《传感器与检测技术》课件 广教版 项目3 重力和压力的检测；项目4 物位检测

项目3重力和压力的检测任务3.1基于电阻应变式传感器的电子秤设计

任务3.2基于压阻式传感器的汽车发动机吸气压力检测

任务3.3基于压电式传感器的物体压力检测任务3.1基于电阻应变式传感器的电子秤设计3.1.1电阻应变片的工作原理

导体或半导体材料在外界力的作用下，会产生机械变形，其电阻值也将随着发生变化，这种现象称为应变效应。下面我们以金属丝应变计为例来分析应变效应。

设有一长度为l、截面积为S、半径为r、电阻率为ρ的金属丝，它的电阻值R可表示为：

（3-1）任务3.1基于电阻应变式传感器的电子秤设计

当沿金属丝的长度方向作用均匀拉力（或压力）时，上式中ρ、r、l都将发生变化（见图3-1）,从而导致电阻值R发生变化。例如金属丝受拉时，l将变长、r变小，均导致R变大。

电阻的变化为：

（3-2）

令电阻丝的轴向应变为ε=Δl/l，径向应变为Δr/r，由材料力学可知Δr/r=-μ(Δl/l)=-με，μ为电阻丝材料的泊松系数。经整理可得：

（3-3）任务3.1基于电阻应变式传感器的电子秤设计

通常把单位应变所引起的电阻相对变化称为电阻丝的灵敏度，其表达式为：

（3-4）

从式（3-4）可以看出，电阻丝灵敏度系数K由两部分组成：受力后由材料几何尺寸变化引起的1+2μ；由材料电阻率变化引起的(Δρ/ρ)/ε。对于金属丝材料，(Δρ/ρ)/ε的值比1+2μ小很多，可以忽略，故有K≈1+2μ。任务3.1基于电阻应变式传感器的电子秤设计

大量实验证明，在电阻丝拉伸比例极限内，电阻相对变化与应变成正比，即K为常数。通常金属丝的K=1.7～3.6。式（3-4）可写成：

（3-5）由材料力学可知，ε=F/(SE)，其中E为弹性模量，所以ΔR/R又可表示为：

（3-6）

如果应变片的灵敏度K和试件的横截面积S以及弹性模量E均为已知，则只要设法测出的数值，即可从式（3-6）中得到试件受力F的大小。任务3.1基于电阻应变式传感器的电子秤设计3.1.2电阻应变片的结构与分类1.电阻应变片的类型电阻应变片的结构形式很多，但其主要组成部分基本相同。电阻丝应变片通常用高电阻率的电阻丝制成。为了获得高的阻值，将电阻丝排列成栅网状，称为敏感栅，并粘贴在绝缘的基片上，电阻丝的两端焊接引线。敏感栅上面粘贴有保护用的覆盖层，如图3-2所示。1-引线2-覆盖层3-基底4-敏感栅图3-2金属电阻应变片的结构及组成

任务3.1基于电阻应变式传感器的电子秤设计2.电阻应变片的分类金属电阻应变片有金属丝式、金属箔式和薄膜式三种典型结构，如图3-3所示。（a）金属丝式

（b）金属箔式

（c）薄膜式图3-3几种不同类型的电阻应变任务3.1基于电阻应变式传感器的电子秤设计（1）金属丝式：金属丝式应变计由直径为0.02～0.05mm的锰白铜丝或镍铬丝绕成敏感栅。由于金属丝式应变计蠕变较大，金属丝易脱胶，有逐渐被箔式应变计所取代的趋势。但金属丝式应变计价格便宜，多用于要求不高的应变的大批量、一次性试验。任务3.1基于电阻应变式传感器的电子秤设计（2）金属箔式：金属箔通过光刻、腐蚀等工艺制成箔栅。箔的材料多为电阻率高、热稳定性好的铜镍合金(锰白铜)。箔的厚度一般为几微米，箔栅的尺寸、形状可以根据使用者的需要制作。由于金属箔式应变计与片基的接触面积比金属丝式大得多，所以散热条件较好，可允许流过较大的电流，而且在长时间测量时蠕变也较小。箔式应变计的一致性较好，适合于大批量生产，目前广泛用于各种应变式传感器的制造中。任务3.1基于电阻应变式传感器的电子秤设计（3）薄膜式：金属薄膜式应变计的敏感栅是用蒸镀或溅射法沉积的金属、合金薄膜制成的。在绝缘基片上蒸镀金属材料薄膜，最后加上保护层，其厚度一般在0.1μm以下。也可以直接蒸镀在弹性元件的绝缘层表面，不易产生蠕变。它是近年来薄膜技术发展的产物。任务3.1基于电阻应变式传感器的电子秤设计1.刚度刚度是弹性元器件在外力作用下变形大小的量度，一般用k表示，即

（3-7）

式中：F——作用在弹性元器件上的外力；

x——弹性元器件产生的变形。3.1.3电阻应变片的主要特性任务3.1基于电阻应变式传感器的电子秤设计2.灵敏度灵敏度是指弹性敏感元器件在单位力作用下产生变形的大小，在弹性力学中称为弹性元器件的柔度。它是刚度的倒数，用K表示，即

（3-8）在测控系统中，希望K是常数。任务3.1基于电阻应变式传感器的电子秤设计3.弹性滞后实际的弹性元器件在加/卸载的正反行程中变形曲线是不重合的，这种现象称为弹性滞后现象，它会给测量带来误差。产生弹性滞后的主要原因是弹性敏感元器件在工作过程中分子间存在内摩擦。当比较两种弹性材料时，应都用加载变形曲线或都用卸载变形曲线，这样才有可比性。4.零漂和蠕变对于已粘贴好的应变片，在温度保持恒定、不承受应变作用时，应变片的电阻值会随时间增加而变化的特性，称为应变片的零点漂移，简称零漂。在一定温度下，使应变片承受恒定的机械应变，其电阻值会随时间增加而变化的特性称为蠕变。在应变片工作时，零漂和蠕变是同时存在的。任务3.1基于电阻应变式传感器的电子秤设计5.温度效应用作测量应变的金属应变片，希望其阻值仅随应变变化，而不受其他因素的影响。实际上应变片的阻值受环境温度（包括被测试件的温度）影响很大。这种由温度变化引起的应变片电阻变化，从而产生虚假应变的现象，称为应变片的温度效应。由温度效应给测量带来的附加误差称为应变片的温度误差，又称为热输出。任务3.1基于电阻应变式传感器的电子秤设计

金属应变片的电阻变化范围很小，如果直接用欧姆表测量其电阻值的变化将十分困难，且误差很大，这从下面的运算结果就可看出来。【例3-1】有一金属箔式应变片，标称阻值R0为100Ω，灵敏度K=2，粘贴在横截面积为9.8mm2的钢制圆柱体上，钢的弹性模量E=2×1011N/m2，钢圆柱所受拉力F=0.2t，求受拉后应变片的阻值R。【解】钢圆柱体的轴向应变3.1.4电阻应变片的桥式测量电路任务3.1基于电阻应变式传感器的电子秤设计

通常情况下，可以认为粘贴在试件上的应变片的应变约等于试件上的应变，所以有

应变片电阻的变化量

由于应变片受到拉伸，所以电阻值比标称阻值增加了ΔR。受拉力后的阻值R为

直接用欧姆表很难观察到这0.2的变化，所以必须使用不平衡电桥来测量这一微小的变化量。任务3.1基于电阻应变式传感器的电子秤设计

下面分析利用桥式测量转换电路是如何将ΔR/R转换成输出电压Uo的。

图3-4称为桥式测量转换电路，简称电桥。电桥的一个对角线结点接入电源电压Ui，另一个对角线结点为输出电压Uo。当电桥输出端有放大器时，由于放大器的输入阻抗很高，所以可以认为电桥的负载电阻为无穷大，输出电压为电桥输出端的开路电压。

（3-9）任务3.1基于电阻应变式传感器的电子秤设计

为了使电桥在测量前的输出电压为零，应该选择四个桥臂电阻，使R1R3=R2R4或R1/R2=R4/R3，这就是电桥平衡的条件。四个桥臂电阻中任意一个、两个、三个甚至四个发生变化，此电桥平衡条件即不成立，使输出电压Uo不为零，此时的输出电压Uo就反映了桥臂电阻变化的情况。

（a）基本应变桥路（b）桥路的调零原理图3-4桥式测量转换电路任务3.1基于电阻应变式传感器的电子秤设计1.单臂电桥当电桥中R1为电阻应变片，R2、R3、R4为电桥固定电阻，这就构成了单臂电桥。当产生应变时，若应变片电阻R1变化为ΔR，其它桥臂固定不变，电桥输出电压Uo≠0，则电桥不平衡输出电压为

（3-10）

若取R1=R2=R3=R4=R0，因为ΔR<<R1，则

（3-11）任务3.1基于电阻应变式传感器的电子秤设计2.双臂半桥

当电桥中R1、R2为电阻应变片，R3、R4为电桥固定电阻，这就构成了双臂电桥。工作应变片R1、R2接入电桥两相邻臂，跨在电源两端。感受到的应变ε1、ε2以及产生的电阻增量ΔR1、ΔR2大小相等，方向相反，ΔR1=ΔR2=ΔR。同样，可推导出公式为

（3-12）任务3.1基于电阻应变式传感器的电子秤设计3.四臂全桥

当四个桥臂均接有应变片，即四个桥臂电阻都发生变化时称为四臂全桥。设初始时R1=R2=R3=R4=R0，工作时各个桥臂中电阻的变化为ΔR1、ΔR2、ΔR3、ΔR4，两个电阻应变片受拉，两个电阻应变片受压，即ΔR1=ΔR3=ΔR，ΔR2=ΔR4=-ΔR，则电桥输出为

（3-13）

任务3.1基于电阻应变式传感器的电子秤设计4.电桥的零点输出调整

实际使用中，R1～R4不可能成严格的比例关系，所以即使无载荷时，电桥的输出电压也不能严格为零，因此，必须设置“零点输出调整电路”。可采用并联电位器RP的方法来调零，如图3-4b所示。任务3.1基于电阻应变式传感器的电子秤设计

任务3.2基于压阻式传感器的汽车发动机吸气压力检测

任务3.3基于压电式传感器的物体压力检测

对一块半导体沿某一轴向施加一定的应力而产生应变时，它的电阻率会发生一定的变化，这种现象称为半导体的压阻效应。压阻式传感器就是基于半导体材料的压阻效应原理工作的，它也属于一种电阻式传感器。

半导体应变片受轴向力作用时，其电阻相对变化仍可用金属丝电阻应变片方程式（3-3）表示。实验证明，对于金属电阻应变片而言，其中Δρ/ρ很小，即电阻率的变化很小，因而可以忽略不计，所以金属电阻应变片的电阻变化主要由金属材料的几何尺寸所决定。但对于半导体材料而言，情况正好相反，由材料几何尺寸变化而引起电阻的变化很小，可忽略不计，而Δρ/ρ很大，也就是说，半导体材料电阻的变化主要由半导体材料电阻率的变化所造成，这就是压阻式传感器的工作原理。任务3.2基于压阻式传感器的汽车发动机吸气压力检测3.2.1半导体材料的压阻效应

压阻式传感器电阻的变化表示为

（3-18）

式中：πl——半导体晶体纵向压阻系数；

σ——应力；

E——半导体材料弹性模量；

ε——应变。任务3.2基于压阻式传感器的汽车发动机吸气压力检测

1.压阻式传感器的结构

半导体应变片由基片、敏感栅和电极引线等部分组成，基片是绝缘胶膜，敏感栅由硅或锗等半导体材料构成，内引线是连接基片和敏感栅的金属线，带状电极引线又称外引线，一般由康铜箔等制成，如图3-11所示。任务3.2基于压阻式传感器的汽车发动机吸气压力检测3.2.2压阻式传感器的结构与特性

根据敏感栅形成的方法不同，压阻式传感器主要有体型、薄膜型和扩散型三种类型。体型半导体应变片是一种将硅或锗晶体按一定方向切割成的片状小条，经腐蚀压焊粘贴在基片上而成的应变片；薄膜型半导体应变片是利用真空沉积技术，将半导体材料沉积在带有绝缘层的试件上而制成；扩散型半导体应变片是将P型杂质扩散到N型硅单晶基底上，形成一层极薄的P型导电膜片而制成。任务3.2基于压阻式传感器的汽车发动机吸气压力检测

2.压阻式传感器的特性（1）应变-电阻特性以硅片应变片为例，由图3-12可知，N型半导体受压时，阻值变小；P型半导体受压,时，阻值变大。且在数百微应变内呈线性，在较大的应变范围内则呈非线性。任务3.2基于压阻式传感器的汽车发动机吸气压力检测（2）电阻-温度特性粘贴在试件上的体型半导体应变片也和金属丝电阻应变片一样受温度变化影响，温度变化引起的电阻变化为

（3-19）

式中：α——敏感栅电阻温度系数；

βg——试件材料线膨胀系数；

βs——敏感栅材料线膨胀系数；S——敏感栅灵敏度系数；Δt——温度变化值。任务3.2基于压阻式传感器的汽车发动机吸气压力检测

因为半导体材料对温度很敏感，温度稳定性和线性度比金属电阻应变片差得多，因此，压阻式传感器的温度误差较大，必须要有温度补偿。

压阻式传感器的测量电路仍然使用平衡电桥。由于制造、温度影响等原因，电桥存在失调、零位温漂、灵敏度温度系数和非线性等问题，以致影响传感器的准确性。因此，必须采取减小与补偿误差措施。任务3.2基于压阻式传感器的汽车发动机吸气压力检测3.2.3压阻式传感器的测量电路1.恒流源供电电桥恒流源供电的全桥差动电路如图3-13所示。任务3.2基于压阻式传感器的汽车发动机吸气压力检测

假设ΔRT为温度引起的电阻变化，而IABC=IADC=½I，所以电桥的输出为

（3-20）

可见，电桥的输出电压与电阻变化成正比，与恒流源电流成正比，但与温度无关，因此此测量不受温度的影响。任务3.2基于压阻式传感器的汽车发动机吸气压力检测2.零点与灵敏度温度补偿

采用图3-14所示的零漂和灵敏度漂移补偿电路，可以有效地解决零漂和灵敏度漂移问题。

并联电阻RP//R2，串联电阻Rs、R1用于抑制零位温漂，串联电阻Rs起调零作用，并联RP电阻起补偿作用。串联二极管VD，用于灵敏度的温漂补偿。任务3.2基于压阻式传感器的汽车发动机吸气压力检测任务3.1基于电阻应变式传感器的电子秤设计

任务3.2基于压阻式传感器的汽车发动机吸气压力检测

任务3.3基于压电式传感器的物体压力检测任务3.3基于压电式传感器的物体压力检测3.3.1压电式传感器的工作原理1.压电效应

压电现象是100多年前居里兄弟研究石英时发现的。某些电介质，当沿着一定方向对其施加力而使其变形时，内部就产生极化现象，同时在它的两个表面上会产生异号电荷，当外力消失后，又重新恢复到不带电状态，这种现象称为压电效应，如图3-20所示。任务3.3基于压电式传感器的物体压力检测

当作用力的方向改变时，电荷极性也随之改变。当在电介质极化方向施加电场，这些电介质也会发生变形，这种现象称为逆压电效应（或电致伸缩效应），说明压电效应具有可逆性。压电式压力传感器都是利用压电材料的正压电效应。

在晶体的弹性限度内，压电材料受力后，其表面产生的电荷Q与所施加的力F成正比，即：

Q=dFx

（3-22）

式中

d——压电系数。任务3.3基于压电式传感器的物体压力检测2.压电材料

自然界中的大多数晶体具有压电效应，但压电效应十分明显的并不多。天然形成的石英晶体、人工制造的压电陶瓷、锆钛酸铅、钛酸钡等材料是压电效应性能优良的压电材料。压电材料基本上可分为三大类：压电晶体（单晶体）、经过极化处理的压电陶瓷（多晶体）和高分子压电材料。任务3.3基于压电式传感器的物体压力检测（1）石英晶体（单晶体）

石英晶体是一种性能良好的压电晶体，其化学式为SiO2，为单晶结构，天然结构的石英晶体呈六角形晶柱，如图3-21(a)所示。石英晶体是各向异性材料，不同晶向具有各异的物理特性，用x、y、z轴来描述,如图3-21(b)所示。z轴又称为光轴，它与晶体的纵轴线方向一致；x轴又称为电轴，经过六面体相对的两个棱线并垂直于光轴；y轴又称为机械轴，是与x轴和z

轴同时垂直的轴。任务3.3基于压电式传感器的物体压力检测

从晶体上沿x、y、z轴线切下的一片平行六面体的薄片称为晶体切片，如图3-21(c)所示。通常把沿电轴x方向的力作用下产生电荷的压电效应称为纵向压电效应；把沿机械轴y方向的力作用下产生电荷的压电效应称为横向压电效应；而沿光轴z方向的力作用时不产生压电效应。（a）完整的石英晶体（b）石英晶片的切割（c）石英晶片任务3.3基于压电式传感器的物体压力检测

石英晶体的压电效应与其内部结构有关，产生极化现象的机理可用图3-22来说明。石英晶体的每个晶胞中有3个硅离子和6个氧离子，1个硅离子和2个氧离子交替排列（氧原子是成对出现的）。沿光轴看去，可以等效地认为它是如图3-22(a)所示的正六边形排列结构。（a）未受力的石英晶体（b）受x向压力时的石英晶体（c）受y向压力时的石英晶体1-正电荷等效中心

2-负电荷等效中心

任务3.3基于压电式传感器的物体压力检测①在无外力作用时，如图3-22(a)所示。硅离子所带正电荷的等效中心与氧离子所带负电荷的等效中心是重合的，整个晶胞不呈现带电现象。任务3.3基于压电式传感器的物体压力检测②当石英晶体受到沿x轴方向的压力作用时，如图3-22(b)所示，晶体沿x方向将产生压缩变形，正负电荷重心不再重合，在x轴的正方向出现正电荷，电偶极矩在y方向上的分量仍为零，不出现电荷。在晶体的线性弹性范围内，当沿x轴方向作用压力Fx时，在与x轴垂直的平面上产生的电荷量为：

Q=d11Fx

（3-23）式中d11——沿x轴方向施力的压电系数；

Fx——沿x轴方向的作用力。任务3.3基于压电式传感器的物体压力检测③当晶体受到沿y轴方向的压力作用时，如图3-22(c)所示。在x轴上出现电荷，它的极性为x轴正向为负电荷，在y轴方向上不出现电荷。在晶体的线性弹性范围内，当沿y轴方向作用压力Fy时，在与x轴垂直的平面上产生的电荷量为：

（3-24）式中

d12——沿y轴方向施力的压电系数，由于晶体的轴对称，所以d12=-d11；

a——石英晶片的长度，单位为m；

b——石英晶片的宽度，单位为m；

Fy——沿y轴方向的作用力任务3.3基于压电式传感器的物体压力检测④如果沿z轴方向施加作用力，因为晶体在x方向和y方向所产生的形变完全相同，所以正负电荷重心保持重合，电偶极矩矢量和等于零。这表明沿z轴方向施加作用力，晶体不会产生压电效应。任务3.3基于压电式传感器的物体压力检测综上所述，石英晶体具有以下结构特性：①沿x轴、y轴方向作用力时，可产生压电效应。沿z轴方向施力，无压电效应。同样道理，如果对石英晶体的各个方向同时施加相等的力（如液体压力、热应力等），石英晶体无压电效应。②不论沿x轴方向还是y轴方向作用力，正、负电荷等效中心只在x轴方向移动，此为极化方向，即电荷只产生在垂直于x轴的两平面上。③沿y轴方向作用拉力与沿x轴方向作用压力，晶胞结构变形相同，因而产生的电荷极性相同；同理，沿x轴方向作用拉力与沿y轴方向作用压力而产生的电荷极性相同。任务3.3基于压电式传感器的物体压力检测

石英晶体的突出优点是性能非常稳定。在20～200℃的范围内压电系数的变化率只有-0.0001/℃。此外，它还具有自振频率高、动态响应好、机械强度高、绝缘性能好、迟滞小、重复性好、线性范围宽等优点。石英晶体的不足之处是压电系数较小（d=2.31×10-12C/N）。因此石英晶体大多只在标准传感器、高准确度传感器或温度较高的传感器中使用，而在一般要求的测量中，基本上釆用压电陶瓷任务3.3基于压电式传感器的物体压力检测

（2）压电陶瓷（多晶体）

与石英晶体不同，压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料。晶体内有许多自发晶化的电畴，它有一定的极化方向，但是在极化处理之前，这些电畴分布杂乱，自发极化效应相互抵消，不具有压电性质，如图3-23(a)所示。（a）未极化（b）)已极化图3-23压电陶瓷任务3.3基于压电式传感器的物体压力检测

当在陶瓷上施加外加电场时，电畴的极化方向发生转动，趋向于按外电场方向排列，从而使材料得到极化。外电场愈强，就有更多的电畴完全地转向外电场方向。当外电场强度达到饱和程度时，所有的电畴极化方向都整齐地与外电场方向一致，使陶瓷材料得到极化。当外电场去掉后，电畴极化方向基本不变，剩余极化强度很大，所以，压电陶瓷极化后才具有压电特性，未极化时是非压电体，如图3-23(b)所示。任务3.3基于压电式传感器的物体压力检测

极化处理后陶瓷材料内部存在有很强的剩余极化，当陶瓷材料受到外力作用时，电畴的界限发生移动，电畴发生偏转，从而引起剩余极化强度的变化，因而在垂直于极化方向的平面上将出现极化电荷的变化。这种因受力而产生的由机械效应转变为电效应、机械能转变为电能的现象，就是压电陶瓷的正压电效应。电荷量的大小与外力成如下的正比关系：

Q=d33F

（3-25）式中d33——压电陶瓷的压电系数；

F——作用力。任务3.3基于压电式传感器的物体压力检测

压电陶瓷的压电系数比石英晶体的大得多，所以采用压电陶瓷制作的压电式传感器的灵敏度较高。但压电陶瓷的特性不稳定，随时间变化比较明显，用压电陶瓷做成的传感器要经常校准。压电陶瓷除作为机械能转换为电能的传感器导件之外，还经常用作电能转换为机械能的执行控制器件。

目前使用较多的压电陶瓷材料是锆钛酸铅（PZT）系列，它是钛酸铅（PbTiO2）和锆酸铅（PbZrO3）组成的（Pb（ZrTi）O3）。其居里点在300°C以上，性能稳定，有较高的介电常数和压电系数。任务3.3基于压电式传感器的物体压力检测3）压电高分子材料

高分子材料属于有机分子半结晶或结晶聚合物，其压电效应较复杂，不仅要考虑晶格中均匀的内应变对压电效应的贡献，还要考虑高分子材料中非均匀内应变所产生的各种高次效应以及同整个体系平均变形无关的电荷位移而表现出来的压电特性。

典型的高分子压电材料有聚偏二氟乙烯（PVF2或PVDF）、聚氟乙烯（PVF）、改性聚氯乙烯（PVC）等。高分子压电材料的工作温度一般低于100°C，温度升高，会导致其灵敏度降低。因此，高分子压电材料常用于对测量精度要求不高的场合，如水声测量、防盗、振动测量等方面。任务3.3基于压电式传感器的物体压力检测3.压电材料的主要特性指标（1）压电系数d。它表示压电材料产生电荷与作用力的关系。它是衡量材料压电效应强弱的参数，它直接关系到压电元件的输出灵敏度。一般用单位作用力产生电荷的多少来表示，单位为C/N(库仑/牛顿)。（2）弹性常数。压电材料的弹性常数、刚度是决定其固有频率和动态的重要参数。（3）介电常数。这是决定压电晶体固有电容的主要参数，而固有电容影响传感器工作频率的下限值。任务3.3基于压电式传感器的物体压力检测（4）机械耦合系数。衡量压电材料机电能量转换效率的重要参数，其值等于转换输出能量（如电能）与输入能量（如机械能）之比的平方根。（5）电阻R。它是压电晶体的内阻，它的大小决定其泄漏电流。（6）居里点。压电材料的温度达到某一值时，便开始失去压电特性，这一温度称为居里点或居里温度。任务3.3基于压电式传感器的物体压力检测4.压电式传感器

（1）压电式测力传感器

根据压电效应，压电式传感器可以直接用于实现力-电转换。压电式单向测力传感器的结构如图3-24所示，它主要由石英片、绝缘套、电极、上盖和基座等组成。上盖为传力元件，当受外力作用时，它将产生弹性形变，将力传递到石英晶片上，利用石英晶片的压电效应实现力-电转换。绝缘套用于绝缘和定位。该传感器可用于机床动态切削力的测量。（a）单向力传感器外形（b）三维切削力传感器外形（c）内部结构1－刚性传力上盖2－压电片3－电极4－电极引出插头5－绝缘材料6－底座图3-24压电式单向动态力传感器任务3.3基于压电式传感器的物体压力检测

（2）压电式加速度传感器

压电式加速度传感器的结构如图3-25所示，它主要由压电元件、质量块、预压弹簧、基座和外壳组成。整个部件用螺栓固定。a）原理图b）中心压缩式压电加速度传感器结构c）环形剪切式压电加速度传感器结构d）外形1－基座2－引出电极3－压电片4－质量块5－弹簧6－壳体7－固定螺孔图3-25常用的压电式振动加速度传感器

任务3.3基于压电式传感器的物体压力检测

压电元件一般由两片压电片组成，在压电片的两个表面镀上一层银，并在银层上焊接输出引线，或在两个压电片之间夹一片金属，引线就焊接在金属片上，输出端的另一根引线直接与传感器基座相连。在压电片上放置一个密度较大的质量块，然后用一个硬弹簧或螺栓、螺帽对质量块预加载荷。整个组件装在一个厚基座的金属壳体中，为了隔离试件的任何应变传递到压电元件上去，避免产生假信号输出，一般要加厚基座或选用刚度较大的材料来制造基座。任务3.3基于压电式传感器的物体压力检测

测量时，将传感器基座与试件刚性固定在一起。当传感器与被测物体一起受到冲击振动时，由于弹簧的刚度相当大，而质量块的质量相对较小，可以认为质量块的惯性很小，因此，质量块与传感器基座感受到相同的振动，并受到与加速度方向相反的惯性力的作用，这样，质量块就有一个正比于加速度的交变力作用于压电片上：F=ma。由于压电片的压电效应，因此，在它的两个表面上产生交变电荷Q，当振动频率远低于传感器的固有频率时，传感器的输出电荷与作用力成正比，即与试件的加速度成正比：

Q=d11F=d11ma

（3-26）式中d11——压电系数；

m——质量块的质量；

a——加速度；

F——作用力。任务3.3基于压电式传感器的物体压力检测5.压电元件的连接

压电元件作为压电式传感器的敏感部件，单片压电元件产生的电荷量很小，在实际应用中，通常采用两片（或两片以上）同规格的压电元件粘结在一起，以提高压电式传感器的输出灵敏度。

由于压电元件所产生的电荷具有极性区分，相应的连接方法有两种，如图3-26所示。从作用力的角度看，压电元件是串接的，每片受到的作用力相同，产生的变形和电荷量大小也一致。(a)同极性黏结(b)不同极性黏结图3-26压电元件连接方式任务3.3基于压电式传感器的物体压力检测

图3-26（a）从电路上看是并联接法，类似两个电容的并联。所以，外力作用下正负电极上的电荷量增加了一倍，电容量也增加了一倍，输出电压与单片时相同。

图3-26（b）从电路上看是串联接法，两压电片中间粘结处正负电荷中和，上、下极板的电荷量与单片时相同，总电容量为单片的一半，输出电压增大了一倍。

在这两种接法中，并联接法输岀电荷量大、本身电容大、时间常数大，适用于测量慢信号并且以电荷作为输出量的情况。而串联接法输出电压大、电容小，适用于以电压作为输出信号，并且测量电路输入阻抗很高的场合。任务3.3基于压电式传感器的物体压力检测3.3.2压电式传感器的测量电路1.等效电路

如图3-27（a）所示，当压电片受力时，在两电极表面岀现等量而极性相反的电荷。当两极板聚集一定电荷时，两极板就呈现一定的电压，即可等效为一个电容器。因此，压电元件可等效为一个电荷源Q和一个电容Ca的并联电路，如图3-27（b）所示；也可等效为一个电压源Ua以和一个电容Ca的串联电路，如图3-27（c）所示。图3-27(d)所示为压电元件的电路符号。（a）原理图（b）电荷源（c）电压源（d）电路符号图3-27压电元件的等效电路和电路符号

任务3.3基于压电式传感器的物体压力检测

电容器的电容量为：

（3-27）式中A——压电片的面积，单位为m2；

δ——压电片的厚度，单位为m；

εr——压电材料的相对介电常数；

ε0——真空的介电常数（ε0=8.85×10-12F/m）。

而电容器上的电压Ua、电荷量Q和电容量Ca三者之间的关系为：

（3-28）任务3.3基于压电式传感器的物体压力检测

在实际使用中，压电式传感器总是与测量仪器或测量电路相连接，因此还须考虑连接电缆的等效电容Cc、放大器的输入电阻Ri、放大器输入电容Ci以及压电式传感器的泄露电阻Ra，这样，压电式传感器在测量系统中的实际等效电路如图3-28所示。（a）电荷等效图

（b）简化的电荷等效图任务3.3基于压电式传感器的物体压力检测（c）电压等效电路（d）简化的电压等效电路图3-28放大器输入端等效电路任务3.3基于压电式传感器的物体压力检测2.测量电路

由于压电传感器本身的内阻抗很高（通常1010Ω以上），输出能量较小，因此它的测量电路通常要接入一个高输入阻抗前置放大器。其作用一是把它的高输出阻抗（一般1000MΩ以上）变换为低输出阻抗（小于100Ω）；二是放大传感器输出的微弱信号。压电传感器的输出可以是电压信号，也可以是电荷信号，因此前置放大器也有电压放大器和电荷放大器两种形式。任务3.3基于压电式传感器的物体压力检测2.测量电路

由于压电传感器本身的内阻抗很高（通常1010Ω以上），输出能量较小，因此它的测量电路通常要接入一个高输入阻抗前置放大器。其作用一是把它的高输出阻抗（一般1000MΩ以上）变换为低输出阻抗（小于100Ω）；二是放大传感器输出的微弱信号。压电传感器的输出可以是电压信号，也可以是电荷信号，因此前置放大器也有电压放大器和电荷放大器两种形式。任务3.3基于压电式传感器的物体压力检测

（1）电荷放大器

由于运算放大器的输入阻抗很高，其输入端几乎没有分流，故可略去压电式传感器的泄漏电阻Ra和放大器输入电阻Ri两个并联电阻的影响，将压电式传感器等效电容Ca、连接电缆的等效电容Cc、放大器输入电容Ci合并为电容C后，电荷放大器等效电路如图3-28（b）所示。它由一个负反馈电容Cf和高增益运算放大器构成。图中运算放大器的增益为A。由于负反馈电容工作于直流时相当于开路，对电缆噪声敏感，放大器的零点漂移也较大，因此一般在反馈电容两端并联一个电阻Rf，其作用是为了稳定直流工作点，减小零漂；Rf通常为1010～1014Ω，当工作频率足够高时，1/Rf<<ωCf，可忽略（1+A）/Rf。反馈电容折合到放大器输入端的有效电容为Cf′=（1+A）Cf。任务3.3基于压电式传感器的物体压力检测由于

（3-29）因此输出电压为

（3-30）式中“-”号表示放大器的输入与输出反相。当A>>1（通常A=104～106），满足（1+A）Cf＞10（Ca+Cc+Ci）时，就可将上式近似为

（3-31）任务3.3基于压电式传感器的物体压力检测

由此可见，电荷放大器的输出电压Uo只取决于输入电荷Q与反馈电容Cf，与电缆电容Cc无关，且与Q成正比，这是电荷放大器的最大特点。为了得到必要的测量精度，要求反馈电容Cf的温度和时间稳定性都很好，在实际电路中，考虑到不同的量程等因素，Cf的容量做成可选择的，范围一般为100〜104pF。任务3.3基于压电式传感器的物体压力检测

（2）电压放大器

电压放大器的功能是将压电传感器的高输出阻抗变为较低阻抗，并将压电式传感器的微弱电压信号放大。电压放大器电路如图3-28所示。图中电阻R=Ra//Ri=RaRi/（Ra+Ri），电容C=Ca+Ci，而U=Q/Ca，若压电元件受正弦力的作用F=Fmsinωt，则其电压为

（3-32）式中d——压电系数；

Um——压电元件输出电压的幅值，Um=dFm/Ca。任务3.3基于压电式传感器的物体压力检测由此可得放大器输入端Ui，其复数形式为

（3-33）于是可得放大器输入电压的幅值为

（3-34）输入电压和作用力之间相位差为

（3-35）任务3.3基于压电式传感器的物体压力检测在理想情况下，传感器的电阻值Ra与前置放大器输入电阻Ri都为无限大，这时ωR（Ca+Cc+Ci）>>1，代入式（3-35）可得放大器的输入电压幅值为

（3-36）上式表明前置放大器输入电压Uim与频率无关，一般在ω/ω0＞3时，就可以认为Uim与ω无关，ω0表示测量电路时间常数的倒数，即

（3-37）任务3.3基于压电式传感器的物体压力检测

这表明压电传感器有很好的高频响应，但是，当作用于压电元件的力为静态力（ω=0）时，前置放大器的输出电压等于零，因为电荷会通过放大器输入电阻和传感器本身漏电阻漏掉，所以压电传感器不能用于静态力的测量。

当ωR（Ca+Cc+Ci）>>1时，放大器输入电压Uim如式（3-36）所示，式中Cc为连接电缆电容，当电缆长度改变时，Cc也将改变，因而Uim也随之变化。因此，压电传感器与前置放大器之间连接电缆不能随意更换，否则将引入测量误差。项目4物位检测任务4.1基于电容传感器的汽车油量表改造

任务4.2基于超声波传感器的城市排水管道液位检测项目4物位检测项目背景物位——液位、料位、界位。

液位——容器中的液体介质的高低。

料位——容器中固体或颗粒状物质的堆积高度。

界位——两种互不相溶的液体介质的分界面的高低。

物位传感器——液位传感器、料位传感器及界位传感器。物位、液位、料位检测中，液位的检测使用的最广泛，本项目主要介绍液位的检测。液位检测根据检测仪表是否与液位接触分为两类。一类为接触式，包括单法兰静压/双法兰差压液位变送器，浮球式液位变送器，磁性液位变送器，投入式液位变送器，电动内浮球液位变送器，电动浮筒液位变送器，电容式液位变送器，磁致伸缩液位变送器，伺服液位变送器等。第二类为非接触式，分为超声波液位变送器，雷达液位变送器等。项目背景液位计类型液位测量范围/m允许温度/℃允许压力/MPa特点玻璃管式1.5100-150常压读数直观，价格便宜，易破碎。差压式3020015可适合黏性介质浮筒式58016读数直观，价格便宜，无源电容式201203读数精确,温漂小超声波式601000.8受温度影响较大，不适合雾气或粉尘场合以及有泡沫的液体。音叉式2802不能用于连续测量雷达式3512010准确度高，不受蒸气、雾的影响，可在灰尘等恶劣环境工作。核辐射式6060020量程大，适合高温高压等恶劣环境。表4-1液位传感器分类及主要特征任务4.1基于电容传感器的汽车油量表改造

任务导入：最初的汽车油量计采用传统的机械式油量计，存在精度低，稳定性不高，使用环境存在局限等问题，已经被淘汰。随着技术的进步，出现了使用滑动变阻器为基本检测元件的油量计（电阻式液位计），工作原理是由浮子带动电位器，再用欧姆表检测其阻值，从而达到显示油位的目的，但当油垢覆盖电位器后，其阻值会发生变化，造成误差太大，甚至不能使用，使此类油箱传感器成为寿命很短的易损件。另一类是用电感线圈为基本检测元件。它是用浮子带动电感线圈（电感式液位计），改变震荡电路的震荡频率，再通过频率计检测其频率来测定油位。但其结构复杂，调试麻烦，成本高，价格贵，不能被广泛使用。现很多大型客车、重卡等采用电阻式液位计，容易损坏，本任务将电容液位传感器用于东风卡车汽车油量表的改造中，具有精度高、寿命长、稳定性强的特点。相关知识4.1.1电容式传感器的基本原理

电容式传感器是将被测非电量的变化转化成为电容量变化的一种传感器。电容式传感器采用的是平行板电容器，如图所示。我们知道，当忽略边缘效应的时候，平行板电容器的电容C可用下式表示：

ε——电容极板间介质的介电常数；ε0——真空介电常数，其值为8.854×10-12F/m；εr——极板间介质相对介电常数；A——两平行板互相遮盖的有效面积，单位为m2；d——极距，两平行板之间的距离，单位为m.相关知识4.1.1电容式传感器的基本原理由式可知，当A、d或者εr发生变化时，电容量C也会随之发生变化。如果保持上述三个参数中的两个参数不变，改变另外一个参数，就可以将该参数的变化转换成电容量的变化，再通过测量电路将电容量的变化转换为电压、电流或者频率输出并显示，这就是电容传感器的工作原理。电容式传感器具有如下优点1、相对变化量可达到200%以上；2、能在高温和强辐射等恶劣环境中工作；3、所需激励源功率较小；4、动态响应快，适用于动态测量。4.1.2电容式传感器的分类及其特性

根据上述电容传感器的工作原理，按照变化的参数分类，电容传感器可分为变极距式、变面积式及变介质式三种类型。1、变极距型电容传感器变极距式电容传感器如图所示。图中极板1固定不动，极板2为可动电极（动片），当动片随被测量变化而移动时，使两极板间距变化，从而使电容量产生变化。图4-2（b）为电容与距离的关系曲线。当传感器的A和ε为定值，初始极距为d0时，初始电容的值可表示为：

当动极板2移动x值后，电容值可表示为：4.1.2电容式传感器的分类及其特性由式可知，变极距式电容传感器电容值C与极距的变化量x不是线性关系。由上式可知，此时电容值C与动极距x为线性关系。即当极距的变化量相对初始极距值较小时，才有线性关系。这样导致这种传感器应用在线性范围的量程较小。变极距式电容传感器的灵敏度K为：所以当d0较小时，该类型传感器灵敏度较高，动极板的微小位移变化可产生较大的电容变化量。一般电容式传感器的其实电容量在20~300nF之间，极板距离在25~200µm的范围，最大位移应小于极板间距的10%，所以电容传感器经常应用于微小位移的测量。相反，当d0过小时，电容器容易短路或被击穿，所以，极板间可采用高介电常数的材料，例如云母、塑料膜等。4.1.2电容式传感器的分类及其特性2、变面积式电容传感器变面积式电容传感器分为平板形、圆柱形及角位移式三种类型，分别如图所示(1)平行板型变面积电容传感器如图4-3（a），动极板移动引起两极板有效覆盖面积A改变，使电容量发生变化。当动极板相对于定极板沿长度方向平移x时，电容量C也随之变为：增加极板长度b，减小极板间距d均可以提高传感器的灵敏度。但是当d太小时，容易发生短路。4.1.2电容式传感器的分类及其特性(2)圆柱型变面积电容传感器平板形结构对极距变化特别敏感，对精度影响较大。但是圆柱形结构受极板径向变化的影响很小，成为实际中最常采用的结构。圆柱形电容式传感器如图4-3(b)所示忽略边缘效应时，电容量C为：式中：l——外圆筒与内圆柱覆盖部分的长度；r2——圆筒内半径；r1——内圆柱外半径。当两圆筒相对移动Δl时，电容变C为：4.1.2电容式传感器的分类及其特性(3)角位移式电容传感器如图4-3（c），当动极板有一个角位移θ时，与定极板间的有效覆盖面积就发生改变，从而改变了两极板间的电容量。初始状态，当θ=0时，则初始电容为：当动极板转动角度θ时，电容值变为：

4.1.2电容式传感器的分类及其特性从以上分析可知,变面积电容传感器在理论上均为线性关系,但实际上只在中间一小段是线性的（如图4-5所示），与变极距型相比，灵敏度较低。多用于检测直线位移、角位移、尺寸等参量。4.1.2电容式传感器的分类及其特性3、变介电常数型电容式传感器介质的介电常数也是影响电容传感器电容量的一个因素。由于各种介质的介电常数不同，故在电容器两极板间加以不同介电常数的介质时，电容器的电容量会随之发生变化。利用这种原理制成的传感器在检测容器中液面高度、片状材料厚度等方面得到普遍应用。介质名称相对介电常数介质名称相对介电常数介质名称相对介电常数真空1玻璃釉3-5聚苯乙烯2.4-2.6空气略大于1二氧化硅38变压器油2-4其他气体1-1.2云母5-8环氧树脂3-10硅油2-3.5干纸2-4高频陶瓷10-160聚丙烯2-2.2干谷子3-5纯净水80聚四氟乙烯2压电陶瓷1000-10000聚偏二氟乙烯3-54.1.2电容式传感器的分类及其特性变介电常数电容式传感器测量原理如下图4-6所示，设被测介质的介电常数为ε1，液面高度为h，变换器总高度为H，外筒内径为D，内筒外径为d，此时变换器电容值为：式中：ε——空气介电常数；

C0——初始电容量。由式4-15可知，电容的变化量ΔC为：电容的变化量与被测液位的高度h成线性关系。4.1.2电容式传感器的分类及其特性4、差动电容传感器在实际应用中，为了提高灵敏度，减小非线性误差，大都采用差动式结构。如图4-7所示：其中图(a)为变极距的差动式电容器，中间的极板为动极板，上下两块为定极板。当动极板向上移动Δd距离后，上面的电容器极距减小为d0－Δd，相应下面的电容器极距增大为C1和C2。电容C1和C2呈差动变化，C1增大，C2减小。将C1和C2差接后，能使灵敏度提高一倍，外界的影响诸如温度、激励源电压、频率变化等也基本能相互抵消。图(b)、图(c)同理，请读者自行分析。4.1.3电容传感器的测量电路

电容传感器输出的电容变化量非常微小，很难精确的显示、记录及传输，电容传感器的测量电路就是将微小的电容变化量转换成与其正比的电压、电流或者频率信号，才能进行精确的显示、记录和传输。

电容传感器的测量电路很多，常见的有交流桥式电路、调频电路、脉宽调制电路和运算放大电路等。(1)单臂桥式电路。电路中，电容构成电桥的四臂，C1、C2、C3、Cx为固定电容，Cx为电容式物位传感器的转换元件，由高频电源经变压器接到电容桥的一个对角线上，另一个对角线上接有交流电压表。跟电阻桥类似的是，交流电桥平衡时有：C1/C2=C3/Cx，电压表电压值UO为零。当Cx改变时，UO不等0,电压表有反应电容变化的输出电压值.由于Cx值随着被测物理量变化而变化，所以输出电压也就反映了被测物理量的变化值。(2)差动桥式电路。如图4-9所示，其中Cx1

、Cx2均可变化，其输出电压UO为：2、调频测量电路振荡器输出的高频电压是一个电容Cx控制的调频波，其频率的变化在鉴频器中转换成电压幅度变化的输出。经过放大器放大后，可用电压表指示电容Cx的变化数值。这种转换电路抗干扰能力强，能取得高电平直流信号，但振荡频率容易受到电缆电容的影响。3、脉冲宽度调制电路本电路的原理是将变化电容的大小转换成脉冲的宽度（脉冲幅值不变）。如图4-11所示，当双稳态触发器的Q端输出为高电平时，A点通过R1对C1充电，F点电位逐渐升高。在Q端为高电平期间，Q端为低电平，电容C2通过低内阻的二极管VD2迅速放电，G点电位被钳制在低电平。当F点电位升高超过参考电压UR时，比较器A1产生一个“置零脉冲”，触发双稳态触发器翻转，A点跳变为低电位，B点跳变为高电位。此时C1经二极管VD1迅速放电，F点被钳制在低电平，而同时B点高电位经R2向C2充电。当G点电位超过UR时，比较器A2产生一个“置1脉冲”，使触发器再次翻转，A点恢复为高电位，B点恢复为低电位。如此周而复始，在双稳态触发器的两输出端各自产生一个宽度受C1、C2调制的脉冲波形。当C1>C2时，t1>t2，经低通滤波器后，获得的输出电压平均值Uo为正值。4、运算式测量电路图4-13所示是运算式测量电路。根据集成运算比例放大器的工作原理，当放大器的开环增益和输入阻抗足够大时，输出电压与转换元件的电容变化呈线性关系，即:从上式可以看出，如果传感器是变极距电容传感器，则放大器的输出电压与极板间距为线性关系。运算放大器电路解决非差动式电容传感器的线性问题，但要求运算放大器输入阻抗和放大倍数足够大。4.1.4电容传感器应用1、电容传感器选用的基本原则由于被测介质的不同，电容式物位传感器有不同的形式。（1）测量非导电液体的电容物位传感器，当用于较稀的非导电液体（如轻油等）时，可采用一金属电极，外部同轴套上一金属管，相互绝缘固定，以被测介质为中间绝缘物质构成同轴套筒形电容器；（2）测量导电液体的电容物位传感器，容器（规则）和液体作为电容器的一个电极，插入的金属电极作为另一电极，绝缘套管作为中间介质，三者组成圆筒形电容器。当容器为非导电体时，需另加一个接地极，其下端浸至被测容器底部，上端与安装法兰有可靠的导电连接，以使两电极中有一个与大地及仪表地线相连，保证仪表正常测量；（3）当测量粉状非导电固体料位和粘滞性非导电液体液位时，可采用金属电极直接插入圆筒形容器的中央，将仪表地线与容器相连，以容器作为外电极，料或液体作为绝缘介质构成圆筒形电容器。所以应根据现场实际情况，即被测介质的性质（导电特性、粘滞性）、容器类型（规则/非规则金属罐、规则/非规则非金属罐），选择合适的电容式物位传感器。2、电容传感器安装注意事项安装物位传感器时应注意选取合适的安装点，避开下料口；注意信号线的屏蔽和接地,防止干扰。注意物料温度、湿度、运动速度的变化以及物料粘挂容器壁和电极等因素的影响，引起电容介电常数的变化。3、电容传感器的特点（1）电容式传感器的结构简单，易于生产，精度高。电容式传感器一般用金属作电极，用无机材料作绝缘支承，因此在高低温、强辐射及强磁场等恶劣的环境中工作时，它能承受很大的温度变化，能承受高压力、高冲击、过载等，而且能测量超高压。（2）由于传感器极板间的静电引力很小，需要的输入能量小，所以特别适合用来解决输入能量低的问题，如测量极小的力、压力和微小的位移等，由于其灵敏度很高，所以分辨率非常高，能测量0.001μm甚至更小的位移。（3）电容式传感器的可动部分可以做得小而薄，质量轻，因此固有频率高，动态响应时间短，能在几兆赫的频率下工作，非常适合用于动态测量；也可以用较高频率的电压供电，因此系统工作频率高，可用于测量高速变化的参数，如振动等。（4）电容式传感器的电容值一般与电极材料无关，故有利于选择温度系数低的材料，又由于传感器本身发热量极小，因此温度稳定性好。（5）电容式传感器在测量回转轴的振动或偏心、小型滚珠轴承的径向间隙等时，可以采用非接触式测量方法，具有平均效应，能够减小工件表面粗糙度等对测量的影响。任务实施

1、传感器的选型在自动化生产的今天，各种液位传感器数不胜数。在液位测量中如何选择最佳的液位测量方式，是摆在每个设计人员面前的首要问题。那么，液位测量如何选择最佳的测量方式呢？首先，必须对传感器的应用工况有较为清楚的了解。比如要了解被测液体属性，其中包括状态、颜色、腐蚀性、粘稠度、是否含杂质，是否需要符合食品卫生认证等，根据这些具体的工况要求，选用合适的传感器。比如：在日化用品乳霜的灌装过程中，需要监控储液罐高、低液位。就需要先对乳霜的物理属性有大致的了解：乳霜为流体状态，较粘稠，颜色为半透明乳白色，非腐蚀性，无需食品卫生认证。本任务要测量的是汽油，一般为淡黄色的粘稠液体，容器（油箱）一般为异形、非标准的。其次，了解不同测量方式的优缺点和其具有的功能。先清楚我们需要传感器达到哪些功能、是属于开关量输出还是模拟量输出，通常开关量/数字量输出用于报警或者保护作用，例如灌装时防溢报警、低液位防泵空转保护等；模拟量输出主要用于过程控制，包括灌装容量、液位显示、加料速度控制等。本任务需要模拟量输出。最后，对拟选用的测量方式是否为与工况相匹配的最佳测量方式做最终评估。具体包括产品的安装调试、应用温度、压力范围、价格等。根据以上分析，结合实际情况，我们选用CR-606电容式传感器。传感器如图4-14所示。任务实施下面介绍型号CR-606系列电容液位计适用范围及特点、主要技术参数、型号及说明等。CR-606系列电容式液位计的传感部分是一个同轴的容器，当油进入容器后引起传感器壳体和感应电极

之间电容量的变化，这个变化量通过电路的转换并进行精确的线性和温度补偿，输出4~20mA标准信号供给显示仪表。产品核心部件采用先进的射频电容检测电路经过16位单片机经过精确的温度补偿和线性修正，转化成标准电信号（4~20mA）。可选HART、CANBUS、485通讯协议进行系统组态。全系列变送器都具有自校准功能，用户可通过按键或引线进行“零点”、“量程”自动校准，以适应各种复杂场所的不同要求。

CR-606是为铁路机车、汽车油箱、油罐车、油库等油位的精确测量而量身定做的专门仪表，整机无任何可动或弹性部件，耐冲击、安装方便、可靠性高、精度高、性能价格比好。可安装在各种场合对汽油、柴油、液压油等油位进行准确的测控，也适用于各种非导电液体的测量。在现场条件特别恶劣，电磁干扰特别严重、搅拌特别厉害情况下测量导电介质也可以采用此类产品。

任务实施CR-606系列电容油位传感器的传感部分是一个同轴的容器，油进入容器后导致传感器壳体与感应电极之间电容量的变化，通过测量转换电路后得到标准输出信号进行显示。图4-15为测量电路原理，当油箱中无油时，电容传感器的电容Cx

0为最小值。此时应使电桥输出为零。油量表调零过程如下：首先断开减速箱与RP的机械连接，将RP人为地调到零，即：电位器RP的滑动臂位于0点。此时R3=R4。再调节半可变电容C0，使C0=Cx

0，此时，电桥满足：任务实施当油箱中注入油，液位上升至h处，Cx=Cx0+ΔCx，ΔCx与h成正比。此时电桥失去平衡，电桥的输出电压Ubdo经放大后驱动伺服电动机，再由减速箱减速后，带动指针顺时针偏转，同时带动RP的滑动臂向c点移动，从而使RP的阻值增大，Rcd

=R3+RRP也随之增大。当RP阻值达到一定值时，(Cx0+ΔCx)/C0=(R3+RRP)/R4，电桥又达到新的平衡状态，Ubdo再次等于零，于是伺服电动机停转，指针停留在转角为θmax处。

当油位降低时，伺服电动机反转，指针逆时针偏转，同时带动RP的滑动臂移动,使RP阻值减小。当RP阻值达到某一数值时,电桥又达到新的平衡状态，Uo=0，于是伺服电动机再次停转,指针停留在与该液位相对应的转角θ处。该装置采用了闭环零位式测量方法。任务实施如图4-16所示为油量表改造原理图，由于传感器已考虑到现场复杂的需求环境，是参考原车传感器的功能、外观、安装方式的产品。所以在使用时可直接替换掉原车传感器，无需打孔，不破坏原车线路。配套使用的调制解调器支持多种输出信息，不但可以驱动原车仪表，还可以将数字信息实时传输至卫星定位车载终端等设备。任务实施4、传感器的安装及注意事项（1）安装前检查附件：法兰、橡胶垫、O型圈、螺丝等是否齐备。（2）将O型圈套在传感器根部。（3）将橡胶垫的两面涂抹上耐油密封胶，然后和法兰盘与油箱法兰对好孔位，并用螺丝固定好，拧紧时应对称轮流加力，以保证各方向受力均匀，避免漏油。（4）将传感器插入用扳手拧紧完成传感器的安装。（5）接好电源和通讯线，检查线路。（6）传感器的安装位置应尽量靠近油箱中心，从而减小汽车在上下坡时造成的油面倾斜寄油面波动对其的影响。（7）由于车上环境恶劣，供电应采用隔离电源供电。信号传输线缆采用屏蔽线缆。（8）校准流程：在通电情况下将传感器缓慢放入被测介质中。使也为从传感器的下空出开始缓慢上升超过传感器测量部分的三分之一处，传感器的上孔处于较好校准位置，则完成校准。为防止校准失败，此过程应操作两次以上。知识拓展1、电容湿度传感器变介电常数式电容传感器当介质厚度δ保持不变、而相对介电常数εr改变时，该电容器可作为相对介电常数εr的测试仪器。又如，当空气湿度变化，介质吸入潮气（εr水=80）时，电容将发生较大的变化。因此该电容器又可作为空气相对湿度传感器。反之，若εr不变，则可作为检测介质厚度的传感器。知识拓展2、电容