傳感器與檢測技術(shù)教（學(xué)）案

..0傳感器的概念當(dāng)前,計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)、通訊技術(shù)和傳感器可以說是電子信息技術(shù)的三大主要組成部分。其中計(jì)算機(jī)和通訊技術(shù)的發(fā)展相當(dāng)迅速,而傳感器的發(fā)展有些滯后,而實(shí)際上信息科學(xué)中的四大環(huán)節(jié)——信息捕獲、提取、傳輸和處理中,信息捕獲技術(shù)是信息科學(xué)最前端的一個(gè)"陣地"和手段,而信息捕獲的主要工具就是傳感器。因此,我國和全世界都視傳感技術(shù)為現(xiàn)代信息技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)之一。目前已研制出許多新型的傳感器,但在各個(gè)學(xué)科領(lǐng)域中特別是現(xiàn)代高新工程技術(shù)中對信息測量的準(zhǔn)確度的要求越來越高,需要獲取的信息量也越來越多,從而對傳感器技術(shù)提出了更高的要求。傳感器的定義和組成定義傳感器是將各種非電量〔包括物理、化學(xué)、生物量按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成便于處理和傳輸?shù)牧硪环N物理量〔一般為電量的裝置。如果將計(jì)算機(jī)比喻為人的大腦,傳感器就可以比喻為人的感覺器官。傳感器與人的感官一一對應(yīng),能夠把自然界的各種物理量和化學(xué)量等精確地變換為電信號,再經(jīng)電子電路或計(jì)算機(jī)處理,從而對這些量進(jìn)行監(jiān)控。舉例來說：光敏傳感器相當(dāng)于人的眼〔視覺,頻敏傳感器相當(dāng)于人耳〔聽覺,相當(dāng)于人皮膚〔觸覺的是力敏傳感器和溫敏傳感器,相當(dāng)于人鼻子〔嗅覺的是氣敏傳感器,相當(dāng)于人舌頭〔味覺的是味覺傳感器等,除此之外還有很多其他的傳感器。組成敏感元件：在完成非電量到電量的變換時(shí),并非所有的非電量都能利用現(xiàn)有手段直接變換為電量,往往是將非電量預(yù)先變換為另一種易于變換成電量的非電量然后變換為電量,如：應(yīng)變絲,應(yīng)變片,電容等。轉(zhuǎn)換元件：將感受到的非電量直接轉(zhuǎn)換為電量的器件,如：熱電偶,壓電晶體等。測量元件：將轉(zhuǎn)換元件輸出的電量變?yōu)楸阌陲@示、記錄、控制和處理的有用信號的電路。傳感器的作用和分類傳感器的作用信息的收集科學(xué)研究中計(jì)量測試、產(chǎn)品制造與銷售中所需要的計(jì)量等都要測量才能獲得準(zhǔn)確的定量數(shù)據(jù)。對某種特定的,需要檢測目標(biāo)物的存在狀態(tài),并把其狀態(tài)信息轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù),對系統(tǒng)或裝置的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測,發(fā)現(xiàn)異常時(shí)發(fā)出告警信號并啟動保護(hù)電路,這樣可以對系統(tǒng)或裝置進(jìn)行安全管理。另外判斷產(chǎn)品是否合格或人體各部位的異常診斷等都需由傳感器完成。信息數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換把以文字、符號、代碼、圖形等多種形式記錄在紙或膠片上的信號數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)、傳感器能夠處理的信號數(shù)據(jù),或讀出記錄在各種媒介體上的信息并進(jìn)行轉(zhuǎn)換。例如：磁盤與光盤的信息讀出磁頭就是一種傳感器?？刂菩畔⒌牟杉瘜刂葡到y(tǒng)的某種狀態(tài)的信息進(jìn)行檢測,并由此控制系統(tǒng)的狀態(tài)或跟蹤系統(tǒng)變化的目標(biāo)值。傳感器的分類分類方法傳感器的種類說明按輸入量分類位移傳感器、速度傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器等傳感器以被測物理量命名按工作原理分類應(yīng)變式、電容式、電感式、壓電式、熱電式等傳感器以工作原理命名按物理現(xiàn)象分類結(jié)構(gòu)型傳感器傳感器依賴其結(jié)構(gòu)參數(shù)變化實(shí)現(xiàn)信息轉(zhuǎn)換特性型傳感器傳感器依賴其敏感元件物理特性的變化實(shí)現(xiàn)信息轉(zhuǎn)化按能量關(guān)系分類能量轉(zhuǎn)換型傳感器傳感器直接將被測量的能量轉(zhuǎn)換為輸出量的能量能量控制型傳感器由外部供給傳感器能量,而由被測量來控制輸出的能量按輸出信號分類模擬式傳感器輸出為模擬量數(shù)字式傳感器輸出為數(shù)字量傳感器技術(shù)的發(fā)展動向傳感器技術(shù)所涉及的知識非常廣泛,滲透到各個(gè)學(xué)科領(lǐng)域。但是它們的共性是利用物理定律和物質(zhì)的物理、化學(xué)和生物特性將非電量轉(zhuǎn)換為電量。所以,如何采用新技術(shù)、新工藝、新材料以及新理論達(dá)到高質(zhì)量的轉(zhuǎn)換,是總的發(fā)展途徑。當(dāng)前傳感器技術(shù)的主要發(fā)展動向有兩個(gè)：開展基礎(chǔ)研究,發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象,開發(fā)傳感器的新材料和新工藝實(shí)現(xiàn)傳感器的集成化與智能化利用物理現(xiàn)象、化學(xué)反應(yīng)和生物效應(yīng)是各種傳感器工作的基本原理,所以發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象與新效應(yīng)是研究新型傳感器的重要基礎(chǔ),日本夏普公司利用超導(dǎo)技術(shù)研制成功的高溫超導(dǎo)磁傳感器,其靈敏度比霍爾器件高,僅次于超導(dǎo)量子干涉器件,是傳感器技術(shù)的重大突破。由于材料科學(xué)的進(jìn)步人們在制造傳感器時(shí)可以任意控制傳感器材料的成分,從而設(shè)計(jì)制造出用于各種傳感器的功能材料。另外,采用微細(xì)加工技術(shù)可以制造出各式各樣的新型傳感器,例如：利用半導(dǎo)體技術(shù)制造出壓阻式傳感器,利用薄膜工藝制造出快速響應(yīng)的氣敏、濕敏傳感器等。隨著集成技術(shù)的發(fā)展,傳感器也正沿著集成化和智能化的方向發(fā)展,結(jié)構(gòu)越來越小,功能越來越強(qiáng)大,例如：日本豐田研究所開發(fā)出同時(shí)檢測Na+、K+和H+等多離子傳感器。這種傳感器的芯片尺寸為2.５×０.５mm2,僅用一滴血就可以快速檢測出其中Na+、K+和H+的濃度。美國霍尼爾公司的ST—3000型智能傳感器,其芯片尺寸為3×4×2mm3,采用半導(dǎo)體技術(shù),在同一芯片上制作CPU·EPROM和靜差、壓差、溫度等三種敏感元件。值得注意的一個(gè)發(fā)展動向是仿生傳感器的研究。仿生傳感器就是模擬人的感覺器官的傳感器,但是除了視覺和觸覺傳感器解決比較好之外其他的傳感器遠(yuǎn)不能滿足機(jī)器人的需要,也可以說,至今真正能代替人的感覺器官功能的傳感器及少,需要加速研究。傳感器的特性傳感器的特性是指傳感器所特有性質(zhì)的總稱。而傳感器的輸入輸出特性——輸入量和輸出量的對應(yīng)關(guān)系是其基本特性,由于輸入作用量的狀態(tài)〔靜態(tài)、動態(tài)的不同,同一個(gè)傳感器所表現(xiàn)出來的輸入輸出特性也不一樣,因此,有靜態(tài)特性、動態(tài)特性之分。一、靜態(tài)特性指當(dāng)輸入量為常量或變化極慢時(shí)傳感器的輸入輸出特性。衡量傳感器靜態(tài)特性的主要指標(biāo)有：線性度、遲滯、重復(fù)性、分辨力、穩(wěn)定性、溫度穩(wěn)定性、各種抗干擾穩(wěn)定性等。1、線性度在不考慮遲滯、蠕變等因素的情況下,傳感器的靜態(tài)特性可以用以下數(shù)學(xué)方程來描述：靜態(tài)特性曲線可以有實(shí)際測試獲得,但為了標(biāo)定各種數(shù)據(jù)處理的方便,常將靜態(tài)特性曲線線性化。線性化方法是在非線性誤差不太大的情況下采用直線擬合的方法來線性化,輸入輸出的校正曲線與其擬合直線之間的最大偏差稱為非線性誤差,用來表示：擬合方法：〔1理論擬合理論擬合直線為傳感器的理論特性,與實(shí)際值無關(guān)。這種方法十分簡單,但一般說來很大。過零旋轉(zhuǎn)擬合,常用于校正曲線過零的傳感器。擬合時(shí),使。這種方法也比較簡單,非線性誤差比理論擬合直線小得多。端點(diǎn)擬合是把校正曲線的兩個(gè)端點(diǎn)的連線作為擬合直線,這種方法比較簡單,但較大。端點(diǎn)平移擬合直線是把端點(diǎn)擬合直線向上平移,移動距離是端點(diǎn)擬合直線中的一半,從而使非線性誤差減小一半,提高了精度。以上四種方法都比較簡單,但非線性誤差都比較大,用最小二乘法精確度更高一些。最小二乘法在誤差理論中的基本含義是：把所有校準(zhǔn)點(diǎn)數(shù)據(jù)都標(biāo)在坐標(biāo)圖上,用最小二乘法擬合的直線,其校準(zhǔn)點(diǎn)與對應(yīng)的擬合直線上的點(diǎn)之間的殘差平方和為最小。設(shè)擬合直線為：若實(shí)際校準(zhǔn)測試點(diǎn)有n個(gè),則第個(gè)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)與擬合直線上對應(yīng)值之間的殘差為,最小二乘法擬合直線的原理就是使為最小值,也就是使對和的一階偏導(dǎo)數(shù)等于零,即即〔1〔2得：所以,代入〔2得最小二乘法有嚴(yán)格的數(shù)學(xué)依據(jù),盡管計(jì)算繁雜,但所得到的擬合直線精密度高,即誤差小。2、遲滯傳感器在正〔輸入量增大反〔輸入量減小的行程中輸出與輸入曲線不重合時(shí)稱為遲滯。遲滯特性如圖所示,遲滯大小一般由實(shí)驗(yàn)方法測得。遲滯誤差一般以滿量程輸出的百分?jǐn)?shù)來表示,即。3、重復(fù)性指傳感器在輸入按同一方向做全量程連續(xù)多次變動時(shí)所得特性曲線不一致的程度。如圖所示為校正曲線的重復(fù)特性,重復(fù)性誤差是取正反兩次行程中最大偏差中較大者,再以滿量程輸出的百分?jǐn)?shù)表示,即。4、靈敏度傳感器輸出的變化量與引起該變化量的輸入變化量的比值就是傳感器的靜態(tài)靈敏度,,可見,傳感器校準(zhǔn)曲線的斜率就是其靈敏度,線性傳感器的斜率是處處相同的,靈敏度誤差。5、分辨率與閾值分辨率是指傳感器能檢測到的最小的輸入增量,有些傳感器當(dāng)輸入量連續(xù)變化時(shí),輸出量只做階梯變化,則分辨率就是輸出量的每一個(gè)"階梯"所對應(yīng)的輸入量的大小。在傳感器輸入零點(diǎn)附近的分辨率稱為閾值。6、穩(wěn)定性指傳感器在長時(shí)間工作情況下輸出量發(fā)生的變化,前后兩次輸出之差即為穩(wěn)定性誤差。7、溫度穩(wěn)定性指傳感器在外界溫度變化情況下輸出量發(fā)生的變化。測試時(shí)先將傳感器置于一定溫度下,將其輸出調(diào)至零點(diǎn)或某一特定點(diǎn),使溫度上升或下降一定的度數(shù),再讀出輸出值,前后兩次輸出之差即為溫度溫度穩(wěn)定性誤差系數(shù)。8、多種抗干擾能力指傳感器對外界干擾的抵抗能力。例如抗沖擊和振動能力、抗潮濕的能力、抗電磁場干擾的能力等,評價(jià)這些能力比較復(fù)雜,一般也不易給出數(shù)量概念,需要具體問題具體分析。9、靜態(tài)誤差靜態(tài)誤差是指傳感器在其全量程內(nèi)任一點(diǎn)的輸出值與其理論輸出值的偏離程度。靜態(tài)誤差的求取方法是：把全部校準(zhǔn)數(shù)據(jù)與擬合直線上對應(yīng)值的殘差,看成隨機(jī)分布,求其標(biāo)準(zhǔn)偏差,即：取或即為傳感器的靜態(tài)誤差,有時(shí)也用相對誤差表示,。靜態(tài)誤差是一項(xiàng)綜合性指標(biāo),基本上包含了前面敘述的非線性誤差、遲滯誤差、重復(fù)性誤差、靈敏度誤差等。二、傳感器的動態(tài)特性實(shí)際中大量的被測量信號是動態(tài)信號,有的傳感器盡管其靜態(tài)特性非常好,但不能很好地追隨輸入量的快速變化而導(dǎo)致嚴(yán)重誤差,這就要求我們認(rèn)真注意傳感器的動態(tài)響應(yīng)特性。動態(tài)特性的數(shù)學(xué)描述第二章電阻式傳感器電阻式傳感器的種類繁多,應(yīng)用廣泛,其基本原理是將被測物理量的變化換成電阻值的變化,再經(jīng)相應(yīng)的測量電路而最后顯示被測量值的變化。§2.1電位器式電阻傳感器電位器是一種常用的機(jī)電元件,廣泛應(yīng)用于各種電器和電子設(shè)備中。它主要是一種把機(jī)械的線性位移或角位移輸入量轉(zhuǎn)換為與它成一定函數(shù)關(guān)系的電阻或電壓輸出的傳感元件來使用,主要用于測量壓力、高度、加速度、航面角等各種參數(shù)。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小、重量輕、精度高、輸出信號大、性能穩(wěn)定并容易實(shí)現(xiàn)任意函數(shù)。缺點(diǎn)：要求輸入能量大,電刷與電阻元件之間容易磨損。一、線性電位器1、線性電位器的空載特性,,其靈敏度=,如上圖所示,骨架的寬和高分別為b和h,則,。2、階梯特性、階梯誤差和分辨率電刷在與一匝導(dǎo)線接觸的過程中,雖然有微小的位移,但電阻值并無變化,因此輸出的電壓也不會改變,在輸出特性上對應(yīng)地出現(xiàn)平直段,當(dāng)電刷離開這一匝而與下一匝接觸時(shí),電阻突然增加一匝阻值,因此特性曲線出現(xiàn)階躍段。這樣每移一匝,輸出電壓便階躍一次,共產(chǎn)生n個(gè)電壓階梯,其視在分辨脈沖為。實(shí)際上,當(dāng)電壓從j匝移到j(luò)+1匝的過程中,必定會使這兩匝短路,于是電位器的總匝數(shù)從n匝變?yōu)閚-1,這樣總阻值的變化就使得視在分辨脈沖之中還將產(chǎn)生次要分辨脈沖,即大階躍之中還有小階躍,這樣的小階躍應(yīng)有n-2次。視在分辨脈沖,而主要分辨脈沖和次要分辨脈沖的延續(xù)時(shí)間比,取決于電刷與導(dǎo)線直徑的比。工程上常把實(shí)際階梯曲線簡化成理想階梯曲線,如圖所示：這時(shí)電位器的電壓分辨率定義為：在電刷行程內(nèi),電位器輸出電壓階梯的最大值與輸出電壓之比的百分?jǐn)?shù),即。行程分辨率定義為：在電刷行程內(nèi),有使電位器產(chǎn)生一個(gè)可測出變化的電刷最小行程與整個(gè)工作行程相比的百分?jǐn)?shù),即。電位器的階梯誤差定義為：理想階梯特性曲線對理論直線的最大偏差與最大輸出電壓值的百分?jǐn)?shù),。以上三種定義的大小是一種原理性誤差,它決定了電位器可能達(dá)到的精度。二、非線性電位器非線性電位器是指空載時(shí)其輸出電壓〔或電阻與電刷行程之間具有非線性函數(shù)關(guān)系的一種電位器,也稱函數(shù)電位器,它可以實(shí)現(xiàn)任意函數(shù)。常用的非線性線繞電位器有變骨架式、變節(jié)距式、分路電阻式及電位給定式四種,下面以變骨架式為例來介紹：h呈變化,,設(shè)非線性電位器輸出空載電壓為,流過電位器的電流為,為電壓電壓,為電位器總電阻,則。電阻靈敏度為,電壓靈敏度為,這兩種靈敏度都為變量,與的位置有關(guān)。三、負(fù)載特性與負(fù)載誤差電位器輸出端接有負(fù)載電阻時(shí),其特性稱為負(fù)載特性,負(fù)載特性相對于空載特性的偏差稱為負(fù)載誤差。為空載電壓設(shè)電阻相對變化為,并設(shè)〔負(fù)載系數(shù)則：,理想空載特性為,由圖可見,無論m為何值,電刷在起始位置和最大位置是,負(fù)載誤差都為零。電刷處于行程中心位置時(shí),負(fù)載誤差最大。為了減小負(fù)載誤差,首先要盡量減小誤差系數(shù),通常希望。為此,可采用高輸入阻抗放大器,或者將電位器的空載特性設(shè)計(jì)成某種上凸特性,即設(shè)計(jì)出非線性電位器也可以消除負(fù)載誤差,如上圖所示。此非線性電位器的空載特性與線性電位器的負(fù)載特性曲線是以特性直線互為鏡像的。其負(fù)載特性正好是所要求的線性特性。電位器的結(jié)構(gòu)與材料由于測量領(lǐng)域的不同,電位器結(jié)構(gòu)及材料選擇有所不同,但是其基本結(jié)構(gòu)是相近的。電位器通常都是由骨架、電阻元件及活動電刷組成。電阻絲。要求電阻系數(shù)高、電阻溫度系數(shù)小,強(qiáng)度高和延展性好,對銅的熱電勢要小,耐磨腐蝕,焊接性好。常用的材料有康銅絲、鉑銥合金及卡瑪絲等。電刷?；顒与娝⒂呻娝⒂|頭、電刷壁、導(dǎo)問和軸承裝置等構(gòu)成。其質(zhì)量好壞將影響噪聲電平及工作可靠性。電刷觸頭材料常用銀、鉑銥、鉑銠等金屬。電刷壁用用磷青銅等彈性較好的材料。電刷上通常要保持一定的接觸壓力,約50—100mN。過大的接觸壓力會使儀器產(chǎn)生誤差,并且加速磨損,壓力過小則可能產(chǎn)生接觸不可靠。骨架。讀一骨架材料的要求是于電阻絲材料具有相同的膨脹系數(shù),電氣絕緣好,有足夠的強(qiáng)度和剛度,散熱性好。耐潮濕,易加工。常用材料有陶瓷、酚醛樹脂及工程塑料等絕緣材料。對于精密電位器,廣泛采用經(jīng)絕緣處理的金屬骨架,其導(dǎo)熱性好,可提高電位器允許電流,而且強(qiáng)度大,加工尺寸精度高.§2.2應(yīng)變片式傳感器應(yīng)變片式電阻傳感器是以應(yīng)變片為傳感元件的傳感器,它具備以下優(yōu)點(diǎn)：精度高、測量范圍廣。使用壽命長,性能穩(wěn)定可靠。結(jié)構(gòu)簡單,尺寸小,重量小,因此在測試時(shí),對工件工作狀態(tài)及應(yīng)力分析影響小。頻率響應(yīng)特性好,應(yīng)變片響應(yīng)時(shí)間約為10-7S可在高低溫、高速、高壓、強(qiáng)烈振動、強(qiáng)磁場、核輻射和化學(xué)腐蝕等惡劣環(huán)境條件下工作。應(yīng)變片種類繁多,價(jià)格便宜。一、電阻應(yīng)變片的工作原理電阻應(yīng)變片的工作原理是基于電阻應(yīng)變效應(yīng),即在導(dǎo)體產(chǎn)生機(jī)械變形時(shí),它的電阻值相應(yīng)發(fā)生變化。設(shè)一根電阻絲,其原始電阻值為,電阻絲在外力作用下,將引起電阻變化,且有即。令電阻絲的軸向應(yīng)變?yōu)?徑向應(yīng)變?yōu)?由材料力學(xué)知：。。通常把單位應(yīng)變所引起的電阻相對變化稱作電阻絲的靈敏系數(shù),其中第三項(xiàng)是有材料電阻率變化引起的,很小,可忽略。在電阻絲拉伸比例極限內(nèi),電阻的相對變化與應(yīng)變成正比,一般在1.7~3.6.二、金屬電阻應(yīng)變片主要特性1、金屬電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)及材料敏感柵是應(yīng)變片最重要的部分,有某種金屬絲繞成柵形,一般用于制造應(yīng)變片的金屬細(xì)絲直徑為0.015~0.05mm,電阻應(yīng)變片的電阻值為等各種規(guī)格,以最為常用。敏感柵在縱軸方向的長度稱為柵長,用表示。對敏感柵材料的基本要求是：①靈敏度系數(shù)值大,并在較大應(yīng)變范圍內(nèi)保持常數(shù)。②電阻溫度系數(shù)小。③電阻率大。④機(jī)械強(qiáng)度高,且易于拉絲或碾薄。⑤與銅絲的焊接性好,與其它金屬的接觸熱電勢小。常用的材料有康銅、鎳鉻合金、鎳鉻鋁合金、鐵鉻鋁合金、鉑、鉑鎢合金等。金屬箔式應(yīng)變片是有很薄的金屬箔片制成的。箔厚只有約0.003~0.1mm,用光刻技術(shù)制作。它與金屬應(yīng)變片相比有如下優(yōu)點(diǎn)：①可刻出各種復(fù)雜形狀的敏感柵。②橫向效應(yīng)小。③允許有較大電流通過,散熱性好,可提高相匹配的電橋電壓,從而提高靈敏度。④疲勞壽命長,蠕變小。⑤生產(chǎn)效率高。但是制造箔式應(yīng)變片的電阻值的分散性要比絲式的大,有的能相差幾十歐姆,需要作阻值的調(diào)整。箔式敏感柵材料常采用康銅、鎳鉻合金。2、電阻應(yīng)變片的主要特性靈敏系數(shù)應(yīng)變片的應(yīng)變效應(yīng)與單絲不同,即電阻應(yīng)變片靈敏度系數(shù)與電阻絲靈敏系數(shù)是不相同的。原因?yàn)椋旱谝?、零件的變形是通過剪力傳到金屬絲上的。由實(shí)驗(yàn)知,金屬絲兩端的剪力最大,軸向應(yīng)力為零,中間部分剪力為零,軸向應(yīng)力最大,軸向應(yīng)力從兩端處的零值開始,然后按指數(shù)規(guī)律上升到中間部分的最大值,因此在金屬絲兩端的應(yīng)力分布是不均勻的,相當(dāng)于參加變形的柵絲長度減少了一段。金屬絲制成應(yīng)變片后,由于是柵狀結(jié)構(gòu),端部增多,靈敏度系數(shù)下降。第二、絲沿長度方向承受應(yīng)變時(shí),應(yīng)變片彎角部分承受應(yīng)變,其截面積變大,則應(yīng)變片直線部分電阻增加時(shí),彎角部分的電阻減少,也使變化的靈敏度下降。應(yīng)變片的靈敏度系數(shù)一般有實(shí)驗(yàn)的方法獲得。橫向效應(yīng)沿應(yīng)變片軸向的應(yīng)變必然會引起應(yīng)變片電阻的相對變化,而沿垂直于應(yīng)變片軸向的橫向應(yīng)變也會引起其電阻的相對變化,這種現(xiàn)象稱為橫向效應(yīng),敏感柵端部具有半圓形橫柵的絲繞應(yīng)變片其橫向效應(yīng)較為嚴(yán)重。為了減小橫向效應(yīng)產(chǎn)生的測量誤差,現(xiàn)在一般多采用箔式應(yīng)變片。機(jī)械滯后,零漂及蠕變應(yīng)變片在安裝在試件上以后,在一定的溫度下,在零和某一指定應(yīng)變之間,作出應(yīng)變片電阻相對變化〔即指示應(yīng)變與試件機(jī)械應(yīng)變之間加載和卸載的特性曲線,如圖所示：實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)這兩條曲線并不重合,在同一機(jī)械應(yīng)變下,卸載時(shí)的高于加載時(shí)的,這種現(xiàn)象稱為應(yīng)變片的機(jī)械滯后。加載和卸載曲線之間的最大差值稱為應(yīng)變片的滯后值。已粘貼的應(yīng)變片,在溫度保持恒定、試件上沒有應(yīng)變的情況下,應(yīng)變片的指示應(yīng)變會隨時(shí)間的增長而逐漸變化,此變化就是應(yīng)變片的零點(diǎn)漂移,簡稱零漂。已粘貼的應(yīng)變片,在溫度保持恒定時(shí),承受某一恒定的機(jī)械應(yīng)變長時(shí)間的作用,應(yīng)變片的指示應(yīng)變會隨時(shí)間而變化,這種現(xiàn)象稱為蠕變。在工作時(shí),零漂和蠕變是同時(shí)存在的。溫度效應(yīng)粘帖在試件上的電阻應(yīng)變片,除感受機(jī)械應(yīng)變而產(chǎn)生電阻相對變化外,在環(huán)境溫度變化時(shí),也會引起電阻的相對變化,產(chǎn)生虛假應(yīng)變,這種現(xiàn)象稱為溫度效應(yīng)。溫度變化對電阻應(yīng)變片的影響主要體現(xiàn)在以下兩方面：一、當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí),由于敏感柵材料的電阻溫度系數(shù)的存在,引起電阻相對變化：。二、當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí),由于敏感柵材料的膨脹系數(shù)和試件材料的膨脹系數(shù)不同,應(yīng)變片產(chǎn)生附加的拉長或壓縮,引起電阻的相對變化：。因此,溫度變化形成總的電阻相對變化為：相應(yīng)的虛假應(yīng)變?yōu)?要消除此項(xiàng)誤差,要采取溫度補(bǔ)償措施。應(yīng)變極限、疲勞壽命應(yīng)變片的應(yīng)變極限是指在一定溫度下,應(yīng)變片的指示應(yīng)變與試件的真實(shí)應(yīng)變的相對誤差達(dá)到規(guī)定值〔一般為10%時(shí)的真實(shí)應(yīng)變值。對已安裝的應(yīng)變片,在恒定極值的交變應(yīng)力作用下,可以連續(xù)工作而不產(chǎn)生疲勞損壞的循環(huán)次數(shù)N,稱為應(yīng)變片的疲勞壽命。當(dāng)出現(xiàn)下列情況之一時(shí)認(rèn)為是疲勞損壞：應(yīng)變片的敏感柵或引線發(fā)生斷路；應(yīng)變片輸出指示應(yīng)變的極值變化10%；應(yīng)變片輸出信號波形上出現(xiàn)穗狀尖峰。疲勞壽命反映了應(yīng)變片對動態(tài)響應(yīng)測量的適應(yīng)性。絕緣電阻、最大工作電流應(yīng)變片絕緣電阻是指已粘帖的應(yīng)變片的引線與被測試件之間的電阻值。通常要求在以上。應(yīng)變片安裝之后,其絕緣電阻下降使測量系統(tǒng)的靈敏度下降,使應(yīng)變片的指示應(yīng)變產(chǎn)生誤差。對已安裝的應(yīng)變片,允許通過敏感柵而不影響其工作特性的最大工作電流稱為應(yīng)變片最大工作電流。顯然,工作電流大,應(yīng)變片輸出信號也大,靈敏度高。但過大的工作電流會使應(yīng)變片本身過熱,是靈敏系數(shù)變化,零漂及蠕變增加,甚至燒毀應(yīng)變片。動態(tài)響應(yīng)特性動態(tài)應(yīng)變是以應(yīng)變波的形式在試件中傳播的,它的傳播速度與聲波相同。當(dāng)應(yīng)變按正弦規(guī)律變化是,應(yīng)變片反映出來的應(yīng)變是應(yīng)變片敏感柵長度各相應(yīng)點(diǎn)應(yīng)變量的平均值,如圖所示：因此所以,點(diǎn)的真實(shí)應(yīng)變是,所以動態(tài)應(yīng)變測量相對誤差是：三、溫度誤差及補(bǔ)償在外界溫度變化的條件下,敏感柵溫度系數(shù)及試件膨脹系數(shù)之差異性而產(chǎn)生虛假應(yīng)變輸出有時(shí)會產(chǎn)生與真實(shí)應(yīng)變同數(shù)量級的誤差。必須采取補(bǔ)償溫度誤差的措施。通常溫度誤差補(bǔ)償方法有兩種：1、自補(bǔ)償法單絲自補(bǔ)償法,為使,必須使對于給定的試件〔給定,可以適當(dāng)選取應(yīng)變片柵絲的溫度系數(shù)及膨脹系數(shù)以滿足上式。②組合式自補(bǔ)償應(yīng)變片敏感柵是兩種不同溫度系數(shù)的金屬絲串接組成,一種類型是選用兩者具有不同符號的電阻溫度系數(shù),調(diào)整和和比例,使經(jīng)變換得通過調(diào)節(jié)兩種敏感柵的長度來控制應(yīng)變片的溫度自補(bǔ)償,可達(dá)的高精度。組合式自補(bǔ)償應(yīng)變片的另一種形式是,兩種串接的電阻絲具有相同符號的溫度系數(shù),兩者都為正或都為負(fù),其結(jié)構(gòu)及電橋連接方式如圖所示：為補(bǔ)償電阻,它具有高的溫度系數(shù)及低的應(yīng)變靈敏度。與一個(gè)溫度系數(shù)很小的附加電阻共同作為電橋的一臂,且作為的相鄰臂。調(diào)節(jié)和,使,由于溫度變化引起的電橋相鄰兩臂的電阻變化相等或相近,因此輸出電壓為零或很小,補(bǔ)償精度可達(dá)到。缺點(diǎn)是：只適合于特定試件材料且上總要感應(yīng)應(yīng)變,在橋路中與工作柵敏感的應(yīng)變相抵消,從而使應(yīng)變片靈敏度下降。2、線路補(bǔ)償法最常用和最好的補(bǔ)償方法是電橋補(bǔ)償法。為與相同的補(bǔ)償片,安裝在材料與試件相同的補(bǔ)償片上,溫度與試件相同,但不承受應(yīng)變,溫度變化時(shí),因此輸出電壓與溫度變化無關(guān),這種補(bǔ)償方法應(yīng)滿足三個(gè)條件：〔1和是屬于同一批號制造的,即都相同〔2粘貼補(bǔ)償片的構(gòu)件材料和粘貼工作片的材料必須一樣,即要求兩者的線膨脹系數(shù)一樣?！?兩應(yīng)變片處于同一溫度場因?yàn)橐陨先齻€(gè)條件不容易滿足,所以常采用差動電橋補(bǔ)償法,如圖所示：四、應(yīng)變片式電阻傳感器的測量電路常采用電橋電路測量,根據(jù)使用的電源不同分為直流電橋和交流電橋。1、直流電橋〔1直流電橋的平衡條件當(dāng)時(shí),電橋平衡?！?工作原理當(dāng)電阻應(yīng)變片工作時(shí),由于應(yīng)變會產(chǎn)生,、、為固定電阻,當(dāng)是電橋的輸出為,略去分母中的,并設(shè),則,令,則?？梢?與電橋電壓成正比,同時(shí)與橋臂比有關(guān)。當(dāng)時(shí)為最大,這時(shí),即?！?電橋的非線性誤差上式求出的輸出電壓忽略了分母中的項(xiàng),是理想值。實(shí)際值,而理想值所以非線性誤差為,可見與成正比。為了減少和克服非線性誤差,常用的方法是采用差動電橋,如圖所示：,設(shè)初始時(shí),則：?？梢娕c成嚴(yán)格的線性關(guān)系,沒有非線性誤差,而且電橋靈敏度比單臂時(shí)提高一倍,還具有溫度補(bǔ)償作用。交流電橋〔1交流電橋的平衡條件,所以電橋的平衡條件是設(shè)四臂阻抗為代入上式可知：,〔2交流應(yīng)變電橋的輸出特性及平衡調(diào)節(jié)設(shè)交流電橋的初始狀態(tài)是平衡的,當(dāng)工作應(yīng)變片改變后,引起變化,可算出：。略去上式分母中的項(xiàng),并設(shè)初始,,則：。應(yīng)變片式傳感器的應(yīng)用舉例應(yīng)變式測力傳感器第三章電感式傳感器電感式傳感器是利用線圈自感或互感的變化來實(shí)現(xiàn)測量的一種裝置,可以用來測量位移、振動、壓力、流量、重量、力矩和應(yīng)變等多種物理量。電感傳感器的核心部分是可變自感或可變互感,在被測量轉(zhuǎn)換成線圈自感或互感的變化時(shí),一般要利用磁場作為媒介或利用鐵磁體的某些現(xiàn)象。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單可靠,輸出功率大,抗干擾能力強(qiáng),對工作環(huán)境要求不高,分辨力較高,示值誤差小,穩(wěn)定性好。缺點(diǎn)：頻率響應(yīng)低,不宜用于快速動態(tài)測量。§3．1自感式傳感器一、工作原理?！财渲袨榇沛?為線圈中流過的電流,為穿過線圈的磁通,為磁動勢,磁阻,長度,磁導(dǎo)率,截面積。當(dāng)鐵心工作在非飽和狀態(tài)時(shí),磁阻以空氣隙的磁阻為主,,?？梢?電感值與匝數(shù)的平方成正比,與空氣隙有效截面積成正比,與空氣隙長度成反比。因此可利用面積及長度作為傳感器的輸入量,構(gòu)成氣隙型和截面積型傳感器。傳感器也可以做成差分形式,如圖所示：二、靈敏度及非線性由式可知,改變空氣隙等效截面積類型的傳感器其轉(zhuǎn)換關(guān)系是線性的,而改變空氣隙類型的為非線性關(guān)系,設(shè)為空氣隙改變時(shí)電感的改變量,則：所以,氣隙型電感式傳感器的靈敏度為以上結(jié)論在時(shí)成立。為了提高靈敏度,應(yīng)盡量??；但其測量結(jié)果的范圍也變小,同時(shí)非線性也將增加,若采取增大則空氣隙等效截面積增大,或增加線圈匝數(shù),則必將增加傳感器的幾何尺寸和重量。這些矛盾在設(shè)計(jì)傳感器時(shí)應(yīng)適當(dāng)考慮。對差動式傳感器,其靈敏度：三、等效電路自感式傳感器從電路角度來看并非純電感,它既有線圈的銅耗,又有鐵心的渦流損耗及磁滯損耗,這可用折合的有功電阻抗來表示。此外,無功阻抗除電感外還包括繞組間分布電容,這部分用表示。一個(gè)電感線圈的完整等效電路可用圖表示為：四、轉(zhuǎn)換電路自感式傳感器實(shí)現(xiàn)了把被測量的變化轉(zhuǎn)換成電感量的變化。為了測出電感量的變化,同時(shí)也為了送入下級電路進(jìn)行放大和處理,就要用轉(zhuǎn)換電路把電感變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流的變化。把傳感器電感接入不同的轉(zhuǎn)換電路后,原則上可將電感轉(zhuǎn)換成電壓或電路的幅值、頻率、相位的變化,它們分別稱調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相電路。1、調(diào)幅電路開路電壓電壓源短路時(shí),從輸出端看進(jìn)去的等效內(nèi)阻為,所以上面電路可以變?yōu)楫?dāng)電橋平衡時(shí),。實(shí)際應(yīng)用中,交流電橋常和差動式電感傳感器配用,傳感器的兩個(gè)電感線圈作為電橋的兩個(gè)工作臂,電橋的平衡臂可以是純電阻,或者是變壓器的兩個(gè)二次側(cè)線圈。一般情況下取,當(dāng)電橋處于初始平衡狀態(tài)時(shí),。工作時(shí)銜鐵由初始平衡零點(diǎn)產(chǎn)生位移,則,代入前面的式子得：,變壓器電橋?yàn)閭鞲衅鲀蓚€(gè)線圈的阻抗,另兩臂為電源變壓器次級線圈的兩半,每半的電壓為,輸出空載電壓為,初始平衡狀態(tài)時(shí),當(dāng)銜鐵偏離中心零點(diǎn)時(shí),,代入上式可得。下圖所示為另一種調(diào)幅電路傳感器L與固定電容C、變壓器T串聯(lián)在一起,接入外接電源后,變壓器的二次側(cè)線圈將有電壓輸出,輸出電壓的頻率與電源頻率相同,幅值隨L變化,其中為諧振點(diǎn)的電感值。2、調(diào)頻電路基本原理：傳感器電感L變化將引起輸出電壓頻率的變化,一般是把傳感器電感L和一個(gè)固定電容C接入一個(gè)振蕩回路中,如圖所示：三、調(diào)相電路基本原理：傳感器電感L的變化引起輸出電壓相位的變化,圖所示為一個(gè)相位電橋當(dāng)L有了微小變化后,輸出電壓相位變化為：§3.2變壓器傳感器一、工作原理變壓器式傳感器是將電量的變化轉(zhuǎn)換為線圈間互感M的一種磁電機(jī)構(gòu),很像變壓器的工作原理,因此常稱為變壓器式傳感器。這種傳感器多采用差動形式。在沒有非電量輸入時(shí),銜鐵C與鐵心A、B的間隔相等,即,則繞組間的互感與繞組間的互感相等。當(dāng)銜鐵的位置改變時(shí),則,此互感的差值即可反映被測量的大小,為反映差值互感,將兩個(gè)一次繞組的同名端順向聯(lián)接,將施加交流電壓U,而將兩個(gè)二次繞組的同名端反向連接,同時(shí)測量串聯(lián)后的合成電動勢的大小取決于被測位移的大小,的方向決定于位移的方向第四章電容式傳感器電容器是電子技術(shù)的三大類無源元件〔電阻、電感、電容之一,利用電容器的原理將非電量轉(zhuǎn)化為電容量,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)非電量到電量的轉(zhuǎn)化的元件。§4.1電容式傳感器的工作原理及類型工作原理由物理學(xué)可知,兩個(gè)平行金屬極板組成的電容器,如果不考慮其邊緣效應(yīng),其電容為,其中為極板間介質(zhì)的介電常數(shù),為極板相對有效面積,為兩個(gè)極板間距離。因此,改變電容的方法有三種,〔1改變〔2改變〔3改變從而得到電參數(shù)的輸出為電容值的增量,這就組成了電容式傳感器。二、類型電容式傳感器可以有三種基本類型——變極距型,變面積型和變介電常數(shù)型。而電極形狀又有平板形,圓柱形和球平面形三種。1、變極距型電容傳感器當(dāng)可動極板2向上移動,則電容增量為：,當(dāng)時(shí),,因此,這種傳感器一般用來測量微小變化的量,如：0.01至零點(diǎn)幾微米的線性位移。在實(shí)際應(yīng)用中,為了改善非線性,提高靈敏度和減少外界因素的影響,常作成差分形式。2、變面積型電容傳感器,可見與成線性關(guān)系。3、變介電常數(shù)型這種傳感器大多用來測量電介質(zhì)的厚度、位移、液位〔量、還可以由介電常數(shù)隨溫度、濕度、容量改變而改變來測量溫度、濕度和容量等。以圓柱型電容傳感器為例,其中,為極筒高度,分別為內(nèi)極管外半徑、外極筒內(nèi)半徑,為被測液面高度和介電常數(shù),為間隙內(nèi)空氣的介電常數(shù)。§4.2電容式傳感器的靈敏度及非線性由前一節(jié)分析可知,變面積型和變介質(zhì)型的電容傳感器輸入量與輸出電容的關(guān)系均為線性的,其靈敏度很容易求到,因此,下面只討論變間距型平板電容傳感器的靈敏度。假設(shè)極板間只有一種介質(zhì)時(shí),對單極式電容表達(dá)式為,其初始電容為當(dāng)極板距離有一個(gè)增量時(shí),傳感器電容為上式成立的條件是時(shí),所以可見傳感器的靈敏度并非常數(shù),只有很小時(shí),才可認(rèn)為是接近線性關(guān)系。因此,用這種傳感器測量時(shí),測量范圍不應(yīng)太大；為使范圍增大可增大初始間距,但這樣又會造成靈敏度下降,同時(shí)電容器初始電容值減小,寄生電容的干擾作用將增加。如果采用一組差分式電容傳感器,則：可見,靈敏度比單極式提高了一倍,而且非線性也大為減小,而且差分變壓傳感器在配合一定形式的二次儀表時(shí),完全可以改善為線性關(guān)系。§4.3電容式傳感器的特點(diǎn)及等效電路一、特點(diǎn)：1、溫度穩(wěn)定性好電容傳感器的電容值一般與電極材料無關(guān),僅取決于電極的幾何尺寸,且空氣等介質(zhì)損耗很小,因此只要從強(qiáng)度、溫度系數(shù)等機(jī)械特性考慮,合理選擇材料和結(jié)構(gòu)尺寸即可,其他因素影響很小。2、結(jié)構(gòu)簡單、適應(yīng)性強(qiáng)電容式傳感器結(jié)構(gòu)簡單,易于制造,易于保證高的精度。能在高溫、低溫、強(qiáng)輻射及強(qiáng)磁場等惡劣的環(huán)境條件下工作,適應(yīng)能力強(qiáng)。尤其可以承受很大的溫度變化,在高壓力、高沖擊、過載情況下都能正常工作,能測量高壓和低壓差,也能對帶磁工件進(jìn)行測量。此外,傳感器可以做的體積很小,以便實(shí)現(xiàn)特殊要求的測量。3、動態(tài)響應(yīng)好電容式傳感器除其固有頻率高,即動態(tài)響應(yīng)時(shí)間很短外,又由于其介質(zhì)損耗小可以用較高頻率供電,因此系統(tǒng)工作頻率很高?？捎糜跍y量高速變化的參數(shù),如測量振動、瞬時(shí)壓力等。4、可以實(shí)現(xiàn)非接觸測量,具有平均效應(yīng)當(dāng)被測試件不能采用接觸測量的情況下,電容傳感器可以完成測量任務(wù)。當(dāng)采用非接觸測量時(shí),電容式傳感器具有平均效應(yīng),可以減小工件表面粗糙度對測量的影響。電容式傳感器除了上述優(yōu)點(diǎn)外,還因其帶電極板間的靜電引力很小,所需輸入力和輸入能量極小,因而可測極低的壓力、力和很小的加速度、位移等,可以做得很靈敏,分辨率高,能敏感、甚至更小的位移,由于其空氣等介質(zhì)損耗小,采用差分結(jié)構(gòu)并接成橋式時(shí)產(chǎn)生的零殘極小,因此允許電路進(jìn)行高倍率放大,使儀器具有很高的靈敏度。電容式傳感器的主要缺點(diǎn)是：輸出阻抗高,負(fù)載能力差。寄生電容影響大。輸出特性非線性。應(yīng)該指出,隨著材料、工藝、電子技術(shù),特別是集成技術(shù)的高速發(fā)展,使電容傳感器的優(yōu)點(diǎn)得到發(fā)揚(yáng)而缺點(diǎn)不斷地克服。電容式傳感器正逐漸成為一種高靈敏度、高精度,在動態(tài)、低壓及一些特殊測量方面大有發(fā)展前途的傳感器。二、等效電路L為傳輸線的電感,R為傳輸線的有功電阻,在集膚效應(yīng)較小的情況下,即當(dāng)傳感器的激勵電壓頻率較低時(shí),其值甚小,C為傳感器的電容,Cp為歸結(jié)A、B兩端的寄生電容,與C是并聯(lián)的。Rp為極板間等效漏電阻,它包括兩個(gè)極板支架上的有功損耗及極板介質(zhì)有功損耗,其值應(yīng)保證足夠大。在較低頻率下使用時(shí),L及R可以忽略不計(jì),只考慮Rp對傳感器的分路作用,當(dāng)使用頻率增高時(shí),就要考慮L及R的影響。,,由此可見,對有影響,因此在較高激勵頻率下使用這種傳感器時(shí),當(dāng)改變激勵電源頻率或者更換傳輸電線時(shí)都必須對測量系統(tǒng)重新進(jìn)行標(biāo)定?！?.4電容式傳感器的轉(zhuǎn)換電路電容式傳感器把被測量轉(zhuǎn)換成電路參數(shù)C,為了使信號能傳輸、放大、運(yùn)算、處理、記錄、控制,得到所需的測量結(jié)果或控制某些設(shè)備工作,還需將電路參數(shù)C進(jìn)行進(jìn)一步轉(zhuǎn)換,轉(zhuǎn)換成電壓、電流、頻率等電量參數(shù)。目前轉(zhuǎn)換電路種類很多,一般歸結(jié)為兩大類型,一種為調(diào)制型,一種為脈沖型。一、調(diào)制型電路1、調(diào)頻電路電容傳感器未工作時(shí),,則,常選在1MHZ以上,當(dāng)傳感器工作時(shí)2、調(diào)幅電路配有這種電路的系統(tǒng),在其電路輸出端取得的是具有調(diào)幅波的電壓信號,其幅值近似地正比于被測信號。實(shí)現(xiàn)調(diào)幅的方法比較多,常用的是交流激勵法和交流電橋法?！?交流激勵法由等效電路可得：解之得：〔2交流電橋法將電容傳感器接入交流電橋作為電橋的一個(gè)臂或兩個(gè)相鄰臂,令兩臂是電阻、電感也可以是變壓器的兩個(gè)次級線圈,如圖所示：<d>圖中所示〔緊耦合電感臂電橋具有較高的靈敏度和穩(wěn)定性,且寄生電容影響小,大大簡化了電橋的屏蔽和接地,非常適合高頻工作,目前已開始廣泛使用。<e>圖是變壓器式電橋,使用元件最少,橋路內(nèi)阻最小,因此目前較多采用,該電橋臂是電源變壓器二次線圈。由圖知：,〔1,<2>當(dāng)時(shí)可見,差分式電容傳感器接入變壓器電橋中,當(dāng)放大器輸入阻抗極大時(shí),對任何類型的電容式傳感器,電橋的輸出電壓與輸入量均為線性關(guān)系。但是,要求〔電源電壓波動極小,需采用穩(wěn)幅、穩(wěn)頻等措施,傳感器工作在平衡點(diǎn)附近,否則非線性增大,需接入高輸入阻抗放大器放大信號。第五章磁電式傳感器磁電式傳感器是通過磁電作用將被測量轉(zhuǎn)換成電信號的一種傳感器。磁電感應(yīng)式傳感器和霍爾式傳感器都是磁電式傳感器,磁電感應(yīng)式傳感器是利用導(dǎo)體和磁場發(fā)生相對運(yùn)動產(chǎn)生感應(yīng)電動勢的,霍爾式傳感器為載流半導(dǎo)體在磁場中有電磁效應(yīng)而輸出電動勢的?！?.1磁電感應(yīng)式傳感器一、工作原理當(dāng)導(dǎo)體在磁場中運(yùn)動切割磁力線時(shí)閉合導(dǎo)體回路中的磁通量發(fā)生變化,導(dǎo)體中就會出現(xiàn)感應(yīng)電流,導(dǎo)體中之所以會出現(xiàn)感應(yīng)電流是由于出現(xiàn)了感應(yīng)電動勢,閉合導(dǎo)體回路中感應(yīng)電動勢的大小與回路包圍的磁通量變化率成正比,即只要磁通量發(fā)生變化,就會有感應(yīng)電動勢產(chǎn)生,其實(shí)現(xiàn)的方法有很多,主要有：線圈與磁場發(fā)生相對運(yùn)動磁路中磁阻發(fā)生變化恒定磁場中線圈面積發(fā)生變化磁場強(qiáng)度發(fā)生變化當(dāng)線圈垂直于磁場方向以速度運(yùn)動切割磁力線時(shí),,當(dāng)線圈以角速度轉(zhuǎn)動時(shí),。其中為磁感應(yīng)強(qiáng)度,為線圈平均長度,為平均截面積。當(dāng)傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)確定后,為定值,感應(yīng)電動勢與或成正比,所以可以用磁電式傳感器測量線速度和角速度對測得的速度進(jìn)行積分或微分就可以求出位移和加速度。磁電式傳感器直接從被測物體中吸收機(jī)械能并轉(zhuǎn)換成電信號輸出,是一種能量轉(zhuǎn)換型傳感器,不需電源,輸出功率大,性能穩(wěn)定,調(diào)節(jié)電路非常簡單,具有較高靈敏度,一般不需接放大器,適用于振動、轉(zhuǎn)速和扭矩等的測量。二、類型1、變磁通式磁電傳感器這種類型的傳感器線圈和磁鐵固定不動,利用鐵磁性物質(zhì)制成一個(gè)齒輪〔或凸輪與被測物體相連而連動,在運(yùn)動中齒輪〔或凸輪不斷改變磁路的磁阻,從而改變了線圈的磁通,在線圈中感應(yīng)出電動勢。這種類型的傳感器在結(jié)構(gòu)上有開磁路和閉磁路兩種,一般用來測量旋轉(zhuǎn)物體的角速度,產(chǎn)生感應(yīng)電動勢的餓頻率作為輸出,感應(yīng)電動勢的頻率等于磁通變化的頻率。<2>恒定磁通式磁電傳感器在〔a圖中所示為動圈式,有永久磁鐵、線圈、彈簧和阻尼器組成,磁路系統(tǒng)產(chǎn)生恒定的直流磁場,磁路中的工作氣隙是固定不變的。運(yùn)動部件是線圈,永久磁鐵與傳感器外殼固定,永久磁鐵有柔軟彈簧支撐,當(dāng)殼體與被測物體一起振動時(shí),由于彈簧較軟,而運(yùn)動部件相對比較大,因此振動頻率足夠高時(shí),運(yùn)動部件的慣性很大,來不及跟蹤物體一起振動,近于靜止不動,振動能量幾乎全被彈簧吸收。永久磁鐵與線圈之間運(yùn)動速度接近于振動體振動速度。磁鐵與線圈相對運(yùn)動使線圈切割磁力線產(chǎn)生與成正比的感應(yīng)電動勢。<b>圖為動鐵式,磁鐵和彈簧連在一起,原理與動圈式相同。當(dāng)磁電式傳感器的結(jié)構(gòu)參數(shù)確定后,為常數(shù),僅于有關(guān),靈敏度系數(shù)?？梢?要想獲得比較高的靈敏度需要采用磁能積較大的永久磁鐵和盡量小的空氣隙長度。增加單位線圈的長度和匝數(shù)。但是要受到傳感器體積和重量的影響。三、應(yīng)用磁電感應(yīng)式振動速度傳感器磁電感應(yīng)式扭矩儀扭轉(zhuǎn)角與感應(yīng)電動勢相位差的關(guān)系是,由、可求出扭轉(zhuǎn)角,根據(jù)扭轉(zhuǎn)角、被測軸材質(zhì)、長度即可求出轉(zhuǎn)矩。〔3電磁流量傳感器傳感器安裝在工藝管道中,當(dāng)導(dǎo)電流體沿測量管在磁場中與磁力線成垂直方向運(yùn)動時(shí),導(dǎo)電流體切割磁力線而產(chǎn)生感應(yīng)電動勢,其值可用下式表示：,流經(jīng)測量管流體的瞬時(shí)流量與流速的關(guān)系是：。可見,當(dāng)傳感器參數(shù)確定后,儀表常數(shù)K為一定值,感應(yīng)電勢與流量成正比。§5.2霍爾式傳感器霍爾式傳感器是利用霍爾元件基于霍爾效應(yīng)原理而將被測量如電流、磁場、位移、壓力等轉(zhuǎn)換成電動勢輸出的一種傳感器。一、霍爾效應(yīng)與霍爾元件材料1、霍爾效應(yīng)一塊長為,寬為,厚為的半導(dǎo)體薄片置于磁感應(yīng)強(qiáng)度為的磁場〔磁場方向垂直于薄片中,當(dāng)有電流流過時(shí),在垂直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生電動勢,這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。假設(shè)薄片為N型半導(dǎo)體,在其左右兩端通以電流,那么半導(dǎo)體中的載流子〔電子將沿著與電流相反的方向運(yùn)動,由于外磁場B的作用,使電子受到洛倫茲力而偏轉(zhuǎn),結(jié)果在半導(dǎo)體的后端面上積累電子,因此帶負(fù)電,而前面因缺少電子而帶正電,在前后端面形成電場,該電場產(chǎn)生的電場力阻止電子繼續(xù)偏轉(zhuǎn),當(dāng)時(shí),電子的積累達(dá)到平衡,這時(shí)半導(dǎo)體的前后端面之間建立電場,稱為霍爾電場,相應(yīng)的電勢就稱為霍爾電勢。若電子以速度V按圖示方向運(yùn)動,那么在B作用下所受力,同時(shí),電場作用于電子的力,式中負(fù)號表示電場方向與規(guī)定方向相反。而,所以,當(dāng)時(shí),動態(tài)平衡,即,又因?yàn)殡娏髅芏?為N型半導(dǎo)體的電子濃度,即單位體積的電子數(shù)。所以。其中,稱為霍爾系數(shù),為靈敏度系數(shù),表示在單位磁感應(yīng)強(qiáng)度和單位控制電流時(shí)的霍爾電勢的大小。如果磁場與薄片法線有夾角,那么金屬中自由電子濃度很高,所以很小,輸出極小,不適宜作霍爾元件,霍爾元件都是由半導(dǎo)體材料制成的,如果是P型的,多子空穴濃度為,則,因〔為材料電阻率,為載流子遷移率一般電子遷移率大于空穴,所以霍爾元件多采用N型半導(dǎo)體,且為了增大靈敏度一般元件的厚度很薄,只有左右。2、霍爾元件材料①鍺<Ge>可達(dá)〔②硅〔Si可達(dá)〔③砷化銦〔InAs和銻化銦〔InSb分別可達(dá)350和1000〔二、霍爾元件構(gòu)造及測量電路1、構(gòu)造由霍爾片、四極引線和殼體組成2、測量電路三、霍爾元件的主要技術(shù)指標(biāo)〔1額定激勵電流使霍爾元件溫升所施加的控制電流值,稱為額定激勵電流。通過電流的載流體產(chǎn)生焦耳熱,。而霍爾元件的散熱主要由沒有電極的兩個(gè)側(cè)面承擔(dān),即,A是散熱系數(shù)。當(dāng)達(dá)到熱平衡時(shí),,因此當(dāng)霍爾元件作好之后限制額定電流的主要因素是散熱系數(shù)。〔2輸入電阻控制電流極間的電阻值。規(guī)定在〔的條件測得?！?輸出電阻霍爾電極間的電阻值?！?不等位電勢及零位電阻霍爾元件通以控制電流而不加外磁場時(shí),霍爾輸出端之間仍有空載電勢存在,該電勢就叫不等位電勢。產(chǎn)生不等位電勢的原因：霍爾電極安裝位置不正確〔不對稱或不在同一等勢面上半導(dǎo)體材料的不均勻造成了電阻率不均勻或是幾何不均勻。因控制電極接觸不良造成控制電流不均勻分布等。也可以用不等位電阻表示：〔5寄生直流電勢當(dāng)不加外磁場時(shí),控制電流改用額定交流電流時(shí),霍爾電極間的空載電勢為直流與交流電勢之和,直流電勢是個(gè)寄生量,是影響霍爾元件溫漂的原因之一。〔6熱阻在霍爾電極開路情況下,在霍爾元件上輸入的電功率時(shí)產(chǎn)生的溫升。單位,所以稱為熱阻是因?yàn)檫@個(gè)溫升的大小在一定條件下與電阻有關(guān),。四、霍爾元件的補(bǔ)償電路1、不等位電勢的補(bǔ)償由于不等位電勢與不等位電阻是一致的,因此可以用分析其電阻的方法來進(jìn)行補(bǔ)償。理想情況下,,即可取得零位電勢為零,若存在零位電勢則說明此四個(gè)電阻不等。將其視為電橋的四個(gè)臂,即電橋不平衡,為使其達(dá)到平衡可在阻值較大的臂上并聯(lián)電阻,或在兩個(gè)臂上同時(shí)并聯(lián)電阻。2、溫度補(bǔ)償一般半導(dǎo)體材料的電阻率、遷移率和載流子濃度等都隨溫度而變化?；魻栐砂雽?dǎo)體材料制成,因此它的性能參數(shù)如靈敏度、輸入電阻及輸出電阻等也隨溫度變化而變化,同時(shí)元件之間參數(shù)離散性也很大,不便于互換,為此,對其進(jìn)行補(bǔ)償是必要的?！?分流電阻法適用于恒流源供給控制電流的情況。假設(shè)初始溫度為時(shí)有如下參數(shù)：——霍爾元件的輸入電阻——選用的溫度補(bǔ)償電阻——被分流的電流——控制電流——霍爾元件的靈敏系數(shù)當(dāng)溫度由升為時(shí),且,其中分別為輸入電阻、分流電阻及靈敏度的溫度系數(shù)。根據(jù)電路知：為使霍爾電勢不隨溫度而改變,將上式代入整理可得：。電橋補(bǔ)償法霍爾元件的不等為電勢用調(diào)節(jié)的方法進(jìn)行補(bǔ)償。在霍爾輸出電極上串入一個(gè)溫度補(bǔ)償電橋,此電橋的四個(gè)臂中有一個(gè)錳銅電阻并聯(lián)的熱敏電阻,以調(diào)整其溫度系數(shù),其他三臂均為錳銅電阻,因此補(bǔ)償電橋可以給出一個(gè)隨溫度而改變的可調(diào)不平衡電壓,該電壓與溫度為非線性關(guān)系,只要細(xì)心地調(diào)整,這個(gè)不平橫的非線性電壓就可以補(bǔ)償霍爾元件的溫度漂移,在溫度范圍內(nèi)效果是可以令人滿意的。五、霍爾式傳感器的應(yīng)用舉例1、霍爾式位移傳感器保持霍爾元件的恒定,是霍爾元件在一個(gè)均勻的梯度磁場中沿x方向移動,因?yàn)榕cB成正比,所以B在一定范圍內(nèi)沿x方向的變化為常數(shù),因此元件沿x方向移動時(shí),,兩邊積分得,可見與x成正比。2、霍爾式壓力傳感器任何非電量,只要能轉(zhuǎn)換成位移量的變化,均可利用霍爾式位移傳感器的原理變換成霍爾電勢。霍爾式壓力傳感器首先由彈性元件把壓力轉(zhuǎn)化成位移,帶動霍爾元件移動形成霍爾電勢。如書中P113頁圖所示。壓電式傳感器壓電式傳感器是一種有源的雙向機(jī)—電傳感器,它的工作原理是基于壓電材料的壓電效應(yīng)。壓電式傳感器具有使用頻帶寬,靈敏度高,信噪比高,結(jié)構(gòu)簡單,工作可靠,質(zhì)量輕,測量范圍廣等許多優(yōu)點(diǎn),可以用來測量加速度、壓力、位移、溫度等許多非電量。近年來,由于電子技術(shù)飛躍發(fā)展,隨著與之配套的二次儀表以及低噪音、小容量、高絕緣電阻電纜的出現(xiàn),使壓電傳感器使用更為方便,集成化、智能化的新型電傳感器也正在被開發(fā)出來。一、壓電效應(yīng)某些晶體或多晶陶瓷,當(dāng)沿著一定方向受到外力作用時(shí),內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象,同時(shí)在某兩個(gè)表面上產(chǎn)生符號相反的電荷,當(dāng)外力去掉后,又恢復(fù)到不帶電狀態(tài),當(dāng)作用力的方向改變時(shí),電荷的極性也改變,電荷量與所受外力的大小成正比,這種現(xiàn)象叫正壓電效應(yīng)。如果對晶體施加一定變電場,晶體本身將產(chǎn)生機(jī)械形變,外電場撤離,變形也隨著消失,這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)。1、石英晶體的壓電效應(yīng)Z軸為光軸〔中性軸,它是晶體的對稱軸,光線沿Z軸通過晶體不產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象,因而以它為基準(zhǔn)軸。X軸為電軸,該電軸壓電效應(yīng)最為顯著,它通過六棱柱相對的兩個(gè)棱線,且垂直于光軸,顯然X軸有三個(gè)。Y軸為機(jī)械軸〔力軸它垂直于兩個(gè)相對的表面,在此軸上加力產(chǎn)生的變形最大。壓電陶瓷的壓電效應(yīng)高分子材料的壓電效應(yīng)石英的化學(xué)式為SiO2,在每一個(gè)晶體單元中它有三個(gè)硅離子和六個(gè)氧離子,在Z平面上的投影等效為正六邊形排列,如圖所示：當(dāng)不受外力時(shí),正負(fù)六個(gè)離子分布在正六邊形頂點(diǎn)上,形成三個(gè)互成1200夾角的電偶極矩P1,P2和P3。此時(shí)正負(fù)電荷相互平衡,電偶極矩的矢量和等于零,即P1+P2+P3=0,此時(shí)晶體表面沒帶電現(xiàn)象,整個(gè)晶體是中性的。當(dāng)晶體沿X方向受壓力作用時(shí),晶體受壓縮而變形,正負(fù)離子相對位置發(fā)生變化,此時(shí)鍵角也隨之改變,電偶極矩在X方向上的分量由于P1的減少和P2、P3的增大而大于零,即P1+P2+P3>0,合偶極矩方向向上,并于X軸正向一致,在X軸正向的晶體表面出現(xiàn)正電荷,反向表面產(chǎn)生負(fù)電荷,而在Z軸方向上的分量為零,因此無電荷出現(xiàn)。P1增大,P2、P3減小,P1+P2+P3<0,合偶極矩向下,因此上表面為負(fù)電荷,下表面為正電荷。同理Y和Z軸方向不出現(xiàn)電荷。如果沿Z軸方向加壓力,偶極矩的和始終為0,不產(chǎn)生電荷。當(dāng)沿X、Y軸的力的方向改變后,電荷的極性也會改變。對于壓電晶體,當(dāng)沿X軸施加正應(yīng)力時(shí),將在垂直于X軸的表面上產(chǎn)生電荷。這種現(xiàn)象稱為縱向壓電效應(yīng),當(dāng)沿Y軸施加正應(yīng)力時(shí),電荷將出現(xiàn)在與X軸垂直的表面上,這種現(xiàn)象稱為橫向壓電效應(yīng)。當(dāng)沿X軸方向施加切應(yīng)力時(shí),將在垂直于Y軸的表面上產(chǎn)生電荷,這種現(xiàn)象稱為切向壓電效應(yīng)。4、壓電方程和壓電常數(shù)壓電元件受到力F作用時(shí),就在相應(yīng)的表面產(chǎn)生表面電荷Q,力F與電荷Q之間存在如下關(guān)系：—壓電系數(shù)。上式僅能用于一定尺寸的壓電元件,沒有普遍意義,常用下列公式：其中—電荷的表面密度〔,—單位面積上的作用力〔—壓電常數(shù)〔的兩個(gè)下標(biāo),表示晶體的極化方向,即產(chǎn)生電荷的表面垂直于X軸〔Y軸或Z軸記為〔或2或3。第二個(gè)角標(biāo)〔或2、3、4、5、6表示沿X軸、Y軸、Z軸方向的單向應(yīng)力和垂直于X軸、Y軸、Z軸的平面內(nèi)〔即YZ、XZ、XY平面作的剪切力。例：表示沿X軸方向作用的單向應(yīng)力,在垂直于Z軸的表面產(chǎn)生的電荷,表示垂直于Z軸的平面即XY平面作的剪切力,而在垂直于X軸的表面產(chǎn)生的電荷等。任意受力狀態(tài)下所產(chǎn)生的表面電荷密度可以有下列方程組表示：其中分別表示垂直于X軸、Y軸和Z軸的表面上產(chǎn)生的電荷密度。這樣,某壓電材料的壓電特性可以用它的壓電常數(shù)矩陣表示如下：d11d12d13d14d15d16[D]=d21d22d23d24d25d26d31d32d33d34d35d36對石英晶體來說：d11d120d1400[D]=0000d25d26000000矩陣中第三行元素全部為0,且d13=d23=d33=0.說明石英晶體在沿Z軸方向受力作用時(shí),并不存在壓電效應(yīng),同時(shí)由于晶格的對稱性有：d12=-d11d25=-d14d26=-2d11所以實(shí)際上只有d11和d14兩個(gè)常數(shù)才有意義。對右旋石英晶體d11=-2.31×10-12,d14=-0.67×10-12。對左旋石英晶體這兩個(gè)參數(shù)都大于零,大小不變。§6.2壓電材料選用