《測(cè)試技術(shù)》課件 第三章.ppt

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1、第三章 常用的傳感器與敏感元件 第一節(jié) 常用傳感器分類 第二節(jié) 機(jī)械式傳感器及儀器 第三節(jié) 電阻、電容與電感式傳感器 第四節(jié) 磁電、壓電和熱電式傳感器 第五節(jié) 光電傳感器 第六節(jié) 光纖傳感器 第七節(jié) 半導(dǎo)體傳感器 第八節(jié) 紅外測(cè)試系統(tǒng) 第九節(jié) 激光測(cè)試傳感器 第十節(jié) 傳感器的選用原則 一、定義 傳感器 直接作用于被測(cè)量，能按一定 規(guī)律將其轉(zhuǎn)換成同種或別種量值輸出的器 件。 測(cè)量環(huán)節(jié)、測(cè)量裝置、測(cè)量系統(tǒng) 二、組成 敏感元件、輔助裝置（部分） 敏感元件 直接感受被測(cè)量的部分，核 心。 輔助裝置（部分） 傳感器的重要組成 部分，必不可少部分。 三、傳感器的作用 作用： “電五官”，是人們認(rèn)識(shí)事物的一

2、個(gè)有利 工具； 對(duì)測(cè)試系統(tǒng)來講，是輸入的首個(gè)環(huán)節(jié)、重 要環(huán)節(jié)，其特性的好壞直接影響到整個(gè)測(cè) 試系統(tǒng)的性能。 四、傳感器的發(fā)展?fàn)顩r 歷史長、還在發(fā)展 從結(jié)構(gòu)型 物性型 智能型 智能型：傳感器技術(shù)與微電子技術(shù)結(jié)合， 構(gòu)成了校正、變化、統(tǒng)計(jì)處理、反饋等多 種功能，具有思維、辨別能力的智能傳感 器。能在復(fù)雜的環(huán)境中準(zhǔn)確而有效地提取 信息。 第一節(jié) 常用傳感器分類 按工作原理分： 電氣式傳感器、機(jī)械式傳感器、光電式傳感 器等 按被測(cè)量分： 位移傳感器、速度傳感器、加速度傳感器、 應(yīng)力傳感器、溫度傳感器等 （ 1）按信號(hào)變換特征分： 結(jié)構(gòu)型傳感器、物性型傳感器 結(jié)構(gòu)型傳感器 依靠傳感器的結(jié)構(gòu)參量 隨被測(cè)量

3、的變化而變化來實(shí)現(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)換 例如：磁電式傳感器、電感式、電容式 物性型傳感器 依靠敏感元件材料本身物理化 學(xué)性質(zhì)隨被測(cè)量的變化而變化來實(shí)現(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)換 例如：水銀溫度計(jì)、壓電式傳感器 2）按能量關(guān)系分： 能量轉(zhuǎn)換型傳感器、能量控制型傳感器 能量轉(zhuǎn)換型傳感器 利用其輸出與被測(cè)量輸入的能量的 關(guān)系來實(shí)現(xiàn)信號(hào)的轉(zhuǎn)換測(cè)量。 特點(diǎn)：直接由被測(cè)對(duì)象輸入能量使其工作的，又稱無源傳 感器。 例如：熱電偶溫度計(jì)、壓電式傳感器、磁電式速度計(jì) 產(chǎn)生負(fù)載效應(yīng)，影響被測(cè)對(duì)象的狀態(tài) 產(chǎn)生測(cè)量誤差 （失真） 能量控制型傳感器 從外部供給能量使傳感器 工作，并由被測(cè)量來控制外部能量的變化，由稱 有源傳感器。 例如：電阻應(yīng)變計(jì)接于

4、電橋中、電感測(cè)微儀 傳感器可能只有一個(gè)，也可能有幾個(gè)換能 元件，也可能是一個(gè)小型裝置。例如，電 容式位移傳感器是位移一電容變化的能量 控制型傳感器，可以直接測(cè)量位移。 而電容式壓力傳感器，則經(jīng)過壓力 膜片 彈性變形 (位移 ) 電容變化的轉(zhuǎn)換過程。此 時(shí)膜片是一個(gè)由機(jī)械量 機(jī)械量的換能件， 由它實(shí)現(xiàn)第一次變換；同時(shí)它又與另一極 板構(gòu)成電容器，用來完成第二次轉(zhuǎn)換。 再如電容型伺服式加速度計(jì) (也稱力反饋式加速度計(jì) )，實(shí)際上是一個(gè) 具有閉環(huán)回路的小型測(cè)量系統(tǒng)，如圖 3-2所示。這種傳感器較一般開 環(huán)式傳感器具有更高的精確度和穩(wěn)定性。 表 -1 機(jī)械工程中常用傳感器 第三節(jié) 電阻、電容與電感式傳感

5、器 一、電阻式傳感器 定義 電阻式傳感器 將被測(cè)量轉(zhuǎn)化為電阻值 變化的傳感器。 1、變阻器式電阻傳感器 2、電阻應(yīng)變式傳感器 1、 變阻器式 電阻傳感器 變阻器使用日益減少，電阻應(yīng)變式傳感器具有體積小、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、 測(cè)量精度高使用方便等優(yōu)點(diǎn)，而得到廣泛運(yùn)用。 變阻器式電阻傳感器的測(cè)量電路 0 ( )( 1 ) e p P Lp u u x R x x R x 特點(diǎn)及應(yīng)用 1、特點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、使用方便。 缺點(diǎn)：分辨力不高，有較大的噪聲。 2、應(yīng)用 用于線位移、角位移測(cè)量，在測(cè)量儀器中用于伺服記錄儀 器或電子電位差計(jì)等。 1. 金屬電阻應(yīng)變片 (結(jié)構(gòu)型 ) 絲式電阻應(yīng)變片多為康銅或

6、鎳鉻合金制成，直徑約 0.025mm，片基可有 多種。依據(jù)基本公式 ，電阻相對(duì)變化率為： 經(jīng)簡(jiǎn)化可得： /R l A 2d R d l d r d R l r (1 2 ) dR R 金屬電阻應(yīng)變片的工作原理，是基于金屬導(dǎo)體的應(yīng)變效應(yīng)，即金屬 導(dǎo)體在外力作用下發(fā)生機(jī)械變形時(shí)，其電阻值隨著它所受機(jī)械變形 (伸 長或縮短 )的變化而發(fā)生變化的現(xiàn)象。若金屬絲的長度為 L，截面積為 S， 電阻率為 ，其未受力時(shí)的電阻為 R。 其物理意義是 :單位應(yīng)變所引起的電阻相對(duì)變化。由式 (3.2-7)可以 明顯看出，金屬材料的靈敏系數(shù)受兩個(gè)因素影響 :一個(gè)是受力后材料的 幾何尺寸變化所引起的，即項(xiàng)；另一個(gè)是受力

7、后材料的電阻率變化所引 起的，即項(xiàng)。對(duì)于金屬材料項(xiàng)比項(xiàng)小得多。大量實(shí)驗(yàn)表明，在電阻絲拉 伸比例極限范圍內(nèi)，電阻的相對(duì)變化與其所受的軸向應(yīng)變是成正比的， 即 K0為常數(shù) Sg=1+2= 常數(shù) 通常金屬電阻絲的 Sg=1.6 3.6之間。 應(yīng)變片的主要參數(shù)： （ 1）幾何參數(shù)：基廠長和基寬，制造廠常用 b L表示。 （ 2）電阻值：應(yīng)變計(jì)的原始電阻值。（ 60 、 120 、 350 、 600 、 1000 等） （ 3）靈敏系數(shù)：表示應(yīng)變計(jì)變換性能的重要參數(shù)。 （ 4）其它表示應(yīng)變計(jì)性能的參數(shù)（工作溫度、滯后、蠕變、零漂以及疲 勞壽命、橫向靈敏度等。 2. 半導(dǎo)體應(yīng)變片（物性型） 基本公式 ：

8、 dR ER / g dR RSE E 半導(dǎo)體材料的彈性模量； 半導(dǎo)體材料的壓阻系數(shù) 。 半導(dǎo)體應(yīng)變片的靈敏度為 原理：壓阻效應(yīng) 優(yōu)點(diǎn)：體積小、橫向效應(yīng)小、滯后小、靈敏度高 缺點(diǎn)：溫度穩(wěn)定性差、靈敏度分散度大（晶向、雜質(zhì)）、大應(yīng)變下非 線性誤差大。 、應(yīng)用 電阻應(yīng)變傳感器有很多優(yōu)點(diǎn)，因此廣泛應(yīng)用于機(jī)械工程的 測(cè)試中（ 40%到 50%） 優(yōu)點(diǎn)： （ 1）分辨率高 （ 2）誤差小 （ 3）尺寸小、重量輕 （ 4）測(cè)量范圍大 （ 5）頻響特性好 :限制應(yīng)變片上限測(cè)量頻率是： 電橋的激勵(lì)電源頻率 (1/5 1/10)電源頻率 應(yīng)變片的基長 基長越短，上限測(cè)量頻率越高 例 基長為 10mm時(shí)，上限測(cè)量

9、頻率可高達(dá) 25kHz （ 6）應(yīng)用于惡劣環(huán)境 （ 7）價(jià)格低 (1)直接用來測(cè)定結(jié)構(gòu)的應(yīng)變或應(yīng)力 （） .將應(yīng)變片貼于彈性元件上， 作為測(cè)量力、位移、壓力、加速度等參量的傳感器 4. 固態(tài)壓阻式傳感器 壓阻式傳感器是根據(jù)半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)在半導(dǎo)體材料的基片 上經(jīng)擴(kuò)散電阻而制成的器件。其基片可直接作為測(cè)量傳感元件，擴(kuò)散 電阻在基片內(nèi)接成電橋形式。當(dāng)基片受到外力作用而產(chǎn)生形變時(shí)，各 電阻值將發(fā)生變化，電橋就會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的不平衡輸出。 用作壓阻式傳感器的基片（或稱膜片）材料主要為硅片和鍺片， 硅片為敏感 材料而制成的硅壓阻傳感器越來越受到人們的重視，尤其 是以測(cè)量壓力和速度的固態(tài)壓阻式傳感器應(yīng)用最

10、為普遍。 壓阻式傳感器有兩種類型：半導(dǎo)體應(yīng)變式傳感器、固態(tài)壓阻式傳感器 壓阻式傳感器的優(yōu)點(diǎn)是 : 靈敏度非常高，有時(shí)傳感器的輸出不需放大可直接用于測(cè)量； 分辨率高，例如測(cè)量壓力時(shí)可測(cè)出 10 20Pa的微壓； 測(cè)量元件的有效面積可做得很小，故頻率響應(yīng)高； 可測(cè)量低頻加速度和直線加速度。 無須粘貼，便于傳感器的集成化 最大的缺點(diǎn)是溫度誤差大，故需溫度補(bǔ)償或恒溫條件下使用。 5. 典型動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀 三、電橋測(cè)量電路 電橋電路是將電阻、電容、電感的參量的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷夯螂娏?信號(hào)輸出的一種常用電路。由于電路簡(jiǎn)單，精度和靈敏度都較高而得 到廣泛運(yùn)用。電橋一般按其電源種類而分成直流電橋和交流電橋兩種。

11、 1. 直流電橋 直流電橋?yàn)槌Ｒ婋姌?，假定電橋四個(gè)橋臂 電阻分別為 R1、 R2、 R3、 R4，輸入直流電壓 為 u0，輸出電壓信號(hào)為 uy，則輸出為 如 y=0,稱電橋的平衡狀態(tài) 直流電橋的平衡條件： 相對(duì)橋臂的阻值乘積相等 1 3 2 4 0 1 2 3 4( ) ( ) y R R R RUU R R R R 如果各橋臂的電阻變化分別為： R1、 R2、 R3、 R4，同時(shí) R1=R2=R3=R4=R 則 當(dāng)為電阻同型號(hào)的應(yīng)變片時(shí)，上式可寫成： 031 2 4() 4y uRR R Ru R R R R 0 1 2 3 4()4yg uuS 結(jié)論： 1、電橋輸出電壓與電源電壓和電阻應(yīng)變

12、片的靈敏 度系數(shù)、電阻的相對(duì)變化率之和、應(yīng)變之和成正 比。 2、電橋有和差 (加減 )特性，應(yīng)正確選擇接橋方法， 使輸出增大，干擾減小。 具體： 對(duì)需要測(cè)量的有用信息： 同極性 相對(duì)橋臂 反極性 相鄰橋臂 對(duì)不需要測(cè)量的干擾信息： 同極性 相鄰橋臂 反極性 相對(duì)橋臂 例：一段材料受拉力 P及彎矩 W的共同作用，應(yīng)怎樣接橋？ 懸臂梁測(cè)力 柱形梁測(cè)力 在測(cè)試中，根據(jù)電阻參與變化的橋臂數(shù)可把電橋分為： 全橋式聯(lián)接、半橋單臂式聯(lián)接、半橋雙臂式 各種電橋的輸出和貼片見下表： 2. 溫度補(bǔ)償問題 受溫度影響，影響測(cè)量的精確度； 補(bǔ)償方法 （ 1）橋路補(bǔ)償 （ 2）溫度自補(bǔ)償片 直流電橋特點(diǎn)： 優(yōu)點(diǎn)：電源易

13、獲得、對(duì)導(dǎo)線要求低、易平衡 缺點(diǎn)：后接放大電路困難、直流放大器易受零漂影響 2. 交流電橋 交流電橋的平衡條件 交流電橋的一般形式與直流電橋相似 ,但 Z1、 Z2、 Z3、 Z4為復(fù)阻 抗， U為交流電壓源，開路輸出電壓為 U0。其電壓輸出為 平衡條件 為 或 1 3 2 4 0 1 2 3 4( ) ( ) Z Z Z ZU Z Z Z Z 1 3 2 4 0Z Z Z Z 14 23 ZZ ZZ 交流電橋平衡條件 0 1 0 3 0 2 0 4 1 3 2 4 Z Z Z Z 交流電橋的輸出： 31 2 4 0 1 2 3 4 () 4 iEZZ Z ZU Z Z Z Z 電容電橋 1

14、3 4 2 14 3 2 4 3 2 14 11 ( ) ( )R R R R j C j C R R R R R CC 1 得 平 衡 條 件 為 ： R 電感電橋 1 1 3 4 4 2 3 2 4 1 3 4 2 ( ) ( )R j L R R j L R R R R L R L R 1 得 電 感 的 平 衡 條 件 為 ： R 交流電阻橋及平衡 交流電橋的特點(diǎn) 1、供橋電源要求高 2、電橋平衡困難 3、后續(xù)處理容易 測(cè)量誤差： 例如 電橋中元件之間的互感影響 無感電阻的殘余電抗 鄰近交流電路對(duì)電橋的感應(yīng)作用 泄漏電阻以及元件之間 元件與地之間的分布電容等 三、帶感應(yīng)偶合臂的電橋 以

15、上兩種電橋中的感應(yīng)耦合臂可代以差動(dòng)式三繞組電感傳感器，通 過它的敏感元件 鐵心，將被測(cè)位移量轉(zhuǎn)換為繞組間互感變化，再 通過電橋轉(zhuǎn)換為電壓或電流的輸出。 帶感應(yīng)耦合臂的電橋與一般電橋比較，具有較高的精確度、靈敏度 以及性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。 二、電容式傳感器 1、定義 電容式傳感器 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。 2、變換原理 從物理學(xué)已知，由兩個(gè)平行極板組成的電容器，其電容量 0 AC 式中 : 極板間介質(zhì)的相對(duì)介電系數(shù)，在空氣中 =1 0 真空中介電常數(shù) (F m)， 0 =8.85 10-12F m 極板間距離 (m) A 極板面積 (m2) 如果保持

16、其中兩個(gè)參數(shù)不變，而僅改變另一個(gè)參數(shù)，就可 把該參數(shù)的變化變換成電容量的變化。 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 （ 1）極距變化型 可見： 靈敏度 S與 成 反比，極距越 小，靈敏度越 高； 靈敏度隨極距 而變化，引起 了非線性誤差。 （ 2）面積變化型 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 角位移測(cè)量。 22 00 00 00 1, 22 2) , 22 3 ) , l n( / ) l n( / ) rr dC CS d bx bdC CS dx x dC CS D d dx D d

17、） 常 數(shù) 常 數(shù) 常 數(shù) （ 3）介質(zhì)變化型 測(cè)量： 電介質(zhì)的液位、某些材 料的溫度、濕度和厚度 等。 圖 3-14a是在兩固定極板 間有一個(gè)介質(zhì)層 (如紙張、 電影膠片等 )通過。當(dāng)介 質(zhì)層的厚度、溫度或濕 度發(fā)生變化時(shí)，其介電 常數(shù)發(fā)生變化，引起電 極之間的電容量變化。 圖 3-14b是一種電容式液 位計(jì)，當(dāng)被測(cè)液面位置 發(fā)生變化時(shí)，兩電極浸 入高度也發(fā)生變化，引 起電容量的變化。 2、測(cè)量電路 電容傳感器將被測(cè)物理量轉(zhuǎn)換為電容量的變化以后，由后 續(xù)電路轉(zhuǎn)換為電壓、電流或頻 率信號(hào)。 常用的電路有： 電橋型電路、直流極化電路、諧振電路、調(diào)頻電路和運(yùn)算 放大電路 （ 1）電橋型電路 將電容

18、傳感器作為 橋路的一部分，由電 容變化轉(zhuǎn)換為電橋的 電壓輸出，通常采用 電阻、電容或電感、 電容組成的交流電橋。 圖 3-15是一種電感、 電容組成的 橋路， 電橋的輸出為一調(diào)幅 波，經(jīng)放大、相敏解 調(diào)、濾波后獲得輸出， 再推動(dòng)顯示儀表。 （ 2）直流極化電路 又稱為靜壓電容傳感器電路， 多用于電容傳聲器或壓力傳感 器。 輸出電壓與膜片位移速度成正 比，因此這種傳感器可以測(cè)量 氣流 (或液流 )的振動(dòng)速度，進(jìn)而 得到壓力。 0 0 0 2 g dC u RE dt A d RE dt （ 3）諧振電路 為了獲得較好的線性，一般工作點(diǎn)應(yīng)選擇在諧振曲線一邊的 線性區(qū)域內(nèi)。 特點(diǎn)：比較靈敏，但缺點(diǎn)是

19、工作點(diǎn)不易選好，變化范圍也較 窄，傳感器連接電纜的分布電容影響也較大。 （ 4）調(diào)頻電路 特點(diǎn)： 具有抗干擾性強(qiáng)、靈 敏度高等 可測(cè) 0.01um的位移變化 量 電纜分布電容的影響 較大，使用中有一些 麻煩。 （ 5）運(yùn)算放大電路 可知，輸出電壓與電容傳感器間隙 成線性關(guān)系 這種電路用于位移測(cè)量傳感器 0 0 0 0 0 g x g C uu C C uu A 三、電感傳感器 定義 電感傳感器 把被測(cè)物理量轉(zhuǎn)換為電感量變化的傳感器。 分類： 1、 自感型電感傳感器 可變磁阻式、渦流式 2、互感型電感傳感器 (差動(dòng)變壓器式電感傳感器 ) 1、自感型電感傳感器 1）可變磁阻型 式中： l 鐵心導(dǎo)磁

20、長度； u 鐵心磁導(dǎo)率； A 鐵心磁導(dǎo)截面積； 氣隙長度； u0 空氣磁導(dǎo)率； A0 空氣氣隙導(dǎo)磁截面積（ m2） 2 m NL R 00 2 m l R uA u A 00 2 00 2 00 2 2 2 2 m R uA N u A L N u A S 得 ： 得 ： 可見有三種型式的可變磁阻式電感傳感器： 變氣隙型、變面積型及變磁導(dǎo)率型 a)變氣隙型 可見 L與 之間的關(guān)系為雙曲線關(guān)系，是非線性關(guān)系，測(cè)量會(huì)產(chǎn)生線性誤 差。 靈敏度為： 為減少測(cè)量誤差，須采取措施： （ ）限制測(cè)量范圍（ 0， 0+） 一般 /00.1 應(yīng)用 :測(cè)量小位移 0.001 1mm. 2 00 22 N u AS

21、 （ ）采用差動(dòng)式 銜鐵移動(dòng)時(shí)一個(gè) 0,另一個(gè) 0使得一個(gè) L,另一個(gè) L,將兩個(gè)線圈接入電橋 的相鄰橋臂 ,利用電橋的 加減特性達(dá)到減小測(cè)量非 線性誤差的目的 . 特點(diǎn)：靈敏高、非線性誤 差大 b)面積變化型 L與 A0為線性關(guān)系 ,測(cè) 量線性誤差小 ,但與變 氣隙型傳感器相比靈 敏度較低 . 特點(diǎn)：靈敏低、非線 性誤差?。?c)螺管線圈型（變磁導(dǎo)率） 傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造容易，但 靈敏度低，適用于較大位移 (數(shù)毫米 )測(cè)量 雙螺管線圈差動(dòng)型，較之單螺管 型有較高靈敏度及線性，被 用于電感測(cè)微計(jì)上，常用測(cè) 量范圍為 0 300um，最小分 辨力為 0.5um 這種傳感器的線圈接于電橋上 (見

22、圖 3-23a)，構(gòu)成兩個(gè)橋臂， 線圈電感 L1、 L2：隨鐵心位 移而變化，其輸出特性如圖 3- 23b所示。 （ 2）渦流式 變換原理 金屬 導(dǎo)體在交流磁場(chǎng) 中的渦流電效應(yīng) （渦流效應(yīng)） 即 交流磁場(chǎng)中的導(dǎo) 體由于集膚效應(yīng)， 在金屬體內(nèi)產(chǎn)生 閉和的感應(yīng)電流 （渦電流）。 Z=f(,r,I,) 應(yīng)用： 變 ：測(cè)位移、厚度、振幅、轉(zhuǎn)速、計(jì)數(shù)等； 變 ：金屬的 、硬度、熱處理的性能、合金成分等； 變 ：無損探傷、殘余應(yīng)力、材質(zhì)檢測(cè)等。 優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、抗干擾性強(qiáng)、不受油 污塵埃等介質(zhì)的影響、非接觸測(cè) 量。 測(cè)量電路 1 2 f LC 調(diào)頻電路 特點(diǎn)及應(yīng)用 特點(diǎn)： 渦流式傳感器可用于動(dòng)態(tài)

23、非接觸測(cè)量，測(cè)量范圍視傳感器 結(jié)構(gòu)尺寸、線圈匝數(shù)和勵(lì)磁頻率而定，一般從 (1 10)mm不等，最高分辨力可達(dá) 0.1um。 具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、不受油污等介質(zhì)的影響等優(yōu)點(diǎn)。 因此，近年來渦流式位移和振動(dòng)測(cè)量儀、測(cè)厚儀和無損檢 測(cè)探傷儀等在機(jī)械、冶金等部門中日益得到廣泛應(yīng)用。實(shí) 際上，這種傳感器在徑向振擺、回轉(zhuǎn)軸誤差運(yùn)動(dòng)、轉(zhuǎn)速和 厚度測(cè)量，以及在零件計(jì)數(shù)、表面裂紋和缺陷測(cè)量中都 有應(yīng)用。 應(yīng)用實(shí)例 2、互感型 差動(dòng)變壓器式電感傳感器 原理：電磁感應(yīng)中的互感現(xiàn)象 M 互感，大小與兩線圈 相對(duì)位置及周圍介質(zhì)的導(dǎo) 磁能力等有關(guān)，表明兩線 圈之間的偶合程度。 1 12 dieM dt 圖 3 31是

24、一種用于小 位移測(cè)量的差動(dòng)相敏檢 波電路工作原理圖。在 沒有輸入信號(hào)時(shí)，鐵心 處于中間位置，調(diào)節(jié)電 阻 R， 使零點(diǎn)殘余電壓 減?。划?dāng)有輸入信號(hào)時(shí)， 鐵心移上或移下，其輸 出電壓經(jīng)交流放大、相 敏檢波、濾波后得到直 流輸出，由表頭指示輸 入位移量大小 和方向。 上圖是一種用于小位移測(cè)量的差動(dòng)相敏檢波電路。在沒有輸入信號(hào)時(shí)， 鐵心處于中間位置，調(diào)節(jié)電阻及，使零點(diǎn)殘余電壓減??；當(dāng)有輸入信 號(hào)時(shí)，鐵心移上或移下，其輸出電壓經(jīng)交流放大、相敏檢波、濾波后 得到直流輸出，由表頭指示輸入位移量大小和方向。 差動(dòng)變壓器式電感傳感器具有精確度高 (最高分辨力可達(dá) 0.1um)、線性 范圍大 (可擴(kuò)展到土 100

25、mm)、穩(wěn)定性好和使用方便的特點(diǎn)，被廣泛用 于直線位移測(cè)定。但其實(shí)際測(cè)量頻率上限受到傳感器機(jī)械結(jié)構(gòu)的限制。 借助于彈性元件可以將壓力、重量等物理量轉(zhuǎn)換為位移的變化，故 也將這類傳感器用于壓力、重量等物理量的測(cè)量。 第四節(jié) 磁電、壓電與熱電式傳感器 一、磁電式傳感器 磁電式傳感器 把被測(cè)物理量轉(zhuǎn)換為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的一種 傳感器，又稱電磁感應(yīng)式或電動(dòng)力式傳感器。 從電工學(xué)已知，對(duì)于一個(gè)線圈，當(dāng)穿過該線圈的磁通發(fā) 生變化時(shí)，其感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小，取決于匝數(shù)和穿過線圈 的磁通變化率。 磁通變化率與磁場(chǎng)強(qiáng)度、磁路磁阻、線圈的運(yùn)動(dòng)速度有 關(guān)，故若改變其中一個(gè)因素，都會(huì)改變線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。 按照結(jié)構(gòu)方式不同，磁

26、電式傳感器可分： 動(dòng)圈式、磁阻式 1、動(dòng)圈式 s ine N B lv B 磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度； l 單匝線圈有效長度； N 線圈匝數(shù)； V 線圈與磁場(chǎng)的相對(duì)運(yùn)動(dòng) 速度； 線圈運(yùn)動(dòng)方向與磁場(chǎng)方 向的夾角。 當(dāng) =900時(shí) e=NBlv 角速度型傳感器 e=kNBA 0 0 1 1 L c L ue Z j C Z R 磁阻式傳感器使用簡(jiǎn)便、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在不同場(chǎng)合下可用來測(cè) 量轉(zhuǎn)速、偏心量、振動(dòng)等。 2、磁阻式 二、壓電式傳感器 定義 把被測(cè)量轉(zhuǎn)換為電荷量的傳感器。 壓電效應(yīng) 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

27、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 Z- Z稱為光軸，通過六角棱線 而垂直于光軸的軸線 x-X稱 作電軸，垂直于棱面的軸線 y-y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 1 x x x x x yz F P d

28、d ll 3、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。 （ ）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。 （ ）串接時(shí) (圖 3-37c) 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)。 0 0 0 2 0 1 s i n ( ) 1 1 ( ) a q u C q u Ri t C CR 式 (3-38)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

29、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。 4、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

30、)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 0 0 0 2 0 1 s i n ( ) 1 1 ( ) a q u C q u Ri t C CR (2)電荷放大器 ( ) ( ) () i a c i i y f y ff y f q u C C C u u C Aq u C C A C q u C ( ) ( ) () i a c i i y f y ff y f q u C C C u u C Aq u C C A C q u C 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

31、，采用電荷放大 器時(shí)，即使連接電纜長度達(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。 5、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

32、從微小力值 10-3N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)。

33、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) 10-6gn。 (gn 標(biāo)準(zhǔn)重力加速度，作為一個(gè)加速度單位， 其值為 1gn=9.80665m/s2)，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 0.14g，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

34、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

35、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)

36、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 3-39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

37、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 ,

38、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 T2、 T3時(shí)的熱電動(dòng)勢(shì)，等于熱電偶 在接點(diǎn)溫度為 T1、 T2和 T2、 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)

39、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 3-40)，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 T1、 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

40、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 C BE 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) 2000 ，精度 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 0.01 0.1mm) 非金屬材料熱電偶。 1)鉑銠 鉑熱電偶 (WRLB) 由 0.5

41、mm的純鉑絲和同直徑的鉑銠絲 (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期使用后因受高溫 作用而產(chǎn)生揮發(fā)現(xiàn)象，使鉑絲受到污染而變質(zhì)

42、，從而引起熱電偶特性 變化，失去測(cè)量準(zhǔn)確性； LB熱電偶的材料系貴重金屬，成本較高。 2)鎳鉻一鎳硅 (鎳鉻 鎳鋁 )熱電偶 (WREU) 由鎳鉻與鎳硅制成，用符號(hào) EU表示。 熱電偶絲直徑約 0.2 2.5mm。鎳鉻為正極，鎳硅為負(fù)極。 EU熱電偶化學(xué)穩(wěn)定性較高，可在氧化性或中性介質(zhì)中長時(shí) 間地測(cè)量 900 以下的溫度，短期測(cè)量可達(dá) 1200 ； 如果用于還原性介質(zhì)中，則會(huì)很快受到腐蝕，在此情況下 只能用于測(cè)量 500 以下溫度。 EU熱電偶具有復(fù)制性好，產(chǎn)生熱電動(dòng)勢(shì)大，線性好，價(jià)格 便宜等優(yōu)點(diǎn)。 雖然測(cè)量精度偏低，但能滿足大多數(shù)工業(yè)測(cè)量的要求，是 工業(yè)測(cè)量中最常用的熱電偶之一。 3)鎳鉻一

43、考銅熱電偶 (WREA) 由鎳鉻材料與鎳、銅合金材料組成，用符號(hào) EA表示。 熱偶絲直徑一般為 1.2 2.0mm。鎳鉻為正極，考銅為負(fù) 極。 適宜于還原性或中性介質(zhì)，長期使用溫度在 600 以下， 短期測(cè)量可達(dá) 800 。 EA熱電偶的特點(diǎn)是熱電靈敏度高、價(jià)格便宜，但測(cè)溫范 圍低且窄，考銅合金易受氧化而變質(zhì)。 4)鉑銠 30一鉑銠 6(WRLL)熱電偶 這種熱電偶以鉑銠 30絲 (鉑質(zhì)量分?jǐn)?shù) 70，銠質(zhì)量分?jǐn)?shù) 30 ) 為正極，鉑銠 6絲 (鉑質(zhì)量分?jǐn)?shù) 94，銠質(zhì)量分?jǐn)?shù) 6 )為負(fù) 極。 可長期測(cè)量 1600 的高溫，短期測(cè)量可達(dá) 1800 。 LL 熱電偶性能穩(wěn)定、精度高，適于在氧化性或中

44、性介質(zhì)中使 用。但它產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)小，且價(jià)格昂貴。 LL熱電偶由于在低溫時(shí)熱電動(dòng)勢(shì)極小，因此冷端在 40 以下時(shí)，對(duì)熱電動(dòng)勢(shì)可不必修正。 超高溫?zé)犭娕?(測(cè)溫可達(dá) 2000 ，精度 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 0.01 0.1mm) 非金屬材料熱電偶。 利用石墨和難熔化合物作為高溫?zé)犭娕疾牧峡梢越鉀Q金屬 熱電偶材料無法解決的問題。 這些非金屬材料熔點(diǎn)高， 而且在 2000 以上的高溫下也很穩(wěn)定。 綜上所述，各種熱電偶都具有不同的優(yōu)缺點(diǎn)，因此在選用 時(shí)應(yīng)根據(jù)測(cè)溫范圍、測(cè)溫狀態(tài)和介質(zhì)情況綜合考慮。 在

45、測(cè)量時(shí)，為使熱電偶與被測(cè)溫度間呈單值函數(shù)關(guān)系，需 要一些特定的處理手段或補(bǔ)償使熱電偶冷端的溫度保持恒 定。 2、熱電阻傳感器 利用電阻隨溫度變化的特點(diǎn)制成的傳感器叫熱電阻傳感器， 它主要用于對(duì)溫度和與溫度有關(guān)的參數(shù)測(cè)定。 按熱電阻的性質(zhì)來分，可分為金屬熱電阻和半導(dǎo)體熱電阻兩 大類，前者通 常簡(jiǎn)稱為熱電阻，后者稱為熱敏電阻 (見本 章第七節(jié) )。 熱電阻由電阻體、絕緣套管和接線盒等主要部件組成 電阻體是熱電阻的最主要部分（敏感元件）。 (1)鉑電阻 鉑電阻的特點(diǎn)是精度高、穩(wěn)定性好、性能可靠。鉑在氧化 性介質(zhì)中，特別是在高溫下的物理、化學(xué)性質(zhì)都非常穩(wěn)定。 但是，在還原性介質(zhì)中，特別是在高溫下很容易

46、被從氧化 物中還原出來的蒸汽所污染，會(huì)使鉑絲變脆，并改變其電 阻與溫度間的關(guān)系。 通?？捎媒?jīng)驗(yàn)公式描述鉑電阻的溫度關(guān)系 Rt 溫度為 t0C時(shí)的電阻值； R0 溫度為 00C時(shí)的電阻值； A 常數(shù)， B 常數(shù)， 鉑的純度常以 來表示，根據(jù) 1968年國際溫標(biāo)規(guī)定，其值 不得小于 1.3925。 20 (1 )tR R At Bt 0 8 0 1 0 1 / 1 0 0 3 . 9 2 5 9 6 6 8 1 0 , 1 . 4 9 6 3 3 4 ; AC CC （ ） 4 0 21 1 0 ;BC 100 0 RR 鉑電阻體是用很細(xì)的鉑絲繞在云母、石英或陶瓷支架上做 成的。常用的 WZB型鉑

47、電阻體是由直徑為 0.03 0.07mm 的鉑絲繞在云母片制成的平板型支架上 (見圖 3-42所示 )， 鉑絲繞組的出線端與銀絲引出線相焊，并穿上瓷套管加以 絕緣和保護(hù)。 (2)銅電阻 鉑是貴重金屬，在一些測(cè)量精度要求不高且溫度范圍較低 的場(chǎng)合，一般采用銅電阻，其測(cè)量范圍為 -50 1500C。 銅電阻具有線性度好、電阻溫度系數(shù)高以及價(jià)格便宜等優(yōu) 點(diǎn)。 0 0 1 t R R t C -8 （ ） 電 阻 的 溫 度 系 數(shù) ， 取 值 范 圍 （ 4 . 2 5 4 . 2 8 ) 1 0 銅熱電阻的缺點(diǎn)：電阻率小，所以制成一定阻值的電阻時(shí)， 與鉑材料相比，銅電阻絲要細(xì)，導(dǎo)致機(jī)械強(qiáng)度不高；或

48、者 增加電阻絲的長度，使得電阻體積較大。另外，當(dāng)溫度超 過 1000C時(shí)，銅容易氧化，因此它只能在低溫和沒有浸蝕 性介質(zhì)中工作。銅電阻體是一個(gè)銅絲繞組 (包括錳銅補(bǔ)償 部分 )，它是由直徑約為 0.1mm的絕緣銅絲雙繞在圓形塑 料支架上。 (3)其他熱電阻 近年來，伴隨著低溫技術(shù)的發(fā)展，一些新型熱電阻得到應(yīng) 用。 1）銦電阻 一種高精度低溫?zé)犭娮琛ｃ煹娜埸c(diǎn)約為 429K，在 4.2- 15K溫度范圍內(nèi)靈敏度比鉑高 10倍，故可用于鉑電阻不能 使用的低溫范圍。用 99.999高純度銦絲制成的熱電阻， 在 4.2K到室溫的整個(gè)范圍內(nèi)，測(cè)量精度可達(dá)土 0.001K。 其缺點(diǎn)是材料很軟，復(fù)制性很差。

49、2)錳電阻 在 2-63K的低溫范圍內(nèi)，電阻隨溫度變化很大，靈敏度高， 在 2 16K的溫度范圍內(nèi)電阻率隨溫度平方變化，摻以 錳，這個(gè)平分關(guān)系可以擴(kuò)展到 21K；磁場(chǎng)對(duì)錳電阻影響不 大，且有規(guī)律。錳電阻的缺點(diǎn)是脆性大，難以拉制成絲。 3)碳電阻 在低溫下靈敏度高、熱容量小，適合作液氦溫閾的溫度計(jì)。 碳電阻對(duì)磁場(chǎng) 不敏感、價(jià)格便宜、操作方便。其缺點(diǎn)是 熱穩(wěn)定性較差。 第十節(jié) 傳感器的選用原則 如何根據(jù)測(cè)試目的和實(shí)際條件，合理地選用傳感器，是經(jīng) 常會(huì)遇到的問題。因此，本節(jié)在常用傳感器的初步知識(shí)的 基礎(chǔ)上，就合理選用傳感器的一些注意事項(xiàng)，作一概略介 紹。 以不失真測(cè)試條件為原則，靜動(dòng)態(tài)特性綜合考慮，

50、以動(dòng)態(tài) 特性為主的方法進(jìn)行選用。 一、靜態(tài)特性 1靈敏度 傳感器靈敏度越高越好、信噪比越大越好、交叉靈敏度越小 越好 一般講，傳感器靈敏度越高越好，因?yàn)殪`敏度越高，意味著 傳感器所能感知的變化量越小，被測(cè)量稍有一微小變化時(shí)， 傳感器就有較大的輸出。 當(dāng)然也應(yīng)考慮到，當(dāng)靈敏度越高時(shí)，與測(cè)量信號(hào)無關(guān)的外界 干擾也越容易混入，并被放大裝置所放大。這時(shí)必須考慮 既要檢測(cè)微小量值，又要干擾小。 為保證此點(diǎn)，往往要求信噪比越大越好，既要求傳感器本身 噪聲小，且不易從外界引入干擾。 當(dāng)被測(cè)量是個(gè)向量時(shí)，那么要求傳感器在該方向 靈敏度越高越好，而橫向靈敏度越小越好。 在測(cè)量多維向量時(shí)，還應(yīng)要求傳感器的交叉靈敏

51、 度越小越好。 此外，和靈敏度緊密相關(guān)的是測(cè)量范圍。除非有 專門的非線性校正措施，最大輸入量不應(yīng)使傳感 器進(jìn)入非線性區(qū)域，更不能進(jìn)入飽和區(qū)域。 某些測(cè)試工作要在較強(qiáng)的噪聲干擾下進(jìn)行。這時(shí) 對(duì)傳感器來講，其輸入量不僅包括被測(cè)量，也包 括干擾量；兩者之和不能進(jìn)入非線性區(qū)。 過高的靈敏度會(huì)縮小其適用的測(cè)量范圍。 希望回程誤差小一些 二、響應(yīng)特性 (動(dòng)態(tài)特性 ) 在所測(cè)頻率范圍內(nèi)，傳感器的響應(yīng)特性必須滿足 不失真測(cè)量條件。 此外，實(shí)際傳感器的響應(yīng)總有一定遲延，但總希 望遲延時(shí)間愈短愈好。 一般講，利用光電效應(yīng)、壓電效應(yīng)等物性型傳感 器，響應(yīng)較快，可工作頻率范圍寬。 而結(jié)構(gòu)型，如電感、電容、磁電式傳感器

52、等，往 往由于結(jié)構(gòu)中的機(jī)械系統(tǒng)慣性的限制，其固有頻 率低，可工作頻率較低。 在動(dòng)態(tài)測(cè)量中，傳感器的響應(yīng)特性對(duì)測(cè)試結(jié)果有直接影響， 在選用時(shí)，應(yīng)充分考慮到被測(cè)物理量的變化特點(diǎn) (如穩(wěn)態(tài)、 瞬變、隨機(jī)等 )。 任何傳感器都有一定的線性范圍，在線性范圍內(nèi)輸出與輸 入成比例關(guān)系。 線性范圍愈寬，則表明傳感器的工作量程愈大。 傳感器工作在線性區(qū)域內(nèi)，是保證測(cè)量精確度的基本條 件。 例如：測(cè)力彈性元件，其材料的彈性限是決定測(cè)力量程 的基本因素。當(dāng)超過彈性限時(shí)，將產(chǎn)生線性誤差。然而任 何傳感器都不容易保證其絕對(duì)線性 ， 在許可限度內(nèi)，可以 在其近似線性區(qū)域應(yīng)用。 3線性范圍 例如：變間隙型的電容、電感傳感器

53、，均采用在初始間隙附 近的近似線性區(qū)內(nèi)工作。選用時(shí)必須考慮被測(cè)物理量的變 化范圍，令其線性誤差在允許范圍以內(nèi)。 4可靠性 可靠性 指儀器、裝置等產(chǎn)品在規(guī)定的條件下，在規(guī)定的 時(shí)間內(nèi)可完成規(guī)定功能的能力。 只有產(chǎn)品的性能參數(shù) (特別是主要性能參數(shù) )均處于規(guī)定的 誤差范圍內(nèi)，方能視為可完成規(guī)定的功能。 須選用設(shè)計(jì)、制造良好，使用條件適宜的傳感器； 使用過程中，應(yīng)嚴(yán)格保持規(guī)定的使用條件，盡量減輕使用 條件的不良影響。 例如 電阻應(yīng)變式傳感器，濕度會(huì)影響其絕緣性；溫度會(huì)影響其零漂；長期 使用會(huì)產(chǎn)生蠕變現(xiàn)象。 對(duì)于變間隙型的電容傳感器，環(huán)境濕度或浸入間隙的油劑，會(huì)改變介 質(zhì)的介電常數(shù)。 光電傳感器的感

54、光表面有塵?；蛩麜r(shí)，會(huì)改變光通量、偏振性或光譜 成份。 磁電式傳感器或霍爾效應(yīng)元件等，當(dāng)在電場(chǎng)、磁場(chǎng)中工作時(shí)，亦會(huì)帶來 測(cè)量誤差。 滑線電阻式傳感器表面有塵埃時(shí)，將引入噪聲等。 在機(jī)械工程中，有些機(jī)械系統(tǒng)或自動(dòng)化加工過程，往往要求傳感器能長 期地使用而不需經(jīng)常更換或校準(zhǔn)。而其工作環(huán)境又比較惡劣，塵埃、 油劑、溫度、振動(dòng)等干擾嚴(yán)重。 例如：熱軋機(jī)系統(tǒng)控制鋼板厚度的丫射線檢測(cè)裝置，用于自適應(yīng)磨削過 程的測(cè)力系統(tǒng)或零件尺寸的自動(dòng)檢測(cè)裝置等，在這種情況下應(yīng)對(duì)傳感 器可靠性有嚴(yán)格的要求。 5精確度 傳感器的精確度 表示傳感器的輸出與被測(cè)量真值一致的程度 也并非要求傳感器的精確度愈高愈好，因?yàn)檫€應(yīng)考慮到

55、經(jīng)濟(jì)性。 傳感器精確度愈高，價(jià)格越昂貴。 因此應(yīng)從實(shí)際出發(fā)，尤其應(yīng)從測(cè)試目的出發(fā)來選擇。首先應(yīng)了解測(cè)試 目的，判定是定性分析還是定量分析。 如果是屬于相對(duì)比較的定性試驗(yàn)研究，只須獲得相對(duì)比較值即可，無 需要求絕對(duì)量值，那么應(yīng)要求傳感器的精密度高。 如果是定量分析，必須獲得精確量值，因而要求傳感器有足夠高精確 度。 例如 為研究超精密切削機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件的定位精確度、主軸回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)誤差、 振動(dòng)及熱變形等，往往要求測(cè)量精確度在 0.1 0.01um范圍內(nèi)，欲測(cè) 得這樣量值，必須采用高精確度的傳感器。 6.測(cè)量方式 傳感器在實(shí)際條件下的工作方式 例如：接觸與非接觸測(cè)量、在線與非在線測(cè)量 在機(jī)械系統(tǒng)中，運(yùn)動(dòng)

56、部件的被測(cè)量 (例如回轉(zhuǎn)軸的誤差運(yùn)動(dòng)、 振動(dòng)、扭力矩 )，往往需要非接觸測(cè)量。 對(duì)部件的接觸式測(cè)量不僅造成對(duì)被測(cè)系統(tǒng)的影響，且有許多 實(shí)際困難 如測(cè)量頭的磨損、接觸狀態(tài)的變動(dòng)，信號(hào)的采集都不易妥善 解決，也易于造成測(cè)量誤差。 采用電容式、渦電流式等非接觸式傳感器，會(huì)有很大方便。 若選用電阻應(yīng)變片時(shí)，則需配以遙測(cè)應(yīng)變儀，或其他裝置。 在線測(cè)試是與實(shí)際情況更接近一致的測(cè)試方式 特別是自動(dòng)化過程的控制與檢測(cè)系統(tǒng)，必須在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)條件 下進(jìn)行檢測(cè)。 實(shí)現(xiàn)在線檢測(cè)是比較困難的，對(duì)傳感器及測(cè)試系統(tǒng)都有一定 特殊要求。 例如，在加工過程中，若要實(shí)現(xiàn)表面粗糙度的檢測(cè)，以往的 光切法、干涉法、觸針式輪廓檢測(cè)法等都

57、不能運(yùn)用，而代 之的是激光檢測(cè)法。 實(shí)現(xiàn)在線檢測(cè)的新型傳感器的研制，也是當(dāng)前測(cè)試技術(shù)發(fā)展 的一個(gè)方面。 7其它 除了以上選用傳感器時(shí)應(yīng)充分考慮的一些因素外，還應(yīng)盡 可能兼顧結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、價(jià)格便宜、易于維 修、易于更換等條件。 思考題 1、什么是傳感器？傳感器由那幾部分組成？ 2、什么是結(jié)構(gòu)型傳感器？什么是物性型傳感器？什么是能量轉(zhuǎn)換型傳 感器？什么是能量控制型傳感器？各舉一例說明。 3、在測(cè)試中怎樣選擇合適的傳感器？ 4、金屬電阻應(yīng)變片和半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片有什么區(qū)別？ 5、電阻應(yīng)變片在機(jī)械工程測(cè)試中有那兩種應(yīng)用方法？ 6、直流電橋和交流電橋的平衡條件各是什么？兩種電橋各有什么特點(diǎn)？

58、對(duì)一個(gè)具體的測(cè)試應(yīng)如何接橋？ 7、電感傳感器有那幾種？各有什么特點(diǎn)？怎樣使用？ 8、電容傳感器有幾種？ 9、壓電式傳感器為什么需要前置放大器？有那兩種形式？ 10、各傳感器的原理分別是什么？ 11、熱電式傳感器有哪兩種？什么是熱電效應(yīng)？ 2.互感型 這種傳感器利用電磁感應(yīng)中的互感 現(xiàn)象。當(dāng)線圈 W1(圖 4-15)輸入交流 電流 i1時(shí)，線圈 W2產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì) e12，其大小與電流 i1變化率成正 比，比例系數(shù) M稱為互感量。它描 述兩線圈之間的耦合程度，其大小 與兩線圈相對(duì)位置及周圍介質(zhì)導(dǎo)磁 能力等因素有關(guān)。 差動(dòng)變壓器輸出交流電壓，其幅值與鐵心位移成正比，只能反映 鐵心位移的大小，不能反映

59、移動(dòng)的極性。其次，交流電壓輸出存在一 定的零點(diǎn)殘余電壓。零點(diǎn)殘余電壓是由于兩個(gè)次級(jí)線圈結(jié)構(gòu)不對(duì)稱， 以及初級(jí)線圈銅損電阻、鐵磁材質(zhì)不均勻、線圈間分布電容等形成。 所以，即使鐵心處于中間位置時(shí)，輸出也不為零。為此，差動(dòng)變壓器 式傳感器的后接電路，需要采用既能反映鐵心位移極性，又能補(bǔ)償零 點(diǎn)殘余電壓的差動(dòng)直流輸出電路。 由差動(dòng)變壓器式電感傳感器構(gòu)成的位移測(cè)量儀，最高分辨力可達(dá) 0 1m，測(cè)量范圍可擴(kuò)展到 100mm，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，穩(wěn)定 性好，被廣泛用于直線位移，或可轉(zhuǎn)換為位移變化的壓力、重力等參 數(shù)的測(cè)量。 五、電容式傳感器 1 工作原理 最簡(jiǎn)單的平行極板電容器。在忽略邊緣效應(yīng)的情況下，平板

60、電容器的電 容量為 : 0 真空的介電常數(shù)， ( 0 =8.854 10 -12 F/m ）； A 極板的遮蓋面積； 極板間介質(zhì)的相對(duì)介電系數(shù)，空氣 = 1 ； 兩平行極 板間的距離。 兩平行極板間的距離。 當(dāng)被測(cè)量 、 S 或 發(fā)生變化時(shí)，都會(huì)引起電容的變化。 0 AC 2 分類 ： 根據(jù)電容器參數(shù)變化的特性，可分為 極距變化型 介質(zhì)變化型 面積變化型 其中極距變化型和面積變化型應(yīng)用較廣 3 測(cè)量電路 第七節(jié) 傳感器的選用原則 如何根據(jù)測(cè)試目的和實(shí)際條件，合理地選用傳感器，是經(jīng)常會(huì)遇到的 問題。因此，本節(jié)在常用傳感器的初步知識(shí)的基礎(chǔ)上，就合理選用傳感 器的一些注意事項(xiàng)，作一概略介紹。 1 靈

61、敏度 一般講， 傳感器靈敏度 越高越好，因?yàn)殪`敏度越高，意味著 傳感器所能感知的變化量越小，被測(cè)量稍有一微小變化時(shí)，傳感器就有 較大的輸出。 當(dāng)然也應(yīng)考慮到，當(dāng)靈敏度越高時(shí)，與測(cè)量信號(hào)無關(guān)的外界干擾也越 容易混入，并被放大裝置所放大。這時(shí)必須考慮既要檢測(cè)微小量值，又 要于擾小。為保證此點(diǎn)，往往要求信噪比越大越好，既要求傳感器本身 噪聲小，且不易從外界引入干擾。 當(dāng)被測(cè)量是個(gè)向量時(shí)，那么要求傳感器在該方向靈敏度越高越好，而 橫向靈敏度越小越好。在測(cè)量多維向量時(shí)，還應(yīng)要求傳感器的交叉靈敏 度越小越好。 此外，和靈敏度緊密相關(guān)的是測(cè)量范圍。除非有專門的非線性 校正措施，最大輸入量不應(yīng)使傳感器進(jìn)入非線

62、性區(qū)域，更不能進(jìn)入 飽和區(qū)域。某些測(cè)試工作要在較強(qiáng)的噪聲干擾下進(jìn)行。這時(shí)對(duì)傳感 器來講，其輸入量不僅包括被測(cè)量，也包括干擾量；兩者之和不能 進(jìn)入非線性區(qū)。 過高的靈敏度會(huì)縮小其適用的測(cè)量范圍 。 2 響應(yīng)特性 在所測(cè)頻率范圍內(nèi)，傳感器的響應(yīng)特性必須滿足不失真 測(cè)量條件。此外，實(shí)際傳感器的響應(yīng)總有一定遲延，但總希望遲延時(shí) 間愈短愈好。 一般講，利用光電效應(yīng)、壓電效應(yīng)等物性型傳感器，響應(yīng)較快， 可工作頻率范圍寬。而結(jié)構(gòu)型，如電感、電容、磁電式傳感器等，往 往由于結(jié)構(gòu)中的機(jī)械系統(tǒng)慣性的限制，其固有頻率低，可工作頻率較 低。 在動(dòng)態(tài)測(cè)量中，傳感器的響應(yīng)特性對(duì)測(cè)試結(jié)果有直接影響，在選 用時(shí)，應(yīng)充分考慮到

63、被測(cè)物理量的變化特點(diǎn) (如穩(wěn)態(tài)、瞬變、隨機(jī)等 )。 3 線性范圍 任何傳感器都有一定的線性范圍，在線性范圍內(nèi)輸出與輸入 成比例關(guān)系。線性范圍愈寬，則表明傳感器的工作量程愈大。 傳感器工作在線性區(qū)域內(nèi)，是保證測(cè)量精確度的基本條件。例如，測(cè) 力彈性元件，其材料的彈性限是決定測(cè)力量程的基本因素。當(dāng)超過彈性限 時(shí)，將產(chǎn)生線性誤差。 然而任何傳感器都不容易保證其絕對(duì)線性，在許可限度內(nèi)，可以在其 近似線性區(qū)域應(yīng)用。例如，變間隙型的電容、電感傳感器，均采用在初始 間隙附近的近似線性區(qū)內(nèi)工作。選用時(shí)必須考慮被測(cè)物理量的變化范圍， 令其線性誤差在允許范圍以內(nèi)。 4 可靠性 可靠性是傳感器和一切測(cè)量裝置的生命?？?/p>

64、靠性是指儀 器、裝置等產(chǎn)品在規(guī)定的條件下，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)可完成規(guī)定功能 的能力。只有產(chǎn)品的性能參數(shù) (特別是主要性能參數(shù) )均處于規(guī)定的 誤差范圍內(nèi)，方能視為可完成規(guī)定的功能。 在機(jī)械工程中，有些機(jī)械系統(tǒng)或自動(dòng)化加工過程，往往要求傳 感器能長期地使用而不需經(jīng)常更換或校準(zhǔn)。而其工作環(huán)境又比較 惡劣，塵埃、油劑、溫度、振動(dòng)等干擾嚴(yán)重，例如，熱軋機(jī)系統(tǒng) 控制鋼板厚度的 射線檢測(cè)裝置，用于自適應(yīng)磨削過程的測(cè)，力 系統(tǒng)或零件尺寸的自動(dòng)檢測(cè)裝置等，在這種情況下應(yīng)對(duì)傳感器可 靠性有嚴(yán)格的要求。 5 精確度 傳感器的精確度表示傳感器的輸出與被測(cè)量真值一致的程 度。傳感器處于測(cè)試系統(tǒng)的輸入端，因此，傳感器能否真

65、實(shí)地反映被 測(cè)量值，對(duì)整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)具有直接影響。 然而，也并非要求傳感器的精確度愈高愈好，因?yàn)檫€應(yīng)考慮到經(jīng)濟(jì)性。 傳感器精確度愈高，價(jià)格越昂貴。因此應(yīng)從實(shí)際出發(fā)，尤其應(yīng)從測(cè)試 目的出發(fā)來選擇。 首先應(yīng)了解測(cè)試目的，判定是定性分析還是定量分析。如果是屬 于相對(duì)比較的定性試驗(yàn)研究，只須獲得相對(duì)比較值即可，無需要求絕 對(duì)量值，那么應(yīng)要求傳感器的 精密度高 。如果是定量分析，必須獲得 精確量值，因而要求傳感器有足夠高 精確度 。例如，為研究超精密切 削機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件的定位精確度、主軸回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)誤差、振動(dòng)及熱變形等， 往往要求測(cè)量精確度在 0.1 0.01m 范圍內(nèi)，欲測(cè)得這樣量值，必須 采用高精確度的傳感

66、器。 6 測(cè)量方式 傳感器在實(shí)際條件下的工作方式，例如，接觸與非接觸 測(cè)量、在線與非在線測(cè)量等，也是選用傳感器時(shí)應(yīng)考慮的重要因素。 工作方式不同對(duì)傳感器要求亦不同。 在機(jī)械系統(tǒng)中，運(yùn)動(dòng)部件的被測(cè)量 (例如回轉(zhuǎn)軸的誤差運(yùn)動(dòng)、振動(dòng)、 扭力矩 )，往往需要非接觸測(cè)量。因?yàn)閷?duì)部件的接觸式測(cè)量不僅造成對(duì) 被測(cè)系統(tǒng)的影響，且有許多實(shí)際困難，諸如測(cè)量頭的磨損、接觸狀態(tài)的 變動(dòng)，信號(hào)的采集都不易妥善解決，也易于造成測(cè)量誤差。采用電容式、 渦電流式等非接觸式傳感器，會(huì)有很大方便。若選用電阻應(yīng)變片時(shí)，則 需配以遙測(cè)應(yīng)變儀，或其他裝置 7 其它因素 除了以上選用傳感器時(shí)應(yīng)充分考慮的一些因素外，還應(yīng) 盡可能兼顧結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、價(jià)格便宜、易于維修、易于 更換等條件。 第一節(jié) 概述 一、傳感技術(shù)的概念 傳感技術(shù)與通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)構(gòu)成信息產(chǎn)業(yè)的 三大支柱 之一。 傳感器技術(shù)是測(cè)量技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息處理技術(shù)、 微電子學(xué)、光學(xué)、聲學(xué)、精密機(jī)械、仿生學(xué)、材料科學(xué)等眾多學(xué)科相 互交叉的綜合性高新技術(shù)密集型前沿技術(shù)之一。世界各國普遍重視并 不斷加大投入，美、日、英、法、德和獨(dú)聯(lián)體等國都把傳感器技