第5章非電量的電氣測試技術(shù)5.1常用傳感器介紹5.2主要非電量的測量5.1常用傳感器介紹何為非電量？機(jī)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(jìn)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)。5.1常用傳感器介紹

傳感器是一種能將特定的被測信息(包括物理量、化學(xué)量、生物量等)，按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成某種可用的輸出信號的器件，又稱為變換器、變送器。

何為可用信號？

目前，可用信號是指各種電量(電壓、電流)或電參數(shù)(電阻、電感、電容等)。這是因為電信號易于處理，便于傳輸。5.1常用傳感器介紹

傳感器的分類方法很多：（1）按輸入量，可分為溫度、壓力、位移、速度、濕度等傳感器；（2）按測量原理，可分為電位計式、應(yīng)變式、電感式、差動變壓器式、電渦流式、半導(dǎo)體力敏、熱敏、光敏、氣敏等傳感器；（3）按輸出量分類，有模擬式和數(shù)字式傳感器等。

目前，傳感器技術(shù)正在飛速發(fā)展，出現(xiàn)了“多樣化、新型化、集成化、智能化”的發(fā)展形勢。5.1常用傳感器介紹1.電阻式傳感器電阻式傳感器是一種將非電量參數(shù)(如壓力、拉力、扭力、位移等)的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮柚底兓膫鞲衅鳌ｋ娮枋絺鞲衅靼垂ぷ髟砜煞譃殡娢黄魇诫娮鑲鞲衅鳌?yīng)變式電阻傳感器、熱敏電阻傳感器和氣敏電阻傳感器。應(yīng)變式電阻傳感器是一種能將機(jī)械構(gòu)件上應(yīng)變的變化轉(zhuǎn)換為電阻變化的傳感元件。引起機(jī)械構(gòu)件應(yīng)變的可以是壓力、荷重、扭力等。5.1常用傳感器介紹

（1）應(yīng)變式電阻傳感器的工作原理

應(yīng)變式電阻傳感器的傳感部件是電阻應(yīng)變片，電阻應(yīng)變片的工作原理是基于金屬的應(yīng)變效應(yīng)。

金屬應(yīng)變效應(yīng)是指金屬導(dǎo)體的電阻隨著它所受機(jī)械變形(伸長或縮短)的大小而發(fā)生變化的現(xiàn)象。5.1常用傳感器介紹

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金屬材料的靈敏系數(shù)5.1常用傳感器介紹

（2）應(yīng)變式電阻傳感器的種類

①電阻絲式應(yīng)變片；

②箔式應(yīng)變片；

③半導(dǎo)體式應(yīng)變片；

（3）應(yīng)變片的主要工作特性

①

靜態(tài)特性

②

動態(tài)特性5.1常用傳感器介紹

另外，應(yīng)變片的阻值會受到環(huán)境溫度的影響，有時因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變化幾乎具有相同的數(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

，應(yīng)予以注意。

電阻應(yīng)變式傳感器是目前應(yīng)用最廣泛的傳感器之一，將電阻應(yīng)變片粘貼到各種彈性敏感元件上，可制成測量位移、加速度、力、力矩、壓力等各種參數(shù)的電阻應(yīng)變式傳感器。5.1常用傳感器介紹

+++

A

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+++dA

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5.1常用傳感器介紹此時Uac≠0，經(jīng)放大后，使單相電動機(jī)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：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：5.1常用傳感器介紹3.變磁阻式傳感器

變磁阻式傳感器是利用線圈電感或互感的改變來實現(xiàn)非電量電測的傳感器。變磁阻式傳感器主要分為電感式、變壓器式、渦流式等幾種類型。（1）電感式傳感器

根據(jù)線圈的自感變化來實現(xiàn)非電量測量的。由電工原理，線圈的電感值L可按下式計算：5.1常用傳感器介紹

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簡單自感傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖：

a）變氣隙式b）變面積式c）螺管式5.1常用傳感器介紹

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為了減小非線性，增加線性區(qū)域，常將兩只完全對稱的簡單電感傳感器合用一個活動銜鐵構(gòu)成差動式電感傳感器，如圖所示。

傳感器的兩只電感線圈接成交流電橋相鄰的兩臂，另外兩個橋臂由電阻組成。5.1常用傳感器介紹

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5.1常用傳感器介紹差動變壓器常見的幾種結(jié)構(gòu)：5.1常用傳感器介紹（3）電渦流傳感器

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。渦流傳感器的最大特點是可以對一些參數(shù)進(jìn)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(jìn)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。5.1常用傳感器介紹①高頻反射渦流傳感器5.1常用傳感器介紹

5.1常用傳感器介紹

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發(fā)射線圈接收線圈5.1常用傳感器介紹

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恒磁通式變磁通式5.1常用傳感器介紹

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磁電式傳感器的特點：（1）不需要供電電源，電路簡單；（2）性能穩(wěn)定，輸出阻抗??；（3）只適合動態(tài)測量，具有一定的輸出頻率相應(yīng)范圍（一般為10～1000Hz），適合轉(zhuǎn)速、震動、位移和扭矩等的測量。（4）傳感器的尺寸和重量都比較大。5.1常用傳感器介紹5.壓電式傳感器

（1）壓電效應(yīng)

壓電效應(yīng)是指某些電介質(zhì)物質(zhì)，在沿一定方向?qū)ζ涫┝?壓力或拉力)而使之變形時，內(nèi)部會產(chǎn)生極化現(xiàn)象，相應(yīng)地，在它的某兩個表面上產(chǎn)生符號相反的電荷；在機(jī)械力去掉后，電介質(zhì)又重新回到不帶電狀態(tài)的一種物理效應(yīng)。與壓電效應(yīng)相對應(yīng)的效應(yīng)為電致伸縮效應(yīng)或稱為逆壓電效應(yīng)，即在壓電材料的極化方向上施加電場，會導(dǎo)致該材料產(chǎn)生機(jī)械變形。5.1常用傳感器介紹

壓電材料可分為三類：

①

壓電晶體，如石英等；

②

經(jīng)過極化處理的壓電陶瓷，如鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等；

⑤

高分子壓電材料，如聚偏二氟乙烯(PVF)?！滦筒牧?/p>

（2）壓電晶體的壓電效應(yīng)機(jī)理

石英晶體是這類晶體的代表，現(xiàn)以它為例說明這類材料的壓電效應(yīng)機(jī)理。石英晶體化學(xué)式為SiO2，是單晶體結(jié)構(gòu)。5.1常用傳感器介紹

石英晶體是單晶體，它具有如圖所示的規(guī)則幾何形狀。當(dāng)制作壓電式傳感器時，是按圖示所示的切片，即用一規(guī)則矩形片來作壓電感應(yīng)片。5.1常用傳感器介紹

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（3）壓電陶瓷的壓電效應(yīng)

壓電陶瓷由許多細(xì)微的單晶按任意方向排列組成。由于壓電陶瓷單晶中正負(fù)離子的特殊排列，也會發(fā)生自發(fā)極化現(xiàn)象而形成電疇，自發(fā)極化的方向全是任意排列的，如圖所示。（a）未極化（b）電極化5.1常用傳感器介紹

（4）壓電傳感器的等效電路

可把壓電式傳感器看做是一個靜電荷發(fā)生器。壓電式傳感器可等效成一個電荷源與一個電容相并聯(lián)的電荷等效電路或者電壓等效電路，這兩個等效電路對線路分析有很大用途。5.1常用傳感器介紹

壓電式傳感器的典型應(yīng)用——超聲波式傳感器超聲波發(fā)生器——電致伸縮效應(yīng)；超聲波接收器——壓電效應(yīng)；5.1常用傳感器介紹6.熱電式傳感器

（1）熱電偶式傳感器

熱電偶式傳感器是基于熱電效應(yīng)，將溫度信號轉(zhuǎn)換為電信號的一種傳感器。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。熱電偶原理圖TT0AB熱端冷端5.1常用傳感器介紹

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)。

①接觸電動勢②溫差電動勢

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熱電偶回路總熱電動勢：當(dāng)電極材料一定時，

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（2）半導(dǎo)體熱敏電阻熱敏電阻是將溫度信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮柚底兓囊环N傳感器。它也可歸類為電阻式傳感器。這種熱敏元件可以是半導(dǎo)體，稱為半導(dǎo)體熱敏電阻；也可以是金屬導(dǎo)體(如鉑、銅等)，稱為熱電阻。半導(dǎo)體熱敏電阻有正溫度系數(shù)和負(fù)溫度系數(shù)兩種，它們的阻值特性分別為：

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5.1常用傳感器介紹7.光電式傳感器

是將光能轉(zhuǎn)換為電能的一種傳感器。

（1）半導(dǎo)體光電效應(yīng)傳感器①光電導(dǎo)效應(yīng)：當(dāng)光投射在半導(dǎo)體上時，光子的能量在半導(dǎo)體中激發(fā)出非平衡載流子而使載流子濃度加大，引起半導(dǎo)體電導(dǎo)率增加，這種現(xiàn)象稱為光電導(dǎo)效應(yīng)。5.1常用傳感器介紹光敏電阻就是利用這一效應(yīng)制成的光電器件。

當(dāng)無光照時，半導(dǎo)體中載流子濃度小，光敏電阻值(暗電阻)很大，電路中電流很小。當(dāng)光敏電阻受到光照時，半導(dǎo)體中的載流子急劇增加，阻值(亮電阻)急劇減小，因此電路的電流迅速增加。5.1常用傳感器介紹

②光生伏特效應(yīng)：在光線作用下使物體產(chǎn)生一定方向電動勢的現(xiàn)象叫光生伏特效應(yīng)。

光電池、光敏二極管、光敏三極管都有一個PN結(jié)。當(dāng)無光照時，PN結(jié)形成的勢壘阻礙少數(shù)載流子的流動，但當(dāng)光照到PN結(jié)上時，若光子能量足夠大，將在PN結(jié)區(qū)附近激發(fā)電子-空穴對，在PN結(jié)電場作用下，N區(qū)的光生空穴被拉向P區(qū)，P區(qū)的光生電子被拉向N區(qū)。5.1常用傳感器介紹若PN結(jié)的外電路沒有連通，在PN結(jié)將出現(xiàn)光生電動勢；當(dāng)外電路連通時，就有電流從P區(qū)流經(jīng)外電路至N區(qū)，如圖所示，這就是光電池的工作原理。如果外電路不但有負(fù)載，而且還接一電池(如圖所示)，則無光照時，少數(shù)載流子很少，電路呈阻斷狀態(tài)；有光照時，少數(shù)載流子增多，電路中電流變大，電路呈開通狀態(tài)，這就是光敏二極管的工作原理。5.1常用傳感器介紹

光敏三極管可以看做是一個bc結(jié)為光敏二極管的三極管，如圖所示。無光照照射時，由熱激發(fā)產(chǎn)生少數(shù)載流子。當(dāng)光照射在光敏面(bc結(jié))上，bc結(jié)區(qū)產(chǎn)生光電載流子。發(fā)射極有大量電子經(jīng)基極被集電極收集而形成放大的光電流。集電極電流為：5.1常用傳感器介紹

5.1常用傳感器介紹

5.1常用傳感器介紹自然界中的一切物體，只要它的溫度高于絕對零度(-273.16℃)都有紅外輻射。物體的溫度越高，紅外輻射出來的能量越強。紅外測溫就是利用這種性能對物體測溫的。

b）當(dāng)物體輻射時，輻射波的波長范圍很寬，但是熱效應(yīng)主要集中在紅外光范圍內(nèi)，紅外光有高的熱效應(yīng)是它的特點，因此紅外常和熱輻射概念連在一起。

熱體的輻射規(guī)律是設(shè)計各種紅外探測器的基礎(chǔ)，下面介紹三個重要熱輻射基本定律。5.1常用傳感器介紹

5.1常用傳感器介紹

5.1常用傳感器介紹

5.1常用傳感器介紹

5.1常用傳感器介紹

②紅外輻射探測器的構(gòu)成紅外輻射探測器主要由光學(xué)系統(tǒng)和紅外接收器兩部分組成，如圖。

a）光學(xué)系統(tǒng)主要用來產(chǎn)生某一波段范圍內(nèi)的紅外光。光學(xué)系統(tǒng)由光源和透鏡組成，不同的光源，輻射能力不同。選擇不同的輻射光源，能得到不同情況的輻射密度。5.1常用傳感器介紹

5.1常用傳感器介紹

b）紅外接受器主要有兩種形式：

第一種是熱敏類。利用熱敏電阻接受紅外輻射。由熱效應(yīng)引起電阻變化，使紅外輻射能量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枴?/p>

第二種是光電類。利用光電元件接受紅外輻射產(chǎn)生光電效應(yīng)，從而使紅外輻射能量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枴?/p>

光電效應(yīng)比熱效應(yīng)的過程快的多，因光電傳感器的響應(yīng)時間比熱敏傳感器要短的多。熱敏類對任何波長的輻射能量都能全部吸收，而光電類有波長限制。5.1常用傳感器介紹8.半導(dǎo)體磁效應(yīng)傳感器

載流半導(dǎo)體在磁場中會產(chǎn)生霍爾效應(yīng)及磁阻效應(yīng)，利用這些效應(yīng)制成的傳感器稱為半導(dǎo)體磁效應(yīng)傳感器。半導(dǎo)體磁效應(yīng)傳感器的敏感元件有霍爾元件，磁敏電阻及磁敏二極管、三極管等。

（1）霍爾傳感器

霍爾傳感器的工作原理是基于霍爾效應(yīng)。（第四章已經(jīng)講過）

5.1常用傳感器介紹當(dāng)把一塊金屬或半導(dǎo)體薄片放在磁場中時，沿垂直磁場方向通入流I，則在薄片另一方向的側(cè)面產(chǎn)生電動勢eH，即霍爾電動勢，這種現(xiàn)象叫霍爾效應(yīng)。由于交流信號易于放大，所以在測量直流磁場時往往采用交流供電；而在測量交流磁場時則采用直流供電。5.1常用傳感器介紹

（2）磁敏電阻及磁敏二極管

磁敏電阻及磁敏二極管的工作原理是基于磁阻效應(yīng)。

磁阻效應(yīng)是某些金屬、合金和半導(dǎo)體材料在磁場中電阻會發(fā)生變化的現(xiàn)象，其機(jī)理如下：霍爾元件中的載流子在平衡狀態(tài)下受兩個力的作用，即霍爾電場力和洛倫茲力的作用，當(dāng)這兩個力方向相反、大小相等時，載流子的運動方向?qū)⒉蛔儭５?，運動載流子的速度不是單一的，而呈一統(tǒng)計規(guī)律。5.1常用傳感器介紹運動方向不變的載流子，只是具有某一速度間隔的載流子，而小于或大于此速度間隔的載流子將向電場正極或負(fù)極偏轉(zhuǎn)。無論何種偏轉(zhuǎn)，都會使電流減小，導(dǎo)致電阻增大。磁感應(yīng)強度B越大，洛倫茲力也就越大，偏轉(zhuǎn)的載流子就越多，電阻也就越大。這種規(guī)律和磁感應(yīng)強度B的方向無關(guān)，因此霍爾元件電阻和磁感應(yīng)強度的關(guān)系如圖所示，是一條和R軸對稱的曲線。5.1常用傳感器介紹

5.1常用傳感器介紹

5.1常用傳感器介紹下圖是幾種常見的磁敏三極管溫度補償原理電路：

磁敏三極管可以用來測量磁感應(yīng)強度，也可做成無觸點開關(guān)用作無刷直流電機(jī)、三角函數(shù)發(fā)生器的控制元件。磁敏二極管補償電路差分式補償電路；互補式補償電路。5.1常用傳感器介紹9.新型傳感器簡介

由于人們愈來愈認(rèn)識到傳感器的重要性，許多發(fā)達(dá)國家甚至把傳感器技術(shù)與計算機(jī)、通信、激光、半導(dǎo)體及超導(dǎo)體等并列為六大核心技術(shù)。

近年來，在傳感器研究方面投入了大量的人力和物力，取得了較大的進(jìn)展，其中光纖傳感器、生物傳感器、智能傳感器和機(jī)器人傳感器是有代表性的新型傳感器。下面簡要介紹這些方面的現(xiàn)狀。5.1常用傳感器介紹（1）光纖傳感器

光纖即光導(dǎo)纖維。光纖多是用石英為主要原料制作的一種透明度很高的導(dǎo)光介質(zhì)材料，其直徑一般為一二百微米。

它有體積小、重量輕、柔軟性好、可彎曲、傳送功率損托小、絕緣性能極好等一系列優(yōu)點，在高電壓、強磁場、有腐蝕性介質(zhì)及高溫高溫等環(huán)境條件下使用安全、可靠、抗干擾性強，現(xiàn)已廣泛用于測量壓力、位移、應(yīng)變、液面、速度、溫度、磁場、電流、電壓等物理量，是一種很有發(fā)展前途的新型傳感器。5.1常用傳感器介紹

5.1常用傳感器介紹

光纖傳感器可按光纖在傳感器中的作用分為兩種基本類型：結(jié)構(gòu)型(記為NF)和物性型(記為FF)。

在結(jié)構(gòu)型光纖傳感器中，光纖僅作為光的傳輸媒介，光纖和光信號不發(fā)生任何變化。

而在物性型光纖傳感器中，光纖在被測物理量的作用下，光纖本身及其所傳輸?shù)墓庑盘柕哪承┨匦园l(fā)生變化。因此光纖不僅僅作為光信號的傳輸媒介，而且，光纖本身也同時作為敏感元件。5.1常用傳感器介紹（2）生物傳感器和仿生傳感器傳統(tǒng)的傳感器都是利用非生物(金屬、半導(dǎo)體)的物性變化來檢測信號。近年來，在傳感器技術(shù)中開始利用生物(目前階段常用微生物)來敏感信號。

例如，可以利用微生物的呼吸作用、新陳代謝機(jī)能來測定有機(jī)物的濃度。這方面的成果已經(jīng)用于發(fā)酵工業(yè)、環(huán)境監(jiān)測、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域小。

生物體具有目前世界上最奇異的檢測功能，如貓的視覺、獵犬的嗅覺、蝙蝠的聽覺等。現(xiàn)在仿生物傳感器正在興起?？梢灶A(yù)言，仿生感覺器將會是今后傳感器技術(shù)研究和發(fā)展的重要方向之一。5.1常用傳感器介紹（3）智能傳感器

所謂智能傳感器就是一種帶有微處理機(jī)的，兼有檢測與信息處理功能的傳感器。簡而言之，就是帶計算機(jī)的傳感器，它和傳統(tǒng)傳感器有明顯的區(qū)別。

它除具備傳統(tǒng)傳感器的功能外，還具有記憶及運算的功能；空間信息處理及非線性濾波的功能；多重輸入系統(tǒng)的構(gòu)成與同一數(shù)據(jù)的周期重復(fù)處理的功能；系統(tǒng)的調(diào)節(jié)與控制的功能等。5.1常用傳感器介紹

傳感器與微處理機(jī)結(jié)合可以通過以下兩種途徑來實現(xiàn)：

一是采用微處理機(jī)或微型計算機(jī)系統(tǒng)以強化和提高傳統(tǒng)傳感器的功能，即傳感器與微處理機(jī)可為兩個獨立部分，傳感器的輸出信號經(jīng)處理和轉(zhuǎn)換后由接口送入微處理機(jī)部分進(jìn)行運算處理。

二是借助于半導(dǎo)體技術(shù)把傳感器部分與信號預(yù)處理電路、輸入輸出接口、微處理器等制作在同一塊芯片上，即成為大規(guī)模集成電路智能傳感器。這類傳感器具有多功能、一體化、精度高、適宜于大批量生產(chǎn)、體積小和便于使用等優(yōu)點。5.1常用傳感器介紹

（4）機(jī)器人傳感器機(jī)器人傳感器是20世紀(jì)70年代開始發(fā)展起來的一類專門用于機(jī)器人技術(shù)方面的新型傳感器。

要使機(jī)器人能代替人的勞動，自如地完成人所能干的，甚至某些人所難以勝任的動作，它就必須具備能夠判斷周圍環(huán)境狀態(tài)的感覺功能。不具備感覺功能的普通機(jī)器人只能按預(yù)先規(guī)定的程序重復(fù)地進(jìn)行一定的動作。5.1常用傳感器介紹

機(jī)器人傳感器可分為機(jī)器人內(nèi)部傳感器和機(jī)器人外部傳感器兩種。機(jī)器人內(nèi)部傳感器的功能是測量運動學(xué)和動力學(xué)參數(shù)；機(jī)器人外部傳感器的功能是認(rèn)識工作環(huán)境，其提供信息的目的是檢查產(chǎn)品質(zhì)量、取物、控制操作、應(yīng)付環(huán)境和修改程序。

機(jī)器人內(nèi)部傳感器的原理與前述章節(jié)基本相同。機(jī)器人外部傳感器和人的視、聽、嗅、味、觸等五官感覺相對應(yīng)，因此也稱為感覺傳感器。目前機(jī)器人外部傳感器主要有視覺和廣義觸覺兩大類。所謂廣義觸覺是指與對象物接觸所得到的全部感覺。5.1常用傳感器介紹

機(jī)器人感覺傳感器的特點是：①傳感器包括信息獲取和處理兩部分并密切結(jié)合；②傳感器檢測的信息直接用于控制，以決定機(jī)器人的行動；③與過程控制用傳感器不同，感覺傳感器既能檢測信息，又有隨環(huán)境狀態(tài)大幅度變化的功能。因此，信息收集能力強；④傳感器對敏感材料的柔性和功能有特定要求。

5.2主要非電量的測量一、概述

非電參數(shù)的電氣測試法具有以下突出的優(yōu)點：(1)將被測非電參數(shù)轉(zhuǎn)換成電磁參數(shù)進(jìn)行電氣測試，可以充分發(fā)揮電氣測試的各項優(yōu)點；(2)輸出的電信號可作長距離傳輸，利用遠(yuǎn)距離操作與自動控制；(3)既可作靜態(tài)測試，也便于動態(tài)測試；(4)在檢測微弱信號及瞬態(tài)過程測試方面是其他非電測試方法所無法比擬的。5.2主要非電量的測量

(5)由于可輸出電信號易于和許多后續(xù)數(shù)據(jù)處理儀器或計算機(jī)聯(lián)用，組成自動測試系統(tǒng)，對測試過程進(jìn)行控制，對測試結(jié)果進(jìn)行分析、運算及處理。

一個完整的非電參數(shù)電測系統(tǒng)如圖所示：信息的獲取信息的調(diào)理信息的顯示和處理一次儀表二次儀表三次儀表5.2主要非電量的測量（1）傳感器傳感器所獲得的信息是否正確，關(guān)系到整個測試系統(tǒng)的準(zhǔn)確度。如果傳感器的誤差很大，后面兩部分的準(zhǔn)確度再高，也將難以提高系統(tǒng)的準(zhǔn)確度。

傳感器也稱為變送器、發(fā)送器或換能器，現(xiàn)在測試設(shè)備中統(tǒng)一稱之為傳感器，而把輸出標(biāo)準(zhǔn)信號的傳感器稱為變送器。在生物醫(yī)學(xué)儀器、超聲檢測儀器中，習(xí)慣上還常稱傳感器為換能器。5.2主要非電量的測量

（2）信號調(diào)理電路(信號變換電路)

它由各種電橋、諧振電路、放大、調(diào)制、解調(diào)、濾波、阻抗變換、標(biāo)度變換等電路構(gòu)成。其作用是將傳感器輸出的電信號變換為：①適于輸入到記錄、顯示儀器的標(biāo)準(zhǔn)電壓或電流信號；②適于輸入到伺服驅(qū)動機(jī)構(gòu)進(jìn)行記錄、指示與控制的信號；③適于輸入到數(shù)據(jù)處理儀(如數(shù)據(jù)分析儀、計算機(jī))的信號。5.2主要非電量的測量

（3）記錄、顯示顯示的方式通常有三類：模擬顯示、數(shù)字顯示和圖像顯示。

對于動態(tài)信號的測試，有時還必須對測得的信號數(shù)據(jù)加以分析和處理。屬于這方面的儀器如頻譜分析儀、波形分析儀、實時信號分析儀、快速傅里葉變換儀。

隨著計算機(jī)、微處理器技術(shù)的飛速發(fā)展，所有這些儀器都可用計算機(jī)來完成，可根據(jù)需要選擇不同等級的計算機(jī)和微處理器。5.2主要非電量的測量非電參數(shù)電測儀器的分類方法有兩種：

按被測參數(shù)分類：對使用對象比較明確；

按測量方法分類：對儀器的工作原理比較清楚。例如，光電式轉(zhuǎn)速計、電阻應(yīng)變轉(zhuǎn)換儀等。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)前除不斷提高性能、可靠性外，總的趨向是朝小型輕量化、測試放大一體化、無接觸化方向發(fā)展。5.2主要非電量的測量近年來，由于計算機(jī)技術(shù)在測試領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用，傳統(tǒng)的測試系統(tǒng)正在產(chǎn)生較大變革：(1)采用微處理機(jī)使儀器智能化，把傳統(tǒng)的測試儀器變成了智能儀器，從而擴(kuò)展了功能，提高了準(zhǔn)確度；(2)采用通用個人計算機(jī)組成個人儀器系統(tǒng)；(3)采用計算機(jī)組成自動測試系統(tǒng)。5.2主要非電量的測量二、轉(zhuǎn)速的測量

根據(jù)其工作原理，轉(zhuǎn)速的測量方法可分為計數(shù)式、模擬式和同步式三大類。

計數(shù)式方法是用某種方法讀出一定時間內(nèi)的總轉(zhuǎn)數(shù)；

模擬式方法是測出由瞬時轉(zhuǎn)速引起的某種物理量(如離心力、電機(jī)的輸出電壓)的變化；

同步式方法是利用已知頻率的閃光與旋轉(zhuǎn)體的旋轉(zhuǎn)同步來測試轉(zhuǎn)速。5.2主要非電量的測量根據(jù)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換方式的不同：

計數(shù)式測試方法又分為：機(jī)械式、光電式、電磁式三種。

模擬式測試方法又可分為：機(jī)械式、發(fā)電機(jī)式和電容式三種。

同步式測試方法又分為：機(jī)械式和閃光式。5.2主要非電量的測量

5.2主要非電量的測量

采用電子計數(shù)式頻率計，配以轉(zhuǎn)速傳感器即可構(gòu)成電子計數(shù)式轉(zhuǎn)速表。

為提高測試的準(zhǔn)確度，一般對高、中轉(zhuǎn)速采用測頻法，對于低轉(zhuǎn)速采用測周法。這兩類方法交替使用，相互補充，可以展寬測試范圍，提高測試準(zhǔn)確度。5.2主要非電量的測量

5.2主要非電量的測量

5.2主要非電量的測量

5.2主要非電量的測量

5.2主要非電量的測量

5.2主要非電量的測量

5.2主要非電量的測量

5.2主要非電量的測量

5.2主要非電量的測量

5.2主要非電量的測量

5.2主要非電量的測量

5.2主要非電量的測量2.瞬態(tài)轉(zhuǎn)速測試

電機(jī)瞬時轉(zhuǎn)速測量主要包括兩項內(nèi)容：

一是電機(jī)啟動或停止時的轉(zhuǎn)速變化情況，即電機(jī)轉(zhuǎn)速的暫態(tài)過程。二是電機(jī)在穩(wěn)態(tài)運行中角速度微小的變化情況，即電機(jī)轉(zhuǎn)速的脈動程度，以確定電機(jī)轉(zhuǎn)速的不穩(wěn)定度。5.2主要非電量的測量

5.2主要非電量的測量為了反映電機(jī)角速度變化曲線，每轉(zhuǎn)一周測試的點數(shù)必須足夠多，按采樣定理，測試密度(每轉(zhuǎn)一周的測試點數(shù))至少也要大于一周中速度變化最高頻率的2倍。在瞬時轉(zhuǎn)速測試中，需要使用角度傳感器，例如光學(xué)玻璃圓光柵、金屬光柵等。此外，在瞬時轉(zhuǎn)速測試中常采用的一種多齒電容角度傳感器，如圖所示。它具有準(zhǔn)確度高、慣性小、使用方便、工作可靠及制造工藝簡單等優(yōu)點。5.2主要非電量的測量5.2主要非電量的測量下圖為一電動機(jī)瞬態(tài)轉(zhuǎn)速測試綜合系統(tǒng)框圖。該系統(tǒng)由多齒電容傳感器、邏輯控制電路、接口、計算機(jī)及終端輸出等組成。5.2主要非電量的測量

5.2主要非電量的測量

5.2主要非電量的測量3.激光測轉(zhuǎn)速

激光是一種高亮度、低發(fā)散角的單色相干光源。

激光測轉(zhuǎn)速是一種非接觸式光學(xué)測試，對被測體無擾動，不受環(huán)境條件限制，可實現(xiàn)遠(yuǎn)距離遙控測量，可提高測試準(zhǔn)確度，擴(kuò)大測試范圍。

目前常見的非接觸式轉(zhuǎn)速測試儀，除了電磁式以外，主要是光電計數(shù)式和閃光式轉(zhuǎn)速表。5.2主要非電量的測量把激光轉(zhuǎn)速儀與這兩者作比較，激光轉(zhuǎn)速儀有三個獨特優(yōu)點：

一是工作距離可遠(yuǎn)達(dá)10m；二是當(dāng)被測物體除旋轉(zhuǎn)外，還在振動或回轉(zhuǎn)進(jìn)動時，只有激光轉(zhuǎn)速儀能測這些處于特殊狀態(tài)物體的轉(zhuǎn)速，且操作簡單、讀數(shù)可靠；三是抗干擾能力強。5.2主要非電量的測量

激光傳感器獲得旋轉(zhuǎn)物體轉(zhuǎn)速信息的原理如圖所示：5.2主要非電量的測量

激光轉(zhuǎn)速儀信號處理部分的原理框圖如圖所示：5.2主要非電量的測量4.轉(zhuǎn)速測量新方法（1）無傳感器轉(zhuǎn)速測量在電機(jī)模型中轉(zhuǎn)速是一個重要的物理量。串勵電機(jī)含有電刷和換相片，電樞繞組線圈的換相過程會使繞組電流波形產(chǎn)生畸變，這種畸變的大小與換相電勢、換相電流的大小相關(guān)，而其頻率則與電機(jī)轉(zhuǎn)速直接相關(guān)，其瞬時頻率即對應(yīng)于電機(jī)的瞬時轉(zhuǎn)速。該瞬時頻率表達(dá)式為：5.2主要非電量的測量（2）雙頻激光干涉轉(zhuǎn)速測量本測量方法將光組探頭與被測對象連在一起，可測出轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速，測量裝置與被測對象之間只通過一條光線傳送信息，因此可以實現(xiàn)對轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)速的遠(yuǎn)距離測量。在實現(xiàn)轉(zhuǎn)速測量的同時，還可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)角的測量。而且用本測量方法可以實現(xiàn)瞬態(tài)轉(zhuǎn)速的測量。在較高的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，能夠?qū)崿F(xiàn)較高轉(zhuǎn)速測量分辨力，這是目前常用的測角儀器所不能比擬的。5.2主要非電量的測量（3）光纖式轉(zhuǎn)速測量

用光纖作為轉(zhuǎn)速傳感探頭的轉(zhuǎn)速測量原理，有以下特點：

①轉(zhuǎn)速測量范圍寬，在1~36000r/min上。優(yōu)于傳統(tǒng)機(jī)械及電氣式。

②抗干擾能力強。系統(tǒng)不受電磁輻射、溫度等外界干擾影響。

③由于系統(tǒng)整體采用光纖傳輸，因此具有遠(yuǎn)距離的遙測功能，傳輸距離可達(dá)lkm以上。

5.2主要非電量的測量

④本傳感系統(tǒng)采用非接觸式的光反射轉(zhuǎn)速測量法，傳感器與被測軸之間無任何機(jī)械連接，不會由于安裝傳感器而影響被測軸轉(zhuǎn)速，適于小型電機(jī)乃至微型電機(jī)的轉(zhuǎn)速測量，且對于由于結(jié)構(gòu)等原因不允許固定安裝測速傳感器的情況更為方便。5.2主要非電量的測量三、溫度的測試1.概述從宏觀上看，溫度的概念是建立在熱平衡基礎(chǔ)上的。

從微觀上看，溫度又反映了物體或系統(tǒng)分子熱運動的激烈程度或平均動能的大小。5.2主要非電量的測量

在生產(chǎn)和科學(xué)研究中，為了使測量結(jié)果準(zhǔn)確一致，需要給物體冷熱程度以定量的描述。溫標(biāo)就是溫度的數(shù)值表示方法，它是借助于隨溫度變化而變化的物理量來定義溫度數(shù)值的。溫標(biāo)就是溫度的標(biāo)尺，是表示溫度數(shù)值的一套規(guī)則，它明確了溫度的單位。5.2主要非電量的測量

5.2主要非電量的測量

溫度測量首先是由溫度傳感器來實現(xiàn)的。

測溫儀器通常由溫度傳感器和信號處理兩部分組成。

溫度傳感器隨著溫度變化而引起變化的物理參數(shù)有：膨脹、電阻、電容、熱電動勢，磁性能、頻率、光學(xué)特性及熱噪聲等。

目前，國內(nèi)外通用的溫度傳感器及測溫儀大致有以下幾種：5.2主要非電量的測量（1）熱膨脹式溫度計

該溫度計是利用膨脹法來測量溫度的一種儀表。所謂膨脹法即是利用物質(zhì)的熱膨脹（體膨脹或線膨脹）性質(zhì)與溫度的固有關(guān)系為基礎(chǔ)的一種測量方法。膨脹式溫度計按選用的物質(zhì)不同，可分為液體膨脹式溫度計、氣體膨脹式溫度計、壓力式溫度計和固體膨脹式溫度計四大類。

優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，制造和使用方便，價格便宜，精度高等。

缺點：不便于遠(yuǎn)距離測溫(壓力式溫度計除外)，結(jié)構(gòu)脆弱，易壞。5.2主要非電量的測量（2）電阻溫度計

熱電阻是利用導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻值隨溫度變化而變化的特性來測量溫度的一種感溫元件。

常用的熱電阻有銅電阻、鉑熱電阻和鎳熱電阻。

熱電阻必須與二次儀表配合使用才能指示出被測介質(zhì)的溫度。5.2主要非電量的測量

熱電阻的測溫原理是基于金屬導(dǎo)體的電阻值隨溫度的變化而變化的特性，再用顯示儀表測出熱電阻的電阻值，從而得出與電阻值相應(yīng)的溫度值。熱電阻的電阻值與溫度的關(guān)系式為：

優(yōu)點：測量精度高，性能穩(wěn)定，靈敏度高，應(yīng)用范圍廣，可遠(yuǎn)距離測量，便于微機(jī)實時處理，并能實現(xiàn)溫度自動控制和記錄等。5.2主要非電量的測量（3）熱電偶

熱電偶能將溫度信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘栐儆娠@示儀表顯示出來。

熱電偶測量溫度的基本原理是熱電效應(yīng)。

特點：①測量精度高；②結(jié)構(gòu)簡單；③動態(tài)響應(yīng)快；④可作遠(yuǎn)距離測量，便于集中檢測和自動控制；⑤測溫范圍廣。5.2主要非電量的測量（4）輻射式測溫儀表

輻射式測量儀表是指依據(jù)物體輻射的能量來測量其溫度的儀表。

它屬于非接觸式測量儀表，具有測量溫度高，反應(yīng)迅速，熱惰性小等優(yōu)點。由于它的感溫部分不與測溫介質(zhì)直接接觸。因此，其測溫精度不如熱電偶溫度計高，測量誤差較大，其測量范圍一般在400～3200℃。這類儀表有全輻射高溫計、單輻射高溫計和比色溫度計三種。5.2主要非電量的測量

（5）石英溫度傳感器測溫儀

石英溫度傳感器的測溫原理是以石英晶體片作為測溫元件，將溫度變化的模擬量轉(zhuǎn)化為石英晶體振蕩頻率的數(shù)字量，再將此頻率信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換，并顯示其溫度值。石英晶體振蕩頻率與溫度之間的關(guān)系式：

優(yōu)點：穩(wěn)定性很好，靈敏度可達(dá)0.001℃以上；

缺點：響應(yīng)速度較慢。5.2主要非電量的測量接觸式溫度傳感器非接觸式溫度傳感器原理依據(jù)傳感器與被測物體進(jìn)行物理接觸，發(fā)生熱交換，達(dá)到溫度平衡來測得溫度依據(jù)物體在不同溫度輻射的能量不同來測得溫度特點①用于多種場合的溫度測量②可測低溫和超低溫，1500℃以下較易測

量，測高溫受限③響應(yīng)速度較慢④結(jié)構(gòu)簡單、可靠，精度較高（<1%）①能測量高速移動物體的溫度②能測高溫和進(jìn)行遠(yuǎn)距離測量③響應(yīng)速度快④結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價格高，測量精

度較低（>1%）注意事項①避免測溫元件改變被測物體的溫度場②注意導(dǎo)線的熱傳導(dǎo)誤差③防止測溫元件產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)①放射率未知時，精度差②只能測量表面溫度5.2主要非電量的測量5.2主要非電量的測量

近年來，溫度測量技術(shù)問題進(jìn)一步得到了關(guān)注和發(fā)展，在由美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院(NIST)和儀表檢測、系統(tǒng)和自動化協(xié)會(ISAS)共同主辦的第8屆國際溫度專題研討會上，討論了改進(jìn)溫度測量技術(shù)的問題。

這些技術(shù)包括聲學(xué)測溫和聲學(xué)傳感器技術(shù)以及提高輻射測溫技術(shù)的方法等。5.2主要非電量的測量2.接觸式測量

工業(yè)上常用的接觸式測溫傳感器有三種：

熱電偶傳感器：有源探測器熱電阻傳感器：鉑熱電阻傳感器——一種最精密的測溫傳感器

熱膨脹式傳感器：玻璃水銀溫度計

（1）熱電偶測溫

①工業(yè)用熱電偶測溫典型線路：5.2主要非電量的測量

①工業(yè)用熱電偶測溫的典型線路使用中應(yīng)注意除A，B，C，D外，其余連接導(dǎo)線均為銅導(dǎo)線，并應(yīng)保證連接點接觸良好。補償導(dǎo)線5.2主要非電量的測量

②

多點測溫線路5.2主要非電量的測量

5.2主要非電量的測量

③溫差測量電路(反向串聯(lián))

5.2主要非電量的測量④熱電偶的并聯(lián)測溫電路

5.2主要非電量的測量

5.2