

3、端領(lǐng)域都在大量使用傳感器。眾所周知，計算機的發(fā)展相當迅速，但若無各種先進的傳感器，其功能就不能得到充分的利用。（實際上計算機中的磁頭、激光讀出頭等都屬于傳感器）。3.1 傳感器的基本概念n3.1.1 3.1.1 傳感器的定義與組成傳感器的定義與組成n根據(jù)GB7665-2005 傳感器的定義傳感器的定義 能夠感受規(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和裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。n英文名：Transducer/Sensor。n本課程重點研究能將非電量轉(zhuǎn)換成電量的傳感器。圖3-1 傳感器基本組成圖圖3-2 3-2 熱電偶熱電偶圖圖3-3 3-3 氣體壓力傳感器氣體壓力傳感器11

4、殼體殼體 22膜盒膜盒 33線圈線圈44磁芯磁芯 55電路電路n3.1.2 3.1.2 傳感器的分類傳感器的分類n1 1、按、按被測物理量被測物理量的不同分類的不同分類n（1 1）機械量）機械量 包括位移、力、速度、加包括位移、力、速度、加速度等。速度等。n（2 2）熱工量）熱工量 包括溫度、熱量、流量、包括溫度、熱量、流量、流速、壓力、液位等。流速、壓力、液位等。n（3 3）物性參量）物性參量 包括濃度、粘度、比重、包括濃度、粘度、比重、 酸堿度等。酸堿度等。n（4 4）狀態(tài)參量）狀態(tài)參量 包括裂紋、缺陷、包括裂紋、缺陷、泄漏、泄漏、磨損等。磨損等。n2 2、按傳感器、按傳感器工作原理工作原

5、理的不同分類的不同分類n機械式傳感器機械式傳感器n電氣式傳感器電氣式傳感器n光學(xué)式傳感器光學(xué)式傳感器n流體式傳感器等。流體式傳感器等。n3 3、按、按信號變換特征信號變換特征的不同分類的不同分類n結(jié)構(gòu)型傳感器結(jié)構(gòu)型傳感器n物性型傳感器物性型傳感器n4 4、按傳感器的、按傳感器的能量關(guān)系能量關(guān)系不同分類不同分類n能量轉(zhuǎn)換型傳感器（無源傳感器）能量轉(zhuǎn)換型傳感器（無源傳感器）n能量控制型傳感器（有源傳感器）。能量控制型傳感器（有源傳感器）。n5 5、按傳感器的、按傳感器的輸出量不同輸出量不同分類分類n模擬式傳感器模擬式傳感器n數(shù)字式傳感器數(shù)字式傳感器圖圖3-4 典型機械式傳感器典型機械式傳感器 測力

6、計測力計彈性膜片彈性膜片波紋管波紋管波登管波登管壓力計壓力計溫度計溫度計n常用的機械式傳感器：稱重用的彈簧秤、常用的機械式傳感器：稱重用的彈簧秤、壓力計、溫度計等。壓力計、溫度計等。n機械式傳感器特點：機械式傳感器特點：結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、使用方便。使用方便。n缺點：缺點：存在較大的機械慣性、固有頻率低、存在較大的機械慣性、固有頻率低、動態(tài)特性差，只適合檢測緩變或靜態(tài)被測動態(tài)特性差，只適合檢測緩變或靜態(tài)被測量。量。3.2 電阻式傳感器n電阻式傳感器的基本工作原理是將被被測量測量的變化轉(zhuǎn)換為傳感器電阻值的變電阻值的變化化，再經(jīng)一定的測量電路實現(xiàn)對測量結(jié)果的輸出。n按其工作原理

7、不同可分為變阻器式傳變阻器式傳感器感器和電阻應(yīng)變式傳感器電阻應(yīng)變式傳感器兩類。n3.2.1 變阻器式傳感器變阻器式傳感器n又稱電位器式傳感器又稱電位器式傳感器n工作原理：利用加激勵的電位器上可動觸點位置的變化，將被測量的變化轉(zhuǎn)換為電壓比變化的傳感器。ueuo 圖圖3-5 3-5 變阻器式傳感器變阻器式傳感器a a）直線位移型）直線位移型 b b）角位移型）角位移型 c c）非線性型）非線性型 電阻率lA 電阻絲長度 電阻絲截面積AlRxkR11kdxdRS電阻值：單位長度的1k工作原理工作原理：直線位移型：直線位移型：kddRSkR 角位移型：角位移型：的電阻值：單位弧度所對應(yīng)k)(rad：電

8、刷轉(zhuǎn)角pLppexxRRxxuu10 變阻器的總電阻 變阻器的總長度 后接電路的輸入電阻PRPxLR圖圖3-6 3-6 電阻分壓電路電阻分壓電路n變阻器式傳感器的特點變阻器式傳感器的特點n優(yōu)點優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、使用方便。n缺點缺點：存在滑動磨損、塵埃附著等，使電刷在滑動中的接觸電阻發(fā)生不規(guī)則的變化，從而產(chǎn)生噪聲。n分辨力受線徑、線距的限制。n變阻器式傳感器的應(yīng)用變阻器式傳感器的應(yīng)用n用于線位移、角位移測量，在測量儀器中用于伺服記錄儀器或電子電位差計等。n3.2.2 電阻應(yīng)變式傳感器電阻應(yīng)變式傳感器n1、電阻應(yīng)變式傳感器的工作原理、電阻應(yīng)變式傳感器的工作原理n原理原理：將彈性敏感元件的應(yīng)

9、變變化轉(zhuǎn)換成電阻的變化。n應(yīng)用：應(yīng)用：測量應(yīng)變、力、位移、加速度等參數(shù)。n組成：組成：敏感元件、電阻應(yīng)變片、轉(zhuǎn)換電路等n敏感元件：敏感元件：一般由金屬合金材料、半導(dǎo)體材料等。圖圖3-7 圓柱式電阻應(yīng)變秤重傳感器圓柱式電阻應(yīng)變秤重傳感器物理基礎(chǔ)：AlRdRdAARdllRdRdrdrldlRdR2圖圖3-8 金屬絲電阻應(yīng)變片金屬絲電阻應(yīng)變片1敏感柵敏感柵 2基底基底3覆蓋層覆蓋層 4引出線引出線工作原理：工作原理：ldl電阻絲軸向相對變形，或稱電阻絲軸向相對變形，或稱縱向應(yīng)變縱向應(yīng)變；Ed 電阻率的相對變化電阻率的相對變化；E 電阻絲材料的彈性模量電阻絲材料的彈性模量； 壓阻系數(shù)，與材質(zhì)有關(guān)壓阻

10、系數(shù)，與材質(zhì)有關(guān)； 電阻絲徑向相對變形，或稱電阻絲徑向相對變形，或稱橫向應(yīng)變；橫向應(yīng)變；ldlrdrddRdR)21 (2對于對于金屬材料金屬材料對于對于半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體材料)21 ( 電阻應(yīng)變效應(yīng)（幾何尺寸變化引起）電阻應(yīng)變效應(yīng)（幾何尺寸變化引起）d 壓阻效應(yīng)（電阻率變化引起）壓阻效應(yīng)（電阻率變化引起）EdRdR)21 ( RdRn電阻應(yīng)變片的靈敏度：電阻應(yīng)變片的靈敏度： n常用材料性能見表常用材料性能見表3-13-1和表和表3-23-2。RdRldlRdRS0S=1.83.6n2 2、電阻應(yīng)變片的種類、電阻應(yīng)變片的種類n金屬電阻應(yīng)變片金屬電阻應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片半導(dǎo)體應(yīng)變片。n（1 1）金

11、屬電阻應(yīng)變片）金屬電阻應(yīng)變片 n有絲式和箔式等結(jié)構(gòu)形式。n用光刻、腐蝕等工藝方法制成，與絲式相比箔式表面積和截面積之比大，散熱條件好，允許通過較大電流，可做成任意形狀，適于大批量生產(chǎn)。箔式使用范圍廣泛，有逐漸取代絲式應(yīng)變片的趨勢。n（2 2）半導(dǎo)體應(yīng)變片）半導(dǎo)體應(yīng)變片 n優(yōu)點優(yōu)點是靈敏度高，橫向效應(yīng)和機械滯后小。缺點缺點是溫度穩(wěn)定性差，測量較大應(yīng)變時，非線性誤差大，必須采取補償措施。 圖圖3-9 金屬電阻應(yīng)變片金屬電阻應(yīng)變片n工作時將工作時將應(yīng)變片應(yīng)變片粘貼于彈性元件或被測構(gòu)件粘貼于彈性元件或被測構(gòu)件預(yù)定預(yù)定部位部位的表面上。的表面上。n電阻應(yīng)變片的選擇、粘貼技術(shù)電阻應(yīng)變片的選擇、粘貼技術(shù) n

12、1、目測電阻應(yīng)變片有無缺陷n2、用數(shù)字萬用表測量應(yīng)變片電阻值大小n3、試件表面處理n4、應(yīng)變片粘貼n5、焊線n6、用兆歐表檢查應(yīng)變片的引線與試件之間的絕緣阻值，應(yīng)大于50M歐n7、應(yīng)變片保護 圖圖3-10 半導(dǎo)體應(yīng)變片結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體應(yīng)變片結(jié)構(gòu) 1半導(dǎo)體敏感條半導(dǎo)體敏感條 2 基底基底 3引出線引出線n3 3、電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用、電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用 圖圖3-11 3-11 構(gòu)件應(yīng)力測定的應(yīng)用實例構(gòu)件應(yīng)力測定的應(yīng)用實例a a）齒輪輪齒彎矩測量）齒輪輪齒彎矩測量 b b）飛機機身應(yīng)力測量）飛機機身應(yīng)力測量c c）立柱應(yīng)力測量）立柱應(yīng)力測量 d d）橋梁應(yīng)力測量）橋梁應(yīng)力測量圖3-13 圓柱面展開

13、及電橋a)圓柱面展開圖 b)橋路連接圖圖3-14 膜片式壓力傳感器a)應(yīng)力變化 b)應(yīng)變片粘貼位置 圖圖3-15 3-15 應(yīng)變式加速度傳感器應(yīng)變式加速度傳感器11質(zhì)量塊質(zhì)量塊 22懸臂梁懸臂梁 33硅油硅油44限位塊限位塊 55應(yīng)變片應(yīng)變片 66殼體殼體 測量時，基座固定在振動體上。振動加速度使質(zhì)測量時，基座固定在振動體上。振動加速度使質(zhì)量塊產(chǎn)生慣性力，懸臂梁則相當于慣性系統(tǒng)中的彈簧，量塊產(chǎn)生慣性力，懸臂梁則相當于慣性系統(tǒng)中的彈簧，在慣性力的作用下產(chǎn)生彎曲變形。在慣性力的作用下產(chǎn)生彎曲變形。 因此，因此，梁的應(yīng)變梁的應(yīng)變在一定的頻率范圍內(nèi)在一定的頻率范圍內(nèi)與振動體的與振動體的加速度成正比。加

14、速度成正比。 n電阻應(yīng)變式稱重傳感器圖3 剪切梁受力情況和應(yīng)變片布置圖圖7 傳感器測量電路圖n例：有一拉力傳感器，用鋼柱作為敏感元件，其上貼一電阻應(yīng)變片。已知鋼柱的截面積 ，彈性模量為 ，應(yīng)變片靈敏度 。若測量電路對應(yīng)變片電阻相對變化量 的分辨率為 ，試計算傳感器能測出的最小拉力 。21cmA PaE11100 . 22SRdR710minF3.3 3.3 電容式傳感器電容式傳感器n3.3.1 工作原理及類型工作原理及類型ACr00r 極板間介質(zhì)的相對 介電系數(shù)，在空氣中 ；1r真空中介電常數(shù)，AmF /1085. 8120 極板間距離（m）； 極板面積（ ）；2m圖圖3-16 3-16 平板

15、電容器平板電容器LM317 LM337 三端固定式集成穩(wěn)壓器正負直流穩(wěn)壓電源n根據(jù)電容器變化的參數(shù)，可分為（1 1）極距變化型）極距變化型極距變化型：極距變化型：一般用于小位移測量面積變化型：面積變化型：適用于較大直線位移及角位移測量介質(zhì)變化型：介質(zhì)變化型：適用于物位、濕度、密度、厚度的測量dAdCr201201AddCSr0=0.11mm=(0.010.1)0圖圖3-17 極距變化型電容傳感器及輸出特性極距變化型電容傳感器及輸出特性 a）極距變化）極距變化 b）輸出特性）輸出特性小結(jié)：小結(jié)：靈敏度與極矩的平方呈反比靈敏度與極矩的平方呈反比，極矩越小靈敏度越高。，極矩越小靈敏度越高。為防止非線

16、性誤差，一般取為防止非線性誤差，一般取 。實際應(yīng)用時為提高。實際應(yīng)用時為提高靈敏度，擴大線性范圍，靈敏度，擴大線性范圍，常采用差動式常采用差動式。1 . 0 圖圖3-18 差動式電容傳感器差動式電容傳感器n極距變化型電容傳感器極距變化型電容傳感器n優(yōu)點：優(yōu)點：靈敏度高，可進行非接觸測量，對被測系統(tǒng)影響小，適于測量微小位移。n測量范圍：0.01um數(shù)百微米。n缺點：缺點：有非線性誤差；傳感器的雜散電容對靈敏度及測量精度也有影響；轉(zhuǎn)換電路較為復(fù)雜。n（2 2）面積變化型）面積變化型n有角位移型與線位移型兩種。圖圖3-15 面積變化型電容傳感器面積變化型電容傳感器a）角位移型）角位移型 b）平面線位

17、移型）平面線位移型 c）圓柱體線位移型）圓柱體線位移型1動板動板 2定板定板22rA220rCr常數(shù)220rddCSr對于角位移型：對于角位移型：n對于平面線位移型：對于平面線位移型：n對于圓柱體線位移型：對于圓柱體線位移型：bxCr0常數(shù)bdxdCSr0b極板寬度。)ln(20dDxCr常數(shù))ln(20dDdxdCSrD圓筒孔徑；d圓柱外徑。n面積變化型面積變化型電容傳感器n優(yōu)點優(yōu)點是輸出與輸入成線性關(guān)系輸出與輸入成線性關(guān)系，但與極距變化型電容傳感器相比，靈敏度較低，適用于較大直線位移及角位移的測量。n（3 3）介質(zhì)變化型）介質(zhì)變化型n原理：利用利用介質(zhì)介電常數(shù)的變化介質(zhì)介電常數(shù)的變化將被測

18、量轉(zhuǎn)換為電量的一種傳感器。n多用來測量電介質(zhì)的液位或某些材料的厚度、溫度和濕度等。 圖圖3-20 介質(zhì)變化型電容傳感器應(yīng)用實例介質(zhì)變化型電容傳感器應(yīng)用實例a）介質(zhì)液位計）介質(zhì)液位計 b）介質(zhì)厚度、溫度、濕度計）介質(zhì)厚度、溫度、濕度計n3.3.2 測量電路測量電路n1、變壓器式交流電橋、變壓器式交流電橋圖圖3-21 變壓器式交流電橋測量電路變壓器式交流電橋測量電路返回68頁圖圖3-22 直流極化電路直流極化電路dtdAREdtdCREurg20002、直流極化電路、直流極化電路又稱又稱靜壓電容傳感器電路靜壓電容傳感器電路，多用于電容傳聲器或壓力傳多用于電容傳聲器或壓力傳感器。感器。 組成：組成：

19、彈性膜片、電容器、彈性膜片、電容器、直流極化電壓直流極化電壓E0、高阻值電、高阻值電阻阻R。輸出電壓：輸出電壓： 被測量：被測量：氣流（或液流）振動速度，進而測其壓力。氣流（或液流）振動速度，進而測其壓力。圖圖3-23 3-23 調(diào)頻電路工作原理調(diào)頻電路工作原理 3、調(diào)頻電路、調(diào)頻電路4、運算放大器電路運算放大器電路圖圖3-24 3-24 運算放大器電路運算放大器電路xgCCuu00輸出電壓與位移量的關(guān)系：ACuurg000u0激勵電壓激勵電壓ug運放輸出電壓運放輸出電壓c0固定電容固定電容cx傳感器等效電容傳感器等效電容輸出電壓輸出電壓u ug g與電容傳感器間隙呈正比。與電容傳感器間隙呈正

20、比。n3.3.3 電容式傳感器的應(yīng)用電容式傳感器的應(yīng)用n電容式傳感器廣泛應(yīng)用在位移、壓力、位移、壓力、流量、液位流量、液位等的測試中。其精度和穩(wěn)定性也日益提高，精度高達0.01%的電容式傳感器目前已有商品出現(xiàn)，例如：一種量程為250mm的電容式位移傳感器，其精度可達5um。電容式測厚儀電容式測厚儀：工作原理：工作原理：C1、C2工作極板與帶材之間形成兩個電工作極板與帶材之間形成兩個電容，容， 其總電容為其總電容為C= C1+C2 。當金屬帶材在軋制中。當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

21、帶材的厚度。路可以反映這個變化，并轉(zhuǎn)換和顯示出帶材的厚度。 電容式轉(zhuǎn)速傳感器工作原理：當齒輪轉(zhuǎn)動時，電容量發(fā)生周期性變化，工作原理：當齒輪轉(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)為代表轉(zhuǎn)速大小。設(shè)齒數(shù)為z，頻率為，頻率為f，轉(zhuǎn)速為，轉(zhuǎn)速為n。 min)/(60rzfn 圖圖3-25 3-25 電容式傳聲器電容式傳聲器11減壓孔減壓孔 22內(nèi)腔內(nèi)腔 33固定極板固定極板 44膜片膜片55阻尼孔阻尼孔 66絕緣支架絕緣支架 77外殼外殼圖圖3-26 3-26 電容式振動位移傳感器電容式振動位移傳感

22、器 11測端電極測端電極 22絕緣襯套絕緣襯套 33殼體殼體 44彈簧卡圈彈簧卡圈 55電極座電極座 66盤形彈簧盤形彈簧 77螺母螺母 88被測物被測物 99電容式傳感器電容式傳感器結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)應(yīng)用應(yīng)用圖圖3-27 差動式電容加速度傳感器差動式電容加速度傳感器1下固定極板下固定極板 2絕緣墊絕緣墊 3殼體殼體 4彈簧彈簧 5上固定極板上固定極板 6質(zhì)量塊質(zhì)量塊例：已知兩極板電容傳感器，其極板面積為A，兩極板間介質(zhì)為空氣，極板間距1mm，當極距減少0.1mm時，其電容變化量和傳感器的靈敏度為多少？若參數(shù)不變，將其改為差動結(jié)構(gòu)，當極距變化0.1mm時，求其電容變化量和傳感器的靈敏度，并說明差動傳感器

23、為什么能提高靈敏度和減少線形誤差。3.4 電感式傳感器n電感式傳感器是利用電磁感應(yīng)原理利用電磁感應(yīng)原理把被測量，如力、位移等，轉(zhuǎn)換成線圈自感或互感變化轉(zhuǎn)換成線圈自感或互感變化的一種裝置。n按工作原理不同可分為自感式自感式、互感式互感式和電電渦流式渦流式三種。n3.4.1 3.4.1 自感式電感傳感器自感式電感傳感器n常用的有常用的有變氣隙型變氣隙型、變面積型變面積型和和螺管型螺管型。圖圖3-28 自感式電感傳感器（變氣隙型）自感式電感傳感器（變氣隙型）a）結(jié)構(gòu)）結(jié)構(gòu) b）特性曲線）特性曲線 1銜鐵銜鐵 2線圈線圈 3鐵心鐵心n線圈自感L為mRNL2N線圈匝數(shù)；Rm磁路總磁阻（H-1）002AA

24、lRm不考慮磁路的鐵損時，總磁阻為：002ARm)mH/m104207-00空氣氣隙導(dǎo)磁截面積（；空氣磁導(dǎo)率，氣隙長度；鐵心磁導(dǎo)截面積；鐵心磁導(dǎo)率；鐵心和銜鐵的導(dǎo)磁長度AAl則：20022ANRNLm20022ANS1 . 00一般?。簻y量范圍0.0011mm圖圖3-29 差動式自感傳感器差動式自感傳感器 變面積型自感傳感器變面積型自感傳感器在工作時氣隙長度在工作時氣隙長度保保持不變，使氣隙導(dǎo)磁截面積持不變，使氣隙導(dǎo)磁截面積A0隨被測量變隨被測量變化，自感化，自感L與與A0呈線性關(guān)系。呈線性關(guān)系。 圖圖3-30 變面積型自感傳感器變面積型自感傳感器圖圖3-31 差動式螺管型自感傳感器差動式螺管

25、型自感傳感器 1線圈線圈 2鐵心鐵心n雙螺管線圈差動型雙螺管線圈差動型較單螺管線圈型較單螺管線圈型有較高靈有較高靈敏度及線性。敏度及線性。n該結(jié)構(gòu)用于該結(jié)構(gòu)用于電感測微計電感測微計上，測量范圍可達上，測量范圍可達0300um，最小分辨力為最小分辨力為0.5um。n傳感器的線圈接于電橋上，構(gòu)成兩個橋臂，傳感器的線圈接于電橋上，構(gòu)成兩個橋臂，線圈電感線圈電感L1、L2隨鐵芯位移而變化，其測隨鐵芯位移而變化，其測量電路可采用圖量電路可采用圖3-21所示的變壓器式交流電所示的變壓器式交流電橋，只需將電橋中的差動電容換為差動電感橋，只需將電橋中的差動電容換為差動電感線圈即可。線圈即可。n圖圖3-21電動

26、輪廓儀原理框圖電動輪廓儀原理框圖傳感器結(jié)構(gòu)原理圖傳感器結(jié)構(gòu)原理圖n3.4.2 互感式電感傳感器互感式電感傳感器n利用電磁感應(yīng)中的互感現(xiàn)象工作。圖圖3-32 互感現(xiàn)象互感現(xiàn)象電流。流過初級線圈的激勵間的互感系數(shù)；初級線圈與次級線圈之1112iMdtdMein實際應(yīng)用時實際應(yīng)用時：圖圖3-33 螺管型差動變壓器螺管型差動變壓器 a）結(jié)構(gòu)原理）結(jié)構(gòu)原理 b）等效電路）等效電路 c）輸出特性）輸出特性n差動變壓器后續(xù)電路形式：差動變壓器后續(xù)電路形式：n差動變壓器式傳感器的輸出電壓是交流量，若用差動變壓器式傳感器的輸出電壓是交流量，若用交流電壓表指示，輸出值只能反應(yīng)鐵芯位移的大交流電壓表指示，輸出值只能

27、反應(yīng)鐵芯位移的大小，而小，而不能反應(yīng)移動的方向性；不能反應(yīng)移動的方向性；n同時，交流電壓輸出存在一定的同時，交流電壓輸出存在一定的零點殘余電壓，零點殘余電壓，使活動銜鐵位于中間位置時，輸出也不為零。使活動銜鐵位于中間位置時，輸出也不為零。n差動變壓器的后接電路需采用既能反應(yīng)鐵芯位移差動變壓器的后接電路需采用既能反應(yīng)鐵芯位移方向，又能補償零點殘余電壓的差動直流輸出電方向，又能補償零點殘余電壓的差動直流輸出電路。路。n圖圖3-34 差動相敏檢波電路差動相敏檢波電路圖圖3-34 3-34 差動相敏檢波電路工作原理差動相敏檢波電路工作原理差動變壓器式傳感器差動變壓器式傳感器的優(yōu)點是精確度高（最高分辨力

28、的優(yōu)點是精確度高（最高分辨力可達可達0.1um)0.1um)、線形范圍大，可達、線形范圍大，可達100mm100mm、穩(wěn)定性好，、穩(wěn)定性好，使用方便。廣泛用于直線位移的測量。借助于彈性敏使用方便。廣泛用于直線位移的測量。借助于彈性敏感元件可將壓力、重量等物理量轉(zhuǎn)換為位移的變化。感元件可將壓力、重量等物理量轉(zhuǎn)換為位移的變化。故也可用于壓力、重量的測量。故也可用于壓力、重量的測量。n3.4.3 電渦流式傳感器電渦流式傳感器n利用金屬導(dǎo)體在交流磁場中的電渦流效應(yīng)電渦流效應(yīng)。圖圖3-35 電渦流式傳感器的結(jié)構(gòu)原理電渦流式傳感器的結(jié)構(gòu)原理1傳感器激勵線圈傳感器激勵線圈2被測金屬導(dǎo)體被測金屬導(dǎo)體 如圖所示

29、，如圖所示，高頻高頻(1MHz)激勵電流激勵電流產(chǎn)生的高產(chǎn)生的高頻磁場作用于金屬板的表面，頻磁場作用于金屬板的表面，由電磁感應(yīng)定律，在金屬板由電磁感應(yīng)定律，在金屬板表面將形成渦電流。與此同表面將形成渦電流。與此同時，該渦流產(chǎn)生的交變磁場時，該渦流產(chǎn)生的交變磁場又又反作用反作用于線圈，引起線圈于線圈，引起線圈等效阻抗發(fā)生等效阻抗發(fā)生變化變化。阻抗的。阻抗的變化與金屬板的變化與金屬板的電阻率電阻率、磁導(dǎo)率磁導(dǎo)率、激勵電流激勵電流i及及角頻角頻率率及及線圈與金屬導(dǎo)體之間線圈與金屬導(dǎo)體之間的距離的距離等有關(guān)。等有關(guān)。 若若只改變距離只改變距離而保持而保持其它參數(shù)不變，則可作為其它參數(shù)不變，則可作為位位

30、移、振動移、振動的測量；變化的測量；變化或或則可作為則可作為材質(zhì)鑒別或探傷材質(zhì)鑒別或探傷等等。率。線圈中激勵電流的頻的距離；線圈與金屬導(dǎo)體之間率；被測金屬導(dǎo)體的磁導(dǎo)率；被測金屬導(dǎo)體的電阻xxfZ),(n等效阻抗Z為：n電渦流傳感器的測量電路一般有阻抗分壓分壓式調(diào)幅電路式調(diào)幅電路及調(diào)頻電路調(diào)頻電路。率。線圈中激勵電流的頻的距離；線圈與金屬導(dǎo)體之間率；被測金屬導(dǎo)體的磁導(dǎo)率；被測金屬導(dǎo)體的電阻xxfZ),(圖圖3-36 分壓式調(diào)幅電路原理分壓式調(diào)幅電路原理LCf21諧振頻率：圖圖3-37 3-37 分壓調(diào)幅電路諧振曲線和特性曲線分壓調(diào)幅電路諧振曲線和特性曲線 a a）諧振曲線）諧振曲線 b b）特性

31、曲線）特性曲線LCf21圖圖3-38 3-38 調(diào)頻電路的工作原理調(diào)頻電路的工作原理輸出電壓與位移成比例關(guān)系輸出電壓與位移成比例關(guān)系。n電渦流式傳感器的應(yīng)用電渦流式傳感器的應(yīng)用n可用于可用于動態(tài)非接觸測量動態(tài)非接觸測量，其測量范圍視傳，其測量范圍視傳感器結(jié)構(gòu)尺寸、線圈匝數(shù)和激勵頻率而定。感器結(jié)構(gòu)尺寸、線圈匝數(shù)和激勵頻率而定。一般從一般從（110）mm不等，最高分辨力不等，最高分辨力可達可達0.1um。這種傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、。這種傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、不受油污等介質(zhì)影響等優(yōu)點。使用方便、不受油污等介質(zhì)影響等優(yōu)點。n主要用于主要用于轉(zhuǎn)速、厚度、徑向振擺、零件計轉(zhuǎn)速、厚度、徑向振擺、零件計

32、數(shù)、表面裂紋測量。數(shù)、表面裂紋測量。徑向振動測量徑向振動測量軸心軌跡測量軸心軌跡測量轉(zhuǎn)速測量轉(zhuǎn)速測量 零件計數(shù)器零件計數(shù)器 表面裂紋測量表面裂紋測量 穿透式測厚穿透式測厚 3.5 3.5 壓電式傳感器壓電式傳感器n壓電式傳感器是一種可逆型換能器。壓電式傳感器是一種可逆型換能器。n機械能轉(zhuǎn)換成電能：可測壓力、加速度、振動等。n電能轉(zhuǎn)換成機械能：高頻振動臺、超聲發(fā)射與接受等。n主要優(yōu)點：主要優(yōu)點：n體積小；重量輕；n工作頻帶寬（如：加速度傳感器，可測頻率范圍0.120KHz）；n靈敏度高（如：力傳感器，分辨力達10-3N）。n3.5.1 3.5.1 壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)n定義：定義：某些物質(zhì)，如石英、

33、鈦酸鋇（某些物質(zhì)，如石英、鈦酸鋇（BaTiO3BaTiO3） 、鋯鈦酸鉛（鋯鈦酸鉛（PZTPZT）等晶體，當受到外力作用時，不）等晶體，當受到外力作用時，不僅幾何尺寸發(fā)生變化，而且其內(nèi)部會產(chǎn)生極化作僅幾何尺寸發(fā)生變化，而且其內(nèi)部會產(chǎn)生極化作用，從而會在晶體的相應(yīng)表面產(chǎn)生電荷，形成電用，從而會在晶體的相應(yīng)表面產(chǎn)生電荷，形成電場。當外力去掉后，又重新回到不帶電狀態(tài)，晶場。當外力去掉后，又重新回到不帶電狀態(tài)，晶體的這一性質(zhì)稱為體的這一性質(zhì)稱為正壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng)。n當壓電晶體置于外電場，其幾何尺寸也會發(fā)生變當壓電晶體置于外電場，其幾何尺寸也會發(fā)生變化，當電場撤去時，這些變形也隨之消失，這種化，當電場

34、撤去時，這些變形也隨之消失，這種物理現(xiàn)象稱為物理現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)。n具有壓電效應(yīng)的晶體稱之為壓電晶體壓電晶體n天然壓電晶體天然壓電晶體例如：石英、電氣石、閃鋅礦等。價格昂貴且不易獲得。石英晶體是常用的壓電材料之一。n人造晶體人造晶體，如：酒石酸鉀鈉（羅謝耳鹽）、磷酸二氫銨、磷酸二氫鉀、酒石酸乙二鉀、硫酸鋰等。n以石英晶體為例，介紹壓電效應(yīng)nz軸軸稱為稱為光軸光軸，沿該方向受力不會產(chǎn)生壓電效應(yīng)。，沿該方向受力不會產(chǎn)生壓電效應(yīng)。nx軸軸是經(jīng)過六面體的棱線并垂直于是經(jīng)過六面體的棱線并垂直于z軸的軸線，稱為軸的軸線，稱為電軸電軸又又稱稱 “縱向壓電效應(yīng)縱向壓電效應(yīng)”。ny軸軸是與是與x、z

35、軸垂直的軸線，稱為軸垂直的軸線，稱為機械軸機械軸，又稱，又稱 “橫向壓橫向壓電效應(yīng)電效應(yīng)”。 圖圖3-41 3-41 石英晶體石英晶體a a）晶體外形）晶體外形 b b）軸定義）軸定義 c c）切割晶片）切割晶片n沿沿x軸方向施加作用力，將在軸方向施加作用力，將在yz平面上產(chǎn)生電荷，其大小為平面上產(chǎn)生電荷，其大小為n沿沿y軸方向施加作用力，仍然在軸方向施加作用力，仍然在yz平面產(chǎn)生電荷，但極性方平面產(chǎn)生電荷，但極性方向相反，其大小為向相反，其大小為n沿沿z軸方向施加作用力，不會產(chǎn)生壓電效應(yīng)，無電荷產(chǎn)生。軸方向施加作用力，不會產(chǎn)生壓電效應(yīng)，無電荷產(chǎn)生。軸方向作用力。方向受力的壓電系數(shù)；xFxdF

36、dqxxx1111方向作用力。切片厚度；切片長度；方向受力的壓電系數(shù)；yFbaddydFbadFbadqyyyy;1112121112圖圖3-42 3-42 電荷符號與受力方向的關(guān)系電荷符號與受力方向的關(guān)系a a）x x軸向受壓力軸向受壓力 b b）x x軸向受拉力軸向受拉力 c c）y y軸向受壓力軸向受壓力 d d）y y軸向受拉力軸向受拉力 n3.5.2 3.5.2 壓電材料壓電材料n壓電單晶壓電單晶 如石英、鈮酸鋰、鉭酸鋰等；如石英、鈮酸鋰、鉭酸鋰等；n特點特點: :石英壓電常數(shù)不高石英壓電常數(shù)不高，但具有較好的機械強度，但具有較好的機械強度和溫度、時間穩(wěn)定性，居里點：和溫度、時間穩(wěn)定

37、性，居里點：575575度。度。n壓電陶瓷壓電陶瓷 如鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛（如鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛（PZTPZT）等；）等；n壓電陶瓷為多晶體，它由許多壓電陶瓷為多晶體，它由許多鐵電體微晶鐵電體微晶組成，微組成，微晶再細分為晶再細分為電疇電疇，在一定的溫度下進行極化處理，在一定的溫度下進行極化處理（1 14MV/m），使電籌規(guī)則排列，呈現(xiàn)壓電性。，使電籌規(guī)則排列，呈現(xiàn)壓電性。壓電陶瓷可視為壓電陶瓷可視為多疇晶體多疇晶體。其制作方便，成本低，。其制作方便，成本低，使用廣泛。使用廣泛。壓電常數(shù)比石英高數(shù)百倍壓電常數(shù)比石英高數(shù)百倍。n有機壓電薄膜有機壓電薄膜 如聚偏二氟乙烯（如聚偏二氟乙烯（PVDFPVDF

38、）。）。n居里點：居里點：材料溫度達到該點，將失去壓電特性。n鈦酸鋇鈦酸鋇是使用最早的壓電陶瓷。其居里溫度低，約為120。現(xiàn)在使用最多的是鋯鈦酸鋯鈦酸鉛（鉛（PZT）系列壓電陶瓷。）系列壓電陶瓷。PZT是一材料系列，隨配方和摻雜的變化可獲得不同的材料性能。它具有較高的居里點，約為180350 和很高的壓電常數(shù)（10002100）。利用強電場（1-4MV/m）使電疇規(guī)則排列圖3-43 極化處理示意圖a）極化前 b）極化 c）極化后n高分子壓電薄膜高分子壓電薄膜n聚偏二氟乙烯（聚偏二氟乙烯（PVDFPVDF）是使用較多的高分子壓電是使用較多的高分子壓電薄膜，其壓電特性并不太好（壓電常數(shù)小，居里薄膜

39、，其壓電特性并不太好（壓電常數(shù)小，居里點低），但易于大批量生產(chǎn)，且具有點低），但易于大批量生產(chǎn)，且具有面積大、柔面積大、柔軟不易破碎軟不易破碎等優(yōu)點?？捎糜诘葍?yōu)點。可用于微壓測量微壓測量和和機器人的機器人的觸覺觸覺。為提高其壓電性能還可以摻入壓電陶瓷粉。為提高其壓電性能還可以摻入壓電陶瓷粉末，制成復(fù)合材料末，制成復(fù)合材料(PVdFPZT)(PVdFPZT)。n應(yīng)用應(yīng)用 ：nPVDFPVDF血壓傳感器：使用方便，與上腕部動脈溝吻血壓傳感器：使用方便，與上腕部動脈溝吻合。合。n機器人觸覺傳感器：同時具有壓電效應(yīng)和熱釋電機器人觸覺傳感器：同時具有壓電效應(yīng)和熱釋電效應(yīng)，薄膜柔軟，適于做成大面積傳感陣列

40、器件。效應(yīng)，薄膜柔軟，適于做成大面積傳感陣列器件。n對壓電材料性能的要求：對壓電材料性能的要求：n轉(zhuǎn)換性能。轉(zhuǎn)換性能。要求具有較大的壓電常數(shù)。要求具有較大的壓電常數(shù)。n機械性能。機械性能。壓電元件作為受力元件，希望壓電元件作為受力元件，希望它的機械強度高、剛度大，以獲得寬的線性它的機械強度高、剛度大，以獲得寬的線性范圍和高的固有振動頻率。范圍和高的固有振動頻率。n電性能。電性能。希望具有高電阻率和大介電常數(shù)，希望具有高電阻率和大介電常數(shù)，以減弱外部分布電容的影響并獲得良好的低以減弱外部分布電容的影響并獲得良好的低頻特性。頻特性。n環(huán)境適應(yīng)性強。環(huán)境適應(yīng)性強。溫度和濕度穩(wěn)定性要好，溫度和濕度穩(wěn)定

41、性要好，要求具有較高的居里點，獲得較寬的工作溫要求具有較高的居里點，獲得較寬的工作溫度范圍。度范圍。n時間穩(wěn)定性。時間穩(wěn)定性。要求壓電性能不隨時間變化。要求壓電性能不隨時間變化。n3.5.3 3.5.3 等效電路等效電路n當有外力作用時，在壓電晶片的兩個極板上產(chǎn)生當有外力作用時，在壓電晶片的兩個極板上產(chǎn)生數(shù)量相等、極性相反的電荷數(shù)量相等、極性相反的電荷Q Q，其開路電壓，其開路電壓U U為：為：圖3-44 壓電晶片積。壓電晶片工作面的面厚度；極板間距，即晶片的；鈦酸鋇石英晶體常數(shù)；壓電材料的相對介電AACrrrra12004.50aCQU 圖圖3-45 3-45 壓電式傳感器等效電路壓電式傳感

42、器等效電路a a）電荷等效電路）電荷等效電路 b b）電壓等效電路）電壓等效電路圖圖3-46 3-46 壓電元件連接方式壓電元件連接方式 a a）并聯(lián)）并聯(lián) b b）串聯(lián)）串聯(lián)電荷大，電電荷大，電容大。適合容大。適合電荷輸出場電荷輸出場合。合。電壓大，電電壓大，電容小。適合容小。適合電壓輸出場電壓輸出場合。合。n使用時注意：使用時注意：n負載不是無窮大時，會有漏電現(xiàn)象。因此，靜態(tài)測量時，必須采用極高阻抗負載；負載不是無窮大，電路將按指數(shù)規(guī)律放電，極板上電荷無法保持不變，從而造成測量誤差。n動態(tài)測量時，因外力不斷變化，電荷可以不斷得到補充，漏電量相對較少，故壓電式傳感器適宜動態(tài)動態(tài)測量測量。n實

43、際應(yīng)用時壓電元件常采用實際應(yīng)用時壓電元件常采用串接或并接串接或并接。n并接：并接：電容量大，輸出電荷量大，宜于測緩變信號，適宜電荷量輸出場合適宜電荷量輸出場合；n串接：串接：電容小，輸出電壓大，適宜于電壓輸出的適宜于電壓輸出的場合。場合。n3.5.4 3.5.4 測量電路測量電路n前置放大器的主要作用前置放大器的主要作用有兩點：一是將傳感器的高有兩點：一是將傳感器的高阻抗輸出變換為低阻抗輸出；二是將傳感器輸出的阻抗輸出變換為低阻抗輸出；二是將傳感器輸出的微弱電信號放大。微弱電信號放大。n前置放大器有前置放大器有兩種形式兩種形式。其一是用電阻反饋的。其一是用電阻反饋的n電壓放大器電壓放大器，其輸

44、出電壓與輸入電壓（傳感器輸出），其輸出電壓與輸入電壓（傳感器輸出）成正比；另一種是帶電容反饋的電荷放大器，其輸成正比；另一種是帶電容反饋的電荷放大器，其輸出電壓與輸入電荷成正比。出電壓與輸入電荷成正比。n電荷放大器電荷放大器是一個帶有反饋電容是一個帶有反饋電容C Cf f的高增益運算放的高增益運算放大器。當略去傳感器的漏電阻及電荷放大器的輸入大器。當略去傳感器的漏電阻及電荷放大器的輸入電阻時，其等效電路如圖電阻時，其等效電路如圖3-473-47所示。所示。圖3-47 壓電式傳感器與電荷放大器連接的等效電路 foiifoiicaiCUUCUCUUCCCUQ電荷放大器反饋電容大倍數(shù)；為電荷放大器的

45、開環(huán)放放大器輸出電壓，放大器輸入電壓；fiiCKKUUUU,00當放大器的開環(huán)放大倍數(shù)K足夠大，n結(jié)論：結(jié)論：在一定的條件下，在一定的條件下，電荷放大器的電荷放大器的輸輸出電壓與出電壓與壓電傳感器產(chǎn)生的壓電傳感器產(chǎn)生的電荷量成正比，電荷量成正比，且且與電纜分布電容無關(guān)與電纜分布電容無關(guān)。因此，采用電荷。因此，采用電荷放大器，即使連接電纜長度數(shù)百米，其靈放大器，即使連接電纜長度數(shù)百米，其靈敏度也無明顯變化，這是電荷放大器的突敏度也無明顯變化，這是電荷放大器的突出優(yōu)點。出優(yōu)點。 ffoKCCCKQU)(foCQUffCCKC則：n3.5.5 壓電式傳感器的應(yīng)用n壓電式傳感器常用來測量力、壓力、振動

46、的加速壓電式傳感器常用來測量力、壓力、振動的加速度，也用于聲學(xué)和聲發(fā)射等的測量度，也用于聲學(xué)和聲發(fā)射等的測量。n壓電效應(yīng)是一種壓電效應(yīng)是一種力力 電荷電荷變換，可直接用作力的變換，可直接用作力的測量?，F(xiàn)已形成測量。現(xiàn)已形成系列的壓電式力傳感器系列的壓電式力傳感器，測量范，測量范圍從圍從10-3N104KN，動態(tài)范圍一般為動態(tài)范圍一般為60dB。n壓電式壓力傳感器有兩種形式：一種是利用壓電式壓力傳感器有兩種形式：一種是利用膜片膜片式彈性元件，式彈性元件，通過膜片承壓面積將壓力轉(zhuǎn)化為力。通過膜片承壓面積將壓力轉(zhuǎn)化為力。n另一種是利用另一種是利用活塞的承壓面承受壓力，活塞的承壓面承受壓力，并使活塞并

47、使活塞所受的力通過在活塞另一端的頂桿作用在壓電元所受的力通過在活塞另一端的頂桿作用在壓電元件上，測得此作用力便可推算出活塞所受壓力。件上，測得此作用力便可推算出活塞所受壓力。圖圖3-48 3-48 壓電式單向測力傳感器的結(jié)構(gòu)壓電式單向測力傳感器的結(jié)構(gòu)11絕緣套絕緣套 22電極電極 33基座基座 44上蓋上蓋 55石英晶片石英晶片 66電子束焊接電子束焊接該測力傳感器的測量范圍是該測力傳感器的測量范圍是0 050N50N，最小分辨力，最小分辨力0.01N0.01N，可，可用于機床切削力的測量。用于機床切削力的測量。上蓋為傳力元件上蓋為傳力元件圖圖3-49 3-49 壓電式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)壓電式

48、加速度傳感器的結(jié)構(gòu)11電極夾層電極夾層 22晶片晶片 33外殼外殼 44質(zhì)量塊質(zhì)量塊 55晶片晶片 66引線引線 77底層底層質(zhì)量塊產(chǎn)生一個質(zhì)量塊產(chǎn)生一個與加速度成正比與加速度成正比的的慣性力慣性力F F作用作用于壓電晶片于壓電晶片，因，因壓電效應(yīng)在壓電壓電效應(yīng)在壓電晶片表面產(chǎn)生電晶片表面產(chǎn)生電荷，該荷，該電荷與被電荷與被測加速度成正比測加速度成正比。壓電式脈搏計壓電式脈搏計 產(chǎn)品采用產(chǎn)品采用壓電薄膜壓電薄膜作為換能材料，作為換能材料，是一種高性能、低成本的動態(tài)微壓是一種高性能、低成本的動態(tài)微壓傳感器。傳感器。動態(tài)壓力信號通過薄膜變動態(tài)壓力信號通過薄膜變成電荷量，成電荷量，再經(jīng)傳感器內(nèi)部放大電

49、再經(jīng)傳感器內(nèi)部放大電路轉(zhuǎn)換成電壓輸出。該傳感器具有路轉(zhuǎn)換成電壓輸出。該傳感器具有靈敏度高，抗過載及沖擊能力強，靈敏度高，抗過載及沖擊能力強，抗干擾性好，操作簡便，體積小、抗干擾性好，操作簡便，體積小、重量輕、成本低等特點，廣泛應(yīng)用重量輕、成本低等特點，廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、安全防衛(wèi)等領(lǐng)域。于醫(yī)療、安全防衛(wèi)等領(lǐng)域。典型應(yīng)用：典型應(yīng)用：脈搏計數(shù)；脈搏計數(shù)；按鍵鍵盤，觸摸鍵盤；按鍵鍵盤，觸摸鍵盤；振動、沖擊、碰撞報警；振動、沖擊、碰撞報警；振動加速度測量；振動加速度測量；管道壓力波動；管道壓力波動；其它機電轉(zhuǎn)換、動態(tài)力檢測等。其它機電轉(zhuǎn)換、動態(tài)力檢測等。流量顯示1789輸出信號換能器換能器接收接收發(fā)射發(fā)射

50、壓電式流量計壓電式流量計工作原理工作原理：利用超聲波在順流利用超聲波在順流方向和逆流方向的傳播速度進方向和逆流方向的傳播速度進行測量。其測量裝置是在管外行測量。其測量裝置是在管外設(shè)置兩個相隔一定距離的收發(fā)設(shè)置兩個相隔一定距離的收發(fā)兩用兩用壓電超聲換能器壓電超聲換能器，每隔一，每隔一段時間段時間(如如1/100s)，發(fā)射和接收，發(fā)射和接收互換一次。在順流和逆流的情互換一次。在順流和逆流的情況下，況下，發(fā)射和接收的相位差與發(fā)射和接收的相位差與流速成正比。流速成正比。據(jù)這個關(guān)系，可據(jù)這個關(guān)系，可精確測定流速。流速與管道橫精確測定流速。流速與管道橫截面積的乘積等于流量。截面積的乘積等于流量。此流量計可

51、測量各種液體的流此流量計可測量各種液體的流速及中壓和低壓氣體的流速。速及中壓和低壓氣體的流速。同時不受流體的導(dǎo)電率、粘度、同時不受流體的導(dǎo)電率、粘度、密度、腐蝕性以及成分的影響。密度、腐蝕性以及成分的影響。其準確度可達其準確度可達0.5%。n壓電式傳感器總結(jié)：壓電式傳感器總結(jié)：n1 1）壓電傳感器已形成系列化產(chǎn)品。壓電傳感器已形成系列化產(chǎn)品。如大型加速度計靈敏如大型加速度計靈敏閾可達閾可達10106 6g g，能夠測量微弱的振動。小型加速度計，能夠測量微弱的振動。小型加速度計0.14g,0.14g,靈敏低，但能測量上千克強振動。靈敏低，但能測量上千克強振動。n2 2）有電荷泄漏難以精確測量常值

52、力，有電荷泄漏難以精確測量常值力，低頻振動受靈敏度低頻振動受靈敏度限制，輸出信號弱，信噪比差。限制，輸出信號弱，信噪比差。n3 3）壓電傳感器一般用來測量沿其軸向的作用力，產(chǎn)生縱）壓電傳感器一般用來測量沿其軸向的作用力，產(chǎn)生縱向效應(yīng)和相應(yīng)的輸出，但在垂直軸向（向效應(yīng)和相應(yīng)的輸出，但在垂直軸向（y y軸）的作用力，軸）的作用力，產(chǎn)生橫向效應(yīng)和相應(yīng)的輸出，橫向輸出是一種干擾和產(chǎn)生產(chǎn)生橫向效應(yīng)和相應(yīng)的輸出，橫向輸出是一種干擾和產(chǎn)生誤差的原因，故誤差的原因，故要減少橫向輸出要減少橫向輸出。n4 4）環(huán)境溫度、濕度的變化、）環(huán)境溫度、濕度的變化、壓電材料本身的時效壓電材料本身的時效，都會，都會引起壓電常

53、數(shù)的變化，使壓電傳感器靈敏度變化，引起壓電常數(shù)的變化，使壓電傳感器靈敏度變化，故要經(jīng)故要經(jīng)常校準常校準壓電傳感器。壓電傳感器。n5 5）壓電傳感器）壓電傳感器具有可逆性具有可逆性。施加電壓于壓電晶片，壓電。施加電壓于壓電晶片，壓電片便伸縮。所以可做片便伸縮。所以可做“驅(qū)動器驅(qū)動器”。3.6 磁電與熱電式傳感器n3.6.1 磁電式傳感器n定義：利用電磁感應(yīng)電磁感應(yīng)的原理，將被測物理量被測物理量轉(zhuǎn)換為感應(yīng)電動勢感應(yīng)電動勢的裝置，又稱電磁感應(yīng)式或電動力式傳感器。n是一種機械能轉(zhuǎn)換為電能的傳感器，不需供電電源，電路簡單，性能穩(wěn)定，輸出阻抗小，頻響范圍為101000Hz，適于振動、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩等測量。 n

54、由電磁感應(yīng)定律電磁感應(yīng)定律可知，當穿過一個線圈的磁通發(fā)生變化時，線圈中所產(chǎn)生感應(yīng)電動勢的大小取決于匝數(shù)匝數(shù)和穿過線圈的磁通變化率磁通變化率。n磁通變化率與磁場強度、磁路磁阻、線圈磁場強度、磁路磁阻、線圈的運動速度的運動速度有關(guān)，改變其中一個因素，都可改變線圈的感應(yīng)電動勢。n根據(jù)工作原理，磁電式傳感器可分為根據(jù)工作原理，磁電式傳感器可分為恒定恒定磁通式磁通式和和變磁通式變磁通式兩類。兩類。dtdNen1 1、恒定磁通式（動圈式）、恒定磁通式（動圈式）能量轉(zhuǎn)換型（無源型）傳感器能量轉(zhuǎn)換型（無源型）傳感器n對線速度型磁電式傳感器，產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢為對線速度型磁電式傳感器，產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢為sinNB

55、lve 向的夾角。線圈運動方向與磁場方速度；線圈與磁場的相對運動線圈匝數(shù)；單匝線圈有效長度；磁場的磁感應(yīng)強度；vNlBNBlve90慣性速度計工作原理，慣性速度計工作原理，經(jīng)微分、積分可得到經(jīng)微分、積分可得到加速度及位移。加速度及位移。單匝線圈的截面積。；與結(jié)構(gòu)有關(guān)的系數(shù)，-A1kkkNBAe2 2、變磁通式（磁阻式）、變磁通式（磁阻式）n又稱變磁阻式磁電傳感器，常用來測量旋轉(zhuǎn)體的又稱變磁阻式磁電傳感器，常用來測量旋轉(zhuǎn)體的角速度。角速度。圖3-51 變磁通式磁電傳感器的結(jié)構(gòu)1被測旋轉(zhuǎn)體 2測量齒輪 3鐵心 4永久磁鐵 5線圈測量齒輪的齒數(shù)。；測量齒輪的轉(zhuǎn)速zrnnzf)min.(601感應(yīng)電動

56、勢變化的頻率：感應(yīng)電動勢變化的頻率：磁電式傳感器只適用于動態(tài)測量磁電式傳感器只適用于動態(tài)測量。n磁電式傳感器與電感式傳感器異同：n同：電磁感應(yīng)定律。n異：磁電式傳感器是通過磁電作用磁電作用將被測量轉(zhuǎn)換為電信號的一種傳感器（能量轉(zhuǎn)換型）；電感式傳感器是利用線圈自感或互感自感或互感的變化來測量的一種裝置（能量控制型）；磁電式傳感器磁電式傳感器具有頻響寬，動態(tài)范圍大動態(tài)范圍大的特點；而電感式傳感器電感式傳感器存在交流零位信號，不宜用于高頻動態(tài)信號檢測不宜用于高頻動態(tài)信號檢測，其響應(yīng)速度較慢，也不宜做快速動態(tài)測量。n電感式傳感器常用來測量位移、振動、壓力、加速度等物理量。磁電式傳感器可用于振動、轉(zhuǎn)速、

57、轉(zhuǎn)矩等測量。n例：已知恒磁通磁電式速度傳感器的固有頻率為10Hz，質(zhì)量塊重2.08N，氣隙磁感應(yīng)強度為1T，單匝線圈長度為4mm，線圈中匝數(shù)1500匝，試求彈簧剛度K值和電壓靈敏度 值 。uS)/(smmV n3.6.2 3.6.2 熱電式傳感器熱電式傳感器n工作原理：將工作原理：將溫度變化轉(zhuǎn)換為電量變化溫度變化轉(zhuǎn)換為電量變化的元件。的元件。n熱電偶：將熱電偶：將溫度變化溫度變化轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)換為電動勢變化電動勢變化的測溫元件。的測溫元件。n熱電阻：將熱電阻：將溫度變化溫度變化轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)換為電阻值變化電阻值變化的測溫元件。的測溫元件。n1 1、熱電偶、熱電偶n（1 1）熱電偶工作原理）熱電偶工作原理圖

58、3-52 熱電偶回路n熱電動勢組成（接觸電動勢與溫差電動勢）熱電動勢組成（接觸電動勢與溫差電動勢）n接觸電動勢：接觸電動勢： A A、B B 接觸面處形成的穩(wěn)定電位差接觸面處形成的穩(wěn)定電位差稱為接觸電動勢。稱為接觸電動勢。n溫差電動勢：溫差電動勢：高溫與低溫端之間形成穩(wěn)定的電位高溫與低溫端之間形成穩(wěn)定的電位差稱為溫差電動勢。差稱為溫差電動勢。n熱電偶的總熱電動勢為熱電偶的總熱電動勢為n若使冷端溫度若使冷端溫度T T0 0固定，則固定，則)()(),(00TfTfTTEAB決定的常數(shù)。由固定溫度00T)()(),(CTCTfTTEABn熱電偶回路的熱電偶回路的特點：特點：n如果熱電偶的兩個熱電極

59、材料相同，兩結(jié)點如果熱電偶的兩個熱電極材料相同，兩結(jié)點的溫度雖然不同，但總的熱電勢仍為零。因的溫度雖然不同，但總的熱電勢仍為零。因此，此，熱電偶必須由兩種不同的材料構(gòu)成；熱電偶必須由兩種不同的材料構(gòu)成；n如果熱電偶兩個接點的溫度相同，即使兩個如果熱電偶兩個接點的溫度相同，即使兩個熱電極熱電極 A A、B B 的材料不同，回路中熱電勢仍的材料不同，回路中熱電勢仍然為零，因此要產(chǎn)生熱電勢不但要求兩個電然為零，因此要產(chǎn)生熱電勢不但要求兩個電極材料不同，而且極材料不同，而且兩個接點必須有溫度差；兩個接點必須有溫度差；n熱電動勢與導(dǎo)體材料熱電動勢與導(dǎo)體材料A A、B B的中間溫度無關(guān)，的中間溫度無關(guān)，僅

60、與兩個接點的溫度有關(guān)。僅與兩個接點的溫度有關(guān)。n（2 2）熱電偶的基本定律）熱電偶的基本定律n中間導(dǎo)體定律：中間導(dǎo)體定律：在熱電偶回路中接入第三在熱電偶回路中接入第三種導(dǎo)體，只要其兩端溫度相同，則第三種種導(dǎo)體，只要其兩端溫度相同，則第三種導(dǎo)體的引入不會影響熱電偶的熱電動勢。導(dǎo)體的引入不會影響熱電偶的熱電動勢。圖圖3-53 3-53 開路熱電偶測量金屬壁面溫度開路熱電偶測量金屬壁面溫度 1 1儀表連線儀表連線 22金屬壁面金屬壁面n參考電極定律：參考電極定律：導(dǎo)體導(dǎo)體C C接在接在A A、B B之間，當熱電偶兩之間，當熱電偶兩個接點溫度為個接點溫度為T T、T0T0時，用導(dǎo)體時，用導(dǎo)體A A、B