第4章信號(hào)檢測(cè)技術(shù)

1、第第4章章 信號(hào)檢測(cè)技術(shù)信號(hào)檢測(cè)技術(shù)一、傳感器概述一、傳感器概述二、長(zhǎng)度及位移檢測(cè)二、長(zhǎng)度及位移檢測(cè)三、角度及角位移檢測(cè)三、角度及角位移檢測(cè)四、絕對(duì)測(cè)距四、絕對(duì)測(cè)距五、力五、力/壓力檢測(cè)壓力檢測(cè)六、速度六、速度/加速度檢測(cè)加速度檢測(cè)七、溫度檢測(cè)七、溫度檢測(cè)八、流量檢測(cè)八、流量檢測(cè)九、電磁量檢測(cè)九、電磁量檢測(cè)十、視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)十、視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)一、傳感器概述一、傳感器概述1、傳感器的基本概念、傳感器的基本概念人的五官：人的五官：眼睛眼睛 耳朵耳朵 鼻子鼻子 舌頭舌頭 皮膚皮膚視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、嗅覺(jué)、味覺(jué)、觸覺(jué)視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、嗅覺(jué)、味覺(jué)、觸覺(jué)定義：定義：被測(cè)量：物理量、化學(xué)量、生物量被測(cè)量：物理量、化學(xué)量、生物

2、量 規(guī)律：確定規(guī)律，可以重復(fù)（線(xiàn)性、非線(xiàn)性、周期）規(guī)律：確定規(guī)律，可以重復(fù)（線(xiàn)性、非線(xiàn)性、周期）可用信號(hào)：便于處理和傳輸?shù)姆窃肼曅盘?hào)可用信號(hào)：便于處理和傳輸?shù)姆窃肼曅盘?hào) （電信號(hào)、光信號(hào)（電信號(hào)、光信號(hào)）R例：熱敏電阻例：熱敏電阻 - 溫度變化溫度變化 - 電阻變化電阻變化傳感器：傳傳感器：傳-傳遞信息；感傳遞信息；感-感受被測(cè)量；器感受被測(cè)量；器-器件器件傳感器是一種把特定的被測(cè)信息量按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成為可用傳感器是一種把特定的被測(cè)信息量按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成為可用信號(hào)輸出的器件或裝置。信號(hào)輸出的器件或裝置。感覺(jué)：感覺(jué)：功功 能能傳感器傳感器一、傳感器概述一、傳感器概述2、傳感器的構(gòu)成型式、傳感

3、器的構(gòu)成型式轉(zhuǎn)換電路：轉(zhuǎn)換電路：例：電橋、放大器、振蕩器、阻抗變換器、脈沖調(diào)寬電路等。例：電橋、放大器、振蕩器、阻抗變換器、脈沖調(diào)寬電路等。 被測(cè)量被測(cè)量被測(cè)量被測(cè)量敏感敏感元件元件轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換電路電路敏感元件：敏感元件：感受被測(cè)量變化，并輸出相對(duì)應(yīng)的電信號(hào)感受被測(cè)量變化，并輸出相對(duì)應(yīng)的電信號(hào)例：電阻應(yīng)變片（應(yīng)變例：電阻應(yīng)變片（應(yīng)變-電阻）電阻）把轉(zhuǎn)換元件輸出的電信號(hào)變換成為便于記錄、顯示、處理和把轉(zhuǎn)換元件輸出的電信號(hào)變換成為便于記錄、顯示、處理和控制的可用信號(hào)的電路，控制的可用信號(hào)的電路，又稱(chēng)又稱(chēng)“信號(hào)調(diào)理電路信號(hào)調(diào)理電路” 或或 “測(cè)量電路測(cè)量電路”又稱(chēng)又稱(chēng)“轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換元件” 或或 “變換元

4、件變換元件”傳感器傳感器二、長(zhǎng)度及線(xiàn)位移檢測(cè)二、長(zhǎng)度及線(xiàn)位移檢測(cè)1、電感式位移傳感器、電感式位移傳感器W-線(xiàn)圈匝數(shù)線(xiàn)圈匝數(shù)iiimmAulRRWL2Rm-磁路總磁阻磁路總磁阻li-各段導(dǎo)磁體的長(zhǎng)度各段導(dǎo)磁體的長(zhǎng)度ui-各段導(dǎo)磁體的磁導(dǎo)率各段導(dǎo)磁體的磁導(dǎo)率Ai-各段導(dǎo)磁體的截面積各段導(dǎo)磁體的截面積二、長(zhǎng)度及線(xiàn)位移檢測(cè)二、長(zhǎng)度及線(xiàn)位移檢測(cè)lAWuullAWuRWLAuluAlRrmm202020(1) 變氣隙式變氣隙式電感位移傳感器電感位移傳感器基本形式基本形式思考：靈敏度？思考：靈敏度？ 線(xiàn)性度？線(xiàn)性度？ l21線(xiàn)圈線(xiàn)圈鐵芯鐵芯銜鐵銜鐵改進(jìn)方法？改進(jìn)方法？差動(dòng)式差動(dòng)式(2) (2) 變面積式變面

5、積式(3) (3) 螺管式螺管式二、長(zhǎng)度及線(xiàn)位移檢測(cè)二、長(zhǎng)度及線(xiàn)位移檢測(cè)(2) 變面積式變面積式(3) 螺管式螺管式蔡萍教材P40 圖3-5二、長(zhǎng)度及線(xiàn)位移檢測(cè)二、長(zhǎng)度及線(xiàn)位移檢測(cè)電感位移傳感器電感位移傳感器意大利意大利Marposs:二、長(zhǎng)度及線(xiàn)位移檢測(cè)二、長(zhǎng)度及線(xiàn)位移檢測(cè)電感位移傳感器電感位移傳感器中國(guó)中原量?jī)x中國(guó)中原量?jī)x:二、長(zhǎng)度及線(xiàn)位移檢測(cè)二、長(zhǎng)度及線(xiàn)位移檢測(cè)2、光柵位移傳感器、光柵位移傳感器（Grating）二、長(zhǎng)度及線(xiàn)位移檢測(cè)二、長(zhǎng)度及線(xiàn)位移檢測(cè)(1) 光柵傳感器原理光柵傳感器原理 (莫爾條紋莫爾條紋) 構(gòu)成：構(gòu)成：疊合疊合主光柵主光柵指示光柵指示光柵夾角夾角明暗相間條紋明暗相間條

6、紋莫爾條紋莫爾條紋移動(dòng)移動(dòng)條紋寬度：條紋寬度： WWB)2/sin(2W-柵距，柵距， a-線(xiàn)寬，線(xiàn)寬， b-縫寬縫寬W=a+b ，a=b=W/2 主光柵主光柵-標(biāo)尺光柵，定光柵；標(biāo)尺光柵，定光柵；指示光柵指示光柵-動(dòng)光柵動(dòng)光柵二、長(zhǎng)度及線(xiàn)位移檢測(cè)二、長(zhǎng)度及線(xiàn)位移檢測(cè)莫爾條紋特性：莫爾條紋特性： 方向性：方向性：垂直于角平分線(xiàn)垂直于角平分線(xiàn) 與光柵移動(dòng)方向垂直與光柵移動(dòng)方向垂直同步性：同步性：光柵移動(dòng)一個(gè)柵距光柵移動(dòng)一個(gè)柵距 莫爾條紋移動(dòng)一個(gè)間距莫爾條紋移動(dòng)一個(gè)間距放大性：放大性：夾角夾角很小很小 BW 光學(xué)放大光學(xué)放大 提高靈敏度提高靈敏度準(zhǔn)確性：準(zhǔn)確性：誤差平均效應(yīng)誤差平均效應(yīng) 克服個(gè)別克

7、服個(gè)別/局部誤差局部誤差 提高精度提高精度 二、長(zhǎng)度及線(xiàn)位移檢測(cè)二、長(zhǎng)度及線(xiàn)位移檢測(cè)(2) 光柵傳感器特點(diǎn)光柵傳感器特點(diǎn) 精度高：測(cè)長(zhǎng)精度高：測(cè)長(zhǎng)(0.2+210-6L)m，測(cè)角，測(cè)角0.1量程大：透射式量程大：透射式-光柵尺長(zhǎng)（光柵尺長(zhǎng)（幾十幾十米米響應(yīng)快：可用于動(dòng)態(tài)測(cè)量響應(yīng)快：可用于動(dòng)態(tài)測(cè)量增量式：增量碼測(cè)量增量式：增量碼測(cè)量 計(jì)數(shù)計(jì)數(shù) 斷電斷電數(shù)據(jù)消失數(shù)據(jù)消失要求高：對(duì)環(huán)境要求高要求高：對(duì)環(huán)境要求高溫度、濕度、灰塵、振動(dòng)、溫度、濕度、灰塵、振動(dòng)、移動(dòng)精度移動(dòng)精度成本高：電路復(fù)雜成本高：電路復(fù)雜 二、長(zhǎng)度及線(xiàn)位移檢測(cè)二、長(zhǎng)度及線(xiàn)位移檢測(cè)(3) 光柵傳感器結(jié)構(gòu)光柵傳感器結(jié)構(gòu) 1 主光柵尺（定

8、光柵）主光柵尺（定光柵）2 指示光柵（動(dòng)光柵）指示光柵（動(dòng)光柵）3 光電元件光電元件4 透鏡透鏡5 光源光源透射式結(jié)構(gòu)：透射式結(jié)構(gòu)：反射式結(jié)構(gòu)：反射式結(jié)構(gòu)： 光源光源 指示光柵指示光柵 透射透射 主光柵主光柵 光電元件光電元件光源光源 主光柵主光柵 反射反射 指示光柵指示光柵 光電元件光電元件二、長(zhǎng)度及線(xiàn)位移檢測(cè)二、長(zhǎng)度及線(xiàn)位移檢測(cè)(4) 代表性產(chǎn)品：代表性產(chǎn)品： 德國(guó)德國(guó)Heidenhain（海德漢）：（海德漢）：封閉式：量程封閉式：量程3000mm，分辨力，分辨力0.1 m開(kāi)放式：量程開(kāi)放式：量程1440mm，分辨力，分辨力0.01m開(kāi)放式：量程開(kāi)放式：量程270mm 分辨力分辨力1nm二

9、、長(zhǎng)度及線(xiàn)位移檢測(cè)二、長(zhǎng)度及線(xiàn)位移檢測(cè)英國(guó)英國(guó)Renishaw（雷尼紹）：（雷尼紹）： 量程：任意量程：任意分辨力：分辨力： 0.1 m 0.01 m中國(guó)長(zhǎng)春光機(jī)所：中國(guó)長(zhǎng)春光機(jī)所： 量量 程：程：1000mm分辨力：分辨力：0.01 m精精 度：度：2 m二、長(zhǎng)度及線(xiàn)位移檢測(cè)二、長(zhǎng)度及線(xiàn)位移檢測(cè)2、光學(xué)干涉、光學(xué)干涉（Interference）干涉原理（單頻干涉）：干涉原理（單頻干涉）：兩束同頻光束在空間相遇會(huì)發(fā)生干涉條紋，其亮暗程度取兩束同頻光束在空間相遇會(huì)發(fā)生干涉條紋，其亮暗程度取決于兩束光間的相位差決于兩束光間的相位差 亮條：亮條：暗條：暗條：=2=2k k, , k k=0,1,l,

10、2,=0,1,l,2, 相消干涉相消干涉=2=2k k, , k k=0,1,l,2,=0,1,l,2, 相長(zhǎng)干涉相長(zhǎng)干涉 二、長(zhǎng)度及線(xiàn)位移檢測(cè)二、長(zhǎng)度及線(xiàn)位移檢測(cè)結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)：實(shí)現(xiàn)要點(diǎn)實(shí)現(xiàn)要點(diǎn):（1）單一光源）單一光源光光源源觀(guān)察屏、觀(guān)察屏、光電接收光電接收固定固定反射鏡反射鏡被測(cè)物體被測(cè)物體半透半反鏡半透半反鏡（4）分光鏡（半透半反）分光鏡（半透半反） （5）固定參考反射鏡）固定參考反射鏡（2）被測(cè)物體）被測(cè)物體 （3）光電接收）光電接收二、長(zhǎng)度及線(xiàn)位移檢測(cè)二、長(zhǎng)度及線(xiàn)位移檢測(cè)雙頻雙頻激光干涉位移傳感器激光干涉位移傳感器測(cè)量原理：測(cè)量原理： 激光器發(fā)出一束激光，激光器發(fā)出一束激光，含有兩束偏

11、振光：含有兩束偏振光： 左旋光，頻率左旋光，頻率f1 右旋光，頻率右旋光，頻率f2， 振幅相同，振幅相同， 頻率相差約頻率相差約2MHz。激光束激光束分光器分光器參考光束參考光束測(cè)量光束測(cè)量光束光電檢測(cè)光電檢測(cè)/4波片波片渥氏棱鏡渥氏棱鏡f2f2光電檢測(cè)光電檢測(cè)f1f1角錐棱鏡角錐棱鏡參考信號(hào)參考信號(hào)測(cè)量信號(hào)測(cè)量信號(hào)f f2 2-f-f1 1f ff f1 1f f1 1f f2 2-(f-(f1 1 f)f)二、長(zhǎng)度及線(xiàn)位移檢測(cè)二、長(zhǎng)度及線(xiàn)位移檢測(cè)激光干涉位移傳感器激光干涉位移傳感器HP5528A Laser interferometer：量程：量程：100m 分辨力：分辨力： 0.01 m

12、三、角度及角位移檢測(cè)三、角度及角位移檢測(cè)1、絕對(duì)碼光電編碼器、絕對(duì)碼光電編碼器原理：平行光源原理：平行光源碼盤(pán)碼盤(pán) 光電元件光電元件電信號(hào)輸出電信號(hào)輸出 碼盤(pán)：光學(xué)玻璃，透光碼盤(pán)：光學(xué)玻璃，透光/不透光不透光 照相腐蝕照相腐蝕 要求：分度準(zhǔn)確（工藝）、陰暗交替邊緣陡峭（工藝、材質(zhì)）要求：分度準(zhǔn)確（工藝）、陰暗交替邊緣陡峭（工藝、材質(zhì)）光源：光源：LED 光學(xué)系統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng) 平行光平行光 投影精確投影精確 光電元件：硅光電池，光電晶體管光電元件：硅光電池，光電晶體管 滯后滯后 響應(yīng)速度響應(yīng)速度 碼道：位數(shù)碼道：位數(shù)每個(gè)碼道對(duì)應(yīng)一個(gè)光電元件每個(gè)碼道對(duì)應(yīng)一個(gè)光電元件分辨率分辨率 角度分辨率：角度分辨率

13、：=360/2n n-碼道數(shù)（位數(shù)）碼道數(shù)（位數(shù)） 組成：組成：光源、碼盤(pán)、光電元件光源、碼盤(pán)、光電元件 增加碼道、增大碼盤(pán)尺寸增加碼道、增大碼盤(pán)尺寸 有限有限提高精度提高精度光學(xué)細(xì)分光學(xué)細(xì)分 附加碼道附加碼道三、角度及角位移檢測(cè)三、角度及角位移檢測(cè)測(cè)量電路測(cè)量電路：編碼碼制編碼碼制： 十進(jìn)制碼十進(jìn)制碼 - 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 二進(jìn)制碼二進(jìn)制碼 - 0000 0001 0010 0011 0100 格格 雷雷 碼碼-循環(huán)碼：相鄰兩數(shù)只有一位不同循環(huán)碼：相鄰兩數(shù)只有一位不同 每次只有一位變化每次只有一位變化轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換 放大放大 足夠電平足夠電平 ，驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)整形整形 接近理想方

14、波接近理想方波 細(xì)分細(xì)分 提高分辨率（光學(xué)提高分辨率（光學(xué)+電路）電路）多位碼同時(shí)動(dòng)作多位碼同時(shí)動(dòng)作同步誤差同步誤差錯(cuò)碼錯(cuò)碼讀數(shù)直觀(guān)，不易電路處理讀數(shù)直觀(guān)，不易電路處理直觀(guān)，易于后續(xù)電路和計(jì)算機(jī)處理直觀(guān)，易于后續(xù)電路和計(jì)算機(jī)處理角度位置二進(jìn)制碼十進(jìn)制碼格雷碼0.022.545.067.590.0112.5135.0157.5180.0202.5225.0247.5270.0292.5315.0337.5ABCDEFGHIJKLMNOp000000010010001101000101011001111000100110101011110011011110111101234567891011121

15、3141500000001001100100110011101010100110011011111111010101011100110004位絕對(duì)碼光電編碼器碼制位絕對(duì)碼光電編碼器碼制三、角度及角位移檢測(cè)三、角度及角位移檢測(cè)特點(diǎn)特點(diǎn)：摩擦輪摩擦輪編碼器編碼器小范圍絕對(duì)位置測(cè)量小范圍絕對(duì)位置測(cè)量-角度、直線(xiàn)位置角度、直線(xiàn)位置小范圍位移、速度檢測(cè)小范圍位移、速度檢測(cè)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、精度高、分辨率高，可靠性好，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、精度高、分辨率高，可靠性好，應(yīng)用：應(yīng)用：例：直線(xiàn)例：直線(xiàn) 旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn) 360 直接數(shù)字量輸出直接數(shù)字量輸出 - 數(shù)字傳感器，數(shù)字傳感器，絕對(duì)碼絕對(duì)碼 - 絕對(duì)角位置傳感器絕對(duì)角位置傳感器測(cè)量

16、范圍有限（測(cè)量范圍有限（360），），速度不高（最高幾千轉(zhuǎn)速度不高（最高幾千轉(zhuǎn)/分），怕振動(dòng)分），怕振動(dòng) - 丟數(shù)丟數(shù)360Dx 連接連接 - 彈性連軸結(jié)彈性連軸結(jié)三、角度及角位移檢測(cè)三、角度及角位移檢測(cè)2、增量碼光電編碼器、增量碼光電編碼器結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)： 與絕對(duì)編碼器類(lèi)似與絕對(duì)編碼器類(lèi)似碼道碼道：最外：最外 - 增量碼道：透光扇形區(qū)增量碼道：透光扇形區(qū)分辨率分辨率 中間中間 - 辨向碼道：錯(cuò)開(kāi)半個(gè)扇形區(qū)辨向碼道：錯(cuò)開(kāi)半個(gè)扇形區(qū) 最內(nèi)最內(nèi) - 零位碼道：透光狹縫零位碼道：透光狹縫基準(zhǔn)脈沖基準(zhǔn)脈沖應(yīng)用應(yīng)用：相對(duì)位置測(cè)量：相對(duì)位置測(cè)量-角度、直線(xiàn)位置，角度、直線(xiàn)位置， 位移、速度測(cè)量位移、速度測(cè)量 特

17、點(diǎn)特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、精度高、分辨率高，可靠性好，：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、精度高、分辨率高，可靠性好， 脈沖數(shù)字輸出，測(cè)量范圍無(wú)限脈沖數(shù)字輸出，測(cè)量范圍無(wú)限 速度不高（最高幾千轉(zhuǎn)速度不高（最高幾千轉(zhuǎn)/分）分） 怕振動(dòng)怕振動(dòng) - 丟數(shù)丟數(shù)三、角度及角位移檢測(cè)三、角度及角位移檢測(cè)3、圓光柵傳感器、圓光柵傳感器工作原理工作原理：莫爾條紋技術(shù)：莫爾條紋技術(shù)類(lèi)型類(lèi)型：(1) 直線(xiàn)莫爾條紋：條紋直線(xiàn)莫爾條紋：條紋 -直線(xiàn)直線(xiàn)(2) 圓型莫爾條紋：條紋圓型莫爾條紋：條紋 - 圓型圓型RENISHAW 圓光柵：圓光柵：角度分辨率為0.01 系統(tǒng)精度為 0.7(a) 徑向光柵徑向光柵 - 圓弧形莫爾條紋圓弧形莫爾條紋光柵：兩塊

18、，徑向刻線(xiàn)，柵距角相同，偏心疊合光柵：兩塊，徑向刻線(xiàn)，柵距角相同，偏心疊合條紋寬度不是定值，隨位置不同而不同。條紋寬度不是定值，隨位置不同而不同。在位于偏心的垂直位置上，條紋近似垂直于柵線(xiàn)，稱(chēng)橫向莫爾條紋在位于偏心的垂直位置上，條紋近似垂直于柵線(xiàn)，稱(chēng)橫向莫爾條紋在沿著偏心方向上，條紋近似地平行于柵線(xiàn)，稱(chēng)縱向莫爾條紋在沿著偏心方向上，條紋近似地平行于柵線(xiàn)，稱(chēng)縱向莫爾條紋其他位置上上，稱(chēng)為斜向莫爾條紋其他位置上上，稱(chēng)為斜向莫爾條紋條紋：在不同區(qū)域柵線(xiàn)的交角不同，不同曲率半徑圓弧條紋：在不同區(qū)域柵線(xiàn)的交角不同，不同曲率半徑圓弧三、角度及角位移檢測(cè)三、角度及角位移檢測(cè)光柵：兩塊完全相同，環(huán)形刻線(xiàn)，偏心

19、疊合，光柵：兩塊完全相同，環(huán)形刻線(xiàn)，偏心疊合，(b) 切向光柵切向光柵 - 環(huán)形莫爾條紋環(huán)形莫爾條紋光柵：兩塊，切向刻線(xiàn)，切向相同，柵距角相同，光柵：兩塊，切向刻線(xiàn)，切向相同，柵距角相同， 基圓半徑不同，柵線(xiàn)面相對(duì)同心疊合，基圓半徑不同，柵線(xiàn)面相對(duì)同心疊合，條紋：是以光柵中心為圓心的同心圓簇，條紋：是以光柵中心為圓心的同心圓簇，寬度也不是定值，隨位置不同而不同。寬度也不是定值，隨位置不同而不同。特點(diǎn)：具有全光柵平均效應(yīng)，用于高精度角度測(cè)量和分度。特點(diǎn)：具有全光柵平均效應(yīng)，用于高精度角度測(cè)量和分度。(c) 環(huán)形光柵環(huán)形光柵 - 輻射形莫爾條紋輻射形莫爾條紋條紋：近似直線(xiàn)并成輻射方向，稱(chēng)為輻射形莫

20、爾條紋。條紋：近似直線(xiàn)并成輻射方向，稱(chēng)為輻射形莫爾條紋。 四、絕對(duì)測(cè)距四、絕對(duì)測(cè)距1、電渦流測(cè)距、電渦流測(cè)距(1) 工作原理工作原理: 交變電流交變電流傳感器線(xiàn)圈傳感器線(xiàn)圈被測(cè)導(dǎo)體被測(cè)導(dǎo)體交變磁場(chǎng)交變磁場(chǎng)H1電渦流電渦流交變磁場(chǎng)交變磁場(chǎng)H2參數(shù)變化參數(shù)變化(電感、阻抗、電感、阻抗、 品質(zhì)因素等品質(zhì)因素等)輸出信號(hào)輸出信號(hào)四、絕對(duì)測(cè)距四、絕對(duì)測(cè)距保持其他參數(shù)不變，只改變一個(gè)參數(shù)保持其他參數(shù)不變，只改變一個(gè)參數(shù) - 測(cè)量，測(cè)量，變化因素：變化因素：被測(cè)導(dǎo)體被測(cè)導(dǎo)體 - 幾何形狀、電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率幾何形狀、電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率 線(xiàn)圈線(xiàn)圈 - 幾何參數(shù)、電流大小和頻率、幾何參數(shù)、電流大小和頻率、 其他其他 -

21、 線(xiàn)圈與導(dǎo)體距離線(xiàn)圈與導(dǎo)體距離測(cè)量原理：測(cè)量原理：電渦流密度徑向分布電渦流密度徑向分布渦流密度不等：渦流密度不等：電渦流分布電渦流分布：深度：深度：高頻激勵(lì)高頻激勵(lì) - 表面薄層，表面薄層，銅導(dǎo)體，銅導(dǎo)體，1MHz頻率，深度頻率，深度0.07mm徑向：徑向：有限范圍有限范圍 - 圓環(huán)形圓環(huán)形 - 渦流環(huán)渦流環(huán) D=d時(shí)：密度最大時(shí)：密度最大D=1.8d：下降為：下降為5%D3.5d） 思考：思考：激勵(lì)頻率高低有什么影響？激勵(lì)頻率高低有什么影響？四、絕對(duì)測(cè)距四、絕對(duì)測(cè)距日本日本Keynce量程：量程：50mm精度精度0.03%四、絕對(duì)測(cè)距四、絕對(duì)測(cè)距2、激光測(cè)距傳感器、激光測(cè)距傳感器(1) 激光

22、測(cè)距特點(diǎn)：激光測(cè)距特點(diǎn)： 測(cè)量距離可達(dá)幾公里甚至幾十公里（主要手段）測(cè)量距離可達(dá)幾公里甚至幾十公里（主要手段）(2) 激光測(cè)距方法：飛行時(shí)間法、相位差法激光測(cè)距方法：飛行時(shí)間法、相位差法(a) 飛行時(shí)間法：飛行時(shí)間法：2/ctd 被測(cè)距離被測(cè)距離:c - 光速光速 t - 往返飛行時(shí)間往返飛行時(shí)間(b) 相位差法：相位差法：被測(cè)距離被測(cè)距離:c - 光速光速 f0 - 脈沖頻率脈沖頻率 - 相位差相位差激光器激光器被測(cè)目標(biāo)被測(cè)目標(biāo)原理：激光器發(fā)出單個(gè)激光脈沖原理：激光器發(fā)出單個(gè)激光脈沖原理：激光器發(fā)出連續(xù)激光脈沖原理：激光器發(fā)出連續(xù)激光脈沖激光器激光器被測(cè)目標(biāo)被測(cè)目標(biāo)0042fccD特點(diǎn)：對(duì)時(shí)

23、間測(cè)量精度要求高，適于測(cè)量超長(zhǎng)距離（特點(diǎn)：對(duì)時(shí)間測(cè)量精度要求高，適于測(cè)量超長(zhǎng)距離（地球-月球：分辨力達(dá)到1m ）特點(diǎn)：測(cè)量精度高，測(cè)量范圍大（短距離特點(diǎn)：測(cè)量精度高，測(cè)量范圍大（短距離 超長(zhǎng)距離）超長(zhǎng)距離）（相機(jī)自動(dòng)調(diào)焦）四、絕對(duì)測(cè)距四、絕對(duì)測(cè)距范圍：范圍：0.2 300m 分辨力：分辨力： 3mm德國(guó)俫卡手持式：德國(guó)俫卡手持式：范圍：范圍：0.2 200m分辨力：分辨力：0.2mm美國(guó)美國(guó)bushwell 單目軍用單目軍用范圍：范圍：1000m分辨力：分辨力：1m四、絕對(duì)測(cè)距四、絕對(duì)測(cè)距3、超聲測(cè)距傳感器、超聲測(cè)距傳感器超聲測(cè)距原理：超聲測(cè)距原理：2/ctd 被測(cè)距離被測(cè)距離:c - 聲速聲

24、速 t - 往返飛行時(shí)間往返飛行時(shí)間應(yīng)用：適于大目標(biāo)、近距離、一般精度測(cè)距應(yīng)用：適于大目標(biāo)、近距離、一般精度測(cè)距 手持測(cè)距儀手持測(cè)距儀 - 盲人導(dǎo)盲盲人導(dǎo)盲 汽車(chē)倒車(chē)?yán)走_(dá)汽車(chē)倒車(chē)?yán)走_(dá) - 汽車(chē)安全汽車(chē)安全 工業(yè)應(yīng)用工業(yè)應(yīng)用 - 超聲測(cè)量液位、物位超聲測(cè)量液位、物位特點(diǎn)：超聲波束發(fā)散，測(cè)量范圍小特點(diǎn)：超聲波束發(fā)散，測(cè)量范圍小 波束聚焦困難，測(cè)量精度低波束聚焦困難，測(cè)量精度低 測(cè)量目標(biāo)不能太小；測(cè)量目標(biāo)不能太小； 超生探頭超生探頭被測(cè)目標(biāo)被測(cè)目標(biāo)超聲波傳感器（超聲波探頭），是實(shí)現(xiàn)聲電轉(zhuǎn)換的裝置（超聲換能器）超聲波傳感器（超聲波探頭），是實(shí)現(xiàn)聲電轉(zhuǎn)換的裝置（超聲換能器）這種裝置能夠發(fā)射超聲波，同時(shí)還

25、可以接收超聲回波，并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。這種裝置能夠發(fā)射超聲波，同時(shí)還可以接收超聲回波，并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。五、溫度檢測(cè)五、溫度檢測(cè)1、概述、概述 溫度溫度分類(lèi)分類(lèi):應(yīng)用應(yīng)用: 測(cè)溫測(cè)溫接觸測(cè)溫接觸測(cè)溫非接觸測(cè)溫非接觸測(cè)溫?zé)彷椛錅y(cè)溫?zé)彷椛錅y(cè)溫?zé)醾鲗?dǎo)測(cè)溫?zé)醾鲗?dǎo)測(cè)溫壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)熱阻效應(yīng)熱阻效應(yīng)熱電勢(shì)效應(yīng)熱電勢(shì)效應(yīng)金金 屬屬熱電阻熱電阻半導(dǎo)體半導(dǎo)體熱敏電阻熱敏電阻熱電偶熱電偶溫溫 度度傳感器傳感器壓電陶瓷（熱釋電效應(yīng)）壓電陶瓷（熱釋電效應(yīng)） 敏感元件敏感元件 電參數(shù)電參數(shù)光電效應(yīng)光電效應(yīng)紅外溫度傳感器紅外溫度傳感器、光纖溫度傳感器、光纖溫度傳感器熱電阻熱電阻電渦流傳感器電渦流傳感器PNPN結(jié)熱電效應(yīng)結(jié)熱電

26、效應(yīng)熱敏二極管熱敏二極管/三極管三極管、集成溫度傳感器集成溫度傳感器工作原理：工作原理： (1) 熱電阻原理與特性熱電阻原理與特性: 要求：要求：（1）溫度系數(shù)、電阻率較高）溫度系數(shù)、電阻率較高 提高靈敏度，體積小，反應(yīng)快提高靈敏度，體積小，反應(yīng)快（2）理化性能穩(wěn)定）理化性能穩(wěn)定 提高穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，復(fù)現(xiàn)性好提高穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，復(fù)現(xiàn)性好 （3）良好的輸入）良好的輸入-輸出特性輸出特性 線(xiàn)性線(xiàn)性/接近線(xiàn)性，測(cè)量精度高接近線(xiàn)性，測(cè)量精度高（4）良好的工藝性）良好的工藝性 批量生產(chǎn)，降低成本批量生產(chǎn)，降低成本材料：純金屬材料：純金屬 -鉑、銅、鎳、鐵鉑、銅、鎳、鐵 （5）較大的測(cè)溫范圍）較大的測(cè)溫范

27、圍 特別是在低溫范圍特別是在低溫范圍五、溫度檢測(cè)五、溫度檢測(cè)2、熱電阻、熱電阻原理：熱能原理：熱能 熱電阻熱電阻 電阻值電阻值溫度溫度 熱電阻熱電阻 阻值阻值 特點(diǎn)：特點(diǎn)：0 +850： )1(20BtAtRRt0 - 200： )100(1 320ttCBtAtRRt應(yīng)用：應(yīng)用：(1) 在高溫和氧化介質(zhì)中性能極為穩(wěn)定，在高溫和氧化介質(zhì)中性能極為穩(wěn)定， 易于提純，工藝性好易于提純，工藝性好(2) 輸入輸出特性接近線(xiàn)性輸入輸出特性接近線(xiàn)性(4) 貴重金屬，成本較高貴重金屬，成本較高標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)，高精度工業(yè)測(cè)溫，高低溫測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)，高精度工業(yè)測(cè)溫，高低溫測(cè)試 構(gòu)成：構(gòu)成：金屬鉑絲金屬鉑絲(0.02

28、0.07mm)繞制成線(xiàn)圈繞制成線(xiàn)圈(3) 測(cè)量精度高：測(cè)量精度高：0: 1、 0100: 0.5、 100650: 0.5%五、溫度檢測(cè)五、溫度檢測(cè)Pt100：R0：0時(shí)的溫度時(shí)的溫度 標(biāo)準(zhǔn)值標(biāo)準(zhǔn)值(Pt100, Pt500) (2) 鉑電阻鉑電阻(Pt)特點(diǎn)：特點(diǎn)：-50 180： )1 (320CtBtAtRRt應(yīng)用：應(yīng)用：(1) 易于提純，在易于提純，在-50 150范圍內(nèi)性能穩(wěn)定，價(jià)格低范圍內(nèi)性能穩(wěn)定，價(jià)格低 (2) 輸入輸出特性接近線(xiàn)性輸入輸出特性接近線(xiàn)性:(3) 電阻率低（為鉑電阻的電阻率低（為鉑電阻的1/6），體積較大），體積較大 (Cu50, Cu100)(4) 高溫易被氧化，

29、易被腐蝕高溫易被氧化，易被腐蝕(5) 測(cè)量精度低于鉑電阻：測(cè)量精度低于鉑電阻：-5050: 0.5、50150: 1%小范圍，較低溫度，測(cè)量精度要求低，沒(méi)有浸蝕性介質(zhì)，代替鉑小范圍，較低溫度，測(cè)量精度要求低，沒(méi)有浸蝕性介質(zhì)，代替鉑 五、溫度檢測(cè)五、溫度檢測(cè)構(gòu)成：構(gòu)成：金屬鉑絲金屬鉑絲(0.020.07mm)繞制成線(xiàn)圈繞制成線(xiàn)圈(3) 銅電阻銅電阻(Cu)R0：0時(shí)的溫度時(shí)的溫度 標(biāo)準(zhǔn)值標(biāo)準(zhǔn)值材料：材料：特點(diǎn)：特點(diǎn)：分類(lèi)：分類(lèi)：（1）溫度系數(shù)大）溫度系數(shù)大 靈敏度高靈敏度高 （為熱電阻（為熱電阻10100倍）倍）（2）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小 可以測(cè)量點(diǎn)溫度可以測(cè)量點(diǎn)溫度（3）電阻率高

30、、熱慣性?。╇娮杪矢?、熱慣性小 適于動(dòng)態(tài)測(cè)溫適于動(dòng)態(tài)測(cè)溫（4）易于維護(hù)、使用壽命長(zhǎng)）易于維護(hù)、使用壽命長(zhǎng) 適于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)溫適于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)溫（5）互換性差，非線(xiàn)性嚴(yán)重，精度低）互換性差，非線(xiàn)性嚴(yán)重，精度低 正溫度系數(shù)熱敏電阻正溫度系數(shù)熱敏電阻(PTC)負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻(NTC)臨界溫度系數(shù)熱敏電阻臨界溫度系數(shù)熱敏電阻(CTR) 半導(dǎo)體半導(dǎo)體 - 半導(dǎo)體熱電阻半導(dǎo)體熱電阻（6）成本低，應(yīng)用廣泛）成本低，應(yīng)用廣泛 3、熱敏電阻熱敏電阻 五、溫度檢測(cè)五、溫度檢測(cè)TBTAeR非線(xiàn)性非線(xiàn)性 熱敏電阻的應(yīng)用熱敏電阻的應(yīng)用家用電器家用電器電熨斗、電冰箱、電飯煲、洗衣機(jī)、電暖壺、烘干機(jī)、電電熨斗、電

31、冰箱、電飯煲、洗衣機(jī)、電暖壺、烘干機(jī)、電烤箱、空調(diào)機(jī)、電熱毯、熱水器、熱得快、電磁爐、烤箱、空調(diào)機(jī)、電熱毯、熱水器、熱得快、電磁爐、汽車(chē)電子汽車(chē)電子電子噴油嘴、空調(diào)機(jī)、發(fā)電機(jī)防熱裝置、電熱座椅電子噴油嘴、空調(diào)機(jī)、發(fā)電機(jī)防熱裝置、電熱座椅測(cè)量?jī)x器測(cè)量?jī)x器流量計(jì)、風(fēng)速表、真空計(jì)、濃度計(jì)、濕度計(jì)、空氣傳感器、流量計(jì)、風(fēng)速表、真空計(jì)、濃度計(jì)、濕度計(jì)、空氣傳感器、環(huán)境監(jiān)測(cè)儀、環(huán)境監(jiān)測(cè)儀、辦公設(shè)備辦公設(shè)備復(fù)印機(jī)、傳真機(jī)、打印機(jī)、掃描儀復(fù)印機(jī)、傳真機(jī)、打印機(jī)、掃描儀農(nóng)業(yè)園藝農(nóng)業(yè)園藝溫室控制、人工氣候箱、烘干系統(tǒng)、溫室控制、人工氣候箱、烘干系統(tǒng)、醫(yī)療器具醫(yī)療器具體溫計(jì)、人工透析、散熱系統(tǒng)體溫計(jì)、人工透析、散熱

32、系統(tǒng)工業(yè)生產(chǎn)工業(yè)生產(chǎn)電動(dòng)機(jī)過(guò)熱保護(hù)、電動(dòng)機(jī)過(guò)熱保護(hù)、五、溫度檢測(cè)五、溫度檢測(cè)應(yīng)用實(shí)例：基于熱敏電阻的電機(jī)過(guò)熱保護(hù)器：應(yīng)用實(shí)例：基于熱敏電阻的電機(jī)過(guò)熱保護(hù)器： Rt1 Rt2 Rt3 ：熱敏電阻：熱敏電阻(NTC) ，安裝在三相繞組附近，安裝在三相繞組附近 溫度低時(shí)溫度低時(shí) ：電阻高：電阻高 三極管不導(dǎo)通三極管不導(dǎo)通 繼電器不吸合繼電器不吸合 電機(jī)運(yùn)行電機(jī)運(yùn)行溫度高時(shí)溫度高時(shí) ：電阻低：電阻低 三極管導(dǎo)通三極管導(dǎo)通 繼電器吸合繼電器吸合 電機(jī)停止電機(jī)停止五、溫度檢測(cè)五、溫度檢測(cè)4、熱電偶熱電偶 五、溫度檢測(cè)五、溫度檢測(cè)(1) 工作原理工作原理: 兩種不同導(dǎo)體構(gòu)成閉合回路兩種不同導(dǎo)體構(gòu)成閉合回路兩

33、個(gè)節(jié)點(diǎn)（兩個(gè)節(jié)點(diǎn)（A A、B B）溫度不同）溫度不同熱電勢(shì)熱電勢(shì)溫差電勢(shì)：溫差電勢(shì)：TTAAdTTTE0),(0A-溫差系數(shù)溫差系數(shù) TA,TB-A、B兩節(jié)點(diǎn)絕對(duì)溫度兩節(jié)點(diǎn)絕對(duì)溫度 BAABNNekTTEln)(k-波爾茲曼常數(shù)波爾茲曼常數(shù) e-電子電荷電子電荷NA,NB-導(dǎo)體導(dǎo)體AB的自由電子密度的自由電子密度材料材料T-節(jié)點(diǎn)絕對(duì)溫度節(jié)點(diǎn)絕對(duì)溫度 接觸電勢(shì)：接觸電勢(shì)：不同導(dǎo)體不同導(dǎo)體自由電子密度不同自由電子密度不同擴(kuò)散擴(kuò)散電勢(shì)電勢(shì) （帕爾帖）（帕爾帖）同一導(dǎo)體同一導(dǎo)體兩端溫度不同兩端溫度不同電子遷移（高電子遷移（高 低）低） 電勢(shì)電勢(shì) 若兩種導(dǎo)體相同：若兩種導(dǎo)體相同： A=B E=0若兩端無(wú)

34、溫差：若兩端無(wú)溫差： T=T0 E=0 兩種情況兩種情況 導(dǎo)體不同導(dǎo)體不同兩端溫差兩端溫差條件條件 (2) 常用熱電偶材料：常用熱電偶材料： 五、溫度檢測(cè)五、溫度檢測(cè)材料材料測(cè)溫范圍測(cè)溫范圍特點(diǎn)特點(diǎn)應(yīng)用應(yīng)用鉑鐒鉑鐒10純鉑純鉑0 1000 準(zhǔn)確性高，成本高準(zhǔn)確性高，成本高工業(yè)工業(yè)銥鐒銥鐒10純銥純銥0 2100 科學(xué)研究科學(xué)研究銥鐒銥鐒40鉑鐒鉑鐒400 1900 氧化、中性氣體氧化、中性氣體鎳鐵鎳鐵鎳銅鎳銅50 500 50 無(wú)電勢(shì)無(wú)電勢(shì)火災(zāi)報(bào)警火災(zāi)報(bào)警鎳鉻鎳鉻康銅康銅-200 900 各種場(chǎng)合各種場(chǎng)合鎳鉻鎳鉻鎳硅鎳硅-50 1300 電勢(shì)大，線(xiàn)性好電勢(shì)大，線(xiàn)性好各種場(chǎng)合、常用各種場(chǎng)合、常用

35、銅銅康銅康銅-200 400 各種場(chǎng)合各種場(chǎng)合鎳鉻鎳鉻金鐵金鐵-270 10 低溫低溫銅銅金鐵金鐵-270 -250 靈敏度高靈敏度高低溫低溫(3) 熱電偶結(jié)構(gòu)：熱電偶結(jié)構(gòu)： 五、溫度檢測(cè)五、溫度檢測(cè)a) 普通熱電偶：普通熱電偶：應(yīng)用：測(cè)量氣體、蒸汽、液體等介質(zhì)溫度應(yīng)用：測(cè)量氣體、蒸汽、液體等介質(zhì)溫度結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)：1-熱電極熱電極 2-絕緣套管絕緣套管 3-保護(hù)套管保護(hù)套管 4-接線(xiàn)盒接線(xiàn)盒 b) 鎧裝熱電偶：鎧裝熱電偶：結(jié)構(gòu)：熱電極結(jié)構(gòu)：熱電極 + 絕緣材料絕緣材料 + 金屬保護(hù)套金屬保護(hù)套特點(diǎn)：細(xì)長(zhǎng)特點(diǎn)：細(xì)長(zhǎng)(13mm)，可以彎曲，撓性好，強(qiáng)度高，可以彎曲，撓性好，強(qiáng)度高 測(cè)端熱容量小，動(dòng)態(tài)

36、響應(yīng)快測(cè)端熱容量小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快(0.01s)，應(yīng)用：適于狹小空間、點(diǎn)溫度應(yīng)用：適于狹小空間、點(diǎn)溫度c) 其他熱電偶：其他熱電偶： 薄膜熱電偶、浸入式熱電阻、薄膜熱電偶、浸入式熱電阻、(4) 熱電偶的冷端補(bǔ)償熱電偶的冷端補(bǔ)償 熱電勢(shì)熱電勢(shì):a) 恒溫法：恒溫法：測(cè)測(cè) 溫溫: 獲得獲得T T0固定固定 T0=0（冷端）（冷端）冷冷 端：干擾、波動(dòng)端：干擾、波動(dòng) T0 0 誤差誤差 冷端溫度補(bǔ)償冷端溫度補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，冷端標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，冷端 冰水混合液（保溫容器）冰水混合液（保溫容器）b)系數(shù)修正法：系數(shù)修正法：T00 精確計(jì)算精確計(jì)算 修正修正)(0TTfET：測(cè)端溫度：測(cè)端溫度 T0：參考端（

37、冷端）溫度：參考端（冷端）溫度nkTTT0Tn：測(cè)量溫度：測(cè)量溫度 k：修正系數(shù)（表：修正系數(shù)（表7-5）五、溫度檢測(cè)五、溫度檢測(cè)恒溫控制恒溫控制 0 實(shí)驗(yàn)室（半導(dǎo)體制冷器）實(shí)驗(yàn)室（半導(dǎo)體制冷器）冷端溫度補(bǔ)償方法：冷端溫度補(bǔ)償方法：d) 電橋補(bǔ)償法：電橋補(bǔ)償法： 全臂電橋：全臂電橋：R1, R2, R3 - 錳銅線(xiàn)繞制電阻（固定電阻）錳銅線(xiàn)繞制電阻（固定電阻） R4 - 銅線(xiàn)繞制補(bǔ)償電阻（熱電阻）銅線(xiàn)繞制補(bǔ)償電阻（熱電阻） R - 限流電阻限流電阻 E - 電橋電源電橋電源平衡：平衡： 調(diào)整調(diào)整R4，使得電橋輸出，使得電橋輸出 Uab=0補(bǔ)償：補(bǔ)償：冷端溫度冷端溫度熱電偶輸出熱電勢(shì)熱電偶輸出熱電勢(shì)ExR4 失衡失衡 Uab 若若Ex= Uab 輸出不變輸出不變c) 延伸電極法：延伸電極法：需要長(zhǎng)線(xiàn)傳輸信號(hào)需要長(zhǎng)線(xiàn)傳輸信號(hào)熱電偶長(zhǎng)度熱電偶長(zhǎng)度1米左