電感電容壓電傳感器

電感式傳感器是基于電磁感應(yīng)原理，把被測量轉(zhuǎn)化為電感量的一種裝置。電感式傳感器分類第二節(jié)電感式傳感器優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高（能測0.1μm的位移）、線性較好（非線性誤差0.1%）、輸出功率大等。缺點(diǎn)：頻率響應(yīng)較低；測量范圍越大，分辨率越低自感式互感式可變磁阻式渦流式1一、自感式傳感器1、變氣隙式

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,銜鐵和鐵心間有一氣隙δ。線圈鐵芯銜鐵分變氣隙式、變面積式、螺旋管式三類見圖4-4線圈自感量L為：線圈匝數(shù)磁路總磁阻(4-14)2由于δ很小，可認(rèn)為氣隙磁場是均勻的，若忽略磁路的鐵損，則總磁阻為線圈鐵芯銜鐵線圈自感量L為：線圈匝數(shù)磁路總磁阻(4-14)鐵芯導(dǎo)磁長度鐵芯磁導(dǎo)率鐵芯截面積空氣磁導(dǎo)率氣隙長度氣隙截面積(4-15)亨/米3這種傳感器適用于較小位移的測量，測量范圍約在0.001~1mm左右。由于鐵心磁阻與氣隙相比要小得多，可以忽略

傳感器靈敏度：(4-16)(4-17)42、變面積式3、螺管式

特點(diǎn)：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。鐵芯線圈銜鐵

原理：氣隙長度不變，鐵心與銜鐵之間相對而言覆蓋面積隨被測量的變化而改，導(dǎo)致線圈的電感量發(fā)生變化，鐵芯線圈

原理：銜鐵隨被測對象移動(dòng)，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。

特點(diǎn)：靈敏度更低，但測量范圍大，線性也較好，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。5以上三種類型的自感式傳感器在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，一般由兩單一結(jié)構(gòu)對稱組合，構(gòu)成差動(dòng)式自感傳感器。采用差動(dòng)式結(jié)構(gòu)除了可以改善非線性，提高靈敏度外，對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。

差動(dòng)式電感傳感器(a)變間隙型(b)變面積型(c)螺管型

1—線圈2—鐵芯3—銜鐵4—到桿(a)(b)(c)6二、差動(dòng)變壓器式傳感器差動(dòng)變壓器式傳感器是把被測量的變化轉(zhuǎn)換成互感系數(shù)M的變化。傳感器本身是互感系數(shù)可變的變壓器。因?yàn)樗腔诨ジ凶兓脑?，故也稱為互感式傳感器。EwEoutEW1EW2WW1W2Esx-x輸出電壓Eout=EW1-EW2，當(dāng)鐵芯在中央位置時(shí)，EW1=EW2

。7單螺管線圈型螺管線圈差動(dòng)雙螺管線圈差動(dòng)型傳感器測量電路~8差動(dòng)變壓器位移傳感器9案例：板的厚度測量

~10案例：張力測量11三、電渦流式傳感器原理:將金屬導(dǎo)體置于變化的磁場中，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，稱為電渦流效應(yīng)。高頻交變電流線圈交變磁通φ電渦流交變磁通φ1使原線圈的等效阻抗Z

發(fā)生變化12原線圈的等效阻抗Z變化：金屬板的電阻率金屬板的磁導(dǎo)率線圈與金屬板的距離線圈激勵(lì)角頻率1314案例：無損探傷原理裂紋檢測，缺陷造成渦流變化?；疖囕啓z測油管檢測15第三節(jié)電容式傳感器

原理：將被測量的變化轉(zhuǎn)化為電容量變化。兩平行極板組成的電容器,它的電容量為:+++A介電常數(shù)兩極板相互覆蓋的面積極板間的距離極距變化型

面積變化型

介電常數(shù)變化型

電容式傳感器的三種類型：(4-18)r

相對介電常數(shù)，空氣的相對介電常數(shù)r=1真空的介電常數(shù)

0=8.85×10-12F/m介電常數(shù)=r×

016相對介電常數(shù)

171.極距變化型++++++靈敏度(4-19)18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。這種材料經(jīng)特殊電處理后，表面永久地駐有極化電荷，取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、性能優(yōu)越、使用方便。最大的△δ應(yīng)小于極板間距δ的1/5～1/10。因此極距變化型電容傳感器的量程范圍在0.01um—數(shù)百um。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。靈敏度可提高一倍。192.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移型兩種。圖為直線位移型。當(dāng)動(dòng)極板沿x方向移動(dòng)時(shí)，動(dòng)、靜極板覆蓋面積發(fā)生變化，電容量也隨之變化。xb其電容量靈敏度=常數(shù)(4-20)輸入與輸出成線性關(guān)系(4-21)20+++角位移型rrθ(a)平面線位移型(c)圓柱體線位移型(b)角位移型21角位移型+++覆蓋面積(4-22)+++rrθ所以，電容量靈敏度

=常數(shù)(4-23)(4-24)22面積變化型線性度好，但靈敏度低，故適用于較大位移的測量。柱面線位移型.電容量靈敏度

=常數(shù)233.介電常數(shù)變化型這種類型的傳感器可用來測量液體的液位和材料的厚度等。24兩圓筒間為空氣介質(zhì)的電容為：空氣的介電常數(shù)電極長度內(nèi)電極外半徑外電極內(nèi)半徑如果電極的一部分被非導(dǎo)電性液體所浸沒時(shí)，則會(huì)有電容量的增量△C產(chǎn)生液體的介電常數(shù)液體浸沒長度圖4-10液位測量示意圖真空的介電常數(shù)

0=8.85×10-12F/m介電常數(shù)2=r2×0

(4-25)(4-26)25

如果被測介質(zhì)為導(dǎo)電性液體，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)兩極間的電容量為：中間介質(zhì)的介電常數(shù)絕緣覆蓋層外半徑液體浸沒長度，即電極長度★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)頻電路，運(yùn)算放大器電路等。

★電容傳感器的優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好等★影響測量精度的主要因素：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，為電容傳感器的應(yīng)用開辟了廣闊的前景。26產(chǎn)品.電容式液位傳感器（液位計(jì)/料位計(jì)）27電容式接近開關(guān)振蕩電路被測物體感應(yīng)電極被測電容測量頭構(gòu)成電容器的一個(gè)極板，另一個(gè)極板是物體本身，當(dāng)物體移向接近開關(guān)時(shí)，物體和接近開關(guān)的介電常數(shù)發(fā)生變化，使得和測量頭相連的電路狀態(tài)也隨之發(fā)生變化.接近開關(guān)的檢測物體，并不限于金屬導(dǎo)體，也可以是絕緣的液體或粉狀物體。2829第四節(jié)壓電式傳感器一、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)，又重新回到原來的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。相反，在這些材料的某些方向上施加電場，它會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形，當(dāng)去掉外加電場后，變形隨之消失，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)或電致伸縮效應(yīng)。二、

壓電材料及其特性常用的壓電材料大致有三類：壓電單晶、壓電陶瓷和新型壓電材料。壓力壓電材料產(chǎn)生電荷

30

1、

壓電單晶

壓電單晶為單晶體，各向異性。主要有石英（Si02）、鈮酸鋰（LiNb03）等

石英晶體有天然與人工之分，是壓電單晶體中最具代表性的。石英晶體呈六角棱柱體。有光軸（中性軸）、電軸和機(jī)械軸。

光軸z——縱軸線，沿該軸方向無壓電效應(yīng)。光軸

電軸x——通過六角棱柱的棱而垂直于光軸的軸。在垂直于此軸的平面上壓電效應(yīng)最強(qiáng)。電軸

機(jī)械軸y——垂直于棱面的y軸，在電場作用下，沿該軸的機(jī)械變形最明顯。機(jī)械軸

31zxyFxFx+-zxyFyFy

+-zxyFyFy

-+

★縱向壓電效應(yīng)——沿x軸受力產(chǎn)生的壓電效應(yīng)；橫向壓電效應(yīng)——沿y軸受力產(chǎn)生的壓電效應(yīng)；切向壓電效應(yīng)——沿切向受力產(chǎn)生的壓電效應(yīng)

★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x軸的平面上。32

由縱向壓電效應(yīng)產(chǎn)生的電荷量q為：作用力縱向壓電常數(shù)

石英晶體：壓電常數(shù)比較低，d11=2.31×10-12C/N

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合。鈮酸鋰晶體：是人工拉制晶體。居里點(diǎn)高（12000C)，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

2、

壓電陶瓷

壓電陶瓷——是一種經(jīng)極化處理后的人工多晶體。如鈦酸鋇、鋯鈦酸鋇。

壓電陶瓷特點(diǎn)：壓電系數(shù)大，靈敏度高，價(jià)格低廉，居里點(diǎn)較低33

3、新型壓電材料

（1）有機(jī)壓電薄膜某些合成高分子聚合物，經(jīng)延展拉伸和電場極化后形成具有壓電特性的薄膜。如聚偏氟乙烯（PVF2)、聚氟乙烯（PVF)等。特點(diǎn)：柔軟，不易破碎，面積大等?？芍瞥纱竺娣e陣列傳感器和機(jī)器人觸覺傳感器。

（2）壓電半導(dǎo)體有些材料，如硫化鋅（ZnS)、氧化鋅（ZnO)、硫化鈣(CaS)、砷化鎵（GaAs)等，既具有半導(dǎo)體特性，又有壓電特性。因此，既可利用壓電性能制作敏感器件，又可利用半導(dǎo)體特性制成電路器件，研制成新型集成壓電傳感器。34

三、等效電路蒸鍍金屬形成電極晶片兩表面相當(dāng)于電容器的兩個(gè)極板F

++++++++

-------兩極板之間的壓電材料等效于電介質(zhì)因此，壓電晶片相當(dāng)于一只平行極板電容器，其電容量為極板面積壓電材料的介電常數(shù)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。電容器上的開路電壓U0為壓電元件上所產(chǎn)生的電荷量35+并聯(lián)：適于測緩變信號(hào)和以電荷為輸出量的場合+

★

當(dāng)壓電式傳感器接入測量電路，連接電纜的寄生電容形成傳感器的并聯(lián)寄生電容Cc，傳感器中的漏電阻和后繼電路的輸入阻抗形成泄漏電阻R0，等效電路為：R0CcqCa

★由于后繼電路的輸入阻抗不可能為無窮大，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法保持不變，從而造成測量誤差。因此，不宜利用壓電式傳感器測量靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)信號(hào)，而適宜做動(dòng)態(tài)測量?！?/p>

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)。串聯(lián)：適于測高頻信號(hào)和以電壓為輸出量的場合36四、測量電路

輸出電荷量很小，且壓電元件本身的內(nèi)阻很大壓電式傳感器高輸入阻抗前置放大器輸出電壓或電荷電壓放大器電荷放大器可采用比例放大器。電路簡單，但輸出受到連接電纜對地電容的影響目前常用UyUi傳感器電容電纜電容放大器輸入電容電荷放大器：高增益帶電容反饋的運(yùn)算放大器37如果電荷放大器的開環(huán)增益足夠大，放大器輸出電壓為可見，在一定條件下，輸出電壓與傳感器的電荷量成正比，且與電纜電容無關(guān)。壓電式傳感器動(dòng)態(tài)特性好、體積小、重量輕，常用來測量動(dòng)態(tài)力、壓力，特別是測量振動(dòng)加速度的慣性拾振器大多采用壓電式傳感器。38產(chǎn)品壓力變送器加速度計(jì)力傳感器39案例：熱軋?jiān)O(shè)備診斷40

**1一電容傳感器，其圓形極板r=5mm。工作初始間隙δ0=0.3mm，問：1)工作時(shí)如果傳感器的工作間隙變化Δδ=±2μm，則電容變化量是多少?2)如果測量電路靈敏度S1=100mV/pF，讀數(shù)儀表靈敏度S2=5格/mV，在Δδ=±2μm時(shí)，讀數(shù)儀表的指示值變化多少格(ε0=8.85×10-12F/m)?**2用結(jié)構(gòu)參數(shù)為長L=100mm，寬b=20mm，間隙δ=2mm的線位移電容傳感器，測量位移量Δx=±40μm的變化，試求：1)電容變化量是多少?2)若測量電路靈敏度S1=100mV/pF，光線示波器靈敏度S2=5格/mV，則在記錄紙上的指示值是多少格?

題4.8圖直線位移式41

**3某工廠采用圖4.35所示的電容傳感器來測量儲(chǔ)液罐中的絕緣液體的液位。已知，內(nèi)圓管的外徑為10mm，