非電量測(cè)試傳感器課件

在現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)中，對(duì)于各種類型的被測(cè)量的測(cè)量，大多數(shù)都是直接或通過(guò)各種傳感器、電路轉(zhuǎn)換為與被測(cè)量相關(guān)的電壓、電流等電學(xué)基本參量后進(jìn)行監(jiān)測(cè)和處理的，這樣既便于對(duì)被測(cè)量的檢測(cè)、處理、記錄和控制，又能提高測(cè)量的精度，因此，了解和掌握這些非電量的測(cè)量方法是十分重要的。第六章非電量測(cè)量第一節(jié)長(zhǎng)度及線位移測(cè)量一、光柵位移傳感器光柵是一種新型的位移檢測(cè)元件，是一種將機(jī)械位移或模擬量轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字脈沖的測(cè)量裝置。它的特點(diǎn)是測(cè)量精確度高（可達(dá)±1μm）、響應(yīng)速度快、量程范圍大、可進(jìn)行非接觸測(cè)量等。易于實(shí)現(xiàn)數(shù)字測(cè)量和自動(dòng)控制，廣泛用于數(shù)控機(jī)床和精密測(cè)量中。（一）光柵的構(gòu)造所謂光柵就是在透明的玻璃板上，均勻地刻出許多明暗相間的條紋，或在金屬鏡面上均勻地劃出許多間隔相等的條紋，通常線條的間隙和寬度是相等的。光柵位移傳感器的結(jié)構(gòu)如圖6-1所示。它主要由標(biāo)尺光柵、指示光柵、光電器件和光源等組成。通常，標(biāo)尺光柵和被測(cè)物體相連，隨被測(cè)物體的直線位移而產(chǎn)生位移。一般標(biāo)尺光柵和指示光柵的刻線密度是相同的，而刻線之間的距離W稱為柵距，是刻線寬和兩刻線之間縫寬之和。光柵條紋密度一般為每毫米25、50、100、250條等計(jì)量光柵在實(shí)際應(yīng)用上有透射光柵和反射光柵兩種；以透光的玻璃為載體的稱為透射光柵，不透光的金屬為載體的稱為反射光柵按其作用原理又可分為幅射光柵和相位光柵；按其用途可分為直線光柵和圓光柵。（二）工作原理如果把兩塊柵距W相等的光柵平行安裝，且讓它們的刻痕之間有較小的夾角θ時(shí)，這時(shí)光柵上會(huì)出現(xiàn)若干條明暗相間的條紋，這種條紋稱莫爾條紋，莫爾”原出于法文Moire，意思是水波紋。幾百年前法國(guó)絲綢工人發(fā)現(xiàn)，當(dāng)兩層薄絲綢疊在一起時(shí)，將產(chǎn)生水波紋狀花樣；如果薄綢子相對(duì)運(yùn)動(dòng)，則花樣也跟著移動(dòng)，這種奇怪的花紋就是莫爾條紋。一般來(lái)說(shuō)，只要是有一定周期的曲線簇重疊起來(lái)，便會(huì)產(chǎn)生莫爾條紋

圖6-2莫爾條紋它們沿著與光柵條紋幾乎垂直的方向排列，如圖6-2所示。莫爾條紋是光柵非重合部分光線透過(guò)而形成的亮帶，它由一系列四棱形圖案組成，如圖中的d—d線區(qū)所示。f—f線區(qū)則是由于光柵的遮光效應(yīng)形成的。莫爾條紋具有如下特點(diǎn)：1.莫爾條紋的位移與光柵的移動(dòng)成比例。當(dāng)指示光柵不動(dòng)，標(biāo)尺光柵向左右移動(dòng)時(shí)，莫爾條紋將沿著近于柵線的方向上下移動(dòng)；光柵每移動(dòng)過(guò)一個(gè)柵距W，莫爾條紋就移動(dòng)過(guò)一個(gè)條紋間距B，查看莫爾條紋的移動(dòng)方向，即可確定主光柵的移動(dòng)方向。

2.莫爾條紋具有位移放大作用。莫爾條紋具有位移放大作用。莫爾條紋的間距B與兩光柵條紋夾角之間關(guān)系為： 的單位為rad，B、W的單位為mm。所以莫爾條紋的放大倍數(shù)為可見(jiàn)θ越小，放大倍數(shù)越大。實(shí)際應(yīng)用中，角的取值范圍都很小。例如當(dāng)θ=10′時(shí)，K=1/θ=1/0.029rad≈345。也就是說(shuō)指示光柵與標(biāo)尺光柵相對(duì)移動(dòng)一個(gè)很小的W距離時(shí)，可以得到一個(gè)很大的莫爾條紋移動(dòng)量B，可以用測(cè)量條紋的移動(dòng)來(lái)檢測(cè)光柵微小的位移，從而實(shí)現(xiàn)高靈敏度的位移測(cè)量。一、應(yīng)變檢測(cè)和應(yīng)力計(jì)算

1、線應(yīng)力狀態(tài)

對(duì)于單向應(yīng)力狀態(tài)，只要將應(yīng)變片沿應(yīng)力方向粘貼，測(cè)出應(yīng)變值，即可求出應(yīng)力

=E

式中，E—被測(cè)零件材料的彈性模量。6.3力、力矩及應(yīng)力測(cè)量2、測(cè)點(diǎn)選擇、布片和選片原則

（1）測(cè)點(diǎn)的選擇

應(yīng)考慮如下幾個(gè)問(wèn)題：1）最大應(yīng)力點(diǎn)一般都產(chǎn)生在危險(xiǎn)截面或應(yīng)力集中的地方。2）如果最大應(yīng)力點(diǎn)難以確定，或者需要了解構(gòu)件應(yīng)力分布的全貌，一般都在所研究的線段上比較均勻地布置5~7個(gè)測(cè)點(diǎn)。3）對(duì)于構(gòu)件上開(kāi)有孔、凹槽或截面急劇變化等一些產(chǎn)生應(yīng)力集中的區(qū)域，測(cè)點(diǎn)應(yīng)適當(dāng)?shù)募佣?，以了解其?yīng)力變化情況。4）為了減少測(cè)點(diǎn)數(shù)目，可以利用結(jié)構(gòu)與載荷的對(duì)稱性和結(jié)構(gòu)邊界的特殊性況。5）動(dòng)態(tài)測(cè)試應(yīng)在靜態(tài)測(cè)試的基礎(chǔ)上進(jìn)行，測(cè)點(diǎn)數(shù)目要比靜態(tài)的少。動(dòng)態(tài)測(cè)點(diǎn)一定要選在能反映構(gòu)件動(dòng)態(tài)性質(zhì)的關(guān)鍵部位。一、測(cè)力傳感器a)彈性元件受力圖b)電阻位置示意圖c)等效電路圖圖6-24柱式彈性元件及其電橋二、力矩傳感器圖6-26機(jī)器人手腕用力矩傳感器原理圖中驅(qū)動(dòng)軸B通過(guò)裝有應(yīng)變片A的腕部與手部C聯(lián)接。當(dāng)驅(qū)動(dòng)軸回轉(zhuǎn)并帶動(dòng)手部回轉(zhuǎn)而擰緊螺絲釘D時(shí)，手部所受力矩的大小可通過(guò)應(yīng)變片電壓的輸出測(cè)得。圖6-27無(wú)觸點(diǎn)力矩測(cè)量原理傳動(dòng)軸的兩端安裝上磁分度圓盤A，分別用磁頭B檢測(cè)兩圓盤之間的轉(zhuǎn)角差，用轉(zhuǎn)角差與負(fù)荷M成比例的關(guān)系，即可測(cè)量負(fù)荷力矩的大小。6.5溫度測(cè)量溫度是國(guó)際單位制給出的基本物理量之一，它是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)試驗(yàn)中需要經(jīng)常測(cè)量和控制的主要參數(shù)。溫度傳感器是實(shí)現(xiàn)溫度檢測(cè)和控制的重要器件。在種類繁多的傳感器中，溫度傳感器是應(yīng)用最廣泛、發(fā)展最快的傳感器之一。

一、溫度與溫度檢測(cè)

1、原理：某些金屬與非金屬導(dǎo)體受熱后產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，而另一些導(dǎo)體的電阻受到熱或光照射而產(chǎn)生變化?？梢酝ㄟ^(guò)測(cè)量這些物理量的變化來(lái)達(dá)到測(cè)量溫度的目的。

2、分類（1）接觸式；（2）非接觸式；（3）其它。三、溫度檢測(cè)系統(tǒng)的組成

測(cè)溫系統(tǒng)的組成應(yīng)考慮如下幾個(gè)方面：

（1）溫度范圍;（2）使用場(chǎng)合（3）溫度響應(yīng);（4）傳輸方式溫度檢測(cè)系統(tǒng)的組成如圖4-2所示。溫度被測(cè)對(duì)象溫度傳感器溫度顯示儀表k溫度被測(cè)對(duì)象溫度傳感器溫度變送器ka)簡(jiǎn)單系統(tǒng)b)較完善的系統(tǒng)mA溫度顯示記錄儀k熱電傳感器熱能電能測(cè)量：溫度、與溫度有關(guān)的參量——熱電偶溫度電勢(shì)電阻金屬半導(dǎo)體熱電阻熱敏電阻——PN結(jié)型溫度傳感器一、熱電式傳感器溫差熱電偶（簡(jiǎn)稱熱電偶）是目前溫度測(cè)量中使用最普遍的傳感元件之一。它除具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，測(cè)量范圍寬、準(zhǔn)確度高、熱慣性小，輸出信號(hào)為電信號(hào)便于遠(yuǎn)傳或信號(hào)轉(zhuǎn)換等優(yōu)點(diǎn)外，還能用來(lái)測(cè)量流體的溫度、測(cè)量固體以及固體壁面的溫度。微型熱電偶還可用于快速及動(dòng)態(tài)溫度的測(cè)量。(一)、熱電效應(yīng)

兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體A和B組合成如圖6-30所示閉合回路，若導(dǎo)體A和B的連接處溫度不同（設(shè)T1＞T2），則在此閉合回路中就有電流產(chǎn)生，也就是說(shuō)回路中有電動(dòng)勢(shì)存在，這種現(xiàn)象叫做熱電效應(yīng)。這種現(xiàn)象早在1821年首先由西拜克（See－back）發(fā)現(xiàn),所以又稱西拜克效應(yīng)。

ABT1T2西拜克效應(yīng)一、熱電偶理論證明：1）熱電偶必須由兩種不同材料的熱電極組成；2）熱電偶的兩接點(diǎn)必須具有不同的溫度；3）當(dāng)熱電極的材料固定以后，熱電動(dòng)勢(shì)的大小EAB（T，T0）是溫度（T，T0）如果保持T0不變，那么EAB（T，T0）就是T的單值函數(shù)，利用這個(gè)關(guān)系就可以通過(guò)測(cè)溫儀表測(cè)定溫度。設(shè)T＞T0，則在該回路中產(chǎn)生接觸電勢(shì)和溫差電勢(shì)，分別為EAB(T)、EAB(T0)、EA(T，T0)和EB(T，T0)，它們與T、T0有關(guān)，與兩種導(dǎo)體材料的特性有關(guān)。2、熱電勢(shì)產(chǎn)生的原因（1）接觸電勢(shì)擴(kuò)散擴(kuò)散電場(chǎng)漂移EAB(T)為導(dǎo)體A、B結(jié)點(diǎn)在溫度T時(shí)形成的接觸電動(dòng)勢(shì)；e為單位電荷，e=1.6×10-19C；k為波爾茲曼常數(shù)k=1.38×10-23J/K；NA、NB為導(dǎo)體A、B在溫度為T

時(shí)的電子密度；——為湯姆遜系數(shù)——熱端和冷端的絕對(duì)溫度（3）回路的總熱電勢(shì)（2）溫差電勢(shì)M熱端冷端在實(shí)際應(yīng)用中，保持冷端溫度T0不變，則總熱電勢(shì)EAB(T，T0)只是溫度的單值函數(shù)：

EAB(T，T0)=f(T)-c

c為T0=0度時(shí)的電壓值2、熱電偶的結(jié)構(gòu)（1）熱電極（2）絕緣材料（3）保護(hù)套管（4）接線盒與介質(zhì)隔離，優(yōu)良傳熱性能防止電極間短路：氧化鋁管、耐火陶瓷鋁合金熱電性質(zhì)穩(wěn)定物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定電阻溫度系數(shù)小、電阻率高輸出熱電勢(shì)大、輸出呈線性復(fù)制性好、工藝簡(jiǎn)單、價(jià)格低貴金屬普通金屬3、熱電偶的種類三、熱電偶的冷端溫度補(bǔ)償

熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)大小與熱電極材料和兩節(jié)點(diǎn)的溫度有關(guān),同時(shí)熱電偶的分度表和根據(jù)分度表刻度的溫度儀表都是以熱電偶參考端溫度等于零為條件的。但實(shí)際上,冷端溫度受周圍溫度的影響不可能保持為0C或某一常數(shù)。因此要測(cè)出實(shí)際溫度就必須采取修正或補(bǔ)償措施。冰點(diǎn)槽法2計(jì)算修正法用普通室溫計(jì)算出參比端實(shí)際溫度TH，利用公式計(jì)算：EAB(T,T0)=EAB(T,TH)+EAB(TH,T0)把參比端實(shí)際溫度TH乘上系數(shù)k，加到由EAB(T，TH)查分度表所得的溫度上，成為被測(cè)溫度T。用公式表達(dá)即

T＝T′＋kTH。式中：T—為未知的被測(cè)溫度；T′—為參比端在室溫下熱電偶電勢(shì)與分度表上對(duì)應(yīng)的某個(gè)溫度；TH—室溫；k—為補(bǔ)正系數(shù)。用這種辦法稍稍簡(jiǎn)單一些，比計(jì)算修正法誤差可能大一點(diǎn)，但誤差不大于0.14％。

3補(bǔ)正系數(shù)法在測(cè)量結(jié)果中人為地加一個(gè)恒定值，因?yàn)槔涠藴囟确€(wěn)定不變，電動(dòng)勢(shì)EAB(TH,0)是常數(shù)，利用指示儀表上調(diào)整零點(diǎn)的辦法，加大某個(gè)適當(dāng)?shù)闹刀鴮?shí)現(xiàn)補(bǔ)償。例如：用動(dòng)圈儀表配合熱電偶測(cè)溫時(shí)，如果把儀表的機(jī)械零點(diǎn)調(diào)到室溫TH的刻度上,在熱電動(dòng)勢(shì)為零時(shí)，指針指示的溫度值并不是0℃而是TH。而熱電偶的冷端溫度已是TH,則只有當(dāng)熱端溫度T=TH時(shí)，才能使EAB(T,TH)=0，這樣，指示值就和熱端的實(shí)際溫度一致了。這種辦法非常簡(jiǎn)便，而且一勞永逸，只要冷端溫度總保持在TH不變，指示值就永遠(yuǎn)正確。4零點(diǎn)遷移法5冷端補(bǔ)償器法圖6-32冷端補(bǔ)償器法利用不平衡電橋產(chǎn)生熱電勢(shì)補(bǔ)償熱電偶因冷端溫度變化而引起熱電勢(shì)的變化值。不平衡電橋由R1、R2、R3(錳銅絲繞制)、RCu(銅絲繞制)四個(gè)橋臂和橋路電源組成。在0℃下使電橋平衡(R1=R2=R3=RCu)，此時(shí)Uab=0，電橋?qū)x表讀數(shù)無(wú)影響，電路如圖6-32所示。注意：橋臂RCu必須和熱電偶的冷端靠近，使處于同一溫度之下

6、補(bǔ)償導(dǎo)線法：測(cè)溫時(shí)，熱電偶長(zhǎng)度受一定限制，使得冷端溫度直接受到被測(cè)介質(zhì)溫度和周圍環(huán)境溫度的影響，難以處于C，而且不穩(wěn)定。根據(jù)中間溫度定律，當(dāng)熱電極A、B與A，、

B，相連接后仍然可以看作僅由熱電極A、B組成的回路。一般在低溫范圍內(nèi)（0—100C），用補(bǔ)償導(dǎo)線作為A，、

B，，它的作用是把熱電偶參考端移至離熱源較遠(yuǎn)及環(huán)境溫度較恒定的地方。必須注意的是，補(bǔ)償導(dǎo)線只起延長(zhǎng)熱電極的作用，并不能消除冷端溫度不為0C時(shí)的影響，因此還應(yīng)該用補(bǔ)正方法將其補(bǔ)正到

0C。

1．工作原理由物理學(xué)可知，對(duì)于大多數(shù)金屬導(dǎo)體的電阻，都具有隨溫度變化的特性，其特性方程滿足于下式：（6-36）式中：Rt、R0—熱電阻在t℃和0℃時(shí)的電阻值；α—熱電阻的溫度系數(shù)(1／℃)。對(duì)于絕大多數(shù)金屬導(dǎo)體，α值并不是一個(gè)常數(shù)，而是隨溫度而變化，但在一定溫度范圍內(nèi)，α可近似視為一個(gè)常數(shù)，不同的金屬導(dǎo)體，α保持常數(shù)所對(duì)應(yīng)的溫度范圍也不同。二、熱電阻原理：金屬材料的電阻隨溫度變化而變化2、熱電阻材料特點(diǎn)（1）高溫度系數(shù)、高電阻率（2）較寬測(cè)量范圍內(nèi)具有穩(wěn)定的物理和化學(xué)性質(zhì)（3）良好的輸出特性（4）良好工藝性3、常用熱電阻（1）鉑電阻0~660℃-190℃~0℃其中，Rt、R0——溫度為t℃和0℃時(shí)的電阻；A、B、C為溫度系數(shù)：A=3.940×10-2/℃B=-5.84×10-7/℃2C=-4.22×10-12/℃4分度表——R0

=50和100時(shí)的Rt–t關(guān)系國(guó)際溫標(biāo)IPTS-68規(guī)定：在–259.34℃~630.74℃內(nèi)，以鉑電阻作為溫度基準(zhǔn)器優(yōu)點(diǎn)：（1）易提純；（2）在高溫和氧化性介質(zhì)中性能穩(wěn)定；（3）輸出近線性；（4）測(cè)量精度高。（2）銅電阻在測(cè)量精度不高和溫度范圍小時(shí)，可用銅作成的溫度傳感器。由于銅電阻的電阻率僅為鉑電阻的1/6左右，當(dāng)溫度高于100℃時(shí)易被氧化，因此適用于溫度較低和沒(méi)有腐蝕性的介質(zhì)中工作。銅電阻溫度系數(shù)大，在一定溫度范圍內(nèi)常數(shù)，電阻與溫度的關(guān)系在－50～150℃的溫度范圍內(nèi)可表示為式中：Rt、R0—銅電阻在t℃和0℃時(shí)的電阻值，α—銅電阻的溫度系數(shù)，α＝4.25×10-3～4.28×10-3／℃。與鉑電阻一樣，在工業(yè)中把R0＝50Ω和R0＝100Ω對(duì)應(yīng)的Rt～t關(guān)系制成分度表，稱為銅熱電阻分度表，供使用者查閱。三熱敏電阻一、熱敏電阻的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)玻璃殼熱敏電阻引線（a）珠狀（b）片狀（c）桿狀（d）墊圈狀半導(dǎo)體金屬氧化物：鈷Co、錳Mn、鎳Ni等的氧化物采用不同比例配方、高溫?zé)Y(jié)而成。優(yōu)點(diǎn)：（1）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、可測(cè)點(diǎn)溫度；（2）電阻溫度系數(shù)大，靈敏度高（10倍）；（3）電阻率高、熱慣性小、適宜動(dòng)態(tài)測(cè)量。熱敏電阻是利用半導(dǎo)體材料的電阻率隨溫度變化而變化的性質(zhì)制成的溫度敏感元件。半導(dǎo)體和金屬具有完全不同的導(dǎo)電機(jī)理，金屬的電阻值隨溫度的升高而增大，而半導(dǎo)體的電阻值卻隨溫度升高而急劇下降。當(dāng)溫度變化時(shí)1℃時(shí)，金屬電阻的阻值變化0.4%～0.6%，而半導(dǎo)體熱敏電阻的阻值變化3%～6%。半導(dǎo)體熱敏電阻隨溫度變化的靈敏度高的原因是：半導(dǎo)體中參加導(dǎo)電的是載流子，載流子數(shù)目比金屬中的自由電子數(shù)目少得多，所以半導(dǎo)體的電阻率大。隨著溫度的升高，半導(dǎo)體中的價(jià)電子受熱激發(fā)躍遷到較高能級(jí)而產(chǎn)生新的電子空穴對(duì)，使參加導(dǎo)電的載流子數(shù)目大大增加，導(dǎo)致電阻率減小。半導(dǎo)體載流子的數(shù)目隨溫度升高呈指數(shù)規(guī)律上升，所以其電阻率溫度升高按指數(shù)規(guī)律下降。二、熱敏電阻的溫度特性負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻：NTC正溫度系數(shù)熱敏電阻：PTC臨界溫度系數(shù)熱敏電阻：CRT04080120160200106104102100溫度℃電阻CTRNTCPTC

PTC熱敏電阻的電阻率隨溫度升高而增加，當(dāng)溫度超過(guò)某一數(shù)值時(shí)，其電阻值朝正的方向快速變化。這種電阻的材料是陶瓷材料，在室溫下是半導(dǎo)體，由強(qiáng)電介質(zhì)鈦酸鋇摻雜鋁或鍶，部分取代鋇離子的方法制成。PTC熱敏電阻的用途主要是用于彩電消磁、各種電器設(shè)備的過(guò)熱保護(hù)、發(fā)熱源的定溫控制，也可作限流元件使用。CTR熱敏電阻采用VO3系列材料制作，當(dāng)溫度升高接近某一溫度時(shí)（約68℃），電阻率大大下降產(chǎn)生突變，其用途主要用作溫度開(kāi)關(guān)。NTC熱敏電阻的電阻率隨著溫度增加比較均勻地減小，有較均勻的感溫特性。它采用負(fù)電阻溫度系數(shù)很大的固體多晶半導(dǎo)體氧化物的混合物制成。改變其氧化物的成分和比例，就可得到測(cè)溫范圍、阻值和溫度系數(shù)不同的NTC熱敏電阻。特別適用于－100～300℃之間的溫度測(cè)量用。在點(diǎn)溫、表面溫度、溫差、溫度場(chǎng)等測(cè)量中得到日益廣泛的應(yīng)用，同時(shí)也廣泛的應(yīng)用在自動(dòng)控制及電子線路的熱補(bǔ)償電路中。PTC和CTR熱敏電阻隨溫度變化的特性為劇變型，適合在某一較窄溫度范圍內(nèi)做溫度控制開(kāi)關(guān)或監(jiān)測(cè)用；而NTC熱敏電阻隨溫度變化的特性為緩變型，適合在較寬溫度范圍內(nèi)做溫度測(cè)量用，也是目前使用的主要熱敏電阻。下面對(duì)NTC熱敏電阻的基本特性進(jìn)行介紹。1、NTC的熱電特性（R-T特性）TR熱電特性是指熱敏電阻的阻值和溫度之間的關(guān)系，它是熱敏電阻測(cè)溫的基礎(chǔ)，下圖是電阻－溫度特性曲線，顯然，熱敏電阻的阻值和溫度的關(guān)系不是線性的。NTC熱敏電阻與溫度之間的關(guān)系近似符合指數(shù)函數(shù)規(guī)律，即

T0—參考溫度（絕對(duì)溫度）；RT、R0—溫度T、T0時(shí)的電阻值；B—熱敏電阻的材料常數(shù)，可由實(shí)驗(yàn)獲得，通常B＝2000～6000K