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1、二、压电式传感器,压电式传感器是一种可逆型换能器，既可以将机械能转换为电能，又可以将电能转换为机械能。这种性能使它被广泛用于压力、应力、加速度测量，也被用于超声波发射与接收装置。,第四节 磁电、压电与热电式传感器,在用做加速度传感器时，可测频率范围从0.1Hz 20kHz，可测振动加速度按其不同结构可达10-2 105 m/s2。用做测力传感器时，其灵敏度可达10-3 N。,优点：体积小、质量小，精确度及灵敏度高等。,现在与其配套的后续仪器，如电荷放大器等技术性能的日益提高，使这种传感器的应用愈来愈广泛。,1.压电效应 变换原理,某些物质，如石英，受到外力作用时，不仅几何尺寸会发生变化，而且内
2、部会被极化，表面出现电荷，形成电场；当外力去掉时，又重新回到原来的状态，这种现象称为压电效应。,压电式传感器,压电效应是可逆的，即将压电晶体置于外电场中，其几何尺寸也会发生变化逆压电效应,实验证明：压电效应和逆压电效应是线性的，即晶体表面出现电荷的多少与形变的大小成正比，当形变改变符号时，电荷也改变符号；在外电场作用下，晶体形变的大小与电场强度成正比，当电场反向时，形变也改变符号。,通常把沿电轴(X 轴)方向的作用力(一般利用压力)产生的压电效应称为“纵向压电效应”，把沿机械轴(Y 轴)方向的作用力产生的压电效应称为“横向压电效应”，沿光轴(Z 轴)方向的作用力不产生压电效应。沿相对两棱加力时
3、，则产生切向效应。压电式传感器主要是利用纵向压电效应。,压电效应与方向,压电式传感器,2.压电材料,常用的压电材料大致可分为三类:压电单晶、压电陶瓷和有机压电薄膜。,石英是压电单晶中最具有代表性的，应用广泛。除天然石英外，还大量应用人造石英。石英的压电常数不高，但具有较好的机械强度和时间、温度稳定性。,传感技术中最普遍应用的是压电陶瓷。压电陶瓷制作方便，成本低，压电常数比单晶体高得多，一般比石英高数百倍。现在的压电元件多数采用压电陶瓷。,高分子压电薄膜的压电特性并不很好，但它易于大批量生产，且具有面积大、柔软不易破碎等优点，可用于微压测量和机器人的触觉。,压电式传感器,3.压电式传感器及其等效
4、电路,在压电晶体的两个工作面上进行金属蒸镀，形成金属膜，构成两个电极。如图所示,在压电晶体受到外力作用时，在两个极板上将聚积数量相等、极性相反的电荷，形成了电场。,因此压电传感器可看作是一个电荷发生器，又是一个电容器，,其电容量为,等效电荷源,压电式传感器适宜作动态测量。,压电式传感器,实际压电传感器中，通常用两个或两个以上的压电晶片进行并接或串接使用。,并接：电容量大、输出电荷量多、时间常数大，宜于测量 缓变信号，适宜于以电荷 量输出的场合。,串接：电容量小、输出电压大，适用于以电压作为输出信 号的场合。,压电式传感器,4.测量电路,压电式传感器输出电信号很微弱，而且传感器本身有很大内阻，故
5、输出能量很小，这给后接电路带来一定困难。,为此，通常把传感器信号先输到高输入阻抗的前置放大器，经过阻抗变换以后，方可用一般的放大、检波电路将信号输给指示仪表或记录器。,前置放大器电路的主要用途有两点：将传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出；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：是用电阻反馈的电压放大器，其输出电压与输入电压(即传感器的输出)成正比；是带电容反馈的电荷放大器，其输出电压与输入电荷成正比。,使用电压放大器时，放大器的输入电压如式(3-38)所表达。由于电容 C 包括了Ca、Ci 和 Cc，其中电缆对地电容 Cc 比 Ca 和 Ci 都大，故整个测量系统对电缆对地电容
6、 Cc 的变化非常敏感。连接电缆的长度和形态变化会引起 Cc 的变化，导致传感器输出电压u的变化，从而使仪器的灵敏度也发生变化。,压电式传感器,电荷放大器是一个高增益带电容反馈的运算放大器，当略去传感器漏电阻及电荷放大器输人电阻，它的等效电路如下图(3-38)所示。由于忽略漏电阻,运算放大器的开环增益为 A，则有,若 A足够大，则,简化为,式(3-39)表明，在一定条件下，电荷放大器的输出电压与传感器的电荷量成正比，并且与电缆分布电容无关。因此，采用电荷放大器时，即使连接电缆长度达百米以上时，其灵敏度也无明显变化，这是电荷放大器突出的优点。但与电压放大器相比，其电路复杂，价格昂贵。,(3-39
7、),压电式传感器,第十节 传感器选用原则,根据测试目的和实际工作条件，主要从以下几个方面考虑如何合理地选用传感器。,一、灵敏度,一般说来，传感器灵敏度越高越好意味着传感器所能感知的变化量越小，被测量稍有微小变化时，传感器就能有较大输出。,但需要考虑以下几个问题。a)灵敏度过高引起的干扰 b)横向灵敏度和交叉灵敏度 c)测量范围,信噪比愈大愈好,愈小愈好,最大输入量不能超出量程范围，以免进入非线性区和饱和区。,传感器的输入量=被测量+干扰量,当灵敏度愈高时，与测量信号无关的外界干扰也愈容易混入，并被放大装置所放大。这时必须考虑既要检测微小量值，又要干扰小。为保证此点，往往要求信噪比愈大愈好，既要
8、求传感器本身噪声小，且不易从外界引入干扰。,当被测量是个矢量时，那么要求传感器在该方向灵敏度愈高愈好，而横向灵敏度愈小愈好。在测量多维矢量时，还应要求传感器的交叉灵敏度愈小愈好。,传感器选用原则,二、响应特性,传感器的响应特性是指在所测频率范围内，保持不失真的测量条件。实际上传感器的响应总不可避免地有一定延迟，但总希望延迟的时间越短越好。,一般来讲，利用光电效应、压电效应等物性型传感器，响应较快，可工作频率范围宽。而结构型，如电感、电容、磁电式传感器等，往往由于结构中的机械系统惯性的限制，其固有频率低，可工作频率较低。在动态测量中，传感器的响应特性对测试结果有直接影响，在选用时，应充分考虑到被
9、测物理量的变化特点(如稳态、瞬变、随机等)。,传感器选用原则,三、线性范围,任何传感器都有一定线性工作范围。在线性范围内输出与输入成比例关系，线性范围愈宽，则表明传感器的工作量程愈大。传感器工作在线性区域内，是保证测量精度的基本条件。,例如，机械式传感器中的测力弹性元件，其材料的弹性限是决定测力量程的基本因素。当超过弹性限时，将产生线性误差。任何传感器都不容易保证其绝对线性，在许可限度内，可以在其近似线性区域内应用。例如，变间隙型电容、电感传感器，均采用在初始间隙附近的近似线性区内工作。选用时必须考虑被测物理量的变化范围，令其线性误差在允许范围以内。,传感器选用原则,四、可靠性,可靠性是传感器
10、和一切测量装置的生命。可靠性是指仪器、装置等产品在规定的条件下，在规定的时间内可完成规定功能的能力。只有产品的性能参数（特别是主要性能参数）均处在规定的误差范围内，方能视为可完成规定的功能。,为了保证传感器应用中具有高的可靠性，事前须选用设计、制造良好，使用条件适宜的传感器；使用过程中，应严格规定使用条件，尽量减轻使用条件的不良影响。,传感器选用原则,电阻应变式传感器，湿度会影响其绝缘性；温度会影响其零漂；长期使用会产生蠕变现象。变间隙型电容传感器，环境湿度或浸人间隙的泊剂，会改变介质的介电常数。光电传感器的感光表面有尘埃或水汽时，会改变光通量、偏振性和光谱成份。磁电式传感器或霍尔效应元件等，
11、当在电场、磁场中工作时，亦会带来测量误差。滑线电阻式传感器表面有尘埃时，将引人噪声。,例如：,传感器选用原则,在机械工程中，有些机械系统或自动加工过程，往往要求传感器能长期地使用而不需经常更换或校准。而其工作环境又比较恶劣，尘埃、油剂、温度、振动等干扰严重，例如，热轧机系统控制钢板厚度的 g 射线检测装置，用于自适应磨削过程的测力系统或零件尺寸的自动检测装置等，在这种情况下应对传感器的可靠性有严格的要求。,另外，还需要考虑传感器的稳定性。稳定性是表示传感器经过长期使用以后，其输出特性不发生变化的性能。影响传感器稳定性的因素是时间与环境。,传感器选用原则,五、精确度,精确度表示传感器的输出与被测
12、量真值一致的程度。传感器处于测试系统的输入端，它能否真实地反映被测量值，对整个测试系统具有直接影响。,但是，也并非要求传感器的精确度愈高愈好，因为还应考虑到经济性。传感器精确度愈高，价格越昂贵。应从实际出发尤其应从测试目的出发来选择。首先应了解测试目的，判断是定性分析还是定量分析。如果是属于相对比较的定性试验研究，只需获得相对比较值即可，无须要求绝对值，那么应要求传感器精密度高。如果是定量分析，必须获得精确量值，则要求传感器有足够高的精确度。,传感器选用原则,六、测量方式,传感器工作方式，也是选择传感器时应考虑的重要因素。例如，接触与非接触测量、破坏与非破坏性测量、在线与非在线测量等。,在机械
13、系统中，运动部件的测量(例如回转轴的运动误差、振动、扭力矩)，往往需要非接触测量。因为对部件的接触式测量不仅造成对被测系统的影响，且有许多实际困难，诸如测量头的磨损、接触状态的变动、信号的采集都不易妥善解决，也易造成测量误差。采用电容式、涡电流式等非接触式传感器，会有很大方便。若选用电阻应变片时，则需配以遥测应变仪，或其他装置。,传感器选用原则,在线测试是与实际情况更接近一致的测试方式。特别是自动化过程的控制与检测系统，必须在现场实时条件下进行检测。实现在线检测是比较困难的，对传感器及测试系统都有一定特殊要求。例如，在加工过程中，若要实现表面粗糙度的检测，以往的光切法、干涉法、触针式轮廓检测法都不能运用，取而代之的是激光检测法。实现在线检测的新型传感器的研制，也是当前测试技术发展的一个方面。,七、其他 除了以上选用传感器时应充分考虑的一些因素外，还应尽可能兼顾结构简单、体积小、重量轻、价格便宜、易于维修、易于更换等条件。,传感器选用原则,
