傳感器原理及應(yīng)用第2章力、壓力傳感器2

第二章力、壓力傳感器了解力/壓力的概念及力/壓力的測(cè)量原理。掌握常用力、壓力傳感器的測(cè)量原理。熟悉應(yīng)變式、壓電式、電容式、電感式等傳感器的應(yīng)用。學(xué)習(xí)要點(diǎn)2/3/202322.1概述2.2彈性敏感元件2.3電阻應(yīng)變式傳感器2.4壓電式傳感器2.5電容式傳感器2.6電感式傳感器2.7壓阻式壓力傳感器

本章小結(jié)復(fù)習(xí)思考題主要學(xué)習(xí)內(nèi)容返回主目錄2/3/202332.1概述力是物質(zhì)之間的一種相互作用物體之間相互作用的結(jié)果使物體產(chǎn)生變形；在物體內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力、應(yīng)變；改變物體的機(jī)械運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；改變物體所具有的動(dòng)能和勢(shì)能。2/3/20234力傳感器的組成

力是一種非電物理量，不能用電工儀表直接測(cè)量，需要借助某一裝置將力轉(zhuǎn)換為電量進(jìn)行測(cè)量，能實(shí)現(xiàn)這一功能的裝置就是力傳感器。力傳感器主要由力敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和測(cè)量電路組成。如圖2-1所示。圖2-1力傳感器測(cè)量示意圖2/3/20235力的計(jì)量單位及測(cè)量原理力的計(jì)量單位為牛頓力的測(cè)量的原理力的靜力效應(yīng)力的動(dòng)力效應(yīng)指彈性物體受力后產(chǎn)生變形的一種物理現(xiàn)象。由胡克定律知：如在彈性范圍內(nèi),彈性物體在力的作用下產(chǎn)生的變形（x），與所受的力F成正比(k為彈性元件的勁度系數(shù))。因此，只要通過(guò)一定的手段測(cè)出物體的彈性變形量，就可間接確定物體所受力的大小。指具有一定質(zhì)量的物體受到力的作用時(shí)，其動(dòng)量將發(fā)生變化，從而產(chǎn)生相應(yīng)加速度的物理現(xiàn)象。由牛頓第二定律可知：當(dāng)物體質(zhì)量（m）確定后，物體受到的力（F）與所產(chǎn)生的加速度（a）成單值對(duì)應(yīng)關(guān)系。只要測(cè)出物體的加速度，就可間接測(cè)得物體所受到力的大小。2/3/202362/3/20237測(cè)量力的方法其中大多需要彈性敏感元件或其它敏感元件的轉(zhuǎn)換。測(cè)量力的方法電阻式（電位器式、電阻應(yīng)變片式）電感式（自感、互感、渦流）電容式壓電式壓磁式壓阻式返回本章目錄2/3/202382.2彈性敏感元件彈性敏感元件把力或壓力轉(zhuǎn)換成了應(yīng)變或位移,然后再由轉(zhuǎn)換電路將應(yīng)變或位移轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。彈性敏感元件是力傳感器中一個(gè)關(guān)鍵性的部件，應(yīng)具有良好的彈性、足夠的精度,應(yīng)保證長(zhǎng)期使用和溫度變化時(shí)的穩(wěn)定性。2/3/202392.2.1彈性敏感元件的特性1.剛度——抵抗變形的能力剛度是彈性元件在外力作用下變形大小的量度，一般用表示式中F——作用在彈性元件上的外力x——彈性元件產(chǎn)生的變形（2-1）2/3/2023102.靈敏度靈敏度——彈性敏感元件在單位力作用下產(chǎn)生變形的大小，在彈性力學(xué)中稱為彈性元件的柔度。它是剛度的倒數(shù),用K表示

（2-2）在測(cè)控系統(tǒng)中希望它是常數(shù)2/3/2023113.彈性滯后實(shí)際的彈性元件在加載、卸載的正反行程中變形曲線是不重合的，這種現(xiàn)象稱為彈性滯后現(xiàn)象，它會(huì)給測(cè)量帶來(lái)誤差。如圖2-2所示。原因：彈性元件在工作過(guò)程中分子間存在內(nèi)摩擦。當(dāng)比較兩種彈性材料時(shí)，應(yīng)都統(tǒng)一用加載變形曲線或都用卸載變形曲線來(lái)比較，這樣才有可比性。圖2-2彈性滯后2/3/2023124.彈性后效當(dāng)載荷從某一數(shù)值變化到另一數(shù)值時(shí),彈性元件變形不是立即完成相應(yīng)的變形，而是經(jīng)一定的時(shí)間間隔逐漸完成變形的，這種現(xiàn)象稱為彈性后效。圖2-3彈性后效彈性后效造成的結(jié)果由于彈性后效的存在，彈性敏感元件的變形始終不能迅速地跟上力的變化，在動(dòng)態(tài)測(cè)量時(shí)將引起測(cè)量誤差。造成這一現(xiàn)象的原因是由于彈性敏感元件中的分子間存在內(nèi)摩擦。2/3/2023135.固有振蕩頻率

彈性敏感元件都有自己的固有振蕩頻率f0,它將影響傳感器的動(dòng)態(tài)特性。傳感器的工作頻率應(yīng)避開(kāi)彈性敏感元件的固有振蕩頻率，往往f0希望較高。在f0會(huì)發(fā)生共振.2/3/202314

2.2.2

彈性敏感元件的分類彈性敏感元件分類力轉(zhuǎn)換為應(yīng)變或位移的變換力的彈性敏感元件。壓力轉(zhuǎn)換為應(yīng)變或位移的變換壓力的彈性敏感元件。2/3/2023151.變換力的彈性敏感元件圖2-4變換力的彈性敏感元件2/3/2023162.變換壓力的彈性敏感元件圖2-5變換壓力的彈性敏感元件2/3/202317

(1)彈簧管彈簧管又叫布爾登管，它是彎成各種形狀的空心管，管子的截面形狀有許多種，但使用最多的是C形薄壁空心管。如圖2-5a所示。C形彈簧管的一端密封但不固定，成為自由端，另一端連接在管接頭上且固定。當(dāng)流體壓力通過(guò)管接頭進(jìn)入彈簧管后，在壓力F作用下，彈簧管的橫截面力圖變成圓形截面，截面的短軸力圖伸長(zhǎng)。使彈簧管趨向伸直，一直伸展到管彈力與壓力的作用相平衡為止。這樣自由端便產(chǎn)生了位移。通過(guò)測(cè)量位移的大小，比可得到壓力的大小。

(1)彈簧管2/3/2023182/3/202319各種波紋管敏感元件的外形波紋管是有許多同心環(huán)狀皺紋的薄壁圓管返回本章目錄2/3/2023202.3電阻應(yīng)變式傳感器電阻應(yīng)變式傳感器是一種利用電阻材料的應(yīng)變效應(yīng)，將工程結(jié)構(gòu)件的內(nèi)部變形轉(zhuǎn)換為電阻變化的傳感器。此類傳感器主要是在彈性元件上通過(guò)特定工藝粘貼電阻應(yīng)變片來(lái)組成。通過(guò)一定的機(jī)械裝置將被測(cè)量轉(zhuǎn)化成彈性元件的變形，然后由電阻應(yīng)變片將變形轉(zhuǎn)換成電阻的變化，再通過(guò)測(cè)量電路進(jìn)一步將電阻的改變轉(zhuǎn)換成電壓或電流信號(hào)輸出?？捎糜谀苻D(zhuǎn)化成變形的各種非電物理量的檢測(cè)，如力、壓力、加速度、力矩、重量等，在機(jī)械加工、計(jì)量、建筑測(cè)量等行業(yè)應(yīng)用十分廣泛。2/3/2023212.3.1

電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)電阻應(yīng)變片的作用是把導(dǎo)體的機(jī)械應(yīng)變轉(zhuǎn)換成電阻變化。電阻應(yīng)變片的典型結(jié)構(gòu)如圖2-6所示。由敏感柵、基底、覆蓋層和引線等部分組成。敏感柵由直徑約為0.01～0.05mm、高電阻系數(shù)的細(xì)絲彎曲而成柵狀；基地的作用應(yīng)能保證將構(gòu)件上的應(yīng)變準(zhǔn)確地傳遞到敏感柵上去，因此必須做得很薄，一般為0.03～0.06mm。圖中L為應(yīng)變片的工作基長(zhǎng)，b為應(yīng)變片的基寬，L×b為應(yīng)變片的有效使用面積。應(yīng)變片規(guī)格一般是以有效使用面積和敏感柵的電阻值來(lái)表示，如3×100mm2、120Ω、350Ω等。圖2-6電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)2/3/202322電阻應(yīng)變片測(cè)試原理測(cè)試時(shí)，將應(yīng)變片用粘接劑牢固的粘貼在被測(cè)試件的表面上，隨著試件受力變形，應(yīng)變片的敏感柵也獲得同樣的變形，從而使其電阻隨之發(fā)生變化，而此電阻的變化是與試件應(yīng)變成比例的，因此如果通過(guò)一定的測(cè)量線路將這種電阻的變化轉(zhuǎn)換為電壓或電流變化，然后再用顯示記錄儀表將其顯示記錄下來(lái)，就能知道被測(cè)試件應(yīng)變量的大小。其原理圖如圖2-7所示。圖2-7電阻應(yīng)變片測(cè)試與原理圖2/3/2023232.3.2電阻應(yīng)變片的分類

半導(dǎo)體應(yīng)變片應(yīng)變片分類箔式薄膜式絲式金屬電阻應(yīng)變片按其敏感柵不同按使用溫度按用途可分為單向力測(cè)量應(yīng)變片平面應(yīng)力分析應(yīng)變片（應(yīng)變花）特殊用途應(yīng)變片等低溫常溫中溫高溫應(yīng)變片2/3/202324應(yīng)變片形狀圖2-9應(yīng)變花的形狀圖2-8電阻應(yīng)變片類型2/3/202325箔式應(yīng)變片外形2/3/202326

圖2-9c)各種形狀的應(yīng)變片2/3/2023272.3.3

電阻應(yīng)變片工作原理電阻應(yīng)變片式傳感器是利用了金屬和半導(dǎo)體材料的“應(yīng)變效應(yīng)”應(yīng)變效應(yīng)——金屬和半導(dǎo)體材料的電阻值隨它承受的機(jī)械變形大小而發(fā)生變化的現(xiàn)象就稱為“應(yīng)變效應(yīng)”。如圖2-10所示，當(dāng)電阻絲受到拉力F時(shí)，其阻值發(fā)生變化。材料電阻值的變化，一是受力后材料幾何尺寸變化；二是受力后材料的電阻率也發(fā)生了變化。圖2-10金屬電阻絲應(yīng)變效應(yīng)2/3/202328以圓柱形導(dǎo)體為例：電阻R（根據(jù)電阻的定義式）電阻絲變形過(guò)程圖2-10金屬電阻絲應(yīng)變效應(yīng)電阻絲半徑

電阻絲長(zhǎng)度電阻絲截面積電阻絲電阻率

2/3/202329

當(dāng)導(dǎo)體因某種原因產(chǎn)生應(yīng)變時(shí)，其長(zhǎng)度L、截面積A和電阻率ρ的變化為dL、dA、dρ相應(yīng)的電阻變化為dR。對(duì)式（2-3）全微分得電阻變化率dR/R為：

(2-4)由材料力學(xué)得

μ為電阻絲材料的泊松比。即橫向收縮與縱向伸長(zhǎng)之比。即

徑向應(yīng)變

ε'軸向（縱向）應(yīng)變

ε2/3/202330金屬材料的靈敏度系數(shù)，表示單位應(yīng)變所引起的電阻相對(duì)變化，主要取決于其幾何效應(yīng)，取1.73.6材料的電阻率ρ隨應(yīng)變所引起的變化——“壓阻效應(yīng)”。這是由于材料發(fā)生變化時(shí)，其自由電子的活動(dòng)能力和數(shù)量均發(fā)生了變化的緣故電阻絲幾何尺寸形變所引起的變化——幾何效應(yīng)材料的軸向應(yīng)變2/3/202331電阻應(yīng)變片的靈敏系數(shù)當(dāng)我們將金屬絲做成電阻應(yīng)變片后，電阻--應(yīng)變特性與金屬單絲是不同的。實(shí)驗(yàn)證明，電阻的相對(duì)變化與應(yīng)變的關(guān)系在很大范圍內(nèi)仍然有很好的線性關(guān)系，即（2-6）電阻應(yīng)變片的靈敏系數(shù)。其值恒小于金屬單絲的靈敏度系數(shù)。究其原因，除了應(yīng)變片使用時(shí)膠體粘貼傳遞變形失真外，另一重要原因是由于存在著所謂橫向效應(yīng)的緣故。2/3/2023322.3.4電阻應(yīng)變片的測(cè)量電路電阻應(yīng)變片傳感器輸出電阻的變化較小，一般為～，要精確的測(cè)量出這些微小電阻的變化，常采用橋式測(cè)量電路。根據(jù)電橋電源的不同，電橋可分為直流電橋和交流電橋?？刹捎煤銐涸椿蚝懔髟垂╇?。由于直流電橋比較簡(jiǎn)單，交流電橋原理與它相似，所以我們只分析直流電橋的工作原理。2/3/202333恒壓源供電的直流電橋的工作原理

如圖2-11a所示為恒壓源供電的直流電橋測(cè)量電路。其特點(diǎn)是，當(dāng)被測(cè)量無(wú)變化時(shí)，電橋平衡時(shí)輸出為零。當(dāng)被測(cè)量發(fā)生變化時(shí)，電橋平衡被打破，有電壓輸出。輸出的電壓與被測(cè)量的變化成比例。電橋的輸出電壓為:圖2-11a2/3/202334當(dāng)輸出電壓為零時(shí)，電橋平衡，因此

或?yàn)殡姌蚱胶鈼l件。為了獲得最大的電橋輸出，在設(shè)計(jì)時(shí)常使（稱為等臂電橋）。當(dāng)四個(gè)橋臂電阻都發(fā)生變化時(shí)，電橋的輸出為2/3/202335調(diào)零電橋

實(shí)際應(yīng)用時(shí)，不可能嚴(yán)格成比例關(guān)系，所以即使在未受力時(shí)，橋路輸出也不一定為零，因此一般測(cè)量電路都設(shè)有調(diào)零裝置，如圖2-11b所示。調(diào)節(jié)RP可使電橋達(dá)到平衡，輸出為零。圖中是用于減小調(diào)節(jié)范圍的限流電阻。2/3/2023362.恒流源供電的直流電橋的

工作原理如圖2-12所示為恒流源供電的直流電橋測(cè)量電路。電橋輸出為：恒壓源電橋輸出圖2-12恒流源供電的電橋測(cè)量電路2/3/2023371．單臂電橋的工作原理與輸出在四臂電橋中，R1為工作應(yīng)變片，由于應(yīng)變而產(chǎn)生相應(yīng)的電阻變化△R1。R2、R3及R4為固定電阻。Uo為電橋輸出電壓。初始狀態(tài)下，電橋是平衡的，Uo=0，從而可得到電橋平衡條件為:R1R3=R2R4得出單臂電橋輸出：電橋總輸出根據(jù)電橋輸出公式:圖2-13a2/3/2023382、差動(dòng)電橋消除非線性誤差的方法——采用差動(dòng)電橋在試件上安裝兩個(gè)工作應(yīng)變片，一片受拉，一片受壓，它們的阻值變化大小相等、符號(hào)相反，接入電橋相鄰臂,這時(shí)輸出電壓Uo與△R1/R1成嚴(yán)格的線性關(guān)系，沒(méi)有非線性誤差，而且電橋靈敏度比單臂提高一倍，還具有溫度誤差補(bǔ)償作用.設(shè)初始時(shí)R1=R2=R3=R4△R1=△R2則圖2-13b2/3/2023393.差動(dòng)全橋差動(dòng)全橋

設(shè)初始時(shí)R1=R2=R3=R4△R1=△R2=△R3=△R4圖2-13C雙臂電橋輸出靈敏度是單臂電橋的兩倍，全橋輸出是雙臂電橋的兩倍。并且采用雙臂和全橋測(cè)量，可以補(bǔ)償由于溫度變化引起的測(cè)量誤差。

則2/3/2023402.3.5應(yīng)變片的溫度誤差及補(bǔ)償1.應(yīng)變片的溫度誤差電阻應(yīng)變片傳感器是靠電阻值來(lái)度量應(yīng)變的，所以希望它的電阻只隨應(yīng)變而變，不受任何其他因素影響。但實(shí)際上，雖然用作電阻絲材料的銅、康銅溫度系數(shù)很小(大約在=(2.5～5.0)×10-5/℃)，但與所測(cè)應(yīng)變電阻的變化比較，仍屬同一量級(jí)。如不補(bǔ)償，會(huì)引起很大誤差。這種由于測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度的變化而給測(cè)量帶來(lái)的誤差，稱之為應(yīng)變片的溫度誤差。造成溫度誤差的原因主要有下列兩個(gè)方面：1）敏感柵的金屬絲電阻本身隨溫度變化；2）試件材料與應(yīng)變片材料的線膨脹系數(shù)不一致，使應(yīng)變片產(chǎn)生附加變形，從而造成電阻變化。另外，溫度變化也會(huì)影響粘接劑傳遞變形的能力，從而對(duì)應(yīng)變片的工作特性產(chǎn)生影響，過(guò)高的溫度甚至使粘接劑軟化而使其完全喪失傳遞變形的能力，也會(huì)造成測(cè)量誤差。但以上述兩個(gè)原因?yàn)橹鳌?/3/2023412.電阻應(yīng)變片的溫度補(bǔ)償方法應(yīng)變片的溫度補(bǔ)償方法通常有兩種，即線路補(bǔ)償和應(yīng)變片自補(bǔ)償。圖2-14電橋補(bǔ)償法溫度變化后電路仍呈平衡

（2）應(yīng)變片自補(bǔ)償利用自身具有補(bǔ)償作用的應(yīng)變片（稱之為溫度自補(bǔ)償應(yīng)變片）來(lái)補(bǔ)償?shù)?。這種自補(bǔ)償應(yīng)變片制造簡(jiǎn)單，成本較低，但必須在特定的構(gòu)件材料上才能使用，不同材料試件必須用不同的應(yīng)變片。（1）線路補(bǔ)償+△當(dāng)電阻由于溫度變化由變?yōu)?)時(shí)電阻變?yōu)?由于與溫度效應(yīng)相同，即

+△)

在不測(cè)應(yīng)變時(shí)電路呈平衡，即

2/3/2023422.3.6應(yīng)變片的粘接劑及粘貼、

固化和檢查1.粘接劑的種類常用的粘接劑可分為有機(jī)粘接劑和無(wú)機(jī)粘接劑兩大類。有機(jī)粘接劑通常用于低溫、常溫和中溫.無(wú)機(jī)粘接劑用于高溫。選擇時(shí)要根據(jù)基底材料、工作溫度、潮濕程度、穩(wěn)定性要求、加溫加壓的可能性和粘貼時(shí)間的長(zhǎng)短等因素來(lái)考慮。主要粘接劑牌號(hào)有：萬(wàn)能膠、501、502、914、509、J06-2、JSF-2、1720、J-12、30-14、GJ-14、LN-3、P10-6等。2/3/2023432.應(yīng)變片的粘貼、固化和檢查（1）去污試件表面的處理粘貼之前，應(yīng)先將試件表面清理干凈，用細(xì)砂紙將試件表面打磨平整，再用丙酮、四氯化碳或氟利昂徹底清洗試件表面的灰塵、油漬，清理面積約為應(yīng)變片的3～5倍。2/3/202344（2）應(yīng)變片的粘貼方法在清理的試件表面上均勻涂刷一薄層粘接劑作為底層，待其干燥固化后，再在此底層及應(yīng)變片基地的地面上均勻涂刷一薄層粘接劑，等粘接劑稍干，即將應(yīng)變片貼在畫(huà)線位置，用手指滾壓，把氣泡和多余的粘接劑擠出。注意，應(yīng)變片的底面也要清理。2/3/202345（3）粘貼后測(cè)量從分開(kāi)的端子處，預(yù)先用萬(wàn)用表測(cè)量應(yīng)變片的電阻，尋找端子折斷和損壞的應(yīng)變片。2/3/202346（4）焊接將引線和端子用烙鐵焊接起來(lái)，注意不要把端子扯斷。2/3/202347（5）固定焊接后用膠布將引線和被測(cè)對(duì)象固定在一起，防止損壞引線和應(yīng)變片。2/3/2023481.利用全橋電路測(cè)量橋梁的上下表面應(yīng)變R1、R3與R2、R4感受到的應(yīng)變絕對(duì)值相等、符號(hào)相反

△R1t=△R2t=△R3t=△R4t

因而應(yīng)變片R1~R4產(chǎn)生的電阻增量合并為4倍的△Rε，△Rt則相互抵消

2.3.7電阻應(yīng)變片傳感器的應(yīng)用2/3/202349電子秤工作過(guò)程2.應(yīng)變式力傳感器制成的

電子秤工作示意圖

原理：將物品重量通過(guò)懸臂梁轉(zhuǎn)化結(jié)構(gòu)變形，再通過(guò)應(yīng)變片轉(zhuǎn)化為電量輸出。圖2-17應(yīng)變式力傳感器制成的電子秤2/3/202350電子秤中的各種彈性敏感元件2/3/202351荷重傳感器上應(yīng)變片工作示意圖

荷重傳感器上的應(yīng)變片在重力作用下產(chǎn)生變形。軸向變短，徑向變長(zhǎng)。荷重測(cè)量2/3/2023523.應(yīng)變式壓力傳感器——平膜式彈性元件在平膜片的圓心處沿切向貼R1、R3兩個(gè)應(yīng)變片，在邊緣處沿徑向貼R2、R4兩個(gè)應(yīng)變，如圖2-19所示。要求R2、R4和R1、R3產(chǎn)生的應(yīng)變大小相等，極性相反，以便接成差動(dòng)全橋測(cè)量電路。圖2-19平膜片式壓力傳感器測(cè)量示意圖2/3/2023534.應(yīng)變式加速度傳感器傳感器由質(zhì)量塊、應(yīng)變片、彈性懸臂梁和基座組成

當(dāng)振動(dòng)頻率小于傳感器的固有振動(dòng)頻率時(shí)，懸臂梁的應(yīng)變量與加速度成正比。圖2-20應(yīng)變式加速度傳感器2/3/202354材料應(yīng)變的測(cè)量斜拉橋上的斜拉繩應(yīng)變的測(cè)量2/3/2023552.3.8常見(jiàn)電阻應(yīng)變式傳感器

S型測(cè)力傳感器柱式測(cè)力傳感器平板式測(cè)力傳感器握力計(jì)

輪輻式測(cè)力傳感器工業(yè)電子秤人體電子秤懸臂梁稱重傳感器2/3/2023562.3.8常見(jiàn)電阻應(yīng)變式傳感器（續(xù)）

吊秤纜繩張力檢測(cè)傳感器應(yīng)變式加速度傳感器全數(shù)字式汽車電子衡

返回本章目錄2/3/2023572.4壓電傳感器壓電式傳感器是一種典型的有源傳感器，它以某些電介質(zhì)的壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)，在外力作用下，材料受力變形時(shí)，其表面會(huì)有電荷產(chǎn)生，從而實(shí)現(xiàn)非電量檢測(cè)的目的。壓電傳感元件是一種力敏感元件，凡是能夠變換為力的物理量，如應(yīng)力、壓力、振動(dòng)、加速度等，均可進(jìn)行測(cè)量，但不能用于靜態(tài)力測(cè)量。由于壓電效應(yīng)的可逆性，壓電元件又常用作超聲波的發(fā)射與接收裝置。壓電傳感器具有體積小、重量輕、工作頻帶寬、靈敏度及測(cè)量精度高等特點(diǎn)，又由于沒(méi)有運(yùn)動(dòng)部件，因此結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、可靠性和穩(wěn)定性高。在各種動(dòng)態(tài)力、機(jī)械沖擊與振動(dòng)測(cè)量，以及聲學(xué)、醫(yī)學(xué)、力學(xué)、宇航等領(lǐng)域得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。2/3/2023582.4.1壓電傳感器工作原理壓電效應(yīng)--某些晶體受一定方向外力作用而發(fā)生機(jī)械變形時(shí)，相應(yīng)地在一定的晶體表面產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷，外力去掉后，電荷消失。力的方向改變時(shí)，電荷的符號(hào)也隨之改變，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)(壓電正向效應(yīng))。壓電材料還具有與此效應(yīng)相反的效應(yīng)，即在電介質(zhì)的極化方向施加交變電場(chǎng)，它會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形。當(dāng)去掉外加電場(chǎng)，電介質(zhì)變形隨之消失。這種現(xiàn)象稱為壓電逆向效應(yīng)（電致伸縮效應(yīng)）。2/3/202359例如，在完全黑暗的環(huán)境中，用錘子敲擊一塊干燥的冰糖，可以看到在冰糖破碎的一瞬間，會(huì)發(fā)出藍(lán)色閃光，這是強(qiáng)電場(chǎng)放電所產(chǎn)生的閃光，產(chǎn)生閃光的機(jī)理就是晶體的壓電效應(yīng)。又如，在敦煌的鳴沙丘，當(dāng)許多游客在沙丘上蹦跳或從鳴沙丘上往下滑時(shí)，可以聽(tīng)到雷鳴般的隆隆聲。產(chǎn)生這個(gè)現(xiàn)象的原因是無(wú)數(shù)干燥的沙子（晶體）在重壓下引起振動(dòng)，表面產(chǎn)生電荷，在某些時(shí)刻，恰好形成電壓串聯(lián)，產(chǎn)生很高的電壓，并通過(guò)空氣放電而發(fā)出聲音。自然界中與壓電效應(yīng)有關(guān)的現(xiàn)象2/3/202360發(fā)明家伊麗莎白·雷蒙德(ElizabethRedmond)發(fā)明了“可以被轉(zhuǎn)換城市人行道的概念POWERleap”，他設(shè)計(jì)了一種壓電板，如圖所示，利用壓電技術(shù)將人們每天在城市中步行、跑步、蹦跳等一切活動(dòng)產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，讓城市的每一個(gè)人都成為負(fù)責(zé)任的、可持續(xù)的自動(dòng)發(fā)電器，為城市的電力供給做出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。

圖2-22產(chǎn)能人行道

2/3/2023612.4.1壓電傳感器工作原理壓電效應(yīng)--某些晶體受一定方向外力作用而發(fā)生機(jī)械變形時(shí)，相應(yīng)地在一定的晶體表面產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷，外力去掉后，電荷消失。力的方向改變時(shí)，電荷的符號(hào)也隨之改變，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)(壓電正向效應(yīng))。圖2-23壓電效應(yīng)示意圖2/3/202362壓電材料還具有與此效應(yīng)相反的效應(yīng)，即在電介質(zhì)的極化方向施加交變電場(chǎng)，它會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形。當(dāng)去掉外加電場(chǎng)，電介質(zhì)變形隨之消失。這種現(xiàn)象稱為壓電逆向效應(yīng)（電致伸縮效應(yīng)）。圖2-23壓電效應(yīng)示意圖2/3/202363壓電材料的分類高分子壓電材料——近年來(lái)發(fā)展的新型材料。

壓電材料或元件的分類單晶壓電晶體(如石英晶體)-天然存在。極化的多晶壓電陶瓷，如鈦酸鋇、鋯鈦酸鋇等—人工制造。2/3/202364石英晶體天然形成的石英晶體外形2/3/2023652/3/202366石英晶體切片2/3/2023671.石英晶體的壓電效應(yīng)石英晶體是一種應(yīng)用廣泛的壓電晶體。它是二氧化硅單晶，屬于規(guī)則的正六角棱柱體

。圖2-24是天然石英晶體的外形圖。石英晶體有三個(gè)相互垂直的晶軸：Z軸--光軸，它與晶體的縱軸線方向一致；X軸--電軸，它通過(guò)六面體相對(duì)的兩個(gè)棱線并垂直于光軸；y軸--機(jī)械軸，它垂直于兩個(gè)相對(duì)的晶柱棱面。

圖2-24石英晶體結(jié)構(gòu)2/3/202368F石英晶體壓電效應(yīng)演示力的方向改變時(shí)，電荷的符號(hào)也隨之改變，外力去掉后，電荷消失。2/3/202369石英晶體壓電效應(yīng)產(chǎn)生的過(guò)程在正常情況下，石英晶體的每一個(gè)晶體單元中，有三個(gè)硅離子和六個(gè)氧離子，正負(fù)離子分布在正六邊形的頂角上，當(dāng)無(wú)外力作用時(shí)，正、負(fù)電荷中心重合，對(duì)外不顯電性。2/3/202370石英晶體壓電效應(yīng)產(chǎn)生的過(guò)程當(dāng)在X軸向施加壓力時(shí)，各晶格上的帶電粒子均產(chǎn)生相對(duì)位移，氧離子擠入兩個(gè)硅離子之間，而硅離子也擠入兩個(gè)氧離子之間，正電荷中心向B面移動(dòng)，負(fù)電荷中心向A面移動(dòng)，因而B(niǎo)面呈現(xiàn)正電荷，A面呈現(xiàn)負(fù)電荷。在Y方向施加拉力時(shí)，晶格在y向被拉長(zhǎng)，X向縮短，B面呈現(xiàn)正電荷，A面呈現(xiàn)負(fù)電荷。當(dāng)在X軸向施加拉力時(shí)，各晶格上的帶電粒子均沿X軸向外產(chǎn)生位移，因而A面呈現(xiàn)正電荷，B面呈現(xiàn)負(fù)電荷。在Y方向施加壓力時(shí)，晶格沿y軸被向內(nèi)壓縮，A面呈現(xiàn)正電荷，B面呈現(xiàn)負(fù)電荷圖2-25石英晶體的結(jié)構(gòu)及壓電效應(yīng)2/3/202371石英晶體壓電效應(yīng)產(chǎn)生的過(guò)程若沿Z軸方向施加力的作用時(shí)，由于硅離子和氧離子是對(duì)稱的平移，故在表面沒(méi)有電荷出現(xiàn)，因而不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。這就是石英晶體壓電效應(yīng)產(chǎn)生的過(guò)程。圖2-25石英晶體的結(jié)構(gòu)及壓電效應(yīng)2/3/202372從晶體上沿XYZ軸線切下一片平行六面體的薄片稱為晶體切片。當(dāng)沿著X軸對(duì)壓電晶片施加力時(shí)，將在垂直于X軸的表面上產(chǎn)生電荷，這種現(xiàn)象稱為縱向壓電效應(yīng)。沿著y軸施加力的作用時(shí)，電荷仍出現(xiàn)在與X軸垂直的表面上，這稱之為橫向壓電效應(yīng)。當(dāng)沿著Z軸方向受力時(shí)不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。石英晶體的縱、橫向壓電效應(yīng)長(zhǎng)寬厚2/3/202373縱向壓電效應(yīng)產(chǎn)生的電荷縱向壓電效應(yīng)產(chǎn)生的電荷為

QXX＝dXXFX(2-14)

式中，QXX為垂直于X軸平面上的電荷，dXX為縱向壓電系數(shù)，，下標(biāo)的意義為產(chǎn)生電荷的面的軸向及施加作用力的軸向；FX為沿晶軸X方向施加的壓力。由上式看出，當(dāng)晶片受到X

向的壓力作用時(shí)，QXX與作用力Fx成正比，而與晶片的幾何尺寸無(wú)關(guān)。如果作用力Fx改為拉力時(shí)，則在垂直于X軸的平面上仍出現(xiàn)等量電荷，但極性相反。2/3/202374如果沿Y軸方向作用壓力Fy

時(shí)，電荷仍出現(xiàn)在與X軸相垂直的平面上，橫向壓電效應(yīng)產(chǎn)生的荷量為

根據(jù)石英晶體的對(duì)稱條件dXY=-dXX，所以

橫向壓電效應(yīng)產(chǎn)生的荷量在垂直于X軸平面上的電荷橫向壓電系數(shù)沿晶軸Y方向施加的壓力2/3/2023752.壓電陶瓷壓電陶瓷是人工制造的一種多晶壓電體，它有無(wú)數(shù)的單晶組成，各單晶的自發(fā)極化方向是任意排列的，如圖2-26a所示。因此，雖然每個(gè)單晶具有強(qiáng)的壓電性質(zhì)，但組成多晶后，各單晶的壓電效應(yīng)卻互相抵消了，所以，原始的壓電陶瓷是一個(gè)非壓電體，不具有壓電效應(yīng)。為了使壓電陶瓷具有壓電效應(yīng)，就必須進(jìn)行極化處理。所謂極化處理就是在一定的溫度條件下，對(duì)壓電陶瓷施加強(qiáng)電場(chǎng)，使極性軸轉(zhuǎn)動(dòng)到接近電場(chǎng)方向，規(guī)則排列，如圖2-26b所示。這個(gè)方向就是壓電陶瓷的極化方向，這時(shí)壓電陶瓷就具有了壓電性，在極化電場(chǎng)去除后，留下了很強(qiáng)的剩余極化強(qiáng)度。當(dāng)壓電陶瓷受到力的作用時(shí)，極化強(qiáng)度就發(fā)生變化，在垂直于極化方向上的平面上就會(huì)出現(xiàn)電荷。對(duì)于壓電陶瓷，通常取它的極化方向?yàn)閆軸。圖2-26壓電陶瓷的極化2/3/2023762.壓電陶瓷的壓電效應(yīng)

當(dāng)壓電陶瓷在沿極化方向受力時(shí)，則在垂直于Z軸的表面上將會(huì)出現(xiàn)電荷，如圖2-27所示。電荷量與作用力成正比，即（2-17）當(dāng)沿X軸方向施加作用力時(shí)，產(chǎn)生的電荷同樣出現(xiàn)在垂直于Z

軸的表面上，其大小為

同理，當(dāng)沿Y軸方向施加作用力時(shí)，在垂直于Z軸的表面上產(chǎn)生的電荷量為

上式中、、為分別垂直于Z軸、X軸、Y軸的晶片面積。、為橫向壓電系數(shù)，均為負(fù)值。圖2-27壓電陶瓷的壓電效應(yīng)壓電陶瓷的縱向壓電系數(shù)2/3/2023773.高分子壓電材料高分子壓電材料是一種新型的材料，有聚偏二氟乙烯（PVF2）、聚偏氟乙烯（PVDF）、聚氟乙烯（PVF）、改性聚氟乙烯（PVC）等，其中以PVF2和PVDF的壓電常數(shù)最高。有的材料比壓電陶瓷還要高幾十倍，其輸出脈沖電壓有的可以直接驅(qū)動(dòng)CMOS集成門(mén)電路。高分子壓電材料的最大特點(diǎn)是具有柔軟性，可根據(jù)需要制成薄膜或電纜套管等形狀，經(jīng)極化處理后就現(xiàn)出壓電特性。它不易破碎，具有防水性，動(dòng)態(tài)范圍寬，頻響范圍大，但工作溫度不高，（一般低于100℃，且隨溫度升高，靈敏度降低），機(jī)械強(qiáng)度也不高，容易老化，因此常用于對(duì)測(cè)量精度要求不高的場(chǎng)合，例如水聲測(cè)量、防盜、震動(dòng)測(cè)量等方面。2/3/2023782/3/2023792/3/2023802.4.2壓電式傳感器的等效電路由壓電傳感器的工作原理可知，只要測(cè)得壓電元件上的電荷量，就可得知作用力的大小，壓電元件就像當(dāng)于一個(gè)電荷源。如果在壓電元件上沿電荷面的兩面覆以金屬，那么壓電元件就像當(dāng)于以壓電材料為介質(zhì)的電容器，其電容值為2/3/202381等效電路壓電元件可以等效為一個(gè)與電容相并聯(lián)的電荷源，如圖2-28a所示。由于電容器上的電壓（開(kāi)路電壓）、電荷與電容存在下列關(guān)系：圖2-28壓電元件的等效電路因此，壓電元件也可以等效為電壓源和一個(gè)電容串聯(lián)的等效電路，如圖2-28b所示

2/3/202382如上圖所示，上極板為正電荷，下極板為負(fù)電荷，而中間極板上，上片產(chǎn)生的負(fù)電荷與下片產(chǎn)生的正電荷抵消，這種接法稱為串聯(lián)。兩片壓電片負(fù)極都集中于中間電極上，正極在上下兩面電極上。這種接法稱為并聯(lián)。1.壓電元件的串聯(lián)與并聯(lián)串聯(lián)時(shí)輸出總電容為總電荷量為總電壓為并聯(lián)時(shí)輸出總電容為總電荷量為總電壓為在這兩種接法中，并聯(lián)接法輸出電荷量大，本身電容也大，因此時(shí)間常數(shù)大，宜用于測(cè)量緩變信號(hào)，并且適用于以電荷作為輸出量的場(chǎng)合。串聯(lián)接法輸出電壓高，自身電容小，適用于以電壓為輸出量，以及測(cè)量電路輸入阻抗很高的場(chǎng)合。2/3/202383壓電傳感器與測(cè)量?jī)x表聯(lián)接時(shí)，還必須考慮電纜電容CC，放大器的輸入電阻Ri和輸入電容Ci以及傳感器的泄漏電阻Ra。圖２-29畫(huà)出了壓電傳感器完整的等效電路。圖2-29壓電傳感器實(shí)際的等效電路２.壓電傳感器測(cè)量電路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)高輸入阻抗的前置放大器，其作用為：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)。壓電傳感器的輸出可以是電壓信號(hào)，也可以是電荷信號(hào)，因此前置放大器也有兩種形式：電壓放大器和電荷放大器。2/3/202384（１）電壓放大器C=CC+Ci；Ua=Q/Ca如果壓電傳感器受力為

F=Fmsinωt

則在壓電元件上產(chǎn)生的電壓為放大器輸入端形成的電壓圖2-31電壓放大器電路原理圖及其等效電路2/3/202385當(dāng)ωR（Ca+Cc+Ci）》1時(shí)，放大器的輸入電壓為由式可以看出放大器輸入電壓幅度與被測(cè)頻率無(wú)關(guān)，當(dāng)改變連接傳感器與前置放大器的電纜長(zhǎng)度時(shí)，Cc將改變，從而引起放大器的輸出電壓也發(fā)生變化。在設(shè)計(jì)時(shí)，通常把電纜長(zhǎng)度定為常數(shù)，使用時(shí)如要改變電纜長(zhǎng)度，則必須重新校正電壓靈敏度值。2/3/202386（2)電荷放大器電荷放大器是一種輸出電壓與輸入電荷量成正比的前置放大器。它實(shí)際上是一個(gè)具有反饋電容的高增益運(yùn)算放大器。圖２-32是壓電傳感器與電荷放大器連接的等效電路。圖中Cf為放大器的反饋電容，其余符號(hào)的意義與電壓放大器相同。（a）（b）

圖2-32電荷放大器等效電路2/3/202387

（a）（b）

圖2-32電荷放大器等效電路電荷放大器等效電路電荷放大器輸出式中，A為開(kāi)環(huán)放大系數(shù)。常為當(dāng)A>>1，而(1+A)Cf>>Ca+Cc+Ci時(shí)，放大器輸出電壓可以表示為

2/3/202388注意：壓電傳感器不能測(cè)量靜態(tài)的力，只能用于測(cè)量動(dòng)態(tài)的力由于外力作用在壓電元件上產(chǎn)生的電荷只有在無(wú)泄露的情況下才能保存，即需要測(cè)量回路具有無(wú)限大的輸入阻抗，這實(shí)際上是不可能的。因?yàn)樵趯?shí)際測(cè)量時(shí)，放大器的輸入電阻和傳感器的泄漏電阻不可能為無(wú)窮大，因此電荷就會(huì)通過(guò)放大器的輸入電阻和傳感器的泄漏電阻漏掉，所以壓電傳感器不能用于靜態(tài)力測(cè)量。壓電元件在交變力的作用下，電荷可以不斷得到補(bǔ)充，可以供給測(cè)量電路以一定的電流，故只適用于動(dòng)態(tài)測(cè)量。2/3/2023892.4.4壓電式傳感器的應(yīng)用被測(cè)力通過(guò)傳力上蓋使壓電陶瓷片受壓力作用而產(chǎn)生電荷。壓電陶瓷片通常采用兩片（或兩片以上）粘結(jié)在一起。這種傳感器主要用于變化頻率不太高的動(dòng)態(tài)力的測(cè)量。

案例1.壓電式單向測(cè)力傳感器2/3/202390案例2.壓電式振動(dòng)加速度傳感器傳感器的輸出電荷即與被測(cè)物體的振動(dòng)加速度成正比。結(jié)構(gòu)中的彈簧是給壓電晶片施加預(yù)緊力的，預(yù)緊力應(yīng)適中。2/3/202391壓電加速度傳感器測(cè)量電路圖2-35所示為壓電加速度傳感器測(cè)量電路。電路有電荷放大器和電壓調(diào)整放大電路組成。第一級(jí)是電荷放大器，其低頻響應(yīng)由反饋電容C1和反饋電阻R2決定。低頻截止頻率為0.053Hz。R1為過(guò)載保護(hù)電阻。第二級(jí)為輸出調(diào)整放大器，調(diào)整電位器可以使輸出約為50mV/g。A2為多用途可編程運(yùn)算放大器的低功耗型運(yùn)算放大器。圖中Ci為電纜電容，Ca為傳感器電容。圖2-35壓電加速度傳感器測(cè)量電路2/3/202392案例3．玻璃破碎報(bào)警裝置采用高分子壓電薄膜振動(dòng)感應(yīng)片，如圖2-36所示，將其粘貼在玻璃上，當(dāng)玻璃遭暴力打碎的瞬間，會(huì)發(fā)出幾千赫茲甚至更高頻率的振動(dòng)。壓電薄膜感受到這一振動(dòng)，并將這一振動(dòng)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)傳送給報(bào)警系統(tǒng)。圖2-36高分子壓電薄膜振動(dòng)感應(yīng)片。這種壓電薄膜振動(dòng)感應(yīng)片透明且小，不易察覺(jué)，所以可用于貴重物品、展館、博物館等櫥窗的防盜報(bào)警。圖2-36高分子壓電薄膜振動(dòng)感應(yīng)片2/3/202393案例4.高分子壓電電纜測(cè)速圖2-37所示為高分子壓電電纜測(cè)量汽車的行駛速度示意圖，兩根高分子壓電電纜A、B相距Lm，平行埋設(shè)于柏油公路的路面下約50mm，如圖2-37a所示。根據(jù)輸出信號(hào)波形的幅度及時(shí)間間隔，如圖2-37b所示，可以測(cè)量汽車車速及其載重量，并根據(jù)存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)內(nèi)部的檔案數(shù)據(jù)，根據(jù)汽車前后輪的距離d可判定汽車的車型。a)PVDF壓電電纜鋪設(shè)示意圖b）Ａ、Ｂ壓電電纜輸出信號(hào)波形圖2-37高分子壓電電纜測(cè)速原理圖2/3/2023942.4.5常見(jiàn)壓電式傳感器2/3/2023952.4.5常見(jiàn)壓電式傳感器2/3/2023962.5電容式傳感器

電容式傳感器是指能將被測(cè)物理量的變化轉(zhuǎn)換為電容變化的一種傳感元件。電容式傳感器的測(cè)量原理框圖如圖下

電容式傳感器的測(cè)量原理框圖若保持其中兩個(gè)參數(shù)不變，通過(guò)被測(cè)量的變化改變其中的一個(gè)參數(shù)，就可把被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化。這就是電容傳感器的基本工作原理。一個(gè)平行板電容器，如果不考慮其邊緣效應(yīng)，則電器的容量2/3/202397電容式傳感器的分類及特點(diǎn)特點(diǎn)：電容式傳感器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，分辨率高，工作可靠，非接觸測(cè)量，并能在高溫、輻射、強(qiáng)烈振動(dòng)等惡劣條件下工作，易于獲得被測(cè)量與電容量變化的線性關(guān)系，可用于力、壓力、壓差、振動(dòng)、位移、加速度、液位、料位、成分含量等測(cè)量。平板形圓柱形變間隙式變面積式變介電常數(shù)式分類2/3/202398電容式傳感器的各種結(jié)構(gòu)電容式傳感元件的各種結(jié)構(gòu)類型圖2/3/202399變間隙式電容傳感器02.5.1變間隙式電容傳感器設(shè)εr和A不變，初始狀極距為d0時(shí)，電容器容量C0電容量的相對(duì)變化與間隙的相對(duì)變化成正比。電容C=f(d)曲線

電容量Cx與d不是線性關(guān)系，其靈敏度也不是常數(shù)板間距離增大時(shí)，電容量的相對(duì)變化板間距離減小時(shí)若

2/3/2023100為了提高測(cè)量的靈敏度，減小非線性誤差，實(shí)際應(yīng)用時(shí)常采用差動(dòng)式結(jié)構(gòu)。

差動(dòng)式電容器結(jié)構(gòu)輸出靈敏度提高了一倍

2/3/2023101變極距式電容傳感器特點(diǎn)起始電容在20100pF之間，只能測(cè)量微小位移（微米級(jí)，25200um）。d0過(guò)小時(shí)，電容容易擊穿，可在極板間放置云母片來(lái)改善，云母片的相對(duì)介電常數(shù)是空氣的7倍，擊穿電壓不小于100kV/mm，而空氣僅為3kV/mm。有了云母片，極板間起始間距可大大減小，傳感器的輸出線性度可得到改善。d0：25200um<<d0/102/3/20231022.5.2變面積式電容傳感器

變面積式電容傳感器結(jié)構(gòu)原理圖電容量變化為其靈敏度2/3/20231032.圓柱形變面積電容傳感器當(dāng)外力使電容器的動(dòng)極板（內(nèi)圓柱）發(fā)生位移后，電容器的電容量變?yōu)殡娙萘康南鄬?duì)變化為2/3/2023104扇形面積3.半圓形變面積電容傳感器

設(shè)兩極板全重合（θ=0）時(shí)的電容量為C0。動(dòng)片轉(zhuǎn)動(dòng)角度θ后，電容量變?yōu)镃θ角度的變化與電容的變化成線性關(guān)系電容量變化由上述三種類型的變面積電容傳感器可以看出，電容的相對(duì)變化與位移的大小成正比，但方向相反，因?yàn)槊娣e變化總是在減小。變面積電容式位移傳感器的特點(diǎn)：可以測(cè)量較大位移的變化，常為厘米級(jí)位移量。為了提高測(cè)量靈敏度，變面積電容傳感器也常做成差動(dòng)式結(jié)構(gòu)。這樣其輸出靈敏度可提高一倍。2/3/2023105提高靈敏度的方法-差動(dòng)連接平板差動(dòng)電容器

旋轉(zhuǎn)形差電容器

圓柱形差動(dòng)電容器

變面積差動(dòng)電容傳感器結(jié)構(gòu)2/3/20231062.5.3變介電常數(shù)式電容傳感器當(dāng)電容式傳感器中的電介質(zhì)改變時(shí)，其介電常數(shù)變化，從而引起了電容量發(fā)生變化。此類傳感器的結(jié)構(gòu)形式有很多種，圖2-47為介質(zhì)位移變化的電容式傳感器。這種傳感器可用來(lái)測(cè)量物位或液位，也可測(cè)量位移。

圖2-47變介質(zhì)式電容傳感器電容量C與介質(zhì)在極板間的位移x成線性關(guān)系

2/3/2023107輸出電容C與液面高度h成線性關(guān)系

abh圖2-48電容式液位計(jì)原理圖總電容C氣體介質(zhì)間電容量液體介質(zhì)間電容量

C=+2/3/20231082.5.4電容式傳感器測(cè)量

轉(zhuǎn)換電路

電容式傳感器把被測(cè)物理量轉(zhuǎn)換為電容變化后,還要經(jīng)測(cè)量轉(zhuǎn)換電路將電容量轉(zhuǎn)換成電壓或電流信號(hào)，以便記錄、傳輸、顯示、控制等。常見(jiàn)的電容式傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)換電路有橋式電路、充放電脈沖電路、運(yùn)算放大器電路等。2/3/2023109電容C1、C2、C3、CX構(gòu)成電橋的四臂，CX為電容傳感器,當(dāng)Cx改變時(shí)，U0≠0，有輸出電壓

由于電橋輸出電壓與電源電壓成比例，因此要求電源電壓波動(dòng)極小，需要采用穩(wěn)幅、穩(wěn)頻等措施。1.橋式測(cè)量電路設(shè)初始狀態(tài)下2/3/2023110雙臂電橋當(dāng)橋臂電容、發(fā)生變化時(shí)，電橋輸出為電橋的輸出與電容的相對(duì)變化量成正比，且差動(dòng)電橋輸出是單臂電橋的兩倍。2/3/20231112.調(diào)頻電路將電容傳感器接入高頻振蕩器的LC諧振回路中，作為回路的一部分。當(dāng)被測(cè)量變化使傳感器電容改變時(shí)，振蕩器的振蕩頻率隨之改變，即振蕩器頻率受傳感器電容所調(diào)制，因此稱為調(diào)頻電路。調(diào)頻振蕩器的振蕩頻率由下式?jīng)Q定：調(diào)頻電路系統(tǒng)原理框圖2/3/20231123.運(yùn)算放大器測(cè)量電路將電容傳感器接入開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)為A的運(yùn)算放大電路中，作為電路的反饋組件,圖中Ui是交流電源電壓，C是固定電容，Cx是傳感器電容，Uo是輸出信號(hào)電壓輸出電壓U0與動(dòng)極片機(jī)械位移dx成線性關(guān)系運(yùn)算放大器測(cè)量電路

2/3/20231132.5.5電容式傳感器的應(yīng)用電容測(cè)厚儀是用來(lái)測(cè)量金屬帶材在軋制過(guò)程中的厚度的傳感器。其工作原理如圖2-52所示。在被測(cè)帶材的上下兩邊對(duì)稱放置兩個(gè)平行極板，與帶材組成變間隙式差動(dòng)電容傳感器。把兩塊極板用導(dǎo)線連起來(lái)就成為一個(gè)極板，而帶材則是電容器的另一極板，其總電容。當(dāng)帶材的厚度發(fā)生變化時(shí)，導(dǎo)致帶材與兩個(gè)極板的間距發(fā)生變化，總電容也發(fā)生相應(yīng)的改變。案例1電容測(cè)厚儀圖2-52電容式測(cè)厚儀原理圖2/3/2023114案例2電容式壓力傳感器圖2-53所示為差動(dòng)式電容壓力傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖。圖中所示膜片為動(dòng)電極，兩個(gè)在凹形玻璃上的金屬鍍層為固定電極，從而構(gòu)成差動(dòng)電容器。將兩個(gè)電容分別接在電橋的兩個(gè)橋臂上，構(gòu)成差動(dòng)電橋．圖2-53差動(dòng)電容式壓力傳感器結(jié)構(gòu)原理2/3/2023115案例3電容式加速度傳感器圖2-54所示為差動(dòng)電容式加速度傳感器結(jié)構(gòu)圖，它的兩個(gè)固定電極與殼體絕緣，中間有一個(gè)用彈簧支撐的質(zhì)量塊，質(zhì)量塊的兩端面經(jīng)磨平拋光作為電容器的動(dòng)極板與殼體相連。使用時(shí)，將傳感器固定在被測(cè)物體上，當(dāng)被測(cè)物體振動(dòng)時(shí)，傳感器隨被測(cè)物體一起振動(dòng)，質(zhì)量快在慣性空間中相對(duì)靜止，而兩個(gè)固定電極相對(duì)于質(zhì)量塊在垂直方向產(chǎn)生位移的變化，從而使兩個(gè)電容器極板間距發(fā)生變化.

圖2-54差動(dòng)電容式加速度傳感器結(jié)構(gòu)圖2/3/2023116案例4電容式荷重傳感器圖2-55所示為電容式荷重傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。它是在鎳鉻鉬鋼塊上加工出一排等尺寸等間距的圓孔，在圓孔內(nèi)壁上粘貼上有絕緣支架的平板式電容器，再將每個(gè)電容器并聯(lián)連接。當(dāng)鋼塊上有外力作用時(shí)，將產(chǎn)生變形，從而使圓孔中的電容器極板間距發(fā)生變化，電容器的電容發(fā)生變化，電容的變化量與作用力成正比。圖2-55電容式荷重傳感器結(jié)構(gòu)示意圖2/3/2023117案例5電容式油量表圖2-56所示為為電容式油量表示意圖，可以用于測(cè)量油箱中的油位。圖2-56電容式油量表示意圖當(dāng)油箱中無(wú)油時(shí)，電容傳感器的電容量Cx=Cxo，調(diào)節(jié)匹配電容Co使Co=Cxo，R4=R3；并調(diào)節(jié)電位器RP的滑動(dòng)臂，使其輸出電阻值為O。此時(shí)，電橋滿足Cx/Co=R4/(R3+RP)的平衡條件，輸出為零，伺服電動(dòng)機(jī)不轉(zhuǎn)動(dòng)，油量表指針偏轉(zhuǎn)角θ=O。當(dāng)油箱中注入油時(shí)，液位上升至某一高度h處，電容傳感器的電容量變?yōu)镃x=Cxo＋△Cx，而△Cx與油位高度h成正比，此時(shí)電橋失去平衡，電橋的輸出電壓Uo經(jīng)放大后驅(qū)動(dòng)伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，再由減速箱減速后帶動(dòng)指針順時(shí)針偏轉(zhuǎn)，同時(shí)帶動(dòng)RP的滑動(dòng)臂移動(dòng)，從而使RP阻值增大，當(dāng)RP阻值達(dá)到一定值時(shí)，電橋又達(dá)到新的平衡狀態(tài)，電橋的輸出Uo=0，于是伺服電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)，指針停留在某一角度θ處。由于指針及可變電阻的滑動(dòng)臂同時(shí)為伺服電動(dòng)機(jī)所帶動(dòng)，因此，RP的阻值與θ角間存在著確定的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，即θ角與RP的阻值正比，而RP的阻值與液位高度h正比，因此可直接從刻度盤(pán)上讀得液位高度h。當(dāng)油箱中的油位降低時(shí)，伺服電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，指針逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)（示值減?。?，同時(shí)帶動(dòng)RP的滑動(dòng)臂移動(dòng)，使RP阻值減小。當(dāng)RP阻值達(dá)到一定值時(shí)，電橋又達(dá)到新的平衡狀態(tài)，Uo=0，于是伺服電動(dòng)機(jī)再次停轉(zhuǎn)，指針停留在與該液位相對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)角θ處。從以上分析可知，該裝置采用了類似于天平的零位式測(cè)量方法，所以放大器的非線性及溫漂對(duì)測(cè)量精度影響不大。2/3/20231182.5.6常見(jiàn)電容式傳感器

a)電容式位移傳感器b)電容式壓力變送器

c)電容式加速度傳感器d)電容式測(cè)厚傳感器2/3/2023119g)電容式液位傳感器e)電容式物移傳感器f)電容式油位傳感器2/3/20231202-58電感式傳感器工作原理框圖2.6電感式傳感器

電感傳感器的基本原理是電磁感應(yīng)原理。利用電磁感應(yīng)將被測(cè)非電量(如壓力、位移等)轉(zhuǎn)換成電感量的變化輸出。（被測(cè)量的變化引起線圈自感或互感系數(shù)的變化，從而導(dǎo)致線圈電感量改變這一物理現(xiàn)象來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)量的）。分類：根據(jù)轉(zhuǎn)換原理，電感式傳感器可以分為自感式和互感式兩大類。主要有變氣隙式電感傳感器、差動(dòng)螺線管式、差動(dòng)變壓器式、電渦流式電感傳感器等。2/3/2023121電感式傳感器特點(diǎn)電感式傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、靈敏度高、分辨率大，能測(cè)出0.1微米甚至更小的機(jī)械位移變化，測(cè)量精度高，線性度好，可以把輸入的各種機(jī)械物理量如位移、振動(dòng)、壓力、應(yīng)變、流量、比重等參數(shù)轉(zhuǎn)換成電量輸出，在工程實(shí)踐中應(yīng)用十分廣泛。但電感式傳感器自身頻響低，不適于快速動(dòng)態(tài)測(cè)量。本節(jié)主要介紹自感式、互感式電感式和電渦流式3種傳感器2/3/20231222.6.1自感式傳感器

（也稱變磁阻式電感傳感器）自感式傳感器種類繁多，常見(jiàn)的有變隙式、變截面式、螺線管式。用來(lái)測(cè)量位移，主要由線圈、鐵心、銜鐵等組成。圖2-59自感式電感傳感器結(jié)構(gòu)示意圖2/3/20231231.自感式傳感器的工作原理自感式傳感器是利用自感量隨氣隙而改變的原理制成的，圖2-60是最簡(jiǎn)單的自感傳感器。當(dāng)銜鐵受到外力而產(chǎn)生位移時(shí)，磁路中氣隙的磁阻發(fā)生變化，從而引起線圈的電感變化，這種電感量的變化與銜鐵位置相對(duì)應(yīng)。因此，只要能測(cè)出電感量的變化，就能判定銜鐵位移量的大小，這就是自感式傳感器的基本工作原理。圖2-60閉磁路式自感傳感器結(jié)構(gòu)根據(jù)磁路的基本知識(shí)，線圈的自感為:2/3/2023124因?yàn)闅庀逗穸容^小，可以認(rèn)為氣隙磁場(chǎng)是均勻的，則磁路中的總磁阻為鐵心磁阻、銜鐵磁阻和空氣隙磁阻之和。由于導(dǎo)磁體的磁導(dǎo)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于空氣的磁導(dǎo)率，即：圖2-61變氣隙式電感傳感器輸出特性曲線所以，鐵芯磁阻、銜鐵磁阻遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于空氣隙磁阻

所以》《2/3/2023125電感的相對(duì)變化量為當(dāng)銜鐵受外力作用使氣隙厚度減小時(shí)，線圈電感量變當(dāng)銜鐵受到外力的作用，使氣隙變大時(shí)，電感的相對(duì)變化量為

當(dāng)為了減小非線性，氣隙的相對(duì)變化量要很小，該類傳感器只適于微小位移的測(cè)量，即max1/5δ0為了減小非線性誤差，提高測(cè)量靈敏度，常采用差動(dòng)測(cè)量技術(shù)。2/3/2023126銜鐵隨被測(cè)量移動(dòng)而偏離中間位置，使兩個(gè)磁回路中的磁阻發(fā)生大小相等、符號(hào)相反的變化，導(dǎo)致一個(gè)線圈的電感量增加，另一個(gè)線圈的電感量減小，形成差動(dòng)形式。假設(shè)當(dāng)銜鐵向上移動(dòng)Δδ時(shí)，則兩個(gè)線圈的總的電感變化量為差動(dòng)電感式傳感器圖2-62差動(dòng)式電感傳感器電感的相對(duì)變化量差動(dòng)式輸出是單線圈輸出的兩倍，減小了非線性誤差，提高了測(cè)量精度2/3/2023127自感式傳感器實(shí)現(xiàn)了將被測(cè)非電量轉(zhuǎn)變?yōu)殡姼辛康淖兓?。還需要測(cè)量轉(zhuǎn)換電路將電感量的變化轉(zhuǎn)換為容易測(cè)量的電壓或電流信號(hào)。常用的測(cè)量轉(zhuǎn)換電路有橋式測(cè)量電路、調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相電路，在自感式傳感器中，用得較多的是橋式測(cè)量電路和調(diào)幅電路

。2.電感式傳感器的測(cè)量轉(zhuǎn)換電路圖2-63交流電橋測(cè)量電路1.交流電橋測(cè)量電路交流電橋是電感式傳感器的主要測(cè)量電路，它的作用是將線圈電感的變化轉(zhuǎn)換成電橋電路的電壓或電流輸出。前面已提到差動(dòng)式結(jié)構(gòu)可以提高靈敏度，改善線性，所以交流電橋也多采用雙臂工作形式。圖2-55是交流電橋測(cè)量電路，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側(cè)繞組。2/3/2023128交流電橋當(dāng)銜鐵受力而發(fā)生移動(dòng)時(shí)，其中一個(gè)線圈電感量增加，另一個(gè)減小，變化量大小相等，方向相反，設(shè)

一般很高，即交流電橋的輸出電壓與傳感器線圈電感的相對(duì)變化量是成正比的，與氣隙的變化量成正比傳感器阻抗單個(gè)線圈銅電阻電感傳感器的品質(zhì)因數(shù)

圖2-63交流電橋測(cè)量電路電橋的輸出電橋的輸出《2/3/2023129左圖所示為變壓器電橋電路。相鄰兩工作臂Z1、Z2是差動(dòng)電感傳感器的兩個(gè)線圈阻抗。另兩臂為變壓器的次級(jí)繞組當(dāng)銜鐵處于中間位置時(shí),由于線圈完全對(duì)稱,因此L1=L2=L0，Z1=Z2=Z0,電橋橋路平衡,輸出電壓U0=0

（2）變壓器式交流電橋當(dāng)銜鐵上、下移動(dòng)時(shí)圖2-64變壓器式交流電橋當(dāng)負(fù)載阻抗為無(wú)窮大時(shí)，橋路輸出電壓為輸出電壓2/3/20231302.6.2互感式電感傳感器——差動(dòng)變壓器式傳感器互感傳感器本身就是變壓器，有一次繞組和二次繞組。一次側(cè)接入激勵(lì)電源后，二次側(cè)將因互感而產(chǎn)生電壓輸出。當(dāng)繞組間互感隨被測(cè)量變化時(shí)，輸出電壓將產(chǎn)生相應(yīng)的變化。這種傳感器二次繞組一般有兩個(gè)，接線方式又是差動(dòng)的，故又稱為差動(dòng)變壓器。

2/3/2023131當(dāng)活動(dòng)銜鐵處于初始平衡位置時(shí)，必然會(huì)使兩二次繞組磁回路的磁阻相等，磁通相同，互感系數(shù)M1=M2，根據(jù)電磁感應(yīng)原理，由于兩二次繞組反向串聯(lián)，因而差動(dòng)變壓器輸出電壓為零。

工作原理圖2-66螺線管式差動(dòng)變壓器原理圖中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)二次繞組

2/3/2023132

當(dāng)活動(dòng)銜鐵向二次繞組N21方向（向上）移動(dòng)時(shí)

當(dāng)活動(dòng)銜鐵向二次繞組N22方向（向下）移動(dòng)時(shí)

一次繞組激勵(lì)電流

正負(fù)號(hào)表示輸出電壓與激勵(lì)電壓同相或反相。差動(dòng)變壓器輸出電壓為：設(shè)圖2-66螺線管式差動(dòng)變壓器原理圖2/3/2023133零點(diǎn)殘余電壓應(yīng)該指出的是，當(dāng)銜鐵處于初始平衡位置時(shí)，變壓器的輸出并不等于零，而是有一個(gè)很小的電壓輸出，如圖所示，這個(gè)輸出稱為零點(diǎn)殘余電壓。這主要是因?yàn)椴顒?dòng)變壓器的兩個(gè)次級(jí)線圈的電氣參數(shù)和幾何尺寸的不對(duì)稱造成的。另外導(dǎo)磁材料存在鐵損、不均質(zhì)，初級(jí)線圈有銅損耗電阻，線圈間存在寄生電容，這均使差動(dòng)變壓器輸入電流與磁通不同相。可采用提高加工工藝精度，以及外電路補(bǔ)償法來(lái)減小零點(diǎn)殘余電壓。差動(dòng)變壓器輸出特性曲線2/3/2023134反串聯(lián)電路直接把兩個(gè)二次線圈反向串接

橋路

R1、R2是橋臂電阻，RP是供調(diào)零用的電位器2.測(cè)量電路當(dāng)不考慮電位器時(shí)，設(shè)則輸出電壓為：

電橋輸出是差動(dòng)變壓器輸出的1/2，但其優(yōu)點(diǎn)是可利用調(diào)零電位器RP進(jìn)行調(diào)零，不再需要另配調(diào)零電路。但由于差動(dòng)變壓器輸出的是交流電壓，若用交流電壓表直接測(cè)量，只能反映銜鐵位移的大小，而不能反映移動(dòng)方向2/3/2023135差動(dòng)整流電路為了達(dá)到能辨別移動(dòng)方向及消除零點(diǎn)殘余電壓的目的，實(shí)際測(cè)量時(shí)，常采用差動(dòng)整流電路和相敏檢波電路，這種電路是把差動(dòng)變壓器的兩個(gè)二次繞組的輸出電壓分別整流，然后將整流電壓或電流的差值作為輸出，再經(jīng)濾波放大電路，輸出直流電壓。圖中的RP是調(diào)零電位器。差動(dòng)變壓器式傳感器特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度高、測(cè)量精度高、性能可靠、測(cè)量范圍寬，可以測(cè)量1～100mm的機(jī)械位移。ωt圖2-69差動(dòng)整流濾波電路2/3/20231362.6.3電感式傳感器的應(yīng)用電感傳感器不僅可以直接測(cè)量位移的變化，也可以測(cè)量與位移有關(guān)的任何機(jī)械量，如振動(dòng)、加速度、應(yīng)變、壓力、張力、比重、厚度等參數(shù)。2/3/2023137案例1.振動(dòng)與加速度測(cè)量圖2-70所示為測(cè)量加速度的差動(dòng)變壓器原理圖，傳感器由懸臂梁和差動(dòng)變壓器構(gòu)成。懸臂梁起支撐與動(dòng)平衡作用。測(cè)量時(shí)，將銜鐵與被測(cè)振動(dòng)體相連，其它部位固定。當(dāng)被測(cè)體發(fā)生振動(dòng)時(shí)，銜鐵隨著一起振動(dòng)，從而使差動(dòng)變壓器的輸出電壓發(fā)生變化，輸出電壓的大小及頻率與振動(dòng)物體的振幅與頻率有關(guān)。應(yīng)該指出的是，用于測(cè)量振動(dòng)物體的頻率與振幅時(shí)，激勵(lì)頻率必須是振動(dòng)頻率的十倍，這樣測(cè)量結(jié)果才精確。一般可測(cè)振動(dòng)物體的振幅為0.1～0.5mm，振動(dòng)頻率一般為0～150Hz。圖2-70差動(dòng)變壓器測(cè)量加速度的原理圖2/3/2023138案例2．壓力測(cè)量如圖2-71所示為差動(dòng)壓力傳感器結(jié)構(gòu)原理圖。它是用于測(cè)量各種生產(chǎn)流程中液體、水蒸汽及氣體壓力等。傳感器的敏感元件為波紋膜盒，差動(dòng)變壓器的銜鐵與膜盒相連。當(dāng)被測(cè)壓力P1輸入到膜盒中，膜盒的自由端面便產(chǎn)生一個(gè)與壓力P1成正比的位移，此位移帶動(dòng)銜鐵上下移動(dòng)，從而使差動(dòng)變壓器有正比于被測(cè)壓力的電壓輸出。該傳感器的信號(hào)輸出處理電路與傳感器組合在一個(gè)殼體內(nèi)，輸出信號(hào)可以是電壓，也可以是電流。由于電流信號(hào)不易受干擾，且便于遠(yuǎn)距離傳輸，所以在使用中多采用電流輸出型。

差動(dòng)壓力傳感器原理框圖圖2-71差動(dòng)壓力傳感器結(jié)構(gòu)原理圖2/3/2023139案例3.機(jī)械式電感門(mén)鈴如圖2-73所示是一種新型交流220V機(jī)械式電感門(mén)鈴，由固定座及分別設(shè)置在周定座上的電感線圈、磁音錘、發(fā)音片等構(gòu)成。其特征在于：固定座兩邊分別設(shè)有兩對(duì)支腳，兩支腳上設(shè)有發(fā)音片，其中發(fā)音片通過(guò)橡膠螺栓固定在支腳上。當(dāng)接通電源開(kāi)關(guān)時(shí)，電感線圈通電，瞬間產(chǎn)生很大的電磁力，磁音錘在該電磁力的作用下在電感線圈中高速運(yùn)動(dòng)，從而撞擊兩邊的發(fā)音片發(fā)出叮咚的門(mén)鈴聲。這種門(mén)鈴不僅能提高音量，且能擴(kuò)寬音域，使門(mén)鈴產(chǎn)生動(dòng)聽(tīng)的共鳴音效果，達(dá)到改音質(zhì)的目的。2/3/20231402.6.4電感式傳感器的結(jié)構(gòu)

a)電感式位移傳感器b)電感式壓力傳感器d)其他種類電感傳感器c)電感式振動(dòng)傳感器2/3/20231412.6.4電渦流式傳感器及其應(yīng)用根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，塊狀金屬導(dǎo)體置于變化的磁場(chǎng)中或在磁場(chǎng)中做切割磁力線運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)將產(chǎn)生感應(yīng)電流，這種電流的流線在金屬體內(nèi)自行閉合，類似于水中的漩渦，所以稱為電渦流。電渦流的存在必然要消耗一部分磁場(chǎng)的能量，從而使激勵(lì)線圈的阻抗發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為電渦流效應(yīng)。根據(jù)電渦流效應(yīng)制成的傳感器稱為電渦流傳感器。要形成電渦流必須具備兩個(gè)條件：（1）存在交變磁場(chǎng)；（2）導(dǎo)體處于交變磁場(chǎng)中。2/3/20231421.電渦流傳感器的工作原理圖2-75所示為電渦流傳感器的基本原理圖。當(dāng)激勵(lì)線圈中有交變電流存在時(shí)，線圈周圍空間必然產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，若此時(shí)將金屬導(dǎo)體靠近線圈，就會(huì)在金屬導(dǎo)體中感應(yīng)電渦流，電渦流的存在又產(chǎn)生新的交變磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)與激勵(lì)線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向相反，從而消耗一部分磁場(chǎng)能量，導(dǎo)致激勵(lì)線圈阻抗發(fā)生變化。線圈阻抗的變化與金屬導(dǎo)體的電阻率、磁導(dǎo)率以及幾何尺寸有關(guān)（—尺寸因子），還與金屬導(dǎo)體與線圈的距離以及激勵(lì)線圈的激勵(lì)電流、頻率有關(guān)。線圈等效阻抗的函數(shù)關(guān)系式為若保持其他參數(shù)不變，只改變其中一個(gè)參數(shù)，這樣傳感器的線圈阻抗就僅與此參數(shù)成單值對(duì)應(yīng)關(guān)系。再通過(guò)傳感器的配用電路測(cè)出阻抗的變化量，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)該參數(shù)的非電量測(cè)量。

圖2-75電渦流傳感器的工作原理2/3/2023143基于變壓器的原理，可以把激勵(lì)線圈看作變壓器的一次繞組，導(dǎo)體中的渦流回路作為變壓器的二次繞組，這樣就可以畫(huà)出電渦流線圈的等效電路如圖2-76所示。若把導(dǎo)體形象地看作一個(gè)短路線圈,線圈與金屬導(dǎo)體之間可以定義一個(gè)互感系數(shù)M，它將隨著間距x的減小而增大。2.電渦流傳感器的等效電路當(dāng)金屬導(dǎo)體靠近線圈時(shí)，由于電磁感應(yīng)，導(dǎo)體上產(chǎn)生渦流，消耗能量，反過(guò)來(lái)影響線圈的阻抗，從而使,這個(gè)阻抗就稱為線圈的“反射阻抗”

變?yōu)?/p>

圖2-76電渦流線圈的等效電路根據(jù)基爾霍夫第二定律，求出反射阻抗為設(shè)激勵(lì)線圈的電感為電阻為則其阻抗為

比較與可知，渦流影響的結(jié)果是阻抗的實(shí)數(shù)部分增大（），虛數(shù)部分減小（），從而使線圈的品質(zhì)因數(shù)（）較小。2/3/20231443.轉(zhuǎn)換電路利用Z的轉(zhuǎn)換電路一般用橋路，它屬于調(diào)幅電路。利用L的轉(zhuǎn)換電路一般用諧振電路

，Z1和Z2它們與電容C1、C2，電阻R1、R2組成電橋的四個(gè)臂。電源由振蕩器供給，振蕩頻率根據(jù)渦流式傳感器的需要選擇。電橋的輸出將反應(yīng)線圈阻抗的變化，把線圈阻抗變化轉(zhuǎn)換成電壓幅值的變化。(1)橋路2/3/2023145(2)諧振幅值電路在沒(méi)有金屬導(dǎo)體的情況下，使電路的LC諧振回路的諧振頻率等于激勵(lì)振蕩器的振蕩頻率（如1MHZ），這時(shí)LC回路呈現(xiàn)阻抗最大，輸出電壓的幅值也是最大。2/3/2023146若被測(cè)體為非磁性材料，線圈的等效電感減小，回路的諧振頻率提高，諧振峰向右偏離激勵(lì)頻率，如圖中f1、f2所示若被測(cè)材料為軟磁材料，線圈的等效電感增大，回路的諧振頻率降低，諧振峰向左偏離激勵(lì)頻率，如圖中f3,f4所示。2/3/2023147(3)調(diào)頻電路2/3/20231484.電渦流傳感器的應(yīng)用電渦流傳感器測(cè)量位移的范圍為0～5mm左右，分辨力可達(dá)測(cè)量范圍的0.1%.可測(cè)量汽輪機(jī)主軸的軸向位移，金屬試樣的熱膨脹系數(shù)等。另外可以進(jìn)行厚度測(cè)量，如圖2-81a所示。傳感器與定位面的距離H固定，當(dāng)金屬板或鍍層厚度變化時(shí)，傳感器與金屬板間距改變，從而引起傳感器輸出變化。這種方法測(cè)量金屬板上的鍍層厚度時(shí)，要保證兩種材料的物理性質(zhì)有顯著的差別。某些情況下，由于定位不穩(wěn)，金屬板會(huì)上下波動(dòng)，會(huì)影響測(cè)量的精度，此時(shí)常采用差動(dòng)法進(jìn)行測(cè)量，如2-81b圖所示案例1