電子測量技術(shù)(第二版)非電量的測量

1、第10章非電量的測量 距離與位移的測量 速度、轉(zhuǎn)速與加速度測量 溫、濕度測量壓力測量 流量測量 在科學(xué)研究和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實踐過程中，存在著很多非電量的測量需求。非電量無論在種類上還是在數(shù)量上都比電量和磁量多，如機械量(距離、位移、風(fēng)速)、熱工量(溫/濕度、壓力)、化工量(濃度、成分、pH值)等。針對這些非電量存在非電和電測兩類測量方法。非電量的電測法就是用傳感器將非電量轉(zhuǎn)換成電量(電流、電壓或頻率)，再通過測量電量(電流或電壓)的方法和措施呈現(xiàn)出非電量的數(shù)值。本章中非電量的測量主要討論電測法，并且只討論距離與位移、速度、轉(zhuǎn)速與加速度、溫/濕度、壓力、流量等幾種常見非電量的電測法。非電量的電測量技

2、術(shù)關(guān)鍵在于如何將非電量轉(zhuǎn)換成電壓、電流或頻率等電信號量。傳感器解決圖非電量電測系統(tǒng)的組成了從非電量到電量的信息形態(tài)的轉(zhuǎn)換，在非電量測量系統(tǒng)中發(fā)揮著十分重要的作用。一個完整的非電量測量系統(tǒng)一般包括信息的獲取、轉(zhuǎn)換、顯示處理等幾個局部，其組成如下圖。首先是獲得被測量的非電量信息，它是通過傳感器來實現(xiàn)的。根本轉(zhuǎn)換電路的功能是將傳感器的參數(shù)變化轉(zhuǎn)換為電量輸出。測量電路的作用是對傳感器輸出的電量進行阻抗變換、放大、濾波，方便后續(xù)的模擬和數(shù)字的傳輸和處理。顯示和處理電路完成測量數(shù)據(jù)的顯示、存儲等。非電量檢測的方法依據(jù)傳感器轉(zhuǎn)換原理的不同而有不同的分類。歸納起來，主要劃分為以下幾類：(1) 電磁檢測：包括電

3、阻式、電感式、電容式、磁電式、熱電式、壓電式、諧振式等。(2) 光學(xué)檢測：包括光電式、激光式、紅外式、光柵式、光纖維式、光學(xué)編碼器等。(3) 超聲波檢測。(4) 同位素檢測。(5) 微波檢測。(6) 電化學(xué)檢測應(yīng)用傳感器進行非電量的電測量有很多優(yōu)點，例如：測量范圍寬、速度快；便于實現(xiàn)遠距離測量和集中控制；便于實現(xiàn)靜態(tài)和動態(tài)測量；方便利用計算機進行信號的處理和記錄等。隨著傳感技術(shù)的開展，應(yīng)用電測技術(shù)手段去測量非電物理和化學(xué)量被人們普遍采用。距離與位移的測量距離是指(兩物體)在空間或時間上相隔的長度。本章所講的距離測量主要針對空間上的間隔測量。位移測量是線位移和角位移測量的統(tǒng)稱，實際上就是長度或距

4、離以及角度的測量。距離與位移測量在工程中應(yīng)用很廣，這不僅因為機械工程中常要求精確地測量零部件的位移、位置和尺寸，而且許多機械量的測量往往可以先通過適當(dāng)?shù)剞D(zhuǎn)換變成位移的測試，然后再換算成相應(yīng)的被測量物理量。由于位移是與物體在運動過程中的移動有關(guān)的量，所以位移的測量方法所涉及的范圍是相當(dāng)廣泛的。微小位移通常用應(yīng)變式、電感式等傳感器來檢測，大的位移常用感應(yīng)同步器、光柵等傳感技術(shù)來測量。距離與位移的測量方法位移是矢量，它表示物體上某一點在一定方向上的位置變化。對位移的度量，應(yīng)使測量方向與位移方向重合，這樣才能真實地測量出位移量的大小。位移測量的方法多種多樣，常用的有以下幾種：(1) 積分法：測量運動體

5、的速度或加速度，經(jīng)過積分或二次積分求得運動體的位移。例如在慣性導(dǎo)航中，就是通過測量載體的加速度，經(jīng)過二次積分而求得載體的位移。(2) 相關(guān)測距法：利用相關(guān)函數(shù)的時延性質(zhì)，向某被測物發(fā)射信號，將發(fā)射信號與經(jīng)被測物反射的返回信號做相關(guān)處理，求得時延，假設(shè)發(fā)射信號的速度，那么可求得發(fā)射點與被測物之間的距離。例如紅外測距就是應(yīng)用這一原理。(3) 回波法：從測量起始點到被測面是一種介質(zhì)，被測面以后是另一種介質(zhì)，利用介質(zhì)分界面對波的反射原理測位移。如激光測距儀、超聲波液位計都是利用分界面對激光、超聲波的反射測量位移的。在回波法中常用相位差法，用于大位移量的測量，相位差法測量的載體是光波或電磁波。(4) 線

6、位移和角位移相互轉(zhuǎn)換測量法：被測量是線位移,假設(shè)檢測角位移更方便，那么可用間接方法，先測角位移再換算成線位移。同樣，被測量是角位移時，也可先測線位移再進行轉(zhuǎn)換。例如汽車的里程表，是通過測量車輪轉(zhuǎn)數(shù)再乘以周長而得到汽車的里程的。(5) 位移傳感器法：通過位移傳感器，將被測位移量的變化轉(zhuǎn)換成電量(電壓、電流、阻抗等)、流量、光通量、磁通量等的變化，間接測位移。根據(jù)傳感器的轉(zhuǎn)換結(jié)果，可分為兩類：一類是將位移量轉(zhuǎn)換為模擬量，如電感式位移傳感器、電容式位移傳感器；另一類是將位移量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，如光柵位移傳感器等。常見的位移傳感器在很多情況下，位移可以通過位移傳感器直接測得。能夠測量位移的傳感器很多，如因

7、位移引起傳感器電感量變化的電感式位移傳感器、將位移量變化轉(zhuǎn)化為電容量變化的電容式位移傳感器、利用莫爾條紋原理制成的光柵線位移和角位移的光柵傳感器等。其中光柵傳感器因具有易實現(xiàn)數(shù)字化、精度高、抗干擾能力強、無人為讀數(shù)誤差、安裝方便、使用可靠等優(yōu)點，在機床加工、精密檢測儀表等行業(yè)得到日益廣泛的應(yīng)用。近年來，各種新型傳感器，如光導(dǎo)纖維傳感器、電荷耦合器(CCD)傳感器等均開展十分迅速，給位移的測量提供了不少新的方法。根據(jù)傳感器的變換原理，常用的位移測量傳感器類型有電阻式、電感式、電容式、霍爾元件、光柵和角度編碼器及電動千分表等。隨著數(shù)字技術(shù)的開展，出現(xiàn)了各式各樣的數(shù)字式位移傳感器。常用的數(shù)字位移傳感

8、器有計量光柵、磁尺、編碼器和感應(yīng)同步器等。表給出了常見位移傳感器的主要特點和性能。表常用位移傳感器超聲波測距儀簡介1超聲波測距原理超聲波是指振動頻率大于20 kHz的機械波。通過超聲波發(fā)射裝置發(fā)出超聲波，根據(jù)接收器接到超聲波時的時間差就可以知道超聲波發(fā)射端到被測物之間的距離，這與雷達測距原理相似。超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時刻的同時開始計時，超聲波在空氣中傳播，在途中碰到障礙物就立刻反射，超聲波接收器收到反射波就立即停止計時。超聲波測距的原理如下圖。圖超聲波測距原理首先超聲波傳感器向空氣中發(fā)射超聲波脈沖，超聲波脈沖遇到被測物體反射回來，聲速為v，假設(shè)能測出第一個回波到達時刻與發(fā)射

9、時刻間的時間差t，利用公式即可算得傳感器與反射點間的距離s，測量距離為當(dāng)超聲波發(fā)射器與接收器距離很近，即sh時，那么ds。當(dāng)收發(fā)傳感器同體時，h=0，那么常溫常壓下，空氣近似為理想氣體。超聲波在理想氣體中的傳播速度為超聲波測距的誤差為sd=vst+tsv2 超聲波測距儀結(jié)構(gòu)超聲波測距儀由超聲波發(fā)射傳感器、發(fā)射電路、超聲波接收傳感器、接收放大電路、回波信號處理電路和單片機控制電路等局部組成，系統(tǒng)框圖如下圖?；趩纹瑱C的超聲波測距儀系統(tǒng)利用單片機編程產(chǎn)生40 kHz的方波，經(jīng)過發(fā)射驅(qū)動電路放大，驅(qū)動超聲波發(fā)射頭發(fā)射；超聲波經(jīng)反射物反射回來后，由超聲波接收頭接收，再經(jīng)過接收電路放大、整形，單片機編程

10、處理、計數(shù)、換算，從而得到測距儀與被測物之間的距離。圖超聲波測距系統(tǒng)框圖速度、轉(zhuǎn)速與加速度測量常用的速度測量方法(1) 加速度積分法和位移微分法：對運動體的加速度信號進行積分運算，即可得到運動體的運動速度，或者對運動體的位移信號進行微分也可以得到速度。(2) 線速度和角速率相互轉(zhuǎn)換測速法：與線位移和角位移在同一運動體上有固定關(guān)系一樣，線速度和角速率在同一個運動體上有固定關(guān)系，可采取互換的方法測量。例如測量汽車行駛速度時，直接測線速度不方便，可先測量車輪的轉(zhuǎn)速，然后轉(zhuǎn)換為汽車的行駛速度。(3) 速度傳感器法：利用各種速度傳感器，將速度信號轉(zhuǎn)換為電信號、光信號等易測信號進行測量。速度傳感器法是最常

11、用的一種方法。(4) 時間、位移計算測速法：這種方法是根據(jù)速度的定義測量速度，即通過測量距離和走過距離的時間，然后求得平均速度。測量時間越短，測得的平均速度越接近瞬時速度。根據(jù)這種測量原理，在固定的距離內(nèi)利用數(shù)學(xué)方法和相應(yīng)器件又延伸出很多測速方法。如相關(guān)法測量線速度，是利用隨機過程互相關(guān)函數(shù)的方法進行的，其原理如下圖。 圖相關(guān)測速原理圖被測物體以速度v行進，在靠近行進物體處安裝兩個相距L的相同的傳感器(如光電傳感器、超聲波傳感器等)。傳感器檢測易于從被測物體上檢測到的參量(如外表粗糙度、外表缺陷等)，例如對被測物體發(fā)射光，由于被測物外表的差異及傳感器等受隨機因素的影響。傳感器得到的反射光信號是

12、經(jīng)隨機噪聲調(diào)制過的。圖中傳感器2得到的信號x(t)是由于物體A點進入傳感器2的檢測區(qū)得到的。當(dāng)物體A點運動到傳感器1的檢測區(qū)時，傳感器1輸出信號y(t)。當(dāng)隨機過程是平穩(wěn)隨機過程時，y(t)的波形和x(t)是相似的，只是時間上推遲了t0=L/v，即y(t)=x(tt0)因此其物理含義是x(t)延遲t0后成x(tt0)，其波形將和y(t)幾乎重疊，因此互相關(guān)函數(shù)有最大值。因此求得v=L/t0。利用激光、雷達或衛(wèi)星導(dǎo)航測量運動物體速度的方法也廣泛使用。(10-1)常用的速度測量裝置1. 離心式轉(zhuǎn)速計離心式轉(zhuǎn)速計是利用旋轉(zhuǎn)質(zhì)量的離心力與旋轉(zhuǎn)角度速度成比例的原理來測量被測轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速，并用轉(zhuǎn)速單位連續(xù)指

13、示在刻度盤上。其結(jié)構(gòu)原理為一圓錐形離心式轉(zhuǎn)速計，借離心力使重塊外甩并帶動滑塊移動，同時帶動杠桿齒輪，通過指針可直接讀出所測轉(zhuǎn)速。測量時要求轉(zhuǎn)速計的小軸與被測軸保持在同一直線上，也不宜壓得過緊，以免損壞轉(zhuǎn)速計。這種轉(zhuǎn)速計屬于接觸式測量儀器，結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，在各工業(yè)領(lǐng)域中有廣泛應(yīng)用。2. 磁電式轉(zhuǎn)速傳感器磁電式轉(zhuǎn)速傳感器是以磁電感應(yīng)為根本原理來實現(xiàn)轉(zhuǎn)速測量的。磁電式轉(zhuǎn)速傳感器由鐵芯、磁鋼、感應(yīng)線圈等部件組成。磁電式轉(zhuǎn)速傳感器的線圈內(nèi)產(chǎn)生有磁力線，測量對象轉(zhuǎn)動時，齒輪轉(zhuǎn)動會切割磁力線，磁路由于磁阻變化，在感應(yīng)線圈內(nèi)產(chǎn)生電動勢。感應(yīng)電勢產(chǎn)生的電壓大小和被測對象轉(zhuǎn)速有關(guān)，被測物體的轉(zhuǎn)速越快，輸出的電

14、壓也就越大，也就是說輸出電壓和轉(zhuǎn)速成正比，通過換算可測出被測對象的轉(zhuǎn)速。但是在被測物體的轉(zhuǎn)速超過磁電式轉(zhuǎn)速傳感器的測量范圍時，磁路損耗會過大，使得輸出電勢飽和甚至銳減。3. 光電式轉(zhuǎn)速傳感器光電式測速屬于計數(shù)式測量方法，傳感器可以采用霍爾元件，也可以采用各種光電傳感器。光電式轉(zhuǎn)速傳感器分為投射式和反射式兩類。投射式光電轉(zhuǎn)速傳感器的讀數(shù)盤和測量盤有間隔相同的縫隙。測量盤隨被測物體轉(zhuǎn)動，每轉(zhuǎn)過一條縫隙，從光源投射到光敏元件上的光線產(chǎn)生一次明暗變化,光敏元件即輸出電流脈沖信號。反射式光電轉(zhuǎn)速傳感器在被測轉(zhuǎn)軸上設(shè)有反射記號，由光源發(fā)出的光線通過透鏡和半透膜入射到被測轉(zhuǎn)軸上。轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動時，反射記號對投射光

15、點的反射率發(fā)生變化。反射率變大時，反射光線經(jīng)透鏡投射到光敏元件上即輸出一個脈沖信號；反射率變小時，光敏元件輸出那么變化。在一定時間內(nèi)對脈沖信號計數(shù)便可測出轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速值。4. 激光多普勒測速儀當(dāng)波源或接收波的觀測者相對于傳播質(zhì)子運動時，觀測者所測得的波的頻率不僅取決于波源發(fā)出的振動頻率，還取決于波源或觀測者運動速度的大小和方向，這種現(xiàn)象稱為光或聲的多普勒效應(yīng)，無線電波也具有此特性。不管是波源運動，或者觀測者運動，或者是兩者都運動，只要是兩者互相接近，接收到的頻率就高于原來波源的頻率；如果是兩者相互遠離，接收到的頻率就低于原來波源的頻率。由多普勒效應(yīng)引起的頻率變化數(shù)值稱做多普勒頻移值。光波的多普勒

16、效應(yīng)是一種物理現(xiàn)象。設(shè)波源的頻率為f1，波長為，當(dāng)相對運動速度v1=0時，波在介質(zhì)中傳播速度為c；假設(shè)觀測者以相對速度v20趨近波源，那么觀測者測得的頻率為說明由于觀測者與被測對象間的相對運動，實際測得的頻率f2與光源頻率f1之間有一個頻差f。當(dāng)波源頻率一定時，頻差與相對運動速度成正比。典型的光學(xué)多普勒測速系統(tǒng)原理框圖如下圖，其測速精度高，測量范圍寬，可以測出1 cm/h的超低速度，且屬于非接觸測量。非接觸測量可以克服由于機械磨損和打滑造成的測量誤差。圖典型的光學(xué)多普勒測速系統(tǒng)數(shù)字三軸加速度傳感器應(yīng)用1. 加速度傳感器ADXL345ADXL345是ADI公司的一款三軸、數(shù)字輸出的加速度傳感器。

17、ADXL345具有+/2 g、+/4 g、+/8 g、+/16 g可變的測量范圍，最高13 bit分辨率，固定的4 mg/LSB靈敏度，3 mm5 mm1 mm超小封裝，40 A145 A超低功耗，標(biāo)準的I2C或SPI數(shù)字接口，32級FIFO存儲，以及內(nèi)部多種運動狀態(tài)檢測和靈活的中斷方式等特性。ADXL345系統(tǒng)框圖與管腳定義如下圖。圖ADXL345系統(tǒng)框圖與管腳定義2. ADXL345在跌倒檢測中的應(yīng)用ADXL345具有兩個可編程的中斷管腳INT1和INT2，以及Data_Ready、Single_Tap、Double_Tap、Activity、Inactivity、Free_Fall、Wa

18、termark和Overrun共計8個中斷源。每個中斷源可以獨立地使能或禁用，還可以靈活地選擇是否映射到INT1或INT2中斷管腳。對跌倒檢測原理的研究主要是找到人體在跌倒過程中的加速度變化特征。假設(shè)跌倒檢測器被固定在被測的人體上。圖給出了人在不同運動過程中加速度的變化曲線，包括(a)步行上樓、(b)步行下樓、(c)坐下、(d)起立。圖人在不同運動過程中的加速度變化曲線由于老年人的運動相比照較慢，因此在普通的步行過程中，加速度變化不會很大。最明顯的加速度變化就是在坐下動作中Y軸加速度(和加速度矢量和)上有一個超過3 g的尖峰,這個尖峰是由于身體與椅子接觸而產(chǎn)生的。而跌倒過程中的加速度變化那么完

19、全不同。圖給出的是人體意外跌倒過程中的加速度變化曲線。通過對圖和圖的比較，可以發(fā)現(xiàn)跌倒過程中的加速度變化有4個主要狀態(tài)特征(圖中用14表示)，這可以作為跌倒檢測的準那么。圖人跌倒過程中的加速度變化曲線通過ADXL345的不同狀態(tài)的特征比照可形成整個的跌倒檢測算法，可以對跌倒?fàn)顟B(tài)給出報警。ADXL345和微控制器之間的電路連接非常簡單，可工作于I2C或SPI模式下，如下圖。圖ADXL345和微控制器連接框圖溫、濕度測量常見溫、濕度傳感器1熱電阻溫度傳感器導(dǎo)體的電阻值隨溫度的變化而變化，因此可以通過測量其阻值推算出被測物體的溫度，利用此原理構(gòu)成的傳感器就是電阻溫度傳感器，主要用于200500范圍內(nèi)

20、的溫度測量。熱電阻是中低溫區(qū)最常見的一種溫度檢測器，其材料具有電阻溫度系數(shù)大且穩(wěn)定的特點，常見的有鉑電阻、銅電阻等。其中鉑電阻的精度是最高的，它不僅廣泛應(yīng)用于產(chǎn)業(yè)測溫，還被制成標(biāo)準的基準儀。目前國內(nèi)統(tǒng)一設(shè)計的工業(yè)用標(biāo)準鉑電阻的阻值一般有100 和10 兩種，并將電阻值Rt與溫度t的相應(yīng)關(guān)系統(tǒng)一列成表格，稱為鉑電阻的分度表，如表所示。鉑電阻型號PT后的100即表示它在0時阻值為100 ，而在100時的阻值約為138.51 。PT100鉑電阻橋式測溫典型應(yīng)用電路如下圖。輸出端電壓為(10-2)表工業(yè)用鉑電阻分度表(局部) 圖鉑電阻橋式測溫典型應(yīng)用電路2. 熱電偶溫度傳感器熱電偶是根據(jù)熱電效應(yīng)測量溫

21、度的傳感器，是溫度測量儀表中常用的測溫元件。兩種不同導(dǎo)體或半導(dǎo)體的組合稱為熱電偶，利用熱電偶的熱電勢與溫度差相關(guān)的特性可做成溫度傳感器。各種熱電偶的外形通常極不相同，但是它們的根本結(jié)構(gòu)卻大致相同，通常由熱電極、絕緣套保護管和接線盒等主要局部組成，常和顯示儀表、記錄儀表及電子調(diào)節(jié)器配套使用。常用熱電偶可分為標(biāo)準熱電偶和非標(biāo)準熱電偶兩大類。常見的有8種標(biāo)準化熱電偶，即T型、E型、J型、K型、N型、B型、R型和S型。熱電偶傳感器通常與被測對象直接接觸, 不受中間介質(zhì)的影響, 具有較高的精度；可在501600范圍內(nèi)進行連續(xù)測量。3. 熱敏電阻溫度傳感器熱敏電阻是開發(fā)早、種類多、開展較成熟的溫度敏感器件

22、。熱敏電阻由半導(dǎo)體陶瓷材料制成，原理是利用溫度引起半導(dǎo)體熱電阻變化。半導(dǎo)體熱電阻溫度系數(shù)要比金屬大10100倍以上，能檢測出106的溫度變化，而且電阻值可在0.1 k100 k間任意選擇。熱敏電阻阻值隨溫度變化的曲線呈非線性，而且相同型號熱敏電阻溫度特性曲線的線性度也不一樣，并且測溫范圍比較小。熱敏電阻有正溫度系數(shù)型(PTC)、負溫度系數(shù)型(NTC)和臨界溫度系數(shù)型(CTR)三種，它們的溫度特性曲線如下圖。圖各種熱敏電阻溫度特性曲線熱敏電阻可作為電子線路元件用于儀表線路溫度補償和溫差電偶冷端溫度補償?shù)?。利用NTC熱敏電阻的自熱特性可實現(xiàn)自動增益控制，構(gòu)成RC振蕩器穩(wěn)幅電路、延遲電路和保護電路。

23、在自熱溫度遠大于環(huán)境溫度時阻值還與環(huán)境的散熱條件有關(guān)，因此在流速計、流量計、氣體分析儀、熱導(dǎo)分析中常利用熱敏電阻這一特性，制成專用的檢測元件。PTC熱敏電阻主要用于電器設(shè)備的過熱保護、無觸點繼電器、恒溫、自動增益控制、電機啟動、時間延遲、彩色電視自動消磁、火災(zāi)報警和溫度補償?shù)确矫妗?. PN結(jié)溫度傳感器半導(dǎo)體PN結(jié)溫度傳感器利用半導(dǎo)體材料和器件的某些性能參數(shù)對溫度的依賴性，實現(xiàn)對溫度的檢測、控制和補償?shù)裙δ?。在正向恒流供電條件下，PN結(jié)的正向電壓與溫度之間具有很好的線性關(guān)系。理想半導(dǎo)體PN結(jié)的正向電流和壓降存在如下近似關(guān)系：那么只要通過PN結(jié)的正向電流保持恒定，PN結(jié)上的正向壓降UF與溫度T的

24、線性關(guān)系只受方向飽和電流的影響，而IS是溫度的緩變函數(shù)，可近似認為在一定溫度范圍內(nèi)IS為近似常數(shù)，因此半導(dǎo)體PN結(jié)測溫范圍為50150，可廣泛用于氣體、液體及固體的溫度測量與控制，也可用作可變溫度系數(shù)的溫度補償器件等，其缺乏之處是離散性大。5. 光纖傳感器光纖測溫技術(shù)可分為全輻射測溫法、單輻射測溫法、雙波長測溫法、多波長測溫法等。其特點是光纖撓性好，透光譜段寬，傳輸損耗低，無論是就地使用還是遠距離傳輸均十分方便，而且光纖直徑小，可以單根、成束或陣列方式使用，結(jié)構(gòu)布置簡單；缺點是難以實現(xiàn)較高精度，工藝比較復(fù)雜，造價高。6. 濕敏電阻傳感器電阻式濕度傳感器是利用濕敏元件的電氣特性(如電阻值)隨濕度

25、的變化而變化的原理進行濕度測量的傳感器。濕敏元件一般是在絕緣物上浸漬吸濕性物質(zhì)，或者通過蒸發(fā)、涂覆等工藝制成一層金屬、半導(dǎo)體、高分子薄膜或粉末狀顆粒，在濕敏元件的吸濕和脫濕過程中，水分子分解出的離子H+的傳導(dǎo)狀態(tài)發(fā)生變化，從而使元件的電阻值隨濕度而變化。電阻式濕度傳感器應(yīng)當(dāng)最適用于濕度控制領(lǐng)域，其代表產(chǎn)品氯化鋰濕度傳感器具有穩(wěn)定性強、耐溫性好和使用壽命長等多項重要的優(yōu)點，已有了50年以上的生產(chǎn)和研究歷史，有著多種多樣的產(chǎn)品型式和制作方法。7. 半導(dǎo)體陶瓷濕敏傳感器半導(dǎo)體陶瓷濕敏傳感器通常是用兩種以上的金屬氧化物半導(dǎo)體材料混合燒結(jié)而成的多孔陶瓷。電阻率隨濕度增加而下降的稱為負特性濕敏半導(dǎo)體陶瓷；

26、電阻率隨濕度增加而增大的稱為正特性濕敏半導(dǎo)體陶瓷。表給出了常見濕度測量方法的比較。 表常見濕度測量方法的比較 集成溫/濕度傳感器1. AD590AD590是美國模擬器件公司生產(chǎn)的單片集成兩端感溫電流源，它的主要特性如下：(1) 流過器件的電流(A)等于器件所處環(huán)境的熱力學(xué)溫度(開爾文)度數(shù)，即(2) AD590的測溫范圍為55+150。(10-3)(3) AD590的電源電壓范圍為4 V30 V。電源電壓在4 V6 V范圍變化時，電流Ir變化1 A，相當(dāng)于溫度變化1 K。AD590可以承受44 V正向電壓和20 V反向電壓，因而器件反接也不會被損壞。(4) 精度高。AD590共有I、J、K、L

27、、M五擋，其中M擋精度最高，在55+150范圍內(nèi)，非線性誤差為0.3。AD590的封裝及根本應(yīng)用電路如下圖。 圖AD590的封裝及根本應(yīng)用電路2. DS18B20數(shù)字溫度傳感器DS18B20是一種具有獨特的單線接口方式的數(shù)字化溫度傳感器，測量范圍是55+125，具有以下特性：(1) 單線接口，只需一根線與單片機進行連接。(2) 不需要外部元件，可直接由數(shù)據(jù)線供電。(3) 支持多點組網(wǎng)，多個DS18B20可以并聯(lián)在相同的三線連接(+5 V、地、數(shù)據(jù)線)上。(4) 通過編程可實現(xiàn)1/21/16的四級精度轉(zhuǎn)換。(5) 測量結(jié)果以912位數(shù)字量方式串行輸出。(6) 芯片本身帶有命令集和存儲器。DS18

28、B20的功能結(jié)構(gòu)圖和工作原理圖如下圖。圖DS18B20功能結(jié)構(gòu)和工作原理圖3. SHT1x/SHT7x系列集成溫、濕度傳感器SHTxx系列單芯片溫、濕度傳感器是一款含有已校準數(shù)字信號輸出的溫、濕度復(fù)合傳感器，其內(nèi)部組成框圖如下圖。傳感器包括一個電容式聚合體測濕元件和一個能隙式測溫元件，并與一個14位的A/D轉(zhuǎn)換器以及串行接口電路在同一芯片上實現(xiàn)無縫連接。每個SHTxx傳感器都在極為精確的濕度校驗室中進行校準。校準系數(shù)以程序的形式儲存在OTP內(nèi)存中，傳感器內(nèi)部在檢測信號的處理過程中要調(diào)用這些校準系數(shù)。兩線制串行接口和內(nèi)部基準電壓，使系統(tǒng)集成變得簡易快捷。圖SHT1x/SHT7x內(nèi)部組成框圖SHT

29、1x/SHT7x集成溫、濕度傳感器與微處理器連接的方式非常簡單，典型應(yīng)用電路如下圖。圖SHT1x / SHT7x典型應(yīng)用電路 壓力測量壓力測量垂直作用于單位面積上的力，就是物理學(xué)上的壓強，在工程上常稱為壓力。在國際單位制和我國法定計量單位中，壓力的單位是“帕斯卡，簡稱“帕，符號為“Pa。1 N(牛頓)的力垂直均勻作用于1 m2的面積上所形成的壓力值為1 Pa。帕的單位值太小，通常采用kPa、MPa表示壓力。壓力的其他單位還有工程大氣壓、巴、毫米水柱、毫米汞柱(即托)等。由于參照點不同，在工程上壓力有幾種不同的表示方法，如絕對零壓力、絕對壓力、大氣壓力、標(biāo)準大氣壓、表壓力、真空度、壓差等，各種壓

30、力間的關(guān)系如下圖。 圖各種壓力間的關(guān)系一般用來測量壓力的傳感器有電阻應(yīng)變式傳感器、壓阻式傳感器、壓電式傳感器和電容式傳感器等，這些傳感器廣泛地應(yīng)用于測量力、力矩、壓力、重量等物理量。電阻應(yīng)變式傳感器是以電阻應(yīng)變計為轉(zhuǎn)換元件的電阻式傳感器。電阻應(yīng)變式傳感器由彈性敏感元件、電阻應(yīng)變計、補償電阻和外殼組成，可根據(jù)具體測量要求設(shè)計成多種結(jié)構(gòu)形式。彈性敏感元件受到所測量的力而產(chǎn)生變形，并使附著其上的電阻應(yīng)變計一起變形，從而將壓力的變化轉(zhuǎn)變成電阻阻值的變化。壓阻式傳感器是利用單晶硅材料的壓阻效應(yīng)和集成電路技術(shù)制成的傳感器。單晶硅材料在受到力的作用后，電阻率發(fā)生變化，通過測量電路就可得到正比于力變化的電信號

31、輸出。壓電式傳感器是基于壓電效應(yīng)的傳感器，是一種自發(fā)電式和機電轉(zhuǎn)換式傳感器。它的敏感元件由壓電材料制成，壓電材料受力后外表產(chǎn)生電荷，此電荷經(jīng)電荷放大器和測量電路放大和阻抗變換后就成為正比于所受外力的電量輸出。壓電式傳感器常用于測量力和能變換為力的非電物理量。常見壓力計1. 液柱式壓力計液柱式壓力計是利用一定高度的液柱所產(chǎn)生的壓力平衡被測壓力，而用相應(yīng)的液柱高度去顯示被測壓力的壓力計。這類壓力計結(jié)構(gòu)簡單，顯示直觀，使用方便，精確度較高，價格廉價。由于結(jié)構(gòu)和顯示上的原因，液柱式壓力計的測壓上限不高, 一般顯示的液柱高度上限為1 m2 m。液柱是水銀時, 其測壓上限可達2000 mmHg。液柱式壓力

32、計適用于小壓力、真空及壓差的測量，其種類有U形管壓力計、單管壓力計、多管壓力計、斜管微壓計、補償式微壓計、差動式微壓計、鐘罩式壓力計、水銀氣壓計等。2. 彈性式壓力計彈性式壓力計是生產(chǎn)過程中使用最為廣泛的一類壓力計。它的結(jié)構(gòu)簡單，使用操作方便，性能可靠，價格廉價，可以直接測量氣體、油、水、蒸汽等介質(zhì)的壓力；其測量范圍很寬，可以從幾十帕到數(shù)吉帕；可以測量正壓、負壓和壓差，可分為機械彈性式壓力計和彈性式壓力變送器兩類。不管哪一類壓力計，在結(jié)構(gòu)上都有一彈性元件。彈性元件是壓力計的核心器件，它把被測量的壓力轉(zhuǎn)換成彈性元件的彈性位移輸出。當(dāng)結(jié)構(gòu)、材料一定時，在彈性限度內(nèi)彈性元件發(fā)生彈性形變而產(chǎn)生的彈性位

33、移與被測量的壓力值有確定的對應(yīng)關(guān)系。血壓測量及血壓計血壓是指血管內(nèi)的血液在單位面積上的側(cè)壓力，即壓強，習(xí)慣以毫米汞柱為單位。測量血壓的儀器稱為血壓計。血壓測量傳統(tǒng)上采用水銀柱式血壓計，目前絕大多數(shù)血壓監(jiān)護儀和自動電子血壓計均采用示波法間接測量血壓。示波法測量血壓的原理是：繞扎在手臂上的袖帶中的壓力由高到低的變化過程中，手臂肱動脈由阻斷到導(dǎo)通，使得袖帶中的壓力疊加上一系列壓力小脈沖。血壓計感應(yīng)這些信號，經(jīng)過一定的運算，求出人體肱動脈的收縮壓和舒張壓。隨著科技水平的開展，血壓測量正在辭別傳統(tǒng)的水銀血壓計，而采用電子血壓計。電子血壓計一般由袖帶、壓力采集系統(tǒng)、充放氣系統(tǒng)、微處理器、鍵盤顯示和電源幾大

34、局部組成，其原理框圖如下圖。充放氣系統(tǒng)首先用電機(或手動)給袖帶加壓，到達一定壓力時阻斷動脈血流，然后在放氣過程中檢測袖帶內(nèi)的氣體壓力振蕩波。放氣方式包括多閥連續(xù)放氣、階梯式放氣、線性放氣等。泵氣系統(tǒng)主要實現(xiàn)袖帶內(nèi)充、放氣功能。充、放氣時都要與壓力傳感器配合。當(dāng)氣體壓力充到一定預(yù)值時停止充氣；放氣動作那么會在以下兩種狀態(tài)啟動：一種是在緊急情況下(如壓力過大等)；另一種是測量結(jié)束時，放氣可將袖帶壓降至大氣壓。圖電子血壓計原理框圖 流量測量壓差流量計壓差流量計是根據(jù)安裝于管道中流量檢測件產(chǎn)生的壓差、的流體條件和檢測件與管道的幾何尺寸來測量流量的儀表。壓差流量計是歷史悠久、技術(shù)成熟、使用廣泛的一類流量計。充滿管道的流體，當(dāng)它流經(jīng)管道內(nèi)的檢測件時，流速將在節(jié)流件處形成局部收縮，因而流速增加，靜壓力降低，于是在檢測件前后便產(chǎn)生了壓差。流體流量愈大，產(chǎn)生的壓差愈大，這樣可依據(jù)壓差來衡量流量的大小。這種測量方法是以流動連續(xù)性方程(質(zhì)量守恒定律)和伯努利方程(能量守恒定