《傳感器及應(yīng)用》第2章常用傳感器及測(cè)量轉(zhuǎn)換電路

第2章常用傳感器及測(cè)量轉(zhuǎn)換電路2.1電阻應(yīng)變式傳感器2.2熱電阻傳感器2.3熱電偶傳感器2.4電渦流式傳感器2.5電容式傳感器2.6電感式傳感器2.7壓電式傳感器2.8磁電式傳感器2.1電阻應(yīng)變式傳感器2.9光電式傳感器2.10數(shù)字式傳感器2.11霍爾傳感器2.12差分變壓器式傳感器2.13氣敏傳感器

上一頁(yè)返回2.1電阻應(yīng)變式傳感器

(1)這類傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，性能穩(wěn)定、可靠。

(2)易于實(shí)現(xiàn)測(cè)試過(guò)程自動(dòng)化和多點(diǎn)同步測(cè)量、遠(yuǎn)距測(cè)量和遙測(cè)。

(3)靈敏度高，測(cè)量速度快，適合靜態(tài)、動(dòng)態(tài)測(cè)量。

(4)可以測(cè)量各種物理量。因此在航空航天、機(jī)械、化工、交通、建筑、醫(yī)學(xué)、汽車工業(yè)等領(lǐng)域有很廣的應(yīng)用。電阻應(yīng)變式傳感器由彈性敏感元件與電阻應(yīng)變片構(gòu)成。彈性敏感元件在感受被測(cè)量時(shí)將產(chǎn)生變形，其表面產(chǎn)生應(yīng)變。而豁結(jié)在彈性敏感元件表面上的電阻應(yīng)變片將隨著彈性敏感元件產(chǎn)生應(yīng)變，因此，電阻應(yīng)變片的電阻值也產(chǎn)生相應(yīng)的變化。這樣，通過(guò)測(cè)量電阻應(yīng)變片的電阻值變化，就可以確定被測(cè)量的大小了。下一頁(yè)返回2.1電阻應(yīng)變式傳感器短接式應(yīng)變片兩端用直徑比柵線直徑大5~10倍的鍍銀絲短接。優(yōu)點(diǎn)是克服了橫向效應(yīng)，但制造工藝復(fù)雜。常用材料:康銅、鎳鉻鋁合金、鐵鉻鋁合金以及鉑、鉑烏合金等。

2.金屬箔式應(yīng)變片箔式應(yīng)變片是在絕緣基底上，將厚度0.003~0.01mm電阻箔材，利用照相制版或光刻腐蝕的方法，制成適用于各種需要的形狀。3.金屬薄膜應(yīng)變片薄膜應(yīng)變片是薄膜技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物。它是采用真空蒸發(fā)或真空沉積等方法，在薄的絕緣基片上形成厚度在0.1以下的金屬電阻材料薄膜的敏感柵，最后加上保護(hù)層。上一頁(yè)返回下一頁(yè)2.1電阻應(yīng)變式傳感器4.半導(dǎo)體應(yīng)變片半導(dǎo)體應(yīng)變片的工作原理是基于半導(dǎo)體材料的電阻率隨作用應(yīng)力而變化的所謂“壓阻效應(yīng)”。所有材料在某種程度上都呈現(xiàn)壓阻效應(yīng)，但半導(dǎo)體的這種效應(yīng)特別顯著，能直接反映出很微小的應(yīng)變。2.1.4測(cè)量轉(zhuǎn)換電路應(yīng)變式電阻傳感器是借助于彈性元件，將力的變化轉(zhuǎn)化為變形，然后利用導(dǎo)體的應(yīng)變效應(yīng)，將力轉(zhuǎn)變成電阻的變化，最終利用測(cè)量電路得到被測(cè)量(力)的電信號(hào)。應(yīng)變式電阻傳感器主要包括彈性元件、電阻應(yīng)變片及測(cè)量電路。2.1.5溫度補(bǔ)償在實(shí)際應(yīng)用中，除了應(yīng)變能導(dǎo)致應(yīng)變片電阻變化外，圖2-5溫度下一頁(yè)返回上一頁(yè)2.1電阻應(yīng)變式傳感器

2.1.6電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用電固應(yīng)變刻專感器中的各種彈勝勝元件一般為敏感元件，傳感元件就是應(yīng)變片，測(cè)量轉(zhuǎn)換電路一般為電橋電路。電阻應(yīng)變刻專感器通常可用來(lái)測(cè)量應(yīng)變以外的物理量，例如力、扭矩、加速度和壓力等。把應(yīng)變片料視占到彈勝勝敏感元件上，使彈性毓惑元件的應(yīng)變與被測(cè)量成比例關(guān)系。

1.力和扭矩傳感器

圖2-6所示列出了幾種力和扭矩傳感器的彈性敏感元件。拉伸應(yīng)力作用下的細(xì)長(zhǎng)桿和壓縮應(yīng)力作用下的短粗圓柱體如圖2-6(a),(b)所示。測(cè)量時(shí)都可以在軸向布置一個(gè)或幾個(gè)應(yīng)變片，在圓周方向上布置同樣數(shù)目的應(yīng)變片。后者拾取符號(hào)相反的橫向應(yīng)變，從而構(gòu)成差動(dòng)式。另一種彎曲梁和上一頁(yè)下一頁(yè)返回2.1電阻應(yīng)變式傳感器扭轉(zhuǎn)軸上的應(yīng)變片也均可構(gòu)成差分式，如圖2-6(c),(d)所示。另外用環(huán)狀彈性敏感元件測(cè)拉(壓)力也是比較普遍的，如圖2-6(e)所示。

2.壓力傳感器應(yīng)變式壓力傳感器主要用于液體、氣體壓力的測(cè)量。圖2-7中給出了組合式壓力傳感器示意圖。圖中應(yīng)變片R粘貼在懸臂梁上，懸臂梁的剛度應(yīng)比壓力敏感元件更高，這樣可降低這些元件所固有的不穩(wěn)定性和遲滯。

圖2-8所示是筒式壓力傳感器。被測(cè)壓力P作用于筒內(nèi)腔，使筒發(fā)生變形，工作應(yīng)變片1貼在空心的筒壁外感受應(yīng)變，補(bǔ)償應(yīng)變片2貼在不發(fā)生變形的實(shí)心端作為溫度補(bǔ)償用。一般可用來(lái)測(cè)量機(jī)床液壓系統(tǒng)壓力和槍、炮筒腔內(nèi)壓力等。上一頁(yè)下一頁(yè)返回2.1電阻應(yīng)變式傳感器

3.加速度傳感器加速度傳感器實(shí)質(zhì)上是一種測(cè)量力的裝置，如圖2-9所示。測(cè)量時(shí)，將基座固定在被測(cè)對(duì)象上，當(dāng)被測(cè)物體以加速度a運(yùn)動(dòng)時(shí)，質(zhì)量塊受到一個(gè)與加速度方向相反的慣性力而使懸臂梁變形。通過(guò)應(yīng)變片檢測(cè)出懸臂梁的應(yīng)變值，而應(yīng)變值是與加速度成正比的。上一頁(yè)返回2.2熱電阻傳感器熱電阻傳感器主要是利用電阻值隨溫度變化而變化這一特性來(lái)測(cè)量溫度及與溫度有關(guān)的參數(shù)。在溫度檢測(cè)精度要求比較高的場(chǎng)合，這種傳感器比較適用。目前應(yīng)用較為廣泛的熱電阻材料為鉑、銅、鎳等，它們具有電阻溫度系數(shù)大、線性好、性能穩(wěn)定、使用溫度范圍寬、加工容易等特點(diǎn)。2.2.1熱電阻熱電阻主要是利用電阻隨溫度變化而變化這一特性來(lái)測(cè)量溫度的。目前廣泛應(yīng)用的熱電阻材料是鉑和銅，它們的電阻溫度系數(shù)在‘范圍內(nèi)。作為測(cè)溫用的熱電阻材料，希望具有電阻溫度系數(shù)大、線性好、性能穩(wěn)定、使用溫度范圍寬、加工容易等特點(diǎn)。鉑的性能最穩(wěn)定，采用特殊的結(jié)構(gòu)可制成標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)，它的適用范圍為。銅電阻價(jià)廉并且線性好，返回下一頁(yè)2.2熱電阻傳感器但溫度高時(shí)易氧化，故用于溫度較低的環(huán)境中。表2-1列出了熱電阻的主要技術(shù)性能。

2.2.2熱敏電阻熱敏電阻是近年來(lái)出現(xiàn)的一種新型半導(dǎo)體測(cè)溫元件。一般按溫度系數(shù)可分為負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻(NTC)、正溫度系數(shù)熱敏電阻(PTC)和臨界溫系數(shù)熱敏電阻(CTR)。這三類熱敏電阻的電阻率P與溫度t的變化曲線如圖2-10所示。從圖中可以看出這些曲線都呈非線性。熱敏電阻除按溫度系數(shù)區(qū)分外，還有以下三種分類方法:按結(jié)構(gòu)形式可分為體型、薄膜型、厚膜型三種;按工作方式可分為直熱式、旁熱式、延遲電路三種;按工作溫度區(qū)可分為常溫區(qū)、高溫、低溫區(qū)熱敏電阻。熱敏電阻可根據(jù)使用要求下一頁(yè)返回上一頁(yè)2.2熱電阻傳感器封裝加工成各種形狀的探頭，如珠狀、片狀、桿狀、錐狀、針狀等，如圖2-11所示。幾種常用的熱敏電阻的型號(hào)及其主要參數(shù)列于表2-2.2.2.3熱電阻傳感器的應(yīng)用

1.金屬熱電阻傳感器在工業(yè)上廣泛應(yīng)用金屬熱電阻傳感器進(jìn)行溫度測(cè)量，用電橋作為測(cè)量電路。在進(jìn)行測(cè)量時(shí)，總要采用連接導(dǎo)線，但由于金屬電阻本身阻值很小，所以引線電阻及其變化就不能忽略。為了消除或減少引線電阻的影響，通常采用三線制連接法，如圖2-12所示。

2.半導(dǎo)體熱電阻傳感器熱敏電阻傳感器應(yīng)用范圍廣，具有尺寸小、響應(yīng)速度快、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)。下面介紹幾種常見的應(yīng)用。上一頁(yè)下一頁(yè)返回2.2熱電阻傳感器

(1)溫度測(cè)量作為測(cè)量溫度的熱敏電阻一般結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。沒有外面保護(hù)層的熱敏電阻只能應(yīng)用在干燥的地方，密封的熱敏電阻不怕濕氣的侵蝕，可以使用在任何環(huán)境下。由于熱敏電阻的阻值很大，故其連接導(dǎo)線的電阻和接觸電阻可忽略。因此熱敏電阻可以在距離長(zhǎng)達(dá)幾千米的遠(yuǎn)距離測(cè)量溫度，測(cè)量電路多采用橋路。圖2-13給出一種雙橋溫差測(cè)量電路。

(2)溫度補(bǔ)償儀表中通常用的一些零件多數(shù)是金屬絲做成的，例如線圈、線繞電阻等。金屬一般具有正溫度系數(shù)，采用負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻進(jìn)行補(bǔ)償，可以抵消由于溫度變化所產(chǎn)生的誤差。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，將負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻與錳銅絲電阻并聯(lián)后再與被補(bǔ)償元件串聯(lián)，如圖2-14所示。在三極管電路、對(duì)數(shù)放大器等電路中也常用熱敏電阻補(bǔ)償由于溫度引起的漂移誤差。上一頁(yè)下一頁(yè)返回2.2熱電阻傳感器

(3)工業(yè)控制將開關(guān)型的熱敏電阻埋設(shè)在被測(cè)物中，并與繼電器串聯(lián)，給電路加上恒定電壓，當(dāng)周圍介質(zhì)溫度升到一定數(shù)值時(shí)，電路中的電流可以由十分之幾毫安突變?yōu)閹资涟?，引起繼電器動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)溫度控制或過(guò)熱保護(hù)等。上一頁(yè)返回2.3熱電偶傳感器熱電偶傳感器是將溫度轉(zhuǎn)換成電動(dòng)勢(shì)的一種測(cè)溫傳感器。它與其他測(cè)溫裝置比較，具有精度高、測(cè)溫范圍寬、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、可遠(yuǎn)距離測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)。在輕工、冶金、機(jī)械及化工等工業(yè)領(lǐng)域中被廣泛用于溫度的測(cè)量、調(diào)節(jié)和自動(dòng)控制等方面。2.3.1熱電偶傳感器的工作原理

1.熱電勢(shì)效應(yīng)將兩種不同材料的導(dǎo)體構(gòu)成一閉合回路，若兩個(gè)接點(diǎn)處溫度不同，則回路中會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，從而形成電流，這個(gè)物理現(xiàn)象稱為熱電勢(shì)效應(yīng)，簡(jiǎn)稱熱電效應(yīng)。圖2-15所示為熱電偶回路及符號(hào)。

2.熱電偶回路的主要性質(zhì)下一頁(yè)返回2.3熱電偶傳感器(1)中間導(dǎo)體定律在熱電偶回路中接入第三種材料的導(dǎo)體C，只要第三種導(dǎo)體的兩端溫度相同，則這一導(dǎo)體的引入將不會(huì)改變?cè)瓉?lái)熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)大小。即

其中C導(dǎo)體兩端溫度相同。從實(shí)用觀點(diǎn)看，這個(gè)性質(zhì)很重要，正是由于這個(gè)性質(zhì)存在，才可以在回路中引入各種儀表、連接導(dǎo)線等，而不必?fù)?dān)心會(huì)對(duì)熱電動(dòng)勢(shì)有影響，而且也允許采用任意的焊接方法來(lái)焊制熱電偶。同時(shí)應(yīng)用這一性質(zhì)可以采用開路熱電偶對(duì)液態(tài)金屬和金屬壁面進(jìn)行溫度測(cè)量，如圖2-16所示。只要保證兩熱電極A,B插入地方的溫度一致，則對(duì)整個(gè)回路的總熱電動(dòng)勢(shì)將不產(chǎn)生影響。上一頁(yè)返回下一頁(yè)2.3熱電偶傳感器機(jī)械強(qiáng)度、導(dǎo)電率以及熱電偶的用途和測(cè)量范圍等因素決定。熱電偶長(zhǎng)度由使用情況、安裝條件，特別是工作端在被測(cè)介質(zhì)中的插入深度來(lái)決定。

(2)絕緣套管絕緣套管又稱絕緣子，用來(lái)防止兩根熱電極短路，其材料的選用視使用的溫度范圍和對(duì)絕緣性能的要求而定。絕緣套管一般制成圓形，中間有孔，長(zhǎng)度為20mm，使用時(shí)根據(jù)熱電偶長(zhǎng)度可多個(gè)串起來(lái)使用，常用的材料是氧化鋁、耐火陶瓷等。

(3)保護(hù)套管保護(hù)套管的作用是使熱電極與測(cè)溫介質(zhì)隔離，使之免受化學(xué)侵蝕或機(jī)械損傷。熱電極在套上絕緣套管后再裝入保護(hù)套管內(nèi)。對(duì)保護(hù)套管的基本要求是經(jīng)久耐用及傳熱良好。常用的保護(hù)套管材料有金屬和非金屬兩類，應(yīng)根據(jù)上一頁(yè)下一頁(yè)返回2.3熱電偶傳感器幾種常用標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶的測(cè)溫范圍及特點(diǎn)。非標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶有鎢鋅絲熱電偶、銥鉻絲熱電偶、鐵一康銅絲熱電偶等。非標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶在高溫、低溫、超低溫、真空和核輻射等特殊環(huán)境中使用具有良好的性能。它們?cè)诠?jié)約貴重稀有金屬方面具有重要意義。這類熱電偶無(wú)統(tǒng)一分度表。

(2)普通型熱電偶普通型熱電偶外形如圖2-18所示，這種類型的熱電偶主要用于測(cè)量氣體、蒸汽和液體介質(zhì)的溫度。根據(jù)測(cè)溫范圍和測(cè)溫環(huán)境不同，可選擇合適的熱電偶和保護(hù)套。按其安裝時(shí)的連接形式可分為螺紋連接和法蘭連接兩種。按使用狀態(tài)的要求又可分為密封式和高壓固定螺紋式。

(3)愷裝熱電偶愷裝熱電偶的外形像電纜，也稱纜式熱電偶。它是由金屬套管、絕緣材料和熱電偶絲三者組合而成一體的特殊結(jié)構(gòu)的熱電偶。熱電偶的套管外徑最細(xì)能達(dá)0.25上一頁(yè)返回下一頁(yè)2.3熱電偶傳感器振動(dòng)、抗沖擊、可撓性好、便于安裝等優(yōu)點(diǎn)，因此特別適用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)(如狹小彎曲管道內(nèi))的溫度測(cè)量。使用時(shí)，可以根據(jù)需要截取一定長(zhǎng)度，將一端護(hù)套剝?nèi)ィ冻鰺犭姌O，焊成結(jié)點(diǎn)，即成熱電偶。愷裝熱電偶外形及結(jié)構(gòu)如圖2-19所示。此外，還有快速測(cè)量各種表面溫度的薄膜型熱電偶，為測(cè)量各種固體表面溫度的表面熱電偶，為測(cè)量鋼水和其他熔融金屬溫度而設(shè)計(jì)的消耗式熱電偶，以石墨和難熔化合物為高溫?zé)犭娕疾牧系姆墙饘贌犭娕嫉取?.3.3熱電偶自由端溫度的補(bǔ)償熱電偶在測(cè)溫過(guò)程中，為了保證輸出熱電動(dòng)勢(shì)僅與被測(cè)溫度有關(guān)，必須保持自由端(冷端)的溫度恒定。下一頁(yè)返回上一頁(yè)2.3熱電偶傳感器1.儀表調(diào)零修正法當(dāng)熱電偶與動(dòng)圈式儀表配套使用時(shí)，若熱電偶的自由端溫度基本恒定，對(duì)測(cè)量精度要求又不高時(shí)，可將儀表的機(jī)械零點(diǎn)調(diào)至熱電偶自由端溫度的位置上.2.自由端溫度自動(dòng)補(bǔ)償上述方法是要求在恒定自由端溫度To的條件下得以實(shí)現(xiàn)的。若此條件不能滿足，或要求被測(cè)溫度的信號(hào)立即傳人控制裝置，以便進(jìn)行實(shí)時(shí)控制時(shí)，這一方法就難以實(shí)現(xiàn)。如果在熱電偶與儀表之間接入一個(gè)補(bǔ)償裝置，這個(gè)補(bǔ)償裝置在熱電偶自由端溫度為To時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)電動(dòng)勢(shì)為，并隨To變化而相應(yīng)改變，這樣就可實(shí)現(xiàn)熱電偶自由端溫度的自動(dòng)補(bǔ)償。電橋補(bǔ)償法是最常用的自由端溫度自動(dòng)補(bǔ)償?shù)姆椒?。它是利用直流電橋的不平衡電壓?lái)補(bǔ)償熱電偶因自由端溫度變化而引起的熱電動(dòng)勢(shì)變化值。如圖2-20所示。下一頁(yè)返回上一頁(yè)2.3熱電偶傳感器用于電橋補(bǔ)償法的裝置稱為熱電偶冷端補(bǔ)償器。表2-4列出了常用的國(guó)產(chǎn)冷端補(bǔ)償器性能。冷端溫度補(bǔ)償器通常使用在熱電偶與動(dòng)圈式顯示儀表配套的測(cè)溫系統(tǒng)中。而自動(dòng)電子電位差計(jì)或溫度變送器以及數(shù)字式儀表等的測(cè)量線路里已設(shè)置了冷端溫度補(bǔ)償電路，故熱電偶與它們相配套使用時(shí)不必另行配置冷端補(bǔ)償器了。3.延引電極法為了使熱電偶自由端不受高溫?zé)嵩吹挠绊懀杂啥藴囟然颈３趾愣ɑ虿▌?dòng)較小，可把熱電偶做得很長(zhǎng)，這樣勢(shì)必引起使用貴重金屬熱電偶的成本加大。導(dǎo)線。用補(bǔ)償導(dǎo)線制成的熱電偶與工作熱電偶相連，它既可把工作熱電偶的原自由端延長(zhǎng)到新的自由端，節(jié)省了貴重金屬，又不會(huì)由于引入該導(dǎo)線而給工作熱電偶帶來(lái)測(cè)量誤差。可見，使用補(bǔ)償導(dǎo)線僅上一頁(yè)下一頁(yè)返回2.3熱電偶傳感器起延長(zhǎng)熱電偶的作用，不起任何溫度補(bǔ)償作用，將其稱為“補(bǔ)償導(dǎo)線”是名不副實(shí)的習(xí)慣用語(yǔ)。常用熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線見表2-5。2.3.4熱電偶的應(yīng)用熱電偶是工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用最廣泛的一種測(cè)溫傳感器，幾乎用于工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域，下面簡(jiǎn)要介紹熱電偶應(yīng)用中的一些基本知識(shí)。

1.熱電偶的測(cè)溫線路如圖2-21所示，熱電偶可用于測(cè)量?jī)牲c(diǎn)溫度之和以及之差。其中圖2-21(a)是兩支同型號(hào)的熱電偶正向串聯(lián)，用來(lái)測(cè)量?jī)牲c(diǎn)溫度之和。則當(dāng)使用多根熱電偶串聯(lián)測(cè)溫時(shí)，就能成倍地提高總的熱電動(dòng)勢(shì)的輸出，大大提高測(cè)量的靈敏度，上一頁(yè)下一頁(yè)返回2.3熱電偶傳感器2.熱電偶熱電動(dòng)勢(shì)的測(cè)量熱電偶輸出的熱電動(dòng)勢(shì)與被測(cè)溫度有對(duì)應(yīng)關(guān)系，熱電動(dòng)勢(shì)的測(cè)量可用動(dòng)圈式儀表、電位差計(jì)、電子電位差計(jì)，或通過(guò)微機(jī)識(shí)別后輸出，顯示溫度值。采用動(dòng)圈式儀表測(cè)量熱電動(dòng)勢(shì)時(shí)，由于線路中電阻的影響，將使儀表指示值與實(shí)際熱電動(dòng)勢(shì)不一致，特別是外接電阻較大時(shí)，測(cè)量誤差不容忽視。上一頁(yè)返回2.4電渦流式傳感器由表2-6可知，電渦流傳感器的線圈外徑越大，線性范圍也越大，但分辨率差(靈敏度低)。線圈阻抗變化與金屬導(dǎo)體的電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率等有關(guān)。對(duì)于非磁性材料，被測(cè)體的電導(dǎo)率越高，則靈敏度越高。但被測(cè)體為磁性材料時(shí)，其效果則相反。因此，與非磁性材料相比，磁性材料的靈敏度低。為了充分利用電渦流效應(yīng)，被測(cè)體環(huán)的半徑應(yīng)大于線圈半徑的1.8倍，否則將導(dǎo)致靈敏度降低。被測(cè)體為圓柱體時(shí)，它的直徑必須為線圈直徑的3.5倍以上，才不影響測(cè)量結(jié)果。而且被測(cè)體的厚度也不能太薄，一般情況下，只要厚度在0.2mm以上，測(cè)量就不受影響。另外在測(cè)量時(shí)，傳感器線圈周圍除被測(cè)導(dǎo)體外，應(yīng)盡量避開其他導(dǎo)體，以免干擾磁場(chǎng)，引起線圈的附加損失。

2.測(cè)量轉(zhuǎn)換電路電渦流傳感器的測(cè)量轉(zhuǎn)換電路有‘電橋法、調(diào)幅法和調(diào)頻下一頁(yè)返回2.4電渦流式傳感器法。下面簡(jiǎn)要介紹調(diào)頻法的工作原理，其轉(zhuǎn)換電路原理框圖如圖2-26所示。并聯(lián)諧振回路的諧振頻率為

當(dāng)電渦流線圈與被測(cè)體的距離s改變時(shí)，電渦流線圈的等效電感量L也隨之改變，引起LC振蕩器的輸出頻率改變，此頻率可直接用頻率計(jì)測(cè)量。但多數(shù)情況下是通過(guò)鑒頻器將頻率的變化轉(zhuǎn)換為輸出電壓的變化。調(diào)頻法的特點(diǎn)是受溫度、電源電壓等外界因素的影響較小。

2.4.3電渦流式傳感器的應(yīng)用電渦流式傳感器由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，又可實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量，因此得到廣泛的應(yīng)用，下面列舉一些主要的應(yīng)用。上一頁(yè)下一頁(yè)返回2.4電渦流式傳感器1.位移測(cè)量如圖2-27所示，電渦流式傳感器可用來(lái)測(cè)量各種形狀金屬導(dǎo)體試件的位移量。如汽輪機(jī)主軸的軸向位移、磨床換向閥及先導(dǎo)閥的軸位移和金屬試件的熱膨脹系數(shù)等。2.振幅測(cè)量如圖2-28(a)所示，電渦流式傳感器可以無(wú)接觸地測(cè)量旋轉(zhuǎn)軸的徑向振動(dòng)，也可以測(cè)量汽輪機(jī)渦輪葉片的振幅，如圖2-28(b)所示。有時(shí)為了解軸的振動(dòng)形狀，可用數(shù)個(gè)電渦流傳感器并排地安置在附近測(cè)量，如圖2-28(c)所示。3.轉(zhuǎn)速測(cè)量在旋轉(zhuǎn)體上開一條或數(shù)條槽或做成齒狀，旁邊安裝一個(gè)電渦流式傳感器，如圖2-29所示，當(dāng)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，傳感器周期地改變著與轉(zhuǎn)軸之間的距離，于是它的輸出也周期性地發(fā)生變化。上一頁(yè)下一頁(yè)返回2.4電渦流式傳感器4.電渦流探傷利用電渦流式傳感器可以檢查金屬表面裂紋、熱處理裂紋以及焊接處的缺陷等。在探傷時(shí)，傳感器應(yīng)與被測(cè)導(dǎo)體保持距離不變。檢測(cè)時(shí)，由于裂陷出現(xiàn)，將引起導(dǎo)體的電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率的變化，即渦流損耗改變，從而引起輸出電壓的突變，達(dá)到探傷的目的。上一頁(yè)返回2.5電容式傳感器電容式傳感器是一種能將被測(cè)非電量轉(zhuǎn)換成電容量變化，然后再經(jīng)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成電壓、電流或頻率等信號(hào)輸出的測(cè)量裝置。它具有‘以下優(yōu)點(diǎn):(1)高阻抗，小功率，僅需很低的輸入能量。

(2)可獲得較大的變化量，從而具有較高的信噪比和系統(tǒng)穩(wěn)定性。

(3)動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，工作頻率可達(dá)幾兆赫，可非接觸測(cè)量，被測(cè)物是導(dǎo)體或非導(dǎo)體均可。

(4)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適應(yīng)性強(qiáng)，可在高低溫、強(qiáng)輻射等惡劣的環(huán)境下工作。因此它在非電量測(cè)量和自動(dòng)檢測(cè)中得到廣泛應(yīng)用，可測(cè)量月功、位移、振動(dòng)、角度、加速度、液位、濕度、成分含量等參數(shù)。下一頁(yè)返回2.5電容式傳感器

2.5.1電容式傳感器的工作原理和特性電容式傳感器的基本原理如圖2-30所示，它是由絕緣介質(zhì)分開的兩個(gè)平行金屬板組成的平板電容器，如果不考慮邊緣效應(yīng)，其電容量為:式中—電容極板間介質(zhì)的介電常數(shù)，為真空介電常數(shù)，，為極板間介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù);A一平行板所覆蓋的面積;d一兩平行板之間的距離。上一頁(yè)下一頁(yè)返回2.5電容式傳感器當(dāng)被測(cè)參數(shù)變化使得上式中的A,d或二發(fā)生變化時(shí)，電容量C也隨之變化。如果保持其中兩個(gè)參數(shù)不變，而僅改變其中一個(gè)參數(shù)，就可把該參數(shù)的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化，通過(guò)測(cè)量電路就可轉(zhuǎn)換為電量輸出。因此，電容式傳感器可分為變極距型、變面積型和變介電常數(shù)型三種類型。2.5.2電容式傳感器的測(cè)量轉(zhuǎn)換電路電容式傳感器中電容值以及電容變化值都十分微小，這樣微小的電容量還不能直接為目前的顯示儀表所顯示，也很難為記錄儀所接受，不便于傳輸。這就必須借助于測(cè)量電路檢出這一微小電容增量，并將其轉(zhuǎn)換成與其成單值函數(shù)關(guān)系的電壓、電流或者頻率。電容轉(zhuǎn)換電路有電橋電路(調(diào)幅電路)、調(diào)頻電路、運(yùn)算放大器式電路、二極管雙T型交流電橋、脈沖寬度調(diào)制電路等。以下以電橋電路為例介紹其轉(zhuǎn)換原理。上一頁(yè)返回下一頁(yè)2.5電容式傳感器1.電橋電路(調(diào)幅電路)圖2-31所示為電橋電路。電容電橋的主要特點(diǎn)有:.電橋輸出調(diào)幅波，其幅值與被測(cè)量成比例，因此電橋電路又稱為調(diào)幅電路;.輸出電壓與電源電壓成比例，因此要求電源采用穩(wěn)幅、穩(wěn)頻等措施;.傳感器必須工作在平衡位置附近，否則電橋非線性將增大。在要求精度高的場(chǎng)合(如飛機(jī)用油量表)應(yīng)采用自動(dòng)平衡電橋;.輸出阻抗很高(一般達(dá)幾兆歐至幾十兆歐)，輸出電壓低，必須后接高輸入阻抗、高放大倍數(shù)的處理電路。由電橋電路組成的系統(tǒng)原理如圖2-32所示。下一頁(yè)返回上一頁(yè)2.5電容式傳感器

2.5.3電容式傳感器的應(yīng)用電容式傳感器可用來(lái)測(cè)量直線位移、角位移、振動(dòng)振幅，尤其適合測(cè)量高頻振動(dòng)振幅、精密軸系回轉(zhuǎn)精度、加速度等機(jī)械量。變極距型的適用于較小位移的測(cè)量，量程在0.0lm至數(shù)百微米、精度可達(dá)0.O1m、分辨率可達(dá)0.001m。變面積型的能測(cè)量較大的位移，量程為零點(diǎn)幾毫米至數(shù)百毫米之間、線性優(yōu)于0.5%、分辨率為0.O1-0.001m。

1.電容式差壓傳感器

圖2-33是電容式差壓傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。這種傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度高、響應(yīng)速度快(約100ms)、能測(cè)微小壓差(0~0.75Pa)。上一頁(yè)下一頁(yè)返回2.5電容式傳感器

2.電容式測(cè)厚傳感器如圖2-34所示為電容式側(cè)厚傳感器在板材軋制裝置中的應(yīng)用的工作原理。在被測(cè)帶材的上、下兩側(cè)各置一塊面積相等、與帶材距離相等的極板，這樣，極板與帶材就構(gòu)成了兩個(gè)獨(dú)立電容器。

3.電容式力和壓力傳感器為大噸位電子吊秤用電容式稱重傳感器。扁環(huán)形彈性元件上下平面上分別固連電容傳感器的定極板和動(dòng)極板。稱重時(shí)，彈性元件受力變形，使動(dòng)極板位移，導(dǎo)致傳感器電容量變化，從而引起由該電容組成的振蕩頻率變化。頻率信號(hào)經(jīng)計(jì)數(shù)、編碼，傳輸?shù)斤@示部分。

圖2-36為一種典型的小型差動(dòng)電容式壓力傳感器結(jié)構(gòu)。加有預(yù)張力的不銹鋼膜片作為感壓敏感元件，同時(shí)作為上一頁(yè)下一頁(yè)返回2.5電容式傳感器可變電容的活動(dòng)極板。電容的兩個(gè)固定極板是在玻璃基片上鍍有金屬層的球面極片。在壓差作用下，膜片凹向壓力小的一面，導(dǎo)致電容量發(fā)生變化。球面極片(圖中被夸大)可以在壓力過(guò)載時(shí)保護(hù)膜片，并改善性能。其靈敏度取決于初始間隙s,s越小，靈敏度越高。其動(dòng)態(tài)響應(yīng)主要取決于膜片的固有頻率。上一頁(yè)返回2.6電感式傳感器電感式傳感器是利用電磁感應(yīng)原理將被測(cè)非電量如位移、壓力、流量、振動(dòng)等轉(zhuǎn)換成線圈自感量L或互感量M的變化，再由測(cè)量電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化量輸出的一種傳感器。由鐵芯和線圈構(gòu)成的將直線或角位移的變化轉(zhuǎn)換為線圈電感量變化的傳感器，又稱電感式位移傳感器。這種傳感器的線圈匝數(shù)和材料導(dǎo)磁系數(shù)都是一定的，其電感量的變化是由于位移輸入量導(dǎo)致線圈磁路的幾何尺寸變化而引起的。當(dāng)把線圈接入測(cè)量電路并接通激勵(lì)電源時(shí)，就可獲得正比于位移輸入量的電壓或電流輸出。2.6.1自感式電感傳感器自感式傳感器實(shí)質(zhì)上是一個(gè)帶氣隙的鐵芯線圈。按磁路幾何參數(shù)變化形式的不同，目前常用的自感式傳感器有變氣隙式、變面積式與螺管式三種;按組成方式分，有單一式與差動(dòng)下一頁(yè)返回2.6電感式傳感器式兩種。

1.自感式傳感器的結(jié)構(gòu)及工作原理自感式電感傳感器的基本結(jié)構(gòu)如圖2-37所示，主要由線圈、鐵芯和銜鐵以及測(cè)桿組成。自感式傳感器主要用于測(cè)量位移量或者是易于轉(zhuǎn)換成位移量的被測(cè)量。工作時(shí)銜鐵通過(guò)測(cè)桿與被測(cè)物體接觸，被測(cè)物體位移將帶動(dòng)可動(dòng)銜鐵移動(dòng)，從而導(dǎo)致線圈電感量發(fā)生變化。當(dāng)線圈接入測(cè)量轉(zhuǎn)換電路后，電感量的變化將轉(zhuǎn)換成電壓、電流或頻率的變化，從而完成非電量到電量的轉(zhuǎn)換。2.自感式電感器的種類自感式電感傳感器按原理可分為變氣隙型、變截面型和螺線管型三種基本類型。上一頁(yè)返回下一頁(yè)2.6電感式傳感器(1)變氣隙型傳感器由

可知，若A為常數(shù)，則L與氣隙

成反比。故輸入輸出是非線性關(guān)系。

越小，靈敏度越高。為提高靈敏度，保證一定的線性度，變氣隙式電感傳感器只能工作在很小的區(qū)間，因此只能用于微小位移量的測(cè)量。

(2)變截面型傳感器由公式可知傳感器工作時(shí)，若氣隙間距s保持不變，則線圈電感量L與截面積A成正比，輸入與輸出是一種線性關(guān)系，靈敏度是一常數(shù)。為提高靈敏度，常將s做得很小。這種類型的傳感器由于結(jié)構(gòu)的限制，量程一般也不大，故在實(shí)際應(yīng)用中并不多。

(3)螺線管型電感式傳感器螺線管型電感式傳感器由一只螺管線圈和一根柱形銜鐵組成。當(dāng)被測(cè)量引起銜鐵移動(dòng)時(shí)，會(huì)引起銜鐵在線圈中的長(zhǎng)度變化，從而引起螺管線圈的電感量的變化。下一頁(yè)返回上一頁(yè)2.6電感式傳感器機(jī)械強(qiáng)度、導(dǎo)電率以及熱電偶的用途和測(cè)量范圍等因素決定。熱電偶長(zhǎng)度由使用情況、安裝條件，特別是工作端在被測(cè)介質(zhì)中的插入深度來(lái)決定。

(2)絕緣套管絕緣套管又稱絕緣子，用來(lái)防止兩根熱電極短路，其材料的選用視使用的溫度范圍和對(duì)絕緣性能的要求而定。絕緣套管一般制成圓形，中間有孔，長(zhǎng)度為20mm，使用時(shí)根據(jù)熱電偶長(zhǎng)度可多個(gè)串起來(lái)使用，常用的材料是氧化鋁、耐火陶瓷等。

(3)保護(hù)套管保護(hù)套管的作用是使熱電極與測(cè)溫介質(zhì)隔離，使之免受化學(xué)侵蝕或機(jī)械損傷。熱電極在套上絕緣套管后再裝入保護(hù)套管內(nèi)。對(duì)保護(hù)套管的基本要求是經(jīng)久耐用及傳熱良好。常用的保護(hù)套管材料有金屬和非金屬兩類，應(yīng)根據(jù)上一頁(yè)下一頁(yè)返回2.6電感式傳感器在實(shí)際使用中，通常采用兩個(gè)相同的傳感器線圈共用一個(gè)銜鐵，構(gòu)成差動(dòng)電感傳感器。結(jié)構(gòu)如圖2-38所示。

3.自感式傳感器的測(cè)量電路

(1)交流電橋交流電橋是電感式傳感器的最常用的測(cè)量電路，它將線圈電感的變化轉(zhuǎn)換成電橋電路的電壓或電流輸出。自感式傳感器常用的交流電橋有以下兩種。

(2)諧振電路諧振電路如圖2-40(a)所示。圖中Z為傳感器線圈，E為激勵(lì)電源。設(shè)圖2-40(b)中曲線1為圖2-40(a)回路的諧振曲線。若激勵(lì)源的頻率為f，當(dāng)傳感器線圈電感量變化時(shí)，諧振曲線將左右移動(dòng)，于是輸出電壓的幅值就發(fā)生相應(yīng)變化。這種電路靈敏度很高，但非線性嚴(yán)重，常與單線圈自感傳感器配合，用于測(cè)量范圍小或線性度要求不高的場(chǎng)合。

上一頁(yè)下一頁(yè)返回2.6電感式傳感器(3)恒流源電路這種電路與大位移(螺管式)自感傳感器配用，見圖2-41。2.6.2互感式傳感器1.工作原理互感式傳感器是一種線圈互感隨銜鐵位移變化的變磁阻式傳感器。其原理類似于變壓器?；ジ惺絺鞲衅鞯某酢⒋渭?jí)間的互感隨銜鐵移動(dòng)而變，且兩個(gè)次級(jí)繞組按差動(dòng)方式工作，因此又稱為差動(dòng)變壓器。差動(dòng)變壓器和自感傳感器一樣，也有變氣隙式、變面積式和螺管式三種類型，目前應(yīng)用最廣泛的是螺管式差動(dòng)變壓器傳感器。如圖2-42所示。2.測(cè)量電路由上述的分析可知，差動(dòng)變壓器的輸出電壓其實(shí)是一個(gè)受銜鐵位移控制的調(diào)幅波，目前常用的測(cè)量電路有‘相敏檢波上一頁(yè)返回下一頁(yè)2.6電感式傳感器電路、差動(dòng)整流電路等。

(1)相敏檢波電路相敏檢波電路。

(2)差動(dòng)整流電路差動(dòng)整流電路是差動(dòng)變壓器常用的測(cè)量電路，這種電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用非常方便。如圖2-44所示，差動(dòng)變壓器兩個(gè)輸出線圈的電壓分別整流后，再進(jìn)行差動(dòng)輸出。該電路不需要考慮相位調(diào)整和零位輸出電壓的影響，而且輸出信號(hào)可進(jìn)行遠(yuǎn)距離的傳輸。幾種典型的電路如圖2-44所示。2.6.3電感式傳感器的應(yīng)用電感式傳感器主要用于測(cè)量位移量，凡是能轉(zhuǎn)換成位移量變化的參數(shù)，如壓力、壓差、加速度、振動(dòng)、應(yīng)變、流量、厚度、液位等都可以用電感式傳感器來(lái)進(jìn)行測(cè)量。上一頁(yè)下一頁(yè)返回2.6電感式傳感器(1)位移的測(cè)量圖2-45是電感式測(cè)位儀的原理框圖。測(cè)量時(shí)探頭與被測(cè)對(duì)象連接，被測(cè)對(duì)象的微小移動(dòng)將使銜鐵位置發(fā)生改變，線圈的電感隨之發(fā)生變化。通過(guò)交流電橋?qū)⑦@一變化轉(zhuǎn)換能夠成反映被測(cè)對(duì)象位移的電壓信號(hào)。再經(jīng)過(guò)交流放大和相敏檢波最后通過(guò)指示儀表將測(cè)量結(jié)果顯示出來(lái)。

(2)液位的測(cè)量液位的測(cè)量其實(shí)是位移測(cè)量的具體應(yīng)用之一。圖2-46為電感式浮筒液位計(jì)的原理示意圖。液位發(fā)生變化時(shí)，浮筒的所受浮力將產(chǎn)生變化，并帶動(dòng)差動(dòng)變壓器的銜鐵發(fā)生位移變化，從而改變了差動(dòng)變壓器輸出電壓。這個(gè)輸出值反映了液面的變化值。

(3)力的測(cè)量圖2-47是差動(dòng)變壓器式力傳感器。當(dāng)力作用于傳感器時(shí)，彈性元件發(fā)生形變，從而導(dǎo)致銜鐵相對(duì)線圈產(chǎn)生位移。線圈電感量的變化通過(guò)測(cè)量電路轉(zhuǎn)換為輸出電壓信號(hào)，其大小反映了受力的大小。上一頁(yè)下一頁(yè)返回2.6電感式傳感器

(4)加速度的測(cè)量圖2-48為差動(dòng)變壓器式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖和測(cè)量電路原理框圖。當(dāng)該傳感器受到加速度作用時(shí)，銜鐵會(huì)對(duì)彈性支撐片產(chǎn)生與加速度成正比的反作用力。彈性支撐片受力后發(fā)生形變，于是銜鐵與線圈產(chǎn)生相對(duì)位移。差動(dòng)變壓器輸出正比于加速度的檢測(cè)電壓。上一頁(yè)返回2.7壓電式傳感器壓電式傳感器是將被測(cè)量變化轉(zhuǎn)換成材料受機(jī)械力產(chǎn)生靜電電荷或電壓變化的傳感器。它是一種典型的、有源的、雙向機(jī)電能量轉(zhuǎn)換型傳感器。壓電式傳感器具有‘使用頻帶寬、靈敏度高、信噪比高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)。近年來(lái)，由于電子技術(shù)的飛躍發(fā)展，隨著與之配套的二次儀表以及低噪聲、小電容、高絕緣電阻電纜的出現(xiàn)，使壓電式傳感器在工程力學(xué)、各種動(dòng)態(tài)力、機(jī)械沖擊與振動(dòng)測(cè)量、生物醫(yī)學(xué)、電聲學(xué)、宇航等許多技術(shù)領(lǐng)域獲得廣泛的應(yīng)用。2.7.1壓電式傳感器的工作原理

1.壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)是一種機(jī)械能與電能之間的藕合效應(yīng)。壓電效應(yīng)是可逆的，即有兩種壓電效應(yīng):正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)。下一頁(yè)返回2.7壓電式傳感器

2.壓電材料具有壓電效應(yīng)的電介質(zhì)物質(zhì)稱為壓電材料。常見的壓電材料有單晶和多晶兩種，前者以石英晶體為代表還有水溶式壓晶體、妮酸鏗晶體;后者以錯(cuò)欽酸鉛壓電陶瓷為代表，還有妮美酸鉛壓電陶瓷、欽酸鋇壓電陶瓷等。

2.7.2壓電傳感器的等效電路當(dāng)壓電式傳感器的壓電元件受力時(shí)，在電極表面就會(huì)出現(xiàn)電荷，且兩個(gè)電極表面聚集的電荷量相等，極性相反。因此，可以把壓電式傳感器看作是一個(gè)電荷源，而壓電元件是絕緣體，在這一過(guò)程中，它又可以看成是一個(gè)電容器，其電容量

為上一頁(yè)返回下一頁(yè)2.7壓電式傳感器—壓電元件電極面的面積—壓電元件厚度(m);—壓電材料的相對(duì)介電常數(shù);—真空介電常數(shù)。從性質(zhì)上講，壓電元件實(shí)際上是一個(gè)有源電容器。當(dāng)需要壓電元件輸出電荷時(shí)，可以把壓電元件等效為一個(gè)電荷源與一個(gè)電容相并聯(lián)的電荷等效電路，如圖2-49(a)所示。在開路狀態(tài)時(shí)，其輸出端電荷為。當(dāng)需要壓電元件輸出電壓時(shí)，又可以把它等效成一個(gè)電壓源與一個(gè)電容相串聯(lián)的電壓等效電路，如圖2-49(b)所示。在開路狀態(tài)時(shí)，其輸出端電壓為下一頁(yè)返回上一頁(yè)2.7壓電式傳感器

2.7.3壓電式傳感器的測(cè)量電路由于壓電式傳感器的輸出信號(hào)非常微弱，電纜的分布電容及噪聲將嚴(yán)重影響其輸出特性，因此需將電信號(hào)放大后才能檢測(cè)出來(lái);由于其內(nèi)阻抗很高，所以需要壓電器件的負(fù)載電阻必須具有極高的值。因此與壓電元件配套使用的測(cè)量電路，其前置放大器必須有兩個(gè)作用:信號(hào)放大和阻抗匹配。由于壓電元件既可看作電壓源，又可看作電荷源，所以前置放大器有兩種:電壓放大器和電荷放大器。它們的共同作用都是將壓電元件輸出的微弱信號(hào)放大，將壓電元件的高阻抗轉(zhuǎn)換為低阻抗輸出。由于線性集成運(yùn)算放大器的飛速發(fā)展，出現(xiàn)了一些輸入阻抗很高的器件，因而由集成運(yùn)算放大器構(gòu)成的電荷放大器便有了良好的基礎(chǔ)和發(fā)展前景。故目前多上一頁(yè)下一頁(yè)返回2.7壓電式傳感器采用電荷放大器。電荷放大器實(shí)際上是一個(gè)具有‘深度電容負(fù)反饋的高增益放大器。電荷放大器的原理如圖2-50所示。2.7.4壓電式傳感器的應(yīng)用

1.壓電式加速度傳感器

圖2-51是一種壓電式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)圖。它主要由壓電元件、質(zhì)量塊、預(yù)壓彈簧、基座及外殼等組成。整個(gè)部件裝在外殼內(nèi)，并由螺栓加以固定。當(dāng)加速度傳感器和被測(cè)物一起受到?jīng)_擊振動(dòng)時(shí)，壓電元件受質(zhì)量塊慣性力的作用，根據(jù)牛頓第二定律，此慣性力是加速度的函數(shù)，即式中—質(zhì)量塊產(chǎn)生的慣性力;m—質(zhì)量塊的質(zhì)量;上一頁(yè)下一頁(yè)返回2.7壓電式傳感器a—加速度。此時(shí)慣性力F作用于壓電元件上，因而產(chǎn)生電荷q，當(dāng)傳感器選定后，m為常數(shù)，則傳感器輸出電荷為與加速度a成正比。因此，測(cè)得加速度傳感器輸出的電荷便可知加速度的大小。2.壓電式聲傳感器圖2-52是壓電陶瓷換能器結(jié)構(gòu)圖。當(dāng)交變信號(hào)加在壓電陶瓷片兩端面時(shí)，由于壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)，陶瓷片會(huì)在電極方向產(chǎn)生周期性的伸長(zhǎng)和縮短。當(dāng)一定頻率的聲頻信號(hào)加在換能器上時(shí)，換能器上的壓電陶瓷上一頁(yè)下一頁(yè)返回2.7壓電式傳感器片受到外力作用而產(chǎn)生壓縮變形，由于壓電陶瓷的正壓電效應(yīng)，壓電陶瓷上將出現(xiàn)充、放電現(xiàn)象，即將聲頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成了交變電信號(hào)。這時(shí)的聲傳感器就是聲頻信號(hào)接收器。如果換能器中壓電陶瓷的振蕩頻率在超聲波范圍，則其發(fā)射或接收的聲頻信號(hào)即為超聲波，這樣的換能器稱為壓電超聲換能器。上一頁(yè)返回2.8磁電式傳感器磁電式傳感器是利用電磁感應(yīng)原理將被測(cè)量(如振動(dòng)、位移、轉(zhuǎn)速等)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的一種傳感器。它不需要輔助電源，就能把被測(cè)對(duì)象的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成易于測(cè)量的電信號(hào)，是一種有源傳感器。有時(shí)也稱作電動(dòng)式或感應(yīng)式傳感器，只適合進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)量。由于它有較大的輸出功率，故配用電路較簡(jiǎn)單;零位及性能穩(wěn)定;工作頻帶一般為10~1000Hz。磁電式傳感器具有雙向轉(zhuǎn)換特性，利用其逆轉(zhuǎn)換效應(yīng)可構(gòu)成力(矩)發(fā)生器和電磁激振器等。

2.8.1工作原理當(dāng)一個(gè)匝數(shù)為W的線圈作切割磁力線運(yùn)動(dòng)時(shí)，或者穿過(guò)線圈的磁通少發(fā)生變化時(shí)，線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，其大小由下式?jīng)Q定:下一頁(yè)返回2.8磁電式傳感器式中

為磁通變化率，與磁場(chǎng)強(qiáng)度、磁路磁阻、線圈運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)，只要改變其一，就會(huì)改變。根據(jù)這一原理，可以設(shè)計(jì)成兩種磁電傳感器結(jié)構(gòu):變磁通式和恒磁通式。

1.變磁通式磁電傳感器圖2-53是變磁通式磁電傳感器，用來(lái)測(cè)量旋轉(zhuǎn)物體的角速度。2.恒磁通式磁電傳感器

圖2-54為恒磁通式磁電傳感器典型結(jié)構(gòu)，它由永久磁鐵、線圈、彈簧、金屬骨架等組成。磁路系統(tǒng)產(chǎn)生恒定的直流磁場(chǎng)，磁路中的工作氣隙固定不變，因而氣隙中磁通也是恒定不變的。其運(yùn)動(dòng)部件可以是線圈(動(dòng)圈式)，也可以是磁鐵(動(dòng)鐵式)，動(dòng)圈式(圖2-54(a))上一頁(yè)返回下一頁(yè)2.8磁電式傳感器和動(dòng)鐵式(圖2-54(b))的工作原理是完全相同的。當(dāng)殼體隨被測(cè)振動(dòng)體一起振動(dòng)時(shí)，由于彈簧較軟，運(yùn)動(dòng)部件質(zhì)量相對(duì)較大。當(dāng)振動(dòng)頻率足夠高(遠(yuǎn)大于傳感器固有頻率)時(shí)，運(yùn)動(dòng)部件慣性很大，來(lái)不及隨振動(dòng)體一起振動(dòng)，近乎靜止不動(dòng)，振動(dòng)能量幾乎全被彈簧吸收，永久磁鐵與線圈之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度接近于振動(dòng)體振動(dòng)速度，磁鐵與線圈的相對(duì)運(yùn)動(dòng)切割磁力線，從而產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)為式中:—工作氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度;—每匝線圈平均長(zhǎng)度;—線圈在工作氣隙磁場(chǎng)中的匝數(shù);—相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度。下一頁(yè)返回上一頁(yè)2.8磁電式傳感器2.8.2磁電感應(yīng)式傳感器的測(cè)量電路磁電式傳感器直接輸出感應(yīng)電勢(shì)，且傳感器通常具有較高的靈敏度，所以一般不需要高增益放大器。但磁電式傳感器是速度傳感器，若要獲取被測(cè)位移或加速度信號(hào)，則需要配用積分或微分電路。圖2-55為一般測(cè)量電路方框圖。2.8.3非線性誤差磁電式傳感器產(chǎn)生非線性誤差的主要原因是:由于傳感器線圈內(nèi)有電流1流過(guò)時(shí)，將產(chǎn)生一定的交變磁通，此交變磁通疊加在永久磁鐵所產(chǎn)生的工作磁通上，使恒定的氣隙磁通變化如圖2-56所示。當(dāng)傳感器線圈相對(duì)于永久磁鐵磁場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)速度增大時(shí)，將產(chǎn)生較大的感生電勢(shì)E和較大的電流1，由此而產(chǎn)生的附加磁場(chǎng)方向與原工作磁場(chǎng)方向相反，減弱了上一頁(yè)下一頁(yè)返回2.8磁電式傳感器工作磁場(chǎng)的作用，從而使得傳感器的靈敏度隨著被測(cè)速度的增大而降低。

2.8.4磁電感應(yīng)式傳感器的應(yīng)用磁電式傳感器主要用于振動(dòng)測(cè)量。其中慣性式傳感器不需要靜止的基座作為參考基準(zhǔn)，它直接安裝在振動(dòng)體上進(jìn)行測(cè)量，因而在地面振動(dòng)測(cè)量及機(jī)載振動(dòng)監(jiān)視系統(tǒng)中獲得了廣泛的應(yīng)用。如航空發(fā)動(dòng)機(jī)、各種大型電機(jī)、空氣壓縮機(jī)、機(jī)床、車輛、軌枕振動(dòng)臺(tái)、化工設(shè)備、各種水、氣管道、橋梁、高層建筑等，其振動(dòng)監(jiān)測(cè)與研究都可使用磁電式傳感器。上一頁(yè)返回2.9光電式傳感器光電式傳感器是將被測(cè)參數(shù)的變化轉(zhuǎn)換成光通量的變化，再通過(guò)光電元件轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的一種傳感器。這種傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、非接觸、高可靠性、高精度和反應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，故在傳感器技術(shù)中得到廣泛的應(yīng)用。2.9.1光電效應(yīng)光電元件的理論基礎(chǔ)是光電效應(yīng)。光電效應(yīng)就是在光線作用下，物體吸收光能量而產(chǎn)生相應(yīng)電效應(yīng)的一種物理現(xiàn)象，通?？煞譃橥夤怆娦?yīng)、內(nèi)光電效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)三種類型。

(1)外光電效應(yīng)在光線作用下，電子從物體表面逸出的物理現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)，也稱光電發(fā)射效應(yīng)?；谕夤怆娦?yīng)的光電元件有光電管和光電倍增管。下一頁(yè)返回2.9光電式傳感器(2)內(nèi)光電效應(yīng)在光線作用下，物體電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為內(nèi)光電效應(yīng)，又稱為光電導(dǎo)效應(yīng)。基于內(nèi)光電效應(yīng)的光電元件有光敏電阻和光敏晶體管。

(3)光生伏特效應(yīng)在光線作用下，物體產(chǎn)生一定方向電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象稱為光生伏特效應(yīng)?；诠馍匦?yīng)的光電元件是光電池。2.9.2光電元件及特性

1.光電管和光電倍增管

(1)光電管以外光電效應(yīng)原理制作的光電管的結(jié)構(gòu)是由真空管、光電陰極K和光電陽(yáng)極A組成，其符號(hào)及基本工作電路如圖2-57所示。當(dāng)一定頻率光照射到光電陰極時(shí)，陰極發(fā)射的電子在電場(chǎng)作用下被陽(yáng)極所吸引，光電管電路中形成上一頁(yè)下一頁(yè)返回2.9光電式傳感器電流，稱為光電流。不同材料的光電陰極對(duì)不同頻率的入射光有不同的靈敏度，人們可以根據(jù)檢測(cè)對(duì)象是紅外光、可見光或紫外光而選擇不同陰極材料的光電管。

(2)光電倍增管光電倍增管有放大電流的作用，靈敏度高、信噪比大、線性好，多用于微光測(cè)量。圖2-58是光電倍增管符號(hào)及工作原理示意圖。

2.光敏電阻光敏電阻的工作原理是基于內(nèi)光電效應(yīng)。在半導(dǎo)體光敏材料的兩端裝上電極引線，將其封在帶有透明窗的管殼里就構(gòu)成了光敏電阻。光敏電阻的特性和參數(shù)如下:(1)暗電阻置于室溫、全暗條件下的穩(wěn)定電阻值稱為暗電阻，此時(shí)流過(guò)電阻的電流稱為暗電流。上一頁(yè)返回下一頁(yè)2.9光電式傳感器

(2)亮電阻置于室溫和一定光照條件下測(cè)得的穩(wěn)定電阻值稱為亮電阻，此時(shí)流過(guò)電阻的電流稱為亮電流。

(3)伏安特性光敏電阻兩端所加的電壓和流過(guò)光敏電阻的電流間的關(guān)系稱為伏安特性，如圖2-60所示。從圖中可知，伏安特性近似直線，但使用時(shí)應(yīng)限制光敏電阻兩端的電壓，以免超過(guò)虛線所示的功耗區(qū)。

(4)光電特性在光敏電阻兩極間電壓固定不變時(shí)，光照度與亮電流間的關(guān)系稱為光電特性。光敏電阻的光電特性呈非線性，這是光敏電阻的主要缺點(diǎn)之一。

(5)光電特性外編寸光波長(zhǎng)不同時(shí)，光敏電阻的靈敏度也不同。入射光波長(zhǎng)與光敏器件相對(duì)靈敏度間的關(guān)系稱為光電特性。使用時(shí)可根據(jù)被測(cè)光的波長(zhǎng)范圍，選擇不同材料的光敏電阻。下一頁(yè)返回上一頁(yè)2.9光電式傳感器

(6)響應(yīng)時(shí)間光敏電阻受光照后，光電流需要經(jīng)過(guò)一段時(shí)間(上升時(shí)間)才能達(dá)到其穩(wěn)定值。同樣，在停止光照后，光電流也需要經(jīng)過(guò)一段時(shí)間(下降時(shí)間)才能恢復(fù)到其暗電流值，這就是光敏電阻的時(shí)延特性。

3.光電池光電池的工作原理是基于光生伏特效應(yīng)。它的種類很多，有硅、硒、硫化銘、磅化福等，其感光靈敏度隨材料和工藝方法的不同而有差異，目前應(yīng)用最廣泛的是硅光電池，它具有性能穩(wěn)定、光譜范圍寬、頻率特性好、傳遞效率高等優(yōu)點(diǎn)，但對(duì)光的響應(yīng)速度還不夠高。另外，由于硒光電池的光譜峰值位置在人眼的視覺范圍內(nèi)，所以很多分析儀器、測(cè)量?jī)x器也常用到它。下面著重介紹硅光電池的基本特性。上一頁(yè)下一頁(yè)返回2.9光電式傳感器(1)

圖2-61所示為硒光電池和硅光電池的光譜特性曲線，即相對(duì)靈敏度凡和入射光波長(zhǎng)人之間的關(guān)系曲線。從曲線上可看出，不同材料的光電池的光譜峰值位置是不同的。例如硅光電池可在0范圍內(nèi)使用，而硒;合也只能在范圍內(nèi)使用。

(2)光電特性圖2-62所示為硅光電池的光電特性曲線，其中光生電動(dòng)勢(shì)U與照度Ee間的特性曲線稱為開路電壓曲線;光電流強(qiáng)度1e與E。間的特性曲線稱為短路電流曲線。

4.光敏晶體管光敏晶體管是光敏二極管、光敏三極管和光敏晶閘管的總稱。它的工作原理也是基于光生伏特效應(yīng)。光敏二極管的結(jié)構(gòu)與一般二極管相似，它的PN結(jié)裝在管的頂部，可以直接受到光照射，光敏二極管在電路中一般上一頁(yè)下一頁(yè)返回2.9光電式傳感器處于反向工作狀態(tài)，如圖2-63(b)所示。在圖2-63(a)中給出光敏二極管的結(jié)構(gòu)示意圖及符號(hào)，圖2-63(b)中給出光敏二極管的接線圖，光敏二極管在不受光照射時(shí)處于截止?fàn)顟B(tài)，受光照射時(shí)處于導(dǎo)通狀態(tài)。光敏三極管有PNP型和NPN型兩種，它的結(jié)構(gòu)、等效電路、圖形符號(hào)及應(yīng)用電路如圖2-64所示。光敏三極管工作原理是由光敏二極管與普通三極管的工作原理組合而成。如圖2-64(b)所示，光敏三極管在光照作用下，產(chǎn)生基極電流，即光電流，與普通三極管的放大作用相似，在集電極上則產(chǎn)生是光電流的刀倍的集電極電流，所以光敏三極管比光敏二極管具有更高的靈敏度。下面著重介紹光敏晶體管的基本特性。

(1)光譜特性光敏晶體管硅管的峰值波長(zhǎng)為0.9左右，鍺管的峰值波長(zhǎng)為1.5左右。由于鍺管的暗電流比硅管大，上一頁(yè)返回下一頁(yè)2.9光電式傳感器(3)光電特性光敏晶體管的輸出電流1e和照度E。之間關(guān)系可近似地看作線性關(guān)系。

(4)溫度特性鍺光敏晶體管的溫度變化對(duì)輸出電流的影響較小，主要由光照度所決定，而暗電流隨溫度變化很大。所以在使用時(shí)應(yīng)在線路上采取措施進(jìn)行溫度補(bǔ)償。

(5)響應(yīng)時(shí)間硅和鍺光敏二極管的響應(yīng)時(shí)間分別為10-6s和10-4s，光敏三極管的響應(yīng)時(shí)間比相應(yīng)的二極管約慢一個(gè)數(shù)量級(jí)，因此在要求快速響應(yīng)或入射光調(diào)制頻率較高時(shí)選用硅光敏二極管較合適。2.9.3光電式傳感器的應(yīng)用類型光電式傳感器實(shí)際上是由光電元件、光源和光學(xué)元件組成的光路系統(tǒng)結(jié)合相應(yīng)的測(cè)量轉(zhuǎn)換電路而構(gòu)成的。常用光源有各種白熾燈和發(fā)光二極管，常用光學(xué)元件有多種反射鏡、上一頁(yè)下一頁(yè)返回2.9光電式傳感器透鏡和半透半反鏡等。關(guān)于光源、光學(xué)元件的參數(shù)及光學(xué)原理，讀者可參閱有關(guān)書籍。但要特別指出的是，光源與光電元件在光譜特性上應(yīng)基本一致，即光源發(fā)出的光應(yīng)該在光電元件接收靈敏度最高的頻率范圍內(nèi)。光電式傳感器的測(cè)量屬于非接觸式測(cè)量，目前越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域。因光源對(duì)光電元件作用方式不同而確定的光學(xué)裝置是多種多樣的，按其輸出量性質(zhì)可分為:模擬輸出型光電傳感器和數(shù)字輸出型光電傳感器兩大類。無(wú)論是哪一種，依被測(cè)物與光電元件和光源之間的關(guān)系，光電式傳感器的應(yīng)用可分為以下四種基本類型:

.光輻射本身是被測(cè)物，由被測(cè)物發(fā)出的光通量到達(dá)光電元件上。光電元件的輸出反映了光源的某些物理參數(shù)，見圖2-66(a)。如:光電比色溫度計(jì)、光照度計(jì)等。上一頁(yè)下一頁(yè)返回2.9光電式傳感器恒光源發(fā)出的光通量穿過(guò)被測(cè)物，部分被吸收后到達(dá)光電元件上。吸收量決定于被測(cè)物的某些參數(shù)，見圖2-66(b)。如:測(cè)液體、氣體透明度、混濁度的光電比色計(jì)等。

.恒光源發(fā)出的光通量到達(dá)被測(cè)物，再?gòu)谋粶y(cè)物體反射出來(lái)投射到光電元件上。光電元件的輸出反映了被測(cè)物的某些參數(shù)，見圖2-66(c)。如:測(cè)量表面粗糙度、紙張白度等。

.從恒光源發(fā)射到光電元件的光通量遇到被測(cè)物被遮檔了一部分，由此改變了照射到光電元件上的光通量。光電元件的輸出反映了被測(cè)物尺寸等參數(shù)，見圖2-66(d)。如:振動(dòng)測(cè)量、工件尺寸測(cè)量等。2.9.4光電式傳感器的應(yīng)用舉例

1.光電比色溫度計(jì)上一頁(yè)下一頁(yè)返回2.9光電式傳感器光電比色溫度計(jì)是根據(jù)熱輻射定律，使用光電池進(jìn)行非接觸測(cè)溫的一個(gè)典型例子。根據(jù)有關(guān)的熱輻射定律，物體在兩個(gè)特定波長(zhǎng),上的、之比與該物體的溫度成指數(shù)關(guān)系。即式中,—與,及物體的黑度有關(guān)的常數(shù)。因此，只要測(cè)出與之比，就可根據(jù)上式算出物體的溫度T。圖2-67是光電比色溫度計(jì)的原理圖。2.光電式煙塵濃度計(jì)工廠煙囪煙塵的排放是環(huán)境污染的重要來(lái)源，為了控制和減少煙塵的排放量，對(duì)煙塵的監(jiān)測(cè)是必要的。圖2-68所示為光電式煙塵濃度計(jì)的原理圖。上一頁(yè)返回下一頁(yè)2.9光電式傳感器光源1發(fā)出的光線經(jīng)半透半反鏡3分成兩束強(qiáng)度相等的光線，一路光線直接到達(dá)光電三極管7上，產(chǎn)生作為被測(cè)煙塵濃度的參比信號(hào)。另一路光線經(jīng)反射鏡4穿過(guò)被測(cè)煙塵5到達(dá)光電三極管6上，其中一部分光線被煙塵吸收或折射，煙塵濃度越高，光線的衰減量越大，到達(dá)光電三極管6的光通量就越小。

3.光電式轉(zhuǎn)速表由于機(jī)械式轉(zhuǎn)速表和接觸式電子轉(zhuǎn)速表精度不高，且影響被測(cè)物的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，已不能滿足自動(dòng)化的要求。光電式轉(zhuǎn)速表有反射式和透射式兩種，它可以在距被測(cè)物數(shù)十毫米處非接觸地測(cè)量其轉(zhuǎn)速。由于光電器件的動(dòng)態(tài)特性較好，所以可以用于高轉(zhuǎn)速的測(cè)量而又不影響被測(cè)物的轉(zhuǎn)動(dòng)，圖2-69是反射式光電轉(zhuǎn)速表的原理圖。下一頁(yè)返回上一頁(yè)2.9光電式傳感器

4.光電式邊緣位置檢測(cè)器光電式邊緣位置檢測(cè)器是用來(lái)檢測(cè)帶形材料在生產(chǎn)過(guò)程中偏離正確位置的大小及方向，從而為糾偏控制電路提供糾偏信號(hào)。例如，在冷軋帶鋼廠中，某些工藝采用連續(xù)生產(chǎn)方式，如連續(xù)酸洗、退火、鍍錫等。帶鋼在上述運(yùn)動(dòng)過(guò)程中易產(chǎn)生走偏。帶材走偏時(shí)，邊緣便常與傳送機(jī)械發(fā)生碰撞而出現(xiàn)卷邊，造成廢品。在其他工業(yè)部門如印染、造紙、膠片、磁帶等生產(chǎn)過(guò)程中也會(huì)發(fā)生類似問題。

圖2-70(a)是光電式邊緣位置檢測(cè)器的原理圖。光源1發(fā)出的光線經(jīng)透鏡2會(huì)聚為平行光束射向透鏡3，從而又被會(huì)聚到光敏電阻4(R,)上。在平行光束到達(dá)透鏡3的途中，有部分光線受到被測(cè)帶材的遮擋，從而使到達(dá)光敏電阻的光通量減小。圖2-70(b)是測(cè)量電路簡(jiǎn)圖。上一頁(yè)下一頁(yè)返回2.9光電式傳感器(1)圖2-61所示為硒光電池和硅光電池的光譜特性曲線，即相對(duì)靈敏度凡和入射光波長(zhǎng)人之間的關(guān)系曲線。從曲線上可看出，不同材料的光電池的光譜峰值位置是不同的。例如硅光電池可在0范圍內(nèi)使用，而硒;合也只能在范圍內(nèi)使用。

(2)光電特性圖2-62所示為硅光電池的光電特性曲線，其中光生電動(dòng)勢(shì)U與照度Ee間的特性曲線稱為開路電壓曲線;光電流強(qiáng)度1e與E。間的特性曲線稱為短路電流曲線。

4.光敏晶體管光敏晶體管是光敏二極管、光敏三極管和光敏晶閘管的總稱。它的工作原理也是基于光生伏特效應(yīng)。光敏二極管的結(jié)構(gòu)與一般二極管相似，它的PN結(jié)裝在管的頂部，可以直接受到光照射，光敏二極管在電路中一般上一頁(yè)返回2.10數(shù)字式傳感器

2.10.1數(shù)字式傳感器的種類及工作原理目前應(yīng)用較廣泛的數(shù)字式傳感器有光柵、碼盤、磁柵和感應(yīng)同步器等幾種。下面簡(jiǎn)要介紹幾種數(shù)字式傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理。

1.光柵傳感器光柵傳感器實(shí)際上是光電傳感器的一個(gè)特殊應(yīng)用。由于光柵測(cè)量具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、測(cè)量精度高、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和數(shù)字化等優(yōu)點(diǎn)，因而在位移測(cè)量中得到廣泛的應(yīng)用。

(1)光柵的結(jié)構(gòu)和類型光柵傳感器作為計(jì)量元件被稱為計(jì)量光柵。計(jì)量光柵由主光柵(又稱標(biāo)尺光柵)、指示光柵和光路系統(tǒng)組成。計(jì)量光柵是在透明的玻璃或不透明但具有強(qiáng)反射能力的基體上均勻地刻劃間距和寬度相等的條紋。計(jì)量光柵按其形狀和用途可以分成長(zhǎng)光返回下一頁(yè)2.10數(shù)字式傳感器

(2)光柵的工作原理計(jì)量光柵是利用莫爾條紋現(xiàn)象來(lái)進(jìn)行測(cè)量的。所謂莫爾條紋是指兩塊光柵尺疊合時(shí)，出現(xiàn)光的若干條明暗相間的條紋。利用莫爾條紋的放大特性，即將主光柵與指示光柵的相對(duì)微小移動(dòng)轉(zhuǎn)化成放大了的莫爾條紋的移動(dòng)，經(jīng)光電傳感器檢測(cè)莫爾條紋移動(dòng)的大小，再通過(guò)辨向電路辨別莫爾條紋移動(dòng)方向，即光柵移動(dòng)的方向，辨向電路還將光電傳感器檢測(cè)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)。

2.碼盤碼盤又稱角數(shù)字編碼器，它是測(cè)量轉(zhuǎn)角位置和位移的方法之一，它具有很高的精確度、分辨率和可靠性。

(1)碼盤結(jié)構(gòu)和類型根據(jù)其編碼的處理形式不同分為絕對(duì)式碼盤和增量式碼盤兩種類型;根據(jù)獲取信息的原理不同分為上一頁(yè)下一頁(yè)返回2.10數(shù)字式傳感器接觸式碼盤、光電式碼盤、電磁式碼盤、霍爾式碼盤、電容式碼盤等。由于篇幅所限，下面僅介紹光電式碼盤的結(jié)構(gòu)及工作原理。光電式碼盤是目前用得較多的一種，實(shí)際上也是光電式傳感器的一個(gè)特殊應(yīng)用。碼盤由透明及不透明區(qū)組成，這些透明及不透明區(qū)按一定編碼構(gòu)成，碼盤上碼道的條數(shù)就是數(shù)碼的位數(shù)。對(duì)應(yīng)每一條碼道有一個(gè)光電元件，當(dāng)碼道處于不同角度時(shí)，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換的輸出就呈現(xiàn)出不同的數(shù)碼，光電式碼盤如圖2-72所示，它的優(yōu)點(diǎn)是沒有觸點(diǎn)磨損，因而允許轉(zhuǎn)速高，最外層縫隙寬度可做得更小，所以精度也很高;其缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格高、光源壽命短。國(guó)內(nèi)已有14位碼盤的定型產(chǎn)品。上一頁(yè)返回下一頁(yè)2.10數(shù)字式傳感器(2)碼盤的工作原理圖2-73所示為光電式碼盤測(cè)角儀原理圖。1為光源,2為大孔徑非球面聚光透鏡，3為碼盤，4為狹縫光闌。在采用循環(huán)碼碼盤的情況下，每一碼道有一個(gè)光電元件，在采用二進(jìn)碼或其他需要“糾錯(cuò)”即防止產(chǎn)生粗誤差的場(chǎng)合下，除最低位外，其他各個(gè)碼道均需要雙縫和兩個(gè)光電元件。3.磁柵傳感器磁柵傳感器是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的新型檢測(cè)元件。與其他類型的檢測(cè)元件相比，磁柵傳感器具有制作簡(jiǎn)單、復(fù)制方便、易于安裝和調(diào)整、測(cè)量范圍寬(從幾十毫米到數(shù)十米)、不需接長(zhǎng)、抗干擾能力強(qiáng)等一系列優(yōu)點(diǎn)，因而在大型機(jī)床的數(shù)字檢測(cè)、自動(dòng)化機(jī)床的自動(dòng)控制及軋壓機(jī)的定位控制等方面得到了廣泛應(yīng)用。下一頁(yè)返回上一頁(yè)2.10數(shù)字式傳感器

(1)磁柵傳感器的組成及類型磁柵傳感器是由磁柵(簡(jiǎn)稱磁尺)、磁頭和檢測(cè)電路組成。磁尺是用非導(dǎo)磁性材料做尺基，在尺基的上面鍍一層均勻的磁性薄膜，然后錄上一定波長(zhǎng)的磁信號(hào)，如圖2-74所示。

(2)磁柵傳感器的工作原理以靜態(tài)磁柵為例說(shuō)明磁柵傳感器的工作原理。如圖2-74所示有兩組磁頭，為了在低速甚至靜止時(shí)讀出信號(hào)，采用磁調(diào)制磁頭。

4.感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器是一種新穎的位置檢測(cè)元件，輸出為數(shù)字信號(hào)，具有精度高、抗干擾能力強(qiáng)、工作可靠、對(duì)工作環(huán)境要求低、維護(hù)方便、壽命長(zhǎng)、制造工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于自動(dòng)化測(cè)量和控制系統(tǒng)中。上一頁(yè)下一頁(yè)返回2.10數(shù)字式傳感器

(1)感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)類型感應(yīng)同步器分為直線式和旋轉(zhuǎn)式(圓盤式)兩種基本類型，直線式用于測(cè)量直線位移，旋轉(zhuǎn)式用于測(cè)量角位移，它們的基本工作原理是相同的。直線感應(yīng)同步器有標(biāo)準(zhǔn)型、窄型和帶型幾種形式，標(biāo)準(zhǔn)型感應(yīng)同步器是其中精度最高的一種，使用也最廣泛。感應(yīng)同步器是由可以相對(duì)移動(dòng)的滑尺和定尺(對(duì)于直線式)或轉(zhuǎn)子和定子(對(duì)于旋轉(zhuǎn)式)組成，它們的截面結(jié)構(gòu)如圖2-75所示?；宀牧弦话悴捎玫吞间摶蛘卟ＡУ确菍?dǎo)磁材料。

(2)感應(yīng)同步器的基本工作原理感應(yīng)同步器類似于一個(gè)多極對(duì)的正余弦變壓器，主要由相對(duì)移動(dòng)的滑尺和定尺兩部分組成。感應(yīng)同步器是利用繞組間隨其相對(duì)位置變化產(chǎn)生電磁藕合的變化，從而發(fā)出相應(yīng)位移電信號(hào)。目前多使用鑒相方式來(lái)檢出電信號(hào)。上一頁(yè)下一頁(yè)返回2.10數(shù)字式傳感器

2.10.2數(shù)字式傳感器的應(yīng)用數(shù)字式傳感器不僅具有很高的測(cè)量精度、使用和維修方便、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和數(shù)字化，而且配上微處理器，還可起到數(shù)控作用，有利于提高加工精度，降低廢品率，因而在企業(yè)的技術(shù)改造、機(jī)械工業(yè)的生產(chǎn)和自動(dòng)測(cè)量以及自動(dòng)控制系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。下面舉一些實(shí)例來(lái)說(shuō)明它們的具體應(yīng)用。

1.光柵傳感器的應(yīng)用光柵傳感器通常作為測(cè)量元件應(yīng)用于機(jī)床定位、長(zhǎng)度和角度的計(jì)量?jī)x器中，并用于測(cè)量速度、加速度、振動(dòng)等數(shù)值上。計(jì)量光柵的應(yīng)用方面為:用于數(shù)字式光學(xué)儀器中，如數(shù)字萬(wàn)能工具顯微鏡、光學(xué)分度頭，比長(zhǎng)儀等;用于動(dòng)態(tài)測(cè)量，如齒輪上一頁(yè)返回下一頁(yè)2.10數(shù)字式傳感器單面嚙合儀等;用于標(biāo)準(zhǔn)儀器，如高精度加工機(jī)床的長(zhǎng)度和角度的標(biāo)準(zhǔn)器具;用于模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，如數(shù)控機(jī)床的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器等。圖2-76所示為新天精密光學(xué)儀器公司生產(chǎn)的光柵式萬(wàn)能測(cè)長(zhǎng)儀的工作原理圖。

2.磁柵傳感器的應(yīng)用

(1)可以作為高精度測(cè)量長(zhǎng)度和角度的儀器用由于可以采用激光定位錄磁，而不需采用感光、腐蝕等工藝，因而可以得到較高的精度。(2)可以用于自動(dòng)化控制系統(tǒng)中的檢測(cè)(線位移)元件在三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)、程控?cái)?shù)控機(jī)床及高精度重、中型機(jī)床控制系統(tǒng)中的測(cè)量裝置，均得到了應(yīng)用。

圖2-77所示為上海機(jī)床研究所生產(chǎn)的ZCB一101鑒相型磁柵數(shù)顯表的原理框圖。上一頁(yè)返回下一頁(yè)2.10數(shù)字式傳感器

3.感應(yīng)同步器的應(yīng)用感應(yīng)同步器由于它有一系列優(yōu)點(diǎn)，并能實(shí)現(xiàn)線位移和角位移的測(cè)量，目前主要應(yīng)用于兩個(gè)領(lǐng)域:作為高精度測(cè)量?jī)x器;作為自動(dòng)化、自動(dòng)控制系統(tǒng)中的檢測(cè)元件，主要用于自動(dòng)控制的定位控制系統(tǒng)和隨動(dòng)控制系統(tǒng)。感應(yīng)同步器特別在機(jī)床控制系統(tǒng)中成為最重要的位移檢測(cè)元件之一，受到國(guó)內(nèi)外的普遍重視。下面簡(jiǎn)要介紹一下定位控制系統(tǒng)。如圖2-78所示為鑒相型滑尺激磁定位控制原理框圖。上一頁(yè)返回2.11霍爾傳感器2.11.1霍爾效應(yīng)霍爾效應(yīng)HallEffect是一種磁電效應(yīng)，是德國(guó)物理學(xué)家霍爾1879年研究載流導(dǎo)體在磁場(chǎng)中受力的性質(zhì)時(shí)發(fā)現(xiàn)的。所謂霍爾效應(yīng)，是指磁場(chǎng)作用于載流金屬導(dǎo)體、半導(dǎo)體中的載流子時(shí)，產(chǎn)生橫向電位差的物理現(xiàn)象。金屬的霍爾效應(yīng)是1879年被美國(guó)物理學(xué)家霍爾發(fā)現(xiàn)的。當(dāng)電流通過(guò)金屬箔片時(shí)，若在垂直于電流的方向施加磁場(chǎng)，則金屬箔片兩側(cè)面會(huì)出現(xiàn)橫向電位差。半導(dǎo)體中的霍爾效應(yīng)比金屬箔片中更為明顯，而鐵磁金屬在居里溫度以下將呈現(xiàn)極強(qiáng)的霍爾效應(yīng)。由霍爾效應(yīng)產(chǎn)生的霍爾電壓公式為:下一頁(yè)返回2.11霍爾傳感器式中—霍爾電壓;—霍爾系數(shù);—載流子濃度或自由電子濃度;—電子電量;

—通過(guò)的電流;B—垂直于1的磁感應(yīng)強(qiáng)度;d—導(dǎo)體的厚度。由上式可知，霍爾電壓正比于電流強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度，且與霍爾元件的形狀有關(guān)。在電流強(qiáng)度恒定，霍爾元件形狀固定的條件下，霍爾電壓正比于磁場(chǎng)強(qiáng)度。當(dāng)磁場(chǎng)方向改變時(shí)，霍爾電壓的符號(hào)也隨之改變。上一頁(yè)下一頁(yè)返回2.11霍爾傳感器2.11.2霍爾效應(yīng)的應(yīng)用霍爾器件分為霍爾元件和霍爾集成電路兩大類，前者是一個(gè)簡(jiǎn)單的霍爾片，使用時(shí)常常需要將獲得的霍爾電壓進(jìn)行放大。后者將霍爾片和它的信號(hào)處理電路集成在同一個(gè)芯片上。

1.霍爾元件根據(jù)霍爾效應(yīng)，人們用半導(dǎo)體材料制成霍爾元件，它具有對(duì)磁場(chǎng)敏感、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、頻率響應(yīng)寬、輸出電壓變化大和使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，因此，在測(cè)量、自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。2.霍爾開關(guān)電路霍爾開關(guān)電路又稱霍爾數(shù)字電路，可分為單穩(wěn)態(tài)和雙穩(wěn)態(tài)，內(nèi)部均有5個(gè)部分，即由穩(wěn)壓源、霍爾電勢(shì)發(fā)生器、上一頁(yè)返回下一頁(yè)2.11霍爾傳感器差分放大器、施密特觸發(fā)器以及輸出級(jí)組成。稱的施密特整形電路。圖2-79是單穩(wěn)態(tài)開關(guān)集成霍爾元件雙穩(wěn)態(tài)傳感器具有兩組對(duì)。返回上一頁(yè)2.12差分變壓器式傳感器電感式傳感器是利用線圈的自感、互感或阻抗的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)非電量檢測(cè)的一種裝置，而差分變壓器式傳感器就是一種電感式傳感器，它是根據(jù)互感的變化來(lái)感知被檢測(cè)量的。

2.12.1電感式傳感器簡(jiǎn)述電感式傳感器具有‘結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、分辨率好和測(cè)量精度高等一系列優(yōu)點(diǎn)。它的主要缺點(diǎn)是響應(yīng)較慢，不宜做快速動(dòng)態(tài)測(cè)量。它應(yīng)用很廣，可用來(lái)測(cè)位移、壓力、振動(dòng)等參數(shù)。

2.12.2差分變壓器式傳感器工作原理差分變壓器的結(jié)構(gòu)原理如圖2-81所示，它主要由一個(gè)線框和一個(gè)鐵芯組成。在線框上繞有一組初級(jí)線圈作輸入線圈(或稱一次線圈)。在同一線框上另繞兩組完全對(duì)稱的下一頁(yè)返回2.12差分變壓器式傳感器次級(jí)線圈作輸出線圈(或稱二次線圈)，它們反向串聯(lián)組成差分輸出形式。理想差分變壓器的原理如圖2-82所示。當(dāng)一次線圈加人勵(lì)磁電源后，其二次線圈、產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)、輸出電壓分別為、，經(jīng)推導(dǎo)得輸出電壓

為式中—?jiǎng)?lì)磁電源角頻率;

—線圈互感的增量;—?jiǎng)?lì)磁電流。理論和實(shí)踐證明，線圈互感的增量△M與銜鐵位移量x基本成正比關(guān)系，所以輸出電壓的有效值為上一頁(yè)下一頁(yè)返回2.12差分變壓器式傳感器式中K是差分變壓器的靈敏度，它是與差分變壓器的結(jié)構(gòu)及材料有關(guān)的量，在線性范圍內(nèi)可近似看作常量。差分變壓器的輸出特性如圖2-83所示。2.12.3基本特性

1.靈敏度差分變壓器的靈敏度是指差分變壓器在單位電壓勵(lì)磁下，鐵芯移動(dòng)單位距離時(shí)的輸出電壓，以mV/(mmV)表示。一般差分變壓器的靈敏度大于50mV/(mmV)。2.線性范圍理想的差分變壓器輸出電壓應(yīng)與銜鐵位移成線性關(guān)系，實(shí)際上由于銜鐵的直徑、長(zhǎng)度、材質(zhì)和線圈骨架的形狀、大小的不同等均對(duì)線性有直接影響。差分變壓器一般線性范圍為上一頁(yè)返回下一頁(yè)2.12差分變壓器式傳感器線圈骨架長(zhǎng)度的1/10一1/4。由于差分變壓器中間部分磁場(chǎng)是均勻的且較強(qiáng)，所以只有中間部分線性較好。12.1.4測(cè)量轉(zhuǎn)換電路差分變壓器的電壓是交流電壓，它與銜鐵位移成正比，其輸出電壓如用交流電壓表來(lái)測(cè)量同樣無(wú)法判別銜鐵移動(dòng)方向。所以在差分變壓器測(cè)量轉(zhuǎn)換電路中常采用差分相敏檢波電路。但最常用的測(cè)量轉(zhuǎn)換