非電量測(cè)試傳感器課件

在現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)中，對(duì)于各種類(lèi)型的被測(cè)量的測(cè)量，大多數(shù)都是直接或通過(guò)各種傳感器、電路轉(zhuǎn)換為與被測(cè)量相關(guān)的電壓、電流等電學(xué)基本參量后進(jìn)行監(jiān)測(cè)和處理的，這樣既便于對(duì)被測(cè)量的檢測(cè)、處理、記錄和控制，又能提高測(cè)量的精度，因此，了解和掌握這些非電量的測(cè)量方法是十分重要的。第六章非電量測(cè)量第一節(jié)長(zhǎng)度及線(xiàn)位移測(cè)量一、光柵位移傳感器光柵是一種新型的位移檢測(cè)元件，是一種將機(jī)械位移或模擬量轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字脈沖的測(cè)量裝置。它的特點(diǎn)是測(cè)量精確度高（可達(dá)±1μm）、響應(yīng)速度快、量程范圍大、可進(jìn)行非接觸測(cè)量等。易于實(shí)現(xiàn)數(shù)字測(cè)量和自動(dòng)控制，廣泛用于數(shù)控機(jī)床和精密測(cè)量中。（一）光柵的構(gòu)造所謂光柵就是在透明的玻璃板上，均勻地刻出許多明暗相間的條紋，或在金屬鏡面上均勻地劃出許多間隔相等的條紋，通常線(xiàn)條的間隙和寬度是相等的。光柵位移傳感器的結(jié)構(gòu)如圖6-1所示。它主要由標(biāo)尺光柵、指示光柵、光電器件和光源等組成。通常，標(biāo)尺光柵和被測(cè)物體相連，隨被測(cè)物體的直線(xiàn)位移而產(chǎn)生位移。一般標(biāo)尺光柵和指示光柵的刻線(xiàn)密度是相同的，而刻線(xiàn)之間的距離W稱(chēng)為柵距，是刻線(xiàn)寬和兩刻線(xiàn)之間縫寬之和。光柵條紋密度一般為每毫米25、50、100、250條等計(jì)量光柵在實(shí)際應(yīng)用上有透射光柵和反射光柵兩種；以透光的玻璃為載體的稱(chēng)為透射光柵，不透光的金屬為載體的稱(chēng)為反射光柵按其作用原理又可分為幅射光柵和相位光柵；按其用途可分為直線(xiàn)光柵和圓光柵。（二）工作原理如果把兩塊柵距W相等的光柵平行安裝，且讓它們的刻痕之間有較小的夾角θ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(chēng)莫爾條紋，莫爾”原出于法文Moire，意思是水波紋。幾百年前法國(guó)絲綢工人發(fā)現(xiàn)，當(dāng)兩層薄絲綢疊在一起時(shí)，將產(chǎn)生水波紋狀花樣；如果薄綢子相對(duì)運(yùn)動(dòng)，則花樣也跟著移動(dòng)，這種奇怪的花紋就是莫爾條紋。一般來(lái)說(shuō)，只要是有一定周期的曲線(xiàn)簇重疊起來(lái)，便會(huì)產(chǎn)生莫爾條紋

圖6-2莫爾條紋它們沿著與光柵條紋幾乎垂直的方向排列，如圖6-2所示。莫爾條紋是光柵非重合部分光線(xiàn)透過(guò)而形成的亮帶，它由一系列四棱形圖案組成，如圖中的d—d線(xiàn)區(qū)所示。f—f線(xiàn)區(qū)則是由于光柵的遮光效應(yīng)形成的。莫爾條紋具有如下特點(diǎn)：1.莫爾條紋的位移與光柵的移動(dòng)成比例。當(dāng)指示光柵不動(dòng)，標(biāo)尺光柵向左右移動(dòng)時(shí)，莫爾條紋將沿著近于柵線(xiàn)的方向上下移動(dòng)；光柵每移動(dòng)過(guò)一個(gè)柵距W，莫爾條紋就移動(dòng)過(guò)一個(gè)條紋間距B，查看莫爾條紋的移動(dòng)方向，即可確定主光柵的移動(dòng)方向。

2.莫爾條紋具有位移放大作用。莫爾條紋具有位移放大作用。莫爾條紋的間距B與兩光柵條紋夾角之間關(guān)系為： 的單位為rad，B、W的單位為mm。所以莫爾條紋的放大倍數(shù)為可見(jiàn)θ越小，放大倍數(shù)越大。實(shí)際應(yīng)用中，角的取值范圍都很小。例如當(dāng)θ=10′時(shí)，K=1/θ=1/0.029rad≈345。也就是說(shuō)指示光柵與標(biāo)尺光柵相對(duì)移動(dòng)一個(gè)很小的W距離時(shí)，可以得到一個(gè)很大的莫爾條紋移動(dòng)量B，可以用測(cè)量條紋的移動(dòng)來(lái)檢測(cè)光柵微小的位移，從而實(shí)現(xiàn)高靈敏度的位移測(cè)量。一、應(yīng)變檢測(cè)和應(yīng)力計(jì)算

1、線(xiàn)應(yīng)力狀態(tài)

對(duì)于單向應(yīng)力狀態(tài)，只要將應(yīng)變片沿應(yīng)力方向粘貼，測(cè)出應(yīng)變值，即可求出應(yīng)力

=E

式中，E—被測(cè)零件材料的彈性模量。6.3力、力矩及應(yīng)力測(cè)量2、測(cè)點(diǎn)選擇、布片和選片原則

（1）測(cè)點(diǎn)的選擇

應(yīng)考慮如下幾個(gè)問(wèn)題：1）最大應(yīng)力點(diǎn)一般都產(chǎn)生在危險(xiǎn)截面或應(yīng)力集中的地方。2）如果最大應(yīng)力點(diǎn)難以確定，或者需要了解構(gòu)件應(yīng)力分布的全貌，一般都在所研究的線(xiàn)段上比較均勻地布置5~7個(gè)測(cè)點(diǎn)。3）對(duì)于構(gòu)件上開(kāi)有孔、凹槽或截面急劇變化等一些產(chǎn)生應(yīng)力集中的區(qū)域，測(cè)點(diǎn)應(yīng)適當(dāng)?shù)募佣?，以了解其?yīng)力變化情況。4）為了減少測(cè)點(diǎn)數(shù)目，可以利用結(jié)構(gòu)與載荷的對(duì)稱(chēng)性和結(jié)構(gòu)邊界的特殊性況。5）動(dòng)態(tài)測(cè)試應(yīng)在靜態(tài)測(cè)試的基礎(chǔ)上進(jìn)行，測(cè)點(diǎn)數(shù)目要比靜態(tài)的少。動(dòng)態(tài)測(cè)點(diǎn)一定要選在能反映構(gòu)件動(dòng)態(tài)性質(zhì)的關(guān)鍵部位。一、測(cè)力傳感器a)彈性元件受力圖b)電阻位置示意圖c)等效電路圖圖6-24柱式彈性元件及其電橋二、力矩傳感器圖6-26機(jī)器人手腕用力矩傳感器原理圖中驅(qū)動(dòng)軸B通過(guò)裝有應(yīng)變片A的腕部與手部C聯(lián)接。當(dāng)驅(qū)動(dòng)軸回轉(zhuǎn)并帶動(dòng)手部回轉(zhuǎn)而擰緊螺絲釘D時(shí)，手部所受力矩的大小可通過(guò)應(yīng)變片電壓的輸出測(cè)得。圖6-27無(wú)觸點(diǎn)力矩測(cè)量原理傳動(dòng)軸的兩端安裝上磁分度圓盤(pán)A，分別用磁頭B檢測(cè)兩圓盤(pán)之間的轉(zhuǎn)角差，用轉(zhuǎn)角差與負(fù)荷M成比例的關(guān)系，即可測(cè)量負(fù)荷力矩的大小。6.5溫度測(cè)量溫度是國(guó)際單位制給出的基本物理量之一，它是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)試驗(yàn)中需要經(jīng)常測(cè)量和控制的主要參數(shù)。溫度傳感器是實(shí)現(xiàn)溫度檢測(cè)和控制的重要器件。在種類(lèi)繁多的傳感器中，溫度傳感器是應(yīng)用最廣泛、發(fā)展最快的傳感器之一。

一、溫度與溫度檢測(cè)

1、原理：某些金屬與非金屬導(dǎo)體受熱后產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，而另一些導(dǎo)體的電阻受到熱或光照射而產(chǎn)生變化。可以通過(guò)測(cè)量這些物理量的變化來(lái)達(dá)到測(cè)量溫度的目的。

2、分類(lèi)（1）接觸式；（2）非接觸式；（3）其它。三、溫度檢測(cè)系統(tǒng)的組成

測(cè)溫系統(tǒng)的組成應(yīng)考慮如下幾個(gè)方面：

（1）溫度范圍;（2）使用場(chǎng)合（3）溫度響應(yīng);（4）傳輸方式溫度檢測(cè)系統(tǒng)的組成如圖4-2所示。溫度被測(cè)對(duì)象溫度傳感器溫度顯示儀表k溫度被測(cè)對(duì)象溫度傳感器溫度變送器ka)簡(jiǎn)單系統(tǒng)b)較完善的系統(tǒng)mA溫度顯示記錄儀k熱電傳感器熱能電能測(cè)量：溫度、與溫度有關(guān)的參量——熱電偶溫度電勢(shì)電阻金屬半導(dǎo)體熱電阻熱敏電阻——PN結(jié)型溫度傳感器一、熱電式傳感器溫差熱電偶（簡(jiǎn)稱(chēng)熱電偶）是目前溫度測(cè)量中使用最普遍的傳感元件之一。它除具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，測(cè)量范圍寬、準(zhǔn)確度高、熱慣性小，輸出信號(hào)為電信號(hào)便于遠(yuǎn)傳或信號(hào)轉(zhuǎn)換等優(yōu)點(diǎn)外，還能用來(lái)測(cè)量流體的溫度、測(cè)量固體以及固體壁面的溫度。微型熱電偶還可用于快速及動(dòng)態(tài)溫度的測(cè)量。(一)、熱電效應(yīng)

兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體A和B組合成如圖6-30所示閉合回路，若導(dǎo)體A和B的連接處溫度不同（設(shè)T1＞T2），則在此閉合回路中就有電流產(chǎn)生，也就是說(shuō)回路中有電動(dòng)勢(shì)存在，這種現(xiàn)象叫做熱電效應(yīng)。這種現(xiàn)象早在1821年首先由西拜克（See－back）發(fā)現(xiàn),所以又稱(chēng)西拜克效應(yīng)。

ABT1T2西拜克效應(yīng)一、熱電偶理論證明：1）熱電偶必須由兩種不同材料的熱電極組成；2）熱電偶的兩接點(diǎn)必須具有不同的溫度；3）當(dāng)熱電極的材料固定以后，熱電動(dòng)勢(shì)的大小EAB（T，T0）是溫度（T，T0）如果保持T0不變，那么EAB（T，T0）就是T的單值函數(shù)，利用這個(gè)關(guān)系就可以通過(guò)測(cè)溫儀表測(cè)定溫度。設(shè)T＞T0，則在該回路中產(chǎn)生接觸電勢(shì)和溫差電勢(shì)，分別為EAB(T)、EAB(T0)、EA(T，T0)和EB(T，T0)，它們與T、T0有關(guān)，與兩種導(dǎo)體材料的特性有關(guān)。2、熱電勢(shì)產(chǎn)生的原因（1）接觸電勢(shì)擴(kuò)散擴(kuò)散電場(chǎng)漂移EAB(T)為導(dǎo)體A、B結(jié)點(diǎn)在溫度T時(shí)形成的接觸電動(dòng)勢(shì)；e為單位電荷，e=1.6×10-19C；k為波爾茲曼常數(shù)k=1.38×10-23J/K；NA、NB為導(dǎo)體A、B在溫度為T(mén)

時(shí)的電子密度；——為湯姆遜系數(shù)——熱端和冷端的絕對(duì)溫度（3）回路的總熱電勢(shì)（2）溫差電勢(shì)M熱端冷端在實(shí)際應(yīng)用中，保持冷端溫度T0不變，則總熱電勢(shì)EAB(T，T0)只是溫度的單值函數(shù)：

EAB(T，T0)=f(T)-c

c為T(mén)0=0度時(shí)的電壓值2、熱電偶的結(jié)構(gòu)（1）熱電極（2）絕緣材料（3）保護(hù)套管（4）接線(xiàn)盒與介質(zhì)隔離，優(yōu)良傳熱性能防止電極間短路：氧化鋁管、耐火陶瓷鋁合金熱電性質(zhì)穩(wěn)定物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定電阻溫度系數(shù)小、電阻率高輸出熱電勢(shì)大、輸出呈線(xiàn)性復(fù)制性好、工藝簡(jiǎn)單、價(jià)格低貴金屬普通金屬3、熱電偶的種類(lèi)三、熱電偶的冷端溫度補(bǔ)償

熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)大小與熱電極材料和兩節(jié)點(diǎn)的溫度有關(guān),同時(shí)熱電偶的分度表和根據(jù)分度表刻度的溫度儀表都是以熱電偶參考端溫度等于零為條件的。但實(shí)際上,冷端溫度受周?chē)鷾囟鹊挠绊懖豢赡鼙３譃?C或某一常數(shù)。因此要測(cè)出實(shí)際溫度就必須采取修正或補(bǔ)償措施。冰點(diǎn)槽法2計(jì)算修正法用普通室溫計(jì)算出參比端實(shí)際溫度TH，利用公式計(jì)算：EAB(T,T0)=EAB(T,TH)+EAB(TH,T0)把參比端實(shí)際溫度TH乘上系數(shù)k，加到由EAB(T，TH)查分度表所得的溫度上，成為被測(cè)溫度T。用公式表達(dá)即

T＝T′＋kTH。式中：T—為未知的被測(cè)溫度；T′—為參比端在室溫下熱電偶電勢(shì)與分度表上對(duì)應(yīng)的某個(gè)溫度；TH—室溫；k—為補(bǔ)正系數(shù)。用這種辦法稍稍簡(jiǎn)單一些，比計(jì)算修正法誤差可能大一點(diǎn)，但誤差不大于0.14％。

3補(bǔ)正系數(shù)法在測(cè)量結(jié)果中人為地加一個(gè)恒定值，因?yàn)槔涠藴囟确€(wěn)定不變，電動(dòng)勢(shì)EAB(TH,0)是常數(shù)，利用指示儀表上調(diào)整零點(diǎn)的辦法，加大某個(gè)適當(dāng)?shù)闹刀鴮?shí)現(xiàn)補(bǔ)償。例如：用動(dòng)圈儀表配合熱電偶測(cè)溫時(shí)，如果把儀表的機(jī)械零點(diǎn)調(diào)到室溫TH的刻度上,在熱電動(dòng)勢(shì)為零時(shí)，指針指示的溫度值并不是0℃而是TH。而熱電偶的冷端溫度已是TH,則只有當(dāng)熱端溫度T=TH時(shí)，才能使EAB(T,TH)=0，這樣，指示值就和熱端的實(shí)際溫度一致了。這種辦法非常簡(jiǎn)便，而且一勞永逸，只要冷端溫度總保持在TH不變，指示值就永遠(yuǎn)正確。4零點(diǎn)遷移法5冷端補(bǔ)償器法圖6-32冷端補(bǔ)償器法利用不平衡電橋產(chǎn)生熱電勢(shì)補(bǔ)償熱電偶因冷端溫度變化而引起熱電勢(shì)的變化值。不平衡電橋由R1、R2、R3(錳銅絲繞制)、RCu(銅絲繞制)四個(gè)橋臂和橋路電源組成。在0℃下使電橋平衡(R1=R2=R3=RCu)，此時(shí)Uab=0，電橋?qū)x表讀數(shù)無(wú)影響，電路如圖6-32所示。注意：橋臂RCu必須和熱電偶的冷端靠近，使處于同一溫度之下

6、補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)法：測(cè)溫時(shí)，熱電偶長(zhǎng)度受一定限制，使得冷端溫度直接受到被測(cè)介質(zhì)溫度和周?chē)h(huán)境溫度的影響，難以處于C，而且不穩(wěn)定。根據(jù)中間溫度定律，當(dāng)熱電極A、B與A，、

B，相連接后仍然可以看作僅由熱電極A、B組成的回路。一般在低溫范圍內(nèi)（0—100C），用補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)作為A，、

B，，它的作用是把熱電偶參考端移至離熱源較遠(yuǎn)及環(huán)境溫度較恒定的地方。必須注意的是，補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)只起延長(zhǎng)熱電極的作用，并不能消除冷端溫度不為0C時(shí)的影響，因此還應(yīng)該用補(bǔ)正方法將其補(bǔ)正到

0C。

1．工作原理由物理學(xué)可知，對(duì)于大多數(shù)金屬導(dǎo)體的電阻，都具有隨溫度變化的特性，其特性方程滿(mǎn)足于下式：（6-36）式中：Rt、R0—熱電阻在t℃和0℃時(shí)的電阻值；α—熱電阻的溫度系數(shù)(1／℃)。對(duì)于絕大多數(shù)金屬導(dǎo)體，α值并不是一個(gè)常數(shù)，而是隨溫度而變化，但在一定溫度范圍內(nèi)，α可近似視為一個(gè)常數(shù)，不同的金屬導(dǎo)體，α保持常數(shù)所對(duì)應(yīng)的溫度范圍也不同。二、熱電阻原理：金屬材料的電阻隨溫度變化而變化2、熱電阻材料特點(diǎn)（1）高溫度系數(shù)、高電阻率（2）較寬測(cè)量范圍內(nèi)具有穩(wěn)定的物理和化學(xué)性質(zhì)（3）良好的輸出特性（4）良好工藝性3、常用熱電阻（1）鉑電阻0~660℃-190℃~0℃其中，Rt、R0——溫度為t℃和0℃時(shí)的電阻；A、B、C為溫度系數(shù)：A=3.940×10-2/℃B=-5.84×10-7/℃2C=-4.22×10-12/℃4分度表——R0

=50和100時(shí)的Rt–t關(guān)系國(guó)際溫標(biāo)IPTS-68規(guī)定：在–259.34℃~630.74℃內(nèi)，以鉑電阻作為溫度基準(zhǔn)器優(yōu)點(diǎn)：（1）易提純；（2）在高溫和氧化性介質(zhì)中性能穩(wěn)定；（3）輸出近線(xiàn)性；（4）測(cè)量精度高。（2）銅電阻在測(cè)量精度不高和溫度范圍小時(shí)，可用銅作成的溫度傳感器。由于銅電阻的電阻率僅為鉑電阻的1/6左右，當(dāng)溫度高于100℃時(shí)易被氧化，因此適用于溫度較低和沒(méi)有腐蝕性的介質(zhì)中工作。銅電阻溫度系數(shù)大，在一定溫度范圍內(nèi)常數(shù)，電阻與溫度的關(guān)系在－50～150℃的溫度范圍內(nèi)可表示為式中：Rt、R0—銅電阻在t℃和0℃時(shí)的電阻值，α—銅電阻的溫度系數(shù)，α＝4.25×10-3～4.28×10-3／℃。與鉑電阻一樣，在工業(yè)中把R0＝50Ω和R0＝100Ω對(duì)應(yīng)的Rt～t關(guān)系制成分度表，稱(chēng)為銅熱電阻分度表，供使用者查閱。三熱敏電阻一、熱敏電阻的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)玻璃殼熱敏電阻引線(xiàn)（a）珠狀（b）片狀（c）桿狀（d）墊圈狀半導(dǎo)體金屬氧化物：鈷Co、錳Mn、鎳Ni等的氧化物采用不同比例配方、高溫?zé)Y(jié)而成。優(yōu)點(diǎn)：（1）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、可測(cè)點(diǎn)溫度；（2）電阻溫度系數(shù)大，靈敏度高（10倍）；（3）電阻率高、熱慣性小、適宜動(dòng)態(tài)測(cè)量。熱敏電阻是利用半導(dǎo)體材料的電阻率隨溫度變化而變化的性質(zhì)制成的溫度敏感元件。半導(dǎo)體和金屬具有完全不同的導(dǎo)電機(jī)理，金屬的電阻值隨溫度的升高而增大，而半導(dǎo)體的電阻值卻隨溫度升高而急劇下降。當(dāng)溫度變化時(shí)1℃時(shí)，金屬電阻的阻值變化0.4%～0.6%，而半導(dǎo)體熱敏電阻的阻值變化3%～6%。半導(dǎo)體熱敏電阻隨溫度變化的靈敏度高的原因是：半導(dǎo)體中參加導(dǎo)電的是載流子，載流子數(shù)目比金屬中的自由電子數(shù)目少得多，所以半導(dǎo)體的電阻率大。隨著溫度的升高，半導(dǎo)體中的價(jià)電子受熱激發(fā)躍遷到較高能級(jí)而產(chǎn)生新的電子空穴對(duì)，使參加導(dǎo)電的載流子數(shù)目大大增加，導(dǎo)致電阻率減小。半導(dǎo)體載流子的數(shù)目隨溫度升高呈指數(shù)規(guī)律上升，所以其電阻率溫度升高按指數(shù)規(guī)律下降。二、熱敏電阻的溫度特性負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻：NTC正溫度系數(shù)熱敏電阻：PTC臨界溫度系數(shù)熱敏電阻：CRT04080120160200106104102100溫度℃電阻CTRNTCPTC

PTC熱敏電阻的電阻率隨溫度升高而增加，當(dāng)溫度超過(guò)某一數(shù)值時(shí)，其電阻值朝正的方向快速變化。這種電阻的材料是陶瓷材料，在室溫下是半導(dǎo)體，由強(qiáng)電介質(zhì)鈦酸鋇摻雜鋁或鍶，部分取代鋇離子的方法制成。PTC熱敏電阻的用途主要是用于彩電消磁、各種電器設(shè)備的過(guò)熱保護(hù)、發(fā)熱源的定溫控制，也可作限流元件使用。CTR熱敏電阻采用VO3系列材料制作，當(dāng)溫度升高接近某一溫度時(shí)（約68℃），電阻率大大下降產(chǎn)生突變，其用途主要用作溫度開(kāi)關(guān)。NTC熱敏電阻的電阻率隨著溫度增加比較均勻地減小，有較均勻的感溫特性。它采用負(fù)電阻溫度系數(shù)很大的固體多晶半導(dǎo)體氧化物的混合物制成。改變其氧化物的成分和比例，就可得到測(cè)溫范圍、阻值和溫度系數(shù)不同的NTC熱敏電阻。特別適用于－100～300℃之間的溫度測(cè)量用。在點(diǎn)溫、表面溫度、溫差、溫度場(chǎng)等測(cè)量中得到日益廣泛的應(yīng)用，同時(shí)也廣泛的應(yīng)用在自動(dòng)控制及電子線(xiàn)路的熱補(bǔ)償電路中。PTC和CTR熱敏電阻隨溫度變化的特性為劇變型，適合在某一較窄溫度范圍內(nèi)做溫度控制開(kāi)關(guān)或監(jiān)測(cè)用；而NTC熱敏電阻隨溫度變化的特性為緩變型，適合在較寬溫度范圍內(nèi)做溫度測(cè)量用，也是目前使用的主要熱敏電阻。下面對(duì)NTC熱敏電阻的基本特性進(jìn)行介紹。1、NTC的熱電特性（R-T特性）TR熱電特性是指熱敏電阻的阻值和溫度之間的關(guān)系，它是熱敏電阻測(cè)溫的基礎(chǔ)，下圖是電阻－溫度特性曲線(xiàn)，顯然，熱敏電阻的阻值和溫度的關(guān)系不是線(xiàn)性的。NTC熱敏電阻與溫度之間的關(guān)系近似符合指數(shù)函數(shù)規(guī)律，即

T0—參考溫度（絕對(duì)溫度）；RT、R0—溫度T、T0時(shí)的電阻值；B—熱敏電阻的材料常數(shù)，可由實(shí)驗(yàn)獲得，通常B＝2000～6000K