第2章航空儀表基礎(chǔ)1243352.

1傳感器的基本概念2.

2電阻式傳感器2.

3電容式傳感器2.

4電感式傳感器2.

5壓電式傳感器下一頁返回第2章航空儀表基礎(chǔ)62.

6熱敏傳感器上一頁返回2.1傳感器的基本概念2.1.1傳感器的定義與組成傳感器是一種能感受規(guī)定的被測量,并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成輸出信號的器件或裝置。常用傳感器的輸出信號多為易于處理的電量,如電壓、電流和頻率等。傳感器一般由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和信號調(diào)理與轉(zhuǎn)換電路組成。其中,敏感元件是指傳感器中能直接感受或響應(yīng)被測量的部分;轉(zhuǎn)換元件是指傳感器中將敏感元件感受或響應(yīng)的被測量轉(zhuǎn)換成適用于傳輸或測量的電信號的部分。由于傳感器的輸出信號一般都很微弱,因此需要有信號調(diào)理與轉(zhuǎn)換電路對其進(jìn)行放大、運(yùn)算和調(diào)理等。下一頁返回2.1傳感器的基本概念隨著半導(dǎo)體器件與集成技術(shù)在傳感器中的應(yīng)用,傳感器的信號調(diào)理與轉(zhuǎn)換電路可安裝在傳感器的殼體里或與敏感元件一起集成在同一芯片上,構(gòu)成集成傳感器(如美國ADI公司生產(chǎn)的AD22100型模擬集成溫度傳感器)。此外,信號調(diào)理與轉(zhuǎn)換電路以及傳感器工作時必須有輔助電源。傳感器的組成如圖2.1-1所示。2.1.2傳感器的分類由于傳感器的工作原理有多種,所以,傳感器的種類繁多,分類方法也很多。按被測量的性質(zhì)不同,主要分為位移傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器等;按傳感器的工作原理,主要分為電阻應(yīng)變式傳感器、電感式傳感器、電容式傳感器、壓電式傳感器、磁電式傳感器等。習(xí)慣上常把兩者結(jié)合起來命名傳感器,比如電阻應(yīng)變式壓力傳感器、電感式位移傳感器等。上一頁下一頁返回2.1傳感器的基本概念按被測量的轉(zhuǎn)換特征,傳感器又可分為結(jié)構(gòu)型傳感器和物性型傳感器。結(jié)構(gòu)型傳感器是通過傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化而實(shí)現(xiàn)信號轉(zhuǎn)換的,如電容式傳感器依靠極板間距離變化引起電容量的變化。物性型傳感器是利用某些材料本身的物理性質(zhì)隨被測量變化的特性而實(shí)現(xiàn)參數(shù)的直接轉(zhuǎn)換,這種類型的傳感器具有靈敏度高、響應(yīng)速度快、結(jié)構(gòu)簡單、便于集成等特點(diǎn),是傳感器的發(fā)展方向之一。按能量的傳遞方式,還可分為能量控制型傳感器和能量轉(zhuǎn)換型傳感器兩大類。能量控制型傳感器的輸出能量由外部供給,但受被測輸入量的控制,如電阻應(yīng)變式傳感器、電感式傳感器、電容式傳感器等。能量轉(zhuǎn)換型傳感器的輸出量直接由被測量能量轉(zhuǎn)換而得,如壓電式傳感器等。上一頁下一頁返回2.1傳感器的基本概念2.1.3傳感器的基本特性在測量過程中,要求傳感器能感受到被測量的變化并將其不失真地轉(zhuǎn)換成容易測量的量。被測量一般有兩種形式:一種是穩(wěn)定的,即不隨時間變化或變化極其緩慢的信號,稱為靜態(tài)信號;另一種是隨時間變化而變化的信號,稱為動態(tài)信號。由于輸入量的狀態(tài)不同,傳感器所呈現(xiàn)出來的輸入—輸出特性也不同,因此,傳感器的基本特性一般用靜態(tài)特性和動態(tài)特性來描述。1.傳感器的靜態(tài)特性傳感器的靜態(tài)特性是指被測量的值處于穩(wěn)定狀態(tài)時的輸出—輸入關(guān)系。衡量靜態(tài)特性的重要指標(biāo)是線性度、靈敏度、遲滯、重復(fù)性、分辨率、穩(wěn)定性和漂移等。上一頁下一頁返回2.1傳感器的基本概念1)線性度傳感器的線性度是指其輸出量與輸入量之間的實(shí)際關(guān)系曲線(即靜特性曲線)偏離直線的程度,又稱為非線性誤差,靜特性曲線可通過實(shí)際測量獲得。在實(shí)際應(yīng)用中,大多數(shù)傳感器為非線性的,為了得到線性關(guān)系,常引入各種非線性補(bǔ)償環(huán)節(jié)。如采用非線性補(bǔ)償電路或計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行線性化處理。但如果傳感器非線性的次方不高,輸入量變化范圍較小時,可用一條直線(切線或割線)近似地代表實(shí)際曲線的一段,如圖2.1-2所示,使傳感器輸出—輸入線性化,所采用的直線稱為擬合直線。實(shí)際特性曲線與擬合直線之間的偏差稱為傳感器的非線性誤差(或線性度),通常用相對誤差γL表示,即上一頁下一頁返回2.1傳感器的基本概念從圖2.1-2可知,即使是同類傳感器,擬合直線不同,其線性度也是不同的。選取擬合直線的方法很多,常用的有端點(diǎn)法、割線法、切線法、理論直線法、最小二乘法和計(jì)算機(jī)程序法等,用最小二乘法求取的擬合直線的擬合精度最高。2)靈敏度靈敏度S是指傳感器的輸出量增量△y與引起輸出量增量△y的輸入量增量△x的比值,即上一頁下一頁返回2.1傳感器的基本概念對于線性傳感器,它的靈敏度就是它的靜態(tài)特性的斜率,即S為常數(shù);而非線性傳感器的靈敏度為一變量,用S=dy/dx表示。傳感器的靈敏度如圖2.1-3所示。3)遲滯(回差滯環(huán)現(xiàn)象)傳感器在正向(輸入量增大)行程和反向(輸入量減小)行程期間,輸出—輸入特性曲線不重合的現(xiàn)象稱為遲滯,如圖2.1-4所示。也就是說,對于同一大小的輸入信號,傳感器的正、反行程輸出信號大小不等,這種現(xiàn)象主要是由傳感器敏感元件材料的物理性質(zhì)和機(jī)械零部件的缺陷所造成的。例如,彈性敏感元件的彈性滯后、運(yùn)動部件摩擦、傳動機(jī)構(gòu)的間隙、緊固件松動等,具有一定的隨機(jī)性。上一頁下一頁返回2.1傳感器的基本概念4)重復(fù)性重復(fù)性是指傳感器在輸入量按同一方向做全量程多次測量時,所得特性曲線不一致性的程度。多次按相同輸入條件測量的輸出特性曲線越重合,其重復(fù)性越好,誤差越小。5)分辨率傳感器的分辨率是指在規(guī)定測量范圍內(nèi)所能檢測到的輸入量的最小變化值△xmin。6)穩(wěn)定性傳感器的穩(wěn)定性一般是指長期穩(wěn)定性,在室溫條件下,經(jīng)過相當(dāng)長的時間間隔,傳感器的輸出與起始標(biāo)定時的輸出之間的差異。因此,通常又用其不穩(wěn)定度來表征傳感器輸出的穩(wěn)定程度。上一頁下一頁返回2.1傳感器的基本概念7)漂移傳感器的漂移是指在外界的干擾下,輸出量發(fā)生與輸入量無關(guān)的變化,包括零點(diǎn)漂移和靈敏度漂移等。傳感器在零輸入時,輸出的變化稱為零點(diǎn)漂移。零點(diǎn)漂移或靈敏度漂移又可分為時間漂移和溫度漂移。時間漂移是指在規(guī)定的條件下,零點(diǎn)或靈敏度隨時間的緩慢變化。溫度漂移是指當(dāng)環(huán)境溫度變化時,引起的零點(diǎn)或靈敏度漂移。漂移一般可通過串聯(lián)或并聯(lián)可調(diào)電阻來消除。上一頁下一頁返回2.1傳感器的基本概念2傳感器的動態(tài)特性傳感器的動態(tài)特性是指傳感器測量動態(tài)信號時,輸出量對輸入量的響應(yīng)特性。一個動態(tài)特性好的傳感器,其輸出量將再現(xiàn)輸入量的變化規(guī)律,即具有相同的時間函數(shù)。在動態(tài)的輸入信號情況下,輸出信號一般來說不會與輸入信號具有完全相同的時間函數(shù),這種輸出與輸入間的差異就是所謂的動態(tài)誤差。影響傳感器動態(tài)特性的主要是傳感器的固有因素,如溫度傳感器的熱慣性等,不同的傳感器,其固有因素的表現(xiàn)形式和作用程度不同。另外,動態(tài)特性還與傳感器輸入量的變化形式有關(guān)。上一頁下一頁返回2.1傳感器的基本概念也就是說,在研究傳感器的動態(tài)特性時,通常是根據(jù)不同輸入量的變化規(guī)律來考察傳感器的動態(tài)響應(yīng)的。傳感器的輸入量隨時間變化的規(guī)律是多種多樣的,下面對傳感器動態(tài)特性的分析,同自動控制系統(tǒng)分析一樣,通常從時域和頻域兩方面采用瞬態(tài)響應(yīng)法和頻率響應(yīng)法來分析。1)瞬態(tài)響應(yīng)法當(dāng)研究傳感器的動態(tài)特性時,在時域中對傳感器的響應(yīng)和過渡過程進(jìn)行分析的方法,稱為時域分析法,這時傳感器對所加激勵信號的響應(yīng)稱為瞬態(tài)響應(yīng)。常用激勵信號有階躍函數(shù)、斜坡函數(shù)、脈沖函數(shù)等。下面以最典型、最簡單、最易實(shí)現(xiàn)的階躍信號作為標(biāo)準(zhǔn)輸入信號來分析評價傳感器的動態(tài)性能指標(biāo)。上一頁下一頁返回2.1傳感器的基本概念當(dāng)給靜止的傳感器輸入一個單位階躍函數(shù)信號時,其輸出特性稱為階躍響應(yīng)或瞬態(tài)響應(yīng)特性。瞬態(tài)響應(yīng)特性曲線如圖2.1-5

所示。2)頻率響應(yīng)法頻率響應(yīng)法是從傳感器的頻率特性出發(fā)研究傳感器的動態(tài)特性。傳感器對正弦輸入信號的響應(yīng)特性,稱為頻率響應(yīng)特性。上一頁下一頁返回2.1傳感器的基本概念對傳感器動態(tài)特性的理論研究,通常是先建立傳感器的數(shù)學(xué)模型,通過拉氏變換找出傳遞函數(shù)表達(dá)式,再根據(jù)輸入條件得到相應(yīng)的頻率特性。大部分傳感器可簡化為單自由度的一階或二階系統(tǒng),其傳遞函數(shù)為因此,可以方便地應(yīng)用自動控制原理中的分析方法和結(jié)論,讀者可參考相關(guān)書籍,這里不再贅述。研究傳感器的頻域特性時,主要用幅頻和相頻特性。上一頁下一頁返回2.1傳感器的基本概念2.1.4傳感器的測量誤差在檢測過程中,不論采用什么樣的測量方式和方法,也不論采用什么樣的測量儀表,由于測量儀表本身不夠準(zhǔn)確,測量方法也不夠完善,以及測量者經(jīng)驗(yàn)不足和人的感覺器官受到局限等原因,測量結(jié)果與被測量的真值之間會存在差值,這個差值稱為測量誤差。測量誤差的主要來源可以概括為工具誤差(又稱為儀器誤差)、環(huán)境誤差、方法誤差和人員誤差等。上一頁下一頁返回2.1傳感器的基本概念測量的目的就是為了求得與被測量真值最接近的測量值,在合理的前提下,這個值越逼近真值越好。但不管怎么樣,測量誤差不可能為零。在實(shí)際測量中,只需達(dá)到相應(yīng)的精確度就可以,絕不是精確度越高越好。必須清楚地知道,提高測量精確度是要付出人力、物力的,是要以犧牲測量可靠性為代價的。那種不計(jì)工本,不顧場合,一味追求越準(zhǔn)越好的做法是不可取的,要有技術(shù)與經(jīng)濟(jì)兼顧的意識,應(yīng)追求最高的性價比。為了便于對誤差進(jìn)行分析和處理,人們通常把測量誤差從不同角度進(jìn)行分類。按誤差的表示方法可分為絕對誤差、相對誤差和引用誤差;按誤差出現(xiàn)的規(guī)律可分為系統(tǒng)誤差、隨機(jī)誤差和粗大誤差;按被測量與時間的關(guān)系可分為靜態(tài)誤差和動態(tài)誤差。上一頁下一頁返回2.1傳感器的基本概念1.絕對誤差、相對誤差和引用誤差1)絕對誤差絕對誤差是指測量值A(chǔ)X

與被測量真值A(chǔ)0之間的差值,用δ表示,即由式可知,絕對誤差的單位與被測量的單位相同,且有正負(fù)之分。用絕對誤差表示儀表的誤差大小也比較直觀,它被用來說明測量結(jié)果接近被測量真值的程度。在實(shí)際中,被測量真值A(chǔ)0是得不到的,一般用理論真值或計(jì)量學(xué)約定真值A(chǔ)X來代替A0。上一頁下一頁返回2.1傳感器的基本概念絕對誤差不能作為衡量測量精確度的標(biāo)準(zhǔn),例如用一個電壓表測量200V電壓,絕對誤差為+1V,而用另一個電壓表測量10V電壓,絕對誤差為+0.5V,前者的絕對誤差雖然大于后者,但誤差值相對于被測量值是后者大于前者,即兩者的測量精確度相差較大,為此引入了相對誤差。2)相對誤差所謂相對誤差(用γ表示)就是指絕對誤差δ與被測量真值X0的百分比,即上一頁下一頁返回2.1傳感器的基本概念在上面的例子中:所以,相對誤差比絕對誤差能更好地說明測量的精確程度。在實(shí)際測量中,由于被測量真值是未知的,而指示值又很接近真值,因此也可以用指示值A(chǔ)X代替真值X0來計(jì)算相對誤差。上一頁下一頁返回2.1傳感器的基本概念一般情況下,使用相對誤差來說明不同測量結(jié)果的準(zhǔn)確程度,即用相對誤差來評定某一測量值的精確度,但不適用于衡量測量儀表本身的質(zhì)量。因?yàn)橥慌_儀表可以用來測量許多不同真值的被測量,在整個測量范圍內(nèi)的相對誤差不是一個定值。隨著被測量的減小,相對誤差變大。為了更合理地評價儀表質(zhì)量,采用了引用誤差。3)引用誤差引用誤差是絕對誤差δ與儀表量程L的比值,通常以百分?jǐn)?shù)表示,即上一頁下一頁返回2.1傳感器的基本概念對同一臺確定的儀表或檢測系統(tǒng),出現(xiàn)的絕對誤差最大值是一個定值,所以其最大引用誤差就是一個定值,由儀表本身性能所決定。一般用最大引用誤差來確定測量儀表的精度等級。工業(yè)儀表常見的精度等級有0.1級、0.2級、0.5級、1.0級、1.5級、2.0級、2.5級、5.0級等。在具體測量某個值時,其相對誤差可以根據(jù)儀表允許的最大絕對誤差和儀表指示值進(jìn)行計(jì)算。例如,2.0級的儀表,量程為100,在使用時它的最大引用誤差不超過±2.0%,也就是說,在整個量程內(nèi),它的絕對誤差最大值不會超過其量程的±2.0%,即為±2.0。用它測量真值為80的測量值時,其相對誤差最大為±2.0/80×100%=±2.5%。測量真值為10的測量值時,其相對誤差最大為±2.0/10×100%=±20%。上一頁下一頁返回2.1傳感器的基本概念由此可見,精度等級已知的測量儀表只有在被測量值接近滿量程時,才能發(fā)揮它的測量精度。因此選用測量儀表時,應(yīng)當(dāng)根據(jù)被測量的大小和測量精度要求,合理地選擇儀表量程和精度等級,只有這樣才能提高測量精度,達(dá)到最好的性價比。2.系統(tǒng)誤差、隨機(jī)誤差和粗大誤差1)系統(tǒng)誤差在相同條件下,多次重復(fù)測量同一量時,保持恒定或遵循某種變化規(guī)律的誤差稱為系統(tǒng)誤差。其誤差的數(shù)值和符號不變的稱為恒值系統(tǒng)誤差。按照一定規(guī)律變化的,稱為變值系統(tǒng)誤差。變值系統(tǒng)誤差又可分為累進(jìn)性變值系統(tǒng)誤差、周期性變值系統(tǒng)誤差和按復(fù)雜規(guī)律變化的等變值系統(tǒng)誤差3種類型。上一頁下一頁返回2.1傳感器的基本概念檢測裝置本身性能不完善、測量方法不當(dāng)、儀器使用不當(dāng)、環(huán)境條件的變化等原因都可能產(chǎn)生系統(tǒng)誤差。如果能設(shè)法消除這些原因,則系統(tǒng)誤差也就被消除了。例如,由于儀表刻度起始位不對產(chǎn)生的誤差,只要在測量前校正指針零位即可消除。系統(tǒng)誤差的大小表明測量結(jié)果的準(zhǔn)確度。系統(tǒng)誤差越小,則測量結(jié)果越準(zhǔn)確。系統(tǒng)誤差的大小說明了測量結(jié)果偏離被測量真值的程度。系統(tǒng)誤差是有規(guī)律的,因此可通過實(shí)驗(yàn)或分析的方法,查明其變化規(guī)律和產(chǎn)生原因,通過對測量值的修正或者采用一定的預(yù)防措施,就能消除或減小它對測量結(jié)果的影響。上一頁下一頁返回2.1傳感器的基本概念2)隨機(jī)誤差在相同條件下,多次測量同一量時,其誤差的大小和符號以不可預(yù)見的方式變化,這種誤差稱為隨機(jī)誤差。隨機(jī)誤差是由很多復(fù)雜因素的微小變化的總和引起的,分析起來比較困難。但是,隨機(jī)誤差具有隨機(jī)變量的一切特點(diǎn),在一定條件下服從統(tǒng)計(jì)規(guī)律,因此通過多次測量后,對其總和可以用統(tǒng)計(jì)規(guī)律來描述,從而在理論上估計(jì)出其對測量結(jié)果的影響。隨機(jī)誤差的大小表明測量結(jié)果重復(fù)一致的程度,即測量結(jié)果的分散性。通常,用精密度表示隨機(jī)誤差的大小。隨機(jī)誤差大,測量結(jié)果分散,精密度低;反之,測量結(jié)果的重復(fù)性好,精密度高。上一頁下一頁返回2.1傳感器的基本概念3)粗大誤差明顯歪曲測量結(jié)果的誤差稱為粗大誤差,又稱為過失誤差。含有粗大誤差的測量值稱為壞值或異常值。在實(shí)際測量中,由于粗大誤差的誤差數(shù)值特別大,容易從測量結(jié)果中發(fā)現(xiàn),一經(jīng)發(fā)現(xiàn)粗大誤差,可以認(rèn)為該次測量無效,壞值應(yīng)從測量結(jié)果中剔除,從而消除它對測量結(jié)果的影響。粗大誤差主要是人為因素造成的。例如,由于測量人員工作時的疏忽大意,出現(xiàn)了讀數(shù)錯誤、記錄錯誤、計(jì)算錯誤或操作不當(dāng)?shù)取Ａ硗?測量方法不恰當(dāng),測量條件意外地突然變化,也可能造成粗大誤差。在分析測量結(jié)果時,就應(yīng)先分析有沒有粗大誤差,先把壞值從測量值中剔除,然后再進(jìn)行系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差的分析。上一頁下一頁返回2.1傳感器的基本概念3.動態(tài)誤差和靜態(tài)誤差靜態(tài)誤差是指在測量過程中,被測量隨時間變化很緩慢或基本上不變化的測量誤差。以上所介紹的測量誤差均屬于靜態(tài)誤差。在被測量隨時間變化時,進(jìn)行測量所產(chǎn)生的附加誤差稱為動態(tài)誤差。由于檢測系統(tǒng)(或儀表)對動態(tài)信號的響應(yīng)需要一定時間,輸出信號來不及立即反映輸入信號的量值,加上傳感器對不同頻率的輸入信號的增益和時間延遲不同,因此輸出信號與輸入信號的波形將不完全一致而造成動態(tài)誤差。在實(shí)際應(yīng)用中,應(yīng)盡量選用動態(tài)特性好的儀表,以減小動態(tài)誤差。上一頁返回2.2電阻式傳感器電阻式傳感器是將被測量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮枳兓囊环N傳感器。它由于結(jié)構(gòu)簡單、易于制造、價格便宜、性能穩(wěn)定、輸出功率大,在檢測系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。2.2.1電阻式傳感器的工作原理金屬體都有一定的電阻,電阻值因金屬的種類而異。同樣的材料,越細(xì)或越薄,則電阻值越大。當(dāng)加有外力時,金屬若變細(xì)變長,則阻值增加;若變粗變短,則阻值減小。如果在發(fā)生應(yīng)變的物體上安裝(通常是粘貼)金屬體,當(dāng)物體伸縮時,金屬體也按某比例發(fā)生伸縮,因而電阻值產(chǎn)生相應(yīng)的變化。下一頁返回2.2電阻式傳感器設(shè)有一根長度為l,截面積為A,電阻率為ρ的金屬絲,則它的電阻值R可用下式表示:從上式可見,若導(dǎo)體的3個參數(shù)(電阻率、長度和截面積)中的一個或數(shù)個發(fā)生變化,則電阻值也隨著變化,因此可根據(jù)此原理來設(shè)計(jì)制作傳感器。上一頁下一頁返回2.2電阻式傳感器2.2.2電阻應(yīng)變式傳感器電阻應(yīng)變式傳感器是利用電阻應(yīng)變片將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻值變化,即根據(jù)應(yīng)變效應(yīng)而設(shè)計(jì)制作的傳感器。任何非電量,只要能設(shè)法轉(zhuǎn)換為應(yīng)變片的應(yīng)變,都可以利用此種傳感器進(jìn)行測量。因此,電阻應(yīng)變式傳感器可以用來測量應(yīng)變、力、扭矩、位移和加速度等多種參數(shù)。1.電阻應(yīng)變效應(yīng)當(dāng)導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料在外力作用下產(chǎn)生機(jī)械變形時,其電阻值也相應(yīng)發(fā)生變化的物理現(xiàn)象,稱為電阻應(yīng)變效應(yīng)。上一頁下一頁返回2.2電阻式傳感器K0

的大小由兩個因素影響:一是幾何尺寸的改變;二是材料電阻率的改變。對于金屬材料而言,以前者為主;對于半導(dǎo)體材料,主要由后者,即電阻率相對變化所決定。另外,式中還表明電阻值的相對變化與應(yīng)變成正比,因此通過測量電阻的變化,便可測量出應(yīng)變ε。2.電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)如圖2.2-1所示,一般由敏感柵(金屬絲或箔)、基底、覆蓋層、黏合劑、引出線等組成。敏感柵是轉(zhuǎn)換元件,它把感受到的應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻的變化;基底用來將彈性體的表面應(yīng)變準(zhǔn)確地傳送到敏感柵上,并使敏感柵與彈性體之間相互絕緣;覆蓋層用來保護(hù)敏感柵;黏合劑把敏感柵與基底粘貼在一起;引出線用來連接測量導(dǎo)線。常用電阻應(yīng)變片有兩大類:金屬電阻應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片。上一頁下一頁返回2.2電阻式傳感器1)金屬電阻應(yīng)變片金屬電阻應(yīng)變片有絲式、箔式及薄膜式等結(jié)構(gòu)形式。絲式應(yīng)變片如圖2.2-2(a)所示,它是將金屬絲按圖示形狀彎曲后用黏合劑粘貼在基底上而成的。基底可分為紙基、膠基和紙浸膠基等。電阻絲兩端焊有引出線,使用時只要將應(yīng)變片貼于彈性體上就可構(gòu)成應(yīng)變式傳感器。箔式應(yīng)變片如圖2.2-2(b)所示,它的敏感柵是通過光刻、腐蝕等工藝制成的。敏感柵厚度一般在0.003~0.01mm。與絲式應(yīng)變片相比其表面積大、散熱性好,允許通過較大的電流。由于它的厚度薄,因此具有較好的可撓性,靈敏度系數(shù)較高。箔式應(yīng)變片還可以根據(jù)需要制成任意形狀,適合批量生產(chǎn)。上一頁下一頁返回2.2電阻式傳感器薄膜式應(yīng)變片是采用真空蒸鍍或?yàn)R射式陰極擴(kuò)散方法,在薄的基底材料上制成一層金屬電阻材料薄膜以形成應(yīng)變片。這種應(yīng)變片有較高的靈敏度系數(shù),允許電流密度大,工作溫度范圍較廣。2)半導(dǎo)體應(yīng)變片半導(dǎo)體應(yīng)變片是根據(jù)半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)制成的一種純電阻性元件。當(dāng)對半導(dǎo)體材料的某一軸向施加一定載荷而產(chǎn)生應(yīng)力時,它的電阻率會發(fā)生變化,這種物理現(xiàn)象稱為壓阻效應(yīng)。半導(dǎo)體應(yīng)變片主要有體型、薄膜型和擴(kuò)散型三種。上一頁下一頁返回2.2電阻式傳感器半導(dǎo)體應(yīng)變片與金屬電阻應(yīng)變片相比其靈敏度高50~70倍,另外,其橫向效應(yīng)和機(jī)械滯后小。但它的溫度穩(wěn)定性差,在較大應(yīng)變下,靈敏度的非線性誤差大。3.電阻應(yīng)變式傳感器的測量電路電阻應(yīng)變片在工作時,將應(yīng)變片用黏合劑粘貼在彈性體或試件上,彈性體受外力作用變形所產(chǎn)生的應(yīng)變就會傳遞到應(yīng)變片上,從而使應(yīng)變片電阻值發(fā)生變化,通過測量阻值的變化,就能得知外界被測量的大小。但是,由于金屬電阻應(yīng)變片的靈敏度系數(shù)K值通常都很小,機(jī)械應(yīng)變一般也很小,因此電阻的相對變化是很小的,用一般的測量電阻儀表很難直接測量出來,必須用專門的電路來測量這種微弱的電阻變化。一般采用電橋電路實(shí)現(xiàn)微小阻值的轉(zhuǎn)換。上一頁下一頁返回2.2電阻式傳感器由于溫度的變化會引起電阻值的變化,從而造成應(yīng)變測量結(jié)果的誤差,而且由溫度變化所引起的電阻變化與由應(yīng)變引起的電阻變化具有同等數(shù)量級,因此為了保證測量的精確度,一般都要釆取溫度補(bǔ)償措施,以消除溫度變化所造成的誤差。當(dāng)測量時,在被測件變形較大處粘貼兩片工作片,在試件變形小或沒有變形處粘貼兩片補(bǔ)償片,如圖2.2-3所示。同時接入測量電橋的4個橋臂,就可消除溫度變化對測量的影響。上一頁返回2.3電容式傳感器電容式傳感器采用電容器作為傳感元件,將不同物理量的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化。在大多數(shù)情況下,作為傳感元件的電容器是由兩平行板組成的以空氣為介質(zhì)的電容器,有時也采用由兩平行圓筒或其他形狀平面組成的電容器。電容式傳感器的工作原理可用如圖2.3-1所示的平行板電容器來說明。設(shè)兩極板相互覆蓋的有效面積為A,兩極板間的距離為δ,兩極板間介質(zhì)的介電常數(shù)為ε。當(dāng)不考慮邊緣電場影響時,其電容量C為下一頁返回2.3電容式傳感器由上式可知平行板電容器的電容量是ε、A和δ的函數(shù)。如果保持其中兩個參數(shù)不變,而改變另一個參數(shù),那么被測量參數(shù)的改變就可由電容量C的改變反映出來。如將上極板固定,下極板與被測運(yùn)動物體相連,當(dāng)被測運(yùn)動物體上下移動或左右移動時,就會引起電容的變化,通過一定的測量線路可將這種電容變化轉(zhuǎn)變成電壓、電流、頻率等輸出信號,根據(jù)輸出信號大小,即可測定運(yùn)動物體位移的大小。因此,根據(jù)工作原理的不同,電容式傳感器可分為變間隙式、變面積式和變介電常數(shù)式3種類型。上一頁下一頁返回2.3電容式傳感器2.3.1變間隙式電容傳感器如圖2.3-2所示為變間隙式電容傳感器。圖中1為固定極板,2為與被測對象相連的活動極板,初始狀態(tài)時兩極板間的距離為d。當(dāng)活動極板因被測參數(shù)的改變而引起移動時,兩極板間的距離發(fā)生變化;在極板面積和介質(zhì)介電常數(shù)不變時,電容量C也相應(yīng)發(fā)生改變,設(shè)移動距離為x,兩極板間的距離為δ,其電容量為上一頁下一頁返回2.3電容式傳感器由式可以看出電容C與x成非線性關(guān)系。靈敏度為靈敏度K與兩極板間距離δ的平方成反比,極距越小,靈敏度越高。因此要提高靈敏度,應(yīng)減小初始距離d。但d過小時,又容易引起擊穿,同時加工精度要求也高,為此,一般在極板間放置云母、塑料膜等介電常數(shù)高的物質(zhì)來改善這種情況。如云母的相對介電常數(shù)為空氣的7倍,其擊穿電壓不小于103kV/mm,而空氣的擊穿電壓僅為3kV/mm。一般電容式傳感器的起始電容在20~30pF,極板距離在25~200μm的范圍內(nèi)。上一頁下一頁返回2.3電容式傳感器實(shí)際應(yīng)用中為了提高傳感器的靈敏度,常采用差動式結(jié)構(gòu),如圖2.3-3所示為差動式電容傳感器。差動式電容傳感器的中間可移動極板分別與兩邊固定的電容器極板形成兩個電容器,平衡時兩極板間的距離δ1=δ2=δ。當(dāng)中間極板向一方向移動駐啄時,其中一個電容器的電容C1

因間隙增大而減小,而另一個電容器的電容C2

則因間隙的減小而增大,電容總變化量為上一頁下一頁返回2.3電容式傳感器由此可見,采用差動的形式可提高測量的靈敏度,還可消除外界干擾所造成的測量誤差。2.3.2變面積式電容傳感器如圖2.3-4所示為一直線位移型變面積式電容傳感器,極板長為b,寬為a,極距為d,初始電容值為C0。當(dāng)動極板移動△x后,覆蓋面積就發(fā)生變化,電容也隨之改變,其值為上一頁下一頁返回2.3電容式傳感器其靈敏度為可見,增加b或減小d均可提高傳感器的靈敏度。變面積式電容傳感器的靈敏度為常數(shù),即輸出與輸入呈線性關(guān)系。變面積式電容傳感器線性度好,但其靈敏度低,一般用于較大位移的測量。為了提高靈敏度,常采用差動式結(jié)構(gòu)。上一頁下一頁返回2.3電容式傳感器2.3.3變介電常數(shù)式電容傳感器如圖2.3-5所示為變介電常數(shù)式電容傳感器,該電容器具有兩種不同的介質(zhì),其相對介電常數(shù)分別為εr1和εr2,介質(zhì)厚度分別為a1和a2,即兩者之和等于兩極板間距a0,極板面積為A,ε0

為真空介電常數(shù)。整個裝置可視為兩個電容器串聯(lián)而成,其總電容量C由兩電容器的電容C1

和C2

所確定,即上一頁下一頁返回2.3電容式傳感器因此有總之,變間隙式電容傳感器的靈敏度為變量,只有當(dāng)被測量遠(yuǎn)小于極板間距時才可近似為常數(shù),一般用來測量微小線位移(可小至0.01μm~0.1mm),也可用于測量由力、位移、振動等引起的極板間距離的變化。變間隙式電容傳感器靈敏度較高,易實(shí)現(xiàn)非接觸測量,因而應(yīng)用較為普遍。變面積式電容傳感器的靈敏度為常數(shù),一般用來測量角位移或較大的線位移。變介電常數(shù)式電容傳感器常用于固體或液體的物位測量,也可用于測量各種介質(zhì)的溫度、密度等狀態(tài)參數(shù)。上一頁返回2.4電感式傳感器電感式傳感器是利用被測量的變化引起線圈自感或互感的變化,從而導(dǎo)致線圈電感的改變來實(shí)現(xiàn)測量的。電感式傳感器主要有變間隙式、變面積式和螺管式三種類型,如圖2.4-1所示。雖然形式不同,但都包含線圈、鐵芯和活動銜鐵三部分。2.4.1變間隙式電感傳感器變間隙式電感傳感器結(jié)構(gòu)如圖2.4-1(a)所示。工作時,銜鐵與被測物體連接,被測物體的位移△δ將引起氣隙的距離δ發(fā)生變化,使磁路中氣隙的磁阻發(fā)生變化,從而引起線圈的電感變化。如果忽略磁路中其他部分的磁阻而只計(jì)氣隙的磁阻,則磁阻Rm

為下一頁返回2.4電感式傳感器整個磁路的電感為上式表明,自感L與氣隙距離δ成反比,而與氣隙截面積A成正比。若固定截面積A,當(dāng)氣隙距離有微小變化dδ時,引起自感量的變化量dL為上一頁下一頁返回2.4電感式傳感器故變間隙式電感傳感器的靈敏度為靈敏度K與氣隙距離δ的平方成反比,δ愈小,靈敏度愈高。為了減小非線性誤差,這種傳感器適用于較小位移的測量,測量范圍在0.001~1mm。由于行程小,而且銜鐵在運(yùn)行方向上受鐵芯限制,制造裝配困難,因此近年來較少使用該類傳感器。上一頁下一頁返回2.4電感式傳感器2.4.2變面積式電感傳感器變面積式電感傳感器結(jié)構(gòu)如圖2.4-1(b)所示,工作時氣隙距離不變,鐵芯與銜鐵之間相對覆蓋面積隨被測位移量的變化而改變,從而導(dǎo)致線圈電感發(fā)生變化。這類傳感器的靈敏度為上一頁下一頁返回2.4電感式傳感器2.4.3螺管式電感傳感器螺管式電感傳感器結(jié)構(gòu)如圖2.4-1(c)所示,它由一柱形銜鐵插入螺管內(nèi)構(gòu)成,其銜鐵隨被測對象移動,線圈磁力線路徑上的磁阻發(fā)生變化,線圈電感量也因此而變化。線圈電感量的大小與銜鐵插入深度有關(guān)。理論上,電感相對變化量與銜鐵位移的相對變化量成正比,但由于線圈內(nèi)磁場強(qiáng)度沿軸線分布不均勻,因此實(shí)際上它的輸出仍有非線性。設(shè)線圈長度為l、線圈的平均半徑為r、線圈的匝數(shù)為n、銜鐵進(jìn)入線圈的長度為la、銜鐵的半徑為ra、鐵芯的有效磁導(dǎo)率為μm,則線圈的電感量L與銜鐵進(jìn)入線圈的長度la

的關(guān)系為上一頁下一頁返回2.4電感式傳感器由上式可知,螺管式電感傳感器的靈敏度較低,但由于其量程大且結(jié)構(gòu)簡單,易于制作和批量生產(chǎn),因此它是使用最廣泛的一種電感式傳感器。以上三種電感傳感器中,變間隙式電感傳感器靈敏度最高,且隨氣隙的增大而減小,非線性誤差大,為了減小非線性誤差,量程必須限制在較小范圍內(nèi),所以只能用于微小位移的測量,一般為0.001~1mm,其制作裝配比較困難。變面積式電感傳感器靈敏度比變間隙式傳感器小,但線性較好,量程也比變間隙式傳感器大,使用比較廣泛。螺管式電感傳感器靈敏度較低,但量程大且結(jié)構(gòu)簡單,易于制作和批量生產(chǎn),是使用最廣泛的一種電感式傳感器。上一頁下一頁返回2.4電感式傳感器以上三種類型傳感器,由于線圈中流過負(fù)載的電流不等于零,存在起始電流,非線性較大,而且有電磁吸力作用于活動銜鐵,易受外界干擾的影響,如電源電壓和頻率的波動,溫度變化等都將使輸出產(chǎn)生誤差,所以不適用于精密測量,只用在一些繼電信號裝置中。在實(shí)際應(yīng)用中,廣泛采用的是將兩個電感式傳感器組合在一起,形成差動式變間隙傳感器,這樣既可以提高傳感器的靈敏度,又可以減小測量誤差。差動變間隙式傳感器的工作行程只有幾微米至幾毫米,所以適用于微小位移的測量,對較大范圍的測量往往采用螺管式傳感器。上一頁返回2.5壓電式傳感器2.5.1壓電效應(yīng)某些材料當(dāng)沿著一定方向受到作用力時,不但產(chǎn)生機(jī)械變形,而且內(nèi)部極化,表面有電荷出現(xiàn);當(dāng)外力去掉后,又重新恢復(fù)到不帶電狀態(tài),這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。相反,在這些材料的某些方向上施加電場,它會產(chǎn)生機(jī)械變形,當(dāng)去掉外加電場后,變形隨之消失,這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)或電致伸縮效應(yīng)。常見的壓電材料有為三類:單晶壓電晶體、多晶壓電陶瓷和新型壓電材料。1.單晶壓電晶體單晶壓電晶體各向異性,主要有石英、鈮酸鋰等。石英晶體有天然與人工之分,是最常用的壓電材料之一。下一頁返回2.5壓電式傳感器如圖2.5-1所示為石英晶體,石英晶體的外形呈六面體結(jié)構(gòu),有三根互相垂直的軸表示其晶軸,其中縱軸z稱為光軸,經(jīng)過正六面體棱線而垂直于光軸的x軸稱為電軸,而垂直于x軸和z軸的y軸稱為機(jī)軸。從石英晶體上沿各軸線切下一片平行六面體切片,當(dāng)受到力的作用時,其電荷分布在垂直于x軸的平面上,沿x軸受力產(chǎn)生的壓電效應(yīng)稱為縱向壓電效應(yīng),沿y軸受力產(chǎn)生的壓電效應(yīng)稱為橫向壓電效應(yīng),沿切向受力產(chǎn)生的壓電效應(yīng)稱為切向壓電效應(yīng)。由縱向壓電效應(yīng)產(chǎn)生的電荷量q為上一頁下一頁返回2.5壓電式傳感器上式表明石英晶體表面產(chǎn)生的電荷與作用力成正比。石英晶體的壓電常數(shù)比較低,縱向壓電常數(shù)d11=2.31伊10-12C/N,但具有良好的機(jī)械強(qiáng)度和時間及溫度穩(wěn)定性,常用于精確度和穩(wěn)定性要求特別高的場合。鈮酸鋰晶體是人工拉制的,居里點(diǎn)高達(dá)1200℃,適用于做高溫傳感器,缺點(diǎn)是質(zhì)地脆、抗沖擊性差、價格較貴。2.多晶壓電陶瓷多晶壓電陶瓷是一種經(jīng)極化處理后的人工多晶體,主要有極化的鐵電陶瓷(鈦酸鋇)、鋯鈦酸鉛等。上一頁下一頁返回2.5壓電式傳感器鈦酸鋇是使用最早的壓電陶瓷,它具有較高的壓電常數(shù),約為石英晶體的50倍,但它的居里點(diǎn)低,約120℃,機(jī)械強(qiáng)度和溫度穩(wěn)定性都不如石英晶體。鋯鈦酸鉛系列壓電陶瓷(PZT),隨配方和摻雜的變化可獲得不同的性能。它的壓電常數(shù)很高,為(200~500)伊10-12C/N,居里點(diǎn)約為310℃,溫度穩(wěn)定性比較好,是目前使用最多的壓電陶瓷。由于壓電陶瓷的壓電常數(shù)大、靈敏度高、價格低廉,在一般情況下,都采用它作為壓電式傳感器的壓電元件。上一頁下一頁返回2.5壓電式傳感器3.新型壓電材料新型壓電材料主要有有機(jī)壓電薄膜和壓電半導(dǎo)體等。有機(jī)壓電薄膜是由某些高分子聚合物,經(jīng)延展拉伸和電場極化后形成的具有壓電特性的薄膜,如聚仿氟乙烯、聚氟乙烯等。有機(jī)壓電薄膜具有柔軟、不易破碎、面積大等優(yōu)點(diǎn),可制成大面積陣列傳感器和機(jī)器人觸覺傳感器。有些材料如硫化鋅、氧化鋅、硫化鈣等,既具有半導(dǎo)體特性又具有壓電特性。由于同一材料上兼有壓電和半導(dǎo)體兩種物理性能,故可以利用壓電特性制成敏感元件,又可以利用半導(dǎo)體特性制成電路器件,研制成新型集成壓電式傳感器。上一頁下一頁返回2.5壓電式傳感器4.等效電路壓電元件是在壓電晶片產(chǎn)生電荷的兩個工作面上進(jìn)行金屬蒸鍍,形成兩個金屬膜電極,如圖2.5-2(a)所示。當(dāng)壓電晶片受力時,在晶片的兩個表面上聚積等量的正、負(fù)電荷,晶片兩表面相當(dāng)于電容器的兩個極板,兩極板之間的壓電材料等效于一種介質(zhì),因此壓電晶片相當(dāng)于一只平行極板介質(zhì)電容器,其電容量為壓電元件可以等效為一個具有一定電容的電荷源。上一頁下一頁返回2.5壓電式傳感器當(dāng)壓電式傳感器接入測量電路中,連接電纜的寄生電容形成傳感器的并聯(lián)寄生電容Cc,傳感器中的漏電阻和后續(xù)電路的輸入阻抗形成泄漏電阻R0,其等效電路如圖2.5-2(d)所示。由于后續(xù)電路的輸入阻抗不可能無窮大,而且壓電元件本身也存在漏電阻,極板上的電荷由于放電而無法保持不變,從而造成測量誤差。因此,不宜利用壓電式傳感器測量靜態(tài)信號;而測量動態(tài)信號時,由于交變電荷變化快,漏電量相對較小,故壓電式傳感器適宜做動態(tài)測量。壓電式傳感器中使用的壓電晶片有方形、圓形、圓環(huán)形等多種形狀,而且往往用兩片或多片進(jìn)行并聯(lián)或串聯(lián),如圖2.5-2(b)和(c)所示,并聯(lián)適用于測量緩變信號和以電荷為輸出量的場合,串聯(lián)適用于測量高頻信號和以電壓為輸出量的場合,并要求測量電路有高的輸入阻抗。上一頁下一頁返回2.5壓電式傳感器2.5.2壓電式傳感器的測量電路由于壓電式傳感器輸出的電荷量很小,而且壓電元件本身的內(nèi)阻很大,因此,通常把傳感器信號先輸入到高輸入阻抗的前置放大器,經(jīng)過阻抗變換以后,再進(jìn)行其他處理。壓電式傳感器的輸出量可以是電壓,也可以是電荷,因此,前置放大器有電壓放大器和電荷放大器兩種形式。電壓放大器可采用高輸入阻抗的比例放大器,其電路比較簡單,但輸出受到連接電纜對地電容的影響。目前,常采用電荷放大器作為前置放大器。上一頁下一頁返回2.5壓電式傳感器如圖2.5-3所示為電荷放大器的等效電路,其中Ca

為傳感器電容,Cc

為電纜電容,Cb為放大器的輸入電容。電荷放大器是一個高增益帶電容反饋的運(yùn)算放大器。分析可知,在一定條件下,電荷放大器輸出電壓與傳感器的電荷量成正比,與電纜電容無關(guān)。上一頁返回2.6熱敏傳感器2.6.1熱電偶式傳感器1.熱電偶的工作原理將兩種不同材料的導(dǎo)體組成一個閉合回路,當(dāng)閉合回路的兩個節(jié)點(diǎn)分別置于不同的溫度場中,回路中產(chǎn)生一個方向和大小與導(dǎo)體的材料及兩節(jié)點(diǎn)的溫度有關(guān)的電動勢,這種效應(yīng)稱為熱電效應(yīng),兩端的溫差越大,產(chǎn)生的電動勢也越大。兩種導(dǎo)體組成的回路稱為熱電偶,這兩種導(dǎo)體稱為熱電極,產(chǎn)生的電動勢稱為熱電動勢。如圖2.6-1所示為熱電偶。下一頁返回2.6熱敏傳感器熱電偶的熱電動勢由兩部分組成,一部分是兩種導(dǎo)體的接觸電動勢,另一部分是單一導(dǎo)體的溫差電動勢。接觸電動勢是在兩種不同材料的導(dǎo)體接觸時,由于導(dǎo)體的自由電子密度不同,電子在兩個方向上擴(kuò)散的速度不一樣所造成的電壓差。溫差電動勢是由于同種導(dǎo)體置于不同的溫度場,導(dǎo)體內(nèi)部自由電子從熱端向冷端擴(kuò)散,并在冷端積聚起來,從而使得熱端失去電子帶正電,冷端得到電子帶負(fù)電,這樣,導(dǎo)體內(nèi)部建立了一個由熱端指向冷端的靜電場,此靜電場使得電子反向運(yùn)動,當(dāng)靜電場對電子的作用力與擴(kuò)散力相平衡時,擴(kuò)散作用停止,此時,導(dǎo)體兩端形成的電場產(chǎn)生的電勢稱為溫差電動勢。但在熱電偶回路中起主要作用的是接觸電動勢,溫差電動勢只占極小部分,可以不予考慮。上一頁下一頁返回2.6熱敏傳感器常用的熱電偶由兩根不同的導(dǎo)線組成,它們的一端焊接在一起,為工作端(或稱為熱端)T,測溫時將它置于被測溫度場中;不連接的兩個叫自由端(或稱為冷端)T0,與測量儀表引出的導(dǎo)線相連接。當(dāng)熱端與冷端有溫差時,測量儀表便能測出被測溫度。熱電偶由溫差產(chǎn)生的熱電動勢是隨介質(zhì)溫度變化而變化的,其關(guān)系為綜上所述,熱電動勢的大小只與材料和節(jié)點(diǎn)溫度有關(guān),與熱電偶的尺寸、形狀及沿電極溫度分布無關(guān)。如果冷端溫度固定,則熱電偶的熱電動勢就是被測溫度的單值函數(shù)。上一頁下一頁返回2.6熱敏傳感器這樣,當(dāng)冷端溫度恒定時,熱電偶產(chǎn)生的熱電動勢只隨熱端(工作端T)溫度的變化而變化,即一定的熱電動勢對應(yīng)著一定的溫度,只要測量出熱電動勢就可以達(dá)到測溫的目的。通常,把冷端放于溫度場為零的環(huán)境內(nèi),然后在不同的溫差情況下,精確地測出回路總熱電動勢,并將結(jié)果列成表格,稱為熱電偶的分度表。2.熱電偶的基本定律1)中間導(dǎo)體定律在熱電偶回路中接入第3種導(dǎo)體,只要第3種導(dǎo)體的兩節(jié)點(diǎn)溫度相同,則回路總的熱電動勢不變。上一頁下一頁返回2.6熱敏傳感器同樣在熱電偶回路中接入第4、第5、…、第n種導(dǎo)體,只要接入導(dǎo)體的兩端溫度相等,且接入導(dǎo)體是勻質(zhì)的,都不會影響原來熱電偶熱電動勢的大小。這種性質(zhì)在實(shí)際應(yīng)用中有著重要的意義,可以方便地在回路中直接接入各種類型的儀表,也可以將熱電偶的兩端不焊接而直接插入液態(tài)金屬中或直接焊接在金屬表面進(jìn)行溫度測量。2)中間溫度定律熱電偶在兩節(jié)點(diǎn)溫度為t、t0

時的熱電動勢等于該熱電偶在節(jié)點(diǎn)溫度為t、tn

和tn

、t0

時的相應(yīng)熱電動勢的代數(shù)和,這個定律稱為中間溫度定律,即上一頁下一頁返回2.6熱敏傳感器中間溫度定律為補(bǔ)償導(dǎo)線的使用提供了理論基礎(chǔ)。它表明熱電偶的兩電極被兩根導(dǎo)體延長,只要接入的兩根導(dǎo)體組成的熱電偶的熱電特性與被延長的熱電偶的熱電特性相同,且它們之間連接的兩點(diǎn)溫度相同,則總回路的熱電動勢與連接點(diǎn)溫度無關(guān),只與延長以后的熱電偶兩端的溫度有關(guān)。另外,當(dāng)冷端溫度t0

不為0℃,可通過算式及分度表求得工作溫度t。3)參考電極定律如果兩種導(dǎo)體分別與第三種導(dǎo)體組成的熱電偶所產(chǎn)生的熱電動勢已知,則由這兩種導(dǎo)體組成的熱電偶所產(chǎn)生的熱電動勢也就已知,這個定律稱為參考電極定律。上一頁下一頁返回2.6熱敏傳感器如圖2.6-2所示,導(dǎo)體A、B與標(biāo)準(zhǔn)電極C組成的熱電偶,若它們產(chǎn)生的熱電動勢已知,即那么,導(dǎo)體A與B組成的熱電偶熱電動勢為上一頁下一頁返回2.6熱敏傳感器參考電極定律是極為實(shí)用的定律,使得標(biāo)準(zhǔn)電極的作用得以實(shí)現(xiàn)?？梢韵胂?金屬有成千上萬種,而合金類型更是繁多,所以,要得出各種金屬之間組合而成熱電偶的熱電動勢,其工作量太大。由于鉑的物理、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,熔點(diǎn)高,易提純,因此通常選用高純鉑作為標(biāo)準(zhǔn)電極。當(dāng)各種金屬與純鉑組成的熱電偶的熱電動勢已知,則各種金屬之間相互組合而成的熱電偶的熱電動勢就可以計(jì)算出來。3.熱電偶的材料與結(jié)構(gòu)1)熱電偶的材料根據(jù)金屬的熱電效應(yīng),任意兩種不同的金屬導(dǎo)體都可以作為熱電偶回路的電極,但在實(shí)際應(yīng)用中,不是所有的金屬都可以做成熱電偶的。上一頁下一頁返回2.6熱敏傳感器作為熱電偶回路電極的金屬導(dǎo)體應(yīng)具備以下幾個特點(diǎn):(1)配對的熱電偶應(yīng)有較大的熱電動勢,并且熱電動勢與溫度盡可能有良好的線性關(guān)系。(2)能在較大的溫度范圍內(nèi)應(yīng)用,并且在長時間工作后,不會發(fā)生明顯的化學(xué)及物理性能的變化。(3)溫度系數(shù)小,導(dǎo)電率高。(4)易于復(fù)制,工藝性與互換性好,便于制訂統(tǒng)一的分度表,材料要有一定的韌性,焊接性能好,以利于制作。上一頁下一頁返回2.6熱敏傳感器滿足上述條件的金屬材料不是很多。目前,我國大量使用的是銅—康銅、鎳鉻—烤銅、鎳鉻—鎳硅、鎳鉻—鎳鋁、鉑銠10—鉑、鉑銠30—鉑銠6。根據(jù)國際電工委員會(IEC)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,我國將發(fā)展鎳鉻—康銅、鐵—康銅熱電偶材料。2)熱電偶的結(jié)構(gòu)熱電偶的種類繁多,按結(jié)構(gòu)形式和用途可分為普通熱電偶、鎧裝熱電偶、多點(diǎn)式熱電偶和薄膜熱電偶等。另外,按照材料劃分還可分為難熔金屬熱電偶、貴金屬熱電偶和廉價金屬熱電偶;按照使用溫度劃分可分為高溫?zé)犭娕肌⒅袦責(zé)犭娕己偷蜏責(zé)犭娕?。上一頁下一頁返?.6熱敏傳感器4.熱電偶冷端的溫度補(bǔ)償為使熱電動勢與被測溫度間成單值函數(shù)關(guān)系,需要把熱電偶冷端的溫度保持恒定。由于熱電偶的分度表是在其冷端溫度0℃條件下測得的,因此只有滿足t0=0℃的條件,才能直接應(yīng)用分度表。但在實(shí)際中,熱電偶的冷端通?？拷粶y對象且受到周圍環(huán)境溫度的影響,其溫度不是恒定不變的,為此,必須采用一些措施進(jìn)行補(bǔ)償或者修正,常用的補(bǔ)償方法有以下幾種。1)0℃恒溫法將熱電偶的冷端置于裝有冰水混合物的恒溫器內(nèi),使冷端溫度保持0℃不變,它消除了t0

不等于0℃而引入的誤差。0℃恒溫法通常用于實(shí)驗(yàn)室或精密的溫度檢測。上一頁下一頁返回2.6熱敏傳感器2)冷端溫度修正法在冷端溫度不等于0℃,但為不變的tn

時,冷端溫度修正法避免了由于環(huán)境溫度的波動而引入的誤差。此時,根據(jù)中間溫度定律,可將熱電動勢修正到冷端0℃時的熱電動勢,修正公式為上一頁下一頁返回2.6熱敏傳感器3)補(bǔ)償導(dǎo)線法在使用熱電偶測溫時,必須使熱電偶的冷端溫度保持恒定,否則在測溫時引入的測量誤差將是個變量,影響測溫的準(zhǔn)確性,所以必須使冷端遠(yuǎn)離溫度對象,采用補(bǔ)償導(dǎo)線就可以做到這點(diǎn)。補(bǔ)償導(dǎo)線實(shí)際上是對化學(xué)成分不同的導(dǎo)線,在0℃~150℃溫度范圍內(nèi)與配接的熱電偶有一致的熱電特性,起著延長熱電偶的作用,這樣就將熱電偶的冷端延伸到溫度恒定的場所(如儀表室、控制室),其實(shí)質(zhì)是相當(dāng)于將熱電極延長。根據(jù)中間溫度定律,只要使熱電偶和補(bǔ)償導(dǎo)線的兩個節(jié)點(diǎn)溫度一致,就不會影響熱電動勢的輸出。上一頁下一頁返回2.6熱敏傳感器4)儀表機(jī)械零點(diǎn)調(diào)整法對于具有零位調(diào)整的顯示儀表而言,如果熱電偶冷端溫度t0較為恒定時,可在測溫系統(tǒng)未工作前,預(yù)先將顯示儀表的機(jī)械零點(diǎn)調(diào)整到t0

上,這相當(dāng)于把熱電動勢修正值E(t0,0)預(yù)先加到了顯示儀表上,當(dāng)此測量系統(tǒng)投入工作后,顯示儀表的顯示值就是實(shí)際的被測溫度值。5)補(bǔ)償電橋法當(dāng)熱電偶冷端溫度波動較大時,一般采用補(bǔ)償電橋法。補(bǔ)償電橋法是利用不平衡電橋(又稱為冷端補(bǔ)償器)產(chǎn)生不平衡電壓來自動補(bǔ)償熱電偶因冷端溫度變化而引起的熱電動勢變化。上一頁下一頁返回2.6熱敏傳感器采用補(bǔ)償電橋法必須注意下列幾點(diǎn):(1)當(dāng)補(bǔ)償器接入測量系統(tǒng)時,正負(fù)極性不可接反。(2)顯示儀表的機(jī)械零點(diǎn)應(yīng)調(diào)整到冷端溫度補(bǔ)償器設(shè)計(jì)時的平衡溫度,如補(bǔ)償器是按t0=20℃時電橋平衡設(shè)計(jì)的,則儀表機(jī)械零點(diǎn)應(yīng)調(diào)整到20℃處。(3)因熱電偶的熱電動勢和補(bǔ)償電橋輸出電壓兩者隨溫度變化的特性不完全一致,故冷端補(bǔ)償器在補(bǔ)償溫度范圍內(nèi)得不到完全補(bǔ)償,但誤差很小,能滿足工業(yè)生產(chǎn)的需要。上一頁下一頁返回2.6熱敏傳感器5.熱電偶的測溫電路熱電偶常用于測量一點(diǎn)的溫度或者是兩點(diǎn)之間的溫度差。當(dāng)測量一點(diǎn)溫度時,熱電偶與儀表通過補(bǔ)償導(dǎo)線連接。當(dāng)測量兩點(diǎn)之間溫度差時,采用兩支熱電偶和檢測儀表配合使用,如圖2.6-3所示。工作時兩支熱電偶產(chǎn)生的熱電動勢方向相反,所以輸入儀表的是熱電動勢的差值,這個差值反映了兩點(diǎn)間的溫度差。為了減少測量誤差,提高檢測精度,一般使用兩支熱電特性一致的熱電偶,同時要保證兩支熱電偶的冷端溫度一致,配合相同的補(bǔ)償導(dǎo)線。上一頁下一頁返回2.6熱敏傳感器另外,熱電偶測溫時還常采用并聯(lián)線路和串聯(lián)線路。如有些大型設(shè)備,當(dāng)要測量其多點(diǎn)的平均溫度時,多采用與熱電偶并聯(lián)的測量電路來實(shí)現(xiàn),將N支相同型號的熱電偶的正極和負(fù)極分別連接在一起,如圖2.6-4所示,如果N支熱電偶的電阻值相等,則并聯(lián)測量的總熱電動勢等于N支熱電動勢的平均值。有時將N支相同型號的熱電偶依次連接,這樣串聯(lián)測量線路的總熱電動勢較大,等于N支熱電偶熱電動勢之和。串聯(lián)線路的主要優(yōu)點(diǎn)是熱電動勢大,儀表的靈敏度大為增加,缺點(diǎn)是只要有一支熱電偶斷路,整個測量系統(tǒng)將無法正常工作。上一頁下一頁返回2.6熱敏傳感器2.6.2熱電阻式傳感器根據(jù)導(dǎo)電物體的電阻率隨本身溫度變化而變化的電阻效應(yīng)制成的傳感器,稱為熱電阻式傳感器。1.熱電阻金屬材料的載流子為電子,當(dāng)金屬溫度在一定范圍內(nèi)升高時,自由電子的動能增加,使得自由電子定向運(yùn)動的阻力增加,金屬的導(dǎo)電能力降低,即電阻增加,通過測量電阻值變化的大小而得出溫度變化的大小,最常用的材料為鉑和銅。在低溫測量中,使用銦、錳及碳等材料