傳感器與檢測(cè)技術(shù)課件

感測(cè)器與檢測(cè)技術(shù)第1章概述課程簡(jiǎn)介1.1.1本課程的地位和作用1.1.2本課程內(nèi)容體系結(jié)構(gòu)按照感測(cè)器、檢測(cè)技術(shù)和自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)三大模組。感測(cè)器部分主要包括感測(cè)器的基本特性、各類(lèi)傳統(tǒng)與新型感測(cè)器的工作原理與應(yīng)用（應(yīng)變式、電感式、電容式、壓電式、磁電式、熱電式、光電式、輻射與波式、數(shù)字式、智能式感測(cè)器；化學(xué)感測(cè)器、生物感測(cè)器、微感測(cè)器等）檢測(cè)技術(shù)主要包括參數(shù)檢測(cè)、微弱信號(hào)檢測(cè)、軟測(cè)量、多感測(cè)器數(shù)據(jù)融合、測(cè)量不確定度與回歸分析等檢測(cè)系統(tǒng)主要包括虛擬儀器和自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)等。1.1.3本課程的任務(wù)及要求“感測(cè)器與檢測(cè)技術(shù)”是一門(mén)涉及到電工電子技術(shù)、感測(cè)器技術(shù)、光電檢測(cè)技術(shù)、控制技術(shù)、電腦技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)、精密機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)等眾多基礎(chǔ)理論和技術(shù)的綜合性技術(shù)，現(xiàn)代檢測(cè)系統(tǒng)通常集光、機(jī)、電於一體，軟硬體相結(jié)合。“感測(cè)器與檢測(cè)技術(shù)”課程著重培養(yǎng)學(xué)生掌握感測(cè)器與檢測(cè)技術(shù)基本理論、基本方法，本課程是一門(mén)實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，在理論學(xué)習(xí)的同時(shí)，要求學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐熟練掌握各類(lèi)典型感測(cè)器的基本原理和適用場(chǎng)合，掌握常用測(cè)量?jī)x器的基本工作原理和工作性能，能合理選用常用電子儀器、測(cè)量電路等，能根據(jù)測(cè)量要求設(shè)計(jì)各類(lèi)測(cè)量系統(tǒng)，能對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行誤差分析和數(shù)據(jù)處理等，達(dá)到理論與實(shí)踐的高度統(tǒng)一，突出能力的培養(yǎng)。1.2感測(cè)器的定義與組成感測(cè)器：能感受被測(cè)量並按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置感測(cè)器的共性：利用物理定律或物質(zhì)的物理、化學(xué)、生物等特性，將非電量轉(zhuǎn)換成電量感測(cè)器功能：檢測(cè)和轉(zhuǎn)換。敏感元件是感測(cè)器中能直接感受（或回應(yīng)）被測(cè)資訊（非電量）的元件轉(zhuǎn)換元件則是指感測(cè)器中能將敏感元件的感受（或回應(yīng)）資訊轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的部分感測(cè)器的組成1.3感測(cè)器的分類(lèi)按感測(cè)器的構(gòu)成進(jìn)行分類(lèi)：物性型和結(jié)構(gòu)型

按感測(cè)器的輸入量（即被測(cè)參數(shù)）進(jìn)行分類(lèi)：位移、速度、溫度、壓力感測(cè)器等按感測(cè)器的輸出量進(jìn)行分類(lèi)：模擬式和數(shù)字式按感測(cè)器的基本效應(yīng)分類(lèi)：物理型、化學(xué)型、生物型按感測(cè)器的工作原理進(jìn)行分類(lèi)：應(yīng)變式、電容式、電感式、壓電式、熱電式感測(cè)器等按感測(cè)器的能量變換關(guān)係進(jìn)行分類(lèi)：有源（能量控制型）、無(wú)源（能量變換型）1.4感測(cè)器技術(shù)的發(fā)展感測(cè)器性能的改善開(kāi)展基礎(chǔ)理論研究感測(cè)器的集成化感測(cè)器的智能化感測(cè)器的網(wǎng)路化感測(cè)器的微型化1.4.1感測(cè)器性能的改善差動(dòng)技術(shù)

平均技術(shù)

補(bǔ)償與修正技術(shù)

遮罩、隔離與干擾抑制

穩(wěn)定性處理

1.4.2開(kāi)展基礎(chǔ)理論研究尋找新原理

開(kāi)發(fā)新材料

採(cǎi)用新工藝

探索新功能

1.4.3感測(cè)器的集成化兩種情況：一是具有同樣功能的感測(cè)器集成化，即將同一類(lèi)型的單個(gè)傳感元件用集成工藝在同一平面上排列起來(lái)，形成一維的線性感測(cè)器，從而使一個(gè)點(diǎn)的測(cè)量變成對(duì)一個(gè)面和空間的測(cè)量。二是不同功能的感測(cè)器集成化，即將具有不同功能的感測(cè)器與放大、運(yùn)算以及溫度補(bǔ)償?shù)拳h(huán)節(jié)一體化，組裝成一個(gè)器件，從而使一個(gè)感測(cè)器可以同時(shí)測(cè)量不同種類(lèi)的多個(gè)參數(shù)。1.4.4感測(cè)器的智能化感測(cè)器與微處理器的結(jié)合：檢測(cè)、資訊處理、邏輯判斷、自診斷等作用：提高測(cè)量精度增加功能提高自動(dòng)化程度1.4.5感測(cè)器的網(wǎng)路化主要表現(xiàn)為兩個(gè)方面一是為了解決現(xiàn)場(chǎng)匯流排的多樣性問(wèn)題，IEEE

1451.2工作組建立了智能感測(cè)器介面模組（STIM）標(biāo)準(zhǔn)二是以IEEE

802.15.4（Zigbee）為基礎(chǔ)的無(wú)線感測(cè)器網(wǎng)路技術(shù)得以迅速發(fā)展第2章感測(cè)器的基本特性感測(cè)器的基本特性：感測(cè)器的輸入－輸出關(guān)係特性。是感測(cè)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)作用關(guān)係的外部表現(xiàn)輸入信號(hào)分為：穩(wěn)態(tài)、動(dòng)態(tài)對(duì)應(yīng)感測(cè)器特性：靜態(tài)特性、動(dòng)態(tài)特性對(duì)感測(cè)器的要求：高精度－＞信號(hào)（或能量）無(wú)失真轉(zhuǎn)換－＞反映被測(cè)量的原始特徵2.1感測(cè)器的靜態(tài)特性感測(cè)器的靜態(tài)特性：在穩(wěn)態(tài)信號(hào)作用下的輸入－輸出關(guān)係。不含有時(shí)間變數(shù)。線性度靈敏度解析度遲滯重複性漂移2.1.1線性度感測(cè)器的輸入、輸出間成線性關(guān)係的程度非線性特性的線性化處理2.1.2靈敏度感測(cè)器在穩(wěn)態(tài)信號(hào)作用下輸出量變化對(duì)輸入量變化的比值2.1.3解析度解析度是指感測(cè)器能夠感知或檢測(cè)到的最小輸入信號(hào)增量。解析度可以用絕對(duì)值或與滿(mǎn)量程的百分比來(lái)表示。2.1.4遲滯在相同測(cè)量條件下，對(duì)應(yīng)於同一大小的輸入信號(hào)，感測(cè)器正、反行程的輸出信號(hào)大小不相等的現(xiàn)象產(chǎn)生原因：感測(cè)器機(jī)械部分存在摩擦、間隙、鬆動(dòng)、積塵等2.1.5重複性感測(cè)器在輸入量按同一方向作全量程多次測(cè)試時(shí)所得輸入－輸出特性曲線一致的程度2.1.6漂移感測(cè)器在輸入量不變的情況下，輸出量隨時(shí)間變化的現(xiàn)象產(chǎn)生原因：感測(cè)器自身結(jié)構(gòu)參數(shù)老化測(cè)試過(guò)程中環(huán)境發(fā)生變化2.2感測(cè)器的動(dòng)態(tài)特性是指感測(cè)器對(duì)動(dòng)態(tài)激勵(lì)（輸入）的回應(yīng)（輸出）特性，即其輸出對(duì)隨時(shí)間變化的輸入量的回應(yīng)特性一個(gè)動(dòng)態(tài)特性好的感測(cè)器，其輸出隨時(shí)間變化的規(guī)律，將能再現(xiàn)輸入隨時(shí)間變化的規(guī)律，即具有相同的時(shí)間函數(shù)動(dòng)態(tài)特性分析2.2.1感測(cè)器的數(shù)學(xué)模型線性時(shí)不變系統(tǒng)理論來(lái)描述感測(cè)器的動(dòng)態(tài)特性用常係數(shù)線性微分方程（線性定常系統(tǒng)）表示感測(cè)器輸出量與輸入量的關(guān)係線性時(shí)不變系統(tǒng)有兩個(gè)重要的性質(zhì)疊加性如果則：頻率保持特性如果則：2.2.2傳遞函數(shù)特性關(guān)係式：拉氏變換：變形：傳遞函數(shù)：2.2.3頻率回應(yīng)函數(shù)傅立葉變換得到頻率回應(yīng)特性：指數(shù)表示：幅頻特性：相頻特性：2.2.4感測(cè)器的動(dòng)態(tài)特性分析1、一階感測(cè)器的頻率回應(yīng)2、二階感測(cè)器的頻率回應(yīng)2.3感測(cè)器的標(biāo)定與校準(zhǔn)感測(cè)器的標(biāo)定是利用某種標(biāo)準(zhǔn)儀器對(duì)新研製或生產(chǎn)的感測(cè)器進(jìn)行技術(shù)檢定和標(biāo)度；它是通過(guò)實(shí)驗(yàn)建立感測(cè)器輸入量與輸出量間的關(guān)係，並確定出不同使用條件下的誤差關(guān)係或測(cè)量精度。感測(cè)器的校準(zhǔn)是指對(duì)使用或儲(chǔ)存一段時(shí)間後的感測(cè)器性能進(jìn)行再次測(cè)試和校正，校準(zhǔn)的方法和要求與標(biāo)定相同。2.3.1靜態(tài)標(biāo)定感測(cè)器的靜態(tài)標(biāo)定是在輸入信號(hào)不隨時(shí)間變化的靜態(tài)標(biāo)準(zhǔn)條件下確定感測(cè)器的靜態(tài)特性指標(biāo)，如線性度、靈敏度、遲滯、重複性等。靜態(tài)標(biāo)準(zhǔn)是指沒(méi)有加速度、沒(méi)有振動(dòng)、沒(méi)有衝擊（如果它們本身是被測(cè)量除外）及環(huán)境溫度一般為室溫（20±5℃），相對(duì)濕度不大於85%，大氣壓力為7kPa的情形。2.3.2動(dòng)態(tài)標(biāo)定動(dòng)態(tài)標(biāo)定主要是研究感測(cè)器的動(dòng)態(tài)回應(yīng)特性。常用的標(biāo)準(zhǔn)激勵(lì)信號(hào)源是正弦信號(hào)和階躍信號(hào)。根據(jù)感測(cè)器的動(dòng)態(tài)特性指標(biāo)，感測(cè)器的動(dòng)態(tài)標(biāo)定主要涉及到一階感測(cè)器的時(shí)間常數(shù)，二階感測(cè)器的固有角頻率和阻尼係數(shù)等參數(shù)的確定。第4章電感式感測(cè)器4.1變磁阻式感測(cè)器

4.2差動(dòng)變壓器式感測(cè)器4.3電渦流式感測(cè)器電感式感測(cè)器的工作基礎(chǔ)：電磁感應(yīng)即利用線圈電感或互感的改變來(lái)實(shí)現(xiàn)非電量測(cè)量分為變磁阻式、變壓器式、渦流式等特點(diǎn)：工作可靠、壽命長(zhǎng)靈敏度高，分辨力高精度高、線性好性能穩(wěn)定、重複性好4.1變磁阻式感測(cè)器（自感式）4.1.1工作原理

變磁阻式感測(cè)器由線圈、鐵芯和銜鐵三部分組成。鐵芯和銜鐵由導(dǎo)磁材料製成。在鐵芯和銜鐵之間有氣隙，感測(cè)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。線圈中電感量可由下式確定：

根據(jù)磁路歐姆定律：式中,Rm為磁路總磁阻。（4-1）（4-2）氣隙很小，可以認(rèn)為氣隙中的磁場(chǎng)是均勻的。若忽略磁路磁損，則磁路總磁阻為（4-3）通常氣隙磁阻遠(yuǎn)大於鐵芯和銜鐵的磁阻，即（4-4）則式（4-3）可寫(xiě)為（4-5）聯(lián)立式（4-1）、式（4-2）及式（4-5），可得（4-6）

上式表明：當(dāng)線圈匝數(shù)為常數(shù)時(shí)，電感L僅僅是磁路中磁阻Rm的函數(shù)，改變?chǔ)幕駻0均可導(dǎo)致電感變化，因此變磁阻式感測(cè)器又可分為變氣隙厚度δ的感測(cè)器和變氣隙面積A0的感測(cè)器。目前使用最廣泛的是變氣隙厚度式電感感測(cè)器。4.1.2輸出特性L與δ之間是非線性關(guān)係，特性曲線如圖5-2所示。圖4-2變隙式電壓感測(cè)器的L-δ特性分析：當(dāng)銜鐵處?kù)冻跏嘉恢脮r(shí)，初始電感量為（4-7）

當(dāng)銜鐵上移Δδ時(shí)，感測(cè)器氣隙減小Δδ，即δ=δ0－Δδ，則此時(shí)輸出電感為（4-8）當(dāng)Δδ/δ0<<1時(shí)（臺(tái)勞級(jí)數(shù)）：（4-9）可求得電感增量ΔL和相對(duì)增量ΔL/L0的運(yùn)算式，即(4-10)(4-11)同理，當(dāng)銜鐵隨被測(cè)體的初始位置向下移動(dòng)Δδ時(shí)，有（4-12）（4-13）對(duì)式（4-11）、（4-13）作線性處理，即忽略高次項(xiàng)後，可得（4-14）靈敏度為可見(jiàn)：變間隙式電感感測(cè)器的測(cè)量範(fàn)圍與靈敏度及線性度相矛盾，因此變隙式電感式感測(cè)器適用於測(cè)量微小位移的場(chǎng)合。（4-15）與銜鐵上移切線斜率變大銜鐵下移切線斜率變小與線性度銜鐵上移：銜鐵下移：無(wú)論上移或下移，非線性都將增大。差動(dòng)變隙式電感感測(cè)器為了減小非線性誤差，實(shí)際測(cè)量中廣泛採(cǎi)用差動(dòng)變隙式電感感測(cè)器。銜鐵上移Δδ：兩個(gè)線圈的電感變化量ΔL1、ΔL2分別由式（4-10）及式（4-12）表示，差動(dòng)感測(cè)器電感的總變化量ΔL=ΔL1+ΔL2,具體運(yùn)算式為對(duì)上式進(jìn)行線性處理,即忽略高次項(xiàng)得靈敏度K0為比較單線圈式和差動(dòng)式：①差動(dòng)式變間隙電感感測(cè)器的靈敏度是單線圈式的兩倍。②差動(dòng)式的非線性項(xiàng)(忽略高次項(xiàng))：?jiǎn)尉€圈的非線性項(xiàng)（忽略高次項(xiàng))：由於Δδ/δ0<<1，因此，差動(dòng)式的線性度得到明顯改善。4.1.3測(cè)量電路

電感式感測(cè)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。

1.交流電橋式測(cè)量電路當(dāng)銜鐵下移時(shí)：變壓器式交流電橋2.變壓器式交流電橋

電橋兩臂Z1、Z2為感測(cè)器線圈阻抗，另外兩橋臂為交流變壓器次級(jí)線圈的1/2阻抗。當(dāng)負(fù)載阻抗為無(wú)窮大時(shí)，橋路輸出電壓

當(dāng)感測(cè)器的銜鐵處?kù)吨虚g位置，即Z1=Z2=Z，此時(shí)有 ，電橋平衡。當(dāng)感測(cè)器銜鐵上移：如Z1=Z+ΔZ，Z2=Z－ΔZ，(4-25)當(dāng)感測(cè)器銜鐵下移：如Z1=Z－ΔZ，Z2=Z+ΔZ，此時(shí)(4-26)可知：銜鐵上下移動(dòng)相同距離時(shí)，輸出電壓相位相反，大小隨銜鐵的位移而變化。由於是交流電壓，輸出指示無(wú)法判斷位移方向，必須配合相敏檢波電路來(lái)解決。3.諧振式測(cè)量電路分為：諧振式調(diào)幅電路和諧振式調(diào)頻電路。調(diào)幅電路特點(diǎn)：此電路靈敏度很高，但線性差，適用於線性度要求不高的場(chǎng)合。

調(diào)頻電路：振盪頻率 。當(dāng)L變化時(shí)，振盪頻率隨之變化，根據(jù)f的大小即可測(cè)出被測(cè)量的值。具有嚴(yán)重的非線性關(guān)係。4.1.4變磁阻式感測(cè)器的應(yīng)用變隙電感式壓力感測(cè)器結(jié)構(gòu)圖

當(dāng)壓力進(jìn)入膜盒時(shí)，膜盒的頂端在壓力P的作用下產(chǎn)生與壓力P大小成正比的位移，於是銜鐵也發(fā)生移動(dòng)，從而使氣隙發(fā)生變化，流過(guò)線圈的電流也發(fā)生相應(yīng)的變化，電流錶A的指示值就反映了被測(cè)壓力的大小。

當(dāng)被測(cè)壓力進(jìn)入C形彈簧管時(shí)，C形彈簧管產(chǎn)生變形，其自由端發(fā)生位移，帶動(dòng)與自由端連接成一體的銜鐵運(yùn)動(dòng)，使線圈1和線圈2中的電感發(fā)生大小相等、符號(hào)相反的變化。即一個(gè)電感量增大，另一個(gè)電感量減小。電感的這種變化通過(guò)電橋電路轉(zhuǎn)換成電壓輸出。由於輸出電壓與被測(cè)壓力之間成比例關(guān)係，所以只要用檢測(cè)儀錶測(cè)量出輸出電壓，即可得知被測(cè)壓力的大小。變隙式差動(dòng)電感壓力感測(cè)器4.2差動(dòng)變壓器式感測(cè)器（互感式）

把被測(cè)的非電量變化轉(zhuǎn)換為線圈互感變化的感測(cè)器稱(chēng)為互感式感測(cè)器。這種感測(cè)器是根據(jù)變壓器的基本原理製成的，並且次級(jí)繞組用差動(dòng)形式連接，故稱(chēng)差動(dòng)變壓器式感測(cè)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，並具有測(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)。4.2.1變隙式差動(dòng)變壓器

1.工作原理

假設(shè)：初級(jí)繞組W1a=W1b=W1，次級(jí)繞組和W2a=W2b=W2兩個(gè)初級(jí)繞組的同名端順向串聯(lián)，兩個(gè)次級(jí)繞組的同名端則反相串聯(lián)。

當(dāng)沒(méi)有位移時(shí)，銜鐵C處?kù)冻跏计胶馕恢?，它與兩個(gè)鐵芯的間隙有δa0=δb0=δ0，則繞組W1a和W2a間的互感Ma與繞組W1b和W2b的互感Mb相等，致使兩個(gè)次級(jí)繞組的互感電勢(shì)相等，即e2a=e2b。由於次級(jí)繞組反相串聯(lián)，因此，差動(dòng)變壓器輸出電壓Uo=e2a-e2b=0。當(dāng)被測(cè)體有位移時(shí)，與被測(cè)體相連的銜鐵的位置將發(fā)生相應(yīng)的變化，使δa≠δb，互感Ma≠M(fèi)b，兩次級(jí)繞組的互感電勢(shì)e2a≠e2b，輸出電壓Uo=e2a-e2b≠0，即差動(dòng)變壓器有電壓輸出，此電壓的大小與極性反映被測(cè)體位移的大小和方向。..

2.輸出特性在忽略鐵損（即渦流與磁滯損耗忽略不計(jì)）、漏感以及變壓器次級(jí)開(kāi)路（或負(fù)載阻抗足夠大）的條件下，等效電路。r1a與L1a,r1b與L1b,r2a與L2a,r2b與L2b，分別為W1a,W1b,W2a,W2b繞阻的直流電阻與電感。當(dāng)r1a<<ωL1a，r1b<<ωL1b時(shí)，如果不考慮鐵芯與銜鐵中的磁阻影響，可得變隙式差動(dòng)變壓器輸出電壓Uo的運(yùn)算式，即.分析：當(dāng)銜鐵處?kù)冻跏计胶馕恢脮r(shí)，因δa=δb=δ0，則Uo=0。但是如果被測(cè)體帶動(dòng)銜鐵移動(dòng)，例如向上移動(dòng)Δδ（假設(shè)向上移動(dòng)為正）時(shí)，則有δa=δ0-Δδ，δb=δ0+Δδ，代入上式可得.

上式表明：變壓器輸出電壓Uo與銜鐵位移量Δδ/δ0成正比。

“－”號(hào)的意義:當(dāng)銜鐵向上移動(dòng)時(shí)，Δδ/δ0定義為正，變壓器輸出電壓Uo與輸入電壓Ui反相（相位差180°）；而當(dāng)銜鐵向下移動(dòng)時(shí)，Δδ/δ0則為-|Δδ/δ0|，表明Uo與Ui同相。圖4.12所示為變隙式差動(dòng)變壓器輸出電壓Uo與位移Δδ的關(guān)係曲線。變隙式差動(dòng)變壓器靈敏度K的運(yùn)算式為圖4.12變隙式差動(dòng)變壓器輸出特性

分析結(jié)論：①首先，供電電源Ui要穩(wěn)定（獲取穩(wěn)定的輸出特性）；其次，電源幅值的適當(dāng)提高可以提高靈敏度K值，但要以變壓器鐵芯不飽和以及允許溫升為條件。②增加W2/W1的比值和減小δ0都能使靈敏度K值提高。（W2/W1影響變壓器的體積及零點(diǎn)殘餘電壓。一般選擇感測(cè)器的δ0為0.5mm。）③以上分析的結(jié)果是在忽略鐵損和線圈中的分佈電容等條件下得到的，如果考慮這些影響，將會(huì)使感測(cè)器性能變差（靈敏度降低，非線性加大等）。但是，在一般工程應(yīng)用中是可以忽略的。④以上結(jié)果是在假定工藝上嚴(yán)格對(duì)稱(chēng)的前提下得到的，而實(shí)際上很難做到這一點(diǎn)，因此感測(cè)器實(shí)際輸出特性存在零點(diǎn)殘餘電壓ΔUo。⑤變壓器副邊開(kāi)路的條件對(duì)由電子線路構(gòu)成的測(cè)量電路來(lái)講容易滿(mǎn)足，但如果直接配接低輸入阻抗電路，須考慮變壓器副邊電流對(duì)輸出特性的影響。4.2.2螺線管式差動(dòng)變壓器

1.工作原理

兩個(gè)次級(jí)線圈反相串聯(lián)，並且在忽略鐵損、導(dǎo)磁體磁阻和線圈分佈電容的理想條件下,其等效電路。當(dāng)初級(jí)繞組加以激勵(lì)電壓U時(shí),根據(jù)變壓器的工作原理,在兩個(gè)次級(jí)繞組W2a和W2b中便會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)E2a和E2b。如果工藝上保證變壓器結(jié)構(gòu)完全對(duì)稱(chēng),則當(dāng)活動(dòng)銜鐵處?kù)冻跏计胶馕恢脮r(shí),必然會(huì)使兩互感係數(shù)M1=M2。根據(jù)電磁感應(yīng)原理,將有E2a=E2b。由於變壓器兩次級(jí)繞組反相串聯(lián),因而Uo=E2a-E2b=0,即差動(dòng)變壓器輸出電壓為零。

當(dāng)活動(dòng)銜鐵向上移動(dòng)時(shí),由於磁阻的影響，W2a中磁通將大於W2b，使M1>M2，因而E2a增加，而E2b減小。反之，E2b增加，E2a減小。因?yàn)閁o=E2a-E2b，所以當(dāng)E2a、E2b

隨著銜鐵位移x變化時(shí)，Uo也必將隨x而變化。當(dāng)銜鐵位於中心位置時(shí)，差動(dòng)變壓器輸出電壓並不等於零，我們把差動(dòng)變壓器在零位移時(shí)的輸出電壓稱(chēng)為零點(diǎn)殘餘電壓，記作ΔUo，它的存在使感測(cè)器的輸出特性不經(jīng)過(guò)零點(diǎn)，造成實(shí)際特性與理論特性不完全一致。零點(diǎn)殘餘電壓產(chǎn)生原因：主要是由感測(cè)器的兩次級(jí)繞組的電氣參數(shù)和幾何尺寸不對(duì)稱(chēng)，以及磁性材料的非線性等引起的。零點(diǎn)殘餘電壓的波形十分複雜，主要由基波和高次諧波組成?；óa(chǎn)生的主要原因是：感測(cè)器的兩次級(jí)繞組的電氣參數(shù)、幾何尺寸不對(duì)稱(chēng)，導(dǎo)致它們產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)幅值不等、相位不同，因此不論怎樣調(diào)整銜鐵位置，兩線圈中感應(yīng)電勢(shì)都不能完全抵消。高次諧波（主要是三次諧波）產(chǎn)生原因：是磁性材料磁化曲線的非線性（磁飽和、磁滯）。零點(diǎn)殘餘電壓一般在幾十毫伏以下，在實(shí)際使用時(shí)，應(yīng)設(shè)法減小Ux，否則將會(huì)影響感測(cè)器的測(cè)量結(jié)果。2.基本特性根據(jù)差動(dòng)變壓器等效電路。當(dāng)次級(jí)開(kāi)路時(shí)式中：U——初級(jí)線圈激勵(lì)電壓；

ω——激勵(lì)電壓U的角頻率；

I1——初級(jí)線圈激勵(lì)電流；

r1、

L1——初級(jí)線圈直流電阻和電感。..根據(jù)電磁感應(yīng)定律，次級(jí)繞組中感應(yīng)電勢(shì)的運(yùn)算式分別為

由於次級(jí)兩繞組反相串聯(lián)，且考慮到次級(jí)開(kāi)路，則由以上關(guān)係可得

上式說(shuō)明，當(dāng)激磁電壓的幅值U和角頻率ω、初級(jí)繞組的直流電阻r1及電感L1為定值時(shí)，差動(dòng)變壓器輸出電壓僅僅是初級(jí)繞組與兩個(gè)次級(jí)繞組之間互感之差的函數(shù)。只要求出互感M1和M2對(duì)活動(dòng)銜鐵位移x的關(guān)係式，可得到螺線管式差動(dòng)變壓器的基本特性運(yùn)算式。輸出電壓的有效值為分析……

①活動(dòng)銜鐵處?kù)吨虚g位置時(shí)M1=M2=M

故Uo=0②活動(dòng)銜鐵向上移動(dòng)時(shí)M1=M+ΔM，M2=M-ΔM

故與E2a同極性。.③活動(dòng)銜鐵向下移動(dòng)時(shí)M1=M-ΔM，M2=M+ΔM

故與E2b同極性。.3.差動(dòng)變壓器式感測(cè)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)殘餘電壓。為了達(dá)到能辨別移動(dòng)方向和消除零點(diǎn)殘餘電壓的目的，實(shí)際測(cè)量時(shí)，常常採(cǎi)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，然後將整流的電壓或電流的差值作為輸出。

從圖（c）電路結(jié)構(gòu)可知，不論兩個(gè)次級(jí)線圈的輸出暫態(tài)電壓極性如何，流經(jīng)電容C1的電流方向總是從2到4，流經(jīng)電容C2的電流方向總是從6到8，故整流電路的輸出電壓為

當(dāng)銜鐵在零位時(shí)，因?yàn)閁24=U68，所以U2=0；當(dāng)銜鐵在零位以上時(shí)，因?yàn)閁24>U68

，則U2>0；而當(dāng)銜鐵在零位以下時(shí)，則有U24<U68，則U2<0。U2的正負(fù)表示銜鐵位移的方向。..........(2)相敏檢波電路輸入信號(hào)u2(差動(dòng)變壓器式感測(cè)器輸出的調(diào)幅波電壓)通過(guò)變壓器T1加到環(huán)形電橋的一個(gè)對(duì)角線上。參考信號(hào)us通過(guò)變壓器T2加到環(huán)形電橋的另一個(gè)對(duì)角線上。輸出信號(hào)uo從變壓器T1與T2的中心抽頭引出。平衡電阻R起限流作用，以避免二極體導(dǎo)通時(shí)變壓器T2的次級(jí)電流過(guò)大。RL為負(fù)載電阻。us的幅值要遠(yuǎn)大於輸入信號(hào)u2的幅值，以便有效控制四個(gè)二極體的導(dǎo)通狀態(tài)，且us和差動(dòng)變壓器式感測(cè)器激磁電壓u1由同一振盪器供電，保證二者同頻同相（或反相）。

根據(jù)變壓器的工作原理，考慮到O、M分別為變壓器T1、T2的中心抽頭，則

採(cǎi)用電路分析的基本方法

當(dāng)u0與uy’均為負(fù)半周時(shí)：二極體VD2、VD3截止，VD1、VD4導(dǎo)通。輸出電壓uo運(yùn)算式相同。說(shuō)明只要位移Δx>0，不論u0與uy’是正半周還是負(fù)半周，負(fù)載電阻RL兩端得到的電壓始終為正。當(dāng)Δx<0時(shí)：u0與uy’為同頻反相。不論u0與uy’是正半周還是負(fù)半周，負(fù)載電阻RL兩端得到的輸出電壓運(yùn)算式總是為4.差動(dòng)變壓器式感測(cè)器的應(yīng)用

可直接用於位移測(cè)量，也可以測(cè)量與位移有關(guān)的任何機(jī)械量，如振動(dòng)、加速度、應(yīng)變、比重、張力和厚度等。電感式滾珠直徑分選裝置實(shí)現(xiàn)按滾珠直徑大小分類(lèi)並計(jì)數(shù)圖4.22差動(dòng)變壓器式加速度感測(cè)器原理圖

差動(dòng)變壓器式加速度感測(cè)器:由懸臂梁和差動(dòng)變壓器構(gòu)成。測(cè)量時(shí)，將懸臂梁底座及差動(dòng)變壓器的線圈骨架固定，而將銜鐵的A端與被測(cè)振動(dòng)體相連，此時(shí)感測(cè)器作為加速度測(cè)量中的慣性元件，它的位移與被測(cè)加速度成正比，使加速度測(cè)量轉(zhuǎn)變?yōu)槲灰频臏y(cè)量。當(dāng)被測(cè)體帶動(dòng)銜鐵以Δx(t)振動(dòng)時(shí)，導(dǎo)致差動(dòng)變壓器的輸出電壓也按相同規(guī)律變化。4.3電渦流式感測(cè)器（互感式）4.3.1工作原理電渦流式感測(cè)器原理圖（a）感測(cè)器激勵(lì)線圈;（b）被測(cè)金屬導(dǎo)體

根據(jù)法拉第定律，當(dāng)感測(cè)器線圈通以正弦交變電流I1時(shí)，線圈周?chē)臻g必然產(chǎn)生正弦交變磁場(chǎng)H1，使置於此磁場(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，由於磁場(chǎng)H2的作用，渦流要消耗一部分能量，導(dǎo)致感測(cè)器線圈的等效阻抗發(fā)生變化。線圈阻抗的變化完全取決於被測(cè)金屬導(dǎo)體的電渦流效應(yīng)。式中,r為線圈與被測(cè)體的尺寸因數(shù)。

測(cè)量方法：如果保持上式中其他參數(shù)不變，而只改變其中一個(gè)參數(shù)，感測(cè)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)與感測(cè)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。Z=F(ρ,μ,r,f,x)

感測(cè)器線圈受電渦流影響時(shí)的等效阻抗Z的函數(shù)關(guān)係式為4.3.2基本特性電渦流式感測(cè)器簡(jiǎn)化模型

電渦流感測(cè)器簡(jiǎn)化模型中，把在被測(cè)金屬導(dǎo)體上形成的電渦流等效成一個(gè)短路環(huán)，即假設(shè)電渦流僅分佈在環(huán)體之內(nèi)，模型中h（電渦流的貫穿深度）可由下式求得：式中,f為線圈激磁電流的頻率。電渦流式感測(cè)器等效電路圖

根據(jù)簡(jiǎn)化模型，可畫(huà)出等效電路圖。圖中R2為電渦流短路環(huán)等效電阻，其運(yùn)算式為根據(jù)基爾霍夫第二定律，可列出如下方程：解得等效阻抗Z的運(yùn)算式為線圈的等效品質(zhì)因數(shù)Q值為可見(jiàn)：因渦流效應(yīng)，線圈的品質(zhì)因素Q下降。4.3.3電渦流感測(cè)器測(cè)量電路

主要有調(diào)頻式、調(diào)幅式電路兩種。

1.調(diào)頻式電路

感測(cè)器線圈接入LC振盪回路，當(dāng)感測(cè)器與被測(cè)導(dǎo)體距離x改變時(shí)，在渦流影響下，感測(cè)器的電感變化，將導(dǎo)致振盪頻率的變化，該變化的頻率是距離x的函數(shù)，即f=L(x),該頻率可由數(shù)字頻率計(jì)直接測(cè)量，或者通過(guò)f-V變換，用數(shù)字電壓表測(cè)量對(duì)應(yīng)的電壓。振盪器的頻率為為了避免輸出電纜的分佈電容的影響，通常將L、C裝在感測(cè)器內(nèi)。此時(shí)電纜分佈電容並聯(lián)在大電容C2、C3上，因而對(duì)振盪頻率f的影響將大大減小。

2.調(diào)幅式電路由感測(cè)器線圈L、電容器C和石英晶體組成。石英晶體振盪器起恒流源的作用，給諧振回路提供一個(gè)頻率（f0）穩(wěn)定的激勵(lì)電流io，LC回路輸出電壓式中,Z為L(zhǎng)C回路的阻抗。

當(dāng)金屬導(dǎo)體遠(yuǎn)離或去掉時(shí)，LC並聯(lián)諧振回路諧振頻率即為石英振盪頻率fo，回路呈現(xiàn)的阻抗最大，諧振回路上的輸出電壓也最大；當(dāng)金屬導(dǎo)體靠近感測(cè)器線圈時(shí)，線圈的等效電感L發(fā)生變化，導(dǎo)致回路失諧，從而使輸出電壓降低，L的數(shù)值隨距離x的變化而變化。因此，輸出電壓也隨x而變化。輸出電壓經(jīng)放大、檢波後，由指示儀錶直接顯示出x的大小。除此之外，交流電橋也是常用的測(cè)量電路。4.3.4電渦流式感測(cè)器的應(yīng)用1、位移測(cè)量2、振幅測(cè)量3、轉(zhuǎn)速測(cè)量4、無(wú)損探傷第5章電容式感測(cè)器主要內(nèi)容5.1電容式感測(cè)器的工作原理5.2變極距型電容式感測(cè)器的非線性5.3電容式感測(cè)器的等效電路5.4電容式感測(cè)器的信號(hào)調(diào)節(jié)電路5.5電容式感測(cè)器的應(yīng)用電容式感測(cè)器利用了將非電量的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)物理量的測(cè)量。廣泛用於位移、振動(dòng)、角度、加速度以及壓力、差壓、液面（料位）、成份含量等方面的測(cè)量。特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、解析度高；可實(shí)現(xiàn)非接觸式測(cè)量；動(dòng)態(tài)回應(yīng)好；能在高溫、輻射和強(qiáng)振動(dòng)等惡劣條件下工作；電容量小，功率小，輸出阻抗高，負(fù)載能力差，易受外界干擾產(chǎn)生不穩(wěn)定現(xiàn)象。5.1電容式感測(cè)器的工作原理在實(shí)際使用中，通常保持其中兩個(gè)參數(shù)不變，而只變其中一個(gè)參數(shù)，把該參數(shù)的變化轉(zhuǎn)換成電容量的變化，通過(guò)測(cè)量電路轉(zhuǎn)換為電量輸出。電容式感測(cè)器可分為三種：變極板間距離的變極距型改變極板面積的變面積型改變介質(zhì)介電常數(shù)的變介質(zhì)型電容式感測(cè)器的結(jié)構(gòu)5.1.1變面積型電容式感測(cè)器電容改變量與水準(zhǔn)位移成線性關(guān)係電容改變量與角位移呈線性關(guān)係5.1.2變極距型電容式感測(cè)器簡(jiǎn)化：近似直線關(guān)係擊穿問(wèn)題一般極板間距在25～200um範(fàn)圍內(nèi)，而最大位移應(yīng)小於間距的十分之一，因此這種電容式感測(cè)器主要用於微位移測(cè)量。5.1.3變介質(zhì)型電容式感測(cè)器電容增量與被測(cè)液位的高度成線性關(guān)係變極距型電容式感測(cè)器的非線性單位輸入位移所引起的輸出電容量變化與成反比關(guān)係非線性誤差非線性誤差：差動(dòng)結(jié)構(gòu)差動(dòng)的好處?kù)`敏度得到一倍的改善線性度得到改善5.2電容式感測(cè)器的測(cè)量電路5.2.1調(diào)頻電路5.2.2變壓器式交流電橋5.2.3運(yùn)算放大器對(duì)平板電容器：

輸出電壓與輸入位移間存在線性關(guān)係

5.2.4二極體雙T型交流電橋當(dāng)感測(cè)器沒(méi)有輸入時(shí)，

C1＝C2一個(gè)週期內(nèi)流過(guò)負(fù)載的平均電流為0當(dāng)感測(cè)器有輸入時(shí)，C1！＝C25.2.5脈衝寬度調(diào)製電路變極距型：變面積型：差動(dòng)脈沖寬度調(diào)製電路適用於變極板距離和變面積式差動(dòng)電容感測(cè)器，且為線性特性。5.3電容式感測(cè)器的應(yīng)用5.3.1電容式壓力感測(cè)器5.3.2電容式位移感測(cè)器5.3.3電容式加速度感測(cè)器5.3.4電容式厚度感測(cè)器第6章壓電式感測(cè)器主要內(nèi)容6.1

工作原理6.2壓電式感測(cè)器測(cè)量電路6.3壓電式感測(cè)器的應(yīng)用6.1.1壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)：是對(duì)某些電介質(zhì)沿一定方向施以外力使其變形時(shí)，其內(nèi)部將產(chǎn)生極化現(xiàn)象而使其表面出現(xiàn)電荷集聚的現(xiàn)象。在外力去除後又重新恢復(fù)到不帶電狀態(tài)，是機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋Ｕ龎弘娦?yīng)，逆壓電效應(yīng)特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕；工作頻帶寬；靈敏度高；信噪比高；工作可靠；測(cè)量範(fàn)圍廣等。用途：主要用於與力相關(guān)的動(dòng)態(tài)參數(shù)測(cè)試，如動(dòng)態(tài)力、機(jī)械衝擊、振動(dòng)等，它可以把加速度、壓力、位移、溫度等許多非電量轉(zhuǎn)換為電量。6.1.2壓電材料X軸向受力：Y軸向受力：Z軸向受力：無(wú)石英晶體（單晶體）現(xiàn)象：機(jī)理：機(jī)理：壓電陶瓷（多晶體）

壓電機(jī)理：壓電陶瓷是人工製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佈，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)，趨向於按外電場(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)去掉後，電疇的極化方向基本變化，即剩餘極化強(qiáng)度很大，這時(shí)的材料才具有壓電特性。

極化處理後陶瓷材料內(nèi)部存在有很強(qiáng)的剩餘極化，當(dāng)陶瓷材料受到外力作用時(shí)，電疇的界限發(fā)生移動(dòng)，電疇發(fā)生偏轉(zhuǎn)，從而引起剩餘極化強(qiáng)度的變化，因而在垂直於極化方向的平面上將出現(xiàn)極化電荷的變化。這種因受力而產(chǎn)生的由機(jī)械效應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦?yīng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿默F(xiàn)象，就是壓電陶瓷的正壓電效應(yīng)。電荷量的大小與外力成如下的正比關(guān)係：式中：

d33——

壓電陶瓷的壓電係數(shù)；

F——作用力。

壓電陶瓷的壓電係數(shù)比石英晶體的大得多，所以?huà)?cǎi)用壓電陶瓷製作的壓電式感測(cè)器的靈敏度較高。極化處理後的壓電陶瓷材料的剩餘極化強(qiáng)度和特性與溫度有關(guān)，它的參數(shù)也隨時(shí)間變化，從而使其壓電特性減弱。最早使用的壓電陶瓷材料是鈦酸鋇（BaTiO3）。它的壓電係數(shù)約為石英的50倍，但居裏點(diǎn)溫度只有115℃，使用溫度不超過(guò)70℃，溫度穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度都不如石英。目前使用較多的壓電陶瓷材料是鋯鈦酸鉛（PZT）系列，它是鈦酸鉛（PbTiO2）和鋯酸鉛（PbZrO3）組成的（Pb（ZrTi）O3）。居裏點(diǎn)在300℃以上，性能穩(wěn)定，有較高的介電常數(shù)和壓電係數(shù)壓電高分子材料高分子材料屬於有機(jī)分子半結(jié)晶或結(jié)晶聚合物，其壓電效應(yīng)較複雜，不僅要考慮晶格中均勻的內(nèi)應(yīng)變對(duì)壓電效應(yīng)的貢獻(xiàn)，還要考慮高分子材料中作非均勻內(nèi)應(yīng)變所產(chǎn)生的各種高次效應(yīng)以及同整個(gè)體系平均變形無(wú)關(guān)的電荷位移而表現(xiàn)出來(lái)的壓電特性。目前已發(fā)現(xiàn)的壓電係數(shù)最高、且已進(jìn)行應(yīng)用開(kāi)發(fā)的壓電高分子材料是聚偏氟乙烯，其壓電效應(yīng)可採(cǎi)用類(lèi)似鐵電體的機(jī)理來(lái)解釋。這種聚合物中碳原子的個(gè)數(shù)為奇數(shù)，經(jīng)過(guò)機(jī)械滾壓和拉伸製作成薄膜之後，帶負(fù)電的氟離子和帶正電的氫離子分別排列在薄膜的對(duì)應(yīng)上下兩邊上，形成微晶偶極矩結(jié)構(gòu)，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的外電場(chǎng)和溫度聯(lián)合作用後，晶體內(nèi)部的偶極矩進(jìn)一步旋轉(zhuǎn)定向，形成垂直於薄膜平面的碳－氟偶極矩固定結(jié)構(gòu)。正是由於這種固定取向後的極化和外力作用時(shí)的剩餘極化的變化，引起了壓電效應(yīng)。壓電材料的特性參數(shù)壓電係數(shù)彈性係數(shù)介電常數(shù)機(jī)電耦合係數(shù)電阻居裏點(diǎn)壓電材料的選取選用合適的壓電材料是設(shè)計(jì)、製作高性能感測(cè)器的關(guān)鍵。一般應(yīng)考慮：轉(zhuǎn)換性能機(jī)械性能電性能溫度、濕度穩(wěn)定性好時(shí)間穩(wěn)定性6.2壓電式感測(cè)器的等效電路壓電式感測(cè)器的測(cè)量電路電荷放大器電壓放大器6.2.3壓電元件的連接與變形壓電元件的連接

單片壓電元件產(chǎn)生的電荷量甚微，為了提高壓電傳感器的輸出靈敏度，在實(shí)際應(yīng)用中常採(cǎi)用兩片（或兩片以上）同型號(hào)的壓電元件粘結(jié)在一起。從作用力看，元件是串接的，因而每片受到的作用力相同，產(chǎn)生的變形和電荷數(shù)量大小都與單片時(shí)相同。圖a）從電路上看，這是並聯(lián)接法，類(lèi)似兩個(gè)電容的並聯(lián)。所以，外力作用下正負(fù)電極上的電荷量增加了1倍，電容量也增加了1倍，輸出電壓與單片時(shí)相同。圖b）從電路上看是串聯(lián)的，兩壓電片中間粘接處正負(fù)電荷中和，上、下極板的電荷量與單片時(shí)相同，總電容量為單片的一半，輸出電壓增大了1倍。

壓電元件的變形6.3壓電式感測(cè)器的應(yīng)用6.3.1壓電式力感測(cè)器6.3.2壓電式加速度感測(cè)器第7章磁敏式感測(cè)器主要內(nèi)容

7.1磁電感應(yīng)式感測(cè)器7.2霍爾式感測(cè)器7.1磁電感應(yīng)式感測(cè)器

磁電感應(yīng)式感測(cè)器又稱(chēng)磁電式感測(cè)器，是利用電磁感應(yīng)原理將被測(cè)量（如振動(dòng)、位移、轉(zhuǎn)速等）轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的一種感測(cè)器。它不需要輔助電源，就能把被測(cè)對(duì)象的機(jī)械量轉(zhuǎn)換成易於測(cè)量的電信號(hào)，是一種有源感測(cè)器。由於它輸出功率大，且性能穩(wěn)定，具有一定的工作帶寬（10～1000Hz），所以得到普遍應(yīng)用。7.1.1工作原理根據(jù)電磁感應(yīng)定律，當(dāng)導(dǎo)體在穩(wěn)恒均勻磁場(chǎng)中，沿垂直磁場(chǎng)方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)為

恒磁通式感測(cè)器

工作原理：

磁路系統(tǒng)產(chǎn)生恒定的直流磁場(chǎng)，磁路中的工作氣隙固定不變，因而氣隙中磁通也是恒定不變的。其運(yùn)動(dòng)部件可以是線圈（動(dòng)圈式），也可以是磁鐵（動(dòng)鐵式），動(dòng)圈式（圖（a））和動(dòng)鐵式（圖(b)）的工作原理是完全相同的。當(dāng)殼體隨被測(cè)振動(dòng)體一起振動(dòng)時(shí)，由於彈簧較軟，運(yùn)動(dòng)部件品質(zhì)相對(duì)較大，當(dāng)振動(dòng)頻率足夠高（遠(yuǎn)大於感測(cè)器固有頻率）時(shí)，運(yùn)動(dòng)部件慣性很大，來(lái)不及隨振動(dòng)體一起振動(dòng)，近乎靜止不動(dòng)，振動(dòng)能量幾乎全被彈簧吸收，永久磁鐵與線圈之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度接近於振動(dòng)體振動(dòng)速度，磁鐵與線圈的相對(duì)運(yùn)動(dòng)切割磁力線，從而產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)。變磁通式磁電傳感器結(jié)構(gòu)圖(a)開(kāi)磁路；(b)閉磁路變磁通式磁電傳感器

圖（a）為開(kāi)磁路變磁通式：線圈、磁鐵靜止不動(dòng)，測(cè)量齒輪安裝在被測(cè)旋轉(zhuǎn)體上，隨被測(cè)體一起轉(zhuǎn)動(dòng)。每轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)齒，齒的凹凸引起磁路磁阻變化一次，磁通也就變化一次，線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，其變化頻率等於被測(cè)轉(zhuǎn)速與測(cè)量齒輪上齒數(shù)的乘積。這種感測(cè)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但輸出信號(hào)較小，且因高速軸上加裝齒輪較危險(xiǎn)而不宜測(cè)量高轉(zhuǎn)速的場(chǎng)合。

圖(b)為閉磁路變磁通式感測(cè)器，它由裝在轉(zhuǎn)軸上的內(nèi)齒輪和外齒輪、永久磁鐵和感應(yīng)線圈組成，內(nèi)外齒輪齒數(shù)相同。當(dāng)轉(zhuǎn)軸連接到被測(cè)轉(zhuǎn)軸上時(shí)，外齒輪不動(dòng)，內(nèi)齒輪隨被測(cè)軸而轉(zhuǎn)動(dòng)，內(nèi)、外齒輪的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)使氣隙磁阻產(chǎn)生週期性變化，從而引起磁路中磁通的變化，使線圈內(nèi)產(chǎn)生週期性變化的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。顯然，感應(yīng)電勢(shì)的頻率與被測(cè)轉(zhuǎn)速成正比。

7.1.2磁電感應(yīng)式感測(cè)器基本特性當(dāng)測(cè)量電路接入磁電傳感器電路時(shí)，磁電傳感器的輸出電流Io為式中：

Rf——測(cè)量電路輸入電阻；

R——線圈等效電阻。感測(cè)器的電流靈敏度為==

而感測(cè)器的輸出電壓和電壓靈敏度分別為

B值大，靈敏度也大，因此要選用B值大的永磁材料；線圈的平均長(zhǎng)度大也有助於提高靈敏度，但這是有條件的，要考慮兩種情況：線圈電阻與指示器電阻匹配問(wèn)題如圖7.3所示，因感測(cè)器相當(dāng)於一個(gè)電壓源，為使指示器從感測(cè)器獲得最大功率，必須使線圈的電阻等於指示器的電阻。線圈的發(fā)熱問(wèn)題感測(cè)器線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，接上負(fù)載後，線圈中有電流流過(guò)而發(fā)熱。測(cè)量誤差

當(dāng)感測(cè)器的工作溫度發(fā)生變化或受到外界磁場(chǎng)干擾、受到機(jī)械振動(dòng)或衝擊時(shí)，其靈敏度將發(fā)生變化，從而產(chǎn)生測(cè)量誤差，其相對(duì)誤差為非線性誤差

主要原因：當(dāng)磁電式感測(cè)器在進(jìn)行測(cè)量時(shí)，感測(cè)器線圈會(huì)有電流流過(guò)，這時(shí)線圈會(huì)產(chǎn)生一定的交變磁通，此交變磁通會(huì)疊加在永久磁鐵產(chǎn)生的感測(cè)器工作磁通上，導(dǎo)致氣隙磁通變化。這種影響分為兩種情況溫度誤差

溫度誤差補(bǔ)償辦法：在結(jié)構(gòu)允許的情況下，在感測(cè)器的磁鐵下設(shè)置熱磁分路，進(jìn)行溫度補(bǔ)償。動(dòng)態(tài)特性

當(dāng)被測(cè)物振動(dòng)頻率低於感測(cè)器的固有頻率時(shí)，感測(cè)器的靈敏度是隨振動(dòng)頻率的升高而明顯增加的；當(dāng)振動(dòng)頻率遠(yuǎn)大於感測(cè)器固有頻率時(shí)，感測(cè)器的靈敏度接近為一個(gè)常數(shù)，它基本上不隨頻率變化，即在這一頻率範(fàn)圍內(nèi)，感測(cè)器的輸出電壓與振動(dòng)速度成正比關(guān)係，這一頻段就是感測(cè)器的理想工作頻段；在振動(dòng)頻率更高（過(guò)大）的情況下，線圈阻抗增加，感測(cè)器靈敏度會(huì)隨著振動(dòng)頻率的增加反而下降。7.1.2測(cè)量電路7.1.3磁電感應(yīng)式感測(cè)器的應(yīng)用磁電感應(yīng)式振動(dòng)速度感測(cè)器

磁電感應(yīng)式扭矩感測(cè)器電磁流量計(jì)7.2霍爾式感測(cè)器當(dāng)載流導(dǎo)體或半導(dǎo)體處?kù)杜c電流相垂直的磁場(chǎng)中時(shí)，在其兩端將產(chǎn)生電位差，這一現(xiàn)象被稱(chēng)為霍爾效應(yīng)。霍爾效應(yīng)產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)被稱(chēng)為霍爾電勢(shì)?；魻栃?yīng)的產(chǎn)生是由於運(yùn)動(dòng)電荷受磁場(chǎng)中洛倫茲力作用的結(jié)果?；魻栐魻栐咎匦?/p>

線性特性與開(kāi)關(guān)特性不等位電阻負(fù)載特性溫度特性霍爾元件的零位誤差及補(bǔ)償

不等位電動(dòng)勢(shì)的補(bǔ)償寄生直流電動(dòng)勢(shì)的補(bǔ)償元件在製作安裝時(shí)，儘量做到使電極歐姆接觸，並做到均勻散熱。歐姆接觸：金屬與半導(dǎo)體的接觸，其接觸面的電阻值遠(yuǎn)小於半導(dǎo)體本身的電阻?；魻栐臏囟日`差及其補(bǔ)償7.2.2測(cè)量電路7.2.3霍爾式感測(cè)器的應(yīng)用微位移的測(cè)量

轉(zhuǎn)速的測(cè)量

壓力的測(cè)量

第8章熱電式感測(cè)器8.1熱電偶感測(cè)器8.2熱電阻感測(cè)器8.3熱敏電阻感測(cè)器

教學(xué)基本要求和重點(diǎn)掌握有關(guān)熱電偶、熱電阻和熱敏電阻的基本概念掌握三類(lèi)熱電式感測(cè)器的基本工作原理掌握熱電偶的基本定律、基本類(lèi)型、溫度補(bǔ)償方法、使用熱電偶的測(cè)溫方法掌握熱電阻的內(nèi)部引線方式及其適用場(chǎng)合掌握熱敏電阻的電阻－溫度特性會(huì)使用分度表8.1熱電偶感測(cè)器

1.熱電偶測(cè)溫原理熱電效應(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。熱電勢(shì)、熱電偶、熱電極熱端（測(cè)量端或工作端）、冷端（參考端或自由端）

熱電偶回路接觸電動(dòng)勢(shì)

接觸電動(dòng)勢(shì)的數(shù)值取決於兩種不同導(dǎo)體的材料特性和接觸點(diǎn)的溫度。兩接點(diǎn)的接觸電動(dòng)勢(shì)eAB(T)和eAB（T0）可表示為含義：由於兩種不同導(dǎo)體的自由電子密度不同而在接觸處形成的電動(dòng)勢(shì)。

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)。大小表示：

溫差電動(dòng)勢(shì)機(jī)理：高溫端的電子能量要比低溫端的電子能量大，從高溫端跑到低溫端的電子數(shù)比從低溫端跑到高溫端的要多，結(jié)果高溫端因失去電子而帶正電，低溫端因獲得多餘的電子而帶負(fù)電，在導(dǎo)體兩端便形成溫差電動(dòng)勢(shì)。熱電偶回路中產(chǎn)生的總熱電勢(shì)

eAB(T,T0)=eAB(T)＋eB(T,T0)－eAB(T0)－eA(T,T0) 忽略溫差電動(dòng)勢(shì)，熱電偶的熱電勢(shì)可表示為：

影響因素取決於材料和接點(diǎn)溫度，與形狀、尺寸等無(wú)關(guān)兩熱電極相同時(shí)，總電動(dòng)勢(shì)為0兩接點(diǎn)溫度相同時(shí)，總電動(dòng)勢(shì)為0對(duì)於已選定的熱電偶，當(dāng)參考端溫度T0恒定時(shí)，eAB(T0)=c為常數(shù)，則總的熱電動(dòng)勢(shì)就只與溫度T成單值函數(shù)關(guān)係，即

可見(jiàn)：只要測(cè)出eAB（T,T0）的大小，就能得到被測(cè)溫度T，這就是利用熱電偶測(cè)溫的原理。討論熱電偶的分度表不同金屬組成的熱電偶，溫度與熱電動(dòng)勢(shì)之間有不同的函數(shù)關(guān)係，一般通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法來(lái)確定，並將不同溫度下測(cè)得的結(jié)果列成表格，編制出熱電勢(shì)與溫度的對(duì)照表，即分度表。供查閱使用，每10℃分檔。中間值按內(nèi)插法計(jì)算。S型(鉑銠10-鉑)熱電偶分度表

在熱電偶測(cè)溫回路內(nèi)，接入第三種導(dǎo)體時(shí)，只要第三種導(dǎo)體的兩端溫度相同，則對(duì)回路的總熱電勢(shì)沒(méi)有影響。中間導(dǎo)體定律

應(yīng)用：利用熱電偶進(jìn)行測(cè)溫，必須在回路中引入連接導(dǎo)線和儀錶，接入導(dǎo)線和儀錶後不會(huì)影響回路中的熱電勢(shì)。2.熱電偶基本定律測(cè)量?jī)x錶及引線作為第三種導(dǎo)體的熱電偶回路中間溫度定律eAB(t,t0)=eAB(t,tc)+eAB(tc,t0)

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)等於熱電偶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，即中間溫度定律中間溫度定律的應(yīng)用

根據(jù)這個(gè)定律，可以連接與熱電偶熱電特性相近的導(dǎo)體A′和B，將熱電偶冷端延伸到溫度恒定的地方，這就為熱電偶回路中應(yīng)用補(bǔ)償導(dǎo)線提供了理論依據(jù)。

該定律是參考端溫度計(jì)算修正法的理論依據(jù)。在實(shí)際熱電偶測(cè)溫回路中,利用熱電偶這一性質(zhì),可對(duì)參考端溫度不為0℃的熱電勢(shì)進(jìn)行修正。標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)體（電極）定律標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)體定律的意義通常選用高純鉑絲作標(biāo)準(zhǔn)電極只要測(cè)得它與各種金屬組成的熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)，則各種金屬間相互組合成熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)就可根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)電極定律計(jì)算出來(lái)。例子熱端為100℃，冷端為0℃時(shí)，鎳鉻合金與純鉑組成的熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)為2.95mV，而考銅與純鉑組成的熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)為－4.0mV，則鎳鉻和考銅組成的熱電偶所產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)應(yīng)為：2.95－(－4.0)=6.95(mV)均質(zhì)導(dǎo)體定律由兩種均質(zhì)導(dǎo)體組成的熱電偶，其熱電動(dòng)勢(shì)的大小只與兩材料及兩接點(diǎn)溫度有關(guān)，與熱電偶的大小尺寸、形狀及沿電極各處的溫度分佈無(wú)關(guān)。即熱電偶必須由兩種不同性質(zhì)的均質(zhì)材料構(gòu)成。意義：有助於檢驗(yàn)兩個(gè)熱電極材料成分是否相同及材料的均勻性。

為了適應(yīng)不同生產(chǎn)對(duì)象的測(cè)溫要求和條件，熱電偶的結(jié)構(gòu)形式有：普通型熱電偶特殊熱電偶－鎧裝型熱電偶－薄膜熱電偶等。

9.1.2熱電偶的結(jié)構(gòu)與種類(lèi)普通型熱電偶結(jié)構(gòu)

優(yōu)點(diǎn)：測(cè)溫端熱容量小，動(dòng)態(tài)回應(yīng)快；機(jī)械強(qiáng)度高，撓性好，可安裝在結(jié)構(gòu)複雜的裝置上。鎧裝型熱電偶薄膜熱電偶

特點(diǎn)：熱接點(diǎn)可以做得很?。é蘭），具有熱容量小、反應(yīng)速度快（μs）等特點(diǎn)，適用於微小面積上的表面溫度以及快速變化的動(dòng)態(tài)溫度測(cè)量。熱電極材料的選取性能穩(wěn)定溫度測(cè)量範(fàn)圍廣物理化學(xué)性能穩(wěn)定導(dǎo)電率要高，並且電阻溫度係數(shù)要小材料的機(jī)械強(qiáng)度要高，複製性好、複製工藝簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜工程用熱電偶材料應(yīng)滿(mǎn)足條件：熱電勢(shì)變化儘量大，熱電勢(shì)與溫度關(guān)係儘量接近線性關(guān)係，物理、化學(xué)性能穩(wěn)定，易加工，複現(xiàn)性好，便於成批生產(chǎn)，有良好的互換性。熱電偶的種類(lèi)

國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）向世界各國(guó)推薦8種標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶（已列入工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化檔中，具有統(tǒng)一的分度表）。我國(guó)已採(cǎi)用IEC標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)熱電偶，並按標(biāo)準(zhǔn)分度表生產(chǎn)與之相配的顯示儀錶。標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶的主要性能和特點(diǎn)熱電偶名稱(chēng)正熱電極負(fù)熱電極分度號(hào)測(cè)溫範(fàn)圍特點(diǎn)鉑銠30－鉑銠6鉑銠30鉑銠6B0～＋1700℃（超高溫）適用於氧化性氣氛中測(cè)溫，測(cè)溫上限高，穩(wěn)定性好。在冶金、鋼水等高溫領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。鉑銠10－鉑鉑銠10純鉑S0～＋1600℃（超高溫）適用於氧化性、惰性氣氛中測(cè)溫，熱電性能穩(wěn)定，抗氧化性強(qiáng)，精度高，但價(jià)格貴、熱電動(dòng)勢(shì)較小。常用作標(biāo)準(zhǔn)熱電偶或用於高溫測(cè)量。鎳鉻－鎳矽鎳鉻合金鎳矽K－200～＋1200℃（高溫）適用於氧化和中性氣氛中測(cè)溫，測(cè)溫範(fàn)圍很寬、熱電動(dòng)勢(shì)與溫度關(guān)係近似線性、熱電動(dòng)勢(shì)大、價(jià)格低。穩(wěn)定性不如B、S型熱電偶，但是非貴金屬熱電偶中性能最穩(wěn)定的一種。鎳鉻－康銅鎳鉻合金銅鎳合金E－200～＋900℃（中溫）適用於還原性或惰性氣氛中測(cè)溫，熱電動(dòng)勢(shì)較其他熱電偶大，穩(wěn)定性好，靈敏度高，價(jià)格低。鐵－康銅鐵銅鎳合金J－200～＋750℃（中溫）適用於還原性氣氛中測(cè)溫，價(jià)格低，熱電動(dòng)勢(shì)較大，僅次於E型熱電偶。缺點(diǎn)是鐵極易氧化。銅－康銅銅銅鎳合金T－200～＋350℃（低溫）適用於還原性氣氛中測(cè)溫，精度高，價(jià)格低。在－200～0℃可製成標(biāo)準(zhǔn)熱電偶。缺點(diǎn)是銅極易氧化。8.1.3熱電偶的冷端溫度補(bǔ)償當(dāng)熱端溫度為t時(shí)，分度表所對(duì)應(yīng)的熱電勢(shì)eAB(t,0)與熱電偶實(shí)際產(chǎn)生的熱電勢(shì)eAB(t,t0)之間的關(guān)係可根據(jù)中間溫度定律得到下式：eAB(t,0)=eAB(t,t0)+eAB(t0，0)由此可見(jiàn)，eAB(t0，0)是冷端溫度t0的函數(shù)，因此需要對(duì)熱電偶冷端溫度進(jìn)行處理。熱電偶一般做得較短，一般為350～2000mm。在實(shí)際測(cè)溫時(shí)，需要把熱電偶輸出的電勢(shì)信號(hào)傳輸?shù)竭h(yuǎn)離現(xiàn)場(chǎng)數(shù)十米遠(yuǎn)的控制室裏的顯示儀錶或控制儀錶，這樣,冷端溫度t0比較穩(wěn)定。(1)熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線解決辦法：工程中採(cǎi)用一種補(bǔ)償導(dǎo)線。在0～100℃溫度範(fàn)圍內(nèi)，要求補(bǔ)償導(dǎo)線和所配熱電偶具有相同的熱電特性。解決辦法：工程中採(cǎi)用一種補(bǔ)償導(dǎo)線。常用補(bǔ)償導(dǎo)線

熱電偶類(lèi)型補(bǔ)償導(dǎo)線類(lèi)型補(bǔ)償導(dǎo)線正極負(fù)極鉑銠10－鉑銅－銅鎳合金銅銅鎳合金（鎳的品質(zhì)分?jǐn)?shù)為0.6%）鎳鉻－鎳矽I型：鎳鉻－鎳矽鎳鉻鎳矽鎳鉻－鎳矽II型：銅－康銅銅康銅鎳鉻－康銅鎳鉻－康銅鎳鉻康銅鐵－康銅鐵－康銅鐵康銅銅－康銅銅－康銅銅康銅

在實(shí)驗(yàn)室及精密測(cè)量中，通常把冷端放入0℃恒溫器或裝滿(mǎn)冰水混合物的容器中，以便冷端溫度保持0℃。這是一種理想的補(bǔ)償方法，但工業(yè)中使用極為不便。(2)冷端0℃恒溫法

當(dāng)冷端溫度t0不等於0℃，需要對(duì)熱電偶回路的測(cè)量電勢(shì)值eAB（t，t0）加以修正。當(dāng)工作端溫度為t時(shí)，分度表可查eAB(t,0)與eAB(t0,0)。根據(jù)中間溫度定律得到：eAB(t,0)=eAB(t,t0)+eAB(t0，0)(3)冷端溫度修正法

例子用鎳鉻-鎳矽熱電偶測(cè)量加熱爐溫度。已知冷端溫度t0=30℃，測(cè)得熱電勢(shì)eAB（t，t0）為33.29mV,求加熱爐溫度。解：查鎳鉻-鎳矽熱電偶分度表得eAB（30，0）1.203mV?？傻胑AB（t，0）=eAB(t,t0)+eAB(t0,0)=33.29+1.203=34.493mV由鎳鉻-鎳矽熱電偶分度表得t=829.8℃。(4)冷端溫度自動(dòng)補(bǔ)償法（電橋補(bǔ)償法）8.1.4熱電偶測(cè)溫線路測(cè)量單點(diǎn)的溫度

特殊情況下，熱電偶可以串聯(lián)或並聯(lián)使用，但只能是同一分度號(hào)的熱電偶，且冷端應(yīng)在同一溫度下。如熱電偶正向串聯(lián)，可獲得較大的熱電勢(shì)輸出和提高靈敏度；在測(cè)量?jī)牲c(diǎn)溫差時(shí)，可採(cǎi)用熱電偶反向串聯(lián)；利用熱電偶並聯(lián)可以測(cè)量平均溫度。測(cè)量?jī)牲c(diǎn)間溫度差（反向串聯(lián)）測(cè)量平均溫度（並聯(lián)或正向串聯(lián)）

特點(diǎn)：當(dāng)有一只熱電偶燒斷時(shí)，難以覺(jué)察出來(lái)。當(dāng)然，它也不會(huì)中斷整個(gè)測(cè)溫系統(tǒng)的工作。優(yōu)點(diǎn)：熱電動(dòng)勢(shì)大，儀錶的靈敏度大大增加，且避免了熱電偶並聯(lián)線路存在的缺點(diǎn)，可立即可以發(fā)現(xiàn)有斷路。缺點(diǎn)：只要有一支熱電偶斷路，整個(gè)測(cè)溫系統(tǒng)將停止工作。8.1.5熱電偶的應(yīng)用常用爐溫測(cè)量控制系統(tǒng)如圖所示。毫伏定值器給出給定溫度的相應(yīng)毫伏值，熱電偶的熱電勢(shì)與定值器的毫伏值相比較，若有偏差則表示爐溫偏離給定值，此偏差經(jīng)放大器送入調(diào)節(jié)器，再經(jīng)過(guò)晶閘管觸發(fā)器推動(dòng)晶閘管執(zhí)行器來(lái)調(diào)整電爐絲的加熱功率，直到偏差被消除，從而實(shí)現(xiàn)控制溫度。8.2熱電阻感測(cè)器

熱電阻感測(cè)器是利用導(dǎo)體的電阻值隨溫度變化而變化的原理進(jìn)行測(cè)溫的。熱電阻廣泛用來(lái)測(cè)量－200～850℃範(fàn)圍內(nèi)的溫度，少數(shù)情況下，低溫可測(cè)量至1K，高溫達(dá)1000℃。標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)的精確度高，作為複現(xiàn)國(guó)際溫標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)儀器。

熱電阻的結(jié)構(gòu)

電阻絲採(cǎi)用雙線並繞法繞制在具有一定形狀的雲(yún)母、石英或陶瓷塑膠支架上，支架起支撐和絕緣作用。1.常用熱電阻對(duì)用於製造熱電阻材料的要求：具有盡可能大和穩(wěn)定的電阻溫度係數(shù)和電阻率

R-t關(guān)係最好成線性物理化學(xué)性能穩(wěn)定容易加工、價(jià)格儘量便宜等。目前最常用的熱電阻有鉑熱電阻和銅熱電阻。(1)鉑熱電阻鉑熱電阻的特點(diǎn)是精度高、穩(wěn)定性好、性能可靠，所以在溫度感測(cè)器中得到了廣泛應(yīng)用。按IEC標(biāo)準(zhǔn)，鉑熱電阻的使用溫度範(fàn)圍為-200～850℃。鉑熱電阻的特性方程為：在-200～0℃的溫度範(fàn)圍內(nèi)Rt=R0［1+At+Bt2+Ct3(t-100)］在0～850℃的溫度範(fàn)圍內(nèi)Rt=R0(1+At+Bt2)

在ITS—90中，這些常數(shù)規(guī)定為

A=3.97×10-13/℃

B=-5.85×10-7/℃2

C=-4.22×10-12/℃4

可見(jiàn)：熱電阻在溫度t時(shí)的電阻值與0℃時(shí)的電阻值R0有關(guān)。目前我國(guó)規(guī)定工業(yè)用鉑熱電阻有R0=10Ω和R0=100Ω兩種，它們的分度號(hào)分別為Pt10和Pt100，其中以Pt100為常用。鉑熱電阻不同分度號(hào)亦有相應(yīng)分度表，即Rt-t的關(guān)係表，這樣在實(shí)際測(cè)量中，只要測(cè)得熱電阻的阻值Rt，便可從分度表上查出對(duì)應(yīng)的溫度值。鉑電阻分度表(2)銅熱電阻

在一些測(cè)量精度要求不高且溫度較低的場(chǎng)合，可採(cǎi)用銅熱電阻進(jìn)行測(cè)溫，它的測(cè)量範(fàn)圍為-50～150℃。銅熱電阻在測(cè)量範(fàn)圍內(nèi)其電阻值與溫度的關(guān)係幾乎是線性的，可近似地表示為Rt=R0（1+αt）α=4.28×10-3/℃

兩種分度號(hào)：Cu50(R0=50Ω)和Cu100（R0=100Ω）。

銅熱電阻的分度表分度號(hào)：Cu50溫度/℃0102030405060708090電阻/Ω－050.0047.8545.7043.5541.4039.24050.0052.1445.2856.4258.5660.7062.8464.9867.1269.2610071.4073.5475.6877.8379.9882.13銅熱電阻的特點(diǎn)銅熱電阻的電阻溫度係數(shù)較大、線性性好、價(jià)格便宜。缺點(diǎn)：電阻率較低，電阻體的體積較大，熱慣性較大，穩(wěn)定性較差，在100℃以上時(shí)容易氧化，因此只能用於低溫及沒(méi)有浸蝕性的介質(zhì)中。用熱電阻感測(cè)器進(jìn)行測(cè)溫時(shí)，測(cè)量電路經(jīng)常採(cǎi)用電橋電路。熱電阻與檢測(cè)儀錶相隔一段距離，因此熱電阻的引線對(duì)測(cè)量結(jié)果有較大的影響。熱電阻內(nèi)部引線方式有二線制、三線制和四線制三種。8.2.3熱電阻的測(cè)量電路內(nèi)部引線方式兩線制這種引線方式簡(jiǎn)單、費(fèi)用低，但是引線電阻以及引線電阻的變化會(huì)帶來(lái)附加誤差。兩線制適於引線不長(zhǎng)、測(cè)溫精度要求較低的場(chǎng)合。三線制用於工業(yè)測(cè)量，一般精度四線制實(shí)驗(yàn)室用，高精度測(cè)量熱電阻的應(yīng)用8.3熱敏電阻熱敏電阻是利用半導(dǎo)體（某些金屬氧化物如NiO,MnO2,CuO,TiO2)的電阻值隨溫度顯著變化這一特性製成的一種熱敏元件，其特點(diǎn)是電阻率隨溫度而顯著變化。一般測(cè)溫範(fàn)圍：－50~

＋300℃8.3.1熱敏電阻的電阻－溫度特性大多數(shù)：負(fù)溫度係數(shù)。熱敏電阻在不同值時(shí)的電阻－溫度特性，溫度越高，阻值越小，且有明顯的非線性。NTC熱敏電阻具有很高的負(fù)電阻溫度係數(shù)，特別適用於：－100～＋300℃之間測(cè)溫。PTC熱敏電阻的阻值隨溫度升高而增大，且有斜率最大的區(qū)域，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。其用途主要是彩電消磁、各種電器設(shè)備的過(guò)熱保護(hù)等。CTR也具有負(fù)溫度係數(shù)，但在某個(gè)溫度範(fàn)圍內(nèi)電阻值急劇下降，曲線斜率在此區(qū)段特別陡，靈敏度極高。主要用作溫度開(kāi)關(guān)。各種熱敏電阻的阻值在常溫下很大，不必採(cǎi)用三線制或四線制接法，給使用帶來(lái)方便。熱敏電阻的電阻－溫度特性曲線8.3.2熱敏電阻的應(yīng)用溫度控制

熱敏電阻體溫表管道流量測(cè)量第9章光電式感測(cè)器9.1概述9.1.1光電式感測(cè)器的類(lèi)別光電式感測(cè)器（或稱(chēng)光敏感測(cè)器）是利用光電器件把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)（電壓、電流、電阻等）的裝置。按工作原理分類(lèi)光電效應(yīng)感測(cè)器紅外熱釋電探測(cè)器固體圖像感測(cè)器光纖感測(cè)器1、光電效應(yīng)感測(cè)器是應(yīng)用光敏材料的光電效應(yīng)製成的光敏器件。光照射到物體上使物體發(fā)射電子，或電導(dǎo)率發(fā)生變化，或產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)等等，這些因光照引起物體電學(xué)特性改變的現(xiàn)象稱(chēng)為光電效應(yīng)。2、紅外熱釋電探測(cè)器主要是利用輻射的紅外光（熱）照射材料時(shí)引起材料電學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化或產(chǎn)生熱電動(dòng)勢(shì)原理製成的一類(lèi)器件。3、固體圖像感測(cè)器結(jié)構(gòu)上分為兩大類(lèi)，一類(lèi)是用CCD電荷耦合器件的光電轉(zhuǎn)換和電荷轉(zhuǎn)移功能製成CCD圖像感測(cè)器，一類(lèi)是用光敏二極體與MOS電晶體構(gòu)成的將光信號(hào)變成電荷或電流信號(hào)的MOS金屬氧化物半導(dǎo)體圖像感測(cè)器。4、光纖感測(cè)器它利用發(fā)光管（LED）或鐳射管（LD）發(fā)射的光，經(jīng)光纖傳輸?shù)奖粰z測(cè)對(duì)象，被檢測(cè)信號(hào)調(diào)製後，光沿著光導(dǎo)纖維反射或送到光接收器，經(jīng)接收解調(diào)後變成電信號(hào)。特點(diǎn)光電式感測(cè)器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、回應(yīng)速度快、高精度、高解析度、高可靠性、抗干擾能力強(qiáng)（不受電磁輻射影響，本身也不輻射電磁波）、可實(shí)現(xiàn)非接觸式測(cè)量等特點(diǎn)可以直接檢測(cè)光信號(hào)，間接測(cè)量溫度、壓力、位移、速度、加速度等其發(fā)展速度快、應(yīng)用範(fàn)圍廣，具有很大的應(yīng)用潛力9.1.2光電式感測(cè)器的基本形式由光路及電路兩大部分組成光路部分實(shí)現(xiàn)被測(cè)信號(hào)對(duì)光量的控制和調(diào)製電路部分完成從光信號(hào)到電信號(hào)的轉(zhuǎn)換四種基本形式透射式反射式輻射式開(kāi)關(guān)式9.2光電效應(yīng)與光電器件光子是具有能量的粒子，每個(gè)光子的能量可表示為光電效應(yīng)方程光電器件光電器件是將光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿囊环N感測(cè)器件。是構(gòu)成光電式感測(cè)器的主要部件。光電器件工件的物理基礎(chǔ)：光電效應(yīng)。光電效應(yīng)分為：內(nèi)光電效應(yīng)、外光電效應(yīng)9.2.1外光電效應(yīng)型光電器件當(dāng)光照射到金屬或金屬氧化物的光電材料上時(shí)，光子的能量傳給光電材料表面的電子，如果入射到表面的光能使電子獲得足夠的能量，電子會(huì)克服正離子對(duì)它的吸引力，脫離材料表面而進(jìn)入外界空間，這種現(xiàn)象稱(chēng)為外光電效應(yīng)。即外光電效應(yīng)是在光線作用下，電子逸出物體表面的現(xiàn)象。根據(jù)外光電效應(yīng)做出的光電器件有光電管和光電倍增管。1、光電管及其基本特性光電管的伏安特性光電管的光照特性曲線1表示氧銫陰極光電管的光照特性，光電流與光通量呈線性關(guān)係。曲線2為銻銫陰極的光電管光照特性，它呈非線性關(guān)係光電管的光譜特性不同光電陰極材料的光電管，對(duì)同一波長(zhǎng)的光有不同的靈敏度；同一種陰極材料的光電管對(duì)於不同波長(zhǎng)的光的靈敏度也不同，這就是光電管的光譜特性。曲線1、2分別為銫陰極、銻銫陰極對(duì)應(yīng)不同波長(zhǎng)光線的靈敏度，3為多種成分（銻、鉀、鈉、銫等）陰極的光譜特性曲線2、光電倍增管及其基本特性主要參數(shù)

倍增係數(shù)M陽(yáng)極電流光電倍增管的電流放大倍數(shù)光電陰極靈敏度和光電倍增管總靈敏度暗電流光電倍增管的光譜特性9.2.2內(nèi)光電效應(yīng)型光電器件內(nèi)光電效應(yīng)是指在光線作用下，物體的導(dǎo)電性能發(fā)生變化或產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象這種效應(yīng)可分為因光照引起半導(dǎo)體電阻率變化的光電導(dǎo)效應(yīng)和因光照產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的光生伏特效應(yīng)兩種

內(nèi)光電效應(yīng)分類(lèi)光電導(dǎo)效應(yīng)在光線作用下，對(duì)於半導(dǎo)體材料吸收了入射光子能量，若光子能量大於或等於半導(dǎo)體材料的禁帶寬度，就激發(fā)出電子-空穴對(duì)，使載流子濃度增加，半導(dǎo)體的導(dǎo)電性增加，阻值減低的現(xiàn)象。如光敏電阻光生伏特效應(yīng)在光線的作用下能夠使物體產(chǎn)生一定方向的電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象。如光電池。（1）光敏電阻

1.光敏電阻的結(jié)構(gòu)與工作原理光敏電陰是用半導(dǎo)體材料製成的光電器件。光敏電阻沒(méi)有極性，使用時(shí)既可加直流電壓，也可以加交流電壓。無(wú)光照時(shí)，光敏電阻值（暗電阻）很大，電路中電流（暗電流）很小。當(dāng)光敏電阻受到一定波長(zhǎng)範(fàn)圍的光照時(shí)，它的阻值（亮電阻）急劇減小，電路中電流迅速增大。一般希望暗電阻越大越好，亮電阻越小越好，此時(shí)光敏電阻的靈敏度高。實(shí)際光敏電阻的暗電阻值一般在兆歐量級(jí)，亮電阻值在幾千歐以下。光敏電阻的結(jié)構(gòu)光敏電阻結(jié)構(gòu)(a)光敏電阻結(jié)構(gòu)；(b)光敏電阻電極；(c)光敏電阻接線圖2.光敏電阻的主要參數(shù)暗電阻光敏電阻在不受光照射時(shí)的阻值稱(chēng)為暗電阻，此時(shí)流過(guò)的電流稱(chēng)為暗電流。亮電阻光敏電阻在受光照射時(shí)的電阻稱(chēng)為亮電阻，此時(shí)流過(guò)的電流稱(chēng)為亮電流。光電流亮電流與暗電流之差3、光敏電阻的基本特性伏安特性在一定照度下，流過(guò)光敏電阻的電流與光敏電阻兩端的電壓的關(guān)係。圖10.9硫化鎘光敏電阻的伏安特性光照特性指光敏電阻的光電流I和光照強(qiáng)度之間的關(guān)係光敏電阻的光照特性光譜特性光敏電阻的相對(duì)光敏靈敏度與入射波長(zhǎng)的關(guān)係。即光敏電阻對(duì)入射光的光譜具有選擇作用，即光敏電阻對(duì)不同波長(zhǎng)的入射光有不同的靈敏度。光敏電阻的光譜特性頻率特性光敏電阻的光電流不能隨著光強(qiáng)改變而立刻變化，即光敏電阻產(chǎn)生的光電流有一定的惰性，這種惰性通常用時(shí)間常數(shù)表示，對(duì)應(yīng)著不同材料的頻率特性。光敏電阻的頻率特性溫度特性光敏電阻和其他半導(dǎo)體器件一樣，受溫度影響較大。溫度變化時(shí)，影響光敏電阻的光譜回應(yīng)、靈敏度和暗電阻。硫化鉛光敏電阻受溫度影響更大。硫化鉛光敏電阻的光譜溫度特性（2）光電池光電池是一種直接將光能轉(zhuǎn)換為電能的光電器件。即電源。工作原理：基於“光生伏特效應(yīng)”。光電池實(shí)質(zhì)上是一個(gè)大面積的PN結(jié)，當(dāng)光照射到PN結(jié)的一個(gè)面，例如P型面時(shí)，若光子能量大於半導(dǎo)體材料的禁帶寬度，那麼P型區(qū)每吸收一個(gè)光子就產(chǎn)生一對(duì)自由電子和空穴，電子-空穴對(duì)從表面向內(nèi)迅速擴(kuò)散，在結(jié)電場(chǎng)的作用下，最後建立一個(gè)與光照強(qiáng)度有關(guān)的電動(dòng)勢(shì)。光敏電阻的應(yīng)用－火災(zāi)探測(cè)光電池結(jié)構(gòu)、符號(hào)光電池種類(lèi)

光電池的種類(lèi)很多，有矽光電池、硒光電池、鍺光電池、砷化鎵光電池、氧化亞銅光電池等最受人們重視的是矽光電池。因?yàn)樗哂行阅芊€(wěn)定、光譜範(fàn)圍寬、頻率特性好、轉(zhuǎn)換效率高、能耐高溫輻射、價(jià)格便宜、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。它不僅廣泛應(yīng)用於人造衛(wèi)星和太空船作為太陽(yáng)能電池，而且也廣泛應(yīng)用於自動(dòng)檢測(cè)和其他測(cè)試系統(tǒng)中硒光電池由於其光譜峰值位於人眼的視覺(jué)範(fàn)圍，所以在很多分析儀器、測(cè)量?jī)x錶中也常常用到。光電池基本特性光譜特性光電池對(duì)不同波長(zhǎng)的光的靈敏度是不同的。矽光電池的光譜特性光照特性光電池在不同光照度下，其光電流和光生電動(dòng)勢(shì)是不同的，它們之間的關(guān)係就是光照特性矽光電池的光照特性頻率特性溫度特性是描述光電池的開(kāi)路電壓和短路電流隨溫度變化的情況。矽光電池的溫度特性（3）光敏二極體和光敏三極管光敏二極體工作原理光敏二極體的結(jié)構(gòu)與一般二極體相似、光敏二極體在電路中一般是處?kù)斗聪蚬ぷ鳡顟B(tài)。在沒(méi)有光照射時(shí)，反向電阻很大，反向電流很小，這反向電流稱(chēng)為暗電流，當(dāng)光照射在PN結(jié)上，光子打在PN結(jié)附近，使PN結(jié)附近產(chǎn)生光生電子和光生空穴對(duì)，它們?cè)赑N結(jié)處的內(nèi)電場(chǎng)作用下作定向運(yùn)動(dòng)，形成光電流。光的照度越大，光電流越大。光敏二極體在不受光照射時(shí)處?kù)督刂範(fàn)顟B(tài)，受光照射時(shí)處?kù)秾?dǎo)通狀態(tài)。光敏電晶體光敏電晶體與一般電晶體很相似，具有兩個(gè)PN結(jié)，只是它的發(fā)射極一邊做得很大，以擴(kuò)大光的照射面積。大多數(shù)光敏電晶體的基極無(wú)引出線，當(dāng)集電極加上相對(duì)於發(fā)射極為正的電壓而不接基極時(shí)，集電結(jié)就是反向偏壓，當(dāng)光照射在集電結(jié)時(shí)，就會(huì)在結(jié)附近產(chǎn)生電子—空穴對(duì)，光生電子被拉到集電極，基區(qū)留下空穴，使基極與發(fā)射極間的電壓升高，這樣便會(huì)有大量的電子流向集電極，形成輸出電流，且集電極電流為光電流的β倍，所以光敏電晶體有放大作用。NPN型光敏電晶體結(jié)構(gòu)和基本電路

光敏管的基本特性光敏電晶體的光譜特性伏安特性光照特性頻率特性光敏二極體和三極管的主要差別光電流光敏二極體一般只有幾微安到幾百微安，而光敏三極管一般都在幾毫安培以上，至少也有幾百微安，兩者相差十倍至百倍。光敏二極體與光敏三極管的暗電流則相差不大，一般都不超