机电控制技术

化， 将引起电容量的变化， 用交流电桥将电容的变化测出来，
经过放大即可由电表指示测量结果。
C 音频信号发生器 R
C0 C1 C2
R T
音频放大器
全波整流器
差动放大器
音频信号发生器产生的音频信号，接入变压器T的原边线圈， 变压器副边的两个线圈作为测量电桥的两臂，电桥的另外两桥 臂由标准电容C0 和带材与极板形成的被测电容Cx(Cx=C1+C2)组 成。 电桥的输出电压经放大器放大后整流为直流，再经差动放 大， 即可用指示电表指示出带材厚度的变化。
F
（误差平均效应）
图 电容式称重传感器
例 电容式加速度传感器 两个固定极板间有一个用弹簧片支撑的质量块m，质 量块的两端面经抛光后作为动极板，当传感器测量竖 直方向的振动时，由于m的惯性作用，使其相对固定 电极产生位移，两个差动电容器C1和C2的电容发生 相应的变化,其中一个变大，另一个变小。
绝缘体
压电元件受质量块惯性力的作用，根据牛顿第二定律，
此时惯性力F作用于压电元件上，因而产生电荷q， 当传感器选定后，m为常数， 则传感器输出电荷为
充、放电现象，在示波器上就能检测出该交变信号。
所以，换能器S2是声频信号接收器。
压电式玻璃破碎报警器
BS-D2压电式传感器是专门用于检测玻璃破碎的一种传感器， 它利用压电元件对振动敏感的特性来感知玻璃受撞击和破碎时 产生的振动波。传感器把振动波转换成电压输出，输出电压经 放大、滤波、比较等处理后提供给报警系统。 BS-D2压电式玻璃破碎传感器的外形及内部电路如图所示。 传感器的最小输出电压为100 mV，最大输出电压为100V， 内阻 抗为15~20 kΩ。
例 压电声传感器在超声速测量实验中的应用
示波器
频率计
S2 l
S1
信号发生器 游标卡尺 图 超声速测量实验装置
当信号发生器产生的正弦交流信号加在压电陶瓷片两端
面时，压电陶瓷片将产生机械振动，在空气中激发出声
波。所以，换能器S1是声频信号发生器。 当S发出的声波信号经过空气传播到达换能器S2时，空
气振动产生的压力作用在S2的压电陶瓷片上使之出现
压电效应， 通过d11实现力—电转换。
例5-1 压电式加速度传感器
下图是一种压电式加速度传感器的结构图。它主要由
压电元件、质量块、预压弹簧、基座及外壳等组成。
整个部件装在外壳内，并由螺栓加以固定。
外壳 预压弹簧
压电元件
质量块 基座
压电式加速度传感器 结构图
当加速度传感器和被测物一起受到冲击振动时， 此惯性力是加速度的函数， 即 F=ma 式中：F——质量块产生的惯性力； m——质量块的质量； a——加速度。
极方向产生周期性的 螺钉
伸长和缩短 。
压电陶瓷换能器结构图
当一定频率的声频信号加在换能器上时，换能器上的
压电陶瓷片受到外力作用而产生压缩变形，由于压电
陶瓷的正压电效应，压电陶瓷上将出现充、放电现象，
即将声频信号转换成了交变电信号。这时的声传感器
就是声频信号接收器。 如果换能器中压电陶瓷的振荡频率在超声波范围，则 其发射或接收的声频信号即为超声波，这样的换能器 称为压电超声换能器。
使用时传感器用胶粘贴在玻璃上，然后通过电缆和报警电 路相连。为了提高报警器的灵敏度，信号经放大后，需经带通 滤波器进行滤波，要求它对选定的频谱通带的衰减要小，而频 带外衰减要尽量大。由于玻璃振动的波长在音频和超声波的范 围内， 这就使滤波器成为电路中的关键。只有当传感器输出信 号高于设定的阈值时，才会输出报警信号，驱动报警执行机构 工作。玻璃破碎报警器可广泛用于文物保管、贵重商品保管及 其它商品柜台保管等场合。
逆压电效应（电致伸缩效应）：当在电介质的极化方 向施加电场，这些电介质就在一定方向上产生机械变 形或机械压力，当外加电场撤去时，这些变形或应力 也随之消失的现象。
压电效应演示： 某些电介质（晶体）当沿着一定方向施加力变形时， 内部产生极化现象，同时在它表面会产生符号相反的电荷。 当外力去掉后，又重新恢复不带电状态。 当作用力方向 改变后，电荷的极性也随之改变; 这种现象称压电效应。 可制成压电传感器。
例 压电式流量计 压电超声换能器每 隔一段时间(如 1/100s)发射和接收
流量显示
输出信号 换能器 接收 发射 发射
互换一次。在顺流
和逆流的情况下，
接收
发射和接收的相位
差与流速成正比。
换能器
图5-21 压电式流量计
例5-5 压电式传感器在测漏中的应用
如果地面下一均匀的自来水直管道某处O发生漏水，水
典型应用：
· 脉搏计数探测 · 按键键盘，触摸键盘 · 振动、冲击、碰撞报警 · 振动加速度测量 · 管道压力波动 · 其它机电转换、动态力检测等
脉搏计照片
力敏元件主要性能指标： ≤ 1kPa 压力范围 ≥ 0.2ｍV/Pａ 灵敏度 ≤ 1％ F.S 非线性度 1～1000Hz 频率响应 标准工作电压 4.5V（DC） 扩充工作电压 3～15V(DC) 标准负载电阻 2.2kΩ 1kΩ～12kΩ 扩充电阻 12.7×7.6 外形尺寸 重 量 ＜ 1.5ｇ 集成压电传感器连线电路
在垂直方向产生大小正比于被测加速度的位移。此位移使两电
容的间隙发生变化，一个增加，一个减小，从而使C1 、C2 产生
大小相等、符号相反的增量，此增量正比于被测加速度。
电容式加速度传感器的主要特点是频率响应快和量程范围
大， 大多采用空气或其它气体作阻尼物质。
3、差动式电容测厚传感器 电容测厚传感器是用来对金属带材在轧制过程中厚度的检 测，其工作原理是在被测带材的上下两侧各置放一块面积相等， 与带材距离相等的极板，这样极板与带材就构成了两个电容器 C1、C2。把两块极板用导线连接起来成为一个极， 而带材就是 电容的另一个极，其总电容为C1 + C2 ，如果带材的厚度发生变
经测量电路转换成与压力或压力差相对应的电流或电压的变化。
2、电容式加速度传感器
3 1 —固定电极； d2 d1 6 2 1 C2 5 C1 2 —绝缘垫； 3 —质量块； 4 —弹簧； 5 —输出端； 6 —壳体
4
差动式电容加速度传感器结构图
当传感器壳体随被测对象沿垂直方向作直线加速运动时， 质量块在惯性空间中相对静止，两个固定电极将相对于质量块
电容传感器的应用举例
1、电容式压力传感器
外壳
p2
p1
金属镀层 凹形玻璃 膜片
过滤器
图为差动电容式压力传感器的结构图。 图中所示膜片为动
电极，两个在凹形玻璃上的金属镀层为固定电极，构成差动电 容器。 当被测压力或压力差作用于膜片并产生位移时， 所形成的
两个电容器的电容量，一个增大， 一个减小。 该电容值的变化
压电元件受质量块惯性力的作用，根据牛顿第二定律，
此时惯性力F作用于压电元件上，因而产生电荷q， 当传感器选定后，m为常数， 则传感器输出电荷为
q d 33 F d33ma
与加速度a成正比。因此，测得加速度传感器输出的 电荷便可知加速度的大小。
例 压电式压力传感器
引线
壳体
基座 导电片
受压膜片 压电晶片
传感器
放大
带通 滤波
比较
执行 机构
玻璃
压电式流量计
利用超声波在顺流方向和逆流方向的传播速度进行测量。其测量 装置是在管外设置两个相隔一定距离的收发两用压电超声换能器， 每隔一段时间(如1/100s)，发射和接收互换一次。在顺流和逆流 的情况下，发射和接收的相位差与流速成正比。据这个关系，可 精确测定流速。流速与管道横截面积的乘积等于流量。 此流量计可测量各种 液体的流速，中压和 低压气体的流速，不 受该流体的导电率、 粘度、密度、腐蚀性 以及成分的影响。其 准 确 度 可 达 0.5% ， 有的可达到0.01%。
漏引起的振动从O点向管道两端传播，在管道上A、B两
点放两只压电传感器，由从两个传感器接收到的由O点
传来的t0时刻发出的振动信号所用时间差可计算出LA或LB。
地 L 面
LA
A t= tA-tB=（LA - LB ）/v
又L=LA +LB ，所以
L t v LA 2 L t v LB 2
逆压电效应 在电介质 极化方向上施 加交变电场或 电压，会产生 机械变形。去 掉外加电场时， 电介质变形随 之消失，这种 现象成为逆压 电效应。音乐 贺卡的音乐声 利用了逆压电 效应。
机械量
压电元件
电量
顺压电效应
机械能
电能
逆压电效应
压电式金属加工切削力测量 图是利用压电陶瓷传感器测量刀具切削力的示意图。 由于 压电陶瓷元件的自振频率高，特别适合测量变化剧烈的载荷。 图中压电传感器位于车刀前部的下方，当进行切削加工时， 切 削力通过刀具传给压电传感器，压电传感器将切削力转换为电 信号输出，记录下电信号的变化便可测得切削力的变化。
压电传感器 输出信号
压电式传感器的应用 如图是压电式单向测力传感器的结构图，主要由石
英晶片、绝缘套、电极、上盖及基座等组成。
F
石英晶片 上盖
绝缘套
电极
基座
图 压力式单向测力传感器结构图
传感器上盖为传力元件，它的外缘壁厚为
0.1~0.5mm，外力作用使它产生弹性变形，将力传
递到石英晶片上。石英晶片采用xy切型， 利用其纵向
压电效应， 通过d11实现力—电转换。
例5-1 压电式加速度传感器
下图是一种压电式加速度传感器的结构图。它主要由
压电元件、质量块、预压弹簧、基座及外壳等组成。
整个部件装在外壳内，并由螺栓加以固定。
外壳 预压弹簧
压电元件
质量块 基座
压电式加速度传感器 结构图
当加速度传感器和被测物一起受到冲击振动时， 此惯性力是加速度的函数， 即 F=ma 式中：F——质量块产生的惯性力； m——质量块的质量； a——加速度。