傳感器與檢測技術(shù)-圖文pp模塊三課件

1、傳感器與檢測技術(shù)項目教程學習單元一電阻應(yīng)變式傳感器學習單元二壓阻式傳感器學習單元三壓電式傳感器學習單元四電容式傳感器學習單元五力敏傳感器應(yīng)用實例模塊三 力敏傳感器模塊三 力敏傳感器模塊導(dǎo)讀隨著計算機控制、通信、網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的發(fā)展，信息交換溝通的領(lǐng)域正在迅速覆蓋從工廠的現(xiàn)場設(shè)備層到控制、管理各個層次。集控數(shù)據(jù)處理平臺業(yè)已成熟，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集傳感器在國內(nèi)尚處萌芽。在力敏傳感器的基礎(chǔ)上進行技術(shù)拓展，提升其信息化水平，形成具有數(shù)字化、無線化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化功能的新型智能化網(wǎng)絡(luò)力敏傳感器。模塊三 力敏傳感器模塊導(dǎo)讀力敏傳感器的種類很多，有直接將力變換為電量的如壓電式、壓阻式等，有經(jīng)彈性敏感元件轉(zhuǎn)換后轉(zhuǎn)換成電

2、量的如電阻式、電容式和電感式等。它主要用于兩個方面：測力和稱重。本模塊介紹以下幾種傳感器：電阻應(yīng)變式傳感器；壓阻式傳感器；壓電式傳感器；電容式傳感器。針對常見的力敏傳感器進行教學，使學生能夠掌握利用力敏傳感器進行測量的各種方法。模塊三 力敏傳感器力是物理基本量之一，因此測量各種動態(tài)、靜態(tài)的力是十分重要的。 力敏傳感器是能對各種力或者能轉(zhuǎn)化為力的物理量產(chǎn)生反應(yīng)，并能將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡妳?shù)的裝置或元件。很顯然，要成為真正實用意義上的力敏傳感器，這個由力轉(zhuǎn)化為電參數(shù)的過程最好是成線性關(guān)系。常見的力敏傳感器如圖3-1圖3-3所示。 圖31 電阻應(yīng)變式傳感器模塊三 力敏傳感器圖32 硅壓阻式傳感器圖33 壓電

3、式傳感器學習單元一 電阻應(yīng)變式傳感器電阻應(yīng)變式傳感器是利用應(yīng)變效應(yīng)原理制成的一種測量微小機械變化量的理想傳感器。它具有悠久的歷史，但新型應(yīng)變片仍在不斷出現(xiàn)，目前仍廣泛用于測量力、力矩、加速度、重量等物理量。電阻應(yīng)變式傳感器由彈性敏感元件、電阻應(yīng)變計、補償電阻和外殼組成，可根據(jù)具體測量要求設(shè)計成多種結(jié)構(gòu)形式。彈性敏感元件受到所測量的力而產(chǎn)生變形，并使附著其上的電阻應(yīng)變計一起變形。電阻應(yīng)變計將變形轉(zhuǎn)換為電阻值的變化，從而可以測量力、扭矩、位移、加速度和溫度等多種物理量。學習單元一 電阻應(yīng)變式傳感器 電阻應(yīng)變效應(yīng)一、導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料在受到外界力(拉力或壓力)的作用下發(fā)生機械變形，機械變形會導(dǎo)致其電阻

4、值變化，這種現(xiàn)象稱為應(yīng)變效應(yīng)，如圖3-4所示。圖3-4 金屬電阻絲的應(yīng)變效應(yīng)學習單元一 電阻應(yīng)變式傳感器 設(shè)有一根長度為l，橫截面積為S，電阻率為的金屬絲，在未受力時，其原始電阻值為 （3-1） 設(shè)電阻絲在外力F的作用下被拉伸(或壓縮)，則其、l、S 均發(fā)生變化，變化量分別為d、dl、dS，電阻值相應(yīng)變化為dR，則有 （3-2） 用相對變化量來表示，則有 （3-3） 學習單元一 電阻應(yīng)變式傳感器假設(shè)電阻絲的半徑為r，電阻絲的橫截面積為S=r2，則有dS=2rdr，所以dS/S=2dr/r。令電阻絲軸向（縱向）應(yīng)變=dl/l，橫向應(yīng)變?yōu)閐r/r，由材料力學泊松定律可知 式中，為泊松比。 整理得

5、（3-4） 用增量表示則有 （3-5） 學習單元一 電阻應(yīng)變式傳感器設(shè) ，其中k0為電阻絲的靈敏系數(shù)，即單位應(yīng)變所引起的電阻的相對變化。通常把單位應(yīng)變能引起的電阻值變化稱為電阻絲的靈敏系數(shù)，其物理意義是單位應(yīng)變所引起的電阻相對變化量。 由 可知，電阻絲的靈敏系數(shù)受兩個因素的影響：一個是應(yīng)變片受力后材料幾何尺寸的變化，即1+2，對某種材料來說，它是一個常數(shù)；另一個是 ，它是由電阻絲電阻率的改變而引起的。 （1）對于金屬材料， 是常數(shù)，并且比1+2小很多，往往可以忽略不計，故 。 學習單元一 電阻應(yīng)變式傳感器（2）對于半導(dǎo)體材料， 的值比1+2大得多，電阻絲的靈敏系數(shù)主要由電阻率相對變化所決定。

6、（3）大量實驗也表明，在金屬電阻絲拉伸比例極限內(nèi)，電阻相對變化與軸向應(yīng)變成正比。通常，金屬絲的靈敏系數(shù)k0為2左右，不超過45，半導(dǎo)體應(yīng)變片的靈敏系數(shù)為100200。 半導(dǎo)體應(yīng)變片的靈敏系數(shù)比金屬電阻絲式應(yīng)變片高幾十倍，但半導(dǎo)體材料的溫度系數(shù)大，應(yīng)變時非線性比較嚴重，使它的應(yīng)用范圍受到一定的限制。 (d/)/學習單元一 電阻應(yīng)變式傳感器 電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)和特性二、應(yīng)變片的分類與結(jié)構(gòu)1.應(yīng)變片可分為金屬式和半導(dǎo)體式兩大類。金屬式又分為絲式、箔式和薄膜式，而半導(dǎo)體式也可分為薄膜式和擴散式。應(yīng)變片根據(jù)基底材料不同又可分為紙基、膠基和金屬片基等。 各種電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)大致相同，如圖3-5所示。圖3-5

7、 應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)學習單元一 電阻應(yīng)變式傳感器其中，敏感柵是應(yīng)變片中把應(yīng)變量轉(zhuǎn)換成電阻變化量的敏感部分，它是用金屬絲或半導(dǎo)體材料制成的單絲或柵狀體。引線是從敏感柵引出電信號的絲狀或帶狀導(dǎo)線。 (1)黏結(jié)劑。黏結(jié)劑是具有一定電絕緣性能的黏結(jié)材料，用它將敏感柵固定在基底上。 (2)覆蓋層。覆蓋層是用來保護敏感柵而覆蓋在上面的絕緣層。 (3)基底?；子靡员Ｗo敏感柵，并固定引線的幾何形狀和相對位置。用應(yīng)變片測量應(yīng)變或應(yīng)力時，將應(yīng)變片粘貼到被測對象的表面上。學習單元一 電阻應(yīng)變式傳感器應(yīng)變片的類型和材料2.根據(jù)敏感柵的形狀，金屬電阻應(yīng)變片分為絲式、箔式和薄膜式三種，其中前兩種均須用黏結(jié)劑安裝在被測試件上，

8、屬于粘貼式應(yīng)變片。學習單元一 電阻應(yīng)變式傳感器1）金屬絲式應(yīng)變片敏感柵是應(yīng)變片的核心部分，它是應(yīng)變片中將應(yīng)變量轉(zhuǎn)換成電阻變化量的電阻體，表面上有一層起保護作用的覆蓋層。對電阻絲（敏感柵）材料應(yīng)有如下要求： （1）靈敏系數(shù)大，且在相當大的應(yīng)變范圍內(nèi)保持常數(shù)。 （2）值大，同樣橫截面積的電阻絲中具有較大的電阻值。 （3）電阻溫度系數(shù)小，否則因環(huán)境溫度變化也會改變其阻值。 （4）與銅線的焊接性能好，與其他金屬的接觸電勢小。 （5）機械強度高，具有優(yōu)良的機械加工性能。 常用材料為康銅、鎳鉻鋁合金、鐵鉻鋁合金及鉑、鉑鎢合金等。 學習單元一 電阻應(yīng)變式傳感器2）金屬箔式應(yīng)變片金屬箔式應(yīng)變片（見圖3-6）是

9、利用照相制版或光刻技術(shù)將厚度為0.0030.01 mm的金屬箔片制成所需圖形的敏感柵，也稱為應(yīng)變花。圖3-6 金屬箔式應(yīng)變片學習單元一 電阻應(yīng)變式傳感器其優(yōu)點是：可制成多種復(fù)雜形狀和尺寸準確的敏感柵，柵長可做到0.2 mm，以適應(yīng)不同的測量要求；與被測件粘貼結(jié)面積大；散熱條件好，允許通過的電流大，提高了輸出靈敏度；橫向效應(yīng)??；蠕變和機械滯后小，疲勞壽命長。其主要缺點是電阻值的分散性比金屬絲的大，有的相差幾十歐姆，須做阻值調(diào)整。在常溫下，金屬箔式應(yīng)變片已逐步取代了金屬絲式應(yīng)變片。學習單元一 電阻應(yīng)變式傳感器3）金屬薄膜式應(yīng)變片金屬薄膜式應(yīng)變片是薄膜技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物。它采用真空蒸發(fā)或真空沉積等方法在

10、薄的絕緣基片上形成厚度在0.1 m以下的金屬電阻材料薄膜的敏感柵，最后加上保護層。 它的優(yōu)點是應(yīng)變靈敏系數(shù)大，允許電流密度大，工作范圍廣，可達-197+317 ，易實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)；缺點是難于控制電阻與溫度和時間的變化關(guān)系。學習單元一 電阻應(yīng)變式傳感器 電阻應(yīng)變片的測量電路及溫度補償三、 （一）測量電路應(yīng)變片把機械應(yīng)變轉(zhuǎn)化為有對應(yīng)關(guān)系的電阻變化后，需要將電阻的變化轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化。由于應(yīng)變量非常小，通常采用測量電橋，將微小的電阻變化轉(zhuǎn)化為電壓或電流的變化。根據(jù)電源的不同，可將電橋分為直流電橋和交流電橋。電橋的一般形式如圖3-7所示。圖3-7 電橋的一般形式學習單元一 電阻應(yīng)變式傳感器A、B

11、、C、D為電橋的頂點，E是直流電源，它以應(yīng)變片或電阻元件作為橋臂?？扇1為應(yīng)變片，R1、R2為應(yīng)變片或R1R4均為應(yīng)變片等幾種形式。在其余橋臂中接入電阻溫度系數(shù)很小的精密無感固定電阻。頂點A、C和B、D分別稱為電橋的輸入端和輸出端。 下面推導(dǎo)輸入端加有一定電壓時，電橋輸出電壓的表達式。 先討論輸出端開路的情況。電橋的輸出總是接到放大器的輸入端，而放大器的輸入阻抗一般很大，以致可近似認為電橋的輸出端是開路的。在電橋設(shè)計中，這種電橋稱為電壓橋。這樣，問題就變?yōu)榍驜、D兩點間的電位差。 學習單元一 電阻應(yīng)變式傳感器如圖3-7所示，設(shè)輸入電壓E恒定。因為B、D間開路，所以電流為 （3-7） 電阻R1

12、和R3上的電壓降分別為 （3-8） UAB為A點與B點之間的電壓，UAD為A點與D點之間的電壓，即 UAB=UAUB UAD=UAUD 將兩式相減，可得D、B兩點間的電位差，即電橋的輸出電壓為 學習單元一 電阻應(yīng)變式傳感器當U=0時，表示電橋處于平衡狀態(tài)，可知 R1R4=R2R3或R1/R2=R3/R4 （3-11） 應(yīng)變片測量電橋在工作前應(yīng)使電橋平衡，即預(yù)調(diào)平衡，其相鄰兩橋臂電阻的比值應(yīng)相等，或相對兩橋臂電阻的乘積應(yīng)相等，使工作時電橋輸出電壓只與應(yīng)變計感受應(yīng)變所引起的電阻變化有關(guān)。 學習單元一 電阻應(yīng)變式傳感器（1）單臂工作。只將應(yīng)變片接入電橋一臂，電橋原來處于平衡狀態(tài)，R1為工作應(yīng)變片，R

13、2、R3、R4固定不變，當受力時，R1變化為R1+R1，此時電橋不平衡，電橋產(chǎn)生電壓輸出。（3-12）學習單元一 電阻應(yīng)變式傳感器設(shè)橋臂比n=R2/R1，由于電橋初始平衡條件為R1/R2=R3/R4，并且考慮到R1R1，分母中的R1/R1非常小，可以略去，式（3-12）可簡化為 （3-13） 電橋的靈敏度定義為 ，可得單臂應(yīng)變片的電橋電壓靈敏度為 （3-14） 由式（3-14）可以看出，單臂應(yīng)變片的電橋電壓靈敏度ku與電橋電源電壓成正比，電源電壓越高，電橋電壓靈敏度ku越高。電橋電壓靈敏度ku是橋臂比n的函數(shù)，如果恰當選擇橋臂比n，可使電橋具有較高的電壓靈敏度。 學習單元一 電阻應(yīng)變式傳感器下

14、面分析當電源電壓E值確定后，橋臂比n取何值時才能使電壓靈敏度 ku 最大。設(shè)d ku/dn=0，得到(1n)/(1+n)3=0，所以n=1時，即R1=R2，R3=R4時電橋的電壓靈敏度ku最大。 當n=1時，由式（3-13）得到 （3-15） （3-16） 從式（3-15）和式（3-16）可以看出，當電源電壓E和電阻相對變化量值一定時，電橋的輸出電壓及其靈敏度也是定值，且與各橋臂電阻阻值的大小無關(guān)。n=1時的電橋稱為對稱電橋，實際中常采用這種電橋形式。學習單元一 電阻應(yīng)變式傳感器（2）半橋工作（差動電橋）。單臂電橋電路的非線性誤差與R1/R1成正比。對于金屬絲應(yīng)變片，R非常小，非線性誤差可以忽

15、略；對于半導(dǎo)體應(yīng)變片，受力產(chǎn)生應(yīng)變時的R很大，非線性誤差不可忽略。為了減小和克服非線性誤差，常采用半橋電路（差動電橋），即在試件上安裝兩個工作應(yīng)變片，一個受力產(chǎn)生拉應(yīng)變，另一個受力產(chǎn)生壓應(yīng)變，則這兩只應(yīng)變片的電阻變化相等、大小相反。將這兩只應(yīng)變片接入電橋相鄰橋臂，稱為半橋差動電路，如圖3-8(a)所示。 學習單元一 電阻應(yīng)變式傳感器可得差動電橋的輸出電壓為 （3-17） 設(shè)初始條件為R1=R2=R3=R4=R，R1=R2=R，帶入式（3-17）可得 （3-18） 此時電路輸出電壓U與R/R成線性關(guān)系，無非線性誤差，電壓靈敏度是單臂工作時的2倍。此外，電路還具有溫度補償作用。學習單元一 電阻應(yīng)變

16、式傳感器（3）全橋工作。若將電橋四臂均接入應(yīng)變片，如圖3-8(b)所示，即兩個受拉應(yīng)變、兩個受壓應(yīng)變，將兩個應(yīng)變符號相反的應(yīng)變片接入相鄰橋臂上，兩個應(yīng)變符號相同的應(yīng)變片接入相對橋臂上，就構(gòu)成全橋差動電路。與半橋差動電路同理，可得全橋差動電路的輸出電壓為 （3-19）此時電路輸出電壓U與R/R成線性關(guān)系，無非線性誤差，電壓靈敏度是單臂工作時的4倍。學習單元一 電阻應(yīng)變式傳感器圖3-8 差動電橋?qū)W習單元一 電阻應(yīng)變式傳感器 （二）溫度誤差及溫度補償 用應(yīng)變片進行實際測量時，由于環(huán)境溫度變化引起的電阻變化與試件應(yīng)變而產(chǎn)生的電阻變化基本有相同的數(shù)量級，因此會產(chǎn)生很大的測量誤差。學習單元一 電阻應(yīng)變式傳

17、感器溫度誤差1.（1）敏感柵電阻隨溫度變化引起的誤差。設(shè)當環(huán)境溫度變化t時，應(yīng)變片敏感柵材料的電阻溫度系數(shù)為at，則引起敏感柵電阻相對變化為 （3-20）學習單元一 電阻應(yīng)變式傳感器（2）敏感柵材料和被測量試件材料的線性膨脹系數(shù)不同引起的誤差。當環(huán)境溫度變化t時，由于敏感柵材料和被測量試件材料的線性膨脹系數(shù)不同，應(yīng)變片將產(chǎn)生附加拉長或壓縮，從而引起電阻相對變化為 （3-21）式中，k為應(yīng)變片的靈敏度系數(shù)；g為試件的膨脹系數(shù)；s為應(yīng)變片敏感柵材料的膨脹系數(shù)。 所以，當環(huán)境溫度變化t時，應(yīng)變片產(chǎn)生總的電阻相對變化為 （3-22） 學習單元一 電阻應(yīng)變式傳感器溫度補償2.為使應(yīng)變片的輸出與溫度變化無

18、關(guān)，需要進行溫度補償。溫度補償?shù)某Ｓ梅椒ㄓ袘?yīng)變片自補償法和電路補償法。學習單元一 電阻應(yīng)變式傳感器1）應(yīng)變片自補償法（1）單絲自補償法。為使應(yīng)變片的輸出與溫度變化無關(guān)，須使熱輸出為零，t=0，即滿足 at=k(gs) （3-24） 對于每種材料的被測試件，其線性膨脹系數(shù)g為定值。如果適當選擇應(yīng)變片敏感柵的溫度系數(shù)和膨脹系數(shù)，以滿足式（3-24），就可以在一定溫度范圍內(nèi)實現(xiàn)自補償，稱這種敏感柵應(yīng)變片為單絲自補償應(yīng)變片。 單絲自補償應(yīng)變片的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，應(yīng)變片容易加工和制造，成本低；缺點是只能在一定溫度范圍內(nèi)適用于特定的試件材料。學習單元一 電阻應(yīng)變式傳感器（2）雙絲組合式自補償法。兩種不同電阻

19、溫度系數(shù)（一種為正值，一種為負值）的金屬絲串接組成金屬柵絲。當環(huán)境溫度在一定范圍內(nèi)變化時，在一定材料上的試件可以實現(xiàn)溫度補償。通過調(diào)節(jié)兩段敏感柵絲的長度來實現(xiàn)應(yīng)變片的溫度自補償。補償效果可以達到 0.45 m/。學習單元一 電阻應(yīng)變式傳感器2）電路補償法 電路補償法是常用的最好的補償方法。如圖3-9所示，使用兩個特性相同的應(yīng)變片，一個為工作應(yīng)變片R1，安裝在被測試件的表面；另一個為補償應(yīng)變片RB，安裝在與被測試件相同的補償件上，溫度與試件相同，但不承受應(yīng)變僅隨溫度發(fā)生變形。R1與RB接入電橋相鄰橋臂上，當環(huán)境溫度變化時，應(yīng)變片和補償應(yīng)變片產(chǎn)生的溫度誤差R1t與RBt相同，根據(jù)前面的電橋的理論可

20、知，輸出電壓與溫度變化無關(guān)。學習單元一 電阻應(yīng)變式傳感器圖3-9 電路補償法學習單元一 電阻應(yīng)變式傳感器某些情況下，根據(jù)被測試件所受的應(yīng)變情況，可以無須另外使用補償試件，而是將補償片貼在被測試件上。圖3-10所示為一種測量梁彎曲應(yīng)變的方法。圖3-10 一種測量梁彎曲應(yīng)變的方法學習單元一 電阻應(yīng)變式傳感器 應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用 四、 應(yīng)變式傳感器廣泛用于測量機械、儀器及工程結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變，還常與彈性元件配合，用于測量力、扭矩、位移和加速度等。學習單元一 電阻應(yīng)變式傳感器柱式力傳感器1.柱式力傳感器的彈性元件分為空心（筒形）和實心（柱形）兩種（截面積為S，材料彈性模量為E），當柱體軸向受拉（壓）力

21、F作用時，在彈性范圍內(nèi)，應(yīng)力與應(yīng)變成正比。空心圓筒多用于小集中力的測量。貼片在柱面上的展開位置及其在橋路中的連接如圖3-11所示。圖3-11 貼片在柱面上的展開位置及其在橋路的連接學習單元一 電阻應(yīng)變式傳感器其特點是 R1、R3串聯(lián)，R2、R4串聯(lián)并置于相對位置的臂上，以減少彎矩的影響。橫向貼片用于溫度補償。地磅秤一般采用柱式力傳感器，如圖3-12所示。圖3-12 地磅秤學習單元一 電阻應(yīng)變式傳感器懸臂梁式力傳感器2.懸臂梁式力傳感器是一種精度高、性能優(yōu)良的稱重測力傳感器，采用彈性梁和應(yīng)變片作為轉(zhuǎn)換元件。當力作用在彈性元件（梁）上時，金屬與應(yīng)變片一起變形，使應(yīng)變片的電阻變化。如圖3-13所示。

22、圖3-13 懸臂梁式力傳感器學習單元一 電阻應(yīng)變式傳感器薄壁圓環(huán)式力傳感器3.圓環(huán)式彈性元件結(jié)構(gòu)也比較簡單。如圖3-14所示，薄壁的厚度為h。它的特點是在外力作用下，各點的應(yīng)力差別較大。它采用圖示貼片方式，其非線性誤差可達0.2%。測量時，上下受力方向必須在同一條直徑上，而且為點接觸。圖3-14 薄壁圓環(huán)式力傳感器的結(jié)構(gòu)學習單元一 電阻應(yīng)變式傳感器輪輻式力傳感器 4.輪輻式力傳感器的結(jié)構(gòu)如圖3-15所示，主要由五部分組成：輪轂、輪圈、輪輻條、受拉和受壓應(yīng)變片。矩形輪輻條產(chǎn)生平行四邊形變形，輪輻條對角線方向產(chǎn)生45的線應(yīng)變。將應(yīng)變片按45方向粘貼，8個應(yīng)變片分別粘貼在4個輪輻條的正反兩面，組成全

23、橋。圖3-15 輪輻式力傳感器的結(jié)構(gòu)學習單元一 電阻應(yīng)變式傳感器思考與練習問題1 電阻應(yīng)變式傳感器常用的轉(zhuǎn)換電路有哪些？各有什么優(yōu)缺點？ 思考：問題2 電阻應(yīng)變式傳感器常用什么方法進行溫度補償? 思考： 學習單元二 壓阻式傳感器半導(dǎo)體單晶硅材料在受到外力作用，產(chǎn)生肉眼根本察覺不到的極微小應(yīng)變時，其原子結(jié)構(gòu)內(nèi)部的電子能級狀態(tài)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致其電阻率劇烈的變化，由其材料制成的電阻也就出現(xiàn)極大變化，這種物理效應(yīng)稱為壓阻效應(yīng)。利用壓阻效應(yīng)開發(fā)的傳感器稱為壓阻式傳感器。它有兩種類型：一種是利用半導(dǎo)體材料的體電阻，其靈敏度要比金屬應(yīng)變片高2個數(shù)量級；另一種是在半導(dǎo)體單晶硅、鍺的基底上利用半導(dǎo)體集成工藝中

24、的擴散技術(shù)，將彈性敏感元件與轉(zhuǎn)換元件合二為一，制成擴散硅壓阻式傳感器。學習單元二 壓阻式傳感器 壓阻式傳感器的工作原理一、由前述可知，壓阻效應(yīng)的數(shù)學描述可用公式表示如下： （3-25）式中，是壓阻系數(shù)，是表征固態(tài)材料壓阻效應(yīng)的特性參數(shù)。不同材料的壓阻系數(shù)不同，而且各向異性的同一材料在不同方向其壓阻系數(shù)也各不相同，所以有 （3-26）式中，r、t分別為縱向應(yīng)力和橫向應(yīng)力（切向應(yīng)力）；r為縱向壓阻系數(shù)，反映由縱向應(yīng)力引起的縱向電阻的變化率；t為橫向壓阻系數(shù)，反映由橫向應(yīng)力引起的橫向電阻的變化率，大小由所擴散電阻的晶向來決定。學習單元二 壓阻式傳感器硅壓阻式傳感器是典型的物性型傳感器，它的結(jié)構(gòu)特點是

25、敏感元件由彈性體和轉(zhuǎn)換元件合為一體。這種傳感器的靈敏度高（比金屬應(yīng)變計高5080倍）、分辨力高，動態(tài)響應(yīng)好，因無須膠接而滯遲、蠕變、老化現(xiàn)象小，便于生產(chǎn)，成本低。學習單元二 壓阻式傳感器 壓阻式傳感器的應(yīng)用二、壓阻式傳感器廣泛應(yīng)用于航天、航空、航海、石油化工、動力機械、生物醫(yī)學工程、氣象、地質(zhì)、地震測量等各個領(lǐng)域。在航天和航空工業(yè)中，壓力是一個關(guān)鍵參數(shù)，靜態(tài)和動態(tài)壓力、局部壓力和整個壓力場都要求有很高的測量精度。壓阻式傳感器是用于這方面的較理想的傳感器，如用于測量直升機機翼的氣流壓力分布，測試發(fā)動機進氣口的動態(tài)畸變、葉柵的脈動壓力和機翼的抖動等。在飛機噴氣發(fā)動機中心壓力的測量中，使用專門設(shè)計的

26、硅壓力傳感器，其工作溫度達500 以上。在波音客機的大氣數(shù)據(jù)測量系統(tǒng)中采用了精度高達0.05%的配套硅壓力傳感器。學習單元二 壓阻式傳感器在尺寸縮小的風洞模型試驗中，壓阻式傳感器能密集安裝在風洞進口處和發(fā)動機進氣管道模型中。單個傳感器直徑僅為2.36 mm，固有頻率高達300 kHz，非線性和滯后均為全量程的0.22%。在生物醫(yī)學方面，壓阻式傳感器也是理想的檢測工具。已制成擴散硅膜薄到10 m，外徑僅為0.5 mm的注射針型壓阻式壓力傳感器和能測量心血管、顱內(nèi)、尿道、子宮和眼球內(nèi)壓力的傳感器。學習單元二 壓阻式傳感器圖3-16所示為一種用于測量腦壓的傳感器的結(jié)構(gòu)圖。壓阻式傳感器還有效地應(yīng)用于爆

27、炸壓力和沖擊波的測量、真空測量、監(jiān)測和控制汽車發(fā)動機的性能及諸如測量槍炮膛內(nèi)壓力、發(fā)射沖擊波等兵器方面的測量。圖3-16 腦壓傳感器結(jié)構(gòu)圖學習單元二 壓阻式傳感器擴散型壓阻式壓力傳感器1.擴散型壓阻式壓力傳感器屬于半導(dǎo)體應(yīng)變片傳感器，它是直接在硅彈性元件上擴散出敏感柵，而不是用黏結(jié)劑將敏感柵粘貼在彈性元件上。 圖3-17（a）所示為擴散型壓阻式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)簡圖，其核心部分是一塊圓形硅膜片，在膜片上，利用擴散工藝設(shè)置四個阻值相等的電阻，用導(dǎo)線將其構(gòu)成平衡電橋。膜片的四周用圓環(huán)（硅環(huán)）固定，如圖3-17（b）所示。膜片的兩邊有兩個壓力腔，一個是與被測系統(tǒng)相連接的高壓腔，另一個是低壓腔，一般與大

28、氣相通。學習單元二 壓阻式傳感器當膜片兩邊存在壓力差時，膜片產(chǎn)生變形，膜片上各點產(chǎn)生應(yīng)力。4個電阻在應(yīng)力作用下阻值產(chǎn)生變化，電橋失去平衡，輸出相應(yīng)的電壓。這樣，測得不平衡電橋的輸出電壓，就測出了膜片所受壓力。圖3-17 擴散型壓阻式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)學習單元二 壓阻式傳感器加速度測量2.這種傳感器的彈性元件是單晶硅制成的懸臂梁（見圖3-18），在它的自由端上下兩面上，對稱地連接著兩個力矩器線圈，這兩個線圈分別空套在上、下磁鋼與軛鐵形成的環(huán)形工作氣隙中。在硅梁上還擴散有壓阻電橋。當傳感器感受到外界加速度時，與硅梁自由端連接的力矩器線圈受到慣性力的作用，使得硅梁發(fā)生應(yīng)變，在硅梁根部的力敏電阻電橋輸出

29、電信號。這個信號經(jīng)放大、整流后再輸出時，也把相應(yīng)的直流電流反饋到力矩線圈中，經(jīng)與永磁體磁場的相互作用，而產(chǎn)生一個與慣性力大小相等、方向相反的平衡力作用于硅梁自由端，從而實現(xiàn)了零位檢測。學習單元二 壓阻式傳感器由于閉環(huán)壓阻式加速度傳感器采用力平衡工作方式彈性硅梁沒有過大的撓度，因而有利于提高動態(tài)頻響特性和改善線性。它還具有自檢功能。閉環(huán)壓阻式加速度傳感器的特點是精度高，動態(tài)范圍大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，質(zhì)量和尺寸都相對較大，成本也較高。圖3-18 閉環(huán)壓阻式加速度傳感器結(jié)構(gòu)原理圖1硅梁組件； 2力矩器線圈； 3殼體； 4下磁路組件； 5插頭座； 6壓阻電橋； 7力矩器磁鋼 學習單元二 壓阻式傳感器思考與練習

30、問題 壓阻式傳感器與電阻應(yīng)變式傳感器有什么區(qū)別？ 思考：學習單元三 壓電式傳感器電阻式、電感式和電容式傳感器都是無源器件，即它們需要電源才能產(chǎn)生與被測量有關(guān)的電信號輸出，而壓電式傳感器是將被測量變化轉(zhuǎn)換成材料受機械力產(chǎn)生靜電電荷或電壓變化的傳感器。它是一種典型的有源、雙向機電能量轉(zhuǎn)換型傳感器或自發(fā)電型傳感器。壓電元件是機電轉(zhuǎn)換元件，它可以測量最終能變換為力的非電物理量，如力、加速度等。壓電式傳感器具有使用頻帶寬（零點幾赫茲到數(shù)萬赫茲）、靈敏度高、信噪比高、結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、質(zhì)量小等優(yōu)點。近年來，由于電子技術(shù)的飛速發(fā)展，與之配套的二次儀表及低噪聲、小電容、高絕緣電阻電纜的出現(xiàn)，使壓電式傳感器的

31、使用更為方便。因此，在工程力學、學習單元三 壓電式傳感器各種動態(tài)力、機械沖擊與振動測量、生物醫(yī)學、電聲學、宇航等許多技術(shù)領(lǐng)域中，壓電式傳感器獲得了廣泛的應(yīng)用。壓電式加速度傳感器如圖3-19所示。 圖3-19 壓電式加速度傳感器學習單元三 壓電式傳感器壓電效應(yīng)1. 壓電效應(yīng)及壓電材料一、當晶體受到某固定方向拉力或壓力的作用時會發(fā)生變形，內(nèi)部就產(chǎn)生電極化現(xiàn)象，同時在某兩個表面上產(chǎn)生符號相反的電荷；這種現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)。壓電式傳感器大多是利用正壓電效應(yīng)制成的，如圖3-20所示。 圖3-20 正壓電效應(yīng)學習單元三 壓電式傳感器相反，當對某些物質(zhì)在極化方向上施加一定電場時，材料將產(chǎn)生機械形變，當外電場

32、撤銷時，形變也消失，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)，又稱為電致伸縮。用逆壓電效應(yīng)制造的變送器可用于電聲和超聲工程。壓電效應(yīng)的可逆性如圖3-21所示，利用這一特性可實現(xiàn)機電能量的相互轉(zhuǎn)換。圖3-21 壓電效應(yīng)的可逆性學習單元三 壓電式傳感器壓電材料 2.1）石英晶體石英晶體是一種性能良好的壓電晶體。石英是硅石的一種，現(xiàn)在已能人工制造，它的化學成分是SiO2，其晶體單元的形狀為六角錐體，如圖3-22所示。其突出的優(yōu)點是性能非常穩(wěn)定，介電常數(shù)與壓電系數(shù)的溫度穩(wěn)定性特別好，且居里點高，可以達到575 。此外，石英晶體還具有機械強度高、絕緣性能好、動態(tài)響應(yīng)快、線性范圍寬、遲滯小等優(yōu)點。但石英晶體壓電系數(shù)較小，靈

33、敏度較低，且價格較貴，所以只在標準傳感器、高精度傳感器或高溫環(huán)境下工作的傳感器中作為壓電元件使用。學習單元三 壓電式傳感器石英晶體分為天然與人造兩種。 石英晶體各方向的特性不同。為了便于研究，人們根據(jù)石英晶體的物理特性，在石英晶體內(nèi)畫出三種幾何對稱軸。連接兩個錐頂點的一根軸稱為光軸（z軸），它是晶體的對稱軸，光線沿z軸通過晶體時，不產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象，因而以它作為基準軸，又稱為中性軸；連接晶體橫截面中對角線的三條軸稱為電軸（x軸），該軸的壓電效應(yīng)最為顯著；橫截面中與電軸相互垂直的三條軸稱為機械軸（y軸），在此軸上加電場，產(chǎn)生機械形變最大，故又稱為力軸。學習單元三 壓電式傳感器若從晶體上沿y軸方向切

34、下一塊圖3-22（c）所示的晶片，當在電軸x方向施加作用力時，在與電軸垂直的平面上將產(chǎn)生電荷，其大小為 qx=d11Fx （3-27）式中，d11為x軸方向受力時的壓電系數(shù)；Fx為作用力。圖3-22 石英晶體結(jié)構(gòu)學習單元三 壓電式傳感器若在同一切片上，沿機械軸方向施加作用力Fy，則仍在與x軸垂直的平面上產(chǎn)生電荷qy，其大小為 （3-28）式中，d12為y軸方向受力時的壓電系數(shù)，因為石英軸對稱，故d12=d11；a和b分別為晶體切片的長度和厚度。電荷qx和qy的符號由所受力的性質(zhì)（拉力或壓力）決定。qx的大小與晶片的幾何尺寸無關(guān)，而qy的大小與晶片的幾何尺寸有關(guān)。圖3-23所示為晶體切片在x軸和

35、y軸方向受拉力和壓力的具體情況。學習單元三 壓電式傳感器圖3-23 晶體切片在x軸和y軸方向受拉力和壓力的具體情況如果在片狀壓電晶體材料的兩個電極面上加以交流電壓，那么石英晶體片將產(chǎn)生機械振動，即晶體片在電極方向有伸長和縮短現(xiàn)象，這種電致伸縮現(xiàn)象即為逆壓電效應(yīng)。學習單元三 壓電式傳感器石英晶體的上述特性與其內(nèi)部分子結(jié)構(gòu)有關(guān)。在每個晶體單元中有三個硅離子和六個氧離子，在垂直于z軸的xy平面上的投影，等效為一個正六邊形排列，如圖3-24所示。圖中，“+”表示Si4+，“”表示O2-。 當不受外力時，正負六個離子（Si4+和O2-）分布在正六邊形的六個頂點上，形成三個120夾角的電偶極矩p1、p2、

36、p3。此時正負電荷重心重合，電偶極矩的矢量和等于零，即 p1+p2+p3=0（3-29） 晶體表面不帶電荷，呈電中性，如圖3-24（a）所示。 學習單元三 壓電式傳感器當受到沿x軸方向的壓力作用時，晶體受壓縮而產(chǎn)生形變，正負離子相對位置發(fā)生改變，電偶極矩在y軸、z軸方向上的分量都為零，因此無電荷出現(xiàn)，如圖3-24（b）所示。因此無電荷出現(xiàn)，如圖3-24（c）所示。 圖3-24 石英晶體壓電效應(yīng)示意圖學習單元三 壓電式傳感器2）壓電陶瓷壓電陶瓷是一類具有壓電特性的電子陶瓷材料。 它與典型的不包含鐵電成分的壓電石英晶體的主要區(qū)別是：構(gòu)成其主要成分的晶相都是具有鐵電性的晶粒。由于陶瓷是晶粒隨機取向的

37、多晶聚集體，因此其中各個鐵電晶粒的自發(fā)極化矢量也是混亂取向的。 為了使陶瓷能表現(xiàn)出宏觀的壓電特性，就必須在壓電陶瓷燒成之后，將其置于強直流電場下進行極化處理，以使原來混亂取向的各自發(fā)極化矢量沿電場方向擇優(yōu)取向。 經(jīng)過極化處理后的壓電陶瓷，在電場撤銷之后，會保留一定的宏觀剩余極化強度，從而使陶瓷具有了一定的壓電性質(zhì)。 學習單元三 壓電式傳感器石英晶體元件1. 常用壓電元器件二、1）石英晶體元件的分類石英晶體俗稱水晶，成分是SiO2，是一種重要的壓電材料，可用于制造壓電元器件，如石英晶體諧振器、石英晶體濾波器、石英晶體振蕩器、石英晶體傳感器等。圖3-25所示為晶振與石英晶片。石英晶體薄片受到外加交

38、變電場的作用時會產(chǎn)生機械振動，當交變電場的頻率與石英晶體的固有頻率相同時，振動便變得很強烈，這就是晶體諧振特性的反映。學習單元三 壓電式傳感器圖3-25 晶振與石英晶片 學習單元三 壓電式傳感器石英晶體諧振器俗稱晶體或無源晶振，它由石英晶體片、外殼、引線等材料密封而成。它是一種提供穩(wěn)定頻率的元器件，其頻率調(diào)整和封閉方式，根據(jù)不同的技術(shù)要求和不同的振動方式而有所不同。它廣泛應(yīng)用于測量設(shè)備、計算機、家電、通信、軍事等領(lǐng)域。石英晶體濾波器由石英晶體諧振器、外殼、電子電路等封裝而成，是一種頻率選擇器件，與其他類型的濾波器相比，它具有選擇性好、溫度穩(wěn)定性高的優(yōu)點。石英晶體濾波器包括體聲波濾波器和聲表面濾

39、波器，它應(yīng)用于無線電通信、載波機、雷達、導(dǎo)航設(shè)備等領(lǐng)域。 學習單元三 壓電式傳感器石英晶體振蕩器簡稱晶振或晶體振蕩器，俗稱有源晶振。石英晶體振蕩器由石英晶體諧振器、外殼、電子控制電路系統(tǒng)組成，它是一種把直流電能轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟娔艿难b置。它采用了Q值極高的石英晶體諧振器，因此比LC振蕩器更穩(wěn)定。石英晶體振蕩器按其用途和特點可分為普通晶體振蕩器（PXO）、溫度補償晶體振蕩器（TCXO）、電壓控制晶體振蕩器（VCXO）、溫度控制晶體振蕩器（OCXO）和電壓溫度控制晶體振蕩器（VCOCXO）。石英晶體振蕩器廣泛應(yīng)用于高端無線電通信設(shè)備、發(fā)射基站、數(shù)字程控交換機、接入網(wǎng)、SDH等通信設(shè)備，主要作為時基信號源

40、。 學習單元三 壓電式傳感器2）石英晶體振蕩器的發(fā)展趨勢（1）小型化、薄片化和片式化。為滿足移動電話為代表的便攜式產(chǎn)品輕、薄、短小的要求，石英晶體振蕩器的封裝由傳統(tǒng)的裸金屬外殼覆塑料金屬向陶瓷封裝轉(zhuǎn)變。例如，TCXO器件的體積縮小了30100倍。采用SMD封裝的TCXO厚度不足2 mm，目前，2.5 mm2.0 mm尺寸的器件已經(jīng)上市。 （2）高精度與高穩(wěn)定度。目前，無補償式晶體振蕩器的總精度也能達到25 ppm，VCXO的頻率穩(wěn)定度在-107 范圍內(nèi)一般可達20100 ppm，而OCXO在同一溫度范圍內(nèi)頻率穩(wěn)定度一般為0.000 15 ppm，VCXO控制在25 ppm以下。學習單元三 壓電

41、式傳感器（3）低噪聲，高頻化。在GPS通信系統(tǒng)中是不允許頻率顫抖的，相位噪聲是表征振蕩器頻率顫抖的一個重要參數(shù)。目前，OCXO主流產(chǎn)品的相位噪聲性能有很大改善。除VCXO外，其他類型的晶體振蕩器的最高輸出頻率不超過200 MHz。例如，用于GSM等移動電話的UCV4系列壓控振蕩器，其頻率為6501 700 MHz，電源電壓為2.23.3 V，工作電流為 810 mA。學習單元三 壓電式傳感器（4）低功能，快速啟動，低電壓工作。低電平驅(qū)動和低電流消耗已成為一個趨勢。電源電壓一般為3.3 V。目前許多TCXO和VCXO產(chǎn)品，電流損耗不超過2 mA。石英晶體振蕩器的快速啟動技術(shù)也取得突破性進展。例如

42、，日本精工公司生產(chǎn)的VG2320SC型VCXO，在0.1 ppm規(guī)定值范圍條件下，頻率穩(wěn)定時間小于4 ms。日本京瓷公司生產(chǎn)的SMD TCXO，在振蕩啟動4 ms后則可達到額定值的90%。廣州天馬電訊公司的OCXO產(chǎn)品，在預(yù)熱 5 min后，則能達到0.01 ppm的穩(wěn)定度。學習單元三 壓電式傳感器（5）數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用。以往都是采取通過調(diào)整變?nèi)荻O管的參數(shù)來改變晶體的振蕩參數(shù)，達到高穩(wěn)定頻率輸出。隨著單片機技術(shù)的應(yīng)用，實際上可以通過數(shù)字化來取代變?nèi)荻O管的應(yīng)用技術(shù)，從而實現(xiàn)高穩(wěn)定頻率輸出?，F(xiàn)在市面上已經(jīng)出現(xiàn)很多數(shù)字溫補晶振（DCXO），如天馬電訊的DX2116等產(chǎn)品已成功上市。由于采用了先進的

43、數(shù)字化補償技術(shù)，所生產(chǎn)出來的數(shù)字溫補晶振已達到中精度OCXO（俗稱三級鐘）的技術(shù)水平。學習單元三 壓電式傳感器壓電陶瓷元件2.壓電陶瓷是一種經(jīng)過極化處理的人工多晶鐵電體。多晶是指它由無數(shù)細微的單晶組成，鐵電體是指它具有類似鐵磁材料磁疇的電疇結(jié)構(gòu)。每個單晶形成單個電疇，這種自發(fā)極化的電疇在極化處理之前，各晶粒內(nèi)的電疇按任意方向排列，自發(fā)極化的作用相互抵消，陶瓷的極化強度為零。因此，原始的壓電陶瓷呈現(xiàn)而不具有壓電性。為使其具有壓電性，就必須在一定溫度下做極化處理。學習單元三 壓電式傳感器所謂極化處理，是指在一定溫度下，以強直流電場迫使電疇自發(fā)極化的方向轉(zhuǎn)到與外加電場方向一致，做規(guī)則排列，此時壓電陶

44、瓷具有一定的極化強度，再使其冷卻，撤去電場，電疇方向基本保持不變，余下很強的剩余極化電場，從而呈現(xiàn)壓電性，即陶瓷片的兩端出現(xiàn)束縛電荷，一端為正，另一端為負，如圖3-26所示。圖3-26 陶瓷極化過程示意圖學習單元三 壓電式傳感器由于束縛電荷的作用，在陶瓷片的極化兩端很快吸附一層來自外界的自由電荷，這時束縛電荷與自由電荷數(shù)值相等、極性相反，故此陶瓷片對外不呈現(xiàn)極性如圖3-27所示。圖3-27 束縛電荷與自由電荷排列示意圖學習單元三 壓電式傳感器如果在壓電陶瓷片上加一個與極化方向平行的外力，陶瓷片產(chǎn)生壓縮變形，片內(nèi)的束縛電荷之間距離變小，電疇發(fā)生偏轉(zhuǎn)，極化強度變小，因此吸附在其表面的自由電荷，有一

45、部分被釋放而呈現(xiàn)放電現(xiàn)象。當撤銷壓力時，陶瓷片恢復(fù)原狀，極化強度增大，因此又吸附一部分自由電荷而出現(xiàn)充電現(xiàn)象。這種因受力而產(chǎn)生的機械效應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦?yīng)，將機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，就是壓電陶瓷的正壓電效?yīng)。放電電荷的多少與外力成正比，即 q=d33F （3-30）式中，d33為壓電陶瓷的壓電系數(shù)；F為作用力。 學習單元三 壓電式傳感器壓電陶瓷在極化方向上的壓電效應(yīng)最明顯。我們把極化方向稱為z軸，垂直于z軸平面上的任何直線都可作為x軸（或y軸）。 壓電陶瓷的壓電系數(shù)比石英晶體的壓電系數(shù)大得多，所以采用壓電陶瓷制作的壓電式傳感器的靈敏度較高，但剩余極化強度和特性受溫度影響較大。 最早使用的壓電陶瓷材料是鈦酸

46、鋇（BaTiO3），它是由BaCO3和TiO2按一定比例混合后燒結(jié)而成的。它的壓電系數(shù)約為石英的50倍，但使用溫度較低，最高只有70 ，溫度穩(wěn)定性和機械強度都不如石英。學習單元三 壓電式傳感器目前，使用較多的壓電陶瓷是鋯鈦酸鉛Pb（ZrTi）O3，PZT系列，它是由鈦酸鋇（BaTiO3）和鋯酸鉛（PbZrO3）組成的。它有較高的壓電系數(shù)和較高的工作溫度。鈮鎂酸鉛是20世紀60年代發(fā)展起來的壓電陶瓷。它是由鈮鎂酸鉛PbMg1/3Nb2/3O3、鋯酸鉛和鈦酸鉛按不同比例配成的不同性能的壓電陶瓷，具有較高的壓電系數(shù)和較高的工作溫度，而且能承受較高的壓力。學習單元三 壓電式傳感器 壓電式傳感器的應(yīng)用三

47、、壓電式加速度傳感器1.壓電式加速度傳感器又稱壓電式加速度計，也屬于慣性式傳感器。它利用某些物質(zhì)（如石英晶體）的壓電效應(yīng)，在加速度計受振時，質(zhì)量塊加在壓電元件上的力也隨之變化。當被測振動頻率遠低于加速度計的固有頻率時，力的變化與被測加速度成正比。 學習單元三 壓電式傳感器壓電加速度傳感器采用剪切和中心壓縮結(jié)構(gòu)形式，其原理是壓電晶體的電荷輸出與所受的力成正比，而所受的力在敏感質(zhì)量一定的情況下與加速度值成正比。在一定條件下，壓電晶體受力后產(chǎn)生的電荷量與所感受到的加速度值成正比。經(jīng)過簡化后的方程為 QdijF=dijMa （3-31）式中，Q為壓電晶體輸出的電荷量；dij為壓電晶體的二階壓電張量；F

48、為所受外力；M為傳感器的敏感質(zhì)量；a為所受的振動加速度值。學習單元三 壓電式傳感器每只傳感器中內(nèi)裝晶體元件的二階壓電張量是一定的，敏感質(zhì)量M是一個常量，所以式（3-31）表明壓電加速度傳感器產(chǎn)生的電荷量與振動加速度a成正比，這就是壓電式加速度傳感器完成的機電轉(zhuǎn)換的工作原理。 壓電式加速度傳感器承受單位振動加速度值能輸出電荷量的多少，稱為電荷靈敏度，單位為pC/ms-2或pC/g(1 g9.8 ms-2)。 壓電式加速度傳感器實質(zhì)上相當于一個電荷源和一只電容器，通過等效電路簡化后，則可算出傳感器的電壓靈敏度為 SVSQ/Ca （3-32）式中，SV為傳感器的電壓靈敏度，mV/ms-2；SQ為傳感

49、器的電荷靈敏度，pC/ms-2；Ca為傳感器的電容量，pF。學習單元三 壓電式傳感器壓電式加速度傳感器在使用中最主要的三項指標為電荷靈敏度（或電壓靈敏度）、諧振頻率（工作頻率在諧振頻率1/3以下）和最大橫向靈敏度比。 IBM ThinkPad就內(nèi)置了加速度傳感器，能夠動態(tài)監(jiān)測出筆記本在使用中的振動，并根據(jù)這些振動數(shù)據(jù)，智能選擇關(guān)閉硬盤還是讓其繼續(xù)運行，這樣可以防止筆記本由于振動造成的損傷，最大限度地保護數(shù)據(jù)。目前的數(shù)碼相機和攝像機里也有加速度傳感器，用來檢測拍攝時候的手部振動，并根據(jù)這些振動自動調(diào)節(jié)相機的焦距。學習單元三 壓電式傳感器壓電式流量計2.壓電式流量計是利用超聲波在順流方向和逆流方向

50、的傳播速度不同來進行測量的。它的測量裝置是在管外設(shè)置兩個相隔一定距離的收發(fā)兩用壓電超聲換能器。每隔一段時間（如0.01 s），發(fā)射和接收互換一次。在順流和逆流的情況下，發(fā)射和接收的相位差與流速成正比。根據(jù)這個關(guān)系，便可精確地測定流速。流速與管道橫截面積的乘積等于流量。 圖3-28所示為一種工業(yè)用壓電式流量計的示意圖。此種流量計可以測量各種液體的流速，中壓和低壓氣體的流速不受該流體的導(dǎo)電率、黏度、密度、腐蝕性及成分的影響，其準確度可達0.5%，有的可達到0.01%。學習單元三 壓電式傳感器根據(jù)同一道理，可以用于直接測量隨海洋深度而變化的聲速分布，即以一定距離放置兩個正對著的壓電陶瓷換能器，一個為

51、發(fā)射器，一個為接收器。根據(jù)測定的發(fā)射和接收的相位差隨深度的變化，即可得到聲速隨深度的分布情況。圖3-28 壓電式流量計學習單元三 壓電式傳感器思考與練習問題1 什么是壓電效應(yīng)？什么是壓電效應(yīng)的可逆性？ 思考：問題2 壓電效應(yīng)有哪些應(yīng)用？ 思考： 學習單元四 電容式傳感器電容式傳感器是將被測量的變化轉(zhuǎn)換為電容量變化的一種裝置，它本身就是一種可變電容器。由于這種傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、動態(tài)響應(yīng)好、靈敏度高、分辨率高、能實現(xiàn)非接觸測量等特點，因而被廣泛應(yīng)用于位移、加速度、振動、壓力、壓差、液位、成分含量等檢測領(lǐng)域。學習單元四 電容式傳感器 電容式傳感器的結(jié)構(gòu)及工作原理一、電容式傳感器的基本工作原

52、理是基于被測物理量的變化可以轉(zhuǎn)換為電容量變化。由物理學知識可知，電容器的電容量是構(gòu)成電容器的兩極片形狀、大小、相互位置及電介質(zhì)介電常數(shù)的函數(shù)。 （3-33）式中，為兩極板間介質(zhì)的介電常數(shù)，=0r，0為真空介電常數(shù),r為極板間介質(zhì)的相對介電常數(shù)；S為兩平行板所覆蓋的面積；為兩平行板之間的距離。 學習單元四 電容式傳感器從式（3-33）可以看出，當被測量使S、三參數(shù)中任意一項發(fā)生變化時，電容量就要隨之變化。這就是電容式傳感器的工作原理。如果保持其中的兩個參數(shù)不變，而僅改變另一個參數(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

53、性，電容式傳感器可分為變極距型、變面積型和變介電常數(shù)型三種，其中變極距型和變面積型電容式傳感器應(yīng)用較廣。學習單元四 電容式傳感器電容式傳感器的基本結(jié)構(gòu)如圖3-29所示。圖3-29 電容式傳感器的基本結(jié)構(gòu) 學習單元四 電容式傳感器 變極距型電容式傳感器二、變極距型電容式傳感器由一個固定極板和一個可動極板構(gòu)成?？蓜訕O板由被測金屬平面充當。當電容式傳感器極板間距因某個被測量變化而變化時，會引起電容變化C。 （3-34）式中，C0為極距是時的初始電容量。 由式（3-34）可知，C與極板間距的變化不是線性關(guān)系，說明該類型電容式傳感器存在著原理性非線性誤差；但當（即量程遠小于兩極板間的初始距離）時，可以認

54、為C與是線性關(guān)系。學習單元四 電容式傳感器另外，在較小時，對于同樣的變化所引起的C可以增大，從而使傳感器靈敏度提高。但如果過小，容易引起電容器擊穿或短路。為此，極板間可采用高介電常數(shù)的材料（云母、塑料膜等）做介質(zhì)，此時電容C變?yōu)?（3-35）式中，g為云母的相對介電常數(shù)，g=7；0為空氣的介電常數(shù)，0=1；0為空氣隙厚度；g為云母片的厚度。 云母片的相對介電常數(shù)是空氣的7倍，其擊穿電壓不小于1 000 kV/mm，而空氣的僅為3 kV/mm。 因此有了云母片，極板間的起始距離可大大減小。同時，式（3-35）中的 項是恒定值，它能使傳感器的輸出特性的線性度得到改善。學習單元四 電容式傳感器 變面

55、積型電容式傳感器三、變面積型電容式傳感器的原理結(jié)構(gòu)如圖3-30所示。它與變極距型電容式傳感器不同的是，被測量通過動極板移動，引起兩極板有效覆蓋面積S改變，從而得到電容的變化。圖3-30 變面積型電容式傳感器原理結(jié)構(gòu)學習單元四 電容式傳感器設(shè)動極板相對定極板沿長度l0方向平移l，則電容為 （3-36）式中，C0=0rl0b0/0為初始電容。電容的相對變化量為 （3-37） 從式（3-37）可以看出，這種傳感器的輸出特性成線性，因而其量程不受線性范圍的限制，適合于測量較大的直線位移和角位移。它的靈敏度為 （3-38） 上述討論只在初始極距0精確保持不變時成立，否則將導(dǎo)致測量誤差。為減小這種影響，可

56、以使用圖3-30(b)所示中間極移動式結(jié)構(gòu)。學習單元四 電容式傳感器 變介電常數(shù)型電容式傳感器四、平板形變介電常數(shù)式1.兩極板間介質(zhì)的介電常數(shù)變化，由此引起的電容量的變化量C為 （3-39） 引起兩極板間介質(zhì)介電常數(shù)變化的因素可以是介質(zhì)含水量、介質(zhì)厚度或高度、介質(zhì)組分含量的變化。因此，它可以用來測量含水量、物位及介質(zhì)厚度等物理參數(shù)。所要注意的是，當變介電常數(shù)式電容極板間為導(dǎo)電介質(zhì)時，在極板表面應(yīng)涂絕緣層，以防止電極間短路。學習單元四 電容式傳感器圓筒形變介電常數(shù)式2.因為各種介質(zhì)的相對介電常數(shù)不同，所以在電容器兩極板間存在不同介質(zhì)時，電容器的電容量也就不同，利用此原理制成的電容式傳感器稱為變介

57、電常數(shù)型電容式傳感器，常被用來測量液體的液位和材料的厚度。其檢測原理圖如圖3-31所示。圖3-31 電容液位計原理圖學習單元四 電容式傳感器它是由兩個長度均為L、半徑分別為R和r的圓筒形金屬導(dǎo)體組成的。兩圓筒間上面一部分充以介電常數(shù)為1的氣體，下面一部分充以介電常數(shù)為2的液體，高度是H，此時的電容量為 （3-40） C=C0+C （3-41） （3-42） （3-43） 式（3-43）表明，當圓筒形電容的幾何尺寸（L、R、r）保持不變，且介電常數(shù)也不變時，電容式傳感器電容量變化C與液位高度H成正比。學習單元四 電容式傳感器因此，對于這種介質(zhì)的液位檢測，電極要用絕緣物覆蓋作為中間介質(zhì)，而液體和外

58、圓筒一起作為外電極，如圖3-32所示。加入中間介質(zhì)的介電常數(shù)為，電極被導(dǎo)電液體浸沒的長度為H，此時電容器具有的電容量為 （3-44）式中，R為絕緣覆蓋層外半徑r為內(nèi)電極的外半徑。圖3-32 導(dǎo)電液體液位測量示意圖學習單元四 電容式傳感器 電容式傳感器的信號調(diào)理電路五、實際上，電容式傳感器并不是一個純電容，其完整的等效電路如圖3-33（a）所示。包括引線電纜電感和電容式傳感器本身的電感；r由引線電阻、極板電阻和金屬支架電阻組成；C0為傳感器本身的電容；Cp為引線電纜、所接測量電路及極板與外界所形成的總寄生電容；Rg是極間等效漏電阻，它包括極板間及極板與外界間的漏電損耗和介質(zhì)損耗。 學習單元四 電

59、容式傳感器在低頻時，傳感器電容的阻抗非常大，因此和的影響可以忽略。其等效電路可簡化為圖3-33（b），其中等效電容CeC0+Cp，等效電阻ReRg。在高頻時，傳感器電容的阻抗就變小了，因此，和的影響不可忽略不計，而漏電阻的影響可以忽略不計。其等效電路可簡化為圖3-33（c），其中，等效電容CeC0+Cp，等效電阻Rer。引線電纜的電感很小，只有工作頻率在10 MHz以上時，才考慮其影響。 傳感器電容極板間的有功損耗致使傳感器電容電壓和電流相位差比90小一個角，利用這些特點又可測量更多的量，如石油的含水量和種子或土壤的濕度等。 學習單元四 電容式傳感器由電容式傳感器的等效電路可知，它有一個諧振頻

60、率，通常為幾十兆赫。當工作頻率等于或接近諧振頻率時，就破壞了電容的正常作用。因此，供電電源頻率必須低于該諧振頻率，一般為其1/31/2，傳感器才能正常工作。圖3-33 電容式傳感器等效電路學習單元四 電容式傳感器電橋電路1.將電容式傳感器接入交流電橋作為電橋的一個臂（另一個臂為固定電容）或兩個相鄰臂，另兩個臂可以是電阻、電容或電感，也可以是變壓器的兩個次級線圈。其中另兩個臂是緊耦合電感臂的電橋，具有較高的靈敏度和穩(wěn)定性，且寄生電容影響極小，大大簡化了電橋的屏蔽和接地，適合在高頻電源下工作；而變壓器式電橋使用元件最少，橋路內(nèi)阻最小，因此目前較多采用。 學習單元四 電容式傳感器電容電橋的主要特點有