【正文】 。施加拉力時(shí)，電荷的極性與它相反。如果所受的力為拉力時(shí)，在表面 A 和B 上的電荷極性就與前面的情況正好相反。當(dāng)作用力為零時(shí)，正負(fù)電荷相互平衡，所以外部沒(méi)有帶電現(xiàn)象。 根據(jù)石英晶體的對(duì)稱條件 dXY=dXX，所以 （43) 由上式可以看出，沿機(jī)械軸方向向晶片施加壓力時(shí)，產(chǎn)生的電荷是與幾何尺寸有關(guān)的，式中的負(fù)號(hào)表示沿 Y 軸的壓力產(chǎn)生的電荷與沿 X 軸施加壓力所產(chǎn)生的電荷極性是相反的。如果作用力 Fx 改為拉力時(shí)，則在垂直于 X 軸的平面上仍出現(xiàn)等量電荷，但極性相反。 縱向壓電效應(yīng)產(chǎn)生的電荷為 qxx＝d xxFx (41)式中，q xx 為垂直于 X 軸平面上的電荷， dxx 為壓電系數(shù)，下標(biāo)的意義為產(chǎn)生電荷的面的軸向及施加作用力的軸向；F x 為沿晶軸 X 方向施加的壓力。沿著 y 軸施加力的作用時(shí)，電荷仍出現(xiàn)在與 X 軸垂直的表面上，這稱之為橫向壓電效應(yīng)。 （a） (b) (c) 圖 41 天然石英晶體的外形圖從晶體上沿 XYZ 軸線切下一片平行六面體的薄片稱為晶體切片。圖 41 是天然石英晶體的外形圖，它為規(guī)則的六角棱柱體。 1212120 uTTu????120CL21f??)L(2c01???u1A u1Au1 t0t0Bu1AB t0u1uC tM T1uC tN T2 u1 t0 t0Bu1AB t0u1uC tM T1uC tN T2圖 電 壓 波 形 圖C)(1c0???? 24 石英晶體是一種應(yīng)用廣泛的壓電晶體。當(dāng)作用力方向改變時(shí)，電荷的極性也隨著改變，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。當(dāng)傳感器工作時(shí)，△d≠0，則△C≠0，振蕩頻率也相應(yīng)改變△f，則有 (327)振蕩器輸出的高頻電壓產(chǎn)將是一個(gè)受被測(cè)信號(hào)調(diào)制的調(diào)制波，其頻率由式（327）決定?！鰿 ，諧振回路中的固定電容 C1 和傳感器電纜分布電容 C。調(diào)頻振蕩器的振蕩頻率由下式?jīng)Q定式中，L 為振蕩回路電感；C 為振蕩回路總電容。當(dāng)電容傳感器工作時(shí)，電容量發(fā)生變化，導(dǎo)致振蕩頻率產(chǎn)生相應(yīng)的變化。輸出電壓為 (324)當(dāng)電阻 R1=R2=R 時(shí)，則有 (325)可見(jiàn)，輸出電壓與電容變化呈線性關(guān)系。由圖 37 看出，當(dāng) C1=C2 時(shí)，兩個(gè)電容充電時(shí)間常數(shù)相等，兩個(gè)輸出脈沖寬度相等輸出電壓的平均值為零。以上過(guò)程周而復(fù)始，在雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的兩個(gè)輸出端產(chǎn)生一寬度受 CC 2 調(diào)制的脈沖方波。當(dāng) N 點(diǎn)電位等于參考電壓 Ur 時(shí)，比較器 N2 產(chǎn)生一個(gè)脈沖，使雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器又翻轉(zhuǎn)一次。直到 M 點(diǎn)的電位等于參考電壓 Ur 時(shí)，比較器 N1 產(chǎn)生一個(gè)脈沖，使雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)， Q 端（ A）為低電平，Q 端（B）為高電平。線路的輸出端就是雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的兩個(gè)輸出端。3．脈沖調(diào)制電路 圖 36 所示為差動(dòng)脈沖寬度調(diào)制電路。運(yùn)算放大器的輸入阻抗很高，因此可認(rèn)為它是一個(gè)理想運(yùn)算放大器，其輸出電壓為： 以 代入上式，則有： (323) 式中，u 0 為運(yùn)算放大器輸出電壓；為信號(hào)源電壓；C x 為傳感器容量；C 0 為固定電容器。2．運(yùn)算放大器式測(cè)量電路 電路的原理圖如圖 35 所示。 IV. 電路的靈敏度與電源頻率有關(guān)，因此電源頻率需要穩(wěn)定。 II. 二極管 V1 和 V2 工作在伏安特性的線性段。若 C1 或 C2 變化時(shí)，在負(fù)載電阻 RL 上產(chǎn)生的平均電流將不為零，因而有信號(hào)輸出。放電回路一路通過(guò) RL、R 2，另一路通過(guò) VR R 2，這時(shí)流過(guò) RL 的電流為 i2。電容 C1 的放電回路由圖中可以看出，一路通過(guò)RR L，另一路通過(guò) RR V 2，這時(shí)流過(guò) RL 的電流為 i1。R L 為負(fù)載電阻，V V 2 為理想二極管，R R 2 為固定電阻。1．雙 T 電橋電路 這種測(cè)量電路如圖 34 所示。二、電容傳感器常用的測(cè)量電路用于電容式傳感器的測(cè)量電路很多，常見(jiàn)的電路有：普通交流電橋、緊耦合電感臂電橋、變壓器電橋、雙 T 電橋電路、運(yùn)算放大器測(cè)量電路、脈沖調(diào)制電路、調(diào)頻電路。當(dāng)動(dòng)片有一角位移時(shí)，兩極板間覆蓋面積就發(fā)生變化，從而導(dǎo)致電容量的變化，此時(shí)電容值為 313 圖 33b 中極板采用了鋸齒板，其目的是為了增加遮蓋面積，提高靈敏度。圖 33 是此類傳感器的幾種派生形式。 1．變面積式電容傳感器工作原理 圖 32 是一直線位移型電容式傳感器的示意圖。如果變化的參數(shù)與被測(cè)量之間存在一定函數(shù)關(guān)系，那被測(cè)量的變化就可以直接由電容量的變化反映出來(lái)。m 1） ，在忽略板極邊緣影響的條件下，?平板電容器的電容量 C（F）為 （311）dAC??由式（311）可以看出， ，A ，d 三個(gè)參數(shù)都直接影響著電容量 C 的大小。一、電容傳感器工作原理電容式傳感器的基本工作原理可以用圖 31 所示的平板電容器來(lái)說(shuō)明。但電容式傳感器的泄漏電阻和非線性等缺點(diǎn)也給它的應(yīng)用帶來(lái)一定的局限。它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性好、適應(yīng)性強(qiáng)、抗過(guò)載能力大及價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。為了減小傳感器輸出電纜的分布電容 Cx 的影響，通常把傳感器線圈 L 和調(diào)整電容 C 都封裝在傳感器中，這樣，電纜分布電容的影響并聯(lián)到大電容 CC 3 上，因而對(duì)諧振頻率的影響大大減小了。這里，電渦流傳感器的線圈是作為一個(gè)電感元件接入振蕩器中的。調(diào)頻式測(cè)量電路的原理是：被測(cè)量變化引起傳感器線圈電感的變化，而電感的變化導(dǎo)致振蕩頻率發(fā)生變化。LC 回路的輸出電壓為： （233）式中， 為高頻激勵(lì)電流；Z 為 LC 回路的阻抗。圖 211 為調(diào)幅式測(cè)量電路原理框圖。諧振法主要有調(diào)幅式電路和調(diào)頻式電路兩種基本形式。并聯(lián)諧振回路的諧振頻率為: 且諧振時(shí)回路的等效阻抗最大，等于： ???????...????????????????221221. )()( LjLIUZ?221)(LRML????LCf?210?RZ?0檢 測(cè) 器振 蕩 器 △R1R2 C1C2AB~ 19 式中，R’為回路的等效損耗電阻。圖 210 電橋法測(cè)量電路原理圖 2．諧振法這種方法是將傳感器線圈的等效電感的變化轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化。在進(jìn)行測(cè)量時(shí)，由于傳感器線圈的阻抗發(fā)生變化，使電橋失去平衡，將電橋不平衡造成的輸出信號(hào)進(jìn)行放大并檢波，就可得到與被測(cè)量成正比的輸出。圖 210 是電橋法的電原理圖，圖中線圈A 和 B 為傳感器線圈。而互感是隨線圈與金屬導(dǎo)體間距離的變化而改變的。根據(jù)等效電路可列出電路方程組： 通過(guò)解方程組，可得 、I 。短路環(huán)可以認(rèn)為是一匝短路線圈，其電阻為 、電感為 。I2I1圖中 R 、1如其他參數(shù)不變，阻抗的變化就可以反映線圈到被測(cè)金屬導(dǎo)體間的距離大小變化。1 一般講，線圈的阻抗變化與導(dǎo)體的電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率、幾何形狀，線圈的幾何參數(shù)，激勵(lì)電流頻率以及線圈到被測(cè)導(dǎo)體間的距離有關(guān)。如圖 28 所示，一個(gè)扁平線圈置于金屬導(dǎo)體附近，當(dāng)線圈中通有交變電流 I1 時(shí)，線圈周圍就產(chǎn)生一個(gè)交變磁場(chǎng) 。電渦流的產(chǎn)生必然要消耗一部分能量，從而使產(chǎn)生磁場(chǎng)的線圈阻抗發(fā)生變化，這一物理現(xiàn)象稱為渦流效應(yīng)。電渦流式傳感結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、頻率響應(yīng)寬、靈敏度高、測(cè)量范圍大、抗干擾能力強(qiáng)，特別是有非接觸測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)，因此，在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的各個(gè)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。電渦流式傳感器可以實(shí)現(xiàn)非接觸地測(cè)量物體表面為金屬導(dǎo)體的多種物理量，如位移、振動(dòng)、厚度、轉(zhuǎn)速、應(yīng)力、硬度等參數(shù)。采用這種測(cè)量電路可以消除與電感臂并聯(lián)的分布電容對(duì)輸出信號(hào)的影響，使電橋平衡穩(wěn)定，另外簡(jiǎn)化了接地和屏蔽的問(wèn)題。3．緊耦合電感臂電橋該電橋如圖 26c 所示。同樣可以得出結(jié)果：當(dāng)銜鐵下移時(shí)，電壓表總是反向偏轉(zhuǎn)，輸出為負(fù)。在 AECB 支路中，C 點(diǎn)電位由于 Z1 增大而比平衡時(shí)的 C 點(diǎn)電位降低；而在 AFDB 支路中，D 點(diǎn)電位由于 Z2 的降低而比平衡時(shí)D 點(diǎn)的電位增高，所以 D 點(diǎn)電位高于 C 點(diǎn)電位，直流電壓表正向偏轉(zhuǎn)。當(dāng)銜鐵上移，上部線圈阻抗增大，Z 1=Z+△ Z，則下部線圈阻抗減少， Z2=Z△ Z。設(shè)差動(dòng)電感傳感器的線圈阻抗分別為 Z1 和 Z2。圖 27 是一個(gè)采用了帶相敏整流的交流電橋。由于電橋工作臂是差動(dòng)形式，則在工作時(shí)，Z 1=Z+△Z 和 Z2=Z—△Z，當(dāng) ZL→∞時(shí)，電橋的輸出電壓為： （221）??22)1(4amrllrNL?????URURU????????? 2)(2...lrx12圖 25 螺管型電感傳感器1線圈 2銜鐵2raML Lc) 緊耦合電感臂電橋U．U/2．U/2． U0．b) 變壓器式電橋Z1Z2Z1U0．U．R1＇U．Z1L1L2Z2ZLU0．a(chǎn)) 電阻平衡臂電橋圖 26 交流電橋的幾種形式R2＇R1R2Z2 16 當(dāng) ωL＞＞R’時(shí)，上式可近似為： （222） 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(duì)變化量是成正比的。設(shè) L1=L2=L。 1．電阻平衡臂電橋電阻平衡臂電橋如圖 26a 所示。通常將傳感器作為電橋的兩個(gè)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側(cè)繞組或緊耦合電感線圈。m，則線圈的電感量 L 與銜鐵進(jìn)入線圈的長(zhǎng)度 la 的關(guān)系可表示為 二、測(cè)量電路交流電橋是電感式傳感器的主要測(cè)量電路，它的作用是將線圈電感的變化轉(zhuǎn)換成電橋電路的電壓或電流輸出。線圈電感量的大小與銜鐵插入線圈的深度有關(guān)。一、螺管型電感式傳感器工作原理CSY 系列傳感系統(tǒng)所用的為螺管式傳感器圖 25 為螺管型電感式傳感器的結(jié)構(gòu)圖。為了克服上述電路中二極管的非線性影響以及二極管正向飽和壓降和反向漏電流的不利影響，可以采用圖 24b 所示電路。圖24 是差動(dòng)整流的兩種典型電路。另外還要求比較電壓的幅值盡可能大，一般情況下，其幅值應(yīng)為信號(hào)電壓的 3~5倍。由圖 22 可以看出一次繞組的電流為 11LjRUI???二次繞組的電動(dòng)勢(shì)為 21IMjE?12由于二次繞組反向串接，所以輸出總電動(dòng)勢(shì)為 1212)(LjRUj????其有效值為二、測(cè)量電路1．差動(dòng)相敏檢波電路圖 23 是差動(dòng)相敏檢波電路的一種形式。同樣道理，當(dāng)銜鐵向二次繞組 一邊移動(dòng)時(shí)，差動(dòng)輸出電動(dòng)勢(shì)仍不為零，但由于移動(dòng)方向改變，所以2輸出電動(dòng)勢(shì)反相。當(dāng)銜鐵移向二次繞組 一邊，這時(shí)互感 大， 小，因而二次繞組 內(nèi)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大于二次繞21L1221L組 內(nèi)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，這時(shí)差動(dòng)輸出電動(dòng)勢(shì)不為零。對(duì)于差動(dòng)變壓器，當(dāng)銜鐵處于中間位置時(shí)，兩個(gè)二次繞組互感相同，因而由一次側(cè)激勵(lì)引起的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)相同。差動(dòng)變壓器工作在理想情況下（忽略渦流損耗、磁滯損耗和分布電容等影響） ，它的等效電路如圖（22）所示。由于在使用時(shí)采用兩個(gè)二次繞組反向串接，以差動(dòng)方式輸出，所以把這種傳感器稱為差動(dòng)變壓器式電感傳感器，通常通稱差動(dòng)變壓器。這種類型的傳感器主要包括銜鐵、一次繞組和二次繞組等。因此，根據(jù)轉(zhuǎn)換原理，電感式傳感器可以分為自感式和互感式兩大類。這就是半導(dǎo)體氣敏元件檢測(cè)可燃?xì)怏w的基本原理。當(dāng)遇到有能供給電子的可燃?xì)怏w（如CO 等）時(shí)，原來(lái)吸附的氧脫附，而由可燃?xì)怏w以正離子狀態(tài)吸附在金屬氧化物半導(dǎo)體表面；氧脫附放出電子，可燃?xì)怏w以正離子狀態(tài)吸附