第2章傳感器與調(diào)理技術(shù)1

1、虛擬儀器常用傳感器虛擬儀器常用傳感器與信號(hào)調(diào)理技術(shù)與信號(hào)調(diào)理技術(shù)2.1 虛擬儀器常用傳感器n2121世紀(jì)的社會(huì)是信息社會(huì)?，F(xiàn)代信息世紀(jì)的社會(huì)是信息社會(huì)?，F(xiàn)代信息技術(shù)包括三大組成部分：技術(shù)包括三大組成部分： 傳感器技術(shù)傳感器技術(shù)信息采集信息采集 通信技術(shù)通信技術(shù)-信息傳遞信息傳遞 計(jì)算機(jī)技術(shù)計(jì)算機(jī)技術(shù)信息處理信息處理n傳感器技術(shù)位于信息技術(shù)之首。傳感器技術(shù)位于信息技術(shù)之首。 傳感器傳感器 給我們的生活帶來(lái)了便利和幫助給我們的生活帶來(lái)了便利和幫助2.1.1 傳感器概述 n傳感器傳感器（SensorSensor）：能感受規(guī)定的被測(cè)量并按照）：能感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件

2、和裝置。一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件和裝置。n包含的概念包含的概念n它是由它是由敏感元件敏感元件和和轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換元件構(gòu)成的檢測(cè)裝置；構(gòu)成的檢測(cè)裝置； n能按一定能按一定規(guī)律規(guī)律將被測(cè)量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出；將被測(cè)量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出； n傳感器的輸出與輸入之間存在傳感器的輸出與輸入之間存在確定的關(guān)系確定的關(guān)系。按使用的場(chǎng)合不同又稱為按使用的場(chǎng)合不同又稱為: :變換器變換器、換能器換能器、探測(cè)器探測(cè)器。1.1.傳感器的定義傳感器的定義2.傳感器的組成n傳感器由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、測(cè)量電路三部分組成。傳感器由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、測(cè)量電路三部分組成。 敏感元件敏感元件感受被測(cè)量感受被測(cè)量; ; 轉(zhuǎn)換

3、元件轉(zhuǎn)換元件將響應(yīng)的被測(cè)量轉(zhuǎn)換成電參量將響應(yīng)的被測(cè)量轉(zhuǎn)換成電參量; ; 測(cè)量電路測(cè)量電路（信號(hào)調(diào)節(jié)與轉(zhuǎn)換電路）將傳感元件輸出的微?。ㄐ盘?hào)調(diào)節(jié)與轉(zhuǎn)換電路）將傳感元件輸出的微小的電信號(hào)變換成便于顯示、記錄、處理和控制的能直接利用的電信號(hào)變換成便于顯示、記錄、處理和控制的能直接利用的電信號(hào)。的電信號(hào)。 3.傳感器分類4.傳感器技術(shù)的作用和地位 傳感器廣泛用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、傳感器廣泛用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、商業(yè)、交通、環(huán)境監(jiān)測(cè)、醫(yī)療診斷、商業(yè)、交通、環(huán)境監(jiān)測(cè)、醫(yī)療診斷、軍事科研、航空航天、現(xiàn)代辦公設(shè)備、軍事科研、航空航天、現(xiàn)代辦公設(shè)備、智能樓宇和家用電器等領(lǐng)域。是構(gòu)建智能樓宇和家用電器等領(lǐng)域。是構(gòu)建現(xiàn)代信息系統(tǒng)

4、的重要組成部分。現(xiàn)代信息系統(tǒng)的重要組成部分。機(jī)械手、機(jī)器人中的傳感器 轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)/移動(dòng)位置傳感器、力傳感器、視覺傳感器、聽移動(dòng)位置傳感器、力傳感器、視覺傳感器、聽覺傳感器、接近距離傳感器、觸覺傳感器、熱覺傳感器、覺傳感器、接近距離傳感器、觸覺傳感器、熱覺傳感器、嗅覺傳感器。嗅覺傳感器。 密歇根大學(xué)的機(jī)械手裝配模型密歇根大學(xué)的機(jī)械手裝配模型廣州中鳴數(shù)碼的機(jī)器狗廣州中鳴數(shù)碼的機(jī)器狗AGV自動(dòng)送貨車 超聲波測(cè)距傳感器、判斷超聲波測(cè)距傳感器、判斷建筑物內(nèi)人和物所在位置；建筑物內(nèi)人和物所在位置；紅外線色彩傳感器運(yùn)動(dòng)軌跡和紅外線色彩傳感器運(yùn)動(dòng)軌跡和AGV小車位置小車位置識(shí)別；條形識(shí)別；條形碼傳感器，碼傳感器

5、，貨品識(shí)別。貨品識(shí)別。香港理工香港理工AGV模型模型循跡小車產(chǎn)品質(zhì)量測(cè)量 在汽車、機(jī)床等設(shè)備，電機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)等零部件出廠時(shí)，在汽車、機(jī)床等設(shè)備，電機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)等零部件出廠時(shí)，必須對(duì)其性能質(zhì)量進(jìn)行測(cè)量和出廠檢驗(yàn)。必須對(duì)其性能質(zhì)量進(jìn)行測(cè)量和出廠檢驗(yàn)。 圖示為汽車出廠檢驗(yàn)原理框圖，測(cè)量參數(shù)圖示為汽車出廠檢驗(yàn)原理框圖，測(cè)量參數(shù)包括包括潤(rùn)滑油溫度潤(rùn)滑油溫度、冷卻水溫度冷卻水溫度、燃油壓力燃油壓力及及發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速等。通過對(duì)抽樣汽車的測(cè)試，等。通過對(duì)抽樣汽車的測(cè)試，工程師可以了解產(chǎn)品質(zhì)量。工程師可以了解產(chǎn)品質(zhì)量。汽車扭距測(cè)量汽車扭距測(cè)量機(jī)床加工精度測(cè)量機(jī)床加工精度測(cè)量樓宇控制與安全防護(hù) 4、 為使建筑物

6、成為安全、健康、舒適、溫馨的生活、工為使建筑物成為安全、健康、舒適、溫馨的生活、工作環(huán)境，并能保證系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和管理的智能化。在作環(huán)境，并能保證系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和管理的智能化。在樓宇中應(yīng)用了許多測(cè)試技術(shù)，如闖入監(jiān)測(cè)、空氣監(jiān)測(cè)、溫樓宇中應(yīng)用了許多測(cè)試技術(shù)，如闖入監(jiān)測(cè)、空氣監(jiān)測(cè)、溫度監(jiān)測(cè)、電梯運(yùn)行狀況。度監(jiān)測(cè)、電梯運(yùn)行狀況。 圖示為某公司樓宇自動(dòng)化系圖示為某公司樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)。該系統(tǒng)分為：電源管理、統(tǒng)。該系統(tǒng)分為：電源管理、安全監(jiān)測(cè)、照明控制、空調(diào)安全監(jiān)測(cè)、照明控制、空調(diào)控制、停車管理、水控制、停車管理、水/廢水管廢水管理和電梯監(jiān)控。理和電梯監(jiān)控。煙霧傳感器亮度傳感器紅外人體探測(cè)器其他應(yīng)用 航

7、天航天農(nóng)業(yè)農(nóng)業(yè)交通交通醫(yī)學(xué)醫(yī)學(xué)5.傳感器發(fā)展趨勢(shì) 目前傳感器總的發(fā)展趨勢(shì)是目前傳感器總的發(fā)展趨勢(shì)是 : （1 1）新材料新材料的開發(fā)和應(yīng)用；的開發(fā)和應(yīng)用； （2 2）新工藝、新技術(shù)新工藝、新技術(shù)的應(yīng)用；的應(yīng)用；（3 3）新的效應(yīng)新的效應(yīng)的應(yīng)用；的應(yīng)用；（4 4）傳感器的）傳感器的集成化集成化； （5 5）傳感器的）傳感器的多維化多維化； （6 6）傳感器的）傳感器的多功能化多功能化； （7 7）傳感器的）傳感器的智能化智能化。 2.1.2 應(yīng)變式傳感器高精度電子汽車衡高精度電子汽車衡廣泛應(yīng)用于：廣泛應(yīng)用于：1. 工作原理應(yīng)變效應(yīng)：應(yīng)變效應(yīng)：當(dāng)導(dǎo)體或半導(dǎo)體在外界力的作用下發(fā)當(dāng)導(dǎo)體或半導(dǎo)體在外界力

8、的作用下發(fā)生機(jī)械變形時(shí)，其電阻值相應(yīng)發(fā)生變化，這種生機(jī)械變形時(shí)，其電阻值相應(yīng)發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為現(xiàn)象稱為應(yīng)變效應(yīng)應(yīng)變效應(yīng)。應(yīng)變效應(yīng)應(yīng)變效應(yīng)n當(dāng)電阻絲受到拉力當(dāng)電阻絲受到拉力F F作用時(shí)作用時(shí), , 將伸長(zhǎng)將伸長(zhǎng)L, L, 橫截面積橫截面積相應(yīng)減小相應(yīng)減小S, S, 電阻率將因晶格發(fā)生變形等因素而改電阻率將因晶格發(fā)生變形等因素而改變變, , 故引起電阻值相對(duì)變化量。故引起電阻值相對(duì)變化量。SLR.應(yīng)變效應(yīng)應(yīng)變效應(yīng)SSLLRR式中式中L/L是是長(zhǎng)度相對(duì)變化量長(zhǎng)度相對(duì)變化量, 用用應(yīng)變應(yīng)變表示表示 LLS/S為圓形電阻絲的為圓形電阻絲的截面積截面積相對(duì)變化量相對(duì)變化量, 即即 rrSS2又又由材料

9、力學(xué)可知，在彈由材料力學(xué)可知，在彈性范圍內(nèi)性范圍內(nèi)LLrr電阻絲材料的泊松比電阻絲材料的泊松比)21 (RRSLR.電阻絲的靈敏系數(shù)n電阻絲的靈敏系數(shù)電阻絲的靈敏系數(shù)：把單位應(yīng)變能引起的電阻值變：把單位應(yīng)變能引起的電阻值變化稱為電阻絲的靈敏度系數(shù)?；Q為電阻絲的靈敏度系數(shù)。n其物理意義是單位應(yīng)變所引起的電阻相對(duì)變化量，其物理意義是單位應(yīng)變所引起的電阻相對(duì)變化量， 其表達(dá)式為：其表達(dá)式為：21RdRK工作原理說明演示實(shí)驗(yàn)2. 應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu)與種類 由敏感柵、基片、覆蓋層和引線由敏感柵、基片、覆蓋層和引線等部分組成。等部分組成。 是應(yīng)變片的核心部分，它粘貼在絕緣是應(yīng)變片的核心部分，它粘貼在絕緣的

10、基片上，其上再粘貼起保護(hù)作用的覆蓋層，的基片上，其上再粘貼起保護(hù)作用的覆蓋層，兩端焊接引出導(dǎo)線。兩端焊接引出導(dǎo)線。n金屬電阻應(yīng)變片的敏感柵有：金屬電阻應(yīng)變片的敏感柵有： 絲式絲式箔式箔式金屬絲式應(yīng)變片 1-1-基片；基片；2-2-電阻絲；電阻絲；3-3-覆蓋層；覆蓋層；4-4-引出線引出線 其靈敏度系數(shù)多在其靈敏度系數(shù)多在1.71.73.63.6之間之間金屬箔式應(yīng)變片 箔式應(yīng)變片結(jié)構(gòu)箔式應(yīng)變片結(jié)構(gòu)在絕緣基底上，將厚在絕緣基底上，將厚度為度為0.0030.0030.01mm0.01mm電阻箔材，利用照相電阻箔材，利用照相制板或光刻腐蝕的方制板或光刻腐蝕的方法，制成適用于各種法，制成適用于各種需要

11、的形狀。需要的形狀。 3. 電阻應(yīng)變片的測(cè)量電路 n由于機(jī)械應(yīng)變一般都很小，要把微小應(yīng)變由于機(jī)械應(yīng)變一般都很小，要把微小應(yīng)變引起的微小電阻變化測(cè)量出來(lái)，同時(shí)要把引起的微小電阻變化測(cè)量出來(lái)，同時(shí)要把電阻相對(duì)變化電阻相對(duì)變化R/RR/R轉(zhuǎn)換為電壓或電流的轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化。需要有專用測(cè)量電路用于測(cè)量應(yīng)變變化。需要有專用測(cè)量電路用于測(cè)量應(yīng)變變化而引起電阻變化的測(cè)量電路。變化而引起電阻變化的測(cè)量電路。 直流電橋直流電橋 交流電橋交流電橋 直流電橋 直流電橋的平衡條件直流電橋的平衡條件 負(fù)載負(fù)載RLRL（開路）（開路）)(4332110RRRRRREU當(dāng)電橋平衡時(shí)當(dāng)電橋平衡時(shí), Uo=0, 則有則有

12、 R1R4 = R2R3 或4321RRRR這說明欲使電橋平衡這說明欲使電橋平衡, , 其相鄰兩臂電阻的比其相鄰兩臂電阻的比值應(yīng)相等值應(yīng)相等, , 或相對(duì)兩或相對(duì)兩臂電阻的乘積相等。臂電阻的乘積相等。 電壓靈敏度n設(shè)設(shè)R1R1為應(yīng)變片，應(yīng)變時(shí)為應(yīng)變片，應(yīng)變時(shí)R1R1變化量為變化量為R1R1，這時(shí)電橋，這時(shí)電橋失衡，不平衡輸出電壓為：失衡，不平衡輸出電壓為：)()(4321141433211110RRRRRRRERRRRRRRREU)1)(1 (3412111134RRRRRRRRRRE 設(shè)橋臂比設(shè)橋臂比n = Rn = R2 2/R/R1 11120)1 (RRnnEU電壓靈敏度討論 2110

13、)1 (nnERRUKU由差動(dòng)電橋電壓靈敏度 差動(dòng)電橋可補(bǔ)償非線性誤差，而且電橋電壓靈敏差動(dòng)電橋可補(bǔ)償非線性誤差，而且電橋電壓靈敏度度K KU U比單臂工作時(shí)提高比單臂工作時(shí)提高, , 同時(shí)還具有溫度補(bǔ)償作用。同時(shí)還具有溫度補(bǔ)償作用。1102RREU110RREU電壓靈敏度是單片的電壓靈敏度是單片的 4 4 倍倍電壓靈敏度是單片的電壓靈敏度是單片的 2 2 倍倍差動(dòng)應(yīng)變實(shí)驗(yàn)4. 應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用n電阻應(yīng)變式傳感器按用途不同可分為：電阻應(yīng)變式傳感器按用途不同可分為： 應(yīng)變式測(cè)力（稱重）傳感器應(yīng)變式測(cè)力（稱重）傳感器 應(yīng)變式壓力傳感器應(yīng)變式壓力傳感器 應(yīng)變式位移傳感器應(yīng)變式位移傳感器 應(yīng)變式加速

14、度傳感器應(yīng)變式加速度傳感器 等幾類等幾類應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面將應(yīng)變片粘貼于被測(cè)構(gòu)件上，直將應(yīng)變片粘貼于被測(cè)構(gòu)件上，直接用來(lái)測(cè)定構(gòu)件的接用來(lái)測(cè)定構(gòu)件的應(yīng)變和應(yīng)力應(yīng)變和應(yīng)力。將應(yīng)變片貼于彈性元件上，與彈將應(yīng)變片貼于彈性元件上，與彈性元件一起構(gòu)成應(yīng)變式傳感器。這性元件一起構(gòu)成應(yīng)變式傳感器。這種傳感器常用來(lái)測(cè)量力、位移、加種傳感器常用來(lái)測(cè)量力、位移、加速度等物理參數(shù)。速度等物理參數(shù)。（1）應(yīng)變式傳感器測(cè)力應(yīng)變式傳感器測(cè)力演示（2）應(yīng)變式壓力傳感器Phr0圓形金屬膜片圓形金屬膜片徑徑向向應(yīng)應(yīng)變變切向應(yīng)變切向應(yīng)變R1 R20.58rR3 R4膜片式壓力傳感器膜片式壓力傳感器（3）應(yīng)變式加速

15、度傳感器 1質(zhì)量塊質(zhì)量塊 2等強(qiáng)度梁等強(qiáng)度梁 3殼體殼體 4電阻應(yīng)變片電阻應(yīng)變片mFa （4）應(yīng)變式傳感器測(cè)橋梁固有頻率測(cè)量南京長(zhǎng)江二橋通車應(yīng)變?cè)囼?yàn)?zāi)暇╅L(zhǎng)江二橋通車應(yīng)變?cè)囼?yàn)2.1.3 電容式傳感器n電容式傳感器是把被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換成電容式傳感器是把被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換成電容量變化的一種傳感器。電容量變化的一種傳感器。n傳統(tǒng)電容式傳感器主要用于位移、振動(dòng)、傳統(tǒng)電容式傳感器主要用于位移、振動(dòng)、角度、加速度等機(jī)械量精密測(cè)量?，F(xiàn)逐角度、加速度等機(jī)械量精密測(cè)量?，F(xiàn)逐漸應(yīng)用于壓力、壓差、液面、成份含量漸應(yīng)用于壓力、壓差、液面、成份含量等方面的測(cè)量。等方面的測(cè)量。各種電容式傳感器電容式接近開關(guān)電容式接近開關(guān)電容

16、式指紋傳感器電容式指紋傳感器電容式變送器電容式變送器差壓傳感器1. 電容式傳感器工作原理和類型n由絕緣介質(zhì)分開的兩個(gè)平行金屬板組成的平板電容器，如由絕緣介質(zhì)分開的兩個(gè)平行金屬板組成的平板電容器，如果不考慮邊緣效應(yīng)，其電容量為：果不考慮邊緣效應(yīng)，其電容量為： A A 極板相對(duì)覆蓋面積極板相對(duì)覆蓋面積d d 極板間距離極板間距離r r相對(duì)介電常數(shù)相對(duì)介電常數(shù)0 0真空介電常數(shù)真空介電常數(shù) 電容極板間介質(zhì)的介電常數(shù)電容極板間介質(zhì)的介電常數(shù) dAdAcr0dA電容傳感器的結(jié)構(gòu)類型變極距型傳感器變面積式電容傳感器平面線平面線位移型位移型+柱面線位移型柱面線位移型. .角位移型角位移型. .變介質(zhì)型傳感器

17、變介質(zhì)型傳感器(1)變極距型電容傳感器 當(dāng)當(dāng)傳感器傳感器的的r r和和A A為常數(shù)為常數(shù), , 初始極距為初始極距為d d0 0時(shí)時(shí), , 其初始電容量其初始電容量C C0 0為為: :000dAdACr變極距型電容傳感器n若電容器極板間距離由初始值若電容器極板間距離由初始值d0d0縮縮小小dd，電容量增大，電容量增大CC，則有，則有: :)(1 20000ddddddcc00 略去高次 項(xiàng)ddcc有0001ddcck電容傳感器電容傳感器的靈敏度：的靈敏度：000001ddcddACCCr電容的相對(duì)容量為電容的相對(duì)容量為:時(shí)，按泰勒級(jí)數(shù)展開：當(dāng)10dd0001ddddcc變極距型差動(dòng)結(jié)構(gòu)dd上

18、靜片上靜片下靜片下靜片動(dòng)片動(dòng)片0011ddcc0021ddcc數(shù)展開泰勒時(shí)，當(dāng)級(jí)按10dd電容總的變化量為：電容總的變化量為：)(2300021ddddcccc002ddcc略去高次項(xiàng)：略去高次項(xiàng)：0002ddcck電容傳感器電容傳感器的靈敏度：的靈敏度：（2）變面積型電容傳感器當(dāng)動(dòng)極板相對(duì)于定極板沿著長(zhǎng)度當(dāng)動(dòng)極板相對(duì)于定極板沿著長(zhǎng)度方向平移時(shí)，其電容變化量化為方向平移時(shí)，其電容變化量化為axccdbxacr0000)(（3）變介電常數(shù)型電容式傳感器n當(dāng)某種介質(zhì)在兩固定極板之間運(yùn)動(dòng)時(shí)，電容量與介當(dāng)某種介質(zhì)在兩固定極板之間運(yùn)動(dòng)時(shí)，電容量與介質(zhì)參數(shù)之間的關(guān)系為：質(zhì)參數(shù)之間的關(guān)系為：rdD動(dòng)片動(dòng)片r

19、變介電常數(shù)式電容傳感器分幾種情況：變介電常數(shù)式電容傳感器分幾種情況： 測(cè)介電常數(shù)測(cè)介電常數(shù) 測(cè)厚度測(cè)厚度d drddDAC0變介電常數(shù)的兩種類型 d d為運(yùn)動(dòng)介質(zhì)的厚度，為運(yùn)動(dòng)介質(zhì)的厚度，d d保持不變，改變保持不變，改變介電常數(shù)，介電常數(shù)， 可作可作為介電常數(shù)的測(cè)試儀器。為介電常數(shù)的測(cè)試儀器。)(0rrddDAC2. 電容式傳感器測(cè)量電路（1）運(yùn)算放大器式電路：能克服變極距型電容傳感器的非線性能克服變極距型電容傳感器的非線性. Cx是傳感器電容是傳感器電容C是固定電容是固定電容u0是輸出電壓信號(hào)是輸出電壓信號(hào) uCCxu0uj Cj CuCCuxx011 / ()/ ()A（2）二極管雙T型

20、電路e e是高頻電源是高頻電源, , 它提供幅值為它提供幅值為U Ui i的對(duì)的對(duì)稱方波稱方波D D1 1、D D2 2為特性完全相同的兩個(gè)二極管為特性完全相同的兩個(gè)二極管R1 = R2 = RC C1 1、C C2 2為傳感器的兩個(gè)差動(dòng)電容，為傳感器的兩個(gè)差動(dòng)電容，當(dāng)傳感器沒有輸入時(shí)當(dāng)傳感器沒有輸入時(shí),C,C1 1=C=C2 2 工作原理分析：工作原理分析：e e為正半周為正半周 e e為負(fù)半周為負(fù)半周雙T型電路工作原理n若傳感器輸入不為若傳感器輸入不為 0, 0, 則則C C1 1CC2 2, , 那么那么I I1 1II2 2, , 此時(shí)此時(shí)R RL L上必定上必定有信號(hào)輸出有信號(hào)輸出,

21、 , 其輸出在一個(gè)周期內(nèi)的平均值為其輸出在一個(gè)周期內(nèi)的平均值為TRIULL10dttItIT)()(201LR)()()2(212ccfURRRRRRiLLL式中式中f f為電源頻率。為電源頻率。 當(dāng)當(dāng)R RL L已知已知MRRRRRRLLL2)()2(（常數(shù)）)(210CCfMUUi則：當(dāng)電源電壓確定后當(dāng)電源電壓確定后, , 輸出電壓輸出電壓UoUo是電容是電容C1C1和和C2C2的函數(shù)的函數(shù) （3）脈沖寬度調(diào)制電路QBQD2D1 AR2R1FGC1C2A2A1uABUr雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器A1A1、A2A2為比較器為比較器C C1 1、C C2 2為差動(dòng)式電容傳感器為差動(dòng)式電容傳感器電阻電阻R R

22、1 1=R=R2 2D D1 1、D D2 2為特性完全相同為特性完全相同的兩個(gè)二極管的兩個(gè)二極管當(dāng)差動(dòng)電容器的當(dāng)差動(dòng)電容器的C C1 1=C=C2 2時(shí)時(shí), , 其平均電壓值為零。其平均電壓值為零。T T1 1、T T2 2CC1 1、C C2 2充放電至充放電至U Ur r所需時(shí)間所需時(shí)間U U1 1觸發(fā)器輸出的高電位觸發(fā)器輸出的高電位脈沖寬度調(diào)制電路工作原理n由于由于TR CUUUr11111lnTR CUUUr22211ln由電路知識(shí)可知由電路知識(shí)可知C C1 1、C C2 2的充電時(shí)間的充電時(shí)間12121UCCCCuAB21211)(TTTTUuuuBAAB將將T1T1、T2T2代入

23、代入上式上式 得得：3. 電容式傳感器的應(yīng)用PPhmaxd0CACLCHC0PHPL（2）電容測(cè)厚儀 電容測(cè)厚儀用于測(cè)量金屬電容測(cè)厚儀用于測(cè)量金屬帶材在軋制過程中的厚度變化。帶材在軋制過程中的厚度變化。 帶材是電容的動(dòng)極板，總電帶材是電容的動(dòng)極板，總電容容C1+C2C1+C2作為橋臂。作為橋臂。 帶 材 只 是 上 下 波 動(dòng) 時(shí)帶 材 只 是 上 下 波 動(dòng) 時(shí)Cx=C1+C2Cx=C1+C2總的電容量不變；帶總的電容量不變；帶材的厚度變化使電容材的厚度變化使電容CxCx變化。變化。 CBRR0C1C2C1L2L（3）電容式料位計(jì)dDhkcsln)(0傳感器的靜電電容可由下式表示傳感器的靜電

24、電容可由下式表示: :式中式中: k: k比例常數(shù)比例常數(shù); ; s s被測(cè)物料的相對(duì)介電常被測(cè)物料的相對(duì)介電常數(shù)數(shù) ； 00空氣的相對(duì)介電常數(shù)空氣的相對(duì)介電常數(shù); D; D儲(chǔ)罐的內(nèi)儲(chǔ)罐的內(nèi)徑徑; 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。測(cè)定電極安裝在金屬儲(chǔ)罐的頂部，儲(chǔ)罐的測(cè)定電極安裝在金屬儲(chǔ)罐的頂部，儲(chǔ)罐的罐壁和測(cè)定電極之間形成了一個(gè)電容器。罐壁和測(cè)定電極之間形成了一個(gè)電容器。（4）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)極板是物體本身，當(dāng)物體另一個(gè)極

25、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。2.1.4 壓電式傳感器n壓電式傳感器是一種典型的發(fā)電型傳感壓電式傳感器是一種典型的發(fā)電型傳感器，以電介質(zhì)的壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)，外力器，以電介質(zhì)的壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)，外力作用下在電介質(zhì)表面產(chǎn)生電荷，從而實(shí)作用下在電介質(zhì)表面產(chǎn)生電荷，從而實(shí)現(xiàn)非電量測(cè)量?，F(xiàn)非電量測(cè)量。

26、 n壓電式傳感器可以對(duì)各種壓電式傳感器可以對(duì)各種動(dòng)態(tài)力動(dòng)態(tài)力、機(jī)械機(jī)械沖擊沖擊和和振動(dòng)振動(dòng)進(jìn)行測(cè)量，在聲學(xué)、醫(yī)學(xué)、進(jìn)行測(cè)量，在聲學(xué)、醫(yī)學(xué)、力學(xué)、導(dǎo)航方面都得到廣泛的應(yīng)用。力學(xué)、導(dǎo)航方面都得到廣泛的應(yīng)用。壓電式傳感器應(yīng)用概述壓電陶瓷位移器壓電陶瓷位移器壓電陶瓷超聲換能器壓電秤重浮游計(jì)壓電秤重浮游計(jì)壓電加速度計(jì)壓電警號(hào)壓電警號(hào)1. 壓電式傳感器的工作原理 某些物質(zhì)在沿一定方向受到壓力或拉力作用而某些物質(zhì)在沿一定方向受到壓力或拉力作用而發(fā)生改變時(shí)，其表面上會(huì)產(chǎn)生電荷，若將外力去掉發(fā)生改變時(shí)，其表面上會(huì)產(chǎn)生電荷，若將外力去掉時(shí)，它們又重新回到不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象就稱時(shí)，它們又重新回到不帶電的狀態(tài)，這

27、種現(xiàn)象就稱為為。 在壓電材料的兩個(gè)電極面上，如果加以交流電在壓電材料的兩個(gè)電極面上，如果加以交流電壓，那么壓電片能產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，即壓電片在電極壓，那么壓電片能產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，即壓電片在電極方向上有伸縮的現(xiàn)象，壓電材料的這種現(xiàn)象稱為電方向上有伸縮的現(xiàn)象，壓電材料的這種現(xiàn)象稱為電致伸縮效應(yīng)，也叫致伸縮效應(yīng)，也叫當(dāng)作用力的方向改變時(shí)，電荷的極性也隨之改變當(dāng)作用力的方向改變時(shí)，電荷的極性也隨之改變壓電材料壓電材料壓電材料: :具有壓電效應(yīng)的材料稱為具有壓電效應(yīng)的材料稱為壓電材料壓電材料。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)換電能量的相互轉(zhuǎn)換, ,如圖所示：如圖所示：壓電材料分為壓電材料分為兩大

28、類兩大類: : 壓電晶體和壓電陶瓷壓電晶體和壓電陶瓷 。壓電元件壓電元件機(jī)械能電能（1）石英晶體壓 電 晶 片按特定方向切片按特定方向切片人工合成人工合成水晶水晶石英晶體是最常用的壓電晶體之一石英晶體是最常用的壓電晶體之一石英晶體的壓電效應(yīng)n石英晶體石英晶體它理想的幾何形狀為正六面體晶柱，如圖它理想的幾何形狀為正六面體晶柱，如圖 在晶體學(xué)中可用三根互相垂直的晶軸表示，其中縱向在晶體學(xué)中可用三根互相垂直的晶軸表示，其中縱向軸軸Z Z稱為光軸稱為光軸；經(jīng)過正六面體棱線且垂直于光軸的；經(jīng)過正六面體棱線且垂直于光軸的x x軸軸稱為電軸稱為電軸；與；與x x軸和軸和z z軸同時(shí)垂直的軸同時(shí)垂直的y y軸

29、稱為機(jī)械軸軸稱為機(jī)械軸。沿電軸沿電軸x x方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為“縱向壓電效縱向壓電效應(yīng)應(yīng)”，把沿機(jī)械軸，把沿機(jī)械軸y y軸方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)，稱為軸方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)，稱為“橫向壓電效應(yīng)橫向壓電效應(yīng)”。而沿。而沿z z軸方向受力時(shí)不會(huì)產(chǎn)生壓電效應(yīng)。軸方向受力時(shí)不會(huì)產(chǎn)生壓電效應(yīng)。表面電荷與外力關(guān)系n壓電元件受力后壓電元件受力后, ,表面電荷與外力成正比關(guān)系表面電荷與外力成正比關(guān)系: : dFq d d為壓電系數(shù)為壓電系數(shù) 當(dāng)在電軸當(dāng)在電軸x x方向施加作用力時(shí)方向施加作用力時(shí), , 在與電軸垂直的平面上將在與電軸垂直

30、的平面上將產(chǎn)生電荷產(chǎn)生電荷, , 其大小為：其大小為：xxFdq11d d1111xx方向受力的壓電系數(shù)方向受力的壓電系數(shù)q qx x垂直于垂直于x x軸平面上的電荷軸平面上的電荷F Fx x沿電軸沿電軸x x方向施加的作用力方向施加的作用力表面電荷與外力關(guān)系n若在同一切片上若在同一切片上, , 沿機(jī)械軸沿機(jī)械軸y y方向施加作用力方向施加作用力Fy, Fy, 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q qy y, , 其大小為：其大小為：yyFbadq12d d1212yy軸方向受力的壓電系數(shù)，根據(jù)石英晶體軸的對(duì)稱條軸方向受力的壓電系數(shù)，根據(jù)石英晶體軸的對(duì)稱條 件件

31、d d1212= -= -d d1111a,b-a,b-晶體切片的長(zhǎng)度與厚度晶體切片的長(zhǎng)度與厚度電荷電荷q q x x、 q qy y的符號(hào)由晶體受壓還是受拉而決定的符號(hào)由晶體受壓還是受拉而決定當(dāng)石英晶體沿當(dāng)石英晶體沿z z軸方向被壓縮或被拉伸時(shí)，晶體沿軸方向被壓縮或被拉伸時(shí)，晶體沿x x方向和方向和y y方向產(chǎn)生同樣的變形，因此沿方向產(chǎn)生同樣的變形，因此沿z z軸方向施加作用力時(shí)，石軸方向施加作用力時(shí)，石英晶體不會(huì)產(chǎn)生壓電效應(yīng)，即英晶體不會(huì)產(chǎn)生壓電效應(yīng)，即d d1313=0=0。石英晶體壓電模型石英晶體的壓電效應(yīng)示意圖石英晶體的壓電效應(yīng)示意圖（2）壓電陶瓷n壓電陶瓷與石英晶體不同，它是人工制

32、壓電陶瓷與石英晶體不同，它是人工制造的造的多晶體多晶體壓電材料。壓電材料。n壓電陶瓷在未進(jìn)行極化處理時(shí)，不具有壓電陶瓷在未進(jìn)行極化處理時(shí)，不具有壓電效應(yīng)；經(jīng)過極化處理后，它的壓電壓電效應(yīng)；經(jīng)過極化處理后，它的壓電效應(yīng)非常明顯，具有很高的壓電系數(shù)，效應(yīng)非常明顯，具有很高的壓電系數(shù)，為石英晶體的幾百倍。為石英晶體的幾百倍。電疇結(jié)構(gòu) 電疇實(shí)質(zhì)上是自發(fā)形成的小區(qū)域，每個(gè)小區(qū)域有一定電疇實(shí)質(zhì)上是自發(fā)形成的小區(qū)域，每個(gè)小區(qū)域有一定的極化方向，從而存在著一定的電場(chǎng)，但由于電疇分布雜的極化方向，從而存在著一定的電場(chǎng)，但由于電疇分布雜亂無(wú)章，如圖所示。因此在沒有外加電場(chǎng)的情況下，它們亂無(wú)章，如圖所示。因此在沒有

33、外加電場(chǎng)的情況下，它們的極化作用被相互低消了。的極化作用被相互低消了。 上述情況下，壓電陶瓷不會(huì)產(chǎn)生壓電效應(yīng)。上述情況下，壓電陶瓷不會(huì)產(chǎn)生壓電效應(yīng)。 壓電陶瓷具有與鐵磁材料磁疇結(jié)構(gòu)類似的電疇壓電陶瓷具有與鐵磁材料磁疇結(jié)構(gòu)類似的電疇結(jié)構(gòu)，如圖所示。結(jié)構(gòu)，如圖所示。壓電陶瓷極化處理外電場(chǎng)去掉外電場(chǎng)去掉后，電疇極化方向基本不變，剩余極化強(qiáng)度很大。后，電疇極化方向基本不變，剩余極化強(qiáng)度很大。所以，壓電陶瓷極化后才具有壓電特性，未極化時(shí)是非壓電體。所以，壓電陶瓷極化后才具有壓電特性，未極化時(shí)是非壓電體。施加外電場(chǎng)施加外電場(chǎng)時(shí)，電疇的極化方向發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，趨向外電場(chǎng)方向排時(shí)，電疇的極化方向發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，趨向外電場(chǎng)

34、方向排列。外電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到飽和程度時(shí)，所有的電疇與外電場(chǎng)一致。列。外電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到飽和程度時(shí)，所有的電疇與外電場(chǎng)一致。壓電陶瓷極化n壓電陶瓷的極化強(qiáng)度不恢復(fù)為零，而是存在著很強(qiáng)的剩余極壓電陶瓷的極化強(qiáng)度不恢復(fù)為零，而是存在著很強(qiáng)的剩余極化強(qiáng)度。此時(shí)，在與極化方向垂直的兩端面將會(huì)出現(xiàn)束縛電化強(qiáng)度。此時(shí)，在與極化方向垂直的兩端面將會(huì)出現(xiàn)束縛電荷，一端面為正，另一端面為負(fù)，如圖所示。荷，一端面為正，另一端面為負(fù)，如圖所示。束縛電荷自由電荷電極由于束縛電荷的作用，在束縛由于束縛電荷的作用，在束縛電荷附近很快吸附一層來(lái)自周電荷附近很快吸附一層來(lái)自周圍外界的自由電荷，且束縛電圍外界的自由電荷，且束縛電荷與自由

35、電荷多少相等，極性荷與自由電荷多少相等，極性相反，因此相反，因此壓電陶瓷對(duì)外不呈壓電陶瓷對(duì)外不呈現(xiàn)極性現(xiàn)極性。壓電陶瓷的極化過程壓電陶瓷的電荷Fdq33（3）壓電式傳感器n壓電傳感器可以看作是一個(gè)電荷發(fā)生器，也可以看壓電傳感器可以看作是一個(gè)電荷發(fā)生器，也可以看成是一個(gè)電容器。成是一個(gè)電容器。2. 壓電式傳感器的等效電路和測(cè)量電路（1）壓電式傳感器的等效電路）壓電式傳感器的等效電路 當(dāng)壓電元件受到外力作用時(shí)，就會(huì)在受力縱向當(dāng)壓電元件受到外力作用時(shí)，就會(huì)在受力縱向或橫向表面上出現(xiàn)電荷，在一個(gè)極板上聚集正電荷，或橫向表面上出現(xiàn)電荷，在一個(gè)極板上聚集正電荷，而在另一個(gè)極板上聚集等量的負(fù)電荷。因此壓電傳

36、而在另一個(gè)極板上聚集等量的負(fù)電荷。因此壓電傳感器可以看作是一個(gè)感器可以看作是一個(gè)電荷發(fā)生器電荷發(fā)生器，也是一個(gè)，也是一個(gè)電容器電容器。 若已知壓電片面積為若已知壓電片面積為A A，壓電片厚度，壓電片厚度d d，壓電材，壓電材料的相對(duì)介電常數(shù)料的相對(duì)介電常數(shù)r r ，則其電容值為，則其電容值為: : Ca=dAr0壓電元件的等效電路n壓電傳感器可以等效為一個(gè)與電容相串聯(lián)的電壓源。壓電傳感器可以等效為一個(gè)與電容相串聯(lián)的電壓源。 如圖（如圖（b b）所示，電容器上的電壓）所示，電容器上的電壓UaUa、電荷量、電荷量q q和電和電容量容量CaCa三者關(guān)系為三者關(guān)系為aaCqU (b)電壓源電壓源(a)

37、電荷源電荷源壓電傳感器的實(shí)際等效電路n壓電傳感器在實(shí)際使用時(shí)總要與測(cè)量?jī)x器或測(cè)量電路相連接壓電傳感器在實(shí)際使用時(shí)總要與測(cè)量?jī)x器或測(cè)量電路相連接, , 因此還須考慮因此還須考慮連接電纜的等效電容連接電纜的等效電容C Cc c, , 放大器的輸入電放大器的輸入電R Ri i, , 輸入電容輸入電容C Ci i以及以及壓電傳感器的泄漏電阻壓電傳感器的泄漏電阻R Ra a, , 這樣壓電傳感器這樣壓電傳感器在測(cè)量系統(tǒng)中的實(shí)際等效電路在測(cè)量系統(tǒng)中的實(shí)際等效電路, , 如圖所示如圖所示: :（2）壓電式傳感器的測(cè)量電路n壓電傳感器本身的內(nèi)阻抗很高，而輸出能量較小，壓電傳感器本身的內(nèi)阻抗很高，而輸出能量較小，因此它的測(cè)量電路通常需要接入一個(gè)高輸入阻抗的因此它的測(cè)量電路通常需要接入一個(gè)高輸入阻抗的前置放大器前置放大器，其，其作用作用為：為： 一是把它的高輸出阻抗變換為低輸出阻抗；一是把它的高輸出阻抗變換為低輸出阻抗； 二是放大傳感器輸出的微弱信號(hào)。二是放大傳感器輸出的微弱信號(hào)。 壓電傳感器的輸出可