傳感器原理與技術(shù)課件：力和壓力的檢測(cè)

同學(xué)們，今天我們學(xué)習(xí)的內(nèi)容是熱電阻傳感器的結(jié)構(gòu)和測(cè)量電路與運(yùn)用。Structureandclassificationofstraingauges力和壓力的檢測(cè)同學(xué)們，今天我們學(xué)習(xí)的內(nèi)容是熱電阻傳感器的結(jié)構(gòu)和測(cè)量電路與運(yùn)用。Structureandclassificationofstraingauges應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)與分類(lèi)應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)與分類(lèi)電阻應(yīng)變片式傳感器具有悠久的歷史，也是目前應(yīng)用比較廣泛的傳感器之一。電阻應(yīng)變片式傳感器目前應(yīng)用比較廣泛的傳感器之一具有悠久歷史將電阻應(yīng)變片粘貼在各種彈性敏感元件上，加上相應(yīng)的測(cè)量電路后就可以檢測(cè)位移、加速度、力、力矩等參數(shù)變化。粘貼在各種彈性敏感元件上位移加速度力加上相應(yīng)的測(cè)量電路后力矩電阻應(yīng)變片是電阻應(yīng)變片式傳感器的核心器件。電阻應(yīng)變片式傳感器核心器件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單使用方便性能穩(wěn)定可靠易于自動(dòng)化多點(diǎn)同步測(cè)量遠(yuǎn)距離測(cè)量遙測(cè)并且測(cè)量的靈敏度，速度都很高，無(wú)論是靜態(tài)測(cè)量還是動(dòng)態(tài)測(cè)量都很適用。測(cè)量的靈敏度，速度都很高靜態(tài)測(cè)量動(dòng)態(tài)測(cè)量很適用電阻應(yīng)變片式傳感器機(jī)械電力化工建筑醫(yī)療航空廣泛應(yīng)用電阻應(yīng)變計(jì)也稱(chēng)應(yīng)變片，是基于應(yīng)變效應(yīng)制成的?；趹?yīng)變效應(yīng)制成的電阻應(yīng)變計(jì)應(yīng)變片11.結(jié)構(gòu)應(yīng)變片常見(jiàn)的粘貼式結(jié)構(gòu)如圖3-1-2所示。應(yīng)變片的典型結(jié)構(gòu)包括有敏感柵、基底、蓋片、引線(xiàn)及黏合劑等。結(jié)構(gòu)應(yīng)變片中實(shí)現(xiàn)電阻轉(zhuǎn)換的元件合金材料的選擇制造應(yīng)變片的性能決定性作用因此對(duì)合金材料的選擇需考慮的因素有：①較高的靈敏系數(shù)并在較大的應(yīng)變范圍內(nèi)穩(wěn)定；②有高的和穩(wěn)定的電阻率；③電阻溫度系數(shù)小并有足夠的熱穩(wěn)定性；④機(jī)械強(qiáng)度高、加工和焊接性能良好；⑤抗氧化和抗腐蝕性能強(qiáng)等。①較高的靈敏系數(shù)并在較大的應(yīng)變范圍內(nèi)穩(wěn)定合金材料的選擇需考慮的因素②有高的和穩(wěn)定的電阻率③電阻溫度系數(shù)小并有足夠的熱穩(wěn)定性④機(jī)械強(qiáng)度高、加工和焊接性能良好⑤抗氧化和抗腐蝕性能強(qiáng)工程應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況綜合考慮工程應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況綜合考慮。常用的合金大致有：銅鎳合金（康銅）、鎳鉻合金、鐵鉻鋁合金、鎳鉻鐵合金、鉑及鉑合金等。銅鎳合金（康銅）鎳鉻合金鐵鉻鋁合金鎳鉻鐵合金鉑及鉑合金常用的合金（2）基底基底的作用是保持敏感柵固定的形狀、尺寸和位置，并使敏感柵與彈性元件相互絕緣。保持敏感柵固定的形狀、尺寸和位置使敏感柵與彈性元件相互絕緣對(duì)基底材料的要求是撓性好，具有一定的機(jī)械強(qiáng)度，黏合性和絕緣性能好、蠕變和滯后小、不吸潮和熱穩(wěn)定性好等?；撞牧系囊髶闲院糜幸欢ǖ臋C(jī)械強(qiáng)度黏合性和絕緣性能好蠕變和滯后小不吸潮熱穩(wěn)定性好紙膠膜玻璃纖維布聚酰亞胺是一種綜合性能極佳的有高分子材料之一，其膠膜耐高溫達(dá)400℃以上，長(zhǎng)期使用溫度范圍為-200~300℃，聚酰亞胺綜合性能極佳的有高分子材料之一膠膜耐高溫達(dá)400℃以上長(zhǎng)期使用溫度范圍為-200~300℃高絕緣性成膜性好蠕變小滯后小穩(wěn)定性好疲勞壽高已廣泛應(yīng)用在航空、航天、微電子、納米、液晶、分離膜、激光等領(lǐng)域。廣泛應(yīng)用領(lǐng)域玻璃纖維是一種性能優(yōu)異的無(wú)機(jī)非金屬材料，玻璃纖維性能優(yōu)異的無(wú)機(jī)非金屬材料絕緣性好耐熱性強(qiáng)抗腐蝕性好機(jī)械強(qiáng)度高穩(wěn)定性高疲勞壽命高適用于高精度傳感器上（3）蓋片蓋片的作用是防潮、防腐、防損、避免機(jī)械損傷和高溫氧化等。防潮防腐防損避免機(jī)械損傷高溫氧化也可以用黏合劑作為保護(hù)層。作保護(hù)層（4）引線(xiàn)它的作用是連接敏感柵與測(cè)量電路。連接敏感柵測(cè)量電路通常使用低的穩(wěn)定電阻率及小電阻溫度系數(shù)的絲狀或帶狀的金屬導(dǎo)線(xiàn)。低穩(wěn)定電阻率小電阻溫度系數(shù)絲狀或帶狀常溫應(yīng)變片多用鍍銀紫銅絲或銅帶，鍍銀紫銅絲銅帶常溫應(yīng)變片鎳鉻銀鉑高溫應(yīng)變片鈹青銅高疲勞壽命的應(yīng)變片引線(xiàn)與敏感柵的連接可以采用釬焊、錫焊、電弧焊或電接觸焊等。引線(xiàn)與敏感柵的連接釬焊錫焊電弧焊電接觸焊（5）黏合劑生產(chǎn)應(yīng)變片時(shí)，黏合劑的作用是把蓋片和敏感柵固定在基底上，使用應(yīng)變片時(shí)，黏合劑的作用是把應(yīng)變片貼在彈性體被測(cè)位置上。生產(chǎn)應(yīng)變片時(shí)使用應(yīng)變片時(shí)把蓋片和敏感柵固定在基底上把應(yīng)變片貼在彈性體被測(cè)位置上貼應(yīng)變片時(shí)，因?yàn)轲ず蟿﹨⑴c彈性體形變到應(yīng)變片的傳遞，所以其形成的膠層直接影響應(yīng)變片的性能。貼應(yīng)變片時(shí)因?yàn)轲ず蟿﹨⑴c彈性體形變到應(yīng)變片的傳遞，所以其形成的膠層直接影響應(yīng)變片的性能。工程上黏合劑的選擇要根據(jù)具體要求，有針對(duì)性地選擇2.分類(lèi)電阻應(yīng)變片的分類(lèi)方法很多，可以按材料、工作溫度、用途等進(jìn)行分類(lèi)。2分類(lèi)電阻應(yīng)變片的分類(lèi)方法材料工作溫度用途金屬應(yīng)變片半導(dǎo)體應(yīng)變片其中金屬應(yīng)變計(jì)可細(xì)分為絲式、箔式和薄膜應(yīng)變計(jì)，金屬應(yīng)變片絲式應(yīng)變計(jì)箔式應(yīng)變計(jì)薄膜應(yīng)變計(jì)體型擴(kuò)散型薄膜型半導(dǎo)體應(yīng)變片（2）按應(yīng)變片的基底材料分為紙基底應(yīng)變片、浸膠基應(yīng)變片、金屬應(yīng)變片。（2）按應(yīng)變片的基底材料紙基底應(yīng)變片浸膠基應(yīng)變片金屬應(yīng)變片（3）按應(yīng)變片工作的溫區(qū)分為低溫、常溫、中溫及高溫應(yīng)變片。（3）按應(yīng)變片工作的溫區(qū)低溫應(yīng)變片常溫應(yīng)變片中溫應(yīng)變片高溫應(yīng)變片（4）按應(yīng)變片的安裝方法分為粘貼式、非粘貼式應(yīng)變片等。（4）按應(yīng)變片的安裝方法粘貼式應(yīng)變片非粘貼式應(yīng)變片同學(xué)們，本節(jié)課我們學(xué)習(xí)了應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)與分類(lèi)，大家都掌握了嗎？Thankyou謝謝大家謝謝大家Workingprocessofstraingaugeandtemperatureerrorandcompensation應(yīng)變片的工作過(guò)程與溫度誤差及補(bǔ)償應(yīng)變片的工作過(guò)程與溫度誤差及補(bǔ)償1.工作過(guò)程，應(yīng)變片在使用時(shí)，通常是將其用黏合劑牢固地粘貼在被測(cè)試件的表面上，將其用黏合劑牢固地粘貼在被測(cè)試件的表面上應(yīng)變片在使用時(shí)1工作過(guò)程隨著試件受力的變形，應(yīng)變片的敏感柵也會(huì)做同樣的變形，由此就會(huì)使其電阻值發(fā)生改變。試件受力的變形應(yīng)變片的敏感柵會(huì)做同樣的變形使其電阻值發(fā)生改變后級(jí)測(cè)試電路測(cè)試電壓變化電流變化2.檢測(cè)電路對(duì)應(yīng)變片輸出信號(hào)的檢測(cè)，因?yàn)榻饘賾?yīng)變片的電阻變化范圍很小，如果直接用歐姆表測(cè)量其電阻值的變化將十分困難，且誤差很大，2檢測(cè)電路對(duì)應(yīng)變片輸出信號(hào)的檢測(cè)因?yàn)榻饘賾?yīng)變片的電阻變化范圍很小，如果直接用歐姆表測(cè)量其電阻值的變化將十分困難，且誤差很大。故通常采用電橋檢測(cè)的方式，具體檢測(cè)電路如圖3-1-4所示。電橋檢測(cè)的方式貼在測(cè)試件上的有效應(yīng)變片電阻R4為虛設(shè)應(yīng)變片電阻(實(shí)際上是一種電橋配平衡電阻)。虛設(shè)應(yīng)變片電阻（電橋配平衡電阻）當(dāng)R不受力時(shí)，將電橋調(diào)至平衡狀態(tài)，使輸出電壓u=0當(dāng)R3由于受力變形電阻值發(fā)生變化時(shí)，電橋就會(huì)失會(huì)平衡，就將有信號(hào)電壓u0輸出，u0電壓的大小就反映了受力的大小。當(dāng)R3由于受力變形電阻值發(fā)生變化時(shí)電橋失去平衡，將有信號(hào)電壓u0輸出u0電壓的大小反映了受力的大小電阻應(yīng)變片式傳感器在實(shí)際使用時(shí)，除了應(yīng)變會(huì)導(dǎo)致應(yīng)變片電阻值發(fā)生變化外，溫度變化也會(huì)使應(yīng)變片的電阻值發(fā)生變化。這種因溫度變化而產(chǎn)生的誤差稱(chēng)為溫度誤差。因溫度變化而產(chǎn)生的誤差——溫度誤差應(yīng)變會(huì)導(dǎo)致應(yīng)變片電阻值發(fā)生變化溫度變化也會(huì)使應(yīng)變片的電阻值發(fā)生變化產(chǎn)生的原因主要來(lái)自?xún)蓚€(gè)方面，一是因溫度變化而引起的應(yīng)變片敏感柵的電阻變化及附加變形；二是因被測(cè)物體材料的線(xiàn)膨脹系數(shù)不同，使應(yīng)變片產(chǎn)生附加應(yīng)變。產(chǎn)生的原因的主要兩個(gè)方面一、因溫度變化而引起的應(yīng)變片敏感柵的電阻變化及附加變形二、因被測(cè)物體材料的線(xiàn)膨脹系數(shù)不同，使應(yīng)變片產(chǎn)生附加應(yīng)變檢測(cè)系統(tǒng)中有必要進(jìn)行溫度補(bǔ)償減小或消除由此而產(chǎn)生的測(cè)量誤差常用的溫度補(bǔ)償方法橋路補(bǔ)償應(yīng)變片自補(bǔ)償補(bǔ)償片測(cè)量時(shí)應(yīng)變片是作為平衡橋的一個(gè)臂參與測(cè)量應(yīng)變的。圖3-1-5中的R1為工作片，R2為補(bǔ)償片。測(cè)量時(shí)應(yīng)變片是作為平衡橋的臂參與測(cè)量應(yīng)變的工作片補(bǔ)償片R1粘貼在被測(cè)物體上需測(cè)量應(yīng)變的位置上R2粘在一塊不受應(yīng)力作用但卻與被測(cè)物體材料相同的補(bǔ)償塊上，并且處于和被測(cè)物體相同的溫度環(huán)境中當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)，工作片R1和補(bǔ)償片R2的電阻都會(huì)發(fā)生變化。工作片R1和補(bǔ)償片R2的電阻都會(huì)發(fā)生變化當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)R1和R2為同類(lèi)應(yīng)變片，又粘貼在相同的材料上，由于溫度變化而引起應(yīng)變片的電阻變化量相同R1和R2的變化相同ΔR1=ΔR2由于R1和R2分別接在電橋相鄰的兩個(gè)臂上，如圖3-1-5(a)所示。由于R1和R2分別接在電橋相鄰的兩個(gè)臂上因溫度變化而引起的電阻變化ΔR1和ΔR2的作用可相互抵消，從而起到溫度補(bǔ)償?shù)淖饔?。橋路補(bǔ)償法的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單、方便，在常溫下補(bǔ)償效果比較好。優(yōu)點(diǎn)簡(jiǎn)單方便在常溫下補(bǔ)償效果比較好缺點(diǎn)溫度變化梯度較大時(shí)比較難掌握橋路補(bǔ)償法應(yīng)變片自補(bǔ)償法采用特殊應(yīng)變片粘貼在被測(cè)部位上，在溫度發(fā)生變化時(shí)使所產(chǎn)生的附加應(yīng)變?yōu)榱慊蛳嗷サ窒?。?yīng)變片自補(bǔ)償法特殊應(yīng)變片粘貼在被測(cè)部位上在溫度發(fā)生變化時(shí)使所產(chǎn)生的附加應(yīng)變零相互抵消選擇式自補(bǔ)償片雙金屬敏感柵自補(bǔ)償應(yīng)變片簡(jiǎn)單實(shí)用效果好Thankyou謝謝大家謝謝大家Applicationsforresistivestraingaugesensors同學(xué)們，今天我們要學(xué)習(xí)的主要內(nèi)容是電阻應(yīng)變片式傳感器的應(yīng)用。電阻應(yīng)變片式傳感器的應(yīng)用第一種應(yīng)用是應(yīng)變式測(cè)力與荷重傳感器。電阻應(yīng)變式傳感器的最大用武之地是在稱(chēng)重和測(cè)力領(lǐng)域。1應(yīng)變式測(cè)力與荷重傳感器最大用武之地稱(chēng)重測(cè)力應(yīng)變計(jì)彈性元件測(cè)量電路根據(jù)彈性元件結(jié)構(gòu)形式（柱形、筒形、環(huán)形、梁式、輪輻式等）彈性元件結(jié)構(gòu)形式柱形筒形環(huán)形梁式輪輻式彈性元件受載性質(zhì)拉壓彎曲剪切常見(jiàn)的應(yīng)變式測(cè)力與荷重傳感器有柱式、懸臂梁式、環(huán)式等，如圖3-1-8所示。常見(jiàn)的應(yīng)變式測(cè)力與荷重傳感器柱式懸臂梁式環(huán)式(a）應(yīng)變式荷重傳感器外形(b）懸臂梁(c）汽車(chē)衡稱(chēng)重(1)柱式力傳感器柱式力傳感器，應(yīng)變片粘貼在彈性體外壁應(yīng)力分布均勻的中間部分，對(duì)稱(chēng)地粘貼多片，電橋連接時(shí)考慮減小載荷偏心和彎矩影響。(1)柱式力傳感器應(yīng)變片粘貼在彈性體外壁應(yīng)力分布均勻的中間部分，對(duì)稱(chēng)地粘貼多片，電橋連接時(shí)考慮減小載荷偏心和彎矩影響。橫向貼片作溫度補(bǔ)償用，貼片在圓柱面上的展開(kāi)位置及其在橋路中的連接如圖3-1-9所示。橫向貼片作溫度補(bǔ)償用貼片在圓柱面上的展開(kāi)位置及其在橋路中的連接柱式力傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，可承受很大載荷。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，可承受很大載荷(a）柱形(b）簡(jiǎn)形(c）圓柱面展開(kāi)圖(d）橋路連接圖用柱式力傳感器可制成稱(chēng)重式料位計(jì)，如圖3-1-10所示。用柱式力傳感器可制成稱(chēng)重式料位計(jì)(2)梁式力傳感器常用的梁式力傳感器有等截面梁應(yīng)變式力傳感器、等強(qiáng)度梁應(yīng)變式力傳感器以及一些特殊梁式力傳感器(2)梁式力傳感器等截面梁應(yīng)變式力傳感器等強(qiáng)度梁應(yīng)變式力傳感器特殊梁式力傳感器（如雙端固定梁、雙孔梁、單孔梁應(yīng)變式力傳感器等）。特殊梁式力傳感器雙端固定梁雙孔梁?jiǎn)慰琢航Y(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單用于測(cè)量500kg以下的載荷與柱式相比，應(yīng)力分布變化大，有正有負(fù)梁式力傳感器可制成稱(chēng)重電子秤如圖3-1-11(a）所示，原理圖如圖3-1-11(b）所示。(a）電子稱(chēng)外形；(b）電子稱(chēng)結(jié)構(gòu)示意圖梁式力傳感器可制成稱(chēng)重電子秤(a）電子稱(chēng)外形(b）電子稱(chēng)結(jié)構(gòu)示意圖上下表面的應(yīng)變大小相等符號(hào)相反上表面產(chǎn)生拉應(yīng)變下表面產(chǎn)生壓應(yīng)變粘貼在上下表面的應(yīng)變片也隨之拉伸和縮短，得到正負(fù)相間的電阻值的變化，接入橋路后，就能產(chǎn)生輸出電壓。粘貼在上下表面的應(yīng)變片隨之拉伸和縮短得到正負(fù)相間的電阻值的變化接入橋路產(chǎn)生輸出電壓第二種應(yīng)用是軋鋼機(jī)。軋鋼機(jī)工作過(guò)程中，軋制力是一個(gè)重要因素，它關(guān)系到產(chǎn)品的生產(chǎn)效率、產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)成本以及軋鋼機(jī)的使用壽命。2軋鋼機(jī)軋制力重要因素產(chǎn)品的生產(chǎn)效率產(chǎn)品質(zhì)量生產(chǎn)成本軋鋼機(jī)的使用壽命通常還有壓磁式和電容式等幾種力傳感器。國(guó)內(nèi)外測(cè)量軋制力壓磁式傳感器電容式傳感器電阻應(yīng)變式傳感器圖3-1-12為某圓盤(pán)式測(cè)力傳感器示意圖，其額定量為2000t，檢測(cè)精度為0.15%。目前國(guó)內(nèi)各大鋼廠(chǎng)軋制力的測(cè)量都使用這種傳感器。額定量為2000t檢測(cè)精度為0.15%圓盤(pán)外徑：800mm厚度：80mm徑向：8個(gè)φ16孔孔側(cè)粘貼5片120Ω的應(yīng)變片，對(duì)邊同樣粘貼5片并串聯(lián)在一起，與此相隔90°方向?qū)淄瑯咏臃ǎ賹刹⒙?lián)構(gòu)成一橋臂。其余測(cè)量孔同樣數(shù)量應(yīng)變片構(gòu)成另一橋臂?？讉?cè)粘貼5片120Ω的應(yīng)變片對(duì)邊同樣粘貼5片并串聯(lián)在一起與此相隔90°方向?qū)淄瑯咏臃▽刹⒙?lián)構(gòu)成一橋臂余測(cè)量孔同樣數(shù)量應(yīng)變片構(gòu)成另一橋臂另外兩個(gè)補(bǔ)償臂由貼在圓盤(pán)側(cè)面的10片120Ω應(yīng)變片構(gòu)成每5片為一橋臂，用10~12V直流穩(wěn)壓電源供電外套為不銹鋼護(hù)罩，抽成真空補(bǔ)充氮?dú)狻Ｓ么朔N傳感器可以準(zhǔn)確、可靠地檢測(cè)軋鋼機(jī)的軋制力。外套：不銹鋼護(hù)罩抽成真空補(bǔ)充氮?dú)鉁?zhǔn)確、可靠地檢測(cè)軋鋼機(jī)的軋制力Thankyou謝謝大家謝謝大家Piezoelectriceffect同學(xué)們，本節(jié)課我們學(xué)習(xí)的內(nèi)容是壓電效應(yīng)。我們先看一個(gè)有趣的故事，來(lái)理解壓電效應(yīng)：壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)項(xiàng)目三、力和壓力的檢測(cè)迄今為止，世界上已發(fā)現(xiàn)響沙一百多處，響沙我國(guó)有鳴沙山甘肅敦煌的鳴沙山沙坡頭寧夏中衛(wèi)的沙坡頭銀肯響沙灣和內(nèi)蒙古鄂爾多斯的銀肯響沙灣東額其響沙還有內(nèi)蒙古赤峰市翁牛特旗布力彥的東額其響沙。沙響的原因并不神秘。由于沙粒機(jī)械成分一致，都是中粒沙或細(xì)粒沙，幾乎沒(méi)有灰塵，石英的含量又高，中粒、細(xì)粒沙石英含量高一定壓力下產(chǎn)生壓縮或延伸eee壓電性質(zhì)壓電的晶體收縮和膨脹，便產(chǎn)生響聲，擠壓的石英沙子產(chǎn)生了電荷，當(dāng)足夠多電荷聚集在地表并上升到空中，引起了電荷的放電聲響。響沙的由來(lái)壓電效應(yīng)的存在壓電效應(yīng)是某些物質(zhì)沿某一方向受到外力作用時(shí)，物質(zhì)會(huì)產(chǎn)生變形，同時(shí)其內(nèi)部產(chǎn)生極化現(xiàn)象，此時(shí)在這種材料兩個(gè)表面產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷，物質(zhì)+-會(huì)產(chǎn)生變形，同時(shí)其內(nèi)部產(chǎn)生極化現(xiàn)象，此時(shí)在這種材料兩個(gè)表面產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷，物質(zhì)+-當(dāng)外力去掉后，它又重新恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)，物質(zhì)當(dāng)作用力方向改變時(shí)，電荷極性也隨之改變，這種機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的現(xiàn)象稱(chēng)為“正壓電效應(yīng)”或“順壓電效應(yīng)”。物質(zhì)當(dāng)作用力方向改變時(shí)，電荷極性也隨之改變正壓電效應(yīng)順壓電效應(yīng)反之，當(dāng)在某些物質(zhì)的極化方向上施加電場(chǎng)，這些材料在某一方向上產(chǎn)生機(jī)械變形或機(jī)械壓力物質(zhì)當(dāng)作用力方向改變時(shí)，電荷極性也隨之改變正壓電效應(yīng)順壓電效應(yīng)物質(zhì)反之，當(dāng)在某些物質(zhì)的極化方向上施加電場(chǎng)，這些材料在某一方向上產(chǎn)生機(jī)械變形或機(jī)械壓力物質(zhì)當(dāng)外加電場(chǎng)撤去時(shí)，這些變形或應(yīng)力也隨之消失，物質(zhì)逆壓電效應(yīng)電致伸縮效應(yīng)這種電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的現(xiàn)象稱(chēng)為“逆壓電效應(yīng)”或“電致伸縮效應(yīng)”。物質(zhì)第一，石英晶體的壓電效應(yīng)。石英晶體的壓電效應(yīng)圖3-2-2為天然石英晶體的結(jié)構(gòu)外形，在晶體學(xué)中用三根互相垂直的軸Z.X、Y來(lái)表示它們的坐標(biāo)。圖3-2-2石英晶體的外形圖Z軸為光軸，它是晶體的對(duì)稱(chēng)軸；圖3-2-2石英晶體的外形圖晶體的對(duì)稱(chēng)軸Z：光軸X軸為電軸，該軸壓電效應(yīng)最為明顯，也就是說(shuō)壓電效應(yīng)產(chǎn)生的電荷一般分布在垂直于X軸的平面上；圖3-2-2石英晶體的外形圖壓電效應(yīng)最明顯X：電軸

Y軸為機(jī)械軸，機(jī)械變形一般發(fā)生在此軸。圖3-2-2石英晶體的外形圖機(jī)械變形一般發(fā)生在此軸Y：機(jī)械軸石英晶體的壓電效應(yīng)與其內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān)。石英晶體的壓電效應(yīng)與其內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān)石英晶體的化學(xué)式是SiO2。為了直觀(guān)地了解其壓電效應(yīng)，將一個(gè)單元中構(gòu)成石英晶體的硅粒子和氧離子，在垂直于Z軸的XOY平面投影。石英晶體化學(xué)式：SiO?等效為圖3-2-4（a）所示的正六邊形排列。圖3-2-4石英晶體壓電效應(yīng)示意圖圖中里面是+，外面是〇，代表si4+；里面是－，外面是〇，代表2O2–。圖3-2-4石英晶體壓電效應(yīng)示意圖+++

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當(dāng)石英晶體未受外力作用時(shí)，正、負(fù)離子（即和）正好分布在正六邊形的頂角上，形成三個(gè)大小相等互成120°的電偶極矩P1、P2、P3，如圖3-2-4(a)所示。+++---圖3-2-4石英晶體壓電效應(yīng)示意圖P=ql,q為電荷量，l為正、負(fù)電荷間的距離。電偶極矩方向?yàn)樨?fù)電荷指向正電荷。此時(shí)，正、負(fù)電荷中心重合，電偶極矩的矢量和等于0，即p1+p2+p3=0。圖3-2-4石英晶體壓電效應(yīng)示意圖P=qlq：電荷量l：正、負(fù)電荷間的距離方向：負(fù)電荷指向正電荷正、負(fù)電荷中心重合電偶極矩的矢量和等于0P1+P2+P3=0此時(shí)晶體表面不產(chǎn)生電荷，從整體上說(shuō)它呈中性晶體表面不產(chǎn)生電荷整體上呈中性當(dāng)石英晶體受到沿x軸方向的壓力作用時(shí)，將產(chǎn)生壓縮變形，正、負(fù)離子的相對(duì)位置隨之變動(dòng)，正、負(fù)電荷中心不再重合，如圖3-2-4(b）所示。圖3-2-4石英晶體壓電效應(yīng)示意圖電偶極矩在x軸方向上的分量(p1+p2+p3)＞0，在x軸正方向上的晶體表面上出現(xiàn)正電荷；而在y軸和z軸方向上的分量均為0，所以垂直于y軸和z軸的晶體表面上不出現(xiàn)電荷。圖3-2-4石英晶體壓電效應(yīng)示意圖P1+P2+P3＞0X軸方向分量P1+P2+P3=0Y、Z軸方向分量X軸：正電荷Y、Z軸：無(wú)電荷這種沿x軸施加作用力，而在垂直于x軸的晶體表面上產(chǎn)生電荷的現(xiàn)象，稱(chēng)為“縱向壓電效應(yīng)”。沿X軸施加作用力，在垂直于X軸的晶體表面上產(chǎn)生電荷縱向壓電效應(yīng)當(dāng)石英晶體受到沿y軸方向的壓力作用時(shí)，將產(chǎn)生壓縮變形，正、負(fù)離子的相對(duì)位置隨之變動(dòng)，P1+P2+P3＜0X軸方向分量X軸：負(fù)電荷P1+P2+P3=0Y、Z軸方向分量Y、Z軸：無(wú)電荷沿Y軸施加作用在垂直于X軸的晶體表面上產(chǎn)生電荷橫向壓電效應(yīng)當(dāng)晶體受到沿z軸方向的作用力（無(wú)論壓力或拉力），因?yàn)榫w在x軸和y軸方向的變形相同，正、負(fù)電荷中心保持重合，電偶極矩在x.y軸方向上的分量等于零。沿光軸方向施加力石英晶體不會(huì)產(chǎn)生壓電效應(yīng)需要指出的是，如果當(dāng)晶體沿x軸和y軸方向受到拉力作用時(shí)，同樣有壓電效應(yīng)，只是電荷的極性將隨之改變。沿x軸和y軸方向受拉力作用時(shí)，同樣有壓電效應(yīng)石英晶體上電荷極性與受力方向的關(guān)系，如圖3-2-5所示。圖3-2-5晶體切片上電荷極性與受力方向關(guān)系第二，壓電陶瓷的壓電效應(yīng)。壓電陶瓷的壓電效應(yīng)壓電陶瓷的發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用時(shí)間并不長(zhǎng)，直到1947年才發(fā)現(xiàn)具有壓電性能的陶瓷材料。1947年發(fā)現(xiàn)具有壓電性能的陶瓷材料壓電陶瓷是人工制造的多晶體壓電材料。壓電陶瓷是人工制造的多晶體壓電材料無(wú)外電場(chǎng)作用時(shí)，電疇的極化效應(yīng)相互抵消，壓電陶瓷內(nèi)極化強(qiáng)度為零因此，原始的壓電陶瓷呈中性，不具有壓電性質(zhì)，如圖3-2-6(a）所示。圖3-2-6陶瓷電容的極化示意圖在陶瓷上施加外電場(chǎng)時(shí)，電疇的極化方向發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，趨向于按外電場(chǎng)方向的排列，從而使材料得到極化。圖3-2-6陶瓷電容的極化示意圖施加外電場(chǎng)電疇極化方向發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)材料得到極化外電場(chǎng)越強(qiáng)轉(zhuǎn)動(dòng)電疇越多極化越飽和即所有電疇極化方向都整齊地與外電場(chǎng)方向一致時(shí)，外電場(chǎng)去掉后，電疇的極化方向基本不變，即剩余極化強(qiáng)度很大，這時(shí)的材料才具有壓電特性。所有電疇極化方向都整齊地與外電場(chǎng)方向一致時(shí)，外電場(chǎng)去掉后，電疇的極化方向基本不變。具有壓電特性極化處理后陶瓷材料內(nèi)部仍存在有很強(qiáng)的剩余極化，圖3-2-6陶瓷電容的極化示意圖當(dāng)陶瓷材料受到外力作用時(shí)，電疇的界限發(fā)生移動(dòng)，電疇發(fā)生偏轉(zhuǎn)，從而引起剩余極化強(qiáng)度的變化，因而在垂直于極化方向的平面上將出現(xiàn)極化電荷的變化。圖3-2-6陶瓷電容的極化示意圖受外力作用電疇偏轉(zhuǎn)剩余極化強(qiáng)度變化極化電荷變化因受力而產(chǎn)生的由機(jī)械效應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦?yīng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿默F(xiàn)象。壓電陶瓷的正壓電效應(yīng)電荷量的大小與外力成正比關(guān)系：式中d33為壓電陶瓷的壓電系數(shù)；F為作用力。

電荷量的大小與外力成正比關(guān)系壓電陶瓷的壓電系數(shù)比石英晶體的大得多，所以采用壓電陶瓷制作的壓電式傳感器的靈敏度較高。壓電系數(shù)靈敏度極化處理后的壓電陶瓷材料的剩余極化強(qiáng)度和特性與溫度有關(guān)，它的參數(shù)也隨時(shí)間變化，從而使其壓電特性減弱。極化后的壓電陶瓷材料剩余極化強(qiáng)度和特性與溫度有關(guān)最早使用的壓電陶瓷材料是鈦酸鋇（BaTiO3)。鈦酸鋇（BaTiO3)碳酸鋇二氧化鈦壓電系數(shù)約為石英的50倍使用溫度最高70℃溫度穩(wěn)定性不如石英機(jī)械強(qiáng)度不如石英同學(xué)們，通過(guò)今天的學(xué)習(xí)，大家對(duì)壓電效應(yīng)的知識(shí)都掌握了嗎？Thankyou謝謝大家謝謝大家項(xiàng)目三、力和壓力的檢測(cè)Applicationofpiezoelectricsensors同學(xué)們，本節(jié)課我們主要學(xué)習(xí)壓電式傳感器的應(yīng)用。壓電式傳感器的應(yīng)用壓電式傳感器的應(yīng)用項(xiàng)目三、力和壓力的檢測(cè)壓電式力傳感器的形式通常有單向力傳感器、雙向力傳感器和三向力傳感器，配以適當(dāng)?shù)姆糯笃鳒y(cè)量各種動(dòng)態(tài)或靜態(tài)力。壓電式力傳感器的量程很寬，可測(cè)量小到幾百，大到幾萬(wàn)牛頓的動(dòng)、靜態(tài)力，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、質(zhì)量小、固有頻率高和分辨率高等優(yōu)點(diǎn)。量程寬可測(cè)幾百到幾萬(wàn)牛頓的動(dòng)、靜態(tài)力結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單體積小質(zhì)量小固有頻率高分辨率高1.玻璃破碎報(bào)警器玻璃破碎報(bào)警器玻璃破碎時(shí)會(huì)發(fā)出幾千赫茲的振動(dòng)，玻璃破碎時(shí)會(huì)發(fā)出幾千赫茲的振動(dòng)將高分子壓電薄膜粘貼在玻璃上，如圖3-2-15所示，玻璃破碎報(bào)警器可以感受到這一振動(dòng)。圖3-2-15玻璃破碎報(bào)警器高分子壓電傳感器如圖3-2-16所示，圖3-2-16高分子壓電傳感器高分子薄膜約厚0.2mm，用聚偏二氟乙烯（PVDF）制成10～20mm大小的薄膜。圖3-2-16高分子壓電傳感器厚0.2mm大小10～20mm....................................，也可以用熱印制工藝制作鋁薄膜電極再用超聲波焊接上兩根柔軟的電極引線(xiàn)，并用保護(hù)膜覆蓋。熱印制工藝鋁薄膜電極超聲波焊接柔軟電極..................壓電薄膜受到劇烈振動(dòng)在引腳間產(chǎn)生窄脈沖信號(hào)集中報(bào)警裝置產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)由于感應(yīng)片很小且透明，不易察覺(jué)，所以可安裝于貴重物品柜臺(tái)、展覽櫥窗等。2.采用壓電式傳感器的震動(dòng)測(cè)試實(shí)例采用壓電式傳感器的震動(dòng)測(cè)試實(shí)例壓電式加速度傳感器由于體積小、質(zhì)量輕、測(cè)量范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，所以在振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。體積小質(zhì)量輕測(cè)量范圍廣在振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用常用的振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)由壓電式加速度傳感器、電荷放大器、動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀組成，如圖3-2-17所示。體積小質(zhì)量輕測(cè)量范圍廣在振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用壓電式加速度傳感器電荷放大器動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀圖3-2-17常用的振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)被測(cè)對(duì)象的振動(dòng)加速度信號(hào)經(jīng)傳感器，再由傳感器電纜將加速度信號(hào)送入系統(tǒng)電荷放大器，電荷放大器將信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)并放大，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)采集測(cè)試儀采樣，采集到的信號(hào)可以通過(guò)顯示器實(shí)時(shí)顯示和處理。將信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)并放大實(shí)時(shí)顯示和處理3.振動(dòng)壓路機(jī)振動(dòng)測(cè)量實(shí)例振動(dòng)壓路機(jī)振動(dòng)測(cè)量實(shí)例各種建筑工程基礎(chǔ)壓實(shí)中經(jīng)常使用振動(dòng)壓路機(jī)它的振動(dòng)輪的壓實(shí)效果受多種因素的影響。通常被壓土壤性能影響工作中振動(dòng)輪的動(dòng)態(tài)性能，另外，為了實(shí)現(xiàn)高效壓實(shí)，振動(dòng)壓路機(jī)中各種運(yùn)行參數(shù)也隨被壓土壤生能自動(dòng)調(diào)整。振動(dòng)壓路機(jī)振動(dòng)輪的壓實(shí)效果受多種因素的影響被壓土壤性能影響振動(dòng)輪的動(dòng)態(tài)性能壓路機(jī)運(yùn)行參數(shù)隨土壤性能自動(dòng)調(diào)整采用圖3-2-18的壓路機(jī)振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，選擇某樣機(jī)在施工現(xiàn)場(chǎng)測(cè)取系統(tǒng)的主要響應(yīng)信號(hào)圖3-2-18壓路機(jī)振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)加速度計(jì)電荷放大器數(shù)據(jù)采集儀4.壓電式報(bào)警系統(tǒng)壓電式報(bào)警系統(tǒng)壓電式報(bào)警系統(tǒng)（見(jiàn)圖3-2-19）圖3-2-19壓電式報(bào)警系統(tǒng)框圖可用于重要位置出入口、周界安全防護(hù)等?？捎糜谥匾恢贸鋈肟?、周界安全防護(hù)將長(zhǎng)的壓電電纜埋在泥土的淺表層，起到分布式地下麥克風(fēng)的作用圖3-2-19壓電式報(bào)警系統(tǒng)框圖........................................................................分布式地下麥克風(fēng)同學(xué)們，以上我們學(xué)習(xí)了壓電式傳感器的應(yīng)用，大家都掌握了嗎？Thankyou謝謝大家謝謝大家項(xiàng)目三、力和壓力的檢測(cè)Understandingandprincipleofinductivesensor同學(xué)們，今天我們主要來(lái)學(xué)習(xí)電感式傳感器的認(rèn)識(shí)與原理。電感式傳感器的認(rèn)識(shí)與原理電感式傳感器的認(rèn)識(shí)與原理項(xiàng)目三、力和壓力的檢測(cè)電感式傳感器是利用電磁感應(yīng)把被測(cè)的物理量如位移、壓力、流量、振動(dòng)等轉(zhuǎn)換成線(xiàn)圈的自感系數(shù)和互感系數(shù)的變化，位移壓力流量振動(dòng)自感系數(shù)互感系數(shù)電壓或電流的變化量輸出，實(shí)現(xiàn)非電量到電量的轉(zhuǎn)換。自感系數(shù)互感系數(shù)位移壓力流量振動(dòng)電壓或電流的變化量輸出電感式傳感器具有以下特點(diǎn):（1）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，傳感器無(wú)活動(dòng)觸點(diǎn)，因此工作可靠、壽命長(zhǎng)。電感式傳感器的特點(diǎn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單工作可靠壽命長(zhǎng)（2）靈敏度和分辨率高，能測(cè)出0.01μm的位移變化。傳感器的輸出信號(hào)強(qiáng)，電壓靈敏度一般每毫米的位移可達(dá)數(shù)百毫伏的輸出。電感式傳感器的特點(diǎn)靈敏度和分辨率高傳感器的輸出信號(hào)強(qiáng)（3）線(xiàn)性度和重復(fù)性都比較好，在一定位移范圍(幾十微米至數(shù)毫米)內(nèi)，傳感器非線(xiàn)性誤差可達(dá)0.05%~0.1%。電感式傳感器的特點(diǎn)線(xiàn)性度和重復(fù)性較好一定范圍內(nèi)非線(xiàn)性誤差可達(dá)0.05%~0.1%同時(shí)，這種傳感器能實(shí)現(xiàn)信息的遠(yuǎn)距離傳輸、記錄、顯示和控制，它在工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)中被廣泛采用。電感式傳感器的特點(diǎn)能實(shí)現(xiàn)信息的遠(yuǎn)距離傳輸、記錄、顯示和控制但不足的是，它有頻率響應(yīng)較低、不適合快速動(dòng)態(tài)測(cè)控等缺點(diǎn)。電感式傳感器的缺點(diǎn)頻率響應(yīng)較低不適合快速動(dòng)態(tài)測(cè)控接下來(lái)，我們來(lái)學(xué)習(xí)一下電感式傳感器原理。電感式傳感器原理電感式傳感器與磁電式傳感器都是通過(guò)磁阻變化將非電量轉(zhuǎn)化成電量的原理制成的，將其分開(kāi)是根據(jù)改變磁阻方式不同。通過(guò)磁阻變化將非電量轉(zhuǎn)化成電量改變磁阻方式不同電感式傳感器是利用線(xiàn)圈自感或互感的改變實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)變的原理制成的。利用線(xiàn)圈自感或互感的改變實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)變電感式傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、輸出功率大、抗干擾能力強(qiáng)、分辨率較高、穩(wěn)定性好、工作環(huán)境要求低等優(yōu)點(diǎn)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單工作可靠輸出功率大抗干擾能力強(qiáng)分辨率較高穩(wěn)定性好工作環(huán)境要求低，但也有其缺點(diǎn)，如頻率響應(yīng)低，不適用于快速動(dòng)態(tài)量的測(cè)量。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單工作可靠輸出功率大抗干擾能力強(qiáng)分辨率較高穩(wěn)定性好工作環(huán)境要求低頻率響應(yīng)低不適用快速動(dòng)態(tài)量測(cè)量一般情況下，電感式傳感器的分辨力和示值誤差與示值范圍有關(guān)，示值范圍大時(shí)分辨力和示值精度都將相應(yīng)降低。電感式傳感器的分辨力和示值誤差與示值范圍有關(guān)，示值范圍大時(shí)分辨力和示值精度都將相應(yīng)降低。1.自感式傳感器自感式傳感器的工作原理，如圖3-3-2所示。圖3-3-2自感式傳感器的原理圖1—線(xiàn)圈；2—鐵心；3—銜鐵1.自感式傳感器設(shè)線(xiàn)圈的匝數(shù)為N，通入線(xiàn)圈中的電流為I，每匝線(xiàn)圈產(chǎn)生的磁通為Φ，由電感定義有匝數(shù)電流磁通1.自感式傳感器NIΦ(3-3-1)圖3-3-2自感式傳感器的原理圖1—線(xiàn)圈；2—鐵心；3—銜鐵設(shè)磁路總磁阻為RM，磁通為匝數(shù)電流磁通1.自感式傳感器NIΦ(3-3-1)總磁阻RM(3-3-2)圖3-3-2自感式傳感器的原理圖1—線(xiàn)圈；2—鐵心；3—銜鐵由圖3-3-2可知磁路的總磁阻RM是由鐵心磁阻Rf和空氣隙磁阻組成的，即1.自感式傳感器圖3-3-2自感式傳感器的原理圖1—線(xiàn)圈；2—鐵心；3—銜鐵總磁阻RM=鐵心磁阻+空氣隙磁阻(3-3-3)因?yàn)橐话銓?dǎo)磁體的磁阻與空氣隙的磁阻相比是很小的,計(jì)算時(shí)可以忽略不計(jì)1.自感式傳感器一般導(dǎo)磁體的磁阻與空氣隙的磁阻相比很小將式(3-3-2)、(3-3-3）代入式(3-3-1)得(3-3-1)(3-3-2)(3-3-3)1.自感式傳感器(3-3-4)目前常用的自感式傳感器有：變間隙型、變面積型和螺管插鐵型三種。變間隙型傳感器變面積型傳感器螺管插鐵型傳感器（1）變間隙型電感傳感器變間隙型傳感器變面積型傳感器螺管插鐵型傳感器變氣隙型電感傳感器的原理圖如圖3-3-3所示，其電感可由式(3-3-4)得到。當(dāng)S、μ為常數(shù)時(shí)，由式(3-3-4）可知L與δ成反比，如圖3-3-3所示。圖3-3-3變隙式電壓傳感器的L--δ特性(3-3-4)當(dāng)S、μ為常數(shù)時(shí)L與δ成反比設(shè)初始情況下，氣隙長(zhǎng)度為δ0，電感初值為L(zhǎng)0，有圖3-3-3變隙式電壓傳感器的L--δ特性(3-3-5)δ0L0當(dāng)銜鐵隨外作用力向上移動(dòng)Δδ時(shí)，氣隙減少為δ=δ0-Δδ，則此時(shí)的電感量變?yōu)?，電感的變化量為，電感的相?duì)變化量圖3-3-3變隙式電壓傳感器的L--δ特性(3-3-6)δ0L0δΔ-LΔ+(3-3-7)(3-3-8)當(dāng)Δδ/δ0＜＜1時(shí)，可將上式展開(kāi)成級(jí)數(shù)：圖3-3-3變隙式電壓傳感器的L--δ特性(3-3-6)δ0L0δΔ-LΔ+(3-3-7)(3-3-8)當(dāng)Δδ/δ0＜＜1時(shí)(3-3-9)同時(shí)，當(dāng)銜鐵隨外作用力向下移動(dòng)時(shí)，氣隙增大，變?yōu)棣?δ0+Δδ。當(dāng)Δδ/δ0＜＜1時(shí)，電感相對(duì)變化量展開(kāi)成級(jí)數(shù)有圖3-3-3變隙式電壓傳感器的L--δ特性δ0L0δΔ+LΔ-當(dāng)Δδ/δ0＜＜1時(shí)(3-3-10)優(yōu)缺點(diǎn)：變間隙型傳感器的靈敏度最高，但隨間隙的增大而降低；但非線(xiàn)性誤差大，解決辦法是限制量程，一般為間隙的1/5以下，這種傳感器的制作裝配比較困難。靈敏度最高，但隨間隙的增大而降低非線(xiàn)性誤差大制作裝配比較困難變間隙型傳感器（2）變面積型電感傳感器變間隙型傳感器變面積型傳感器螺管插鐵型傳感器變面積型電感傳感器的結(jié)構(gòu)如圖3-3-4所示圖3-3-4變面積型電感傳感器的結(jié)構(gòu)初始磁通截面S=aba：鐵心截面長(zhǎng)b：鐵心截面寬當(dāng)銜鐵隨外作用力沿鐵心截面長(zhǎng)度方向向下移動(dòng)x時(shí)，電感量為當(dāng)銜鐵沿鐵心截面長(zhǎng)度方向向下移動(dòng)x時(shí)(3-3-11）(3-3-12）常數(shù)優(yōu)缺點(diǎn)：變面積型傳感器的靈敏度沒(méi)變間隙型的小，但理論靈敏度為一常數(shù)，因而線(xiàn)性度好、量程較大、使用比較廣泛。靈敏度略小線(xiàn)性度好量程較大變面積型傳感器使用較廣泛（3）螺管插鐵型電感傳感器變間隙型傳感器變面積型傳感器螺管插鐵型傳感器螺旋管型電感傳感器的結(jié)構(gòu)如圖3-3-5所示。它是在螺旋線(xiàn)圈中放入銜鐵形成的。銜鐵在外力作用下可以前后運(yùn)動(dòng)，使得線(xiàn)圈的電感量發(fā)生變化。圖3-3-5螺管插鐵型電感傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖設(shè)線(xiàn)圈內(nèi)磁場(chǎng)強(qiáng)度是均勻的，螺管線(xiàn)圈全長(zhǎng)為l，半徑為r，匝數(shù)為N，則其電感為圖3-3-5螺管插鐵型電感傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖..................線(xiàn)圈全長(zhǎng)線(xiàn)圈半徑線(xiàn)圈匝數(shù)lrN(3-3-13)....................................當(dāng)鐵心插入線(xiàn)圈內(nèi)時(shí)，使插入部分的磁阻下降，所以磁感應(yīng)強(qiáng)度增大，從而使電感值增加，圖3-3-5螺管插鐵型電感傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖插入部分的磁阻下降磁感應(yīng)強(qiáng)度增大電感值增加設(shè)鐵心半徑為rc，鐵心材料導(dǎo)磁率為μm，鐵心插入線(xiàn)圈內(nèi)長(zhǎng)度為lc（lc＜l），那么電感為圖3-3-5螺管插鐵型電感傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖鐵心半徑導(dǎo)磁率插入長(zhǎng)度rcμmlc(3-3-14)若lc增加Δlc時(shí)，電感增加ΔL，有l(wèi)c增加Δlc電感增加ΔL(3-3-15)(3-3-16)(3-3-17)當(dāng)線(xiàn)圈參數(shù)和銜鐵尺寸一定時(shí)，電感相對(duì)變化量與銜鐵插入長(zhǎng)度的相對(duì)變化量成正比，但由于線(xiàn)圈內(nèi)磁場(chǎng)強(qiáng)度沿軸向分布并不均勻，因而這種傳感器輸出特性為非線(xiàn)性。當(dāng)線(xiàn)圈參數(shù)和銜鐵尺寸一定時(shí)，電感相對(duì)變化量與銜鐵插入長(zhǎng)度的相對(duì)變化量成正比，但線(xiàn)圈內(nèi)磁場(chǎng)強(qiáng)度沿軸向分布并不均勻。輸出特性為非線(xiàn)性?xún)?yōu)缺點(diǎn)：螺管型的靈敏度比變面積型的還低，但它的量程大、線(xiàn)性度較好，制造裝配方便，與變面積型相比,批量生產(chǎn)的互換性強(qiáng)，應(yīng)用也越來(lái)越多。靈敏度更小量程大、線(xiàn)性度較好制造裝配方便螺管插鐵型傳感器批量生產(chǎn)的互換性強(qiáng)2.互感式傳感器互感式傳感器是一種線(xiàn)圈互感隨銜鐵位移變化的變磁阻式傳感器，2.互感式傳感器線(xiàn)圈互感隨銜鐵位移變化的變磁阻式傳感器其工作原理類(lèi)似于變壓器，也叫做變壓器式傳感器。2.互感式傳感器=變壓器式傳感器不同的是，變壓器是閉合磁路，而差動(dòng)變壓器為開(kāi)路；變壓器的初、次級(jí)間的互感為常數(shù)，而差動(dòng)變壓器初、次級(jí)間的互感隨銜鐵移動(dòng)而變化。閉合磁路互感為常數(shù)開(kāi)放磁路互感隨銜鐵移動(dòng)而變化這種傳感器多采用差動(dòng)形式。差動(dòng)變壓器結(jié)構(gòu)形式有變隙式、變面積式和螺線(xiàn)管式等，變隙式差動(dòng)傳感器變面積式差動(dòng)傳感器螺線(xiàn)管式差動(dòng)傳感器如圖3-3-6所示。圖3-3-6差動(dòng)變壓器式傳感器結(jié)構(gòu)示意圖圖3-3-6（a）是銜鐵為圓柱型的螺管式差動(dòng)傳感器，在非電量測(cè)量中,應(yīng)用最多的是螺線(xiàn)管式差動(dòng)變壓器，它可以測(cè)量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)。螺管式差動(dòng)傳感器非電量測(cè)量中應(yīng)用最多可測(cè)量1～100mm的機(jī)械位移測(cè)量精度高靈敏度高結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單性能可靠圖3-3-6（b）銜鐵為平板形，靈敏度較高，但測(cè)量范圍較窄，一般用于測(cè)量幾微米至幾百微米的機(jī)械位移。此外，還有銜鐵旋轉(zhuǎn)的用來(lái)測(cè)量幾角秒的微小角位移。平板銜鐵形差動(dòng)傳感器靈敏度較高測(cè)量范圍較窄測(cè)量幾微米至幾百微米的機(jī)械位移測(cè)量幾角秒的微小角位移假設(shè)閉磁路變隙式差動(dòng)變壓器的結(jié)構(gòu)如圖3-3-6(a)所示，在A(yíng)、B兩個(gè)鐵心上繞有W1a=W1b=W1的兩個(gè)初級(jí)繞組和W2a=W2b=W2兩個(gè)次級(jí)繞組。兩個(gè)初級(jí)繞組的同名端順向串聯(lián),而兩個(gè)次級(jí)繞組的同名端則反相串聯(lián)。順向串聯(lián)反向串聯(lián)當(dāng)沒(méi)有位移時(shí)，銜鐵C處于初始平衡位置，它與兩個(gè)鐵心的間隙為δao=δb0=δ0，則繞組W1a和W2a間的互感Ma與繞組W1b和W2b的互感Mb相等，致使兩個(gè)次級(jí)繞組的互感電勢(shì)相等，即e2a=e2b。由于次級(jí)繞組反相串聯(lián)，因此，差動(dòng)變壓器輸出電壓。銜鐵與鐵心的間隙：δao=δb0=δ0互感：Ma=Mb次級(jí)繞組的互感電勢(shì)：e2a=e2bU0=e2a-e2b=0當(dāng)被測(cè)體有位移時(shí)，與被測(cè)體相連的銜鐵的位置將發(fā)生相應(yīng)的變化，使δa≠δb，互感Ma≠M(fèi)b，兩次級(jí)繞組的互感電勢(shì)e2a≠e2b，輸出電壓，銜鐵與鐵心的間隙：δa≠δb互感：Ma≠M(fèi)b次級(jí)繞組的互感電勢(shì)：e2a≠e2bU0=e2a-e2b≠0即差動(dòng)變壓器有電壓輸出，此電壓的大小與極性反映被測(cè)體位移的大小和方向。差動(dòng)變壓器有電壓輸出電壓的大小與極性反映被測(cè)體位移的大小和方向當(dāng)r1a＜＜WL1a，r1b＜＜WL1b時(shí)，如果不考慮鐵心與銜鐵中的磁阻影響，對(duì)圖3-3-7所示的等效電路進(jìn)行分析，可得變隙式差動(dòng)變壓器輸出電壓U0的表達(dá)式，即圖3-3-7螺線(xiàn)管式差動(dòng)變壓器原理圖r1a＜＜wL1ar1b＜＜wL1b不考慮鐵心與銜鐵中的磁阻影響(3-3-18)當(dāng)銜鐵處于初始平衡位置時(shí)，因δa=δb=δc則U=0。圖3-3-7螺線(xiàn)管式差動(dòng)變壓器原理圖(3-3-18)δa=δb=δcU=0(3-3-19)如果被測(cè)體帶動(dòng)銜鐵移動(dòng)，例如向上移動(dòng)Δδ（假設(shè)向上移動(dòng)為正)時(shí)，則有δa=δ0-Δδ，δb=δ0+Δδ，代入上式可得圖3-3-7螺線(xiàn)管式差動(dòng)變壓器原理圖(3-3-18)δa=δ0-Δδ，δb=δ0+Δδ上式表明:變壓器輸出電壓U。與銜鐵位移量Δδ/Δδ0成正比。(3-3-19)圖3-3-7螺線(xiàn)管式差動(dòng)變壓器原理圖(3-3-18)輸出電壓U0與銜鐵位移量Δδ/Δδ0成正比“-”號(hào)的意義：當(dāng)銜鐵向上移動(dòng)時(shí)，Δδ/Δδ0定義為正，變壓器輸出電壓U0與輸入電壓Ui反相（相位差180°)(3-3-19)圖3-3-7螺線(xiàn)管式差動(dòng)變壓器原理圖Δδ/Δδ0定義為正輸出電壓U0與輸入電壓Ui反相而當(dāng)銜鐵向下移動(dòng)時(shí),Δδ/Δδ0則為-|

Δδ/Δδ0|，表明U0與Ui同相。(3-3-19)圖3-3-7螺線(xiàn)管式差動(dòng)變壓器原理圖Δδ/Δδ0定義為負(fù)輸出電壓U0與輸入電壓Ui同相由式(3-3-19）可得變隙式差動(dòng)變壓器靈敏度K的表達(dá)式為(3-3-19)圖3-3-7螺線(xiàn)管式差動(dòng)變壓器原理圖(3-3-20)由此可見(jiàn)，對(duì)這種傳感器有如下結(jié)論：（1）供電電源必須是穩(wěn)幅和穩(wěn)頻的?；ジ惺絺鞲衅鞴╇婋娫幢仨毷欠€(wěn)幅和穩(wěn)頻的W1/W2比值越大，靈敏度越高（3）初始?xì)庀恫灰诉^(guò)大，否則靈敏度降低?；ジ惺絺鞲衅鞒跏?xì)庀哆^(guò)大靈敏度會(huì)降低（4）電源的幅值應(yīng)適當(dāng)提高，但以鐵心不飽和為限，還應(yīng)考慮傳感器散熱條件，以保證在允許溫升限度內(nèi)，否則要引進(jìn)附加誤差。電源的幅值應(yīng)適當(dāng)提高，但以鐵心不飽和為限，還應(yīng)考慮傳感器散熱條件，以保證在允許溫升限度內(nèi)，否則要引進(jìn)附加誤差。互感式傳感器供電電源頻率的選取：一般材料做的傳感器一次線(xiàn)圈的供電頻率不宜高于8kHz。（6）上述公式都是在不考慮鐵損及寄生電容的情況下推導(dǎo)的。當(dāng)供電頻率較高時(shí)，或供電頻率雖不高，但鐵心使用實(shí)心整體鐵心時(shí)，必須考慮鐵損造成的影響?；ジ惺絺鞲衅鳟?dāng)供電頻率較高時(shí)，或供電頻率雖不高，但鐵心使用實(shí)心整體鐵心時(shí)，必須考慮鐵損造成的影響。(3-3-19)(3-3-18)(3-3-20)上述推導(dǎo)假定副端開(kāi)路，等于要求二次測(cè)量線(xiàn)路中有足夠大的輸入阻抗。同學(xué)們，本節(jié)課我們學(xué)習(xí)了電感式傳感器的認(rèn)識(shí)與原理，大家都掌握了嗎？Thankyou謝謝大家謝謝大家項(xiàng)目三、力和壓力的檢測(cè)Themeasuringcircuitofaninductivesensor同學(xué)們，今天我們學(xué)習(xí)的主要內(nèi)容是電感式傳感器的測(cè)量電路。電感式傳感器的測(cè)量電路電感式傳感器的測(cè)量電路項(xiàng)目三、力和壓力的檢測(cè)第一種是自感式傳感器的測(cè)量電路。自感式傳感器的測(cè)量電路交流電橋是電感式傳感器的主要測(cè)量電路，它的作用是將線(xiàn)圈電感的變化轉(zhuǎn)換成電橋電路的電壓或電流輸出。電感式傳感器的主要測(cè)量電路線(xiàn)圈電感的變化交流電橋電橋電路的電壓或電流輸出差分式結(jié)構(gòu)可以提高靈敏度、改善線(xiàn)性，所以交流電橋也多采用雙臂工作形式。提高靈敏度交流電橋多采用雙臂工作形式差分式結(jié)構(gòu)改善線(xiàn)性通常將傳感器作為電橋的兩個(gè)工作臂，電橋的平衡臂可以是純電阻也可以是變壓器的二次繞組或緊耦合電感線(xiàn)圈。傳感器純電阻二次繞組工作臂平衡臂電感線(xiàn)圈（1）電阻平衡電橋電阻平衡電橋如圖3-3-8(a)所示。1.電阻平衡電橋圖3-3-8電橋Z1，Z2為傳感器阻抗。Z1=Z2=Z=R+jwL，另有R1=R2=R'。....................................Z1=Z2=Z=R+jwLR1=R2=R'由于電橋工作臂是差分形式，則在工作時(shí)，Z1=Z+ΔZ和Z2=Z-ΔZ，電橋的輸出電壓為Z1=Z+ΔZZ2=Z-ΔZ當(dāng)ωL>>R時(shí)，上式可寫(xiě)為由上式可以看出，交流電橋的輸出電壓與傳感器線(xiàn)圈電感的相對(duì)變化量是成正比的。當(dāng)ωL>>R時(shí)交流電橋的輸出電壓傳感器線(xiàn)圈電感的相對(duì)變化量成正比（2）變壓器式電橋變壓器式電橋如圖3-3-2(b)所示。2.變壓器式電橋圖3-3-8電橋它的平衡臂為變壓器的二次繞組，當(dāng)負(fù)載阻抗無(wú)窮大時(shí)，輸