常見非電參數(shù)的檢測方法

1、傳感技術(shù)與電子測量傳感技術(shù)與電子測量主講教師：趙珂主講教師：趙珂第第9 9章章 常見非電參數(shù)的檢測方法常見非電參數(shù)的檢測方法9.1 9.1 力的測量力的測量9.2 9.2 位移、物位和厚度的測量位移、物位和厚度的測量9.3 9.3 速度、加速度與振動的測量速度、加速度與振動的測量9.4 9.4 轉(zhuǎn)速的測量轉(zhuǎn)速的測量9.5 9.5 成分量的測量成分量的測量9.1 9.1 力的測量力的測量9.1.1 9.1.1 力的測量原理力的測量原理 力是物質(zhì)之間的一種相互作用。力是物質(zhì)之間的一種相互作用。 對力的測量是通過觀測物體受力作用后，形狀、對力的測量是通過觀測物體受力作用后，形狀、運(yùn)動狀態(tài)或所具有能量

2、的變化來實(shí)現(xiàn)的。運(yùn)動狀態(tài)或所具有能量的變化來實(shí)現(xiàn)的。 在國際法定計量單位制中規(guī)定：使在國際法定計量單位制中規(guī)定：使1kg1kg質(zhì)量的物質(zhì)量的物體產(chǎn)生加速度的力稱為體產(chǎn)生加速度的力稱為1 1牛頓，記為牛頓，記為1N1N，作為力的計，作為力的計量單位。量單位。 力值測量所依據(jù)的原理是力值測量所依據(jù)的原理是力的靜力效應(yīng)和動力效力的靜力效應(yīng)和動力效應(yīng)應(yīng)。力的靜力效應(yīng)力的靜力效應(yīng)：指彈性物體受力作用后產(chǎn)生相應(yīng)變：指彈性物體受力作用后產(chǎn)生相應(yīng)變 形的物理現(xiàn)象。形的物理現(xiàn)象。力的動力效應(yīng)力的動力效應(yīng)：指具有一定質(zhì)量的物體受到力的作：指具有一定質(zhì)量的物體受到力的作 用時，其動量將發(fā)生變化，從而產(chǎn)用時，其動量將

3、發(fā)生變化，從而產(chǎn) 生相應(yīng)加速度的物理現(xiàn)象。生相應(yīng)加速度的物理現(xiàn)象。 只需測出物體的加速度，就可間接測得力值。只需測出物體的加速度，就可間接測得力值。即利用即利用動力效應(yīng)測力的特點(diǎn)是通過測量力傳感器中動力效應(yīng)測力的特點(diǎn)是通過測量力傳感器中質(zhì)量塊的加速度而間接獲得力值質(zhì)量塊的加速度而間接獲得力值。 綜上所述，綜上所述，測力傳感器可以是位移型、加速度測力傳感器可以是位移型、加速度型或物性型。型或物性型。 按工作原理則可以分為：彈性式、電阻應(yīng)變式、按工作原理則可以分為：彈性式、電阻應(yīng)變式、電感式、電容式、壓電式、壓磁式等。電感式、電容式、壓電式、壓磁式等。 下面著重介紹幾種常用的測力傳感器。下面著重介

4、紹幾種常用的測力傳感器。 1 1）應(yīng)變片式力傳感器）應(yīng)變片式力傳感器 電阻應(yīng)變片的工作原理是電阻應(yīng)變片的工作原理是電阻應(yīng)變效應(yīng)，即導(dǎo)體的電阻應(yīng)變效應(yīng)，即導(dǎo)體的電阻隨著機(jī)械變形而發(fā)生變化的現(xiàn)象電阻隨著機(jī)械變形而發(fā)生變化的現(xiàn)象。金屬導(dǎo)線的電阻。金屬導(dǎo)線的電阻可用表示為可用表示為SLR式中：式中： 電阻率（ ）； S截面積（ ）； L金屬絲的長度（m）。mcm /22cm 當(dāng)受外力作用時，金屬的長度和截面積都要發(fā)生變化，當(dāng)受外力作用時，金屬的長度和截面積都要發(fā)生變化，從而改變了其電阻值。當(dāng)受外力伸長時，長度增加，截面從而改變了其電阻值。當(dāng)受外力伸長時，長度增加，截面積減小，電阻值增大；當(dāng)受壓力縮短時

5、，長度減小，截面積減小，電阻值增大；當(dāng)受壓力縮短時，長度減小，截面積增大，電阻值減小。因此，只要能測出電阻的變化，便積增大，電阻值減小。因此，只要能測出電阻的變化，便可得知金屬絲的應(yīng)變情況。其轉(zhuǎn)換關(guān)系為：可得知金屬絲的應(yīng)變情況。其轉(zhuǎn)換關(guān)系為： （2 2）彈性變形式的力傳感器）彈性變形式的力傳感器0KRR式中：式中：R 金屬絲電阻的變化量；金屬絲電阻的變化量；0K金屬材料的應(yīng)變靈敏系統(tǒng)。其值主要金屬材料的應(yīng)變靈敏系統(tǒng)。其值主要 由試驗(yàn)方法確定，在彈性極限內(nèi)，由試驗(yàn)方法確定，在彈性極限內(nèi)， 其值為常值。對于金屬絲，值在其值為常值。對于金屬絲，值在26 26 之間。之間。 軸向應(yīng)變值（長度應(yīng)變值），

6、軸向應(yīng)變值（長度應(yīng)變值），LL對于金屬絲其值為對于金屬絲其值為0.240.40.240.4之間。之間。 在實(shí)際應(yīng)用中，將在實(shí)際應(yīng)用中，將金屬電阻應(yīng)變片粘貼在傳感器彈金屬電阻應(yīng)變片粘貼在傳感器彈性元件或被測零件的表面性元件或被測零件的表面。圖。圖9.29.2是一種用于測量壓縮是一種用于測量壓縮力的應(yīng)變片式測力頭的典型構(gòu)造。力的應(yīng)變片式測力頭的典型構(gòu)造。 圖圖9.29.2的應(yīng)變片式測力頭。的應(yīng)變片式測力頭。受力彈性元件是一個由圓柱加受力彈性元件是一個由圓柱加工成的方柱體，應(yīng)變片粘貼在工成的方柱體，應(yīng)變片粘貼在四側(cè)面上。在不減小柱體的穩(wěn)四側(cè)面上。在不減小柱體的穩(wěn)定性和應(yīng)變片粘貼面積的情況定性和應(yīng)變片

7、粘貼面積的情況下，為了提高靈敏度，可采用下，為了提高靈敏度，可采用內(nèi)圓外方的空心柱。內(nèi)圓外方的空心柱。 電阻應(yīng)變片用于力測量時，需要和電橋一起使用電阻應(yīng)變片用于力測量時，需要和電橋一起使用。應(yīng)變片電橋電路應(yīng)變片電橋電路一般都采用交流電源供電，組成一般都采用交流電源供電，組成交交流電橋流電橋。根據(jù)讀數(shù)方法的不同，電橋又分為平衡電。根據(jù)讀數(shù)方法的不同，電橋又分為平衡電橋和不平衡電橋兩種。前者僅適用于靜態(tài)參數(shù)測橋和不平衡電橋兩種。前者僅適用于靜態(tài)參數(shù)測量，而后者可用于動態(tài)參數(shù)的測量。但這兩種電橋量，而后者可用于動態(tài)參數(shù)的測量。但這兩種電橋的工作原理相似，故下面僅介紹直流不平衡電橋。的工作原理相似，故

8、下面僅介紹直流不平衡電橋。 圖圖9.29.2（b b）是輸出端接放大器的直流不平衡電橋）是輸出端接放大器的直流不平衡電橋的電路。的電路。第一橋臂接電阻應(yīng)變片第一橋臂接電阻應(yīng)變片 ，其它三個橋臂，其它三個橋臂接固定電阻。接固定電阻。當(dāng)應(yīng)變片當(dāng)應(yīng)變片 未受力時，由于沒有阻值未受力時，由于沒有阻值變化，電橋維持初始平衡條件變化，電橋維持初始平衡條件1R1R3241RRRR ，因而輸出電壓為零，即因而輸出電壓為零，即 03241 RRRRUUOUT當(dāng)應(yīng)變片承受應(yīng)力時，應(yīng)變片產(chǎn)生當(dāng)應(yīng)變片承受應(yīng)力時，應(yīng)變片產(chǎn)生 的變化，電橋的變化，電橋處于不平衡狀態(tài)，此時處于不平衡狀態(tài)，此時1RURRRRRRRRRRUU

9、UUDBCBCDOUT341211341111假設(shè)假設(shè)12RRn ，考慮電橋初始平衡條件及省略分母中的微量考慮電橋初始平衡條件及省略分母中的微量11RR ，則上式可寫為則上式可寫為 1121RRnnUUOUT 1R 從式中可以看出從式中可以看出輸出電壓正比于應(yīng)變片受應(yīng)變產(chǎn)生輸出電壓正比于應(yīng)變片受應(yīng)變產(chǎn)生的電阻變化值的電阻變化值 。在實(shí)際的應(yīng)用中，可根據(jù)情況。在實(shí)際的應(yīng)用中，可根據(jù)情況在電橋電路中使用在電橋電路中使用單應(yīng)變片法，雙應(yīng)變片法和四應(yīng)單應(yīng)變片法，雙應(yīng)變片法和四應(yīng)變片法變片法。圖圖9.29.2（c c）就是四應(yīng)變片法（全橋接法），能消除彎）就是四應(yīng)變片法（全橋接法），能消除彎矩的影響，也

10、有溫度補(bǔ)償?shù)墓δ堋τ诰_度要求特矩的影響，也有溫度補(bǔ)償?shù)墓δ堋τ诰_度要求特別高的力傳感器，可在電橋某一臂上串接一個溫度敏別高的力傳感器，可在電橋某一臂上串接一個溫度敏感電阻感電阻Rg Rg ，以補(bǔ)償因應(yīng)變片電阻溫度系數(shù)的微小差，以補(bǔ)償因應(yīng)變片電阻溫度系數(shù)的微小差異，用另一溫度敏感電阻異，用另一溫度敏感電阻Rm Rm 和電橋串聯(lián)，改變電橋和電橋串聯(lián)，改變電橋的激勵電壓，以補(bǔ)償彈性元件彈性模量隨溫度而變化的激勵電壓，以補(bǔ)償彈性元件彈性模量隨溫度而變化的影響。這兩個電阻都應(yīng)裝在力傳感器內(nèi)部，以保的影響。這兩個電阻都應(yīng)裝在力傳感器內(nèi)部，以保和應(yīng)變片處于相同的溫度環(huán)境。和應(yīng)變片處于相同的溫度環(huán)境。

11、 圖圖9.39.3是測量拉壓力的傳感器的典型彈性元件。是測量拉壓力的傳感器的典型彈性元件。為了獲得較大的靈敏度，采用梁式結(jié)構(gòu)。為了獲得較大的靈敏度，采用梁式結(jié)構(gòu)。圖圖9.3 9.3 貼應(yīng)變片梁式力傳感器貼應(yīng)變片梁式力傳感器2 2）差動變壓器式力傳感器）差動變壓器式力傳感器 事實(shí)上，大多數(shù)位移傳感事實(shí)上，大多數(shù)位移傳感器只要在結(jié)構(gòu)上作點(diǎn)變化，就器只要在結(jié)構(gòu)上作點(diǎn)變化，就可改為測力傳感器。如差動變可改為測力傳感器。如差動變壓器式、電容式、電感式等等。壓器式、電容式、電感式等等。圖圖4.44.4所示即為差動變壓器式所示即為差動變壓器式測力傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。測力傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖圖9.4 9.4

12、 差動變壓器式測力傳感器差動變壓器式測力傳感器11彈性元件彈性元件 22鐵心鐵心 33球面墊球面墊 44感應(yīng)線圈感應(yīng)線圈 55線圈座線圈座 3 3）壓磁式測力傳感器）壓磁式測力傳感器 某些鐵磁材料（如正磁致伸縮材料）受機(jī)械力某些鐵磁材料（如正磁致伸縮材料）受機(jī)械力F F作用后，其內(nèi)部產(chǎn)生機(jī)械力，從而引起其磁導(dǎo)率（或作用后，其內(nèi)部產(chǎn)生機(jī)械力，從而引起其磁導(dǎo)率（或磁阻）發(fā)生變化，這種物理現(xiàn)象稱為磁阻）發(fā)生變化，這種物理現(xiàn)象稱為“壓磁效應(yīng)壓磁效應(yīng)”。壓磁元件受力作用后，磁彈性體的磁阻（或磁導(dǎo)率）壓磁元件受力作用后，磁彈性體的磁阻（或磁導(dǎo)率）發(fā)生與作用力成正比的變化，測出磁阻變化即間接測發(fā)生與作用力成

13、正比的變化，測出磁阻變化即間接測定了力值。定了力值。 壓磁元件的結(jié)構(gòu)和工作原理如圖壓磁元件的結(jié)構(gòu)和工作原理如圖4.54.5所示。所示。圖圖9.5 9.5 壓磁元件及其工作原理圖壓磁元件及其工作原理圖（a a）結(jié)構(gòu)示意）結(jié)構(gòu)示意 （b b）無外力作用時）無外力作用時 （c c）有外力作用時）有外力作用時4 4）壓電式測力傳感器）壓電式測力傳感器 壓電式測力傳感器的工作原理和壓電式加速度傳感壓電式測力傳感器的工作原理和壓電式加速度傳感器類同，主要是器類同，主要是利用某些具有壓電效應(yīng)的材料利用某些具有壓電效應(yīng)的材料如石英、如石英、鈦酸鋇等，鈦酸鋇等，當(dāng)受到外力作用發(fā)生變形時，其內(nèi)部將發(fā)生當(dāng)受到外力作

14、用發(fā)生變形時，其內(nèi)部將發(fā)生極化，從而在其表面上有電荷出現(xiàn)，形成電場。當(dāng)外力極化，從而在其表面上有電荷出現(xiàn)，形成電場。當(dāng)外力去掉時，這些物質(zhì)又重新回復(fù)到原來的不帶電狀態(tài)去掉時，這些物質(zhì)又重新回復(fù)到原來的不帶電狀態(tài)。這。這種現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)。種現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)。 壓電式測力傳感器已成為動態(tài)力測量中的十分重要壓電式測力傳感器已成為動態(tài)力測量中的十分重要的手段。選擇不同切型的壓電晶片按照一定的規(guī)律組合，的手段。選擇不同切型的壓電晶片按照一定的規(guī)律組合，則可構(gòu)成各種類型的測力傳感器。使用較多的是測正向則可構(gòu)成各種類型的測力傳感器。使用較多的是測正向力的型切片和測切向力的型切片。力的型切片和測切向力的

15、型切片。 拉、壓型單向測力傳感器拉、壓型單向測力傳感器 根據(jù)垂直于電軸的型根據(jù)垂直于電軸的型切片便可制成拉（壓）型單向測力傳感器，其結(jié)構(gòu)切片便可制成拉（壓）型單向測力傳感器，其結(jié)構(gòu)如圖如圖4.74.7所示。所示。圖9.7 單向壓電式測力傳感器1殼體 2彈性墊 3壓電晶體 4電極 5絕緣套 6引出導(dǎo)線 雙向測力傳感器雙向測力傳感器 如采用兩對不同切型（如采用兩對不同切型（ 型型和和 型）的石英晶片組成傳感器元件，即可構(gòu)成雙型）的石英晶片組成傳感器元件，即可構(gòu)成雙向測力傳感器（如圖向測力傳感器（如圖9.89.8）。）。 三向測力傳感器三向測力傳感器 圖圖4.94.9所示為壓電式三向測所示為壓電式三

16、向測力傳感器元件組合方式的示意圖，其結(jié)構(gòu)與雙向式類力傳感器元件組合方式的示意圖，其結(jié)構(gòu)與雙向式類同。它的傳感元件由三對不同切型的壓電石英晶片組同。它的傳感元件由三對不同切型的壓電石英晶片組成。成。0X0Y 圖9.8 雙向壓電式測力傳感器 圖9.9 用于三向測力的傳感元件組合圖4.2 4.2 位移、物位和厚度的測量位移、物位和厚度的測量 位移是指物體上某一點(diǎn)在一定方向上的位置變動，位移是指物體上某一點(diǎn)在一定方向上的位置變動，為一個向量，包括線位移和角位移。位移測量一般在為一個向量，包括線位移和角位移。位移測量一般在位移方向上測量物體的絕對位置或相對位置的變動量。位移方向上測量物體的絕對位置或相對

17、位置的變動量。位移測量包括線位移和角位移的測量。位移測量包括線位移和角位移的測量。 位移測量在工程中應(yīng)用很廣。其中，一類是直接位移測量在工程中應(yīng)用很廣。其中，一類是直接檢測物體的移動量或轉(zhuǎn)動量，另一類是通過位移測量，檢測物體的移動量或轉(zhuǎn)動量，另一類是通過位移測量，特別是微位移的測量來反映其他物理量的大小，如力、特別是微位移的測量來反映其他物理量的大小，如力、壓力、扭矩、應(yīng)變、速度、加速度、溫度等。此外，壓力、扭矩、應(yīng)變、速度、加速度、溫度等。此外，物位、厚度、距離等長度參數(shù)也可以通過位移測量的物位、厚度、距離等長度參數(shù)也可以通過位移測量的方法來獲取，所以位移測量也是非電量電測技術(shù)的基方法來獲取

18、，所以位移測量也是非電量電測技術(shù)的基礎(chǔ)。礎(chǔ)。9.2.1 9.2.1 位移測量位移測量 在工程應(yīng)用中，一般將位移測量分為模擬式測量和在工程應(yīng)用中，一般將位移測量分為模擬式測量和數(shù)字式測量兩大類。數(shù)字式測量兩大類。 在模擬式測量中，需要采用能將位移量轉(zhuǎn)換為電在模擬式測量中，需要采用能將位移量轉(zhuǎn)換為電量的傳感器。常見的有：電阻式傳感器量的傳感器。常見的有：電阻式傳感器( (電位器式和電位器式和應(yīng)變式應(yīng)變式) )、電感式傳感器、電感式傳感器( (差動電感式和差動變壓器差動電感式和差動變壓器式式) )、電容式傳感器、電容式傳感器( (變極距式、變面積式和變介質(zhì)變極距式、變面積式和變介質(zhì)式式) )、電渦流

19、式傳感器、光電式傳感器及光導(dǎo)纖維傳、電渦流式傳感器、光電式傳感器及光導(dǎo)纖維傳感器、超聲波傳感器、激光及輻射式傳感器、薄膜傳感器、超聲波傳感器、激光及輻射式傳感器、薄膜傳感器等。將上述傳感器與相應(yīng)的測量電路結(jié)合在一起，感器等。將上述傳感器與相應(yīng)的測量電路結(jié)合在一起，即組成工程中常用的測量儀器和儀表，如電阻式位移即組成工程中常用的測量儀器和儀表，如電阻式位移計、電感測微儀、電容測微儀、電渦流測微儀、光電計、電感測微儀、電容測微儀、電渦流測微儀、光電角度檢測器、電容液位計等。角度檢測器、電容液位計等。常用位移傳感器有：常用位移傳感器有： 小位移通常采用應(yīng)變式、電感式、差動變壓器式、小位移通常采用應(yīng)變

20、式、電感式、差動變壓器式、電容式、霍爾式等傳感器，測量精度可以達(dá)到電容式、霍爾式等傳感器，測量精度可以達(dá)到0.5%0.5%1.0%1.0%，其中電感式和差動變壓器式傳感器的測量范圍，其中電感式和差動變壓器式傳感器的測量范圍要大一些，有些可達(dá)要大一些，有些可達(dá)100mm100mm。 大位移的測量則常采用感應(yīng)同步器、計量光柵、大位移的測量則常采用感應(yīng)同步器、計量光柵、磁柵、編碼器等傳感器。磁柵、編碼器等傳感器。 此外，根據(jù)傳感器原理和使用方法的不同，位此外，根據(jù)傳感器原理和使用方法的不同，位移測量可分為接觸式測量和非接觸式測量兩種方式。移測量可分為接觸式測量和非接觸式測量兩種方式。根據(jù)作用機(jī)理的不

21、同還可分為主動式測量和被動式根據(jù)作用機(jī)理的不同還可分為主動式測量和被動式測量等方式。測量等方式。（1 1）電阻式位移測量儀及其電路）電阻式位移測量儀及其電路圖圖9.299.29所示為電阻式位移測量電路圖，該電路是由測所示為電阻式位移測量電路圖，該電路是由測量電橋、差動放大器及量電橋、差動放大器及A/DA/D轉(zhuǎn)換器組成。轉(zhuǎn)換器組成。 （2 2）軸承間隔）軸承間隔 檢測電路檢測電路圖圖9.309.30所示為軸所示為軸承間隙檢測電路。承間隙檢測電路。該電路使用該電路使用SF5520SF5520專用芯片專用芯片配合差動變壓器配合差動變壓器組成位置檢測電組成位置檢測電路。路。 （3 3）差動變壓器測）差

22、動變壓器測 位移電路位移電路圖圖9.319.31所示為差動變所示為差動變壓器的檢測電路，其壓器的檢測電路，其中中LVDTLVDT為差動變壓為差動變壓器。器。 （4 4）測量角位移電路）測量角位移電路圖圖9.329.32所示為將角速度傳感器用于測量角位移的電所示為將角速度傳感器用于測量角位移的電路。該電路主要用于飛機(jī)、導(dǎo)彈、船舶、汽車、工路。該電路主要用于飛機(jī)、導(dǎo)彈、船舶、汽車、工業(yè)機(jī)器人等運(yùn)動體的姿態(tài)控制和穩(wěn)定控制。業(yè)機(jī)器人等運(yùn)動體的姿態(tài)控制和穩(wěn)定控制。 9.2.2 9.2.2 物位測量物位測量 物位物位是指各種容器設(shè)備中液體介質(zhì)液面的高低、是指各種容器設(shè)備中液體介質(zhì)液面的高低、兩種不相溶的液

23、體介質(zhì)的分解面的高低和固體粉末狀兩種不相溶的液體介質(zhì)的分解面的高低和固體粉末狀物料的堆積高度等的總稱。物料的堆積高度等的總稱。 根據(jù)具體用途可以使用液位、料位、界位等傳感根據(jù)具體用途可以使用液位、料位、界位等傳感器。物位測量的目的主要是按生產(chǎn)工藝要求等監(jiān)視、器。物位測量的目的主要是按生產(chǎn)工藝要求等監(jiān)視、控制被測物位的變化?？刂票粶y物位的變化。物位測量結(jié)果常用絕對長度單物位測量結(jié)果常用絕對長度單位或百分?jǐn)?shù)表示位或百分?jǐn)?shù)表示。要求物位測量裝置或系統(tǒng)應(yīng)具有對。要求物位測量裝置或系統(tǒng)應(yīng)具有對物位進(jìn)行測量、記錄、報警或發(fā)出控制信號等功能。物位進(jìn)行測量、記錄、報警或發(fā)出控制信號等功能。 （1 1）物位傳感

24、器）物位傳感器（2 2）物位測量）物位測量 工程應(yīng)用中物位的情況是比較復(fù)雜的，必須根據(jù)設(shè)工程應(yīng)用中物位的情況是比較復(fù)雜的，必須根據(jù)設(shè)計要求，結(jié)合現(xiàn)場條件選擇適用的測量方法和傳感器，計要求，結(jié)合現(xiàn)場條件選擇適用的測量方法和傳感器，在機(jī)械電氣裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計、信息處理與讀取方式、測在機(jī)械電氣裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計、信息處理與讀取方式、測量誤差分析等方面進(jìn)行系統(tǒng)的考慮。下面僅對幾個常量誤差分析等方面進(jìn)行系統(tǒng)的考慮。下面僅對幾個常見的物位測量實(shí)例加以介紹。見的物位測量實(shí)例加以介紹。1 1）浮力式液位傳感器）浮力式液位傳感器 浮力式液位傳感器是利用液體浮力來測量液位的。浮力式液位傳感器是利用液體浮力來測量液位的。根據(jù)

25、測量原理，分為恒浮力式和變浮力式兩大類型。根據(jù)測量原理，分為恒浮力式和變浮力式兩大類型。圖9.33 浮力式液位測量 最原始的浮力式液位最原始的浮力式液位傳感器是將一個浮子置傳感器是將一個浮子置于液體中，它受到浮力于液體中，它受到浮力的作用漂浮在液面上，的作用漂浮在液面上，當(dāng)液面變化時，浮子隨當(dāng)液面變化時，浮子隨之同步移動，其位置就之同步移動，其位置就反映了液面的高低。水反映了液面的高低。水塔里的水位常用這種方塔里的水位常用這種方法指示，圖法指示，圖9.339.33是水塔是水塔水位測量示意圖。水位測量示意圖。圖9.34 自動跟蹤浮子式液位測量1卷線鼓輪 2繩索 3支承 4滑輪 5浮子 6杠桿7鐵

26、芯 8平衡彈簧 9放大器 10可逆電機(jī) 11變速機(jī)構(gòu)12顯示器 13自整角發(fā)送器 14自整角接收器 15顯示器 圖圖9.349.34為自動跟蹤浮子式液位計為自動跟蹤浮子式液位計2 2）超聲波物位傳感器）超聲波物位傳感器 超聲波物位傳感器是利用超聲波在兩種介質(zhì)的分超聲波物位傳感器是利用超聲波在兩種介質(zhì)的分界面上的反射特性而制成的。如果從發(fā)射超聲脈沖開界面上的反射特性而制成的。如果從發(fā)射超聲脈沖開始，到接收換能器接收到反射波為止的這個時間間隔始，到接收換能器接收到反射波為止的這個時間間隔為已知，就可以求出分界面的位置，利用這種方法可為已知，就可以求出分界面的位置，利用這種方法可以對物位進(jìn)行測量。以

27、對物位進(jìn)行測量。 根據(jù)發(fā)射和接收換能器的功能，傳感器又可分為根據(jù)發(fā)射和接收換能器的功能，傳感器又可分為單換能器和雙換能器。單換能器的傳感器發(fā)射和接收單換能器和雙換能器。單換能器的傳感器發(fā)射和接收超聲波均使用一個換能器，而雙換能器的傳感器發(fā)射超聲波均使用一個換能器，而雙換能器的傳感器發(fā)射和接收各由一個換能器來完成。圖和接收各由一個換能器來完成。圖9.359.35為幾種超聲物為幾種超聲物位傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。位傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。 超聲波發(fā)射和接收換能器可以設(shè)置在液體中，這超聲波發(fā)射和接收換能器可以設(shè)置在液體中，這樣，超聲波將在液體中傳播。對于單換能器，如樣，超聲波將在液體中傳播。對于單換能器，如

28、圖圖9.359.35中左邊兩種結(jié)構(gòu)，若超聲波從發(fā)射到液面，中左邊兩種結(jié)構(gòu)，若超聲波從發(fā)射到液面，又從液面反射到換能器的時間為又從液面反射到換能器的時間為t t，則換能器距，則換能器距液面的距離液面的距離h h為：為：2vth 圖9.37 超聲波物位傳感器結(jié)構(gòu)示意圖 對于雙換能器，如圖對于雙換能器，如圖9.359.35中右邊兩種結(jié)構(gòu)，若超聲中右邊兩種結(jié)構(gòu)，若超聲波發(fā)射點(diǎn)到換能器的距離為波發(fā)射點(diǎn)到換能器的距離為s s，則從發(fā)射到被接收經(jīng)過，則從發(fā)射到被接收經(jīng)過的路程為的路程為2 2s s，設(shè)兩個換能器之間的距離為，設(shè)兩個換能器之間的距離為2 2a a，那么可以，那么可以推算出液位高度為：推算出液位

29、高度為：22ash 從以上兩式可以看出，只要測得超聲波脈沖從發(fā)從以上兩式可以看出，只要測得超聲波脈沖從發(fā)射到接收的間隔時間，便可以求得待測的物位。射到接收的間隔時間，便可以求得待測的物位。 3 3）電容式液位傳感器）電容式液位傳感器 圖圖9.369.36所示為飛機(jī)上使用的一種油量表。它采所示為飛機(jī)上使用的一種油量表。它采用了自動平衡電橋電路，由油箱液位電容式傳感器用了自動平衡電橋電路，由油箱液位電容式傳感器裝置、交流放大器、兩相伺服電機(jī)、減速器和指針裝置、交流放大器、兩相伺服電機(jī)、減速器和指針等部件組成。等部件組成。 （3 3）物位傳感器的應(yīng)）物位傳感器的應(yīng)用用1 1）高性能水位控制器）高性能

30、水位控制器 圖圖9.379.37所示為高性所示為高性能水位控制器電路圖，能水位控制器電路圖，它采用導(dǎo)電式水位傳它采用導(dǎo)電式水位傳感器探測水位，控制感器探測水位，控制電路由液面專用檢測電路由液面專用檢測電路電路SL2429ASL2429A及時基電及時基電路路555555等組成。等組成。 2 2）水位遙測儀）水位遙測儀圖圖9.389.38為水位遙測儀的電路圖，它是由發(fā)射和接收為水位遙測儀的電路圖，它是由發(fā)射和接收顯示兩部分組成。顯示兩部分組成。 9.4 9.4 轉(zhuǎn)速的測量轉(zhuǎn)速的測量 測量轉(zhuǎn)速的儀表統(tǒng)稱為轉(zhuǎn)速儀。轉(zhuǎn)速儀的種類測量轉(zhuǎn)速的儀表統(tǒng)稱為轉(zhuǎn)速儀。轉(zhuǎn)速儀的種類繁多，按測量原理可分為模擬法、計數(shù)法

31、和同步法；繁多，按測量原理可分為模擬法、計數(shù)法和同步法；按變換方式又可分為機(jī)械式、電氣式、光電式和頻按變換方式又可分為機(jī)械式、電氣式、光電式和頻閃式等。轉(zhuǎn)速的測量方法及其特點(diǎn)如表閃式等。轉(zhuǎn)速的測量方法及其特點(diǎn)如表9.89.8所示。所示。下面介紹幾種常用的轉(zhuǎn)速測量方法。下面介紹幾種常用的轉(zhuǎn)速測量方法。表9.8 轉(zhuǎn)速的測量方法及特點(diǎn)min/r型 式轉(zhuǎn)速表測 量 方 法應(yīng)用范圍準(zhǔn)確度（%）特 點(diǎn)模 擬 型機(jī)械式離心式利用重塊的離心力與轉(zhuǎn)速的平方成正比；利用容器中的離心力產(chǎn)生的壓力或液面變化。3024000中、低速122簡單、價廉、應(yīng)用較廣，但準(zhǔn)確度較低粘液式利用旋轉(zhuǎn)體粘液中旋轉(zhuǎn)時傳遞的扭矩變化測速中

32、、低速2簡單，但易受溫度的影響電氣式發(fā)電機(jī)式利用直流或交流發(fā)電機(jī)的電壓與轉(zhuǎn)速成正比關(guān)系1000012可遠(yuǎn)距離指示，應(yīng)用廣。易受溫度影響電容式利用電容充放電回路產(chǎn)生與轉(zhuǎn)速成正比例的電流中、高速2簡單、可遠(yuǎn)距離指示電渦流式利用旋轉(zhuǎn)盤在磁場內(nèi)使電渦流產(chǎn)生變化測轉(zhuǎn)速中、高速1簡單、價廉多用于機(jī)動車計數(shù)型機(jī)械式齒輪式鐘表式通過齒輪轉(zhuǎn)動數(shù)字輪；通過齒輪轉(zhuǎn)動加入計時器。中、低速1000010.5簡單、價低，與秒表并用光電式光電式利用來自旋轉(zhuǎn)體上光線，使光電管產(chǎn)生電脈沖中、高速304800012簡單、沒有扭矩?fù)p失電氣式電磁式利用磁、電等轉(zhuǎn)換器將轉(zhuǎn)速變化轉(zhuǎn)換成電脈沖中、高速0.52簡單、數(shù)字傳輸同步型機(jī)械式目測

33、式轉(zhuǎn)動帶槽圓盤，目測與旋轉(zhuǎn)體同步的轉(zhuǎn)速中、高速1簡單、價廉頻閃式閃光式利用頻閃光測旋轉(zhuǎn)體頻率中、高速0.52簡單、可遠(yuǎn)距、數(shù)字測量9.4.1 9.4.1 常用轉(zhuǎn)速傳感器常用轉(zhuǎn)速傳感器 （1 1）磁電式轉(zhuǎn)速傳感器）磁電式轉(zhuǎn)速傳感器 磁電式轉(zhuǎn)速傳感器的結(jié)構(gòu)原理如圖磁電式轉(zhuǎn)速傳感器的結(jié)構(gòu)原理如圖9.729.72所示。在永久磁所示。在永久磁鐵組成的磁路中，若改變磁阻（如空氣隙）的大小，則磁通量鐵組成的磁路中，若改變磁阻（如空氣隙）的大小，則磁通量隨之改變。磁路通過感應(yīng)線圈，當(dāng)磁通量發(fā)生突變時，感應(yīng)出隨之改變。磁路通過感應(yīng)線圈，當(dāng)磁通量發(fā)生突變時，感應(yīng)出一定幅度的脈沖電勢，該脈沖電勢的頻率等于磁阻變化的

34、頻率。一定幅度的脈沖電勢，該脈沖電勢的頻率等于磁阻變化的頻率。為了使氣隙變化，在待測軸上裝一個由軟磁材料做成的齒盤為了使氣隙變化，在待測軸上裝一個由軟磁材料做成的齒盤（通常采用（通常采用6060個齒）。當(dāng)待測軸轉(zhuǎn)動時，齒盤也跟隨轉(zhuǎn)動，齒個齒）。當(dāng)待測軸轉(zhuǎn)動時，齒盤也跟隨轉(zhuǎn)動，齒盤中的齒和齒隙交替通過永久磁鐵的磁場，從而不斷改變磁路盤中的齒和齒隙交替通過永久磁鐵的磁場，從而不斷改變磁路的磁阻，使鐵芯中的磁通量發(fā)生突變，在線圈內(nèi)產(chǎn)生一個脈沖的磁阻，使鐵芯中的磁通量發(fā)生突變，在線圈內(nèi)產(chǎn)生一個脈沖電動勢，其頻率跟待測轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速成正比。線圈所產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢，其頻率跟待測轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速成正比。線圈所產(chǎn)生的感

35、應(yīng)電動勢的頻率為：電動勢的頻率為： 60nzf 式中式中 為轉(zhuǎn)速（為轉(zhuǎn)速（ ）；）； 為頻率（為頻率（Hz）；）； 為齒輪的齒數(shù)。為齒輪的齒數(shù)。nmin/rfz圖4.72 磁電式轉(zhuǎn)速傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖（2 2）光電式轉(zhuǎn)速傳感器）光電式轉(zhuǎn)速傳感器 1 1）直射式光電轉(zhuǎn)速傳感器）直射式光電轉(zhuǎn)速傳感器圖圖9.739.73所示為直射式光電轉(zhuǎn)速傳感器的結(jié)構(gòu)圖，它由所示為直射式光電轉(zhuǎn)速傳感器的結(jié)構(gòu)圖，它由開孔圓盤、光源、光敏元件及縫隙板等組成?？赏ㄟ^開孔圓盤、光源、光敏元件及縫隙板等組成。可通過測量光敏元件輸出的脈沖頻率得知被測轉(zhuǎn)速，即測量光敏元件輸出的脈沖頻率得知被測轉(zhuǎn)速，即nmin/rfNfn NN圓

36、盤開孔數(shù)；圓盤開孔數(shù)； 轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速 脈沖頻率。脈沖頻率。2 2）反射式光電轉(zhuǎn)速傳感器）反射式光電轉(zhuǎn)速傳感器圖圖9.749.74所示為反射式光電轉(zhuǎn)速傳感器的結(jié)構(gòu)圖，它由所示為反射式光電轉(zhuǎn)速傳感器的結(jié)構(gòu)圖，它由紅外發(fā)射管、紅外接收管、光學(xué)系統(tǒng)等組成；光學(xué)系紅外發(fā)射管、紅外接收管、光學(xué)系統(tǒng)等組成；光學(xué)系統(tǒng)由透鏡及半透鏡構(gòu)成。統(tǒng)由透鏡及半透鏡構(gòu)成。 3 3）電渦流式轉(zhuǎn)速傳感器）電渦流式轉(zhuǎn)速傳感器圖圖9.759.75所示為電渦流式轉(zhuǎn)速傳感器的工作原理圖，它所示為電渦流式轉(zhuǎn)速傳感器的工作原理圖，它由電渦流傳感器和輸入軸等組成。由電渦流傳感器和輸入軸等組成。 4 4）霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器）霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器圖圖9.

37、769.76所示霍爾轉(zhuǎn)速傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖，它是由霍所示霍爾轉(zhuǎn)速傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖，它是由霍爾開關(guān)集成傳感器和磁性轉(zhuǎn)盤組成。爾開關(guān)集成傳感器和磁性轉(zhuǎn)盤組成。 圖圖9.779.77所示為霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器的各種不同結(jié)構(gòu)示意所示為霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器的各種不同結(jié)構(gòu)示意圖，磁性轉(zhuǎn)盤上的小磁鋼數(shù)目多少，將確定傳感器的圖，磁性轉(zhuǎn)盤上的小磁鋼數(shù)目多少，將確定傳感器的分辨率，小磁鋼數(shù)目愈多，分辨率愈高。分辨率，小磁鋼數(shù)目愈多，分辨率愈高。 測量電路如圖測量電路如圖9.789.78所示，其主要是由交流放大電所示，其主要是由交流放大電路、時間控制器集成電路路、時間控制器集成電路CH279CH279、計數(shù)、計數(shù)/ /鎖

38、存鎖存/7/7段譯段譯碼碼/ /驅(qū)動集成電路驅(qū)動集成電路CH267CH267、轉(zhuǎn)速表電路等組成。、轉(zhuǎn)速表電路等組成。1 1）交流放大電路）交流放大電路 因?yàn)閭鞲衅鬏敵龅臑檎译妷盒盘?，輸出電壓因?yàn)閭鞲衅鬏敵龅臑檎译妷盒盘?，輸出電壓幅值較小，因此需用一個前置放大器。本圖采用了幅值較小，因此需用一個前置放大器。本圖采用了一個交流放大器，放大器利用一個交流放大器，放大器利用 對對 的交流自的交流自舉作用，大大提高了輸入阻抗，其輸入阻抗為：舉作用，大大提高了輸入阻抗，其輸入阻抗為：3C3R9.4.2 9.4.2 磁電式傳感器數(shù)字轉(zhuǎn)速儀測量電路磁電式傳感器數(shù)字轉(zhuǎn)速儀測量電路 1313313311313

39、13111131CRRCjRRCjRRCjRRXRRXRRZCCm頻率愈高，頻率愈高， 愈接近于零、愈接近于零、 愈大，當(dāng)頻率愈大，當(dāng)頻率為為1000 1000 時，時， ?？梢娖漭斎胱杩??？梢娖漭斎胱杩故呛艽?，而輸出阻抗小于是很大，而輸出阻抗小于 。該放大器的是。該放大器的是頻增益為：頻增益為： 31CCX,XmZzHMZm7 .121001001121RRAF圖9.78 磁電傳感器數(shù)字轉(zhuǎn)速儀電路圖2）時間控制器集成電路）時間控制器集成電路CH279 CH279是一種適合數(shù)字儀表的中規(guī)模集成電路。主要是由晶體振蕩器、 分頻器、整形單元、控制器和批示信號單元組成。其工作電壓為36V。當(dāng)其外接晶

40、體元件后，能自行產(chǎn)生振蕩信號、計數(shù)閘門信號、鎖存控制信號以及其他控制信號。如接入被測信號，則可以對該信號進(jìn)行整形、分頻，然后輸出供計數(shù)用。特別適合用于數(shù)字轉(zhuǎn)速表，其測轉(zhuǎn)速范圍為2525000 （rpm）?？勺詣舆B續(xù)采樣，采樣時間為1s，測量結(jié)果可達(dá)五位數(shù)字。CH279引出腳功能圖如圖4.79所示。其中， 為顯示交流信號輸出端，他為液晶顯示器的公共電極提供方波。162min/rFOD圖9.79 CH279引出腳功能圖 3）計數(shù)）計數(shù)/鎖存鎖存/7段譯碼段譯碼/驅(qū)動集成電路驅(qū)動集成電路CH267 CH267為計數(shù)/鎖存/7段譯碼/驅(qū)動四合一集成電路，他的驅(qū)動電流為 ，適于驅(qū)動LCD顯示器。其引出端

41、功能如圖4.80所示。其中DFI為顯示交流信號輸入端，他與LCD的公共電極相聯(lián)。4）轉(zhuǎn)速表電路）轉(zhuǎn)速表電路 系統(tǒng)電源采用6V電池，場效應(yīng)管3D01作恒流源用。振動信號加在 端； 接“輸入”時，被測信號送入CH279進(jìn)行分頻，被測信號是通過放大傳感信號的前置放大器提供的。這樣，轉(zhuǎn)速表在采樣時間內(nèi)便可顯示被測信號每分鐘脈沖數(shù)，即轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速。A100,if圖9.80 CH267引出端功能圖9.4.3 9.4.3 霍爾轉(zhuǎn)速測量裝置霍爾轉(zhuǎn)速測量裝置 由式由式 可知，若數(shù)字頻率計示值可知，若數(shù)字頻率計示值為為 ，則轉(zhuǎn)速立刻便讀出。其測量轉(zhuǎn)速的裝，則轉(zhuǎn)速立刻便讀出。其測量轉(zhuǎn)速的裝置如圖置如圖4.814.81

42、所示。所示。 fn10 f圖圖4.81 4.81 霍爾傳感器測量轉(zhuǎn)速的裝置霍爾傳感器測量轉(zhuǎn)速的裝置9.8 9.8 成分量的測量成分量的測量 成分量的測量在現(xiàn)代測試技術(shù)中占有相當(dāng)重要的成分量的測量在現(xiàn)代測試技術(shù)中占有相當(dāng)重要的地位，常見的成分量主要有濕度、濃度、氣體成分及地位，常見的成分量主要有濕度、濃度、氣體成分及含量等等，由于篇幅限制，這里只對濕度、濃度、氣含量等等，由于篇幅限制，這里只對濕度、濃度、氣體成分及含量的測量進(jìn)行介紹。體成分及含量的測量進(jìn)行介紹。 9.8.1 9.8.1 濕度傳感器的典型應(yīng)用實(shí)例濕度傳感器的典型應(yīng)用實(shí)例 （1 1）土壤濕度測量電路）土壤濕度測量電路圖圖9.1229.122所示為采用硅濕敏電阻的土壤濕度測量電路所示為采用硅濕敏電阻的土壤濕度測量電路圖，它是由土壤濕度檢測電路、濕度信號放大電路和圖，它是由土壤濕度檢測電路、濕度信號放大電路和高精度穩(wěn)壓電源電路組成。高精度穩(wěn)壓電源電路組成。 （2 2）秧棚濕度指示器）秧棚濕度指示器 秧棚濕度指示器主要用于指示塑料薄膜做成的