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磁电、压电、电容传感器的特性研究实验

2008-6-4 13:24:16 11297

0 实验十三磁电、压电、电容传感器的特性研究 [实验目的] 1、理解磁电感应式传感器是一种对速度敏感的传感器，并熟悉传感器的双向转换特性。 2、理解压电加速度传感器是一种对外力作用敏感的传感器。 3、熟悉差动变面积式电容传感器灵敏度的测量方法。 [实验原理] 1．磁电感应式传感器的基本原理磁电感应式传感器是利用电磁感应原理，将运动速度转化成感应电动势。它不需要辅助电源，就能把被测对象的机械能转化成易于测量的电信号，是一种有源传感器，也称为电动式传感器。根据电磁感应定律，W匝线圈中的感应电动势e 的大小取决于穿过线圈的磁通***的变化率：。实验中的磁电感应式传感器由永久磁钢构成的动铁和感应线圈组成，动铁产生均衡直流磁场，当动铁与线圈相对运动时、线圈与磁场中磁通交链产生感应电势，e 与磁通变化率成正比，是一种动态传感器。 2．压电效应及压电陶瓷的特点某些离子型晶体的电介质，当沿着一定方向对其施力使它变形，其内部就产生极化现象，在它的两个表面产生符号相反的电荷，当外力消失，就恢复到不带电状态；当外力方向改变，电荷的极性随着改变。这种现象称为正压电效应，简称压电效应。相反，当在电介质极化方向施加电场，这些电介质会产生变形。这种现象称为逆压电效应，或称电致伸缩效应。压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料，其内部的晶粒有许多自发极化的电畴（电畴是分子自发形成的区域，有一定的极化方向），在无外电场作用时，他们是无序排列的，如图13-1（a）所示。极化效应相互抵消，极化强度为零，材料不具有压电特性；在施加外电场时，电畴的极化方向随外电场的增强而逐步趋向到完全转向并整齐地与外电场方向一致，如图13-1（b）所示。外电场去掉后，电畴的极化方向基本不变，即剩余极化强度很大，这时的材料具有压电特性。极化处理的陶瓷材料当受到外力作用时会引起剩余极化强度变化，在垂直极化方向的平面上将出现极化的电荷的变化，电荷量的大小与外力成正比。这种将机械效应转变为电效应，将机械能转变为电能，就是压电陶瓷的压电效应。即 [实验单元] 1．磁电感应式传感器：磁电式传感器，低频振荡器，激振器I，涡流式传感器，涡流变换器，双踪示波器，差动放大器。 2．压电加速度传感器：压电式传感器，电荷放大器（电压放大器），低频振荡器，电压 /频率表，示波器，激振器Ⅱ。 3．差动变面积式电容传感器：电容传感器，电容变换器，差动放大器，低频振荡器，T[实验内容] 1．磁电感应式传感器低频振荡器接“激振I”，磁电两端口接差动放大器两输入端，差动放大器输出端接示波器。如图13-2 所示。开启电源，调节振荡频率和幅度，观察输出波形。图13-2 磁电式传感器接差动放大器安装好电涡流传感器，因为不要求进行位振动圆盘上下振动时，带动磁电传置测量，所示平面线圈与金属涡流片的相对位感器的动铁在线圈中运动置可以稍高些，以振动时不相碰为宜。双踪示波器的通道1 和通道2 分别接差动放大器输出端和涡流变换器的输出端，调节改变低频振荡器的振动频率和振幅，观察比较两传感器在不同的振动频率和振幅下产生的波形。通过观察可得结论：磁电式传感器对速度敏感，电涡流传感器对位置敏感。将“激振I”与“磁电”端接线互换，接通低频振荡器，观察差动放大器的输出波形。与原磁电式传感器波形比较，可得结论：磁电式传感器是一种磁→ 电，电→ 磁转换的双向式传感器。 2．压电加速度传感器观察了解压电加速度传感器的结构：由双压电陶瓷晶片，惯性质量块，压簧，引出电极组装于塑料外壳中。按图13-3 接线，低频振荡器输出端接“激振II”开启电源，调节振动频率与振幅，用示波器观察低通滤波器输出波形。图13-3 当悬臂梁处于谐振状态时振幅最大，此时示波器所观察到的波形p p V ? 也最大，由此可得结论：压电加速度传感器是一种对外力作用敏感的传感器。 3．差动变面积式电容传感器按图13-4 接线，电容变换器和差动放大器和增益适中。装上测微头，带动动极位移，使电容动极位于两定极中某一位置时，差动放大器输出为零。低频振荡器输出接“激振I”端，在工作台上安装好电容传感器，适当调节频率和振幅，使差动放大器输出波形较大（切勿产生相互碰檫）但不失真，用示波器观察波形。 [注意事项] 1．压电加速度实验中，悬臂梁振动频率不能过低，否则传感器特性决定电荷放大器将无输出波形。 2．电容式传感器实验中，电容动片与两定片间距须相等，必要时可稍作调整。位移和振动时不可有擦片现象，否则会引起输出信号畸变。 3．如果差动放大器输出端用示波器观察到波形中有杂波，可将电容变换器增益适当减小。 [思考题] 1．简要说明磁电感应式传感器的双向转换特性？ 2．差动变面积式的电容传感器优点是什么？ 3．试说明压电传感器只宜作动态测量的原因？ [实验附录] 1．“极化”解释。在外电场作用下，电介质表面或内部出现电荷的现象称为极化。出现的电荷称极化电荷。均匀介质内部因极化正、负电荷所在区域相互重合，仍呈中性，只剩下与电场垂直的介质两端面的表面电荷。电力线进入电介质处出现负电荷；电力线穿出电介质处出现正电荷。理论上电介质是绝缘的，其中不存在可以运动的自由电荷。电介质的分子中，原子核与电子之间吸引力相当大，电子处于束缚状态。这与导体表面的感应电荷完全不同。极化电荷只是电介质分子中正、负电荷在分子范围内微小移动的结果，所以又叫束缚电荷。电介质上的极化电荷比导体上的感应电荷少得多，也不能用接地等办法将它从电介质中转移出来。量度电介质极化的程度，用物理量电极化强度P（矢量）来表示。它是取电介质内单位体积内分子电偶极矩的矢量和。所以，电介质的电极化强度既包含极化大小又包含极化方向。 2．电荷放大器特点简介。电荷放大器是利用电容进行反馈的高增益运算放大器。它是对应电荷源的放大器，能把压电器件高内阻的电荷源变换为传感器低内阻的电压源，以实现阻抗匹配；能使输出电压与输入电荷成正比；能使传感器的灵敏度不受电荷引导电缆变化的影响。 3．变面积式电容传感器特性。图13-5（a）为变面积式平板电容传感器原理图。当两极板完全重叠时，其电容量 C ab / d 0 = ε 。（ε 为两极板间介质的介电常数，d 为两极板内表面的距离，a、b 分别为两极板的宽、长）在动极移动Δ x 时，两极板重叠面积A 就会改变，电容量由Co 变为Cx 。如果忽略边缘效应，根据分析可得传感器的特性方程，由ΔC 、K 可见这种传感器具有的输出特性如图13-5（b）所示，它具有允许输入的直线位移范围大和灵敏度K 为常数等优点；增大极板长度，减小间隙d，或选取ε 高的介质可使灵敏度提高。极片宽度a 的大小虽不影响灵敏度，但也不能太小，否则边缘影响作用增加，相对非线性误差就会增大。 0
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