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1、机械工程测试技术,刘辉 山东建筑大学 机电工程学院,本课内容,电容式 压电式 霍尔式传感器,2.3.2 电容式传感器,变换原理:将被测量的变化转化为电容量变化 两平行极板组成的电容器其电容量为:,、A或发生变化时，都会引起电容的变化。,1、工作原理,电容传感器的类型：,a)极距变化型,极距变化型电容传感器输入输出关系为非线性,灵敏度：,灵敏度与工作点0有关,在工作点附近，近似线性 灵敏度值为S(dC/d )| = 0,为平衡灵敏度与测量精度的矛盾， 一般取： /0 0.1,0 减小,极距变化型电容传感器的优点,非接触测量，灵敏度高 适于小位移测量（0.01 m数百 m） 为提高灵敏度常采用差动
2、型 作业：2-7,b)面积变化型,灵敏度为线性,c) 介质变化型,应用： 测量厚度 气体浓度,极距变化型电容传感器应用案例,电容传声器,产品.,陶瓷电容压力传感器,产品.,电容式液位传感器（液位计/料位计）,该高频振子无测试目标时不感应。 当测试物体接近传感器表面时， 引起A、B极之间的耦合电容增加，电路开始振荡。每一振荡的振幅均由一数据分析电路测得，并形成开关信号。 接近开关的检测对象，并不限于金属导体，也可以是绝缘的液体或粉状物体。,电容式接近开关,各种材料的介电常数,作用：将电容变化量转换为电压、电流或频率信号。 a)电桥电路-测量，电容差动连接,3 测量电路,b)直流极化电路,输出电压
3、与膜片位移速度成正比，,用于测量气流(或液流)的振动速度,c) 谐振电路,为获得较好的线性，一般工作点应选择在谐振曲线一边的线性区域内,d)调频电路如图,传感器电容是振荡器谐振回路的一部分， 当输入量使传感器电容量发生变化时，振荡器的振荡频率发生变化， 频率的变化经过鉴频器变为电压变化，再经过放大后由记录器或显示仪表指示。,e) 运算放大器电路,输出电压与电容传感器间隙成线性关系 这种电路用于位移测量,2.3.3 压电式传感器,某些物质，受到外力作用时，不仅几何尺寸会发生变化，而且内部会被极化，表面产生电荷；当外力去掉时，又重新回到原来的状态，这种现象称为压电效应。,F,1.工作原理 （1）变
4、换原理压电效应：,（2） 压电晶片：从压电材料上，按一定方向切出的薄片,压电效应与力的作用面及方向有关,（3） 压电效应模型,电荷与力的关系： qdc*F,q在压电晶体表面积聚的电荷量(单位：库仑c) F作用力（N） dc压电系数，与材质及切片方向有关（c/N）,F,压电晶片：,两工作表面镀金属膜，构成两个电极,串接：适于 以电压为输出量,并接：适于电荷输出，但时间常数大，适于缓变信号测量,2、压电材料,（1）石英： 石英是压电单晶中最具代表性的， 虽压电常数dc不高，但机械强度较高，时间和温度稳定性较好， 常用作标准、高精度传感器。,（2） 压电陶瓷,制作方便，成本低，压电常数大， 原始压电
5、陶瓷，不具有压电性，极化处理后呈压电特性； 极化处理：在一定的温度下，利用强电场，使压电陶瓷的磁畴按规则排列，呈现压电特性，极化电场消失后，电畴取向保持不变，在常温下呈现压电特性 居里点：压电陶瓷温度达到该点，将失去压电特性 其压电常数dc较单晶高许多（较石英高数百倍）。且其压电特性在极化方向上（极化电场方向）最显著 （3） 高分子压电薄膜 具有面积大、柔软不易破碎等优点，且可以大量生产。,3、压电式传感器及其测量电路,（1）等效电路 接入测量电路，考虑电缆分布电容和负载电阻、等效电容 CCaCcCi,开路时，两极板间电压,（2）测量电路,压电式传感器输出电信号很微弱，通常应把传感器信号先输入
6、到高输入阻抗的前置放大器中，经过阻抗变换后，方可输入到后续显示仪表中。,压力变送器,加速度计,力传感器,压电式传感器产品,压电式传感器案例：飞机模态分析,压电式传感器案例：热轧设备诊断,4、逆压电效应（电致伸缩）,由于外电场作用导致物质的机械变形的现象，称为逆压电效应，或称电致伸缩。 压电材料属于可逆换能型：,应用： 微动机构作动器 超声发生器,2.3.4 半导体传感器霍尔元件,霍尔元件： 是一种半导体磁电转换元件。 它们利用霍尔效应进行工作。,1、霍尔效应,导体 d 位于磁场 B 中。一个方向施加电流 Iv，与磁场强度 B 方向夹角；垂直的另一方向上产生电压VH ，称做霍尔电压，这种现象被称
7、为霍尔效应。,2、霍尔器件,以磁场为工作媒体，将物体的运动参量转变为数字电压的形式输出 主要有两大类：一类为线性（模拟型）霍尔器件；一类为开关型器件， 其响应速度大约在1us 量级。,由霍尔片、 四根引线 和壳体组成,应用案例,1、模拟型应用：位移测量,2、开关型应用：转速测量,导磁性良好的转子遮挡器，使霍尔元件上的磁场周期性地通过及切断 在霍尔元件上感应出周期性电压信号,案例：汽车速度测量:,转角测量,铁磁材料裂纹检测,3.16 传感器选用原则,选择传感器主要考虑灵敏度、响应特性、线性范围、稳定性、精确度、测量方式等六个方面的问题。 1、灵敏度 一般说来，传感器灵敏度越高越好，但，在确定灵敏
8、度时，要考虑以下几个问题。a)灵敏度过高引起的干扰问题；b)量程范围。c)交叉灵敏度问题。,2 响应特性 指在所测频率范围内，保持不失真的测量条件。 3 线性范围 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。 4 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。,5 精确度 传感器的精确度是表示传感器的输出与被测量的对应程度。 6 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。,传感器实验仪,金属箔式应变片性能,R4RR,霍尔式传感器的直流激励特性,End,
