[工学]31-34 概述、机械式和电阻、电容、电容式传感器.ppt

3). 特点 (1) 金属丝应变片/应变计 优点:稳定性和温度特性好. 缺点:灵敏度系数小. 1. 工作原理 电容传感器是以各种类型的电容器作为传感元件，将被测参数微小变化的信息转换成电容量的变化，然后通过测量电路转换成电压输出。 分类 结构形式一 结构形式二 结构形式三 1)极距变化型 2）面积变化型 (1)角位移型 3)介质变化型 (1) 利用介电常数的变化将被测量转换为电容量的变化 电容传感器分类比较 3. 电容集成压力传感器 4. 电容式传感器的应用 电容式位移传感器 振幅及测轴回转精度测量 电容式加速度传感器 3、电容式压力传感器 电容式差压传感器 电容式应变计 6、电容式荷重传感器 7、电容式测厚仪 电容式水分计 在一定范围内，许多吸湿性物质的介电常数随着它的水分含量的增加而成比例的增大，如纤维、木材、谷物、纸张等物质的介电常数，在干燥状态下为2?5%，但由于纯水的介电常数很大（为81），空气的介电常数为1，因此，当物质的含水量有微小的增加时，就会使其介电常数变大。 总结 压电式传感器是利用压电材料的压电效应把受力的变化转换成电压或电流的变化信号。 1. 压电效应 对某些材料沿一定方向施力而使其变形，内部产生极化现象，在其两表面将产生极性相反的电荷，当外力去掉后，表面又回到不带电状态。这种现象就是压电效应。 压电效应是可逆的，当在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质也会变形，这称为逆压电效应或电致伸缩效应。 石英晶体 纵轴线z ?? 光轴 穿过棱线且?z轴的x轴 ?? 电轴 ?棱面的y轴 ?? 力轴（机械轴） 现象： 沿电轴x 方向施力，在?x轴表面产生电荷 ?? 纵向压电效应 沿力轴y 方向施力，也在?x轴表面产生电荷 ?? 横向压电效应 沿光轴z 方向施力，表面不产生电荷； 若改变受力方向，表面极性也相应改变； 压电陶瓷 原始的压电陶瓷材料是没有压电性的，只有经过极化后才具有压电性。 3 压电式传感器及其等效电路 压电式传感器实质上是一个具有一定电容的电荷源。 双晶片连接形式 双晶片的总电荷、总电压取决于两片的连接方式： 两种等效电路： 内部一个电荷源Q和一个电容器C并联 ? 电荷等效电路 一个电压源U=q/C和一个电容器C串联 ? 电压等效电路 4 测量电路 阻抗变换作用：高阻抗?低阻抗 放大传感器输出的微弱信号 (1)电压测量电路 可近似看作输出电压与作用力频率无关 优点：高频响应相当好 缺点：与电缆电容有关 (2) 电荷测量电路 当工作频率足够高时 一般CF做成可调的，当(1+A)CF(Ca+Cc+Ci)约10倍以上时，可认为灵敏度与电缆电容无关。 优点：与电缆电容无关 缺点：电路复杂，价格昂贵 5 应用 1) 直接测量作用力 压电式单向测力传感器 2）压电式压力传感器 3) 压电式加速度传感器 特点： 1. 响应速度快，适合于高频动态测量。 2. 因电荷会泄漏，不宜用作低频信号的测量（1Hz) 3.横向效应（横向灵敏度）会产生误差 4.压电常数在环境温度、湿度等变化时会变化，因此需经常校准。 总结 三. 热电式传感器 基于热电效应，将温度变化转换成电量变化 三. 热电式传感器 电压放大器 — 高内阻的电压源转换成低内阻的电压源 (阻抗变换器) 输出电压?输入电压 电荷放大器 — 高内阻的电荷源转换成低内阻的电压源 输出电压?输入电荷 前置放大器的作用 前置放大器 压电传感器 一般仪器 前置放大器 输出阻抗很高 输出阻抗适当降低 压电式传感器产生的电荷量很微弱，本身内阻很大，输出能量很小。 (1) 测量范围：10-3N~104KN (2)动态范围：60dB (3)方向：单向、或多向 (4)两种结构形式 a. 膜片式弹性元件承压 b. 活塞承压 大型加速度计：灵敏度高，灵敏域可达10-6g，测量上 限小，智能测弱振动。 小型加速度计：质量小，灵敏度低，可达106g。 电荷 转换型 物性型 压电 效应 力 输出量 能量 关系 物理 现象 变换 原理 原始 输入量 1. 热电偶 1) 结构 (1) 两种不同的导体或半导体连接成闭合回路 (2) 两端温度不同，假定TT0 1. 热电偶 2) 工作原理 热电效应：闭合回路中产生热电动势EAB。 EAB由温差电动势和接触电动势组成 温差电动势 由于温度梯度的存在，改变了电