現(xiàn)代檢測技術(shù)課件全書教學(xué)教程電子教案幻燈片

現(xiàn)代檢測技術(shù)第2版普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材第1章緒論1.11.21.31.4檢測技術(shù)概述傳感器概述現(xiàn)代檢測系統(tǒng)檢測技術(shù)發(fā)展趨勢1.1檢測技術(shù)概論被測參數(shù)（物理量、化學(xué)量、生物量）參數(shù)檢測：檢查、測量、測試的總稱檢測裝置：實現(xiàn)參數(shù)檢測的變換器。三個環(huán)節(jié)：輸入單元、處理單元、輸出單元。*檢測技術(shù)：以研究信息的提取、轉(zhuǎn)換、處理為理論和技術(shù)的一門應(yīng)用技術(shù)學(xué)科。1、檢測技術(shù)基本概念2、檢測裝置（系統(tǒng)）的發(fā)展歷程第一代檢測裝置：以物理學(xué)原理為基礎(chǔ)交流電壓表天平壓力表第二代檢測裝置：電子管、晶體管為基礎(chǔ)，處理模擬電信號。例如：示波器、信號發(fā)生器等第三代檢測裝置：數(shù)字集成電路與模擬放大器等組合，具有信號處理功能儀器儀表。顯示儀表、萬用表、信號發(fā)生器、示波器等。信號發(fā)生器示波器第四代檢測裝置：以微處理器為核心的智能化儀表。波形存儲示波器。波形存儲示波器數(shù)字萬用表虛擬儀器檢測技術(shù)、計算機技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物。多參量多點檢測。虛擬示波器虛擬信號發(fā)生器PC機+數(shù)據(jù)采集卡+驅(qū)動程序+系統(tǒng)軟件虛擬儀器現(xiàn)場總線儀表水電煤氣和供熱計量遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)3、對檢測裝置的基本要求與舉例（1）能實現(xiàn)多參數(shù)、多點檢測。（2）動態(tài)參數(shù)測量，系統(tǒng)的頻帶寬。（3）實時性要求高的系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)快速信號處理。（4）能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)通信。例1感溫、感煙火災(zāi)報警系統(tǒng)集控器1中央監(jiān)控圖1-1監(jiān)控系統(tǒng)組成框圖探頭11探頭12探頭1N串行總線現(xiàn)場總線房間內(nèi)智能感溫、感煙探頭：負(fù)責(zé)檢測溫度、濃度信號、超限報警。輸出溫度、濃度信號通過串行通訊線送入集控器。樓道集控器：負(fù)責(zé)信號匯總，匯總各房間的溫度和濃度信號，并監(jiān)控各房間溫度、煙濃度是否異常，如異常，聲光報警并打開噴淋設(shè)備滅火，一層一臺。中央監(jiān)控計算機：各層集控器通過CAN總線、M-BUS總線等現(xiàn)場總線將溫度、濃度等信號送入。值班人員在電腦屏幕上直觀監(jiān)視各房間情況（溫度、煙霧濃度）。電視攝像頭：房間、樓道裝配，通過電視屏幕查看房間、樓道情況。感溫、感煙傳感器，就像人的感官。圖1-2（a）裝有溫濕度探頭的糧倉示意圖通風(fēng)口探頭通風(fēng)口通風(fēng)口例2糧倉溫濕度檢測系統(tǒng)圖1-2（b）溫濕度監(jiān)控組成框圖巡檢儀中央監(jiān)控探頭1探頭2探頭N串行總線現(xiàn)場總線糧倉分層風(fēng)機定性人通過感官感覺外界對象的刺激，通過大腦對感受的信息進(jìn)行判斷、處理，肢體作出相應(yīng)的反映。定量傳感器相當(dāng)于人的感官，稱“電五官”，外界信息由它提取，并轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)易于處理的電信號，微機對電信號進(jìn)行處理，發(fā)出控制信號給執(zhí)行器，執(zhí)行器對外界對象進(jìn)行控制。例3人與機器的功能對應(yīng)關(guān)系

圖1-3人與機器的機能對應(yīng)關(guān)系圖外界對象感官傳感器人腦微機肢體執(zhí)行器1.2傳感器概述傳感器XYY=F（X）物理量化學(xué)量生物量電量

1、*傳感器的定義（Sensor）

能夠感受規(guī)定的被測量并按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置。（GB7665—87）

*能夠?qū)⒈粶y非電量轉(zhuǎn)換為電量的裝置。（狹義）光電池、光敏電阻2、*傳感器的組成圖1-4差動電感壓力傳感器組成框圖*思考：敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、轉(zhuǎn)換電路的作用。敏感元件轉(zhuǎn)換元件敏感元件轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換電路圖1-6傳感器組成框圖被測量中間量電量電信號膜盒差動電感電橋電路圖1-5氣體壓力傳感器組成框圖PSLU0差動電感壓力傳感器組成框圖mVTT0BA（a）熱電偶IhfG(b)光電池f+++++–––––Q(c)壓電傳感器RRTR0RU0Ui(d)熱敏電阻傳感器圖1-7傳感器組成電路課堂練習(xí)：畫出上述傳感器組成框圖3、傳感器分類（1）按能量轉(zhuǎn)換情況能量控制型傳感器:需外供電源，只起信號轉(zhuǎn)換，不起能量轉(zhuǎn)換。

RRTR0RU0Ui能量轉(zhuǎn)換型傳感器：不需外加電源，本身起能量轉(zhuǎn)換。f+++++–––––Q（2）按物理工作原理分類（教科書）按傳感器的結(jié)構(gòu)、原理、測量電路及應(yīng)用講授。條理較清晰。

U0Ui（3）根據(jù)輸入物理量（用途）分類物理量：溫度、壓力、流量、料位、位移、加速度等。化學(xué)量：物質(zhì)成分、濃度、酸堿度等。生物量：血壓、心電圖、腦電波等。（4）按輸出信號的性質(zhì)分類模擬式傳感器和數(shù)字式傳感器。模擬式傳感器:輸出電壓、電流等模擬量。數(shù)字式傳感器：輸出數(shù)字量、脈沖量。光柵、數(shù)字編碼器、CCD傳感器等。4、傳感器的發(fā)展趨勢（1）不斷提高傳感器的性能,擴大應(yīng)用范圍（測量精度、穩(wěn)定性、可靠性、分辨率、測量范圍、抗干擾能力等）（2）開發(fā)新型傳感器發(fā)現(xiàn)新效應(yīng)材料。用單晶硅、多晶硅、非晶硅制作光電池。光伏發(fā)電。采用新工藝、新技術(shù)。如納米技術(shù)、MEMS技術(shù)開發(fā)微型傳感器，用于工業(yè)、醫(yī)療與軍事等領(lǐng)域。（3）研制集成化、多功能和智能化傳感器傳感器TPQY多功能化智能化：微機加傳感器。數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、邏輯判斷、串行通信等。（4）系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化、傳感器微型化無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。圖1-8溫度傳感器圖1-9壓力傳感器傳感器實例

圖1-10液位傳感器1.3現(xiàn)代檢測系統(tǒng)1、*結(jié)構(gòu)組成傳感器處理單元輸出單元圖1-11檢測系統(tǒng)組成框圖被測量電信號有效電信號傳感器的轉(zhuǎn)換精度直接決定檢測系統(tǒng)的精度。處理單元的種類隨傳感器種類的不同而不同。輸出單元不同，檢測系統(tǒng)的叫法不同。傳感器處理單元顯示器記錄儀自動檢測系統(tǒng)傳感器處理單元計數(shù)器累加器自動計量系統(tǒng)傳感器處理單元報警器自動保護(hù)系統(tǒng)傳感器處理單元圖像輸出自動診斷自動識別系統(tǒng)圖1-12檢測系統(tǒng)的類型傳感器處理單元顯示器記錄儀自動檢測系統(tǒng)電子體溫計電子血壓計傳感器處理單元計數(shù)器累加器自動計量系統(tǒng)電子水表煤氣表傳感器處理單元報警器自動保護(hù)系統(tǒng)感煙報警器感溫報警器傳感器處理單元圖像輸出自動診斷自動識別系統(tǒng)拍照及指紋識別考勤機（1）基本檢測型2、應(yīng)用類型A/D微機對象傳感器輸出信號調(diào)理圖1-13（a）基本檢測型組成框圖實時檢測鍋爐溫度，溫度超過95℃報警，測量溫度范圍0～110℃。熱電偶溫度傳感器將溫度轉(zhuǎn)換為mV電壓，0～110℃轉(zhuǎn)換為0～10mV。經(jīng)過放大器放大到0～2V。送10位A/D轉(zhuǎn)換器離散為數(shù)字量。微機根據(jù)測得的數(shù)字量計算得到溫度值。送顯示器顯示，同時判斷溫度是否超過95℃，超過報警。A/D轉(zhuǎn)換器微機傳感器1顯示多路轉(zhuǎn)換器傳感器2傳感器n打印報警通信可編程增益放大器ABCX1X2Xn圖1-13（b）基本檢測型組成框圖（2）標(biāo)準(zhǔn)接口型PC機為控制器，配置總線接口卡板，（CAN總線、RS485總線、USB、虛擬儀器采集卡）應(yīng)用相應(yīng)通信協(xié)議，數(shù)據(jù)采集處理，通信。PC機（帶相應(yīng)總線接口卡）帶GPIB儀器帶VXI儀器虛擬儀器網(wǎng)絡(luò)帶RS485儀器帶現(xiàn)場總線儀器帶USB接口儀器（3）控制型給定值A(chǔ)/D微機對象傳感器D/A信號調(diào)理給定單元控制器電動調(diào)節(jié)閥上水箱液位變送器XRXiXe擾動圖1-14控制型組成框圖Lθ執(zhí)行器LTLT液位控制器液位變送器電動調(diào)節(jié)閥泵儲水箱上水箱下水箱圖1-15水箱液位控制（過程控制）例1置于現(xiàn)場,將過程量轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)信號的裝置。位于過程控制的反饋通道,相當(dāng)于生產(chǎn)過程的感官。圖1-16變送單元圖1-17冷軋帶鋼板板厚控制（運動控制）檢測板厚控制器液壓執(zhí)行機構(gòu)軋輥帶鋼例2給定厚度A/D微機軋機板厚傳感器D/A信號調(diào)理H1.4檢測技術(shù)的發(fā)展趨勢微(小)型化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、硬件平臺通用化、軟件多功能化。微(小)型化：節(jié)材、節(jié)能、減小體積，減輕重量。智能化：硬件功能軟件化，提高性能價格比。網(wǎng)絡(luò)化：實現(xiàn)信息共享，滿足現(xiàn)代檢測需要。硬件平臺通用化、軟件多功能化：硬件模塊化，根據(jù)具體的檢測控制任務(wù)，編寫應(yīng)用程序。思考題與習(xí)題1、檢測、檢測裝置、檢測技術(shù)。2、傳感器概念、組成及各組成部分功能。3、基本檢測系統(tǒng)與控制型檢測系統(tǒng)組成框圖。各環(huán)節(jié)的作用。4、由圖1熱電偶、光電池、壓電傳感器、熱敏電阻原理圖畫出它們的組成框圖。5、由圖2上水箱液位控制系統(tǒng)工藝流圖畫出其單回路控制系統(tǒng)組成框圖。mVTT0BA（a）熱電偶IhfG(b)光電池f+++++–––––Q(c)壓電傳感器RRTR0RU0Ui(d)熱敏電阻傳感器圖1幾種傳感器工作原理圖LTLT液位調(diào)節(jié)器液位變送器電動調(diào)節(jié)閥泵儲水箱上水箱下水箱圖2上水箱液位控制系統(tǒng)工藝流圖MEMS是英文MicroElectroMechanicalsystems的縮寫，即微電子機械系統(tǒng)。微電子機械系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)是建立在微米/納米技術(shù)（micro/nanotechnology）基礎(chǔ)上的前沿技術(shù)，是指對微米/納米材料進(jìn)行設(shè)計、加工、制造、測量和控制的技術(shù)。它可將機械構(gòu)件、光學(xué)系統(tǒng)、驅(qū)動部件、電控系統(tǒng)集成為一個整體單元的微型系統(tǒng)。這種微電子機械系統(tǒng)不僅能夠采集、處理與發(fā)送信息或指令，還能夠按照所獲取的信息自主地或根據(jù)外部的指令采取行動。它用微電子技術(shù)和微加工技術(shù)(包括硅體微加工、硅表面微加工、LIGA和晶片鍵合等技術(shù))相結(jié)合的制造工藝，制造出各種性能優(yōu)異、價格低廉、微型化的傳感器、執(zhí)行器、驅(qū)動器和微系統(tǒng)。參考內(nèi)容微電子機械系統(tǒng)（MEMS）是近年來發(fā)展起來的一種新型多學(xué)科交叉的技術(shù)。它涉及機械、電子、化學(xué)、物理、光學(xué)、生物、材料等多學(xué)科。對微電子機械系統(tǒng)(MEMS)的研究主要包括理論基礎(chǔ)研究、制造工藝研究及應(yīng)用研究三類。理論研究主要是研究微尺寸效應(yīng)、微磨擦、微構(gòu)件的機械效應(yīng)以及微機械、微傳感器、微執(zhí)行器等的設(shè)計原理和控制研究等；制造工藝研究包括微材料性能、微加工工藝技術(shù)、微器件的集成和裝配以及微測量技術(shù)等；應(yīng)用研究主要是將所研究的成果，如微型電機、微型閥、微型傳感器以及各種專用微型機械投入實用。如醫(yī)療血管病變探測器、微型心臟起波器，工業(yè)用途機器人、軍事微型偵察機等。虛擬儀器第2章檢測裝置基本特性2.12.22.32.4*線性檢測裝置概述*檢測裝置的動態(tài)特性

不失真測量條件和裝置組建*檢測裝置的靜態(tài)特性2.5

檢測裝置的基本特性測試檢測裝置的特性分析與應(yīng)用參數(shù)檢測：已知裝置的特性和輸出信號,求出輸入信號。多環(huán)節(jié)檢測裝置組建：已知裝置的各個環(huán)節(jié)的特性和輸入信號,求出輸出信號。裝置的特性分析：由裝置的輸入輸出信號，推斷裝置的特性。（系統(tǒng)辯識）2.1線性檢測裝置概述線性時不變檢測裝置服從疊加性、齊次性、微分、積分和頻率保持特性。(2-1)(2-2)(2-3)(2-4)2.2檢測裝置的靜態(tài)特性1、靜態(tài)特性的定義

被測量的值處于穩(wěn)定狀態(tài)時，傳感器的輸出與輸入的關(guān)系。2、靜態(tài)特性描述：數(shù)學(xué)公式或數(shù)學(xué)模型。水銀溫度計：滑動電位器：(2-5)(2-6)

檢測裝置的輸出與輸入關(guān)系通用表達(dá)式：3、檢測裝置的靜態(tài)特性參數(shù)（1）零點（2）靈敏度(2-7)(2-8)思考：線性與非線性檢測裝置K的特點？（3）分辨力反映檢測裝置能夠有效辨別最小輸入變化量的能力。溫度檢測裝置顯示器顯示溫度變化最小值為0.01℃水表最小顯示水量為0.001m3。（4）量程反映檢測裝置能夠有效測量最大輸入變化量的能力。4、靜態(tài)特性的質(zhì)量指標(biāo)yxΔLmaxyFSxm0滯差重復(fù)性線性度靈敏度（1）滯差檢測裝置在正（輸入量增大）反（輸入量減?。┬谐唐陂g其輸出與輸入特性曲線不重合的現(xiàn)象。滯差計算式(2-9)圖2-1遲滯特性曲線傳感器機械結(jié)構(gòu)和制造工藝上的缺陷，（如軸承摩擦，間隙，螺釘松動等）一般結(jié)構(gòu)型傳感器在裝載和卸載過程中存在滯差。（2）重復(fù)性重復(fù)性誤差的計算輸入量按同一方向（增大或減?。┳魅砍踢B續(xù)多次變化時，所得特性曲線不一致的程度。(2-10)圖2-2重復(fù)性特性曲線例1:壓力傳感器，測量壓力范圍為0~100kPa,輸出電壓范圍為0~1000mV,若正反行程各10次測量，單行程傳感器最大誤差為5mV。正反形成間最大誤差為6mV，求重復(fù)性誤差及滯差。（3）線性度檢測裝置的輸出與輸入之間數(shù)量關(guān)系的線性程度。①檢測裝置非線性大小的確定線性度的計算公式(2-11)校準(zhǔn)曲線（實測曲線）yxΔLmaxyFSxm0擬合直線（理想直線）2-3端點連線擬合溫度儀恒溫油槽標(biāo)準(zhǔn)水銀溫度計傳感器探頭可控硅溫度控制儀標(biāo)準(zhǔn)器具T例：溫度校準(zhǔn)曲線測定X水Y儀yFS0xMxyΔLmaxyFS0xMxyΔL2ΔL1yxΔLmaxyFSxm0yxyFSxm02-3(c)端點連線擬合2-3(b)過零旋轉(zhuǎn)擬合2-3(a)理論擬合2-3(d)最小二乘擬合②擬合直線的選取方法目的:1、用擬合直線代替校準(zhǔn)曲線，方便計算。

2、檢驗傳感器或儀表是否合格。用最小二乘法建立擬合直線（曲線）（1）實測n對測量數(shù)據(jù)（xi,yi）,建立擬合直線方程

Y=b+kX（2-12）（2）應(yīng)用最小二乘法原理使各測量數(shù)據(jù)點yi與直線輸出Y（計算）偏差的平方和為最小。

(2-13)(2-14)(2-15)(2-16)(2-17)（3）求取參數(shù)建立擬合直線例2:壓力傳感器，測量壓力范圍為0~100kPa,輸出電壓范圍為0~1000mV,

實測壓力值，傳感器輸出電壓為518mV，標(biāo)準(zhǔn)傳感器輸出電壓為515mV。假設(shè)此點測量誤差最大。（1）非線性誤差。（2）設(shè)傳感器為線性傳感器，求靈敏度。（5）穩(wěn)定性和可靠性穩(wěn)定性：在規(guī)定的工作條件下，在規(guī)定的時間內(nèi)，裝置性能保持不變的能力。裝置的穩(wěn)定性取決于其內(nèi)部元器件的穩(wěn)定性?？煽啃裕涸诒３质褂铆h(huán)境和運行指標(biāo)不超過極限的情況下，裝置性能保持不變的能力。裝置的穩(wěn)定性和可靠性取決于其內(nèi)部元器件的可靠性和抗干擾措施的優(yōu)劣。衡量裝置可靠性的指標(biāo)：平均無故障時間（MTBF：MeanTimeBetweenfailures）標(biāo)準(zhǔn)工作條件下，若干臺儀器連續(xù)工作無故障工作間隔時間。故障率：單位時間若干臺儀器出現(xiàn)故障的臺數(shù)。（6）輸入輸出電阻串聯(lián)環(huán)節(jié)組成檢測裝置，要求各個環(huán)節(jié)輸入電阻越大，輸出電阻越小越好。保持信號不衰減。5、檢測裝置的標(biāo)定在標(biāo)準(zhǔn)條件下，由標(biāo)準(zhǔn)器具給出一系列已知輸入量，對待測裝置輸入輸出關(guān)系進(jìn)行測量處理過程。標(biāo)準(zhǔn)裝置待測裝置XY2Y1標(biāo)準(zhǔn)器具校準(zhǔn)將檢測裝置在使用一定時間后進(jìn)行性能復(fù)測。標(biāo)定特點：輸入確定，測試并對比輸出，計算質(zhì)量參數(shù)，確定是否合格。（1）將檢測裝置全量程分成若干個等間距點。（2）對檢測裝置進(jìn)行正、反行程全量程多點多次測試，得到輸出－輸入測試數(shù)據(jù)用表格列出或畫成曲線。（3）對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，根據(jù)處理結(jié)果確定檢測裝置的線性度、靈敏度、滯后和重復(fù)性等靜態(tài)特性指標(biāo)。（4）根據(jù)國家對同類檢測裝置的性能指標(biāo)要求，確定檢測裝置是否合格。

靜態(tài)特性標(biāo)定的步驟恒溫油槽標(biāo)準(zhǔn)水銀溫度計可控硅溫度控制儀標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻T待標(biāo)定鉑電阻2-5鉑電阻標(biāo)定系統(tǒng)

鉑電阻標(biāo)定系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)溫度值標(biāo)準(zhǔn)電阻值待測電阻值0.001000.001000.0110.001039.031039.0520.001077.941077.9730.001116.731116.7640.001155.411155.4450.001193.971193.9960.001232.421232.4670.001270.751270.7880.001308.971308.9990.001347.071347.10100.001385.061385.092.3檢測裝置的動態(tài)特性1、定義傳感器輸出對隨時間變化的輸入量的響應(yīng)特性。

2、研究方法時域瞬態(tài)響應(yīng)法，標(biāo)準(zhǔn)的輸入信號階躍輸入。頻域頻率響應(yīng)法，標(biāo)準(zhǔn)的輸入信號正弦輸入。動態(tài)特性的三種表示方法微分方程、傳遞函數(shù)、頻率響應(yīng)特性微分方程（時域）傳遞函數(shù)（復(fù)域）(2-18)(2-19)頻率響應(yīng)特性（頻率域）3、輸出信號不失真條件(2-20)(2-21)4、常見裝置的數(shù)學(xué)模型（1）一階裝置的傳遞函數(shù)CKX（t）y（t）A

圖2-6（a）彈簧-阻尼器一階環(huán)節(jié)(2-22)v（t）RCu（t）圖2-6（b）電容-電阻RC電路一階環(huán)節(jié)的時間常數(shù)和放大倍數(shù)取決于裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)。(2-23)對比（2）二階裝置的傳遞函數(shù)y（t）CKf（t）m圖2-7（a）質(zhì)量-彈簧-阻尼器二階環(huán)節(jié)質(zhì)量-彈簧-阻尼器二階環(huán)節(jié)運動方程(2-24)v（t）RCu（t）L圖2-7（b）電感-電容-電阻RLC電路電感-電容-電阻RLC電路回路方程（KVL）(2-25)等效為二階系統(tǒng)微分方程(2-26)例：壓電加速度傳感器動態(tài)特性用微分方程描述Q：輸出電荷（PC）a：輸入加速度(m/s2)。求靜態(tài)靈敏系數(shù)固有振蕩頻率阻尼系數(shù)對比5、瞬態(tài)響應(yīng)特性（1）一階環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)圖2-8一階環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)(2-27)1t0x1t00.632y從階躍信號作用開始，到輸出增加到穩(wěn)態(tài)輸出的0.632倍時所花時間。動態(tài)誤差的計算？減小動態(tài)誤差的方法？(2-28)(2-29)（2）二階環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)(2-30)圖2-10二階環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)合理選擇傳感器參數(shù)，響應(yīng)即快速，超調(diào)量小。思考題與習(xí)題

1、靜態(tài)特性概念及其性能指標(biāo)（非線性、重復(fù)性、遲滯、靈敏度）性能指標(biāo)的概念、公式、計算。壓力傳感器，測量壓力范圍為0~100kPa,輸出電壓范圍為0~1000mV,

實測壓力值，傳感器輸出電壓為512mV，標(biāo)準(zhǔn)傳感器輸出電壓為510mV。假設(shè)此點測量誤差最大。（1）非線性誤差。（2）若重復(fù)10次測量，最大誤差為3mV。重復(fù)性誤差。（3）若正反行程各10次測量，正反形成間最大誤差為4mV，求遲滯。（4）設(shè)傳感器為線性傳感器，求靈敏度。2、3、何為檢測裝置的標(biāo)定，標(biāo)定的目的及方法。4、傳感器動態(tài)特性及其描述方法。5、總結(jié)一階、二階檢測裝置動態(tài)特性的研究方法。說明為何一階檢測裝置只能用于測量慢變或低頻信號？6、對檢測裝置輸入阻抗和輸出阻抗的大小有何要求？3.13.23.3

電阻式傳感器

電容式傳感器

電感式傳感器

第3章電參量檢測裝置3.1電阻式傳感器敏感元件轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換電路被測量中間量電阻電信號

電阻式傳感器組成

電阻式傳感器分類磁敏電阻式電阻應(yīng)變式、壓阻式熱阻式光敏電阻式濕敏電阻式一、電阻應(yīng)變式傳感器彈性體（F→ε）F應(yīng)變片ε→△R電橋電路△R→U0

彈性體應(yīng)變片電橋電路

x（力、加速度、荷重等）應(yīng)變電阻變化電壓應(yīng)變片：利用金屬絲的電阻應(yīng)變效應(yīng)或半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)制成的一種轉(zhuǎn)換元件。分類：電阻絲應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片。電阻應(yīng)變式傳感器定義

彈性敏感元件電阻應(yīng)變片測量電路（電橋）1、電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)

圖3-1電阻絲應(yīng)變片結(jié)構(gòu)圖3-2半導(dǎo)體應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)敏感柵感受應(yīng)變，并將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻的變化。基底絕緣及傳遞應(yīng)變。由紙薄、膠質(zhì)膜等制成。粘結(jié)劑敏感柵與基底、基底與試件、基底與覆蓋層之間的粘結(jié)。覆蓋層保護(hù)作用。防濕、蝕、塵。引線（低阻易焊）連接電阻絲與測量電路，輸出電參量。（3×10）mm2

，120Ω應(yīng)變片規(guī)格金屬絲受拉時，l變長、r變小，導(dǎo)致R變大。2、電阻應(yīng)變片的應(yīng)變效應(yīng)圖3-3電阻絲的應(yīng)變效應(yīng)應(yīng)變片沿軸向受到拉伸或壓縮，其阻值增大或減小，此現(xiàn)象為電阻應(yīng)變效應(yīng)。

(3-1)截面為圓形的單根金屬電阻絲(3-2)當(dāng)電阻絲受到拉力F作用時,

相對變化量表示(3-3)對于半徑為r的圓導(dǎo)體

（3-4）在彈性范圍內(nèi)，軸向應(yīng)變與徑向應(yīng)變關(guān)系為（3-5）（3-6）（3-7）*電阻絲應(yīng)變片應(yīng)變效應(yīng)表達(dá)式（3-8）（3-9）*半導(dǎo)體應(yīng)變片應(yīng)變效應(yīng)表達(dá)式3、電阻應(yīng)變片的特性（1）應(yīng)變片的靈敏系數(shù)Kμ=0.285鋼件確定方法：實驗測定確定過程：應(yīng)變片F(xiàn)F應(yīng)力儀測出εX電位差計測△R/R

圖3-4應(yīng)變片K確定方法（2）*橫向效應(yīng)圖3-5應(yīng)變片的軸向受力與橫向效應(yīng)定性分析（a）應(yīng)變片示意圖（b）圓弧段局部放大圖定量分析應(yīng)變片置于二維應(yīng)力場，即有，又有。（3-9）圓弧段橫向收縮引起阻值減小量對軸向伸長引起阻值增加量起著抵消作用。此現(xiàn)象為橫向效應(yīng)。橫向效應(yīng)同樣應(yīng)變阻值變化減小，K值減小。橫向效應(yīng)的結(jié)果加長敏感柵縱柵，加寬縮短橫柵，消除圓弧。箔式和薄膜式應(yīng)變片橫向效應(yīng)可忽略。減小橫向效應(yīng)的措施4、*應(yīng)變片的溫度誤差及補償

（1）溫度誤差

由于測量現(xiàn)場環(huán)境溫度的改變而給測量帶來的附加誤差,稱為應(yīng)變片的溫度誤差。

產(chǎn)因之一:電阻絲溫度系數(shù)的影響（3-10）產(chǎn)因之二:試件材料與電阻絲材料的線膨脹系數(shù)的影響（3-11）（3-12）（3-13）F溫度變化△T,試件伸長量應(yīng)變片伸長量應(yīng)變片附加伸長量（3-15）（3-14）（3-16）（3-17）（2）溫度補償

方法一:應(yīng)變片的自補償法

特種應(yīng)變片△T≠0→εT=0熱處理等方法使電阻絲材料與被測材料配合恰當(dāng)。選擇式應(yīng)變片的自補償法

（3-18）雙金屬敏感柵自補償應(yīng)變片兩段敏感柵的電阻大小選擇（3-19）圖3-6雙金屬敏感柵自補償R1R2方法二:橋路補償法*補償原理：橋路相臨兩臂增加相同電阻，對電橋輸出無影響。

圖3-7橋路補償方法FR3RBR4R1UU0R1RBF工作片補償片

電橋輸出U0=A（R1R4－RBR3）（3-20）溫度補償條件是什么？無應(yīng)變時的電橋輸出Uo=A［（R1+ΔR1t）R4－

(RB+ΔRBt)R3］=0電橋輸出電壓為

Uo=AR1R4KεUo與ε成單值函數(shù)關(guān)系。與溫度變化無關(guān)。結(jié)論：單臂橋加補償片可實現(xiàn)溫度補償。應(yīng)變輸出ΔR1=R1Kε

（3-21）有應(yīng)變時3、電阻應(yīng)變片的測量電路CR1R2R4R3UAABDU0圖3-8不平衡直流電橋U0=？等臂電橋四個橋臂均為應(yīng)變片，感受應(yīng)變。U0=？（3-22）四個臂為應(yīng)變片工作時，其電阻變化ΔR

（1）不平衡電橋電路的輸出（3-23）輸出電壓推導(dǎo)方法一（公式法）（3-24）輸出電壓推導(dǎo)方法二（全微分方程法）①單臂電橋CR1FU0R1＋⊿R1R4R3UR2圖3-10單臂電橋圖3-9懸臂梁應(yīng)變DBA（3-25）兩種方法推導(dǎo)出（3-26）②差動電橋R1R2F圖3-11差動直流電橋U0R1＋⊿R1R4R3UR2－⊿R2CDBA③全橋差動電路R2－⊿R2R4＋⊿R4U0R1＋⊿R1UR3－⊿R3圖3-12全橋差動電路（3-27）R1R4R3R2FCDAB結(jié)論：半橋與全等臂橋輸入輸出成線性關(guān)系。半橋靈敏度是單臂橋的兩倍，全等臂橋靈敏度是單臂橋的四倍。半橋與全等臂電橋具有溫度補償作用。CSY10傳感器綜合實驗儀驗證。討論：①什么情況下電橋的輸出電壓與應(yīng)變成線性關(guān)系?②半橋和全橋電路為了產(chǎn)生最大輸出電壓,應(yīng)變片應(yīng)如何連接到電橋上?③如何提高轉(zhuǎn)換電路的靈敏度?結(jié)論：①單臂橋ΔRi<<R時，電橋的輸出電壓與應(yīng)變成線性關(guān)系。半橋與全臂橋無此限制。②為了產(chǎn)生最大輸出電壓,應(yīng)使一個對角線應(yīng)變片受拉,另一對對角線應(yīng)變片受壓。③電橋供電電壓U越高，輸出電壓U0和靈敏度越大。（應(yīng)使工作電流小于允許電流）④增大電阻應(yīng)變片的靈敏系數(shù)K，可提高電橋的靈敏度。（2）非線性誤差及其補償單臂電橋，即R1橋臂變化ΔR，理想的線性關(guān)系實際輸出電壓非線誤差誤差（3-28）（3-29）（3-30）輸出電壓受環(huán)境溫度的影響。消除了環(huán)境溫度的變化對輸出的影響。（3）測量電路與溫度補償恒壓源

恒流源

（3-31）（3-32）圖3-13恒壓（流）源供電電橋R－△R＋△RTR－△R＋△RTR＋△R＋△RTR＋△R＋△RTABCD應(yīng)用:測量力、位移、加速度、扭矩等。4、電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用電子秤汽車衡

機械手夾緊汽車衡稱重系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式：柱式、懸臂梁式、環(huán)式和輪輻式等。(c)薄壁環(huán)式(d)輪輻式（a）柱式(b)懸臂梁式圖3-14各種彈性體結(jié)構(gòu)圖電阻應(yīng)變傳感器的制作

彈性元件的制作加工。應(yīng)變片的正確粘貼。應(yīng)變片的連線接橋。（1）柱（筒）式力傳感器（a）實心圓柱；（b）空心圓筒；圖3-15柱式力彈性體結(jié)構(gòu)圖R5R8R7R6R1R2R3R4圖3-16柱式貼片及電橋電路連接圖R5R8R7R6R1R2R3R4UoUi縱向?qū)ΨQ應(yīng)變片兩兩串接的目的？（偏心載荷時對測量結(jié)果有無影響？）橫向貼片的作用？縱向?qū)ΨQ兩兩串接為了減小偏心載荷及彎矩的影響。橫向貼片作溫度補償用。討論橫向應(yīng)變片的應(yīng)變?yōu)椋?-33）（3-34）接成差動全等臂電橋，總的應(yīng)變?yōu)殡姌蜉敵鰹椋?-35）（3-36）縱向應(yīng)變片的應(yīng)變?yōu)檩敵鲭妷罕磉_(dá)式圖3-17等截面梁應(yīng)變傳感器結(jié)構(gòu)圖R1R2lFWhR3R4

（2）懸臂梁式力傳感器①結(jié)構(gòu)輸出電壓為（2-38）（2-39）②輸出電壓表達(dá)式（2-37）傳感器為懸臂梁式傳感器。懸臂梁端部受質(zhì)量塊慣性力作用，距端部L處的應(yīng)變?yōu)榻映扇珮蚩倯?yīng)變?yōu)楣残?將應(yīng)變片貼于應(yīng)變值最大的點上，接于全橋電路，產(chǎn)生較大輸出（具有較高的靈敏度）注意對角線上的應(yīng)力狀態(tài)一致不同點:結(jié)構(gòu)不同,敏感元件的應(yīng)變與被測力關(guān)系不同。各性能參數(shù)有所不同,應(yīng)用范圍有所不同。（查手冊）總結(jié)各種結(jié)構(gòu)電阻應(yīng)變傳感器的共性是什么？不同之處是什么？圖3-18壓阻式壓力傳感器結(jié)構(gòu)簡圖①結(jié)構(gòu)低壓腔高壓腔硅杯引線硅膜片（3）壓阻式壓力傳感器②膜片上徑向應(yīng)力σr和切向應(yīng)力σt的分布（3-40）（3-41）沿徑沿兩側(cè)采用擴散工藝制作四個電阻。③應(yīng)變片的制作及電橋輸出電壓CR1R2R4R3UAVDDBDV0V01R5R5RgR6R6R7R7V02V1V2疊加定理（4）實用測量電路金屬熱電阻和半導(dǎo)體熱敏電阻。熱電阻傳感器是利用導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻值隨溫度變化的特性對與溫度相關(guān)的參量進(jìn)行檢測的裝置。1、定義測溫、測溫范圍主要在中低溫區(qū)（－200℃～650℃）2、應(yīng)用3、分類二、熱電阻傳感器4、金屬熱電阻鉑熱電阻（1）熱電阻的結(jié)構(gòu)圖3-19熱電阻結(jié)構(gòu)圖鉑電阻Rt＝R0［1+At+Bt2+Ct3(t－100)］（3）熱電特性（RT～T）

T在－200~0℃時T在0~650℃時對純度一定的鉑熱電阻，A、B、C為一常數(shù)。Rt

＝

R0(1+At+Bt2)（3-42）（3-43）Rt

＝

R0(1+At)精度要求不高時（3-44）查分度表法：根據(jù)Rt與t的關(guān)系，每隔0.1℃制成即Rt與t的關(guān)系表，測得熱電阻的阻值Rt，從分度表上查出對應(yīng)的溫度值。離線查表法與在線查表法。（3）測量溫度的方法公式計算法：由測得的熱電阻阻值，由熱電特性公式計算出相應(yīng)的溫度值。求RT的反函數(shù)T。R0=100Ω和R0=1000Ω及R0=500Ω三種,分度號分別為Pt100、Pt1000和Pt500。

（4）鉑熱電阻的種類RT（5）鉑熱電阻的溫度系數(shù)（3-45）TRTR0溫度系數(shù)是常數(shù)還是漸變的利用半導(dǎo)體材料的電阻率隨溫度變化而變化的性質(zhì)而制成的溫度敏感元件。（1）定義2、熱敏電阻（2）工作機理價帶導(dǎo)帶圖3-20熱電阻工作機理圖圓片形二極管形珠形玻璃管形（3）熱電特性（RT～T）RT=R0eB(1/T—1/T0)（3-46）T=373.15K(100℃)，T0=293.15K(20℃)測量R20、R100，計算B材料常數(shù)B的確定（3-47）溫度靈敏度的確定（3-48）（4）熱敏電阻的伏安特性

圖3-21熱敏電阻的伏安特性

避免電流過大，電阻體產(chǎn)生自熱。工業(yè)用鉑電阻采用三線制測量電路和四線制測量電路。3、熱電阻傳感器的應(yīng)用（1）金屬熱電阻傳感器溫度測量，測量電路采用電橋電路。圖3-22三線制測量電路

UCCRtR0U0rrrRR①三線制補償原理電橋的相臨兩個橋臂增加了相同導(dǎo)線電阻，差動輸出后，可消除導(dǎo)線電阻的影響。輸出電壓（3-49）RfRfRRR1R1Rt+U0－I圖3-23四線制測量電路②四線制補償原理（3-50）（3-51）③典型測溫電路圖3-24恒流源測量電路

恒流驅(qū)動放大低通濾波A/D滿量程輸入電壓為2V。放大倍數(shù)為5.18倍。100℃時，PT1000的阻值為PT1000上電壓為1.386V，輸出電壓為，0℃時輸出電壓為0。恒壓驅(qū)動圖3-25恒壓源測量電路

RfRfR1R0R2R2Rt+U0-R1VCC=5VR3R4R550K50K1K1M1M1M1M0.5K5K100ΩPT1000A/D滿量程輸入電壓為2V。溫度上限100℃，電橋輸出電壓為36.82mV。放大倍數(shù)為54.3倍。放大器可采用儀表放大器AD623、AD627等。在量程上限時，調(diào)節(jié)量程電阻使輸出達(dá)到2V。RGR1R0RtR1VCC=5V50K50K1KPT1000AD627V0儀表放大器溫度上限100℃，電橋輸出電壓為36.82mV輸出電壓為2V（2）熱敏電阻傳感器

①溫度控制實現(xiàn)某一小溫度范圍t1～t2的溫度控制。t<t1→RG↑→VT1導(dǎo)通（VT2導(dǎo)通）→J得電→加熱t(yī)>t2→RG↓→VT1截止（VT2截止）→J失電→停止加熱J1～J1圖3-26溫度控制器②溫度補償

補償原理△T>0，△R1>0，△R2<0，合理選擇電路參數(shù)，使錳銅絲電阻R2R1被補償元件RT圖3-27溫度補償電路三、光敏電阻１、光敏電阻的結(jié)構(gòu)與工作原理

(1)光敏電阻的結(jié)構(gòu)

圖3-28光敏電阻的電極圖案導(dǎo)帶價帶uA

圖3-29光敏電阻工作原理圖（2）工作原理光照→載流子↑→RG↓→I↑

２、光敏電阻的基本特性

（1）伏安特性一定光照，R一定，I正比于U。

圖3-30光敏電阻的伏安特性（2）光照特性（I～E）

光敏電阻的光照特性為非線性，用于自動控制元件。

圖3-31光敏電阻的光照特性無光照V0=VL。有光照V0=VH。輸出接單片機的I/O口，每2分鐘對此口查詢1次，為高電平，計數(shù)一次，為低電平，不計數(shù)。1天查詢720次。

圖3-32光敏電阻的應(yīng)用例1：光照度計（3-52）例2：光控門光敏電阻干簧管電機例3：光控開關(guān)KLN

圖3-33光敏電阻的光譜特性（3）光譜特性（Kr%～λ）應(yīng)使光的波長與光敏元件的峰值波長接近，使光電元件得到較高得相對靈敏度。（3-41）（4）頻率特性光敏電阻受到（調(diào)制）交變光作用，光電流與頻率的關(guān)系。反映光敏電阻的響應(yīng)速度。3-34調(diào)制原理圖MuA調(diào)制盤電機3-35光敏電阻的頻率特性電感傳感器的基本工作原理演示氣隙變小，電感變大，阻抗變大，電流變小3.2電感式傳感器電感式傳感器工作原理分類自感式傳感器：力、位移測量互感式傳感器：力、位移測量電渦流式傳感器：板厚測量、金屬探傷a)變間隙式氣隙型

b)變面積式截

c)螺管式螺管型3-36自感式傳感器原理圖一、自感式傳感器1、原理原理式的推導(dǎo)（3-53）（3-54）螺管式3-37變間隙式電感傳感器L-δ特性（3-55）2、變氣隙式自感傳感器靈敏度

（1）簡單變氣隙式自感傳感器靈敏度

當(dāng)Δδ/δ<<1時,可將上式用泰勒級數(shù)展開

當(dāng)銜鐵上移Δδ時當(dāng)銜鐵下移Δδ時（3-56）（2）差動變隙式電感傳感器靈敏度

1-鐵芯；2-線圈；3-銜鐵3-38差動式變間隙式電感傳感器當(dāng)銜鐵向上移動時，兩個線圈的電感變化量ΔL1、ΔL2

+D-D+D-=D-=302000202...])()()(1[ddddddLLLLú?ùê?é+???è?D+???è?D+D=-=DL42002112ddddddLLLL差動輸出結(jié)論：①差動式為簡單式電感傳感器靈敏度的2倍。②非線性減小。簡單式電感傳感器非線性誤差③克服溫度等外界共模信號干擾。（3-57）（3-58）3、變面積式自感傳感器靈敏度

輸入與輸出呈線性關(guān)系。得到較大的線性范圍。靈敏度特點（3-59）≈(1)變壓器電路圖3-39變壓器電橋4、自感式傳感器測量電路

u0z2＝ωL2z1＝ωL1u/2u/2ui傳感器銜鐵移動方向相反時銜鐵偏離中間零點向下移動時轉(zhuǎn)換電路能否實現(xiàn)辨向?（3-60）（3-61）（3-62）(2)帶相敏檢波的電橋電路圖3-40相敏檢波電路圖3-41非相敏整流和相敏整流電路輸出電壓比較(a)非相敏整流電路；（b）相敏整流電路辨別銜鐵位移方向。消除零點殘余電壓。相敏整流電路的作用當(dāng)電源u上端為正（A正），下端為負(fù)時（B負(fù)）當(dāng)電源u上端為負(fù)（A負(fù)），下端為正時（B正）在電源一個周期內(nèi)，電壓表的輸出始終為上正下負(fù)。即輸出的極性取決于銜鐵位移的方向。設(shè)銜鐵移動使Z1=Z-ΔZ，Z2=Z+ΔZ時，分析輸出電壓的極性。設(shè)銜鐵移動使Z1=Z+ΔZ，Z2=Z-ΔZ。5、自感式傳感器應(yīng)用舉例圖3-42變隙差動式電感壓力傳感器例1：C型管電感壓力傳感器敏感元件：C形彈簧管轉(zhuǎn)換元件：差動變隙自感傳感器轉(zhuǎn)換電路：變壓器電橋結(jié)構(gòu)組成輸出電壓z2＝ωL2u0z1＝ωL1u/2u/2ui滑道分選倉位例2：電感式滾柱直徑分選裝置測微儀圓柱滾子

圖3-14滾柱直徑分選裝置

1—氣缸2—活塞3—推桿4—被測滾柱5—落料管6—電感測微器7—鎢鋼測頭8—限位擋板9—電磁翻板10—容器（料斗）對不同滾柱直徑分選，送到不同分選箱中。分選流程：進(jìn)料→計算機控制電磁閥推料（B缸進(jìn)油，A缸回油）→限位處→計算機控制電磁閥撤推桿（A缸進(jìn)油，B缸回油）→測量→開門撤限位開關(guān)（滾柱到對應(yīng)直徑分選箱中）→關(guān)門復(fù)位限位開關(guān)測量原理：以標(biāo)準(zhǔn)滾柱直徑為基準(zhǔn)，銜鐵處于差動螺管傳感器中間，輸出電壓為0。滾柱直徑偏離基準(zhǔn)，銜鐵偏離中心位置，差動輸出電壓，根據(jù)輸出電壓計算出銜鐵位移，即滾柱直徑的變化，據(jù)此進(jìn)行分選。二、互感式傳感器

1、互感式傳感器的結(jié)構(gòu)與工作原理（1）結(jié)構(gòu)圖3-43螺管式差動變壓器的結(jié)構(gòu)骨架激勵線圈輸出線圈銜鐵

（2）工作原理

銜鐵處于中間位置銜鐵左移銜鐵右移u0u21u22uiM1M2圖3-44差動變壓器輸出電壓特性曲線

（3）特性曲線

2、等效電路圖3-45差動變壓器等效電路當(dāng)次級開路時,初級線圈有激勵電流二次線圈由于互感產(chǎn)生互感電動勢為設(shè)激勵電流(3-63)(3-64)(3-65)

輸出電壓的有效值為(3-66)(3-67)(1)活動銜鐵處于中間位置時

M1=M2=MU2=0(3)活動銜鐵向左移動時M1=M－ΔMM2=M+ΔM(2)活動銜鐵向右移動時M1=M+ΔMM2=M－ΔM(3-68)短路阻抗(3-69)(3-70)3、測量電路功能：測量位移的大小，辨別移動方向，消除零點殘余電壓。（1）差動整流電路整流原理把差動變壓器的兩個次級輸出電壓分別整流,然后將整流的電壓或電流的差值作為輸出。圖3-46差動整流電路①全波電壓輸出輸出電壓極性反映位移的方向。

銜鐵上移銜鐵下移圖3-46（a）全波電壓整流電路②半波電壓輸出圖3-46（b）半波電壓整流電路銜鐵上移電源正半周D1、D2導(dǎo)通電源負(fù)半周D1、D2截止（2）相敏檢波電路圖3-47相敏檢波電路

相敏檢波電路(a）被測位移變化波形圖；(b)差動變壓器激勵電壓波形；(c)差動變壓器輸出電壓波形；(d)相敏檢波解調(diào)電壓波形；(e)相敏檢波輸出電壓波形圖3-48相敏檢波電路電壓波形①相敏檢波電路電壓波形

②

電路功能

當(dāng)位移Δx>0時,u2與uS

（u1）同頻同相,u0>0。當(dāng)位移Δx<0時,u2與uS（u1）同頻反相,u0<0。

③

電路分析

Δx>0時,u2與uS為同頻同相當(dāng)u2與uS均為正半周時,等效電路

當(dāng)u2與us均為負(fù)半周時,等效電路思考當(dāng)u2與uS均為正半周時,畫等效電路u22在RL上產(chǎn)生的電壓為(3-71)當(dāng)u2與uS均為負(fù)半周時,畫等效電路輸出電壓亦為結(jié)論：位移ΔX>0,不論u2與uS是正半周還是負(fù)半周，負(fù)載RL兩端得到的電壓u0始終為正。(3-72)②當(dāng)Δx<0時,u2與uS為同頻反相。不論u2與uS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u0表達(dá)式總是為相敏檢波器輸出電壓的變化規(guī)律不僅反映了位移變化的大小，而且反映了位移的方向。結(jié)論：位移ΔX<0,不論u2與uS是正半周還是負(fù)半周，負(fù)載RL兩端得到的電壓u0始終為負(fù)。4、差動變壓器應(yīng)用1-接頭；2-膜盒；3-底座；4-線路板；5-差動變壓器線圈；6-銜鐵；7-罩殼；8-插頭；9-通孔圖3-49微壓力傳感器

圖3-50微壓力傳感器測量電路電渦流效應(yīng)：塊狀金屬導(dǎo)體置于變化的磁場中，導(dǎo)體內(nèi)將產(chǎn)生呈渦旋狀的感應(yīng)電流,此電流叫電渦流,以上現(xiàn)象稱為電渦流效應(yīng)。三、電渦流傳感器圖3-51渦流的產(chǎn)生

對位移、厚度、材料損傷等進(jìn)行非接觸式連續(xù)測量。應(yīng)用高頻反射式和低頻透射式

分類高頻反射式低頻透射式1、高頻反射式電渦流傳感器圖3-52渦流傳感器工作原理圖（1）工作原理Z=F（ρ,μ,r,f,x）Z=F（x）線圈等效阻抗Z

（2）等效電路分析線圈和導(dǎo)體的回路方程線圈阻抗反射電阻反射電感線圈的等效品質(zhì)因數(shù)Q值為X（x，ρ，μ）→△L、△

Z，△

Q→U，f。（3）傳感器的結(jié)構(gòu)線圈3-54高頻渦流傳感器的結(jié)構(gòu)插頭電纜支架框架襯套框架

并聯(lián)LC諧振（4）被測材料對諧振曲線的影響圖3-55傳感器的諧振曲線非磁材料諧振曲線右移軟磁材料諧振曲線左移定頻時圖3-56定頻調(diào)幅式測距原理電路（5）測量方法①定頻調(diào)幅法輸出電壓為高頻載波的等幅電壓或調(diào)幅電壓。波形？高頻放大器：電平抬高。檢波電路：取出等幅電壓。濾波電路：濾出高頻雜散信號，取出與距離（振動）對應(yīng)的直流電壓U0。3-57輸出特性曲線X在（1/5～1/3）D（線框直徑）

②電橋法～放大器檢波器Z1Z2RR振蕩器探頭2探頭1鋼管焊縫檢查焊縫有無缺欠，如有，Z1≠Z2，電橋輸出電壓報警。

圖3-58電橋法測量電路2、低頻透射式渦流傳感器

3-59(a)透射式渦流傳感器原理(b)線圈感應(yīng)電勢與厚度關(guān)系曲線測厚的依據(jù):

E的大小間接反映了M的厚度t（1）工作原理發(fā)射線圈接收線圈（2）影響E的因素t–板厚qs-渦流滲透深度qs

渦流密度等于j0的1/e深度。影響滲透深度的因素頻率、材料一定，板越厚，接收線圈E越小。板厚、材料一定，頻率越高，滲透深度越淺，E越小。材料一定，不同頻率下的E與t的關(guān)系

3-60不同頻率滲透深度對E=f(t)曲線的影響厚板，較低頻率薄板，較高頻率更換被測材料時,采取變頻的方法,使?jié)B透深度基本不變,靈敏度不變。測試頻率與材料關(guān)系為了得到較高的靈敏度，根據(jù)板厚選擇激勵頻率。

3、渦流式傳感器的應(yīng)用（1）厚度測量

調(diào)理電路調(diào)理電路微機或單片機顯示鍵盤設(shè)定Dx1x2d探頭A/D轉(zhuǎn)換器d=D－(x1+x2)圖3-61高頻反射式渦流測厚儀測試系統(tǒng)圖（2）轉(zhuǎn)速測量圖3-62轉(zhuǎn)速測量Z:齒數(shù)；N：每分鐘轉(zhuǎn)過齒數(shù)。（3）渦流探傷

帶鋼圓管波接管打壓制管脹波渦流探傷鋸切焊頭圖3-63波接管成型工藝流程框圖無損探傷原理裂紋檢測，缺陷造成渦流變化。火車輪檢測油管檢測比較器整形電路整形電路濾波器頻率計單片機檢波器高頻放大器高頻振蕩器轉(zhuǎn)軸風(fēng)杯外殼轉(zhuǎn)盤LCRV0u0圖3-64三杯式風(fēng)速傳感器及檢測系統(tǒng)VR（4）三杯式風(fēng)速傳感器

當(dāng)金屬片靠近探頭時，LC諧振回路失諧，阻抗下降，輸出電壓減小。V0<VR。比較器輸出低電平。當(dāng)金屬片未靠近探頭時，LC并聯(lián)諧振回路阻抗較大，輸出電壓大。V0>VR。比較器輸出高電平。圓盤轉(zhuǎn)動圈數(shù)N1=渦流產(chǎn)生的次數(shù)N2=比較器輸出脈沖數(shù)N3。工作原理風(fēng)速為v=f/K(m/s)K-風(fēng)速頻率轉(zhuǎn)換系數(shù)原理式思考：如何測得N值？如何能夠提高裝置的分辨能力？可在圓盤上等距放多個金屬片，轉(zhuǎn)一圈輸出多個脈沖。X→△C（X：位移、加速度、液位、料位、振動、濕度）

一、工作原理和類型

原理式類型變間隙式、變面積式和變介電常數(shù)式。δSε圖3-65電容傳感器原理圖

3.3、電容式傳感器圖3-66電容傳感器結(jié)構(gòu)圖變極距(δ）型變面積型(S)型變介電常數(shù)(ε)型1、變極距型電容傳感器（1）簡單變極距型電容傳感器

。靈敏度推導(dǎo)思考：若以容抗為輸出，輸入輸出關(guān)系？（2）差動變間隙式電容傳感器

圖3-67差動變間隙式電容傳感器結(jié)構(gòu)圖動極板上移Δδ

。（3）簡單與差動變間隙式電容傳感器非線性誤差簡單變間隙式電容傳感器差動變間隙式電容傳感器差動電容傳感器非線性誤差非線性誤差減小一個數(shù)量級。

2、變面積型電容傳感器圖3-68變面積型電容傳感器原理圖

（1）線位移（2）電容式角位移傳感器

當(dāng)θ=0時當(dāng)θ≠0時圖3-69電容角位移傳感器原理圖

3、變介電常數(shù)型電容式傳感器圖3-70電容式液位傳感器

（1）根據(jù)各種介質(zhì)的介電常數(shù)不同，檢測液面高度。同心圓柱狀極板，插入液體深度h，兩極板間構(gòu)成電容式傳感器（并聯(lián)）電容與液位的關(guān)系為：

（2）位移測量

圖3-71變介質(zhì)介電常數(shù)型電容傳感器當(dāng)x=0時，傳感器的初始電容為當(dāng)被測電介質(zhì)進(jìn)入極板間X深度后，引起電容相對變化量為二、電容式傳感器的測量電路1、變壓器電橋電路圖3-72變壓器電橋u0z2＝1/ωC2z1＝1/ωC1u/2u/2uiAB差動電容傳感器動極板下移差動電容傳感器動極板上移2、運算放大器電路u-ACx∑～u0C3-73運算放大器電路測量極板間的距離，輸入與輸出之間成線性關(guān)系。3、二極管雙T型電橋電路

實現(xiàn)圖3-74雙T型電橋電路U0iC1iC2±UERRC1C2RLVD1VD2電源為正半周，戴維寧定理C2二端口網(wǎng)絡(luò)電路等效成一階電路圖3-75雙T型電橋電路正半周等效電路UEL+RRRULEiC2C2RLRR的平均值負(fù)半周時電容C1的平均電流UEL+RRRULEiC1C1RRLR圖3-76雙T型電橋電路負(fù)半周等效電路1、當(dāng)e為正半周時,二極管VD1導(dǎo)通、VD2截止。方法二

由三要素法2、電源負(fù)半周輸出電流的平均值圖3-77雙T型電橋電路4、脈沖寬度調(diào)制電路

（1）工作原理正半周

上電后RS觸發(fā)器Rd=Sd=0。Q=1Q=0實現(xiàn)

Q點輸出電壓U1通過R1對C1充電。UF漸增。當(dāng)UF>Ur時，比較器IC1翻轉(zhuǎn)，Rd=1，雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器復(fù)位。圖3-78差動脈沖調(diào)寬式測量電路雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器濾波器AR1BD2D1R2U1C1GFC2IC1UrIC2SdRduAB負(fù)半周

Rd=1Sd=0，Q=0Q=1C1通過VD1快速放電，Q輸出電壓U1通過R2對C2充電。UG漸增。當(dāng)UG>Ur時，比較器IC2翻轉(zhuǎn)，Sd=1，Rd=0，雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器置位。Q=1Q=0。在A、B兩點輸出方波電壓uAB。經(jīng)低通濾波器得到其平均值U0。（2）各點（A、B、F、G）電壓的波形情況1C1=C2情況2C1>C2C1充電速度慢于C2充電速度，UA持續(xù)時間長于UB的持續(xù)時間。比較器的輸出控制雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的狀態(tài)。雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸出提供差動電容器的電壓。電容端的電壓控制比較器的翻轉(zhuǎn)。圖3-79（a）脈寬調(diào)制電路電壓波形圖3-79（b）脈寬調(diào)制電路電壓波形（3）輸出電壓的推導(dǎo)由電壓波形圖可知C1充電時，零狀態(tài)響應(yīng)線性特性調(diào)寬頻率的變化對輸出沒有影響電容式差壓變送器

高壓側(cè)進(jìn)氣口低壓側(cè)進(jìn)氣口電子線路位置內(nèi)部不銹鋼膜片的位置四、電容式傳感器的應(yīng)用四、電容式傳感器的應(yīng)用1、電容式差壓傳感器P2玻璃盤鍍金層金屬膜片C2電極引線p1C1圖3-80電容式差壓傳感器差動變壓器電橋壓力差使膜片變形產(chǎn)生位移位移使兩個電容器電容量發(fā)生變化

2、差動式電容測厚傳感器（1）結(jié)構(gòu)圖3-81差動電容測厚傳感器傳感器上下兩個極板與金屬板上下表面間構(gòu)成電容傳感器。調(diào)頻振蕩器調(diào)頻振蕩器計數(shù)器8253單片機89C51鍵盤顯示圖3-82調(diào)頻式差動電容式測厚傳感器原理圖f1,f2送計數(shù)器8253的計數(shù)口，單片機定時1秒取8253計數(shù)器中的計數(shù)值。即為f1,f2。由公式計算得dx1，dx2。

電容式接近開關(guān)在物位測量控制中的使用演示CX－C0≥0報警電容式加速度傳感器圖3-83差動式電容加速度傳感器結(jié)構(gòu)圖a→△d→△C→U0a超過閾值，啟動保護(hù)裝有傳感器的假人氣囊

加速度傳感器安裝在轎車上，可以作為碰撞傳感器。當(dāng)測得的負(fù)加速度值超過設(shè)定值時，微處理器據(jù)此判斷發(fā)生了碰撞，于是就啟動轎車前部的折疊式安全氣囊迅速充氣而膨脹，托住駕駛員及前排乘員的胸部和頭部。

使用加速度傳感器可以在汽車發(fā)生碰撞時，經(jīng)控制系統(tǒng)使氣囊迅速充氣。汽車氣囊的保護(hù)作用主要內(nèi)容3.13.23.3

電阻式傳感器

電容式傳感器

電感式傳感器敏感元件轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換電路被測量中間量電阻電信號3.1電阻式傳感器

電阻式傳感器組成

電阻式傳感器分類電阻應(yīng)變式、壓阻式、熱阻式、光敏電阻式、磁敏電阻等。一、應(yīng)變式傳感器彈性體應(yīng)變片F(xiàn)電橋電路

彈性體應(yīng)變片電橋電路

x（力、加速度、荷重等）應(yīng)變電阻變化電壓電阻應(yīng)變式傳感器定義

它是利用彈性敏感元件將被測量轉(zhuǎn)變?yōu)槠鋺?yīng)變,再通過粘貼在其上的電阻應(yīng)變片將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻變化，最后通過測量電路（電橋）轉(zhuǎn)換為輸出電壓的裝置。應(yīng)變片：利用金屬絲的電阻應(yīng)變效應(yīng)或半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)制成的一種轉(zhuǎn)換傳感元件。分類：電阻絲應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片。1、電阻絲的應(yīng)變效應(yīng)金屬絲受拉時，l變長、r變小，導(dǎo)致R變大。金屬絲沿軸向受到拉伸或壓縮，其阻值增大或減小，此現(xiàn)象為電阻應(yīng)變效應(yīng)。電阻變化（應(yīng)變）與伸長量的關(guān)系？

圖3-1電阻絲的應(yīng)變效應(yīng)1.電阻絲的應(yīng)變效應(yīng)

設(shè)有一長度為、截面積為S、半徑為r、電阻率為

的金屬單絲，它的電阻值R可表示為

當(dāng)沿金屬絲的長度方向作用均勻拉力（或壓力）時，上式中

、r、l都將發(fā)生變化，從而導(dǎo)致電阻值R發(fā)生變化。例如金屬絲受拉時，l將變長、r變小，均導(dǎo)致R變大；又如，某些半導(dǎo)體受拉時，

將變大，導(dǎo)致R變大。

實驗證明，電阻絲及應(yīng)變片的電阻相對變化量

R

R與材料力學(xué)中的軸向應(yīng)變

的關(guān)系在很大范圍內(nèi)是線性的，即

對于不同的金屬材料，K略微不同，一般為2左右。而對半導(dǎo)體材料而言，由于其感受到應(yīng)變時，電阻率

會產(chǎn)生很大的變化，所以靈敏度比金屬材料大幾十倍。

在材料力學(xué)中，

稱為電阻絲的軸向應(yīng)變，也稱縱向應(yīng)變，是量綱為1的數(shù)。

通常很小，常用10-6表示之。例如，當(dāng)

為0.000001時，在工程中常表示為1

10-6或

m/m。在應(yīng)變測量中，也常將之稱為微應(yīng)變(με)。對金屬材料而言，當(dāng)它受力之后所產(chǎn)生的軸向應(yīng)變最好不要大于1

10-3，即1000

m/m，否則有可能超過材料的極限強度而導(dǎo)致斷裂。

應(yīng)變片用于測量力F的計算公式

由材料力學(xué)可知，

=F/（SE），所以

R/R又可表示為

如果應(yīng)變片的靈敏度K和試件的橫截面積A以及彈性模量Ｅ均為已知，則只要設(shè)法測出

R/R的數(shù)值，即可獲知試件受力Ｆ的大小，例如可用于電子秤的稱重。2、電阻絲應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)與類型

圖3-2電阻絲應(yīng)變片結(jié)構(gòu)（1）結(jié)構(gòu)箔式應(yīng)變片的外形敏感柵感受應(yīng)變，并將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻的變化?；捉^緣及傳遞應(yīng)變。由紙薄、膠質(zhì)膜等制成。粘結(jié)劑敏感柵與基底、基底與試件、基底與覆蓋層之間的粘結(jié)。覆蓋層保護(hù)作用。防濕、蝕、塵。引線（低阻易焊）連接電阻絲與測量電路，輸出電參量。應(yīng)變片的使用面積和阻值表示其規(guī)格。如（3×10）mm2

，120Ω。根據(jù)制柵工藝的不同分為絲式、箔式和薄膜式。絲式制作：粘貼工藝。箔式制作工藝：照相制版或光刻技術(shù)。薄膜式制作工藝：真空蒸發(fā)或真空沉積。應(yīng)變片的選擇根據(jù)測量精度、允許工作電流、散熱、體積、是否批量等要求查手冊選擇。（2）電阻絲應(yīng)變片的種類

圖3-3箔式電阻絲應(yīng)變片結(jié)構(gòu)應(yīng)變片的粘貼：

1.去污：采用手持砂輪工具除去構(gòu)件表面的油污、漆、銹斑等，并用細(xì)紗布交叉打磨出細(xì)紋以增加粘貼力，用浸有酒精或丙酮的紗布片或脫脂棉球擦洗。

2.貼片：在應(yīng)變片的表面和處理過的粘貼表面上，各涂一層均勻的粘貼膠，用鑷子將應(yīng)變片放上去，并調(diào)好位置，然后蓋上塑料薄膜，用手指揉和滾壓，排出下面的氣泡。

3.測量：從分開的端子處，預(yù)先用萬用表測量應(yīng)變片的電阻，發(fā)現(xiàn)端子折斷和壞的應(yīng)變片。

4.焊接：將引線和端子用烙鐵焊接起來，注意不要把端子扯斷。

5.固定：焊接后用膠布將引線和被測對象固定在一起，防止損壞引線和應(yīng)變片。3、電阻應(yīng)變片的特性（1）應(yīng)變片的靈敏系數(shù)Kμ=0,285鋼件確定方法：實驗測定確定過程：應(yīng)變片F(xiàn)F應(yīng)力儀測出εX電位差計測△R/R

圖3-4應(yīng)變片K確定方法敏感柵是由n條直線段和（n－1）個半徑為r的半圓組成,若該應(yīng)變片承受軸向應(yīng)力而產(chǎn)生縱向拉應(yīng)變εx時,則各直線段的電阻將增加,但在半圓弧段則受到從+εx到－μεx之間變化的應(yīng)變。即從拉應(yīng)變過渡到壓應(yīng)變。（2）橫向效應(yīng)定性分析圖3-5應(yīng)變片的軸向受力與橫向效應(yīng)a點：只有εX。b點：既有εX

，又有εY

。c點：只有εY

。圓弧段橫向收縮引起阻值減小量對軸向伸長引起阻值增加量起著抵消作用。因而同樣應(yīng)變阻值變化減小，K值減小，此現(xiàn)象為橫向效應(yīng)。減小橫向效應(yīng)加長敏感柵縱柵，加寬縮短橫柵，消除圓弧。箔式和薄膜式應(yīng)變片橫向效應(yīng)可忽略。定量分析應(yīng)變片置于二維應(yīng)力場，即有，又有。（3-9）4、應(yīng)變片的溫度誤差及補償

（1）溫度誤差

由于測量現(xiàn)場環(huán)境溫度的改變而給測量帶來的附加誤差,稱為應(yīng)變片的溫度誤差。

產(chǎn)因之一:電阻絲溫度系數(shù)的影響（3-10）產(chǎn)因之二:試件材料與電阻絲材料的線膨脹系數(shù)的影響（3-11）（3-12）（3-13）（3-15）（3-14）（3-16）（3-17）（2）溫度補償

方法一:應(yīng)變片的自補償法

特種應(yīng)變片△T≠0→εT=0電阻絲材料與被測材料配合恰當(dāng)。選擇式應(yīng)變片的自補償法

（3-18）兩段敏感柵的電阻大小選擇雙金屬敏感柵自補償應(yīng)變片（3-19）R1R2圖3-6雙金屬敏感柵自補償方法二:橋路補償法

補償原理：橋路相臨兩臂增加相同電阻，對電橋輸出無影響。

電橋輸出U0=A（R1R4－RBR3）溫度補償條件是什么？（2-20）電橋輸出Uo=A［（R1+ΔR1t）R4－

(RB+ΔRBt)R3］=0電橋輸出電壓為

Uo=AR1R4KεUo與ε成單值函數(shù)關(guān)系。與溫度變化無關(guān)。結(jié)論：單臂橋加補償片可實現(xiàn)溫度補償。應(yīng)變輸出ΔR1=R1Kε（2-21）R3RBR4R1UU0R1RBFF圖3-7橋路補償方法

金屬應(yīng)變片的電阻變化范圍很小，如果直接用歐姆表測量其電阻值的變化將十分困難，且誤差很大。

例如，有一金屬箔式應(yīng)變片，標(biāo)稱阻值R0為100

，靈敏度K=2，粘貼在橫截面積為9.8mm2的鋼質(zhì)圓柱體上，鋼的彈性模量E=2

1011N/m2，所受拉力F=0.2t，受拉后應(yīng)變片的阻值R的變化量僅為0.2

，所以必須使用不平衡電橋來測量這一微小的變化量。下面分析該橋式測量轉(zhuǎn)換電路是如何將

R/R轉(zhuǎn)換為輸出電壓Uo的。

5、