【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 所謂壓阻效應(yīng)是指單晶半導(dǎo)體材料在沿某一軸向受到外力作用 時(shí) ， 其電阻率 ρ發(fā)生變化的現(xiàn)象 。 ? 優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高； ? 缺點(diǎn)：穩(wěn)定性差 ， 非線性嚴(yán)重 。 ? 做一批應(yīng)變片 ， 各不相同； ? 同一批應(yīng)變片在不同條件下 ， 變化很大 。 167。 323 電阻應(yīng)變片 應(yīng)變片的靈敏度系數(shù) K： 金屬應(yīng)變片 的靈敏度系數(shù) —— 指應(yīng)變片安裝于試件表面 ， 在其軸向方向的單向應(yīng)力作用下 ，應(yīng)變片的阻值相對(duì)變化與試件表面上安裝應(yīng)變片區(qū)域的軸向應(yīng)變之比 。 Ks: 金屬絲 的靈敏度系數(shù) —— 金屬單絲的電阻相對(duì)變化與它所感受的應(yīng)變之比 。 當(dāng)金屬絲做成應(yīng)變片后 ， 其電阻 — 應(yīng)變特性 ，與 金屬單絲情況不同 。 因此 ， 須用實(shí)驗(yàn)方法對(duì)應(yīng)變片的電阻 — 應(yīng)變特性重新測(cè)定 。 167。 323 電阻應(yīng)變片 實(shí)驗(yàn)表明 ， 金屬應(yīng)變片的電阻相對(duì)變化與應(yīng)變 ε 在很寬的范圍內(nèi)均為線性關(guān)系 。 即： K為金屬應(yīng)變片的靈敏系數(shù)。注意， K是在試件受一維應(yīng)力作用，應(yīng)變片的軸向與主應(yīng)力方向一致，且試件材料的泊松比為 。 ?KRR ?? ?RRK ?? 測(cè)量結(jié)果表明， 應(yīng)變片的靈敏系數(shù) K恒小于線材的靈敏系數(shù) KS。原因：膠層傳遞變形失真，橫向效應(yīng)也是一個(gè)不可忽視的因素。 ?思考： K與 KS大小的關(guān)系？ 167。 323 電阻應(yīng)變片 第三節(jié) 電容式傳感器 ? 電容式傳感器是將 被測(cè)非電量的變化 轉(zhuǎn)換成 電容量變化 的一種傳感器。 ? 特點(diǎn) ：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，可實(shí)現(xiàn)非接觸式測(cè)量，能在高溫、輻射和強(qiáng)烈振動(dòng)等惡劣條件下工作。 ? 應(yīng)用 ：壓力、差壓、液位、振動(dòng)、位移、加速度、成分含量等多方面的測(cè)量。 167。 33 電容式傳感器 ? 工作原理： 電容式傳感器是將被測(cè)物理量轉(zhuǎn)換為電容量變化的裝置 。它實(shí)質(zhì)上是一個(gè)具有可變參數(shù)的電容器 。 從物理學(xué)可知 ， 由兩個(gè)平行極板組成的電容器其電容量為： 式中 ε r——極板間介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù) ， 在空氣中 ε r=1； ε o——真空中介電常數(shù) ， ε o＝ 1012F／ m； d——極板間距離； S—— 極板間相互覆蓋面積 。 dSC r?? 0?167。 33 電容式傳感器 當(dāng)被測(cè)量使 d、 S或 ε 發(fā)生變化時(shí)，都會(huì)引起電容C的變化。如果保持其中的兩個(gè)參數(shù)不變，而僅改變另一個(gè)參數(shù)，就可把該參數(shù)的變化變換為電容量的變化。 根據(jù)電容器變化的參數(shù)，可分為 極距變化型、面積變化型和介質(zhì)變化型 三類。在實(shí)際中，極距變化型與面積變化型的應(yīng)用較為廣泛。 dSC r?? 0?167。 33 電容式傳感器 ? 類型： (一 )面積變化型 在變換極板面積的電容傳感器中 ， 一般常用的有角位移型和線位移型兩種 。 167。 33 電容式傳感器 角位移型 ：當(dāng)動(dòng)板有一轉(zhuǎn)角時(shí) ， 與定板之間 相互覆蓋面積就改變 ， 從而改變電容的輸出 。 常數(shù)??? d rdSdCK r 220??當(dāng) ?=0時(shí)， 當(dāng) ?≠0時(shí)， 傳感器的電容量 C與角位移 ?呈線性關(guān)系。 dSdSC rr????0000 ??)1()1(000???????? ????? CdSdSC rr167。 33 電容式傳感器 平面線位移型 電容傳感器：當(dāng)動(dòng)板沿 X方向移動(dòng)時(shí) ，覆蓋面積發(fā)生變化 ， 電容量也隨之變化 。 其電容量 C 式中 b—極板寬度 。 靈敏度 dbxC r 0???常數(shù)??? d bdxdCK r 0??此傳感器的電容量 C與水平位移 x呈線性關(guān)系。 167。 33 電容式傳感器 圓柱體線位移型 電容傳感器 。 動(dòng)板 (圓柱 )與定板(圓柱 )相互覆蓋 ， 其電容量 式中 D——圓筒孔徑； d——圓柱外徑 。 當(dāng)覆蓋長(zhǎng)度 x變化時(shí) ， 電容量 C發(fā)生變化 ， 其靈 敏度 ? ?dDxC r/ln2 0????? ? 常數(shù)??? dDdxdCK r /ln 2 0???167。 33 電容式傳感器 面積變化型電容傳感器的優(yōu)點(diǎn)是輸出與輸入成線性關(guān)系 。 但與極距變化型相比 ， 靈敏度較低 ， 適用于較大直線位移及角位移的測(cè)量 。 167。 33 電容式傳感器 (二 )介質(zhì)變化型 ? 這種傳感器大多用來(lái)測(cè)量電介質(zhì)的厚度、位移、液位、液量。還可根據(jù)介質(zhì)的介電常數(shù)隨溫度、濕度的改變而測(cè)量溫度、濕度等。 ? 當(dāng)電極間存在導(dǎo)電物質(zhì)時(shí)，電極的表面應(yīng)涂蓋絕緣層（如），防止電極間短路。 ? 圖中是這種傳感器的典型實(shí)例。 167。 33 電容式傳感器 電容式液位傳感器 傳感器的電容量 C與被測(cè)液位高度 h呈線性關(guān)系。 dDhHdDhCln)(2ln2 1 ??? ????相當(dāng)于兩個(gè)電容器并聯(lián)： dDhCln)(2 10??? ???dDhdDHln)(2ln2 1 ????? ???= C0+A h 167。 33 電容式傳感器 另一種結(jié)構(gòu)： d0 d1 ε1 ε0 ?若 d0,d1已知時(shí)，此結(jié)構(gòu)可用來(lái) 測(cè)未知材料的介電常數(shù) ?若 ε 1已知時(shí)，此結(jié)構(gòu)可用來(lái)測(cè)某介電材料的厚度（如紙張、塑料薄膜等） )(0011110011001010???????????ddsdsdsdsdsCCCCC????????167。 33 電容式傳感器 (三 )極距變化型 如果兩極板互相覆蓋面積及極間介質(zhì)不變 ，則電容量 C與極距 δ 呈非線性關(guān)系 。 當(dāng)極距有一微小變化量 dδ 時(shí) ， 引起電容的變化量 dC為 由此可以得到傳感器靈敏度 dxdSdC r 20 1????201dSdxdCKr ?????dSC r?? 0?167。 33 電容式傳感器 可以看出 ， 靈敏度 K與極距平方成反比 ， 極距越小靈敏度越高 。 顯然 ， 由于靈敏度隨極距而變化 ， 這將引起線性誤差 。 為了減小這一誤差 ， 通常規(guī)定在較小的間隙變化范圍內(nèi)工作 ， 以便獲 得近似線性關(guān)系 。 一般取極距變化 范圍約為 Δd／ d 0≈。 167。 33 電容式傳感器 結(jié)論 ：當(dāng) ?d/d01時(shí)，電容輸出可簡(jiǎn)化為： 此時(shí)， C與 ?d呈線性關(guān)系，同時(shí)，減小 d0可提高傳感器的靈敏度。但 d0過小，容易引起電容器擊穿或短路。為提高傳感器的靈敏度，極板間可采用高介電常數(shù)的材料作介質(zhì)，如云母，塑料膜等。 一般變極板間距離電容式傳感器的起始電容在 20～ 100pF之間，極板間距離在 20～ 200181。m的范圍內(nèi)。最大位移應(yīng)小于間距的 1/10,在微位移的測(cè)量中應(yīng)用廣泛。 167。 33 電容式傳感器 將電容變化量按級(jí)數(shù)展開，可得： 忽略高次項(xiàng)， 變極距型電容傳感器的靈敏度為 ： 考慮線性項(xiàng)與二次項(xiàng)： 167。 33 電容式傳感器 傳感器的相對(duì)非線性誤差 ?為 ： 結(jié)論：要提高靈敏度，應(yīng)減小起始間隙 d0，但非線性誤差卻隨著 d0的減小而增大。 在實(shí)際應(yīng)用中，為了提高傳感器的靈敏度、線性度以及克服某些外界條件 (如電源電壓、環(huán)境溫度等 )的變化對(duì)測(cè)量精確度的影響，常常采用差動(dòng)式。為了提高靈敏度，減小非線性誤差，大都采用差動(dòng)式結(jié)構(gòu)。 167。 33 電容式傳感器 差動(dòng)平板式電容傳感器結(jié)構(gòu)圖 當(dāng)中間的動(dòng)極板上移 ?d時(shí)，電容器 C1的間隙 d1變?yōu)?d0?d,電容器 C2的間隙 d2變?yōu)?d0+?d, 167。 33 電容式傳感器 按級(jí)數(shù)展開， 電容值的總變化量為： 167。 33 電容式傳感器 相對(duì)變化量為： 略去高次項(xiàng)， 相對(duì)非線性誤差為： 結(jié)論： 電容傳感器做成差動(dòng)式后，靈敏度增加了一倍，而非線性誤差大大降低了。 167。 33 電容式傳感器 ? 差動(dòng)式電容傳感器的優(yōu)點(diǎn)： 提高了靈敏度 降低了非線性誤差 抑制了溫漂，降低了誤差 167。 33 電容式傳感器 ? 利用電磁感應(yīng)原理將被測(cè)非電量如位移、壓力、流量、振動(dòng)等轉(zhuǎn)換成線圈自感系數(shù) L 或互感系數(shù) M 的變化，再由測(cè)量電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化量輸出，這種裝置稱為電感式傳感器。 ? 優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠，測(cè)量精度高，輸出功率大；能實(shí)現(xiàn)信息的遠(yuǎn)距離傳輸。 ? 缺點(diǎn)：靈敏度、線性度和測(cè)量范圍相互制約；傳感器頻率響應(yīng)低，不適合快速動(dòng)態(tài)測(cè)量。