《電氣測試技術(shù)第5版》 課件 第3章 非電量的電測技術(shù)

03December2024第3章非電量的電測技術(shù)3.1電位器式傳感器3.2電阻應(yīng)變式傳感器3.3電感式傳感器3.4電容式傳感器3.5熱電偶傳感器3.6熱電阻傳感器3.7壓電傳感器3.8超聲波傳感器3.9振弦式傳感器3.10光電式傳感器3.11激光式傳感器3.12光纖傳感器3.13紅外式傳感器3.14熱敏傳感器3.15霍爾式傳感器3.16氣敏傳感器03December2024第3章非電量的電測技術(shù)何為非電量？機械量（如溫度、壓力、速度、位移、應(yīng)變、流量、液位等）、熱工量（如溫度、壓力、流量等）和化工量（濃度、成分、PH值等）。非電量的電測技術(shù)就是將各種非電量變換為電量，而后進行測量的方法。非電量電測技術(shù)中的關(guān)鍵技術(shù)是研究如何將非電量轉(zhuǎn)換成電量的技術(shù)――傳感技術(shù)。03December20243.1電位器式傳感器電位器式傳感器把直線位移或轉(zhuǎn)角位移轉(zhuǎn)換成具有一定函數(shù)關(guān)系的輸出電阻或輸出電壓。因此可以用來測量振動、位移、速度、加速度和壓力等非電參數(shù)。原理電阻變化：相應(yīng)電刷位移的電壓輸出為：式中

電位器的電阻靈敏度。式中電位器的電壓靈敏度。當(dāng)電阻絲直徑與材質(zhì)一定時，則電阻R隨導(dǎo)線長度L而變化。03December2024左圖為典型的電位器式傳感器的結(jié)構(gòu)原理。它由電阻元件（包括骨架和金屬電阻絲）和電刷（活動觸點）兩個基本部分組成。由圖可見，當(dāng)有機械位移時，電位器的動觸點產(chǎn)生位移，而改變了動觸點相對于電位參考點（A點）的電阻，從而實現(xiàn)了非電量（位移）到電量（電阻值或電壓幅值）的轉(zhuǎn)換。電位器式傳感器有線性和非線性電位器式傳感器兩大類。3.1.1電位器式傳感器的結(jié)構(gòu)常用電位器式傳感器有：直線位移型、角位移型、非線性型03December2024圖3-1電位器式傳感器原理圖a）直線位移式b）轉(zhuǎn)角位移式1－金屬電阻絲2－骨架3－電刷03December2024電位器式傳感器結(jié)構(gòu)形式電位器式傳感器分類滑線式半導(dǎo)體式骨架式分段電阻式液體觸點式電位器式傳感器結(jié)構(gòu)如右圖所示。

03December20243.1.2線性電位器式傳感器線性電位器式傳感器的理想空載（負載電阻）特性曲線應(yīng)具有嚴格的直線性關(guān)系。圖3-2是線性電位器式傳感器原理圖。由圖可見，線性電位器式傳感器的骨架截面處處相等，由材料均勻的金屬電阻絲按相等截距繞制成電阻元件，因此其最大電阻值為：

式中，為導(dǎo)線的電阻率；為導(dǎo)線的截面積；和分別為骨架的寬度和高度；為電位器線圈的總匝數(shù)。圖3-2線性電位器式傳感器原理圖a）結(jié)構(gòu)圖b）原理圖03December2024由于電位器單位長度上電阻值處處相等，當(dāng)電刷行程為時，對應(yīng)的空載輸出電阻和輸出電壓分別為：

和 式中，和分別為電位器電刷的最大行程和加于電位器兩端的最大電壓；和分別為線性電位器的電阻靈敏度和電壓靈敏度。由于，為導(dǎo)線間的節(jié)距，因此和可表示為： 和 式中，為導(dǎo)線中的電流。03December2024實際上繞線線性電位器的變換是一匝一匝進行的，電刷每移過一匝，輸出電壓（或電阻）產(chǎn)生一個增量（），其值為：

由此可見，繞線線性電位器傳感器的輸入輸出特性不是線性的，而是一條階梯特性曲線。其理想階梯特性曲線見圖3-3。由圖3-3可求出繞線線性電位器傳感器的電壓分辨率，其定義為：在工作行程內(nèi)電位器產(chǎn)生一個可測得出的輸出電壓變化量與最大輸出電壓之比的百分數(shù)，即：

圖3-3繞線線性電位器傳感器理想階梯特性曲線03December2024由圖3-3可求出繞線線性電位器傳感器的階梯誤差，其定義為理想階梯特性曲線與理想的理論直線的最大偏差值與最大輸出電壓之比的百分數(shù)，即：

上面研究的是線性電位器的空載特性。實際上，由于負載電阻，當(dāng)傳感器帶負載時的工作特性稱為負載特性。由于負載效應(yīng)的存在，傳感器的負載特性與理想空載特性之間存在著偏差稱為負載誤差。負載誤差與負載電阻的大小有關(guān)，負載電阻愈大，負載誤差愈小，反之亦然。03December2024例3-1帶負載線性電位器傳感器電路見圖3-4。圖中，，，，，。求負載誤差。若，負載誤差又是多少？解：由式（3-2）和式（3-3）可求得位移時傳感器電阻和空載輸出電壓分別為：

由圖可求得帶負載時的輸出電壓為：

圖3-4帶負載電位器傳感器電路圖03December2024

引起的負載誤差為：若負載，可求得輸出電壓為：

引起的負載誤差為：

由此可見，欲使負載誤差小于1.0%，必須保證負載電阻以上。03December20243.1.3非線性電位器傳感器非線性電位器傳感器是指在空載時其輸出電壓（或電阻）與電刷行程

之間具有非線性函數(shù)關(guān)系的一種電位器觸感器，也稱為函數(shù)電位器傳感器。它可以實現(xiàn)指數(shù)函數(shù)、對數(shù)函數(shù)、三角函數(shù)及其它任意函數(shù)，因此可以滿足控制系統(tǒng)的特殊要求。常用的非線性電位器傳感器有變骨架式、變截距式和分路電阻式等。對廣大用戶而言，常用分路電阻式，因此僅討論分路電阻式非線性電位器傳感器。03December2024分路電阻式非線性電位器傳感器分路電阻式非線性電位器傳感器的工作原理實際上是通過折線逼近法來實現(xiàn)函數(shù)變換關(guān)系的，見圖3-6。圖3-6分路電阻式非線性電位器傳感器a）特性曲線

b）電路圖

03December20243.1.4電位器式傳感器的應(yīng)用1.電位器式壓力傳感器

如圖3-8所示，彈性敏感元件波紋管在被測壓力P作用下，產(chǎn)生彈性位移，通過連桿帶動電位器的電刷在電阻絲上滑動，因而輸出一個與被測壓力成比例的電壓信號。圖3-8電位器式壓力傳感器原理03December20243.1.4電位器式傳感器的應(yīng)用2.電位器式位移測量

電位器式傳感器測量的基本參數(shù)是直線位移或轉(zhuǎn)角位移，因此，凡能轉(zhuǎn)變成位移的參數(shù)均可用電位器作為檢測元件，例如，溫度、物位、振動、位移、速度、線膨脹等。圖3-9為電位器式數(shù)字位移測量儀，其量程達40.00mm，精度達±0.01mm,用

位數(shù)字顯示。圖3-9電位器式數(shù)字位移測量儀03December2024Thankyou！03December20243.2電阻應(yīng)變式傳感器電阻應(yīng)變式傳感器由電阻應(yīng)變片和測量電路組成。其敏感元件的電阻隨著機械變形（伸長或縮短）的大小而變化。它廣泛應(yīng)用于測量力和與力有關(guān)的一些非電參數(shù)（如壓力、荷重、扭力、加速度等）。電阻應(yīng)變傳感器的特點是精度高，測量范圍廣；結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定可靠，壽命長；頻率特性好，能在高溫、高壓、振動強烈、強磁場等惡劣環(huán)境條件下工作。03December20243.2.1應(yīng)變片的工作原理圖3-10電阻應(yīng)變片的基本形狀圖3-10示出了電阻應(yīng)變片的基本形狀。圖中，

稱為應(yīng)變片的標距或稱為工作基長；b稱為應(yīng)變片的工作寬度。金屬導(dǎo)體的電阻隨著它所受機械變形（伸長或縮短）的大小而發(fā)生變化的現(xiàn)象，稱為金屬電阻的應(yīng)變效應(yīng)。這就是電阻應(yīng)變片賴以工作的物理基礎(chǔ)。03December2024金屬導(dǎo)體的應(yīng)變效應(yīng)金屬導(dǎo)體在外力作用下發(fā)生機械變形時，其電阻值隨著它所受機械變形(伸長或縮短)的變化而發(fā)生變化的現(xiàn)象。根據(jù)電阻的定義式:；如果金屬導(dǎo)體在外力作用下產(chǎn)生變化量?ρ、?l、?A時，其相對變化率為：

對于直徑為D的圓柱形截面電阻絲，因為A=лd2/4；故：由材料力學(xué)知，橫向收縮和縱向伸長的關(guān)系為：03December2024由上頁的公式得出：下面分導(dǎo)體和半導(dǎo)體兩種情況對上式進行討論：金屬電阻應(yīng)變片（按結(jié)構(gòu)形式分）絲式箔式薄膜式半導(dǎo)體應(yīng)變片

體型半導(dǎo)體應(yīng)變片薄膜型半導(dǎo)體應(yīng)變片擴散型半導(dǎo)體應(yīng)變片03December2024金屬電阻應(yīng)變片式中第二項是由于受力后材料的電阻率發(fā)生變化而引起的，對多數(shù)金屬材料其值是個常數(shù)，往往甚小，可以忽略。式中第一項是由電阻絲幾何尺寸變化引起的，對某種材料來說，其值是常數(shù)。因此，上式可寫成為：

式中，稱為應(yīng)變靈敏度系數(shù)。由于大多數(shù)金屬材料的之間，所以在1.6~2.0之間。金屬電阻應(yīng)變片具有分辨率高，非線性誤差?。粶仄禂?shù)??；測量范圍大，可從彈性變形一直測至塑性變形（1％～2％），可超載達20％；既能測量靜態(tài)應(yīng)變，又能測量動態(tài)應(yīng)變；價格低廉，品種繁多，便于選擇和大量使用等優(yōu)點，因此在各行各業(yè)都廣泛應(yīng)用。03December2024金屬電阻應(yīng)變片常用的三種。絲式:常用高電阻率的金屬電阻絲制成，允許最大工作電流較小。箔式:通過光刻、腐蝕等工序制成的一種很薄的金屬箔柵，允許最大工作電流較大，靈敏度高。薄膜式:是采用真空蒸鍍技術(shù)在薄的絕緣基片上蒸鍍上金屬電阻材料薄膜，允許最大工作電流較大，靈敏度較高。應(yīng)變片電阻值通常有60、120、200、350、500、1000Ω幾種，其中以120Ω為最常用。允許最大工作電流是指通過應(yīng)變片而不影響其工作的最大電流值。工作電流大，應(yīng)變片輸出信號就大，靈敏度高。允許最大工作電流與應(yīng)變片的允許最大功耗有關(guān)，即：

通常允許最大工作電流，在靜態(tài)測量時約取25mA左右，動態(tài)測量時可更高一些。03December2024半導(dǎo)體應(yīng)變片對一塊半導(dǎo)體材料的某一軸向施加一定的載荷而產(chǎn)生應(yīng)力時，它的電阻率會發(fā)生變化，這種物理現(xiàn)象稱為半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)。半導(dǎo)體應(yīng)變片是根據(jù)壓阻效應(yīng)原理工作的。當(dāng)沿某一晶軸方向切下一小條半導(dǎo)體應(yīng)變片，若只沿其縱向受到應(yīng)力，其電阻率的變化量可由下式表示：

式中，為半導(dǎo)體縱向壓阻系數(shù)；為半導(dǎo)體材料的彈性模量；為沿半導(dǎo)體小條縱向的應(yīng)變。將式（3-20）代入式（3-17），得半導(dǎo)體應(yīng)變片的電阻相對變化量 03December2024上式中第一項是由幾何形狀變化而引起的電阻相對變化量，其值很小，約為1～2；第二項是由壓阻效應(yīng)引起的，其值約為第一項的50～70倍，故第一項可忽略。因此上式可寫成

式中，稱為半導(dǎo)體應(yīng)變片的靈敏度系數(shù)。半導(dǎo)體應(yīng)變片突出的優(yōu)點是靈敏度系數(shù)高，可測微小應(yīng)變（一般600微應(yīng)變以下）；機械滯后小；動態(tài)特性好；橫向效應(yīng)?。惑w積小。其主要缺點是：電阻溫度系數(shù)大；一般可達10-3/℃；靈敏度系數(shù)隨溫度變化大；非線性嚴重；測量范圍小。因此，在使用時需采用溫度補償和非線性補償措施。03December20243.2.2電阻應(yīng)變傳感器的測量電路由于電阻應(yīng)變片工作時其電阻變化很微小，例如，一片、初始電阻120Ω的應(yīng)變片，受1333微應(yīng)變（約2噸重的力）時，其電阻變化僅0.36Ω。測量電路的任務(wù)是把微弱的電阻變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流的變化，因此常用直流電橋和交流電橋作為測量電路。目前應(yīng)變片電橋大都采用交流電橋，但由于直流電橋比較簡單，交流電橋原理與它相似，所以以直流電橋作分析,如圖3-11所示。

圖3-11橋式測量電路03December2024電橋測量電路的分析電橋測量電路見圖3-11，圖中分別為四橋臂電阻，為供橋電壓，為電橋輸出電壓。當(dāng)電橋的負載電阻為無窮大時，橋路的輸出電壓為：為了使測量前的輸出為零，應(yīng)使：滿足上式的條件稱為電橋平衡條件。此時，當(dāng)每橋臂電阻的變化遠小于本身值，即，（1、2、3、4），且負載電阻為無窮大時，輸出電壓可近似為：

03December20241）單臂電橋

橋臂電阻中只有一個電阻為應(yīng)變片，其余為固定電阻。

2

）對稱電橋

對于電源左右兩邊對稱，例如產(chǎn)生縱向應(yīng)變，產(chǎn)生橫向應(yīng)變，、為固定電阻。因此得：若

和

均是產(chǎn)生縱向應(yīng)變的應(yīng)變片，

和

是固定電阻，則

這種電橋稱為半橋。（橋路電壓靈敏度）03December20243）非對稱電橋，，如令，如和是產(chǎn)生不同應(yīng)變的應(yīng)變片，和是固定電阻，則

由上式可見，當(dāng)時，電壓靈敏度最高，式（3-32）與式（3-28）相同，對稱電橋是非對稱電橋的特例。

非對稱電橋的優(yōu)點是非線性誤差較小。03December20244）全等電橋

，均為應(yīng)變片，設(shè)和產(chǎn)生縱向應(yīng)變，和產(chǎn)生橫向應(yīng)變，則式（3-24）可寫成：

這種情況稱為全橋，其電壓靈敏度最高，因此是最常用的一種橋路。03December2024綜上所述，可得出如下結(jié)論：1）產(chǎn)生相同應(yīng)變的應(yīng)變片不能接在相鄰的橋臂，否則橋路輸出電壓恒等于零。2）提高電橋電壓靈敏度除了上述提高供橋電壓和選擇高值的應(yīng)變片外，可在橋臂中分別串接產(chǎn)生相同應(yīng)變的應(yīng)變片，見圖3-12。按全等電橋的條件，式（3-34）可寫成：

3）在半橋和全橋測量電路中，粘貼于測試件上的應(yīng)變片的特性相同或相近，又感受相同的溫度，因此可起到溫度補償作用，減小溫度附加誤差。

圖3-12多片應(yīng)變片串聯(lián)03December20244）實際上，橋路輸出電壓與應(yīng)變是非線性的。小時，非線性誤差很小，可以忽略。在使用半導(dǎo)體應(yīng)變片測量較大應(yīng)變時，非線性誤差較大，必須進行補償。補償方法有：①采用高橋臂比的對稱電橋；②采用全橋測量電路；③采用恒流源電橋；④單臂電橋非線性嚴重，可采用有源電橋，見圖3-13。圖3-13有源電橋03December20245）上述討論假設(shè)負載電阻，實際上是不可能的。當(dāng)為有限值時，由于橋路有內(nèi)阻，所以輸出電壓有所下降，此時可利用戴維南定理求其開路電壓與橋路的短路內(nèi)阻，得其等效電路見圖3-14。由圖可求出負載兩端電壓為：

圖3-14帶負載時的等效電路03December2024額定載荷為4t的圓柱形電阻應(yīng)變傳感器，其展開圖見圖3-15。未受載荷時四片應(yīng)變片阻值均是120Ω，允許功耗208.35mW，傳感器電壓靈敏度，應(yīng)變片靈敏度系數(shù)。1）畫出橋路接線圖；2）求橋路供橋電壓；3）載荷4t和2t時，橋路輸出

電壓分別是多少？4）載荷2t時，的阻值分

別為多少？

圖3-15電阻應(yīng)變傳感器展開圖例3-403December2024解：

1）根據(jù)上面結(jié)論1），產(chǎn)生相同應(yīng)變的應(yīng)變片不能接在相鄰橋臂上。畫出橋路接線圖見圖3-11.2）設(shè)供橋電壓為，在全橋中每一應(yīng)變片承受電壓為。據(jù)式（3-19）得：

因此，

3）載荷4t時的輸出電壓

傳感器是線性的，因此載荷2t時的輸出電壓為：

圖3-11橋式測量電路03December20244）由圖3-15可見，為拉力，、產(chǎn)生縱向應(yīng)變，、產(chǎn)生橫向應(yīng)變。，。由式（3-33）可求得：03December2024電橋的零位調(diào)整由于制造工藝的原因應(yīng)變傳感器在不受載荷時，其輸出電壓不為零，因此使用前必須調(diào)零。（1）直流電橋調(diào)零

直流電橋調(diào)零僅需電阻平衡即可，有串聯(lián)調(diào)零和并聯(lián)調(diào)零兩種，見圖3-16。圖a在和臂間串聯(lián)接入變阻器RP，調(diào)節(jié)RP可使電橋平衡。圖b是并聯(lián)調(diào)零，改變RP中心抽頭的位置可達到平衡目的，調(diào)零能力取決于，小些，調(diào)零能力就強些。通常RP的大小可與相同，取值為數(shù)千歐姆。圖3-16直流電橋調(diào)零電路a）串聯(lián)調(diào)零

b）并聯(lián)調(diào)零

03December2024（2）交流電橋調(diào)零

圖3-11的橋式測量電路用交流供橋電壓，以復(fù)阻抗分別代替圖中的，即成為交流電橋。交流電橋的分析與直流電橋相似。直流電橋僅需電阻平衡，而交流電橋除了電阻平衡外，還必須滿足相位平衡，即必須滿足阻抗平衡：由此可見，交流電橋欲達到零點平衡，必須有電阻和電容調(diào)零裝置，見圖3-17。

圖3-17交流電橋調(diào)零03December20243.2.3電阻應(yīng)變傳感器的溫度誤差及其補償由于溫度變化引起電阻應(yīng)變片阻值的變化與被測量引起的阻值的變化幾乎有相同的數(shù)量級。若不采取適當(dāng)?shù)难a償措施，電阻應(yīng)變傳感器將無法工作。引起溫度誤差的主要因素有：應(yīng)變片本身電阻隨溫度的變化引起誤差。該項溫度誤差可用半橋或全橋測量電路獲得較好的補償效果。應(yīng)變片材料的線膨脹系數(shù)與基底材料的線膨脹系數(shù)不同引起溫度誤差。為消除該項溫度誤差主要是采取應(yīng)變片自補償方法，在制造傳感器時已加以考慮。

對使用者來說，最好的補償方法是采用半橋或全橋測量電路。03December2024

因此，傳感器橋路輸出電壓隨溫度的增加而增加，從而引起溫度附加誤差。該項誤差不能采用半橋或全橋測量電路加以克服，必須采用適當(dāng)?shù)难a償措施。測試件的彈性模量隨溫度變化引起的誤差。電阻應(yīng)變片制造好后，用粘合劑粘貼到測試件上成為電阻應(yīng)變傳感器。被測量作用于測試件下，應(yīng)變片跟著測試件產(chǎn)生機械變形，從而形成電阻應(yīng)變片阻值發(fā)生變化。由于測試件的彈性模量隨著溫度的增加而減小，在被測量不變的情況下，應(yīng)變片產(chǎn)生的應(yīng)變量增加。圖3-18彈性模量的溫度補償03December20243.2.4電阻應(yīng)變傳感器及其應(yīng)用電阻應(yīng)變傳感器電阻應(yīng)變片除了直接用于測量測試件的應(yīng)力和應(yīng)變外，還廣泛利用它制成各種應(yīng)變式傳感器，用于測量如力、壓力、轉(zhuǎn)矩、位移、振動、加速度等物理量。1）測力傳感器其結(jié)構(gòu)原理見圖3-19。

圖3-19a為柱式結(jié)構(gòu)，可測大的拉力或壓力，量程上限可達107N。在小荷（103~105N）時，可用空心筒式結(jié)構(gòu)。當(dāng)力與軸向一致時，應(yīng)變片感受的縱向應(yīng)變?yōu)椋?/p>

沿圓周方向粘貼的應(yīng)變片感受模向應(yīng)變?yōu)椋? 式中，為被測力（N）；為受力面積（m2）；為材料的彈性模量（N/m2）。

圖3-19應(yīng)變力測力傳感器03December2024圖b是環(huán)式結(jié)構(gòu)，用于測試500N以上的載荷。用環(huán)式測量拉（壓）力時，實質(zhì)上是測量粘片處的彎曲應(yīng)力，因為彎曲應(yīng)力一面是正值（+），另一面是負值（-），兩者絕對值相等符號相反，用下式計算：

式中，為環(huán)的平均半徑（m）；為環(huán)的寬度（m）；為環(huán)的厚度（m）。圖c為單端懸臂梁式，其靈敏度高，測量范圍小，約1~103N。粘貼于梁上方和下方相同位置上感受的應(yīng)變絕對值相等符號相反，可用下式計算：

式中，為受力點到應(yīng)變片中心的距離（m）。03December2024懸臂梁稱重傳感器

如GX-1型懸臂梁稱重傳感器。結(jié)構(gòu)外形、結(jié)構(gòu)尺寸如圖所示。GX-1型懸臂梁稱重傳感器

GX-1型懸臂梁稱重傳感器結(jié)構(gòu)尺寸

03December2024Thankyou！03December20243.3電感式傳感器電感式傳感器是利用線圈自感或互感系數(shù)的變化來實現(xiàn)測量的一種裝置，可以用來測量位移、振動、壓力、流量、重量、力矩等各種非電物理量。位移、振動、壓力、流量、重量、力矩電感電壓、電流優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，壽命長；靈敏度高（1mm：→幾百mV）；分辨力好（0.01μm）；重復(fù)性好，線性度優(yōu)；缺點：頻率響應(yīng)較低，不宜快速動態(tài)測量；分辨力與測量范圍有關(guān)，測量范圍小，分辨力高，反之則低。03December2024分類:電感式傳感器自感型互感型變面積型自感傳感器螺線管型自感傳感器變間隙型自感傳感器差動變壓器式傳感器壓磁式傳感器電渦流式傳感器03December20243.3.1自感式傳感器圖3-25簡單自感傳感器結(jié)構(gòu)示意圖a）變氣隙式b）變面積式c）螺管式圖3-25是簡單自感傳感器結(jié)構(gòu)的示意圖3.3.1.1簡單自感式傳感器的原理及特性03December2024自感式電感傳感器的原理及特性

右圖是簡單自感傳感器結(jié)構(gòu)的示意圖。它由線圈、鐵心和銜鐵所組成。線圈是套在鐵心上的。在鐵心與銜鐵之間有一個空氣隙，其厚度為。根據(jù)磁路的基本知識，傳感器線圈的電感量可按下式計算：

式中，為線圈匝數(shù)；為以平均長度表示的磁路的總磁阻。如果空氣隙厚度較小，而且不考慮磁路的鐵損，則總磁阻為：

因為一般空氣隙的磁阻比導(dǎo)磁體的磁阻大很多，故在計算時，可忽略導(dǎo)磁體磁阻，則有：式中，為各段導(dǎo)磁體的磁路平均長度；為各段導(dǎo)磁體的磁導(dǎo)率；為各段導(dǎo)磁體橫截面積；為空氣隙的磁導(dǎo)率(

=H/cm)；為空氣隙截面積。03December20241.變氣隙式自感傳感器的工作特性

因此，其靈敏度隨氣隙的增大而減小。由上頁分析可知線圈的電感值可近似地表示為變氣隙式自感傳感器的工作特性

03December2024當(dāng)時，電感變化量為：

同理當(dāng)時，電感變化量為：

式中第一項為線性項，其靈敏度為：而第二項以后是非線性項，含有n次方的非線性。03December2024若僅考慮二次方非線性，其非線性誤差為：由此可看出變氣隙式自感傳感器的特點：靈敏度高，測量范圍小，但非線性誤差大，為減小非線性誤差，不能太大，通常取為宜。03December20242.變截面積式自感傳感器的工作特性

鐵心與銜鐵之間相對覆蓋面積隨被測量的變化面改變，導(dǎo)致線圈的電感量發(fā)生變化，這種形式稱之為變面積型電感傳感器，見圖1。L與δ是非線性的，但與S成線性，特性曲線參見圖。由此可看出變截面積式自感傳感器的特點：

測量范圍較大，非線性誤差小，但靈敏度較低。03December20243.螺管式自感傳感器的工作特性

下圖為其結(jié)構(gòu)原理圖，銜鐵隨被測物移動，引起磁阻發(fā)生變化，導(dǎo)致電感量改變。線圈電感量與銜鐵進入線圈的長度可表示為

通過以上分析可得結(jié)論:I.

變間隙型靈敏度較高,但非線性誤差較大；II.

變面積型靈敏度較小,但線性較好,量程較大；III.

螺管型靈敏度較低,但量程大且結(jié)構(gòu)簡單。03December20243.3.1.2差動式電感傳感器

由于自感傳感器具有初始電感，線圈流向負載的電流不為零，銜鐵永遠受有吸力，線圈電阻受溫度影響引起溫度誤差，靈敏度低等缺點。因此，實際中應(yīng)用較少，常用差動自感傳感器。差動自感傳感器：用兩個相同的傳感線圈共用一個銜鐵,構(gòu)成差動式電感傳感器,這樣可以提高傳感器的靈敏度,減小測量誤差。03December2024變氣隙式差動自感傳感器原理見圖3-26.它由一個公共銜鐵和上、下兩個對稱的線圈L1和L2組成。

當(dāng)銜鐵向上位移，在差動自感傳感器中，電感變化量：變氣隙式差動自感傳感器的特性分析上式中第一項是線性項，其靈敏度為：可見，差動自感傳感器的靈敏度是簡單自感傳感器的2倍。差動自感傳感器僅含奇次方非線性項，其三次方非線性誤差為：非線性得到很大的改善。同理，變面積式和螺管式差動自感傳感器也能得到提高靈敏度和改善線性度的同樣的結(jié)論。圖3-26變氣隙式差動自感傳感器03December20243.3.1.2測量電路圖3-27變壓器式交流電橋1.基本測量電路

基本測量電路通常采用交流電橋，如圖3-27所示。電橋的兩臂和為差動自感傳感器中的兩個線圈的阻抗，另兩臂為電源變壓器二次線圈的兩半（每一半的電壓為），輸出電壓取自A、B兩點。假定0點為參考零電位，則A點的電壓為：B點的電位為：則有輸出電壓（3-56）當(dāng)銜鐵處于中心位置時，由于兩線圈完全對稱，因此，代入式（3-56），得：當(dāng)銜鐵向下移動時，下面線圈的阻抗增加，即，而上面線圈的阻抗減小，即，故此時的輸出電壓為：03December2024若傳感器線圈為高值，即線圈電阻遠遠小于其電感阻抗，即時，其輸出電壓的有效值為：式中，為電源角頻率。同理，當(dāng)傳感器銜鐵上移同樣大小的距離時，可推得：其有效值為：比較式（3-57）和式（3-59）可知，當(dāng)銜鐵向上移動和向下移動相同距離時，其輸出大小相等，方向相反。由于電源電壓是交流，所以盡管式中有正負號，還是無法加以分辨。03December2024帶相敏整流的交流電橋圖3-28帶相敏整流的測量電橋當(dāng)銜鐵處于中間位置時，，電橋處于平衡狀態(tài)，輸出電壓；當(dāng)銜鐵上移，使上線圈阻抗增大，，而下線圈阻抗減少。設(shè)輸入交流電壓為正半周，即A點為正，B點為負，則二極管VD1、VD4導(dǎo)通，VD2、VD3截止。在A→E→C→B支路中，C點電位由于的增大而比平衡時C點的電位降低；在A→F→D→B支路中，D點電位由于的降低而比平衡時D點的電位增加，即D點電位高于C點電位，此時直流電壓表正向偏轉(zhuǎn)。設(shè)輸入交流電壓為負半周，即A點為負，B點為正，則二極管VD2、VD3導(dǎo)通，VD1、VD4截止。在B→C→F→A支路中，C點電位由于的減小而比平衡時降低。03December2024帶相敏整流的交流電橋而在B→D→E→A支路中，D點電位由于的增加而比平衡時的電位增加。所以仍然是D點電位高于C點電位，直流電壓表正向偏轉(zhuǎn)。只要銜鐵上移，不論輸入電壓是正半周還是負半周，電壓表總是正向偏轉(zhuǎn)，即輸出電壓總為下正、上負。用同樣的分析方法，當(dāng)銜鐵下移時，，無論交流電壓的極性如何，電壓表總是反向偏轉(zhuǎn)，即輸出電壓總是上正、下負?？梢?，采用帶相敏整流的交流電橋，輸出信號既能反映位移的大小，又能反映銜鐵運動的方向，并能消除零點殘余電壓，改善輸出特性。其輸出特性見圖3-29b。03December2024帶相敏整流的交流電橋由于傳感器的結(jié)構(gòu)不可能絕對對稱輸入交流電壓含有高次諧波等原因，銜鐵在中間位置時輸出電壓不等于零而等于較小的電壓，稱為零點殘余電壓，不帶相敏整流電路的變壓器橋路的輸出特性，見圖3-29a。

圖3-29變壓器橋路的輸出特性a）不帶相敏整流電路的輸出特性b）帶相敏整流電路的輸出特性03December20242.數(shù)字化測量電路阻抗測量的數(shù)字化儀器已得到日益廣泛的應(yīng)用，它具有測量精度高，反應(yīng)迅速，使用方便等優(yōu)點。圖3-30阻抗的數(shù)字化測量原理框圖03December2024相敏檢波電路圖3-30被測阻抗接在運算放大器A1的輸入回路，適用于測量較小的阻抗，若測量較大的阻抗，可將被測阻抗替代運算放大器A1中的

，原來被測阻抗的位置接一個精密的固定電阻。該電路是電感和電容兩用的測量電路。圖3-31相敏檢波電路03December20243.3.1.4自感傳感器應(yīng)用實例1.JGH電感測厚儀圖3-32JGH測厚儀電路原理圖03December20242.BYM型壓力傳感器圖3-33BYM型壓力傳感器03December20243.3.2差動變壓器式傳感器差動變壓器式傳感器的工作原理是把被測量的變化轉(zhuǎn)換成互感系數(shù)的變化。傳感器本身是互感系數(shù)可變的變壓器，故又稱互感式傳感器。由于共二次側(cè)接成差動形式（相同的同名端相接），故又稱為差動變壓器式傳感器。03December20243.3.2.1差動變壓器的結(jié)構(gòu)和工作原理差動變壓器由鐵芯、骨架和兩個或多個二次側(cè)線圈組成，見圖3-34a.在差動變壓器的一次側(cè)繞組通以適當(dāng)頻率的激勵電壓，當(dāng)鐵芯隨被測量的變化作上、下位移時，一次側(cè)繞組對兩個對稱的二次側(cè)繞組之間的互感也作相應(yīng)的變化，因此兩個二次側(cè)繞組的感應(yīng)電動勢和也作相應(yīng)的變化，從而將位移轉(zhuǎn)換成輸出電壓，見圖3-34b。圖

3-34差動變壓器的結(jié)構(gòu)、原理及其輸出特性a）結(jié)構(gòu)圖

b）原理圖

c）輸出特性03December2024當(dāng)忽略差動變壓器的渦流損耗、磁滯損耗和分布電容等影響時，則可以看作是一個理想的差動變壓器，其等效電路。當(dāng)鐵芯向上移動時，E2的幅值為：當(dāng)鐵芯向下移動時，E2的幅值為：差動變壓器輸出阻抗的模為：1）等效電路計算圖3-35差動變壓器的等效電路a）等效電路b）簡化等效電路

3.3.2.2差動變壓器的基本特性1.等效電路

當(dāng)忽略差動變壓器的渦流損耗、磁滯損耗和分布電容等影響時，則可以看作是一個理想的差動變壓器，其等效電路見圖3-35a。03December20242）靈敏度

差動變壓器的靈敏度是指在單位勵磁電壓下，鐵心移動單位位移時的輸出電壓或電流，以V/(mm·V)或mA/(mm·V)表示。一般差動變壓器的靈敏度可達0.1~0.5V/(mm·V)或100mA/(mm·V)。3）線性范圍

理想的差動變壓器二次側(cè)輸出電壓應(yīng)與鐵心位移成線性關(guān)系。實際上由于鐵心的長度、直徑、材質(zhì)和線圈骨架的形狀、大小的不同均對線性度有直接的影響。差動變壓器一般線性范圍約為線圈骨架長度的1/10~1/4。由于差動變壓器中間部分磁場是均勻的且較強，所以只有中間部分線性度較好。4）溫度特性

差動變壓器受溫度影響機械結(jié)構(gòu)的膨脹、收縮、線圈電阻的變化，會使測量精度下降。由于機械部分熱脹冷縮，影響測量精度達數(shù)μm到10μm左右，如果要把機械部分的溫度影響限制在1μm的范圍內(nèi)，則需把差動變壓器在使用環(huán)境中放置24h后，方可進行測量。03December2024當(dāng)差動變壓器鐵心位于中間位置時，由于對稱的兩個二次線圈反向串聯(lián)，理論上感生電動勢應(yīng)大小相等方向相反，因而差動輸出電壓應(yīng)該為零，但實際情況并不為零，總會有一個很小的輸出電壓U0。這個電壓一般稱為“零點殘余電壓”，使傳感器的輸出特性不過零點，見圖3-36a。I.

盡可能保證傳感器幾何尺寸、線圈電氣參數(shù)玫磁路的對稱。磁性材料要經(jīng)過處理，消除內(nèi)部的殘余應(yīng)力，使其性能均勻穩(wěn)定。

II.

選用合適的測量電路，如采用相敏整流電路。既可判別銜鐵移動方向雙可改善輸出特性，減小零點殘余電動勢。Ⅲ.采用補償線路減小零點殘余電動勢在差動變壓器二次側(cè)串、并聯(lián)適當(dāng)數(shù)值的電阻電容元件，當(dāng)調(diào)整這些元件時，可使零點殘余電動勢減小。

減小零點殘余的方法：U0約為零點幾mV到幾十mV5）零點殘余電壓及其消除方法

圖3-36零點殘余電壓及其消除方法之一a）零點殘余電壓b）帶相敏整流電路的特性曲線

03December2024一些典型的補償電路圖3-37補償電路a）電阻補償b）電阻補償c）阻容補償

03December20243.3.2.3差動變壓器的測量電路差動變壓器最常應(yīng)用的測量電路是差動整流電路，見圖3-38。把兩個二次電壓分別整流后，以它們的差為輸出（ab端），這樣，二次電壓的相位和零點缺余電壓都不必考慮。圖3-38中的圖a和圖b用在連接低阻抗負載的場合，是電流輸出型。圖c和圖d用在連接高阻抗負載的場合，是電壓輸出型。圖3-38差動變壓器的測量電路a）全波整流電流輸出型b）半波整流電流輸出型c）全波整流電壓輸出型d）半波整流電壓輸出型

03December20243.3.2.4差動變壓器的應(yīng)用實例1.CPC-A型差壓計圖3-39CPC-A型差壓計圖3-40T1和T2組成的無差平衡系統(tǒng)03December20242.差動變壓器式電子秤圖3-42差動變壓器式電子秤原理示意圖3.差動變壓器式加速度傳感器圖3-43差動變壓器式加速度傳感器03December20244.差動變壓器式角位移傳感器差動變壓器也可以做成改變導(dǎo)磁截面積的變截面型傳感器，用來測量角位移，其結(jié)構(gòu)見圖3-44。它通?？蓽y到幾角秒的微小位移，輸出的線性范圍一般在±10°左右。這種傳感器又稱微同步器。圖3-44差動變壓器式角位移傳感器03December20243.3.3電渦流式傳感器成塊的金屬在交變磁場中或在磁場中作切割磁力線運動時，金屬內(nèi)部會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢形成電流，這種電流就稱電渦流。建立在電渦流效應(yīng)原理上傳感器，稱為電渦流式傳感器。渦流傳感器的最大特點是可以對一些參數(shù)進行非接觸的連續(xù)測量，動態(tài)響應(yīng)好，靈敏度高，測量線性范圍大（300μm~1000mm），抗干擾能力強，在工業(yè)中應(yīng)用越來越廣。它可以用來測量振動、位移、厚度、轉(zhuǎn)速、溫度、硬度等參數(shù)，還可以進行無損探傷，是一種有發(fā)展前途的傳感器。渦流傳感器在金屬體上產(chǎn)生的電渦流，其滲透深度與傳感器線圈的勵磁電流的頻率有關(guān)，所以渦流傳感器主要可分為高頻反射和低頻透射兩類。03December20243.3.3.1高頻反射渦流傳感器高頻反射渦流傳感器是一只固定在框架上的扁平線圈（見圖3-45）。傳感器工作的等效電路見圖3-46。圖3-45高頻反射電渦流傳感器原理圖3-46電渦流傳感器的等效電路03December2024高頻反射渦流傳感器高頻反射渦流傳感器是一只固定在框架上的扁平線圈（見圖3-45）。當(dāng)沒有測量體接近時，傳感器的線圈由于高頻電流的激勵，將產(chǎn)生一個高頻交變磁場。當(dāng)被測導(dǎo)電體靠近傳感器時，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，在被測導(dǎo)電體的表面將產(chǎn)生與交變磁場相交鏈的電渦流（渦流作用范圍一般為線圈外徑的1.4倍），此渦流又將產(chǎn)生一磁場，而總是抵抗的存在。被測導(dǎo)體靠近通有高頻電流的傳感器時，除存在渦流效應(yīng)外，還存在磁效應(yīng)，結(jié)果改變了傳感器的電參數(shù)，使線圈的Q值下降。03December2024圖3-47諧振特性曲線圖3-48傳感器輸出特性曲線03December20243.3.3.2低頻透射傳感器低頻透射式電渦流傳感器采用低頻激勵，因而能得到較大的貫穿深度，可用于測量金屬的厚度。圖3-49為低頻透射渦流傳感器原理圖。圖3-49低頻透射式電渦流傳感器原理圖3-50不同激磁頻率的關(guān)系曲線03December20243.3.3.3測量電路根據(jù)電渦流傳感器原理，被測參數(shù)變化可以轉(zhuǎn)換成傳感器線圈的Q值、等效阻抗和等效電感的變化，利用測量電路把這些參數(shù)轉(zhuǎn)換為電量輸出。其測量電路可采用諧振測量電路，也可采用電橋電路。諧振測量電路根據(jù)其輸出是電壓的幅值還是頻率，又可分為調(diào)幅和調(diào)頻兩種。03December20241.橋式測量電路為了提高穩(wěn)定性和靈敏度，對差動式傳感器可采用橋式測量電路，電路原理見圖3-51。圖3-51橋式測量電路03December20242.諧振幅值測量電路見圖3-52。傳感器線圈和固定電容組成并聯(lián)諧振回路，由石英晶體振蕩器提供頻率（1MHz）穩(wěn)定的高頻激勵電流，在無被測導(dǎo)體時，使電路的諧振回路諧振頻率為：圖3-52諧振幅值測量電路03December20243.調(diào)頻測量電路測量電路見3-53。傳感器線圈作為一個電感元件接入振蕩器中。該測量電路由兩大部分組成，即電容三點式振蕩器和射極輸出器。電容三點式振蕩器產(chǎn)生高頻正弦波，其頻率隨傳感器線圈的變化而變化，該頻率信號通過耦合到射極輸出器，再由頻率計測量輸出頻率的大小。圖3-53調(diào)頻測量電路03December20243.3.3.4電渦流傳感器的應(yīng)用實例1.厚度測量利用電渦流傳感器無接觸地測量金屬板的厚度的原理見圖3-54。被測金屬板的厚度為：圖3-54電渦流傳感器測量厚度實例03December20242.轉(zhuǎn)速測量

在旋轉(zhuǎn)體的軸上剛性連接上開有n個槽或齒輪的金屬調(diào)制盤，在盤的旁邊安裝一個電渦流傳感器，見圖3-55。當(dāng)旋轉(zhuǎn)體轉(zhuǎn)動時，金屬調(diào)制盤與傳感器的距離周期性地改變，因此傳感器輸出信號也周期性改變，該信號經(jīng)放大和整形后變成一系列脈沖，可用數(shù)字頻率計進行測量。圖3-55電渦流傳感器測量轉(zhuǎn)速的原理03December20243.3.4壓磁式傳感器壓磁式傳感器也是測力傳感器中的一種，它是利用壓磁效應(yīng)原理工作的。3.3.4.1工作原理當(dāng)鐵磁材料受機械力作用時，其內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)變，引起磁導(dǎo)率的變化。當(dāng)外加機械力消失后，其磁導(dǎo)率復(fù)原。通常把在機械變形（拉伸、壓縮、扭曲等）作用下，所引起的磁性質(zhì)的變化稱為壓磁效應(yīng)。鐵磁材料的壓磁效應(yīng)的規(guī)律是：鐵磁材料受拉力作用時，在力的作用方向磁導(dǎo)率提高，而在與作用力垂直的方向，磁導(dǎo)率降低；鐵磁材料受到壓力作用時，磁導(dǎo)率的變化剛好與上述相反。03December2024壓磁式傳感器利用鐵磁材料在外力作用下磁導(dǎo)率的變化的這一規(guī)律，構(gòu)成了壓磁傳感器，見圖3-56。圖3-56壓磁傳感器的工作原理圖3-57壓磁傳感器的輸出特性03December20243.3.4.2壓磁傳感器鐵磁材料的形狀壓磁傳感器鐵磁材料的常見形狀見圖3-58。圖a的靈敏度較高，可測量5×105N以下的力。圖b是圖a的改進型，在受力方向下開兩個小孔，分散了部分力到四個孔的兩側(cè)，提高了測量上限，但靈敏度有所減小。圖c為中字型，分別在1、3鐵心柱上繞上勵磁繞組和測量繞組，測量上限較小，靈敏度高，但零點殘余電壓較大。圖d稱為“田中”形，主要特點是靈敏度較高，常用于測量5000N以下的力。圖3-58鐵磁材料的形狀03December20243.3.4.3測量電路由式（3-69）可見，在鐵磁材料未達到磁飽和條件下，提高激磁電壓和兩繞組的匝數(shù)比均能提高傳感器的輸出電壓。因此壓磁傳感器的輸出信號幅值較大，其測量電路不需要信號放大環(huán)節(jié)，僅需要有穩(wěn)定的勵磁電源和良好的檢波、濾波以及調(diào)零電路等。圖3-59是壓磁傳感器測量電路組成框圖。圖3-59壓磁傳感器測量電路組成框圖03December20243.3.4.4壓磁傳感器的特點及應(yīng)用范圍與其它傳感器相比，壓磁傳感器具有輸出功率大，抗干擾能力強、精度高、線性好、壽命長、維護方便、運行條件低（能在一般有灰塵、水和腐蝕性氣體的環(huán)境中長期運行）等特點。因此，很適合在重工業(yè)、化學(xué)工業(yè)部門應(yīng)用，是一種十分有發(fā)展前途的傳感器。目前，壓磁傳感器已在冶金、礦山、造紙、印刷、運輸?shù)雀鱾€工業(yè)部門中廣泛應(yīng)用。特別是在各種自動化系統(tǒng)中用來測量軋鋼機的扎制力、鋼帶張力、卷揚機的定量自動提升、紙張的張力、吊車提物的自動稱重、配料斗的稱重、金屬切削力以及電梯安全保護等各個方面。03December2024Thankyou!03December20243.4電容式傳感器3.4.1電容式傳感器的工作原理極其特性3.4.2測量電路3.4.3電容傳感器的特點及其應(yīng)用范圍03December20243.4.1電容式傳感器的工作原理極其特性圖3-60平板電容器原理圖3-60為平板電容器原理圖，若忽略其邊緣效應(yīng)，其電容量C為：+++dA

d、A或ε發(fā)生變化時，都會引起電容的變化。改變極板面積的變面積式；改變極板距離的變間隙式；改變介電常數(shù)的變介電常數(shù)式。

03December20243.4.1.1變氣隙式電容傳感器及其特性圖3-60中，設(shè)在被測量作用下，動極板向上移動Δd，其電容量增加，電容變化量為：式中，C0

為初始電容量，

。在

時，將上式展開成麥克勞林級數(shù)：

若動極板向下位移Δd，同理可得：03December2024由式（3-71）和式（3-72）可見，變氣隙式電容傳感器的特性是非線性的。若

，忽略高次方非線性，方可認為其特性是線性的，即：

因此，可得其靈敏度為：

變氣隙式傳感器的特點是靈敏度高，但非線性嚴重，通常取之間。03December20243.4.1.2變面積式電容傳感器及其特性角位移變面積型見圖3-61a，當(dāng)轉(zhuǎn)動動片一個角度θ，遮蓋面積發(fā)生變化，電容量也隨之改變。當(dāng)θ=0時，其電容量為：

當(dāng)θ≠0時，

其靈敏度為：圖3-61變面積式電容傳感器變面積式電容傳感器的結(jié)構(gòu)見圖3-61。03December2024板狀線位移變面積型

見圖3-61b，當(dāng)動板沿箭頭所示方向移動x時，傳感器的電容量為：

其靈敏度為筒狀線位移變面積型

見圖3-61c，當(dāng)動板圓筒沿軸向移動x時

其靈敏度為：03December20243.4.1.3變介電常數(shù)式電容傳感器及其特性當(dāng)電容極板之間的介電常數(shù)發(fā)生變化時，電容量也隨之發(fā)生變化，根據(jù)這一原理可構(gòu)成變介電常數(shù)式電容式傳感器?？捎靡詼y量物位，含水量及成分分析等。圖3-62為變介電常數(shù)式電容液位傳感器原理圖。當(dāng)被測液面在同心圓筒間變化時，傳感器電容隨之變化，其容量為：圖3-62電容式液位傳感器原理圖03December20243.4.1.4差動電容傳感器及其特性上述變氣隙式、變面積式和變介電常數(shù)式三種電容傳感器均可制成差動電容傳感器。由于變氣隙式電容傳感器的非線性嚴重，實際上是很少使用的，通常制成差動型式。由于篇幅所限。僅介紹變氣隙式差動傳感器及其特性，其結(jié)構(gòu)見圖3-63。差動電容傳感器的輸出電容變化量

，得：圖3-63變氣隙式差動電容傳感器原理由上式可見，變氣隙式差動電容傳感器僅含奇次方的非線性，因此其線性度得到很大程度的改善。03December20243.4.2測量電路電容式傳感器的測量電路的種類很多，目前較常用的有電橋電路、調(diào)頻電路、脈沖調(diào)寬電路和運算放大器式電路等。3.4.2.1電橋電路電容式傳感器常用交流電橋和變壓器電橋作為測量電路。圖3-64電容式自動平衡液位測量儀原理框圖例3-6圖3-64是電容式自動平衡液位測量儀原理框圖，試求指針偏轉(zhuǎn)角θ與液位h的表達式。03December2024解：由圖可見，當(dāng)h=0時，CX=CX0=C0，且電位器RP（阻值RP）的電刷在O點，即R=0，此時電橋應(yīng)平衡，橋路輸出電壓Uac=0，則

當(dāng)液位為h時，CX=CX0+ΔC，ΔC=k1h，k1為電容傳感器的靈敏度。此時Uac≠0，經(jīng)放大后，使單相電動機轉(zhuǎn)動，經(jīng)減速后帶動指針轉(zhuǎn)動，同時帶動電位器的電刷移動，直到Uac=0，系統(tǒng)重新平衡為止，此時聯(lián)立求解上面兩式得：03December2024由于指針轉(zhuǎn)角θ與電位器電刷同軸相連，它們間的關(guān)系為：

θ=k2R 因此

其中，k2為比例系數(shù)可見，指針偏轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)角θ與液位高度h成比例。03December20243.4.2.2調(diào)頻電路將電容式傳感器的電容接入LC高頻振蕩電路，將電容的變化轉(zhuǎn)換成振蕩頻率受傳感器電容的調(diào)制，因此稱為調(diào)頻電路，其工作原理見圖3-65。圖3-65調(diào)頻電路原理圖03December20243.4.2.3差動脈沖調(diào)寬電路圖3-66差動脈沖調(diào)寬電路圖3-67差動脈沖調(diào)寬電路的輸出波形03December20243.4.2.4運算放大器電路圖3-68運算放大器電路由右式及圖3-68可見，輸出電壓與動極板的位移d成線性關(guān)系，從原理上克服了單個變氣隙式電容傳感器特性的非線性誤差問題。需要指出的是，由于增益k≠∞，且輸入阻抗Zi≠∞，所以仍然具有一定的非線性誤差。為了防止干擾和減小雜散分布電容的影響，必須采取特殊措施即所謂的驅(qū)動電纜技術(shù)。03December20243.4.3電容傳感器的特點及其應(yīng)用范圍電容傳感器的特點是：結(jié)構(gòu)簡單，靈敏度高，分辨率高，能感受0.01甚至更小的位移，無反作用力，需要的動作能量低，動態(tài)響應(yīng)好，可實現(xiàn)無接觸測量，能在惡劣的環(huán)境下工作；缺點是：輸出特性非線性，受分布電容影響大。但是，隨著新工藝，新材料問世，特別是電子技術(shù)的發(fā)展，使干擾和寄生電容等問題不斷得到解決，因此越來越廣泛地應(yīng)用于各種測量中。電容傳感器可以用來測量直線位移、角位移、振動振幅（可測至0.05微小振幅），尤其適合測量高頻振動振幅、精密軸系回轉(zhuǎn)精度、加速度等機械量。還可用來測量壓力、差壓、液位、料面、成分含量（如油、糧食、木材的含水量）及非金屬材料的涂層、油膜等的厚度。此外，也可以用來測量電介質(zhì)的溫度、密度、厚度等。03December2024電容傳聲器圖3-69電容式傳聲器結(jié)構(gòu)1-毛細孔2-內(nèi)腔3-背極板4-膜片5-阻尼孔6-絕緣體7-殼體8-引線03December2024例：電容式傳聲器03December2024Thankyou！03December20243.5熱電偶傳感器3.5.1熱電偶的測溫原理3.5.2有關(guān)熱電偶回路的幾點結(jié)論3.5.3熱電偶冷端溫度補償3.5.4常用熱電偶及其特性3.5.6熱電偶測溫應(yīng)用實例03December2024熱電偶傳感器熱電偶傳感器簡稱熱電偶。熱電偶能滿足溫度測量的各種要求，具有結(jié)構(gòu)簡單，精度高，范圍寬（-269~2800℃），響應(yīng)較快，具有較好的穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性，因此在測溫領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛。溫差熱電偶（簡稱熱電偶）是目前溫度測量中使用最普遍的傳感元件之一。它除具有結(jié)構(gòu)簡單，測量范圍寬、準確度高、熱慣性小，輸出信號為電信號便于遠傳或信號轉(zhuǎn)換等優(yōu)點外，還能用來測量流體的溫度、測量固體以及固體壁面的溫度。微型熱電偶還可用于快速及動態(tài)溫度的測量。03December20243.5.1熱電偶的測溫原理圖3-71熱電偶工作原理把兩種不同的導(dǎo)體（或半導(dǎo)體）接成圖3-71的閉合電路，把它們的兩個接點分別置于溫度為及（）的熱源中，則在回路中將產(chǎn)生一個電動勢，稱為熱電動勢，或塞貝克電動勢。這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)或叫塞貝克效應(yīng)。圖3-71中的兩種導(dǎo)體叫熱電極，兩個接點，一個稱為工作端或熱端（），另一個稱為自由端或冷端。由這兩種導(dǎo)體組成并將溫度轉(zhuǎn)換成熱電動勢的傳感器稱為熱電偶。03December2024賽貝克效應(yīng)這種現(xiàn)象早在1821年首先由賽貝克（See－back）發(fā)現(xiàn),所以又稱賽貝克效應(yīng)。熱電動勢由兩種導(dǎo)體接觸電動勢（或稱珀爾帖電動勢）和單一導(dǎo)體的溫差電動勢（湯姆遜電動勢）組成。熱電動勢的大小與兩種導(dǎo)體的材料及接點的溫度有關(guān)。熱電偶原理圖TT0AB熱端冷端03December20243.5.1.1接觸電動勢圖3-72接觸電動勢的建立在圖3-71中，溫度為的接點，由于A、B兩種導(dǎo)體的電子密度不同（設(shè)），在接觸面上由A導(dǎo)體擴散到B導(dǎo)體的電子數(shù)量將比由B導(dǎo)體擴散到A導(dǎo)體的電子數(shù)量多。導(dǎo)體A因失去電子而帶正電荷，導(dǎo)體B因得到多余的電子而帶負電荷。因此在A、B導(dǎo)體的接觸面上建立一個電場，見圖3-72。在該電場作用下，一方面阻止繼續(xù)由A導(dǎo)體擴散到B導(dǎo)體，另一方面加速電子由B導(dǎo)體擴散到A導(dǎo)體。當(dāng)達到動態(tài)平衡時，在A、B導(dǎo)體的接觸面上便建立了接觸電動勢，其值用表示。03December20243.5.1.2溫差電動勢溫差電動勢是在同一根導(dǎo)體中由于兩端溫度不同（設(shè)）而產(chǎn)生的電動勢。在同一導(dǎo)體A中，由于高溫端向低溫端擴散的電子數(shù)量比由低溫端向高溫端擴散的電子數(shù)量多。高溫端因失去電子而帶正電荷，而低溫端由于得到多余的電子而負電荷。因此，在導(dǎo)體中建立一個靜電場，見圖3-73。在該電場作用下，一方面阻止電子繼續(xù)由高溫端向低溫端擴散，另一方面加速電子由低溫端向高溫端擴散。當(dāng)達到動態(tài)平衡時，在導(dǎo)體A的高低溫端便建立了溫差電動勢。圖3-73溫差電動勢的建立03December20243.5.1.3熱電偶回路的熱電動勢由上述可知，圖3-71的熱電偶回路有四個熱電動勢；兩個接觸電動勢、

和兩個溫差電動勢、，熱電動勢的等效電路見圖3-74。四個電動勢中，由于，

的量值最大，以的方向為正，則回路熱電動勢為：圖3-74熱電動勢等效電路03December2024由于溫差電動勢很小，而且與的極性相反，兩者互相抵消，可忽略不計。因此，熱電偶回路的熱電動勢為：由上式可見，熱電偶回路的熱電動勢與熱點偶電極材料的電子密度、和兩接點的溫度、有關(guān)。當(dāng)電極材料一定時，熱電偶回路的熱電動勢成為溫度和的函數(shù)之差，即若保持冷端溫度恒定，常數(shù)，則上式可寫成：由上式可見，熱電偶回路的熱電動勢與熱端溫度具有單值函數(shù)關(guān)系。此即為熱電偶測溫的工作原理。03December2024熱電偶分度表由于電極材料的電子密度與溫度有關(guān)，溫度變化，電子密度并非常數(shù)，因此式（3-91）的單值函數(shù)關(guān)系很難用計算方法準確得到，而是通過實驗方法獲得。規(guī)定在℃（273.15K），將測得的與的對應(yīng)關(guān)系制成表格，稱為各種熱電偶的分度表。熱電動勢中，下標A、B表示熱電極，規(guī)定寫在前面的熱電極A為正極，寫在后面的熱電極B為負極，表示測量溫度，表示冷端溫度。若符號有變化，而其相應(yīng)的位置的規(guī)定含義不變，因此有：03December20243.5.2有關(guān)熱電偶回路的幾點結(jié)論熱電偶回路的熱電動勢僅與熱電偶電極的熱電性質(zhì)及兩端溫度有關(guān)，而與熱電極的幾何尺寸（長短、粗細）無關(guān)。由于這一結(jié)論，使用中燒斷的熱電偶可重新焊接，經(jīng)過校驗合格后，再用于測溫。若組成熱電偶的兩電極的材料相同，即A=B，，則無論兩接點的溫度如何，熱電偶回路的熱電動勢總是等于零，即：若熱電偶兩接點的溫度相同，即，則盡管熱電極材料A、B不同，熱電偶回路的熱電動勢總是等于零。即：03December2024熱電偶回路的熱電動勢

僅與兩端溫度t和t0有關(guān)，而與熱電偶中間溫度無關(guān)。在熱電偶回路中接入第三種材料的導(dǎo)體，只要第三種材料導(dǎo)體兩端的溫度相同，第三種導(dǎo)體的接入不會影響熱電偶回路的熱電動勢。當(dāng)兩接點的溫度為t和t0時，利用A、B導(dǎo)體組成的熱電偶的熱電動勢等于A、C導(dǎo)體組成的熱電偶和C、B導(dǎo)體組成的熱電偶的熱電動勢的代數(shù)和，即：

這一結(jié)論稱為標準熱電極定律。上式中導(dǎo)體C稱為標準熱電極。金屬鉑常用作標準熱電極。03December20243.5.3熱電偶冷端溫度補償熱電偶的冷端溫度必須保持恒定，熱電偶的熱電動勢才與被測溫度具有單值函數(shù)關(guān)系。由于熱電偶的分度表和顯示儀表是在熱電偶冷端溫度t=0℃刻度的，利用熱電偶測溫時，若其冷端溫度t≠0℃，必須對儀表示值進行修正，否則會引起較大誤差。因此，熱電偶的冷端必須妥善處理。3.5.3.1冷端溫度修正法3.5.3.2補償導(dǎo)線法3.5.3.3冷端恒溫法3.5.3.4補償電橋法03December20243.5.3.1冷端溫度修正法由于熱電偶的分度表和與之配套的顯示儀表是在t=0℃時刻度的，若顯示儀表內(nèi)部沒有冷端溫度自動補償器和冷端溫度t≠0℃時，必須對儀表的示值進行修正，否則會引起較大誤差。修正公式為：

式中，

為修正值，它是冷端t≠0℃時對0℃的熱電動勢。03December20243.5.3.2補償導(dǎo)線法熱電偶的電極材料大多數(shù)是貴金屬合金，不可能做得很長，若用戶不提出要求，最常用的長度是350mm。使用時，其冷端接近被測溫度場，并暴露于空氣中，受環(huán)境溫度的影響，其冷端溫度是不可能穩(wěn)定的。因此，必須設(shè)法將熱電偶的冷端延伸到溫度恒定的場合，就得利用補償導(dǎo)線法。表3-1常用熱電偶補償導(dǎo)線的特性配用熱電偶正－負補償導(dǎo)線正－負導(dǎo)線外皮顏色補償溫度范圍/℃電動勢/mV熱電動勢/mV正負鉑銠10－鉑銅－銅鎳①紅綠0～1500.643±0.0231.025±0.0240.055鎳鉻－鎳硅鋁銅－錳白銅(鐵－錳白銅)紅藍－20～100(－20～150)4.10±0.156.13±0.20鎳鉻－錳白銅鎳鉻－錳白銅紅黃－6.95±0.3010.69±0.38銅－錳白銅銅－錳白銅紅藍－4.10±0.156.13±0.20鎢錸5－鎢錸銅－銅鎳②紅藍0～1001.337±0.045－鉑銠30－鉑銠6銅－銅0～150±0.034±0.09203December2024補償導(dǎo)線是指在一定溫度范圍內(nèi)（0～100℃），其熱電特性與其所連接的熱電偶的熱電特性相同或相近的一種廉價的導(dǎo)線。其作用是利用廉價、線徑較粗的補償導(dǎo)線作為貴金屬熱電偶的延伸線，以節(jié)約貴金屬，將熱電偶的冷端延伸至遠離被測溫度場而且溫度較恒定的場合，便于冷端溫度的修正和減小測量誤差。使用補償導(dǎo)線時必須注意：熱電偶的補償導(dǎo)線只能與相應(yīng)型號的熱電偶配合使用，且必須同極性連接，見表3-1，否則會引起較大的誤差。熱電偶與補償導(dǎo)線連接處的溫度不應(yīng)超過100℃，否則由于熱電特性不同帶來新的誤差。只有新延伸的冷端溫度恒定或所配顯示儀表內(nèi)具有冷端溫度自動補償器時，使用補償導(dǎo)線才有意義。03December20243.5.3.3冷端恒溫法利用補償導(dǎo)線將熱電偶的冷端延伸到溫度恒定的地方。圖中A、B為熱電偶，C、D為其補償導(dǎo)線。E、F為銅連接線，P為顯示儀表，K為恒溫槽或冰點槽，用以保持熱電偶冷端溫度穩(wěn)定在t0。熱電偶測量溫度為t，當(dāng)測出熱電動勢

數(shù)值后，可以根據(jù)t0的大小加以修正。必須注意測量時保證接點3、4（冷端）真正恒溫外，還得保證1、2點溫度一致，且其溫度tn不得超過補償導(dǎo)線規(guī)定的使用溫度。圖3-79冷端恒定法03December20243.5.3.4補償電橋法圖3-80補償電橋法原理線路（1）由于電橋是在20℃時平衡的，采用這種補償電橋時需把顯示儀表的機械零點調(diào)整到20℃。（2）冷端補償器只能與相應(yīng)型號的熱電偶配合使用，不能配錯冷端補償器型號，否則會引起較大誤差。（3）不能接錯冷端補償器的極性，否則不但起不到補償作用，而且會引起更大誤差。（4）有一些顯示儀表（例如自動電子電位差計、DDZ-II和DDZ-III溫度變送器等）內(nèi)部已含有冷端補償器。

使用補償電橋時必須注意：03December20243.5.4常用熱電偶及其特性標準化熱電偶是國家標準規(guī)定了其電動勢與溫度的關(guān)系和允許誤差，并有統(tǒng)一的標準分度表的熱電偶。鉑銠10－鉑熱電偶（S）由直徑為（0.5±0.020）的純鉑絲（負極）和相同直徑的由含質(zhì)量分數(shù)90％的鉑和10％的銠制成的合金絲（正極）組成，其分度號為S。鎳鉻－鎳硅熱電偶（K）這種熱電偶由鎳鉻、鎳硅制成，分度號用K表示。鎳鉻為正極，鎳硅為負極。由于K型熱電偶化學(xué)性能穩(wěn)定，復(fù)制性好，熱電動勢大，線性好，價格便宜，可在1000℃以下長期使用，短期測量可達1200℃，是工業(yè)生產(chǎn)中最常用的一種熱電偶。03December2024鎳鉻—錳白銅（原稱考銅）熱電偶（E）其分度號用E表示。鎳鉻為正極，錳白銅（原稱考銅）為負極。適用于還原性和中性介質(zhì)，長期使用溫度不可超過600℃，短期測量可達800℃。E熱電偶特點是熱電特性的線性好，靈敏度高，價格便宜；缺點是錳白銅（原稱考銅）易受氧化而變質(zhì)，測溫范圍低而且窄。鉑銠—鉑銠熱電偶（B）其分度號為B，簡稱為雙鉑銠熱電偶。是一種貴金屬熱電偶。其正極含質(zhì)量分數(shù)（下同）為30%的銠，負極含6%的銠。B熱電偶的特點是抗污染能力強，性能穩(wěn)定，精度高，因室溫情況下熱電動勢

，

。故使用時不必進行冷端溫度校正與補償。缺點是熱電動勢小，價格昂貴。03December20243.5.5熱電偶常用測溫電路工業(yè)用熱電偶測溫電路測量電路見圖3-81，圖a為與動圈表及帶冷端補償器配套使用的電路；圖b