合工大《測(cè)試技術(shù)》課件第三章

1、第三章 常用的傳感器與敏感元件 第一節(jié) 常用傳感器分類 第二節(jié) 機(jī)械式傳感器及儀器 第三節(jié) 電阻、電容與電感式傳感器 第四節(jié) 磁電、壓電和熱電式傳感器 第五節(jié) 光電傳感器 第六節(jié) 光纖傳感器 第七節(jié) 半導(dǎo)體傳感器 第八節(jié) 紅外測(cè)試系統(tǒng) 第九節(jié) 激光測(cè)試傳感器 第十節(jié) 傳感器的選用原則,一、定義 傳感器直接作用于被測(cè)量，能按一定規(guī)律將其轉(zhuǎn)換成同種或別種量值輸出的器件。 測(cè)量環(huán)節(jié)、測(cè)量裝置、測(cè)量系統(tǒng),二、組成 敏感元件、輔助裝置（部分） 敏感元件直接感受被測(cè)量的部分，核心。 輔助裝置（部分）傳感器的重要組成部分，必不可少部分。,三、傳感器的作用 作用： “電五官”，是人們認(rèn)識(shí)事物的一個(gè)有利工具；

2、對(duì)測(cè)試系統(tǒng)來(lái)講，是輸入的首個(gè)環(huán)節(jié)、重要環(huán)節(jié)，其特性的好壞直接影響到整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的性能。,四、傳感器的發(fā)展?fàn)顩r 歷史長(zhǎng)、還在發(fā)展 從結(jié)構(gòu)型物性型智能型 智能型：傳感器技術(shù)與微電子技術(shù)結(jié)合，構(gòu)成了校正、變化、統(tǒng)計(jì)處理、反饋等多種功能，具有思維、辨別能力的智能傳感器。能在復(fù)雜的環(huán)境中準(zhǔn)確而有效地提取信息。,第一節(jié)常用傳感器分類 按工作原理分： 電氣式傳感器、機(jī)械式傳感器、光電式傳感器等 按被測(cè)量分： 位移傳感器、速度傳感器、加速度傳感器、應(yīng)力傳感器、溫度傳感器等,（1）按信號(hào)變換特征分： 結(jié)構(gòu)型傳感器、物性型傳感器 結(jié)構(gòu)型傳感器依靠傳感器的結(jié)構(gòu)參量隨被測(cè)量的變化而變化來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)換 例如：磁電式傳感

3、器、電感式、電容式,物性型傳感器依靠敏感元件材料本身物理化學(xué)性質(zhì)隨被測(cè)量的變化而變化來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)換 例如：水銀溫度計(jì)、壓電式傳感器,2）按能量關(guān)系分： 能量轉(zhuǎn)換型傳感器、能量控制型傳感器 能量轉(zhuǎn)換型傳感器利用其輸出與被測(cè)量輸入的能量的關(guān)系來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的轉(zhuǎn)換測(cè)量。 特點(diǎn)：直接由被測(cè)對(duì)象輸入能量使其工作的，又稱無(wú)源傳感器。 例如：熱電偶溫度計(jì)、壓電式傳感器、磁電式速度計(jì) 產(chǎn)生負(fù)載效應(yīng)，影響被測(cè)對(duì)象的狀態(tài)產(chǎn)生測(cè)量誤差（失真）,能量控制型傳感器從外部供給能量使傳感器工作，并由被測(cè)量來(lái)控制外部能量的變化，由稱有源傳感器。 例如：電阻應(yīng)變計(jì)接于電橋中、電感測(cè)微儀,傳感器可能只有一個(gè)，也可能有幾個(gè)換能元件，也

4、可能是一個(gè)小型裝置。例如，電容式位移傳感器是位移一電容變化的能量控制型傳感器，可以直接測(cè)量位移。,而電容式壓力傳感器，則經(jīng)過(guò)壓力膜片彈性變形(位移)電容變化的轉(zhuǎn)換過(guò)程。此時(shí)膜片是一個(gè)由機(jī)械量機(jī)械量的換能件，由它實(shí)現(xiàn)第一次變換；同時(shí)它又與另一極板構(gòu)成電容器，用來(lái)完成第二次轉(zhuǎn)換。,再如電容型伺服式加速度計(jì)(也稱力反饋式加速度計(jì))，實(shí)際上是一個(gè)具有閉環(huán)回路的小型測(cè)量系統(tǒng)，如圖3-2所示。這種傳感器較一般開環(huán)式傳感器具有更高的精確度和穩(wěn)定性。,表-1 機(jī)械工程中常用傳感器,第三節(jié) 電阻、電容與電感式傳感器 一、電阻式傳感器 定義 電阻式傳感器將被測(cè)量轉(zhuǎn)化為電阻值變化的傳感器。 1、變阻器式電阻傳感器

5、2、電阻應(yīng)變式傳感器,1、變阻器式電阻傳感器,變阻器使用日益減少，電阻應(yīng)變式傳感器具有體積小、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、測(cè)量精度高使用方便等優(yōu)點(diǎn)，而得到廣泛運(yùn)用。,變阻器式電阻傳感器的測(cè)量電路,特點(diǎn)及應(yīng)用,1、特點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、使用方便。 缺點(diǎn)：分辨力不高，有較大的噪聲。 2、應(yīng)用 用于線位移、角位移測(cè)量，在測(cè)量?jī)x器中用于伺服記錄儀器或電子電位差計(jì)等。,1. 金屬電阻應(yīng)變片(結(jié)構(gòu)型),金屬電阻應(yīng)變片的工作原理，是基于金屬導(dǎo)體的應(yīng)變效應(yīng)，即金屬導(dǎo)體在外力作用下發(fā)生機(jī)械變形時(shí)，其電阻值隨著它所受機(jī)械變形(伸長(zhǎng)或縮短)的變化而發(fā)生變化的現(xiàn)象。若金屬絲的長(zhǎng)度為L(zhǎng)，截面積為S，電阻率為，其未受力時(shí)的電阻

6、為R。 其物理意義是:單位應(yīng)變所引起的電阻相對(duì)變化。由式(3.2-7)可以明顯看出，金屬材料的靈敏系數(shù)受兩個(gè)因素影響:一個(gè)是受力后材料的幾何尺寸變化所引起的，即項(xiàng)；另一個(gè)是受力后材料的電阻率變化所引起的，即項(xiàng)。對(duì)于金屬材料項(xiàng)比項(xiàng)小得多。大量實(shí)驗(yàn)表明，在電阻絲拉伸比例極限范圍內(nèi)，電阻的相對(duì)變化與其所受的軸向應(yīng)變是成正比的，即K0為常數(shù) Sg=1+2=常數(shù)通常金屬電阻絲的Sg=1.63.6之間。,應(yīng)變片的主要參數(shù)：（1）幾何參數(shù)：基廠長(zhǎng)和基寬，制造廠常用bL表示。（2）電阻值：應(yīng)變計(jì)的原始電阻值。（60、120、350、600、1000等）（3）靈敏系數(shù)：表示應(yīng)變計(jì)變換性能的重要參數(shù)。（4）其它表

7、示應(yīng)變計(jì)性能的參數(shù)（工作溫度、滯后、蠕變、零漂以及疲勞壽命、橫向靈敏度等。,2. 半導(dǎo)體應(yīng)變片（物性型）,基本公式：,E 半導(dǎo)體材料的彈性模量； 半導(dǎo)體材料的壓阻系數(shù)。,半導(dǎo)體應(yīng)變片的靈敏度為,原理：壓阻效應(yīng) 優(yōu)點(diǎn)：體積小、橫向效應(yīng)小、滯后小、靈敏度高 缺點(diǎn)：溫度穩(wěn)定性差、靈敏度分散度大（晶向、雜質(zhì)）、大應(yīng)變下非線性誤差大。,、應(yīng)用 電阻應(yīng)變傳感器有很多優(yōu)點(diǎn)，因此廣泛應(yīng)用于機(jī)械工程的測(cè)試中（40%到50%） 優(yōu)點(diǎn)： （1）分辨率高 （2）誤差小 （3）尺寸小、重量輕 （4）測(cè)量范圍大 （5）頻響特性好:限制應(yīng)變片上限測(cè)量頻率是： 電橋的激勵(lì)電源頻率 (1/51/10)電源頻率 應(yīng)變片的基長(zhǎng) 基

8、長(zhǎng)越短，上限測(cè)量頻率越高 例 基長(zhǎng)為10mm時(shí)，上限測(cè)量頻率可高達(dá)25kHz （6）應(yīng)用于惡劣環(huán)境 （7）價(jià)格低,(1)直接用來(lái)測(cè)定結(jié)構(gòu)的應(yīng)變或應(yīng)力,（）.將應(yīng)變片貼于彈性元件上， 作為測(cè)量力、位移、壓力、加速度等參量的傳感器,4. 固態(tài)壓阻式傳感器,壓阻式傳感器是根據(jù)半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)在半導(dǎo)體材料的基片上經(jīng)擴(kuò)散電阻而制成的器件。其基片可直接作為測(cè)量傳感元件，擴(kuò)散電阻在基片內(nèi)接成電橋形式。當(dāng)基片受到外力作用而產(chǎn)生形變時(shí)，各電阻值將發(fā)生變化，電橋就會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的不平衡輸出。 用作壓阻式傳感器的基片（或稱膜片）材料主要為硅片和鍺片，硅片為敏感 材料而制成的硅壓阻傳感器越來(lái)越受到人們的重視，尤其是以

9、測(cè)量壓力和速度的固態(tài)壓阻式傳感器應(yīng)用最為普遍。,壓阻式傳感器有兩種類型：半導(dǎo)體應(yīng)變式傳感器、固態(tài)壓阻式傳感器,壓阻式傳感器的優(yōu)點(diǎn)是: 靈敏度非常高，有時(shí)傳感器的輸出不需放大可直接用于測(cè)量； 分辨率高，例如測(cè)量壓力時(shí)可測(cè)出1020Pa的微壓； 測(cè)量元件的有效面積可做得很小，故頻率響應(yīng)高； 可測(cè)量低頻加速度和直線加速度。 無(wú)須粘貼，便于傳感器的集成化 最大的缺點(diǎn)是溫度誤差大，故需溫度補(bǔ)償或恒溫條件下使用。,5. 典型動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀,三、電橋測(cè)量電路 電橋電路是將電阻、電容、電感的參量的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷夯螂娏餍盘?hào)輸出的一種常用電路。由于電路簡(jiǎn)單，精度和靈敏度都較高而得到廣泛運(yùn)用。電橋一般按其電源種類而

10、分成直流電橋和交流電橋兩種。,1. 直流電橋,直流電橋?yàn)槌Ｒ婋姌?，假定電橋四個(gè)橋臂電阻分別為R1、R2、R3、R4，輸入直流電壓為u0，輸出電壓信號(hào)為uy，則輸出為 如y=0,稱電橋的平衡狀態(tài) 直流電橋的平衡條件： 相對(duì)橋臂的阻值乘積相等,如果各橋臂的電阻變化分別為：R1、R2、R3、R4，同時(shí) R1=R2=R3=R4=R 則 當(dāng)為電阻同型號(hào)的應(yīng)變片時(shí)，上式可寫成：,結(jié)論： 1、電橋輸出電壓與電源電壓和電阻應(yīng)變片的靈敏度系數(shù)、電阻的相對(duì)變化率之和、應(yīng)變之和成正比。 2、電橋有和差 (加減)特性，應(yīng)正確選擇接橋方法，使輸出增大，干擾減小。,具體： 對(duì)需要測(cè)量的有用信息： 同極性相對(duì)橋臂 反極性相

11、鄰橋臂 對(duì)不需要測(cè)量的干擾信息： 同極性相鄰橋臂 反極性相對(duì)橋臂,例：一段材料受拉力P及彎矩W的共同作用，應(yīng)怎樣接橋？,懸臂梁測(cè)力,柱形梁測(cè)力,在測(cè)試中，根據(jù)電阻參與變化的橋臂數(shù)可把電橋分為： 全橋式聯(lián)接、半橋單臂式聯(lián)接、半橋雙臂式,各種電橋的輸出和貼片見下表：,2. 溫度補(bǔ)償問(wèn)題 受溫度影響，影響測(cè)量的精確度； 補(bǔ)償方法 （1）橋路補(bǔ)償 （2）溫度自補(bǔ)償片,直流電橋特點(diǎn)： 優(yōu)點(diǎn)：電源易獲得、對(duì)導(dǎo)線要求低、易平衡 缺點(diǎn)：后接放大電路困難、直流放大器易受零漂影響,2. 交流電橋,交流電橋的平衡條件 交流電橋的一般形式與直流電橋相似,但Z1、Z2、Z3、Z4為復(fù)阻抗，U為交流電壓源，開路輸出電壓為

12、U0。其電壓輸出為 平衡條件為 或,交流電橋平衡條件,交流電橋的輸出：,電容電橋,電感電橋,交流電阻橋及平衡,交流電橋的特點(diǎn),1、供橋電源要求高 2、電橋平衡困難 3、后續(xù)處理容易 測(cè)量誤差： 例如 電橋中元件之間的互感影響 無(wú)感電阻的殘余電抗 鄰近交流電路對(duì)電橋的感應(yīng)作用 泄漏電阻以及元件之間 元件與地之間的分布電容等,三、帶感應(yīng)偶合臂的電橋,以上兩種電橋中的感應(yīng)耦合臂可代以差動(dòng)式三繞組電感傳感器，通過(guò)它的敏感元件鐵心，將被測(cè)位移量轉(zhuǎn)換為繞組間互感變化，再通過(guò)電橋轉(zhuǎn)換為電壓或電流的輸出。 帶感應(yīng)耦合臂的電橋與一般電橋比較，具有較高的精確度、靈敏度以及性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。,二、電容式傳感器 1、定

13、義 電容式傳感器將被測(cè)物理量轉(zhuǎn)換為電容量變化的裝置，它實(shí)質(zhì)上是一個(gè)具有可變參數(shù)的電容器。 2、變換原理 從物理學(xué)已知，由兩個(gè)平行極板組成的電容器，其電容量,式中 : 極板間介質(zhì)的相對(duì)介電系數(shù)，在空氣中=1 0真空中介電常數(shù)(Fm)， 0 =8.8510-12Fm 極板間距離(m) A極板面積(m2) 如果保持其中兩個(gè)參數(shù)不變，而僅改變另一個(gè)參數(shù)，就可把該參數(shù)的變化變換成電容量的變化。 根據(jù)電容器變化的參數(shù)，可分為: 極距變化型、面積變化型和介質(zhì)變化型,（1）極距變化型 可見： 靈敏度S與成反比，極距越小，靈敏度越高； 靈敏度隨極距而變化，引起了非線性誤差。,（2）面積變化型,面積變化型電容傳感

14、器的優(yōu)點(diǎn)是輸出與輸入成線性關(guān)系，但與極距變化型相比，靈敏度較低，適用于較大直線位移及角位移測(cè)量。,（3）介質(zhì)變化型,測(cè)量： 電介質(zhì)的液位、某些材料的溫度、濕度和厚度等。 圖3-14a是在兩固定極板間有一個(gè)介質(zhì)層(如紙張、電影膠片等)通過(guò)。當(dāng)介質(zhì)層的厚度、溫度或濕度發(fā)生變化時(shí)，其介電常數(shù)發(fā)生變化，引起電極之間的電容量變化。 圖3-14b是一種電容式液位計(jì)，當(dāng)被測(cè)液面位置發(fā)生變化時(shí)，兩電極浸入高度也發(fā)生變化，引起電容量的變化。,2、測(cè)量電路,電容傳感器將被測(cè)物理量轉(zhuǎn)換為電容量的變化以后，由后續(xù)電路轉(zhuǎn)換為電壓、電流或頻 率信號(hào)。 常用的電路有： 電橋型電路、直流極化電路、諧振電路、調(diào)頻電路和運(yùn)算放大

15、電路,（1）電橋型電路,將電容傳感器作為橋路的一部分，由電容變化轉(zhuǎn)換為電橋的電壓輸出，通常采用電阻、電容或電感、電容組成的交流電橋。 圖3-15是一種電感、電容組成的 橋路，電橋的輸出為一調(diào)幅波，經(jīng)放大、相敏解調(diào)、濾波后獲得輸出，再推動(dòng)顯示儀表。,（2）直流極化電路,又稱為靜壓電容傳感器電路，多用于電容傳聲器或壓力傳感器。 輸出電壓與膜片位移速度成正比，因此這種傳感器可以測(cè)量氣流(或液流)的振動(dòng)速度，進(jìn)而得到壓力。,（3）諧振電路,為了獲得較好的線性，一般工作點(diǎn)應(yīng)選擇在諧振曲線一邊的線性區(qū)域內(nèi)。 特點(diǎn)：比較靈敏，但缺點(diǎn)是工作點(diǎn)不易選好，變化范圍也較窄，傳感器連接電纜的分布電容影響也較大。,（4

16、）調(diào)頻電路,特點(diǎn)： 具有抗干擾性強(qiáng)、靈敏度高等 可測(cè)0.01um的位移變化量 電纜分布電容的影響較大，使用中有一些麻煩。,（5）運(yùn)算放大電路,可知，輸出電壓與電容傳感器間隙成線性關(guān)系 這種電路用于位移測(cè)量傳感器,三、電感傳感器,定義 電感傳感器把被測(cè)物理量轉(zhuǎn)換為電感量變化的傳感器。 分類： 1、 自感型電感傳感器 可變磁阻式、渦流式 2、互感型電感傳感器(差動(dòng)變壓器式電感傳感器),1、自感型電感傳感器,1）可變磁阻型,式中：l鐵心導(dǎo)磁長(zhǎng)度； u鐵心磁導(dǎo)率； A鐵心磁導(dǎo)截面積； 氣隙長(zhǎng)度； u0空氣磁導(dǎo)率； A0空氣氣隙導(dǎo)磁截面積（m2）,可見有三種型式的可變磁阻式電感傳感器： 變氣隙型、變面積

17、型及變磁導(dǎo)率型 a)變氣隙型 可見L與之間的關(guān)系為雙曲線關(guān)系，是非線性關(guān)系，測(cè)量會(huì)產(chǎn)生線性誤差。 靈敏度為： 為減少測(cè)量誤差，須采取措施： （）限制測(cè)量范圍（0，0+） 一般/00.1 應(yīng)用:測(cè)量小位移0.0011mm.,（）采用差動(dòng)式 銜鐵移動(dòng)時(shí)一個(gè)0,另一個(gè)0使得一個(gè)L,另一個(gè)L,將兩個(gè)線圈接入電橋的相鄰橋臂,利用電橋的加減特性達(dá)到減小測(cè)量非線性誤差的目的. 特點(diǎn)：靈敏高、非線性誤差大,b)面積變化型,L與A0為線性關(guān)系,測(cè)量線性誤差小,但與變氣隙型傳感器相比靈敏度較低. 特點(diǎn)：靈敏低、非線性誤差??；,c)螺管線圈型（變磁導(dǎo)率）,傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造容易，但靈敏度低，適用于較大位移(數(shù)毫米

18、)測(cè)量 雙螺管線圈差動(dòng)型，較之單螺管型有較高靈敏度及線性，被用于電感測(cè)微計(jì)上，常用測(cè)量范圍為0300um，最小分辨力為0.5um 這種傳感器的線圈接于電橋上(見圖3-23a)，構(gòu)成兩個(gè)橋臂，線圈電感L1、L2：隨鐵心位移而變化，其輸出特性如圖3-23b所示。,（2）渦流式,變換原理金屬導(dǎo)體在交流磁場(chǎng)中的渦流電效應(yīng)（渦流效應(yīng)） 即 交流磁場(chǎng)中的導(dǎo)體由于集膚效應(yīng)，在金屬體內(nèi)產(chǎn)生閉和的感應(yīng)電流（渦電流）。,Z=f(,r,I,) 應(yīng)用： 變：測(cè)位移、厚度、振幅、轉(zhuǎn)速、計(jì)數(shù)等； 變：金屬的、硬度、熱處理的性能、合金成分等； 變：無(wú)損探傷、殘余應(yīng)力、材質(zhì)檢測(cè)等。 優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、抗干擾性強(qiáng)、不受

19、油污塵埃等介質(zhì)的影響、非接觸測(cè)量。,測(cè)量電路,調(diào)頻電路,特點(diǎn)及應(yīng)用,特點(diǎn)： 渦流式傳感器可用于動(dòng)態(tài)非接觸測(cè)量，測(cè)量范圍視傳感器結(jié)構(gòu)尺寸、線圈匝數(shù)和勵(lì)磁頻率而定，一般從(110)mm不等，最高分辨力可達(dá)0.1um。 具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、不受油污等介質(zhì)的影響等優(yōu)點(diǎn)。 因此，近年來(lái)渦流式位移和振動(dòng)測(cè)量?jī)x、測(cè)厚儀和無(wú)損檢測(cè)探傷儀等在機(jī)械、冶金等部門中日益得到廣泛應(yīng)用。實(shí)際上，這種傳感器在徑向振擺、回轉(zhuǎn)軸誤差運(yùn)動(dòng)、轉(zhuǎn)速和厚度測(cè)量，以及在零件計(jì)數(shù)、表面裂紋和缺陷測(cè)量中都 有應(yīng)用。,應(yīng)用實(shí)例,2、互感型差動(dòng)變壓器式電感傳感器,原理：電磁感應(yīng)中的互感現(xiàn)象 M互感，大小與兩線圈相對(duì)位置及周圍介質(zhì)的導(dǎo)磁能力等

20、有關(guān)，表明兩線圈之間的偶合程度。,圖331是一種用于小位移測(cè)量的差動(dòng)相敏檢波電路工作原理圖。在沒(méi)有輸入信號(hào)時(shí)，鐵心處于中間位置，調(diào)節(jié)電阻R，使零點(diǎn)殘余電壓減小；當(dāng)有輸入信號(hào)時(shí)，鐵心移上或移下，其輸出電壓經(jīng)交流放大、相敏檢波、濾波后得到直流輸出，由表頭指示輸入位移量大小 和方向。,上圖是一種用于小位移測(cè)量的差動(dòng)相敏檢波電路。在沒(méi)有輸入信號(hào)時(shí)，鐵心處于中間位置，調(diào)節(jié)電阻及，使零點(diǎn)殘余電壓減??；當(dāng)有輸入信號(hào)時(shí)，鐵心移上或移下，其輸出電壓經(jīng)交流放大、相敏檢波、濾波后得到直流輸出，由表頭指示輸入位移量大小和方向。,差動(dòng)變壓器式電感傳感器具有精確度高(最高分辨力可達(dá)0.1um)、線性范圍大(可擴(kuò)展到土10

21、0mm)、穩(wěn)定性好和使用方便的特點(diǎn)，被廣泛用于直線位移測(cè)定。但其實(shí)際測(cè)量頻率上限受到傳感器機(jī)械結(jié)構(gòu)的限制。 借助于彈性元件可以將壓力、重量等物理量轉(zhuǎn)換為位移的變化，故也將這類傳感器用于壓力、重量等物理量的測(cè)量。,第四節(jié) 磁電、壓電與熱電式傳感器,一、磁電式傳感器 磁電式傳感器把被測(cè)物理量轉(zhuǎn)換為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的一種傳感器，又稱電磁感應(yīng)式或電動(dòng)力式傳感器。 從電工學(xué)已知，對(duì)于一個(gè)線圈，當(dāng)穿過(guò)該線圈的磁通發(fā)生變化時(shí)，其感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小，取決于匝數(shù)和穿過(guò)線圈的磁通變化率。 磁通變化率與磁場(chǎng)強(qiáng)度、磁路磁阻、線圈的運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)，故若改變其中一個(gè)因素，都會(huì)改變線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。 按照結(jié)構(gòu)方式不同，磁電式傳感器可

22、分： 動(dòng)圈式、磁阻式,1、動(dòng)圈式,B磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度； l單匝線圈有效長(zhǎng)度； N 線圈匝數(shù)； V線圈與磁場(chǎng)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度； 線圈運(yùn)動(dòng)方向與磁場(chǎng)方向的夾角。,當(dāng)=900時(shí) e=NBlv,角速度型傳感器 e=kNBA,磁阻式傳感器使用簡(jiǎn)便、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在不同場(chǎng)合下可用來(lái)測(cè)量轉(zhuǎn)速、偏心量、振動(dòng)等。,2、磁阻式,二、壓電式傳感器,定義把被測(cè)量轉(zhuǎn)換為電荷量的傳感器。 壓電效應(yīng)某些物質(zhì)，如石英、鈦酸鋇等，當(dāng)受到外力作用時(shí)，不僅幾何尺寸發(fā)生變化，而且內(nèi)部極化，表面上有電荷出現(xiàn)，形成電場(chǎng)。當(dāng)外力去除后，又重新恢復(fù)到原來(lái)狀態(tài)。 逆壓電效應(yīng)（電致伸縮效應(yīng)）如果將這些物質(zhì)置于電場(chǎng)中，其幾何尺寸也發(fā)生變化。這種由于外電

23、場(chǎng)作用導(dǎo)致物質(zhì)的機(jī)械變形的現(xiàn)象。 壓電材料具有壓電效應(yīng)的材料，壓電單單晶體、壓電多晶體。 壓電單晶體：如石英、酒石酸鉀鈉等； 壓電多晶體：如鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等; 壓電薄膜：聚偏二乙烯（PVdF）,兩端為一對(duì)稱的棱錐，六棱柱是它的基本組織，縱軸Z-Z稱為光軸，通過(guò)六角棱線而垂直于光軸的軸線x-X稱作電軸，垂直于棱面的軸線y-y稱作機(jī)械軸，如圖335b。,縱向壓電效應(yīng)、橫向壓電效應(yīng)、切向壓電效應(yīng),3、壓電式傳感器及等效電路,實(shí)驗(yàn)證明，在極板上積聚的電荷量q與作用力F成正比，即： q=DF 式中: D壓電常數(shù)，與材質(zhì)及切片方向有關(guān)。,實(shí)際壓電傳感器往往用兩個(gè)或兩個(gè)以上并接或串接的晶片。 （）并接時(shí)(

24、圖337b) 電容量大，輸出電荷量大，時(shí)間常數(shù)大，宜于測(cè)量緩變信號(hào)，宜用于以電荷量輸出的場(chǎng)合。 （）串接時(shí)(圖3-37c) 傳感器本身電容量小，輸出電壓大，適用于以電壓作為輸出信號(hào)。,式(3-38)表明： 壓電元件的電壓輸出還受回路的時(shí)間常數(shù)的影響。 在測(cè)試動(dòng)態(tài)量時(shí)，為了建立一定的輸出電壓并實(shí)現(xiàn)不失真測(cè)量，壓電式傳感器的測(cè)量電路必須有高輸入阻抗并在輸入端并聯(lián)一定的電容Ci以加大時(shí)間常數(shù)R0C。 但并聯(lián)電容過(guò)大也會(huì)使輸出電壓降低過(guò)多，降低了測(cè)量裝置的靈敏度。,4、測(cè)量電路,壓電式傳感器輸出信號(hào)： （1）輸出電信號(hào)是很微弱的電荷； （2）傳感器本身有很大內(nèi)阻； 故輸出能量甚微，給后接電路帶來(lái)困難。

25、 前置放大器的作用： （1）放大 （2）阻抗變換（高輸入阻抗低輸出阻抗） 然后用一般的放大、檢波電路將信號(hào)輸給指示儀表或記錄器。,前置放大器電路有兩種形式： （1）用電阻反饋的電壓放大器，其輸出電壓與輸入電壓(即傳感器的輸出)成正比； （2）另一種是帶電容反饋的電荷放大器，其輸出電壓與輸入電荷成正比。,(1)電壓放大器,(2)電荷放大器,上式表明： 在一定條件下，電荷放大器的輸出電壓與傳感器的電荷量成正比，并且與電纜分布電容無(wú)關(guān)。因此，采用電荷放大器時(shí)，即使連接電纜長(zhǎng)度達(dá)百米以上時(shí)，其靈敏度也無(wú)明顯變化，這是電荷放大器突出的優(yōu)點(diǎn)。但與電壓放大器相比，其電路復(fù)雜，價(jià)格昂貴。,5、壓電式傳感器的應(yīng)

26、用,特性： 頻率范圍寬：0Hz到數(shù)十兆赫 低端：由于有電荷泄漏，難精確測(cè)量常值量（力）； 低頻時(shí)，壓電式傳感器振動(dòng)角頻率小，靈敏度小，輸出信號(hào)微弱，信噪比小。 高端：取決于結(jié)構(gòu)的聯(lián)接剛度； 測(cè)量力、壓力、振動(dòng)加速度、也用于聲學(xué)（包括超聲）和聲發(fā)射等；,壓電式傳感器常用來(lái)測(cè)量應(yīng)力、壓力、振動(dòng)的加速度，也用于聲、超聲和聲發(fā)射等測(cè)量。 壓電效應(yīng)是一種力一電荷變換，可直接用作力的測(cè)量。 現(xiàn)在已形成系列的壓電式力傳感器，測(cè)量范圍從微小力值10-3N到104kN，動(dòng)態(tài)范圍一般為60dB；測(cè)量方向有單方向的，也有多方向的。 壓電式力傳感器有兩種形式： 一種是利用膜片式彈性元件，通過(guò)膜片承壓面積將壓力轉(zhuǎn)換為力

27、。膜片中間有凸臺(tái)，凸臺(tái)背面放置壓電片。力通過(guò)凸臺(tái)作用于壓電片上，使之產(chǎn)生相應(yīng)的電荷量。 另一種是利用活塞的承壓面承受壓力，并使活塞所受的力通過(guò)在活塞另一端的頂桿作用在壓電片上。測(cè)得此作用力便可推算出活塞所受的壓力。,現(xiàn)在廣泛采用壓電式傳感器來(lái)測(cè)量加速度。 此種傳感器的壓電片處于其殼體和一質(zhì)量塊之間，用強(qiáng)彈簧(或預(yù)緊螺栓)將質(zhì)量塊、壓電片緊壓在殼體上。運(yùn)動(dòng)時(shí)，傳感器殼體推動(dòng)壓電片和質(zhì)量塊一起運(yùn)動(dòng)。在加速時(shí)，壓電片承受由質(zhì)量塊加速而產(chǎn)生的慣性力。 壓電式傳感器按不同需要做成不同靈敏度、不同量程和不同大小，形成系列產(chǎn)品。大型高靈敏度加速度計(jì)靈敏閾可達(dá)10-6gn。(gn標(biāo)準(zhǔn)重力加速度，作為一個(gè)加速度

28、單位，其值為1gn=9.80665m/s2)，但其測(cè)量上限也很小，只能測(cè)量微弱振動(dòng)。而小型的加速度計(jì)僅重0.14g，靈敏度雖低，但可測(cè)量上千g的強(qiáng)振動(dòng)。,壓電式傳感器的工作頻率范圍廣，理論上其低端從直流開始，高端截止頻率取決于結(jié)構(gòu)的連接剛度，一般為數(shù)十赫到兆赫的量級(jí)，這使它廣泛用于各領(lǐng)域的測(cè)量。壓電式傳感器內(nèi)阻很高，產(chǎn)生的電荷量很小，易受傳輸電纜分布電容的影響，必須采用前面已談到的阻抗變換器或電荷放大器。已有將阻抗變換器和傳感器集成在一起的集成傳感器，其輸出阻抗很低。 由于電荷的泄漏，使壓電式傳感器實(shí)際上低端工作頻率無(wú)法達(dá)到直流，難以精確測(cè)量常值力。在低頻振動(dòng)時(shí)，壓電式加速度計(jì)振動(dòng)圓頻率小，受

29、靈敏度限制，其輸出信號(hào)很弱，信噪比差。 尤其在需要通過(guò)積分網(wǎng)絡(luò)來(lái)獲取振動(dòng)的速度和加速度值的情況下，網(wǎng)絡(luò)中運(yùn)算放大器的漂移及低頻噪聲的影響，使得難于在小于1Hz的低頻段中應(yīng)用壓電式加速度計(jì)。,壓電式傳感器一般用來(lái)測(cè)量沿其軸向的作用力，該力對(duì)壓電片產(chǎn)生縱向效應(yīng)并產(chǎn)生相應(yīng)的電荷，形成傳感器通常的輸出。 然而，垂直于軸向的作用力，也會(huì)使壓電片產(chǎn)生橫向效應(yīng) 和相應(yīng)的輸出，稱為橫向輸出。與此相應(yīng)的靈敏度，稱為橫向靈敏度。 對(duì)于傳感器而言，橫向輸出是一種干擾和產(chǎn)生測(cè)量誤差的原因。 使用時(shí)，應(yīng)該選用橫向靈敏度小的傳感器。一個(gè)壓電式傳感器各方向的橫向靈敏度是不同的。為了減少橫向輸出的影響，在安裝使用時(shí)，應(yīng)力求使

30、最小橫向靈敏度方向與最大橫向干擾力方向重合。顯然，關(guān)于橫向干擾的討論，同樣適用于壓電式加速度計(jì)。,環(huán)境溫度、濕度的變化和壓電材料本身的時(shí)效，都會(huì)引起壓電常數(shù)的變化，導(dǎo)致傳感器靈敏度的變化。因此，經(jīng)常校準(zhǔn)壓電式傳感器是十分必要的。 壓電式傳感器的工作原理是可逆的，施加電壓于壓電晶片，壓電片便產(chǎn)生伸縮。所以壓電片可以反過(guò)來(lái)做“驅(qū)動(dòng)器”。 例如對(duì)壓電晶片施加交變電壓，則壓電片可作為振動(dòng)源，可用于高頻振動(dòng)臺(tái)、超聲發(fā)生器、揚(yáng)聲器以及精密的微動(dòng)裝置。,三、熱電式傳感器,熱電式傳感器把被測(cè)量(主要是溫度)轉(zhuǎn)換為電量變化的一種裝置，其變換是基于金屬的熱電效應(yīng)。 熱電效應(yīng)把兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體連接成圖3-39

31、所示 的閉合回路，如果將它們的兩個(gè)接點(diǎn)分別置于溫度為T及T0(假定T T0)的熱源中，則在該回路內(nèi)就會(huì)產(chǎn)生熱電勢(shì)。 按照變換方式的不同，可分為： 熱電偶 熱電阻傳感器。,（1）熱電偶工作原理,熱電勢(shì)由接觸電動(dòng)勢(shì)和溫差電動(dòng)勢(shì)組成,溫差電動(dòng)勢(shì)在同一導(dǎo)體的兩端因其溫度不同而產(chǎn)生的一種熱電動(dòng)勢(shì)。 由于高溫端(T)的電子能量比低溫端的電子能量大，故由高溫端運(yùn)動(dòng)到低溫端的電子數(shù)較由低溫端運(yùn)動(dòng)到高溫端的電子數(shù)多，使得高溫端帶正電，而低溫端帶負(fù)電，從而在導(dǎo)體兩端形成一個(gè)電勢(shì)差，即溫差電動(dòng)勢(shì)(關(guān)于熱電偶的工作原理詳見：常健生檢測(cè)與轉(zhuǎn)換技術(shù)M北京：機(jī)械工業(yè)出版社1996)。,所以，當(dāng)熱電偶材料一定時(shí)，熱電偶的總熱

32、電動(dòng)勢(shì)EAB(T，T0)成為溫度T和T0的函數(shù)差。即 如果使冷端溫度T0固定，則對(duì)一定材料的熱電偶，其總熱電動(dòng)勢(shì)就只與溫度T成單值函數(shù)關(guān)系 式中 C由固定溫度T0決定的常數(shù)。 這一關(guān)系式可通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法獲得，它在實(shí)際測(cè)溫中是很有用處。,關(guān)于熱電偶回路有以下特點(diǎn)：,1)若組成熱電偶的回路的兩種導(dǎo)體相同，則無(wú)論兩接點(diǎn)溫度如何，熱電偶回路中的總熱電動(dòng)勢(shì)為零； 2)若熱電偶兩接點(diǎn)溫度相同，則盡管導(dǎo)體A、B的材料不同，熱電偶回路中的總熱電動(dòng)勢(shì)也為零； 3)熱電偶AB的熱電動(dòng)勢(shì)與導(dǎo)體材料A、B的中間溫度無(wú)關(guān)，而只與接點(diǎn)溫度有關(guān)；,4)熱電偶AB在接點(diǎn)溫度T2、T3時(shí)的熱電動(dòng)勢(shì)，等于熱電偶在接點(diǎn)溫度為T1、T

33、2和T2、T3時(shí)的熱電動(dòng)勢(shì)總和； 5)在熱電偶回路中接入第三種材料的導(dǎo)線，只要第三種導(dǎo)線的兩端溫度相同，第三種導(dǎo)線的引入不會(huì)影響熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)，這一性質(zhì)稱為中間導(dǎo)體定律；,從實(shí)用觀點(diǎn)來(lái)看，中間導(dǎo)體定律很重要。利用這個(gè)性質(zhì)，我們才可以在回路中引入各種儀表、連接導(dǎo)線等，而不必?fù)?dān)心會(huì)對(duì)熱電動(dòng)勢(shì)有影響，而且也允許采用任意的焊接方法來(lái)焊制熱電偶。 同時(shí)應(yīng)用這一性質(zhì)還可以采用開路熱電偶對(duì)液態(tài)金屬和金屬壁面進(jìn)行溫度測(cè)量(見圖3-40)，只要保證兩熱電極A、B接入處溫度一致，則不會(huì)影響整個(gè)回路的總熱電動(dòng)勢(shì)。,6)當(dāng)溫度為T1、T2時(shí)，用導(dǎo)體A、B組成的熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)等于AC熱電偶和CB熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)的和

34、，即 導(dǎo)體C稱為標(biāo)準(zhǔn)電極(一般由鉑制成)，故把這一性質(zhì)稱為標(biāo)準(zhǔn)電極定律。,（2）熱電偶的分類,分成： 鉑銠鉑熱電偶(WRLB) 鎳鉻一鎳硅(鎳鉻鎳鋁)熱電偶(WREU) 鎳鉻一考銅熱電偶(WREA) 鉑銠30一鉑銠6(WRLL)熱電偶 超高溫?zé)犭娕?測(cè)溫可達(dá)2000 ，精度1) 低溫?zé)犭娕?可在2273K低溫范圍內(nèi)使用，靈敏度為10uV ) 快速測(cè)量壁面溫度的薄膜熱電偶(測(cè)量厚度0.010.1mm) 非金屬材料熱電偶。,1)鉑銠鉑熱電偶(WRLB) 由0.5mm的純鉑絲和同直徑的鉑銠絲(鉑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為90，銠質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10)制成，用符號(hào)LB表示。括號(hào)中符號(hào)WR指熱電偶。 在LB熱電偶中，鉑銠絲為

35、正極，純鉑絲為負(fù)極。此種熱電偶在300以下范圍可長(zhǎng)時(shí)間使用，在良好的使用環(huán)境下可短期測(cè)量1600高溫。 由于容易得到高純度的鉑和鉑銠，故LB熱電偶的復(fù)制精度和測(cè)量精度較高，可用于精密溫度測(cè)量和作基準(zhǔn)熱電偶。LB熱電偶在氧化性或中性介質(zhì)中具有較高的物理化學(xué)穩(wěn)定性。 其主要缺點(diǎn)是熱電動(dòng)勢(shì)較弱；在高溫時(shí)易受還原性氣體所發(fā)出的蒸汽和金屬蒸汽的侵害而變質(zhì)；鉑銠絲中的銠分子在長(zhǎng)期使用后因受高溫作用而產(chǎn)生揮發(fā)現(xiàn)象，使鉑絲受到污染而變質(zhì)，從而引起熱電偶特性變化，失去測(cè)量準(zhǔn)確性； LB熱電偶的材料系貴重金屬，成本較高。,2)鎳鉻一鎳硅(鎳鉻鎳鋁)熱電偶(WREU) 由鎳鉻與鎳硅制成，用符號(hào)EU表示。 熱電偶絲直

36、徑約0.22.5mm。鎳鉻為正極，鎳硅為負(fù)極。 EU熱電偶化學(xué)穩(wěn)定性較高，可在氧化性或中性介質(zhì)中長(zhǎng)時(shí)間地測(cè)量900以下的溫度，短期測(cè)量可達(dá)1200； 如果用于還原性介質(zhì)中，則會(huì)很快受到腐蝕，在此情況下只能用于測(cè)量500以下溫度。 EU熱電偶具有復(fù)制性好，產(chǎn)生熱電動(dòng)勢(shì)大，線性好，價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)。 雖然測(cè)量精度偏低，但能滿足大多數(shù)工業(yè)測(cè)量的要求，是工業(yè)測(cè)量中最常用的熱電偶之一。,3)鎳鉻一考銅熱電偶(WREA) 由鎳鉻材料與鎳、銅合金材料組成，用符號(hào)EA表示。 熱偶絲直徑一般為1.22.0mm。鎳鉻為正極，考銅為負(fù)極。 適宜于還原性或中性介質(zhì)，長(zhǎng)期使用溫度在600以下，短期測(cè)量可達(dá)800。 EA熱

37、電偶的特點(diǎn)是熱電靈敏度高、價(jià)格便宜，但測(cè)溫范圍低且窄，考銅合金易受氧化而變質(zhì)。,4)鉑銠30一鉑銠6(WRLL)熱電偶 這種熱電偶以鉑銠30絲(鉑質(zhì)量分?jǐn)?shù)70，銠質(zhì)量分?jǐn)?shù)30)為正極，鉑銠6絲(鉑質(zhì)量分?jǐn)?shù)94，銠質(zhì)量分?jǐn)?shù)6)為負(fù)極。 可長(zhǎng)期測(cè)量1600 的高溫，短期測(cè)量可達(dá)1800 。LL熱電偶性能穩(wěn)定、精度高，適于在氧化性或中性介質(zhì)中使用。但它產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)小，且價(jià)格昂貴。 LL熱電偶由于在低溫時(shí)熱電動(dòng)勢(shì)極小，因此冷端在40 以下時(shí)，對(duì)熱電動(dòng)勢(shì)可不必修正。,超高溫?zé)犭娕?測(cè)溫可達(dá)2000 ，精度1)、 低溫?zé)犭娕?可在2273K低溫范圍內(nèi)使用，靈敏度為10uV )、 快速測(cè)量壁面溫度的薄膜熱

38、電偶(測(cè)量厚度0.010.1mm) 非金屬材料熱電偶。 利用石墨和難熔化合物作為高溫?zé)犭娕疾牧峡梢越鉀Q金屬熱電偶材料無(wú)法解決的問(wèn)題。 這些非金屬材料熔點(diǎn)高，而且在2000 以上的高溫下也很穩(wěn)定。 綜上所述，各種熱電偶都具有不同的優(yōu)缺點(diǎn)，因此在選用時(shí)應(yīng)根據(jù)測(cè)溫范圍、測(cè)溫狀態(tài)和介質(zhì)情況綜合考慮。 在測(cè)量時(shí)，為使熱電偶與被測(cè)溫度間呈單值函數(shù)關(guān)系，需要一些特定的處理手段或補(bǔ)償使熱電偶冷端的溫度保持恒定。,2、熱電阻傳感器,利用電阻隨溫度變化的特點(diǎn)制成的傳感器叫熱電阻傳感器，它主要用于對(duì)溫度和與溫度有關(guān)的參數(shù)測(cè)定。 按熱電阻的性質(zhì)來(lái)分，可分為金屬熱電阻和半導(dǎo)體熱電阻兩大類，前者通 常簡(jiǎn)稱為熱電阻，后者稱

39、為熱敏電阻(見本章第七節(jié))。 熱電阻由電阻體、絕緣套管和接線盒等主要部件組成 電阻體是熱電阻的最主要部分（敏感元件）。,(1)鉑電阻 鉑電阻的特點(diǎn)是精度高、穩(wěn)定性好、性能可靠。鉑在氧化性介質(zhì)中，特別是在高溫下的物理、化學(xué)性質(zhì)都非常穩(wěn)定。但是，在還原性介質(zhì)中，特別是在高溫下很容易被從氧化物中還原出來(lái)的蒸汽所污染，會(huì)使鉑絲變脆，并改變其電阻與溫度間的關(guān)系。,通?？捎媒?jīng)驗(yàn)公式描述鉑電阻的溫度關(guān)系 Rt 溫度為t0C時(shí)的電阻值； R0 溫度為00C時(shí)的電阻值； A 常數(shù)， B常數(shù)， 鉑的純度常以 來(lái)表示，根據(jù)1968年國(guó)際溫標(biāo)規(guī)定，其值不得小于1.3925。,鉑電阻體是用很細(xì)的鉑絲繞在云母、石英或陶瓷

40、支架上做成的。常用的WZB型鉑電阻體是由直徑為0.030.07mm的鉑絲繞在云母片制成的平板型支架上(見圖3-42所示)，鉑絲繞組的出線端與銀絲引出線相焊，并穿上瓷套管加以絕緣和保護(hù)。,(2)銅電阻,鉑是貴重金屬，在一些測(cè)量精度要求不高且溫度范圍較低的場(chǎng)合，一般采用銅電阻，其測(cè)量范圍為-501500C。銅電阻具有線性度好、電阻溫度系數(shù)高以及價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)。,銅熱電阻的缺點(diǎn)：電阻率小，所以制成一定阻值的電阻時(shí)，與鉑材料相比，銅電阻絲要細(xì)，導(dǎo)致機(jī)械強(qiáng)度不高；或者增加電阻絲的長(zhǎng)度，使得電阻體積較大。另外，當(dāng)溫度超過(guò)1000C時(shí)，銅容易氧化，因此它只能在低溫和沒(méi)有浸蝕性介質(zhì)中工作。銅電阻體是一個(gè)銅絲繞

41、組(包括錳銅補(bǔ)償部分)，它是由直徑約為0.1mm的絕緣銅絲雙繞在圓形塑料支架上。,(3)其他熱電阻,近年來(lái)，伴隨著低溫技術(shù)的發(fā)展，一些新型熱電阻得到應(yīng)用。 1）銦電阻 一種高精度低溫?zé)犭娮?。銦的熔點(diǎn)約為429K，在4.2-15K溫度范圍內(nèi)靈敏度比鉑高10倍，故可用于鉑電阻不能使用的低溫范圍。用99.999高純度銦絲制成的熱電阻，在4.2K到室溫的整個(gè)范圍內(nèi)，測(cè)量精度可達(dá)土0.001K。其缺點(diǎn)是材料很軟，復(fù)制性很差。,2)錳電阻 在2-63K的低溫范圍內(nèi)，電阻隨溫度變化很大，靈敏度高，在216K的溫度范圍內(nèi)電阻率隨溫度平方變化，摻以錳，這個(gè)平分關(guān)系可以擴(kuò)展到21K；磁場(chǎng)對(duì)錳電阻影響不大，且有規(guī)律

42、。錳電阻的缺點(diǎn)是脆性大，難以拉制成絲。 3)碳電阻 在低溫下靈敏度高、熱容量小，適合作液氦溫閾的溫度計(jì)。碳電阻對(duì)磁場(chǎng) 不敏感、價(jià)格便宜、操作方便。其缺點(diǎn)是熱穩(wěn)定性較差。,第十節(jié) 傳感器的選用原則,如何根據(jù)測(cè)試目的和實(shí)際條件，合理地選用傳感器，是經(jīng)常會(huì)遇到的問(wèn)題。因此，本節(jié)在常用傳感器的初步知識(shí)的基礎(chǔ)上，就合理選用傳感器的一些注意事項(xiàng)，作一概略介紹。 以不失真測(cè)試條件為原則，靜動(dòng)態(tài)特性綜合考慮，以動(dòng)態(tài)特性為主的方法進(jìn)行選用。,一、靜態(tài)特性 1靈敏度 傳感器靈敏度越高越好、信噪比越大越好、交叉靈敏度越小越好 一般講，傳感器靈敏度越高越好，因?yàn)殪`敏度越高，意味著傳感器所能感知的變化量越小，被測(cè)量稍有

43、一微小變化時(shí)，傳感器就有較大的輸出。 當(dāng)然也應(yīng)考慮到，當(dāng)靈敏度越高時(shí)，與測(cè)量信號(hào)無(wú)關(guān)的外界干擾也越容易混入，并被放大裝置所放大。這時(shí)必須考慮既要檢測(cè)微小量值，又要干擾小。 為保證此點(diǎn)，往往要求信噪比越大越好，既要求傳感器本身噪聲小，且不易從外界引入干擾。,當(dāng)被測(cè)量是個(gè)向量時(shí)，那么要求傳感器在該方向靈敏度越高越好，而橫向靈敏度越小越好。 在測(cè)量多維向量時(shí)，還應(yīng)要求傳感器的交叉靈敏度越小越好。 此外，和靈敏度緊密相關(guān)的是測(cè)量范圍。除非有專門的非線性校正措施，最大輸入量不應(yīng)使傳感器進(jìn)入非線性區(qū)域，更不能進(jìn)入飽和區(qū)域。 某些測(cè)試工作要在較強(qiáng)的噪聲干擾下進(jìn)行。這時(shí)對(duì)傳感器來(lái)講，其輸入量不僅包括被測(cè)量，也

44、包括干擾量；兩者之和不能進(jìn)入非線性區(qū)。 過(guò)高的靈敏度會(huì)縮小其適用的測(cè)量范圍。 希望回程誤差小一些,二、響應(yīng)特性(動(dòng)態(tài)特性) 在所測(cè)頻率范圍內(nèi)，傳感器的響應(yīng)特性必須滿足不失真測(cè)量條件。 此外，實(shí)際傳感器的響應(yīng)總有一定遲延，但總希望遲延時(shí)間愈短愈好。 一般講，利用光電效應(yīng)、壓電效應(yīng)等物性型傳感器，響應(yīng)較快，可工作頻率范圍寬。 而結(jié)構(gòu)型，如電感、電容、磁電式傳感器等，往往由于結(jié)構(gòu)中的機(jī)械系統(tǒng)慣性的限制，其固有頻率低，可工作頻率較低。,在動(dòng)態(tài)測(cè)量中，傳感器的響應(yīng)特性對(duì)測(cè)試結(jié)果有直接影響，在選用時(shí)，應(yīng)充分考慮到被測(cè)物理量的變化特點(diǎn)(如穩(wěn)態(tài)、瞬變、隨機(jī)等)。 任何傳感器都有一定的線性范圍，在線性范圍內(nèi)輸出

45、與輸入成比例關(guān)系。 線性范圍愈寬，則表明傳感器的工作量程愈大。 傳感器工作在線性區(qū)域內(nèi)，是保證測(cè)量精確度的基本條件。 例如：測(cè)力彈性元件，其材料的彈性限是決定測(cè)力量程的基本因素。當(dāng)超過(guò)彈性限時(shí)，將產(chǎn)生線性誤差。然而任何傳感器都不容易保證其絕對(duì)線性，在許可限度內(nèi)，可以在其近似線性區(qū)域應(yīng)用。,3線性范圍 例如：變間隙型的電容、電感傳感器，均采用在初始間隙附近的近似線性區(qū)內(nèi)工作。選用時(shí)必須考慮被測(cè)物理量的變化范圍，令其線性誤差在允許范圍以內(nèi)。,4可靠性 可靠性指儀器、裝置等產(chǎn)品在規(guī)定的條件下，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)可完成規(guī)定功能的能力。 只有產(chǎn)品的性能參數(shù)(特別是主要性能參數(shù))均處于規(guī)定的誤差范圍內(nèi)，方能視

46、為可完成規(guī)定的功能。 須選用設(shè)計(jì)、制造良好，使用條件適宜的傳感器； 使用過(guò)程中，應(yīng)嚴(yán)格保持規(guī)定的使用條件，盡量減輕使用條件的不良影響。,例如 電阻應(yīng)變式傳感器，濕度會(huì)影響其絕緣性；溫度會(huì)影響其零漂；長(zhǎng)期使用會(huì)產(chǎn)生蠕變現(xiàn)象。 對(duì)于變間隙型的電容傳感器，環(huán)境濕度或浸入間隙的油劑，會(huì)改變介質(zhì)的介電常數(shù)。 光電傳感器的感光表面有塵?；蛩麜r(shí)，會(huì)改變光通量、偏振性或光譜成份。 磁電式傳感器或霍爾效應(yīng)元件等，當(dāng)在電場(chǎng)、磁場(chǎng)中工作時(shí)，亦會(huì)帶來(lái)測(cè)量誤差。 滑線電阻式傳感器表面有塵埃時(shí)，將引入噪聲等。 在機(jī)械工程中，有些機(jī)械系統(tǒng)或自動(dòng)化加工過(guò)程，往往要求傳感器能長(zhǎng)期地使用而不需經(jīng)常更換或校準(zhǔn)。而其工作環(huán)境又比較

47、惡劣，塵埃、油劑、溫度、振動(dòng)等干擾嚴(yán)重。 例如：熱軋機(jī)系統(tǒng)控制鋼板厚度的丫射線檢測(cè)裝置，用于自適應(yīng)磨削過(guò)程的測(cè)力系統(tǒng)或零件尺寸的自動(dòng)檢測(cè)裝置等，在這種情況下應(yīng)對(duì)傳感器可靠性有嚴(yán)格的要求。,5精確度 傳感器的精確度表示傳感器的輸出與被測(cè)量真值一致的程度 也并非要求傳感器的精確度愈高愈好，因?yàn)檫€應(yīng)考慮到經(jīng)濟(jì)性。 傳感器精確度愈高，價(jià)格越昂貴。 因此應(yīng)從實(shí)際出發(fā)，尤其應(yīng)從測(cè)試目的出發(fā)來(lái)選擇。首先應(yīng)了解測(cè)試目的，判定是定性分析還是定量分析。 如果是屬于相對(duì)比較的定性試驗(yàn)研究，只須獲得相對(duì)比較值即可，無(wú)需要求絕對(duì)量值，那么應(yīng)要求傳感器的精密度高。 如果是定量分析，必須獲得精確量值，因而要求傳感器有足夠高

48、精確度。 例如 為研究超精密切削機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件的定位精確度、主軸回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)誤差、振動(dòng)及熱變形等，往往要求測(cè)量精確度在0.10.01um范圍內(nèi)，欲測(cè)得這樣量值，必須采用高精確度的傳感器。,6.測(cè)量方式 傳感器在實(shí)際條件下的工作方式 例如：接觸與非接觸測(cè)量、在線與非在線測(cè)量 在機(jī)械系統(tǒng)中，運(yùn)動(dòng)部件的被測(cè)量(例如回轉(zhuǎn)軸的誤差運(yùn)動(dòng)、振動(dòng)、扭力矩)，往往需要非接觸測(cè)量。 對(duì)部件的接觸式測(cè)量不僅造成對(duì)被測(cè)系統(tǒng)的影響，且有許多實(shí)際困難 如測(cè)量頭的磨損、接觸狀態(tài)的變動(dòng)，信號(hào)的采集都不易妥善解決，也易于造成測(cè)量誤差。 采用電容式、渦電流式等非接觸式傳感器，會(huì)有很大方便。 若選用電阻應(yīng)變片時(shí)，則需配以遙測(cè)應(yīng)變儀，或其

49、他裝置。,在線測(cè)試是與實(shí)際情況更接近一致的測(cè)試方式 特別是自動(dòng)化過(guò)程的控制與檢測(cè)系統(tǒng)，必須在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)條件下進(jìn)行檢測(cè)。 實(shí)現(xiàn)在線檢測(cè)是比較困難的，對(duì)傳感器及測(cè)試系統(tǒng)都有一定特殊要求。 例如，在加工過(guò)程中，若要實(shí)現(xiàn)表面粗糙度的檢測(cè)，以往的光切法、干涉法、觸針式輪廓檢測(cè)法等都不能運(yùn)用，而代之的是激光檢測(cè)法。 實(shí)現(xiàn)在線檢測(cè)的新型傳感器的研制，也是當(dāng)前測(cè)試技術(shù)發(fā)展的一個(gè)方面。,7其它 除了以上選用傳感器時(shí)應(yīng)充分考慮的一些因素外，還應(yīng)盡可能兼顧結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、價(jià)格便宜、易于維修、易于更換等條件。,思考題 1、什么是傳感器？傳感器由那幾部分組成？ 2、什么是結(jié)構(gòu)型傳感器？什么是物性型傳感器？什么是

50、能量轉(zhuǎn)換型傳感器？什么是能量控制型傳感器？各舉一例說(shuō)明。 3、在測(cè)試中怎樣選擇合適的傳感器？ 4、金屬電阻應(yīng)變片和半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片有什么區(qū)別？ 5、電阻應(yīng)變片在機(jī)械工程測(cè)試中有那兩種應(yīng)用方法？ 6、直流電橋和交流電橋的平衡條件各是什么？?jī)煞N電橋各有什么特點(diǎn)？對(duì)一個(gè)具體的測(cè)試應(yīng)如何接橋？ 7、電感傳感器有那幾種？各有什么特點(diǎn)？怎樣使用？ 8、電容傳感器有幾種？ 9、壓電式傳感器為什么需要前置放大器？有那兩種形式？ 10、各傳感器的原理分別是什么？ 11、熱電式傳感器有哪兩種？什么是熱電效應(yīng)？,2.互感型,這種傳感器利用電磁感應(yīng)中的互感現(xiàn)象。當(dāng)線圈W1(圖4-15)輸入交流電流i1時(shí)，線圈W2產(chǎn)生

51、感應(yīng)電勢(shì)e12，其大小與電流i1變化率成正比，比例系數(shù)M稱為互感量。它描述兩線圈之間的耦合程度，其大小與兩線圈相對(duì)位置及周圍介質(zhì)導(dǎo)磁能力等因素有關(guān)。,差動(dòng)變壓器輸出交流電壓，其幅值與鐵心位移成正比，只能反映鐵心位移的大小，不能反映移動(dòng)的極性。其次，交流電壓輸出存在一定的零點(diǎn)殘余電壓。零點(diǎn)殘余電壓是由于兩個(gè)次級(jí)線圈結(jié)構(gòu)不對(duì)稱，以及初級(jí)線圈銅損電阻、鐵磁材質(zhì)不均勻、線圈間分布電容等形成。 所以，即使鐵心處于中間位置時(shí)，輸出也不為零。為此，差動(dòng)變壓器式傳感器的后接電路，需要采用既能反映鐵心位移極性，又能補(bǔ)償零點(diǎn)殘余電壓的差動(dòng)直流輸出電路。 由差動(dòng)變壓器式電感傳感器構(gòu)成的位移測(cè)量?jī)x，最高分辨力可達(dá)01

52、m，測(cè)量范圍可擴(kuò)展到100mm，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，穩(wěn)定性好，被廣泛用于直線位移，或可轉(zhuǎn)換為位移變化的壓力、重力等參數(shù)的測(cè)量。,五、電容式傳感器 1 工作原理,最簡(jiǎn)單的平行極板電容器。在忽略邊緣效應(yīng)的情況下，平板電容器的電容量為 : 0 真空的介電常數(shù)， ( 0 =8.854 10 -12 F/m ）； A 極板的遮蓋面積； 極板間介質(zhì)的相對(duì)介電系數(shù)，空氣 = 1 ； 兩平行極板間的距離。 兩平行極板間的距離。 當(dāng)被測(cè)量 、 S 或發(fā)生變化時(shí)，都會(huì)引起電容的變化。,2 分類 ：,根據(jù)電容器參數(shù)變化的特性，可分為,極距變化型 介質(zhì)變化型 面積變化型,其中極距變化型和面積變化型應(yīng)用較廣,3 測(cè)量電

53、路,第七節(jié) 傳感器的選用原則 如何根據(jù)測(cè)試目的和實(shí)際條件，合理地選用傳感器，是經(jīng)常會(huì)遇到的問(wèn)題。因此，本節(jié)在常用傳感器的初步知識(shí)的基礎(chǔ)上，就合理選用傳感器的一些注意事項(xiàng)，作一概略介紹。1靈敏度 一般講，傳感器靈敏度越高越好，因?yàn)殪`敏度越高，意味著傳感器所能感知的變化量越小，被測(cè)量稍有一微小變化時(shí)，傳感器就有較大的輸出。 當(dāng)然也應(yīng)考慮到，當(dāng)靈敏度越高時(shí)，與測(cè)量信號(hào)無(wú)關(guān)的外界干擾也越容易混入，并被放大裝置所放大。這時(shí)必須考慮既要檢測(cè)微小量值，又要于擾小。為保證此點(diǎn)，往往要求信噪比越大越好，既要求傳感器本身噪聲小，且不易從外界引入干擾。 當(dāng)被測(cè)量是個(gè)向量時(shí)，那么要求傳感器在該方向靈敏度越高越好，而橫

54、向靈敏度越小越好。在測(cè)量多維向量時(shí)，還應(yīng)要求傳感器的交叉靈敏度越小越好。,此外，和靈敏度緊密相關(guān)的是測(cè)量范圍。除非有專門的非線性校正措施，最大輸入量不應(yīng)使傳感器進(jìn)入非線性區(qū)域，更不能進(jìn)入飽和區(qū)域。某些測(cè)試工作要在較強(qiáng)的噪聲干擾下進(jìn)行。這時(shí)對(duì)傳感器來(lái)講，其輸入量不僅包括被測(cè)量，也包括干擾量；兩者之和不能進(jìn)入非線性區(qū)。過(guò)高的靈敏度會(huì)縮小其適用的測(cè)量范圍。,2響應(yīng)特性 在所測(cè)頻率范圍內(nèi)，傳感器的響應(yīng)特性必須滿足不失真測(cè)量條件。此外，實(shí)際傳感器的響應(yīng)總有一定遲延，但總希望遲延時(shí)間愈短愈好。 一般講，利用光電效應(yīng)、壓電效應(yīng)等物性型傳感器，響應(yīng)較快，可工作頻率范圍寬。而結(jié)構(gòu)型，如電感、電容、磁電式傳感器等

55、，往往由于結(jié)構(gòu)中的機(jī)械系統(tǒng)慣性的限制，其固有頻率低，可工作頻率較低。 在動(dòng)態(tài)測(cè)量中，傳感器的響應(yīng)特性對(duì)測(cè)試結(jié)果有直接影響，在選用時(shí)，應(yīng)充分考慮到被測(cè)物理量的變化特點(diǎn)(如穩(wěn)態(tài)、瞬變、隨機(jī)等)。,3線性范圍 任何傳感器都有一定的線性范圍，在線性范圍內(nèi)輸出與輸入成比例關(guān)系。線性范圍愈寬，則表明傳感器的工作量程愈大。 傳感器工作在線性區(qū)域內(nèi)，是保證測(cè)量精確度的基本條件。例如，測(cè)力彈性元件，其材料的彈性限是決定測(cè)力量程的基本因素。當(dāng)超過(guò)彈性限時(shí)，將產(chǎn)生線性誤差。 然而任何傳感器都不容易保證其絕對(duì)線性，在許可限度內(nèi)，可以在其近似線性區(qū)域應(yīng)用。例如，變間隙型的電容、電感傳感器，均采用在初始間隙附近的近似線性

56、區(qū)內(nèi)工作。選用時(shí)必須考慮被測(cè)物理量的變化范圍，令其線性誤差在允許范圍以內(nèi)。,4可靠性 可靠性是傳感器和一切測(cè)量裝置的生命?？煽啃允侵竷x器、裝置等產(chǎn)品在規(guī)定的條件下，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)可完成規(guī)定功能的能力。只有產(chǎn)品的性能參數(shù)(特別是主要性能參數(shù))均處于規(guī)定的誤差范圍內(nèi)，方能視為可完成規(guī)定的功能。,在機(jī)械工程中，有些機(jī)械系統(tǒng)或自動(dòng)化加工過(guò)程，往往要求傳感器能長(zhǎng)期地使用而不需經(jīng)常更換或校準(zhǔn)。而其工作環(huán)境又比較惡劣，塵埃、油劑、溫度、振動(dòng)等干擾嚴(yán)重，例如，熱軋機(jī)系統(tǒng)控制鋼板厚度的射線檢測(cè)裝置，用于自適應(yīng)磨削過(guò)程的測(cè)，力系統(tǒng)或零件尺寸的自動(dòng)檢測(cè)裝置等，在這種情況下應(yīng)對(duì)傳感器可靠性有嚴(yán)格的要求。,5精確度 傳感器的精確度表示傳感器的輸出與被測(cè)量真值一致的程度。傳感器處于測(cè)試系統(tǒng)的輸入端，因此，傳感器能否真實(shí)地反映被測(cè)量值，對(duì)整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)具有直接影響。然而，也并非要求傳感器的精確度愈高愈好，因?yàn)檫€應(yīng)考慮到經(jīng)濟(jì)性。傳感器精確度愈高，價(jià)格越昂貴。因此應(yīng)從實(shí)際出發(fā)，尤其應(yīng)從測(cè)試目的出發(fā)來(lái)選擇。,首先應(yīng)了解測(cè)試目的，判定是定性分析還是定量分析。如果是屬于相對(duì)比較的定性試驗(yàn)研究，只須獲得相對(duì)比較值即可，無(wú)需要求絕對(duì)量值，那么應(yīng)要求傳感器的精密度高。如果是定量分析，必須獲得精確量值，因而要求傳感