1、自動檢測技術及應用第一章 檢測技術的基本知識檢測技術的主要組成部分之一是測量，人們采用測量手段來獲取所研究對象在數量上的信息，從而通過測量所得到的是定量的結果。現代社會要求測量必須達到高準確度、誤差極小、速度更快、可靠性強等。1.1測量的基本概念1.測量是借助專用的技術和設備，通過實驗和計算等方法取得被測對象的某個量的大小和符號；或者取得一個變量與另一個變量之間的關系，如變化曲線等，從而掌握被測對象的特性、規律或控制某一過程等等。測量是獲取被測對象量值的惟一手段，它是將被測量與同性質的標準量通過專用的技術和設備進行比較，獲得被測量對比標準量的倍數。標難量是由國際上或國家計量部門所指定的，其特性

2、是足夠穩定的。2.測量的分類按測量方法，測量分為直接測量和間接測量。如用電壓表、電流表等測量屬于直接測量；若直接測量不方便，或直接測量的儀表不夠精確，就利用被測量與某中間量間的函數關系，先測出中間量，然后通過相應的函數關系計算出被測量的數值，此法稱之間接測量。如伏安法測量電阻的阻值。按測量結果的顯示方式，測量分為模擬量測量和數字量測量。如用示波器測量交流電壓屬模擬量測量。按被測量是否隨時間變化，測量分為靜態測量和動態測量。如在磨加工中使用無杠桿傳動的電觸式傳感器進行圓工件檢測就是動態測量。按測量時是否與被測量對象接觸，測量分為接觸式測量和非接觸式測量。從不同角度考察，測量方法有不同的分類，但常

3、用的具體測量方法有零位法、偏差法和微差法等。1.2 測量誤差及其分類1.測量的目的是對被測量求取真值。測量值與真值之間的差值稱為測量誤差。測量誤差可用絕對誤差表示，也可用相對和引用誤差表示。2.誤差的表達方式（1）絕對誤差：某量值的測量值與真值之間的差為絕對誤差。絕對誤差可能為正值或負值。（2）相對誤差：絕對誤差與被測量的真值之比稱為相對誤差，用百分比的形式表示為對于相同的被測量，絕對誤差可以評定其測量精度的高低，但對于不同的被測量及不同的物理量，絕對誤差就難以評定其測量精度的高低，而采用相對誤差來評定較為確切。（3）引用誤差：引用誤差是指被測量的絕對誤差與測量儀表的上限(滿度)值的百分比之值

4、，即相對誤差可用來比較兩種測量結果的準確程度，但不能用來衡量不同儀表的質量。因為同一儀表在整個測量范圍內的相對測量誤差不是定值，隨著被測量的減小，相對誤差也增大，當被測量接近于量程的起始零點時，相對誤差趨于無限大。3.測量誤差的分類（1）按誤差的特點和性質a系統誤差 在同一條件下，多次測量同一量值時，絕對值和符號保持不變，或在條件改變時，按一定規律變化的誤差稱為系統誤差。系統誤差是有規律可循的，因此可通過實驗的方法或引入修正值的方法子以修正，也可重新調整測量儀表的有關零部件來消除。b隨機誤差 在同一條件下，多次測量同一量值時，絕對值和符號以不可預定方式變化著的誤差稱為隨機誤差。隨機誤差的出現，

5、就每次測量誤差的個體而言是沒有規律的，不可預計它的大小和符號，但在多次重復測量時，測量結果的總體是遵從于統計規律，因而可從理論上計算出它對測量結果的影響。c粗大誤差 超出在規定條件下預期的誤差稱為粗大誤差，也稱過失誤差。此誤差值較大，明顯歪曲測量結果，當發現粗大誤差時，應予以剔除。（2）按測量變化速度a靜態誤差 被測量穩定不變時所產生的誤差稱為靜態誤差。b動態誤差 被測量隨時間迅速變化時，系統的輸出量在時間上不能與被測量的變化精確吻合時，產生的誤差稱為動態誤差。對于用帶有機械結構的儀表進行動態測量，應盡量減小機械慣性，提高機械結構的諧振頻率，才能盡可能真實地反映被測量的迅速變化。4.測量儀表的

6、精確度與準確度衡量儀表測量能力的指標，較多的是精確度簡稱精度，與精度有關指標為：精密度、準確度和精確度等級。精密度是指測量儀表指示值不一致程度的量，即對某一穩定的被測量，在相同的工作條件下，由同一測量者使用同一個儀表，在相當短的時間內按同一方向連續重復的測量獲得測量結果不一致的程度。精密度是由兩個因素確定的：一個是重復性，它是由隨機誤差決定的；另一個是儀表能顯示的有效值位數，能讀出的有效值位數越多，精密度越高。準確度是指儀表指示值有規律地偏離真值的程度。準確度是由系統誤差衡量的，誤差是服從某一特定規律，產生原因是可知的，所以應盡可能消除或減小其誤差，即可提高準確度。精確度是精密度和準確度兩者總

7、和，是反映測量儀表優良程度的綜合指標。儀表的精密度和準確度都高，其精確度才高，精確度是以測量誤差的相對值來表示的。實際測量中，精密度高，準確度不一定高。因儀表本身可以存在較大的系統誤差。反之，若準確度高，精密度也不一定高。1.3 測量結果的數據分析及其處理對測量結果數據分析處理主要體現有兩點：一是得到最接近被測量的近似值；二是估計出測量的誤差即得出測量結果的近似值的范圍。1.隨機誤差的統計特性 當對同一被測量值進行多次等精度的重復測量，得到一系列不同的測量值(常稱為測量列)，每個測量值都含有誤差，這些誤差的出現又沒有明確的規律，即前一個誤差出現后，不能預見下一誤差的大小和方向，但就誤差的總體而

8、言，卻具有統計規律性正態分布。若測量列中不包含系統誤差和粗大誤差，則該測量列中的隨機誤差一般具有集中性、對稱性和有界性。2.系統誤差的統計特征 系統誤差的特征是在同一條件下，多次測量同一量值時，誤差的絕對值和符號保持不變，或在條件改變時，按一定的規律變化。系統誤差不具有抵償性，它是固定的或服從一定函數規律的誤差。在測量過程中，發現有系統誤差存在，須進一步分析比較，找出可能產生系統誤差的因素及減小和消除系統誤差的方法。如從產生誤差根源上消除；或用修正法消除：或用不變系統誤差消除法(代替法、抵消法、交換法)：或用線性系統誤差消除法對稱法等一系列基本方法。3.粗大誤差的判別準則判別粗大誤差常采用準則

9、，為方均根誤差，即規定了一個評定單次測量結果離散性大小的標準，即對于某一測量列，若各測量值只含有隨機誤差，根據隨機誤差的正態分布規律，其殘余誤差落在以外的可能性約為0.3。因此，若在測量列中發現有大于的殘余誤差的測量值即當時，應予以剔除。4.測量結果的數據處理的步驟 1)將一系列等精度測量的讀數xj(j=1、2、3、···n可能消除系統誤差)。 2)求出測量列的算術平均值。 3)計算出各測量值的殘余誤差。 4)檢查的條件是否滿足。若不滿足，說明計算有錯誤，需再計算。 5)在每個殘余誤差旁列出，然后求出均方根誤差。 6)判別是否存在粗大誤差(即是否有的數)，若有，應

10、舍去此讀數，然后從第2條重新計算。 7)在確定不存在粗大誤差(即)后，求出算術平均值的標準差。 8)寫出最后的測量結果，并注明置信概率(99.7)。5.測量系統靜態誤差合成 一個測量系統一般由多個測量單元組成這些測量單元在測量系統中為若干環節，為了確定整個系統的靜態誤差，需將每一個環節的靜態誤差綜合起來，這就是所謂的靜態誤差的合成。合成的方法有：（1）絕對值合成法 此法是從最不利的情況出發的合成方法，即認為在n個環節中有可能同時出現正值或同時出現負值，則總的合成靜態誤差為每個環節誤差的絕對值之和（2）方均根合成法 當系統的誤差大小和方向都不能確切掌握時，可以按處理隨機誤差的方法來處理系統的誤差

11、1.4 傳感器及其基本特性1.傳感器一般由敏感元件、轉換元件、轉換電路三部分組成，其組成框圖如圖1所示。圖1 壓力傳感器敏感元件是直接感受被測量，并輸出與被測量構成有確定關系、更易于轉換為某一物理量的元器件。敏感元件的輸出就是轉換元件的輸入，它把輸入轉換成電路參數量。將電路參數接入轉換電路，便可轉換成電量輸出。不是所有的傳感器均由以上三部分組成。最簡單的傳感器是由一個敏感元件(兼轉換元件)組成，它感受被測量時直接輸出電量，如熱電偶傳感器。有些傳感器由敏感元件和轉換元件組成，而沒有轉換電路，如壓電式加速度傳感器，其中質量塊是敏感元件，壓電片(塊)是轉換元件。有些傳感器，轉換元件不只一個，要經過若

12、干次轉換。另外，一般情況下，轉換電路后續電路，如信號放大、處理、顯示等電路就不應包括在傳感器的組成范圍之內。2.傳感器主要有三種分類方法：根據傳感器工作原理分類法；根據傳感器能量轉換情況分類法；根據傳感器轉換原理分類法和按照傳感器的使用分類法。各種傳感器由于原理、結構不同，使用環境、條件、目的不同，其技術指標也不可能相同。但是有些一般要求卻基本上是共同的，例如：可靠性；靜態精度；動態性能：抗干擾能力；通用性；小的輪廓尺寸；低成本；低能耗等，其中傳感器的工作可靠性、靜態精度和動態性能是最基本的要求。3.研究傳感器總希望輸出與輸入成線性關系，但由于存在著誤差因素、外界影響等，輸入輸出不會完全符合所

13、要求的線性關系，其中誤差因素是衡量傳感器靜態特性的主要技術指標。4.線性度也稱非線性誤差，是指傳感器實際特性曲線與擬合直線(也稱理論直線)之間的最大偏差與傳感器滿量程輸出的百分比。常用相對誤差來表示，即其中，非線性最大偏差；輸出范圍。擬合直線的選取有多種方法，常用的擬合方法有：理論擬合過零旋轉擬合端點擬合端點平移擬合最小二乘擬合等，選擇擬合直線的主要出發點應是獲得最小的非線性誤差，還要考慮使用是否方便，計算是否簡便。5.傳感器在正(輸入量增大)、反(輸入量減小)行程中輸入輸出曲線不重合的現象稱為遲滯。遲滯特性一般由實驗方法獲得，表達式為式中，正反行程間輸出的最大差值；滿量程輸出。必須指出，正反

14、行程的特性曲線是不重合的，且反行程特性曲線的終點與正行程特性曲線的起點也不重合。遲滯會引起分辨力變差、或造成測量盲區，故一般希望遲滯越小越好。6.重復性是指傳感器在輸入按同一方向作全量程連續多次變動時所得特性曲線不一致的程度。表達式為7.傳感器在穩態標準條件下，輸出的變化量與引起該變化量的輸入變化量的比值稱之為靈敏度，用k表示，其表達式為由于某種原因，會引起靈敏度變化，產生靈敏度誤差。靈敏度誤差用相對誤差表示，即8.對數字儀表而言，如果沒有其他附加說明的，一般可認為該儀表的最末位的數值就是該儀表的分辨力。9.穩定性包括穩定度和環境影響量兩方面：穩定度是指傳感器在所有條件均不變情況下，能在規定的

15、時間內維持其示值不變的能力，穩定度是以示值的變化量與時間長短的比值來表示；環境影響量是指由于外界環境變化而引起的示值的變化量。示值變化由零點漂移和靈敏度漂移兩個因素組成。1.5 傳感器中的彈性敏感元件彈性敏感元件在非電量測試技術中占有極為重要的地位。它的輸入量可以是力、壓力、力矩、溫度等物理量，而輸出則為彈性元件本身的彈性變形，彈性敏感元件是影響傳感器的穩定性、動態特性的關鍵部件，它能把某些形式的非電量變換成應變或位移量，然后由各種不同形式的傳感元件變換成電量。1.剛度是彈性敏感元件受外力作用下變形大小的量度，是彈性元件單位變形下所需要的力，一般用k表示，表達為式中，F作用在彈性敏感元件上的力

16、，單位為N；x作用力為F彈性敏感元件產生的變形，單位為mm。2.通常用剛度的倒數表示彈性敏感元件的特性，稱為彈性敏感元件的靈敏度，用s表示，即靈敏度大，表明彈性敏感元件軟，變形大。在非電量檢測中，往往希望彈性靈敏度為常數。3.實際的彈性敏感元件在增加、去除負載的正、反行程中變形曲線是不重合的，此現象稱為彈性滯后現象。彈性滯后現象會給測量帶來誤差并造成零點附近的不靈敏區。4.當負載由一數值變化為另一數值時，彈性變形不會立即形成相對應的變形，而是在一定的時間后逐漸完成變化的，此現象稱為彈性后效。5.彈性敏感元件在形式上基本分為兩大類：力變換成應變或位移的變換力彈性敏感元件和壓力變換成應變或位移的變

17、換壓力的彈性敏感元件。在力的變換中，彈性敏感元件的形式有實心圓柱體、空心圓柱體、等截面團環、等截面懸臂梁、等強度懸臂梁、扭轉軸等，變換壓力的彈性敏感元件，通常是彈簧管、膜片、膜盒、薄壁圓筒等。（1）變換力的彈性敏感元件a等截面柱式 又稱為軸狀彈性敏感元件，根據截面形狀可分為實心團截面、空心圓截面和矩形截面形式。它們的特點是結構簡單、可以承受較大載荷、便于加工、容易達到高精度的幾何尺寸和光滑的加工表面等。當被測力較大時，一般多用鋼材制作的彈性敏感元件。當被測力較小時，可用鋁合金或銅合金。材料越軟，彈性模量越小，其靈敏度也越高。b圓環式它因輸出有較大的位移面有較高的靈敏度，適用于測量較小的力。它的

18、缺點是加工工藝性不如軸狀彈性敏感元件，加工時不易得到高的精度和粗糙度。用圓環式彈性敏感元件組成的傳感器，其輪廓尺寸和重量比用軸狀彈性元件大。由于圓環式彈性敏感元件各變形部位應力不均勻，采用測應變力時應變片需貼在應變最大的位置。c懸臂梁 它是一端固定，另一端自由的彈性敏感元件。它的特點是靈敏度高、結構簡單、加工方便、輸出是應變和撓度(位移)較大，適合于測量較小的力。根據它的截面形狀可分為等截面和變截面懸臂梁。必須指出，變截面梁的尖端必須有一定的寬度才能承受作用力。d扭轉軸 用于測量力矩和轉矩。在試驗和檢測各類回轉機械中，力矩是一個必測參數。（2）變換壓力的彈性敏感元件a彈簧管 又稱波登管。它是彎

19、成各種形狀的空心管，大多是C形薄壁空心管，它一端固定，另一端封閉，但不固定，為自由端，彈簧管能將用力轉換為位移。C形彈簧管的剛度較大，靈敏度較小，但過載能力較強，常作為測量較大壓力的彈性敏感元件。b波紋管 波紋管是一種從表面上看是有許多同心環狀波形皺紋組成的薄壁圓管。金屬波紋管的軸向容易變形，即軸向靈敏度較好。波紋管主要用作測量壓力的彈性敏感元件。出于其靈敏度高，在小壓力和差壓測量中用的較多。c等截面薄板 又稱平膜片，它是周邊固定的圓薄板，當它的上下兩面受到均勻分布的壓力時，薄板將彎向壓力低的一面，并在薄板表面產生壓力，從而把均勻分布壓力變為薄板表面的位移或應變。在非電量測量中，利用等截面薄板

20、的應變可組成電阻應變式傳感器，也可利用它的撓度(位移)組成電容式、霍爾式壓力傳感器。d波紋膜片和膜盒 平膜片的位移較小，為了能獲得大位移而制作了波紋膜片。它是一種具有環狀同心波紋的圓形薄膜。波紋膜片和膜盒都是利用它的中心位移變換壓力或力的。因而可制成電容式、電渦流式傳感器。e薄壁圓簡 它的壁厚約為圓簡直徑的左右。當筒內腔與被測壓力相通時，筒內壁均勻受壓，薄壁不受彎曲變形，只是均勻向外擴張，所以，在筒壁的軸線方向和圓周切線方向產生拉伸應力和應變，薄壁圓筒彈性敏感元件的靈敏度僅決定于圓筒半徑、壁厚和彈性模量，而與圓筒長度無關。第二章 電阻式傳感器及其應用將被測非電量(如溫度、濕度、位移、應變等)的

21、變化轉換成導電材料的電阻變化的裝置，稱為電阻式傳感器。電阻傳感器的基本原理都是將各種被測非電量轉為對電阻的變化量的測量，從而達到對非電量測量的目的。2.1電阻應變片式傳感器1.應變式傳感器由電阻應變片和測量電路兩部分組成。電阻應變片是一種能將被測量件上的應變變化轉換成電阻變化的傳感元件，而測量線路則進一步將該電阻阻值的變化再轉換成電壓或電流的變化，以便顯示或記錄被測的非電量的大小。2.電阻應變片的結構 電阻應變片由敏感柵、基片、覆蓋層和引出線等部分組成。敏感柵是應變片的核心部分，它粘貼在絕緣的基片上，其上再粘貼起保護作用的覆蓋層，兩端焊接引出導線。電阻應變片按其敏感柵的材料不同，可分為金屬電阻

22、應變片和半導體應變片兩大類。常見的金屬電阻應變片的敏感柵有絲式、箔式和薄膜式三種形式。（1）絲式電阻應變片的特點是價格便宜，多用于應變、應力的大批量、一次性低精度試驗，由于絲式應變片蠕變較大，有被箔式電阻應變片所替代的趨勢。（2）箔式電阻應變片的主要優點是敏感柵的表面積和應變片的使用面積比值大、散熱好、允許通過的電流密度大、靈敏度高、工藝性好、可制成任意形狀、易加工、適合于成批生產和成本低等。（3）半導體應變片的主要優點是靈敏度高(比絲、箔式大幾十倍)、橫向效應小。缺點是靈敏度的一致性差溫漂大、電阻與應變間不成線性，在使用時，需采用非線性和溫度補償措施。3.對金屬電阻應變片敏感柵材料的基本要求

23、是：靈敏系數K0值大，并且在較大應變范圍內保持常數；電阻溫度系數小；電阻率大；機械強度高，且易于拉絲或輾薄；與銅線的焊接性好，與其他金屬的接觸熱電動勢小。4.導電材料的電阻和它的電阻率、幾何尺寸(長度與截面積)有關，在外力作用下發生機械變形，引起該導電材料的電阻值發生變化，此現象稱為電阻應變效應。電阻應變片的工作原理，就是依據應變效應構建出導體的電阻變化與變形之間的量值關系，即求取電阻應變片的應變靈敏度的數學表達式。5.應變片將試件應變轉換成電阻相對變化的，為了能用電測儀器進行測量，還必須將進一步轉換成電壓或電流信號。這種轉換常采用各種電橋電路。根據電源的不同，可將電橋分為直流電橋和交流電橋。

24、四個橋臂均為純電阻時，用直流電橋測量精確度高,若有的橋臂為阻抗時，必須用交流電橋。電橋按讀數方法可分為平衡電橋(零讀法)與不平衡電橋(偏差法)兩種。平衡電橋僅適合于測量靜態參數，而不平衡電橋對靜、動態參數都可測量。6.為了能提高電橋靈敏度或能進行溫度補償，通常可在橋臂中安置多個應變片，電橋也可采用四等臂電橋。在試件上粘貼四個工作應變片，兩個受拉，兩個受壓，將兩個變形符號相同的應變片接在電橋的相對臂內，符號不同的接在相鄰臂內。在實際應用中，除了應變能導致應變片電阻變化外，溫度變化也會導致應變片電阻變化，將給測量帶來誤差，因此有必要對橋路進行溫度補償。補償措施有多種，而通常的溫度補償方法是電橋電路

25、補償法。7.被測物理量為荷重或力的應變式傳感器，又稱為應變式力傳感器，其主要用途是作為各種電子秤與材料試驗機的測力元件，也可用于發動機的推力測試或水壩壩體承載狀況的監視。對這種傳感器彈性元件的基本要求有：具有較高的靈敏度和穩定性；力的作用點稍許變化或存在側向力時，對傳感器的輸出影響小；粘貼應變片的地方應盡量平一些或曲率半徑大一些；所選結構最好能有相同的正、負應變壓等等。8.應變式壓力傳感器主要用液體、氣體動態和靜態壓力的測量，如內燃機管道和動力設備管道的進氣口、出氣口氣體壓力或液體壓力的測量，以及發動機噴口的壓力、槍管和炮管內部壓力的測量。這類傳感器主要采用平膜式、筒式或組合式彈性元件。9.應

26、變式加速度傳感器由質量塊、應變片、彈性懸臂梁和基座組成。測量時，將其固定于被測物體上。當被測物作水平加速度運動時，由于質量塊的慣性使懸臂粱發生彎曲變形，通過應變片檢測出懸臂梁的應變量，當振動頻率小于傳感器的固有振動頻率時，懸臂梁的應變量與加速度成正比。應變式加速度傳感器的缺點是頻率范圍有限，一般不適合于高頻及沖擊、寬帶隨機振動等測量。2.2電位器式傳感器電位器是一種將機械位移(線位移或角位移)轉換為與其成一定函數關系的電阻或電壓的機電傳感元器件。1.電位器由電阻、電刷等元器件組成。電刷相對于電阻元件的運動可以是直線運動、轉動和螺旋運動，因而可以將直線位移、轉角等機械量轉換成電阻變化。這些位移或

27、轉角的數量級較之應變片測量的應變量級要大很多。特定結構的電位器還可以將機械位移和轉角轉換成與它成一定函數關系的電阻或電壓輸出。電位器結構簡單、輸出信號大、性能穩定并容易實現任意函數。但缺點是要求輸入能量大，電刷與電阻元件之間容易磨損。電位器電阻元件通常有繞線電阻、薄膜電阻、導電塑料等。2. 電位器的移動或電刷的轉動可直接或通過機械傳動裝置間接和被測對象相連，以測量機械位移或轉角。電位器還可以和彈性敏感元件如膜片、膜盒、波登管等相聯結，彈性元件位移通過傳動機構推動電刷，而輸出相應電壓信號，可以組成壓力、液位、高度等各種傳感器。3.電位器式傳感器結構簡單，價格低廉，性能穩定，對環境條件要求不高，輸

28、出信號大。但由于存在摩擦和分辨率有限等問題，一般精度不夠高，動態響應較差，適合于測量變化較緩慢的物理量。2.3測溫熱電阻式傳感器用于測量溫度的傳感器很多，常用的有：測溫熱電阻、測溫熱電偶、PN結測溫集成電路、紅外輻射溫度計等。熱電阻傳感器主要用于測量溫度及與溫度有關的參量。在工業上，它被廣泛用來測量-200-960范圍內的溫度。熱電阻按性質不同，可分為金屬熱電阻和半導體熱電阻兩類，而后者又稱熱敏電阻，它的靈敏度比前者高十倍以上。1.熱電阻傳感器是把由溫度變化所引起導體電阻值的變化，通過測量電路轉換成電壓(毫伏)信號，然后送至顯示儀表以顯示或記錄被測的溫度。熱電阻的測量電路通常采用不平衡電橋來轉

29、換。熱電阻在工業測量橋路中的接法常采用兩線制和三線制兩種，也有采用四線制。為了消除和減小引線電阻的影響，采用三線制連接法；當進行精密測溫時，應采用四線制接法。2.根據對檢測設備的穩定性、靈敏度、線性度、單值性等性能要求，制作熱電阻的電阻體材料應具有如下特點：電阻溫度系數大，以便提高熱電阻的靈敏度，保持測試系數單值性，且最好為定值，以便得到電阻溫度線性特性電阻率P盡可能大，以便在相同靈敏度下減小電阻體尺寸在熱電阻的使用范圍內，材料的化學、物理性能保持穩定材料的提純、可延、自制等工藝性好。根據上述要求，較為廣泛應用的熱電阻材料有：鉑、銅、鎳、鐵、和銘鐵合金等，而常用的是鉑、銅。金屬熱電阻按其結構類

30、型來分有：普通型、鎧裝型、薄膜型等。3.常用的熱電阻（1）鉑熱電阻 鉑材料的優點為：物理、化學性能極為穩定，尤其是耐氧化能力很強，并且在很寬的溫度范圍內(1200以下)均可保持上述特性；易于提純，復制性好，有良好的工藝性，可以制成極細的鉑絲或極薄的鉑箔；電阻率較高。缺點是：電阻溫度系數較小：在還原介質中工作時易被沾污變脆；價格較高。我國鉑熱電阻使用溫度范圍有-200-650和-200-850兩種，它們的測溫誤差分別為和（2）銅熱電阻 鉑金屬貴重，因此在一些測量精度要求不高且溫度較低的場合，普遍地采用銅熱電阻來測量-50150的溫度。銅熱電阻有如下特點。a在上述使用溫度范圍內，阻值與溫度的關系幾

31、乎呈線性關系可近似表示為式中電阻溫度系數，。b電阻溫度系數比鉑高，而電阻率則比鉑低。c容易提純，加工性能好，可拉成細絲，價格便宜。d易氧化，不宜在腐蝕性介質或高溫下工作。鑒于上述特點，在介質溫度不高、腐蝕性不強、測溫元件體積不受限制的條件下，大都采用銅熱電阻。它在允許使用的溫度范圍-50150，對應的誤差為4.熱電阻流量計是根據物理學中關于介質內部熱傳導現象制成的。如果將溫度為的熱電阻放入溫度為的介質內，設熱電阻與介質相接觸的表面面積為A，則熱電阻耗散的熱量Q可表示為式中 K熱傳導系數或稱傳熱系數。實驗證明，K與介質的密度、粘度、平均流速等參數有關。當其他參數為定值時，K僅與介質的平均流速成正

32、比，即上式說明通過測量熱電阻耗散的熱量Q即可測量介質的平均流速或流量。2.4其他電阻式傳感器1.熱敏電阻是利用的電阻值隨著溫度變化的特點制成的一種熱敏元件，按其溫度系數可分為負溫度系數熱敏電阻(NTC)和正溫度系數熱敏電阻(PTC)兩大類。正溫度系數熱敏電阻是指電阻的變化趨勢與溫度的變化趨勢相同；反之則是負溫度系數熱敏電阻。2.熱敏電阻具有尺寸小、響應速度快、靈敏度高等優點，因此它在很多領域得到了泛應用：（1）熱敏電阻測溫作為測量溫度的熱敏電阻一般要結構較簡單。價格較低廉。外面沒有保護層的熱敏電阻只能應用于干燥的環境。密封的熱敏電阻不怕濕氣的浸蝕，可使用在較惡劣的環境中。用熱敏電阻測溫度時必須

33、先調零，再調滿度，最后再驗證分度盤中其他各點的溫差是否在允許范圍內，這一過程稱為標定。（2）熱敏電阻用于溫度補償 熱敏電阻可在一定的溫度范圍內對某些元器件溫度進行補償。例如，動圈式儀表表頭中的動圈由銅線繞制而成。溫度升高，電阻增大，引起溫度的誤差。因而可以在動圈的回路中將負溫度系數的熱敏電阻與錳銅絲電阻并聯后再與被補償元器件串聯，從而抵消由于溫度變化所產生的誤差。（3）過熱保護 過熱保護分直接保護和間接保護。對小電流場合，可把熱敏電阻直接串入負載中，防止過熱損壞以保護器件。對大電流場合，可用于繼電器、晶體管電路等的保護。不論哪種情況，熱敏電阻都與被保護器件緊密結合在一起，從而使二者之間充分進行

34、熱交換。一旦過熱，熱敏電阻則起保護作用。3.濕度的測量比較困難，因為水蒸氣中各種物質的物理、化學過程很復雜。將濕度變成電信號的傳感器有：紅外線濕度計、微波濕度計、超聲波濕度計、石英晶體振動式濕度計、濕敏電容濕度計、濕敏電阻濕度計等。目前的濕度傳感器中，多數還是各種濕敏電阻式傳感器，其中的敏感元件是濕敏電阻。濕敏電阻是一種阻值隨環境相對濕度的變化而變化的敏感元件。它主要由感濕層(濕敏層)、電極和具有一定機械強度的絕緣基片組成。感濕層在吸收了環境中的水分后引起兩電極間電阻值的變化，這樣就能直接將相對濕度的變化變換成電阻值的變化。利用此特性，可以制作成電阻濕度計來測量濕度的變化情況，或制成濕度控制器

35、等測濕儀表和傳感器。它們和常用的毛發濕度計、干濕球濕度計相比具有使用方便、精度較高、響應快、測量范圍廣及濕度系數較小等優點。4.用氣敏元件組成的氣敏電阻傳感器(下簡稱氣敏電阻)主要用于工業上天然氣、煤氣、石油化工等部門的易燃、易爆、有毒、有害氣體的監測，預報和自動控制；在防治公害方面用于監測污染氣體；在家用方面用于煤氣、火災的報警等。使用氣敏電阻傳感器可以把某種氣體的成分、濃度等參數轉換成電阻變化量，再轉換為電流、電壓的信號；氣敏電阻的材料是金屬氧化物，制作上是通過化學計量比的偏離和雜質缺陷制成的。金屬氧化物半導體分為N型半導體和P型半導體。為了提高某種氣敏元件對某些氣體成分的選擇性和靈敏度，

36、合成這些材料時，還摻入催化劑。氣敏元件工作時需要本身的溫度比環境溫度高很多。為此，氣敏元件在結構上要有加熱器，通常用電阻絲加熱。5.氣敏電阻式傳感器的應用（1）還原性氣體傳感器測量還原性氣體的氣敏電阻一般用SnO2、ZnO等金屬氧化物粉料添加少量催化劑鉑、激活劑及其他添加劑，按一定比例燒結成的半導體器件。氣敏半導體的靈敏度較高。在被測氣體濃度較低時有較大的電阻變化，而當被測氣體濃度較大時，其電阻率的變化則逐漸趨緩，有較大N4F線性。這種持性較適用于氣體的微量檢漏、濃度檢測或超限報警c控制燒結體的化學成分及加熱溫度可以改變它對不同氣體的選擇性。如制成煤氣報警器，還可制成酒精檢測儀以防酒后駕車等。

37、氣敏電阻傳感器已廣泛應用于各種領域。（2）二氧化鈦氣敏傳感器 半導體材料二氧化鈦屬于N型半導體，對氧氣十分敏感，其阻值取決于周圍環境的氧氣濃度。當周圍氧氣濃度較大時，氧原子進入TiO2晶格，改變半導體的電阻率，使其電阻值增大。反之，當氧氣濃度下降時，氧氣原子析出，電阻值減小。TiO2氣敏電阻必須在上百度的高溫下才能工作。汽車之類的燃燒器剛起動時，排氣管的溫度較低，TiO2氣敏電阻無法工作，所以還必須在TiO2氣敏電阻外面套一個加熱電阻絲，進行預熱以激活TiO2氣敏電阻。（3）氣體報警器 該類儀器是對泄露氣體達到危險限值時自動進行報警的儀器。當室內可燃性氣體增加時，氣敏元件因接觸到可燃性氣體而降

38、低阻值，這樣流回回路的電流就增加，直接驅動蜂鳴器進行報警。設計報警時應十分注意選擇開始報警濃度，既不要選得過高也不要選得過低。一般情況下，對于甲烷、丙烷、丁烷等氣體，都選擇在爆炸下限的1/10，家庭用報警器，考慮到溫度、濕度和電源電壓的影響，開始報警濃度應有一定的范圍，出廠前按標準條件調整好，以確保環境條件變化時，不至于發生誤報和漏報。使用氣體報警器可根據使用氣體的種類不同。分別安放在易檢測氣體泄露的地方，如丙烷、丁烷氣體報警器，安放于氣體源附近地板上方20cm以內；甲烷和一氧化碳報警器，安放于氣體源上方靠近天棚處。第三章 電感式傳感器及其應用電感式傳感器具有結構簡單、工作可靠、測量精度高、分

39、辨力高和輸出功率較大等一系列優點，因此在工業測量技術中得到廣泛的應用。其主要缺點是靈敏度、線性度和測量范圍相互制約。傳感器頻率響應較慢，不宜于快速動態測量；對傳感器線圈供電電源的頻率和振幅穩定度均要求較高。3.1自感式傳感器1.自感式傳感器是利用自感量隨氣隙而改變的原理制成的，用來測量位移。較實用的自感式傳感器的結構示意圖如圖2所示。它主要由線圈、鐵芯、銜鐵及測桿(或轉軸)等組成。自感式傳感器常見的形式有變隙式、變截面式、螺線管式和差動式四種。圖2 自感式電感傳感器a.變隙式b.變截面式c.螺線管式1線圈 2鐵芯 3銜鐵 4測桿 5導軌 6丁件 7轉軸2.變隙式電感傳感器如圖2a所示，傳感器工

40、作時，銜鐵與被測體連接。當被測體按如圖中方向產生的位移時，銜鐵與其同步移動，引起磁路中氣隙的磁阻發生相應的變化，從而引起線圈的電感變化。因此，只要測出自感量的變化，就能確定銜鐵(即被測體)位移量的大小和方向。這就是閉合磁路變隙式電感傳感器的工作原理。由于氣隙的磁阻遠大于鐵心和銜鐵的磁阻，從而在定量計算時可忽略掉鐵心和銜鐵的磁阻，則因此電感線圈的電感量為由此可知，在線圈匝數N確定后，如保持氣隙有效截面積A為常數，則，輸人輸出呈非線性關系，靈敏度K1為Kl與變量有關。因而Kl不是一常數，越小，靈敏度K1越高。為了保證一定的線性度，變隙式電感傳感器僅能工作在很小一段的區域，因而只能用于微小位移的測量

41、。3.圖2b所示為變截面式電感傳感器結構圖。N確定后，若保持氣隙厚度為常量，則。理想狀態下輸人輸出呈線性關系。但由于有漏感等原因，它的特性并非是線性的，而且它的線性區較小，靈敏度較低。靈敏度K2為4.單線圈螺線管式電感傳感器的結構如圖2c所示。螺線管式電感傳感器的工作原理是，當以線圈磁力線泄漏路徑上的磁阻變化為基礎進行測量時，由于銜鐵隨被測體移動，導致線圈電感量變化，即電感量與銜鐵插入深度l1有關。 對于長螺線管(L>>r)，當銜鐵工作在螺線管的中部時。可認為線團內磁場強度是均勻的。此時線圈電感量L與銜鐵插入深度l1大至上成正比。這種傳感器結構簡單，制作容易，但靈敏度稍低，且銜鐵在

42、螺線管中間時，才有可能呈線性關系。此傳感器適合于位移較大的場合測量。5.使用電感傳感器時，當勵磁線圈通以交流電流時，銜鐵始終承受電磁吸力，會引起振動及附加誤差，而且非線性誤差較大；同時外界的干擾如電源電壓頻率的變化、溫度的變化都使輸出產生誤差，這些是以上三種電感傳感器難以解決的問題，因而在實際工作中常采用差動式，這樣既可以提高傳感器的靈敏度，又可以減小測量誤差。差動式比單線圈式的電感傳感器的靈敏度提高一倍，差動式的線性度明顯地得到改善，由外界的影響，差動式也基本上可以相互抵消，銜鐵承受的電磁吸力也較小，從而可減小測量誤差。6.自感式傳感器實現了把被測量的變化轉變為電感的變化。為了測出電感量的變

43、化，同時也為了送入下級電路進行放大和處理，就要用轉換電路把電感變化轉換成電壓(或電流)的變化。因而轉換電路有調幅、調頻、調相電路。自感式傳感器中，用得較多的是調幅電路，調頻、調相電路用的較少。7.在工程檢測中，經常使用電感式傳感器來測量位移、尺寸、振動、力、壓力、轉矩、應變、流量和比重等非電量。3.2差動變壓器式傳感器把被測的非電量變化轉換為線圈互感變化的傳感器稱為互感式傳感器。因這種傳感器是根據變壓器的基本原理制成的，并且其二次繞組都用差動形式連接，所以又叫差動變壓器式傳感器，簡稱差動變壓器。它的結構形式較多，在非電量測量中，應用最多的是螺線管式的差動變壓器。1.螺線管式差動變壓器主要由繞組

44、組合、活動銜鐵和導磁外殼等組成。將兩匝數相等的二次繞組的同名端反向串聯，并且忽略鐵損、導磁體磁阻和繞組分布電容的理想條件下，當一次繞組加以勵磁電壓時，則在兩個二次繞組和中就會產生感應電動勢和(二次開路時即為、)。若工藝上保證變壓器結構完全對稱，則當活動銜鐵處于初始平衡位置時，必然會使兩二次繞組磁回路的磁阻相等，磁通相同。互感系數，根據電磁感應原理將有，由于兩二次繞組反問串聯，因而。即差動變壓器輸出電壓為零。2.主要性能（1）靈敏度 差動變壓器的靈敏度是指銜鐵移動單位位移時所產生的輸出電壓的變化即輸出電壓與輸入位移變化量之比，用KE表示影響靈敏度的主要因素有：激勵電源電壓和頻率。此外影響靈敏度的

45、因素還有差動變壓器一、二次繞組的匝數比、銜鐵直徑與長度、材料質量、環境溫度、負載電阻等。提高靈敏度可以采取以下措施：適當提高勵磁電壓；提高線圈品質因數值；增大銜鐵直徑；選取導磁性能好、鐵損小以及渦流損耗小的導磁材料制作的銜鐵與導磁外殼等。（2）線性度 理想的差動變壓器輸出電壓應與銜鐵位移形成線性關系。實驗證明，影響螺線管式差動變壓器線性度的主要因素是兩個二次繞組的結構(端部和外層結構)。為使差動變壓器具有較好的線性度，一般取測量范圍為線圈骨架長度的1/10到1/4，勵磁頻率采用中頻(400Hz到10KHz)，并配用相敏檢波式測量電路。以上方法均可改善差動變壓器的線性度。3.差動變壓器的轉換電路

46、一般采用反串聯電路和橋路兩種。橋路的靈敏度為反串聯電路的1/2，其優點是利用RP可進行電凋零，不再需要另配置調零電路。但差動變壓器的輸出電壓是交流分量，它與銜鐵位移成正比，在用交流電壓表進行測量輸出電壓時，存在著零點殘余電壓輸出無法克服以及銜鐵的移動方向無法判別等問題。為此，常用差動相敏檢波電路和差動整流電路來解決。4.差動變壓器不僅可以直接用于位移測量，而且還可以測量與位移有關的任何機械量，如振動、加速度、應變、壓力、張力、比重和厚度等。3.3電渦流式傳感器基于法拉弟電磁感應現象，塊狀金屬導體置于變化著的磁場中或在磁場中作切割磁力線運動時，導體內將產生呈渦旋狀的感應電流，此電流叫電渦流。以上

47、現象稱為電渦流效應。要形成渦流必須具備：存在交變磁場；導電體處于交變磁場中。根據電渦流效應制成的傳感器稱為電渦流式傳感器。按照電禍流在導體內的貫穿情況，此傳感器分為高頻反射式與低頻透射式兩大類。1.電渦流式傳感器的基本結構主要是線圈和框架組成。根據線圈在框架上的安置方法，傳感器的結構可分為兩種形式：一種是單獨繞成一只無框架的扁平圓形線圈，用膠水將此線圈粘接于框架的頂部；另一種是在框架的接近端面處開一條細槽，用導線在槽中繞成一只線圈。電渦流式傳感器的主體是激磁線圈，如是細而長的線圈，靈敏度高、線性范圍小，若是扁平的線圈，靈敏度低，線性范圍大。2.如圖3所示為電渦流式傳感器基本原理圖，如果把一個勵

48、磁線圈置于金屬導體附近，當線圈中通以正弦交變電源時，線圈周圍空間必然產生正弦交變磁場H1，使置于此磁場中的金屬導體中感應出電渦流i2，i2又產生新的交變磁場H2。根據楞次定律，H2將反抗原磁場H1，導致傳感器線圈的等效阻抗發生變化。金屬導體的電阻率、磁導率、線圈與金屬導體的距離，以及線圈勵磁電流的角頻率等參數，都將通過渦流效應和磁效應與線圈阻抗聯系。因此，線圈等效阻抗Z的函數關系式為若能保持其中大部分參數恒定不變，只改變其中一個參數，這樣能形成傳感器的線圈阻抗Z與此參數的單值函數，再通過傳感器的配用電路測出阻抗Z的變化量，即可實現對該參數的非電量測量，這就是電渦流式傳感器的基本工作原理。圖3

49、電渦流傳感器工作原理示意圖1電渦流線圈 2被測金屬導體3.由電渦流式傳感器的工作原理可知，被測參數變化可以轉換成傳感器線圈的品質因數Q、等效阻抗Z和等效電感L的變化。轉換電路的任務是把這些參數轉換為電壓或電流輸出。利用Z的轉換電路一般用橋路，它屬于調幅電路；利用L的轉換電路一般用諧振電路。根據輸出是電壓幅值還是電壓頻率，諧振電路可分為調幅與調頻兩種。電橋的輸出將反應線圈阻抗的變化，即把線圈阻抗變化轉換成電壓幅值的變化。調幅電路部分輸出電壓經高頻放大器、檢波和低頻放大器后。輸出的直流電壓反映了被測物的位移量。調幅法的缺點是：輸出電壓與位移x不是線性關系，必須用千分尺逐點標定，并用計算機線性化后才

50、能用數碼管顯示出位移量；電壓放大器的放大倍數的漂移會影響測量精度，必須采用各種溫度補償措施。調頻電路與調幅電路不同之處是：調幅電路的供電電源頻率是固定的，諧振回路里的振蕩是強迫振蕩，輸出的是電壓幅值；調頻電路的振蕩是自由振蕩，頻率隨被測參數變化而變化，輸出的是電壓頻率。4.電渦流傳感器的特點是結構簡單，易于進行非接觸性的連續測量，靈敏度較高，適用性強，因此得到了廣泛的應用。它的變換量可以是位移x，也可以是被測材料的性質，其應用大致有以下四個方面：利用位移x作為變換量，可以做成測量位移、厚度、振幅、振擺、轉速等傳感器，也可做成接近開關、計數器等；利用材料電阻率作為變換量，可以做成測量溫度、材質判

51、別等傳感器；利用導磁率作為變換量，可以做成測量應力、硬度等傳感器；利用變換量x，等的綜合影響，可做成探傷裝置等。電渦流式傳感器多應用于定性測量。因為在應用測量時有許多不確定因素，一個或幾個因素的微小變化就可影響測量結果。要作定量測量時，必須采用逐點標定、計算機線性糾正法。（1）厚度的測量 這種方法也可以測量金屬板上的鍍層厚度，條件是兩種材料的物理性質應有顯著的差別。某些情況下，由于定位不穩，金屬板會上下波動，這將影響其測量精度，因此常用差動法進行測量。（2）轉速測量 在旋轉體上裝上一個齒輪狀的(或帶槽的)零件，旁邊安裝一個渦流傳感器，當旋轉體轉動時，渦流傳感器將輸出周期信號，經放大、整形后，可

52、用頻率計指示出頻率值f，該值與轉速有關，從而可得轉速n(r/min)為n=60f/z式中，z旋轉體的齒數。（3）溫度測量 使用渦流傳感器測量溫度時，是利用導體電阻率隨溫度而變的性質。一般情況下，導體的電阻率與溫度的關系是較復雜的，然而在小的溫度范圍內可以用下式表示：式中 溫度為t時的電阻率，單位為溫度為時的電阻率，單位為溫度系數，單位為。因此，若能測量出導體電阻率的變化就可以求得導體的溫度變化。由于磁性材料(如冷延鋼板)的溫度系數大，從而決定了它的溫度靈敏度高，而非磁性材料(如鋁、銅)的溫度系數小，溫度靈敏度低，因而這種方法主要適用于磁性材料的溫度測量。渦流測溫的最大優點是能夠快速測量。其他溫

53、度計往往有熱慣性問題，時間常數為幾秒甚至更長，而用厚度為0.0015mm的鉛板作為熱敏元件所組成的渦流式溫度計，其熱慣性為0001s。第四章 電容式傳感器及其應用電容式傳感器是以各種類型的電容器作為傳感組件的一種傳感器。在實際應用中，通過電容傳感組件將被測物理量的變化轉換為電容量的變化，再經轉換電路將電容量的變化轉換為電壓、電流或頻率信號后輸出。近年來，隨著電子技術的迅速發展，特別是集成電路技術的發展，使得電容式傳感器在精密測量位移、振動、角度、壓力等諸多方面得到廣泛應用。4.1電容式傳感器的工作原理及其結構形式1.電容傳感器的工作原理：由兩平行板組成的平行板電容器，如果不考慮邊緣效應，其電容

54、量為在三個參量中，改變其中任意一個量均可使電容量C改變。根據這個原理，在應用上一般可做成四種類型的電容傳感器：變面積(A)式電容傳感器、變極距(d)式電容傳感器、變介電常數()式電容傳感器。變面積式電容傳感器的輸出是線性的，靈敏度為一常數。改變遮蓋面積的電容傳感器還可以做成其他形式，這一類傳感器多用來檢測位移、尺寸等參量。當其實極距較小時，變極距(d)式電容傳感器靈敏度較高，微小的位移即可產生較大的電容變化量，一般變極距式電容傳感器的起始電容在20300PF之間，極板距離在25200m的范圍內。測量的最大位移應該小于兩極板間距的1/10。該類傳感器只適于微米數量級的位移測量。在電容器兩極板間加

55、不同介電常數的介質時，電容器的電容量也會隨之變化，利用這種原理做成的變介電常數()式電容傳感器在檢測容器中液面高度、片狀材料厚度等方面得到普遍應用。2.在實際應用中，為了提高傳感器的靈敏度，減小非線性，常常把傳感器做成差動形式，如圖4所示。圖4a是改變極板間距離的差動式電容傳感器原理圖。中間的極板為動極板，上下兩塊為定極板，當動極板向上移動x距離后，一邊的間隙變為d-x，而另一邊則為d+x。電容Cl和C2成差動變化，即其中一個電容量增加，而另一個電容量則相應減小。將Cl和C2差接后，能使靈敏度提高一倍。圖4 變面積式差動電容傳感器結構原理圖a.變極距式差動電容器 b.旋轉型差動電容器 c.圓柱

56、形差動電容器4.2電容式傳感器的測量轉換電路電容式傳感器把被測物理量轉換為電容變化量后，為了使其變化量能傳輸、放大、運算、顯示和記錄等，還必須采用轉換電路將其轉換為電壓、電流或頻率信號。電容式傳感器的轉換電路種類很多，常用的轉換電路有：(1)電橋電路 電橋電路輸出是調幅波，其載波頻率為電橋電源頻率，其幅值與被測量成比例，因此電橋電路也稱作調幅電路或振幅調制電路。由于電橋輸出電壓與電源電壓成比例，因此要求電源電壓波動極小，需要采用穩幅、穩頻等措施。在要求精度很高的場合，如飛機油量表，可采用自動平衡電橋，傳感器必須工作在平衡位置附近，否則電橋非線性增大。在實際應用中，接有電容傳感器的交流電橋輸出阻

57、抗很高(一般達幾兆歐至幾十兆歐)，輸出電壓幅值小，所以必須后接高輸入阻抗放大器將信號放大后才能測量。(2)調頻電路調頻電路的靈敏度高，頻率輸出易于得到數字輸出而不需要用A/D轉換，能獲得高電平的直流信號(伏特數量級)，而且這種電路抗干擾能力強，可以發送、接收，實現遙測遙控。但調頻電路的頻率受溫度和電纜電容影響較大，需采取穩頻措施，電路較復雜，頻率穩定度不高，而且調頻電路輸出非線性較大，需采用線性化電路進行補償。(3)差動脈沖調寬電路也稱為脈沖寬度調制電路，利用對傳感器電容的充放電位電路輸出脈沖的寬度隨電容傳感器的電容量變化而變化，通過低通濾波器就能得到對應被測量變化的直流信號。脈沖寬度調制電路具有如下特點：不論是對于變面積式還是變極距式電容傳感器，均能獲得線性輸出；雙穩態輸出信號一般為1001MHz的矩形波，所以直流輸出只需經濾波器濾波后引出即可；電路采用直流電源，雖然要求直流電源的電壓穩定度較高，但較其他測量電路中要求高穩定度的穩頻、穩幅的交流電源易于實現。(4)運算放大器式電路能克服變極距式C-d的非線性，但要求開環放大倍數和輸入阻抗足夠大。為了保證儀器的精度，還要求電源的電壓幅值和固定電容的容量穩定。(5)二極管T型網絡該電路具有以下特點：a.電源、傳感器電容、平衡電容以及輸出電路都接地；b.工作電平很高。二極管VD1和VD2部工作在特性