電感式,電容式,壓電式,磁電式傳感器-傳感器測(cè)量原理

1、電容式傳感器電容式傳感器 變換原理變換原理: :將被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)化為電容量變化將被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)化為電容量變化兩平行極板組成的電兩平行極板組成的電容器容器, ,它的電容量為它的電容量為: :AC0+ A 、A A或或發(fā)生變發(fā)生變化時(shí)，都會(huì)引起化時(shí)，都會(huì)引起電容的變化。電容的變化。3.3 電容式傳感器電容式傳感器 a)a)極距極距變化型變化型+AC0+駐極體電容傳聲器駐極體電容傳聲器 它采用聚四氟乙烯材料作為振動(dòng)膜片。這種材它采用聚四氟乙烯材料作為振動(dòng)膜片。這種材料經(jīng)特殊電處理后，表面永久地駐有極化電荷，取料經(jīng)特殊電處理后，表面永久地駐有極化電荷，取代了電容傳聲器極板，故名為駐極體電容傳聲器。代了

2、電容傳聲器極板，故名為駐極體電容傳聲器。特點(diǎn)是體積小、性能優(yōu)越、使用方便。特點(diǎn)是體積小、性能優(yōu)越、使用方便。 3.3 電容式傳感器電容式傳感器 b)b)面積變化型面積變化型AC0角位移型角位移型+3.3 電容式傳感器電容式傳感器 AC0平面線位移型平面線位移型3.3 電容式傳感器電容式傳感器 柱面線位移型柱面線位移型. .AC03.3 電容式傳感器電容式傳感器 c) c) 介質(zhì)變化型介質(zhì)變化型AC03.3 電容式傳感器電容式傳感器 電容式接近開關(guān)電容式接近開關(guān)振蕩電路振蕩電路被測(cè)物體被測(cè)物體 感應(yīng)電極感應(yīng)電極被測(cè)電容被測(cè)電容測(cè)量頭構(gòu)成電容器的一個(gè)極板，測(cè)量頭構(gòu)成電容器的一個(gè)極板，另一個(gè)極板是物

3、體本身，當(dāng)物體另一個(gè)極板是物體本身，當(dāng)物體移向接近開關(guān)時(shí)，物體和接近開移向接近開關(guān)時(shí)，物體和接近開關(guān)的介電常數(shù)發(fā)生變化，使得和關(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)測(cè)量頭相連的電路狀態(tài)也隨之發(fā)生變化生變化. .接近開關(guān)的檢測(cè)物體，接近開關(guān)的檢測(cè)物體，并不限于金屬導(dǎo)體，也可以是絕并不限于金屬導(dǎo)體，也可以是絕緣的液體或粉狀物體。緣的液體或粉狀物體。3.3 電容式傳感器電容式傳感器 3.3 電容式傳感器電容式傳感器 4.5.3 4.5.3 電容式料位傳感器電容式料位傳感器u下圖是電容式料位傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。測(cè)下圖是電容式料位傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。測(cè)定電極安裝在罐的頂部，這樣在罐壁和測(cè)定

4、電極安裝在罐的頂部，這樣在罐壁和測(cè)定電極之間就形成了一個(gè)電容器。定電極之間就形成了一個(gè)電容器。圖圖4-20 電電容式料位容式料位傳傳感器感器結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意示意圖圖4.5 電容式傳感器的應(yīng)用檢測(cè)出這種電容量的變化就可測(cè)定物料在罐內(nèi)檢測(cè)出這種電容量的變化就可測(cè)定物料在罐內(nèi)的高度。的高度。 傳感器的靜電電容可由下式表示：傳感器的靜電電容可由下式表示：式中：式中：k k 比例常數(shù)；比例常數(shù)； 被測(cè)物料的相對(duì)介電常數(shù)；被測(cè)物料的相對(duì)介電常數(shù)； 空氣的相對(duì)介電常數(shù)；空氣的相對(duì)介電常數(shù)；DD儲(chǔ)罐的內(nèi)徑；儲(chǔ)罐的內(nèi)徑；d d 測(cè)定電極的直徑；測(cè)定電極的直徑；h h 被測(cè)物料的高度。被測(cè)物料的高度。0()Clnsk

5、hDds04.5 電容式傳感器的應(yīng)用u假定罐內(nèi)沒有物料時(shí)的傳感器靜電電容假定罐內(nèi)沒有物料時(shí)的傳感器靜電電容為為 ，放入物料后傳感器靜電電容為，放入物料后傳感器靜電電容為 ，則兩者電容差為則兩者電容差為u 由上式可見，兩種介質(zhì)常數(shù)差別越大，由上式可見，兩種介質(zhì)常數(shù)差別越大，極徑極徑D D與與d d相差愈小，傳感器靈敏度就愈相差愈小，傳感器靈敏度就愈高。高。10CCC0C1C 電感式傳感器是利用電磁感應(yīng)原理將被電感式傳感器是利用電磁感應(yīng)原理將被測(cè)非電量如位移、壓力、流量、重量、振測(cè)非電量如位移、壓力、流量、重量、振動(dòng)等轉(zhuǎn)換成線圈自感量動(dòng)等轉(zhuǎn)換成線圈自感量L L或互感量或互感量MM的變的變化，再由測(cè)

6、量電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化，再由測(cè)量電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化量輸出的裝置?；枯敵龅难b置。u優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn): :結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠壽命長(zhǎng)，測(cè)量結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠壽命長(zhǎng)，測(cè)量精度高，零點(diǎn)穩(wěn)定，輸出功率較大等。精度高，零點(diǎn)穩(wěn)定，輸出功率較大等。u缺點(diǎn)缺點(diǎn): :靈敏度、線性度和測(cè)量范圍相互制靈敏度、線性度和測(cè)量范圍相互制約，傳感器自身頻率響應(yīng)低，不適用于快約，傳感器自身頻率響應(yīng)低，不適用于快速動(dòng)態(tài)測(cè)量。速動(dòng)態(tài)測(cè)量。電感式傳感器電感式傳感器概述u電感式傳感器種類很多，有利用自電感式傳感器種類很多，有利用自感原理的自感式傳感器，利用互感感原理的自感式傳感器，利用互感原理做成的差動(dòng)變壓器式傳感器，原理做成的

7、差動(dòng)變壓器式傳感器，還有利于渦流原理的渦流式傳感器、還有利于渦流原理的渦流式傳感器、利用壓磁原理的壓磁式傳感器等利用壓磁原理的壓磁式傳感器等u本章主要介紹自感式、互感式和電本章主要介紹自感式、互感式和電渦流式三種傳感器。渦流式三種傳感器。1 1 自感型自感型-可變磁阻式可變磁阻式可變導(dǎo)磁面積型可變導(dǎo)磁面積型差動(dòng)型差動(dòng)型2002ANL 原理原理: :電磁感應(yīng)電磁感應(yīng)3.1 變磁阻式傳感器1- 1-線圈；線圈；2- 2-鐵芯（定鐵芯）；鐵芯（定鐵芯）；3- 3-銜銜鐵（動(dòng)鐵芯）鐵（動(dòng)鐵芯）圖圖3-1 3-1 變磁阻式傳感器變磁阻式傳感器 結(jié)構(gòu)圖結(jié)構(gòu)圖3.1 3.1 變磁阻式傳感器變磁阻式傳感器3.

8、1.1 3.1.1 工作原理工作原理3.1 變磁阻式傳感器u鐵芯和銜鐵由導(dǎo)磁材料如硅鋼片或坡莫鐵芯和銜鐵由導(dǎo)磁材料如硅鋼片或坡莫合金制成，在鐵芯和銜鐵之間有氣隙，合金制成，在鐵芯和銜鐵之間有氣隙，氣隙厚度為氣隙厚度為 ，傳感器的運(yùn)動(dòng)部分與銜鐵，傳感器的運(yùn)動(dòng)部分與銜鐵相連。相連。u當(dāng)銜鐵移動(dòng)時(shí)，氣隙厚度當(dāng)銜鐵移動(dòng)時(shí)，氣隙厚度 發(fā)生改變，引發(fā)生改變，引起磁路中磁阻變化，從而導(dǎo)致電感線圈起磁路中磁阻變化，從而導(dǎo)致電感線圈的電感值變化，只要能測(cè)出這種電感量的電感值變化，只要能測(cè)出這種電感量的變化，就能確定銜鐵位移量的大小和的變化，就能確定銜鐵位移量的大小和方向。方向。u電路的磁阻指由于電流引起的鏈合磁

9、通電路的磁阻指由于電流引起的鏈合磁通量。根據(jù)電感定義，線圈中電感量可由量。根據(jù)電感定義，線圈中電感量可由下式確定：下式確定：NLII3.1 變磁阻式傳感器u上式中：上式中：線圈總磁鏈；線圈總磁鏈；I I 通過線圈的電流；通過線圈的電流；NN線圈的匝數(shù)；線圈的匝數(shù)；穿過線圈的磁通。穿過線圈的磁通。u由磁路歐姆定律，得磁通表達(dá)式：由磁路歐姆定律，得磁通表達(dá)式： 磁路總磁阻。磁路總磁阻。u對(duì)于變隙式傳感器，因?yàn)闅庀逗苄?，所?duì)于變隙式傳感器，因?yàn)闅庀逗苄?，所以可以認(rèn)為氣隙中的磁場(chǎng)是均勻的。以可以認(rèn)為氣隙中的磁場(chǎng)是均勻的。mINR mR3.1 變磁阻式傳感器u若忽略磁路磁損，則磁路總磁阻為若忽略磁路磁損

10、，則磁路總磁阻為: :式中：式中： 鐵芯材料的導(dǎo)磁率鐵芯材料的導(dǎo)磁率(H/m)(H/m)； 銜鐵材料的導(dǎo)磁率銜鐵材料的導(dǎo)磁率(H/m)(H/m)； 磁通通過鐵芯的長(zhǎng)度磁通通過鐵芯的長(zhǎng)度(m)(m)； 磁通通過銜鐵的長(zhǎng)度磁通通過銜鐵的長(zhǎng)度(m)(m)； 鐵芯的截面積鐵芯的截面積( )( )； 銜鐵的截面積銜鐵的截面積( )( )； 空氣的導(dǎo)磁率空氣的導(dǎo)磁率(4(4 H/m) H/m)； 氣隙的截面積氣隙的截面積( )( )； 氣隙的厚度氣隙的厚度(m)(m)。12m1122002LLRSSS121L2L1S2S00S2m2m7102m3.1 變磁阻式傳感器u通常氣隙磁阻遠(yuǎn)大于鐵芯和銜鐵的磁阻，通

11、常氣隙磁阻遠(yuǎn)大于鐵芯和銜鐵的磁阻，即：即：u則可近似認(rèn)為：則可近似認(rèn)為：u聯(lián)立前幾式，可得聯(lián)立前幾式，可得 1001 1200222SS2SSLLm002SR2200mS2NNLR3.1 變磁阻式傳感器u上式表明，當(dāng)線圈匝數(shù)為常數(shù)時(shí)，上式表明，當(dāng)線圈匝數(shù)為常數(shù)時(shí)，電感電感L L僅僅是磁路中磁阻僅僅是磁路中磁阻 的函數(shù)，的函數(shù)，只要改變只要改變 或或 均可導(dǎo)致電感變化。均可導(dǎo)致電感變化。u因此變磁阻式傳感器又可分為變氣因此變磁阻式傳感器又可分為變氣隙厚度隙厚度 的傳感器和變氣隙面積的傳感器和變氣隙面積 的的傳感器。傳感器。u使用最廣泛的是變氣隙厚度使用最廣泛的是變氣隙厚度 式電感式電感傳感器。傳

12、感器。0SmR0S3.1 變磁阻式傳感器 圖圖3-93-9變隙電感式傳感器結(jié)構(gòu)圖變隙電感式傳感器結(jié)構(gòu)圖3.1.5 變磁阻式傳感器的應(yīng)用變磁阻式傳感器的應(yīng)用3.1 變磁阻式傳感器u變隙電感式傳感器由膜盒、鐵芯、銜鐵變隙電感式傳感器由膜盒、鐵芯、銜鐵及線圈等組成，銜鐵與膜盒的上端連在及線圈等組成，銜鐵與膜盒的上端連在一起。一起。u當(dāng)壓力進(jìn)入膜盒時(shí)，膜盒的頂端在壓力當(dāng)壓力進(jìn)入膜盒時(shí)，膜盒的頂端在壓力P P的作用下產(chǎn)生與壓力的作用下產(chǎn)生與壓力P P大小成正比的位移，大小成正比的位移，于是銜鐵也發(fā)生移動(dòng)，從而使氣隙發(fā)生于是銜鐵也發(fā)生移動(dòng)，從而使氣隙發(fā)生變化，流過線圈的電流也發(fā)生相應(yīng)的變變化，流過線圈的電

13、流也發(fā)生相應(yīng)的變化，電流表指示值就反映了被測(cè)壓力的化，電流表指示值就反映了被測(cè)壓力的大小。大小。3.2 互感式傳感器 互感式傳感器是把被測(cè)的非電量變化轉(zhuǎn)互感式傳感器是把被測(cè)的非電量變化轉(zhuǎn)換為線圈互感量變化的傳感器。它根據(jù)換為線圈互感量變化的傳感器。它根據(jù)變壓器的基本原理制成，并且次級(jí)繞組變壓器的基本原理制成，并且次級(jí)繞組都用差動(dòng)形式連接，故又稱為差動(dòng)變壓都用差動(dòng)形式連接，故又稱為差動(dòng)變壓器式傳感器。器式傳感器。u差動(dòng)變壓器結(jié)構(gòu)形式較多，有變隙式、差動(dòng)變壓器結(jié)構(gòu)形式較多，有變隙式、 變面積式和螺線管式等，但其工作原理變面積式和螺線管式等，但其工作原理基本一樣?；疽粯?。u非電量測(cè)量中，應(yīng)用最多的

14、是螺線管式非電量測(cè)量中，應(yīng)用最多的是螺線管式差動(dòng)變壓器，它可以測(cè)量差動(dòng)變壓器，它可以測(cè)量1 1100mm100mm范圍范圍內(nèi)的機(jī)械位移，并具有測(cè)量精度高，靈內(nèi)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)。敏度高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能可靠等優(yōu)點(diǎn)。3.2 互感式傳感器3.2.1 3.2.1 工作原理工作原理u螺線管式差動(dòng)變壓器結(jié)構(gòu)如下圖所示。螺線管式差動(dòng)變壓器結(jié)構(gòu)如下圖所示。u它由一個(gè)初級(jí)線圈，兩個(gè)次級(jí)線圈和插它由一個(gè)初級(jí)線圈，兩個(gè)次級(jí)線圈和插入線圈中央的圓柱形鐵芯等組成。入線圈中央的圓柱形鐵芯等組成。- -活動(dòng)銜鐵；活動(dòng)銜鐵；- -導(dǎo)磁外殼；導(dǎo)磁外殼；- -骨架；骨架；- -匝數(shù)為

15、匝數(shù)為 的初級(jí)繞組；的初級(jí)繞組；- -匝數(shù)為匝數(shù)為 的次級(jí)繞組；的次級(jí)繞組；- -匝數(shù)為匝數(shù)為 的次級(jí)繞組的次級(jí)繞組 圖圖3-11 3-11 螺線管式差動(dòng)變壓器結(jié)構(gòu)圖螺線管式差動(dòng)變壓器結(jié)構(gòu)圖1W2aW2bW工作原理工作原理: :互感現(xiàn)象互感現(xiàn)象.EwEoout3.2 互感式傳感器u螺線管式差動(dòng)變壓器按線圈繞組排列的螺線管式差動(dòng)變壓器按線圈繞組排列的方式不同，可分為一節(jié)、二節(jié)、三節(jié)、方式不同，可分為一節(jié)、二節(jié)、三節(jié)、四節(jié)和五節(jié)式等類型，如圖所示。四節(jié)和五節(jié)式等類型，如圖所示。 一節(jié)一節(jié)式靈敏度高，三節(jié)式零點(diǎn)殘余電壓較小，式靈敏度高，三節(jié)式零點(diǎn)殘余電壓較小，通常采用的是二節(jié)式和三節(jié)式兩類。通常采用

16、的是二節(jié)式和三節(jié)式兩類。 （a a）一節(jié)式；（）一節(jié)式；（b b）二節(jié)式）二節(jié)式 （c c）三節(jié)式；（）三節(jié)式；（d d）四節(jié)式；（）四節(jié)式；（e e）五節(jié)式）五節(jié)式線圈排列方式圖線圈排列方式圖3.2 互感式傳感器u當(dāng)初級(jí)繞組當(dāng)初級(jí)繞組 加以激勵(lì)電壓加以激勵(lì)電壓 時(shí)，根據(jù)變時(shí)，根據(jù)變壓器的工作原理，在兩個(gè)次級(jí)繞組壓器的工作原理，在兩個(gè)次級(jí)繞組 和和 中便會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)中便會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì) 和和 。 u如果工藝上保證變壓器結(jié)構(gòu)完全對(duì)稱，如果工藝上保證變壓器結(jié)構(gòu)完全對(duì)稱，則當(dāng)活動(dòng)銜鐵處于初始平衡位置時(shí)，必則當(dāng)活動(dòng)銜鐵處于初始平衡位置時(shí)，必然會(huì)使兩互感系數(shù)然會(huì)使兩互感系數(shù) 。根據(jù)電磁感應(yīng)原。根據(jù)電磁感

17、應(yīng)原理，將有理，將有 u變壓器兩次級(jí)繞組反向串聯(lián)，因而變壓器兩次級(jí)繞組反向串聯(lián)，因而 即差動(dòng)變壓器輸出電壓為零。即差動(dòng)變壓器輸出電壓為零。1U2aW2bW1W2aE2bE12MM22abEE2220abUEEu活動(dòng)銜鐵向上移動(dòng)時(shí)，由于磁阻的影響，活動(dòng)銜鐵向上移動(dòng)時(shí)，由于磁阻的影響， 中中磁通將大于磁通將大于 ，使，使 ，因而，因而 增加，而增加，而 減小。反之，減小。反之， 增加，增加， 減小。因?yàn)闇p小。因?yàn)?，所以當(dāng)，所以當(dāng) 、 隨著銜鐵位移隨著銜鐵位移x x變化時(shí)，變化時(shí)， 也必將隨也必將隨x x變化。下圖給出了變壓器變化。下圖給出了變壓器輸出電壓輸出電壓 與活動(dòng)銜鐵位移與活動(dòng)銜鐵位移x

18、x的關(guān)系曲線。的關(guān)系曲線。u實(shí)際上，當(dāng)銜鐵位于中心位置時(shí)，差動(dòng)變壓器實(shí)際上，當(dāng)銜鐵位于中心位置時(shí)，差動(dòng)變壓器輸出電壓并不等于零，我們把差動(dòng)變壓器在零輸出電壓并不等于零，我們把差動(dòng)變壓器在零位移時(shí)的輸出電壓稱為零點(diǎn)殘余電壓，記作位移時(shí)的輸出電壓稱為零點(diǎn)殘余電壓，記作 它的存在使傳感器的輸出特性不過零點(diǎn)，造成它的存在使傳感器的輸出特性不過零點(diǎn)，造成實(shí)際特性與理論特性不完全一致。實(shí)際特性與理論特性不完全一致。2aW2bW12MM2aE2bE2bE2aE222abUEE2bE2aE2UoU2U3.2 互感式傳感器3-14 3-14 差動(dòng)變壓器輸出電壓特性曲線差動(dòng)變壓器輸出電壓特性曲線差動(dòng)變壓器位移傳感

19、器差動(dòng)變壓器位移傳感器3.4 電感式傳感器電感式傳感器案例：案例：板的厚度測(cè)量板的厚度測(cè)量 3.4 電感式傳感器電感式傳感器案例：案例：張力測(cè)量張力測(cè)量3.4 電感式傳感器電感式傳感器3.3 電渦流式傳感器3.3.13.3.1電渦流式傳感器電渦流式傳感器 下圖為電渦流式傳感器的原理圖，下圖為電渦流式傳感器的原理圖，該圖由傳感器線圈和被測(cè)導(dǎo)體組成該圖由傳感器線圈和被測(cè)導(dǎo)體組成線圈線圈導(dǎo)體系統(tǒng)。導(dǎo)體系統(tǒng)。圖圖3-19 3-19 電渦流傳感器原理圖電渦流傳感器原理圖 渦流式渦流式原理原理: :渦流效應(yīng)渦流效應(yīng)3.3 電渦流式傳感器u根據(jù)法拉第定律，當(dāng)傳感器線圈通以正根據(jù)法拉第定律，當(dāng)傳感器線圈通以正

20、弦交變電流弦交變電流 時(shí)，線圈周圍空間必然產(chǎn)生時(shí)，線圈周圍空間必然產(chǎn)生正弦交變磁場(chǎng)正弦交變磁場(chǎng) ，使置于此磁場(chǎng)中的金屬，使置于此磁場(chǎng)中的金屬導(dǎo)體中感應(yīng)電渦流導(dǎo)體中感應(yīng)電渦流 ， 又產(chǎn)生新的交變又產(chǎn)生新的交變磁場(chǎng)磁場(chǎng) 。根據(jù)愣次定律。根據(jù)愣次定律 的作用將反抗原的作用將反抗原磁場(chǎng)磁場(chǎng) ，導(dǎo)致傳感器線圈的等效阻抗發(fā)，導(dǎo)致傳感器線圈的等效阻抗發(fā)生變化，此電渦流的閉合流線的圓心同生變化，此電渦流的閉合流線的圓心同線圈在金屬板上的投影的圓心重合。線圈在金屬板上的投影的圓心重合。u由上可知，線圈阻抗的變化完全取決于由上可知，線圈阻抗的變化完全取決于被測(cè)金屬導(dǎo)體的電渦流效應(yīng)。而電渦流被測(cè)金屬導(dǎo)體的電渦流效應(yīng)

21、。而電渦流效應(yīng)既與被測(cè)體的電阻率效應(yīng)既與被測(cè)體的電阻率 、相對(duì)磁導(dǎo)率、相對(duì)磁導(dǎo)率 以及幾何形狀有關(guān)，又與線圈幾何參數(shù)、以及幾何形狀有關(guān)，又與線圈幾何參數(shù)、線圈中激磁電流頻率線圈中激磁電流頻率 有關(guān)，還與線圈與有關(guān)，還與線圈與導(dǎo)體間的距離導(dǎo)體間的距離 有關(guān)。有關(guān)。1I1H2I2I2H2H1Hfx3.3 電渦流式傳感器u傳感器線圈受電渦流影響時(shí)的等效阻抗傳感器線圈受電渦流影響時(shí)的等效阻抗 的函數(shù)關(guān)的函數(shù)關(guān)系式為：系式為：式中：式中： 被測(cè)體的電阻率；被測(cè)體的電阻率； 相對(duì)磁導(dǎo)率；相對(duì)磁導(dǎo)率； 線圈與被測(cè)體的尺寸因子；線圈與被測(cè)體的尺寸因子； 線圈激磁電流的頻率；線圈激磁電流的頻率； 線圈與導(dǎo)體間的

22、距離。線圈與導(dǎo)體間的距離。u保持上式中其它參數(shù)不變，而只改變其中一個(gè)參數(shù)，保持上式中其它參數(shù)不變，而只改變其中一個(gè)參數(shù)，傳感器線圈阻抗傳感器線圈阻抗 就僅僅是這個(gè)參數(shù)的單值函數(shù)。就僅僅是這個(gè)參數(shù)的單值函數(shù)。通過與傳感器配用的測(cè)量電路測(cè)出阻抗通過與傳感器配用的測(cè)量電路測(cè)出阻抗 的變化量，的變化量，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)該參數(shù)的測(cè)量。即可實(shí)現(xiàn)對(duì)該參數(shù)的測(cè)量。, , , ,ZFr f x ZfxrZZ3.3 電渦流式傳感器3.3.5 3.3.5 電渦流式傳感器的應(yīng)用電渦流式傳感器的應(yīng)用1 1測(cè)位移測(cè)位移u電渦流式傳感器的主要用途之一是可用電渦流式傳感器的主要用途之一是可用來測(cè)量金屬件的靜態(tài)或動(dòng)態(tài)位移，最大來測(cè)量

23、金屬件的靜態(tài)或動(dòng)態(tài)位移，最大量程達(dá)數(shù)百毫米，分辨率為量程達(dá)數(shù)百毫米，分辨率為0.1%0.1%。u目前電渦流位移傳感器分辨力最高已到目前電渦流位移傳感器分辨力最高已到0.05m(0.05m(量程量程0 015m)15m)。u凡是可轉(zhuǎn)換為位移量的參數(shù)，都可用電凡是可轉(zhuǎn)換為位移量的參數(shù)，都可用電渦流式傳感器測(cè)量，如機(jī)器轉(zhuǎn)軸的軸向渦流式傳感器測(cè)量，如機(jī)器轉(zhuǎn)軸的軸向竄動(dòng)、金屬材料的熱膨脹系數(shù)、鋼水液竄動(dòng)、金屬材料的熱膨脹系數(shù)、鋼水液位、紗線張力、流體壓力等。位、紗線張力、流體壓力等。3.3 電渦流式傳感器u下圖為用電渦流式傳感器構(gòu)成的液位監(jiān)下圖為用電渦流式傳感器構(gòu)成的液位監(jiān)控系統(tǒng)?？叵到y(tǒng)。u通過浮子通過

24、浮子3 3與杠桿帶動(dòng)渦流板與杠桿帶動(dòng)渦流板1 1上下位移，上下位移，由電渦流式傳感器由電渦流式傳感器2 2發(fā)出信號(hào)控制電動(dòng)泵發(fā)出信號(hào)控制電動(dòng)泵的開啟而使液位保持一定。的開啟而使液位保持一定。圖圖3-27 3-27 液位監(jiān)控系統(tǒng)液位監(jiān)控系統(tǒng)u電渦流傳感器測(cè)位移，由于測(cè)量范圍寬、電渦流傳感器測(cè)位移，由于測(cè)量范圍寬、反應(yīng)速度快、可實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量，常用反應(yīng)速度快、可實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量，常用于在線檢測(cè)。于在線檢測(cè)。3.3 電渦流式傳感器2 2渦流探傷渦流探傷u渦流探傷可以用來檢查金屬的表面裂紋、渦流探傷可以用來檢查金屬的表面裂紋、熱處理裂紋以及用于焊接部位的探傷等。熱處理裂紋以及用于焊接部位的探傷等。 綜合

25、參數(shù)綜合參數(shù)( )( )的變化將引起傳感器參數(shù)的變化將引起傳感器參數(shù)的變化，通過測(cè)量傳感器參數(shù)的變化即的變化，通過測(cè)量傳感器參數(shù)的變化即可達(dá)到探傷的目的?？蛇_(dá)到探傷的目的。u在探傷時(shí)導(dǎo)體與線圈之間是有著相對(duì)運(yùn)在探傷時(shí)導(dǎo)體與線圈之間是有著相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度的，在測(cè)量線圈上就會(huì)產(chǎn)生調(diào)制動(dòng)速度的，在測(cè)量線圈上就會(huì)產(chǎn)生調(diào)制頻率信號(hào)。在探傷時(shí)，重要的是缺陷信頻率信號(hào)。在探傷時(shí)，重要的是缺陷信號(hào)和干擾信號(hào)比。為了獲得需要的頻率號(hào)和干擾信號(hào)比。為了獲得需要的頻率而采用濾波器，使某一頻率的信號(hào)通過，而采用濾波器，使某一頻率的信號(hào)通過，而將干擾頻率信號(hào)衰減。而將干擾頻率信號(hào)衰減。, ,x a) a)比較淺的裂縫信號(hào)比

26、較淺的裂縫信號(hào) b)b)經(jīng)過幅值甄別后的信號(hào)經(jīng)過幅值甄別后的信號(hào)圖圖3-28 3-28 用渦流探傷時(shí)的測(cè)量信號(hào)用渦流探傷時(shí)的測(cè)量信號(hào)3.3 電渦流式傳感器a) a)比較淺的裂縫信號(hào)比較淺的裂縫信號(hào) b)b)經(jīng)過幅值甄別后的信號(hào)經(jīng)過幅值甄別后的信號(hào)圖圖3-28 3-28 用渦流探傷時(shí)的測(cè)量信號(hào)用渦流探傷時(shí)的測(cè)量信號(hào)產(chǎn)品：產(chǎn)品：3.4 電感式傳感器電感式傳感器案例：連續(xù)油管的橢圓度測(cè)量案例：連續(xù)油管的橢圓度測(cè)量Coiled TubeEddy Sensor Reference Circle3.4 電感式傳感器電感式傳感器案例：無損探傷案例：無損探傷原理裂紋檢測(cè)，缺陷造成渦流變化。火車輪檢測(cè)火車輪檢測(cè)

27、油管檢測(cè)油管檢測(cè)3.4 電感式傳感器電感式傳感器3.63.6壓電式傳感器壓電式傳感器 1.1.變換原理變換原理: :壓電效應(yīng)壓電效應(yīng) +串聯(lián)串聯(lián)+并聯(lián)并聯(lián) 某些物質(zhì)，如石英，受到外力作用時(shí)，不僅幾某些物質(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)，又重新回到原來的狀態(tài)，這電荷；當(dāng)外力去掉時(shí)，又重新回到原來的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。F+q=DF 概述 壓電式傳感器的工作原理壓電式傳感器的工作原理u當(dāng)某些材料受力作用而變形時(shí)，其表面當(dāng)某些材料受力作用而變形時(shí)，其表面會(huì)有電荷產(chǎn)生，

28、從而實(shí)現(xiàn)非電量測(cè)量。會(huì)有電荷產(chǎn)生，從而實(shí)現(xiàn)非電量測(cè)量。u壓電式傳感器具有體積小，重量輕，工壓電式傳感器具有體積小，重量輕，工作頻帶寬、靈敏度高、工作可靠、測(cè)量作頻帶寬、靈敏度高、工作可靠、測(cè)量范圍廣等特點(diǎn)，因此在各種動(dòng)態(tài)力、范圍廣等特點(diǎn)，因此在各種動(dòng)態(tài)力、 機(jī)機(jī)械沖擊與振動(dòng)的測(cè)量等方面都得到了非械沖擊與振動(dòng)的測(cè)量等方面都得到了非常廣泛的應(yīng)用。常廣泛的應(yīng)用。產(chǎn)品產(chǎn)品壓力變送器壓力變送器加速度計(jì)加速度計(jì)力傳感器力傳感器 3.6壓電式傳感器壓電式傳感器 5.1 壓電效應(yīng)及壓電材料 某些電介質(zhì)，當(dāng)沿著一定方向?qū)ζ涫┝δ承╇娊橘|(zhì)，當(dāng)沿著一定方向?qū)ζ涫┝Χ顾冃螘r(shí)，其內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，而使它變形時(shí)，其

29、內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在它的兩個(gè)表面上便產(chǎn)生符號(hào)相反的同時(shí)在它的兩個(gè)表面上便產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷，當(dāng)外力去掉后，其又重新恢復(fù)到不電荷，當(dāng)外力去掉后，其又重新恢復(fù)到不帶電狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱壓電效應(yīng)。帶電狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱壓電效應(yīng)。u當(dāng)作用力方向改變時(shí)，電荷的極性也隨之當(dāng)作用力方向改變時(shí)，電荷的極性也隨之改變。有時(shí)人們把這種機(jī)械能轉(zhuǎn)為電能的改變。有時(shí)人們把這種機(jī)械能轉(zhuǎn)為電能的現(xiàn)象，稱為現(xiàn)象，稱為“正壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng)”。相反，當(dāng)在。相反，當(dāng)在電介質(zhì)極化方向施加電場(chǎng)，這些電介質(zhì)也電介質(zhì)極化方向施加電場(chǎng)，這些電介質(zhì)也會(huì)產(chǎn)生變形，這種現(xiàn)象稱為會(huì)產(chǎn)生變形，這種現(xiàn)象稱為“逆壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)”（電致伸縮效應(yīng)）。

30、（電致伸縮效應(yīng)）。5.1 壓電效應(yīng)及壓電材料u具有壓電效應(yīng)的材料稱為壓電材料，具有壓電效應(yīng)的材料稱為壓電材料，壓電材料能實(shí)現(xiàn)機(jī)壓電材料能實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量的相互轉(zhuǎn)電能量的相互轉(zhuǎn)換，如圖換，如圖5-15-1所示。所示。圖圖5-1 5-1 壓電效應(yīng)可逆性壓電效應(yīng)可逆性5.1 壓電效應(yīng)及壓電材料u石英晶體、鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等材石英晶體、鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等材料是性能優(yōu)良的壓電材料。料是性能優(yōu)良的壓電材料。u壓電材料可以分為兩大類：壓電晶壓電材料可以分為兩大類：壓電晶體和壓電陶瓷。前者為晶體，后者為體和壓電陶瓷。前者為晶體，后者為極化處理的多晶體。極化處理的多晶體。u他們都具有較大的壓電常數(shù)，機(jī)械他們都具有較

31、大的壓電常數(shù)，機(jī)械性能良好，時(shí)間穩(wěn)定性好，溫度穩(wěn)定性能良好，時(shí)間穩(wěn)定性好，溫度穩(wěn)定性好等特性，所以是較理想的壓電材性好等特性，所以是較理想的壓電材料。料。5.1 壓電效應(yīng)及壓電材料u 壓電材料的主要特性參數(shù)有：壓電材料的主要特性參數(shù)有： （1 1） 壓電常數(shù)：壓電常數(shù)是衡量材料壓電效應(yīng)壓電常數(shù)：壓電常數(shù)是衡量材料壓電效應(yīng)強(qiáng)弱的參數(shù)，它直接關(guān)系到壓電輸出的靈敏強(qiáng)弱的參數(shù)，它直接關(guān)系到壓電輸出的靈敏度。度。（2 2） 彈性常數(shù)：壓電材料的彈性常數(shù)、彈性常數(shù)：壓電材料的彈性常數(shù)、 剛度剛度決定著壓電器件的固有頻率和動(dòng)態(tài)特性。決定著壓電器件的固有頻率和動(dòng)態(tài)特性。（3 3） 介電常數(shù)：對(duì)于一定形狀、尺寸

32、的壓電元介電常數(shù)：對(duì)于一定形狀、尺寸的壓電元件，其固有電容與介電常數(shù)有關(guān)；而固有電件，其固有電容與介電常數(shù)有關(guān)；而固有電容又影響著壓電傳感器的頻率下限。容又影響著壓電傳感器的頻率下限。 (4 (4） 機(jī)械耦合系數(shù)：在壓電效應(yīng)中，其值等機(jī)械耦合系數(shù)：在壓電效應(yīng)中，其值等于轉(zhuǎn)換輸出能量（如電能）與輸入的能量于轉(zhuǎn)換輸出能量（如電能）與輸入的能量（如機(jī)械能）之比的平方根；（如機(jī)械能）之比的平方根； 它是衡量它是衡量壓電材料機(jī)電能量轉(zhuǎn)換效率的一個(gè)重要壓電材料機(jī)電能量轉(zhuǎn)換效率的一個(gè)重要參數(shù)。參數(shù)。（5 5）電阻壓電材料的絕緣電阻：將減少電）電阻壓電材料的絕緣電阻：將減少電荷泄漏，從而改善壓電傳感器的低頻特

33、荷泄漏，從而改善壓電傳感器的低頻特性。性。（6 6） 居里點(diǎn)：壓電材料開始喪失壓電特居里點(diǎn)：壓電材料開始喪失壓電特性的溫度稱為居里點(diǎn)。性的溫度稱為居里點(diǎn)。5.1 壓電效應(yīng)及壓電材料5.1.1 5.1.1 石英晶體石英晶體u石英晶體化學(xué)式為石英晶體化學(xué)式為SiOSiO2 2（二氧化硅），是（二氧化硅），是單晶體結(jié)構(gòu)單晶體結(jié)構(gòu)u它的轉(zhuǎn)換效率和轉(zhuǎn)換精度高、線性范圍寬、它的轉(zhuǎn)換效率和轉(zhuǎn)換精度高、線性范圍寬、重復(fù)性好、固有頻率高、動(dòng)態(tài)特性好、工重復(fù)性好、固有頻率高、動(dòng)態(tài)特性好、工作溫度高達(dá)作溫度高達(dá)550550（壓電系數(shù)不隨溫度而改（壓電系數(shù)不隨溫度而改變）、工作濕度高達(dá)變）、工作濕度高達(dá)100%100

34、%、穩(wěn)定性好。、穩(wěn)定性好。（a a） （b b） （c c）圖圖5-2 5-2 石英晶體石英晶體5.1 壓電效應(yīng)及壓電材料u圖圖5-25-2（a a）表示了天然結(jié)構(gòu)的石英晶體外）表示了天然結(jié)構(gòu)的石英晶體外形。它是一個(gè)正六面體。石英晶體各個(gè)方形。它是一個(gè)正六面體。石英晶體各個(gè)方向的特性是不同的。向的特性是不同的。u其中縱向軸其中縱向軸z z稱為光軸，經(jīng)過六面體棱線稱為光軸，經(jīng)過六面體棱線并垂直于光軸的并垂直于光軸的x x軸稱為電軸，與軸稱為電軸，與x x和和z z軸軸同時(shí)垂直的軸同時(shí)垂直的軸y y稱為機(jī)械軸。稱為機(jī)械軸。u通常把沿電軸通常把沿電軸x x方向的力作用下產(chǎn)生電荷方向的力作用下產(chǎn)生電荷

35、的壓電效應(yīng)稱為的壓電效應(yīng)稱為“縱向壓電效應(yīng)縱向壓電效應(yīng)”，而把，而把沿機(jī)械沿機(jī)械y y方向的作用下產(chǎn)生電荷的壓電效方向的作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為應(yīng)稱為“橫向壓電效應(yīng)橫向壓電效應(yīng)”。而沿光軸。而沿光軸z z方方向受力時(shí)不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。向受力時(shí)不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。5.1 壓電效應(yīng)及壓電材料u若從晶體上沿若從晶體上沿y y方向切下一塊如圖方向切下一塊如圖5-25-2（c c）所示晶片，當(dāng)在電軸方向施加作用力所示晶片，當(dāng)在電軸方向施加作用力 時(shí)，時(shí)，在與電軸在與電軸x x垂直的平面上將產(chǎn)生電荷垂直的平面上將產(chǎn)生電荷Q Qx x，其，其大小為大小為式中：式中： xx方向受力的壓電系數(shù)；方向受力的壓電系數(shù)

36、； 作用力。作用力。u若在同一切片上，沿機(jī)械軸若在同一切片上，沿機(jī)械軸y y方向施加作用方向施加作用力力 ，則仍在與，則仍在與x x軸垂直的平面上產(chǎn)生電荷軸垂直的平面上產(chǎn)生電荷QyQy，其大小為：，其大小為： 11xxQdF11dxFxFyF5.1 壓電效應(yīng)及壓電材料式中：式中： y軸方向受力的壓電系數(shù)，軸方向受力的壓電系數(shù)， a、b晶體切片長(zhǎng)度和厚度。晶體切片長(zhǎng)度和厚度。電荷電荷Qx和和Qy的符號(hào)由所受力的性質(zhì)決定。的符號(hào)由所受力的性質(zhì)決定。12yyQdF12d1211dd 5.1 壓電效應(yīng)及壓電材料u石英晶體的上述特性與其內(nèi)部分子結(jié)構(gòu)有關(guān)。圖石英晶體的上述特性與其內(nèi)部分子結(jié)構(gòu)有關(guān)。圖5-

37、5-3 3是一個(gè)單元組體中構(gòu)成石英晶體的硅離子和氧離是一個(gè)單元組體中構(gòu)成石英晶體的硅離子和氧離子，在垂直于子，在垂直于z z軸的軸的xyxy平面上的投影，等效為一個(gè)平面上的投影，等效為一個(gè)正六邊形排列。圖中正六邊形排列。圖中“+” +” 代表代表 離子，離子，“-” -” 代代表氧離子表氧離子4Si2O圖圖5-3 5-3 石英晶體壓電模型石英晶體壓電模型5.1 壓電效應(yīng)及壓電材料u當(dāng)石英晶體未受外力作用時(shí)，正、負(fù)離子當(dāng)石英晶體未受外力作用時(shí)，正、負(fù)離子正好分布在正六邊形的頂角上，形成三個(gè)正好分布在正六邊形的頂角上，形成三個(gè)互成互成120120夾角的電偶極矩夾角的電偶極矩P1P1、P2P2、P3

38、P3。此。此時(shí)正負(fù)電荷重心重合，電偶極矩的矢量和時(shí)正負(fù)電荷重心重合，電偶極矩的矢量和等于零，即等于零，即P1+P2+P3= 0P1+P2+P3= 0，所以晶體表面不，所以晶體表面不產(chǎn)生電荷，即呈中性。產(chǎn)生電荷，即呈中性。u當(dāng)石英晶體受到沿當(dāng)石英晶體受到沿x x軸方向的壓力作用時(shí)，軸方向的壓力作用時(shí)，晶體沿晶體沿x x方向?qū)a(chǎn)生壓縮變形，正負(fù)離子的方向?qū)a(chǎn)生壓縮變形，正負(fù)離子的相對(duì)位置也隨之變動(dòng)。如圖相對(duì)位置也隨之變動(dòng)。如圖5-35-3（b b）所示，）所示，此時(shí)正負(fù)電荷重心不再重合，即此時(shí)正負(fù)電荷重心不再重合，即（P1+P2+P3P1+P2+P3）x 0 x 0 。在。在x x軸的正方向出現(xiàn)軸

39、的正方向出現(xiàn)正電荷，電偶極矩在正電荷，電偶極矩在y y方向上的分量仍為零，方向上的分量仍為零，不出現(xiàn)電荷。不出現(xiàn)電荷。5.1 壓電效應(yīng)及壓電材料u當(dāng)晶體受到沿當(dāng)晶體受到沿y y軸方向的壓力作用時(shí)，晶體軸方向的壓力作用時(shí)，晶體變形如圖變形如圖5-35-3（c c）所示，與圖）所示，與圖5-35-3（b b）情況）情況相似，相似，P1P1增大，增大，P2P2、P3 P3 減小。在減小。在x x軸上出軸上出現(xiàn)電荷，它的極性為現(xiàn)電荷，它的極性為x x軸正向?yàn)樨?fù)電荷。在軸正向?yàn)樨?fù)電荷。在y y軸方向上不出現(xiàn)電荷。軸方向上不出現(xiàn)電荷。u如果沿如果沿z z軸方向施加作用力，因?yàn)榫w在軸方向施加作用力，因?yàn)榫?/p>

40、體在x x方向和方向和y y方向所產(chǎn)生的形變完全相同，所以方向所產(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。這表明沿等于零。這表明沿z z軸方向施加作用力，晶軸方向施加作用力，晶體不會(huì)產(chǎn)生壓電效應(yīng)。體不會(huì)產(chǎn)生壓電效應(yīng)。u當(dāng)作用力當(dāng)作用力FxFx、FyFy的方向相反時(shí)，電荷的極的方向相反時(shí)，電荷的極性也隨之改變。性也隨之改變。5.1 壓電效應(yīng)及壓電材料5.1.2 5.1.2 壓電陶瓷壓電陶瓷u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。在無外電場(chǎng)作用時(shí)，電疇在晶體中雜亂分在無外電場(chǎng)作用時(shí)，電疇在晶體中雜亂分布

41、，它們的極化效應(yīng)被相互抵消，壓電陶布，它們的極化效應(yīng)被相互抵消，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)。呈中性，不具有壓電性質(zhì)。u在陶瓷上施加外電場(chǎng)時(shí)，電疇的極化方向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)，從而使材料得到極化。讓外電發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使材料得到極化。讓外電場(chǎng)強(qiáng)度大到使材料的極化達(dá)到飽和的程度，場(chǎng)強(qiáng)度大到使材料的極化達(dá)到飽和的程度，即所有電疇極化方向都整齊地與外電場(chǎng)方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)向基本不

42、變，即剩余極化強(qiáng)度很大，這時(shí)的材料才具有壓電特性。如圖的材料才具有壓電特性。如圖5-45-4。5.1 壓電效應(yīng)及壓電材料u當(dāng)陶瓷材料受到外力作用時(shí)，電疇的界當(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。化方向的平面上將出現(xiàn)極化電荷的變化。這種因受力而產(chǎn)生的由機(jī)械效應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)檫@種因受力而產(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，電效應(yīng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿默F(xiàn)象，就是壓電陶瓷的正壓電效應(yīng)。電荷量的就是壓電陶瓷的正壓電效應(yīng)。電荷量

43、的大小與外力成正比關(guān)系：大小與外力成正比關(guān)系：（a a）未極化）未極化 （b b）電極化）電極化圖圖5-4 5-4 壓電陶瓷的極化壓電陶瓷的極化33Qd F5.1 壓電效應(yīng)及壓電材料上式中：上式中：d33 d33 壓電陶瓷的壓電系數(shù)；壓電陶瓷的壓電系數(shù)；F F 作用力。作用力。u壓電陶瓷的壓電系數(shù)比石英晶體的大得多，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所以采用壓電陶瓷制作的壓電式傳感器的靈敏度較高。但極化處理后的壓電陶瓷材靈敏度較高。但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

44、壓電特性的參數(shù)也隨時(shí)間變化，從而使其壓電特性減弱。減弱。u最早使用的壓電陶瓷材料是鈦酸鋇最早使用的壓電陶瓷材料是鈦酸鋇（BaTiO3BaTiO3）。它是由碳酸鋇和二氧化鈦按）。它是由碳酸鋇和二氧化鈦按 一定比例混合后一定比例混合后燒結(jié)而成的。它的壓電燒結(jié)而成的。它的壓電系數(shù)約為石英的系數(shù)約為石英的5050倍，但使用溫度較低，倍，但使用溫度較低，最高只有最高只有7070，溫度穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度，溫度穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度都不如石英。都不如石英。目前使用較多的壓電陶瓷材料是鋯鈦酸目前使用較多的壓電陶瓷材料是鋯鈦酸鉛（鉛（PZTPZT系列），它有較高的壓電系數(shù)系列），它有較高的壓電系數(shù)和較高的工作溫度。和較

45、高的工作溫度。鈮鎂酸鉛是鈮鎂酸鉛是2020世紀(jì)世紀(jì)6060年代發(fā)展起來的壓年代發(fā)展起來的壓電陶瓷。具有極高的壓電系數(shù)和較高的電陶瓷。具有極高的壓電系數(shù)和較高的工作溫度，而且能承受較高的壓力。工作溫度，而且能承受較高的壓力。 5.1 壓電效應(yīng)及壓電材料 由壓電元件的工作原理可知，壓電式傳由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。同時(shí)，它感器可以看作一個(gè)電荷發(fā)生器。同時(shí)，它也是一個(gè)電容器，晶體上聚集等量的正負(fù)也是一個(gè)電容器，晶體上聚集等量的正負(fù)電荷的兩表面相當(dāng)于電容的兩個(gè)極板，極電荷的兩表面相當(dāng)于電容的兩個(gè)極板，極板間物質(zhì)等效于一種介質(zhì)，則其電容量為板間物質(zhì)等效于一種介質(zhì)，則其

46、電容量為: :式中：式中：AA壓電片的面積；壓電片的面積；dd壓電片的厚度；壓電片的厚度； 空氣介電常數(shù)空氣介電常數(shù) 壓電材料的相對(duì)介電常數(shù)。壓電材料的相對(duì)介電常數(shù)。0(54)raACd 0r 磁敏式傳感器是通過磁電作用將被測(cè)量（如磁敏式傳感器是通過磁電作用將被測(cè)量（如振動(dòng)、位移、轉(zhuǎn)速等）轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的一種傳振動(dòng)、位移、轉(zhuǎn)速等）轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的一種傳感器。磁敏式傳感器種類不同，其原理也不完感器。磁敏式傳感器種類不同，其原理也不完全相同，因此各有各的特點(diǎn)和應(yīng)用范圍。全相同，因此各有各的特點(diǎn)和應(yīng)用范圍。 磁敏式傳傳感器 磁電感應(yīng)式傳感器也稱為電動(dòng)式傳感磁電感應(yīng)式傳感器也稱為電動(dòng)式傳感器或感應(yīng)式傳感器

47、。器或感應(yīng)式傳感器。磁電感應(yīng)式傳感器是利用導(dǎo)體和磁場(chǎng)發(fā)生磁電感應(yīng)式傳感器是利用導(dǎo)體和磁場(chǎng)發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生電動(dòng)式的，它不需要輔助電相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生電動(dòng)式的，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)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)，是有源傳感器。量的電信號(hào)，是有源傳感器。由于它輸出功率大且性能穩(wěn)定，具有一定由于它輸出功率大且性能穩(wěn)定，具有一定的工作帶寬（的工作帶寬（101000 Hz），所以得到普），所以得到普遍的應(yīng)用。遍的應(yīng)用。 6.1 磁電電感應(yīng)應(yīng)式傳傳感器 6.1.1 磁電感應(yīng)式傳感器工作原理磁電感應(yīng)式傳感器工作原理根據(jù)電磁感應(yīng)定律，當(dāng)根據(jù)電磁感應(yīng)定律，當(dāng)w匝線圈在恒定磁

48、場(chǎng)內(nèi)匝線圈在恒定磁場(chǎng)內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)，設(shè)穿過線圈的磁通為運(yùn)動(dòng)時(shí)，設(shè)穿過線圈的磁通為，則線圈內(nèi)的，則線圈內(nèi)的感應(yīng)電勢(shì)感應(yīng)電勢(shì)E與磁通變化率與磁通變化率d/dt有如下關(guān)系：有如下關(guān)系： 根據(jù)這一原理，可以設(shè)計(jì)成兩種磁電傳感器結(jié)根據(jù)這一原理，可以設(shè)計(jì)成兩種磁電傳感器結(jié)構(gòu)：變磁通式和恒磁通式。構(gòu)：變磁通式和恒磁通式。圖圖6-1是變磁通式磁電傳感器，用來測(cè)量旋轉(zhuǎn)物是變磁通式磁電傳感器，用來測(cè)量旋轉(zhuǎn)物體的角速度。體的角速度。(61)dEwdt 圖圖6-1（a）為開磁路變磁）為開磁路變磁 通式：線圈、磁鐵靜止通式：線圈、磁鐵靜止 不動(dòng)，測(cè)量齒輪安裝在被不動(dòng)，測(cè)量齒輪安裝在被 測(cè)旋轉(zhuǎn)體上，隨之一起轉(zhuǎn)測(cè)旋轉(zhuǎn)體上，隨之一

49、起轉(zhuǎn) 動(dòng)。每轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)齒，齒的動(dòng)。每轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)齒，齒的 圖圖6-1（a） 凹凸引起磁路磁阻變化凹凸引起磁路磁阻變化一次，磁通也就變化一次，線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，其變一次，磁通也就變化一次，線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，其變化頻率等于被測(cè)轉(zhuǎn)速與測(cè)量齒輪齒數(shù)的乘積。這種傳感化頻率等于被測(cè)轉(zhuǎn)速與測(cè)量齒輪齒數(shù)的乘積。這種傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但輸出信號(hào)較小，且因高速軸上加裝齒輪器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但輸出信號(hào)較小，且因高速軸上加裝齒輪較危險(xiǎn)而不宜測(cè)量高轉(zhuǎn)速。較危險(xiǎn)而不宜測(cè)量高轉(zhuǎn)速。6.1 磁電電感應(yīng)應(yīng)式傳傳感器圖圖6-1（b） 圖圖6-1（b）為閉磁路變磁通式，它由裝在轉(zhuǎn)軸上的內(nèi)齒）為閉磁路變磁通式，它由裝在轉(zhuǎn)軸上的內(nèi)齒輪和外齒輪、

50、永久磁鐵和感應(yīng)線圈組成，內(nèi)外齒輪齒數(shù)輪和外齒輪、永久磁鐵和感應(yīng)線圈組成，內(nèi)外齒輪齒數(shù)相同。當(dāng)轉(zhuǎn)軸連接到被測(cè)轉(zhuǎn)軸上時(shí)，外齒輪不動(dòng)，內(nèi)齒相同。當(dāng)轉(zhuǎn)軸連接到被測(cè)轉(zhuǎn)軸上時(shí)，外齒輪不動(dòng)，內(nèi)齒輪隨被測(cè)軸而轉(zhuǎn)動(dòng)，內(nèi)、外齒輪的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)使氣隙磁阻輪隨被測(cè)軸而轉(zhuǎn)動(dòng)，內(nèi)、外齒輪的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)使氣隙磁阻產(chǎn)生周期性變化，從而引起磁路中磁通的變化，使線圈產(chǎn)生周期性變化，從而引起磁路中磁通的變化，使線圈內(nèi)產(chǎn)生周期性變化的感生電動(dòng)勢(shì)。感應(yīng)電勢(shì)的頻率與被內(nèi)產(chǎn)生周期性變化的感生電動(dòng)勢(shì)。感應(yīng)電勢(shì)的頻率與被測(cè)轉(zhuǎn)速成正比。測(cè)轉(zhuǎn)速成正比。圖圖6-2 恒磁通式磁電傳感器結(jié)構(gòu)原理圖恒磁通式磁電傳感器結(jié)構(gòu)原理圖圖圖6-2 6-2 恒磁通式磁電傳感

51、器結(jié)構(gòu)原理圖恒磁通式磁電傳感器結(jié)構(gòu)原理圖磁路系統(tǒng)產(chǎn)生恒定的直流磁場(chǎng)，磁路中的磁路系統(tǒng)產(chǎn)生恒定的直流磁場(chǎng)，磁路中的工作氣隙固定不變，因而氣隙中磁通也是工作氣隙固定不變，因而氣隙中磁通也是恒定不變的。其運(yùn)動(dòng)部件可以是線圈（動(dòng)恒定不變的。其運(yùn)動(dòng)部件可以是線圈（動(dòng)圈式），也可以是磁鐵（動(dòng)鐵式），動(dòng)圈圈式），也可以是磁鐵（動(dòng)鐵式），動(dòng)圈式（如圖式（如圖6-2（a）和動(dòng)鐵式（如圖）和動(dòng)鐵式（如圖6-2（b）的工作原理是完全相同的。當(dāng)殼體）的工作原理是完全相同的。當(dāng)殼體隨被測(cè)振動(dòng)體一起振動(dòng)時(shí)，由于彈簧較軟，隨被測(cè)振動(dòng)體一起振動(dòng)時(shí)，由于彈簧較軟，運(yùn)動(dòng)部件質(zhì)量相對(duì)較大。當(dāng)振動(dòng)頻率足夠運(yùn)動(dòng)部件質(zhì)量相對(duì)較大。當(dāng)振動(dòng)

52、頻率足夠高（遠(yuǎn)大于傳感器固有頻率）時(shí)，運(yùn)動(dòng)部高（遠(yuǎn)大于傳感器固有頻率）時(shí)，運(yùn)動(dòng)部件慣性很大，來不及隨振動(dòng)體一起振動(dòng)，件慣性很大，來不及隨振動(dòng)體一起振動(dòng)，近乎靜止不動(dòng)，近乎靜止不動(dòng)， 振動(dòng)能量幾乎全被彈簧吸收，永久磁鐵與線圈振動(dòng)能量幾乎全被彈簧吸收，永久磁鐵與線圈之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度接近于振動(dòng)體振動(dòng)速度，之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度接近于振動(dòng)體振動(dòng)速度，磁鐵與線圈的相對(duì)運(yùn)動(dòng)切割磁力線，從而產(chǎn)生磁鐵與線圈的相對(duì)運(yùn)動(dòng)切割磁力線，從而產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)為感應(yīng)電勢(shì)為: 式中：式中： B0工作氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度；工作氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度； L每匝線圈平均長(zhǎng)度；每匝線圈平均長(zhǎng)度； w線圈在工作氣隙磁場(chǎng)中的匝數(shù)；線圈在工作氣隙磁場(chǎng)中的匝

53、數(shù)； v相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度。相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度。0(62)EwB Lv 霍爾傳感器為載流半導(dǎo)體在磁場(chǎng)中有霍爾傳感器為載流半導(dǎo)體在磁場(chǎng)中有電磁效應(yīng)（霍爾效應(yīng)）而輸出電動(dòng)勢(shì)的一電磁效應(yīng)（霍爾效應(yīng)）而輸出電動(dòng)勢(shì)的一種傳感器。種傳感器。 隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，開始用半導(dǎo)體材隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，開始用半導(dǎo)體材料制成霍爾元件，由于它的霍爾效應(yīng)顯著料制成霍爾元件，由于它的霍爾效應(yīng)顯著而得到應(yīng)用和發(fā)展。而得到應(yīng)用和發(fā)展?；魻杺鞲衅鲝V泛用于電磁測(cè)量電流、磁場(chǎng)、霍爾傳感器廣泛用于電磁測(cè)量電流、磁場(chǎng)、壓力、加速度、振動(dòng)等方面的測(cè)量。壓力、加速度、振動(dòng)等方面的測(cè)量。 6.2 霍爾傳傳感器6.2.1 霍爾效應(yīng)及霍爾元件霍爾效應(yīng)及

54、霍爾元件1）霍爾效應(yīng)）霍爾效應(yīng) 置于磁場(chǎng)中的靜止載流導(dǎo)體，當(dāng)它的電置于磁場(chǎng)中的靜止載流導(dǎo)體，當(dāng)它的電流方向與磁場(chǎng)方向不一致時(shí)，載流導(dǎo)體上平行于電流方向與磁場(chǎng)方向不一致時(shí)，載流導(dǎo)體上平行于電流和磁場(chǎng)方向上的兩個(gè)面之間產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，這種現(xiàn)流和磁場(chǎng)方向上的兩個(gè)面之間產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，這種現(xiàn)象稱霍爾效應(yīng)，該電勢(shì)稱霍爾電勢(shì)，半導(dǎo)體薄片稱象稱霍爾效應(yīng)，該電勢(shì)稱霍爾電勢(shì)，半導(dǎo)體薄片稱霍爾元件?；魻栐D圖6-5所示，在垂直于外磁場(chǎng)所示，在垂直于外磁場(chǎng)B的方向上放置一個(gè)導(dǎo)的方向上放置一個(gè)導(dǎo)電板，導(dǎo)電板通以電流電板，導(dǎo)電板通以電流I，方向如圖所示。，方向如圖所示。霍爾效應(yīng)原理圖霍爾效應(yīng)原理圖6.2 霍爾傳傳感器導(dǎo)電板

55、中的電流是金屬中自由電子在電場(chǎng)作導(dǎo)電板中的電流是金屬中自由電子在電場(chǎng)作用下的定向運(yùn)動(dòng)。此時(shí)，每個(gè)電子受洛侖磁力用下的定向運(yùn)動(dòng)。此時(shí)，每個(gè)電子受洛侖磁力Fm的作用，的作用，F(xiàn)m的大小為：的大小為：式中：式中：e-電子電荷；電子電荷；v-電子運(yùn)動(dòng)平均速度；電子運(yùn)動(dòng)平均速度； B-磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度。磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度。 Fm的方向在圖的方向在圖6-5中是向上的，此時(shí)電子除中是向上的，此時(shí)電子除了沿電流反方向作定向運(yùn)動(dòng)外，還在了沿電流反方向作定向運(yùn)動(dòng)外，還在Fm的作的作用下向上漂移，結(jié)果使金屬導(dǎo)電板上底面積累用下向上漂移，結(jié)果使金屬導(dǎo)電板上底面積累電子，而下電子，而下mFevB 6.2 霍爾傳傳感器 底

56、面積累正電荷，從而形成了附加內(nèi)電場(chǎng)底面積累正電荷，從而形成了附加內(nèi)電場(chǎng)EH，稱霍爾電場(chǎng)，該電場(chǎng)強(qiáng)度為稱霍爾電場(chǎng)，該電場(chǎng)強(qiáng)度為: 則則 此時(shí)電荷不再向兩底面積累，達(dá)到平衡狀態(tài)。此時(shí)電荷不再向兩底面積累，達(dá)到平衡狀態(tài)。 (610)HHUEb(6 11)HeEevB (6 12)HEvB(6 13)HUbvB6.2 霍爾傳傳感器 一般金屬材料載流子遷移率很高，但電阻率很??；一般金屬材料載流子遷移率很高，但電阻率很?。欢^緣材料電阻率極高，但載流子遷移率極低。而絕緣材料電阻率極高，但載流子遷移率極低。故只有半導(dǎo)體材料適于制造霍爾片。目前常用的故只有半導(dǎo)體材料適于制造霍爾片。目前常用的霍爾元件材料有：鍺

57、、霍爾元件材料有：鍺、 硅、砷化銦、硅、砷化銦、 銻化銦等銻化銦等半導(dǎo)體材料。其中半導(dǎo)體材料。其中N型鍺容易加工制造，其霍爾型鍺容易加工制造，其霍爾系數(shù)、溫度性能和線性度都較好。系數(shù)、溫度性能和線性度都較好。N型硅的線性型硅的線性度最好，其霍爾系數(shù)、溫度性能同度最好，其霍爾系數(shù)、溫度性能同N型鍺相近。型鍺相近。銻化銦對(duì)溫度最敏感，尤其在低溫范圍內(nèi)溫度系銻化銦對(duì)溫度最敏感，尤其在低溫范圍內(nèi)溫度系數(shù)大，但在室溫時(shí)其霍爾系數(shù)較大。砷化銦的霍數(shù)大，但在室溫時(shí)其霍爾系數(shù)較大。砷化銦的霍爾系數(shù)較小，溫度系數(shù)也較小，輸出特性線性度爾系數(shù)較小，溫度系數(shù)也較小，輸出特性線性度好。好。6.2 霍爾傳傳感器 霍爾元件的結(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)霍爾元件的結(jié)構(gòu)很簡(jiǎn) 單，它由霍爾片、引單，它由霍爾片、引 線和殼體組成，如圖線和殼體組成，如圖 6-6（a）所示?；魻枺┧尽；魻柶?是一塊矩形半導(dǎo)體單是一塊矩形半導(dǎo)體單晶薄片，引出四個(gè)引線。晶薄片，引出四個(gè)引線。1、1兩根引線加激勵(lì)電壓或兩根引線加激勵(lì)電壓或電流，稱為激勵(lì)電極；電流，稱為激勵(lì)電極；2、2引線為霍爾輸出引線，稱引線為霍爾輸出引線，稱為霍