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,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第1章 传感器的定义与分类,1.1,传感器的定义与分类,1.2,传感器的基本特性,1.3,传感器的基本误差,1.4,传感器中的弹性敏感元件,1.1传感器的定义与分类,1.1.1 传感器的定义,国家标准GB7665-1987对传感器下的定义是:“能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。”,1.1.2 传感器的分类,1.根据传感器工作原理，可分为物理传感器和化学传感器两大类,(1)物理传感器应用的是物理效应，诸如压电效应，磁致伸缩现象，离化、极化、热电、光电、磁电等效应。被测信号量的微小变化都将转换成电信号。,(2)化学传感器包括那些以化学吸附、电化学反应等现象为,下一页,返回,1.1传感器的定义与分类,因果关系的传感器，被测信号量的微小变化也将转换成电信号。,2.按照其用途分类,压力敏和力敏传感器、位置传感器、液面传感器、能耗传感器、速度传感器、热敏传感器、加速度传感器、射线辐射传感器、振动传感器、湿敏传感器、磁敏传感器、气敏传感器、真空度传感器、生物传感器等。,3.以其输出信号为标准分类,(1)模拟传感器将被测量的非电学量转换成模拟电信号。,(2)数字传感器将被测量的非电学量转换成数字输出信号(包括直接和间接转换)。,上一页,下一页,返回,1.1传感器的定义与分类,(3)膺数字传感器将被测量的信号量转换成频率信号或短周期信号的输出(包括直接或间接转换)。,(4)开关传感器当一个被测量的信号达到某个特定的阂值时，传感器相应地输出一个设定的低电平或高电平信号。,4.从所应用的材料观点出发分类,(1)按照其所用材料的类别分金属聚合物陶瓷混合物,(2)按材料的物理性质分导体绝缘体半导体磁性材料,(3)按材料的晶体结构分单晶多晶非晶材料,5.与采用新材料紧密相关的传感器开发工作，可以归纳为下述三个方向,在已知的材料中探索新的现象、效应和反应，然后使它们能在传感器技术中得到实际使用。,上一页,下一页,返回,1.1传感器的定义与分类,探索新的材料，应用那些已知的现象、效应和反应来改进传感器技术。,在研究新型材料的基础上探索新现象、新效应和反应，并在传感器技术中加以具体实施。,6.按照其制造工艺分类,(1)集成传感器用标准的生产硅基半导体集成电路的工艺技术制造的。通常还将用于初步处理被测信号的部分电路也集成在同一芯片上。,(2)薄膜传感器则是通过沉积在介质衬底(基板)上的，相应敏感材料的薄膜形成的。使用棍合工艺时，同样可将部分电路制造在此基板上。,(3)厚膜传感器利用相应材料的浆料，涂覆在陶瓷基片上,上一页,下一页,返回,1.1传感器的定义与分类,制成的，基片通常是氧化铝制成的，然后进行热处理，使厚膜成形。,(4)陶瓷传感器采用标准的陶瓷工艺或其某种变种工艺(溶胶一凝胶等)生产。,上一页,返回,1.2 传感器的基本特性,1.2.1 传感器静态特性,1.测量范围和量程,传感器所能测量的最大被测量的数值为测量上限，最小被测量称为测量下限。测量上限和测量下限所构成的区间称为测量范围。测量上限和测量下限的代数差称为量程，即量程=测量上限-测量下限。,2.传感器的线性度,理想情况下，如,图,1-1,所示，传感器的静态特性输出是条直线;但通常情况下，传感器的实际静态特性输出是条曲线而非直线。在实际工作中，为使仪表具有均匀刻度的读数，常用一条拟合直线近似地代表实际的特性曲线，如,图,1-2,所示。,下一页,返回,1.2 传感器的基本特性,3.传感器的灵敏度,灵敏度是指传感器在稳态工作情况下输出量变化Y对输入量变化x的比值。,4.传感器的分辨力,分辨力是指传感器可能感受到的被测量的最小变化的能力。也就是说，如果输入量从某一非零值缓慢地变化，当输入变化值未超过某一数值时，传感器的输出不会发生变化，即传感器对此输入量的变化是分辨不出来的。只有当输入量的变化超分辨力时，其输出才会发生变化。,5.迟滞,迟滞现象是指传感器正向特险曲线(输入量增大)和反向特性曲线(输入量减小)的不一致程度。如图1-3所示。,上一页,下一页,返回,1.2 传感器的基本特性,6.传感器的精度等级,传感器的精度等级是为了简单表示传感器测量结果的可靠程度而引用的。常见的精度等级有0.1级、0.2级、0.5级、1.0级、1.5级、2.0级、2.5级、5.0级。数值越小，精度等级越高，测量越精确。,1.2.2 传感器动态特性,所谓动态特性，是指传感器在输入变化时，它的输出的特性。在实际工作中，传感器的动态特性常用它对某些标准输入信号的响应来表示。这是因为传感器对标准输入信号的响应容易用实验方法求得，并且它对标准输入信号的响应与它对任意输入信号的响应之间存在一定的关系，往往知道了前者就能推定后者。,上一页,下一页,返回,1.2 传感器的基本特性,最常用的标准输入信号有阶跃信号和正弦信号两种，所以传感器的动态特性也常用阶跃响应和频率响应来表示。,1.阶跃响应,输入为阶跃信号时，传感器的响应被称为阶跃响应。从阶跃响应中我们可以得到传感器在时间域内的响应特性。如,图,1-4,所示输入信号是幅值为A的阶跃信号，此时传感器阶跃响应如图1-5所示。,2.频率响应,将各种频率不同而幅值相等的正弦信号输入到传感器，传感器的输出正弦信号的幅值、相位与频率之间的关系称为频率响应特性。其中输出信号的幅值与输入信号的频率的关系称为幅频响应;输出信号的相位与输入信号的频率的关系称为,上一页,返回,下一页,1.2 传感器的基本特性,相频特性。频率响应是通过研究稳态过程来分析传感器的动态特性的，它可以通过对传感器在频域响应过程中的波形参数进行计算，并对响应特性曲线进行分析;也可通过对频率响应性能指标(如频率响应范围、幅值误差、相位误差等)的考核来完成。,返回,上一页,1.3 传感器的基本误差,1.3.1 传感器的基本误差,任何测量都不可能绝对准确，都存在误差，只要误差在允许范围内即可认为符合标准，传感器也不例外。所谓传感器的误差，即传感器的输出值与理论输出值的差值。因此要求设计与制造传感器时，允许有误差，但必须在规定误差的范围之内。为了使传感器能满足一定的精度要求，我们要掌握误差的种类及分析产生误差的原因、克服与减少误差的方法。,1.测量误差的基本概念,由传感器的定义得知，传感器是将未知的物理量转换成人们可知的电信号，实际上传感器就是一种测量器具，所以传感器的误差也就是测量误差。下面介绍有关测量的部分名词。,下一页,返回,1.3 传感器的基本误差,2.误差的分类,在测量中由不同因素产生的误差是混合在一起同时出现的。为了便于分析研究误差的性质、特点和消除方.法，下面将对各种误差进行分类讨论。,(1)按表示方法分类,绝对误差指示值 与约定真值 的差值，即 量中常使用修正值 。只要得到修正值 示值 ，便可得知约定真值 。,相对误差针对绝对误差有时不足以反映示值偏离约定真值大小程度而设定的，在实际测量中相对误差有下列表示形式:,上一页,下一页,返回,1.3 传感器的基本误差,(2)按误差出现的规律分类,系统误差指误差的数值是一个常数或按一定规律变化的值。它又可分为恒值误差和变值误差。,随机误差由于偶然因素的影响而引起的，其数值大小和正负号不定，而且难以估计。但是总体仍服从一定统计规律，它不能通过实验方法加以消除，但能运用统计处理方法减少其影响。随机误差表现了测量结果的分散性。在误差理论中常用精密度来表征随机误差的大小。随机误差愈小，精密度愈高。,粗大误差指在一定的条件下测量结果显著地偏离其实际值时所对应的误差。从性质上看，粗大误差并不是单独的类别，它本身既具有系统误差的性质，也可能具有随机误差的性质，只不过在一定测量条件下其绝对值特别大而已。,上一页,下一页,返回,1.3 传感器的基本误差,粗大误差是由于测量方法不妥、各种随机因素的影响以及测量人员粗心所造成的。,(3)按被测量随时间变化的速度分类,静态误差指在测量过程中，被测量随时间变化很缓慢或基本不变时的测量误差。,动态误差在被测量随时间变化时所测得的误差。例如用笔式记录仪测得的结果，由于记录笔有惯性量，输出量在时间上不能与被测量的变化一致，而造成的误差就属于动态误差。动态误差是在动态测量时产生的，动态测量的优点是检测效率高和环境影响小。,(4)按使用条件分类,基本误差指检测系统在规定的标准条件下使用时所产生的误差。,上一页,返回,下一页,1.3 传感器的基本误差,附加误差当使用条件偏离规定标准条件时，除基本误差外还会产生附加误差，例如由于温度超过标准引起的温度附加误差、电源附加误差以及频率附加误差等。这些附加误差在使用时会叠加到基本误差上去。,1.3.2 仪表精度与测量精度,1.仪表精度与测量精度的关系,仪表精度一般分为七个等级，实际上就是取最大满度(引用)相对误差，对于数字仪表和光学仪表等还具有更高精度的等级。一般而言，七个等级在工业仪表中是具有代表性的。而真正反映测量精度的是实际相对误差。从最大满度(引用)误差和实际相对误差的定义公式不难看出，被测量的大小愈接近量程，相对误差就愈接近于最大满度(引用)误差，因此,下一页,返回,上一页,1.3 传感器的基本误差,对于同等级精度的仪表，选择适当的量程，使被测量位于仪表量值的上限附近，将能充分利用仪表精度获得较精确的测量结果。,2.附加误差对实际测量精度的影响,在检测仪表的技术说明书中，除了给出基本误差外，还给出了工作条件变化时可能产生的附加误差。如果实际工作条件不是仪表规定的标准状态，这时必须考虑到附加误差的影响。,上一页,返回,1.4 传感器中的弹牲敏感元件,1.4.1 弹性敏感元件的基本特性,物体因外力作用而改变原来的尺寸或形状称为变形，如果在外力去掉后能完全恢复其原来的尺寸和形状，那么这种变形称为弹性变形，具有这类特性的物体称为弹性元件。在传感器中用于测量的弹性元件称为弹性敏感元件。,1.刚度,刚度是使弹性敏感元件产生单位变形所需要的外部作用力(或压力)，其表达式为,式中k为刚度;,F为作用于弹性元件上的外力;,x为弹性元件产生的变形。,下一页,返回,1.4 传感器中的弹牲敏感元件,2.灵敏度,灵敏度是刚度的倒数，它表示弹性敏感元件在承受单位输入量(力、压力等)时所产生的变形大小，一般用K表示，即在非电量检测中往往希望弹性灵敏度为常数，此时弹性敏感元件的弹性特性是线性的，即,1.4.2 弹性敏感元件的形式及应用范围,根据弹性敏感元件在传感器中的作用，对它提出了一些要求，如具有好的弹性特性、足够的精度、长期使用和温度变化时的稳定性等。因而对制作弹性敏感元件的材料提出了多方面的要求，如弹性模量的温度系数要小、线膨胀系数小且恒定、有良好的机械加工和热处理性能等。我国通常使用合金钢、碳钢、铜合金和铝合金等材料。,上一页,下一页,返回,1.4 传感器中的弹牲敏感元件,1.弹性敏感元件的形式,传感器中弹性敏感元件的输入量通常是力(力矩)或流体压力(统称压力)，即使其他非电被测量输入给弹性敏感元件时，也是先将它们变换成力或压力再输入给弹性敏感元件。,2.变换力的弹性元件,(1)等截面轴等截面轴又称柱式弹性敏感元件，可以是实心柱体或空心圆柱体，如图1-7所示。实心等截面轴在力的作用下弹性敏感元件的位移很小，因此常用它的应变作输出量。其主要的优点是结构简单、加工方便、测量范围宽，可承受数万牛顿的载荷，但其灵敏度小。,上一页,下一页,返回,1.4 传感器中的弹牲敏感元件,(2)环状弹性敏感元件环状弹性敏感元件多做成等截面圆环，如图1-8(a),(b)所示，圆环有较高的灵敏度，因而它多用于测量较小的力。圆环的缺点是加工困难，环的各个部位的应变及应力都不相等。,(3)悬臂梁悬臂梁是一端固定、另一端自由的弹性敏感元件。按截面形状又可分为等截面矩形悬臂梁和变截面等强度悬臂梁，如图1-9所示。悬臂梁的特点是结构简单，易于加工，输出位移(或应变)大，灵敏度高，常用于较小力的测量。,(4)扭转轴如图1-10所示为扭转轴式弹性敏感元件，当自由端受到转矩的作用时，扭转轴的表面会产生拉伸或压缩应变，在轴表面上与轴线成方向(图1-10的AB方向)产生应变。，而图1-10中AC方向所产生的应变与AB方向的应变大小相等，符号相反。,上一页,下一页,返回,1.4 传感器中的弹牲敏感元件,3.变换压力的弹性敏感元件,(1)弹簧管弹簧管又称波登管，通常是一根弯成C形的空心扁管，管子的截面形状有椭圆形、平椭圆形、D形、8字形等，如图1-11所示。弹簧管的另一端(自由端)密封并与传感器其他部分相连。,(2)波纹管波纹管是一种圆柱管状的弹性敏感元件，其表面上有许多与圆柱同心的环状皱纹(如图1-12所示)，管的一端封闭，另一端开口并与被测压力相通。,(3)等截面薄板等截面薄板又称平膜片，是一种抗弯刚度可以忽略的周边固定的圆形薄膜，它能将输入信号(压力或压差)转化为位移信号。当膜片的两侧面受到不同的压力时，膜片的中心将向压力低的一侧产生一定的位移，如图1-13所示。,上一页,返回,下一页,1.4 传感器中的弹牲敏感元件,(4)波纹膜片和膜盒波纹膜片是一种压有环形同心波纹的圆形薄膜，为了便于与传感器相连接，在膜片的中央留有一个光滑的部分，有时还在中心处焊接一块圆形金属片为膜片的硬心。其波纹的形状有正弦形、梯形、锯齿形等多种形式，如图1-14所示。,为了进一步提高灵敏度，可将两个波纹膜片焊在一起，制成膜盒，如图1-15所示。在同样大小的压力(或压差)作用下，它的中心位移量是单个膜片的两倍。由于膜盒本身是一个封闭的整体，所以周边不需要固定，给安装带来方便，它的应用比波纹膜片广泛。,(5)薄壁圆筒和薄壁半球薄壁圆筒和薄壁半球的应用不是很广泛，原因是这两种弹性敏感元件的灵敏度较低，它们的形状如图1-16所示。它们的厚度一般要小于直径的1/20，当,下一页,返回,上一页,1.4 传感器中的弹牲敏感元件,被测压力通入薄壁圆筒和薄壁半球的内腔中时，圆筒和半球均匀地向外扩张，产生拉伸应力或应变。它们在轴向的应变和圆周方向的应变是不相等的。薄壁圆筒和薄壁半球虽然灵敏度较低，但坚固性较好，适用于特殊结构要求的场合。,上一页,返回,图1-1传感器理想线性图,返回,图1-2 特性曲线与线性度关系曲线,返回,图1-4幅值为A的阶跃信号,返回,第2章常用传感器及测量转换电路,2.1,电阻应变式传感器,2.2,热电阻传感器,2.3,热电偶传感器,2.4,电涡流式传感器,2.5,电容式传感器,2.6,电感式传感器,2.7,压电式传感器,2.8,磁电式传感器,2.1 电阻应变式传感器,2.9,光电式传感器,2.10,数字式传感器,2.11,霍尔传感器,2.12,差分变压器式传感器,2.13,气敏传感器,上一页,返回,2.1电阻应变式传感器,(1)这类传感器结构简单，使用方便，性能稳定、可靠。,(2)易于实现测试过程自动化和多点同步测量、远距测量和遥测。,(3)灵敏度高，测量速度快，适合静态、动态测量。,(4)可以测量各种物理量。,因此在航空航天、机械、化工、交通、建筑、医学、汽车工业等领域有很广的应用。,电阻应变式传感器由弹性敏感元件与电阻应变片构成。弹性敏感元件在感受被测量时将产生变形，其表面产生应变。而豁结在弹性敏感元件表面上的电阻应变片将随着弹性敏感元件产生应变，因此，电阻应变片的电阻值也产生相应的变化。这样，通过测量电阻应变片的电阻值变化，就可以确定被测量的大小了。,下一页,返回,2.1电阻应变式传感器,短接式应变片两端用直径比栅线直径大510倍的镀银丝短接。优点是克服了横向效应，但制造工艺复杂。,常用材料:康铜、镍铬铝合金、铁铬铝合金以及铂、铂乌合金等。,2.金属箔式应变片,箔式应变片是在绝缘基底上，将厚度0.0030.01mm电阻箔材，利用照相制版或光刻腐蚀的方法，制成适用于各种需要的形状。,3.金属薄膜应变片,薄膜应变片是薄膜技术发展的产物。它是采用真空蒸发或真空沉积等方法，在薄的绝缘基片上形成厚度在0.1 以下的金属电阻材料薄膜的敏感栅，最后加上保护层。,上一页,返回,下一页,2.1电阻应变式传感器,4.半导体应变片,半导体应变片的工作原理是基于半导体材料的电阻率随作用应力而变化的所谓“压阻效应”。所有材料在某种程度上都呈现压阻效应，但半导体的这种效应特别显著，能直接反映出很微小的应变。,2.1.4 测量转换电路,应变式电阻传感器是借助于弹性元件，将力的变化转化为变形，然后利用导体的应变效应，将力转变成电阻的变化，最终利用测量电路得到被测量(力)的电信号。应变式电阻传感器主要包括弹性元件、电阻应变片及测量电路。,2.1.5 温度补偿,在实际应用中，除了应变能导致应变片电阻变化外，,图,2-5,温度,下一页,返回,上一页,2.1电阻应变式传感器,2.1.6 电阻应变式传感器的应用,电固应变刻专感器中的各种弹胜胜元件一般为敏感元件，传感元件就是应变片，测量转换电路一般为电桥电路。电阻应变刻专感器通常可用来测量应变以外的物理量，例如力、扭矩、加速度和压力等。把应变片料视占到弹胜胜敏感元件上，使弹性毓惑元件的应变与被测量成比例关系。,1.力和扭矩传感器,图,2-6,所示列出了几种力和扭矩传感器的弹性敏感元件。拉伸应力作用下的细长杆和压缩应力作用下的短粗圆柱体如,图,2-6(a),(b),所示。测量时都可以在轴向布置一个或几个应变片，在圆周方向上布置同样数目的应变片。后者拾取符号相反的横向应变，从而构成差动式。另一种弯曲梁和,上一页,下一页,返回,2.1电阻应变式传感器,扭转轴上的应变片也均可构成差分式，如,图,2-6(c,),(d)所示。另外用环状弹性敏感元件测拉(压)力也是比较普遍的，如,图,2-6(e,)所示。,2.压力传感器,应变式压力传感器主要用于液体、气体压力的测量。,图,2-7,中给出了组合式压力传感器示意图。图中应变片R粘贴在悬臂梁上，悬臂梁的刚度应比压力敏感元件更高，这样可降低这些元件所固有的不稳定性和迟滞。,图,2-8,所示是筒式压力传感器。被测压力P作用于筒内腔，使筒发生变形，工作应变片1贴在空心的筒壁外感受应变，补偿应变片2贴在不发生变形的实心端作为温度补偿用。一般可用来测量机床液压系统压力和枪、炮筒腔内压力等。,上一页,下一页,返回,2.1电阻应变式传感器,3.加速度传感器,加速度传感器实质上是一种测量力的装置，如,图,2-9,所示。测量时，将基座固定在被测对象上，当被测物体以加速度a运动时，质量块受到一个与加速度方向相反的惯性力而使悬臂梁变形。通过应变片检测出悬臂梁的应变值，而应变值是与加速度成正比的。,上一页,返回,2.2 热电阻传感器,热电阻传感器主要是利用电阻值随温度变化而变化这一特性来测量温度及与温度有关的参数。在温度检测精度要求比较高的场合，这种传感器比较适用。目前应用较为广泛的热电阻材料为铂、铜、镍等，它们具有电阻温度系数大、线性好、性能稳定、使用温度范围宽、加工容易等特点。,2.2.1 热电阻,热电阻主要是利用电阻随温度变化而变化这一特性来测量温度的。目前广泛应用的热电阻材料是铂和铜，它们的电阻温度系数在范围内。作为测温用的热电阻材料，希望具有电阻温度系数大、线性好、性能稳定、使用温度范围宽、加工容易等特点。铂的性能最稳定，采用特殊的结构可制成标准铂电阻温度计，它的适用范围为。铜电阻价廉并且线性好，,返回,下一页,2.2 热电阻传感器,但温度高时易氧化，故用于温度较低的环境中。表2-1列出了热电阻的主要技术性能。,2.2.2热敏电阻,热敏电阻是近年来出现的一种新型半导体测温元件。一般按温度系数可分为负温度系数热敏电阻(NTC)、正温度系数热敏电阻(PTC)和临界温系数热敏电阻(CTR)。这三类热敏电阻的电阻率P与温度t的变化曲线如,图,2-10,所示。从图中可以看出这些曲线都呈非线性。,热敏电阻除按温度系数区分外，还有以下三种分类方法:按结构形式可分为体型、薄膜型、厚膜型三种;按工作方式可分为直热式、旁热式、延迟电路三种;按工作温度区可分为常温区、高温、低温区热敏电阻。热敏电阻可根据使用要求,下一页,返回,上一页,2.2 热电阻传感器,封装加工成各种形状的探头，如珠状、片状、杆状、锥状、针状等，如,图,2-11,所示。,几种常用的热敏电阻的型号及其主要参数列于,表,2-2.,2.2.3 热电阻传感器的应用,1.金属热电阻传感器,在工业上广泛应用金属热电阻传感器进行温度测量，用电桥作为测量电路。在进行测量时，总要采用连接导线，但由于金属电阻本身阻值很小，所以引线电阻及其变化就不能忽略。为了消除或减少引线电阻的影响，通常采用三线制连接法，如,图,2-12,所示。,2.半导体热电阻传感器,热敏电阻传感器应用范围广，具有尺寸小、响应速度快、灵敏度高等优点。下面介绍几种常见的应用。,上一页,下一页,返回,2.2 热电阻传感器,(1)温度测量作为测量温度的热敏电阻一般结构简单。没有外面保护层的热敏电阻只能应用在干燥的地方，密封的热敏电阻不怕湿气的侵蚀，可以使用在任何环境下。由于热敏电阻的阻值很大，故其连接导线的电阻和接触电阻可忽略。因此热敏电阻可以在距离长达几千米的远距离测量温度，测量电路多采用桥路。,图,2-13,给出一种双桥温差测量电路。,(2)温度补偿仪表中通常用的一些零件多数是金属丝做成的，例如线圈、线绕电阻等。金属一般具有正温度系数，采用负温度系数热敏电阻进行补偿，可以抵消由于温度变化所产生的误差。实际应用时，将负温度系数的热敏电阻与锰铜丝电阻并联后再与被补偿元件串联，如,图,2-14,所示。在三极管电路、对数放大器等电路中也常用热敏电阻补偿由于温度引起的漂移误差。,上一页,下一页,返回,2.2 热电阻传感器,(3)工业控制将开关型的热敏电阻埋设在被测物中，并与继电器串联，给电路加上恒定电压，当周围介质温度升到一定数值时，电路中的电流可以由十分之几毫安突变为几十毫安，引起继电器动作，从而实现温度控制或过热保护等。,上一页,返回,2.3 热电偶传感器,热电偶传感器是将温度转换成电动势的一种测温传感器。它与其他测温装置比较，具有精度高、测温范围宽、结构简单、使用方便、可远距离测量等优点。在轻工、冶金、机械及化工等工业领域中被广泛用于温度的测量、调节和自动控制等方面。,2.3.1 热电偶传感器的工作原理,1.热电势效应,将两种不同材料的导体构成一闭合回路，若两个接点处温度不同，则回路中会产生电动势，从而形成电流，这个物理现象称为热电势效应，简称热电效应。,图,2-15,所示为热电偶回路及符号。,2.热电偶回路的主要性质,下一页,返回,2.3 热电偶传感器,(1)中间导体定律在热电偶回路中接入第三种材料的导体C，只要第三种导体的两端温度相同，则这一导体的引入将不会改变原来热电偶的热电动势大小。即,其中C导体两端温度相同。,从实用观点看，这个性质很重要，正是由于这个性质存在，才可以在回路中引入各种仪表、连接导线等，而不必担心会对热电动势有影响，而且也允许采用任意的焊接方法来焊制热电偶。同时应用这一性质可以采用开路热电偶对液态金属和金属壁面进行温度测量，如,图,2-16,所示。只要保证两热电极A,B插入地方的温度一致，则对整个回路的总热电动势将不产生影响。,上一页,返回,下一页,2.3 热电偶传感器,机械强度、导电率以及热电偶的用途和测量范围等因素决定。热电偶长度由使用情况、安装条件，特别是工作端在被测介质中的插入深度来决定。,(2)绝缘套管绝缘套管又称绝缘子，用来防止两根热电极短路，其材料的选用视使用的温度范围和对绝缘性能的要求而定。绝缘套管一般制成圆形，中间有孔，长度为20 mm，使用时根据热电偶长度可多个串起来使用，常用的材料是氧化铝、耐火陶瓷等。,(3)保护套管保护套管的作用是使热电极与测温介质隔离，使之免受化学侵蚀或机械损伤。热电极在套上绝缘套管后再装入保护套管内。对保护套管的基本要求是经久耐用及传热良好。常用的保护套管材料有金属和非金属两类，应根据,上一页,下一页,返回,2.3 热电偶传感器,几种常用标准化热电偶的测温范围及特点。非标准化热电偶有钨锌丝热电偶、铱铬丝热电偶、铁一康铜丝热电偶等。非标准化热电偶在高温、低温、超低温、真空和核辐射等特殊环境中使用具有良好的性能。它们在节约贵重稀有金属方面具有重要意义。这类热电偶无统一分度表。,(2)普通型热电偶普通型热电偶外形如,图,2-18,所示，这种类型的热电偶主要用于测量气体、蒸汽和液体介质的温度。根据测温范围和测温环境不同，可选择合适的热电偶和保护套。按其安装时的连接形式可分为螺纹连接和法兰连接两种。按使用状态的要求又可分为密封式和高压固定螺纹式。,(3)恺装热电偶恺装热电偶的外形像电缆，也称缆式热电偶。它是由金属套管、绝缘材料和热电偶丝三者组合而成一体的特殊结构的热电偶。热电偶的套管外径最细能达0.25,上一页,返回,下一页,2.3 热电偶传感器,振动、抗冲击、可挠性好、便于安装等优点，因此特别适用于复杂结构(如狭小弯曲管道内)的温度测量。使用时，可以根据需要截取一定长度，将一端护套剥去，露出热电极，焊成结点，即成热电偶。恺装热电偶外形及结构如,图,2-19,所示。,此外，还有快速测量各种表面温度的薄膜型热电偶，为测量各种固体表面温度的表面热电偶，为测量钢水和其他熔融金属温度而设计的消耗式热电偶，以石墨和难熔化合物为高温热电偶材料的非金属热电偶等。,2.3.3 热电偶自由端温度的补偿,热电偶在测温过程中，为了保证输出热电动势仅与被测温度有关，必须保持自由端(冷端)的温度恒定。,下一页,返回,上一页,2.3 热电偶传感器,1.仪表调零修正法,当热电偶与动圈式仪表配套使用时，若热电偶的自由端温度基本恒定，对测量精度要求又不高时，可将仪表的机械零点调至热电偶自由端温度的位置上.,2.自由端温度自动补偿,上述方法是要求在恒定自由端温度To的条件下得以实现的。若此条件不能满足，或要求被测温度的信号立即传人控制装置，以便进行实时控制时，这一方法就难以实现。如果在热电偶与仪表之间接入一个补偿装置，这个补偿装置在热电偶自由端温度为To时，产生一个电动势为，并随To变化而相应改变，这样就可实现热电偶自由端温度的自动补偿。,电桥补偿法是最常用的自由端温度自动补偿的方法。它是利用直流电桥的不平衡电压来补偿热电偶因自由端温度变化而引起的热电动势变化值。如,图,2-20,所示。,下一页,返回,上一页,2.3 热电偶传感器,用于电桥补偿法的装置称为热电偶冷端补偿器。,表,2-4,列出了常用的国产冷端补偿器性能。冷端温度补偿器通常使用在热电偶与动圈式显示仪表配套的测温系统中。而自动电子电位差计或温度变送器以及数字式仪表等的测量线路里已设置了冷端温度补偿电路，故热电偶与它们相配套使用时不必另行配置冷端补偿器了。,3.延引电极法,为了使热电偶自由端不受高温热源的影响，自由端温度基本保持恒定或波动较小，可把热电偶做得很长，这样势必引起使用贵重金属热电偶的成本加大。导线。用补偿导线制成的热电偶与工作热电偶相连，它既可把工作热电偶的原自由端延长到新的自由端，节省了贵重金属，又不会由于引入该导线而给工作热电偶带来测量误差。可见，使用补偿导线仅,上一页,下一页,返回,2.3 热电偶传感器,起延长热电偶的作用，不起任何温度补偿作用，将其称为“补偿导线”是名不副实的习惯用语。常用热电偶补偿导线见表2-5。,2.3.4 热电偶的应用,热电偶是工业生产中应用最广泛的一种测温传感器，几乎用于工业生产的各个领域，下面简要介绍热电偶应用中的一些基本知识。,1.热电偶的测温线路,如,图,2-21,所示，热电偶可用于测量两点温度之和以及之差。其中,图,2-21(a),是两支同型号的热电偶正向串联，用来测量两点温度之和。则当使用多根热电偶串联测温时，就能成倍地提高总的热电动势的输出，大大提高测量的灵敏度，,上一页,下一页,返回,2.3 热电偶传感器,2.热电偶热电动势的测量,热电偶输出的热电动势与被测温度有对应关系，热电动势的测量可用动圈式仪表、电位差计、电子电位差计，或通过微机识别后输出，显示温度值。采用动圈式仪表测量热电动势时，由于线路中电阻的影响，将使仪表指示值与实际热电动势不一致，特别是外接电阻较大时，测量误差不容忽视。,上一页,返回,2.4 电涡流式传感器,由,表,2-6,可知，电涡流传感器的线圈外径越大，线性范围也越大，但分辨率差(灵敏度低)。线圈阻抗变化与金属导体的电导率、磁导率等有关。对于非磁性材料，被测体的电导率越高，则灵敏度越高。但被测体为磁性材料时，其效果则相反。因此，与非磁性材料相比，磁性材料的灵敏度低。为了充分利用电涡流效应，被测体环的半径应大于线圈半径的1.8倍，否则将导致灵敏度降低。被测体为圆柱体时，它的直径必须为线圈直径的3.5倍以上，才不影响测量结果。而且被测体的厚度也不能太薄，一般情况下，只要厚度在0.2 mm以上，测量就不受影响。另外在测量时，传感器线圈周围除被测导体外，应尽量避开其他导体，以免干扰磁场，引起线圈的附加损失。,2.测量转换电路,电涡流传感器的测量转换电路有电桥法、调幅法和调频,下一页,返回,2.4 电涡流式传感器,法。下面简要介绍调频法的工作原理，其转换电路原理框图如,图,2-26,所示。,并联谐振回路的谐振频率为,当电涡流线圈与被测体的距离s改变时，电涡流线圈的等效电感量L也随之改变，引起LC振荡器的输出频率改变，此频率可直接用频率计测量。但多数情况下是通过鉴频器将频率的变化转换为输出电压的变化。调频法的特点是受温度、电源电压等外界因素的影响较小。,2.4.3电涡流式传感器的应用,电涡流式传感器由于结构简单，又可实现非接触测量，因此得到广泛的应用，下面列举一些主要的应用。,上一页,下一页,返回,2.4 电涡流式传感器,1.位移测量,如图2-27所示，电涡流式传感器可用来测量各种形状金属导体试件的位移量。如汽轮机主轴的轴向位移、磨床换向阀及先导阀的轴位移和金属试件的热膨胀系数等。,2.振幅测量,如,图,2-28(a),所示，电涡流式传感器可以无接触地测量旋转轴的径向振动，也可以测量汽轮机涡轮叶片的振幅，如,图,2-28(b),所示。有时为了解轴的振动形状，可用数个电涡流传感器并排地安置在附近测量，如,图,2-28(c),所示。,3.转速测量,在旋转体上开一条或数条槽或做成齿状，旁边安装一个电涡流式传感器，如,图,2-29,所示，当转轴转动时，传感器周期地改变着与转轴之间的距离，于是它的输出也周期性地发生变化。,上一页,下一页,返回,2.4 电涡流式传感器,4.电涡流探伤,利用电涡流式传感器可以检查金属表面裂纹、热处理裂纹以及焊接处的缺陷等。在探伤时，传感器应与被测导体保持距离不变。检测时，由于裂陷出现，将引起导体的电导率、磁导率的变化，即涡流损耗改变，从而引起输出电压的突变，达到探伤的目的。,上一页,返回,2.5 电容式传感器,电容式传感器是一种能将被测非电量转换成电容量变化，然后再经转换电路转换成电压、电流或频率等信号输出的测量装置。它具有以下优点:,(1)高阻抗，小功率，仅需很低的输入能量。,(2)可获得较大的变化量，从而具有较高的信噪比和系统稳定性。,(3)动态响应快，工作频率可达几兆赫，可非接触测量，被测物是导体或非导体均可。,(4)结构简单，适应性强，可在高低温、强辐射等恶劣的环境下工作。因此它在非电量测量和自动检测中得到广泛应用，可测量月功、位移、振动、角度、加速度、液位、湿度、成分含量等参数。,下一页,返回,2.5 电容式传感器,2.5.1 电容式传感器的工作原理和特性,电容式传感器的基本原理如,图,2-30,所示，它是由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器，如果不考虑边缘效应，其电容量为:,式中 电容极板间介质的介电常数，为真空介电常数，为极板间介质相对介电常数;,A 一平行板所覆盖的面积;,d 一两平行板之间的距离。,上一页,下一页,返回,2.5 电容式传感器,当被测参数变化使得上式中的A,d或二发生变化时，电容量C也随之变化。如果保持其中两个参数不变，而仅改变其中一个参数，就可把该参数的变化转换为电容量的变化，通过测量电路就可转换为电量输出。因此，电容式传感器可分为变极距型、变面积型和变介电常数型三种类型。,2.5.2 电容式传感器的测量转换电路,电容式传感器中电容值以及电容变化值都十分微小，这样微小的电容量还不能直接为目前的显示仪表所显示，也很难为记录仪所接受，不便于传输。这就必须借助于测量电路检出这一微小电容增量，并将其转换成与其成单值函数关系的电压、电流或者频率。电容转换电路有电桥电路(调幅电路)、调频电路、运算放大器式电路、二极管双T型交流电桥、脉冲宽度调制电路等。以下以电桥电路为例介绍其转换原理。,上一页,返回,下一页,2.5 电容式传感器,1.电桥电路(调幅电路),图,2-31,所示为电桥电路。,电容电桥的主要特点有:,.电桥输出调幅波，其幅值与被测量成比例，因此电桥电路又称为调幅电路;,.输出电压与电源电压成比例，因此要求电源采用稳幅、稳频等措施;,.传感器必须工作在平衡位置附近，否则电桥非线性将增大。在要求精度高的场合(如飞机用油量表)应采用自动平衡电桥;,.输出阻抗很高(一般达几兆欧至几十兆欧)，输出电压低，必须后接高输入阻抗、高放大倍数的处理电路。,由电桥电路组成的系统原理如,图,2-32,所示。,下一页,返回,上一页,2.5 电容式传感器,2.5.3 电容式传感器的应用,电容式传感器可用来测量直线位移、角位移、振动振幅，尤其适合测量高频振动振幅、精密轴系回转精度、加速度等机械量。,变极距型的适用于较小位移的测量，量程在0.0l m至数百微米、精度可达0.O1 m、分辨率可达0.001 m。变面积型的能测量较大的位移，量程为零点几毫米至数百毫米之间、线性优于0.5%、分辨率为0.O1-0.001 m。,1.电容式差压传感器,图,2-33,是电容式差压传感器结构示意图。这种传感器结构简单、灵敏度高、响应速度快(约100ms)、能测微小压差(0 0.75 Pa)。,上一页,下一页,返回,2.5 电容式传感器,2.电容式测厚传感器,如,图,2-34,所示为电容式侧厚传感器在板材轧制装置中的应用的工作原理。在被测带材的上、下两侧各置一块面积相等、与带材距离相等的极板，这样，极板与带材就构成了两个独立电容器。,3.电容式力和压力传感器,为大吨位电子吊秤用电容式称重传感器。扁环形弹性元件上下平面上分别固连电容传感器的定极板和动极板。称重时，弹性元件受力变形，使动极板位移，导致传感器电容量变化，从而引起由该电容组成的振荡频率变化。频率信号经计数、编码，传输到显示部分。,图,2-36,为一种典型的小型差动电容式压力传感器结构。加有预张力的不锈钢膜片作为感压敏感元件，同时作为,上一页,下一页,返回,2.5 电容式传感器,可变电容的活动极板。电容的两个固定极板是在玻璃基片上镀有金属层的球面极片。在压差作用下，膜片凹向压力小的一面，导致电容量发生变化。球面极片(图中被夸大)可以在压力过载时保护膜片，并改善性能。其灵敏度取决于初始间隙s,s越小，灵敏度越高。其动态响应主要取决于膜片的固有频率。,上一页,返回,2.6 电感式传感器,电感式传感器是利用电磁感应原理将被测非电量如位移、压力、流量、振动等转换成线圈自感量L或互感量M的变化，再由测量电路转换为电压或电流的变化量输出的一种传感器。由铁芯和线圈构成的将直线或角位移的变化转换为线圈电感量变化的