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三十九

第1章檢測技術(shù)的基本知識

教學(xué)要求

1．掌握測量的基本概念和測量方法。

2．掌握自動檢測系統(tǒng)的組成。

3．熟悉測量誤差的分類和消除方法。

4．了解測量結(jié)果的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)處理。

教學(xué)課時3學(xué)時

教學(xué)內(nèi)容

1.1測量方法及檢測系統(tǒng)的組成

1.1.1測量的基本概念.

測量:是人們借助于專門的設(shè)備,通過一定的方法,對被測對象收集信息、取得數(shù)據(jù)概念的過程.

測量結(jié)果包括:數(shù)值和單位兩部分.

1.1.2測量方法：

根據(jù)獲得測量值的方法分:直接測量,間接測量和組合測量.

根據(jù)測量的精度情況分:等精度測量和非等精度測量.

根據(jù)測量方式分為:偏差式測量,零位式測量和微差式測量

偏差式測量：利用測量儀表指針對于刻度初始點(diǎn)的偏移來讀出被測量的的測量方法。如萬用表測量。

零位式測量：調(diào)節(jié)已知標(biāo)準(zhǔn)量與被測量達(dá)到平衡狀態(tài)（相等），讀取標(biāo)準(zhǔn)量作為被測值。

零位式與偏差式測量的綜合應(yīng)用。

微差式測量：測量前先把被測量U調(diào)到基準(zhǔn)數(shù)值大小，調(diào)節(jié)已知標(biāo)準(zhǔn)量使二者相等，讀取被測值的基準(zhǔn)大小U0。

根據(jù)被測量變化的快慢分:靜態(tài)測量和動態(tài)測量

根據(jù)測量敏感元件是否與被測量接觸分:接觸測量和非接觸測量

根據(jù)測量系統(tǒng)是否向被測對象施加能量分:主動式測量和被動式測量

1.1.3檢測系統(tǒng)的組成

自動檢測系統(tǒng)的組成

傳感器（非電量電量）

作用:處于被檢測對象和檢測系統(tǒng)的接口位置。

分類:

(1)按輸入量劃分:位移、壓力、速度、溫度。

(2)按輸出量劃分:參量型、發(fā)電型

(3)按原理劃分:電磁原理學(xué)、固體物理學(xué)

2．信號處理電路（微弱電量較強(qiáng)電信號）

作用:將傳感器的輸出信號轉(zhuǎn)換成易于測量的電壓或電流信號。

方式:整形、放大、阻抗匹配、微分、積分、線形化等。

3．顯示記錄裝置（可能遠(yuǎn)程輸出）

模擬顯示

數(shù)字顯示

圖象顯示

4．?dāng)?shù)據(jù)處理裝置和執(zhí)行機(jī)構(gòu)

利用微機(jī)技術(shù),對被測結(jié)果進(jìn)行處理、運(yùn)算、分析,對動態(tài)測試結(jié)果進(jìn)行頻譜、幅值和能量分析等.

1.2誤差的基本概念

1.2.1測量誤差

誤差的來源:工具誤差、環(huán)境誤差、方法誤差、人員誤差。

誤差的分類:

(1)按誤差的表示方法分:絕對誤差和相對誤差。

絕對誤差：

相對誤差：

(2)按誤差出現(xiàn)的規(guī)律分:系統(tǒng)誤差、隨機(jī)誤差和粗大誤差。

(3)按被測量與時間的關(guān)系分:靜態(tài)誤差和動態(tài)誤差。

作業(yè)：P13：5、6、7

第2章傳感器的基本概念

教學(xué)要求

1．熟悉傳感器的定義與分類。

2．掌握傳感器基本特性。

教學(xué)課時4學(xué)時

教學(xué)內(nèi)容

2.1傳感器的定義與組成

傳感器(狹義):能感應(yīng)被測量的變化并將其轉(zhuǎn)換為其他物理量變化的器件.

傳感器(廣義):是信號檢出器件和信號處理部分的總稱.

組成:一般由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和信號調(diào)理電路組成.

2.2傳感器的分類

按測量的性質(zhì)劃分:位移傳感器,壓力傳感器,溫度傳感器等.

按工作的原理劃分:電阻應(yīng)變式,電感式,電容式,壓電式,磁電式傳感器等.

按測量的轉(zhuǎn)換特征劃分:結(jié)構(gòu)型傳感器和物性型傳感器.

按能量傳遞的方式劃分:能量控制型傳感器和能量轉(zhuǎn)換型傳感器.

2.3傳感器的基本特性

2.3.1傳感器的靜態(tài)特性

1．線性度：指輸出量與輸入量之間的實(shí)際關(guān)系曲線偏離直線的程度,又叫非線性誤差.

2．靈敏度：指傳感器的輸出量增量與引起輸出量增量的輸入量的比值.

3．遲滯：指傳感器在正向行程和反向行程期間,輸出-輸入曲線不重合的現(xiàn)象.

4．重復(fù)性：指傳感器在輸入量按同一方向做全量程多次測試時,所得特性曲線不一致性的程度.

5．分辨率：指傳感器在規(guī)定測量范圍內(nèi)所能檢測輸入量的最小變化量.

6．穩(wěn)定性：指傳感器在室溫條件下,經(jīng)過相當(dāng)長的時間間隔,傳感器的輸出與起始標(biāo)定時的輸出之間的差異.

7．漂移：指傳感器在外界的干擾下,輸出量發(fā)生與輸入量無關(guān)的變化,包括零點(diǎn)漂移和靈敏度漂移等.

2.3.2傳感器的動態(tài)特性

1．瞬態(tài)響應(yīng)法

2．頻率響應(yīng)法

2.4傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域及其發(fā)展

2.4.1傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域

1．生產(chǎn)過程的測量與控制

2．安全報(bào)警與環(huán)境保護(hù)

3．自動化設(shè)備和機(jī)器人

4．交通運(yùn)輸和資源探測

5．醫(yī)療衛(wèi)生和家用電器

2.4.2傳感器的發(fā)展

1．微型傳感器(Microsensor)

2．智能傳感器(Smartsensor)

3．多功能傳感器(Multifunctionsensor)

2.5傳感器的正確選用

1．與測量條件有關(guān)的因素

2．與使用條件有關(guān)的因素

3．與傳感器有關(guān)的技術(shù)指標(biāo)

此外,還要考慮購買和維修等因素.

作業(yè)：P23：3、4

第三章常用傳感器的工作原理及應(yīng)用

教學(xué)要求

1．掌握各種傳感器的工作原理。

2．熟悉各種傳感器的測量電路。

3．掌握各種傳感器的應(yīng)用。

教學(xué)課時15學(xué)時

教學(xué)內(nèi)容

3.1電阻式傳感器

3.1.1電阻式傳感器的工作原理

測量電路

應(yīng)變：物體在外部壓力或拉力作用下發(fā)生形變的現(xiàn)象

彈性應(yīng)變：當(dāng)外力去除后，物體能夠完全恢復(fù)其尺寸和形狀的應(yīng)變

彈性元件：具有彈性應(yīng)變特性的物體

3.1.2電位器式傳感器

3.1.3電阻應(yīng)變式傳感器

電阻應(yīng)變式傳感器利用電阻應(yīng)變片將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻值變化的傳感器。

工作原理：當(dāng)被測物理量作用于彈性元件上，彈性元件在力、力矩或壓力等的作用下發(fā)生變形，產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)變或位移，然后傳遞給與之相連的應(yīng)變片，引起應(yīng)變片的電阻值變化，通過測量電路變成電量輸出。輸出的電量大小反映被測量的大小。

結(jié)構(gòu)：應(yīng)變式傳感器由彈性元件上粘貼電阻應(yīng)變片構(gòu)成。

應(yīng)用：廣泛用于力、力矩、壓力、加速度、重量等參數(shù)的測量。

1．電阻應(yīng)變效應(yīng)

電阻應(yīng)變片的工作原理是基于應(yīng)變效應(yīng)，即導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料在外界力的作用下產(chǎn)生機(jī)械變形時，其電阻值相應(yīng)發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為“應(yīng)變效應(yīng)”。

2．電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)

金屬電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)

3．應(yīng)變片的粘貼技術(shù)（自學(xué)）

4．電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用

（1）應(yīng)變式力傳感器

被測物理量：荷重或力

主要用途：作為各種電子稱與材料試驗(yàn)機(jī)的測力元件、發(fā)動機(jī)的推力測試、水壩壩體承載狀況監(jiān)測等。

力傳感器的彈性元件：柱式、筒式、環(huán)式、懸臂式等

（2）應(yīng)變式壓力傳感器

主要用來測量流動介質(zhì)的動態(tài)或靜態(tài)壓力

應(yīng)變片壓力傳感器大多采用膜片式或筒式彈性元件。

（3）應(yīng)變式容器內(nèi)液體重量傳感器

感壓膜感受上面液體的壓力。

（4）應(yīng)變式加速度傳感器

用于物體加速度的測量。

依據(jù)：a=F/m。

電阻應(yīng)變式加速度傳感器結(jié)構(gòu)圖

3.2電容式傳感器

3.2.1電容式傳感器的工作原理

由絕緣介質(zhì)分開的兩個平行金屬板組成的平板電容器，如果不考慮邊緣效應(yīng)，其電容量為

當(dāng)被測參數(shù)變化使得S、d或ε發(fā)生變化時，電容量C也隨之變化。

如果保持其中兩個參數(shù)不變，而僅改變其中一個參數(shù)，就可把該參數(shù)的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化，通過測量電路就可轉(zhuǎn)換為電量輸出。

電容式傳感器可分為變極距型、變面積型和變介電常數(shù)型三種。

1．變間隙型電容傳感器

變間隙式電容式傳感器

當(dāng)傳感器的εr和S為常數(shù)，初始極距為d0時，初始電容量C0為

若電容器極板間距離由初始值d0縮小了Δd，電容量增大了ΔC，則有

在式中，若Δd/d0<<1時，則展成級數(shù)：

此時C與Δd近似呈線性關(guān)系，所以變極距型電容式傳感器只有在Δd/d0很小時，才有近似的線性關(guān)系。

另外，在d0較小時，對于同樣的Δd變化所引起的ΔC可以增大，從而使傳感器靈敏度提高。但d0過小，容易引起電容器擊穿或短路。為此，極板間可采用高介電常數(shù)的材料（云母、塑料膜等）作介質(zhì),如圖所示，此時電容C變?yōu)椋?/p>

式中：εg—云母的相對介電常數(shù)，εg=7；

ε0—空氣的介電常數(shù)，ε0=1；

d0—空氣隙厚度；

dg—云母片的厚度。

放置云母片的電容器

云母片的相對介電常數(shù)是空氣的7倍，其擊穿電壓不小于1000kV/mm，而空氣僅為3kV/mm。因此有了云母片，極板間起始距離可大大減小。

一般變極板間距離電容式傳感器的起始電容在20~100pF之間，極板間距離在25~200μm的范圍內(nèi)。最大位移應(yīng)小于間距的1/10，故在微位移測量中應(yīng)用最廣。

2．變面積式電容傳感器

被測量通過動極板移動引起兩極板有效覆蓋面積S改變，從而得到電容量的變化。當(dāng)動極板相對于定極板沿長度方向平移Δx時，則電容變化量為

式中C0=ε0εrba/d為初始電容。電容相對變化量為

這種形式的傳感器其電容量C與水平位移Δx呈線性關(guān)系

直線位移型電容傳感器原理圖

3．變介質(zhì)式電容式傳感器

此時變換器電容值為：

電容式液位變換器結(jié)構(gòu)原理圖

式中：C0——由變換器的基本尺寸決定的初始電容值,即

可見：此變換器的電容增量正比于被測液位高度h。

3.2.2．電容式傳感器的測量電路

1．運(yùn)算放大器電路

由于運(yùn)算放大器的放大倍數(shù)非常大，而且輸入阻抗Zi很高,運(yùn)算放大器的這一特點(diǎn)可以作為電容式傳感器的比較理想的測量電路。如圖所示。由運(yùn)算放大器工作原理可得：

如果傳感器是一只平板電容，則Cx=εS/d，代入，可得

式中“－”號表示輸出電壓Uo的相位與電源電壓反相?？梢娺\(yùn)算放大器的輸出電壓與極板間距離d成線性關(guān)系。

運(yùn)算放大器式電路雖解決了單個變極板間距離式電容傳感器的非線性問題，注意條件：要求Zi及放大倍數(shù)足夠大。為保證儀器精度，還要求電源電壓Ui的幅值和固定電容C值穩(wěn)定。

運(yùn)算放大器式電路原理圖

2．二極管雙T交流電橋

e是高頻電源，它提供了幅值為U的對稱方波，VD1、VD2為特性完全相同的兩只二極管，固定電阻R1=R2=R，C1、C2為傳感器的兩個差動電容。

二極管雙T交流電橋

當(dāng)傳感器沒有輸入時，C1=C2。

電路工作原理：當(dāng)e為正半周時，二極管VD1導(dǎo)通、VD2截止，于是電容C1充電，其等效電路如圖（b）所示；在隨后負(fù)半周出現(xiàn)時，電容C1上的電荷通過電阻R1，負(fù)載電阻RL放電，流過RL的電流為I1。

當(dāng)e為負(fù)半周時，VD2導(dǎo)通、VD1截止，則電容C2充電，其等效電路如圖（c）所示；在隨后出現(xiàn)正半周時，C2通過電阻R2，負(fù)載電阻RL放電，流過RL的電流為I2。

電流I1=I2，且方向相反，在一個周期內(nèi)流過RL的平均電流為零。

若傳感器輸入不為0，則C1≠C2,I1≠I2,此時在一個周期內(nèi)通過RL上的平均電流不為零，因此產(chǎn)生輸出電壓，輸出電壓在一個周期內(nèi)平均值為

式中,f為電源頻率。

當(dāng)RL已知，式中

則上式可改寫為

可知，輸出電壓Uo不僅與電源電壓幅值和頻率有關(guān)，而且與T形網(wǎng)絡(luò)中的電容C1和C2的差值有關(guān)。當(dāng)電源電壓確定后，輸出電壓Uo是電容C1和C2的函數(shù)。電路的靈敏度與電源電壓幅值和頻率有關(guān)，故輸入電源要求穩(wěn)定。

3．調(diào)頻電路

把電容式傳感器作為振蕩器諧振回路的一部分,當(dāng)輸入量導(dǎo)致電容量發(fā)生變化時，振蕩器的振蕩頻率就發(fā)生變化。

可將頻率作為輸出量用以判斷被測非電量的大小，但此時系統(tǒng)是非線性的，不易校正，因此必須加入鑒頻器，將頻率的變化轉(zhuǎn)換為電壓振幅的變化，經(jīng)過放大就可以用儀器指示或記錄儀記錄下來。

3.2.3．電容式傳感器的應(yīng)用

1．電容式壓力傳感器

2．電容式加速度傳感器

3.3電感式傳感器

電感式傳感器的工作原理是基于電磁感應(yīng)原理，它把被測量轉(zhuǎn)化為電感量變化的一種裝置。按照轉(zhuǎn)換方式的不同可分為自感式（包括可變磁阻式與渦流式）和互感式（差動變壓器式）兩種。

3.3.1自感式傳感器

自感式電感傳感器主要有變間隙型、變面積型和螺管型三種類型。由線圈、鐵芯和銜鐵三部分組成。鐵芯和銜鐵由導(dǎo)磁材料制成。

在鐵芯和銜鐵之間有氣隙，傳感器的運(yùn)動部分與銜鐵相連。當(dāng)銜鐵移動時，氣隙厚度δ發(fā)生改變，引起磁路中磁阻變化，從而導(dǎo)致電感線圈的電感值變化，因此只要能測出這種電感量的變化，就能確定銜鐵位移量的大小和方向。

1．變間隙型電感傳感器

2．變面積型電感傳感器

3．螺管型電感傳感器

4．差動式電感傳感器

為了減小非線性誤差，實(shí)際測量中廣泛采用差動式電感傳感器。

5．自感式傳感器的測量電路

電感式傳感器的測量電路有交流電橋式、變壓器式交流電橋以及諧振式等。

3.3.2互感式傳感器

把被測的非電量變化轉(zhuǎn)換為線圈互感變化的傳感器稱為互感式傳感器。這種傳感器是根據(jù)變壓器的基本原理制成的，并且次級繞組用差動形式連接，故稱差動變壓器式傳感器。差動變壓器結(jié)構(gòu)形式：變隙式、變面積式和螺線管式等。

在非電量測量中，應(yīng)用最多的是螺線管式差動變壓器，它可以測量1～100mm機(jī)械位移，并具有測量精度高、靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠等優(yōu)點(diǎn)。

1．互感式傳感器的工作原理

互感式傳感器的工作原理類似變壓器的作用原理。

2．差動變壓器的結(jié)構(gòu)類型

螺線管式差動變壓器結(jié)構(gòu)

差動變壓器等效電路

3．差動變壓器式傳感器測量電路

問題：

（1）差動變壓器的輸出是交流電壓(用交流電壓表測量，只能反映銜鐵位移的大小，不能反映移動的方向)；

（2）測量值中將包含零點(diǎn)殘余電壓。

為了達(dá)到能辨別移動方向和消除零點(diǎn)殘余電壓的目的，實(shí)際測量時，常常采用差動整流電路和相敏檢波電路。

(1)差動整流電路

這種電路是把差動變壓器的兩個次級輸出電壓分別整流，然后將整流的電壓或電流的差值作為輸出。

(2)相敏檢波電路

3.3.3電感式傳感器的應(yīng)用

1．差動變壓器式力傳感器

2．沉筒式液位計(jì)

3.4壓電式傳感器

3.4.1壓電效應(yīng)

某些電介質(zhì)，當(dāng)沿著一定方向?qū)ζ涫┝Χ顾冃螘r，內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在它的兩個表面上便產(chǎn)生符號相反的電荷，當(dāng)外力去掉后，又重新恢復(fù)到不帶電狀態(tài)。這種現(xiàn)象稱壓電效應(yīng)。當(dāng)作用力方向改變時，電荷的極性也隨之改變。有時人們把這種機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的現(xiàn)象，稱為“正壓電效應(yīng)”。相反，當(dāng)在電介質(zhì)極化方向施加電場，這些電介質(zhì)也會產(chǎn)生幾何變形，這種現(xiàn)象稱為“逆壓電效應(yīng)”（電致伸縮效應(yīng)）。具有壓電效應(yīng)的材料稱為壓電材料。

1．單晶壓電晶體

石英晶體化學(xué)式為SiO2，是單晶體結(jié)構(gòu)。圖示為天然結(jié)構(gòu)的石英晶體外形，它是一個正六面體。石英晶體各個方向的特性是不同的。其中縱向軸z稱為光軸，經(jīng)過六面體棱線并垂直于光軸的x稱為電軸，與x和z軸同時垂直的軸y稱為機(jī)械軸。通常把沿電軸x方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為“縱向壓電效應(yīng)”，而把沿機(jī)械軸y方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為“橫向壓電效應(yīng)”。而沿光軸z方向的力作用時不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。

石英晶體

(a)晶體外形；(b)切割方向；(c)晶片

2．多晶壓電陶瓷

壓電陶瓷是人工制造的多晶體壓電材料。材料內(nèi)部的晶粒有許多自發(fā)極化的電疇，它有一定的極化方向，從而存在電場。在無外電場作用時，電疇在晶體中雜亂分布，它們各自的極化效應(yīng)被相互抵消，壓電陶瓷內(nèi)極化強(qiáng)度為零。因此原始的壓電陶瓷呈中性，不具有壓電性質(zhì)。

在陶瓷上施加外電場時，電疇的極化方向發(fā)生轉(zhuǎn)動，趨向于按外電場方向的排列，從而使材料得到極化。外電場愈強(qiáng)，就有更多的電疇更完全地轉(zhuǎn)向外電場方向。讓外電場強(qiáng)度大到使材料的極化達(dá)到飽和的程度，即所有電疇極化方向都整齊地與外電場方向一致時，當(dāng)外電場去掉后，電疇的極化方向基本變化，即剩余極化強(qiáng)度很大，這時的材料才具有壓電特性。

3．新型壓電材料

新型壓電材料主要有有機(jī)壓電薄膜和壓電半導(dǎo)體等。

4．等效電路

由壓電元件的工作原理可知，壓電式傳感器可以看作一個電荷發(fā)生器。同時，它也是一個電容器，晶體上聚集正負(fù)電荷的兩表面相當(dāng)于電容的兩個極板，極板間物質(zhì)等效于一種介質(zhì)，則其電容量為

式中：A——壓電片的面積；

d——壓電片的厚度；

εr——壓電材料的相對介電常數(shù)。

因此，壓電傳感器可以等效為一個與電容相串聯(lián)的電壓源。如圖（a）所示，電容器上的電壓Ua、電荷量q和電容量Ca三者關(guān)系為

壓電傳感器也可以等效為一個電荷源。如圖（b）所示。

壓電元件的等效電路

（a）電壓源（b）電荷源

壓電傳感器在實(shí)際使用時總要與測量儀器或測量電路相連接，因此還需考慮連接電纜的等效電容Cc，放大器的輸入電阻Ri,輸入電容Ci以及壓電傳感器的泄漏電阻Ra。這樣，壓電傳感器在測量系統(tǒng)中的實(shí)際等效電路，如圖所示。

壓電傳感器的實(shí)際等效電路

（a）電壓源（b）電荷源

3.4.2壓電式傳感器的測量電路

壓電傳感器本身的內(nèi)阻抗很高，而輸出能量較小，因此它的測量電路通常需要接入一個高輸入阻抗前置放大器。其作用為：一是把它的高輸出阻抗變換為低輸出阻抗；二是放大傳感器輸出的微弱信號。壓電傳感器的輸出可以是電壓信號，也可以是電荷信號，因此前置放大器也有兩種形式：電壓放大器和電荷放大器。

1.電壓放大器（阻抗變換器）

下圖（a）、(b）是電壓放大器電路原理圖及其等效電路。

在圖（b）中，電阻R=RaRi/(Ra+Ri)，電容C=Cc+Ci，而ua=q/Ca，若壓電元件受正弦力f=Fmsinωt的作用，則其電壓為

式中：Um——壓電元件輸出電壓幅值，Um=dFm/Ca；

d——壓電系數(shù)。

電壓放大器電路原理及其等效電路圖

（a）放大器電路（b）等效電路

2．電荷放大器

電荷放大器常作為壓電傳感器的輸入電路，由一個反饋電容Cf和高增益運(yùn)算放大器構(gòu)成。由于運(yùn)算放大器輸入阻抗極高，放大器輸入端幾乎沒有分流，故可略去Ra和Ri并聯(lián)電阻。

式中：uo——放大器輸出電壓；

ucf——反饋電容兩端電壓。

電荷放大器等效電路

3.4.3壓電式傳感器的應(yīng)用

1．壓電式測力傳感器

主要由石英晶片、絕緣套、電極、上蓋及基座等組成。

2．壓電式加速度傳感器

主要由壓電元件、質(zhì)量塊、預(yù)壓彈簧、基座及外殼等組成。整個部件裝在外殼內(nèi)，并由螺栓加以固定。

3.5霍爾傳感器

霍爾傳感器是一種磁電式傳感器。它是利用霍爾元件基于霍爾效應(yīng)原理而將被測量轉(zhuǎn)換成電動勢輸出的一種傳感器。由于霍爾元件在靜止?fàn)顟B(tài)下，具有感受磁場的獨(dú)特能力，并且具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、噪聲小、頻率范圍寬(從直流到微波)、動態(tài)范圍大(輸出電勢變化范圍可達(dá)1000:1)、壽命長等特點(diǎn)，因此獲得了廣泛應(yīng)用。例如，在測量技術(shù)中用于將位移、力、加速度等量轉(zhuǎn)換為電量的傳感器；在計(jì)算技術(shù)中用于作加、減、乘、除、開方、乘方以及微積分等運(yùn)算的運(yùn)算器等。

3.5.1霍爾元件的工作原理

霍爾元件賴以工作的物理基礎(chǔ)是霍爾效應(yīng)。

1．霍爾效應(yīng)

半導(dǎo)體薄片置于磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場中，磁場方向垂直于薄片，當(dāng)有電流I流過薄片時，在垂直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生電動勢EH，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。

流入激勵電流端的電流I越大、作用在薄片上的磁場強(qiáng)度B越強(qiáng)，霍爾電勢也就越高。

霍爾電勢EH可表示為：EH=KHIB

kH為靈敏度系數(shù)，與載流材料的物理性質(zhì)和幾何尺寸有關(guān)，表示在單位磁感應(yīng)強(qiáng)度和單位控制電流時的霍爾電勢的大小。

2．霍爾元件的結(jié)構(gòu)及特性

霍爾元件是一種四端元件。比較常用的霍爾元件有三種結(jié)構(gòu)：單端引出線型、臥式型和雙端引出線型。

3.5.2霍爾傳感器的測量電路

3.5.3集成霍爾電路

霍爾集成電路可分為線性型和開關(guān)型兩大類。

1．線性型霍爾集成電路是將霍爾元件和恒流源、線性差動放大器等做在一個芯片上，輸出電壓為伏級，比直接使用霍爾元件方便得多。較典型的線性型霍爾器件如UGN3501等。

2．開關(guān)型霍爾集成電路是將霍爾元件、穩(wěn)壓電路、放大器、施密特觸發(fā)器、OC門（集電極開路輸出門）等電路做在同一個芯片上。當(dāng)外加磁場強(qiáng)度超過規(guī)定的工作點(diǎn)時，OC門由高阻態(tài)變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)，輸出變?yōu)榈碗娖?；?dāng)外加磁場強(qiáng)度低于釋放點(diǎn)時，OC門重新變?yōu)楦咦钁B(tài)，輸出高電平。較典型的開關(guān)型霍爾器件如UGN3020等。

3.5.4霍爾傳感器的應(yīng)用

霍爾電勢是關(guān)于I、B、三個變量的函數(shù)，即EH=KHIBcos。利用這個關(guān)系可以使其中兩個量不變，將第三個量作為變量，或者固定其中一個量，其余兩個量都作為變量。這使得霍爾傳感器有許多用途。

1．電流的測量

2．位移的測量

3．角位移及轉(zhuǎn)速的測量

4．運(yùn)動位置的測量

另外還有霍爾特斯拉計(jì)（高斯計(jì)）、霍爾傳感器用于測量磁場強(qiáng)度、霍爾轉(zhuǎn)速表、霍爾式接近開關(guān)等。

3.6熱敏傳感器

熱敏傳感器主要有熱電式和熱電阻式。

3.6.1熱電偶

熱電偶作為溫度傳感器，測得與溫度相應(yīng)的熱電動勢，由儀表顯示出溫度值。它廣泛用來測量-200℃~1300℃范圍內(nèi)的溫度，特殊情況下，可測至2800℃的高溫或4K的低溫。它具有結(jié)構(gòu)簡單，價格便宜，準(zhǔn)確度高，測溫范圍廣等特點(diǎn)。由于熱電偶將溫度轉(zhuǎn)化成電量進(jìn)行檢測，使溫度的測量、控制、以及對溫度信號的放大，變換都很方便，適用于遠(yuǎn)距離測量和自動控制。

1．熱電偶工作原理

熱電效應(yīng)：兩種不同材料的導(dǎo)體（或半導(dǎo)體）組成一個閉合回路，當(dāng)兩接點(diǎn)溫度T和T0不同時，則在該回路中就會產(chǎn)生電動勢的現(xiàn)象。

由兩種導(dǎo)體的組合并將溫度轉(zhuǎn)化為熱電動勢的傳感器叫做熱電偶。

熱電動勢是由兩種導(dǎo)體的接觸電勢（珀?duì)栙N電勢）和單一導(dǎo)體的溫差電勢（湯姆遜電勢）所組成。熱電動勢的大小與兩種導(dǎo)體材料的性質(zhì)及接點(diǎn)溫度有關(guān)。

接觸電動勢:由于兩種不同導(dǎo)體的自由電子密度不同而在接觸處形成的電動勢。

溫差電動勢:同一導(dǎo)體的兩端因其溫度不同而產(chǎn)生的一種電動勢。

導(dǎo)體內(nèi)部的電子密度是不同的，當(dāng)兩種電子密度不同的導(dǎo)體A與B接觸時，接觸面上就會發(fā)生電子擴(kuò)散，電子從電子密度高的導(dǎo)體流向密度低的導(dǎo)體。電子擴(kuò)散的速率與兩導(dǎo)體的電子密度有關(guān)并和接觸區(qū)的溫度成正比。設(shè)導(dǎo)體A和B的自由電子密度為NA和NB，且NA＞NB，電子擴(kuò)散的結(jié)果使導(dǎo)體A失去電子而帶正電，導(dǎo)體B則獲得電子而帶負(fù)電，在接觸面形成電場。這個電場阻礙了電子的擴(kuò)散，達(dá)到動平衡時，在接觸區(qū)形成一個穩(wěn)定的電位差，即接觸電勢，其大小為

式中，k——玻耳茲曼常數(shù)，k=1.38×10-23J/K；

e——電子電荷量，e＝1.6×10-19C；

T——接觸處的溫度，K；

NA，NB——分別為導(dǎo)體A和B的自由電子密度。

因?qū)w兩端溫度不同而產(chǎn)生的電動勢稱為溫差電勢。由于溫度梯度的存在，改變了電子的能量分布，高溫（T）端電子將向低溫端（T0）擴(kuò)散，致使高溫端因失去電子帶正電，低溫端因獲電子而帶負(fù)電。因而在同一導(dǎo)體兩端也產(chǎn)生電位差，并阻止電子從高溫端向低溫端擴(kuò)散，于是電子擴(kuò)散形成動平衡，此時所建立的電位差稱為溫差電勢即湯姆遜電勢，它與溫度的關(guān)系為

式中σ為湯姆遜系數(shù)，表示溫差1℃所產(chǎn)生的電動勢值，其大小與材料性質(zhì)及兩端的溫度有關(guān)。

導(dǎo)體A和B組成的熱電偶閉合電路在兩個接點(diǎn)處有兩個接觸電勢eAB(T)與eAB(T0)，又因?yàn)門＞T0，在導(dǎo)體A和B中還各有一個溫差電勢。所以閉合回路總熱電動勢EAB(T,T0)應(yīng)為接觸電動勢和溫差電勢的代數(shù)和，即：

對于已選定的熱電偶，當(dāng)參考溫度恒定時，總熱電動勢就變成測量端溫度T的單值函數(shù)，即EAB(Ｔ,T0)=f(T)。這就是熱電偶測量溫度的基本原理。

在實(shí)際測溫時，必須在熱電偶閉合回路中引入連接導(dǎo)線和儀表。

2．熱電偶基本定律

（1）中間導(dǎo)體定律

在熱電偶回路中接入第三種材料的導(dǎo)體，只要其兩端的溫度相等，該導(dǎo)體的接入就不會影響熱電偶回路的總熱電動勢。根據(jù)這一定則，可以將熱電偶的一個接點(diǎn)斷開接入第三種導(dǎo)體，也可以將熱電偶的一種導(dǎo)體斷開接入第三種導(dǎo)體，只要每一種導(dǎo)體的兩端溫度相同，均不影響回路的總熱電動勢。在實(shí)際測溫電路中，必須有連接導(dǎo)線和顯示儀器，若把連接導(dǎo)線和顯示儀器看成第三種導(dǎo)體，只要他們的兩端溫度相同，則不影響總熱電動勢。

（2）中間溫度定律

在熱電偶測溫回路中，tc為熱電極上某一點(diǎn)的溫度，熱電偶AB在接點(diǎn)溫度為t、t0時的熱電勢eAB(t,t0)等于熱電偶AB在接點(diǎn)溫度t、tc和tc、t0時的熱電勢eAB(t,tc)和eAB(tc,t0)的代數(shù)和，即

eAB(t,t0)=eAB(t,tc)+eAB(tc,t0)

（3）標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)體（電極）定律

如果兩種導(dǎo)體分別與第三種導(dǎo)體組成的熱電偶所產(chǎn)生的熱電動勢已知，則由這兩種導(dǎo)體組成的熱電偶所產(chǎn)生的熱電動勢也就已知，這個定律就稱為標(biāo)準(zhǔn)電極定律。

（4）均質(zhì)導(dǎo)體定律

由一種均質(zhì)導(dǎo)體組成的閉合回路，不論導(dǎo)體的橫截面積，長度以及溫度分布如何均不產(chǎn)生熱電動勢。如果熱電偶的兩根熱電極由兩種均質(zhì)導(dǎo)體組成，那么，熱電偶的熱電動勢僅與兩接點(diǎn)的溫度有關(guān)，與熱電偶的溫度分布無關(guān)；如果熱電極為非均質(zhì)電極，并處于具有溫度梯度的溫場時，將產(chǎn)生附加電勢，如果僅從熱電偶的熱電動勢大小來判斷溫度的高低就會引起誤差。

3．熱電偶的材料與結(jié)構(gòu)

（1）熱電偶的材料。

適于制作熱電偶的材料有300多種，其中廣泛應(yīng)用的有40~50種。國際電工委員會向世界各國推薦8種熱電偶作為標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶，我國標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶也有8種。分別是：鉑銠10-鉑(分度號為S)、鉑銠13-鉑(R)、鉑銠30-鉑銠6(B)、鎳鉻-鎳硅(K)、鎳鉻-康銅(E)、鐵-康銅(J)、銅-康銅(T)和鎳鉻硅-鎳硅(N)。

（2）熱電偶的結(jié)構(gòu)

普通型熱電偶：主要用于測量氣體、蒸氣和液體等介質(zhì)的溫度。

鎧裝熱電偶：由金屬保護(hù)套管、絕緣材料和熱電極三者組合成一體的特殊結(jié)構(gòu)的熱電

偶。

薄膜熱電偶：用真空蒸鍍的方法，把熱電極材料蒸鍍在絕緣基板上而制成。測量端既

小又薄，厚度約為幾個微米左右，熱容量小，響應(yīng)速度快，便于敷貼。

4．熱電偶冷端的溫度補(bǔ)償

根據(jù)熱電偶測溫原理，只有當(dāng)熱電偶的參考端的溫度保持不變時，熱電動勢才是被測溫度的單值函數(shù)。我們經(jīng)常使用的分度表及顯示儀表，都是以熱電偶參考端的溫度為0℃為先決條件的。但是在實(shí)際使用中，因熱電偶長度受到一定限制，參考端溫度直接受到被測介質(zhì)與環(huán)境溫度的影響，不僅難于保持0℃，而且往往是波動的，無法進(jìn)行參考端溫度修正。因此，要使變化很大的參考端溫度恒定下來，通常采用以下方法：

（1）0℃恒溫法

（2）冷端溫度修正法

（3）補(bǔ)償導(dǎo)線法

5．熱電偶測溫線路

3.6.2熱電阻式傳感器

1．熱電阻

溫度升高，金屬內(nèi)部原子晶格的振動加劇，從而使金屬內(nèi)部的自由電子通過金屬導(dǎo)體時的阻礙增大，宏觀上表現(xiàn)出電阻率變大，電阻值增加，我們稱其為正溫度系數(shù)，即電阻值與溫度的變化趨勢相同。

電阻溫度計(jì)是利用導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻值隨溫度的變化來測量溫度的元件，它由熱電阻體（感溫元件），連接導(dǎo)線和顯示或紀(jì)錄儀表構(gòu)成。習(xí)慣上將用作標(biāo)準(zhǔn)的熱電阻體稱為標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)，而將工作用的熱電阻體直接稱為熱電阻。他們廣泛用來測量-200~850℃范圍內(nèi)的溫度，少數(shù)情況下，低溫可至1K，高溫可達(dá)1000℃。在常用的電阻溫度計(jì)中，標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)的準(zhǔn)確度最高，并作為國際溫標(biāo)中961.78℃以下內(nèi)插用標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)。同熱電偶相比，具有準(zhǔn)確度高，輸出信號大，靈敏度高，測溫范圍廣，穩(wěn)定性好,輸出線性好等特性；但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，尺寸較大，因此熱相應(yīng)時間長，不適于測量體積狹小和溫度瞬變區(qū)域。

熱電阻按感溫元件的材質(zhì)分金屬與半導(dǎo)體兩類。金屬導(dǎo)體有鉑、銅、鎳、銠鐵及鉑鈷合金等，在工業(yè)生產(chǎn)中大量使用的有鉑、銅兩種熱電阻；半導(dǎo)體有鍺、碳和熱敏電阻等。按準(zhǔn)確度等級分為標(biāo)準(zhǔn)電阻溫度計(jì)和工業(yè)熱電阻。按結(jié)構(gòu)分為薄膜型和鎧裝型等。

(1)鉑熱電阻

鉑的物理化學(xué)性能極為穩(wěn)定，并有良好的工藝性。以鉑作為感溫元件具有示值穩(wěn)定，測量準(zhǔn)確度高等優(yōu)點(diǎn)，其使用范圍是－200℃~850℃。除作為溫度標(biāo)準(zhǔn)外，還廣泛用于高精度的工業(yè)測量。

(2)銅熱電阻

銅熱電阻的使用范圍是-50~150℃，具有電阻溫度系數(shù)大，價格便宜，互換性好等優(yōu)點(diǎn)，但它固有電阻太小，另外銅在250℃以上易氧化。銅熱電阻在工業(yè)中的應(yīng)有逐漸減少。

2．熱敏電阻

熱敏電阻有負(fù)溫度系數(shù)（NTC）和正溫度系數(shù)（PTC）之分。

NTC又可分為兩大類：

第一類用于測量溫度，它的電阻值與溫度之間呈嚴(yán)格的負(fù)指數(shù)關(guān)系；

第二類為突變型（CTR）。當(dāng)溫度上升到某臨界點(diǎn)時，其電阻值突然下降。

熱敏電阻是一種電阻值隨其溫度成指數(shù)變化的半導(dǎo)體熱敏元件。廣泛應(yīng)用于家電、汽車、測量儀器等領(lǐng)域。優(yōu)點(diǎn)如下：

(1)電阻溫度系數(shù)大，靈敏度高，比一般金屬電阻大10~100倍；

(2)結(jié)構(gòu)簡單，體積小，可以測量“點(diǎn)”溫度；

(3)電阻率高，熱慣性小，適宜動態(tài)測量；

(4)功耗小，不需要參考端補(bǔ)償，適于遠(yuǎn)距離的測量與控制。缺點(diǎn)是阻值與溫度的關(guān)系呈非線性，元件的穩(wěn)定性和互換性較差。除高溫?zé)崦綦娮柰?，不能用?50℃以上的高溫。

熱敏電阻是有兩種以上的過渡金屬M(fèi)n、Co、N、Fe等復(fù)合氧化物構(gòu)成的燒結(jié)體，根據(jù)組成的不同，可以調(diào)整它的常溫電阻及溫度特性。多數(shù)熱敏電阻具有負(fù)溫度系數(shù)，即當(dāng)溫度升高時電阻值下降，同時靈敏度也下降。此外，還有正溫度系數(shù)熱敏電阻和臨界溫度系數(shù)熱敏電阻。

3．熱電阻測溫電路

最常用的熱電阻測溫電路是電橋電路，有二線制、三線制和四線制。

3.6.3熱電阻式傳感器的應(yīng)用

1．流量計(jì)

流量計(jì)是利用熱電阻上的熱量消耗與介質(zhì)流速的關(guān)系測量流量、流速、風(fēng)速等。

2．液面位置檢測

熱敏電阻通以電流時，將引起自身發(fā)熱，當(dāng)熱敏電阻處于不同介質(zhì)中時，散熱程度不一致，電阻值不同。利用熱電阻對液面位置檢測就是根據(jù)該原理設(shè)計(jì)制作的。

作業(yè)：P67：1、3、11、12、13；課堂討論:2、6、7、8、9

第4章數(shù)字式傳感器

教學(xué)要求

1．了解各種數(shù)字式傳感器的分類、結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)。

2．熟悉各種數(shù)字式傳感器的測量轉(zhuǎn)換電路。

3．掌握各種數(shù)字式傳感器的應(yīng)用。

教學(xué)課時7學(xué)時

教學(xué)內(nèi)容：

4.1光柵數(shù)字式傳感器

4.1.1光柵的分類

按原理和用途分為：

1.物理光柵，利用光的衍射現(xiàn)象，用于光譜分析和波長的測量。

2.計(jì)量光柵，利用莫爾現(xiàn)象，用于長度、角度、速度等的測量，又可分為透射式光柵和反射式光柵。

4.1.2光柵傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理

1.光柵傳感器的結(jié)構(gòu)

光柵傳感器由光源、光柵副、光敏元件三大部分組成。

2.光柵測量原理

把兩塊柵距相等的光柵（光柵1、光柵2）面向?qū)ΟB合在一起，中間留有很小的間隙，并使兩者的柵線之間形成一個很小的夾角θ，如圖所示，這樣就可以看到在近于垂直柵線方向上出現(xiàn)明暗相間的條紋，這些條紋叫莫爾條紋。由圖可見，在d-d線上，兩塊光柵的柵線重合，透光面積最大，形成條紋的亮帶，它是由一系列四棱形圖案構(gòu)成的；在f-f線上，兩塊光柵的柵線錯開，形成條紋的暗帶，它是由一些黑色叉線圖案組成的。因此莫爾條紋的形成是由兩塊光柵的遮光和透光效應(yīng)形成的。

光柵莫爾條紋的形式

莫爾條紋有如下特征：

（1）莫爾條紋是由光柵的大量刻線共同形成的，對光柵的刻劃誤差有平均作用，從而能在很大程度上消除光柵刻線不均勻引起的誤差。

（2）當(dāng)指示光柵沿與柵線垂直的方向作相對移動時，莫爾條紋則沿光柵刻線方向移動（兩者的運(yùn)動方向相互垂直）；指示光柵反向移動，莫爾條紋亦反向移動。

（3）莫爾條紋的間距是放大了的光柵柵距，它隨著指示光柵與主光柵刻線夾角而改變。由于θ很小，所以其關(guān)系可用下式表示

L＝W/sinθ≈W/θ

（4）莫爾條紋移過的條紋數(shù)與光柵移過的刻線數(shù)相等。

4.1.3光柵傳感器的測量電路

光柵傳感器作為一個完整的測量裝置包括光柵讀數(shù)頭、光柵數(shù)顯表兩大部分。光柵讀數(shù)頭利用光柵原理把輸入量（位移量）轉(zhuǎn)換成響應(yīng)的電信號；光柵數(shù)顯表是實(shí)現(xiàn)細(xì)分、辨向和顯示功能的電子系統(tǒng)。

1．光柵傳感器的常用光路

（1）垂直透射式光路

（2）透射分光式光路

（3）反射式光路

（4）鏡像式光路

2．光柵傳感器的光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)

光柵傳感器的光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)由聚光鏡和光敏元件組成，光敏元件可以將光量的變化轉(zhuǎn)換成電阻或電能的變化。

3．光柵傳感器的辨向處理

如果傳感器只安裝一套光電元件，則在實(shí)際應(yīng)用中，無論光柵作正向移動還是反向移動，光敏元件都產(chǎn)生相同的正弦信號，是無法分辨移動方向的。為此，必須設(shè)置辨向電路。

4．光柵傳感器的細(xì)分原理

細(xì)分電路能在不增加光柵刻線數(shù)（線數(shù)越多，成本越昂貴）的情況下提高光柵的分辨力。

常用的細(xì)分方法有兩大類：機(jī)械細(xì)分和電子細(xì)分，電子細(xì)分的兩種最常用方法為：倍頻細(xì)分法和電橋細(xì)分法。

（1）倍頻細(xì)分法

（2）電橋細(xì)分法

4.1.4光柵傳感器的應(yīng)用

由于光柵具有測量精度高等一系列優(yōu)點(diǎn)，若采用不銹鋼反射式光柵，測量范圍可達(dá)十幾米，而且不需接長，信號抗干擾能力強(qiáng)，因此在國內(nèi)外受到重視和推廣，但必須注意防塵、防震問題。

1．光柵數(shù)顯表

2．光柵傳感器在位置控制中的應(yīng)用

4.2磁柵數(shù)字式傳感器

磁柵傳感器結(jié)構(gòu)：磁柵、磁頭和信號處理電路等。

4.2.1磁柵的結(jié)構(gòu)和種類

磁柵分類：長磁柵和圓磁柵兩大類。

用途：長磁柵主要用于直接位移測量，圓磁柵主要用于角位移測量。

4.2.2磁頭的結(jié)構(gòu)和種類

1．動態(tài)磁頭

2．靜態(tài)磁頭

4.2.3磁柵傳感器的信號處理

1．鑒幅方式

2．鑒相方式

4.2.4磁柵傳感器的應(yīng)用

鑒相式磁柵數(shù)字位移顯示裝置

4.3感應(yīng)同步器

4.3.1感應(yīng)同步器的類型和結(jié)構(gòu)

感應(yīng)同步器根據(jù)用途的不同可分為兩類：直線式同步器和旋轉(zhuǎn)式同步器

1．直線式感應(yīng)同步器

（1）標(biāo)準(zhǔn)型

（2）窄型

（3）帶型

2．旋轉(zhuǎn)式感應(yīng)同步器

4.3.2感應(yīng)同步器的工作原理

4.3.3感應(yīng)同步器的信號處理

由感應(yīng)同步器組成的檢測系統(tǒng)，可采取不同的勵磁方式，并對輸出信號采取不同的處理方式。根據(jù)對輸出感應(yīng)電動勢信號的處理方式不同，可把感應(yīng)同步器的檢測系統(tǒng)分成相位式和幅值式。

1．鑒相處理：就是根據(jù)輸出感應(yīng)電動勢的相位來鑒別感應(yīng)同步器定、滑尺間相對位移量的方法。

2．鑒幅處理：采用同頻率、同相位、不同幅值的交流電壓，對感應(yīng)同步器滑尺兩相繞組進(jìn)行激勵磁，就可以根據(jù)定尺繞組輸出感應(yīng)電動勢的幅值來鑒別定、滑尺間相對位移量，叫做感應(yīng)同步器輸出信號的鑒幅處理。

4.3.4感應(yīng)同步器的應(yīng)用

鑒幅型數(shù)顯表

4.4編碼器

將機(jī)械轉(zhuǎn)動的模擬量（位移）轉(zhuǎn)換成以數(shù)字代碼形式表示的電信號，這類傳感器稱為編碼器。編碼器以其高精度、高分辨率和高可靠性被廣泛用于各種位移的測量。

編碼器的種類很多，主要分為脈沖盤式（增量編碼器）和碼盤式編碼器（絕對編碼器）。4.4.1脈沖盤式編碼器

脈沖盤式編碼器又稱為增量編碼器，它不能直接產(chǎn)生幾位編碼輸出。

1．脈沖盤式編碼器的結(jié)構(gòu)和工作原理

2．脈沖盤式編碼器的辨向方式

3．脈沖盤式編碼器的應(yīng)用

4.4.2碼盤式編碼器

碼盤式編碼器又稱為絕對編碼器，它將角度轉(zhuǎn)換為數(shù)字編碼，能方便地與數(shù)字系統(tǒng)連接。碼盤式編碼器按結(jié)構(gòu)可分為接觸式、光電式和電磁式三種，后兩種為非接觸式。

1．接觸式編碼器：由碼盤和電刷組成。

2．光電式編碼器：是一種絕對編碼器，即幾位編碼器其碼盤上就有幾位碼道，編碼器在轉(zhuǎn)軸的任何位置都可以輸出一個固定的與位置相對的數(shù)字碼。

3．電磁式編碼器：是近年發(fā)展起來的一種新型電磁敏感元件，主要優(yōu)點(diǎn)是對潮濕氣體和污染敏感，體積小，成本低。

作業(yè):P957、8

第５章新型傳感器

教學(xué)要求

1．熟悉各種新型傳感器的類型。

2．了解各種新型傳感器的結(jié)構(gòu)、工作原理和特性。

3．熟悉各種新型傳感器的應(yīng)用。

教學(xué)課時8學(xué)時

教學(xué)內(nèi)容：

5.1仿生傳感器

人類已制造出：仿視覺傳感器，仿聽覺傳感器，仿嗅覺傳感器，以及DNA芯片等仿生傳感器，這些傳感器能自動捕獲信息、處理信息，模仿人類的行為。最典型的代表就是機(jī)器人所用的傳感器。

機(jī)器人傳感器一般分為機(jī)器人外部傳感器和機(jī)器人內(nèi)部傳感器。

5.1.1機(jī)器人內(nèi)部傳感器概述

1．機(jī)器人用位置檢測傳感器

機(jī)器人用位置檢測傳感器主要有微型限位開關(guān)、光電斷路器和電磁式接近開關(guān)等。

2．機(jī)器人用位移檢測傳感器

機(jī)器人用位移檢測傳感器主要有直線電位器、可調(diào)變壓器、磁性傳感器和磁尺等。

3．機(jī)器人用角位移檢測傳感器

機(jī)器人用角位移檢測傳感器主要有旋轉(zhuǎn)式電位器、旋轉(zhuǎn)式可調(diào)變壓器、鑒相器、光電編碼器等。

4．機(jī)器人用速度檢測傳感器

機(jī)器人用速度檢測傳感器常用的有測速電機(jī)及脈沖發(fā)生器兩類，它不僅可以測試速度，還可以測試動態(tài)響應(yīng)補(bǔ)償。

5．機(jī)器人用加速度檢測傳感器

機(jī)器人用加速度檢測傳感器主要有差動變壓器型和應(yīng)變儀型。

6．機(jī)器人用力檢測傳感器

5.1.2機(jī)器人外部傳感器

表5-1機(jī)器人傳感器分類

類別

檢測內(nèi)容

應(yīng)用目的

傳感器件

明暗覺

是否有光，亮度多少

判斷有無對象，并得到定量結(jié)果

光敏管、光電斷續(xù)器

色覺

對象的色彩及濃度

利用顏色識別對象的場合

彩色攝影機(jī)、濾色器、彩色CCD

位置覺

物體的位置、角度、距離

物體空間位置，判斷物體移動

光敏陣列、CCD等

形狀覺

物體的外形

提取物體輪廓及固有特征，識別物體

光敏陣列、CCD等

接觸覺

與對象是否接觸，接觸的位置

決定對象位置，識別對象形態(tài)，控制速度，安全保障，異常停止，尋徑

光電傳感器、微動開關(guān)、薄膜接點(diǎn)、壓敏高分子材料

壓覺

對物體的壓力、握力、壓力分布

控制握力，識別握持物，測量物體彈性

壓電元件、導(dǎo)電橡膠、壓敏高分子材料

力覺

機(jī)器人有關(guān)部件（如手指）所受外力及轉(zhuǎn)矩

控制手腕移動，伺服控制，正確完成作業(yè)

應(yīng)變片、導(dǎo)電橡膠

接近覺

與對象物是否接近，接近距離，對象面的傾斜

控制位置，尋徑，安全保障，異常停止

光傳感器、氣壓傳感器、超聲波傳感器、電渦流傳感器霍爾傳感器、

滑覺

垂直于握持面方向物體的位移，旋轉(zhuǎn)重力引起的變形

修正握力，防止打滑，判斷物體重量及表面狀態(tài)

球形接點(diǎn)式、光電式旋轉(zhuǎn)傳感器角編碼器、振動檢測器、

1．視覺傳感器

視覺檢測主要利用圖象信號輸入設(shè)備，將視覺信號轉(zhuǎn)換成電信號。信號取出方法有：MOS型和CCD型。

從功能上說，固態(tài)圖像傳感器能把接收到的光像分成許多小單元，并將它們轉(zhuǎn)換成電信號，它的核心部分是電荷耦合器件，簡稱CCD。

CCD是美國貝爾實(shí)驗(yàn)室于1969年發(fā)明的，與電腦晶片CMOS技

術(shù)相似，也可作電腦記憶體及邏輯運(yùn)作晶片。CCD是一種特殊的半導(dǎo)體材料，由大量獨(dú)立的感光二極管組成，一般這些感光二極管按照矩陣形式排列(富士公司的SuperCCD除外)。

CCD的感光能力比PMT低，但近年來CCD技術(shù)有了長足的進(jìn)步，

又由于CCD的體積小、造價低，所以廣泛應(yīng)用于掃描儀、數(shù)碼相機(jī)及數(shù)碼攝像機(jī)中。目前大多數(shù)數(shù)碼相機(jī)采用的視覺傳感器都是CCD。

CCD傳感器又叫電荷耦合器，它是一種特殊的半導(dǎo)體材料，由大量獨(dú)立的感光二極管組成，一般按照矩陣形式排列，相當(dāng)于傳統(tǒng)相機(jī)的膠卷。

2．聽覺傳感器

語音識別實(shí)質(zhì)上是通過模式識別技術(shù)識別未知的輸入聲音。實(shí)現(xiàn)這種技術(shù)的大規(guī)模集成電路的聲音識別電路早已問世，其典型代表：TMS320C25FNL。

3．接觸覺傳感器

接觸覺傳感器可檢測機(jī)器人是否接觸目標(biāo)或環(huán)境，用于尋找物體或感知碰撞。

4．接近覺傳感器

接近覺是一種粗略的距離感覺，接近覺傳感器的主要作用是在接觸對象之前獲得必要的信息，用來探測在一定距離范圍內(nèi)是否有物體接近、物體的接近距離和對象的表面形狀及傾斜等狀態(tài)。在機(jī)器人中，主要用于對物體的抓取和躲避。接近覺一般用非接觸式測量元件，如霍爾效應(yīng)傳感器、電磁式接近開關(guān)和光學(xué)接近傳感器。

5．嗅覺傳感器

嗅覺傳感器中開發(fā)應(yīng)用最廣泛的是電子鼻，它由傳感器陣列構(gòu)成，陣列中的每個傳感器覆蓋著不同的具有選擇性吸附化學(xué)物質(zhì)能力的導(dǎo)電聚合物。吸附作用將改變材料的電導(dǎo)率，從而產(chǎn)生一個能測量的電信號。

5.2光纖傳感器

光纖傳感器是20世紀(jì)70年代中期發(fā)展起來的一種新技術(shù)，它是伴隨著光纖及光通信技術(shù)的發(fā)展而逐步形成的。

光纖傳感器和傳統(tǒng)的各類傳感器相比有一定的優(yōu)點(diǎn)，如不受電磁干擾，體積小，重量輕，可繞曲，靈敏度高，耐腐蝕，高絕緣強(qiáng)度，防爆性好，集傳感與傳輸于一體，能與數(shù)字通信系統(tǒng)兼容等。

5.2.1光纖結(jié)構(gòu)

光導(dǎo)纖維簡稱光纖，它是一種特殊結(jié)構(gòu)的光學(xué)纖維，由纖芯、包層和護(hù)層組成。

5.2.2光纖傳感器的工作原理

眾所周知，光在空間是直線傳播的。在光纖中，光的傳輸限制在光纖中，并隨著光纖能傳送很遠(yuǎn)的距離，光纖的傳輸是基于光的全內(nèi)反射。

光纖傳感器原理實(shí)際上是研究光在調(diào)制區(qū)內(nèi)，外界信號（溫度、壓力、應(yīng)變、位移、振動、電場等）與光的相互作用，即研究光被外界參數(shù)的調(diào)制原理。外界信號可能引起光的強(qiáng)度、波長、頻率、相位、偏振態(tài)等光學(xué)性質(zhì)的變化，從而形成不同的調(diào)制。

光纖傳感器一般分為兩大類：一類是利用光纖本身的某種敏感特性或功能制成的傳感器，稱為功能型（FunctionalFiber，縮寫為FF）傳感器，又稱為傳感型傳感器；另一類是光纖僅僅起傳輸光的作用，它在光纖端面或中間加裝其它敏感元件感受被測量的變化，這類傳感器稱為非功能型（NonFunctionalFiber，縮寫為NFF）傳感器，又稱為傳光型傳感器。

5.2.3光纖傳感器的特點(diǎn)

(1)抗電磁干擾,電絕緣,耐腐蝕。

(2)靈敏度高。

(3)重量輕,體積小,可彎曲。

(4)測量對象廣泛。

(5)對被測介質(zhì)影響小。

光纖溫度傳感器是目前僅次于加速度、壓力傳感器而被廣泛使用的光纖傳感器。根據(jù)工作原理它可分為相位調(diào)制型、光強(qiáng)調(diào)制型和偏振光型等。

3.光纖旋渦流量傳感器

光纖旋渦流量傳感器是將一根多模光纖垂直地裝入管道，當(dāng)液體或氣體流經(jīng)與其垂直的光纖時，光纖受到流體渦流的作用而振動，振動的頻率與流速有關(guān)。

5.3微型傳感器

5.3.1電容式微型傳感器

電容式微型傳感器是利用蝕刻法制成的硅傳感器，它的優(yōu)點(diǎn)是耗能少、靈敏度高以及輸出信號受溫度影響小，常用于壓力、流量和加速度的測量。

1.電容式微型壓力傳感器

2.電容式微型流量傳感器

5.3.2電感式微型傳感器

主要應(yīng)用是微型磁通門式磁強(qiáng)計(jì).

5.3.3壓阻式微型傳感器

原理：半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)，利用擴(kuò)散工藝制作的四個半導(dǎo)體應(yīng)變電阻處于同一硅片上，工藝一致性好，靈敏度相等，漂移抵消，遲滯、蠕變非常小，動態(tài)響應(yīng)快。

5.3.4熱敏電阻式微型傳感器

主要用來測量氣體的流量和流速。

5.4集成傳感器

集成傳感器是將傳感元件、測量電路以及各種補(bǔ)償元件等集成在一塊芯片上，它體積小，重量輕，功能強(qiáng)，性能好。

5.4.1集成溫度傳感器

集成溫度傳感器是將溫度傳感器、放大電路、溫度補(bǔ)償?shù)裙δ芗稍谕粔K極小的芯片上而制成的，可以完成溫度測量及信號輸出功能的專用IC。按輸出的信號可以分為模擬集成溫度傳感器和數(shù)字集成溫度傳感器。

1．AD590傳感器性能特點(diǎn)

2．AD590的測溫誤差

3．AD590的應(yīng)用

5.4.2智能壓力傳感器

智能壓力傳感器也稱為數(shù)字式壓力測量儀，它是把敏感元件和信號處理電路集成在一起，并把被測壓力以數(shù)字的形式輸出或顯示的儀器。

1．壓力傳感器的基本結(jié)構(gòu)和特性

2．溫度補(bǔ)償：溫度補(bǔ)償?shù)姆椒ㄝ^多，最簡單的方法是在傳感器和電源之間串聯(lián)電阻。

3．傳感器放大電路：在測量電路中使用放大器將傳感器的輸出電壓進(jìn)行放大以驅(qū)動后續(xù)的電路。

4．A/D轉(zhuǎn)換器

5．電路裝調(diào)及壓力連接

6．校準(zhǔn)：電路的校準(zhǔn)包括零點(diǎn)校準(zhǔn)和滿量程校準(zhǔn)兩個方面。

5.5新型傳感器研發(fā)的重點(diǎn)領(lǐng)域

新型傳感器研發(fā)的重點(diǎn)領(lǐng)域主要有以下幾個方面：

1．基于MEMS技術(shù)的新型傳感器

2．生物、醫(yī)學(xué)研究急需的新型傳感器

3．新型環(huán)?；瘜W(xué)傳感器

4．工業(yè)過程控制和汽車傳感器

第6章傳感器與檢測系統(tǒng)的信號處理技術(shù)

教學(xué)要求

1．掌握直流電橋和交流電橋電路。

2．掌握各種放大器的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)。

3．掌握信號的變換形式。

教學(xué)課時6學(xué)時

教學(xué)內(nèi)容：

6.1.電橋電路

6.1.1直流電橋

直流電橋平衡條件：相鄰兩臂電阻的比值應(yīng)相等，或相對兩臂電阻的乘積應(yīng)相等。

按電阻應(yīng)變片接入電橋電路的接法，電橋可分為：

1.單臂工作電橋：

2.等臂雙臂工作電橋

3.等臂全橋工作電橋

三種工作方式中，全橋四臂工作方式的靈敏度最高，雙臂半橋次之，單臂半橋靈敏度最低。采用全橋（或雙臂半橋）還能實(shí)現(xiàn)溫度自補(bǔ)償。

直流電橋

6.1.2交流電橋

引入原因：由于應(yīng)變電橋輸出電壓很小，一般都要加放大器，而直流放大器易于產(chǎn)生零漂，因此應(yīng)變電橋多采用交流電橋。

由于供橋電源為交流電源，引線分布電容使得二橋臂應(yīng)變片呈現(xiàn)復(fù)阻抗特性，即相當(dāng)于兩只應(yīng)變片各并聯(lián)了一個電容。

交流電橋

6.2信號的放大與隔離

從傳感器來的信號有許多是毫伏級的弱信號，須經(jīng)放大才能進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)對放大器的主要要求是：精度高、溫度漂移小、共模抑制比高、頻帶寬至直流。

目前常用的放大器有以下幾種型式：一種是高精度、低漂移的雙極型放大器；另一種為隔離放大器，它帶有光電隔離或變壓器隔離的低漂移信號放大器，以及一個高隔離的DC/DC電源。

6.2.1運(yùn)算放大器

1．反相放大器

2．同相放大器

6.2.2測量放大器

1．測量放大器的結(jié)構(gòu)與特性

具有高共模抑制比、高速度、高精度、高穩(wěn)定性、高輸入阻抗、低輸出阻抗、低噪聲的特點(diǎn)。

2．測量放大器集成電路（自學(xué)）

3．測量放大器的使用

（1）差動輸入端的連接：要注意為偏置電流提供回路。

（2）護(hù)衛(wèi)端的連接：電纜的屏蔽層應(yīng)連接測量放大器的護(hù)衛(wèi)端。

（3）R端、S端的連接：R端接電源地，S端接輸出。

6.2.3程控測量放大器PGA

程控測量放大器PGA是通用性很強(qiáng)的放大器，放大倍數(shù)可通過編程進(jìn)行控制。

1．浮點(diǎn)放大器型

2．增益電阻切換型

6.2.4隔離放大器

1．AD277型雙隔離式放大器

2．AD210型三隔離式放大器

6.3信號的變換

6.3.1電壓與電流轉(zhuǎn)換

1．電壓轉(zhuǎn)換為電流：以A/D693為例

2．電流轉(zhuǎn)換為電壓：電阻式電流/電壓轉(zhuǎn)換電路

6.3.2電壓與頻率的相互轉(zhuǎn)換

實(shí)現(xiàn)電壓/頻率轉(zhuǎn)換的方法很多，主要有積分復(fù)原型和電荷平衡型。

V/F轉(zhuǎn)換器常用集成芯片主要有VFC32和LM31系列。

作業(yè)：P1351、6

第7章傳感器與檢測系統(tǒng)的干擾抑制技術(shù)

教學(xué)要求

1．了解噪聲干擾的來源及噪聲的耦合方式。

2．掌握噪聲的干擾模式。

3．掌握硬件和軟件抗干擾技術(shù)。

教學(xué)課時8學(xué)時

教學(xué)內(nèi)容:

7.1噪聲干擾的形成

一、干擾與噪聲

噪聲：任何不希望有的信號，即在有用頻帶內(nèi)的任何不希望出現(xiàn)的干擾。

干擾的來源：系統(tǒng)內(nèi)部干擾；系統(tǒng)外部的干擾

形成干擾的三個條件：干擾源、干擾的耦合通道（耦合方式）、干擾的接收電路。

干擾的耦合方式包括電容性耦合（電路的寄生電容）、互感性耦合、公共地線的耦合、漏電耦合、輻射電磁場耦合等。

信噪比：信號通路中，有用信號功率PS與噪聲功率PN之比，通常用S/N表示，即

在測量過程中應(yīng)盡量提高信噪比，以減少噪聲對測量結(jié)果的影響。

7.1.1噪聲源

1．機(jī)械干擾

機(jī)械干擾是指機(jī)械振動或沖擊使電子檢測裝置中的元件發(fā)生振動，改變了系統(tǒng)的電氣參數(shù)，造成可逆或不可逆的影響。

2．濕度及化學(xué)干擾

當(dāng)環(huán)境相對濕度增加時，物體表面就會附著一層水膜，并滲入材料內(nèi)部，降低了絕緣強(qiáng)度，造成了漏電、擊穿和短路現(xiàn)象；潮濕還會加速金屬材料的腐蝕，并產(chǎn)生原電池電化學(xué)干擾電壓；在較高的溫度下，潮濕還會促使霉菌的生長，并引起有機(jī)材料的霉?fàn)€。

3．固有噪聲干擾

在電路中，電子元件本身產(chǎn)生的、具有隨機(jī)性、寬頻帶的噪聲稱為固有噪聲。最重要的固有噪聲源是電阻熱噪聲、半導(dǎo)體散粒噪聲和接觸噪聲等。固有噪聲可以從喇叭或耳機(jī)中反映出來，但更多的時候是反映在輸出電壓的無規(guī)律跳變上。

4．電、磁噪聲干擾

電磁干擾源分為兩大類：自然界干擾源和人為干擾源，后者是檢測系統(tǒng)的主要干擾源。

（1）自然界干擾源包括地球外層空間的宇宙射電噪聲、太陽耀斑輻射噪聲以及大氣層的天電噪聲。后者的能量頻譜主要集中在30MHz以下，對檢測系統(tǒng)的影響較大。

（2）人為干擾源又可分為有意發(fā)射干擾源和無意發(fā)射干擾源。

7.1.2噪聲的耦合方式

噪聲要引起干擾必須通過一定的耦合通道或傳輸途徑才能對檢測裝置的正常工作造成不良的影響。常見的干擾耦合方式主要有靜電耦合、電磁耦合、共阻抗耦合和漏電流耦合。

1．靜電耦合

2．電磁耦合

3．阻抗耦合

4．漏電流耦合

7.1.3噪聲的干擾模式

1．差模干擾：當(dāng)系統(tǒng)兩個輸入端出現(xiàn)很難避免的不平衡時,共模電壓的一部分將轉(zhuǎn)換為串模干擾

2．共模干擾：如果干擾源對兩根信號傳輸線的干擾大小相等、相位相同,就屬于共模干擾。

7.2硬件抗干擾技術(shù)

7.2.1接地技術(shù)

接地起源于強(qiáng)電技術(shù)，它的本意是接大地，主要著眼于安全。這種地線也稱為“保安地線”。它的接地電阻值必須小于規(guī)定的數(shù)值。

對于儀器、通訊、計(jì)算機(jī)等電子技術(shù)來說，“地線”多是指電信號的基準(zhǔn)電位，也稱為“公共參考端”，它除了作為各級電路的電流通道之外，還是保證電路工作穩(wěn)定、抑制干擾的重要環(huán)節(jié)。它可以接大地，也可以與大地隔絕。

檢測系統(tǒng)中地線的種類：

（1）信號地：指傳感器本身的零電位基準(zhǔn)線。傳感器可看作是測量裝置的信號源，多數(shù)情況下信號較為微弱，通常傳感器安裝在生產(chǎn)設(shè)備現(xiàn)場，而測量裝置設(shè)在離現(xiàn)場一定距離的控制室內(nèi)，從測量裝置的角度看，可以認(rèn)為傳感器的公共參考端就是信號源地線，它必須與測量裝置進(jìn)行正確的連接才能提高整個檢測系統(tǒng)的抗干擾能力。

（2）模擬地：模擬信號的參考點(diǎn)。因?yàn)槟M信號電壓多數(shù)情況下均較弱、易受干擾，易形成級間不希望的反饋，所以模擬信號地線的橫截面積應(yīng)盡量大些。

（3）數(shù)字地：數(shù)字信號的參考點(diǎn)。由于數(shù)字信號處于脈沖工作狀態(tài)，動態(tài)脈沖電流在接地阻抗上產(chǎn)生的壓降往往成為微弱模擬信號的干擾源，為了避免數(shù)字信號對模擬信號的干擾，兩者的地線應(yīng)分別設(shè)置為宜，否則會嚴(yán)重干擾模擬信號的測量結(jié)果。

（4）負(fù)載地：指大功率負(fù)載或感生負(fù)載的地線。負(fù)載的電流一般都比前級信號電流大得多，負(fù)載地線上的電流有可能干擾前級微弱的信號，因此負(fù)載地線必須與其他信號地線分開。例如，若誤將喇叭的負(fù)極（接地線）與擴(kuò)音機(jī)話筒的屏蔽線碰在一起，就相當(dāng)于負(fù)載地線與信號地線合并，可能引起嘯叫。又如當(dāng)負(fù)載是繼電器時，繼電器觸點(diǎn)閉合和斷開的瞬間經(jīng)常產(chǎn)生電火花，容易反饋到前級，造成干擾，因此應(yīng)正確連接。

（5）系統(tǒng)地：整個系統(tǒng)的統(tǒng)一參考電位，該點(diǎn)稱為系統(tǒng)地。

以上5種類型的地線，接地方式有兩種：

單點(diǎn)接地：有串聯(lián)接地和并聯(lián)接地兩種，主要用于低頻系統(tǒng)。

多點(diǎn)接地：高頻系統(tǒng)中，通常采用多點(diǎn)接地方式，各個電路或元件的地線以最短的距離就近連到地線匯流排上。

7.2.2屏蔽技術(shù)

利用金屬材料制成容器，將需要防護(hù)的電路包圍在其中，可以防止電場或磁場耦合干擾的方法稱為屏蔽。

屏蔽可分為靜電屏蔽、低頻磁屏蔽、驅(qū)動屏蔽和電磁屏蔽等幾種。根據(jù)不同的對象，使用不同的屏蔽方式。

1．靜電屏蔽：能防止靜電場的影響，可以消除或削弱兩電路之間由于寄生分布電容耦合而產(chǎn)生的干擾。

2．電磁屏蔽：采用導(dǎo)電性能良好的金屬材料做成屏蔽層，利用高頻干擾電磁場在屏蔽體內(nèi)產(chǎn)生渦流，再利用渦流消耗高頻干擾磁場的能量，從而削弱高頻電磁場的影響。

3．低頻磁屏蔽：電磁屏蔽對低頻磁場干擾的屏蔽效果很差，對低頻磁場的屏蔽，要用導(dǎo)磁材料做屏蔽層，將干擾磁通限制在磁阻很小的磁屏蔽體內(nèi)部，防止其干擾。

4．驅(qū)動屏蔽：就是使被屏蔽導(dǎo)體的電位與屏蔽導(dǎo)體的電位相等，能有效抑制通過寄生電容的耦合干擾。

7.2.3濾波技術(shù)

濾波器是一種允許某一頻帶信號通過，而阻止另一些頻帶通過的電子電路。濾波就是保持需要的頻率成分的振幅不變，盡量減小不必要的頻率成分振幅的一種信號處理方法。

濾波器分為低通濾波器和高通濾波器。

1．低通濾波器

2．高通濾波器

7.3軟件抗干擾技術(shù)

7.3.1數(shù)字濾波

數(shù)字濾波由軟件算法實(shí)現(xiàn)，不需要增加硬件設(shè)備，只要在程序進(jìn)入控制算法之前，附加一段數(shù)字濾波程序。

1．中位值法

2．平均值法

3．限幅濾波

7.3.2軟件冗余技術(shù)

進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)時要考慮到萬一程序“跑飛”，應(yīng)讓其自動恢復(fù)到正常狀態(tài)下運(yùn)行，冗余技術(shù)是常用的方法。常用的冗余技術(shù)主要有指令冗余技術(shù)、數(shù)據(jù)和程序冗余技術(shù)。

7.3.3軟件陷阱技術(shù)

當(dāng)亂飛程序進(jìn)入非程序區(qū)或表格區(qū)時，采用冗余指令使程序入軌條件便不滿足，此時可設(shè)定軟件陷阱。

軟件陷阱，就是用引導(dǎo)指令強(qiáng)行將捕獲到的亂飛程序引向復(fù)位入口地址0000H，在此處將程序轉(zhuǎn)向?qū)ｉT對程序出錯進(jìn)行處理的程序，使程序納入正軌。

7.3.4“看門狗”技術(shù)

計(jì)算機(jī)受到干擾而失控，引起程序亂飛，也可能使程序陷入“死循環(huán)”。當(dāng)指令冗余技術(shù)、軟件陷阱技術(shù)不能使失控的程序擺脫“死循環(huán)”的困境時，通常采用程序監(jiān)視技術(shù)，又稱“看門狗”技術(shù)，使失控的程序擺脫“死循環(huán)”。

“看門狗”技術(shù)既可由硬件實(shí)現(xiàn)，也可由軟件實(shí)現(xiàn)，還可由兩者結(jié)合實(shí)現(xiàn)。

第8章典型非電參量的測試方法

教學(xué)要求

1．了解各種非電量的測量方法。

2．熟悉測量各種非電量的傳感器。

教學(xué)課時10學(xué)時

教學(xué)內(nèi)容：

8.1應(yīng)變的測量

8.1.1簡單受力狀態(tài)的應(yīng)變測量

簡單受力狀態(tài)主要是指只受單向拉伸（壓縮）、只受純彎曲或只受純扭矩的狀態(tài)。

1．單向拉伸（壓縮）時的應(yīng)變測量

2．純彎曲時的應(yīng)變測量

3．只受扭矩時的應(yīng)變測量

8.1.2復(fù)雜受力情況下單向應(yīng)力應(yīng)變測量

1．受彎曲與拉伸（壓縮）時的組合應(yīng)變測量

2．受扭矩、拉伸（壓縮）和彎曲時的組合應(yīng)變測量

8.1.3平面應(yīng)力狀態(tài)的應(yīng)力測量

1.主應(yīng)力方向已知的平面應(yīng)力測量

2．主應(yīng)力方向未知的平面應(yīng)力測量

8.2力及壓力的測量

力的測量方法從大的方面將可分為之間比較法和通過采用傳感器的間接比較法兩類。本節(jié)主要介紹間接比較法。

根據(jù)傳感器的工作原理，常用的力傳感器主要有彈性式、電阻應(yīng)變式力、電容式和電感式等。

8.2.1彈性力傳感器

彈性力傳感器主要用于壓力測量。常用的測力彈性元件主要有布爾登管、膜片和波紋管三類。

1．布爾登管

波登管又叫彈簧管，它是彎成各種形狀的空心管子，一般為C形，彎成270°一端固定，一端自由，截面多為扁圓形或橢圓形。

當(dāng)這種彈性管一側(cè)通入流體有一定壓力時，由于內(nèi)外側(cè)的壓差（外側(cè)一般為大氣壓力），迫使管子的橢圓截面產(chǎn)生趨于變圓的變形，這種變形導(dǎo)致C形、螺線形和螺旋形波登管的自由端產(chǎn)生變位；對于扭轉(zhuǎn)形波登管，輸出運(yùn)動則是自由端的角位移。

2．膜片

懸鏈型膜片是一種受溫度影響較小的膜片結(jié)構(gòu)。

平膜片（等截面薄板）是周邊固定的圓薄板，當(dāng)它的上下兩面受到均勻分布的壓力時，薄板彎向壓力低的一面，并在薄板表面產(chǎn)生應(yīng)力，從而把均布壓力變?yōu)楸“宓奈灰苹驊?yīng)變。將應(yīng)變片貼在薄板表面，可以組成電阻應(yīng)變式壓力傳感器，利用薄板的位移可以組成電容式、霍爾式壓力傳感器。

3．波紋管

可在較低壓力下得到較大的變位。它可測的壓力較低，對于小直徑的黃銅波紋管，最大允許壓力約為1.5兆帕。

8.2.2電阻應(yīng)變式力傳感器

電阻應(yīng)變式力傳感器是根據(jù)應(yīng)變效應(yīng)設(shè)計(jì)制作的力傳感器。應(yīng)變式力傳感器的測量范圍大，可以從1Pa到幾Mpa，且能獲得很高的測量精度。常見的結(jié)構(gòu)形式有筒式、膜片式和組合式等。

1．筒式壓力傳感器

2．膜片式壓力傳感器

3．組合式壓力傳感器

8.2.3其他力傳感器

1．電容式力傳感器

電容式力傳感器就是把力轉(zhuǎn)換成微小位移量的變化，通過測量由于移量變化引起的電容量變化的大小，從而計(jì)算出被測力的大小。

2．電感式力傳感器

電感式力傳感器利用磁性材料和空氣導(dǎo)磁率不同，當(dāng)壓力作用在膜片上靠膜片改變空氣

氣隙大小，去改變固定線圈的電感，通過測量電路把電感的變化轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電壓或電流輸出，通過測量電壓或電流從而計(jì)算出測量力的大小。

電感式力傳感器按磁路特性主要分為變磁阻式和變磁導(dǎo)式兩種

8.3位移的測量

常用位移的測量方法：機(jī)械法、光測法、電測法。

電測法：利用各種傳感器將位移量變換為電量或電參數(shù)，再經(jīng)后接測量儀器進(jìn)一步變換

完成對位移檢測的一種方法。

電測法測量位移常用的傳感器有電阻式、電容式、渦流式、壓電式、感應(yīng)同步式、磁柵式、光電式等。

位移測試傳感系統(tǒng)由傳感器、變換電路、顯示裝置或記錄儀器三部分組成。

8.3.1電阻式位移傳感器

電阻式位移傳感器是把被測位移轉(zhuǎn)換成電阻變化，通過測量電阻值達(dá)到測量位移目的的一種傳感器。

從上式可見，若導(dǎo)體的三個參數(shù)(電阻率、長度L或截面積S)中的一個或數(shù)個發(fā)生變化，則電阻值隨著變化，因此可利用此原理來構(gòu)成傳感器。電位計(jì)和應(yīng)變片就是根據(jù)這一原理制成的。

例如，

——若改變長度L，則可制成電位計(jì)；

——改變L、S則可制成電阻應(yīng)變式

8.3.2電渦流式位移傳感器

根據(jù)法拉第定律，當(dāng)傳感器線圈通以正弦交變電流I1時，線圈周圍空間必然產(chǎn)生正弦交變磁場H1，使置于此磁場中的金屬導(dǎo)體中感應(yīng)電渦流I2，I2又產(chǎn)生新的交變磁場H2。

根據(jù)愣次定律，H2的作用將反抗原磁場H1，由于磁場H2的作用，渦流要消耗一部分能量，導(dǎo)致傳感器線圈的等效阻抗發(fā)生變化。線圈阻抗的變化完全取決于被測金屬導(dǎo)體的電渦流效應(yīng)。

一般講，線圈的阻抗變化與導(dǎo)體的電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率、幾何形狀、線圈的幾何參數(shù)、激勵電流頻率以及線圈到被測導(dǎo)體間的距離有關(guān)。如果保持某些參數(shù)不變，而只改變一個參數(shù)，傳感器線圈阻抗Z就僅僅是這個參數(shù)的單值函數(shù)。通過與傳感器配用的測量電路測出阻抗Z的變化量，即可實(shí)現(xiàn)對該參數(shù)的測量。

用于測量位移的電渦流式傳感器有變間隙型、變面積型和螺管型。

變間隙型電渦流傳感器

變面積型電渦流傳感器

螺管型電渦流傳感器

8.3.3其他位移傳感器

電容式位移傳感器、電感式位移傳感器、感應(yīng)同步器、光柵傳感器、磁柵傳感器和激光干涉儀等，它們主要用于大量程、精密位移的檢測，可實(shí)現(xiàn)動態(tài)測量、自動測量和數(shù)字顯示。

差動變壓器式位移傳感器具有良好的環(huán)境適應(yīng)性，使用壽命長，靈敏度高和分辨率高的特點(diǎn)，是目前位移測量中應(yīng)用最廣的一種互感式傳感器。

8.4振動的測量

振動的測量一般分為兩類：一類是測量機(jī)器和設(shè)備運(yùn)行過程中存在的振動，另一類是對設(shè)備施加某種激勵，使其產(chǎn)生受迫振動，然后對它的振動狀況做檢測。

8.4.1測振傳感器

1．磁電式速度傳感器

2．電感式振動傳感器

3．激光速度傳感器

8.4.2激振方式

振動激勵的方式主要有三類：穩(wěn)態(tài)正弦激振、隨機(jī)激振和瞬間激振。

1．穩(wěn)態(tài)正弦激振：用激振器對被測對象施加一個穩(wěn)定的單一頻率的穩(wěn)態(tài)正弦激振力。

2．隨機(jī)激振：是一種寬帶激振方法。

3．瞬間激振

8.4.3激振器

1．電動式激振器

2．電磁式激振器

3．電液式激振器

8.5流量的測量

8.5.1差壓流量傳感器

8.5.2渦輪流