電容、電感與發(fā)電型傳感器

第四章、傳感器測(cè)量原理電阻傳感器應(yīng)用——井筒直徑測(cè)量

八臂井徑儀測(cè)井筒直徑，測(cè)臂緊貼井壁，當(dāng)井壁有變形時(shí)，帶動(dòng)測(cè)桿2軸向移動(dòng)，拉桿電位器的測(cè)桿1緊緊頂住測(cè)桿2的端面，測(cè)桿1作同步隨動(dòng)。測(cè)桿1的軸向移動(dòng)就將套管臂井徑的大小變化轉(zhuǎn)換成拉桿電位器的電阻變化。圖8-218臂井徑儀原理圖固態(tài)壓阻式傳感器利用單晶硅材料的壓阻效應(yīng)和集成電路技術(shù)制成的傳感器。單晶硅材料在受到力的作用后，電阻率發(fā)生變化，即電阻發(fā)生后變化，然后，通過(guò)測(cè)量電路就可得到正比于力變化的電信號(hào)輸出。壓阻式壓力傳感器優(yōu)點(diǎn)：

1.

頻率響應(yīng)高，f0可達(dá)1.5M；

2.

體積小、耗電少；

3.

靈敏度高、精度好，可測(cè)量到0.1%的精確度；

4.

無(wú)運(yùn)動(dòng)部件（敏感元件與轉(zhuǎn)換元件一體）。

壓阻式壓力傳感器缺點(diǎn)：

1.

溫度特性差；

2.

工藝復(fù)雜。用于測(cè)量直升飛機(jī)機(jī)翼的氣流壓力分布，測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣口的動(dòng)態(tài)畸變、葉柵的脈動(dòng)壓力和機(jī)翼的抖動(dòng)等。第四章、傳感器測(cè)量原理4.3電容式傳感器

變換原理:將被測(cè)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:+++Aδ、A或ε（極板間介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)）發(fā)生變化時(shí)，都會(huì)引起電容的變化。為真空介電常數(shù)4.3電容式傳感器

a)極距δ變化型++++++可以看出，(1)靈敏度S與極板間距δ的平方成反比，有線性誤差，δ愈小，靈敏度S愈高。（2）為減少此誤差，一般極距變化范圍約為Δδ／δ0≈0.1，可獲得近似的線性關(guān)系。適用于測(cè)試小位移(0.01μm至數(shù)百μm)。實(shí)際應(yīng)用中，為了改善非線性，常采用差動(dòng)結(jié)構(gòu)，如圖。它有三個(gè)極板，其中兩個(gè)極板固定不動(dòng)，只有中間極板能產(chǎn)生移動(dòng)。這種結(jié)構(gòu)能夠?qū)鞲衅黛`敏度提高一倍，并且線性誤差也可大大減少，同時(shí)還能克服如電源電壓、環(huán)境溫度等變化對(duì)測(cè)試精度的影響。產(chǎn)品：壓差傳感器.

如圖，膜片3與鍍?cè)谇蛐尾ＡП砻娴慕饘賹?形成一個(gè)差動(dòng)電容。在壓差Δp＝pl—p2作用下，膜片向壓力小的方向移動(dòng)，引起差動(dòng)電容量C的變化，電容C與壓差Δp成比例。它適用于測(cè)液(氣)體微壓差b)面積變化型角位移型+++面積變化型電容傳感器的輸入與輸出呈線性關(guān)系，靈敏度為常數(shù)，可用于測(cè)試角位移或較大的線位移。平面線位移型4.3電容式傳感器

4.3電容式轉(zhuǎn)速檢測(cè)

當(dāng)定極板2與齒頂相對(duì)時(shí)電容量最大，而與齒隙相對(duì)時(shí)，電容量最小。齒輪1轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電容傳感器產(chǎn)生周期信號(hào)，經(jīng)測(cè)試電路3轉(zhuǎn)換為脈沖信號(hào)，用頻率計(jì)4顯示齒輪轉(zhuǎn)速。c)介質(zhì)變化型4.3電容式傳感器

4.3電容式傳感器

電容式液位傳感器（液位計(jì)/料位計(jì)）電容式接近開(kāi)關(guān)振蕩電路被測(cè)物體感應(yīng)電極被測(cè)電容測(cè)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(kāi)關(guān)時(shí)，物體和接近開(kāi)關(guān)的介電常數(shù)發(fā)生變化，使得和測(cè)量頭相連的電路狀態(tài)也隨之發(fā)生變化.接近開(kāi)關(guān)的檢測(cè)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。a)諧振電路3測(cè)量電路把電容式傳感器作為振蕩器諧振回路的一部分,當(dāng)輸入量導(dǎo)致電容量發(fā)生變化時(shí)，振蕩器的振蕩頻率就發(fā)生變化?？蓪㈦娙葑兓D(zhuǎn)化為輸出電壓的變化b)運(yùn)算放大器電路

4.3電容式傳感器

手機(jī)觸摸屏：電阻屏，電容屏，紅外線以及超聲波電容屏：當(dāng)手指觸摸到屏?xí)r，手機(jī)與屏之間形成一個(gè)耦合電容，手指從觸摸點(diǎn)吸走部分電流，這個(gè)電流分別從觸控屏四角上的電極中流出，并且流經(jīng)這四個(gè)電極的電流與手指到四角的距離成正比，控制器通過(guò)對(duì)這四個(gè)電流比例的精確計(jì)算，車(chē)載電容稱重第四章、傳感器測(cè)量原理4.4電感式傳感器

電感式傳感器是基于電磁感應(yīng)原理，它是把被測(cè)量轉(zhuǎn)化為電感量的一種裝置。分類(lèi):電感式傳感器自感型可變磁阻型渦流式互感型4.4電感式傳感器1自感型--可變磁阻式原理:電磁感應(yīng)其中，磁回路磁阻Rm導(dǎo)體磁阻遠(yuǎn)小于空氣磁阻4.4電感式傳感器變間隙型電感氣隙愈小，靈敏度S愈高。由于S不是常數(shù)，故會(huì)出現(xiàn)線性誤差。為減小這一誤差，規(guī)定δ在較小范圍±Δδ內(nèi)變化。設(shè)初始間隙為δ0，一般取Δδ／δ0≤0.1，這種傳感器一般只適用于0.001~1mm范圍的小位移測(cè)試。4.4電感式傳感器若將兩線圈接在電橋的相鄰臂時(shí)，其輸出靈敏度可提高一倍，且可改善其非線性特性。差動(dòng)型變面積型L與A0呈線性特性，但靈敏度較低，常用于角位移測(cè)試。單螺管型a,當(dāng)銜鐵在線圈中運(yùn)動(dòng)，磁阻將發(fā)生變化，導(dǎo)致自感L變化。單螺管型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、但靈敏度較低，適用于較大位移(mm量級(jí))測(cè)試。由于有限長(zhǎng)度線圈的軸向磁場(chǎng)強(qiáng)度分布不均勻，因此，只有在線圈中段才有較好的線性關(guān)系。差接螺管型c

，電感變化量增加一倍，能部分地消除磁場(chǎng)不均勻所造成的非線性影響。測(cè)試范圍在0~300μm，最高分辨率可達(dá)0.5μm。螺管型電感傳感器電感式接近傳感器（金屬）4.4電感式傳感器2渦流式:渦流效應(yīng)電渦流式傳感器原理根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，金屬導(dǎo)體置于變化的磁場(chǎng)中時(shí)，導(dǎo)體的表面就會(huì)有感應(yīng)電流產(chǎn)生。電流的流線在金屬體內(nèi)自行閉合，這種由電磁感應(yīng)原理產(chǎn)生的漩渦狀感應(yīng)電流稱為電渦流，線圈的等效阻抗Z：4.4電感式傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，靈敏度高；抗干擾能力強(qiáng)；不受被測(cè)件油污介質(zhì)的影響；非接觸測(cè)量；圖4-16渦流式傳感器1殼體；2框架；3線圈；4保護(hù)套；5填料；6螺母；7電纜電渦流傳感器優(yōu)點(diǎn)：電渦流傳感器應(yīng)用：位移、振動(dòng)測(cè)量，材質(zhì)鑒別以及無(wú)損檢測(cè)振動(dòng)計(jì)案例：無(wú)損探傷原理裂紋檢測(cè)，缺陷造成渦流變化?；疖?chē)輪檢測(cè)油管檢測(cè)4.4電感式傳感器4.4電感式傳感器電渦流傳感器的測(cè)量電路，通常采用電橋和諧振電路。諧振電路有調(diào)幅電路和調(diào)頻電路。

將傳感器線圈接入LC調(diào)諧電路，使其諧振頻率隨被測(cè)量而改變，輸出的幅值或頻率隨被測(cè)量變化，以實(shí)現(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)換。4.4電感式傳感器調(diào)頻電路工作原理

分壓式調(diào)幅電路原理互感型傳感器

互感型傳感器是利用互感現(xiàn)象將被測(cè)物理量轉(zhuǎn)換成線圈互感變化來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)試的，如圖所示，它有原、副兩個(gè)線圈，當(dāng)原線圈W輸入交變電流i時(shí)，副線圈W1產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e，其大小與電流i的變化率成正比，即式中，M為互感系數(shù)。當(dāng)被測(cè)參數(shù)使互感系數(shù)M變化時(shí)，副線圈輸出電動(dòng)勢(shì)也會(huì)隨之產(chǎn)生相應(yīng)變化。2互感型--差動(dòng)變壓器當(dāng)活動(dòng)銜鐵向上移動(dòng)時(shí),由于磁阻的影響，W2中磁通將大于W1，使e1>e2。反之，e1<e2。輸出Uo=e1-e2，所以Uo也必將隨銜鐵位移x而變化。

差動(dòng)變壓器式傳感器中的兩個(gè)次級(jí)線圈反相串聯(lián)，其等效電路如圖在實(shí)際工程測(cè)量中，應(yīng)用最多的是螺線管式差動(dòng)變壓器，它的測(cè)量范圍大，可測(cè)1～100mm的機(jī)械位移，并具有測(cè)量精度高、靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠等優(yōu)點(diǎn)。案例：板的厚度測(cè)量~案例：張力測(cè)量4.4電感式傳感器案例：加速度測(cè)量4.4電感式傳感器電感式壓力傳感器結(jié)構(gòu)圖1差動(dòng)變壓器；2鐵心；3連桿；4中間膜片案例：壓力測(cè)量中間膜片4在壓差Δp＝p1－p2的作用下產(chǎn)生位移。通過(guò)連桿3帶動(dòng)差動(dòng)變壓器中的鐵心2移動(dòng)，從而將壓差Δp轉(zhuǎn)換成變壓器的電壓輸出。案例：發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪軸檢測(cè)由于各個(gè)方向的外圓表面到圓心的距離是不同的，就可通過(guò)一個(gè)位移測(cè)量傳感器獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，經(jīng)后續(xù)信號(hào)處理來(lái)獲得參數(shù)。

需求分析：

為滿足凸輪的位移測(cè)量，保證磨削加工的工件測(cè)量精度為微米級(jí)，就必須選用高精度的位移傳感器；由于是磨削加工，外圓形狀誤差不會(huì)很大，小量程即可滿足測(cè)量要求；非在線方式，低速回轉(zhuǎn)下測(cè)量即可，傳感器的頻響特性不需要很高，同時(shí)測(cè)量方式可選用接觸或非接觸方式，但要考慮傳感器成本?；谝陨峡紤]，可選用的傳感器有？（1）變極距電容傳感器；（2）電渦流傳感器；（3）差動(dòng)變壓器位移傳感器分析與比較：（1）變極距電容傳感器是非接觸測(cè)量，具有高的精度而且靈敏度高，響應(yīng)速度快，能抵抗高溫、振動(dòng)和潮濕，適應(yīng)于測(cè)位移小量程，但用于電容式傳感器的位移測(cè)量電路較為復(fù)雜，一般采用調(diào)幅電路或調(diào)頻電路，后續(xù)調(diào)理相對(duì)復(fù)雜，增加了系統(tǒng)復(fù)雜性；同時(shí)，本測(cè)量系統(tǒng)被測(cè)工件表面在加工中會(huì)有油污，會(huì)影響電容傳感器的測(cè)量。（2）電渦流傳感器同樣具有靈敏度高、響應(yīng)快速、非接觸測(cè)量的特點(diǎn)，常規(guī)類(lèi)型量程1～2毫米，但從實(shí)際應(yīng)用來(lái)講，其精度不足；如選用高精度型，其量程為250微米，分辨率0.01微米，但這種類(lèi)型成本較高。（3）差動(dòng)變壓器位移傳感器能提供所需的準(zhǔn)確度、精度和可靠性，盡管為接觸式測(cè)量，但低速測(cè)量廣泛使用，為此，本例適用的位移檢測(cè)方法就是使用差動(dòng)變壓器位移傳感器，把它直接安裝在回轉(zhuǎn)臺(tái)旁來(lái)測(cè)量凸輪的外圓回轉(zhuǎn)位移?；剞D(zhuǎn)臺(tái)傳感器工件信號(hào)調(diào)理信號(hào)處理及顯示為實(shí)現(xiàn)以上的測(cè)量，測(cè)量系統(tǒng)需要包含四個(gè)部分。首先需要一個(gè)回轉(zhuǎn)工作臺(tái)，以實(shí)現(xiàn)工件的回轉(zhuǎn)；其次需要一個(gè)位移測(cè)量傳感器來(lái)測(cè)量外圓位移的動(dòng)態(tài)數(shù)值；第三提供位移傳感器的調(diào)理裝置；第四要提供信號(hào)處理和顯示裝置。根據(jù)以上分析所設(shè)計(jì)的一個(gè)測(cè)量系統(tǒng)框架如下圖示。4.5壓電式傳感器

1.變換原理:半導(dǎo)體材料的壓電效應(yīng)

某些物質(zhì)，如石英，受到外力作用時(shí)，不僅幾何尺寸會(huì)發(fā)生變化，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(lái)的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。利用這個(gè)特性，用于壓力，應(yīng)力，加速度測(cè)量，也用于超聲波發(fā)生器與接收器裝置。壓電材料可以分為兩大類(lèi)：壓電晶體和壓電陶瓷石英晶體(a)晶體外形；(b)切割方向；(c)晶片石英晶體為六角形晶柱，兩端為棱錐，Z為光軸，光線入射不產(chǎn)生雙折射；X電軸為橫截面對(duì)角線；Y機(jī)械軸，第四章、傳感器測(cè)量原理

若從晶體上沿y方向切下一塊晶片，當(dāng)沿電軸x方向施加作用力Fx時(shí)，在與電軸x垂直的平面上將產(chǎn)生電荷，其大小為式中,d11為x方向受力的壓電系數(shù)，該電荷大小只與力成正比第四章、傳感器測(cè)量原理

當(dāng)晶體受到沿y軸方向的壓力作用時(shí)，晶體變形P1增大，P2、P3減小。在x軸上出現(xiàn)電荷，它的極性為x軸正向?yàn)檎姾伞Ｔ趛軸方向上仍不出現(xiàn)電荷。y軸方向受力當(dāng)作用力Fy的方向相反時(shí)，電荷的極性也隨之改變。第四章、傳感器測(cè)量原理當(dāng)石英晶體受到沿x軸方向的壓力，晶體產(chǎn)生壓縮變形，正負(fù)離子的相對(duì)位置變動(dòng)，正負(fù)電荷重心不再重合，電偶極矩在x方向上的分量不等于零。在x軸的正方向出現(xiàn)負(fù)電荷，電偶極矩在y方向上的分量仍為零，不出現(xiàn)電荷。x軸方向受力第四章、傳感器測(cè)量原理不受力或Z軸受力如果沿z軸方向施加作用力，因?yàn)榫w在x方向和y方向所產(chǎn)生的形變完全相同，所以正負(fù)電荷重心保持重合，電偶極矩矢量和等于零。這表明沿z軸方向施加作用力，晶體不會(huì)產(chǎn)生壓電效應(yīng)。第四章、傳感器測(cè)量原理壓電元件的工作原理可知，壓電式傳感器可以看作一個(gè)電荷發(fā)生器，晶體上聚集正負(fù)電荷的兩表面相當(dāng)于電容的兩個(gè)極板，它同時(shí)也是一個(gè)電容器，適用于動(dòng)態(tài)測(cè)量；等效為一個(gè)與電容相串聯(lián)的電壓源等效為一個(gè)電荷源第四章、傳感器測(cè)量原理+并聯(lián)+串聯(lián)F+q=DF

并聯(lián)接法輸出電荷大，本身電容大，時(shí)間常數(shù)大，適宜用在測(cè)量慢變信號(hào)并且以電荷作為輸出量的場(chǎng)合。

串聯(lián)接法輸出電壓大，本身電容小，適宜用于以電壓作輸出信號(hào)，并且測(cè)量電路輸入阻抗很高的場(chǎng)合。案例：力傳感器2、測(cè)量電路

壓電式傳感器輸出電信號(hào)很微弱，通常應(yīng)把傳感器信號(hào)先輸入到高輸入阻抗的前置放大器中，經(jīng)過(guò)阻抗變換后，方可輸入到后續(xù)顯示儀表中。常用的后續(xù)電路為：電荷放大器，它是一個(gè)高增益帶電容反饋的運(yùn)算放大器電荷放大器由運(yùn)算放大器基本特性，可得電荷放大器的輸出電壓

通常A=104~108，(A-1)Cf>>Ca+Cc+Ci，可見(jiàn)，電荷放大器的輸出電壓uo只與輸入電荷以及反饋電容Cf，有關(guān)，與電纜電容Cc無(wú)關(guān)，且與q成正比，這是電荷放大器的最大特點(diǎn)：不受傳輸電纜的影響案例：加速度傳感器它主要由壓電元件、質(zhì)量塊、預(yù)壓彈簧、基座及外殼等組成。整個(gè)部件裝在外殼內(nèi)，并由螺栓加以固定。壓電陶瓷壓電陶瓷和石英晶體不同，前者是人工制造的多晶體壓電材料，而后者是單晶體。壓電陶瓷的優(yōu)點(diǎn)是：壓電系數(shù)大，成本低。

在玩具小狗的肚子中安裝壓電陶瓷制作的蜂鳴器，玩具都會(huì)發(fā)出逼真有趣的聲音。

壓電陶瓷在汽車(chē)上應(yīng)用越來(lái)越廣泛。在汽車(chē)的制動(dòng)器活塞里安裝一種簡(jiǎn)單的壓電陶瓷致動(dòng)器，向內(nèi)部制動(dòng)杉?jí)K的支撐板施加“抖動(dòng)”頻率，有效抑制產(chǎn)生尖利噪音的振動(dòng)，從而能在溫度濕度變化和剎車(chē)系統(tǒng)正常磨損的情況下發(fā)揮作用。壓電橡膠壓電陶瓷比較脆，少許沖擊力會(huì)破裂，很難形成任意形狀，用壓電陶瓷粉末分散在無(wú)壓電性的橡膠基體中制成壓電復(fù)合材料，同時(shí)具備橡膠的柔軟性以及可變性性質(zhì)，同時(shí)具備壓電特性?？沙惺軟_擊載荷；應(yīng)用：在橋面與軌枕間的間隙處設(shè)置壓電橡膠，可檢測(cè)列車(chē)通過(guò)產(chǎn)生的沖擊力PVDF（聚偏氟乙烯）是一種新型的聚合物壓電薄膜，高分子壓電薄膜：高分子材料壓電特性不是很好，但易于生產(chǎn)，柔軟，面積大，容易制成傳感器陣列，用于機(jī)器人觸覺(jué)4.6磁電式傳感器

磁電式傳感器是利用電磁感應(yīng)原理將被測(cè)量（如振動(dòng)、位移、轉(zhuǎn)速等）轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的一種傳感器。它不需要輔助電源，就能把被測(cè)對(duì)象的機(jī)械量轉(zhuǎn)換成易于測(cè)量的電信號(hào)，是一種能量轉(zhuǎn)換型傳感器。由于它輸出功率大，且性能穩(wěn)定，具有一定的工作帶寬（10～1000Hz），所以得到普遍應(yīng)用。分類(lèi)

磁電式動(dòng)圈式磁阻式線速度型角速度型N變換原理:

法拉第電磁感應(yīng)定律，把被測(cè)量的物理量轉(zhuǎn)換為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e為磁通變化率與磁場(chǎng)強(qiáng)度、磁阻、線圈運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)，改變其中一個(gè)因素，都會(huì)改變感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。

動(dòng)圈式傳感器線速度型角速度型測(cè)速電機(jī)磁阻式傳感器

1.熱電溫度計(jì)(熱電偶)

利用熱電效應(yīng)，當(dāng)物體受熱，電子(空穴)隨著溫度梯度由高溫區(qū)往低溫區(qū)移動(dòng)時(shí)，所產(chǎn)生電流或電荷堆積的一種現(xiàn)象。4.7熱敏傳感器熱敏傳感器主要：1、熱電偶；2、熱電阻；3、紅外測(cè)溫

將兩種不同材料的導(dǎo)體A和B串接成一個(gè)閉合回路，當(dāng)兩個(gè)接點(diǎn)溫度不同時(shí)，在回路中就會(huì)產(chǎn)生熱電勢(shì)，形成電流。熱電偶測(cè)溫基本定律1)均質(zhì)導(dǎo)體定律由一種均質(zhì)導(dǎo)體組成的閉合回路，不論導(dǎo)體的橫截面積、長(zhǎng)度以及溫度分布如何均不產(chǎn)生熱電動(dòng)勢(shì)。TT02)中間導(dǎo)體定律在熱電偶回路中接入第三種材料的導(dǎo)體，只要其兩端的溫度相等，該導(dǎo)體的接入就不會(huì)影響熱電偶回路的總熱電動(dòng)勢(shì)。TT0V2熱敏電阻傳感器

半導(dǎo)體熱敏電阻的材料是一種由錳、鎳、銅、鉆、鐵等金屬氧化物按一定比例混合燒結(jié)而成的半導(dǎo)體，它具有負(fù)的電阻溫度系數(shù)，隨溫度上升而阻值下降。RT產(chǎn)品3人體熱電型(熱釋)紅外傳感器物體由于具有溫度而輻射電磁波的現(xiàn)象。一切溫度高于絕對(duì)零度的物體都能產(chǎn)生熱輻射，溫度愈高，輻射出的總能量就愈大，短波成分也愈多。

人體溫在36~37，發(fā)出紅外波9~10um，遠(yuǎn)紅外，第三章、測(cè)試系統(tǒng)的基本特性2-1進(jìn)行某動(dòng)態(tài)壓力測(cè)量時(shí)，所采用的壓電式傳感器的靈敏度為90.9nC/MPa，

將它與增益為0.005V/nC的電荷放大器相連，而電荷放大器的輸出接到一臺(tái)筆式記錄儀上，記