英才學(xué)院傳感器與檢測(cè)技術(shù)教案

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三十九

第1章檢測(cè)技術(shù)的基本知識(shí)

教學(xué)要求

1．掌握測(cè)量的基本概念和測(cè)量方法。

2．掌握自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的組成。

3．熟悉測(cè)量誤差的分類和消除方法。

4．了解測(cè)量結(jié)果的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)處理。

教學(xué)課時(shí)3學(xué)時(shí)

教學(xué)內(nèi)容

1.1測(cè)量方法及檢測(cè)系統(tǒng)的組成

1.1.1測(cè)量的基本概念.

測(cè)量:是人們借助于專門(mén)的設(shè)備,通過(guò)一定的方法,對(duì)被測(cè)對(duì)象收集信息、取得數(shù)據(jù)概念的過(guò)程.

測(cè)量結(jié)果包括:數(shù)值和單位兩部分.

1.1.2測(cè)量方法：

根據(jù)獲得測(cè)量值的方法分:直接測(cè)量,間接測(cè)量和組合測(cè)量.

根據(jù)測(cè)量的精度情況分:等精度測(cè)量和非等精度測(cè)量.

根據(jù)測(cè)量方式分為:偏差式測(cè)量,零位式測(cè)量和微差式測(cè)量

偏差式測(cè)量：利用測(cè)量?jī)x表指針對(duì)于刻度初始點(diǎn)的偏移來(lái)讀出被測(cè)量的的測(cè)量方法。如萬(wàn)用表測(cè)量。

零位式測(cè)量：調(diào)節(jié)已知標(biāo)準(zhǔn)量與被測(cè)量達(dá)到平衡狀態(tài)（相等），讀取標(biāo)準(zhǔn)量作為被測(cè)值。

零位式與偏差式測(cè)量的綜合應(yīng)用。

微差式測(cè)量：測(cè)量前先把被測(cè)量U調(diào)到基準(zhǔn)數(shù)值大小，調(diào)節(jié)已知標(biāo)準(zhǔn)量使二者相等，讀取被測(cè)值的基準(zhǔn)大小U0。

根據(jù)被測(cè)量變化的快慢分:靜態(tài)測(cè)量和動(dòng)態(tài)測(cè)量

根據(jù)測(cè)量敏感元件是否與被測(cè)量接觸分:接觸測(cè)量和非接觸測(cè)量

根據(jù)測(cè)量系統(tǒng)是否向被測(cè)對(duì)象施加能量分:主動(dòng)式測(cè)量和被動(dòng)式測(cè)量

1.1.3檢測(cè)系統(tǒng)的組成

自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的組成

傳感器（非電量電量）

作用:處于被檢測(cè)對(duì)象和檢測(cè)系統(tǒng)的接口位置。

分類:

(1)按輸入量劃分:位移、壓力、速度、溫度。

(2)按輸出量劃分:參量型、發(fā)電型

(3)按原理劃分:電磁原理學(xué)、固體物理學(xué)

2．信號(hào)處理電路（微弱電量較強(qiáng)電信號(hào)）

作用:將傳感器的輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換成易于測(cè)量的電壓或電流信號(hào)。

方式:整形、放大、阻抗匹配、微分、積分、線形化等。

3．顯示記錄裝置（可能遠(yuǎn)程輸出）

模擬顯示

數(shù)字顯示

圖象顯示

4．?dāng)?shù)據(jù)處理裝置和執(zhí)行機(jī)構(gòu)

利用微機(jī)技術(shù),對(duì)被測(cè)結(jié)果進(jìn)行處理、運(yùn)算、分析,對(duì)動(dòng)態(tài)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行頻譜、幅值和能量分析等.

1.2誤差的基本概念

1.2.1測(cè)量誤差

誤差的來(lái)源:工具誤差、環(huán)境誤差、方法誤差、人員誤差。

誤差的分類:

(1)按誤差的表示方法分:絕對(duì)誤差和相對(duì)誤差。

絕對(duì)誤差：

相對(duì)誤差：

(2)按誤差出現(xiàn)的規(guī)律分:系統(tǒng)誤差、隨機(jī)誤差和粗大誤差。

(3)按被測(cè)量與時(shí)間的關(guān)系分:靜態(tài)誤差和動(dòng)態(tài)誤差。

作業(yè)：P13：5、6、7

第2章傳感器的基本概念

教學(xué)要求

1．熟悉傳感器的定義與分類。

2．掌握傳感器基本特性。

教學(xué)課時(shí)4學(xué)時(shí)

教學(xué)內(nèi)容

2.1傳感器的定義與組成

傳感器(狹義):能感應(yīng)被測(cè)量的變化并將其轉(zhuǎn)換為其他物理量變化的器件.

傳感器(廣義):是信號(hào)檢出器件和信號(hào)處理部分的總稱.

組成:一般由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和信號(hào)調(diào)理電路組成.

2.2傳感器的分類

按測(cè)量的性質(zhì)劃分:位移傳感器,壓力傳感器,溫度傳感器等.

按工作的原理劃分:電阻應(yīng)變式,電感式,電容式,壓電式,磁電式傳感器等.

按測(cè)量的轉(zhuǎn)換特征劃分:結(jié)構(gòu)型傳感器和物性型傳感器.

按能量傳遞的方式劃分:能量控制型傳感器和能量轉(zhuǎn)換型傳感器.

2.3傳感器的基本特性

2.3.1傳感器的靜態(tài)特性

1．線性度：指輸出量與輸入量之間的實(shí)際關(guān)系曲線偏離直線的程度,又叫非線性誤差.

2．靈敏度：指?jìng)鞲衅鞯妮敵隽吭隽颗c引起輸出量增量的輸入量的比值.

3．遲滯：指?jìng)鞲衅髟谡蛐谐毯头聪蛐谐唐陂g,輸出-輸入曲線不重合的現(xiàn)象.

4．重復(fù)性：指?jìng)鞲衅髟谳斎肓堪赐环较蜃鋈砍潭啻螠y(cè)試時(shí),所得特性曲線不一致性的程度.

5．分辨率：指?jìng)鞲衅髟谝?guī)定測(cè)量范圍內(nèi)所能檢測(cè)輸入量的最小變化量.

6．穩(wěn)定性：指?jìng)鞲衅髟谑覝貤l件下,經(jīng)過(guò)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間間隔,傳感器的輸出與起始標(biāo)定時(shí)的輸出之間的差異.

7．漂移：指?jìng)鞲衅髟谕饨绲母蓴_下,輸出量發(fā)生與輸入量無(wú)關(guān)的變化,包括零點(diǎn)漂移和靈敏度漂移等.

2.3.2傳感器的動(dòng)態(tài)特性

1．瞬態(tài)響應(yīng)法

2．頻率響應(yīng)法

2.4傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域及其發(fā)展

2.4.1傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域

1．生產(chǎn)過(guò)程的測(cè)量與控制

2．安全報(bào)警與環(huán)境保護(hù)

3．自動(dòng)化設(shè)備和機(jī)器人

4．交通運(yùn)輸和資源探測(cè)

5．醫(yī)療衛(wèi)生和家用電器

2.4.2傳感器的發(fā)展

1．微型傳感器(Microsensor)

2．智能傳感器(Smartsensor)

3．多功能傳感器(Multifunctionsensor)

2.5傳感器的正確選用

1．與測(cè)量條件有關(guān)的因素

2．與使用條件有關(guān)的因素

3．與傳感器有關(guān)的技術(shù)指標(biāo)

此外,還要考慮購(gòu)買(mǎi)和維修等因素.

作業(yè)：P23：3、4

第三章常用傳感器的工作原理及應(yīng)用

教學(xué)要求

1．掌握各種傳感器的工作原理。

2．熟悉各種傳感器的測(cè)量電路。

3．掌握各種傳感器的應(yīng)用。

教學(xué)課時(shí)15學(xué)時(shí)

教學(xué)內(nèi)容

3.1電阻式傳感器

3.1.1電阻式傳感器的工作原理

測(cè)量電路

應(yīng)變：物體在外部壓力或拉力作用下發(fā)生形變的現(xiàn)象

彈性應(yīng)變：當(dāng)外力去除后，物體能夠完全恢復(fù)其尺寸和形狀的應(yīng)變

彈性元件：具有彈性應(yīng)變特性的物體

3.1.2電位器式傳感器

3.1.3電阻應(yīng)變式傳感器

電阻應(yīng)變式傳感器利用電阻應(yīng)變片將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻值變化的傳感器。

工作原理：當(dāng)被測(cè)物理量作用于彈性元件上，彈性元件在力、力矩或壓力等的作用下發(fā)生變形，產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)變或位移，然后傳遞給與之相連的應(yīng)變片，引起應(yīng)變片的電阻值變化，通過(guò)測(cè)量電路變成電量輸出。輸出的電量大小反映被測(cè)量的大小。

結(jié)構(gòu)：應(yīng)變式傳感器由彈性元件上粘貼電阻應(yīng)變片構(gòu)成。

應(yīng)用：廣泛用于力、力矩、壓力、加速度、重量等參數(shù)的測(cè)量。

1．電阻應(yīng)變效應(yīng)

電阻應(yīng)變片的工作原理是基于應(yīng)變效應(yīng)，即導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料在外界力的作用下產(chǎn)生機(jī)械變形時(shí)，其電阻值相應(yīng)發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為“應(yīng)變效應(yīng)”。

2．電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)

金屬電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)

3．應(yīng)變片的粘貼技術(shù)（自學(xué)）

4．電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用

（1）應(yīng)變式力傳感器

被測(cè)物理量：荷重或力

主要用途：作為各種電子稱與材料試驗(yàn)機(jī)的測(cè)力元件、發(fā)動(dòng)機(jī)的推力測(cè)試、水壩壩體承載狀況監(jiān)測(cè)等。

力傳感器的彈性元件：柱式、筒式、環(huán)式、懸臂式等

（2）應(yīng)變式壓力傳感器

主要用來(lái)測(cè)量流動(dòng)介質(zhì)的動(dòng)態(tài)或靜態(tài)壓力

應(yīng)變片壓力傳感器大多采用膜片式或筒式彈性元件。

（3）應(yīng)變式容器內(nèi)液體重量傳感器

感壓膜感受上面液體的壓力。

（4）應(yīng)變式加速度傳感器

用于物體加速度的測(cè)量。

依據(jù)：a=F/m。

電阻應(yīng)變式加速度傳感器結(jié)構(gòu)圖

3.2電容式傳感器

3.2.1電容式傳感器的工作原理

由絕緣介質(zhì)分開(kāi)的兩個(gè)平行金屬板組成的平板電容器，如果不考慮邊緣效應(yīng)，其電容量為

當(dāng)被測(cè)參數(shù)變化使得S、d或ε發(fā)生變化時(shí)，電容量C也隨之變化。

如果保持其中兩個(gè)參數(shù)不變，而僅改變其中一個(gè)參數(shù)，就可把該參數(shù)的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化，通過(guò)測(cè)量電路就可轉(zhuǎn)換為電量輸出。

電容式傳感器可分為變極距型、變面積型和變介電常數(shù)型三種。

1．變間隙型電容傳感器

變間隙式電容式傳感器

當(dāng)傳感器的εr和S為常數(shù)，初始極距為d0時(shí)，初始電容量C0為

若電容器極板間距離由初始值d0縮小了Δd，電容量增大了ΔC，則有

在式中，若Δd/d0<<1時(shí)，則展成級(jí)數(shù)：

此時(shí)C與Δd近似呈線性關(guān)系，所以變極距型電容式傳感器只有在Δd/d0很小時(shí)，才有近似的線性關(guān)系。

另外，在d0較小時(shí)，對(duì)于同樣的Δd變化所引起的ΔC可以增大，從而使傳感器靈敏度提高。但d0過(guò)小，容易引起電容器擊穿或短路。為此，極板間可采用高介電常數(shù)的材料（云母、塑料膜等）作介質(zhì),如圖所示，此時(shí)電容C變?yōu)椋?/p>

式中：εg—云母的相對(duì)介電常數(shù)，εg=7；

ε0—空氣的介電常數(shù)，ε0=1；

d0—空氣隙厚度；

dg—云母片的厚度。

放置云母片的電容器

云母片的相對(duì)介電常數(shù)是空氣的7倍，其擊穿電壓不小于1000kV/mm，而空氣僅為3kV/mm。因此有了云母片，極板間起始距離可大大減小。

一般變極板間距離電容式傳感器的起始電容在20~100pF之間，極板間距離在25~200μm的范圍內(nèi)。最大位移應(yīng)小于間距的1/10，故在微位移測(cè)量中應(yīng)用最廣。

2．變面積式電容傳感器

被測(cè)量通過(guò)動(dòng)極板移動(dòng)引起兩極板有效覆蓋面積S改變，從而得到電容量的變化。當(dāng)動(dòng)極板相對(duì)于定極板沿長(zhǎng)度方向平移Δx時(shí)，則電容變化量為

式中C0=ε0εrba/d為初始電容。電容相對(duì)變化量為

這種形式的傳感器其電容量C與水平位移Δx呈線性關(guān)系

直線位移型電容傳感器原理圖

3．變介質(zhì)式電容式傳感器

此時(shí)變換器電容值為：

電容式液位變換器結(jié)構(gòu)原理圖

式中：C0——由變換器的基本尺寸決定的初始電容值,即

可見(jiàn)：此變換器的電容增量正比于被測(cè)液位高度h。

3.2.2．電容式傳感器的測(cè)量電路

1．運(yùn)算放大器電路

由于運(yùn)算放大器的放大倍數(shù)非常大，而且輸入阻抗Zi很高,運(yùn)算放大器的這一特點(diǎn)可以作為電容式傳感器的比較理想的測(cè)量電路。如圖所示。由運(yùn)算放大器工作原理可得：

如果傳感器是一只平板電容，則Cx=εS/d，代入，可得

式中“－”號(hào)表示輸出電壓Uo的相位與電源電壓反相?？梢?jiàn)運(yùn)算放大器的輸出電壓與極板間距離d成線性關(guān)系。

運(yùn)算放大器式電路雖解決了單個(gè)變極板間距離式電容傳感器的非線性問(wèn)題，注意條件：要求Zi及放大倍數(shù)足夠大。為保證儀器精度，還要求電源電壓Ui的幅值和固定電容C值穩(wěn)定。

運(yùn)算放大器式電路原理圖

2．二極管雙T交流電橋

e是高頻電源，它提供了幅值為U的對(duì)稱方波，VD1、VD2為特性完全相同的兩只二極管，固定電阻R1=R2=R，C1、C2為傳感器的兩個(gè)差動(dòng)電容。

二極管雙T交流電橋

當(dāng)傳感器沒(méi)有輸入時(shí)，C1=C2。

電路工作原理：當(dāng)e為正半周時(shí)，二極管VD1導(dǎo)通、VD2截止，于是電容C1充電，其等效電路如圖（b）所示；在隨后負(fù)半周出現(xiàn)時(shí)，電容C1上的電荷通過(guò)電阻R1，負(fù)載電阻RL放電，流過(guò)RL的電流為I1。

當(dāng)e為負(fù)半周時(shí)，VD2導(dǎo)通、VD1截止，則電容C2充電，其等效電路如圖（c）所示；在隨后出現(xiàn)正半周時(shí)，C2通過(guò)電阻R2，負(fù)載電阻RL放電，流過(guò)RL的電流為I2。

電流I1=I2，且方向相反，在一個(gè)周期內(nèi)流過(guò)RL的平均電流為零。

若傳感器輸入不為0，則C1≠C2,I1≠I(mǎi)2,此時(shí)在一個(gè)周期內(nèi)通過(guò)RL上的平均電流不為零，因此產(chǎn)生輸出電壓，輸出電壓在一個(gè)周期內(nèi)平均值為

式中,f為電源頻率。

當(dāng)RL已知，式中

則上式可改寫(xiě)為

可知，輸出電壓Uo不僅與電源電壓幅值和頻率有關(guān)，而且與T形網(wǎng)絡(luò)中的電容C1和C2的差值有關(guān)。當(dāng)電源電壓確定后，輸出電壓Uo是電容C1和C2的函數(shù)。電路的靈敏度與電源電壓幅值和頻率有關(guān)，故輸入電源要求穩(wěn)定。

3．調(diào)頻電路

把電容式傳感器作為振蕩器諧振回路的一部分,當(dāng)輸入量導(dǎo)致電容量發(fā)生變化時(shí)，振蕩器的振蕩頻率就發(fā)生變化。

可將頻率作為輸出量用以判斷被測(cè)非電量的大小，但此時(shí)系統(tǒng)是非線性的，不易校正，因此必須加入鑒頻器，將頻率的變化轉(zhuǎn)換為電壓振幅的變化，經(jīng)過(guò)放大就可以用儀器指示或記錄儀記錄下來(lái)。

3.2.3．電容式傳感器的應(yīng)用

1．電容式壓力傳感器

2．電容式加速度傳感器

3.3電感式傳感器

電感式傳感器的工作原理是基于電磁感應(yīng)原理，它把被測(cè)量轉(zhuǎn)化為電感量變化的一種裝置。按照轉(zhuǎn)換方式的不同可分為自感式（包括可變磁阻式與渦流式）和互感式（差動(dòng)變壓器式）兩種。

3.3.1自感式傳感器

自感式電感傳感器主要有變間隙型、變面積型和螺管型三種類型。由線圈、鐵芯和銜鐵三部分組成。鐵芯和銜鐵由導(dǎo)磁材料制成。

在鐵芯和銜鐵之間有氣隙，傳感器的運(yùn)動(dòng)部分與銜鐵相連。當(dāng)銜鐵移動(dòng)時(shí)，氣隙厚度δ發(fā)生改變，引起磁路中磁阻變化，從而導(dǎo)致電感線圈的電感值變化，因此只要能測(cè)出這種電感量的變化，就能確定銜鐵位移量的大小和方向。

1．變間隙型電感傳感器

2．變面積型電感傳感器

3．螺管型電感傳感器

4．差動(dòng)式電感傳感器

為了減小非線性誤差，實(shí)際測(cè)量中廣泛采用差動(dòng)式電感傳感器。

5．自感式傳感器的測(cè)量電路

電感式傳感器的測(cè)量電路有交流電橋式、變壓器式交流電橋以及諧振式等。

3.3.2互感式傳感器

把被測(cè)的非電量變化轉(zhuǎn)換為線圈互感變化的傳感器稱為互感式傳感器。這種傳感器是根據(jù)變壓器的基本原理制成的，并且次級(jí)繞組用差動(dòng)形式連接，故稱差動(dòng)變壓器式傳感器。差動(dòng)變壓器結(jié)構(gòu)形式：變隙式、變面積式和螺線管式等。

在非電量測(cè)量中，應(yīng)用最多的是螺線管式差動(dòng)變壓器，它可以測(cè)量1～100mm機(jī)械位移，并具有測(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．互感式傳感器的工作原理

互感式傳感器的工作原理類似變壓器的作用原理。

2．差動(dòng)變壓器的結(jié)構(gòu)類型

螺線管式差動(dòng)變壓器結(jié)構(gòu)

差動(dòng)變壓器等效電路

3．差動(dòng)變壓器式傳感器測(cè)量電路

問(wèn)題：

（1）差動(dòng)變壓器的輸出是交流電壓(用交流電壓表測(cè)量，只能反映銜鐵位移的大小，不能反映移動(dòng)的方向)；

（2）測(cè)量值中將包含零點(diǎn)殘余電壓。

為了達(dá)到能辨別移動(dòng)方向和消除零點(diǎn)殘余電壓的目的，實(shí)際測(cè)量時(shí)，常常采用差動(dòng)整流電路和相敏檢波電路。

(1)差動(dòng)整流電路

這種電路是把差動(dòng)變壓器的兩個(gè)次級(jí)輸出電壓分別整流，然后將整流的電壓或電流的差值作為輸出。

(2)相敏檢波電路

3.3.3電感式傳感器的應(yīng)用

1．差動(dòng)變壓器式力傳感器

2．沉筒式液位計(jì)

3.4壓電式傳感器

3.4.1壓電效應(yīng)

某些電介質(zhì)，當(dāng)沿著一定方向?qū)ζ涫┝Χ顾冃螘r(shí)，內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在它的兩個(gè)表面上便產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷，當(dāng)外力去掉后，又重新恢復(fù)到不帶電狀態(tài)。這種現(xiàn)象稱壓電效應(yīng)。當(dāng)作用力方向改變時(shí)，電荷的極性也隨之改變。有時(shí)人們把這種機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的現(xiàn)象，稱為“正壓電效應(yīng)”。相反，當(dāng)在電介質(zhì)極化方向施加電場(chǎng)，這些電介質(zhì)也會(huì)產(chǎn)生幾何變形，這種現(xiàn)象稱為“逆壓電效應(yīng)”（電致伸縮效應(yīng)）。具有壓電效應(yīng)的材料稱為壓電材料。

1．單晶壓電晶體

石英晶體化學(xué)式為SiO2，是單晶體結(jié)構(gòu)。圖示為天然結(jié)構(gòu)的石英晶體外形，它是一個(gè)正六面體。石英晶體各個(gè)方向的特性是不同的。其中縱向軸z稱為光軸，經(jīng)過(guò)六面體棱線并垂直于光軸的x稱為電軸，與x和z軸同時(shí)垂直的軸y稱為機(jī)械軸。通常把沿電軸x方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為“縱向壓電效應(yīng)”，而把沿機(jī)械軸y方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為“橫向壓電效應(yīng)”。而沿光軸z方向的力作用時(shí)不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。

石英晶體

(a)晶體外形；(b)切割方向；(c)晶片

2．多晶壓電陶瓷

壓電陶瓷是人工制造的多晶體壓電材料。材料內(nèi)部的晶粒有許多自發(fā)極化的電疇，它有一定的極化方向，從而存在電場(chǎng)。在無(wú)外電場(chǎng)作用時(shí)，電疇在晶體中雜亂分布，它們各自的極化效應(yīng)被相互抵消，壓電陶瓷內(nèi)極化強(qiáng)度為零。因此原始的壓電陶瓷呈中性，不具有壓電性質(zhì)。

在陶瓷上施加外電場(chǎng)時(shí)，電疇的極化方向發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，趨向于按外電場(chǎng)方向的排列，從而使材料得到極化。外電場(chǎng)愈強(qiáng)，就有更多的電疇更完全地轉(zhuǎn)向外電場(chǎng)方向。讓外電場(chǎng)強(qiáng)度大到使材料的極化達(dá)到飽和的程度，即所有電疇極化方向都整齊地與外電場(chǎng)方向一致時(shí)，當(dāng)外電場(chǎng)去掉后，電疇的極化方向基本變化，即剩余極化強(qiáng)度很大，這時(shí)的材料才具有壓電特性。

3．新型壓電材料

新型壓電材料主要有有機(jī)壓電薄膜和壓電半導(dǎo)體等。

4．等效電路

由壓電元件的工作原理可知，壓電式傳感器可以看作一個(gè)電荷發(fā)生器。同時(shí)，它也是一個(gè)電容器，晶體上聚集正負(fù)電荷的兩表面相當(dāng)于電容的兩個(gè)極板，極板間物質(zhì)等效于一種介質(zhì)，則其電容量為

式中：A——壓電片的面積；

d——壓電片的厚度；

εr——壓電材料的相對(duì)介電常數(shù)。

因此，壓電傳感器可以等效為一個(gè)與電容相串聯(lián)的電壓源。如圖（a）所示，電容器上的電壓Ua、電荷量q和電容量Ca三者關(guān)系為

壓電傳感器也可以等效為一個(gè)電荷源。如圖（b）所示。

壓電元件的等效電路

（a）電壓源（b）電荷源

壓電傳感器在實(shí)際使用時(shí)總要與測(cè)量?jī)x器或測(cè)量電路相連接，因此還需考慮連接電纜的等效電容Cc，放大器的輸入電阻Ri,輸入電容Ci以及壓電傳感器的泄漏電阻Ra。這樣，壓電傳感器在測(cè)量系統(tǒng)中的實(shí)際等效電路，如圖所示。

壓電傳感器的實(shí)際等效電路

（a）電壓源（b）電荷源

3.4.2壓電式傳感器的測(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)高輸入阻抗前置放大器。其作用為：一是把它的高輸出阻抗變換為低輸出阻抗；二是放大傳感器輸出的微弱信號(hào)。壓電傳感器的輸出可以是電壓信號(hào)，也可以是電荷信號(hào)，因此前置放大器也有兩種形式：電壓放大器和電荷放大器。

1.電壓放大器（阻抗變換器）

下圖（a）、(b）是電壓放大器電路原理圖及其等效電路。

在圖（b）中，電阻R=RaRi/(Ra+Ri)，電容C=Cc+Ci，而ua=q/Ca，若壓電元件受正弦力f=Fmsinωt的作用，則其電壓為

式中：Um——壓電元件輸出電壓幅值，Um=dFm/Ca；

d——壓電系數(shù)。

電壓放大器電路原理及其等效電路圖

（a）放大器電路（b）等效電路

2．電荷放大器

電荷放大器常作為壓電傳感器的輸入電路，由一個(gè)反饋電容Cf和高增益運(yùn)算放大器構(gòu)成。由于運(yùn)算放大器輸入阻抗極高，放大器輸入端幾乎沒(méi)有分流，故可略去Ra和Ri并聯(lián)電阻。

式中：uo——放大器輸出電壓；

ucf——反饋電容兩端電壓。

電荷放大器等效電路

3.4.3壓電式傳感器的應(yīng)用

1．壓電式測(cè)力傳感器

主要由石英晶片、絕緣套、電極、上蓋及基座等組成。

2．壓電式加速度傳感器

主要由壓電元件、質(zhì)量塊、預(yù)壓彈簧、基座及外殼等組成。整個(gè)部件裝在外殼內(nèi)，并由螺栓加以固定。

3.5霍爾傳感器

霍爾傳感器是一種磁電式傳感器。它是利用霍爾元件基于霍爾效應(yīng)原理而將被測(cè)量轉(zhuǎn)換成電動(dòng)勢(shì)輸出的一種傳感器。由于霍爾元件在靜止?fàn)顟B(tài)下，具有感受磁場(chǎng)的獨(dú)特能力，并且具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、噪聲小、頻率范圍寬(從直流到微波)、動(dòng)態(tài)范圍大(輸出電勢(shì)變化范圍可達(dá)1000:1)、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，因此獲得了廣泛應(yīng)用。例如，在測(cè)量技術(shù)中用于將位移、力、加速度等量轉(zhuǎn)換為電量的傳感器；在計(jì)算技術(shù)中用于作加、減、乘、除、開(kāi)方、乘方以及微積分等運(yùn)算的運(yùn)算器等。

3.5.1霍爾元件的工作原理

霍爾元件賴以工作的物理基礎(chǔ)是霍爾效應(yīng)。

1．霍爾效應(yīng)

半導(dǎo)體薄片置于磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場(chǎng)中，磁場(chǎng)方向垂直于薄片，當(dāng)有電流I流過(guò)薄片時(shí)，在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向上將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)EH，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。

流入激勵(lì)電流端的電流I越大、作用在薄片上的磁場(chǎng)強(qiáng)度B越強(qiáng)，霍爾電勢(shì)也就越高。

霍爾電勢(shì)EH可表示為：EH=KHIB

kH為靈敏度系數(shù)，與載流材料的物理性質(zhì)和幾何尺寸有關(guān)，表示在單位磁感應(yīng)強(qiáng)度和單位控制電流時(shí)的霍爾電勢(shì)的大小。

2．霍爾元件的結(jié)構(gòu)及特性

霍爾元件是一種四端元件。比較常用的霍爾元件有三種結(jié)構(gòu)：?jiǎn)味艘鼍€型、臥式型和雙端引出線型。

3.5.2霍爾傳感器的測(cè)量電路

3.5.3集成霍爾電路

霍爾集成電路可分為線性型和開(kāi)關(guān)型兩大類。

1．線性型霍爾集成電路是將霍爾元件和恒流源、線性差動(dòng)放大器等做在一個(gè)芯片上，輸出電壓為伏級(jí)，比直接使用霍爾元件方便得多。較典型的線性型霍爾器件如UGN3501等。

2．開(kāi)關(guān)型霍爾集成電路是將霍爾元件、穩(wěn)壓電路、放大器、施密特觸發(fā)器、OC門(mén)（集電極開(kāi)路輸出門(mén)）等電路做在同一個(gè)芯片上。當(dāng)外加磁場(chǎng)強(qiáng)度超過(guò)規(guī)定的工作點(diǎn)時(shí)，OC門(mén)由高阻態(tài)變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)，輸出變?yōu)榈碗娖?；?dāng)外加磁場(chǎng)強(qiáng)度低于釋放點(diǎn)時(shí)，OC門(mén)重新變?yōu)楦咦钁B(tài)，輸出高電平。較典型的開(kāi)關(guān)型霍爾器件如UGN3020等。

3.5.4霍爾傳感器的應(yīng)用

霍爾電勢(shì)是關(guān)于I、B、三個(gè)變量的函數(shù)，即EH=KHIBcos。利用這個(gè)關(guān)系可以使其中兩個(gè)量不變，將第三個(gè)量作為變量，或者固定其中一個(gè)量，其余兩個(gè)量都作為變量。這使得霍爾傳感器有許多用途。

1．電流的測(cè)量

2．位移的測(cè)量

3．角位移及轉(zhuǎn)速的測(cè)量

4．運(yùn)動(dòng)位置的測(cè)量

另外還有霍爾特斯拉計(jì)（高斯計(jì)）、霍爾傳感器用于測(cè)量磁場(chǎng)強(qiáng)度、霍爾轉(zhuǎn)速表、霍爾式接近開(kāi)關(guān)等。

3.6熱敏傳感器

熱敏傳感器主要有熱電式和熱電阻式。

3.6.1熱電偶

熱電偶作為溫度傳感器，測(cè)得與溫度相應(yīng)的熱電動(dòng)勢(shì)，由儀表顯示出溫度值。它廣泛用來(lái)測(cè)量-200℃~1300℃范圍內(nèi)的溫度，特殊情況下，可測(cè)至2800℃的高溫或4K的低溫。它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，準(zhǔn)確度高，測(cè)溫范圍廣等特點(diǎn)。由于熱電偶將溫度轉(zhuǎn)化成電量進(jìn)行檢測(cè)，使溫度的測(cè)量、控制、以及對(duì)溫度信號(hào)的放大，變換都很方便，適用于遠(yuǎn)距離測(cè)量和自動(dòng)控制。

1．熱電偶工作原理

熱電效應(yīng)：兩種不同材料的導(dǎo)體（或半導(dǎo)體）組成一個(gè)閉合回路，當(dāng)兩接點(diǎn)溫度T和T0不同時(shí)，則在該回路中就會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象。

由兩種導(dǎo)體的組合并將溫度轉(zhuǎn)化為熱電動(dòng)勢(shì)的傳感器叫做熱電偶。

熱電動(dòng)勢(shì)是由兩種導(dǎo)體的接觸電勢(shì)（珀?duì)栙N電勢(shì)）和單一導(dǎo)體的溫差電勢(shì)（湯姆遜電勢(shì)）所組成。熱電動(dòng)勢(shì)的大小與兩種導(dǎo)體材料的性質(zhì)及接點(diǎn)溫度有關(guān)。

接觸電動(dòng)勢(shì):由于兩種不同導(dǎo)體的自由電子密度不同而在接觸處形成的電動(dòng)勢(shì)。

溫差電動(dòng)勢(shì):同一導(dǎo)體的兩端因其溫度不同而產(chǎn)生的一種電動(dòng)勢(shì)。

導(dǎo)體內(nèi)部的電子密度是不同的，當(dāng)兩種電子密度不同的導(dǎo)體A與B接觸時(shí)，接觸面上就會(huì)發(fā)生電子擴(kuò)散，電子從電子密度高的導(dǎo)體流向密度低的導(dǎo)體。電子擴(kuò)散的速率與兩導(dǎo)體的電子密度有關(guān)并和接觸區(qū)的溫度成正比。設(shè)導(dǎo)體A和B的自由電子密度為NA和NB，且NA＞NB，電子擴(kuò)散的結(jié)果使導(dǎo)體A失去電子而帶正電，導(dǎo)體B則獲得電子而帶負(fù)電，在接觸面形成電場(chǎng)。這個(gè)電場(chǎng)阻礙了電子的擴(kuò)散，達(dá)到動(dòng)平衡時(shí)，在接觸區(qū)形成一個(gè)穩(wěn)定的電位差，即接觸電勢(shì)，其大小為

式中，k——玻耳茲曼常數(shù)，k=1.38×10-23J/K；

e——電子電荷量，e＝1.6×10-19C；

T——接觸處的溫度，K；

NA，NB——分別為導(dǎo)體A和B的自由電子密度。

因?qū)w兩端溫度不同而產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)稱為溫差電勢(shì)。由于溫度梯度的存在，改變了電子的能量分布，高溫（T）端電子將向低溫端（T0）擴(kuò)散，致使高溫端因失去電子帶正電，低溫端因獲電子而帶負(fù)電。因而在同一導(dǎo)體兩端也產(chǎn)生電位差，并阻止電子從高溫端向低溫端擴(kuò)散，于是電子擴(kuò)散形成動(dòng)平衡，此時(shí)所建立的電位差稱為溫差電勢(shì)即湯姆遜電勢(shì)，它與溫度的關(guān)系為

式中σ為湯姆遜系數(shù)，表示溫差1℃所產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)值，其大小與材料性質(zhì)及兩端的溫度有關(guān)。

導(dǎo)體A和B組成的熱電偶閉合電路在兩個(gè)接點(diǎn)處有兩個(gè)接觸電勢(shì)eAB(T)與eAB(T0)，又因?yàn)門(mén)＞T0，在導(dǎo)體A和B中還各有一個(gè)溫差電勢(shì)。所以閉合回路總熱電動(dòng)勢(shì)EAB(T,T0)應(yīng)為接觸電動(dòng)勢(shì)和溫差電勢(shì)的代數(shù)和，即：

對(duì)于已選定的熱電偶，當(dāng)參考溫度恒定時(shí)，總熱電動(dòng)勢(shì)就變成測(cè)量端溫度T的單值函數(shù)，即EAB(Ｔ,T0)=f(T)。這就是熱電偶測(cè)量溫度的基本原理。

在實(shí)際測(cè)溫時(shí)，必須在熱電偶閉合回路中引入連接導(dǎo)線和儀表。

2．熱電偶基本定律

（1）中間導(dǎo)體定律

在熱電偶回路中接入第三種材料的導(dǎo)體，只要其兩端的溫度相等，該導(dǎo)體的接入就不會(huì)影響熱電偶回路的總熱電動(dòng)勢(shì)。根據(jù)這一定則，可以將熱電偶的一個(gè)接點(diǎn)斷開(kāi)接入第三種導(dǎo)體，也可以將熱電偶的一種導(dǎo)體斷開(kāi)接入第三種導(dǎo)體，只要每一種導(dǎo)體的兩端溫度相同，均不影響回路的總熱電動(dòng)勢(shì)。在實(shí)際測(cè)溫電路中，必須有連接導(dǎo)線和顯示儀器，若把連接導(dǎo)線和顯示儀器看成第三種導(dǎo)體，只要他們的兩端溫度相同，則不影響總熱電動(dòng)勢(shì)。

（2）中間溫度定律

在熱電偶測(cè)溫回路中，tc為熱電極上某一點(diǎn)的溫度，熱電偶AB在接點(diǎn)溫度為t、t0時(shí)的熱電勢(shì)eAB(t,t0)等于熱電偶AB在接點(diǎn)溫度t、tc和tc、t0時(shí)的熱電勢(shì)eAB(t,tc)和eAB(tc,t0)的代數(shù)和，即

eAB(t,t0)=eAB(t,tc)+eAB(tc,t0)

（3）標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)體（電極）定律

如果兩種導(dǎo)體分別與第三種導(dǎo)體組成的熱電偶所產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)已知，則由這兩種導(dǎo)體組成的熱電偶所產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)也就已知，這個(gè)定律就稱為標(biāo)準(zhǔn)電極定律。

（4）均質(zhì)導(dǎo)體定律

由一種均質(zhì)導(dǎo)體組成的閉合回路，不論導(dǎo)體的橫截面積，長(zhǎng)度以及溫度分布如何均不產(chǎn)生熱電動(dòng)勢(shì)。如果熱電偶的兩根熱電極由兩種均質(zhì)導(dǎo)體組成，那么，熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)僅與兩接點(diǎn)的溫度有關(guān)，與熱電偶的溫度分布無(wú)關(guān)；如果熱電極為非均質(zhì)電極，并處于具有溫度梯度的溫場(chǎng)時(shí)，將產(chǎn)生附加電勢(shì)，如果僅從熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)大小來(lái)判斷溫度的高低就會(huì)引起誤差。

3．熱電偶的材料與結(jié)構(gòu)

（1）熱電偶的材料。

適于制作熱電偶的材料有300多種，其中廣泛應(yīng)用的有40~50種。國(guó)際電工委員會(huì)向世界各國(guó)推薦8種熱電偶作為標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶，我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶也有8種。分別是：鉑銠10-鉑(分度號(hào)為S)、鉑銠13-鉑(R)、鉑銠30-鉑銠6(B)、鎳鉻-鎳硅(K)、鎳鉻-康銅(E)、鐵-康銅(J)、銅-康銅(T)和鎳鉻硅-鎳硅(N)。

（2）熱電偶的結(jié)構(gòu)

普通型熱電偶：主要用于測(cè)量氣體、蒸氣和液體等介質(zhì)的溫度。

鎧裝熱電偶：由金屬保護(hù)套管、絕緣材料和熱電極三者組合成一體的特殊結(jié)構(gòu)的熱電

偶。

薄膜熱電偶：用真空蒸鍍的方法，把熱電極材料蒸鍍?cè)诮^緣基板上而制成。測(cè)量端既

小又薄，厚度約為幾個(gè)微米左右，熱容量小，響應(yīng)速度快，便于敷貼。

4．熱電偶冷端的溫度補(bǔ)償

根據(jù)熱電偶測(cè)溫原理，只有當(dāng)熱電偶的參考端的溫度保持不變時(shí)，熱電動(dòng)勢(shì)才是被測(cè)溫度的單值函數(shù)。我們經(jīng)常使用的分度表及顯示儀表，都是以熱電偶參考端的溫度為0℃為先決條件的。但是在實(shí)際使用中，因熱電偶長(zhǎng)度受到一定限制，參考端溫度直接受到被測(cè)介質(zhì)與環(huán)境溫度的影響，不僅難于保持0℃，而且往往是波動(dòng)的，無(wú)法進(jìn)行參考端溫度修正。因此，要使變化很大的參考端溫度恒定下來(lái)，通常采用以下方法：

（1）0℃恒溫法

（2）冷端溫度修正法

（3）補(bǔ)償導(dǎo)線法

5．熱電偶測(cè)溫線路

3.6.2熱電阻式傳感器

1．熱電阻

溫度升高，金屬內(nèi)部原子晶格的振動(dòng)加劇，從而使金屬內(nèi)部的自由電子通過(guò)金屬導(dǎo)體時(shí)的阻礙增大，宏觀上表現(xiàn)出電阻率變大，電阻值增加，我們稱其為正溫度系數(shù)，即電阻值與溫度的變化趨勢(shì)相同。

電阻溫度計(jì)是利用導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻值隨溫度的變化來(lái)測(cè)量溫度的元件，它由熱電阻體（感溫元件），連接導(dǎo)線和顯示或紀(jì)錄儀表構(gòu)成。習(xí)慣上將用作標(biāo)準(zhǔn)的熱電阻體稱為標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)，而將工作用的熱電阻體直接稱為熱電阻。他們廣泛用來(lái)測(cè)量-200~850℃范圍內(nèi)的溫度，少數(shù)情況下，低溫可至1K，高溫可達(dá)1000℃。在常用的電阻溫度計(jì)中，標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)的準(zhǔn)確度最高，并作為國(guó)際溫標(biāo)中961.78℃以下內(nèi)插用標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)。同熱電偶相比，具有準(zhǔn)確度高，輸出信號(hào)大，靈敏度高，測(cè)溫范圍廣，穩(wěn)定性好,輸出線性好等特性；但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，尺寸較大，因此熱相應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，不適于測(cè)量體積狹小和溫度瞬變區(qū)域。

熱電阻按感溫元件的材質(zhì)分金屬與半導(dǎo)體兩類。金屬導(dǎo)體有鉑、銅、鎳、銠鐵及鉑鈷合金等，在工業(yè)生產(chǎn)中大量使用的有鉑、銅兩種熱電阻；半導(dǎo)體有鍺、碳和熱敏電阻等。按準(zhǔn)確度等級(jí)分為標(biāo)準(zhǔn)電阻溫度計(jì)和工業(yè)熱電阻。按結(jié)構(gòu)分為薄膜型和鎧裝型等。

(1)鉑熱電阻

鉑的物理化學(xué)性能極為穩(wěn)定，并有良好的工藝性。以鉑作為感溫元件具有示值穩(wěn)定，測(cè)量準(zhǔn)確度高等優(yōu)點(diǎn)，其使用范圍是－200℃~850℃。除作為溫度標(biāo)準(zhǔn)外，還廣泛用于高精度的工業(yè)測(cè)量。

(2)銅熱電阻

銅熱電阻的使用范圍是-50~150℃，具有電阻溫度系數(shù)大，價(jià)格便宜，互換性好等優(yōu)點(diǎn)，但它固有電阻太小，另外銅在250℃以上易氧化。銅熱電阻在工業(yè)中的應(yīng)有逐漸減少。

2．熱敏電阻

熱敏電阻有負(fù)溫度系數(shù)（NTC）和正溫度系數(shù)（PTC）之分。

NTC又可分為兩大類：

第一類用于測(cè)量溫度，它的電阻值與溫度之間呈嚴(yán)格的負(fù)指數(shù)關(guān)系；

第二類為突變型（CTR）。當(dāng)溫度上升到某臨界點(diǎn)時(shí)，其電阻值突然下降。

熱敏電阻是一種電阻值隨其溫度成指數(shù)變化的半導(dǎo)體熱敏元件。廣泛應(yīng)用于家電、汽車、測(cè)量?jī)x器等領(lǐng)域。優(yōu)點(diǎn)如下：

(1)電阻溫度系數(shù)大，靈敏度高，比一般金屬電阻大10~100倍；

(2)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，可以測(cè)量“點(diǎn)”溫度；

(3)電阻率高，熱慣性小，適宜動(dòng)態(tài)測(cè)量；

(4)功耗小，不需要參考端補(bǔ)償，適于遠(yuǎn)距離的測(cè)量與控制。缺點(diǎn)是阻值與溫度的關(guān)系呈非線性，元件的穩(wěn)定性和互換性較差。除高溫?zé)崦綦娮柰?，不能用?50℃以上的高溫。

熱敏電阻是有兩種以上的過(guò)渡金屬M(fèi)n、Co、N、Fe等復(fù)合氧化物構(gòu)成的燒結(jié)體，根據(jù)組成的不同，可以調(diào)整它的常溫電阻及溫度特性。多數(shù)熱敏電阻具有負(fù)溫度系數(shù)，即當(dāng)溫度升高時(shí)電阻值下降，同時(shí)靈敏度也下降。此外，還有正溫度系數(shù)熱敏電阻和臨界溫度系數(shù)熱敏電阻。

3．熱電阻測(cè)溫電路

最常用的熱電阻測(cè)溫電路是電橋電路，有二線制、三線制和四線制。

3.6.3熱電阻式傳感器的應(yīng)用

1．流量計(jì)

流量計(jì)是利用熱電阻上的熱量消耗與介質(zhì)流速的關(guān)系測(cè)量流量、流速、風(fēng)速等。

2．液面位置檢測(cè)

熱敏電阻通以電流時(shí)，將引起自身發(fā)熱，當(dāng)熱敏電阻處于不同介質(zhì)中時(shí)，散熱程度不一致，電阻值不同。利用熱電阻對(duì)液面位置檢測(cè)就是根據(jù)該原理設(shè)計(jì)制作的。

作業(yè)：P67：1、3、11、12、13；課堂討論:2、6、7、8、9

第4章數(shù)字式傳感器

教學(xué)要求

1．了解各種數(shù)字式傳感器的分類、結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)。

2．熟悉各種數(shù)字式傳感器的測(cè)量轉(zhuǎn)換電路。

3．掌握各種數(shù)字式傳感器的應(yīng)用。

教學(xué)課時(shí)7學(xué)時(shí)

教學(xué)內(nèi)容：

4.1光柵數(shù)字式傳感器

4.1.1光柵的分類

按原理和用途分為：

1.物理光柵，利用光的衍射現(xiàn)象，用于光譜分析和波長(zhǎng)的測(cè)量。

2.計(jì)量光柵，利用莫爾現(xiàn)象，用于長(zhǎng)度、角度、速度等的測(cè)量，又可分為透射式光柵和反射式光柵。

4.1.2光柵傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理

1.光柵傳感器的結(jié)構(gòu)

光柵傳感器由光源、光柵副、光敏元件三大部分組成。

2.光柵測(cè)量原理

把兩塊柵距相等的光柵（光柵1、光柵2）面向?qū)ΟB合在一起，中間留有很小的間隙，并使兩者的柵線之間形成一個(gè)很小的夾角θ，如圖所示，這樣就可以看到在近于垂直柵線方向上出現(xiàn)明暗相間的條紋，這些條紋叫莫爾條紋。由圖可見(jiàn)，在d-d線上，兩塊光柵的柵線重合，透光面積最大，形成條紋的亮帶，它是由一系列四棱形圖案構(gòu)成的；在f-f線上，兩塊光柵的柵線錯(cuò)開(kāi)，形成條紋的暗帶，它是由一些黑色叉線圖案組成的。因此莫爾條紋的形成是由兩塊光柵的遮光和透光效應(yīng)形成的。

光柵莫爾條紋的形式

莫爾條紋有如下特征：

（1）莫爾條紋是由光柵的大量刻線共同形成的，對(duì)光柵的刻劃誤差有平均作用，從而能在很大程度上消除光柵刻線不均勻引起的誤差。

（2）當(dāng)指示光柵沿與柵線垂直的方向作相對(duì)移動(dòng)時(shí)，莫爾條紋則沿光柵刻線方向移動(dòng)（兩者的運(yùn)動(dòng)方向相互垂直）；指示光柵反向移動(dòng)，莫爾條紋亦反向移動(dòng)。

（3）莫爾條紋的間距是放大了的光柵柵距，它隨著指示光柵與主光柵刻線夾角而改變。由于θ很小，所以其關(guān)系可用下式表示

L＝W/sinθ≈W/θ

（4）莫爾條紋移過(guò)的條紋數(shù)與光柵移過(guò)的刻線數(shù)相等。

4.1.3光柵傳感器的測(cè)量電路

光柵傳感器作為一個(gè)完整的測(cè)量裝置包括光柵讀數(shù)頭、光柵數(shù)顯表兩大部分。光柵讀數(shù)頭利用光柵原理把輸入量（位移量）轉(zhuǎn)換成響應(yīng)的電信號(hào)；光柵數(shù)顯表是實(shí)現(xiàn)細(xì)分、辨向和顯示功能的電子系統(tǒng)。

1．光柵傳感器的常用光路

（1）垂直透射式光路

（2）透射分光式光路

（3）反射式光路

（4）鏡像式光路

2．光柵傳感器的光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)

光柵傳感器的光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)由聚光鏡和光敏元件組成，光敏元件可以將光量的變化轉(zhuǎn)換成電阻或電能的變化。

3．光柵傳感器的辨向處理

如果傳感器只安裝一套光電元件，則在實(shí)際應(yīng)用中，無(wú)論光柵作正向移動(dòng)還是反向移動(dòng)，光敏元件都產(chǎn)生相同的正弦信號(hào)，是無(wú)法分辨移動(dòng)方向的。為此，必須設(shè)置辨向電路。

4．光柵傳感器的細(xì)分原理

細(xì)分電路能在不增加光柵刻線數(shù)（線數(shù)越多，成本越昂貴）的情況下提高光柵的分辨力。

常用的細(xì)分方法有兩大類：機(jī)械細(xì)分和電子細(xì)分，電子細(xì)分的兩種最常用方法為：倍頻細(xì)分法和電橋細(xì)分法。

（1）倍頻細(xì)分法

（2）電橋細(xì)分法

4.1.4光柵傳感器的應(yīng)用

由于光柵具有測(cè)量精度高等一系列優(yōu)點(diǎn)，若采用不銹鋼反射式光柵，測(cè)量范圍可達(dá)十幾米，而且不需接長(zhǎng)，信號(hào)抗干擾能力強(qiáng)，因此在國(guó)內(nèi)外受到重視和推廣，但必須注意防塵、防震問(wèn)題。

1．光柵數(shù)顯表

2．光柵傳感器在位置控制中的應(yīng)用

4.2磁柵數(shù)字式傳感器

磁柵傳感器結(jié)構(gòu)：磁柵、磁頭和信號(hào)處理電路等。

4.2.1磁柵的結(jié)構(gòu)和種類

磁柵分類：長(zhǎng)磁柵和圓磁柵兩大類。

用途：長(zhǎng)磁柵主要用于直接位移測(cè)量，圓磁柵主要用于角位移測(cè)量。

4.2.2磁頭的結(jié)構(gòu)和種類

1．動(dòng)態(tài)磁頭

2．靜態(tài)磁頭

4.2.3磁柵傳感器的信號(hào)處理

1．鑒幅方式

2．鑒相方式

4.2.4磁柵傳感器的應(yīng)用

鑒相式磁柵數(shù)字位移顯示裝置

4.3感應(yīng)同步器

4.3.1感應(yīng)同步器的類型和結(jié)構(gòu)

感應(yīng)同步器根據(jù)用途的不同可分為兩類：直線式同步器和旋轉(zhuǎn)式同步器

1．直線式感應(yīng)同步器

（1）標(biāo)準(zhǔn)型

（2）窄型

（3）帶型

2．旋轉(zhuǎn)式感應(yīng)同步器

4.3.2感應(yīng)同步器的工作原理

4.3.3感應(yīng)同步器的信號(hào)處理

由感應(yīng)同步器組成的檢測(cè)系統(tǒng)，可采取不同的勵(lì)磁方式，并對(duì)輸出信號(hào)采取不同的處理方式。根據(jù)對(duì)輸出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)信號(hào)的處理方式不同，可把感應(yīng)同步器的檢測(cè)系統(tǒng)分成相位式和幅值式。

1．鑒相處理：就是根據(jù)輸出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的相位來(lái)鑒別感應(yīng)同步器定、滑尺間相對(duì)位移量的方法。

2．鑒幅處理：采用同頻率、同相位、不同幅值的交流電壓，對(duì)感應(yīng)同步器滑尺兩相繞組進(jìn)行激勵(lì)磁，就可以根據(jù)定尺繞組輸出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的幅值來(lái)鑒別定、滑尺間相對(duì)位移量，叫做感應(yīng)同步器輸出信號(hào)的鑒幅處理。

4.3.4感應(yīng)同步器的應(yīng)用

鑒幅型數(shù)顯表

4.4編碼器

將機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)的模擬量（位移）轉(zhuǎn)換成以數(shù)字代碼形式表示的電信號(hào)，這類傳感器稱為編碼器。編碼器以其高精度、高分辨率和高可靠性被廣泛用于各種位移的測(cè)量。

編碼器的種類很多，主要分為脈沖盤(pán)式（增量編碼器）和碼盤(pán)式編碼器（絕對(duì)編碼器）。4.4.1脈沖盤(pán)式編碼器

脈沖盤(pán)式編碼器又稱為增量編碼器，它不能直接產(chǎn)生幾位編碼輸出。

1．脈沖盤(pán)式編碼器的結(jié)構(gòu)和工作原理

2．脈沖盤(pán)式編碼器的辨向方式

3．脈沖盤(pán)式編碼器的應(yīng)用

4.4.2碼盤(pán)式編碼器

碼盤(pán)式編碼器又稱為絕對(duì)編碼器，它將角度轉(zhuǎn)換為數(shù)字編碼，能方便地與數(shù)字系統(tǒng)連接。碼盤(pán)式編碼器按結(jié)構(gòu)可分為接觸式、光電式和電磁式三種，后兩種為非接觸式。

1．接觸式編碼器：由碼盤(pán)和電刷組成。

2．光電式編碼器：是一種絕對(duì)編碼器，即幾位編碼器其碼盤(pán)上就有幾位碼道，編碼器在轉(zhuǎn)軸的任何位置都可以輸出一個(gè)固定的與位置相對(duì)的數(shù)字碼。

3．電磁式編碼器：是近年發(fā)展起來(lái)的一種新型電磁敏感元件，主要優(yōu)點(diǎn)是對(duì)潮濕氣體和污染敏感，體積小，成本低。

作業(yè):P957、8

第５章新型傳感器

教學(xué)要求

1．熟悉各種新型傳感器的類型。

2．了解各種新型傳感器的結(jié)構(gòu)、工作原理和特性。

3．熟悉各種新型傳感器的應(yīng)用。

教學(xué)課時(shí)8學(xué)時(shí)

教學(xué)內(nèi)容：

5.1仿生傳感器

人類已制造出：仿視覺(jué)傳感器，仿聽(tīng)覺(jué)傳感器，仿嗅覺(jué)傳感器，以及DNA芯片等仿生傳感器，這些傳感器能自動(dòng)捕獲信息、處理信息，模仿人類的行為。最典型的代表就是機(jī)器人所用的傳感器。

機(jī)器人傳感器一般分為機(jī)器人外部傳感器和機(jī)器人內(nèi)部傳感器。

5.1.1機(jī)器人內(nèi)部傳感器概述

1．機(jī)器人用位置檢測(cè)傳感器

機(jī)器人用位置檢測(cè)傳感器主要有微型限位開(kāi)關(guān)、光電斷路器和電磁式接近開(kāi)關(guān)等。

2．機(jī)器人用位移檢測(cè)傳感器

機(jī)器人用位移檢測(cè)傳感器主要有直線電位器、可調(diào)變壓器、磁性傳感器和磁尺等。

3．機(jī)器人用角位移檢測(cè)傳感器

機(jī)器人用角位移檢測(cè)傳感器主要有旋轉(zhuǎn)式電位器、旋轉(zhuǎn)式可調(diào)變壓器、鑒相器、光電編碼器等。

4．機(jī)器人用速度檢測(cè)傳感器

機(jī)器人用速度檢測(cè)傳感器常用的有測(cè)速電機(jī)及脈沖發(fā)生器兩類，它不僅可以測(cè)試速度，還可以測(cè)試動(dòng)態(tài)響應(yīng)補(bǔ)償。

5．機(jī)器人用加速度檢測(cè)傳感器

機(jī)器人用加速度檢測(cè)傳感器主要有差動(dòng)變壓器型和應(yīng)變儀型。

6．機(jī)器人用力檢測(cè)傳感器

5.1.2機(jī)器人外部傳感器

表5-1機(jī)器人傳感器分類

類別

檢測(cè)內(nèi)容

應(yīng)用目的

傳感器件

明暗覺(jué)

是否有光，亮度多少

判斷有無(wú)對(duì)象，并得到定量結(jié)果

光敏管、光電斷續(xù)器

色覺(jué)

對(duì)象的色彩及濃度

利用顏色識(shí)別對(duì)象的場(chǎng)合

彩色攝影機(jī)、濾色器、彩色CCD

位置覺(jué)

物體的位置、角度、距離

物體空間位置，判斷物體移動(dòng)

光敏陣列、CCD等

形狀覺(jué)

物體的外形

提取物體輪廓及固有特征，識(shí)別物體

光敏陣列、CCD等

接觸覺(jué)

與對(duì)象是否接觸，接觸的位置

決定對(duì)象位置，識(shí)別對(duì)象形態(tài)，控制速度，安全保障，異常停止，尋徑

光電傳感器、微動(dòng)開(kāi)關(guān)、薄膜接點(diǎn)、壓敏高分子材料

壓覺(jué)

對(duì)物體的壓力、握力、壓力分布

控制握力，識(shí)別握持物，測(cè)量物體彈性

壓電元件、導(dǎo)電橡膠、壓敏高分子材料

力覺(jué)

機(jī)器人有關(guān)部件（如手指）所受外力及轉(zhuǎn)矩

控制手腕移動(dòng)，伺服控制，正確完成作業(yè)

應(yīng)變片、導(dǎo)電橡膠

接近覺(jué)

與對(duì)象物是否接近，接近距離，對(duì)象面的傾斜

控制位置，尋徑，安全保障，異常停止

光傳感器、氣壓傳感器、超聲波傳感器、電渦流傳感器霍爾傳感器、

滑覺(jué)

垂直于握持面方向物體的位移，旋轉(zhuǎn)重力引起的變形

修正握力，防止打滑，判斷物體重量及表面狀態(tài)

球形接點(diǎn)式、光電式旋轉(zhuǎn)傳感器角編碼器、振動(dòng)檢測(cè)器、

1．視覺(jué)傳感器

視覺(jué)檢測(cè)主要利用圖象信號(hào)輸入設(shè)備，將視覺(jué)信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。信號(hào)取出方法有：MOS型和CCD型。

從功能上說(shuō)，固態(tài)圖像傳感器能把接收到的光像分成許多小單元，并將它們轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，它的核心部分是電荷耦合器件，簡(jiǎn)稱CCD。

CCD是美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室于1969年發(fā)明的，與電腦晶片CMOS技

術(shù)相似，也可作電腦記憶體及邏輯運(yùn)作晶片。CCD是一種特殊的半導(dǎo)體材料，由大量獨(dú)立的感光二極管組成，一般這些感光二極管按照矩陣形式排列(富士公司的SuperCCD除外)。

CCD的感光能力比PMT低，但近年來(lái)CCD技術(shù)有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，

又由于CCD的體積小、造價(jià)低，所以廣泛應(yīng)用于掃描儀、數(shù)碼相機(jī)及數(shù)碼攝像機(jī)中。目前大多數(shù)數(shù)碼相機(jī)采用的視覺(jué)傳感器都是CCD。

CCD傳感器又叫電荷耦合器，它是一種特殊的半導(dǎo)體材料，由大量獨(dú)立的感光二極管組成，一般按照矩陣形式排列，相當(dāng)于傳統(tǒng)相機(jī)的膠卷。

2．聽(tīng)覺(jué)傳感器

語(yǔ)音識(shí)別實(shí)質(zhì)上是通過(guò)模式識(shí)別技術(shù)識(shí)別未知的輸入聲音。實(shí)現(xiàn)這種技術(shù)的大規(guī)模集成電路的聲音識(shí)別電路早已問(wèn)世，其典型代表：TMS320C25FNL。

3．接觸覺(jué)傳感器

接觸覺(jué)傳感器可檢測(cè)機(jī)器人是否接觸目標(biāo)或環(huán)境，用于尋找物體或感知碰撞。

4．接近覺(jué)傳感器

接近覺(jué)是一種粗略的距離感覺(jué)，接近覺(jué)傳感器的主要作用是在接觸對(duì)象之前獲得必要的信息，用來(lái)探測(cè)在一定距離范圍內(nèi)是否有物體接近、物體的接近距離和對(duì)象的表面形狀及傾斜等狀態(tài)。在機(jī)器人中，主要用于對(duì)物體的抓取和躲避。接近覺(jué)一般用非接觸式測(cè)量元件，如霍爾效應(yīng)傳感器、電磁式接近開(kāi)關(guān)和光學(xué)接近傳感器。

5．嗅覺(jué)傳感器

嗅覺(jué)傳感器中開(kāi)發(fā)應(yīng)用最廣泛的是電子鼻，它由傳感器陣列構(gòu)成，陣列中的每個(gè)傳感器覆蓋著不同的具有選擇性吸附化學(xué)物質(zhì)能力的導(dǎo)電聚合物。吸附作用將改變材料的電導(dǎo)率，從而產(chǎn)生一個(gè)能測(cè)量的電信號(hào)。

5.2光纖傳感器

光纖傳感器是20世紀(jì)70年代中期發(fā)展起來(lái)的一種新技術(shù)，它是伴隨著光纖及光通信技術(shù)的發(fā)展而逐步形成的。

光纖傳感器和傳統(tǒng)的各類傳感器相比有一定的優(yōu)點(diǎn)，如不受電磁干擾，體積小，重量輕，可繞曲，靈敏度高，耐腐蝕，高絕緣強(qiáng)度，防爆性好，集傳感與傳輸于一體，能與數(shù)字通信系統(tǒng)兼容等。

5.2.1光纖結(jié)構(gòu)

光導(dǎo)纖維簡(jiǎn)稱光纖，它是一種特殊結(jié)構(gòu)的光學(xué)纖維，由纖芯、包層和護(hù)層組成。

5.2.2光纖傳感器的工作原理

眾所周知，光在空間是直線傳播的。在光纖中，光的傳輸限制在光纖中，并隨著光纖能傳送很遠(yuǎn)的距離，光纖的傳輸是基于光的全內(nèi)反射。

光纖傳感器原理實(shí)際上是研究光在調(diào)制區(qū)內(nèi)，外界信號(hào)（溫度、壓力、應(yīng)變、位移、振動(dòng)、電場(chǎng)等）與光的相互作用，即研究光被外界參數(shù)的調(diào)制原理。外界信號(hào)可能引起光的強(qiáng)度、波長(zhǎng)、頻率、相位、偏振態(tài)等光學(xué)性質(zhì)的變化，從而形成不同的調(diào)制。

光纖傳感器一般分為兩大類：一類是利用光纖本身的某種敏感特性或功能制成的傳感器，稱為功能型（FunctionalFiber，縮寫(xiě)為FF）傳感器，又稱為傳感型傳感器；另一類是光纖僅僅起傳輸光的作用，它在光纖端面或中間加裝其它敏感元件感受被測(cè)量的變化，這類傳感器稱為非功能型（NonFunctionalFiber，縮寫(xiě)為NFF）傳感器，又稱為傳光型傳感器。

5.2.3光纖傳感器的特點(diǎn)

(1)抗電磁干擾,電絕緣,耐腐蝕。

(2)靈敏度高。

(3)重量輕,體積小,可彎曲。

(4)測(cè)量對(duì)象廣泛。

(5)對(duì)被測(cè)介質(zhì)影響小。

光纖溫度傳感器是目前僅次于加速度、壓力傳感器而被廣泛使用的光纖傳感器。根據(jù)工作原理它可分為相位調(diào)制型、光強(qiáng)調(diào)制型和偏振光型等。

3.光纖旋渦流量傳感器

光纖旋渦流量傳感器是將一根多模光纖垂直地裝入管道，當(dāng)液體或氣體流經(jīng)與其垂直的光纖時(shí)，光纖受到流體渦流的作用而振動(dòng)，振動(dòng)的頻率與流速有關(guān)。

5.3微型傳感器

5.3.1電容式微型傳感器

電容式微型傳感器是利用蝕刻法制成的硅傳感器，它的優(yōu)點(diǎn)是耗能少、靈敏度高以及輸出信號(hào)受溫度影響小，常用于壓力、流量和加速度的測(cè)量。

1.電容式微型壓力傳感器

2.電容式微型流量傳感器

5.3.2電感式微型傳感器

主要應(yīng)用是微型磁通門(mén)式磁強(qiáng)計(jì).

5.3.3壓阻式微型傳感器

原理：半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)，利用擴(kuò)散工藝制作的四個(gè)半導(dǎo)體應(yīng)變電阻處于同一硅片上，工藝一致性好，靈敏度相等，漂移抵消，遲滯、蠕變非常小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快。

5.3.4熱敏電阻式微型傳感器

主要用來(lái)測(cè)量氣體的流量和流速。

5.4集成傳感器

集成傳感器是將傳感元件、測(cè)量電路以及各種補(bǔ)償元件等集成在一塊芯片上，它體積小，重量輕，功能強(qiáng)，性能好。

5.4.1集成溫度傳感器

集成溫度傳感器是將溫度傳感器、放大電路、溫度補(bǔ)償?shù)裙δ芗稍谕粔K極小的芯片上而制成的，可以完成溫度測(cè)量及信號(hào)輸出功能的專用IC。按輸出的信號(hào)可以分為模擬集成溫度傳感器和數(shù)字集成溫度傳感器。

1．AD590傳感器性能特點(diǎn)

2．AD590的測(cè)溫誤差

3．AD590的應(yīng)用

5.4.2智能壓力傳感器

智能壓力傳感器也稱為數(shù)字式壓力測(cè)量?jī)x，它是把敏感元件和信號(hào)處理電路集成在一起，并把被測(cè)壓力以數(shù)字的形式輸出或顯示的儀器。

1．壓力傳感器的基本結(jié)構(gòu)和特性

2．溫度補(bǔ)償：溫度補(bǔ)償?shù)姆椒ㄝ^多，最簡(jiǎn)單的方法是在傳感器和電源之間串聯(lián)電阻。

3．傳感器放大電路：在測(cè)量電路中使用放大器將傳感器的輸出電壓進(jìn)行放大以驅(qū)動(dòng)后續(xù)的電路。

4．A/D轉(zhuǎn)換器

5．電路裝調(diào)及壓力連接

6．校準(zhǔn)：電路的校準(zhǔn)包括零點(diǎn)校準(zhǔn)和滿量程校準(zhǔn)兩個(gè)方面。

5.5新型傳感器研發(fā)的重點(diǎn)領(lǐng)域

新型傳感器研發(fā)的重點(diǎn)領(lǐng)域主要有以下幾個(gè)方面：

1．基于MEMS技術(shù)的新型傳感器

2．生物、醫(yī)學(xué)研究急需的新型傳感器

3．新型環(huán)?；瘜W(xué)傳感器

4．工業(yè)過(guò)程控制和汽車傳感器

第6章傳感器與檢測(cè)系統(tǒng)的信號(hào)處理技術(shù)

教學(xué)要求

1．掌握直流電橋和交流電橋電路。

2．掌握各種放大器的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)。

3．掌握信號(hào)的變換形式。

教學(xué)課時(shí)6學(xué)時(shí)

教學(xué)內(nèi)容：

6.1.電橋電路

6.1.1直流電橋

直流電橋平衡條件：相鄰兩臂電阻的比值應(yīng)相等，或相對(duì)兩臂電阻的乘積應(yīng)相等。

按電阻應(yīng)變片接入電橋電路的接法，電橋可分為：

1.單臂工作電橋：

2.等臂雙臂工作電橋

3.等臂全橋工作電橋

三種工作方式中，全橋四臂工作方式的靈敏度最高，雙臂半橋次之，單臂半橋靈敏度最低。采用全橋（或雙臂半橋）還能實(shí)現(xiàn)溫度自補(bǔ)償。

直流電橋

6.1.2交流電橋

引入原因：由于應(yīng)變電橋輸出電壓很小，一般都要加放大器，而直流放大器易于產(chǎn)生零漂，因此應(yīng)變電橋多采用交流電橋。

由于供橋電源為交流電源，引線分布電容使得二橋臂應(yīng)變片呈現(xiàn)復(fù)阻抗特性，即相當(dāng)于兩只應(yīng)變片各并聯(lián)了一個(gè)電容。

交流電橋

6.2信號(hào)的放大與隔離

從傳感器來(lái)的信號(hào)有許多是毫伏級(jí)的弱信號(hào)，須經(jīng)放大才能進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)對(duì)放大器的主要要求是：精度高、溫度漂移小、共模抑制比高、頻帶寬至直流。

目前常用的放大器有以下幾種型式：一種是高精度、低漂移的雙極型放大器；另一種為隔離放大器，它帶有光電隔離或變壓器隔離的低漂移信號(hào)放大器，以及一個(gè)高隔離的DC/DC電源。

6.2.1運(yùn)算放大器

1．反相放大器

2．同相放大器

6.2.2測(cè)量放大器

1．測(cè)量放大器的結(jié)構(gòu)與特性

具有高共模抑制比、高速度、高精度、高穩(wěn)定性、高輸入阻抗、低輸出阻抗、低噪聲的特點(diǎn)。

2．測(cè)量放大器集成電路（自學(xué)）

3．測(cè)量放大器的使用

（1）差動(dòng)輸入端的連接：要注意為偏置電流提供回路。

（2）護(hù)衛(wèi)端的連接：電纜的屏蔽層應(yīng)連接測(cè)量放大器的護(hù)衛(wèi)端。

（3）R端、S端的連接：R端接電源地，S端接輸出。

6.2.3程控測(cè)量放大器PGA

程控測(cè)量放大器PGA是通用性很強(qiáng)的放大器，放大倍數(shù)可通過(guò)編程進(jìn)行控制。

1．浮點(diǎn)放大器型

2．增益電阻切換型

6.2.4隔離放大器

1．AD277型雙隔離式放大器

2．AD210型三隔離式放大器

6.3信號(hào)的變換

6.3.1電壓與電流轉(zhuǎn)換

1．電壓轉(zhuǎn)換為電流：以A/D693為例

2．電流轉(zhuǎn)換為電壓：電阻式電流/電壓轉(zhuǎn)換電路

6.3.2電壓與頻率的相互轉(zhuǎn)換

實(shí)現(xiàn)電壓/頻率轉(zhuǎn)換的方法很多，主要有積分復(fù)原型和電荷平衡型。

V/F轉(zhuǎn)換器常用集成芯片主要有VFC32和LM31系列。

作業(yè)：P1351、6

第7章傳感器與檢測(cè)系統(tǒng)的干擾抑制技術(shù)

教學(xué)要求

1．了解噪聲干擾的來(lái)源及噪聲的耦合方式。

2．掌握噪聲的干擾模式。

3．掌握硬件和軟件抗干擾技術(shù)。

教學(xué)課時(shí)8學(xué)時(shí)

教學(xué)內(nèi)容:

7.1噪聲干擾的形成

一、干擾與噪聲

噪聲：任何不希望有的信號(hào)，即在有用頻帶內(nèi)的任何不希望出現(xiàn)的干擾。

干擾的來(lái)源：系統(tǒng)內(nèi)部干擾；系統(tǒng)外部的干擾

形成干擾的三個(gè)條件：干擾源、干擾的耦合通道（耦合方式）、干擾的接收電路。

干擾的耦合方式包括電容性耦合（電路的寄生電容）、互感性耦合、公共地線的耦合、漏電耦合、輻射電磁場(chǎng)耦合等。

信噪比：信號(hào)通路中，有用信號(hào)功率PS與噪聲功率PN之比，通常用S/N表示，即

在測(cè)量過(guò)程中應(yīng)盡量提高信噪比，以減少噪聲對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。

7.1.1噪聲源

1．機(jī)械干擾

機(jī)械干擾是指機(jī)械振動(dòng)或沖擊使電子檢測(cè)裝置中的元件發(fā)生振動(dòng)，改變了系統(tǒng)的電氣參數(shù)，造成可逆或不可逆的影響。

2．濕度及化學(xué)干擾

當(dāng)環(huán)境相對(duì)濕度增加時(shí)，物體表面就會(huì)附著一層水膜，并滲入材料內(nèi)部，降低了絕緣強(qiáng)度，造成了漏電、擊穿和短路現(xiàn)象；潮濕還會(huì)加速金屬材料的腐蝕，并產(chǎn)生原電池電化學(xué)干擾電壓；在較高的溫度下，潮濕還會(huì)促使霉菌的生長(zhǎng)，并引起有機(jī)材料的霉?fàn)€。

3．固有噪聲干擾

在電路中，電子元件本身產(chǎn)生的、具有隨機(jī)性、寬頻帶的噪聲稱為固有噪聲。最重要的固有噪聲源是電阻熱噪聲、半導(dǎo)體散粒噪聲和接觸噪聲等。固有噪聲可以從喇叭或耳機(jī)中反映出來(lái)，但更多的時(shí)候是反映在輸出電壓的無(wú)規(guī)律跳變上。

4．電、磁噪聲干擾

電磁干擾源分為兩大類：自然界干擾源和人為干擾源，后者是檢測(cè)系統(tǒng)的主要干擾源。

（1）自然界干擾源包括地球外層空間的宇宙射電噪聲、太陽(yáng)耀斑輻射噪聲以及大氣層的天電噪聲。后者的能量頻譜主要集中在30MHz以下，對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)的影響較大。

（2）人為干擾源又可分為有意發(fā)射干擾源和無(wú)意發(fā)射干擾源。

7.1.2噪聲的耦合方式

噪聲要引起干擾必須通過(guò)一定的耦合通道或傳輸途徑才能對(duì)檢測(cè)裝置的正常工作造成不良的影響。常見(jiàn)的干擾耦合方式主要有靜電耦合、電磁耦合、共阻抗耦合和漏電流耦合。

1．靜電耦合

2．電磁耦合

3．阻抗耦合

4．漏電流耦合

7.1.3噪聲的干擾模式

1．差模干擾：當(dāng)系統(tǒng)兩個(gè)輸入端出現(xiàn)很難避免的不平衡時(shí),共模電壓的一部分將轉(zhuǎn)換為串模干擾

2．共模干擾：如果干擾源對(duì)兩根信號(hào)傳輸線的干擾大小相等、相位相同,就屬于共模干擾。

7.2硬件抗干擾技術(shù)

7.2.1接地技術(shù)

接地起源于強(qiáng)電技術(shù)，它的本意是接大地，主要著眼于安全。這種地線也稱為“保安地線”。它的接地電阻值必須小于規(guī)定的數(shù)值。

對(duì)于儀器、通訊、計(jì)算機(jī)等電子技術(shù)來(lái)說(shuō)，“地線”多是指電信號(hào)的基準(zhǔn)電位，也稱為“公共參考端”，它除了作為各級(jí)電路的電流通道之外，還是保證電路工作穩(wěn)定、抑制干擾的重要環(huán)節(jié)。它可以接大地，也可以與大地隔絕。

檢測(cè)系統(tǒng)中地線的種類：

（1）信號(hào)地：指?jìng)鞲衅鞅旧淼牧汶娢换鶞?zhǔn)線。傳感器可看作是測(cè)量裝置的信號(hào)源，多數(shù)情況下信號(hào)較為微弱，通常傳感器安裝在生產(chǎn)設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)，而測(cè)量裝置設(shè)在離現(xiàn)場(chǎng)一定距離的控制室內(nèi)，從測(cè)量裝置的角度看，可以認(rèn)為傳感器的公共參考端就是信號(hào)源地線，它必須與測(cè)量裝置進(jìn)行正確的連接才能提高整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)的抗干擾能力。

（2）模擬地：模擬信號(hào)的參考點(diǎn)。因?yàn)槟M信號(hào)電壓多數(shù)情況下均較弱、易受干擾，易形成級(jí)間不希望的反饋，所以模擬信號(hào)地線的橫截面積應(yīng)盡量大些。

（3）數(shù)字地：數(shù)字信號(hào)的參考點(diǎn)。由于數(shù)字信號(hào)處于脈沖工作狀態(tài)，動(dòng)態(tài)脈沖電流在接地阻抗上產(chǎn)生的壓降往往成為微弱模擬信號(hào)的干擾源，為了避免數(shù)字信號(hào)對(duì)模擬信號(hào)的干擾，兩者的地線應(yīng)分別設(shè)置為宜，否則會(huì)嚴(yán)重干擾模擬信號(hào)的測(cè)量結(jié)果。

（4）負(fù)載地：指大功率負(fù)載或感生負(fù)載的地線。負(fù)載的電流一般都比前級(jí)信號(hào)電流大得多，負(fù)載地線上的電流有可能干擾前級(jí)微弱的信號(hào)，因此負(fù)載地線必須與其他信號(hào)地線分開(kāi)。例如，若誤將喇叭的負(fù)極（接地線）與擴(kuò)音機(jī)話筒的屏蔽線碰在一起，就相當(dāng)于負(fù)載地線與信號(hào)地線合并，可能引起嘯叫。又如當(dāng)負(fù)載是繼電器時(shí)，繼電器觸點(diǎn)閉合和斷開(kāi)的瞬間經(jīng)常產(chǎn)生電火花，容易反饋到前級(jí)，造成干擾，因此應(yīng)正確連接。

（5）系統(tǒng)地：整個(gè)系統(tǒng)的統(tǒng)一參考電位，該點(diǎn)稱為系統(tǒng)地。

以上5種類型的地線，接地方式有兩種：

單點(diǎn)接地：有串聯(lián)接地和并聯(lián)接地兩種，主要用于低頻系統(tǒng)。

多點(diǎn)接地：高頻系統(tǒng)中，通常采用多點(diǎn)接地方式，各個(gè)電路或元件的地線以最短的距離就近連到地線匯流排上。

7.2.2屏蔽技術(shù)

利用金屬材料制成容器，將需要防護(hù)的電路包圍在其中，可以防止電場(chǎng)或磁場(chǎng)耦合干擾的方法稱為屏蔽。

屏蔽可分為靜電屏蔽、低頻磁屏蔽、驅(qū)動(dòng)屏蔽和電磁屏蔽等幾種。根據(jù)不同的對(duì)象，使用不同的屏蔽方式。

1．靜電屏蔽：能防止靜電場(chǎng)的影響，可以消除或削弱兩電路之間由于寄生分布電容耦合而產(chǎn)生的干擾。

2．電磁屏蔽：采用導(dǎo)電性能良好的金屬材料做成屏蔽層，利用高頻干擾電磁場(chǎng)在屏蔽體內(nèi)產(chǎn)生渦流，再利用渦流消耗高頻干擾磁場(chǎng)的能量，從而削弱高頻電磁場(chǎng)的影響。

3．低頻磁屏蔽：電磁屏蔽對(duì)低頻磁場(chǎng)干擾的屏蔽效果很差，對(duì)低頻磁場(chǎng)的屏蔽，要用導(dǎo)磁材料做屏蔽層，將干擾磁通限制在磁阻很小的磁屏蔽體內(nèi)部，防止其干擾。

4．驅(qū)動(dòng)屏蔽：就是使被屏蔽導(dǎo)體的電位與屏蔽導(dǎo)體的電位相等，能有效抑制通過(guò)寄生電容的耦合干擾。

7.2.3濾波技術(shù)

濾波器是一種允許某一頻帶信號(hào)通過(guò)，而阻止另一些頻帶通過(guò)的電子電路。濾波就是保持需要的頻率成分的振幅不變，盡量減小不必要的頻率成分振幅的一種信號(hào)處理方法。

濾波器分為低通濾波器和高通濾波器。

1．低通濾波器

2．高通濾波器

7.3軟件抗干擾技術(shù)

7.3.1數(shù)字濾波

數(shù)字濾波由軟件算法實(shí)現(xiàn)，不需要增加硬件設(shè)備，只要在程序進(jìn)入控制算法之前，附加一段數(shù)字濾波程序。

1．中位值法

2．平均值法

3．限幅濾波

7.3.2軟件冗余技術(shù)

進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)時(shí)要考慮到萬(wàn)一程序“跑飛”，應(yīng)讓其自動(dòng)恢復(fù)到正常狀態(tài)下運(yùn)行，冗余技術(shù)是常用的方法。常用的冗余技術(shù)主要有指令冗余技術(shù)、數(shù)據(jù)和程序冗余技術(shù)。

7.3.3軟件陷阱技術(shù)

當(dāng)亂飛程序進(jìn)入非程序區(qū)或表格區(qū)時(shí)，采用冗余指令使程序入軌條件便不滿足，此時(shí)可設(shè)定軟件陷阱。

軟件陷阱，就是用引導(dǎo)指令強(qiáng)行將捕獲到的亂飛程序引向復(fù)位入口地址0000H，在此處將程序轉(zhuǎn)向?qū)ｉT(mén)對(duì)程序出錯(cuò)進(jìn)行處理的程序，使程序納入正軌。

7.3.4“看門(mén)狗”技術(shù)

計(jì)算機(jī)受到干擾而失控，引起程序亂飛，也可能使程序陷入“死循環(huán)”。當(dāng)指令冗余技術(shù)、軟件陷阱技術(shù)不能使失控的程序擺脫“死循環(huán)”的困境時(shí)，通常采用程序監(jiān)視技術(shù)，又稱“看門(mén)狗”技術(shù)，使失控的程序擺脫“死循環(huán)”。

“看門(mén)狗”技術(shù)既可由硬件實(shí)現(xiàn)，也可由軟件實(shí)現(xiàn)，還可由兩者結(jié)合實(shí)現(xiàn)。

第8章典型非電參量的測(cè)試方法

教學(xué)要求

1．了解各種非電量的測(cè)量方法。

2．熟悉測(cè)量各種非電量的傳感器。

教學(xué)課時(shí)10學(xué)時(shí)

教學(xué)內(nèi)容：

8.1應(yīng)變的測(cè)量

8.1.1簡(jiǎn)單受力狀態(tài)的應(yīng)變測(cè)量

簡(jiǎn)單受力狀態(tài)主要是指只受單向拉伸（壓縮）、只受純彎曲或只受純扭矩的狀態(tài)。

1．單向拉伸（壓縮）時(shí)的應(yīng)變測(cè)量

2．純彎曲時(shí)的應(yīng)變測(cè)量

3．只受扭矩時(shí)的應(yīng)變測(cè)量

8.1.2復(fù)雜受力情況下單向應(yīng)力應(yīng)變測(cè)量

1．受彎曲與拉伸（壓縮）時(shí)的組合應(yīng)變測(cè)量

2．受扭矩、拉伸（壓縮）和彎曲時(shí)的組合應(yīng)變測(cè)量

8.1.3平面應(yīng)力狀態(tài)的應(yīng)力測(cè)量

1.主應(yīng)力方向已知的平面應(yīng)力測(cè)量

2．主應(yīng)力方向未知的平面應(yīng)力測(cè)量

8.2力及壓力的測(cè)量

力的測(cè)量方法從大的方面將可分為之間比較法和通過(guò)采用傳感器的間接比較法兩類。本節(jié)主要介紹間接比較法。

根據(jù)傳感器的工作原理，常用的力傳感器主要有彈性式、電阻應(yīng)變式力、電容式和電感式等。

8.2.1彈性力傳感器

彈性力傳感器主要用于壓力測(cè)量。常用的測(cè)力彈性元件主要有布爾登管、膜片和波紋管三類。

1．布爾登管

波登管又叫彈簧管，它是彎成各種形狀的空心管子，一般為C形，彎成270°一端固定，一端自由，截面多為扁圓形或橢圓形。

當(dāng)這種彈性管一側(cè)通入流體有一定壓力時(shí)，由于內(nèi)外側(cè)的壓差（外側(cè)一般為大氣壓力），迫使管子的橢圓截面產(chǎn)生趨于變圓的變形，這種變形導(dǎo)致C形、螺線形和螺旋形波登管的自由端產(chǎn)生變位；對(duì)于扭轉(zhuǎn)形波登管，輸出運(yùn)動(dòng)則是自由端的角位移。

2．膜片

懸鏈型膜片是一種受溫度影響較小的膜片結(jié)構(gòu)。

平膜片（等截面薄板）是周邊固定的圓薄板，當(dāng)它的上下兩面受到均勻分布的壓力時(shí)，薄板彎向壓力低的一面，并在薄板表面產(chǎn)生應(yīng)力，從而把均布?jí)毫ψ優(yōu)楸“宓奈灰苹驊?yīng)變。將應(yīng)變片貼在薄板表面，可以組成電阻應(yīng)變式壓力傳感器，利用薄板的位移可以組成電容式、霍爾式壓力傳感器。

3．波紋管

可在較低壓力下得到較大的變位。它可測(cè)的壓力較低，對(duì)于小直徑的黃銅波紋管，最大允許壓力約為1.5兆帕。

8.2.2電阻應(yīng)變式力傳感器

電阻應(yīng)變式力傳感器是根據(jù)應(yīng)變效應(yīng)設(shè)計(jì)制作的力傳感器。應(yīng)變式力傳感器的測(cè)量范圍大，可以從1Pa到幾Mpa，且能獲得很高的測(cè)量精度。常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)形式有筒式、膜片式和組合式等。

1．筒式壓力傳感器

2．膜片式壓力傳感器

3．組合式壓力傳感器

8.2.3其他力傳感器

1．電容式力傳感器

電容式力傳感器就是把力轉(zhuǎn)換成微小位移量的變化，通過(guò)測(cè)量由于移量變化引起的電容量變化的大小，從而計(jì)算出被測(cè)力的大小。

2．電感式力傳感器

電感式力傳感器利用磁性材料和空氣導(dǎo)磁率不同，當(dāng)壓力作用在膜片上靠膜片改變空氣

氣隙大小，去改變固定線圈的電感，通過(guò)測(cè)量電路把電感的變化轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電壓或電流輸出，通過(guò)測(cè)量電壓或電流從而計(jì)算出測(cè)量力的大小。

電感式力傳感器按磁路特性主要分為變磁阻式和變磁導(dǎo)式兩種

8.3位移的測(cè)量

常用位移的測(cè)量方法：機(jī)械法、光測(cè)法、電測(cè)法。

電測(cè)法：利用各種傳感器將位移量變換為電量或電參數(shù)，再經(jīng)后接測(cè)量?jī)x器進(jìn)一步變換

完成對(duì)位移檢測(cè)的一種方法。

電測(cè)法測(cè)量位移常用的傳感器有電阻式、電容式、渦流式、壓電式、感應(yīng)同步式、磁柵式、光電式等。

位移測(cè)試傳感系統(tǒng)由傳感器、變換電路、顯示裝置或記錄儀器三部分組成。

8.3.1電阻式位移傳感器

電阻式位移傳感器是把被測(cè)位移轉(zhuǎn)換成電阻變化，通過(guò)測(cè)量電阻值達(dá)到測(cè)量位移目的的一種傳感器。

從上式可見(jiàn)，若導(dǎo)體的三個(gè)參數(shù)(電阻率、長(zhǎng)度L或截面積S)中的一個(gè)或數(shù)個(gè)發(fā)生變化，則電阻值隨著變化，因此可利用此原理來(lái)構(gòu)成傳感器。電位計(jì)和應(yīng)變片就是根據(jù)這一原理制成的。

例如，

——若改變長(zhǎng)度L，則可制成電位計(jì)；

——改變L、S則可制成電阻應(yīng)變式

8.3.2電渦流式位移傳感器

根據(jù)法拉第定律，當(dāng)傳感器線圈通以正弦交變電流I1時(shí)，線圈周圍空間必然產(chǎn)生正弦交變磁場(chǎng)H1，使置于此磁場(chǎng)中的金屬導(dǎo)體中感應(yīng)電渦流I2，I2又產(chǎn)生新的交變磁場(chǎng)H2。

根據(jù)愣次定律，H2的作用將反抗原磁場(chǎng)H1，由于磁場(chǎng)H2的作用，渦流要消耗一部分能量，導(dǎo)致傳感器線圈的等效阻抗發(fā)生變化。線圈阻抗的變化完全取決于被測(cè)金屬導(dǎo)體的電渦流效應(yīng)。

一般講，線圈的阻抗變化與導(dǎo)體的電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率、幾何形狀、線圈的幾何參數(shù)、激勵(lì)電流頻率以及線圈到被測(cè)導(dǎo)體間的距離有關(guān)。如果保持某些參數(shù)不變，而只改變一個(gè)參數(shù)，傳感器線圈阻抗Z就僅僅是這個(gè)參數(shù)的單值函數(shù)。通過(guò)與傳感器配用的測(cè)量電路測(cè)出阻抗Z的變化量，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)該參數(shù)的測(cè)量。

用于測(cè)量位移的電渦流式傳感器有變間隙型、變面積型和螺管型。

變間隙型電渦流傳感器

變面積型電渦流傳感器

螺管型電渦流傳感器

8.3.3其他位移傳感器

電容式位移傳感器、電感式位移傳感器、感應(yīng)同步器、光柵傳感器、磁柵傳感器和激光干涉儀等，它們主要用于大量程、精密位移的檢測(cè)，可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)測(cè)量、自動(dòng)測(cè)量和數(shù)字顯示。

差動(dòng)變壓器式位移傳感器具有良好的環(huán)境適應(yīng)性，使用壽命長(zhǎng)，靈敏度高和分辨率高的特點(diǎn)，是目前位移測(cè)量中應(yīng)用最廣的一種互感式傳感器。

8.4振動(dòng)的測(cè)量

振動(dòng)的測(cè)量一般分為兩類：一類是測(cè)量機(jī)器和設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中存在的振動(dòng)，另一類是對(duì)設(shè)備施加某種激勵(lì)，使其產(chǎn)生受迫振動(dòng)，然后對(duì)它的振動(dòng)狀況做檢測(cè)。

8.4.1測(cè)振傳感器

1．磁電式速度傳感器

2．電感式振動(dòng)傳感器

3．激光速度傳感器

8.4.2激振方式

振動(dòng)激勵(lì)的方式主要有三類：穩(wěn)態(tài)正弦激振、隨機(jī)激振和瞬間激振。

1．穩(wěn)態(tài)正弦激振：用激振器對(duì)被測(cè)對(duì)象施加一個(gè)穩(wěn)定的單一頻率的穩(wěn)態(tài)正弦激振力。

2．隨機(jī)激振：是一種寬帶激振方法。

3．瞬間激振

8.4.3激振器

1．電動(dòng)式激振器

2．電磁式激振器

3．電液式激振器

8.5流量的測(cè)量

8.5.1差壓流量傳感器

8.5.2渦輪流