第3章-常用传感器-3

1、电压测量电路
U SC
RCa
1 [R(Ca Cc Ci)]
1 R(Ca Cc Ci)
2
U x

U SC
Ca U x Ca Cc Ci
可近似看作输出电压与作用力频率无关 优点：高频响应相当好 缺点：与电缆电容有关
2、电荷测量电路
1 KRC f
双晶片连接形式
双晶片的总电荷、总电压取决于两片的连接方式：
1）并联：用于电荷作为输出量场合，有利于准静态测量。 U’=U Q’=2Q 则C’=2C 这种联接，输出电荷大，本身 电容大，允许被测对象变化频率 稍低。
2）串联：用于电压作为输出量场合。 U’=2U Q’=Q 则C’=（1/2）C 这种联接，输出电压大，本身 电容小，要求后续电路有较大的 输入阻抗。
§3－4
电容式传感器
一、工作原理及分类
电容传感器是以各种类型的电容器作为传感 元件，将被测参数微小变化的信息转换成电容量 的变化，然后通过测量电路转换成电压输出。
平板电容为
0A C
极板介质的相对介电常数 0 真空介电常数 A 极板面积 极板间距
分类
变极距型—变极板间距 变面积型—变极板面积 变介电常数型—介质变化
电容式传感器分类
二、电容传感器分类比较
三、电容式传感器的应用 1. 电容式压力传感器
2.电容式加速度传感器
3.电容式应变计
4.电容式荷重传感器
5.电容式测厚仪
6.差动电容法测差压
7. 电容式水份计
总结
传感 元件 电容式 传感器 原始 输入量
位移
变换 原理
物理 现象
能量 关系
输出量
0 A C 结构型 控制型
三、测量电路
输出阻抗很高 输出阻抗适当降低
压电传感器
前置放大器
一般仪器
前置放大器的作用
阻抗变换作用：高阻抗低阻抗 放大传感器输出的微弱信号
电压放大器 — 高内阻的电压源转换成低内阻的电压源 前置放大器
(阻抗变换器)
输出电压输入电压
电荷放大器 — 高内阻的电荷源转换成低内阻的电压源 输出电压输入电荷
总结
原始 输入量
力
变换 原理
压电 效应
物理 wenku.baidu.com象
物性型
能量 关系
转换型
输出量
电荷
二、压电式传感器及其等效电路
压电式传感器实质上是一个电容器
r 0 A C
r 晶片相对介电常数 0 真空介电常数 A 工作面面积
晶片厚度
和普通电容器不同的是极板上的电荷是在外力作 用下产生的，若力的作用终止，则电荷也随之消失。
两种等效电路：
内部一个电荷源Q和一个电容器C并联 电荷等效电路 一个电压源U=Q/C和一个电容器C串联 电压等效电路
石英晶体产生压电效应的原因：
石英晶体的分子式为SiO2，Si4+， O2-，一个晶胞有三个硅离子和六个氧离 子，氧粒子是成对出现的，电荷互相平 衡，外部没有带电。
压电陶瓷产生压电效应的原因：
在无外电场作用时，各个电畴在 晶体中杂乱无章的分布，他们的极化 效应相互抵消，呈中性，极化强度为 零。 在外电场作用下，电畴的极化方向 发生转动，转到与外电场一致方向排 列，从而使材料得到极化。 当外电场消除后，有剩余极化，它 有较强的矫顽力，虽不规则，但仍有 向极化方向排列的趋势，极化强度不 再为零。 当外界加力时，电畴界限移动，使 极化强度增加，又基本恢复到外电场 作用下的状态使材料表面带了电荷。 极化一般在高电压14KV/mm， 经过几个小时才能完成。
电容
§3-5
压电式传感器
压电式传感器是利用压电效应把受 力的变化转换成电压或电流的变化信号。
一、压电效应
对某些材料沿一定方向施力而使其 变形，内部产生极化现象，在其两表面 将产生极性相反的电荷，当外力去掉后， 表面又回到不带电状态。这种现象就是 压电效应。
天然物质：石英晶体—压电效应弱，但稳定， 分类 可用作标准的加速度计 人工制造：压电陶瓷—压电效应强，但稳定性差，
用作工作时的加速度计
1.石英晶体
结晶形状是六角晶柱，它是 一个正六面体，我们用直角坐标 三个轴来表示： 纵轴线z 光轴 穿过棱线且z轴的x轴 电轴 棱面的y轴 力轴（机械轴）
现象：
1)
2) 3)
沿电轴x 方向施力， 在x轴表面产生电荷 纵向压电效应 沿力轴y 方向施力， 也在x轴表面产生电荷 横向压电效应 沿光轴z 方向施力，表面不产生电荷； 若改变受力方向，表面极性也相应改变； 分别使x、y方向都受压或受拉，极性也相反。
U SC Ca Q Ux Cf Cf
一般Cf做成可调的，当(1+K)Cf>>(Ca+Cc+Ci) 约10倍以上时，可认为灵敏度与电缆电容无关。 优点：与电缆电容无关 缺点：电路复杂，价格昂贵
四、应用
1、压电式加速度传感器
应用二
2、压电式单向测力传感器 3、压电式压力传感器