全套課件：檢測與傳感技術(shù)

1、 檢測技術(shù)基礎(chǔ)檢測技術(shù)基礎(chǔ)1.1測量方法及其分類測量方法及其分類1.2測測 量量 誤誤 差差1.4 傳感器的組成、分類和性能指標(biāo)傳感器的組成、分類和性能指標(biāo) 1.5測測 量量 系系 統(tǒng)統(tǒng)1.31.1 檢測技術(shù)基礎(chǔ) 1.1.1 檢測技術(shù)的概念與作用 1、概念 檢測技術(shù)是人們?yōu)榱藢Ρ粶y對象所包含的信息進(jìn)行定性了解和定量掌握所采取的一系列技術(shù)措施，它是產(chǎn)品檢驗(yàn)和質(zhì)量控制的重要手段。 2、作用 對產(chǎn)品進(jìn)行質(zhì)量評價(jià)；保證大型設(shè)備安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行；對多種參數(shù)進(jìn)行長期動(dòng)態(tài)檢測，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常情況，加強(qiáng)故障預(yù)防，達(dá)到早期診斷的目的，可以避免嚴(yán)重的突發(fā)事故，保證設(shè)備和人員的安全，提高經(jīng)濟(jì)效益；可采用計(jì)算機(jī)來處理檢

2、測信息，進(jìn)行分析、判斷，及時(shí)診斷出故障并自動(dòng)報(bào)警或采取相應(yīng)的對策；也是自動(dòng)化系統(tǒng)中不可缺少的組成部分。 1.1.2 檢測系統(tǒng)的基本組成 一個(gè)完整的檢測系統(tǒng)或裝置通常是由傳感器、測量電路和顯示記錄裝置等幾部分組成，分別完成信息獲取、轉(zhuǎn)換、顯示和處理等功能。 圖圖1-1 1-1 檢測系統(tǒng)組成框圖檢測系統(tǒng)組成框圖 1傳感器 傳感器是把被測量轉(zhuǎn)換成電化學(xué)量的裝置。是檢測系統(tǒng)最重要的環(huán)節(jié)。從傳感器研究的目的出發(fā)，著眼于變換過程的特征，可以將傳感器按輸入量的性質(zhì)分為以下兩種。 （1）參量型傳感器。它的輸出量是電阻、電感、電容等無源電參量，相應(yīng)的有電阻式傳感器、電感式傳感器、電容式傳感器等。 （2）發(fā)電型傳

3、感器。它的輸出是電壓或電流，相應(yīng)的有熱電偶傳感器、光電傳感器、磁電傳感器、壓電傳感器等。 2測量電路 測量電路的作用是將傳感器的輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換成易于傳輸?shù)碾妷夯螂娏餍盘?hào)。通常傳感器輸出信號(hào)微弱時(shí)，就需要由測量電路加以放大，以滿足顯示記錄裝置的要求。 3顯示記錄裝置 顯示記錄裝置是檢測人員和監(jiān)測系統(tǒng)聯(lián)系的主要環(huán)節(jié)，其主要作用是使人們了解被測量的大小或變化的過程。常用的有模擬顯示、數(shù)字顯示和圖像顯示3種。 模擬顯示是利用指針對標(biāo)尺的相對位置來表示被測量的大小，。 數(shù)字顯示則直接以十進(jìn)制數(shù)字形式來顯示讀數(shù)，它可以附加打印機(jī)，打印記錄測量數(shù)值；并且易于和計(jì)算機(jī)連機(jī)。 圖像顯示，如果被測量處于動(dòng)態(tài)變化之中

4、，可以將輸出信號(hào)送至記錄儀，從而描繪出被測量隨時(shí)間變化的曲線。常用的自動(dòng)記錄儀器有筆式記錄儀、光線示波器、磁帶記錄儀等。 1.1.3 檢測技術(shù)的發(fā)展趨勢 科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，為檢測技術(shù)的現(xiàn)代化創(chuàng)造了條件，主要表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面。 （1）人們研究新原理、新材料和新工藝所取得得的成果，將產(chǎn)生更多品質(zhì)優(yōu)良的新型傳感器。 （2）檢測系統(tǒng)或檢測裝置目前正迅速地由模擬式、數(shù)字式向智能化方向發(fā)展。1.2 測量方法及其分類 1.2.1 概述 測量是在有關(guān)理論的指導(dǎo)下，用專門的儀器或設(shè)備，通過實(shí)驗(yàn)和必要的數(shù)據(jù)處理，求得被測量的值。 測量方法的正確與否十分重要，必須根據(jù)不同測量任務(wù)的要求，找出切實(shí)可行的測量方法，

5、然后根據(jù)測量方法選擇合適的測量工具，組成測量裝置，進(jìn)行實(shí)際測量。 測量方法的分類多種多樣，例如，根據(jù)在測量過程中，被測量是否隨時(shí)間變化，可分為靜態(tài)測量和動(dòng)態(tài)測量；根據(jù)測量手段分類，可分為直接測量、間接測量和組合測量；按測量方式分類，可分為偏差式測量、零位式測量和微差式測量等。 1.2.2 直接測量、間接測量和組合測量 1直接測量 用按已知標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)定好的測量儀器，對某一未知量直接進(jìn)行測量，這類測量稱為直接測量。 直接測量的優(yōu)點(diǎn)是測量過程簡單且迅速，是工程技術(shù)中采用較為廣泛的測量方法。 2間接測量 對幾個(gè)被測量有確切函數(shù)關(guān)系的物體物理量進(jìn)行直接測量，然后通過已知函數(shù)關(guān)系的公式、曲線或表格，求出該未知

6、量，這類測量稱為間接測量。 間接測量方法手段較麻煩，多用在實(shí)驗(yàn)室，工程中有時(shí)也用。 3組合測量 在測量中，使各個(gè)未知量以不同的組合形式出現(xiàn)，根據(jù)直接測量和間接測量所得到的數(shù)據(jù)，通過解一組聯(lián)立方程而求出未知量的數(shù)值，這類測量稱為組合測量，又稱聯(lián)立測量。 組合測量的測量過程比較復(fù)雜，但易達(dá)到較高的精度，一般適用于科學(xué)實(shí)驗(yàn)和特殊場合。 1.2.3 偏差式測量法、零位式測量法和微差式測量法 1偏差式測量法 在測量過程中，用儀表指針相對于刻度線的位移（偏差）來直接表示被測量，這種方法稱為偏差式測量法，廣泛應(yīng)用于工程測量。 2零位式測量法 零位式測量法是在測量過程中，用指零儀表的零位指示來檢測測量系統(tǒng)是否

7、處于平衡狀態(tài)，當(dāng)測量系統(tǒng)達(dá)到平衡時(shí)，用已知的基準(zhǔn)量決定被測未知量的量值。例如用電位差計(jì)測量待測電勢。只適用于測量變化緩慢的信號(hào)。它在工程實(shí)踐和實(shí)驗(yàn)室中應(yīng)用很普遍。 3微差式測量法 微差式測量法是綜合了偏差式測量法和零位式測量法的優(yōu)點(diǎn)而提出的一種測量方法，它將被測未知量與已知的標(biāo)準(zhǔn)量進(jìn)行比較，并取出差值，然后用偏差式測量法求出此偏差值。 微差式測量法反應(yīng)快、測量精度高，所以工程測量中已獲得越來越廣泛的應(yīng)用。 1.3 測 量 系 統(tǒng) 1.3.1 測量系統(tǒng)構(gòu)成 測量系統(tǒng)應(yīng)具有對被測對象的特征量進(jìn)行檢測、傳輸、處理及顯示等功能，一個(gè)測量系統(tǒng)是傳感器、變送器（變換器）和其他轉(zhuǎn)換裝置等的有機(jī)組合。圖1-5

8、所示為測量系統(tǒng)組成框圖。 圖圖1-5 1-5 測量系統(tǒng)組成框圖測量系統(tǒng)組成框圖 1、傳感器是感受被測量（物理量、化學(xué)量、生物量等）的大小，并輸出相對應(yīng)的可用輸出信號(hào)（一般多為電量）的器件或裝置。 2、變送器將傳感器輸出的信號(hào)變換成便于傳輸和處理的信號(hào)。 3、傳輸通道將測量系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的輸入、輸出信號(hào)連接起來，通常用電纜連接，或用光纖連接，以用來傳輸數(shù)據(jù)。 4、信號(hào)處理環(huán)節(jié)將傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行處理和轉(zhuǎn)換。也可與計(jì)算機(jī)進(jìn)行連接，以便對測量信號(hào)進(jìn)行信息處理。 5、顯示裝置是將測量信息變成人的器官能接收的形式，以完成監(jiān)視、控制或分析的目的。 1.3.2 開環(huán)測量系統(tǒng)和閉環(huán)測量系統(tǒng) 1開環(huán)測量系統(tǒng) 開環(huán)測

9、量系統(tǒng)的全部信息轉(zhuǎn)換只沿著一個(gè)方向進(jìn)行，如圖1-6所示。其中x是輸入量，y是輸出量，k1、k2、k3為各個(gè)環(huán)節(jié)的傳遞系數(shù)。輸出關(guān)系表示為 y =k1k2k3x 圖圖1-6 1-6 開環(huán)測量系統(tǒng)框圖開環(huán)測量系統(tǒng)框圖 2閉環(huán)測量系統(tǒng) 閉環(huán)測量系統(tǒng)有兩個(gè)通道，一個(gè)正向通道，一個(gè)反饋通道，其結(jié)構(gòu)如圖1-7所示。其中x為正向通道的輸入量，為反饋環(huán)節(jié)的傳遞系數(shù)，正向通道的總傳遞系數(shù)k=k2k3。由圖1-7得系統(tǒng)的輸入輸出關(guān)系為111kkkyxxk 圖圖1-7 1-7 閉環(huán)測量系統(tǒng)框圖閉環(huán)測量系統(tǒng)框圖 顯然，這時(shí)整個(gè)系統(tǒng)的輸入輸出關(guān)系由反饋環(huán)節(jié)的特性決定，放大器等環(huán)節(jié)特性的變化不會(huì)造成測量誤差，或者造成的測

10、量誤差很小。1.4 測 量 誤 差 測量誤差是測得值減去被測量的真值。 1.4.1 測量誤差的表示方法 測量誤差的表示方法有多種，含義各異。 1絕對誤差 絕對誤差可定義為 式中：絕對誤差； X測量值； L真值。XL 絕對誤差可正可負(fù)并有量綱。 采用絕對誤差表示測量誤差，不能很好說明被測質(zhì)量的好壞。所以用相對誤差可以客觀的反映測量的準(zhǔn)確性。 2實(shí)際相對誤差 實(shí)際相對誤差的定義式為 式中：實(shí)際相對誤差，一般用百分?jǐn)?shù)給出； 絕對誤差； L真值。100%L 3引用誤差 引用誤差是儀表中通用的一種誤差表示方法。它是相對于儀表滿量程的一種誤差，即 100%測量范圍的上限測量范圍的下限 式中：引用誤差； 絕

11、對誤差。 儀表的精確等級(jí)是根據(jù)最大引用誤差來決定的。例如，0.5級(jí)表的引用誤差的最大值不超過0.5%；1.0級(jí)表的引用誤差的最大值不超過1%。 4基本誤差 基本誤差是指傳感器或儀表在規(guī)定的條件下所具有的誤差。例如，某傳感器是在電源電壓(220 5)V，電網(wǎng)頻率(50 2)Hz，環(huán)境溫度(20 5)，溫度65% 5%的條件下標(biāo)定的。 5附加誤差 附加誤差是指傳感器或儀表的使用條件偏離額定條件下出現(xiàn)的誤差。例如，溫度附加誤差，頻率附加誤差，電源電壓波動(dòng)附加誤差等。 1.4.2 測量誤差的性質(zhì) 根據(jù)測量數(shù)據(jù)中的誤差所呈現(xiàn)的規(guī)律及產(chǎn)生的原因可將其分為系統(tǒng)誤差、隨機(jī)誤差和粗大誤差。 1隨機(jī)誤差 在同一測

12、量條件下，多次測量被測量時(shí)，其絕對值和符號(hào)以不可預(yù)定方式變化著的誤差稱隨機(jī)誤差。 隨機(jī)誤差表示為 隨機(jī)誤差 ixx 式中：xi被測量的某一個(gè)測量值； 重復(fù)性條件下無限多次的測量值的平均值，即 12()nxxxxnn x 由于重復(fù)測量實(shí)際上只能測量有限次，因此實(shí)用中的隨機(jī)誤差只是一個(gè)近似估計(jì)值。 2系統(tǒng)誤差 在同一測量條件下，多次測量被測量時(shí)，絕對值和符號(hào)保持不變，或在條件改變時(shí)，按一定規(guī)律（如線性、多項(xiàng)式、周期性等函數(shù)規(guī)律）變化的誤差稱為系統(tǒng)誤差。前者為恒值系統(tǒng)誤差，后者為變值系統(tǒng)誤差。 它可表示為系統(tǒng)誤差 式中：L測量的真值。xL 3粗大誤差 超出在規(guī)定條件下預(yù)期的誤差稱為粗大誤差，粗大誤差

13、又稱為疏忽誤差。 所以進(jìn)行誤差分析時(shí)，要估計(jì)的誤差只有系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差兩類。1.5 傳感器的組成、分類和性能 指標(biāo) 1.5.1 傳感器的組成 傳感器由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成，如圖1-8所示。 敏感元件 指傳感器中能直接感受或響應(yīng)被測量的部分。 轉(zhuǎn)換元件 指傳感器中能將敏感元件感受或響應(yīng)的被測量轉(zhuǎn)換成適于傳輸或測量的電信號(hào)部分。 信號(hào)調(diào)理與轉(zhuǎn)換電路 對信號(hào)進(jìn)行放大、運(yùn)算調(diào)制等，此外信號(hào)調(diào)理轉(zhuǎn)換電路以及傳感器的工作必須有輔助電源。 1.5.2 傳感器的分類 傳感器的種類很多，其分類方法如表1-1所示。 分分 類類 法法型型 式式說說 明明按基本效應(yīng)按基本效應(yīng)物理型、化學(xué)型、生物型物理型、化學(xué)型、

14、生物型分別以轉(zhuǎn)換中的物理效應(yīng)、化學(xué)效分別以轉(zhuǎn)換中的物理效應(yīng)、化學(xué)效應(yīng)等命名應(yīng)等命名按構(gòu)成原理按構(gòu)成原理結(jié)構(gòu)型結(jié)構(gòu)型以轉(zhuǎn)換原件結(jié)構(gòu)參數(shù)變化實(shí)現(xiàn)信號(hào)以轉(zhuǎn)換原件結(jié)構(gòu)參數(shù)變化實(shí)現(xiàn)信號(hào)的轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換物性型物性型以轉(zhuǎn)換元件物理特性變化實(shí)現(xiàn)信號(hào)以轉(zhuǎn)換元件物理特性變化實(shí)現(xiàn)信號(hào)的轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換按輸入量按輸入量位移、壓力、溫度、流量、加速度位移、壓力、溫度、流量、加速度等等以被測量（即按用途分類）以被測量（即按用途分類）按工作原理按工作原理電阻式、熱電式、光電式等電阻式、熱電式、光電式等以傳感器轉(zhuǎn)換信號(hào)的工作原理命名以傳感器轉(zhuǎn)換信號(hào)的工作原理命名按能量關(guān)系按能量關(guān)系能量轉(zhuǎn)換型（自然型）能量轉(zhuǎn)換型（自然型）傳感器輸出量直

15、接由被測量能量轉(zhuǎn)傳感器輸出量直接由被測量能量轉(zhuǎn)換而得換而得能量轉(zhuǎn)換型（外源型）能量轉(zhuǎn)換型（外源型）傳感器輸出量能量由外源供給，但傳感器輸出量能量由外源供給，但受被測輸入量控制受被測輸入量控制按輸出信按輸出信號(hào)形式號(hào)形式模擬式模擬式輸出為模擬信號(hào)輸出為模擬信號(hào)數(shù)字式數(shù)字式輸出為數(shù)字信號(hào)輸出為數(shù)字信號(hào)表表1-11-1傳感器的分類傳感器的分類 1.5.3 傳感器的靜態(tài)特性 傳感器的靜態(tài)特性是指被測量的值處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的輸入與輸出的關(guān)系。 傳感器的靜態(tài)特性可用一組性能指標(biāo)來描述，如靈敏度、遲滯、線性度、重復(fù)性、精度和漂移等。 1靈敏度 靈敏度是輸入量y與引起輸入量增量y的相應(yīng)輸入量增量x之比。用S表示

16、靈敏度，即 （1-15） 很顯然，靈敏度值越大表示傳感器越靈敏。ySx 2線性度 傳感器的線性度是指傳感器的輸出與輸入之間數(shù)量關(guān)系的線性程度。可用擬合直線近似地代表實(shí)際曲線的一段，使傳感器輸入輸出特性線性變化。 傳感器的線性度是指在全程測量范圍內(nèi)實(shí)際特性曲線與擬合直線之間的最大偏差值Lmax與滿量程輸出值YFS之比。線性度也稱為非線性誤差，用L表示，即maxFS100%LLY 式中：Lmax最大非線性絕對誤差；YFS滿量程輸入值。 選取擬合直線的方法很多：理論擬合、過零旋轉(zhuǎn)擬合、端殿連線擬合和端點(diǎn)平移擬合。 3遲滯 傳感器在輸入量由小到大（正行程）及輸入量由大到?。ǚ葱谐蹋┳兓陂g其輸入輸出特

17、性曲線不重合的現(xiàn)象為遲滯，對于同樣的輸入信號(hào)傳感器的正反行程輸出信號(hào)大小不等，這個(gè)差值稱為遲滯差值。傳感器在全量程范圍內(nèi)最大遲滯差值與滿量程輸出值之比稱為遲滯誤差，用H表示，即maxHFS100%HY 4重復(fù)性 重復(fù)性是指傳感器在輸入量按同一方向作全量程連續(xù)多次變化時(shí)，所得特性曲線不一致的程度。 5漂移 傳感器的漂移是指在輸入量不變的情況下，傳感器輸出量隨時(shí)間變化，此現(xiàn)象稱為漂移。產(chǎn)生漂移的原因有兩個(gè)方面：一是傳感器的自身結(jié)構(gòu)參數(shù)；二是周圍環(huán)境（如溫度、濕度等）。 6精度 精度是評價(jià)系統(tǒng)的優(yōu)良程度。精度分為準(zhǔn)確度和精密度。 準(zhǔn)確度就是測量值對于真值的偏離程度。精密度就是測量相同對象每次測量也會(huì)

18、得到不同的值，即離散偏差。 本 章 小 結(jié) （1）測量的概念。測量系統(tǒng)包括開環(huán)測量系統(tǒng)和閉環(huán)測量系統(tǒng)。 （2）測量方法：直接測量、間接測量和組合測量；偏差式測量法、零位式測量法和微差式測量法。 （3）測量誤差。誤差的表示方法：絕對誤差、相對誤差、基本誤差、附加誤差和引用誤差；誤差的性質(zhì)：系統(tǒng)誤差、隨機(jī)誤差和粗大誤差。 （4）傳感器的組成：敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和信號(hào)調(diào)理轉(zhuǎn)換電路；傳感器的分類。 （5）傳感器的靜態(tài)指標(biāo)：靈敏度、遲滯、線性度、重復(fù)性和漂移。 思考題和習(xí)題 1-1 什么叫傳感器？它由哪幾部分組成？ 它們的相互作用及相互關(guān)系如何？ 1-2 什么是傳感器的靜態(tài)特性？它有哪些 性能指標(biāo)？分別

19、說明這些指標(biāo)的含義。 1-3 什么是測量值的絕對誤差、相對誤差、 引用誤差？ 1-4 什么是測量誤差？測量誤差有幾種表 示方法？它們通常適用于什么場合？ 1-5 什么是隨機(jī)誤差？產(chǎn)生隨機(jī)誤差的原 因是什么？如何減小隨機(jī)誤差對測量 結(jié)果的影響？ 1-6 什么是系統(tǒng)誤差？系統(tǒng)誤差可分為哪 幾類？系統(tǒng)誤差有哪些檢驗(yàn)方法？如 何減小和消除系統(tǒng)誤差？ 1-7 什么是粗大誤差？如何判斷測量數(shù)據(jù) 中存在的粗大誤差？ 1-8 什么是間接測量、直接測量和組合測 量？ 第2章 應(yīng)變式傳感器 工工 作作 原原 理理2.1應(yīng)變片的種類、材料及粘貼應(yīng)變片的種類、材料及粘貼2.2電阻應(yīng)變片的測量電路電阻應(yīng)變片的測量電路2

20、.3應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用2.4 電阻應(yīng)變式傳感器是利用電阻應(yīng)變片將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻變化的傳感器，當(dāng)被測物理量作用在彈性元件上時(shí)，彈性元件的變形引起應(yīng)變敏感元件的阻值變化，通過轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)變成電量輸出，電量變化的大小反映了被測物理量的大小。2.1 工 作 原 理 2.1.1 應(yīng)變效應(yīng) 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(shí)，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)”。 2.1.2 工作原理分析 當(dāng)電阻絲受到拉力F作用時(shí)，將伸長l，橫截面積相應(yīng)減小A，電阻率因材料晶格發(fā)生變形等因素影響而改變了d，從而引起電阻值相對變化量為ddddRlARlA dl/l為長度相對變化量即應(yīng)變

21、， dd2ArAr 軸向應(yīng)變和徑向應(yīng)變的關(guān)系可表示為ddrlrl 式中：電阻絲材料的泊松比，負(fù)號(hào)表示應(yīng)變方向相反。 dd(12 )RR 通常，把單位應(yīng)變能引起的電阻值變化稱為電阻絲的靈敏系數(shù)。其表達(dá)式為 dd12RRK 靈敏系數(shù)K受兩個(gè)因素影響： 應(yīng)變片受力后材料幾何尺寸的變化，即1+2； 應(yīng)變片受力后材料的電阻率發(fā)生的變化，即（d/）/。 對金屬材料來說，電阻絲靈敏度系數(shù)表達(dá)式中1+2的值要比（d/）/大得多，而半導(dǎo)體材料的（d/）/項(xiàng)的值比1+2大得多。 2.1.3壓阻效應(yīng) 半導(dǎo)體材料，當(dāng)某一軸向受外力作用時(shí)，其電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象。 d/為半導(dǎo)體應(yīng)變片的電阻率相對變化量，其值與半導(dǎo)體敏感

22、元件在軸向所受的應(yīng)變力有關(guān)，其關(guān)系為d E 上式中：半導(dǎo)體材料的壓阻系數(shù)； 半導(dǎo)體材料的所受應(yīng)變力； E半導(dǎo)體材料的彈性模量；半導(dǎo)體材料的應(yīng)變。 半導(dǎo)體應(yīng)變片的靈敏系數(shù)為 dRRKE 半導(dǎo)體應(yīng)變片的靈敏系數(shù)比金屬絲式高5080倍，但半導(dǎo)體材料的溫度系數(shù)大，應(yīng)變時(shí)非線性比較嚴(yán)重，使它的應(yīng)用范圍受到一定的限制。 用應(yīng)變片測量應(yīng)變或應(yīng)力時(shí)，在外力作用下，被測對象產(chǎn)生微小機(jī)械變形，應(yīng)變片隨著發(fā)生相同的變化，同時(shí)應(yīng)變片電阻值也發(fā)生相應(yīng)變化。當(dāng)測得應(yīng)變片電阻值變化量為R時(shí)，便可得到被測對象的應(yīng)變值，應(yīng)力值為E 由此可知，應(yīng)力值正比于應(yīng)變，而試件應(yīng)變正比于電阻值的變化，所以應(yīng)力正比于電阻值的變化，這就是利用

23、應(yīng)變片測量應(yīng)變的基本原理。 2.2 應(yīng)變片的種類、材料及粘貼 2.2.1 金屬電阻應(yīng)變片的種類 1、金屬電阻應(yīng)變片組成 敏感柵、 基片、覆蓋層和引線等部分組成。 2.2.2 金屬電阻應(yīng)變片的材料 電阻絲材料應(yīng)有如下要求： （1）靈敏系數(shù)大，且在相當(dāng)大的應(yīng)變范圍內(nèi)保持常數(shù)； （2）值大，即在同樣長度、同樣橫截面積的電阻絲中具有較大的電阻值； （3）電阻溫度系數(shù)小，否則因環(huán)境溫度變化也會(huì)改變其阻值； （4）與銅線的焊接性能好，與其他金屬的接觸電勢?。?（5）機(jī)械強(qiáng)度高，具有優(yōu)良的機(jī)械加工性能。 2.2.3 金屬電阻應(yīng)變片的粘貼 應(yīng)變片是用粘結(jié)劑粘貼到被測件上的。 常用的粘結(jié)劑類型有硝化纖維素型、氰

24、基丙烯酸型、聚酯樹脂型、環(huán)氧樹脂型和酚醛樹脂型等。 2.2.4 應(yīng)變片的溫度誤差及補(bǔ)償 1應(yīng)變片的溫度誤差 （1）電阻溫度系數(shù)的影響。敏感柵的電阻絲阻值隨溫度變化的關(guān)系可表示為 當(dāng)溫度變化t時(shí)，電阻絲電阻的變化值為 t00(1)RRtt000RRRRt （2）試件材料和電阻絲材料的線膨脹系數(shù)的影響。當(dāng)試件與電阻絲材料的線膨脹系數(shù)相同時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生附加 變形。 當(dāng)試件與電阻絲材料的線膨脹系數(shù)不同時(shí)，由于環(huán)境溫度的變化，電阻絲會(huì)產(chǎn)生附加變形，從而產(chǎn)生附加電阻變化。 2電阻應(yīng)變片的溫度補(bǔ)償方法 （1）線路補(bǔ)償法。電橋補(bǔ)償是最常用且效果較好的線路補(bǔ)償。 測量應(yīng)變時(shí)，工作應(yīng)變片R1粘貼在被測試件表面上，補(bǔ)

25、償應(yīng)變片RB粘貼在與被測試件材料完全相同的補(bǔ)償塊上，且僅工作應(yīng)變片承受應(yīng)變，如圖2-4（b）所示。 當(dāng)被測試件不承受應(yīng)變時(shí)，R1和RB又處于同一環(huán)境溫度為的溫度場中，調(diào)整電橋參數(shù)使之達(dá)到平衡，此時(shí)有 Uo = A(R1R4 RBR3) = 0 （2-24） 圖圖2-4 2-4 電橋補(bǔ)償法電橋補(bǔ)償法 一般按R1 = RB = R3 = R4選取橋臂電阻。當(dāng)溫度升高或降低t = t t0時(shí)，兩個(gè)應(yīng)變片因溫度相同而引起的電阻變化量相等，電橋仍處于平衡狀態(tài)，即 （2-25）o11t4BBt3()()0UA RRRRRR 若此時(shí)被測試件有應(yīng)變的作用，則工作應(yīng)變片電阻R1有新的增量R1 = R1K，而補(bǔ)償

26、片因不承受應(yīng)變，故不產(chǎn)生新的增量，此時(shí)電橋輸出電壓為 Uo = AR1R4K （2-26） （2）應(yīng)變片的自補(bǔ)償法。這種溫度補(bǔ)償法是利用自身具有溫度補(bǔ)償作用的應(yīng)變片（稱之為溫度自補(bǔ)償應(yīng)變片）來補(bǔ)償?shù)摹?.3 電阻應(yīng)變片的測量電路 2.3.1 直流電橋 1直流電橋平衡條件 電橋電路如圖2-5所示，圖中E為電源電壓，R1、R2、R3及R4為橋臂電阻，RL為負(fù)載電阻。31o1234RRUERRRR 當(dāng)電橋平衡時(shí)，Uo = 0，則 這說明欲使電橋平衡，其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。1423R RR R 2電壓靈敏度 設(shè)橋臂比n = R2 / R1，由于R1R1，分母中R1 /

27、 R1可忽略，并考慮到平衡條件R2 / R1 = R4 / R3，則 1o21(1)RnUERn 電橋電壓靈敏度定義為oU211(1)UnKERnR 分析上式可得： （1）電橋電壓靈敏度正比于電橋供電電壓，供電電壓越高。 （2）電橋電壓靈敏度是橋臂電阻比值n的函數(shù)，恰當(dāng)?shù)剡x擇橋臂比n的值，保證電橋具有較高的電壓靈敏度。 當(dāng)n = 1時(shí)，KU為最大值。R1 = R2 = R3 = R4，電橋電壓靈敏度最高，此時(shí)單臂電橋有： 1o14REURU4EK 3非線性誤差及其補(bǔ)償方法與R1/R1的關(guān)系是非線性的，非線性誤差為 1oo1L1o11RUURRUnR 為了減小和克服非線性誤差，常采用差動(dòng)電轎如下

28、圖2-6所示，在試件上安裝兩個(gè)工作應(yīng)變片，一個(gè)受拉應(yīng)變，一個(gè)受壓應(yīng)變，構(gòu)成半橋電路，如圖2-6（a）所示。該電橋輸出電壓為 （2-39）311o112234RRRUERRRRRR 圖圖2-6 2-6 差動(dòng)電橋差動(dòng)電橋 若R1 = R2，R1 = R2，R3 = R4，則得半橋輸出電壓為 （2-40）1o12REUR 由式（2-40）可知，Uo與R1/R1成線性關(guān)系，差動(dòng)電路無非線性誤差，而且電橋電壓靈敏度KU = E/2，是單臂工作時(shí)的兩倍，同時(shí)還具有溫度補(bǔ)償作用。 若將電橋四臂接入4片應(yīng)變片，如圖2-6（b）所示，即兩個(gè)受拉應(yīng)變，兩個(gè)受壓應(yīng)變，將兩個(gè)應(yīng)變符號(hào)相同的接入相對橋臂上，構(gòu)成全橋差動(dòng)

29、電路。若R1 = R2 = R3 = R4，且R1 = R2 = R3 = R4，則全橋輸出電壓為： （2-41） KU = E （2-42）1o1RUER 此時(shí)全橋差動(dòng)電路不僅沒有非線性誤差，而且電壓靈敏度為單片工作時(shí)的4倍，同時(shí)仍具有溫度補(bǔ)償作用。 2.3.2 交流電橋 根據(jù)直流電橋分析可知，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，引線分布電容使得二橋臂應(yīng)變片呈現(xiàn)復(fù)阻抗特性。 圖圖2-7 2-7 交流電橋交流電橋 1111222233441j1jRZR CRZR CZRZR 由交流電路分析可得 1423o1234()()Z ZZ Z

30、UUZZZZ 要滿足電橋平衡條件，即Uo = 0，則 Z1Z4 = Z2Z3 對這種交流電容電橋，除要滿足電阻平衡條件外，還必須滿足電容平衡條件。 2.4 應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用 2.4.1 柱（筒）式力傳感器 被測物理量為荷重或力的應(yīng)變式傳感器時(shí)，統(tǒng)稱為應(yīng)變式力傳感器。其主要用途是作為各種電子稱與材料試驗(yàn)機(jī)的測力元件、發(fā)動(dòng)機(jī)的推力測試、水壩壩體承載狀況監(jiān)測等。 圖2-9（a）、（b）所示分別為柱式、筒式力傳感器，應(yīng)變片粘貼在彈性體外壁應(yīng)力分布均勻的中間部分，對稱地粘貼多片，電橋連線時(shí)考慮盡量減小載荷偏心和彎矩影響。 貼片在圓柱面上的展開位置及其在橋路中的連接如圖2-9（c）、（d）所示，R1和R

31、3串接，R2和R4串接，并置于橋路對臂上，以減小彎矩影響，橫向貼片R5和R7串接，R6和R8串接，作溫度補(bǔ)償時(shí)，接于另兩個(gè)橋臂上。 圖圖2-9 2-9 圓柱（筒）式力傳感器圓柱（筒）式力傳感器 2.4.2 應(yīng)變式壓力傳感器 應(yīng)變式壓力傳感器主要用來測量流動(dòng)介質(zhì)的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)壓力，如動(dòng)力管道設(shè)備的進(jìn)出口氣體或液體的壓力、發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的壓力、槍管及炮管內(nèi)部的壓力、內(nèi)燃機(jī)管道的壓力等。 應(yīng)變片壓力傳感器大多采用膜片式或筒式彈性元件。 2.4.3 應(yīng)變式容器內(nèi)液體重量傳感器 圖2-11所示為插入式測量容器內(nèi)液體重量的傳感器示意圖。該傳感器有一根傳壓桿，上端安裝微壓傳感器安裝了兩只。下端安裝感壓膜，感壓膜感

32、受上面液體的壓力。 當(dāng)容器中溶液增多時(shí)，感壓膜感受的壓力就增大。將其上兩個(gè)傳感器Rt的電橋接成正向串接的雙電橋電路，此時(shí)輸出電壓為 （2-52）o1212()UUUKKh g 式中：K1，K2傳感器傳輸系數(shù)。 由于hg表征著感壓膜上面液體的重量，對于等截面的柱式容器，則 （2-53）Qh gA 式中：Q容器內(nèi)感壓膜上面溶液的重量； A柱形容器的截面積。 將上兩式聯(lián)立，得到容器內(nèi)感壓膜上面溶液重量與電橋輸出電壓之間的關(guān)系式為 （2-54）12oKKQUA 圖圖2-11 2-11 應(yīng)變片容器內(nèi)液體重量傳感器應(yīng)變片容器內(nèi)液體重量傳感器 上式表明，電橋輸出電壓與柱式容器內(nèi)感壓膜上面溶液的重量成線性關(guān)系

33、，因此用此種方法可以測量容器內(nèi)儲(chǔ)存的溶液重量。 2.4.4 應(yīng)變式加速度傳感器 應(yīng)變式加速度傳感器主要用于物體加速度的測量。 圖2-12所示是應(yīng)變片式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖，圖中1是等強(qiáng)度梁，自由端安裝質(zhì)量塊2，另一端固定在殼體3上。等強(qiáng)度梁上粘貼4個(gè)電阻應(yīng)變敏感元件4。為了調(diào)節(jié)振動(dòng)系統(tǒng)阻尼系數(shù)，在殼體內(nèi)充滿硅油。 圖圖2-12 2-12 電阻應(yīng)變式加速度傳感器結(jié)構(gòu)圖電阻應(yīng)變式加速度傳感器結(jié)構(gòu)圖 測量時(shí)，將傳感器殼體與被測對象剛性連接，當(dāng)被測物體以加速度運(yùn)動(dòng)時(shí)，質(zhì)量塊受到一個(gè)與加速度方向相反的慣性力作用，使懸臂梁變形，該變形被粘貼在懸臂梁上的應(yīng)變片感受到并隨之產(chǎn)生應(yīng)變，從而使應(yīng)變片的電阻發(fā)生

34、變化。電阻的變化產(chǎn)生輸出電壓，即可得出加速度值的大小。 應(yīng)變片加速度傳感器不適用于頻率較高的振動(dòng)和沖擊場合，一般適用頻率為1060Hz范圍。 2.4.5 半導(dǎo)體力敏應(yīng)變片在電子皮帶秤上的應(yīng)用 荷重傳感器是皮帶秤的關(guān)鍵組成部件，采用半導(dǎo)體力敏應(yīng)變片作為敏感元件，這種傳感器靈敏度可達(dá)710mV/kg，額定壓力為5kg的荷重傳感器可輸出50mV左右。電子皮帶秤工作原理如圖2-13所示。 1電磁振動(dòng)給料機(jī)；電磁振動(dòng)給料機(jī)；2物料；物料；3秤架；秤架；4力敏荷重傳感器（包括放大器）；力敏荷重傳感器（包括放大器）；5支點(diǎn)；支點(diǎn)；6減速電機(jī)；減速電機(jī)；7環(huán)行皮帶；環(huán)行皮帶；8料倉料倉圖圖2-13 電子皮帶秤

35、工作原理示意圖電子皮帶秤工作原理示意圖 當(dāng)未給料時(shí)，整個(gè)皮帶秤重量通過調(diào)節(jié)秤架上的平衡錘使之自重基本作用在支點(diǎn)5上，僅留很小一部分壓力作為傳感器預(yù)壓力。當(dāng)電磁振動(dòng)機(jī)開始給料時(shí)，通過皮帶運(yùn)動(dòng)，使物料平鋪在皮帶上。此時(shí)皮帶上物料重量一部分通過支點(diǎn)傳到基座，另一部分作用于傳感器上。 設(shè)每米物料重量為P，則傳感器受力為F，F(xiàn) = CP（C為系數(shù)，取決于傳感器距支點(diǎn)的距離）。當(dāng)傳感器受力后，傳感器中的彈性元件將產(chǎn)生變形，因此，粘貼于彈性元件上的力敏應(yīng)變電橋就有電壓信號(hào)U輸出，其值為RUUR 式中：U應(yīng)變電橋的電源電壓； R/R應(yīng)變片的相對變化。 當(dāng)U和R恒定時(shí)，U與受力成正比。因此U與P成正比。在皮帶速

36、度V不變時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)皮帶上物料流量為Q = PV，即Q與P成正比。所以測量U的大小就間接地測量Q的大小。 本 章 小 結(jié) （1）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(shí)，其電阻值相應(yīng)發(fā)生變化的現(xiàn)象。 （2）應(yīng)變式傳感器的結(jié)構(gòu)：敏感柵、基片、覆蓋層和引線；應(yīng)變式傳感器分類及工作原理。 （3）應(yīng)變片的材料及粘貼。 （4）應(yīng)變片的溫度誤差：電阻溫度系數(shù)的影響、試件材料和電阻絲材料的線膨脹系數(shù)的影響；補(bǔ)償方法：線路補(bǔ)償法、自補(bǔ)償法。 （5）應(yīng)變式傳感器的測量電路：直流電橋、單臂電橋、半橋和全橋。 （6）應(yīng)變式傳感器在工程中的應(yīng)用。 思考題和習(xí)題 2-1 什么叫應(yīng)變效應(yīng)?利用應(yīng)變效應(yīng)

37、解釋 金屬電阻應(yīng)變片的工作原理。 2-2 試述應(yīng)變片溫度誤差的概念、產(chǎn)生原 因和補(bǔ)償辦法。 2-3 什么是直流電橋？若按不同的橋臂工 作方式分類，可分為哪幾種？各自的 輸出電壓如何計(jì)算？ 2-4 擬在等截面的懸臂梁上粘貼4個(gè)完全相 同的電阻應(yīng)變片，并組成差動(dòng)全橋電 路，試問： 4個(gè)應(yīng)變片應(yīng)怎樣粘貼在懸臂梁上？ 畫出相應(yīng)的電橋電路圖。 2-5 圖2-5為一直流應(yīng)變電橋。圖中E = 4V，R1 = R2 = R3 = R4 = 120，試 求： R1為金屬應(yīng)變片，其余為外接電阻，當(dāng)R1的增量為R1 = 1.2時(shí)，電橋輸出電壓Uo為多少？ R1、R2都是應(yīng)變片，且批號(hào)相同，感應(yīng)應(yīng)變的極性和大小都相同

38、，其余為外接電阻，電橋輸出電壓Uo為多少？ 題中，如果R2與R1感受應(yīng)變的極性相反，且R1 = R2 = 1.2，電橋輸出電壓Uo為多少？ 2-6 圖2-14為等強(qiáng)度梁測力系統(tǒng)，R1為電 阻應(yīng)變片，應(yīng)變片靈敏系數(shù) K= 2.05，未受應(yīng)變時(shí)，R1 = 120。 當(dāng)試件受力F時(shí)，應(yīng)變片承受平均應(yīng) 變 = 800m/m，試求： 應(yīng)變片電阻變化量R1及電阻相對變化量R1/R1。 將電阻應(yīng)變片R1置于單臂測量電橋，電橋電源電壓為直流3V，求電橋輸出電壓及電橋非線性誤差。 若要減小非線性誤差，應(yīng)采取何種措施?分析其電橋輸出電壓及非線性誤差大小。 2-7 在題2-6條件下，如果試件材質(zhì)為合 金鋼，線膨脹系

39、數(shù)g = 11 106/，電阻應(yīng)變片敏感柵材質(zhì)為康銅，其電阻溫度系數(shù) = 15 106/，線膨漲系數(shù)s = 14.9 106/。當(dāng)傳感器的環(huán)境溫度從10變化到50時(shí)，所引起的附加電阻相對變化量(R/R)t為多少?折合成附加應(yīng)變t為多少? 實(shí)訓(xùn)1 半導(dǎo)體應(yīng)變片單臂電橋的測試 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?（1）觀察了解應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)及粘貼方式。 （2）測試應(yīng)變梁變形的應(yīng)變輸出，進(jìn)一步理解應(yīng)變式傳感器的工作原理。 二、實(shí)驗(yàn)所需部件 直流穩(wěn)壓電源、電橋、差動(dòng)放大器、半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)、測微頭、電壓表。 三、實(shí)驗(yàn)原理 由于半導(dǎo)體材料的“壓阻效應(yīng)”特別明顯，可以反映出很微小的形變，當(dāng)電橋的一個(gè)橋臂換成半導(dǎo)體應(yīng)變片后，就構(gòu)成單臂

40、電橋，當(dāng)相鄰兩橋臂換成受力方向相反的應(yīng)變片時(shí)，即可構(gòu)成半橋。若應(yīng)變片不受力時(shí)，4個(gè)橋臂電阻構(gòu)成的電橋在電位計(jì)WD調(diào)節(jié)下能夠達(dá)到平衡狀態(tài)，即輸出為零，若懸臂梁受力，則電橋輸出不再為零，且隨受力的增加而增大。 四、實(shí)驗(yàn)步驟圖2-15 （1）差動(dòng)放大器調(diào)零：將差動(dòng)放大器的兩輸入端接地，增益調(diào)節(jié)適當(dāng)，輸出端接地，調(diào)節(jié)調(diào)零旋鈕使輸出為0。 （2）按圖2-15接線，電橋中R1為半導(dǎo)體應(yīng)變片，其余電阻為固定電阻。 （3）調(diào)節(jié)電橋平衡：懸臂梁不受力時(shí)，電壓表讀數(shù)應(yīng)該為0，若不為0時(shí)，調(diào)節(jié)電位器WD使電橋輸出為0。 （4）旋轉(zhuǎn)測微頭，帶動(dòng)懸臂梁分別作向上和向下的運(yùn)動(dòng)，以水平狀態(tài)下的輸出為零，向上和向下各移動(dòng)4m

41、m，每移動(dòng)0.5mm記錄一個(gè)數(shù)據(jù)，填入表2-2中。 （5）用測出V，X值，畫出VX曲線，求出靈敏度。 位移位移/mm/mm0 00.50.51.01.01.51.52.02.02.52.53.03.03.53.54.04.0電壓電壓/V/V電壓電壓/V/V表表2-22-2 數(shù)據(jù)記錄表數(shù)據(jù)記錄表 第3章 電容式傳感器 電容式傳感器的工作原理和結(jié)構(gòu)電容式傳感器的工作原理和結(jié)構(gòu)3.1成成電容式傳感器的測量電路電容式傳感器的測量電路3.2電容式傳感器的應(yīng)用電容式傳感器的應(yīng)用3.33.1 電容式傳感器的工作原理 和結(jié)構(gòu) 由絕緣介質(zhì)分開的兩個(gè)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 AC

42、d 式中：電容極板間介質(zhì)的介電常數(shù)，=0r ，其中0為真空介電常數(shù)，r極板間介質(zhì)的相對介電常數(shù)； A兩平行板正對面積； d兩平行板之間的距離。 如果保持其中兩個(gè)參數(shù)不變，而僅改變其中一個(gè)參數(shù)，就可把該參數(shù)的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化，通過測量電路就可以轉(zhuǎn)換為電量輸出。因此，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3種。 3.1.1 變極距型電容傳感器 當(dāng)傳感器的r和A為常數(shù)，初始極距為d0時(shí)，其初始電容量C0為 0000rACd 若電容器極板間距離由初始值d0縮小了d，電容量增大了C，則有000002000111rdCACdCCCdddddd （）- 傳感器的輸出特性不是線性關(guān)系，而是曲

43、線關(guān)系。 若d/ d0M2，因而e2a增加，而e2b減小。反之，e2b增加，e2a減小。因?yàn)閁o=e2ae2b，所以當(dāng)e2a、e2b 隨著銜鐵位移x變化時(shí)，Uo也必將隨x而變化。 1差動(dòng)整流電路 差動(dòng)整流電路還可以接成全波電壓輸出和全波電流輸出的形式。 差動(dòng)整流電路具有結(jié)構(gòu)簡單，根據(jù)差動(dòng)輸出電壓的大小和方向就可以判斷出被測量（如位移）的大小和方向，不需要考慮相位調(diào)整和零點(diǎn)殘余電壓的影響，分布電容影響小，便于遠(yuǎn)距離傳輸，因而獲得廣泛的應(yīng)用。 2相敏檢波電路 相敏檢波電路要求比較電壓與差動(dòng)變壓器二次輸出電壓頻率相同，相位相同或相反。為了保證這一點(diǎn)，通常在電路中接入移相電路。另外，由于比較電壓在檢波

44、電路中起開關(guān)作用，因此其幅值應(yīng)盡可能大，一般應(yīng)為信號(hào)電壓的35倍。 圖4-13中RP1為電橋調(diào)零電位器。對于小位移測量，由于輸出信號(hào)小，在電路中還要接入放大器。此外，交流電橋也是常用的測量電路。 4.2.3 差動(dòng)變壓器式傳感器的應(yīng)用 差動(dòng)變壓器式傳感器可以直接用于位移測量，也可以測量與位移有關(guān)的任何機(jī)械量，如振動(dòng)、加速度、應(yīng)變、比重、張力和厚度等。 差動(dòng)變壓器式加速度傳感器的原理。它由懸臂梁和差動(dòng)變壓器構(gòu)成。測量時(shí)，將懸臂梁底座及差動(dòng)變壓器的繞組骨架固定，而將銜鐵的A端與被測振動(dòng)體相連，此時(shí)傳感器作為加速度測量中的慣性元件，它的位移與被測加速度成正比，使加速度測量轉(zhuǎn)變?yōu)槲灰频臏y量。當(dāng)被測體帶動(dòng)

45、銜鐵以x(t)振動(dòng)時(shí)，導(dǎo)致差動(dòng)變壓器的輸出電壓也按相同規(guī)律變化。4.3 電渦流式傳感器4.3.1 電渦流式傳感器的工作原理 1、電渦流效應(yīng) 塊狀金屬導(dǎo)體置于變化磁場中或在磁場中作切割磁力線運(yùn)動(dòng)時(shí)，金屬導(dǎo)體內(nèi)將會(huì)產(chǎn)生旋渦狀的感應(yīng)電流，該現(xiàn)象稱為電渦流效應(yīng)。 2、應(yīng)用 利用電渦流傳感器可以實(shí)現(xiàn)對位移、材料厚度、金屬表面溫度、應(yīng)力、速度以及材料損傷等進(jìn)行非接觸式的連續(xù)測量，并且這種測量方法具有靈敏度高、頻率響應(yīng)范圍寬、體積小等一系列優(yōu)點(diǎn)。 3、類型 電渦流傳感器分為高頻反射式和低頻透射式兩類。 4、原理分析 將一個(gè)通以正弦交變電流I1的扁平線圈置于金屬導(dǎo)體附近，則線圈周圍空間將產(chǎn)生一個(gè)正弦交變磁場H

46、1，使金屬導(dǎo)體中感應(yīng)電渦流I2，I2又產(chǎn)生一個(gè)與H1方向相反的交變磁場H2，導(dǎo)致傳感器線圈的等效阻抗發(fā)生變化。 它與被測體的電阻率、磁導(dǎo)率以及幾何形狀有關(guān)，還與線圈的幾何參數(shù)、線圈中激磁電流頻率f、與線圈與導(dǎo)體間的距離x有關(guān)。 函數(shù)關(guān)系式為： Z=F(, , r, f, x) 如果保持上式中其他參數(shù)不變，而只使其中一個(gè)參數(shù)發(fā)生變化，則傳感器線圈的阻抗Z就僅僅是這個(gè)參數(shù)的單值函數(shù)，即可實(shí)現(xiàn)對該參數(shù)的測量。 4.3.2 電渦流式傳感器的結(jié)構(gòu) 電渦流式傳感器的結(jié)構(gòu)主要是一個(gè)繞制在框架上的扁平繞組，繞組的導(dǎo)線應(yīng)選用電阻率小的材料，一般采用高強(qiáng)度漆包銅線，圖4-16所示為CZF1型電渦流式傳感器的結(jié)構(gòu)圖

47、，電渦流是采用把導(dǎo)線繞制在框架上形成的，框架采用聚四氟乙烯。 這種傳感器的線圈與被測金屬之間是磁性耦合的，并利用這種耦合程度的變化作為測量值，它的尺寸和形狀都與測量裝置的特性有關(guān)。所以作為傳感器的線圈裝置僅為實(shí)際傳感器的一半，而另一半是被測體，所以，在電渦流式傳感器的設(shè)計(jì)和使用中，必須同時(shí)考慮被測物體的物理性質(zhì)和幾何形狀及尺寸。 4.3.3 電渦流式傳感器的測量電路 用于電渦流傳感器的測量電路主要有調(diào)頻式、調(diào)幅式電路兩種。 1調(diào)頻式電路 傳感器線圈接入LC振蕩回路，當(dāng)傳感器與被測導(dǎo)體距離x改變時(shí)，在渦流影響下，傳感器的電感變化，將導(dǎo)致振蕩頻率的變化，該變化的頻率是距離x的函數(shù)，即f=L(x)，

48、該頻率可由數(shù)字頻率計(jì)直接測量，或者通過fU變換，用數(shù)字電壓表測量對應(yīng)的電壓。 振蕩頻率為： （4-12） 為了避免輸出電纜的分布電容的影響，通常將L、C裝在傳感器內(nèi)。此時(shí)電纜分布電容并聯(lián)在大電容C2、C3上，因而對振蕩頻率f的影響將大大減小。12fLC 2調(diào)幅式電路 由傳感器線圈L、電容器C和石英晶體組成的石英晶體振蕩電路。石英晶體振蕩器起恒流源的作用，給諧振回路提供一個(gè)頻率（fo）穩(wěn)定的激勵(lì)電流io，LC回路輸出電壓為 Uo=io f (Z) 式中：ZLC回路的阻抗。 當(dāng)金屬導(dǎo)體遠(yuǎn)離或去掉時(shí)，LC并聯(lián)諧振回路諧振頻率即為石英振蕩頻率fo，回路呈現(xiàn)的阻抗最大，諧振回路上的輸出電壓也最大；當(dāng)金屬

49、導(dǎo)體靠近傳感器線圈時(shí)，線圈的等效電感L發(fā)生變化，導(dǎo)致回路失諧，從而使輸出電壓降低，L的數(shù)值隨距離x的變化而變化。 因此，輸出電壓也隨x而變化。輸出電壓經(jīng)放大、檢波后，由指示儀表直接顯示出x的大小。 4.3.4 電渦流式傳感器的應(yīng)用 1低頻透射式電渦流厚度傳感器 在被測金屬板的上方設(shè)有發(fā)射傳感器線圈L1，在被測金屬板下方設(shè)有接收傳感器線圈L2。當(dāng)在L1上加低頻電壓U1時(shí)，L1上產(chǎn)生交變磁通1，若兩線圈間無金屬板，則交變磁通直接耦合至L2中，L2產(chǎn)生感應(yīng)電壓U2。 如果將被測金屬板放入兩線圈之間，則L1線圈產(chǎn)生的磁場將導(dǎo)致在金屬板中產(chǎn)生電渦流，并將貫穿金屬板，此時(shí)磁場能量受到損耗，使到達(dá)L2的磁通

50、將減弱為1，從而使L2產(chǎn)生的感應(yīng)電壓U2下降。金屬板越厚，渦流損失就越大，電壓U2就越小。因此，可根據(jù)U2電壓的大小得知被測金屬板的厚度。透射式渦流厚度傳感器的檢測范圍可達(dá)1100mm，分辨率為0.1m，線性度為1%。 2電渦流式轉(zhuǎn)速傳感器 在軟磁材料制成的輸入軸上加工一鍵槽，在距輸入表面d0處設(shè)置電渦流傳感器，輸入軸與被測旋轉(zhuǎn)軸相連。 當(dāng)被測旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電渦流傳感器與輸出軸的距離變?yōu)閐0+d。由于電渦流效應(yīng)，使傳感器線圈阻抗隨d的變化而變化，導(dǎo)致振蕩器的電壓幅值和振蕩頻率發(fā)生變化。因此，隨著輸入軸的旋轉(zhuǎn)，從振蕩器輸出的信號(hào)中包含有與轉(zhuǎn)速成正比的脈沖頻率信號(hào)。 該信號(hào)由檢波器檢出電壓幅值的變

51、化量，然后經(jīng)整形電路輸出頻率為fn的脈沖信號(hào)。該信號(hào)經(jīng)電路處理便可得到被測轉(zhuǎn)速。 這種轉(zhuǎn)速傳感器可實(shí)現(xiàn)非接觸式測量，抗污染能力很強(qiáng)，可安裝在旋轉(zhuǎn)軸近旁長期對被測轉(zhuǎn)速進(jìn)行監(jiān)視。最高測量轉(zhuǎn)速可達(dá)600 000r/min。 3高頻反射式電渦流厚度傳感器 為了克服帶材不夠平整或運(yùn)行過程中上、下波動(dòng)的影響，在帶材的上、下兩側(cè)對稱地設(shè)置了兩個(gè)特性完全相同的渦流傳感器S1和S2。 S1和S2與被測帶材表面之間的距離分別為x1和x2。若帶材厚度不變，則被測帶材上、下表面之間的距離總有“x1+x2=常數(shù)”的關(guān)系存在。兩傳感器的輸出電壓之和為2Uo，數(shù)值不變。 如果被測帶材厚度改變量為 ，則兩傳感器與帶材之間的距

52、離也改變一個(gè) ，兩傳感器輸出電壓此時(shí)為2UoU，U經(jīng)放大器放大后，通過指示儀表即可指示出帶材的厚度變化值。帶材厚度給定值與偏差指示值的代數(shù)和就是被測帶材的厚度。 4高頻反射式電渦流位移傳感器 電渦流位移計(jì)是根據(jù)高頻反射式渦流傳感器的基本原理制作的。電渦流位移計(jì)可以用來測量各種形狀試件的位移量。 電渦流位移計(jì)測量位移的范圍可以從01mm至030mm，個(gè)別產(chǎn)品已達(dá)80mm。一般的分辨率為滿量程的0.1%，也有達(dá)到0.5m的（其全量程為05m）。 例如：CZFI-1000型傳感器與BZF-1、ZZF-5310型配套時(shí)，有01mm、03mm、05mm等幾種主要類型傳感器，其分辨率為0.1%。另外，凡是

53、可變成位移量的參數(shù)，都可以用電渦流式傳感器來測量，如鋼水液位、紗線張力和液體壓力等。 本 章 小 結(jié) 本章主要介紹電感式傳感器，它可以把輸入的各種機(jī)械物理量如位移、振動(dòng)、壓力、應(yīng)變、流量、相對密度等參數(shù)轉(zhuǎn)換成電能量輸出。 差動(dòng)變隙式電感傳感器工作原理及組成。 差動(dòng)變壓器是把被測的非電量變化轉(zhuǎn)換成繞組互感量的變化。 差動(dòng)變壓器結(jié)構(gòu)形式較多，應(yīng)用最多的是螺線管式差動(dòng)變壓器，它可以測量1100mm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)。 電渦流式傳感器工作原理及應(yīng)用 思考題和習(xí)題 4-1 說明差動(dòng)變磁阻式電感傳感器的主要 組成、工作原理和基本特性。 4-2 已知變氣隙電感傳感

54、器的鐵芯截面積 S=1.5cm2，磁路長度L=20cm，相對磁 導(dǎo)率 1=5 000，氣隙 0=0.5cm， =0.1mm，真空磁導(dǎo)率 0=4107H/m，線圈匝數(shù) W=3 000，求單端式傳感器的靈敏度 L/。若將其做成差動(dòng)結(jié)構(gòu)形 式，靈敏度將如何變化？ 4-4 根據(jù)螺管型差動(dòng)變壓器的基本特性， 說明其靈敏度和線性度的主要特點(diǎn)。 4-5 概述差動(dòng)變壓器的應(yīng)用范圍，并說明 用差動(dòng)變壓器式傳感器檢測振動(dòng)的基 本原理。 4-6 什么叫電渦流效應(yīng)？怎樣利用電渦流 效應(yīng)進(jìn)行位移測量？ 4-7 簡述電渦流式傳感器的工作原理、特 性、和基本結(jié)構(gòu)。 4-8 電渦流式傳感器測厚度的原理是什 么？具有哪些特點(diǎn)？

55、 實(shí)訓(xùn)3 差動(dòng)變壓器式傳感器性能測試與 標(biāo)定 一、實(shí)訓(xùn)目的 （1）了解差動(dòng)變壓器式電感傳感器的基本結(jié)構(gòu)及工作原理。 （2）掌握差動(dòng)變壓器同名端的確定。 （3）掌握差動(dòng)變壓器式電感傳感器測試系統(tǒng)的組成及標(biāo)定方法。 （4）振動(dòng)測量。 二、實(shí)訓(xùn)原理 差動(dòng)變壓器的基本元件有銜鐵、一次繞組、二次繞組、繞組骨架等。一次繞組作為差動(dòng)變壓器的激勵(lì)，而二次繞組由兩個(gè)結(jié)構(gòu)尺寸和參考相同的繞組反相串接而成。差動(dòng)變壓器為開磁路，其工作原理建立在互感變化的基礎(chǔ)上。 差動(dòng)變壓器式電感傳感器標(biāo)定的含義是：通過實(shí)訓(xùn)建立傳感器輸出量和輸入量之間的關(guān)系，同時(shí)，確定出不同條件下的誤差關(guān)系。 三、實(shí)訓(xùn)設(shè)備 （1）差動(dòng)變壓器； （2）

56、音頻振蕩器； （3）差動(dòng)放大器； （4）低頻振蕩器； （5）移相器； （6）相敏檢波器； （7）低通濾波器； （8）螺旋測微器（測微頭）； （9）振動(dòng)臺(tái)； （10）電壓/頻率表； （11）雙蹤示波器。 四、實(shí)訓(xùn)方法及步驟 1差動(dòng)變壓器二次繞組同名端的確定 按圖4-23接線（先任意假定繞組同名端），松開測微頭，從示波器的第二通道觀察輸出波形，轉(zhuǎn)換接線頭再觀察輸出波形，波形幅值較小的一端應(yīng)為同名端。 按正確的接法，調(diào)整測微頭，從示波器上觀察輸出波形使輸出電壓幅值最小。這個(gè)最小輸出電壓即為差分變壓器的零點(diǎn)殘余電壓，該位置即為銜鐵的正中位置。可以看出，零點(diǎn)殘余電壓的相位差約為/2，是正交分量。 圖圖4

57、-23 4-23 確定差動(dòng)變壓器二次確定差動(dòng)變壓器二次繞組同名端接線圖繞組同名端接線圖 2差動(dòng)變壓器的標(biāo)定 （1）測微頭不動(dòng)，按圖4-24接線，差放增益為100倍。 圖圖4-24 4-24 差動(dòng)變壓器標(biāo)定系統(tǒng)圖差動(dòng)變壓器標(biāo)定系統(tǒng)圖 （2）調(diào)節(jié)RPD、RPA使系統(tǒng)輸出為零。 （3）用測微頭調(diào)節(jié)振動(dòng)臺(tái)2.5mm左右，并調(diào)整移相器，使輸出達(dá)最大值，若不對稱可再調(diào)節(jié)平衡電位器、移相器使輸出基本對稱。 （4）旋動(dòng)測微頭，每旋一周（0.5mm）記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并填入表4-2中，總共2.5mm；作出Ux曲線，求出靈敏度。 x x/mm/mm2.52.52.02.01.51.51.01.00.50.50 00.

58、50.51.01.01.51.52.02.02.52.5U U/V/V表表4-24-2實(shí)訓(xùn)實(shí)訓(xùn)3 3測量數(shù)據(jù)測量數(shù)據(jù)1 1 3振動(dòng)測量 （1）將測微頭退出振動(dòng)臺(tái)。 （2）利用位移測量線路，調(diào)整好有關(guān)信號(hào)參數(shù)。 （3）音頻振蕩器輸出電壓峰峰值為1.5V。 （4）將低頻振蕩器輸出接到激振器上，給振動(dòng)梁加一個(gè)頻率為f的交變力，使振動(dòng)梁上下振動(dòng)。 （5）保持低頻振蕩器的輸出幅值不變，改變激振頻率，用示波器觀察低通濾波器的輸出，讀出峰峰值，記下實(shí)訓(xùn)數(shù)據(jù)，填入表4-3中。 f f/Hz/Hz3 35 57 79 911111313151520203030U UP-PP-P/V/V表表4-34-3實(shí)訓(xùn)實(shí)訓(xùn)3

59、 3測量數(shù)據(jù)測量數(shù)據(jù)2 2 根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，作出振動(dòng)梁的幅頻特性曲線，并分析自動(dòng)頻率的大致范圍。 4注意事項(xiàng) （1）正式實(shí)訓(xùn)前，一定要熟悉所用設(shè)備、儀器的使用方法。 （2）在用振動(dòng)臺(tái)做差動(dòng)變壓器式電感傳感器性能測試及標(biāo)定時(shí)，一定要把測微頭拿掉（或移開），防止振動(dòng)時(shí)發(fā)生意外。 壓電效應(yīng)和壓電材料壓電效應(yīng)和壓電材料5.1壓電式傳感器及測量電路壓電式傳感器及測量電路5.2壓電式傳感器的應(yīng)用壓電式傳感器的應(yīng)用5.35.1 壓電效應(yīng)和壓電材料 5.1.1 正、逆壓電效應(yīng) 1、正壓電效應(yīng) 某些晶體結(jié)構(gòu)的材料，當(dāng)沿著一定方向受到外力作用時(shí)，內(nèi)部產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在晶體的某兩個(gè)表面上產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷；當(dāng)外力去

60、掉后，又恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)。這一現(xiàn)象稱為“正壓電效應(yīng)”。 2、逆壓電效應(yīng) 當(dāng)在電介質(zhì)的極化方向施加電場，電介質(zhì)也會(huì)產(chǎn)生幾何變形，這種現(xiàn)象稱為“逆壓電效應(yīng)”。 3、壓電材料 可分為壓電晶體、壓電陶瓷和有機(jī)壓電材料。 壓電晶體是一種天然單晶體，例如石英晶體、酒石酸鉀鈉等；壓電陶瓷是一種人工合成的多晶體，例如鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等；有機(jī)壓電材料是近些年來研制成的有機(jī)高分子聚合材料。 壓電材料的主要特性參數(shù)以下幾種： 壓電常數(shù)、彈性常數(shù)、介電常數(shù)、機(jī)械耦合系數(shù)、電阻、居里點(diǎn)。 5.1.2 石英晶體 石英晶體是單晶體，有電軸x、機(jī)械軸y、光軸z軸。沿z軸方向受力不會(huì)產(chǎn)生壓電效應(yīng)。 從晶體上沿y軸方向切下一塊