傳感器技術(shù)與應(yīng)用課件

感測(cè)器技術(shù)基礎(chǔ)1.1自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)與感測(cè)器

世界是由物質(zhì)組成的，表徵物質(zhì)特性或其運(yùn)動(dòng)形式的參數(shù)很多，根據(jù)物質(zhì)的電特性，可分為電量和非電量?jī)深?。非電量不能直接使用一般電工儀錶和電子儀器測(cè)量，非電量需要轉(zhuǎn)換成與非電量有一定關(guān)係的電量，再進(jìn)行測(cè)量。實(shí)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換技術(shù)的器件叫感測(cè)器。自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)控制系統(tǒng)處理的大都是電量,需通過(guò)感測(cè)器對(duì)通常是非電量的原始資訊進(jìn)行精確可靠的捕獲和轉(zhuǎn)換為電量。

1.1自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)與感測(cè)器

1.1.1自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)控制技術(shù)是人們對(duì)事物的規(guī)律進(jìn)行定性瞭解和定量掌握以及預(yù)期效果控制所從事的一系列的技術(shù)措施。自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)是完成這一系列技術(shù)措施之一的裝置，它是檢測(cè)和控制器與研究對(duì)象的總和。通?？煞譃殚_環(huán)與閉環(huán)兩種自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)。測(cè)量電路感測(cè)器電源指示儀記錄儀伺服控制

圖1-1開環(huán)自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)框圖

被測(cè)量調(diào)節(jié)元件給定元件資訊處理檢測(cè)電路執(zhí)行元件感測(cè)器對(duì)象輸出顯示記錄－＋－圖1-2閉環(huán)自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)框圖

一個(gè)完整的自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)，一般由感測(cè)器、測(cè)量電路、顯示記錄裝置或調(diào)節(jié)執(zhí)行裝置、電源四部分組成。

1.1.2感測(cè)器感測(cè)器的定義是：能感受規(guī)定的被測(cè)量並按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。敏感元件是指感測(cè)器中能直接感受或回應(yīng)被測(cè)量的部分；轉(zhuǎn)換元件是指感測(cè)器中能將敏感元件感受或回應(yīng)的被測(cè)量轉(zhuǎn)換成適於傳輸或測(cè)量的電信號(hào)的部分。敏感元件轉(zhuǎn)換元件輔助電源介面電路圖1-3感測(cè)器組成框圖非電物理量電信號(hào)

壓電晶體、熱電偶、熱敏電阻、光電器件等是敏感元件與轉(zhuǎn)換元件兩者合二為一的感測(cè)器感測(cè)器轉(zhuǎn)換能量的理論基礎(chǔ)都是利用物理學(xué)、化學(xué)學(xué)、生物學(xué)現(xiàn)象和效應(yīng)來(lái)進(jìn)行能量形式的變換。被測(cè)量和它們之間的能量的相互轉(zhuǎn)換是各種各樣的。機(jī)械能光能電磁能化學(xué)能熱能圖1-4感測(cè)器的能量轉(zhuǎn)換關(guān)係

感測(cè)器技術(shù)就是掌握和完善這些轉(zhuǎn)換的方法和手段。是涉及：感測(cè)器能量轉(zhuǎn)換原理、感測(cè)器材料選取與製造、感測(cè)器器件設(shè)計(jì)、感測(cè)器開發(fā)和應(yīng)用等多項(xiàng)綜合技術(shù)。1.2感測(cè)器的分類1.2感測(cè)器的分類感測(cè)器有許多分類方法，但常用的分類方法有兩種：一種是按被測(cè)輸入量來(lái)分；另一種是按感測(cè)器的工作原理來(lái)分。1.2.1按被測(cè)量分類這一種方法是根據(jù)被測(cè)量的性質(zhì)進(jìn)行分類，如：溫度感測(cè)器、濕度感測(cè)器、壓力感測(cè)器、位移感測(cè)器、流量感測(cè)器、液位感測(cè)器、力感測(cè)器、加速度感測(cè)器、轉(zhuǎn)矩感測(cè)器等。

這種分類方法把種類繁多的被測(cè)量分為：基本被測(cè)量和派生被測(cè)量?jī)深?。見?-1。例如力可視為基本被測(cè)量，從力可派生出壓力、重量、應(yīng)力、力矩等派生被測(cè)量。當(dāng)需要測(cè)量這些被測(cè)量時(shí)，只要採(cǎi)用力感測(cè)器就可以了。

表1-1基本被測(cè)量和派生被測(cè)量

基本被測(cè)量

派生被測(cè)量位移

線位移

長(zhǎng)度、厚度、應(yīng)變、振動(dòng)、磨損、不平度

角位移

旋轉(zhuǎn)角、偏轉(zhuǎn)角、角振動(dòng)

速度

線速度

速度、振動(dòng)、流量、動(dòng)量

角速度

轉(zhuǎn)速、角振動(dòng)

加速度

線加速度

振動(dòng)、衝擊、品質(zhì)

角加速度

角振動(dòng)、扭矩、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量

力

壓力

重量、應(yīng)力、力矩

時(shí)間

頻率

週期、計(jì)數(shù)、統(tǒng)計(jì)分佈

溫度

熱容量、氣體速度、渦流

光

光通量與密度、光譜分佈

濕度

水氣、水分、露點(diǎn)

這種分類方法：優(yōu)點(diǎn)是比較明確地表達(dá)了感測(cè)器的用途，便於使用者根據(jù)其用途選用。缺點(diǎn)是沒有區(qū)分每種感測(cè)器在轉(zhuǎn)換機(jī)理上有何共性和差異，不便使用者掌握其基本原理及分析方法。1.2.2按感測(cè)器工作原理分類這一種分類方法是以工作原理劃分，將物理、化學(xué)、生物等學(xué)科的原理、規(guī)律和效應(yīng)作為分類的依據(jù)。這種分類法：優(yōu)點(diǎn)是對(duì)感測(cè)器的工作原理比較清楚，類別少，有利於感測(cè)器專業(yè)工作者對(duì)感測(cè)器的深入研究分析。缺點(diǎn)是不便於使用者根據(jù)用途選用。

具體劃分為：1.電學(xué)式感測(cè)器電學(xué)式感測(cè)器是應(yīng)用範(fàn)圍較廣的一種感測(cè)器，常用的有電阻式感測(cè)器、電容式感測(cè)器、電感式感測(cè)器、磁電式感測(cè)器及電渦流式感測(cè)器等。2.磁學(xué)式感測(cè)器磁學(xué)式感測(cè)器是利用鐵磁物質(zhì)的一些物理效應(yīng)而製成。主要用於位移、轉(zhuǎn)矩等參數(shù)的測(cè)量。3.光電式感測(cè)器光電式感測(cè)器是利用光電器件的光電效應(yīng)和光學(xué)原理而製成。主要用於光強(qiáng)、光通量、位移、濃度等參數(shù)的測(cè)量。4.電勢(shì)型感測(cè)器電勢(shì)型感測(cè)器是利用熱電效應(yīng)、光電效應(yīng)、霍耳效應(yīng)等原理而製成。主要用於溫度、磁通、電流、速度、光強(qiáng)、熱輻射等參數(shù)的測(cè)量。5.電荷感測(cè)器電荷感測(cè)器是利用壓電效應(yīng)原理而製成。主要用於力及加速度的測(cè)量。6.半導(dǎo)體感測(cè)器半導(dǎo)體感測(cè)器是利用半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)、內(nèi)光電效應(yīng)、磁電效應(yīng)、半導(dǎo)體與氣體接觸產(chǎn)生物質(zhì)變化等原理而製成。主要用於溫度、濕度、壓力、加速度、磁場(chǎng)和有害氣體的測(cè)量。

7.諧振式感測(cè)器諧振式感測(cè)器是利用改變電或機(jī)械的固有參數(shù)來(lái)改變諧振頻率的原理而製成。主要用來(lái)測(cè)量壓力。8.電化學(xué)式感測(cè)器電化學(xué)式感測(cè)器是以離子導(dǎo)電原理為基礎(chǔ)而製成，可分為電位式感測(cè)器、電導(dǎo)式感測(cè)器、電量式感測(cè)器、級(jí)譜式感測(cè)器和電解式感測(cè)器等。電化學(xué)式感測(cè)器主要用於分析氣體成分、液體成分、溶於液體的固體成分、液體的酸鹼度、電導(dǎo)率及氧化還原電位等參數(shù)的測(cè)量。

還有：按能量的關(guān)係分類，即將感測(cè)器分為有源感測(cè)器和無(wú)源感測(cè)器；按輸出信號(hào)的性質(zhì)分類，即將感測(cè)器分為模擬式感測(cè)器和數(shù)字式感測(cè)器。數(shù)字式感測(cè)器輸出為數(shù)字量，便於與電腦聯(lián)用，且抗干擾性較強(qiáng)，例如：盤式角度數(shù)字感測(cè)器，光柵感測(cè)器等。1.3感測(cè)器的數(shù)學(xué)模型1.3感測(cè)器的數(shù)學(xué)模型感測(cè)器作為感受被測(cè)量資訊的器件，總是希望它能按照一定的規(guī)律輸出有用信號(hào),因此,需要研究其輸入-輸出之間的關(guān)係及特性，以便用理論指導(dǎo)其設(shè)計(jì)、製造、校準(zhǔn)與使用。理論和技術(shù)上表徵輸入-輸出之間的關(guān)係通常是以建立數(shù)學(xué)模型來(lái)體現(xiàn)，這也是研究科學(xué)問(wèn)題的基本出發(fā)點(diǎn)。1.3.1感測(cè)器的靜態(tài)數(shù)學(xué)模型靜態(tài)數(shù)學(xué)模型是指在靜態(tài)信號(hào)作用下，感測(cè)器輸出與輸入量間的一種函數(shù)關(guān)係。如果不考慮遲滯特性和蠕動(dòng)效應(yīng)，感測(cè)器的靜態(tài)數(shù)學(xué)模型一般可以用n次多項(xiàng)式來(lái)表示：

y=a0+a1x+a2x2+···+anxn

式中x為輸入量；y為輸出量；

a0為零輸入時(shí)的輸出，也叫零位輸出；

a1為感測(cè)器線性項(xiàng)係數(shù)也稱線性靈敏度，常用K或S表示；

a2,

a3,

···,an為非線性項(xiàng)係數(shù)，其數(shù)值由具體感測(cè)器非線性特性決定。

感測(cè)器靜態(tài)數(shù)學(xué)模型有三種有用的特殊形式：1.理想的線性特性

通常是所希望的感測(cè)器應(yīng)具有的特性，只有具備這樣的特性才能正確無(wú)誤地反映被測(cè)的真值。2.僅有偶次非線性項(xiàng)

其線性範(fàn)圍較窄，線性度較差，靈敏度為該曲線的斜率，一般感測(cè)器設(shè)計(jì)很少採(cǎi)用這種特性。3.僅有奇次非線性項(xiàng)

其線性範(fàn)圍較寛，且相對(duì)座標(biāo)原點(diǎn)是對(duì)稱的，線性度較好，靈敏度為該曲線的斜率。使用時(shí)一般都加以線性補(bǔ)償措施，可獲得較理想的線性特性。1.3.2感測(cè)器的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型在實(shí)際測(cè)量中，大量的被測(cè)量是隨時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)信號(hào)。感測(cè)器的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型是指：在隨時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)信號(hào)作用下，感測(cè)器輸出-輸入量間的函數(shù)關(guān)係，通常稱為回應(yīng)特性。動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型一般採(cǎi)用微分方程和傳遞函數(shù)描述。

1.微分方程忽略了一些影響不大的非線性和隨機(jī)變數(shù)等複雜因素後，可將感測(cè)器作為線性定常數(shù)系統(tǒng)來(lái)考慮，因而其動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型可以用線性常係數(shù)微分方程來(lái)表示，其解得到感測(cè)器的暫態(tài)回應(yīng)和穩(wěn)態(tài)回應(yīng)。

式中：x(t)為輸入量，y(t)為輸出量。

為結(jié)構(gòu)常數(shù)。對(duì)上式兩邊取拉普拉斯變換，則得：

該系統(tǒng)的傳遞函數(shù)H(s)為：

2.傳遞函數(shù)

等號(hào)右邊是一個(gè)與輸入無(wú)關(guān)的運(yùn)算式，只與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)，可見傳遞函數(shù)H(s)是描述感測(cè)器本身傳遞資訊的特性，即傳輸和變換特性。由輸入激勵(lì)和輸出回應(yīng)的拉普拉斯變換求得。當(dāng)感測(cè)器比較複雜或感測(cè)器的基本參數(shù)未知時(shí)，可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)求得傳遞函數(shù)。1.4感測(cè)器的特性與技術(shù)指標(biāo)1.4感測(cè)器的特性與技術(shù)指標(biāo)感測(cè)器測(cè)量靜態(tài)量表現(xiàn)為靜態(tài)特性，測(cè)量動(dòng)態(tài)量表現(xiàn)為動(dòng)態(tài)特性。1.4.1靜態(tài)特性感測(cè)器的靜態(tài)特性主要由下列幾種性能來(lái)描述。1.線性度線性度是感測(cè)器輸出量與輸入量之間的實(shí)際關(guān)係曲線偏離直線的程度，又稱非線性誤差。

圖1-5感測(cè)器的線性度

由圖可見，除（a）為理想特性外，其他都存在非線性，都應(yīng)進(jìn)行線性處理。常用的方法有：理論直線法、端點(diǎn)線法、割線法、最小二乘法和計(jì)算程式法等。2.靈敏度靈敏度是感測(cè)器在穩(wěn)態(tài)下輸出增量與輸入增量的比值。對(duì)於線性感測(cè)器，其靈敏度就是它的靜態(tài)特性的斜率，如圖1-6（a）所示，其

sn=y/x圖1-6感測(cè)器的靈敏度

非線性感測(cè)器的靈敏度是一個(gè)隨工作點(diǎn)而變的變數(shù)，如圖1-6（b）所示，其

sn=dy/dx=df(x)/dx3.重複性重複性是感測(cè)器在輸入量按同一方向作全量程多次測(cè)試時(shí)，所得特性曲線不一致性的程度，如圖1-7所示。感測(cè)器輸出特性的不重複性主要由感測(cè)器的機(jī)械部分的磨損、間隙、鬆動(dòng)，部件的內(nèi)磨擦、積塵，電路元件老化、工作點(diǎn)漂移等原因產(chǎn)生。圖1-7感測(cè)器的重複性

不重複性極限誤差由下式表示：

EZ=?MAX/yFS·100%4.遲滯現(xiàn)象感測(cè)器在正向行程（輸入量增大）和反向行程（輸入量減小）期間，輸出-輸入特性曲線不一致的程度，如圖1-8所示。在行程環(huán)中同一輸入量xi對(duì)應(yīng)的不同輸出量yi和yd的差值叫滯環(huán)誤差，最大滯環(huán)誤差與滿量程輸出值的比值稱最大滯環(huán)率EMAX：

EMAX=?m/yFS·100%

圖1-8感測(cè)器的遲滯現(xiàn)象5.分辨力感測(cè)器的分辨力是在規(guī)定測(cè)量範(fàn)圍內(nèi)所能檢測(cè)的輸入量的最小變化量。有時(shí)也用該值相對(duì)滿量程輸入值的百分?jǐn)?shù)表示。6.穩(wěn)定性穩(wěn)定性有短期穩(wěn)定性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性之分。感測(cè)器常用長(zhǎng)期穩(wěn)定性，指在室溫條件下，經(jīng)過(guò)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間間隔，如一天、一月或一年，感測(cè)器的輸出與起始標(biāo)定時(shí)的輸出之間的差異。通常又用其不穩(wěn)定度來(lái)表徵穩(wěn)定程度。7.漂移感測(cè)器的漂移是指在外界的干擾下，輸出量發(fā)生與輸入量無(wú)關(guān)的不需要的變化。漂移包括零點(diǎn)漂移和靈敏度漂移等。零點(diǎn)漂移和靈敏度漂移又可分為時(shí)間漂移和溫度漂移。時(shí)間漂移是指在規(guī)定的條件下，零點(diǎn)或靈敏度隨時(shí)間的緩慢變化；溫度漂移為環(huán)境溫度變化而引起的零點(diǎn)或靈敏度的變化。1.4.2動(dòng)態(tài)特性在動(dòng)態(tài)（快速變化）的輸入信號(hào)情況下，要求感測(cè)器能迅速準(zhǔn)確地回應(yīng)和再現(xiàn)被測(cè)信號(hào)的變化。也就是說(shuō)，感測(cè)器要有良好的動(dòng)態(tài)特性。最常用的是通過(guò)幾種特殊的輸入時(shí)間函數(shù)，例如階躍函數(shù)和正弦函數(shù)來(lái)研究其回應(yīng)特性，稱為階躍回應(yīng)法和頻率回應(yīng)法。

1.階躍回應(yīng)特性給感測(cè)器輸入一個(gè)單位階躍函數(shù)信號(hào)：

其輸出特性稱為階躍回應(yīng)特性，如圖1-9所示。由圖可衡量階躍回應(yīng)的幾項(xiàng)指標(biāo)。

圖1-9感測(cè)器階躍回應(yīng)特性(1)最大超調(diào)量(2)延遲時(shí)間(3)上升時(shí)間(4)峰值時(shí)間(5)回應(yīng)時(shí)間2.頻率回應(yīng)特性給感測(cè)器輸入各種頻率不同而幅值相同初相位為零的正弦信號(hào)，其輸出的正弦信號(hào)的幅值和相位與頻率之間的關(guān)係，則為頻率回應(yīng)曲線。例子：下圖為一彈簧阻尼器組成的機(jī)械壓力感測(cè)器，分析該感測(cè)器的頻率回應(yīng)。圖1-10機(jī)械壓力感測(cè)器系統(tǒng)輸入量為作用力，令其與彈簧剛度成正比，。

系統(tǒng)輸出量為彈簧形變產(chǎn)生的位移。

根據(jù)牛頓第三定律，作用力與阻尼器磨擦力、彈簧力的反作用力相等，即：

；

。

式中：；可得一階機(jī)械壓力感測(cè)器動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型：左右兩邊取拉普拉斯變換，移項(xiàng)後可得系統(tǒng)的傳遞函數(shù)：

，

令可得頻率回應(yīng)函數(shù)、幅頻特性、相頻特性分別為：式中：為時(shí)間常數(shù)。

幅頻特性、相頻特性如圖1-11所示。由圖可見，時(shí)間常數(shù)τ越小，頻率特性越好。時(shí)間常數(shù)τ很小時(shí)，幅頻特性為常數(shù)，相頻特性與頻率成線性關(guān)係。

圖1-11一階感測(cè)器的頻率特性在時(shí)間常數(shù)τ很小時(shí)，輸出位移能真實(shí)地反應(yīng)輸入作用力的變化規(guī)律，與作用力頻率無(wú)關(guān)。1.5感測(cè)器的材料與製造1.5感測(cè)器的材料與製造感測(cè)器是利用材料的固有特性或開發(fā)的二次功能特性，再經(jīng)過(guò)精細(xì)加工而成的。感測(cè)器的材料和製造是感測(cè)器性能和品質(zhì)的關(guān)鍵。1.5.1感測(cè)器的材料1.半導(dǎo)體材料（1）單晶矽（2）多晶矽（3）非晶體矽（4）矽藍(lán)寶石（5）化合物半導(dǎo)體2.陶瓷材料3.石英材料4.金屬氧化物及合金材料（1）ZnO薄膜（2）非晶態(tài)磁性合金材料（3）形狀記憶合金材料5.無(wú)機(jī)材料6.有機(jī)材料7.生化材料8.高分子敏感材料9.合成材料10.智能材料（1）能夠檢測(cè)並且可以識(shí)別外界或內(nèi)部的刺激強(qiáng)度的感知功能；（2）能夠回應(yīng)外界變化的驅(qū)動(dòng)功能；（3）能夠按照設(shè)定的方式選擇和控制回應(yīng)；（4）反應(yīng)比較靈敏、及時(shí)和恰當(dāng)；（5）當(dāng)外部刺激消除後，能夠迅速恢復(fù)到原始狀態(tài)。1.5.2感測(cè)器製造技術(shù)感測(cè)器製造技術(shù)主要是微系統(tǒng)技術(shù)，也叫微機(jī)械加工技術(shù)。不僅微系統(tǒng)的部件是用微機(jī)械加工製成，而且用這些部件組合成系統(tǒng)也是用微機(jī)械加工的。1.部件及子系統(tǒng)加工2.系統(tǒng)的集成包括底盤、組裝和連線加工3.Z半導(dǎo)體敏感元件的加工

Z半導(dǎo)體元件輸出數(shù)字信號(hào)（準(zhǔn)確地說(shuō)是脈衝信號(hào)），無(wú)需前置放大和A/D轉(zhuǎn)換就可與電腦直接通信，特別適合研製新一代三端數(shù)字感測(cè)器。1.6提高感測(cè)器性能的方法1.6提高感測(cè)器性能的方法1.6.1感測(cè)器性能指標(biāo)決定感測(cè)器性能的指標(biāo)很多，要求一個(gè)感測(cè)器具有全面良好的性能指標(biāo)，不僅給設(shè)計(jì)、製造造成困難，而且在實(shí)用上也沒有必要。因此，應(yīng)根據(jù)實(shí)際的需要與可能，在確保主要性能指標(biāo)實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，放寬對(duì)次要性能指標(biāo)的要求，以求得高的性能價(jià)格比。1.6.2提高性能指標(biāo)的方法1.採(cǎi)用線性化技術(shù)2.差動(dòng)技術(shù)3.平均技術(shù)4.零位法、微差法和閉環(huán)技術(shù)5.補(bǔ)償與校正技術(shù)6.集成化和智能化7.遮罩、隔離和抑制干擾8.穩(wěn)定性處理1.7感測(cè)器的標(biāo)定與校準(zhǔn)1.7感測(cè)器的標(biāo)定與校準(zhǔn)1.7.1標(biāo)定與校準(zhǔn)的方法利用某種標(biāo)準(zhǔn)器具對(duì)新研製或生產(chǎn)的感測(cè)器進(jìn)行全面的技術(shù)檢定和標(biāo)度，稱為標(biāo)定；對(duì)感測(cè)器在使用中或儲(chǔ)存後進(jìn)行的性能複測(cè)，稱為校準(zhǔn)。標(biāo)定和校準(zhǔn)的基本方法是：利用標(biāo)準(zhǔn)儀器產(chǎn)生已知的非電量，輸入到待標(biāo)定的感測(cè)器中，然後將感測(cè)器輸出量與輸入的標(biāo)準(zhǔn)量作比較，獲得一系列校準(zhǔn)數(shù)據(jù)或曲線。1.7.2靜態(tài)標(biāo)定指輸入信號(hào)不隨時(shí)間變化的靜態(tài)標(biāo)準(zhǔn)條件下，對(duì)感測(cè)器的靜態(tài)特性如靈敏度、非線性、滯後、重複性等指標(biāo)的檢定。1.7.3動(dòng)態(tài)標(biāo)定對(duì)被標(biāo)定感測(cè)器輸入標(biāo)準(zhǔn)激勵(lì)信號(hào)，測(cè)得輸出數(shù)據(jù)，做出輸出值與時(shí)間的關(guān)係曲線。由輸出曲線與輸入標(biāo)準(zhǔn)激勵(lì)信號(hào)比較可以標(biāo)定感測(cè)器的動(dòng)態(tài)回應(yīng)時(shí)間常數(shù)、幅頻特性、相頻特性等。

溫度感測(cè)器2.1溫度測(cè)量概述2.1溫度測(cè)量概述

溫度是表徵物體冷熱程度的物理量。溫度不能直接測(cè)量，而是借助於某種物體的某種物理參數(shù)隨溫度冷熱不同而明顯變化的特性進(jìn)行間接測(cè)量。溫度的表示（或測(cè)量）須有溫度標(biāo)準(zhǔn)，即溫標(biāo)。理論上的熱力學(xué)溫標(biāo)，是當(dāng)前世界通用的國(guó)際溫標(biāo)。熱力學(xué)溫標(biāo)確定的溫度數(shù)值為熱力學(xué)溫度（符號(hào)為T），單位為開爾文（符號(hào)為K）。熱力學(xué)溫度是國(guó)際上公認(rèn)的最基本溫度。我國(guó)目前實(shí)行的為國(guó)際攝氏溫度（符號(hào)為t）。兩種溫標(biāo)的換算公式為：

t(℃)=T（K）-273.15K進(jìn)行間接溫度測(cè)量使用的溫度感測(cè)器，通常是由感溫元件部分和溫度顯示部分組成，如圖2-1所示。

圖2-1溫度感測(cè)器組成框圖2.2熱電偶感測(cè)器2.2熱電偶感測(cè)器

熱電偶在溫度的測(cè)量中應(yīng)用十分廣泛。它構(gòu)造簡(jiǎn)單，使用方便，測(cè)溫範(fàn)圍寬，並且有較高的精確度和穩(wěn)定性。2.2.1熱電偶測(cè)溫原理1.熱電效應(yīng)如圖2-2所示，兩種不同材料的導(dǎo)體組成一個(gè)閉合回路時(shí)，若兩接點(diǎn)溫度不同，則在該回路中會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)，該電動(dòng)勢(shì)稱為熱電勢(shì)。

圖2-2熱電效應(yīng)2.兩種導(dǎo)體的接觸電勢(shì)假設(shè)兩種金屬A、B的自由電子密度分別為nA和nB,且nA>nB。當(dāng)兩種金屬相接時(shí)，將產(chǎn)生自由電子的擴(kuò)散現(xiàn)象。達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，在A、B之間形成穩(wěn)定的電位差，即接觸電勢(shì)eAB，如圖2-3所示。

圖2-3兩種導(dǎo)體的接觸電勢(shì)3.單一導(dǎo)體的溫差電勢(shì)對(duì)於單一導(dǎo)體，如果兩端溫度分別為T、TO，且T>TO，如圖2-4所示。

圖2-4單一導(dǎo)體溫差電勢(shì)

導(dǎo)體中的自由電子，在高溫端具有較大的動(dòng)能，因而向低溫端擴(kuò)散，在導(dǎo)體兩端產(chǎn)生了電勢(shì)，這個(gè)電勢(shì)稱為單一導(dǎo)體的溫差電勢(shì)。勢(shì)電偶回路中產(chǎn)生的總熱電勢(shì)，由圖2-5可知：EAB(T,TO)=eAB(T)+eB(T,TO)-eAB(TO)-eA(T,TO)或EAB(t,tO)=eAB(t)+eB(t,tO)-eAB(tO)-eA(t,tO)

式中：EAB(T,TO):熱電偶回路中的總電動(dòng)勢(shì)；eAB(T):熱端接觸電勢(shì)；eB(T,TO):B導(dǎo)體溫差電勢(shì)；eAB(TO):冷端接觸電勢(shì)；eA(T,TO):A導(dǎo)體溫差電勢(shì)。圖2-5接觸電勢(shì)示意圖

在總電勢(shì)中，溫差電勢(shì)比接觸電勢(shì)小很多，可忽略不計(jì)，則熱電偶的熱電勢(shì)可表示為：

EAB(T,TO)=eAB(T)-eAB(TO)

對(duì)於已選定的熱電偶，當(dāng)參考端溫度TO恒定時(shí)，EAB(TO)=c為常數(shù)，則總的熱電動(dòng)勢(shì)就只與溫度T成單值函數(shù)關(guān)係，即：

EAB(T,TO)=eAB(T)-c

=f(T)

實(shí)際應(yīng)用中，熱電勢(shì)與溫度之間的關(guān)係是通過(guò)熱電偶分度表來(lái)確定。分度表是在參考端溫度為00C時(shí)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)建立起來(lái)的熱電勢(shì)與工作端溫度之間的數(shù)值對(duì)應(yīng)關(guān)係。４.熱電偶的基本定律(1)中間導(dǎo)體定律在熱電偶回路中接入第三種導(dǎo)體，只要該導(dǎo)體兩端溫度相等，則熱電偶產(chǎn)生的總熱電勢(shì)不變。如圖2-6所示，可得回路總的熱電勢(shì)

EABC(T,TO)=eAB(T)-eAB(TO)=EAB(T,TO)

根據(jù)這個(gè)定律，我們可採(cǎi)取任何方式焊接導(dǎo)線，將熱電勢(shì)通過(guò)導(dǎo)線接至測(cè)量?jī)x錶進(jìn)行測(cè)量，且不影響測(cè)量精度。圖2-6中間導(dǎo)體定律示意圖(2)中間溫度定律在熱電偶測(cè)量回路中，測(cè)量端溫度為T，自由端溫度為TO，中間溫度為ＴO(shè)′，如圖2-7所示。則T，TO熱電勢(shì)等於T，TO′與TO′，TO熱電勢(shì)的代數(shù)和。即EAB(T,TO)=EAB(T,TO′)+EAB(TO′,TO)

運(yùn)用該定律可使測(cè)量距離加長(zhǎng)，也可用於消除熱電偶自由端溫度變化影響。圖2-7中間溫度定律示意圖(3)參考電極定律（也稱組成定律）如圖2-8所示。已知熱電極A、B與參考電極C組成的熱電偶在結(jié)點(diǎn)溫度為(T，T0)時(shí)的熱電動(dòng)勢(shì)分別為EAC(T，T0)、EBC(T，T0)，則相同溫度下，由A、B兩種熱電極配對(duì)後的熱電動(dòng)勢(shì)EAB(T，T0)可按下麵公式計(jì)算：

EAB(T，T0)=EAC(T，T0)-EBC(T，T0)

參考電極定律大大簡(jiǎn)化了熱電偶選配電極的工作。圖2-8參考電極定律示意圖

例2.1

當(dāng)T為100℃，T0為0℃時(shí)，鉻合金—鉑熱電偶的E（100℃，0℃）=+3.13mV，鋁合金—鉑熱電偶E（100℃，0℃）為-1.02mV，求鉻合金—鋁合金組成熱電偶的熱電勢(shì)E（100℃，0℃）。解：

設(shè)鉻合金為A，鋁合金為B，鉑為C。即EAC（100℃，0℃）=+3.13mVEBC（100℃，0℃）=-1.02mV則EAB(100℃,0℃)=+4.15mV2.2.2熱電偶的結(jié)構(gòu)形式及熱電偶材料1.普通型熱電偶普通型熱電偶一般由熱電極、絕緣套管、保護(hù)管和接線盒組成。普通型熱電偶按其安裝時(shí)的連接形式可分為固定螺紋連接、固定法蘭連接、活動(dòng)法蘭連接、無(wú)固定裝置等多種形式。如圖2-9所示：1-熱電極;2-絕緣瓷管;3-保護(hù)管;4-接線座;5-接線柱;6-接線盒圖2-9直形無(wú)固定裝置普通工業(yè)用熱電偶2.鎧裝熱電偶（纜式熱電偶）鎧裝熱電偶也稱纜式熱電偶，是將熱電偶絲與電熔氧化鎂絕緣物溶鑄在一起，外表再套不銹鋼管等構(gòu)成。這種熱電偶耐高壓、反應(yīng)時(shí)間短、堅(jiān)固耐用。如圖2-10所示：1-熱電極;2-絕緣材料;3-金屬套管;4-接線盒;5-固定裝置圖2-10鎧裝熱電偶3.薄膜熱電偶用真空鍍膜技術(shù)或真空濺射等方法，將熱電偶材料沉積在絕緣片表面而構(gòu)成的熱電偶稱為薄膜熱電偶。如圖2-11所示：圖2-11薄膜熱電偶4.熱電偶組成材料及分度表為了準(zhǔn)確可靠地進(jìn)行溫度測(cè)量，必須對(duì)熱電偶組成材料嚴(yán)格選擇。目前工業(yè)上常用的四種標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶材料為:

鉑銠30－鉑銠6、鉑銠10－鉑、鎳鉻－鎳矽鎳鉻－銅鎳（我國(guó)通常稱為鎳鉻－康銅）。組成熱電偶的兩種材料寫在前面的為正極，後面的為負(fù)極。熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)與溫度之關(guān)係表，稱之為分度表。2.2.3熱電偶測(cè)溫及參考端溫度補(bǔ)償1.熱電偶測(cè)溫基本電路如圖2-12所示，圖（a）表示了測(cè)量某點(diǎn)溫度連接示意圖。圖（b）表示兩個(gè)熱電偶並聯(lián)測(cè)量?jī)牲c(diǎn)平均溫度。圖（c）為兩熱電偶正向串聯(lián)測(cè)兩點(diǎn)溫度之和。圖（d）為兩熱電偶反向串聯(lián)測(cè)量?jī)牲c(diǎn)溫差。熱電偶串、並聯(lián)測(cè)溫時(shí)，應(yīng)注意兩點(diǎn)：第一，必須應(yīng)用同一分度號(hào)的熱電偶；第二，兩熱電偶的參考端溫度應(yīng)相等。圖2-12常用的熱電偶測(cè)溫電路示意圖2.熱電偶參考端的補(bǔ)償熱電偶分度表給出的熱電勢(shì)值的條件是參考端溫度為0℃。如果用熱電偶測(cè)溫時(shí)自由端溫度不為0℃，必然產(chǎn)生測(cè)量誤差。應(yīng)對(duì)熱電偶自由端（參考端）溫度進(jìn)行補(bǔ)償。例如：用K型（鎳鉻-鎳矽）熱電偶測(cè)爐溫時(shí)，參考端溫度t0=30℃，由分度表可查得E(30℃,0℃)=1.203mv，若測(cè)爐溫時(shí)測(cè)得E(t,30℃)=28.344mv，則可計(jì)算得E(t,0℃)=E(t,30℃+E(30℃,0℃)=29.547mv

由29.547mv再查分度表得t=710℃，是爐溫。2.3金屬熱電阻感測(cè)器2.3金屬熱電阻感測(cè)器

金屬熱電阻感測(cè)器一般稱作熱電阻感測(cè)器，是利用金屬導(dǎo)體的電阻值隨溫度的變化而變化的原理進(jìn)行測(cè)溫的。金屬熱電阻的主要材料是鉑和銅。熱電阻廣泛用來(lái)測(cè)量-220～+850℃範(fàn)圍內(nèi)的溫度，少數(shù)情況下，低溫可測(cè)量至1K（-272℃），高溫可測(cè)量至1000℃。

最基本的熱電阻感測(cè)器由熱電阻、連接導(dǎo)線及顯示儀錶組成，如圖2-14所示。圖2-14金屬熱電阻感測(cè)器測(cè)量示意圖2.3.1熱電阻的溫度特性

熱電阻的溫度特性，是指熱電阻Rt隨溫度變化而變化的特性。1.鉑熱電阻的電阻—溫度特性鉑電阻的特點(diǎn)是測(cè)溫精度高，穩(wěn)定性好，所以在溫度感測(cè)器中得到了廣泛應(yīng)用。鉑電阻的應(yīng)用範(fàn)圍為-200～+850℃。鉑電阻的電阻—溫度特性方程，在-200～0℃的溫度範(fàn)圍內(nèi)為：

Rt=RO[1+At+Bt2+Ct3(t-100)]

在0～+850℃的溫度範(fàn)圍內(nèi)為：

Rt=RO(1+At+Bt2)2.銅熱電阻的電阻溫度特性由於鉑是貴金屬，在測(cè)量精度要求不高，溫度範(fàn)圍在-50～+150℃時(shí)普遍採(cǎi)用銅電阻。銅電阻與溫度間的關(guān)係為

Rt=R0(1+α1t+α2t2+α3t3)由於α2、α3比α1小得多，所以可以簡(jiǎn)化為

Rt≈R0(1+α1t)2.3.2熱電阻感測(cè)器的結(jié)構(gòu)熱電阻感測(cè)器由電阻體、絕緣管、保護(hù)套管、引線和接線盒等組成，如圖2-15所示。圖2-15熱電阻結(jié)構(gòu)2.4集成溫度感測(cè)器2.4集成溫度感測(cè)器

集成溫度感測(cè)器具有體積小、線性好、反應(yīng)靈敏等優(yōu)點(diǎn)，所以應(yīng)用十分廣泛。集成溫度感測(cè)器是把感溫元件（常為PN結(jié)）與有關(guān)的電子線路集成在很小的矽片上封裝而成。由於PN結(jié)不能耐高溫，所以集成溫度感測(cè)器通常測(cè)量150℃以下的溫度。集成溫度感測(cè)器按輸出量不同可分為：電流型、電壓型和頻率型三大類。

2.4.1集成溫度感測(cè)器基本工作原理

圖2-16為集成溫度感測(cè)器原理示意圖。其中V1、V2為差分對(duì)管，由恒流源提供的I1、I2分別為V1、V2的集電極電流，則△Ube為：

只要I1/I2為一恒定值，則△Ube與溫度T為單值線性函數(shù)關(guān)係。這就是集成溫度感測(cè)器的基本工作原理。圖2-16集成溫度感測(cè)器基本原理圖2.4.2電壓輸出型集成溫度感測(cè)器

圖2-17所示電路為電壓輸出型溫度感測(cè)器。V1、V2為差分對(duì)管，調(diào)節(jié)電阻R1，可使I1=I2，當(dāng)對(duì)管V1、V2的β值大於等於1時(shí)，電路輸出電壓UO為：

由此可得:

R1、R2不變則U0與T成線性關(guān)係。若R1=940Ω，R2=30KΩ，γ=37，則電路輸出溫度係數(shù)為10mV/K。圖2-17電壓輸出型原理電路圖2.4.3電流輸出型集成溫度感測(cè)器

如圖2-18所示:

對(duì)管V1、V2作為恒流源負(fù)載，V3、V4作為感溫元件，V3、V4發(fā)射結(jié)面積之比為γ，此時(shí)電流源總電流IT為：

當(dāng)R、γ為恒定量時(shí),IT與T成線性關(guān)係。若R=358Ω，γ=8，則電路輸出溫度係數(shù)為1μA/K。

圖2-18電流輸出型原理電路圖2.5半導(dǎo)體熱敏電阻2.5半導(dǎo)體熱敏電阻

半導(dǎo)體熱敏電阻簡(jiǎn)稱熱敏電阻，是一種新型的半導(dǎo)體測(cè)溫元件。熱敏電阻是利用某些金屬氧化物或單晶鍺、矽等材料，按特定工藝製成的感溫元件。熱敏電阻可分為三種類型，即：正溫度係數(shù)（PTC）熱敏電阻負(fù)溫度係數(shù)（NTC）熱敏電阻在某一特定溫度下電阻值會(huì)發(fā)生突變的臨界溫度電阻器（CTR）。

2.5.1熱敏電阻的（Rt—t）特性1-突變型NTC；2-負(fù)指數(shù)型NTC；3-線性型PTC；4-突變型PTC

圖2-19各種熱敏電阻的特性曲線結(jié)論：（1）熱敏電阻的溫度係數(shù)值遠(yuǎn)大於金屬熱電阻，所以靈敏度很高。（2）同溫度情況下，熱敏電阻阻值遠(yuǎn)大於金屬熱電阻。所以連接導(dǎo)線電阻的影響極小，適用於遠(yuǎn)距離測(cè)量。（3）熱敏電阻Rt—t曲線非線性十分嚴(yán)重，所以其測(cè)量溫度範(fàn)圍遠(yuǎn)小於金屬熱電阻。2.5.2熱敏電阻溫度測(cè)量非線性修正

由於熱敏電阻Rt—t曲線非線性嚴(yán)重，為保證一定範(fàn)圍內(nèi)溫度測(cè)量的精度要求，應(yīng)進(jìn)行非線性修正。（1）線性化網(wǎng)路利用包含有熱敏電阻的電阻網(wǎng)路（常稱線性化網(wǎng)路）來(lái)代替單個(gè)的熱敏電阻，使網(wǎng)路電阻RT與溫度成單值線性關(guān)係。其一般形式如圖2-20所示。圖2-20線性化網(wǎng)路（2）利用電阻測(cè)量裝置中其他部件的特性進(jìn)行綜合修正。圖2-21是一個(gè)溫度-頻率轉(zhuǎn)換電路，雖然電容C的充電特性是非線性特性，但適當(dāng)?shù)剡x取線路中的電阻r和R，可以在一定的溫度範(fàn)圍內(nèi)，得到近於線性的溫度-頻率轉(zhuǎn)換特性。

圖2-21溫度-頻率轉(zhuǎn)換器原理圖（3）計(jì)算修正法在帶有微處理機(jī)（或微電腦）的測(cè)量系統(tǒng)中，當(dāng)已知熱敏電阻器的實(shí)際特性和要求的理想特性時(shí)，可採(cǎi)用線性插值法將特性分段，並把各分段點(diǎn)的值存放在電腦的存貯器內(nèi)。電腦將根據(jù)熱敏電阻器的實(shí)際輸出值進(jìn)行校正計(jì)算後，給出要求的輸出值。2.6負(fù)溫度係數(shù)熱敏電阻2.6負(fù)溫度係數(shù)熱敏電阻2.6.1負(fù)溫度係數(shù)熱敏電阻性能負(fù)溫度係數(shù)(NTC)熱敏電阻是一種氧化物的複合燒結(jié)體，其電阻值隨溫度的增加而減小。其特點(diǎn)是：（1）電阻溫度係數(shù)大，約為金屬熱電阻的10倍。（2）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小，可測(cè)點(diǎn)溫。（3）電阻率高，熱慣性小，適用於動(dòng)態(tài)測(cè)量。（4）易於維護(hù)和進(jìn)行遠(yuǎn)距離控制。（5）製造簡(jiǎn)單、使用壽命長(zhǎng)。（6）互換性差，非線性嚴(yán)重。圖2-22負(fù)溫度係數(shù)(NTC)熱敏電阻結(jié)構(gòu)2.6.2負(fù)溫度係數(shù)熱敏電阻溫度方程熱敏電阻值RT和R0與溫度TT和T0的關(guān)係為：

2.6.3負(fù)溫度係數(shù)熱敏電阻主要特性（1）標(biāo)稱阻值廠家通常將熱敏電阻25℃時(shí)的零功率電阻值作為R0

，稱為額定電阻值或標(biāo)稱阻值，記作R25

，85℃時(shí)的電阻值R85作為RT

。標(biāo)稱阻值常在熱敏電阻上標(biāo)出。

R85也由廠家給出。（2）B值將熱敏電阻25℃時(shí)的零功率電阻值R0和85℃時(shí)的零功率電阻值RT

，以及25℃和85℃的絕對(duì)溫度T0＝298K和TT＝358K代入負(fù)溫度係數(shù)熱敏電阻溫度方程，可得:

B值稱為熱敏電阻常數(shù)，是表徵負(fù)溫度係數(shù)熱敏電阻熱靈敏度的量。

B值越大，負(fù)溫度係數(shù)熱敏電阻的熱靈敏度越高。（3）電阻溫度係數(shù)σ

熱敏電阻在其自身溫度變化1℃時(shí)，電阻值的相對(duì)變化量稱為熱敏電阻的電阻溫度係數(shù)σ。

可知：①熱敏電阻的溫度係數(shù)為負(fù)值。②溫度減小，電阻溫度係數(shù)σ增大。在低溫時(shí)，負(fù)溫度係數(shù)熱敏電阻的溫度係數(shù)比金屬熱電阻絲高得多，故常用於低溫測(cè)量（－100～300℃）。

（4）額定功率額定功率是指負(fù)溫度係數(shù)熱敏電阻在環(huán)境溫度為25℃，相對(duì)濕度為45～80％。大氣壓為0.87～1.07bar的條件下，長(zhǎng)期連續(xù)負(fù)荷所允許的耗散功率。（5）耗散係數(shù)δ

耗散係數(shù)δ是負(fù)溫度係數(shù)熱敏電阻流過(guò)電流消耗的熱功率（W）與自身溫升值（T－T0）之比，單位為W℃－1。

（6）熱時(shí)間常數(shù)τ

負(fù)溫度係數(shù)熱敏電阻在零功率條件下放入環(huán)境溫度中，不可能立即變?yōu)榕c環(huán)境溫度同溫度。熱敏電阻本身的溫度在放入環(huán)境溫度之前的初始值和達(dá)到與環(huán)境溫度同溫度的最終值之間改變63.2%所需的時(shí)間叫做：熱時(shí)間常數(shù)，用τ表示。

2.7溫度感測(cè)器應(yīng)用實(shí)例2.7溫度感測(cè)器應(yīng)用實(shí)例2.7.1雙金屬溫度感測(cè)器的應(yīng)用1.雙金屬溫度感測(cè)器室溫測(cè)量的應(yīng)用雙金屬溫度感測(cè)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，刻度清晰，使用方便，耐振動(dòng)。常用於駕駛室、船艙，糧倉(cāng)等室內(nèi)溫度測(cè)量。圖2-23為盤旋形雙金屬溫度計(jì)。圖2-23盤旋形雙金屬溫度計(jì)2.雙金屬溫度感測(cè)器在電冰箱中的應(yīng)用

電冰箱壓縮機(jī)溫度保護(hù)繼電器內(nèi)部的感溫元件是一片碟形的雙金屬片，如圖2-24所示。在雙金屬片上固定著兩個(gè)動(dòng)觸頭。在碟形雙金屬片的下麵還安放著一根電熱絲。該電熱絲與這兩個(gè)常閉觸點(diǎn)串聯(lián)連接。

壓縮機(jī)電機(jī)中的電流過(guò)大時(shí)，這一大電流流過(guò)電熱絲後，使它很快發(fā)熱，放出的熱量使碟形雙金屬片溫度迅速升高到它的動(dòng)作溫度，碟形雙金屬片翻轉(zhuǎn)，帶動(dòng)常閉觸點(diǎn)斷開，切斷壓縮機(jī)電機(jī)的電源，保護(hù)全封閉式壓縮機(jī)不至於損環(huán)。圖2-24碟形雙金屬溫度感測(cè)器工作過(guò)程2.7.2熱敏電阻溫度感測(cè)器的應(yīng)用1.熱敏電阻在汽車水箱溫度測(cè)量中的應(yīng)用圖2-25所示為汽車水箱水溫監(jiān)測(cè)電路。其中Rt為負(fù)溫度係數(shù)熱敏電阻。2.熱敏電阻在空調(diào)器控制電路中的應(yīng)用

春蘭牌KFR-20GW型冷熱雙向空調(diào)中熱敏電阻的應(yīng)用，如圖2-26所示。圖2-25汽車水箱測(cè)溫電路圖2-26熱敏電阻在空調(diào)控制電路中的應(yīng)用2.7.3電晶體溫度感測(cè)器的應(yīng)用1.熱敏二極體溫度感測(cè)器應(yīng)用舉例半導(dǎo)體二極體正向電壓與溫度的關(guān)係如圖2-27所示?？蓪囟绒D(zhuǎn)換成電壓，完成溫度感測(cè)器的功能。

圖2-27二極體正向電壓—溫度特性曲線

圖2-28是採(cǎi)用矽二極體溫度感測(cè)器的測(cè)量電路，其輸出端電壓值隨溫度而變化。溫度每變化1℃，輸出電壓變化量為0.1V。

2-28二極體溫度感測(cè)器的溫度監(jiān)測(cè)電路2.晶體三極管溫度感測(cè)器應(yīng)用舉例

NPN型熱敏電晶體在IC恒定時(shí)，基極—發(fā)射極間電壓Ube隨溫度變化曲線如圖2-29所示。圖2-29矽電晶體UBE與溫度之間的關(guān)係圖2-30電晶體溫度感測(cè)器的溫度測(cè)量電路

圖2-30為電晶體溫度感測(cè)器的一種溫度測(cè)量電路，溫度變化1℃，輸出電壓變化0.1V。2.7.4集成溫度感測(cè)器應(yīng)用舉例1.AD590集成溫度感測(cè)器應(yīng)用電路圖2-31簡(jiǎn)單測(cè)溫電路

集成溫度感測(cè)器用於熱電偶參考端的補(bǔ)償電路如圖2-32所示，AD590應(yīng)與熱電偶參考端處?kù)锻粶囟认隆?/p>

圖2-32熱電偶參考端補(bǔ)償電路2.LM334集成溫度感測(cè)器應(yīng)用電路

LM334是三端電流輸出型溫度感測(cè)器，其輸出電流對(duì)於環(huán)境溫度為線性變化。

LM334工作電壓範(fàn)圍較寬，為0.8～40V，但工作電壓高時(shí)，自身發(fā)熱大，因此建議低電壓使用。採(cǎi)用LM334的溫度-頻率轉(zhuǎn)換電路如圖2-33所示。接在LM334的電阻R9＊為基準(zhǔn)電阻，所以必須選用溫度係數(shù)小的電阻。圖中R9＊為137Ω，25℃時(shí)，輸出電流為494μA。

圖2-33LM334的應(yīng)用電路2.7.5家用空調(diào)專用溫度感測(cè)器

家用空調(diào)專用溫度感測(cè)器產(chǎn)品型號(hào)為KC和KH系列。目前，較先進(jìn)的室內(nèi)空調(diào)器大都採(cǎi)用由感測(cè)器檢測(cè)並用微機(jī)進(jìn)行控制的模式，其組成如圖2-34所示?？照{(diào)器的控制系統(tǒng)中，在室內(nèi)部分，安裝有熱敏電阻和氣體感測(cè)器；在室外部分安裝熱敏電阻。操作開關(guān)熱敏電阻氣體感測(cè)器遙控器單片機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部風(fēng)扇雙向閥加熱器收發(fā)信機(jī)熱敏電阻旁路閥四向閥雙向閥外部風(fēng)扇壓縮機(jī)室內(nèi)部分室外部分圖2-34室內(nèi)空調(diào)機(jī)控制系統(tǒng)2.7.6冰箱、冰櫃專用溫度感測(cè)器

冰箱、冰櫃專用溫度感測(cè)器型號(hào)有KC系列。冰箱、冰櫃熱敏電阻式溫控電路如圖2-35所示。

A1組成開機(jī)檢知電路，由A2組成關(guān)機(jī)檢知電路。周而復(fù)始地工作，達(dá)到控制電冰箱內(nèi)溫度的目的。圖2-35冰箱熱敏電阻溫控電路2.7.8汽車發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)專用溫度感測(cè)器

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)專用溫度感測(cè)器有KC系列。為了提高發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒效率，必須使用溫度感測(cè)器，以分別連續(xù)地高精度地測(cè)定進(jìn)氣溫度和用於優(yōu)化排氣淨(jìng)化效率的排氣溫度。

KC系列汽車發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)專用溫度感測(cè)器：精度高、抗震性強(qiáng)、耐溫防潮性強(qiáng)、熱衝擊下具有高穩(wěn)定性和可靠性等特點(diǎn)。2.8實(shí)訓(xùn)2.8實(shí)訓(xùn)

電冰箱溫度超標(biāo)指示器電路如圖2-36所示。裝調(diào)該電路,過(guò)程如下:(1)準(zhǔn)備電路板和元器件,認(rèn)識(shí)元器件；(2)電路裝配調(diào)試；(3)電路各點(diǎn)電壓測(cè)量；(4)實(shí)驗(yàn)過(guò)程和結(jié)果記錄；(5)調(diào)電位器RP於不同值，進(jìn)行電路參數(shù)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析。圖2-36電冰箱溫度超標(biāo)指示器電路

力感測(cè)器3.1彈性敏感元件

力是物理基本量之一，因此各種動(dòng)態(tài)、靜態(tài)力的大小的測(cè)量十分重要。力的測(cè)量需要通過(guò)力感測(cè)器間接完成，力感測(cè)器是將各種力學(xué)量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的器件。力敏感元件轉(zhuǎn)換元件顯示設(shè)備F圖3-1力感測(cè)器的測(cè)量示意圖3.1彈性敏感元件

彈性敏感元件把力或壓力轉(zhuǎn)換成了應(yīng)變或位移，然後再由感測(cè)器將應(yīng)變或位移轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。彈性敏感元件是一個(gè)非常重要的感測(cè)器部件，應(yīng)具有：良好的彈性、足夠的精度，應(yīng)保證長(zhǎng)期使用和溫度變化時(shí)的穩(wěn)定性。3.1.1彈性敏感元件的特性

1.剛度剛度是彈性元件在外力作用下變形大小的量度,一般用k表示。

2.靈敏度靈敏度是指彈性敏感元件在單位力作用下產(chǎn)生變形的大小，在彈性力學(xué)中稱為彈性元件的柔度。它是剛度的倒數(shù)，用K表示。

3.彈性滯後實(shí)際的彈性元件在加\卸載的正反行程中變形曲線是不重合的,這種現(xiàn)象稱為彈性滯後現(xiàn)象,它會(huì)給測(cè)量帶來(lái)誤差。4.彈性後效當(dāng)載荷從某一數(shù)值變化到另一數(shù)值時(shí),彈性元件變形不是立即完成相應(yīng)的變形，而是經(jīng)一定的時(shí)間間隔逐漸完成變形的，這種現(xiàn)象稱為彈性後效。5.固有振盪頻率彈性敏感元件都有自己的固有振盪頻率f0，它將影響感測(cè)器的動(dòng)態(tài)特性。感測(cè)器的工作頻率應(yīng)避開彈性敏感元件的固有振盪頻率。往往希望f0較高。3.1.2彈性敏感元件的分類

彈性敏感元件在形式上可分為兩大類：變換力的彈性敏感元件。變換壓力的彈性敏感元件。1.變換力的彈性敏感元件這類彈性敏感元件如圖3-2所示。有：（1）等截面圓柱式（2）圓環(huán)式（3）等截面薄板式（4）懸臂梁式（5）扭轉(zhuǎn)軸圖3-2一些變換力的彈性敏感元件形狀

2.變換壓力的彈性敏感元件（1）彈簧管圖3-3彈簧管的結(jié)構(gòu)

（2）波紋管

波紋管是有許多同心環(huán)狀皺紋的薄壁圓管，如圖3-4所示。

圖3-4波紋管的外形

（3）波紋膜片和膜盒平膜片在壓力或力作用下位移量小，因而常把平膜片加工製成具有環(huán)狀同心波紋的圓形薄膜，這就是波紋膜片。

圖3-5波紋膜片波紋的形狀

（4）薄壁圓筒薄壁圓筒彈性敏感元件的結(jié)構(gòu)如圖3-6所示。圓筒的壁厚一般小於圓筒直徑的二十分之一。薄壁圓筒彈性敏感元件的靈敏度取決於圓筒的半徑和壁厚，與圓筒長(zhǎng)度無(wú)關(guān)。

圖3-6薄壁圓筒彈性敏感元件的結(jié)構(gòu)

3.2電阻應(yīng)變片感測(cè)器3.2電阻應(yīng)變片感測(cè)器

電阻應(yīng)變片（簡(jiǎn)稱應(yīng)變片）的作用是把導(dǎo)體的機(jī)械應(yīng)變轉(zhuǎn)換成電阻應(yīng)變，以便進(jìn)一步電測(cè)。電阻應(yīng)變片的典型結(jié)構(gòu)如圖3-7所示。

圖3-7金屬電阻應(yīng)變片結(jié)構(gòu)3.2.1電阻應(yīng)變片工作原理

電阻應(yīng)變片式感測(cè)器是利用了金屬和半導(dǎo)體材料的“應(yīng)變效應(yīng)”。金屬和半導(dǎo)體材料的電阻值隨它承受的機(jī)械變形大小而發(fā)生變化的現(xiàn)象就稱為“應(yīng)變效應(yīng)”。

設(shè)電阻絲長(zhǎng)度為，截面積為，電阻率為，則電阻值為：

當(dāng)電阻絲受到拉力F時(shí)，一是受力後材料幾何尺寸變化；二是受力後材料的電阻率也發(fā)生了變化，則其阻值發(fā)生變化。如圖3-8所示。圖3-8金屬電阻絲應(yīng)變效應(yīng)

3.2.2電阻應(yīng)變片的分類

電阻應(yīng)變片主要分為金屬電阻應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片兩類。金屬電阻應(yīng)變片分體型和薄膜型。屬於體型的有電阻絲柵應(yīng)變片、箔式應(yīng)變片、應(yīng)變花等。半導(dǎo)體應(yīng)變片是用鍺或矽等半導(dǎo)體材料作為敏感柵。如圖3-9所示。a—絲繞式（u型）；b—短接式（H型）；c—箔式；d—半導(dǎo)體應(yīng)變式圖3-9應(yīng)變片的類型

在平面力場(chǎng)中，為測(cè)量某一點(diǎn)上主應(yīng)力的大小和方向，常需測(cè)量該點(diǎn)上兩個(gè)或三個(gè)方向的應(yīng)變。為此需要把兩個(gè)或三個(gè)應(yīng)變片逐個(gè)粘結(jié)成應(yīng)變花，或直接通過(guò)光刻技術(shù)製成。應(yīng)變花分互成45°的直角形應(yīng)變花和互成60°的等角形應(yīng)變花兩種基本形式。如圖3-10所示。a—絲式應(yīng)變花；b—箔式應(yīng)變花圖3-10應(yīng)變花的基本形式

3.2.3電阻應(yīng)變片的測(cè)量電路

彈性元件表面的應(yīng)變傳遞給電阻應(yīng)變片敏感絲柵，使其電阻變化。測(cè)量出電阻變化，便可知應(yīng)變（被測(cè)量）大小。圖3-11（a）、（b）為半橋測(cè)量電路。圖（a）中，無(wú)應(yīng)變時(shí)，R1=R2=R3=R4=R，則橋路輸出電壓為：有應(yīng)變時(shí)，代入

由可得

a-半橋式(單臂工作);b-半橋式(雙臂工作);c-全橋式(雙臂工作);d-全橋式(四臂工作)

圖3-11基本測(cè)量電路

在圖（b）中，R1、R2均為相同應(yīng)變測(cè)量片，又互為補(bǔ)償片。有應(yīng)變時(shí)，一片受拉，另

一片受壓，此時(shí)阻值為R1+ΔR1和R2-ΔR2，按上述同樣的方法，可以計(jì)算輸出電壓為：

在圖（c）中，R1、R3為相同應(yīng)變測(cè)量片，有應(yīng)變時(shí)，兩片同時(shí)受拉或同時(shí)受壓。R2、R4為補(bǔ)償片?？梢杂?jì)算輸出電壓為：

圖（d）是四個(gè)橋臂均為測(cè)量片的電路，且互為補(bǔ)償，有應(yīng)變時(shí)，必須使相鄰兩個(gè)橋臂上的應(yīng)變片一個(gè)受拉，另一個(gè)受壓?？梢杂?jì)算輸出電壓為：

3.3壓電傳感器3.3壓電傳感器

某些晶體，受一定方向外力作用而發(fā)生機(jī)械變形時(shí)，相應(yīng)地在一定的晶體表面產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷，外力去掉後，電荷消失；力的方向改變時(shí)，電荷的符號(hào)也隨之改變。這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)或正壓電效應(yīng)。當(dāng)晶體帶電或處?kù)峨妶?chǎng)中時(shí)，晶體的體積將產(chǎn)生伸長(zhǎng)或縮短的變化。這種現(xiàn)象稱為電致伸縮效應(yīng)或逆壓電效應(yīng)。

3.3.1石英晶體的壓電效應(yīng)

石英晶體成正六邊形棱柱體，如圖3-12所示。

a—石英晶體結(jié)構(gòu)；b、c、d、e—壓電效應(yīng)示意圖圖3-12石英晶體結(jié)構(gòu)及壓電效應(yīng)

從晶體上沿軸線切下的薄片稱為“晶體切片”。圖3-13所示是垂直於電軸Ｘ切割的石英片，在與Ｘ軸垂直的兩面覆以金屬。沿Ｘ方向施加作用力Ｆx時(shí)，在與電軸垂直的表面上產(chǎn)生電荷Ｑxx為：

式中d11—石英晶體的縱向壓電係數(shù)在覆以金屬極面間產(chǎn)生的電壓為：

圖3-13垂直於電軸X切割的石英晶體切片

如果在同一切片上，沿機(jī)械軸Y方向施加作用力Fy時(shí)，則在與X軸垂直的平面上產(chǎn)生電荷為：

式中d12—石英晶體的橫向壓電係數(shù)。根據(jù)石英晶體的軸對(duì)稱條件可得d12=-d11,所以

產(chǎn)生電壓為：

3.3.2壓電陶瓷的壓電效應(yīng)

壓電陶瓷具有鐵磁材料磁疇結(jié)構(gòu)類似的電疇結(jié)構(gòu)。當(dāng)壓電陶瓷極化處理後，陶瓷材料內(nèi)部存有很強(qiáng)的剩餘場(chǎng)極化。當(dāng)陶瓷材料受到外力作用時(shí)，電疇的界限發(fā)生移動(dòng)，引起極化強(qiáng)度變化，產(chǎn)生了壓電效應(yīng)。經(jīng)極化處理的壓電陶瓷具有非常高的壓電係數(shù)，約為石英晶體的幾百倍，但機(jī)械強(qiáng)度較石英晶體差。a—Z向施力；b—X向施力

圖3-14壓電陶瓷的壓電效應(yīng)

如圖3-14a所示，當(dāng)壓電陶瓷在極化面上受到沿極化方向（Z向）的作用力Fz時(shí)（即作用力垂直於極化面），則在兩個(gè)鍍銀（或金）的極化面上分別出現(xiàn)正負(fù)電荷，電荷量Qzz與力Fz成比例，即

:

式中dzz—壓電陶瓷的縱向壓電係數(shù)。輸出電壓為:

當(dāng)沿X軸方向施加作用力Fx時(shí)，如圖3-14b所示，在鍍銀極化面上產(chǎn)生電荷Qzx為:

同理

式中的dz1、dz2是壓電陶瓷在橫向力作用時(shí)的壓電係數(shù)，且均為負(fù)值；電荷除以壓電陶瓷片電容Cz可得電壓輸出。

3.3.3壓電式感測(cè)器的測(cè)量電路1.壓電元件的串聯(lián)與並聯(lián)

(a)並聯(lián)(b)串聯(lián)圖3-15壓電元件的串聯(lián)與並聯(lián)

2.壓電傳感器的等效電路

壓電傳感器可等效為如圖3-16(a)所示的電壓源,也可等效為一個(gè)電荷源，如圖3-16(b)所示。

圖3-16壓電傳感器電壓源與電荷源等效電路

壓電傳感器與測(cè)量電路連接時(shí)，還應(yīng)考慮連接線路的分佈電容Cc，放大電路的輸入電阻Ri，輸入電容Ci及壓電傳感器的內(nèi)阻Ra。

圖3-17壓電傳感器實(shí)際等效電路3.壓電傳感器測(cè)量電路

壓電傳感器本身的內(nèi)阻抗很高，而輸出能量較小，因此它的測(cè)量電路通常需要接入一個(gè)高輸入阻抗的前置放大器。①電壓放大器（阻抗變換器）

(a)放大器電路；(b)輸入端簡(jiǎn)化等效電路圖3-18電壓放大器電路原理及其等效電路圖

②電荷放大器電荷放大器是一種輸出電壓與輸入電荷量成正比的放大器?？紤]到Ra、Ri阻值極大，電荷放大器等效電路如圖3-19所示。圖3-19電荷放大器等效電路

3.3.4壓電式感測(cè)器結(jié)構(gòu)

壓電測(cè)力感測(cè)器的結(jié)構(gòu)通常為荷重墊圈式。圖3-20所示為YDS-781型壓電式單向感測(cè)器結(jié)構(gòu)，它由底座、傳力上蓋、片式電極、石英晶片、絕緣件及電極引出插座等組成。當(dāng)外力作用時(shí)，上蓋將力傳遞到石英晶片，石英晶片實(shí)現(xiàn)力—電轉(zhuǎn)換，電信號(hào)由電極傳送到插座後輸出。1-傳力上蓋；2-壓電片；3-片式電極；4-電極引出插頭；5-絕緣材料；6-底座圖3-20YDS-781型壓電式單向力感測(cè)器結(jié)構(gòu)3.4電容式感測(cè)器

當(dāng)S、d或ε改變，則電容量c也隨之改變。若保持其中兩個(gè)參數(shù)不變，通過(guò)被測(cè)量的變化改變其中一個(gè)參數(shù)，就可把被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化。這就是電容感測(cè)器的基本工作原理。電容式感測(cè)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可用於力、壓力、壓差、振動(dòng)、位移、加速度、液位、粒位、成分含量等測(cè)量。3.4電容式感測(cè)器

一個(gè)平行板電容器，如果不考慮其邊緣效應(yīng)，則電器的容量為：

圖3-21平行板電容器圖

3.4.1變極距型電容感測(cè)器

如圖3-21所示，平行板電容器的ε和S不變，只改變電容器兩極板之間距離d。該類型感測(cè)器常用於壓力的測(cè)量。

圖3-22變極距式傳感元件原理圖

初始狀極距為d0時(shí)，電容器容量C0為：

電容器受外力作用，極距減小Δd，則電容器容量改變?yōu)椋?/p>

電容值相對(duì)變化量為：此時(shí)C1與Δd的關(guān)係呈線性關(guān)係。

為了提高感測(cè)器靈敏度，減小非線性誤差，實(shí)際應(yīng)用中大都採(cǎi)用差動(dòng)式結(jié)構(gòu)。如圖3-23所示(1為動(dòng)片、2為定片)，中間電極若受力向上位移Δd，則C1容量增加，C2容量減小，兩電容差值為：

電容感測(cè)器做成差動(dòng)型後之後，靈敏度提高一倍。

得到：圖3-23差動(dòng)式電容傳感元件

為消除極板的邊緣效應(yīng)的影響,可採(cǎi)用圖3-24所示保護(hù)環(huán)。保護(hù)環(huán)與極板具有同一電位,這就把電極板間的邊緣效應(yīng)移到了保護(hù)環(huán)與極板2的邊緣，極板1與極板2之間的場(chǎng)強(qiáng)分佈變得均勻了。

圖3-24加保護(hù)環(huán)消除極板邊沿電場(chǎng)的不均勻性

3.4.2變面積式

變面積式電容傳感元件結(jié)構(gòu)原理如圖3-25所示。

圖（a）所示平板形位移x後，電容量由初始值變?yōu)椋弘娙萘孔兓?/p>

靈敏度為：

a—平板形差動(dòng)電容；b—旋轉(zhuǎn)形差動(dòng)電容；c—圓柱形差動(dòng)電容圖3-25變面積式差動(dòng)電容結(jié)構(gòu)原理圖

對(duì)於角位移感測(cè)器，圖（b），設(shè)兩片極板全重合（θ=0）時(shí)的電容量為C0，動(dòng)片轉(zhuǎn)動(dòng)角度θ後，電容量變?yōu)椋弘娙萘孔兓?/p>

靈敏度為：

圓柱形電容式位移感測(cè)器，圖（c），設(shè)內(nèi)外電極長(zhǎng)度為L(zhǎng)，起始電容量為C0，動(dòng)極向上位移y後，電容量變?yōu)镃y：

電容量變化

：

靈敏度為：a—平板形差動(dòng)電容；b—旋轉(zhuǎn)形差動(dòng)電容；c—圓柱形差動(dòng)電容圖3-26變面積差動(dòng)電容結(jié)構(gòu)原理圖

圖3-26所示是變面積式差動(dòng)電容結(jié)構(gòu)，感測(cè)器輸出和靈敏度均提高一倍。3.4.3變介電常數(shù)式

變介質(zhì)常數(shù)位移式電容感測(cè)器結(jié)構(gòu)原理如圖3-27所示。介質(zhì)沒進(jìn)入電容器時(shí)（x=0），電容量為：

介質(zhì)進(jìn)入電容x後，電容量為：

整理可得：

圖3-27變介質(zhì)位移式傳感電容結(jié)構(gòu)原理圖

3.4.4電容式感測(cè)器測(cè)量電路1．橋式電路將電容感測(cè)器作為電橋的一個(gè)橋臂，採(cǎi)用差動(dòng)式電容感測(cè)器時(shí)，將兩個(gè)電容接入相鄰的兩臂上，如圖3-28所示。調(diào)節(jié)電容C使橋路平衡，輸出電壓u0為零。當(dāng)感測(cè)器電容Cx變化時(shí)，電橋失去平衡，輸出一個(gè)和電容Cx成正比例的電壓信號(hào)。a—單臂接法；b—差動(dòng)接法；c—檢測(cè)電路框圖圖3-28橋式測(cè)量電路2.二極體雙T網(wǎng)路二極體雙T網(wǎng)路電路原理如圖3-29所示。Cx為傳感電容，C為平衡電容，u1是幅值為Ei的方波。負(fù)載電流波形如圖3-29b所示。如果Cx=C，D1與D2特性相同，則i1與i2波形相同，方向相反，流經(jīng)RL的平均電流為零。當(dāng)待測(cè)量引起Cx變化時(shí)，電流i1與i2波形不同，則在負(fù)載RL上有平均電流I輸出。a—二極體雙T網(wǎng)路；b—負(fù)載電流波形圖3-29二極體雙T網(wǎng)路電路原理

3.充放電脈衝電路充放電脈衝電路原理電路如圖3-30所示。換向開關(guān)K為電子開關(guān)。假若充電和放電的時(shí)間相等，均為開關(guān)週期T的1/2，

那麼，在充放電時(shí)，流經(jīng)負(fù)載電阻RL的平均電流等於：

I平均=I充=I放

可見I平均與Cx為線性關(guān)係，測(cè)得電流I平均可得知Cx電容量。圖3-30充放電脈衝電路4．運(yùn)算放大器電路運(yùn)算放大器電路的原理電路如圖3-31所示。A為理想的運(yùn)算放大器，Cx為平行板電容器，則：

輸出電壓uo與極板間距dx為線性關(guān)係，這就從原理上解決了變d型電容式感測(cè)器特性的非線性問(wèn)題。

圖3-31運(yùn)算放大器原理電路

3.5電感式感測(cè)器3.5電感式感測(cè)器電感感測(cè)器的基本原理是電磁感應(yīng)原理。利用電磁感應(yīng)將被測(cè)非電量（如壓力、位移等）轉(zhuǎn)換成電感量的變化輸出。常用的有自感式和互感式兩類。電感式壓力感測(cè)器大都採(cǎi)用變隙式電感做為檢測(cè)元件，它和彈性敏感元件組合在一起構(gòu)成電感式壓力感測(cè)器。3.5.1自感式感測(cè)器圖3-32所示為閉磁路式自感感測(cè)器。1-線圈；2-鐵芯（定鐵芯）；3-銜鐵（動(dòng)鐵芯）圖3-32閉磁路式自感感測(cè)器原理結(jié)構(gòu)圖

電感量L為：

當(dāng)銜鐵受外力作用使氣隙厚度減小，則線圈電感也發(fā)生變化，為：

電感的相對(duì)變化量近似為：

氣隙變化量Δδ越小，非線性失真越??；氣隙δo越小，靈敏度越高。實(shí)際應(yīng)用中常用差動(dòng)變隙式自感感測(cè)器。如圖3-33所示。

1-線圈；2-鐵芯；3-銜鐵；4-導(dǎo)桿圖3-33差動(dòng)變隙式電感感測(cè)器3.5.2測(cè)量電路1.交流電橋式測(cè)量電路圖3-34所示為交流電橋測(cè)量電路,

把感測(cè)器的兩個(gè)線圈作為電橋的兩個(gè)橋臂Z1和Z2,另外二個(gè)相鄰的橋臂用純電阻代替，對(duì)於高Q值(Q=ωL/R)的差動(dòng)式電感感測(cè)器，其輸出電壓:

圖3-34交流電橋測(cè)量電路

2.變壓器式交流電橋變壓器式交流電橋測(cè)量電路如圖3-35所示，電橋兩臂Z1、Z2為感測(cè)器線圈阻抗，另外兩橋臂為交流變壓器次級(jí)線圈的1/2阻抗。當(dāng)負(fù)載阻抗為無(wú)窮大時(shí)，橋路輸出電壓：

當(dāng)感測(cè)器的銜鐵處?kù)吨虚g位置時(shí)，即Z1=Z2=Z，此時(shí)有Uo=0，電橋平衡。當(dāng)感測(cè)器的銜鐵上移時(shí)，即Z1=Z-ΔZ，Z2=Z+ΔZ，此時(shí)：

當(dāng)感測(cè)器的銜鐵下移時(shí)，則Z1=Z+ΔZ，Z2=Z-ΔZ，此時(shí)：

銜鐵上下移動(dòng)相同距離時(shí)，輸出電壓的大小相等，但方向相反，由於Uo是交流電壓，輸出指示無(wú)法判斷位移方向，必須配合相敏檢波電路來(lái)解決。

圖3-35變壓器式交流電橋

3.5.3互感式感測(cè)器互感感測(cè)器有初級(jí)線圈和次級(jí)線圈。初級(jí)接入激勵(lì)電源後，次級(jí)將因互感而產(chǎn)生電壓輸出。當(dāng)線圈間互感隨被測(cè)量變化時(shí)，輸出電壓將產(chǎn)生相應(yīng)的變化。這種感測(cè)器次級(jí)線圈一般有兩個(gè)，接線方式又是差動(dòng)的，故又稱為差動(dòng)變壓器。差動(dòng)變壓器結(jié)構(gòu)形式較多，有變隙式、變面積式和螺線管式等，但其工作原理基本一樣。1.工作原理非電量測(cè)量中，應(yīng)用最多的是螺線管式差動(dòng)變壓器，螺線管式差動(dòng)變壓器結(jié)構(gòu)如圖3-36所示，它由初級(jí)線圈、兩個(gè)次級(jí)線圈和插入線圈中央的圓柱形鐵芯等組成。它可以測(cè)量1～100mm範(fàn)圍內(nèi)的機(jī)械位移，並且具有：測(cè)量精度高，靈敏度高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能可靠等優(yōu)點(diǎn)。1-活動(dòng)銜鐵；2-導(dǎo)磁外殼；3-骨架；4-匝數(shù)為ω1的初級(jí)繞組；5-匝數(shù)為ω2a的次級(jí)繞組；6-匝數(shù)為ω2b的次級(jí)繞組圖3-36螺線管式差動(dòng)變壓器結(jié)構(gòu)

螺線管式差動(dòng)變壓器按線圈繞組排列方式的不同，可分為一節(jié)、二節(jié)、三節(jié)、四節(jié)和五節(jié)式等類型，如圖3-37所示。

(a)一節(jié)式；(b)二節(jié)式；(c)三節(jié)式；(d)四節(jié)式；(e)五節(jié)式圖3-37線圈排列方式

差動(dòng)變壓器即感測(cè)器中兩個(gè)次級(jí)線圈反向串聯(lián)，並且在忽略鐵損、導(dǎo)磁體磁阻和線圈分佈電容的理想條件下，其等效電路如圖3-38所示。

圖3-38差動(dòng)變壓器等效電路

2.差動(dòng)變壓器輸出電壓如圖3-38所示。二次側(cè)開路時(shí)有：

分三種情況：①活動(dòng)銜鐵處?kù)吨虚g位置時(shí)，M1=M2=M，故：＝0②活動(dòng)銜鐵向上移動(dòng)，M1=M+ΔMM2=M-ΔM

，故：，

與同極性③活動(dòng)銜鐵向下移動(dòng)，M1=M-ΔMM2=M+ΔM故：，

與同極性。3.5.4差動(dòng)變壓器式感測(cè)器測(cè)量電路為了達(dá)到能辨別移動(dòng)方向及消除零點(diǎn)殘餘電壓的目的，常採(cǎi)用差動(dòng)整流電路和相敏檢波電路。差動(dòng)整流電路是把差動(dòng)變壓器的兩個(gè)次級(jí)輸出電壓分別整流，然後將整流的電壓或電流的差值作為輸出，圖3-39給出了幾種典型電路形式。

(a)半波電壓輸出；(b)半波電流輸出；(c)全波電壓輸出；(d)全波電流輸出

圖3-39差動(dòng)整流電路

以圖3-39(c)電路為例，不論兩個(gè)次級(jí)線圈的輸出暫態(tài)電壓極性如何，流經(jīng)電容C1的電流方向從2到4，流經(jīng)電容C2的電流方向從6到8，故整流電路的輸出