機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)3-1

3.1概述1.傳感器定義傳感器是借助檢測元件將一種形式的信息轉(zhuǎn)換成另一種信息的裝置。

物理量電量

目前，傳感器轉(zhuǎn)換后的信號大多為電信號。因而從狹義上講，傳感器是把外界輸入的非電信號轉(zhuǎn)換成電信號的裝置。第3章常用傳感器2.傳感器的構(gòu)成

傳感器由敏感器件與輔助器件組成。敏感器件的作用是感受被測物理量，并對信號進行轉(zhuǎn)換輸出。輔助器件則是對敏感器件輸出的電信號進行放大、阻抗匹配，以便于后續(xù)儀表接入。傳感器可以用來探測人們無法用感官直接感知的事物，比如：用熱電偶測得物體的溫度，用超聲波感知海水深度及水下地貌形態(tài)等。3.傳感器的分類1)按被測物理量分類常見的被測物理量機械量:長度,厚度,位移,速度,加速度,

旋轉(zhuǎn)角,轉(zhuǎn)數(shù),質(zhì)量,重量,力,

壓力,真空度,力矩,風(fēng)速,流速,

流量;聲:聲壓,噪聲.磁:磁通,磁場.溫度:溫度,熱量,比熱.光：亮度，色彩2)按工作原理分類:機械式,電氣式,光學(xué)式,流體式等.3)按信號變換特征分類:物性型:依靠敏感元件材料本身物理性質(zhì)的變化來實現(xiàn)信號變換.如:水銀溫度計.結(jié)構(gòu)型:依靠傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化實現(xiàn)信號轉(zhuǎn)變.例如:電容式和電感式傳感器.4)按敏感元件與被測對象之間的能量關(guān)系:能量轉(zhuǎn)換型:直接由被測對象輸入能量使其工作.

例如:熱電偶溫度計,壓電式加速度計.能量控制型:從外部供給能量并由被測量控制外部供給能量的變化.例如:電阻應(yīng)變片.不同情況下，傳感器可能只有一個，也可能有幾個換能元件，也可能是一個小型裝置。

機械式傳感器是以彈性體作為傳感器的敏感元件。它的輸入量可以是力、壓力或溫度等物理量，輸出則是彈性元件本身的彈性變形。該彈性變形可以轉(zhuǎn)變成其他形式的變量，如被測量可放大而成為儀表指針的偏轉(zhuǎn)，借助刻度指示出被測量的大小。優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、可靠、使用方便、價格低廉、讀數(shù)直觀?！?機械式傳感器及儀器彈性敏感元件：彈性體輸入量：力、壓力、溫度等物理量輸出量：彈性體本身的彈性變形為了提高測量的頻率范圍，可先用彈性元件將被測量轉(zhuǎn)換成位移量，然后用其他形式的傳感器（如電容等）將位移量轉(zhuǎn)換成電信號輸出。被測量→彈性元件→位移量→其他型式的傳感器→電信號輸出彈性元件具有蠕變、彈性后效等現(xiàn)象。蠕變:金屬在一定的壓力和溫度作用下逐漸產(chǎn)生塑性變形的現(xiàn)象。彈性后效：加載(或卸載)后經(jīng)過一段時間應(yīng)變才增加(或減小)到一定數(shù)值的現(xiàn)象。微型探測開關(guān)能把物體的運動、位置或尺寸變化轉(zhuǎn)換為接通、斷開信號。它由兩個簧片組成，在常態(tài)下處于斷開狀態(tài)。當(dāng)它與磁性塊接近時，簧片被磁化而接合，成為接通狀態(tài)；只有當(dāng)鋼制工件通過簧片和電磁鐵之間時，簧片才會被磁化而接合，從而表達了有一件工件通過。

§3電阻、電容與電感式傳感器一、電阻式傳感器電阻式傳感器：是一種把被測量（如位移、速度、力、加速度等）轉(zhuǎn)換為電阻變化的傳感器。按其工作原理可分為變阻器式和電阻應(yīng)變式兩類。電阻式傳感器變阻器式電阻應(yīng)變片式線性線繞非線性線繞金屬應(yīng)變片半導(dǎo)體應(yīng)變片工作原理特性曲線材料電阻應(yīng)變式壓力傳感器變阻器式傳感器１、變阻器式傳感器

變阻器式傳感器也稱為電位計式傳感器,它通過改變電位器觸頭位置,把位移轉(zhuǎn)換為電阻的變化。式中——電阻率

l——電阻絲長度

A——電阻絲截面積如果電阻絲直徑和材質(zhì)一定時,則電阻值隨導(dǎo)線長度而變化。常用變阻器式傳感器有直線位移型、角位移型和非線性型等。直線位移型若觸點B沿變阻器移動x,則C點與A點之間的電阻值為：傳感器靈敏度：當(dāng)導(dǎo)線分布均勻時，kl為一常數(shù)，這時傳感器的輸出（電阻）與輸入（位移）成線性關(guān)系。

回轉(zhuǎn)型變阻式傳感器若單位弧度對應(yīng)的電阻值為ka，電阻值隨電刷轉(zhuǎn)角而變化，其靈敏度為當(dāng)導(dǎo)線分布均勻時，傳感器的輸出（電阻）與輸入（位移）成線性關(guān)系。

非線性變阻器式傳感器又稱為函數(shù)電位器。其骨架形狀根據(jù)要求的輸出f(x)來決定。例如,輸出f(x)=kx2,其中x為輸入位移,為要得到輸出電阻值R(x)與f(x)成線性關(guān)系,變阻器骨架應(yīng)做成直角三角形。如果輸出要求為f(x)=kx3,則應(yīng)采用拋物線形骨架。輸入與變阻器位移成某種函數(shù)關(guān)系，但輸出與輸入仍成線性。因為

且輸出要求與f(x)成線性關(guān)系

則

設(shè)Ｃ點變阻器高度為r(x)，則有：

結(jié)果表明，傳感器形狀為三角形，顯然三角形的厚度會引起誤差，因此x和高度要遠大于厚度。

因為

且輸出要求與f(x)成線性關(guān)系

則

設(shè)Ｃ點變阻器高度為r(x)，則有：

結(jié)果表明，傳感器形狀為三角形，顯然三角形的厚度會引起誤差，因此x和高度要遠大于厚度。

當(dāng)接一負(fù)載，傳感器的輸出電壓為

電位計式傳感器通常用電阻絲繞在框架上，改變電阻絲的接入長度，引起輸出電阻的改變。特點：結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、可靠，使用方便；但受電阻絲直徑的限制，分辨力不高，精度低，動態(tài)響應(yīng)差。且由于磨損與塵埃等，引起接觸電阻變化，從而引入噪聲。應(yīng)用：可用來測位移及可變成位移的物理量。２、電阻應(yīng)變式傳感器

電阻應(yīng)變式傳感器用于應(yīng)變、力、位移、加速度、扭矩等參數(shù)測量。具有體積小、動態(tài)響應(yīng)快、測量精確度高、使用簡便等優(yōu)點。在航空、船舶、機械、建筑等行業(yè)里獲得廣泛應(yīng)用。將應(yīng)變片貼在被測定物上，使其隨著被測定物的應(yīng)變一起伸縮，這樣里面的金屬箔材就隨著應(yīng)變伸長或縮短。很多金屬在機械性地伸長或縮短時其電阻會隨之變化。應(yīng)變片就是應(yīng)用這個原理，通過測量電阻的變化而對應(yīng)變進行測定。一般應(yīng)變片的敏感柵使用的是銅鉻合金，其電阻變化率為常數(shù)，與應(yīng)變成正比例關(guān)系。電阻應(yīng)變式傳感器可分為金屬電阻應(yīng)變片式與半導(dǎo)體應(yīng)變片式兩類。1)、金屬電阻應(yīng)變片常用的金屬電阻應(yīng)變片有絲式和箔式兩種。其工作原理都是基于應(yīng)變片發(fā)生機械變形時,其電阻值發(fā)生變化。金屬絲電阻應(yīng)變片(又稱電阻絲應(yīng)變片)出現(xiàn)得較早,現(xiàn)仍在廣泛采用。其典型結(jié)構(gòu)是把一根具有高電阻率的金屬絲(康銅或鎳鉻合金等,直徑0.025mm左右)繞成柵形,粘貼在絕緣的基片和覆蓋層之間,由引出導(dǎo)線接于電路上。

箔式應(yīng)變片是利用光刻、腐蝕等工藝制成的一種很薄的金屬薄柵，厚度在0.003-0.010mm。其優(yōu)點是表面積與截面積之比大，散熱條件好，允許通過電流較大，可制成各種需要的形狀，便于大批量生產(chǎn)。

工作原理上述任何一個參數(shù)變換均會引起電阻變化,求導(dǎo)數(shù)金屬應(yīng)變片的電阻R為代入有：金屬絲：金屬絲軸向伸長徑向必縮短：（泊松定律）有：對金屬材料，導(dǎo)電率變化很小：表明了電阻相對變化率與應(yīng)變成正比，一般用Sg表征電阻應(yīng)變片的應(yīng)變或靈敏度。5.焊線:用電烙鐵將應(yīng)變片的引線焊接到導(dǎo)引線上。6.用兆歐表檢查應(yīng)變片與試件之間的絕緣組織，應(yīng)大于500M歐。7.應(yīng)變片保護：用704硅橡膠覆于應(yīng)變片上，防止受潮。２)、半導(dǎo)體應(yīng)變片

工作原理——基于半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)。所謂壓阻效應(yīng)是指單晶半導(dǎo)體材料在沿某一軸向受到外力作用時,其電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象。由半導(dǎo)體物理可知，半導(dǎo)體在壓力、溫度及光輻射作用下，其電阻率發(fā)生很大變化。根據(jù)式簡化為：靈敏度這一數(shù)值比金屬絲電阻應(yīng)變片大50-70倍。區(qū)別：金屬絲電阻應(yīng)變片是利用導(dǎo)體的形變引起電阻的變化，半導(dǎo)體應(yīng)變片是利用半導(dǎo)體電阻率引起電阻的變化優(yōu)點：靈敏度大;體積小;缺點：溫度穩(wěn)定性和可重復(fù)性不如金屬應(yīng)變片。電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用實例請同學(xué)們自己閱讀案例：橋梁固有頻率測量3.2電阻式傳感器案例：沖床生產(chǎn)記數(shù)和生產(chǎn)過程監(jiān)測二、電容傳感器電容式傳感器是將被測物理量轉(zhuǎn)換為電容量變化的裝置。它實質(zhì)上是一個具有可變參數(shù)的電容器。兩個平行極板組成的電容器其電容量式中ε—極板間介質(zhì)的相對介電常數(shù),在空氣中ε=1;

ε。—真空中介電常數(shù),εo=8.85×10-12F/m;

—極板間距離;

A—極板面積。+++

A

δ、A或ε發(fā)生變化時，都會引起電容的變化。a)極距δ變化型+++

+++

電容傳感器拍手實驗駐極體麥克風(fēng)的工作原理是：當(dāng)人聲通過空氣使振膜震動，從而使上振膜和下金屬鐵片的距離產(chǎn)生變化，使其電容改變，形成電流。進一步解釋來說就是：話筒中“電容”的一個極板固定，另一個極板在一個振動薄膜上，人說話時，薄膜隨著聲波的強弱振動，也就是電容的兩個極板間距在變動，電容的容量也在變動，再用話筒中的高輸入阻抗的場效應(yīng)管將信號放大，再經(jīng)外置功放去推動揚聲器還原成聲音。駐極體電容傳聲器它采用聚四氟乙烯材料作為振動膜片。這種材料經(jīng)特殊電處理后，表面永久地駐有極化電荷，取代了電容傳聲器極板，故名為駐極體電容傳聲器。特點是體積小、性能優(yōu)越、使用方便。駐極體話筒是電容話筒的一種。電容話筒的基本原理就是用一個電容器作為聲信號——電信號的轉(zhuǎn)化器，這個電容的一個極板可以感應(yīng)聲壓的變化，起到聲信號攝入的作用。通常這一極由金屬化的高分子膜片構(gòu)成，與另一極構(gòu)成一個極間距離可以改變的可變電容。在有聲壓作用時，膜片發(fā)生振動，振動強度、振動頻率都由即時聲壓決定，電容容量也相應(yīng)的隨聲信號而發(fā)生變化。假如此時已經(jīng)給電容加上了一個恒定的電壓，那么電容容量的改變將使得電容上極化的電荷量發(fā)生改變，從而在電容兩端產(chǎn)生一個電信號，達到聲—電信號轉(zhuǎn)換。某些材料在加上電荷后可以基本上永久性的保存住這些電荷，這就是通常所說的駐極體材料，使用這些材料的話筒就是所謂的駐極體電容話筒。電容話筒拾聲單元有兩個極，其中的一極是可以振動的金屬化膜片，另一極則為金屬極板。對駐極體電容話筒來說，就是將其中一個極用駐極體材料制成或加上駐極體材料，利用駐極體材料本身可以保存電荷的特點，由駐極體提供正常工作所需恒定電壓。這樣省去了提供給話筒極頭工作所需電源電壓的部分，結(jié)構(gòu)簡單，體積也小。依據(jù)使用駐極體材料的位置，又可分為膜片式和背極式兩種。早期駐極體話筒多采用膜片式，即使用駐極體材料制作膜片，工藝相對簡單，技術(shù)要求不高。但是由于使用駐極體材料制作的膜片的音質(zhì)效果并不是很好，現(xiàn)在的駐極體話筒多采用背極式，即在電容的另一極（背極）上附著駐極體材料、極化電荷，而膜片材料則可從拾音角度考慮，選擇音質(zhì)效果較好的材質(zhì)的膜片。從目前技術(shù)發(fā)展來看，背極式傳聲器是駐極體話筒的一個趨勢。

駐極體話筒的品質(zhì)主要受兩個方面的影響：一、膜片的品質(zhì)，這個方面和電容話筒是一樣的。二、內(nèi)置場效應(yīng)晶體管的品質(zhì)。這種晶體管，必須是低噪聲寬頻響的。因為它是對信號的第一級放大，所以要求比較高。駐極體傳聲器相對于一般電容傳聲器來說，生產(chǎn)工藝簡單，成本低，適于大批量生產(chǎn)。同時體積較小，使用時比較方便，廣泛應(yīng)用于多種場合，比如一般會議場合，語音通訊系統(tǒng)，如電話機、攝像機、手機、復(fù)讀機等等。但駐極體話筒拾聲的音質(zhì)效果相對差些，多用在對于音質(zhì)效果要求不高的場合。不過，目前也有一些駐極體話筒，品質(zhì)已經(jīng)達到了電容話筒的品質(zhì)。在一些測量話筒和一些小型傳聲器上有廣泛的應(yīng)用。

如果兩極板互相覆蓋面積及極間介質(zhì)不變,則電容量C與極距呈非線性關(guān)系。當(dāng)極距有一微小變化量d時,引起電容的變化量dC為

得到傳感器靈敏度

靈敏度S與極距平方成反比,極距越小靈敏度越高。為減小非線性誤差，該類傳感器通常用于測量微小位移。

優(yōu)點是可進行動態(tài)非接觸式測量，靈敏度較高，可適用于較小位移的測量，缺點是具有非線性特性。b)面積變化型角位移型+++

面積變化型角位移型線位移型角位移型。當(dāng)動板有一轉(zhuǎn)角時,與定板之間相互覆蓋面積就改變,因而導(dǎo)致電容量改變。由于覆蓋面積

α——覆蓋面積對應(yīng)的中心角;r——極板半徑。

所以電容量

靈敏度

輸出與輸入成線性關(guān)系。

平面線位移型電容傳感器式中b——極板寬度。面積型電容傳感器的優(yōu)點是輸出與輸入成線性關(guān)系，與極距變化型相比，靈敏度較低，適用于較大直線位移及角位移測量。c)介質(zhì)變化型利用介質(zhì)介電常數(shù)的變化將被測量轉(zhuǎn)換為電量的傳感器。用來測量電介質(zhì)的液位或某些材料的厚度、溫度和濕度等,也可用來測量空氣的濕度。3測量電路a)電橋電路b)諧振電路d)運算放大器電路例1：極板間距式電容式傳感器，極板半徑r=4mm，間隙δ=0.5mm，極板介質(zhì)為空氣，試求其靈敏度。若極板移動，求其電容變化。1）掌握電容式傳感器原理，寫出電容的表達式。2)掌握靈敏度的概念，列出電容式傳感器靈敏度的計算公式。(3)帶入給定參數(shù)計算Δc=s×Δδ=2.847×10-7×2×10-3=5.694×10-10(F)5.為什么電容式傳感器易受干擾？如何減小干擾？答：(1)傳感器兩極板之間的電容很小，僅幾十個μμF，小的甚至只有幾個μμF。(2)而傳感器與電子儀器之間的連接電纜卻具有很大的電容，如屏蔽線的電容最小的l米也有幾個μμF，最大的可達上百個μμF。這不僅使傳感器的電容相對變化大大降低，靈敏度也降低，更嚴(yán)重的是電纜本身放置的位置和形狀不同，或因振動等原因，都會引起電纜本身電容的較大變化，使輸出不真實，給測量帶來誤差。(3)解決的辦法，一種方法是利用集成電路，使放大測量電路小型化，把它放在傳感器內(nèi)部，這樣傳輸導(dǎo)線輸出是直流電壓信號，不受分布電容的影響;(4)另一種方法是采用雙屏蔽傳輸電纜，適當(dāng)降低分布電容的影響。由于電纜分布電容對傳感器的影響，使電容式傳感器的應(yīng)用受到一定的限制。三電感式傳感器

電感式傳感器是基于電磁感應(yīng)原理，它是把被測量轉(zhuǎn)化為電感量的一種裝置。分類:電感式傳感器自感型可變磁阻型渦流式互感型3.4電感式傳感器3.4.1自感型--可變磁阻式δ原理:電磁感應(yīng)原線圈的等效阻抗Z變化：Z=Z(δ,ρ,μ,ω)案例：無損探傷原理裂紋檢測，缺陷造成渦流變化。思考題：1、電容式傳感器的工作原理是什么？2、電感式傳感器可分為幾類？3、何謂渦流效應(yīng)？怎樣利用渦流效應(yīng)進行位移測量？4、請設(shè)計幾種測量物體位移的方法，描述其基本原理。

3.6:壓電式傳感器輸出電信號很微弱，通常應(yīng)把傳感器信號先輸入到高輸入阻抗的前置放大器中，經(jīng)過阻抗變換后，方可輸入到后續(xù)顯示儀表中。一、壓電效應(yīng)：某些電介質(zhì)在沿一定方向上受到外力的作用而變形時，內(nèi)部會產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在其表面上產(chǎn)生電荷，當(dāng)外力去掉后，又重新回到不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)（PiezoelectricEffect）。在電介質(zhì)的極化方向上施加交變電場或電壓，它會產(chǎn)生機械振動。當(dāng)去掉外加電場時，電介質(zhì)變形隨之消失，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)（電致伸縮效應(yīng)）。例如，音樂賀卡中的壓電片就是利用逆壓電效應(yīng)而發(fā)聲的。自然界中與壓電效應(yīng)有關(guān)的現(xiàn)象很多。舉例：在完全黑暗的環(huán)境中，將一塊干燥的冰糖用榔頭敲碎，可以看到冰糖在破碎的一瞬間，發(fā)出暗淡的藍色閃光，這是強電場放電所產(chǎn)生的閃光，產(chǎn)生閃光的機理也是晶體的壓電效應(yīng)。又例：在敦煌的鳴沙丘，當(dāng)許多游客在沙丘上蹦跳或從鳴沙丘上往下滑時，可以聽到雷鳴般的隆隆聲。產(chǎn)生這個現(xiàn)象的原因是無數(shù)干燥的沙子（SiO2晶體）在重壓引起振動，表面產(chǎn)生電荷，在某些時刻，恰好形成電壓串聯(lián)，產(chǎn)生很高的電壓，并通過空氣放電而發(fā)出聲音。再例：在電子打火機中，多片串連的壓電材料受到敲擊，產(chǎn)生很高的電壓，通過尖端放電，而點燃火焰。三、壓電加速度傳感器的安裝及使用理論上壓電加速度傳感器應(yīng)與被測振動體剛性連接。但在具體使用中，壓電振動加速度傳感器安裝使用方法如圖所示。壓電振動加速度傳感器安裝使用方法a）雙頭螺釘固定法b）磁鐵吸附法c）膠水粘結(jié)法d）手持探針式法1－壓電式加速度傳感器2－雙頭螺栓3－磁鋼4－黏接劑5－頂針提示：壓電式振動加速度傳感器必須與被測振動加速度的機件緊固在一起。傳感器受機械運動的振動加速度作用，壓電晶片受到質(zhì)量塊慣性引起的交變力（F=ma），從而產(chǎn)生電荷。彈簧是給壓電晶片施加預(yù)緊力的，以防損壞壓電片。1）用于長期監(jiān)測振動機械的壓電加速度傳感器應(yīng)采用雙頭螺栓牢固地固定在監(jiān)視點上，如圖a所示。2）短時間監(jiān)測低頻微弱振動時，可用磁鐵將鋼質(zhì)傳感器底座吸附在監(jiān)測點上，如圖b所示。3）測量更微弱的振動時，可以用環(huán)氧樹脂或瞬干膠將傳感器膠接在監(jiān)測點上，如圖c所示。4）在對許多測試點進行定期巡檢時，也可采用手持探針式加速度傳感器。使用時，用手握住探針，緊緊地抵觸在監(jiān)測點上，如圖d所示。此方法方便，但重復(fù)性差，使用頻率上限在500Hz以下。為什么說壓電式傳感器只適用于動態(tài)測量而不能用于靜態(tài)測量?

由于外力作用在壓電元件上產(chǎn)生的電荷只有在無泄漏的情況下才能保存，即需要測量回路具有無限大的輸入阻抗，這實際上是不可能的，因此壓電式傳感器不能用于靜態(tài)測量。壓電元件在交變力的作用下，電荷可以壓電式傳感器測量電路的作用是什么?其核心是解決什么問題?答：壓電式傳感器測量電路的作用是將壓電晶體產(chǎn)生的電荷轉(zhuǎn)換為電壓信號輸出，其核心是要解決微弱信號的轉(zhuǎn)換與放大，得到足夠強的輸出信號。請同學(xué)們回答常用的壓電材料有哪些?最具代表性的是什么材料？普遍應(yīng)用的是什么材料？最早使用的壓電陶瓷是什么？何為居里點？高分子壓電薄膜的用途？前置放大器的主要用途？電壓放大器和電荷放大器的區(qū)別？壓電傳感器常用于測量什么？壓電式力傳感器的主要形式？檢測機床主軸轉(zhuǎn)速，發(fā)電機實驗：用微型發(fā)電機制作機械式轉(zhuǎn)速表3.7磁敏元件傳感器請同學(xué)們閱讀有關(guān)半導(dǎo)體材料的基本情況3.7.1霍爾元件V=KHIBsinα導(dǎo)體或半導(dǎo)體薄片置于磁場B中，在相對兩側(cè)通以電流I，在垂直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生一個大小與電流I和磁感應(yīng)強度B的乘積成正比的電動勢。這一現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。該電勢稱為霍爾電勢，該薄片稱為霍爾元件。KH—霍爾元件靈敏度。它與材料的物理性質(zhì)和幾何尺寸有關(guān)，它決定霍爾電勢的強弱。霍耳電勢應(yīng)為：

VH＝KH

IB

VH＝KHIBSinθ

注意：當(dāng)控制電流的方向或磁場方向改變時，輸出霍耳電勢的方向也改變。但當(dāng)磁場與電流同時改變方向時，霍耳電勢并不改變方向。汽車手柄轉(zhuǎn)角測量?特點?電阻的增量與磁場的平方成正比；?與磁場的正負(fù)無關(guān)；?溫度系數(shù)影響大；?磁感應(yīng)的范圍比霍爾元件大。?應(yīng)用?磁頭；接近開關(guān)和無觸點開關(guān)。磁阻元件：利用半導(dǎo)體材料的磁阻效應(yīng)來工作的。所謂巨磁阻效應(yīng)，是指磁性材料的電阻率在有外磁場作用時較之無外磁場作用時存在巨大變化的現(xiàn)象。巨磁阻是一種量子力學(xué)效應(yīng)，它產(chǎn)生于層狀的磁性薄膜結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)是由鐵磁材料和非鐵磁材料薄層交替疊合而成。當(dāng)鐵磁層的磁矩相互平行時，載流子與自旋有關(guān)的散射最小，材料有最小的電阻。當(dāng)鐵磁層的磁矩為反平行時，與自旋有關(guān)的散射最強，材料的電阻最大。2007年10月，科學(xué)界的最高盛典—瑞典皇家科學(xué)院頒發(fā)的諾貝爾獎揭曉了。本年度，法國科學(xué)家阿爾貝·費爾和德國科學(xué)家彼得·格林貝格爾因分別獨立發(fā)現(xiàn)巨磁阻效應(yīng)而共同獲得2007年諾貝爾物理學(xué)獎。瑞典皇家科學(xué)院在評價這項成就時表示，今年的諾貝爾物理學(xué)獎主要獎勵“用于讀取硬盤數(shù)據(jù)的技術(shù)，得益于這項技術(shù)，硬盤在近年來迅速變得越來越小”。格林貝格爾早在1988年，費爾和格林貝格爾就各自獨立發(fā)現(xiàn)了這一特殊現(xiàn)象：非常弱小的磁性變化就能導(dǎo)致磁性材料發(fā)生非常顯著的電阻變化。那時，法國的費爾在鐵、鉻相間的多層膜電阻中發(fā)現(xiàn)，微弱的磁場變化可以導(dǎo)致電阻大小的急劇變化，其變化的幅度比通常高十幾倍，他把這種效應(yīng)命名為巨磁阻效應(yīng)（GiantMagneto-Resistive，GMR）。有趣的是，就在此前3個月，德國優(yōu)利希研究中心格林貝格爾教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組在具有層間反平行磁化的鐵/鉻/鐵三層膜結(jié)構(gòu)中也發(fā)現(xiàn)了完全同樣的現(xiàn)象。巨磁阻效應(yīng)自從被發(fā)現(xiàn)以來就被用于開發(fā)研制用于硬磁盤的體積小而靈敏的數(shù)據(jù)讀出頭（ReadHead）。這使得存儲單字節(jié)數(shù)據(jù)所需的磁性材料尺寸大為減少，從而使得磁盤的存儲能力得到大幅度的提高。第一個商業(yè)化生產(chǎn)的數(shù)據(jù)讀取探頭是由IBM公司于1997年投放市場的，到目前為止，巨磁阻技術(shù)已經(jīng)成為全世界幾乎所有電腦、數(shù)碼相機、MP3播放器的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)。諾貝爾評委會主席佩爾·卡爾松用比較通俗的語言解答了這個問題。他用兩張圖片的對比說明了巨磁阻的重大意義：一臺1954年體積占滿整間屋子的電腦，和一個如今非常普通、手掌般大小的硬盤。正因為有了這兩位科學(xué)家的發(fā)現(xiàn)，單位面積介質(zhì)存儲的信息量才得以大幅度提升。目前，根據(jù)該效應(yīng)開發(fā)的小型大容量硬盤已得到了廣泛的應(yīng)用。正如一位中國科研人員所言：“看看你的計算機硬盤存儲能力有多大，就知道他們的貢獻有多大了。”或許我們這才明白，司空見慣的筆記本電腦、MP3、U盤等消費品，居然都閃爍著耀眼的科學(xué)光芒。諾貝爾獎并不總是代表著深奧的理論和艱澀的知識，它往往就在我們身邊，在我們不曾留意的日常生活中。眾所周知，計算機硬盤是通過磁介質(zhì)來存儲信息的。一塊密封的計算機硬盤內(nèi)部包含若干個磁盤片，磁盤片的每一面都被以轉(zhuǎn)軸為軸心、以一定的磁密度為間隔劃分成多個磁道，每個磁道又被劃分為若干個扇區(qū)。磁盤片上的磁涂層是由數(shù)量眾多的、體積極為細小的磁顆粒組成，若干個磁顆粒組成一個記錄單元來記錄1比特（bit）信息，即0或1。磁盤片的每個磁盤面都相應(yīng)有一個磁頭。當(dāng)磁頭“掃描”過磁盤面的各個區(qū)域時，各個區(qū)域中記錄的不同磁信號就被轉(zhuǎn)換成電信號，電信號的變化進而被表達為“0”和“1”，成為所有信息的原始譯碼。最早的磁頭是采用錳鐵磁體制成的，該類磁頭是通過電磁感應(yīng)的方式讀寫數(shù)據(jù)。然而，隨著信息技術(shù)發(fā)展對存儲容量的要求不斷提高，這類磁頭難以滿足實際需求。因為使用這種磁頭，磁致電阻的變化僅為1％～2％之間，讀取數(shù)據(jù)要求一定的強度的磁場，且磁道密度不能太大，因此使用傳統(tǒng)磁頭的硬盤最大容量只能達到每平方英寸20兆位。硬盤體積不斷變小，容量卻不斷變大時，勢必要求磁盤上每一個被劃分出來的獨立區(qū)域越來越小，這些區(qū)域所記錄的磁信號也就越來越弱。1997年，全球首個基于巨磁阻效應(yīng)的讀出磁頭問世。正是借助了巨磁阻效應(yīng)，人們才能夠制造出如此靈敏的磁頭，能夠清晰讀出較弱的磁信號，并且轉(zhuǎn)換成清晰的電流變化。新式磁頭的出現(xiàn)引發(fā)了硬盤的“大容量、小型化”革命。本模塊采用磁性檢測原理來探測鋼管缺陷。探頭由磁鐵和可檢測磁場強度的霍爾傳感器組成。磁鐵與被測的鐵磁材料工件間形成磁路，若工件上有缺陷，則磁路的磁阻增大，霍爾傳感器附近的磁場強度變?nèi)酢．?dāng)探頭在試件表面移動時，正常情況下磁場強度是不變的，當(dāng)試件表面有缺陷的時候，會產(chǎn)生一個磁場的跳變，通過監(jiān)測磁場的跳變即可進行試件的探傷。熱電偶傳感器溫度測量的基本概念

一、溫度測量的基本概念

溫度標(biāo)志著物質(zhì)內(nèi)部大量分子無規(guī)則運動的劇烈程度。溫度越高，表示物體內(nèi)部分子熱運動越劇烈。

模擬圖：在一個密閉的空間里，氣體分子在高溫時的運動速度比低溫時快！低溫高溫二、溫標(biāo)1、溫度的數(shù)值表示方法稱為溫標(biāo)。它規(guī)定了溫度的讀數(shù)的起點（即零點）以及溫度的單位。各類溫度計的刻度均由溫標(biāo)確定。2、國際上規(guī)定的溫標(biāo)有：攝氏溫標(biāo)、華氏溫標(biāo)、熱力學(xué)溫標(biāo)等。

幾種溫標(biāo)的對比正常體溫為37C，相當(dāng)于華氏溫度多少度？98.6熱力學(xué)溫標(biāo)（K）

熱力學(xué)溫標(biāo)是建立在熱力學(xué)第二定律基礎(chǔ)上的最科學(xué)的溫標(biāo)，是由開爾文（Kelvin）根據(jù)熱力學(xué)定律提出來的，因此又稱開氏溫標(biāo)。它的符號是T，單位是開爾文（K）。威廉·湯姆遜·開爾文勛爵像1990國際溫標(biāo)(ITS-90)

從1990年1月1日開始在全世界范圍內(nèi)采用1990年國際溫標(biāo)，簡稱ITS-90。它定義了一系列溫度的固定點，測量和重現(xiàn)這些固定點的標(biāo)準(zhǔn)儀器以及計算公式，例如水的三相點為273.16K（0.01C）等。

三、溫度測量及傳感器分類溫度傳感器按照用途可分為基準(zhǔn)溫度計和工業(yè)溫度計；按照測量方法又可分為接觸式和非接觸式；按工作原理又可分為膨脹式、電阻式、熱電式、輻射式等等；按輸出方式分，有自發(fā)電型、非電測型等。

介紹幾種溫度測量方法

示溫涂料（變色涂料）裝滿熱水后圖案變得清晰可辨變色涂料在電腦內(nèi)部溫度中的示溫作用CPU散熱風(fēng)扇低溫時顯示藍色溫度升高后變?yōu)榧t色體積熱膨脹式

不需要電源，耐用；但感溫部件體積較大。

氣體的體積與熱力學(xué)溫度成正比熱電偶測溫的主要優(yōu)點

1、它屬于自發(fā)電型傳感器：測量時可以不需外加電源，可直接驅(qū)動動圈式儀表；

2、測溫范圍廣：下限可達-270C，上限可達1800C以上；3、各溫區(qū)中的熱電勢均符合國際計量委員會的標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)論：當(dāng)兩個結(jié)點溫度不相同時，回路中將產(chǎn)生電動勢。

熱電極A右端稱為：自由端（參考端、冷端）

熱電偶的工作原理

左端稱為：測量端（工作端、熱端）

熱電極B熱電勢AB通過以上演示得出結(jié)論

——有關(guān)熱電偶熱電勢的討論熱電偶兩結(jié)點所產(chǎn)生的總的熱電勢等于熱端熱電勢與冷端熱電勢之差，是兩個結(jié)點的溫差Δt的函數(shù)：EAB（T，T0）=eAB（

T）-eAB（

T0

）熱電勢大致與兩個結(jié)點的溫差Δt

成正比從實驗到理論：熱電效應(yīng)

1821年，德國物理學(xué)家賽貝克用兩種不同金屬組成閉合回路，并用酒精燈加熱其中一個接觸點（稱為結(jié)點），發(fā)現(xiàn)放在回路中的指南針發(fā)生偏轉(zhuǎn)（說明什么？），如果用兩盞酒精燈對兩個結(jié)點同時加熱，指南針的偏轉(zhuǎn)角反而減小（又說明什么？）

。顯然，指南針的偏轉(zhuǎn)說明回路中有電動勢產(chǎn)生并有電流在回路中流動，電流的強弱與兩個結(jié)點的溫差有關(guān)。

熱電偶的種類及結(jié)構(gòu)

八種國際通用熱電偶：

B:鉑銠30—鉑銠6、R:鉑銠13—鉑、S:鉑銠10—鉑、K:鎳鉻—鎳硅、N:鎳鉻硅—鎳硅、E:鎳鉻—銅鎳、J:鐵—銅鎳、T:銅—銅鎳

用于制造鉑熱電偶的各種鉑熱電偶絲幾種常用熱電偶的測溫范圍及熱電勢

5種熱電偶的測溫范圍與熱電勢各有什么特點？幾種常用熱電偶的熱電勢與溫度的關(guān)系曲線分析

哪幾種熱電偶的測溫上限較高？結(jié)論：哪幾種熱電偶的線性較差？

哪一種熱電偶的靈敏度較高？

哪一種熱電偶的靈敏度較低？熱電偶的分度表

——熱電偶的線性較差，多數(shù)情況下采用查表法我國從1991年開始采用國際計量委員會規(guī)定的“1990年國際溫標(biāo)”（簡稱ITS-90）的新標(biāo)準(zhǔn)。按此標(biāo)準(zhǔn)，制定了相應(yīng)的分度表，并且有相應(yīng)的線性化集成電路與之對應(yīng)。

直接從熱電偶的分度表查溫度與熱電勢的關(guān)系時的約束條件是：自由端（冷端）溫度必須為0C。

普通裝配型熱電偶的外形安裝螺紋安裝法蘭鎧裝型熱電偶外形法蘭鎧裝型熱電偶可長達上百米薄壁金屬保護套管（鎧體）

BA絕緣材料鎧裝型熱電偶橫截面鎧裝型熱電偶

鎧裝熱電偶的制造工藝：把熱電極材料與高溫絕緣材料預(yù)置在金屬保護管中、運用同比例壓縮延伸工藝、將這三者合為一體，制成各種直徑、規(guī)格的鎧裝偶體，再截取適當(dāng)長度、將工作端焊接密封、配置接線盒即成為柔軟、細長的鎧裝熱電偶。

鎧裝熱電偶特點：內(nèi)部的熱電偶絲與外界空氣隔絕，有著良好的抗高溫氧化、抗低溫水蒸氣冷凝、抗機械外力沖擊的特性。鎧裝熱電偶可以制作得很細，能解決微小、狹窄場合的測溫問題，且具有抗震、可彎曲、超長等優(yōu)點。

隔爆型熱電偶外形厚壁保護管壓鑄的接線盒電纜線隔爆型熱電偶

結(jié)構(gòu)特點：隔爆熱電偶的接線盒在設(shè)計時采用防爆的特殊結(jié)構(gòu)，它的接線盒是經(jīng)過壓鑄而成的，有一定的厚度、隔爆空間，機構(gòu)強度較高；采用螺紋隔爆接合面，并采用密封圈進行密封，因此，當(dāng)接線盒內(nèi)一旦放電時，不會與外界環(huán)境的危險氣體傳爆，能達到預(yù)期的防爆、隔爆效果。

使用場合：工業(yè)用的隔爆型熱電偶多用于化學(xué)工業(yè)自控系統(tǒng)中（由于在化工生產(chǎn)廠、生產(chǎn)現(xiàn)場常伴有各種易燃、易爆等化學(xué)氣體或蒸汽，如果用普通熱電偶則非常不安全、很容易引起環(huán)境氣體爆炸）。其他熱電偶外形小形K型熱電偶請同學(xué)們回答：我們?nèi)?/p>