第四章常用傳感器.

1、表4 1常用傳感器第四章常用傳感器原理及應(yīng)用4-0 概 述現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)通常是用傳感器把被測(cè)物理量轉(zhuǎn)換成容易檢測(cè)、傳輸和處理的電信號(hào)，然 后由測(cè)試裝置的其他部分進(jìn)行后續(xù)處理。傳感器的作用類似于人的感覺器官，也可以認(rèn)為傳感器是人類感官的延伸。傳感器一般由敏感元件和其他輔助零件組成。敏感元件直接感受被測(cè)量并將其轉(zhuǎn)換成另 一種信號(hào)，是傳感器的核心。傳感器處于測(cè)試裝置的輸入端，其性能直接影響整個(gè)測(cè)試裝置和測(cè)試結(jié)果的可靠性。傳感器技術(shù)是測(cè)試技術(shù)的重要分支，受到普遍重視，并且已經(jīng)在工業(yè)生產(chǎn)以及科學(xué)技術(shù) 各領(lǐng)域中發(fā)揮并將繼續(xù)發(fā)揮重要作用。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，傳感器正在向高度集成化、智能化方向迅速發(fā)展。物理量電

2、測(cè)傳感器種類繁多。一種物理量往往可以用多種類型的傳感器檢測(cè)；一種傳感 器可以測(cè)量多種物理量。科學(xué)的分類無(wú)疑將有益于傳感器技術(shù)的發(fā)展。傳感器分類方法也很多，且目前尚無(wú)統(tǒng)一規(guī)定。按被測(cè)物理量分類，可分為力傳感器、 位移傳感器、溫度傳感器等；按工作的物理基礎(chǔ)分類，可分為機(jī)械式、電氣式、光學(xué)式、流 體式等；按信號(hào)變換特征可分為物性型與結(jié)構(gòu)型；瞬量關(guān)系可分為能量轉(zhuǎn)換型和能量控制 型等等。結(jié)構(gòu)型傳感器是依靠其結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化實(shí)現(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)換。例如，電容式傳感器依靠其極板 間距離引起電容量變化；電感式傳感器是基于位移引起自感或互感變化等。物性型傳感器不 改變其結(jié)構(gòu)參數(shù)而是靠其敏感元件物理性能的變化實(shí)現(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)換。例

3、如，壓電式力傳感器通 過(guò)石英晶體的壓電效應(yīng)把力轉(zhuǎn)換成電荷。能量轉(zhuǎn)換到傳感器并不具備能源，而是靠從被測(cè)對(duì)象輸入能量使其工作，如熱電偶溫度 將被測(cè)對(duì)象的熱能轉(zhuǎn)換成電能。被測(cè)對(duì)象與傳感器之間的能量傳輸，必然改變被測(cè)對(duì)象的 狀態(tài)，造成測(cè)量誤差。容易理解，能量控制型傳感器目備能 源，被測(cè)物理量?jī)H控制能源所提供能量的變 化。例如，電阻應(yīng)變片接入電橋測(cè)量應(yīng)變 時(shí)，被測(cè)量以應(yīng)變片電阻的形式控制電橋的 失衡程度，從而完成信號(hào)的轉(zhuǎn)換。表4 1列出了部分常用傳感器的名稱、 工作原理及應(yīng)用等概況。需要指出，在不同情況下，傳感器可能圖4 1閉環(huán)伺服加速度計(jì)框圖是一個(gè)很小的敏感元件，例如應(yīng)變片、霍爾元件等；也可能是一個(gè)小

4、型裝置，例如電容式伺 服加速度計(jì)，亦稱力反饋式加速度計(jì)，這是一種性能優(yōu)良的加速度傳感器，體積也并不大， 但實(shí)際上是一個(gè)小型閉環(huán)測(cè)量系統(tǒng)，如4 1。類型名稱變換墾被測(cè)量應(yīng)用舉例性能指標(biāo) -服參考電位計(jì)位移-電阻位移直線電位計(jì)分辮力 n. 025 fl. 05mm直線性0.05-0.1%電阻絲應(yīng)變片略變-電阻力、位移、應(yīng) 變應(yīng)變儀最小應(yīng)變1 2砂最木冊(cè)力(0.1-1) N半導(dǎo)體應(yīng)變片形變丄電阻九加速?gòu)B應(yīng)變儀電棄位移-電容位移、力、聲電容測(cè)微儀分辨力0.025電電渦麵位移-自感位移、測(cè)厚渦流式測(cè)振儀測(cè)雖范圍15mm分攀力1站m電感位移-巾感位移、力電感測(cè)微儀分辨力D.Spna及淮改變壓器位移-互感位

5、移、力電感比較儀!分辨力O.jiini電金電元件力r電荷力、加遠(yuǎn)度沏力計(jì)分辨力OOIN壓電元件一力-電荷力V 加速度加速度計(jì)頻率 0TlH2-20kIk (102-IO5 ms_i子壓磁元件力-磁導(dǎo)率力、扭短測(cè)力計(jì)式熱電偶沮度-電勢(shì)溫度-熱電溫蟻計(jì)測(cè)址范圍0-1 600V餐爾元件位移-電勢(shì).位移位移傳感器測(cè)啟范圍0 12mrn直線性1輻熱敏電阻溫度-電阻溫度半導(dǎo)休鑑度計(jì)測(cè)塑范圍-10-300V氣敏電阻氣體-溫度可燃rj本氣敏故測(cè)儀光敏電魁光-電皚開、關(guān)址光電池光-電壓確光電池靈敏度500pA/ni光就晶怵管光亠電流轉(zhuǎn)速、位移光電轉(zhuǎn)建儀礙大截止頻率5他血紅外熱-電溫度、物卑有無(wú)紅外測(cè)溫儀測(cè)量范1

6、01 3Q0V分辨力fl.11：輻X射線敵射干涉測(cè)厚、探怔、 應(yīng)力X射線應(yīng)力儀丫射縊對(duì)物質(zhì)穿逢測(cè)厚、操愣了射線測(cè)厚儀射敷光光液干涉長(zhǎng)度、位移轉(zhuǎn) 角激光測(cè)飪儀勰距2m分辨力0.2式,超聲超肖液反射、 穿透厚度、探傷超聲波測(cè)厚牧測(cè)瑩曲帀4 -40mm 測(cè)量睛密度丄0.25mmB射線穿透作用厚度、成分分析氣動(dòng)尺寸-壓力艮寸、物體大 小氣動(dòng)星儀可測(cè)最小直徑0.05-0.D76mm流氣動(dòng)間隙-壓力距坯氣動(dòng)董儀測(cè)量間隙6mm 分辨力0.025mm律液體壓力平衡.壓力活塞壓力計(jì)測(cè)就墻密度0.02%-0.2%式液悴靜壓變牝節(jié)腕式流量計(jì)掖體流體阻力變化轉(zhuǎn)子式流量計(jì)傳感器種類繁多，而且許多傳感器的應(yīng)用范圍又很寬，

7、如何合理選用傳感器是測(cè)試工作 中的一個(gè)重要問(wèn)題。對(duì)傳感器的要求，因使用的技術(shù)領(lǐng)域、對(duì)象特性、環(huán)境和精度等要求的 不同而有很大區(qū)別，但就其共性而言，選擇傳感器應(yīng)主要考慮以下方面： 輸入與輸出之間成比例關(guān)系，直線性好，靈敏度高； 動(dòng)態(tài)特性優(yōu)良； 滯后、漂移誤差??； 內(nèi)部噪聲小，且抗干擾能力強(qiáng) 橫向靈敏度、交叉靈敏度?。?測(cè)量時(shí)對(duì)被測(cè)對(duì)象影響??； 重復(fù)精度高； 穩(wěn)定性好； 功耗??； 易于維修和校準(zhǔn)，使用方便。傳感器在實(shí)際條件下的工作方式，也是選用傳感器時(shí)應(yīng)考慮的重要因素。例如，接觸式 量與非接觸式測(cè)量；在線與離線測(cè)量等。當(dāng)然，傳感器不可能滿足上述全部性能要求，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況綜合考慮，適當(dāng)選擇變換 理

8、、結(jié)構(gòu)形式、基本特性等以滿足測(cè)試要求。4-1電阻式傳感器電阻式傳感器是一種把被測(cè)的量轉(zhuǎn)換成電阻變化的傳感器，按其工作原理分為變阻器式 電阻應(yīng)變式兩類。變阻器式傳感器變阻器式傳感器也稱為電位器式傳感器。根據(jù)歐姆定律R =丄(門)(4 1)A式中 p 電阻率(Q mm 2 / m)l 電阻絲長(zhǎng)度(m)A 電阻絲截面積(mm 2)當(dāng)電阻絲直徑與材料一定時(shí)，電阻隨電阻絲長(zhǎng)度而變化。常用變阻器式傳感器有直線位移型、角位移型等，如圖4 2所示。由圖可知，變阻器式 傳感器為一三端電阻器件，調(diào)節(jié)動(dòng)觸點(diǎn)位置可將被測(cè)位移等變換為電阻變化。圖4 2a為直線位移型，被測(cè)位移使觸點(diǎn)C沿變阻器移動(dòng)，C點(diǎn)與A點(diǎn)之間電阻傳感

9、器靈敏度dRSkidx仙)建線位蔣型4)角位移型圖4 2 變阻器式傳感器當(dāng)導(dǎo)線分布均勻時(shí)，單位位移時(shí)的電阻值是ki為一常數(shù)，傳感器的輸出與輸入成線性關(guān)系。圖4 2b為角位移型變阻器式傳感器，其電阻值隨轉(zhuǎn)角變化。其靈敏度為dR*da仏(4 3)式中 一轉(zhuǎn)角(rad)；k：.單位弧度對(duì)應(yīng)的電阻值，當(dāng)導(dǎo)線分布均勻時(shí)，k：.為常數(shù)。圖4 2c是一種非線性變阻器式傳感器。當(dāng)被測(cè)量與變阻器觸點(diǎn)位移x成某種函數(shù)關(guān) 系，若要獲得與被測(cè)量成線性關(guān)系的輸出，則要應(yīng)用這種非線性型的變阻器式傳感器。這種 傳感器的骨架形狀需根據(jù)所要求的輸出函數(shù)確定。例如被測(cè)量為f ( x) =kx2，為要使輸出電阻R (x)與f(x)

10、為線性關(guān)系，則變阻器骨架應(yīng)作成直角 三角形。如f ( x) =kx3,則應(yīng)采用拋物線形的骨架?？紤]負(fù)載效應(yīng)后，傳感器的輸出電壓可按圖4 3 所示電阻分壓關(guān)系確定eoxRlXp式中Rp 變阻器總電阻；xp 變阻器總長(zhǎng)度；Rl 負(fù)載電阻，應(yīng)使RlRp。變阻器式傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定，使用方便。 因受電阻絲直徑的限制，分辨力很難優(yōu)于20m。觸點(diǎn) 和電阻絲接觸表面磨損、塵埃附著等將使觸點(diǎn)移動(dòng)中 接觸電阻發(fā)生不規(guī)則的變化，產(chǎn)生噪聲。用導(dǎo)電塑料制 成的變阻器性能得到顯著改善，多用于數(shù)控系統(tǒng)中。_s-gsBE=a4-3 變阻器式傳感器的輸岀電阻應(yīng)變式傳感器電阻應(yīng)變式傳感器分為金屬電阻應(yīng)變片式與半導(dǎo)體應(yīng)變片

11、式。1.金屬電阻應(yīng)變片金屬電阻應(yīng)變片有絲式、箔式兩種。其工作原理都是基于在發(fā)生機(jī)械變形時(shí)，電阻值發(fā)生變化。圖44為幾種應(yīng)用最廣的絲式和箔式金屬電 阻應(yīng)變片。如圖4 5所示，金屬絲式應(yīng)變片的高電阻率電阻絲(直徑約為0. 025mm)制成的敏感 柵粘貼在絕緣的基片與覆蓋層之間，并由引出線引出。(d)S圖44幾種常用的應(yīng)變片圖4 5電阻絲應(yīng)變片1 敏感柵；2基片；3覆蓋層；4引出線金屬箔式應(yīng)變片的箔柵采用光刻技術(shù)，以大量生產(chǎn)方式制造。其線條均勻，尺寸準(zhǔn)確， 阻值一致性好。箔柵的粘貼性能、散熱性能均優(yōu)于絲柵，允許通過(guò)較大電流。因此目前大多 使用金屬箔式應(yīng)變片。當(dāng)敏感柵在工作中產(chǎn)生變形時(shí)，其電阻值發(fā)生相

12、應(yīng)變化。由于R =-（ 4 5，）A敏感柵變形，則電阻絲（或箔柵線條）的長(zhǎng)度丨、截面積A和電阻率p均發(fā)生變化。當(dāng)每一 可變因素分別有一增量d丨、dA和d 時(shí)，所引起的電阻增量為dR二迅dldA空 cLcAcP式中2,A =席；r為電阻絲半徑。所以電阻相對(duì)變化為dRdldrd?=-2+RlrP式中dl l -電阻絲軸向相對(duì)變形，或稱縱向（軸向）應(yīng)變；dr r 電阻絲徑向相對(duì)變形，或稱橫向應(yīng)變。當(dāng)電阻絲沿軸向伸長(zhǎng)時(shí)，必沿徑向縮小，兩者之間的關(guān)系為dr _ j dl rl式中 一電阻絲材料的泊桑比。(4 7)d 一電阻率相對(duì)變化，與電阻絲軸向所受正應(yīng)力二有關(guān)。d=AXJ(4 8)式中 E電阻絲材料的

13、彈性模量；壓阻系數(shù)，與材料有關(guān)。由此，式（4 6）可改寫為dR（1 -2- - E） ：（ 4 9）R金屬電阻材料的 E很小，即其壓阻效應(yīng)很弱。因此 Es項(xiàng)所代表電阻率隨應(yīng)變的改變引起的電阻變化叫以忽略。這樣上式可簡(jiǎn)化為dR（12）；（4 10）R上式表明，應(yīng)變片電阻相對(duì)變化與應(yīng)變成正比，其靈敏度S=dR-R =12二常數(shù)（4 11 ）dl /丨用于制造電阻應(yīng)變片的電阻材料的應(yīng)變系數(shù)或稱靈敏度系數(shù)Ko多在1.73.6之間。金屬電阻應(yīng)變片的靈敏度S : Ko。常用金屬電阻材料物理性能見表4 2。表42常用電阻絲材料性能材料名稱成分靈敏系數(shù)Ko在20 C時(shí)的電阻率吆m在0100 C內(nèi)電阻溫度系數(shù)X

14、 106/C最咼使用溫度對(duì)銅的熱電勢(shì)卩V/C線膨脹系數(shù)X 106 / C元素%康銅Ni451. 92. 10. 45 0. 52 20300 （靜態(tài)）431 5Cu55400（動(dòng)態(tài)）鎳鉻合金Ni802. 12 . 30 . 9 1. 111 0 130450（靜態(tài)）3. 814Cr20800（動(dòng)態(tài)）鎳鉻鋁合金Ni14Cr202. 42 . 61 . 24 1 . 42 20450（靜態(tài)）Al3800（動(dòng)態(tài)）3Cu3鎳鉻鋁合金Fe7513.3（6J2 2，卡馬合Cr202. 42 . 61 . 24 1 . 42 20450（靜態(tài)）3金）Al3800（動(dòng)態(tài)）Cu2鐵鉻鋁合金Fe70700（靜態(tài)）

15、（6J2 3）Cr252. 81 . 3 1 . 530 401000（動(dòng)態(tài)）2314Al5鉑Pt100460. 09 0. 113900800（靜態(tài)）7. 68. 9鉑鎢合金Pt923. 50. 682271000（動(dòng)態(tài)）6. 18. 39. 2W82.半導(dǎo)體應(yīng)變片圖4 6所示為半導(dǎo)體應(yīng)變片。其工作原理是基于半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)，即受力變形時(shí)電阻率發(fā)生變化。單晶半導(dǎo)體受力變形時(shí)，原子點(diǎn)陣排列規(guī)律發(fā)生變化，導(dǎo)致載流子濃度和遷移率改變， 引起其電阻率變化。式(4 9)中(1 - 2):項(xiàng)是幾何尺寸變化引起的， E :是由于電阻率變化引起的。對(duì)半導(dǎo)體材料而言，后者遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于前者。因此，可把式(4 9

16、)簡(jiǎn)化為dRR半導(dǎo)體應(yīng)變片的靈敏度(4 12)dR/R(4 13)其數(shù)值一般比金屬電阻應(yīng)變片的靈敏度值大5070倍。幾種常 圖4 6半導(dǎo)體應(yīng)變片用半導(dǎo)體材料特性列于表4 3。1 膠膜基片；2 半導(dǎo)體敏感 元件； 3 內(nèi)引線；4 焊盤； 5 外引線表43常用半導(dǎo)體材料特性材料電阻率 p彈性模量E靈敏度晶向Q CmX 107 N/ cm2p型硅7.81. 87175111n型硅11. 71. 23-132100p型錯(cuò)15. 01. 55102111n型錯(cuò)1 6. 61. 55-157111n型錯(cuò)1.51. 55-147111p型銻化銦0.54-45100p型銻化銦0. 010. 74 530111

17、n型銻化銦0.013-74. 5100半導(dǎo)體應(yīng)變片的特點(diǎn)是靈敏度高、機(jī)械滯后和橫向效應(yīng)小，測(cè)量范圍大，頻響范圍寬。 其最大缺點(diǎn)是溫度穩(wěn)定性差、靈敏度分散性較大以及在較大應(yīng)變作用下，非線性誤差大等。近來(lái)，已研制出的集成應(yīng)變組件在傳感器小型化和特性改善方面有了很大進(jìn)展。應(yīng)變片的直接應(yīng)用和電阻應(yīng)變式傳感器分別示于圖4 7和圖4 8。Ca圖4 8 電阻應(yīng)變式傳感器圖4 7 電阻應(yīng)變片的應(yīng)用第三節(jié)電感式傳感器電感式傳感器以電磁感應(yīng)為基礎(chǔ)，把被測(cè)量轉(zhuǎn)換為電感量變化。常分布可變磁阻式、電渦流式和差動(dòng)變壓器式等類型?？勺兇抛枋诫姼袀鞲衅骺勺兇抛枋絺鞲衅鞯脑砣鐖D4 9所示， 由線圈、鐵芯和銜鐵組成，鐵芯與銜鐵

18、之間有空氣隙3。當(dāng)線圈中通以電流i時(shí)，由此產(chǎn)生的磁通,其大小與電流成正比，即式中 N 線圈匝數(shù);L 線圈自感（H）。 根據(jù)磁路歐姆定律NiN i 磁動(dòng)勢(shì)(A);(4 14)(4 15)Rm 磁路總磁阻（H 1）。圖49可變磁阻式傳感器原理把式線圈 2鐵芯入式-銜4 14）代入（4-14）得：(4 16)N2Rm若不計(jì)磁路鐵損，且令空氣隙3很小，則磁路總磁阻為Rm -l2、:+3%A0(4 17)式中1 鐵芯導(dǎo)磁長(zhǎng)度(m);_-鐵芯磁導(dǎo)率(H / m);A 鐵芯導(dǎo)磁截面積(m2);-空氣隙長(zhǎng)度(m);0-空氣隙磁導(dǎo)率，“ 0=4門：107(H / m);A 0 -空氣隙導(dǎo)磁截面積(m2)。與空氣

19、隙磁阻相比，鐵芯磁阻一般很小，計(jì)算時(shí)可以忽略，于是D 2Rm:“m皿(4 -18)代入式(4 16),則2N 0A0L 二(4 -19)2/*此式表明， 自感L與氣隙長(zhǎng)度成反比，而與氣隙導(dǎo)磁截面積Ao成正比。當(dāng)固定A 0，dLNAo(4 20)改變：時(shí)，L與.呈非線性關(guān)系。此時(shí)傳感器靈敏度為2、靈敏度S與氣隙長(zhǎng)度的平方；.2成反比，且：越小，傳感器靈敏度越高。但靈敏度S不 是常數(shù)，傳感器的非線性嚴(yán)重。為減小非線性誤差，通常規(guī)定在較小的氣隙變化范圍內(nèi)工 作。設(shè)氣隙變化范圍為(，、：0 )，則靈敏度為N2%Ao2(-二-:)2N2f2、r出)-oN2%Ao2(：o)2N2%Ao2、r即靈敏度S趨于

20、定值，傳感器的輸出 與輸入近似呈線性關(guān)系。在實(shí)際應(yīng)中，常 取/、：0豈0.1。這種變氣隙型傳感器適用 于小位移測(cè)量。圖4 10給出了幾種可變磁阻式傳感 器結(jié)構(gòu)示意圖。圖4 10a是可變導(dǎo)磁面積型傳感器，其If (bL1IM J J 1 1 1 Ifl fJ !TTl J T 1 T ! If i 感L與氣隙導(dǎo)磁截面積A。線性關(guān)系。這種結(jié)形式的傳感器靈敏度比變氣隙型的低。圖4 10b為差動(dòng)變氣隙型傳感器。銜鐵位移可以使兩個(gè)磁路的氣隙按、;0 .；、J.變化。從而使一個(gè)線圈的自感增加，另一個(gè)線圈的自感減小。將兩線圈接于電橋的 鄰橋臂時(shí)，其靈敏度可提高一倍，并使其線性區(qū)擴(kuò)大。圖4 10c是單螺管線圈

21、型。當(dāng)鐵芯在線圈內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)，將改變磁阻，從而使線圈自感產(chǎn) 生相應(yīng)變化。其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適于較大位移的測(cè)量，但靈敏度低。圖4 10d是雙螺管線圈差動(dòng)型，與單螺管線圈型相比，靈敏度高，線性區(qū)更大。二、渦流式電感傳感器渦流式電感傳感器有高頻反射式和低頻透射式兩種類型，高頻反射式應(yīng)用較為廣泛。這 里主要介紹高頻反射式渦流傳感器（簡(jiǎn)稱渦流傳感器）的工作原理和特點(diǎn)。圖4 11為渦流傳感器的兩種典型結(jié)構(gòu)，圖a中線圈直接繞在框架的槽內(nèi)。圖b所示結(jié) 構(gòu)是把單獨(dú)繞制的線圈粘在框架上。圖4 11兩種高頻反射式渦流傳感器的結(jié)構(gòu)由圖4 11可知，渦流傳感器實(shí)際上是一個(gè)固定在框架內(nèi)的扁平線圈。其工作原理是基于金 屬導(dǎo)體在

22、交流磁場(chǎng)中的渦電流效應(yīng)。圖4 12渦流傳感器原理圖4 13渦流傳感器等效電路L為傳感器線圈的自感，C為線圈并聯(lián)電容及分布電容的等效并聯(lián)電容，R為線圈的損 耗電阻，Re為金屬板上的渦流損耗電阻，Le為金屬板對(duì)渦流的等效自感，互感M為L(zhǎng)e與L 之間相互作用的程度。原理：根據(jù)電磁感應(yīng)原理，當(dāng)金屬板置于變化著的磁場(chǎng)中時(shí)，金屬板內(nèi)便會(huì)產(chǎn)生 感應(yīng)電流，此電流在金屬體內(nèi)是閉合的，故稱為渦流。渦流傳感器的線圈通入高頻電流i寸，便產(chǎn)生一高頻交變磁場(chǎng)，磁通為.，如圖4 12。 磁通在距線圈端面的間距為.的金屬板表層產(chǎn)生感應(yīng)電流。這種電流在金屬板內(nèi)是閉合的 渦電流，或稱為渦流。渦流ii的磁通為-io根據(jù)楞次定律，渦

23、流磁場(chǎng)與電流i產(chǎn)生的磁場(chǎng)變 化方向相反。渦流磁場(chǎng)的作用使線圈自感L與線圈阻抗Z發(fā)生變化。其變化程度取決于線圈 與金屬板之間距離、：、金屬板的電阻率t、磁導(dǎo)率、以及激勵(lì)電流i的頻率等。當(dāng)改變其 中某一因素時(shí)，可達(dá)到一定的變換目的。例如，當(dāng)改變，可用于位移、振動(dòng)測(cè)量；當(dāng)r或.1 值改變，可作為材質(zhì)鑒別或探傷等。渦流對(duì)傳感器線圈的反作用可用圖4 13的等效電路作進(jìn)一步說(shuō)明。圖中，L為傳感器 線圈的自感，C為線圈并聯(lián)電容及分布電容的等效并聯(lián)電容，R為線圈的損耗電阻，Re為金 屬板上的渦流損耗電阻，Le為金屬板對(duì)渦流的等效自感，互感M為L(zhǎng)e與L之間相互作用的 程度?；谧儔浩髟恚瑐鞲衅骶€圈可視為變壓器

24、的原邊，金屬板中的渦流回路可視為變壓器 的副邊。根據(jù)克希荷夫定律，可寫出如下電壓平衡方程式：(4 21 )(4 22 )(R + jcoL) i -jcoMh =u(Re jLE) h jcoMi =0由上式可得：jMh = i農(nóng) + jLE代入式(4 21 )得線圈等效阻抗Zl=u/Zl(R j 丄)i -i，故有=(R Re2 2 M .i = uRej Le(4 23 ):M22 ) P( L-LeRe2Le2M2)r|2lE )(4 24 )為了方便，令(4 25 )(4 26 )2M 2LeZL = R Re L K2 j L (1 - K2)Le=f (1.1)。由此可知，當(dāng)各影響

25、因素固定，僅距離:減小時(shí)，Zl代入式(4 24 )得互感M是的函數(shù)，的實(shí)部增大，其虛部減小，即其自感改變。由于Re很小，且在高頻下Re Le。因而， 可認(rèn)為Zl變化主要取決于其虛部。分析表明，當(dāng)金屬板材料和激勵(lì)電流頻率一定時(shí)，阻抗 Zl將是距離：的單值函數(shù)，即Zl= f C)(方)。通過(guò)適當(dāng)?shù)闹虚g變換器可達(dá)到把位移轉(zhuǎn)換成 電量的目的。渦流式傳感器的測(cè)量電路有分壓式調(diào)幅電路和調(diào)頻電路。圖4 14為渦流式測(cè)振儀用的分壓式調(diào)幅電路原理。圖4 14分壓式調(diào)幅電路原理渦流傳感器線圈自感L與其并聯(lián)電容C構(gòu)成的并聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)和高頻振蕩器及其分壓電阻 R組成調(diào)幅電路。當(dāng)LC并聯(lián)諧振頻率與振蕩器振蕩頻率相等時(shí)，輸

26、出電壓e最大。測(cè)量時(shí)， 傳感器線圈阻抗隨：而改變，LC回路失諧，輸出信號(hào)e（ t）雖然仍然為與振蕩器振蕩頻率相 同的信號(hào)，但幅值隨：而變化，成為調(diào)幅波。金屬板材料不同時(shí)，諧振曲線移位，如圖4 15a。傳感器與金屬板的間距與輸出電壓的關(guān)系曲線中段近似直線，因此傳感器安裝時(shí)應(yīng)通 過(guò)調(diào)整初始間距，使其在特性曲線的線性段內(nèi)工作，如圖4 15b。3（ b）圖4 15分壓式調(diào)幅電路的諧振曲線與輸岀特性渦流傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，有不受油污等介質(zhì)影響等許多優(yōu)點(diǎn)，故應(yīng)用廣泛。圖 4 16為渦流傳感器的應(yīng)用舉例。圖中（a）為回轉(zhuǎn)軸振動(dòng)測(cè)量；（b）為回轉(zhuǎn)軸誤差運(yùn)動(dòng)的測(cè)試；（c）為轉(zhuǎn)速測(cè)量；（d）為金屬材料厚度測(cè)

27、量；（e）零件記數(shù)；探傷。if 圖4 16渦流傳感器的應(yīng)用差動(dòng)變壓器式電感傳感器差動(dòng)變壓器式電感傳感器又簡(jiǎn)稱差動(dòng)變壓器。這種傳感器利用電磁感應(yīng)中的互感現(xiàn)象來(lái)進(jìn) 行信號(hào)轉(zhuǎn)換。如圖4 17所示，當(dāng)線圈Wi輸入電流ii時(shí)，線圈W2產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)ei2，其 值與電流ii的變化率有關(guān)，即diidt(4 27)式中，M稱為互感，單位為H。M的數(shù)值與兩線圈相對(duì)位置及周圍介質(zhì)的導(dǎo)磁能力等有關(guān)，它表示兩線圈之間的耦合程度。差動(dòng)變壓器就是利用這一原理，將被測(cè)位移轉(zhuǎn)換成 線圈互感的變化。實(shí)際應(yīng)用的傳感器多為螺管形差動(dòng)變 壓器，其結(jié)構(gòu)與工作原理如圖4 i8所示。由初級(jí)線圈 W和兩個(gè)參數(shù)相同的次級(jí)線圈 Wi和 W2組成

28、的變壓器， 其線圈 Wl和 W2反極性串聯(lián)，線圈中心插入動(dòng)鐵芯P。 當(dāng)初級(jí)線圈W加上交流電壓時(shí)，次級(jí)分別產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì) ei和e2，其大小與鐵芯位置有關(guān)。當(dāng)鐵芯在中心位置時(shí)，圖4 i 7互感現(xiàn)象ei= e2，輸出電壓e0=o ；鐵芯向上移動(dòng)，ei e2 ；向下移動(dòng)，則ei -千體浸入高度發(fā)生變化，從而可根據(jù)由此引起的電容 廠變化測(cè)出相應(yīng)的液位數(shù)據(jù)。四、兩種測(cè)量電路電容式傳感器的測(cè)量電路種類較多，如橋式電路、直流極化電路、諧振調(diào)幅電路和調(diào)頻 電路等，這里不詳述，僅重點(diǎn)介紹差動(dòng)脈沖寬度調(diào)制電路和運(yùn)算放大器式電路。1.差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路圖4 23為差動(dòng)式電容傳感器的脈沖寬度調(diào)制電路原理圖，該電路也簡(jiǎn)稱差

29、動(dòng)脈沖調(diào)寬 電路。它由電壓比較器A1、A2、雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及R!、R2、Di、D2組成的電容充放電電路構(gòu) 成。C|、C2為傳感器的差動(dòng)電容，雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的兩個(gè)輸出端Q、 Q為該電路的輸出端。設(shè)電源接通時(shí)，雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的A點(diǎn)為高電位， 即Q=1 ； B點(diǎn)為低電位，Q=0。UA通過(guò)R1對(duì)C1 充電，直到M點(diǎn)電位Um等于參考電壓Vf時(shí)，比較 器Ai產(chǎn)生一個(gè)脈沖使雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，A點(diǎn)成低 電位，B點(diǎn)成高電位。此時(shí)，M點(diǎn)的高電位經(jīng)Di放電迅速降低到零。同時(shí)，B點(diǎn)的高電位 U b經(jīng)R2向C2充電，當(dāng)N點(diǎn)電位Un等于Vf時(shí)，比較器A2產(chǎn)生一個(gè)脈沖使雙穩(wěn)態(tài)再次翻轉(zhuǎn)，使Ua為高，Ub為低，又重復(fù)上述過(guò)程，周而復(fù)

30、始，結(jié)果雙穩(wěn)態(tài)兩個(gè)輸出端，亦即電路的輸 出端產(chǎn)生幅值為Ui和一Ui的方波。A、B處的脈沖波的脈沖寬度與圖4 23差動(dòng)脈沖寬度調(diào)制電路電容沖放電有關(guān)。當(dāng)兩電容Ci=C2時(shí)，A、B兩脈沖波的脈沖寬度相等，如圖4 24a所 示。此時(shí)A、B兩點(diǎn)間平均電壓為零。當(dāng)Ci、C2值不等時(shí)，如CiC2，則Ci和C2充電 時(shí)間T iT 2。這樣，A、B處脈沖波的脈沖寬度不等，如圖4 24b所示。A、B兩點(diǎn)平均 電壓不再為零。輸出電壓Use由Uab低通濾波后獲得。A、B點(diǎn)的平均電壓U APTiTiT2Ui(4 40)UbP 小式中Ui 觸發(fā)器輸出高電壓。(4 4i)卄一(J11一7j. p 1-iiB1ft.-0t

31、4j -3Xt0(b)Ui(4 45)圖4-24 電壓波形圖二 Ri Ci lnUiUi -Uf二 R2C2 InUiUi -Uf(4 42)(4 43)(4 44)設(shè)R i=R 2=R，則得：U SCCiCiC2當(dāng)差動(dòng)極距變化型電容傳感器的電容ei0 eaJWC(4 48 )1 i+ a(4 49 )00aJwCi。 ix =i(4 50 )1稱輸入端a為“虛地若放大器輸入阻抗也非常高，其輸入電流近似為零，即i、0。則上述三個(gè)關(guān)系式可改變?yōu)閑0 =0 =i。1 .i0JWC01 .ix JwCx j ix(4 51 )于是可得：C00 C：(4 52 )小e0A小z0ACi, C2( 4 4

32、6) ；-0 ：nttAd則Use 二一Ui( 4 47 )可見，輸出電壓與輸入位移為線性關(guān)系。由于電路輸出信號(hào)一般為100kHz1MHz的方波，對(duì)低通濾波器要求不很高，所需的直 流穩(wěn)壓電源，電壓穩(wěn)定性應(yīng)較好，但這一要求與其他電路所要求的高穩(wěn)定度穩(wěn)頻穩(wěn)幅交流電 源相比容易得多。2 .運(yùn)算放大器式電路極距變化型電容傳感器的極距變化與電容變化成非線性關(guān)系，其應(yīng)用受到一定限制。采 用運(yùn)算放大器電路可以得到輸出電壓與位移量的線性關(guān)系。如圖4 25所示，輸入阻抗采用 固定電容Co,反饋?zhàn)杩篂閭鞲衅鰿x。由圖4 25可以列出下列關(guān)系如果放大器增益非常高，則與其最大線性輸出相對(duì) 應(yīng)的輸入電壓非常小，可以認(rèn)為

33、ea -0,所以有(4 53 )即使放大器輸出電壓f,與電容傳感器極距a成線性關(guān)系。普通放大器無(wú)法滿足上述兩項(xiàng)要求，要使ea : 0 , i : 0的假設(shè)成立，必須采用性能優(yōu)良 的運(yùn)算放大器。運(yùn)算放大器是一種高增益、高輸入阻抗和低輸出阻抗、采用深度負(fù)反饋控制 其響應(yīng)特性的直流放大器。它可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的組合和運(yùn)算，應(yīng)用非常廣泛。電容式傳感器的電容量一般都很小，而由被測(cè)量引起的電容變化就更小，輸出阻抗非常高。與其配接的電 纜電容較大，且當(dāng)電纜彎曲和抖動(dòng)或受環(huán)境影響而產(chǎn)生 的電纜電容變化可能等于甚至大于傳感器電容變化，使 傳感器無(wú)法正常工作。為此，一方面通過(guò)集成化使傳感 器與中間變換器之間接線很短，以

34、消除電纜電容、分布 電容的影響。另一方面是改善屏蔽，采用“驅(qū)動(dòng)電纜” 或稱雙層屏蔽等電位傳輸技術(shù)，使電纜電容的影響盡可 能小。有關(guān)細(xì)節(jié)可參考有關(guān)文獻(xiàn)。第五節(jié)壓電式傳感器一、壓電效應(yīng)壓電式傳感器的工作原理是垂于壓電材料的壓電效應(yīng)。石英、鈦酸鋇等晶體，當(dāng)受外力作用時(shí)，不僅幾何尺寸發(fā)生變化，而且內(nèi)部極化，一些 表面出現(xiàn)電荷，形成電場(chǎng)。當(dāng)外力去掉時(shí)，表面又重新回復(fù)到原來(lái)不帶電狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱 為壓電效應(yīng)。具有這種性質(zhì)的材料成為壓電材料。如果把壓電材料置于電場(chǎng)中，其幾何尺寸 發(fā)生變化，這種外電場(chǎng)作用導(dǎo)致壓電材料機(jī)械變形的現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)或電致伸縮效應(yīng)。26a所示，石英（SiO 2）晶體結(jié)晶形狀為六 角

35、形晶柱。其基本組織六棱柱體有幾種軸線 縱軸線z z叫作光軸；通過(guò)六角棱線而垂直 于光軸的軸線x x叫作電軸；垂直于棱柱面 的軸線y y叫作機(jī)械軸，如圖4 26b所示。如果從石英晶體中切下一個(gè)平行六面 體使其表面分別嚴(yán)行于電軸、機(jī)械軸和光軸。 這個(gè)晶片在正常狀態(tài)下不呈現(xiàn)電性。在垂直于光軸的力作用下，晶體發(fā)生極 化現(xiàn)象，在垂直于 x x軸線的平面上出現(xiàn) 電荷。沿xX軸加力產(chǎn)生縱壓電效應(yīng)；沿 y 一 y軸加力產(chǎn)生橫壓電效應(yīng)；沿z z軸加 力不呈現(xiàn)任何極化現(xiàn)象。如圖4 27所示， 沿相對(duì)兩平面加力則產(chǎn)生切向壓電效應(yīng)。 石英的壓電常數(shù)D較低， 但具有很好的 時(shí)間和溫度穩(wěn)定性。其他單晶壓電材料如鈮酸 價(jià)格

36、較貴，應(yīng)用不如石英廣泛。酒石酸鉀鈉石央是的單晶壓電材料。如圖4圖4 26 石英晶片鋰和鉭酸鋰等的壓電常數(shù)為石英的24倍，的壓電常數(shù)雖然較高，但屬于水溶性晶體，易受潮濕影響，強(qiáng)度低，性能不穩(wěn)定，應(yīng)用不 多。壓電陶瓷是目前應(yīng)用最為普遍的多晶體壓電材料。壓電陶瓷燒制方便，易于成形，元件 成本低。現(xiàn)在使用最多的是鋯鈦酸鉛壓電陶瓷系列，簡(jiǎn)稱為PZT。其壓電常數(shù)很高（70590pC / N）。壓電陶瓷具有與鐵磁材料 “磁疇” 相類似的“電疇”，所謂電疇就是自發(fā)極化的小區(qū)。 一般情況下，壓電陶瓷并不具有壓電效應(yīng)。在一定的溫度下作極化處理，在強(qiáng)電場(chǎng)作用下電 疇規(guī)則排列，從而呈現(xiàn)壓電性能。極化電場(chǎng)除去后，壓電性

37、能仍然保持，且在常溫下受力即 呈現(xiàn)壓電效應(yīng)。壓電陶瓷的壓電常數(shù)比單晶體高的多，一般比石英高數(shù)百倍。其成本(包括材料、零件 成型、制造工藝費(fèi)用)遠(yuǎn)比單晶體低。因此現(xiàn)在大都采用壓電陶瓷作壓電式傳感器的敏感元 件。二、壓電式傳感器及其等效電路在壓電晶片的兩個(gè)工作面上進(jìn)行金屬蒸鍍處理，形成金屬膜用作電極，如圖4 28所 示。當(dāng)壓電晶片受外力作用時(shí)，在兩個(gè)電極上積聚數(shù)量相等、極性相反的電荷，形成電場(chǎng)。 因此壓電式傳感器可以看作是一個(gè)電荷發(fā)生器，但也是一個(gè)以壓電材料為介質(zhì)的平行板電容 器，其電容量可按下式計(jì)算：；A6式中 ；一壓電材料的相對(duì)介電系數(shù)，對(duì)于石英晶體；=4.5 ；：極距，即晶片厚度(m);A

38、壓電晶片的工作面面積(m2)。如果施加于晶片的外力不變時(shí)，且積聚在極板上的電荷若無(wú)泄漏，那么在外力繼續(xù)作用 時(shí)，電荷量保持不變，而在力的作用終止時(shí)，電荷就隨之消失。實(shí)驗(yàn)證明，壓電晶片上所受作用力與由此產(chǎn)生的電荷量成正比。若沿單一晶軸x x軸 施加外力f ,則在垂直于x 一 x軸的晶片表面上積聚的電荷量q為(4 54)q = d f式中 q 電荷量(C);d 壓電常數(shù)(C / N),與材質(zhì)及切片方向有關(guān)；f 作用力(N)。若壓電晶片受多方向的力，其內(nèi)部應(yīng)力將是一個(gè)復(fù)雜的應(yīng)力場(chǎng)。壓電晶片各個(gè)表面都會(huì) 積聚電荷，每個(gè)表面上的電荷量不僅與各表面上的垂直力有關(guān)，而且還與其他面上的受力有 關(guān)，即有交叉耦合

39、現(xiàn)象。這時(shí)式(4 54)應(yīng)用矩陣形式表示，即Q=DF(4 54a)式中Q、D、F均為矩陣，其量綱同式(4 54) o由以上兩式可知，無(wú)論被測(cè)量如何，關(guān)鍵在于電荷量的測(cè)量。傳感器不從信號(hào)源吸取能 量的原則在這里的體現(xiàn)是，測(cè)量方法不應(yīng)消耗極板上積聚的電荷，因?yàn)殡姾傻臄?shù)量常常是很 小的。當(dāng)然，要達(dá)到這一要求是很困難的?；谶@一點(diǎn)，用壓電式傳感器作靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)測(cè) 量時(shí)，必須采取措施，使電荷的漏失減小到足夠小的程度。在動(dòng)態(tài)測(cè)量時(shí)，由于電荷可以不 斷補(bǔ)充，對(duì)此要求并不很高。壓電式傳感器多用兩個(gè)或兩個(gè)以上的晶片進(jìn)行串接或并接。如圖4 28b ,并接時(shí)兩晶 片的負(fù)極在內(nèi)，直接連接成傳感器的負(fù)電極。位于外側(cè)的兩

40、個(gè)正極，在外部連接成傳感器的 正電級(jí)。并接時(shí)輸出電荷量大，適用于以電荷為輸出的場(chǎng)合。但其電容量大，時(shí)間常數(shù)大， 致使傳感器不適于作頻率很高的信號(hào)的測(cè)量。串接時(shí)(圖4 28c),傳感器電壓輸出大， 電 容也較并接時(shí)的小，適用于以電壓為輸出的情況。壓電式傳感器的結(jié)構(gòu)見圖4 29和圖4 30 o/金厲膜(a)壓電晶片(b)并接圖4 28壓電晶片及等效電路壓電式傳感器是一個(gè)具有一定電容的電荷源。輸出開路時(shí)，開路電壓ea與電荷q、電容Ca之間關(guān)系為-_q_Ca(4 55 )當(dāng)傳感器接入測(cè)量電路時(shí)，其等效電路如圖4 28d所示，其中Cc ,為電纜電容，R0為 后續(xù)電路的輸入阻抗和傳感器的漏電阻形成的泄漏電

41、阻?？紤]負(fù)載影響后，傳感器電容端電 壓，電荷q的關(guān)系與開路時(shí)不同。此時(shí)(4 56)式中 q電荷；C 等效電容。C= Ca + Cc+Ci ,其中Ca為傳感器電容，Cc為電纜電容，Ci為 后續(xù)電路輸入電容；e 電容上建立的電壓，e = Roi ；i 泄漏電流。上式說(shuō)明，負(fù)載效應(yīng)對(duì)輸出電荷（或電壓）很微弱、輸出阻抗很高的壓電式傳感器影響 很大。因而其測(cè)量電路的重要性比其他類型的傳感器更為突出。外殼質(zhì)量塊M圖 4 2 9 壓電式力傳感器圖4 3 0 壓電式加速度傳感器1 絕緣套；2 電極；3 基座三、測(cè)量電路電式傳感器輸出信號(hào)比較微弱， 輸出阻抗極高。 為了減小電荷泄漏， 實(shí)現(xiàn)阻抗匹配， 后續(xù)測(cè)量電

42、路的輸入阻抗必須極高，匹配的電纜電容要很小且噪聲要很低，電纜電容不能任 意變動(dòng)，通常把傳感器信號(hào)首先送入前置放大器。經(jīng)過(guò)阻抗變換后，再用一般的放大、檢波 等電路進(jìn)行后續(xù)處理。壓電式傳感器的前置放大器有其特殊要求。電式傳感器的前置放大器的主要作用有兩點(diǎn)：一是將傳感器的高輸出阻抗變換成前置 放大器的低阻抗輸出，實(shí)現(xiàn)與一般測(cè)試裝置或中間變換器的阻抗匹配；二是對(duì)傳感的微弱輸 出信號(hào)進(jìn)行預(yù)放大。前置放大器有兩種類型：一種是電壓放大器，或稱阻抗變換器，其輸出電壓與輸入電壓 （即傳感器輸出電壓）成正比；另一種是電荷放大器，其輸出電壓與輸入電荷成正比。1.電壓放大器（阻抗變換器）電壓放大器電路如圖4 31所示

43、。其第一級(jí)采用MOS型場(chǎng)效應(yīng)管構(gòu)成源極輸出器，第 二級(jí)的普通晶體管射極輸出器除作電壓放大器的輸出級(jí)外，同時(shí)對(duì)第一級(jí)形成負(fù)反饋，從而 使得輸入阻抗本已很高的場(chǎng)效應(yīng)管源極輸出器的輸入阻抗得以進(jìn)一步提高，致使該電壓放大 器的輸入阻抗大于1 000M .1，輸出阻抗小于100|。因這種前置放大器的作用主要是阻抗變 大作用是次要的，故稱為阻抗變換器。電壓放大器電路簡(jiǎn)單，體積小，價(jià)格低。但傳感器的連接電纜必須專用，不得任意更換 或?qū)φ{(diào)；電纜不能很長(zhǎng)，電纜電容不得很大，否則傳感器靈敏度改變，引起測(cè)量誤差。為解 決電纜影響，可將傳感器和前置放大器集成在傳感器殼體內(nèi)，傳感器以低阻抗輸出即可消除 電纜影響。2.電荷放大器電荷放大器原理如圖4 32所示。它是一個(gè)帶有電容負(fù)反饋的高增益運(yùn)算放大器。當(dāng)略去傳感器漏電阻及電荷放