動(dòng)力工程基本量測(cè)量技術(shù)動(dòng)力工程測(cè)控技術(shù)

動(dòng)力工程基本量測(cè)量技術(shù)動(dòng)力工程測(cè)控技術(shù)第1頁，課件共96頁，創(chuàng)作于2023年2月§3.動(dòng)力工程基本量測(cè)量技術(shù)第2頁，課件共96頁，創(chuàng)作于2023年2月§3.1測(cè)量儀表的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性第3頁，課件共96頁，創(chuàng)作于2023年2月§3.1測(cè)量儀表的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性§3.1.1靜態(tài)特性靜態(tài)特性曲線理論設(shè)計(jì)時(shí)希望y=a1x

為線性特性，并且a0=0，無零點(diǎn)偏移。

靜態(tài)校準(zhǔn)：在標(biāo)準(zhǔn)條件下，用高于被校系統(tǒng)3~5倍精度的校準(zhǔn)設(shè)備，對(duì)系統(tǒng)重復(fù)（不少于3次）進(jìn)行全量程逐級(jí)地加載（正行程）和卸載（反行程）測(cè)試，從而確定輸入和輸出關(guān)系的過程。理論特性曲線：第4頁，課件共96頁，創(chuàng)作于2023年2月§3.1測(cè)量儀表的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性靜態(tài)校準(zhǔn)條件：環(huán)境溫度為20±5℃，濕度不大于85%，大氣壓力為101.3±8Kpa，沒有振動(dòng)和沖擊（除非這些參數(shù)本身是被測(cè)物理量）。靜態(tài)校準(zhǔn)曲線：由各次校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的平均值擬合得到的曲線。如用線性擬合，也稱為工作直線，對(duì)應(yīng)的方程稱為擬合方程。第5頁，課件共96頁，創(chuàng)作于2023年2月§3.1測(cè)量儀表的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性量程和刻度范圍準(zhǔn)確度（精度）

最大輸入量與最小輸入量區(qū)間稱為量程；儀表刻度終值與始值區(qū)間稱為刻度范圍。兩者相差儀表的基本誤差和倍率。

儀表的最大絕對(duì)誤差折合到儀表標(biāo)尺范圍的百分?jǐn)?shù)，按此將儀表精度分級(jí)，常用有0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5.0七個(gè)等級(jí)。注意對(duì)同一量程和準(zhǔn)確度的儀表，其絕對(duì)誤差與被測(cè)參數(shù)的大小無關(guān)；對(duì)同一準(zhǔn)確度的儀表，量程越大，絕對(duì)誤差也越大。第6頁，課件共96頁，創(chuàng)作于2023年2月§3.1測(cè)量儀表的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性

因此，在滿足被測(cè)量數(shù)值范圍的前提下，盡可能選擇量程小的儀表，對(duì)穩(wěn)態(tài)測(cè)量值選在儀表滿刻度的三分之二左右。例：被測(cè)溫度40℃左右，要求-0.5℃≤Δt≤0.5℃，請(qǐng)選擇合適的溫度計(jì)。（1）0~50℃（2）0~100℃（3）50~100℃，

1.0級(jí)（4）0~50℃，（5）0~100℃，0.5級(jí)精度滿足要求，測(cè)點(diǎn)位置合適。精度不滿足要求，測(cè)點(diǎn)不位置合適。精度滿足要求，測(cè)點(diǎn)位置不合適，與（1）比不經(jīng)濟(jì)。測(cè)點(diǎn)位置合適，精度高于要求，與（1）比不經(jīng)濟(jì)。量程范圍不對(duì)第7頁，課件共96頁，創(chuàng)作于2023年2月§3.1測(cè)量儀表的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性線性度

反映實(shí)際輸入、輸出與理想直線的偏離程度。第8頁，課件共96頁，創(chuàng)作于2023年2月§3.1測(cè)量儀表的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性遲滯性

反映測(cè)量裝置正、反行程校準(zhǔn)曲線在同一校準(zhǔn)級(jí)上輸出值不一致的程度，也稱為變差。第9頁，課件共96頁，創(chuàng)作于2023年2月§3.1測(cè)量儀表的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性重復(fù)性

反映在規(guī)定的同一校準(zhǔn)條件下對(duì)測(cè)量裝置按同一方向在全量程范圍內(nèi)多次重復(fù)校準(zhǔn)得到的各次校準(zhǔn)曲線的不一致性。t為置信系數(shù)，一般取95%置信度的t分布值；σmax為正、反行程各校準(zhǔn)級(jí)上標(biāo)準(zhǔn)偏差σvj的最大值：反行程第j-a校準(zhǔn)級(jí)（校準(zhǔn)n次）正行程第j校準(zhǔn)級(jí)（校準(zhǔn)n次）第10頁，課件共96頁，創(chuàng)作于2023年2月§3.1測(cè)量儀表的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性靈敏度

靜態(tài)測(cè)量時(shí)，輸出量變化值Δy

與輸入量變化值Δx

之比。對(duì)一臺(tái)線性儀表，S為常數(shù)，但表達(dá)的方式和含義不完全一致。如：

5mV/Mpa表示某壓力傳感器的輸入每變化1Mpa有5mV的變化輸出。

1.5mV/V表示某壓力傳感器在額定壓力作用下，當(dāng)電橋輸入電壓為1V時(shí)，電橋輸出電壓為1.5mV。第11頁，課件共96頁，創(chuàng)作于2023年2月§3.1測(cè)量儀表的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性分辨力和分辨率環(huán)境誤差

分辨力指能引起輸出量發(fā)生變化的最小輸入量Δx

。分辨率用全量程范圍內(nèi)最大的Δx

與測(cè)量系統(tǒng)滿量程輸出值之比表示。

儀表特性隨溫度等環(huán)境條件的變化而變化。如：第12頁，課件共96頁，創(chuàng)作于2023年2月§3.1測(cè)量儀表的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性輸入阻抗與輸出阻抗

輸入阻抗是指儀表在輸出端接有額定負(fù)載時(shí)，輸入端所表現(xiàn)出來阻抗。輸入阻抗越大，信號(hào)源衰減程度越小。輸出阻抗是指儀表在輸入端接有信號(hào)源時(shí)，輸出端所表現(xiàn)出來阻抗。輸出阻抗小，信號(hào)衰減程度也小。第13頁，課件共96頁，創(chuàng)作于2023年2月§3.1測(cè)量儀表的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性§3.1.2動(dòng)態(tài)特性線性系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的數(shù)學(xué)模型

動(dòng)態(tài)特性是指儀表對(duì)隨時(shí)間變化的被測(cè)量的響應(yīng)特性。動(dòng)態(tài)特性好，其輸出量隨時(shí)間變化的曲線與被測(cè)量隨同一時(shí)間變化的曲線一致或者比較接近。第14頁，課件共96頁，創(chuàng)作于2023年2月§3.1測(cè)量儀表的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性傳遞函數(shù)

為簡化計(jì)算，對(duì)上述微分方程通過拉氏變換：，將初始條件為零時(shí)輸出與輸入的拉氏變換之比定義為傳遞函數(shù)：

H（s）和輸入無關(guān)，它只反映測(cè)量系統(tǒng)本身的特性，包含瞬態(tài)、穩(wěn)態(tài)時(shí)間響應(yīng)和頻率響應(yīng)的全部信息，并且與具體的物理結(jié)構(gòu)也無關(guān)，如彈簧-阻尼系統(tǒng)和RC電路同是一階系統(tǒng)（n=1）。第15頁，課件共96頁，創(chuàng)作于2023年2月§3.1測(cè)量儀表的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性頻率響應(yīng)函數(shù)

輸入信號(hào)為正弦函數(shù)時(shí)，測(cè)量系統(tǒng)的響應(yīng)稱為頻率響應(yīng)。傳遞函數(shù)也稱為線性系統(tǒng)的頻率響應(yīng)函數(shù)，它等于在初始條件為零時(shí)輸出與輸入的傅氏變換（）之比：第16頁，課件共96頁，創(chuàng)作于2023年2月§3.1測(cè)量儀表的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性

從物理意義上說，通過傅氏變換可將滿足一定條件的任意信號(hào)分解成不同頻率的正弦信號(hào)之和，其實(shí)質(zhì)是將由時(shí)間域變換到頻率域來描述，H（jw）反映一個(gè)系統(tǒng)對(duì)正弦輸入的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)。如果輸入一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)正弦信號(hào)：其穩(wěn)態(tài)輸出將是與輸入同頻率的正弦信號(hào)：則：第17頁，課件共96頁，創(chuàng)作于2023年2月§3.1測(cè)量儀表的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性測(cè)量系統(tǒng)的頻率響應(yīng)一階系統(tǒng)的頻率響應(yīng)

常見的一階系統(tǒng)有彈簧-阻尼、RC電路、RL電路、液體溫度計(jì)等，這些裝置均可以用一階微分方程來表示它們的輸入與輸出關(guān)系。第18頁，課件共96頁，創(chuàng)作于2023年2月§3.1測(cè)量儀表的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性

對(duì)彈簧-阻尼系統(tǒng)，根據(jù)力學(xué)平衡：

第19頁，課件共96頁，創(chuàng)作于2023年2月§3.1測(cè)量儀表的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性

對(duì)不同物理結(jié)構(gòu)的測(cè)量系統(tǒng)，傳遞函數(shù)形式相同，參數(shù)有所不同，如RC電路，。對(duì)一階系統(tǒng)的頻率響應(yīng)特性：其幅頻特性（設(shè)K=1）：相頻特性：第20頁，課件共96頁，創(chuàng)作于2023年2月§3.1測(cè)量儀表的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性1、一階系統(tǒng)在正弦激勵(lì)下，穩(wěn)態(tài)輸出時(shí)響應(yīng)幅值和位相差取決于輸入信號(hào)的頻率ω和系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)τ。2、響應(yīng)幅值隨ω的增大而減小，位相差隨ω的增大而增大。3、頻率響應(yīng)還與τ有關(guān)。當(dāng)ωτ<0.3時(shí)，振幅與相位失真都比較小，說明τ小，工作頻率范圍就可以大一些。第21頁，課件共96頁，創(chuàng)作于2023年2月§3.1測(cè)量儀表的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性二階系統(tǒng)的頻率響應(yīng)

典型的二階系統(tǒng)有彈簧-質(zhì)量-阻尼、RLC電路等。這些裝置均可以用二階微分方程來表示它們的輸入與輸出關(guān)系。第22頁，課件共96頁，創(chuàng)作于2023年2月§3.1測(cè)量儀表的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性對(duì)彈簧-質(zhì)量-阻尼系統(tǒng)，根據(jù)力學(xué)平衡：第23頁，課件共96頁，創(chuàng)作于2023年2月§3.1測(cè)量儀表的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性設(shè)K=1對(duì)二階系統(tǒng)的頻率響應(yīng)特性：其幅頻特性和相頻特性分別為：第24頁，課件共96頁，創(chuàng)作于2023年2月§3.1測(cè)量儀表的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性第25頁，課件共96頁，創(chuàng)作于2023年2月§3.1測(cè)量儀表的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性測(cè)量系統(tǒng)的階躍響應(yīng)一階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)第26頁，課件共96頁，創(chuàng)作于2023年2月§3.1測(cè)量儀表的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性二階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)第27頁，課件共96頁，創(chuàng)作于2023年2月§3.1測(cè)量儀表的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性二階系統(tǒng)的時(shí)域性能指標(biāo)第28頁，課件共96頁，創(chuàng)作于2023年2月§3.1測(cè)量儀表的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性測(cè)量系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性參數(shù)的測(cè)定一階測(cè)量系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)τ的測(cè)定二階系統(tǒng)阻尼比ζ和固有頻率ωn的測(cè)定第29頁，課件共96頁，創(chuàng)作于2023年2月§3.1測(cè)量儀表的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性例：某一階壓力傳感器的時(shí)間常數(shù)為0.5s，如果階躍壓力從25MPa降到5MPa，試求2倍時(shí)間常數(shù)的壓力和2s后的壓力。第30頁，課件共96頁，創(chuàng)作于2023年2月§3.1測(cè)量儀表的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性例：某二階力傳感器，固有頻率為1KHz，阻尼比等于0.7，設(shè)靈敏度為1，求測(cè)量頻率分別為600Hz和400Hz的正弦交變力的輸出與輸入的幅值比和相位差。第31頁，課件共96頁，創(chuàng)作于2023年2月作業(yè)某溫度傳感器的時(shí)間常數(shù)為3s，當(dāng)傳感器受突變溫度作用后，求傳感器指示出溫度差的1/3和1/2所需時(shí)間。某一階測(cè)量系統(tǒng)，在t=0時(shí)，輸出為10mV；在穩(wěn)定后，輸出為100mV；在t=5s時(shí)，輸出為50mV；求該測(cè)量系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)。某力傳感器為二階系統(tǒng)，已知固有頻率為10KHz，阻尼比為0.6，如果要求其幅值誤差不大于10%，問其可測(cè)的頻率范圍有多大？第32頁，課件共96頁，創(chuàng)作于2023年2月§3.2傳感器§3.2.1傳感器傳感器的作用傳感器命名法

傳感器（Transducer或者Sensor）是將非電量轉(zhuǎn)換成與之有確定對(duì)應(yīng)關(guān)系的電量或電參量的裝置。1、敏感作用：完成信號(hào)的拾?。?、轉(zhuǎn)換作用：完成非電量到電量的轉(zhuǎn)換。主題詞+被測(cè)量+轉(zhuǎn)換原理或特征描述+主要技術(shù)指標(biāo)傳感器，壓力，應(yīng)變式，10KPa傳感器，位移，磁電式，10mm第33頁，課件共96頁，創(chuàng)作于2023年2月§3.2傳感器傳感器的分類電阻式傳感器：金屬應(yīng)變式；半導(dǎo)體壓阻式電容式傳感器：變面積式；變介電常數(shù)式；變間隙式電感式傳感器：自感型可變磁阻式；互感型差動(dòng)變壓器式電渦流式傳感器：高頻發(fā)射式；低頻發(fā)射式磁電式傳感器：動(dòng)圈式；磁阻式；霍爾式壓電式傳感器：熱電式傳感器：熱電偶；熱電阻光電式傳感器：光敏電阻；光電池；光敏晶體管光纖傳感器：功能型；非功能型；拾光型第34頁，課件共96頁，創(chuàng)作于2023年2月§3.2傳感器§3.2.2電阻式傳感器金屬應(yīng)變式傳感器

將物理量的變化轉(zhuǎn)換為敏感元件應(yīng)力的變化致使電阻值改變，再通過轉(zhuǎn)換電路變?yōu)橄鄳?yīng)的電信號(hào)輸出。工作原理：第35頁，課件共96頁，創(chuàng)作于2023年2月§3.2傳感器應(yīng)變片構(gòu)造與分類：第36頁，課件共96頁，創(chuàng)作于2023年2月§3.2傳感器彈性敏感元件基本特性：非線性度、彈性滯后、彈性后效、固有頻率第37頁，課件共96頁，創(chuàng)作于2023年2月§3.2傳感器測(cè)量電路常用電橋電路，按電源性質(zhì)不同，有直流電橋和交流電橋。應(yīng)變片布置有單臂、雙臂和全橋等形式。溫度誤差及補(bǔ)償

溫度誤差的補(bǔ)償有橋路補(bǔ)償法和組合式自補(bǔ)償法。金屬電阻應(yīng)變式傳感器的特點(diǎn)

性能穩(wěn)定，精度高（0.05%~0.015%）；測(cè)量范圍寬（0.03~1000MPa）；結(jié)構(gòu)簡單，使用方便；對(duì)環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)。

第38頁，課件共96頁，創(chuàng)作于2023年2月§3.2傳感器半導(dǎo)體壓阻式傳感器金屬電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用應(yīng)變片可直接貼于被測(cè)試件上，也可貼于各種彈性敏感元件上，構(gòu)成測(cè)量各種物理量的傳感器，再接入測(cè)量電橋，常用于力、壓力、位移、加速度和扭矩的測(cè)量。工作原理壓阻式傳感器的典型結(jié)構(gòu)第39頁，課件共96頁，創(chuàng)作于2023年2月§3.2傳感器壓阻式傳感器的特點(diǎn)及應(yīng)用

靈敏度高；固有頻率高，響應(yīng)快；結(jié)構(gòu)簡單，可方便地實(shí)現(xiàn)微型化，易于批量生產(chǎn)；精度高；工作可靠，抗振、抗干擾能力強(qiáng)。電阻和靈敏系數(shù)的熱穩(wěn)定性差，使用溫度范圍受到一定的限制，在溫度變化大的環(huán)境中使用時(shí)，必須進(jìn)行溫度補(bǔ)償；量程小，在測(cè)量大應(yīng)變時(shí)，非線性較嚴(yán)重；受腐蝕性氣體影響大、工藝復(fù)雜、要求嚴(yán)格、成本較高。這類傳感器在航空、航天及風(fēng)洞等方面得到廣泛應(yīng)用。

第40頁，課件共96頁，創(chuàng)作于2023年2月§3.2傳感器§3.2.3電容式傳感器變面積式電容傳感器第41頁，課件共96頁，創(chuàng)作于2023年2月§3.2傳感器變介電常數(shù)式電容傳感器第42頁，課件共96頁，創(chuàng)作于2023年2月§3.2傳感器變間隙式電容傳感器第43頁，課件共96頁，創(chuàng)作于2023年2月§3.2傳感器差動(dòng)電容傳感器第44頁，課件共96頁，創(chuàng)作于2023年2月§3.2傳感器

有電橋電路、運(yùn)算放大器電路、調(diào)頻電路、二極管環(huán)型檢波電路、脈寬調(diào)制電路等。運(yùn)算放大器電路原理測(cè)量電路第45頁，課件共96頁，創(chuàng)作于2023年2月§3.2傳感器電容傳感器的特點(diǎn)及應(yīng)用特點(diǎn)：1、輸入能量小，靈敏度高；2、動(dòng)態(tài)特性好；3、結(jié)構(gòu)簡單，環(huán)境適應(yīng)性好；4、非線性較大；5、外界電容影響大。應(yīng)用：1、可直接測(cè)量直線位移，角位移和介質(zhì)的幾何尺寸以及動(dòng)態(tài)的直線振動(dòng)和角振動(dòng)；2、單極式變間隙電容傳感器常用于金屬表面狀況、距離尺寸、振幅等測(cè)量；3、用于力、壓力測(cè)量時(shí)，要用彈性元件先將壓力轉(zhuǎn)換成電容間距的變化；4、可變介電常數(shù)式電容傳感器常用于液位測(cè)量和溫度濕度測(cè)量。第46頁，課件共96頁，創(chuàng)作于2023年2月§3.2傳感器§3.2.4電感式傳感器自感型——可變磁阻式傳感器

利用電磁感應(yīng)原理，把位移、振動(dòng)、壓力、流量等轉(zhuǎn)換為電感線圈電感量變化的一種裝置。傳感器靈敏度：S=L/δ，一般取Δδ/δ0≤0.1，Δδ=0.001~1mm第47頁，課件共96頁，創(chuàng)作于2023年2月§3.2傳感器互感型——差動(dòng)變壓器式傳感器常用可變磁阻式傳感器的典型結(jié)構(gòu)可變導(dǎo)磁面積型變氣隙差動(dòng)型單螺管線圈型雙螺管線圈差動(dòng)型ie1=-M1(di/dt)e2=-M2(di/dt)第48頁，課件共96頁，創(chuàng)作于2023年2月§3.2傳感器測(cè)量電路銜鐵移動(dòng)使互感系數(shù)M1和M2變化，從而輸出e0。差動(dòng)變壓器式傳感器的后接電路，需要采用即能反映銜鐵位移的大小和方向，又能補(bǔ)償零點(diǎn)殘余電壓的相敏檢波輸出電路。第49頁，課件共96頁，創(chuàng)作于2023年2月§3.2傳感器差動(dòng)變壓式傳感器的特點(diǎn)第50頁，課件共96頁，創(chuàng)作于2023年2月§3.2傳感器§3.2.5電渦流式傳感器高頻反射式電渦流傳感器線圈的阻抗Z=F(d,I,r,ρ,μ,ω)d：距離；r：尺寸因子；I、ω：激勵(lì)電流強(qiáng)度和頻率；ρ、μ：金屬材料電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率

高頻磁場(chǎng)不能透過一定厚度的金屬板，表面渦電流反作用于線圈，導(dǎo)致線圈電感的變化。常用于測(cè)量探頭與金屬板之間距離的變化。第51頁，課件共96頁，創(chuàng)作于2023年2月§3.2傳感器低頻透射式電渦流傳感器

低頻激勵(lì)貫穿深度大，金屬材料的厚度和電阻率，影響低頻激勵(lì)的貫穿深度，從而影響感生交變電勢(shì)u2，因此低頻激勵(lì)適用于測(cè)金屬材料的厚度。激勵(lì)頻率較低（1KHz）時(shí)，線性好，測(cè)量范圍大，但靈敏度低。如金屬材料的厚度較小時(shí)，采用較高的激勵(lì)頻率以提高靈敏度。另外，金屬材料的電阻率較小時(shí)，用較低的激勵(lì)頻率（0.5KHz），而電阻率較大時(shí)，用較高的激勵(lì)頻率（2KHz）。第52頁，課件共96頁，創(chuàng)作于2023年2月§3.2傳感器測(cè)量電路1.電橋電路：可以把線圈的阻抗作為電橋的一個(gè)橋臂，但通常用兩個(gè)相同的電渦流線圈組成差動(dòng)傳感器。2.諧振電路：通常采用一個(gè)電容與電渦流線圈并聯(lián)，構(gòu)成并聯(lián)諧振LC回路。第53頁，課件共96頁，創(chuàng)作于2023年2月§3.2傳感器被測(cè)體的材料、形狀和大小對(duì)測(cè)量的影響

被測(cè)體是非磁性材料時(shí)，傳感器的靈敏度較高；被測(cè)體是磁性材料時(shí)，磁導(dǎo)率將影響電渦流線圈的感抗和等效品質(zhì)因數(shù)，靈敏度要根據(jù)具體情況而定。一般情況下，被測(cè)體電導(dǎo)率越高，靈敏度越高，在相同量程下，其線性范圍越寬。被測(cè)體面積比傳感器檢測(cè)線圈大得多時(shí)，靈敏度基本不變，被測(cè)體面積比傳感器檢測(cè)線圈小時(shí)，靈敏度下降。被測(cè)體厚度一般需要在0.2mm以上。測(cè)量時(shí)要盡量避開其它導(dǎo)體。第54頁，課件共96頁，創(chuàng)作于2023年2月§3.2傳感器電渦流傳感器的應(yīng)用1.位移測(cè)量2.振幅測(cè)量3.轉(zhuǎn)速測(cè)量4.渦流探傷測(cè)量第55頁，課件共96頁，創(chuàng)作于2023年2月§3.2傳感器§3.2.6磁電式傳感器磁電感應(yīng)式傳感器之一——?jiǎng)尤κ?/p>

通過磁電作用把被測(cè)物理量的變化轉(zhuǎn)換為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e的變化。1.線速度型：e=NBLvsinθ（常用作速度計(jì)）N：在均勻磁場(chǎng)內(nèi)參與切割磁力線的線圈匝數(shù)；L：單匝線圈有效長度；v：線圈與磁場(chǎng)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度；B：磁感應(yīng)強(qiáng)度；θ：線圈運(yùn)動(dòng)方向與磁場(chǎng)方向的夾角。2.角速度型：e=kNBAω（常用作轉(zhuǎn)速計(jì)）k：依賴于結(jié)構(gòu)的系數(shù)A：單匝線圈截面積ω：角頻率第56頁，課件共96頁，創(chuàng)作于2023年2月§3.2傳感器磁電感應(yīng)式傳感器之一——磁阻式

線圈與磁鐵不動(dòng)，有運(yùn)動(dòng)著的物體（導(dǎo)磁材料）改變磁路的磁阻，引起磁力線增強(qiáng)或者減弱，使線圈產(chǎn)生感生電動(dòng)勢(shì)。第57頁，課件共96頁，創(chuàng)作于2023年2月§3.2傳感器霍爾傳感器霍爾效應(yīng)第58頁，課件共96頁，創(chuàng)作于2023年2月§3.2傳感器霍爾元件霍爾元件結(jié)構(gòu)霍爾元件的兩種符號(hào)霍爾元件的基本電路半導(dǎo)體材料：N型鍺（Ge）銻化銦（InSb）砷化銦（InAs）第59頁，課件共96頁，創(chuàng)作于2023年2月§3.2傳感器霍爾元件的主要參數(shù)第60頁，課件共96頁，創(chuàng)作于2023年2月§3.2傳感器第61頁，課件共96頁，創(chuàng)作于2023年2月§3.2傳感器霍爾器件的誤差與補(bǔ)償（1）溫度誤差與補(bǔ)償?shù)?2頁，課件共96頁，創(chuàng)作于2023年2月§3.2傳感器（2）不等位電勢(shì)與補(bǔ)償?shù)?3頁，課件共96頁，創(chuàng)作于2023年2月§3.2傳感器霍爾元件的特點(diǎn)及應(yīng)用微位移測(cè)量轉(zhuǎn)速測(cè)量第64頁，課件共96頁，創(chuàng)作于2023年2月§3.2傳感器§3.2.7壓電式傳感器壓電效應(yīng)第65頁，課件共96頁，創(chuàng)作于2023年2月§3.2傳感器第66頁，課件共96頁，創(chuàng)作于2023年2月§3.2傳感器壓電材料的性能主要特性參數(shù)性能要求第67頁，課件共96頁，創(chuàng)作于2023年2月§3.2傳感器壓電式傳感器的輸出與測(cè)量電路

為了提高輸出靈敏度，通常將n片壓電晶體疊合使用。

對(duì)并聯(lián)法，有Q=nq，U=u，C=C0。由于輸出電荷量大，通常以電荷輸出，又因其電容量大，時(shí)間常數(shù)也大，故適用于測(cè)量慢變信號(hào)；對(duì)串聯(lián)法，有Q=q，U=nu，C=C0/n。由于輸出電壓量大，通常以電壓輸出，又因其電容量小，時(shí)間常數(shù)也小，故適用于測(cè)量瞬變信號(hào)。為防止傳感器的電荷通過測(cè)量電路的輸入電阻釋放掉，相應(yīng)的有電荷放大器和電壓放大器兩種形式的高阻抗儀器與它配套。第68頁，課件共96頁，創(chuàng)作于2023年2月§3.2傳感器壓電式傳感器的特點(diǎn)（1）屬于自源傳感器，受力后即有電壓輸出。（2）固有頻率高，適于測(cè)量動(dòng)態(tài)力。（3）靈敏度高，信噪比大，工作可靠，體積小，重量輕。（4）多數(shù)實(shí)用壓電材料，剛度大、強(qiáng)度高、工作變形小。（5）對(duì)測(cè)量電路的阻抗和傳輸電纜有要求，以防止漏電而影響測(cè)量的精度。（6）可作為壓力、溫度等測(cè)量的傳感器。第69頁，課件共96頁，創(chuàng)作于2023年2月§3.2傳感器§3.2.8熱電式傳感器熱電偶

是一種將溫度變化轉(zhuǎn)換為電勢(shì)變化的傳感器。熱電效應(yīng)接觸電勢(shì)：由不同導(dǎo)體因自由電子密度不同導(dǎo)致擴(kuò)散產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)，與材料的性質(zhì)及接觸點(diǎn)的溫度有關(guān)。溫差電勢(shì)：由于導(dǎo)體或半導(dǎo)體兩端溫度不同而產(chǎn)生的一種電動(dòng)勢(shì)，與材料的性質(zhì)及導(dǎo)體兩端的溫差有關(guān)?；芈房傠妱?shì)：第70頁，課件共96頁，創(chuàng)作于2023年2月§3.2傳感器熱電偶的基本定理（1）均質(zhì)導(dǎo)體定律：用均勻?qū)w組成閉合回路，則不論此導(dǎo)體是否存在溫度梯度，均不產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。第71頁，課件共96頁，創(chuàng)作于2023年2月§3.2傳感器（2）中間導(dǎo)體定律：在熱電偶回路中加入第3種導(dǎo)體材料時(shí)，如果兩接點(diǎn)的溫度相同，則對(duì)整個(gè)回路的熱電勢(shì)無影響。（3）中間溫度定律：對(duì)同一熱電偶，當(dāng)冷端處于恒定的中間溫度t1（t0<t1<t)，則有：（4）標(biāo)準(zhǔn)熱電極定律：任意3種導(dǎo)體A，B，C組成AB，CB，AC三種熱電偶，則有：第72頁，課件共96頁，創(chuàng)作于2023年2月§3.2傳感器熱電偶的常用材料（1）熱電極材料的基本要求（2）常用熱電偶材料鉑銠10-鉑熱電偶（S）；鎳鉻-鎳硅熱電偶（K）；鉑銠30-鉑銠6熱電偶（B）；鎳鉻-康銅熱電偶（E）；銅-康銅熱電偶（MK）；等（3）非標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶高溫：鎢錸熱電偶；低溫：金鐵-鎳鉻熱電偶第73頁，課件共96頁，創(chuàng)作于2023年2月§3.2傳感器熱電偶測(cè)溫的主要優(yōu)點(diǎn)（1）結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，制造容易，熱電偶的大小和形狀可按照需要自行配置；（2）測(cè)量溫度范圍廣，低溫用熱電偶可達(dá)-270℃，高溫用熱電偶可達(dá)3000℃；（3）測(cè)量精確度較高；（4）屬于自源傳感器，無須外加電源；（5）易于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸和測(cè)量。第74頁，課件共96頁，創(chuàng)作于2023年2月§3.2傳感器熱電偶結(jié)構(gòu)（1）普通熱電偶（2）鎧裝熱電偶（3）快速反應(yīng)薄膜熱電偶（4）快速消耗微型熱電偶第75頁，課件共96頁，創(chuàng)作于2023年2月§3.2傳感器冷端補(bǔ)償（1）冷端恒溫（2）補(bǔ)償導(dǎo)線（3）冷端補(bǔ)償器第76頁，課件共96頁，創(chuàng)作于2023年2月熱電偶的連接方式（1）單點(diǎn)連接（2）并聯(lián)連接（3）串聯(lián)連接（4）反接與熱電偶配套的測(cè)溫儀表直流電位差計(jì)、自動(dòng)電子電位差計(jì)、熱電偶溫度變送器§3.2傳感器第77頁，課件共96頁，創(chuàng)作于2023年2月§3.2傳感器熱電偶測(cè)溫誤差（1）熱電偶的分度誤差（2）動(dòng)態(tài)響應(yīng)誤差及消除（3）安裝誤差（4）導(dǎo)熱誤差（5）測(cè)量誤差：冷端補(bǔ)償不完全、補(bǔ)償導(dǎo)線使用不當(dāng)、測(cè)量儀表與測(cè)量電路電阻變化引入的誤差（6）老化誤差第78頁，課件共96頁，創(chuàng)作于2023年2月§3.2傳感器熱電阻熱電阻效應(yīng)

物質(zhì)電阻率隨本身溫度變化而變化的物理現(xiàn)象稱為熱電阻效應(yīng)。熱電阻的常用材料（1）熱電阻材料的基本要求（2）常用熱電阻鉑熱電阻；銅熱電阻；NTC型熱敏電阻熱電阻溫度計(jì)的測(cè)量儀表直流平衡電橋、自動(dòng)電子平衡電橋、熱電阻溫度變送器

第79頁，課件共96頁，創(chuàng)作于2023年2月§3.2傳感器熱電阻結(jié)構(gòu)形式熱電阻的接線形式（1）二線制（2）三線制第80頁，課件共96頁，創(chuàng)作于2023年2月§3.2傳感器熱電阻的特點(diǎn)金屬熱電阻與熱電偶相比，同樣溫度下輸出信號(hào)大，容易測(cè)量，測(cè)溫上限不及熱電偶高，但0℃下反應(yīng)較靈敏，適宜測(cè)低溫；熱電阻阻值測(cè)量必須借助外加電源，但不需冷端補(bǔ)償；熱電阻的感溫體結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積較大、熱慣性大、抗機(jī)械沖擊和振動(dòng)性能也較差，不適宜測(cè)體積狹小之處的溫度和瞬態(tài)變化的溫度。半導(dǎo)體熱敏電阻的主要優(yōu)點(diǎn)是溫度系數(shù)大，靈敏度高，電阻率較大，測(cè)量系統(tǒng)簡單，體積小，連接導(dǎo)線對(duì)測(cè)量誤差的影響小，此外，其結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格低廉，使用壽命長。主要缺點(diǎn)是性能不夠穩(wěn)定，互換性差，精度低，測(cè)量范圍有限，目前在-50℃~300℃左右，電阻與溫度呈非線性。第81頁，課件共96頁，創(chuàng)作于2023年2月§3.2傳感器§3.2.9光電式傳感器光電效應(yīng)第82頁，課件共96頁，創(chuàng)作于2023年2月§3.2傳感器光電傳感器的主要特性光照特性、光譜特性、頻率特性、溫度特性第83頁，課件共96頁，創(chuàng)作于2023年2月§3.2傳感器§3.2.10光纖傳感器第84頁，課件共96頁，創(chuàng)作于2023年2月§3.2傳感器光纖導(dǎo)光原理與分類按折射率分階躍型光纖和漸變型光纖；按傳輸模式分單模光纖和多模光纖。第85頁，課件共96頁，創(chuàng)作于2023年2月§3.2傳感器光纖傳感器的分類（1）功能型：強(qiáng)度調(diào)制型偏振調(diào)制型頻率調(diào)制型相位調(diào)制型（2）非功能型（3）拾光型第86頁，課件共96頁，創(chuàng)作于2023年2月§3.2傳感器光纖傳感器的應(yīng)用遮光式光纖溫度傳感器透射型半導(dǎo)體光纖溫度傳感器膜片反射式光纖壓力傳感器第87頁，課件共96頁，創(chuàng)作于2023年2月§3.3溫度測(cè)量溫度的物理概念溫標(biāo)宏觀概念：熱平衡狀態(tài)系統(tǒng)的宏觀性質(zhì)。微觀概念：分子平均動(dòng)能大小的量度。

攝氏溫標(biāo)華氏溫標(biāo)熱力學(xué)溫標(biāo)第88頁，課件共96頁，創(chuàng)作于2023年2月§3.3溫度測(cè)量溫度測(cè)量方法接觸式測(cè)溫方法：選擇某種物體與被測(cè)物體接觸使溫度達(dá)到平衡，利用該物體由于受熱程度不同，其物理性質(zhì)（如線性尺寸、容積、壓力、電阻、電勢(shì)、電容、壓電晶體的振動(dòng)頻率、鐵磁體的磁導(dǎo)率和渦流損失、P-N結(jié)電壓降等）隨著變化的特性來測(cè)量溫度。如雙金屬溫度計(jì)、玻璃管液體溫度計(jì)、壓力式溫度計(jì)、熱電阻、熱電偶、電容諧振溫度計(jì)、石英晶體溫度計(jì)、電