項目3重力和壓力的檢測任務3.1基于電阻應變式傳感器的電子秤設計

任務3.2基于壓阻式傳感器的汽車發動機吸氣壓力檢測

任務3.3基于壓電式傳感器的物體壓力檢測任務3.1基于電阻應變式傳感器的電子秤設計3.1.1電阻應變片的工作原理

導體或半導體材料在外界力的作用下，會產生機械變形，其電阻值也將隨著發生變化，這種現象稱為應變效應。下面我們以金屬絲應變計為例來分析應變效應。

設有一長度為l、截面積為S、半徑為r、電阻率為ρ的金屬絲，它的電阻值R可表示為：

（3-1）任務3.1基于電阻應變式傳感器的電子秤設計

當沿金屬絲的長度方向作用均勻拉力（或壓力）時，上式中ρ、r、l都將發生變化（見圖3-1）,從而導致電阻值R發生變化。例如金屬絲受拉時，l將變長、r變小，均導致R變大。

電阻的變化為：

（3-2）

令電阻絲的軸向應變為ε=Δl/l，徑向應變為Δr/r，由材料力學可知Δr/r=-μ(Δl/l)=-με，μ為電阻絲材料的泊松系數。經整理可得：

（3-3）任務3.1基于電阻應變式傳感器的電子秤設計

通常把單位應變所引起的電阻相對變化稱為電阻絲的靈敏度，其表達式為：

（3-4）

從式（3-4）可以看出，電阻絲靈敏度系數K由兩部分組成：受力后由材料幾何尺寸變化引起的1+2μ；由材料電阻率變化引起的(Δρ/ρ)/ε。對于金屬絲材料，(Δρ/ρ)/ε的值比1+2μ小很多，可以忽略，故有K≈1+2μ。任務3.1基于電阻應變式傳感器的電子秤設計

大量實驗證明，在電阻絲拉伸比例極限內，電阻相對變化與應變成正比，即K為常數。通常金屬絲的K=1.7～3.6。式（3-4）可寫成：

（3-5）由材料力學可知，ε=F/(SE)，其中E為彈性模量，所以ΔR/R又可表示為：

（3-6）

如果應變片的靈敏度K和試件的橫截面積S以及彈性模量E均為已知，則只要設法測出的數值，即可從式（3-6）中得到試件受力F的大小。任務3.1基于電阻應變式傳感器的電子秤設計3.1.2電阻應變片的結構與分類1.電阻應變片的類型電阻應變片的結構形式很多，但其主要組成部分基本相同。電阻絲應變片通常用高電阻率的電阻絲制成。為了獲得高的阻值，將電阻絲排列成柵網狀，稱為敏感柵，并粘貼在絕緣的基片上，電阻絲的兩端焊接引線。敏感柵上面粘貼有保護用的覆蓋層，如圖3-2所示。1-引線2-覆蓋層3-基底4-敏感柵圖3-2金屬電阻應變片的結構及組成

任務3.1基于電阻應變式傳感器的電子秤設計2.電阻應變片的分類金屬電阻應變片有金屬絲式、金屬箔式和薄膜式三種典型結構，如圖3-3所示。（a）金屬絲式

（b）金屬箔式

（c）薄膜式圖3-3幾種不同類型的電阻應變任務3.1基于電阻應變式傳感器的電子秤設計（1）金屬絲式：金屬絲式應變計由直徑為0.02～0.05mm的錳白銅絲或鎳鉻絲繞成敏感柵。由于金屬絲式應變計蠕變較大，金屬絲易脫膠，有逐漸被箔式應變計所取代的趨勢。但金屬絲式應變計價格便宜，多用于要求不高的應變的大批量、一次性試驗。任務3.1基于電阻應變式傳感器的電子秤設計（2）金屬箔式：金屬箔通過光刻、腐蝕等工藝制成箔柵。箔的材料多為電阻率高、熱穩定性好的銅鎳合金(錳白銅)。箔的厚度一般為幾微米，箔柵的尺寸、形狀可以根據使用者的需要制作。由于金屬箔式應變計與片基的接觸面積比金屬絲式大得多，所以散熱條件較好，可允許流過較大的電流，而且在長時間測量時蠕變也較小。箔式應變計的一致性較好，適合于大批量生產，目前廣泛用于各種應變式傳感器的制造中。任務3.1基于電阻應變式傳感器的電子秤設計（3）薄膜式：金屬薄膜式應變計的敏感柵是用蒸鍍或濺射法沉積的金屬、合金薄膜制成的。在絕緣基片上蒸鍍金屬材料薄膜，最后加上保護層，其厚度一般在0.1μm以下。也可以直接蒸鍍在彈性元件的絕緣層表面，不易產生蠕變。它是近年來薄膜技術發展的產物。任務3.1基于電阻應變式傳感器的電子秤設計1.剛度剛度是彈性元器件在外力作用下變形大小的量度，一般用k表示，即

（3-7）

式中：F——作用在彈性元器件上的外力；

x——彈性元器件產生的變形。3.1.3電阻應變片的主要特性任務3.1基于電阻應變式傳感器的電子秤設計2.靈敏度靈敏度是指彈性敏感元器件在單位力作用下產生變形的大小，在彈性力學中稱為彈性元器件的柔度。它是剛度的倒數，用K表示，即

（3-8）在測控系統中，希望K是常數。任務3.1基于電阻應變式傳感器的電子秤設計3.彈性滯后實際的彈性元器件在加/卸載的正反行程中變形曲線是不重合的，這種現象稱為彈性滯后現象，它會給測量帶來誤差。產生彈性滯后的主要原因是彈性敏感元器件在工作過程中分子間存在內摩擦。當比較兩種彈性材料時，應都用加載變形曲線或都用卸載變形曲線，這樣才有可比性。4.零漂和蠕變對于已粘貼好的應變片，在溫度保持恒定、不承受應變作用時，應變片的電阻值會隨時間增加而變化的特性，稱為應變片的零點漂移，簡稱零漂。在一定溫度下，使應變片承受恒定的機械應變，其電阻值會隨時間增加而變化的特性稱為蠕變。在應變片工作時，零漂和蠕變是同時存在的。任務3.1基于電阻應變式傳感器的電子秤設計5.溫度效應用作測量應變的金屬應變片，希望其阻值僅隨應變變化，而不受其他因素的影響。實際上應變片的阻值受環境溫度（包括被測試件的溫度）影響很大。這種由溫度變化引起的應變片電阻變化，從而產生虛假應變的現象，稱為應變片的溫度效應。由溫度效應給測量帶來的附加誤差稱為應變片的溫度誤差，又稱為熱輸出。任務3.1基于電阻應變式傳感器的電子秤設計

金屬應變片的電阻變化范圍很小，如果直接用歐姆表測量其電阻值的變化將十分困難，且誤差很大，這從下面的運算結果就可看出來。【例3-1】有一金屬箔式應變片，標稱阻值R0為100Ω，靈敏度K=2，粘貼在橫截面積為9.8mm2的鋼制圓柱體上，鋼的彈性模量E=2×1011N/m2，鋼圓柱所受拉力F=0.2t，求受拉后應變片的阻值R。【解】鋼圓柱體的軸向應變3.1.4電阻應變片的橋式測量電路任務3.1基于電阻應變式傳感器的電子秤設計

通常情況下，可以認為粘貼在試件上的應變片的應變約等于試件上的應變，所以有

應變片電阻的變化量

由于應變片受到拉伸，所以電阻值比標稱阻值增加了ΔR。受拉力后的阻值R為

直接用歐姆表很難觀察到這0.2的變化，所以必須使用不平衡電橋來測量這一微小的變化量。任務3.1基于電阻應變式傳感器的電子秤設計

下面分析利用橋式測量轉換電路是如何將ΔR/R轉換成輸出電壓Uo的。

圖3-4稱為橋式測量轉換電路，簡稱電橋。電橋的一個對角線結點接入電源電壓Ui，另一個對角線結點為輸出電壓Uo。當電橋輸出端有放大器時，由于放大器的輸入阻抗很高，所以可以認為電橋的負載電阻為無窮大，輸出電壓為電橋輸出端的開路電壓。

（3-9）任務3.1基于電阻應變式傳感器的電子秤設計

為了使電橋在測量前的輸出電壓為零，應該選擇四個橋臂電阻，使R1R3=R2R4或R1/R2=R4/R3，這就是電橋平衡的條件。四個橋臂電阻中任意一個、兩個、三個甚至四個發生變化，此電橋平衡條件即不成立，使輸出電壓Uo不為零，此時的輸出電壓Uo就反映了橋臂電阻變化的情況。

（a）基本應變橋路（b）橋路的調零原理圖3-4橋式測量轉換電路任務3.1基于電阻應變式傳感器的電子秤設計1.單臂電橋當電橋中R1為電阻應變片，R2、R3、R4為電橋固定電阻，這就構成了單臂電橋。當產生應變時，若應變片電阻R1變化為ΔR，其它橋臂固定不變，電橋輸出電壓Uo≠0，則電橋不平衡輸出電壓為

（3-10）

若取R1=R2=R3=R4=R0，因為ΔR<<R1，則

（3-11）任務3.1基于電阻應變式傳感器的電子秤設計2.雙臂半橋

當電橋中R1、R2為電阻應變片，R3、R4為電橋固定電阻，這就構成了雙臂電橋。工作應變片R1、R2接入電橋兩相鄰臂，跨在電源兩端。感受到的應變ε1、ε2以及產生的電阻增量ΔR1、ΔR2大小相等，方向相反，ΔR1=ΔR2=ΔR。同樣，可推導出公式為

（3-12）任務3.1基于電阻應變式傳感器的電子秤設計3.四臂全橋

當四個橋臂均接有應變片，即四個橋臂電阻都發生變化時稱為四臂全橋。設初始時R1=R2=R3=R4=R0，工作時各個橋臂中電阻的變化為ΔR1、ΔR2、ΔR3、ΔR4，兩個電阻應變片受拉，兩個電阻應變片受壓，即ΔR1=ΔR3=ΔR，ΔR2=ΔR4=-ΔR，則電橋輸出為

（3-13）

任務3.1基于電阻應變式傳感器的電子秤設計4.電橋的零點輸出調整

實際使用中，R1～R4不可能成嚴格的比例關系，所以即使無載荷時，電橋的輸出電壓也不能嚴格為零，因此，必須設置“零點輸出調整電路”。可采用并聯電位器RP的方法來調零，如圖3-4b所示。任務3.1基于電阻應變式傳感器的電子秤設計

任務3.2基于壓阻式傳感器的汽車發動機吸氣壓力檢測

任務3.3基于壓電式傳感器的物體壓力檢測

對一塊半導體沿某一軸向施加一定的應力而產生應變時，它的電阻率會發生一定的變化，這種現象稱為半導體的壓阻效應。壓阻式傳感器就是基于半導體材料的壓阻效應原理工作的，它也屬于一種電阻式傳感器。

半導體應變片受軸向力作用時，其電阻相對變化仍可用金屬絲電阻應變片方程式（3-3）表示。實驗證明，對于金屬電阻應變片而言，其中Δρ/ρ很小，即電阻率的變化很小，因而可以忽略不計，所以金屬電阻應變片的電阻變化主要由金屬材料的幾何尺寸所決定。但對于半導體材料而言，情況正好相反，由材料幾何尺寸變化而引起電阻的變化很小，可忽略不計，而Δρ/ρ很大，也就是說，半導體材料電阻的變化主要由半導體材料電阻率的變化所造成，這就是壓阻式傳感器的工作原理。任務3.2基于壓阻式傳感器的汽車發動機吸氣壓力檢測3.2.1半導體材料的壓阻效應

壓阻式傳感器電阻的變化表示為

（3-18）

式中：πl——半導體晶體縱向壓阻系數；

σ——應力；

E——半導體材料彈性模量；

ε——應變。任務3.2基于壓阻式傳感器的汽車發動機吸氣壓力檢測

1.壓阻式傳感器的結構

半導體應變片由基片、敏感柵和電極引線等部分組成，基片是絕緣膠膜，敏感柵由硅或鍺等半導體材料構成，內引線是連接基片和敏感柵的金屬線，帶狀電極引線又稱外引線，一般由康銅箔等制成，如圖3-11所示。任務3.2基于壓阻式傳感器的汽車發動機吸氣壓力檢測3.2.2壓阻式傳感器的結構與特性

根據敏感柵形成的方法不同，壓阻式傳感器主要有體型、薄膜型和擴散型三種類型。體型半導體應變片是一種將硅或鍺晶體按一定方向切割成的片狀小條，經腐蝕壓焊粘貼在基片上而成的應變片；薄膜型半導體應變片是利用真空沉積技術，將半導體材料沉積在帶有絕緣層的試件上而制成；擴散型半導體應變片是將P型雜質擴散到N型硅單晶基底上，形成一層極薄的P型導電膜片而制成。任務3.2基于壓阻式傳感器的汽車發動機吸氣壓力檢測

2.壓阻式傳感器的特性（1）應變-電阻特性以硅片應變片為例，由圖3-12可知，N型半導體受壓時，阻值變小；P型半導體受壓,時，阻值變大。且在數百微應變內呈線性，在較大的應變范圍內則呈非線性。任務3.2基于壓阻式傳感器的汽車發動機吸氣壓力檢測（2）電阻-溫度特性粘貼在試件上的體型半導體應變片也和金屬絲電阻應變片一樣受溫度變化影響，溫度變化引起的電阻變化為

（3-19）

式中：α——敏感柵電阻溫度系數；

βg——試件材料線膨脹系數；

βs——敏感柵材料線膨脹系數；S——敏感柵靈敏度系數；Δt——溫度變化值。任務3.2基于壓阻式傳感器的汽車發動機吸氣壓力檢測

因為半導體材料對溫度很敏感，溫度穩定性和線性度比金屬電阻應變片差得多，因此，壓阻式傳感器的溫度誤差較大，必須要有溫度補償。

壓阻式傳感器的測量電路仍然使用平衡電橋。由于制造、溫度影響等原因，電橋存在失調、零位溫漂、靈敏度溫度系數和非線性等問題，以致影響傳感器的準確性。因此，必須采取減小與補償誤差措施。任務3.2基于壓阻式傳感器的汽車發動機吸氣壓力檢測3.2.3壓阻式傳感器的測量電路1.恒流源供電電橋恒流源供電的全橋差動電路如圖3-13所示。任務3.2基于壓阻式傳感器的汽車發動機吸氣壓力檢測

假設ΔRT為溫度引起的電阻變化，而IABC=IADC=?I，所以電橋的輸出為

（3-20）

可見，電橋的輸出電壓與電阻變化成正比，與恒流源電流成正比，但與溫度無關，因此此測量不受溫度的影響。任務3.2基于壓阻式傳感器的汽車發動機吸氣壓力檢測2.零點與靈敏度溫度補償

采用圖3-14所示的零漂和靈敏度漂移補償電路，可以有效地解決零漂和靈敏度漂移問題。

并聯電阻RP//R2，串聯電阻Rs、R1用于抑制零位溫漂，串聯電阻Rs起調零作用，并聯RP電阻起補償作用。串聯二極管VD，用于靈敏度的溫漂補償。任務3.2基于壓阻式傳感器的汽車發動機吸氣壓力檢測任務3.1基于電阻應變式傳感器的電子秤設計

任務3.2基于壓阻式傳感器的汽車發動機吸氣壓力檢測

任務3.3基于壓電式傳感器的物體壓力檢測任務3.3基于壓電式傳感器的物體壓力檢測3.3.1壓電式傳感器的工作原理1.壓電效應

壓電現象是100多年前居里兄弟研究石英時發現的。某些電介質，當沿著一定方向對其施加力而使其變形時，內部就產生極化現象，同時在它的兩個表面上會產生異號電荷，當外力消失后，又重新恢復到不帶電狀態，這種現象稱為壓電效應，如圖3-20所示。任務3.3基于壓電式傳感器的物體壓力檢測

當作用力的方向改變時，電荷極性也隨之改變。當在電介質極化方向施加電場，這些電介質也會發生變形，這種現象稱為逆壓電效應（或電致伸縮效應），說明壓電效應具有可逆性。壓電式壓力傳感器都是利用壓電材料的正壓電效應。

在晶體的彈性限度內，壓電材料受力后，其表面產生的電荷Q與所施加的力F成正比，即：

Q=dFx

（3-22）

式中

d——壓電系數。任務3.3基于壓電式傳感器的物體壓力檢測2.壓電材料

自然界中的大多數晶體具有壓電效應，但壓電效應十分明顯的并不多。天然形成的石英晶體、人工制造的壓電陶瓷、鋯鈦酸鉛、鈦酸鋇等材料是壓電效應性能優良的壓電材料。壓電材料基本上可分為三大類：壓電晶體（單晶體）、經過極化處理的壓電陶瓷（多晶體）和高分子壓電材料。任務3.3基于壓電式傳感器的物體壓力檢測（1）石英晶體（單晶體）

石英晶體是一種性能良好的壓電晶體，其化學式為SiO2，為單晶結構，天然結構的石英晶體呈六角形晶柱，如圖3-21(a)所示。石英晶體是各向異性材料，不同晶向具有各異的物理特性，用x、y、z軸來描述,如圖3-21(b)所示。z軸又稱為光軸，它與晶體的縱軸線方向一致；x軸又稱為電軸，經過六面體相對的兩個棱線并垂直于光軸；y軸又稱為機械軸，是與x軸和z

軸同時垂直的軸。任務3.3基于壓電式傳感器的物體壓力檢測

從晶體上沿x、y、z軸線切下的一片平行六面體的薄片稱為晶體切片，如圖3-21(c)所示。通常把沿電軸x方向的力作用下產生電荷的壓電效應稱為縱向壓電效應；把沿機械軸y方向的力作用下產生電荷的壓電效應稱為橫向壓電效應；而沿光軸z方向的力作用時不產生壓電效應。（a）完整的石英晶體（b）石英晶片的切割（c）石英晶片任務3.3基于壓電式傳感器的物體壓力檢測

石英晶體的壓電效應與其內部結構有關，產生極化現象的機理可用圖3-22來說明。石英晶體的每個晶胞中有3個硅離子和6個氧離子，1個硅離子和2個氧離子交替排列（氧原子是成對出現的）。沿光軸看去，可以等效地認為它是如圖3-22(a)所示的正六邊形排列結構。（a）未受力的石英晶體（b）受x向壓力時的石英晶體（c）受y向壓力時的石英晶體1-正電荷等效中心

2-負電荷等效中心

任務3.3基于壓電式傳感器的物體壓力檢測①在無外力作用時，如圖3-22(a)所示。硅離子所帶正電荷的等效中心與氧離子所帶負電荷的等效中心是重合的，整個晶胞不呈現帶電現象。任務3.3基于壓電式傳感器的物體壓力檢測②當石英晶體受到沿x軸方向的壓力作用時，如圖3-22(b)所示，晶體沿x方向將產生壓縮變形，正負電荷重心不再重合，在x軸的正方向出現正電荷，電偶極矩在y方向上的分量仍為零，不出現電荷。在晶體的線性彈性范圍內，當沿x軸方向作用壓力Fx時，在與x軸垂直的平面上產生的電荷量為：

Q=d11Fx

（3-23）式中d11——沿x軸方向施力的壓電系數；

Fx——沿x軸方向的作用力。任務3.3基于壓電式傳感器的物體壓力檢測③當晶體受到沿y軸方向的壓力作用時，如圖3-22(c)所示。在x軸上出現電荷，它的極性為x軸正向為負電荷，在y軸方向上不出現電荷。在晶體的線性彈性范圍內，當沿y軸方向作用壓力Fy時，在與x軸垂直的平面上產生的電荷量為：

（3-24）式中

d12——沿y軸方向施力的壓電系數，由于晶體的軸對稱，所以d12=-d11；

a——石英晶片的長度，單位為m；

b——石英晶片的寬度，單位為m；

Fy——沿y軸方向的作用力任務3.3基于壓電式傳感器的物體壓力檢測④如果沿z軸方向施加作用力，因為晶體在x方向和y方向所產生的形變完全相同，所以正負電荷重心保持重合，電偶極矩矢量和等于零。這表明沿z軸方向施加作用力，晶體不會產生壓電效應。任務3.3基于壓電式傳感器的物體壓力檢測綜上所述，石英晶體具有以下結構特性：①沿x軸、y軸方向作用力時，可產生壓電效應。沿z軸方向施力，無壓電效應。同樣道理，如果對石英晶體的各個方向同時施加相等的力（如液體壓力、熱應力等），石英晶體無壓電效應。②不論沿x軸方向還是y軸方向作用力，正、負電荷等效中心只在x軸方向移動，此為極化方向，即電荷只產生在垂直于x軸的兩平面上。③沿y軸方向作用拉力與沿x軸方向作用壓力，晶胞結構變形相同，因而產生的電荷極性相同；同理，沿x軸方向作用拉力與沿y軸方向作用壓力而產生的電荷極性相同。任務3.3基于壓電式傳感器的物體壓力檢測

石英晶體的突出優點是性能非常穩定。在20～200℃的范圍內壓電系數的變化率只有-0.0001/℃。此外，它還具有自振頻率高、動態響應好、機械強度高、絕緣性能好、遲滯小、重復性好、線性范圍寬等優點。石英晶體的不足之處是壓電系數較小（d=2.31×10-12C/N）。因此石英晶體大多只在標準傳感器、高準確度傳感器或溫度較高的傳感器中使用，而在一般要求的測量中，基本上釆用壓電陶瓷任務3.3基于壓電式傳感器的物體壓力檢測

（2）壓電陶瓷（多晶體）

與石英晶體不同，壓電陶瓷是人工制造的多晶體壓電材料。晶體內有許多自發晶化的電疇，它有一定的極化方向，但是在極化處理之前，這些電疇分布雜亂，自發極化效應相互抵消，不具有壓電性質，如圖3-23(a)所示。（a）未極化（b）)已極化圖3-23壓電陶瓷任務3.3基于壓電式傳感器的物體壓力檢測

當在陶瓷上施加外加電場時，電疇的極化方向發生轉動，趨向于按外電場方向排列，從而使材料得到極化。外電場愈強，就有更多的電疇完全地轉向外電場方向。當外電場強度達到飽和程度時，所有的電疇極化方向都整齊地與外電場方向一致，使陶瓷材料得到極化。當外電場去掉后，電疇極化方向基本不變，剩余極化強度很大，所以，壓電陶瓷極化后才具有壓電特性，未極化時是非壓電體，如圖3-23(b)所示。任務3.3基于壓電式傳感器的物體壓力檢測

極化處理后陶瓷材料內部存在有很強的剩余極化，當陶瓷材料受到外力作用時，電疇的界限發生移動，電疇發生偏轉，從而引起剩余極化強度的變化，因而在垂直于極化方向的平面上將出現極化電荷的變化。這種因受力而產生的由機械效應轉變為電效應、機械能轉變為電能的現象，就是壓電陶瓷的正壓電效應。電荷量的大小與外力成如下的正比關系：

Q=d33F

（3-25）式中d33——壓電陶瓷的壓電系數；

F——作用力。任務3.3基于壓電式傳感器的物體壓力檢測

壓電陶瓷的壓電系數比石英晶體的大得多，所以采用壓電陶瓷制作的壓電式傳感器的靈敏度較高。但壓電陶瓷的特性不穩定，隨時間變化比較明顯，用壓電陶瓷做成的傳感器要經常校準。壓電陶瓷除作為機械能轉換為電能的傳感器導件之外，還經常用作電能轉換為機械能的執行控制器件。

目前使用較多的壓電陶瓷材料是鋯鈦酸鉛（PZT）系列，它是鈦酸鉛（PbTiO2）和鋯酸鉛（PbZrO3）組成的（Pb（ZrTi）O3）。其居里點在300°C以上，性能穩定，有較高的介電常數和壓電系數。任務3.3基于壓電式傳感器的物體壓力檢測3）壓電高分子材料

高分子材料屬于有機分子半結晶或結晶聚合物，其壓電效應較復雜，不僅要考慮晶格中均勻的內應變對壓電效應的貢獻，還要考慮高分子材料中非均勻內應變所產生的各種高次效應以及同整個體系平均變形無關的電荷位移而表現出來的壓電特性。

典型的高分子壓電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。高分子壓電材料的工作溫度一般低于100°C，溫度升高，會導致其靈敏度降低。因此，高分子壓電材料常用于對測量精度要求不高的場合，如水聲測量、防盜、振動測量等方面。任務3.3基于壓電式傳感器的物體壓力檢測3.壓電材料的主要特性指標（1）壓電系數d。它表示壓電材料產生電荷與作用力的關系。它是衡量材料壓電效應強弱的參數，它直接關系到壓電元件的輸出靈敏度。一般用單位作用力產生電荷的多少來表示，單位為C/N(庫侖/牛頓)。（2）彈性常數。壓電材料的彈性常數、剛度是決定其固有頻率和動態的重要參數。（3）介電常數。這是決定壓電晶體固有電容的主要參數，而固有電容影響傳感器工作頻率的下限值。任務3.3基于壓電式傳感器的物體壓力檢測（4）機械耦合系數。衡量壓電材料機電能量轉換效率的重要參數，其值等于轉換輸出能量（如電能）與輸入能量（如機械能）之比的平方根。（5）電阻R。它是壓電晶體的內阻，它的大小決定其泄漏電流。（6）居里點。壓電材料的溫度達到某一值時，便開始失去壓電特性，這一溫度稱為居里點或居里溫度。任務3.3基于壓電式傳感器的物體壓力檢測4.壓電式傳感器

（1）壓電式測力傳感器

根據壓電效應，壓電式傳感器可以直接用于實現力-電轉換。壓電式單向測力傳感器的結構如圖3-24所示，它主要由石英片、絕緣套、電極、上蓋和基座等組成。上蓋為傳力元件，當受外力作用時，它將產生彈性形變，將力傳遞到石英晶片上，利用石英晶片的壓電效應實現力-電轉換。絕緣套用于絕緣和定位。該傳感器可用于機床動態切削力的測量。（a）單向力傳感器外形（b）三維切削力傳感器外形（c）內部結構1－剛性傳力上蓋2－壓電片3－電極4－電極引出插頭5－絕緣材料6－底座圖3-24壓電式單向動態力傳感器任務3.3基于壓電式傳感器的物體壓力檢測

（2）壓電式加速度傳感器

壓電式加速度傳感器的結構如圖3-25所示，它主要由壓電元件、質量塊、預壓彈簧、基座和外殼組成。整個部件用螺栓固定。a）原理圖b）中心壓縮式壓電加速度傳感器結構c）環形剪切式壓電加速度傳感器結構d）外形1－基座2－引出電極3－壓電片4－質量塊5－彈簧6－殼體7－固定螺孔圖3-25常用的壓電式振動加速度傳感器

任務3.3基于壓電式傳感器的物體壓力檢測

壓電元件一般由兩片壓電片組成，在壓電片的兩個表面鍍上一層銀，并在銀層上焊接輸出引線，或在兩個壓電片之間夾一片金屬，引線就焊接在金屬片上，輸出端的另一根引線直接與傳感器基座相連。在壓電片上放置一個密度較大的質量塊，然后用一個硬彈簧或螺栓、螺帽對質量塊預加載荷。整個組件裝在一個厚基座的金屬殼體中，為了隔離試件的任何應變傳遞到壓電元件上去，避免產生假信號輸出，一般要加厚基座或選用剛度較大的材料來制造基座。任務3.3基于壓電式傳感器的物體壓力檢測

測量時，將傳感器基座與試件剛性固定在一起。當傳感器與被測物體一起受到沖擊振動時，由于彈簧的剛度相當大，而質量塊的質量相對較小，可以認為質量塊的慣性很小，因此，質量塊與傳感器基座感受到相同的振動，并受到與加速度方向相反的慣性力的作用，這樣，質量塊就有一個正比于加速度的交變力作用于壓電片上：F=ma。由于壓電片的壓電效應，因此，在它的兩個表面上產生交變電荷Q，當振動頻率遠低于傳感器的固有頻率時，傳感器的輸出電荷與作用力成正比，即與試件的加速度成正比：

Q=d11F=d11ma

（3-26）式中d11——壓電系數；

m——質量塊的質量；

a——加速度；

F——作用力。任務3.3基于壓電式傳感器的物體壓力檢測5.壓電元件的連接

壓電元件作為壓電式傳感器的敏感部件，單片壓電元件產生的電荷量很小，在實際應用中，通常采用兩片（或兩片以上）同規格的壓電元件粘結在一起，以提高壓電式傳感器的輸出靈敏度。

由于壓電元件所產生的電荷具有極性區分，相應的連接方法有兩種，如圖3-26所示。從作用力的角度看，壓電元件是串接的，每片受到的作用力相同，產生的變形和電荷量大小也一致。(a)同極性黏結(b)不同極性黏結圖3-26壓電元件連接方式任務3.3基于壓電式傳感器的物體壓力檢測

圖3-26（a）從電路上看是并聯接法，類似兩個電容的并聯。所以，外力作用下正負電極上的電荷量增加了一倍，電容量也增加了一倍，輸出電壓與單片時相同。

圖3-26（b）從電路上看是串聯接法，兩壓電片中間粘結處正負電荷中和，上、下極板的電荷量與單片時相同，總電容量為單片的一半，輸出電壓增大了一倍。

在這兩種接法中，并聯接法輸岀電荷量大、本身電容大、時間常數大，適用于測量慢信號并且以電荷作為輸出量的情況。而串聯接法輸出電壓大、電容小，適用于以電壓作為輸出信號，并且測量電路輸入阻抗很高的場合。任務3.3基于壓電式傳感器的物體壓力檢測3.3.2壓電式傳感器的測量電路1.等效電路

如圖3-27（a）所示，當壓電片受力時，在兩電極表面岀現等量而極性相反的電荷。當兩極板聚集一定電荷時，兩極板就呈現一定的電壓，即可等效為一個電容器。因此，壓電元件可等效為一個電荷源Q和一個電容Ca的并聯電路，如圖3-27（b）所示；也可等效為一個電壓源Ua以和一個電容Ca的串聯電路，如圖3-27（c）所示。圖3-27(d)所示為壓電元件的電路符號。（a）原理圖（b）電荷源（c）電壓源（d）電路符號圖3-27壓電元件的等效電路和電路符號

任務3.3基于壓電式傳感器的物體壓力檢測

電容器的電容量為：

（3-27）式中A——壓電片的面積，單位為m2；

δ——壓電片的厚度，單位為m；

εr——壓電材料的相對介電常數；

ε0——真空的介電常數（ε0=8.85×10-12F/m）。

而電容器上的電壓Ua、電荷量Q和電容量Ca三者之間的關系為：

（3-28）任務3.3基于壓電式傳感器的物體壓力檢測

在實際使用中，壓電式傳感器總是與測量儀器或測量電路相連接，因此還須考慮連接電纜的等效電容Cc、放大器的輸入電阻Ri、放大器輸入電容Ci以及壓電式傳感器的泄露電阻Ra，這樣，壓電式傳感器在測量系統中的實際等效電路如圖3-28所示。（a）電荷等效圖

（b）簡化的電荷等效圖任務3.3基于壓電式傳感器的物體壓力檢測（c）電壓等效電路（d）簡化的電壓等效電路圖3-28放大器輸入端等效電路任務3.3基于壓電式傳感器的物體壓力檢測2.測量電路

由于壓電傳感器本身的內阻抗很高（通常1010Ω以上），輸出能量較小，因此它的測量電路通常要接入一個高輸入阻抗前置放大器。其作用一是把它的高輸出阻抗（一般1000MΩ以上）變換為低輸出阻抗（小于100Ω）；二是放大傳感器輸出的微弱信號。壓電傳感器的輸出可以是電壓信號，也可以是電荷信號，因此前置放大器也有電壓放大器和電荷放大器兩種形式。任務3.3基于壓電式傳感器的物體壓力檢測2.測量電路

由于壓電傳感器本身的內阻抗很高（通常1010Ω以上），輸出能量較小，因此它的測量電路通常要接入一個高輸入阻抗前置放大器。其作用一是把它的高輸出阻抗（一般1000MΩ以上）變換為低輸出阻抗（小于100Ω）；二是放大傳感器輸出的微弱信號。壓電傳感器的輸出可以是電壓信號，也可以是電荷信號，因此前置放大器也有電壓放大器和電荷放大器兩種形式。任務3.3基于壓電式傳感器的物體壓力檢測

（1）電荷放大器

由于運算放大器的輸入阻抗很高，其輸入端幾乎沒有分流，故可略去壓電式傳感器的泄漏電阻Ra和放大器輸入電阻Ri兩個并聯電阻的影響，將壓電式傳感器等效電容Ca、連接電纜的等效電容Cc、放大器輸入電容Ci合并為電容C后，電荷放大器等效電路如圖3-28（b）所示。它由一個負反饋電容Cf和高增益運算放大器構成。圖中運算放大器的增益為A。由于負反饋電容工作于直流時相當于開路，對電纜噪聲敏感，放大器的零點漂移也較大，因此一般在反饋電容兩端并聯一個電阻Rf，其作用是為了穩定直流工作點，減小零漂；Rf通常為1010～1014Ω，當工作頻率足夠高時，1/Rf<<ωCf，可忽略（1+A）/Rf。反饋電容折合到放大器輸入端的有效電容為Cf′=（1+A）Cf。任務3.3基于壓電式傳感器的物體壓力檢測由于

（3-29）因此輸出電壓為

（3-30）式中“-”號表示放大器的輸入與輸出反相。當A>>1（通常A=104～106），滿足（1+A）Cf＞10（Ca+Cc+Ci）時，就可將上式近似為

（3-31）任務3.3基于壓電式傳感器的物體壓力檢測

由此可見，電荷放大器的輸出電壓Uo只取決于輸入電荷Q與反饋電容Cf，與電纜電容Cc無關，且與Q成正比，這是電荷放大器的最大特點。為了得到必要的測量精度，要求反饋電容Cf的溫度和時間穩定性都很好，在實際電路中，考慮到不同的量程等因素，Cf的容量做成可選擇的，范圍一般為100?104pF。任務3.3基于壓電式傳感器的物體壓力檢測

（2）電壓放大器

電壓放大器的功能是將壓電傳感器的高輸出阻抗變為較低阻抗，并將壓電式傳感器的微弱電壓信號放大。電壓放大器電路如圖3-28所示。圖中電阻R=Ra//Ri=RaRi/（Ra+Ri），電容C=Ca+Ci，而U=Q/Ca，若壓電元件受正弦力的作用F=Fmsinωt，則其電壓為

（3-32）式中d——壓電系數；

Um——壓電元件輸出電壓的幅值，Um=dFm/Ca。任務3.3基于壓電式傳感器的物體壓力檢測由此可得放大器輸入端Ui，其復數形式為

（3-33）于是可得放大器輸入電壓的幅值為

（3-34）輸入電壓和作用力之間相位差為

（3-35）任務3.3基于壓電式傳感器的物體壓力檢測在理想情況下，傳感器的電阻值Ra與前置放大器輸入電阻Ri都為無限大，這時ωR（Ca+Cc+Ci）>>1，代入式（3-35）可得放大器的輸入電壓幅值為

（3-36）上式表明前置放大器輸入電壓Uim與頻率無關，一般在ω/ω0＞3時，就可以認為Uim與ω無關，ω0表示測量電路時間常數的倒數，即

（3-37）任務3.3基于壓電式傳感器的物體壓力檢測

這表明壓電傳感器有很好的高頻響應，但是，當作用于壓電元件的力為靜態力（ω=0）時，前置放大器的輸出電壓等于零，因為電荷會通過放大器輸入電阻和傳感器本身漏電阻漏掉，所以壓電傳感器不能用于靜態力的測量。

當ωR（Ca+Cc+Ci）>>1時，放大器輸入電壓Uim如式（3-36）所示，式中Cc為連接電纜電容，當電纜長度改變時，Cc也將改變，因而Uim也隨之變化。因此，壓電傳感器與前置放大器之間連接電纜不能隨意更換，否則將引入測量誤差。項目4物位檢測任務4.1基于電容傳感器的汽車油量表改造

任務4.2基于超聲波傳感器的城市排水管道液位檢測項目4物位檢測項目背景物位——液位、料位、界位。

液位——容器中的液體介質的高低。

料位——容器中固體或顆粒狀物質的堆積高度。

界位——兩種互不相溶的液體介質的分界面的高低。

物位傳感器——液位傳感器、料位傳感器及界位傳感器。物位、液位、料位檢測中，液位的檢測使用的最廣泛，本項目主要介紹液位的檢測。液位檢測根據檢測儀表是否與液位接觸分為兩類。一類為接觸式，包括單法蘭靜壓/雙法蘭差壓液位變送器，浮球式液位變送器，磁性液位變送器，投入式液位變送器，電動內浮球液位變送器，電動浮筒液位變送器，電容式液位變送器，磁致伸縮液位變送器，伺服液位變送器等。第二類為非接觸式，分為超聲波液位變送器，雷達液位變送器等。項目背景液位計類型液位測量范圍/m允許溫度/℃允許壓力/MPa特點玻璃管式1.5100-150常壓讀數直觀，價格便宜，易破碎。差壓式3020015可適合黏性介質浮筒式58016讀數直觀，價格便宜，無源電容式201203讀數精確,溫漂小超聲波式601000.8受溫度影響較大，不適合霧氣或粉塵場合以及有泡沫的液體。音叉式2802不能用于連續測量雷達式3512010準確度高，不受蒸氣、霧的影響，可在灰塵等惡劣環境工作。核輻射式6060020量程大，適合高溫高壓等惡劣環境。表4-1液位傳感器分類及主要特征任務4.1基于電容傳感器的汽車油量表改造

任務導入：最初的汽車油量計采用傳統的機械式油量計，存在精度低，穩定性不高，使用環境存在局限等問題，已經被淘汰。隨著技術的進步，出現了使用滑動變阻器為基本檢測元件的油量計（電阻式液位計），工作原理是由浮子帶動電位器，再用歐姆表檢測其阻值，從而達到顯示油位的目的，但當油垢覆蓋電位器后，其阻值會發生變化，造成誤差太大，甚至不能使用，使此類油箱傳感器成為壽命很短的易損件。另一類是用電感線圈為基本檢測元件。它是用浮子帶動電感線圈（電感式液位計），改變震蕩電路的震蕩頻率，再通過頻率計檢測其頻率來測定油位。但其結構復雜，調試麻煩，成本高，價格貴，不能被廣泛使用。現很多大型客車、重卡等采用電阻式液位計，容易損壞，本任務將電容液位傳感器用于東風卡車汽車油量表的改造中，具有精度高、壽命長、穩定性強的特點。相關知識4.1.1電容式傳感器的基本原理

電容式傳感器是將被測非電量的變化轉化成為電容量變化的一種傳感器。電容式傳感器采用的是平行板電容器，如圖所示。我們知道，當忽略邊緣效應的時候，平行板電容器的電容C可用下式表示：

ε——電容極板間介質的介電常數；ε0——真空介電常數，其值為8.854×10-12F/m；εr——極板間介質相對介電常數；A——兩平行板互相遮蓋的有效面積，單位為m2；d——極距，兩平行板之間的距離，單位為m.相關知識4.1.1電容式傳感器的基本原理由式可知，當A、d或者εr發生變化時，電容量C也會隨之發生變化。如果保持上述三個參數中的兩個參數不變，改變另外一個參數，就可以將該參數的變化轉換成電容量的變化，再通過測量電路將電容量的變化轉換為電壓、電流或者頻率輸出并顯示，這就是電容傳感器的工作原理。電容式傳感器具有如下優點1、相對變化量可達到200%以上；2、能在高溫和強輻射等惡劣環境中工作；3、所需激勵源功率較小；4、動態響應快，適用于動態測量。4.1.2電容式傳感器的分類及其特性

根據上述電容傳感器的工作原理，按照變化的參數分類，電容傳感器可分為變極距式、變面積式及變介質式三種類型。1、變極距型電容傳感器變極距式電容傳感器如圖所示。圖中極板1固定不動，極板2為可動電極（動片），當動片隨被測量變化而移動時，使兩極板間距變化，從而使電容量產生變化。圖4-2（b）為電容與距離的關系曲線。當傳感器的A和ε為定值，初始極距為d0時，初始電容的值可表示為：

當動極板2移動x值后，電容值可表示為：4.1.2電容式傳感器的分類及其特性由式可知，變極距式電容傳感器電容值C與極距的變化量x不是線性關系。由上式可知，此時電容值C與動極距x為線性關系。即當極距的變化量相對初始極距值較小時，才有線性關系。這樣導致這種傳感器應用在線性范圍的量程較小。變極距式電容傳感器的靈敏度K為：所以當d0較小時，該類型傳感器靈敏度較高，動極板的微小位移變化可產生較大的電容變化量。一般電容式傳感器的其實電容量在20~300nF之間，極板距離在25~200μm的范圍，最大位移應小于極板間距的10%，所以電容傳感器經常應用于微小位移的測量。相反，當d0過小時，電容器容易短路或被擊穿，所以，極板間可采用高介電常數的材料，例如云母、塑料膜等。4.1.2電容式傳感器的分類及其特性2、變面積式電容傳感器變面積式電容傳感器分為平板形、圓柱形及角位移式三種類型，分別如圖所示(1)平行板型變面積電容傳感器如圖4-3（a），動極板移動引起兩極板有效覆蓋面積A改變，使電容量發生變化。當動極板相對于定極板沿長度方向平移x時，電容量C也隨之變為：增加極板長度b，減小極板間距d均可以提高傳感器的靈敏度。但是當d太小時，容易發生短路。4.1.2電容式傳感器的分類及其特性(2)圓柱型變面積電容傳感器平板形結構對極距變化特別敏感，對精度影響較大。但是圓柱形結構受極板徑向變化的影響很小，成為實際中最常采用的結構。圓柱形電容式傳感器如圖4-3(b)所示忽略邊緣效應時，電容量C為：式中：l——外圓筒與內圓柱覆蓋部分的長度；r2——圓筒內半徑；r1——內圓柱外半徑。當兩圓筒相對移動Δl時，電容變C為：4.1.2電容式傳感器的分類及其特性(3)角位移式電容傳感器如圖4-3（c），當動極板有一個角位移θ時，與定極板間的有效覆蓋面積就發生改變，從而改變了兩極板間的電容量。初始狀態，當θ=0時，則初始電容為：當動極板轉動角度θ時，電容值變為：

4.1.2電容式傳感器的分類及其特性從以上分析可知,變面積電容傳感器在理論上均為線性關系,但實際上只在中間一小段是線性的（如圖4-5所示），與變極距型相比，靈敏度較低。多用于檢測直線位移、角位移、尺寸等參量。4.1.2電容式傳感器的分類及其特性3、變介電常數型電容式傳感器介質的介電常數也是影響電容傳感器電容量的一個因素。由于各種介質的介電常數不同，故在電容器兩極板間加以不同介電常數的介質時，電容器的電容量會隨之發生變化。利用這種原理制成的傳感器在檢測容器中液面高度、片狀材料厚度等方面得到普遍應用。介質名稱相對介電常數介質名稱相對介電常數介質名稱相對介電常數真空1玻璃釉3-5聚苯乙烯2.4-2.6空氣略大于1二氧化硅38變壓器油2-4其他氣體1-1.2云母5-8環氧樹脂3-10硅油2-3.5干紙2-4高頻陶瓷10-160聚丙烯2-2.2干谷子3-5純凈水80聚四氟乙烯2壓電陶瓷1000-10000聚偏二氟乙烯3-54.1.2電容式傳感器的分類及其特性變介電常數電容式傳感器測量原理如下圖4-6所示，設被測介質的介電常數為ε1，液面高度為h，變換器總高度為H，外筒內徑為D，內筒外徑為d，此時變換器電容值為：式中：ε——空氣介電常數；

C0——初始電容量。由式4-15可知，電容的變化量ΔC為：電容的變化量與被測液位的高度h成線性關系。4.1.2電容式傳感器的分類及其特性4、差動電容傳感器在實際應用中，為了提高靈敏度，減小非線性誤差，大都采用差動式結構。如圖4-7所示：其中圖(a)為變極距的差動式電容器，中間的極板為動極板，上下兩塊為定極板。當動極板向上移動Δd距離后，上面的電容器極距減小為d0－Δd，相應下面的電容器極距增大為C1和C2。電容C1和C2呈差動變化，C1增大，C2減小。將C1和C2差接后，能使靈敏度提高一倍，外界的影響諸如溫度、激勵源電壓、頻率變化等也基本能相互抵消。圖(b)、圖(c)同理，請讀者自行分析。4.1.3電容傳感器的測量電路

電容傳感器輸出的電容變化量非常微小，很難精確的顯示、記錄及傳輸，電容傳感器的測量電路就是將微小的電容變化量轉換成與其正比的電壓、電流或者頻率信號，才能進行精確的顯示、記錄和傳輸。

電容傳感器的測量電路很多，常見的有交流橋式電路、調頻電路、脈寬調制電路和運算放大電路等。(1)單臂橋式電路。電路中，電容構成電橋的四臂，C1、C2、C3、Cx為固定電容，Cx為電容式物位傳感器的轉換元件，由高頻電源經變壓器接到電容橋的一個對角線上，另一個對角線上接有交流電壓表。跟電阻橋類似的是，交流電橋平衡時有：C1/C2=C3/Cx，電壓表電壓值UO為零。當Cx改變時，UO不等0,電壓表有反應電容變化的輸出電壓值.由于Cx值隨著被測物理量變化而變化，所以輸出電壓也就反映了被測物理量的變化值。(2)差動橋式電路。如圖4-9所示，其中Cx1

、Cx2均可變化，其輸出電壓UO為：2、調頻測量電路振蕩器輸出的高頻電壓是一個電容Cx控制的調頻波，其頻率的變化在鑒頻器中轉換成電壓幅度變化的輸出。經過放大器放大后，可用電壓表指示電容Cx的變化數值。這種轉換電路抗干擾能力強，能取得高電平直流信號，但振蕩頻率容易受到電纜電容的影響。3、脈沖寬度調制電路本電路的原理是將變化電容的大小轉換成脈沖的寬度（脈沖幅值不變）。如圖4-11所示，當雙穩態觸發器的Q端輸出為高電平時，A點通過R1對C1充電，F點電位逐漸升高。在Q端為高電平期間，Q端為低電平，電容C2通過低內阻的二極管VD2迅速放電，G點電位被鉗制在低電平。當F點電位升高超過參考電壓UR時，比較器A1產生一個“置零脈沖”，觸發雙穩態觸發器翻轉，A點跳變為低電位，B點跳變為高電位。此時C1經二極管VD1迅速放電，F點被鉗制在低電平，而同時B點高電位經R2向C2充電。當G點電位超過UR時，比較器A2產生一個“置1脈沖”，使觸發器再次翻轉，A點恢復為高電位，B點恢復為低電位。如此周而復始，在雙穩態觸發器的兩輸出端各自產生一個寬度受C1、C2調制的脈沖波形。當C1>C2時，t1>t2，經低通濾波器后，獲得的輸出電壓平均值Uo為正值。4、運算式測量電路圖4-13所示是運算式測量電路。根據集成運算比例放大器的工作原理，當放大器的開環增益和輸入阻抗足夠大時，輸出電壓與轉換元件的電容變化呈線性關系，即:從上式可以看出，如果傳感器是變極距電容傳感器，則放大器的輸出電壓與極板間距為線性關系。運算放大器電路解決非差動式電容傳感器的線性問題，但要求運算放大器輸入阻抗和放大倍數足夠大。4.1.4電容傳感器應用1、電容傳感器選用的基本原則由于被測介質的不同，電容式物位傳感器有不同的形式。（1）測量非導電液體的電容物位傳感器，當用于較稀的非導電液體（如輕油等）時，可采用一金屬電極，外部同軸套上一金屬管，相互絕緣固定，以被測介質為中間絕緣物質構成同軸套筒形電容器；（2）測量導電液體的電容物位傳感器，容器（規則）和液體作為電容器的一個電極，插入的金屬電極作為另一電極，絕緣套管作為中間介質，三者組成圓筒形電容器。當容器為非導電體時，需另加一個接地極，其下端浸至被測容器底部，上端與安裝法蘭有可靠的導電連接，以使兩電極中有一個與大地及儀表地線相連，保證儀表正常測量；（3）當測量粉狀非導電固體料位和粘滯性非導電液體液位時，可采用金屬電極直接插入圓筒形容器的中央，將儀表地線與容器相連，以容器作為外電極，料或液體作為絕緣介質構成圓筒形電容器。所以應根據現場實際情況，即被測介質的性質（導電特性、粘滯性）、容器類型（規則/非規則金屬罐、規則/非規則非金屬罐），選擇合適的電容式物位傳感器。2、電容傳感器安裝注意事項安裝物位傳感器時應注意選取合適的安裝點，避開下料口；注意信號線的屏蔽和接地,防止干擾。注意物料溫度、濕度、運動速度的變化以及物料粘掛容器壁和電極等因素的影響，引起電容介電常數的變化。3、電容傳感器的特點（1）電容式傳感器的結構簡單，易于生產，精度高。電容式傳感器一般用金屬作電極，用無機材料作絕緣支承，因此在高低溫、強輻射及強磁場等惡劣的環境中工作時，它能承受很大的溫度變化，能承受高壓力、高沖擊、過載等，而且能測量超高壓。（2）由于傳感器極板間的靜電引力很小，需要的輸入能量小，所以特別適合用來解決輸入能量低的問題，如測量極小的力、壓力和微小的位移等，由于其靈敏度很高，所以分辨率非常高，能測量0.001μm甚至更小的位移。（3）電容式傳感器的可動部分可以做得小而薄，質量輕，因此固有頻率高，動態響應時間短，能在幾兆赫的頻率下工作，非常適合用于動態測量；也可以用較高頻率的電壓供電，因此系統工作頻率高，可用于測量高速變化的參數，如振動等。（4）電容式傳感器的電容值一般與電極材料無關，故有利于選擇溫度系數低的材料，又由于傳感器本身發熱量極小，因此溫度穩定性好。（5）電容式傳感器在測量回轉軸的振動或偏心、小型滾珠軸承的徑向間隙等時，可以采用非接觸式測量方法，具有平均效應，能夠減小工件表面粗糙度等對測量的影響。任務實施

1、傳感器的選型在自動化生產的今天，各種液位傳感器數不勝數。在液位測量中如何選擇最佳的液位測量方式，是擺在每個設計人員面前的首要問題。那么，液位測量如何選擇最佳的測量方式呢？首先，必須對傳感器的應用工況有較為清楚的了解。比如要了解被測液體屬性，其中包括狀態、顏色、腐蝕性、粘稠度、是否含雜質，是否需要符合食品衛生認證等，根據這些具體的工況要求，選用合適的傳感器。比如：在日化用品乳霜的灌裝過程中，需要監控儲液罐高、低液位。就需要先對乳霜的物理屬性有大致的了解：乳霜為流體狀態，較粘稠，顏色為半透明乳白色，非腐蝕性，無需食品衛生認證。本任務要測量的是汽油，一般為淡黃色的粘稠液體，容器（油箱）一般為異形、非標準的。其次，了解不同測量方式的優缺點和其具有的功能。先清楚我們需要傳感器達到哪些功能、是屬于開關量輸出還是模擬量輸出，通常開關量/數字量輸出用于報警或者保護作用，例如灌裝時防溢報警、低液位防泵空轉保護等；模擬量輸出主要用于過程控制，包括灌裝容量、液位顯示、加料速度控制等。本任務需要模擬量輸出。最后，對擬選用的測量方式是否為與工況相匹配的最佳測量方式做最終評估。具體包括產品的安裝調試、應用溫度、壓力范圍、價格等。根據以上分析，結合實際情況，我們選用CR-606電容式傳感器。傳感器如圖4-14所示。任務實施下面介紹型號CR-606系列電容液位計適用范圍及特點、主要技術參數、型號及說明等。CR-606系列電容式液位計的傳感部分是一個同軸的容器，當油進入容器后引起傳感器殼體和感應電極

之間電容量的變化，這個變化量通過電路的轉換并進行精確的線性和溫度補償，輸出4~20mA標準信號供給顯示儀表。產品核心部件采用先進的射頻電容檢測電路經過16位單片機經過精確的溫度補償和線性修正，轉化成標準電信號（4~20mA）。可選HART、CANBUS、485通訊協議進行系統組態。全系列變送器都具有自校準功能，用戶可通過按鍵或引線進行“零點”、“量程”自動校準，以適應各種復雜場所的不同要求。

CR-606是為鐵路機車、汽車油箱、油罐車、油庫等油位的精確測量而量身定做的專門儀表，整機無任何可動或彈性部件，耐沖擊、安裝方便、可靠性高、精度高、性能價格比好。可安裝在各種場合對汽油、柴油、液壓油等油位進行準確的測控，也適用于各種非導電液體的測量。在現場條件特別惡劣，電磁干擾特別嚴重、攪拌特別厲害情況下測量導電介質也可以采用此類產品。

任務實施CR-606系列電容油位傳感器的傳感部分是一個同軸的容器，油進入容器后導致傳感器殼體與感應電極之間電容量的變化，通過測量轉換電路后得到標準輸出信號進行顯示。圖4-15為測量電路原理，當油箱中無油時，電容傳感器的電容Cx

0為最小值。此時應使電橋輸出為零。油量表調零過程如下：首先斷開減速箱與RP的機械連接，將RP人為地調到零，即：電位器RP的滑動臂位于0點。此時R3=R4。再調節半可變電容C0，使C0=Cx

0，此時，電橋滿足：任務實施當油箱中注入油，液位上升至h處，Cx=Cx0+ΔCx，ΔCx與h成正比。此時電橋失去平衡，電橋的輸出電壓Ubdo經放大后驅動伺服電動機，再由減速箱減速后，帶動指針順時針偏轉，同時帶動RP的滑動臂向c點移動，從而使RP的阻值增大，Rcd

=R3+RRP也隨之增大。當RP阻值達到一定值時，(Cx0+ΔCx)/C0=(R3+RRP)/R4，電橋又達到新的平衡狀態，Ubdo再次等于零，于是伺服電動機停轉，指針停留在轉角為θmax處。

當油位降低時，伺服電動機反轉，指針逆時針偏轉，同時帶動RP的滑動臂移動,使RP阻值減小。當RP阻值達到某一數值時,電橋又達到新的平衡狀態，Uo=0，于是伺服電動機再次停轉,指針停留在與該液位相對應的轉角θ處。該裝置采用了閉環零位式測量方法。任務實施如圖4-16所示為油量表改造原理圖，由于傳感器已考慮到現場復雜的需求環境，是參考原車傳感器的功能、外觀、安裝方式的產品。所以在使用時可直接替換掉原車傳感器，無需打孔，不破壞原車線路。配套使用的調制解調器支持多種輸出信息，不但可以驅動原車儀表，還可以將數字信息實時傳輸至衛星定位車載終端等設備。任務實施4、傳感器的安裝及注意事項（1）安裝前檢查附件：法蘭、橡膠墊、O型圈、螺絲等是否齊備。（2）將O型圈套在傳感器根部。（3）將橡膠墊的兩面涂抹上耐油密封膠，然后和法蘭盤與油箱法蘭對好孔位，并用螺絲固定好，擰緊時應對稱輪流加力，以保證各方向受力均勻，避免漏油。（4）將傳感器插入用扳手擰緊完成傳感器的安裝。（5）接好電源和通訊線，檢查線路。（6）傳感器的安裝位置應盡量靠近油箱中心，從而減小汽車在上下坡時造成的油面傾斜寄油面波動對其的影響。（7）由于車上環境惡劣，供電應采用隔離電源供電。信號傳輸線纜采用屏蔽線纜。（8）校準流程：在通電情況下將傳感器緩慢放入被測介質中。使也為從傳感器的下空出開始緩慢上升超過傳感器測量部分的三分之一處，傳感器的上孔處于較好校準位置，則完成校準。為防止校準失敗，此過程應操作兩次以上。知識拓展1、電容濕度傳感器變介電常數式電容傳感器當介質厚度δ保持不變、而相對介電常數εr改變時，該電容器可作為相對介電常數εr的測試儀器。又如，當空氣濕度變化，介質吸入潮氣（εr水=80）時，電容將發生較大的變化。因此該電容器又可作為空氣相對濕度傳感器。反之，若εr不變，則可作為檢測介質厚度的傳感器。知識拓展2、電容