自动检测技术课件

感測器與檢測技術概念圖庫下頁返回0.1感測器的組成與分類下頁上頁返回感測器的定義感測器是能感受規定的被測量並按照一定規律轉換成可用輸出信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉換元件組成。其中，敏感元件是指感測器中直接感受被測量的部分，轉換元件是指感測器能將敏感元件輸出轉換為適於傳輸和測量的電信號部分。圖0-1感測器組成方塊圖常見的信號調節與轉換電路有放大器、電橋、振盪器、電荷放大器等，它們分別與相應的感測器相配合。圖庫0.1感測器的組成與分類例如：我們要測量一個直線運動的汽車的加速度（規定的被測量）。可以設計一個簡單的實驗裝置。下頁上頁返回圖庫敏感元件轉換元件+—電子線路輸出0.1感測器的組成與分類敏感元件傳感元件轉換電路被測量電量砝碼m千克彈簧k轉換電路加速度電量a力mama/k位移v•ma/kL下頁上頁返回圖庫說到感測器技術應聯想和考慮到的（1）是一類檢測裝置，用於參數測量。（2）在轉換過程中需要滿足：對被測量敏感（具有選擇性）、進行物理量變換為單值變換、對環境的適應性（可實踐性）（3）工作的基礎原理：基於物理效應、化學反應、生物學機理等。（4）感測器技術是知識密集，技術密集的新興邊緣學科；是一門跨學科的橫向綜合技術。（5）它的發展在很大程度上依賴於物理學、化學、生物學、材料科學、資訊科學、半導體積體電路技術、微機技術等學科的發展。0.1感測器的組成與分類關於感測器的英文說明：

Transducer-感測器，換能器，強調參數和能量的轉換

Sensor-敏感元件，感受器，強調對被測量敏感、直接感受

Transmitter-變送器，強調各種變送器的輸出信號傳輸及統一，電流4－20mA感測器技術在國外情況：（1）將感測器技術列為六大核心技術之一。六大核心技術為：感測器、電腦、通訊、鐳射、半導體、超導技術，雖然納米技術發展很快，但還沒有形成核心技術。（2）西方各國不斷增加感測器研究經費，耗資巨大，投入的人力、物力、財力非常大。0.1感測器的組成與分類感測器的分類：按輸入量分類:位移感測器、速度感測器、溫度感測器、壓力感測器等按工作原理分類:應變式、電容式、電感式、壓電式、熱電式等按物理現象分類:結構型感測器、特性型感測器按能量關係分類:能量轉換型感測器、能量控制感測器按輸出信號分類:模擬式感測器、數字式感測器0.2感測器的作用與地位

感測器技術、通信技術和電腦技術被稱為現代資訊技術的三大主要支柱，而感測器在資訊採集系統中處於前端，廣泛應用於包括國防、環保、工業、農業、交通運輸、生物醫學、日常生活等諸多領域。如果把電腦比作人的大腦，感測器就相當於是人的感官，目前電腦技術的發展，除大腦的複雜思維活動以外，有很多功能遠遠超過大腦，與此相比感測器技術就顯得比較落後，呈現“聰明的大腦，遲鈍的感官”這種局面。所以，20世紀80年代以來，世界各國都將感測器技術列為重點發展的高新技術，倍受重視。下頁上頁圖庫返回0.3感測器的發展動向當前感測器技術的主要發展動向：開展基礎研究，發現新現象，開發感測器的新材料和新工藝，實現感測器的集成化與智能化。發現新現象開發新材料採用微細加工技術研究多功能集成感測器智能化感測器仿生、生物感測器研究下頁上頁圖庫返回0.4檢測技術的定義檢測技術屬於資訊科學的範疇,與電腦技術、自動控制技術和通信技術構成完整的資訊技術學科。測量是指確定被測對象屬性量值為目的的全部操作。測試是具有試驗性質的測量,或者可以理解為測量和試驗的綜合。下頁上頁圖庫返回0.5檢測技術的作用檢測技術的作用客觀世界的一切物質都以不同形式不斷地運動著。運動著的物質是以一定的能量或狀態表現出來的，這就是信號。人們為了認識物質世界，就必須尋找表徵物質運動的各種信號以及信號與物質運動的關係。這就是檢測的任務。在工業生產各個領域內在科學研究領域內在現代人們的日常生活中下頁上頁圖庫返回

感測器的特性下頁返回

感測器的特性是指感測器所特有性質的總稱。而感測器的輸入—輸出特性是其基本特性，一般把感測器作為二端網路研究（即把感測器當作黑匣子），輸入—輸出特性是二端網路的外部特性，即輸入量和輸出量的對應關係。圖庫感測器的特性感測器的靜態特性穩態條件下（無過渡過程），輸出與輸入的回應關係，當信號變化緩慢時，對其關心。感測器的動態特性動態條件下，輸出與輸入的回應關係，應用於信號變化較快的場合。1.1.1線性度

感測器的輸入—輸出關係或多或少地都存在非線性問題。其靜態特性可用下列多項式代數方程來表示：下頁上頁返回y--輸出量；x--輸入量；a0--零點輸出；a1--理論靈敏度；a2,a3…an--非線性項係數線性度的定義：在穩態標準條件下，實際測出的輸出——輸入曲線與理想直線的偏離程度。通常用相對誤差形式表示：圖庫1.1.1線性度

(a)理論擬合

(b)過零旋轉擬合

(c)端點擬合

(d)端點平移擬合

(e)最小二乘法擬合

常用擬和方法下頁上頁返回圖庫圖1-1各種直線擬合方法1.1.2遲滯圖1-2遲滯特性感測器在正（輸入量增大）反（輸入量減小）行程中輸出與輸入曲線不重合時稱為遲滯。遲滯大小一般由實驗方法測得。遲滯誤差一般以滿量程輸出的百分數表示。下頁上頁返回圖庫1.1.3重複性重複性：感測器在輸入按同一方向作全量程連續多次變動時所得特性曲線不一致的程度。圖1-3重複特性下頁上頁返回圖庫1.1.4靈敏度與靈敏度誤差靜態靈敏度：感測器輸出的變化量與引起該變化量的輸入變化量之比。相對靈敏度：它表示感測器輸出增量對被測量的相對變化率而言的靈敏度。用百分數表示。下頁上頁返回圖庫1.1.5靈敏度閾與解析度（力）解析度：感測器或測量儀錶輸出信號以數字顯示，靈敏度閾稱為解析度。顯示的最後一位數字所代表的值稱為分辯力。靈敏度閾：感測器或者測量儀錶能檢測到的最小的輸入增量。有時也稱為死區。下頁上頁返回圖庫1.1.6穩定性穩定性：感測器在長時間工作情況時輸出量發生的變化。有時稱為長時間工作穩定性或零點漂移。穩定性誤差：前後兩次輸出之差。可用相對誤差表示，也可用絕對誤差來表示。下頁上頁返回圖庫1.1.7溫度穩定性溫度穩定性：又稱為溫度漂移。它是指感測器在外界溫度變化情況下輸出量發生的變化。溫度穩定性誤差：

測試時先將感測器置於一定溫度（例如20℃）下，將其輸出調至零點或某一特定點，使溫度上升或下降一定的度數（例如5℃或10℃），再讀出輸出值，前後兩次輸出之差即為溫度穩定性誤差。溫度穩定性誤差用每若干℃的絕對誤差或相對誤差表示，每℃的誤差又稱溫度誤差係數。下頁上頁返回圖庫1.1.8多種抗干擾能力多種抗干擾能力：感測器對各種外界干擾的抵抗能力。例如抗衝擊和振動能力、抗潮濕的能力、抗電磁場干擾的能力等，評價這些能力比較複雜，一般也不易給出數量概念，需要具體問題具體分析。下頁上頁返回圖庫1.2感測器的動態特性

感測器的動態特性也稱為動態回應。它所涉及的內容是研究當被測參數隨時間變化很迅速時，感測器的輸出量與輸入量之間的關係。基本方法是通過建立感測器的微分方程，求出傳遞函數，然後進行特性分析。實驗一測量方法及測量數據處理實驗目的通過對電阻、電容及電感元件參數的測量，掌握以下幾點：

1.掌握零位式測量和偏差式測量的特點。

2.掌握靜態測量時測量數據的統計處理方法。實驗一測量方法及測量數據處理一、偏差式測量在測量過程中，用儀錶指針的位移(即偏差)決定被測量的測量方法，稱為偏差式測量法。這種測量方法過程簡單、迅速，但測量精度較低。圖l所示的壓力錶就是這類儀錶的一個示例。

圖l壓力錶實驗一測量方法及測量數據處理二、零位式測量在測量過程中，用指零儀錶的零位指示，檢測測量系統的平衡狀態；在測量系統達到平衡時，用已知的基準量決定被測未知量的測量方法，稱為零位式測量法。

採用零位式測量法進行測量時，優點是可以獲得比較高的測量精度。但是，測量過程比較複雜，在測量時，要進行平衡操作，花費時間長。圖2電位差計簡化等效電路

三、測量數據的處理靜態誤差：檢測儀錶在靜態測量時其全量程內任一點的輸出值與其理論輸出值的偏離程度。靜態誤差的求取方法：把檢測儀錶的輸出值與其對應的理論輸出值的殘差，看成隨機分佈，求出其標準偏差σ，即：△yi—剩餘誤差；n—測量次數。下頁上頁返回圖庫

三、測量數據的處理靜態誤差的求取方法：剩餘誤差△yi＝yi–Lyi——第I次測量值

L——理論值或真值在實際測量中，測量次數是有限的，真值L不易得到，因而用n次測量值的算術平均值代替真值，剩餘誤差△yi＝yi–，用代替L後，標準誤差應為下頁上頁返回圖庫測量結果

電阻式感測器

電阻式感測器的種類繁多，應用廣泛，其基本原理是將被測物理量的變化轉換成電阻值的變化，再經相應的測量電路而最後顯示被測量值的變化。下頁返回圖庫

電阻式感測器與相應的測量電路組成的測力、測壓、稱重、測位移、測加速度、測扭矩、測溫度等測試系統。目前已成為生產過程檢測以及實現生產自動化不可缺少的手段之一。2.2應變片式感測器電阻應變片的工作原理金屬電阻應變片主要特性溫度誤差及補償應變片式電阻感測器的測量電路應變片式電阻感測器的應用舉例下頁上頁返回圖庫

在幾何量和機械量測量中，最常用的感測器是利用某些金屬和半導體材料製成的應變式電阻感測器。

這種感測器是以電阻應變片為敏感元件，電阻應變片是一種能將被測試件上的應變變化轉換成電阻變化的敏感元件，與彈性元件及相應部件組成了金屬應變式感測器。主要用於力、加速度、壓力等力學量的測量。

2.2.1電阻應變片的工作原理

電阻應變片的工作原理是基於電阻應變效應，即在導體產生機械變形時，它的電阻值相應發生變化。圖2-17金屬絲伸長後幾何尺寸變化下頁上頁返回圖庫2.2.1電阻應變片的工作原理定量分析金屬導體的電阻變化與變形之間的數學運算式。2.2.1電阻應變片的工作原理

電阻絲靈敏係數k0由兩部分組成：

(1+2µ)表示受力後由材料的幾何尺寸變化引起的第2項表示由材料電阻率變化所引起的。對於金屬材料，第2項的值要比(1+2µ)小很多，可以忽略，故k0=1+2µ

。大量實驗證明，在電阻絲拉伸比例極限內，電阻的相對變化與應變成正比，即k0=1.7～3.6。2.2.2金屬電阻應變片主要特性

金屬電阻應變片結構：金屬電阻應變片分為金屬絲式和箔式。下頁上頁返回圖庫圖2-18絲式應變片的基本結構

它主要是由四個部分組成：一是敏感柵即金屬電阻絲，它是應變片的主要核心部分，感受外界應變並轉換為電阻的變化；

二是基底和覆蓋層，基底是將應變傳遞到敏感柵的中間介質並起到電阻絲與試件之間的絕緣作用，覆蓋層起著保護敏感柵的作用；

三是粘結劑，它將電阻絲與基底粘貼在一起；

四是引出線，作為連接測量的導線。

根據不同用途，柵長可為0.2～200mm

基底用以保持敏感柵及引線的幾何形狀和相對位置，並迅速準確地傳遞應變，因此基底做得很薄，一般為0.03～0.06mm。基底和蓋層用專門的薄紙製成的稱為紙基，用各種粘結劑和有機樹脂薄膜製成的稱為膠基，膠膜比紙具有更好的柔性、耐濕性和耐久性，且使用溫度較高，可達300℃，因此現多採用後者。引線常用直徑為0.10～0.15mm的鍍錫銅線，並與敏感柵兩輸出端焊接。

圖2-19箔式應變片的基本結構圖2-20各式箔式應變花箔式與絲式應變片相比有如下優點：①用光刻技術能製成各種複雜形狀的敏感柵，即應變花如圖2－20所示；從而擴大了使用範圍；②由於箔柵很薄，能很好地與彈性體同步發生應變，其次箔柵的端部可以製作的較寬，橫向效應小，提高了測量精度；③允許電流大，散熱性好，允許通過較大電流。可提高相匹配的電橋電壓，從而提高輸出靈敏度；④生產效率高。但是製造箔式應變片的電阻值的分散性要比絲式的為大，有的能相差幾十歐姆，需要作阻值的調整。由於箔式應變片的一系列優點，它將逐漸取代絲式應變片而占主要的地位。

對金屬電阻應變片敏感柵材料的基本要求是：①靈敏係數k0值要大，並且在較大應變範圍內保持常數；②電阻溫度係數小；③電阻率大，即同樣長度、同樣截面積的電阻絲其電阻值大；④機械強度高，且易於拉絲或輾薄；⑤與銅絲的焊接性好，與其它金屬的接觸電勢小。目前常用的材料有康銅、鎳鉻合金、鎳鉻鋁合金、鉑、鉑鎢合金等。箔式應變片敏感柵材料常採用康銅、鎳鉻。康銅是應用最廣泛的材料，其k0值對應變的恒定性非常好，在彈性變形範圍內保持為常數，康銅的電阻溫度係數較小而且穩定，康銅的加工性能好；鎳鉻合金比康銅的電阻率高，抗氧化能力好，因此它使用的溫度較高，但是它的電阻溫度係數較大。鎳鉻鋁合金是在鎳鉻合金的基礎上添加鋁等金屬而製成。它既保持了高電阻率和抗氧化性能好的特點，而且電阻溫度係數得到很大的改善。缺點是加工工藝和焊接性能不好。貴金屬及其合金的特點是具有很強的抗氧化能力，適於製作高溫應變片。缺點是電阻率小，電阻溫度係數較大，且價格貴。電阻應變片主要特性靈敏係數前邊講了材料的應變靈敏係數k0，它是針對電阻應變絲的，現在把電阻應變絲製成電阻應變片後，其電阻—應變特性與金屬單絲是不同的，因此必須重新用實驗測定。測定實驗是有統一的標準。實驗證明，兩者在很大範圍內仍然有很好的線性關係。

因為應變片粘貼在試件上不能取下再用，所以每次只能從一批產品中抽取一定百分比的產品來測定，然後取其平均值作為這一批產品的靈敏係數，稱為“標稱靈敏係數”。

大量實驗證明應變片的靈敏係數k恒小於線材的靈敏係數k0，原因是在應變片中存在著所謂橫向效應。電阻應變片主要特性橫向效應由於應變片的線柵長度一般小於導線長度，所以在製成應變片時，存在有橫向部分，它的存在使得在同樣應力作用下，電阻變化量減小，即靈敏係數k0減小了，這種現象稱為橫向效應。敏感柵的縱柵愈窄、愈長，而橫柵愈寬、愈短，則橫向效應的影響愈小。電阻應變片主要特性機械滯後、零漂及蠕變

機械滯後：對貼有應變片的試件進行迴圈加載或卸載時，發現兩種情況下的曲線不重合，稱為機械滯後。圖2-21機械滯後

產生機械滯後的原因，主要是應變片的各個部分有殘存的應力。零漂：在一定溫度下，應變片不承受載荷時，其電阻值隨時間增長而逐漸變化的特性稱為零點漂移，簡稱零漂。蠕變：在一定溫度下，應變片承載不變的作用力時，指示應變會隨時間而變化，這種現象稱為蠕變。在應變片工作時，零漂和蠕變是同時存在的。在蠕變值中包含著同一時間內的零漂值。這兩項指標都是用來衡量應變片時間穩定性的參數，它們直接影響長時間測量的結果是否準確。

電阻應變片主要特性應變極限和線性度應變極限：粘貼在試件上的應變片所能測量的最大應變值稱為應變極限。在恒溫的試件上施加均勻而緩慢變化的拉伸載荷，當應變片的指示應變低於真實應變值的10％時，該真實應變值作為應變片的應變極限。圖2-22應變極限線性度

：應變片粘貼在試件上後，對試件逐漸加載，應變片的特性曲線嚴格地說不是一條直線，即在大應變時出現了非線性。應變片的非線性通常是很小的，一般要求在0.05％以內。電阻應變片主要特性絕緣電阻、允許工作電流絕緣電阻：指應變片的引線與被測試件之間的絕緣電阻值。此值應大於108歐姆，若此值太小，則基片會使金屬箔短路。允許工作電流：指允許通過應變片而不影響其工作特性的最大工作電流。顯然，工作電流大，應變片輸出信號也大，靈敏度高。一般靜態測量時的允許工作電流為25mA左右，動態測量可以高一些。箔式電阻應變片的允許工作電流比金屬絲電阻應變片的允許工作電流要大許多。

2.2.3溫度誤差及補償

粘貼在試件上的電阻應變片，除感受機械應變而產生電阻相對變化外，在環境溫度變化時，也會引起電阻的相對變化，產生虛假應變，甚至有時會產生與真實應變同數量級的誤差。必須採取補償溫度誤差的措施。通常溫度誤差補償方法有兩類：下頁上頁返回圖庫自補償法

1．單絲自補償法：單絲補償法是根據給定試件的材料和選定的敏感柵來適當控制柵絲的溫度係數，以盡可能地減小虛假應變輸出，這種方法只適用於特定材料，補償溫度範圍也比較窄。

2．組合式自補償法線路補償法組合式補償法又稱為雙金屬絲柵法。它的應變片敏感柵絲是由兩種不同溫度係數的金屬絲串接組成的。一種形式是選用兩種具有正負溫度係數的電阻絲焊接而成，P38圖2－25

調整R1和R2的比例，使溫度變化時產生的電阻變化數值相等，方向相反。

組合式自補償應變片的另一種形式是,兩種串接的電阻絲具有相同符號的溫度係數，兩者都為正或都為負，圖2-26組合式自動補償法之二從電橋原理知道，由於溫度變化引起的相鄰橋臂電阻變化相等或很接近，此時的電橋輸出電壓為0或極小。

補償精度比較高，缺點是只適合特定試件材料。另外補償電阻R2總是會感受一定的應變，在橋路中與工作柵R1敏感的應變起抵消作用，從而使應變片的靈敏度下降。電路補償法它同樣是利用電橋的原理，

圖2-27電橋補償法另外對於某些特殊的應變測試條件，可以巧妙安裝應變片而做到既不需要補償片又能提高靈敏度的“雙贏”效果。圖2-28差動電橋補償法電橋補償法簡單易行，使用普通應變片就可對各種試件材料在較大溫度範圍內進行溫度補償，因而最為常用。

2.2.4應變式電阻感測器的測量電路

應變式電阻感測器通常是由彈性體、電阻應變片、應變膠和測量橋路組成。

彈性體將被測力成比例地轉換為應變，用應變膠將電阻應變片粘貼在彈性體表面的適當位置，這樣應變片可以與彈性體同步發生應變，應變片進一步將應變成比例地轉換為電阻的相對變化量；

彈性體作用：承載被測力，將力轉變為應變。結構形式：柱型、懸臂梁型、雙端固支梁型、薄壁環型、圓板型、框型等。圖2-32荷重感測器彈性元件的形式圖2-33梁式力感測器用途特點體重秤額定載荷

150Kg重複性0.03%F·S額定輸出2.5mV/V±10%;1.0mV/V±10%(半橋)蠕變30(min)0.1%F·S零點輸出±5%F·S使用溫度-10℃~+40℃輸入電阻1000±10Ω零點輸出溫度影響0.05%F·S/℃輸出電阻1000±10Ω額定輸出溫度影響0.01%F·S/℃激勵電壓5-15VDC絕緣電阻2000MΩ(100V)非線性0.05%F·S超載能力150%F·S滯後0.05%F·S材料

2.2.4應變片式電阻感測器的測量電路測量電路需要將電阻變化進一步轉換成電壓，才便於用測量儀錶進行測量。

電阻變化量一般都採用電橋電路作為轉換電路，根據電橋電源的不同，可將電橋分為直流電橋和交流電橋。直流橋：容易獲得穩定的直流電源，易於和顯示儀錶連接，但直流放大器有零漂問題。交流橋：需要穩頻、穩幅的電源，交流放大器沒有零漂。直流電橋:圖2-29直流電橋電阻應變片工作時，通常其電阻變化是很小的，例：已知公式：

初始電阻R=120

靈敏度係數K=2

縱向應變=1000=1‰時求：該應變片電阻的絕對變化量R=0.24電橋相應輸出電壓也很小，所以為了提高電橋靈敏度或為進行溫度補償，電橋結構常採用差動形式，即在試件上安裝兩個工作應變片，一片受壓，一片受拉，然後接入電橋相鄰橋臂；或者採用四臂電橋，粘貼四個工作應變片作為不同的橋臂，下麵以四臂電橋為例分析直流電橋的工作情況：直流電橋平衡條件直流電橋電壓靈敏度交流電橋交流電橋的平衡條件：需要滿足兩個條件，即相對兩個橋臂複阻抗的模之積相等，並且其輻角之和相等。圖2-30交流電橋對這種交流電容電橋，除要滿足電阻平衡條件外，還要滿足電容平衡條件。為此在橋路上除設有電阻平衡調節外還設有電容平衡調節。圖2-31常見調平衡電路例：已知公式：初始電阻R=120

靈敏度係數K=2

縱向應變=1000=1‰時求：該應變片電阻的絕對變化量

R=0.24

上述一例中各參數均為產品較有代表性的參數。而縱向應變量也取得十分大（通常應變片的線性工作範圍僅有600

）。由上例中可以得出以下結論：應變片式感測器對應變產生的電阻變化量很小，通常是在幾個歐姆以下。要求測量電路必須能夠測量微小電阻的變化。電橋電路是最常用的測量微小電阻變化的電路。2.2.5應變片式電阻感測器的應用舉例應變式測力感測器（荷重感測器）圓柱式力感測器梁式力感測器應變式壓力感測器：測量流動介質動態或靜態壓力應變式扭矩感測器：測量軸承的扭矩應變式加速度感測器補充內容：半導體應變感測器

半導體應變感測器是以半導體應變片作為敏感元件，利用半導體材料的壓阻效應來實現測量的。它和金屬應變片相比，具有靈敏係數高（比金屬應變片的靈敏係數大50～100倍）、機械滯後小、體積小以及耗電量少等優點；但半導體應變片的電阻溫度係數大，非線性也大，這些缺點不同程度地制約了它的應用發展。不過，隨著近年來半導體積體電路工藝的迅速發展，相繼出現了擴散型、外延型和薄膜型半導體應變片，使其缺陷得到了一些改善。補充內容：薄膜應變感測器薄膜：通過物理方法或化學、電化學反應，以原子、分子或離子顆粒形式受控地凝結於一固態支撐物（基底）上所形成的薄膜狀的固體材料，其厚度約在數十埃至數微米之間。目前採用的薄膜技術主要有真空蒸發、濺射、等離子化學氣相澱積（即等離子CVD）等。薄膜應變感測器的特點：

①薄膜應變片可以同彈性體鍵合在一起，構成整體式薄膜感測器。這樣可以避免因粘片工藝所帶來的誤差元素（如蠕變、滯後等）。

②薄膜應變感測器其穩定性很高，電阻溫度係數又很小，這些都是普通應變片式感測器和擴散型感測器所不及的。薄膜應變感測器適用於航太、航空工業以及高溫環境中。

③薄膜應變片的阻值可做得很高，通常均可做到幾千到幾萬歐姆，因而可在低功耗狀態下工作。

④薄膜應變片式感測器的量程很大，擴散矽型壓力感測器的量程一般不太大，這是因為擴散矽本身的感壓元件就是矽本身，由於矽較脆，故不宜承受較大載荷。新型納米薄膜壓力感測器一種新型的電阻應變納米薄膜壓力感測器，日前在湖南長沙索普測控技術有限公司研製成功。業內人士宣稱，這項納米技術應用產品的問世，對提高中國壓力測量水準具有劃時代的意義。

電阻應變納米薄膜壓力感測器採用原子搬遷原位生長納米薄膜功能材料、積體電路微細加工等多項尖端技術，將納米薄膜應變電阻直接製作在金屬彈性體上，實現了敏感組件與彈性體的原子結合，有效地解決了傳統壓力感測器中"零點漂移"這一重大技術難題，真正實現了在高溫、高壓、惡劣環境下的長期穩定性和可靠性。專家稱，中國每年壓力感測器的市場需求量達到30億元。這項納米技術新產品的問世，為未來功能材料特別是智能複合功能材料的發展開闢了新的天地，具有十分廣闊的發展前景。

電感式感測器下頁返回

電感式感測器是基於電磁感應原理工作的。它將被測參數的變化轉換為線圈的自感係數L或互感係數M的變化。圖庫可以用來測量位移、振動、壓力、流量、重量、力矩、應變等多種物理量。電感式感測器的核心部分是可變自感或可變互感，在被測量轉換成線圈自感或互感的變化時，一般要利用磁場作為媒介或利用鐵磁體的某些現象。這類感測器的主要特徵是具有線圈繞組。3.1.1自感式感測器的工作原理

這類感測器是將被測位移轉換為線圈自感係數的變化，常見的結構有變氣隙式和變截面積式（屬於可變磁阻式）。圖3-l變氣隙式感測器結構原理圖線圈的電感值L可按下式計算：——線圈匝數——磁路總磁阻如果氣隙厚度較小，且不考慮磁路的鐵損，則總磁阻可表示為3.1.1自感式感測器的工作原理通常導磁體的磁阻與氣隙的磁阻相比很小，計算時可以忽略。因此線圈的電感值可以表示為下頁上頁返回圖庫圖3-2變截面積型自感式感測器圖3-3差動自感式感測器從上式可知，此時電感L與氣隙成非線性，改善非線性可以採用差動結構或者縮小測量範圍的方法，因此變氣隙型適合小位移（0.001－1mm）的檢測。3.1.1自感式感測器的工作原理下頁上頁返回圖庫Flash動畫演示:氣隙型自感式感測器的工作原理截面型自感式感測器的工作原理（a)截面型自感式感測器的工作原理(b)差分結構自感式感測器的工作原理3.1.2靈敏度與非線性

根據定義來分析靈敏度、線性度（非線性誤差）：從提高靈敏度的角度看，初始空氣隙l0距離應儘量小。其結果是被測量的範圍也變小。同時，靈敏度的非線性也將增加。如採用增大空氣隙等效截面積和增加線圈匝數的方法來提高靈敏度，則必將增大感測器的幾何尺寸和重量。

差動結構的靈敏度、非線性誤差分析：由此可見差動式感測器其靈敏度與單極式比較提高一倍，非線性大大減小。下頁上頁返回圖庫3.1.3等效電路

自感式感測器常採用鐵磁體作為鐵心，所以感測器的線圈從電路角度來看並非純電感，它既有線圈的銅損，又有鐵芯的渦流及磁滯損耗，一個電感線圈的完整等效電路可用圖3-4表示。圖3-4電感線圈等效電路

式中Rm---磁路總磁阻；

Zm---鐵芯部分的磁阻抗；

Z0--空氣隙的磁阻抗。下頁上頁返回圖庫3.1.4測量電路自感式感測器實現了把被測量的變化轉變為電感量的變化。為了測出電感量的變化，同時也為了送入下級電路進行放大和處理，就要用轉換電路把電感變化轉換成電壓(或電流)變化。交流電橋是可變磁阻式電感感測器的主要測量電路。交流電橋的形式很多，下麵介紹使用較為普遍的兩種電橋：變壓器電橋和橋式相敏整流電路。

變壓器電橋橋式相敏整流電路下頁上頁返回圖庫3.1.5零點殘餘電壓

在電橋預平衡時，無法實現平衡，最後總要存在著某個輸出值ΔU0，這稱為零點殘餘電壓，如圖3一10所示。圖3-10U0-l特性它的存在使得感測器輸出特性在零點附近的範圍內不靈敏，限制了分辨力的提高。其值太大，將使感測器線性度變壞，靈敏度下降，甚至會使放大器飽和，堵塞有用信號通過，致使儀器不再反映被測量的變化。因此零點殘餘電壓是衡量感測器性能的主要指標之一。對它進行認真分析，找出減小的方法，是很重要的。下頁上頁返回圖庫3.1.5零點殘餘電壓產生的原因：①感測器的等效參數（電氣參數和磁路參數）不可能完全相等；②供電電源引入的高次諧波和工頻干擾。如何消除？①在設計及製造時，對材質的選擇、加工工藝等方面力求保證磁路、線圈、結構等的均勻一致。②線上路中加入補償措施。3.1.6自感式感測器的特點以及應用

自感式感測器有如下幾個特點：

①靈敏度高，最高分辯力達0.1μm（線位移）；

②分辨力與測量範圍有關，測量範圍大，分辨力低，測量範圍小，分辯力高，所以適用於測量較小位移；

③輸出信號比較大，在某些情況下可不經過放大直接接二次儀錶；

④對激勵電源的頻率和幅度的穩定度要求較高

⑤感測器本身的頻率回應不高，不適於快速動態測量。

圖3-11測氣體壓力的電感感測器圖3-12壓差感測器下頁上頁返回圖庫3.2變壓器式感測器

這類感測器是將被測位移轉換為感測器的初級線圈與次級線圈之間耦合程度的變化（即互感係數M的變化），由於它利用了變壓器的原理，又採用了差動結構，故通常稱其為差動變壓器式感測器。3.2.1工作原理3.2.2等效電路及其特性3.2.3差動變壓器式感測器的測量電路3.2.4零點殘餘電壓的補償3.2.5變壓器式感測器的應用舉例下頁上頁返回圖庫3.2.1工作原理它實質上是一種變壓器，主要由原邊繞組、副邊繞組和鐵心組成。它往往做成差動形式，副邊兩個繞組進行“差接”（反極性串聯）。被測參數轉換為互感係數的變化，在其原邊繞組施加電壓後，由於互感係數變化，副邊差接繞組的感應電勢將相應地發生變化。差動變壓器的結構主要有變氣隙式、截面積式和螺管式。螺管式差動變壓器的結構和工作原理。下頁上頁返回圖庫3.2.1工作原理電氣連接圖初級線圈P由交流恒壓源EP供電後，由電磁感應在次級線圈S1和S2產生感應電勢Es1

和Es2，次級線圈端最後的輸出電壓Es=Es1-Es2；和普通變壓器不同的是：初級、次級間耦合磁通路徑的鐵芯可以移動，從而使M發生變化，即鐵芯移動使P和S1以及P和S2間的互感係數M1和M2向相反方向變化，輸出電壓Es是兩個感應電勢之差，它的大小可以反映鐵芯軸向位移，其相位則取決於鐵芯的位移方向。3.2.2等效電路及其特性差動變壓器式感測器等效電路特性分析輸出特性：靈敏度：差動變壓器的靈敏度是指在單位電壓激勵下，鐵心移動單位距離時的輸出電壓變化量，其單位為mV/mm/V。一般螺管式差動變壓器的靈敏度大於5mV/mm/V。下頁上頁返回圖庫3.2.2等效電路及其特性提高靈敏度的措施：增大差動變壓器的幾何尺寸，一般線圈的長度為其直徑的1.5－2.0倍較為合適。適當提高激勵頻率。增大鐵芯直徑，但不應觸及線圈骨架；鐵芯採用導磁率高、鐵損小、渦流損耗小的材料。在不使初級線圈過熱的前提條件下儘量提高激勵電壓。3.2.3差動變壓器式感測器的測量電路

差動變壓器的輸出為交流電壓，如用交流電壓表來測量其輸出值存在下述問題：①交流電壓表只能反映鐵心位移的大小，無法判別銜鐵的移動方向。②差動變壓器的輸出存在零點殘餘電壓，因而零位附近的小位移量測量困難。為此常採用必要的測量電路來解決以上問題。最普遍的測量電路是：一、相敏檢測（整流）電路二、差動整流電路圖3-20差分整流電路電流輸出用於連接低阻抗負載例如動圈式電流錶電壓輸出用於連接高阻抗負載例如數字電壓表下頁上頁返回圖庫3.2.3差動變壓器式感測器的測量電路差分整流電路動畫演示電路總的輸出電壓為：usc=u24-u68

圖3-21全波整流電壓輸出電路的輸出波形3.2.4零點殘餘電壓的補償

與電感感測器相似，差分變壓器也存在零點殘餘電壓問題。零點殘餘電壓的存在使得感測器的特性曲線不通過原點，並使實際特性不同於理想特性。圖3-22補償零點殘餘電壓的電路下頁上頁返回圖庫3.2.5變壓器式感測器的應用舉例圖3-23差動變壓器式位移感測器圖3-24差動變壓器式壓力感測器圖3-25微壓感測器圖3-26加速度感測器下頁上頁返回圖庫

主要用來測量位移，以及能轉換為位移的物理量如振動、加速度、力、壓力、厚度等。IWS集成一體化非接觸電感位移感測器IWS系列是德國米銥公司推出的一種新型電感位移感測器，用於非接觸測量位移、位置或者振動，對被測體無作用力、也無磨損。在IWS感測器裏，信號處理是由集成在感測器殼體裏的積體電路完成。由此帶來的優點是感測器安裝電纜長度變化不需要再校準。在15VDC供電時，給用戶提供的靈敏度是1V/mm。用於測量動態的極限工作頻率為1KHz。

IWS有2個品種：

4mm量程適用於鐵磁材料

3mm量程適用於鋁以及其他的非鐵磁性金屬材料。transSENSOR

電感差動變壓器位移計

感測器由LVDT感測器和MSC感測器變送器組成:LVDT感測器頭transSENSOR

電感差動變壓器位移計1,DTA推杆式位移感測器頭

測量範圍：+/-1/3/5/10/15/25/50mm線性度：+/-0.5%,+/-0.3%,+/-0.15%解析度：近似無限勵磁頻率：1-5KHZ工作溫度：-20℃--+80℃,和120℃

2,DTA自複位式測量頭測量範圍：+/-1/3/5/10mm線性度：+/-0.5%,+/-0.3%,和+/-0.15%勵磁頻率：2-5KHZ工作溫度：20℃--+80℃

電容式感測器

電容傳感技術是在近幾年來取得很大進展的，它不但被廣泛地用於位移、振動、加速度等機械量的測量，而且逐步擴大應用於差壓、液面、料位、成分含量等方面的測量。下頁返回圖庫4.1電容式感測器的工作原理及類型

電容器是電子技術的三大類無源元件（電阻、電容和電感）之一，電容式感測器就是利用電容器的原理，將非電量的變化轉換為電容量的變化，進而實現非電量測量的一種感測器。一、工作原理由物理學可知，兩個平行金屬極板組成的電容器，如果不考慮其邊緣效應，其電容為下頁上頁返回圖庫式中ε--兩個極板間介質的介電常數；

s--兩個極板相對有效面積；

d--兩個極板間的距離下頁上頁返回

由上式可知，當被測參數使得電容器的介電常數、有效面積、間距發生變化時，電容量隨之變化。如果保持其中兩個參數不變而僅改變另一個參數，就可以將該參數的變化單值地轉換為電容量的變化。二、類型根據上述原理，在應用中電容式感測器可以有三種基本類型：改變極板間距離的變極距(或稱變間隙)型、改變極板面積的變面積型、改變介質介電常數的變介電常數型。4.1電容式感測器的工作原理及類型圖庫4.1電容式感測器的工作原理及類型1．變極距型電容感測器圖4－1是變極距型電容感測器的結構原理圖。圖中1為固定極板；2為活動極板，其位移是被測量變化而引起的。當活動極板向上移動一定距離時，由此引起的電容增量為下頁上頁返回圖庫可以看出電容增量與移動距離不是線性關係。但實際應用中若滿足量程遠小於極板間初始距離時，可以認為兩者是線性關係。因此這種類型的電容感測器一般用來測量微小變化的量，如0.01微米至1毫米的線位移等。在實際應用中，為了改善非線性、提高靈敏度和克服外界因素（如激勵源電壓、環境溫度等）對測量的影響，通常把感測器做成差動結構形式，當活動極板2向上移動時，上下兩個電容量將會同時發生變化，它們一個電容值隨位移增加，另一個電容值則相應減小。4.1電容式感測器的工作原理及類型

2.變面積型電容感測器圖4－2是變面積型電容感測器的一些結構示意圖。當被測量變化使活動極板產生位移時，就改變了電極間的遮蓋面積，電容量C也就隨之變化。對於電容間遮蓋面積由S變為S’時，則電容增量為此時電容的變化量與面積的變化量成線性關係。因此與變極距型相比，變面積型的測量範圍大，可測較大的線位移或角位移。圖b結構的具體定量關係。4.1電容式感測器的工作原理及類型

3．變介電常數型電容感測器圖4－3是變介電常數型電容感測器的結構原理圖。這種感測器大多用來測量介電質的厚度（圖a）、位移（圖b）、液位、液量（圖c），還可根據極間介質的介電常數隨溫度、濕度、容量改變而改變來測量溫度、濕度、容量（圖d）等。圖a測厚度的定量關係。以圖(c)測液面高度為例，其電容量與被測量的關係為4.2電容感測器的靈敏度及非線性

這裏我們先討論變極距型的平板電容感測器的靈敏度。假設極板間只有一種介質，如圖4-1情況。下頁上頁返回圖庫對單極式電容運算式為：其初始電容值為：當極板距離有一個增量Δd時，則感測器電容為：4.2電容感測器的靈敏度及非線性

靈敏度k為下頁上頁返回圖庫

只有比值d/d0

很小時才可認為是接近線性關係，這就意味著使用這種形式感測器時，被測量範圍不應太大。

減小d0，靈敏度提高；同時d0小，電容容易擊穿，而且加工精度要求高，非線性誤差增大。4.2電容感測器的靈敏度及非線性為在比較大的範圍內使用此種感測器，可適當的增大極板間的初始距離d0

，以保證比值d/d0不致過大，但會帶來靈敏度下降的缺點，同時也使電容感測器的初始值減小，寄生電容的干擾作用將增加。常採用差動式電容感測器（靈敏度提高一倍）變面積型和變介電常數型(測厚除外)電容感測器具有很好的線性。但它們的結論都是忽略了邊緣效應得到的。實際上由於邊緣效應仍存在非線性問題，且靈敏度下降，但比變極距型好得多。下頁上頁返回圖庫4.2電容感測器的靈敏度及非線性非線性誤差分析：單極式差動結構作業：要求寫出線性度的概念、線性度理想直線選取的種類（至少三種以上）、分析變極距型電容感測器的線性度。4.3電容感測器的特點1.邊緣效應前邊對電容感測器工作原理、靈敏度、非線性分析均未考慮電容極板間電場的邊緣效應。在平行極板的邊緣部分，電力線是彎曲的，因而產生附加電容，附加電容的存在使得電容感測器的靈敏度下降、非線性誤差增大，這種現象稱為電容感測器的邊緣效應。因此要想辦法消除和減小邊緣效應的影響。4.3電容感測器的特點為了減小邊緣電場對測量的影響，電極應製作得儘量薄（如在絕緣材料上蒸鍍金屬膜）並儘量減小極板之間的間距。以圓平行極板而言，當時，邊緣電場的影響可以忽略。但間距小，電容容易被擊穿並有可能限制測量範圍。因此較好的辦法是加防護環。

圖4-5帶有等位環的平板電容4.3電容感測器的特點2.絕緣和遮罩電容感測器的電容量一般都很小，僅有幾個—幾百個皮法，對於如此小的電容量，若激勵源頻率又不高，則電容感測器本身的容抗就很高，可達幾兆歐至上百兆歐，可見其絕緣和遮罩問題十分突出。絕緣問題：對於電容感測器，幾兆歐的絕緣電阻只能看作是感測器的一個漏電旁路。這個漏電阻將與感測器電容構成複數阻抗而通過測量電路影響輸出，而且漏電阻會隨溫度和濕度發生變化，帶來感測器的零點漂移。4.3電容感測器的特點

在選擇絕緣材料時，不僅要有低的膨脹係數和幾何尺寸的長期穩定性，還應具有高的絕緣電阻、低的吸濕性和高的表面電阻，如採用玻璃、石英、陶瓷等材料，而不用夾布膠木等一般電氣絕緣材料。此外，採用較高的激勵源頻率（如數十千赫至數兆赫），以降低感測器的容抗，也相應地降低了對絕緣電阻的要求。4.3電容感測器的特點遮罩問題：寄生分佈電容使感測器電容量改變，由於感測器本身電容量小，並且寄生分佈電容又極不穩定，這就導致感測器特性的不穩定。克服寄生電容影響最常用的辦法：是對感測器電容及其引出線採取遮罩措施，即將感測器電容置於金屬殼體內，然後將金屬殼體接大地，這樣就消除了感測器電容與殼體外部導體之間不穩定的寄生電容耦合；金屬外殼遮罩同時起到了消除外界靜電場和交變電磁場的干擾作用。同樣，感測器電容的引出線必須採用遮罩線，其遮罩層應良好接地。4.3電容感測器的特點但是，儘管採用接地良好的遮罩線，對電容感測器仍存在下列兩個問題：①遮罩線本身電容量大，大的每米可達上百微微法。當遮罩線較長且其電容與感測器電容相並聯，使感測器的電容相對變化大大降低，因而使感測器的靈敏度大大降低。②電纜本身的電容量由於放置位置和形狀不同而有很大變化，這將使感測器特性不穩定。4.3電容感測器的特點

電纜電容的影響是電容感測器需要解決的關鍵技術問題，積體電路技術的發展，為此問題的解決創造了良好條件。一種解決方法是將測量電路的前級或全部放大環節裝在離感測器機械部分很近的位置，以儘量縮短遮罩線的長度，從而減小電纜電容的影響。另一種方法是採用驅動遮罩技術。4.3電容感測器的特點3.電容感測器的特點

優點

缺點下頁上頁返回圖庫4.電容式感測器的等效電路

圖4-44.3電容感測器的特點

優點：①需要的作用能量低②動態回應快③本身發熱的影響小④結構簡單，適應性強，能在惡劣環境條件下工作下頁上頁返回圖庫4.3電容感測器的特點

缺點：①輸出阻抗高，負載能力差②寄生電容影響大③輸出特性非線性下頁上頁返回圖庫4.4電容式感測器的轉換電路

電容式感測器把被測量轉換成電路參數C0，為了滿足實際測量或控制的應用，還需要將電路參數C進一步轉換成電壓、電流、頻率等電量參數。目前這樣的轉換電路種類很多，一般歸結為兩大類型下頁上頁返回圖庫調製型（分為調頻電路和調幅電路）脈衝型(或稱為電容充放電器)4.4電容式感測器的轉換電路

脈衝型轉換電路的基本原理是利用電容的充放電。兩種性能較好、較常用的電路是下頁上頁返回圖庫動畫演示

雙T型充放電網路脈衝調寬型電路運算放大器式電路這種電路的優點：克服變極距型感測器的非線性輸出。4.5電容式感測器的應用舉例

電容感測器可用來測量直線位移、角位移，振動振幅(可測至0.05μm的微小振幅)，尤其適合測量高頻振動振幅、精密軸系回轉精度、加速度等機械量，還可用來測量壓力、差壓力、液位、料面、糧食中的水分含量、非金屬材料的塗層、油膜厚度、測量電介質的濕度、密度、厚度等等。當測量金屬表面狀況、距離尺寸、振動振幅時，往往採用單電極式變極距型電容感測器，這時被測物是電容器的一個電極，另一個電極則在感測器內。下頁上頁返回圖庫4.5電容式感測器的應用舉例圖4-19差動式電容壓力感測器圖4-21電容式加速度感測器結構示意圖圖4-22電容式料位感測器圖4-23電容式振動位移感測器圖4-24電容式振動位移感測器應用示意圖下頁上頁返回圖庫

壓電式感測器

壓電式感測器是一種有源的雙向機電感測器。它的工作原理是基於壓電材料的壓電效應。石英晶體quartzcrystal的壓電效應早在1680年即已發現，1948年製作出第一個石英感測器。下頁返回圖庫piezoelectricity6.1壓電效應與壓電材料一、壓電效應某些晶體或多晶陶瓷，當沿著一定方向受到外力作用時，內部就產生極化現象，同時在某兩個表面上產生符號相反的電荷；當外力去掉後，又恢復到不帶電狀態；當作用力方向改變時，電荷的極性也隨著改變；晶體受力所產生的電荷量與外力的大小成正比。上述現象稱為正壓電效應。具有壓電效應的物體稱為壓電材料。反之，如對晶體施加一定變電場，晶體本身將產生機械變形，外電場撤離，變形也隨著消失，稱為逆壓電效應。也稱電致伸縮效應。

下頁上頁返回圖庫6.1壓電效應與壓電材料壓電式感測器大都是利用壓電材料的壓電效應製成的。但由於壓電晶體的各向異性，並不是所有的壓電晶體都能在以下變形狀態下產生壓電效應。壓電轉換元件受力變形的狀態可分為圖6-1所示的幾種基本形式。例如石英晶體就沒有體積變形壓電效應。但它具有良好的厚度變形和長度變形壓電效應。下頁上頁返回圖庫6.1壓電效應與壓電材料二、典型材料的壓電效應壓電材料基本上可分為三大類，即壓電晶體、壓電陶瓷和有機壓電材料。壓電晶體是一種單晶體，例如石英晶體；壓電陶瓷是一種人工製造的多晶體，例如鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等；有機壓電材料屬於新一代壓電材料，主要有高分子壓電材料。它們的壓電特性各有不同。6.1壓電效應與壓電材料圖6-4石英晶體受力方向與電荷極性的關係下頁上頁返回圖庫1.石英晶體的壓電效應圖6-2石英晶體的外形和晶軸石英晶體是SiO2，原先結構對稱，電荷呈中性，受到力的作用時，結構發生變化，不同的受力方向會產生不同的壓電特性。圖6-3石英晶體壓電效應示意圖

在沿著X軸方向力的作用下，會產生電荷，稱為縱向壓電效應；在沿著Y軸方向力的作用下，也會產生電荷，稱為橫向壓電效應；而沿著Z軸方向受力時，不會產生電荷。6.1壓電效應與壓電材料石英晶體不但絕緣性能好，機械強度高，而且它的壓電溫度係數很小，在20－200℃溫度範圍內，溫度每升高1℃，壓電係數僅減小0.016％。除此之外，它的居裏溫度為575℃，也就是說，當使用溫度到575℃時才會失去壓電特性。石英晶體資源較少，價格較貴，而且它的壓電係數比壓電陶瓷的壓電係數低很多，因此石英晶體只是在校准用的標準感測器或精度要求很高的感測器中才得到採用。6.1壓電效應與壓電材料2.壓電陶瓷的壓電效應壓電陶瓷是一種人工製造的多晶鐵電體。鐵電體：外電場作用下引起的極化現象在外電場除去後不會消失的電介質。壓電陶瓷材料必須經過一定溫度下的極化處理才具有壓電特性。圖6-5壓電陶瓷的極化過程和壓電原理圖

目前常用的壓電陶瓷材料有鈦酸鋇BaTiO3及鋯鈦酸鉛Pb(ZrTi)O3。後者壓電性能（壓電係數高的性能好）和溫度穩定性都優於前者。6.1壓電效應與壓電材料壓電陶瓷與石英晶體相比：靈敏度高（壓電係數是石英晶體的幾十倍）；機械強度低，可承受的壓力小；居裏點低；壓電陶瓷剛剛極化時特性不穩定，經過兩三個月後壓電係數才能保持為一個常數，經過兩年後，壓電係數又會下降，所以這類感測器需要經常校準。6.1壓電效應與壓電材料3.高分子材料的壓電效應高分子材料的壓電效應比較複雜，可以簡單用類似鐵電體的機理加以解釋。最典型的高分子壓電材料是：聚偏氟乙烯圖6-6聚偏氟乙烯壓電效應

高分子材料的壓電係數很高，約為壓電陶瓷的10倍，另外高分子材料的聲阻抗遠小於壓電陶瓷，而且具有品質輕、機械強度好、是做電聲、生物醫用感測器很好的材料。聚偏氟乙烯

這種高分子材料是在20世紀中期出現的，其中性能最突出、應用最廣泛的是聚偏氟二乙烯PVF2，最初它是作為一種優良的熱塑性工程塑膠問世的，它作為傳感材料而嶄露頭角是從70年代後期開始的，首先是日本學者在1969年報道了這種材料經適當處理後表現出異乎尋常的壓電性，隨後人們發現了它的熱釋電性；這些發現引起了感測器界濃厚的興趣，於是使用這類“敏感”薄膜的感測器在世界各地的實驗室誕生，如話筒、揚生器等電聲器件中的壓電薄膜；利用其壓電性能和良好的柔韌性可以應用於心音、血壓等生理參數的測量，日本人用這種薄膜研製出胎兒心音換能器；再比如壓電薄膜投幣感測器的出現等。6.1壓電效應與壓電材料4.壓電方程與壓電係數壓電元件受到力F作用時，在相應的表面產生電荷Q，力F與電荷Q之間存在如下關係：Q=dF,其中d稱為壓電係數，在確定了施力方向和相應的表面電荷以後，它是一個常數。以石英晶體為例：沿X軸，Qx=d33×Px

沿y軸，Qy=-d31(a/b)Py？兩個方向同時有作用力呢當晶體在任意受力狀態下所產生的表面電荷可以由一個方程組決定，這個方程組稱為壓電方程。P118這樣壓電材料的壓電特性就可以用它的壓電常數矩陣表示。下頁上頁返回圖庫6.2等效電路壓電式感測器感受被測量的變化是通過其壓電元件產生電荷量的大小來反映的，因此它相當於一個電荷源。而壓電元件電極表面聚集電荷時，它又相當於一個以壓電材料為電介質的電容器，其電容量為：式中s--極板面積εr--壓電材料相對介電常數

0--真空介電常數δ--壓電元件厚度下頁上頁返回圖庫6.2等效電路當壓電元件受外力作用時，兩表面產生等量的正、負電荷Q，此時壓電元件的開路電壓(認為其負載電阻為無窮大)U為下頁上頁返回圖庫

由此可見，只有在外電路負載無窮大，內部也無漏電時，受力所產生的電壓U才能長期保存下來。為此在測量一個變化頻率很低的參數時，就必須保證負載具有很大的數值，從而保證漏電造成的電壓降很小，不致造成顯著誤差。這時負載常要達到數百兆歐以上。壓電傳感器的測量特點。6.2等效電路如果把壓電式感測器與測量儀錶連在一起時，還應考慮到連接電纜電容，如果放大器的輸入電阻為Ri,，輸入電容為Ci，完整的等效電路為圖6－8所示。圖6-8壓電式感測器測試系統的等效電路這裏可以把壓電元件等效為一個電荷源Q和一個電容器Ca的等效電路，如圖6-8(a)中的虛線方框；同時也等效為一個電壓源U和一個電容器Ca串聯的等效電路，如圖6-8的虛線方框所示。其中Ra為壓電元件的漏電阻。6.3測量電路

與壓電傳感器配用的測量電路，必須是一個高輸入阻抗的放大器。為了使放大器有高的輸入阻抗，常在壓電傳感器輸出端後面，先接一個高輸入阻抗的前置放大器，然後再接一般的放大電路及其它電路。因此壓電傳感器的測量電路關鍵在於高輸入阻抗的前置放大器。前置放大器的作用有兩個：第一是把壓電傳感器的微弱信號放大；第二是把感測器的高輸出阻抗變換為低阻抗輸出。下頁上頁返回圖庫6.3測量電路

根據壓電元件的工作原理及上節所述兩種等效電路，與壓電元件配套的測量電路的前置放大器也有兩種形式：電壓放大器：其輸出電壓與輸入電壓(壓電元件的輸出電壓)成正比。電荷放大器：其輸出電壓與輸入電荷成正比。6.3測量電路6.3.1電壓放大器

電壓放大器的作用是將壓電式感測器的高輸出阻抗經放大器變換為低阻抗輸出，並將微弱的電壓信號進行適當放大．因此也把這種測量電路稱為阻抗變換器。

分析電路圖。

下頁上頁返回圖庫6.3測量電路6.3.2電荷放大器由於電壓放大器使所配接的壓電式感測器的電壓靈敏度將隨電纜分佈電容及感測器自身電容的變化而變化，而且電纜的更換得引起重新標定的麻煩，為此又發展了便於遠距離測量的電荷放大器，目前它巳被公認是一種較好的衝擊測量放大器。下頁上頁返回圖庫圖6-11電荷放大器等效電路分析電路圖6.4壓電式感測器的應用舉例

壓電元件是一種典型的力敏感元件。傳統壓電材料構成的壓電傳感器適合測量壓力、振動、加速度等動態測量。新一代高分子材料壓電傳感器適合生物醫學領域測量。

下頁上頁返回圖庫6.4.1壓電式測力感測器圖6-13

壓電式單向測力感測器圖6-14

壓電式壓力感測器6.4壓電式感測器的應用舉例

6.4.2壓電式加速度感測器圖6-15消除振動加速度影響的壓電式壓力感測器結構圖6-16壓電式加速度感測器結構原理圖

下頁上頁返回圖庫6.5影響壓電式感測器精度的因素分析6.5.1非線性

壓電傳感器的幅值線性度是指被測物理量(如力、壓力、加速度等)的增加，其靈敏度的變化程度。

6.5.2橫向靈敏度壓電加速度感測器的橫向靈敏度是指當加速度感測器感受到與其主軸向(軸向靈敏度方向)垂直的單位加速度振動時的靈敏度，一般用它與主軸向靈敏度的百分比來表示，稱為橫向靈敏度比。下頁上頁返回圖庫6.5影響壓電式感測器精度的因素分析6.5.3環境溫度的影響

環境溫度的變化對壓電材料的壓電常數和介電常數的影響都很大，它將使感測器靈敏度發生變化，壓電材料不同，溫度影響的程度也不同。當溫度低於400℃時，其壓電常數和介電常數都很穩定。6.5.4濕度的影響環境濕度對壓電式感測器性能的影響也很大。如果感測器長期在高濕度環境下工作，其絕緣電阻將會減小，低頻回應變壞。下頁上頁返回圖庫6.5影響壓電式感測器精度的因素分析6.5.5電纜雜訊為了減小這種雜訊。可使用特製的低雜訊電纜，同時將電纜固緊，以免產生相對運動。6.5.6接地回路雜訊在測試系統中接有多種測量儀器，如果各儀器與感測器分別接地，各接地點又有電位差，這便在測量系統中產生雜訊。防止這種雜訊的有效辦法是整個測量系統在一點接地。而且選擇指示器的輸入端為接地點。下頁上頁返回圖庫6.5影響壓電式感測器精度的因素分析

影響壓電式感測器精度除以上分析的幾個因素外，還存在有聲場效應、磁場效應及射頻場效應、基座應變效應等因素。圖6-17壓電加速度感測器的幅值線性度曲線圖6-18橫向靈敏度圖解圖6-19壓電加速度感測器橫向靈敏度極座標曲線下頁上頁返回圖庫

光電式感測器下頁

光電式感測器是利用光敏元件將光信號轉換為電信號的一種感測器。它的敏感波長在可見光波長附近，包括紅外線波長和紫外線波長。光電感測器不只局限於對光的探測，它還可以作為探測元件組成其他感測器，對許多非電量進行檢測，它是目前產量最多、應用最廣的感測器之一。圖庫返回7.1光電效應

光是一種頻率很高的電磁波，同時它又具有粒子性，也就是說光照射在物體上可以看成是一連串的具有能量為E的粒子轟擊在物體上。所謂光電效應就是指一些物體（金屬、金屬氧化物、半導體）在光的照射下釋放電子的現象。下頁上頁返回1.外光電效應（多產生於金屬或金屬氧化物）指在光的照射下，材料中的電子逸出表面的現象。光電管及光電倍增管均屬這一類。它們的光電發射極，即光明極就是用具有這種特性的材料製造的。2.內光電效應（多產生於半導體材料）當物體在光的照射下所釋放的電子沒有逸出物體表面，而只在物體內部運動並使其電特性發生變化，這種現象稱為內光電效應。內光電效應又分為光電導效應和光生伏特效應。圖庫7.1光電效應（1）光電導效應當半導體材料受到光的照射時，如果入射光子的能量大於其禁帶寬度，則半導體內載流子數目增多，改變了半導體的電導率，從而使半導體的電阻減小。光敏電阻即屬此類。（2）光生伏特效應當半導體的PN結受到光照射時，如果入射光子的能量大於禁帶寬度，在PN結兩側便會產生一定方向的電勢，這個電勢稱為光生電動勢。光電池屬於這一類。7.2.1光電管與光電倍增管下頁上頁返回一、構造二、特性

圖7-2光電管的結構圖、測量電路圖7-4光電管的特性圖庫1．光電特性表示當光電管的陽極電壓一定時，陽極電流I與入射在陰極上光通量φ之間的關係。2．伏安特性當入射光的頻譜及光通量一定時，陽極與陰極之間的電壓同光電流的關係叫伏安特性。

3．光譜特性由於光陰極對光譜有選擇性，因此光電管對光譜也有選擇性。保持光通量和陽極電壓不變，陽極電流與光波長之間的關係叫光電管的光譜特性。光電管尚有溫度特性、疲勞特性、慣性特性、暗電流和衰老特性等，使用時應根據產品說明書和有關手冊合理選用。光電倍增管的結構及工作原理7.2.2光敏電阻下頁上頁返回光敏電阻是用具有內光電效應的光導材料製成的，為純電阻元件，其阻值隨光照增強而減小。光敏電阻優點：靈敏度高，體積小、重量輕，光譜回應範圍寬，機械強度高、耐衝擊和振動，壽命長。缺點：使用時需要有外部電源，同時當有電流通過它時，會產生熱的問題。

圖7-5光敏電阻的結構及表示符號圖庫7.2.3光敏二極體和光敏三極管下頁上頁返回當二極體和三極管的PN接受到光照射時，通過PN結的電流將增大。光敏二極體和光敏三極管則必須使PN結能受到最大的光照射。

圖7-7光敏三極管

圖7-6光敏二極體圖庫7.2.4光電池下頁上頁返回光電池是基於光生伏特效應製成的，是自發電式有源器件。它有較大面積的PN結，當光照射在PN結上時，在結的兩端出現電動勢。圖7-8光電池的構造和表示符號圖庫7.5光纖感測器下頁上頁返回光導纖維光纖感測器的工作原理和典型結構圖庫7.5.1光導纖維下頁上頁返回一、光導纖維的結構和傳輸原理光導纖維(簡稱光纖)是用比頭髮絲還細的石英玻璃絲製成的，每一根光導纖維由一個圓柱形纖芯和包層組成，而且纖芯的折射率n1略大於包層的折射率n2，它們的相對折射率差用Δ表示，

Δ=1-n2/n1

通常Δ為0.005～0.14。二、光導纖維的種類

1.光導纖維按其折射變化情況分為：階躍型漸變型

2.按其傳輸模式多少來分類，則有單模和多模兩種

圖7-26光導纖維的種類圖庫7.5.2光纖感測器的工作原理和典型結構下頁上頁返回

光纖感測器按其工作原理來分有：

功能型(或稱物性型、傳感型)

其光纖不僅作為光傳播的波導而且具有測量的功能。它可以利用外界物理因素改變光纖中光的強度、相位、偏振態或波長，從而對外界因素進行測量和數據傳輸。可分為振幅調製型、相位調製型及偏振態調製型。圖7-27微彎光纖感測器圖庫非功能型(或稱結構型、傳光型)

其光纖只是作為傳光的媒介，還需加上其他敏感元件才能組成感測器。光纖測溫感測器