传感器完整版ppt课件全套电子教案整套教学教程最新

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1、 第第1章章 传感器的定义与分类传感器的定义与分类1.1 传感器的定义与分类传感器的定义与分类1.2 传感器的基本特性传感器的基本特性1.3 传感器的基本误差传感器的基本误差1.4 传感器中的弹性敏感元件传感器中的弹性敏感元件1.1传感器的定义与分类传感器的定义与分类1.1.1 传感器的定义传感器的定义 国家标准国家标准GB7665-1987对传感器下的定义是对传感器下的定义是:“能感能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。装置，通常由敏感元件和转换元件组成。”1.1.2 传感器的分类传感器

2、的分类 1.根据传感器工作原理，可分为物理传感器和化学传感器根据传感器工作原理，可分为物理传感器和化学传感器两大类两大类 (1)物理传感器应用的是物理效应，诸如压电效应，磁致物理传感器应用的是物理效应，诸如压电效应，磁致伸缩现象，离化、极化、热电、光电、磁电等效应。被测信伸缩现象，离化、极化、热电、光电、磁电等效应。被测信号量的微小变化都将转换成电信号。号量的微小变化都将转换成电信号。 (2)化学传感器包括那些以化学吸附、电化学反应等现象为化学传感器包括那些以化学吸附、电化学反应等现象为下一页返回1.1传感器的定义与分类传感器的定义与分类因果关系的传感器，被测信号量的微小变化也将转换成电信因果

3、关系的传感器，被测信号量的微小变化也将转换成电信号。号。 2.按照其用途分类按照其用途分类 压力敏和力敏传感器、位置传感器、液面传感器、能耗传压力敏和力敏传感器、位置传感器、液面传感器、能耗传感器、速度传感器、热敏传感器、加速度传感器、射线辐射感器、速度传感器、热敏传感器、加速度传感器、射线辐射传感器、振动传感器、湿敏传感器、磁敏传感器、气敏传感传感器、振动传感器、湿敏传感器、磁敏传感器、气敏传感器、真空度传感器、生物传感器等。器、真空度传感器、生物传感器等。 3.以其输出信号为标准分类以其输出信号为标准分类 (1)模拟传感器将被测量的非电学量转换成模拟电信号。模拟传感器将被测量的非电学量转换

4、成模拟电信号。 (2)数字传感器将被测量的非电学量转换成数字输出信号数字传感器将被测量的非电学量转换成数字输出信号(包括直接和间接转换包括直接和间接转换)。 上一页 下一页返回1.1传感器的定义与分类传感器的定义与分类 (3)膺数字传感器将被测量的信号量转换成频率信号或短膺数字传感器将被测量的信号量转换成频率信号或短周期信号的输出周期信号的输出(包括直接或间接转换包括直接或间接转换)。 (4)开关传感器当一个被测量的信号达到某个特定的阂值开关传感器当一个被测量的信号达到某个特定的阂值时，传感器相应地输出一个设定的低电平或高电平信号。时，传感器相应地输出一个设定的低电平或高电平信号。 4.从所应

5、用的材料观点出发分类从所应用的材料观点出发分类 (1)按照其所用材料的类别分金属聚合物陶瓷混合物按照其所用材料的类别分金属聚合物陶瓷混合物 (2)按材料的物理性质分导体绝缘体半导体磁性材料按材料的物理性质分导体绝缘体半导体磁性材料 (3)按材料的晶体结构分单晶多晶非晶材料按材料的晶体结构分单晶多晶非晶材料 5.与采用新材料紧密相关的传感器开发工作，可以归纳为与采用新材料紧密相关的传感器开发工作，可以归纳为下述三个方向下述三个方向 在已知的材料中探索新的现象、效应和反应，然后使它们在已知的材料中探索新的现象、效应和反应，然后使它们能在传感器技术中得到实际使用。能在传感器技术中得到实际使用。 上一

6、页 下一页返回1.1传感器的定义与分类传感器的定义与分类 探索新的材料，应用那些已知的现象、效应和反应来改进探索新的材料，应用那些已知的现象、效应和反应来改进传感器技术。传感器技术。 在研究新型材料的基础上探索新现象、新效应和反应，并在研究新型材料的基础上探索新现象、新效应和反应，并在传感器技术中加以具体实施。在传感器技术中加以具体实施。 6.按照其制造工艺分类按照其制造工艺分类 (1)集成传感器用标准的生产硅基半导体集成电路的工艺集成传感器用标准的生产硅基半导体集成电路的工艺技术制造的。通常还将用于初步处理被测信号的部分电路也技术制造的。通常还将用于初步处理被测信号的部分电路也集成在同一芯片

7、上。集成在同一芯片上。 (2)薄膜传感器则是通过沉积在介质衬底薄膜传感器则是通过沉积在介质衬底(基板基板)上的，相上的，相应敏感材料的薄膜形成的。使用棍合工艺时，同样可将部分应敏感材料的薄膜形成的。使用棍合工艺时，同样可将部分电路制造在此基板上。电路制造在此基板上。 (3)厚膜传感器利用相应材料的浆料，涂覆在陶瓷基片上厚膜传感器利用相应材料的浆料，涂覆在陶瓷基片上上一页 下一页返回1.1传感器的定义与分类传感器的定义与分类制成的，基片通常是氧化铝制成的，然后进行热处理，使厚制成的，基片通常是氧化铝制成的，然后进行热处理，使厚膜成形。膜成形。 (4)陶瓷传感器采用标准的陶瓷工艺或其某种变种工艺陶

8、瓷传感器采用标准的陶瓷工艺或其某种变种工艺(溶溶胶一凝胶等胶一凝胶等)生产。生产。上一页返回1.2 传感器的基本特性传感器的基本特性1.2.1 传感器静态特性传感器静态特性 1.测量范围和量程测量范围和量程 传感器所能测量的最大被测量的数值为测量上限，最小被传感器所能测量的最大被测量的数值为测量上限，最小被测量称为测量下限。测量上限和测量下限所构成的区间称为测量称为测量下限。测量上限和测量下限所构成的区间称为测量范围。测量上限和测量下限的代数差称为量程，即量程测量范围。测量上限和测量下限的代数差称为量程，即量程=测量上限测量上限-测量下限。测量下限。 2.传感器的线性度传感器的线性度 理想情况

9、下，如理想情况下，如图图1-1所示，传感器的静态特性输出是条所示，传感器的静态特性输出是条直线直线;但通常情况下，传感器的实际静态特性输出是条曲线而但通常情况下，传感器的实际静态特性输出是条曲线而非直线。在实际工作中，为使仪表具有均匀刻度的读数，常非直线。在实际工作中，为使仪表具有均匀刻度的读数，常用一条拟合直线近似地代表实际的特性曲线，如用一条拟合直线近似地代表实际的特性曲线，如图图1-2所示。所示。下一页返回1.2 传感器的基本特性传感器的基本特性3.传感器的灵敏度传感器的灵敏度 灵敏度是指传感器在稳态工作情况下输出量变化灵敏度是指传感器在稳态工作情况下输出量变化Y对输对输入量变化入量变化

10、x的比值。的比值。 4.传感器的分辨力传感器的分辨力 分辨力是指传感器可能感受到的被测量的最小变化的能力。分辨力是指传感器可能感受到的被测量的最小变化的能力。也就是说，如果输入量从某一非零值缓慢地变化，当输入变也就是说，如果输入量从某一非零值缓慢地变化，当输入变化值未超过某一数值时，传感器的输出不会发生变化，即传化值未超过某一数值时，传感器的输出不会发生变化，即传感器对此输入量的变化是分辨不出来的。只有当输入量的变感器对此输入量的变化是分辨不出来的。只有当输入量的变化超分辨力时，其输出才会发生变化。化超分辨力时，其输出才会发生变化。 5.迟滞迟滞 迟滞现象是指传感器正向特险曲线迟滞现象是指传感

11、器正向特险曲线(输入量增大输入量增大)和反向特和反向特性曲线性曲线(输入量减小输入量减小)的不一致程度。如图的不一致程度。如图1-3所示。所示。上一页 下一页返回1.2 传感器的基本特性传感器的基本特性 6.传感器的精度等级传感器的精度等级 传感器的精度等级是为了简单表示传感器测量结果的可靠传感器的精度等级是为了简单表示传感器测量结果的可靠程度而引用的。常见的精度等级有程度而引用的。常见的精度等级有0. 1级、级、0. 2级、级、0. 5级、级、1. 0级、级、1. 5级、级、2. 0级、级、2. 5级、级、5.0级。数值越小，精级。数值越小，精度等级越高，测量越精确。度等级越高，测量越精确。

12、 1.2.2 传感器动态特性传感器动态特性 所谓动态特性，是指传感器在输入变化时，它的输出的特所谓动态特性，是指传感器在输入变化时，它的输出的特性。在实际工作中，传感器的动态特性常用它对某些标准输性。在实际工作中，传感器的动态特性常用它对某些标准输入信号的响应来表示。这是因为传感器对标准输入信号的响入信号的响应来表示。这是因为传感器对标准输入信号的响应容易用实验方法求得，并且它对标准输入信号的响应与它应容易用实验方法求得，并且它对标准输入信号的响应与它对任意输入信号的响应之间存在一定的关系，往往知道了前对任意输入信号的响应之间存在一定的关系，往往知道了前者就能推定后者。者就能推定后者。上一页

13、下一页返回1.2 传感器的基本特性传感器的基本特性最常用的标准输入信号有阶跃信号和正弦信号两种，所以传最常用的标准输入信号有阶跃信号和正弦信号两种，所以传感器的动态特性也常用阶跃响应和频率响应来表示。感器的动态特性也常用阶跃响应和频率响应来表示。 1.阶跃响应阶跃响应 输入为阶跃信号时，传感器的响应被称为阶跃响应。从阶输入为阶跃信号时，传感器的响应被称为阶跃响应。从阶跃响应中我们可以得到传感器在时间域内的响应特性。如跃响应中我们可以得到传感器在时间域内的响应特性。如图图1-4所示输入信号是幅值为所示输入信号是幅值为A的阶跃信号，此时传感器阶跃响的阶跃信号，此时传感器阶跃响应如图应如图1-5所示

14、。所示。 2.频率响应频率响应 将各种频率不同而幅值相等的正弦信号输入到传感器，传将各种频率不同而幅值相等的正弦信号输入到传感器，传感器的输出正弦信号的幅值、相位与频率之间的关系称为频感器的输出正弦信号的幅值、相位与频率之间的关系称为频率响应特性。其中输出信号的幅值与输入信号的频率的关系率响应特性。其中输出信号的幅值与输入信号的频率的关系称为幅频响应称为幅频响应;输出信号的相位与输入信号的频率的关系称为输出信号的相位与输入信号的频率的关系称为上一页返回下一页1.2 传感器的基本特性传感器的基本特性相频特性。频率响应是通过研究稳态过程来分析传感器的动相频特性。频率响应是通过研究稳态过程来分析传感

15、器的动态特性的，它可以通过对传感器在频域响应过程中的波形参态特性的，它可以通过对传感器在频域响应过程中的波形参数进行计算，并对响应特性曲线进行分析数进行计算，并对响应特性曲线进行分析;也可通过对频率响也可通过对频率响应性能指标应性能指标(如频率响应范围、幅值误差、相位误差等如频率响应范围、幅值误差、相位误差等)的考的考核来完成。核来完成。返回上一页1.3 传感器的基本误差传感器的基本误差1.3.1 传感器的基本误差传感器的基本误差 任何测量都不可能绝对准确，都存在误差，只要误差在允任何测量都不可能绝对准确，都存在误差，只要误差在允许范围内即可认为符合标准，传感器也不例外。所谓传感器许范围内即可

16、认为符合标准，传感器也不例外。所谓传感器的误差，即传感器的输出值与理论输出值的差值。因此要求的误差，即传感器的输出值与理论输出值的差值。因此要求设计与制造传感器时，允许有误差，但必须在规定误差的范设计与制造传感器时，允许有误差，但必须在规定误差的范围之内。为了使传感器能满足一定的精度要求，我们要掌握围之内。为了使传感器能满足一定的精度要求，我们要掌握误差的种类及分析产生误差的原因、克服与减少误差的方法。误差的种类及分析产生误差的原因、克服与减少误差的方法。1.测量误差的基本概念测量误差的基本概念 由传感器的定义得知，传感器是将未知的物理量转换成人由传感器的定义得知，传感器是将未知的物理量转换成

17、人们可知的电信号，实际上传感器就是一种测量器具，所以传们可知的电信号，实际上传感器就是一种测量器具，所以传感器的误差也就是测量误差。下面介绍有关测量的部分名词。感器的误差也就是测量误差。下面介绍有关测量的部分名词。下一页返回1.3 传感器的基本误差传感器的基本误差 2.误差的分类误差的分类 在测量中由不同因素产生的误差是混合在一起同时出现的。在测量中由不同因素产生的误差是混合在一起同时出现的。为了便于分析研究误差的性质、特点和消除方为了便于分析研究误差的性质、特点和消除方.法，下面将对法，下面将对各种误差进行分类讨论。各种误差进行分类讨论。(1)按表示方法分类按表示方法分类 绝对误差绝对误差指

18、示值指示值 与约定真值与约定真值 的差值，即的差值，即 量中常使用修正值量中常使用修正值 。只要得到修正值。只要得到修正值 示值示值 ，便可得，便可得知约定真值知约定真值 。 相对误差相对误差针对绝对误差有时不足以反映示值偏离约定针对绝对误差有时不足以反映示值偏离约定真值大小程度而设定的，在实际测量中相对误差有下列表示真值大小程度而设定的，在实际测量中相对误差有下列表示形式形式:上一页 下一页返回1.3 传感器的基本误差传感器的基本误差(2)按误差出现的规律分类按误差出现的规律分类 系统误差系统误差指误差的数值是一个常数或按一定规律变化指误差的数值是一个常数或按一定规律变化的值。它又可分为恒值

19、误差和变值误差。的值。它又可分为恒值误差和变值误差。 随机误差随机误差由于偶然因素的影响而引起的，其数值大小由于偶然因素的影响而引起的，其数值大小和正负号不定，而且难以估计。但是总体仍服从一定统计规和正负号不定，而且难以估计。但是总体仍服从一定统计规律，它不能通过实验方法加以消除，但能运用统计处理方法律，它不能通过实验方法加以消除，但能运用统计处理方法减少其影响。随机误差表现了测量结果的分散性。在误差理减少其影响。随机误差表现了测量结果的分散性。在误差理论中常用精密度来表征随机误差的大小。随机误差愈小，精论中常用精密度来表征随机误差的大小。随机误差愈小，精密度愈高。密度愈高。 粗大误差粗大误差

20、指在一定的条件下测量结果显著地偏离其实指在一定的条件下测量结果显著地偏离其实际值时所对应的误差。从性质上看，粗大误差并不是单独的际值时所对应的误差。从性质上看，粗大误差并不是单独的类别，它本身既具有系统误差的性质，也可能具有随机误差类别，它本身既具有系统误差的性质，也可能具有随机误差的性质，只不过在一定测量条件下其绝对值特别大而已。的性质，只不过在一定测量条件下其绝对值特别大而已。上一页 下一页返回1.3 传感器的基本误差传感器的基本误差粗大误差是由于测量方法不妥、各种随机因素的影响以及测粗大误差是由于测量方法不妥、各种随机因素的影响以及测量人员粗心所造成的。量人员粗心所造成的。(3)按被测量

21、随时间变化的速度分类按被测量随时间变化的速度分类 静态误差静态误差指在测量过程中，被测量随时间变化很缓慢指在测量过程中，被测量随时间变化很缓慢或基本不变时的测量误差。或基本不变时的测量误差。 动态误差动态误差在被测量随时间变化时所测得的误差。例如在被测量随时间变化时所测得的误差。例如用笔式记录仪测得的结果，由于记录笔有惯性量，输出量在用笔式记录仪测得的结果，由于记录笔有惯性量，输出量在时间上不能与被测量的变化一致，而造成的误差就属于动态时间上不能与被测量的变化一致，而造成的误差就属于动态误差。动态误差是在动态测量时产生的，动态测量的优点是误差。动态误差是在动态测量时产生的，动态测量的优点是检测

22、效率高和环境影响小。检测效率高和环境影响小。(4)按使用条件分类按使用条件分类 基本误差基本误差指检测系统在规定的标准条件下使用时所产指检测系统在规定的标准条件下使用时所产生的误差。生的误差。上一页返回下一页1.3 传感器的基本误差传感器的基本误差 附加误差附加误差当使用条件偏离规定标准条件时，除基本误当使用条件偏离规定标准条件时，除基本误差外还会产生附加误差，例如由于温度超过标准引起的温度差外还会产生附加误差，例如由于温度超过标准引起的温度附加误差、电源附加误差以及频率附加误差等。这些附加误附加误差、电源附加误差以及频率附加误差等。这些附加误差在使用时会叠加到基本误差上去。差在使用时会叠加到

23、基本误差上去。1.3.2 仪表精度与测量精度仪表精度与测量精度 1.仪表精度与测量精度的关系仪表精度与测量精度的关系 仪表精度一般分为七个等级，实际上就是取最大满度仪表精度一般分为七个等级，实际上就是取最大满度(引引用用)相对误差，对于数字仪表和光学仪表等还具有更高精度的相对误差，对于数字仪表和光学仪表等还具有更高精度的等级。一般而言，七个等级在工业仪表中是具有代表性的。等级。一般而言，七个等级在工业仪表中是具有代表性的。而真正反映测量精度的是实际相对误差。从最大满度而真正反映测量精度的是实际相对误差。从最大满度(引用引用)误差和实际相对误差的定义公式不难看出，被测量的大小愈误差和实际相对误差

24、的定义公式不难看出，被测量的大小愈接近量程，相对误差就愈接近于最大满度接近量程，相对误差就愈接近于最大满度(引用引用)误差，因此误差，因此下一页返回上一页1.3 传感器的基本误差传感器的基本误差对于同等级精度的仪表，选择适当的量程，使被测量位于仪对于同等级精度的仪表，选择适当的量程，使被测量位于仪表量值的上限附近，将能充分利用仪表精度获得较精确的测表量值的上限附近，将能充分利用仪表精度获得较精确的测量结果。量结果。 2.附加误差对实际测量精度的影响附加误差对实际测量精度的影响 在检测仪表的技术说明书中，除了给出基本误差外，还给在检测仪表的技术说明书中，除了给出基本误差外，还给出了工作条件变化时

25、可能产生的附加误差。如果实际工作条出了工作条件变化时可能产生的附加误差。如果实际工作条件不是仪表规定的标准状态，这时必须考虑到附加误差的影件不是仪表规定的标准状态，这时必须考虑到附加误差的影响。响。上一页返回1.4 传感器中的弹牲敏感元件传感器中的弹牲敏感元件1.4.1 弹性敏感元件的基本特性弹性敏感元件的基本特性 物体因外力作用而改变原来的尺寸或形状称为变形，如果物体因外力作用而改变原来的尺寸或形状称为变形，如果在外力去掉后能完全恢复其原来的尺寸和形状，那么这种变在外力去掉后能完全恢复其原来的尺寸和形状，那么这种变形称为弹性变形，具有形称为弹性变形，具有这类特性的物体称为弹性元件。在这类特性

26、的物体称为弹性元件。在传感器中用于测量的弹性元件称为弹性敏感元件。传感器中用于测量的弹性元件称为弹性敏感元件。1.刚度刚度 刚度是使弹性敏感元件产生单位变形所需要的外部作用力刚度是使弹性敏感元件产生单位变形所需要的外部作用力(或压力或压力)，其表达式为，其表达式为式中式中k为刚度为刚度; F为作用于弹性元件上的外力为作用于弹性元件上的外力; x为弹性元件产生的变形。为弹性元件产生的变形。 下一页返回1.4 传感器中的弹牲敏感元件传感器中的弹牲敏感元件 2.灵敏度灵敏度 灵敏度是刚度的倒数，它表示弹性敏感元件在承受单位输灵敏度是刚度的倒数，它表示弹性敏感元件在承受单位输入量入量(力、压力等力、压

27、力等)时所产生的变形大小，一般用时所产生的变形大小，一般用K表示，即表示，即在非电量检测中往往希望弹性灵敏度为常数，此时弹性敏感在非电量检测中往往希望弹性灵敏度为常数，此时弹性敏感元件的弹性特性是线性的，即元件的弹性特性是线性的，即1.4.2 弹性敏感元件的形式及应用范围弹性敏感元件的形式及应用范围 根据弹性敏感元件在传感器中的作用，对它提出了一些要根据弹性敏感元件在传感器中的作用，对它提出了一些要求，如具有好的弹性特性、足够的精度、长期使用和温度变求，如具有好的弹性特性、足够的精度、长期使用和温度变化时的稳定性等。因而对制作弹性敏感元件的材料提出了多化时的稳定性等。因而对制作弹性敏感元件的材

28、料提出了多方面的要求，如弹性模量的温度系数要小、线膨胀系数小且方面的要求，如弹性模量的温度系数要小、线膨胀系数小且恒定、有良好的机械加工和热处理性能等。我国通常使用合恒定、有良好的机械加工和热处理性能等。我国通常使用合金钢、碳钢、铜合金和铝合金等材料。金钢、碳钢、铜合金和铝合金等材料。上一页 下一页返回1.4 传感器中的弹牲敏感元件传感器中的弹牲敏感元件 1.弹性敏感元件的形式弹性敏感元件的形式 传感器中弹性敏感元件的输入量通常是力传感器中弹性敏感元件的输入量通常是力(力矩力矩)或流体压或流体压力力(统称压力统称压力)，即使其他非电被测量输入给弹性敏感元件时，即使其他非电被测量输入给弹性敏感元

29、件时，也是先将它们变换成力或压力再输入给弹性敏感元件。也是先将它们变换成力或压力再输入给弹性敏感元件。 2.变换力的弹性元件变换力的弹性元件 (1)等截面轴等截面轴又称柱式弹性敏感元件，可以是实等截面轴等截面轴又称柱式弹性敏感元件，可以是实心柱体或空心圆柱体，如图心柱体或空心圆柱体，如图1-7所示。实心等截面轴在力的所示。实心等截面轴在力的作用下弹性敏感元件的位移很小，因此常用它的应变作输出作用下弹性敏感元件的位移很小，因此常用它的应变作输出量。其主要的优点是结构简单、加工方便、测量范围宽，可量。其主要的优点是结构简单、加工方便、测量范围宽，可承受数万牛顿的载荷，但其灵敏度小。承受数万牛顿的载

30、荷，但其灵敏度小。上一页 下一页返回1.4 传感器中的弹牲敏感元件传感器中的弹牲敏感元件 (2)环状弹性敏感元件环状弹性敏感元件多做成等截面圆环状弹性敏感元件环状弹性敏感元件多做成等截面圆环，如图环，如图1-8(a),(b)所示，圆环有较高的灵敏度，因而它所示，圆环有较高的灵敏度，因而它多用于测量较小的力。圆环的缺点是加工困难，环的各个部多用于测量较小的力。圆环的缺点是加工困难，环的各个部位的应变及应力都不相等。位的应变及应力都不相等。 (3)悬臂梁悬臂梁是一端固定、另一端自由的弹性敏感元悬臂梁悬臂梁是一端固定、另一端自由的弹性敏感元件。按截面形状又可分为等截面矩形悬臂梁和变截面等强度件。按截

31、面形状又可分为等截面矩形悬臂梁和变截面等强度悬臂梁，如图悬臂梁，如图1-9所示。悬臂梁的特点是结构简单，易于加所示。悬臂梁的特点是结构简单，易于加工，输出位移工，输出位移(或应变或应变)大，灵敏度高，常用于较小力的测量。大，灵敏度高，常用于较小力的测量。 (4)扭转轴如图扭转轴如图1-10所示为扭转轴式弹性敏感元件，当所示为扭转轴式弹性敏感元件，当自由端受到转矩的作用时，扭转轴的表面会产生拉伸或压缩自由端受到转矩的作用时，扭转轴的表面会产生拉伸或压缩应变，在轴表面上与轴线成方向应变，在轴表面上与轴线成方向(图图1-10的的AB方向方向)产生应产生应变。，而图变。，而图1-10中中AC方向所产生

32、的应变与方向所产生的应变与AB方向的应变大方向的应变大小相等，符号相反。小相等，符号相反。上一页 下一页返回1.4 传感器中的弹牲敏感元件传感器中的弹牲敏感元件3.变换压力的弹性敏感元件变换压力的弹性敏感元件 (1)弹簧管弹簧管又称波登管，通常是一根弯成弹簧管弹簧管又称波登管，通常是一根弯成C形的空形的空心扁管，管子的截面形状有椭圆形、平椭圆形、心扁管，管子的截面形状有椭圆形、平椭圆形、D形、形、8字形字形等，如图等，如图1-11所示。弹簧管的另一端所示。弹簧管的另一端(自由端自由端)密封并与传感密封并与传感器其他部分相连。器其他部分相连。 (2)波纹管波纹管是一种圆柱管状的弹性敏感元件，其表

33、波纹管波纹管是一种圆柱管状的弹性敏感元件，其表面上有许多与圆柱同心的环状皱纹面上有许多与圆柱同心的环状皱纹(如图如图1-12所示所示)，管的一，管的一端封闭，另一端开口并与被测压力相通。端封闭，另一端开口并与被测压力相通。 (3)等截面薄板等截面薄板又称平膜片，是一种抗弯刚度等截面薄板等截面薄板又称平膜片，是一种抗弯刚度可以忽略的周边固定的圆形薄膜，它能将输入信号可以忽略的周边固定的圆形薄膜，它能将输入信号(压力或压压力或压差差)转化为位移信号。当膜片的两侧面受到不同的压力时，膜转化为位移信号。当膜片的两侧面受到不同的压力时，膜片的中心将向压力低的一侧产生一定的位移，如图片的中心将向压力低的一

34、侧产生一定的位移，如图1-13所示。所示。上一页返回下一页1.4 传感器中的弹牲敏感元件传感器中的弹牲敏感元件 (4)波纹膜片和膜盒波纹膜片是一种压有环形同心波纹的波纹膜片和膜盒波纹膜片是一种压有环形同心波纹的圆形薄膜，为了便于与传感器相连接，在膜片的中央留有一圆形薄膜，为了便于与传感器相连接，在膜片的中央留有一个光滑的部分，有时还在中心处焊接一块圆形金属片为膜片个光滑的部分，有时还在中心处焊接一块圆形金属片为膜片的硬心。其波纹的形状有正弦形、梯形、锯齿形等多种形式，的硬心。其波纹的形状有正弦形、梯形、锯齿形等多种形式，如图如图1-14所示。所示。 为了进一步提高灵敏度，可将两个波纹膜片焊在一

35、起，制为了进一步提高灵敏度，可将两个波纹膜片焊在一起，制成膜盒，如图成膜盒，如图1-15所示。在同样大小的压力所示。在同样大小的压力(或压差或压差)作用下，作用下，它的中心位移量是单个膜片的两倍。由于膜盒本身是一个封它的中心位移量是单个膜片的两倍。由于膜盒本身是一个封闭的整体，所以周边不需要固定，给安装带来方便，它的应闭的整体，所以周边不需要固定，给安装带来方便，它的应用比波纹膜片广泛。用比波纹膜片广泛。 (5)薄壁圆筒和薄壁半球薄壁圆筒和薄壁半球的应用不是薄壁圆筒和薄壁半球薄壁圆筒和薄壁半球的应用不是很广泛，原因是这两种弹性敏感元件的灵敏度较低，它们的很广泛，原因是这两种弹性敏感元件的灵敏度

36、较低，它们的形状如图形状如图1-16所示。它们的厚度一般要小于直径的所示。它们的厚度一般要小于直径的1/20，当当下一页返回上一页1.4 传感器中的弹牲敏感元件传感器中的弹牲敏感元件被测压力通入薄壁圆筒和薄壁半球的内腔中时，圆筒和半球被测压力通入薄壁圆筒和薄壁半球的内腔中时，圆筒和半球均匀地向外扩张，产生拉伸应力或应变。它们在轴向的应变均匀地向外扩张，产生拉伸应力或应变。它们在轴向的应变和圆周方向的应变是不相等的。薄壁圆筒和薄壁半球虽然灵和圆周方向的应变是不相等的。薄壁圆筒和薄壁半球虽然灵敏度较低，但坚固性较好，适用于特殊结构要求的场合。敏度较低，但坚固性较好，适用于特殊结构要求的场合。上一页

37、返回图图1-1传感器理想线性图传感器理想线性图返回图图1-2 特性曲线与线性度关系曲线特性曲线与线性度关系曲线返回图图1- 4幅值为幅值为A的阶跃信号的阶跃信号返回 第第2章常用传感器及测量转换电路章常用传感器及测量转换电路2.1电阻应变式传感器电阻应变式传感器2.2 热电阻传感器热电阻传感器2.3 热电偶传感器热电偶传感器2.4 电涡流式传感器电涡流式传感器2.5 电容式传感器电容式传感器2.6 电感式传感器电感式传感器2.7 压电式传感器压电式传感器2.8 磁电式传感器磁电式传感器2.1 电阻应变式传感器电阻应变式传感器2.9 光电式传感器光电式传感器2.10 数字式传感器数字式传感器2.

38、11 霍尔传感器霍尔传感器2.12 差分变压器式传感器差分变压器式传感器2.13 气敏传感器气敏传感器 上一页返回2.1电阻应变式传感器电阻应变式传感器 (1)这类传感器结构简单，使用方便，性能稳定、可靠。这类传感器结构简单，使用方便，性能稳定、可靠。 (2)易于实现测试过程自动化和多点同步测量、远距测量易于实现测试过程自动化和多点同步测量、远距测量和遥测。和遥测。 (3)灵敏度高，测量速度快，适合静态、动态测量。灵敏度高，测量速度快，适合静态、动态测量。 (4)可以测量各种物理量。可以测量各种物理量。 因此在航空航天、机械、化工、交通、建筑、医学、汽车因此在航空航天、机械、化工、交通、建筑、

39、医学、汽车工业等领域有很广的应用。工业等领域有很广的应用。 电阻应变式传感器由弹性敏感元件与电阻应变片构成。弹电阻应变式传感器由弹性敏感元件与电阻应变片构成。弹性敏感元件在感受被测量时将产生变形，其表面产生应变。性敏感元件在感受被测量时将产生变形，其表面产生应变。而豁结在弹性敏感元件表面上的电阻应变片将随着弹性敏感而豁结在弹性敏感元件表面上的电阻应变片将随着弹性敏感元件产生应变，因此，电阻应变片的电阻值也产生相应的变元件产生应变，因此，电阻应变片的电阻值也产生相应的变化。这样，通过测量电阻应变片的电阻值变化，就可以确定化。这样，通过测量电阻应变片的电阻值变化，就可以确定被测量的大小了。被测量的

40、大小了。下一页返回2.1电阻应变式传感器电阻应变式传感器短接式应变片两端用直径比栅线直径大短接式应变片两端用直径比栅线直径大510倍的镀银丝短倍的镀银丝短接。优点是克服了横向效应，但制造工艺复杂。接。优点是克服了横向效应，但制造工艺复杂。 常用材料常用材料:康铜、镍铬铝合金、铁铬铝合金以及铂、铂乌康铜、镍铬铝合金、铁铬铝合金以及铂、铂乌合金等。合金等。 2.金属箔式应变片金属箔式应变片 箔式应变片是在绝缘基底上，将厚度箔式应变片是在绝缘基底上，将厚度0.0030.01mm电阻箔材，利用照相制版或光刻腐蚀的方法，制成适用于各电阻箔材，利用照相制版或光刻腐蚀的方法，制成适用于各种需要的形状。种需要

41、的形状。 3.金属薄膜应变片金属薄膜应变片 薄膜应变片是薄膜技术发展的产物。它是采用真空蒸发或薄膜应变片是薄膜技术发展的产物。它是采用真空蒸发或真空沉积等方法，在薄的绝缘基片上形成厚度在真空沉积等方法，在薄的绝缘基片上形成厚度在0. 1 以以下的金属电阻材料薄膜的敏感栅，最后加上保护层。下的金属电阻材料薄膜的敏感栅，最后加上保护层。上一页返回下一页2.1电阻应变式传感器电阻应变式传感器 4.半导体应变片半导体应变片 半导体应变片的工作原理是基于半导体材料的电阻率随作半导体应变片的工作原理是基于半导体材料的电阻率随作用应力而变化的所谓用应力而变化的所谓“压阻效应压阻效应”。所有材料在某种程度上。

42、所有材料在某种程度上都呈现压阻效应，但半导体的这种效应特别显著，能直接反都呈现压阻效应，但半导体的这种效应特别显著，能直接反映出很微小的应变。映出很微小的应变。2.1.4 测量转换电路测量转换电路 应变式电阻传感器是借助于弹性元件，将力的变化转化为应变式电阻传感器是借助于弹性元件，将力的变化转化为变形，然后利用导体的应变效应，将力转变成电阻的变化，变形，然后利用导体的应变效应，将力转变成电阻的变化，最终利用测量电路得到被测量最终利用测量电路得到被测量(力力)的电信号。应变式电阻传的电信号。应变式电阻传感器主要包括弹性元件、电阻应变片及测量电路。感器主要包括弹性元件、电阻应变片及测量电路。2.1

43、.5 温度补偿温度补偿 在实际应用中，除了应变能导致应变片电阻变化外，在实际应用中，除了应变能导致应变片电阻变化外，图图2-5温度温度下一页返回上一页2.1电阻应变式传感器电阻应变式传感器 2.1.6 电阻应变式传感器的应用电阻应变式传感器的应用 电固应变刻专感器中的各种弹胜胜元件一般为敏感元件，电固应变刻专感器中的各种弹胜胜元件一般为敏感元件，传感元件就是应变片，测量转换电路一般为电桥电路。电阻传感元件就是应变片，测量转换电路一般为电桥电路。电阻应变刻专感器通常可用来测量应变以外的物理量，例如力、应变刻专感器通常可用来测量应变以外的物理量，例如力、扭矩、加速度和压力等。把应变片料视占到弹胜胜

44、敏感元件扭矩、加速度和压力等。把应变片料视占到弹胜胜敏感元件上，使弹性毓惑元件的应变与被测量成比例关系。上，使弹性毓惑元件的应变与被测量成比例关系。 1.力和扭矩传感器力和扭矩传感器 图图2-6所示列出了几种力和扭矩传感器的弹性敏感元件。所示列出了几种力和扭矩传感器的弹性敏感元件。拉伸应力作用下的细长杆和压缩应力作用下的短粗圆柱体如拉伸应力作用下的细长杆和压缩应力作用下的短粗圆柱体如图图2-6(a),(b)所示。测量时都可以在轴向布置一个或几个所示。测量时都可以在轴向布置一个或几个应变片，在圆周方向上布置同样数目的应变片。后者拾取符应变片，在圆周方向上布置同样数目的应变片。后者拾取符号相反的横

45、向应变，从而构成差动式。另一种弯曲梁和号相反的横向应变，从而构成差动式。另一种弯曲梁和上一页 下一页返回2.1电阻应变式传感器电阻应变式传感器扭转轴上的应变片也均可构成差分式，如扭转轴上的应变片也均可构成差分式，如图图2-6(c),(d)所示。所示。另外用环状弹性敏感元件测拉另外用环状弹性敏感元件测拉(压压)力也是比较普遍的，如力也是比较普遍的，如图图2-6(e)所示。所示。 2.压力传感器压力传感器 应变式压力传感器主要用于液体、气体压力的测量。应变式压力传感器主要用于液体、气体压力的测量。图图2-7中给出了组合式压力传感器示意图。图中应变片中给出了组合式压力传感器示意图。图中应变片R粘贴在

46、粘贴在悬臂梁上，悬臂梁的刚度应比压力敏感元件更高，这样可降悬臂梁上，悬臂梁的刚度应比压力敏感元件更高，这样可降低这些元件所固有的不稳定性和迟滞。低这些元件所固有的不稳定性和迟滞。 图图2-8所示是筒式压力传感器。被测压力所示是筒式压力传感器。被测压力P作用于筒内腔，作用于筒内腔，使筒发生变形，工作应变片使筒发生变形，工作应变片1贴在空心的筒壁外感受应变，补贴在空心的筒壁外感受应变，补偿应变片偿应变片2贴在不发生变形的实心端作为温度补偿用。一般可贴在不发生变形的实心端作为温度补偿用。一般可用来测量机床液压系统压力和枪、炮筒腔内压力等。用来测量机床液压系统压力和枪、炮筒腔内压力等。上一页 下一页返

47、回2.1电阻应变式传感器电阻应变式传感器 3.加速度传感器加速度传感器 加速度传感器实质上是一种测量力的装置，如加速度传感器实质上是一种测量力的装置，如图图2-9所示。所示。测量时，将基座固定在被测对象上，当被测物体以加速度测量时，将基座固定在被测对象上，当被测物体以加速度a运运动时，质量块受到一个与加速度方向相反的惯性力而使悬臂动时，质量块受到一个与加速度方向相反的惯性力而使悬臂梁变形。通过应变片检测出悬臂梁的应变值，而应变值是与梁变形。通过应变片检测出悬臂梁的应变值，而应变值是与加速度成正比的。加速度成正比的。上一页返回2.2 热电阻传感器热电阻传感器 热电阻传感器主要是利用电阻值随温度变

48、化而变化这一特热电阻传感器主要是利用电阻值随温度变化而变化这一特性来测量温度及与温度有关的参数。在温度检测精度要求比性来测量温度及与温度有关的参数。在温度检测精度要求比较高的场合，这种传感器比较适用。目前应用较为广泛的热较高的场合，这种传感器比较适用。目前应用较为广泛的热电阻材料为铂、铜、镍等，它们具有电阻温度系数大、线性电阻材料为铂、铜、镍等，它们具有电阻温度系数大、线性好、性能稳定、使用温度范围宽、加工容易等特点。好、性能稳定、使用温度范围宽、加工容易等特点。2.2.1 热电阻热电阻 热电阻主要是利用电阻随温度变化而变化这一特性来测量热电阻主要是利用电阻随温度变化而变化这一特性来测量温度的

49、。目前广泛应用的热电阻材料是铂和铜，它们的电阻温度的。目前广泛应用的热电阻材料是铂和铜，它们的电阻温度系数在温度系数在范围内。作为测温用的热电阻材料，希望具有范围内。作为测温用的热电阻材料，希望具有电阻温度系数大、线性好、性能稳定、使用温度范围宽、加电阻温度系数大、线性好、性能稳定、使用温度范围宽、加工容易等特点。铂的性能最稳定，采用特殊的结构可制成标工容易等特点。铂的性能最稳定，采用特殊的结构可制成标准铂电阻温度计，它的适用范围为。铜电阻价廉并且线性好，准铂电阻温度计，它的适用范围为。铜电阻价廉并且线性好，返回下一页2.2 热电阻传感器热电阻传感器但温度高时易氧化，故用于温度较低的环境中。表

50、但温度高时易氧化，故用于温度较低的环境中。表2-1列出列出了热电阻的主要技术性能。了热电阻的主要技术性能。 2.2.2热敏电阻热敏电阻 热敏电阻是近年来出现的一种新型半导体测温元件。一般热敏电阻是近年来出现的一种新型半导体测温元件。一般按温度系数可分为负温度系数热敏电阻按温度系数可分为负温度系数热敏电阻(NTC)、正温度系数热、正温度系数热敏电阻敏电阻( PTC)和临界温系数热敏电阻和临界温系数热敏电阻(CTR)。这三类热敏电。这三类热敏电阻的电阻率阻的电阻率P与温度与温度t的变化曲线如的变化曲线如图图2-10所示。从图中可所示。从图中可以看出这些曲线都呈非线性。以看出这些曲线都呈非线性。 热

51、敏电阻除按温度系数区分外，还有以下三种分类方法热敏电阻除按温度系数区分外，还有以下三种分类方法:按结构形式可分为体型、薄膜型、厚膜型三种按结构形式可分为体型、薄膜型、厚膜型三种;按工作方式可按工作方式可分为直热式、旁热式、延迟电路三种分为直热式、旁热式、延迟电路三种;按工作温度区可分为常按工作温度区可分为常温区、高温、低温区热敏电阻。热敏电阻可根据使用要求温区、高温、低温区热敏电阻。热敏电阻可根据使用要求下一页返回上一页2.2 热电阻传感器热电阻传感器封装加工成各种形状的探头，如珠状、片状、杆状、锥状、封装加工成各种形状的探头，如珠状、片状、杆状、锥状、针状等，如针状等，如图图2-11所示。所

52、示。几种常用的热敏电阻的型号及其主要参数列于几种常用的热敏电阻的型号及其主要参数列于表表2-2.2.2.3 热电阻传感器的应用热电阻传感器的应用 1.金属热电阻传感器金属热电阻传感器 在工业上广泛应用金属热电阻传感器进行温度测量，用电在工业上广泛应用金属热电阻传感器进行温度测量，用电桥作为测量电路。在进行测量时，总要采用连接导线，但由桥作为测量电路。在进行测量时，总要采用连接导线，但由于金属电阻本身阻值很小，所以引线电阻及其变化就不能忽于金属电阻本身阻值很小，所以引线电阻及其变化就不能忽略。为了消除或减少引线电阻的影响，通常采用三线制连接略。为了消除或减少引线电阻的影响，通常采用三线制连接法，

53、如法，如图图2-12所示。所示。 2.半导体热电阻传感器半导体热电阻传感器 热敏电阻传感器应用范围广，具有尺寸小、响应速度快、热敏电阻传感器应用范围广，具有尺寸小、响应速度快、灵敏度高等优点。下面介绍几种常见的应用。灵敏度高等优点。下面介绍几种常见的应用。上一页 下一页返回2.2 热电阻传感器热电阻传感器 (1)温度测量作为测量温度的热敏电阻一般结构简单。没温度测量作为测量温度的热敏电阻一般结构简单。没有外面保护层的热敏电阻只能应用在干燥的地方，密封的热有外面保护层的热敏电阻只能应用在干燥的地方，密封的热敏电阻不怕湿气的侵蚀，可以使用在任何环境下。由于热敏敏电阻不怕湿气的侵蚀，可以使用在任何环

54、境下。由于热敏电阻的阻值很大，故其连接导线的电阻和接触电阻可忽略。电阻的阻值很大，故其连接导线的电阻和接触电阻可忽略。因此热敏电阻可以在距离长达几千米的远距离测量温度，测因此热敏电阻可以在距离长达几千米的远距离测量温度，测量电路多采用桥路。量电路多采用桥路。图图2-13给出一种双桥温差测量电路。给出一种双桥温差测量电路。 (2)温度补偿仪表中通常用的一些零件多数是金属丝做成温度补偿仪表中通常用的一些零件多数是金属丝做成的，例如线圈、线绕电阻等。金属一般具有正温度系数，采的，例如线圈、线绕电阻等。金属一般具有正温度系数，采用负温度系数热敏电阻进行补偿，可以抵消由于温度变化所用负温度系数热敏电阻进

55、行补偿，可以抵消由于温度变化所产生的误差。实际应用时，将负温度系数的热敏电阻与锰铜产生的误差。实际应用时，将负温度系数的热敏电阻与锰铜丝电阻并联后再与被补偿元件串联，如丝电阻并联后再与被补偿元件串联，如图图2-14所示。在三极所示。在三极管电路、对数放大器等电路中也常用热敏电阻补偿由于温度管电路、对数放大器等电路中也常用热敏电阻补偿由于温度引起的漂移误差。引起的漂移误差。上一页 下一页返回2.2 热电阻传感器热电阻传感器 (3)工业控制将开关型的热敏电阻埋设在被测物中，并与工业控制将开关型的热敏电阻埋设在被测物中，并与继电器串联，给电路加上恒定电压，当周围介质温度升到一继电器串联，给电路加上恒

56、定电压，当周围介质温度升到一定数值时，电路中的电流可以由十分之几毫安突变为几十毫定数值时，电路中的电流可以由十分之几毫安突变为几十毫安，引起继电器动作，从而实现温度控制或过热保护等。安，引起继电器动作，从而实现温度控制或过热保护等。上一页返回2.3 热电偶传感器热电偶传感器 热电偶传感器是将温度转换成电动势的一种测温传感器。热电偶传感器是将温度转换成电动势的一种测温传感器。它与其他测温装置比较，具有精度高、测温范围宽、结构简它与其他测温装置比较，具有精度高、测温范围宽、结构简单、使用方便、可远距离测量等优点。在轻工、冶金、机械单、使用方便、可远距离测量等优点。在轻工、冶金、机械及化工等工业领域

57、中被广泛用于温度的测量、调节和自动控及化工等工业领域中被广泛用于温度的测量、调节和自动控制等方面。制等方面。2.3.1 热电偶传感器的工作原理热电偶传感器的工作原理 1.热电势效应热电势效应 将两种不同材料的导体构成一闭合回路，若两个接点处温将两种不同材料的导体构成一闭合回路，若两个接点处温度不同，则回路中会产生电动势，从而形成电流，这个物理度不同，则回路中会产生电动势，从而形成电流，这个物理现象称为热电势效应，简称热电效应。现象称为热电势效应，简称热电效应。图图2-15所示为热电偶所示为热电偶回路及符号。回路及符号。 2.热电偶回路的主要性质热电偶回路的主要性质 下一页返回2.3 热电偶传感

58、器热电偶传感器 (1)中间导体定律在热电偶回路中接入第三种材料的导体中间导体定律在热电偶回路中接入第三种材料的导体C，只要第三种导体的两端温度相同，则这一导体的引入将不，只要第三种导体的两端温度相同，则这一导体的引入将不会改变原来热电偶的热电动势大小。即会改变原来热电偶的热电动势大小。即 其中其中C导体两端温度相同。导体两端温度相同。 从实用观点看，这个性质很重要，正是由于这个性质存在，从实用观点看，这个性质很重要，正是由于这个性质存在，才可以在回路中引入各种仪表、连接导线等，而不必担心会才可以在回路中引入各种仪表、连接导线等，而不必担心会对热电动势有影响，而且也允许采用任意的焊接方法来焊制对

59、热电动势有影响，而且也允许采用任意的焊接方法来焊制热电偶。同时应用这一性质可以采用开路热电偶对液态金属热电偶。同时应用这一性质可以采用开路热电偶对液态金属和金属壁面进行温度测量，如和金属壁面进行温度测量，如图图2-16所示。只要保证两热电所示。只要保证两热电极极A,B插入地方的温度一致，则对整个回路的总热电动势将插入地方的温度一致，则对整个回路的总热电动势将不产生影响。不产生影响。上一页返回下一页2.3 热电偶传感器热电偶传感器机械强度、导电率以及热电偶的用途和测量范围等因素决定。机械强度、导电率以及热电偶的用途和测量范围等因素决定。热电偶长度由使用情况、安装条件，特别是工作端在被测介热电偶长

60、度由使用情况、安装条件，特别是工作端在被测介质中的插入深度来决定。质中的插入深度来决定。 (2)绝缘套管绝缘套管又称绝缘子，用来防止两根热电极绝缘套管绝缘套管又称绝缘子，用来防止两根热电极短路，其材料的选用视使用的温度范围和对绝缘性能的要求短路，其材料的选用视使用的温度范围和对绝缘性能的要求而定。绝缘套管一般制成圆形，中间有孔，长度为而定。绝缘套管一般制成圆形，中间有孔，长度为20 mm，使用时根据热电偶长度可多个串起来使用，常用的材料是，使用时根据热电偶长度可多个串起来使用，常用的材料是氧化铝、耐火陶瓷等。氧化铝、耐火陶瓷等。 (3)保护套管保护套管的作用是使热电极与测温介质隔离，保护套管保

61、护套管的作用是使热电极与测温介质隔离，使之免受化学侵蚀或机械损伤。热电极在套上绝缘套管后再使之免受化学侵蚀或机械损伤。热电极在套上绝缘套管后再装入保护套管内。对保护套管的基本要求是经久耐用及传热装入保护套管内。对保护套管的基本要求是经久耐用及传热良好。常用的保护套管材料有金属和非金属两类，应根据良好。常用的保护套管材料有金属和非金属两类，应根据上一页 下一页返回2.3 热电偶传感器热电偶传感器几种常用标准化热电偶的测温范围及特点。非标准化热电偶几种常用标准化热电偶的测温范围及特点。非标准化热电偶有钨锌丝热电偶、铱铬丝热电偶、铁一康铜丝热电偶等。非有钨锌丝热电偶、铱铬丝热电偶、铁一康铜丝热电偶等

62、。非标准化热电偶在高温、低温、超低温、真空和核辐射等特殊标准化热电偶在高温、低温、超低温、真空和核辐射等特殊环境中使用具有良好的性能。它们在节约贵重稀有金属方面环境中使用具有良好的性能。它们在节约贵重稀有金属方面具有重要意义。这类热电偶无统一分度表。具有重要意义。这类热电偶无统一分度表。 (2)普通型热电偶普通型热电偶外形如普通型热电偶普通型热电偶外形如图图2-18所示，这所示，这种类型的热电偶主要用于测量气体、蒸汽和液体介质的温度。种类型的热电偶主要用于测量气体、蒸汽和液体介质的温度。根据测温范围和测温环境不同，可选择合适的热电偶和保护根据测温范围和测温环境不同，可选择合适的热电偶和保护套。

63、按其安装时的连接形式可分为螺纹连接和法兰连接两种。套。按其安装时的连接形式可分为螺纹连接和法兰连接两种。按使用状态的要求又可分为密封式和高压固定螺纹式。按使用状态的要求又可分为密封式和高压固定螺纹式。 (3)恺装热电偶恺装热电偶的外形像电缆，也称缆式热电恺装热电偶恺装热电偶的外形像电缆，也称缆式热电偶。它是由金属套管、绝缘材料和热电偶丝三者组合而成一偶。它是由金属套管、绝缘材料和热电偶丝三者组合而成一体的特殊结构的热电偶。热电偶的套管外径最细能达体的特殊结构的热电偶。热电偶的套管外径最细能达0. 25上一页返回下一页2.3 热电偶传感器热电偶传感器振动、抗冲击、可挠性好、便于安装等优点，因此特

64、别适用振动、抗冲击、可挠性好、便于安装等优点，因此特别适用于复杂结构于复杂结构(如狭小弯曲管道内如狭小弯曲管道内)的温度测量。使用时，可以的温度测量。使用时，可以根据需要截取一定长度，将一端护套剥去，露出热电极，焊根据需要截取一定长度，将一端护套剥去，露出热电极，焊成结点，即成热电偶。恺装热电偶外形及结构如成结点，即成热电偶。恺装热电偶外形及结构如图图2-19所示。所示。 此外，还有快速测量各种表面温度的薄膜型热电偶，为测此外，还有快速测量各种表面温度的薄膜型热电偶，为测量各种固体表面温度的表面热电偶，为测量钢水和其他熔融量各种固体表面温度的表面热电偶，为测量钢水和其他熔融金属温度而设计的消耗

65、式热电偶，以石墨和难熔化合物为高金属温度而设计的消耗式热电偶，以石墨和难熔化合物为高温热电偶材料的非金属热电偶等。温热电偶材料的非金属热电偶等。2.3.3 热电偶自由端温度的补偿热电偶自由端温度的补偿 热电偶在测温过程中，为了保证输出热电动势仅与被测温热电偶在测温过程中，为了保证输出热电动势仅与被测温度有关，必须保持自由端度有关，必须保持自由端(冷端冷端)的温度恒定。的温度恒定。下一页返回上一页2.3 热电偶传感器热电偶传感器 1.仪表调零修正法仪表调零修正法 当热电偶与动圈式仪表配套使用时，若热电偶的自由端温当热电偶与动圈式仪表配套使用时，若热电偶的自由端温度基本恒定，对测量精度要求又不高时

66、，可将仪表的机械零度基本恒定，对测量精度要求又不高时，可将仪表的机械零点调至热电偶自由端温度的位置上点调至热电偶自由端温度的位置上. 2.自由端温度自动补偿自由端温度自动补偿 上述方法是要求在恒定自由端温度上述方法是要求在恒定自由端温度To的条件下得以实现的。的条件下得以实现的。若此条件不能满足，或要求被测温度的信号立即传人控制装若此条件不能满足，或要求被测温度的信号立即传人控制装置，以便进行实时控制时，这一方法就难以实现。如果在热置，以便进行实时控制时，这一方法就难以实现。如果在热电偶与仪表之间接入一个补偿装置，这个补偿装置在热电偶电偶与仪表之间接入一个补偿装置，这个补偿装置在热电偶自由端温

67、度为自由端温度为To时，产生一个电动势为，并随时，产生一个电动势为，并随To变化而相变化而相应改变，这样就可实现热电偶自由端温度的自动补偿。应改变，这样就可实现热电偶自由端温度的自动补偿。 电桥补偿法是最常用的自由端温度自动补偿的方法。它是电桥补偿法是最常用的自由端温度自动补偿的方法。它是利用直流电桥的不平衡电压来补偿热电偶因自由端温度变化利用直流电桥的不平衡电压来补偿热电偶因自由端温度变化而引起的热电动势变化值。如而引起的热电动势变化值。如图图2-20所示。所示。下一页返回上一页2.3 热电偶传感器热电偶传感器 用于电桥补偿法的装置称为热电偶冷端补偿器。用于电桥补偿法的装置称为热电偶冷端补偿

68、器。表表2 -4列出列出了常用的国产冷端补偿器性能。冷端温度补偿器通常使用在了常用的国产冷端补偿器性能。冷端温度补偿器通常使用在热电偶与动圈式显示仪表配套的测温系统中。而自动电子电热电偶与动圈式显示仪表配套的测温系统中。而自动电子电位差计或温度变送器以及数字式仪表等的测量线路里已设置位差计或温度变送器以及数字式仪表等的测量线路里已设置了冷端温度补偿电路，故热电偶与它们相配套使用时不必另了冷端温度补偿电路，故热电偶与它们相配套使用时不必另行配置冷端补偿器了。行配置冷端补偿器了。 3.延引电极法延引电极法 为了使热电偶自由端不受高温热源的影响，自由端温度基为了使热电偶自由端不受高温热源的影响，自由

69、端温度基本保持恒定或波动较小，可把热电偶做得很长，这样势必引本保持恒定或波动较小，可把热电偶做得很长，这样势必引起使用贵重金属热电偶的成本加大。导线。用补偿导线制成起使用贵重金属热电偶的成本加大。导线。用补偿导线制成的热电偶与工作热电偶相连，它既可把工作热电偶的原自由的热电偶与工作热电偶相连，它既可把工作热电偶的原自由端延长到新的自由端，节省了贵重金属，又不会由于引入该端延长到新的自由端，节省了贵重金属，又不会由于引入该导线而给工作热电偶带来测量误差。可见，使用补偿导线仅导线而给工作热电偶带来测量误差。可见，使用补偿导线仅上一页 下一页返回2.3 热电偶传感器热电偶传感器起延长热电偶的作用，不

70、起任何温度补偿作用，将其称为起延长热电偶的作用，不起任何温度补偿作用，将其称为“补偿导线补偿导线”是名不副实的习惯用语。常用热电偶补偿导线见是名不副实的习惯用语。常用热电偶补偿导线见表表2-5。2.3.4 热电偶的应用热电偶的应用 热电偶是工业生产中应用最广泛的一种测温传感器，几乎热电偶是工业生产中应用最广泛的一种测温传感器，几乎用于工业生产的各个领域，下面简要介绍热电偶应用中的一用于工业生产的各个领域，下面简要介绍热电偶应用中的一些基本知识。些基本知识。 1.热电偶的测温线路热电偶的测温线路 如如图图2-21所示，热电偶可用于测量两点温度之和以及之所示，热电偶可用于测量两点温度之和以及之差。

71、其中差。其中图图2-21( a )是两支同型号的热电偶正向串联，用是两支同型号的热电偶正向串联，用来测量两点温度之和。则当使用多根热电偶串联测温时，就来测量两点温度之和。则当使用多根热电偶串联测温时，就能成倍地提高总的热电动势的输出，大大提高测量的灵敏度，能成倍地提高总的热电动势的输出，大大提高测量的灵敏度，上一页 下一页返回2.3 热电偶传感器热电偶传感器 2.热电偶热电动势的测量热电偶热电动势的测量 热电偶输出的热电动势与被测温度有对应关系，热电动势热电偶输出的热电动势与被测温度有对应关系，热电动势的测量可用动圈式仪表、电位差计、电子电位差计，或通过的测量可用动圈式仪表、电位差计、电子电位

72、差计，或通过微机识别后输出，显示温度值。采用动圈式仪表测量热电动微机识别后输出，显示温度值。采用动圈式仪表测量热电动势时，由于线路中电阻的影响，将使仪表指示值与实际热电势时，由于线路中电阻的影响，将使仪表指示值与实际热电动势不一致，特别是外接电阻较大时，测量误差不容忽视。动势不一致，特别是外接电阻较大时，测量误差不容忽视。上一页返回2.4 电涡流式传感器电涡流式传感器 由由表表2- 6可知，电涡流传感器的线圈外径越大，线性范围也可知，电涡流传感器的线圈外径越大，线性范围也越大，但分辨率差越大，但分辨率差(灵敏度低灵敏度低)。线圈阻抗变化与金属导体的。线圈阻抗变化与金属导体的电导率、磁导率等有关

73、。对于非磁性材料，被测体的电导率电导率、磁导率等有关。对于非磁性材料，被测体的电导率越高，则灵敏度越高。但被测体为磁性材料时，其效果则相越高，则灵敏度越高。但被测体为磁性材料时，其效果则相反。因此，与非磁性材料相比，磁性材料的灵敏度低。为了反。因此，与非磁性材料相比，磁性材料的灵敏度低。为了充分利用电涡流效应，被测体环的半径应大于线圈半径的充分利用电涡流效应，被测体环的半径应大于线圈半径的1. 8倍，否则将导致灵敏度降低。被测体为圆柱体时，它的直径倍，否则将导致灵敏度降低。被测体为圆柱体时，它的直径必须为线圈直径的必须为线圈直径的3. 5倍以上，才不影响测量结果。而且被倍以上，才不影响测量结果

74、。而且被测体的厚度也不能太薄，一般情况下，只要厚度在测体的厚度也不能太薄，一般情况下，只要厚度在0. 2 mm以上，测量就不受影响。另外在测量时，传感器线圈周以上，测量就不受影响。另外在测量时，传感器线圈周围除被测导体外，应尽量避开其他导体，以免干扰磁场，引围除被测导体外，应尽量避开其他导体，以免干扰磁场，引起线圈的附加损失。起线圈的附加损失。 2.测量转换电路测量转换电路 电涡流传感器的测量转换电路有电涡流传感器的测量转换电路有电桥法、调幅法和调频电桥法、调幅法和调频下一页返回2.4 电涡流式传感器电涡流式传感器法。下面简要介绍调频法的工作原理，其转换电路原理框图法。下面简要介绍调频法的工作

75、原理，其转换电路原理框图如如图图2-26所示。所示。并联谐振回路的谐振频率为并联谐振回路的谐振频率为 当电涡流线圈与被测体的距离当电涡流线圈与被测体的距离s改变时，电涡流线圈的等改变时，电涡流线圈的等效电感量效电感量L也随之改变，引起也随之改变，引起LC振荡器的输出频率改变，此振荡器的输出频率改变，此频率可直接用频率计测量。但多数情况下是通过鉴频器将频频率可直接用频率计测量。但多数情况下是通过鉴频器将频率的变化转换为输出电压的变化。调频法的特点是受温度、率的变化转换为输出电压的变化。调频法的特点是受温度、电源电压等外界因素的影响较小。电源电压等外界因素的影响较小。 2.4.3电涡流式传感器的应

76、用电涡流式传感器的应用 电涡流式传感器由于结构简单，又可实现非接触测量，因电涡流式传感器由于结构简单，又可实现非接触测量，因此得到广泛的应用，下面列举一些主要的应用。此得到广泛的应用，下面列举一些主要的应用。 上一页 下一页返回2.4 电涡流式传感器电涡流式传感器 1.位移测量位移测量 如图如图2-27所示，电涡流式传感器可用来测量各种形状金所示，电涡流式传感器可用来测量各种形状金属导体试件的位移量。如汽轮机主轴的轴向位移、磨床换向属导体试件的位移量。如汽轮机主轴的轴向位移、磨床换向阀及先导阀的轴位移和金属试件的热膨胀系数等。阀及先导阀的轴位移和金属试件的热膨胀系数等。 2.振幅测量振幅测量

77、如如图图2-28(a)所示，电涡流式传感器可以无接触地测量旋所示，电涡流式传感器可以无接触地测量旋转轴的径向振动，也可以测量汽轮机涡轮叶片的振幅，如转轴的径向振动，也可以测量汽轮机涡轮叶片的振幅，如图图2-28 ( b )所示。有时为了解轴的振动形状，可用数个电涡所示。有时为了解轴的振动形状，可用数个电涡流传感器并排地安置在附近测量，如流传感器并排地安置在附近测量，如图图2-28(c)所示。所示。 3.转速测量转速测量 在旋转体上开一条或数条槽或做成齿状，旁边安装一个电在旋转体上开一条或数条槽或做成齿状，旁边安装一个电涡流式传感器，如涡流式传感器，如图图2-29所示，当转轴转动时，传感器周期所

78、示，当转轴转动时，传感器周期地改变着与转轴之间的距离，于是它的输出也周期性地发生地改变着与转轴之间的距离，于是它的输出也周期性地发生变化。变化。上一页 下一页返回2.4 电涡流式传感器电涡流式传感器 4.电涡流探伤电涡流探伤 利用电涡流式传感器可以检查金属表面裂纹、热处理裂纹利用电涡流式传感器可以检查金属表面裂纹、热处理裂纹以及焊接处的缺陷等。在探伤时，传感器应与被测导体保持以及焊接处的缺陷等。在探伤时，传感器应与被测导体保持距离不变。检测时，由于裂陷出现，将引起导体的电导率、距离不变。检测时，由于裂陷出现，将引起导体的电导率、磁导率的变化，即涡流损耗改变，从而引起输出电压的突变，磁导率的变化

79、，即涡流损耗改变，从而引起输出电压的突变，达到探伤的目的。达到探伤的目的。上一页返回2.5 电容式传感器电容式传感器电容式传感器是一种能将被测非电量转换成电容量变化，然电容式传感器是一种能将被测非电量转换成电容量变化，然后再经转换电路转换成电压、电流或频率等信号输出的测量后再经转换电路转换成电压、电流或频率等信号输出的测量装置。它具有装置。它具有以下优点以下优点: (1)高阻抗，小功率，仅需很低的输入能量。高阻抗，小功率，仅需很低的输入能量。 (2)可获得较大的变化量，从而具有较高的信噪比和系统可获得较大的变化量，从而具有较高的信噪比和系统稳定性。稳定性。 (3)动态响应快，工作频率可达几兆赫

80、，可非接触测量，动态响应快，工作频率可达几兆赫，可非接触测量，被测物是导体或非导体均可。被测物是导体或非导体均可。 (4)结构简单，适应性强，可在高低温、强辐射等恶劣的结构简单，适应性强，可在高低温、强辐射等恶劣的环境下工作。因此它在非电量测量和自动检测中得到广泛应环境下工作。因此它在非电量测量和自动检测中得到广泛应用，可测量月功、位移、振动、角度、加速度、液位、湿度、用，可测量月功、位移、振动、角度、加速度、液位、湿度、成分含量等参数。成分含量等参数。下一页返回2.5 电容式传感器电容式传感器 2.5.1 电容式传感器的工作原理和特性电容式传感器的工作原理和特性 电容式传感器的基本原理如电容

81、式传感器的基本原理如图图2-30所示，它是由绝缘介所示，它是由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器，如果不考虑边质分开的两个平行金属板组成的平板电容器，如果不考虑边缘效应，其电容量为缘效应，其电容量为:式中式中 电容极板间介质的介电常数，电容极板间介质的介电常数， 为真空介电常数，为真空介电常数， ，为极板间介质相对介电常数，为极板间介质相对介电常数; A 一平行板所覆盖的面积一平行板所覆盖的面积; d 一两平行板之间的距离。一两平行板之间的距离。上一页 下一页返回2.5 电容式传感器电容式传感器当被测参数变化使得上式中的当被测参数变化使得上式中的A ,d或二发生变化时，电容量或二发生

82、变化时，电容量C也随之变化。如果保持其中两个参数不变，而仅改变其中一也随之变化。如果保持其中两个参数不变，而仅改变其中一个参数，就可把该参数的变化转换为电容量的变化，通过测个参数，就可把该参数的变化转换为电容量的变化，通过测量电路就可转换为电量输出。因此，电容式传感器可分为变量电路就可转换为电量输出。因此，电容式传感器可分为变极距型、变面积型和变介电常数型三种类型。极距型、变面积型和变介电常数型三种类型。2.5.2 电容式传感器的测量转换电路电容式传感器的测量转换电路 电容式传感器中电容值以及电容变化值都十分微小，这样电容式传感器中电容值以及电容变化值都十分微小，这样微小的电容量还不能直接为目

83、前的显示仪表所显示，也很难微小的电容量还不能直接为目前的显示仪表所显示，也很难为记录仪所接受，不便于传输。这就必须借助于测量电路检为记录仪所接受，不便于传输。这就必须借助于测量电路检出这一微小电容增量，并将其转换成与其成单值函数关系的出这一微小电容增量，并将其转换成与其成单值函数关系的电压、电流或者频率。电容转换电路有电桥电路电压、电流或者频率。电容转换电路有电桥电路(调幅电路调幅电路)、调频电路、运算放大器式电路、二极管双调频电路、运算放大器式电路、二极管双T型交流电桥、脉冲型交流电桥、脉冲宽度调制电路等。以下以电桥电路为例介绍其转换原理。宽度调制电路等。以下以电桥电路为例介绍其转换原理。上

84、一页返回下一页2.5 电容式传感器电容式传感器1.电桥电路电桥电路(调幅电路调幅电路)图图2-31所示为电桥电路。所示为电桥电路。 电容电桥的主要特点有电容电桥的主要特点有: .电桥输出调幅波，其幅值与被测量成比例，因此电桥电电桥输出调幅波，其幅值与被测量成比例，因此电桥电路又称为调幅电路路又称为调幅电路; .输出电压与电源电压成比例，因此要求电源采用稳幅、输出电压与电源电压成比例，因此要求电源采用稳幅、稳频等措施稳频等措施; .传感器必须工作在平衡位置附近，否则电桥非线性将增传感器必须工作在平衡位置附近，否则电桥非线性将增大。在要求精度高的场合大。在要求精度高的场合(如飞机用油量表如飞机用油

85、量表)应采用自动平衡应采用自动平衡电桥电桥; .输出阻抗很高输出阻抗很高(一般达几兆欧至几十兆欧一般达几兆欧至几十兆欧)，输出电压低，输出电压低，必须后接高输入阻抗、高放大倍数的处理电路。必须后接高输入阻抗、高放大倍数的处理电路。 由电桥电路组成的系统原理如由电桥电路组成的系统原理如图图2-32所示。所示。下一页返回上一页2.5 电容式传感器电容式传感器 2.5.3 电容式传感器的应用电容式传感器的应用 电容式传感器可用来测量直线位移、角位移、振动振幅，电容式传感器可用来测量直线位移、角位移、振动振幅，尤其适合测量高频振动振幅、精密轴系回转精度、加速度等尤其适合测量高频振动振幅、精密轴系回转精

86、度、加速度等机械量。机械量。 变极距型的适用于较小位移的测量，量程在变极距型的适用于较小位移的测量，量程在0. 0l m至数至数百微米、精度可达百微米、精度可达0. O1 m、分辨率可达、分辨率可达0. 001 m。变面。变面积型的能测量较大的位移，量程为零点几毫米至数百毫米之积型的能测量较大的位移，量程为零点几毫米至数百毫米之间、线性优于间、线性优于0. 5 %、分辨率为、分辨率为0. O1-0. 001 m。 1.电容式差压传感器电容式差压传感器 图图2-33是电容式差压传感器结构示意图。这种传感器结是电容式差压传感器结构示意图。这种传感器结构简单、灵敏度高、响应速度快构简单、灵敏度高、响

87、应速度快(约约100ms )、能测微小压、能测微小压差差(0 0. 75 Pa )。上一页 下一页返回2.5 电容式传感器电容式传感器 2.电容式测厚传感器电容式测厚传感器 如如图图2-34所示为电容式侧厚传感器在板材轧制装置中的所示为电容式侧厚传感器在板材轧制装置中的应用的工作原理。在被测带材的上、下两侧各置一块面积相应用的工作原理。在被测带材的上、下两侧各置一块面积相等、与带材距离相等的极板，这样，极板与带材就构成了两等、与带材距离相等的极板，这样，极板与带材就构成了两个独立电容器。个独立电容器。 3.电容式力和压力传感器电容式力和压力传感器 为大吨位电子吊秤用电容式称重传感器。扁环形弹性

88、元件为大吨位电子吊秤用电容式称重传感器。扁环形弹性元件上下平面上分别固连电容传感器的定极板和动极板。称重时，上下平面上分别固连电容传感器的定极板和动极板。称重时，弹性元件受力变形，使动极板位移，导致传感器电容量变化，弹性元件受力变形，使动极板位移，导致传感器电容量变化，从而引起由该电容组成的振荡频率变化。频率信号经计数、从而引起由该电容组成的振荡频率变化。频率信号经计数、编码，传输到显示部分。编码，传输到显示部分。 图图2-36为一种典型的小型差动电容式压力传感器结构。为一种典型的小型差动电容式压力传感器结构。加有预张力的不锈钢膜片作为感压敏感元件，同时作为加有预张力的不锈钢膜片作为感压敏感元

89、件，同时作为上一页 下一页返回2.5 电容式传感器电容式传感器可变电容的活动极板。电容的两个固定极板是在玻璃基片上可变电容的活动极板。电容的两个固定极板是在玻璃基片上镀有金属层的球面极片。在压差作用下，膜片凹向压力小的镀有金属层的球面极片。在压差作用下，膜片凹向压力小的一面，导致电容量发生变化。球面极片一面，导致电容量发生变化。球面极片(图中被夸大图中被夸大)可以在可以在压力过载时保护膜片，并改善性能。其灵敏度取决于初始间压力过载时保护膜片，并改善性能。其灵敏度取决于初始间隙隙s,s越小，灵敏度越高。其动态响应主要取决于膜片的固有越小，灵敏度越高。其动态响应主要取决于膜片的固有频率。频率。上一

90、页返回2.6 电感式传感器电感式传感器 电感式传感器是利用电磁感应原理将被测非电量如位移、电感式传感器是利用电磁感应原理将被测非电量如位移、压力、流量、振动等转换成线圈自感量压力、流量、振动等转换成线圈自感量L或互感量或互感量M的变化，的变化，再由测量电路转换为电压或电流的变化量输出的一种传感器。再由测量电路转换为电压或电流的变化量输出的一种传感器。由铁芯和线圈构成的将直线或角位移的变化转换为线圈电感由铁芯和线圈构成的将直线或角位移的变化转换为线圈电感量变化的传感器，又称电感式位移传感器。这种传感器的线量变化的传感器，又称电感式位移传感器。这种传感器的线圈匝数和材料导磁系数都是一定的，其电感量

91、的变化是由于圈匝数和材料导磁系数都是一定的，其电感量的变化是由于位移输入量导致线圈磁路的几何尺寸变化而引起的。当把线位移输入量导致线圈磁路的几何尺寸变化而引起的。当把线圈接入测量电路并接通激励电源时，就可获得正比于位移输圈接入测量电路并接通激励电源时，就可获得正比于位移输入量的电压或电流输出。入量的电压或电流输出。2.6.1 自感式电感传感器自感式电感传感器 自感式传感器实质上是一个带气隙的铁芯线圈。按磁路几自感式传感器实质上是一个带气隙的铁芯线圈。按磁路几何参数变化形式的不同，目前常用的自感式传感器有变气隙何参数变化形式的不同，目前常用的自感式传感器有变气隙式、变面积式与螺管式三种式、变面积

92、式与螺管式三种;按组成方式分，有单一式与差动按组成方式分，有单一式与差动下一页返回2.6 电感式传感器电感式传感器式两种。式两种。 1.自感式传感器的结构及工作原理自感式传感器的结构及工作原理 自感式电感传感器的基本结构如自感式电感传感器的基本结构如图图2-37所示，主要由线所示，主要由线圈、铁芯和衔铁以及测杆组成。圈、铁芯和衔铁以及测杆组成。 自感式传感器主要用于测量位移量或者是易于转换成位移自感式传感器主要用于测量位移量或者是易于转换成位移量的被测量。工作时衔铁通过测杆与被测物体接触，被测物量的被测量。工作时衔铁通过测杆与被测物体接触，被测物体位移将带动可动衔铁移动，从而导致线圈电感量发生

93、变化。体位移将带动可动衔铁移动，从而导致线圈电感量发生变化。当线圈接入测量转换电路后，电感量的变化将转换成电压、当线圈接入测量转换电路后，电感量的变化将转换成电压、电流或频率的变化，从而完成非电量到电量的转换。电流或频率的变化，从而完成非电量到电量的转换。 2.自感式电感器的种类自感式电感器的种类 自感式电感传感器按原理可分为变气隙型、变截面型和螺自感式电感传感器按原理可分为变气隙型、变截面型和螺线管型三种基本类型。线管型三种基本类型。上一页返回下一页2.6 电感式传感器电感式传感器 (1)变气隙型传感器由变气隙型传感器由 可知，若可知，若A为常数，则为常数，则L与与气隙气隙 成反比。故输入输

94、出是非线性关系。成反比。故输入输出是非线性关系。 越小，灵敏度越小，灵敏度越高。为提高灵敏度，保证一定的线性度，变气隙式电感传越高。为提高灵敏度，保证一定的线性度，变气隙式电感传感器只能工作在很小的区间，因此只能用于微小位移量的测感器只能工作在很小的区间，因此只能用于微小位移量的测量。量。 (2)变截面型传感器由公式可知传感器工作时，若气隙间变截面型传感器由公式可知传感器工作时，若气隙间距距s保持不变，则线圈电感量保持不变，则线圈电感量L与截面积与截面积A成正比，输入与输成正比，输入与输出是一种线性关系，灵敏度是一常数。为提高灵敏度，常将出是一种线性关系，灵敏度是一常数。为提高灵敏度，常将s做

95、得很小。这种类型的传感器由于结构的限制，量程一般也做得很小。这种类型的传感器由于结构的限制，量程一般也不大，故在实际应用中并不多。不大，故在实际应用中并不多。 (3)螺线管型电感式传感器螺线管型电感式传感器由一只螺线管型电感式传感器螺线管型电感式传感器由一只螺管线圈和一根柱形衔铁组成。当被测量引起衔铁移动时，螺管线圈和一根柱形衔铁组成。当被测量引起衔铁移动时，会引起衔铁在线圈中的长度变化，从而引起螺管线圈的电感会引起衔铁在线圈中的长度变化，从而引起螺管线圈的电感量的变化。量的变化。下一页返回上一页2.6 电感式传感器电感式传感器机械强度、导电率以及热电偶的用途和测量范围等因素决定。机械强度、导

96、电率以及热电偶的用途和测量范围等因素决定。热电偶长度由使用情况、安装条件，特别是工作端在被测介热电偶长度由使用情况、安装条件，特别是工作端在被测介质中的插入深度来决定。质中的插入深度来决定。 (2)绝缘套管绝缘套管又称绝缘子，用来防止两根热电极绝缘套管绝缘套管又称绝缘子，用来防止两根热电极短路，其材料的选用视使用的温度范围和对绝缘性能的要求短路，其材料的选用视使用的温度范围和对绝缘性能的要求而定。绝缘套管一般制成圆形，中间有孔，长度为而定。绝缘套管一般制成圆形，中间有孔，长度为20 mm，使用时根据热电偶长度可多个串起来使用，常用的材料是，使用时根据热电偶长度可多个串起来使用，常用的材料是氧化

97、铝、耐火陶瓷等。氧化铝、耐火陶瓷等。 (3)保护套管保护套管的作用是使热电极与测温介质隔离，保护套管保护套管的作用是使热电极与测温介质隔离，使之免受化学侵蚀或机械损伤。热电极在套上绝缘套管后再使之免受化学侵蚀或机械损伤。热电极在套上绝缘套管后再装入保护套管内。对保护套管的基本要求是经久耐用及传热装入保护套管内。对保护套管的基本要求是经久耐用及传热良好。常用的保护套管材料有金属和非金属两类，应根据良好。常用的保护套管材料有金属和非金属两类，应根据上一页 下一页返回2.6 电感式传感器电感式传感器 在实际使用中，通常采用两个相同的传感器线圈共用一个衔在实际使用中，通常采用两个相同的传感器线圈共用一

98、个衔铁，构成差动电感传感器。结构如铁，构成差动电感传感器。结构如图图2-38所示。所示。 3.自感式传感器的测量电路自感式传感器的测量电路 (1)交流电桥交流电桥是电感式传感器的最常用的测量电交流电桥交流电桥是电感式传感器的最常用的测量电路，它将线圈电感的变化转换成电桥电路的电压或电流输出。路，它将线圈电感的变化转换成电桥电路的电压或电流输出。自感式传感器常用的交流电桥有以下两种。自感式传感器常用的交流电桥有以下两种。 (2)谐振电路谐振电路如谐振电路谐振电路如图图2-40(a)所示。图中所示。图中Z为传感为传感器线圈，器线圈，E为激励电源。设为激励电源。设图图2-40(b)中曲线中曲线1为为

99、图图2-40(a)回路的谐振曲线。若激励源的频率为回路的谐振曲线。若激励源的频率为f，当传感器线圈，当传感器线圈电感量变化时，谐振曲线将左右移动，于是输出电压的幅值电感量变化时，谐振曲线将左右移动，于是输出电压的幅值就发生相应变化。这种电路灵敏度很高，但非线性严重，常就发生相应变化。这种电路灵敏度很高，但非线性严重，常与单线圈自感传感器配合，用于测量范围小或线性度要求不与单线圈自感传感器配合，用于测量范围小或线性度要求不高的场合。高的场合。 上一页 下一页返回2.6 电感式传感器电感式传感器(3 )恒流源电路这种电路与大位移恒流源电路这种电路与大位移(螺管式螺管式)自感传感器配用，自感传感器配

100、用，见见图图2-41。2.6.2 互感式传感器互感式传感器 1.工作原理工作原理 互感式传感器是一种线圈互感随衔铁位移变化的变磁阻式互感式传感器是一种线圈互感随衔铁位移变化的变磁阻式传感器。其原理类似于变压器。互感式传感器的初、次级间传感器。其原理类似于变压器。互感式传感器的初、次级间的互感随衔铁移动而变，且两个次级绕组按差动方式工作，的互感随衔铁移动而变，且两个次级绕组按差动方式工作，因此又称为差动变压器。差动变压器和自感传感器一样，也因此又称为差动变压器。差动变压器和自感传感器一样，也有变气隙式、变面积式和螺管式三种类型，目前应用最广泛有变气隙式、变面积式和螺管式三种类型，目前应用最广泛的

101、是螺管式差动变压器传感器。如的是螺管式差动变压器传感器。如图图2-42所示。所示。2.测量电路测量电路 由上述的分析可知，差动变压器的输出电压其实是一个受由上述的分析可知，差动变压器的输出电压其实是一个受衔铁位移控制的调幅波，目前常用的测量电路有衔铁位移控制的调幅波，目前常用的测量电路有相敏检波相敏检波上一页返回下一页2.6 电感式传感器电感式传感器电路、差动整流电路等。电路、差动整流电路等。 (1)相敏检波电路相敏检波电路。相敏检波电路相敏检波电路。 (2)差动整流电路差动整流电路是差动变压器常用的测量差动整流电路差动整流电路是差动变压器常用的测量电路，这种电路结构简单，使用非常方便。如电路

102、，这种电路结构简单，使用非常方便。如图图2-44所示，所示，差动变压器两个输出线圈的电压分别整流后，再进行差动输差动变压器两个输出线圈的电压分别整流后，再进行差动输出。该电路不需要考虑相位调整和零位输出电压的影响，而出。该电路不需要考虑相位调整和零位输出电压的影响，而且输出信号可进行远距离的传输。几种典型的电路如且输出信号可进行远距离的传输。几种典型的电路如图图2 - 44所示。所示。2.6.3 电感式传感器的应用电感式传感器的应用 电感式传感器主要用于测量位移量，凡是能转换成位移量电感式传感器主要用于测量位移量，凡是能转换成位移量变化的参数，如压力、压差、加速度、振动、应变、流量、变化的参数

103、，如压力、压差、加速度、振动、应变、流量、厚度、液位等都可以用电感式传感器来进行测量。厚度、液位等都可以用电感式传感器来进行测量。 上一页 下一页返回2.6 电感式传感器电感式传感器 (1)位移的测量位移的测量图图2-45是电感式测位仪的原理框图。测是电感式测位仪的原理框图。测量时探头与被测对象连接，被测对象的微小移动将使衔铁位量时探头与被测对象连接，被测对象的微小移动将使衔铁位置发生改变，线圈的电感随之发生变化。通过交流电桥将这置发生改变，线圈的电感随之发生变化。通过交流电桥将这一变化转换能够成反映被测对象位移的电压信号。再经过交一变化转换能够成反映被测对象位移的电压信号。再经过交流放大和相

104、敏检波最后通过指示仪表将测量结果显示出来。流放大和相敏检波最后通过指示仪表将测量结果显示出来。 (2)液位的测量液位的测量其实是位移测量的具体应用之液位的测量液位的测量其实是位移测量的具体应用之一。一。图图2-46为电感式浮筒液位计的原理示意图。液位发生变为电感式浮筒液位计的原理示意图。液位发生变化时，浮筒的所受浮力将产生变化，并带动差动变压器的衔化时，浮筒的所受浮力将产生变化，并带动差动变压器的衔铁发生位移变化，从而改变了差动变压器输出电压。这个输铁发生位移变化，从而改变了差动变压器输出电压。这个输出值反映了液面的变化值。出值反映了液面的变化值。 (3)力的测量力的测量图图2-47是差动变压

105、器式力传感器。当力作是差动变压器式力传感器。当力作用于传感器时，弹性元件发生形变，从而导致衔铁相对线圈用于传感器时，弹性元件发生形变，从而导致衔铁相对线圈产生位移。线圈电感量的变化通过测量电路转换为输出电压产生位移。线圈电感量的变化通过测量电路转换为输出电压信号，其大小反映了受力的大小。信号，其大小反映了受力的大小。上一页 下一页返回2.6 电感式传感器电感式传感器 (4)加速度的测量加速度的测量图图2-48为差动变压器式加速度传感器为差动变压器式加速度传感器的结构示意图和测量电路原理框图。当该传感器受到加速度的结构示意图和测量电路原理框图。当该传感器受到加速度作用时，衔铁会对弹性支撑片产生与

106、加速度成正比的反作用作用时，衔铁会对弹性支撑片产生与加速度成正比的反作用力。弹性支撑片受力后发生形变，于是衔铁与线圈产生相对力。弹性支撑片受力后发生形变，于是衔铁与线圈产生相对位移。差动变压器输出正比于加速度的检测电压。位移。差动变压器输出正比于加速度的检测电压。上一页返回2.7压电式传感器压电式传感器 压电式传感器是将被测量变化转换成材料受机械力产生静压电式传感器是将被测量变化转换成材料受机械力产生静电电荷或电压变化的传感器。它是一种典型的、有源的、双电电荷或电压变化的传感器。它是一种典型的、有源的、双向机电能量转换型传感器。向机电能量转换型传感器。 压电式传感器具有压电式传感器具有使用频带

107、宽、灵敏度高、信噪比高、使用频带宽、灵敏度高、信噪比高、结构简单、工作可靠、质量轻等优点。近年来，由于电子技结构简单、工作可靠、质量轻等优点。近年来，由于电子技术的飞跃发展，随着与之配套的二次仪表以及低噪声、小电术的飞跃发展，随着与之配套的二次仪表以及低噪声、小电容、高绝缘电阻电缆的出现，使压电式传感器在工程力学、容、高绝缘电阻电缆的出现，使压电式传感器在工程力学、各种动态力、机械冲击与振动测量、生物医学、电声学、宇各种动态力、机械冲击与振动测量、生物医学、电声学、宇航等许多技术领域获得广泛的应用。航等许多技术领域获得广泛的应用。2.7.1 压电式传感器的工作原理压电式传感器的工作原理 1.压

108、电效应压电效应 压电效应是一种机械能与电能之间的藕合效应。压电效应压电效应是一种机械能与电能之间的藕合效应。压电效应是可逆的，即有两种压电效应是可逆的，即有两种压电效应:正压电效应和逆压电效应。正压电效应和逆压电效应。下一页返回2.7压电式传感器压电式传感器 2.压电材料压电材料 具有压电效应的电介质物质称为压电材料。常见的压电材具有压电效应的电介质物质称为压电材料。常见的压电材料有单晶和多晶两种，前者以石英晶体为代表还有水溶式压料有单晶和多晶两种，前者以石英晶体为代表还有水溶式压晶体、妮酸铿晶体晶体、妮酸铿晶体;后者以错钦酸铅压电陶瓷为代表，还有妮后者以错钦酸铅压电陶瓷为代表，还有妮美酸铅压

109、电陶瓷、钦酸钡压电陶瓷等。美酸铅压电陶瓷、钦酸钡压电陶瓷等。 2.7.2 压电传感器的等效电路压电传感器的等效电路 当压电式传感器的压电元件受力时，在电极表面就会出现当压电式传感器的压电元件受力时，在电极表面就会出现电荷，且两个电极表面聚集的电荷量相等，极性相反。因此，电荷，且两个电极表面聚集的电荷量相等，极性相反。因此，可以把压电式传感器看作是一个电荷源，而压电元件是绝缘可以把压电式传感器看作是一个电荷源，而压电元件是绝缘体，在这一过程中，它又可以看成是一个电容器，其电容量体，在这一过程中，它又可以看成是一个电容器，其电容量 为为上一页返回下一页2.7压电式传感器压电式传感器 压电元件电极面

110、的面积压电元件电极面的面积 压电元件厚度压电元件厚度(m); 压电材料的相对介电常数压电材料的相对介电常数; 真空介电常数。真空介电常数。 从性质上讲，压电元件实际上是一个有源电容器。从性质上讲，压电元件实际上是一个有源电容器。 当需要压电元件输出电荷时，可以把压电元件等效为一个当需要压电元件输出电荷时，可以把压电元件等效为一个电荷源与一个电容相并联的电荷等效电路，如电荷源与一个电容相并联的电荷等效电路，如图图2-49 ( a)所示。在开路状态时，其输出端电荷为所示。在开路状态时，其输出端电荷为 。 当需要压电元件输出电压时，又可以把它等效成一个电压当需要压电元件输出电压时，又可以把它等效成一

111、个电压源与一个电容相串联的电压等效电路，如源与一个电容相串联的电压等效电路，如图图2-49 ( b)所示。所示。在开路状态时，其输出端电压为在开路状态时，其输出端电压为下一页返回上一页2.7压电式传感器压电式传感器 2.7.3 压电式传感器的测量电路压电式传感器的测量电路 由于压电式传感器的输出信号非常微弱，电缆的分布电容由于压电式传感器的输出信号非常微弱，电缆的分布电容及噪声将严重影响其输出特性，因此需将电信号放大后才能及噪声将严重影响其输出特性，因此需将电信号放大后才能检测出来检测出来;由于其内阻抗很高，所以需要压电器件的负载电阻由于其内阻抗很高，所以需要压电器件的负载电阻必须具有极高的值

112、。因此与压电元件配套使用的测量电路，必须具有极高的值。因此与压电元件配套使用的测量电路，其前置放大器必须有两个作用其前置放大器必须有两个作用:信号放大和阻抗匹配。信号放大和阻抗匹配。 由于压电元件既可看作电压源，又可看作电荷源，所以前由于压电元件既可看作电压源，又可看作电荷源，所以前置放大器有两种置放大器有两种:电压放大器和电荷放大器。它们的共同作用电压放大器和电荷放大器。它们的共同作用都是将压电元件输出的微弱信号放大，将压电元件的高阻抗都是将压电元件输出的微弱信号放大，将压电元件的高阻抗转换为低阻抗输出。由于线性集成运算放大器的飞速发展，转换为低阻抗输出。由于线性集成运算放大器的飞速发展，出

113、现了一些输入阻抗很高的器件，因而由集成运算放大器构出现了一些输入阻抗很高的器件，因而由集成运算放大器构成的电荷放大器便有了良好的基础和发展前景。故目前多成的电荷放大器便有了良好的基础和发展前景。故目前多上一页 下一页返回2.7压电式传感器压电式传感器采用电荷放大器。电荷放大器实际上是一个具有采用电荷放大器。电荷放大器实际上是一个具有深度电容深度电容负反馈的高增益放大器。电荷放大器的原理如负反馈的高增益放大器。电荷放大器的原理如图图2-50所示。所示。2.7.4 压电式传感器的应用压电式传感器的应用 1.压电式加速度传感器压电式加速度传感器 图图2-51是一种压电式加速度传感器的结构图。它主要由

114、是一种压电式加速度传感器的结构图。它主要由压电元件、质量块、预压弹簧、基座及外壳等组成。整个部压电元件、质量块、预压弹簧、基座及外壳等组成。整个部件装在外壳内，并由螺栓加以固定。件装在外壳内，并由螺栓加以固定。当加速度传感器和被测物一起受到冲击振动时，压电元件受当加速度传感器和被测物一起受到冲击振动时，压电元件受质量块惯性力的作用，根据牛顿第二定律，此惯性力是加速质量块惯性力的作用，根据牛顿第二定律，此惯性力是加速度的函数，即度的函数，即式中式中 质量块产生的惯性力质量块产生的惯性力; m质量块的质量质量块的质量;上一页 下一页返回2.7压电式传感器压电式传感器 a加速度。加速度。 此时惯性力

115、此时惯性力F作用于压电元件上，因而产生电荷作用于压电元件上，因而产生电荷q，当传感，当传感器选定后，器选定后，m为常数，则传感器输出电荷为为常数，则传感器输出电荷为与加速度与加速度a成正比。因此，测得加速度传感器输出的电荷便可成正比。因此，测得加速度传感器输出的电荷便可知加速度的大小。知加速度的大小。2.压电式声传感器压电式声传感器图图2-52是压电陶瓷换能器结构图。是压电陶瓷换能器结构图。 当交变信号加在压电陶瓷片两端面时，由于压电陶瓷的逆压当交变信号加在压电陶瓷片两端面时，由于压电陶瓷的逆压电效应，陶瓷片会在电极方向产生周期性的伸长和缩短。当电效应，陶瓷片会在电极方向产生周期性的伸长和缩短

116、。当一定频率的声频信号加在换能器上时，换能器上的压电陶瓷一定频率的声频信号加在换能器上时，换能器上的压电陶瓷上一页 下一页返回2.7压电式传感器压电式传感器片受到外力作用而产生压缩变形，由于压电陶瓷的正压电效片受到外力作用而产生压缩变形，由于压电陶瓷的正压电效应，压电陶瓷上将出现充、放电现象，即将声频信号转换成应，压电陶瓷上将出现充、放电现象，即将声频信号转换成了交变电信号。这时的声传感器就是声频信号接收器。如果了交变电信号。这时的声传感器就是声频信号接收器。如果换能器中压电陶瓷的振荡频率在超声波范围，则其发射或接换能器中压电陶瓷的振荡频率在超声波范围，则其发射或接收的声频信号即为超声波，这样

117、的换能器称为压电超声换能收的声频信号即为超声波，这样的换能器称为压电超声换能器。器。上一页返回2.8 磁电式传感器磁电式传感器 磁电式传感器是利用电磁感应原理将被测量磁电式传感器是利用电磁感应原理将被测量(如振动、位如振动、位移、转速等移、转速等)转换成电信号的一种传感器。它不需要辅助电源，转换成电信号的一种传感器。它不需要辅助电源，就能把被测对象的机械能转换成易于测量的电信号，是一种就能把被测对象的机械能转换成易于测量的电信号，是一种有源传感器。有时也称作电动式或感应式传感器，只适合进有源传感器。有时也称作电动式或感应式传感器，只适合进行动态测量。由于它有较大的输出功率，故配用电路较简单行动

118、态测量。由于它有较大的输出功率，故配用电路较简单;零位及性能稳定零位及性能稳定;工作频带一般为工作频带一般为101000Hz。磁电式传。磁电式传感器具有双向转换特性，利用其逆转换效应可构成力感器具有双向转换特性，利用其逆转换效应可构成力(矩矩)发发生器和电磁激振器等。生器和电磁激振器等。 2.8.1 工作原理工作原理 当一个匝数为当一个匝数为W的线圈作切割磁力线运动时，或者穿过线的线圈作切割磁力线运动时，或者穿过线圈的磁通圈的磁通 少发生变化时，线圈中产生感应电动势，其大小少发生变化时，线圈中产生感应电动势，其大小由下式决定由下式决定:下一页返回2.8 磁电式传感器磁电式传感器式中式中 为磁通

119、变化率，与磁场强度、磁路磁阻、线圈运动速为磁通变化率，与磁场强度、磁路磁阻、线圈运动速度有关，只要改变其一，度有关，只要改变其一， 就会改变。就会改变。 根据这一原理，可以设计成两种磁电传感器结构根据这一原理，可以设计成两种磁电传感器结构:变磁通变磁通式和恒磁通式。式和恒磁通式。 1.变磁通式磁电传感器变磁通式磁电传感器 图图2-53是变磁通式磁电传感器，用来测量旋转物体的角是变磁通式磁电传感器，用来测量旋转物体的角速度。速度。 2.恒磁通式磁电传感器恒磁通式磁电传感器 图图2-54为恒磁通式磁电传感器典型结构，它由永久磁铁、为恒磁通式磁电传感器典型结构，它由永久磁铁、线圈、弹簧、金属骨架等组

120、成。线圈、弹簧、金属骨架等组成。 磁路系统产生恒定的直流磁场，磁路中的工作气隙固定不磁路系统产生恒定的直流磁场，磁路中的工作气隙固定不变，因而气隙中磁通也是恒定不变的。其运动部件可以是线变，因而气隙中磁通也是恒定不变的。其运动部件可以是线圈圈(动圈式动圈式)，也可以是磁铁，也可以是磁铁(动铁式动铁式)，动圈式，动圈式(图图2-54(a)上一页返回下一页2.8 磁电式传感器磁电式传感器和动铁式和动铁式(图图2-54 ( b )的工作原理是完全相同的。当壳体的工作原理是完全相同的。当壳体随被测振动体一起振动时，由于弹簧较软，运动部件质量相随被测振动体一起振动时，由于弹簧较软，运动部件质量相对较大。

121、当振动频率足够高对较大。当振动频率足够高(远大于传感器固有频率远大于传感器固有频率)时，运时，运动部件惯性很大，来不及随振动体一起振动，近乎静止不动，动部件惯性很大，来不及随振动体一起振动，近乎静止不动，振动能量几乎全被弹簧吸收，永久磁铁与线圈之间的相对运振动能量几乎全被弹簧吸收，永久磁铁与线圈之间的相对运动速度接近于振动体振动速度，磁铁与线圈的相对运动切割动速度接近于振动体振动速度，磁铁与线圈的相对运动切割磁力线，从而产生感应电势为磁力线，从而产生感应电势为式中式中: 工作气隙磁感应强度工作气隙磁感应强度; 每匝线圈平均长度每匝线圈平均长度; 线圈在工作气隙磁场中的匝数线圈在工作气隙磁场中的

122、匝数; 相对运动速度。相对运动速度。下一页返回上一页2.8 磁电式传感器磁电式传感器2.8.2 磁电感应式传感器的测量电路磁电感应式传感器的测量电路 磁电式传感器直接输出感应电势，且传感器通常具有较高磁电式传感器直接输出感应电势，且传感器通常具有较高的灵敏度，所以一般不需要高增益放大器。但磁电式传感器的灵敏度，所以一般不需要高增益放大器。但磁电式传感器是速度传感器，若要获取被测位移或加速度信号，则需要配是速度传感器，若要获取被测位移或加速度信号，则需要配用积分或微分电路。用积分或微分电路。图图2-55为一般测量电路方框图。为一般测量电路方框图。2.8.3 非线性误差非线性误差 磁电式传感器产生

123、非线性误差的主要原因是磁电式传感器产生非线性误差的主要原因是:由于传感器由于传感器线圈内有电流线圈内有电流1流过时，将产生一定的交变磁通，此交变磁通流过时，将产生一定的交变磁通，此交变磁通叠加在永久磁铁所产生的工作磁通上，使恒定的气隙磁通变叠加在永久磁铁所产生的工作磁通上，使恒定的气隙磁通变化如化如图图2-56所示。当传感器线圈相对于永久磁铁磁场的运动所示。当传感器线圈相对于永久磁铁磁场的运动速度增大时，将产生较大的感生电势速度增大时，将产生较大的感生电势E和较大的电流和较大的电流1，由此，由此而产生的附加磁场方向与原工作磁场方向相反，减弱了而产生的附加磁场方向与原工作磁场方向相反，减弱了上一

124、页 下一页返回2.8 磁电式传感器磁电式传感器工作磁场的作用，从而使得传感器的灵敏度随着被测速度的工作磁场的作用，从而使得传感器的灵敏度随着被测速度的增大而降低。增大而降低。 2.8.4 磁电感应式传感器的应用磁电感应式传感器的应用 磁电式传感器主要用于振动测量。其中惯性式传感器不需磁电式传感器主要用于振动测量。其中惯性式传感器不需要静止的基座作为参考基准，它直接安装在振动体上进行测要静止的基座作为参考基准，它直接安装在振动体上进行测量，因而在地面振动测量及机载振动监视系统中获得了广泛量，因而在地面振动测量及机载振动监视系统中获得了广泛的应用。如航空发动机、各种大型电机、空气压缩机、机床、的应

125、用。如航空发动机、各种大型电机、空气压缩机、机床、车辆、轨枕振动台、化工设备、各种水、气管道、桥梁、高车辆、轨枕振动台、化工设备、各种水、气管道、桥梁、高层建筑等，其振动监测与研究都可使用磁电式传感器。层建筑等，其振动监测与研究都可使用磁电式传感器。上一页返回2.9 光电式传感器光电式传感器 光电式传感器是将被测参数的变化转换成光通量的变化，光电式传感器是将被测参数的变化转换成光通量的变化，再通过光电元件转换成电信号的一种传感器。这种传感器具再通过光电元件转换成电信号的一种传感器。这种传感器具有结构简单、非接触、高可靠性、高精度和反应快等优点，有结构简单、非接触、高可靠性、高精度和反应快等优点

126、，故在传感器技术中得到广泛的应用。故在传感器技术中得到广泛的应用。2.9.1 光电效应光电效应 光电元件的理论基础是光电效应。光电效应就是在光线作光电元件的理论基础是光电效应。光电效应就是在光线作用下，物体吸收光能量而产生相应电效应的一种物理现象，用下，物体吸收光能量而产生相应电效应的一种物理现象，通常可分为外光电效应、内光电效应和光生伏特效应三种类通常可分为外光电效应、内光电效应和光生伏特效应三种类型。型。 (1)外光电效应在光线作用下，电子从物体表面逸出的物外光电效应在光线作用下，电子从物体表面逸出的物理现象称为外光电效应，也称光电发射效应。基于外光电效理现象称为外光电效应，也称光电发射效

127、应。基于外光电效应的光电元件有光电管和光电倍增管。应的光电元件有光电管和光电倍增管。 下一页返回2.9 光电式传感器光电式传感器 (2)内光电效应在光线作用下，物体电阻率发生变化的现内光电效应在光线作用下，物体电阻率发生变化的现象称为内光电效应，又称为光电导效应。基于内光电效应的象称为内光电效应，又称为光电导效应。基于内光电效应的光电元件有光敏电阻和光敏晶体管。光电元件有光敏电阻和光敏晶体管。 (3)光生伏特效应在光线作用下，物体产生一定方向电动光生伏特效应在光线作用下，物体产生一定方向电动势的现象称为光生伏特效应。基于光生伏特效应的光电元件势的现象称为光生伏特效应。基于光生伏特效应的光电元件

128、是光电池。是光电池。2.9.2 光电元件及特性光电元件及特性 1.光电管和光电倍增管光电管和光电倍增管 (1)光电管以外光电效应原理制作的光电管的结构是由真光电管以外光电效应原理制作的光电管的结构是由真空管、光电阴极空管、光电阴极K和光电阳极和光电阳极A组成，其符号及基本工作电路组成，其符号及基本工作电路如如图图2-57所示。当一定频率光照射到光电阴极时，阴极发射所示。当一定频率光照射到光电阴极时，阴极发射的电子在电场作用下被阳极所吸引，光电管电路中形成的电子在电场作用下被阳极所吸引，光电管电路中形成上一页 下一页返回2.9 光电式传感器光电式传感器电流，称为光电流。不同材料的光电阴极对不同频

129、率的入射电流，称为光电流。不同材料的光电阴极对不同频率的入射光有不同的灵敏度，人们可以根据检测对象是红外光、可见光有不同的灵敏度，人们可以根据检测对象是红外光、可见光或紫外光而选择不同阴极材料的光电管。光或紫外光而选择不同阴极材料的光电管。 (2)光电倍增管光电倍增管有放大电流的作用，灵敏度高、光电倍增管光电倍增管有放大电流的作用，灵敏度高、信噪比大、线性好，多用于微光测量。信噪比大、线性好，多用于微光测量。图图2-58是光电倍增管是光电倍增管符号及工作原理示意图。符号及工作原理示意图。 2.光敏电阻光敏电阻 光敏电阻的工作原理是基于内光电效应。在半导体光敏材光敏电阻的工作原理是基于内光电效应

130、。在半导体光敏材料的两端装上电极引线，将其封在带有透明窗的管壳里就构料的两端装上电极引线，将其封在带有透明窗的管壳里就构成了光敏电阻。光敏电阻的特性和参数如下成了光敏电阻。光敏电阻的特性和参数如下: (1)暗电阻置于室温、全暗条件下的稳定电阻值称为暗电暗电阻置于室温、全暗条件下的稳定电阻值称为暗电阻，此时流过电阻的电流称为暗电流。阻，此时流过电阻的电流称为暗电流。上一页返回下一页2.9 光电式传感器光电式传感器 (2)亮电阻置于室温和一定光照条件下测得的稳定电阻值亮电阻置于室温和一定光照条件下测得的稳定电阻值称为亮电阻，此时流过电阻的电流称为亮电流。称为亮电阻，此时流过电阻的电流称为亮电流。

131、(3)伏安特性光敏电阻两端所加的电压和流过光敏电阻的伏安特性光敏电阻两端所加的电压和流过光敏电阻的电流间的关系称为伏安特性，如电流间的关系称为伏安特性，如图图2-60所示。从图中可知，所示。从图中可知，伏安特性近似直线，但使用时应限制光敏电阻两端的电压，伏安特性近似直线，但使用时应限制光敏电阻两端的电压，以免超过虚线所示的功耗区。以免超过虚线所示的功耗区。 (4)光电特性在光敏电阻两极间电压固定不变时，光照度光电特性在光敏电阻两极间电压固定不变时，光照度与亮电流间的关系称为光电特性。光敏电阻的光电特性呈非与亮电流间的关系称为光电特性。光敏电阻的光电特性呈非线性，这是光敏电阻的主要缺点之一。线性

132、，这是光敏电阻的主要缺点之一。 (5)光电特性外编寸光波长不同时，光敏电阻的灵敏度也光电特性外编寸光波长不同时，光敏电阻的灵敏度也不同。入射光波长与光敏器件相对灵敏度间的关系称为光电不同。入射光波长与光敏器件相对灵敏度间的关系称为光电特性。使用时可根据被测光的波长范围，选择不同材料的光特性。使用时可根据被测光的波长范围，选择不同材料的光敏电阻。敏电阻。下一页返回上一页2.9 光电式传感器光电式传感器 (6)响应时间光敏电阻受光照后，光电流需要经过一段时响应时间光敏电阻受光照后，光电流需要经过一段时间间(上升时间上升时间)才能达到其稳定值。同样，在停止光照后，光才能达到其稳定值。同样，在停止光照

133、后，光电流也需要经过一段时间电流也需要经过一段时间(下降时间下降时间)才能恢复到其暗电流值，才能恢复到其暗电流值，这就是光敏电阻的时延特性。这就是光敏电阻的时延特性。 3.光电池光电池 光电池的工作原理是基于光生伏特效应。它的种类很多，光电池的工作原理是基于光生伏特效应。它的种类很多，有硅、硒、硫化铭、磅化福等，其感光灵敏度随材料和工艺有硅、硒、硫化铭、磅化福等，其感光灵敏度随材料和工艺方法的不同而有差异，目前应用最广泛的是硅光电池，它具方法的不同而有差异，目前应用最广泛的是硅光电池，它具有性能稳定、光谱范围宽、频率特性好、传递效率高等优点，有性能稳定、光谱范围宽、频率特性好、传递效率高等优点

134、，但对光的响应速度还不够高。另外，由于硒光电池的光谱峰但对光的响应速度还不够高。另外，由于硒光电池的光谱峰值位置在人眼的视觉范围内，所以很多分析仪器、测量仪器值位置在人眼的视觉范围内，所以很多分析仪器、测量仪器也常用到它。下面着重介绍硅光电池的基本特性。也常用到它。下面着重介绍硅光电池的基本特性。 上一页 下一页返回2.9 光电式传感器光电式传感器 (1) 图图2-61所示为硒光电池和硅光电池的光谱特性曲线，所示为硒光电池和硅光电池的光谱特性曲线，即相对灵敏度凡和入射光波长人之间的关系曲线。从曲线上即相对灵敏度凡和入射光波长人之间的关系曲线。从曲线上可看出，不同材料的光电池的光谱峰值位置是不同

135、的。例如可看出，不同材料的光电池的光谱峰值位置是不同的。例如硅光电池可在硅光电池可在0范围内使用，而硒范围内使用，而硒;合也只能在范围内使用。合也只能在范围内使用。 (2)光电特性光电特性图图2-62所示为硅光电池的光电特性曲线，所示为硅光电池的光电特性曲线，其中光生电动势其中光生电动势U与照度与照度Ee间的特性曲线称为开路电压曲线间的特性曲线称为开路电压曲线;光电流强度光电流强度1e与与E。间的特性曲线称为短路电流曲线。间的特性曲线称为短路电流曲线。 4.光敏晶体管光敏晶体管 光敏晶体管是光敏二极管、光敏三极管和光敏晶闸管的总光敏晶体管是光敏二极管、光敏三极管和光敏晶闸管的总称。它的工作原理

136、也是基于光称。它的工作原理也是基于光生伏特效应。生伏特效应。 光敏二极管的结构与一般二极管相似，它的光敏二极管的结构与一般二极管相似，它的PN结装在管结装在管的顶部，可以直接受到光照射，光敏二极管在电路中一般的顶部，可以直接受到光照射，光敏二极管在电路中一般上一页 下一页返回2.9 光电式传感器光电式传感器处于反向工作状态，如处于反向工作状态，如图图2-63 ( b )所示。在所示。在图图2-63 ( a )中给出光敏二极管的结构示意图及符号，中给出光敏二极管的结构示意图及符号，图图2-63(b)中给中给出光敏二极管的接线图，光敏二极管在不受光照射时处于截出光敏二极管的接线图，光敏二极管在不受

137、光照射时处于截止状态，受光照射时处于导通状态。止状态，受光照射时处于导通状态。 光敏三极管有光敏三极管有PNP型和型和NPN型两种，它的结构、等效电型两种，它的结构、等效电路、图形符号及应用电路如路、图形符号及应用电路如图图2-64所示。光敏三极管工作原所示。光敏三极管工作原理是由光敏二极管与普通三极管的工作原理组合而成。如理是由光敏二极管与普通三极管的工作原理组合而成。如图图2-64 ( b )所示，光敏三极管在光照作用下，产生基极电流，所示，光敏三极管在光照作用下，产生基极电流，即光电流，与普通三极管的放大作用相似，在集电极上则产即光电流，与普通三极管的放大作用相似，在集电极上则产生是光电

138、流的刀倍的集电极电流，所以光敏三极管比光敏二生是光电流的刀倍的集电极电流，所以光敏三极管比光敏二极管具有更高的灵敏度。极管具有更高的灵敏度。 下面着重介绍光敏晶体管的基本特性。下面着重介绍光敏晶体管的基本特性。 (1)光谱特性光敏晶体管硅管的峰值波长为光谱特性光敏晶体管硅管的峰值波长为0. 9左右，锗左右，锗管的峰值波长为管的峰值波长为1. 5左右。由于锗管的暗电流比硅管大，左右。由于锗管的暗电流比硅管大，上一页返回下一页2.9 光电式传感器光电式传感器 (3)光电特性光敏晶体管的输出电流光电特性光敏晶体管的输出电流1e和照度和照度E。之间关。之间关系可近似地看作线性关系。系可近似地看作线性关

139、系。 (4)温度特性锗光敏晶体管的温度变化对输出电流的影响温度特性锗光敏晶体管的温度变化对输出电流的影响较小，主要由光照度所决定，而暗电流随温度变化很大。所较小，主要由光照度所决定，而暗电流随温度变化很大。所以在使用时应在线路上采取措施进行温度补偿。以在使用时应在线路上采取措施进行温度补偿。 (5)响应时间硅和锗光敏二极管的响应时间分别为响应时间硅和锗光敏二极管的响应时间分别为10-6s和和10-4s，光敏三极管的响应时间比相应的二极管约慢一个，光敏三极管的响应时间比相应的二极管约慢一个数量级，因此在要求快速响应或入射光调制频率较高时选用数量级，因此在要求快速响应或入射光调制频率较高时选用硅光

140、敏二极管较合适。硅光敏二极管较合适。2.9.3 光电式传感器的应用类型光电式传感器的应用类型 光电式传感器实际上是由光电元件、光源和光学元件组成光电式传感器实际上是由光电元件、光源和光学元件组成的光路系统结合相应的测量转换电路而构成的。常用光源有的光路系统结合相应的测量转换电路而构成的。常用光源有各种白炽灯和发光二极管，常用光学元件有多种反射镜、各种白炽灯和发光二极管，常用光学元件有多种反射镜、上一页 下一页返回2.9 光电式传感器光电式传感器透镜和半透半反镜等。关于光源、光学元件的参数及光学原透镜和半透半反镜等。关于光源、光学元件的参数及光学原理，读者可参阅有关书籍。但要特别指出的是，光源与

141、光电理，读者可参阅有关书籍。但要特别指出的是，光源与光电元件在光谱特性上应基本一致，即光源发出的光应该在光电元件在光谱特性上应基本一致，即光源发出的光应该在光电元件接收灵敏度最高的频率范围内。元件接收灵敏度最高的频率范围内。 光电式传感器的测量属于非接触式测量，目前越来越广泛光电式传感器的测量属于非接触式测量，目前越来越广泛地应用于生产的各个领域。因光源对光电元件作用方式不同地应用于生产的各个领域。因光源对光电元件作用方式不同而确定的光学装置是多种多样的，按其输出量性质可分为而确定的光学装置是多种多样的，按其输出量性质可分为:模模拟输出型光电传感器和数字输出型光电传感器两大类。无论拟输出型光电

142、传感器和数字输出型光电传感器两大类。无论是哪一种，依被测物与光电元件和光源之间的关系，光电式是哪一种，依被测物与光电元件和光源之间的关系，光电式传感器的应用可分为以下四种基本类型传感器的应用可分为以下四种基本类型: .光辐射本身是被测物，由被测物发出的光通量到达光电元件光辐射本身是被测物，由被测物发出的光通量到达光电元件上。光电元件的输出反映了光源的某些物理参数，见上。光电元件的输出反映了光源的某些物理参数，见图图2-66(a)。如。如:光电比色温度计、光照度计等。光电比色温度计、光照度计等。上一页 下一页返回2.9 光电式传感器光电式传感器恒光源发出的光通量穿过被测物，部分被吸收后到达光电元

143、恒光源发出的光通量穿过被测物，部分被吸收后到达光电元件上。吸收量决定于被测物的某些参数，见件上。吸收量决定于被测物的某些参数，见图图2-66(b)。如。如:测液体、气体透明度、混浊度的光电比色计等。测液体、气体透明度、混浊度的光电比色计等。 .恒光源发出的光通量到达被测物，再从被测物体反射出来恒光源发出的光通量到达被测物，再从被测物体反射出来投射到光电元件上。光电元件的输出反映了被测物的某些参投射到光电元件上。光电元件的输出反映了被测物的某些参数，见数，见图图2-66(c)。如。如:测量表面粗糙度、纸张白度等。测量表面粗糙度、纸张白度等。 .从恒光源发射到光电元件的光通量遇到被测物被遮档了一从

144、恒光源发射到光电元件的光通量遇到被测物被遮档了一部分，由此改变了照射到光电元件上的光通量。光电元件的部分，由此改变了照射到光电元件上的光通量。光电元件的输出反映了被测物尺寸等参数，见输出反映了被测物尺寸等参数，见图图2-66 ( d )。如。如:振动振动测量、工件尺寸测量等。测量、工件尺寸测量等。2.9.4 光电式传感器的应用举例光电式传感器的应用举例 1.光电比色温度计光电比色温度计 上一页 下一页返回2.9 光电式传感器光电式传感器光电比色温度计是根据热辐射定律，使用光电池进行非接触光电比色温度计是根据热辐射定律，使用光电池进行非接触测温的一个典型例子。根据有关的热辐射定律，物体在两个测温

145、的一个典型例子。根据有关的热辐射定律，物体在两个特定波长特定波长 , 上的上的 、 之比与该物体的温度成指数关之比与该物体的温度成指数关系。即系。即式中式中 , 与与 , 及物体的黑度有关的常数。及物体的黑度有关的常数。 因此，只要测出因此，只要测出 与与 之比，就可根据上式算出物体之比，就可根据上式算出物体的温度的温度T。图图2-67是光电比色温度计的原理图。是光电比色温度计的原理图。 2.光电式烟尘浓度计光电式烟尘浓度计 工厂烟囱烟尘的排放是环境污染的重要来源，为了控制和工厂烟囱烟尘的排放是环境污染的重要来源，为了控制和减少烟尘的排放量，对烟尘的监测是必要的。减少烟尘的排放量，对烟尘的监测

146、是必要的。图图2-68所示为所示为光电式烟尘浓度计的原理图。光电式烟尘浓度计的原理图。 上一页返回下一页2.9 光电式传感器光电式传感器光源光源1发出的光线经半透半反镜发出的光线经半透半反镜3分成两束强度相等的光线，分成两束强度相等的光线，一路光线直接到达光电三极管一路光线直接到达光电三极管7上，产生作为被测烟尘浓度的上，产生作为被测烟尘浓度的参比信号。另一路光线经反射镜参比信号。另一路光线经反射镜4穿过被测烟尘穿过被测烟尘5到达光电三到达光电三极管极管6上，其中一部分光线被烟尘吸收或折射，烟尘浓度越高，上，其中一部分光线被烟尘吸收或折射，烟尘浓度越高，光线的衰减量越大，到达光电三极管光线的衰

147、减量越大，到达光电三极管6的光通量就越小。的光通量就越小。 3.光电式转速表光电式转速表 由于机械式转速表和接触式电子转速表精度不高，且影响由于机械式转速表和接触式电子转速表精度不高，且影响被测物的运转状态，已不能满足自动化的要求。光电式转速被测物的运转状态，已不能满足自动化的要求。光电式转速表有反射式和透射式两种，它可以在距被测物数十毫米处非表有反射式和透射式两种，它可以在距被测物数十毫米处非接触地测量其转速。由于光电器件的动态特性较好，所以可接触地测量其转速。由于光电器件的动态特性较好，所以可以用于高转速的测量而又不影响被测物的转动，以用于高转速的测量而又不影响被测物的转动，图图2-69是

148、反是反射式光电转速表的原理图。射式光电转速表的原理图。下一页返回上一页2.9 光电式传感器光电式传感器 4.光电式边缘位置检测器光电式边缘位置检测器 光电式边缘位置检测器是用来检测带形材料在生产过程中光电式边缘位置检测器是用来检测带形材料在生产过程中偏离正确位置的大小及方向，从而为纠偏控制电路提供纠偏偏离正确位置的大小及方向，从而为纠偏控制电路提供纠偏信号。例如，在冷轧带钢厂中，某些工艺采用连续生产方式，信号。例如，在冷轧带钢厂中，某些工艺采用连续生产方式，如连续酸洗、退火、镀锡等。带钢在上述运动过程中易产生如连续酸洗、退火、镀锡等。带钢在上述运动过程中易产生走偏。带材走偏时，边缘便常与传送机

149、械发生碰撞而出现卷走偏。带材走偏时，边缘便常与传送机械发生碰撞而出现卷边，造成废品。在其他工业部门如印染、造纸、胶片、磁带边，造成废品。在其他工业部门如印染、造纸、胶片、磁带等生产过程中也会发生类似问题。等生产过程中也会发生类似问题。 图图2-70(a)是光电式边缘位置检测器的原理图。光源是光电式边缘位置检测器的原理图。光源1发发出的光线经透镜出的光线经透镜2会聚为平行光束射向透镜会聚为平行光束射向透镜3，从而又被会聚，从而又被会聚到光敏电阻到光敏电阻4(R,)上。在平行光束到达透镜上。在平行光束到达透镜3的途中，有部分的途中，有部分光线受到被测带材的遮挡，从而使到达光敏电阻的光通量减光线受到

150、被测带材的遮挡，从而使到达光敏电阻的光通量减小。图小。图2-70 ( b )是测量电路简图。是测量电路简图。上一页 下一页返回2.9 光电式传感器光电式传感器 (1) 图图2-61所示为硒光电池和硅光电池的光谱特性曲线，所示为硒光电池和硅光电池的光谱特性曲线，即相对灵敏度凡和入射光波长人之间的关系曲线。从曲线上即相对灵敏度凡和入射光波长人之间的关系曲线。从曲线上可看出，不同材料的光电池的光谱峰值位置是不同的。例如可看出，不同材料的光电池的光谱峰值位置是不同的。例如硅光电池可在硅光电池可在0范围内使用，而硒范围内使用，而硒;合也只能在范围内使用。合也只能在范围内使用。 (2)光电特性图光电特性图

151、2-62所示为硅光电池的光电特性曲线，所示为硅光电池的光电特性曲线，其中光生电动势其中光生电动势U与照度与照度Ee间的特性曲线称为开路电压曲线间的特性曲线称为开路电压曲线;光电流强度光电流强度1e与与E。间的特性曲线称为短路电流曲线。间的特性曲线称为短路电流曲线。 4.光敏晶体管光敏晶体管 光敏晶体管是光敏二极管、光敏三极管和光敏晶闸管的总光敏晶体管是光敏二极管、光敏三极管和光敏晶闸管的总称。它的工作原理也是基于光称。它的工作原理也是基于光生伏特效应。生伏特效应。 光敏二极管的结构与一般二极管相似，它的光敏二极管的结构与一般二极管相似，它的PN结装在管结装在管的顶部，可以直接受到光照射，光敏二

152、极管在电路中一般的顶部，可以直接受到光照射，光敏二极管在电路中一般上一页返回2.10 数字式传感器数字式传感器 2.10.1 数字式传感器的种类及工作原理数字式传感器的种类及工作原理 目前应用较广泛的数字式传感器有光栅、码盘、磁栅和感目前应用较广泛的数字式传感器有光栅、码盘、磁栅和感应同步器等几种。下面简要介绍几种数字式传感器的结构和应同步器等几种。下面简要介绍几种数字式传感器的结构和工作原理。工作原理。 1.光栅传感器光栅传感器 光栅传感器实际上是光电传感器的一个特殊应用。由于光光栅传感器实际上是光电传感器的一个特殊应用。由于光栅测量具有结构简单、测量精度高、易于实现自动化和数字栅测量具有结

153、构简单、测量精度高、易于实现自动化和数字化等优点，因而在位移测量中得到广泛的应用。化等优点，因而在位移测量中得到广泛的应用。 (1)光栅的结构和类型光栅传感器作为计量元件被称为计光栅的结构和类型光栅传感器作为计量元件被称为计量光栅。计量光栅由主光栅量光栅。计量光栅由主光栅(又称标尺光栅又称标尺光栅)、指示光栅和光、指示光栅和光路系统组成。计量光栅是在透明的玻璃或不透明但具有强反路系统组成。计量光栅是在透明的玻璃或不透明但具有强反射能力的基体上均匀地刻划间距和宽度相等的条纹。计量光射能力的基体上均匀地刻划间距和宽度相等的条纹。计量光栅按其形状和用途可以分成长光栅按其形状和用途可以分成长光返回下一

154、页2.10 数字式传感器数字式传感器 (2)光栅的工作原理计量光栅是利用莫尔条纹现象来进行光栅的工作原理计量光栅是利用莫尔条纹现象来进行测量的。所谓莫尔条纹是指两块光栅尺叠合时，出现光的若测量的。所谓莫尔条纹是指两块光栅尺叠合时，出现光的若干条明暗相间的条纹。利用莫尔条纹的放大特性，即将主光干条明暗相间的条纹。利用莫尔条纹的放大特性，即将主光栅与指示光栅的相对微小移动转化成放大了的莫尔条纹的移栅与指示光栅的相对微小移动转化成放大了的莫尔条纹的移动，经光电传感器检测莫尔条纹移动的大小，再通过辨向电动，经光电传感器检测莫尔条纹移动的大小，再通过辨向电路辨别莫尔条纹移动方向，即光栅移动的方向，辨向电

155、路还路辨别莫尔条纹移动方向，即光栅移动的方向，辨向电路还将光电传感器检测的模拟信号转化为数字信号。将光电传感器检测的模拟信号转化为数字信号。 2.码盘码盘 码盘又称角数字编码器，它是测量转角位置和位移的方法码盘又称角数字编码器，它是测量转角位置和位移的方法之一，它具有很高的精确度、分辨率和可靠性。之一，它具有很高的精确度、分辨率和可靠性。 (1)码盘结构和类型根据其编码的处理形式不同分为绝对码盘结构和类型根据其编码的处理形式不同分为绝对式码盘和增量式码盘两种类型式码盘和增量式码盘两种类型;根据获取信息的原理不同分为根据获取信息的原理不同分为上一页 下一页返回2.10 数字式传感器数字式传感器接

156、触式码盘、光电式码盘、电磁式码盘、霍尔式码盘、电容接触式码盘、光电式码盘、电磁式码盘、霍尔式码盘、电容式码盘等。由于篇幅所限，下面仅介绍光电式码盘的结构及式码盘等。由于篇幅所限，下面仅介绍光电式码盘的结构及工作原理。工作原理。 光电式码盘是目前用得较多的一种，实际上也是光电式传光电式码盘是目前用得较多的一种，实际上也是光电式传感器的一个特殊应用。码盘由透明及不透明区组成，这些透感器的一个特殊应用。码盘由透明及不透明区组成，这些透明及不透明区按一定编码构成，码盘上码道的条数就是数码明及不透明区按一定编码构成，码盘上码道的条数就是数码的位数。对应每一条码道有一个光电元件，当码道处于不同的位数。对应

157、每一条码道有一个光电元件，当码道处于不同角度时，经光电转换的输出就呈现出不同的数码，光电式码角度时，经光电转换的输出就呈现出不同的数码，光电式码盘如盘如图图2-72所示，它的优点是没有触点磨损，因而允许转速所示，它的优点是没有触点磨损，因而允许转速高，最外层缝隙宽度可做得更小，所以精度也很高高，最外层缝隙宽度可做得更小，所以精度也很高;其缺点是其缺点是结构复杂、价格高、光源寿命短。国内已有结构复杂、价格高、光源寿命短。国内已有14位码盘的定型位码盘的定型产品。产品。 上一页返回下一页2.10 数字式传感器数字式传感器 (2)码盘的工作原理码盘的工作原理图图2-73所示为光电式码盘测角仪原所示为

158、光电式码盘测角仪原理图。理图。1为光源为光源,2为大孔径非球面聚光透镜，为大孔径非球面聚光透镜，3为码盘，为码盘，4为为狭缝光阑。在采用循环码码盘的情况下，每一码道有一个光狭缝光阑。在采用循环码码盘的情况下，每一码道有一个光电元件，在采用二进码或其他需要电元件，在采用二进码或其他需要“纠错纠错”即防止产生粗误即防止产生粗误差的场合下，除最低位外，其他各个码道均需要双缝和两个差的场合下，除最低位外，其他各个码道均需要双缝和两个光电元件。光电元件。 3.磁栅传感器磁栅传感器 磁栅传感器是近年来发展起来的新型检测元件。与其他类磁栅传感器是近年来发展起来的新型检测元件。与其他类型的检测元件相比，磁栅传

159、感器具有制作简单、复制方便、型的检测元件相比，磁栅传感器具有制作简单、复制方便、易于安装和调整、测量范围宽易于安装和调整、测量范围宽(从几十毫米到数十米从几十毫米到数十米)、不需、不需接长、抗干扰能力强等一系列优点，因而在大型机床的数字接长、抗干扰能力强等一系列优点，因而在大型机床的数字检测、自动化机床的自动控制及轧压机的定位控制等方面得检测、自动化机床的自动控制及轧压机的定位控制等方面得到了广泛应用。到了广泛应用。 下一页返回上一页2.10 数字式传感器数字式传感器 (1)磁栅传感器的组成及类型磁栅传感器是由磁栅磁栅传感器的组成及类型磁栅传感器是由磁栅(简称磁简称磁尺尺)、磁头和检测电路组成

160、。磁尺是用非导磁性材料做尺基，、磁头和检测电路组成。磁尺是用非导磁性材料做尺基，在尺基的上面镀一层均匀的磁性薄膜，然后录上一定波长的在尺基的上面镀一层均匀的磁性薄膜，然后录上一定波长的磁信号，如磁信号，如图图2-74所示。所示。 (2)磁栅传感器的工作原理以静态磁栅为例说明磁栅传感磁栅传感器的工作原理以静态磁栅为例说明磁栅传感器的工作原理。如器的工作原理。如图图2-74所示有两组磁头，为了在低速甚至所示有两组磁头，为了在低速甚至静止时读出信号，采用磁调制磁头。静止时读出信号，采用磁调制磁头。 4.感应同步器感应同步器 感应同步器是一种新颖的位置检测元件，输出为数字信号，感应同步器是一种新颖的位

161、置检测元件，输出为数字信号，具有精度高、抗干扰能力强、工作可靠、对工作环境要求低、具有精度高、抗干扰能力强、工作可靠、对工作环境要求低、维护方便、寿命长、制造工艺简单等优点，被广泛应用于自维护方便、寿命长、制造工艺简单等优点，被广泛应用于自动化测量和控制系统中。动化测量和控制系统中。上一页 下一页返回2.10 数字式传感器数字式传感器 (1)感应同步器的结构类型感应同步器分为直线式和旋转感应同步器的结构类型感应同步器分为直线式和旋转式式(圆盘式圆盘式)两种基本类型，直线式用于测量直线位移，旋转两种基本类型，直线式用于测量直线位移，旋转式用于测量角位移，它们的基本工作原理是相同的。直线感式用于测

162、量角位移，它们的基本工作原理是相同的。直线感应同步器有标准型、窄型和带型几种形式，标准型感应同步应同步器有标准型、窄型和带型几种形式，标准型感应同步器是其中精度最高的一种，使用也最广泛。感应同步器是由器是其中精度最高的一种，使用也最广泛。感应同步器是由可以相对移动的滑尺和定尺可以相对移动的滑尺和定尺(对于直线式对于直线式)或转子和定子或转子和定子(对于对于旋转式旋转式)组成，它们的截面结构如组成，它们的截面结构如图图2-75所示。基板材料一所示。基板材料一般采用低碳钢或者玻璃等非导磁材料。般采用低碳钢或者玻璃等非导磁材料。 (2)感应同步器的基本工作原理感应同步器类似于一个多感应同步器的基本工

163、作原理感应同步器类似于一个多极对的正余弦变压器，主要由相对移动的滑尺和定尺两部分极对的正余弦变压器，主要由相对移动的滑尺和定尺两部分组成。感应同步器是利用绕组间随其相对位置变化产生电磁组成。感应同步器是利用绕组间随其相对位置变化产生电磁藕合的变化，从而发出相应位移电信号。目前多使用鉴相方藕合的变化，从而发出相应位移电信号。目前多使用鉴相方式来检出电信号。式来检出电信号。上一页 下一页返回2.10 数字式传感器数字式传感器 2.10.2 数字式传感器的应用数字式传感器的应用 数字式传感器不仅具有很高的测量精度、使用和维修方便、数字式传感器不仅具有很高的测量精度、使用和维修方便、易于实现自动化和数

164、字化，而且配上微处理器，还可起到数易于实现自动化和数字化，而且配上微处理器，还可起到数控作用，有利于提高加工精度，降低废品率，因而在企业的控作用，有利于提高加工精度，降低废品率，因而在企业的技术改造、机械工业的生产和自动测量以及自动控制系统中技术改造、机械工业的生产和自动测量以及自动控制系统中得到广泛的应用。下面举一些实例来说得到广泛的应用。下面举一些实例来说明它们的具体应用。明它们的具体应用。 1.光栅传感器的应用光栅传感器的应用 光栅传感器通常作为测量元件应用于机床定位、长度和角光栅传感器通常作为测量元件应用于机床定位、长度和角度的计量仪器中，并用于测量速度、加速度、振动等数值上。度的计量

165、仪器中，并用于测量速度、加速度、振动等数值上。计量光栅的应用方面为计量光栅的应用方面为:用于数字式光学仪器中，如数字万能用于数字式光学仪器中，如数字万能工具显微镜、光学分度头，比长仪等工具显微镜、光学分度头，比长仪等;用于动态测量，如齿轮用于动态测量，如齿轮上一页返回下一页2.10 数字式传感器数字式传感器单面啮合仪等单面啮合仪等;用于标准仪器，如高精度加工机床的长度和角用于标准仪器，如高精度加工机床的长度和角度的标准器具度的标准器具;用于模用于模/数转换器，如数控机床的模数转换器，如数控机床的模/数转换器数转换器等。等。图图2-76所示为新天精密光学仪器公司生产的光栅式万能所示为新天精密光学

166、仪器公司生产的光栅式万能测长仪的工作原理图。测长仪的工作原理图。 2.磁栅传感器的应用磁栅传感器的应用 (1)可以作为高精度测量长度和角度的仪器用由于可以采可以作为高精度测量长度和角度的仪器用由于可以采用激光定位录磁，而不需采用感光、腐蚀等工艺，因而可以用激光定位录磁，而不需采用感光、腐蚀等工艺，因而可以得到较高的精度。得到较高的精度。 (2)可以用于自动化控制系统中的检测可以用于自动化控制系统中的检测(线位移线位移)元件在三元件在三坐标测量机、程控数控机床及高精度重、中型机床控制系统坐标测量机、程控数控机床及高精度重、中型机床控制系统中的测量装置，均得到了应用。中的测量装置，均得到了应用。

167、图图2-77所示为上海机床研究所生产的所示为上海机床研究所生产的ZCB一一101鉴相型鉴相型磁栅数显表的原理框图。磁栅数显表的原理框图。上一页返回下一页2.10 数字式传感器数字式传感器 3.感应同步器的应用感应同步器的应用 感应同步器由于它有一系列优点，并能实现线位移和角位感应同步器由于它有一系列优点，并能实现线位移和角位移的测量，目前主要应用于两个领域移的测量，目前主要应用于两个领域:作为高精度测量仪器作为高精度测量仪器;作为自动化、自动控制系统中的检测元件，主要用于自动控作为自动化、自动控制系统中的检测元件，主要用于自动控制的定位控制系统和随动控制系统。感应同步器特别在机床制的定位控制系

168、统和随动控制系统。感应同步器特别在机床控制系统中成为最重要的位移检测元件之一，受到国内外的控制系统中成为最重要的位移检测元件之一，受到国内外的普遍重视。下面简要介绍一下定位控制系统。如普遍重视。下面简要介绍一下定位控制系统。如图图2-78所示所示为鉴相型滑尺激磁定位控制原理框图。为鉴相型滑尺激磁定位控制原理框图。上一页返回2.11霍尔传感器霍尔传感器2.11.1 霍尔效应霍尔效应 霍尔效应霍尔效应Hall Effect是一种磁电效应，是德国物理学家是一种磁电效应，是德国物理学家霍尔霍尔1879年研究载流导体在磁场中受力的性质时发现的。年研究载流导体在磁场中受力的性质时发现的。 所谓霍尔效应，是

169、指磁场作用于载流金属导体、半导体中所谓霍尔效应，是指磁场作用于载流金属导体、半导体中的载流子时，产生横向电位差的物理现象。金属的霍尔效应的载流子时，产生横向电位差的物理现象。金属的霍尔效应是是1879年被美国物理学家霍尔发现的。当电流通过金属箔年被美国物理学家霍尔发现的。当电流通过金属箔片时，若在垂直于电流的方向施加磁场，则金属箔片两侧面片时，若在垂直于电流的方向施加磁场，则金属箔片两侧面会出现横向电位差。半导体中的霍尔效应比金属箔片中更为会出现横向电位差。半导体中的霍尔效应比金属箔片中更为明显，而铁磁金属在居里温度以下将呈现极强的霍尔效应。明显，而铁磁金属在居里温度以下将呈现极强的霍尔效应。

170、由霍尔效应产生的霍尔电压公式为由霍尔效应产生的霍尔电压公式为:下一页返回2.11霍尔传感器霍尔传感器式中式中 霍尔电压霍尔电压; 霍尔系数霍尔系数; 载流子浓度或自由电子浓度载流子浓度或自由电子浓度; 电子电量电子电量; 通过的电流通过的电流; B 垂直于垂直于1的磁感应强度的磁感应强度; d 导体的厚度。导体的厚度。 由上式可知，霍尔电压正比于电流强度和磁场强度，且与由上式可知，霍尔电压正比于电流强度和磁场强度，且与霍尔元件的形状有关。在电流强度恒定，霍尔元件形状固定霍尔元件的形状有关。在电流强度恒定，霍尔元件形状固定的条件下，霍尔电压正比于磁场强度。当磁场方向改变时，的条件下，霍尔电压正比

171、于磁场强度。当磁场方向改变时，霍尔电压的符号也随之改变。霍尔电压的符号也随之改变。上一页 下一页返回2.11霍尔传感器霍尔传感器2.11.2 霍尔效应的应用霍尔效应的应用 霍尔器件分为霍尔元件和霍尔集成电路两大类，前者是一霍尔器件分为霍尔元件和霍尔集成电路两大类，前者是一个简单的霍尔片，使用时常常需要将获得的霍尔电压进行放个简单的霍尔片，使用时常常需要将获得的霍尔电压进行放大。后者将霍尔片和它的信号处理电路集成在同一个芯片上。大。后者将霍尔片和它的信号处理电路集成在同一个芯片上。 1.霍尔元件霍尔元件 根据霍尔效应，人们用半导体材料制成霍尔元件，它具有根据霍尔效应，人们用半导体材料制成霍尔元件

172、，它具有对磁场敏感、结构简单、体积小、频率响应宽、输出电压变对磁场敏感、结构简单、体积小、频率响应宽、输出电压变化大和使用寿命长等优点，因此，在测量、自动化、计算机化大和使用寿命长等优点，因此，在测量、自动化、计算机和信息技术等领域得到广泛的应用。和信息技术等领域得到广泛的应用。 2.霍尔开关电路霍尔开关电路 霍尔开关电路又称霍尔数字电路，可分为单稳态和双稳态，霍尔开关电路又称霍尔数字电路，可分为单稳态和双稳态，内部均有内部均有5个部分，即由稳压源、霍尔电势发生器、个部分，即由稳压源、霍尔电势发生器、上一页返回下一页2.11霍尔传感器霍尔传感器差分放大器、施密特触发器以及输出级组成。称的施密特

173、整差分放大器、施密特触发器以及输出级组成。称的施密特整形电路。形电路。图图2-79是单稳态开关集成霍尔元件双稳态传感器具是单稳态开关集成霍尔元件双稳态传感器具有两组对。有两组对。返回上一页2.12 差分变压器式传感器差分变压器式传感器 电感式传感器是利用线圈的自感、互感或阻抗的变化来实电感式传感器是利用线圈的自感、互感或阻抗的变化来实现非电量检测的一种装置，而差分变压器式传感器就是一种现非电量检测的一种装置，而差分变压器式传感器就是一种电感式传感器，它是根据互感的变化来感知被检测量的。电感式传感器，它是根据互感的变化来感知被检测量的。 2.12.1 电感式传感器简述电感式传感器简述 电感式传感

174、器具有电感式传感器具有结构简单、分辨率好和测量精度高等结构简单、分辨率好和测量精度高等一系列优点。它的主要缺点是响应较慢，不宜做快速动态测一系列优点。它的主要缺点是响应较慢，不宜做快速动态测量。它应用很广，可用来测位移、压力、振动等参数。量。它应用很广，可用来测位移、压力、振动等参数。 2.12.2 差分变压器式传感器工作原理差分变压器式传感器工作原理 差分变压器的结构原理如差分变压器的结构原理如图图2- 81所示，它主要由一个线所示，它主要由一个线框和一个铁芯组成。在线框上绕有一组初级线圈作输入线圈框和一个铁芯组成。在线框上绕有一组初级线圈作输入线圈(或称一次线圈或称一次线圈)。在同一线框上

175、另绕两组完全对称的。在同一线框上另绕两组完全对称的下一页返回2.12 差分变压器式传感器差分变压器式传感器次级线圈作输出线圈次级线圈作输出线圈(或称二次线圈或称二次线圈)，它们反向串联组成差，它们反向串联组成差分输出形式。理想差分变压器的原理如分输出形式。理想差分变压器的原理如图图2-82所示。所示。 当一次线圈加人励磁电源后，其二次线圈当一次线圈加人励磁电源后，其二次线圈 、 产生产生感应电动势感应电动势 、 输出电压分别为输出电压分别为 、 ，经推导，经推导得输出电压得输出电压 为为 式中式中 励磁电源角频率励磁电源角频率; 线圈互感的增量线圈互感的增量; 励磁电流。励磁电流。 理论和实践

176、证明，线圈互感的增量理论和实践证明，线圈互感的增量M与衔铁位移量与衔铁位移量x基本成基本成正比关系，所以输出电压的有效值为正比关系，所以输出电压的有效值为上一页 下一页返回2.12 差分变压器式传感器差分变压器式传感器 式中式中K是差分变压器的灵敏度，它是与差分变压器的结构是差分变压器的灵敏度，它是与差分变压器的结构及材料有关的量，在线性范围内可近似看作常量。差分变压及材料有关的量，在线性范围内可近似看作常量。差分变压器的输出特性如器的输出特性如图图2-83所示。所示。2.12.3 基本特性基本特性 1.灵敏度灵敏度 差分变压器的灵敏度是指差分变压器在单位电压励磁下，差分变压器的灵敏度是指差分

177、变压器在单位电压励磁下，铁芯移动单位距离时的输出电压，以铁芯移动单位距离时的输出电压，以mV/(mmV)表示。一表示。一般差分变压器的灵敏度大于般差分变压器的灵敏度大于50 mV/(mmV)。 2.线性范围线性范围 理想的差分变压器输出电压应与衔铁位移成线性关系，实理想的差分变压器输出电压应与衔铁位移成线性关系，实际上由于衔铁的直径、长度、材质和线圈骨架的形状、大小际上由于衔铁的直径、长度、材质和线圈骨架的形状、大小的不同等均对线性有直接影响。差分变压器一般线性范围为的不同等均对线性有直接影响。差分变压器一般线性范围为上一页返回下一页2.12 差分变压器式传感器差分变压器式传感器线圈骨架长度的

178、线圈骨架长度的1/10一一1/4。由于差分变压器中间部分磁。由于差分变压器中间部分磁场是均匀的且较强，所以只有中间部分线性较好。场是均匀的且较强，所以只有中间部分线性较好。12.1.4 测量转换电路测量转换电路 差分变压器的电压是交流电压，它与衔铁位移成正比，其差分变压器的电压是交流电压，它与衔铁位移成正比，其输出电压如用交流电压表来测量同样无法判别衔铁移动方向。输出电压如用交流电压表来测量同样无法判别衔铁移动方向。所以在差分变压器测量转换电路中常采用差分相敏检波电路。所以在差分变压器测量转换电路中常采用差分相敏检波电路。但最常用的测量转换电路是比较简单的差分整流电路，几种但最常用的测量转换电

179、路是比较简单的差分整流电路，几种典型电路如典型电路如图图2- 84所示。所示。 12.1.5差分变压器式传感器的应用差分变压器式传感器的应用 图图2- 85为为YST一一1型差分压力变送器结构及电路图。其型差分压力变送器结构及电路图。其结构示意图如结构示意图如图图2- 85 ( a )所示，当被测压力未导入传感所示，当被测压力未导入传感器时，膜盒器时，膜盒2无位移，这时活动衔铁在差分线圈的中间位置，无位移，这时活动衔铁在差分线圈的中间位置，上一页 下一页返回2.12 差分变压器式传感器差分变压器式传感器因而输出为零。当被测压力从输入口导入膜盒因而输出为零。当被测压力从输入口导入膜盒2时，膜盒在

180、被时，膜盒在被测介质的压力作用下，其自由端产生正比于被测压力的位移，测介质的压力作用下，其自由端产生正比于被测压力的位移，测杆使衔铁向上移动，在差分变压器的二次线圈中产生的感测杆使衔铁向上移动，在差分变压器的二次线圈中产生的感应电动势发生变化而有电压输出，此电压经过安装在线路板应电动势发生变化而有电压输出，此电压经过安装在线路板4上的电子线路处理后，送给二次仪表，加以显示。上的电子线路处理后，送给二次仪表，加以显示。上一页返回2.13 气敏传感器气敏传感器 气敏传感器是一种把气体中的特定成分、浓度检测出来，气敏传感器是一种把气体中的特定成分、浓度检测出来，并将它转换成电信号的器件。目前半导体式

181、气敏传感器在生并将它转换成电信号的器件。目前半导体式气敏传感器在生产生活中得到了广泛的使用。产生活中得到了广泛的使用。2.13.1 气敏元件的种类及工作原理气敏元件的种类及工作原理 半导体式气敏传感器的品种很多，其中金属氧化物半导体半导体式气敏传感器的品种很多，其中金属氧化物半导体材料制成的传感器数量最多，其特性和用途也各不相同。给材料制成的传感器数量最多，其特性和用途也各不相同。给它们添加不同的杂质，就可以检测不同的气体。它们添加不同的杂质，就可以检测不同的气体。 半导体气敏元件按工作原理可分为半导体电阻式气敏器件半导体气敏元件按工作原理可分为半导体电阻式气敏器件和半导体非电阻式气敏器件，详

182、细特性见表和半导体非电阻式气敏器件，详细特性见表2-7。目前半导。目前半导体电阻式气敏器件得到了广泛的使用。半导体电阻式气敏器体电阻式气敏器件得到了广泛的使用。半导体电阻式气敏器件按结构可分为烧结型、薄膜型和厚膜型三种。件按结构可分为烧结型、薄膜型和厚膜型三种。下一页返回2.13 气敏传感器气敏传感器 2.13.2 气敏传感器的应用气敏传感器的应用 气敏传感器主要应用于工业、民用中对有毒有害、可燃易气敏传感器主要应用于工业、民用中对有毒有害、可燃易爆气体的泄漏检测，也用于对其他化学气体进行定量分析以爆气体的泄漏检测，也用于对其他化学气体进行定量分析以及对大气污染进行监测。根据其对象的不同，气敏

183、传感器的及对大气污染进行监测。根据其对象的不同，气敏传感器的应用分为应用分为:对城市家庭中液化石油气、天然气、煤气、对城市家庭中液化石油气、天然气、煤气、CO和和工厂、实验室中有毒有害等气体泄漏的过限检测报警工厂、实验室中有毒有害等气体泄漏的过限检测报警;在故障在故障与隐患诊断和化工生产过程控制中对化学气体连续浓度的检与隐患诊断和化工生产过程控制中对化学气体连续浓度的检测和定量测和定量分析。分析。 图图2-86为简易家庭气体报警器。它以直热式气体传感器为简易家庭气体报警器。它以直热式气体传感器TGS109为核心器件，当可燃性气体泄漏时，气敏元件接触为核心器件，当可燃性气体泄漏时，气敏元件接触到

184、可燃性气体而电阻降低，回路电流增大，于是驱动蜂鸣器到可燃性气体而电阻降低，回路电流增大，于是驱动蜂鸣器报警。报警。 上一页 下一页返回2.13 气敏传感器气敏传感器图图2-87为可燃性气体浓度检测电路。可用于煤气、一氧化碳、为可燃性气体浓度检测电路。可用于煤气、一氧化碳、液化石油气的易燃易爆气体的泄漏检测。液化石油气的易燃易爆气体的泄漏检测。上一页返回图图2-5 补偿块温度补偿示意图补偿块温度补偿示意图返回图图2-6 粘贴式应变片力和扭转传感粘贴式应变片力和扭转传感器简图器简图返回图图2-7 组合式压力传感器示意图组合式压力传感器示意图返回图图2-8 筒式压力传感器筒式压力传感器返回图图2-9

185、加速度传感器加速度传感器返回表表2-1 热电阻的主要技术性能热电阻的主要技术性能返回图图2-10 各种热敏电阻的典型特性各种热敏电阻的典型特性返回图图2-11热敏电阻热敏电阻返回表表2-2 几种常用的热敏电阻型号及几种常用的热敏电阻型号及其主要参数其主要参数返回图图2-12 热电阻三线制接线法热电阻三线制接线法返回图图2-13 双桥温差测量电路双桥温差测量电路返回图图2-14电阻温度补偿电阻温度补偿返回图图2-15热电偶回路热电偶回路返回图图2-16开路热电偶的使用开路热电偶的使用返回图图2-17普通热电偶结构普通热电偶结构返回表表2-3 常用热电偶常用热电偶返回图图2-18 普通型热电偶外形

186、普通型热电偶外形返回图图2-19恺装热电偶外形及结构恺装热电偶外形及结构返回图图2-20热电偶自由端温度电桥补偿热电偶自由端温度电桥补偿法法返回表表2-4常用的国产冷端补偿器性能常用的国产冷端补偿器性能返回表表2-5常用热电偶补偿导线的特性常用热电偶补偿导线的特性返回图图2-21热电偶的测温线路热电偶的测温线路返回图图2-22电位差计热电偶测温电路电位差计热电偶测温电路返回图图2-23 电涡流式传感器基本原理示电涡流式传感器基本原理示意图意图返回图图2-24等效电路等效电路返回表表2一一6 CZF一一1系列传感器性能表系列传感器性能表返回图图2-25 CZF一一1型涡流传感器结构型涡流传感器结

187、构返回图图2-26调频法转换电路原理框图调频法转换电路原理框图返回图图2-27位移计的几种实例位移计的几种实例返回图图2-28振幅测量振幅测量返回图图2-29转速测量转速测量返回图图2-30平板电容器平板电容器返回图图2-31电桥电路电桥电路返回图图2-32电桥型电路系统原理图电桥型电路系统原理图返回图图2-33电容式差压传感器原理结构电容式差压传感器原理结构返回图图2-34电容式测厚传感器电容式测厚传感器返回图图2-36电容式传感器电容式传感器返回图图2-37自感式电感传感器的基本结自感式电感传感器的基本结构构返回图图2-38差动电感传感器结构差动电感传感器结构返回图图2-40返回图图2-4

188、1恒流源电路恒流源电路返回图图2-42差动变压器差动变压器返回图图2-44几种典型差动整流电路几种典型差动整流电路返回图图2-45 电感式测位仪的原理框图电感式测位仪的原理框图返回图图2-46 电感式浮筒液位计的原理示电感式浮筒液位计的原理示意图意图返回图图2-47 差动变压器式力传感器差动变压器式力传感器返回图图2-48差动变压器式加速度传感器差动变压器式加速度传感器返回图图2-49 压电元件的电荷等效电路压电元件的电荷等效电路返回图图2-50 电荷放大器电荷放大器返回图图2-51 压电式加速度传感器结构图压电式加速度传感器结构图返回图图2-52 压电陶瓷换能器结构图压电陶瓷换能器结构图返回

189、图图2-53变磁通式磁电传感器结构图变磁通式磁电传感器结构图返回图图2-54 恒磁通磁电式传感器结构原恒磁通磁电式传感器结构原理图理图返回图图2-55 磁电式传感器测量电路方框磁电式传感器测量电路方框图图返回图图2-56 传感器电流的磁场效应传感器电流的磁场效应返回图图2-57光电管符号及工作电路光电管符号及工作电路返回图图2-58 光电倍增管符号及工作原理光电倍增管符号及工作原理示意图示意图返回图图2-59 光电倍增管的光电特性光电倍增管的光电特性返回图图2-60 光敏电阻的伏安特性光敏电阻的伏安特性返回图图2-61光电池的光谱特性光电池的光谱特性返回图图2-62 硅光电池的光电特性硅光电池

190、的光电特性返回图图2-63 光敏二极管光敏二极管返回图图2-64 光敏三极管光敏三极管返回图图2-65 光敏三极管的伏安特性光敏三极管的伏安特性返回图图2-66 光电式传感器应用的四种基光电式传感器应用的四种基本类型本类型返回图图2-67光电比色温度计原理图光电比色温度计原理图返回图图2-68 光电式烟尘浓度计原理图光电式烟尘浓度计原理图返回图图2-69 光电式转速表原理图光电式转速表原理图返回图图2-70 光电式边缘位置检测器光电式边缘位置检测器返回图图2-71透射长光栅示意图透射长光栅示意图返回图图2-72光电式码盘的结构示意图光电式码盘的结构示意图返回图图2-73光电式码盘测角仪原理图光

191、电式码盘测角仪原理图返回图图2-74磁栅传感器的工作原理示意磁栅传感器的工作原理示意图图返回图图2-75直线式感应同步器截面结构直线式感应同步器截面结构及绕组图形及绕组图形返回图图2-76光栅式万能测长仪的工作原光栅式万能测长仪的工作原理图理图返回图图2-77 ZCB-101 磁栅数显表原理磁栅数显表原理框图框图返回图图2-78感应同步器鉴相型滑尺激磁感应同步器鉴相型滑尺激磁定位控制原理框图定位控制原理框图返回图图2-79 UGN3020功能特性曲线功能特性曲线返回图图2-80 霍尔过电路保护电路霍尔过电路保护电路返回图图2-81 差分变压器结构示意图差分变压器结构示意图返回图图2-82 差分

192、变压器原理器差分变压器原理器返回图图2-83 差分变压器输出特性差分变压器输出特性返回图图2-84 差分整流电路差分整流电路返回图图2-85 YST-1型差分压力变送器型差分压力变送器返回图图2-86 简易家庭气体报警器简易家庭气体报警器返回图图2-87 可燃性气体浓度检测电路可燃性气体浓度检测电路返回 第第3章抗干扰技术章抗干扰技术3.1 干扰的来源与途径干扰的来源与途径3.2 抗干扰技术抗干扰技术3.1 干扰的来源与途径干扰的来源与途径3.1.1 干扰的来源干扰的来源 根据产生干扰的物理原因，干扰有如下几种来源根据产生干扰的物理原因，干扰有如下几种来源: 1.机械干扰机械干扰 机械干扰是指

193、由于机械振动或冲击，使传感器装置中的元机械干扰是指由于机械振动或冲击，使传感器装置中的元件发生振动、变形，使连接导线发生位移，使指针发生抖动，件发生振动、变形，使连接导线发生位移，使指针发生抖动，这些都将影响其正常工作。声波的干扰也类似于机械振动。这些都将影响其正常工作。声波的干扰也类似于机械振动。对于机械干扰主要是采用减震措施来解决，例如应用减震弹对于机械干扰主要是采用减震措施来解决，例如应用减震弹簧或减震橡皮垫等。簧或减震橡皮垫等。 2.热干扰热干扰 在工作时传感器系统产生的热量所引起的温度波动或环境在工作时传感器系统产生的热量所引起的温度波动或环境温度的变化等都会引起检测电路元器件参数发

194、生变化，或产温度的变化等都会引起检测电路元器件参数发生变化，或产生附加的热电动势等，从而影响传感器系统的正常工作。生附加的热电动势等，从而影响传感器系统的正常工作。下一页返回3.1 干扰的来源与途径干扰的来源与途径对于热干扰，通常采用热屏蔽、恒温措施、对称平衡结构和对于热干扰，通常采用热屏蔽、恒温措施、对称平衡结构和温度补偿元件等方法进行抑制。温度补偿元件等方法进行抑制。 3.光干扰光干扰 在传感器装置中，人们广泛使用着各种半导体器件，但是在传感器装置中，人们广泛使用着各种半导体器件，但是半导体材料在光线的作用下会激半导体材料在光线的作用下会激发出电子空穴对，使半导体元器件产生电动势或引起阻值

195、的发出电子空穴对，使半导体元器件产生电动势或引起阻值的变化，从而影响检测系统的正常工作。因此，半导体元器件变化，从而影响检测系统的正常工作。因此，半导体元器件应封装在不透光的壳体内，对于具有光敏作用的元件，尤其应封装在不透光的壳体内，对于具有光敏作用的元件，尤其应注意光的屏蔽问题。应注意光的屏蔽问题。 4.化学干扰化学干扰 化学物品，如酸碱盐及腐蚀性气体等，会通过化学腐蚀作化学物品，如酸碱盐及腐蚀性气体等，会通过化学腐蚀作用腐蚀电气元件、损坏传感器装置，产生电化学噪声。因此，用腐蚀电气元件、损坏传感器装置，产生电化学噪声。因此，良好的密封和注意清洁是十分必要的。良好的密封和注意清洁是十分必要的

196、。上一页返回下一页3.1 干扰的来源与途径干扰的来源与途径 5.潮湿干扰潮湿干扰 湿度增加会使元器件的绝缘电阻下降，漏电流增加，高值湿度增加会使元器件的绝缘电阻下降，漏电流增加，高值电阻的阻值下降，电介质的介电常数增加，吸潮的线圈骨架电阻的阻值下降，电介质的介电常数增加，吸潮的线圈骨架膨胀等。这样必然会影响传感器系统的正常工作，尤其是南膨胀等。这样必然会影响传感器系统的正常工作，尤其是南方潮湿地区、船舶及锅炉等地方，更应注意密封防潮措施。方潮湿地区、船舶及锅炉等地方，更应注意密封防潮措施。例如，电气元件印刷电路板的浸漆、环氧树脂封灌和硅橡胶例如，电气元件印刷电路板的浸漆、环氧树脂封灌和硅橡胶封

197、灌等均是强有力的防湿措施。封灌等均是强有力的防湿措施。 6.电磁干扰电磁干扰 电和磁可以通过电路和磁路对传感器系统产生干扰作用，电和磁可以通过电路和磁路对传感器系统产生干扰作用，电场和磁场的变化会在有关电路中产生感应干扰电压，从而电场和磁场的变化会在有关电路中产生感应干扰电压，从而影响传感器系统的正常工作。这种电磁干扰是最为普遍和影影响传感器系统的正常工作。这种电磁干扰是最为普遍和影响最严重的干扰，必须认真对待。响最严重的干扰，必须认真对待。 下一页返回上一页3.1 干扰的来源与途径干扰的来源与途径 7.射线辐射干扰射线辐射干扰 射线会使气体电离、半导体内会激发电子空穴对、金属逸射线会使气体电

198、离、半导体内会激发电子空穴对、金属逸出电子等，因而，对于原子能、核装置等领域内的传感器系出电子等，因而，对于原子能、核装置等领域内的传感器系统，尤其要注意射线辐射对传感器系统的干扰。统，尤其要注意射线辐射对传感器系统的干扰。3.1.2 噪声、噪声源与信噪比噪声、噪声源与信噪比 1.噪声、噪声源噪声、噪声源 各种干扰在传感器系统的输出端往往表现为一些与检测量各种干扰在传感器系统的输出端往往表现为一些与检测量无关的电信号，这些无用的信号称为噪声。当噪声电压使检无关的电信号，这些无用的信号称为噪声。当噪声电压使检测电路无法正常工作时，该噪声电压就称为干扰电压。测电路无法正常工作时，该噪声电压就称为干

199、扰电压。 噪声来源于噪声源，噪声源实际上是各种干扰在检测电路噪声来源于噪声源，噪声源实际上是各种干扰在检测电路中的具体反映，常见的噪声源有中的具体反映，常见的噪声源有:放电噪声源、电气设备噪声放电噪声源、电气设备噪声源和固有噪声源三类，其中固有噪声源包括热噪声、散粒噪源和固有噪声源三类，其中固有噪声源包括热噪声、散粒噪声和接触噪声。声和接触噪声。上一页 下一页返回3.1 干扰的来源与途径干扰的来源与途径 2.信噪比信噪比 在测量中，不希望有噪声，但是噪声是无法完全消除的，在测量中，不希望有噪声，但是噪声是无法完全消除的，实际上只能要求噪声尽可能小些。噪声对有用信号影响的大实际上只能要求噪声尽可

200、能小些。噪声对有用信号影响的大小用小用“信噪比信噪比”来表述的。来表述的。 “信噪比信噪比”指的是在信号通道中，有用信号成分与噪声成指的是在信号通道中，有用信号成分与噪声成分之比，用分之比，用S/N表示，单位分贝表示，单位分贝(dB)。设有用信号功率为。设有用信号功率为 ，有用信号电压，有用信号电压 ，噪声功率为，噪声功率为 ，噪声电压为，噪声电压为 ，则，则由上式可知，信噪比越大，表示噪声对测量结果的影响越小。由上式可知，信噪比越大，表示噪声对测量结果的影响越小。上一页 下一页返回3.1 干扰的来源与途径干扰的来源与途径3.1.3 干扰的途径与作用方式干扰的途径与作用方式 噪声通过一定的途径

201、进入传感器装置对测量结果造成影响，噪声通过一定的途径进入传感器装置对测量结果造成影响，因此要了解干扰的途径及作用方式，以便有效地切断这些途因此要了解干扰的途径及作用方式，以便有效地切断这些途径，消除干扰。径，消除干扰。 干扰的途径有干扰的途径有“路路”和和“场场”两种形式。凡噪声源通过电两种形式。凡噪声源通过电路的形式作用于被干扰对象的，属于路的形式作用于被干扰对象的，属于“路路”的干扰，如通过的干扰，如通过漏电流、共阻抗藕合等引入的干扰漏电流、共阻抗藕合等引入的干扰;凡噪声源通过电场、磁场凡噪声源通过电场、磁场的形式作用于被干扰对象的，属于的形式作用于被干扰对象的，属于“场场”的干扰，如通过

202、分的干扰，如通过分布电容、分布互感等引入的干扰。布电容、分布互感等引入的干扰。 1.通过通过“路路”的干扰的干扰 (1)漏电流藕合形成的干扰这是由于绝缘不良，由流经绝漏电流藕合形成的干扰这是由于绝缘不良，由流经绝缘电阻的漏电流所引起的噪声干扰，主要发生在缘电阻的漏电流所引起的噪声干扰，主要发生在:当用传感器当用传感器测量较高的直流电压时、在传感器附近有较高的直流电压源测量较高的直流电压时、在传感器附近有较高的直流电压源时、在高输入阻抗的直流放大电路中等几种情况。时、在高输入阻抗的直流放大电路中等几种情况。 上一页 下一页返回3.1 干扰的来源与途径干扰的来源与途径 (2)传导藕合形成的干扰噪声

203、经导线藕合到电路中去是最传导藕合形成的干扰噪声经导线藕合到电路中去是最明显的干扰现象。传导藕合的主要现象是噪声经电源线传到明显的干扰现象。传导藕合的主要现象是噪声经电源线传到电路中来。通常，交流供电线路在生产现场的分布，实际上电路中来。通常，交流供电线路在生产现场的分布，实际上构成了一个吸收各种噪声的网络，噪声十分方便地以电路传构成了一个吸收各种噪声的网络，噪声十分方便地以电路传导的形式传到各处，并经过电源引线进入各种电子装置，造导的形式传到各处，并经过电源引线进入各种电子装置，造成干扰。成干扰。 (3)共阻抗藕合形成的干扰共阻抗藕合是由于两个电路共共阻抗藕合形成的干扰共阻抗藕合是由于两个电路

204、共有阻抗，当一个电路中有电源流过时，通过共有阻抗在另一有阻抗，当一个电路中有电源流过时，通过共有阻抗在另一个电路上产生干扰电压。例如，几个电路由同一个电源供电个电路上产生干扰电压。例如，几个电路由同一个电源供电时，会通过电源内阻互相干扰时，会通过电源内阻互相干扰;在放大器中，各放大级通过接在放大器中，各放大级通过接地电阻互相干扰。地电阻互相干扰。 2.通过通过“场场”的干扰的干扰 (1)静电藕合形成的干扰电场藕合实质上是电容性藕合，静电藕合形成的干扰电场藕合实质上是电容性藕合，是由于两个电路之间存在寄生电容，可使一个电路的电荷变是由于两个电路之间存在寄生电容，可使一个电路的电荷变化影响到另一个

205、电路。当有几个噪声源同时经静电藕合干扰化影响到另一个电路。当有几个噪声源同时经静电藕合干扰上一页返回下一页3.1 干扰的来源与途径干扰的来源与途径同一个接收电路时，只要是线性电路，就可以使用叠加原理同一个接收电路时，只要是线性电路，就可以使用叠加原理分别对各噪声源干扰进行分析。分别对各噪声源干扰进行分析。 (2)电磁藕合形成的干扰电磁藕合又称互感藕合，它是在电磁藕合形成的干扰电磁藕合又称互感藕合，它是在两个电路之间存在互感，一个电路的电流变化，通过磁交链两个电路之间存在互感，一个电路的电流变化，通过磁交链会影响到另一个电路。例如，在传感器内部，线圈或变压器会影响到另一个电路。例如，在传感器内部

206、，线圈或变压器的漏磁是对邻近电路的一种很严重的干扰的漏磁是对邻近电路的一种很严重的干扰;在电子装置外部，在电子装置外部，当两根导线在较长一段区间平行架设时，也会产生电磁藕合当两根导线在较长一段区间平行架设时，也会产生电磁藕合干扰。干扰。 (3)辐射电磁场藕合形成的干扰辐射电磁场通常来源于大辐射电磁场藕合形成的干扰辐射电磁场通常来源于大功率高频电气设备、广播发射台、电视发射台等。如果在辐功率高频电气设备、广播发射台、电视发射台等。如果在辐射电磁场中放置一个导体，则在导体上产生正比于电场强度射电磁场中放置一个导体，则在导体上产生正比于电场强度E的感应电动势。在输配电线路中，特别是架空输配电线路都的

207、感应电动势。在输配电线路中，特别是架空输配电线路都将在辐射电磁场中感应出干扰电动势，并通过供电线路进入将在辐射电磁场中感应出干扰电动势，并通过供电线路进入传感器，造成干扰。在大功率广播发射机附近的强电磁场中，传感器，造成干扰。在大功率广播发射机附近的强电磁场中，传感器外壳或传感器内部尺寸较小的导体也能感应出较大的传感器外壳或传感器内部尺寸较小的导体也能感应出较大的干扰电势。干扰电势。返回上一页3.2 抗干扰技术抗干扰技术3.2.1 抑制干扰的基本措施抑制干扰的基本措施 干扰的形成必须同时具备三要素，即干扰源、干扰途径以干扰的形成必须同时具备三要素，即干扰源、干扰途径以及对噪声敏感性较高的接收电

208、路。要想抑制干扰，就要从形及对噪声敏感性较高的接收电路。要想抑制干扰，就要从形成干扰的三要素出发，在三个方面采取措施。成干扰的三要素出发，在三个方面采取措施。 1.消除或抑制干扰源消除或抑制干扰源 消除干扰源是积极主动的措施，继电器、接触器、断路器消除干扰源是积极主动的措施，继电器、接触器、断路器等的电触点，在通断电时产生的电火花是较强的干扰，可以等的电触点，在通断电时产生的电火花是较强的干扰，可以采取触点消弧电容等措施。接插件接触不良、电路接头松脱、采取触点消弧电容等措施。接插件接触不良、电路接头松脱、虚焊等也是造成干扰的原因，对于这类可以消除的干扰源尽虚焊等也是造成干扰的原因，对于这类可以

209、消除的干扰源尽可能消除可能消除;对难于消除或不能消除的干扰源，例如某些自然现对难于消除或不能消除的干扰源，例如某些自然现象的干扰、邻近工厂的用电设备干扰等，就必须采取防护措象的干扰、邻近工厂的用电设备干扰等，就必须采取防护措施来抑制干扰源。施来抑制干扰源。下一页返回3.2 抗干扰技术抗干扰技术 2.破坏干扰途径破坏干扰途径 对于以对于以“路路”的形式进入的干扰，可以采取提高绝缘性能的形式进入的干扰，可以采取提高绝缘性能的办法来抑制漏电流干扰的办法来抑制漏电流干扰;采用隔离变压器、光电藕合器等来采用隔离变压器、光电藕合器等来切断大地环路的干扰途径切断大地环路的干扰途径;引用滤波器、扼流圈等技术，

210、将干引用滤波器、扼流圈等技术，将干扰信号除去扰信号除去;改变接地形式以消除共阻抗藕合干扰等改变接地形式以消除共阻抗藕合干扰等;对于数对于数字信号可采用整形、振幅等信号处理方法切断干扰途径。字信号可采用整形、振幅等信号处理方法切断干扰途径。 对于以对于以“场场”的形式进入的干扰，一般采取各种屏蔽措施。的形式进入的干扰，一般采取各种屏蔽措施。 3.削弱接收电路对干扰信号的敏感性削弱接收电路对干扰信号的敏感性 高输入阻抗电路一般比低输入阻抗电路易受干扰，布局松高输入阻抗电路一般比低输入阻抗电路易受干扰，布局松散的电子装置比结构紧凑的电子装置更易受外来干扰，模拟散的电子装置比结构紧凑的电子装置更易受外

211、来干扰，模拟电路比数字电路的抗干扰能力差。所以，系统布局应合理，电路比数字电路的抗干扰能力差。所以，系统布局应合理，且设计电路时应采用对干扰信号敏感性差的电路。且设计电路时应采用对干扰信号敏感性差的电路。 抑制干扰的基本措施中消除干扰源是最彻底、最有效的抑制干扰的基本措施中消除干扰源是最彻底、最有效的上一页 下一页返回3.2 抗干扰技术抗干扰技术方法，但实际上不少干扰源是不可消除的，所以需要研究抗方法，但实际上不少干扰源是不可消除的，所以需要研究抗电磁干扰技术。抗电磁干扰技术有时称为电磁兼容控制技术。电磁干扰技术。抗电磁干扰技术有时称为电磁兼容控制技术。常用的、行之有常用的、行之有效的抗干扰技

212、术有屏蔽技术、接地技术、效的抗干扰技术有屏蔽技术、接地技术、浮置技术、平衡电路等。浮置技术、平衡电路等。 3.2.2 屏蔽技术屏蔽技术 利用金属材料制成容器，将需要防护的电路包在其中，可利用金属材料制成容器，将需要防护的电路包在其中，可以防止电场或磁场的藕合干扰，称之为屏蔽。屏蔽可以分为以防止电场或磁场的藕合干扰，称之为屏蔽。屏蔽可以分为静电屏蔽、电磁屏蔽和低频屏蔽等。静电屏蔽、电磁屏蔽和低频屏蔽等。 1.静电屏蔽静电屏蔽 根据电学原理，在静电场中，封闭的空心导体内部无电力根据电学原理，在静电场中，封闭的空心导体内部无电力线，即内部各点等电位。静电屏蔽就是利用这个原理，以铜线，即内部各点等电位

213、。静电屏蔽就是利用这个原理，以铜或铝等导电性好的金属为材料，制作封闭的金属容器，并与或铝等导电性好的金属为材料，制作封闭的金属容器，并与上一页 下一页返回3.2 抗干扰技术抗干扰技术地线连接，把需要屏蔽的电路置于其中，使外部干扰电场的地线连接，把需要屏蔽的电路置于其中，使外部干扰电场的电力线不影响其内部的电路电力线不影响其内部的电路;反过来，内部电路产生的电力线反过来，内部电路产生的电力线也无法影响外部电路。也无法影响外部电路。 注意，作为静电屏蔽的容器壁上允许有较小的孔隙，这是注意，作为静电屏蔽的容器壁上允许有较小的孔隙，这是引线孔，对屏蔽效果影响不大。在电源变压器的一次侧和二引线孔，对屏蔽

214、效果影响不大。在电源变压器的一次侧和二次侧之间插入一个留有缝隙的导体，并将它接地也属于静电次侧之间插入一个留有缝隙的导体，并将它接地也属于静电屏蔽，可以防止两绕组间的静电藕合。屏蔽，可以防止两绕组间的静电藕合。 2.电磁屏蔽电磁屏蔽 电磁屏蔽也是采用导电性良好的金属材料作屏蔽罩，利用电磁屏蔽也是采用导电性良好的金属材料作屏蔽罩，利用电涡流原理，使高频干扰电磁场在屏蔽金属内部产生电涡流，电涡流原理，使高频干扰电磁场在屏蔽金属内部产生电涡流，消耗干扰磁场的能量，并利用涡流磁场抵消高频干扰磁场，消耗干扰磁场的能量，并利用涡流磁场抵消高频干扰磁场，从而使电磁屏蔽层内部的电路免受高频电磁场的影响。从而使

215、电磁屏蔽层内部的电路免受高频电磁场的影响。上一页 下一页返回3.2 抗干扰技术抗干扰技术若将电磁屏蔽层接地，则同时兼有静电屏蔽作用。通常使用若将电磁屏蔽层接地，则同时兼有静电屏蔽作用。通常使用的铜质网状屏蔽电缆就能同时起电磁屏蔽和静电屏蔽的作用。的铜质网状屏蔽电缆就能同时起电磁屏蔽和静电屏蔽的作用。 3.低频磁屏蔽低频磁屏蔽 在低频磁场中，电涡流作用不太明显，因此必须采用高导在低频磁场中，电涡流作用不太明显，因此必须采用高导磁材料做屏蔽层，以便将低频干扰磁力线限制在磁阻很小的磁材料做屏蔽层，以便将低频干扰磁力线限制在磁阻很小的磁屏蔽层内部，使低频磁屏蔽层内部的电路免受低频磁场藕磁屏蔽层内部，使

216、低频磁屏蔽层内部的电路免受低频磁场藕合干扰的影响。在干扰严重的地方常使用复合屏蔽电缆，其合干扰的影响。在干扰严重的地方常使用复合屏蔽电缆，其最外层是低磁导率、高饱和的铁磁材料，最里层是铜质电磁最外层是低磁导率、高饱和的铁磁材料，最里层是铜质电磁屏蔽层，以便一步步地消耗干扰磁场的能量。常用的办法是屏蔽层，以便一步步地消耗干扰磁场的能量。常用的办法是将屏蔽线穿在铁质蛇皮管或普通铁管内，以达到双重屏蔽的将屏蔽线穿在铁质蛇皮管或普通铁管内，以达到双重屏蔽的目的。目的。 3.2.3 接地技术接地技术 导线接地起源于强电技术，本意是接大地，主要着眼于导线接地起源于强电技术，本意是接大地，主要着眼于上一页返

217、回下一页3.2 抗干扰技术抗干扰技术安全，这种地线也称为安全，这种地线也称为“保护地线保护地线”。对于仪器、通信、计。对于仪器、通信、计算机等所应用的电子技术来说，算机等所应用的电子技术来说，“地线地线”多是指电信号的基多是指电信号的基准单位，也称为准单位，也称为“公共参考端公共参考端”，它除了作为各级电路的电，它除了作为各级电路的电流通道外，还是保证电路工作稳定、抑制干扰的重要环节。流通道外，还是保证电路工作稳定、抑制干扰的重要环节。它可以是接大地的或于大地隔绝的，例如飞机、卫星上的地它可以是接大地的或于大地隔绝的，例如飞机、卫星上的地线。线。 对于上述四种地线一般应分别设置，在电位需要连通

218、时，对于上述四种地线一般应分别设置，在电位需要连通时，必须仔细选择合适的点，在一个地方相连，这样才能消除各必须仔细选择合适的点，在一个地方相连，这样才能消除各地线之间的干扰。我们称为地线之间的干扰。我们称为“一点接地原则一点接地原则”。常见的接地。常见的接地方式如方式如图图3-1所示。所示。3.2.4 其他抗干扰技术其他抗干扰技术 1.浮置技术浮置技术 上一页 下一页返回3.2 抗干扰技术抗干扰技术浮置又称浮空、浮接，指的是模拟输入信号放大器的公共线浮置又称浮空、浮接，指的是模拟输入信号放大器的公共线(即模拟信号地线即模拟信号地线)不接机壳或大地。对于被浮置的测量系统，不接机壳或大地。对于被浮

219、置的测量系统，测量电路与机壳或大地之间无直接联系。前面讲过，屏蔽接测量电路与机壳或大地之间无直接联系。前面讲过，屏蔽接地的目的是将干扰电流从信号电路引开，即不让干扰电流流地的目的是将干扰电流从信号电路引开，即不让干扰电流流经导线，而是让干扰电流流绍弄蔽层到大地。浮置与屏蔽接经导线，而是让干扰电流流绍弄蔽层到大地。浮置与屏蔽接地相反，是阻断干扰电流的通路，检测系统被浮置后，明显地相反，是阻断干扰电流的通路，检测系统被浮置后，明显地加大了系统信号放大器的公地加大了系统信号放大器的公;毕浅与大地毕浅与大地(或外壳或外壳)之间的固之间的固叻乞，因此浮置能大大减小叻乞，因此浮置能大大减小;以莫干扰电流。

220、以莫干扰电流。 2.平衡电路平衡电路 平衡电路又称刘称电路。它是指双线电路中的两根导线与平衡电路又称刘称电路。它是指双线电路中的两根导线与连接到这两根导线的所在电路，对地或刘其导线来说，电摊连接到这两根导线的所在电路，对地或刘其导线来说，电摊陷身构对称，对应阻抗相等。例如，电桥电路和差分放大器陷身构对称，对应阻抗相等。例如，电桥电路和差分放大器等电路就属于平衡电路。采用平衡电路可以使刘称电摊陷身等电路就属于平衡电路。采用平衡电路可以使刘称电摊陷身构所获得噪声相等，并可以在负载上自行抵消。构所获得噪声相等，并可以在负载上自行抵消。上一页返回下一页3.2 抗干扰技术抗干扰技术 3.滤波技术滤波技术

221、 滤波器是抑制干扰的重要手段之一。所谓滤波技术就是用滤波器是抑制干扰的重要手段之一。所谓滤波技术就是用电容和电感线圈或电容和电阻组成滤波器接在电源输出端、电容和电感线圈或电容和电阻组成滤波器接在电源输出端、测量线路输入端、放大器输入端或测量桥路与放大器之间，测量线路输入端、放大器输入端或测量桥路与放大器之间，以阻止干扰信号进入放大器，使干扰信号衰减。常用的是以阻止干扰信号进入放大器，使干扰信号衰减。常用的是RC型型,LC型及双型及双T型等形成的无源滤波器或有源滤波器。型等形成的无源滤波器或有源滤波器。 使用滤波器一般要求将干扰衰减使用滤波器一般要求将干扰衰减100倍以上，在满足此要倍以上，在满

222、足此要求时，选用滤波器还应考虑求时，选用滤波器还应考虑:检测电路的外接阻抗及放大器的检测电路的外接阻抗及放大器的输入阻抗输入阻抗;滤波器的时间常数对自动检测系统性能的影响滤波器的时间常数对自动检测系统性能的影响;滤滤波器的频率特性波器的频率特性(不同类型滤波器对不同频率的干扰衰减倍率不同类型滤波器对不同频率的干扰衰减倍率);滤波器体积、安装及制造工艺等。为防止无线电干扰，还滤波器体积、安装及制造工艺等。为防止无线电干扰，还要尽量避免产生火花。这可通过开关或触头要尽量避免产生火花。这可通过开关或触头(如继电器如继电器)两端两端加灭弧装置加灭弧装置(如并联电容如并联电容)或在电源端加滤波电路实现。

223、或在电源端加滤波电路实现。 下一页返回上一页3.2 抗干扰技术抗干扰技术 4.光电藕合技术光电藕合技术 光电藕合器是一种电一光一电的藕合器件，它的输入是电光电藕合器是一种电一光一电的藕合器件，它的输入是电流，输出也是电流，两者之间在电气方面却是绝缘的。目前流，输出也是电流，两者之间在电气方面却是绝缘的。目前传感器系统越来越多地采用光电藕合器来提高抗干扰能力。传感器系统越来越多地采用光电藕合器来提高抗干扰能力。光电藕合器具有光电藕合器具有:输入、输出回路绝缘电阻高、耐压超过输入、输出回路绝缘电阻高、耐压超过1kV;因为光的传输是单向的，所以输出信号不会反馈到输入因为光的传输是单向的，所以输出信号

224、不会反馈到输入端端;输入、输出回路完全是隔离的，能很好地解决不同电位、输入、输出回路完全是隔离的，能很好地解决不同电位、不同逻辑电路之间的隔离与传输的矛盾等特点。不同逻辑电路之间的隔离与传输的矛盾等特点。 从上述特点可以看出，使用光电藕合器能比较彻底地切断从上述特点可以看出，使用光电藕合器能比较彻底地切断大地电位差形成的环路电流。大地电位差形成的环路电流。返回上一页图图3-1 一点接地原则一点接地原则返回 第第4章传感器的信号处理章传感器的信号处理4.1 传感器信号的预处理传感器信号的预处理4.2 仪表放大器及仪表放大器及A/D转换器的选择转换器的选择4.3 传感器信号非线性校正及标度变换传感

225、器信号非线性校正及标度变换4.1 传感器信号的预处理传感器信号的预处理4.1.1 数据采集系统的组成数据采集系统的组成 1.传感器输出信号的特点传感器输出信号的特点 由于上述特点，再加上传感器在使用时所处环境因素的影由于上述特点，再加上传感器在使用时所处环境因素的影响，就完全有可能影响甚至破坏传感器及其测量系统的正常响，就完全有可能影响甚至破坏传感器及其测量系统的正常工作。因此需要对信号进行处理。信号处理部分常常分为两工作。因此需要对信号进行处理。信号处理部分常常分为两个步骤，即在对信号加工之前进行预处理。在进行预处理时，个步骤，即在对信号加工之前进行预处理。在进行预处理时，要根据实际情况利用

226、滤波、阻抗变化等手段将信号分离出来要根据实际情况利用滤波、阻抗变化等手段将信号分离出来进行放大。当信号足够大时，就可作信号的运算、转换、比进行放大。当信号足够大时，就可作信号的运算、转换、比较、取样保持等不同的加工了。最后，一般要经过放大才能较、取样保持等不同的加工了。最后，一般要经过放大才能驱动负载，或者经过模拟信号到数字信号的转换才能输入计驱动负载，或者经过模拟信号到数字信号的转换才能输入计算机，由计算机按一定的处理要求对信号进行处理。实现模算机，由计算机按一定的处理要求对信号进行处理。实现模拟信号转换成数字信号的电路系统统称为数据采集系统，而拟信号转换成数字信号的电路系统统称为数据采集系

227、统，而数据采集系统中最重要的器件是模数据采集系统中最重要的器件是模/数转换器数转换器(A/D转换器，也转换器，也称称ADC)。下一页返回4.1 传感器信号的预处理传感器信号的预处理2.数据采集系统的组成数据采集系统的组成 数据采集系统由放大器、滤波器等在内的信号调理电路、数据采集系统由放大器、滤波器等在内的信号调理电路、多路模拟开关、采样多路模拟开关、采样/保持电路、保持电路、A/D转换器以及接口电路转换器以及接口电路和控制逻辑电路所组成，根据它们在电路中的位置，可分为和控制逻辑电路所组成，根据它们在电路中的位置，可分为同时采集、高速采集、分时采集和差动结构四种配置。数据同时采集、高速采集、分

228、时采集和差动结构四种配置。数据采集系统的典型构成形式如采集系统的典型构成形式如图图4-1所示。所示。4.1.2 传感器信号的预处理方法传感器信号的预处理方法 根据传感器的输出信号特点，传感器的输出信号不能直接根据传感器的输出信号特点，传感器的输出信号不能直接作为进行作为进行A/D转换的输入量，必须通过各种预处理电路将传转换的输入量，必须通过各种预处理电路将传感器的输出信号转换成统一的电压信号。将信号的这一转换感器的输出信号转换成统一的电压信号。将信号的这一转换称为预处理。常用的传感器信号预处理方法有以下几种。称为预处理。常用的传感器信号预处理方法有以下几种。上一页返回4.2 仪表放大器及仪表放

229、大器及A/D转换器的选择转换器的选择4.2.1 仪表放大器及选择仪表放大器及选择 经预处理后的信号，要送至经预处理后的信号，要送至A/D转换器或其他显示记录装转换器或其他显示记录装置。传感器信号的特点是电平差别很大，且叠加有很高的、置。传感器信号的特点是电平差别很大，且叠加有很高的、来自工业现场的共模噪声。因此对这些缓变、微弱的信号不来自工业现场的共模噪声。因此对这些缓变、微弱的信号不仅要进行放大，而且必须采用低噪声、低漂移、输入阻抗高、仅要进行放大，而且必须采用低噪声、低漂移、输入阻抗高、稳定性好、抗干扰能力强的直流放大器。由于一般运算放大稳定性好、抗干扰能力强的直流放大器。由于一般运算放大

230、器输入阻抗太低，共模抑制能力受外部电阻适配精度所限，器输入阻抗太低，共模抑制能力受外部电阻适配精度所限，不能在精密测量中应用。因此在检测中常用调制型或隔离型不能在精密测量中应用。因此在检测中常用调制型或隔离型直流放大器及专门设计的测量放大器。直流放大器及专门设计的测量放大器。1.仪表放大器（仪表放大器（IA ）仪表放大器又称测量放大器。它通常由三个运算放大器仪表放大器又称测量放大器。它通常由三个运算放大器 、 、 组成，如组成，如图图4-2所示电路，其中，所示电路，其中， 、 组组成具有对称结构的差动输入输出级，差模增益为成具有对称结构的差动输入输出级，差模增益为n+1，而共，而共模模下一页返

231、回4.2 仪表放大器及仪表放大器及A/D转换器的选择转换器的选择增益仅为增益仅为1 。 将将 的差动输出信号转换为单端输出信的差动输出信号转换为单端输出信号。号。 的共模抑制精度取决于四个的共模抑制精度取决于四个R3的匹配精度，通用的匹配精度，通用IA的输出电压为的输出电压为式式 、 IA的两个输入端差动输入信号。的两个输入端差动输入信号。 2. IA的技术指标的技术指标 仪表放大器最重要的技术指标有仪表放大器最重要的技术指标有:非线性度、偏置漂移、非线性度、偏置漂移、建立时间以及共模抑制比等。这些指标均为增益的放大器的建立时间以及共模抑制比等。这些指标均为增益的放大器的函数。函数。 仪表放大

232、器的优点是输入阻抗高、共模抑制比高、噪声低、仪表放大器的优点是输入阻抗高、共模抑制比高、噪声低、稳定好，它主要用于微弱信号的精确测量。稳定好，它主要用于微弱信号的精确测量。上一页 下一页返回4.2 仪表放大器及仪表放大器及A/D转换器的选择转换器的选择3.仪表放大器的选择仪表放大器的选择 仪表放大器应具有如下性能要求仪表放大器应具有如下性能要求: (1)低噪声采用低噪声放大器件并采取有效的较小噪声措低噪声采用低噪声放大器件并采取有效的较小噪声措施，以免测量信号被淹没在噪声中。施，以免测量信号被淹没在噪声中。 (2)高稳定性低漂移、减小温度漂移、防止自激振荡等。高稳定性低漂移、减小温度漂移、防止

233、自激振荡等。 (3)高抗干扰性能放大器的前级最易受干扰，要尽量缩短高抗干扰性能放大器的前级最易受干扰，要尽量缩短导线影响，采用调制的方法和妥善的屏蔽措施等。导线影响，采用调制的方法和妥善的屏蔽措施等。 (4)高输入阻抗由于传感器输出信号很微弱，要求放大器高输入阻抗由于传感器输出信号很微弱，要求放大器的接人尽可能强化传感器的功能，特别是当传感器输出阻抗的接人尽可能强化传感器的功能，特别是当传感器输出阻抗很高时，更要求放大器有高输入阻抗。很高时，更要求放大器有高输入阻抗。 (5)高共模抑制比一方面由于被测量本身高共模抑制比一方面由于被测量本身(锥度锥度)是差模信是差模信号，另一方面由于许多干扰为共

234、模干扰，因此高共模抑制比号，另一方面由于许多干扰为共模干扰，因此高共模抑制比有利于提高抗干扰性能。有利于提高抗干扰性能。 上一页 下一页返回4.2 仪表放大器及仪表放大器及A/D转换器的选择转换器的选择 (6)高线性度在较大量程内有良好的线性。高线性度在较大量程内有良好的线性。 (7)适宜的频率特性为使放大后的信号不失真，要求它有适宜的频率特性为使放大后的信号不失真，要求它有宽频带。为抑制某些干扰，又要求它有合适的频带。宽频带。为抑制某些干扰，又要求它有合适的频带。 4.2.2 A/D转换器转换器(ADC) 如上节所述，如上节所述，A/D转换器的作用是将传感器接口电路预处转换器的作用是将传感器

235、接口电路预处理过的模拟信号转换成适合计算机处理的数字信号，并输入理过的模拟信号转换成适合计算机处理的数字信号，并输入到计算机中去。到计算机中去。 1. ADC的主要类型的主要类型 按按ADC的转换方式，可分为比较型和积分型两大类，其中的转换方式，可分为比较型和积分型两大类，其中常用的是逐次逼近型、双积分型和常用的是逐次逼近型、双积分型和V/F变换型。变换型。 2. ADC的性能指标的性能指标 (1)分辨率分辨率是指的分辨率分辨率是指的N位位ADC的分辨率为粤。的分辨率为粤。ADC对对微小输入量变化的敏感度，输入满量程，模拟电压为呱微小输入量变化的敏感度，输入满量程，模拟电压为呱上一页 下一页返

236、回4.2 仪表放大器及仪表放大器及A/D转换器的选择转换器的选择 (2)精度精度可分为绝对精度和相对精度。绝对精度是指精度精度可分为绝对精度和相对精度。绝对精度是指对应于一个给定的数字量，模拟量输入实际值与理论值之差。对应于一个给定的数字量，模拟量输入实际值与理论值之差。它包括量化误差、线性误差和零位误差。相对精度又称相对它包括量化误差、线性误差和零位误差。相对精度又称相对误差，是指绝对误差与满刻度值的百分比。由于单位输入满误差，是指绝对误差与满刻度值的百分比。由于单位输入满刻度值可根据需要设定，因此，相对误差也常用刻度值可根据需要设定，因此，相对误差也常用ISB表示。表示。 (3)转换时间转

237、换时间是指从模拟量输入到数字输出，完转换时间转换时间是指从模拟量输入到数字输出，完成一次转换所需要的最长时间。对大多数成一次转换所需要的最长时间。对大多数ADC来说，转换时来说，转换时间就是转换频率间就是转换频率(转换的时钟频率转换的时钟频率)的倒数。的倒数。 3. ADC的选择原则的选择原则 目前所生产的目前所生产的A/D转换器具有模块化、与计算机总线兼容转换器具有模块化、与计算机总线兼容等特点。使用者不必深入了解它的结构原理，只需掌握等特点。使用者不必深入了解它的结构原理，只需掌握A/D转换器的外特性并正确选择即可。从使用的角度看，转换器的外特性并正确选择即可。从使用的角度看，A/D转转换

238、器的外特性包括换器的外特性包括:模拟信号输入部分模拟信号输入部分;数字信号并行数字信号并行上一页返回下一页4.2 仪表放大器及仪表放大器及A/D转换器的选择转换器的选择输出部分输出部分;启动转换的外部控制信号启动转换的外部控制信号;转换完毕后由转换器发转换完毕后由转换器发出转换结束信号等。在选择出转换结束信号等。在选择A/D转换器时，除需要满足用户转换器时，除需要满足用户的各种技术要求外，必须还要注意以下几点的各种技术要求外，必须还要注意以下几点:数字输出的方式数字输出的方式;对启动信号、转换结束信号的接口要求对启动信号、转换结束信号的接口要求;转换精度和转换式转换精度和转换式中、转换时间中、

239、转换时间;稳定性及抗干扰能力等。稳定性及抗干扰能力等。返回上一页4.3 传感器信号非线性校正及标度传感器信号非线性校正及标度变换变换4.3.1 传感器信号的非线性校正传感器信号的非线性校正 在自动检测系统中，利用传感器把被测量转换成电量时，在自动检测系统中，利用传感器把被测量转换成电量时，大多数传感器的输出电量与被测量之间的关系并非线性关系。大多数传感器的输出电量与被测量之间的关系并非线性关系。造成非线性的原因很多，主要有造成非线性的原因很多，主要有: 目前，由于数字显示技术的广泛应用，以及对测量范围和目前，由于数字显示技术的广泛应用，以及对测量范围和测量精度要求的不断提高，非线性校正就显得更

240、为现实与迫测量精度要求的不断提高，非线性校正就显得更为现实与迫切。切。 为了减小或消除非线性误差，必须采用一些非线性校正电为了减小或消除非线性误差，必须采用一些非线性校正电路，这些非线性校正电路是利用许多折线逼近所需补偿特性路，这些非线性校正电路是利用许多折线逼近所需补偿特性曲线，只要折线段足够多，就能以足够高的精度构造出任何曲线，只要折线段足够多，就能以足够高的精度构造出任何形状的补偿特性。对于一些有规律的非线性关系，如开方、形状的补偿特性。对于一些有规律的非线性关系，如开方、乘方、倒数、指数和对数特性，可以采用相应的运算电路进乘方、倒数、指数和对数特性，可以采用相应的运算电路进行线性化处理

241、。因此，下面介绍的主要是指无法用一般数学行线性化处理。因此，下面介绍的主要是指无法用一般数学下一页返回4.3 传感器信号非线性校正及标度传感器信号非线性校正及标度变换变换表达式描述的非线性校正电路。表达式描述的非线性校正电路。 1.校正曲线的求取校正曲线的求取 当已知变换器的输出特性时，可以求出相应的校正特性。当已知变换器的输出特性时，可以求出相应的校正特性。一个简单的处理方法，就是先把校正环节的电压增益看作是一个简单的处理方法，就是先把校正环节的电压增益看作是1，在已知的非线性的最大、最小值之间连一条直线，在已知的非线性的最大、最小值之间连一条直线;然后以此然后以此直线为对称轴，作非线性特性

242、的镜像，则镜像为所需的校正直线为对称轴，作非线性特性的镜像，则镜像为所需的校正特性。如特性。如图图4-3所示。所示。 图图4-4所示为一种斜率提升的校正电路，它是由反相放大所示为一种斜率提升的校正电路，它是由反相放大器构成的，当器构成的，当VD, , VDZ均不通时，闭环放大器是一个负反均不通时，闭环放大器是一个负反馈放大器，随着馈放大器，随着u;的增大，输出电压的增大，输出电压u。反馈增大，。反馈增大，VD，导，导通，电路将引入正反馈，其结果使放大倍数提高。当通，电路将引入正反馈，其结果使放大倍数提高。当VDZ导导通时，正反馈作用加强，放大倍数进一步提高。因而通时，正反馈作用加强，放大倍数进

243、一步提高。因而u;-u。特性是一条斜率提升曲线，在图中纵坐标表示输出电压绝对特性是一条斜率提升曲线，在图中纵坐标表示输出电压绝对值大小。其余校正电路可参阅有关书籍。值大小。其余校正电路可参阅有关书籍。上一页 下一页返回4.3 传感器信号非线性校正及标度传感器信号非线性校正及标度变换变换 3.数字量的非线性校正数字量的非线性校正 非线性校正装置也可以放置在非线性校正装置也可以放置在A/D转换之后，过去这些数转换之后，过去这些数字量的线性化，都是采用硬件处理技术来实现的，硬件处理字量的线性化，都是采用硬件处理技术来实现的，硬件处理的一种方法是采用非线性的一种方法是采用非线性A/D转换器，它是利用转

244、换器，它是利用A/D转换器转换器的转换机理有意识地造成其某种非线性，以补偿传感器的非的转换机理有意识地造成其某种非线性，以补偿传感器的非线性。目前，已有集成化产品，它结构紧凑，转换精度高，线性。目前，已有集成化产品，它结构紧凑，转换精度高，使用方便。使用方便。4.3.2 标度变换标度变换 在多路数据采集系统中，各参数都有不同的量纲和数值。在多路数据采集系统中，各参数都有不同的量纲和数值。如用热电偶测温，温度单位为如用热电偶测温，温度单位为oC，但不同热电偶输出电动势，但不同热电偶输出电动势不同，分度号为不同，分度号为S的热电偶在的热电偶在1 6000C时为时为16. 716mV，分度号为分度号

245、为K的热电偶在的热电偶在1 2000C时为时为48. 087 My;又如测又如测量压力的弹性元件一膜片、膜盒以及弹簧管等，其压力范围量压力的弹性元件一膜片、膜盒以及弹簧管等，其压力范围上一页 下一页返回4.3 传感器信号非线性校正及标度传感器信号非线性校正及标度变换变换从正负几帕到几十甚至几百兆帕。这些量纲不同、满度电压从正负几帕到几十甚至几百兆帕。这些量纲不同、满度电压值也不同的信号经变送器转换成值也不同的信号经变送器转换成0一一5V的标准信号，又经的标准信号，又经A/D转换成转换成00一一FFH ( 8位位)的数字量。为了进行显示、记的数字量。为了进行显示、记录、打印及报警等，必须把这些数

246、字量转换成与被测量相应录、打印及报警等，必须把这些数字量转换成与被测量相应的量纲，这就是标度变换。对一些线性仪表，标度变换公式的量纲，这就是标度变换。对一些线性仪表，标度变换公式为为上一页返回图图4-1数据采集系统的构成数据采集系统的构成返回图图4-2仪表放大器结构图仪表放大器结构图返回图图4-3校正特性的求取校正特性的求取返回图图4-4提升校正特性的获得提升校正特性的获得返回 第第5章传感器在机电设备中的应用章传感器在机电设备中的应用5.1 传感器在汽车工业中的应用传感器在汽车工业中的应用5.2 家用电器中的传感器家用电器中的传感器5.1 传感器在汽车工业中的应用传感器在汽车工业中的应用 现

247、代汽车正朝着电子化和智能化方向发展，这势必要求现代汽车正朝着电子化和智能化方向发展，这势必要求在汽车中大量采用各种传感器。由于汽车传感器在汽车电子在汽车中大量采用各种传感器。由于汽车传感器在汽车电子控制系统中的重要作用和快速增长的市场需求，世界各国都控制系统中的重要作用和快速增长的市场需求，世界各国都对其非常重视。对其非常重视。5.1.1 汽车用传感器的分类汽车用传感器的分类 汽车用传感器是用于汽车显示和控制的各种传感器的统称。汽车用传感器是用于汽车显示和控制的各种传感器的统称。汽车用传感器的种类繁多，应用的方面很广，大致有两类汽车用传感器的种类繁多，应用的方面很广，大致有两类:一一类是用于显

248、示汽车各部分状态的传感器类是用于显示汽车各部分状态的传感器;另一类是用于控制汽另一类是用于控制汽车运行状态的控制传感器。车运行状态的控制传感器。 发动机控制系统用传感器是整个汽车传感器的核心，种类发动机控制系统用传感器是整个汽车传感器的核心，种类很多，包括温度传感器、压力传感器、位置和转速传感器、很多，包括温度传感器、压力传感器、位置和转速传感器、流量传感器、气体浓度传感器和爆震传感器等。这些传感器流量传感器、气体浓度传感器和爆震传感器等。这些传感器向发动机的电子控制单元提供发动机的工作状况信息，供电向发动机的电子控制单元提供发动机的工作状况信息，供电下一页返回5.1 传感器在汽车工业中的应用

249、传感器在汽车工业中的应用子控制单元对发动机工作状况进行精确控制，以提高发动机子控制单元对发动机工作状况进行精确控制，以提高发动机的动力性、降低油耗、减少废气排放和进行故障检测。的动力性、降低油耗、减少废气排放和进行故障检测。5.1.2 传感器在汽车中的应用传感器在汽车中的应用 1.温度传感器温度传感器 为了判定发动机的热状态，计算进气空气的质量、流量以为了判定发动机的热状态，计算进气空气的质量、流量以及排气净化处理，需要能够连续精确地测量发动机温度、吸及排气净化处理，需要能够连续精确地测量发动机温度、吸人气体温度、冷却水温度、燃油温度以及催化温度等。温度人气体温度、冷却水温度、燃油温度以及催化

250、温度等。温度传感器有热敏电阻式、线绕电阻式和热偶电阻式三种主要类传感器有热敏电阻式、线绕电阻式和热偶电阻式三种主要类型。型。图图5-1是水温传感器的结构示意图。是水温传感器的结构示意图。 2.压力传感器压力传感器 压力传感器是汽车中用得最多的传感器，主要用于检测压力传感器是汽车中用得最多的传感器，主要用于检测上一页返回下一页5.1 传感器在汽车工业中的应用传感器在汽车工业中的应用气囊储气压力、传动系统流体压力、注人燃料压力、发动机气囊储气压力、传动系统流体压力、注人燃料压力、发动机机油压力、进气管道压力、空气过滤系统的流体压力等。汽机油压力、进气管道压力、空气过滤系统的流体压力等。汽车用压力传

251、感器的用途如车用压力传感器的用途如表表5-2所示所示。 3.流量传感器流量传感器 流量传感器主要用于发动机空气流量和燃料流量的测量。流量传感器主要用于发动机空气流量和燃料流量的测量。进气量是燃油喷射量计算的基本参数之一，通过对发动机进进气量是燃油喷射量计算的基本参数之一，通过对发动机进气流量进行精确测量，来调节空燃比，从而保证发动机的动气流量进行精确测量，来调节空燃比，从而保证发动机的动力性、经济性和排放指标达到最优。空气流量传感器有、卡力性、经济性和排放指标达到最优。空气流量传感器有、卡门涡旋式、热线式、热膜式等四种类型。门涡旋式、热线式、热膜式等四种类型。 4.位置和转速传感器位置和转速传

252、感器 曲轴位置与转速传感器主要用于检测发动机曲轴转角、发曲轴位置与转速传感器主要用于检测发动机曲轴转角、发动机转速、节气门的开度、车速等，为点火时刻和喷油时刻动机转速、节气门的开度、车速等，为点火时刻和喷油时刻提供参考点信号，同时提供发动机转速信号。提供参考点信号，同时提供发动机转速信号。 下一页返回上一页5.1 传感器在汽车工业中的应用传感器在汽车工业中的应用图图5-2是美国是美国GM公司的触发叶片结构的霍尔式曲轴转角传感公司的触发叶片结构的霍尔式曲轴转角传感器，安装在曲轴前端霍尔信号发生器由永久磁铁、导磁板和器，安装在曲轴前端霍尔信号发生器由永久磁铁、导磁板和霍尔集成电路等组成霍尔集成电路

253、等组成(见见图图5-3 )，内、外信号轮侧面各设置，内、外信号轮侧面各设置一个霍尔信号发生器，信号转动时，每当叶片进人永久磁铁一个霍尔信号发生器，信号转动时，每当叶片进人永久磁铁与霍尔元件之间的空气隙中时，霍尔集成电路中的磁场即被与霍尔元件之间的空气隙中时，霍尔集成电路中的磁场即被触发叶片所旁路触发叶片所旁路(或称隔磁或称隔磁)，这时不产生霍尔电压。，这时不产生霍尔电压。 5.气体浓度传感器气体浓度传感器 气体浓度传感器主要用于检测车体内气体和废气排放。其气体浓度传感器主要用于检测车体内气体和废气排放。其中，最主要的是氧传感器，它检测汽车尾气中的氧含量，根中，最主要的是氧传感器，它检测汽车尾气

254、中的氧含量，根据排气中的氧浓度测定空燃比，向微机控制装置发出反馈信据排气中的氧浓度测定空燃比，向微机控制装置发出反馈信号，以控制空燃比收敛于理论值。号，以控制空燃比收敛于理论值。 6.爆震传感器爆震传感器 爆震传感器用于检测发动机的振动，通过调整点火提前角，爆震传感器用于检测发动机的振动，通过调整点火提前角，上一页 下一页返回5.1 传感器在汽车工业中的应用传感器在汽车工业中的应用控制和避免发动机发生爆震。为了最大限度地发挥发动机功控制和避免发动机发生爆震。为了最大限度地发挥发动机功率而不产生爆燃，点火提前角应控制在爆燃产生的临界值，率而不产生爆燃，点火提前角应控制在爆燃产生的临界值，当发动机

255、产生爆燃时，传感器将爆燃引起的震动转变成电信当发动机产生爆燃时，传感器将爆燃引起的震动转变成电信号，并传给电子控制单元。号，并传给电子控制单元。 7.节气门位置传感器节气门位置传感器 节气门位置传感器安装在节气门上，其功能是将发动机节节气门位置传感器安装在节气门上，其功能是将发动机节气门的开度信号转变成电信号，并传递给电子控制单元，用气门的开度信号转变成电信号，并传递给电子控制单元，用以感知发动机的负荷大小和加减速情况。最常用的是可变电以感知发动机的负荷大小和加减速情况。最常用的是可变电阻式节气门位置传感器。该传感器是一种典型的节气门传感阻式节气门位置传感器。该传感器是一种典型的节气门传感器，

256、主要由一个线形变位器和一个怠速触点两部分组成。电器，主要由一个线形变位器和一个怠速触点两部分组成。电阻变位器用陶瓷薄膜电阻制成，滑动触点用复位弹簧控制，阻变位器用陶瓷薄膜电阻制成，滑动触点用复位弹簧控制，与节气门同轴转动。与节气门同轴转动。 8.液位传感器液位传感器 上一页 下一页返回5.1 传感器在汽车工业中的应用传感器在汽车工业中的应用浮子舌簧开关式液位传感器的结构如浮子舌簧开关式液位传感器的结构如图图5-4所示，这种传感所示，这种传感器是由树脂圆筒制成的轴和可沿轴上下移动的环状浮子组成器是由树脂圆筒制成的轴和可沿轴上下移动的环状浮子组成的。位，这是利用了热敏电阻上加有电压时，就有电流通过

257、，的。位，这是利用了热敏电阻上加有电压时，就有电流通过，在电流的作用下热敏电阻自身就要发热这一性质。热敏电阻在电流的作用下热敏电阻自身就要发热这一性质。热敏电阻的温度特性有的为双曲线形，随温度升高而电阻迅速减小。的温度特性有的为双曲线形，随温度升高而电阻迅速减小。当热敏电阻置于汽油中时，因为其中的热量容易散出，所以当热敏电阻置于汽油中时，因为其中的热量容易散出，所以热敏电阻的温度不会升高而使其阻值较大热敏电阻的温度不会升高而使其阻值较大;反之当汽油量减少，反之当汽油量减少，热敏电阻暴露在空气中时，由于热量难以散出，温度迅速上热敏电阻暴露在空气中时，由于热量难以散出，温度迅速上升，热敏电阻的阻值

258、减小。用热敏电阻与指示灯等组成电路升，热敏电阻的阻值减小。用热敏电阻与指示灯等组成电路如如图图5-5所示，通过指示灯的亮灭就可以判断汽油量的多少。所示，通过指示灯的亮灭就可以判断汽油量的多少。 电极式液位传感器的结构如电极式液位传感器的结构如图图5-6所示。所示。 上一页返回5.2 家用电器中的传感器家用电器中的传感器 随着社会的进步及人民生活水平的不断提高，人们对家用随着社会的进步及人民生活水平的不断提高，人们对家用电器产品的功能要求也越来越高。为了满足社会的这种需求，电器产品的功能要求也越来越高。为了满足社会的这种需求，越来越多的传感器和微控系统应用于家用电器中。传感器的越来越多的传感器和

259、微控系统应用于家用电器中。传感器的使用不仅使家用电器的功能更加强大，而且使用也变得更加使用不仅使家用电器的功能更加强大，而且使用也变得更加简单。本节主要介绍几种家用电器中所用主要传感器。简单。本节主要介绍几种家用电器中所用主要传感器。 传感器在家用电器中的应用情况，如传感器在家用电器中的应用情况，如表表5-3所示。本节将所示。本节将对传感器在家用电器中的一些应用实例加以介绍。对传感器在家用电器中的一些应用实例加以介绍。5.2.1 传感器在洗衣机中的应用传感器在洗衣机中的应用 目前全自动洗衣机中大量应用各种传感器。量、洁净度等目前全自动洗衣机中大量应用各种传感器。量、洁净度等信息，再通过微处理器

260、对信息进行加工处理，实现对洗涤过信息，再通过微处理器对信息进行加工处理，实现对洗涤过程的自动控制，例如自动进水、控制加热时间、控制洗涤时程的自动控制，例如自动进水、控制加热时间、控制洗涤时间、控制脱水时间、控制搅拌强度。通过自动检测和控制使间、控制脱水时间、控制搅拌强度。通过自动检测和控制使洗涤过程达到最佳状态，不但省水、省电、省洗涤剂，而且洗涤过程达到最佳状态，不但省水、省电、省洗涤剂，而且返回下一页5.2 家用电器中的传感器家用电器中的传感器给使用带来了极大的方便。给使用带来了极大的方便。图图5-7所示，在洗衣机中常用的所示，在洗衣机中常用的传感器有传感器有:水位传感器、布量传感器和光电传

261、感器、温度传感水位传感器、布量传感器和光电传感器、温度传感器等。器等。 1.水位传感器水位传感器 水位传感器是用来检测水位高低的。洗衣机注水时，随着水位传感器是用来检测水位高低的。洗衣机注水时，随着水位上升所产生的空气压力通过管道传递到传感器。水位高水位上升所产生的空气压力通过管道传递到传感器。水位高时微动开关闭合，水位低时微动开关断开。此开关信号决定时微动开关闭合，水位低时微动开关断开。此开关信号决定是否停注水。是否停注水。 2.布量传感器布量传感器洗衣机通过传感器获取水位、温度、衣物质洗衣机通过传感器获取水位、温度、衣物质图图5-7传感器在传感器在洗衣机中的应用示意图布量传感器是用来检测洗

262、涤物的质量。洗衣机中的应用示意图布量传感器是用来检测洗涤物的质量。在未注水之前，电动机空转几次，通过检测电动机的负载电在未注水之前，电动机空转几次，通过检测电动机的负载电流大小来检测洗涤物的质量。流大小来检测洗涤物的质量。下一页返回上一页5.2 家用电器中的传感器家用电器中的传感器 3.光电传感器光电传感器 光电传感器用来检测洗涤洁净度、排水、脱水情况。光电光电传感器用来检测洗涤洁净度、排水、脱水情况。光电传感器由发光二极管和光敏三极管组成。它安装在排水口上传感器由发光二极管和光敏三极管组成。它安装在排水口上部，通过检测排水口处的光透射率来判断洗净度、漂洗脱水部，通过检测排水口处的光透射率来判

263、断洗净度、漂洗脱水情况。情况。 4.温度传感器温度传感器 洗衣机中的温度控制通常是依靠毛细管温控器或洗衣机中的温度控制通常是依靠毛细管温控器或NTC温度温度传感器来实现的。通过传感器的连续监测，当水温达到预定传感器来实现的。通过传感器的连续监测，当水温达到预定的温度时，控制器自动切断加热器的电源的温度时，控制器自动切断加热器的电源;温度降低到一定程温度降低到一定程度时重新启动加热器。与毛细管温控器相比，度时重新启动加热器。与毛细管温控器相比，NTC传感器的传感器的体积更小，输出信号容易处理，因而使用更为普遍。体积更小，输出信号容易处理，因而使用更为普遍。上一页 下一页返回5.2 家用电器中的传

264、感器家用电器中的传感器5.2.2 电冰箱中的传感器电冰箱中的传感器 1.传感器在电冰箱中的作用传感器在电冰箱中的作用 电冰箱主要由制冷系统和控制系统两大部分组成。在控制电冰箱主要由制冷系统和控制系统两大部分组成。在控制系统中，传感器起着非常重要的作用。电冰箱运行时，由温系统中，传感器起着非常重要的作用。电冰箱运行时，由温度传感器组成的温控器按设定的冰箱温度自动接通和断开电度传感器组成的温控器按设定的冰箱温度自动接通和断开电路，控制制冷压缩机的启动与停止。当给冰箱加热除霜时，路，控制制冷压缩机的启动与停止。当给冰箱加热除霜时，由温度传感器组成的除霜温控器将会在除霜加热器达到一定由温度传感器组成的

265、除霜温控器将会在除霜加热器达到一定温度时，自动断开加热器的电源，停止除霜加热。温度时，自动断开加热器的电源，停止除霜加热。图图5-8所所示为常见的电冰箱电路，它主要由温度控制器、温度显示器、示为常见的电冰箱电路，它主要由温度控制器、温度显示器、PTC启动器、除霜温控器、电机保护装置、开关、风扇及压启动器、除霜温控器、电机保护装置、开关、风扇及压缩电机等组成。缩电机等组成。 2.电冰箱中的温度传感器电冰箱中的温度传感器 上一页 下一页返回5.2 家用电器中的传感器家用电器中的传感器在电冰箱的控制系统中，制冷温度的自动控制尤为重要，因在电冰箱的控制系统中，制冷温度的自动控制尤为重要，因而离不开各种

266、各样的温度传感器，例如而离不开各种各样的温度传感器，例如:压力式温度传感器、压力式温度传感器、热敏电阻式温度传感器、双金属片温度传感器等。此外，温热敏电阻式温度传感器、双金属片温度传感器等。此外，温度传感器还要监控系统重要部件的工作温度，一旦出现异常度传感器还要监控系统重要部件的工作温度，一旦出现异常立即切断电源，保护核心部件不受损害。立即切断电源，保护核心部件不受损害。 (1)压力式温度传感器压力式温度传感器有波纹管式和膜压力式温度传感器压力式温度传感器有波纹管式和膜盒式两种形式，它们主要用于温度控制器和除霜温控器上。盒式两种形式，它们主要用于温度控制器和除霜温控器上。波纹管式温度传感器的结

267、构如波纹管式温度传感器的结构如图图5-9(a)所示，它是由波纹管所示，它是由波纹管及感温管连成一体后，内部填充感温剂而组成，及感温管连成一体后，内部填充感温剂而组成，A点的位移点的位移与感温剂受温度的影响产生压力的变化成线性关系。膜盒式与感温剂受温度的影响产生压力的变化成线性关系。膜盒式温度传感器的结构如温度传感器的结构如图图5-9(b)所示，它是由感温管与膜盒连所示，它是由感温管与膜盒连成一体后，内部填充感温剂而组成，其作用原理与波纹管式成一体后，内部填充感温剂而组成，其作用原理与波纹管式相同，但相同，但A点的位移与感温剂的压力变化为非线性关系。点的位移与感温剂的压力变化为非线性关系。上一页

268、 下一页返回5.2 家用电器中的传感器家用电器中的传感器 (2)热敏电阻式温控电路热敏电阻式温控电路图图5-11为热敏电阻式温控电路。为热敏电阻式温控电路。 (3)双金属除霜温度传感器双金属除霜温度传感器的结构双金属除霜温度传感器双金属除霜温度传感器的结构图图5-12所示。它由双金属热敏元件、推杆及微动开关组成，所示。它由双金属热敏元件、推杆及微动开关组成，平时微动开关处于常闭状态，只要除霜开关接通，便可通过平时微动开关处于常闭状态，只要除霜开关接通，便可通过传感器接通除霜加热器的回路，使除霜工作开始。当除霜工传感器接通除霜加热器的回路，使除霜工作开始。当除霜工作一段时间后，电冰箱蒸发器上的霜

269、层融化，温度升高，双作一段时间后，电冰箱蒸发器上的霜层融化，温度升高，双金属热敏元件在该温度作用下产生形变，使推杆运动，微动金属热敏元件在该温度作用下产生形变，使推杆运动，微动开关的触点断开，切断除霜加热器电路，停止除霜工作。开关的触点断开，切断除霜加热器电路，停止除霜工作。 (4)双金属热保护器双金属热保护器是一个封装起来的双双金属热保护器双金属热保护器是一个封装起来的双金属热敏元件，它的结构所示。它可以直接埋设在压缩电机金属热敏元件，它的结构所示。它可以直接埋设在压缩电机绕组内，直接对电机绕组的温度进行控制。当电机绕组的温绕组内，直接对电机绕组的温度进行控制。当电机绕组的温度出现过热时，保

270、护器内的双金属片产生变形，从而使传感度出现过热时，保护器内的双金属片产生变形，从而使传感器内的可动触点与固定触点断开，切断压缩机的电源。器内的可动触点与固定触点断开，切断压缩机的电源。上一页 下一页返回5.2 家用电器中的传感器家用电器中的传感器5.2.3 家用报警器中的传感器家用报警器中的传感器 1.燃气报警器燃气报警器 家庭燃气泄漏非常危险，极易引发恶性事故。目前管道燃家庭燃气泄漏非常危险，极易引发恶性事故。目前管道燃气用户广泛使用燃气泄漏报警器，大大降低了事故风险。常气用户广泛使用燃气泄漏报警器，大大降低了事故风险。常用电路如用电路如图图5-14所示，燃气泄漏报警器由传感器、检测电路所示

271、，燃气泄漏报警器由传感器、检测电路及驱动电路三部分组成。及驱动电路三部分组成。 2.敲击防盗报警器敲击防盗报警器 敲击防盗报警器的电路，如敲击防盗报警器的电路，如图图5-15所示。报警器由压电式所示。报警器由压电式传感器、单稳态触发器及驱动电路组成。传感器、单稳态触发器及驱动电路组成。 3.冲击防盗报警器冲击防盗报警器 冲击防盗报警器由冲击传感器和执行电路两部分组成。冲冲击防盗报警器由冲击传感器和执行电路两部分组成。冲击传感器的结构击传感器的结构如如5-16所示。在外壳的基板上固定一个所示。在外壳的基板上固定一个上一页 下一页返回5.2 家用电器中的传感器家用电器中的传感器螺栓，螺栓上有一个弹

272、簧，弹簧的顶端焊有一个钢球，外壳螺栓，螺栓上有一个弹簧，弹簧的顶端焊有一个钢球，外壳也使用良导体制成。在静止状态时，不论传感器置于何种位也使用良导体制成。在静止状态时，不论传感器置于何种位置，钢球和外壳呈绝缘状态不会导通，一旦传感器受到外力置，钢球和外壳呈绝缘状态不会导通，一旦传感器受到外力冲击，如砸、碰、撞、敲击、撬动时，则钢球在加速度作用冲击，如砸、碰、撞、敲击、撬动时，则钢球在加速度作用下产生与外壳发生相对运动，与外壳接通，便可触发执行电下产生与外壳发生相对运动，与外壳接通，便可触发执行电路，使报警装置开始工作。路，使报警装置开始工作。 4.热释红外报警器热释红外报警器 热释红外线传感器

273、是热释红外线传感器是20世纪世纪80年代发展起来的一种新型年代发展起来的一种新型高灵敏度探测元件。它能以非接触形式检测出人体辐射的红高灵敏度探测元件。它能以非接触形式检测出人体辐射的红外线能量的变化，并将其转换成电压信号输出。将这个电压外线能量的变化，并将其转换成电压信号输出。将这个电压信号加以放大，便可驱动各种控制电路，如作电源开关控制、信号加以放大，便可驱动各种控制电路，如作电源开关控制、防盗防火报警。电元件接收，产生检测信号，通过放大处理防盗防火报警。电元件接收，产生检测信号，通过放大处理可驱动报警电路。可驱动报警电路。 上一页返回下一页5.2 家用电器中的传感器家用电器中的传感器红外线

274、热释电传感器对人体的敏感程度还和人的运动方向关红外线热释电传感器对人体的敏感程度还和人的运动方向关系很大。红外线热释电传感器对于径向移动反应最不敏感，系很大。红外线热释电传感器对于径向移动反应最不敏感，而对于横切方向而对于横切方向(即与半径垂直的方向即与半径垂直的方向)移动则最为敏感。因移动则最为敏感。因此选择合适的安装位置和安装工艺是使红外探头减少误报、此选择合适的安装位置和安装工艺是使红外探头减少误报、取得最佳检测灵敏度极为重要的一环。取得最佳检测灵敏度极为重要的一环。返回上一页图图5-1水温传感器水温传感器返回表表5-2 汽车用压力传感器的用途汽车用压力传感器的用途返回图图5-2 霍尔曲

275、轴转角传感器霍尔曲轴转角传感器返回图图5-3 霍尔曲轴转角传感器的工作霍尔曲轴转角传感器的工作原理原理返回图图5-4 浮子舌簧开关式液位传感器浮子舌簧开关式液位传感器返回图图5-5 热敏式电阻式燃油报警电路热敏式电阻式燃油报警电路返回图图5-6电极式液位传感器的结构电极式液位传感器的结构返回表表5-3家电传感器使用实例家电传感器使用实例返回图图5-7传感器在洗衣机中的应用示意传感器在洗衣机中的应用示意图图返回图图5-8 常见冰箱电路原理图常见冰箱电路原理图返回图图5-9压力式温度传感器结构示意图压力式温度传感器结构示意图返回图图5-10压力式温度控制器工作原理压力式温度控制器工作原理图图返回图

276、图5-11热敏电阻式温控电路热敏电阻式温控电路返回图图5-12 双金属除霜温度传感器结构双金属除霜温度传感器结构示意图示意图返回图图5-14 燃气泄漏报警器电路图燃气泄漏报警器电路图返回图图5-15 敲击防盗报警器电路图敲击防盗报警器电路图返回图图5-16 冲击传感器的结构冲击传感器的结构返回 第第6章检测仪表概述章检测仪表概述6.1 检测仪表的基本概念检测仪表的基本概念6.2 常用检测仪表常用检测仪表6.3 集成传感器集成传感器6.4 智能传感器智能传感器6.1 检测仪表的基本概念检测仪表的基本概念6.1.1 检测仪表的组成检测仪表的组成 一般检测仪表的基本组成大致可分为以下几部分。一般检测

277、仪表的基本组成大致可分为以下几部分。 1.传感部分传感部分 传感部分的作用是感受被测参数的变化，拾取原始信号，传感部分的作用是感受被测参数的变化，拾取原始信号，并把它变换成放大部分或显示部分所能接受的信号传递出去。并把它变换成放大部分或显示部分所能接受的信号传递出去。传感部分也称为检测元件。例如，弹簧管压力表中的弹簧管，传感部分也称为检测元件。例如，弹簧管压力表中的弹簧管，热电高温计中的热电偶等，就是传感部分。在许多仪表中，热电高温计中的热电偶等，就是传感部分。在许多仪表中，常常是依靠仪表的传感部分将被测的非电量转换成电量。传常常是依靠仪表的传感部分将被测的非电量转换成电量。传感部分是检测仪表

278、必不可少的重要组成部分，因为如果连原感部分是检测仪表必不可少的重要组成部分，因为如果连原始信号都无法拾取，也就谈不上对信号的进一步处理了。始信号都无法拾取，也就谈不上对信号的进一步处理了。 2.转换放大部分转换放大部分 转换放大部分的作用是转换放大部分的作用是:将传感部分输出的微弱信号进行将传感部分输出的微弱信号进行下一页返回6.1 检测仪表的基本概念检测仪表的基本概念放大，以便于传输和显示放大，以便于传输和显示;为便于进行信号处理而进行的模为便于进行信号处理而进行的模/数数(A/D)转换。此外，如果传感部分的输出信号是非电量，而显转换。此外，如果传感部分的输出信号是非电量，而显示记录部分要求

279、输人电信号时，还须在转换放大部分完成非电示记录部分要求输人电信号时，还须在转换放大部分完成非电量一电量的转换。量一电量的转换。 3.显示记录部分显示记录部分 显示记录部分的作用是显示或记录被测参数的测量结果。常显示记录部分的作用是显示或记录被测参数的测量结果。常见的显示记录部件有指针表盘、记录器、数字显示器、打印机、见的显示记录部件有指针表盘、记录器、数字显示器、打印机、监视器等。监视器等。 4.数据处理部分数据处理部分 一些比较复杂的检测仪表，在其感受信号至最终显示之间，一些比较复杂的检测仪表，在其感受信号至最终显示之间，有时还有一套数据加工和处理环节，包括计算、校正环节等。有时还有一套数据

280、加工和处理环节，包括计算、校正环节等。6.1.2 检测仪表的分类检测仪表的分类 工业生产中所用的检测仪表，其结构与形式是多种多样的，工业生产中所用的检测仪表，其结构与形式是多种多样的，上一页返回下一页6.1 检测仪表的基本概念检测仪表的基本概念可以根据不同的原则进行相应的分类。常见的分类方法如下可以根据不同的原则进行相应的分类。常见的分类方法如下: 1.按被测参数的不同来分按被测参数的不同来分 按被测参数的不同通常可分为按被测参数的不同通常可分为:温度测量仪表、压力测量温度测量仪表、压力测量仪表、流量测量仪表、物位测量仪表、机械量测量仪表、工仪表、流量测量仪表、物位测量仪表、机械量测量仪表、工

281、业分析仪表等。其中，机械量测量仪表和工业分析仪表还可业分析仪表等。其中，机械量测量仪表和工业分析仪表还可根据被测的具体参数进一步划分，如转速表、加速度计、根据被测的具体参数进一步划分，如转速表、加速度计、pH计、溶解氧测定仪等。按被测参数的不同进行分类是工业检计、溶解氧测定仪等。按被测参数的不同进行分类是工业检测仪表中最常见的分类方法。测仪表中最常见的分类方法。 2.按检测原理或检测元件的不同来分按检测原理或检测元件的不同来分 按检测原理或检测元件的不同可分为按检测原理或检测元件的不同可分为:弹簧管压力表、活弹簧管压力表、活塞式压力计、靶式流量计、转子流量计、电磁流量计、超声塞式压力计、靶式流

282、量计、转子流量计、电磁流量计、超声波流量计等。波流量计等。 3.按仪表输出信号的特点与形式来分按仪表输出信号的特点与形式来分下一页返回上一页6.1 检测仪表的基本概念检测仪表的基本概念按仪表输出信号的特点与形式大致可进行以下划分按仪表输出信号的特点与形式大致可进行以下划分: (1)开关报警式当被测参数的大小达到某一定值时，仪表开关报警式当被测参数的大小达到某一定值时，仪表发出开关信号或报警。例如一氧化碳报警器，当室内空气中发出开关信号或报警。例如一氧化碳报警器，当室内空气中的的CO含量达到一定数值时，即可发出报警信号含量达到一定数值时，即可发出报警信号;安装在管道安装在管道中的流量开关，可以判

283、断管道中有无流体流动中的流量开关，可以判断管道中有无流体流动;在食品发酵工在食品发酵工业和化工产品生产过程中，可用做进料指示器和保险装置。业和化工产品生产过程中，可用做进料指示器和保险装置。 (2)模拟式检测仪表的输出信号是连续变化的模拟量。例模拟式检测仪表的输出信号是连续变化的模拟量。例如，各种指针式仪表以及笔式记录仪表等。如，各种指针式仪表以及笔式记录仪表等。 (3)数字式检测仪表的输出信号是离散的数字量。由于以数字式检测仪表的输出信号是离散的数字量。由于以数字形式给出测量结果，避免了人为的读数误差，而且其输数字形式给出测量结果，避免了人为的读数误差，而且其输出信号便于与计算机连接进行数据

284、处理及实现数控加工。出信号便于与计算机连接进行数据处理及实现数控加工。 (4)远传变送式这类检测仪表常称为变送器，是一种单元远传变送式这类检测仪表常称为变送器，是一种单元组合式仪表。它与其他单元组合式仪表组合式仪表。它与其他单元组合式仪表(如调节单元、显示如调节单元、显示上一页 下一页返回6.1 检测仪表的基本概念检测仪表的基本概念单元等单元等)之间以统一标准信号联系，一般用于工业生产过程的之间以统一标准信号联系，一般用于工业生产过程的在线检测和自动控制系统中。在线检测和自动控制系统中。6.1.3 变送器变送器 变送器是从传感器发展而来的，凡能输出标准信号的单元变送器是从传感器发展而来的，凡能

285、输出标准信号的单元组合式仪表就称为变送器。标准信号是物理量的形式和数值组合式仪表就称为变送器。标准信号是物理量的形式和数值范围都符合国际标准的信号。范围都符合国际标准的信号。 1.气动变送器气动变送器 气动变送器以干燥、洁净的压缩空气作能源，它能将各种气动变送器以干燥、洁净的压缩空气作能源，它能将各种被测参数被测参数(如温度、压力、流量、液位等如温度、压力、流量、液位等)变换成变换成0. 02一一0. 1 MPa的气压信号，以便传送给调节、显示等单元组合式仪的气压信号，以便传送给调节、显示等单元组合式仪表，供指示、记录或调节。气动变送器的结构比较简单、工表，供指示、记录或调节。气动变送器的结构

286、比较简单、工作比较可靠，对电磁场、放射线及温度、湿度等环境影响的作比较可靠，对电磁场、放射线及温度、湿度等环境影响的抗干扰能力较强，能防火防爆，价格也比较便宜。其缺点是抗干扰能力较强，能防火防爆，价格也比较便宜。其缺点是上一页返回6.2 常用检测仪表常用检测仪表6.2.1 温度检测仪表温度检测仪表 温度检测仪表大多是把热电偶、热电阻测得的温度信号正温度检测仪表大多是把热电偶、热电阻测得的温度信号正比地转变为直流信号输出，并以单元组合仪表出现，即温度比地转变为直流信号输出，并以单元组合仪表出现，即温度变送器。它与指示仪、记录仪、调节器、执行机构等组成自变送器。它与指示仪、记录仪、调节器、执行机构

287、等组成自动化过程调节系统或指示回路。动化过程调节系统或指示回路。 把计算机技术和通信技术应用于温度变送器形成的智能式把计算机技术和通信技术应用于温度变送器形成的智能式温度变送器，充分体现出使用伏热温度变送器，充分体现出使用伏热.是混度拱器的重女革新。是混度拱器的重女革新。 WFHX一一63型便携式红外辐射温度计结构原理如型便携式红外辐射温度计结构原理如图图6-3所示。被测辐射体能量通过光学系统会聚在探测器上所示。被测辐射体能量通过光学系统会聚在探测器上;探测器探测器输出电信号，由前置放大器放大后，按一定规律通过模拟开输出电信号，由前置放大器放大后，按一定规律通过模拟开关，经关，经A/D转换后进

288、入转换后进入CPU;CPU根据内存程序将被测物体根据内存程序将被测物体相应的各种温度或辐射出射度通过相应的各种温度或辐射出射度通过vo接口，显示在显示屏上接口，显示在显示屏上;对环境温度影响由环境温度检测器给予补偿。温度计通过对环境温度影响由环境温度检测器给予补偿。温度计通过D/A转换成转换成0一一1V的输出，可对被测对象进行记录和调节。的输出，可对被测对象进行记录和调节。下一页返回6.2 常用检测仪表常用检测仪表 6.2.2 压力检测仪表压力检测仪表 压力或差压检测仪表通常是将测量的现场压力或差压信号压力或差压检测仪表通常是将测量的现场压力或差压信号转换成标准的信号输出，即压力、差压变送器。

289、近代压力、转换成标准的信号输出，即压力、差压变送器。近代压力、差压变送器的检测方式有电容式、压阻式、电感式、振动频差压变送器的检测方式有电容式、压阻式、电感式、振动频率式等。目前最典型的产品是电容式压力、差压变送器和压率式等。目前最典型的产品是电容式压力、差压变送器和压阻型扩散硅压力、差压变送器。这一代变送器主要有以下几阻型扩散硅压力、差压变送器。这一代变送器主要有以下几个特点个特点: .具有高精度、高可靠性，精度达到具有高精度、高可靠性，精度达到o. i%o.a%o .把压力测量元件对温度和静压的特征信号存储在内部程序把压力测量元件对温度和静压的特征信号存储在内部程序存储器内，在线测量时能随

290、着温度和静压的变化而自动补偿。存储器内，在线测量时能随着温度和静压的变化而自动补偿。 .应用数字通信技术，能进行远距离设定量程、零位等有关应用数字通信技术，能进行远距离设定量程、零位等有关数据。数据。上一页返回下一页6.2 常用检测仪表常用检测仪表 .具有自诊断检测功能等。具有自诊断检测功能等。 1.主要技术性能主要技术性能 (1)测量范围。测量范围。0. 12 kPa-41. 37 kPa;量程比为量程比为1:15(智能型智能型),1:6(普通型普通型)。 (2)测量精度测量精度10. 1%(智能型智能型)，1 0. 2%一一10. 25%(普通型普通型)，10. 5%(微差压微差压)。 (

291、3)输出信号直流电流输出信号直流电流4 -20 mA ;供电电源供电电源:直流电流直流电流12 -45 V。 2.差分电容结构及工作原理差分电容结构及工作原理 差分电容结构和等效电路如差分电容结构和等效电路如图图6-4所示。变送器电路设计所示。变送器电路设计时，使输出信号与中心感压极板的位移有关，而与高频供电时，使输出信号与中心感压极板的位移有关，而与高频供电频率、电压幅值无关频率、电压幅值无关(在限定的范围内在限定的范围内)。因此，当差分电容。因此，当差分电容的的H 差分电容变送器电路差分电容变送器电路:有普通型和智能型两种。智能型有普通型和智能型两种。智能型1151变送器电路框图如变送器电

292、路框图如图图6-5所示。所示。下一页返回上一页6.2 常用检测仪表常用检测仪表6.2.3 流量检测仪表流量检测仪表 近年来，随着机电一体化技术的发展，特别是微电子、计近年来，随着机电一体化技术的发展，特别是微电子、计算机技术在流量仪表中的应用，实现了仪表的智能化。按照算机技术在流量仪表中的应用，实现了仪表的智能化。按照被测对象的物理特性以及对测量准确度要求，国内外分别研被测对象的物理特性以及对测量准确度要求，国内外分别研制了各种新型的流量仪表制了各种新型的流量仪表(见见表表6-1)。其中以电磁流量计、。其中以电磁流量计、漩涡流量计和质量流量计的发展最为迅速。漩涡流量计和质量流量计的发展最为迅速

293、。 1.典型流量仪表的结构及原理典型流量仪表的结构及原理 (1)漩涡流量计漩涡流量计的结构如漩涡流量计漩涡流量计的结构如图图6-6所示。它是一所示。它是一种速度式仪表，输出信号是脉冲频率信号或标准电流信号，种速度式仪表，输出信号是脉冲频率信号或标准电流信号，可远距离传输，输出信号与流量成正比可远距离传输，输出信号与流量成正比;不受流体的温度、压不受流体的温度、压力、成分、豁度和密度的影响。力、成分、豁度和密度的影响。 上海自动化仪表股份有限公司自动化仪表九厂生产的上海自动化仪表股份有限公司自动化仪表九厂生产的YF -100型漩涡流量计是用压电元件作为频率检测的漩涡流量计。型漩涡流量计是用压电元

294、件作为频率检测的漩涡流量计。 上一页 下一页返回6.2 常用检测仪表常用检测仪表(2)电磁流量计电磁流量计的结构如电磁流量计电磁流量计的结构如图图6-7所示。电磁流量计所示。电磁流量计是根据法拉第电磁感应定律研制而成的一种测量导电液体体是根据法拉第电磁感应定律研制而成的一种测量导电液体体积流量的仪表。由于电磁流量计的两个电极间的距离积流量的仪表。由于电磁流量计的两个电极间的距离D即为即为切割磁力线的长度，相当于测量管的内径切割磁力线的长度，相当于测量管的内径2R，导体的流速。，导体的流速。相当于流体的平均流速也相当于导体在磁场相当于流体的平均流速也相当于导体在磁场(磁感应强度为磁感应强度为B)

295、中垂直于磁力线方向的运动速度，所以感应电动势为中垂直于磁力线方向的运动速度，所以感应电动势为这样，管道内的流体流量为这样，管道内的流体流量为若若R一定，且有恒定的一定，且有恒定的B，则只要测得。，便可测出管道中的，则只要测得。，便可测出管道中的流体流量。当然，为了满足上式还必须满足以下的假设流体流量。当然，为了满足上式还必须满足以下的假设:磁场磁场均匀分布恒定不变均匀分布恒定不变;被测导电流体流速分布是轴对称的被测导电流体流速分布是轴对称的;流体流体上一页 下一页返回6.2 常用检测仪表常用检测仪表磁导率与真空磁导率相同，且流体是非磁性的磁导率与真空磁导率相同，且流体是非磁性的;被测液体电导被

296、测液体电导率一致和各向同性，且不受电磁场和液体运动的影响。率一致和各向同性，且不受电磁场和液体运动的影响。 (3)质量流量计质量流量计结构如质量流量计质量流量计结构如图图6-8所示。这是一种所示。这是一种较为先进的流量仪表，其中最为广泛采用的是科里奥利质量较为先进的流量仪表，其中最为广泛采用的是科里奥利质量流量计。其原理是流量计。其原理是:流体在振动管中流动时，产生与流量成正流体在振动管中流动时，产生与流量成正比的科里奥利力，通过对力的检测达到对质量流量的检测。比的科里奥利力，通过对力的检测达到对质量流量的检测。 2.流量仪表的选用流量仪表的选用 由于流量仪表的原理结构特点不同，因而有不同的物

297、理特由于流量仪表的原理结构特点不同，因而有不同的物理特性和适用场合。为了使用好流量仪表，选用时必须考虑以下性和适用场合。为了使用好流量仪表，选用时必须考虑以下要求及条件要求及条件: (1)按流量计对被测介质的适用性选择一般进行流量检测按流量计对被测介质的适用性选择一般进行流量检测的介质为液体、污染的液体、气体、饱和蒸汽等，在石化、的介质为液体、污染的液体、气体、饱和蒸汽等，在石化、冶金、轻纺等行业中还有许多高豁度液体、含纤维浆液、冶金、轻纺等行业中还有许多高豁度液体、含纤维浆液、上一页 下一页返回6.2 常用检测仪表常用检测仪表天然气等。各种不同的测量介质均应选择适用的流量计才能天然气等。各种

298、不同的测量介质均应选择适用的流量计才能达到测量精度的要求值，可参阅有关书籍。达到测量精度的要求值，可参阅有关书籍。 (2)按照流量范围或流量刻度选用在实际流量测量中，被按照流量范围或流量刻度选用在实际流量测量中，被测流体的密度、温度和压力往往与标定时的不同，而流量仪测流体的密度、温度和压力往往与标定时的不同，而流量仪表一般均在特定介质及状态下进行标定和刻度，通常液体用表一般均在特定介质及状态下进行标定和刻度，通常液体用水、气体则是用温度为水、气体则是用温度为20C、压力为、压力为9. 8 x 104 Pa下的下的空气标定后分度的。空气标定后分度的。 (3)按照工艺要求及流量参数变化选择在实际工

299、况条件下，按照工艺要求及流量参数变化选择在实际工况条件下，流体的温度、压力、密度等。流体的温度、压力、密度等。 (4)按照安装要求选用流量计在安装使用时，如果安装空按照安装要求选用流量计在安装使用时，如果安装空间位置受到限制，同时又遇到管路中存在弯头、阀门等阻力，间位置受到限制，同时又遇到管路中存在弯头、阀门等阻力，可根据不同情况选择合适的流量仪表。可根据不同情况选择合适的流量仪表。上一页 下一页返回6.2 常用检测仪表常用检测仪表 6.2.4 物位检测仪表物位检测仪表 物位检测仪表用于测控物料的位置。物位分为液体物位和物位检测仪表用于测控物料的位置。物位分为液体物位和固体物位。液体物位包括液

300、位和界面固体物位。液体物位包括液位和界面(两种不同液体间分界面两种不同液体间分界面的位置的位置);固体物位一般称为料位，料位按物料颗粒度大小分固体物位一般称为料位，料位按物料颗粒度大小分为粉料位、颗粒料位和块料位。为粉料位、颗粒料位和块料位。 1.电容物位控制器电容物位控制器 与传统电容物位控制器不同，它不单纯检测电容，而是检与传统电容物位控制器不同，它不单纯检测电容，而是检测物料形成的电容和电阻综合效应，因而又可叫做射频导纳测物料形成的电容和电阻综合效应，因而又可叫做射频导纳物位控制器。它采用相位检测、数字式电容校正以及等电位物位控制器。它采用相位检测、数字式电容校正以及等电位屏蔽技术，使仪

301、表的灵敏度、稳定性及抗豁附能力大大提高。屏蔽技术，使仪表的灵敏度、稳定性及抗豁附能力大大提高。 如如图图6-9所示，仪表由探头和电路两部分组成。探头呈双所示，仪表由探头和电路两部分组成。探头呈双层套筒式结构，中心是测量电极，外面用屏蔽电极包围，两层套筒式结构，中心是测量电极，外面用屏蔽电极包围，两者间绝缘，探头与料仓壁绝缘。工作时探头插入料仓内，者间绝缘，探头与料仓壁绝缘。工作时探头插入料仓内，上一页 下一页返回6.2 常用检测仪表常用检测仪表测量电极和料仓壁构成测量电容器的两电极，料仓内物料就测量电极和料仓壁构成测量电容器的两电极，料仓内物料就是该电容器两极间的电介质。物料的多少反映了电容器

302、内充是该电容器两极间的电介质。物料的多少反映了电容器内充填的电介质数量多少，决定了该电容器的电容量以及两电极填的电介质数量多少，决定了该电容器的电容量以及两电极间阻抗的大小。间阻抗的大小。 2.超声波物位计超声波物位计 料位连续测量十分困难，目前还没有十分理想的仪表。在料位连续测量十分困难，目前还没有十分理想的仪表。在可选择的几种仪表中，超声波物位计具有一定优势，它的优可选择的几种仪表中，超声波物位计具有一定优势，它的优势在于没有机械摩擦、非接触式测量、安装方便、维护量小势在于没有机械摩擦、非接触式测量、安装方便、维护量小且价格又不太贵。且价格又不太贵。 超声波物位计的测量原理如超声波物位计的

303、测量原理如图图6-10所示。仪表从探头发所示。仪表从探头发射一声脉冲，声脉冲离开探头直线传播到物料表面，被物料射一声脉冲，声脉冲离开探头直线传播到物料表面，被物料反射后回到探头，被探头接收。仪表测量发射和接收之间的反射后回到探头，被探头接收。仪表测量发射和接收之间的时间间隔，根据声速换算出探头到物料表面的距离时间间隔，根据声速换算出探头到物料表面的距离(一般叫空一般叫空程程)，也可以算出料面的高度，也可以算出料面的高度(仪表安装高度减去空程仪表安装高度减去空程)。上一页返回下一页6.2 常用检测仪表常用检测仪表红外线热释电传感器对人体的敏感程度还和人的运动方向关红外线热释电传感器对人体的敏感程

304、度还和人的运动方向关系很大。红外线热释电传感器对于径向移动反应最不敏感，系很大。红外线热释电传感器对于径向移动反应最不敏感，而对于横切方向而对于横切方向(即与半径垂直的方向即与半径垂直的方向)移动则最为敏感。因移动则最为敏感。因此选择合适的安装位置和安装工艺是使红外探头减少误报、此选择合适的安装位置和安装工艺是使红外探头减少误报、取得最佳检测灵敏度极为重要的一环。取得最佳检测灵敏度极为重要的一环。返回上一页6.3 集成传感器集成传感器6.3.1 大规模集成电路对传感器的影响大规模集成电路对传感器的影响 大规模集成电路的发展和成熟，提供了大量价格便宜、使大规模集成电路的发展和成熟，提供了大量价格

305、便宜、使用方便的微处理器电路和存储器电路。大规模集成电路的发用方便的微处理器电路和存储器电路。大规模集成电路的发展，无论是大规模集成电路本身的技术进步还是由它引起的展，无论是大规模集成电路本身的技术进步还是由它引起的计算机应用革命，都对传感器的发展起了巨大的促进作用，计算机应用革命，都对传感器的发展起了巨大的促进作用，这主要表现在以下几个方面。这主要表现在以下几个方面。 1.传感器向固体化、半导体化和集成化方向的发展传感器向固体化、半导体化和集成化方向的发展 功能强而价格低的计算机系统在各方面的广泛使用，特别功能强而价格低的计算机系统在各方面的广泛使用，特别在工业自动控制、机器人技术和自动检测

306、等方面的应用，要在工业自动控制、机器人技术和自动检测等方面的应用，要求有大量精度高、尺寸小和价格便宜的传感器与之相适应。求有大量精度高、尺寸小和价格便宜的传感器与之相适应。另外，在这些应用中，计算机往往要直接接收从传感器输出另外，在这些应用中，计算机往往要直接接收从传感器输出的信号，这就要求传感器的输出直接是电学量。原来占主导的信号，这就要求传感器的输出直接是电学量。原来占主导地位的结构型传感器就显得不能适应，促使了传感器向固体地位的结构型传感器就显得不能适应，促使了传感器向固体下一页返回6.3 集成传感器集成传感器化、半导体化和集成化方向的发展。化、半导体化和集成化方向的发展。 2.传感器制

307、造工艺的革新传感器制造工艺的革新 为了不断促进集成度的增长，集成电路的工艺技术有着日为了不断促进集成度的增长，集成电路的工艺技术有着日新月异的发展。目前的集成电路技术可提供高精度的细微加新月异的发展。目前的集成电路技术可提供高精度的细微加工技术、高密度的器件集成、制造工艺的严格一致性和高可工技术、高密度的器件集成、制造工艺的严格一致性和高可靠性。这些技术和工艺为传感器制造工艺的革新提供了有力靠性。这些技术和工艺为传感器制造工艺的革新提供了有力的手段。由于这些技术特别适合于许多固体传感器的制作，的手段。由于这些技术特别适合于许多固体传感器的制作，从而促使固体传感器得以较快的发展。从而促使固体传感

308、器得以较快的发展。 3.集成传感器的形成集成传感器的形成 集成电路的发展为制造传感器提供了许多成熟的材料。特集成电路的发展为制造传感器提供了许多成熟的材料。特别是半导体硅材料已能较自由地为人们所利用，它有许多适别是半导体硅材料已能较自由地为人们所利用，它有许多适宜制造传感器的性质，并制成了实用的传感器。利用硅材料宜制造传感器的性质，并制成了实用的传感器。利用硅材料制作的半导体传感器，除了具有固体传感器的一般优点外，制作的半导体传感器，除了具有固体传感器的一般优点外，上一页 下一页返回6.3 集成传感器集成传感器它还可以把一些集成电路与传感器制作在一起，构成所谓的它还可以把一些集成电路与传感器制

309、作在一起，构成所谓的传感器集成电路或简称为集成传感器。传感器集成电路或简称为集成传感器。 由上述几点可见，集成电路的大规模化不仅对传感器提出由上述几点可见，集成电路的大规模化不仅对传感器提出了集成化的要求，也为传感器的集成化提供了应用基础和技了集成化的要求，也为传感器的集成化提供了应用基础和技术基础。反之，集成传感器的发展使大规模集成电路能更好术基础。反之，集成传感器的发展使大规模集成电路能更好地发挥出它的优越性，因而也促进了大规模集成电路的发展。地发挥出它的优越性，因而也促进了大规模集成电路的发展。6.3.2 集成传感器的特点集成传感器的特点 总的来说，集成传感器有如下特点总的来说，集成传感

310、器有如下特点: .成本低由于硅集成电路工艺已十分完善，利用这种技术无成本低由于硅集成电路工艺已十分完善，利用这种技术无疑会使产品的成本降低。疑会使产品的成本降低。 型化以硅技术为基础的微电子学，其主要特点之一就是微型化以硅技术为基础的微电子学，其主要特点之一就是微小型化。集成传感器意味着多个相同或本不相同的器件集成小型化。集成传感器意味着多个相同或本不相同的器件集成上一页 下一页返回6.3 集成传感器集成传感器在一起，将原先的许多外引线都改为在芯片内部连接，显然在一起，将原先的许多外引线都改为在芯片内部连接，显然可使体积大大缩小。可使体积大大缩小。 .改善性能集成传感器可以把温度补偿、信号放大

311、及处理等改善性能集成传感器可以把温度补偿、信号放大及处理等电路做在同一块芯片上，这样就使环境温度变化和电源波动电路做在同一块芯片上，这样就使环境温度变化和电源波动等外界因素对输出信号的影响减至最小。等外界因素对输出信号的影响减至最小。 .提高可靠性由于集成化的结果，使外引线变为内引线，器提高可靠性由于集成化的结果，使外引线变为内引线，器件的焊点大大减少，可靠性得以提高。件的焊点大大减少，可靠性得以提高。 .增加接口灵活性根据需要可以在传感器芯片上设计队杭变增加接口灵活性根据需要可以在传感器芯片上设计队杭变换电路、电平变换电路等，以适应不同的要求，便于与外电换电路、电平变换电路等，以适应不同的要

312、求，便于与外电路连接。路连接。 6.3.3 集成传感器集成传感器 随着集成电路技术的发展，传感器可以和越来越多的信号随着集成电路技术的发展，传感器可以和越来越多的信号处理电路制作在同一芯片上或封装在同一管壳内，这就是处理电路制作在同一芯片上或封装在同一管壳内，这就是上一页 下一页返回6.3 集成传感器集成传感器集成传感器。由于集成传感器是一部分信号处理电路与传感器集成传感器。由于集成传感器是一部分信号处理电路与传感器的集成，因此它除了实现传感器的功能之外，还可以完成一部的集成，因此它除了实现传感器的功能之外，还可以完成一部分原来由信号处理器完成的功能。传感器的集成化也是一个由分原来由信号处理器

313、完成的功能。传感器的集成化也是一个由低级到高级，由简到繁的发展过程。在集成技术还不能把传感低级到高级，由简到繁的发展过程。在集成技术还不能把传感器和全部信号处理器电路集成在一起时，人们总是先选择一些器和全部信号处理器电路集成在一起时，人们总是先选择一些较基本、较简单而集成化后可以为传感器性能带来最大好处的较基本、较简单而集成化后可以为传感器性能带来最大好处的电路，把它们和传感器集成在一起。电路，把它们和传感器集成在一起。 1.各种调节电路和补偿电路与传感器集成各种调节电路和补偿电路与传感器集成 各种调节电路和补偿电路与传感器集成，如电源电压调整电各种调节电路和补偿电路与传感器集成，如电源电压调

314、整电路、温度补偿电路等。把电源稳压电路与传感器集成在一起，路、温度补偿电路等。把电源稳压电路与传感器集成在一起，不仅降低了传感器对外部电源的要求，使用起来方便了，而且不仅降低了传感器对外部电源的要求，使用起来方便了，而且输出信号的稳定性也得到了改善。把温度补偿电路与传感器集输出信号的稳定性也得到了改善。把温度补偿电路与传感器集成在一起更具有独特的好处。由于传感器的传感特性总有一定成在一起更具有独特的好处。由于传感器的传感特性总有一定的温度灵敏性，在分立元件传感器的情况下，对的温度灵敏性，在分立元件传感器的情况下，对上一页返回下一页6.3 集成传感器集成传感器 .温度的补偿是通过外部感温元件的补

315、偿电路来实现，但由于温度的补偿是通过外部感温元件的补偿电路来实现，但由于外部感温元件不能很好地跟随传感元件的实际温度，因此难外部感温元件不能很好地跟随传感元件的实际温度，因此难以达到预期的效果。如果把温度补偿电路与传感元件集成在以达到预期的效果。如果把温度补偿电路与传感元件集成在同一芯片上，那么补偿电路就能很好地感知传感元件的温度，同一芯片上，那么补偿电路就能很好地感知传感元件的温度，可取得较好的补偿效果。由于温度灵敏性比较高是可取得较好的补偿效果。由于温度灵敏性比较高是一般半导体传感器的主要问题，因此良好的温度补偿更具有一般半导体传感器的主要问题，因此良好的温度补偿更具有重要的意义。重要的意

316、义。 2.信号放大和阻抗变换电路与传感器集成信号放大和阻抗变换电路与传感器集成 把信号放大电路和阻抗变换电路与传感元件集成在一起，把信号放大电路和阻抗变换电路与传感元件集成在一起，对于改善电路的信噪比、抑制外来干扰的影响有很大的好处。对于改善电路的信噪比、抑制外来干扰的影响有很大的好处。在没有集成时，传感器输出的电信号要经过传输线馈送到信在没有集成时，传感器输出的电信号要经过传输线馈送到信号处理电路，如号处理电路，如图图6一一11(a)所示。传输线往往是干扰的一所示。传输线往往是干扰的一个来源，在传感器输出信号弱和传感器输出阻抗高的情况下，个来源，在传感器输出信号弱和传感器输出阻抗高的情况下，

317、下一页返回上一页6.3 集成传感器集成传感器传输线上的干扰会对传输信号有很大的影响。在集成传感器传输线上的干扰会对传输信号有很大的影响。在集成传感器中，由于把放大器、阻抗变换电路和传感元件集成在一起，中，由于把放大器、阻抗变换电路和传感元件集成在一起，传感元件产生的信号经放大和阻抗变换后再经过传输线馈送传感元件产生的信号经放大和阻抗变换后再经过传输线馈送到后面的信息处理电路作进一步处理，如到后面的信息处理电路作进一步处理，如6一一11(b)所示。所示。因此，传输线上干扰的影响会被大大地削弱。所以，把放大因此，传输线上干扰的影响会被大大地削弱。所以，把放大器和阻抗变换电路与传感元件集成在一起，对

318、改善系统的信器和阻抗变换电路与传感元件集成在一起，对改善系统的信噪比有很大的好处。噪比有很大的好处。 3.信号数字化电路与传感器集成信号数字化电路与传感器集成 除了把放大器与阻抗变换电路和传感元件集成在一起可以除了把放大器与阻抗变换电路和传感元件集成在一起可以改善抗干扰特性之外，把模拟信号变换成数字信号也可以改改善抗干扰特性之外，把模拟信号变换成数字信号也可以改善抗干扰能力。把模拟信号数字化一般要用到善抗干扰能力。把模拟信号数字化一般要用到A/D转换器。转换器。在集成度有困难的情况下，可以在芯片上先把模拟信号变换在集成度有困难的情况下，可以在芯片上先把模拟信号变换成一定频率的交变信号，再把交变

319、信号变成数字信号。各种成一定频率的交变信号，再把交变信号变成数字信号。各种电流控制振荡器和电压控制放大器都可用于此目的。电流控制振荡器和电压控制放大器都可用于此目的。 上一页 下一页返回6.3 集成传感器集成传感器为了适应控制系统的要求，也常把传感器的输出变换成为开、为了适应控制系统的要求，也常把传感器的输出变换成为开、关两种状态的输出以实现控制。当被测信号强度高于某一阑关两种状态的输出以实现控制。当被测信号强度高于某一阑值时，输出从一个状态变换到另一个状态。为了克服被测信值时，输出从一个状态变换到另一个状态。为了克服被测信号在阑值附近受干扰而影响输出状态，通常把一个施密特触号在阑值附近受干扰

320、而影响输出状态，通常把一个施密特触发器和开关电路做在一起。发器和开关电路做在一起。 4.多传感器的集成多传感器的集成 利用集成技术还可以把多个相同类型的传感器或多个不同利用集成技术还可以把多个相同类型的传感器或多个不同类型的传感器集成在一起。在多个相同类型的传感器集成在类型的传感器集成在一起。在多个相同类型的传感器集成在一起时，可通过对各个传感器的测量结果进行比较，去除性一起时，可通过对各个传感器的测量结果进行比较，去除性能异常或失效器件的测量结果，也可以对正常工作器件的测能异常或失效器件的测量结果，也可以对正常工作器件的测量结果求平均以改善测量精度。量结果求平均以改善测量精度。 把多个功能不

321、同的传感器集成在一起，可以同时进行多个把多个功能不同的传感器集成在一起，可以同时进行多个参数的测量。还可以对这些参数的测量结果进行综合处理，参数的测量。还可以对这些参数的测量结果进行综合处理，得到一个反映被测系统整体状态的参数。例如，通过对得到一个反映被测系统整体状态的参数。例如，通过对上一页 下一页返回6.3 集成传感器集成传感器内燃机的压力、温度、抖汽成分、转速等参数的测量，经过内燃机的压力、温度、抖汽成分、转速等参数的测量，经过分析处理可得出内燃机燃烧完全程度的综合参数。分析处理可得出内燃机燃烧完全程度的综合参数。 5.信号发送和接收电路与传感器集成信号发送和接收电路与传感器集成 在有的

322、应用中，传感器需要种植到被测试的生物体内，附在有的应用中，传感器需要种植到被测试的生物体内，附着在运动的物体上，或放置在有危险的封闭环境中进行工作。着在运动的物体上，或放置在有危险的封闭环境中进行工作。这时测得的信号需要通过无线电波、光或其他信号形式传送这时测得的信号需要通过无线电波、光或其他信号形式传送出来。在这种情况下，如能使用把信号发送电路和传感器集出来。在这种情况下，如能使用把信号发送电路和传感器集成在一起的集成传感器，那么测量系统的质量可以大大减轻，成在一起的集成传感器，那么测量系统的质量可以大大减轻，尺寸可以减小，给测量带来很多方便。另外，如把传感器与尺寸可以减小，给测量带来很多方

323、便。另外，如把传感器与射频信号接收电路以及一些控制电路集成在一起，那么传感射频信号接收电路以及一些控制电路集成在一起，那么传感器可以接受外部控制信号而改变测量方式和测量周期，甚至器可以接受外部控制信号而改变测量方式和测量周期，甚至关闭电源以减少功率消耗等。关闭电源以减少功率消耗等。上一页返回6.4 智能传感器智能传感器6.4.1 智能传感器的定义及其功能智能传感器的定义及其功能 智能传感器的概念最初是美国宇航局智能传感器的概念最初是美国宇航局(NASA)在开发宇宙飞在开发宇宙飞船过程中形成的。宇宙飞船在太空中飞行时，需要知道它的船过程中形成的。宇宙飞船在太空中飞行时，需要知道它的速度、姿态和位

324、置等数据。为了宇航员能正常生活，需要控速度、姿态和位置等数据。为了宇航员能正常生活，需要控制舱内温度、气压、湿度、加速度、空气成分等，因而要安制舱内温度、气压、湿度、加速度、空气成分等，因而要安装大量的传感器，另外进行科学试验、观察也需要大量的传装大量的传感器，另外进行科学试验、观察也需要大量的传感器。要处理如此之多的由传感器所获取的信息，需一台大感器。要处理如此之多的由传感器所获取的信息，需一台大型电子计算机，而这在飞船上是无法做到的。为了不丢失数型电子计算机，而这在飞船上是无法做到的。为了不丢失数据，又要降低成本，于是提出了分散处理数据的想。即传感据，又要降低成本，于是提出了分散处理数据的

325、想。即传感器在检测到外界信息后，还要对其进行必要的加工和处理工器在检测到外界信息后，还要对其进行必要的加工和处理工作。从另一方面来说，智能传感器是为了代替人和生物体的作。从另一方面来说，智能传感器是为了代替人和生物体的感觉器官并扩大其功能而设计制作出来的一种装置。人和感觉器官并扩大其功能而设计制作出来的一种装置。人和下一页返回6.4 智能传感器智能传感器生物体的感官有两个基本功能生物体的感官有两个基本功能:一是检测对象的有无或检测变一是检测对象的有无或检测变换对象发生的信号换对象发生的信号;二是进行判断、推理、鉴别对象的状态。二是进行判断、推理、鉴别对象的状态。前者称为前者称为“感知感知”，而

326、后者称为，而后者称为“认知认知”。一般传感器只有。一般传感器只有对某一物体精确对某一物体精确“感知感知”的本领，而不具有的本领，而不具有“认知认知”(智慧智慧)的能力。智能传感器则可将的能力。智能传感器则可将“感知感知”和和“认知认知”结合起来，结合起来，起到人的五官感觉功能的作用。起到人的五官感觉功能的作用。6.4.2 智能传感器举例智能传感器举例 由上述内容可知，智能传感器是由上述内容可知，智能传感器是“电五官电五官”与与“微电脑微电脑”的有机结合，对外界信息具有检测、判断、自诊断、数据处的有机结合，对外界信息具有检测、判断、自诊断、数据处理和自适应能力等集成一体的多功能传感器。这种传感器

327、还理和自适应能力等集成一体的多功能传感器。这种传感器还具有具有与主机自动对话，自行选择最佳方案的能力。它还能与主机自动对话，自行选择最佳方案的能力。它还能将已取得的大量数据进行分割处理，实现远距离、高速度、将已取得的大量数据进行分割处理，实现远距离、高速度、高精度的传输。目前，这类传感器尚处于研究开发阶段，高精度的传输。目前，这类传感器尚处于研究开发阶段，上一页 下一页返回6.4 智能传感器智能传感器但是已出现不少实用的产品。但是已出现不少实用的产品。 例如，二维自适应图像传感例如，二维自适应图像传感器，如器，如图图6-12所示。它是利用所示。它是利用CCD(电荷藕合器件电荷藕合器件)二维阵二

328、维阵列摄像仪，将检测图像转换成时序的视频信号，在电子电路列摄像仪，将检测图像转换成时序的视频信号，在电子电路中产生与空间滤波器相应的同步信号，再与视频信号相乘后中产生与空间滤波器相应的同步信号，再与视频信号相乘后积分，改变空间滤波器参数，移动滤波器光栅，以提高灵敏积分，改变空间滤波器参数，移动滤波器光栅，以提高灵敏度，实现二维自适应图像传感的目的。度，实现二维自适应图像传感的目的。 又如，利用大规模集成电路技术，将传感器和计算机集成又如，利用大规模集成电路技术，将传感器和计算机集成在同一块硅片上，实现三维多功能的在同一块硅片上，实现三维多功能的“单片智能传感器单片智能传感器”，如如图图6-13

329、所示。它将二维集成技术发展成三维集成技术，实所示。它将二维集成技术发展成三维集成技术，实现多层结构。它将传感器功能、逻辑功能和记忆功能等集成现多层结构。它将传感器功能、逻辑功能和记忆功能等集成在一块硅片上，这是智能传感器的一个重要发展方向。在一块硅片上，这是智能传感器的一个重要发展方向。6.4.3 智能传感器的发展前景智能传感器的发展前景 人工智能材料和智能传感器，在最近几年以及今后若干年人工智能材料和智能传感器，在最近几年以及今后若干年上一页返回下一页6.4 智能传感器智能传感器的时间内，仍然是世人瞩目的一门科学。虽然，在人工智能的时间内，仍然是世人瞩目的一门科学。虽然，在人工智能材料及智能

330、器件的研究方面已向前迈进了重要一步。但是，材料及智能器件的研究方面已向前迈进了重要一步。但是，目前人们还不能随意地设计和创造人造思维系统，而只能处目前人们还不能随意地设计和创造人造思维系统，而只能处在实验室中开拓研究的初级阶段。今后人工智能材料和智能在实验室中开拓研究的初级阶段。今后人工智能材料和智能传感器的研究内容主要集中在如下几个方面传感器的研究内容主要集中在如下几个方面: 1.微电子学微电子学 利用微电子学，使传感器和微处理器结合在一起实现各种利用微电子学，使传感器和微处理器结合在一起实现各种功能的单片智能传感器，仍然是智能传感器的主要发展方向功能的单片智能传感器，仍然是智能传感器的主要

331、发展方向之一。例如，利用三维集成之一。例如，利用三维集成(3 DIC )及异质结技术研制高智及异质结技术研制高智能传感器能传感器“人工脑人工脑”，这是科学家近期的奋斗目标。日本正，这是科学家近期的奋斗目标。日本正在用在用3 DIC技术研制视觉传感器就是其中一例。技术研制视觉传感器就是其中一例。 2.微结构微结构 微结构微结构(智能结构智能结构)是今后智能传感器重要发展方向之一。是今后智能传感器重要发展方向之一。下一页返回上一页6.4 智能传感器智能传感器为了适应控制系统的要求，也常把传感器的输出变换成为开、为了适应控制系统的要求，也常把传感器的输出变换成为开、关两种状态的输出以实现控制。当被测

332、信号强度高于某一阑关两种状态的输出以实现控制。当被测信号强度高于某一阑值时，输出从一个状态变换到另一个状态。为了克服被测信值时，输出从一个状态变换到另一个状态。为了克服被测信号在阑值附近受干扰而影响输出状态，通常把一个施密特触号在阑值附近受干扰而影响输出状态，通常把一个施密特触发器和开关电路做在一起。发器和开关电路做在一起。 4.多传感器的集成多传感器的集成 利用集成技术还可以把多个相同类型的传感器或多个不同利用集成技术还可以把多个相同类型的传感器或多个不同类型的传感器集成在一起。在多个相同类型的传感器集成在类型的传感器集成在一起。在多个相同类型的传感器集成在一起时，可通过对各个传感器的测量结

333、果进行比较，去除性一起时，可通过对各个传感器的测量结果进行比较，去除性能异常或失效器件的测量结果，也可以对正常工作器件的测能异常或失效器件的测量结果，也可以对正常工作器件的测量结果求平均以改善测量精度。量结果求平均以改善测量精度。 把多个功能不同的传感器集成在一起，可以同时进行多个把多个功能不同的传感器集成在一起，可以同时进行多个参数的测量。还可以对这些参数的测量结果进行综合处理，参数的测量。还可以对这些参数的测量结果进行综合处理，得到一个反映被测系统整体状态的参数。例如，通过对得到一个反映被测系统整体状态的参数。例如，通过对上一页 下一页返回6.4 智能传感器智能传感器内燃机的压力、温度、抖

334、汽成分、转速等参数的测量，经过内燃机的压力、温度、抖汽成分、转速等参数的测量，经过分析处理可得出内燃机燃烧完全程度的综合参数。分析处理可得出内燃机燃烧完全程度的综合参数。 5.信号发送和接收电路与传感器集成信号发送和接收电路与传感器集成 在有的应用中，传感器需要种植到被测试的生物体内，附在有的应用中，传感器需要种植到被测试的生物体内，附着在运动的物体上，或放置在有危险的封闭环境中进行工作。着在运动的物体上，或放置在有危险的封闭环境中进行工作。这时测得的信号需要通过无线电波、光或其他信号形式传送这时测得的信号需要通过无线电波、光或其他信号形式传送出来。在这种情况下，如能使用把信号发送电路和传感器

335、集出来。在这种情况下，如能使用把信号发送电路和传感器集成在一起的集成传感器，那么测量系统的质量可以大大减轻，成在一起的集成传感器，那么测量系统的质量可以大大减轻，尺寸可以减小，给测量带来很多方便。另外，如把传感器与尺寸可以减小，给测量带来很多方便。另外，如把传感器与射频信号接收电路以及一些控制电路集成在一起，那么传感射频信号接收电路以及一些控制电路集成在一起，那么传感器可以接受外部控制信号而改变测量方式和测量周期，甚至器可以接受外部控制信号而改变测量方式和测量周期，甚至关闭电源以减少功率消耗等。关闭电源以减少功率消耗等。上一页 下一页返回6.4 智能传感器智能传感器6.4.3 智能传感器的发展

336、前景智能传感器的发展前景 人工智能材料和智能传感器，在最近几年以及今后若干年人工智能材料和智能传感器，在最近几年以及今后若干年的时间内，仍然是世人瞩目的一门科学。虽然，在人工智能的时间内，仍然是世人瞩目的一门科学。虽然，在人工智能材料及智能器件的研究方面已向前迈进了重要一步。但是，材料及智能器件的研究方面已向前迈进了重要一步。但是，目前人们还不能随意地设计和创造人造思维系统，而只能处目前人们还不能随意地设计和创造人造思维系统，而只能处在实验室中开拓研究的初级阶段。今后人工智能材料和智能在实验室中开拓研究的初级阶段。今后人工智能材料和智能传感器的研究内容主要集中在如下几个方面传感器的研究内容主要

337、集中在如下几个方面: 1.微电子学微电子学 利用微电子学，使传感器和微处理器结合在一起实现各种利用微电子学，使传感器和微处理器结合在一起实现各种功能的单片智能传感器，仍然是智能传感器的主要发展方向功能的单片智能传感器，仍然是智能传感器的主要发展方向之一。例如，利用三维集成之一。例如，利用三维集成(3 DIC )及异质结技术研制高智及异质结技术研制高智能传感器能传感器“人工脑人工脑”，这是科学家近期的奋斗目标。日本正，这是科学家近期的奋斗目标。日本正在用在用3 DIC技术研制视觉传感器就是其中一例。技术研制视觉传感器就是其中一例。上一页 下一页返回6.4 智能传感器智能传感器 2.微结构微结构

338、微结构微结构(智能结构智能结构)是今后智能传感器重要发展方向之一。是今后智能传感器重要发展方向之一。 “微型微型”技术是一个广泛的应用领域，它覆盖了微型制造、技术是一个广泛的应用领域，它覆盖了微型制造、微型工程和微型系统等各种科学与多种微型结构。微型结构微型工程和微型系统等各种科学与多种微型结构。微型结构是指在是指在1A,m一一1 mm范围内的产品，它超出了人们的视觉范围内的产品，它超出了人们的视觉辨别能力。在这样的范围内加工出微型机械或系统，不仅需辨别能力。在这样的范围内加工出微型机械或系统，不仅需要有关传统的硅平面技术的深厚知识，还需要对微切削加工、要有关传统的硅平面技术的深厚知识，还需要

339、对微切削加工、微制造、微机械、微电子等四个领域的知识有一个全面的了微制造、微机械、微电子等四个领域的知识有一个全面的了解。这四个领域是完成智能传感器或微型传感器系统设计的解。这四个领域是完成智能传感器或微型传感器系统设计的基本知识来源。基本知识来源。 在未来在未来20年内，微机械技术的作用将会像微电子技术在年内，微机械技术的作用将会像微电子技术在过去过去20年所起的作用一样震撼人类，全球微型系统市场价值年所起的作用一样震撼人类，全球微型系统市场价值十分巨大，批量生产微型结构和将其置人微型系统的能力十分巨大，批量生产微型结构和将其置人微型系统的能力上一页 下一页返回6.4 智能传感器智能传感器对

340、于全球性市场的开发具有重要作用。对于全球性市场的开发具有重要作用。“微型微型”工程技术将会工程技术将会像微型显微镜以及电子显微镜一样影响人类的生活，促进入类像微型显微镜以及电子显微镜一样影响人类的生活，促进入类进步和科学技术的进一步发展。因此，这也是人类今后数十年进步和科学技术的进一步发展。因此，这也是人类今后数十年内研究的重要课题之一。内研究的重要课题之一。 3.生物工艺和纳米技术生物工艺和纳米技术 利用生物工艺和纳米技术研制传感器功能材料，以此技术为利用生物工艺和纳米技术研制传感器功能材料，以此技术为基础研制分子和原子生物传感器是一门新兴学科，是基础研制分子和原子生物传感器是一门新兴学科，

341、是21世纪的世纪的超前技术。超前技术。 纳米科学是一门集基础科学与应用科学于一体的新兴科学。纳米科学是一门集基础科学与应用科学于一体的新兴科学。它主要包括纳米电子学、纳米材料、纳米生物学等学科。纳米它主要包括纳米电子学、纳米材料、纳米生物学等学科。纳米科学具有很广阔的应用前景，它将促使现代科学技术从目前的科学具有很广阔的应用前景，它将促使现代科学技术从目前的微米尺度微米尺度(微型结构微型结构)上升到纳米或原子尺度，并成为推动上升到纳米或原子尺度，并成为推动21世世纪人类基础科学研究和产业技术革命的巨大动力，当然也将成纪人类基础科学研究和产业技术革命的巨大动力，当然也将成为传感器为传感器(包括智

342、能传感器包括智能传感器)的一种革命性技术。的一种革命性技术。上一页返回下一页6.4 智能传感器智能传感器 4.完善智能器件原理和智能材料的设计方法完善智能器件原理和智能材料的设计方法 为了减轻人类繁重的脑力劳动，实现人工智能化、自动化，为了减轻人类繁重的脑力劳动，实现人工智能化、自动化，不仅要求电子元器件能充分利用材料固有物性对周围环境进不仅要求电子元器件能充分利用材料固有物性对周围环境进行检测，而且兼有信号处理和动作反应的相关功能，因此必行检测，而且兼有信号处理和动作反应的相关功能，因此必须研究如何将信息注入材料的主要方式和有效途径，研究功须研究如何将信息注入材料的主要方式和有效途径，研究功

343、能效应和信息流在人工智能材料内部的转换机制等，并不断能效应和信息流在人工智能材料内部的转换机制等，并不断探索出新型人工智能材料和传感器件。探索出新型人工智能材料和传感器件。返回上一页图图6-1热电偶、热电阻变送器接线图热电偶、热电阻变送器接线图返回图图6-2 WFHX一一63型便携式红外辐型便携式红外辐射温度计射温度计返回图图6-3 WFHX一一63型便携式红外辐型便携式红外辐射温度计结构原理图射温度计结构原理图返回图图6-4 差分电容结构和等效电路差分电容结构和等效电路返回图图6-5 智能型智能型1151变送器电路框图变送器电路框图返回表表6一一1 各种新型流量仪表的类型及各种新型流量仪表的

344、类型及采用的原理采用的原理返回图图6-6漩涡流量计结构原理图漩涡流量计结构原理图返回图图6-7 电磁流量计结构原理图电磁流量计结构原理图返回图图6-8 科氏力质量流量计结构原理科氏力质量流量计结构原理图图返回图图6-9电容物位仪表测量原理图电容物位仪表测量原理图返回图图6-10 超声波物位计测量原理图超声波物位计测量原理图返回图图6-11信号传输过程信号传输过程返回图图6-12 二维自适应图像智能传感器二维自适应图像智能传感器返回图图6-13 三维多功能单片智能传感器三维多功能单片智能传感器返回 第第7章章 实验实验7.1 应变式传感器测力实验应变式传感器测力实验7.2 热电式传感器温度测量实

345、验热电式传感器温度测量实验7.3 电容式传感器的位移试验电容式传感器的位移试验7.4 霍尔传感器的应用霍尔传感器的应用7.5 光电转速传感器的转速测量实验光电转速传感器的转速测量实验7.1 应变式传感器测力实验应变式传感器测力实验7.1.1 实验目的实验目的 了解金属箔式应变片的应变效应、单臂电桥工作原理和性了解金属箔式应变片的应变效应、单臂电桥工作原理和性能。能。7.1.2 基本原理基本原理 电阻丝在外力的作用下发生机械变形时，其电阻值发生变电阻丝在外力的作用下发生机械变形时，其电阻值发生变化，这就是电阻应变效应，描述电阻应变效应的关系式为化，这就是电阻应变效应，描述电阻应变效应的关系式为:

346、 式中式中 电阻丝电阻相对变化电阻丝电阻相对变化; K应变灵敏系数应变灵敏系数; 电阻丝长度相对变化。电阻丝长度相对变化。7.1.3 需用器件与单元需用器件与单元 下一页返回7.1 应变式传感器测力实验应变式传感器测力实验应变式传感器实验模板、应变式传感器、祛码、数显表、应变式传感器实验模板、应变式传感器、祛码、数显表、115V电源、电源、1 4V电源、万用表。电源、万用表。7.1.4 实验步骤实验步骤 (1)如如图图7-1所示，应变式传感器已装于应变传感器模板上。所示，应变式传感器已装于应变传感器模板上。传感器中各应变片已接入模板的左上方的传感器中各应变片已接入模板的左上方的R1,R2,R3

347、,Ra。加热。加热丝也接于模板上，可用万用表进行测量判别，丝也接于模板上，可用万用表进行测量判别，R1 =R2 -R3=Ra=350，加热丝阻值为，加热丝阻值为50左右。左右。 (2)接入模板电源接入模板电源115V(从主控箱引入从主控箱引入)，检查无误后，合，检查无误后，合上主控箱电源开关，将试验模板调节增益电位器上主控箱电源开关，将试验模板调节增益电位器Rw3顺时针大顺时针大致调节到中间位置，再进行差动放大器调零，方法为将差放的正、致调节到中间位置，再进行差动放大器调零，方法为将差放的正、负输入端与地短接，输出端与主控箱面板上数显表电压输入端负输入端与地短接，输出端与主控箱面板上数显表电压

348、输入端V;相连，调节试验模板上调零电位器，使数显表显示为零相连，调节试验模板上调零电位器，使数显表显示为零(数显数显表的切换开关打到表的切换开关打到2V挡挡)。关闭主控箱电源。关闭主控箱电源。 上一页返回下一页7.1 应变式传感器测力实验应变式传感器测力实验 (3)将应变式传感器的其中一个应变片将应变式传感器的其中一个应变片R(即模板左上方即模板左上方的的R,)接入电桥作为一个桥臂与接入电桥作为一个桥臂与RS,R6,R:接成直流电桥接成直流电桥(RS,R6,R:模块内已连接好模块内已连接好)，接好电桥调零电位器，接好电桥调零电位器Rw,，接，接上桥路电源上桥路电源1 4V(从主控箱引入从主控箱

349、引入)。检查接线无误后，合上主。检查接线无误后，合上主控箱电源开关。调节控箱电源开关。调节Rw,，使数显表显示为零。，使数显表显示为零。 (4)在电子秤上放置一只祛码，读取数显表数值，依次增在电子秤上放置一只祛码，读取数显表数值，依次增加祛码和读取相应的数显表值直到加祛码和读取相应的数显表值直到5008(或或200g)祛码加祛码加完。记下试验结果填入中，关闭电源。完。记下试验结果填入中，关闭电源。 (5)根据计算系统灵敏度根据计算系统灵敏度S，公式为，公式为:式中式中u一输出电压变化量，一输出电压变化量，V; w一质量变化量，一质量变化量，g9 计算线性误差公式为计算线性误差公式为:下一页返回

350、上一页7.1 应变式传感器测力实验应变式传感器测力实验式中式中 -输出值输出值(多次测量时为平均值多次测量时为平均值)与拟合直线的最大偏与拟合直线的最大偏差差; -满量程输出平均值，此处为满量程输出平均值，此处为5008或或20鲍。鲍。上一页返回7.2 热电式传感器温度测量实验热电式传感器温度测量实验7.2.1 实验目的实验目的(1)了解热电阻的测温原理。了解热电阻的测温原理。(2)掌握热电偶测温的方法。掌握热电偶测温的方法。7.2.2 实验原理实验原理 图图7-2是运用热电偶测量温度的实验装置。加热器接入工作是运用热电偶测量温度的实验装置。加热器接入工作电压进行加热，使周围的环电压进行加热，

351、使周围的环f温度升高温度升高;热敏电阻在温度升高热敏电阻在温度升高时阻值随着变化时阻值随着变化;通过温度变换器使输出电压随之改变。热通过温度变换器使输出电压随之改变。热电阻的环境温度由热电偶测出。电阻的环境温度由热电偶测出。7.2.3 实验设备实验设备 (1)直流稳压电源直流稳压电源(+15V)或或(一一15V)下一页返回7.2 热电式传感器温度测量实验热电式传感器温度测量实验 (2)加热器加热器 (3)热敏电阻热敏电阻 (4)铜一康铜热电偶铜一康铜热电偶 (5)温度变换器温度变换器 (6)电压表电压表 (7)温度计温度计 (8)示波器示波器7.2.4 实验步骤实验步骤 (1)用温度计测出实验

352、室的室内温度用温度计测出实验室的室内温度to，并记录。，并记录。 (2)变换器接入热敏电阻名破变换器输出口接电频率表输变换器接入热敏电阻名破变换器输出口接电频率表输入口，加热器接入一入口，加热器接入一15V稳压电源。稳压电源。上一页 下一页返回7.2 热电式传感器温度测量实验热电式传感器温度测量实验 (3)用数字万用表测出不同温度下热电势大小，同时在电压用数字万用表测出不同温度下热电势大小，同时在电压/频率表上读出相应的电压。频率表上读出相应的电压。7.2.5 注意事项注意事项(1)每一组热电偶在接入实验系统前必须先标定好。每一组热电偶在接入实验系统前必须先标定好。(2)热电偶测温端与被测物体

353、的接触必须牢靠。热电偶测温端与被测物体的接触必须牢靠。上一页返回 7.3 电容式传感器的位移试验电容式传感器的位移试验7.3.1 实验目的实验目的 了解电容式传感器结构及其特点。了解电容式传感器结构及其特点。7.3.2 基本原理基本原理 利用平板电容利用平板电容 和其他结构的关系式通过相应的和其他结构的关系式通过相应的结构和测量电路可以选择。结构和测量电路可以选择。 、 、 三个参数中，保持两个参三个参数中，保持两个参数不变，而只改变其中一个参数，则可以用测谷物干燥度数不变，而只改变其中一个参数，则可以用测谷物干燥度(变变s),测微小位移测微小位移(变变d)和测量液位和测量液位(变变A)等多路

354、电容传感器。等多路电容传感器。7.3.3 需要器件与单元需要器件与单元 电割专感器、电割专感器试验模板、测微头、相敏检波、电割专感器、电割专感器试验模板、测微头、相敏检波、滤波模板、数显单元刁氢流稳压电源。滤波模板、数显单元刁氢流稳压电源。下一页返回 7.3 电容式传感器的位移试验电容式传感器的位移试验 四、实验步骤四、实验步骤 (1)按按图图7-3所示安装示意图将电容传感器装于电容传感所示安装示意图将电容传感器装于电容传感器试验模板上器试验模板上 (2)将电容传感器连线插入电容传感器试验模板，试验线将电容传感器连线插入电容传感器试验模板，试验线路如下路如下: (3)将电容传感器试验模板的输出

355、端将电容传感器试验模板的输出端,与数显表单元与数显表单元;相接相接(插入主控箱插入主控箱;孔孔)，调节到中间位置。，调节到中间位置。 (4)接入接入115V电源，旋动测微头推进电容传感器动极板电源，旋动测微头推进电容传感器动极板位置，每间隔位置，每间隔0. 2mm记下位移记下位移X与输出电压值，填入与输出电压值，填入表表7-2中。中。上一页返回7.4 霍尔传感器的应用霍尔传感器的应用7.4.1 实验目的实验目的 了解霍尔传感器在静态测量中的应用。了解霍尔传感器在静态测量中的应用。7.4.2 所需单元和元件所需单元和元件 霍尔片、磁路系统、差动放大器、直流稳压电源霍尔片、磁路系统、差动放大器、直

356、流稳压电源,F/V表、表、电桥、祛码、主电桥、祛码、主/副电源、振动平台。副电源、振动平台。7.4.3 实验原理实验原理 霍尔片在磁路中有位移，改变了霍尔元件所感受到的磁场霍尔片在磁路中有位移，改变了霍尔元件所感受到的磁场大小和方向，引起霍尔电势的大小和极性的变化。保持霍尔大小和方向，引起霍尔电势的大小和极性的变化。保持霍尔元件的控制电流恒定，而使霍尔元件在一个均匀梯度的磁场元件的控制电流恒定，而使霍尔元件在一个均匀梯度的磁场中沿中沿x方向移动，输出霍尔电势为方向移动，输出霍尔电势为UH = kx ,霍尔电势极性霍尔电势极性表示位移的方向。磁场梯度越大，灵敏度越高表示位移的方向。磁场梯度越大，

357、灵敏度越高;磁场梯度越均磁场梯度越均匀，输出线性度越好。匀，输出线性度越好。下一页返回7.4 霍尔传感器的应用霍尔传感器的应用7.4.4 实验步骤实验步骤 (1)直流稳压电源置直流稳压电源置1 2V挡，主副电源关闭。挡，主副电源关闭。 (2)将差动放大器调零将差动放大器调零:用连线将差动放大器的正负端接地用连线将差动放大器的正负端接地;将差动放大器的输出端与将差动放大器的输出端与F/V表的输入插口表的输入插口V;相连相连;开启主、开启主、副电源副电源;调节差动放大器的增益到最大位置调节差动放大器的增益到最大位置(右旋到底右旋到底)，然后，然后调整差动放大器的调零旋钮，使调整差动放大器的调零旋钮

358、，使F/V表显示为零，关闭主、表显示为零，关闭主、副电源。副电源。 (3)调节测微头脱离平台并远离振动台调节测微头脱离平台并远离振动台(或拆去测微头或拆去测微头)。 (4)按按图图7-4接线，开启主接线，开启主/副电源，调副电源，调W，旋钮将系统调，旋钮将系统调零。零。 (5)差动放大器增益调至较小位置，然后不再改变。差动放大器增益调至较小位置，然后不再改变。 (6)在称重平台放上祛码，填入附表，反复测量。在称重平台放上祛码，填入附表，反复测量。上一页 下一页返回7.4 霍尔传感器的应用霍尔传感器的应用7.4.5 注意事项注意事项 (1)此霍尔传感器的线性范围较小，所以祛码和重物不应此霍尔传感

359、器的线性范围较小，所以祛码和重物不应太重太重; (2)祛码应置于平台的中间部分。祛码应置于平台的中间部分。上一页返回7.5 光电转速传感器的转速测量实光电转速传感器的转速测量实验验7.5.1 实验目的实验目的 了解光电转速传感器测量转速的原理及方法。了解光电转速传感器测量转速的原理及方法。7.5.2 基本原理基本原理 光电式转速传感器有反射型和直射型两种。本实验装置是光电式转速传感器有反射型和直射型两种。本实验装置是反射型的，如反射型的，如图图7-5所示。传感器端部有发光管和光电管，所示。传感器端部有发光管和光电管，发光管发出的光源在转盘上反射后由光电管接受转换成电信发光管发出的光源在转盘上反

360、射后由光电管接受转换成电信号，由于转盘上有黑白相间的号，由于转盘上有黑白相间的12个间隔，当电机转动时，反个间隔，当电机转动时，反光与不反光交替出现，光电元件间断地接收反射光信号，输光与不反光交替出现，光电元件间断地接收反射光信号，输出电脉冲。经放大整形电路转换成方波信号，由数字频率计出电脉冲。经放大整形电路转换成方波信号，由数字频率计测得电机的转速。测得电机的转速。若频率计的计数频率为若频率计的计数频率为f，由下式，由下式:下一页返回7.5 光电转速传感器的转速测量实光电转速传感器的转速测量实验验即可测得转轴转速即可测得转轴转速n ( r/min )，其中，其中z=12(涂色条数涂色条数)。

361、 7.5.3 需用的器件及单元需用的器件及单元 光电转速传感器、光电转速传感器、+5V直流电源、转动源单元及转速调节直流电源、转动源单元及转速调节2一一24V、数显转速、数显转速/频率表。频率表。 7.5.4实验步骤实验步骤 (1)光电转速传感器安装在传感器支架上，调节高度，使光电转速传感器安装在传感器支架上，调节高度，使传感器端面离平台表面传感器端面离平台表面2一一3mm,将传感器引线分别插入相将传感器引线分别插入相应插孔，其中棕色接入直流电源应插孔，其中棕色接入直流电源+5V,黑色为接地端，蓝色输黑色为接地端，蓝色输入主控箱，转速频率表置入主控箱，转速频率表置“转速转速”挡。挡。 (2)将

362、转速调节将转速调节2一一24V接到转动源接到转动源24V插孔上。插孔上。 (3)合上主控箱电源开关，使电动机转动并从转速合上主控箱电源开关，使电动机转动并从转速/频率上频率上观察电动机转速。如显示转速观察电动机转速。如显示转速上一页 下一页返回7.5 光电转速传感器的转速测量实光电转速传感器的转速测量实验验不稳定，可调节传感器的安装高度。不稳定，可调节传感器的安装高度。 (4)逐步将电机转速由低速调至高速，进行测试，将数据逐步将电机转速由低速调至高速，进行测试，将数据记人表记人表7-4中中;替换不同光电元件进行测试，将数据记录下来。替换不同光电元件进行测试，将数据记录下来。求出相应转速。求出相

363、应转速。 (5)根据实验所得数据，画出各种光电元件转速特性，并根据实验所得数据，画出各种光电元件转速特性，并比较各种光电元件测速灵敏度和比较各种光电元件测速灵敏度和非线性。非线性。 7.5.5 注意事项注意事项 (1)实验前要认真复习实验原理，了解实验的实施方法。实验前要认真复习实验原理，了解实验的实施方法。 (2)熟悉实验用仪器、仪表、设备的使用方法。熟悉实验用仪器、仪表、设备的使用方法。上一页返回图图7-1 应变式传感器实验图应变式传感器实验图返回图图7-2热电偶测温实验系统图热电偶测温实验系统图返回图图7-3电容传感器位移实验接线图电容传感器位移实验接线图返回表表7-2电容传感器位移与输出电压值电容传感器位移与输出电压值返回图图7-4霍尔式传感器实验接线图霍尔式传感器实验接线图返回表表7-3实验数据记录表实验数据记录表返回图图7-5 反射型光电转速传感器原理反射型光电转速传感器原理图图返回表表7-4 实验数据记录表实验数据记录表返回