1第1章概述(知識點)知識點1傳感器概述傳感器位于研究對象與測控系統之間的接口位置一切科學實驗和生產實踐，特別是自動控制系統中要獲取的信息技術正在推動著人類社會快速地向前發展，傳感器是實現信息獲取的基本工具，是檢測系統的首要環節，是信息技術的源頭域具有十分重要的基礎性地位和作用。傳感器在產品檢驗和質量控知識點2傳感器的定義根據我國國家標準(GB/T7665—2005),傳感器(transducer/sensor)定義為：能夠感受規定的被測量(stimulus/measurand)并按照裝置，通常由敏感元件和轉換元件組成。其中，敏感元件是指傳感被測量的部分：轉換元件是指傳感器中能將敏感元件的感受或響應傳感器的共性就是利用物理定律或物質的物理、化學或生物特性，將非電量(如位移、速度、加速度、力等)輸入轉換成電量(電壓、電流、頻率、電荷、電容、電阻等)輸出。根據傳感器的定義，傳感器的基本組成分為敏感元件和轉換元件知識點3傳感器的組成傳感器的典型組成如圖1.3所示。1弱1信1號輸出圖1.3傳感器的組成知識點4傳感器的分類2傳感器可按輸入量、輸出量、工作原理、基本效應、能量變換關系以及所蘊含的技術特征等分類(如圖1.4所示),其中按輸入量和工作原理的分類方式應用較為普遍。輸入量(被測參數)能量變換型(發電型、有源型)傳感器能量控制型(參量型、無源型)傳感器所鯊含的技術特征基本效應圖1.4傳感器的分類知識點5傳感器性能的改善總體上說，傳感器技術的發展趨勢表現為六個方面：一是提高與改善能；二是開展基礎理論研究，尋找新原理、開發新材料、采用新工藝或探索新功能等；是傳感器的集成化；四是傳感器的智能化：五是傳感器的網絡化：六是傳感器的微型化。 3第2章傳感器的基本特性(知識點)知識點1傳感器的基本特性傳感器的基本特性是指傳感器的輸入一輸出關系特性，是傳感器的內部結構參數作用關系的外部特性表現。不同的傳感器有不同的內部結構參數特性。傳感器所測量的物理量基本上有兩種形式：穩態(靜態或準靜態)和動態(周期變化或瞬態)。前者的信號不隨時間變化(或變化很緩慢):后者的信號是隨時間變化而變化的。知識點2傳感器的靜態特性傳感器的靜態特性是它在穩態信號作用下的輸入-輸出關系。靜態特2.1.1線性度線性度(Linearity)是指傳感器的輸出與輸入間成線性關系的程度。傳感器的實際輸入-輸出特性大都具有一定程度的非線性，在輸入量變化范圍不大的條割線擬合、過零旋轉擬合、端點平移擬合等來近似地代表實際曲稱為傳感器的非線性誤差，取其最大值與輸出滿刻度值(FullScale,即滿量程)之比作為評價非線性誤差(或線性度)的指標。靈敏度(Sensitivity)是傳感器在穩態下輸出量變化對輸入量變化的比值。對于線性傳感器，它的靈敏度就是它的靜態特性曲線的斜率；非2.1.3分辨率能夠分辨被測量微小變化的能力。分辨率可以用2.1.4遲滯遲滯(Hysteresis),也叫回程誤差，是指在相同測量條件下，對應于同一大小的輸入信號，傳感器正(輸入量由小增大)、反(輸入量由大減小)行程的輸出信號大小不相等的4現象。產生遲滯的原因：傳感器機械部分存在不可避免的摩擦、間隙、松動、積塵等，引遲滯特性表明傳感器正、反行程期間輸出一輸入特性曲線不重一般由實驗方法來確定。用正反行程間的最大輸出差值AH對滿量程輸出Y;s的百分比2.1.5重復性重復性(Repeatability)表示傳感器在輸入量按同一方向作全量程多次測試時所得輸入一輸出特性曲線一致的程度。實際特性曲線不重復的原因與2.1.6漂移有兩個：一是傳感器自身結構參數發生老化，如零點漂移(簡稱零漂)。二是在測試周圍環境(如溫度、濕度、壓力等)發生變化。這種情況最常見的是溫度源移(簡稱溫漂)。知識點3傳感器的動態特性傳感器的動態特性是指傳感器對動態激勵(輸入)的響應(輸出)特性，即其輸出對(輸出變化曲線),將能再現輸入隨時間變化的規律(輸入變化曲線),即輸出輸入具有相性(如溫度測量中的熱慣性),因此輸出信號與輸入信號并不具有完全相同的時間函數，這傳感器的動態特性可以從時域和頻域兩個方面分別采用瞬態響應法是采用正弦函數。對應的傳感器動態特性指標分為兩類，即率響應特性有關的指標：(1)在采用階躍輸入研究傳感器的時域動態特性時，常用延遲時間、上升時間、響應時間、超調量等來表征傳感器的動態特性。(2)在采用正弦輸入信號2.2.1傳感器的數學模型通常可以用線性時不變系統理論來描述傳感器的動態特性。從數性微分方程(線性定常系統)表示傳感器輸出量y(I)與輸入量x(I)的關系：5線性時不變系統有兩個重要的性質：疊加性和頻率保持特性。2.2.2傳遞函數關，正如前文所言，傳感器的輸入-輸出關系特性是傳感器內部結構參數作用關系的外部特2.2.3頻率響應函數對于穩定的常系數線性系統，可用傅里葉變換代替拉氏變換，相應地有：模(稱為傳感器的幅頻特性):相角(稱為傳感器的相頻特性):2.2.4傳感器的動態特性分析一般可以將大多數傳感器簡化為一階或二階系統。(1)一階傳感器的頻率響應一階傳感器的微分方程為：它可改寫為：6式中：r一傳感器的時間常數(具有時間量綱)這類傳感器的幅頻特性、相頻特性分別為： 圖2.5為一階傳感器的頻率響應特性曲線。從式(2.20)、(2.21)和圖2.5看出，時當wr<<1時：A(w)≈1,輸出與輸入的幅值幾乎相等，它表明傳感器輸出與輸入為線性章圖2.5一階傳感器的頻率特性(2)二階傳感器的頻率響應典型的二階傳感器的微分方程為：幅頻特性：傳感器與檢測技術(第2版)7相頻特性：w?=√a?/a?(傳感器的固有角頻率)(傳感器的阻尼系數)。3ofo圖2.6二階傳感器的頻率特性8(3)一階或二階傳感器的動態特性參數一階或二階傳感器單位階躍響應的時域動態特性分別如圖2.7、圖2.8所示圖2.7一階傳感器的時域動態特性時間常數r:一階傳感器輸出上升到穩態值的63.2%所需的時間。9峰值時間t?:二階傳感器輸出響應曲線達到第一個峰值所需的時間。響應時間t,:二階傳感器從輸入量開始起作用到輸出指示值進入穩態值所規定的范圍超調量σ:二階傳感器輸出第一次達到穩定值后又超出穩定值而出現的最大偏差，即知識點4傳感器的標定與校準傳感器的標定是利用某種標準儀器對新研制或生產的傳感器進行技傳感器的標定分為靜態標定和動態標定兩種。靜態標定的目的是確指標，包括線性度、靈敏度、分辨率、遲滯、重復性等。動態動態特性參數，如頻率響應、時間常數、固有頻率和阻尼比等。準儀器與被標定傳感器的測試數據進行的，即利用標準儀器產生標定的傳感器中，然后將傳感器的輸出量與輸入的標準量進行比遞。在此處標定出的傳感器叫標準傳感器，具有二級精度。用標和其他需要校準的傳感器進行標定，得到的傳感器具有三級精度第3章電阻式傳感器(知識點)知識點1概述電阻式傳感器的基本工作原理是將被測量的變化轉化為傳感器應變式、熱電阻和熱敏電阻等：電位器式電阻傳感器是一種把機械通過傳感器電阻值的變化轉換為電阻或電壓輸出的傳感器：應變電阻知識點2工作原理應變(stress)是物體在外部壓力或拉力作用下發生形變的現象。當外力去除后物體又能完全恢復其原來的尺寸和形狀的應變稱為彈性應變。具有彈性應變特性的物體稱為彈應變電阻式傳感器是利用電阻應變片將應變轉換為電阻變化的傳感器。應變電阻式傳感器在力、力矩、壓力、加速度、重量等參數的測量中得到了廣泛的應用。應變電阻式傳感器的基本工作原理：當被測物理量作用在彈性元件上，彈性元件在力、力矩或壓力等的作用下發生形變，產生相應的應變或位移，然后傳遞給與之相連的電阻應變片，引起應變敏感元件的電阻值發生變化，通過測量電路變成電壓等電量輸出。輸出的電壓大小反映了被測物理量的大小。知識點3應變效應如圖3.1所示。一根具有應變效應的金屬電阻絲，在未受力時，原始電阻值為：R-電阻絲的電阻p-電阻絲的電阻率L-電阻絲的長度A-電阻絲的截面積。圖3.1應變效應當電阻絲受到拉力F作用時將伸長，橫截面積相應減小，電阻率也將因形變而改變(增加),故引起的電阻值相對變化量通過對式(3.1)進行全微分可得：阻絲軸向(長度)相對變化量，即軸向應變，用ε表示。即：基于材料力學相關知識，徑向應變與軸向應變的關系為：μ-電阻絲材料的泊松比。將(3.7)、(3.8)式代入(3.6)式可得：通常把單位應變引起的電阻值相對變化量稱為電阻絲的靈敏度系數，表示為：點4電阻應變片種類與應變的關系為：應力(strain)與應變的關系為：被測試件的應力被測試件的材料彈性模量。應力σ與力F和受力面積A的關系可表示為：常用的電阻應變片有兩種：金屬電阻應變片和半導體電阻應變片。)金屬電阻應變片(應變效應為主)金屬電阻應變片有絲式和箔式等結構形式。絲式電阻應變片如圖3.2(a)所示，它是根金屬細絲按圖示形狀彎曲后用膠粘劑貼于襯底上，襯底用紙或有機聚合物等材料制電阻絲的兩端焊有引出線，電阻絲直徑為0.012～0.050mm之間。圖3.2金屬電阻應變片結構σE-箔式電阻應變片的結構如圖3.2(b)所示，它是用光刻、腐蝕等工藝方法制成的一種很薄的金屬箔柵，其厚度一般在0.003～0.010mm。它的優點是表面積和截面積之比大，散熱條件好，故允許通過較大的電流，并可做成任意的形狀，便于大量生產。金屬電阻應變片的工作原理是主要基于應變效應導致其材料幾何尺寸的變化，因此金屬電阻應變片的靈敏度系數為： K≈1+2μ(常數)(2)半導體電阻應變片(壓阻效應為主)半導體電阻應變片的結構如圖3.3所示。它的使用方法與絲式電阻應變片相同，即粘貼在被測物體上，隨被測件的應變其電阻發生相應的變化。圖3.3半導體電阻應變片結構半導體電阻應變片的工作原理是主要基于半導體材料的壓阻效應，即單晶半導體材料沿某一軸向受到外力作用時，其電阻率發生變化的現象。半導體敏感元件產生壓阻效應時其電阻率的相對變化與應力間的關系為：π一半導體材料的壓阻系數。因此，對于半導體電阻應變片來說，其靈敏度系數為：(常數)知識點5電阻應變片溫度誤差及其補償(1)電阻應變片的溫度誤差電阻應變片的溫度誤差是由環境溫度的改變給測量帶來的附加誤差。導致電阻應變片溫度誤差的主要因素有：1)電阻溫度系數的影響2)試件材料和電阻絲材料的線膨脹系數的影響由溫度變化引起電阻應變片總電阻的相對變化量為：由此可見：因環境溫度變化導致的附加電阻的相對變化量取決于：環境溫度的變化量所以，對應的應變為：圖3.4電橋補償法為了保證補償效果，應注意以下幾個問題：傳感器與檢測技術(第2版)的影響。要減小溫度誤差，可考慮采用的方法包括：不要長時間測量；對電阻R實施恒溫措施；對電阻R?做溫度誤差補償，即采用補償應變片。知識點6測量電路3.2.1直流電橋(1)平衡條件圖3.5直流電橋的平衡條件(2)電壓靈敏度由式(3.32)可知：·電橋的電壓靈敏度是橋臂電阻比值n的函數，恰當地選取n值有助于取得較高的靈敏度。Ku=E/4非線性誤差為：要減小或消除非線性誤差，可采用的方法包括：1)提高橋臂比由式(3.37)可知，提高橋臂比，非線性誤差將減小。但根據式(3.32)可知，電橋的電壓靈敏度將降低，為了保持靈敏度不降低，必須相應地提高供電電壓。差動電橋分半橋差動和全橋差動兩種情形。傳感器與檢測技術(第2版)圖3.6差動電橋時的4倍。3.2.2交流電橋圖3.7交流電橋交流電橋如圖3.7所示。工作電阻應變片和補償電阻應變片分別加在橋臂Z,和Z?上。如圖3.8所示。傳感器與檢測技術(第2版)圖3.8交流電橋平衡調節狀態，即輸出電壓為零；但實際上，電橋各橋臂阻值不可能絕對相如果采用半橋差動結構，考慮電橋的起始平衡條件，即R?=R?、與式(3.40)相對照可知：與直流差動電橋相似，交流差動電橋的輸出電壓也與知識點7典型應用應變電阻式力傳感器的彈性元件有柱(筒)式、環式、懸臂式等數種。(1)柱(簡)式力傳感器如圖3.9所示。柱式力傳感器為實心的，筒式力傳感器為空心的。電阻應變片粘貼在彈性體外壁應力分布均勻的中間部分，對稱地粘貼多片，彈性元件上電阻應變片的粘貼和圖3.9圓柱(筒)式力傳感器(2)環式力傳感器環式力傳感器的結構和應力分布如圖3.10所示。與柱式相比，它的應力分布更復雜，變化較大，且有方向上的區分。由應力分布圖還可看出，C位置電阻應變片的應變為0,即它起溫度補償作用。圖3.10環式力傳感器A、B兩點處如果內、外均貼上電阻應變片，則其所在位置的應變為：A點：h一圓環的厚度b一圓環的寬度E一材料彈性模量在如圖所示方向的拉力作用下，內貼片取“+”,外貼片取“—”。在如圖所示方向的拉力作用下，內貼片取“一”,外貼片取“+”。對R/h>5率圓環，可以忽略上式中的h/2。的小曲(3)懸臂梁式力傳感器懸臂梁是一端固定另一端自由的彈性敏感元件，其特點是結構簡單、加工方便，在較小力的測量中應用普遍。根據梁的截面形狀不同可分為變截面梁(等強度梁)和等截面梁。圖3.11所示為一種等強度梁式力傳感器，圖中R,為電阻應變片，將其粘貼在一端固定的懸臂梁上，另一端的三角形頂點上(保證等應變性)如果受到載荷F的作用，梁內各斷面產生的應力是相等的。等強度梁各點的應變值為：式中，1-梁的長度；b-梁的固定端寬度；h-梁的厚度：E一材料的彈性模量。b)圖3.11等強度梁式力傳感器(a)正視圖(b)俯視圖b)3.12等截面梁式力傳感器(a)正視圖(b)俯視圖等截面矩形結構的懸臂梁如圖3.12所示。等截面梁距梁固定端為x處的應變值為：電阻式壓力傳感器主要用于測量流動介質(如液體、氣體)的動態或靜態壓力。這類圖3.13膜片式壓力傳感器圖3.13為膜片式壓力傳感器，電阻應變片貼于膜片內壁，在壓力P作用下，膜片產R、h一分別為膜片的半徑和厚度x一離圓心的徑向距離由式(3.65)、(3.6)可得出以下結論：它們分別如應變分布圖3.13(a)所示。由圖還可知：切向應變始終為非負值，中心處最大：而徑向應變有正有負，在中心處和切向應變相等倍。在x=R/√3處徑向應變為0,貼片時要避開此處，因為不能感受切向應變，且反映成全橋測量電路，以提高靈敏度和實現溫度補償。圖3.17電阻式液體重量傳感器圖3.17是測量容器內液體重量的插入式傳感器示意圖。該傳感器有一根傳壓桿，上端安裝微壓傳感器，下端安裝感壓膜，它用于感受液體的壓Q-容器內感壓膜上方液體的重量A一柱形容器的截面積。由式(3.71)、(3.72)可得到容器內感壓膜上方液體的重量與電橋輸出電壓間的關系：式(3.73)表明：電橋輸出電壓與柱形容器內感壓膜上方液體的重量呈正比關系。在已知液體密度的條件下，這種方式還可以實現容器內的液位高度測量。3.3.4電阻式加速度傳感器應變電阻式加速度傳感器的結構如圖3.18所示。等強度梁的自由端安裝質量塊，另一端固定在殼體上：等強度梁上粘貼四個電阻應變敏感元件；通常殼體內充滿硅油以調節系統阻尼系數。圖3.18應變電阻式加速度傳感器的結構測量時，將傳感器殼體與被測對象剛性連接，當被測物體以加速度a運動時，質量塊受到一個與加速度方向相反的慣性力作用，使懸臂梁變形，導致其上的應變片感受到并隨之產生應變，從而使應變片的電阻值發生變化，引起測量電橋不平衡而輸出電壓，即可得出加速度的大小。這種測量方法主要用于低頻(10～60Hz)的振動和沖擊測量。第4章電感式傳感器(知識點)知識點1電感式傳感器的概念電感式傳感器是建立在電磁感應基礎上的，電感式傳感器可以把輸入的物理量(如位移、振動、壓力、流量、比重)轉換為線圈的自感系數L或互感系數M的變化，并通過測量電路將L或M的變化轉換為電壓或電流的變化，從而將非電量轉換成電信號輸出，傳感器與檢測技術(第2版)(2)當銜鐵下移△δ時對式(4.13)、式(4.15)作線性處理并忽略高次項，可得：將式(4.16)代入可得：由式(4.18)可見，靈敏度的大小取決于氣隙的初始厚度，是一個定值。但這是在做線性化處理后所得出的近似結果，實際上，變磁阻電感式傳感圖4.3差動變氣隙厚度電感式傳感器的結構差動變氣隙厚度電感式傳感器的結構如圖4.3所示。它由兩個相同的電感線圈和磁路組成。測量時，銜鐵與被測物體相連，當被測物體上下移動時將兩個電感線圈接入交流電橋的相鄰橋臂，另兩個橋臂由電阻組成對上式進行線性處理并忽略高次項(非線性項)可得：1)差動式比單線圈式的靈敏度提高一倍：2)差動式結構的線性度得到明顯改善。知識點3測量電路(1)交流電橋圖4.4交流電橋交流電橋測量電路如圖4.4所示。把傳感器的兩個線圈作為電橋的兩個橋臂Z?和Z?(2)變壓器式交流電橋圖4.5變壓器式交流電橋將式(4.28)代入，可得到與交流電橋完全一致的結果。由此可見：銜鐵上、下移動時，輸出電壓相位相反，大小隨銜鐵的位移而變化。因輸出是交流電壓，輸出指示無法判斷位移方向，解決辦法：是采用適當的處理電路(如相敏檢波電路)。(3)諧振式測量電路諧振式測量電路有諧振式調幅電路和諧振式調頻電路兩種。圖4.6諧振式調幅測量電路諧振式調幅電路如圖4.6所示，L代表電感式傳感器的電感，它與電容C和變壓器的原邊串聯在一起，接入交流電源U,變壓器副邊將有電壓U。輸電源頻率相同，但其幅值卻隨著傳感器的電感L的變化而變化，如圖4.6(b)所示。圖中L?為諧振點的電感值。此電路的靈敏度很高(變化曲線陡峭),但線性差，適用于線性要圖4.7諧振式調頻測量電路諧振式調頻電路如圖4.7所示，傳感器的電感L的變化將引起輸出電壓的頻率發生變化，如圖4.7(b)所示，f與L也呈明顯的非線性關系。這是因為傳感器電感L與電容當L變化時，振蕩頻率隨之變化，根據頻率f的知識點4變磁阻電感式傳感器的應用變氣隙厚度電感式壓力傳感器由線圈、鐵心、銜鐵、膜盒組成在一起。工作原理：當壓力進入膜盒時，膜盒的頂端在壓力P的作用下產生與壓力P大小成正比的位移。于是銜鐵也發生移動，使氣隙厚度發生變化，流圖4.9為運用差動變氣隙厚度電感式壓力傳感器構成的變壓器式交流電橋測量電路。它主要由C形彈簧管、銜鐵、鐵心、線圈組成。它的工作原理是：當被測壓力進入C形彈簧管時，使其發生變形，其自由端發生位移，帶動與之相連的銜鐵運動，使線圈1和2中的電感發生大小相等，符號相反的變化(即一個電感量增大、另一個減小)。電感的變化通傳感器與檢測技術(第2版)分析：圖4.12變隙式差動變壓器的輸出特性由式(4.54)和(4.55)可得變隙式差動變壓器靈敏度K的表達式為：提高可以提高靈敏度K值，但要以變壓器鐵心不飽和以及允許的溫升為條件。傳感器的δ為0.5mm。零點殘余電壓的產生原因：(a)(線圈)傳感器的兩次級繞組的電氣參數與幾何尺寸不對稱，導致它們產生的感應電勢幅值不等、相位不同，構成了零點殘余電壓的基波；(b)(鐵心)由于磁性材料磁化曲線的非線性(磁飽和、磁滯),產生了零點殘余電壓的高次諧波(主要是三次諧波);(c)(電源)勵磁電壓本身含高次諧波。零點殘余電壓的消除方法：(a)盡可能保證傳感器的幾何尺寸、線圈電氣參數和磁路的對稱；(b)采用適當的測量電路，如差動整流電路。知識點6螺線管式差動變壓器工作原理圖4.13螺線管式差動變壓器結構螺線管式差動變壓器結構如圖4.13(a)所示。它由位于中間的初級線圈(線圈匝數中央的圓柱形銜鐵組成。在忽略鐵損、導磁體磁阻和線圈分布電容的理想條件下，其等效電路如圖4.13(b)所示。根據變壓器的工作原理，當初級繞組加上激勵電壓時，在兩個次級繞組中便會產生感應電勢，在變壓器結構對稱的情況下(初始狀態),當活動銜鐵處于初始平衡位置時，必然螺線管式差動變壓器工作原理的分析方法與變隙式差動變壓器工作原理與輸出特性類似，區別在于兩個次級線圈的感應電動勢取決于互感系數的變化，而不是變隙式的磁路磁知識點7差動變壓器的測量電路差動變壓器輸出的是交流電壓，而且存在零點殘余電壓，當用交流電壓表進行測量時，只能反映銜鐵位移的大小，不能反映位移的方向，也不能消除零點殘余電壓。為了達到辨別位移方向和消除零點殘余電壓的目的，常用差動整流電路和相敏檢波電路。1)差動整流電路(消除零點殘余電壓)為了消除零點殘余電壓，常用的幾種差動整流電路如圖4.15所示。它把兩個次級輸出電壓分別整流，然后將經整流的電壓或電流的差值作為輸出。圖中(a)、(c)適于交流負載阻抗；(b)、(d)適于低負載阻抗。電阻R。作為電位器用于消除零點殘余電壓。 圖4.16相敏檢波電路相敏檢波電路如圖4.16(a)所示。1)當銜鐵在零點以上移動，即位移x(t)>0時，u'與u?同頻同相。當銜鐵在零位以上時，差動變壓器式電感傳感器的輸出電壓u?與與u?是一個同頻同相的關系。此時，如果u,與u?均為正半周(相位為0~π),即變壓器A次級輸出電壓u?上正下負，u?上正下負：變壓器B次化規律(如圖4.18所示)。電壓與式(4.72)相同，說明只要位移大于0,負載兩端的輸出電壓方向不變(始終為正)。圖4.18相敏檢波的波形圖知識點7差動變壓器式電感傳感器的應用圖4.19為微壓傳感器，在無壓力時，固接在膜盒中心的銜鐵位于差動變壓器中部，因傳感器經分檔可測量-4×104～6×104P?的壓力，精度為1.5%。圖4.19微壓傳感器圖4.20是CPC型差壓計電路圖。CPC型差壓計是一種差動變壓器，當所測的P與圖4.20CPC型差壓計圖4.21差動變壓器測加速度圖4.21為利用差動變壓器電感式傳感器測量加速度的應用。它由懸臂梁和差動變壓器組成。測量時，將懸臂梁底座及差動變壓器的線圈骨架固定，將銜鐵的A端與被測體相連，知識點8電渦流式電感傳感器象：根據法拉第電磁感應定律，塊狀金屬導體置于運動時，通過導體的磁通將發生變化，產生感應電動勢，該電動勢在圖4.22電渦流傳感器原理電渦流式電感傳感器原理結構如圖4.22(a)所示。它由傳感器激勵線圈和被測金屬體組成。根據法拉第電磁感應定律，當傳感器激勵線圈中通以正弦交變電流時，線圈周圍將產生正弦交變磁場，使位于該磁場中的金屬導體產生感應電流，該感應電流又產生新的交變磁場。新的交變磁場的作用是為了反抗原磁場，這就導致傳感器線圈的等效阻抗發生變化。傳感器線圈受電渦流影響時的等效阻抗Z為：P一被測體的電阻率μ一被測體的磁導率r一線圈與被測體的尺寸因子f-線圈中激磁電流的頻率x一線圈與導體間的距離。由此可見，線圈阻抗的變化完全取決于被測金屬導體的電渦流效應，分別與以上因素有關。如果只改變式(4.74)中的一個參數，保持其它參數不變，傳感器線圈的阻抗Z就只與該參數有關，如果測出傳感器線圈阻抗的變化，就可確定該參數。實際應用時通常改變線圈與導體間的距離x,而保持其他參數不變。討論電渦流式電感傳感器時，可以把產生電渦流的金屬導體等效成一個短路環，即假設電渦流只分布在環體內。由基爾霍夫電壓定律有：w一線圈激磁電流的角頻率由式(4.76)可得發生電渦流效應后的等效阻抗：①產生電渦流效應后，由于電渦流的影響，線圈復阻抗的實部(等效電阻)增大、虛部(等效電感)減小，因此，線圈的等效機械品質因數下降。效電感的變化組成測量電路，因此，電渦流式電感傳感器屬于電感式傳感器(互感式)。知識點8電渦流電感式傳感器的測量電路用于電渦流式電感傳感器的測量電路主要有調頻式、調幅式兩種。(1)調頻式測量電路高頻放大器功率放大器f。±△f鑒頻器限幅器報蕩器圖4.23調頻式測量電路調頻式測量電路如圖4.23所示，傳感器線圈作為組成LC振蕩器的電感元件，并聯諧振回路的諧振頻率為：引起振蕩器的輸出頻率變化，該頻率信號(TTL電平)可直接計算機計數，或通過頻率一電壓轉換器(又稱為鑒頻器)將頻率信號轉換為電壓信號，用數字電壓表顯示出對應的電壓。(2)調幅式測量電路RC圖4.24調幅式測量電路調幅式測量電路如圖4.24所示，它由傳感器線圈、電容器和石英晶體組成的石英晶體振蕩電路。石英晶體振蕩器通過耦合電阻R,向由傳感器線圈和一個微調電容組成的并聯諧振回路提供一個穩頻穩幅的高頻激勵信號，相當于一個恒流源，即給諧振回路提供一個當被測金屬導體靠近或遠離傳感器線圈時，線圈的等效電感L發生變化，諧，相應的諧振頻率改變，等效阻抗都將減小，從而使輸出電壓幅值減小。知識點9電渦流式電感傳感器的應用(1)位移測量B裂紋圖4.26電渦流傳感器的應用(2)振幅測量電渦流式電感傳感器可以無接觸地測量各種機械振動，測量范圍從幾十μm到幾mm,如測量軸的振動形狀，可用多個電渦流式電感傳感器并排安置在軸附近，如圖4.26(a)所示，用多通道指示儀輸出至記錄儀，在軸振動時獲得各傳感器所在位置的瞬時振幅，因而可測出軸的瞬時振動分布形狀。(3)轉速測量把一個旋轉金屬體加工成齒輪狀，旁邊安裝一個電渦流式電感傳感器，如圖4.26(b)所示，當旋轉體旋轉時，傳感器將產生周期性的脈沖信號輸出。對單位時間內輸出的脈沖進行計數，從而計算出其轉速：(4)無損探傷可以將電渦流式電感傳感器做成無損探傷儀，用于非破壞性地探測金屬材料的表面裂紋、熱處理裂紋以及焊縫裂紋等。如圖4.26(c)所示，探測時，使傳感器與被測體的距離不變，保持平行相對移動，遇有裂紋時，金屬的電導率、磁導率發生變化，裂縫處的位移量也將改變，結果引起傳感器的等效阻抗發生變化，通過測量電路達到探傷的目的。第5章電容式傳感器(知識點)知識點1電容式傳感器概述電容式傳感器利用了將非電量的變化轉換為電容量的變化來實現對物理量的測量。電容式傳感器廣泛用于位移、振動、角度、加速度，以及壓力、差壓、液面(料位或物位)、成份含量等的測量。知識點2電容式傳感器的結構平板電容式傳感器的結構如圖5.1所示。在不考慮邊緣效應的情況下，其電容量的計A—兩平行板所覆蓋的面積ε-電容極板間介質的介電常數圖5.1平板電容式傳感器的結構由式(5.1)可見，當被測參數變化引起A、E,或d變化時，將導致平板電容式傳感器的電容量C隨之發生變化。在實際使用中，通常保持其中兩個參數不變，而只變其中一個參數，把該參數的變化轉換成電容量的變化，通過測量電路轉換板電容式傳感器可分為三種：變極板覆蓋面積的變面積型、變介質介電常數的變介質型和圓筒電容式傳感器的結構如圖5.2所示。在不考慮邊緣效應的情況下，其電容量的計1一內外極板所覆蓋的高度r一內極板的半徑ε?-自由空間(真空)介電常數(等于8.854×10-2F/m)e;一極板間介質的相對介電常數圖5.2圓筒電容式傳感器的結構由式(5.2)可見，當被測參數變化引起ε,或1變化時，將導致圓筒電容式傳感器的電把該參數的變化轉換成電容量的變化，通過測量電路轉換為電量輸出5.1.1變面積型(1)線位移變面積型常用的線位移變面積型電容式傳感器有平板狀和圓筒狀兩種結構，分別如圖5.3所示圖5.3線位移變面積型電容式傳感器原理圖對于平板狀結構，當被測量通過移動動極板引起兩極板有效覆蓋面積A由此可見：平板電容式傳感器器傳感器的電容改變量△C與水平位移△x成線性關系。對于圓筒狀結構，當動極板圓筒沿軸向移動△r時，電容的相對變化量為：由此可見：圓筒電容式傳感器的電容改變量△C與軸向位移△x成線性關系。(2)角位移變面積型圖5.4角位移變面積型電容式傳感器原理圖角位移變面積型電容式傳感器的原理如圖5.4所示。當動極板有一個角位移θ時：由式(5.9)可見，傳感器的電容改變量△C與角位移θ呈線性關系。變面積型電容式傳感器也可接成差動形式，靈敏度同樣會加倍。5.1.2變介質型變介質型電容式傳感器就是利用不同介質的介電常數各不相同，通過介質的改變來實現對被測量的檢測，并通過電容式傳感器的電容量的變化反映出來。(1)平板結構平板結構變介質型電容式傳感器的原理如圖5.5所示。由于在兩極板間所加介質(其介電常數為ε?)的分布位置不同，可分為串聯型和并聯型兩種情況。傳感器與檢測技術(第2版)圖5.5平板結構變介質型電容式傳感器原理圖對于串聯型結構，總的電容值為：當未加入介質ε?時的初始電容為：介質改變后的電容增量為：可見，介質改變后的電容增量與所加介質的介電常數ε;成非線性關系。對于并聯型結構，總的電容值為：介質改變后的電容增量為：可見，介質改變后的電容增量與所加介質的介電常數&;成線性關系。(2)圓筒結構圖5.6圓筒結構變介質型電容式傳感器液位測量原理圖圖5.6為圓筒結構變介質型電容式傳感器用于測量液位高低的結構原理圖。設被測介D,此時相當于兩個電容器的并聯，對于簡式電容器，如果不考慮端部的邊緣效由式(5.24)可見，電容增量△C與被測液位的高度h成線性關系。5.1.3變極距型(1)變極距型電容式傳感器的工作原理分析測量時，一般將平板電容器的一個極板固定(稱為定極板)、另一個極板與被測體相連對式(5.29)作線性化處理，忽略高次的非線性項，經整理可得：由此可見，△C與△d為近似線性關系。板間加入高介電常數的材料如云母。知識點4變極距型電容式傳感器的非線性很明顯，電容的變化量與輸入位移△d間成非線性關系。略去高次項(即非線性項)變極距型電容式傳感器的靈敏度(即單位距離改變引起的電容量相對變化)為：但根據式(5.28)可得：由式(5.37)可見，單位輸入位移所引起的電容量相對變化(即靈敏度)與當前極板反比關系，即式(5.36)。如果保留式(5.34)中的線性項和二次功(即第一個非線性項，也是最大的非線性項),即：式(5.38)中二次項被認為是線性化近似處理時的誤差項，則傳感器的相對非線性誤在實際應用中，為了既提高靈敏度，又減小非線性誤差，通常采用差動結構，如圖5.9所示。圖5.9變極距型平板電容器的差動式結構傳感器與檢測技術(第2版)略去式(5.45)中的高次項(即非線性項),可得到電容量的相對變化量與極板位移的如果只考慮(5.45)式中的前兩項：線性項和三次項(誤差項),忽略更高次非線性項，對比式(5.36)、(5.39)和式(5.47)、(5.48)可知：變極距型電容式傳感器做成差知識點5測量電路5.2.1調頻電路AfAf輸出L輸出L圖5.10電容式傳感器調頻電路調頻電路原理如圖5.10所示。電容式傳感器作為振蕩器諧振回路的一部分。當有被測信號(被測量改變)時，△C≠0,此時振蕩器的頻率發生了變化，有一個相應的改變量△f:由此可見，當輸入量導致傳感器電容量發生變化時，振蕩器的振蕩頻率發生變化(Af),此時雖然頻率可以作為測量系統的輸出，但系統是非線性的，不易校正，解決的辦法是加入鑒頻器，將頻率的變化轉換為振幅的變化(△u),經過放大后就可以用儀表指示或用記錄儀表進行記錄。5.2.2運算放大器圖5.11運算放大器電路由于運算放大器的放大倍數非常高(假設K=0),圖中0點為“虛地”,且放大器的由以上三式聯立解得：式中的“一”號說明輸出電壓與輸入電壓反相。傳感器與檢測技術(第2版)將其代入式(5.55),有：5.2.2變壓器式交流電橋圖5.12變壓器式交流電橋另外兩臂為交流變壓器次級線圈阻抗的一半。當負載阻抗(如放大器)為無窮大時，電橋5.2.4二極管雙T型交流電橋傳感器與檢測技術(第2版)圖5.13二極管雙T型交流電橋二級管雙T型交流電橋如圖5.13所示。高頻電源e提供幅值為E的方波，如圖圖5.14脈沖寬度調制電路原理圖(a)C?=C?圖5.15脈沖寬度調制波形下面分析對于平板電容的情形。綜上所述，差動脈沖寬度調制電路適用于變極距型和變面圖5.16為差動電容式壓力傳感器結構圖。它由一個膜片動電極和兩個在凹形玻璃上電圖5.16差動電容式壓力傳感器結構被測振動體被測振動體小，該電容值的變化經測量電路轉換成電壓或電流輸出，它反映了壓力的大小。式(5.82)表明與差壓成正比，且與介電常數無關，從而實現了差壓一電容5.3.2電容式位移傳感器a)圖5.17電容式振動位移傳感器(a)結構(b)應用圖5.17(a)是一種單電極的電容振動位移傳感器。它的平面測端作為電容器的一個極板，通過電極座由引線接入電路，另一個極板由被測物表面構成。金屬殼體與測端電極間有絕緣襯墊使彼此絕緣。工作時殼體被夾持在標準臺架或其他支承上，殼體接大地可起屏蔽作用。當被測物因振動發生位移時，將導致電容器的兩個極板間距發生變化，從而轉化為電容器的電容量的改變來實現測量。圖5.17(b)是電容振動位移傳感器的一種應用示意圖。5.3.3電容式加速度傳感器輸出端輸出端圖5.18差動電容式加速度傳感器結構圖5.18為差動電容式加速度傳感器結構圖。它有兩個固定極板，中間的質量塊的兩個端面作為動極板。當傳感器殼體隨被測對象在垂直方向作直線加速運動時，質量塊因慣性相對靜止，因此將導致固定電極與動極板間的距離發生變化，一個增加、另一個減小。經過推導可得到：由此可見，此電容增量正比于被測加速度。5.3.4電容式厚度傳感器圖5.19電容式傳感器測量厚度原理圖電容式厚度傳感器用于測量金屬帶材在軋制過程中的厚度，其原理如圖5.19所示。在被測帶材的上下兩邊各放一塊面積相等、與帶材中心等距離的極板，這樣，極板與帶材就構成兩個電容器(帶材也作為一個極板)。用導線將兩個極板連接起來作為一個極板，帶材金屬帶材在軋制過程中不斷前行，如果帶材厚度有變化，將導致它與上下兩個極板間的距離發生變化，從而引起電容量的變化。將總電容量作為交流電橋的一個臂，電容的變化將使得電橋產生不平衡輸出，從而實現對帶材厚度的檢測。第6章壓電式傳感器(知識點)知識點2壓電材料q?=d?·f傳感器與檢測技術(第2版)電荷q?的符號視f,為壓力或拉力而決定。從式(6.1)可見，沿電軸方向的力作用于2)沿Y軸方向施加作用力d?-Y方向受力的壓電系數(石英軸對稱，d??=-d??);b一切片的厚度(2)壓電陶瓷(多晶體)壓電陶瓷是人工制造的多晶體壓電材料。其內部的晶粒有一場作用下，晶粒雜亂分布，它們的極化效應被相互抵消，因此壓電陶始的壓電陶瓷不具有壓電性質(如圖6.5(a)所示)。而使材料整體得到極化。外電場愈強，極化程度越高，讓外電場到飽和程度，即所有晶粒的極化方向都與外電場的方向體的極化方向基本不變，即出現剩余極化，這時的材料就具有了壓電特性(如圖6.5(b)所示)。由此可見，壓電陶瓷要具有壓電效應，需要有外電場和壓力的共同作用。此時，當陶瓷材料受到外力作用時，晶粒發生移動，將引起在垂直于極化方向(即外電場方向)的平電場電場圖6.5壓電陶瓷壓電陶瓷的壓電系數比石英晶體大得多(即壓電效應更明顯),因此用它做成的壓電式壓電陶瓷材料有多種，最早的是鈦酸鋇(BaTiO?),現在最常用的是鋯鈦酸鉛(PbZrO?-PbTiO?,簡稱PZT,即Pb、Zr、Ti三個元素符號的首字母組合)等，前者工作溫度較低(最高70℃),后者工作溫度較高，且有良好的壓電性，得到了廣泛應用。(3)壓電高分子材料高分子材料屬于有機分子半結晶或結晶聚合物，其中均勻的內應變對壓電效應的貢獻，還要考慮高分子材料中作非均勻內應變所產生的各種其壓電效應可采用類似鐵電體的機理來解釋。這種聚合物中碳原械滾壓和拉伸制作成薄膜之后，帶負電的氟離子和帶正電的氫離子分上下兩邊上，形成微晶偶極矩結構，經過一定時間的外電場和溫的偶極矩進一步旋轉定向，形成垂直于薄膜平面的碳一氟偶極矩固定結構。正是由于這種(4)壓電材料的特性參數具有壓電效應的材料稱為壓電材料。壓電材料的主要(5)壓電材料的選取知識點3測量電路圖6.6壓電式傳感器等效電路圖6.7放大器輸入端等效電路6.2.2測量電路由于壓電式傳感器本身的內阻抗很高(通常1010Ω以上),輸出能量較小，因此它的測量電路通常需要接入一個高輸入阻抗的前置放大器。其作用為：(1)把它的高輸入阻抗(一般1000MΩ以上)變換為低輸出阻抗(小于100Ω);(2)對傳感器輸出的微弱信號進行放大。根據壓電式傳感器的兩種等效方式可知，壓電式傳感器的輸出可以是電壓信號(1)電荷放大器接電纜的等效電容C.、放大器輸入電容C;合并為電容C后，電荷放大器等效電路如圖6.7(b)所示。它由一個負反饋電容C,和高增益運算放大器構成。圖中K為運算放大器的增益。由于負反饋電容工作于直流時相當于開路，對電纜噪聲敏感較大，因此一般在反饋電容兩端并聯一個電阻R,,其作用是為了穩定直流工作點，減小零漂：R,通常為1010～1014Ω,當工作頻率足夠高時，1/R,<<wC;,可忽略I“-”號表示放大器的輸入與輸出反相。因此它們總的等效阻抗為：將上述式子代入并整理可得：于是可得放大器輸入電壓的幅值為：輸入電壓與作用力間的相位差為：式(6.19)表明：理想情況下，前置放大器輸入電壓與頻率無關。為了擴展頻帶的低頻聯立式(6.17)和式(6.19)可得：測量電路時間常數。對應的相角為：作用力為靜態力(即w=0)時，前置放大器的輸入電壓為0,電荷會通過放大器輸入電阻和傳感器本身漏電阻漏掉，實際上，外力作用于壓電材料上產生下才能保存，即需要負載電阻(放大器的輸入阻抗)無窮大，并且內部無漏電，但這實際態量。壓電材料在交變力的作用下，電荷可以不斷補充，以供給測圖6.8電壓幅值比和相角與頻率比的關系曲線知識點4壓電元件的連接壓電元件作為壓電式傳感器的敏感部件，單片壓電元件產生用中，通常采用兩片(或兩片以上)同規格的壓電元件粘結在一起，以提高壓電式傳感器由于壓電元件所產生的電荷具有極性區分，相應的連接方法有兩種，如圖6.9所示。從作用力的角度看，壓電元件是串接的，每片受到的作用力相圖6.9(a)是將兩個壓電元件的負端粘結在一起，中間插入金屬電極作為壓電元件連并聯法輸出電荷大、本身電容大、時間常數大，適宜在外力作用下，兩壓電元件產生的電荷在中間粘結處正負電荷中和，場合。圖6.9壓電元件連接方式知識點5典型應用圖6.10壓電式力傳感器結構壓電式單向測力傳感器的結構如圖6.10所示。它主要由石英晶片、絕緣套、電極、上蓋和基座等組成。上蓋為傳力元件，當受外力作用時，它將產生英晶片上，利用石英晶片的壓電效應實現力一電轉換。絕緣套用6.3.2壓電式加速度傳感器壓電式加速度傳感器的結構如圖6.11所示。它主要由壓電元件、質量塊、預壓彈簧、圖6.11壓電式加速度傳感器結構測量時，將傳感器基座與試件剛性固定在一起。當傳感器與壓電效應，因此，在它的兩個表面上產生交變電荷Q,當振動頻率遠低于傳感器的固有頻第7章磁敏式傳感器(知識點)知識點1磁敏式傳感器概念對磁場參量(如磁感應強度B、磁通φ)敏感、通過磁電作用將被測量(如振動、位移、轉速等)轉換為電信號的器件或裝置稱為磁敏式傳感器。磁電作用主要分為電磁感應和霍爾效應兩種情況，相應的磁敏式傳感器主要有利用電磁感應的磁電感應式傳感器和利知識點2磁電感應式傳感器的概念磁電感應式傳感器是利用導體和磁場發生相對運動而在導體兩端傳感器與檢測技術(第2版)知識點3電磁感應生感應電動勢。對于一個N匝的線圈，設穿過線圈的磁通為φ,則線圈內的感應電動勢將度w,則式(7.1)可改寫為：知識點4磁電感應式傳感器的分類恒磁通式傳感器是指在測量過程中使導體(線圈)位置相對于恒定磁通φ變化而實現測量的一類磁電感應式傳感器，如圖7.1所示。分成動圈式和動鐵式兩種結構類型，分別如圖7.1(a)和圖7.1(b)所示。V2)變磁通式傳感器氣隙的大小改變磁路的磁阻，從而改變磁路的磁通。變磁通磁電如圖7.2所示。圖7.2變磁通磁電感應式傳感器結構變磁通磁電感應式傳感器可分為開磁路和閉磁路兩種結構。知識點5基本特性圖7.3磁電感應式傳感器測量等效電路當磁電感應式傳感器接入測量電路時(如圖7.3所示),磁電感應式傳感器的輸出電流R?一測量電路輸入電阻R一線圈等效電阻。傳感器的電流靈敏度為：傳感器的輸出電壓和電壓靈敏度分別為：由電流和電壓靈敏度公式可知：B值大，靈敏度S也大，因此要選用B值大的永磁材料；線圈的平均長度L大也有助于提高靈敏度S,但這是有條件的(因為L增加使R也增加),要考慮兩種情況：1)線圈電阻與指示器電阻匹配問題2)線圈的發熱問題知識點6測量電路磁電感應式傳感器可以直接輸出感應電勢信號，且磁電感應式傳感器通常具有較高的靈敏度，所以不需要高增益放大器。但磁電感應式傳感器只用于測量動態量，可以直接測或旋轉體的角速度。如果在其測量電路中接入積分電路或微分星稱動的體的線建度電路，那么還可以測量位移或加速度。圖7.5是磁電感應式傳感器的一般測量電路方框圖。Oa圖7.5磁電感應式傳感器一般測量電路知識點7磁電感應式傳感器的應用(1)磁電感應式振動速度傳感器圖7.6是動圈式恒磁通振動速度傳感器結構示意圖，其結構主要由鋼制圓形外殼制成，里面用鋁支架將圓柱形永久磁鐵與外殼固定成一體，永久磁鐵中間有一個小孔，穿過小孔的芯軸兩端架起線圈和阻尼環，芯軸兩端通過圓形膜片支撐架空且與外殼相連。圖7.6動圈式振動速度傳感器結構工作時，傳感器與被測物體剛性連接，當物體振動時，傳動，而架空的芯軸、線圈和阻尼環因慣性而不隨之振動。這樣，力線而產生正比于振動速度的感應電動勢，線圈的輸出通過引線送到測量電路。該測量的是振動速度參數，如果在測量電路中接入積分電路，則輸出(2)電磁流量計恒磁通式。電磁流量計的工作原理如7.8所示，它由產生均勻磁場的磁路系統、用不導磁材料制成的管道及在管道橫截面上的導電電極組成。要求磁場方向、圖7.8電磁流量計原理圖應電動勢E,其值與被測流體的流速B一磁感應強度(T);D-管道內徑(m);v一流體的平均流速(m/s)。知識點7霍爾效應象被稱為霍爾效應。霍爾效應產生的電動勢被稱為圖7.10霍爾效應原理圖如圖7.10所示，在一塊長度為1、寬度為b、厚度為d的長方形導電板上，兩對垂直側面各裝上電極，如果在長度方向通入控制電流I,在厚度方向施加場時，那么導電板中的自由電子在電場作用下定向運動，此時，每當電子濃度為n,電子定向運動平均速度為v時，對于不同的材料，可得出表7-1所表7-1不同半導體材料霍爾效應的特征量料半導體材N型P型電流I霍爾電動勢U;霍爾電勢與霍爾系數或霍爾靈敏度的關系可表示霍爾靈敏度K表征了一個霍爾元件在單位控制電流和單位磁感應強度時產生的霍爾式(7.19)給出的霍爾電動勢是用控制電流來表示的，在霍爾器件的使用中，電源是聯立式(7.18)和式(7.20),得：由上面的推導可知，霍爾電勢正比于激勵電流、電壓Uc及磁感應強度B外，還與材料的載流子遷移率及器件的寬度b成正比，與器件長度1成反比。其靈敏度與霍爾系數R?成正比而與霍爾元件厚度d成反比。據表7-1的靈敏度定義可以知道霍爾元件的靈敏度與載流子濃度成反比，由于金屬的自由電子濃度過高，所以不適于用來制作霍爾元件。制作霍爾元件一般采用N型半導體材料。知識點8霍爾元件1)霍爾元件基本結構霍爾元件的結構比較簡單，它由霍爾元件、4根引線和殼體三部分組成。霍爾元件是一塊矩形半導體單晶薄片，在長度方向焊有兩根控制電流端引線a和b,它們在薄片上的它們在薄片上的焊點稱為霍爾電極。霍爾元件的外形、結構和電路符號如圖7.11所示。圖7.11霍爾元件及符號2)霍爾元件基本特性霍爾元件分為線性特性和開關特性兩種。線性特性是指霍爾元件的輸出電動勢Um分別和基本參數I、B成線性關系。開關特性是指霍爾元件的輸出電動勢U在一定區域隨②不等位電阻r通常，溫度對半導體材料有較大的影響，用半導體材料制作的爾元件的溫度特性包括霍爾電動勢、靈敏度、輸入阻抗和3)霍爾元件的誤差及其補償不等位電動勢誤差是零位誤差中最主要的一種，它與霍時候甚至會超過霍爾電勢。但在霍爾式傳感種補償方式相對簡單，被稱為不對稱補償。第二，在兩個橋臂上同時當霍爾元件的電極的焊點不是完全的歐姆接觸、霍爾電極的焊點大小不等、熱容量不一般半導體材料都具有較大的溫度系數。所以當溫度發濃度、遷移率、電阻率以及霍爾系數都會發生變化。為了減小溫度數小的半導體材料(如砷化銦)外，還可以采用適當的補償電路來進行補償。知識點9測量電路霍爾式傳感器的基本測量電路如圖7.15所示，電源E提供激勵電流，可變電阻R,用E圖7.15霍爾式傳感器的基本測量電路知識點10蓋爾式傳感器的應用(1)微位移的測量如圖7.16所示，在極性相反、磁場強度相同的兩個磁鋼氣隙中放入一片霍爾元件，當B=0,此時霍爾電勢U=0;當霍爾元件沿著±Z方向移動時，有B≠0,則霍爾電勢K一霍爾式位移傳感器的輸出靈敏度。圖7.16微位移測量原理及其輸出特性可見霍爾電勢與位移量△Z成線性關系，并且霍爾電勢的極性還會反映霍爾元件的(2)轉速的測量利用霍爾元件的開關特性可以實現對轉速的測量，如圖7.17所示，將被測非磁性材料的旋轉體上粘貼一對或多對永磁體，其中圖7.17(a)是永磁體粘在旋轉體盤面上，圖7.17(b)是永磁體粘在旋轉體盤側。導磁體霍爾元件組成的測量頭，置于永磁體附近，當被測物以角速度o旋轉，每個永磁體通過測量頭時，霍爾器件上就會產生一個相應的脈沖，測量單位時間內的脈沖數目，就可以推出被測物的旋轉速度。圖7.17霍爾式傳感器轉速測量原理(a)永磁體位于旋轉體盤面(b)永磁體位于旋轉體側設旋轉體上固定有n個永磁體，則采樣時間t(單位：s)內霍爾元件送入數字頻率計的脈沖數為N。則轉速(單位：轉每秒)為：傳感器與檢測技術(第2版)第8章熱電式傳感器(知識點)知識點1熱電效應圖8.1熱電偶結構原理圖如圖8.1所示。兩種不同的導體兩端相互緊密地連接在一起，組成一個閉合回路。當兩接點溫度不等時(設t>t?),回路中就會產生大小和方向與導體材料及兩接點的溫度有關的電動勢，從而形成電流，這種現象稱為熱電效應。該電動勢t),測溫時將它置于被測溫度場中：另一個叫自由端或冷端(t?),一般要求它恒定在某圖8.2接觸電動勢不同導體的自由電子密度是不同的。當兩種不同的導體A、B連接在一起，由于兩者內的電動勢稱為接觸電動勢。接觸電動勢的大小與導體的材料、接點的溫度有關，而與的直徑、長度、幾何形狀等無關。兩接點的接觸電動勢用符號Em實踐證明，熱電偶回路中所產生的熱電動勢主要是所占比例極小，可以忽略不計；因為Em(t)和Em(t)的極性相反，假設導體A的電子密度大于導體B的電子密度，且A為正極、B為負極，因此回路的總電動勢為：·如果熱電偶兩接點溫度相同(t=t?),盡管A、B材料不同，回路中總電動勢依然為0。=E()-E(t?)+E(t?)-E(t?)= E(t,o)=f()-f(?)=f(t)-式(8.8)在實際測溫中得到了廣泛應用。當保持熱電偶自由端溫度t不變時，只要用儀表測出總電動勢，就可以求得工作端溫度t。在實用中，常把自由端溫度保持在0℃或室溫。方法來確定，并將不同溫度下所測得的結果列成表格，編制出針與溫度的對照表，稱為分度表，供使用時查閱。表中溫度按10℃分檔，其中間知識點2熱電偶的基本定律1)中間導體定律在熱電偶測溫回路內接入第三種導體，只要其兩端溫度相同，則中間導體定律的意義在于：在實際的熱電偶測溫應用中，測量儀表(如動圈式毫伏表、電子電位差計等)和連接導線可以作為第三種導體對待。2)中間溫度定律 過連接兩根導體的方式來延長，只要接入的兩根導體的熱電特性電特性一致，且它們之間連接的兩點間溫度相同，則回路總的熱3)標準電極定律如果兩種導體A、B分別與第三種導體C組成的熱電偶所產生的熱電動勢已知，則由這Em(t,t?)=E?c(t,t?)-Emc(t標準電極定律的意義在于：純金屬的種類很多，合金的種類組成熱電偶的熱電動勢是一件工作量極大的事。在實際處理中定，通常選用高純鉑絲作標準電極，只要測得它與各種金4)均質導體定律如果組成熱電偶的兩個熱電極的材料相同，無論兩接點中的總熱電動勢均為0。知識點3熱電偶的結構與種類(1)結構為了適應不同測量對象的測溫條件和要求，熱電偶的結構1)普通型熱電偶圖8.6普通型熱電偶結構普通型熱電偶如圖8.6所示。它一般由熱電極、絕緣管、保護管和接線盒等幾個主要2)特殊熱電偶它是由熱電極、絕緣材料和金屬保護套管一起拉制加工而成的堅實纜狀組合體，如圖8.7所示。它可以做得很細很長，使用中可隨需要任意彎曲：測溫范圍通常在1100℃以下。圖8.7鎧裝型熱電偶的結構圖8.8薄膜型熱電偶的結構它是將兩種薄膜熱電極材料用真空蒸鍍、化學涂層等辦法蒸鍍到絕緣基板(云母、陶瓷片、玻璃及酚醛塑料紙等)上制成的一種特殊熱電偶。薄膜熱電偶的接點可以做得很小、很薄(0.01～0.1μm),具有熱容量小、響應速度快(ms級)等特點。適用于微小面積上的表面溫度以及快速變化的動態溫度的測量，測(2)熱電極材料的選取但為了準確可靠地測量溫度，對組成熱電偶的材料有嚴格的選擇條件。1)性能穩定2)溫度測量范圍廣3)物理化學性能穩定(3)熱電偶的種類 目前，國際電工委員會(IEC)向世界各國推薦了8種標準化熱電偶。表8.6是我國采用的符合IEC標準的六種熱電偶的主要性能和特點。負熱電極分度號測溫范圍鉑銠so—鉑銠。鉑銠。B(超高溫)領域得到廣泛應用。鉑銠10一鉑純鉑S(超高溫)K(高溫)范圍很寬、熱電動勢與溫度關系近似不如B、S型熱電偶，但是非貴金屬熱電偶中性能最穩定的一種。E℃(中溫)靈敏度高，價格低。鐵J℃(中溫)缺點是鐵極易氧化。銅T℃(低溫)知識點3熱電偶的冷端溫度補償由熱電偶的測溫原理可以知道，熱電偶產生的熱電動勢大小與兩端溫(1)補償導線法熱電偶的長度一般只有1m左右，要保證熱電偶的冷端溫度不變，可以把熱電極加長，使自由端遠離工作端，放置到恒溫或溫度波動較小的地方，但這制成的熱電偶來說將使投資增加，解決的辦法是：采用一種稱為熱電偶的冷端延伸出來。補償導線實際上是一對與0～150℃溫度范圍內與配接的熱電偶具有相同的熱電特性，但價線將熱電偶的冷端延伸到溫度恒定的場所(如儀表室),且它們具有一致的熱電特性，相當于將熱電極延長，根據中間溫度定律，只要熱電偶和補償導(2)冷端恒溫法就是把熱電偶的冷端置于某些溫度不變的裝置中，以保證冷的影響。恒溫裝置可以是電熱恒溫器或冰點槽(槽中裝冰水混合物，溫度保持在0℃)。(3)冷端溫度校正法如果熱電偶的冷端溫度偏離0℃,但穩定在t?℃,則按式(8.20)(即中間溫度定律)(4)自動補償法端溫度升高，導致回路總電動勢降低時，這個電橋感受自由端溫差，其數值剛好與熱電偶降低的電動勢相同，兩者互相補償。電動勢將不隨自由端溫度而變化。自動補償法解決了冷端溫度校正法不適合連續測溫的問題。知識點4熱電偶的實用測溫線路(1)測量單點的溫度圖8.12熱電偶單點溫度測量線路圖圖8.12是一個熱電偶直接和儀表配用的測量單點溫度的測量線路，圖中A、B組成熱(2)測量兩點間溫度差(反極性串聯)圖8.13是測量兩點間溫度差(t?-t?)的一種方法。將兩個同型號的熱電偶配用相同圖8.13熱電偶測量兩點溫度差線路圖(3)測量多點的平均溫度(同極性并聯或串聯)有些大型設備，有時需要測量多點(兩點或兩點以上)的平均溫度，可以通過將多支同型號的熱電偶同極性并聯或串聯的方式來實現。1)熱電偶的并聯將多支同型號熱電偶的正極和負極分別連接在一起的線路稱為熱電偶的并聯。圖8.14是測量三點的平均溫度的熱電偶并聯連接線路，用三只同型號的熱電偶并聯在一起，在每一只熱電偶線路中分別串聯均衡電阻R。根據電路理論，可得回路中總的電動勢為：E?,E?,E?一分別為單只熱電偶的熱電動勢。特點：當有一只熱電偶燒斷時，難以覺察出來。當然，它也不會中斷整個測溫系統的工作。2)熱電偶的串聯圖8.14熱電偶的并聯測溫線路圖將多支同型號熱電偶的正負極依次連接形成的線路稱為熱電偶的串聯。圖8.15是將三支同型號的熱電偶依次將正、負極相連串接起來，此時，回路總的熱電動勢等于三支熱電偶的熱電動勢之和，即回路的總電動勢為：E?=E?+E?+E?=Em(t,t?)+Em(圖8.15熱電偶的串聯測溫線路圖可見對應得到的是三點的溫度之和，如果將結果再除以3,就得到三點的平均溫度。串聯線路的主要優點：熱電動勢大，儀表的靈敏度大大增加，且避免了熱電偶并聯線路存在的缺點，只要有一只熱電偶斷路，總的熱電動勢消失，立即可以發現有斷路。缺點：只要有一支熱電偶斷路，整個測溫系統將停止工作。知識點5熱電偶的應用圖8.17是采用AD594C的溫度測量電路實例。AD594C片內除有放大電路外，還有溫度補償電路，對于J型熱電偶經激光修整后可得到10mV/°C輸出。在0～300℃測量范圍內精度為±1℃。測量時，熱電偶內產生的與溫度相對應的熱電動勢經AD594C的-IN和+IN兩引腳輸入，經初級放大和溫度補償后，再送入主放大器A1,運算放大器A1輸出的電壓信號U。反映了被測溫度的高低。若AD594C輸出接A/D轉換器，則可構成數字溫度計。圖8.17熱電偶溫度測量電路實例自動W圖8.18熱電偶爐溫控制系統常用爐溫測量控制系統如圖8.18所示。毫伏定值器給出給定溫度的相應毫伏值，將熱器送入調節器，再經過晶閘管觸發器推動晶閘管執行器來調整電爐絲知識點6熱電阻熱電阻作為一種感溫元件，它是利用導體的電阻值隨溫度的測量。最常用的材料是鉑和銅。工業上被廣泛用來測量中低溫區-200～500℃的溫度。熱電阻由電阻體、保護套管和接線盒等部件組成，如圖8.19(a)所示。熱電阻絲是繞在骨架上的，骨架采用石英、云母、陶瓷或塑料等材料制成同的外形。為了防止電阻體出現電感，熱電阻絲通常采用雙線并繞法，如圖8.19(b)所示。電阻絲保護膜引線(b)雙線并繞圖8.19熱電阻結構圖鉑熱電阻在氧化性介質中，甚至在高溫下，其物理、化學性能穩定，電阻率大，精確度高，能耐較高的溫度，因此，國際溫標IPTS-68規定，在-259.34～+630.74℃溫度域內，以鉑熱電阻溫度計作為基準器。缺點：價格高。鉑熱電阻值與溫度的關系在0～850℃范圍內為：在-200～0C范圍內：R,-溫度t℃時的電阻值R?-溫度0℃時的電阻值溫度系數A=3.908x10-3/℃,B=-5.802×10-7/℃2,C=-4從式(8.35)可以看出，熱電阻在溫度t時的電阻值與R(標稱電阻)有關。目前，我國規定工業用鉑熱電阻有R?=102和R?=100Ω兩種，它們的分度號分別為Ptio和Pttoo,后者為常用。實際測量中，只要測得熱電阻的阻值R,便可從表中查出對應的溫度值。8.2.2銅熱電阻鉑熱電阻雖然優點多，但價格昂貴，在測量精度要求不高且溫度較低的場合，銅熱電阻得到廣泛應用。在-50～+150℃的溫度范圍內，銅熱電阻與溫度近似呈線性關系，可用α-0℃時銅熱電阻溫度系數(a=4.289×10-3/℃)。銅熱電阻的電阻溫度系數較大、線性性好、價格便宜。缺點：電阻率較低，電阻體的體積較大，熱慣性較大，穩定性較差，在100℃以上時容易氧化，因此只能用于低溫及沒有浸蝕性的介質中。銅熱電阻有兩種分度號：Cuso(R=50Ω)8.2.3熱電阻的測量電路熱電阻的阻值不高：工業用熱電阻安裝在生產現場，離控制室較遠，因此，熱電阻的引線電阻對測量結果有較大的影響。目前，熱電阻引線方式有兩線制、三線制和四線制三(1)兩線制接法(用于引線不長，精度較低)兩線制的接線方式如圖8.20所示，在熱電阻感溫體的兩端各連一根導線。設每根導線的電阻值為r的電阻值為r。則測量結很明顯，如果在實際測量中不考慮導線電阻，即忽略式(8.38)中的2r,則測量結果就將引入誤差。圖8.20兩線制接法(2)三線制接法(用于工業測量，一般精度)圖8.21三線制接法為解決導線電阻的影響，工業熱電阻大多采用三線制電橋連接法，如圖8.21所示。圖橋的平衡沒有影響：另外兩根分別與電橋的相鄰兩臂串聯，當電橋平衡時，可得下列關系：(3)四線制接法(實驗室用，高精度測量)圖8.22四線制接法三線制接法是工業測量中廣泛采用的方法。在高精度測量中，可電路，如圖8.22所示。圍內，而電壓導線上雖有電阻但無電流(認為內阻無窮大，測量時沒有電流流過電位差計),8.2.4熱電阻的應用圖8.23為采用EL-700(100Q,Pt100)鉑電阻的高精度溫度測量電路，測溫范圍為20～120℃,對應的輸出為0～2V,輸出電壓可直接輸入單片機作顯示和控制信號。圖8.23鉑電阻測溫電路知識點7熱敏電阻熱敏電阻是利用半導體的電阻值隨溫度顯著變化這一點是電阻率隨溫度而顯著變化。它主要由敏制成珠狀、片狀、桿狀、墊圈狀等各種形狀。熱敏電阻的符號如圖8.25所示。圖8.25熱敏電阻的符號熱敏電阻與熱電阻相比，具有電阻值和電阻溫度系數大、靈敏度高(比熱電阻大1～2個數量級);體積小(最小直徑可達0.1～0.2mm,可用來測量“點溫”)、結構簡單堅固(能承受較大的沖擊、振動);熱慣性小、響應速度快(適用于快速變化的測量場合);使用方便：壽命長：易于實現遠距離測量(本身阻值一般較大，無需考慮引線電阻對測量結果的影響)等優點，得到了廣泛的應用。目前它存在的主要缺點是：互換性較差，同一型號的產品特性參數有較大差別：穩定性較差：非線性嚴重，且不能在高溫下使用。但隨著技術的發展和工藝的成熟，熱敏電阻的缺點將逐漸得到改進。熱敏電阻的測溫范圍一般為-50～+350℃。可用于液體、氣體、固體、高空氣象、深井等方面對溫度測量精度要求不高的場合。8.3.1熱敏電阻的特性根據半導體的電阻一溫度特性，熱敏電阻可分為三類，即負溫度系數熱敏電阻(NTC)、正溫度系數熱敏電阻(PTC)和臨界溫度系數熱敏電阻(CTR)。它們的溫度特性曲線如圖8.26所示。圖8.26熱敏電阻的溫度特性曲線正溫度系數的熱敏電阻的阻值與溫度的關系可表示為：A-熱敏電阻的材料常數：t?=273.15K,即0℃時的絕對溫度。大多數熱敏電阻具有負溫度系數，其阻值與溫度的關系可表示為：B-熱敏電阻的材料常數(單位K,由材料、工藝及結構決定，B一般在1500～6000各種熱敏電阻的阻值在常溫下很大，通常都在數kQ以上，所以連接導線的阻值(最多不過10Ω)幾乎對測溫沒有影響，不必采用三線制或四線制接法，給使用帶來方便。另外，熱敏電阻的阻值隨溫度改變顯著,只要很小的電流流過熱敏電阻，就能產生明8.3.2熱敏電阻的應用圖8.28是利用熱敏電阻作為測溫元件，進行自動控制溫度的電加熱器，電位器RP用于調節不同的控溫范圍。測溫用的熱敏電阻Rr作為偏置電阻接在VT?、VT?組成的差分放大器電路內，當溫度變化時，熱敏電阻的阻值變化，引起VT?集電極電流變化，影響到單結晶體管VT?峰點電壓的時刻發生變化，即單結晶體管的輸出脈沖產生相移，改變了晶閘管VT?的導通角，從而改變了加熱絲的電源電壓，達到自220V~圖8.28熱敏電阻溫度控制(2)管道流量測量圖8.29管道流量測量當流體靜止時，使電橋處理平衡狀態。當流體流動時，要帶走熱量，使熱敏電阻RriRr的散熱條件取決于流量的大