机电测试技术 教学课件 作者 赵树忠电子教案 第06课.docVIP

第 6 课 ■ 授课内容 第3章 常用传感器 3.3 电容式传感器 3.4 压电式传感器 3.4.1 压电效应 3.4.2 压电传感器及其等效电路、灵敏度 3.4.3 压电传感器的频率特性 3.4.4 压电传感器的转换电路 3.5 磁电式传感器 ■ 课 时 数 2课时 ■ 重点难点 重点：1. 电容式、压电式、磁电式传感器的工作原理。 2. 电容式、压电式传感器的测量电路。 难点：压电式传感器的测量电路及其频率特性。 ■ 授课方式 新课 ■ 所用教具 无 第3章 常用传感器 3.3 电容式传感器 电容式传感器是将被测量的变化转换成电容量变化的传感装置。 电容传感器的种类：极距变化型、面积变化型、介质变化型三种。 1. 工作原理 一对平行极板组成的电容器的电容量为 （3-23） 式中 ——真空的介电常数，； ——极板间介质的相对介电常数； ——极板有效作用面积； ——极板间距。 、、的变化都会引起电容量的变化，从而可制成三种类型的电容传感器。 图3-20 极距变化型电容传感器及其输入输出特性 a) 工作原理 b) 输入输出特性 ■ 极距变化型电容传感器（图3-20） （3-24） 传感器的灵敏度为 （3-25） 这种传感器由于存在原理上的非线性，灵敏度随极距变化而变化，故通常是在较小的极距变化范围（）内工作。 差动式极距变化型电容传感器（图3-21））： 两电容器的变化量大小相等、符号相反。利用后接的转换电路（如电桥等）可以检出两电容器电容量的差值，该差值与活动极板的移动量有一一对应关系。 采用差动式原理后，传感器的灵敏度提高了一倍，非线性得到了很大的改善，某些因素（如环境温度变化、电源电压波动等）对测量精度的影响也得到了一定的补偿。 图3-21 差动式极距变化型电容传感器 极距变化型电容传感器的特点：动态特性好，灵敏度和精度极高（可达nm级），适用于较小位移（1nm~1μm）的精密测量。存在原理上的非线性误差，相应测量电路比较复杂。 ■ 面积变化型电容传感器（图3-22） 理想情况下灵敏度为常数，不存在非线性误差，但实际上因电场边缘效应的影响仍存在一定的非线性误差，且灵敏度较低。 图3-22 面积变化型电容传感器 a) 平面线位移型 b) 圆柱线位移型 c) 角位移型 ■ 介质变化型电容传感器（图3-23） 图3-23 介质变化型电容传感器 对于图3-23 所示测量液位的介质变化型电容传感器，传感器的总电容等于上、下两部分电容和的并联，即 （3-26） 灵敏度 （3-27） 由此可见，这种传感器的灵敏度为常数，电容理论上与液位成线性关系，只要测出传感器电容的大小，就可得到液位。 2. 测量电路 ■ 交流电桥 传感器的两个电容作为交流电桥的两个桥臂，通过电桥把电容的变化转换成电桥输出电压的变化。电桥由高频稳幅的交流电源为电桥供电，其输出为一调幅波（详见第5章）。 图3-24 交流电桥转换电路 ■ 调频电路 传感器接入调频振荡器的谐振网络中，被测量的变化引起传感器电容的变化，继而导致振荡器谐振频率的变化。频率的变化经过鉴频器转换成电压的变化，经过放大器放大后输出。 图3-25 调频电路 ■ 运算式电路 为高频稳幅交流电源，传感器电容接在运算放大器的反馈回路中，与标准参比电容构成反相比例运算电路。 图3-26 运算式电路 （3-28） 电路输出电压的幅值与传感器的极距成线性比例关系（该电路为一调幅电路，输出为受调制的高频调调幅波）。 ■ 其它测量电路 直流极化电路、谐振电路、脉（冲）宽（度）调制电路等。 3.4 压电式传感器 压电式传感器是一种发电型的可逆换能器，它利用了某些晶体材料所具有的压电效应，既可以把机械能（力、压力等）转换成电能（电荷、电压等），也可以把电能转换成机械能。 3.4.1 压电效应 1. 压电效应 某