同學們，今天我們學習的內容是熱電阻傳感器的結構和測量電路與運用。Structureandclassificationofstraingauges力和壓力的檢測同學們，今天我們學習的內容是熱電阻傳感器的結構和測量電路與運用。Structureandclassificationofstraingauges應變片的結構與分類應變片的結構與分類電阻應變片式傳感器具有悠久的歷史，也是目前應用比較廣泛的傳感器之一。電阻應變片式傳感器目前應用比較廣泛的傳感器之一具有悠久歷史將電阻應變片粘貼在各種彈性敏感元件上，加上相應的測量電路后就可以檢測位移、加速度、力、力矩等參數變化。粘貼在各種彈性敏感元件上位移加速度力加上相應的測量電路后力矩電阻應變片是電阻應變片式傳感器的核心器件。電阻應變片式傳感器核心器件結構簡單使用方便性能穩定可靠易于自動化多點同步測量遠距離測量遙測并且測量的靈敏度，速度都很高，無論是靜態測量還是動態測量都很適用。測量的靈敏度，速度都很高靜態測量動態測量很適用電阻應變片式傳感器機械電力化工建筑醫療航空廣泛應用電阻應變計也稱應變片，是基于應變效應制成的。基于應變效應制成的電阻應變計應變片11.結構應變片常見的粘貼式結構如圖3-1-2所示。應變片的典型結構包括有敏感柵、基底、蓋片、引線及黏合劑等。結構應變片中實現電阻轉換的元件合金材料的選擇制造應變片的性能決定性作用因此對合金材料的選擇需考慮的因素有：①較高的靈敏系數并在較大的應變范圍內穩定；②有高的和穩定的電阻率；③電阻溫度系數小并有足夠的熱穩定性；④機械強度高、加工和焊接性能良好；⑤抗氧化和抗腐蝕性能強等。①較高的靈敏系數并在較大的應變范圍內穩定合金材料的選擇需考慮的因素②有高的和穩定的電阻率③電阻溫度系數小并有足夠的熱穩定性④機械強度高、加工和焊接性能良好⑤抗氧化和抗腐蝕性能強工程應用中應根據實際情況綜合考慮工程應用中應根據實際情況綜合考慮。常用的合金大致有：銅鎳合金（康銅）、鎳鉻合金、鐵鉻鋁合金、鎳鉻鐵合金、鉑及鉑合金等。銅鎳合金（康銅）鎳鉻合金鐵鉻鋁合金鎳鉻鐵合金鉑及鉑合金常用的合金（2）基底基底的作用是保持敏感柵固定的形狀、尺寸和位置，并使敏感柵與彈性元件相互絕緣。保持敏感柵固定的形狀、尺寸和位置使敏感柵與彈性元件相互絕緣對基底材料的要求是撓性好，具有一定的機械強度，黏合性和絕緣性能好、蠕變和滯后小、不吸潮和熱穩定性好等。基底材料的要求撓性好有一定的機械強度黏合性和絕緣性能好蠕變和滯后小不吸潮熱穩定性好紙膠膜玻璃纖維布聚酰亞胺是一種綜合性能極佳的有高分子材料之一，其膠膜耐高溫達400℃以上，長期使用溫度范圍為-200~300℃，聚酰亞胺綜合性能極佳的有高分子材料之一膠膜耐高溫達400℃以上長期使用溫度范圍為-200~300℃高絕緣性成膜性好蠕變小滯后小穩定性好疲勞壽高已廣泛應用在航空、航天、微電子、納米、液晶、分離膜、激光等領域。廣泛應用領域玻璃纖維是一種性能優異的無機非金屬材料，玻璃纖維性能優異的無機非金屬材料絕緣性好耐熱性強抗腐蝕性好機械強度高穩定性高疲勞壽命高適用于高精度傳感器上（3）蓋片蓋片的作用是防潮、防腐、防損、避免機械損傷和高溫氧化等。防潮防腐防損避免機械損傷高溫氧化也可以用黏合劑作為保護層。作保護層（4）引線它的作用是連接敏感柵與測量電路。連接敏感柵測量電路通常使用低的穩定電阻率及小電阻溫度系數的絲狀或帶狀的金屬導線。低穩定電阻率小電阻溫度系數絲狀或帶狀常溫應變片多用鍍銀紫銅絲或銅帶，鍍銀紫銅絲銅帶常溫應變片鎳鉻銀鉑高溫應變片鈹青銅高疲勞壽命的應變片引線與敏感柵的連接可以采用釬焊、錫焊、電弧焊或電接觸焊等。引線與敏感柵的連接釬焊錫焊電弧焊電接觸焊（5）黏合劑生產應變片時，黏合劑的作用是把蓋片和敏感柵固定在基底上，使用應變片時，黏合劑的作用是把應變片貼在彈性體被測位置上。生產應變片時使用應變片時把蓋片和敏感柵固定在基底上把應變片貼在彈性體被測位置上貼應變片時，因為黏合劑參與彈性體形變到應變片的傳遞，所以其形成的膠層直接影響應變片的性能。貼應變片時因為黏合劑參與彈性體形變到應變片的傳遞，所以其形成的膠層直接影響應變片的性能。工程上黏合劑的選擇要根據具體要求，有針對性地選擇2.分類電阻應變片的分類方法很多，可以按材料、工作溫度、用途等進行分類。2分類電阻應變片的分類方法材料工作溫度用途金屬應變片半導體應變片其中金屬應變計可細分為絲式、箔式和薄膜應變計，金屬應變片絲式應變計箔式應變計薄膜應變計體型擴散型薄膜型半導體應變片（2）按應變片的基底材料分為紙基底應變片、浸膠基應變片、金屬應變片。（2）按應變片的基底材料紙基底應變片浸膠基應變片金屬應變片（3）按應變片工作的溫區分為低溫、常溫、中溫及高溫應變片。（3）按應變片工作的溫區低溫應變片常溫應變片中溫應變片高溫應變片（4）按應變片的安裝方法分為粘貼式、非粘貼式應變片等。（4）按應變片的安裝方法粘貼式應變片非粘貼式應變片同學們，本節課我們學習了應變片的結構與分類，大家都掌握了嗎？Thankyou謝謝大家謝謝大家Workingprocessofstraingaugeandtemperatureerrorandcompensation應變片的工作過程與溫度誤差及補償應變片的工作過程與溫度誤差及補償1.工作過程，應變片在使用時，通常是將其用黏合劑牢固地粘貼在被測試件的表面上，將其用黏合劑牢固地粘貼在被測試件的表面上應變片在使用時1工作過程隨著試件受力的變形，應變片的敏感柵也會做同樣的變形，由此就會使其電阻值發生改變。試件受力的變形應變片的敏感柵會做同樣的變形使其電阻值發生改變后級測試電路測試電壓變化電流變化2.檢測電路對應變片輸出信號的檢測，因為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，2檢測電路對應變片輸出信號的檢測因為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。故通常采用電橋檢測的方式，具體檢測電路如圖3-1-4所示。電橋檢測的方式貼在測試件上的有效應變片電阻R4為虛設應變片電阻(實際上是一種電橋配平衡電阻)。虛設應變片電阻（電橋配平衡電阻）當R不受力時，將電橋調至平衡狀態，使輸出電壓u=0當R3由于受力變形電阻值發生變化時，電橋就會失會平衡，就將有信號電壓u0輸出，u0電壓的大小就反映了受力的大小。當R3由于受力變形電阻值發生變化時電橋失去平衡，將有信號電壓u0輸出u0電壓的大小反映了受力的大小電阻應變片式傳感器在實際使用時，除了應變會導致應變片電阻值發生變化外，溫度變化也會使應變片的電阻值發生變化。這種因溫度變化而產生的誤差稱為溫度誤差。因溫度變化而產生的誤差——溫度誤差應變會導致應變片電阻值發生變化溫度變化也會使應變片的電阻值發生變化產生的原因主要來自兩個方面，一是因溫度變化而引起的應變片敏感柵的電阻變化及附加變形；二是因被測物體材料的線膨脹系數不同，使應變片產生附加應變。產生的原因的主要兩個方面一、因溫度變化而引起的應變片敏感柵的電阻變化及附加變形二、因被測物體材料的線膨脹系數不同，使應變片產生附加應變檢測系統中有必要進行溫度補償減小或消除由此而產生的測量誤差常用的溫度補償方法橋路補償應變片自補償補償片測量時應變片是作為平衡橋的一個臂參與測量應變的。圖3-1-5中的R1為工作片，R2為補償片。測量時應變片是作為平衡橋的臂參與測量應變的工作片補償片R1粘貼在被測物體上需測量應變的位置上R2粘在一塊不受應力作用但卻與被測物體材料相同的補償塊上，并且處于和被測物體相同的溫度環境中當溫度發生變化時，工作片R1和補償片R2的電阻都會發生變化。工作片R1和補償片R2的電阻都會發生變化當溫度發生變化時R1和R2為同類應變片，又粘貼在相同的材料上，由于溫度變化而引起應變片的電阻變化量相同R1和R2的變化相同ΔR1=ΔR2由于R1和R2分別接在電橋相鄰的兩個臂上，如圖3-1-5(a)所示。由于R1和R2分別接在電橋相鄰的兩個臂上因溫度變化而引起的電阻變化ΔR1和ΔR2的作用可相互抵消，從而起到溫度補償的作用。橋路補償法的優點是簡單、方便，在常溫下補償效果比較好。優點簡單方便在常溫下補償效果比較好缺點溫度變化梯度較大時比較難掌握橋路補償法應變片自補償法采用特殊應變片粘貼在被測部位上，在溫度發生變化時使所產生的附加應變為零或相互抵消。應變片自補償法特殊應變片粘貼在被測部位上在溫度發生變化時使所產生的附加應變零相互抵消選擇式自補償片雙金屬敏感柵自補償應變片簡單實用效果好Thankyou謝謝大家謝謝大家Applicationsforresistivestraingaugesensors同學們，今天我們要學習的主要內容是電阻應變片式傳感器的應用。電阻應變片式傳感器的應用第一種應用是應變式測力與荷重傳感器。電阻應變式傳感器的最大用武之地是在稱重和測力領域。1應變式測力與荷重傳感器最大用武之地稱重測力應變計彈性元件測量電路根據彈性元件結構形式（柱形、筒形、環形、梁式、輪輻式等）彈性元件結構形式柱形筒形環形梁式輪輻式彈性元件受載性質拉壓彎曲剪切常見的應變式測力與荷重傳感器有柱式、懸臂梁式、環式等，如圖3-1-8所示。常見的應變式測力與荷重傳感器柱式懸臂梁式環式(a）應變式荷重傳感器外形(b）懸臂梁(c）汽車衡稱重(1)柱式力傳感器柱式力傳感器，應變片粘貼在彈性體外壁應力分布均勻的中間部分，對稱地粘貼多片，電橋連接時考慮減小載荷偏心和彎矩影響。(1)柱式力傳感器應變片粘貼在彈性體外壁應力分布均勻的中間部分，對稱地粘貼多片，電橋連接時考慮減小載荷偏心和彎矩影響。橫向貼片作溫度補償用，貼片在圓柱面上的展開位置及其在橋路中的連接如圖3-1-9所示。橫向貼片作溫度補償用貼片在圓柱面上的展開位置及其在橋路中的連接柱式力傳感器結構簡單、緊湊，可承受很大載荷。結構簡單、緊湊，可承受很大載荷(a）柱形(b）簡形(c）圓柱面展開圖(d）橋路連接圖用柱式力傳感器可制成稱重式料位計，如圖3-1-10所示。用柱式力傳感器可制成稱重式料位計(2)梁式力傳感器常用的梁式力傳感器有等截面梁應變式力傳感器、等強度梁應變式力傳感器以及一些特殊梁式力傳感器(2)梁式力傳感器等截面梁應變式力傳感器等強度梁應變式力傳感器特殊梁式力傳感器（如雙端固定梁、雙孔梁、單孔梁應變式力傳感器等）。特殊梁式力傳感器雙端固定梁雙孔梁單孔梁結構較簡單用于測量500kg以下的載荷與柱式相比，應力分布變化大，有正有負梁式力傳感器可制成稱重電子秤如圖3-1-11(a）所示，原理圖如圖3-1-11(b）所示。(a）電子稱外形；(b）電子稱結構示意圖梁式力傳感器可制成稱重電子秤(a）電子稱外形(b）電子稱結構示意圖上下表面的應變大小相等符號相反上表面產生拉應變下表面產生壓應變粘貼在上下表面的應變片也隨之拉伸和縮短，得到正負相間的電阻值的變化，接入橋路后，就能產生輸出電壓。粘貼在上下表面的應變片隨之拉伸和縮短得到正負相間的電阻值的變化接入橋路產生輸出電壓第二種應用是軋鋼機。軋鋼機工作過程中，軋制力是一個重要因素，它關系到產品的生產效率、產品質量、生產成本以及軋鋼機的使用壽命。2軋鋼機軋制力重要因素產品的生產效率產品質量生產成本軋鋼機的使用壽命通常還有壓磁式和電容式等幾種力傳感器。國內外測量軋制力壓磁式傳感器電容式傳感器電阻應變式傳感器圖3-1-12為某圓盤式測力傳感器示意圖，其額定量為2000t，檢測精度為0.15%。目前國內各大鋼廠軋制力的測量都使用這種傳感器。額定量為2000t檢測精度為0.15%圓盤外徑：800mm厚度：80mm徑向：8個φ16孔孔側粘貼5片120Ω的應變片，對邊同樣粘貼5片并串聯在一起，與此相隔90°方向對孔同樣接法，再將兩并聯構成一橋臂。其余測量孔同樣數量應變片構成另一橋臂。孔側粘貼5片120Ω的應變片對邊同樣粘貼5片并串聯在一起與此相隔90°方向對孔同樣接法將兩并聯構成一橋臂余測量孔同樣數量應變片構成另一橋臂另外兩個補償臂由貼在圓盤側面的10片120Ω應變片構成每5片為一橋臂，用10~12V直流穩壓電源供電外套為不銹鋼護罩，抽成真空補充氮氣。用此種傳感器可以準確、可靠地檢測軋鋼機的軋制力。外套：不銹鋼護罩抽成真空補充氮氣準確、可靠地檢測軋鋼機的軋制力Thankyou謝謝大家謝謝大家Piezoelectriceffect同學們，本節課我們學習的內容是壓電效應。我們先看一個有趣的故事，來理解壓電效應：壓電效應壓電效應項目三、力和壓力的檢測迄今為止，世界上已發現響沙一百多處，響沙我國有鳴沙山甘肅敦煌的鳴沙山沙坡頭寧夏中衛的沙坡頭銀肯響沙灣和內蒙古鄂爾多斯的銀肯響沙灣東額其響沙還有內蒙古赤峰市翁牛特旗布力彥的東額其響沙。沙響的原因并不神秘。由于沙粒機械成分一致，都是中粒沙或細粒沙，幾乎沒有灰塵，石英的含量又高，中粒、細粒沙石英含量高一定壓力下產生壓縮或延伸eee壓電性質壓電的晶體收縮和膨脹，便產生響聲，擠壓的石英沙子產生了電荷，當足夠多電荷聚集在地表并上升到空中，引起了電荷的放電聲響。響沙的由來壓電效應的存在壓電效應是某些物質沿某一方向受到外力作用時，物質會產生變形，同時其內部產生極化現象，此時在這種材料兩個表面產生符號相反的電荷，物質+-會產生變形，同時其內部產生極化現象，此時在這種材料兩個表面產生符號相反的電荷，物質+-當外力去掉后，它又重新恢復到不帶電的狀態，物質當作用力方向改變時，電荷極性也隨之改變，這種機械能轉化為電能的現象稱為“正壓電效應”或“順壓電效應”。物質當作用力方向改變時，電荷極性也隨之改變正壓電效應順壓電效應反之，當在某些物質的極化方向上施加電場，這些材料在某一方向上產生機械變形或機械壓力物質當作用力方向改變時，電荷極性也隨之改變正壓電效應順壓電效應物質反之，當在某些物質的極化方向上施加電場，這些材料在某一方向上產生機械變形或機械壓力物質當外加電場撤去時，這些變形或應力也隨之消失，物質逆壓電效應電致伸縮效應這種電能轉化為機械能的現象稱為“逆壓電效應”或“電致伸縮效應”。物質第一，石英晶體的壓電效應。石英晶體的壓電效應圖3-2-2為天然石英晶體的結構外形，在晶體學中用三根互相垂直的軸Z.X、Y來表示它們的坐標。圖3-2-2石英晶體的外形圖Z軸為光軸，它是晶體的對稱軸；圖3-2-2石英晶體的外形圖晶體的對稱軸Z：光軸X軸為電軸，該軸壓電效應最為明顯，也就是說壓電效應產生的電荷一般分布在垂直于X軸的平面上；圖3-2-2石英晶體的外形圖壓電效應最明顯X：電軸

Y軸為機械軸，機械變形一般發生在此軸。圖3-2-2石英晶體的外形圖機械變形一般發生在此軸Y：機械軸石英晶體的壓電效應與其內部結構有關。石英晶體的壓電效應與其內部結構有關石英晶體的化學式是SiO2。為了直觀地了解其壓電效應，將一個單元中構成石英晶體的硅粒子和氧離子，在垂直于Z軸的XOY平面投影。石英晶體化學式：SiO?等效為圖3-2-4（a）所示的正六邊形排列。圖3-2-4石英晶體壓電效應示意圖圖中里面是+，外面是〇，代表si4+；里面是－，外面是〇，代表2O2–。圖3-2-4石英晶體壓電效應示意圖+++

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當石英晶體未受外力作用時，正、負離子（即和）正好分布在正六邊形的頂角上，形成三個大小相等互成120°的電偶極矩P1、P2、P3，如圖3-2-4(a)所示。+++---圖3-2-4石英晶體壓電效應示意圖P=ql,q為電荷量，l為正、負電荷間的距離。電偶極矩方向為負電荷指向正電荷。此時，正、負電荷中心重合，電偶極矩的矢量和等于0，即p1+p2+p3=0。圖3-2-4石英晶體壓電效應示意圖P=qlq：電荷量l：正、負電荷間的距離方向：負電荷指向正電荷正、負電荷中心重合電偶極矩的矢量和等于0P1+P2+P3=0此時晶體表面不產生電荷，從整體上說它呈中性晶體表面不產生電荷整體上呈中性當石英晶體受到沿x軸方向的壓力作用時，將產生壓縮變形，正、負離子的相對位置隨之變動，正、負電荷中心不再重合，如圖3-2-4(b）所示。圖3-2-4石英晶體壓電效應示意圖電偶極矩在x軸方向上的分量(p1+p2+p3)＞0，在x軸正方向上的晶體表面上出現正電荷；而在y軸和z軸方向上的分量均為0，所以垂直于y軸和z軸的晶體表面上不出現電荷。圖3-2-4石英晶體壓電效應示意圖P1+P2+P3＞0X軸方向分量P1+P2+P3=0Y、Z軸方向分量X軸：正電荷Y、Z軸：無電荷這種沿x軸施加作用力，而在垂直于x軸的晶體表面上產生電荷的現象，稱為“縱向壓電效應”。沿X軸施加作用力，在垂直于X軸的晶體表面上產生電荷縱向壓電效應當石英晶體受到沿y軸方向的壓力作用時，將產生壓縮變形，正、負離子的相對位置隨之變動，P1+P2+P3＜0X軸方向分量X軸：負電荷P1+P2+P3=0Y、Z軸方向分量Y、Z軸：無電荷沿Y軸施加作用在垂直于X軸的晶體表面上產生電荷橫向壓電效應當晶體受到沿z軸方向的作用力（無論壓力或拉力），因為晶體在x軸和y軸方向的變形相同，正、負電荷中心保持重合，電偶極矩在x.y軸方向上的分量等于零。沿光軸方向施加力石英晶體不會產生壓電效應需要指出的是，如果當晶體沿x軸和y軸方向受到拉力作用時，同樣有壓電效應，只是電荷的極性將隨之改變。沿x軸和y軸方向受拉力作用時，同樣有壓電效應石英晶體上電荷極性與受力方向的關系，如圖3-2-5所示。圖3-2-5晶體切片上電荷極性與受力方向關系第二，壓電陶瓷的壓電效應。壓電陶瓷的壓電效應壓電陶瓷的發現和應用時間并不長，直到1947年才發現具有壓電性能的陶瓷材料。1947年發現具有壓電性能的陶瓷材料壓電陶瓷是人工制造的多晶體壓電材料。壓電陶瓷是人工制造的多晶體壓電材料無外電場作用時，電疇的極化效應相互抵消，壓電陶瓷內極化強度為零因此，原始的壓電陶瓷呈中性，不具有壓電性質，如圖3-2-6(a）所示。圖3-2-6陶瓷電容的極化示意圖在陶瓷上施加外電場時，電疇的極化方向發生轉動，趨向于按外電場方向的排列，從而使材料得到極化。圖3-2-6陶瓷電容的極化示意圖施加外電場電疇極化方向發生轉動材料得到極化外電場越強轉動電疇越多極化越飽和即所有電疇極化方向都整齊地與外電場方向一致時，外電場去掉后，電疇的極化方向基本不變，即剩余極化強度很大，這時的材料才具有壓電特性。所有電疇極化方向都整齊地與外電場方向一致時，外電場去掉后，電疇的極化方向基本不變。具有壓電特性極化處理后陶瓷材料內部仍存在有很強的剩余極化，圖3-2-6陶瓷電容的極化示意圖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。圖3-2-6陶瓷電容的極化示意圖受外力作用電疇偏轉剩余極化強度變化極化電荷變化因受力而產生的由機械效應轉變為電效應，將機械能轉變為電能的現象。壓電陶瓷的正壓電效應電荷量的大小與外力成正比關系：式中d33為壓電陶瓷的壓電系數；F為作用力。

電荷量的大小與外力成正比關系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。壓電系數靈敏度極化處理后的壓電陶瓷材料的剩余極化強度和特性與溫度有關，它的參數也隨時間變化，從而使其壓電特性減弱。極化后的壓電陶瓷材料剩余極化強度和特性與溫度有關最早使用的壓電陶瓷材料是鈦酸鋇（BaTiO3)。鈦酸鋇（BaTiO3)碳酸鋇二氧化鈦壓電系數約為石英的50倍使用溫度最高70℃溫度穩定性不如石英機械強度不如石英同學們，通過今天的學習，大家對壓電效應的知識都掌握了嗎？Thankyou謝謝大家謝謝大家項目三、力和壓力的檢測Applicationofpiezoelectricsensors同學們，本節課我們主要學習壓電式傳感器的應用。壓電式傳感器的應用壓電式傳感器的應用項目三、力和壓力的檢測壓電式力傳感器的形式通常有單向力傳感器、雙向力傳感器和三向力傳感器，配以適當的放大器測量各種動態或靜態力。壓電式力傳感器的量程很寬，可測量小到幾百，大到幾萬牛頓的動、靜態力，而且結構簡單、體積小、質量小、固有頻率高和分辨率高等優點。量程寬可測幾百到幾萬牛頓的動、靜態力結構簡單體積小質量小固有頻率高分辨率高1.玻璃破碎報警器玻璃破碎報警器玻璃破碎時會發出幾千赫茲的振動，玻璃破碎時會發出幾千赫茲的振動將高分子壓電薄膜粘貼在玻璃上，如圖3-2-15所示，玻璃破碎報警器可以感受到這一振動。圖3-2-15玻璃破碎報警器高分子壓電傳感器如圖3-2-16所示，圖3-2-16高分子壓電傳感器高分子薄膜約厚0.2mm，用聚偏二氟乙烯（PVDF）制成10～20mm大小的薄膜。圖3-2-16高分子壓電傳感器厚0.2mm大小10～20mm....................................，也可以用熱印制工藝制作鋁薄膜電極再用超聲波焊接上兩根柔軟的電極引線，并用保護膜覆蓋。熱印制工藝鋁薄膜電極超聲波焊接柔軟電極..................壓電薄膜受到劇烈振動在引腳間產生窄脈沖信號集中報警裝置產生報警信號由于感應片很小且透明，不易察覺，所以可安裝于貴重物品柜臺、展覽櫥窗等。2.采用壓電式傳感器的震動測試實例采用壓電式傳感器的震動測試實例壓電式加速度傳感器由于體積小、質量輕、測量范圍廣等優點，所以在振動測量系統中得到廣泛應用。體積小質量輕測量范圍廣在振動測量系統中得到廣泛應用常用的振動測量系統由壓電式加速度傳感器、電荷放大器、動態信號分析儀組成，如圖3-2-17所示。體積小質量輕測量范圍廣在振動測量系統中得到廣泛應用壓電式加速度傳感器電荷放大器動態信號分析儀圖3-2-17常用的振動測量系統被測對象的振動加速度信號經傳感器，再由傳感器電纜將加速度信號送入系統電荷放大器，電荷放大器將信號轉換為電壓信號并放大，經過數據采集測試儀采樣，采集到的信號可以通過顯示器實時顯示和處理。將信號轉換為電壓信號并放大實時顯示和處理3.振動壓路機振動測量實例振動壓路機振動測量實例各種建筑工程基礎壓實中經常使用振動壓路機它的振動輪的壓實效果受多種因素的影響。通常被壓土壤性能影響工作中振動輪的動態性能，另外，為了實現高效壓實，振動壓路機中各種運行參數也隨被壓土壤生能自動調整。振動壓路機振動輪的壓實效果受多種因素的影響被壓土壤性能影響振動輪的動態性能壓路機運行參數隨土壤性能自動調整采用圖3-2-18的壓路機振動測量系統，選擇某樣機在施工現場測取系統的主要響應信號圖3-2-18壓路機振動測量系統加速度計電荷放大器數據采集儀4.壓電式報警系統壓電式報警系統壓電式報警系統（見圖3-2-19）圖3-2-19壓電式報警系統框圖可用于重要位置出入口、周界安全防護等。可用于重要位置出入口、周界安全防護將長的壓電電纜埋在泥土的淺表層，起到分布式地下麥克風的作用圖3-2-19壓電式報警系統框圖........................................................................分布式地下麥克風同學們，以上我們學習了壓電式傳感器的應用，大家都掌握了嗎？Thankyou謝謝大家謝謝大家項目三、力和壓力的檢測Understandingandprincipleofinductivesensor同學們，今天我們主要來學習電感式傳感器的認識與原理。電感式傳感器的認識與原理電感式傳感器的認識與原理項目三、力和壓力的檢測電感式傳感器是利用電磁感應把被測的物理量如位移、壓力、流量、振動等轉換成線圈的自感系數和互感系數的變化，位移壓力流量振動自感系數互感系數電壓或電流的變化量輸出，實現非電量到電量的轉換。自感系數互感系數位移壓力流量振動電壓或電流的變化量輸出電感式傳感器具有以下特點:（1）結構簡單，傳感器無活動觸點，因此工作可靠、壽命長。電感式傳感器的特點結構簡單工作可靠壽命長（2）靈敏度和分辨率高，能測出0.01μm的位移變化。傳感器的輸出信號強，電壓靈敏度一般每毫米的位移可達數百毫伏的輸出。電感式傳感器的特點靈敏度和分辨率高傳感器的輸出信號強（3）線性度和重復性都比較好，在一定位移范圍(幾十微米至數毫米)內，傳感器非線性誤差可達0.05%~0.1%。電感式傳感器的特點線性度和重復性較好一定范圍內非線性誤差可達0.05%~0.1%同時，這種傳感器能實現信息的遠距離傳輸、記錄、顯示和控制，它在工業自動控制系統中被廣泛采用。電感式傳感器的特點能實現信息的遠距離傳輸、記錄、顯示和控制但不足的是，它有頻率響應較低、不適合快速動態測控等缺點。電感式傳感器的缺點頻率響應較低不適合快速動態測控接下來，我們來學習一下電感式傳感器原理。電感式傳感器原理電感式傳感器與磁電式傳感器都是通過磁阻變化將非電量轉化成電量的原理制成的，將其分開是根據改變磁阻方式不同。通過磁阻變化將非電量轉化成電量改變磁阻方式不同電感式傳感器是利用線圈自感或互感的改變實現能量轉變的原理制成的。利用線圈自感或互感的改變實現能量轉變電感式傳感器具有結構簡單、工作可靠、輸出功率大、抗干擾能力強、分辨率較高、穩定性好、工作環境要求低等優點，結構簡單工作可靠輸出功率大抗干擾能力強分辨率較高穩定性好工作環境要求低，但也有其缺點，如頻率響應低，不適用于快速動態量的測量。結構簡單工作可靠輸出功率大抗干擾能力強分辨率較高穩定性好工作環境要求低頻率響應低不適用快速動態量測量一般情況下，電感式傳感器的分辨力和示值誤差與示值范圍有關，示值范圍大時分辨力和示值精度都將相應降低。電感式傳感器的分辨力和示值誤差與示值范圍有關，示值范圍大時分辨力和示值精度都將相應降低。1.自感式傳感器自感式傳感器的工作原理，如圖3-3-2所示。圖3-3-2自感式傳感器的原理圖1—線圈；2—鐵心；3—銜鐵1.自感式傳感器設線圈的匝數為N，通入線圈中的電流為I，每匝線圈產生的磁通為Φ，由電感定義有匝數電流磁通1.自感式傳感器NIΦ(3-3-1)圖3-3-2自感式傳感器的原理圖1—線圈；2—鐵心；3—銜鐵設磁路總磁阻為RM，磁通為匝數電流磁通1.自感式傳感器NIΦ(3-3-1)總磁阻RM(3-3-2)圖3-3-2自感式傳感器的原理圖1—線圈；2—鐵心；3—銜鐵由圖3-3-2可知磁路的總磁阻RM是由鐵心磁阻Rf和空氣隙磁阻組成的，即1.自感式傳感器圖3-3-2自感式傳感器的原理圖1—線圈；2—鐵心；3—銜鐵總磁阻RM=鐵心磁阻+空氣隙磁阻(3-3-3)因為一般導磁體的磁阻與空氣隙的磁阻相比是很小的,計算時可以忽略不計1.自感式傳感器一般導磁體的磁阻與空氣隙的磁阻相比很小將式(3-3-2)、(3-3-3）代入式(3-3-1)得(3-3-1)(3-3-2)(3-3-3)1.自感式傳感器(3-3-4)目前常用的自感式傳感器有：變間隙型、變面積型和螺管插鐵型三種。變間隙型傳感器變面積型傳感器螺管插鐵型傳感器（1）變間隙型電感傳感器變間隙型傳感器變面積型傳感器螺管插鐵型傳感器變氣隙型電感傳感器的原理圖如圖3-3-3所示，其電感可由式(3-3-4)得到。當S、μ為常數時，由式(3-3-4）可知L與δ成反比，如圖3-3-3所示。圖3-3-3變隙式電壓傳感器的L--δ特性(3-3-4)當S、μ為常數時L與δ成反比設初始情況下，氣隙長度為δ0，電感初值為L0，有圖3-3-3變隙式電壓傳感器的L--δ特性(3-3-5)δ0L0當銜鐵隨外作用力向上移動Δδ時，氣隙減少為δ=δ0-Δδ，則此時的電感量變為，電感的變化量為，電感的相對變化量圖3-3-3變隙式電壓傳感器的L--δ特性(3-3-6)δ0L0δΔ-LΔ+(3-3-7)(3-3-8)當Δδ/δ0＜＜1時，可將上式展開成級數：圖3-3-3變隙式電壓傳感器的L--δ特性(3-3-6)δ0L0δΔ-LΔ+(3-3-7)(3-3-8)當Δδ/δ0＜＜1時(3-3-9)同時，當銜鐵隨外作用力向下移動時，氣隙增大，變為δ=δ0+Δδ。當Δδ/δ0＜＜1時，電感相對變化量展開成級數有圖3-3-3變隙式電壓傳感器的L--δ特性δ0L0δΔ+LΔ-當Δδ/δ0＜＜1時(3-3-10)優缺點：變間隙型傳感器的靈敏度最高，但隨間隙的增大而降低；但非線性誤差大，解決辦法是限制量程，一般為間隙的1/5以下，這種傳感器的制作裝配比較困難。靈敏度最高，但隨間隙的增大而降低非線性誤差大制作裝配比較困難變間隙型傳感器（2）變面積型電感傳感器變間隙型傳感器變面積型傳感器螺管插鐵型傳感器變面積型電感傳感器的結構如圖3-3-4所示圖3-3-4變面積型電感傳感器的結構初始磁通截面S=aba：鐵心截面長b：鐵心截面寬當銜鐵隨外作用力沿鐵心截面長度方向向下移動x時，電感量為當銜鐵沿鐵心截面長度方向向下移動x時(3-3-11）(3-3-12）常數優缺點：變面積型傳感器的靈敏度沒變間隙型的小，但理論靈敏度為一常數，因而線性度好、量程較大、使用比較廣泛。靈敏度略小線性度好量程較大變面積型傳感器使用較廣泛（3）螺管插鐵型電感傳感器變間隙型傳感器變面積型傳感器螺管插鐵型傳感器螺旋管型電感傳感器的結構如圖3-3-5所示。它是在螺旋線圈中放入銜鐵形成的。銜鐵在外力作用下可以前后運動，使得線圈的電感量發生變化。圖3-3-5螺管插鐵型電感傳感器的結構原理圖設線圈內磁場強度是均勻的，螺管線圈全長為l，半徑為r，匝數為N，則其電感為圖3-3-5螺管插鐵型電感傳感器的結構原理圖..................線圈全長線圈半徑線圈匝數lrN(3-3-13)....................................當鐵心插入線圈內時，使插入部分的磁阻下降，所以磁感應強度增大，從而使電感值增加，圖3-3-5螺管插鐵型電感傳感器的結構原理圖插入部分的磁阻下降磁感應強度增大電感值增加設鐵心半徑為rc，鐵心材料導磁率為μm，鐵心插入線圈內長度為lc（lc＜l），那么電感為圖3-3-5螺管插鐵型電感傳感器的結構原理圖鐵心半徑導磁率插入長度rcμmlc(3-3-14)若lc增加Δlc時，電感增加ΔL，有lc增加Δlc電感增加ΔL(3-3-15)(3-3-16)(3-3-17)當線圈參數和銜鐵尺寸一定時，電感相對變化量與銜鐵插入長度的相對變化量成正比，但由于線圈內磁場強度沿軸向分布并不均勻，因而這種傳感器輸出特性為非線性。當線圈參數和銜鐵尺寸一定時，電感相對變化量與銜鐵插入長度的相對變化量成正比，但線圈內磁場強度沿軸向分布并不均勻。輸出特性為非線性優缺點：螺管型的靈敏度比變面積型的還低，但它的量程大、線性度較好，制造裝配方便，與變面積型相比,批量生產的互換性強，應用也越來越多。靈敏度更小量程大、線性度較好制造裝配方便螺管插鐵型傳感器批量生產的互換性強2.互感式傳感器互感式傳感器是一種線圈互感隨銜鐵位移變化的變磁阻式傳感器，2.互感式傳感器線圈互感隨銜鐵位移變化的變磁阻式傳感器其工作原理類似于變壓器，也叫做變壓器式傳感器。2.互感式傳感器=變壓器式傳感器不同的是，變壓器是閉合磁路，而差動變壓器為開路；變壓器的初、次級間的互感為常數，而差動變壓器初、次級間的互感隨銜鐵移動而變化。閉合磁路互感為常數開放磁路互感隨銜鐵移動而變化這種傳感器多采用差動形式。差動變壓器結構形式有變隙式、變面積式和螺線管式等，變隙式差動傳感器變面積式差動傳感器螺線管式差動傳感器如圖3-3-6所示。圖3-3-6差動變壓器式傳感器結構示意圖圖3-3-6（a）是銜鐵為圓柱型的螺管式差動傳感器，在非電量測量中,應用最多的是螺線管式差動變壓器，它可以測量1～100mm的機械位移，并具有測量精度高、靈敏度高、結構簡單、性能可靠等優點。螺管式差動傳感器非電量測量中應用最多可測量1～100mm的機械位移測量精度高靈敏度高結構簡單性能可靠圖3-3-6（b）銜鐵為平板形，靈敏度較高，但測量范圍較窄，一般用于測量幾微米至幾百微米的機械位移。此外，還有銜鐵旋轉的用來測量幾角秒的微小角位移。平板銜鐵形差動傳感器靈敏度較高測量范圍較窄測量幾微米至幾百微米的機械位移測量幾角秒的微小角位移假設閉磁路變隙式差動變壓器的結構如圖3-3-6(a)所示，在A、B兩個鐵心上繞有W1a=W1b=W1的兩個初級繞組和W2a=W2b=W2兩個次級繞組。兩個初級繞組的同名端順向串聯,而兩個次級繞組的同名端則反相串聯。順向串聯反向串聯當沒有位移時，銜鐵C處于初始平衡位置，它與兩個鐵心的間隙為δao=δb0=δ0，則繞組W1a和W2a間的互感Ma與繞組W1b和W2b的互感Mb相等，致使兩個次級繞組的互感電勢相等，即e2a=e2b。由于次級繞組反相串聯，因此，差動變壓器輸出電壓。銜鐵與鐵心的間隙：δao=δb0=δ0互感：Ma=Mb次級繞組的互感電勢：e2a=e2bU0=e2a-e2b=0當被測體有位移時，與被測體相連的銜鐵的位置將發生相應的變化，使δa≠δb，互感Ma≠Mb，兩次級繞組的互感電勢e2a≠e2b，輸出電壓，銜鐵與鐵心的間隙：δa≠δb互感：Ma≠Mb次級繞組的互感電勢：e2a≠e2bU0=e2a-e2b≠0即差動變壓器有電壓輸出，此電壓的大小與極性反映被測體位移的大小和方向。差動變壓器有電壓輸出電壓的大小與極性反映被測體位移的大小和方向當r1a＜＜WL1a，r1b＜＜WL1b時，如果不考慮鐵心與銜鐵中的磁阻影響，對圖3-3-7所示的等效電路進行分析，可得變隙式差動變壓器輸出電壓U0的表達式，即圖3-3-7螺線管式差動變壓器原理圖r1a＜＜wL1ar1b＜＜wL1b不考慮鐵心與銜鐵中的磁阻影響(3-3-18)當銜鐵處于初始平衡位置時，因δa=δb=δc則U=0。圖3-3-7螺線管式差動變壓器原理圖(3-3-18)δa=δb=δcU=0(3-3-19)如果被測體帶動銜鐵移動，例如向上移動Δδ（假設向上移動為正)時，則有δa=δ0-Δδ，δb=δ0+Δδ，代入上式可得圖3-3-7螺線管式差動變壓器原理圖(3-3-18)δa=δ0-Δδ，δb=δ0+Δδ上式表明:變壓器輸出電壓U。與銜鐵位移量Δδ/Δδ0成正比。(3-3-19)圖3-3-7螺線管式差動變壓器原理圖(3-3-18)輸出電壓U0與銜鐵位移量Δδ/Δδ0成正比“-”號的意義：當銜鐵向上移動時，Δδ/Δδ0定義為正，變壓器輸出電壓U0與輸入電壓Ui反相（相位差180°)(3-3-19)圖3-3-7螺線管式差動變壓器原理圖Δδ/Δδ0定義為正輸出電壓U0與輸入電壓Ui反相而當銜鐵向下移動時,Δδ/Δδ0則為-|

Δδ/Δδ0|，表明U0與Ui同相。(3-3-19)圖3-3-7螺線管式差動變壓器原理圖Δδ/Δδ0定義為負輸出電壓U0與輸入電壓Ui同相由式(3-3-19）可得變隙式差動變壓器靈敏度K的表達式為(3-3-19)圖3-3-7螺線管式差動變壓器原理圖(3-3-20)由此可見，對這種傳感器有如下結論：（1）供電電源必須是穩幅和穩頻的。互感式傳感器供電電源必須是穩幅和穩頻的W1/W2比值越大，靈敏度越高（3）初始氣隙不宜過大，否則靈敏度降低。互感式傳感器初始氣隙過大靈敏度會降低（4）電源的幅值應適當提高，但以鐵心不飽和為限，還應考慮傳感器散熱條件，以保證在允許溫升限度內，否則要引進附加誤差。電源的幅值應適當提高，但以鐵心不飽和為限，還應考慮傳感器散熱條件，以保證在允許溫升限度內，否則要引進附加誤差。互感式傳感器供電電源頻率的選取：一般材料做的傳感器一次線圈的供電頻率不宜高于8kHz。（6）上述公式都是在不考慮鐵損及寄生電容的情況下推導的。當供電頻率較高時，或供電頻率雖不高，但鐵心使用實心整體鐵心時，必須考慮鐵損造成的影響。互感式傳感器當供電頻率較高時，或供電頻率雖不高，但鐵心使用實心整體鐵心時，必須考慮鐵損造成的影響。(3-3-19)(3-3-18)(3-3-20)上述推導假定副端開路，等于要求二次測量線路中有足夠大的輸入阻抗。同學們，本節課我們學習了電感式傳感器的認識與原理，大家都掌握了嗎？Thankyou謝謝大家謝謝大家項目三、力和壓力的檢測Themeasuringcircuitofaninductivesensor同學們，今天我們學習的主要內容是電感式傳感器的測量電路。電感式傳感器的測量電路電感式傳感器的測量電路項目三、力和壓力的檢測第一種是自感式傳感器的測量電路。自感式傳感器的測量電路交流電橋是電感式傳感器的主要測量電路，它的作用是將線圈電感的變化轉換成電橋電路的電壓或電流輸出。電感式傳感器的主要測量電路線圈電感的變化交流電橋電橋電路的電壓或電流輸出差分式結構可以提高靈敏度、改善線性，所以交流電橋也多采用雙臂工作形式。提高靈敏度交流電橋多采用雙臂工作形式差分式結構改善線性通常將傳感器作為電橋的兩個工作臂，電橋的平衡臂可以是純電阻也可以是變壓器的二次繞組或緊耦合電感線圈。傳感器純電阻二次繞組工作臂平衡臂電感線圈（1）電阻平衡電橋電阻平衡電橋如圖3-3-8(a)所示。1.電阻平衡電橋圖3-3-8電橋Z1，Z2為傳感器阻抗。Z1=Z2=Z=R+jwL，另有R1=R2=R'。....................................Z1=Z2=Z=R+jwLR1=R2=R'由于電橋工作臂是差分形式，則在工作時，Z1=Z+ΔZ和Z2=Z-ΔZ，電橋的輸出電壓為Z1=Z+ΔZZ2=Z-ΔZ當ωL>>R時，上式可寫為由上式可以看出，交流電橋的輸出電壓與傳感器線圈電感的相對變化量是成正比的。當ωL>>R時交流電橋的輸出電壓傳感器線圈電感的相對變化量成正比（2）變壓器式電橋變壓器式電橋如圖3-3-2(b)所示。2.變壓器式電橋圖3-3-8電橋它的平衡臂為變壓器的二次繞組，當負載阻抗無窮大時，輸