第4章非電量的電測技術第4章非電量的電測技術4.1電位器式傳感器4.2電阻應變式傳感器4.3電感式傳感器4.4電容式傳感器4.5熱電偶傳感器4.6熱電阻傳感器4.7壓電傳感器4.8超聲波傳感器4.9振弦式傳感器4.10光電式傳感器4.11激光式傳感器4.12光纖傳感器4.13紅外式傳感器4.14熱敏傳感器4.15霍爾式傳感器4.16氣敏傳感器第4章非電量的電測技術何為非電量？機械量（如溫度、壓力、速度、位移、應變、流量、液位等）、熱工量（如溫度、壓力、流量等）和化工量（濃度、成分、PH值等）。非電量的電測技術就是將各種非電量變換為電量，而后進行測量的方法。非電量電測技術中的關鍵技術是研究如何將非電量轉換成電量的技術――傳感技術。常用電位器式傳感器有:直線位移型、角位移型、非線性型.左圖為典型的電位器式傳感器的結構原理。它由電阻元件（包括骨架和金屬電阻絲）和電刷（活動觸點）兩個基本部分組成。由圖可見，當有機械位移時，電位器的動觸點產生位移，而改變了動觸點相對于電位參考點（A點）的電阻，從而實現了非電量（位移）到電量（電阻值或電壓幅值）的轉換。電位器式傳感器有線性和非線性電位器式傳感器兩大類。4.1.1電位器式傳感器的結構圖4-1電位器式傳感器原理圖a）直線位移式b）轉角位移式1－金屬電阻絲2－骨架3－電刷電位器式傳感器結構形式電位器式傳感器分類滑線式半導體式骨架式分段電阻式液體觸點式電位器式傳感器結構如右圖所示。

由于電位器單位長度上電阻值處處相等，當電刷行程為時，對應的空載輸出電阻和輸出電壓分別為：

和 式中，和分別為電位器電刷的最大行程和加于電位器兩端的最大電壓；和分別為線性電位器的電阻靈敏度和電壓靈敏度。由于，為導線間的節距，因此和可表示為： 和 式中，為導線中的電流。實際上繞線線性電位器的變換是一匝一匝進行的，電刷每移過一匝，輸出電壓（或電阻）產生一個增量（），其值為：

由此可見，繞線線性電位器傳感器的輸入輸出特性不是線性的，而是一條階梯特性曲線。其理想階梯特性曲線見圖4-3。由圖4-3可求出繞線線性電位器傳感器的電壓分辨率，其定義為：在工作行程內電位器產生一個可測得出的輸出電壓變化量與最大輸出電壓之比的百分數，即：

圖4-3繞線線性電位器傳感器理想階梯特性曲線由圖4-3可求出繞線線性電位器傳感器的階梯誤差，其定義為理想階梯特性曲線與理想的理論直線的最大偏差值與最大輸出電壓之比的百分數，即：

上面研究的是線性電位器的空載特性。實際上，由于負載電阻，當傳感器帶負載時的工作特性稱為負載特性。由于負載效應的存在，傳感器的負載特性與理想空載特性之間存在著偏差稱為負載誤差。負載誤差與負載電阻的大小有關，負載電阻愈大，負載誤差愈小，反之亦然。

引起的負載誤差為：若負載，可求得輸出電壓為：

引起的負載誤差為：

由此可見，欲使負載誤差小于1.0%，必須保證負載電阻以上。非線性電位器傳感器是指在空載時其輸出電壓（或電阻）與電刷行程之間具有非線性函數關系的一種電位器觸感器，也稱為函數電位器傳感器。它可以實現指數函數、對數函數、三角函數及其它任意函數，因此可以滿足控制系統的特殊要求。常用的非線性電位器傳感器有變骨架式、變截距式和分路電阻式等。對廣大用戶而言，常用分路電阻式，因此僅討論分路電阻式非線性電位器傳感器。4.1.3非線性電位器傳感器分路電阻式非線性電位器傳感器分路電阻式非線性電位器傳感器的工作原理實際上是通過折線逼近法來實現函數變換關系的，見圖4-6。圖4-6分路電阻式非線性電位器傳感器a）特性曲線

b）電路圖

2.電位器式位移測量

電位器式傳感器測量的基本參數是直線位移或轉角位移，因此，凡能轉變成位移的參數均可用電位器作為檢測元件，例如，溫度、物位、振動、位移、速度、線膨脹等。圖4