整套課件教程：傳感器與智能檢測技術(shù)

1、第1章 檢測技術(shù)的基礎(chǔ)知識1. 1 概述1. 2 測量的基本概念1. 3 測量誤差及其分類1. 4 傳感器及其基本特性1. 1 概述檢測是利用各種物理、化學(xué)效應(yīng)，選擇合適的方法與裝置，將生產(chǎn)、科研生活等各方面的有關(guān)信息通過檢查與測量的方法賦予定性或定量結(jié)果的過程。能夠自動地完成整個檢測處理過程的技術(shù)成為自動檢測與轉(zhuǎn)換技術(shù)。在信息社會的一切活動領(lǐng)域中，檢測是科學(xué)地認(rèn)識各種現(xiàn)象的基礎(chǔ)性方法和手段?，F(xiàn)代化的檢測手段在很大程度上決定了生產(chǎn)、科學(xué)技術(shù)的發(fā)展水平，而科學(xué)技術(shù)的發(fā)展又為檢測技術(shù)提供了新的理論基礎(chǔ)和制造工藝，同時對檢測技術(shù)提出了更高的要求。檢測技術(shù)是所有科學(xué)技術(shù)的基礎(chǔ)，是自動化技術(shù)的支柱之一。

2、下一頁 返回1. 1 概述1. 1. 1自動檢測與轉(zhuǎn)換技術(shù)的作用自動檢測與轉(zhuǎn)換技術(shù)的發(fā)展非常迅速，應(yīng)用日益廣泛，現(xiàn)已滲透到信息社會的一切活動領(lǐng)域。自動檢測與轉(zhuǎn)換技術(shù)是工業(yè)生產(chǎn)中的一項重要的基礎(chǔ)技術(shù)。利用自動檢測與轉(zhuǎn)換技術(shù)處理獲取的數(shù)據(jù)信息，能為產(chǎn)品的質(zhì)量和性能作出客觀的評價，能為設(shè)計人員進(jìn)行最佳設(shè)計或改進(jìn)制造工藝提供依據(jù)。自動檢測與轉(zhuǎn)換技術(shù)是自動控制系統(tǒng)中一個十分重要的環(huán)節(jié)。利用自動檢測與轉(zhuǎn)換技術(shù)可以對生產(chǎn)過程中的一些非電參數(shù)及其變化及時進(jìn)行檢測，最終可作為反饋信號對自動控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，使系統(tǒng)運(yùn)行在最佳工作狀態(tài)。上一頁 下一頁 返回1. 1 概述自動檢測與轉(zhuǎn)換技術(shù)在紡織業(yè)中的作用也是十分

3、重要的。紡織業(yè)從勞動密集型生產(chǎn)向技術(shù)密集型生產(chǎn)跨越的過程中，工藝的實施，新設(shè)備、新產(chǎn)品的研制、開發(fā)、維修都離不開自動檢測與轉(zhuǎn)換技術(shù)1. 1. 2自動檢測系統(tǒng)的組成自動檢測系統(tǒng)是幫助完成整個檢測處理過程的系統(tǒng)。目前，非電量的檢測常常采用電測法，即先將采集到的各種非電量轉(zhuǎn)換為電量，然后再進(jìn)行處理，最后將非電量值顯示出來或記錄下來，系統(tǒng)的組成框圖如圖1-1所示。上一頁 下一頁 返回1. 1 概述1.系統(tǒng)框圖所謂系統(tǒng)框圖，就是將系統(tǒng)中的主要功能塊或電路的名稱畫在方框內(nèi)，按信號的流程，將幾個方框用箭頭聯(lián)系起來，有時還可以在箭頭上方標(biāo)出信號的名稱。在產(chǎn)品說明書、科技論文中，利用框圖可以較簡潔、清晰地說明系

4、統(tǒng)的構(gòu)成及工作原理。2.傳感器信號處理電路的作用是把傳感器輸出的電量變成具有一定驅(qū)動和傳輸能力的電壓、電流或頻率信號等，以推動后級的顯示器、數(shù)據(jù)處理裝置及執(zhí)行機(jī)構(gòu)。3.顯示器上一頁 下一頁 返回1. 1 概述目前常用的顯示器有四類:模擬顯示、數(shù)字顯示、圖像顯示及記錄儀。模擬量是指連續(xù)變化量。模擬顯示是利用指針對標(biāo)尺的相對位置來表示讀數(shù)的，常見的有毫伏表、微安表、模擬光柱等。數(shù)字顯示目前多采用發(fā)光二極管( LED)和液晶(LCD )等，以數(shù)字的形式來顯示讀數(shù)。圖像顯示是用CRT或點(diǎn)陣LCD來顯示讀數(shù)或被測參數(shù)的變化曲線，有時還可用圖表或彩色圖等形式來反映整個生產(chǎn)線上的多組數(shù)據(jù)記錄儀主要用來記錄被

5、檢測對象的動態(tài)變化過程，常用的記錄儀有筆式記錄儀、繪圖儀、數(shù)字存儲示波器、磁帶記錄儀、無紙記錄儀等。上一頁 下一頁 返回1. 1 概述4.數(shù)據(jù)處理裝置數(shù)據(jù)處理裝置用來對測試所得的實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、運(yùn)算、邏輯判斷、線性變換，對動態(tài)測試結(jié)果作頻譜分析(幅值譜分析、功率譜分析)、相關(guān)分析等，完成這些工作必須采用計算機(jī)技術(shù)。數(shù)據(jù)處理的結(jié)果通常送到顯示器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)中去，以顯示運(yùn)算處理的各種數(shù)據(jù)或控制各種被控對象。5.執(zhí)行機(jī)構(gòu)所謂執(zhí)行機(jī)構(gòu)通常是指各種繼電器、電磁鐵、電磁閥門、電磁調(diào)節(jié)閥、伺服電動機(jī)等，它們在電路中起通斷、控制、調(diào)節(jié)、保護(hù)等作用。上一頁 下一頁 返回1. 1 概述6.自動檢測系統(tǒng)舉例當(dāng)代檢測

6、系統(tǒng)越來越多地使用計算機(jī)或微處理器來控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動作。檢測技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)與執(zhí)行機(jī)構(gòu)等配合就能構(gòu)成某些工業(yè)控制系統(tǒng)。圖1 -2所示的自動磨削控制系統(tǒng)就是一個典型的例子。圖中的傳感器快速檢測出工件的直徑參數(shù)D，計算機(jī)一方面對該參數(shù)作一系列的運(yùn)算、比較、判斷等工作，然后將有關(guān)參數(shù)送到顯示器顯示出來，另一方面發(fā)出控制信號，控制研磨盤的徑向位移x,直到工件加工到規(guī)定要求為止。很顯然，該系統(tǒng)是一個自動檢測和控制的閉環(huán)系統(tǒng)1.1. 3本課程的主要教學(xué)任務(wù)上一頁 下一頁 返回1. 1 概述作為機(jī)電類或電類專業(yè)的一門非常重要的課程，本課程的主要教學(xué)任務(wù)是:在闡明測量的基本理論的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)介紹常用傳感器的結(jié)

7、構(gòu)特點(diǎn)、工作原理、轉(zhuǎn)換電路及其在工業(yè)中的應(yīng)用等內(nèi)容，以對新型傳感器與微機(jī)控制的自動檢測與轉(zhuǎn)換技術(shù)進(jìn)行簡單介紹，培養(yǎng)學(xué)生選用、使用與維護(hù)傳感器的實際能力。本課程是一門綜合性的技術(shù)學(xué)科，涉及的知識面廣，實踐性又較強(qiáng)，因此在教學(xué)過程中，應(yīng)理論聯(lián)系實際，重視實驗環(huán)節(jié)，加強(qiáng)現(xiàn)場教學(xué)，以自動檢測與轉(zhuǎn)換技術(shù)的應(yīng)用為出發(fā)點(diǎn)和歸宿。上一頁 返回1. 2 測量的基本概念1. 2. 1測量與檢測測量是人們借助專門的技術(shù)和設(shè)備，通過實驗的方法，把被測量與作為單位的標(biāo)準(zhǔn)量進(jìn)行比較，以判斷出被測量是標(biāo)準(zhǔn)量的多少倍數(shù)的過程，所得的倍數(shù)就是測量值。測量結(jié)果包括數(shù)值大小和測量單位兩部分，數(shù)值大小可以用數(shù)字、曲線或圖形表示。測量

8、的目的是為了精確獲取表征被測量對象特征的某些參數(shù)的定量信息。檢測是意義更為廣泛的測量。在自動化領(lǐng)域中，檢測的任務(wù)不僅是對成品或半成品的檢驗和測量，也是為了檢查、監(jiān)督和控制某個生產(chǎn)過程或運(yùn)動對象并使之處于給定的最佳狀態(tài)，需要隨時檢查和測量各種參量的大小和變化等情況。下一頁 返回1. 2 測量的基本概念1.2.2測量方法為了獲得精確可靠的數(shù)據(jù)，選擇合理的測量方法非常重要。測量的方法多種多樣，從不同角度有不同的分類方法。1.電測法和非電測法在現(xiàn)代測量中，人們廣泛采用電測法測量非電量。電測法是指在檢測回路中含有測量信息的電信號轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，可以將被測的非電量轉(zhuǎn)換為電信號輸出。2.直接測量、間接測量與組合測

9、量使用儀表和傳感器對被測量對象測量時，對儀表讀數(shù)不需要任何運(yùn)算而直接表示測量結(jié)果的測量方法稱為直接測量。直接測量具有測量過程簡單、快捷等優(yōu)點(diǎn)，其缺點(diǎn)是測量精度低。上一頁 下一頁 返回1. 2 測量的基本概念使用儀表和傳感器對被測量對象測量時，對于測量有確定函數(shù)關(guān)系的若干量進(jìn)行測量，將被測量值代入函數(shù)關(guān)系式，經(jīng)過運(yùn)算得到所需結(jié)果，這種測量方法稱為間接測量。間接測量過程煩瑣，花費(fèi)時間、精力較多，一般用于直接測量不能完成或者缺乏直接測量手段的場合。若被測量必須經(jīng)過求解方程組，才能得到測量結(jié)果，這種測量方法稱為組合測量。組合測量雖然可以得到較精確的測量結(jié)果，但測量過程復(fù)雜，花費(fèi)時間、精力多。組合測量多

10、用于科學(xué)實驗和一些特殊場合3.靜態(tài)測量和動態(tài)測量靜態(tài)測量是測量那些不隨時間變化或變化很緩慢的物理量;動態(tài)測量則是測量那些隨時間變化而變化的物理量上一頁 下一頁 返回1. 2 測量的基本概念4.等精度測量與不等精度測量使用相同的儀表和測量方法對同一被測量進(jìn)行多次重復(fù)測量，稱為等精度測量。使用不同精度的儀表或不同的測量方法，或在環(huán)境條件相差很大時對同一被測量進(jìn)行多次重復(fù)測量，稱為不等精度測量。 5.偏差式測量、零位測量與微差法測量用儀表指針位移(即偏差)確定被測量的量值的測量方法稱為偏差式測量。采用偏差式測量方法時，必須預(yù)先用標(biāo)準(zhǔn)儀表或器具對使用儀表刻度進(jìn)行標(biāo)定。偏差式測量是根據(jù)儀表指針在刻度上指

11、示的值，決定被測量的數(shù)值。這種測量雖然簡單、快捷、直觀，但測量精度不高。上一頁 下一頁 返回1. 2 測量的基本概念用指零儀表的零位指示檢測測量系統(tǒng)的平衡狀態(tài)，當(dāng)測量系統(tǒng)平衡時，用已知的標(biāo)準(zhǔn)量決定被測量的數(shù)值，這種測量方法稱為零位測量。具體地講，采用這種測量方法時，是將已知標(biāo)準(zhǔn)量直接與被測量相比較，連續(xù)調(diào)節(jié)已知標(biāo)準(zhǔn)量，當(dāng)指零儀表指零時，被測量與已知標(biāo)準(zhǔn)量相等。微差法測量方法是將被測量與已知的標(biāo)準(zhǔn)量相比較，取得差值后，再用偏差法測得該差值。顯然，微差法測量是綜合了偏差式測量與零位測量的優(yōu)點(diǎn)而提出的一種測量方法。采用這種方法測量時，不需要調(diào)整已知的標(biāo)準(zhǔn)量，而只需測量兩者的差值即可。微差法測量具有響

12、應(yīng)快、測量精度高的優(yōu)點(diǎn)，特別適用于在線控制參數(shù)的測量。上一頁 下一頁 返回1. 2 測量的基本概念6.接觸式測量和非接觸式測量根據(jù)測量時是否與被測對象相互接觸而劃分為接觸式測量和非接觸式測量。7.模擬式測量和數(shù)字式測量模擬式測量是指測量結(jié)果可根據(jù)儀表指針在標(biāo)尺上的定位進(jìn)行連續(xù)讀取的方法;數(shù)字式測量是指測量結(jié)果以數(shù)字的形式直接給出的方法。一般要求精密測量時多采用數(shù)字式測量。在選擇測量方法時，應(yīng)綜合考慮被測量本身的特點(diǎn)，所要求的精確度、靈敏度以及測量的環(huán)境要求，力求測量科學(xué)、簡單可靠。上一頁 返回1. 3 測量誤差及其分類1. 3. 1測量誤差的基本概念各種物理量都需要經(jīng)過測量和試驗才能得出結(jié)果。

13、測量的目的就是希望通過測量求取被測量的真值。任何測量結(jié)果與被測量的真值之間都不可避免地出現(xiàn)測量誤差。掌握誤差理論可以正確地處理測量數(shù)據(jù)，合理計算出所得結(jié)果，得到更接近真值的結(jié)果;可以正確認(rèn)識誤差性質(zhì)，分析誤差產(chǎn)生的原因，以便很好地消除和減小誤差;還可以依據(jù)理論合理選用檢測設(shè)備、測量方法和環(huán)境條件。所謂真值即為真實值，是指在一定條件下，被測量的客觀存在的實際值。實際值是指滿足規(guī)定準(zhǔn)確度的可用來代替真值使用的量值。一般來說，在測量前真值是不知道的。我們常說的真值是理論真值、約定真值(也稱規(guī)定真值)和相對真值。下一頁 返回1. 3 測量誤差及其分類理論真值，如平面四邊形的內(nèi)角和為360。約定真值是指

14、按規(guī)定在特定條件下保存在國際計量局的基準(zhǔn)量值。相對真值，凡是精度高一級或幾級的儀表的誤差與精度低的儀表的誤差相比，前者優(yōu)于后者的兩倍以上時，則高一級儀表的測量值可以認(rèn)為是相對真值。相對真值在誤差測量中應(yīng)用最為廣泛。測量結(jié)果與真值之間的差值稱為測量誤差。由于測量值可能大于真值，也可能小于真值，因此，測量誤差可能是正值或負(fù)值。測量誤差絕對值的大小決定了測量的精確度。誤差的絕對值愈大，精確度愈低;反之愈高。上一頁 下一頁 返回1. 3 測量誤差及其分類1.3.2測量誤差的分類1.根據(jù)測量誤差出現(xiàn)的規(guī)律分類根據(jù)測量誤差出現(xiàn)的規(guī)律可分成三種基本類型:系統(tǒng)誤差、隨機(jī)誤差和粗大誤差。(1)粗大誤差由于測量不

15、正確等原因引起的數(shù)值上大大超出正常條件下預(yù)計誤差限的誤差，稱為粗大誤差。它明顯偏離了真值，也稱過失誤差。粗大誤差主要是由于測量人員工作上的疏忽、經(jīng)驗不足、過度疲勞以及電子測量儀器等受到突然而強(qiáng)大的干擾所引起的誤差。一個正確的測量，不應(yīng)包含粗大誤差，所以在進(jìn)行誤差分析時，發(fā)現(xiàn)主要分析系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差，并應(yīng)剔除粗大誤差。上一頁 下一頁 返回1. 3 測量誤差及其分類(2)系統(tǒng)誤差在同一條件下，多次測量同一量值時，誤差的絕對值和符號保持恒定，或者當(dāng)條件改變時，其值按某一確定的規(guī)律變化的誤差，稱為系統(tǒng)誤差，又稱裝置誤差。所謂規(guī)律，是指這種誤差可以歸結(jié)為某一個因素或某幾個因素的函數(shù)，這種函數(shù)一般可用解

16、析公式、曲線或數(shù)表來表示。系統(tǒng)誤差按其出現(xiàn)的規(guī)律又可分為恒值系統(tǒng)誤差和變值系統(tǒng)誤差。恒值系統(tǒng)誤差(又稱定值系統(tǒng)誤差)，指在相同測量條件下，多次測量同一量值時，其大小和方向均不變的誤差。變值系統(tǒng)誤差(又稱變動系統(tǒng)誤差)，指在相同測量條件下，多次測量同一量值時，其大小和方向按一定規(guī)律變化的誤差。上一頁 下一頁 返回1. 3 測量誤差及其分類從理論上講，系統(tǒng)誤差是可以消除的，特別是對恒值系統(tǒng)誤差，易于發(fā)現(xiàn)并能夠消除或減小。但在實際測量中，系統(tǒng)誤差不一定能完全消除，且消除系統(tǒng)誤差也沒有統(tǒng)一的方法，特別是對變值系統(tǒng)誤差。 (3)隨機(jī)誤差所謂隨機(jī)誤差，又稱偶然誤差，是指在相同條件下多次測量同一量值時，絕對

17、值和符號以不可預(yù)定的方式變化著的誤差。在單次測量中，隨機(jī)誤差出現(xiàn)是無規(guī)律可循的。但若進(jìn)行多次重復(fù)測量時，隨機(jī)誤差服從統(tǒng)計規(guī)律，如圖1-3所示，因此常用概率論和統(tǒng)計原理對它進(jìn)行處理。隨機(jī)誤差主要是由一些隨機(jī)因素所引起的。上一頁 下一頁 返回1. 3 測量誤差及其分類隨機(jī)誤差具有以下四個基本特性:絕對值相等的正、負(fù)誤差出現(xiàn)的次數(shù)大致相等，即對稱性;絕對值小的誤差比絕對值大的誤差出現(xiàn)的次數(shù)多，即單峰性(又稱集中性);在一定條件下，誤差的絕對值不會超過一定界限，即有界性;當(dāng)測量次數(shù)N無限增加時，隨機(jī)誤差的算術(shù)平均值趨于零，即抵償性。根據(jù)以上的數(shù)理統(tǒng)計概率理論可知，當(dāng)存在隨機(jī)誤差的情況時，是有辦法得到測

18、量值的近似結(jié)果的。系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差也不是絕對的，它們在一定條件下可以互相轉(zhuǎn)化。上一頁 下一頁 返回1. 3 測量誤差及其分類2.根據(jù)測量誤差表示的方法分類根據(jù)測量誤差表示的方法不同，分為絕對誤差和相對誤差兩類。(1)絕對誤差絕對誤差是指測量值與真值之間的差值，表示為對于同等大小的測量值，測量結(jié)果的絕對誤差越小，說明其測量精度越高。而對于不同大小的測量值，不能只憑絕對誤差來評定其測量的精確度。上一頁 下一頁 返回1. 3 測量誤差及其分類相對誤差是指絕對誤差與被測真值之間的比值，通常用百分比的形式表示，一般多取正值。相對誤差可表示為:實際相對誤差。用絕對誤差與被測量的真值的百分比表示為示值相對

19、誤差。用絕對誤差與被測量的百分比表示為滿度相對誤差。用絕對誤差與儀器滿度值的百分比表示為上一頁 下一頁 返回1. 3 測量誤差及其分類根據(jù)準(zhǔn)確度等級及量程范圍，可以推算出該儀表可能出現(xiàn)的最大絕對誤差。準(zhǔn)確度等級S規(guī)定取一系列標(biāo)準(zhǔn)值。我國模擬儀表有下列匕種等級:0.1, 0.2, 0.5,根據(jù)1. 0、1.5, 2.5, 5.0。它們分別表示對應(yīng)儀表的滿度相對誤差所不應(yīng)超過的百分比。從儀表面板上的標(biāo)識可以判斷出儀表的等級。儀表的準(zhǔn)確度習(xí)慣上稱為精度，準(zhǔn)確度等級習(xí)慣上稱為精度等級。根據(jù)儀表的等級可以確定測量的滿度相對誤差和最大絕對誤差。在正常工作條件下，可以認(rèn)為儀表的最大絕對誤差是不變的，而示值相

20、對誤差隨示值的減小而增大。上一頁 下一頁 返回1. 3 測量誤差及其分類3.根據(jù)被測量是否隨時間變化分類根據(jù)被測量是否隨時間變化，可分為靜態(tài)誤差和動態(tài)誤差兩類。(1)靜態(tài)誤差靜態(tài)誤差是指在被測量不隨時間變化時所得的誤差。(2)動態(tài)誤差當(dāng)被測量隨時間迅速變化時，系統(tǒng)的輸出量在時間上不能與被測量的變化精確吻合，這種誤差稱為動態(tài)誤差。比如，用放大器放大正弦信號，由于放大器的頻響及電壓上升率偏低，造成高頻段的放大倍數(shù)小于低頻段，這樣的誤差就是屬于動態(tài)誤差。上一頁 下一頁 返回1. 3 測量誤差及其分類1.3.3測量過程中的相關(guān)數(shù)據(jù)處理在實際測量過程中，得到的測量數(shù)據(jù)中通常含有系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差，有時還

21、會含有粗大誤差。由于這些誤差的性質(zhì)不同，對測量結(jié)果的影響及其處理方法也不同。通常，在測量中對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理時，首先，應(yīng)判斷測量數(shù)據(jù)中是否含有粗大誤差，如果含有粗大誤差，應(yīng)加以剔除。其次，再判斷數(shù)據(jù)中是否含有系統(tǒng)誤差，如有應(yīng)設(shè)法消除或加以修正。排除了系統(tǒng)誤差和粗大誤差的測量數(shù)據(jù)后，再利用隨機(jī)誤差性質(zhì)對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。總之，根據(jù)不同情況得到測量數(shù)據(jù)，應(yīng)該具體問題具體分析研究，判斷情況，分別處理，再經(jīng)過綜合整理便可得到被測信號真實變化的測量結(jié)果。上一頁 返回1. 4 傳感器及其基本特性1. 4. 1傳感器的定義及組成1.傳感器從廣義上講，傳感器就是能夠感覺外界信息，并能按一定規(guī)律將這些信息轉(zhuǎn)換成

22、可用的輸出信號的器件或裝置。這一概念包含了下面三方面的含義: 傳感器是一種能夠完成提取外界信息任務(wù)的裝置 傳感器的輸入量通常指非電量，如物理量、化學(xué)量、生物量等;而輸出量是便于傳輸、轉(zhuǎn)換、處理、顯示等的物理量，主要是電量信號。例如，電容傳感器的輸入量可以是力、壓力、位移、速度等非電量信號，輸出則是電壓信號 傳感器的輸出量與輸入量之間精確地保持一定規(guī)律。下一頁 返回1. 4 傳感器及其基本特性2.傳感器的組成傳感器一般由敏感元件、傳感元件和測量轉(zhuǎn)換電路三部分組成，如圖1 -4所示。(1)敏感元件敏感元件是傳感器中能直接感受被測量的部分，即直接感受被測量，并輸出與被測量成確定關(guān)系的某一物理量。(2

23、)傳感元件傳感元件是傳感器中將敏感元件輸出量轉(zhuǎn)換為適于傳輸和測量的電信號部分。上一頁 下一頁 返回1. 4 傳感器及其基本特性(3)測量轉(zhuǎn)換電路測量轉(zhuǎn)換電路將電量參數(shù)轉(zhuǎn)換成便于測量的電壓、電流、頻率等電量信號。應(yīng)該注意，并不是所有的傳感器都有敏感元件和傳感元件之分，有些傳感器是將二者合二為一的。圖1 -5為一臺測量壓力用的電位器式壓力傳感器結(jié)構(gòu)簡圖。當(dāng)被側(cè)壓力P增大時，彈簧管撐直，通過齒條帶動齒輪轉(zhuǎn)動，從而帶動電位器的電刷產(chǎn)生角位移。電位器電阻的變化量反映了被測壓力P值的變化。在這個傳感器中，彈簧管為敏感元件，它將壓力轉(zhuǎn)換為角位移。上一頁 下一頁 返回1. 4 傳感器及其基本特性電位器為傳感元

24、件，它將角位移轉(zhuǎn)換為電參量-電阻的變化。當(dāng)電位器的兩端加上電源后，電位器就組成分壓比電路，它的輸出量是與壓力成一定關(guān)系的電壓。因此在這個例子中，電位器又屬于分壓比式測量轉(zhuǎn)換電路。1.4.2傳感器的分類傳感器千差萬別，種類繁多，分類方法也不盡相同，常用的分類方法有下面幾種。1.按被測物理量分類按被測物理量，可分為溫度、壓力、流量、物位、位移、加速度、磁場、光通量等傳感器這種分類方法明確表明了傳感器的用途，便于使用者選用，如壓力傳感器用于測量壓力信號。上一頁 下一頁 返回1. 4 傳感器及其基本特性2.按傳感器工作原理分類按工作原理，可分為電阻傳感器、熱敏傳感器、光敏傳感器、電容傳感器、自感傳感器

25、、磁電傳感器等，這種方法表明了傳感器的工作原理，有利于傳感器的設(shè)計和應(yīng)用。表1 -2列出了這種分類方法中各類型傳感器的名稱及典型應(yīng)用。3.按傳感器轉(zhuǎn)換能量供給形式分類按轉(zhuǎn)換能量供給形式，分為能量變換型(發(fā)電型)和能量控制型(參量型)兩種。能量變換型傳感器在進(jìn)行信號轉(zhuǎn)換時不需另外提供能量，就可將輸入信號能量變換為另一種形式能量輸出，如熱電偶傳感器、壓電式傳感器等;能量控制型傳感器工作時必須有外加電源，如電阻、電感、電容、霍爾式傳感器等。上一頁 下一頁 返回1. 4 傳感器及其基本特性4.按傳感器工作機(jī)理分類按工作機(jī)理，可分為結(jié)構(gòu)型傳感器和物性型傳感器。結(jié)構(gòu)型傳感器是指被測量變化時引起了傳感器結(jié)構(gòu)

26、發(fā)生改變，從而引起輸出電量變化。例如，電容式壓力傳感器就屬于這種傳感器，外加壓力變化時，電容極板發(fā)生位移，結(jié)構(gòu)改變引起電容值變化，輸出電壓也發(fā)生變化。物性型傳感器是利用物質(zhì)的物理或化學(xué)特性隨被測參數(shù)變化的原理構(gòu)成，一般沒有可動結(jié)構(gòu)部分，易小型化，如各種半導(dǎo)體傳感器。習(xí)慣上常把工作原理和用途結(jié)合起來命名傳感器，如電容式壓力傳感器、電感式位移傳感器等。上一頁 下一頁 返回1. 4 傳感器及其基本特性1.4.3傳感器的基本特性傳感器的基本特性是指傳感器的輸出與輸人之間的關(guān)系。由于傳感器測量的參數(shù)一般有兩種形式:一種是不隨時間的變化而變化(或變化極其緩慢)的穩(wěn)態(tài)信號;另一種是隨時間的變化而變化的動態(tài)信

27、號。因此傳感器的基本特性分為靜態(tài)特性和動態(tài)特性。傳感器的靜態(tài)特性與指標(biāo)如下:傳感器的靜態(tài)特性是指傳感器輸入信號處于穩(wěn)定狀態(tài)時，其輸出與輸入之間呈現(xiàn)的關(guān)系。表示為上一頁 下一頁 返回1. 4 傳感器及其基本特性衡量靜態(tài)特性的主要指標(biāo)有精確度、穩(wěn)定性、靈敏度、線性度、遲滯和可靠性等1.精確度精確度是反映測量系統(tǒng)中系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差的綜合評定指標(biāo)。與精確度有關(guān)的指標(biāo)有精密度、準(zhǔn)確度和精確度 精密度說明測量系統(tǒng)指示值的分散程度。精密度反映了隨機(jī)誤差的大小，精密度高則隨機(jī)誤差小。 準(zhǔn)確度說明測量系統(tǒng)的輸出值偏離真值的程度。準(zhǔn)確度是系統(tǒng)誤差大小的標(biāo)志，準(zhǔn)確度高則系統(tǒng)誤差小。 精確度是準(zhǔn)確度與精密度兩者的總

28、和，常用儀表的基本誤差表示。精確度高表示精密度和準(zhǔn)確度都高。上一頁 下一頁 返回1. 4 傳感器及其基本特性2.穩(wěn)定性傳感器的穩(wěn)定性常用穩(wěn)定度和影響系數(shù)表示。穩(wěn)定度是指在規(guī)定工作條件范圍和規(guī)定時間內(nèi)，傳感器性能保持不變的能力。傳感器在工作時，內(nèi)部隨機(jī)變動的因素很多，例如發(fā)生周期性變動、漂移或機(jī)械部分的摩擦等都會引起輸出值的變化。穩(wěn)定度一般用重復(fù)性的數(shù)值和觀測時間的長短表示。影響系數(shù)是指由于外界環(huán)境變化引起傳感器輸出值變化的量。一般傳感器都有給定的標(biāo)準(zhǔn)工作條件。而實際工作時的條件通常會偏離標(biāo)準(zhǔn)工作條件，這時傳感器的輸出也會發(fā)生變化。影響系數(shù)常用輸出值的變化量與影響量變化量的比值表示。上一頁 下一

29、頁 返回1. 4 傳感器及其基本特性3.靈敏度靈敏度是指傳感器在穩(wěn)態(tài)下輸出變化量與輸入變化量的比值，即顯然靈敏度表示靜態(tài)特性曲線上相應(yīng)點(diǎn)的斜率。對線性傳感器，靈敏度為一個常數(shù);對于非線性傳感器，靈敏度則為一個變量，隨著輸入量的變化而變化，靈敏度的定義如圖1-7所示。靈敏度的量綱取決于傳感器輸人、輸出信號的量綱。所謂分辨力，是指數(shù)字式儀表最后一位數(shù)字所代表的值。一般地，分辨力數(shù)值小于儀表的最大絕對誤差。上一頁 下一頁 返回1. 4 傳感器及其基本特性4.線性度線性度又稱非線性誤差，是指傳感器實際特性曲線與其理論擬合直線之間的最大偏差與傳感器滿量程輸出的百分比，即 理論擬合直線選取方法不同，線性度

30、的數(shù)值就不同。圖1-8所示為傳感器線性度示意圖。圖中的擬合直線是一條將傳感器的零點(diǎn)與對應(yīng)于最大輸入量的最大輸出值點(diǎn)(滿量程點(diǎn))連接起來的直線，這條直線叫端基直線，由此得到的線性度稱為端基線性度。上一頁 下一頁 返回1. 4 傳感器及其基本特性理論擬合直線選取方法不同，線性度的數(shù)值就不同。圖1-8所示為傳感器線性度示意圖。圖中的擬合直線是一條將傳感器的零點(diǎn)與對應(yīng)于最大輸入量的最大輸出值點(diǎn)(滿量程點(diǎn))連接起來的直線，這條直線叫端基直線，由此得到的線性度稱為端基線性度。 5.遲滯遲滯是指傳感器在正(輸入量增大)、反(輸入量減小)行程中輸出曲線不重合的現(xiàn)象，如圖1-9所示。遲滯用正、反行程輸出值間的最

31、大差值與滿量程輸出的百分比表示，即上一頁 下一頁 返回1. 4 傳感器及其基本特性6.可靠性可靠性是指傳感器或檢測系統(tǒng)在規(guī)定的工作條件和規(guī)定的時間內(nèi)，具有正常工作性能的能力。它是一種綜合性的質(zhì)量指標(biāo)，包括可靠度、平均無故障工作時間(MTBF )、平均修復(fù)時間(MTTR)和失效率。 可靠度即傳感器在規(guī)定的使用條件和工作周期內(nèi)，達(dá)到所規(guī)定性能的概率。 平均無故障工作時間(MTBF)是指相鄰兩次故障期間傳感器正常工作時間的平均值。 平均修復(fù)時間(MTTR)是指排除故障所花費(fèi)時間的平均值上一頁 下一頁 返回1. 4 傳感器及其基本特性 失效率是指在規(guī)定的條件下工作到某個時刻，檢測系統(tǒng)在連續(xù)單位時間內(nèi)發(fā)

32、生失效的概率。對可修復(fù)性的產(chǎn)品，又叫故障率。1.4.4傳感器技術(shù)的發(fā)展趨勢傳感器技術(shù)發(fā)展趨勢之一是開發(fā)新材料、新工藝和新型傳感器;其二是實現(xiàn)傳感器的多功能、高精度、集成化和智能化。1.新材料的開發(fā)、應(yīng)用半導(dǎo)體材料在敏感技術(shù)中占有較大的技術(shù)優(yōu)勢，半導(dǎo)體傳感器不僅靈敏度高，響應(yīng)速度快，體積小、質(zhì)量輕，且便于實現(xiàn)集成化，在今后的一個時期，仍占有主要地位。以一定化學(xué)成分組成、經(jīng)過成型及燒結(jié)的功能陶瓷材料，其最大的特點(diǎn)是耐熱性，在敏感技術(shù)發(fā)展中具有很大的潛力。上一頁 下一頁 返回1. 4 傳感器及其基本特性此外，采用功能金屬、功能有機(jī)聚合物、非晶態(tài)材料、固體材料、薄膜材料等，都可進(jìn)一步提高傳感器的產(chǎn)品質(zhì)

33、量及降低生產(chǎn)成本。 2.新工藝、新技術(shù)的應(yīng)用將半導(dǎo)體的精密細(xì)微加工技術(shù)應(yīng)用在傳感器的制造中，可極大地提高傳感器的性能指標(biāo)，并為傳感器的集成化、超小型化提供了技術(shù)支撐。3.利用新的效應(yīng)開發(fā)新型傳感器隨著人們對自然的認(rèn)識深化，會不斷發(fā)現(xiàn)一些新的物理效應(yīng)、化學(xué)效應(yīng)、生物效應(yīng)等。利用這些新的效應(yīng)可開發(fā)出相應(yīng)的新型傳感器，從而為提高傳感器性能和拓展傳感器的應(yīng)用范圍提供新的可能。上一頁 下一頁 返回1. 4 傳感器及其基本特性4.傳感器的集成化利用集成加工技術(shù)，將敏感元件、測量電路、放大電路、補(bǔ)償電路、運(yùn)算電路等制作在同一芯片上，從而使傳感器具有質(zhì)量輕、生產(chǎn)自動化程度高、制造成本低、穩(wěn)定性和可靠性高、電路

34、設(shè)計簡單、安裝調(diào)試時間短等優(yōu)點(diǎn)。5.傳感器的多維化一般的傳感器只限于對某一點(diǎn)物理量的測量，而利用電子掃描方法，把多個傳感器單元做在一起，就可以研究一維、二維以至三維空間的測量問題，甚至向包含時間系的四維空間發(fā)展。X射線的CT就是多維傳感器的實例。上一頁 下一頁 返回1. 4 傳感器及其基本特性6.傳感器的多功能化一般一個傳感器只能測量一種參數(shù)，但在許多應(yīng)用領(lǐng)域中，為了能夠完美而準(zhǔn)確地反映客觀事物和環(huán)境，往往需要同時測量大量的參數(shù)。多功能化則意味著一個傳感器具有多種參數(shù)的檢測功能，如可以將一個溫度探測器和一個濕度探測器配置在一起制成一種新的傳感器同時測量溫度和濕度等。從實用的角度考慮，在多功能傳

35、感器中應(yīng)用較多的是各種類型的多功能觸覺傳感器，如人造皮膚觸覺傳感器就是其一。據(jù)悉，美國MERRITT公司研制開發(fā)的無觸點(diǎn)皮膚敏感系統(tǒng)獲得了較大成功。7.傳感器的智能化上一頁 下一頁 返回1. 4 傳感器及其基本特性智能化傳感器將數(shù)據(jù)的采集、存儲、處理等一體化，顯然，它自身必須帶有微型計算機(jī)，從而還具備自診斷、遠(yuǎn)距離通信、自動調(diào)節(jié)零點(diǎn)和量程等功能?；谀：碚摰男滦椭悄芑瘋鞲衅骱蜕窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在智能化傳感器系統(tǒng)和發(fā)展的重要作用，也日益受到了相關(guān)研究人員的極大重視以上所介紹的傳感器“三新四化”的發(fā)展趨勢是相互交叉、滲透和相輔相成的。事實上，這遠(yuǎn)不能完全描繪傳感器的前景。雖然傳感器只是一個小小的裝置，

36、但它涉及的學(xué)科非常廣泛，如物理、化學(xué)、生物、醫(yī)學(xué)、電子、材料、工藝等。相信在任何一個領(lǐng)域中研究的深入，都會對傳感器的發(fā)展起到推進(jìn)作用。這里只是傳感器目前的一些主流發(fā)展方向而已。上一頁 返回圖1-1自動檢測系統(tǒng)原理框圖返回圖1-2 工業(yè)檢測控制系統(tǒng)返回圖1-3 正態(tài)分布規(guī)律返回圖1-4 傳感器組成框圖返回圖1-5 電位器式壓力傳感器返回圖1-7 靈敏度的定義返回圖1-8 傳感器線性度示意圖返回圖1-9 傳感器遲滯示意圖返回表1-2傳感器分類表返回續(xù)表1-2傳感器分類表返回第2章 電阻式傳感器2. 1 電位器式傳感器2. 2 電阻應(yīng)變式傳感器2. 3 測溫?zé)犭娮鑲鞲衅?. 4 氣敏電阻、濕敏電阻傳

37、感器第2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轉(zhuǎn)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。電阻式傳感器與相應(yīng)的測量電路組成的測力、測壓、稱重、測位移、測加速度、測扭矩、測溫度等測試系統(tǒng)，目前已成為生產(chǎn)過程檢測以及實現(xiàn)生產(chǎn)自動化不可缺少的手段之一。返回2. 1 電位器式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)電位器式傳感器具有一系列優(yōu)點(diǎn)，如結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小、質(zhì)量輕、

38、精度高、輸出信號大、性能穩(wěn)定并容易實現(xiàn)任意函數(shù)。其缺點(diǎn)是要求輸入能量大，電刷與電阻元件之間容易磨損。電位器的種類很多，按其結(jié)構(gòu)形式不同，可分為線繞式、薄膜式、光電式等;按特性不同，可分為線性電位器和非線性電位器。目前常用的以單圈線繞電位器居多。下一頁 返回2. 1 電位器式傳感器2.1.1繞線電位器式電阻傳感器工作原理繞線電位器式電阻傳感器的工作原理，可用圖2-1來說明。圖中U是電位器作電壓，R是電位器電阻，RL是負(fù)載電阻(例如表頭的內(nèi)阻RX是對應(yīng)于電位器滑臂移動到某位置時的電阻值，U0是負(fù)載兩端的電壓，即電阻傳感器的輸出電壓。被測量的變化通過機(jī)械結(jié)構(gòu)，使電位器的滑臂產(chǎn)生相應(yīng)的位移，改變了電路

39、的電阻值，引起輸出電壓的改變，從而達(dá)到測量被測量的目的。在均勻繞制的線性電位器(單位長度上的電阻是常數(shù))中，設(shè)m=R/ RL ，x= RX /R，有：上一頁 下一頁 返回2. 1 電位器式傳感器2.1.2繞線電位器式電阻傳感器結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)及應(yīng)用范圍常見的繞線電位器式電阻傳感器有直線位移型、角位移型等，如圖2 -2所示。由圖可知，繞線電位器式電阻傳感器由骨架、繞在骨架上的電阻絲及在電阻絲上移動的滑動觸點(diǎn)(電刷)組成，調(diào)節(jié)滑動觸點(diǎn)位置可將被測位移等變換為電阻變化。圖2 -2 ( b)為角位移型繞線電位器式電阻傳感器，其電阻阻值隨轉(zhuǎn)角變化。圖2-2(c)是一種非線性繞線電位器式傳感器。當(dāng)被測量與變阻器

40、觸點(diǎn)位移形成某種函數(shù)關(guān)系，若要獲得與被測量呈線性關(guān)系的輸出，則要應(yīng)用這種非線性的繞線電位器式傳感器。這種傳感器的骨架形狀需根據(jù)所要求的輸出函數(shù)確定。上一頁 下一頁 返回2. 1 電位器式傳感器繞線電位器式傳感器結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定，使用方便。因受電阻絲直徑的限制，分辨力很難優(yōu)于20 m。觸點(diǎn)和電阻絲接觸表面磨損、塵埃附著等將使觸點(diǎn)移動中的接觸電阻發(fā)生不規(guī)則的變化，產(chǎn)生噪聲。光電電位器是一種非接觸式電位器，克服了上述幾種普通電位器的共同缺點(diǎn)。它的工作原理是利用可移動的窄光束照射在其內(nèi)部的光電導(dǎo)層和導(dǎo)電電極之間的間隙上時，使光電導(dǎo)層下面沉積的電阻帶和導(dǎo)電電極接通，于是隨著光束位置不同而改變電阻值。它

41、分辨力高，可靠性好，阻值范圍寬，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，輸出電流小，輸出阻抗較高。上一頁 下一頁 返回2. 1 電位器式傳感器繞線電位器式電阻傳感器在多數(shù)情況下均采用直流電源，但有時因測量電路的需要也采用交流電源，此時需要考慮由于集膚效應(yīng)而使繞線的交流電阻大于直流電阻的變化。 普通繞線電位器式電阻傳感器結(jié)構(gòu)簡單，價格便宜，輸出功率大，一般情況下可直接接指示儀表，簡化了測量電路。但由于分辨力有限，所以一般精度不高。另外動態(tài)響應(yīng)差，不適宜測量快速變化量。通?？捎糜跍y量壓力、位移、加速度等。2.1.3繞線電位器式壓力傳感器的應(yīng)用繞線電位器式壓力傳感器是利用彈性元件(如彈簧管、膜片或膜盒)把被測的壓力變換為彈性元

42、件的位移，并使此位移變?yōu)殡娝⒂|點(diǎn)的移動。從而引起輸出電壓或電流相應(yīng)的變化。上一頁 下一頁 返回2. 1 電位器式傳感器圖2 -4為YCD-150型遠(yuǎn)程壓力表原理圖。它是由一個彈簧管和繞線電位器組成的壓力傳感器。繞線電位器固定在殼體上，而電刷與彈簧管的傳動機(jī)構(gòu)相連接。當(dāng)被測壓力變化時，彈簧管的自由端移動，通過傳動機(jī)構(gòu)，一面帶動壓力表指針轉(zhuǎn)動，一面帶動電刷在線繞電位器上滑動，從而將被測壓力值轉(zhuǎn)換為電阻變化，因而輸出一與被測壓力成正比的電壓信號。圖2 -5所示為另一種繞線電位器式壓力傳感器的工作原理。彈性敏感元件膜盒的內(nèi)腔，通入被測流體壓力，在此壓力作用下，膜盒硬中心產(chǎn)生位移，推動連桿上移，使曲柄軸

43、帶動電刷在電位器電阻絲上滑動，同樣輸出一與被測壓力成正比的電壓信號。上一頁 返回2. 2 電阻應(yīng)變式傳感器電阻應(yīng)變式傳感器是利用導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料的應(yīng)變效應(yīng)制成的一種測量器件，用于測量微小的機(jī)械變化量，在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度實驗中，它是測量應(yīng)變的最主要手段，也是目前測量應(yīng)力、應(yīng)變、力矩、壓力、加速度等物理量應(yīng)用最廣泛的傳感器之一。電阻應(yīng)變式傳感器主要由電阻應(yīng)變片及測量轉(zhuǎn)換電路等組成。用應(yīng)變片測量應(yīng)變時，將應(yīng)變片粘貼在試件表面。當(dāng)試件受力變形后，應(yīng)變片上的電阻也隨之變形，從而使應(yīng)變片電阻值發(fā)生變化，通過測量轉(zhuǎn)換電路最終轉(zhuǎn)換成電壓或電流的變化。下一頁 返回2. 2 電阻應(yīng)變式傳感器電阻應(yīng)變式傳感器的主要優(yōu)點(diǎn)是:

44、 電阻變化率與應(yīng)變可保持很好的線性關(guān)系; 尺寸小，質(zhì)量輕，因此在測量時對試件的工作狀態(tài)及應(yīng)力分布影響很小; 測量范圍廣，一般可測12微應(yīng)變到數(shù)千微應(yīng)變; 頻率響應(yīng)好，一般電阻應(yīng)變式傳感器的響應(yīng)時間為10 -7，半導(dǎo)體應(yīng)變式傳感器可達(dá)10-11，所以可進(jìn)行幾十赫茲甚至上百赫茲的動態(tài)測量; 采用適當(dāng)措施后，可在一些惡劣環(huán)境下正常工作，如可從真空狀態(tài)到數(shù)千大氣壓;可從接近絕對零度到1 000 ;也可在有強(qiáng)烈振動、強(qiáng)磁場、化學(xué)腐蝕及放射性的場合工作。上一頁 下一頁 返回2. 2 電阻應(yīng)變式傳感器其缺點(diǎn)是在大應(yīng)變狀態(tài)下，具有較大的非線性，輸出信號較小，故抗干擾問題突出等。2. 2. 1應(yīng)變片的工作原理導(dǎo)

45、體或半導(dǎo)體材料在外界作用下(如壓力等)，會產(chǎn)生機(jī)械變形，其電阻值也將隨著發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為應(yīng)變效應(yīng)。如圖2-6所示，以金屬絲應(yīng)變片為例分析這種應(yīng)變效應(yīng)。金屬絲應(yīng)變片的電阻R可用下式表示為如果對整條金屬絲長度方向作用均勻力時，由于l, A, 的變化而會引起電阻的變化。上一頁 下一頁 返回2. 2 電阻應(yīng)變式傳感器實驗證明，電阻絲及應(yīng)變片的電阻相對變化量與材料力學(xué)中的軸向應(yīng)變的關(guān)系在很大范圍內(nèi)是線性的，即對金屬材料而言，當(dāng)它受力之后所產(chǎn)生的軸向應(yīng)變最好不要大于1 10 -3,即0.000001 N m/m,否則有可能超過材料的極限強(qiáng)度而導(dǎo)致斷裂。如果應(yīng)變片的靈敏度K和試件的橫截面積A以及彈性模

46、量E均為已知，則只要設(shè)法測出R/R的數(shù)值，即可獲知試件受力F的大小。上一頁 下一頁 返回2. 2 電阻應(yīng)變式傳感器2. 2. 2電阻應(yīng)變片的種類與粘貼1.應(yīng)變片的類型常用的應(yīng)變片有兩大類:一類是金屬電阻應(yīng)變片，另一類是半導(dǎo)體應(yīng)變片。(1)金屬電阻應(yīng)變片金屬電阻應(yīng)變片有絲式應(yīng)變片和箔式應(yīng)變片等。它是用一根金屬細(xì)絲按圖示形狀彎曲后用膠鉆劑貼于襯底(用紙或有機(jī)聚合物薄膜等材料制成)，電阻絲兩端焊有引出線，電阻絲直徑為0. 0120. 050 mm。箔式應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)如圖2 -7所示。上一頁 下一頁 返回2. 2 電阻應(yīng)變式傳感器它是用光刻、腐蝕等工藝方法制成的一種很薄的金屬箔柵，箔的厚度一般在0. 0

47、030. 010 mm，它的優(yōu)點(diǎn)是表面積和截面積之比大，散熱條件好，故允許通過較大的電流，并可做成任意形狀，便于大量生產(chǎn)。由于上述一系列優(yōu)點(diǎn)，所以使用范圍日益廣泛，有逐漸取代絲式應(yīng)變片的趨勢。(2)半導(dǎo)體應(yīng)變片半導(dǎo)體應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)如圖2-8所示。它的使用方法與電阻絲式相同，即粘貼在被測物上，隨被測物的應(yīng)變，其電阻發(fā)生相應(yīng)變化。上一頁 下一頁 返回2. 2 電阻應(yīng)變式傳感器半導(dǎo)體應(yīng)變片的工作原理是基于半導(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，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。半導(dǎo)體應(yīng)變片的主要優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高(靈敏度比金屬絲式、箔式大幾十倍)，主要缺點(diǎn)是靈敏度的一致性差、

48、溫漂大，電阻與應(yīng)變間非線性嚴(yán)重。在使用時，需采用溫度補(bǔ)償及非線性補(bǔ)償措施。2.應(yīng)變片的粘貼應(yīng)變片的粘貼是應(yīng)變測量的關(guān)鍵之一，它涉及被測表面的變形能否正確地傳遞給應(yīng)變片。粘貼所用的鉆合劑必須與應(yīng)變片材料和試件材料相適應(yīng)，并要遵循正確的粘貼工藝。現(xiàn)將粘貼工藝簡述如下:上一頁 下一頁 返回2. 2 電阻應(yīng)變式傳感器(1)試件的表面處理為了保證一定的鉆合強(qiáng)度，必須將試件表面處理干凈，清除雜質(zhì)、油污及表面氧化層等。粘貼表面應(yīng)保持平整，表面光滑，最好在表面打光后，采用噴砂處理，面積約為應(yīng)變片的35倍。(2)確定貼片位置在應(yīng)變片上標(biāo)出敏感柵的縱、橫向中心線，在試件上按照測量要求畫出中心線。精密的可以用光學(xué)投

49、影方法來確定貼片位置。(3)粘貼首先用甲苯、四氫化碳等溶劑清洗試件表面。上一頁 下一頁 返回2. 2 電阻應(yīng)變式傳感器如果條件允許，也可采用超聲清洗。應(yīng)變片的底面也要用溶劑清洗干凈，然后在試件表面和應(yīng)變片的底面各涂一層薄而均勻的膠水等。貼片后，在應(yīng)變片上蓋上一張聚乙烯塑料薄膜并加壓，將多余的膠水和氣泡排出。加壓時要注意防止應(yīng)變片錯位。 (4)固化貼好后，根據(jù)所使用的鉆合劑的固化工藝要求進(jìn)行固化處理和時效處理。(5)粘貼質(zhì)量檢查檢查粘貼位置是否正確，粘合層是否有氣泡和漏貼，敏感柵是否有短路或斷路現(xiàn)象，以及敏感柵的絕緣性能等。上一頁 下一頁 返回2. 2 電阻應(yīng)變式傳感器(6)引線的焊接與防護(hù)檢查

50、合格后即可焊接引出線。引出導(dǎo)線要用柔軟、不易老化的膠合物適當(dāng)?shù)丶右怨潭?，以防止?dǎo)線擺動時折斷應(yīng)變片的引線。然后在應(yīng)變片上涂一層柔軟的防護(hù)層，以防止大氣對應(yīng)變片的侵蝕，保證應(yīng)變片長期工作的穩(wěn)定性。2. 2. 3測量電路用于檢測應(yīng)變片電阻變化的電橋電路，通常有直流電橋和交流電橋兩種。下面介紹直流電橋電路的工作原理。1.平衡條件直流電橋的最簡單形式如圖2 -9所示。上一頁 下一頁 返回2. 2 電阻應(yīng)變式傳感器在a與c之間接直流電源Ui，另一對角線b與d之間為輸出電壓UO。為了使電橋在測量前的輸出電壓為零，應(yīng)該選擇四個橋臂電阻，使R1R3=R2R4，這就是電橋平衡條件。2.工作原理當(dāng)每個橋臂電阻變化

51、值遠(yuǎn)小于其本身的初始值R1=R3=R2=R4 ，電橋輸出端的負(fù)載電阻為無限大，且為全等臂形式工作，即 (初始值)時，電橋輸出電壓可用下式近似表示(誤差小于5 %)為：上一頁 下一頁 返回2. 2 電阻應(yīng)變式傳感器由于R/R=Kx，當(dāng)各橋臂應(yīng)變片的靈敏度K都相同時有根據(jù)不同的要求，應(yīng)變電橋有不同的工作方式:(1)單臂半橋工作方式即R1為應(yīng)變片，其余各臂為固定電阻，則上一頁 下一頁 返回2. 2 電阻應(yīng)變式傳感器(2)雙臂半橋工作方式即R1, R2為應(yīng)變片，R3 , R4為固定電阻，則(3)全橋工作方式即電橋的四個橋臂都為應(yīng)變片。上述三種工作方式中，全橋四臂工作方式的靈敏度最高，單臂半橋工作方式的

52、靈敏度最低在實際應(yīng)用時，應(yīng)盡量采用雙臂半橋或全橋的工作方式，這不僅是因為這兩種工作方式的靈敏度較高，還因為它們都具有實現(xiàn)溫度自補(bǔ)償?shù)墓δ?。上一?下一頁 返回2. 2 電阻應(yīng)變式傳感器實際使用中，R1R4不可能嚴(yán)格成比例關(guān)系，所以即使在未受力時，橋路的輸出也不一定為零，因此必須設(shè)置調(diào)零電路。2. 2. 4電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用下面介紹應(yīng)用于壓力測量的電阻應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式壓力傳感器，它是把壓力轉(zhuǎn)換成電阻值的變化來進(jìn)行測量的?，F(xiàn)以國產(chǎn)BPR -2型壓力變送器為例講述其原理，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2-12所示。 在圖2-12(a)中，應(yīng)變筒的上端與外殼1固定在一起，下邊與密封膜片2緊密接觸，兩片康銅絲應(yīng)

53、變片R1和R2用特殊鉆合劑貼在應(yīng)變筒的外壁上。上一頁 下一頁 返回2. 2 電阻應(yīng)變式傳感器R1沿應(yīng)變筒的軸向粘貼，作為測量片，R1沿徑向粘貼，作為溫度補(bǔ)償片。當(dāng)被測壓力P作用于膜片而使應(yīng)變筒作軸向受壓變形時，沿軸向貼放的應(yīng)變片R1也將產(chǎn)生軸向壓縮應(yīng)變1于是R，的阻值變小，而沿徑向貼放的應(yīng)變片R1。由于受到橫向壓縮，將引起縱向拉伸應(yīng)變2，于是R1阻值變大。但由于2比1小，故實際上R1的減少量將比R2的增量大。應(yīng)變片2，R2與另外兩個固定電阻R3和R4組成橋式電路，如圖2-12(b)所示，由于R1和R2的阻值變化使橋路失去平衡，從而獲得不平衡電壓作為傳感器的輸出信號。上一頁 下一頁 返回2. 2

54、 電阻應(yīng)變式傳感器測量范圍:01 MPa, 015 MPa及025 MPa電源電壓:10 V最大輸出:5 mV非線性及滯后誤差小于士1 %。電阻應(yīng)變式傳感器主要用于變化比較快的壓力測量，輸出可與電動單元組合儀表或計算機(jī)接口。上一頁 返回2. 3 測溫?zé)犭娮鑲鞲衅鳒y量溫度的傳感器很多，常用的有熱電偶、PN結(jié)測溫集成電路、紅外輻射溫度計等。熱電阻傳感器主要用于測量溫度及與溫度有關(guān)的參量。在工業(yè)上，它被廣泛用來測量- 200+960的溫度。熱電阻按性質(zhì)不同，可分為金屬熱電阻和半導(dǎo)體熱電阻兩類。前者仍稱為熱電阻，而后者的靈敏度比前者高十幾倍以上，又稱為熱敏電阻。2. 3. 1熱電阻1.常用熱電阻下一頁

55、 返回2. 3 測溫?zé)犭娮鑲鞲衅髟诮饘僦?，載流子為自由電子，當(dāng)溫度升高時，雖然自由電子數(shù)目基本不變(當(dāng)溫度變化范圍不是很大時)，但每個自由電子的動能將增加，因而在一定的電場作用下，要使這些雜亂無章的電子做定向運(yùn)動就會遇到更大的阻力，導(dǎo)致金屬電阻值隨溫度的升高而增加。熱電阻主要是利用電阻隨溫度升高而增大這一特性來測量溫度的。 (1)鉑熱電阻鉑材料的優(yōu)點(diǎn)是:物理、化學(xué)性能極為穩(wěn)定，尤其是耐氧化能力很強(qiáng)，并且在很寬的溫度范圍內(nèi)(1 200以下)均可保持上述特性;易于提純，復(fù)制性好，有良好的工藝性，可以制成極細(xì)的鉑絲或極薄的鉑箔;電阻率較高。缺點(diǎn)是:電阻溫度系數(shù)較小;在還原介質(zhì)中工作時易被污染而變脆;

56、價格較高。上一頁 下一頁 返回2. 3 測溫?zé)犭娮鑲鞲衅?鉑熱電阻的阻值與溫度的關(guān)系近似線性，其特性方程為:(2)銅熱電阻鉑金屬貴重，因此在一些測量精度要求不高且溫度較低的場合，普遍地采用銅熱電阻來測量-50+150的溫度。銅熱電阻有以下特點(diǎn):上一頁 下一頁 返回2. 3 測溫?zé)犭娮鑲鞲衅?在上述使用的溫度范圍內(nèi)，阻值與溫度的關(guān)系幾乎呈線性關(guān)系，即可近似表示為電阻溫度系數(shù)比鉑高，而電阻率則比鉑低。容易提純，加工性能好，可拉成細(xì)絲，價格便宜易氧化，不宜在腐蝕性介質(zhì)或高溫下工作。表2 -2列出了熱電阻的主要技術(shù)性能。上一頁 下一頁 返回2. 3 測溫?zé)犭娮鑲鞲衅?.熱電阻的結(jié)構(gòu)和類型按其結(jié)構(gòu)類型來

57、分，熱電阻有普通型、愷裝型、薄膜型等。普通型熱電阻由感溫元件金屬電阻絲)、支架、引線、保護(hù)套管及接線盒等基本部分組成。為避免電感分量，熱電阻絲常采用雙線并繞，制成無感電阻。(1)感溫元件(金屬電阻絲)由于鉑的電阻率較大，而且相對機(jī)械強(qiáng)度較大，通常鉑絲的直徑在(0. 03-0. 07 ) 0. 005mm?？蓡螌永@制，若鉑絲太細(xì)，電阻體可做得小，但強(qiáng)度低;若鉑絲粗，雖強(qiáng)度大，但電阻體積大了，熱惰性也大，成本高。上一頁 下一頁 返回2. 3 測溫?zé)犭娮鑲鞲衅?由于銅的機(jī)械強(qiáng)度較低，電阻絲的直徑需較大，一般為(0. 1 0. 005 ) mm的漆包銅線或絲包線分層繞在骨架上，并涂上絕緣漆而成。由于銅

58、電阻的溫度低，故可以重疊多層繞制，一般多用雙繞法，即兩根絲平行繞制，在末端把兩個頭焊接起來，這樣工作電流從一根熱電阻絲進(jìn)入，從另一根熱電阻絲反向出來，形成兩個電流方向相反的線圈，其磁場方向相反，產(chǎn)生的電感就互相抵消，故又稱無感繞法。這種雙繞法也有利于引線的引出。 (2)骨架熱電阻是繞制在骨架上的，骨架是用來支持和固定電阻絲的。骨架應(yīng)使用電絕緣性能好，高溫下機(jī)械強(qiáng)度高，體膨脹系數(shù)小，物理化學(xué)性能穩(wěn)定，對熱電阻絲無污染的材料制造。上一頁 下一頁 返回2. 3 測溫?zé)犭娮鑲鞲衅?3)引線引線的直徑應(yīng)當(dāng)比熱電阻絲大幾倍，盡量減少引線的電阻，增加引線的機(jī)械強(qiáng)度和連接的可靠性，對于工業(yè)用的鉑熱電阻，一般采

59、用1 mm的銀絲作為引線;對于標(biāo)準(zhǔn)的鉑熱電阻則可采用0. 3 mm的鉑絲作為引線;對于銅熱電阻則常用0. 5 mm的銅線。在骨架上繞制好熱電阻絲，并焊好引線之后，在其外面加上云母片進(jìn)行保護(hù)，再裝入外保護(hù)套管，并和接線盒或外部導(dǎo)線相連接，即得到熱電阻傳感器。目前還研制生產(chǎn)了薄膜型熱電阻，如圖2-18所示。上一頁 下一頁 返回2. 3 測溫?zé)犭娮鑲鞲衅魉抢谜婵斟兡しɑ蚝凉{印刷燒結(jié)法使金屬薄膜附著在耐高溫基底上。其尺寸可以小到幾平方毫米，可將其粘貼在被測高溫物體上，測量局部溫度，具有熱容量小、反應(yīng)快的特點(diǎn)。3.熱電阻測溫線路熱電阻傳感器的測量轉(zhuǎn)換電路常用類似于電阻應(yīng)變片所使用的電橋電路，由于工業(yè)

60、用熱電阻安裝在生產(chǎn)現(xiàn)場，離控制室較遠(yuǎn)，因此熱電阻的引線對測量結(jié)果有較大影響。為了減小或消除引線電阻的影響，目前，熱電阻兩線的連接方式經(jīng)常采用三線制和四線制，如圖2-19所示。同時，為了減小環(huán)境電場、磁場的干擾，最好采用屏蔽線，并將屏蔽線的金屬網(wǎng)狀屏蔽層接大地。上一頁 下一頁 返回2. 3 測溫?zé)犭娮鑲鞲衅?1)三線制在電阻體的一端連接兩根引線，另一端連接一根引線，此種引線方式稱為三線制。當(dāng)熱電阻和電橋配合使用時，這種引線方式可以較好地消除引線電阻的影響，提高測量精度，所以工業(yè)熱電阻多半采取這種方法。(2)四線制在電阻體的兩端各連接兩根引線稱為四線制。這種引線方式不僅可以消除連接電阻的影響，而且