常用傳感器原理及應(yīng)用

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 4.1 4.1 概述概述 4.2 4.2 電阻應(yīng)變式傳感器電阻應(yīng)變式傳感器 4.3 4.3 電感式傳感器電感式傳感器 4.4 4.4 電容式傳感器電容式傳感器 4.5 4.5 壓電式傳感器壓電式傳感器 4.6 4.6 磁敏傳感器磁敏傳感器 4.7 4.7 光電式傳感器光電式傳感器 4.8 4.8 集成傳感器集成傳感器 4.1 4.1 概述概述 一、傳感器的定義一、傳感器的定義 傳感器（傳感器（transducer/senortransducer/senor）是將被測量按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換）是將被測量按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換 成成 便于應(yīng)用的某種物理量的裝

2、置。通常將傳感器看作是一個(gè)便于應(yīng)用的某種物理量的裝置。通常將傳感器看作是一個(gè) 把被測非電量轉(zhuǎn)換成電量的裝置。把被測非電量轉(zhuǎn)換成電量的裝置。 測力計(jì)測力計(jì) 壓力計(jì)壓力計(jì) 溫度計(jì)溫度計(jì) 二、傳感器的組成二、傳感器的組成 傳感器通常由三部分組成：傳感器通常由三部分組成： 敏感元件：敏感元件： 直接感受被測量直接感受被測量, ,輸出與被測量成確定關(guān)系。輸出與被測量成確定關(guān)系。 轉(zhuǎn)換元件：轉(zhuǎn)換元件： 敏感元件的輸出就是轉(zhuǎn)換元件的輸入敏感元件的輸出就是轉(zhuǎn)換元件的輸入, ,它把輸入轉(zhuǎn)它把輸入轉(zhuǎn) 換成電量參量換成電量參量 。 轉(zhuǎn)換電路：轉(zhuǎn)換電路： 把轉(zhuǎn)換元件輸出的電量信號轉(zhuǎn)換為便于處理、顯把轉(zhuǎn)換元件輸出的電量

3、信號轉(zhuǎn)換為便于處理、顯 示、記錄或控制的有用的電信號的電路。示、記錄或控制的有用的電信號的電路。 三、傳感器的類型三、傳感器的類型 1 1、按被測對象分：位移傳感器、壓力傳感器和壓力傳感器等；、按被測對象分：位移傳感器、壓力傳感器和壓力傳感器等； 2 2、按工作原理分：電阻應(yīng)變式、電感式、電容式和壓電式等；、按工作原理分：電阻應(yīng)變式、電感式、電容式和壓電式等； 3 3、按被測量的轉(zhuǎn)換特征分：結(jié)構(gòu)型和物性型。、按被測量的轉(zhuǎn)換特征分：結(jié)構(gòu)型和物性型。 結(jié)構(gòu)型傳感器：是依靠傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化而實(shí)現(xiàn)信結(jié)構(gòu)型傳感器：是依靠傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化而實(shí)現(xiàn)信 號轉(zhuǎn)換的。例如，電容式傳感器依靠極板間距離變化引起

4、電容號轉(zhuǎn)換的。例如，電容式傳感器依靠極板間距離變化引起電容 量變化；電感式傳感器依靠銜鐵位移引起自感或互感變化等。量變化；電感式傳感器依靠銜鐵位移引起自感或互感變化等。 物性型傳感器是依靠敏感元件材料本身物理性質(zhì)的變化物性型傳感器是依靠敏感元件材料本身物理性質(zhì)的變化 來實(shí)現(xiàn)信號變換的。例如利用水銀的熱脹冷縮現(xiàn)象制成水銀溫來實(shí)現(xiàn)信號變換的。例如利用水銀的熱脹冷縮現(xiàn)象制成水銀溫 度計(jì)來測溫；利用石英晶體的壓電效應(yīng)制成壓電測力計(jì)等。度計(jì)來測溫；利用石英晶體的壓電效應(yīng)制成壓電測力計(jì)等。 4 4、按照能量的傳遞方式分：能量控制型和能量轉(zhuǎn)換型。、按照能量的傳遞方式分：能量控制型和能量轉(zhuǎn)換型。 能量控制型傳

5、感器是從外部供給輔助能量使其工作的，并由能量控制型傳感器是從外部供給輔助能量使其工作的，并由 被測量來控制外部供給能量的變化；能量轉(zhuǎn)換型傳感器是直接被測量來控制外部供給能量的變化；能量轉(zhuǎn)換型傳感器是直接 由被測對象輸入能量使其工作的，例如，熱電偶溫度計(jì)、彈性由被測對象輸入能量使其工作的，例如，熱電偶溫度計(jì)、彈性 壓力計(jì)等壓力計(jì)等 。 4.2 4.2 電阻應(yīng)變式傳感器電阻應(yīng)變式傳感器 一、電阻應(yīng)變式傳感器一、電阻應(yīng)變式傳感器 電阻應(yīng)變式傳感器是一種利用電阻應(yīng)變片將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電電阻應(yīng)變式傳感器是一種利用電阻應(yīng)變片將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電 阻變化的傳感器。是基于測量物體受力變形所產(chǎn)生應(yīng)變的一種阻變化的傳感器。

6、是基于測量物體受力變形所產(chǎn)生應(yīng)變的一種 傳感器，最常用的傳感元件為電阻應(yīng)變片。傳感器，最常用的傳感元件為電阻應(yīng)變片。 應(yīng)用范圍：應(yīng)用范圍：可測量位移、加速度、力、力矩、壓力等各種參數(shù)。可測量位移、加速度、力、力矩、壓力等各種參數(shù)。 1 1、金屬電阻應(yīng)變片、金屬電阻應(yīng)變片 金屬電阻應(yīng)變片的工作原理是基于金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)工作金屬電阻應(yīng)變片的工作原理是基于金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)工作 的。的。 金屬導(dǎo)體在外力作用下發(fā)生機(jī)械變形時(shí)，其電阻值隨著它所金屬導(dǎo)體在外力作用下發(fā)生機(jī)械變形時(shí)，其電阻值隨著它所 受機(jī)械變形受機(jī)械變形( (伸長或縮短伸長或縮短) )的變化而發(fā)生變化的現(xiàn)象，稱為的變化而發(fā)生變化的現(xiàn)象，稱

7、為金屬的金屬的 電阻應(yīng)變效應(yīng)。電阻應(yīng)變效應(yīng)。 金屬應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)和測量原理金屬應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)和測量原理 電阻絲應(yīng)變片是用直徑為電阻絲應(yīng)變片是用直徑為0.025mm0.025mm具有高電阻率的電阻絲制具有高電阻率的電阻絲制 成的。為了獲得高的阻值，將電阻絲排列成柵狀，稱為敏感柵，成的。為了獲得高的阻值，將電阻絲排列成柵狀，稱為敏感柵， 并粘貼在絕緣的基底上。電阻絲的兩端焊接引線。敏感柵上面粘并粘貼在絕緣的基底上。電阻絲的兩端焊接引線。敏感柵上面粘 貼有保護(hù)作用的覆蓋層。貼有保護(hù)作用的覆蓋層。 原理公式原理公式： K K0 0稱為金屬絲的靈敏系數(shù)，其物理意義是單位應(yīng)變所引起的電稱為金屬絲的靈敏系數(shù)，其

8、物理意義是單位應(yīng)變所引起的電 阻相對變化。通常阻相對變化。通常K K0=1.70=1.73.63.6 大量實(shí)驗(yàn)表明，在電阻絲拉伸比例極限范圍內(nèi)，電阻的相對變大量實(shí)驗(yàn)表明，在電阻絲拉伸比例極限范圍內(nèi)，電阻的相對變 化與其所受的軸向應(yīng)變是成正比的?；c其所受的軸向應(yīng)變是成正比的。 應(yīng)用：應(yīng)用： 將應(yīng)變片粘貼于彈性體表面或者直接將應(yīng)變片粘貼于被測試將應(yīng)變片粘貼于彈性體表面或者直接將應(yīng)變片粘貼于被測試 件上。彈性體或試件的變形通過基底和粘結(jié)劑傳遞給敏感柵，其電件上。彈性體或試件的變形通過基底和粘結(jié)劑傳遞給敏感柵，其電 阻值阻值發(fā)生相應(yīng)的變化，通過轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為發(fā)生相應(yīng)的變化，通過轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為電壓或電

9、流的變化電壓或電流的變化，即，即 可測量應(yīng)變?？蓽y量應(yīng)變。 1 1）將應(yīng)變片粘貼于被測構(gòu)件上，直接用來測定構(gòu)件的應(yīng)力或）將應(yīng)變片粘貼于被測構(gòu)件上，直接用來測定構(gòu)件的應(yīng)力或 應(yīng)變。應(yīng)變。例如，為了研究或驗(yàn)證機(jī)械、橋梁、建筑等某些構(gòu)件在例如，為了研究或驗(yàn)證機(jī)械、橋梁、建筑等某些構(gòu)件在 工作狀態(tài)下的受力、變形情況，可利用形狀不同的應(yīng)變片，粘工作狀態(tài)下的受力、變形情況，可利用形狀不同的應(yīng)變片，粘 貼在構(gòu)件的預(yù)測部位，可測得構(gòu)件的拉、壓應(yīng)力、扭矩或彎矩貼在構(gòu)件的預(yù)測部位，可測得構(gòu)件的拉、壓應(yīng)力、扭矩或彎矩 等。等。 2 2）應(yīng)變片粘貼于彈性元件上，與彈性元件一起構(gòu)成應(yīng)變式傳感器）應(yīng)變片粘貼于彈性元件上，

10、與彈性元件一起構(gòu)成應(yīng)變式傳感器。 這種傳感器常用來測量力、位移、壓力、加速度等物理參數(shù)。在這種傳感器常用來測量力、位移、壓力、加速度等物理參數(shù)。在 這種情況下，彈性元件將得到與被測量成正比的應(yīng)變，再通過應(yīng)這種情況下，彈性元件將得到與被測量成正比的應(yīng)變，再通過應(yīng) 變片轉(zhuǎn)換成電阻的變化后輸出。變片轉(zhuǎn)換成電阻的變化后輸出。 當(dāng)被測物體產(chǎn)生位移時(shí)，懸臂當(dāng)被測物體產(chǎn)生位移時(shí)，懸臂 梁隨之產(chǎn)生于位移相等的撓度，梁隨之產(chǎn)生于位移相等的撓度， 因而應(yīng)變片產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)變。因而應(yīng)變片產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)變。 將應(yīng)變片接入橋路，輸出與將應(yīng)變片接入橋路，輸出與 位移成正比的電壓信號。位移成正比的電壓信號。 測量時(shí)，基座固定在

11、振動體上。測量時(shí)，基座固定在振動體上。 振動加速度使質(zhì)量塊產(chǎn)生慣性振動加速度使質(zhì)量塊產(chǎn)生慣性 力，懸臂梁在慣性力的作用下力，懸臂梁在慣性力的作用下 產(chǎn)生彎曲變形。梁的應(yīng)變在一產(chǎn)生彎曲變形。梁的應(yīng)變在一 定的頻率范圍內(nèi)與振動體的加定的頻率范圍內(nèi)與振動體的加 速度成正比。速度成正比。 2 2、半導(dǎo)體應(yīng)變片、半導(dǎo)體應(yīng)變片 1 1）壓阻效應(yīng)）壓阻效應(yīng): :半導(dǎo)體材料受到應(yīng)力作用時(shí)，其電阻率會發(fā)半導(dǎo)體材料受到應(yīng)力作用時(shí)，其電阻率會發(fā) 生變化的現(xiàn)象。生變化的現(xiàn)象。 實(shí)際上，任何材料都不同程度地呈現(xiàn)壓阻效應(yīng)，但半導(dǎo)體實(shí)際上，任何材料都不同程度地呈現(xiàn)壓阻效應(yīng)，但半導(dǎo)體 材料的這種效應(yīng)特別強(qiáng)。材料的這種效應(yīng)特別

12、強(qiáng)。 對于半導(dǎo)體硅，對于半導(dǎo)體硅， LL=(40=(4080)80)10-10- 11m2/N11m2/N， E E=1.67=1.671011N/m21011N/m2， 則則k k0=0=LELE5050100100。 半導(dǎo)體電阻材料的靈半導(dǎo)體電阻材料的靈 敏系數(shù)比金屬絲的要敏系數(shù)比金屬絲的要 高高50507070倍。倍。 2 2）壓阻式傳感器的特點(diǎn)）壓阻式傳感器的特點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn): : 靈敏度非常高，有時(shí)傳感器的輸出不需放大可直接用于測量；靈敏度非常高，有時(shí)傳感器的輸出不需放大可直接用于測量； 分辨率高，例如測量壓力時(shí)可測出分辨率高，例如測量壓力時(shí)可測出101020Pa20Pa的微壓；的微壓

13、； 測量元件的有效面積可做得很小，故頻率響應(yīng)高；測量元件的有效面積可做得很小，故頻率響應(yīng)高； 可測量低頻加速度和直線加速度。可測量低頻加速度和直線加速度。 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)： 溫度誤差大，故需溫度補(bǔ)償或恒溫條件下使用。溫度誤差大，故需溫度補(bǔ)償或恒溫條件下使用。 4.3 4.3 電感式傳感器電感式傳感器 電感式傳感器的工作原理是電磁感應(yīng)。它是把被測量如位移等，電感式傳感器的工作原理是電磁感應(yīng)。它是把被測量如位移等， 轉(zhuǎn)換為電感量變化的一種裝置。按照轉(zhuǎn)換方式的不同，可分為轉(zhuǎn)換為電感量變化的一種裝置。按照轉(zhuǎn)換方式的不同，可分為自自 感式感式（包括可變磁阻式與渦流式）和（包括可變磁阻式與渦流式）和互感式互感

14、式（差動變壓器式）兩（差動變壓器式）兩 種。種。 一、自感式傳感器（可變磁阻式傳感器一、自感式傳感器（可變磁阻式傳感器 ） 可變磁阻式傳感器自感 自感L與氣隙成反比，而與氣隙導(dǎo)磁截面積S0 成正比。 0空氣導(dǎo)磁率 ；W 線圈匝數(shù) 1 1、變氣隙式、變氣隙式 L L 與與呈非線性（雙曲線）關(guān)系。傳感器的靈敏度為呈非線性（雙曲線）關(guān)系。傳感器的靈敏度為 靈敏度靈敏度S S與氣隙長度與氣隙長度的平方成反比，的平方成反比，愈小，靈敏度愈小，靈敏度S S愈高。愈高。 這種傳感器適用于這種傳感器適用于較小位移的測量較小位移的測量，一般約為，一般約為0.0010.0011 mm1 mm。 2 2、變面積式、

15、變面積式 自感L與S0 呈線性關(guān)系，這種傳感器靈敏度較低。 3 3、螺管式、螺管式 單螺管線圈型，當(dāng)鐵芯在線圈中運(yùn)動時(shí)，單螺管線圈型，當(dāng)鐵芯在線圈中運(yùn)動時(shí)， 將改變磁阻，使線圈自感發(fā)生變化。這將改變磁阻，使線圈自感發(fā)生變化。這 種傳感器結(jié)構(gòu)簡單、制造容易，但靈敏種傳感器結(jié)構(gòu)簡單、制造容易，但靈敏 度低，適用于較大位移度低，適用于較大位移( (數(shù)毫米數(shù)毫米) )測量。測量。 雙螺管線圈差動型，較之單螺雙螺管線圈差動型，較之單螺 管線圈型有較高靈敏度及線性，管線圈型有較高靈敏度及線性， 被用于電感測微計(jì)上，其測量被用于電感測微計(jì)上，其測量 范圍為范圍為0 0300m300m，最小分辨，最小分辨 力

16、為力為0.5m0.5m。線圈電感。線圈電感L1L1、L2L2 隨鐵芯位移而變化隨鐵芯位移而變化 . . 測量精度高，量程較大。測量精度高，量程較大。 二、差動變壓器式傳感器（互感式）二、差動變壓器式傳感器（互感式） 三、電渦流式傳感器三、電渦流式傳感器 高頻（數(shù)高頻（數(shù)MHzMHz以上）激以上）激 勵電流勵電流i i施加于鄰近金施加于鄰近金 屬板一側(cè)的線圈，由線屬板一側(cè)的線圈，由線 圈產(chǎn)生的高頻電磁場作圈產(chǎn)生的高頻電磁場作 用于金屬板的表面。在用于金屬板的表面。在 金屬板表面薄層內(nèi)產(chǎn)生金屬板表面薄層內(nèi)產(chǎn)生 渦流渦流i i ，渦流，渦流i i又產(chǎn)生又產(chǎn)生 反向的磁場，反作用于反向的磁場，反作用于

17、 線圈上，由此引起線圈線圈上，由此引起線圈 自感自感L L或線圈阻抗或線圈阻抗z z的變的變 化?； L的變化程度取決的變化程度取決 于線圈至金屬板之間的于線圈至金屬板之間的 距離距離、金屬板的電阻、金屬板的電阻 率率、磁導(dǎo)率、磁導(dǎo)率以及激以及激 勵電流勵電流i i的幅值與角頻的幅值與角頻 率率等。等。 當(dāng)被測位移量發(fā)生變化時(shí)，使線當(dāng)被測位移量發(fā)生變化時(shí)，使線 圈與金屬板的距離發(fā)生變化，從而導(dǎo)圈與金屬板的距離發(fā)生變化，從而導(dǎo) 致線圈阻抗致線圈阻抗z z的變化，通過測量電路的變化，通過測量電路 轉(zhuǎn)化為電壓輸出。高頻反射式渦流式轉(zhuǎn)化為電壓輸出。高頻反射式渦流式 傳感器常用于傳感器常用于位移測量

18、。位移測量。 低頻透射式渦流傳感器多用低頻透射式渦流傳感器多用 于測定材料厚度于測定材料厚度。發(fā)射線圈。發(fā)射線圈1 1 和接收線圈和接收線圈22分別放在被測材料分別放在被測材料 G G的上下，低頻的上下，低頻( (音頻范圍音頻范圍) )電壓電壓e1e1 加到線圈加到線圈1的兩端后，在周圍空的兩端后，在周圍空 間產(chǎn)生一交變磁場，并在被測材間產(chǎn)生一交變磁場，并在被測材 料料G G中產(chǎn)生渦流中產(chǎn)生渦流i i，此渦流損耗了，此渦流損耗了 部分能量，使貫穿部分能量，使貫穿2 的磁力線的磁力線 減少，從而使減少，從而使2產(chǎn)生的感應(yīng)電勢產(chǎn)生的感應(yīng)電勢 e2e2減小。減小。e2e2的大小與的大小與G G的厚度

19、及材的厚度及材 料性質(zhì)有關(guān)，實(shí)驗(yàn)與理論證明，料性質(zhì)有關(guān)，實(shí)驗(yàn)與理論證明， e2e2隨材料厚度隨材料厚度h h增加按負(fù)指數(shù)規(guī)律增加按負(fù)指數(shù)規(guī)律 減小。因而按減小。因而按e2 e2 的變化便可測得的變化便可測得 材料的厚度。材料的厚度。 4.4 4.4 電容式傳感器電容式傳感器 電容式傳感器是將被測量（如尺寸、壓力等）的變化轉(zhuǎn)換成電電容式傳感器是將被測量（如尺寸、壓力等）的變化轉(zhuǎn)換成電 容量變化的一種傳感器。容量變化的一種傳感器。 A C= 一、電容式傳感器的工作原理和類型一、電容式傳感器的工作原理和類型 上式表明，當(dāng)被測量上式表明，當(dāng)被測量、A A或或發(fā)生變化時(shí)，會引起電容發(fā)生變化時(shí)，會引起電容

20、 的變化。如果保持其中的兩個(gè)參數(shù)不變，而僅改變另一個(gè)參的變化。如果保持其中的兩個(gè)參數(shù)不變，而僅改變另一個(gè)參 數(shù)，就可把該參數(shù)的變化變換為單一電容量的變化，再通過數(shù)，就可把該參數(shù)的變化變換為單一電容量的變化，再通過 配套的測量電路，將電容的變化轉(zhuǎn)換為電信號輸出。配套的測量電路，將電容的變化轉(zhuǎn)換為電信號輸出。 根據(jù)電容器參數(shù)變化的特性，電容式傳感器可分為極距根據(jù)電容器參數(shù)變化的特性，電容式傳感器可分為極距 變化型、面積變化型和介質(zhì)變化型三種，其中極距變化型和變化型、面積變化型和介質(zhì)變化型三種，其中極距變化型和 面積變化型應(yīng)用較廣。面積變化型應(yīng)用較廣。 1.1. 極距變化型電容式傳感器極距變化型電容

21、式傳感器 在電容器中，如果兩極板相互覆蓋面積及極間介質(zhì)不變，在電容器中，如果兩極板相互覆蓋面積及極間介質(zhì)不變， 則電容量與極距則電容量與極距呈非線性關(guān)系。當(dāng)兩極板在被測參數(shù)作用下呈非線性關(guān)系。當(dāng)兩極板在被測參數(shù)作用下 發(fā)生位移，引起電容量的變化為發(fā)生位移，引起電容量的變化為 2 A dcd 靈敏度 2 dcA d K 靈敏度K與極距平方成反比，極距愈小，靈敏度愈高。 一般通過減小初始極距來提高靈敏度。由于電容量C與極距 呈非線性關(guān)系，故這將引起非線性誤差。 實(shí)際應(yīng)用中，為了提高傳感器的靈敏度、增大線性工作 范圍和克服外界條件（如電源電壓、環(huán)境溫度等）的變化對 測量精度的影響，常常采用差動型電容

22、式傳感器。 2. 2. 面積變化型電容式傳感器面積變化型電容式傳感器 面積變化型電容傳感器的工作原理是在被測參數(shù)的作用下面積變化型電容傳感器的工作原理是在被測參數(shù)的作用下 來變化極板的有效面積，常用的有角位移型和線位移型兩種。來變化極板的有效面積，常用的有角位移型和線位移型兩種。 由于平板型傳感器的可動極板稍有極距方向移動會影響測量精度。由于平板型傳感器的可動極板稍有極距方向移動會影響測量精度。 上述可知，面積變化型電容傳感器的優(yōu)點(diǎn)是上述可知，面積變化型電容傳感器的優(yōu)點(diǎn)是輸出與輸入成輸出與輸入成 線性關(guān)系線性關(guān)系，但與極板變化型相比，靈敏度較低，適用于較大角，但與極板變化型相比，靈敏度較低，適

23、用于較大角 位移及直線位移的測量。位移及直線位移的測量。 3.3.介電常數(shù)變化型電容傳感器介電常數(shù)變化型電容傳感器 大多用于測量電介質(zhì)的厚度、位移、液位，還可根據(jù)極板間介大多用于測量電介質(zhì)的厚度、位移、液位，還可根據(jù)極板間介 質(zhì)的介電常數(shù)隨溫度、濕度、容量改變而改變來測量溫度、濕度、質(zhì)的介電常數(shù)隨溫度、濕度、容量改變而改變來測量溫度、濕度、 容量等。變介電常數(shù)型電容傳感器的結(jié)構(gòu)原理容量等。變介電常數(shù)型電容傳感器的結(jié)構(gòu)原理 、h h 、0 0兩固定極板間的距離、極間高度及間隙中空氣的兩固定極板間的距離、極間高度及間隙中空氣的 介電常數(shù)；介電常數(shù)；x x、h hx x、被測物的厚度、被測液面高度和

24、它的被測物的厚度、被測液面高度和它的 介電常數(shù)；介電常數(shù)；l l、b b、a ax x固定極板長、寬及被測物進(jìn)入兩極板中固定極板長、寬及被測物進(jìn)入兩極板中 的長度（被測值）；的長度（被測值）；r r1 1、r r2 2內(nèi)、外極筒的工作半徑。內(nèi)、外極筒的工作半徑。 電容傳感器特點(diǎn)與應(yīng)用電容傳感器特點(diǎn)與應(yīng)用 主要優(yōu)點(diǎn)主要優(yōu)點(diǎn): : (1) (1) 輸人能量小而靈敏度高。輸人能量小而靈敏度高。 (2)(2)電參量相對變化大。電參量相對變化大。 (3) (3) 動態(tài)特性好。動態(tài)特性好。 (4) (4) 能量損耗小。能量損耗小。 (5)(5)結(jié)構(gòu)簡單，適應(yīng)性好。結(jié)構(gòu)簡單，適應(yīng)性好。 主要缺點(diǎn)主要缺點(diǎn):

25、: 非線性大。非線性大。 應(yīng)用應(yīng)用 （1 1）電容式測厚儀）電容式測厚儀: : 測量金屬帶材在軋制過程中厚度測量金屬帶材在軋制過程中厚度 C1C1、C2C2工作極板與帶材之間工作極板與帶材之間 形成兩個(gè)電容，形成兩個(gè)電容， 其總電容其總電容 為為C= C1+C2 C= C1+C2 。當(dāng)金屬帶材。當(dāng)金屬帶材 在軋制中厚度發(fā)生變化時(shí)，在軋制中厚度發(fā)生變化時(shí)， 將引起電容量的變化。通過將引起電容量的變化。通過 檢測電路可以反映這個(gè)變化，檢測電路可以反映這個(gè)變化， 并轉(zhuǎn)換和顯示出帶材的厚度。并轉(zhuǎn)換和顯示出帶材的厚度。 （2 2）電容式轉(zhuǎn)速傳感器）電容式轉(zhuǎn)速傳感器 當(dāng)齒輪轉(zhuǎn)動時(shí)，電容量發(fā)生當(dāng)齒輪轉(zhuǎn)動時(shí)，

26、電容量發(fā)生 周期性變化，通過測量電路周期性變化，通過測量電路 轉(zhuǎn)換為脈沖信號，則頻率計(jì)轉(zhuǎn)換為脈沖信號，則頻率計(jì) 顯示的頻率代表轉(zhuǎn)速大小。顯示的頻率代表轉(zhuǎn)速大小。 設(shè)齒數(shù)為設(shè)齒數(shù)為z z, ,頻率為頻率為f f, ,則轉(zhuǎn)速則轉(zhuǎn)速 為為: : 4.5 4.5 壓電式傳感器壓電式傳感器 壓電式傳感器是以某些材料的壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)，在外力的作用下，壓電式傳感器是以某些材料的壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)，在外力的作用下， 這些材料的表面產(chǎn)生電荷，從而實(shí)現(xiàn)非電量到電量的轉(zhuǎn)換。這些材料的表面產(chǎn)生電荷，從而實(shí)現(xiàn)非電量到電量的轉(zhuǎn)換。 一、一、 壓電效應(yīng)與壓電材料壓電效應(yīng)與壓電材料 1 1、壓電效應(yīng)與逆壓電效應(yīng)、壓電效應(yīng)與逆壓電

27、效應(yīng) 某些物質(zhì)，當(dāng)沿著一定方向?qū)ζ浼恿Χ蛊渥冃螘r(shí)，在一某些物質(zhì)，當(dāng)沿著一定方向?qū)ζ浼恿Χ蛊渥冃螘r(shí)，在一 定表面上將產(chǎn)生電荷，當(dāng)外力去掉后，又重新回到不帶電狀態(tài)，定表面上將產(chǎn)生電荷，當(dāng)外力去掉后，又重新回到不帶電狀態(tài)， 這種現(xiàn)象稱為這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)。 如果在這些物質(zhì)的極化方向施加電場，這些物質(zhì)就在一定如果在這些物質(zhì)的極化方向施加電場，這些物質(zhì)就在一定 方向上產(chǎn)生機(jī)械變形或機(jī)械應(yīng)力，當(dāng)外電場撤去時(shí)，這些變形方向上產(chǎn)生機(jī)械變形或機(jī)械應(yīng)力，當(dāng)外電場撤去時(shí)，這些變形 或應(yīng)力也隨之消失，這種現(xiàn)象稱之為或應(yīng)力也隨之消失，這種現(xiàn)象稱之為逆壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)，或稱之為電，或稱之為電 致伸縮效應(yīng)。

28、致伸縮效應(yīng)。 明顯呈現(xiàn)壓電效應(yīng)的敏感功能材料叫壓電材料。明顯呈現(xiàn)壓電效應(yīng)的敏感功能材料叫壓電材料。 常用的壓電材料有：常用的壓電材料有：壓電單晶體壓電單晶體，如石英、酒石酸鉀鈉等；多晶壓，如石英、酒石酸鉀鈉等；多晶壓 電陶瓷，如鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛、鈮鎂酸鉛等，又稱為電陶瓷，如鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛、鈮鎂酸鉛等，又稱為壓電陶瓷壓電陶瓷。此。此 外，聚偏二氟乙烯外，聚偏二氟乙烯(PVDF)(PVDF)作為一種新型的高分子物性型傳感材料得作為一種新型的高分子物性型傳感材料得 到廣泛的應(yīng)用。（到廣泛的應(yīng)用。（新型材料新型材料） 二、等效電路二、等效電路 壓電元件等效為一個(gè)壓電元件等效為一個(gè)電荷源電荷源Q Q和

29、一個(gè)和一個(gè)電容器電容器C0C0并聯(lián)的等效電路。并聯(lián)的等效電路。 也可等效為一個(gè)也可等效為一個(gè)電壓源電壓源U U和一個(gè)和一個(gè)電容器電容器C0C0串聯(lián)的等效電路串聯(lián)的等效電路 。 由于不可避免地存在電荷泄漏，利用壓電式傳感器測量靜由于不可避免地存在電荷泄漏，利用壓電式傳感器測量靜 態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)量值時(shí)，必須采取一定措施，使電荷從壓電元件經(jīng)態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)量值時(shí)，必須采取一定措施，使電荷從壓電元件經(jīng) 測量電路的漏失減小到足夠小的程度；而在作動態(tài)測量時(shí)，電測量電路的漏失減小到足夠小的程度；而在作動態(tài)測量時(shí)，電 荷可以不斷補(bǔ)充，從而供給測量電路一定的電流，荷可以不斷補(bǔ)充，從而供給測量電路一定的電流，故壓電式傳故壓

30、電式傳 感器適宜作動態(tài)測量。感器適宜作動態(tài)測量。 三、壓電元件常用的結(jié)構(gòu)形式三、壓電元件常用的結(jié)構(gòu)形式 在實(shí)際使用中，如僅用單片壓電元件工作的話，要產(chǎn)生足夠在實(shí)際使用中，如僅用單片壓電元件工作的話，要產(chǎn)生足夠 的表面電荷就要很大的作用力，因此一般采用兩片或兩片以上的表面電荷就要很大的作用力，因此一般采用兩片或兩片以上 壓電元件組合在一起使用。由于壓電元件是有極性的，因此連壓電元件組合在一起使用。由于壓電元件是有極性的，因此連 接方法有兩種：并聯(lián)連接和串聯(lián)連接。接方法有兩種：并聯(lián)連接和串聯(lián)連接。 并聯(lián)連接：并聯(lián)連接：兩壓兩壓 電元件的負(fù)極集電元件的負(fù)極集 中在中間極板上，中在中間極板上， 正極在上下兩邊正極在上下兩邊 并連接在一起，并連接在一起， 此時(shí)此時(shí)電容量大，電容量大， 輸出電荷量大輸出電荷量大， 適用于測量緩變適用于測量緩變 信號和以電荷為信號和以電荷為 輸出的場合。輸出的場合。 串聯(lián)連接：串聯(lián)連接：上極板上極板 為正極，下極板為為正極，下極板為 負(fù)極，在中間是