第4章 傳感器基本原理

第4章傳感器原理電阻式傳感器電感式傳感器電容式傳感器壓電式傳感器磁電式傳感器霍爾效應(yīng)傳感器光電式傳感器傳感器選用原則14.1電阻式傳感器電阻式傳感器是把被測(cè)量轉(zhuǎn)換為相應(yīng)電阻變化的一種傳感器,按工作的原理可分為:變阻式、電阻應(yīng)變式、熱敏式、光敏式、電敏式.物理學(xué)原理：R=ρLSR——導(dǎo)體電阻值，Ω；L——導(dǎo)體長(zhǎng)度，m；S——導(dǎo)體橫截面面積，mm2；ρ——導(dǎo)體電阻率，Ω?mm2

/m。2一、變阻式傳感器變阻器式傳感器也稱(chēng)電位器式傳感器，其工作原理是將物體的位移轉(zhuǎn)換為電阻的變化。

3變阻器式傳感器也稱(chēng)電位器式傳感器，其工作原理是通過(guò)改變電路中電阻值的大小，將物體的位移轉(zhuǎn)換為電阻的變化。式中

—電位器的電阻靈敏度。相應(yīng)電刷位移x的電壓輸出U0為式中

—電位器的電壓靈敏度。工作原理直線位移型、角位移型、非線性型。聯(lián)接電路不同：串聯(lián)可變電阻式、電位計(jì)式、電橋式。4靈敏度單位長(zhǎng)度中的電阻靈敏度單位弧度對(duì)應(yīng)的電阻線性關(guān)系線性關(guān)系非線性關(guān)系串聯(lián)可變電阻式:電流I與位移存在一定關(guān)系，I=f（x）,可把電表讀數(shù)轉(zhuǎn)換成位移。IRxxE由Rx與位移X的關(guān)系，可得出I與X的關(guān)系。xLRx5電位計(jì)式:L-變阻器總長(zhǎng);x-電刷移動(dòng)量.R-總電阻;又Rx與位移X呈線性關(guān)系：

R=K*LLx=RRx=U1U2U2=U1/R*RxU1U2Rxx電位計(jì)式6U2=（U1/L）?x=K?x0LU1U2xK——電位器的電壓靈敏度。7U2

=f（x）U1RxR-RxRLULU1R并R-RxUL負(fù)載電阻有后級(jí)負(fù)載電阻的等效電路有后級(jí)負(fù)載電阻的電位計(jì)式電路考慮后級(jí)負(fù)載電阻時(shí)：8負(fù)載電阻RL相對(duì)R越大，非線性誤差就越小。則輸出電壓UL：同除以RL·R：令當(dāng)負(fù)載電阻RL?R時(shí)，m接近于0：

一般情況下，測(cè)量的非線性誤差要求在1～2％之內(nèi)時(shí)，RL>10～20R。誤差要求高時(shí)，可采用非線性可變電阻器補(bǔ)償?shù)姆椒ā?代入ΔR與位移x的關(guān)系，即可得到輸出電壓與位移的轉(zhuǎn)換關(guān)系。電橋式R3R2R4R1U00x初始電橋平衡：假定：負(fù)載電阻極大；且當(dāng)D點(diǎn)有位移X負(fù)載RL10變阻器式傳感器的性能參數(shù):1)線性(或曲線的一致性);4)移動(dòng)或旋轉(zhuǎn)角度范圍;2)分辨力;5)電阻溫度系數(shù);3)整個(gè)電阻值的偏差;6)壽命;角位移（旋轉(zhuǎn)式）可變電阻傳感器可根據(jù)同樣原理轉(zhuǎn)換。電橋式接法測(cè)量的靈敏度和線性度都很高，所以測(cè)量技術(shù)上經(jīng)常采用。后級(jí)負(fù)載阻抗不大時(shí)，中間必須加阻抗變化裝置。11變阻式傳感器的優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸小、重量輕、價(jià)格低廉且性能穩(wěn)定；受環(huán)境因素(如溫度、濕度、電磁場(chǎng)干擾等)影響??；可以實(shí)現(xiàn)輸出—輸入間任意函數(shù)關(guān)系；輸出信號(hào)大，一般不需放大。缺點(diǎn)：因?yàn)榇嬖陔娝⑴c線圈或電阻膜之間摩擦，因此需要較大的輸入能量；由于磨損不僅影響使用壽命和降低可靠性，而且會(huì)降低測(cè)量精度，所以分辨力較低；動(dòng)態(tài)響應(yīng)較差，適合于測(cè)量變化較緩慢的量。1213變阻式傳感器的應(yīng)用變阻式傳感器常用來(lái)測(cè)量位移、壓力、加速度等參量。變阻器式傳感器產(chǎn)品14案例：重量的自動(dòng)檢測(cè)--配料設(shè)備

比較重量設(shè)定原材料原理：彈簧->力->位移

->電位器->電阻15案例：液位檢測(cè)煤氣包鋼絲原理：鋼絲->收線圈數(shù)

->電位器

->電阻16二、電阻應(yīng)變式傳感器--應(yīng)變片

電阻應(yīng)變片工作原理是基于金屬導(dǎo)體的應(yīng)變效應(yīng)，即金屬導(dǎo)體在外力作用下發(fā)生機(jī)械變形時(shí)，其電阻值隨著所受機(jī)械變形(伸長(zhǎng)或縮短)的變化而發(fā)生變化的現(xiàn)象。電阻應(yīng)變式傳感器主要由電阻應(yīng)變片及測(cè)量轉(zhuǎn)換電路等組成。由電阻應(yīng)變片和應(yīng)變儀組成的測(cè)試系統(tǒng)可以用來(lái)測(cè)量應(yīng)變。許多參數(shù)如：力、壓力、位移、振動(dòng)等都可以轉(zhuǎn)換成應(yīng)變進(jìn)行測(cè)量。選煤廠中電子膠帶稱(chēng)、壓力測(cè)量。171.電阻應(yīng)變片的分類(lèi)與構(gòu)造常用電阻應(yīng)變片分金屬電阻應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片兩大類(lèi)。金屬電阻應(yīng)變片分為絲式、箔式兩種。金屬絲電阻應(yīng)變片典型結(jié)構(gòu)如圖。18金屬箔式應(yīng)變片金屬箔式應(yīng)變片的敏感柵，則是用柵狀金屬箔片代替柵狀金屬絲。金屬箔柵采用光刻技術(shù)制造，適用于大批量生產(chǎn)。由于金屬箔式應(yīng)變片具有線條均勻、尺寸準(zhǔn)確、阻值一致性好、傳遞試件應(yīng)變性能好等優(yōu)點(diǎn)，因此，目前使用的多為金屬箔式應(yīng)變片，其結(jié)構(gòu)見(jiàn)下圖。19半導(dǎo)體應(yīng)變片敏感元件由P型硅單晶片半導(dǎo)體材料制成。優(yōu)點(diǎn)：靈敏度大，體積?。蝗秉c(diǎn)：溫度穩(wěn)定性和可重復(fù)性不如金屬應(yīng)變片。20半導(dǎo)體應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)和外形2.電阻應(yīng)變片工作原理上述任何一個(gè)參數(shù)變換均會(huì)引起電阻變化,求導(dǎo)數(shù)金屬應(yīng)變片的電阻R為代入式中R——金屬絲的電阻值，Ω；ρ——金屬絲的電阻率，mm2/m；L——金屬絲的長(zhǎng)度，m；S——金屬絲的截面積，mm2。21則有：金屬絲：金屬絲體積不變，由橫向應(yīng)變與縱向應(yīng)變的關(guān)系：泊松比可得長(zhǎng)度的變化率稱(chēng)為縱向應(yīng)變，以ε表示，即：22電阻率的變化率dr/r與材料有關(guān)。對(duì)于金屬電阻晶格的變化與體積的變化有關(guān)。即：金屬絲體積：可得C---比例常數(shù)，對(duì)于一定的材料為定值23有：K0稱(chēng)為金屬絲的靈敏系數(shù)，其物理意義是單位應(yīng)變所引起的電阻相對(duì)變化。由式可以看出，金屬材料的靈敏系數(shù)受兩個(gè)因素影響：一個(gè)是受力后材料的幾何尺寸變化所引起的，即項(xiàng)；另一個(gè)是受力后材料的電阻率變化所引起的，即項(xiàng)。對(duì)于金屬材料項(xiàng)比項(xiàng)大得多。大量實(shí)驗(yàn)表明，在電阻絲拉伸比例極限范圍內(nèi)，電阻的相對(duì)變化與其所受的軸向應(yīng)變是成正比的，即K0=1+2μ為常數(shù)。通常金屬電阻絲的K0=1.7～3.6?；颍?4應(yīng)變計(jì)金屬應(yīng)變計(jì)產(chǎn)品25半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)簡(jiǎn)化為：但對(duì)于半導(dǎo)體材料，電阻的變化即：由半導(dǎo)體理論可知式中πe——沿某晶向L的壓阻系數(shù)；

δ——應(yīng)力；

E——半導(dǎo)體材料的彈性模量。26半導(dǎo)體材料的靈敏系數(shù)K0’為：例如半導(dǎo)體材料，則K0’=πeE＝60～170。半導(dǎo)體電阻材料的靈敏系數(shù)比金屬絲的要高50～70倍。則：但對(duì)于半導(dǎo)體材料，，即因機(jī)械變形引起的電阻變化可以忽略，電阻變化主要是由電阻率的變化引起的。273.電阻應(yīng)變片的特征及主要參數(shù)

1）靈敏度

根據(jù)分析，假設(shè)一段電阻絲直接受到應(yīng)力產(chǎn)生應(yīng)變時(shí)，應(yīng)變片的轉(zhuǎn)換靈敏度K0為：

表示單位應(yīng)變所產(chǎn)生的電阻變化率。在實(shí)際應(yīng)用中不是一段電阻絲，且其應(yīng)變是由試件傳遞給應(yīng)變片的。電阻應(yīng)變片的靈敏度K應(yīng)表示為：

其靈敏度的含義為：當(dāng)應(yīng)變片的縱軸與試件應(yīng)力方向一致時(shí)應(yīng)變片的電阻變化率與試件主應(yīng)力方向的應(yīng)變值的比值。K<K0,因?yàn)椋篕是通過(guò)膠層、基底以剪應(yīng)力的形式傳遞給應(yīng)變片電阻絲。剪應(yīng)力兩端大，中間為零，在長(zhǎng)度上分布不均，在傳遞過(guò)程中降低了靈敏系數(shù)；橫向效應(yīng)：試件發(fā)生應(yīng)變時(shí)，電阻絲橫向部分的電阻變化與縱向相反，減小了總的電阻變化率。主要特征：282）溫度特性電阻絲都有一定的電阻溫度系數(shù)，電阻隨溫度而變化；試件與電阻絲的膨脹系數(shù)不同。應(yīng)變測(cè)試中需采取溫度補(bǔ)償措施，廣泛采用橋路補(bǔ)償。3）應(yīng)變片的動(dòng)特性動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)試時(shí)，要求應(yīng)變的波長(zhǎng)>>基長(zhǎng)l,高頻信號(hào)時(shí)應(yīng)采用短基長(zhǎng)的應(yīng)變片。測(cè)試值是該瞬時(shí)基長(zhǎng)l范圍內(nèi)試件應(yīng)變的平均值4）應(yīng)變片的線性嚴(yán)格來(lái)說(shuō)應(yīng)變片的電阻變化率與試件應(yīng)變之間不是線性關(guān)系；實(shí)際表明非線性誤差很小。可通過(guò)反復(fù)加載、卸載改善線性關(guān)系。εLlF29主要參數(shù)

4）其它表示應(yīng)變計(jì)性能的參數(shù)（工作溫度、遲滯、蠕變、零漂以及疲勞壽命、橫向靈敏度等）。

1）幾何參數(shù)：基長(zhǎng)l和絲柵寬度b，制造廠常用b×l表示，如2.8x15±5%mm2。2）電阻值：應(yīng)變計(jì)的原始電阻值，60、120、350、600Ω等，同一測(cè)試中，應(yīng)變片差值<0.5歐。3）靈敏系數(shù)：表示應(yīng)變計(jì)變換性能的重要參數(shù)，一般K=2。30314.電阻應(yīng)變片的選擇、粘貼技術(shù)

目測(cè)電阻應(yīng)變片有無(wú)折痕.斷絲等缺陷，有缺陷的應(yīng)變片不能粘貼。用數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)量應(yīng)變片電阻值大小。同一電橋中各應(yīng)變片之間阻值相差不得大于0.5歐姆.應(yīng)變方向32電阻應(yīng)變片的選擇:33應(yīng)變片的粘貼：

1.去污：采用手持砂輪工具除去構(gòu)件表面的油污、漆、銹斑等，并用細(xì)紗布交叉打磨出細(xì)紋以增加粘貼力，用浸有酒精或丙酮的紗布片或脫脂棉球擦洗。34

2.貼片：在應(yīng)變片的表面和處理過(guò)的粘貼表面上，各涂一層均勻的粘貼膠，用鑷子將應(yīng)變片放上去，并調(diào)好位置，然后蓋上塑料薄膜，用手指揉和滾壓，排出下面的氣泡。353.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，發(fā)現(xiàn)端子折斷和壞的應(yīng)變片。應(yīng)變片阻值不應(yīng)產(chǎn)生較大的變化，用兆歐表檢查應(yīng)變片與試件之間的絕緣組織，應(yīng)大于500M歐。364.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。

37

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。

385、應(yīng)變效應(yīng)的應(yīng)用應(yīng)變效應(yīng)的應(yīng)用十分廣泛。它可以測(cè)量應(yīng)變應(yīng)力、彎矩、扭矩、加速度、位移等物理量。電阻應(yīng)變片的應(yīng)用可分為兩大類(lèi)：第一類(lèi)是將應(yīng)變片粘貼于某些彈性體上，并將其接到測(cè)量轉(zhuǎn)換電路，這樣就構(gòu)成測(cè)量各種物理量的專(zhuān)用應(yīng)變式傳感器。應(yīng)變式傳感器中，敏感元件一般為各種彈性體，轉(zhuǎn)換元件就是應(yīng)變片，測(cè)量轉(zhuǎn)換電路一般為橋路；第二類(lèi)是將應(yīng)變片貼于被測(cè)試件上，然后將其接到應(yīng)變儀上就可直接從應(yīng)變儀上讀取被測(cè)試件的應(yīng)變量。

電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用：測(cè)力39壓力傳感器

轉(zhuǎn)矩傳感器

4041應(yīng)變式力傳感器

應(yīng)變式力傳感器

FFFF應(yīng)變式荷重傳感器的外形及應(yīng)變片的粘貼位置FR1R2R442應(yīng)變式荷重傳感器外形及受力位置FF4344各種懸臂梁

FF固定點(diǎn)固定點(diǎn)電纜45應(yīng)變片在懸臂梁上的粘貼及變形

質(zhì)量傳感器

位移傳感器

加速度計(jì)

壓力傳感器

46案例：電子稱(chēng)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。47案例：振動(dòng)式地音入侵探測(cè)器

適合于金庫(kù)、倉(cāng)庫(kù)、古建筑的防范，挖墻、打洞、爆破等破壞行為均可及時(shí)發(fā)現(xiàn)。4849三、測(cè)溫?zé)犭娮鑲鞲衅?.金屬熱電阻

溫度升高，金屬內(nèi)部原子晶格的振動(dòng)加劇，從而使金屬內(nèi)部的自由電子通過(guò)金屬導(dǎo)體時(shí)的阻礙增大，宏觀上表現(xiàn)出電阻率變大，電阻值增加，我們稱(chēng)其為正溫度系數(shù)，即電阻值與溫度的變化趨勢(shì)相同。50取一只100W/220V燈泡，用萬(wàn)用表測(cè)量其電阻值，可以發(fā)現(xiàn)其冷態(tài)阻值只有幾十歐姆，而計(jì)算得到的額定熱態(tài)電阻值應(yīng)為484

。

51易提純、復(fù)現(xiàn)性好的金屬材料才可用于制作熱電阻

52熱電阻的主要技術(shù)性能

薄膜型、普通型、鎧裝型鉑熱電阻

5354小型鉑熱電阻

55汽車(chē)用水溫傳感器及水溫表

銅熱電阻56鉑電阻溫度顯示、變送器可設(shè)定溫度的溫度控制箱

旋轉(zhuǎn)式機(jī)械設(shè)定開(kāi)關(guān)撥碼式設(shè)定開(kāi)關(guān)572.熱敏電阻

熱敏電阻：對(duì)熱敏感的半導(dǎo)體電阻，其阻值隨溫度變化的曲線呈非線性。熱敏電阻有負(fù)溫度系數(shù)（NTC）和正溫度系數(shù)（PTC）之分。正溫度系數(shù)熱敏電阻器（PTC）在溫度越高時(shí)電阻值越大，負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器（NTC）在溫度越高時(shí)電阻值越低，它們同屬于半導(dǎo)體器件。58熱敏電阻的外形、結(jié)構(gòu)及符號(hào)

a）圓片型熱敏電阻b）柱型熱敏電阻c）珠型熱敏電阻d）鎧裝型e）厚膜型f）圖形符號(hào)1—熱敏電阻2—玻璃外殼3—引出線4—紫銅外殼5—傳熱安裝孔

59熱敏電阻外形

MF12型NTC熱敏電阻聚脂塑料封裝熱敏電阻其他形式的熱敏電阻

玻璃封裝NTC熱敏電阻MF58型熱敏電阻60其他形式的熱敏電阻

帶安裝孔的熱敏電阻大功率PTC熱敏電阻6162其他形式的熱敏電阻（續(xù)）

貼片式NTC熱敏電阻63其他形式的熱敏電阻（續(xù)）

MF58型（珠形）高精度負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻MF5A-3型熱敏電阻（參考深圳科蓬達(dá)電子有限公司資料）非標(biāo)熱敏電阻64非標(biāo)熱敏電阻（續(xù)）

6566熱敏電阻溫度面板表

熱敏電阻

LCD67熱敏電阻體溫表

68熱敏電阻用于CPU的溫度測(cè)量

（參考小熊在線公司資料）69熱敏電阻用于電熱水器的溫度控制

使用氣敏電阻傳感器（以下簡(jiǎn)稱(chēng)氣敏電阻），可以把某種氣體的成分、濃度等參數(shù)轉(zhuǎn)換成電阻變化量，再轉(zhuǎn)換為電流、電壓信號(hào)。

氣敏電阻品種繁多，主要有可測(cè)量還原性氣體和測(cè)量氧氣濃度的兩大類(lèi)。

1.還原性氣體傳感器

所謂還原性氣體就是在化學(xué)反應(yīng)中能給出電子，化學(xué)價(jià)升高的氣體。還原性氣體多數(shù)屬于可燃性氣體，例如石油蒸氣、酒精蒸氣、甲烷、乙烷、煤氣、天然氣、氫氣等。測(cè)量還原性氣體的氣敏電阻一般是用SnO2（氧化錫）、ZnO或Fe2O3等金屬氧化物粉料添加少量鉑催化劑、激活劑及其它添加劑，按一定比例燒結(jié)而成的半導(dǎo)體器件。

三、氣敏電阻7071MQN型氣敏電阻結(jié)構(gòu)及測(cè)量電路a）氣敏燒結(jié)體b）氣敏電阻外形c）基本測(cè)量轉(zhuǎn)換電路

1—引腳2—塑料底座3—燒結(jié)體4—不銹鋼網(wǎng)罩5—加熱電極6—工作電極7—加熱回路電源8—測(cè)量回路電源

MQN型氣敏半導(dǎo)體器件是由塑料底座、電極引線、不銹鋼網(wǎng)罩、氣敏燒結(jié)體以及包裹在燒結(jié)體中的兩組鉑絲組成。一組鉑絲為工作電極，另一組為加熱電極兼工作電極。氣敏電阻工作時(shí)必須加熱到200

300℃，其目的是加速被測(cè)氣體的化學(xué)吸附和電離的過(guò)程并燒去氣敏電阻表面的污物（起清潔作用）。

氣敏電阻外形

酒精傳感器

其他可燃性氣體傳感器7273酒精測(cè)試儀呼氣管74酒精傳感器的選擇性75家庭用煤氣報(bào)警器76家庭用液化氣報(bào)警器77一氧化碳傳感器78其他氣體傳感器NH3傳感器甲烷傳感器792.二氧化鈦氧濃度傳感器

半導(dǎo)體材料二氧化鈦（TiO2）屬于N型半導(dǎo)體，對(duì)氧氣十分敏感。其電阻值的大小取決于周?chē)h(huán)境的氧氣濃度。

當(dāng)周?chē)鯕鉂舛容^大時(shí)，氧原子進(jìn)入二氧化鈦晶格，改變了半導(dǎo)體的電阻率，使其電阻值增大。

80TiO2氧濃度傳感器結(jié)構(gòu)及測(cè)量轉(zhuǎn)換電路a）結(jié)構(gòu)b）測(cè)量轉(zhuǎn)換電路

1－外殼（接地）2－安裝螺栓3－搭鐵線4－保護(hù)管5—補(bǔ)償電阻6－陶瓷片7－TiO2氧敏電阻8－進(jìn)氣口9－引腳

二氧化鈦氣敏電阻與補(bǔ)償熱敏電阻同處于陶瓷絕緣體的末端。當(dāng)氧氣含量減小時(shí)，RTiO2的阻值減小，Uo增大。與TiO2氣敏電阻串聯(lián)的熱敏電阻Rt

起溫度補(bǔ)償作用。當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)，TiO2氣敏電阻的阻值會(huì)逐漸減小，只要Rt也以同樣的比例減小，根據(jù)分壓比定律，Uo不受溫度影響，減小了測(cè)量誤差。

81氧濃度傳感器外形

可用于汽車(chē)尾氣測(cè)量82汽車(chē)尾氣分析83有毒氣體傳感器的使用電感式傳感器的工作原理：它是利用電磁感應(yīng)原理，將被測(cè)參數(shù)轉(zhuǎn)換成電感元件電感量的變化，實(shí)現(xiàn)非電量電測(cè)。4.2電感式傳感器xU84電感線圈等效電路85被測(cè)物理量的變化傳感器自感系數(shù)L互感系數(shù)M的變化電路電壓電流電感傳感器的基本工作原理位移振動(dòng)壓力流量比重86電感傳感器的基本工作原理演示氣隙變小，電感變大，電流變小用途及特點(diǎn)：常用來(lái)測(cè)量位移、振動(dòng)、壓力、應(yīng)變、流量、比重等物理量參數(shù)。優(yōu)點(diǎn)：具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、壽命長(zhǎng)、適用于靜態(tài)和動(dòng)態(tài)測(cè)量，使用范圍廣；缺點(diǎn)：要求電壓與頻率穩(wěn)定；不適宜高頻動(dòng)態(tài)測(cè)量。分類(lèi)：按工作原理分為自感式、互感式和壓磁式三種。87一、自感式電感傳感器

自感式電感傳感器是將被測(cè)參數(shù)轉(zhuǎn)換成電感元件自感的變化，通常采用改變磁阻的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。常見(jiàn)的幾種形式如圖所示。它由線圈、鐵芯及銜鐵組成。2r2l1l2xxx(a)(b)(c)88變隙式變截面式螺線管式

1、變空氣隙式自感傳感器式中，W—線圈匝數(shù);

L—線圈電感，單位為亨(H)；Rm—磁路總磁阻。根據(jù)磁路的基本定律，線圈電感(自感)可用下式計(jì)算:假設(shè)鐵芯和銜鐵材質(zhì)相同、截面積也相同，空氣隙d較小，不考慮磁路的鐵損時(shí)，則磁路總磁阻為：式中:

l—導(dǎo)磁體(鐵芯)的長(zhǎng)度(m)；μ—鐵芯導(dǎo)磁率(H/m)；S—鐵芯導(dǎo)磁橫截面積(m2)，S＝a×b;d—空氣隙長(zhǎng)度(m);μ0—空氣導(dǎo)磁率；S0—空氣隙導(dǎo)磁橫截面積(m2)。89因?yàn)棣蹋荆睛?，則因此，自感L可寫(xiě)為：90請(qǐng)分析電感量L與氣隙厚度d及氣隙的有效截面積S0之間的關(guān)系。變氣隙式自感傳感器工作原理動(dòng)畫(huà)演示91因此，自感L公式，可得：靈敏度K與氣隙長(zhǎng)度的平方成反比，d愈小，靈敏度愈高。由于K不是常數(shù)，故會(huì)出現(xiàn)非線性誤差，通常規(guī)定d在較小的范圍內(nèi)工作。該傳感器的靈敏度K為92例如，若間隙變化范圍為（），則靈敏度為:

由上式可以看出，當(dāng)時(shí)，由于，故靈敏度K趨于定值，即輸出與輸入近似成線性關(guān)系。實(shí)際應(yīng)用中，一般取。這種傳感器適用于較小位移的測(cè)量，一般約為0.001～1mm.93K差動(dòng)電感傳感器

請(qǐng)分析：靈敏度、線性度有何變化曲線1、2為L(zhǎng)1、L2

的特性，3為差動(dòng)特性在變隙式差動(dòng)電感傳感器中，當(dāng)銜鐵隨被測(cè)量移動(dòng)而偏離中間位置時(shí)，兩個(gè)線圈的電感量一個(gè)增加，一個(gè)減小，形成差動(dòng)形式。1-差動(dòng)線圈2-鐵心3-銜鐵4-測(cè)桿5-工件

94差動(dòng)式電感傳感器的特性

從結(jié)構(gòu)圖可以看出，差動(dòng)式電感傳感器對(duì)外界影響，如溫度的變化、電源頻率的變化等基本上可以互相抵消，銜鐵承受的電磁吸力也較小，從而減小了測(cè)量誤差。從曲線圖可以看出，差動(dòng)式電感傳感器的線性較好，且輸出曲線較陡，靈敏度約為非差動(dòng)式電感傳感器的兩倍，非線性誤差減小一個(gè)數(shù)量級(jí)。差動(dòng)接法是一種普遍采用的接法。952、變面積式自感傳感器若將變氣隙式自感傳感器的氣隙厚度d0保持不變，使氣隙導(dǎo)磁截面積S隨被測(cè)參數(shù)變化而變，即構(gòu)成變面積式自感傳感器。一般W、μ0、d0、a都是固定值，所以電感L與b呈線性關(guān)系。該類(lèi)傳感器輸出特性呈線性，因此測(cè)量范圍大。與變氣隙式相比，其靈敏度較低。963、具有可動(dòng)鐵芯的自感傳感器：螺線管中插入鐵芯可改變磁阻，使電感發(fā)生變化。如不考慮磁場(chǎng)強(qiáng)度分布不均勻性，可得到電感變化量與鐵芯位移的關(guān)系：

忽略磁場(chǎng)不均勻性，位移變化與電感變化呈線性關(guān)系。該電感式傳感器的靈敏度不高，可用來(lái)測(cè)量較大位移。如浮標(biāo)位移的測(cè)量。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)為提高靈敏度，減小非線性誤差，往往接成差動(dòng)形式。式中，W—線圈匝數(shù);

r2—鐵芯半徑；μ—鐵芯導(dǎo)磁率；

μ0—空氣導(dǎo)磁率；l1—線圈的長(zhǎng)度；?l2—鐵芯插入深度的變化量，即位移變化量。2r2l1l2x9798二.互感式傳感器（變壓器式傳感器）將被測(cè)參數(shù)轉(zhuǎn)換成互感的變化。差動(dòng)變壓器式傳感器是把被測(cè)位移量轉(zhuǎn)換為一次線圈與二次線圈間的互感量M的變化的裝置。當(dāng)一次線圈接入激勵(lì)電源之后，二次線圈就將產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，當(dāng)兩者間的互感量變化時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)也相應(yīng)變化。由于兩個(gè)二次線圈采用差動(dòng)接法，故稱(chēng)為差動(dòng)變壓器。目前應(yīng)用最廣泛的結(jié)構(gòu)型式是螺線管式差動(dòng)變壓器。U1~e99100

由圖可見(jiàn)，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。這種零位移時(shí)的輸出電壓稱(chēng)為零點(diǎn)殘余電壓，記作

U0，它的存在使傳感器的輸出特性不經(jīng)過(guò)零點(diǎn)，造成實(shí)際特性與理論特性不完全一致。零點(diǎn)殘余電壓主要是由傳感器的兩次級(jí)繞組的電氣參數(shù)和幾何尺寸不對(duì)稱(chēng)，以及磁性材料的非線性等引起的。當(dāng)活動(dòng)銜鐵的位置居中時(shí)，輸出電壓為零；活動(dòng)銜鐵的位置往復(fù)變化，其輸出電壓也隨之變化，其輸出電壓是兩個(gè)線圈電壓變化絕對(duì)量之和。差動(dòng)變壓器是一種性能良好的傳感器，性能穩(wěn)定，使用方便；靈敏度和精度較高；測(cè)量范圍大。差動(dòng)變壓器的靈敏度一般可達(dá)0.5~5V/mm，行程越小，靈敏度越高。為了提高靈敏度，勵(lì)磁電壓在10V左右為宜。電源頻率以1~10kHz為好。

差動(dòng)變壓器線性范圍約為線圈骨架長(zhǎng)度的1/10左右。

分析該類(lèi)型傳感器在選煤廠中的應(yīng)用？＋101三、壓磁式傳感器壓磁效應(yīng)：某些鐵磁材料（如正磁致伸縮材料）受壓縮時(shí)，其導(dǎo)磁率沿應(yīng)力方向下降，而沿著與應(yīng)力垂直的方向則增加。材料受拉時(shí)，導(dǎo)磁率變化正好相反。磁致伸縮效應(yīng)：是亞磁效應(yīng)的逆效應(yīng)，即某些鐵磁性材料在外磁場(chǎng)作用下，導(dǎo)磁率發(fā)生變化，而導(dǎo)致自感或互感的變化。該類(lèi)傳感器可用于測(cè)量力、壓力、扭矩等，具有輸出較大、溫度干擾小等優(yōu)點(diǎn)，但非線性誤差較大。102103板的厚度測(cè)量~電感測(cè)微頭四、電感式傳感器的應(yīng)用差動(dòng)變壓器式傳感器具有精度高達(dá)0.lμm量級(jí)，線圈變化范圍大(可擴(kuò)大到士l00mm，視結(jié)構(gòu)而定)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。應(yīng)用:厚度,角度,表面粗糙度;拉伸,壓縮,垂直度;壓力,流量,液位;張力,重力,負(fù)荷量;扭矩,應(yīng)力,動(dòng)力;氣壓,溫度;振動(dòng),速度,加速度;等.模擬式及數(shù)字式電感測(cè)微儀104軸向式電感測(cè)微器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

1—引線電纜2—固定磁筒3—銜鐵4—線圈5—測(cè)力彈簧6—防轉(zhuǎn)銷(xiāo)7—鋼球?qū)к墸ㄖ本€軸承）8—測(cè)桿9—密封套10—測(cè)端11—被測(cè)工件12—基準(zhǔn)面105電感式滾柱直徑分選裝置滾柱直徑分選裝置1—?dú)飧?—活塞3—推桿4—被測(cè)滾柱5—落料管6—電感測(cè)微器7—鎢鋼測(cè)頭8—限位擋板9—電磁翻板10—容器（料斗）

106電感式滾柱直徑分選裝置測(cè)微儀圓柱滾子107108電感式滾柱直徑分選裝置外形落料振動(dòng)臺(tái)滑道11個(gè)分選倉(cāng)位（參考無(wú)錫市通達(dá)滾子有限公司資料）廢料倉(cāng)109電感式不圓度測(cè)量系統(tǒng)外形

（參考洛陽(yáng)匯智測(cè)控技術(shù)有限公司資料）旋轉(zhuǎn)盤(pán)測(cè)量頭110不圓度測(cè)量打印4.3

電容式傳感器是將被測(cè)量轉(zhuǎn)換成電容量變化的傳感器，可用于測(cè)量位移、振動(dòng)、轉(zhuǎn)角等，在選煤廠普遍用來(lái)測(cè)量液位、料位以及壓力等。以最簡(jiǎn)單的平行極板電容器為例說(shuō)明其工作原理。在忽略邊緣效應(yīng)的情況下，平板電容器的電容量為：

式中S—極板的遮蓋面積（m2)；ε—極板間介質(zhì)的介電常數(shù)，F(xiàn)/m；d—兩平行極板間的距離（m）。

上式中，哪幾個(gè)參量是變量？可以做成哪幾種類(lèi)型的電容傳感器？

111+++

d

s

改變S、d、

三個(gè)參量中的任意一個(gè)量，均可使平板電容的電容量C改變。固定三個(gè)參量中的兩個(gè)，可以做成三種類(lèi)型的電容傳感器。

根據(jù)電容器參數(shù)變化的特性，電容式傳感器可分為：面積變化型、極距變化型和介質(zhì)變化型三種，其中極距變化型和面積變化型應(yīng)用較廣。112

一、改變極板有效面積的電容傳感器該類(lèi)電容式傳感器有：直線位移型、角位移型、液位電極型。直線位移型其工作原理是兩極板相互覆蓋面積及極間介質(zhì)不變，當(dāng)兩極板在被測(cè)參數(shù)作用下發(fā)生位移，改變了極板有效面積，引起電容量的變化為：圖（a）電容量為：xab(a)式中：?C——電容變化量；

a0——初始電容，；

ε—介電常數(shù)。由上式可知電容的變化量與位移呈線性關(guān)系。113圖(b)為初始覆蓋面積為零，隨位移增加，電容增加，其電容量為：xab(b)由上式可知電容的變化量與位移呈線性關(guān)系。其靈敏度為是一常數(shù)，增加極板寬度、減小極板間距可提高靈敏度。114柱面線位移型圓柱形電容器的電容量計(jì)算公式：D1lxD2可知，位移與電容成線性關(guān)系，同樣可以接成差動(dòng)形式，提高靈敏度。該類(lèi)傳感器可用于較大位移的測(cè)量。C1xC2115角位移型+++極板覆蓋面積（有效面積）：電容量：可知，角位移與電容量成線性關(guān)系。116D1HD2液位電極型電容傳感器分析該類(lèi)傳感器在選煤廠中可用在那些方面？117導(dǎo)電液體作為一個(gè)電極，可用于測(cè)量導(dǎo)電液體的液位。電容式液位計(jì)棒狀電極（金屬管）外面包裹聚四氟乙烯套管，當(dāng)被測(cè)液體的液面上升時(shí)，引起棒狀電極與導(dǎo)電液體之間的電容變大。

聚四氟乙烯外套118液位限位傳感器智能化液位傳感器的設(shè)定方法十分簡(jiǎn)單：用手指壓住設(shè)定按鈕，當(dāng)液位達(dá)到設(shè)定值時(shí)，放開(kāi)按鈕，智能儀器就記住該設(shè)定。正常使用時(shí)，當(dāng)水位高于該點(diǎn)后，即可發(fā)出報(bào)警信號(hào)和控制信號(hào)。設(shè)定按鈕119二、極距變化型++++++

可知電容變化與極距的變化近似成線性關(guān)系。120從圖中可以看到，為了提高靈敏度，應(yīng)使當(dāng)d0小些還是大些？當(dāng)變極距式電容傳感器的初始極距d0較小時(shí)，它的測(cè)量范圍變大還是變?。縜）

結(jié)構(gòu)示意圖b）電容量與極板距離的關(guān)系1—定極板

2—?jiǎng)訕O板

121通常該類(lèi)傳感器用來(lái)測(cè)量微小位移，一般為初始極距的1/15~1/100以內(nèi)。122三、介質(zhì)變化型hεε0ba電容變化量與液位之間成成線性關(guān)系對(duì)于非導(dǎo)電液的液位測(cè)量：123幾種介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)分析不同介質(zhì)對(duì)變介電常數(shù)電容器的影響。該類(lèi)傳感器在選煤廠可用于測(cè)量什么非電量？124ε0=8.854×10-12

(F/m)

電容式液位傳感器（液位計(jì)/料位計(jì)）產(chǎn)品應(yīng)用電容式水溫水位傳感器125電容式接近開(kāi)關(guān)振蕩電路被測(cè)物體感應(yīng)電極被測(cè)電容測(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)物體移向接近開(kāi)關(guān)時(shí)，物體和接近開(kāi)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)生變化.接近開(kāi)關(guān)的檢測(cè)物體，并不限于金屬導(dǎo)體，也可以是絕緣的液體或粉狀物體。126電容式接近開(kāi)關(guān)在

液位物位測(cè)量控制中的使用127電容式接近開(kāi)關(guān)在物位測(cè)量控制中的使用演示1282.4壓電式傳感器129壓電式傳感器是一種發(fā)電型的可逆換能器，它利用了某些晶體材料所具有的壓電效應(yīng)，既可以把機(jī)械能（力、壓力等）轉(zhuǎn)換成電能（電荷、電壓等），也可以把電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。壓電傳感元件是力敏感元件，它可以測(cè)量最終能變換為力的那些非電物理量，例如動(dòng)態(tài)力、動(dòng)態(tài)壓力、振動(dòng)加速度、壓力等，但不能用于靜態(tài)參數(shù)的測(cè)量。并在聲學(xué)、醫(yī)學(xué)、力學(xué)、宇航等方面得到了非常廣泛的應(yīng)用。一、基本原理壓電效應(yīng)：某些晶體或陶瓷材料，當(dāng)沿著一定方向?qū)ζ涫┝Χ怪冃螘r(shí)，內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在它的兩個(gè)表面上產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷，當(dāng)外力消失后，又恢復(fù)到不帶電狀態(tài)。這種現(xiàn)象稱(chēng)之為壓電效應(yīng)。逆壓電效應(yīng)：如果將這些物質(zhì)(物體)置于電場(chǎng)中，其幾何尺寸也會(huì)發(fā)生變化，這種由外電場(chǎng)作用導(dǎo)致物質(zhì)(物體)產(chǎn)生機(jī)械變形的現(xiàn)象，稱(chēng)之為逆壓電效應(yīng)，或稱(chēng)之為電致伸縮效應(yīng)。壓電材料：具有壓電效應(yīng)的物質(zhì)(物體)稱(chēng)為壓電材料(或稱(chēng)為壓電元件)。130電能機(jī)械能正壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)壓電單晶體有石英(包括天然石英和人造石英)、水溶性壓電晶體(包括酒石酸鉀鈉、酒石酸乙烯二銨；酒石酸二鉀、硫酸錘等)；壓電陶瓷是人工制造的多晶壓電材料，它比石英晶體的壓電靈敏度高得多，而制造成本卻較低，因此目前國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)的壓電元件絕大多數(shù)都采用壓電陶瓷。多晶體壓電陶瓷有鈦酸鋇壓電陶瓷、鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷、鈮酸鹽系壓電陶瓷和鈮鎂酸鉛壓電陶瓷等。常見(jiàn)的壓電材料可分為兩類(lèi)，即壓電單晶體和多晶體壓電陶瓷。131光軸—縱向軸,Z-Z軸；電軸—過(guò)正六面體棱線并垂直于光軸,X-X軸；機(jī)械軸—與光軸和電軸垂直的軸，Y-Y軸。正六面體天然結(jié)構(gòu)的石英晶體力沿光軸(Z軸)作用時(shí)，不產(chǎn)生壓電效應(yīng)力沿電軸(X軸)作用時(shí)，產(chǎn)生的壓電效應(yīng)稱(chēng)縱向壓電效應(yīng)力沿機(jī)械軸(Y軸)作用時(shí)，產(chǎn)生的壓電效應(yīng)稱(chēng)橫向壓電效應(yīng)沿相對(duì)兩棱加力時(shí)，則產(chǎn)生切向效應(yīng)132石英晶體壓電效應(yīng)的機(jī)理石英晶體的壓電效應(yīng)是由于石英晶體在外力作用下，晶格發(fā)生變化所造成的。石英晶體由硅離子Si4+和氧離子O2-組成，在Z平面的投影為133設(shè)為三對(duì)電偶極矩，當(dāng)沒(méi)有外力作用時(shí)，它們互成120°的夾角，所以有

134當(dāng)晶體沿x方向受壓時(shí)，有：此時(shí)在x軸方向出現(xiàn)正電荷。135當(dāng)晶體沿x方向受拉時(shí)，有:此時(shí)在x軸方向出現(xiàn)負(fù)電荷。136石英晶體切片的方法一般有兩種:(1)x切片兩個(gè)端面與x軸垂直。切片的兩個(gè)面鍍有金屬銀，使之成為電極板。壓電系數(shù)即壓電材料受力時(shí)所產(chǎn)生的電荷與作用力之間的比例系數(shù)。137(2)y切片兩個(gè)端面與y軸垂直。切片的兩個(gè)面鍍有金屬銀，使之成為電極板。138對(duì)于x切片，當(dāng)x方向受到壓應(yīng)力σxx作用時(shí)，有

式中Pxx——極化強(qiáng)度，在數(shù)值上等于晶面上的電荷密度；

d11——壓電系數(shù)，d11=2.3×10-12C/N；Fx——沿x方向的壓縮力；

l、b——晶體的長(zhǎng)度和寬度。壓電式傳感器主要是利用縱向壓電效應(yīng)。139設(shè)晶片在垂直于x軸平面上的電荷為Qx，則

即極間電壓為其中傳感器輸出的電荷或電壓與作用在傳感器上的力成正比。140＋＋＋＋＋＋＋―――――――＋＋＋＋＋＋＋――――――――――――――＋＋＋＋＋＋＋―――――――＋＋＋＋＋＋＋FxFxFxn片ＦyＦy＋＋＋＋＋＋＋————————縱向效應(yīng)與橫向效應(yīng)的引線連接方式壓電晶片的串、并聯(lián)：串聯(lián)：電壓靈敏度提高一倍并聯(lián)：電荷靈敏度提高一倍并聯(lián)方法：兩片壓電晶片的負(fù)電荷集中在中間電極上，正電荷集中在兩側(cè)的電極上。并接時(shí)，傳感器的電容量大，輸出電荷量大，時(shí)間常數(shù)大，故這種傳感器適用于測(cè)量緩變信號(hào)及電荷量輸出信號(hào)；串聯(lián)方法：正電荷集中于上極板，負(fù)電荷集中于下極板，串聯(lián)時(shí)，傳感器本身的電容量小，響應(yīng)較快，輸出電壓大，故這種傳感器適用于測(cè)量以電壓作輸出的信號(hào)和頻率較高的信號(hào)。142并聯(lián)輸出：串聯(lián)輸出：

注意:利用壓電式傳感器測(cè)量靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)量值時(shí)，必須采取一定的措施，使電荷從壓電晶片上經(jīng)測(cè)量電路的漏失減小到足夠小程度。而在動(dòng)態(tài)力作用下，電荷可以得到不斷補(bǔ)充，故壓電傳感器適宜作動(dòng)態(tài)測(cè)量。直流電場(chǎng)E剩余極化強(qiáng)度剩余伸長(zhǎng)電場(chǎng)作用下的伸長(zhǎng)(a)極化處理前(b)極化處理中(c)極化處理后

壓電陶瓷的壓電效應(yīng)

壓電陶瓷屬于鐵電體一類(lèi)的物質(zhì)，是人工制造的多晶壓電材料，它具有類(lèi)似鐵磁材料磁疇結(jié)構(gòu)的電疇結(jié)構(gòu)。

電疇是分子自發(fā)形成的區(qū)域，它有一定的極化方向，從而存在一定的電場(chǎng)。在無(wú)外電場(chǎng)作用時(shí)，各個(gè)電疇在晶體上雜亂分布，它們的極化效應(yīng)被相互抵消，因此原始的壓電陶瓷內(nèi)極化強(qiáng)度為零。

143

當(dāng)把電壓表接到陶瓷片的兩個(gè)電極上進(jìn)行測(cè)量時(shí)，卻無(wú)法測(cè)出陶瓷片內(nèi)部存在的極化強(qiáng)度。這是因?yàn)樘沾善瑑?nèi)的極化強(qiáng)度總是以電偶極矩的形式表現(xiàn)出來(lái)，即在陶瓷的一端出現(xiàn)正束縛電荷，另一端出現(xiàn)負(fù)束縛電荷。

由于束縛電荷的作用，在陶瓷片的電極面上吸附了一層來(lái)自外界的自由電荷。這些自由電荷與陶瓷片內(nèi)的束縛電荷符號(hào)相反而數(shù)量相等，它起著屏蔽和抵消陶瓷片內(nèi)極化強(qiáng)度對(duì)外界的作用。所以電壓表不能測(cè)出陶瓷片內(nèi)的極化程度，如圖。－－－－－

－－－－－

＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋自由電荷束縛電荷電極電極極化方向陶瓷片內(nèi)束縛電荷與電極上吸附的自由電荷示意圖

如果在陶瓷片上加一個(gè)與極化方向平行的壓力F，如圖，陶瓷片將產(chǎn)生壓縮形變（圖中虛線），片內(nèi)的正、負(fù)束縛電荷之間的距離變小，極化強(qiáng)度也變小。因此，原來(lái)吸附在電極上的自由電荷，有一部分被釋放，而出現(xiàn)放電荷現(xiàn)象。當(dāng)壓力撤消后，陶瓷片恢復(fù)原狀(這是一個(gè)膨脹過(guò)程)，片內(nèi)的正、負(fù)電荷之間的距離變大，極化強(qiáng)度也變大，因此電極上又吸附一部分自由電荷而出現(xiàn)充電現(xiàn)象。

這種由機(jī)械效應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦?yīng)，或者由機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿默F(xiàn)象，就是正壓電效應(yīng)。

＋＋＋＋＋－－－－－－－－－－＋＋＋＋＋

極化方向正壓電效應(yīng)示意圖（實(shí)線代表形變前的情況，虛線代表形變后的情況）F－＋

同樣，若在陶瓷片上加一個(gè)與極化方向相同的電場(chǎng)，如圖，由于電場(chǎng)的方向與極化強(qiáng)度的方向相同，所以電場(chǎng)的作用使極化強(qiáng)度增大。這時(shí)，陶瓷片內(nèi)的正負(fù)束縛電荷之間距離也增大，就是說(shuō)，陶瓷片沿極化方向產(chǎn)生伸長(zhǎng)形變（圖中虛線）。同理，如果外加電場(chǎng)的方向與極化方向相反，則陶瓷片沿極化方向產(chǎn)生縮短形變。這種由于電效應(yīng)而轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械效應(yīng)或者由電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的現(xiàn)象，就是逆壓電效應(yīng)。逆壓電效應(yīng)示意圖（實(shí)線代表形變前的情況，虛線代表形變后的情況）－－－－－－＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋－－－－－－極化方向電場(chǎng)方向Ｅ由此可見(jiàn)，壓電陶瓷所以具有壓電效應(yīng)，是由于陶瓷內(nèi)部存在自發(fā)極化。這些自發(fā)極化經(jīng)過(guò)極化工序處理而被迫取向排列后，陶瓷內(nèi)即存在剩余極化強(qiáng)度。如果外界的作用（如壓力或電場(chǎng)的作用）能使此極化強(qiáng)度發(fā)生變化，陶瓷就出現(xiàn)壓電效應(yīng)。此外，還可以看出，陶瓷內(nèi)的極化電荷是束縛電荷，而不是自由電荷，這些束縛電荷不能自由移動(dòng)。所以在壓電陶瓷中產(chǎn)生的放電或充電現(xiàn)象，是通過(guò)陶瓷內(nèi)部極化強(qiáng)度的變化，引起電極面上自由電荷的釋放或補(bǔ)充的結(jié)果。壓電陶瓷外形無(wú)鉛壓電陶瓷及其換能器外形

（上海硅酸鹽研究所研制）高分子壓電材料

典型的高分子壓電材料有聚偏二氟乙烯（PVF2或PVDF）、聚氟乙烯（PVF）、改性聚氯乙烯（PVC）等。它是一種柔軟的壓電材料，可根據(jù)需要制成薄膜或電纜套管等形狀。

它不易破碎，具有防水性，可以大量連續(xù)拉制，制成較大面積或較長(zhǎng)的尺度，價(jià)格便宜。高分子壓電薄膜及拉制高分子壓電材料制作的壓電薄膜和電纜可用于波形分析及報(bào)警的高分子壓電踏腳板壓電式腳踏報(bào)警器

高分子壓電薄膜制作的壓電喇叭

（逆壓電效應(yīng)）156對(duì)壓電材料的要求⑴、要求有較大的壓電常數(shù)（轉(zhuǎn)換性能）；⑵、機(jī)械強(qiáng)度高、剛度大（機(jī)械性能），以獲得寬的線性范圍和高的固有頻率；⑶、具有高電阻率和大的介電常數(shù)（電性能），以減少外部分布電容的影響并獲得好的低頻特性；⑷、溫度和濕度穩(wěn)定性好（環(huán)境適應(yīng)性）；⑸、要求壓電性能不隨時(shí)間變化（時(shí)間穩(wěn)性）。三、壓電式傳感器應(yīng)用：壓電加速度傳感器加速度傳感器有縱向效應(yīng)、橫向效應(yīng)和剪切效應(yīng)型三種類(lèi)型，最常用的是縱向效應(yīng)型，其結(jié)構(gòu)如圖所示。157加速度傳感器可用質(zhì)量、彈簧和阻尼組成的二階系統(tǒng)（力學(xué)模型）來(lái)描述。【工作原理】當(dāng)傳感器受振動(dòng)時(shí)，若質(zhì)量塊與被測(cè)物體的質(zhì)量相比很小時(shí)，質(zhì)量塊將感受與傳感器基座相同的振動(dòng)，并受到與加速度方向相反的慣性力的作用，在力的作用下，壓電陶瓷片上將產(chǎn)生電荷（壓電效應(yīng)），此電荷的大小與加速度成正比，即158測(cè)量力壓力、壓差礦漿密度礦漿濃度不同對(duì)超聲波的衰減不同。脈沖電壓發(fā)生器測(cè)量?jī)x表超聲波發(fā)送晶體超聲波接受晶體159超聲波礦漿濃度傳感器示意圖4.5磁電式傳感器變換原理:

磁電式傳感器是把被測(cè)量的物理量轉(zhuǎn)換為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的一種轉(zhuǎn)換器。感應(yīng)線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e為磁通變化率與磁場(chǎng)強(qiáng)度、磁阻、線圈運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)，改變其中一個(gè)因素，都會(huì)改變感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。

160磁電式傳感器分類(lèi)

磁電式動(dòng)圈式磁阻式線速度型角速度型161動(dòng)圈式傳感器線速度型162角速度型1