《機械工程測試技術》配套PPT課件

《機械工程測試技術》配套PPT課件,機械工程測試技術,機械工程,測試,技術,配套,PPT,課件 東北大學機械工程與自動化學院（東北大學機械工程與自動化學院（2012）Page2學習導航學習導航5.1 5.1 傳感器概述傳感器概述5.2 5.2 電阻式傳感器電阻式傳感器5.3 5.3 電感式傳感器電感式傳感器5.4 5.4 電容傳感器電容傳感器5.5 5.5 壓電傳感器壓電傳感器5.6 5.6 磁電式傳感器磁電式傳感器5.7 5.7 光電傳感器光電傳感器5.8 5.8 光纖傳感器光纖傳感器5.9 5.9 新型傳感器新型傳感器Page35.1.1 5.1.1 傳感器的定義與組成傳感器的定義與組成傳感器定義：傳感器定義：以一定的精度和規(guī)律把被測量轉換為與之有確定以一定的精度和規(guī)律把被測量轉換為與之有確定關系的、便于應用的某種物理量的測量裝置。關系的、便于應用的某種物理量的測量裝置。傳感器組成傳感器組成：敏感元件敏感元件：直接感受被測量直接感受被測量,輸出與被測量成確定關系。輸出與被測量成確定關系。轉換元件轉換元件：敏感元件的輸出就是轉換元件的輸入敏感元件的輸出就是轉換元件的輸入,它把輸入它把輸入轉換成電量參量轉換成電量參量 。轉換電路轉換電路：把轉換元件輸出的電量信號轉換為便于處理、顯把轉換元件輸出的電量信號轉換為便于處理、顯示、記錄或控制的有用的電信號的電路。示、記錄或控制的有用的電信號的電路。5.1傳感器概述傳感器概述Page4傳感器組成實例拳擊袋測力傳感器的工作原理5.1傳感器概述傳感器概述Page5 5.1.2 5.1.2 傳感器的分類傳感器的分類 A按傳感器的工作機理按傳感器的工作機理：分為物理型、化學型和生物型。分為物理型、化學型和生物型。按傳感器的輸入量按傳感器的輸入量：分為位移、壓力、溫度、流量、加速度等。分為位移、壓力、溫度、流量、加速度等。按傳感器的輸出量按傳感器的輸出量：分為模擬式傳感器和數(shù)字式傳感器。分為模擬式傳感器和數(shù)字式傳感器。按轉換過程是否可逆按轉換過程是否可逆：分為雙向傳感器、單向傳感器。分為雙向傳感器、單向傳感器。5.1傳感器概述傳感器概述Page65.1.1 5.1.1 傳感器的分類傳感器的分類 B 按傳感器的構成原理按傳感器的構成原理：分為分為物性型物性型和和結構型結構型兩大類。兩大類。按傳感器的能量轉換情況按傳感器的能量轉換情況：分為分為能量轉換型能量轉換型和和能量控制型能量控制型。A A 物性型與結構型傳感器物性型與結構型傳感器物性型物性型:依靠敏感元件材料本身物理性質的變化來實現(xiàn)信號變換依靠敏感元件材料本身物理性質的變化來實現(xiàn)信號變換.例如例如:水銀溫度計水銀溫度計,壓電測力計壓電測力計.結構型結構型:依靠傳感器結構參數(shù)的變化實現(xiàn)信號轉變依靠傳感器結構參數(shù)的變化實現(xiàn)信號轉變.例如例如:電容式和電感式傳感器電容式和電感式傳感器.B B 能量轉換型和能量控制型傳感器能量轉換型和能量控制型傳感器能量轉換型能量轉換型:直接由被測對象輸入能量使其工作直接由被測對象輸入能量使其工作.例如例如:熱電偶溫度計熱電偶溫度計,壓電式加速度計壓電式加速度計.能量控制型能量控制型:從外部供給能量并由被測量控制外部供給能量的變化從外部供給能量并由被測量控制外部供給能量的變化.例如例如:電阻應變片電阻應變片.5.1傳感器概述傳感器概述Page7按傳感器的工作原理分為按傳感器的工作原理分為：電阻式傳感器電阻式傳感器 壓電式傳感器壓電式傳感器磁電式傳感器磁電式傳感器 光電式傳感器光電式傳感器氣電式傳感器氣電式傳感器 熱電式傳感器熱電式傳感器射線式傳感器射線式傳感器 波式傳感器波式傳感器半導體式傳感器半導體式傳感器 其他原理傳感器其他原理傳感器 5.1.1 5.1.1 傳感器的分類傳感器的分類 C C5.1傳感器概述傳感器概述Page85.1.3 5.1.3 傳感器的技術指標傳感器的技術指標基本參數(shù)指標環(huán)境參數(shù)指標可靠性指標其它指標量程指標:量程范圍、過載能力等靈敏度指標:靈敏度、分辨力、滿量程輸出、輸入輸出阻抗等精度有關指標:精度、誤差、線性、滯后、重復性、靈敏度誤差、穩(wěn)定性等動態(tài)性能指標:固有頻率、阻尼比、時間常數(shù)、頻率響應范圍、頻率特性、臨界頻率、臨界速度、穩(wěn)定時間、過沖量、穩(wěn)態(tài)誤差溫度指標:工作溫度范圍、溫度誤差、溫度漂移、溫度系數(shù)、熱滯后等抗沖振指標:允許各向抗沖振的頻率、振幅及加速度、沖振所引入的誤差等其它環(huán)境參數(shù):抗潮濕、抗介質腐蝕能力、抗電磁干擾能力等工作壽命、平均無故障時間、保險期、疲勞性能、絕緣電阻、耐壓及抗飛弧等使用有關指標:供電方式(直流、交流、頻率及波形等)、功率、各項分布參數(shù)值、電壓范圍與穩(wěn)定度等結構方面指標:外形尺寸、重量、殼體材質、結構特點等安裝連接方面指標:安裝方式、饋線電纜等5.1傳感器概述傳感器概述Page9傳感器選用原則傳感器選用原則 l 靈敏度靈敏度:高，測量范圍，方向性高，測量范圍，方向性 l 響應特性響應特性:快，不失真快，不失真 l 線性范圍：線性范圍：工作量程工作量程 l 穩(wěn)定性穩(wěn)定性 ：時間和環(huán)境時間和環(huán)境l 精確度精確度 ：高，但要考慮經(jīng)濟性高，但要考慮經(jīng)濟性 1 1 確定測試方式和初步確定傳感器類型確定測試方式和初步確定傳感器類型 2 2 分析測試環(huán)境和干擾因素分析測試環(huán)境和干擾因素 3 3 根據(jù)測試范圍確定某種傳感器根據(jù)測試范圍確定某種傳感器 4 4 確定測量方式確定測量方式 5 5 體積、價格、易維護性等體積、價格、易維護性等5.1傳感器概述傳感器概述Page105.1.4 5.1.4 傳感器技術的主要應用及發(fā)展趨勢傳感器技術的主要應用及發(fā)展趨勢 （1 1）在工業(yè)生產(chǎn)過程的測量與控制方面的應用）在工業(yè)生產(chǎn)過程的測量與控制方面的應用 （2 2）在汽車電控系統(tǒng)中的應用）在汽車電控系統(tǒng)中的應用 （3 3）在現(xiàn)代醫(yī)學領域的應用）在現(xiàn)代醫(yī)學領域的應用 （4 4）在環(huán)境監(jiān)測方面的應用）在環(huán)境監(jiān)測方面的應用 （5 5）在軍事方面的應用）在軍事方面的應用 （6 6）在家用電器方面的應用）在家用電器方面的應用 （7 7）在學科研究方面的應用）在學科研究方面的應用 （8 8）在智能建筑領域中的應用）在智能建筑領域中的應用 1.傳感器技術的主要應用傳感器技術的主要應用Page11傳感器的發(fā)展趨勢傳感器的發(fā)展趨勢 采用新原理、開發(fā)新型傳感器；采用新原理、開發(fā)新型傳感器；大力開發(fā)物性型傳感器大力開發(fā)物性型傳感器(結構型滿足不了要求結構型滿足不了要求)；傳感器的集成化；傳感器的集成化；傳感器的多功能化；傳感器的多功能化；傳感器的智能化傳感器的智能化(Smart Sensor)(Smart Sensor)；研究生物感官，開發(fā)仿生傳感器。研究生物感官，開發(fā)仿生傳感器。5.1傳感器概述傳感器概述Page125.2 5.2 電阻式傳感器電阻式傳感器 基本原理基本原理 ：將被測物理量的變化轉換成將被測物理量的變化轉換成電阻值電阻值電阻值電阻值的變化，再經(jīng)相應的測量電的變化，再經(jīng)相應的測量電路路將電阻變化變換為電壓或電流進行測量將電阻變化變換為電壓或電流進行測量。按工作原理分按工作原理分 1 應變式電阻傳感器應變式電阻傳感器2變阻器式電阻傳感器變阻器式電阻傳感器Page135.2電阻式傳感器電阻式傳感器5.2.1電阻應變傳感器電阻應變傳感器Page14應變傳感器應變傳感器特點及使用特點及使用特點：特點：性能穩(wěn)定，精度高性能穩(wěn)定，精度高;測量范圍寬測量范圍寬;頻率響應較好頻率響應較好,可用于可用于靜態(tài)、動態(tài)靜態(tài)、動態(tài)測量測量;體積重量小，結構簡單，價格低體積重量小，結構簡單，價格低,品種多樣品種多樣,便于選擇和大便于選擇和大量使用；量使用；對環(huán)境適應能力強。對環(huán)境適應能力強。缺點：輸出信號微弱缺點：輸出信號微弱 。使用：使用：直接粘在被測試件上；直接粘在被測試件上；粘在彈性體上，構成各種物理傳感器。粘在彈性體上，構成各種物理傳感器。5.2電阻式傳感器電阻式傳感器Page15電阻式傳感器的工作原理（電阻式傳感器的工作原理（1 1）設電阻應變片的初始阻值為：設電阻應變片的初始阻值為：變形時，變形時，、l l、A A將同時發(fā)生變化，從而導致將同時發(fā)生變化，從而導致R R改變。改變。若若、l l、A A的變化量為的變化量為d d、dldl、dAdA，則：，則：即：即：對半徑為對半徑為r r的金屬電阻絲有：的金屬電阻絲有：從而：從而：5.2電阻式傳感器電阻式傳感器Page16電阻應變計的工作原理（電阻應變計的工作原理（2 2）金屬的電阻應變效應金屬的電阻應變效應：導體在外力作用下發(fā)生機械變形時，：導體在外力作用下發(fā)生機械變形時，其電阻值隨所受機械變形（應變）的變化而發(fā)生變化的現(xiàn)象。其電阻值隨所受機械變形（應變）的變化而發(fā)生變化的現(xiàn)象。其中，其中，由電阻絲幾何尺寸隨應變改變由電阻絲幾何尺寸隨應變改變所引起。對于同一電阻材料，所引起。對于同一電阻材料，為常數(shù)。為常數(shù)。由電阻率隨應變的改變引起，對金屬電由電阻率隨應變的改變引起，對金屬電阻絲，阻絲，很小。很小。5.2電阻式傳感器電阻式傳感器Page17即電阻相對變化與應變成正比。比值即電阻相對變化與應變成正比。比值K K0 0稱為稱為 電阻應變片的應變系數(shù)或靈敏度。電阻應變片的應變系數(shù)或靈敏度。通常：通常：K K0 0=1.7=1.73.63.6。電阻應變計的工作原理（電阻應變計的工作原理（3 3）從而：從而：5.2電阻式傳感器電阻式傳感器Page18電阻應變式傳感器結構電阻應變式傳感器結構 v組成：組成：l l 稱為稱為柵長柵長(標距標距)，b b稱為稱為柵寬柵寬(基寬基寬)，b bl l稱為應稱為應變片的使用面積。應變片的規(guī)格以面積和電阻值表示，變片的使用面積。應變片的規(guī)格以面積和電阻值表示，如如3mm3mm20mm20mm，120120。5.2電阻式傳感器電阻式傳感器Page19q 絲式應變片絲式應變片 結構：將高電阻率金屬結構：將高電阻率金屬絲（康銅、鎳鉻、卡瑪絲（康銅、鎳鉻、卡瑪合金等，直徑為合金等，直徑為0.0250.025mmmm左右）繞成柵左右）繞成柵形，粘貼在絕緣的基片形，粘貼在絕緣的基片和覆蓋層之間，引出導和覆蓋層之間，引出導線接于電路中。線接于電路中。金屬電阻應變片分為金屬電阻應變片分為絲式、箔式絲式、箔式和和膜式膜式等。等。電阻應變片的分類及材料電阻應變片的分類及材料5.2電阻式傳感器電阻式傳感器Page20絲式應變片制作簡單、性能穩(wěn)定、成本低、易粘貼。絲式應變片制作簡單、性能穩(wěn)定、成本低、易粘貼。金屬絲式應變片有金屬絲式應變片有回線式回線式和和短接式短接式兩種。兩種。回線式應變片因圓弧部分參與變形，回線式應變片因圓弧部分參與變形，橫向效應橫向效應較大；較大；短接式應變片敏感柵平行排列，兩端用直徑比柵線直徑大短接式應變片敏感柵平行排列，兩端用直徑比柵線直徑大 5 51010倍的鍍銀絲短接而成，其優(yōu)點是克服了橫向效應。倍的鍍銀絲短接而成，其優(yōu)點是克服了橫向效應。絲式應變片安全電流：絲式應變片安全電流：101050mA50mA，電阻：，電阻：5050 10001000（典型（典型120120）。）。p金屬絲式應變片金屬絲式應變片5.2電阻式傳感器電阻式傳感器Page21 箔式應變片箔式應變片由厚度為由厚度為 0.0030.0030.01mm 0.01mm 的康銅箔或鎳鉻箔經(jīng)的康銅箔或鎳鉻箔經(jīng)光刻，腐蝕工藝制成的柵狀箔片。光刻，腐蝕工藝制成的柵狀箔片。箔式應變片適于箔式應變片適于大批量生產(chǎn)大批量生產(chǎn)，可制成多種復雜形狀，線條，可制成多種復雜形狀，線條均勻，敏感柵尺寸準確，柵長最小可到均勻，敏感柵尺寸準確，柵長最小可到0.2mm 0.2mm；散熱好散熱好，允許電流大；，允許電流大；橫向效應、蠕變和機械滯后小，疲勞橫向效應、蠕變和機械滯后小，疲勞壽命長壽命長；柔性好（可貼于形狀復雜的表面），柔性好（可貼于形狀復雜的表面），傳遞試件應變性能好傳遞試件應變性能好。目前使用的應變片目前使用的應變片大多是大多是金屬箔式應變片。金屬箔式應變片。箔式應變片箔式應變片5.2電阻式傳感器電阻式傳感器Page22箔式應變片樣品箔式應變片樣品5.2電阻式傳感器電阻式傳感器Page23膜式應變片采用真空蒸發(fā)或真空沉積等方法，在薄的絕緣膜式應變片采用真空蒸發(fā)或真空沉積等方法，在薄的絕緣基片上形成厚度在基片上形成厚度在0.10.1 m m以下的金屬電阻材料薄膜的敏感柵。以下的金屬電阻材料薄膜的敏感柵。優(yōu)點是應變靈敏系數(shù)大，允許電流密度大，工作范圍廣，優(yōu)點是應變靈敏系數(shù)大，允許電流密度大，工作范圍廣，可達可達197197317317。膜式應變片膜式應變片5.2電阻式傳感器電阻式傳感器Page24電阻應變式傳感器分類電阻應變式傳感器分類2 2按基底不同：紙基、膠基，金屬基。按基底不同：紙基、膠基，金屬基。被測量應力場不同：單向應力的應變計、平面應力應變計。被測量應力場不同：單向應力的應變計、平面應力應變計。5.2電阻式傳感器電阻式傳感器Page25 電阻應變片的性能參數(shù)電阻應變片的性能參數(shù) （1 1）應變片電阻值）應變片電阻值(R R0 0)（2 2）幾何尺寸）幾何尺寸Page26應用：應用：直接用來測量直接用來測量結構的應變或結構的應變或應力應力 電阻應變式傳感器的應用電阻應變式傳感器的應用A A軋機立柱上應變計的布置和接線方式5.2電阻式傳感器電阻式傳感器Page27q 將應變片貼于彈性元件上，作為測量力、位移、將應變片貼于彈性元件上，作為測量力、位移、壓力、加速度等物理參數(shù)的傳感器壓力、加速度等物理參數(shù)的傳感器 電阻應變式傳感器的應用電阻應變式傳感器的應用B B5.2電阻式傳感器電阻式傳感器Page28利用半導體單晶的利用半導體單晶的壓阻效應壓阻效應使阻值變化。使阻值變化。壓阻效應：壓阻效應：單晶半導體材料在沿某一軸向受到外力作用時，單晶半導體材料在沿某一軸向受到外力作用時，其電阻率其電阻率 發(fā)生變化的現(xiàn)象。發(fā)生變化的現(xiàn)象。單晶半導體在外力作用下的電阻變化量仍為：單晶半導體在外力作用下的電阻變化量仍為：對半導體而言，電阻率變化引起的電阻變化對半導體而言，電阻率變化引起的電阻變化，遠遠大于形變引起的電阻變化，遠遠大于形變引起的電阻變化從而得：從而得：5.2.2 5.2.2 壓阻式傳感器壓阻式傳感器5.2電阻式傳感器電阻式傳感器Page29半導體硅的靈敏度半導體硅的靈敏度50-10050-100。半導體應變片的靈敏度比金。半導體應變片的靈敏度比金屬絲應變片大屬絲應變片大 50508 80 0倍。不同材料的半導體、不同載荷倍。不同材料的半導體、不同載荷施加方向，壓阻效應不同，靈敏度也不同。施加方向，壓阻效應不同，靈敏度也不同。兩種類型：兩種類型：半導體應變計、固態(tài)壓阻傳感器半導體應變計、固態(tài)壓阻傳感器。固態(tài)壓阻傳感器是在半導體材料基片上用集成電路工藝固態(tài)壓阻傳感器是在半導體材料基片上用集成電路工藝制成的擴散電阻，亦稱擴散型壓阻傳感器，或固態(tài)壓阻制成的擴散電阻，亦稱擴散型壓阻傳感器，或固態(tài)壓阻傳感器。主要用于測量壓力和加速度等。傳感器。主要用于測量壓力和加速度等。半導體式應變片結構半導體式應變片結構5.2電阻式傳感器電阻式傳感器Page30p優(yōu)點優(yōu)點靈敏度高：有時傳感器的輸出不需放大可直接用于測靈敏度高：有時傳感器的輸出不需放大可直接用于測量量 分辨率高，例如測量壓力時，可測出分辨率高，例如測量壓力時，可測出101020Pa20Pa的微壓；的微壓；機械滯后小、橫向效應小、體積小、頻機械滯后小、橫向效應小、體積小、頻 響高、響高、易于集成化易于集成化 q 缺點：缺點：溫度穩(wěn)定性能差；靈敏度分散度大；大應力作用，溫度穩(wěn)定性能差；靈敏度分散度大；大應力作用，非線性誤差大；非線性誤差大；機械強度低。機械強度低。半導體式應變片特點半導體式應變片特點5.2電阻式傳感器電阻式傳感器Page31變阻器式傳感器原理變阻器式傳感器原理 變阻器式傳感器是精密線繞電位器，通過改變電位器變阻器式傳感器是精密線繞電位器，通過改變電位器觸頭位置將位移轉換為電阻變化。觸頭位置將位移轉換為電阻變化。其中，其中，：電阻率；：電阻率；l l：導體長度；：導體長度；A A：導體截面積。：導體截面積。顯然，若導體材質和截面積一定，其阻值隨導顯然，若導體材質和截面積一定，其阻值隨導 線長度而線性變化。線長度而線性變化。導體電阻公式導體電阻公式：（）5.2.3 5.2.3 變阻式傳感器變阻式傳感器5.2電阻式傳感器電阻式傳感器Page32變阻式傳感器結構與分類變阻式傳感器結構與分類v用途用途：除可以測量線位移或角位移外：除可以測量線位移或角位移外,還可以測量可還可以測量可以轉換為位移的其它物理量參數(shù)以轉換為位移的其它物理量參數(shù),如壓力、加速度等。如壓力、加速度等。v變阻式傳感器分類：變阻式傳感器分類：按結構形式不同按結構形式不同,可分為線繞式、可分為線繞式、薄膜式、光電式等；按其特性曲線不同薄膜式、光電式等；按其特性曲線不同,則可分為線性則可分為線性電位器和非線性電位器。電位器和非線性電位器。5.2電阻式傳感器電阻式傳感器Page33如圖，當改變觸如圖，當改變觸點點C C的位置時，的位置時，ACAC間電阻值：間電阻值：k kl l：單位長度內(nèi)的電阻值，材質均勻時為常數(shù)。：單位長度內(nèi)的電阻值，材質均勻時為常數(shù)。當導線均勻分布時，輸出（電阻）與輸入（位移）成線當導線均勻分布時，輸出（電阻）與輸入（位移）成線性關系。性關系。傳感器靈敏度：傳感器靈敏度：（/m m）xCxABCRR=klxS S=d=dR R/d/dx x=k kl l直線位移型直線位移型5.2電阻式傳感器電阻式傳感器Page34直線位移型電位器的輸出端電壓：直線位移型電位器的輸出端電壓：當負載電阻當負載電阻R RL L ，相應位移相應位移x x的電壓輸出的電壓輸出式中式中 K KL L為電壓靈敏度。為電壓靈敏度。電位器的輸出電壓電位器傳感器負載特性電位器傳感器負載特性5.2電阻式傳感器電阻式傳感器Page35（/rad）：角位移；角位移；k k：單位弧度對應的：單位弧度對應的電阻值，材質均勻時電阻值，材質均勻時為常數(shù)。為常數(shù)。傳感器靈敏度傳感器靈敏度：角位移型角位移型圖為回轉型變阻器式傳感器，其電阻值隨轉角而變化，圖為回轉型變阻器式傳感器，其電阻值隨轉角而變化，故為角位移型。故為角位移型。5.2電阻式傳感器電阻式傳感器Page36非線性電位器非線性電位器 非線性電位器，又稱函數(shù)電位器非線性電位器，又稱函數(shù)電位器。是其輸出電阻與。是其輸出電阻與電刷位移電刷位移(包括線位移或角位移包括線位移或角位移)之間具有非線性函之間具有非線性函數(shù)關系的一種電位器。它可以實現(xiàn)指數(shù)函數(shù)、三角數(shù)關系的一種電位器。它可以實現(xiàn)指數(shù)函數(shù)、三角函數(shù)、對數(shù)函數(shù)等變換，也可以是其它任意函數(shù)。函數(shù)、對數(shù)函數(shù)等變換，也可以是其它任意函數(shù)。若輸出量為若輸出量為 ，電位計的骨架應采用三角電位計的骨架應采用三角形；形；輸出量為輸出量為 ，電位計的骨架應采用拋物電位計的骨架應采用拋物線型。線型。5.2電阻式傳感器電阻式傳感器Page37(1)(1)結構簡單、尺寸小、重量輕、價格低且性能穩(wěn)定；結構簡單、尺寸小、重量輕、價格低且性能穩(wěn)定；(2)(2)受環(huán)境因素受環(huán)境因素(溫度、濕度、電磁場干擾等溫度、濕度、電磁場干擾等)影響??；影響?。?3)(3)可以實現(xiàn)輸出可以實現(xiàn)輸出輸入間任意函數(shù)關系；輸入間任意函數(shù)關系；(4)(4)輸出信號大，一般不需放大。輸出信號大，一般不需放大。變阻式傳感器的優(yōu)點變阻式傳感器的優(yōu)點5.2電阻式傳感器電阻式傳感器Page38變阻式傳感器的缺點變阻式傳感器的缺點（1 1）因為存在電刷與線圈或電阻膜之間摩擦，因此需要較大）因為存在電刷與線圈或電阻膜之間摩擦，因此需要較大的輸入能量；的輸入能量；（2 2）由于磨損不僅影響使用壽命和降低可靠性，而且會降低）由于磨損不僅影響使用壽命和降低可靠性，而且會降低測量精度，分辨力較低；測量精度，分辨力較低；（3 3）動態(tài)響應較差，適合于測量變化較緩慢的量。）動態(tài)響應較差，適合于測量變化較緩慢的量。5.2電阻式傳感器電阻式傳感器Page39變阻式傳感器應用實例變阻式傳感器應用實例 變阻式傳感器變阻式傳感器常用來測量位移、壓力、加速度等參量。常用來測量位移、壓力、加速度等參量。被測位移使測量軸沿導軌被測位移使測量軸沿導軌軸向移動時，帶動電刷在軸向移動時，帶動電刷在滑線電阻上產(chǎn)生相同的位滑線電阻上產(chǎn)生相同的位移，從而改變電位器的輸移，從而改變電位器的輸出電阻。出電阻。氣缸行程電阻位移傳感器氣缸行程電阻位移傳感器(瑞典瑞典REGALREGAL公司）公司）5.2電阻式傳感器電阻式傳感器Page405.3 5.3 電感式傳感器電感式傳感器 概述概述 電感式傳感器將被測量，如位移或能轉換成位電感式傳感器將被測量，如位移或能轉換成位 移的機械量，轉換為電感量的變化。其變換的移的機械量，轉換為電感量的變化。其變換的 基礎是基礎是電磁感應原理電磁感應原理。按照變換方式的不同可分為：按照變換方式的不同可分為：自感型自感型（包括可（包括可 變磁阻式與電渦流式）、變磁阻式與電渦流式）、互感型互感型（差動變壓器（差動變壓器 式）。式）。Page415.3.1 5.3.1 自感型傳感器自感型傳感器 1 1 可變磁阻式傳感器的構造如圖，由線圈、鐵芯和銜鐵可變磁阻式傳感器的構造如圖，由線圈、鐵芯和銜鐵組成。在鐵芯與銜鐵之間存在氣隙組成。在鐵芯與銜鐵之間存在氣隙。記記5.3電感式傳感器電感式傳感器Page421 1 可變磁阻式傳感器可變磁阻式傳感器傳感器靈敏度與氣隙長度的平方成反比。傳感器靈敏度與氣隙長度的平方成反比。若固定導磁截面積若固定導磁截面積A A0 0 ，變化，變化 時時5.3電感式傳感器電感式傳感器Page43為了減小非線性誤差，通常使這種傳感器在較小間隙范圍內(nèi)為了減小非線性誤差，通常使這種傳感器在較小間隙范圍內(nèi)工作。工作。設間隙變化范圍為（設間隙變化范圍為（0 0，0 0+），實際應用中，?。瑢嶋H應用中，取/0 0 0.10.1。變氣隙長度式傳感器適用于。變氣隙長度式傳感器適用于微小位移微小位移的測量，測的測量，測量范圍：量范圍：0.0010.0011 1mmmm。變磁阻式傳感器變磁阻式傳感器變化變化 5.3電感式傳感器電感式傳感器Page44 如果將如果將固定，變化空氣隙導磁截面積固定，變化空氣隙導磁截面積 時，自感時，自感L L與與 呈線性關系。呈線性關系。變磁阻式傳感器變磁阻式傳感器變化截面積變化截面積 5.3電感式傳感器電感式傳感器Page45 1 1）可變導磁面積型：線性，靈敏度低）可變導磁面積型：線性，靈敏度低2 2）差動型：提高靈敏度，改善線性特性）差動型：提高靈敏度，改善線性特性 2.2.可變磁阻式傳感器典型結構可變磁阻式傳感器典型結構5.3電感式傳感器電感式傳感器Page46 3 3）單螺管線圈型：結構簡單、易制造，靈敏度低，）單螺管線圈型：結構簡單、易制造，靈敏度低，適于較大位移（數(shù)毫米）測量適于較大位移（數(shù)毫米）測量 4 4）雙螺管差動型：提高靈敏度，改善線性）雙螺管差動型：提高靈敏度，改善線性變磁阻式傳感器變磁阻式傳感器螺管螺管線圈型圈型5.3電感式傳感器電感式傳感器Page47電渦流式傳感器電渦流式傳感器當金屬板置于變化著的磁場中時，或者在磁場中運動時，當金屬板置于變化著的磁場中時，或者在磁場中運動時，在金屬板上產(chǎn)生感應電流，這種電流在金屬體內(nèi)是閉合的，在金屬板上產(chǎn)生感應電流，這種電流在金屬體內(nèi)是閉合的，所以稱為渦流。渦流的大小與金屬板的電阻率、磁導率、所以稱為渦流。渦流的大小與金屬板的電阻率、磁導率、厚度厚度t t以及金屬板與線圈距離、激勵電流、角頻率等參數(shù)有以及金屬板與線圈距離、激勵電流、角頻率等參數(shù)有關。若固定其他參數(shù)，僅僅改變其中某一參數(shù)，就可以根關。若固定其他參數(shù)，僅僅改變其中某一參數(shù)，就可以根據(jù)渦流大小測定該參數(shù)。據(jù)渦流大小測定該參數(shù)。渦流式電感傳感器可分為渦流式電感傳感器可分為高頻反射式和低頻透射式高頻反射式和低頻透射式兩類。兩類。2 2 電渦流式傳感器電渦流式傳感器 5.3電感式傳感器電感式傳感器Page48高頻反射式電渦流式傳感器動畫高頻反射式電渦流式傳感器動畫 5.3電感式傳感器電感式傳感器Page49金屬板置于線圈附近，相互間距為金屬板置于線圈附近，相互間距為 。當線圈中通入高頻交。當線圈中通入高頻交變電流變電流i i 時，產(chǎn)生磁通時，產(chǎn)生磁通 ，此交變磁通作用于鄰近的金屬板，此交變磁通作用于鄰近的金屬板（由于趨膚效應，僅作用于金屬板表面的薄層內(nèi)），使金屬（由于趨膚效應，僅作用于金屬板表面的薄層內(nèi)），使金屬板產(chǎn)生板產(chǎn)生“旋渦狀旋渦狀”的閉合感應電流的閉合感應電流 i i1 1（稱為（稱為渦電流渦電流或或渦流渦流）。）。該電流也產(chǎn)生交變磁通該電流也產(chǎn)生交變磁通 1 1，反作用于線圈，根據(jù)楞次定律，反作用于線圈，根據(jù)楞次定律，渦流的交變磁場變化方向與線圈磁場變化方向相反，渦流的交變磁場變化方向與線圈磁場變化方向相反，1 1總是總是抵抗抵抗 的變化，從而導致原線圈等效阻抗發(fā)生變化。的變化，從而導致原線圈等效阻抗發(fā)生變化。高頻反射式電渦流式傳感器原理高頻反射式電渦流式傳感器原理 5.3電感式傳感器電感式傳感器Page50 傳感器等效阻抗的變化程度與線圈尺寸、距離傳感器等效阻抗的變化程度與線圈尺寸、距離、金屬板電阻率金屬板電阻率 和磁導率和磁導率、線圈激勵電流、線圈激勵電流i i及其頻率及其頻率 有關。有關。通常線圈尺寸、激勵電流通常線圈尺寸、激勵電流i i及其頻率及其頻率 一定，若金一定，若金屬板材料一定，屬板材料一定，變化變化 可以用來測量位移、振動等參量可以用來測量位移、振動等參量。若若 一定，一定，變化變化 或或 可實現(xiàn)材質鑒別或無損探傷可實現(xiàn)材質鑒別或無損探傷。高頻反射式電渦流式傳感器特性高頻反射式電渦流式傳感器特性 5.3電感式傳感器電感式傳感器Page51如圖如圖W W1 1和和W W2 2分別為發(fā)射線圈和接收線圈，分別為發(fā)射線圈和接收線圈，兩線圈間存在金屬板兩線圈間存在金屬板G G，低頻（音頻），低頻（音頻）交流電流流經(jīng)交流電流流經(jīng)W W1 1產(chǎn)生交變磁場穿過金屬產(chǎn)生交變磁場穿過金屬板作用于板作用于W W2 2，并產(chǎn)生感應電壓，并產(chǎn)生感應電壓E E2 2。由于。由于金屬板產(chǎn)生的渦流消耗了一部分磁場能金屬板產(chǎn)生的渦流消耗了一部分磁場能量，從而使量，從而使E E2 2有所降低，板越厚，有所降低，板越厚，E E2 2越低。即越低。即E E2 2的大小間接反映了金屬板的大小間接反映了金屬板的厚度。的厚度。低頻透射式渦流傳感器原理低頻透射式渦流傳感器原理厚度厚度 h h（越大）越大）,渦流（渦流（）,e e（）。）。思考：思考：（越大）（越大）（越小越?。?.3電感式傳感器電感式傳感器Page52 動態(tài)、非接觸測量動態(tài)、非接觸測量 靈敏度高靈敏度高 分辨力高，檢測范圍：分辨力高，檢測范圍：1 1mmmm 1010mmmm，最高分辨力可達最高分辨力可達llm m。結構簡單，使用方便，不受油液等介質結構簡單，使用方便，不受油液等介質 影響影響 渦流傳感器測量特點渦流傳感器測量特點5.3電感式傳感器電感式傳感器Page53渦流傳感器應用渦流傳感器應用利用位移利用位移x x作為變換量，做成測量位移、厚度、振動、轉速等作為變換量，做成測量位移、厚度、振動、轉速等傳感器，也可做成接近開關、計數(shù)器等；傳感器，也可做成接近開關、計數(shù)器等；利用材料電阻率利用材料電阻率作為變換量，可以做成溫度測量、材質判作為變換量，可以做成溫度測量、材質判別等傳感器；別等傳感器；利用材料導磁率利用材料導磁率作為變換量，可以做成測量應力、硬度等作為變換量，可以做成測量應力、硬度等傳感器；傳感器；利用變換量利用變換量，x x的綜合影響，可以做成探傷裝置。的綜合影響，可以做成探傷裝置。5.3電感式傳感器電感式傳感器Page54 回轉軸振動測試回轉軸振動測試 回轉軸誤差測量回轉軸誤差測量 厚度測量厚度測量 零件計數(shù)零件計數(shù) 接近開關接近開關 表面裂紋或缺陷檢測表面裂紋或缺陷檢測 材質判別材質判別 渦流傳感器實用領域渦流傳感器實用領域油管油管檢測檢測5.3電感式傳感器電感式傳感器Page55渦流傳感器的應用動畫演示渦流傳感器的應用動畫演示5.3電感式傳感器電感式傳感器Page56差動變壓器式電感傳感器原理差動變壓器式電感傳感器原理 由互感現(xiàn)象，傳感器初級線圈由互感現(xiàn)象，傳感器初級線圈W W1 1 輸輸入入交交流流電電流流時時，次次級級線線圈圈W W2 2產(chǎn)產(chǎn)生生感感應應電電動動勢勢，其其大大小小與與初初級級線線圈圈電電流流的的變變化率成正比。即：化率成正比。即：M M為兩線圈的互感，其大小與兩線圈的相對位為兩線圈的互感，其大小與兩線圈的相對位 置及周圍介質的導磁能力等因素有關。置及周圍介質的導磁能力等因素有關。5.3電感式傳感器電感式傳感器Page57當被測量轉換為銜鐵位移時，傳感器兩線圈的互感改當被測量轉換為銜鐵位移時，傳感器兩線圈的互感改變，導致輸出相應改變。變，導致輸出相應改變。實際的互感傳感器通常采用兩個次級線圈，并接成差實際的互感傳感器通常采用兩個次級線圈，并接成差動式，故稱為差動變壓器式傳感器。動式，故稱為差動變壓器式傳感器。差動變壓器式傳感器原理差動變壓器式傳感器原理A A 5.3電感式傳感器電感式傳感器Page58差動變壓器式傳感器原理動畫差動變壓器式傳感器原理動畫 5.3電感式傳感器電感式傳感器Page59輸出是交流，只反映大小，不能反映極性；輸出是交流，只反映大小，不能反映極性；輸出存在零點殘余電壓；輸出存在零點殘余電壓；后接電路解決以上問題。后接電路解決以上問題。下圖為用于小位移測量的差動相敏檢波電路，其中下圖為用于小位移測量的差動相敏檢波電路，其中R R用用于調節(jié)零點殘余電壓的大小。于調節(jié)零點殘余電壓的大小。差動變壓器差動變壓器相敏檢波電路相敏檢波電路5.3電感式傳感器電感式傳感器Page60差動相敏檢波電路動畫差動相敏檢波電路動畫5.3電感式傳感器電感式傳感器Page61 精度高精度高(0.1(0.1 m m 數(shù)量級，最高可達數(shù)量級，最高可達0.010.01 m)m)，高，高 精度型非線性誤差可達精度型非線性誤差可達0.1%0.1%線性范圍大（可達線性范圍大（可達 100mm100mm）穩(wěn)定性好，結構簡單，使用方便穩(wěn)定性好，結構簡單，使用方便 因包含機械結構，頻率響應較低，不宜測量高頻動態(tài)參因包含機械結構，頻率響應較低，不宜測量高頻動態(tài)參量量 差動變壓器差動變壓器特點特點5.3電感式傳感器電感式傳感器Page62應用應用1 1案例：案例：板的厚度測量板的厚度測量 案例：案例：張力測量張力測量5.3電感式傳感器電感式傳感器Page63應用應用2 2振動和加速度的測量振動和加速度的測量銜鐵受振動和加速度的作用，使彈簧受力變形，與彈簧連接的銜銜鐵受振動和加速度的作用，使彈簧受力變形，與彈簧連接的銜鐵的位移大小反映了振動的幅度和頻率以及加速度的大小。鐵的位移大小反映了振動的幅度和頻率以及加速度的大小。液位測量液位測量采用了電感式傳感器的沉采用了電感式傳感器的沉筒式液位計。筒式液位計。由于液位的變化，沉筒所由于液位的變化，沉筒所受浮力也將產(chǎn)生變化，這受浮力也將產(chǎn)生變化，這一變化轉變成銜鐵的位移，一變化轉變成銜鐵的位移，從而改變了差動變壓器的從而改變了差動變壓器的輸出電壓，這個輸出值反輸出電壓，這個輸出值反映了液位的變化值。映了液位的變化值。5.3電感式傳感器電感式傳感器Page645.3.3 5.3.3 壓磁式傳感器壓磁式傳感器 1.1.壓磁效應壓磁效應 磁疇、磁化、磁飽和的概念磁疇、磁化、磁飽和的概念鐵鐵磁磁材材料料在在晶晶格格形形成成過過程程中中形形成成了了磁磁疇疇，各各個個磁磁疇疇的的磁磁化化強度矢量是隨機的。強度矢量是隨機的。在在沒沒有有外外磁磁場場作作用用時時，各各個個磁磁疇疇互互相相均均衡衡，材材料料總總的的磁磁場場強度為零。強度為零。當當有有外外磁磁場場作作用用時時，磁磁疇疇的的磁磁化化強強度度矢矢量量向向外外磁磁場場方方向向轉轉動，材料呈現(xiàn)磁化。動，材料呈現(xiàn)磁化。當當外外磁磁場場很很強強時時，各各個個磁磁疇疇的的磁磁場場強強度度矢矢量量都都轉轉向向與與外外磁磁場平行，這時材料呈現(xiàn)飽和現(xiàn)象。場平行，這時材料呈現(xiàn)飽和現(xiàn)象。5.3電感式傳感器電感式傳感器Page65磁致伸縮效應磁致伸縮效應磁化過程中，各磁疇間的界限移動產(chǎn)生機械變磁化過程中，各磁疇間的界限移動產(chǎn)生機械變形，這種現(xiàn)象稱為磁致伸縮效應。形，這種現(xiàn)象稱為磁致伸縮效應。壓磁效應壓磁效應 鐵磁材料在應力下鐵磁材料在應力下,磁疇之間的界限移動磁疇之間的界限移動,磁化磁化強度相應變化。應力使鐵磁材料的磁性質發(fā)生變化的現(xiàn)象。強度相應變化。應力使鐵磁材料的磁性質發(fā)生變化的現(xiàn)象。壓磁效應的具體內(nèi)容是壓磁效應的具體內(nèi)容是:受受壓壓力力時時,作作用用力力方方向向磁磁導導率率減減小小,作作用用力力垂垂直直方方向向磁磁導導率率略略有有增大。增大。作用力取消后作用力取消后,磁導率復原。磁導率復原。鐵鐵磁磁材材料料的的壓壓磁磁效效應應還還與與外外磁磁場場有有關關。必必須須使使外外磁磁場場強強度度的的數(shù)數(shù)值一定。值一定。壓磁效應壓磁效應 5.3電感式傳感器電感式傳感器Page66壓磁式傳感器是一種無源傳感器。壓磁式傳感器是一種無源傳感器。它利用鐵磁材料的壓磁效應，在外力作用時，鐵磁材料內(nèi)它利用鐵磁材料的壓磁效應，在外力作用時，鐵磁材料內(nèi)部產(chǎn)生應力或者應力變化，引起鐵磁材料的磁導率變化。部產(chǎn)生應力或者應力變化，引起鐵磁材料的磁導率變化。鐵磁材料繞有線圈鐵磁材料繞有線圈(激勵繞組和輸出繞組激勵繞組和輸出繞組)，二次線圈阻抗，二次線圈阻抗的變化，或線圈間耦合系數(shù)的變化，從而使輸出電動勢發(fā)的變化，或線圈間耦合系數(shù)的變化，從而使輸出電動勢發(fā)生變化。生變化。通過相應的測量電路，就可以根據(jù)輸出的量值來衡量外作通過相應的測量電路，就可以根據(jù)輸出的量值來衡量外作用力。用力。壓磁式傳感器工作原理壓磁式傳感器工作原理5.3電感式傳感器電感式傳感器Page67壓磁式傳感器壓磁式傳感器工作原理演示圖工作原理演示圖 F F R RmmZ Z或或或或e e5.3電感式傳感器電感式傳感器Page68在壓磁材料的中間部分開有四個對稱的小孔在壓磁材料的中間部分開有四個對稱的小孔1 1、2 2、3 3和和4 4，在，在孔孔1 1、2 2間繞有激勵繞組間繞有激勵繞組N N1212，孔，孔3 3、4 4間繞有輸出繞組間繞有輸出繞組N N3434。當激勵繞組中通過交流電流時，鐵心中就會產(chǎn)生磁場。若把當激勵繞組中通過交流電流時，鐵心中就會產(chǎn)生磁場。若把孔間空間分成孔間空間分成A A、B B、C C、D D四個區(qū)域，在無外力作用的情況下，四個區(qū)域，在無外力作用的情況下，A A、B B、C C、D D四個區(qū)域的磁導率是相同的。這時合成磁場強度四個區(qū)域的磁導率是相同的。這時合成磁場強度H H平行于輸出繞組的平面，磁力線不與輸出繞組交鏈，平行于輸出繞組的平面，磁力線不與輸出繞組交鏈，N N3434不不產(chǎn)生感應電動勢。產(chǎn)生感應電動勢。壓磁式傳感器工作原理說明壓磁式傳感器工作原理說明 5.3電感式傳感器電感式傳感器Page69在壓力在壓力F F作用下，如圖作用下，如圖c c所示，所示，A A、B B區(qū)域將受到一定的應力，區(qū)域將受到一定的應力，而而C C、D D區(qū)域基本處于自由狀態(tài)，于是區(qū)域基本處于自由狀態(tài)，于是A A、B B區(qū)域的磁導率下區(qū)域的磁導率下降、磁阻增大，降、磁阻增大，C C、D D區(qū)域的磁導率基本不變。區(qū)域的磁導率基本不變。這樣激勵繞組所產(chǎn)生的磁力線將重新分布，部分磁力線繞這樣激勵繞組所產(chǎn)生的磁力線將重新分布，部分磁力線繞過過C C、D D區(qū)域閉合，于是合成磁場區(qū)域閉合，于是合成磁場H H不再與不再與N N3434平面平行，一平面平行，一部分磁力線與部分磁力線與N N3434交鏈而產(chǎn)生感應電動勢交鏈而產(chǎn)生感應電動勢e e。F F值越大，與值越大，與N N3434交鏈的磁通越多，交鏈的磁通越多，e e值越大。值越大。壓磁式傳感器工作原理說明壓磁式傳感器工作原理說明 5.3電感式傳感器電感式傳感器Page70壓磁元件壓磁元件 壓磁元件是力壓磁元件是力-電轉換元件。電轉換元件。材料有硅鋼片、坡莫合金和一些鐵氧體。材料有硅鋼片、坡莫合金和一些鐵氧體。坡莫合金坡莫合金,高靈敏度高靈敏度,價格貴價格貴;鐵氧體，高的靈敏度鐵氧體，高的靈敏度,脆而不采用。脆而不采用。最常用硅鋼片，為了減小渦流損耗最常用硅鋼片，為了減小渦流損耗,采用薄片的鐵磁材料疊采用薄片的鐵磁材料疊合而成。合而成。5.3電感式傳感器電感式傳感器Page71v壓磁式傳感器具有輸出功率大、抗干擾能力強、過壓磁式傳感器具有輸出功率大、抗干擾能力強、過載性能好、結構和電路簡單、能在惡劣環(huán)境下工作、載性能好、結構和電路簡單、能在惡劣環(huán)境下工作、壽命長等一系列優(yōu)點。壽命長等一系列優(yōu)點。v目前，這種傳感器已成功地用在冶金、礦山、造紙、目前，這種傳感器已成功地用在冶金、礦山、造紙、印刷、運輸?shù)雀鱾€工業(yè)部門。印刷、運輸?shù)雀鱾€工業(yè)部門。v例如用來測量軋鋼的軋制力、鋼帶的張力、紙張的例如用來測量軋鋼的軋制力、鋼帶的張力、紙張的張力，吊車提物的自動測量、配料的稱量、金屬切削張力，吊車提物的自動測量、配料的稱量、金屬切削過程的切削力以及電梯安全保護等。過程的切削力以及電梯安全保護等。壓磁式傳感器特點壓磁式傳感器特點5.3電感式傳感器電感式傳感器Page725.4 5.4 電容式傳感器電容式傳感器 1 1 工作原理及類型工作原理及類型 電容式傳感器實質是一電容式傳感器實質是一 具有可變參數(shù)的電容器。具有可變參數(shù)的電容器。中間充滿介質的兩塊平中間充滿介質的兩塊平 行金屬極板構成的電容行金屬極板構成的電容器，其電容量為：器，其電容量為：式中，式中，：介質相對真空的介電常數(shù)，空氣：介質相對真空的介電常數(shù)，空氣1 1；0 0：真空的介電常數(shù)，：真空的介電常數(shù)，0 0=8.85=8.85 1010-12-12F F/m m；：極板間距；：極板間距；A A：極板面積。：極板面積。Page73 當被測量使當被測量使、A A或或 發(fā)生變化時，都會引起發(fā)生變化時，都會引起C C的變的變化。實際使用中，通常僅改變一個參數(shù)，根據(jù)變化參化。實際使用中，通常僅改變一個參數(shù)，根據(jù)變化參數(shù)的不同，可分為數(shù)的不同，可分為三類三類：改變極板間距的極距變化型改變極板間距的極距變化型 改變極板相互遮蓋面積的面積變化型改變極板相互遮蓋面積的面積變化型 改變極板間介質的介質變化型（改變改變極板間介質的介質變化型（改變）工作原理及類型工作原理及類型5.4電容式傳感器電容式傳感器Page74初始電容：初始電容：顯然，顯然，C C 與極距成反比（如圖）。與極距成反比（如圖）。1 1）極距變化型）極距變化型電容器電容器5.4電容式傳感器電容式傳感器Page75靈靈敏敏度度與與極極距距的的平平方方成成反反比比，極極距距越越小小，靈靈敏敏度度越越高高，但但極極距距減減小小受極板間擊穿電壓的限制。受極板間擊穿電壓的限制。為為了了減減小小因因靈靈敏敏度度隨隨極極距距變變化化導導致致的的非非線線性性誤誤差差，通通常常極極距距變變化化范范圍圍/0 0 0.10.1。此類電容傳感器僅適于較小位移的測量（此類電容傳感器僅適于較小位移的測量（0.010.01 m m數(shù)百微米）數(shù)百微米）。靈敏度：靈敏度：當兩極板在被測參數(shù)作用下發(fā)生位移時當兩極板在被測參數(shù)作用下發(fā)生位移時,引起電容的引起電容的變化為：變化為：極距變化型極距變化型電容器電容器靈敏度靈敏度5.4電容式傳感器電容式傳感器Page76實際應用中，為實際應用中，為了提高靈敏度、了提高靈敏度、線性及克服某線性及克服某 些外界條件（如些外界條件（如 電源電壓、環(huán)境電源電壓、環(huán)境 溫度等）的變化溫度等）的變化 對測量精度的影對測量精度的影 響常采用差動式（如右圖）。此時靈敏度提高一倍，響常采用差動式（如右圖）。此時靈敏度提高一倍，非線性誤差減小非線性誤差減小 。差動式差動式極距變化型極距變化型電容器電容器5.4電容式傳感器電容式傳感器Page77其它極距變化型其它極距變化型電容器圖例電容器圖例5.4電容式傳感器電容式傳感器Page78包括包括角位移型角位移型和和線位移型線位移型（平面線位移和圓柱體線位移）（平面線位移和圓柱體線位移）兩種。兩種。q 角位移型角位移型 1 動板動板 2 定板定板其中，其中，：覆蓋面積對應的中心角；：覆蓋面積對應的中心角；r r：極板半徑。：極板半徑。2 2）面積變化型電容式傳感器）面積變化型電容式傳感器5.4電容式傳感器電容式傳感器Page791 動板動板 2 定板定板其中，其中，b b：極板寬度。：極板寬度。平面線位移型電容式傳感器平面線位移型電容式傳感器5.4電容式傳感器電容式傳感器Page801 動板動板 2 定板定板其中，其中，D D：圓筒孔徑；：圓筒孔徑；d d：圓柱外徑。：圓柱外徑。面積變化型電容傳感器輸入輸出成線性關系，但靈敏面積變化型電容傳感器輸入輸出成線性關系，但靈敏度較低，適用于較大直線位移及角位移測量。度較低，適用于較大直線位移及角位移測量。圓柱線位移型電容式傳感器圓柱線位移型電容式傳感器5.4電容式傳感器電容式傳感器Page81其它面積變化型其它面積變化型電容器圖例電容器圖例5.4電容式傳感器電容式傳感器Page82多用于測量電介質的厚度多用于測量電介質的厚度(圖圖a a)、位移、位移(圖圖b b)、液位、液位(圖圖c c)；還可根據(jù)極板間介質的介電常數(shù)隨溫度、濕度、；還可根據(jù)極板間介質的介電常數(shù)隨溫度、濕度、容量改變而改變來測量溫度、濕度、容量容量改變而改變來測量溫度、濕度、容量(圖圖d d)等。等。變介電常數(shù)型電容傳感器變介電常數(shù)型電容傳感器5.4電容式傳感器電容式傳感器Page83 1)1)輸入能量?。O板間靜電引力?。㈧`敏度高輸入能量?。O板間靜電引力小）、靈敏度高 ；2)2)電參量相對變化大；電參量相對變化大；3)3)動態(tài)特性好（可動質量小，固有頻率高）；動態(tài)特性好（可動質量小，固有頻率高）；4)4)發(fā)熱小，能量損耗小發(fā)熱小，能量損耗小 ；5)5)結構簡單、適應性好，可在高、低溫、強輻射環(huán)境中結構簡單、適應性好，可在高、低溫、強輻射環(huán)境中工作工作 ；6)6)可實現(xiàn)非接觸測量?？蓪崿F(xiàn)非接觸測量。1.1.主要優(yōu)點主要優(yōu)點5.4.25.4.2電容式傳感器電容式傳感器特點與應用特點與應用5.4電容式傳感器電容式傳感器Page84 非線性大：非線性大：對于極距變化型電容傳感器非線性大；對于極距變化型電容傳感器非線性大；解決辦法解決辦法：差動電路（不能完全消除）：差動電路（不能完全消除）比例運算放大器比例運算放大器電容式傳感器電容式傳感器缺點及解決辦法（）缺點及解決辦法（）5.4電容式傳感器電容式傳感器Page85電容式傳感器電容式傳感器缺點及解決辦法（）缺點及解決辦法（）電纜分布電容影響大。電纜分布電容影響大。傳感器兩極板之間的電容很小，僅幾十個傳感器兩極板之間的電容很小，僅幾十個pFpF，小的甚至只有幾，小的甚至只有幾個個pFpF。而傳感器與電子儀器之間的連接電纜卻具有很大的電容，。而傳感器與電子儀器之間的連接電纜卻具有很大的電容，如屏蔽線的電容最小的如屏蔽線的電容最小的l l米也有幾個米也有幾個pFpF，最大的可達上百個，最大的可達上百個pFpF。解決辦法：解決辦法：1)1)利用集成電路利用集成電路(微型集成塊植入傳感器內(nèi)以減少寄生電容微型集成塊植入傳感器內(nèi)以減少寄生電容的影響的影響)；2)2)利用雙屏蔽傳輸電纜。利用雙屏蔽傳輸電纜。5.4電容式傳感器電容式傳感器Page86應用：電容式測厚儀應用：電容式測厚儀5.4電容式傳感器電容式傳感器Page87應用：電容式轉速傳感器應用：電容式轉速傳感器5.4電容式傳感器電容式傳感器Page88電容式測力傳感器電容式測力傳感器5.4電容式傳感器電容式傳感器Page895.5 壓電式傳感器壓電式傳感器 壓電式傳感器是一種壓電式傳感器是一種可逆型可逆型換能器，既可以將機械能換能器，既可以將機械能轉變?yōu)殡娔?，又能將電能轉變成機械能。其工作原理轉變?yōu)殡娔埽帜軐㈦娔苻D變成機械能。其工作原理是利用某些物質的是利用某些物質的壓電效應壓電效應。壓電效應壓電效應 變換原理變換原理某些晶體在外力作用下，不僅產(chǎn)生形變，而且內(nèi)部發(fā)生某些晶體在外力作用下，不僅產(chǎn)生形變，而且內(nèi)部發(fā)生極化現(xiàn)象，在其表面產(chǎn)生電荷，形成電場；去掉外力后極化現(xiàn)象，在其表面產(chǎn)生電荷，形成電場；去掉外力后又重新回到不帶電的平衡狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為又重新回到不帶電的平衡狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為壓電效應壓電效應。Page90與壓電效應相反，如果將具有壓電效應的晶體置于電場與壓電效應相反，如果將具有壓電效應的晶體置于電場中，在一定方向上產(chǎn)生機械變形或機械應力，撤去外電中，在一定方向上產(chǎn)生機械變形或機械應力，撤去外電場，變形和應力消失，這種現(xiàn)象為場，變形和應力消失，這種現(xiàn)象為逆壓電效應逆壓電效應。具有壓電效應的敏感功能材料稱為具有壓電效應的敏感功能材料稱為壓電材料壓電材料。常用的壓電材料常用的壓電材料:l壓電單晶體壓電單晶體:如石英、酒石酸鉀鈉等如石英、酒石酸鉀鈉等;l多晶壓電陶瓷多晶壓電陶瓷:如鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛、鈮鎂酸鉛如鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛、鈮鎂酸鉛等等,又稱為壓電陶瓷。又稱為壓電陶瓷。l聚偏二氟乙烯聚偏二氟乙烯(PVDF)PVDF):一種新型的高分子物性型一種新型的高分子物性型傳感材料傳感材料 逆壓電效應逆壓電效應5.5壓電式傳感器壓電式傳感器Page91理想形狀：中間為六棱柱，兩端為對稱的棱錐，共理想形狀：中間為六棱柱，兩端為對稱的棱錐，共3030個晶面。個晶面。石英晶體的石英晶體的壓電效效應光軸光軸電軸電軸機械軸機械軸光軸：光軸：z z 軸，與晶體縱軸方軸，與晶體縱軸方向一致。光線沿向一致。光線沿 z z 軸方向通軸方向通過晶體不發(fā)生雙折射。過晶體不發(fā)生雙折射。沿光軸的作用力不產(chǎn)生壓電效應，沿光軸的作用力不產(chǎn)生壓電效應，故又稱為故又稱為中性軸中性軸。5.5壓電式傳感器壓電式傳感器Page92電軸：電軸：x x 軸，通過兩個相對的六角棱線并垂直于光軸的軸，通過兩個相對的六角棱線并垂直于光軸的軸線。垂直于此軸的晶面上有最強的壓電效應。軸線。垂直于此軸的晶面上有最強的壓電效應。機械軸：機械軸：y y軸，垂直于軸，垂直于x x軸和軸和z z軸所在平面的軸線。在電場作軸所在平面的軸線。在電場作用下，用下，y y軸具有最明顯的機械變形。軸具有最明顯的機械變形。石英晶體石英晶體z z軸僅一個，軸僅一個，x x軸和軸和y y軸各有軸各有3 3個。個。石英晶體的石英晶體的壓電效效應5.5壓電式傳感器壓電式傳感器Page93壓電效效應模型模型 縱向壓電效應縱向壓電效應：沿：沿x x軸加力，電荷出現(xiàn)在垂直于軸加力，電荷出現(xiàn)在垂直于x x軸的表面。軸的表面。橫橫向向壓壓電電效效應應：沿沿 y y 軸軸加加力力，電電荷荷仍仍出出現(xiàn)現(xiàn)在在垂垂直直于于 x x 軸軸的的表表面。面。切切向向壓壓電電效效應應：沿沿x x軸軸或或y y軸軸施施加加垂垂直直于于z z軸軸的的剪剪切切力力，在在垂垂直直于于 x x 軸的晶體表面產(chǎn)生電荷。軸的晶體表面產(chǎn)生電荷。5.5壓電式傳感器壓電式傳感器Page94壓電式傳感器及其等效電路壓電式傳感器及其等效電路 在壓電晶片的兩個工作面上進行在壓電晶片的兩個工作面上進行金屬蒸鍍，形成金屬膜，構成兩金屬蒸鍍，形成金屬膜，構成兩個電極。當壓電晶片受到壓力個電極。當壓電晶片受到壓力F F的作用時，分別在兩個極板上積的作用時，分別在兩個極板上積聚數(shù)量相等而極性相反的電荷，聚數(shù)量相等而極性相反的電荷，形成電場。形成電場。壓電元件的開路電壓：壓電元件的開路電壓：U Ua a=q q/C Ca a5.5壓電式傳感器壓電式傳感器Page95若考慮負載（測量電路），等效電路如下：若考慮負載（測量電路），等效電路如下：假設一恒定力假設一恒定力F F作用于壓電器件，產(chǎn)生電量作用于壓電器件，產(chǎn)生電量q q，則輸出電則輸出電壓：壓：其中，其中，C