自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)及應(yīng)用（電氣工程及自動(dòng)化類(lèi)專(zhuān)業(yè)）機(jī)械工業(yè)出版社主編武昌俊

緒論一、檢測(cè)技術(shù)1、定義：研究自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)中的信息提取、信息轉(zhuǎn)換及信息處理的理論和技術(shù)。

2、任務(wù)：尋找與自然信息具有對(duì)應(yīng)關(guān)系的各種表現(xiàn)形式的信號(hào)，以及確定的定性、定量關(guān)系3、內(nèi)容：傳感器技術(shù)、誤差理論、測(cè)試計(jì)量技術(shù)、抗干擾技術(shù)以及電量間互相轉(zhuǎn)換的技術(shù)等。

被檢測(cè)量傳感器信號(hào)處理電路數(shù)據(jù)處理裝置顯示器執(zhí)行機(jī)構(gòu)二、自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)組成將被測(cè)的非電量變換成電量的器件把傳感器輸出的電量變成具有一定驅(qū)動(dòng)和傳輸能力的信號(hào),以推動(dòng)后級(jí)的顯示電路、數(shù)據(jù)處理裝置及執(zhí)行機(jī)構(gòu)。模擬顯示、數(shù)字顯示、圖象顯示及記錄儀

各種接觸器、電磁鐵、電磁閥門(mén)、電磁調(diào)節(jié)閥、伺服電動(dòng)機(jī)等

三、工業(yè)檢測(cè)技術(shù)涉及的內(nèi)容熱工量

溫度、熱量、比熱容、熱流、熱分布、壓力（壓強(qiáng)）、壓差、真空度、流量、流速、物位、液位、界面

機(jī)械量

直線位移、角位移、速度、加速度、轉(zhuǎn)速、應(yīng)力、應(yīng)變、力矩、振動(dòng)、噪聲、質(zhì)量（重量）

幾何量長(zhǎng)度、厚度、角度、直徑、間距、形狀、平行度、同軸度、粗糙度、硬度、材料缺陷

物體的性質(zhì)和成分量氣體、液體、固體的化學(xué)成分、濃度、粘度、濕度、密度、酸堿度、濁度、透明度、顏色狀態(tài)量機(jī)械的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)（啟停等）、設(shè)備的異常狀態(tài)（超溫、過(guò)載、泄漏、變形、磨損、堵塞、斷裂等）電工量

電壓、電流、功率、電阻、阻抗、頻率、脈寬、相位、波形、頻譜、磁場(chǎng)強(qiáng)度、電場(chǎng)強(qiáng)度、材料的磁性能

第一章檢測(cè)技術(shù)的基礎(chǔ)知識(shí)本章主要內(nèi)容：本章主要介紹測(cè)量的基本概念；測(cè)量方法；誤差定義及表示法；誤差分類(lèi)及處理；測(cè)量?jī)x表精確度與分辨率；測(cè)量結(jié)果的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與處理；傳感器的定義、分類(lèi)、靜特性及技術(shù)指標(biāo)和傳感器中的彈性敏感元件等內(nèi)容。

§1測(cè)量的基本概念1、測(cè)量

測(cè)量結(jié)果一般表示為:X=AX0

式中

X——被測(cè)量；

X0——標(biāo)準(zhǔn)量；

A——比值。它是將被測(cè)量與同性質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)量通過(guò)專(zhuān)用的技術(shù)和設(shè)備進(jìn)行比較，獲得被測(cè)量對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)量的倍數(shù)。定義：2、測(cè)量方法對(duì)于從不同角度來(lái)考察，測(cè)量方法有不同的分類(lèi)。但常用的方法有零位法、偏差法和微差法等。零位法指被測(cè)量與已知標(biāo)準(zhǔn)量進(jìn)行比較，使這兩種量對(duì)儀器的作用抵消為零（指零機(jī)構(gòu)達(dá)到平衡），從而可以肯定被測(cè)量就等于已知標(biāo)準(zhǔn)量。

偏差法指測(cè)量?jī)x表用指針相對(duì)于表盤(pán)上刻度線的位移來(lái)直接表示被測(cè)量大小。

微差法是零位法和偏差法的組合

LX=LB+ΔL

3、檢測(cè)方法的選擇原則1）從被測(cè)量本身的特點(diǎn)來(lái)考慮。2）從測(cè)量所得的精確度和靈敏度來(lái)考慮。3）考慮測(cè)量環(huán)境是否符合測(cè)量設(shè)備和測(cè)量技術(shù)狀況要求，盡量減少儀器、儀表對(duì)被測(cè)電路狀態(tài)的影響。4）測(cè)量方法簡(jiǎn)單可靠，測(cè)量原理科學(xué)，盡量減少原理性誤差?！?

測(cè)量誤差及分類(lèi)1、誤差的表達(dá)方式絕對(duì)誤差某量值的測(cè)量值A(chǔ)x與真值A(chǔ)0之間的差為絕對(duì)誤差Δ。

相對(duì)誤差

示值相對(duì)誤差

對(duì)于相同的被測(cè)量，絕對(duì)誤差可以評(píng)定其測(cè)量精度的高低，但對(duì)于不同的被測(cè)量及不同的物理量，絕對(duì)誤差就難以評(píng)定其測(cè)量精度的高低，而采用相對(duì)誤差來(lái)評(píng)定較為確切。Δ=Ax-Ao為了合理的評(píng)價(jià)儀表的測(cè)量質(zhì)量引入了引用誤差。所謂的引用誤差γm就是用被測(cè)量的絕對(duì)誤差Δ與測(cè)量?jī)x表的上限（滿(mǎn)度）值A(chǔ)m的百分比之值引用誤差2、測(cè)量誤差的分類(lèi)特點(diǎn)與性質(zhì)系統(tǒng)誤差隨機(jī)誤差粗大誤差（應(yīng)剔除）測(cè)量速度靜態(tài)誤差動(dòng)態(tài)誤差

3、測(cè)量?jī)x表的精確度與分辨率精確度

精密度

測(cè)量?jī)x表指示值不一致程度的量

準(zhǔn)確度

儀表指示值有規(guī)律地偏離真值的程度

儀表的精密度和準(zhǔn)確度都高，其精確席才高，精確度是以測(cè)量誤差的相對(duì)值來(lái)表示的。

儀表精確度等級(jí)

：儀表在規(guī)定工作條件下，其最大絕對(duì)允許誤差值對(duì)儀表測(cè)量范圍的百分?jǐn)?shù)絕對(duì)值。

Δmax——最大絕對(duì)允許誤差值；Axmax、Axmin——測(cè)量范圍的上、下限值；S——精度等級(jí)，無(wú)“%”號(hào)的數(shù)值。分辨率

分辨率顯示儀表能夠檢測(cè)到被測(cè)量最小變化量。一般模擬式儀表的分辨率規(guī)定為最小刻度分格數(shù)的一半。數(shù)字式儀表的分辨率規(guī)定為最后一位的數(shù)字。

§3測(cè)量結(jié)果的數(shù)據(jù)分析及處理

一、測(cè)量結(jié)果的數(shù)據(jù)分析1、隨機(jī)誤差的統(tǒng)計(jì)特征（正態(tài)分布）集中性對(duì)稱(chēng)性有界性Δx表示測(cè)量值的誤差范圍n略大于10次即可2、系統(tǒng)誤差的統(tǒng)計(jì)特征3、粗大誤差的判別準(zhǔn)則

若在測(cè)量列中發(fā)現(xiàn)有大于3σ的殘余誤差的測(cè)量值即應(yīng)予以剔除。二、測(cè)量結(jié)果的數(shù)據(jù)處理例1-3對(duì)某一軸徑等精度測(cè)量16次，得到如下數(shù)據(jù)（單位為mm）:24.774,24.778,24.771,24.780,24.772,24.777,27.773,24.775,24.774,24.772,24.77,24.776,24.775,24.777,24.777,24.779。計(jì)算出該軸徑的大小。

1.按測(cè)量數(shù)值的順序列表1-2；2.計(jì)算測(cè)量列Xj的算術(shù)平均值3.求出殘余誤差;求各測(cè)量值的殘余誤差

Vj故以上計(jì)算正確。

4.計(jì)算出方均根誤差計(jì)算出極限誤差。經(jīng)檢查，末發(fā)現(xiàn)|Vj|＞3σ，故16個(gè)測(cè)量值無(wú)粗大誤差值;5.計(jì)算出算術(shù)平均值的標(biāo)準(zhǔn)差(置信概率為99.7%)。三、測(cè)量系統(tǒng)靜態(tài)誤差的合成若第i個(gè)環(huán)節(jié)的引用相對(duì)誤差為ri時(shí)，則輸出端的引用相對(duì)誤差的關(guān)系rm與ri之間的關(guān)系，可用以下兩種方法來(lái)求得：1、絕對(duì)值合成法2、方均根合成法例1-4某傳感器在測(cè)量過(guò)程出現(xiàn)了以下誤差情況，敏感元件的測(cè)量誤差為±4%，轉(zhuǎn)換電路環(huán)節(jié)中出現(xiàn)的誤差為±3%，儀表的指示環(huán)節(jié)出現(xiàn)的誤差為±1%，請(qǐng)問(wèn)此測(cè)量過(guò)程中出現(xiàn)的總誤差為多大？2）用方均根合成法計(jì)算測(cè)量總誤差解：由題意可知r1=±4%,r2=±3%,r3=±1%1)用絕對(duì)值合成法計(jì)算測(cè)量總誤差§4

傳感器及其基本特性一、傳感器的定義及組成傳感器是一種以測(cè)量為目的，以一定的精確度把被測(cè)量轉(zhuǎn)換為與之有確定對(duì)應(yīng)關(guān)系，以便于處理和應(yīng)用的某種物理量（多為電量）的測(cè)量裝置。

敏感元件轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換電路被測(cè)量電量它是直接感受被測(cè)量，并輸出與被測(cè)量構(gòu)成有確定關(guān)系、更易于轉(zhuǎn)換的某一物理量的元件。

敏感元件的輸出就是它的輸入，它把輸入轉(zhuǎn)換成電路參數(shù)量

上述電路參數(shù)接入轉(zhuǎn)換電路，便可轉(zhuǎn)換成電量輸出

轉(zhuǎn)換元件敏感元件二、傳感器的分類(lèi)分類(lèi)方法根據(jù)傳感器工作原理分類(lèi)分類(lèi)根據(jù)傳感器能量轉(zhuǎn)換情況根據(jù)傳感器轉(zhuǎn)換原理分類(lèi)

表1-3按照傳感器的使用分類(lèi)三、傳感器的基本特性1、線性度

指?jìng)鞲衅鲗?shí)際特性曲線與擬合直線（也稱(chēng)理論直線）之間的最大偏差與傳感器滿(mǎn)量程輸出的百分比2、遲滯傳感器在正（輸入量增大）反（輸入量減?。┬谐讨休敵鲚斎肭€不重合稱(chēng)為遲滯

必須指出，正反行程的特性曲線是不重合的，且反行程特性曲線的終點(diǎn)與正行程特性曲線的起點(diǎn)也不重合。遲滯會(huì)引起分辨力變差，或造成測(cè)量盲區(qū)，故一般希望遲滯越小越好。

重復(fù)性是指?jìng)鞲衅髟谳斎氚赐环较蜃魅砍踢B續(xù)多次變動(dòng)時(shí)所得特性曲線不一致的程度。3、重復(fù)性§5傳感器中的彈性敏感元件所謂的彈性元件是指物體因外力作用而改變形狀或尺寸，而外力撤除后能完全恢復(fù)其原形的物體，在傳感器中應(yīng)用的彈性元件稱(chēng)為彈性敏感元件。定義：傳感器中的彈性敏感元件能把某些形式的非電量變換成應(yīng)變或位移量，然后由各種不同形式的傳感元件變換成電量。

作用：一、彈性元件的基本特性

1、剛度

剛度是彈性元件受外力作用下變形大小的量度

。2、靈敏度通常用剛度的倒數(shù)表示彈性元件的特性，稱(chēng)為彈性元件的靈敏度。彈性元件的靈敏度是單位力作用下彈性元件產(chǎn)生的變形的大小。靈敏度大，表明彈性元件軟，變形大。

3、彈性滯后實(shí)際的彈性元件在增加、去除負(fù)載的正、反行程中變形曲線是不重合的，此現(xiàn)象稱(chēng)為彈性滯后現(xiàn)象。滯環(huán)當(dāng)負(fù)載由一數(shù)值變化為另一數(shù)值時(shí)，彈性變形不會(huì)立即形成相對(duì)應(yīng)的變形，而是在一定的時(shí)間后逐漸完成變化的，此現(xiàn)象稱(chēng)為彈性后效彈性元件的變形始終不能迅速跟上力的改變

4、彈性后效二、彈性元件的形式

1、力（力矩）變換成應(yīng)變或位移的變換力的彈性元件

a）實(shí)心柱b）空心圓柱c）矩形柱d）e）等截面圓環(huán)f)等截面懸臂梁g）等強(qiáng)度懸梁h）扭轉(zhuǎn)軸

a）彈簧管b）波紋管c）等截面薄板d）膜盒e）薄壁圓角f）薄壁半球2、壓力變換成應(yīng)變或位移的變換壓力的彈性元件注意：（一）圖1-14e）的圓環(huán)彈性元件，主要用于1~10千牛頓范圍的各式拉、壓力傳感器中，如被測(cè)力超過(guò)5千牛頓時(shí)，為了增加剛度和減小非線性，將圓環(huán)制成變截面式，如右圖所示。（二）波紋膜片當(dāng)膜片兩側(cè)面受到不同壓力時(shí)，膜片將彎向壓力低的一面，其中心有一定的位移，即將被測(cè)壓力變?yōu)槲灰?。多用于測(cè)量較小壓力的彈性敏感元件。第二章

電阻式傳感器及應(yīng)用電阻應(yīng)變片式傳感器電位器式傳感器測(cè)溫?zé)犭娮枋絺鞲衅鞅菊聝?nèi)容其他電阻式傳感器§1§3§2§4§1

電阻應(yīng)變片式傳感器應(yīng)變式傳感器由電阻應(yīng)變片和測(cè)量電路兩部分組成

電阻應(yīng)變片：能將被測(cè)量件上的應(yīng)變變化轉(zhuǎn)換成電阻變化的傳感元件

測(cè)量線路：進(jìn)一步將該電阻阻值的變化再轉(zhuǎn)換成電壓或電流的變化，以便顯示或記錄被測(cè)的非電量的大小

一、電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)和粘貼結(jié)構(gòu)電阻應(yīng)變片由敏感柵、基片、覆蓋層和引線等部分組成

圖中L為應(yīng)變片的標(biāo)距或稱(chēng)工作基長(zhǎng)，b為應(yīng)變片的基寬，L×b為應(yīng)變片的有效使用面積。應(yīng)變片規(guī)格一般是以有效使用面積和敏感柵的電阻值來(lái)表示，如3×100mm2、120Ω。分類(lèi)金屬電阻應(yīng)變片半導(dǎo)體應(yīng)變片絲式箔式薄膜式

二、電阻應(yīng)變片的工作原理電阻應(yīng)變效應(yīng)導(dǎo)電材料的電阻和它的電阻率、幾何尺寸（長(zhǎng)度與截面積）有關(guān)，當(dāng)在外力作用下會(huì)發(fā)生機(jī)械變形，從而會(huì)引起該導(dǎo)電材料的電阻值發(fā)生變化

電阻應(yīng)變片的工作原理依據(jù)應(yīng)變效應(yīng)，而構(gòu)建出導(dǎo)體的電阻變化與變形之間的量值關(guān)系，即求取電阻應(yīng)變片的應(yīng)變靈敏度的數(shù)學(xué)表達(dá)式。

ρ——電阻絲的電阻率;l——電阻絲的長(zhǎng)度;A——電阻絲截面積.

微分軸向（縱向）應(yīng)變

εx徑向應(yīng)變?chǔ)舮“應(yīng)變效應(yīng)”表達(dá)式K0為金屬單絲靈敏度

εy與εx關(guān)系可表示為εy=-μεx，μ為電阻絲材料的泊松比。即橫向收縮與縱向伸長(zhǎng)之比。即式中的負(fù)號(hào)表示兩者變化方向相反（1+2μ）表示電阻絲幾何尺寸形變所引起的變化

表示材料的電阻率ρ隨應(yīng)變所引起的變化（稱(chēng)之“壓阻效應(yīng)”）

對(duì)半導(dǎo)體而言半導(dǎo)體材料壓阻系數(shù)

半導(dǎo)體材料的彈性模量

大量實(shí)驗(yàn)證明，在電阻絲拉伸比例極限內(nèi)，電阻的相對(duì)變化與應(yīng)變成正比，即K0為常數(shù)。通常金屬電阻絲K0取1.7~3.6

同樣通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，電阻應(yīng)變片的電阻相對(duì)變化△R/R與εx的關(guān)系在很大范圍內(nèi)呈線性的，K0三、測(cè)量轉(zhuǎn)換電路1．不平衡電橋的工作原理

在四臂電橋中，R1為工作應(yīng)變片，由于應(yīng)變而產(chǎn)生相應(yīng)的電阻變化△R1。R2、R3及R4為固定電阻。Uo為電橋輸出電壓。初始狀態(tài)下，電橋是平衡的，Uo=0，從而可得到電橋初始平衡條件為R1R4=R2R3橋臂比n=R2/R1

電壓靈敏度

Ku與電橋電源電壓成正比，同時(shí)與橋臂比n有關(guān)

2、清除非線性誤差的方法

常用的方法就是采用差動(dòng)電橋

1）半差動(dòng)電橋

設(shè)初始時(shí)R1=R2=R3=R4，△R1=△R2則這時(shí)輸出電壓Uo與△R1/R1成嚴(yán)格的線性關(guān)系，沒(méi)有非線性誤差，而且電橋靈敏度比單臂提高一倍，還具有溫度誤差補(bǔ)償作用

2）全差動(dòng)電橋

4倍例2-1利用全橋電路測(cè)量橋梁的上下表面應(yīng)變。R1、R3與R2、R4感受到的應(yīng)變絕對(duì)值相等、符號(hào)相反

△R1t=△R2t=△R3t=△R4t

因而應(yīng)變片R1~R4產(chǎn)生的電阻增量合并為4倍的△Rε，△Rt則相互抵消

四、應(yīng)用

1、應(yīng)變式力傳感器

作用：作為各種電子秤與材料試驗(yàn)機(jī)的測(cè)力元件，也可用于發(fā)動(dòng)機(jī)的推力測(cè)試，或水壩壩體承載狀況的監(jiān)視。a）圓柱面展開(kāi)圖

b）橋路連接圖

R1、R3串接，R2、R4串接并置于相對(duì)臂，減小彎矩影響。橫向貼片作溫度補(bǔ)償。2、應(yīng)變式壓力傳感器作用：主要用液體、氣體動(dòng)態(tài)和靜態(tài)壓力的測(cè)量，如內(nèi)燃機(jī)管道和動(dòng)力設(shè)備管道的進(jìn)氣口、出氣口氣體和液體壓力的測(cè)量3、應(yīng)變式加速度傳感器傳感器由質(zhì)量塊（4）、應(yīng)變片（1）、彈性懸臂梁（3）和基座（2）組成

當(dāng)振動(dòng)頻率小于傳感器的固有振動(dòng)頻率時(shí)，懸臂梁的應(yīng)變量與加速度成正比。4、電阻應(yīng)變儀的基本組成和應(yīng)用舉例1）電阻應(yīng)變儀的基本組成為了精確復(fù)現(xiàn)試件應(yīng)變波形，要將電橋輸出信號(hào)進(jìn)行放大和處理。這些電子部件組成一臺(tái)應(yīng)變測(cè)量?jī)x器，稱(chēng)為電阻應(yīng)變儀。

2）電阻應(yīng)變儀的應(yīng)用實(shí)例§2

電位器式傳感器

定義：將機(jī)械位移（線位移或角位移）轉(zhuǎn)換為與其成一定函數(shù)關(guān)系的電阻或電壓的機(jī)電傳感元件?！?

測(cè)溫?zé)犭娮枋絺鞲衅?/p>

熱電阻按性質(zhì)不同，可分為金屬熱電阻和半導(dǎo)體熱電阻兩類(lèi)，而后者又稱(chēng)熱敏電阻，它的靈敏度比前者高十倍以上。一、熱電阻的工作原理熱電阻效應(yīng)物質(zhì)的電阻率隨溫度變化而變化的物理現(xiàn)象。

當(dāng)溫度升高時(shí)，雖然自由電子數(shù)目基本不變（當(dāng)溫度變化范圍不是很大時(shí)），但每個(gè)自由電子的動(dòng)能將增加，因而在一定的電場(chǎng)作用下，要使這些雜亂無(wú)章的電子作定向運(yùn)動(dòng)就會(huì)遇到更大的阻力，導(dǎo)致金屬電阻值隨溫度的升高而增加。熱電阻的測(cè)量電路通常采用不平衡電橋來(lái)轉(zhuǎn)換，熱電阻在工業(yè)測(cè)量橋路中的接法常采用兩線制和三線制兩種。熱電阻兩線測(cè)量橋路1—電阻體2—引出線3—顯示表為了消除和減小引線電阻的影響，采用三線制連接法二、熱電阻材料及結(jié)構(gòu)

1．熱電阻材料

由電阻體（溫度測(cè)量敏感元件——感溫元件）、引出線、絕緣套管和接線盒等部件組成，其中，電阻體是熱電阻的主要部件。較為廣泛應(yīng)用的熱電阻材料有：鉑、銅、鎳、鐵、和銠鐵合金等，而常用的是鉑、銅。2．熱電阻的結(jié)構(gòu)玻璃骨架鉑熱電阻感溫元件

云母骨架鉑熱電阻銅熱電阻感溫元件

鉑熱電阻

（1200℃以下）當(dāng)-200℃≤t≤0℃時(shí)Rt=R0[1+At+Bt2+C(t-100)t3]當(dāng)0℃≤t≤850℃時(shí)Rt=R0(1+At+Bt2)

Rt——溫度為t℃時(shí)鉑熱電阻的阻值；R0——溫度為0℃時(shí)鉑熱電阻的阻值；A、B、C——溫度系數(shù)，它們的數(shù)值分別為A=3.90802×10-3（1/℃），B=-5.802×10-7（1/℃2），C=-4.27350×10-12（1/℃4）。銅熱電阻(-50℃~150℃)在上述使用溫度范圍內(nèi)，阻值與溫度的關(guān)系幾乎成線性關(guān)系，即可近似表示為

Rt=R0(1+αt)

式中α——電阻溫度系數(shù),α=(4.25~~4.28)/℃熱電阻應(yīng)用如果將溫度為tn的熱電阻放入溫度為tc介質(zhì)內(nèi)，設(shè)熱電阻與介質(zhì)相接觸的表面面積為A，則熱電阻耗散的熱量Q可表示為Q=KA(tn-tc)

K——熱傳導(dǎo)系數(shù)或稱(chēng)傳熱系數(shù)K與介質(zhì)的密度、粘度、平均流速等參數(shù)有關(guān)。當(dāng)其它參數(shù)為定值時(shí)，K僅與介質(zhì)的平均流速成正比。Rt1放在被測(cè)介質(zhì)的流通管道的中心，它所耗散的熱量與被測(cè)介質(zhì)的平均流速成正比。Rt2放在溫度與被測(cè)介質(zhì)相同、但不受介質(zhì)流速影響的連通室中

§4其它電阻式傳感器

一、熱敏電阻式傳感器因?yàn)檩d流子數(shù)目的增加隨溫度按指數(shù)規(guī)律上升，半導(dǎo)體的電阻率也就隨溫度按指數(shù)規(guī)律下降。熱敏電阻的應(yīng)用1．熱敏電阻測(cè)溫將絕緣的熱敏電阻放入32℃（表頭的零位）的溫水中，待熱量平衡后，調(diào)節(jié)RP1，使指針在32℃上，再加熱水，用更高一級(jí)的溫度計(jì)監(jiān)測(cè)水溫，使其上升到45℃。待熱量平衡后，調(diào)節(jié)RP2，使指針指在45℃上。再加入冷水，逐漸降溫，檢查32℃~45℃范圍內(nèi)刻度的準(zhǔn)確性。二、濕敏電阻式傳感器主要由感濕層（濕敏層3）、電極(4)和具有一定機(jī)械強(qiáng)度的絕緣基片(2)組成

濕敏電阻式傳感器的應(yīng)用為了減小測(cè)量誤差，要求傳感器每次在測(cè)量濕度之前要去污。因此，在濕敏元件四周繞上加熱電阻絲，使其表面加熱到450℃的高溫?zé)粑酃?。三、氣敏電阻式傳感?/p>

主要用于工業(yè)上天然氣、煤氣、石油化工等部門(mén)的易燃、易爆、有毒、有害氣體的監(jiān)測(cè)、預(yù)報(bào)和自動(dòng)控制

金屬氧化物在常溫下是絕緣體，制成半導(dǎo)體后卻顯示氣敏特性

N型半導(dǎo)體，如SnO2、Fe2O3等；P型半導(dǎo)體，如CoO、PbO等。

圖中1、2為加熱電極

3、4是氣敏電阻一對(duì)電極。氣敏電阻式傳感器的應(yīng)用1．還原性氣體傳感器所謂還原性氣體就是在化學(xué)反應(yīng)中能發(fā)出電子，化學(xué)價(jià)升高的氣體，多數(shù)屬于可燃性氣體。如石油蒸氣、酒精蒸氣、煤氣等。1—

引腳2—塑料底座3—燒結(jié)體4—不銹鋼網(wǎng)罩5—加熱電極6—工作電極7—加熱回路電源8—測(cè)量回路電源2．二氧化鈦氣敏傳感器半導(dǎo)體材料二氧化鈦（TiO2）屬于N型半導(dǎo)體，對(duì)氧氣十分敏感。其阻值取決于周?chē)h(huán)境的氧氣濃度。TiO2氣敏電阻必須在上百度的高溫下才能工作。所以還必須在TiO2氣敏電阻外面套一個(gè)加熱電阻絲（圖中未畫(huà)出），進(jìn)行預(yù)熱以激活TiO2氣敏電阻。3．氣體報(bào)警器設(shè)計(jì)報(bào)警時(shí)應(yīng)十分注意選擇開(kāi)始報(bào)警濃度。丙烷、丁烷氣體報(bào)警器，安放于氣體源附近地板上方20cm以?xún)?nèi)；甲烷和一氧化碳報(bào)警器，安放于氣體源上方靠近天棚處。這樣就可以隨時(shí)檢測(cè)氣體是否漏氣

第三章電感式傳感器及應(yīng)用自感式傳感器

差動(dòng)變壓器式傳感器電渦流式傳感器本章內(nèi)容§1§3§2§1自感式傳感器

自感式傳感器是自感量隨氣隙而改變的原理制成的，用來(lái)測(cè)量位移它主要由線圈、鐵心、銜鐵及測(cè)桿（或轉(zhuǎn)軸）等組成

變隙式

變截面式

螺線管式

一、工作原理如圖所示自感式傳感器的原理圖。它是由線圈、鐵芯和銜鐵三部分組成。自感的值為：由磁路的歐姆定律可得磁通Φ為：因?yàn)橐话銓?dǎo)磁體的磁阻遠(yuǎn)小于空氣隙的磁阻，計(jì)算時(shí)可忽略不計(jì)，則：聯(lián)立以上三式可得：當(dāng)鐵心的結(jié)構(gòu)與材料確定后，上式分母的第一項(xiàng)為常數(shù)，此時(shí)自感L是氣隙厚度δ和氣隙有效截面積A的函數(shù)，即L=f(δ,A)

(a)保持A不變，則L為δ的單值函數(shù)，可構(gòu)成變氣隙型傳感器(b)保持δ不變，使A隨位移而變化，則可形成變截面型傳感器(c)線圈中放入圓柱形銜鐵，也是一個(gè)可變自感。使銜鐵作上、下位移，自感量將相應(yīng)變化，這就構(gòu)成螺線管式電感傳感器1、變隙式電感傳感器只要測(cè)出自感量的變化，就能確定銜鐵（即被測(cè)體）位移量的大小和方向。這就是閉磁路變隙式電感傳感器的工作原理

鐵心和銜鐵的磁阻

氣隙的磁阻

忽略掉鐵心和銜鐵的磁阻

因?yàn)檩斎胼敵龀史蔷€性關(guān)系為了保證一定的線性度，變隙式電感傳感器僅能工作在很小一段的區(qū)域，因而只能用于微小位移的測(cè)量。在線圈匝數(shù)N確定后，如保持氣隙有效截面積A為常數(shù)，則L=f(δ),它的特性曲線如圖2、變截面式電感傳感器同樣N確定后，若保持氣隙厚度δ為常值δ0，則L=f(A)，它的特性曲線如圖所示

由于有漏感等原因，它的特性并非是線性的，而且它的線性區(qū)較小，靈敏度較低

對(duì)于長(zhǎng)螺線管（L>>r），當(dāng)銜鐵工作在螺線管的中部時(shí)，可認(rèn)為線圈內(nèi)磁場(chǎng)強(qiáng)度是均勻的。此時(shí)線圈電感量l與銜鐵插入深度l1大至上成正比。螺線管式電感傳感器的工作原理是以線圈磁力線泄漏路徑上的磁阻變化為基礎(chǔ)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，銜鐵隨被測(cè)體移動(dòng)時(shí)，導(dǎo)致線圈電感量變化，即電感量與銜鐵插入深度l1有關(guān)

3、螺線管式電感傳感器4、差動(dòng)電感傳感器在實(shí)際工作中常采用差動(dòng)式，這樣既可以提高傳感器的靈敏度，又可以減小測(cè)量誤差。假設(shè)當(dāng)銜鐵往上移動(dòng)Δδ時(shí)，則兩個(gè)線圈的總的電感變化量為：靈敏度為二、電感式傳感器的轉(zhuǎn)換電路1．調(diào)幅電路所示為變壓器電橋電路。相鄰兩工作臂Z1、Z2是差動(dòng)電感傳感器的兩個(gè)線圈阻抗。另兩臂為變壓器的次級(jí)繞組：當(dāng)銜鐵處于中間位置時(shí),由于線圈完全對(duì)稱(chēng),因此L1=L2=L0，Z1=Z2=Z0,電橋橋路平衡,輸出電壓U0=0

當(dāng)銜鐵上下移時(shí),自感式電感傳感器輸出電壓為

因?yàn)殡姼芯€圈的品質(zhì)因數(shù)很高

零點(diǎn)殘余電壓零點(diǎn)殘余電壓的存在會(huì)造成測(cè)量系統(tǒng)在最關(guān)鍵的零點(diǎn)附近存在一小段不靈敏區(qū)，它一方面限制系統(tǒng)的分辨率，另一方面也造成輸電壓U0與位移間的非線性。為了判別銜鐵的移動(dòng)方向，必須判別信號(hào)的相位，必須在后續(xù)電路中配置相敏檢波電路來(lái)解決。如圖所示為帶相敏整流的交流電橋電路。帶相敏整流的交流電橋電路1）當(dāng)銜鐵上移，不論輸入電壓時(shí)正半周還是負(fù)半周，電壓表總是正向偏轉(zhuǎn)，即輸出電壓為正。2）當(dāng)銜鐵下移時(shí)，同理可以分析得到，電壓表總是反正偏轉(zhuǎn)，輸出電壓總是為負(fù)。采用帶相敏整流的電橋電路，輸出信號(hào)能反映位移的大小和方向。電橋電路整流器輸出特性曲線不同檢波方式的輸出特性曲線a）非相敏檢波b）相敏檢波1－理想特性曲線2－實(shí)際特性曲線當(dāng)L有微小變化ΔL時(shí)，頻率變化Δf為：G表示振蕩回路，其振蕩頻率，當(dāng)L變化時(shí)，振蕩頻率隨之變化，根據(jù)f的大小即可測(cè)出被測(cè)量的值2．調(diào)頻電路三、應(yīng)用測(cè)微儀采用變壓器式交流電橋?yàn)闇y(cè)量電路時(shí)，將圖中的A、G、H分別與圖b）中的A、O、C相連

電動(dòng)測(cè)微儀的電感式傳感器

§2差動(dòng)變壓器式傳感器

一、工作原理它主要由線圈組合、活動(dòng)銜鐵和導(dǎo)磁外殼等組成。線圈包括一、二次線圈和骨架等部分

1）當(dāng)活動(dòng)銜鐵向二次繞組N21方向（向上）移動(dòng)時(shí)

2）當(dāng)活動(dòng)銜鐵向二次繞組N22方向向下移動(dòng)時(shí)理想的螺線管式差動(dòng)變壓器的原理圖

二、測(cè)量電路反串聯(lián)電路直接把兩個(gè)二次線圈反向串接

橋路

R1、R2是橋臂電阻，RW是供調(diào)零用的電位器差動(dòng)整流電路差動(dòng)變壓器轉(zhuǎn)換電路是把差動(dòng)變壓器的兩個(gè)次級(jí)線圈的電壓分別整流，然后將它們的差值作為輸出。三、應(yīng)用1．測(cè)量振動(dòng)的應(yīng)用

由懸臂梁1和差動(dòng)變壓器2構(gòu)成

測(cè)量時(shí)，將懸臂梁底座及差動(dòng)變壓器的線圈骨架固定，而將銜鐵的A端與被測(cè)振動(dòng)體相連。當(dāng)被測(cè)體帶動(dòng)銜鐵以Δx（t）振動(dòng)時(shí)，導(dǎo)致差動(dòng)變壓器的輸出電壓變化。當(dāng)被測(cè)壓力P1輸入到膜盒中，膜盒2的自由端面便產(chǎn)生一個(gè)與P1成正比的位移因此，差動(dòng)壓力變壓器有正比于被測(cè)壓力的電壓輸出2．壓力測(cè)量測(cè)量各種生產(chǎn)流程中液體、水蒸汽及氣體壓力等§3電渦流式傳感器一、電渦流式傳感器的基本結(jié)構(gòu)

單獨(dú)繞成一只無(wú)框架的扁平圓形線圈，用膠水將此線圈粘接于框架的頂部。在框架的接近端面處開(kāi)一條細(xì)槽，用導(dǎo)線在槽中繞成一只線圈。

二、電渦流式傳感器的工作原理若能保持其中大部分參數(shù)恒定不變，只改變其中一個(gè)參數(shù)，這樣能形成傳感器的線圈阻抗Z與此參數(shù)的單值函數(shù)。再通過(guò)傳感器的配用電路測(cè)出阻抗Z的變化量，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)該參數(shù)的非電量測(cè)量

當(dāng)距離x減小時(shí)，互感量M增大，由式（3-27）可知，等效電L減小，等效電阻R增大。從理論和實(shí)測(cè)中都證明，此時(shí)流過(guò)線圈的電流i1是增大的線圈與金屬導(dǎo)體之間可以定義一個(gè)互感系數(shù)M，它將隨著間距x的減小而增大若把導(dǎo)體形象地看作一個(gè)短路線圈三、轉(zhuǎn)換電路利用Z的轉(zhuǎn)換電路一般用橋路，它屬于調(diào)幅電路。利用L的轉(zhuǎn)換電路一般用諧振電路1．橋路Z1和Z2它們與電容C1、C2，電阻R1、R2組成電橋的四個(gè)臂。電源由振蕩器供給，振蕩頻率根據(jù)渦流式傳感器的需要選擇。電橋的輸出將反應(yīng)線圈阻抗的變化，把線圈阻抗變化轉(zhuǎn)換成電壓幅值的變化2．諧振幅值電路

在沒(méi)有金屬導(dǎo)體的情況下，使電路的LC諧振回路的諧振頻率等于激勵(lì)振蕩器的振蕩頻率（如1MHZ），這時(shí)LC回路呈現(xiàn)阻抗最大，輸出電壓的幅值也是最大。。3．調(diào)頻電路

當(dāng)電渦流線圈與被測(cè)體的距離x改變時(shí)，電渦流線圈的電感量L也隨之改變，引起LC振蕩器輸出頻率改變。

四、應(yīng)用

1．厚度的測(cè)量差動(dòng)法測(cè)量厚度h=H-(x1+x2)2．轉(zhuǎn)速測(cè)量當(dāng)旋轉(zhuǎn)體轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，渦流傳感器將輸出周期信號(hào)，經(jīng)放大、整形后，可用頻率計(jì)指示出頻率值f，該值與轉(zhuǎn)速有關(guān)，從而可得轉(zhuǎn)速n=60f/z

式中z——旋轉(zhuǎn)體的齒數(shù)3．溫度測(cè)量

導(dǎo)體的電阻率與溫度的關(guān)系是較復(fù)雜的，然而在小的溫度范圍內(nèi)可以用下式表示：

若能測(cè)量出導(dǎo)體電阻率的變化，就可以求得導(dǎo)體的溫度變化。

這種方法主要適用于磁性材料的溫度測(cè)量。添加溫度敏感元件4．生產(chǎn)工件加工定位5.電渦流式通道安全檢查門(mén)安檢門(mén)的內(nèi)部設(shè)置有發(fā)射線圈和接收線圈，當(dāng)有金屬物體通過(guò)時(shí)，交變磁場(chǎng)就會(huì)在該金屬導(dǎo)體表面產(chǎn)生電渦流，會(huì)在接收線圈中感應(yīng)出電壓，計(jì)算機(jī)根據(jù)感應(yīng)電壓的大小、相位來(lái)判定金屬物體的大小。第四章電容式傳感器及應(yīng)用電容傳感器的工作原理及結(jié)構(gòu)形式

電容式傳感器的測(cè)量轉(zhuǎn)換電路電容式傳感器的應(yīng)用本章內(nèi)容§1§3§2§1電容傳感器的工作原理及結(jié)構(gòu)形式ε—兩極板間介質(zhì)的介電常數(shù)，ε=ε0εr（εr為極板間介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)）；ε0為真空中的介電常數(shù)ε0＝8.854×10-12F/m）；由物理學(xué)可知，由兩平行板組成的平行板電容器，如果不考慮邊緣效應(yīng)，其電容量為：一、變面積（A）式電容傳感器

圖a是平板形直線位移式結(jié)構(gòu)，其中極板1可以左右移動(dòng)，稱(chēng)為動(dòng)極板。極板2固定不動(dòng)，稱(chēng)為定極板。圖b是一個(gè)角位移式的結(jié)構(gòu)。極板1的軸由被測(cè)物體帶動(dòng)而旋轉(zhuǎn)一個(gè)

度角位移時(shí)，兩極板的遮蓋面積A就減小，因而電容量也隨之減小。圖c是同心圓筒形變面積式傳感器。外圓筒不動(dòng)，內(nèi)圓筒在外圓筒內(nèi)作上、下直線運(yùn)動(dòng)?？梢?jiàn)，增加極板長(zhǎng)度b，減小兩板間距d都可以提高傳感器的靈敏度。但d太小時(shí)，容易引起短路。C0——初始電容值此傳感器的靈敏度K可用下式求得對(duì)于圖a平板形位移電容傳感器，當(dāng)動(dòng)極板移動(dòng)x后：二、變極距（d）式電容傳感器C與d的關(guān)系為一雙曲線。電容量Cx與x不是線形關(guān)系，其靈敏度也不是常數(shù)

當(dāng)x<<d0

時(shí)

此時(shí)Cx與x近似線形關(guān)系，但量程縮小很多

當(dāng)d0較小時(shí)，該種類(lèi)型的傳感器靈敏度較高，微小的位移即可產(chǎn)生較大的電容變化量。三、變介電常數(shù)（ε）式電容傳感器總電容C為：輸出電容C與液面高度h1成線形關(guān)系。其靈敏度為四、差動(dòng)電容傳感器變極距式差動(dòng)電容器

旋轉(zhuǎn)形差電容器

圓柱形差動(dòng)電容器

當(dāng)動(dòng)極板向上移動(dòng)x距離后，一邊的間隙變?yōu)閐-x，而另一邊則為d+x。電容C1和C2成差動(dòng)變化，即其中一個(gè)電容量增加，而另一個(gè)電容量則相應(yīng)減小。將C1、C2差接后，能使靈敏度提高一倍。

§2電容式傳感器的測(cè)量轉(zhuǎn)換電路

電容式傳感器把被測(cè)物理量轉(zhuǎn)換為電容變化后,將電容量轉(zhuǎn)換成電量的電路稱(chēng)作電容式傳感器的轉(zhuǎn)換電路。一、電橋電路單臂接法的橋式測(cè)量電路電容C1、C2、C3、Cx構(gòu)成電橋的四臂，CX為電容傳感器,當(dāng)Cx改變時(shí)，U0≠0，有輸出電壓。

在實(shí)際應(yīng)用中，接有電容傳感器的交流電橋輸出阻抗很高（一般達(dá)幾兆歐至幾十兆歐），輸出電壓幅值又小，所以必須后接高輸入阻抗放大器將信號(hào)放大后才能測(cè)量。

二、調(diào)頻電路將電容傳感器接入高頻振蕩器的LC諧振回路中，作為回路的一部分。當(dāng)被測(cè)量變化使傳感器電容改變時(shí)，振蕩器的振蕩頻率隨之改變，即振蕩器頻率受傳感器電容所調(diào)制。調(diào)頻振蕩器的頻率：

三、運(yùn)算放大器式電路將電容傳感器接入開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)為A的運(yùn)算放大電路中，作為電路的反饋組件圖中U是交流電源電壓，C是固定電容，Cx是傳感器電容，Uo是輸出信號(hào)電壓：四、二極管T型網(wǎng)絡(luò)當(dāng)電源為正半周時(shí)，二極管VD1導(dǎo)通，于是電容C1充電。在接下來(lái)的負(fù)半周，二極管VD1截止，而電容C1經(jīng)電阻R1、負(fù)載電阻RL（電表、記錄儀等）、電阻R2和二極管VD2放電，此時(shí)流過(guò)RL的電流為i1§３

電容式傳感器的應(yīng)用1．電容式應(yīng)變計(jì)

在被測(cè)量的兩個(gè)固定點(diǎn)上，裝兩個(gè)薄而低的拱弧，方形電極固定在弧的中央，兩個(gè)拱弧的曲率略有差別當(dāng)兩固定點(diǎn)受壓時(shí)變換電容值將減?。O間距增大）2．電容測(cè)厚儀如果總電容量C作為交流電橋的一個(gè)臂，電容的變化將引起電橋的不平衡輸出，經(jīng)過(guò)放大、檢波、濾波，最后在儀表上顯示出帶材的厚度把兩塊極板用導(dǎo)線連起來(lái)就成為一個(gè)極板，而帶材則是電容器的另一極板，其總電容C＝C1+C23．電容式荷重傳感器當(dāng)鋼塊端面承受重量F時(shí)，圓孔將產(chǎn)生形變，從而使每個(gè)電容器的極板間距變小，電容量增大。電容量的增值正比于被測(cè)載荷F

4．濕度傳感器

當(dāng)環(huán)境相對(duì)濕度改變時(shí)，高分子薄膜通過(guò)網(wǎng)狀下電極吸收或放出水分，使高分子薄膜的介質(zhì)常數(shù)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致電容量變化。

5．電容式壓力傳感器

當(dāng)被測(cè)壓力或壓力差作用于膜片并使之產(chǎn)生位移時(shí)，形成的兩個(gè)電容器的電容量，一個(gè)增大，一個(gè)減小。該電容值的變化經(jīng)測(cè)量電路轉(zhuǎn)換成與壓力或壓力差相對(duì)應(yīng)的電流或電壓的變化。如圖所示是典型的差動(dòng)電容式壓力傳感器。6．電容式位移傳感器測(cè)量時(shí)，動(dòng)電極隨被測(cè)物發(fā)生軸向移動(dòng)，從而改變活動(dòng)電極與兩個(gè)固定電極之間的有效覆蓋面積，使電容發(fā)生變化，電容的變化量與位移成正比。開(kāi)槽彈簧片為傳感器的導(dǎo)向與支承，無(wú)機(jī)械摩擦，靈敏度高，但行程小，主要用于接觸式測(cè)量。第五章熱電偶傳感器及應(yīng)用熱電偶傳感器的工作原理熱電偶的種類(lèi)和結(jié)構(gòu)熱電偶的冷端補(bǔ)償和測(cè)溫電路本章內(nèi)容熱電偶的應(yīng)用及其配套儀表§1§3§2§4§1

熱電偶傳感器的工作原理一、工作原理1．熱電效應(yīng)

如圖所示，如果兩接合點(diǎn)的溫度不同(T≠T0)，則在兩者間將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，而在回路中就會(huì)有一定大小的電流，這種現(xiàn)象稱(chēng)為熱電效應(yīng)或塞貝克效應(yīng)。

導(dǎo)體A因失去電子而帶正電，導(dǎo)體B則因獲得電子而帶負(fù)電，在接觸面處形成電場(chǎng)，如圖所示。由于兩種不同導(dǎo)體的自由電子密度不同，在接觸處會(huì)發(fā)生自由電子的擴(kuò)散形成的電動(dòng)勢(shì)。2．接觸電動(dòng)勢(shì)該電場(chǎng)的存在阻礙了電子的繼續(xù)擴(kuò)散，當(dāng)電子擴(kuò)散達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，就在接觸區(qū)形成一個(gè)穩(wěn)定的電位差，即接觸電動(dòng)勢(shì)，其大小為：

T——接觸處的絕對(duì)溫度；

k——波爾茲曼常數(shù)（k=1.38×10-23J/K）

e——電子電荷（e=1.6×10-19C）接觸電動(dòng)勢(shì)的數(shù)值取決于兩種導(dǎo)體的性質(zhì)和接觸點(diǎn)的溫度，而與導(dǎo)體的形狀及尺寸無(wú)關(guān)。高溫端的自由電子具有較大的動(dòng)能而向低溫端擴(kuò)散，因而導(dǎo)致導(dǎo)體的高溫端因失去電子而帶正電，低溫端由于獲得電子而帶負(fù)電。是在同一導(dǎo)體中，由于溫度不同而產(chǎn)生的一種電動(dòng)勢(shì)。3．同一導(dǎo)體中的溫差電動(dòng)勢(shì)在T和T0的接觸電動(dòng)勢(shì)導(dǎo)體A和B兩端存在溫差電動(dòng)勢(shì)必須由兩種不同的材料才能構(gòu)成熱電偶

若T＝T0,盡管導(dǎo)體A，B的材料不同，但回路總的熱電動(dòng)勢(shì)亦為零。起主要作用的是兩個(gè)結(jié)點(diǎn)的接觸電動(dòng)勢(shì)

二、熱電偶定律1．中間導(dǎo)體定律在熱電偶回路中接入第三種材料的導(dǎo)體，只要第三種導(dǎo)體兩端的溫度相等，則對(duì)熱電偶回路總的熱電動(dòng)勢(shì)無(wú)影響。==2．中間溫度定律實(shí)際測(cè)溫時(shí)，由于熱電偶的長(zhǎng)度有限，自由端溫度將直接受到被測(cè)介質(zhì)溫度和周?chē)h(huán)境的影響,采用補(bǔ)償導(dǎo)線，可將熱電偶的自由端延伸到遠(yuǎn)離高溫區(qū)的地方，從而使自由端的溫度相對(duì)穩(wěn)定注意兩根補(bǔ)償導(dǎo)線與熱電偶兩個(gè)熱電極的接點(diǎn)必須具有相同的溫度補(bǔ)償導(dǎo)線只能與相應(yīng)型號(hào)的熱電偶配用

(表5-1)3．參考電極定律（標(biāo)準(zhǔn)電極定律）由A、B兩種熱電極配對(duì)后的熱電動(dòng)勢(shì)。

在實(shí)際應(yīng)用中，由于純鉑絲的物理化學(xué)性能穩(wěn)定、熔點(diǎn)高、易提純，所以目前常用純鉑絲作為標(biāo)準(zhǔn)電極

(C極)參考電極§2熱電偶的種類(lèi)和結(jié)構(gòu)一、熱電偶的結(jié)構(gòu)工程上實(shí)際使用的熱電偶大多是由熱電極、絕緣套管、保護(hù)套管和接線盒等部分組成。二、常用熱電偶簡(jiǎn)介鉑銠10—鉑熱電偶1300℃鎳鉻—鎳硅（鎳鉻—鎳鋁）熱電偶900℃鎳鉻—考銅熱電偶600℃鉑銠30—鉑銠6熱電偶1600℃常用的鎳鉻一鎳硅（K）熱電偶的分度表（附錄D）。(電偶的熱電動(dòng)勢(shì)與溫度的對(duì)照表)§3熱電偶的冷端補(bǔ)償和測(cè)溫電路一、熱電偶的冷端補(bǔ)償1．冷端恒溫法2．冷端溫度校正法EAB（t，0℃）＝EAB（t，t0）＋EAB（t0，0℃）

當(dāng)熱電偶的冷端溫度t0≠0℃時(shí)，測(cè)得的熱電動(dòng)勢(shì)EAB（t，t0）與冷端為0℃時(shí)測(cè)得的熱電動(dòng)勢(shì)EAB（t，0℃）不等。若冷端溫度高于0℃，則EAB（t，t0）＜EAB（t，0℃）。根據(jù)熱電偶的中間溫度定律，可得熱電勢(shì)的修正公式：3．電橋補(bǔ)償法利用不平衡電橋產(chǎn)生的不平衡電壓，來(lái)自動(dòng)補(bǔ)償熱電偶因冷端溫度變化而引起的熱電動(dòng)勢(shì)的變化值。電橋通常取在20℃時(shí)處于平衡狀態(tài)，此時(shí)橋路輸出電壓Uab=0，電橋無(wú)補(bǔ)償作用4．采用PN結(jié)溫度傳感器作冷端補(bǔ)償二、熱電偶的測(cè)溫電路a）所示為一個(gè)熱電偶和一個(gè)儀表配用的基本電路

b）圖所示為測(cè)量?jī)牲c(diǎn)溫度之和的電路c）圖所示為測(cè)量?jī)牲c(diǎn)間溫度差的電路，兩支同型號(hào)的熱電偶反向串聯(lián)1．基本測(cè)溫電路測(cè)量?jī)牲c(diǎn)間平均溫度的電路，兩支同型號(hào)的熱電偶并聯(lián)

圖中串入較大阻值的電阻R1、R2以減小熱電偶內(nèi)阻的影響

2．熱電偶的實(shí)際測(cè)溫電路在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中，熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)和溫度關(guān)系為非線形關(guān)系

因此熱電偶應(yīng)用時(shí)都要線形化。線形校正電路采用平方運(yùn)算的專(zhuān)用集成電路AD538構(gòu)成的線形化電路

§４熱電偶的應(yīng)用及配套儀表一、伺服式溫度表I，i——分別為工作電流回路和測(cè)量回路的電流；∑R——a、b間的可變電阻Rab、檢流計(jì)內(nèi)阻和熱電偶的內(nèi)阻之和二、動(dòng)圈儀表XC系列動(dòng)圈儀表測(cè)量機(jī)構(gòu)的核心器件是一個(gè)磁電式毫伏計(jì)。設(shè)表內(nèi)電阻為RIS，表外電阻為ROS熱電偶用于管道內(nèi)溫度的測(cè)量

第六章光電傳感器及應(yīng)用光電效應(yīng)及光電元件光電開(kāi)關(guān)及光電斷續(xù)器電荷耦合器本章內(nèi)容光電式傳感器的應(yīng)用§1§3§2§4熱釋電元件及紅外線人體檢測(cè)§5§1光電效應(yīng)及光電元件

一、光電效應(yīng)及分類(lèi)每一個(gè)光子具有一定的能量，光子的能量E＝hf，其中h為普朗克常數(shù)，f為光的頻率。因此，光的頻率越高，光子的能量也就越大。

光電效應(yīng)光照射在某一物體上，可以看作物體受到一連串能量為hf的光子的轟擊，被照射物體的材料吸收了光子的能量而發(fā)生相應(yīng)電效應(yīng)的物理現(xiàn)象。外光電效應(yīng)在光線作用下能使電子從物體表面逸出。內(nèi)光電效應(yīng)在光線作用下能使物體電阻率發(fā)生變化。光生伏特效應(yīng)在光線作用下，物體產(chǎn)生一定方向電動(dòng)勢(shì)。電磁波輻射波譜可見(jiàn)光頻率/Hz波長(zhǎng)/m無(wú)線電波105

紅外線

1010

紫外線1015

X射線1020宇宙射線1025

3×103m

3×10-2m

3×10-7m

3×10-12m

3×10-17m光電管由真空玻璃管、光電陰極K和光電陽(yáng)極A組成。（一）光電管、光電倍增管二、光電元件、特性及基本測(cè)量電路當(dāng)一定頻率的光照射到光電陰極上時(shí)，光電陰極吸收了光子的能量便有電子逸出而形成光電子。這些光電子被具有正電位的陽(yáng)極所吸引，因而在光電管內(nèi)便形成定向空間電子流，外電路就有了電流。如果在外電路中串入一適當(dāng)阻值的電阻，則電路中的電流便轉(zhuǎn)換為電阻上的電壓。光電陰極和陽(yáng)極之間增加了若干個(gè)光電倍增極D,且外加電位逐級(jí)升高，因而逐級(jí)產(chǎn)生二次電子發(fā)射而獲得倍增光電子，使得最終到達(dá)陽(yáng)極的光電子數(shù)目猛增。光電特性光電特性是指當(dāng)陽(yáng)極電壓一定時(shí)，光電流IΦ與光電陰極接收到的光通量Φ之間的關(guān)系光譜特性

由于不同材料的光電陰極對(duì)不同波長(zhǎng)的入射光有不同的靈敏度，因此光電管對(duì)光譜也有選擇性伏安特性當(dāng)入射光的頻譜及光通量一定時(shí)，光電流與陽(yáng)極電壓之間的關(guān)系稱(chēng)伏安特性

銫氧銀

銻化銫光電管的陽(yáng)極電壓應(yīng)選擇在UQ附近流明不少人誤認(rèn)為流明是亮度的單位，這顯然是錯(cuò)誤的。這因?yàn)榱炼仁侵肝矬w明暗的程度，定義是單位面積的發(fā)光強(qiáng)度的是nit(尼特)，1nit=1坎特拉/平方米，流明(LM)是光通量的單位，它表示單位時(shí)間輻射光能量的多少

。通過(guò)測(cè)量屏幕的平均照度乘以面積從而計(jì)算出流明數(shù)，流明數(shù)大表示光通量大，進(jìn)而表示輸出能量大，亮度高，反之亦然，這種表示方法，人們更容易理解。(二)光敏電阻原理是基于內(nèi)光電效應(yīng)。是一種沒(méi)有極性的純電阻器件。光敏電阻原理圖、結(jié)構(gòu)圖、外形圖及符號(hào)光照越強(qiáng)，阻值就越低。當(dāng)入射光消失，光生電子—空穴對(duì)逐漸復(fù)合，電阻又恢復(fù)到原來(lái)數(shù)值。光敏電阻使用時(shí)可加直流電壓，也可加交流電壓。無(wú)光照時(shí)，光敏電阻的阻值很大，電路中的電流很小，當(dāng)光敏電阻受到一定波長(zhǎng)范圍的光照時(shí)，光子能量將激發(fā)產(chǎn)生電子—空穴對(duì)，增強(qiáng)了導(dǎo)電性能，因?yàn)樽柚到档?，電路中的電流也就增加。暗電阻和暗電?/p>

置于室溫、全暗條件下測(cè)得的穩(wěn)定電阻值稱(chēng)為暗電阻，此時(shí)流過(guò)電阻的電流稱(chēng)為暗電流。這些是光敏電阻的重要特性指標(biāo)。亮電阻和亮電流

置于室溫、在一定光照條件下測(cè)得的穩(wěn)定電阻值稱(chēng)為亮電阻，此時(shí)流過(guò)電阻的電流稱(chēng)為亮電流。伏安特性光敏電阻的伏安特性為線性關(guān)系，且不同照度下，其斜率不同。同一般電阻一樣，光敏電阻也有最大功率，超過(guò)額定功率將會(huì)導(dǎo)致光敏電阻永久性的損壞。

光電特性在光敏電阻兩極間電壓固定不變時(shí)，光照度與亮電流間的關(guān)系稱(chēng)為光電特性，如圖所示。光敏電阻的光電特性呈非線性，這是光敏電阻的主要缺點(diǎn)之一。a）光照/電阻特性b）光照/電流特性光敏電阻對(duì)于不同波長(zhǎng)λ的入射光，其相對(duì)靈敏度K也是不同的。因此，在選用光敏電阻時(shí)，應(yīng)考慮光源的發(fā)光波長(zhǎng)與光敏電阻的光譜特性峰值的波長(zhǎng)相接近，這樣才能獲得高的靈敏度光譜特性光電流的變化對(duì)于光的變化，在時(shí)間上有一個(gè)滯后，盡管不同材料的光敏電阻具有不同的響應(yīng)時(shí)間，但都存在著這種時(shí)延特性。因此，光敏電阻不能用在要求快速響應(yīng)的場(chǎng)合。響應(yīng)時(shí)間溫度特性

光敏電阻和其它半導(dǎo)體器件一樣，受溫度的影響較大，隨著溫度的升高，它的暗電阻與靈敏度都下降。（三）光敏二極管、光敏三極管、光敏晶閘管1．結(jié)構(gòu)與工作原理

光敏二極管

光敏二極管結(jié)構(gòu)、電路符號(hào)與外形特征如圖所示。光敏二極管結(jié)構(gòu)與一般二極管相似，它們都有一個(gè)P-N結(jié)，并且都是單向?qū)щ姷姆蔷€性元件。光敏二極管在電路中一般處于反向偏置狀態(tài)，無(wú)光照時(shí)反向電阻很大，反向電流很小，此反向電流稱(chēng)為暗電流。當(dāng)P-N結(jié)有光照時(shí)，P-N結(jié)處產(chǎn)生光生電子-空穴對(duì)，光生電子-空穴對(duì)在反向偏壓和P-N結(jié)內(nèi)的電場(chǎng)作用下作定向運(yùn)動(dòng)，形成光電流，光電流隨入射光強(qiáng)度而變化，光照越強(qiáng)光電流越大。光敏二極管工作原理如圖所示。光電特性如圖所示是硅光敏二極管在小負(fù)載電阻下的光電特性。可見(jiàn)，光敏二極管的光電流與照度成線性關(guān)系。硅光二極管的光電特性光譜特性如圖所示硅光敏二極管的光譜響應(yīng)特性，圖中實(shí)際特性與理論值相差較大，有嚴(yán)重的非線性。對(duì)于相同材料，由于波長(zhǎng)短的光穿透深度小，使光電流減小，因此當(dāng)入射波長(zhǎng)<900nm時(shí)，響應(yīng)也逐漸下降。硅光二極管的光譜響應(yīng)特性伏安特性當(dāng)反向偏壓較低時(shí)，光電流隨電壓變化比較敏感，這是出于反向偏壓加大了耗盡層的寬度和電場(chǎng)強(qiáng)度。隨反向偏壓的加大，對(duì)載流子的收集達(dá)到極限，光生電流趨于飽和，這時(shí)光生電流與所加偏壓幾乎無(wú)關(guān)，只取決于光照強(qiáng)度。硅光二極管的反向偏壓伏安特性在保持某一入射光頻譜成分不變的條件下，光敏二極管的端電壓與光生電流之間的關(guān)系如圖所示，該圖是光敏二極管在反向偏壓下的伏安特性。溫度特性光敏二極管暗電流與溫度關(guān)系如圖6-16所示，由于反向飽和電流與溫度密切相關(guān)，因此光敏二極管的暗電流對(duì)溫度變化很敏感。光敏二極管電流-溫度特性頻率響應(yīng)光敏管的頻率響應(yīng)是指具有一定頻率的調(diào)制光照射時(shí)，光敏管輸出的光電流隨頻率的變化關(guān)系。光敏管的頻響與本身的物理結(jié)構(gòu)、工作狀態(tài)、負(fù)載以及入射光波長(zhǎng)等因素有關(guān)。光敏二極管的頻率響應(yīng)曲線如圖所示光敏二極管頻率響應(yīng)曲線，曲線說(shuō)明調(diào)制頻率高于1000Hz時(shí)，硅光敏晶體二極管靈敏度急劇下降。型號(hào)及參數(shù)2CU型光敏二極管主要用于光信號(hào)接收器件，也可作其他光電自動(dòng)控制的快速接收器件。2DU型光敏二極管主要用于可見(jiàn)光和近紅外光探測(cè)器，以及光電轉(zhuǎn)換的自動(dòng)控制儀器、觸發(fā)器、光電耦合、編碼器、特性識(shí)別、過(guò)程控制和激光接收等方面。光敏二極管一般有2DU型和2CU型兩種型號(hào)。在電路中，同普通三極管的放大狀態(tài)一樣，集電結(jié)反偏，發(fā)射結(jié)正偏。反偏的集電結(jié)受光照控制，光電轉(zhuǎn)換原理同光敏二極管，產(chǎn)生的光電流相當(dāng)于普通三管的基極電流。因而在集電極上則產(chǎn)生β倍的光電流，所以光敏三極管比光敏二極管有著更高的靈敏度。光敏三極管

此外，光敏三極管還可做成復(fù)合管型式，如圖所示，將光敏三極管與另一只普通三極管做在一個(gè)管殼里，稱(chēng)為達(dá)林頓光敏三極管。它有更高的靈敏度，即β＝β1β2，我們可以形象地用一只光敏二極管和普通三極管的組合來(lái)等效光敏三極管。如圖為NPN型光敏三極管的原理結(jié)構(gòu)、等效電路、圖形符號(hào)及兩種常用的光敏三極管的應(yīng)用電路，射極輸出電路的輸出電壓與光照的變化趨勢(shì)相同，而集電極輸出恰好相反。光敏三極管

伏安特性光敏三極管伏安特性與二極管相比，光敏三極管集電極信號(hào)電流是光電流的β倍，所以光敏晶體管具有放大作用。光敏三極管伏安特性曲線如圖所示。光譜特性光敏三極管的光譜特性如圖所示。由曲線可以看出，硅材料的光敏管峰值波長(zhǎng)在0.9μm(可見(jiàn)光)附近時(shí)靈敏度最大，鍺材料的光敏管峰值波長(zhǎng)約為1.5μm(紅外光)時(shí)靈敏度最大，當(dāng)入射光的波長(zhǎng)增加或減少時(shí)，相對(duì)靈敏度下降。光敏三極管的光譜特性溫度特性光敏晶體管的溫度特性是指暗電流、光電流與溫度的關(guān)系，溫度對(duì)光電流影響較小，對(duì)暗電流(無(wú)光照)影響較大，在電路中應(yīng)對(duì)暗電流進(jìn)行溫度補(bǔ)償。型號(hào)及參數(shù)3DU系列光敏三極管用于近紅外光探測(cè)器以及光耦合、編碼器、譯碼器、過(guò)程控制等方面。光敏晶閘管

反偏的PN在透明管殼的頂部，相當(dāng)于受光照控制的光敏二極管。當(dāng)光照射在J2產(chǎn)生的光電流相當(dāng)于普通的晶閘管的門(mén)極電流，當(dāng)光電流大于某一閾值時(shí)，光敏晶閘管觸發(fā)導(dǎo)通。

光電池的工作原理基于光生伏特效應(yīng)，光電池是可直接將光能轉(zhuǎn)換成電能的器件，是典型的有源器件。由于光電池常用于將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能因此又稱(chēng)為太陽(yáng)能電池，廣泛用于宇航等的電源；另有一類(lèi)應(yīng)用于檢測(cè)和自動(dòng)控制等設(shè)備中。它的種類(lèi)很多，有硅、砷化鎵、硒、鍺、硫化鎘等光電池。其中應(yīng)用最廣泛的是硅光電池，硅光電池性能穩(wěn)定、光譜范圍寬、頻率特性好、傳（轉(zhuǎn)換）遞效率高且價(jià)格便宜。（四）光電池1．結(jié)構(gòu)及工作原理

當(dāng)光照射在PN結(jié)上，只要光子有足夠的能量，就將在PN結(jié)附近激發(fā)產(chǎn)生電子—空穴對(duì)(光生載流子)。它們?cè)诮Y(jié)電場(chǎng)的作用下，電子被推向N區(qū)，而空穴被拉向P區(qū)。這種推拉作用的結(jié)果，使得N區(qū)積累了多余電子而形成為光電池的負(fù)極，而P區(qū)因積累了空穴而成為光電池的正極，因而兩電極之間便有了電位差。這就是光生伏特效應(yīng)。光電特性

其中曲線1是光電池負(fù)載開(kāi)路時(shí)的開(kāi)路電壓與光照度的關(guān)系曲線，顯然這是非線性關(guān)系，起始電壓上升很快，在2000lx以上便趨于飽和

曲線2是當(dāng)負(fù)載短路時(shí)的短路電流與光照度的關(guān)系曲線，可見(jiàn)為線性關(guān)系。當(dāng)然隨著負(fù)載電阻的增加，這種線性關(guān)系將變差2．基本特性光譜特性

硅光電池的響應(yīng)波長(zhǎng)約在0.45～1.1μm范圍，而硒光電池約在0.34~0.57μm范圍?？梢?jiàn)硅光電池可以在很寬的波長(zhǎng)范圍內(nèi)得到應(yīng)用光電池頻率特性是指相對(duì)輸出電流與光的調(diào)制頻率之間的關(guān)系。如圖所示，硅、硒光電他的頻率特性大不相同，硅光電池有較好的頻率響應(yīng)特性，這是它最為突出的優(yōu)點(diǎn)。頻率特性

開(kāi)路電壓隨溫度增加而下降的速度較快，而短路電流隨溫度上升而緩慢增加，由于溫度漂移而影響到測(cè)量精度時(shí)，應(yīng)考慮相應(yīng)措施給予補(bǔ)償。溫度特性

3．光電池短路電流測(cè)量電路

圖為光電池短路電流測(cè)量的實(shí)用電路，即I/V轉(zhuǎn)換電路。

運(yùn)算放大器相當(dāng)于光電池的負(fù)載，由于運(yùn)算放大器的開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)Aod→∞，所以VAB→0，即A為虛地（相當(dāng)于A點(diǎn)對(duì)地短路）。作為光電池的負(fù)載滿(mǎn)足了短路條件。所以IRf＝IΦ輸出電壓Uo為：輸出電壓Uo與光電流IΦ正比，從而達(dá)到I/U轉(zhuǎn)換的目的。

Uo＝－URf＝－IΦf

4．光電池的電路連接如圖所示光電池電路的幾種連接方法。光電池作為控制元件時(shí)通常要接非線性負(fù)載(如晶體管)，由于鍺光電池與硅光電池的特性不同，連接時(shí)需要特別注意。光電池電路連接圖§2光電開(kāi)關(guān)及光電斷續(xù)器

光電開(kāi)關(guān)和光電斷續(xù)器從原理上講是一樣的，都是由紅外線發(fā)射元件與光敏接收元件組成一、光電開(kāi)關(guān)直射型當(dāng)有物體在兩者中間通過(guò)時(shí)，紅外光束被遮斷，接收器因接收不到紅外線而產(chǎn)生一個(gè)電脈沖信號(hào)。這種光電開(kāi)關(guān)檢測(cè)距離最大可達(dá)十幾米

反射鏡反射型單側(cè)安裝，但反射鏡型安裝時(shí)應(yīng)根據(jù)被測(cè)物體的距離調(diào)整反射鏡的角度以取得最佳的反射效果，它的檢測(cè)距一般為幾米

散射型只要不是全黑的物體均能產(chǎn)生漫反射,散射型的檢測(cè)距離更小，只有幾百毫米。二、光電斷續(xù)器光電斷續(xù)器的工作原理與光電開(kāi)關(guān)相同，結(jié)構(gòu)上將光電發(fā)射器、光電接收器做在體積很小的同一塑料殼體中。如圖所示。也可分為直射型和反射型兩種，直射型（也稱(chēng)槽式）槽寬、槽深及光敏元件已有系列化產(chǎn)品，可供選擇。反射型的檢測(cè)距離較小，多用于安裝空間較小的場(chǎng)合?！?

電荷耦合器件（CCD）

CCD就是利用光敏單元（即象素）的光電轉(zhuǎn)換功能將投射到光敏單元上的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)記錄并存儲(chǔ)下來(lái)，然后再將信息傳遞出去的。一、CCD工作原理（一）感光原理CCD的基本結(jié)構(gòu)是MOS(即金屬－氧化物－半導(dǎo)體）電容當(dāng)金屬電極上施加正電壓時(shí)，其電場(chǎng)透過(guò)SiO2，于是空穴被排斥到遠(yuǎn)離電極處，而電子則被吸引到SiO2層的表面上來(lái)。這種現(xiàn)象便形成對(duì)電子而言的陷阱，電子一旦進(jìn)入就不能復(fù)出，故又稱(chēng)電子勢(shì)阱，當(dāng)然，這勢(shì)阱深度與施加電壓大小有關(guān)。當(dāng)器件受到光照時(shí),光生電子被吸引存貯在勢(shì)阱中，光越強(qiáng)，勢(shì)阱中收集到的電子越多，光弱則反之。這樣就把光的強(qiáng)弱變成電荷的多少,實(shí)現(xiàn)了光和電的轉(zhuǎn)換.（二）電荷傳輸原理1—金屬電極2—遮光層3—P型硅4—二氧化硅

(a)當(dāng)t＝t1時(shí)，即φ1＝U，φ2＝0，φ3＝0，此時(shí)只有φ1極下形成勢(shì)阱，如果有光照，這些勢(shì)阱里就會(huì)收集到光生電荷，電荷的數(shù)量與光照成正比。

(b)當(dāng)t＝t2時(shí)，即φ1＝0.5U，φ2＝U，φ3＝0，此時(shí)φ1極下的勢(shì)阱變淺，φ2極下的勢(shì)阱最深，φ3極下沒(méi)有勢(shì)阱。原選在φ1極下的電荷就逐漸向φ2極下轉(zhuǎn)移。(c)到t＝t3時(shí)，φ1極下的電荷向φ2極下轉(zhuǎn)移完畢。(d)在t＝t4時(shí)，φ2極下的電荷向φ3極下轉(zhuǎn)移，如此下去，勢(shì)阱中的電荷沿著φ1→φ2→φ3→φ1方向轉(zhuǎn)移。在它的末端就能依次接收到原先存貯在各個(gè)φ極下的光生電荷§4光電式傳感器的應(yīng)用一、模擬式光電傳感器1．光電比色溫度計(jì)

=分光鏡的功能是使紅外光通過(guò)，可見(jiàn)光反射。濾光片10它只讓紅外光中的某一特定波長(zhǎng)λ1的光線通過(guò)，最后被硅光電池11所接收，轉(zhuǎn)換為與發(fā)光強(qiáng)度Iλ1成正比的光電流I1。濾光片12的作用是只讓可見(jiàn)光中的某一特定波長(zhǎng)λ2的光線通過(guò)，最后被硅光電池13所接收。轉(zhuǎn)換為與光強(qiáng)Iλ2成正比的光電流I2

2．光電式濁度計(jì)一路光線穿過(guò)標(biāo)準(zhǔn)水樣8到達(dá)光電三極管7上，產(chǎn)生作為標(biāo)準(zhǔn)水樣的電信號(hào)U2，另一路光線穿過(guò)被測(cè)水樣品5，到達(dá)光電三極管6上，通過(guò)光電三極管轉(zhuǎn)換成與濁度成正比的電信號(hào)U1。再經(jīng)運(yùn)算器計(jì)算出U1、U2的比值，并進(jìn)一步算出被測(cè)水的濁度。3．測(cè)量工件尺寸和位移光通過(guò)工件成像于CCD上，CCD輸出的信號(hào)經(jīng)過(guò)處理后得到一系列的脈沖數(shù)，根據(jù)脈沖數(shù)即可獲得該工件直徑的數(shù)值。CCD輸出的視頻信號(hào)則如圖(b）所示。此信號(hào)經(jīng)過(guò)整形后，其波形將如圖(c）所示，與CP（圖d中）相“與”后得到的結(jié)果表示在圖(e）此脈沖數(shù)就與被測(cè)體的直徑有關(guān)，如果測(cè)量前已將儀表校正好，那么就可以用此脈沖數(shù)來(lái)得知所測(cè)的直徑數(shù)值。光敏三極管（8）接在測(cè)量電橋的一個(gè)橋臂上

當(dāng)帶材處于平行光束的中間位置時(shí)，電橋處于平衡狀態(tài)，輸出信號(hào)為“0”，如果帶鋼向左偏移或向右偏移時(shí)，輸出電流信號(hào)為＋ΔI和－ΔI。這個(gè)電流變化信號(hào)由放大器放大后成為控制電流，用來(lái)調(diào)節(jié)帶材的走偏量。它由光電式邊緣位置傳感器和測(cè)量電橋、放大器等組成。4.光電式帶材跑偏儀

二、脈沖式光電傳感器1．光電式測(cè)速計(jì)

將一個(gè)帶有遮蓋擋板的光電池接入圖示的電路中，當(dāng)物體以速度υ移過(guò)光電池表面時(shí)，遮擋射向光電池的光線，光電池便有階躍電壓輸出，經(jīng)微分后形成兩個(gè)脈沖輸出，兩脈沖之間的相隔時(shí)間即為物體移過(guò)ι距離的時(shí)間Δt。V=L/Δt反射式當(dāng)間隔數(shù)一定時(shí)，電脈沖數(shù)便與轉(zhuǎn)速成正比，電脈沖送至數(shù)字測(cè)量電路，即成計(jì)數(shù)和顯示。直射式在孔數(shù)一定時(shí)，脈沖數(shù)就和轉(zhuǎn)速成正比。電脈沖輸入測(cè)量電路后被放大和整形，送入頻率計(jì)顯示

2．光電式轉(zhuǎn)速計(jì)

光電式轉(zhuǎn)速計(jì)將轉(zhuǎn)速的變化變換成光通量的變化，再經(jīng)過(guò)光電元件轉(zhuǎn)換成電量的變化。

§5熱釋電元件及紅外人體檢

一、熱釋電效應(yīng)及傳感器結(jié)構(gòu)當(dāng)其表面溫度發(fā)生變化，也將引起表面電荷的變化，這種現(xiàn)象就是熱釋電效應(yīng)熱釋電幅射傳感器由濾光片、熱釋電元件、高輸入阻抗放大器等組成濾光片的波段范圍應(yīng)選擇與被測(cè)物體的紅外幅射波長(zhǎng)一致，例如，作為人體紅外探測(cè)，濾光片應(yīng)選取7.5～14μm波段，因?yàn)槿梭w溫度為360C時(shí)，輻射的紅外線在9.4μm處最強(qiáng)在熱釋電傳感器前面安裝一片遮光葉片，由慢速電機(jī)帶動(dòng)即可。傳感器輸出電壓平均值將與紅外線的幅射強(qiáng)度成正比。由此而得到被測(cè)物體的溫度二、用于人體探測(cè)的熱釋電傳感器所謂菲涅爾透鏡是由一組三單元平行的棱柱型透鏡組成如圖a)就將人體恒定的紅外幅射變成交變輻射。

兩片熱釋電元件是平行放置共用一塊透鏡這就使得兩個(gè)元件的表面溫度變化不一致，從而區(qū)別于太陽(yáng)光和其他光線以連續(xù)光的形式作用于熱釋電元件，也正因?yàn)檫@個(gè)道理，你如果靜止不動(dòng)地站在自動(dòng)門(mén)前，它是不會(huì)給你開(kāi)門(mén)的第七章霍爾傳感器及應(yīng)用霍爾元件的結(jié)構(gòu)及工作原理霍爾元件的特性參數(shù)及誤差霍爾集成電路本章內(nèi)容霍爾傳感器的應(yīng)用§1§3§2§4§1霍爾元件的結(jié)構(gòu)及工作原理金屬或半導(dǎo)體薄片置于磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場(chǎng)（磁場(chǎng)方向垂直于薄片）中，如圖7-1所示。當(dāng)有電流I流過(guò)時(shí)，在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向上將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)UH，這種物理現(xiàn)象稱(chēng)為霍爾效應(yīng)。當(dāng)|FL|＝|FE|時(shí),電子的積累達(dá)到平衡。這時(shí)在半導(dǎo)體薄片的前后端面之間建立的電勢(shì)就是霍爾電動(dòng)勢(shì)UH，其大小可用下式表示:由于外磁場(chǎng)B的存在，將使電子受到洛侖茲力FL

后端面帶負(fù)電，前端面帶正電

一、霍爾效應(yīng)的工作原理

霍爾電動(dòng)勢(shì)的大小正比于輸入電流I和磁感應(yīng)強(qiáng)度B

。KH與組件材料的性質(zhì)和幾何尺寸有關(guān),在實(shí)際應(yīng)用中，一般都采用N型半導(dǎo)體材料做霍爾元件。

當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度B和霍爾元件平面法線成一角度θ時(shí)，作用在霍爾元件上的有效磁場(chǎng)是其法線方向的分量（即Bcosθ）。RH——霍爾常數(shù)（m3/C）

I——控制電流（A）B——磁感應(yīng)強(qiáng)度（B)d—霍爾元件的厚度（m）二、霍爾元件的結(jié)構(gòu)

在長(zhǎng)邊的兩個(gè)端面上焊有兩根控制電流端引線（見(jiàn)圖中1，1′），在元件短邊的中間以點(diǎn)的形式焊有兩根霍爾電壓輸出端引線（見(jiàn)圖中2，2′）。要求焊接處接觸電阻很小，并呈純電阻，即歐姆接觸（無(wú)PN結(jié)）。一、霍爾元件的主要特性參數(shù)

１.輸入電阻Ｒi：霍爾元件兩控制電流端之間的等效電阻。２.輸出電阻Ｒo：兩個(gè)霍爾電動(dòng)勢(shì)輸出端之間的等效電阻。３.靈敏度ＫＨ：指元件在單位磁感應(yīng)強(qiáng)度和單位控制電流下所產(chǎn)生的霍爾電動(dòng)勢(shì)。４.不等位電動(dòng)勢(shì)Ｕo：在額定控制電流作用下，無(wú)外加磁場(chǎng)時(shí)，兩霍爾輸出端之間的開(kāi)路電壓。５.不等位電阻ro：不等位電動(dòng)勢(shì)與額定控制電流之比?！?

霍爾元件的特性參數(shù)及其誤差二、霍爾元件的誤差１）零位誤差不等位電動(dòng)勢(shì)寄生直流電動(dòng)勢(shì)感應(yīng)零電動(dòng)勢(shì)自激場(chǎng)零電動(dòng)勢(shì)２）溫度誤差注意：不等位電動(dòng)勢(shì)是霍爾零位誤差中最主要的一種?！?霍爾集成電路一、霍爾元件的常用電路

國(guó)產(chǎn)器件常用H代表霍爾元件，后面的字母代表元件的材料，數(shù)字代表產(chǎn)品的序號(hào)。如HZ-1元件，說(shuō)明是用鍺材料制成的霍爾元件；HT-1元件，說(shuō)明是用銻化銦材料制成的元件。

霍爾元件的基本電路RL可以是一般電阻，也可以是放大器的輸入電阻或指示器內(nèi)阻。在磁場(chǎng)與控制電流的作用下，負(fù)載上就有電壓輸出。建立霍爾效應(yīng)的所需的時(shí)間很短（約10-12～10-14s）,因此控制電流用交流時(shí)，控制電流的頻率也可以很高。

1．恒流工作電路在恒流工作條件下，沒(méi)有霍爾元件輸入電阻和磁阻效應(yīng)的影響。

溫度變化引起霍爾元件的輸入電阻變化，從而使控制電流發(fā)生變化帶來(lái)誤差，為了減少這種誤差，常采用恒流源供電。

2．恒壓工作電路恒壓工作比恒流工作的性能要差些，只適用于精度要求不太高的地方。

3．差分放大電路

霍爾元件的輸出電壓一般較小，需要用放大電路放大其輸出電壓。為了獲得較好的放大效果，需采用差分放大電路。

使用一個(gè)運(yùn)算放大器時(shí)，霍爾元件的輸出電阻可能會(huì)大于運(yùn)算放大器的輸入電阻，從而產(chǎn)生誤差，而采用右圖所示的電路，則不存在這個(gè)問(wèn)題。二、霍爾集成電路

（一）霍爾開(kāi)關(guān)集成傳感器

它能感知一切與磁信息有關(guān)的物理量，并以開(kāi)關(guān)形式輸出。

它主要由穩(wěn)壓電源、霍爾組件、放大器、整形電路、輸出電路五部分組成。圖中的BOP為工作點(diǎn)“開(kāi)”的磁感應(yīng)強(qiáng)度，BRP為釋放點(diǎn)“關(guān)”的磁感應(yīng)強(qiáng)度。當(dāng)外加磁感應(yīng)強(qiáng)度高于BOp時(shí)，輸出電平由高變低，傳感器處于開(kāi)狀態(tài)。當(dāng)外加磁感應(yīng)強(qiáng)度低于BRP時(shí)，輸出電平由低變高，傳感器處于關(guān)狀態(tài)。

從工作曲線上看，工作特性有一定的磁滯，這對(duì)開(kāi)關(guān)動(dòng)作的可靠性是非常有利的。（二）霍爾線形傳感器

霍爾線形傳感器的輸出電壓與外加磁場(chǎng)強(qiáng)度呈線形比例關(guān)系。這類(lèi)傳感器一般由霍爾元件和放大器組成。

當(dāng)外加磁場(chǎng)時(shí),霍爾元件產(chǎn)生與磁場(chǎng)成線性比例變化關(guān)系的霍爾電壓,經(jīng)放大器放大后輸出?；魻柧€性傳感器有單端輸出和雙端輸出兩種。UGN-3501T

是一種塑料扁平封裝的三端元件，它有T、U兩種型號(hào)，T型與U型的區(qū)別僅是厚度的不同，T型厚度為2.03mm，U型厚度為1.54mm。

單端輸出UGN-3501M

雙端輸出線形集成電路UGN-3501M采用8腳封裝。1、8兩腳為輸出，5、6、7三腳之間接一個(gè)電位器，對(duì)不等位電動(dòng)勢(shì)進(jìn)行補(bǔ)償。

雙端輸出§4霍爾傳感器的應(yīng)用一、磁場(chǎng)測(cè)量

磁場(chǎng)測(cè)量的方法很多，其中應(yīng)用比較普遍的是以霍爾元件作為探頭的特斯拉計(jì)（或稱(chēng)高斯計(jì)、磁強(qiáng)計(jì)）。鍺和砷化鎵器件的霍爾電動(dòng)勢(shì)溫度系數(shù)小，線性范圍大，適合于用作測(cè)量磁場(chǎng)的探頭。把探頭放在待測(cè)磁場(chǎng)中，探頭的磁敏感面與磁場(chǎng)方向垂直，控制電流恒定，則輸出霍爾電動(dòng)勢(shì)UH正比于磁場(chǎng)B，故可以利用它來(lái)測(cè)量磁場(chǎng)。二、霍爾壓力傳感器

當(dāng)輸入壓力增加時(shí)，彈簧伸長(zhǎng)，使處于恒定梯度磁場(chǎng)中的霍爾元件產(chǎn)生相應(yīng)的位移，從霍爾元件輸出的電壓的大小即可反映出壓力的大小。

圖中作為壓力敏感元件的彈簧片，其一端固定，另一端安裝著霍爾元件。三、霍爾電流傳感器

用一環(huán)形導(dǎo)磁材料作成磁芯，套在被測(cè)電流流過(guò)的導(dǎo)線上，將導(dǎo)線中電流感生的磁場(chǎng)聚集起來(lái)，在磁芯上開(kāi)一氣隙，內(nèi)置一個(gè)霍爾線性器件，器件通電后，便可由它輸出的霍爾電壓得出導(dǎo)線中流通電流的大小。零磁通式將霍爾器件的輸出電壓進(jìn)行放大，再經(jīng)電流放大后，讓這個(gè)電流通過(guò)補(bǔ)償線圈，并令補(bǔ)償線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)和被測(cè)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向相反。當(dāng)達(dá)到磁平衡時(shí)，即可由IS及匝數(shù)比N2/N1得到IO。若滿(mǎn)足條件ION1=ISN2，則磁芯中的磁通為0，這時(shí)下式成立：四、霍爾傳感器用于角度檢測(cè)

將霍爾元件置于永久磁鐵的磁場(chǎng)中。其霍爾元件的輸出與成正比，即：霍爾元件的輸出由A1放大，在反饋回路中采用2500PPM的熱敏電阻作溫度補(bǔ)償，用來(lái)補(bǔ)償霍爾元件及磁鋼的溫度系數(shù)所引起的誤差。輸出的信號(hào)可以采用S/D（同步/數(shù)字）轉(zhuǎn)換器，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成BCD碼輸出

五、轉(zhuǎn)速測(cè)量

利用霍爾元件的開(kāi)關(guān)特性可對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行測(cè)量?；魻栐迟N在永久磁鐵表面，即安放在齒輪與永久磁鐵中間，并通以恒定的電流。隨著齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，磁通量發(fā)生周期性變化，霍爾元件輸出一系列脈沖信號(hào)。旋轉(zhuǎn)一周的脈沖數(shù)，等于齒輪的齒數(shù)，因此通過(guò)對(duì)脈沖信號(hào)的頻率即可測(cè)得旋轉(zhuǎn)齒輪的轉(zhuǎn)速。六、霍爾無(wú)刷電機(jī)

1．由于無(wú)電刷，沒(méi)有磨損問(wèn)題，壽命長(zhǎng)、可靠性高。2．具有良好的旋轉(zhuǎn)特性，可以取得很寬的轉(zhuǎn)速特性、噪音低、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩的2～3倍、穩(wěn)定性好。七、用霍爾集成傳感器進(jìn)行無(wú)觸點(diǎn)照明控制

帶有磁鋼的機(jī)械臂或其它設(shè)備接近霍爾傳感器UGN3040時(shí)，系統(tǒng)將以無(wú)觸點(diǎn)的方式控制燈的亮、滅。

SF5D-M1還起到高低壓之間的電氣隔離作用

第八章數(shù)字式傳感器及應(yīng)用

碼盤(pán)式傳感器光柵傳感器磁柵傳感器本章內(nèi)容感應(yīng)同步器§1§3§2§4§1

碼盤(pán)式傳感器碼盤(pán)又稱(chēng)角編碼器，是一種旋轉(zhuǎn)式位置傳感器，通常裝在被測(cè)軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)。它能將被測(cè)軸的角位移轉(zhuǎn)換成增量脈沖或二進(jìn)制編碼。

一、增量式編碼器

無(wú)論在那種情況下，固定計(jì)讀頭都包含一個(gè)發(fā)射體（紅外發(fā)光二極管）和一個(gè)接收器（光電晶體管或光電二極管）。碼盤(pán)隨軸同步轉(zhuǎn)動(dòng)，從而接收器接收到的光是忽明忽暗的，所以它的輸出信號(hào)是一個(gè)個(gè)脈沖，然后再有編碼器進(jìn)行編碼。

光電碼盤(pán)可以采用不透明區(qū)和透明區(qū)、反射區(qū)和非反射區(qū)以及干涉條紋。利用不透明區(qū)和透明區(qū)發(fā)射體和接收器必須放在移動(dòng)單元的兩側(cè)。

在利用反射區(qū)和非反射區(qū)反射體和探測(cè)器必須處于編碼元件的同一側(cè)

光電編碼器的測(cè)量精度取決于它所能分辨的最小角度，而這與碼盤(pán)圓周上的槽縫條紋數(shù)n有關(guān)，即能分辨的最小角度為α=360/n分辯率=1/n例如，條紋數(shù)為1024，則分辨角度α=360/1024=0.325o。光柵或模板放在可動(dòng)單元與探測(cè)器之間,并具有與編碼單元相同的節(jié)距

當(dāng)所有光柵和可動(dòng)編碼單元完全調(diào)準(zhǔn)時(shí)，探測(cè)器接收的入射光達(dá)到最大值。隨著編碼單元離開(kāi)位置，接收的光將減少，直到達(dá)最小值。利用固定光柵來(lái)限制光電探測(cè)器的視野，因而提高了它的分辨率

于是，相位檢波器便能指示出旋轉(zhuǎn)方向是順時(shí)針還是反時(shí)針如b）。

a）在一個(gè)旋轉(zhuǎn)方向上，信號(hào)A超前于信號(hào)B；而在相反方向上，則信號(hào)B超前于信號(hào)A。為了確定運(yùn)動(dòng)方向

二、絕對(duì)式編碼器

絕對(duì)式編碼器按照角度直接進(jìn)行編碼的傳感器，可直接把被測(cè)角位移轉(zhuǎn)角用數(shù)字代碼表示出來(lái)。

接觸式編碼器

碼盤(pán)

導(dǎo)電體

絕緣體

電刷碼盤(pán)分成四個(gè)碼道，在每個(gè)碼道上都有一個(gè)電刷，電刷經(jīng)電阻接地，信號(hào)從電刷上取出。這樣，無(wú)論碼盤(pán)處在哪個(gè)角度上，該角度均有1個(gè)碼道是公用的，它和各碼道所有電部分連在一起，經(jīng)電刷和限流保護(hù)電阻接正極。

公用碼道限流電阻4位BCD碼盤(pán)4位格雷碼碼盤(pán)可根據(jù)電刷的位置得到由：“1”、“0”組成的4位二進(jìn)制碼。能從圖b)c)可看出電刷位置與輸出編碼的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

碼道的圈數(shù)就是二進(jìn)制的位數(shù)，且高位在內(nèi)，低位在外。由此可以推斷出，若是n位二進(jìn)制碼盤(pán)，就有n(4)圈碼道，且圓周均分2n

(16)個(gè)數(shù)據(jù)來(lái)分別表示其不同位置，所能分辨的角度α為分辨率=1/2n顯然，位數(shù)越大，所能分辨的角度越小，測(cè)量精度就越高。所以，若要提高分辨率，就必須增加碼道數(shù)，即二進(jìn)制位數(shù)。例如，某12碼道的絕對(duì)式角編碼器，其每轉(zhuǎn)位置數(shù)為212=4096，分辨角度為=3600