《機械工程測試技術(shù)》第三章

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1、第 三 章 常 用 傳 感 器 與 敏 感 元 件本 章 學 習 要 求 ： 1.了 解 傳 感 器 的 分 類 2.掌 握 常 用 傳 感 器 測 量 原 理3.了 解 傳 感 器 測 量 電 路傳 感 器 ： 工 程 上 通 常 把 直 接 作 用 于 被 測 量 ， 能 按 一 定 規(guī) 律 將其 轉(zhuǎn) 換 成 同 種 或 別 種 量 值 輸 出 的 器 件 。 作 用 ： 類 似 人 的 感 覺 器 官 。 它 把 被 測 量 如 力 、 位 移 、 溫 度等 轉(zhuǎn) 換 為 易 測 信 號 ， 傳 給 測 量 系 統(tǒng) 的 信 號 調(diào) 理 環(huán) 節(jié) 。 2021年 6月 1日 星 期 二 1機

2、械 工 程 測 試 技 術(shù) 基 礎(chǔ) 2021年 6月 1日 星 期 二 2 1、 按 被 測 量 分 類 位移傳感器 力傳感器 溫度傳感器 濕度傳感器第 一 節(jié) 傳 感 器 的 分 類 機 械 工 程 測 試 技 術(shù) 基 礎(chǔ) 2021年 6月 1日 星 期 二 3 3、 按 信 號 變 換 特 征 2、按工作原理 機 械 式電 氣 式光 學 式流 體 式 物 性 型 結(jié) 構(gòu) 型4、 按 能 量 關(guān) 系 能 量 轉(zhuǎn) 換型 (無 源 ) 能 量 控 制型 (有 源 )5、 按 輸 出 信 號 ： 數(shù) 字 式 、 模 擬 式 機 械 工 程 測 試 技 術(shù) 基 礎(chǔ) 4 物 性 型 傳 感 器 : 依

3、 靠 敏 感 元 件 材 料 本 身 物 理 化 學 性 質(zhì)的 變 化 來 實 現(xiàn) 信 號 的 變 換 。 如 水 銀 溫 度 計 ； 石 英 晶 體壓 電 效 應 。 結(jié) 構(gòu) 型 傳 感 器 : 是 依 靠 傳 感 器 結(jié) 構(gòu) 參 數(shù) 的 變 化 而 實 現(xiàn)信 號 轉(zhuǎn) 換 的 。 如 電 容 、 電 感 、 應 變 式 傳 感 器 。 能 量 轉(zhuǎn) 換 型 （ 無 源 ） 傳 感 器 : 是 直 接 由 被 測 對 象 輸 入能 量 使 其 工 作 的 ， 如 熱 電 偶 溫 度 計 ， 彈 性 壓 力 計 。 能 量 控 制 型 （ 有 源 ） 傳 感 器 : 從 外 部 供 給 輔 助 能

4、 量 使傳 感 器 工 作 。 如 把 電 阻 應 變 計 接 于 由 外 部 供 電 的 電 阻 電橋 上 ， 被 測 量 變 化 引 起 的 電 阻 變 化 去 控 制 電 橋 輸 出 。 參 見 書 中 表 3-1， 機 械 工 廠 中 常 用 傳 感 器 。 另 外 ， 傳 感 器 可 能 只 有 一 個 ， 也 可 能 幾 個 換 能 元 件 組合 而 成 一 個 小 型 裝 置 。 2021年 6月 1日 星 期 二 機 械 工 程 測 試 技 術(shù) 基 礎(chǔ) 52021年 6月 1日 星 期 二 圖 3-2 伺 服 式 加 速 度 計 框 圖 輸 入 輸 出圖 3-1 能 量 控 制

5、 型 傳 感 器 工 作 原 理測 量 對 象 傳 感 器輔 助 能 源 機 械 工 程 測 試 技 術(shù) 基 礎(chǔ) 6 測 力 計壓 力 計溫 度 計第 二 節(jié) 機 械 式 傳 感 器 以 彈 性 體 為 敏 感 元 件 ， 將 被 測 量 轉(zhuǎn) 換 為 彈 性 變 形 （ 或 應 變 ）的 傳 感 器 2021年 6月 1日 星 期 二 機 械 工 程 測 試 技 術(shù) 基 礎(chǔ) 72021年 6月 1日 星 期 二 圖 3-4 微 型 探 測 開 關(guān)1-工 件2-電 磁 鐵 3-導 槽4-簧 片 開 關(guān)5-電 極6-惰 性 氣 體7-簧 片 機 械 工 程 測 試 技 術(shù) 基 礎(chǔ) 8 優(yōu) 點 ：

6、結(jié) 構(gòu) 簡 單 、 可 靠 、 使 用 方 便 、 價 格 低 廉 、 讀 數(shù)直 觀 等 。 2021年 6月 1日 星 期 二彈 性 元 件 具 有 蠕 變 、 彈 性 后 效 等 現(xiàn) 象 ， 應 從 結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計 、材 料 選 擇 和 處 理 工 藝 等 方 面 采 取 有 效 措 施 來 改 善 這 些現(xiàn) 象 產(chǎn) 生 的 影 響 。 一 般 ， 與 其 他 傳 感 器 配 套 使 用 ， 先 用 彈 性 元 件 將 被 測量 轉(zhuǎn) 換 成 位 移 量 ， 然 后 用 其 他 形 式 的 傳 感 器 （ 如 電 阻 、電 容 、 電 渦 流 式 等 ） 將 位 移 量 轉(zhuǎn) 換 成 電 信

7、號 輸 出 。缺 點 ： 彈 性 變 形 不 能 過 大 ； 受 結(jié) 構(gòu) 間 隙 影 響 大 ， 慣 性大 ， 固 有 頻 率 低 ， 只 宜 用 于 檢 測 緩 變 或 靜 態(tài) 被 測 量 。 機 械 工 程 測 試 技 術(shù) 基 礎(chǔ) 9 第 三 節(jié) 電 阻 式 傳 感 器 電 阻 式 傳 感 器 一 種 把 被 測 量 轉(zhuǎn) 換 為 電 阻 變 化 的 傳 感 器 。 分 類 （ 一 ） 變 阻 器 式 ； （ 二 ） 電 阻 應 變 式 一 變 阻 器 式 傳 感 器 （ 電 位 差 計 式 ） 定 義 ： 通 過 改 變 電 位 器 觸 頭 位 置 ， 把 位 移 轉(zhuǎn) 換 為 電 阻 的變

8、 化 。 根 據(jù) 電 阻 公 式 電 阻 R 為 AlR （ 3-1） 式 中 ： 電 阻 率 ； l電 阻 絲 長 度 ； A電 阻 絲 截 面 積 從 式 中 看 出 當 電 阻 絲 直 徑 和 材 質(zhì) 一 定 時 ， 電 阻 值 隨 導 線長 度 而 變 化 。分 類 ： （ 1） 直 線 位 移 型 （ 2） 角 位 移 型 （ 3） 非 線 性 型如 圖 3-5 所 示 2021年 6月 1日 星 期 二 機 械 工 程 測 試 技 術(shù) 基 礎(chǔ) 10 a) x C xR CBA b) CBA c) CBA x 圖 3-5 變 阻 器 式 傳 感 器a) 直 線 位 移 型 b) 角

9、位 移 型 c)非 線 性 型 2021年 6月 1日 星 期 二 機 械 工 程 測 試 技 術(shù) 基 礎(chǔ) 11 2 角 位 移 型 （ 見 圖 3-5b） 其 電 阻 值 隨 轉(zhuǎn) 角 而 變 化 ， 靈 敏 度 S 為 kddRS 式 中 轉(zhuǎn) 角 （ rad） ;k單 位 弧 度 對 應 的 電 阻 值 。 1 直 線 位 移 型 （ 見 圖 3-5a） C點 與 A點 之 間 的 電 阻 值 為 xkR l兩 邊 取 微 分 dxkdR l lkdxdRS （ 3-2） 可 見 導 線 分 布 均 勻 時 ， 傳 感 器 輸 出 (電 阻 )與 輸 入 (位 移 )成線 性 關(guān) 系 。 則

10、3 非 線 性 型 （ 見 圖 3-5c） 其 骨 架 形 狀 根 據(jù) 所 要 求 的 輸 出 f (x) 來 確 定 。 例 如 ：（ 1） 輸 出 f (x)= kx2 ; R(x) 與 f (x) 成 線 性 關(guān) 系 三 角 形 骨 架（ 2） 輸 出 f (x)= kx3 R(x) 與 f (x) 成 線 性 關(guān) 系 拋 物 線 形 骨 架 2021年 6月 1日 星 期 二 機 械 工 程 測 試 技 術(shù) 基 礎(chǔ) 12 4 變 阻 器 式 傳 感 器 后 接 電 路 Rp-變 阻 器 總 電 阻 ； xp-變 阻器 總 長 度 ； Rl-后 接 電 路 輸入 電 阻 。 （ 3-3）

11、 )1)( 0 plppy xxRRxx uu 圖 3-6 電 阻 分 壓 電 路x Rl uyu0 xp為 減 小 后 接 電 路 影 響 ， 應 使 Rl Rp （ 減 小 負 載 效 應 ） 。優(yōu) 點 ： (1)結(jié) 構(gòu) 簡 單 ； (2)性 能 穩(wěn) 定 ； (3)使 用 方 便 。缺 點 ： (1)分 辨 力 不 高 ； (2)躁 聲 較 大 。應 用 ： 線 位 移 、 角 位 移 測 量 ， 用 于 伺 服 記 錄 儀 器 或 電 子 電位 差 計 等 。2021年 6月 1日 星 期 二 機 械 工 程 測 試 技 術(shù) 基 礎(chǔ) 13 二 電 阻 應 變 式 傳 感 器 應 用 范

12、圍 ： 測 量 力 、 應 變 、 位 移 、 加 速 度 、 扭 矩 等分 類 ： （ 1） 金 屬 應 變 片 式 ;（ 2） 半 導 體 應 變 式 ;特 點 ： （ 1） 體 積 小 ； （ 2） 動 態(tài) 響 應 快 ；（ 3） 測 量 準 確 度 高 ； （ 4） 使 用 方 便 ； （ 一 ） 金 屬 電 阻 應 變 片 工 作 原 理 ： 應 變 片 用 特 制 膠 水 粘 固 在 彈 性 元 件 或 要 測量 變 形 的 物 體 表 面 上 ， 在 外 力 作 用 下 ， 電 阻 絲 隨 該 物體 一 起 變 形 ， 其 阻 值 發(fā) 生 相 應 變 化 。 由 此 ， 將 被

13、測 量的 變 化 轉(zhuǎn) 換 為 電 阻 變 化 。種 類 ： 常 用 的 有 絲 式 和 箔 式 ， 其 工 作 原 理 一 樣 。 2021年 6月 1日 星 期 二 機 械 工 程 測 試 技 術(shù) 基 礎(chǔ) 14圖 3-7 電 阻 絲 應 變 片1-電 阻 絲 2-基 片 3-覆 蓋 層 4-引 出 線 （ 1） 絲 式 把 直 徑 為 0.025mm的 康 銅 或 鎳 鉻 合 金 絲 ，粘 貼 在 絕 緣 的 基 片 和 覆 蓋 層 之 間 ， 由 引 出 導 線接 于 電 路 上 。 2021年 6月 1日 星 期 二 機 械 工 程 測 試 技 術(shù) 基 礎(chǔ) 2021年 6月 1日 星 期

14、 二 15圖 3-8 箔 式 應 變 片a)單 軸 b)測 扭 矩 c)多 軸 d)平 行 軸 多 柵 e)同 軸 多 柵 （ 2） 箔 式 用 柵 狀 金 屬 箔 片 代 替 柵 狀 金 屬 絲 。 用 光刻 技 術(shù) 制 造 ， 其 線 條 均 勻 ， 尺 寸 準 確 ， 阻 值 一 致性 好 。 箔 片 約 厚 110 m。 散 熱 好 ， 粘 接 情 況 好 ，傳 遞 性 能 好 。 機 械 工 程 測 試 技 術(shù) 基 礎(chǔ) 2021年 6月 1日 星 期 二 16機 械 工 程 測 試 技 術(shù) 基 礎(chǔ) 2021年 6月 1日 星 期 二 17 變 換 原 理 機 械 工 程 測 試 技

15、術(shù) 基 礎(chǔ) 2021年 6月 1日 星 期 二 18 電 阻 相對 變 化 縱 向 應 變 橫 向 應 變 )21(d RR 常 數(shù) sg (1+2)項 是 電 阻 絲 幾 何 尺 寸 改 變 所 引 起 ， 同 一 電 阻材 料 是 常 數(shù) 。E項 是 電 阻 絲 的 電 阻 率 隨 應 變 而 引 起 的 ， 一 般 對 金屬 絲 很 小 可 忽 略 。 機 械 工 程 測 試 技 術(shù) 基 礎(chǔ) 19 電 阻 絲 軸 向 相 對 應 變 （ 或 稱 縱向 應 變 ） ldl 電 阻 絲 徑 向 相 對 應 變 （ 或 稱 橫向 應 變 ） dr dlr l 電 阻 絲 電 阻 率 相 對 變

16、 化 ， 與 電阻 絲 所 受 正 應 力 有 關(guān) 。 壓 阻 系 數(shù) ， 與 材 質(zhì) 有 關(guān) ； E電 阻 絲 材 料 的 彈 性 模 量 ； 材 料 泊 松 比 式 中 2021年 6月 1日 星 期 二 Ed 制 造 中 Sg在 1.73.6之 間 ， 一 般 市 場 上 電 阻 應 變 片 標 準為 60， 120， 350， 600， 1000 等 。 幾 種 常 用 電 阻 絲材 料 物 理 性 能 見 表 3-2。 機 械 工 程 測 試 技 術(shù) 基 礎(chǔ) 20 材 料名 稱 成 分 靈 敏 度 電 阻 率 電 阻 溫度 系 數(shù) 膨 脹系 數(shù)元 素 % Sg .mm2/m X10-

17、6/ X10-6/康 銅 CuNi 5743 1.72.1 0.49 -2020 14.9鎳 鉻合 金 NiCr 8020 2.12.5 0.91.1 110150 14.0鎳 鉻 鋁合 金 NiCrAl鐵 732034余 量 2.4 1.33 -1010 13.3表 3-2 常 用 電 阻 絲 材 料 物 理 性 能 2021年 6月 1日 星 期 二 機 械 工 程 測 試 技 術(shù) 基 礎(chǔ) 21 （ 二 ） 半 導 體 應 變 片 這 一 數(shù) 值 比 金 屬 絲 式 大 5070 倍 。ERdR 12345圖 3-9 半 導 體 應 變 片1-膠 膜 襯 低 2-P-Si3-內(nèi) 引 線 4

18、-焊 接 線5-外 引 線2021年 6月 1日 星 期 二工 作 原 理 ： 半 導 體 材 料 的壓 阻 效 應 單 晶 半 導 體 材 料 在 沿 某 一軸 向 受 到 外 力 作 用 時 ， 其電 阻 率 發(fā) 生 變 化幾 何 尺 寸 變化 0 電 阻 率 變 化機 械 工 程 測 試 技 術(shù) 基 礎(chǔ)d (1 2 )R ER d /g R RS E 22 表 3-3 幾 種 常 用 半 導 體 材 料 特 性 2021年 6月 1日 星 期 二 機 械 工 程 測 試 技 術(shù) 基 礎(chǔ) 23 優(yōu) 點 ： 靈 敏 度 高 。缺 點 ： （ 1） 溫 度 穩(wěn) 定 性 差 。（ 2） 靈 敏

19、度 分 散 度 大 (由 于 晶 向 雜 質(zhì) 等 因 數(shù) ） 。 （ 3） 非 線 性 大 。小 結(jié) ： （ 1） 金 屬 絲 電 阻 應 變 片 利 用 導 體 形 變 引 起 電 阻變 化 。 （ 2） 半 導 體 應 變 片 是 利 用 半 導 體 電 阻 率 變 化 而引 起 電 阻 的 變 化 。 2021年 6月 1日 星 期 二 機 械 工 程 測 試 技 術(shù) 基 礎(chǔ) 24 1 直 接 用 來 測 定 結(jié) 構(gòu) 的 應 變 或 應 力 。例 如 ： 研 究 機 械 、 橋 梁 等 某 些 構(gòu) 件 在 工 作 狀 態(tài) 下 的受 力 、 變 形 情 況 。 2021年 6月 1日 星

20、期 二 2 將 應 變 片 貼 在 彈 性 體 上 ， 測 量 力 、 位 移 、 加 速 度 等物 理 參 數(shù) 。各 種 傳 感 器 從 本 質(zhì) 上 講 均 為 ：受 力 產(chǎn) 生 彈 性 變 形 電 阻 應 變 片 阻 值 發(fā)生 變 化 經(jīng) 二 次 儀 表 轉(zhuǎn) 換 為 電 壓 （ 或 電 流 ） 信號 輸 出 。 示 例 見 圖 3-11。（ 三 ） 電 阻 應 變 片 傳 感 器 應 用 方 式 機 械 工 程 測 試 技 術(shù) 基 礎(chǔ) 25電 阻 應 變 片 圖 3-11 動 態(tài) 電 阻 應 變 儀 框 圖2021年 6月 1日 星 期 二 機 械 工 程 測 試 技 術(shù) 基 礎(chǔ) 26 （

21、 四 ） 電 阻 應 變 片 傳 感 器 應 用 注 意 事 項（ 1） 由 應 變 片 測 出 的 是 構(gòu) 件 或 彈 性 體 上 某 處 的 應 變 ， 通 過換 算 （ 或 標 定 ） 才 能 得 到 應 力 、 力 或 位 移 。標 定（ 2） 應 變 片 是 粘 貼 在 彈 性 元 件 上 才 能 正 常 工 作 的 。 所 以 粘貼 工 藝 （ 膠 、 貼 前 處 理 、 固 化 處 理 、 防 潮 等 ） 至 關(guān) 重 要 。貼 片 工 藝（ 3） 動 態(tài) 測 量 時 ， 應 考 慮 彈 性 元 件 和 應 變 片 的 動 態(tài) 特 性 。動 態(tài) 特 性（ 4） 溫 度 對 電 阻

22、值 的 變 化 影 響 不 容 忽 略 ， 考 慮 溫 度 補 償 。溫 度 補 償 2021年 6月 1日 星 期 二 機 械 工 程 測 試 技 術(shù) 基 礎(chǔ) 27 第 四 節(jié) 電 感 式 傳 感 器 原 理 ： 把 被 測 量 轉(zhuǎn) 換 為 電 感 量 變 化 的 一 種 裝 置 。(基 于 電 磁 感 應 原 理 )分 類 ： 2021年 6月 1日 星 期 二 機 械 工 程 測 試 技 術(shù) 基 礎(chǔ) 2021年 6月 1日 星 期 二 28圖 3-12 可 變 磁 阻 式傳 感 器 基 本 原 理1線 圈 2鐵 心 3銜 鐵 i x3 21 mRWL 2一 、 自 感 式 a) 可 變

23、磁 阻 式線 圈 自 感 量 ： W： 線 圈 匝 數(shù) ； Rm： 磁 路 總 磁 阻 H-1002 AAlR m 如 果 空 氣 隙 較 小 ， 不 考 慮 磁 路 的鐵 損 時 ， 則 總 磁 阻 為 l鐵 心 導 磁 長 度 鐵 心 磁 導 率A鐵 心 導 磁 截 面 積 氣 隙 長 度0空 氣 磁 導 率 (4 10-7)A0空 氣 隙 導 磁 橫 截 面 積因 為 鐵 心 磁 阻 與 空 氣 隙 磁 阻 相 比 很小 ， 可 以 忽 略 ， 故 ： 002 AR m （ 3-15） 機 械 工 程 測 試 技 術(shù) 基 礎(chǔ) 29 代 入 式 （ 3-13） 得 2 002 AWL （

24、3-16） 式 （ 3-16） 表 明 ： 自 感 L 與 氣 隙 成反 比 ， 與 氣 隙 導 磁 截 面 積 A0 成 正 比 。當 固 定 A0 變 化 時 ， L與 呈 非 線性 關(guān) 系 ， 此 時 傳 感 器 靈 敏 度 S 為 （ 3-17） 靈 敏 度 S與 氣 隙 長 度 平 方 成 反 比 ， 越 小 ， S 越 高 。 如 果 S 不是 常 數(shù) 會 出 現(xiàn) 非 線 性 誤 差 。 為 了 減 小 這 一 誤 差 ， 通 常 規(guī) 定 在較 小 間 隙 范 圍 內(nèi) 工 作 。 設(shè) 間 隙 變 化 為 ( 0, 0+ )， 一 般應 用 中 取 / 0.1。 此 種 傳 感 器

25、適 合 于 較 小 位 移 的 測 量 ，一 般 設(shè) 為 0.0011 mm。 2 0022 AWS L 0 2021年 6月 1日 星 期 二 機 械 工 程 測 試 技 術(shù) 基 礎(chǔ) 30 圖 3-13 可 變 磁 阻 式 傳 感 器 典 型 結(jié) 構(gòu) a) 可 變 磁 阻 面 積 型 xc) 單 螺 管 線 圈 型 xd) 雙 螺 旋 管 圈 差 動 型 L與 A0成 線 性 關(guān) 系 靈 敏 度 較 低 。 0+ 0-將 兩 線 圈 接 于 電 橋 相 鄰 兩 臂 ， 靈 敏度 提 高 1 倍 ， 并 改 善 了 非 線 性 。結(jié) 構(gòu) 簡 單 ， 易 制 造 ， 但 靈 敏 度低 ， 適 用

26、 大 位 移 測 量 。 有 較 高 靈 敏 度 及 線 性 ， 常 用 于 電 感測 微 儀 上 ， 其 測 量 范 圍 為 0300 m， 最 小 分 辨 力 為 0.5m。b) 差 動 型 0 0 x 2021年 6月 1日 星 期 二 x機 械 工 程 測 試 技 術(shù) 基 礎(chǔ) 31 雙 螺 旋 管 圈 差 動 型 傳 感 器 常 接 于 電 橋 兩 個 橋 臂 上 ，線 圈 電 感 L1、 L2隨 鐵 心 位 移 而 變 化 ， 其 輸 出 特 性如 圖 (3-14)所 示 。圖 3-14 雙 螺 管 線 圈 差 動 型 電 橋 電 路 及 輸 出 特 性b)0 xL1L、 uL2 u

27、a) uL2L1x 2021年 6月 1日 星 期 二 機 械 工 程 測 試 技 術(shù) 基 礎(chǔ) 2021年 6月 1日 星 期 二 32 一 、 自 感 式 （ b） 渦 電 流 式 原 理 ： 利 用 金 屬 導 體 在 交 變 磁 場 中 的 渦 流 效 應 。圖 3-15 高 頻 反 射 式 渦 流 傳 感 器 原 理 i i1 1金 屬 板 l 當 線 圈 通 過 一 高 頻 交 變 電 流 i時 ， 產(chǎn) 生 磁 通 。l 此 交 變 磁 場 在 鄰 近 金 屬 板 上 感應 電 流 i1。 l 此 電 流 在 金 屬 體 內(nèi) 是 閉 合 的 ，稱 之 為 “ 渦 流 ” 。l 根 據(jù)

28、 楞 次 定 律 ， 渦 電 流 的 交 變磁 場 與 線 圈 的 磁 場 變 化 方 向 相反 。l 由 于 渦 流 磁 場 作 用 ， 使 原 線 圈的 等 效 阻 抗 Z發(fā) 生 變 化 ， 變 化程 度 與 距 離 有 關(guān) 。 機 械 工 程 測 試 技 術(shù) 基 礎(chǔ) 2021年 6月 1日 星 期 二 機 械 工 程 測 試 技 術(shù) 基 礎(chǔ) 33電 渦 流 傳 感 器 實 物 圖 2021年 6月 1日 星 期 二 34 電 渦 流 式 傳 感 器 的 結(jié) 構(gòu)電 渦 流 式 傳 感 器 結(jié) 構(gòu) 比 較 簡 單 ， 主 要 由 一 個 安 置在 探 頭 殼 體 的 扁 平 圓 形 線 圈

29、構(gòu) 成 。 機 械 工 程 測 試 技 術(shù) 基 礎(chǔ) 352021年 6月 1日 星 期 二 機 械 工 程 測 試 技 術(shù) 基 礎(chǔ) 36 分 壓 式 調(diào) 幅 電 路 ：LCf 2 1 u圖 3-16 分 壓 式 調(diào) 幅 電 路 原 理0 t 輸 出金 屬 板L uCR振 蕩 器 放 大 檢 波 濾 波（ 3-18） b) 20u2u1ua)u2u1u uu0 ff0圖 3-17 分 壓 式 調(diào) 幅 電 路 的 諧 振 曲 線 及 輸 出 特 性 a) 諧 振 曲 線 b) 輸 出 特 性振 蕩 器 提 供 穩(wěn) 定 的 高 頻信 號 。當 諧 振 頻 率 等 于 電 源 頻率 時 ， 輸 出 電

30、 壓 u 最 大 。工 作 時 線 圈 阻 抗 隨 改變 ， LC 回 路 失 諧 ， 輸 出信 號 u (t) 頻 率 雖 然 仍 為工 作 頻 率 ， 但 幅 值 隨 而 變 化 ， 它 相 當 于 一 個調(diào) 諧 波 。此 調(diào) 諧 波 經(jīng) 放 大 、 檢 波 、濾 波 后 即 可 得 到 氣 隙 的 動 態(tài) 化 信 息 。 諧 振 頻 率 2021年 6月 1日 星 期 二 f2f1 1 f0 機 械 工 程 測 試 技 術(shù) 基 礎(chǔ) 37 調(diào) 頻 電 路 ： 調(diào) 頻 電 路 的 工 作 原 理 如 圖 3-18 所 示 。 與調(diào) 幅 法 不 同 之 處 是 以 回 路 的 諧 振 頻 率

31、作 為 輸 出 量 。當 發(fā) 生 變 化 時 ， 引 起 線 圈 電 感 L 變 化 ， 使 震 蕩 器 的震 蕩 頻 率 f 發(fā) 生 變 化 ， 再 通 過 鑒 頻 器 進 行 頻 率 電壓 轉(zhuǎn) 換 ， 即 得 與 成 比 例 的 輸 出 電 壓 。 目 前 此 種 傳感 器 應 用 廣 泛 ， 測 量 范 圍 為 110 mm， 分 辨 力 為 1 m 的 非 接 觸 式 測 量 。 C圖 3-18 調(diào) 頻 電 路 工 作 原 理f f u 0 L L 高 頻 振蕩 器 鑒 頻 器2021年 6月 1日 星 期 二 機 械 工 程 測 試 技 術(shù) 基 礎(chǔ) 38圖 3-38 渦 流 式 傳

32、感 器 工 程 應 用 實 例a) 徑 向 振 擺 測 量 b) 軸 心 軌 跡 測 量 c) 轉(zhuǎn) 速 測 量 d)穿 透 式 測 厚 e) 零 件 計 數(shù) 器 f) 表 面 裂 紋 測 量2021年 6月 1日 星 期 二 機 械 工 程 測 試 技 術(shù) 基 礎(chǔ) 2021年 6月 1日 星 期 二 39 a)徑 向 振 動 測 量 b)軸 心 軌 跡 測 量 機 械 工 程 測 試 技 術(shù) 基 礎(chǔ) 2021年 6月 1日 星 期 二 40 c)轉(zhuǎn) 速 測 量 d)穿 透 式 測 厚 機 械 工 程 測 試 技 術(shù) 基 礎(chǔ) 2021年 6月 1日 星 期 二 41 e)零 件 計 數(shù) 器 f)

33、表 面 裂 紋 測 量 機 械 工 程 測 試 技 術(shù) 基 礎(chǔ) 2021年 6月 1日 星 期 二 42電 磁 爐 工 作 示 意 圖 電 磁 爐 內(nèi) 部 勵 磁 線 圈機 械 工 程 測 試 技 術(shù) 基 礎(chǔ) 2021年 6月 1日 星 期 二 43 電 渦 流 探 雷 器 電 渦 流 探 雷 器 的 實 物 圖機 械 工 程 測 試 技 術(shù) 基 礎(chǔ) 2021年 6月 1日 星 期 二 44 電 渦 流 式 接 近 開 關(guān) 接 近 開 關(guān) 又 稱 無 觸 點 行 程 開 關(guān) 。 它 能 在 一 定 的 距離 （ 幾 毫 米 至 幾 十 毫 米 ） 內(nèi) 檢 測 有 無 物 體 靠 近 。當 物

34、體 接 近 到 設(shè) 定 距 離 時 ， 就 可 發(fā) 出 “ 動 作 ” 信號 。 接 近 開 關(guān) 的 核 心 部 分 是 “ 感 辨 頭 ” ， 它 對 正在 接 近 的 物 體 有 很 高 的 感 辨 能 力 。這 種 接 近 開 關(guān) 只 能 檢 測 金 屬 。 電 感 式 接 近 開 關(guān) 的 原 理 框 圖機 械 工 程 測 試 技 術(shù) 基 礎(chǔ) 2021年 6月 1日 星 期 二 45電 渦 流 接 近 開 關(guān) 實 物機 械 工 程 測 試 技 術(shù) 基 礎(chǔ) 46 二 互 感 式 差 動 變 壓 器 式 電 感 傳 感 器 工 作 原 理 見 圖 3-19， 當 線 圈 W1 輸 入 交 流

35、 電 流 i1 時 ，線 圈 W2 產(chǎn) 生 感 應 電 動 勢 e12， 其 大 小 與 電 流 i1 的 變成 正 比 ， 即 （ 3-19） 式 中 M比 例 系 數(shù) （ 稱 為 互 感 H） ， 其 大 小 與 兩 線 圈相 對 位 置 及 周 圍 介 質(zhì) 導 磁 能 力 有 關(guān) 。 圖 3-19 互 感 現(xiàn) 象 e12i1 W2W1 dtdiMe 112 2021年 6月 1日 星 期 二 機 械 工 程 測 試 技 術(shù) 基 礎(chǔ) 47 差 動 式 工 作 原 理 ： 見 圖 3-20 b)， 初 級 線 圈 W 次 級 線 圈 W1, W2反 極 性 串 聯(lián) 。 當 W上 加 上 交

36、流 電 時 ， W1, W2分 別產(chǎn) 生 感 應 電 勢 e1 和 e2， 其 大 小 與 鐵 芯 位 置 有 關(guān) 。 （ 1） 當 鐵 芯 在 中 心 時 ， e1 = e2 e = 0 （ 2） 當 鐵 芯 向 上 運 動 時 ， e1 e2（ 3） 當 鐵 芯 向 下 運 動 時 ， e1 e2， 其 輸 出 特 性 見 c) 圖 3-20 差 動 變 壓 器 式 傳 感 器 工 作 原 理a) 差 動 變 壓 器 式 傳 感 器 b) 工 作 原 理 c) 輸 出 特 性b)e= e1- e2W2W1e2e1xPWa)WW2W1P x e2 e1 c)e x02021年 6月 1日 星

37、 期 二 機 械 工 程 測 試 技 術(shù) 基 礎(chǔ) 48 問 題 ： 交 流 電 壓 輸 出 存 在 零 點 殘 余 電 壓 和 輸 出 值 不 能 反 映 鐵 芯位 移 的 極 性 問 題 。 解 決 辦 法 ： 采 用 如 圖 3-21所 示 的 差 動 相 敏 檢 波 電 路 和 差 動 整 流電 路 在 沒 有 輸 入 信 號 時 ， 鐵 芯 處 中 間 位 置 ， 調(diào) 節(jié) R使 零 點 殘 余 電壓 減 小 ， 當 鐵 芯 上 下 移 動 時 ， 輸 入 信 號 經(jīng) 放 大 、 相 敏 檢 波 、 濾波 后 得 到 直 流 輸 出 。優(yōu) 點 ： 精 度 高 （ 0.1m級 ） 線 性

38、范 圍 大 （ 100mm） ， 穩(wěn) 定 度 好 ，使 用 方 便 ， 廣 泛 用 于 直 線 位 移 測 量 。 圖 3-21 差 動 相 敏 檢 波 電 路 工 作 原 理x R 放 大 器 相 敏 檢 波振 蕩 器2021年 6月 1日 星 期 二 機 械 工 程 測 試 技 術(shù) 基 礎(chǔ) 49 定 義 ： 把 被 測 物 理 量 轉(zhuǎn) 換 為 感 應 電 動 勢 的 一 種 傳 感 器 。（ 又 稱 電 磁 感 應 式 或 電 動 力 式 ）原 理 ： 由 電 工 學 知 ， 一 個 匝 數(shù) 為 W的 線 圈 ， 當 穿 過 該 線圈 的 磁 通 發(fā) 生 變 化 時 ， 其 感 應 電 動

39、 勢 e 為 （ 3-34） 可 見 線 圈 磁 感 應 電 動 勢大 小 ， 取 決 于 匝 數(shù) 和 穿過 線 圈 的 磁 通 變 化 率 。而 磁 通 變 化 率 與 磁 場 強度 、 磁 路 磁 阻 和 線 圈 運動 速 度 有 關(guān) 。 按 結(jié) 構(gòu) 分 類動 圈 式線 速 度 型 角 速 度 型 磁 阻 式第 七 節(jié) 磁 電 式 傳 感 器 dtdWe f 2021年 6月 1日 星 期 二 機 械 工 程 測 試 技 術(shù) 基 礎(chǔ) 50 一 動 圈 式 （ 恒 磁 通 式 ）1 線 速 度 型 在 永 久 磁 鐵 產(chǎn) 生 的 直 流 磁 場 內(nèi) ， 放 置 一個 可 動 線 圈 ， 當

40、線 圈 在 磁 場 中 運 動 時 ， 它 所 產(chǎn) 生 的 感應 電 動 勢 e為 : sinWBlve （ 3-35） WBlve （ 3-36） 圖 3-35 動 圈 式 磁 電 傳 感 器 工 作 原 理a)線 速 度 型vSN2021年 6月 1日 星 期 二 W線 圈 匝 數(shù)B磁 場 的 磁 感 應 強 度l單 匝 線 圈 有 效 長 度v線 圈 與 磁 場 的 相 對 運 動速 度線 圈 運 動 方 向 與 磁 場 方向 夾 角當 =900時 式 （ 3-35） 可 寫 成機 械 工 程 測 試 技 術(shù) 基 礎(chǔ) 51 這 類 結(jié) 構(gòu) 有 動 圈 式 和 動 鐵 式 兩 種 ， 如

41、圖 所 示 。 2021年 6月 1日 星 期 二 機 械 工 程 測 試 技 術(shù) 基 礎(chǔ) 52 2 角 速 度 型 ： 線 圈 在 磁 場 中 轉(zhuǎn) 動 時 產(chǎn) 生 的 感 應 電 動勢 為 kWBAe （ 3-37） 2021年 6月 1日 星 期 二 SN圖 3-35 動 圈 式 磁 電 傳 感器 工 作 原 理b)角 速 度 型 角 速 度A單 匝 線 圈 的 截 面 積k與 結(jié) 構(gòu) 有 關(guān) 的 系 數(shù) (k Z0時 ， 則 放 大 器輸 入 電 壓 為 euL 或dtd圖 3-36 動 圈 磁 電 式 傳 感 器 等 效 電 路電 纜傳 感 器eZ0 uLCC RLRC 輸 出 放 大

42、 器 檢 波 2021年 6月 1日 星 期 二 機 械 工 程 測 試 技 術(shù) 基 礎(chǔ) 54 二 磁 阻 式 （ 變 磁 通 式 ）原 理 ： 磁 阻 式 傳 感 器 的 線 圈 與 磁 鐵 彼 此 不 作 相 對 運 動 ， 由 運 動著 的 物 體 （ 導 磁 材 料 ） 來 改 變 磁 路 的 磁 阻 ， 而 引 起 磁 力 線 增 加和 減 弱 ， 使 線 圈 產(chǎn) 生 感 應 電 動 勢 。 其 工 作 原 理 見 圖 3-37所 示 。特 點 ： 磁 阻 式 傳 感 器 使 用 簡 便 ， 結(jié) 構(gòu) 簡 單 ， 不 同 場 合 用 來 測 量轉(zhuǎn) 速 、 偏 心 量 、 振 動 等 。

43、 a)測 頻 數(shù)n SN b)測 轉(zhuǎn) 速 n SN c)偏 心 測 量 SN d)振 動 測 量vm SN 圖 3-37 磁 阻 式 傳 感 器 工 作 原 理 及 應 用 例2021年 6月 1日 星 期 二 機 械 工 程 測 試 技 術(shù) 基 礎(chǔ) 2021年 6月 1日 星 期 二 機 械 工 程 測 試 技 術(shù) 基 礎(chǔ) 55 磁 電 式 扭 距 傳 感 器 轉(zhuǎn) 軸磁 電 傳 感 器 1 磁 電 傳 感 器 2齒 型 轉(zhuǎn) 盤u 1 u2 u t測 量 電 路 2021年 6月 1日 星 期 二 56 磁 電 式 振 動 傳 感 器 的 特 點 ：磁 電 式 振 動 傳 感 器 是 慣 性

44、式 傳 感 器 ， 不 需 要 靜 止 的 基準 參 考 ， 可 直 接 裝 在 被 測 體 上 ， 適 合 作 機 械 振 動 測 量 、轉(zhuǎn) 速 測 量 。傳 感 器 是 發(fā) 電 型 傳 感 器 ， 工 作 時 可 不 加 電 壓 ， 直 接 將機 械 能 轉(zhuǎn) 化 為 電 能 輸 出 。速 度 傳 感 器 的 輸 出 電 壓 正 比 于 速 度 信 號 ， 便 于 直 接 放大 。輸 出 功 率 大 ， 穩(wěn) 定 可 靠 ， 可 簡 化 二 次 儀 表 ， 但 傳 感 器尺 寸 大 、 重 ， 頻 率 響 應 低 ， 通 常 在 10 100Hz。 輸 出 阻抗 低 幾 十 幾 千 歐 ， 對

45、 后 置 電 路 要 求 低 ， 干 擾 小 。v航 空 航 天 發(fā) 動 機 等 設(shè) 備 的 振 動 實 驗 ；v兵 器 ， 坦 克 、 火 炮 發(fā) 射 的 振 動 持 續(xù) 時 間 影 響 第 二 次 發(fā)射 ；v民 用 ， 機 床 、 車 輛 、 建 筑 、 橋 梁 、 大 壩 振 動 監(jiān) 測 。 機 械 工 程 測 試 技 術(shù) 基 礎(chǔ) 57 第 五 節(jié) 電 容 式 傳 感 器 2021年 6月 1日 星 期 二 根 據(jù) 電 容 器 變 化 的 參 數(shù) 可 分 為 ：（ 1） 極 距 變 化 型 ； （ 2） 面 積 變 化 型 ；（ 3） 介 質(zhì) 變 化 型 極 板 間 介 質(zhì) 相 對 介

46、電 常 數(shù) ， 在 空 氣 中 =1極 板 面 積極 板 間 距 離一 變 換 原 理電 容 式 傳 感 器 將 被 測 物 理 量 轉(zhuǎn) 換 為 電 容 量 變 化 的 裝置 。 0真 空 中 介 電 常 數(shù) ，8.8 10-12F/m AC 0 （ 3-20） 機 械 工 程 測 試 技 術(shù) 基 礎(chǔ) 58 （ 一 ） 極 距 變 化 型兩 邊 取 微 分 dAdC 20 1傳 感 器 靈 敏 度 S為 20 1 AddCS (3-21) 靈 敏 度 S與 極 距 平 方 成 反 比 。 為 了 減 小 非 線 性 誤 差 ， 通常 在 較 小 間 隙 變 化 范 圍 內(nèi) 工 作 ， 一 般

47、取 變 化 范 圍 1.00 優(yōu) 點 ： 靈 敏 度 高 ; 可 進 行 動 態(tài) 非 接 觸 式 測 量 ; 適 用 小 位移 (0.01m數(shù) 百 微 米 )測 量 。缺 點 ： 有 非 線 性 誤 差 ; 雜 散 電 容 對 靈 敏 度 和 測 量 精 度 有影 響 ； 配 套 用 電 子 線 路 復 雜 。 圖 3-22 極 距 變 化 型 電 容 傳 感 器00 CC0 AC 0 （ 3-20） 2021年 6月 1日 星 期 二 機 械 工 程 測 試 技 術(shù) 基 礎(chǔ) 59 （ 二 ） 面 積 變 化 型分 類 ： （ 1） 角 位 移 型 （ 2） 線 位 移 型 （ 3） 圓 柱

48、體 線 位 移 型 a） 角 位 移 型 2 2rA 式 中 ： 覆 蓋 面 積 對 應 中 心 角 （ 弧 度 ） ； r極 板 半 徑 2 20 rC （ 3-22） 靈 敏 度 為 202 rdCS d = 常 數(shù) （ 線 性 關(guān) 系 ） （ 3-23） 圖 3-23 面 積 變 化 型 電 容 傳 感 器a)角 位 移 型 1 2 b)平 面 線 位 移 型 x b xx 21 c)圓 柱 體 線 位 移 型21 Ddl0 x2021年 6月 1日 星 期 二 機 械 工 程 測 試 技 術(shù) 基 礎(chǔ) 60 b） 平 面 線 位 移 型 電 容 量 C 為 bxC 0 （ 3-24） 靈

49、 敏 度 S 為 bdxdCS 0 常 數(shù) （ 線 性 關(guān) 系 ） （ 3-25） c） 圓 柱 體 線 位 移 型 電 容 量 C 為 )/ln(2 0 dD xC （ 3-26） 靈 敏 度 S 為 )/ln(2 0dDdxdCS 常 數(shù) （ 線 性 關(guān) 系 ） （ 3-27） 特 點 ： （ 1） 優(yōu) 點 是 輸 出 與 輸 入 成 線 性 關(guān) 系 。 （ 2） 靈 敏 度 較 低 。 （ 3） 適 用 較 大 直 線 及 角 位 移 測 量 。 2021年 6月 1日 星 期 二 機 械 工 程 測 試 技 術(shù) 基 礎(chǔ) 61 （ 三 ） 介 質(zhì) 變 化 型此 種 傳 感 器 利 用 介

50、 質(zhì) 介 電 常 數(shù) 變 化 將 被 測 量 轉(zhuǎn) 換為 電 量 。 可 用 來 測 量 電 介 質(zhì) 液 位 或 某 些 材 料 的 厚度 、 溫 度 和 濕 度 等 ， 見 圖 3-24 。 圖 3-24 介 質(zhì) 變 化 型 電 容 傳 感 器 應 用 例a) 介 質(zhì) 溫 度 、 濕 度 或 厚 度 影 響介 質(zhì) 層 b) 液 位 測 量 絕 緣 層外 極 板內(nèi) 極 板2021年 6月 1日 星 期 二 機 械 工 程 測 試 技 術(shù) 基 礎(chǔ) 62 二 測 量 電 路 （ 一 ） 電 橋 型 電 路把 電 容 傳 感 器 作 為 電 橋 一 部 分 ， 將 電 容 變 化 轉(zhuǎn) 化為 電 橋 電

51、 壓 輸 出 ， 見 圖 3-25 。形 式 ： （ 1） 電 阻 、 電 容 （ 2） 電 感 、 電 容電 橋 輸 出 為 一 調(diào) 幅 波 ， 經(jīng) 放 大 、 相 敏 檢 波 、 濾 波后 輸 出 ， 推 動 儀 表 。 圖 3-25 電 橋 型 電 路C2C1L2L1 相 敏解 調(diào) 濾 波放大2021年 6月 1日 星 期 二 機 械 工 程 測 試 技 術(shù) 基 礎(chǔ) 63 （ 二 ） 直 流 極 化 電 路 此 電 路 多 用 于 電 容 傳 聲 器或 壓 力 傳 感 器 中 。 如 圖 3-26 所 示 ， 彈 性 膜 片 在 外力 (氣 壓 、 液 位 )作 用 下 發(fā)生 位 移 ，

52、 使 電 容 量 發(fā) 生 變化 。 電 容 的 變 化 由 高 阻 值電 阻 R轉(zhuǎn) 換 為 電 壓 變 化 。分 析 表 明 ， 輸 出 電 壓 u y和 膜 片 移 動 速 度 近 似 成 一階 系 統(tǒng) 的 關(guān) 系 。 圖 3-26 直 流 極 化 電 路 uy p E0 Rf2021年 6月 1日 星 期 二 機 械 工 程 測 試 技 術(shù) 基 礎(chǔ) 64 （ 三 ） 諧 振 電 路電 路 原 理 及 工 作 特 性 見 圖 3-27。 電 容 傳 感 器 的 電 容 Cx作為 諧 振 電 路 (L2、 C2/Cx)調(diào) 諧電 容 的 一 部 分 ， 由 電 壓 耦 合從 穩(wěn) 定 高 頻 振

53、蕩 器 獲 得 振 蕩電 壓 。 當 Cx變 化 時 ， 諧 振 回路 阻 抗 相 應 變 化 ， 并 被 轉(zhuǎn) 換成 電 壓 或 電 流 輸 出 ， 經(jīng) 放 大 、檢 波 輸 出 。 一 般 工 作 點 選 在準 線 性 區(qū) 域 內(nèi) 。特 點 ： （ 1） 靈 敏 ； （ 2） 工作 點 不 易 選 好 ； （ 3） 變 化 范圍 窄 ； （ 4） 連 線 雜 散 電 容 影 響 也 較 大 。 圖 3-27 諧 振 電 路 及 其 工 作 特 性 輸出uCxC2L2L1C1振 蕩器 放 大 檢 波u0 C- C C C+ C C2021年 6月 1日 星 期 二 機 械 工 程 測 試 技

54、術(shù) 基 礎(chǔ) 65 （ 四 ） 調(diào) 頻 電 路見 圖 3-28,當 輸 入 量 使 傳 感 器 電 容 變 化 時 ,振 蕩 器 振 蕩 頻 率 發(fā)生 變 化 ,頻 率 的 變 化 經(jīng) 鑒 頻 變 為 電 壓 變 化 再 經(jīng) 放 大 輸 出 。特 點 ： （ 1） 抗 干 擾 性 強 ； （ 2） 靈 敏 度 高 （ 0.01m） ； （ 3） 電 纜 電 容 影 響 大 ， 使 用 中 麻 煩 。 輸 出圖 3-28 調(diào) 頻 電 路 工 作 原 理被 測物 體傳 感 器C x 調(diào) 頻振 蕩器 限 幅 鑒 頻 放 大2021年 6月 1日 星 期 二 機 械 工 程 測 試 技 術(shù) 基 礎(chǔ) 66

55、 （ 五 ） 運 算 放 大 器 電 路如 圖 3-29所 示 ， 輸 入 阻 抗 采 用 固 定 電 容 C0， 反 饋 阻 抗 采 用 電 容傳 感 器 Cx。 根 據(jù) 比 例 器 運 算 關(guān) 系 ， 有 xy CCuu 00(u0-激 勵 電 壓 ） 考 慮 ， 有 AC 0 00 0y Cu u A （ 3-28） 圖 3-29 運 算 放 大 器 電 路u0 uyCxC0由 式 （ 3-28） 可 知 ， 輸 出 電 壓 uy與 電 容 傳 感 器 間 隙 成 線 性 關(guān)系 。 這 種 電 路 常 用 于 位 移 測 量 。 2021年 6月 1日 星 期 二 機 械 工 程 測 試

56、 技 術(shù) 基 礎(chǔ)如 前 所 述 極 距 變 化 型 傳 感 器 中 ， 極 距 變 化 與 電 容 變 化 量 成 非 線性 關(guān) 系 ， 使 用 中 受 到 制 約 。 而 采 用 比 例 運 算 放 大 器 電 路 輸 出 電壓 uy 和 位 移 量 是 線 性 變 化 ， 正 好 克 服 上 述 缺 點 。 67 另 外 ， 一 方 面 ， Cx 很 小 （ 幾 十 到 幾 百 pF） 測 量 時 變 化 更小 （ 常 在 1pF以 下 ） ； 另 一 方 面 傳 感 器 與 周 圍 元 件 及 連 接電 纜 存 在 寄 生 電 容 ， 其 電 容 大 且 不 穩(wěn) 定 ， 影 響 測 量

57、精 度 。 解 決 方 法 ： （ 1） 縮 短 傳 感 器 與 測 量 電 路 之 間 電 纜 ， 甚 至做 成 一 體 。 （ 2） 采 用 雙 層 屏 蔽 電 纜 ， 見 圖 3-30 當 放 大 器 增 益 為 1 和 相移 為 零 時 ， 內(nèi) 屏 蔽 線 和芯 等 電 位 ， 可 見 兩 者 之間 的 容 性 漏 電 流 為 零 。從 而 消 除 兩 者 之 間 的 寄生 電 容 影 響 。 當 放 大 器增 益 不 為 1或 相 移 非 零 時 ， 芯 線 和 內(nèi) 屏 蔽 線 電位 有 差 別 。 圖 3-30 驅(qū) 動 電 纜 工 作 原 理 1傳 感 器 2測 量 電 路 3內(nèi)

58、屏 蔽 4外 屏 蔽4 31 1 22021年 6月 1日 星 期 二 機 械 工 程 測 試 技 術(shù) 基 礎(chǔ) 68 第 六 節(jié) 壓 電 式 傳 感 器 2021年 6月 1日 星 期 二 靈 敏 度 高 固 有 頻 率 高信 噪 比 高結(jié) 構(gòu) 簡 單 體 積 小 ， 重 量 輕工 作 可 靠優(yōu)點 無 靜 態(tài) 輸 出缺點 很 高 的 輸 出 阻 抗需 要 低 電 容 、 低 噪 聲 電 纜精 確 度 高壓 電 元 件機械能 電能壓 電 式 傳 感 器 是 一 種 可 逆 型 換 能 器 （ 機 械 能 電能 ） ， 廣 泛 應 用 于 力 、 壓 力 、 加 速 度 測 量 。 也 用 于超

59、聲 波 發(fā) 射 和 接 受 裝 置 。 機 械 工 程 測 試 技 術(shù) 基 礎(chǔ) 2021年 6月 1日 星 期 二 69 一 壓 電 效 應1 壓 電 效 應某 些 物 質(zhì) 如 石 英 、 鈦 酸 鋇 、 鋯 鈦酸 鉛 （ PZT） 等 ， 在 外 力 作 用 下 ，不 僅 幾 何 尺 寸 發(fā) 生 變 化 ， 而 且 內(nèi)部 極 化 表 面 有 電 荷 出 現(xiàn) 形 成 電 場 ；當 外 力 消 失 時 ， 材 料 重 新 恢 復 到原 來 形 態(tài) ， 這 種 現(xiàn) 象 稱 為 壓 電 效應 。 相 反 將 這 些 物 質(zhì) 置 于 電 場 中 ，幾 何 尺 寸 也 發(fā) 生 變 化 ， 此 現(xiàn) 象 稱

60、為 逆 壓 電 效 應 (電 致 伸 縮 效 應 )。 機 械 工 程 測 試 技 術(shù) 基 礎(chǔ) 70 2 晶 體 結(jié) 構(gòu)石 英 晶 體 結(jié) 晶 形 狀為 六 角 形 晶 體 ， 兩端 為 一 對 稱 棱 錐 。六 棱 錐 是 基 本 組 織 ?？v 軸 線 z-z稱 為 光 軸 ，過 六 角 棱 線 垂 直 于光 軸 的 軸 線 x-x稱 為電 軸 ， 垂 直 于 棱 面的 軸 線 y-y 稱 為 機械 軸 。 圖 3-31 石 英 晶 體 (SiO2)z-z光 軸 y-y機 械 軸 x-x電 軸xx yy xx yy z z 2021年 6月 1日 星 期 二 機 械 工 程 測 試 技 術(shù)

61、基 礎(chǔ) 71 3 縱 、 橫 向 效 應 圖 3-32 壓 電 效 應 模 型a)縱 向 效 應 b)橫 向 效 應 c)切 向 效 應 FyFyFyFyFxFx zy x zy x zy x2021年 6月 1日 星 期 二 當 施 加 外 力 時 ， 將 沿 x-x 方 向 形 成 電 場 ， 其 電 荷 分 布 在 垂 直于 x-x 軸 的 平 面 上 。a） 沿 x 軸 加 力 產(chǎn) 生 縱 向 效 應 ；b） 沿 y 軸 加 力 產(chǎn) 生 橫 向 效 應 ；c） 沿 相 對 兩 平 面 加 力 產(chǎn) 生 切 向 效 應 。 天 然 石 英 機 械 工 程 測 試 技 術(shù) 基 礎(chǔ) 2021年

62、 6月 1日 星 期 二 72 4 力 與 電 荷 量 關(guān) 系實 驗 證 明 壓 電 體 表 面 積 聚 的 電 荷 與 作 用 力 成 正 比 。如 沿 x-x軸 加 力 ， 則 有 式 中 ： q-荷 量dc-壓 電 常 數(shù) ， 與 材 質(zhì) 和 切 片 方 向 有 關(guān) F-作 用 力 Fdq c （ 3-29） 機 械 工 程 測 試 技 術(shù) 基 礎(chǔ) 73 二 壓 電 材 料壓 電 單 晶 （ 單 晶 體 ）常 用 壓 電 材 料 分 類石 英 鈮 酸 鋰 鉭 酸 鋰 壓 電 陶 瓷 （ 多 晶 體 ）鈦 酸 鋇 鎬 鈦 酸 鉛 有 機 電 薄 膜1 石 英 應 用 廣 泛 ， 具 有 較

63、 好 的 機 械 強 度 和 時 間 及 溫 度 穩(wěn) 定 性 。2 壓 電 陶 瓷 在 現(xiàn) 代 聲 學 和 傳 感 技 術(shù) 中 普 遍 應 用 。 制 造 方 便 ，成 本 低 ， 壓 電 常 數(shù) 比 單 晶 高 。 最 早 的 壓 電 陶 瓷 鈦 酸 鋇 ， 其 居里 點 約 350 ， 壓 電 常 數(shù) 70590 pC/N3 高 分 子 壓 電 薄 膜 壓 電 特 性 不 太 好 ， 但 它 可 以 大 量 生 產(chǎn) ， 具 有 面 積 大 ， 柔 軟 不 宜 破 等 優(yōu) 點 ， 可 用 于 微 壓 測 量 。 壓 電 陶 瓷2021年 6月 1日 星 期 二 機 械 工 程 測 試 技 術(shù)

64、 基 礎(chǔ) 74 三 壓 電 式 傳 感 器 及 其 等 效 電 路 1 電 容 量 AC 0壓 電 材 料 相 對 介 電 常 數(shù) ； 石 英 晶 體 -4.5； 壓 電 陶 瓷 -1200 ;0真 空 中 介 電 常 數(shù) ; A晶 片 面 積 ； F F圖 3-33 a） 壓 電 晶 片 2021年 6月 1日 星 期 二 在 壓 電 晶 體 的 兩 個 工 作 面 上 進 行 蒸 鍍 ，形 成 金 屬 膜 ， 構(gòu) 成 兩 個 電 極 。 當 晶 片受 力 時 ， 兩 個 極 板 上 積 聚 數(shù) 量 相 等 ，極 性 相 反 的 電 荷 ， 形 成 了 電 場 。 因 此 ，該 傳 感 器

65、即 可 看 作 是 電 荷 發(fā) 生 器 ， 它又 是 一 個 電 容 器 。如 果 施 加 外 力 不 變 ， 積 聚 在 極 板 上 電 荷 無 泄 露 ， 外 電 路 負 載 無 窮大 ， 外 力 作 用 期 間 電 荷 量 保 持 不 變 ， 直 到 外 力 終 止 ， 電 荷 消 失 。如 果 負 載 不 是 無 窮 大 ， 電 路 按 指 數(shù) 規(guī) 律 放 電 ， 造 成 測 量 誤 差 。 因此 測 量 時 采 用 極 高 阻 抗 負 載 ， 比 較 適 應 動 態(tài) 測 量 。其 電 容 量 為 ： 機 械 工 程 測 試 技 術(shù) 基 礎(chǔ) 75 壓 電 式 傳 感 器 是 一 個 具

66、 有 一 定 電 容 的電 荷 源 。 電 容 器 上 開 路 電 壓 u0 與 電荷 量 q 和 電 容 Ca 存 在 下 列 關(guān) 系 ：aCqu 0 （ 3-31） R0CCCaq圖 3-33 d） 等 效 電 荷 源當 接 入 測 量 電 路 時 ， 寄 生 電 容 Cc 接入 ， 后 續(xù) 電 路 輸 入 阻 抗 和 漏 電 阻 形成 泄 漏 電 阻 R0 ， 當 負 載 平 衡 時 ：式 中 q壓 電 元 件 產(chǎn) 生 電 荷 量 ， 當 受 外 力 f =F 0sint 時 ， dc壓 電 常 數(shù) ； C電 容 (C =Ca+Cc+Ci) 其 中 Ci為 外 接 電 路 輸 入 端電 容 ； u 電 容 上 建 立 的 電 壓 ； i 泄 漏 電 流 ( i = u /R0 )2021年 6月 1日 星 期 二q cu idt 0 0cq d F sin t q sin t 2 等 效 電 路 機 械 工 程 測 試 技 術(shù) 基 礎(chǔ) 76 式 (3-31)可 寫 為 tqidtiCR sin00 或 tqidtdiCR cos00 其 穩(wěn) 態(tài) 過 程 為 )sin()(1 20