常用傳感器課程課件

序言

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。傳感器的作用類似于人的感覺器官。它把被測量，如力、位移、溫度等，轉(zhuǎn)換為易測信號，傳送給測量系統(tǒng)的信號調(diào)理環(huán)節(jié)。傳感器也可以認(rèn)為是人類感官的延伸，因為借助傳感器可以去探索那些人們無法用感官直接測量的事物，例如，用熱電偶可以測得熾熱物體的溫度；用超聲波探測器可以測量海水深度；用紅外遙感器可從高空探測地面上的植被和污染情況，等等。因此，可以說傳感器是人們認(rèn)識自然界的有力工具，是測量儀器與被測事物之間的接口。在工程上也把提供與輸入量有給定關(guān)系的輸出量的器件，稱為測量變換器。傳感器就是輸入量為被測量的測量變換器。傳感器處于測試裝置的輸入端，其性能將直接影響著整個測試裝置的工作質(zhì)量。近來，隨著測量、控制及信息技術(shù)的發(fā)展，傳感器作為這些領(lǐng)域里的一個重要構(gòu)成因素，被視為90年代的關(guān)鍵技術(shù)之一受到了普遍重視。11/30/20221第三章常用傳感器基本概念傳感器的定義

把直接作用于被測量，能按一定規(guī)律將其轉(zhuǎn)變成同種或別種量值輸出的器件傳感器的作用

把被測量轉(zhuǎn)換為易測信號，傳送給測量系統(tǒng)的信號調(diào)理環(huán)節(jié)測量變換器

提供與輸入量有給定關(guān)系的輸出量的器件傳感器就是輸入量為被測量的測量變換器；位于測試裝置的輸入端11/30/20222第三章常用傳感器按被測量分類

位移、速度、加速度、力、溫度按傳感器工作原理分類

機械、電器、光學(xué)、流體式按信號變換特征分類

物性型、結(jié)構(gòu)型根據(jù)敏感元件與被測對象之間的能量關(guān)系分類

能量轉(zhuǎn)換（無源傳感器）、能量控制型（有源傳感器）按輸出信號分類模擬式、數(shù)字式

第一節(jié)傳感器的分類11/30/20223第三章常用傳感器物性型傳感器是依靠敏感元件材料本身的物理化學(xué)性質(zhì)的變化來實現(xiàn)信號的變換的。水銀溫度計：水銀的熱脹冷縮現(xiàn)象壓力測力計：石英晶體的壓電效應(yīng)結(jié)構(gòu)型傳感器是依靠傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)變化而實現(xiàn)信號轉(zhuǎn)換的。電容式傳感器：極板距離電容變化電感式傳感器：銜鐵位移自感或互感變化第一節(jié)傳感器的分類11/30/20224第三章常用傳感器能量轉(zhuǎn)換型（無源）傳感器：直接由被測對象輸入能量使其工作；熱電偶溫度計、彈性壓力計等能量轉(zhuǎn)換型（有源）傳感器：由外部供給能量使傳感器工作，并且由被測量來控制外部供給能量的變化；電阻應(yīng)變計+電橋第一節(jié)傳感器的分類11/30/20225第三章常用傳感器第一節(jié)傳感器的分類

需要指出的是，不同情況下，傳感器可能只有一個、也可能有幾個換能元件，也可能是一個小型裝置。例如，電容式位移傳感器是位移電容變化的能量控制型傳感器，可以直接測量位移。而電容式壓力傳感器，則經(jīng)過壓力膜片彈性變形（位移）電容變化的轉(zhuǎn)換過程。此時膜片是一個由機械量一機械量的換能件，由它實現(xiàn)第一次變換；它同時與另一極板構(gòu)成電容器，用來完成第二次轉(zhuǎn)換。再如電容型伺服式加速度計（也稱為力反饋式加速度計），實際上是一個具有閉環(huán)回路的小型測量系統(tǒng)，如圖所示。這種傳感器較一般開環(huán)式傳感器具有更高的精確度和穩(wěn)定性。測量對象傳感器輔助能源輸入輸出圖3-1能源控制型傳感器工作方式加速度質(zhì)量彈性件電容傳感器電路力發(fā)生器電流－力變換器力位移電容電流輸出R+-圖3-2伺服式加速度計11/30/20226第三章常用傳感器第一節(jié)傳感器的分類類型名稱變換量被測量應(yīng)用舉例性能指標(biāo)（一般參考)機械式測力環(huán)彈簧波紋管

波登管

波紋膜片雙金屬片

微型開關(guān)力－位移力－位移壓力－位移

壓力－位移壓力－位移溫度－位移力－位移力力壓力

壓力壓力溫度物體尺寸、位位置、有無三等標(biāo)準(zhǔn)測力儀彈簧秤壓力表壓力表壓力表溫度計測量范圍10～105N，示值誤差(0.3～0.5)%500Pa～0.5MPa0.5MPa～1000MPa測量范圍<500Pa0~300C位置精度可達(dá)數(shù)微米電磁及電子式電位計電阻絲應(yīng)變片、半導(dǎo)體應(yīng)變電容電渦流電感差動變壓器壓電元件熱電偶霍耳元件熱敏電阻氣敏電阻光敏電阻光電池光敏晶體管位移－電阻形變－電阻位移－電容位移－自感

位移－自感位移－互感力－電荷溫度－電勢位移－電勢溫度－電阻氣體濃度－溫度光－電阻光－電壓光-電流位移力、位移、應(yīng)變、加速度力、位移、聲位移、厚度位移、力位移、力力加速度溫度位移溫度可燃?xì)怏w開、關(guān)量轉(zhuǎn)速、位移直線電位計應(yīng)變儀電容測微儀

渦流式測微移電感測微儀電感比較儀測力計加速度計熱電溫度計位移傳感器半導(dǎo)體溫度計氣敏檢測儀硒光電池光電轉(zhuǎn)速儀分辨力0.025～0.05mm,線性誤差0.05～0.1％最小應(yīng)變1～2最小測力(0.1~1)N分辨力0.025m測量范圍0～15mm，分辨力1m分辨力0.5m分辨力0.5m分辨力0.01N、頻率(0.1~20k)Hz10-2~105ms-20~1600C0~2mm，線性誤差1％-10~300C靈敏度500A/1m最大截止頻率50kHz11/30/20227第三章常用傳感器第一節(jié)傳感器的分類類型名稱變換量被測量應(yīng)用舉例性能指標(biāo)（一般參考)幅射式紅外X射線射線激光超聲射線熱－電散射、干涉對物質(zhì)穿透

光波干涉超聲波反射、穿透穿透作用溫度、物體有無厚度、探傷、應(yīng)力厚度、探傷

長度、位移、轉(zhuǎn)角厚度、探傷厚度、成分分析紅外測溫儀X射線應(yīng)力儀射線測厚儀激光測長儀超聲波測厚儀測量范圍-10~1300C

測距2m，分辨力0.2m測量范圍4～40mm,0.25mm流體式氣動氣動液體液體尺寸－壓力間隙－壓力流量－壓力差流量－轉(zhuǎn)子平衡位置尺寸、物體大小距離流量流量氣動量儀氣動量儀節(jié)流式流量計轉(zhuǎn)子式流量計可測最小直徑0.05～0.076mm測量間隙6mm,分辨力0.025mm11/30/20228第三章常用傳感器第二節(jié)機械式傳感器機械式傳感器應(yīng)用很廣。在測試技術(shù)中，常常以彈性體作為傳感器的敏感元件，故又稱之為彈性敏感元件。它的輸入量可以是力、壓力、溫度等物理量，而輸出則為彈性元件本身的彈性變形。這種變形經(jīng)放大后可成為儀表指針的偏轉(zhuǎn)，借助刻度指示出被測量的大小。這種傳感器的典型應(yīng)用例有：用于測力或稱重的環(huán)形測力計、彈簧秤等；用于測量流體壓力的波紋膜片、波紋管等；用于溫度測量的雙金屬片等，如圖所示。機械式傳感器做成的機械式指示儀表具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠、使用方便、價格低廉、讀數(shù)直觀等優(yōu)點。但彈性變形不宜大，以減小線性誤差。此外，由于放大和指示環(huán)節(jié)多為機械傳動，不僅受間隙影響，而且慣性大，固有頻率低，只宜用于檢測緩變或靜態(tài)被測量。為了提高測量的頻率范圍，可先用彈性元件將被測量轉(zhuǎn)換成位移量，然后用其他型式的傳感器（如電阻、電容、電渦流式等）將位移量轉(zhuǎn)換成電信號輸出。彈性元件具有蠕變、彈性后效等現(xiàn)象。材料的蠕變與承載時間、載荷大小、環(huán)境溫度等因素有關(guān)。11/30/20229第三章常用傳感器第二節(jié)機械式傳感器近年來，在自動檢測、自動控制技術(shù)中廣泛應(yīng)用的微型探測開關(guān)亦被看作機械傳感器。這種開關(guān)能把物體的運動、位置或尺寸變化轉(zhuǎn)換為接通、斷開信號。圖示是這種開關(guān)中的一種。它由兩個簧片組成，在常態(tài)下處于斷開狀態(tài)。當(dāng)它與磁性塊接近時，簧片被磁化而接合，成為接通狀態(tài)。圖中，只有當(dāng)鋼制工件通過簧片和電磁鐵之間時，簧片才會被磁化而接合，從而表達(dá)了有一件工件通過。這類開關(guān)可用于探測物體有無、位置、尺寸、運動狀態(tài)等。11/30/202210第三章常用傳感器第三節(jié)電電阻式傳傳感器電阻式傳感感器是一種種把被測量量轉(zhuǎn)換為電電阻變化的的傳感器。。按其工作作原理可分分為變阻器式和電阻應(yīng)變式式兩類。一、變阻器器式傳感器器變阻器式傳傳感器也稱稱為電位差差計式傳感感器，它通通過改變電電位器觸頭頭位置，把把位移轉(zhuǎn)換換為電阻的的變化。根根據(jù)下式：：R=l/A。圖a)為直線位移型型。觸點C沿變阻器移移動移動x，則C點與A點之間電阻阻值R＝klx。傳感器靈敏敏度：S=dR/dx=kl。式中kl—單位長度內(nèi)內(nèi)的電阻值值。圖b)為回轉(zhuǎn)型變變阻器式傳傳感器，其其電阻值隨隨轉(zhuǎn)角而變變化。其靈靈敏度S=dR/d=k。式中—轉(zhuǎn)角[rad]；k—單位弧度對對應(yīng)的電阻阻值。圖c是一種非線線性變阻器器式傳感器器，其骨架架形狀需根根據(jù)所要求求的輸出f(x)來確定。例例如，輸出出f(x)=kx2，其中x為輸入位移移，為要得得到輸出電電阻值R(x)與f(x)成線性關(guān)系系，變阻器器骨架應(yīng)做做成直角三三角形。11/26/202211第三章常常用傳感感器第三節(jié)電電阻式傳傳感器變阻器式傳傳感器的后后接電路，，一般采用用電阻分壓壓電路，如如圖所示。。在直流激激勵電壓u0作用下，這這種傳感器器將位移變變成輸出電電壓的變化化。當(dāng)電刷刷移動x距離后,傳感器的輸輸出電壓uy可用下式計計算式中Rp—變阻器的總總電阻；xp—變阻器的總總長度；RL—后接電路的的輸入電阻阻。上式表明，，為減小后后接電路的的影響，應(yīng)應(yīng)使RL>>Rp。11/26/202212第三章常常用傳感感器變阻式傳感感器的特點點應(yīng)用特點：優(yōu)點是結(jié)構(gòu)構(gòu)簡單，性性能穩(wěn)定，，使用方便便。缺點是是分辨力不不高，因為為受到電阻阻絲直徑的的限制。提提高分辨力力需使用更更細(xì)的電阻阻絲，其繞繞制較困難難。所以變變阻器式傳傳感器的分分辨力很難難優(yōu)于20μm。由于結(jié)構(gòu)構(gòu)上的特點點，這種傳傳感器還有有較大的噪噪聲。應(yīng)用：被用于線位位移、角位位移測量，，在測量儀儀器中用于于伺服記錄錄儀器或電電子電位差差計等。第三節(jié)電電阻式傳傳感器11/26/202213第三章常常用傳感感器第三節(jié)電電阻式傳傳感器二、電阻應(yīng)應(yīng)變式傳感感器電阻應(yīng)變式式傳感器可可以用于測量應(yīng)變、、力、位移移、加速度度、扭矩等參數(shù)。具具有體積小小、動態(tài)響響應(yīng)快、測測量精確度度高、使用用簡便等優(yōu)優(yōu)點。在航航空、船舶舶、機械、、建筑等行行業(yè)里獲得得廣泛應(yīng)用用。電阻應(yīng)變式式傳感器可可分為金屬電阻應(yīng)應(yīng)變片式與半導(dǎo)體應(yīng)變變片式兩類。（一）金屬屬電阻應(yīng)變變片常用的金屬屬電阻應(yīng)變變片有絲式和箔式兩種。其工工作原理都都是基于應(yīng)應(yīng)變片發(fā)生生機械變形形時，其電電阻值發(fā)生生變化。金屬絲電阻阻應(yīng)變片（（又稱電阻阻絲應(yīng)變片片）出現(xiàn)得得較早，現(xiàn)現(xiàn)仍在廣泛泛采用。其其典型結(jié)構(gòu)構(gòu)如圖所示示。把一根根具有高電電阻率的金金屬絲（康康銅或鎳鉻鉻合金等，，直徑0.025mm左右）繞成成柵形，粘粘貼在絕緣緣的基片和和覆蓋層之之間，由引引出導(dǎo)線接接于電路上上。金屬箔式應(yīng)應(yīng)變片則是是用柵狀金金屬筒片代代替柵狀金金屬絲。金金屬箔柵系系用光刻技技術(shù)制造，，適于大批批量生產(chǎn)。。其線條均均勻，尺寸寸準(zhǔn)確，阻阻值一致性性好。箔片片厚約1~10m，散熱好，粘粘結(jié)情況好好，傳遞試試件應(yīng)變性性能好。因因此目前使使用的多系系金屬箔式式應(yīng)變片，，如圖所示示。11/26/202214第三章常常用傳感感器第三節(jié)電電阻式傳傳感器把應(yīng)變片用用特制膠水水粘固在彈彈性元件或或需要測量量變形的物物體表面上上。在外力力作用下，，電阻絲即即隨同該物物體一起變變形，其電電阻值發(fā)生生相應(yīng)變化化。由此，，將被測量量轉(zhuǎn)換為電電阻變化。。由于電阻阻值R=l/A，其中長度l、截面積A、電阻率均將隨電阻阻絲的變形形而變化。。11/26/202215第三章常常用傳感感器第三節(jié)電電阻式傳傳感器當(dāng)每一可變變因素分別別有一增量量dl，dA，d時，所引起起的電阻增增量為：式中，A=r2，r為電阻絲半半徑，則有有：電阻的相對對變化：－軸向應(yīng)應(yīng)變；/－徑向應(yīng)變變；－泊泊桑比；d/電阻率相對對變化，與與電阻絲軸軸向所受正正應(yīng)力有關(guān)；－－壓阻系數(shù)數(shù)。由此可得電電阻的相對對變化：電阻應(yīng)變片片的應(yīng)變系系數(shù)或靈敏敏度：用于制造電電阻應(yīng)變片片的電阻絲絲的靈敏度度Sg多在1.7－3.6之間。11/26/202216第三章常常用傳感感器第三節(jié)電電阻式傳傳感器常用電阻絲絲物理性能能參數(shù)材料名稱成分靈敏度電阻率電阻溫度系數(shù)線漲系數(shù)元素％Sgmm2/m×10-6/oC×10-6/oC康銅CuNi57431.7～2.10.49-20～2014.9鎳鉻合金NiCr80202.1～2.50.9～1.1110～15014.0鎳鉻鋁合金NiCrAlFe73203~4余量2.41.33-10～1013.3一般市售電電阻應(yīng)變片片的標(biāo)準(zhǔn)阻阻值有60、120、350、600、1000等。其中以以120為最常用。。應(yīng)變片的的尺寸可根根據(jù)使用要要求來選定定。11/26/202217第三章常常用傳感感器第三節(jié)電電阻式傳傳感器（二）半導(dǎo)導(dǎo)體應(yīng)變片片半導(dǎo)體應(yīng)變變片最簡單單的典型結(jié)結(jié)構(gòu)如圖所所示。半導(dǎo)導(dǎo)體應(yīng)變片片的使用方方法與金屬屬電阻應(yīng)變變片相同，，即粘貼在在彈性元件件或被測物物體上，其其電阻值隨隨被測試件件的應(yīng)變而而變化。半導(dǎo)體應(yīng)變變片的工作作原理是基基于半導(dǎo)體體材料的壓壓阻效應(yīng)。。所謂壓阻效應(yīng)是指單晶半半導(dǎo)體材料料在沿某一一軸向受到到外力作用用時，其電電阻率發(fā)生變化的的現(xiàn)象。從半導(dǎo)體物物理可知，，半導(dǎo)體在在壓力、溫溫度及光輻輻射作用下下，能使其其電阻率發(fā)生很大變變化。分分析表明，，單晶半導(dǎo)導(dǎo)體在外力力作用下，，原子點陣陣排列規(guī)律律發(fā)生變化化，導(dǎo)致載載流子遷移移率及載流流子濃度的的變化，從從而引起電電阻率的變變化。金屬絲電阻阻應(yīng)變片與與半導(dǎo)體應(yīng)應(yīng)變片的主主要區(qū)別在在于：前者者利用導(dǎo)體體形變引起起電阻的變變化，后者者利用半導(dǎo)導(dǎo)體電阻率率變化引起起電阻的變變化。半導(dǎo)導(dǎo)體應(yīng)變片片靈敏度這這一數(shù)值比比金屬絲電電阻應(yīng)變片片大50～70倍。半導(dǎo)體應(yīng)變片1－膠膜襯底2-P-Si3-內(nèi)引線4-焊接板5-外引線半導(dǎo)體應(yīng)變變片最突出出的優(yōu)點是是靈敏度高高，其最大大缺點是溫溫度穩(wěn)定性性能差、靈靈敏度分散散度大（由由于晶向、、雜質(zhì)等因因素的影響響）以及在在較大應(yīng)變變作用下，，非線性誤誤差大等，，這些缺點點也給使用用帶來一定定困難。目目前國產(chǎn)的的半導(dǎo)體應(yīng)應(yīng)變片大都都采用P型硅單晶制制作。隨著著集成電路路技術(shù)和薄薄膜技術(shù)的的發(fā)展，出出現(xiàn)了擴散散型、外延延型、薄膜膜型半導(dǎo)體體應(yīng)變片。。它們對實實現(xiàn)小型化化，改善應(yīng)應(yīng)變片的特特性等方面面有良好的的作用。近來，已研研制出在同同一硅片上上制作擴散散型應(yīng)變片片和集成電電路放大器器等，即集集成應(yīng)變組組件。這對對于自動控控制與檢測測技術(shù)將會會有一定推推動作用。。11/26/202218第三章常常用傳感器第三節(jié)電電阻式傳感器器（三）電阻應(yīng)應(yīng)變式傳感器器的應(yīng)用實例例l）直接用來測定定結(jié)構(gòu)的應(yīng)變變或應(yīng)力。2）將應(yīng)變片貼貼于彈性元件件上，作為測測量力、位移移、壓力、加加速度等物理理參數(shù)的傳感感器。構(gòu)件應(yīng)力測定定典型應(yīng)變式傳傳感器a)位移傳感器；；b)加速度傳感器器；c)柱式測力傳感感器；d)扭矩傳感器；；e)筒式壓力傳感感器11/26/202219第三章常常用傳感器第三節(jié)電電阻式傳感器器（四）典型動動態(tài)電阻應(yīng)變變儀11/26/202220第三章常常用傳感器第四節(jié)電電容式傳感器器一、變換原理理電容式傳感器器是將被測物物理量轉(zhuǎn)換為為電容量變化化的裝置。它它實質(zhì)上是一一個具有可變變參數(shù)的電容容器。從物理學(xué)可知知，由兩個平平行極板組成成的電容器其其電容量［F］：C=0A/式中，—極板間介質(zhì)的的相對介電常常數(shù)，在空氣氣中＝1；0－真空介電常數(shù)數(shù)，0＝8.85×10-12F/m；－極板間距；A－極板面積。（一）極距變變化型電容變化量：：靈敏度：可以看出，靈靈敏度與極距平方成成反比，極距距越小靈敏度度越高。顯然然，由于靈敏敏度隨極距而而變化，這將將引起線性誤誤差。為了減減小這一誤差差，通常規(guī)定定在較小的間間隙變化范圍圍內(nèi)工作，以以便獲得近似似線性關(guān)系。。一般取極距距變化范圍約約為/00.l。在實際應(yīng)用中中，為了提高高傳感器的靈靈敏度、線性性度以及克服服某些外界條條件（如電源源電壓。環(huán)境境溫度等）的的變化對測量量精確度的影影響，常常采采用差動式。。11/26/202221第三章常常用傳感器極距變化型電電容傳感器優(yōu)點：是可進(jìn)行動態(tài)態(tài)非接觸式測測量，對被測測系統(tǒng)的影響響??；靈敏度度高，適用于于較小位移（（0.01m~數(shù)百微米）的測量。缺點：這種傳感器有有線性誤差、、傳感器的雜雜散電容也對對靈敏度和測測量精確度有有影響，與傳傳感器配合使使用的電子線線路也比較復(fù)復(fù)雜。因此使使用范圍受到到一定限制。。第四節(jié)電電容式傳感器器11/26/202222第三章常常用傳感器第四節(jié)電電容式傳感器器（二）面積變變化型在變換極板面面積的電容傳傳感器中，一一般常用的有有角位移型和和線位移型兩兩種。圖3-23a為角位移型。。電容：靈敏度：圖3-23b為平面線位移移型電容傳感感器：電容：靈敏度：圖3-23C為圓柱體線位位移型電容傳傳感器：電容：靈敏度：圖3-23面積變化型電電容傳感器：：1-動板；2-定板11/26/202223第三章常常用傳感器面積變化型電容容式傳感器特點：輸出與輸入入成線性關(guān)系系。但與極距距變化型相比比，靈敏度較較低，適用于于較大直線位位移及角位移移的測量。第四節(jié)電電容式傳感器器11/26/202224第三章章常常用用傳感感器第四節(jié)節(jié)電電容容式傳傳感器器（三））介質(zhì)質(zhì)變化化型這是一一種利利用介介質(zhì)介介電常常數(shù)的的變化化將被被測量量轉(zhuǎn)換換為電電量的的傳感感器。?？捎糜脕頊y測量電電介質(zhì)質(zhì)的液液位或或某些些材料料的厚厚度、、溫度度和濕濕度等等，也也可用用來測測量空空氣的的濕度度。圖圖3－24是這種種傳感感器的的典型型實例例。圖圖中3－24a是在兩兩固定定極板板間有有一介介質(zhì)層層（如如紙張張、電電影膠膠片等等）通通過。。當(dāng)介介質(zhì)層層的厚厚度、、溫度度或濕濕度發(fā)發(fā)生變變化時時，其其介電電常數(shù)數(shù)發(fā)生生變化化，引引起電電容量量的變變化。。圖3－24b是一種種電容容式液液面計計。當(dāng)當(dāng)液面面位置置發(fā)生生變化化時，，兩電電極的的浸入入高度度也發(fā)發(fā)生變變化，，引起起電容容量的的變化化。11/26/202225第三章章常常用用傳感感器二、電容式式傳感感器測測量電電路電容式式傳感感器將將被測測量轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換成成電容容量的的變化化之后后，由由后續(xù)續(xù)電路路轉(zhuǎn)換換為電電壓、、電流流或頻頻率信信號。。常用用的電電路有有下列列幾種種。（一））電橋橋型電電路將電容容傳感感器作作為電電橋的的一部部分，，由電電容變變化轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換為為電橋橋的電電壓輸輸出。。通常常采用用電阻阻、電電容或或電感感、電電容組組成的的交流流電橋橋。圖圖3-25是一種種電感感、電電容組組成的的橋路路。電電橋的的輸出出為一一調(diào)幅幅波，，經(jīng)放放大、、相敏敏解調(diào)調(diào)、濾濾波后后獲得得輸出出，再再推動動顯示示儀表表。第四節(jié)節(jié)電電容容式傳傳感器器11/26/202226第三章章常常用用傳感感器第四節(jié)節(jié)電電容容式傳傳感器器（二））直流流極化化電路路這一電電路，，多用用于電電容傳傳聲器器或壓壓力傳傳感器器中。。如圖圖3-26所示，，彈性性膜片片在外外力（（氣壓壓、液液壓等等）作作用下下發(fā)生生位移移，使使電容容量發(fā)發(fā)生變變化。。電容容器接接于具具有直直流極極化電電壓馬馬的電電路中中，電電容的的變化化由高高阻值值電阻阻B轉(zhuǎn)換為為電壓壓變化化。分分析表表明，，輸出出電壓壓uy和膜片片移動動速度度近似似成一一階系系統(tǒng)的的關(guān)系系。圖3-26直流極極化電電路11/26/202227第三章章常常用用傳感感器（三））諧振振電路路此電路路的原原理和和工作作特性性見圖圖3－27。電容容傳感感器的的電容容Cx作為諧諧振電電路（（L2、C2//Cx或C2+Cx）調(diào)諧電電容的的一部部分。。此諧諧振回回路通通過電電壓耦耦合，，從穩(wěn)穩(wěn)定的的高頻頻振蕩蕩器獲獲得振振蕩電電壓。。當(dāng)傳傳感電電容C發(fā)生變變化，，諧振振回路路的阻阻抗發(fā)發(fā)生相相應(yīng)變變化，，并被被轉(zhuǎn)換換成電電壓或或電流流輸出出，經(jīng)經(jīng)過放放大、、檢波波即可可得到到輸出出。為為了獲獲得較較好的的線性性，一一般工工作點點應(yīng)選選擇在在諧振振曲線線一邊邊的準(zhǔn)準(zhǔn)線性性區(qū)域域內(nèi)。。這種種電路路比較較靈敏敏，但但工作作點不不易選選好，，變化化范圍圍也較較窄，，傳感感器連連接電電纜的的雜散散電容容影響響也較較大。。第四節(jié)節(jié)電電容容式傳傳感器器11/26/202228第三章章常常用用傳感感器第四節(jié)節(jié)電電容容式傳傳感器器(四）調(diào)調(diào)頻電電路如圖3－28所示，，傳感感器電電容是是振蕩蕩器諧諧振回回路的的一部部分。。當(dāng)輸輸入量量使傳傳感器器電容容量發(fā)發(fā)生變變化時時，振振蕩器器的振振蕩頻頻率發(fā)發(fā)生變變化。。頻率率的變變化經(jīng)經(jīng)過鑒鑒頻器器變?yōu)闉殡妷簤鹤兓?，再再?jīng)過過放大大后由由記錄錄器記記錄或或顯示示儀表表指示示。這這種電電路具具有抗抗干擾擾性強強、靈靈敏度度高等等點，，可測測0.01m的位移移量。。但缺缺點是是電纜纜電容容的影影響較較大，，使用用中有有些麻麻煩。。圖3-28調(diào)頻電電路工工作原原理11/26/202229第三章章常常用用傳感感器（五）運運算放大大器電路路如前所述述，極距距變化型型電容傳傳感器的的極距變變化與電電容變化化量成非非線性關(guān)關(guān)系，這這一缺點點使電容容傳感器器的應(yīng)用用受到一一定限制制。采用用比例運運算放大大器電路路可得到到輸出電電壓uy和位移量量的線性性關(guān)系。。如圖3－29所示，輸輸入阻抗抗采用固固定電容容C0，反饋阻抗抗采用電電容傳感感器Cx，根據(jù)比例例器的運運算關(guān)系系，有：：第四節(jié)電電容容式傳感感器由上式可可知，輸輸出電壓壓uy與電容傳傳感器間間隙成線性關(guān)關(guān)系。這這種電路路被用于于位移測量量傳感器器。u0-激勵電壓壓圖3-29運算放大大器電路路11/26/202230第三章常常用用傳感器器第四節(jié)電電容容式傳感感器值得注意意：一方面，，電容傳傳感器的的電容量量很小，，一般只只有幾十十或幾百百pF，測量時電電容量的的變化更更小，常常在1pF以下；另另一方面面?zhèn)鞲衅髌靼鍢O與與周圍元元件之間間以及連連接電纜纜都存在在著寄生生電容，，其電容容值甚大大且不穩(wěn)穩(wěn)定。這這就使測測量精確確度受到到嚴(yán)重影影響，甚甚至無法法工作。。為此必必須采取取適當(dāng)?shù)牡募夹g(shù)措措施來減減小或消消除寄生生電容的的影響。。常用的措措施有：：縮短傳感感器和測測量電路路之間的的電纜，，甚至將將測量電電路的一一部分和和傳感器器做成一一體或采采用專用用的驅(qū)動動電纜。。圖3－30為驅(qū)動電電纜的工工作原理理。它采采用雙層層屏蔽電電纜。其其中用一一個增益益為1的放大器器，放大大器輸入入端接于于芯線，，輸出端端接于內(nèi)內(nèi)屏蔽線線，用芯芯線的電電位來驅(qū)驅(qū)動內(nèi)屏屏蔽線的的電位。。當(dāng)放大大器嚴(yán)格格保持增增益為1和相移為為零時，，內(nèi)屏蔽蔽線和芯芯線等電電位，可可以免除除芯線和和內(nèi)屏蔽蔽線之間間的容性性漏電流流，從而而消除了了兩者之之間寄生生電容的的影響。。若放大大器增益益非1或相移非非零，芯芯線和內(nèi)內(nèi)屏蔽線線的電位位仍有差差別。11/26/202231第三章常常用用傳感器器第五節(jié)電電感感式傳感感器電感式傳傳感器是是把被測測量，如如位移等等，轉(zhuǎn)換換為電感感量變化化的一種種裝置。。其變換換是基于于電磁感感應(yīng)原理理。一、自感感型（一）可可變磁阻阻式可變磁阻阻式傳感感器的構(gòu)構(gòu)造原理理如圖示示。它由由線圈、、鐵心和和銜鐵組組成。在在鐵心和和銜鐵之之間有氣氣隙。由電工工學(xué)得知知，線圈圈自感量量L=W2/Rm。其中，W－線圈匝數(shù)數(shù)；Rm—磁路總磁磁阻［H－1］。如果空氣氣隙較小，而而且不考考慮磁路路的鐵損損時，則則總磁阻阻：式中l(wèi)—鐵心導(dǎo)磁磁長度；；—鐵心磁導(dǎo)導(dǎo)率；A—鐵心導(dǎo)磁磁截面積積，A＝a×b；—氣隙長度度；0－空氣磁導(dǎo)導(dǎo)率，0＝410-7；A0—空氣隙導(dǎo)導(dǎo)磁橫截截面積。。則：靈敏度：：一般實際際應(yīng)用中中，取西西／00.1。這種傳感感器適用用于較小小位移的的測量，，一般約約為0.001～lmm。11/26/202232第三章常常用用傳感器器第五節(jié)電電感感式傳感感器圖中列出出了幾種種常用可可變磁阻阻式傳感感器的典典型結(jié)構(gòu)構(gòu)方案。。圖3－13a是可變導(dǎo)導(dǎo)磁面積積型，其自感感L與A0成線性關(guān)關(guān)系，這這種傳感感器靈敏敏度較低低。圖3－13b是差動型型，銜鐵位位移時，，可以使使兩個線線圈的間間隙按0+、0-變化。一一個線圈圈自感增增加，另另一個線線圈自感感減小。。將兩線線圈接于于電橋的的相鄰橋橋臂時，，其輸出出靈敏度度可提高高一倍，，并改善善了線性性特性。。圖3－13c是單螺管管線圈型型，當(dāng)鐵心心在線圈圈中運動動時，將將改變磁磁阻，使使線圈自自感發(fā)生生變化。。這種傳傳感器結(jié)結(jié)構(gòu)簡單單、制造造容易，，但靈敏敏度低，，適用于于較大位位移（數(shù)數(shù)毫米））測量。。圖3－13d是雙螺管管線圈差差動型，較之單單螺管線線圈型有有較高靈靈敏度及及線性，，被用于于電感測測微計上上，其測測量范圍圍為0~300m，最小分分辨力為為0.5m。11/26/202233第三章常常用用傳感器器這種傳感感器的線線圈接于于電橋上上（圖3－14a），構(gòu)成成兩個橋橋臂，線線圈電感感L1、L2隨鐵心位位移而變變化，其其輸出特特性如圖圖3－14b所示。第五節(jié)電電感感式傳感感器11/26/202234第三章常常用用傳感器器第五節(jié)電電感感式傳感感器（二）渦渦電流式式渦電流式式傳感器器的變換換原理是是利用金金屬體在在交變磁磁場中的的渦電流流效應(yīng)。。如圖3-15所示的是是一個高高頻反射射式渦電電流傳感感器的工工作原理理。渦電流式式傳感器器的測量量電路一一般有阻阻抗分壓壓式調(diào)幅幅電路及及調(diào)頻電電路。圖圖3－16是用于渦渦流測振振儀上的的分壓式式調(diào)幅電電路原理理。圖3－17是其諧振振曲線和和輸出特特性。傳傳感器線線圈L和電容C組成并聯(lián)聯(lián)諧振回回路，其其諧振頻頻率為圖3-1511/26/202235第三章常常用傳感器第五節(jié)電電感式傳感器器調(diào)頻電路的工工作原理如圖圖3－18所示。這種方方法也是把傳傳感器線圈接接入LC振蕩回路，與與調(diào)幅法不同同之處是以回回路的諧振頻頻率作為輸出出量。當(dāng)金屬屬板至傳感器器之間的距離離發(fā)生變化時，，將引起線圈圈電感變化，，從而使振蕩蕩器的振蕩頻頻率f發(fā)生變化，再再通過鑒頻器器進(jìn)行頻率--電壓轉(zhuǎn)換，即即可得到與成比例的輸出出電壓。圖3-18調(diào)頻電路工作作原理渦電流式傳感感器可用于動動態(tài)非接觸測測量，測量范范圍隨傳感器器結(jié)構(gòu)尺寸、、線圈匝數(shù)和和激磁頻率而而異，從lmm到10mm不等，最高分分辨力可達(dá)1m。此外，這種傳傳感器還具有有結(jié)構(gòu)簡單、、使用方便、、不受油液等等介質(zhì)影響等等優(yōu)點。因此，近幾年年來渦電流式式位移和振動動測量儀、測測厚儀和無損損探傷儀等在在機械、冶金金工業(yè)中日益益得到廣泛應(yīng)應(yīng)用。實際上上，這種傳感感器在徑向振振擺、回轉(zhuǎn)軸軸誤差運動、、轉(zhuǎn)速和厚度度測量，以及及在零件計數(shù)數(shù)、表面裂紋紋和缺陷測量量中都可應(yīng)用用。11/26/202236第三章常常用傳感器渦電流式傳感感器應(yīng)用用于動態(tài)非接接觸式測量，，測量范圍±1mm~10mm,最高分辨力達(dá)達(dá)0.1μm在徑向擺動、、回轉(zhuǎn)軸誤差差運動、轉(zhuǎn)速速和厚度測量量，以及在零零件計數(shù)、表表面裂紋和缺缺陷測量中都都可應(yīng)用。第五節(jié)電電感式傳感器器11/26/202237第三章常常用傳感器第五節(jié)電電感式傳感器器11/26/202238第三章常常用傳感器第五節(jié)電電感式傳感器器二、互感型—差動變壓器式式電感傳感器器這種傳感器是是利用電磁感感應(yīng)中的互感感現(xiàn)象，如圖圖3－19所示。當(dāng)線圈圈W1輸入交流電流流il時，線圈W2產(chǎn)生感應(yīng)電動動勢el2，其大小與電流流il的變化率成正正比，即el2＝－Mdi1/dt。式中M—比例系數(shù)，稱稱為互感（H），其大小與兩線線圈相對位置置及周圍介質(zhì)質(zhì)的導(dǎo)磁能力力等因素有關(guān)關(guān)，它表明兩兩線圈之間的的耦合程度。。互感型傳感感器就是利利用這一原原理，將被被測位移量量轉(zhuǎn)換成線線圈互感的的變化。這這種傳感器器實質(zhì)上就就是一個變變壓器，其其初級線圈圈接入穩(wěn)定定交流電源源，次級線線圈感應(yīng)產(chǎn)產(chǎn)生一輸出出電壓。當(dāng)當(dāng)被測參數(shù)數(shù)使互感M變化時，副副線圈輸出出電壓也產(chǎn)產(chǎn)生相應(yīng)變變化。由于于常常采用用兩個次級級線圈組成成差動式，，故又稱為為差動變壓壓器式傳感感器。11/26/202239第三章常常用傳感感器第五節(jié)電電感式傳傳感器11/26/202240第三章常常用傳感感器第五節(jié)電電感式傳傳感器差動變壓器器的輸出電電壓是交流流量，其幅幅值與鐵心心位移成正正比，其輸輸出電壓如如用交流電電壓表指示示，輸出值值只能反映映鐵心位移移的大小，，不能反映映移動的方方向性。其其次，交流流電壓輸出出存在一定定的零點殘殘余電壓。。零點殘余余電壓是由由于兩個次次級線圈結(jié)結(jié)構(gòu)不對稱稱，以及初初級線圈銅銅損電阻、、鐵磁材質(zhì)質(zhì)不均勻、、線圈間分分布電容等等原因所形形成。所以以，即使鐵鐵心處于中中間位置時時，輸出也也不為零。。為此，差差動變壓器器式傳感器器的后接電電路形式，，需要采用用既能反映映鐵心位移移方向性，，又能補償償零點殘余余電壓的差差動直流輸輸出電路。。圖3-21是一種用于于小位移測測量的差動動相敏檢波波電路工作作原理。在在沒有輸入入信號時，，鐵心處于于中間位置置，調(diào)節(jié)電電阻R，使零點殘余余電壓減小?。划?dāng)有輸輸入信號時時，鐵心移移上或移下下，其輸出出電壓經(jīng)交交流放大、、相敏檢波波、濾波后后得到直流流輸出，由由表頭指示示輸入位移移量大小和和方向。差動變壓器器式電感傳傳感器具有有精確度高高（高到0.1m數(shù)量級），，線性范圍圍大（可擴擴大到100mm），穩(wěn)定度好和和使用方便便的特點，，被廣泛應(yīng)應(yīng)用于直線線位移的測測量。但其其實際測量量頻率上限限受制于傳傳感器中所所包含的機機械結(jié)構(gòu)。。借助彈性性元件可以以將壓力、、重量等物物理量轉(zhuǎn)換換成位移的的變化，故故也將這類類傳感器用用于壓力、、重量等物物理量的測測量。圖3-21差動相敏檢檢波電路工工作原理11/26/202241第三章常常用傳感感器差動變壓器器式傳感器器注意事項項輸出電壓是是交流量，其幅值與與鐵心位移移成正比，，其輸出電電壓如用交交流電壓表表指示，輸輸出值只能能反映鐵心心位移的大大小，不能能反映移動動的方向性性。交流電壓輸輸出存在一一定的零點點殘余電壓壓。零點殘余余電壓是由由于兩個次次級線圈結(jié)結(jié)構(gòu)不對稱稱，以及初初級線圈電電阻、鐵磁磁材質(zhì)不均均勻、線圈圈間分布電電容等原因因所形成。。所以，即即使鐵心處處于中間位位置輸出也也不為零。。為此，差差動變壓器器式傳感器器的后接電路形形式，需要采用用既能反映映鐵心位移移方向性，，又能補償償零點殘余余電壓的差動直流輸輸出電路。第五節(jié)電電感式傳傳感器11/26/202242第三章常常用傳感感器差動變壓器器式傳感器器

特點和和應(yīng)用特點：具有精確度度高(高到0.1μm數(shù)量級)，線性范圍圍大(可擴大到±100mm)，穩(wěn)定度好和和使用方便便；但其實實際測量頻頻率上限受受制于傳感感器中所包包含的機械械結(jié)構(gòu)應(yīng)用：廣泛應(yīng)用于于直線位移移的測量；；借助于彈彈性元件可可用于壓力力、重量的的測量第五節(jié)電電感式傳傳感器11/26/202243第三章常常用傳感感器第六節(jié)磁磁電式傳傳感器磁電式傳感感器是把被被測物理量量轉(zhuǎn)換為感感應(yīng)電動勢勢的一種傳傳感器，又又稱電磁感感應(yīng)式或電電動力式傳傳感器。從從電工學(xué)學(xué)已知，對對于一個匝匝數(shù)為W的線圈，當(dāng)當(dāng)穿過該線線圈的磁通通自發(fā)生變變化時，其其感應(yīng)電動動勢：按照結(jié)構(gòu)方方式不同，，磁電式傳傳感器可分分為動圈式與磁阻式。一、動圈式式動圈式又可可分為線速速度型與角角速度型。。圖3－35a表示示線線速速度度型型傳傳感感器器工工作作原原理理。。在在永永久久磁磁鐵鐵產(chǎn)產(chǎn)生生的的直直流流磁磁場場內(nèi)內(nèi)，，放放置置一一個個可可動動線線圈圈，，當(dāng)當(dāng)線線圈圈在在磁磁場場中中作作直直線線運運動動時時，，它它所所產(chǎn)產(chǎn)生生的的感感應(yīng)應(yīng)電電動動勢勢：：圖圖3-35b是角角速速度度型型傳傳感感器器工工作作原原理理。。11/26/202244第三章常常用傳感器第六節(jié)磁磁電式傳感器器e=WBlsin.式中，B—磁場的磁感應(yīng)應(yīng)強度；l—單匝線圈有效效長度；W－線圈匝數(shù)；；—線圈與磁場的的相對運動速速度；—線圈運動方向向與磁場方向向的夾角。此式說明，當(dāng)當(dāng)W、B、l均為常數(shù)時，，感應(yīng)電動勢勢大小與線圈圈運動的線速速度成正比，，這就是一般般常見的慣性性式速度計的的工作原理。。e=kWBA.式中，－角速度；A—單匝線圈的截截面積；k—與結(jié)構(gòu)有關(guān)的的系數(shù)，k＜1。此式表明，當(dāng)當(dāng)傳感器結(jié)構(gòu)構(gòu)一定時，W、B、A均為常數(shù)，感感應(yīng)電動勢e與線圈相對磁磁場的角速度度成正比，這這種傳感器被被用于轉(zhuǎn)速測測量11/26/202245第三章常常用傳感器第六節(jié)磁磁電式傳感器器圖3-36動圈磁電式傳傳感器等效電電路將傳感器中線線圈產(chǎn)生的感感應(yīng)電勢通過過電纜與電壓壓放大器聯(lián)接接時，其等效效電路如圖3－36所示。圖中，，e是發(fā)電線圈的的感應(yīng)電勢；；Z0是線圈阻抗；；R0是負(fù)載電阻（（含放大器輸輸入電阻）；；Cc是電纜導(dǎo)線的的分布電容；；Rc是電纜導(dǎo)線的的電阻。Re甚小可忽略，，故等效電路路中的輸出電電壓11/26/202246第三章常常用傳感器第六節(jié)磁磁電式傳感器器二、磁阻式磁阻式傳感器器的線圈與磁磁鐵彼此不作作相對運動，，由運動著的的物體（導(dǎo)磁磁材料）來改改變磁路的磁磁阻，而引起起磁力線增強強或減弱，使使線圈產(chǎn)生感感應(yīng)電動勢。。其工作原理理及應(yīng)用例如如圖3－37所示。此種傳傳感器是由永永久磁鐵及纏纏繞其上的線線圈組成。例例如圖3－37a可測旋轉(zhuǎn)體頻頻數(shù)，當(dāng)齒輪輪旋轉(zhuǎn)時，齒齒的凸凹引起起磁阻變化，，使磁通量變變化，在線圈圈中感應(yīng)出交交流電動勢，，其頻率等于于齒輪的齒數(shù)數(shù)和轉(zhuǎn)速的乘乘積。磁阻式傳感器器使用簡便、、結(jié)構(gòu)筒單，，在不同場合合下可用來測測量:轉(zhuǎn)速、偏心量量、振動等。11/26/202247第三章常常用傳感器第六節(jié)磁磁電式傳感器器11/26/202248第三章常常用傳感器第七節(jié)壓壓電式傳感器器壓電式傳感器器是一種可逆逆型換能器，，既可以將機機械能轉(zhuǎn)換為為電能，又可可以將電能轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換為機械能能。這種性質(zhì)質(zhì)使它被廣泛泛用于力、壓力、加加速度測量，，也被用于超超聲波發(fā)射與與接收裝置。這種傳感器具具有體積小、、重量輕，精精確度及靈敏敏度高等優(yōu)點點。現(xiàn)在與其其配套的后續(xù)續(xù)儀器，如電電荷放大器等等的技術(shù)性能能日益提高，，使這種傳感感器的應(yīng)用越越來越廣泛。。壓電式傳感器器的工作原理理是利用某些些物質(zhì)的壓電電效應(yīng)。一、壓電效應(yīng)應(yīng)某些物質(zhì)，如如石英、鈦酸酸鋇，鉻鈦酸酸鉛（PZT）等，當(dāng)受到外外力作用時，，不僅幾何尺尺寸發(fā)生變化化，而且內(nèi)部部極化，表面面上有電荷出出現(xiàn)，形成電電場；當(dāng)外力力消失時，材材料重新回復(fù)復(fù)到原來狀態(tài)態(tài)，這種現(xiàn)象象稱為壓電效應(yīng)。相反，如果果將這些物質(zhì)質(zhì)置于電場中中，其幾何尺尺寸也發(fā)生變變化，這種由由于外電場作作用導(dǎo)致物質(zhì)質(zhì)的機械變形形的現(xiàn)象，稱稱為逆壓電效應(yīng)，或稱為電致致伸縮效應(yīng)。。具有壓電效應(yīng)應(yīng)的材料稱之之為壓電材料料，石英是常常用的一種壓壓電材料。11/26/202249第三章常常用用傳感器器第七節(jié)壓壓電電式傳感感器石英（SIO2）晶體結(jié)結(jié)晶形狀狀為六角角形晶柱柱（圖3－3la），兩端端為一對對稱的棱棱錐。六六棱柱是是它的基基本組織織?？v軸線z-z稱為光軸，通過六角角棱線而而垂直于于光軸的的軸線x－x稱作電軸，垂直于棱棱面的軸軸線y－y稱作機械軸，如圖3－31b所示。光軸電軸機械軸11/26/202250第三章常常用用傳感器器第七節(jié)壓壓電電式傳感感器實驗證明明壓電體體表面積積聚的電電荷與作作用力成成正比。。若沿單單一晶軸軸x-x方向加力力F，則在垂直直于x-x方向的壓壓電體表表面上積積聚的電電荷量為為q。q=dcF若壓電體體受到多多方向的的力，壓壓電體各各表面都都會積聚聚電荷。。每個表表面上的的電荷量量不僅與與作用于于該面上上的垂直直力有關(guān)關(guān)，而且且還與壓壓電體其其它面上上所受的的力有關(guān)關(guān)?？v向效應(yīng)應(yīng)橫橫向向效應(yīng)切切向效效應(yīng)如果從晶晶體中切切下一個個平行六六面體，，并使其其晶面分分別平行行于z-z、y-y、x-x軸線，這這個晶片片在正常常狀態(tài)下下不呈現(xiàn)現(xiàn)電性。。當(dāng)施加加外力時時，將沿沿x-x方向形成成電場，，其電荷荷分布在在垂直于于x-x軸的平面面上。沿沿x軸加力產(chǎn)產(chǎn)生縱向向效應(yīng)；；沿y軸加力產(chǎn)產(chǎn)生橫向向效應(yīng)；；沿相對對兩平面面加力產(chǎn)產(chǎn)生切向向效應(yīng)（（圖3－32）。11/26/202251第三章常常用用傳感器器第七節(jié)壓壓電電式傳感感器二、壓電電材料常用的壓壓電材料料大致可可分為三三類：壓壓電單晶晶、壓電電陶瓷和和有機壓壓電薄膜膜。壓電電單晶為為單晶體體，常用用的有石石英晶體體（SiO2）、鈮酸鋰（（LiNbO3）、鉭酸鉀（（LiTaO3）等。壓電電陶瓷為為多晶體體，常用用的有鈦鈦酸鋇（（BaTiO3）、鋯鈦酸鉛鉛（PZT）等。石英是壓壓電單晶晶中最有有代表性性的，應(yīng)應(yīng)用廣泛泛。除天天然石英英外，大大量應(yīng)用用人造石石英。石石英的壓壓電常數(shù)數(shù)不高，，但具有有較好的的機械強強度和時時間和溫溫度穩(wěn)定定度。其其它壓電電單晶的的壓電常常數(shù)為石石英的2.5～3.5倍，但價價格較貴貴。水溶溶性壓電電晶體，，如酒石石酸鉀鈉鈉NaKO4H4O5·4H2O）壓電常數(shù)數(shù)較高，，但易受受潮，機機械強度度低，電電阻率低低，性能能不穩(wěn)定定?，F(xiàn)在聲學(xué)學(xué)和傳感感技術(shù)中中最普遍遍應(yīng)用的的是壓電電陶瓷。。近年來來壓電半半導(dǎo)體也也已開發(fā)發(fā)成功。。它具有有壓電和和半導(dǎo)體體兩種特特性，很很易發(fā)展展成新型型的集成成傳感器器。11/26/202252第三章常常用用傳感器器三、壓電電式傳感感器及其其等效電電路在壓電晶晶片的兩兩個工作作面上進(jìn)進(jìn)行金屬屬蒸鍍，，形成金金屬膜，，構(gòu)成兩兩個電極極，如圖圖3－33所示。當(dāng)當(dāng)晶片受受到外力力作用時時，在兩兩個極板板上積聚聚數(shù)量相相等、而而極性相相反的電電荷，形形成了電電場。因因此壓電電傳感器器可以看看作是謝謝超迫置置，它又又是一個個電容器器。其電電容量按按下式計計算，即即C=0A/式中，—壓電材料料的相對對介電常常數(shù)，石石英晶體體＝4.5；鈦酸鋇鋇＝1200壓電式傳傳感器是是一個具具有一定定電容的的電荷源源。電容容器上的的開路電電壓u0與電荷q、電容Ca存在下列列關(guān)系：：u0＝q/Ca第七節(jié)壓壓電電式傳感感器11/26/202253第三章常常用用傳感器器第七節(jié)壓壓電電式傳感感器當(dāng)壓電式式傳感器器接入測測量電路路，連接接電纜的的寄生電電容就形形成傳感感器的并并聯(lián)寄生生電容Cc，后續(xù)電路路的輸入入阻抗和和傳感器器中的漏漏電阻就就形成泄泄漏電阻阻R。，如圖3－33d所示。當(dāng)當(dāng)考慮負(fù)負(fù)載影響響時，根根據(jù)電荷荷平衡建建立的方方程式為為：圖3-33壓電晶片片及等效效電路a)壓電晶片片；b)并接；c)串接；d)等效電荷荷源電容值上上的電壓壓：11/26/202254第三章常常用傳感器第七節(jié)壓壓電式傳感器器四、測量電路路由于壓電式傳傳感器的輸出出電信號是很很微弱的電荷荷，而且傳感感器本身有很很大內(nèi)阻，故故輸出能量甚甚微，這給后后接電路帶來來一定困難。。為此，通常常把傳感器信信號先輸?shù)礁吒咻斎胱杩沟牡那爸梅糯笃髌?。?jīng)過阻抗抗變換以后，，方可用一般般的放大、檢檢波電路將信信號輸給指示示儀表或記錄錄器。前置放大器的的主要作用有有兩點：一是是將傳感器的的高阻抗輸出出變換為低阻阻抗輸出；其其次是放大傳傳感器輸出的的微弱電信號號。前置放大器電電路有兩種形形式：其一是是用電阻反饋饋的電壓放大大器，其輸出出電壓與輸入入電壓（即傳傳感器的輸出出）成正比；；另一種是帶帶電容反饋的的電荷放大器器，其輸出電電壓與輸入電電荷成正比。。上式表明，在在一定條件下下，電荷放大大器的輸出電電壓與傳感器器的電荷量成成正比，并且且與電纜對地地電容無關(guān)。。因此，采用用電荷放大器器時，即使連連接電纜長達(dá)達(dá)百米以上，，其靈敏度也也無明顯變化化，這是電荷荷放大器突出出的優(yōu)點。但但與電壓放大大器比較，其其電路復(fù)雜，，價格昂貴。。11/26/202255第三章常常用傳感器第七節(jié)壓壓電式傳感器器五、壓電式傳傳感器的應(yīng)用用壓電式傳感器器常用來測量力、壓力力、振動的加加速度，也用用于聲學(xué)（包包括超聲）和和聲發(fā)射等測量。壓電效應(yīng)是一一種力一電荷荷變換，可直直接用作力的的測量?，F(xiàn)在在已形成系列列的壓電式力力傳感器，測測量范圍從微微小力值10-3N到104kN，動態(tài)范圍一般般為60dB；測量方向有單單方向的，也也有多方向的的。壓電式壓力傳傳感器有兩種種形式：一種種是利用膜片片式彈性元件件，通過膜片片承壓面積將將壓力轉(zhuǎn)化為力。膜片中可看看凸臺，凸臺臺背面放置壓壓電片。力通通過凸臺作用用于壓電片上上，使之產(chǎn)生生相應(yīng)的電荷荷量。另一種種是利用活塞塞的承壓面承承受壓力，并并使活塞所受受的力通過在在活塞另一端端的頂桿作用用在壓電片上上。測得此作作用力便可推推算出活塞所所受的壓力。現(xiàn)在廣泛采用用壓電式傳感感器來測量加加速度。此種種傳感器的壓壓電片處于其其殼體和一質(zhì)質(zhì)量塊之間，，用強彈簧（（或預(yù)緊螺栓栓）將質(zhì)量塊塊、壓電片緊緊壓在殼體上上。運動時，，傳感器殼體體推動壓電片片和質(zhì)量塊一一起運動。在在加速時，壓壓電片承受由由質(zhì)量加速而而產(chǎn)生的慣性性力。在第七七章中將會進(jìn)進(jìn)一步討論加加速度計的有有關(guān)問題。壓電式傳感器器的工作原理理是可逆的，，施加電壓于于壓電晶片，，壓電片便產(chǎn)產(chǎn)生伸縮。所所以壓電片可可以反過來做做“驅(qū)動器””。例如對壓壓電晶片施加加交變電壓則則壓電片可作作為振動源，，可用于高頻振動臺、、超聲發(fā)生器器、揚聲器以以及精密的微微動裝置。11/26/202256第三章常常用傳感器熱電式傳感器器工作原理：把被測量(主要是溫度)轉(zhuǎn)換為電量變變化的一種裝裝置，其變換換是基于金屬屬的熱電效應(yīng)應(yīng)。分類（按照變換方方式）：熱電偶熱電阻傳感器器第八節(jié)熱熱電式傳感器器11/26/202257第三章常常用傳感器熱電偶1工作原理：熱電偶屬于結(jié)結(jié)構(gòu)型傳感器器；把兩兩種不同的導(dǎo)導(dǎo)體或半導(dǎo)體體連接成圖示示的閉合回路路，如果將它它們的兩個接接點分別置于于溫度為T和T0(假定T>T0)的熱源中，則則在該回路內(nèi)內(nèi)就會產(chǎn)生熱熱電動勢，這這種現(xiàn)象稱為為熱電效應(yīng)。第八節(jié)熱熱電式傳感器器11/26/202258第三章常常用傳感器熱電偶2溫差電動勢是在同一導(dǎo)體體的兩端因其其溫度不同而而產(chǎn)生的一種種熱電動勢。。第八節(jié)熱熱電式傳感器器11/26/202259第三章常常用傳感器熱電偶回路的的特點1）若組成熱電電偶的回路的的兩種導(dǎo)體相相同，無論兩兩接點溫度如如何，熱電偶偶回路中的總總熱電動勢為為零；2）若熱電偶兩兩接點溫度相相同，則盡管管導(dǎo)體A、B的材料不同，，熱電偶回路路中的總熱電電動勢也為零零；3）熱電偶AB的熱電動勢與與導(dǎo)體材料AB的中間溫度無無關(guān)，而只與與接點溫度有有關(guān)；第八節(jié)熱熱電式傳感器器11/26/202260第三章常常用傳感器熱電偶回路的的特點24）熱電偶AB在接點溫度T1、T3時的熱電動勢勢，等于熱電電偶在接點溫溫度T1、T2和T2、T3時的熱電動勢勢總合；5）在熱電偶回回路中接入第第三種材料的的導(dǎo)線，只要要第三種導(dǎo)線線的兩端溫度度相同，第三三種導(dǎo)線的引引入不會影響響熱電偶的熱熱電動勢，這這一性質(zhì)稱中中間導(dǎo)體定律律。6）當(dāng)溫度為T1、T2時，用導(dǎo)體A、B組成的熱電偶偶的熱電動勢勢等于AC熱電偶和CB熱電偶的熱電電動勢的和。。第八節(jié)熱熱電式傳感器器11/26/202261第三章常常用傳感器中間導(dǎo)體定律律的應(yīng)用第八節(jié)熱熱電式傳感器器11/26/202262第三章常常用傳感器熱電偶分類鉑銠—鉑熱電偶鎳鉻—鎳硅(鎳鉻一鎳鋁)熱電偶鎳鉻—考銅熱電偶鉑銠30—鉑銠6熱電偶選用時需考慮慮：測溫范圍圍、測溫狀態(tài)態(tài)和介質(zhì)情況況。第八節(jié)熱熱電式傳感器器11/26/202263第三章章常常用用傳感感器熱電阻阻傳感感器利用電電阻隨隨溫度度變化化的特特點制制成的的傳感感器叫叫熱電電阻傳傳感器器，它它主要要用于于對溫溫度和和與溫溫度有有關(guān)的的參數(shù)數(shù)測定定。按按熱電電阻的的性質(zhì)質(zhì)來分分，可可分為為金屬屬熱電電阻和和半導(dǎo)導(dǎo)體熱熱電阻阻兩大大類，，前者者通常常簡稱稱為熱電阻阻，后者者稱為為熱敏電電阻。熱電阻阻是由由電阻阻體、、絕緣緣套管管和接接線盒盒等主主要部部件組組成，，其中中，電電阻體體是熱熱電阻阻的最最主要要部分分。鉑鉑電阻阻、、銅電電阻等等。熱敏電電阻屬屬于半半導(dǎo)體體傳感感器。。第八節(jié)節(jié)熱熱電電式傳傳感器器11/26/202264第三章章常常用用傳感感器第九節(jié)節(jié)光光電電傳感感器一、光光電測測量原原理光電傳傳感器器是將將光信信號轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換為為電信信號的的傳感感器。。光電電傳感感器的的工作作基礎(chǔ)礎(chǔ)是光光電效效應(yīng)。。圖3-44硅光電電池的的結(jié)構(gòu)構(gòu)11/26/202265第三章章常常用用傳感感器第九節(jié)節(jié)光光電電傳感感器二、光光電元元件1．真空空光電電管或或光電電管光光電管管主要要兩種種結(jié)構(gòu)構(gòu)形式式（見見圖3-45)，圖a中光電電管的的光電電陰極極K由半圓圓筒形形金屬屬片制制成，，用于于在光光照射射下發(fā)發(fā)射電電子。。陽極極A為位于于陰極極軸心心的一一根金金屬絲絲，用用于接接收陰陰極發(fā)發(fā)射電電子。。陰極極和陽陽極被被封裝裝于一一個抽抽真空空的玻玻璃罩罩內(nèi)。。光電電管的的特性性主要要取決決于光光電陰陰極材材料，，不同同的陰陰極材材料對對不同同波長長的光光輻射射有不不同的的靈敏敏度。。圖3-45光電管管的結(jié)結(jié)構(gòu)形形式a）金屬屬底層層光電電陰極極光電電管b）光透透明陰陰極光光電管管11/26/202266第三章章常常用用傳感感器圖3-46真空光光電管管特性性a）光電電特性性1一銻艷艷光電電陰極極的光光電管管b）伏安安特性性2一氧艷艷光電電陰極極的光光電管管第九節(jié)節(jié)光光電電傳感感器11/26/202267第三三章章常常用用傳傳感感器器第九九節(jié)節(jié)光光電電傳傳感感器器圖3-47光電電倍倍增增管管的的結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)及及電電路路a）結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)b）電電路路l-入射射光光；；2-第一一倍倍增增極極；；3-第三三倍倍增增極極；；4-陽極極A；5-第四四倍倍增增極極；；6-第二二倍倍增增極極；；7-陰極極K2.光電電倍倍增增管管11/26/202268第三三章章常常用用傳傳感感器器第九九節(jié)節(jié)光光電電傳傳感感器器3．光光敏敏電電阻阻某些些半半導(dǎo)導(dǎo)體體材材料料（（如如硫硫化化鎘鎘等等））受受到到光光照照時時，，若若光光子子能能量量h大于于本本征征半半導(dǎo)導(dǎo)體體材材料料的的禁禁帶帶寬寬度度，，價價帶帶中中的的電電子子吸吸收收一一個個光光子子后后便便可可躍躍遷遷到到導(dǎo)導(dǎo)帶帶，，從從而而激激發(fā)發(fā)出出電電子子一一空空穴穴對對，，于于是是降降低低了了材材料料的的電電阻阻率率，，增增強強了了導(dǎo)導(dǎo)電電性性能能。。阻阻值值的的大大小小隨隨光光照照的的增增強強而而降降低低，，且且光光照照停停止止后后，，自自由由電電子子與與空空穴穴重重新新復(fù)復(fù)合合，，電電阻阻恢恢復(fù)復(fù)原原來來的的值值。。光光敏敏電電阻阻的的特特點點是是靈靈敏敏度度高高、、光光譜譜響響應(yīng)應(yīng)范范圍圍寬寬，，可可從從紫紫外外一一直直到到紅紅外外，，且且體體積積小小、、性性能能穩(wěn)穩(wěn)定定，，因因