【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 — 某些物質(zhì)，如石英、鈦酸鋇等，當(dāng)受到外力作用時(shí)，不僅幾何尺寸發(fā)生變化，而且內(nèi)部極化，表面上有電荷出現(xiàn)，形成電場(chǎng)。當(dāng)外力去除后，又重新恢復(fù)到原來狀態(tài)。 逆壓電效應(yīng)（電致伸縮效應(yīng)） —— 如果將這些物質(zhì)置于電場(chǎng)中，其幾何尺寸也發(fā)生變化。這種由于外電場(chǎng)作用導(dǎo)致物質(zhì)的機(jī)械變形的現(xiàn)象。 壓電材料 —— 具有壓電效應(yīng)的材料，壓電單單晶體、壓電多晶體。 壓電單晶體：如石英、酒石酸鉀鈉等； 壓電多晶體：如鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等 。 壓電薄膜：聚偏二乙烯（ PVdF） 兩端為一對(duì)稱的棱錐，六棱柱是它的基本組織，縱軸 ZZ稱為光軸，通過六角棱線而垂直于光軸的軸線 xX稱作電軸，垂直于棱面的軸線yy稱作機(jī)械軸，如圖 3—35b。 縱向壓電效應(yīng)、橫向壓電效應(yīng)、切向壓電效應(yīng) 1 1 1 1xx x x xyzFP d dll???壓電式傳感器及等效電路 實(shí)驗(yàn)證明，在極板上積聚的電荷量 q與作用力 F成正比，即： q=DF 式中 : D—— 壓電常數(shù)，與材質(zhì)及切片方向有關(guān)。 實(shí)際壓電傳感器往往用兩個(gè)或兩個(gè)以上并接或串接的晶片。 （ Ⅰ ）并接時(shí) (圖 3— 37b) 電容量大，輸出電荷量大，時(shí)間常數(shù)大，宜于測(cè)量緩變信號(hào)，宜用于以電荷量輸出的場(chǎng)合。 （ Ⅱ ）串接時(shí) (圖 337c) 傳感器本身電容量小，輸出電壓大，適用于以電壓作為輸出信號(hào)。 000201s in ( )11 ( )aquCqu R i tCCR????? ? ??式 (338)表明： 壓電元件的電壓輸出還受回路的時(shí)間常數(shù)的影響。 在測(cè)試動(dòng)態(tài)量時(shí)，為了建立一定的輸出電壓并實(shí)現(xiàn)不失真測(cè)量，壓電式傳感器的測(cè)量電路必須有高輸入阻抗并在輸入端并聯(lián)一定的電容 Ci以加大時(shí)間常數(shù) R0C。 但并聯(lián)電容過大也會(huì)使輸出電壓降低過多，降低了測(cè)量裝置的靈敏度。 測(cè)量電路 壓電式傳感器輸出信號(hào)： （ 1）輸出電信號(hào)是很微弱的電荷； （ 2）傳感器本身有很大內(nèi)阻； 故輸出能量甚微，給后接電路帶來困難。 前置放大器的作用： （ 1）放大 （ 2）阻抗變換（高輸入阻抗 →低輸出阻抗） 然后用一般的放大、檢波電路將信號(hào)輸給指示儀表或記錄器。 前置放大器電路有兩種形式： （ 1）用電阻反饋的電壓放大器，其輸出電壓與輸入電壓 (即傳感器的輸出 )成正比； （ 2）另一種是帶電容反饋的電荷放大器，其輸出電壓與輸入電荷成正比。 (1)電壓放大器 000201s in ( )11 ( )aquCqu R i tCCR????? ? ??(2)電荷放大器 ( ) ( )()i a c i i y fyffyfq u C C C u u CAquC C ACquC? ? ? ? ???????( ) ( )()i a c i i y fyffyfq u C C C u u CAquC C ACquC? ? ? ? ???????上式表明： 在一定條件下，電荷放大器的輸出電壓與傳感器的電荷量成正比，并且與電纜分布電容無關(guān)。因此，采用電荷放大器時(shí)，即使連接電纜長(zhǎng)度達(dá)百米以上時(shí)，其靈敏度也無明顯變化，這是電荷放大器突出的優(yōu)點(diǎn)。但與電壓放大器相比，其電路復(fù)雜，價(jià)格昂貴。 壓電式傳感器的應(yīng)用 特性 ： 頻率范圍寬： 0Hz到數(shù)十兆赫 低端：由于有電荷泄漏，難精確測(cè)量常值量（力）； 低頻時(shí)，壓電式傳感器振動(dòng)角頻率小，靈敏度小，輸出信號(hào)微弱，信噪比小。 高端：取決于結(jié)構(gòu)的聯(lián)接剛度； 測(cè)量力、壓力、振動(dòng)加速度、也用于聲學(xué)（包括超聲）和聲發(fā)射等； 壓電式傳感器常用來測(cè)量應(yīng)力、壓力、振動(dòng)的加速度，也用于聲、超聲和聲發(fā)射等測(cè)量。 壓電效應(yīng)是一種力一電荷變換，可直接用作力的測(cè)量。 現(xiàn)在已形成系列的壓電式力傳感器，測(cè)量范圍從微小力值 103N到104kN，動(dòng)態(tài)范圍一般為 60dB；測(cè)量方向有單方向的，也有多方向的。 壓電式力傳感器有兩種形式： 一種是利用膜片式彈性元件，通過膜片承壓面積將壓力轉(zhuǎn)換為力。膜片中間有凸臺(tái)，凸臺(tái)背面放置壓電片。力通過凸臺(tái)作用于壓電片上，使之產(chǎn)生相應(yīng)的電荷量。 另一種是利用活塞的承壓面承受壓力，并使活塞所受的力通過在活塞另一端的頂桿作用在壓電片上。測(cè)得此作用力便可推算出活塞所受的壓力。 現(xiàn)在廣泛采用壓電式傳感器來測(cè)量加速度。 此種傳感器的壓電片處于其殼體和一質(zhì)量塊之間，用強(qiáng)彈簧 (或預(yù)緊螺栓 )將質(zhì)量塊、壓電片緊壓在殼體上。運(yùn)動(dòng)時(shí)，傳感器殼體推動(dòng)壓電片和質(zhì)量塊一起運(yùn)動(dòng)。在加速時(shí)，壓電片承受由質(zhì)量塊加速而產(chǎn)生的慣性力。 壓電式傳感器按不同需要做成不同靈敏度、不同量程和不同大小，形成系列產(chǎn)品。大型高靈敏度加速度計(jì)靈敏閾可達(dá) 106gn。 (gn—— 標(biāo)準(zhǔn)重力加速度，作為一個(gè)加速度單位，其值為 1gn=)，但其測(cè)量上限也很小，只能測(cè)量微弱振動(dòng)。而小型的加速度計(jì)僅重 ，靈敏度雖低，但可測(cè)量上千 g的強(qiáng)振動(dòng)。 壓電式傳感器的工作頻率范圍廣，理論上其低端從直流開始，高端截止頻率取決于結(jié)構(gòu)的連接剛度，一般為數(shù)十赫到兆赫的量級(jí)，這使它廣泛用于各領(lǐng)域的測(cè)量。壓電式傳感器內(nèi)阻很高，產(chǎn)生的電荷量很小，易受傳輸電纜分布電容的影響，必須采用前面已談到的阻抗變換器或電荷放大器。已有將阻抗變換器和傳感器集成在一起的集成傳感器，其輸出阻抗很低。 由于電荷的泄漏，使壓電式傳感器實(shí)際上低端工作頻率無法達(dá)到直流，難以精確測(cè)量常值力。在低頻振動(dòng)時(shí)，壓電式加速度計(jì)振動(dòng)圓頻率小，受靈敏度限制，其輸出信號(hào)很弱，信噪比差。 尤其在需要通過積分網(wǎng)絡(luò)來獲取振動(dòng)的速度和加速度值的情況下，網(wǎng)絡(luò)中運(yùn)算放大器的漂移及低頻噪聲的影響，使得難于在小于 1Hz的低頻段中應(yīng)用壓電式加速度計(jì)。 ? 壓電式傳感器一般用來測(cè)量沿其軸向的作用力，該力對(duì)壓電片產(chǎn)生縱向效應(yīng)并產(chǎn)生相應(yīng)的電荷，形成傳感器通常的輸出。 然而，垂直于軸向的作用力，也會(huì)使壓電片產(chǎn)生橫向效應(yīng) 和相應(yīng)的輸出，稱為橫向輸出。與此相應(yīng)的靈敏度，稱為橫向靈敏度。 對(duì)于傳感器而言，橫向輸出是一種干擾和產(chǎn)生測(cè)量誤差的原因。 使用時(shí)，應(yīng)該選用橫向靈敏度小的傳感器。一個(gè)壓電式傳感器各方向的橫向靈敏度是不同的。為了減少橫向輸出的影響，在安裝使用時(shí)，應(yīng)力求使最小橫向靈敏度方向與最大橫向干擾力方向重合。顯然，關(guān)于橫向干擾的討論，同樣適用于壓電式加速度計(jì)。 環(huán)境溫度、濕度的變化和壓電材料本身的時(shí)效，都會(huì)引起壓電常數(shù)的變化，導(dǎo)致傳感器靈敏度的變化。因此，經(jīng)常校準(zhǔn)壓電式傳感器是十分必要的。 壓電式傳感器的工作原理是可逆的，施加電壓于壓電晶片，壓電片便產(chǎn)生伸縮。所以壓電片可以反過來做“驅(qū)動(dòng)器”。 例如對(duì)壓電晶片施加交變電壓，則壓電片可作為振動(dòng)源，可用于高頻振動(dòng)臺(tái)、超聲發(fā)生器、揚(yáng)聲器以及精密的微動(dòng)裝置。 三、熱電式傳感器 熱電式傳感器 —— 把被測(cè)量 (主要是溫度 )轉(zhuǎn)換為電量變化的一種裝置，其變換是基于金屬的熱電效應(yīng)。 熱電效應(yīng) —— 把兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體連接成圖 339所示 的閉合回路，如果將它們的兩個(gè)接點(diǎn)分別置于溫度為 T及T0(假定 T T0)的熱源中，則在該回路內(nèi)就會(huì)產(chǎn)生熱電勢(shì)。 按照變換方式的不同，可分為： 熱電偶 熱電阻傳感器。 （ 1）熱電偶工作原理 ? 熱電勢(shì)由接觸電動(dòng)勢(shì)和溫差電動(dòng)勢(shì)組成 溫差電動(dòng)勢(shì) —— 在同一導(dǎo)體的兩端因其溫度不同而產(chǎn)生的一種熱電動(dòng)勢(shì)。 由于高溫端 (T)的電子能量比低溫端的電子能量大，故由高溫端運(yùn)動(dòng)到低溫端的電子數(shù)較由低溫端運(yùn)動(dòng)到高溫端的電子數(shù)多，使得高溫端帶正電，而低溫端帶負(fù)電，從而在導(dǎo)體兩端形成一個(gè)電勢(shì)差，即溫差電動(dòng)勢(shì) (關(guān)于熱電偶的工作原理詳見：常健生．檢測(cè)與轉(zhuǎn)換技術(shù) [M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社． 1996)。 所以，當(dāng)熱電偶材料一定時(shí)，熱電偶的總熱電動(dòng)勢(shì) EAB(T， T0)成為溫度 T和 T0的函數(shù)差。即 如果使冷端溫度 T0固定，則對(duì)一定材料的熱電偶，其總熱電動(dòng)勢(shì)就只與溫度 T成單值函數(shù)關(guān)系 式中 C—— 由固定溫度 T0決定的常數(shù)。 這一關(guān)系式可通過實(shí)驗(yàn)方法獲得，它在實(shí)際測(cè)溫中是很有用處。 )ABE 00(T ,T )= f( T) f (T)ABE ?0( T , T ) = f ( T ) C = ( T關(guān)于熱電偶回路有以下特點(diǎn)： 1)若組成熱電偶的回路的兩種導(dǎo)體相同，則無論兩接點(diǎn)溫度如何，熱電偶回路中的總熱電動(dòng)勢(shì)為零； 2)若熱電偶兩接點(diǎn)溫度相同，則盡管導(dǎo)體 A、 B的材料不同，熱電偶回路中的總熱電動(dòng)勢(shì)也為零； 3)熱電偶 AB的熱電動(dòng)勢(shì)與導(dǎo)體材料 A、 B的中間溫度無關(guān)，而只與接點(diǎn)溫度有關(guān)； 4)熱電偶 AB在接點(diǎn)溫度 T T3時(shí)的熱電動(dòng)勢(shì)，等于熱電偶在接點(diǎn)溫度為 T T2和 T T3時(shí)的熱電動(dòng)勢(shì)總和； 5)在熱電偶回路中接入第三種材料的導(dǎo)線，只要第三種導(dǎo)線的兩端溫度相同，第三種導(dǎo)線的引入不會(huì)影響熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)，這一性質(zhì)稱為中間導(dǎo)體定律； ? 從實(shí)用觀點(diǎn)來看，中間導(dǎo)體定律很重要。利用這個(gè)性質(zhì)，我們才可以在回路中引入各種儀表、連接導(dǎo)線等，而不必?fù)?dān)心會(huì)對(duì)熱電動(dòng)勢(shì)有影響，而且也允許采用任意的焊接方法來焊制熱電偶。 ? 同時(shí)應(yīng)用這一性質(zhì)還可以采用開路熱電偶對(duì)液態(tài)金屬和金屬壁面進(jìn)行溫度測(cè)量 (見圖 340)，只要保證兩熱電極 A、 B接入處溫度一致，則不會(huì)影響整個(gè)回路的總熱電動(dòng)勢(shì)。 6)當(dāng)溫度為 T T2時(shí)，用導(dǎo)體 A、 B組成的熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)等于 AC熱電偶和 CB熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)的和，即 導(dǎo)體 C稱為標(biāo)準(zhǔn)電極 (一般由鉑制成 )，故把這一性質(zhì)稱為標(biāo)準(zhǔn)電極定律。 1 2 1 2 1 2( , ) ( , ) ( , )A B A C CBE T T E T T E T T??（ 2）熱電偶的分類 分成： 鉑銠 —— 鉑熱電偶 (WRLB) 鎳鉻一鎳硅 (鎳鉻 — 鎳鋁 )熱電偶 (WREU) 鎳鉻一考銅熱電偶 (WREA) 鉑銠 30一鉑銠 6(WRLL)熱電偶 超高溫?zé)犭娕?(測(cè)溫可達(dá) 2022 ℃ ，精度 177。 1％ ) 低溫?zé)犭娕?(可在 2— 273K低溫范圍內(nèi)使用，靈敏度為 10uV／ ℃ ) 快速測(cè)量壁面溫度的薄膜熱電偶 (測(cè)量厚度 ～ ) 非金屬材料熱電偶。 1)鉑銠 —— 鉑熱電偶 (WRLB) 由 (鉑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 90％，銠質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 10％ )制成，用符號(hào) LB表示。括號(hào)中符號(hào) WR指熱電偶。 在 LB熱電偶中，鉑銠絲為正極，純鉑絲為負(fù)極。此種熱電偶在 300℃以下范圍可長(zhǎng)時(shí)間使用，在良好的使用環(huán)境下可短期測(cè)量 1600℃ 高溫。 由于容易得到高純度的鉑和鉑銠，故 LB熱電偶的復(fù)制精度和測(cè)量精度較高，可用于精密溫度測(cè)量和作基準(zhǔn)熱電偶。 LB熱電偶在氧化性或中性介質(zhì)中具有較高的物理化學(xué)穩(wěn)定性。 其主要缺點(diǎn)是熱電動(dòng)勢(shì)較弱；在高溫時(shí)易受還原性氣體所發(fā)出的蒸汽和金屬蒸汽的侵害而變質(zhì)；鉑銠絲中的銠分子在長(zhǎng)期使用后因