NEW第1章

檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)知識(shí)第1章

檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)知識(shí)第2章

電阻式傳感器第3章

電感式傳感器第4章

電容式傳感器第5章

壓電式傳感器第6章

霍爾傳感器第7章

光電式傳感器第8章

熱電偶傳感器第9章

新型傳感器第10章

檢測(cè)系統(tǒng)的信號(hào)處理第11章

檢測(cè)裝置的干擾抑制技術(shù)全套可編輯PPT課件

01.?掌握各種測(cè)量誤差的使用強(qiáng)化職業(yè)道德，提升學(xué)生的信息安全意識(shí)03.技能目標(biāo):知識(shí)目標(biāo):05.?能夠正確維護(hù)常用電子檢測(cè)設(shè)備?了解測(cè)量的基本概念和方法02.?熟悉傳感器的結(jié)構(gòu)、組成及基本特性點(diǎn)擊此處添加正文。04.?能夠根據(jù)檢測(cè)要求選擇合適的傳感器點(diǎn)擊此處添加正文。06.素質(zhì)目標(biāo):點(diǎn)擊此處添加正文。教學(xué)目標(biāo)Topic.01教學(xué)重難點(diǎn)教學(xué)重點(diǎn):檢測(cè)和傳感器的含義及其基本內(nèi)容教學(xué)難點(diǎn):傳感器的特性1.1傳感器基礎(chǔ)知識(shí)1.1.1傳感器的概念傳感器是能感受(或響應(yīng))規(guī)定的被測(cè)量并按照一定的規(guī)律將被測(cè)量轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。在某些學(xué)科領(lǐng)域中，傳感器又稱為敏感元件、檢測(cè)器、轉(zhuǎn)換器等。這些不同提法反映了在不同的技術(shù)領(lǐng)域中，根據(jù)器件用途對(duì)同一類型的器件使用著不同的技術(shù)術(shù)語。例如，在電子技術(shù)領(lǐng)域，常把能感受信號(hào)的電子元件稱為敏感元件，如熱敏元件、磁敏元件、光敏元件及氣敏元件等；在超聲波技術(shù)領(lǐng)域則強(qiáng)調(diào)能量的轉(zhuǎn)換，如壓電式換能器。這些提法在含義上都有些狹窄?“傳感器”一詞是使用最為廣泛，最具概括性的用語。1.1.2傳感器的組成傳感器的輸出信號(hào)通常是電量，因?yàn)殡娏勘阌趥鬏敗⑥D(zhuǎn)換、處理、顯示等。電量有很多形式，如電壓、電流、電容、電阻等，輸出信號(hào)的形式由傳感器的原理確定。通常，傳感器由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成(見圖1－1)。其中，敏感元件是指?jìng)鞲衅髦心苤苯痈惺芑蝽憫?yīng)被測(cè)量的部分；轉(zhuǎn)換元件是指?jìng)鞲衅髦心軐⒚舾性惺芑蝽憫?yīng)的

被測(cè)量轉(zhuǎn)換成適于傳輸或測(cè)量的電信號(hào)的部分。由于傳感器輸出信號(hào)一般都很微弱，因此需要信號(hào)調(diào)理轉(zhuǎn)換電路對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行放大、運(yùn)算調(diào)制等。此外信號(hào)調(diào)理轉(zhuǎn)換電路以及傳感器的轉(zhuǎn)換元件必須有輔助電源，因此信號(hào)調(diào)理轉(zhuǎn)換電路以及所需的輔助電源都應(yīng)

作為傳感器組成的一部分。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(hào)調(diào)理轉(zhuǎn)換電路與敏感元件一起集成在同一芯片上，安裝在傳感器的殼體里。圖1－1傳感器組成框圖1.1.3傳感器的分類傳感器技術(shù)是一種知識(shí)密集型技術(shù)。傳感器的原理有多種，它與許多學(xué)科有關(guān)，其種類繁多，分類方法也很多。目前傳感器一般采用兩種分類方法:一種是按被測(cè)參數(shù)分類，如溫度傳感器、壓力傳感器、位移傳感器、速度傳感器等；另一種是按傳感器的工作原理分類，如應(yīng)變式傳感器、電容式傳感器、壓電式傳感器

、磁電式傳感器等。本書是按后一種分類方法來介紹各種傳感器的，而傳感器的工程應(yīng)用則是根據(jù)工程參數(shù)進(jìn)行敘述的。對(duì)于初學(xué)者和應(yīng)用傳感器的工程技術(shù)人員來說，應(yīng)先從傳感器的工作原理著手，了解各種各樣的傳感器，對(duì)于工程上的被測(cè)參數(shù)，則應(yīng)著重如何合理選擇和使用傳感器

。1.1

.4傳感器的特性在生產(chǎn)過程和科學(xué)實(shí)驗(yàn)中，要對(duì)各種各樣的參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)和控制，就要求傳感器能感受被測(cè)非電量的變化并不失真地將其變換成相應(yīng)的電量，這取決于傳感器的基本特性，即輸入輸出特性。如果把傳感器看作二端口網(wǎng)絡(luò)，即有兩個(gè)輸入端和兩個(gè)輸出端，那么傳感器的輸入輸出特性是與其內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)的外部特性。傳感器的基本特性通?？梢苑譃殪o態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性。下面對(duì)傳感器特性的分析也同樣適用于測(cè)量系統(tǒng)

。1.傳感器的靜態(tài)特性傳感器的靜態(tài)特性是指被測(cè)量的值處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)輸出與輸入的關(guān)系。如果被測(cè)量是一個(gè)不隨時(shí)間變化或隨時(shí)間變化緩慢的量，可以只考慮其靜態(tài)特性，這時(shí)傳感器的輸入量與輸出量之間在數(shù)值上一般具有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，關(guān)系式中不含有時(shí)間變量。

對(duì)靜態(tài)特性而言，在不考慮遲滯蠕變及其他不確定因素的情況下，傳感器的輸入量x與輸出量

y之間的關(guān)系通常可用一個(gè)多項(xiàng)式表示

:y＝a0

＋a1x

＋a2x2

＋…＋anxn式中，a0

為輸入量x為零時(shí)的輸出量；a

1，a2，…，an

為非線性項(xiàng)系數(shù)。各項(xiàng)系數(shù)決定了傳感器靜態(tài)特性曲線的具體形式。傳感器的靜態(tài)特性可以用一組性能指標(biāo)來描述，如靈敏度、線性度、遲滯、重復(fù)性和漂移等。1)靈敏度靈敏度是傳感器靜態(tài)特性的一個(gè)重要指標(biāo)，其定義是輸出量增量Δy與引起輸出量增量Δy的相應(yīng)輸入量增量Δx之比。用S表示靈敏度，即Δy

S＝x靈敏度S值越大，表示傳感器越靈敏。線性傳感器的靈敏度就是它的靜態(tài)特性的斜率，其靈敏度S在整個(gè)測(cè)量范圍內(nèi)為常量，如圖1－2(a)所示；而非線性傳感器的靈敏度為一變量，用S＝表示，實(shí)際上就是輸入輸出特性曲線上某點(diǎn)的斜率，且靈敏度隨輸入量的變化而變化，如圖1－2(b)所示。圖1－2傳感器的靈敏度(a

)線性；(b)非線性從靈敏度的定義可知，傳感器的靈敏度通常是一個(gè)有量綱的量，因此表述某一傳感器靈敏度時(shí)，必須說明它的量綱。2)線性度傳感器的線性度是指?jìng)鞲衅鞯妮敵雠c輸入之間數(shù)量關(guān)系的線性程度。輸出與輸入關(guān)

系可分為線性特性和非線性特性。從傳感器的性能看，希望它具有線性關(guān)系，即理想的輸入輸出關(guān)系。但實(shí)際使用的傳感器大多為非線性傳感器。在實(shí)際使用中，為了標(biāo)定和數(shù)據(jù)處理的方便，希望得到線性關(guān)系，因此引入各種非線性補(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，從而使傳感器的輸出與輸入關(guān)系為線性或接近線性。但如果傳感器非線性的次方不高，輸入量變化范圍較小時(shí)，則可用一條直線(切線或割線)近似地代表實(shí)際曲線的一段，使傳感器輸入輸出特性線性化，所采用的直線稱為擬合直線。選取擬合直線的方法有很多，圖1－3所示為幾種直線擬合方法。即使是同類傳感器，擬合直線不同，其線性度也是不同的。通常用最小二乘法求取擬合直線，應(yīng)用此方法擬合的直線與實(shí)際曲線上所有點(diǎn)的距離的平方和為最小，其非線性誤差較小。傳感器的線性度是指在全量程范圍內(nèi)實(shí)際特性曲線與擬合直線之間的最大非線性絕對(duì)誤差ΔLmax與滿量程輸出值YFS之比。線性度也稱為非線性誤差，用γL表示，即ΔLmax

FS×100％γL

＝

±Y圖1－3幾種直線擬合方法3)遲滯傳感器在相同工作條件下，輸入量由小到大(正行程)及輸入量由大到小(反行程)變

化期間其輸入輸出特性曲線不重合的現(xiàn)象稱為遲滯(見圖1－4)。也就是說，對(duì)于相同大小的輸入信號(hào)，傳感器的正反行程輸出信號(hào)大小不相等，這個(gè)差值稱為遲滯差值。傳感器在全量程范圍內(nèi)最大的遲滯差值ΔHmax

與滿量程輸出值YFS

之比稱為遲滯誤差，用γH

表圖1－4遲滯特性這種現(xiàn)象主要是由于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，彈性敏感元件彈性滯后、運(yùn)動(dòng)部件摩擦、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的間隙、緊固件松動(dòng)等。遲滯誤差又稱為回差或變差。γ

H

＝×100％示，即(1－4)4)重復(fù)性重復(fù)性是指?jìng)鞲衅髟谙嗤ぷ鳁l件下，輸入量按同一方向做全量程連續(xù)多次變化時(shí)，所得特性曲線不一致的程度(見圖1－5)。重復(fù)性誤差屬于隨機(jī)誤差，常用標(biāo)準(zhǔn)差σ計(jì)算，也可用正反行程中的最大重復(fù)差值ΔRmax

計(jì)算，即γR

＝±×100％γR

＝

±

×

100％圖1－5重復(fù)性(2~3)σ(1－5)(1－6)

FS或Y5)漂移在傳感器輸入量不變的情況下，輸出量會(huì)隨著時(shí)間變化，此現(xiàn)象稱為漂移。產(chǎn)生漂移的原因有兩個(gè)方面:一是傳感器自身結(jié)構(gòu)參數(shù)發(fā)生變化；二是周圍環(huán)境(如溫度、濕度等)發(fā)生變化。最常見的漂移是溫度漂移，即周圍環(huán)境溫度發(fā)生變化而引起輸出的變化。溫度漂移(簡(jiǎn)稱溫漂)通常用傳感器工作環(huán)境溫度偏離標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境溫度(一般為20℃)時(shí)，溫度變化1℃輸出值的變化量與滿量程YFS

的百分比表示，即溫漂＝×100％(1－7)yt

－y20

YFS

.Δt式中，Δt為工作環(huán)境溫度t偏離標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境溫度t20之差，即Δt＝t－t20；yt為傳感器在工作環(huán)境溫度t時(shí)的輸出；y20為傳感器在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境溫度t20時(shí)的輸出。2.傳感器的動(dòng)態(tài)特性傳感器的動(dòng)態(tài)特性是指輸入量隨時(shí)間變化時(shí)傳感器的響應(yīng)特性。由于傳感器的慣性

和滯后，當(dāng)被測(cè)量隨時(shí)間變化時(shí)，傳感器的輸出往往來不及達(dá)到平衡狀態(tài)，處于動(dòng)態(tài)過渡過程之中，因此傳感器的輸出量也是時(shí)間的函數(shù)，其間的關(guān)系要用動(dòng)態(tài)特性來表示。一個(gè)動(dòng)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，即兩者具有相同的時(shí)間函數(shù)。實(shí)際應(yīng)用中，傳感器的輸出信號(hào)不會(huì)與輸入信號(hào)具有相同的時(shí)間函數(shù)，這種輸出與輸入間的差異就是所謂的動(dòng)態(tài)誤差。為了說明傳感器的動(dòng)態(tài)特性，下面簡(jiǎn)要介紹動(dòng)態(tài)測(cè)溫的問題。當(dāng)被測(cè)溫度隨時(shí)間變化或?qū)鞲衅魍蝗徊迦氡粶y(cè)介質(zhì)中，以及傳感器以掃描方式測(cè)量某溫度場(chǎng)的溫度分布時(shí)，都存在動(dòng)態(tài)測(cè)溫問題。例如，把一支熱電偶從溫度為t0的環(huán)境中迅速插入一個(gè)溫度為t1

的恒溫水槽中(插入時(shí)間忽略不計(jì))，這時(shí)熱電偶測(cè)量的介質(zhì)溫度從t0突然上升到t1，而熱電偶的溫度從t0變化到t

1需要經(jīng)歷一段時(shí)間，即有一段過渡的過程，如圖1－6所示。熱電偶反映出來的溫度與其介質(zhì)溫度的差值就稱為動(dòng)態(tài)誤差。造成熱電偶輸出波形失真和產(chǎn)生動(dòng)態(tài)誤差的原因是溫度傳感器有熱慣性(由傳感器的比熱容和質(zhì)量大小決定)和傳熱熱阻，這使得在動(dòng)態(tài)測(cè)溫時(shí)傳感器輸出總是滯后于被測(cè)介質(zhì)的溫度變化。例如，熱電偶帶有套管，那么其熱慣性要比不帶套管的熱電偶大得多。

這種熱慣性是熱電偶固有的特性，它決定了熱電偶測(cè)量快速變化的溫度時(shí)會(huì)產(chǎn)生動(dòng)態(tài)誤差。任何傳感器都有影響其動(dòng)態(tài)特性的“固有因素”，只不過它們的表現(xiàn)形式和作用程度不同而已。圖1－6動(dòng)態(tài)測(cè)溫1)傳感器的基本動(dòng)態(tài)特性方程傳感器的種類和形式有很多，但它們的動(dòng)態(tài)特性一般都可以用微分方程描述為dn

y

dn－1

y

dy

dm

x

dm－1

x

dxdtn

dtn－1

dt

dtm

dtm－1

dt式中，x為輸入量；y為輸出量；a0，a

1，…，an與b0，b

1，…，bm分別為與傳感器的結(jié)構(gòu)特性有關(guān)的系數(shù)。大多數(shù)傳感器的動(dòng)態(tài)特性都可歸屬于零階、一階和二階系統(tǒng)。盡管實(shí)際上傳感器的動(dòng)態(tài)特性存在更高階的復(fù)雜系統(tǒng)，但在一定的條件下，大多數(shù)傳感器的動(dòng)態(tài)特性都可以用上述這三種系統(tǒng)的組合來進(jìn)行分析。(1)零階系統(tǒng)。若式(1－8)中的系數(shù)除了a0、b0之外，其他的系數(shù)均為零，則微分方程就變成簡(jiǎn)單的代數(shù)方程，即a0

y

(

t

)＝

b0

x

(

t

)通常將該代數(shù)方程寫成y(t)＝kx

(t

)(1－9)式中，k為傳感器的靜態(tài)靈敏度或放大系數(shù)，k＝b0

/a0。用式(1－9)來描述傳感器的動(dòng)態(tài)特性

的系統(tǒng)就稱為零階系統(tǒng)。零階系統(tǒng)具有理想的動(dòng)態(tài)特性，無論被測(cè)量x

(t

)如何隨時(shí)間變化，零階系統(tǒng)的輸出y(t

)都不會(huì)失真，其輸出在時(shí)間上也無任何滯后，所以零階系統(tǒng)又稱為比例系統(tǒng)。在工程應(yīng)用中，電位器式的電阻傳感器、變面積式的電容傳感器及利用靜壓式壓力測(cè)量液位的傳感器均可看作零階系統(tǒng)。(2)一階系統(tǒng)。

若式(1－8)中的系數(shù)除了a0、a

1與b0之外，其他的系數(shù)均為零，則微分方程為

dy(t

)

dt

該式通常可改寫成為

dy(t

)

dt

式中，τ為傳感器的時(shí)間常數(shù)，τ＝

a

1

/a0；k為傳感器的靜態(tài)靈敏度或放大系數(shù)，k＝

b0

/a0

。

時(shí)間常數(shù)τ具有時(shí)間的量綱，它反映傳感器慣性的大小，靜態(tài)靈敏度則說明傳感器的靜態(tài)特性。

用式(1－10)來描述傳感器動(dòng)態(tài)特性的系統(tǒng)就稱為一階系統(tǒng)，也稱為慣性系統(tǒng)。

如前面提到的不帶保護(hù)套管的熱電偶測(cè)溫系統(tǒng)、電路中常用的阻容濾波器等均可看作一階系統(tǒng)。

163a0

a2

)；ωn

為傳感器的固有頻率，ωn

＝

a0

/a2

。根據(jù)二階微分方程特征方程根的不同性質(zhì)，二階系統(tǒng)又可分為:①二階慣性系統(tǒng)，其特點(diǎn)是特征方程的根為兩個(gè)負(fù)實(shí)根，它相當(dāng)于兩個(gè)一

階系統(tǒng)串聯(lián)?②二階振蕩系統(tǒng)，其特點(diǎn)是特征方程的根為一對(duì)帶負(fù)實(shí)部的共軛復(fù)根。帶有保護(hù)套管的熱電偶、電磁式的動(dòng)圈儀表及RLC振蕩電路等均可看作二階系統(tǒng)。(3)二階系統(tǒng)。

二階系統(tǒng)的微分方程為

a2

＋

a

1

＋

a0

y(t)＝

b0

x

(t)

二階系統(tǒng)的微分方程通常可改寫為

＋2ξωn

＋ωn

y(t)＝ωkx(t

)(1－11)

式中，k

為傳感器的靜態(tài)靈敏度或放大系數(shù)，k

＝

b0/a0；ξ為傳感器的阻尼系數(shù)，ξ＝a

1/

(2

(1)瞬態(tài)響應(yīng)特性。傳感器的瞬態(tài)響應(yīng)是時(shí)間響應(yīng)。在研究傳感器的動(dòng)態(tài)特性時(shí)，有時(shí)需要從時(shí)域中對(duì)傳感器的響應(yīng)和過渡過程進(jìn)行分析，這種分析方法稱為時(shí)域分析法。在進(jìn)行傳感器的時(shí)域分析時(shí)，用得比較多的標(biāo)準(zhǔn)輸入信號(hào)有階躍信號(hào)和脈沖信號(hào)，傳感器的瞬態(tài)響應(yīng)分別稱為階躍響應(yīng)和脈沖響應(yīng)。①一階傳感器的單位階躍響應(yīng)。一階傳感器的微分方程為τ＋y(t)＝kx(t)設(shè)傳感器的靜態(tài)靈敏度k＝1，則它的傳遞函數(shù)為X

(s

)＝則一階傳感器的單位階躍響應(yīng)的拉普拉斯變換式為Y(s)＝H(s)X(s)＝

.(1－13)對(duì)式(113)進(jìn)行拉普拉斯反變換，可得一階傳感器的單位階躍響應(yīng)信號(hào)為y

(

t

)＝1

－e－

(

1

1

4

)相應(yīng)的響應(yīng)曲線如圖17所示。由圖可知，一階傳感器存在慣性，它的輸出不能立即復(fù)Y(s)

1 H(s)＝＝X(s)τs

＋1對(duì)初始狀態(tài)為零的傳感器，若輸入一個(gè)單位階躍信號(hào)，即x

(

t

)＝

輸入信號(hào)x(t)的拉普拉斯變換式為圖1－7一階傳感器單位階躍響應(yīng)dy(t)dt(1－12

)現(xiàn)輸入信號(hào)，而是從零開始，按指數(shù)規(guī)律上升，最終達(dá)到穩(wěn)態(tài)值。理論上傳感器的響應(yīng)只在t趨于無窮大時(shí)才能達(dá)到穩(wěn)態(tài)值，但通常認(rèn)為t＝(3~4)τ時(shí)，傳感器已達(dá)到穩(wěn)態(tài)。若t＝4τ，其輸出就

可達(dá)到穩(wěn)態(tài)值的98.2％，則可以認(rèn)為傳感器已達(dá)到穩(wěn)態(tài)。所以，一階傳感器的時(shí)間常數(shù)τ越小，響應(yīng)速度越快，響應(yīng)曲線越接近于輸入階躍曲

線，即動(dòng)態(tài)誤差小。因此，τ是一階傳感器的重要性能參數(shù)。2)傳感器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性

傳感器的動(dòng)態(tài)特性不僅與傳感器的“固有因素”有關(guān)，還與傳感器輸入量的變化形式有關(guān)。也就是說，同一個(gè)傳感器在不同形式的輸入信號(hào)作用下，其輸出量的變化是不同的。通常選用幾種典型的輸入信號(hào)作為標(biāo)準(zhǔn)輸入信號(hào)，來研究傳感器的響應(yīng)特性。

二階傳感器的微分方程為＋2ξωn

＋ωn

y(t)＝ωkx(t)n2d2

y(t)

dy(t)

2dt2

dt2ωs＋2ξωn

s＋ω

傳感器輸出的拉普拉斯變換式為Y(s

)

＝H(s

)X(s

)＝

對(duì)式(116)進(jìn)行拉普拉斯反變換，即可求得二階傳感器的階躍響應(yīng)。n2設(shè)傳感器的靜態(tài)靈敏度k＝1，則其二階傳感器的傳遞函數(shù)為H(s)＝

(1－15

)(116)由于阻尼比ξ的不同，二階傳感器微分方程的特征方程根有不同的形式，因此其階躍響應(yīng)也不相同。圖1－8所示為二階傳感器的單位階躍響應(yīng)曲線，圖中曲線從上至下依次對(duì)應(yīng)ξ＝0、0.1、0.3、0.5、0.7、1、2。二階傳感器對(duì)階躍信號(hào)的響應(yīng)在很大程度上取決于阻尼比ξ和固有角頻率ωn。當(dāng)ξ＝0時(shí)，特征根為一對(duì)虛根，階躍響應(yīng)是一個(gè)等幅振蕩過程，這種等幅振蕩狀態(tài)又稱為無阻尼狀態(tài)；當(dāng)ξ>1時(shí)，特征根為兩個(gè)不同的負(fù)實(shí)根，階躍響應(yīng)是一個(gè)不振蕩的衰減過程，這種狀態(tài)又稱為過阻尼狀態(tài)；當(dāng)ξ＝1時(shí)，特征根為兩個(gè)相同的負(fù)實(shí)根，階躍響應(yīng)也是一個(gè)不振蕩的衰減過程，但它是一個(gè)由不振蕩衰減到振蕩衰減的臨界過程，故又稱為臨界阻尼狀態(tài)；當(dāng)

0<ξ<1時(shí)，特征根為一對(duì)共軛復(fù)根，階躍響應(yīng)是一個(gè)衰減振蕩過程，在這一過程中ξ值不同，階躍響應(yīng)衰減快慢也不同，這種衰減振蕩狀態(tài)又稱為欠阻尼狀態(tài)。阻尼比ξ直接影響超調(diào)量和振蕩次數(shù)，為了獲得滿意的瞬態(tài)響應(yīng)特性，實(shí)際使用中常按稍欠阻尼調(diào)整。對(duì)于二階傳感器，當(dāng)ξ＝0.6~0.7時(shí)，其最大超調(diào)量不超過10％，趨于穩(wěn)態(tài)的調(diào)整時(shí)間也最短，約為(3~4)/ξωn。固有頻率ωn即等幅振蕩的頻率，由傳感器的結(jié)構(gòu)參數(shù)決定，ωn越高，傳感器的響應(yīng)速度越快。圖1－8二階傳感器單位階躍響應(yīng)②二階傳感器的單位階躍響應(yīng)。

延遲時(shí)間td

:傳感器輸出達(dá)到穩(wěn)態(tài)值的50％時(shí)所需的時(shí)間。上升時(shí)間tr

:傳感器輸出達(dá)到穩(wěn)態(tài)值的90％時(shí)所需的時(shí)間。峰值時(shí)間t:二階傳感器輸出響應(yīng)曲線達(dá)到第一個(gè)峰值時(shí)所需的時(shí)間

。超調(diào)量σ:二階傳感器輸出超過穩(wěn)態(tài)值的最大值。衰減比d:衰減振蕩的二階傳感器輸出響應(yīng)曲線第一個(gè)峰值與第二個(gè)峰值之比。響應(yīng)時(shí)間ts

:二階傳感器自輸入開始至輸出達(dá)到穩(wěn)態(tài)所需的時(shí)間。傳感器的時(shí)域動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)如圖1－9、圖1－10所示。p圖1－9一階傳感器的時(shí)域動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)圖1－10二階傳感器的時(shí)域動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)③傳感器的時(shí)域動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)。

時(shí)域動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)敘述如下。

時(shí)間常數(shù)τ:一階傳感器輸出上升到穩(wěn)態(tài)值的63.2％時(shí)所需的時(shí)間。

頻率來描述傳感器的動(dòng)態(tài)特性。所謂截止頻率，是指幅值下降到最大幅值(

零頻率幅值)的1/2時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率。截止頻率反映傳感器的響應(yīng)速度，截止頻率越高，傳感器的響應(yīng)速度越快。對(duì)于一階傳感器，其截止頻率為1/τ。圖1－11所示為一階傳感器的頻率響應(yīng)特性曲線。圖1－11一階傳感器頻率響應(yīng)特性(a

)幅頻特性；(b)

相頻特性(2)頻率響應(yīng)特性。

傳感器對(duì)不同頻率成分的正弦輸入信號(hào)的響應(yīng)特性，稱為頻率響應(yīng)特性。一個(gè)傳感器輸入端有正弦信號(hào)作用時(shí)，其輸出響應(yīng)仍然是同頻率的正弦信號(hào)，只是與輸入端正弦信號(hào)的幅值和相位不同。頻率響應(yīng)法是從傳感器的頻率特性出發(fā)，研究傳感器的輸出與輸入的幅值比和兩者相位差變化的方法。

①一階傳感器的頻率響應(yīng)。

將一階傳感器傳遞函數(shù)式(1－12)中的s用jω代替后，即可得到頻率特性表達(dá)式:

H(j

ω

)＝

＝

－j

(

1－17

)

幅頻特性為

1

A

(ω)＝

(1－18)

1＋(ωτ)

2

相頻特性為

Φ(ω)＝－arctan

(ωτ)

(1－19)

從式(1－18)、式(1－19)和圖1－11可知，時(shí)間常數(shù)τ越小，頻率響應(yīng)特性越好。當(dāng)ωτ?1時(shí)，A

(ω)≈1，Φ(ω)≈0，表明傳感器輸出與輸入呈線性關(guān)系，且輸出和輸入相位差也很小，輸出y(t

)比較真實(shí)地反映了輸入x

(t

)的變化規(guī)律。因此減小τ可改善傳感器的頻率特性。除了用時(shí)間常數(shù)τ表示一階傳感器的動(dòng)態(tài)特性外，在頻率響應(yīng)中也可用截止

2ω

1èω

n

?

ω

n其幅頻特性、相頻特性分別為1A(ω)＝H(jω)＝

[1－

]2

＋

(2ξ)2Φ(ω

)＝

∠H(jω

)＝－arctan

22??÷(jω

)

＋

2ξω

n

(jω

)

＋

ω

1

－

?(

ω

?÷

＋

2jξ

ω

22n2H(jω)＝

＝2

nn(1－20)(1－21)(1－22)②二階傳感器的頻率響應(yīng)。由二階傳感器的傳遞函數(shù)式(1－15)可寫出二階傳感器的頻率特性表達(dá)式，即相位角為負(fù)值表示相位滯后。由式(1－21)及式(1－22)可畫出二階傳感器的幅頻特性曲線和相頻特性曲線(見圖1－12)。圖1－12二階傳感器頻率響應(yīng)特性曲線(a

)幅頻特性；(b)

相頻特性從式(1－21)、式(1－22)和圖1－12可知，傳感器頻率響應(yīng)特性的好壞主要取決于傳感器的固有頻率ωn和阻尼比ξ。當(dāng)ξ<1、ωn?ω時(shí)，A

(ω)≈1，Φ(ω)很小，此時(shí)傳感器的輸出y(t)再現(xiàn)了輸入x

(t

)的波形。通常固有頻率ωn至少應(yīng)為被測(cè)信號(hào)頻率ω的3~5

倍，即ωn≥(3~5)

ω。為了減小動(dòng)態(tài)誤差和擴(kuò)大頻率響應(yīng)范圍，一般可通過提高傳感器固有頻率ωn

來實(shí)現(xiàn)，而固有頻率ωn與傳感器運(yùn)動(dòng)部件質(zhì)量m和彈性敏感元件的剛度k有關(guān)，即ω

n＝ 。增大剛度k和減小質(zhì)量m都可提高固有頻率，但增加剛度

k會(huì)使傳感器靈敏度降低，所以在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)綜合各種因素來確定傳感器的各個(gè)特征參數(shù)。工作頻帶ω0.

95

(或ω0.

90

):當(dāng)傳感器的幅值誤差為±5％(或±10％)時(shí)，其增益保持在一定值內(nèi)的頻率范圍。時(shí)間常數(shù)τ:用時(shí)間常數(shù)τ來表征一階傳感器的動(dòng)態(tài)特性。τ越小，頻帶越寬。固有頻率ωn

:二階傳感器的固有頻率ωn

表征其動(dòng)態(tài)特性。相位誤差:在工作頻帶范圍內(nèi)，傳感器的實(shí)際輸出與所期望的無失真輸出間的相位

差值，即為相位誤差。跟隨角Φ0.

707

:當(dāng)ω＝ω0.

707

時(shí)，對(duì)應(yīng)于相頻特性上的相角，即為跟隨角。圖1－13傳感器的頻域動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)③頻率響應(yīng)特性指標(biāo)。

頻率響應(yīng)的特性指標(biāo)敘述如下。

通頻帶ω0.

707

:傳感器在對(duì)數(shù)幅頻特性曲線上幅值衰減3dB時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率范圍(見圖1－13)。

1.2檢測(cè)系統(tǒng)的組成利用各種物理、化學(xué)效應(yīng)，選擇合適的方法與裝置，將生產(chǎn)

、科研、生活等各方面的有關(guān)信息通過檢查與測(cè)量的方法，賦予定性或定量結(jié)果的過程稱為檢測(cè)技術(shù)。檢測(cè)技術(shù)就是利用傳感器，將生產(chǎn)、科研等需要的電量和非電量信息轉(zhuǎn)化成為易于測(cè)量、傳輸、顯示和處理的電信號(hào)的過程。一個(gè)完整的檢測(cè)控制系統(tǒng)通常由傳感器、測(cè)量轉(zhuǎn)換電路、顯示與記錄裝置、數(shù)據(jù)處理裝置和調(diào)節(jié)執(zhí)行裝置組成。檢測(cè)系統(tǒng)各組成部分之間的關(guān)系如圖1－14所示。圖1－14檢測(cè)系統(tǒng)各組成部分之間的關(guān)系測(cè)量是檢測(cè)技術(shù)的重要組成部分，是以確定被測(cè)量值為目的的一系列操作。測(cè)量是將被測(cè)量與同種性質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)量進(jìn)行比較，從而確定被測(cè)量相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)量的倍數(shù)的過程。x

＝Ax0

(1－23)式中，x為被測(cè)量；A為測(cè)量值；x0

為標(biāo)準(zhǔn)量

。1.3測(cè)量概述1.3.1測(cè)量的定義測(cè)量方法是指實(shí)現(xiàn)被測(cè)量與標(biāo)準(zhǔn)量比較得出比值的方法。1.按測(cè)量過程的特點(diǎn)分類(1)直接測(cè)量法:用測(cè)量精確程度較高的儀器測(cè)量被測(cè)量，直接得到測(cè)量結(jié)果的方法。(2)間接測(cè)量法:用直接測(cè)量法測(cè)得與被測(cè)量有確定函數(shù)關(guān)系的一些物理量，經(jīng)過計(jì)算求得被測(cè)量(如阿基米德測(cè)量皇冠的比重)的方法。(3)組合測(cè)量法:先直接測(cè)量與被測(cè)量有一定函數(shù)關(guān)系的某些量，然后在一系列直接測(cè)量的基礎(chǔ)上，通過求解方程組來獲得被測(cè)量結(jié)果的方法。2.按測(cè)量?jī)x表的特點(diǎn)分類(1)接觸測(cè)量法:測(cè)量器具的傳感器與被測(cè)零件的表面直接接觸的測(cè)量方法。例如，用游標(biāo)卡尺、百分尺和比較儀等測(cè)量零件都屬于接觸測(cè)量。(2)非接觸測(cè)量法:測(cè)量器具的傳感器與被測(cè)零件的表面不直接接觸的測(cè)量方法。例如，電子警察使用雷達(dá)測(cè)速就屬于非接觸測(cè)量。3.按測(cè)量對(duì)象的特點(diǎn)分類(1)靜態(tài)測(cè)量:被測(cè)量在測(cè)量過程中是固定不變的，對(duì)這種被測(cè)量進(jìn)行測(cè)量的方法稱1.3.2測(cè)量方法的分類為靜態(tài)測(cè)量。對(duì)緩慢變化的對(duì)象進(jìn)行測(cè)量亦屬于靜態(tài)測(cè)量

。(2)動(dòng)態(tài)測(cè)量:被測(cè)量在測(cè)量過程中是隨時(shí)間不斷變化的，對(duì)這種被測(cè)量進(jìn)行測(cè)量的方法稱為動(dòng)態(tài)測(cè)量。例如，使用示波器測(cè)量地震時(shí)的震動(dòng)波形就屬于動(dòng)態(tài)測(cè)量。1.4測(cè)量誤差及其分類1.4.1測(cè)量誤差的概念測(cè)量誤差是測(cè)量值與被測(cè)量的真值之間的差異。其中真值是指在一定的時(shí)間及空間

(位置或狀態(tài))條件下，被測(cè)量所體現(xiàn)的真實(shí)數(shù)值。真值有理論真值、約定真值和相對(duì)真值之分。(1)理論真值:理論真值又稱為絕對(duì)真值，是指在嚴(yán)格的條件下，根據(jù)一定的理論按定義確定的數(shù)值。例如，三角形的內(nèi)角和恒為180°。(2)約定真值:約定真值是指用約定的辦法來確定的最高基準(zhǔn)值，它被認(rèn)為充分接近于真值，因而可以代替真值來使用。例如，基準(zhǔn)“米”的定義為光在真空中1/299792458s的時(shí)間間隔內(nèi)的行程。(3)相對(duì)真值:相對(duì)真值又稱為實(shí)際值。將測(cè)量?jī)x表根據(jù)精度的不同，分為若干等級(jí)，高等級(jí)的測(cè)量?jī)x表的測(cè)量值即為相對(duì)真值。1.按照表示方法分類測(cè)量誤差按照表示方法可以分為絕對(duì)誤差和相對(duì)誤差。(1)絕對(duì)誤差是指被測(cè)量的測(cè)量值與被測(cè)量的真值之間的差值，即Δ＝Ax

－A0

(1－24)式中，Δ為絕對(duì)誤差；Ax

為測(cè)量值；A0

為被測(cè)量的真值，可為約定真值或相對(duì)真值。(2)相對(duì)誤差是絕對(duì)誤差與被測(cè)量的真值之比。相對(duì)誤差有以下表現(xiàn)形式:①實(shí)際相對(duì)誤差，即γA

＝

±×

100％②標(biāo)稱(示值)相對(duì)誤差，即γx

＝

±×

100％(1－25)(1－26)1.4.2測(cè)量誤差的分類③滿度(引用)相對(duì)誤差，即γm＝±×100％

(1－27)式中，Ax為測(cè)量值，Am為儀器滿度(量程)。【例1－1】現(xiàn)有精度等級(jí)為0.5級(jí)、量程為0~300℃和精度等級(jí)為1.0級(jí)、量程為

0~100℃的兩個(gè)溫度計(jì)，要測(cè)80℃的溫度，試問采用哪一個(gè)溫度計(jì)好?

解:用精度等級(jí)為0.5級(jí)的溫度計(jì)測(cè)量時(shí)，最大標(biāo)稱相對(duì)誤差為

γx

1＝±×100％＝±×100％＝±1.875％

用精度等級(jí)為1.0級(jí)的溫度計(jì)測(cè)量時(shí)，最大標(biāo)稱相對(duì)誤差為

γx2＝±×100％＝±

×100％＝±1.25％

由此可得γx2

<γx

1，顯然用精度等級(jí)為1.0級(jí)的溫度計(jì)測(cè)量比用精度等級(jí)為0.5級(jí)

的溫度計(jì)測(cè)量更合適。

【例1－2】某壓力表精度等級(jí)為5.0級(jí)，量程為0~1.5MPa，測(cè)量結(jié)果顯示為0.70

MPa，試求:

(1)可能出現(xiàn)的最大滿度相對(duì)誤差

γm。

(2)可能出現(xiàn)的最大絕對(duì)誤差Δm。

(3)可能出現(xiàn)的最大標(biāo)稱相對(duì)誤差γx。

解:(1)可能出現(xiàn)的最大滿度相對(duì)誤差可以從精度等級(jí)直接得到，即γm＝±5.0％。

(2)Δm＝±(5.0％×1.5)＝

±0.075MPa

(3)γx＝±×100％＝±×100％＝±10.71％

2.按照誤差出現(xiàn)的規(guī)律分類

測(cè)量誤差按照誤差出現(xiàn)的規(guī)律分為系統(tǒng)誤差、隨機(jī)誤差和粗大誤差。

(1)系統(tǒng)誤差指在相同條件下，多次重復(fù)測(cè)量同一被測(cè)量時(shí)，其測(cè)量誤差的大小和符號(hào)保持不變，或在條件改變時(shí)，測(cè)量誤差按某一確定的規(guī)律變化。系統(tǒng)誤差的特征包括誤差變化的規(guī)律性以及誤差產(chǎn)生原因的可預(yù)知性。系統(tǒng)誤差的變化規(guī)律和產(chǎn)生的原因一

般可通過實(shí)驗(yàn)和分析查出。因此，系統(tǒng)誤差可被設(shè)法確定并消除。系統(tǒng)誤差產(chǎn)生的原因大體上可分為以下幾種:

①在測(cè)量過程中所使用的工具(儀器、量具等)本身性能不完善或安裝、布置、調(diào)整不當(dāng)而產(chǎn)生的誤差。

②在測(cè)量過程中，因溫度、濕度、氣壓、電磁干擾等環(huán)境條件發(fā)生變化而產(chǎn)生的誤差。

③因測(cè)量方法不完善，或者測(cè)量所依據(jù)的理論本身不完善等原因而產(chǎn)生的誤差。④因操作人員讀數(shù)方式不當(dāng)而造成的讀數(shù)誤差。

(2)當(dāng)多次重復(fù)測(cè)量同一被測(cè)量時(shí)，若測(cè)量誤差的大小和符號(hào)均以不可預(yù)知的方式變

化，則該誤差稱為隨機(jī)誤差。隨機(jī)誤差產(chǎn)生的原因比較復(fù)雜，雖然測(cè)量是在相同條件下進(jìn)行的，但測(cè)量環(huán)境中某些因素總會(huì)發(fā)生微小變化。因此，隨機(jī)誤差是由對(duì)測(cè)量值影響微小且又互不相關(guān)的大量因素所引起的綜合結(jié)果。隨機(jī)誤差就個(gè)體而言并無規(guī)律可循，但其總體卻遵從統(tǒng)計(jì)規(guī)律。

(3)明顯偏離真值的誤差稱為粗大誤差，也叫過失誤差。粗大誤差主要是由于測(cè)量人員的粗心大意及電子測(cè)量?jī)x器受到突然或強(qiáng)大的干擾(如測(cè)錯(cuò)、讀錯(cuò)、記錯(cuò)、外界過電壓、尖峰干擾等)所引起的。就數(shù)值大小而言，粗大誤差明顯超過正常條件下的誤差。當(dāng)發(fā)現(xiàn)粗大誤差時(shí)，應(yīng)予以剔除。

3.按照使用條件分類

測(cè)量誤差按照使用條件分為基本誤差和附加誤差。

(1)基本誤差是指檢測(cè)系統(tǒng)在規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)條件下使用時(shí)所產(chǎn)生的誤差。所謂規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)條件是指一般傳感器在實(shí)驗(yàn)室、制造廠或計(jì)量部門標(biāo)定刻度時(shí)所保持的工作條件，如電源電壓(220±5)V、溫度(20±5)℃、濕度小于80％RH、電源頻率(50±1)Hz等?；菊`差是檢測(cè)儀表在標(biāo)準(zhǔn)條件下工作時(shí)所產(chǎn)生的誤差，檢測(cè)儀表的精確度是由基本誤差決定的。

(2)當(dāng)使用條件偏離規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)條件時(shí)，檢測(cè)系統(tǒng)除產(chǎn)生基本誤差外，還會(huì)產(chǎn)生附加誤差，如由于溫度超過規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)溫度而引起的溫度附加誤差、電源附加誤差以及頻率附加誤差等。這些附加誤差在使用時(shí)應(yīng)疊加到基本誤差中。

4.按照被測(cè)量隨時(shí)間變化的速度分類

測(cè)量誤差按照被測(cè)量隨時(shí)間變化的速度分為靜態(tài)誤差和動(dòng)態(tài)誤差

。

(1)靜態(tài)誤差:當(dāng)被測(cè)量不隨時(shí)間變化或隨時(shí)間緩慢變化時(shí)所產(chǎn)生的誤差稱為靜態(tài)

誤差。

(2)動(dòng)態(tài)誤差:當(dāng)被測(cè)量隨時(shí)間迅速變化但系統(tǒng)的輸出量在時(shí)間上卻不能與被測(cè)量的變化精確吻合時(shí)所產(chǎn)生的誤差稱為動(dòng)態(tài)誤差。例如，若心電圖儀放大器帶寬不夠，就會(huì)引起動(dòng)態(tài)誤差。

1.5技能實(shí)訓(xùn)YC－9XX系列傳感器實(shí)驗(yàn)儀主要由機(jī)殼、機(jī)頭(傳感器安裝臺(tái))、顯示面板、調(diào)理電1.5.1

傳感器實(shí)驗(yàn)儀認(rèn)知路面板等組成。1.機(jī)殼機(jī)殼內(nèi)部裝有直流穩(wěn)壓電源、振蕩信號(hào)板等

。2.機(jī)頭機(jī)頭即傳感器安裝平臺(tái)(見圖1－15)，包括電阻應(yīng)變片、熱電偶、熱敏電阻、PN結(jié)溫度傳感器、壓電加速度傳感器、光電轉(zhuǎn)速傳感器、電渦流傳感器

、光纖傳感器、差動(dòng)變壓器、壓阻式壓力傳感器、電容式傳感器、磁電式傳感器、霍爾式傳感器、氣敏傳感器、濕敏傳感器、激振器、光電變換座、25mm測(cè)微頭、加熱器、光源、光敏電阻、光敏二極管、三極管、硅光電池、光電開關(guān)等。圖1－15機(jī)頭圖3.顯示面板顯示面板(見圖1－16)由主電源單元、電機(jī)控制單元、直流穩(wěn)壓電源單元、F/V表(電壓表)單元、PC接口單元、電流表(頻率/轉(zhuǎn)速表)單元、音頻振蕩器單元、低頻振蕩器單元、±15V電源單元等組成。圖1－16顯示面板4.調(diào)理電路面板調(diào)理電路面板由傳感器輸出單元、副電源、電橋、差動(dòng)放大器、電容變換器、電壓放大器、移相器、相敏檢波器、電荷放大器、低通濾波器、渦流變換器等組成。供電:AC220V、50Hz、0.2kW。實(shí)驗(yàn)儀尺寸:520mm×400mm×400mm

。1.5.2

實(shí)驗(yàn)儀供電與尺寸在科學(xué)技術(shù)高速發(fā)展的今天，傳感器作為電氣自動(dòng)化系統(tǒng)的重要組成部分，起到舉足輕重的作用。傳感器是利用物理、化學(xué)、生物等學(xué)科知識(shí)，通過感受(或響應(yīng))規(guī)定的被測(cè)量并按照一定的規(guī)律將其轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)

換元件組成。傳感器種類繁多，性能特點(diǎn)各有所長(zhǎng)，應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛。傳感器是實(shí)現(xiàn)被測(cè)量檢測(cè)的主要裝置，是構(gòu)成檢測(cè)系統(tǒng)的最前端環(huán)節(jié)。誤差理論是檢測(cè)系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)，檢測(cè)系統(tǒng)的靜態(tài)特性有靈敏度、線性度、遲滯、重復(fù)性等。檢測(cè)系統(tǒng)通?？珊?jiǎn)化為一階系統(tǒng)和二階系統(tǒng)，一階傳感器系統(tǒng)又稱慣性系統(tǒng)，二階傳感器系統(tǒng)又稱振蕩系統(tǒng)。智能硬件的蓬勃發(fā)展與大數(shù)據(jù)的積累正在開啟一個(gè)不可逆轉(zhuǎn)的智能時(shí)代?，F(xiàn)實(shí)世界

將會(huì)以前所未有的形式與人類進(jìn)行互動(dòng)。在置身于一個(gè)充滿各種傳感器的智能世界的同時(shí)，我們也成了一個(gè)不由自主的“透明”人，無法擁有安全的隱私和不受困擾的信息環(huán)境。盡管在基于充分感知的智能信息時(shí)代人們可以方便獲取和利用信息，但如果智能信息時(shí)代進(jìn)入信息應(yīng)用無序或隱私泄露的狀態(tài)，那么沒有安全的智能感知是不是一場(chǎng)難以想象的災(zāi)難?作為一名出色的傳感器工程師，應(yīng)樹立安全發(fā)展的理念，充分認(rèn)識(shí)到每個(gè)人都擔(dān)負(fù)著維護(hù)信息安全的責(zé)任，時(shí)刻牢記“信息安全

，人人有責(zé)”!1.什么是傳感器?2.傳感器一般由哪幾部分組成?3.什么是傳感器的靜態(tài)特性?描述傳感器靜態(tài)特性的指標(biāo)有哪些?4.什么是傳感器的動(dòng)態(tài)特性?描述傳感器動(dòng)態(tài)特性的指標(biāo)有哪些?5.現(xiàn)有精度等級(jí)為0.5級(jí)、量程為0~300V和精度等級(jí)為1.0級(jí)、量程為0~1

00V的兩個(gè)電壓表，要測(cè)量80V的電壓，采用哪一個(gè)電壓表更好?第2章電阻式傳感器?掌握電阻應(yīng)變式傳感器的測(cè)量轉(zhuǎn)換電路。?熟悉電阻式傳感器在工程上的應(yīng)用。技能目標(biāo):?能夠根據(jù)檢測(cè)要求選擇合適的電阻式傳感器。

?能夠根據(jù)被測(cè)信號(hào)的特點(diǎn)設(shè)計(jì)出簡(jiǎn)單合理的傳感器檢測(cè)電路。?能夠正確維護(hù)常用電子檢測(cè)設(shè)備。素質(zhì)目標(biāo):了解我國(guó)電阻式傳感器的技術(shù)發(fā)展，增強(qiáng)學(xué)生的技術(shù)自信和國(guó)家自信。知識(shí)目標(biāo)

:?了解電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)和特性，掌握電阻式傳感器的工作原理。教學(xué)目標(biāo)教學(xué)重點(diǎn)

:電阻式傳感器的工作原理和應(yīng)用。教學(xué)難點(diǎn)

:電阻式傳感器的測(cè)量電路。教學(xué)重難點(diǎn)2.1電阻應(yīng)變式傳感器

2.1.1電阻應(yīng)變式傳感器的工作原理電阻應(yīng)變式傳感器是利用導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料的應(yīng)變效應(yīng)制成的一種測(cè)量器件，用于測(cè)量微小的機(jī)械變化量。在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)中，電阻應(yīng)變式傳感器是測(cè)量應(yīng)變的最主要手段，也是測(cè)量應(yīng)力、力矩、壓力、加速度等物理量時(shí)應(yīng)用最廣泛的傳感器之一。導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料在外力作用下(如壓力等)，會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形，其電阻值也將隨之發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為應(yīng)變效應(yīng)。如圖21所示，一根金屬電阻絲，在其未受力時(shí)，原始電阻值為ρl

ρl 式中，ρ為電阻絲的電阻率，l為電阻絲的長(zhǎng)度，r為電阻絲的半徑，A為電阻絲的截面積。R＝＝(21)A

πr2當(dāng)電阻絲受到拉力F作用時(shí)，將伸長(zhǎng)Δl，橫截面積相應(yīng)減小ΔA，電阻率受到材料晶格發(fā)生變形等因素的影響而變化Δρ，從而引起電阻變化ΔR，通過對(duì)式(2－1)全微分，得圖2－1金屬電阻絲應(yīng)變效應(yīng)圖電阻的相對(duì)變化量為

＝

－

2

＋

式中，l

為導(dǎo)體的軸向應(yīng)變量

εl

，

r

為導(dǎo)體的徑向應(yīng)變量

εr。由材料力學(xué)得εr

＝－μεl式中，μ為材料的泊松比，大多數(shù)金屬材料的泊松比為0.3~0.5，負(fù)號(hào)表示兩者的變化方向相反。將式(2－3)代入式(2－2)得dR

dρR

＝

(

1

＋

2μ)

εl

＋

ρ(2－3)(2－4)式(2－4)說明電阻應(yīng)變效應(yīng)主要取決于它的幾何應(yīng)變(幾何效應(yīng))和本身特有的導(dǎo)電性能(壓阻效應(yīng))。2.1.2電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)類型電阻應(yīng)變片可分為金屬應(yīng)變片及半導(dǎo)體應(yīng)變片兩大類。前者可分成金屬絲式應(yīng)變片、金屬箔式應(yīng)變片、金屬薄膜式應(yīng)變片三種。實(shí)際應(yīng)用中，金屬箔式應(yīng)變片應(yīng)用較多。金屬絲式應(yīng)變片使用最早，有紙基、膠基之分。由于金屬絲式應(yīng)變片蠕變較大，金屬絲易脫膠，因此有逐漸被金屬箔式應(yīng)變片取代的趨勢(shì)，但其價(jià)格便宜，多應(yīng)用于應(yīng)變、應(yīng)力的大批量或一次性試驗(yàn)。圖2－2所示是金屬絲式應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu)，它由敏感柵、基片、覆蓋層和引線等部分組成。敏感柵是金屬絲式應(yīng)變片的核心部分，它粘貼在絕緣的基片上，其上再粘貼起保護(hù)作用的覆蓋層，兩端焊接引線。金屬箔式應(yīng)變片是利用光刻、腐蝕等工藝制成的一種很薄的金屬箔柵，其橫向部分特別粗，可大大減小橫向效應(yīng)，且敏感柵的粘貼面積大，能更好地隨同被測(cè)物體變形。此外，與金屬絲式應(yīng)變片相比，它還具有散熱條件好、允許通過的電流大、可根據(jù)使用要求制成各種形狀、便于批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，所以其應(yīng)用范圍日益擴(kuò)大，已逐漸取代金屬絲式應(yīng)變片。金屬薄膜式應(yīng)變片是采用真空蒸發(fā)或真空沉淀等方法在絕緣基片上形成0.1

μm以下的金屬電阻薄膜的敏感柵，再加上保護(hù)層制成的。它的優(yōu)點(diǎn)是應(yīng)變靈敏度高、允許通過的電流密度大、工作范圍廣。半導(dǎo)體應(yīng)變片是利用半導(dǎo)體材料制成的，其工作原理是基于半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)。所謂壓阻效應(yīng)是指半導(dǎo)體材料在某一軸向受外力作用時(shí)，其電阻率ρ發(fā)生變化的現(xiàn)象。它的優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高、尺寸小、橫向效應(yīng)小、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好。但它有溫度系數(shù)大、應(yīng)變時(shí)非線性嚴(yán)重等缺點(diǎn)。圖2－2金屬絲式應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu)2.1.3電阻應(yīng)變片的粘貼電阻應(yīng)變片的粘貼是應(yīng)變測(cè)量的關(guān)鍵之一，它關(guān)系到被測(cè)物體表面的變形能否正確地傳遞給應(yīng)變片。粘貼時(shí)所用的黏合劑必須與應(yīng)變片材料和試件材料相適應(yīng)，粘貼過程中要遵循正確的粘貼工藝。粘貼工藝如下。(1)電阻應(yīng)變片的檢查。電阻應(yīng)變片的檢查包括外觀檢查和電阻檢查。外觀檢查包括檢查敏感柵排列是否整齊、均勻，有無破損，引線是否焊接牢固等。檢查電阻時(shí)，電阻精確度要達(dá)到0.05Ω。(2)被測(cè)物體的表面處理。為了保證一定的黏合強(qiáng)度，須將被測(cè)物體表面處理干凈，清除雜質(zhì)、油污和表面氧化層。粘貼表面應(yīng)保持平整、光滑。粘貼表面的面積約為應(yīng)變片表面面積的3~5倍。(3)確定貼片位置?？捎霉P在被測(cè)物體表面畫出定位線，粘貼時(shí)應(yīng)使電阻應(yīng)變片中心線與定位線對(duì)準(zhǔn)。精密度要求較高時(shí)，可以用光學(xué)投影的方法來確定貼片位置。(4)粘貼應(yīng)變片。首先用甲苯、丙酮等溶劑清洗被測(cè)物體表面，然后在清洗過的表面上均勻地涂一薄層黏合劑作為底層。待其晾干后，再在此底層和電阻應(yīng)變片基片的底面上(也要先用溶劑清洗)各涂一層薄而均勻的黏合劑，待其稍干后將電阻應(yīng)變片貼在畫線處。在電阻應(yīng)變片上放一張玻璃紙，用手指按壓玻璃紙，將多余的黏合劑和氣泡擠出。(5)黏合劑的固化處理。粘貼好電阻應(yīng)變片后，根據(jù)所使用黏合劑的固化工藝要求進(jìn)行固化處理。(6)粘貼質(zhì)量檢查。檢查電阻應(yīng)變片粘貼位置是否正確，黏合層是否有氣泡或漏貼，敏感柵是否有短路或斷路現(xiàn)象，以及敏感柵絕緣性能是否良好等。(7)引線的焊接與防護(hù)。將引線和端子用電烙鐵焊接起來，注意不要把端子扯斷。電阻應(yīng)變片的引線最好采用中間連接片引出，并加以固定。為保證電阻應(yīng)變片工作的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，應(yīng)采取防潮措施。例如，在電阻應(yīng)變片及其引線上涂石蠟、環(huán)氧樹脂等。2.1.4電阻應(yīng)變片的特性1.電阻應(yīng)變片的橫向效應(yīng)敏感柵是由N條長(zhǎng)度為l的直線段和直線段端部的(N

1)個(gè)半徑為r的半圓圓弧組成的。若該電阻應(yīng)變片承受軸向應(yīng)力而產(chǎn)生縱向應(yīng)變，則各直線段的電阻將增加，但半圓圓弧

則受到從0到εr之間變化的應(yīng)變，其電阻的變化將小于沿軸向安放的同樣長(zhǎng)度的電阻絲電

阻的變化。因而將直的電阻絲繞成敏感柵后，雖然電阻絲長(zhǎng)度不變、應(yīng)變狀態(tài)相同，但由于

電阻應(yīng)變片敏感柵的電阻變化減小，因而其靈敏度較整個(gè)電阻絲的靈敏度要小，這種現(xiàn)象稱為電阻應(yīng)變片的橫向效應(yīng)。電阻應(yīng)變片的軸向受力及橫向效應(yīng)如圖2-3所示。圖2－3電阻應(yīng)變片的軸向受力及橫向效應(yīng)為了減小電阻應(yīng)變片橫向效應(yīng)產(chǎn)生的測(cè)量誤差，現(xiàn)在一般多采用金屬箔式應(yīng)變片。2.電阻應(yīng)變片的初始電阻電阻應(yīng)變片未粘貼時(shí)，在室溫下所測(cè)得的電阻稱為電阻應(yīng)變片的初始電阻，用符號(hào)R0表示。R0越大，表示其允許的工作電壓也越大，有利于靈敏度的提高。R0常用的阻值有60Ω、120Ω、250Ω、350Ω和1000Ω等，其中以120Ω最為常用。2.1.5電阻應(yīng)變式傳感器的測(cè)量轉(zhuǎn)換電路由于機(jī)械應(yīng)變范圍的數(shù)量級(jí)一般為10－6

~10－3，而常規(guī)電阻應(yīng)變片的靈敏度很小(K≈2)?所以電阻應(yīng)變片的電阻變化范圍小，數(shù)量級(jí)為10－6

~10－4，因此，若要精確地測(cè)量出這些微小的電阻變化，則需要在測(cè)量系統(tǒng)中增加測(cè)量轉(zhuǎn)換電路。最常用的測(cè)量轉(zhuǎn)換電路是電橋電路，即把電阻的相對(duì)變化ΔR/R轉(zhuǎn)化為電壓或電流的變化。為了將電阻應(yīng)變式傳感器的電阻變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流信號(hào)，在實(shí)際應(yīng)用中，一般采用電橋電路作為其測(cè)量轉(zhuǎn)換電路。電橋電路具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度高、測(cè)量范圍寬、線性度好且易實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償?shù)葍?yōu)點(diǎn)，能較好地滿足各種應(yīng)變測(cè)量要求，因此，在應(yīng)變測(cè)量中得到了廣泛的應(yīng)用。電橋電路按其工作方式分為單臂、雙臂(半橋)和全橋三種，其基本電路如圖2－4所示。單臂工作時(shí)輸出信號(hào)最小，線性度、穩(wěn)定性較差，雙臂工作時(shí)輸出信號(hào)是單臂的兩倍，線性度、穩(wěn)定性比單臂工作時(shí)有所改善，全橋工作時(shí)輸出信號(hào)是單臂的四倍，線性度、穩(wěn)定性最好。因此，為了得到較大的輸出信號(hào)，電橋電路一般都采用雙臂或全橋工作方式。圖2－4應(yīng)變片測(cè)量轉(zhuǎn)換電路(a)單臂，(b)雙臂，(c)全橋1.單臂Uo

＝

U①

－

U③＝[(R4

＋ΔR4

)/(R4

＋ΔR4

＋R3

)－R1

/(R1

＋R2

)]E＝{[(R1

＋R2

)(R4

＋ΔR4

)－R1

(R3

＋R4

＋ΔR4

)]/[(R3

＋R4

＋ΔR4

)(R1

＋R2

)]}E設(shè)R1

＝R2

＝R3

＝R4，且ΔR4

/R4

＝

ΔR/R?1，ΔR/R

＝Kε，則Uo

≈(1/4)(ΔR4

/R4

)E

＝

(1/4)(ΔR/R)E＝

(1/4)KεE。2.雙臂(半橋)同理，Uo

≈(1/2)(ΔR/R)E＝(

1/2)KεE。3.全橋同理，Uo

≈(ΔR/R)E＝KεE。1.金屬熱電阻的工作原理溫度升高，金屬導(dǎo)體內(nèi)部電子熱運(yùn)動(dòng)加劇，從而使自由電子通過金屬導(dǎo)體時(shí)的阻力增大，宏觀上表現(xiàn)出電阻率變大，電阻值增大，反之，則電阻值減小。因此，金屬導(dǎo)體具有正的溫度系數(shù)，即電阻與溫度的變化成正比。目前使用最廣泛的熱電阻材料是銅和鉑。在鉑、銅、鎳中，鉑的性能最好，將鉑采用特殊結(jié)構(gòu)可制成標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)，它的適用溫度范圍為200~960℃。銅熱電阻廉價(jià)并且線性度好，但溫度過高時(shí)易氧化，故只適用于溫度較低(50~150℃)的環(huán)境中。表21列出了鉑、銅熱電阻的主要技術(shù)性能。表2－1鉑熱電阻和銅熱電阻的主要技術(shù)性能材料鉑銅測(cè)溫范圍/℃－200~850－50~150電阻率/(Ω.m

)9.81×10－8

~10.6×10－81.7×10－8特性近似于線性、性能穩(wěn)定、精度高線性度較好、價(jià)格低、體積大熱電阻式傳感器是利用導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻值隨溫度變化而變化的原理進(jìn)行測(cè)溫的。常用的熱電阻式傳感器分為金屬熱電阻式傳感器和半導(dǎo)體熱電阻式傳感器兩大類，一般

把金屬熱電阻稱為熱電阻，而把半導(dǎo)體熱電阻稱為熱敏電阻。2.2熱電阻式傳感器2.2.1金屬熱電阻式傳感器2.金屬熱電阻的結(jié)構(gòu)金屬熱電阻主要由感溫元件、骨架、引線、保護(hù)套管及接線盒等基本部分組成。(1)感溫元件(金屬電阻絲)。鉑熱電阻的電阻率較大，而且相對(duì)機(jī)械強(qiáng)度較大，通常鉑絲的直徑在[(0.03~0.07)±0.005]mm，可單層繞制。若鉑絲太細(xì)，電阻體可做得小，但強(qiáng)度低，若鉑絲太粗，雖強(qiáng)度大，但電阻體積也大了，熱惰性也會(huì)變大，成本隨之升高。銅熱電阻的機(jī)械強(qiáng)度較低，電阻絲的直徑較大，銅熱電阻一般是由(0.1±0.005)mm的漆包銅線或絲包線分層繞在骨架上，并涂上絕緣漆而制成的。由于銅熱電阻的價(jià)格低，故可以多層繞制，一般多用雙繞法，即兩根金屬電阻絲平行繞制，在末端把兩個(gè)頭焊接起來。這樣工作電流從一根金屬電阻絲進(jìn)入，從另一根金屬電阻絲反向出來，形成兩個(gè)電流方向相反的線圈，其磁場(chǎng)方向相反，產(chǎn)生的電感就互相抵消，故雙繞法又稱無感繞法。這種雙繞法也有利于引線的引出。(2)骨架。金屬電阻絲是繞制在骨架上的，骨架是用來支持和固定金屬電阻絲的。骨架應(yīng)使用絕緣性能好，高溫下機(jī)械強(qiáng)度高，體積膨脹系數(shù)小，物理、化學(xué)性能穩(wěn)定，對(duì)金屬電阻絲無污染的材料制造，如云母、石英、陶瓷、玻璃及塑料等。(3)引線。引線的直徑應(yīng)當(dāng)比金屬電阻絲大幾倍，應(yīng)盡量減小引線的電阻，增大引線的機(jī)械強(qiáng)度和連接的可靠性。對(duì)于工業(yè)用的鉑熱電阻，一般采用1mm的銀絲作為其引線，對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)的鉑熱電阻則可采用0.3mm的鉑絲作為其引線，對(duì)于銅熱電阻則常用0.5mm的銅線作為其引線。在骨架上繞制好金屬電阻絲，并焊接好引線之后，在其外面加上云母片進(jìn)行保護(hù)，再裝入保護(hù)套管，并連接接線盒或外部導(dǎo)線，即可得到金屬熱電阻式傳感器。鉑、銅熱電阻的結(jié)構(gòu)分別如圖25和圖26所示。1鉚釘，2金屬電阻絲，3引線，4骨架。圖2－5鉑熱電阻的結(jié)構(gòu)1骨架，2漆包銅線，3引線。圖2－6銅熱電阻的結(jié)構(gòu)還有一種熱電阻是薄膜型熱電阻(見圖2－7)。它是利用真空鍍膜法或糊漿印刷燒結(jié)法使金屬薄膜附著在耐高溫基底上的。其面積可以小到幾平方毫米，可將其粘貼在被測(cè)高溫物體上，測(cè)量局部溫度。它具有熱容量小、反應(yīng)快的特點(diǎn)。圖2－7薄膜型熱電阻3.金屬熱電阻的測(cè)量轉(zhuǎn)換電路金屬熱電阻式傳感器的測(cè)量轉(zhuǎn)換電路常采用類似于電阻應(yīng)變式傳感器所使用的電橋電路。由于工業(yè)用熱電阻安裝在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，離控制室較遠(yuǎn)，因此，熱電阻的引線電阻對(duì)測(cè)量結(jié)果有較大影響。為了減小或消除引線電阻的影響，熱電阻引線的連接方式經(jīng)常采用三線制和四線制，如圖2－8所示。同時(shí)，為了減小環(huán)境中電場(chǎng)、磁場(chǎng)的干擾，引線最好采用屏蔽線，并將屏蔽線的金屬網(wǎng)狀屏蔽層接地。圖2－8熱電阻的連接方式(a

)三線制，(

b)四線制(1)三線制。在熱電阻的一端連接兩根引線，另一端連接一根引線，此種引線連接方式稱為三線制。當(dāng)熱電阻和電橋電路配合使用時(shí)，這種引線連接方式可以較好地消除引線電阻的影響，提高測(cè)量精度，所以工業(yè)用熱電阻多采用這種方法。(2)四線制。在熱電阻的兩端各連接兩根引線，這種引線連接方式稱為四線制。此種方式不僅可以消除引線電阻的影響，而且可以消除測(cè)量電路中由寄生電動(dòng)勢(shì)引起的誤差。這種引線連接方式主要用于對(duì)精度要求較高的溫度測(cè)量中。2.2.2半導(dǎo)體熱電阻式傳感器熱敏電阻是用半導(dǎo)體材料制成的熱敏器件。相對(duì)于一般的熱電阻而言，它主要具備如下特點(diǎn):靈敏度高，電阻溫度系數(shù)大，比一般熱電阻大10~100倍，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，可以測(cè)量點(diǎn)溫度，電阻率高，熱慣性小，適用于動(dòng)態(tài)測(cè)量，阻值與溫度變化呈非線性關(guān)系，穩(wěn)定性和互換性較差。1.熱敏電阻的工作原理及結(jié)構(gòu)熱敏電阻是一種新型的半導(dǎo)體測(cè)溫元件。半導(dǎo)體中參與導(dǎo)電的是載流子，因?yàn)榘雽?dǎo)體中載流子的數(shù)目遠(yuǎn)比金屬中的自由電子數(shù)目少，所以它的電阻率大。隨著溫度的升高，半導(dǎo)體中更多的價(jià)電子受熱激發(fā)躍遷到較高能級(jí)而產(chǎn)生新的電子－空穴對(duì)，這使得參與導(dǎo)電的載流子數(shù)目增加，半導(dǎo)體的電阻率降低(電導(dǎo)率增加)。因?yàn)檩d流子數(shù)目隨溫度上升呈指數(shù)規(guī)律增加，所以半導(dǎo)體的電阻率也就隨溫度上升呈指數(shù)規(guī)律下降。熱敏電阻正是利用半導(dǎo)體這種載流子數(shù)目隨溫度變化而改變的特性制成的一種溫度敏感元件。當(dāng)溫度

變化1℃時(shí)，某些半導(dǎo)體熱敏電阻的阻值變化將達(dá)到3％~6％。在一定條件下，測(cè)量熱敏

電阻阻值的變化便可得到溫度的變化。熱敏電阻可根據(jù)使用要求被封裝加工成各種不同的形狀，如圓片形、柱形、珠形、鎧裝型等，如圖2－9所示。圖2－9熱敏電阻封裝形狀(

a)圓片形，(b)柱形，(c)珠形，(d)鎧裝型2.熱敏電阻的分類根據(jù)半導(dǎo)體的溫度－電阻特性，熱敏電阻可分為三類，即負(fù)溫度系數(shù)(

negativetemperature

coefficient，NTC)熱敏電阻、正溫度系數(shù)(positive

temperature

coefficient，PTC)熱敏電阻、臨界溫度系數(shù)熱敏電阻(criticaltemperatureresistors，CTR

)。它們的溫度特性

曲線如圖2－10所示。所謂負(fù)溫度系數(shù)，是指溫度上升時(shí)，電阻值反而下降的變化特性，所謂正溫度系數(shù)，是指電阻值的變化趨勢(shì)與溫度的變化趨勢(shì)相同。(1)NTC熱敏電阻。NTC熱敏電阻研制得較早，也較成熟。最常見的NTC熱敏電阻是由金屬氧化物，如錳、鈷、鐵、鎳、銅等多種氧化物混合燒結(jié)而成的，其標(biāo)稱阻值(25℃)視氧化物的比例，可以在0.1Ω至幾兆歐范圍內(nèi)選擇。NTC熱敏電阻在測(cè)量溫度時(shí)，其阻值與溫度之間呈嚴(yán)格的負(fù)指數(shù)關(guān)系，如圖2－10中的曲線1所示，其具有很高的負(fù)溫度系數(shù)，適用于100~300℃之間的測(cè)溫。NTC熱敏電阻的離散性較小，測(cè)量精度較高。(2)PTC

熱敏電阻。典型的PTC熱敏電阻通常是在鈦酸鋇中摻入其他金屬離子，以改變其溫度系數(shù)和臨界點(diǎn)溫度。它的溫度－電阻特性呈非線性，如圖2－10中的曲線2所示。PTC熱敏電阻主要用于彩電消磁、各種電器設(shè)備的過熱保護(hù)等，在電子線路中多起限流、保護(hù)作用。當(dāng)流過PTC熱敏電阻的電流超過一定限度或PTC熱敏電阻的溫度超過一定限度時(shí)，其電阻值會(huì)突然增大。(3)CTR。CTR也具有負(fù)溫度系數(shù)，但它在某個(gè)溫度范圍內(nèi)電阻值可急劇下