1、1,第三章 過程檢測(cè)技術(shù) 3.1 測(cè)量與誤差的基本知識(shí) 3.1.1 測(cè)量的基本概念 1.測(cè)量：人類對(duì)自然界的客觀事物取得“數(shù)量概念”的認(rèn)識(shí)過程。 2.測(cè)量過程：使用專門設(shè)備，求出被測(cè)未知量的數(shù)值。 3.應(yīng)用領(lǐng)域：生產(chǎn)過程、科學(xué)實(shí)驗(yàn)與日常生活 4.測(cè)量目的：準(zhǔn)確獲取被測(cè)對(duì)象特征參數(shù)的定量信息。 5.測(cè)量技術(shù)反映了一個(gè)國家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和科學(xué)技術(shù)水平,2,6.測(cè)量的定義： 借助儀器設(shè)備，把被檢測(cè)量與相應(yīng)單位進(jìn)行比較，求取二者之比值，得到被檢測(cè)量數(shù)值大小的過程。 用數(shù)學(xué)形式描述測(cè)量的基本方程式為:,式中: -被檢測(cè)量的真實(shí)數(shù)值，簡(jiǎn)稱為真值； -被檢測(cè)量； u -單位。,3,測(cè)量過程三要素： 測(cè)量單位;

2、測(cè)量方法; 測(cè)量?jī)x器與設(shè)備。 3.1.1.2測(cè)量方法： 1測(cè)量方法的分類 (1)直接測(cè)量法： 用“被檢測(cè)量”與單位進(jìn)行直接比較得到比值； 能在儀表上直接讀出的“被檢測(cè)量”的數(shù)值。,4,（2）間接測(cè)量法 在測(cè)量中，被檢測(cè)量不能與標(biāo)準(zhǔn)量直接進(jìn)行比較，只能通過對(duì)與被檢測(cè)量有函數(shù)關(guān)系的其他物理量進(jìn)行測(cè)量，再通過計(jì)算得到被測(cè)量的值。 例：測(cè)量水泵的軸功率N，是通過可以進(jìn)行直接測(cè)量的轉(zhuǎn)矩M和轉(zhuǎn)速n，然后經(jīng)過計(jì)算得到軸功率N。,KW,5,(3)等精度測(cè)量和不等精度測(cè)量 等精度測(cè)量法： 在環(huán)境條件、儀器儀表、測(cè)量人員、測(cè)量方法均保持不變情況下，對(duì)同一組被檢測(cè)量進(jìn)行次數(shù)相同的重復(fù)測(cè)量。 利用等精度測(cè)量法所得到的

3、每個(gè)參數(shù)的測(cè)量數(shù)據(jù)，其可靠程度是相同的。 不等精度測(cè)量法： 在測(cè)量過程中，測(cè)量環(huán)境條件不相同，如測(cè)量?jī)x器精度、重復(fù)測(cè)量次數(shù)、測(cè)量環(huán)境、測(cè)量人員熟練程度有變化，所得到的測(cè)量結(jié)果的可靠程度不同，稱不等精度測(cè)量法,6,等精度測(cè)量與不等精度測(cè)量的適用場(chǎng)合： 在進(jìn)行科學(xué)研究或重要的檢定工作時(shí)，在眾多的被檢測(cè)量中，為了獲得其中某幾個(gè)參數(shù)更可靠和精度更高的測(cè)量結(jié)果才采用不等精度測(cè)量法。 通常工程技術(shù)中，采用的是等精度測(cè)量法。 (4)接觸測(cè)量與非接觸測(cè)量 接觸測(cè)量法：測(cè)量時(shí)儀表的某一部分(一般為傳感器部分)必須接觸被測(cè)對(duì)象(被測(cè)介質(zhì))。 非接觸測(cè)量法：儀表的任何部分均不與被測(cè)對(duì)象接觸。,7,(5)靜態(tài)測(cè)量與動(dòng)

4、態(tài)測(cè)量 被測(cè)參數(shù)不隨時(shí)間變化或隨時(shí)間變化非常緩慢，稱靜態(tài)測(cè)量。 被測(cè)參數(shù)隨時(shí)間變化，稱為動(dòng)態(tài)測(cè)量。 動(dòng)態(tài)測(cè)量的分析與處理靜態(tài)測(cè)量復(fù)雜得多，對(duì)測(cè)量系統(tǒng)的要求也高得多。,8,3.1.1.3測(cè)量?jī)x器與設(shè)備 測(cè)量?jī)x器儀表的組成： 傳感器、變換器、顯示器以及連接各環(huán)節(jié)的傳輸通道。,9,1.傳感器：感受被檢測(cè)量的變化，信息，并將被檢測(cè)量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)輸出。 傳感器是檢測(cè)儀表與被測(cè)對(duì)象直接發(fā)生聯(lián)系的部分。傳感器的好壞，直接影響檢測(cè)儀表的質(zhì)量。所以它是檢測(cè)儀表的重要部件。,對(duì)傳感器的要求： （1）準(zhǔn)確性:傳感器的輸出信號(hào)必須準(zhǔn)確地反映被檢測(cè)量的變化，即： 傳感器輸入輸出關(guān)系必須是嚴(yán)格的單值函數(shù)關(guān)系，最好為

5、線性關(guān)系。,10,（2）穩(wěn)定性 傳感器輸入、輸出的單值函數(shù)關(guān)系應(yīng)不隨時(shí)間和溫度的變化而變化； 受外界干擾因素影響應(yīng)很??； 工藝上應(yīng)能準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)。,（3）靈敏性 要求有較小的輸入量便可得到較大的輸出信號(hào)。 傳感器的別名：敏感元件、一次儀表。,11,2.中間變換器(變送器) 功能及作用: 將傳感器輸出的信號(hào)進(jìn)行放大、線性化處理、遠(yuǎn)距離傳送并轉(zhuǎn)變成規(guī)定的統(tǒng)一信號(hào)等。 要求: 準(zhǔn)確穩(wěn)定地傳輸、放大和轉(zhuǎn)換信號(hào)，受外界干擾因素的影響小，變換信號(hào)的誤差小。,3.顯示件(顯示器) 作用：顯示被檢測(cè)量的數(shù)值，可以顯示瞬時(shí)量、累積量、越限報(bào)警等。 類型：指針式(模擬式顯示)；數(shù)字式；屏幕式(圖像顯示式)。 顯示儀

6、表常被稱為二次儀表。,12,3.1.2 誤差 一.誤差基礎(chǔ) 測(cè)量誤差：測(cè)量結(jié)果與被檢測(cè)量真值之間的差異，稱為測(cè)量誤差。 只有在得到測(cè)量結(jié)果的同時(shí)，指出測(cè)量誤差的范圍，所得的測(cè)量結(jié)果才有意義。,1測(cè)量誤差及分類 根據(jù)測(cè)量誤差的性質(zhì)，誤差分為：,13,（1）系統(tǒng)誤差 在相同條件下，多次測(cè)量同一被檢測(cè)量的過程中，誤差的絕對(duì)值和符號(hào)恒定不變，或按某一規(guī)律變化。 產(chǎn)生原因： a.測(cè)量工具不準(zhǔn)確或安裝調(diào)整不正確； b.測(cè)試人員的分辨能力差或讀數(shù)習(xí)慣有誤； c.測(cè)量方法有缺陷。,（2）隨機(jī)誤差 在相同條件下多次測(cè)量同一被檢測(cè)量的過程中，出現(xiàn)不可預(yù)計(jì)的誤差。 產(chǎn)生原因：大量彼此獨(dú)立的微小因素對(duì)被測(cè)值的綜合影響

7、。 例如，氣溫和電源電壓的微小波動(dòng)，氣流的微小改變，電磁場(chǎng)微變、大地微震等。,14,單次測(cè)量的隨機(jī)誤差的大小和方向都不確定，在多次測(cè)量中隨機(jī)誤差服從統(tǒng)計(jì)規(guī)律。 可以利用概率論和數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法來估計(jì)其影響。,（3）粗大誤差： 明顯地歪曲測(cè)量結(jié)果的誤差。 產(chǎn)生原因： 操作者的粗心(如讀錯(cuò)、記錯(cuò)、算錯(cuò)數(shù)據(jù)等)、不正確地操作、實(shí)驗(yàn)條件的突變或?qū)嶒?yàn)狀況尚未達(dá)到要求而匆忙實(shí)驗(yàn)等原因所造成的。,15,異常數(shù)據(jù)的判別與剔除方法-采用物理判別法和統(tǒng)計(jì)判別法 物理判別法:根據(jù)人們對(duì)客觀事物已有的認(rèn)識(shí)，判別由于外界干擾、人為誤差等原因造成實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)偏離正常結(jié)果，在實(shí)驗(yàn)過程中隨時(shí)判斷，隨時(shí)剔除。 統(tǒng)計(jì)判別法:給定一個(gè)置

8、信概率，并確定一個(gè)置信限，凡超過此限的誤差，就認(rèn)為它不屬于隨機(jī)誤差范圍，將其視為異常數(shù)據(jù)剔除。,16,(1) 拉依達(dá)準(zhǔn)則 如果實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的總體x是服從正態(tài)分布的，則 式中，與分別表示正態(tài)總體的數(shù)學(xué)期望和標(biāo)準(zhǔn)差。在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中出現(xiàn)大于3或小于3數(shù)據(jù)的概率是很小的 對(duì)于大于3或小于3的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作為異常數(shù)據(jù)，予以剔除。,17,具體計(jì)算方法如下： 對(duì)于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)x1, x2, x3,，xn，先計(jì)算其均值 再用貝塞爾公式計(jì)算:,如果某個(gè)測(cè)量值 的殘差滿足 則應(yīng)剔除該測(cè)量值,其他值應(yīng)重新計(jì)算剔除后的標(biāo)準(zhǔn)誤差,再按準(zhǔn)則判斷,直至無壞值存在. 不足:建立在無限次測(cè)量基礎(chǔ)上,只能用作粗大誤差的近似判斷,18,(2)肖

9、維奈準(zhǔn)則:在有限次的等精度測(cè)量數(shù)據(jù)中,如果某一測(cè)量值剩余誤差滿足:,則應(yīng)剔除該測(cè)量值,(3) 格拉布斯準(zhǔn)則:根據(jù)正態(tài)分布理論提出的,考慮到測(cè)量次數(shù)及粗大誤差誤判概率.凡剩余誤差大于格拉布斯鑒別值的誤差屬于粗大誤差,相應(yīng)的測(cè)量值應(yīng)予剔除. g(n,a)為格拉布斯準(zhǔn)則判別系數(shù),與測(cè)量次數(shù)及粗大誤差誤判概率有關(guān). 教材P64頁 表3-2格拉布斯準(zhǔn)則判別系數(shù)表,19,3.1.3儀器儀表的主要性能指標(biāo),儀表的性能指標(biāo)是評(píng)價(jià)儀表性能差異、質(zhì)量?jī)?yōu)劣的主要依據(jù)。 儀表的性能指標(biāo)包括： 技術(shù)指標(biāo)； 經(jīng)濟(jì)指標(biāo)； 使用指標(biāo)。,20,儀表技術(shù)指標(biāo)包括： 儀表誤差； 精度等級(jí)； 靈敏度； 量程； 響應(yīng)時(shí)間； 漂移等。,

10、儀表經(jīng)濟(jì)的指標(biāo)包括： 使用壽命； 功耗； 價(jià)格。,儀表使用的指標(biāo)包括： 操作維修是否方便； 運(yùn)行的可靠與安全； 抗干擾與防護(hù)能力； 重量和體積 ； 自動(dòng)化程度的高低。,21,1量程與精度 （1）量程 測(cè)量范圍：儀表在規(guī)定精確度下，所測(cè)量的區(qū)域。 儀表量程：儀表測(cè)量范圍的上限與下限的代數(shù)差。 上限-儀表測(cè)量的最高值或稱滿量程值； 下限-儀表測(cè)量的最低值或稱零位。,3.1.1.3量程與精度,例1：溫度計(jì)的測(cè)量范圍：-200800， 儀表的測(cè)量上限：800； 測(cè)量下限：-200； 儀表量程：1000。,例2：溫度計(jì)的測(cè)量范圍：0800， 儀表的測(cè)量上限：800； 測(cè)量下限：0； 儀表量程：800。,

11、22,（2）精度等級(jí) 基本誤差的最大允許值，稱儀表的基本誤差限, 儀表測(cè)量范圍內(nèi)各處指示值的誤差不應(yīng)超過此限值。 儀表的基本誤差限是定量地描述儀表精確度的重要指標(biāo)，用“引用誤差”表示。,引用誤差：儀表的絕對(duì)誤差與儀表的量程之比，用百分?jǐn)?shù)表示。,式中： q - 用引用誤差表示的基本誤差限； - 用絕對(duì)誤差表示的基本誤差； S -儀表的滿量程； d - 常數(shù),23,工業(yè)自動(dòng)化儀表精度等級(jí)的劃分： 儀表的精確度等級(jí)只能從下列數(shù)據(jù)中選取最接近的合適數(shù)值作為精確度等級(jí)： 0.1，0.2，0.5，1.0，1.5，(2)， 2.5，5.0級(jí)。 工業(yè)生產(chǎn)過程中常用儀表等級(jí)為：1.05.0級(jí)。 例：一毫伏表量程

12、為1V，精度為5.0級(jí)。,無論毫伏表的指針在何處，最大的絕對(duì)誤差不會(huì)超過50mV。但各點(diǎn)的相對(duì)誤差是不同的。,24,利用儀表的引用誤差描述儀表的測(cè)量精度，并確定儀表精度等級(jí)。 引用誤差是一種簡(jiǎn)化的、實(shí)用方便的相對(duì)誤差。 儀表在出廠檢驗(yàn)時(shí)，其示值的最大引用誤差不能超過規(guī)定的允許值，此值稱為允許引用誤差Q：,25,示值誤差 error of indication 示值誤差=計(jì)量器具指示出來的測(cè)量值與被測(cè)量值的實(shí)際數(shù)值之差。它是由于計(jì)量器具本身的各種誤差所引起的。該誤差的大小可通過計(jì)量器具的檢定來得到。 區(qū)分絕對(duì)誤差,實(shí)際相對(duì)誤差,示值相對(duì)誤差,引用誤差。,P125頁 5.檢定一只量程為5A的電流表

13、,結(jié)果如下:,試求儀表各示值的絕對(duì)誤差,實(shí)際相對(duì)誤差,示值相對(duì)誤差,引用誤差. 確定儀表的精度等級(jí).,26,3.1.3.2靜態(tài)性能指標(biāo) 儀表特性： 描述儀表輸出變量與輸入變量之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。 靜態(tài)特性： 當(dāng)輸入變量處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，儀表的輸出與輸入之間的關(guān)系。 動(dòng)態(tài)特性： 當(dāng)輸入變量隨時(shí)間變化時(shí)，儀表的輸出與輸入之間的關(guān)系。,27,（1）靈敏度 輸入變化量與輸出變化量的比值?；蜉敵鲈隽縴與輸入增量x之比，即：,式中: K靈敏度； y輸出變量y的增量； x輸入變量x的增量。,對(duì)于帶有指針和標(biāo)度盤的儀表，靈敏度可直觀地理解為單位輸入變量所引起的指針偏轉(zhuǎn)角度或位移量。 儀表 “輸出-輸入”關(guān)系為線性時(shí)

14、，靈敏度為常數(shù)。 儀表具有非線性特性時(shí)，靈敏度將隨著輸入變量的變化而改變。,28,（2） 線性度 儀表應(yīng)具有線性特性，其特性曲線為直線。在測(cè)試技術(shù)中，采用線性度指標(biāo)來描述儀表的標(biāo)定曲線與擬合直線之間的吻合程度：,-實(shí)際標(biāo)定曲線與直線間最大偏差； -儀表滿量程A； LN -線性度。,29,（3） 遲滯誤差 正行程：儀表的輸入量從起始值增至最大值的過程。 反行程：輸入量從最大值減至起始值的過程,遲滯差值：正行程與反行程之差H。 遲滯誤差：全量程中最大的遲滯差值與滿量程之比值的百分比。,-最大遲滯差值； -儀表滿量程A； -遲滯誤差。,遲滯誤差產(chǎn)生原因： a. 儀表內(nèi)有吸收能量的元件(如彈性元件、磁

15、化元件等)； b. 機(jī)械結(jié)構(gòu)中有間隙； c. 運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的摩擦。,30,（4） 漂移：輸入量不變時(shí)，一段時(shí)間后輸出量產(chǎn)生了變化。 零漂：當(dāng)輸入量固定在零點(diǎn)不變時(shí)，輸出量有變化。 漂移產(chǎn)生原因：a.儀表彈性元件的失效； b.電子元件的老化等。,（5） 重復(fù)性：在同一工作條件下，儀表對(duì)同一輸入值按同一方向連續(xù)多次測(cè)量時(shí)，所得輸出值之間的相互一致程度稱為重復(fù)性。 重復(fù)性誤差：,- 最大的重復(fù)性差值 - 儀表滿量程 - 重復(fù)性誤差,31,3.2 傳感器概述 3.2.1 傳感器定義 將被測(cè)非電量信號(hào)轉(zhuǎn)換為與之有確定對(duì)應(yīng)關(guān)系電量輸出的器件或裝置叫做傳感器，也叫變換器、換能器或探測(cè)器. 傳感器作用: 自動(dòng)測(cè)試

16、與自動(dòng)控制領(lǐng)域. 電子,自動(dòng)控制與計(jì)算機(jī)發(fā)展互相促進(jìn) 新技術(shù),新材料,新工藝,32,3.2.2 傳感器組成,敏感元件：直接感受被測(cè)非電量并按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成與被測(cè)量有確定關(guān)系的其它量的元件。,轉(zhuǎn)換元件：又稱變換器。能將敏感元件感受到的非電量直接轉(zhuǎn)換成電量的器件。,信號(hào)調(diào)節(jié)與轉(zhuǎn)換電路：能把傳感元件輸出的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為便于顯示、記錄、處理、和控制的有用電信號(hào)的電路。,常用的電路有電橋、放大器、變阻器、振蕩器等。輔助電路通常包括電源等。,33,轉(zhuǎn)換元件,敏感元件,壓力傳感器示例,34,35,3.2.2 傳感器的分類,1按工作機(jī)理分類：根據(jù)物理和化學(xué)等學(xué)科的原理、規(guī)律和效應(yīng)進(jìn)行分類:壓電式,壓阻式,熱阻式

17、,2按被測(cè)量分類：根據(jù)輸入物理量的性質(zhì)進(jìn)行分類:溫度,壓力,流量。,3按敏感材料分類：根據(jù)制造傳感器 所使用的材料進(jìn)行分類?？煞譃榘雽?dǎo)體傳感器、陶瓷傳感器等。,4. 按能量的關(guān)系分類：根據(jù)能量觀點(diǎn)分類，可將傳感器分為有源傳感器和無源傳感器兩大類。 有源傳感器是將非電能量轉(zhuǎn)換為電能量，稱之為能量轉(zhuǎn)換型傳感器，也稱換能器。通常配合有電壓測(cè)量電路和放大器,如:壓電式、熱電式、電磁式等。,5.按輸出信號(hào)的性質(zhì)分類:模擬式和數(shù)字式,36,濕度傳感器,濕度傳感器,各種傳感器,37,溫濕度、露點(diǎn)探頭、CO2探頭、大氣壓力傳感器,38,3.2.4 新型傳感器,光纖傳感器,光纖傳感器就是將光纖自身作為敏感元件（

18、也稱作測(cè)量臂），直接接收外界的被測(cè)量。被測(cè)量可引起光纖的長(zhǎng)度、折射率、直徑等方面的變化，從而使得在光纖內(nèi)傳輸?shù)墓獗徽{(diào)制。若將光看成簡(jiǎn)諧振動(dòng)的電磁波，則光可以被調(diào)制的參數(shù)有四個(gè)，即振幅（強(qiáng)度）、相位、波長(zhǎng)和偏振方向。,39,光纖傳感器外形,40,保護(hù)管內(nèi)為高溫光纖,低溫光纖,光纖溫度傳感器,41,光纖的結(jié)構(gòu),42,光的反射、折射,當(dāng)一束光線以一定的入射角1從介質(zhì)1射到介質(zhì)2的分界面上時(shí)，一部分能量反射回原介質(zhì)；另一部分能量則透過分界面，在另一介質(zhì)內(nèi)繼續(xù)傳播。,43,光的全反射,當(dāng)減小入射角時(shí)，進(jìn)入介質(zhì)2的折射光與分界面的夾角將相應(yīng)減小，將導(dǎo)致折射波只能在介質(zhì)分界面上傳播。對(duì)這個(gè)極限值時(shí)的入射角，

19、定義為臨界角c。當(dāng)入射角小于c時(shí)，入射光線將發(fā)生全反射。,44,光在光纖中的全反射,45,光纖傳感器結(jié)構(gòu)原理,把被測(cè)量的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y(cè)的光信號(hào)的裝置,光受到被測(cè)量的調(diào)制，已調(diào)光經(jīng)光纖耦合到光接收器， 使光信號(hào)變?yōu)殡娦盘?hào)，經(jīng)信號(hào)處理系統(tǒng)得到被測(cè)量。,46,光纖傳感器光學(xué)測(cè)量的基本原理,光就是一種電磁波，,光的電矢量E,被測(cè)量調(diào)制： 光的強(qiáng)度、偏振態(tài)（矢量B的方向）、頻率和相位 解調(diào)： 光的強(qiáng)度調(diào)制、偏振調(diào)制、頻率調(diào)制或相位調(diào)制,47,光纖在傳感器中的作用,功能型 非功能型 拾光型,48,(a) 功能型（全光纖型）光纖傳感器,光纖在其中不僅是導(dǎo)光媒質(zhì)，而且也是敏感元件，光在光纖內(nèi)受被測(cè)量調(diào)制。優(yōu)點(diǎn)

20、：結(jié)構(gòu)緊湊、靈敏度高。 缺點(diǎn)：須用特殊光纖，成本高， 典型例子：光纖陀螺、光纖水聽器等。,49,(b) 非功能型（或稱傳光型）光纖傳感器,光纖在其中僅起導(dǎo)光作用，光照在光纖型敏感元件上受被測(cè)量調(diào)制。 優(yōu)點(diǎn)：無需特殊光纖及其他特殊技術(shù)， 比較容易實(shí)現(xiàn)，成本低。 缺點(diǎn)：靈敏度較低。 實(shí)用化的大都是非功能型的光纖傳感器。,50,(c) 拾光型光纖傳感器,用光纖作為探頭，接收由被測(cè)對(duì)象輻射的光或被其反射、散射的光。 典型例子： 光纖激光多普勒速度計(jì) 輻射式光纖溫度傳感器,51,根據(jù)光受被測(cè)對(duì)象的調(diào)制形式,(a) 強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器 (b) 偏振調(diào)制光纖傳感器 (c) 頻率調(diào)制光纖傳感器 (d) 相位

21、調(diào)制傳感器,光纖傳感器的分類,52,光纖傳感器的分類,注：MM多模光纖；SM單模光纖；PM偏振保持光纖,53,光纖傳感器的特點(diǎn),（1）電絕緣。 （2）抗電磁干擾。 （3）非侵入性。 （4）高靈敏度。 （5）容易實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)信號(hào)的遠(yuǎn)距離監(jiān)控。,54,霍爾傳感器工作原理,半導(dǎo)體薄片置于磁場(chǎng)中，當(dāng)它的電流方向與磁場(chǎng)方向不一致時(shí)，半導(dǎo)體薄片上平行于電流和磁場(chǎng)方向的兩個(gè)面之間產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，這種現(xiàn)象稱霍爾效應(yīng)。 產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)稱霍爾電勢(shì) 半導(dǎo)體薄片稱霍爾元件,55,霍爾效應(yīng)原理,56,載流子受洛侖茲力,霍爾電場(chǎng)強(qiáng)度,平衡狀態(tài),電子運(yùn)動(dòng)平均速度,因?yàn)?57,霍爾常數(shù),霍爾常數(shù)大小取決于導(dǎo)體的載流子密度： 金屬的自

22、由電子密度太大，因而霍爾常數(shù)小，霍爾電勢(shì)也小， 所以金屬材料不宜制作霍爾元件。 霍爾電勢(shì)與導(dǎo)體厚度d成反比： 為了提高霍爾電勢(shì)值， 霍爾元件制成薄片形狀。,霍爾元件靈敏度（靈敏系數(shù)）,半導(dǎo)體中電子遷移率（電子定向運(yùn)動(dòng)平均速度）比空穴遷移率高， 因此N型半導(dǎo)體較適合于制造靈敏度高的霍爾元件.,霍爾電勢(shì),58,2 霍爾元件的結(jié)構(gòu)和基本電路,霍爾元件,59,圖（a）中，從矩形薄片半導(dǎo)體基片上的兩個(gè)相互垂直方向側(cè)面上，引出一對(duì)電極，其中1-1電極用于加控制電流，稱控制電極。另一對(duì)2-2電極用于引出霍爾電勢(shì)，稱霍爾電勢(shì)輸出極。在基片外面用金屬或陶瓷、環(huán)氧樹脂等封裝作為外殼。 圖（b）是霍爾元件通用的圖形

23、符號(hào)。 圖（c）所示，霍爾電極在基片上的位置及它的寬度對(duì)霍爾電勢(shì)數(shù)值影響很大。通?；魻栯姌O位于基片長(zhǎng)度的中間，其寬度遠(yuǎn)小于基片的長(zhǎng)度。 圖（d）是基本測(cè)量電路 。,60,霍爾式傳感器的應(yīng)用,優(yōu)點(diǎn): 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，重量輕，頻帶寬，動(dòng)態(tài)特性好和壽命長(zhǎng) 應(yīng)用： 電磁測(cè)量：測(cè)量恒定的或交變的磁感應(yīng)強(qiáng)度、有功功率、無功功率、相位、電能等參數(shù)； 自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)：多用于位移、壓力的測(cè)量。,61,微位移和壓力的測(cè)量,測(cè)量原理： 霍爾電勢(shì)與磁感應(yīng)強(qiáng)度成正比，若磁感應(yīng)強(qiáng)度是位置的函數(shù)，則霍爾電勢(shì)的大小就可以用來反映霍爾元件的位置。 應(yīng)用： 位移測(cè)量、力、壓力、應(yīng)變、機(jī)械振動(dòng)、加速度,62,產(chǎn)生梯度磁場(chǎng)的示意圖,

24、位移量較小，適于測(cè)量微位移和機(jī)械振動(dòng),63,霍爾式壓力傳感器,彈簧管 磁鐵 霍爾片,64,加速度傳感器,65,生物機(jī)電,濕度傳感器依據(jù)使用材料分類：,電解質(zhì)型：以氯化鋰為例，它在絕緣基板上制作一對(duì)電極，涂上氯化鋰鹽膠膜。氯化鋰極易潮解，并產(chǎn)生離子導(dǎo)電，隨濕度升高而電阻減小。 陶瓷型：一般以金屬氧化物為原料，通過陶瓷工藝，制成一種多孔陶瓷。利用多孔陶瓷的阻值對(duì)空氣中水蒸氣的敏感特性而制成。 高分子型：先在玻璃等絕緣基板上蒸發(fā)梳狀電極,通過浸漬或涂覆,使其在基板上附著一層有機(jī)高分子感濕膜。有機(jī)高分子的材料種類也很多,工作原理也各不相同。 單晶半導(dǎo)體型：所用材料主要是硅單晶，利用半導(dǎo)體工藝制成。制成

25、二極管濕敏器件和MOSFET濕度敏感器件等。其特點(diǎn)是易于和半導(dǎo)體電路集成在一起。,66,67,濕度傳感器的主要參數(shù),1、濕度量程指濕度傳感器技術(shù)規(guī)范中所規(guī)定的感濕范圍。全濕度范圍用相對(duì)濕度(0100)RH表示，它是濕度傳感器工作性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)。 2、感濕特征量相對(duì)濕度特性 每種濕度傳感器都有其感濕特征量，如電阻、電容等，通常用電阻比較多。以電阻為例，在規(guī)定的工作濕度范圍內(nèi)，濕度傳感器的電阻值隨環(huán)境濕度變化的關(guān)系特性曲線，簡(jiǎn)稱阻濕特性。有的濕度傳感器的電阻值隨濕度的增加而增大，這種為正特性濕敏電阻器，如Fe3O4濕敏電阻器。有的阻值隨著濕度的增加而減小，這種為負(fù)特性濕敏電阻器，如TiO2(二

26、氧化鈦）SnO2（二氧化錫）陶瓷濕敏電阻器。對(duì)于這種濕敏電阻器，低濕時(shí)阻值不能太高，否則不利于和測(cè)量系統(tǒng)或控制儀表相連接。,68,生物機(jī)電,3、感濕靈敏度 簡(jiǎn)稱靈敏度，又叫濕度系數(shù)。其定義是在某一相對(duì)濕度范圍內(nèi)，相對(duì)濕度改變1RH時(shí)，濕度傳感器電參量的變化值或百分率。 各種不同的濕度傳感器，對(duì)靈敏度的要求各不相同，對(duì)于低濕型或高濕型的濕度傳感器，它們的量程較窄，要求靈敏度要很高。但對(duì)于全濕型濕度傳感器，并非靈敏度越大越好，因?yàn)殡娮柚档膭?dòng)態(tài)范圍很寬，給配制二次儀表帶來不利，所以靈敏度的大小要適當(dāng)。 4、特征量溫度系數(shù) 5、感濕溫度系數(shù) 6、響應(yīng)時(shí)間 7、電壓特性,69,生物機(jī)電,電解質(zhì)濕度傳感器

27、 電解質(zhì)是以離子形式導(dǎo)電的物質(zhì)，分為固體電解質(zhì)和液體電解質(zhì)。若物質(zhì)溶于水中，在極性水分子作用下，能全部或部分地離解為自由移動(dòng)的正、負(fù)離子，稱為液體電解質(zhì)。電解質(zhì)溶液的電導(dǎo)率與溶液的濃度有關(guān)，而溶液的濃度，在一定的溫度下又是環(huán)境相對(duì)濕度的函數(shù)。,電解質(zhì)氯化鋰濕度傳感器最為典型,把不同感濕范圍的單片濕度傳感器組合起來,可制成相對(duì)濕度工作量程為2090RH的濕度傳感器,70,71,陶瓷濕度傳感器 1、結(jié)構(gòu) 該濕度傳感器的感濕體是MgCr2O4-TiO2系多孔陶瓷。這種多孔陶瓷的氣孔大部分為粒間氣孔,氣孔直徑隨TiO2添加量的增加而增大。粒間氣孔與顆粒大小無關(guān), 相當(dāng)于一種開口毛細(xì)管,容易吸附水分。材

28、料的主晶相是MgCr2O4相,此外,還有TiO2相等,感濕體是一個(gè)多晶多相的混合物。,72,生物機(jī)電,電阻一濕度特性 MgCr2O4TiO2系陶瓷濕度傳感器的電阻一濕度特性，隨著相對(duì)濕度的增加，電阻值急驟下降，基本按指數(shù)規(guī)律下降。在單對(duì)數(shù)的坐標(biāo)中，電阻濕度特性近似呈線性關(guān)系。當(dāng)相對(duì)濕度由0變?yōu)?00RH時(shí)，阻值從107下降到104，即變化了三個(gè)數(shù)量級(jí)。,20,40,60,80,100,103,104,105,106,107,108,相對(duì)濕度/%,R/,73,生物機(jī)電,電阻溫度特性 是在不同的溫度環(huán)境下，測(cè)量陶瓷濕度傳感器的電阻濕度特性。從圖可見，從20到80各條曲線的變化規(guī)律基本一致，具有負(fù)溫

29、度系數(shù)，其感濕負(fù)溫度系數(shù)為0.38RH。如果要求精確的濕度測(cè)量，需要對(duì)濕度傳感器進(jìn)行溫度補(bǔ)償。,20,40,60,80,100,103,104,105,106,107,108,相對(duì)濕度/%,20,40,60,80,R/,MgCr2O4-TiO2系濕度傳感器的電阻溫度特性,74,75,生物機(jī)電,高分子濕度傳感器 用有機(jī)高分子材料制成的濕度傳感器，主要是利用其吸濕性與脹縮性。某些高分子電介質(zhì)吸濕后，介電常數(shù)明顯改變，制成了電容式濕度傳感器；某些高分子電解質(zhì)吸濕后，電阻明顯變化，制成了電阻式濕度傳感器；利用脹縮性高分子（如樹脂）材料和導(dǎo)電粒子，在吸濕之后的開關(guān)特性，制成了結(jié)露傳感器。 （一）電容式濕

30、度傳感器 1、結(jié)構(gòu),高分子薄膜電介質(zhì)電容式濕度傳感器的基本結(jié)構(gòu)。,2、感濕機(jī)理與性能,76,77,生物機(jī)電,電阻式高分子膜濕度傳感器 1、結(jié)構(gòu) 聚苯乙烯磺酸鋰濕度傳感器的結(jié)構(gòu)。,引線端,感濕膜,聚苯乙烯磺酸鋰濕度傳感器的結(jié)構(gòu),梳狀電極,基片,78,（1）電阻濕度特性 當(dāng)環(huán)境濕度變化時(shí)，傳感器在吸濕和脫濕兩種情況的感濕特性曲線，如圖。在整個(gè)濕度范圍內(nèi)，傳感器均有感濕特性，其阻值與相對(duì)濕度的關(guān)系在單對(duì)數(shù)坐標(biāo)紙上近似為一直線。吸濕和脫濕時(shí)濕度指示的最大誤差值為(34)RH。,1K,30,40,50,60,70,80,90,吸濕,10K,100K,1M,10M,相對(duì)濕度/%,R/,脫濕,3%RH,電阻

31、濕度特性,79,（2）溫度特性 聚苯乙烯磺酸鋰的電導(dǎo)率隨溫度的變化較為明顯，具有負(fù)溫度系數(shù)。在(055)時(shí)，溫度系數(shù)為(0.61.0)RH/。,0,40,20,104,60,80,100,50,10,102,103,聚苯乙烯磺酸鋰濕度傳感器的濕度特性,25,40,R/,相對(duì)濕度/%,80,半導(dǎo)體氣體傳感器 氣體敏感元件，大多是以金屬氧化物半導(dǎo)體為基礎(chǔ)材料。當(dāng)被測(cè)氣體在該半導(dǎo)體表面吸附后，引起其電學(xué)特性(例如電導(dǎo)率)發(fā)生變化。,81,82,智能傳感器,智能傳感器是基于人工智能、信息處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)的具有分析、判斷，量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換，漂移、非線性和頻率響應(yīng)等自動(dòng)補(bǔ)償，對(duì)環(huán)境影響量的自適應(yīng)，自學(xué)習(xí)以及超限報(bào)

32、警、故障診斷等功能的傳感器。 與傳統(tǒng)的傳感器相比，智能傳感器將傳感器檢測(cè)信息的功能與微處理器的信息處理功能有機(jī)地結(jié)合在一起，充分利用微處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理，并能對(duì)內(nèi)部工作過程進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制，從而具有了一定的人工智能，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)傳感器性能的不足，使采集的數(shù)據(jù)質(zhì)量得以提高。 “微處理器”包含兩種情況：一種是將傳感器與微處理器集成在一個(gè)芯片上構(gòu)成所謂的“單片智能傳感器”；另一種是指?jìng)鞲衅髂軌蚺湮⑻幚砥鳌?83,集成化實(shí)現(xiàn) 采用微機(jī)械加工技術(shù)和大規(guī)模集成電路工藝技術(shù)，利用半導(dǎo)體材料硅作為基本材料來制作敏感元件，將信號(hào)調(diào)理電路、微處理器單元等集成在一塊芯片上構(gòu)成的,非集成化實(shí)現(xiàn): 將傳統(tǒng)傳感器(采用

33、非集成化工藝制作的傳感器，僅具有獲取信號(hào)的功能)、信號(hào)調(diào)理電路、帶數(shù)字總線接口的微處理器組合為一整體而構(gòu)成的一個(gè)智能傳感器系統(tǒng),84,混合實(shí)現(xiàn): 根據(jù)需要與可能，將系統(tǒng)各個(gè)集成化環(huán)節(jié)，如敏感單元、信號(hào)調(diào)理電路、微處理器單元、數(shù)字總線接口等，以不同的組合方式集成在幾塊芯片上，并裝在一個(gè)外殼里,智能傳感器的應(yīng)用實(shí)例 ST-3000系列智能壓力傳感器,85,模糊傳感器,模糊傳感器是以數(shù)值測(cè)量為基礎(chǔ)，并能產(chǎn)生和處理與其相關(guān)的測(cè)量符號(hào)信息的裝置，即模糊傳感器是在經(jīng)典傳感器數(shù)值測(cè)量的基礎(chǔ)上經(jīng)過模糊推理與知識(shí)集成，以自然語言符號(hào)的描述形式輸出的傳感器。 將被測(cè)量值范圍劃分為若干個(gè)區(qū)間，利用模糊集理論判斷被測(cè)

34、量值的區(qū)間，并用區(qū)間中值或相應(yīng)符號(hào)進(jìn)行表示，這一過程稱為模糊化。對(duì)多參數(shù)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)測(cè)試時(shí)，需要將多個(gè)被測(cè)量值的相應(yīng)符號(hào)進(jìn)行組合模糊判斷，最終得出測(cè)量結(jié)果 信息的符號(hào)表示與符號(hào)信息系統(tǒng)是研究模糊傳感器的核心與基石,86,模糊傳感器的結(jié)構(gòu),87,微傳感器,完整的MEMS是由微傳感器、微執(zhí)行器、信號(hào)處理和控制電路、通訊接口和電源等部件組成的一體化的微型器件系統(tǒng) 其目標(biāo)是把信息的獲取、處理和執(zhí)行集成在一起，組成具有多功能的微型系統(tǒng)，集成于大尺寸系統(tǒng)中，從而大幅度地提高系統(tǒng)的自動(dòng)化、智能化和可靠性水平。 MEMS系統(tǒng)的突出特點(diǎn)是其微型化，涉及電子、機(jī)械、材料、制造、控制、物理、化學(xué)、生物等多學(xué)科技術(shù)，

35、其中大量應(yīng)用的各種材料的特性和加工制作方法在微米或納米尺度下具有特殊性,88,MEMS芯片測(cè)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu),89,網(wǎng)絡(luò)傳感器,網(wǎng)絡(luò)傳感器是指?jìng)鞲衅髟诂F(xiàn)場(chǎng)級(jí)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，使現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控?cái)?shù)據(jù)就近登陸網(wǎng)絡(luò)，在網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)實(shí)時(shí)發(fā)布和共享。 簡(jiǎn)單地說，網(wǎng)絡(luò)傳感器就是能與網(wǎng)絡(luò)連接或通過網(wǎng)絡(luò)使其與微處理器、計(jì)算機(jī)或儀器系統(tǒng)連接的傳感器。,90,網(wǎng)絡(luò)傳感器測(cè)控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu),91,3-3 壓力測(cè)量 一壓力概念及單位 壓力定義：垂直而均勻作用在物體表面上的力。 基本公式： 式中： F作用力； S作用面積； P-壓力。 國際單位制中壓力的單位是帕斯卡。,92,1.液柱式壓力計(jì),它根據(jù)流體靜力學(xué)原理，將被測(cè)壓力轉(zhuǎn)換成液柱高

36、度進(jìn)行測(cè)量。,優(yōu)點(diǎn),這類壓力計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便,缺點(diǎn),其精度受工作液的毛細(xì)管作用、密度及視差等因素的影響，測(cè)量范圍較窄，一般用來測(cè)量較低壓力、真空度或壓力差。,常用的壓力測(cè)量?jī)x表分類,93,2.彈性式壓力計(jì),它是將被測(cè)壓力轉(zhuǎn)換成彈性元件變形的位移進(jìn)行測(cè)量的。,3.電氣式壓力計(jì),它是通過機(jī)械和電氣元件將被測(cè)壓力轉(zhuǎn)換成電量（如電壓、電流、頻率等）來進(jìn)行測(cè)量的儀表。,94,4.活塞式壓力計(jì),它是根據(jù)水壓機(jī)液體傳送壓力的原理，將被測(cè)壓力轉(zhuǎn)換成活塞上所加平衡砝碼的質(zhì)量來進(jìn)行測(cè)量的。,優(yōu)點(diǎn),缺點(diǎn),測(cè)量精度很高，允許誤差可小到0.05%0.02%。,結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，價(jià)格較貴。,95,測(cè)壓儀表,液柱式壓力計(jì),U

37、型管壓力計(jì)、單管壓力計(jì)以及斜管壓力計(jì),彈性式壓力計(jì),彈簧管壓力計(jì)、波紋管壓力計(jì)以及膜盒式壓力計(jì),電氣式壓力計(jì),電阻應(yīng)變片式、電容式、壓電式、電感式、霍爾式,活塞式壓力計(jì),根據(jù)水壓機(jī)液體傳送壓力的原理，將被測(cè)壓力轉(zhuǎn)換成活塞面積上所加平衡砝碼的質(zhì)量。,工作原理,工作原理,工作原理、測(cè)量系統(tǒng),96,3.3.3 彈性式壓力計(jì),一、彈性元件,彈性元件是一種簡(jiǎn)易可靠的測(cè)壓敏感元件。當(dāng)測(cè)壓范圍不同時(shí)，所用的彈性元件也不一樣。,圖2-2彈性元件示意圖,彈簧管式彈性元件如圖(a)和(b)所示，波紋管式彈性元件如圖(e)所示，薄膜式彈性元件如圖(c)和(d)所示。,97,98,二、彈簧管壓力表,99,基本測(cè)量原理

38、,單圈彈簧管是一根彎成270圓弧的橢圓截面的空心金屬管子。管子的自由端B封閉，另一端固定在接頭上。當(dāng)通入被測(cè)的壓力p后，由于橢圓形截面在壓力p的作用下，將趨于圓形，而彎成圓弧形的彈簧管也隨之產(chǎn)生擴(kuò)張變形。同時(shí)，使彈簧管的自由端B產(chǎn)生位移。輸入壓力p越大，產(chǎn)生的變形也越大。由于輸入壓力與彈簧管自由端B的位移成正比，所以只要測(cè)得B點(diǎn)的位移量，就能反映壓力p的大小。,注意：彈簧管自由端B的位移量一般很小，直接顯示有困難，所以必須通過放大機(jī)構(gòu)才能指示出來。,100,在化工生產(chǎn)過程中，常需要把壓力控制在某一范圍內(nèi)，即當(dāng)壓力低于或高于給定范圍時(shí)，就會(huì)破壞正常工藝條件，甚至可能發(fā)生危險(xiǎn)。這時(shí)就應(yīng)采用帶有報(bào)警

39、或控制觸點(diǎn)的壓力表。將普通彈簧管壓力表稍加變化，便可成為電接點(diǎn)信號(hào)壓力表，它能在壓力偏離給定范圍時(shí)，及時(shí)發(fā)出信號(hào)，以提醒操作人員注意或通過中間繼電器實(shí)現(xiàn)壓力的自動(dòng)控制。,警惕！,特點(diǎn)： 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，工作安全可靠； 無需反復(fù)保養(yǎng)，價(jià)格也比較便宜。 精度不太高，且需定期校驗(yàn),101,壓力表指針上有動(dòng)觸點(diǎn)2，表盤上另有兩根可調(diào)節(jié)指針，上面分別有靜觸點(diǎn)1和4。當(dāng)壓力超過上限給定數(shù)值時(shí)，2和4接觸，紅色信號(hào)燈5的電路被接通，紅燈發(fā)亮。若壓力低到下限給定數(shù)值時(shí)，2與1接觸，接通了綠色信號(hào)燈3的電路。1、4的位置可根據(jù)需要靈活調(diào)節(jié)。,102,電接點(diǎn)壓力表,電位器式遠(yuǎn)程壓力表,103,膜式壓力計(jì),膜式

40、壓力計(jì)分為膜片壓力計(jì)和膜盒壓力計(jì)兩種。前者主要用于測(cè)量腐蝕性介質(zhì)或非凝固、非結(jié)晶的粘性介質(zhì)的壓力；后者常用于測(cè)量氣體的微壓或負(fù)壓。它們的敏感元件分別是膜片和膜盒 。,膜片壓力計(jì),膜片壓力計(jì)的膜片可分為彈性膜片和撓性膜片兩種。膜片呈圓形，一般由金屬制成，常用的彈性波紋膜片是一種壓有環(huán)狀同心波紋的圓形薄片，它的四周被固定起來。通入壓力后，膜片將向壓力低的一面彎曲，其中心產(chǎn)生一定的位移（即撓度），通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)指針轉(zhuǎn)動(dòng)，指示出被測(cè)壓力。,（a）彈性膜片 （b）撓性膜片,104,膜盒壓力計(jì),為了增大膜片的位移量以提高靈敏度，可以把兩片金屬膜片的周邊焊接在一起，形成膜盒。,1-調(diào)零螺桿； 2-機(jī)座；

41、3-刻度板； 4-膜盒； 5-指針； 6-調(diào)零板； 7-限位螺釘； 8-弧形連桿； 9-雙金屬片； 10-軸； 11-杠桿架； 12-連桿； 13-指針軸； 14-杠桿； 15-游絲； 16-管接頭； 17-導(dǎo)壓管,105,彈性式壓力計(jì)的誤差,1遲滯誤差 相同壓力下，同一彈性元件正反行程的變形量不一樣，產(chǎn)生遲滯誤差。 2后效誤差 彈性元件的變形落后于被測(cè)壓力的變化，引起彈性后效誤差。 3間隙誤差 儀表的各種活動(dòng)部件之間有間隙，示值與彈性元件的變形不可能完全對(duì)應(yīng)，引起間隙誤差。 4摩擦誤差 儀表的活動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)時(shí)，相互間存在摩擦力，產(chǎn)生摩擦誤差。 5溫度誤差 環(huán)境溫度的變化會(huì)引起金屬材料彈性模量的

42、變化，造成溫度誤差。,106,彈性式壓力計(jì)誤差的改善途徑,1用無遲滯誤差或遲滯誤差極小的“全彈性”材料和溫度誤差很小的“恒彈性”材料制造彈性元件。 2采用新的轉(zhuǎn)換技術(shù)，減少或取消中間傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，以減少間隙誤差和磨擦誤差。 3限制彈性元件的位移量，采用無干磨擦的彈性支承或磁懸浮支承等。 4采用合適的制造工藝，使材料的優(yōu)良性能得到充分的發(fā)揮。,107,3.3.4 電氣式壓力計(jì),定義,電氣式壓力計(jì)是一種能將壓力轉(zhuǎn)換成電信號(hào)進(jìn)行傳輸及顯示的儀表,尤其是便于與計(jì)算機(jī)連接組成數(shù)據(jù)自動(dòng)采集系統(tǒng)，所以得到了廣泛的應(yīng)用，極大地推進(jìn)了試驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展。,108,組成,一般由壓力傳感器、測(cè)量電路和信號(hào)處理裝置所組成。常

43、用的信號(hào)處理裝置有指示儀、記錄儀以及控制器、微處理機(jī)等。,圖2-5 電氣式壓力計(jì)組成方框圖,109,電氣式壓力計(jì)的種類很多，分類方式也不盡相同。 從壓力轉(zhuǎn)換成電量的途徑來看，可分為電阻式、電容式、電感式等等；還有電磁效應(yīng)、壓阻效應(yīng)、壓電效應(yīng)、光電效應(yīng)等等。 從壓力對(duì)電量的控制方式來分可以分為主動(dòng)式和被動(dòng)式兩大類，主動(dòng)式是壓力直接通過各種物理效應(yīng)轉(zhuǎn)化為電量的輸出，而被動(dòng)式則必須從外界輸入電能，而這電能又被所測(cè)量的壓力以某種方式所控制。,110,電阻應(yīng)變片式壓力傳感器,被測(cè)壓力作用于彈性敏感元件上，使它產(chǎn)生變形，在其變形的部位粘貼有電阻應(yīng)變片，電阻應(yīng)變片感受被測(cè)壓力的變化，按這種原理設(shè)計(jì)的傳感器稱

44、為電阻應(yīng)變片式壓力傳感器。,電阻應(yīng)變效應(yīng),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(shí)，它的電阻值也相應(yīng)地發(fā)生變化，這一物理現(xiàn)象稱為電阻應(yīng)變效應(yīng)。,若電阻絲的長(zhǎng)度為l，截面積為A，電阻率為，電阻值為R，則有,設(shè)在外力作用下，電阻絲各參數(shù)的變化相應(yīng)為dl、dA、d、dR，把上式微分并除以R，可得電阻的相對(duì)變化：,111,由材料力學(xué)知識(shí)可知，dl/l=叫軸向應(yīng)變，簡(jiǎn)稱應(yīng)變；dA/A叫橫向應(yīng)變，兩者的關(guān)系為,則有：,K0稱為單根電阻絲的靈敏度系數(shù)，其意義為單位應(yīng)變所引起的電阻的相對(duì)變化。 K0是通過實(shí)驗(yàn)獲得的，在彈性極限以內(nèi)，大多數(shù)金屬的K0是常數(shù)。,當(dāng)金屬絲制作成電阻應(yīng)變片后，電阻應(yīng)變片的靈敏系數(shù)K

45、將不同于單根金屬絲的靈敏系數(shù)K0 ，需要重新通過實(shí)驗(yàn)測(cè)定。實(shí)驗(yàn)證明，應(yīng)變片電阻的相對(duì)變化與應(yīng)變的關(guān)系在很大范圍內(nèi)仍然是線性的，即,結(jié)論：在K是常數(shù)的情況下，只要測(cè)量出應(yīng)變片電阻值的相對(duì)變化，就可以直接得知其應(yīng)變量，進(jìn)而求得被測(cè)壓力。,112,應(yīng)變片由應(yīng)變敏感元件、基片和覆蓋層、引出線三部分組成。應(yīng)變敏感元件是應(yīng)變片的核心部分，一般由金屬絲、金屬箔或半導(dǎo)體材料組成，由它將機(jī)械應(yīng)變轉(zhuǎn)為電阻的變化，基片和覆蓋層起固定和保護(hù)應(yīng)變敏感元件、傳遞應(yīng)變和電氣絕緣的作用。,（a）絲繞式 （b）箔式 （c）半導(dǎo)體,113,溫度補(bǔ)償與橋式電路輸出,電阻應(yīng)變式壓力傳感器要采取各種溫度補(bǔ)償措施，通常都是采用電橋補(bǔ)償?shù)?/p>

46、方法。有半橋的全橋兩種型式。采用電橋方式的原因一個(gè)可以起到溫度補(bǔ)償?shù)淖饔茫硪粋€(gè)可以提高信號(hào)的輸出幅度。,變形 L/L,R/R,U/U,放大、顯示,114,電阻應(yīng)變片式壓力傳感器測(cè)量系統(tǒng),電阻應(yīng)變片式壓力傳感器通過不平衡電橋把電阻的變化轉(zhuǎn)換為電流或電壓的信號(hào)輸出。由于信號(hào)很微弱，要經(jīng)過多級(jí)放大才能驅(qū)動(dòng)各種顯示或記錄儀表，常用的配套儀表是動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀。典型測(cè)量系統(tǒng)由傳感器、電橋盒、動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀和光線示波器組成。,傳感器感受壓力信號(hào)并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出；,電橋盒用于半橋形式輸出的傳感器，若傳感器為全橋形式，則可省去電橋盒；,動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀為一個(gè)多級(jí)阻容耦合放大電路，帶有較大負(fù)反饋以改善線性，放大后調(diào)幅載

47、波信號(hào)加于相敏檢波器進(jìn)行檢波，經(jīng)濾波器濾掉載波后，即可得到正比于壓力信號(hào)的電壓輸出；,光線示波器作為測(cè)量系統(tǒng)的記錄儀表。,115,電阻應(yīng)變式傳感器優(yōu)點(diǎn)： (1)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、精度高； (2)線性度好，靈敏度高； (3)滯后和蠕變都較小，疲勞壽命高； (4)容易與二次儀表相匹配； (5)管理和保養(yǎng)方便。,116,壓阻式壓力傳感器,壓阻式壓力傳感器利用單晶硅的壓阻效應(yīng)而構(gòu)成。 采用單晶硅片為彈性元件，在單晶硅膜片上利用集成電路的工藝，在單晶硅的特定方向擴(kuò)散一組等值電阻，并將電阻接成橋路，單晶硅片置于傳感器腔內(nèi)。 當(dāng)壓力發(fā)生變化時(shí)，單晶硅產(chǎn)生應(yīng)變，使直接擴(kuò)散在上面的應(yīng)變電阻產(chǎn)生與被測(cè)壓力成比例的

48、變化，再由橋式電路獲得相應(yīng)的電壓輸出信號(hào)。,工作原理,117,特點(diǎn),精度高、工作可靠、頻率響應(yīng)高、遲滯小、尺寸小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；,便于實(shí)現(xiàn)顯示數(shù)字化；,可以測(cè)量壓力，稍加改變，還可以測(cè)量差壓、高度、速度、加速度等參數(shù)。,118,壓電式壓力傳感器,壓電式壓力傳感器是利用壓電材料的壓電效應(yīng)，將壓力轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號(hào)，經(jīng)放大器、記錄儀而得到被測(cè)的壓力參數(shù)。,壓電效應(yīng)，一些物質(zhì)在一定方向上受外力作用而產(chǎn)生變形時(shí)，在它們的表面上會(huì)產(chǎn)生電荷；當(dāng)外力去掉后，它們又重新回到不帶電狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。 產(chǎn)生壓電效應(yīng)的材料可分為兩類，一類是天然或人造的單晶體，如石英等。另一類是人造多晶體壓電陶瓷，如鈦

49、酸鋇等。,理想石英晶體是六邊體系，在晶體學(xué)中以三個(gè)互相垂直的軸來表示它們的特性，縱向的Z軸稱為光學(xué)軸，過棱線而垂直于光軸的X軸稱為電氣軸，垂直于XZ平面的Y軸稱為機(jī)械軸或中性軸。,119,如果從石英晶體切出一個(gè)平行六面體，使它的結(jié)晶面分別平行于電軸、光軸和機(jī)械軸，把沿電軸X方向力Fx的作用下產(chǎn)生電荷的現(xiàn)象稱為“縱向壓電效應(yīng)”，而把沿機(jī)械軸Y方向力Fy的作用下產(chǎn)生電荷的現(xiàn)象稱為“橫向壓電效應(yīng)”，而沿光軸Z方向的作用力，石英不會(huì)產(chǎn)生電荷。,120,根據(jù)壓電理論，壓電晶體表面上的電荷密度即極化強(qiáng)度與晶體片的機(jī)械變形成正比，也就是說在彈性變形范圍內(nèi)，極化強(qiáng)度與壓力成正比，其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下,式中：為極化

50、強(qiáng)度，即在壓電晶體表面上的電荷密度；K為壓電系數(shù)；Fx為平行于軸方向的作用力；S為垂直于軸的晶片面積。,因極化強(qiáng)度表示的是壓電晶體表面的電荷密度，則面積為S的面積上的電荷總量等于,結(jié)論：晶體受力后產(chǎn)生的電荷量與作用力成正比，而與晶體面積無關(guān)。,121,壓電傳感器的結(jié)構(gòu),1-彈性膜片； 2-傳力件； 3-底座； 4-石英片（三片）；5-導(dǎo)電環(huán)； 6-金屬箔； 7-玻璃導(dǎo)管； 8-膠玻璃導(dǎo)管； 9-引出導(dǎo)線插頭,壓電傳感器產(chǎn)生的信號(hào)非常微弱，輸出阻抗很高，必須經(jīng)過前置放大，把微弱的信號(hào)放大，前置放大器有兩種，一種是輸出電壓信號(hào)的電壓放大器，另一種是輸出電荷信號(hào)的電荷放大器。 壓電式壓力傳感器不能用

51、于靜態(tài)壓力測(cè)量。被測(cè)壓力變化的頻率太低或太高，環(huán)境溫度和濕度的改變，都會(huì)改變傳感器的靈敏度，造成測(cè)量誤差。電纜噪聲和接地回路噪聲也會(huì)造成測(cè)量誤差，應(yīng)設(shè)法避免。采用電壓前置放大器時(shí)，測(cè)量結(jié)果受測(cè)量回路參數(shù)的影響，不能隨意更換出廠配套的電纜。,122,電容式壓力變送器,工作原理,先將壓力的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化，然后進(jìn)行測(cè)量。,123,電容器的電容量由它的兩個(gè)極板的大小、形狀、相對(duì)位置和電介質(zhì)的介電常數(shù)決定。如果一個(gè)極板固定不動(dòng)，另一個(gè)極板感受壓力，并隨著壓力的變化而改變極板間的相對(duì)位置，電容量的變化就反映了被測(cè)壓力的變化。,平板電容器的電容量C為,若電容的動(dòng)極板感受壓力產(chǎn)生位移，則電容量將隨之改

52、變，其變化量C為,當(dāng)、S確定之后，可以通過測(cè)量電容量的變化得到動(dòng)極板的位移量，進(jìn)而求得被測(cè)壓力的變化。,124,主要優(yōu)點(diǎn),輸入能量小而靈敏度高。 極距變化型電容式傳感器只需要很小的能量就能改變電容極板的位置。如一對(duì)直徑為1.27cm的圓形電容極板上施加10V電壓，極板間隙為2.54*10-3cm，只需3*10-5N的力就能使極板產(chǎn)生位移。因此電容傳感器可以測(cè)量很小的力、振動(dòng)加速度，而且很靈敏。 電參量相對(duì)變化大。 電容式壓力傳感器電容的相對(duì)變化dC/C100%，有的甚至可達(dá)到200%，說明傳感器的信噪比大，穩(wěn)定性好。 動(dòng)態(tài)特性好。 電容傳感器活動(dòng)零件少，而且質(zhì)量很好，本身具有很高的自振頻率，所

53、以動(dòng)態(tài)特性好。,125,主要優(yōu)點(diǎn),能量損耗小。 電容式傳感器的工作是變化極板的間距，而電容變化并不產(chǎn)生熱量。 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適應(yīng)性好。 電容式傳感器的主要結(jié)構(gòu)是兩塊金屬極板和絕緣層，結(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)單，在振動(dòng)、輻射環(huán)境下仍能正常工作。,126,主要缺點(diǎn),非線性大。 對(duì)于極距變化型電容式傳感器，從位移變?yōu)殡娙葑兓欠蔷€性的，利用測(cè)量電路電容轉(zhuǎn)換為電壓變化也是非線性的，采用差動(dòng)式結(jié)構(gòu)非線性可以得到改善，但不能完全消除。除非采用專門的測(cè)量電路，如運(yùn)算放大器等。 電纜分布電容影響大。 傳感器兩極板間的電容很小，僅幾十個(gè)pF，小的甚至只有幾個(gè)pF。而傳感器與電子儀器之間的連接電纜卻具有很大的電容。如屏蔽線的電容，最

54、小的1米也有幾個(gè)pF，最大的可達(dá)上百個(gè)pF，這不僅使傳感器的電容相對(duì)變化大大降低，靈敏度也降低。 解決方法：1，利用集成電路，加前置放大器，使傳感器的輸出直接變?yōu)橹绷麟妷盒盘?hào)，再經(jīng)過傳輸導(dǎo)線傳送，不受導(dǎo)線分布電容的影響。2，采用雙屏蔽傳輸線，可降低分布電容的影響。,127,電感式壓力傳感器,電感式壓力傳感器以電磁感應(yīng)原理為基礎(chǔ)，利用磁性材料和空氣的導(dǎo)磁率不同，把彈性元件的位移量轉(zhuǎn)換為電路中電感量的變化或互感量的變化，再通過測(cè)量線路轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電流或電壓信號(hào)。,工作原理,1銜鐵 2線圈 3鐵芯,線圈的電感量,W為線圈的匝數(shù)；0為空氣的磁導(dǎo)率；S為氣隙的截面積；為氣隙的寬度。,彈性元件與銜鐵相連，

55、彈性元件感受壓力產(chǎn)生位移，使氣隙寬度產(chǎn)生變化，從而使電感量發(fā)生變化。,128,在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，W、 0 、 S都是常數(shù)，電感L只與氣隙寬度有關(guān)。由于L與成反比關(guān)系，因此，為了得到較好的線性特性，必須把銜鐵的工作位移限制得較小。若0為傳感器的初始?xì)庀叮?為銜鐵的工作位移，則一般取,上述傳感器雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但存在驅(qū)動(dòng)銜鐵或鐵芯的力較大、線圈電阻的溫度誤差不易補(bǔ)償?shù)热秉c(diǎn)，所以實(shí)際應(yīng)用較少，而往往采用差動(dòng)式電感傳感器。,129,差動(dòng)式電感壓力傳感器,兩個(gè)完全對(duì)稱的簡(jiǎn)單電感壓力傳感器，共用一個(gè)活動(dòng)銜鐵便構(gòu)成了差動(dòng)式電感壓力傳感器。 特點(diǎn)是磁路系統(tǒng)與的導(dǎo)磁體的幾何尺寸完全相同，上下兩個(gè)線圈的電氣參數(shù)即線圈的

56、電阻、電感、匝數(shù)也完全一致，初始?xì)庀稙?=2=0，當(dāng)銜鐵受壓有變化時(shí)，對(duì)磁路氣隙變成0+時(shí)，則磁路氣隙變?yōu)?- ，電感分別為,130,上兩式可以看出，它們的電感是一增一減，將這樣的變化接入電橋，此為差動(dòng)式電感傳感器電橋電路。,兩個(gè)線圈Z1、Z2接成交流電橋的相鄰兩臂，即半橋輸入，另外兩個(gè)橋臂由阻抗Z3、Z4組成。,根據(jù)電橋平衡原理，在初始條件時(shí)，輸出電壓為，,當(dāng)Z3=Z4=Z時(shí)，有：,由于在工作中L1與L2是一增一減，Z1與Z2之和變化甚微，故可以認(rèn)為輸出電壓正比于L1-L2，即,131,將,代入,若略去式中的2項(xiàng)，上式成為,K為差動(dòng)式電感壓力傳感器的靈敏度，其物理意義是銜鐵單位移動(dòng)量引起的電

57、橋電壓的輸出，K值越大，靈敏度越高。K值是下列參數(shù)的函數(shù),顯然橋壓越高、起始?xì)庀对叫∫约俺跏茧姶艆?shù)越高，則靈敏度就越高。 電感式壓力傳感器的特點(diǎn)是靈敏度高、輸出功率大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠，但不適合于測(cè)量高頻脈動(dòng)壓力，且較笨重。精度一般為0.51級(jí)。,132,霍爾式壓力傳感器,霍爾式壓力傳感器是利用霍爾效應(yīng)把壓力引起的彈性元件的位移轉(zhuǎn)換成電勢(shì)輸出的裝置。,霍爾效應(yīng),把一半導(dǎo)體單晶薄片放在磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場(chǎng)中，在它的兩個(gè)端面上通以電流I，則在它的另兩個(gè)端面上產(chǎn)生電勢(shì)UH，這種物理現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。電勢(shì)UH稱為霍爾電勢(shì)；電流I稱為控制電流；能產(chǎn)生霍爾效應(yīng)的片子稱為霍爾元件。,霍爾電勢(shì)可表示為,式

58、中：RH為霍爾系數(shù)；d為霍爾元件厚度；KH為霍爾元件的靈敏度。,133,霍爾壓力傳感器結(jié)構(gòu),1-彈簧管； 2-磁鐵； 3-霍爾元件,當(dāng)被測(cè)壓力為零時(shí)，霍爾元件處于非均勻磁場(chǎng)的正中，其輸出電勢(shì)為零；當(dāng)被測(cè)壓力不為零的時(shí)候，霍爾元件被彈性元件帶動(dòng)偏離中間位置，則有正比于位移的電勢(shì)輸出。若彈性元件的位移與被測(cè)壓力成正比，則傳感器的輸出電勢(shì)也與被測(cè)壓力成正比。,磁極間磁感應(yīng)強(qiáng)度的分布,134,壓力計(jì)的選用 壓力測(cè)量原理可分為液柱式、彈性式、電阻式、電容式、電感式和振頻式等等。壓力計(jì)測(cè)量壓力范圍寬廣可以從超真空如13310-13Pa直到超高壓280MPa。應(yīng)根據(jù)工藝生產(chǎn)過程對(duì)壓力測(cè)量的要求，被測(cè)介質(zhì)的性質(zhì)、工作環(huán)境的影響、經(jīng)濟(jì)適用的條件等，加以全面的考慮和具體的分析,然后從壓力表的類型、量程、粗度和指示形式等方面進(jìn)行選擇。 壓力表種類和型號(hào)的選擇 壓力表量程的選擇 壓力表的粗度 壓力表外形的選擇,135,壓力表種類和型號(hào)的選擇 壓力表種類和型號(hào)的選擇要根據(jù)被測(cè)介質(zhì)壓力的大小、介質(zhì)的物理化學(xué)性質(zhì)、現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境和工藝要求來確定。 1.從被測(cè)介質(zhì)壓力大小來考慮如測(cè)量微壓，即幾百至幾千帕斯卡的壓力，宜采用液柱壓力計(jì)或膜合壓力表。對(duì)于被測(cè)介質(zhì)壓力在0.015MPa以下，不要求迅速讀數(shù)的，常選用U型壓力計(jì)或單管壓力計(jì)；要求迅速讀數(shù)的