第3章常用传感器剖析课件.ppt

1、 2023年年2月月16日星期四日星期四测测试试技技术术第第3 3章章 常用传感器常用传感器 第第1 1节节 概述概述第第2 2节节 电阻式传感器电阻式传感器第第3 3节节 电感式传感器电感式传感器第第4节节 电容式传感器电容式传感器第第5节节 压电式传感器压电式传感器第第6节节 传感器的选用原则传感器的选用原则 习题习题 2023年年2月月16日星期四日星期四测测试试技技术术第第3 3章章 常用传感器常用传感器 本章重点：本章重点：1 1、传感器的定义、组成和分类。传感器的定义、组成和分类。2、电阻式、电感式、电容式和压电、电阻式、电感式、电容式和压电式传感器的工作原理。式传感器的工作原理。

2、3、常用传感器的选用原则。、常用传感器的选用原则。2023年年2月月16日星期四日星期四测测试试技技术术第第3 3章章 第第1 1节节 概述概述 一、传感器的定义一、传感器的定义 传感器是借助于检测元件接收一种形式的信息，并按传感器是借助于检测元件接收一种形式的信息，并按一定的规律将所获取的信息转换成另一种信息的装置一定的规律将所获取的信息转换成另一种信息的装置。一。一般也称为般也称为变换器、换能器和探测器变换器、换能器和探测器。传感器获取的信息可以为各种物理量、化学量和生物传感器获取的信息可以为各种物理量、化学量和生物量，而转换后的信息也可以有各种形式。量，而转换后的信息也可以有各种形式。目

3、前，传感器转换后的信号大多为电信号。在机械工目前，传感器转换后的信号大多为电信号。在机械工程的程的非电量的电测法非电量的电测法中，传感器是把被测量的的非电信号中，传感器是把被测量的的非电信号转换成电信号的装置。转换成电信号的装置。传感器是人类感官的扩展和延伸，借助传感器，人类传感器是人类感官的扩展和延伸，借助传感器，人类可以去探测那些无法直接用感官获取的信息。可以去探测那些无法直接用感官获取的信息。2023年年2月月16日星期四日星期四测测试试技技术术第第3 3章章 第第1 1节节 概述概述 二、传感器的组成二、传感器的组成 传感器一般由传感器一般由敏感元件敏感元件与与辅助元件辅助元件组成。组

4、成。敏感器件敏感器件是传感器的核心，它的作用是直接感受被测是传感器的核心，它的作用是直接感受被测物理量，并将信号进行必要的转换输出。物理量，并将信号进行必要的转换输出。辅助元件辅助元件一般指安装、连接、支承敏感元件的一些辅一般指安装、连接、支承敏感元件的一些辅助的装置，如传感器的壳体、引线等。助的装置，如传感器的壳体、引线等。传感器的未来发展是与微处理器相结合，封装在一个传感器的未来发展是与微处理器相结合，封装在一个检测器中形成一种新型的检测器中形成一种新型的“智能传感器智能传感器”。它将具有一定。它将具有一定的信号调理、信号分析、误差校正、环境适应等能力，甚的信号调理、信号分析、误差校正、环

5、境适应等能力，甚至具有一定的辨认、识别和判断的功能。至具有一定的辨认、识别和判断的功能。2023年年2月月16日星期四日星期四测测试试技技术术第第3 3章章 第第1 1节节 概述概述 三、传感器的分类三、传感器的分类 1 1、按被测物理量来分类（适用于使用者）、按被测物理量来分类（适用于使用者）根据被测物理量的种类不同，可分为根据被测物理量的种类不同，可分为位移传感器、速位移传感器、速度传感器、力传感器、温度传感器度传感器、力传感器、温度传感器等。等。2.2.按变换原理来分类按变换原理来分类（适用于研究者）（适用于研究者）参量型：参量型：这种传感器在感受到被测量后，输出的不直这种传感器在感受到

6、被测量后，输出的不直接是电信号，而是与电量有关的自身参数变化的信号，因接是电信号，而是与电量有关的自身参数变化的信号，因而称之为参量型传感器，如而称之为参量型传感器，如电阻式、电感式和电容式电阻式、电感式和电容式传感传感器。器。发电型：发电型：这种传感器在感受到被测量后，输出的直接这种传感器在感受到被测量后，输出的直接是电信号，因而称之为发电型传感器，如是电信号，因而称之为发电型传感器，如压电式压电式传感器。传感器。2023年年2月月16日星期四日星期四测测试试技技术术第第3 3章章 第第2 2节节 电阻式传感器电阻式传感器 一、电阻式传感器的分类一、电阻式传感器的分类 电阻式传感器的基本原理

7、是将被测物理量的变化转换电阻式传感器的基本原理是将被测物理量的变化转换成自身电阻值的变化成自身电阻值的变化,再经相应的变换电路和装置显示或记再经相应的变换电路和装置显示或记录被测量值的变化。录被测量值的变化。电阻式传感器按其工作原理可分为以下两种：电阻式传感器按其工作原理可分为以下两种：1 1、变阻器式，、变阻器式，又称为电位器式。又称为电位器式。2 2、应变片式，、应变片式，又分为金属电阻应变式和半导体应变片又分为金属电阻应变式和半导体应变片式两种。式两种。2023年年2月月16日星期四日星期四测测试试技技术术第第3 3章章 第第2 2节节 电阻式传感器电阻式传感器 二、变阻器式传感器二、变

8、阻器式传感器 1 1、工作原理、工作原理 变阻器式传感器的工作原理是将物体的位移转换为电变阻器式传感器的工作原理是将物体的位移转换为电阻的变化，由此再进一步转换为电压等电量的变化。阻的变化，由此再进一步转换为电压等电量的变化。常用变阻器式传感器有常用变阻器式传感器有直线位移型、角位移型和非线直线位移型、角位移型和非线性型性型等，如下图所示。等，如下图所示。2023年年2月月16日星期四日星期四测测试试技技术术第第3 3章章 第第2 2节节 电阻式传感器电阻式传感器 二、变阻器式传感器二、变阻器式传感器 2 2、特点、特点 变阻器式传感器的变阻器式传感器的优点优点是：是：(1)(1)结构简单、尺

9、寸小、重结构简单、尺寸小、重量轻、价格低廉且性能稳定；量轻、价格低廉且性能稳定；(2)(2)受环境因素受环境因素(如温度、湿如温度、湿度、电磁场干扰等度、电磁场干扰等)影响小；影响小；(3)(3)可以实现输出可以实现输出输入间任输入间任意函数关系；意函数关系；(4)(4)输出信号大，一般不需要放大。输出信号大，一般不需要放大。变阻器式传感器的变阻器式传感器的缺点缺点是是：(1)(1)因为存在电刷与线圈或因为存在电刷与线圈或电阻膜之间的摩擦，因此需要较大的输入能量；电阻膜之间的摩擦，因此需要较大的输入能量；(2)(2)由于磨由于磨损不仅影响使用寿命和降低可靠性，而且会降低测量的精损不仅影响使用寿

10、命和降低可靠性，而且会降低测量的精度，所以分辨力较低；度，所以分辨力较低；(3)(3)动态响应较差，适合于测量变化动态响应较差，适合于测量变化较缓慢的物理量。较缓慢的物理量。2023年年2月月16日星期四日星期四测测试试技技术术第第3 3章章 第第2 2节节 电阻式传感器电阻式传感器 二、变阻器式传感器二、变阻器式传感器 3 3、应用、应用 变阻器式传感器常用于变阻器式传感器常用于角位移和线位移角位移和线位移的测量。的测量。测量线位移的变阻器式传感器结构图如下所示。被测测量线位移的变阻器式传感器结构图如下所示。被测位移使测量轴沿导轨轴移动时，带动电刷在滑线电阻上产位移使测量轴沿导轨轴移动时，带

11、动电刷在滑线电阻上产生相同的位移，从而改变电位器的输出电阻。生相同的位移，从而改变电位器的输出电阻。2023年年2月月16日星期四日星期四测测试试技技术术第第3 3章章 第第2 2节节 电阻式传感器电阻式传感器 三、应变片式传感器三、应变片式传感器 1 1、应变片的组成、应变片的组成 (1)(1)敏感元件：敏感元件：感受应变并将其转感受应变并将其转换为自身阻值的变化。一般用康铜、换为自身阻值的变化。一般用康铜、镍铬合金或半导体材料做成。它要用镍铬合金或半导体材料做成。它要用粘合剂牢牢地固定在基片上。粘合剂牢牢地固定在基片上。(2)(2)基片：基片：固定和保护敏感元件，固定和保护敏感元件，并将应

12、变准确的传递给敏感元件。材并将应变准确的传递给敏感元件。材料可以是纸、胶膜、玻璃纤维布等。料可以是纸、胶膜、玻璃纤维布等。(3)(3)覆盖层：覆盖层：保护敏感元件不受外保护敏感元件不受外界环境中灰尘、湿气等的影响。界环境中灰尘、湿气等的影响。(4)(4)引线：引线：将敏感元件的阻值变化将敏感元件的阻值变化引入后接电路。引入后接电路。2023年年2月月16日星期四日星期四测测试试技技术术第第3 3章章 第第2 2节节 电阻式传感器电阻式传感器 三、应变片式传感器三、应变片式传感器 2 2、应变片的分类、应变片的分类 (1)(1)按敏感元件的材料分为按敏感元件的材料分为金属电阻应变片金属电阻应变片

13、和和半导体应变半导体应变片片两大类。两大类。金属电阻应变片根据敏感金属电阻应变片根据敏感元件的形状不同又分为元件的形状不同又分为丝式丝式和和箔式箔式两种。两种。(2)(2)按用途分为按用途分为一般应变片一般应变片、应变花应变花和和特殊应变片特殊应变片。2023年年2月月16日星期四日星期四测测试试技技术术第第3 3章章 第第2 2节节 电阻式传感器电阻式传感器 三、应变片式传感器三、应变片式传感器 3 3、应变片的工作原理、应变片的工作原理 (1)(1)金属电阻应变片金属电阻应变片 应变效应：应变效应：金属导体在外力作用下发生机械变形时，金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着它所受机

14、械变形其电阻值随着它所受机械变形(伸长或缩短伸长或缩短)的变化而发生的变化而发生变化的现象。变化的现象。推导：推导：dRdAARdllRdRAlR 电电阻阻变变化化量量为为：金金属属导导体体发发生生变变形形，则则则则有有：给给定定金金属属导导体体,2023年年2月月16日星期四日星期四测测试试技技术术第第3 3章章 第第2 2节节 电阻式传感器电阻式传感器 三、应变片式传感器三、应变片式传感器 3 3、应变片的工作原理、应变片的工作原理 (1)(1)金属电阻应变片金属电阻应变片 推导：推导：是是压压阻阻系系数数。，电电阻阻率率的的相相对对变变化化是是泊泊松松比比。，横横向向应应变变纵纵向向应应

15、变变，则则有有：若若 EddldlrdrrdrldldrdrldlRdRrA )2(2 2023年年2月月16日星期四日星期四测测试试技技术术第第3 3章章 第第2 2节节 电阻式传感器电阻式传感器 )21(21)21(RdREERdR，则有：，则有：对金属导体，对金属导体，综合以上各式可得：综合以上各式可得：三、应变片式传感器三、应变片式传感器 3 3、应变片的工作原理、应变片的工作原理 (1)(1)金属电阻应变片金属电阻应变片 推导：推导：之之间间。，一一般般在在系系数数。灵灵敏敏度度，又又称称为为应应变变等等。、标标称称阻阻值值，有有结结论论：3.61.72112060 gggSSRSR

16、R 2023年年2月月16日星期四日星期四测测试试技技术术第第3 3章章 第第2 2节节 电阻式传感器电阻式传感器 三、应变片式传感器三、应变片式传感器 3 3、应变片的工作原理、应变片的工作原理 (2)(2)半导体应变片半导体应变片 压阻效应：压阻效应：单晶单晶半导体材料沿某一轴向受到外力作用半导体材料沿某一轴向受到外力作用时，其电阻率会发生变化的现象。时，其电阻率会发生变化的现象。推导：推导：ERdREERdR，则则有有：对对半半导导体体，类类似似可可得得：半半导导体体材材料料与与金金属属导导体体21)21(2023年年2月月16日星期四日星期四测测试试技技术术第第3 3章章 第第2 2节

17、节 电阻式传感器电阻式传感器 三、应变片式传感器三、应变片式传感器 3 3、应变片的工作原理、应变片的工作原理 (2)(2)半导体应变片半导体应变片倍。倍。，比金属电阻应变片大，比金属电阻应变片大系数。系数。灵敏度，又称为应变灵敏度，又称为应变等。等。、标称阻值，有标称阻值，有结论：结论：705012060ESSRSRRggg 2023年年2月月16日星期四日星期四测测试试技技术术第第3 3章章 第第2 2节节 电阻式传感器电阻式传感器 三、应变片式传感器三、应变片式传感器 3 3、应变片的工作原理、应变片的工作原理 (3)(3)两种应变片的比较两种应变片的比较 工作原理不同：工作原理不同：金

18、属电阻应变片基于机械变形引起金属电阻应变片基于机械变形引起 电阻的变化；半导体应变片基于电电阻的变化；半导体应变片基于电 阻率变化引起电阻的变化。阻率变化引起电阻的变化。灵敏度不同：灵敏度不同：金属电阻应变片的灵敏度取决于泊松金属电阻应变片的灵敏度取决于泊松 比的大小；半导体应变片的灵敏度取比的大小；半导体应变片的灵敏度取 决于压阻系数和弹性模量的大小。决于压阻系数和弹性模量的大小。2023年年2月月16日星期四日星期四测测试试技技术术第第3 3章章 第第2 2节节 电阻式传感器电阻式传感器 三、应变片式传感器三、应变片式传感器 4 4、应变片的应用、应变片的应用 (1)(1)直接应用直接应用

19、 将应变片粘贴于被测构件上，直接用来测定构件的应将应变片粘贴于被测构件上，直接用来测定构件的应变和应力。变和应力。2023年年2月月16日星期四日星期四测测试试技技术术第第3 3章章 第第2 2节节 电阻式传感器电阻式传感器 三、应变片式传感器三、应变片式传感器 4 4、应变片的应用、应变片的应用 (2)(2)间接应用间接应用 将应变片贴于弹性元件上，与弹性元件一起构成应变将应变片贴于弹性元件上，与弹性元件一起构成应变式传感器。在这种情况下，弹性元件将被测物理量转换为式传感器。在这种情况下，弹性元件将被测物理量转换为成正比变化的应变，再通过应变片转换为电阻变化输出。成正比变化的应变，再通过应变

20、片转换为电阻变化输出。2023年年2月月16日星期四日星期四测测试试技技术术第第3 3章章 第第3 3节节 电感式传感器电感式传感器 一、电感式传感器的分类一、电感式传感器的分类 电感式传感器的工作原理是基于电感式传感器的工作原理是基于电磁感应电磁感应原理，原理，它是把被测量转化为电感量的一种装置。它是把被测量转化为电感量的一种装置。按照转换方式的不同可分为以下两大类：按照转换方式的不同可分为以下两大类：1 1、自感型：、自感型：又分为又分为可变磁阻式可变磁阻式和和涡电流式涡电流式两种。两种。2 2、互感型：、互感型：常用的是常用的是差动变压器式差动变压器式。2023年年2月月16日星期四日星

21、期四测测试试技技术术第第3 3章章 第第3 3节节 电感式传感器电感式传感器 ：磁阻。：磁阻。：线圈匝数，：线圈匝数，mmRWRWL,2。空气磁导率，空气磁导率，所以有：所以有：因为因为7000020000104222 AWLAAAlRm二、自感型二、自感型 1 1、可变磁阻式、可变磁阻式 可变磁阻式传感器的结构原理如图所示，它由可变磁阻式传感器的结构原理如图所示，它由线圈线圈1 1、铁芯、铁芯2 2及衔铁及衔铁3 3组成。组成。成正比。成正比。积积成反比，而与导磁截面成反比，而与导磁截面与气隙与气隙结论：自感量结论：自感量0AL 2023年年2月月16日星期四日星期四测测试试技技术术第第3

22、3章章 第第3 3节节 电感式传感器电感式传感器 二、自感型二、自感型 1 1、可变磁阻式、可变磁阻式。一般取一般取），），范围是（范围是（的变化的变化线性误差，若线性误差，若不是常数，为了减小不是常数，为了减小：此时传感器的灵敏度为此时传感器的灵敏度为成反比，成反比，与与时，时，变化，变化当固定当固定0.12)1(00020020 SAWSLA 2023年年2月月16日星期四日星期四测测试试技技术术第第3 3章章 第第3 3节节 电感式传感器电感式传感器 二、自感型二、自感型 1 1、可变磁阻式、可变磁阻式 2)2(0200WSALA：此时传感器的灵敏度为此时传感器的灵敏度为成正比，成正比，

23、与与时，时，变化，变化当固定当固定 2023年年2月月16日星期四日星期四测测试试技技术术第第3 3章章 第第3 3节节 电感式传感器电感式传感器 二、自感型二、自感型 1 1、可变磁阻式、可变磁阻式 常用可变磁阻式传感器的典型结构有常用可变磁阻式传感器的典型结构有:可变导磁面积型、可变导磁面积型、差动型、单螺管线圈型、双螺管线圈差动型差动型、单螺管线圈型、双螺管线圈差动型。双螺管线圈差动型测量范围为双螺管线圈差动型测量范围为0 0300m300m，最小分辨力，最小分辨力为为0.5m0.5m。这种传感器的线圈接于电桥上，构成两个桥臂，。这种传感器的线圈接于电桥上，构成两个桥臂，线圈电感线圈电感

24、L L1 1、L L2 2 随铁芯位移而变化，其输出特性如下图所随铁芯位移而变化，其输出特性如下图所示。示。2023年年2月月16日星期四日星期四测测试试技技术术第第3 3章章 第第3 3节节 电感式传感器电感式传感器 二、自感型二、自感型 2 2、涡电流式、涡电流式 涡电流式传感器的变换原理是利用金属导体在涡电流式传感器的变换原理是利用金属导体在交流磁场中的交流磁场中的涡电流效应涡电流效应。将一块金属板置于一直线圈附近，相互将一块金属板置于一直线圈附近，相互间距为间距为。当线圈通入交变电流。当线圈通入交变电流i时，便产生时，便产生磁通磁通。该磁通在金属板中产生感应电流。该磁通在金属板中产生感

25、应电流i1，此电流在金属板内是闭合的，因而称之为此电流在金属板内是闭合的，因而称之为“涡电流涡电流”或简称为或简称为“涡流涡流”。“涡电流涡电流”也会产生磁通也会产生磁通1，它与，它与的的方向相反，从而引起线圈自感量方向相反，从而引起线圈自感量L L发生变化。发生变化。2023年年2月月16日星期四日星期四测测试试技技术术第第3 3章章 第第3 3节节 电感式传感器电感式传感器 二、自感型二、自感型 2 2、涡电流式、涡电流式 线圈自感量线圈自感量L L的大小与金属板的电阻率的大小与金属板的电阻率、磁导率、磁导率、厚度厚度h h、金属板与线圈的距离、金属板与线圈的距离、激励电流角频率、激励电流

26、角频率等参数等参数有关。有关。涡电流式电感传感器主要用于涡电流式电感传感器主要用于位移、振动、转速、距位移、振动、转速、距离、厚度离、厚度等参数的测量。等参数的测量。),(hfL 2023年年2月月16日星期四日星期四测测试试技技术术第第3 3章章 第第3 3节节 电感式传感器电感式传感器 三、互感型三、互感型差动变压器式差动变压器式 互感型电感式传感器是利用互感互感型电感式传感器是利用互感M的变化来反映被测的变化来反映被测量的变化，其实质是一个输出电压可变的变压器。量的变化，其实质是一个输出电压可变的变压器。当变压器初级线圈当变压器初级线圈W 输入稳定交流电压输入稳定交流电压i后，次后，次级

27、线圈级线圈W0便会有感应电压便会有感应电压e0输出，该电压随被测量输出，该电压随被测量的变化而变化。的变化而变化。dtdiMe 0M互感量。互感量。2023年年2月月16日星期四日星期四测测试试技技术术第第3 3章章 第第3 3节节 电感式传感器电感式传感器 三、互感型三、互感型差动变压器式差动变压器式 互感型传感器常用的是互感型传感器常用的是差动变压器式差动变压器式，其结构形式多，其结构形式多为螺管形，主要由线圈、铁芯和活动衔铁三部分组成。线为螺管形，主要由线圈、铁芯和活动衔铁三部分组成。线圈包括一个初级线圈和两个反接的次级线圈，当初级线圈圈包括一个初级线圈和两个反接的次级线圈，当初级线圈输

28、入交流激励电压时，次级线圈将产生感应电动势输入交流激励电压时，次级线圈将产生感应电动势e1和和e2。由于两个次级线圈极性反接，因此，传感器的输出电压为由于两个次级线圈极性反接，因此，传感器的输出电压为两者之差，即两者之差，即e0=e1-e2。2023年年2月月16日星期四日星期四测测试试技技术术第第3 3章章 第第3 3节节 电感式传感器电感式传感器 三、互感型三、互感型差动变压器式差动变压器式 差动变压器式传感器使用要注意的问题：差动变压器式传感器使用要注意的问题：(1)差动变压器式传感器输出的电压是交流量，其输出差动变压器式传感器输出的电压是交流量，其输出值只能反应铁芯位移的大小，而不能反

29、应移动的方向；值只能反应铁芯位移的大小，而不能反应移动的方向；(2)传感器输出电压存在一定的零点残余电压，即使活传感器输出电压存在一定的零点残余电压，即使活动衔铁位于中间位置时，输出也不为零，这是由于两个次动衔铁位于中间位置时，输出也不为零，这是由于两个次级线圈的结构不对称以及初级线圈铜损电阻、铁磁材质不级线圈的结构不对称以及初级线圈铜损电阻、铁磁材质不均匀、线圈间分布电容等原因所造成的。均匀、线圈间分布电容等原因所造成的。解决方法解决方法：后接电路应采用既能反应铁芯位移方向，：后接电路应采用既能反应铁芯位移方向，又能补偿零点残余电压的又能补偿零点残余电压的差动直流输出电路差动直流输出电路。特

30、点特点：差动变压器式传感器精度可高达：差动变压器式传感器精度可高达0.lm，线圈变，线圈变化范围可扩大到化范围可扩大到l00mm，结构简单，稳定性好，被广泛，结构简单，稳定性好，被广泛应用于直线位移测量及其它压力、振动等参量的测量。应用于直线位移测量及其它压力、振动等参量的测量。2023年年2月月16日星期四日星期四测测试试技技术术第第3 3章章 第第4 4节节 电容式传感器电容式传感器 一、一、电容式传感器变换原理电容式传感器变换原理 电容式传感器是将被测量（如尺寸、压力等）的电容式传感器是将被测量（如尺寸、压力等）的变化转换成电容变化量的一种传感器。实际上变化转换成电容变化量的一种传感器。

31、实际上,它本身它本身（或和被测物）就是一个可变电容器。（或和被测物）就是一个可变电容器。极板之间的距离极板之间的距离；，极板的相互覆盖面积极板的相互覆盖面积；空气中，空气中，介质的介电常数，在介质的介电常数，在；真空介电常数，真空介电常数，式中：式中：mmAmFAC,1/10854.8212000 根据电容器参数变化的特性，电容式传感器可分为根据电容器参数变化的特性，电容式传感器可分为极极距变化型、面积变化型和介质变化型距变化型、面积变化型和介质变化型三种，其中极距变化三种，其中极距变化型和面积变化型应用较广。型和面积变化型应用较广。2023年年2月月16日星期四日星期四测测试试技技术术第第3

32、 3章章 第第4 4节节 电容式传感器电容式传感器 2001 ASAC 灵敏度为：灵敏度为：，二、极距变化型二、极距变化型 极距变化型电容式传感器是指在两极板相互覆盖面积极距变化型电容式传感器是指在两极板相互覆盖面积及极间介质不变的情况下，由两极板在被测对象作用下发及极间介质不变的情况下，由两极板在被测对象作用下发生位移变化而引起电容器的电容量发生变化。生位移变化而引起电容器的电容量发生变化。一一般般取取），范范围围是是（的的变变化化线线性性误误差差，若若不不是是常常数数，为为了了减减小小0.1000 S 2023年年2月月16日星期四日星期四测测试试技技术术第第3 3章章 第第4 4节节 电

33、容式传感器电容式传感器 二、极距变化型二、极距变化型 实际应用中，为了提高传感器的灵敏度、增大线实际应用中，为了提高传感器的灵敏度、增大线性工作范围和克服外界条件性工作范围和克服外界条件(如电源电压、环境温度等如电源电压、环境温度等)的的变化对测量精度的影响，常常采用变化对测量精度的影响，常常采用差动型电容式传感器差动型电容式传感器。2023年年2月月16日星期四日星期四测测试试技技术术第第3 3章章 第第4 4节节 电容式传感器电容式传感器 三、面积变化型三、面积变化型 面积变化型是改变极板间覆盖面积的电容式传面积变化型是改变极板间覆盖面积的电容式传感器，常用的有感器，常用的有角位移型和线位

34、移角位移型和线位移型两种。型两种。1 1、角位移型电容式传感器、角位移型电容式传感器 当动板有一转角时，与定板之间相互覆盖的面积就发当动板有一转角时，与定板之间相互覆盖的面积就发生变化，因而导致电容量变化。生变化，因而导致电容量变化。当覆盖面积对应的中心角为当覆盖面积对应的中心角为、极板半径为极板半径为r时，时，覆盖面积为：覆盖面积为：22rA 222020rSrC 灵敏度为：灵敏度为：则：则：2023年年2月月16日星期四日星期四测测试试技技术术第第3 3章章 第第4 4节节 电容式传感器电容式传感器 三、面积变化型三、面积变化型 2 2、线位移型电容式传感器、线位移型电容式传感器 线位移型

35、电容式传感器有线位移型电容式传感器有平面线位移型平面线位移型和和圆柱线位移圆柱线位移型型两种。两种。对于平面线位移型电容式传感器，当宽度为对于平面线位移型电容式传感器，当宽度为b的动板沿的动板沿箭头箭头x方向移动时，覆盖面积变化，电容量也随之变化，电方向移动时，覆盖面积变化，电容量也随之变化，电容量为：容量为：bSxbC00 灵敏度为：灵敏度为：2023年年2月月16日星期四日星期四测测试试技技术术第第3 3章章 第第4 4节节 电容式传感器电容式传感器 三、面积变化型三、面积变化型 2 2、线位移型电容式传感器、线位移型电容式传感器 对于圆柱线位移型电容式传感器，若对于圆柱线位移型电容式传感

36、器，若外圆筒内半径为外圆筒内半径为r1，内圆筒（或内圆柱）外半径为，内圆筒（或内圆柱）外半径为r2（它们的工作半径）时，（它们的工作半径）时，当当覆盖长度覆盖长度x变化时，电容量也随之变化，其电容为：变化时，电容量也随之变化，其电容为：)/ln(2)/ln(2210210rrSxrrC 灵敏度为：灵敏度为：面积变化型电容传感器的优点面积变化型电容传感器的优点是输出与输入成线性关系，但灵敏是输出与输入成线性关系，但灵敏度较低，适用于较大量程范围的角度较低，适用于较大量程范围的角位移和直线位移的测量。位移和直线位移的测量。2023年年2月月16日星期四日星期四测测试试技技术术第第3 3章章 第第4

37、 4节节 电容式传感器电容式传感器 四、介质变化型四、介质变化型 介质变化型是指变介电常数型电容式传感器，这介质变化型是指变介电常数型电容式传感器，这种传感器大多用于测量电介质的厚度、位移、液位，还可种传感器大多用于测量电介质的厚度、位移、液位，还可根据极板间介质的介电常数随温度、湿度、容量改变而改根据极板间介质的介电常数随温度、湿度、容量改变而改变来测量温度、湿度、容量等。变来测量温度、湿度、容量等。2023年年2月月16日星期四日星期四测测试试技技术术第第3 3章章 第第5 5节节 压电式传感器压电式传感器 一、工作原理一、工作原理 压电式传感器是一种可逆型换能器，它既可以将压电式传感器是

38、一种可逆型换能器，它既可以将机械能转换为电能，又可以将电能转化为机械能。它机械能转换为电能，又可以将电能转化为机械能。它的工作原理是基于某些物质的的工作原理是基于某些物质的压电效应压电效应。1 1、压电效应、压电效应 某些物质某些物质(物体物体)，如石英、铁酸钡等，当受到外力作，如石英、铁酸钡等，当受到外力作用时，不仅几何尺寸会发生变化，而且内部也会被极化，用时，不仅几何尺寸会发生变化，而且内部也会被极化，表面会产生电荷；当外力去掉时，又重新回到原来的状态，表面会产生电荷；当外力去掉时，又重新回到原来的状态，这种现象称为这种现象称为压电效应压电效应。相反，如果将这些物质相反，如果将这些物质(物

39、体物体)置于电场中，其几何尺置于电场中，其几何尺寸也会发生变化，这种由外电场作用导致物质寸也会发生变化，这种由外电场作用导致物质(物体）产物体）产生机械变形的现象，称为生机械变形的现象，称为逆压电效应或电致伸缩效应逆压电效应或电致伸缩效应。2023年年2月月16日星期四日星期四测测试试技技术术第第3 3章章 第第5 5节节 压电式传感器压电式传感器 一、工作原理一、工作原理 2 2、压电效应的形式、压电效应的形式 以石英晶体为例，以石英晶体为例，其结构形状为一个六角形晶柱，两其结构形状为一个六角形晶柱，两端为一对称棱锥，端为一对称棱锥，可以将其划分出三根互相垂直的轴如图可以将其划分出三根互相垂

40、直的轴如图所示。所示。Z-Z称为称为光轴光轴X-X轴称为轴称为电轴电轴Y-Y轴称为轴称为机械轴机械轴 2023年年2月月16日星期四日星期四测测试试技技术术第第3 3章章 第第5 5节节 压电式传感器压电式传感器 一、工作原理一、工作原理 2 2、压电效应的形式、压电效应的形式 沿电轴沿电轴(X X轴轴)方向施加压力产生的压电效应称为方向施加压力产生的压电效应称为“纵向纵向效应效应”，沿机械轴，沿机械轴(Y Y轴轴)方向施加压力产生的压电效应称为方向施加压力产生的压电效应称为“横向效应横向效应”，沿相对两棱施加剪切力，沿相对两棱施加剪切力产生的压电效应称产生的压电效应称为为“切向效应切向效应”

41、。2023年年2月月16日星期四日星期四测测试试技技术术第第3 3章章 第第5 5节节 压电式传感器压电式传感器 一、工作原理一、工作原理 3 3、压电材料、压电材料 把具有压电效应的物质称为把具有压电效应的物质称为压电材料压电材料(或称为压电元或称为压电元件件)。常见的压电材料可分为以下三类：。常见的压电材料可分为以下三类：（1 1）压电单晶）压电单晶 压电单晶为单晶体，常用的有石英晶体（压电单晶为单晶体，常用的有石英晶体（SiOSiO2 2），铌），铌酸锂（酸锂（LiNbOLiNbO3 3），钽酸锂（），钽酸锂（LiTaOLiTaO2 2）等。）等。（2 2）压电陶瓷）压电陶瓷 现在常用的

42、是现在常用的是PZTPZT锆钛酸铅系列压电陶瓷，其具有制作锆钛酸铅系列压电陶瓷，其具有制作方便，成本低等优点。方便，成本低等优点。（3 3）有机压电薄膜）有机压电薄膜 这类压电材料具有面积大、柔软不易破碎等优点，可这类压电材料具有面积大、柔软不易破碎等优点，可用于微压测量和机器人的触觉，常用的是二氟乙烯用于微压测量和机器人的触觉，常用的是二氟乙烯PVdFPVdF。居里点居里点：压电材料失去压电特性的温度点。：压电材料失去压电特性的温度点。2023年年2月月16日星期四日星期四测测试试技技术术第第3 3章章 第第5 5节节 压电式传感器压电式传感器 二、压电式传感器及其等效电路二、压电式传感器及

43、其等效电路 1 1、压电式传感器、压电式传感器 压电式传感器是在压电晶片的两个工作面上进行金属压电式传感器是在压电晶片的两个工作面上进行金属蒸镀，形成金属膜，构成两个电极。当压电晶片受到压力蒸镀，形成金属膜，构成两个电极。当压电晶片受到压力F F的作用时，分别在两个极板上积聚数量相等而极性相反的的作用时，分别在两个极板上积聚数量相等而极性相反的电荷，形成电场。电荷，形成电场。压电传感器可以看作是一个压电传感器可以看作是一个电荷源，电荷源，也可以看成是一个也可以看成是一个电压源。电压源。如果施加于压电晶片的外力不变，如果施加于压电晶片的外力不变，在极板上积聚的电荷与力的关系为：在极板上积聚的电荷

44、与力的关系为：。和和压压电电效效应应的的形形式式有有关关压压电电常常数数，与与材材料料压压力力；电电荷荷；式式中中：ccdFqFdq 2023年年2月月16日星期四日星期四测测试试技技术术第第3 3章章 第第5 5节节 压电式传感器压电式传感器 二、压电式传感器及其等效电路二、压电式传感器及其等效电路 2 2、等效电路、等效电路 利用压电式传感器测量静态或准静态量值时，要防止利用压电式传感器测量静态或准静态量值时，要防止电荷从压电晶片上经测量电路的漏失。而在测动态量时，电荷从压电晶片上经测量电路的漏失。而在测动态量时，电荷可以得到不断补充，可以供给测量电路一定的电流，电荷可以得到不断补充，可以

45、供给测量电路一定的电流，故故压电传感器适宜作动态测量。压电传感器适宜作动态测量。泄漏电流，泄漏电流，电容，电容，电容上的电压；电容上的电压；电荷；电荷；式中：式中：0,RuiiCCCCCuqidtCuqica 2023年年2月月16日星期四日星期四测测试试技技术术第第3 3章章 第第5 5节节 压电式传感器压电式传感器 二、压电式传感器及其等效电路二、压电式传感器及其等效电路 2 2、等效电路、等效电路 在实际应用中，常常将两片或两片以上的晶片粘结在在实际应用中，常常将两片或两片以上的晶片粘结在一起。粘结的方法有一起。粘结的方法有并联并联和和串联串联。并联方法并联方法两片压电晶片的负电荷集中在

46、中间电极上，两片压电晶片的负电荷集中在中间电极上，正电荷集中在两侧的电极上，适用于正电荷集中在两侧的电极上，适用于电荷量电荷量输出信号。输出信号。串联方法串联方法正电荷集中于上极板，负电荷集中于下极板，正电荷集中于上极板，负电荷集中于下极板，适用于适用于电压量电压量输出信号。输出信号。并并联联串串联联 2023年年2月月16日星期四日星期四测测试试技技术术第第3 3章章 第第5 5节节 压电式传感器压电式传感器 三、测量电路三、测量电路前置放大器前置放大器 由于压电式传感器的输出电信号很微弱，通常先由于压电式传感器的输出电信号很微弱，通常先经过高输入阻抗的经过高输入阻抗的前置放大器前置放大器。

47、前置放大器的作用有两点：前置放大器的作用有两点：其一其一是将传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出；是将传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出；其二其二是放大传感器输出的微弱电信号。是放大传感器输出的微弱电信号。前置放大器电路有两种形式：前置放大器电路有两种形式：1 1、电阻反馈的、电阻反馈的电压放大器电压放大器，其输出电压与输入电压，其输出电压与输入电压(即传感器的输出即传感器的输出)成正比。成正比。2 2、电容反馈的、电容反馈的电荷放大器电荷放大器，其输出电压与输入电荷成，其输出电压与输入电荷成正比。正比。2023年年2月月16日星期四日星期四测测试试技技术术第第3 3章章 第第5 5节节 压电式

48、传感器压电式传感器 三、测量电路三、测量电路前置放大器前置放大器 1 1、电阻反馈的电压放大器、电阻反馈的电压放大器 采用电压式放大器时，电路如图所示：采用电压式放大器时，电路如图所示：输出电压与各种电容有关系，即：输出电压与各种电容有关系，即：电容中的电缆对地电容受电缆电容中的电缆对地电容受电缆Cc的长度和形态影响，的长度和形态影响，会对输出电压造成较大的误差。会对输出电压造成较大的误差。电容，电容，式中：式中：icaCCCCCCqu 2023年年2月月16日星期四日星期四测测试试技技术术第第3 3章章 第第5 5节节 压电式传感器压电式传感器 三、测量电路三、测量电路前置放大器前置放大器

49、2 2、电容反馈的电荷放大器、电容反馈的电荷放大器 fafaoficafiofoiicaiaCqACAquCCCCACAuuCuuCCCuq 时，可得：时，可得：当当)(,)()(结论：结论：电荷放大器的输出电荷放大器的输出电压与传感器的电荷量成电压与传感器的电荷量成正此，与电缆分布电容无关。正此，与电缆分布电容无关。因此，采用电荷放大器时，即使连接电缆长度在百米以因此，采用电荷放大器时，即使连接电缆长度在百米以上，其灵敏度也无明显变化，这是电荷放大器的突出优点。上，其灵敏度也无明显变化，这是电荷放大器的突出优点。2023年年2月月16日星期四日星期四测测试试技技术术第第3 3章章 第第5 5

50、节节 压电式传感器压电式传感器 四、应用四、应用 1 1、直接应用、直接应用 压电效应是一种力压电效应是一种力电荷的转换，因此可直接用作电荷的转换，因此可直接用作力的测量，测量范围力的测量，测量范围10-3N104KN。2 2、间接应用、间接应用 最典型的是压电式加速度传感器，简称为加速度计。最典型的是压电式加速度传感器，简称为加速度计。它是借助于一个标准的质量块，将加速度转换为力以后再它是借助于一个标准的质量块，将加速度转换为力以后再作用在压电元件上从而得到电量输出。作用在压电元件上从而得到电量输出。注意：注意：（1 1）横向输出和横向灵敏度。）横向输出和横向灵敏度。（2 2）及时校准。）及