1、第4章，常用傳感器和非電量測量的原理，第4.1章，總結(jié)了傳感器是能夠轉(zhuǎn)換特定測量信息(包括物理量、化學(xué)量、生物量等)的裝置。)轉(zhuǎn)換成一些可用的輸出信號，也稱為轉(zhuǎn)換器和發(fā)射器。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)。)，因為電信號易于處理和傳輸。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，可以預(yù)期傳感器“可用信號”的內(nèi)涵也將發(fā)生變化。例如，當(dāng)人們進(jìn)入光子時代，光信號將成為“可利用的信號”，更便于快速處理和傳輸。從傳感器輸入來看，指定的傳感器只能感知或響應(yīng)指定的物理量。如果溫度傳感器只能用于測量溫度，則傳感器能夠感知或響應(yīng)的特定物理量可以是非電量或電量。b .從輸出端看，傳感器的輸出信號為

2、“可用信號”，即傳感器的輸出信號不僅攜帶有待測的原始信息，而且是一種可以遠(yuǎn)程傳輸?shù)男盘枺阌诤罄m(xù)測量環(huán)節(jié)的接收和進(jìn)一步處理，包括電信號、光信號和氣動信號等。從投入產(chǎn)出關(guān)系的角度來看，它具有一定的規(guī)律，可以用數(shù)學(xué)分析法或?qū)嶒灧▉砻枋?，并具有特定的靜態(tài)和動態(tài)特性，這些規(guī)律是可以重復(fù)的。傳感器位于測試系統(tǒng)的前端，主要用于獲取檢測信息和轉(zhuǎn)換信息。4.1.1傳感器的分類傳感器有許多分類方法。理解傳感器的分類旨在加深理解并促進(jìn)應(yīng)用。根據(jù)輸入量，可分為溫度、壓力、位移、速度和濕度傳感器；根據(jù)測量原理，可分為電位器式、應(yīng)變式、感應(yīng)式、差動變壓器式、渦流式、半導(dǎo)體力敏、熱敏、光敏和氣敏傳感器。根據(jù)輸出，有模擬和

3、數(shù)字傳感器。根據(jù)傳感器輸出變換原理，由于傳感器可用的輸出信號種類有限，如電壓、電流、電阻和電荷等，其中輸出的是電參數(shù)(電阻、電感和電容)，稱為電參數(shù)傳感器；輸出量是電量(電壓、電流和電荷)，稱為電量傳感器。4.1.2傳感器技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展目前，傳感器技術(shù)發(fā)展迅速，呈現(xiàn)出“多樣化、新化、集成化、智能化”的發(fā)展態(tài)勢。多樣化意味著隨著應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大和不同領(lǐng)域的不同需求，有數(shù)以千計的不同用途的傳感器。集成包括傳感器本身的集成以及傳感器和后續(xù)電路的集成。新穎性是指由于科學(xué)技術(shù)的發(fā)展、許多物理效應(yīng)的新發(fā)現(xiàn)、理論上的新突破、新過程和新材料而產(chǎn)生的大量新傳感器的發(fā)展。到目前為止，智能傳感器還沒有公認(rèn)的正式

4、定義。一般認(rèn)為，由傳感器和微處理器組合而成的傳感器系統(tǒng)不僅具有信號檢測功能，還具有信息處理功能，是一種智能傳感器。例如，汽車電子控制系統(tǒng)的信息源是各種傳感器，傳感器的數(shù)量從幾十個到幾百個。4.2電參數(shù)傳感器4.2.1電阻式溫度傳感器利用導(dǎo)體和半導(dǎo)體電阻隨溫度變化的特性，可制成測量溫度的傳感器：熱電阻和熱敏電阻。溫度范圍(200500) 1熱阻：由純金屬制成的熱阻具有正溫度系數(shù)，當(dāng)溫度增加1時，電阻值增加約0.4%和0.6%。最廣泛使用的是純金屬鉑和銅熱電阻。(1)鉑電阻的R-t關(guān)系為0 850 200 0，(2)銅電阻在(-50150)具有良好的特性，價格便宜。其電阻溫度特性如下：2熱敏電阻是

5、一種將溫度信號轉(zhuǎn)換成電阻值c的傳感器缺點：非線性大，長期穩(wěn)定性差，互換性差。熱敏電阻有兩種：正溫度系數(shù)和負(fù)溫度系數(shù)，它們的電阻特性是：(1)溫度為0時的電阻值；常數(shù)。絕對溫度。它們的溫度系數(shù)可以分別計算，即正溫度系數(shù)熱敏電阻的溫度系數(shù)為正且恒定(在工作范圍內(nèi))；負(fù)溫度系數(shù)的溫度系數(shù)為負(fù)，與電阻溫度的平方成反比，電阻溫度隨著溫度的降低而迅速升高，因此具有很高的靈敏度。因此，負(fù)溫度系數(shù)被廣泛使用。對于熱敏電阻和熱敏電阻，通過它們的電流不應(yīng)該太大，否則會導(dǎo)致自發(fā)熱并帶來測試誤差。4.2.2電橋法測電阻在輸入信號的作用下，電參數(shù)傳感器的輸出是電參數(shù)電阻R、電感L和電容C的變化，因此測量電阻R、電感L和

6、電容C參數(shù)的檢測電路可以作為與傳感器匹配的信號調(diào)理電路。電橋是將電阻、電感、電容和阻抗參數(shù)的變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流輸出的測量電路。它具有較高的精度和靈敏度，根據(jù)激勵源的性質(zhì)可分為DC電橋和交流電橋，根據(jù)輸出方式可分為平衡電橋和不平衡電橋。對于電阻傳感器，可以使用DC電橋或交流電橋。交流電橋應(yīng)該用于電感和電容傳感器。一般來說，主要使用不平衡橋。1電壓源電源在下圖中，橋電流為：其中電壓降和為：輸出電壓，2恒流源電源橋電流為：輸出電壓為：幾種橋電路，4.3電量型傳感器全部輸出電量(電壓，電流)，如磁電轉(zhuǎn)換器，壓電轉(zhuǎn)換器，熱電轉(zhuǎn)換器和光電轉(zhuǎn)換器，可以從被測對象不用外部激勵電源。這些都是能量轉(zhuǎn)換傳感器，以

7、及其他電量傳感器，如PN結(jié)和集成電路溫度傳感器，它們的輸出分別是電壓和電流，但它們是能量控制傳感器。磁電傳感器基于電磁感應(yīng)原理，將被測非電量轉(zhuǎn)換為感應(yīng)電勢的傳感器稱為磁電傳感器。4.3.1.1的工作原理可以從電磁感應(yīng)定律中得知：感應(yīng)電勢(v)；磁通量；時間。線圈匝數(shù)。可以看出，只要改變磁通量，就可以獲得感應(yīng)電勢，并且有許多方法可以改變它，例如改變磁路中的磁阻，改變垂直于磁場的線圈面積(線圈在恒定磁場中旋轉(zhuǎn))，或者使磁體相對于線圈移動，等等。所有這些都可以達(dá)到改變通過線圈的磁通量的目的。因此，可以制造不同類型的磁電傳感器。如果線圈沿直線運(yùn)動，在恒定磁場中垂直切割磁力線，線圈兩端的感應(yīng)電勢可由以下

8、公式導(dǎo)出：線圈與磁場之間相對運(yùn)動的位移；每圈線圈的平均長度。在一定的磁場條件下，可以通過測量感應(yīng)電勢來測量線圈的運(yùn)動速度。當(dāng)線圈相對于磁場旋轉(zhuǎn)以切割磁力線，并且線圈平面的法線方向與磁場方向成90時，線圈的感應(yīng)電勢為公式中的旋轉(zhuǎn)角速度；每圈線圈的邊界面積。當(dāng)磁場恒定且線圈恒定時，可以通過測量感應(yīng)電勢來測量線圈旋轉(zhuǎn)的角速度。如下圖所示，磁電式傳感器的工作原理分別用線速度和角速度來測量。在實踐中，改變通過線圈的磁通量的方法有很多，根據(jù)電磁感應(yīng)關(guān)系可以推導(dǎo)出相應(yīng)的感應(yīng)電勢表達(dá)式。通過測量磁通量，可以相應(yīng)地測量改變磁通量的物理量。磁電傳感器的4.3.1.2選擇磁電傳感器的最大特點是可以直接將機(jī)械速度作為

9、輸入信號轉(zhuǎn)換成因此，它被廣泛用于測量速度和轉(zhuǎn)速。如果在測量電路中對信號進(jìn)行積分和微分，可以非常方便地獲得被測物體的加速度和位移(角加速度和轉(zhuǎn)角)，因此它經(jīng)常被用于測量加速度、振動和位移，特別是作為振動傳感器。磁電傳感器的工作溫度不高，磁電傳感器的頻率范圍有限。一般只能測量102000赫茲以內(nèi)的機(jī)械振動，但在體積和重量上遠(yuǎn)不如壓電傳感器，而且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，有運(yùn)動部件，容易磨損和改變性能，不牢固可靠。4.3.2熱電傳感器4.3.2.1熱電偶傳感器熱電偶傳感器是一種基于熱電效應(yīng)將溫度信號轉(zhuǎn)換成電信號的傳感器。1工作原理熱電偶傳感器的工作原理是基于熱電效應(yīng)。如圖所示，兩個不同材料的導(dǎo)體的兩端焊接在一起，形

10、成一個閉合回路。如果兩個連接點1和2的溫度不同，電路中將會產(chǎn)生電動勢，閉合電路中將會產(chǎn)生電流。該電勢和電流與兩個導(dǎo)體的特性和兩個觸點之間的溫差有關(guān)。這種現(xiàn)象被稱為熱電效應(yīng)或塞貝克效應(yīng)。兩種導(dǎo)體，甲和乙，被稱為熱電極，統(tǒng)稱為熱電偶。如果觸點1和2的溫度分別為和，觸點1稱為熱端或工作端，觸點2稱為冷端或自由端。如果某個熱電偶的冷端溫度是固定的，那么熱電偶回路中的熱電勢與熱端溫度只有一對一的對應(yīng)關(guān)系，熱端溫度可以通過測量熱電勢來測量。熱電勢由單個導(dǎo)體的接觸電勢(也稱為珀爾帖電勢)和溫差電勢(也稱為湯姆遜電勢)組成。接觸電勢的原理是不同的導(dǎo)體具有不同的自由電子濃度。當(dāng)兩個不同的導(dǎo)體接觸時，自由電子從高

11、濃度的導(dǎo)體擴(kuò)散到低濃度的導(dǎo)體，結(jié)果，界面附近的導(dǎo)體失去電子并帶正電；在另一側(cè)獲得的電子帶負(fù)電荷，并且在兩個導(dǎo)體的接觸表面上形成電勢差。這種電勢差阻礙了電子的擴(kuò)散，當(dāng)達(dá)到動態(tài)平衡時，在界面上形成接觸電勢。因為接觸電勢的形成和擴(kuò)散是相關(guān)的，很明顯，當(dāng)確定兩個導(dǎo)體的材料時，接觸電勢僅與接觸表面的溫度成比例。可以注意到熱電偶有兩個接觸面，溫度為和，相應(yīng)的接觸電勢為和。熱電勢是同一導(dǎo)體兩端不同溫度產(chǎn)生的一種熱電勢。由于兩端溫度不同，導(dǎo)體中自由電子的運(yùn)動速度也不同，高溫端的電子運(yùn)動速度大于低溫端。因此，電子將從高速區(qū)域擴(kuò)散到低速區(qū)域。結(jié)果，高端失去電子并帶正電，而低端得到電子并帶負(fù)電，從而在導(dǎo)體兩端形成電

12、勢差，即熱電勢。因此，在由兩個導(dǎo)體組成的熱電偶回路中，總熱電勢實際上是，并且不能測量上圖中熱電偶中形成的熱電勢。要測量它，它必須連接到一個電表上。電表的終端是一個銅導(dǎo)體，它必然在a中。為了回答這個問題，下面介紹熱電偶的中間金屬定律。中間金屬定律：在由A、B導(dǎo)體組成的熱電偶回路中，無論第三導(dǎo)體連接在哪里，只要連接導(dǎo)體兩端的溫度相同，連接導(dǎo)體時原回路中的熱電勢不會受到影響。為了測量熱電偶回路中的熱電勢，只要連接的儀器的兩個觸點的溫度相同，就可以精確地測量原始熱電偶回路中的熱電勢。測量溫度非常簡單為了統(tǒng)一起見，通用手冊中提供的熱電偶特性分度表是在保持熱電偶低溫的情況下給出的熱電勢和熱端溫度的數(shù)值對照

13、表。因此，在實際的溫度測量中，如果冷端溫度為0，只要熱電勢被正確地測量并且分?jǐn)?shù)表被檢查，就可以獲得測量的溫度。但是，如果此時的冷端溫度不是0，而是室溫，則不能直接使用特征分度表。此時，應(yīng)測量室溫(設(shè)置為)，并使用特征分度表找出熱電勢值；熱電偶熱點的實際溫度可通過將熱電勢值與熱電偶回路測得的熱電勢相加得到，即從該值中查找特征分度表。例如，有一個鎳-鉻-鎳-硅熱電偶，其冷端溫度測量為毫伏，那么實際爐溫是多少？如果解決方案是從分?jǐn)?shù)表毫伏獲得的，那么40.37毫伏的分?jǐn)?shù)表用于獲得977，即，實際爐溫是977。(2)補(bǔ)償線的使用。熱電偶傳感器的長度通常約為1米。測量高溫時，冷端溫度對加熱端的溫度有很大影

14、響。此時，補(bǔ)償線通常用于將冷端移向溫度變化平緩的環(huán)境。補(bǔ)償導(dǎo)體是與熱電偶匹配的雙絞導(dǎo)體。其材料與熱電偶的甲、乙導(dǎo)體相同。補(bǔ)償導(dǎo)體的種類和熱電偶一樣多。選擇，小心不要選擇錯誤的品牌和錯誤的，-桿。最后一個原則是：當(dāng)熱電偶出線盒外接時，熱電偶的導(dǎo)體材料應(yīng)與補(bǔ)償導(dǎo)體的材料一致，以保證回路中原有的熱電勢不變。(3)冷端補(bǔ)償。在測量中，我們還可以嘗試補(bǔ)償冷端，達(dá)到直接讀取溫度的目的。冷端補(bǔ)償常用以下三種方法：0恒溫法：將熱電偶冷端保持在0容器內(nèi)。這種方法只適用于實驗室，但它可以完全消除冷端溫度誤差。冷端恒溫法：將熱電偶的冷端接點放在恒溫器中。如果恒溫為0，冷端誤差為固定值，盡管冷端誤差不為零。只要在回路

15、中加入相應(yīng)的校正電壓或調(diào)整指示裝置的初始位置，就可以達(dá)到完全補(bǔ)償?shù)哪康?。冷端補(bǔ)償器法：冷端補(bǔ)償器法是工業(yè)上常用的方法。冷端補(bǔ)償器是一個四臂電橋，其中三個橋臂的溫度系數(shù)為零，另一個橋臂采用銅電阻，放置在熱電偶的冷端。當(dāng)，橋是平衡的；當(dāng)，電橋?qū)a(chǎn)生相應(yīng)的不平衡電壓。電橋的輸出與熱電勢串聯(lián)。只要滿足熱電偶的冷端誤差，它就變成一個固定值，然后修正該固定值誤差(見恒溫法)，這樣就可以得到冷端溫度的完全補(bǔ)償。電橋的電源端子A和C通過可調(diào)電阻連接到d C電源；橋臂、和是錳銅線纏繞的電阻，電阻值可視為不隨溫度變化的固定電阻。它是一種溫度測量熱阻，用于測量冷端溫度。熱電偶的冷端溫度為，由補(bǔ)償線連接，其冷端溫度為。位于電橋平衡，電橋頂部b、d輸出電壓；當(dāng)溫度升高時，熱電偶升高，電橋輸出不平衡電壓，B點的電位高于D點的電位。因此，溫度計測得的回路電位是熱電偶兩個節(jié)點溫度產(chǎn)生的溫差電位與電橋不平衡輸出電壓之和。根據(jù)中間金屬定律，只要滿足這個條件，定值誤差就可以被修正。光電轉(zhuǎn)換器光電轉(zhuǎn)換器是一種將光能轉(zhuǎn)換成電能的傳感器。通常，只有具有光電效應(yīng)的器件(如光敏電阻、光電池、光電管光敏電阻沒有極性，是純電阻性器件，使用時可以施加DC電壓或交流電壓。當(dāng)沒有光時，半導(dǎo)體中的載流子濃度小，光敏電阻(暗電阻)大，電路中的電流小。當(dāng)光敏電阻被照亮?xí)r，半導(dǎo)體中的載流子急劇增加，電阻(亮電阻)急劇減小，