整套課件教程：傳感器及自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)

1、 傳感器及自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)第1章 測(cè)量的基本知識(shí)1.1測(cè)量方法及檢測(cè)系統(tǒng)的組成1.2傳感器的測(cè)量誤差1. 3傳感器的基本特性下一頁(yè)返回第2章 電阻式傳感器2. 1電阻應(yīng)變片式傳感器2. 2氣敏電阻傳感器2. 3濕敏電阻傳感器2. 4熱電阻上一頁(yè)下一頁(yè)返回第3章 電感式傳感器3. 1自感式傳感器3. 2互感式傳感器3. 3電感式傳感器的應(yīng)用上一頁(yè)下一頁(yè)返回第4章 電容式傳感器4. 1電容式傳感器的工作原理及結(jié)構(gòu)形式4. 2電容式傳感器測(cè)量電路4. 3電容式傳感器的應(yīng)用上一頁(yè)下一頁(yè)返回第5章 電渦流傳感器5. 1電渦流傳感器的工作原理5. 2電渦流傳感器的結(jié)構(gòu)及特性5. 3電渦流傳感器的測(cè)量轉(zhuǎn)換電路5

2、. 4電渦流傳感器的應(yīng)用上一頁(yè)下一頁(yè)返回第6章 壓電傳感器6. 1壓電傳感器的工作原理6. 2壓電傳感器的等效電路和測(cè)量電路6. 3壓電傳感器的組成及結(jié)構(gòu)6. 4壓電傳感器的應(yīng)用上一頁(yè)下一頁(yè)返回第7章超聲波傳感器7.1超聲波傳感器的工作原理7.2超聲波換能器及耦合技術(shù)7. 3超聲波傳感器的應(yīng)用上一頁(yè)下一頁(yè)返回第8章 磁電傳感器8. 1磁電傳感器8. 2霍爾傳感器8. 3磁敏電阻器上一頁(yè)下一頁(yè)返回第9章 熱電偶傳感器9. 1溫度測(cè)量的基本概念9. 2熱電偶傳感器的工作原理9. 3熱電偶的基本定律9. 4熱電偶的種類及結(jié)構(gòu)形式9. 5熱電偶的冷端溫度補(bǔ)償9. 6熱電偶傳感器在連鑄漏鋼電的應(yīng)用9.

3、7集成溫度傳感器9.8 DS18B20溫度傳感器應(yīng)用實(shí)例上一頁(yè)下一頁(yè)返回第10章 光電傳感器10. 1光電傳感器的工作原理10. 2光電元件10. 3光電傳感器的組成、結(jié)構(gòu)及類型10. 4熱釋電紅外傳感器10. 5光電傳感器的應(yīng)用上一頁(yè)返回第1章 測(cè)量的基本知識(shí)1.1測(cè)量方法及檢測(cè)系統(tǒng)的組成1.2傳感器的測(cè)量誤差1. 3傳感器的基本特性返回1. 1 測(cè)量方法及檢測(cè)系統(tǒng)的組成一、測(cè)量的基本概念在科學(xué)實(shí)驗(yàn)和工業(yè)生產(chǎn)中，為了及時(shí)了解實(shí)驗(yàn)進(jìn)展情況、生產(chǎn)過程情況以及它們的結(jié)果，人們需要經(jīng)常對(duì)一些物理量，如電流、電壓、溫度、壓力、流量、液位等參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，這時(shí)人們就要選擇合適的測(cè)量裝置，采用一定的檢測(cè)方法

4、進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量是指人們借助于專門的設(shè)備，通過一定的方法，對(duì)被測(cè)對(duì)象收集信息、取得數(shù)據(jù)概念的過程。測(cè)量的結(jié)果可以表現(xiàn)為數(shù)值，也可以表現(xiàn)為一條曲線或某種圖形等。但不管以什么形式表現(xiàn)，測(cè)量結(jié)果總包含為數(shù)值(大小和符號(hào))和單位兩部分。例如，測(cè)得某一電流為20 A，表明該被測(cè)量的數(shù)值為20，單位為A(安培)。下一頁(yè)返回1. 1 測(cè)量方法及檢測(cè)系統(tǒng)的組成二、測(cè)量方法測(cè)量方法是指實(shí)現(xiàn)測(cè)量過程所采用的具體方法。在測(cè)量過程中，由于測(cè)量對(duì)象、測(cè)量環(huán)境、測(cè)量參數(shù)的不同，因而采用各種各樣的測(cè)量?jī)x表和測(cè)量方法。針對(duì)不同的測(cè)量任務(wù)進(jìn)行具體分析，以找出切實(shí)可行的測(cè)量方法，這對(duì)測(cè)量工作是十分重要的。1.直接測(cè)量、間接測(cè)量與組

5、合測(cè)量1)直接測(cè)量用事先分度或標(biāo)定好的測(cè)量?jī)x表，直接讀取被測(cè)量值的方法稱為直接測(cè)量。2)間接測(cè)量首先對(duì)與被測(cè)量有確定函數(shù)關(guān)系的幾個(gè)量進(jìn)行測(cè)量，然后再將測(cè)量值代入函數(shù)關(guān)系經(jīng)過計(jì)算得到所需結(jié)果，這種測(cè)量方法稱為間接測(cè)量。上一頁(yè)下一頁(yè)返回1. 1 測(cè)量方法及檢測(cè)系統(tǒng)的組成間接測(cè)量手續(xù)多，花費(fèi)時(shí)間較一般用在直接測(cè)量不方便或沒有相應(yīng)直接測(cè)量?jī)x表的場(chǎng)合。 3)組合測(cè)量若被測(cè)量必須經(jīng)過求解聯(lián)立方程組才能得到最后結(jié)果，則這種測(cè)量方法稱為組合測(cè)量。組合測(cè)量是一種特殊的精密測(cè)量方法，操作手續(xù)復(fù)雜，花費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)，多用于科學(xué)實(shí)驗(yàn)等特殊場(chǎng)合。2.等精度測(cè)量與不等精度測(cè)量用相同儀表與測(cè)量方法對(duì)同一被測(cè)量進(jìn)行多次重復(fù)測(cè)量，稱

6、為等精度測(cè)量。用不同精度的儀表或不同的測(cè)量方法，或在環(huán)境條件相差很大時(shí)對(duì)同一被測(cè)量進(jìn)行多次重復(fù)測(cè)量稱為非等精度測(cè)量。上一頁(yè)下一頁(yè)返回1. 1 測(cè)量方法及檢測(cè)系統(tǒng)的組成3.偏差式測(cè)量、零位式測(cè)量和微差式測(cè)量1)偏差式測(cè)量在測(cè)量過程中，用儀表指針的位移(即偏差)決定被測(cè)量值，這種測(cè)量方法稱為偏差式測(cè)量。儀表上有經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)量具校準(zhǔn)過的標(biāo)尺或刻度盤。在測(cè)量時(shí)，利用儀表指針在標(biāo)尺上的示值，讀取被測(cè)量的數(shù)值。偏差式測(cè)量簡(jiǎn)單、迅速，但精度不高，這種測(cè)量方法廣泛應(yīng)用于工程測(cè)量中。2)零位式測(cè)量用已知的標(biāo)準(zhǔn)量去平衡或抵消被測(cè)量的作用，并用指零式儀表來檢測(cè)測(cè)量系統(tǒng)的平衡狀態(tài)，從而判定被測(cè)量值等于已知標(biāo)準(zhǔn)量的方法稱為

7、零位式測(cè)量。用天平測(cè)量物體的質(zhì)量、用電位差計(jì)測(cè)量未知電壓都屬于零位式測(cè)量。上一頁(yè)下一頁(yè)返回1. 1 測(cè)量方法及檢測(cè)系統(tǒng)的組成在零位式測(cè)量中，標(biāo)準(zhǔn)量是一個(gè)可連續(xù)調(diào)節(jié)的量，被測(cè)量能夠直接與標(biāo)準(zhǔn)量相比較，測(cè)量誤差主要取決于標(biāo)準(zhǔn)量具的誤差，因此可獲得較高的測(cè)量精度。另外，指零結(jié)構(gòu)越靈敏，平衡的判斷越準(zhǔn)確，越有利于提高測(cè)量精度。但這種方法需要平衡操作，測(cè)量過程復(fù)雜，花費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)，因此不適用于測(cè)量迅速變化的信號(hào)。3)微差式測(cè)量微差式測(cè)量綜合了偏差式測(cè)量和零位式測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)。它將被測(cè)量先與已知的標(biāo)準(zhǔn)量相比較，取得差值后，再用偏差法測(cè)得此差值。三、檢測(cè)系統(tǒng)的組成在自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)中，各個(gè)組成部分是以信息流的過程來劃分

8、的。檢測(cè)時(shí)，首先獲取被測(cè)量的信息，并通過信息的轉(zhuǎn)換把獲得的信息變換為電量，然后進(jìn)行一系列的處理，再用指示儀或顯示儀將信息輸出，或由計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，最后把信息輸送給執(zhí)行機(jī)構(gòu)。上一頁(yè)下一頁(yè)返回1. 1 測(cè)量方法及檢測(cè)系統(tǒng)的組成所以一個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)主要分為信息的獲得、信息的轉(zhuǎn)換、信息的處理和信息的輸出等幾個(gè)部分。要完成這些功能主要依靠傳感器、信號(hào)處理電路、顯示裝置、數(shù)據(jù)處理裝置和執(zhí)行機(jī)構(gòu)等。其具體組成框圖如圖1一1所示。1.傳感器傳感器是把被測(cè)量(如物理量、化學(xué)量、生物量等)變換為另一種與之有確定對(duì)應(yīng)關(guān)系，并且容易測(cè)量的量(通常為電學(xué)量)的裝置。它是一種獲得信息的重要手段，它所獲得信息的正確與否，

9、關(guān)系到整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)的精度，因而在非電量檢測(cè)系統(tǒng)中占有重要的地位。2.信號(hào)處理電路通常傳感器輸出信號(hào)是微弱的，需要由信號(hào)處理電路加以放大、調(diào)制、解調(diào)、濾波、運(yùn)算以及數(shù)字化處理等。上一頁(yè)下一頁(yè)返回1. 1 測(cè)量方法及檢測(cè)系統(tǒng)的組成信號(hào)處理電路的主要作用就是把傳感器輸出的電學(xué)量變成具有一定功率的模擬電壓(或電流)信號(hào)或數(shù)字信號(hào)，以推動(dòng)后級(jí)的輸出顯示或記錄設(shè)備、數(shù)據(jù)處理裝置及執(zhí)行機(jī)構(gòu)。3.顯示裝置測(cè)量的目的是使人們了解被測(cè)量的數(shù)值，所以必須有顯示裝置。顯示裝置的主要作用就是使人們了解檢測(cè)數(shù)值的大小或變化的過程。目前常用的顯示方式有模擬顯示、數(shù)字顯示、圖像顯示3種方式。(1)模擬顯示是利用指針對(duì)標(biāo)尺的相

10、對(duì)位置來表示被測(cè)量數(shù)值的大小，如毫伏表、毫安表等，其特點(diǎn)是讀數(shù)方便、直觀，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，在檢測(cè)系統(tǒng)中一直被大量使用。但這種顯示方式的精度受標(biāo)尺最小分度限制，而且讀數(shù)時(shí)易引入主觀誤差。上一頁(yè)下一頁(yè)返回1. 1 測(cè)量方法及檢測(cè)系統(tǒng)的組成(2)數(shù)字顯示是指用數(shù)字形式來顯示測(cè)量值，目前大多采用LE D發(fā)光數(shù)碼管或液晶顯示屏等，如數(shù)字電壓表。這類檢測(cè)儀器還可附加打印機(jī)，打印記錄測(cè)量數(shù)值，并易于計(jì)算機(jī)聯(lián)機(jī)，使數(shù)據(jù)處理更加方便。(3圖像顯示是指用屏幕顯示(CRT讀數(shù)或被測(cè)參數(shù)變化的曲線，主要用于計(jì)算機(jī)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)中。如果被測(cè)量處于動(dòng)態(tài)變化中，用一般的顯示儀表讀數(shù)就十分困難，這時(shí)可將輸出信號(hào)送給計(jì)算機(jī)進(jìn)

11、行圖像顯示或送至記錄儀，從而描繪出被測(cè)量隨時(shí)間變化的曲線，并以之作為檢測(cè)結(jié)果，供分析使用。常用的自動(dòng)記錄儀器有筆式記錄儀、光線示波器、磁帶記錄儀和計(jì)算機(jī)等。上一頁(yè)下一頁(yè)返回1. 1 測(cè)量方法及檢測(cè)系統(tǒng)的組成4.數(shù)據(jù)處理裝置和執(zhí)行機(jī)構(gòu)數(shù)據(jù)處理裝置就是利用微機(jī)技術(shù)，對(duì)被測(cè)結(jié)果進(jìn)行處理、運(yùn)算、分析，對(duì)動(dòng)態(tài)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行頻譜、幅值和能量譜分析等。在自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)中，經(jīng)信號(hào)處理電路輸出的與被測(cè)量對(duì)應(yīng)的電壓或電流信號(hào)還可以驅(qū)動(dòng)某些執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作，為自動(dòng)控制系統(tǒng)提供控制信號(hào)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛躍發(fā)展，微機(jī)在自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)中已得到了非常廣泛的應(yīng)用。上一頁(yè)返回1. 2傳感器的測(cè)量誤差一、傳感器測(cè)量誤差的定義用傳感器測(cè)量

12、的目的是得到被測(cè)事物的真實(shí)量真值，但是，在實(shí)際測(cè)量中無論用何等精密儀器進(jìn)行測(cè)量，得到的測(cè)量值與被測(cè)物理量的真值總存在著一定的差值，這個(gè)差值被稱為測(cè)量誤差。二、傳感器測(cè)量誤差的類型1.按誤差的性質(zhì)分類1)系統(tǒng)誤差在相同測(cè)量條件下多次測(cè)量同一物理量，其誤差大小和符號(hào)保持恒定或按某一確定規(guī)律變化，此類誤差稱為系統(tǒng)誤差。其誤差的數(shù)值和符號(hào)不變的稱為恒值系統(tǒng)誤差;按照一定規(guī)律變化的，稱為變值系統(tǒng)誤差。變值系統(tǒng)誤差又可分為累進(jìn)性的、周期性的和按復(fù)雜規(guī)律變化的等多種類型。下一頁(yè)返回1. 2傳感器的測(cè)量誤差系統(tǒng)誤差是有規(guī)律的，因此可通過實(shí)驗(yàn)或分析的方法，查明其變化規(guī)律和產(chǎn)生原因，通過對(duì)測(cè)量值的修正或者采用一定

13、的預(yù)防措施，就能夠消除或減小它對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。2)隨機(jī)誤差在相同測(cè)量條件下多次測(cè)量同一物理量，其誤差沒有固定的大小和符號(hào)，呈無規(guī)律的隨機(jī)性，此類誤差稱為隨機(jī)誤差。如圖1一2所示，隨機(jī)誤差的分布有以下特性。(1)對(duì)稱性。絕對(duì)值相等的正誤差和負(fù)誤差出現(xiàn)的次數(shù)相等。(2)單峰性。絕對(duì)值小的誤差比絕對(duì)值大的誤差出現(xiàn)的次數(shù)多。(3)有界性。一定的測(cè)量條件下，隨機(jī)誤差的絕對(duì)值不會(huì)超過一定界限。上一頁(yè)下一頁(yè)返回1. 2傳感器的測(cè)量誤差(4)抵償性。隨測(cè)量次數(shù)的增加，隨機(jī)誤差的算術(shù)平均值趨于零。3)粗大誤差明顯偏離約定真值的誤差稱為粗大誤差。它主要是由于測(cè)量人員的失誤所致，如測(cè)錯(cuò)、讀錯(cuò)或記錯(cuò)等。含有粗大誤差

14、的數(shù)值稱為壞值，應(yīng)予以剔除。在測(cè)量中，若誤差大于極限誤差，即為粗大誤差。2.按被測(cè)量與時(shí)間的關(guān)系分類1)靜態(tài)誤差靜態(tài)誤差是指在測(cè)量過程中，被測(cè)量隨時(shí)間變化很緩慢或基本上不變化的測(cè)量誤差。以上所介紹的測(cè)量誤差均屬于靜態(tài)誤差。2)動(dòng)態(tài)誤差被測(cè)量在隨時(shí)間變化過程中測(cè)得的誤差稱為動(dòng)態(tài)誤差。動(dòng)態(tài)誤差是由于檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)輸入信號(hào)響應(yīng)滯后，或?qū)斎胄盘?hào)中不同頻率成分產(chǎn)生不同的衰減和延遲所造成的。上一頁(yè)下一頁(yè)返回1. 2傳感器的測(cè)量誤差3.傳感器測(cè)量誤差的表示方法1)絕對(duì)誤差絕對(duì)誤差是指測(cè)量值某被測(cè)量的指示值A(chǔ)，與真值A(chǔ)。之間的差值，稱之為絕對(duì)誤差，即:2)相對(duì)誤差(1)實(shí)際相對(duì)誤差。它等于絕對(duì)誤差與真值的百分比

15、。用yA表示，即:上一頁(yè)下一頁(yè)返回1. 2傳感器的測(cè)量誤差(2)示值(標(biāo)稱)相對(duì)誤差。它等于絕對(duì)誤差與指示值的百分比。用yx表示，即:(3)滿度(引用)相對(duì)誤差。它等于絕對(duì)誤差與儀表量程值A(chǔ)E.S的百分比。用yn表示，即:上一頁(yè)返回1. 3 傳感器的基本特性一、傳感器的靜態(tài)特性靜態(tài)特性表示傳感器在被測(cè)各量值處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的輸出與輸入的關(guān)系。主要包括精確度、線性度、靈敏度、遲滯、重復(fù)性、漂移等。1.精確度(精度)精確度是用來表示儀表測(cè)量結(jié)果可靠程度最重要的指標(biāo)。在自動(dòng)化儀表中，以最大相對(duì)百分誤差(引用誤差)來定義儀表的精度等級(jí)，即:儀表的越大，表示它的精確度越低;反之，越小，表示它的精確度越高。

16、對(duì)于兩臺(tái)測(cè)量范圍不同的儀表，如果它們的絕對(duì)誤差相等，則測(cè)量范圍大的儀表精確度比測(cè)量范圍小的高。下一頁(yè)返回1. 3 傳感器的基本特性2.靈敏度靈敏度是傳感器靜態(tài)特性的一個(gè)重要指標(biāo)。其定義為輸出量的增量y與引起該增量的相應(yīng)輸入量增量x之比。它表示單位輸入量的變化所引起傳感器輸出量的變化。顯然，靈敏度K值越大，表示傳感器越靈敏。線性傳感器的靈敏度K為常數(shù);非線性傳感器的靈敏度K是隨輸入量變化的量。曲線越陡，靈敏度越高?？梢酝ㄟ^作該曲線的切線的方法(作圖法)來求得曲線上任一點(diǎn)的靈敏度，用作圖法求取傳感器的靈敏度如圖1一3所示。上一頁(yè)下一頁(yè)返回1. 3 傳感器的基本特性3.線性度線性度即非線性誤差，是傳

17、感器的校準(zhǔn)曲線與理論擬合直線之間的最大偏差(Lmax)與滿量程值(y E. S)的百分比。即:擬合直線:對(duì)傳感器特性線性化，用一條理論直線代替標(biāo)定曲線，即擬合直線。擬合直線不同，所得線性度也不同。常用的兩種擬合直線，即端基擬合直線和獨(dú)立擬合直線，如圖1 -4所示。上一頁(yè)下一頁(yè)返回1. 3 傳感器的基本特性(1)端基擬合直線是由傳感器校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的零點(diǎn)輸出平均值和滿量程輸出平均值連成的一條直線。由此所得的線性度稱為端基線性度。這種擬合方法簡(jiǎn)單直觀，應(yīng)用較廣，但擬合精度很低，尤其對(duì)非線性比較明顯的傳感器，擬合精度更差。(2)獨(dú)立擬合直線方程是用最小二乘法求得的，在全量程范圍內(nèi)各處誤差都最小。獨(dú)立線性度

18、也稱最小二乘法線性度。這種方法擬合精度最高，但計(jì)算很復(fù)雜。4.變差(回差、遲滯)變差是在外界條件不變的情況下，當(dāng)輸入變量由小變大和由大變小時(shí)，儀表對(duì)于同一輸入所給的兩相應(yīng)輸出值不相等，二者在全行程范圍內(nèi)的最大差值即為變差。如圖1-5所示。上一頁(yè)下一頁(yè)返回1. 3 傳感器的基本特性5.重復(fù)性如圖1一6所示，重復(fù)性是指在同一工作條件下，輸入量按同一向在全測(cè)量范圍內(nèi)連續(xù)變化多次所得特性曲線的不一致性。從誤差的性質(zhì)講，重復(fù)性誤差屬于隨機(jī)誤差。6.漂移零漂和溫漂:傳感器無輸入(或某一輸入值不變)時(shí)，每隔一定時(shí)間，其輸出值偏離原示值的最大偏差與滿量程的百分比，即為零漂。溫度每升高1，傳感器輸出值的最大偏差

19、與滿量程的百分比，稱為溫漂。7.測(cè)量范圍與量程在允許誤差范圍內(nèi)，傳感器能夠測(cè)量的下限值(ymin)到上限值(ymax)之間的范圍稱為測(cè)量范圍，表示為ymin ymax;上限值與下限值的差稱為量程，表示為上一頁(yè)下一頁(yè)返回1. 3 傳感器的基本特性8.分辨率和閡值傳感器能檢測(cè)到輸入量最小變化量的能力稱為分辨力。對(duì)于某些傳感器，如電位器式傳感器，當(dāng)輸入量連續(xù)變化時(shí)，輸出量只做階梯變化，則分辨力就是輸出量的每個(gè)“階梯”所代表的輸入量的大小。對(duì)于數(shù)字式儀表，分辨力就是儀表指示值的最后一位數(shù)字所代表的值。當(dāng)被測(cè)量的變化量小于分辨力時(shí)，數(shù)字式儀表的最后一位數(shù)不變，仍指示原值。當(dāng)分辨力以滿量程輸出的百分?jǐn)?shù)表示

20、時(shí)則稱為分辨率。閡值是指能使傳感器的輸出端產(chǎn)生可測(cè)變化量的最小被測(cè)輸入量值，即零點(diǎn)附近的分辨力。有的傳感器在零位附近有嚴(yán)重的非線性，形成所謂“死區(qū)”，則將死區(qū)的大小作為閡值;更多情況下，閡值主要取決于傳感器噪聲的大小，因而有的傳感器只給出噪聲電平。上一頁(yè)下一頁(yè)返回1. 3 傳感器的基本特性9.環(huán)境特性周圍環(huán)境對(duì)傳感器影響最大的是溫度。目前，很多傳感材料采用靈敏度高，且信號(hào)易處理的半導(dǎo)體。然而，半導(dǎo)體對(duì)溫度最敏感，實(shí)際應(yīng)用時(shí)要特別注意。 除溫度外，還有氣壓、濕度、振動(dòng)、電源電壓及頻率等都影響傳感器的特性。10.穩(wěn)定性理想特性的傳感器是加相同大小的輸入量時(shí)，輸出量總是大小相同。然而，實(shí)際上傳感器特

21、性隨時(shí)間而變化，因此，對(duì)于相同大小的輸入量，其輸出量是變化的。連續(xù)工作時(shí)，即使輸入量恒定，傳感器輸出量也會(huì)朝著一個(gè)方向偏移，這種現(xiàn)象稱為溫漂。需要注意的是，除傳感器本身的溫漂外，還有安裝傳感器的機(jī)構(gòu)的溫漂，以及電子電路的溫漂。上一頁(yè)下一頁(yè)返回1. 3 傳感器的基本特性二、傳感器的動(dòng)態(tài)特性所謂動(dòng)態(tài)特性，是指?jìng)鞲衅髟谳斎胱兓瘯r(shí)，它的輸出特性。在實(shí)際工作中，傳感器的動(dòng)態(tài)特性常用它對(duì)某些標(biāo)準(zhǔn)輸入信號(hào)的響應(yīng)來表示。傳感器要檢測(cè)輸入信號(hào)隨時(shí)間而變化，則傳感器的特性應(yīng)能跟蹤這個(gè)輸入信號(hào)的變化，這樣可以獲得準(zhǔn)確的輸出信號(hào)。如果變化太快，就可能跟蹤不上，這就是響應(yīng)特性，即為動(dòng)態(tài)特性。動(dòng)態(tài)特性是傳感器的重要特性之

22、一。最常用的標(biāo)準(zhǔn)輸入信號(hào)有階躍信號(hào)和正弦信號(hào)兩種，所以傳感器的動(dòng)態(tài)特性也常用階躍響應(yīng)和頻率響應(yīng)來表示。上一頁(yè)返回圖1一1自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的組成返回圖1一2隨機(jī)誤差分布特性返回圖1一3用作圖法求取傳感器的靈敏度返回圖1一4傳感器擬合直線示意圖返回圖1一5傳感器遲滯示意圖返回圖1一6傳感器重復(fù)性示意圖返回第2章 電阻式傳感器2. 1電阻應(yīng)變片式傳感器2. 2氣敏電阻傳感器2. 3濕敏電阻傳感器2. 4熱電阻返回2. 1 電阻應(yīng)變片式傳感器2.1.1應(yīng)變片式傳感器的工作原理應(yīng)變片式傳感器是利用應(yīng)變效應(yīng)工作的。應(yīng)變片式傳感器由敏感元件、應(yīng)變片、電橋組成。電阻應(yīng)變片粘貼在彈性敏感元件或被測(cè)彈性構(gòu)件上，把彈性

23、元件或構(gòu)件的應(yīng)變轉(zhuǎn)換成電阻的變化，再通過電橋把電阻變化轉(zhuǎn)換成電壓輸出。電阻應(yīng)變片式位移傳感器的位移測(cè)量范圍較小，一般在0. m一0. 1 mm，其測(cè)量精度小于2%，線性度為0. 1%0. 5%。它主要與彈性敏感元件一起構(gòu)成測(cè)力、荷重、壓力和加速度等物理量的傳感器。常見的電子計(jì)價(jià)秤一般用的就是應(yīng)變片式傳感器。下一頁(yè)返回2. 1 電阻應(yīng)變片式傳感器2. 1. 2電阻應(yīng)變片式傳感器的種類與結(jié)構(gòu)類型一、金屬電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)類型金屬電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)如圖2一1所示，圖2一1 (a)為其結(jié)構(gòu)示意圖，敏感柵粘貼在基底上，上面覆蓋保護(hù)層?；子屑埢湍z基兩種。應(yīng)變片的縱向尺寸為工作長(zhǎng)度，反映被測(cè)應(yīng)變，其橫向應(yīng)變

24、將造成測(cè)量誤差。圖2一1 (b)為圓角絲柵，其橫向應(yīng)變會(huì)引起較大測(cè)量誤差，但耐疲勞性好，一般用于動(dòng)態(tài)測(cè)量。圖2一1 (e)為直角絲柵，精度高，但耐疲勞性差，適用于靜態(tài)測(cè)量。箔式電阻應(yīng)變片的絲柵形狀可與應(yīng)力分布相適應(yīng)，制成各種專用應(yīng)變片，圖2一1 (d)為應(yīng)變片式扭矩傳感器專用，圖2一1 (e)為板式壓力傳感器專用，圖2一1 (f)為常用的普通傳感器。上一頁(yè)下一頁(yè)返回2. 1 電阻應(yīng)變片式傳感器箔式電阻應(yīng)變片的電阻值分散度小，可做成任意形狀，易于大量生產(chǎn)，成本低，散熱性好，允許通過大的電流，靈敏度高，耐蠕變和耐漂移能力強(qiáng)。薄膜應(yīng)變片是采用真空鍍膜技術(shù)在很薄的絕緣基底上蒸鍍金屬電阻材料薄膜，再加上

25、保護(hù)層形成的。其優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高，允許通過大的電流。二、半導(dǎo)體應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)類型隨著硅擴(kuò)散技術(shù)的發(fā)展，擴(kuò)散型半導(dǎo)體應(yīng)變片已成為主流。半導(dǎo)體應(yīng)變片有體型、薄膜型和擴(kuò)散型等型式。擴(kuò)散型半導(dǎo)體應(yīng)變片是在硅片上用擴(kuò)散技術(shù)制成4個(gè)電阻并構(gòu)成電橋，利用硅材料本身作為彈性敏感元件，還可以把補(bǔ)償電路和其他信號(hào)處理電路集成在一起，構(gòu)成集成力敏傳感器。體型半導(dǎo)體應(yīng)變片結(jié)構(gòu)如圖2一2所示，表2一1列出了幾種應(yīng)變片的主要技術(shù)參數(shù)。上一頁(yè)下一頁(yè)返回2. 1 電阻應(yīng)變片式傳感器2. 1. 3測(cè)量轉(zhuǎn)換電路電阻式傳感器可以用直流或交流電橋作為轉(zhuǎn)換電路。電橋可用作電阻、電容和電感式傳感器的測(cè)量電路，在電橋平衡時(shí)讀出被測(cè)參數(shù)，稱為平

26、衡電橋。電橋在初始狀態(tài)是平衡的，輸出電壓等于零;當(dāng)橋臂參數(shù)變化時(shí)才輸出電壓，稱為不平衡電橋，其特性是非線性的。一、電阻應(yīng)變片的輸出電壓直流電阻電橋如圖2一3 (a), (b), (c)所示，其初始狀態(tài)可通過RPi調(diào)零。若采用交流供電，則稱為交流電橋，如圖2-3 (d)所示，可通過RP1和RP2調(diào)零。當(dāng)電橋平衡時(shí)輸出電壓U0= 0。電橋的平衡條件是對(duì)邊橋臂電阻乘積相等，即:上一頁(yè)下一頁(yè)返回2. 1 電阻應(yīng)變片式傳感器二、應(yīng)變電橋的工作方式對(duì)于應(yīng)變片式傳感器，其電橋電路可分為全橋、單臂電橋和雙臂電橋工作方式。全橋和雙臂電橋還可構(gòu)成差動(dòng)工作方式。式(2 -7)和式(2一8)為全橋的電壓輸出表達(dá)式。1

27、.半橋單臂工作方式如圖2-3 (a)所示R1為電阻應(yīng)變片，R2, R3, R4為固定電阻，由式(2 -7)和式(2一8)得:2.半橋雙臂工作方式如圖2 -3 (b)所示， R1, R2均為電阻應(yīng)變片， R3, R4為固定電阻，同理可得:上一頁(yè)下一頁(yè)返回2. 1 電阻應(yīng)變片式傳感器3.差動(dòng)電橋式(2 -9)中，相鄰橋臂間為相減關(guān)系，相對(duì)橋臂間為相加關(guān)系。因此，構(gòu)成差動(dòng)電橋的條件為:相鄰橋臂應(yīng)變片的應(yīng)變方向應(yīng)相反，相對(duì)橋臂應(yīng)變片的應(yīng)變方向應(yīng)相同。如果各應(yīng)變片的應(yīng)變量相等，則稱為對(duì)稱電橋。式(2一10)和式(2一7)可改寫為:上一頁(yè)下一頁(yè)返回2. 1 電阻應(yīng)變片式傳感器2. 1. 4電阻應(yīng)變片傳感器

28、的應(yīng)用應(yīng)變效應(yīng)的應(yīng)用十分廣泛。除了可以測(cè)量應(yīng)變外，還可以測(cè)量應(yīng)力、彎矩、加速度、位移等物理量。一、測(cè)力傳感器電阻應(yīng)變片式傳感器的最大用武之地是在稱重和測(cè)力領(lǐng)域。測(cè)力傳感器按其量程大小和測(cè)量精度不同而有很多規(guī)格，他們的主要差別是彈性元件的結(jié)構(gòu)形式不同，以及應(yīng)變片在彈性元件上粘貼的位置不同。常用的測(cè)力傳感器的彈性元件有柱式和梁式兩種。1.柱式力傳感器圓柱式傳感器的彈性元件，如圖2 -4所示。上一頁(yè)下一頁(yè)返回2. 1 電阻應(yīng)變片式傳感器2.懸臂梁式力傳感器懸臂梁式力傳感器是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、高精度、應(yīng)變片容易粘貼、抗偏抗側(cè)性能優(yōu)越的稱重測(cè)力傳感器，最小可以測(cè)量幾十克、最大可以測(cè)幾十噸的質(zhì)量，精度可達(dá)到0

29、. 02F. S(滿量程)。懸臂梁式力傳感器采用彈性梁及電阻應(yīng)變片作為敏感轉(zhuǎn)換元器件，接成全橋電路。當(dāng)垂直正壓力或拉力作用在彈性梁時(shí)，應(yīng)變片隨彈性梁一起變形，其應(yīng)變使應(yīng)變儀、數(shù)字電壓表或其他二次儀表顯示或記錄質(zhì)量或力。利用這種方法，可制成稱重電子秤、加速度傳感器等。懸臂梁有兩種:一種為等截面型，另一種為等強(qiáng)度型。等截面梁就是懸臂梁的橫截面處處相等的梁。當(dāng)外力作用在梁的自由端時(shí)，在固定端產(chǎn)生的應(yīng)變最大。等截面梁適合于5 000 N以下的載荷測(cè)量。其傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，靈敏度高。上一頁(yè)下一頁(yè)返回2. 1 電阻應(yīng)變片式傳感器等強(qiáng)度梁是一種特殊形式的懸臂梁，其特點(diǎn)是，沿梁長(zhǎng)度方向的界面按一定規(guī)律變化，當(dāng)外

30、力F作用在自由端時(shí)，距作用點(diǎn)任何距離截面上的應(yīng)力相等。 等強(qiáng)度梁的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工方便、應(yīng)變片粘貼容易、靈敏度高。主要用于小載荷、高精度的拉、壓力傳感器中?？蓽y(cè)量0. 01牛頓到幾千牛頓的拉、壓力。在同一截面正反兩面粘貼應(yīng)變片，并應(yīng)粘在該界面中性軸的對(duì)稱表面上。圖2 -5為應(yīng)變片粘貼到懸臂梁上的位置。二、壓力傳感器電阻應(yīng)變壓力傳感器主要用于測(cè)量流體壓力，有時(shí)也用于測(cè)量土壤壓力。根據(jù)其彈性體的結(jié)構(gòu)形式可分為單一式和組合式兩種。上一頁(yè)下一頁(yè)返回2. 1 電阻應(yīng)變片式傳感器1.單一式壓力傳感器單一式是指應(yīng)變片直接粘貼在受壓彈簧膜片(或筒)上。圖2一6 ( a所示為筒式彈性元件，圖2一6 (b)所

31、示為應(yīng)變片布片，工作應(yīng)變片R1, R3沿筒外壁周向粘貼，溫度補(bǔ)償應(yīng)變片R2 , R4貼在筒的外壁，并接成全橋。當(dāng)應(yīng)變筒內(nèi)壁感受壓力P時(shí)，筒外壁產(chǎn)生周向應(yīng)變，從而改變電橋的輸出。2.組合式壓力傳感器組合式壓力傳感器由受壓彈性元件(膜片、膜盒或波紋管)和應(yīng)變彈性元件(各種梁)組合而成。前者承受壓力，后者粘貼應(yīng)變計(jì)。兩者之間通過傳力件傳遞壓力作用。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是受壓彈性元件能對(duì)流體高溫、腐蝕等影響起到隔離作用，使應(yīng)變片具有良好的工作環(huán)境。上一頁(yè)返回2. 2 氣敏電阻傳感器在現(xiàn)代社會(huì)的生產(chǎn)和生活中，人們往往會(huì)接觸到各種各樣的氣體，需要對(duì)它們進(jìn)行檢測(cè)和控制。比如化工生產(chǎn)中氣體成分的檢測(cè)與控制;煤礦瓦斯

32、濃度的檢測(cè)與報(bào)警;環(huán)境污染情況的監(jiān)測(cè);煤氣泄漏:火災(zāi)報(bào)警;燃燒情況的檢測(cè)與控制，等等。氣敏電阻傳感器就是一種將檢測(cè)到的氣體的成分和濃度轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的傳感器。常用的主要有接觸燃燒式氣體傳感器、電化學(xué)氣敏傳感器和半導(dǎo)體氣敏傳感器等。圖2 -7所示為幾種常用的氣體傳感器。2. 2. 1接觸燃燒式氣體傳感器接觸燃燒式氣體傳感器可用于坑內(nèi)沼氣、化工廠的可燃性氣體量的探測(cè)，城市煤氣泄漏報(bào)警，對(duì)半導(dǎo)體敏感元件不適合的空氣污染厲害的餐館等。下一頁(yè)返回2. 2 氣敏電阻傳感器 接觸燃燒式氣體傳感器的檢測(cè)元件一般為鉑金屬絲(也可表面涂鉑、把等稀有金屬催化層)，使用時(shí)對(duì)鉑絲通以電流，保持300一400的高溫，此時(shí)若

33、與可燃性氣體接觸，可燃性氣體就會(huì)在稀有金屬催化層上燃燒，因此，可燃性氣體就會(huì)在稀有金屬催化層上燃燒，因此，鉑絲的溫度會(huì)上升，鉑絲的電阻值也上升;通過測(cè)量鉑絲的電阻值變化的大小，就知道可燃性氣體的濃度。接觸燃燒式氣體傳感器的測(cè)量電路如圖2一8所示。圖中采用的是橋式電路。它是將鉑絲阻值的變化轉(zhuǎn)換為電壓的變化，以達(dá)到測(cè)量氣體的密度的目的。圖2 -8中F1是補(bǔ)償元件，其作用是補(bǔ)償可燃性氣體接觸燃燒以外的環(huán)境溫度和電源電壓變化等因素所引起的偏差。上一頁(yè)下一頁(yè)返回2. 2 氣敏電阻傳感器2. 2. 2電化學(xué)氣敏傳感器一、氧化鋯測(cè)量原理氧化鋯氧傳感器是采用氧化鋯固體電解質(zhì)組成的氧濃度差電池來測(cè)氧的傳感器。它

34、是20世紀(jì)60年代才興起的，屬于固體離子學(xué)中一個(gè)重要應(yīng)用方面。這類氧傳感器已在國(guó)內(nèi)外廣泛用于工業(yè)爐窯優(yōu)化燃燒，產(chǎn)生了顯著的節(jié)能效果;廣泛用于汽車尾氣測(cè)量，明顯地改善了城市環(huán)境污染;廣泛用于鋼液測(cè)氧，大大提高了優(yōu)質(zhì)鋼的質(zhì)量和產(chǎn)量;廣泛用于惰性氣體中測(cè)氧，其靈敏度和測(cè)氧范圍非其他氧量計(jì)可比。上一頁(yè)下一頁(yè)返回2. 2 氣敏電阻傳感器Zr02 是典型的離子晶體，Zr02中添加二價(jià)或三價(jià)立方對(duì)稱氧化物，如Ca0 , Mg0 ,Y203和其他三價(jià)稀土氧化物時(shí)，在適當(dāng)加熱和冷卻條件下可以使Zr02在600以上時(shí)成為氧的快離子導(dǎo)體，人們稱它為固體電解質(zhì)。這種陶瓷材料對(duì)氧具有高度的敏感性，選擇性亦十分好，用它做

35、成的氧探頭(又稱氧傳感器)廣泛應(yīng)用于工業(yè)爐和環(huán)境保護(hù)。Zr02固體電解質(zhì)是離子導(dǎo)電體，它是通過晶格內(nèi)的氧離子空位來實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電的，錯(cuò)的導(dǎo)價(jià)金屬氧化物的加入在Zr02晶格中產(chǎn)生了大量的氧離子空位，如圖2一9所示。每加入兩個(gè)錯(cuò)離子就建立一個(gè)氧離子空位， Zr02的缺陷濃度主要決定于添加劑的加入量，而與溫度和環(huán)境氣氛無關(guān)。 Zr02的離子導(dǎo)電就是通過Zr02內(nèi)氧離子的遷移來實(shí)現(xiàn)的。上一頁(yè)下一頁(yè)返回2. 2 氣敏電阻傳感器二、氧化鋯的結(jié)構(gòu)類型及安裝方式氧化鋯氧濃差電池用于實(shí)際檢測(cè)中，主要需要解決的問題是，氧化鋯檢測(cè)頭，反應(yīng)電極及將被測(cè)氣體與參比氣(空氣)嚴(yán)格隔離的問題(也叫作氧探頭的密封問題)。實(shí)際應(yīng)用過

36、程中，最難以解決的是密封問題和反應(yīng)電極問題。1.采樣檢測(cè)式氧傳感器采樣檢測(cè)方式是通過導(dǎo)引管，將被測(cè)氣體導(dǎo)入氧化鋯檢測(cè)室。檢測(cè)室通過加熱元件把氧化鋯加熱到工作溫度(750以上)。氧化鋯一般采用管狀，電極采用多孔鉑電極(見圖2一10)。采樣檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn)是不受檢測(cè)氣氛溫度的影響，通過采用不同的導(dǎo)流管可以檢測(cè)各種溫度氣氛中的氧含量。上一頁(yè)下一頁(yè)返回2. 2 氣敏電阻傳感器在被檢測(cè)氣體溫度較低(0 -650)，或被測(cè)氣氛較清潔時(shí)，采樣式檢測(cè)方式工作較好，如制氮機(jī)測(cè)氧，實(shí)驗(yàn)室測(cè)氧等。2.直插式檢測(cè)方式直插式檢測(cè)是將氧化鋯直接插入高溫被測(cè)氣體，直接檢測(cè)氣體中的氧含量。這種檢測(cè)方式應(yīng)用在被檢測(cè)氣氛溫度在700

37、-1 150時(shí)(特殊結(jié)構(gòu)還可以用于1 400的高溫)，利用被測(cè)氣氛的高溫使氧化鋯達(dá)到工作溫度，不另外用加熱器(見圖2一11)。直插式氧探頭的技術(shù)關(guān)鍵是陶瓷材料的高溫密封問題和電極問題。三、氧化鋯使用壽命的影響因素1.多孔Pt電極的問題Zr02氧傳感器國(guó)內(nèi)普遍存在穩(wěn)定性差和壽命短的現(xiàn)象，即使國(guó)外已完全實(shí)用化了的產(chǎn)品也常常出現(xiàn)電勢(shì)異常、響應(yīng)劣化、電極中毒或脫落現(xiàn)象，這一切都與Zr02氧傳感器的多孔Pt電極的特性有關(guān)。上一頁(yè)下一頁(yè)返回2. 2 氣敏電阻傳感器1)電極形貌及其影響因素氧探頭反應(yīng)電極過去一直用多孔Pt制成，因?yàn)樗拇呋芰?qiáng)，現(xiàn)在還有不少成品用多孔Pt電極。多孔Pt電極的表面積極大，是一

38、種熱力學(xué)不穩(wěn)定狀態(tài)，特別是由于氧傳感器長(zhǎng)期在高溫下，例如滲碳爐中的氧傳感器的工作環(huán)境溫度為860 940 ,在這種工作條件下，多孔Pt電極的電極表面分布著的小孔尺寸會(huì)不斷增大而響應(yīng)電極反應(yīng)。Zr02氧傳感器的電極反應(yīng)是多相催化反應(yīng)，其中Pt電極的重要作用之一就是作為反應(yīng)催化劑。對(duì)于一定的催化劑而言，催化劑的能力與其的表面積有關(guān)，一般而言，增加催化劑的表面積，是提高反應(yīng)效率的有效手段之一，提高催化劑表面積的最好方法是“造孔”，催化劑的比表面主要是由微孔的內(nèi)表面積提供的，因此，長(zhǎng)期在高溫下工作的多孔Pt電極將會(huì)減小Pt電極的比表面，從而降低其催化能力。另外，電極電孔數(shù)的變化，會(huì)顯著地改變Pt -

39、Zr02一氣三相界面影響速度。上一頁(yè)下一頁(yè)返回2. 2 氣敏電阻傳感器(1)元素互擴(kuò)散。Pt/Zr02界面是氧傳感器的關(guān)鍵部位，該界面的電化學(xué)性能、化學(xué)反應(yīng)以及平衡決定著傳感器的特性。具有很高的缺陷濃度，因而加快了擴(kuò)散過程。晶粒度小，因而晶界面積大，原子沿晶界的擴(kuò)散比晶內(nèi)快得多。含有大量的孔洞，因而其表面積極大。這3個(gè)特點(diǎn)都為原子擴(kuò)散提供了有利條件。(2)轉(zhuǎn)晶。Zr離子在強(qiáng)還原性氣氛中會(huì)轉(zhuǎn)化為金屬Zr，并溶解于Pt中形成Pt一Z:固溶體，達(dá)到溶解極限后，開始形成Pt- Zr金屬間化合物，破壞了原始組織結(jié)構(gòu)。此外，Pt/Zr02黏結(jié)力不好而脫膜也是經(jīng)常發(fā)生的現(xiàn)象。上一頁(yè)下一頁(yè)返回2. 2 氣敏電

40、阻傳感器(3)積炭。多孔Pt電極在滲碳爐中致命的弱點(diǎn)是炭黑堆積在Pt電極的孔洞內(nèi)，特別在高碳勢(shì)的情況下更為嚴(yán)重，炭黑在多孔Pt電極小孔內(nèi)的堆積，使得Pt - Zr02一氣相三相催化反應(yīng)界面處的狀態(tài)發(fā)生變化而使電極反應(yīng)不穩(wěn)定，輸出氧勢(shì)波動(dòng)或偏高等現(xiàn)象。(4)堵塞。多孔R(shí)電極的小孔在加熱爐煙道中應(yīng)用時(shí)，經(jīng)常被塵灰堵塞而影響爐氣向三相界面的擴(kuò)散，最終使氧探頭輸出信號(hào)減弱而測(cè)不準(zhǔn)。2. Zr02固體電解質(zhì)的時(shí)效問題Zr02固體電解質(zhì)作為工業(yè)爐用氧探頭往往長(zhǎng)期在700以上的高溫下進(jìn)行工作，如果不考慮氣氛的影響，這個(gè)工作溫度對(duì)由Y203固溶為立方相結(jié)構(gòu)的Zr02固體電解質(zhì)來講，是一個(gè)高溫時(shí)效過程，這是氧探

41、頭不穩(wěn)定和失效的另一個(gè)主要原因。上一頁(yè)下一頁(yè)返回2. 2 氣敏電阻傳感器Zr02中摻入Y203的目的有兩個(gè):產(chǎn)生氧離子空位和建立全穩(wěn)定立方相結(jié)構(gòu)。純Zr02有3種晶體結(jié)構(gòu)，3種不同的晶體結(jié)構(gòu)與其轉(zhuǎn)變溫度有關(guān)，對(duì)氧探頭來講，立方相Zr02結(jié)構(gòu)存在大量的八面體間隙，氧離子在其中能夠快速擴(kuò)散，由此增加氧化鋯制成氧頭后的離子導(dǎo)電率和響應(yīng)速度，因此人們制作氧探頭時(shí)，往往使錯(cuò)頭的Zr02做成立方相結(jié)構(gòu)。四、氧探頭的工業(yè)應(yīng)用工業(yè)用氧傳感器可分為通用性強(qiáng)的氧分析器和根據(jù)用途不同而設(shè)計(jì)的專用氧探頭兩種。1.在工業(yè)鍋爐、加熱爐上的氧量分析應(yīng)用作此用途的氧傳感器多采用管狀結(jié)構(gòu)，此管可以兩端開口，也可以單端開口，目前

42、市場(chǎng)出現(xiàn)最多的是后一種。上一頁(yè)下一頁(yè)返回2. 2 氣敏電阻傳感器Zr02管內(nèi)外壁上涂有多孔Pt電極，由內(nèi)外電極分別向管端引伸并在端部接出Ni一Cr絲作信號(hào)輸出用。氧傳感器使用時(shí)，引入被測(cè)氣體的方式有直插式和擴(kuò)散式兩種。直插式響應(yīng)時(shí)間短，不需要加熱器，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，小型輕便，但要求同時(shí)檢測(cè)被測(cè)氣體的溫度。擴(kuò)散式由于氧探頭的溫度由加熱器控制，因此測(cè)量精度高，工作可靠，但響應(yīng)時(shí)間取決于氣體的流量。2.在熱處理可控氣氛爐上的碳勢(shì)控制應(yīng)用氧探頭在滲碳、碳氮共滲、保護(hù)氣氛無氧化加熱等熱處理工藝上的應(yīng)用要比在工業(yè)爐、汽車上應(yīng)用復(fù)雜得多，因?yàn)闋t內(nèi)的氣氛控制與氧探頭輸出的氧量信號(hào)沒有直接的數(shù)學(xué)關(guān)系。它是通過氧探頭測(cè)

43、量出熱處理爐內(nèi)氣氛中的氧量，再由熱處理爐內(nèi)氣氛的化學(xué)平衡原理計(jì)算出對(duì)應(yīng)的碳勢(shì)，達(dá)到監(jiān)視或控制爐內(nèi)的碳勢(shì)，這就要求在大量生產(chǎn)實(shí)踐的基礎(chǔ)上收集大量可靠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立起與實(shí)際更接近的數(shù)學(xué)模式。上一頁(yè)下一頁(yè)返回2. 2 氣敏電阻傳感器2. 2. 3半導(dǎo)體氣敏傳感器半導(dǎo)體氣敏傳感器具有靈敏度高、響應(yīng)快、穩(wěn)定性好、使用簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，應(yīng)用極其廣泛;半導(dǎo)體氣敏元件有N型和P型之分。 一、還原性氣體傳感器所謂還原性氣體就是在化學(xué)反應(yīng)中能給出電子、化合價(jià)升高的氣體。還原性氣體多數(shù)屬于可燃性氣體，例如石油蒸氣、酒精蒸氣、甲烷、乙烷、煤氣、天然氣、氫氣等。測(cè)量還原性氣體的氣敏電阻一般是用Sn02, Zn0或Fe203

44、等金屬氧化物粉料添加少量鉑催化劑及其他添加劑，按一定比例燒結(jié)而成的半導(dǎo)體器件。圖2一12所示是MQN型氣敏電阻的結(jié)構(gòu)及測(cè)量轉(zhuǎn)換電路簡(jiǎn)圖。上一頁(yè)下一頁(yè)返回2. 2 氣敏電阻傳感器MQN型氣敏半導(dǎo)體器件是由塑料底座、電極引線、不銹鋼網(wǎng)罩、氣敏燒結(jié)體以及包裹在燒結(jié)體中的兩組鉑絲組成。一組鉑絲為工作電極，另一組(圖2一12 (c)中的左邊鉑絲)為加熱電極兼工作電極。氣敏電阻工作時(shí)必須加熱到200 0C 300 0C ，其目的是加速被測(cè)氣體的化學(xué)吸附和電離的過程并燒去氣敏電阻表面的污物(起清潔作用)。氣敏半導(dǎo)體的靈敏度較高，在被測(cè)氣體濃度較低時(shí)有較大的電阻變化，而當(dāng)被測(cè)氣體濃度較大時(shí)，其電阻率的變化逐漸

45、趨緩，有較大的非線性。這種特性較適用于氣體的微量檢漏、濃度檢測(cè)或超限報(bào)警?？刂茻Y(jié)體的化學(xué)成分及加熱溫度，可以改變它對(duì)不同氣體的選擇性。例如，制成煤氣報(bào)警器，可對(duì)居室或地下數(shù)十米深處的漏點(diǎn)進(jìn)行檢漏。還可制成酒精檢測(cè)儀，以防止酒后駕車。目前，氣敏電阻傳感器已廣泛應(yīng)用于石油、化工、電力、家居等各種領(lǐng)域。圖2一13所示為MQN型氣敏電阻對(duì)不同氣體的靈敏度特性曲線。上一頁(yè)下一頁(yè)返回2. 2 氣敏電阻傳感器二、二氧化欽氧濃度傳感器常用氧濃度傳感器如圖2一14所示。半導(dǎo)體材料二氧化欽(Ti02 屬于N型半導(dǎo)體，對(duì)氧氣十分敏感。其電阻值的大小取決于周圍環(huán)境的氧氣濃度。當(dāng)周圍氧氣濃度較大時(shí)，氧原子進(jìn)入二氧化欽

46、晶格，改變了半導(dǎo)體的電阻率，使其電阻值增大。上述過程是可逆的，當(dāng)氧氣濃度下降時(shí)，氧原子析出，電阻值減小。圖2一15所示是用于汽車或燃燒爐排放氣體中的氧濃度傳感器結(jié)構(gòu)圖及測(cè)量轉(zhuǎn)換電路。二氧化欽氣敏電阻與補(bǔ)償熱敏電阻同處于陶瓷絕緣體的末端。當(dāng)氧氣含量減少時(shí)，Ti02的阻值減小。上一頁(yè)返回2. 3 濕敏電阻傳感器一、濕敏電阻的工作原理濕敏電阻是利用濕敏材料吸收空氣中的水分而導(dǎo)致本身電阻值發(fā)生變化這一原理制成的。濕敏電阻有不同的結(jié)構(gòu)形式。常用的有金屬氧化物陶瓷濕敏電阻，金屬氧化物膜型濕敏電阻、高分子材料濕敏電阻。1.金屬氧化物陶瓷濕敏傳感器陶瓷濕敏電阻傳感器的核心部分是用鉻酸鎂一二氧化欽( MgCr2

47、04Ti02)等金屬氧化物以高溫?zé)Y(jié)工藝制成的多孔陶瓷半導(dǎo)體。其氣孔率高達(dá)25%以上，具有1 m以下的細(xì)孔分布。與日常生活中常用的結(jié)構(gòu)緊密的陶瓷相比，其接觸空氣的表面顯著增大，所以水蒸氣極易被吸附于表面及空隙之中，使其電導(dǎo)率下降。當(dāng)相對(duì)濕度從1 % RH變化到95 % RH時(shí)，其電阻率的變化高達(dá)4個(gè)數(shù)量級(jí)以上，所以在測(cè)量電路中必須考慮采用對(duì)數(shù)壓縮手段。圖2一16為陶瓷濕敏傳感器特性曲線。下一頁(yè)返回2. 3 濕敏電阻傳感器2.金屬氧化物膜型濕敏傳感器Cr203 , Fe203 , Fe3 04 , A1203 , Mg2 03 , Zn0及Ti0等金屬氧化物的細(xì)粉吸濕后導(dǎo)電性增加，電阻下降。吸附

48、或釋放水分子的速度比上述多孔陶瓷快許多倍。在陶瓷基片上先制作把金梳狀電機(jī)，然后采用絲網(wǎng)印刷等工藝，將調(diào)制好的金屬氧化物糊狀物印刷在陶瓷基片上，采用燒結(jié)或烘干的方法使之固化成膜。這種膜在空氣中能吸附或釋放水分子，而改變其自身的電阻值。通過測(cè)量?jī)呻姌O間的電阻值即可檢測(cè)相對(duì)濕度。其響應(yīng)時(shí)間小于1 min 。3.高分子濕敏傳感器高分子電阻濕敏傳感器是目前發(fā)展迅速、應(yīng)用較廣的一類新型濕敏電阻傳感器。它的外形與金屬氧化物膜型濕敏傳感器相似，只是吸濕材料用可吸濕電離的高分子材料制作。上一頁(yè)返回2. 4 熱電阻利用導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻值隨溫度的變化而變化的特性來測(cè)量溫度的感溫元件稱為熱電阻。它可用于測(cè)量一200

49、 500范圍內(nèi)的溫度。大多數(shù)金屬導(dǎo)體和半導(dǎo)體的電阻率都隨溫度發(fā)生變化，純金屬有正的電阻溫度系數(shù)，半導(dǎo)體有負(fù)的電阻溫度系數(shù)。用金屬導(dǎo)體或半導(dǎo)體制成的傳感器，分別稱為金屬電阻溫度計(jì)和半導(dǎo)體溫度計(jì)。2. 4. 1金屬熱電阻絕大多數(shù)金屬具有正的電阻溫度系數(shù)a，溫度越高，電阻越大。要求作為測(cè)量用的熱電阻材料必須滿足以下要求。(1)高溫度系數(shù)，電阻隨溫度變化保持單值并且最好呈線性關(guān)系。(2)熱容量小。(3)高電阻率，這樣可以在同樣靈敏度情況下使元件尺寸做得小一些。下一頁(yè)返回2. 4 熱電阻(4)在工作范圍內(nèi)，物理和化學(xué)性能穩(wěn)定，保證了熱電阻測(cè)量的準(zhǔn)確性。(5)工藝性能良好，容易獲得較純物質(zhì)，材料復(fù)制性好，

50、價(jià)格便宜。 一、鉑熱電阻鉑的特點(diǎn)有:(1)在氧化性介質(zhì)中，甚至在高溫下，鉑的物理、化學(xué)性質(zhì)都很穩(wěn)定。(2)在還原性介質(zhì)中，特別是在高溫下，很容易被氧化物中還原成金屬的金屬蒸氣所站污，以致使鉑絲變脆，并改變電阻與溫度關(guān)系特性。(3)鉑是貴金屬，價(jià)格較貴。鉑熱電阻的電阻體是用純度高達(dá)99. 995%一99. 999 5%、直徑為0. 020. 07 mm的鉑絲，按一定規(guī)律繞在云母、石英或陶瓷支架上而制成，用銀導(dǎo)線作為引出線。工業(yè)用鉑熱電阻體的結(jié)構(gòu)如圖2一17所示。上一頁(yè)下一頁(yè)返回2. 4 熱電阻二、銅電阻在測(cè)量精度不高、測(cè)量范圍不大的情況下，可采用銅熱電阻來代替鉑熱電阻，這樣可降低成本(因?yàn)殂K為貴

51、金屬)。在溫度為一50一150范圍內(nèi)，銅熱電阻與溫度呈線性 關(guān)系，可用特性方程表示:銅熱電阻的優(yōu)點(diǎn)是:(1)輸出一輸入特性近似線性。(2)工藝性好，價(jià)格便宜。其缺點(diǎn)是:(1)電阻率小，僅為鉑的1/6，故體積大，熱慣性大。上一頁(yè)下一頁(yè)返回2. 4 熱電阻(2)當(dāng)溫度高于100時(shí)，易氧化，測(cè)量范圍小，不適于在腐蝕性介質(zhì)或高溫下工作。銅熱電阻的結(jié)構(gòu)如圖2一18所示，通常用直徑為0. 1 mm的漆包線或絲包線雙線繞制在絕緣基片上，浸以酚醛樹脂成為銅電阻體，再以鍍銀銅線作引出線。2.4.2熱電阻測(cè)量電路1.三線制所謂三線制接法，即熱電阻的一端與一根導(dǎo)線相接，另一端同時(shí)接兩根導(dǎo)線。三線制的接法如圖2一19

52、說明。圖中連接熱電阻R，的三根導(dǎo)線，直徑和長(zhǎng)度均相同，阻值都是:，其中一根串聯(lián)在電橋的電源上，對(duì)電橋的平衡與否毫無影響，另外兩根分別串聯(lián)在電橋的相鄰兩臂里，則相鄰兩臂的電阻都增加相同的阻值。上一頁(yè)下一頁(yè)返回2. 4 熱電阻工業(yè)熱電阻有時(shí)用不平衡電橋指示溫度，例如動(dòng)圈儀表是不平衡電橋原理指示溫度的。這種情況下，三線制接法并不能完全消除連接導(dǎo)線電阻:對(duì)測(cè)溫的影響，但會(huì)減少它的影響。2.四線制所謂四線制就是在熱電阻兩端各用兩根導(dǎo)線連到儀表上。一般是用直流電位差計(jì)作為指示或記錄儀表，其接線方式如圖2 - 20所示。由恒流源供給已知電流I流過熱電阻Rt，用電位差計(jì)測(cè)出在其上產(chǎn)生壓降U，再利用歐姆定律得:

53、上一頁(yè)下一頁(yè)返回2. 4 熱電阻此處為熱電阻供給電流和測(cè)量其上電壓分別使用了四根導(dǎo)線，盡管導(dǎo)線有電阻:，但電流在導(dǎo)線上形成的壓降:“I不在測(cè)量范圍之內(nèi)。導(dǎo)線上雖有電阻但無電流，因?yàn)殡娢徊钣?jì)測(cè)量時(shí)不取電流，所以四根導(dǎo)線的電阻:對(duì)測(cè)量均無影響。與電位差計(jì)配合的四線制測(cè)量熱電阻是比較完善的方法，它不受任何條件的約束，總能消除連接導(dǎo)線電阻對(duì)測(cè)量的影響。在此恒流源是關(guān)鍵，必須保證電流I的穩(wěn)定不變，而且其值的精確度應(yīng)該和Rt的測(cè)量精度相適應(yīng)。2. 4. 3熱敏電阻熱敏電阻是一種用半導(dǎo)體材料制成的敏感元件，其電阻值隨溫度的變化而顯著變化，因此，熱敏電阻能直接將溫度的變化轉(zhuǎn)換為電量的變化輸出。上一頁(yè)下一頁(yè)返回

54、2. 4 熱電阻熱敏電阻的主要特點(diǎn)是:(1)電阻溫度系數(shù)大，靈敏度高。通常溫度變化1，阻值變化1%一6%，電阻溫度系數(shù)絕對(duì)值比一般金屬電阻大10 100倍。(2)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小。珠形熱敏電阻探頭的最小尺寸為0. 2 mm，能測(cè)量熱電偶和其他溫度傳感器無法測(cè)量的空隙、腔體、內(nèi)孔等處的點(diǎn)溫度。如人體血管內(nèi)溫度等。(3)電阻率高，熱慣性小，適宜動(dòng)態(tài)測(cè)量。(4)使用方便。熱敏電阻阻值范圍在10105范圍內(nèi)可任意挑選，不必考慮線路引線電阻和接線方式，容易實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離測(cè)量，功耗小。(5)阻值與溫度變化呈非線性關(guān)系。(6)穩(wěn)定性和互換性較差。上一頁(yè)下一頁(yè)返回2. 4 熱電阻一、熱敏電阻的工作原理金屬導(dǎo)電是靠

55、自由電子在電場(chǎng)力作用下做定向運(yùn)動(dòng)，當(dāng)溫度升高時(shí)，自由電子的數(shù)目不增加，只有自由電子雜亂無章的動(dòng)能增加了。因此，在一定電場(chǎng)力作用下，使自由電子做定向運(yùn)動(dòng)時(shí)就會(huì)遇到更大的阻力，即電阻值增加了。而半導(dǎo)體參加導(dǎo)電的是載流子(為自由電子和空穴兩種異性電荷)，由于半導(dǎo)體中的載流子數(shù)目要比原子的數(shù)目少幾千倍到幾萬倍，相鄰自由電子之間的距離是原子之間距離的幾十倍到幾百倍，所以在一般情況下它的電阻值很大。當(dāng)溫度升高時(shí)，半導(dǎo)體中更多的價(jià)電子獲得熱能而激發(fā)，掙脫核束縛成為載流子，因而參加導(dǎo)電的載流子數(shù)目增加了，所以，半導(dǎo)體的電阻值隨溫度升高而急劇減小，且按指數(shù)規(guī)律下降，呈非線性。熱敏電阻的溫度特性如圖2 -21所示

56、。上一頁(yè)下一頁(yè)返回2. 4 熱電阻二、熱敏電阻的結(jié)構(gòu)形式和基本類型熱敏電阻是由一些金屬氧化物，如鉆、鎳、錳等的氧化物，采用不同的比例配方，經(jīng)高溫?zé)Y(jié)而成，然后采用不同的封裝形式制成珠狀、片狀、桿狀、墊圈狀等各種形狀，其結(jié)構(gòu)形式如圖2 - 22所示。它主要由熱敏探頭、引線和殼體3部分組成。根據(jù)電阻率隨溫度變化的典型特性不同，熱敏電阻基本分為三種類型:負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻(NTC)、正溫度系數(shù)熱敏電阻(pTC)和臨界溫度熱敏電阻(CTR)，它們的特性曲線如圖2一23所示。1.負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻( NTC )電阻率隨著溫度升高而均勻減小的電阻，稱負(fù)溫度系數(shù)(NTC)熱敏電阻。NTC熱敏電阻一般采用負(fù)電

57、阻溫度系數(shù)很大的固體多晶半導(dǎo)體氧化物的混合物制成。上一頁(yè)下一頁(yè)返回2. 4 熱電阻 2.正溫度系數(shù)熱敏電阻(PTC)電阻率隨溫度升高而減小，但過某一溫度后急劇增加的電阻稱為正溫度系數(shù)(PTC)熱敏電阻。它的基本材料是強(qiáng)電介質(zhì)材料欽酸鋇(BaTi03 )，在摻雜后具有導(dǎo)電性。其居里點(diǎn)為120 0C，通常摻鉛或銘部分取代鋇離子后，可以在一個(gè)很寬的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)居里點(diǎn)。這類電阻材料是陶瓷材料，在室溫下是半導(dǎo)體，所以又稱為半導(dǎo)體陶瓷。3.臨界溫度熱敏電阻(CTR)當(dāng)溫度接近某一數(shù)值(約68 0C)時(shí)，電阻率下降產(chǎn)生突變的電阻，稱為臨界溫度熱敏電阻(CTR)。突變數(shù)量級(jí)為2一4。CTR熱敏電阻是以三氧化二釩

58、與鋇、硅等氧化物，在磷、硅氧化物的弱還原氣體中混合燒制而成，呈玻璃狀。通常，CTR熱敏電阻用樹脂包封成珠狀或厚膜形使用，其阻值在1 k一10 M。它隨溫度變化的特性，不能像NTC熱敏電阻那樣用于寬范圍內(nèi)的溫度控制，只能在特定溫區(qū)內(nèi)實(shí)現(xiàn)溫度控制。上一頁(yè)下一頁(yè)返回2. 4 熱電阻 三、熱敏電阻的主要參數(shù)與特性1.熱敏電阻的主要參數(shù)(1)標(biāo)稱電阻值R ()。指環(huán)境溫度為25時(shí)的電阻值，亦稱次序電阻。其大小取決于材料和幾何尺寸。(2)電阻溫度系數(shù)a(%/)。通常指在25時(shí)的溫度系數(shù)。表示溫度變化1(或K)時(shí)的阻值變化率。一般熱敏電阻其值在一3%-7%。(3)時(shí)間常數(shù)6)。它是描述熱敏電阻慣性的參數(shù)，描

59、述熱敏電阻吸熱和冷卻的速度。 (4)額定功率Pe(w)。指在標(biāo)準(zhǔn)壓力(750 mmHg )和規(guī)定的最高環(huán)境溫度下，熱敏電阻長(zhǎng)期連續(xù)使用所允許的耗散功率。在實(shí)際使用時(shí)，熱敏電阻所消耗的功率不得超過其額定功率。上一頁(yè)下一頁(yè)返回2. 4 熱電阻(5)耗散系數(shù)H (mW )。熱敏電阻的溫度與周圍介質(zhì)溫度相差1時(shí)，熱敏電阻能耗散的功率。(6)能量靈敏度G (m/%RO)。為使熱敏電阻的阻值改變1%所需要的耗散功率。(7)測(cè)量功率PC(W)。在規(guī)定的環(huán)境溫度下，電阻體受到測(cè)量電流的加熱而引起電阻值變化不超過o. l%時(shí)所消耗的功率。2.熱敏電阻的電阻一溫度特性(R一T)熱敏電阻的阻值與溫度之間的關(guān)系，稱為

60、熱敏電阻的熱電特性。它是熱敏電阻測(cè)量溫度的基礎(chǔ)。根據(jù)阻值與溫度之間的關(guān)系不同，分為以下兩種。上一頁(yè)下一頁(yè)返回2. 4 熱電阻(1)負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻。對(duì)于負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻，在溫度不太寬的范圍內(nèi)，可由下式確定:(2)正溫度系數(shù)熱敏電阻。對(duì)于正溫度系數(shù)熱敏電阻，在溫度不太寬的范圍內(nèi)，可由下式確定:上一頁(yè)下一頁(yè)返回2. 4 熱電阻3.熱敏電阻的伏安特性在穩(wěn)定狀態(tài)下，通過熱敏電阻的電流I與其兩端電壓降U:的關(guān)系，稱為熱敏電阻的伏安特性。熱敏電阻的伏安特性是指在某一確定的溫度(一般為25)下，靜止空氣中熱敏電阻的端電壓(直流或交流50 Hz)與外加穩(wěn)態(tài)電流之間的關(guān)系。根據(jù)溫度系數(shù)不同分以下兩種。1)負(fù)