傳感器原理及實(shí)用技術(shù)電子教案

1、高等職業(yè)教育電子信息類貫通制教材(機(jī)電技術(shù)專業(yè))傳感器原理及實(shí)用技術(shù)電子教案主編 劉偉第1章 傳感器概論1.1 引言1.2 傳感器的作用、組成及分類1.3 傳感器的基本特性1.4 傳感器的發(fā)展方向小 結(jié)1.1 引言工業(yè)生產(chǎn)過程現(xiàn)代化面臨的第一個(gè)問題是必須采用各種傳感器來檢測、監(jiān)視和控制各種靜、動(dòng)態(tài)參數(shù)，使設(shè)備或系統(tǒng)能正常運(yùn)行并處于最佳狀態(tài)，從而保證生產(chǎn)的高效率、高質(zhì)量；因此進(jìn)行信息采集的傳感器技術(shù)是重要的基礎(chǔ)，此后才有后期的信息分析、處理、加工和控制等技術(shù)問題。 近30年來快速發(fā)展的IC技術(shù)與電子計(jì)算機(jī)技術(shù)，為傳感器的高速發(fā)展提供了非常良好與可靠的科學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)，同時(shí)也提出了更高的要求。所以，在

2、近20年中，世界各國都將傳感器技術(shù)列為尖端技術(shù)，尤其是在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的美、英、德、俄、日等國，對(duì)傳感器及其技術(shù)的發(fā)展更是倍加重視。現(xiàn)代信息技術(shù)的三大基礎(chǔ)是信息的采集、傳輸和處理技術(shù)（即傳感器技術(shù)）、通信技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)，這些技術(shù)分別構(gòu)成了信息技術(shù)系統(tǒng)的“感官”、“神經(jīng)”和“大腦”。嚴(yán)格地說，傳感器（Sensor）是一種接收或激勵(lì)被測信號(hào)，并以電信號(hào)作為輸出的器件；而換能器（Transducer）則是將一種類型的能量轉(zhuǎn)換成另一種類型的能量的轉(zhuǎn)換器。在實(shí)際應(yīng)用中，這兩個(gè)術(shù)語常常混用。1.2 傳感器的作用、組成及分類1.2.1 傳感器的作用1.2.2 傳感器的組成1.2.3 傳感器分類1.2.1 傳感器

3、的作用傳感器相當(dāng)于人體的感覺器官，它能將各種非電量（如機(jī)械量、化學(xué)量、生物量及光學(xué)量等）轉(zhuǎn)換成電量，從而實(shí)現(xiàn)非電量的電測技術(shù)。在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，檢測是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的首要環(huán)節(jié)，沒有對(duì)被控對(duì)象的精確檢測，就不可能實(shí)現(xiàn)精確控制。如數(shù)控機(jī)床中的位移測量裝置是利用高精度位移傳感器（光柵傳感器或感應(yīng)同步器）進(jìn)行位移測量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)零部件的精密加工。 在工業(yè)生產(chǎn)中，傳感器的大量使用，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)的自動(dòng)化或半自動(dòng)化，大大地減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了產(chǎn)品的質(zhì)量，降低了產(chǎn)品成本。在家用電器和醫(yī)療衛(wèi)生方面，新穎的、智能化傳感器不斷涌現(xiàn)，使人們的生活越來越輕松舒適?？偠灾?，在信息技術(shù)不斷發(fā)展的今天，傳感器將會(huì)在信息

4、的采集和處理過程中發(fā)揮出巨大的作用。1.2.2 傳感器的組成 傳感器一般由兩個(gè)基本元件組成：敏感元件與轉(zhuǎn)換元件。 在完成非電量到電量的變換過程中，并非所有的非電量參數(shù)都能一次直接變換為電量，往往是先變換成一種易于變換成電量的非電量（如位移、應(yīng)變等），然后，再通過適當(dāng)?shù)姆椒ㄗ儞Q成電量，所以，把能夠完成預(yù)變換的器件稱為敏感元件。在傳感器中，建立在力學(xué)結(jié)構(gòu)分析上的各種類型的彈性元件（如梁、板等）稱為敏感元件，統(tǒng)稱為彈性敏感元件。而轉(zhuǎn)換元件是能將感覺到的被測非電量參數(shù)轉(zhuǎn)換為電量的器件，如應(yīng)變計(jì)、壓電晶體、熱電偶等。轉(zhuǎn)換元件是傳感器的核心部分，是利用各種物理、化學(xué)、生物效應(yīng)等原理制成的。新的物理、化學(xué)、

5、生物效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)，常被用到新型傳感器上，使其品種與功能日益增多，應(yīng)用領(lǐng)域更加廣闊。應(yīng)該指出的是，并不是所有的傳感器都包括敏感元件與轉(zhuǎn)換元件，有一部分傳感器不需要起預(yù)變換作用的敏感元件，如熱敏電阻、光電器件等。1.2.3 傳感器分類轉(zhuǎn)換元件的物理特性的內(nèi)在規(guī)律，即它所依據(jù)的物理、化學(xué)、生物效應(yīng)是設(shè)計(jì)傳感器的理論基礎(chǔ)。按不同的方法對(duì)傳感器進(jìn)行分類，將有助于從總體上認(rèn)識(shí)和掌握傳感器的原理、性能與應(yīng)用。 1. 根據(jù)被測量分類傳感器根據(jù)被測量分為加速度傳感器、速度傳感器、位移傳感器、壓力傳感器、負(fù)荷傳感器、扭矩傳感器、溫度傳感器等。 2. 依據(jù)傳感器的工作原理分類這種分類方法以傳感器的工作原理為依據(jù)，分為

6、電阻應(yīng)變式、壓電式、電容式、渦流式、動(dòng)圈式、電磁式、差動(dòng)變壓器式等。 3. 按照能量的傳遞方式分類從能量觀點(diǎn)看，所有的傳感器可分為有源傳感器與無源傳感器兩大類。 4. 根據(jù)輸出信號(hào)的性質(zhì)分類根據(jù)傳感器輸出信號(hào)性質(zhì)傳感器分為模擬傳感器與數(shù)字傳感器兩大類。 1.3 傳感器的基本特性1.3.1傳感器的靜態(tài)特性參數(shù)1.3.2 傳感器的動(dòng)態(tài)特性1.3.1傳感器的靜態(tài)特性參數(shù)1 測量范圍和量程測量范圍是在允許誤差限內(nèi)被測量值的范圍。 2 靈敏度 傳感器的靈敏度是指傳感器在穩(wěn)態(tài)時(shí)，輸出量的變化量與輸入量變化量的比值，用S表示。 3 線性度 在穩(wěn)態(tài)條件下，傳感器的實(shí)際輸入、輸出特性曲線與理想直線之間的不吻合程

7、度稱為線性度（或非線性誤差）。 4 不重復(fù)性 不重復(fù)性是指在相同條件下，傳感器的輸入量按同一方向作全量程多次重復(fù)測量，輸出曲線的不一致程度。 5 遲滯 遲滯現(xiàn)象是傳感器正向特性曲線（輸入量增大）和反向特性曲線（輸入量減?。┑牟灰恢鲁潭?。6 精確度 精確度也稱為精度，它是線性度、不重復(fù)性及遲滯三項(xiàng)指標(biāo)的綜合指數(shù)，反映了系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差的綜合指標(biāo)。 7 零點(diǎn)時(shí)間漂移 傳感器在恒定溫度環(huán)境中，當(dāng)輸入信號(hào)不變或?yàn)榱銜r(shí)，輸出信號(hào)隨時(shí)間變化的特性，稱為傳感器零點(diǎn)時(shí)間漂移，簡稱為零漂。 8 零點(diǎn)溫度漂移 當(dāng)輸入信號(hào)不變或?yàn)榱銜r(shí)，傳感器的輸出信號(hào)隨溫度變化的特性，稱為傳感器零點(diǎn)溫度漂移，簡稱為溫漂。 1.3

8、.2 傳感器的動(dòng)態(tài)特性1 響應(yīng)速度 響應(yīng)速度是反映傳感器動(dòng)態(tài)特性的一項(xiàng)重要參數(shù)，是傳感器在階躍信號(hào)作用下的輸出特性，主要包括上升時(shí)間、峰值時(shí)間及響應(yīng)時(shí)間等。它反映了傳感器的穩(wěn)定輸出信號(hào)（在規(guī)定誤差范圍內(nèi)）隨輸入信號(hào)變化的快慢。2 頻率響應(yīng) 頻率響應(yīng)是指傳感器的輸出特性曲線與輸入信號(hào)的頻率之間的關(guān)系，包括幅頻特性和相頻特性。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)輸入信號(hào)的頻率范圍來確定適合的傳感器。1.4 傳感器的發(fā)展方向1. 使用新技術(shù)、新材料的傳感器 傳感器工作的基本原理是建立在人們不斷探索與發(fā)現(xiàn)各種新的物理現(xiàn)象、化學(xué)效應(yīng)和生物效應(yīng)以及具有特殊物理、化學(xué)特性的功能材料的基礎(chǔ)上的。因而，發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象、反應(yīng)、材料，

9、研制新特性、功能的材料是現(xiàn)代傳感器的重要基礎(chǔ)，其意義也極為深遠(yuǎn)。2.集成傳感器集成傳感器是新型傳感器重要發(fā)展方向之一。微加工技術(shù)可將敏感元件、測量電路、放大器及溫度補(bǔ)償元件等集成在一個(gè)芯片上，這樣不僅具有體積小、重量輕、可靠性高、響應(yīng)速度快、穩(wěn)定等特點(diǎn)，而且便于批量生產(chǎn)，成本較低。3. 智能傳感器（1）自補(bǔ)償功能。 （2）自診斷功能。 （3）自校正功能。 （4）數(shù)據(jù)自動(dòng)存儲(chǔ)、分析、處理與傳輸。（5）微處理器、微機(jī)和基本傳感器之間具有雙向通信功能，構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)工作系統(tǒng)。小 結(jié)非電量電測技術(shù)已經(jīng)成為各個(gè)領(lǐng)域，特別是自動(dòng)測量和自動(dòng)控制系統(tǒng)中必不可少的組成部分，使非電量電測技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)的傳感器技術(shù)無疑

10、是這些系統(tǒng)的關(guān)鍵。傳感器是根據(jù)物理、化學(xué)、生物的某些效應(yīng)或原理研制出來的。某一原理設(shè)計(jì)的傳感器可以測量多種參量，某一參量也可以用不同的傳感器測量。因此，傳感器可以按不同的方法分類?？梢园幢粶y量分，也可按工作原理分，這些分類方法各有所長。在實(shí)際應(yīng)用中，傳感器的命名通常用工作原理與被測量合成命名，如擴(kuò)散硅壓力傳感器。傳感器的特性有靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性之分，靜態(tài)特性主要有線性度、靈敏度、不重復(fù)性、溫漂及零漂等；動(dòng)態(tài)特性主要考慮它的幅頻特性和相頻特性，通常只給出響應(yīng)時(shí)間。 第2章 應(yīng)變式電阻傳感器2.1 彈性敏感元件2.2 應(yīng)變式電阻傳感器原理及測量電路2.3 應(yīng)變式電阻傳感器的使用注意事項(xiàng)2.4 應(yīng)變

11、式電阻荷重傳感器2.5 應(yīng)變式電阻加速度傳感器2.6 擴(kuò)散硅壓力傳感器小 結(jié)2.1 彈性敏感元件2.1.1 彈性敏感元件的特性參數(shù)2.1.2 彈性敏感元件的分類2.1.1 彈性敏感元件的特性參數(shù) 剛度 剛度是彈性敏感元件在外力作用下變形大小的量度，一般用表示，即式中，為作用在彈性敏感元件上的外力； 為彈性敏感元件的變形量。靈敏度 靈敏度是指彈性敏感元件在單位力的作用下產(chǎn)生變形的大小，它為剛度的倒數(shù)，用S表示。彈性滯后 彈性后效 固有頻率 2.1.2 彈性敏感元件的分類1. 變換力的彈性敏感元件變換力的彈性敏感元件大都采用等截面柱式、等截面薄板、懸臂梁及軸狀等結(jié)構(gòu)。 2. 變換壓力的彈性敏感元件

12、彈簧管彈性敏感元件 波紋管彈性敏感元件 薄壁圓筒彈性敏感元件 2.2 應(yīng)變式電阻傳感器原理及測量電路2.2.1 電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)及工作原理2.2.2 測量電路2.2.1 電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)及工作原理應(yīng)變效應(yīng) 導(dǎo)體或半導(dǎo)體在受到外力作用變形時(shí)，其電阻值也將隨之變化，這種現(xiàn)象稱為“應(yīng)變效應(yīng)”。 設(shè)有一金屬導(dǎo)體，長度為，截面積為，電阻率為，則該導(dǎo)體的電阻為：2.2.2 測量電路在應(yīng)變式電阻傳感器中最常用的轉(zhuǎn)換電路是橋式電路。按電源的性質(zhì)不同，橋式電路可分為交流電橋和直流電橋兩類。在大多數(shù)情況下，采用的是直流電橋電路。 UiUOR1R4R2R31. 雙臂半橋形式電橋電路 2. 單臂半橋形式電橋電路 3.

13、全橋式電橋電路2.3應(yīng)變式電阻傳感器的使用注意事項(xiàng)2.3.1 應(yīng)變片的粘貼2.3.2 實(shí)際應(yīng)用中電橋的調(diào)零電路2.3.3 傳感器的溫度補(bǔ)償2.3.1 應(yīng)變片的粘貼（1）黏合劑種類的選用 （2）試件的表面處理 （3）貼片位置的確定 （4）應(yīng)變片的粘貼 （5）固化 （6）粘貼質(zhì)量的檢查 （7）引線的焊接與防護(hù) 2.3.2 實(shí)際應(yīng)用中電橋的調(diào)零電路即使是相同型號(hào)的電阻應(yīng)變片，其阻值也有細(xì)小的差別，因此在測量前，電橋的四個(gè)橋臂電阻不完全相等，橋路可能不平衡（即有電壓輸出），這必然會(huì)造成測量誤差。針對(duì)這種情況，在應(yīng)變式電阻傳感器的實(shí)際應(yīng)用中，總是采用在原基本電路之上加調(diào)零電路，盡量減小測量誤差。 2.3

14、.3 傳感器的溫度補(bǔ)償在應(yīng)變式電阻傳感器的實(shí)際應(yīng)用中，如果不采取一些措施，溫度變化對(duì)傳感器輸出值的影響比較大，將產(chǎn)生較大的測量誤差。減小、消除這種誤差，或?qū)λM(jìn)行修正，以求出僅由應(yīng)變引起的電橋輸出的措施，稱為溫度補(bǔ)償。在應(yīng)變式電阻傳感器中常采用橋路自補(bǔ)償法。當(dāng)橋路是雙臂半橋或全橋形式時(shí)，電橋相鄰兩臂的電阻隨溫度變化的幅度和方向均相同，相互抵消，從而達(dá)到橋路溫度自補(bǔ)償?shù)哪康?。這種補(bǔ)償方式就稱為橋路自補(bǔ)償法。2.4 應(yīng)變式電阻荷重傳感器2.4.1 應(yīng)變式電阻荷重傳感器2.4.2 電阻應(yīng)變式荷重傳感器在電子衡器中的應(yīng)用2.4.1 應(yīng)變式電阻荷重傳感器的工作原理應(yīng)變式電阻荷重傳感器是一種用于測力和稱重

15、等方面的傳感器。 鋼制圓筒在受到沿軸向的擠壓力時(shí)，會(huì)產(chǎn)生軸向壓應(yīng)變和徑向拉應(yīng)變。 實(shí)際應(yīng)用中，荷重傳感器的銘牌上均標(biāo)出靈敏度，以及滿量程，并把荷重傳感器的靈敏度定義為 2.4.2 電阻應(yīng)變式荷重傳感器在電子衡器中的應(yīng)用傳感器在電子秤中的應(yīng)用荷重傳感器在電子汽車秤中的應(yīng)用 傳感器在動(dòng)態(tài)電子汽車秤中的應(yīng)用2.5 應(yīng)變式電阻加速度傳感器由牛頓第二定律可知，物體的加速度與其質(zhì)量的乘積就是作用在物體上的力F。因此要檢測物體的加速度，可以通過測量其所受的力來獲得。應(yīng)變式電阻加速度傳感器就是利用這個(gè)原理來測量物體的加速度的。2.6 擴(kuò)散硅壓力傳感器半導(dǎo)體受力時(shí)，其電阻率會(huì)隨應(yīng)力的變化而變化，這種現(xiàn)象稱做壓阻

16、效應(yīng)。壓阻式傳感器就是利用半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)和集成電路工藝制成的傳感器。由于它的核心部分是一塊方形的單晶硅膜片，并在硅膜片上擴(kuò)散出由四個(gè)阻值相等的電阻組成的惠斯登電橋，因此這種傳感器也被稱為擴(kuò)散硅型傳感器。小 結(jié)應(yīng)變式電阻傳感器的工作原理為電阻應(yīng)變效應(yīng)，金屬電阻應(yīng)變片主要是由于導(dǎo)體的長度和半徑發(fā)生改變而引起電阻變化，半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片是由于其電阻率發(fā)生變化而引起電阻變化（即壓阻效應(yīng)）。應(yīng)變式電阻傳感器采用橋式測量轉(zhuǎn)換電路，一般采用全橋形式，其輸出電壓為：全橋形式具有溫度自補(bǔ)償功能。應(yīng)變式電阻傳感器廣泛應(yīng)用在力、加速度等有關(guān)物理量的測量中；擴(kuò)散硅壓力傳感器應(yīng)用在測量氣體和液位的壓力中。第3章電感式傳

17、感器3.1 自感式電感傳感器及其應(yīng)用3.2 差動(dòng)變壓器及其應(yīng)用3.3 電渦流式傳感器及其應(yīng)用小 結(jié)3.1 自感式電感傳感器及其應(yīng)用3.1.1 自感式傳感器工作原理3.1.2 自感式電感傳感器的測量電路3.1.3 自感式電感傳感器的應(yīng)用3.1.1 自感式傳感器工作原理自感式電感傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖如圖3.1所示，它主要由線圈、鐵心和銜鐵三部分組成。 1. 變氣隙式電感傳感器變氣隙式電感傳感器結(jié)構(gòu)原理如圖3.1（a）所示。根據(jù)電磁學(xué)知識(shí)，線圈電感為由于變氣隙式電感傳感器的氣隙通常較小，可以認(rèn)為氣隙間磁場是均勻的，磁路是封閉的，因此可忽略磁路損失?？偞抛铻樗?，電感線圈的電感量為電感線圈結(jié)構(gòu)確定后，電

18、感與面積成正比，與氣隙長度成反比。這樣，只要被測量能引起面積和氣隙的變化，都可用電感傳感器進(jìn)行測量。其靈敏度為 為提高靈敏度并保證一定的線性度，變隙式傳感器只能工作在很小的區(qū)域，因而只能用于微小位移的測量。2. 變截面式電感傳感器3. 螺管式結(jié)構(gòu)電感傳感器4. 差動(dòng)電感傳感器上述三種傳感器，由于線圈中有交流勵(lì)磁電流，因而銜鐵始終承受電磁吸力，而且易受電源電壓、頻率波動(dòng)以及溫度變化等外界干擾的影響，輸出易產(chǎn)生誤差，非線性也較嚴(yán)重，因此不適合精密測量。在實(shí)際工作中常采用差動(dòng)式結(jié)構(gòu)，這樣既可以提高傳感器的靈敏度，又可以減小測量誤差。3.1.2 自感式電感傳感器的測量電路自感式電感傳感器的測量轉(zhuǎn)換電路

19、通常采用電橋電路，其作用是把電感量的變化轉(zhuǎn)換為電壓或電流信號(hào)，以便送入后續(xù)放大電路進(jìn)行放大，然后由儀器指示或記錄。1.變壓器交流電橋電路 變壓器電橋電路的輸出電壓隨位移方向不同而反相180，但是由于橋路電源是交流電，所以若在轉(zhuǎn)換電路的輸出端接上普通儀表時(shí)，無法判別輸出的極性和銜鐵位移的方向。此外，當(dāng)銜鐵處于差動(dòng)電感的中間位置時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)，無論怎樣調(diào)節(jié)銜鐵的位置，均無法使測量轉(zhuǎn)換電路輸出為零，總有一個(gè)很小的輸出電壓(零點(diǎn)幾個(gè)毫伏，有時(shí)甚至可達(dá)數(shù)十毫伏)存在，這種銜鐵處于零點(diǎn)附近時(shí)存在的微小誤差電壓稱為零點(diǎn)殘余電壓。產(chǎn)生零點(diǎn)殘余電壓的具體原因有： 差動(dòng)電感兩個(gè)線圈的電氣參數(shù)、幾何尺寸或磁路參數(shù)不完

20、全對(duì)稱； 存在寄生參數(shù)，如線圈間的寄生電容及線圈、引線與外殼間的分布電容； 電源電壓含有高次諧波； 磁路的磁化曲線存在非線性。減小零點(diǎn)殘余電壓的方法通常有： 提高框架和線圈的對(duì)稱性； 減小電源中的諧波成分； 正確選擇磁路材料，同時(shí)適當(dāng)減小線圈的勵(lì)磁電流，使銜鐵工作在磁化曲線的線性區(qū)； 在線圈上并聯(lián)阻容移相電路，補(bǔ)償相位誤差； 采用相敏檢波電路。2. 相敏檢波電路為使相敏檢波電路可靠地工作，必須滿足兩個(gè)條件 3.1.3 自感式電感傳感器的應(yīng)用自感式電感傳感器的應(yīng)用很廣泛，它不僅可直接用于測量位移，還可以用于測量振動(dòng)、應(yīng)變、厚度、壓力、流量、液位等非電量。下面是自感式傳感器應(yīng)用的一些實(shí)例。1. 壓

21、力測量2. 位移測量3. 自感式測厚儀4. 電感傳感器在仿形機(jī)床中的應(yīng)用3.2 差動(dòng)變壓器及其應(yīng)用3.2.1 差動(dòng)變壓器的工作原理和結(jié)構(gòu)形式3.2.2 差動(dòng)變壓器的測量電路3.2.3 差動(dòng)變壓器的應(yīng)用3.2.1 差動(dòng)變壓器的工作原理和結(jié)構(gòu)形式1. 工作原理互感式電感傳感器本身相當(dāng)于一個(gè)變壓器，當(dāng)一次線圈接入電源后，二次線圈就將產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，當(dāng)互感變化時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢也相應(yīng)變化。差動(dòng)變壓器像自感傳感器一樣，也有變氣隙式、變面積式和螺管式三種類型，目前應(yīng)用最廣泛的是螺管式差動(dòng)變壓器。2. 結(jié)構(gòu)形式3.2.2 差動(dòng)變壓器的測量電路差動(dòng)變壓器的輸出電壓是交流分量，若用交流電壓表測量，既不能反映銜鐵移動(dòng)

22、的極性，又不能解決零點(diǎn)殘余電壓問題，為此，常采用差動(dòng)相敏檢波電路和差動(dòng)整流電路。差動(dòng)相敏檢波電路2. 差動(dòng)整流電路差動(dòng)整流電路是差動(dòng)變壓器常用的測量電路，把差動(dòng)變壓器兩個(gè)輸出線圈的側(cè)電壓分別整流后，以它們的差作為輸出，這樣側(cè)電壓上的零點(diǎn)殘余電壓就不會(huì)影響測量結(jié)果。 3.2.3 差動(dòng)變壓器的應(yīng)用1. 差動(dòng)變壓器壓力傳感器2. 差動(dòng)變壓器式加速度傳感器3. 差動(dòng)變壓器式力傳感器. 差動(dòng)變壓器式線性位移傳感器 3.3 電渦流式傳感器及其應(yīng)用3.3.1 電渦流式傳感器工作原理和結(jié)構(gòu)形式3.3.2 電渦流式傳感器的測量電路3.3.3 電渦流式傳感器的應(yīng)用3.3.1 電渦流式傳感器工作原理和結(jié)構(gòu)形式1.

23、工作原理2. 結(jié)構(gòu)形式 電渦流式傳感器主要由框架和安置在框架上的線圈組成，目前使用比較普遍的是矩形截面的扁平線圈。線圈的導(dǎo)線應(yīng)選用電阻率小的材料，一般選用高強(qiáng)度漆包線。對(duì)線圈框架要求用損耗小，電性能好、熱膨脹系數(shù)小的材料，一般可選用聚四氟乙烯、高頻陶瓷、環(huán)氧玻璃纖維等。在選擇線圈與框架端面膠接材料時(shí)，一般可以選用粘貼應(yīng)變片用的膠水。3.3.2 電渦流式傳感器的測量電路根據(jù)電渦流式傳感器的工作原理可知，該傳感器可以把傳感器線圈與被測金屬導(dǎo)體之間的位移x變化，轉(zhuǎn)換為線圈的等效電感、等效電阻、等效阻抗的變化。測量電路的任務(wù)是將這些變化量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電流或電壓變化，供儀表顯示。電渦流式傳感器常用的測量

24、電路有電橋電路、諧振電路等幾種。1. 電橋測量電路2. 諧振測量電路（1）調(diào)幅電路（2）調(diào)頻電路 3.3.3 電渦流式傳感器的應(yīng)用 電渦流式傳感器由于結(jié)構(gòu)簡單，又可以實(shí)現(xiàn)非接觸測量，所以應(yīng)用非常廣泛，下面就幾種典型應(yīng)用作一簡單介紹。1. 位移檢測2. 轉(zhuǎn)速檢測3. 厚度檢測4. 表面溫度測量5. 電渦流式接近開關(guān)小 結(jié)本章主要介紹了電感式傳感器的分類、工作原理及在實(shí)際檢測中的應(yīng)用。電感式傳感器是根據(jù)電磁感應(yīng)原理，將被測非電量的變化轉(zhuǎn)換成線圈的電感（或互感）變化來實(shí)現(xiàn)非電量測量的。利用電感式傳感器能對(duì)位移、壓力、振動(dòng)、應(yīng)變、流量等參數(shù)進(jìn)行測量，它具有結(jié)構(gòu)簡單、分辨力及測量精度高等一系列優(yōu)點(diǎn)，因此

25、在工業(yè)自動(dòng)化測量技術(shù)中得到廣泛的應(yīng)用。它的主要缺點(diǎn)是響應(yīng)較慢，不宜于快速動(dòng)態(tài)測量。此類傳感器的分辨力與測量范圍有關(guān)，測量范圍大，分辨力低，反之則高。電感式傳感器按轉(zhuǎn)換原理的不同分為自感式（電感式）和互感式（差動(dòng)變壓器式）兩大類，因?yàn)殡姕u流也是一種電磁感應(yīng)現(xiàn)象，所以也將電渦流傳感器列入本章。自感式傳感器和差動(dòng)變壓器主要用于位移測量，以及能轉(zhuǎn)換成位移變化的參數(shù)測量，如力、壓力、加速度、振動(dòng)等。電渦流式傳感器由于結(jié)構(gòu)簡單，又可實(shí)現(xiàn)非接觸測量，因此不僅用于位移、厚度、流體壓力、液位、轉(zhuǎn)速測量和渦流探傷，還可以做成接近開關(guān)，以及用于金屬零件的計(jì)數(shù)，用途十分廣泛。第4章 電容式傳感器4.1電容式傳感器的工

26、作原理與結(jié)構(gòu)形式4.2 電容傳感器的測量電路4.3 電容式傳感器的應(yīng)用小 結(jié)4.1電容式傳感器的工作原理與結(jié)構(gòu)形式4.1.1電容傳感器的工作原理4.1.2 電容式傳感器的結(jié)構(gòu)形式4.1.1電容傳感器的工作原理電容式傳感器的工作原理可以用平板電容器來說明。平板電容器是由兩個(gè)金屬極板、中間夾一層電介質(zhì)構(gòu)成。當(dāng)忽略邊緣效應(yīng)時(shí)，其電容器的電容量為 電容傳感器分為三種類型：變極距型、變面積型、變介電常數(shù)型。 4.1.2 電容式傳感器的結(jié)構(gòu)形式1. 變極距型電容傳感器2. 變面積型傳感器3. 變介電常數(shù)型傳感器由于各種介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)不同，如果在電容器兩極板間插入不同介質(zhì)，電容器的電容量就會(huì)不同，利用這

27、種原理制作的電容傳感器稱為變介電常數(shù)型電容傳感器，常被用來測量液體的液位和材料的厚度。4.2 電容傳感器的測量電路4.2.1 橋式電路4.2.2 調(diào)頻電路4.2.3 脈沖寬度調(diào)制電路4.2.1 橋式電路電橋輸出電壓為4.2.2 調(diào)頻電路調(diào)頻電路是將電容式傳感器作為LC振蕩器諧振回路的一部分，或作為晶體振蕩器中的石英晶體的負(fù)載電容，其原理如圖4.7所示。當(dāng)電容傳感器工作時(shí)，被測量導(dǎo)致電容量發(fā)生變化，使振蕩器的頻率發(fā)生相應(yīng)的改變，這樣就實(shí)現(xiàn)了C/F的變換，故稱為調(diào)頻電路。調(diào)頻振蕩器的頻率由下式?jīng)Q定 4.2.3 脈沖寬度調(diào)制電路脈沖寬度調(diào)制電路是利用傳感器電容的充放電使電路輸出脈沖的寬度隨電容傳感器

28、的電容量變化而變化，經(jīng)過低通濾波器濾波后得到對(duì)應(yīng)于被測量變化的直流信號(hào)。輸出電壓平均值為 4.3 電容式傳感器的應(yīng)用4.3.1 電容式壓力傳感器4.3.2 電容式加速度傳感器4.3.3 電容式料位計(jì)4.3.4 電容測厚儀 4.3.5 電容式氣體濃度儀4.3.6 電容式油量表4.3.7 電容式濕度傳感器4.3.8 電容式接近開關(guān)4.3.1 電容式壓力傳感器 圖4.10 差動(dòng)式電容差壓傳感器1：彈性平膜片（動(dòng)極）； 2：凹玻璃圓片； 3：金屬鍍層（定極）； 4：低壓側(cè)進(jìn)氣孔；5：輸出端子；6：空腔；7：過濾器；8：殼體：9高壓側(cè)進(jìn)氣孔 圖4.11 電容式進(jìn)氣壓力傳感器結(jié)構(gòu)示意圖1：氧化鋁膜片；2：

29、進(jìn)氣歧管；3、6：電極引線；4：厚膜電極；5-絕緣介質(zhì)4.3.2 電容式加速度傳感器 圖4.13 電容式加速度傳感器 1：絕緣體；2：固定電極；3：質(zhì)量塊； 4彈簧片4.3.3 電容式料位計(jì)電容式料位計(jì)是利用介質(zhì)料位變化對(duì)電容介電常數(shù)的影響這一原理制成的。利用電容傳感器可以對(duì)密封倉內(nèi)導(dǎo)電性不良的松散物質(zhì)的料位進(jìn)行檢測，并能進(jìn)行自動(dòng)控制。檢測料位時(shí)，可以用顯示燈來監(jiān)視料位的情況，如到達(dá)上限時(shí)應(yīng)停料，到達(dá)下限時(shí)應(yīng)加料等。4.3.4 電容測厚儀 電容測厚儀主要用于測量金屬帶材在軋制過程中的厚度，其工作原理如圖所示。4.3.5 電容式氣體濃度儀 圖4.16 測氣體濃度的檢測系統(tǒng)圖1：紅外燈絲；2：同步

30、電動(dòng)機(jī)；3：調(diào)制片；4：工作室；5：濾波室；6：電容器膜片；7：檢測器；8：記錄儀；9：測量和放大電路；10：電容器固定極；11-參比濾波室4.3.6 電容式油量表 圖4.17 電容式油量表示意圖1：油箱；2：圓柱形電容器；3：伺服電機(jī)；4減速器4.3.7 電容式濕度傳感器電容式濕度傳感器主要用來測量環(huán)境的相對(duì)濕度。傳感器的感濕元件是高分子薄膜式濕敏電容，其結(jié)構(gòu)如圖所示。它的兩個(gè)上電極是梳狀金屬電極，下電極是一多孔透氣性金屬電極，上下電極間是親水性高分子介質(zhì)膜，兩個(gè)梳狀上電極、高分子薄膜和下電極構(gòu)成兩個(gè)串聯(lián)的電容。當(dāng)環(huán)境相對(duì)濕度改變時(shí)，高分子薄膜通過網(wǎng)狀下電極吸收或放出水分，使高分子薄膜的介質(zhì)

31、常數(shù)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致電容量改變。4.3.8 電容式接近開關(guān)電容式接近開關(guān)是根據(jù)變極距型電容式傳感器原理設(shè)計(jì)的。它由高頻振蕩、檢波、放大、整形及輸出等部分組成。其中裝在傳感器主體上的金屬板為定板，被測物體上的相對(duì)應(yīng)位置上的金屬板相當(dāng)于動(dòng)板。工作時(shí)，當(dāng)被測物體位移后接近傳感器主體時(shí)(接近的距離范圍可通過理論計(jì)算或?qū)嶒?yàn)取得)，由于兩者之間的距離發(fā)生了變化，從而引起傳感器電容量的改變，使輸出發(fā)生變化。此外，開關(guān)的作用表面可與大地之間構(gòu)成一個(gè)電容器，參與振蕩回路的工作。當(dāng)被測物體接近開關(guān)的作用表面時(shí)，回路的電容量將發(fā)生變化，使得高頻振蕩器的振蕩減弱直至停振。振蕩器的振蕩及停振信號(hào)由電路轉(zhuǎn)換成開關(guān)信號(hào)送

32、給后續(xù)開關(guān)電路中，從而使傳感器按預(yù)先設(shè)置條件發(fā)出信號(hào)，控制檢測機(jī)電設(shè)備，使其正常工作。 小 結(jié)本章主要介紹了電容式傳感器工作原理、測量轉(zhuǎn)換電路以及在實(shí)際檢測中的應(yīng)用。當(dāng)各種被測量通過敏感元件使電容式傳感器的兩極板的極距、遮蓋面積或兩極板間介質(zhì)的介電常數(shù)發(fā)生變化時(shí)，電容量就要隨之變化，然后再經(jīng)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成電壓、電流或頻率等信號(hào)輸出，從而反映出被測量的大小。電容式傳感器由于具有精度高、零漂小、結(jié)構(gòu)簡單、功耗小、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于位移、振動(dòng)、角度、加速度、壓力、壓差、液位、料位等物理量的測量。它的非接觸測量特點(diǎn)，使它在自動(dòng)生產(chǎn)和自動(dòng)控制方面有較好的應(yīng)用前途。第 5 章 壓電式傳

33、感器5.1壓電式傳感器工作原理、結(jié)構(gòu)及測量電路5.2 壓電式加速度傳感器5.3 超聲波傳感器及其應(yīng)用小 結(jié)5.1壓電式傳感器工作原理、結(jié)構(gòu)及測量電路5.1.1 壓電式傳感器的工作原理5.1.2 壓電傳感器的測量電路5.1.1 壓電式傳感器的工作原理1. 壓電效應(yīng)科學(xué)研究中發(fā)現(xiàn)，某些電介質(zhì)在沿一定的方向受到外力作用變形時(shí)，由于內(nèi)部電荷的極化現(xiàn)象，會(huì)在其表面產(chǎn)生電荷，這種現(xiàn)象稱作壓電效應(yīng)。 2. 電致伸縮效應(yīng)壓電效應(yīng)是可逆的，當(dāng)在壓電元件上沿著電軸的方向施加電場，壓電元件將產(chǎn)生機(jī)械變形。如果外加電場的大小、方向發(fā)生變化，壓電元件的機(jī)械變形的大小也隨之相應(yīng)變化，這種現(xiàn)象稱作電致伸縮效應(yīng)。 3. 壓電

34、材料 常見的壓電材料可分為三大類：壓電晶體、壓電陶瓷與高分子壓電材料。5.1.2 壓電傳感器的測量電路1. 電壓放大器實(shí)際使用時(shí)，不能隨意更換傳感器出廠時(shí)的連接電纜，否則，會(huì)給測量帶來誤差。2. 電荷放大器 電荷放大器的輸出電壓只與反饋電容有關(guān)，而與連接電纜無關(guān)，更換連接電纜時(shí)不會(huì)影響傳感器的靈敏度，這是電荷放大器的最大優(yōu)點(diǎn)。5.2 壓電式加速度傳感器壓電式加速傳感器的結(jié)構(gòu)如圖5.4所示。在兩塊表面鍍銀的壓電片（石英晶體或壓電陶瓷）間夾一片金屬薄片，并引出輸出信號(hào)的引線。在壓電片上放置一塊質(zhì)量塊，并用硬彈簧對(duì)壓電元件施加預(yù)壓縮載荷。靜態(tài)預(yù)載荷的大小應(yīng)遠(yuǎn)大于傳感器在振動(dòng)、沖擊測試中可能承受的最大

35、動(dòng)應(yīng)力。這樣，當(dāng)傳感器向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，質(zhì)量塊產(chǎn)生的慣性力使壓電元件上的壓應(yīng)力增加；反之，當(dāng)傳感器向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，壓電元件的壓應(yīng)力減小，從而輸出與加速度成正比的電信號(hào)。5.3 超聲波傳感器及其應(yīng)用5.3.1 超聲波特性5.3.2 超聲波傳感器的應(yīng)用5.3.1 超聲波特性人們能聽到的聲音是由物體振動(dòng)產(chǎn)生的，它的頻率在20HZ20kHZ范圍內(nèi)。頻率超過20KHZ稱為超聲波，低于20HZ稱為次聲波。檢測中常用的超聲波頻率范圍為幾十kHZ到幾十MHZ。超聲波具有以下基本性質(zhì)。1. 傳播速度2. 反射和折射現(xiàn)象3. 傳播中的衰減5.3.2 超聲波傳感器的應(yīng)用1. 超聲波傳感器在液位測量中的應(yīng)用2. 超聲波探傷（1

36、） 縱波探傷（2） 橫波探傷（3） 表面波探傷液面液面超聲波探頭T BT F B探頭3. 超聲波流量測量4. 超聲波在車輛、交通信號(hào)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用F1 F2T2 T1小 結(jié) 壓電式傳感器是利用晶體的壓電效應(yīng)和電致伸縮效應(yīng)工作的。利用壓電傳感器可以測量最終能夠變換成力的物理量，如位移、加速度等。常見的壓電式傳感器有加速度傳感器，利用它可以檢測振動(dòng)的速度、加速度以及振動(dòng)的幅度。常見的壓電材料有石英晶體和人造壓電陶瓷，壓電傳感器的測量電路有電壓放大器和電荷放大器。電壓放大器的靈敏度與傳感器到放大器的連接電纜有關(guān)，所以使用場合受到限制，而電荷放大器的靈敏度只與放大器的反饋電容有關(guān)，目前廣泛使用。 利

37、用壓電元件的電致伸縮效應(yīng)可以發(fā)射超聲波，利用超聲波的特性可以實(shí)現(xiàn)遙測、遙控。它廣泛應(yīng)用于位移、液位以及液體流量的測量。第6章 霍爾傳感器6.1霍爾傳感器及其集成電路6.2霍爾傳感器的應(yīng)用小 結(jié)6.1霍爾傳感器及其集成電路6.1.1 霍爾傳感器的工作原理6.1.2 霍爾集成電路6.1.1 霍爾傳感器的工作原理1. 霍爾效應(yīng)霍爾效應(yīng)的產(chǎn)生是由于運(yùn)動(dòng)電荷受到磁場中洛倫茲力作用的結(jié)果。 2. 霍爾元件的主要技術(shù)參數(shù)（1） 輸入電阻()和輸出電阻(OUT)（2） 額定控制電流C（3） 不等位電勢（也稱為非平衡電壓或殘留電壓）0和不等位電阻0（4） 靈敏度H（5） 寄生直流電勢0D（6） 霍爾電勢溫度系數(shù)

38、（7） 電阻溫度系數(shù)6.1.2 霍爾集成電路將霍爾元件、放大器、溫度補(bǔ)償電路、輸出電路及穩(wěn)壓電源等集成在一塊芯片上，稱為霍爾集成電路，常見的有線性型和開關(guān)型兩種。1. 線性型霍爾集成傳感器在一定的控制電流條件下，線性型霍爾傳感器的輸出電壓與外加磁場強(qiáng)度呈線性關(guān)系。它有單端輸出型與雙端輸出型兩種。 2. 開關(guān)型霍爾集成傳感器 常見的霍爾開關(guān)集成電路有UGN-3000系列，其外形與UGN3501T相同，內(nèi)部由霍爾元件、放大器、整形電路及輸出電路組成，如圖6.3所示。 3.霍爾IC的分類(1）按輸出級(jí)工藝分類 BIPOLAR工藝：如EW-512、DN6851、A3172等。 CMOS工藝：如US18

39、81、US5881系列等。此種工藝先進(jìn)，功耗小，輸出級(jí)飽和壓降Vsat小，更適合數(shù)字信號(hào)處理應(yīng)用。計(jì)算機(jī)芯片就是CMOS工藝，如內(nèi)存、CPU等。 (2）按輸出級(jí)負(fù)載分類OC輸出：無內(nèi)置上拉電阻，如US1881、US5881。使用時(shí)必須要外加上拉電阻。RC輸出：內(nèi)置上拉電阻，如DN6851等。但是還是要外加上拉電阻，否則無法驅(qū)動(dòng)后面的負(fù)載。(3）按磁特性（非常重要的參數(shù)）分類單極開關(guān)型（SWITCH）：如DN6852、US5881等，它們的磁特性分別如圖所示，由于它們的BOP、BRP極性相同，所以適用于單穩(wěn)態(tài)開關(guān)、摩托車點(diǎn)火開關(guān)以及出租車計(jì)價(jià)器等。 （4）按溫度特性分類溫度特性表明了IC的可靠性

40、。民用品的可靠性低于工業(yè)品的可靠性；工業(yè)品的可靠性不如軍品的可靠性。通常軍品級(jí)的IC價(jià)位是民品級(jí)45倍。通常劃分溫度等級(jí)如下：民品級(jí) -2085，如DN6851。工業(yè)級(jí) -4025，如US1881KUA、US1881KSO。軍品級(jí) -40150，如MLX1881LUA、MLX1881LSO。6.2霍爾傳感器的應(yīng)用6.2.1 霍爾計(jì)數(shù)與霍爾轉(zhuǎn)速表6.2.2 霍爾電流、電壓傳感器6.2.3 霍爾電機(jī)與霍爾汽車無觸點(diǎn)電子點(diǎn)火器6.2.4 液位探測與報(bào)警6.2.5 位置傳感器 利用開關(guān)型霍爾集成電路可以對(duì)導(dǎo)磁性金屬產(chǎn)品計(jì)數(shù)或做轉(zhuǎn)速測量。下圖為轉(zhuǎn)速測量示意圖，霍爾元件輸出的信號(hào)經(jīng)放大、整形后送入電子計(jì)數(shù)

41、器計(jì)數(shù)并顯示，或送入計(jì)算機(jī)處理后實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。 由于通過導(dǎo)體的電流與加在導(dǎo)體兩端的電壓成正比，且在導(dǎo)體周圍產(chǎn)生的磁場與電流強(qiáng)度有關(guān)。因此，只要測量出導(dǎo)體周圍磁場強(qiáng)度的變化，就可以測出導(dǎo)體中的電流或?qū)w兩端的電壓?；魻栯娏鳌㈦妷簜鞲衅骶褪抢眠@種原理工作的。下圖為電流傳感器示意圖。利用霍爾電壓、電流傳感器可以測量常規(guī)電子儀器不宜測量的電壓或電流，并且可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測量與控制。 1. 霍爾電機(jī)2. 霍爾汽車無觸點(diǎn)電子點(diǎn)火器在容器的上部安裝上開關(guān)型霍爾集成電路，液體里放置一個(gè)安有磁極的浮子，當(dāng)容器內(nèi)液體的液位達(dá)到檢測位置時(shí)，霍爾集成電路就會(huì)輸出一個(gè)開關(guān)信號(hào)，控制其他設(shè)備的啟停。 一些數(shù)控設(shè)備，尤其是機(jī)

42、器人中，需要精確地決定移動(dòng)部件的位置。下圖霍爾IC在位置檢測中的應(yīng)用。當(dāng)安有磁極的可動(dòng)部件移動(dòng)到指定位置時(shí)，霍爾IC就會(huì)輸出控制信號(hào)。 小 結(jié) 霍爾傳感器是一種磁敏感元件，它是利用霍爾效應(yīng)工作的。霍爾效應(yīng)產(chǎn)生的霍爾電勢與通過的控制電流以及垂直與霍爾元件的磁感應(yīng)強(qiáng)度有關(guān)。利用霍爾傳感器可以測量最終能夠轉(zhuǎn)換成電流、磁感應(yīng)強(qiáng)度的物理量。由于霍爾元件的材料屬于半導(dǎo)體，所以把測量電路集成在一塊芯片上，構(gòu)成霍爾集成電路。常見的霍爾集成電路有開關(guān)型和線性型。實(shí)際應(yīng)用中，常利用霍爾集成電路測量位移、磁場強(qiáng)度、轉(zhuǎn)速以及電流、電壓。第7章 熱電式傳感器及其應(yīng)用7.1 熱電偶原理、結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用7.2 熱電阻傳感器及

43、其應(yīng)用7.3 熱敏電阻及其應(yīng)用小 結(jié)7.1 熱電偶原理、結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用7.1.1熱電偶測溫的基本原理7.1.2 熱電偶的結(jié)構(gòu)和種類7.1.3 熱電偶的冷端溫度補(bǔ)償7.1.4 熱電偶的測量線路7.1.1熱電偶測溫的基本原理1. 熱電效應(yīng)將兩種不同導(dǎo)體A、B連成閉合回路，且兩節(jié)點(diǎn)的溫度、0不同，則回路內(nèi)將有電勢產(chǎn)生，這種現(xiàn)象叫做熱電效應(yīng)，回路內(nèi)的電勢稱為熱電動(dòng)勢，簡稱熱電勢。產(chǎn)生熱電勢的主要原因：兩金屬A、B內(nèi)電子密度nA、nB不同，當(dāng)兩金屬A、B形成節(jié)點(diǎn)時(shí)，由于節(jié)點(diǎn)兩側(cè)存在電子密度差而發(fā)生電子擴(kuò)散，使一側(cè)失去電子帶正電荷，另一側(cè)得到電子帶負(fù)電荷，最終節(jié)點(diǎn)兩側(cè)形成穩(wěn)定的電動(dòng)勢。 熱電偶的熱電勢近似為

44、： 2. 熱電偶基本定律 只有由不同導(dǎo)體組成的熱電偶，其兩節(jié)點(diǎn)的溫度不同時(shí)，回路內(nèi)才有熱電勢產(chǎn)生。熱電勢的大小只與兩熱電極材料的性質(zhì)及兩節(jié)點(diǎn)的溫度有關(guān)，而與熱電極的形狀，大小無關(guān)。 中間導(dǎo)體定律：在熱電偶中插入第三種材料，只要插入材料兩端的溫度相同，對(duì)熱電偶的總熱電勢沒有影響。 中間溫度定律：熱電偶兩節(jié)點(diǎn)溫度為(t、t0)時(shí)的電動(dòng)勢等于該熱電偶在節(jié)點(diǎn)溫度為(t、tn)及(tn、t0)時(shí)的熱電勢與之和。即：7.1.2 熱電偶的結(jié)構(gòu)和種類（1）普通型熱電偶（工業(yè)裝配式熱電偶）一般由熱電極、絕緣套管、保護(hù)套管和接線盒等幾部分組成。 （2）鎧裝式熱電偶（纜式熱電偶）此種熱電偶是將熱電極、絕緣材料連同保

45、護(hù)管一起拉制成型，經(jīng)焊接密封和裝配等工藝制成的堅(jiān)實(shí)的組合體。 （3）薄膜熱電偶薄膜熱電偶是由兩種金屬薄膜連接而成的一種特殊結(jié)構(gòu)的熱電偶。它的測量端既小又薄，熱容量很小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，可用于微小面積上測量溫度，以及測量快速變化的表面溫度。（4）表面熱電偶主要用于測量各種固體表面（如金屬塊、爐壁、渦輪葉片等）的溫度。（5）浸入式熱電偶（消耗型熱電偶或快速熱電偶）主要用于測量鋼水、鋁水以及其他熔融金屬的溫度。7.1.3 熱電偶的冷端溫度補(bǔ)償由熱電偶測溫原理，熱電偶的熱電動(dòng)勢的大小不僅與測量端的溫度有關(guān)，還與冷端溫度有關(guān)。只有當(dāng)冷端溫度保持不變時(shí)，熱電勢才是測量端溫度的單值函數(shù)。熱電偶分度表及配套的顯示

46、儀表都要求冷端溫度恒定為0，否則將產(chǎn)生測量誤差。然而在實(shí)際應(yīng)用中，由于熱電偶的冷、熱端距離通常很近，冷端受熱端及環(huán)境溫度波動(dòng)的影響，溫度很難保持穩(wěn)定，保持0就更難。因此必須采取措施，消除冷端溫度波動(dòng)及冷端不為0時(shí)所產(chǎn)生的誤差，即需進(jìn)行冷端溫度補(bǔ)償。1. 補(bǔ)償導(dǎo)線當(dāng)測溫儀表與測量點(diǎn)距離較遠(yuǎn)時(shí)，為節(jié)省熱電偶的材料，通常使用補(bǔ)償導(dǎo)線。補(bǔ)償導(dǎo)線由兩種不同性質(zhì)的廉價(jià)金屬材料制成，在一定溫度范圍內(nèi)（0100），與所配接的熱電偶具有相同的熱電特性，起著延長熱電偶冷端的作用。2. 冷端溫度補(bǔ)償熱電偶的分度表和根據(jù)分度表刻度的溫度儀表，其分度都是指熱電偶冷端處在0時(shí)的電動(dòng)勢，因此在實(shí)際測量中，應(yīng)使冷端保持在0，

47、如果冷端不是0， 則需要用中間溫度定律進(jìn)行補(bǔ)償。冷端溫度補(bǔ)償?shù)姆椒ㄖ饕幸韵聨追N。計(jì)算修正法 機(jī)械零位調(diào)整法 冰浴法 冷端補(bǔ)償器法（補(bǔ)償電橋法） 補(bǔ)償熱電偶法7.1.4 熱電偶的測量線路1. 測量單點(diǎn)溫度的基本測溫線路 2. 測量兩點(diǎn)之間溫差的測溫線路 3. 測量平均溫度的測溫線路4. 測量幾點(diǎn)溫度之和的測量線路7.2 熱電阻傳感器及其應(yīng)用7.2.1 常用的熱電阻傳感器及其性能7.2.2 熱電阻傳感器的結(jié)構(gòu)形式7.2.3 熱電阻傳感器的測量線路7.2.1 常用的熱電阻傳感器及其性能熱電阻主要是利用金屬材料的阻值隨溫度升高而增大的特性來測量溫度的。溫度升高，金屬內(nèi)部原子晶格的振動(dòng)加劇，從而使金屬

48、內(nèi)部的自由電子通過金屬導(dǎo)體時(shí)的阻力增大，宏觀上表現(xiàn)出電阻率變大，總電阻值增加。熱電阻傳感器主要用于中、低溫度（200650或850）范圍的溫度測量。常用的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化熱電阻有鉑熱電阻、銅熱電阻和鎳熱電阻。1. 鉑熱電阻鉑熱電阻主要用于高精度的溫度測量和標(biāo)準(zhǔn)測溫裝置。 2. 銅熱電阻如果測量精度要求不是很高，測量溫度小于150時(shí)，可選用銅熱電阻，銅熱電阻的測量范圍是50150。 3. 鎳熱電阻鎳熱電阻的測溫范圍為100+300，它的電阻溫度系數(shù)較高，電阻率較大，但它易氧化，化學(xué)穩(wěn)定性差，不易提純，復(fù)制性差，非線性較大，因此目前應(yīng)用不多。7.2.2 熱電阻傳感器的結(jié)構(gòu)形式1. 普通熱電阻熱電阻傳感器

49、一般由測溫元件（電阻體）、保護(hù)管和接線盒三部分組成，如圖所示。 2. 鎧裝熱電阻鎧裝熱電阻由金屬保護(hù)管、絕緣材料和感溫元件組成，如上圖所示。其感溫元件用細(xì)鉑絲繞在陶瓷或玻璃骨架上制成。3. 薄膜及厚膜型鉑熱電阻薄膜及厚膜型鉑熱電阻主要用于平面物體的表面溫度和動(dòng)態(tài)溫度的檢測，也可部分代替線繞型鉑熱電阻用于測溫和控溫，其測溫范圍一般為70600。 7.2.3 熱電阻傳感器的測量線路 熱電阻傳感器的測量線路一般使用電橋。實(shí)際應(yīng)用中，熱電阻安裝在生產(chǎn)環(huán)境中，感受被測介質(zhì)的溫度變化，而測量電阻的電橋通常作為信號(hào)處理器或顯示儀表的輸入單元，隨相應(yīng)的儀表安裝在控制室。由于熱電阻很小，熱電阻與測量橋路之間的連

50、接導(dǎo)線的阻值1會(huì)隨環(huán)境溫度的變化而變化，給測量帶來較大的誤差。為此，工業(yè)上常采用三線制接法。 7.3 熱敏電阻及其應(yīng)用7.3.1 熱敏電阻的分類7.3.2 熱敏電阻的應(yīng)用7.3.1 熱敏電阻的分類熱敏電阻的溫度系數(shù)有正有負(fù)，按溫度系數(shù)的不同，熱敏電阻可分為NTC、PTC、CTR三類。NTC為負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻；PTC為正溫度系數(shù)的熱敏電阻；CTR為臨界溫度熱敏電阻。CTR一般也是負(fù)溫度系數(shù)，但與NTC不同的是，在某一溫度范圍內(nèi)，電阻值會(huì)發(fā)生急劇變化。 NTC熱敏電阻主要用于溫度測量和補(bǔ)償，測溫范圍一般為50350，也可用于低溫測量（1300）、中溫測量（150750），甚至更高溫度，測量溫度

51、范圍根據(jù)制造時(shí)的材料不同而不同。PTC熱敏電阻既可作為溫度敏感元件，又可在電子線路中起限流、保護(hù)作用。 CTR熱敏電阻主要用作溫度開關(guān)。7.3.2 熱敏電阻的應(yīng)用1. 熱敏電阻測溫2. 熱敏電阻用于溫度補(bǔ)償3. 熱敏電阻用于溫度控制（1） 繼電保護(hù)（2） 溫度上下限報(bào)警（3） 電子節(jié)能燈及電子鎮(zhèn)流器預(yù)熱啟動(dòng)小 結(jié)溫度是生產(chǎn)、生活中經(jīng)常測量的變量。本章重點(diǎn)介紹了熱電偶、熱電阻及熱敏電阻三種常用于對(duì)溫度及與溫度有關(guān)的參量進(jìn)行檢測的傳感器。熱電偶基于熱電效應(yīng)原理而工作。中間溫度定律和中間導(dǎo)體定律是使用熱電偶測溫的理論依據(jù)。掌握熱電偶的分度號(hào)，了解它們的結(jié)構(gòu)類型及特性，對(duì)掌握熱電偶有較大的幫助。熱電偶

52、在使用時(shí)要進(jìn)行溫度補(bǔ)償，要理解常用的幾種補(bǔ)償方法。熱電阻是利用金屬材料的阻值隨溫度的升高而增大的特性制作的。常有的有鉑、銅兩種熱電阻，其特性及測溫范圍各不相同。熱電阻在測量時(shí)需使用三線制或四線制接法。熱電阻主要用于工業(yè)測溫。熱敏電阻是半導(dǎo)體測溫元件，按溫度系數(shù)的不同可分為負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻（NTC）、正溫度系數(shù)熱敏電阻（PTC）、臨界溫度電阻器（CTR）三種。廣泛用于溫度測量、電路的溫度補(bǔ)償及溫度控制。第8章 光電式傳感器8.1 光敏電阻及其應(yīng)用8.2 光敏晶體管及其應(yīng)用8.3 CCD攝像傳感器及其應(yīng)用8.4 光纖傳感器在通訊中的應(yīng)用小 結(jié)8.1 光敏電阻及其應(yīng)用8.1.1 光敏電阻的結(jié)構(gòu)及工

53、作原理8.1.2 光敏電阻的應(yīng)用8.1.1 光敏電阻的結(jié)構(gòu)及工作原理光敏電阻是一種應(yīng)用廣泛的半導(dǎo)體光電元件，其物理基礎(chǔ)是光電導(dǎo)效應(yīng)（內(nèi)光電效應(yīng)），即在光的照射下，半導(dǎo)體電導(dǎo)率發(fā)生變化的現(xiàn)象。光可以被看作是由一連串具有一定能量的粒子光子組成，每個(gè)光子的能量正比于光的頻率。有些半導(dǎo)體材料在黑暗的環(huán)境下電阻很大，各原子中的價(jià)電子處于穩(wěn)定狀態(tài)，但受到一定頻率的光照射時(shí)，原子中的價(jià)電子吸收到光子足夠的能量后就從束縛狀態(tài)變成自由狀態(tài)，激發(fā)出電子空穴對(duì)，使半導(dǎo)體中載流子濃度增加，從而增大了導(dǎo)電性，電阻值減小。照射光線愈強(qiáng)，電阻值下降愈多，光照停止，自由電子與空穴逐漸復(fù)合，電阻又恢復(fù)原值。光敏電阻的主要參數(shù)和

54、基本特性。暗電阻、亮電阻和光電流 光照特性 伏安特性 光譜特性 頻率特性光譜溫度特性 8.1.2 光敏電阻的應(yīng)用1. 反射式煙霧報(bào)警檢測器2. 照相機(jī)電子測光系統(tǒng)3. 火焰探測報(bào)警器8.2 光敏晶體管及其應(yīng)用8.2.1 光敏二極管8.2.2 光敏三極管8.2.1 光敏二極管1. 光敏二極管的結(jié)構(gòu)及原理2. 光敏二極管的主要特性（1） 伏安特性（2） 光譜特性3. 光敏二極管的主要參數(shù)（1）光電流L（2）暗電流D（3）反向工作電壓（3）峰值波長P4. 光敏二極管的簡單測試（1）電阻測量法（2）電壓測量法5. 光敏二極管應(yīng)用8.2.2 光敏三極管1. 光敏三極管的結(jié)構(gòu)與原理2. 光敏三極管的主要特

55、性（1）輸出特性（2）光譜特性3. 光敏三極管的主要參數(shù)4. 光敏三極管的簡單測試5. 光敏三極管應(yīng)用舉例8.3 CCD攝像傳感器及其應(yīng)用8.3.1 CCD的基本結(jié)構(gòu)及原理 8.3.2 CCD圖像傳感器的應(yīng)用8.3.1 CCD的基本結(jié)構(gòu)及原理CCD圖像傳感器是按一定規(guī)律排列的MOS電容器組成的陣列，其構(gòu)造如圖所示。在P型或N型襯底上生長一層很薄的二氧化硅，再在二氧化硅薄層上依序沉積金屬或摻雜多晶硅電極（柵極），形成規(guī)則的MOS電容器陣列，再加上兩端的輸入及輸出二極管就構(gòu)成了CCD芯片。8.3.2 CCD圖像傳感器的應(yīng)用CCD圖像傳感器具有高分辨率、高靈敏度較寬的動(dòng)態(tài)范圍，所以它可廣泛用于自動(dòng)控

56、制和自動(dòng)測量，尤其適用于圖像識(shí)別技術(shù)。文字及圖形識(shí)別。將線陣CCD圖像傳感器的自掃描輸出特性和微處理器的信號(hào)處理能力結(jié)合起來可以實(shí)現(xiàn)文字及圖形識(shí)別。 8.4 光纖傳感器在通信中的應(yīng)用8.4.1 光纖的結(jié)構(gòu)及傳光原理8.4.2 光纖傳感器的原理和分類8.4.3 功能型光纖傳感器舉例8.4.4非功能型光纖傳感器舉例8.4.1 光纖的結(jié)構(gòu)及傳光原理一根光纖的結(jié)構(gòu)包括纖芯、包層和涂敷層，如圖所示。纖芯和包層一般由某種類型的玻璃或塑料制成，纖芯的折射率n1略大于包層的折射率n2。纖芯的直徑一般約為5100m，光主要在纖芯中傳輸。包層外面涂有硅銅或丙烯酸鹽等涂料，構(gòu)成涂敷層，其作用是保護(hù)光纖不受外來損害，

57、增加光纖的機(jī)械強(qiáng)度。光纖最外層包上一層不同顏色的塑料套管，一方面起保護(hù)作用， 另一方面以不同顏色區(qū)分各根光纖。8.4.2 光纖傳感器的原理和分類按照光纖在傳感器中的作用，通常可將光纖傳感器分為功能型（或傳感型）和非功能型（或傳光型、結(jié)構(gòu)型）兩種類型。功能型光纖傳感器，主要是用單模光纖。其原理為利用光纖本身的傳輸特性受被測物理量作用發(fā)生變化的現(xiàn)象，使光纖中光的屬性被調(diào)制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)被測物理量的測量。非功能型光纖傳感器中，光纖不是敏感元件。它是通過在光纖的斷面或在兩根光纖中間放置光學(xué)材料、機(jī)械式或光學(xué)式的敏感元件來感受被測物理量的變化，使透射光或反射光強(qiáng)度隨之發(fā)生變化。 8.4.3 功能型光纖傳感

58、器舉例1. 測量壓力或溫度的相位調(diào)制型光纖傳感器2. 調(diào)制強(qiáng)度的光纖微彎傳感器3. 偏振態(tài)調(diào)制型光纖傳感器8.4.4非功能型光纖傳感器舉例1. 反射式光纖位移傳感器2. 光纖溫度傳感器小 結(jié)本章包括光敏電阻、光敏晶體管、CCD攝像傳感器及光纖傳感器四部分內(nèi)容。以光電效應(yīng)為基礎(chǔ)的光電元件的光照特性、光譜特性、溫度特性、伏安特性等，是光電式傳感器應(yīng)用的依據(jù)。了解這幾種光電元件的基本工作原理，重點(diǎn)應(yīng)掌握光敏電阻及光敏晶體管的特性、參數(shù)及基本應(yīng)用，理解幾種典型應(yīng)用的工作原理。了解光纖的結(jié)構(gòu)及導(dǎo)光原理，掌握光纖傳感器的類型及應(yīng)用。簡單了解CCD攝像傳感器的基本工作原理，掌握其類型及應(yīng)用。本章偏重于實(shí)踐，

59、在學(xué)完本章后，應(yīng)對(duì)光學(xué)量傳感器的基本工作原理、構(gòu)成原理、類型、特性及應(yīng)用等問題有一定的理性認(rèn)識(shí)，能利用光電元件自己設(shè)計(jì)并制作一些簡單的應(yīng)用電路，積累感性認(rèn)識(shí)，培養(yǎng)實(shí)踐能力。第9章 數(shù)字式傳感器9.1 光柵傳感器及其應(yīng)用9.2 感應(yīng)同步器及其應(yīng)用9.3 旋轉(zhuǎn)變壓器及其應(yīng)用小 結(jié)9.1 光柵傳感器及其應(yīng)用9.1.1 光柵傳感器的工作原理9.1.2 光柵傳感器的結(jié)構(gòu)9.1.3 光柵傳感器的應(yīng)用9.1.1 光柵傳感器的工作原理1. 光柵的類型在玻璃、鍍膜玻璃或金屬上密集刻線(一般為812mm)，得到如圖所示的黑白相間且間隔細(xì)小的條紋，這就是光柵。光柵上柵線的寬度為，線間寬度為，一般取，而，稱為光柵柵距

60、。通常將在計(jì)量工作中使用的光柵稱為計(jì)量光柵。計(jì)量光柵由主光柵（又稱標(biāo)尺光柵）和指示光柵組成，計(jì)量光柵按其形狀和用途可分為長光柵和圓光柵兩類。2. 莫爾條紋 如果把兩塊柵距相等的光柵面平行安裝，并且讓它們的刻痕之間有較小的夾角時(shí)，這時(shí)光柵上會(huì)出現(xiàn)若干條明暗相間的條紋，這種條紋稱莫爾條紋。 莫爾條紋有兩個(gè)重要的特性： 當(dāng)指示光柵不動(dòng)，主光柵左右平移時(shí)，莫爾條紋將沿著指示柵線的方向上下移動(dòng)，根據(jù)莫爾條紋的移動(dòng)方向，即可確定主光柵左右移動(dòng)的方向。 莫爾條紋有位移放大作用。 9.1.2 光柵傳感器的結(jié)構(gòu)光柵傳感器作為一個(gè)獨(dú)立完整的測量系統(tǒng)，它包括光柵傳感器（光柵尺）和數(shù)顯表兩部分。1. 光柵傳感器光柵傳