自動檢測的基礎(chǔ)知識+整套課件完整版電子教案最全PPT整本書課件全套教學教程

1、第一章 自動檢測的基礎(chǔ)知識 1.1 檢測的基本概念1.2 傳感器的組成、分類及基本特性1.3 常用彈性敏感元件1.1檢測的基本概念檢測概念：檢測是利用各種物理、化學效應(yīng)，選擇合適的方法與裝置，將生產(chǎn)、科研、生活等各個方面的有關(guān)信息通過檢查 與測量的方法賦子定性分析或定量計算的過程。能夠自動地完成整個檢測處理過程的技術(shù)稱為自動檢測與轉(zhuǎn)換技術(shù)。檢測的意義：檢測技術(shù)是現(xiàn)代化領(lǐng)域中很有發(fā)展前景的技術(shù)，它在國民經(jīng)濟中起著極其重要的作用，是產(chǎn)品檢驗和質(zhì)量控制的重要手段。下一頁返回1.1檢測的基本概念1. 測量及測量方法 測量是借助于專門的技術(shù)與設(shè)備，采用一定的方法，取得某一客觀事物定量數(shù)據(jù)資料的認識過程。

2、 測量方法，從不同的角度出發(fā)有不同的分類方法。 1）靜態(tài)測量和動態(tài)測量 2）直接測量與間接測量 3）模擬式測量和數(shù)字式測量 4）接觸式測量和非接觸式測量 5）在線測量和離線測量 上一頁下一頁返回1.1檢測的基本概念2. 測量誤差 在檢測過程中，被測對象、檢測系統(tǒng)、檢測方法和檢測人員都會受到各種因索的影響。而且，對被測量的轉(zhuǎn)換有時也會改變被測對象原有的狀態(tài)信息，這就造成了檢測結(jié)果（測量值）與真值之間存在一定的差值，這個差值就稱為測量誤差。 測量誤差的主要來源可以概括為工具誤差、環(huán)境誤差、方法誤差和人員誤差等。 所謂真值，是指在一定條件下被測量客觀存在的實際值。 真值有理論真值、約定真值、相對真值

3、之分。 上一頁下一頁返回1.1檢測的基本概念3. 測量誤差的分類 為了便于對誤差進行分析與處理，人們通常對測量誤差從不同的角度進行分類。 按照誤差的表示方法，可分為絕對誤差和相對誤差； 按照誤差出現(xiàn)的規(guī)律，可分為系統(tǒng)誤差、隨機誤差和粗大誤差； 按照被測量與時間的關(guān)系，可分為靜態(tài)誤差和動態(tài)誤差等。上一頁下一頁返回1.1檢測的基本概念3. 測量誤差的分類 1）絕對誤差與相對誤差 絕對誤差是指測量值A(chǔ)x與真值A(chǔ)0，之間的差值。公式為： 絕對誤差是有符號和單位的量，其單位與被測量相同。絕對誤差越小，說明測量值越接近真值，即測量精度越高。 這一結(jié)論只適用于被測量值相同的情況，而不能說明不同值的測量情況。

4、 相對誤差可以準確反映出測量值偏離真值的程度。 相對誤差用百分數(shù)來表示，一般多取正值。 上一頁下一頁返回1.1檢測的基本概念 相對誤差可分為實際相對誤差、示值相對誤差和滿度相對誤差等。 實際相對誤差 示值相對誤差 滿度相對誤差: 對于測量下限為零的儀表 對于測量下限不為零的儀表上一頁下一頁返回1.1檢測的基本概念2)系統(tǒng)誤差、隨機誤差和粗大誤差 系統(tǒng)誤差 在相同的條件下，多次測量同一量時，誤差的大小和符號保持不變或按照一定的規(guī)律變化，這種誤差稱為系統(tǒng)誤差。系統(tǒng)誤差又稱裝置誤差，它反映了測量值偏離真值的程度。 系統(tǒng)誤差是有規(guī)律性的，一般可以通過實驗的方法或引人修正值的方法計算修正，也可以重新調(diào)整

5、測量儀表的有關(guān)部件子以消除。上一頁下一頁返回1.1檢測的基本概念隨機誤差 在相同的條件下，多次測量同一量時，誤差的大小和符號以不可預(yù)見的方式變化，這種誤差稱為隨機誤差。 隨機誤差的大小表明測量結(jié)果重復(fù)一致的程度，即測量結(jié)果的分散性。 隨機誤差是測量過程中許多獨眾的、微小的、偶然的因素引起的綜合結(jié)果，是不可避免的，既不能用實驗的方法消除，也不能修正。 上一頁下一頁返回1.1檢測的基本概念粗大誤差 明顯偏離真值的誤差稱為粗大誤差，也叫過失誤差。 粗大誤差主要是由于測量人員的粗心大意及測量儀器受到突然強大干擾所引起的。如測錯、讀錯、記錯、外界干擾等造成的誤差。就數(shù)值大小而言，粗大誤差明顯超過正常條件

6、下的誤差。 一般發(fā)現(xiàn)粗大誤差，都子以剔除。 上一頁下一頁返回1.1檢測的基本概念3）靜態(tài)誤差和動態(tài)誤差 當被測量不隨時間變化或變化很緩慢時，所產(chǎn)生的誤差稱為靜態(tài)誤差。 當被測量隨時間迅速變化時，輸出量在時間不不能與被測量的變化精確吻合，這種誤差稱為動態(tài)誤差。 動態(tài)誤差是在動態(tài)測量時產(chǎn)生的，動態(tài)測量的優(yōu)點是檢測效率高和環(huán)境影響小。 上一頁下一頁返回1.1檢測的基本概念1.1.2 自動檢測系統(tǒng)的組成 在自動檢測系統(tǒng)中，各組成部分通常以信息流來劃分，主要包括信息的獲取、轉(zhuǎn)換、顯示和處理。 一個完整的自動檢測系統(tǒng)，主要由傳感器、信號處理電路、數(shù)據(jù)處理裝置、記錄顯示裝置、執(zhí)行機構(gòu)等五部分構(gòu)成，其組成框圖

7、如圖1-1 所示。上一頁下一頁返回1.1檢測的基本概念1）傳感器 傳感器的作用是把被測的物理量轉(zhuǎn)變?yōu)殡妳⒘?，是獲取信息的手段，是自動檢測系統(tǒng)的首要環(huán)節(jié)，在自動檢測系統(tǒng)中占有重要的位置。2）信號處理電路 信號處理電路的作用把傳感器輸出的電參量轉(zhuǎn)變成具有一定馭動和傳輸功能的電壓、電流和頻率信號，以推動后續(xù)的記錄顯示裝置、數(shù)據(jù)處理裝置及執(zhí)行機構(gòu)。 3）記錄顯示裝置 記錄顯示裝置是把信號處理電路轉(zhuǎn)換來的電信號進行記錄、顯示，便于人機對話。 上一頁下一頁返回1.1檢測的基本概念4）數(shù)據(jù)處理裝置 數(shù)據(jù)處理裝置的作用是把信號處理電路轉(zhuǎn)換來的數(shù)據(jù)進行處理、運算、邏輯判斷、線性變換等，對動態(tài)測試的結(jié)果進行分析。

8、5）執(zhí)行機構(gòu) 執(zhí)行機構(gòu)通常是指各種繼電器、電磁鐵、電磁閥、伺服電動機等，它們在電路中起通斷、控制、保護、調(diào)節(jié)等作用。上一頁下一頁返回1.1檢測的基本概念1.1.3 自動檢測技術(shù)的發(fā)展趨勢 利學技術(shù)特別是微電子技術(shù)和微型計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展與普及，為傳感器與檢測技術(shù)的發(fā)展創(chuàng)造了條件。目前，在研究最大限度地提高現(xiàn)有檢測系統(tǒng)的精確度、靈敏度、性價比、可靠性，擴大檢測范圍的同時，還應(yīng)尋求傳感檢測技術(shù)發(fā)展的新途徑，主要表現(xiàn)在以下兩個方面。 一、不斷研究、開發(fā)新型傳感器 1）利用新材料研制新型傳感器 2）采用新原理研制新型傳感器 3）利用新的加工工藝研制新型傳感器上一頁下一頁返回1.1檢測的基本概念二、檢

9、測技術(shù)的集成化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化 1）隨著半導體集成電路技術(shù)的發(fā)展，電子元件的高度集成化大量向檢測技術(shù)領(lǐng)域滲透。 2）隨著20 世紀70 年代微處理器的出現(xiàn)，人們迅速將計算機技術(shù)應(yīng)用到檢測技術(shù)中，出現(xiàn)了帶有微處理器的各種智能化儀表。 3）隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)可以將十分復(fù)雜的信號處理和控制電路集成到單塊芯片中去。 總之，檢測技術(shù)的發(fā)展適應(yīng)廠國民經(jīng)濟發(fā)展的迫切裔要，是一門充滿希望和活力的新興技術(shù)，已經(jīng)取得廠十分矚目的成就，今后還將有更大的飛躍。上一頁返回1.2 傳感器的組成、分類及基本特性 傳感器是能感受規(guī)定的被測量，并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置。常用傳感器的輸出信號多為

10、易于處理的電信號，如電壓、電流和頻率等。 傳感器是自動檢測系統(tǒng)的重要組成部分，是自動檢測系統(tǒng)獲取信息的重要手段。1.2.1 傳感器的組成 傳感器一般由敏感兀件、傳感元件及測量轉(zhuǎn)換電路三部分構(gòu)成，其組成框圖如圖1-2所示。 下一頁返回 在圖1-2中，敏感元件是傳感器中直接感受被測量的元件，即被測量通過傳感器的敏感兀件轉(zhuǎn)換成與被測量有確定關(guān)系、易于轉(zhuǎn)換的非電量； 傳感元件是將敏感元件輸出的非電量轉(zhuǎn)換成電參量； 測量轉(zhuǎn)換電路的作用是將傳感元件輸出的電參量轉(zhuǎn)換成易于處理的電量（電壓、電流或頻率）。 應(yīng)當指出，不是所有的傳感器都有敏感兀件、傳感兀件之分，有些傳感器是將兩者合二為一的，如圖1-3所示。1.

11、2 傳感器的組成、分類及基本特性 下一頁返回上一頁1.2.2傳感器的分類 1）按被測量分類 可分為位移、力、力矩、轉(zhuǎn)速、震動、加速度、溫度、壓力、流速、流量等傳感器。2）按測量原理分類 可分為電阻、電容、電感、熱電偶、壓電、超聲波、紅外線、激光、光柵、磁柵等傳感器。3）按傳感器轉(zhuǎn)換能量供給方式分類 可分為能量變換型（發(fā)電型）傳感器和能量控制型（參量型）傳感器。4）按傳感器工作機理分類 可分為結(jié)構(gòu)型傳感器和物性型傳感器 5）按輸出量的種類分類 可分為模擬式傳感器和數(shù)字式傳感器 1.2 傳感器的組成、分類及基本特性 上一頁下一頁返回傳感器的基本特性 傳感器的基木特性是衡量傳感器工作狀態(tài)好壞的標準，

12、主要是指輸出與輸入之間的關(guān)系，分靜態(tài)特性和動態(tài)特性。靜態(tài)特性 靜態(tài)特性是指當輸入量為常量或變化極慢時，即被測量各個值處于穩(wěn)定狀態(tài)時的輸出與輸入之間的關(guān)系。 1）線性度 傳感器的線性度表示的是傳感器輸出與輸入之間關(guān)系的線性程度。如圖1-4所示 為非線性最大偏差， 為輸出范圍。 上一頁下一頁返回1.2 傳感器的組成、分類及基本特性 2）靈敏度 傳感器的靈敏度是指傳感儀器在穩(wěn)態(tài)下的輸出變化量與引起此變化的輸出變化量的比值。公式為： 對于線性傳感器，它的靈敏度是常數(shù)，其靈敏度就是特性曲線的斜率； 對于非線性傳感器，其靈敏度為一變量。 靈敏度特性曲線如圖1-5所示。上一頁下一頁返回1.2 傳感器的組成、

13、分類及基本特性 3）遲滯 傳感器的遲滯是指傳感器的正向（輸入量增加）特性曲線與反向（輸入量減少）特性特曲線的不一致性。也就是說，劉于同樣大小的輸入量，在正、反特性中，往往對應(yīng)兩個大小不同的輸出量，如圖1-6 所示。 產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因是由于傳感器敏感元件材料的物理性質(zhì)和機械零部件的缺陷造成的。 輸出最大差值與滿量程輸出之比的百分數(shù)就是傳感器遲滯的大小。公式為：上一頁下一頁返回1.2 傳感器的組成、分類及基本特性 4）重復(fù)性 重復(fù)性是指傳感器在輸入量按同一方向作全量程連續(xù)多次變化時特性曲線的不一致的程度。其特性曲線如圖1-7 所示。 重復(fù)性誤差屬于隨機誤差，通常取正、反行程中的最大重復(fù)性偏差

14、與滿量程輸出的百分比。用公式表示為：5)穩(wěn)定性 穩(wěn)定性包括穩(wěn)定度和環(huán)境影響量兩個方面 穩(wěn)定度是指傳感器在所有條件都不變的條件下，能在規(guī)定時間內(nèi)維持其示值不變的能力。 環(huán)境影響量是指由于外界環(huán)境變化而引起的示值變化量。 上一頁下一頁返回1.2 傳感器的組成、分類及基本特性 6）分辨率與分辨力 辨率與分辨力都是用來表示傳感器能夠檢測到的最小量值的性能指標。 分辨率是以最大量程的百分數(shù)來表示的，是一個比率量； 而分辨力是以最小量程的單位來表示的，是一個有量綱的量。動態(tài)特性 動態(tài)特性是指輸入量隨時間變化的響應(yīng)特性。 在實際工作中，傳感器的動態(tài)特性通常可用實驗的方法求得。上一頁返回1.2 傳感器的組成、

15、分類及基本特性 1.3 常用彈性敏感元件 彈性敏感元件在非電量測試技術(shù)中占有極為重要的地位。其輸入量可以是力、壓力、力矩、溫度等物理量，而輸出則為彈性元件本身的彈性形變。彈性敏感元件是影響傳感器的基木特性的重要部件，彈性敏感元件能把某些形式的非電量轉(zhuǎn)換為電參量，然后由各種傳感元件傳遞給測量與轉(zhuǎn)換電路，經(jīng)測量與轉(zhuǎn)換電路把電參量轉(zhuǎn)換為電量。1.3.1 彈性敏感元件的定義及基本要求 物體在外力作用下而改變形狀或尺寸稱為形變，如果在外力撤除后能完全恢復(fù)其原有的形狀或尺寸，那么這種變形稱為彈性形變。具有彈性形變的元件稱為彈性元件。 在傳感器中用于測量的彈性元件稱為彈性敏感元件。下一頁返回1.3 常用彈性

16、敏感元件 根據(jù)彈性元件在傳感器中的應(yīng)用，對其提出了一些基本要求。具體如下： 1）具有良好的機械加工特性（如強度大、抗沖擊強、韌性好等）和良好的熱處理性能。 2）具有良好的彈性特性（如彈性大、彈性滯后小等）。 3）彈性模量的溫度系數(shù)小且穩(wěn)定。 4）線性膨脹系數(shù)小且穩(wěn)定。 5）抗氧化性和抗腐蝕性等化學性能好。 彈性敏感元件的材料種類很多。一般使用合金鋼，有時也用碳鋼和銅合金等，上一頁下一頁返回1.3 常用彈性敏感元件1.3.2 彈性敏感元件的形式及應(yīng)用 彈性敏感元件在形式可分成兩大類：變換力的彈性敏感元件和變換壓力的彈性敏感元件。1）變換力的彈性敏感元件 變換力的彈性敏感元件通常有等截面軸、環(huán)狀彈

17、性敏感元件、懸臂梁和扭轉(zhuǎn)軸等。等截面軸。等截面軸又稱柱式彈性敏感元件可以是實心柱體或空心柱體，如圖1-8 所示。 實心等截面軸在力的作用下的位移很小，因此常用它的應(yīng)變作輸出量。主要優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、加工方便、測量范圍寬、可以承受的載荷大，缺點是靈敏度小。上一頁下一頁返回1.3 常用彈性敏感元件環(huán)狀彈性敏感元件。環(huán)狀彈性敏感元件多做成等截面圓環(huán)，如圖1-9 所示。 等截面圓環(huán)，如圖1-9（a）、（b），有較高的靈敏度，多用于測量較小的力。其缺點是加工困難，環(huán)的各個部位的應(yīng)變及應(yīng)力不等。 如圖1-9（c）、（d）、（e）所示為變截面圓環(huán)，等截面圓環(huán)不同之處是增加了中間過載保護縫隙，其特點是線性好，加

18、工方便，抗過載能力強，目前應(yīng)用較多。上一頁下一頁返回1.3 常用彈性敏感元件 懸臂梁。懸臂梁是一端固定，另一端自由的彈性敏感兀件。按截面形狀可分為等截面矩形懸臂梁和變截面等強度懸臂梁，如圖1-10 所示。 懸臂梁的特點是結(jié)構(gòu)簡單，易于加工，輸出位移大，靈敏度高，常用于較小力的測量。扭轉(zhuǎn)軸。 如圖1-11 所示為扭轉(zhuǎn)軸式彈性敏感元件，當自由端受到轉(zhuǎn)矩T 的作用時，扭轉(zhuǎn)軸的表面會產(chǎn)生拉伸或壓縮應(yīng)變，沿且B方向的應(yīng)變?yōu)檎厍褻方向的應(yīng)變?yōu)樨?，兩方向上的?yīng)變大小相等，方向相反。上一頁下一頁返回1.3 常用彈性敏感元件2）變換壓力的彈性敏感元件 變換壓力的彈性敏感元件通常有彈簧管、波紋管、等截面薄板、

19、波紋膜片、波紋膜盒、薄壁圓簡和薄壁半球等。彈簧管。彈簧管又稱波登管，它是一根彎成各種形狀的空心管子，大多數(shù)彎成C 形薄壁空心管，它一端固定，一端自山，如圖1-12 所示。波紋管。波紋管是一種從表面上看有許多同心環(huán)狀波形皺紋組成的薄壁圓管，它一端與被測壓力相通，另一端封閉，如圖1-13 所示。 紋管在壓力作用下將產(chǎn)生伸長或縮短，所以利用波紋管可以把壓力變換成位移，其靈敏度比彈簧管高得多。上一頁下一頁返回1.3 常用彈性敏感元件等截面薄板。等截面板又稱平膜片，是一種周邊固定的圓形薄膜，能將輸入的壓力或壓差信號轉(zhuǎn)換為位移信號。當膜片的兩側(cè)面受到不同的力或壓力時，膜片的中心將向壓力小的一側(cè)產(chǎn)生一定的位

20、移，如圖1-14 所示。波紋膜片和膜盒。如圖1-15 所示，由于膜盒本身是一個封閉的整體，所以密封性好，周邊不需固定，給安裝帶來極大方便，因此應(yīng)用比波紋膜片廣泛得多。薄壁圓筒。薄壁圓筒的應(yīng)用不是很廣泛，原因是這種彈性敏感兀件的靈敏度較低，其形狀如圖1-16 所示。堅固性較好，適用于特殊結(jié)構(gòu)要求的場合。上一頁返回圖1-1自動檢測系統(tǒng)的組成框圖返回圖1-2傳感器的組成框圖返回圖1-3電位器式壓力傳感器返回1-彈簧管；2-電位器；3-電刷；4-傳動機構(gòu)圖1-4傳感器的線性度示意圖返回1-擬合直線;2-實際輸出特性曲線圖1-5傳感器的靈敏度返回(a)線性傳感器；(b)非線性傳感器圖1-6傳感器的遲滯示

21、意圖返回圖1-7傳感器重復(fù)性示意圖返回圖1-8等截面軸返回(a)實心軸；(b)空心軸圖1-9環(huán)狀彈性敏感元件返回(a)、(b)等截面圓環(huán)；(c)、(d)、(e)變換圓環(huán)圖1-10 懸臂梁返回(a)等截面懸臂梁；(b)等強度懸臂梁圖1-11 扭轉(zhuǎn)軸返回圖1-12 彈簧管返回圖1-13 波紋管返回圖1-14 等截面管返回圖1-15 膜盒返回圖1-16 薄壁圓筒返回第二章 參量型傳感器 2.1 電阻應(yīng)變式傳感器2.2 電感式傳感器2.3 電容式傳感器第二章 參量型傳感器參量型傳感器的工作原理是將被測的物理量轉(zhuǎn)化為電參量的一類傳感器。其在感受外界被測量后，直接輸出的不是電量，而是電參量，如電阻、電感、

22、電容等。因此參量型傳感器卞要有電阻式傳感器、電容式傳感器和電感式傳感器等。由于這類傳感器只能輸出隨被測量變化的參量信號，因此在使用時，必須將其接入電橋或諧振電路等線路中，以便將這些參量信號變成電信號。本章主要介紹幾種常用的參量型傳感器。上一頁返回2.1 電阻應(yīng)變式傳感器電阻傳感器的基本原理是將各種被測非電量轉(zhuǎn)換成電阻的變化量，然后通過對電阻變化量的測量，達到測量非電量的目的。本節(jié)主要介紹電阻應(yīng)變式傳感器的工作原理、測量電路及具體的應(yīng)用。2.1.1 電阻應(yīng)變片的工作原理電阻應(yīng)變片是一種能夠?qū)⒈粶y試件上的應(yīng)變量轉(zhuǎn)換成電阻變化量的敏感元件，是電阻應(yīng)變式傳感器的重要組成部分。 在外力的作用下，導體或半

23、導體材料會發(fā)生機械形變，其電阻值也要發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為應(yīng)變效應(yīng)。下面以金屬電阻絲材料為例來分析應(yīng)變效應(yīng)。下一頁返回2.1 電阻應(yīng)變式傳感器金屬絲的電阻值可以表示為： 兩邊求導可以知道，電阻絲應(yīng)變片的電阻相對變化量與材料力學中的軸向應(yīng)變的關(guān)系在很大范圍內(nèi)是線性的，即：上一頁下一頁返回2.1 電阻應(yīng)變式傳感器2.1.2 電阻應(yīng)變片的類型與結(jié)構(gòu) 電阻應(yīng)變片主要有金屬電阻應(yīng)變片和半導體應(yīng)變片兩大類。金屬電阻應(yīng)變片 金屬電阻應(yīng)變片常見的有金屬絲式、金屬箔式和金屬薄膜式三種。1)金屬絲式。金屬絲式應(yīng)變片主要山電阻絲、基底、覆蓋層和引出線組成，如圖2-1所示。2)金屬箔式。金屬箔式應(yīng)變片的敏感柵是用金屬

24、箔制成的。箔式應(yīng)變片具有表面積與截面積之比大、散熱條件好、允許通過電流較大、靈敏度高的特點。 3)金屬薄膜式。上一頁下一頁返回2.1 電阻應(yīng)變式傳感器半導體應(yīng)變片。 半導體應(yīng)變片是利用半導體材料作為敏感柵制成的。 半導體應(yīng)變片是直接用單，單晶鍺或單晶硅等半導體材料制成的，主要優(yōu)點是靈敏度高，橫向效應(yīng)小。它的缺點是敏感系數(shù)受溫度的影響較大，電阻與應(yīng)變片非線性嚴重。電阻應(yīng)變片的粘貼 1）試件的表面處理 2）粘貼 3）固化處理 4）粘貼質(zhì)量檢查 5）引線的焊接及防護上一頁下一頁返回2.1 電阻應(yīng)變式傳感器2.1.3 電阻應(yīng)變式傳感器的測量轉(zhuǎn)換電路應(yīng)變片測量應(yīng)變是通過敏感柵的電阻相對變化而得到的。通常

25、金屬電阻應(yīng)變片靈敏度系數(shù)k0很小，機械應(yīng)變一般在10*10-6到3000*10-6之間，可見電阻相對變化是很小的。電阻變化用一般測量電阻的儀表很難直接測出來，必須用專門的電路來測量這種微弱的電阻變化。最常用的電路為電橋電路，如圖2-2 所示。常用的電橋電路有單臂電橋、雙臂電橋和全橋三種。上一頁下一頁返回2.1 電阻應(yīng)變式傳感器單臂電橋 只有一個橋臂電阻是應(yīng)變片，其余三個橋臂均為固定電阻。若R1產(chǎn)生一個增量 ，則： 當 ，電橋稱為等臂電橋。 若滿足 ，則 可以看出，當橋臂應(yīng)變片的電阻發(fā)生變化時，電橋的輸出電壓也隨著變化。上一頁下一頁返回2.1 電阻應(yīng)變式傳感器雙臂電橋為了減少和克服非線性誤差，常

26、采用差動電橋。在試件上安裝兩個應(yīng)變片，如R1受拉， R2受壓，然后接入電橋相鄰臂，組成雙臂電橋。若滿足 ， 則這時輸出電壓UO與 成線性關(guān)系，電橋靈敏度比單臂時提高一倍。由于采用差動對稱結(jié)構(gòu)，雙臂電橋自身具有溫度補償功能。上一頁下一頁返回2.1 電阻應(yīng)變式傳感器全橋為了進一步提高電橋靈敏度，更好地進行溫度補償，可采用差動、對稱的四臂電橋，即全橋。所謂差動、對稱，也就是四個橋臂中R1 、R3 承受拉應(yīng)變，R2、R4 承受壓應(yīng)變。若滿足 ，則：由此可知，全橋的靈敏度最高，雙臂電橋的靈敏度次之，單臂電橋的靈敏度最低。上一頁下一頁返回2.1 電阻應(yīng)變式傳感器2.1.4 應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用電阻應(yīng)變式傳感

27、器的應(yīng)用十分廣泛，除測量應(yīng)變外，還可以測量力、壓力、加速度、位移等。下面介紹電阻應(yīng)變式傳感器在實踐中的具體應(yīng)用。電阻應(yīng)變式力傳感器電阻應(yīng)變式力傳感器是測量拉伸力、壓縮力、彎曲和扭矩等負重的傳感器。根據(jù)彈性敏感元件的不同形狀，可制成柱形、環(huán)型和懸臂梁式力傳感器。 圖2-3為柱式電阻應(yīng)變式力傳感器示意圖。 圖2-4為懸掛梁式力傳感器示意圖。上一頁下一頁返回2.1 電阻應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式加速度傳感器應(yīng)變式加速度傳感器實質(zhì)上是一種力的檢測裝置，它通過質(zhì)量塊的慣性將加速度轉(zhuǎn)換為力，然后再作用于彈性元件上，其結(jié)構(gòu)原理如圖2-5 所示。測量時，將該裝置固定在被測物體卜，當被測物體以加速度a運動時，質(zhì)量塊受到

28、一個與加速度方向相反的慣性力作用，即F=-ma，使懸臂梁產(chǎn)生彎曲變形。根據(jù)梁上粘貼的應(yīng)變片的變形便可測出力的大小，在已知m的情況下可以算出被測加速度的大小。上一頁下一頁返回2.1 電阻應(yīng)變式傳感器壓阻式壓力傳感器固態(tài)壓阻式傳感器是利用在半導體材料的基片上，用集成電路的工藝制成擴散電阻，當該電阻受壓時，力作用在硅晶體上并使電阻發(fā)生變化的原理做成的。由于其沒有可動部分，所以也稱它為固態(tài)壓阻傳感器。圖2-6是固態(tài)壓阻式壓力傳感器外形圖。利用固態(tài)壓阻式壓力傳感器還可以測量液位，如圖2-8所示。上一頁返回2.2 電感式傳感器 電感式傳感器種類很多，常見的有自感式、互感式和渦流式三種。本節(jié)主要介紹自感式傳

29、感器和互感式（差動變壓器式）傳感器，它們能對位移以及與位移有關(guān)的工件尺寸、壓力、振動等參數(shù)進行測量，在自動檢測技術(shù)中得到廣泛的應(yīng)用。2.2.1 自感式傳感器1）自感式傳感器的線圈是繞在鐵心上的，在鐵心與銜鐵之間有一個空氣隙，空氣隙厚度為 。傳感器的運動部分與銜鐵相連，運動部分產(chǎn)生位移時空氣隙厚度 產(chǎn)生變化，從而使電感量發(fā)生變化。 如圖2-9所示為自感式傳感器的原理下一頁返回2.2 電感式傳感器由電工學可知，線圈的電感值可由下式計算當鐵心材料和線圈匝數(shù)確定后，電感L與氣隙長度 成反比，與導磁路的有效橫截面S成正比。因此，可以將自感式傳感器分成變間隙式和變截面式兩類。上一頁下一頁返回2.2 電感式

30、傳感器2）螺管式電感傳感器螺管式電感傳感器主要由一只螺管和一根柱形銜鐵組成。傳感器工作時，銜鐵在線圈中伸入長度的變化將引起螺線管電感量的變化。這種傳感器結(jié)構(gòu)簡單，易于制作，但靈敏度稍低，且銜鐵在螺線管中間部分工作時，才有希望獲得較好的線性關(guān)系。螺管式電感傳感器適用于測量稍大一點的位移。3）差動螺管式傳感器差動式自感傳感器是由兩個相同自感式傳感器及一個共用銜鐵組成。當銜鐵偏離中間位置時，兩個線圈的自感量一個增加，一個減小，形成差動形式。 圖2-10 為螺管式差動傳感器的結(jié)構(gòu)，圖2-11為螺管式差動傳感器的輸出特性。上一頁下一頁返回2.2 電感式傳感器4）自感式傳感器測量轉(zhuǎn)換電路變壓器式電橋電路

31、如圖2-12 為變壓器式電橋電路，差動式傳感器中的兩個線圈作為相鄰橋臂，電源變壓器的二次線圈經(jīng)中心抽頭后作為電橋的另兩個橋臂。電橋的輸出電壓為： 通過變壓器電橋電路的轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)了傳感器線圈自感量與輸出電壓信號之間的轉(zhuǎn)換。同時還說明，輸出電壓的相位與鐵芯移動的方向有關(guān)。上一頁下一頁返回2.2 電感式傳感器差動相敏檢波電路以二極管環(huán)形（全波）差動相敏檢波電路為例說明其工作原理。如圖2-14 所示，4 個特性相同的二極管以同一方向串接成一個閉合回路，組成環(huán)形電橋。圖2-15 給出了差動相敏檢波電路的輸人輸出電壓波形，圖中（a ）、（b ）變化規(guī)律完全相同。因此UL的幅值反映廠被測位移量 的大小，uL

32、的極性反映了被測位移量 的方向。上一頁下一頁返回2.2 電感式傳感器2.2.2 差動變壓器式傳感器差動變壓器式傳感器是把被測位移量轉(zhuǎn)換為一次繞組與二次繞組間的互感量的裝置，由于兩個二次繞組采用差動接法，固稱差動變壓器。它能實現(xiàn)被測非電量與線圈互感量之間的轉(zhuǎn)換。差動變壓器式傳感器的結(jié)構(gòu)與工作原理 如圖2-16 所示，螺線管型差動變壓器的線圈由一次線圈和二次線圈組成，并且二次線圈是由兩個結(jié)構(gòu)、參數(shù)完全相同的線圈反極性串聯(lián)而成，即采用差動接法。 差動變壓器的工作原理與普通變壓器的工作原理相似，當一次線圈加上交流勵磁電壓后，由于互感的作用，二次線圈中會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。上一頁下一頁返回2.2 電感式傳感

33、器差動變壓器式傳感器的整流電路差動變壓器輸出的是交流量，大小與銜鐵的位移成正比，其輸出如用交流電壓表來測量時，尤法判別銜鐵移動的方向。為了達到能辨別移動方向并消除零點殘余電壓的目的，常采用差動整流電路或相敏檢波電路，其中以差動整流電路最為常用。 如圖2-17為全波差動整流電路。上一頁下一頁返回2.2 電感式傳感器2.2.3 電感式傳感器的應(yīng)用電感式傳感器主要用于測量位移，凡是能轉(zhuǎn)換成位移變化的參數(shù)，如力、加速度、振動等都可以用電感式傳感器來進行測量。差動位移計。差分變壓器位移計內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2-18所示。圓度測量。圖2-19為測量工件圓度的示意圖。工件固定不動，電感測頭圍繞著工件緩慢旋轉(zhuǎn)。通過杠

34、桿，將工件不圓度引起的位移傳遞給電感測頭中的鐵芯，導致差動變壓器中的鐵芯產(chǎn)生位移，從而差動電感有相應(yīng)的輸出。上一頁返回2.3 電容式傳感器 電容式傳感器是以不同類型的電容器作為傳感元件，并通過電容傳感元件把被測物理量的變化轉(zhuǎn)換成電容量的變化，然后再經(jīng)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為電壓、電流或頻率等信號輸出的測量裝置。電容傳感器的結(jié)構(gòu)簡單，分辨率高，工作可靠，非接觸測量，并能在高溫、輻射、強烈振動等惡劣條件下工作，易于獲得被測量與電容量變化的線性關(guān)系?？捎糜趬毫?、壓差、振動、位移、加速度、液位、料位、成分含量等物理量的測量。下一頁返回2.3 電容式傳感器2.3.1 電容式傳感器的工作原理及結(jié)構(gòu)平板式電容器是由兩

35、塊金屬板，中間夾一層電介質(zhì)構(gòu)成，如圖2-20 所示。如果不考慮其邊緣效應(yīng)，其電容為：電容C是S，d， 三個參量的函數(shù)，這就是電容傳感器的基本工作原理。根據(jù)這個原理，固定三個參量中的任意兩個，電容傳感器可以分為變極距式、變面積式和變介電常數(shù)式三類。上一頁下一頁返回2.3 電容式傳感器變極距式電容傳感器圖2-21是變極距式電容傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖。當可動極板向上移動，圖2-21的電容增量為：在實際應(yīng)用中，為了改善非線性、提高靈敏度、一減少外界因索（如電源電壓、環(huán)境溫度等）的影響，電容傳感器也和電感傳感器一樣常做成差動結(jié)構(gòu)，如圖2-22所示上一頁下一頁返回2.3 電容式傳感器變面積式電容傳感器圖2-2

36、3是變面積式電容傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。如圖所示，將動極板左右偏離一個位移量 ，則電容傳感器兩極板間的相對有效面積將改變，由S變?yōu)?，電容量C也隨之發(fā)生變化，其變化量為：由此可見，電容的變化量與面積的變化量成線性關(guān)系。上一頁下一頁返回2.3 電容式傳感器變介電常數(shù)式電容傳感器由于各種介質(zhì)的相對介電常數(shù)不同，所以在電容傳感器兩極板間插人不同介質(zhì)時，電容傳感器的電容量會發(fā)生變化，根據(jù)這種工作原理制作的電容傳感器稱為變介電常數(shù)式電容傳感器。圖2-24是一種常用的變介電常數(shù)式電容傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。圖中兩平行電極固定不動，極距為 ，相對介電常數(shù)為 的電介質(zhì)插人電容器中，從而改變兩種介質(zhì)的極板覆蓋面積和電容器式

37、傳感器的容量，則插入介質(zhì)后的電容傳感器的總電容量C為：上一頁下一頁返回2.3 電容式傳感器2.3.2 電容式傳感器的測量電路電容式傳感器可以將被測的非電量轉(zhuǎn)換為電容的變化量。但由于電容值非常小，不能直接用現(xiàn)有的顯示儀表來顯示、記錄，更難以傳輸，因此還需要用測量電路把電容量的變化轉(zhuǎn)換成與其成正比的電壓、電流或頻率等電信號，以便進行顯示、記錄或傳輸。電容式傳感器的測量電路很多，常用的有橋式電路、調(diào)頻振蕩電路、運算放大器式電路和脈沖寬度調(diào)制電路等。上一頁下一頁返回2.3 電容式傳感器橋式電路圖2-25所示為橋式測量轉(zhuǎn)換電路。當電橋平衡時，當輸入 改變時， ，電橋失去平衡，電橋有輸出電壓，圖2-25（

38、b）為差動接法的電橋測量電路，輸出電壓為上一頁下一頁返回2.3 電容式傳感器調(diào)頻電路調(diào)頻電路是將電容式傳感器作為振蕩器諧振回路的一部分。當被測量導致電容器式傳感器的電容量發(fā)生變化時，振蕩器的振蕩頻率就會隨之發(fā)生變化調(diào)頻振蕩器的振蕩頻率為：雖然可將頻率作為測量系統(tǒng)的輸出量，用以判斷被測非電量的大小，但此時系統(tǒng)是非線性的，不易校正，因此必須加入鑒頻器，將頻率的變化轉(zhuǎn)換為電壓振幅的變化，經(jīng)過放大可以用儀器進行顯示或記錄。如圖2-26 所示為調(diào)頻式測量電路原理框圖。上一頁下一頁返回2.3 電容式傳感器當被測信號為零時，蕩器有一個固有頻率：當被測信號不為零，振蕩器頻率有相應(yīng)變化，此時頻率為：調(diào)頻電容傳感

39、器測量電路具有較高的靈敏度，信號的輸出頻率易于用數(shù)字儀器測量，并可以與微機相連，抗干擾能力強，可以發(fā)送和接收，便于遙測、遙控。上一頁下一頁返回2.3 電容式傳感器運算放大器式電路運算放大器的放大倍數(shù)大，輸人阻抗高，利用運算放大器的這一特點可以將它作為電容式傳感器的測量電路。如圖2-27 所示為運算放大器式測量電路原理圖。由此可知，運算放大器的輸出電壓與極板間距離d 成線性關(guān)系。上一頁下一頁返回2.3 電容式傳感器2.3.3 電容式傳感器的應(yīng)用電容傳感器的用途有許多，可以利用極距變化的原理測量振動、壓力，利用相對面積變化的原理精確地測量角位移和直線位移，利用介電常數(shù)變化的原理測量空氣相對濕度、液

40、位、物位等。電容器式加速度傳感器圖2-28差動式電容加速度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。電容器式加速度傳感器的主要特點是頻率響應(yīng)快和量程范圍大，大多采用空氣或其他氣體作阻尼物質(zhì)。上一頁下一頁返回2.3 電容式傳感器電容式壓力傳感器如圖2-29所示為差動電容器式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中所示，膜片為動電極，兩個在四形玻璃上的金屬鍍層為固定電極，構(gòu)成差動電容器。當被測壓力或壓差作用于膜片并產(chǎn)生位移時，所形成的兩個電容器的電容量，一個增大，一個減小。該電容值的變化經(jīng)測量電路轉(zhuǎn)換成相對應(yīng)的電流或電壓的變化。上一頁下一頁返回2.3 電容式傳感器電容器式油量表如圖2-30所示為用于測量液位高低的電容器式傳感器結(jié)構(gòu)原

41、理圖。變換器電容值為：變換器的電容增量正比于被測液位高度h。所以，可以通過測量電容的變化量來測量液位。如圖2-31所示為電容器式油量表結(jié)構(gòu)示意圖，是電容式傳感器在測量油箱液位中的具體應(yīng)用。上一頁返回圖2-1 電阻絲應(yīng)變片結(jié)構(gòu)示意圖返回1-電阻；2-基底；3-覆蓋層；4-引出線圖2-2 電橋結(jié)構(gòu)返回圖2-3 柱式電阻應(yīng)變式力傳感器結(jié)構(gòu)示意圖返回a)承重等截面圓柱；b)側(cè)面展開圖圖2-4 懸臂梁式力傳感器示意圖返回圖2-5 加速度傳感器返回1-基座；2-應(yīng)變片；3-質(zhì)量塊；4-懸臂梁圖2-6 固態(tài)壓阻傳感器外形返回圖2-8 投人式液位傳感器返回1-支架；2-壓阻式壓力傳感器；3-背床管圖2-9 自

42、感傳感器的原理圖返回圖2-10 螺線管式差動傳感器返回1-測桿；2-銜鐵；3-線圈；4-工件圖2-11 螺線管式差動傳感器輸出特性返回1-L1的特性；2-L2的特性；3-差動特性圖2-12 變壓器電橋電路返回圖2-14 差動相敏檢波電路返回圖2-15 相敏檢波電路波形圖返回（a）位移與時間的關(guān)系曲線；（b）輸出電壓與時間的關(guān)系曲線圖2-16 螺線管式差動變壓器原理圖返回圖2-17 差動整流電路返回圖2-18差分變壓器位移計結(jié)構(gòu)圖返回 1-測頭；2-軸套；3-測桿；4-鐵心；5-線圈架；6-導線；7-屏蔽筒；8-圓片彈簧；9-彈簧；10-防塵罩圖2-19圓度的測量返回a)測量裝置； b）計算機處

43、理結(jié)果1-被測物；2-測端；3-電感測端圖2-20平板式電容器返回圖2-21變極距式電容傳感器返回 a)結(jié)構(gòu)示意圖 b）電容量與極距關(guān)系 1-定極板；2-動極板圖2-22差動平板電容器結(jié)構(gòu)返回圖2-23 變面積式電容傳感器返回圖2-24 變介質(zhì)型電容式傳感器結(jié)構(gòu)示意圖返回圖2-25 電容傳感器的橋式測量電路返回圖2-26 調(diào)頻式測量電路原理框圖返回圖2-27運算放大器式測量電路原理圖返回圖2-28 差動式電容加速度傳感器結(jié)構(gòu)示意返回1-固定電極；2-絕緣墊；3-質(zhì)量塊； 4-彈簧；5-輸出端；6-殼體圖2-29 差動式電容壓力傳感器結(jié)構(gòu)示意圖返回圖2-30 電容式液位變換器結(jié)構(gòu)原理圖返回圖2-

44、31 電容器式油量表結(jié)構(gòu)示意圖返回1-油箱；2-圓柱形電容器；3-伺服電動機；4-減速箱；5-油覺表返回第3章 發(fā)電型傳感器3.1 壓電型傳感器3.2 霍爾式傳感器3.3 熱電偶傳感器3.1 壓電型傳感器壓電型傳感器是一種典型的有源傳感器，又稱自發(fā)電式傳感器或電勢式傳感器。它既能將機械能轉(zhuǎn)換成電能，又能將電能轉(zhuǎn)換成機械能。其工作原理是基于某些晶體受力后在其表面產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)。常見的壓電材料有石英晶體、人工合成的多晶體陶瓷和有機高分子材料。近年來，壓電測試技術(shù)發(fā)展迅速，特別是電子技術(shù)的迅速發(fā)展，使壓電式傳感器的應(yīng)用日益廣泛。下一頁返回3.1 壓電型傳感器3.1.1 壓電型傳感器工作原理壓電效

45、應(yīng) 在某些晶體切片（如石英晶體切片）上，沿一定方向加上外力，晶體切片不僅幾何尺寸會發(fā)生變化，而且晶體內(nèi)部也會發(fā)生極化現(xiàn)象，導致晶體表面積累電荷，形成電場，當外力除去后晶體表面又恢復(fù)到不帶電狀態(tài)，這種現(xiàn)象被稱為壓電效應(yīng)。 如圖3-1所示為壓電效應(yīng)示意圖。 若將壓電材料置于電場之中，其幾何尺寸也會發(fā)生變化，這種由于外電場作用，導致壓電材料產(chǎn)生機械變形的現(xiàn)象，稱為逆壓電效應(yīng)或電致收縮效應(yīng)。上一頁下一頁返回3.1 壓電型傳感器壓電材料 常見的壓電材料有三類：石英，晶體、壓電陶瓷和高分子壓電材料。1）石英晶體。石英晶體亦稱為水晶，它是重要的壓電材料，具有很多獨特的優(yōu)點，是目前高精度壓電式傳感器中常用的壓

46、電材料。由于天然石英晶體產(chǎn)量有限，所以近年來廣泛采用人造石英晶體。 石英晶體外形及切片如圖3-2所示。上一頁下一頁返回3.1 壓電型傳感器2）壓電陶瓷 壓電陶瓷是人工制造的多晶體壓電材料。它山無數(shù)細微的電疇組成，這些電疇實際上是分子自發(fā)極化的小區(qū)域，在無外電場作用時，各個電疇在晶體中雜亂分布，它們的極化效應(yīng)被相互抵消，因此原始的壓電陶瓷呈電中性，不具有壓電性質(zhì)。為了使壓電陶瓷具有壓電效應(yīng)，必須在一定溫度下做極化處理，極化處理之后，陶瓷材料內(nèi)部存在很強的剩余極化強度。當壓電陶瓷受外力作用時，其表面也能產(chǎn)生電荷，所以壓電陶瓷具有壓電效應(yīng)。如圖3-3 所示為壓電陶瓷的極化過程。上一頁下一頁返回3.1

47、 壓電型傳感器3）高分子壓電材料高分子壓電材料是一種新型材料，有聚偏二氟乙烯（PVF 或PVDF ）、聚氟乙烯（PVF ）、聚氯乙烯（PVC ）等。高分子壓電材料的最大特點具有柔軟性，它不易破碎，具有防水性，測量動態(tài)范圍寬，頻響范圍大但其工作溫度一般低于100 ，當溫度升高時，其靈敏度將降低，同時機械強度不高，耐紫外線能力較差，不宜暴曬。上一頁下一頁返回3.1 壓電型傳感器3.1.2 壓電型傳感器測量轉(zhuǎn)換電路壓電元件的等效電路 在壓電晶片產(chǎn)生電荷的兩個平面上裝上金屬電極，就構(gòu)成了一個壓電元件。當壓電晶片受力時，在晶體的一個表面會聚集正電荷，而在另一個表面會聚集等量的負電荷，所以它可以被看做是一

48、個電荷發(fā)生器，同時，它又相當于一個以壓電材料為絕緣介質(zhì)的電容器，其電容值為：上一頁下一頁返回3.1 壓電型傳感器如圖3-4（a）所示，壓電元件可以等效為一個與電容相并聯(lián)的電荷源。如圖3-4（b）所示，壓電元件也可以等效為一個與電容相串聯(lián)的電壓源。壓電元件的端電壓為：壓電元件在交變力的作用下，電荷可以不斷產(chǎn)生，可以供給測量回路以一定的電流，因此，壓電式傳感器適用于動態(tài)測量。上一頁下一頁返回3.1 壓電型傳感器壓電傳感器的測量電路根據(jù)壓電式傳感器的轉(zhuǎn)換原理及其等效電路，它的輸出可以是電壓，也可以是電荷，為此，前置放大器有兩種形式：一種是電壓放大器，其輸出電壓與輸入電壓（即傳感器的輸出電壓）成比例，

49、通常將此種前置放大器稱作阻抗變換器，它對整個測量系統(tǒng)電纜電容的變化非常敏感，尤其是連接電纜長度的變化更為明顯；另一種是電荷放大器，其輸出電壓與輸入電荷成比例，這種放大器對電纜長度變化的影響極為遲鈍，所以對其造成的影響可忽略不計。上一頁下一頁返回3.1 壓電型傳感器電壓放大器如圖3-6所示，（a）為壓電傳感器連接電壓放大器的等效電路，（b）是簡化后的等效電路。 輸入電壓為當 時，輸出電壓為： 可以看出放大器輸入電壓幅度與被測頻率無關(guān)，當改變連接傳感器與前置放大器的電纜長度時，Cc將改變，從而引起放大器的輸出電壓也發(fā)生變化。上一頁下一頁返回3.1 壓電型傳感器電荷放大器如圖3-7是壓電傳感器連接電

50、荷放大器的等效電路。電荷放大器是壓電式傳感器另一種專用的前置放大器，它可以將高內(nèi)阻的電荷源轉(zhuǎn)換為低內(nèi)阻的電壓源輸出，而且輸出電壓正比于輸入電荷。因此，它也同樣起著阻抗變換的作用。使用電荷放大器最大的一個優(yōu)點是傳感器的靈敏度與連接電纜長度無關(guān)。電荷放大器的輸出電壓為：當A1時，輸出電壓為上一頁下一頁返回3.1 壓電型傳感器 由于引入了深度的電容負反饋，使放大器輸出只與穩(wěn)定的Cf有關(guān)，與電纜分布電容等無關(guān)，甚至可以忽略其影響。壓電傳感器的應(yīng)用壓電傳感器主要用于脈動力、沖擊力、振動等動態(tài)參數(shù)的測量。由于壓電材料可以是石英晶體、壓電陶瓷和高分子壓電材料等，它們的特性不盡相同，所以用途也不一樣。石英晶體

51、主要用于精密測量，多用于基準傳感器；壓電陶瓷靈敏度較高，機械強度稍低，多用于測力和振動傳感器；而高分子壓電材料多用于定性測量。下面介紹壓電傳感器的應(yīng)用上一頁下一頁返回3.1 壓電型傳感器壓電元件的連接 如圖3-8所示為壓電元件的連接方式。壓電元件通常是兩片或兩片以卡粘貼在一起，由于壓電片上的電荷是有極性的，因此有串聯(lián)和并聯(lián)兩種連接方法，用的比較多的是并聯(lián)接法，并聯(lián)之后極板上的總電荷量是單塊極板的兩倍。壓電式動態(tài)力傳感器 如圖3-9所示為壓電式單向動態(tài)力傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。 當壓電片受壓后產(chǎn)生電荷（電壓），由兩根輸出線輸出，然后接人電荷放大器或電壓放大器，轉(zhuǎn)換成與作用力大小成正比的電壓。這種動態(tài)力

52、傳感器主要用于變化頻率不太高的動態(tài)力測量。上一頁下一頁返回3.1 壓電型傳感器壓電式振動加速度傳感器 壓電式加速度傳感器是將被測加速度轉(zhuǎn)換成電荷或電壓輸出的裝置，其結(jié)構(gòu)同測力傳感器很相似。玻璃打碎報警裝置 玻璃打碎報警裝置是將高分子壓電薄膜粘貼在玻璃上，當玻璃破碎時，會發(fā)出幾千赫茲或更高頻率的振動，高分子壓電薄膜可以感受這一振動，同時將振動波轉(zhuǎn)換成電壓，然后經(jīng)放大、濾波、比較等處理后提供給報警系統(tǒng)。上一頁返回3.2 霍爾式傳感器 霍爾式傳感器是基于霍爾效應(yīng)的一種傳感器。1879年美國物理學家霍爾首先在金屬材料中發(fā)現(xiàn)了霍爾效應(yīng)，但由于金屬材料的霍爾效應(yīng)太弱而沒有得到應(yīng)用。隨著半導體技術(shù)的發(fā)展，開

53、始用半導體材料制成霍爾元件，由于其霍爾效應(yīng)顯著而得到廣泛的應(yīng)用和迅速的發(fā)展。目前，霍爾傳感器已廣泛用于電磁、壓力、位移、加速度、振動等方面的測量。下一頁返回3.2 霍爾式傳感器3.2.1 霍爾式傳感器的工作原理霍爾效應(yīng) 如圖3-12所示為霍爾效應(yīng)原理圖。將金屬或半導體霍爾元件放置于磁感應(yīng)強度為B的磁場中，若磁場方向垂直于霍爾元件，當有電流I流過時，在垂直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生電動勢認UH，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。產(chǎn)生的電動勢UH為霍爾電動勢。 實驗可知，霍爾電動勢的大小正比于流過霍爾元件的電流I和加在霍爾元件上的磁感應(yīng)強度B 。即 上一頁下一頁返回3.2 霍爾式傳感器 若磁感應(yīng)強度不垂直于霍

54、爾元件，而是與法線成某一角度，則霍爾電動勢為：霍爾元件 霍爾元件的結(jié)構(gòu)很簡單，它由霍爾片、引線和殼體組成。如圖3-13所示。 霍爾片是一塊矩形半導體薄片，一般采用N型的鍺、銻化錮和砷化錮半導體單晶體材料制成。上一頁下一頁返回3.2 霍爾式傳感器霍爾元件的基本電路 霍爾元件的基本電路如圖3-14所示。控制電流由電源E 供給，RP為調(diào)節(jié)電阻，調(diào)節(jié)控制電流的大小。霍爾兀件輸出端接負載電阻Rf， Rf可以是一般電阻，也可以是放大器的輸入電阻或指示器內(nèi)阻。在磁場和控制電流的作用下，負載上就有電壓輸出。 霍爾元件的輸出電壓一般較小，一般裔要用放大電路將其進行放大處理。為了獲得較好的放大效果，通常采用差分放

55、大電路，如圖3-15所示。上一頁下一頁返回3.2 霍爾式傳感器霍爾元件的誤差及補償 由于制造工藝的缺陷及半導體材料本身的特性，霍爾元件在使用中存在各種零位誤差及溫度誤差。不等位電壓及其補償霍爾元件的零位誤差主要包括不等位電壓、寄生直流電壓、感應(yīng)電壓及自激磁場零電壓。其中不等位電壓是最主要的一個零位誤差。 由于控制電極的端面接觸不良，兩個霍爾電極在制造時不可能絕對對稱地焊在霍爾片兩側(cè)，從而造成霍爾片電阻率不均勻。上一頁下一頁返回3.2 霍爾式傳感器兩電極不處在同一等位面上，因此在兩極之間存在著電位差，該電位差稱為不等位電壓。 在分析不等位電壓時，可把霍爾電極等效為一個電橋，如圖3-18所示。 在

56、制造霍爾元件的過程中，可采用機械修磨或用化學腐蝕的方法來使電橋恢復(fù)平衡，減小不等位電壓。 對已制成的霍爾元件，可采用外接補償線路等方法進行補償如圖3-19所示為幾種常用的補償電路。上一頁下一頁返回3.2 霍爾式傳感器溫度誤差及其補償 由于霍爾元件基片的載流子遷移率、電阻率和霍爾常數(shù)等均是溫度的函數(shù)，因此在工作溫度變化時，它的一些特性參數(shù)，如霍爾電勢、輸入電阻和輸出電阻等都要發(fā)生相應(yīng)的變化，從而使霍爾式傳感器產(chǎn)生溫度誤差。 為了減小霍爾元件的溫度誤差，除選用溫度系數(shù)小的元件（如砷化錮）或采用恒溫措施外，采用恒流源供電是個有效的措施，但這還不能完全解決霍爾電壓的穩(wěn)定性問題，還需采用其他補償電路。圖

57、3-20所示是一種較好的溫度補償電路。上一頁下一頁返回3.2 霍爾式傳感器 經(jīng)補償之后的霍爾電動勢受溫度的影響極小，而且對霍爾元件的其他性能沒有影響，只是由于激勵電流被分流了，霍爾電壓的輸出稍有降低，但這可以通過增大恒流源的數(shù)值以達到原來的霍爾電壓的輸出值。3.2.3霍爾集成電路 隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，目前霍爾器件多已集成化?；魻柤呻娐罚ㄓ址Q霍爾IC）有許多優(yōu)點，如靈敏度高、體積小、溫漂小、輸出幅度大、對電源穩(wěn)定性要求低等?；魻柤呻娐房煞譃殚_關(guān)型和線性型兩大類。上一頁下一頁返回3.2 霍爾式傳感器開關(guān)型霍爾集成電路 開關(guān)型霍爾集成電路是利用霍爾元件與集成電路技術(shù)結(jié)合而制成的一種磁敏傳感器模

58、塊，它能感知一切與磁信息有關(guān)的物理量，并以開關(guān)形式輸出。霍爾開關(guān)集成傳感器具有使用壽命長、無觸點磨損、無火花干擾、無轉(zhuǎn)換抖動、工作頻率高、溫度特性好、能適應(yīng)惡劣的環(huán)境等優(yōu)點?；魻栭_關(guān)集成傳感器的工作特性曲線如圖3-23所示.上一頁下一頁返回3.2 霍爾式傳感器工作原理 當有磁場作用在傳感器上時，根據(jù)霍爾效應(yīng)，霍爾元件輸出霍爾電壓，該電壓經(jīng)放大器放大后，送至施密特觸發(fā)整形電路，當放大后的電壓大于施密特觸發(fā)器“開啟”閥值電壓時，施密特整形電路翻轉(zhuǎn)，輸出高電平，使三極管V 導通，這種狀態(tài)我們稱之為“開狀態(tài)”；當磁場減弱時，霍爾元件輸出的電壓很小，經(jīng)放大器放大后其值也小于施密特整形電路的“關(guān)閉”閥值電

59、壓，施密特整形電路再次翻轉(zhuǎn)，輸出低電平，使三極管V 截止，這種狀態(tài)我們稱為“關(guān)狀態(tài)”。這樣，一次磁場強度的變化，就使傳感器完成了一次開關(guān)動作。上一頁下一頁返回3.2 霍爾式傳感器線性型霍爾集成電路 線性型霍爾集成電路的輸出電壓與外加磁場強度呈線性比例關(guān)系。這類傳感器一般由霍爾元件和放大器組成，當外加磁場時，霍爾元件產(chǎn)生與磁場成線性比例變化的霍爾電壓，經(jīng)放大器放大后輸出。在實際電路設(shè)計中，為廠提高傳感器的性能，往往在電路中設(shè)置穩(wěn)壓、電流放大輸出級、失調(diào)調(diào)整和線性度調(diào)整等電路。 圖3-24給出了具有雙端差動輸出特性的線性霍爾器件UGN3501M的內(nèi)部電路框圖。上一頁下一頁返回3.2 霍爾式傳感器

60、當其感受的磁場為零時，第1腳相對于第8 腳的輸出電壓等于零；當感受的磁場為正向時, 輸出為正；磁場為反向時，輸出為負。當它的第5 、6 、7 腳外接一只微調(diào)電位器后，就可以微調(diào)并消除不等位電勢引起的輸出零點漂移。若要實現(xiàn)單端輸出，只要將1 、8 端接到差動減法放大器的正負輸入端上。 線性霍爾集成電路的輸出特性如圖3-25所示。上一頁下一頁返回3.2 霍爾式傳感器3.2.4 霍爾式傳感器的應(yīng)用 霍爾式傳感器的應(yīng)用主要有以下三個方面： （l）當控制電流不變，使傳感器處于非均勻磁場時，傳感器的輸出正比于磁感應(yīng)強度，可反映角度、位置或激勵電流的變化。主要用于磁場測量、微位移測量、三角函數(shù)發(fā)生器、轉(zhuǎn)速表