檢測與轉(zhuǎn)換技術(shù)總復(fù)習(xí)

總復(fù)習(xí)1.1檢測與轉(zhuǎn)換技術(shù)的基本概念

檢測與轉(zhuǎn)換技術(shù)是自動檢測技術(shù)和自動轉(zhuǎn)換技術(shù)的總稱，它是以研究自動檢測系統(tǒng)中的信息獲取、信息轉(zhuǎn)換以及信息處理的理論和技術(shù)為主要內(nèi)容的一門應(yīng)用技術(shù)學(xué)科。在人類進(jìn)入信息時代的今天，人們的一切社會活動都是以信息獲取與信息轉(zhuǎn)換為中心，傳感器作為信息獲取與信息轉(zhuǎn)換的重要手段，是信息科學(xué)最前端的一個陣地，是實現(xiàn)信息化的基礎(chǔ)技術(shù)之一?！皼]有傳感器就沒有現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)”的觀點已為全世界所公認(rèn)。以傳感器為核心的檢測系統(tǒng)就像神經(jīng)和感官一樣，源源不斷地向人類提供宏觀與微觀世界的種種信息，成為人們認(rèn)識自然、改造自然的有利工具。

第1章檢測與轉(zhuǎn)換技術(shù)的理論基礎(chǔ)

1.1.1檢測系統(tǒng)的組成由于檢測與控制對象常常為非電量，這就需要通過傳感器轉(zhuǎn)換為電量，然后經(jīng)過－系列的處理，將非電量參數(shù)顯示出來，其原理框圖如下圖所示。電量數(shù)據(jù)處理裝置執(zhí)行機(jī)構(gòu)信號處理電路傳感器非電量自動檢測系統(tǒng)原理框圖Uo（Io，f）顯示器1．傳感器傳感器是把被測非電量轉(zhuǎn)換成為與之有確定對應(yīng)關(guān)系，且便于應(yīng)用的某些物理量（通常為電量）的測量裝置。2．信號處理電路信號處理電路的作用是把傳感器輸出的電量變成具有一定驅(qū)動和傳輸能力的電壓、電流或頻率信號等，以推動后級的顯示器、數(shù)據(jù)處理裝置及執(zhí)行機(jī)構(gòu)。3．顯示器為了記錄檢測的過程與結(jié)果，常常需要將信號處理電路傳送過來的電信號以比較直觀的形式顯示出來，以供觀測和分析，這就需要有顯示器。目前常用的顯示器有四類：模擬顯示、數(shù)字顯示、圖像顯示及記錄儀等。4．?dāng)?shù)據(jù)處理裝置數(shù)據(jù)處理裝置用來對測試所得的實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、運算、邏輯判斷、線性變換，對動態(tài)測試結(jié)果作頻譜分析（幅值譜分析、功率譜分析）、相關(guān)分析等。5．執(zhí)行機(jī)構(gòu)所謂執(zhí)行機(jī)構(gòu)通常是指各種繼電器、電磁閥門等在電路中起通斷、控制、調(diào)節(jié)、保護(hù)等作用的電器設(shè)備。許多檢測系統(tǒng)能輸出與被測量有關(guān)的電流或電壓信號，作為自動控制系統(tǒng)的控制信號，去驅(qū)動這些執(zhí)行機(jī)構(gòu)。1.2.1檢測方法的分類檢測方法的分類形式有多種，從不同的角度出發(fā)有不同的分類方法。下面介紹幾種常見的分類方法。1．按測量手段分類按測量手段分有直接測量、間接測量、組合測量。2．按被測量的性質(zhì)分類按被測量的性質(zhì)分類有時域測量、頻域測量、數(shù)據(jù)域測量和隨機(jī)測量。

根據(jù)儀表的等級可以確定測量的滿度相對誤差和最大絕對誤差。例如，正常情況下，用0.5級、量程為1000C溫度表來測量溫度時，可能產(chǎn)生的最大絕對誤差為：

儀表的準(zhǔn)確度等級和基本誤差1.3測量誤差的概念和分類

解：測量25V電壓，選用準(zhǔn)確度0.5級、量程150V的電壓表，測量結(jié)果中可能出現(xiàn)的最大絕對誤差由公式可得

Δx

m1＝±0.5%×150＝±0.75V

測量25V時的最大相對示值誤差為

例：測量25V電壓，選用準(zhǔn)確度0.5級、量程150V的電壓表和選用準(zhǔn)確度1.5級、量程30V的電壓表，請問選擇哪只表更適宜一些？如果選用準(zhǔn)確度1.5級、量程30V的電壓表，測量結(jié)果中可能出現(xiàn)的最大絕對誤差為

Δx

m2

＝±1.5%×30＝±0.45V

測量25V時的最大相對示值誤差為

計算結(jié)果表明1.5級、量程30V的電壓表比0.5級、量程150V的電壓表的示值相對誤差小，所以更合適。由上例可知，測量結(jié)果的精確度，不僅與儀表的準(zhǔn)確度等級有關(guān)，而且與它的量程也有關(guān)。因此，選擇儀表量程時應(yīng)盡可能使示值在滿刻度的三分之二以上。

1.4.4測量數(shù)據(jù)的處理1.數(shù)字修約規(guī)則由于測量數(shù)據(jù)和測量結(jié)果均是近似數(shù)，其位數(shù)各不相同。為了使測量結(jié)果的表示準(zhǔn)確唯一，計算簡便，在數(shù)據(jù)處理時，需對測量數(shù)據(jù)和所用常數(shù)進(jìn)行修約處理。數(shù)據(jù)修約規(guī)則：（1）小于5舍去——末位不變。（2）大于5進(jìn)1——在末位增1。（3）等于5時，取偶數(shù)——當(dāng)末位是偶數(shù)，末位不變；末位是奇數(shù)，在末位增1（將末位湊為偶數(shù)）。1.4測量誤差的估計和處理例：將下列數(shù)據(jù)舍入到小數(shù)第二位。12.4344→12.43 63.73501→63.740.69499→0.6925.3250→25.32 17.6955→17.70 123.1150→123.12需要注意的是，舍入應(yīng)一次到位，不能逐位舍入。上例中0.69499，正確結(jié)果為0.69，錯誤做法是：

0.69499→0.6950→0.695→0.70。在“等于5”的舍入處理上，采用取偶數(shù)規(guī)則，是為了在比較多的數(shù)據(jù)舍入處理中，使產(chǎn)生正負(fù)誤差的概率近似相等。

1.5傳感器及其特性根據(jù)我國的國家標(biāo)準(zhǔn)（GB7765-87），傳感（Transducer/Sensor）的定義是：“能夠感受規(guī)定的被測量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置”。

定義包含的意思：1．傳感器是測量裝置，能完成檢測任務(wù)；2．它的輸入量是某一種被測量，可能是物理量，也可能是化學(xué)量、生物量等。3．它的輸出量是某種物理量，這種量應(yīng)便于傳輸、轉(zhuǎn)換、處理、顯示等等，這種量不一定是電量，還可以是氣壓、光強(qiáng)等物理量，但主要是電物理量；4．輸出與輸入之間有確定的對應(yīng)關(guān)系，且能達(dá)到一定的精度。1.5.1傳感器的組成

通常情況下，輸出量為電量的傳感器，一般由敏感元件、傳感元件和信號調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換電路組成，如圖所示。信號調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換電路傳感元件敏感元件被測量輸入量測量電路電源電量輸出量1．敏感元件直接感受被測非電量，并按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成與被測量有確定關(guān)系的其它量（一般仍為非電量）的元件。2．傳感元件傳感元件又稱變換器，能將敏感元件感受到的非電量直接轉(zhuǎn)換成電量。3．信號調(diào)節(jié)與轉(zhuǎn)換電路能把傳感元件輸出的電信號轉(zhuǎn)換為便于顯示、記錄、處理和控制的有用電信號的電路。1.5.3傳感器性能評價

傳感器的各種特性一般是根據(jù)輸入和輸出的對應(yīng)關(guān)系來描述的。傳感器在穩(wěn)態(tài)（靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)）信號作用下，輸入和輸出的對應(yīng)關(guān)系稱為靜態(tài)特性；在動態(tài)（周期或暫態(tài)）信號作用下，輸入和輸出的對應(yīng)關(guān)系稱為動態(tài)特性。

衡量傳感器的輸入-輸出靜態(tài)特性的重要指標(biāo)是：靈敏度、線性度、滯后、穩(wěn)定性、重復(fù)性。1．靈敏度(Sensitivity)

靈敏度是指傳感器在穩(wěn)態(tài)下輸出變化值與輸入變化值之比，用K來表示：2．線性度(Linearity)

線性度又稱非線性誤差，是指輸出量與輸入量之間的實際關(guān)系曲線偏離直線的程度，又稱非線性誤差。線性度的計算公式如下：max—輸出量與輸入量實際曲線與擬合直線之間的最大偏差yFS—輸出滿量程值第三章熱電偶型傳感器

熱電式傳感器是一種將溫度變化轉(zhuǎn)換為電量變化的裝置?？梢岳梦矬w的某些物理性質(zhì)（電阻、電勢或磁導(dǎo)等）隨著溫度變化的特征進(jìn)行測量。其中將溫度轉(zhuǎn)換為電勢大小的熱電傳感器叫做熱電偶。將溫度轉(zhuǎn)換為電阻值大小的熱電式傳感器叫熱電阻。

熱電偶是工程上應(yīng)用最廣泛的溫度傳感器。它構(gòu)造簡單,使用方便,具有較高的準(zhǔn)確度、穩(wěn)定性及復(fù)現(xiàn)性,溫度測量范圍寬,在溫度測量中占有重要的地位。3.2熱電偶

在兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體所組成的閉合回路中，當(dāng)兩接觸處的溫度不同時，回路中就會產(chǎn)生熱電勢（也稱塞貝克電勢）。這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。

3.2.1熱電效應(yīng)

熱電效應(yīng)是由珀爾帖效應(yīng)和湯姆遜效應(yīng)引起的，則熱電勢EAB（T,T0）由接觸電勢（珀爾帖電勢）和溫差電勢（湯姆遜電勢）組成。1．珀爾帖效應(yīng)

當(dāng)A、B兩種不同材料的導(dǎo)體相互緊密地連接在一起時，如圖3-1所示，由于導(dǎo)體中都有大量自由電子，而且不同導(dǎo)體材料的自由電子的濃度不同（假設(shè)導(dǎo)體A的自由電子濃度大于導(dǎo)體B的自由電子濃度），那么在單位時間內(nèi)，由導(dǎo)體A擴(kuò)散到導(dǎo)體B的電子數(shù)要比由導(dǎo)體B擴(kuò)散到導(dǎo)體A的電子數(shù)多。這時導(dǎo)體A因失去電子而帶正電，導(dǎo)體B得到電子而帶負(fù)電，于是在接觸處便形成了電位差。該電位差稱為接觸電勢（即珀爾帖電勢）。這個電勢將阻礙電子進(jìn)一步擴(kuò)散；當(dāng)電子擴(kuò)散能力與電場的阻力平衡時，接觸處的電子擴(kuò)散就達(dá)到了動平衡，接觸電勢則達(dá)到一個穩(wěn)態(tài)值。接觸電勢的大小與兩導(dǎo)體材料的性質(zhì)和接觸點的溫度有關(guān)，其數(shù)量級約為0.001～0.01V。由物理學(xué)可知，兩導(dǎo)體兩端接觸電勢為式中，k—玻耳茲曼常數(shù)，k＝1.381×10-23J/K；

e—電子電荷量，e=1.602×10-19C；

T—結(jié)點處的絕對溫度（K）；

nA（T），nB（T）—材料A，B在溫度T時的自由電子濃度上式說明接觸電動勢的大小與接點溫度的高低及導(dǎo)體中的電子密度有關(guān)。2．湯姆遜效應(yīng)

如圖3-2所示，對于唯一均質(zhì)導(dǎo)體A，當(dāng)其兩端的溫度不同時（假設(shè)一端的溫度為T，另一端的溫度為T0，而且T>T0），由于溫度較高的一端（T端）的電子能量高于溫度較低的一端（T0端）的電子能量，因此產(chǎn)生了電子擴(kuò)散，形成了溫差電勢，稱作單一導(dǎo)體的溫差電勢（即湯姆遜電勢）。該電勢形成新的不平衡電場將阻礙電子進(jìn)一步擴(kuò)散；當(dāng)電子擴(kuò)散能力與電場的阻力平衡時，電子擴(kuò)散就達(dá)到了動態(tài)平衡，溫差電勢達(dá)到一個穩(wěn)態(tài)值。溫差電勢的大小與導(dǎo)體材料的性質(zhì)和導(dǎo)體兩端的溫度有關(guān)，其數(shù)量級約為10-5。由物理學(xué)可知，導(dǎo)體A的溫差熱電勢為3.2.2熱電偶的工作原理

圖3-3（a）、（b）為熱電偶的原理結(jié)構(gòu)與熱電勢示意圖，A，B兩種不同導(dǎo)體材料兩端相互緊密地連接在一起，組成一個閉合回路。這樣就構(gòu)成了一個熱電偶。當(dāng)兩結(jié)點溫度不等（T>T0）時，回路中就會產(chǎn)生熱電勢，從而形成電流，這就是熱電偶的工作原理。通常T0端又稱為參考端或冷端；T端又稱為測量端或熱端。圖3-3熱電偶的原理結(jié)構(gòu)與熱電勢示意圖圖3-3（a）、（b）所示熱電偶的總接觸電勢（珀爾帖電勢）為總溫差電勢（湯姆遜電勢）為則總熱電勢為(3-8)(3-7)(3-6)3.2.3熱電偶的基本定律熱電偶測溫完全是建立在利用實驗熱特性和一些熱電定律的基礎(chǔ)上的。下面引述幾個常用的熱電定律。1．中間溫度定律熱電偶AB的熱電勢僅取決于熱電偶的材料和兩個結(jié)點的溫度，而與溫度沿?zé)犭姌O的分布以及熱電極的參數(shù)和形狀無關(guān)。如熱電偶AB兩結(jié)點的溫度分別為T、T0，則所產(chǎn)生的熱電勢等于熱電偶AB兩結(jié)點溫度為T、TC與熱電偶AB兩結(jié)點溫度為TC、T0時所產(chǎn)生的熱電勢的代數(shù)和（如圖3-4所示），用公式表示為圖3-4中間溫度定律中間溫度定律為制定熱電偶分度表奠定了理論基礎(chǔ)。根據(jù)中間溫度定律，只需列出自由端溫度為0℃時，各工作端溫度與熱電勢的關(guān)系表。當(dāng)自由端溫度不是0℃時，所產(chǎn)生的熱電勢就可按式（3-8）計算。【例3-1】用鎳銠-鎳硅熱電偶測爐溫，當(dāng)冷端溫度為30℃時，測得熱電勢為38.50mV，實際溫度是多少？解：①由Tc=30℃，查分度表得②根據(jù)中間溫度定律得：備注：K型熱電偶的分度號以前為EU-2，現(xiàn)為K

鎳鉻一鎳硅熱電偶K分度表③用39.703mV反查鎳鉻一鎳硅熱電偶K分度表可得960℃，即為實際爐溫。2．中間導(dǎo)體定律在熱電偶測溫過程中，必須在回路中引入測量導(dǎo)線和儀表。當(dāng)接入導(dǎo)線和儀表后，會不會影響熱電勢的測量呢？中間導(dǎo)體定律說明，在熱電偶AB回路中，只要接入的第三導(dǎo)體兩端溫度相同，則對回路的總熱電勢沒有影響。下面考慮兩種接法1）在熱電偶AB回路中，斷開參考結(jié)點，接入第三種導(dǎo)體C。只要保持兩個新結(jié)點AC和BC的溫度仍為參考結(jié)點溫度T0，如圖3-5（a）所示，就不會影響回路的總熱電勢，即2）熱電偶AB回路中，將其中一個導(dǎo)體A斷開，按入導(dǎo)體C，如圖3-5（b）所示。在導(dǎo)體C與導(dǎo)體A的兩個結(jié)點處保持相同的溫度TC，則有圖3-5中間導(dǎo)體定律上面兩種接法表明：在熱電偶回路中接入中間導(dǎo)體，只要中間導(dǎo)體兩端的溫度相同，就不會影響回路的總熱電勢；若在回路中接入多種導(dǎo)體，只要每種導(dǎo)體兩端溫度相同，也不會影響回路的總熱電勢。3．標(biāo)準(zhǔn)電極定律當(dāng)熱電偶回路的兩個結(jié)點溫度為T，T0時，用導(dǎo)體AB組成的熱電偶的熱電勢等于熱電偶AC和熱電偶CB的熱電勢的代數(shù)和，即圖3-6標(biāo)準(zhǔn)電極定律導(dǎo)體C稱為標(biāo)準(zhǔn)電極。這一規(guī)律稱標(biāo)準(zhǔn)電極定律。

標(biāo)準(zhǔn)電極C通常采用純鉑絲制成，因為鉑的物理、化學(xué)性能穩(wěn)定，易提純，熔點高。如果已求出各種熱電極對鉑極的熱電勢值，就可以用標(biāo)準(zhǔn)電極定律，求出其中任意兩種材料配成熱電偶后的熱電勢值。這就大大簡化了熱電偶的選配工作。4．均質(zhì)導(dǎo)體定律如果組成熱電偶的兩個熱電極的材料相同。無論兩接點的溫度是否相同，熱電偶回路中的總熱電動勢均為0，均質(zhì)導(dǎo)體定律有助于檢驗兩個熱電極材料成分是否相同及熱電極材料的均勻性。5．零電勢定律由兩種相同材料組成的熱電偶和在兩接點處溫度相同的熱電偶，其回路中總的熱電勢等于零或者說表現(xiàn)為熱電偶不產(chǎn)生熱電勢。4.1電阻應(yīng)變式傳感器4.1.1電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)與工作原理1．電阻應(yīng)變效應(yīng)導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料在受到外界力（拉力或壓力）的作用時，會產(chǎn)生機(jī)械變形，同時機(jī)械變形會導(dǎo)致其阻值變化，這種因變形而使其電阻值發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為電阻應(yīng)變效應(yīng)。導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料的電阻當(dāng)其受外力作用時，電阻率、長度L、橫截面積A都會發(fā)生變化，從而引起R的變化。那么通過測量阻值的變化情況，就可反映出外界作用力的大小。第4章電阻式傳感器熱電阻是中低溫區(qū)最常用的一種溫度檢測器。。熱電阻測溫是基于金屬導(dǎo)體的電阻值隨溫度的增加而增加這一特性來進(jìn)行溫度測量的。它的主要特點是測量精度高，性能穩(wěn)定。其中鉑熱電阻的測量精確度是最高的，它不僅廣泛應(yīng)用于工業(yè)測溫，而且被制成標(biāo)準(zhǔn)的基準(zhǔn)儀。工作原理

熱電阻是利用物質(zhì)在溫度變化時，其電阻也隨著發(fā)生變化的特征來測量溫度的。當(dāng)阻值變化時，工作儀表便顯示出阻值所對應(yīng)的溫度值。4.3熱電阻傳感器4.3.2常用熱電阻1．鉑電阻鉑具有穩(wěn)定的物理、化學(xué)性能，是目前制造熱電阻的最好材料，可作為高精度工業(yè)測溫元件和溫度標(biāo)準(zhǔn)元件。它通常用作標(biāo)準(zhǔn)溫度計，被廣泛應(yīng)用于作溫度的基準(zhǔn)、標(biāo)準(zhǔn)的傳遞，因其長時間穩(wěn)定復(fù)現(xiàn)性非常好，是目前測溫復(fù)現(xiàn)性最好的一種溫度計。主要缺點是在還原氣氛中容易被侵蝕變脆，因此一定要加保護(hù)套管。鉑電阻溫度計的使用范圍是-200℃～850℃，鉑熱電阻和溫度的關(guān)系如下：在0℃～850℃的溫度范圍內(nèi)為在-200℃～0℃的溫度范圍內(nèi)為式中，Rt—為溫度t℃時的電阻值；

R0—為溫度0℃時的電阻值;t—為任意溫度；

A—為常數(shù)3.90802×10-3℃-1；

B—為常數(shù)-5.802×10-7℃-2；

C—為常數(shù)-4.27350×10-12℃-4；由上式可知，

要確定Rt和t的關(guān)系，必須先確定R0。

目前我國規(guī)定工業(yè)用鉑熱電阻有R0=25和R0=100兩種，它們的分度號分別為Pt25和Pt100，其中以Pt100為最常用。2．銅電阻當(dāng)測量精度要求不高，測量范圍不大時，可以用銅電阻代替鉑電阻，以便在測量精度要求范圍內(nèi)降低成本。銅電阻溫度系數(shù)大，銅電阻在測量范圍內(nèi)其電阻值與溫度的關(guān)系幾乎是線性的，即在一定溫度范圍內(nèi)為常數(shù)，電阻與溫度的關(guān)系在-50～150℃的溫度范圍內(nèi)可表示為式中，Rt—為溫度t℃時的電阻值；R0—為溫度0℃時的電阻值；—為銅電阻的溫度系數(shù)，=4.25×10-3～4.28×10-3℃-1。銅電阻電阻率低、體積較大、熱慣性大、在100℃以上容易氧化，因此在使用時要根據(jù)具體情況選用。與鉑電阻一樣，在工業(yè)中也把R0=50和R0=100對應(yīng)的Rt-t關(guān)系制成分度表，稱為銅熱電阻分度表，相應(yīng)分度號分別為Cu50和Cu100，參見書后附錄。3．其他熱電阻鉑、銅熱電阻用于低溫和超低溫測量時性能不夠理想，而銦、錳、碳等熱電阻材料都是測量低溫和超低溫的理想材料。1）銦電阻銦的熔點約為150℃，是一種高精度低溫?zé)犭娮?。銦電阻?9.99%高純度的銦絲繞成電阻，可在-269℃～258℃溫度范圍內(nèi)使用。實驗證明其靈敏度比鉑高10倍，故可用于不能使用鉑的低溫范圍。其缺點是材料很軟，復(fù)現(xiàn)性很差。2）錳電阻錳熱電阻適宜在-271℃～210℃溫度范圍內(nèi)使用，電阻值隨溫度變化大，靈敏度高。磁場對錳電阻的影響不大，且有規(guī)律。錳電阻的缺點是脆性很大，難以控制成絲。3）碳熱電阻碳熱電阻適宜在-273℃～268.5℃范圍的溫度測量，其特點是熱容量小、價廉、靈敏度高、對磁場不敏感，但熱穩(wěn)定性較差。壓電式傳感器是一種典型的有源傳感器，它利用了電介質(zhì)物體在外力作用下會在其表面產(chǎn)生電荷的原理，來完成非電量的測量，故又稱為自發(fā)電式傳感器或電勢式傳感器優(yōu)點：可測與力相關(guān)的物理量，如各種動態(tài)力、機(jī)械沖擊與振動。在聲學(xué)、醫(yī)學(xué)、力學(xué)、宇航等方面都得到了非常廣泛的應(yīng)用。缺點：

不能測量靜態(tài)量。需用低電容的低噪聲電纜。第5章壓電式傳感器5.1壓電效應(yīng)與壓電材料5.1.1壓電效應(yīng)某些電介質(zhì)物體，在沿一定方向?qū)ζ涫┘訅毫屠Χ怪冃螘r，內(nèi)部會產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在其表面上會產(chǎn)生電荷。當(dāng)將外力去掉后，它們又重新回到不帶電的狀態(tài)，當(dāng)作用力方向改變時，電荷的極性也隨之改變。這種現(xiàn)象就稱為壓電效應(yīng)。人們又把這種機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的現(xiàn)象，稱為“正壓電效應(yīng)”。在電介質(zhì)的極化方向上施加電場，它會產(chǎn)生機(jī)械變形；當(dāng)去掉外加電場后，電介質(zhì)的變形隨之消失。這種將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的現(xiàn)象，則稱為“逆壓電效應(yīng)”（電致伸縮效應(yīng)）。5.1.2壓電材料明顯呈現(xiàn)壓電效應(yīng)的敏感功能材料稱為壓電材料，壓電材料能實現(xiàn)機(jī)—電能量的相互轉(zhuǎn)換，如圖5-1所示。目前應(yīng)用于壓電式傳感器中的壓電元件材料一般有三類。第一類是壓電晶體，如石英晶體（SiO2）等；第二類是經(jīng)過極化處理的壓電陶瓷，如鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等；第三類是新型壓電材料—高分子壓電材料，如聚偏二氟乙烯（PVF2）等。圖5-1①當(dāng)晶片受到x方向的壓力作用時，qx只與作用力Fx成正比，而與晶片的幾何尺寸無關(guān)；②沿機(jī)械軸y方向向晶片施加壓力時，產(chǎn)生的電荷是與幾何尺寸有關(guān)的；③石英晶體不是在任何方向都存在壓電效應(yīng)的；④晶體在哪個方向上有正壓電效應(yīng)，則在此方向上一定存在逆壓電效應(yīng)；⑤無論是正或逆壓電效應(yīng)，其作用力（或應(yīng)變）與電荷（或電場強(qiáng)度）之間皆呈線性關(guān)系。

（1）壓電晶體的壓電效應(yīng)

壓電陶瓷是人工制造的多晶體壓電材料。材料內(nèi)部的晶粒有許多自發(fā)極化的電疇，它有自發(fā)的極化方向，從而存在電場。在無外電場作用時，電疇在晶體中雜亂分布，它們各自的極化效應(yīng)被相互抵消，壓電陶瓷內(nèi)極化強(qiáng)度為零。因此原始的壓電陶瓷呈中性，不具有壓電性質(zhì)。（2）壓電陶瓷的壓電效應(yīng)

在陶瓷上施加外電場時，電疇的極化方向發(fā)生轉(zhuǎn)動，趨向于按外電場方向的排列，從而使材料得到極化。外電場愈強(qiáng)，就有更多的電疇更完全地轉(zhuǎn)向外電場方向。讓外電場強(qiáng)度大到使材料的極化達(dá)到飽和的程度，即所有電疇極化方向都整齊地與外電場方向一致時，當(dāng)外電場去掉后，電疇的極化方向基本不變，即剩余極化強(qiáng)度很大，這時的材料才具有壓電特性，即經(jīng)過極化處理的壓電陶瓷才具有壓電效應(yīng)。5.2.1壓電式傳感器的等效電路為了更進(jìn)一步分析和更有效地使用壓電式傳感器，有必要引入壓電元件的等效電路。

當(dāng)壓電元件受力時，在電極表面就會出現(xiàn)電荷，且兩個電極表面聚集的電荷量相等，極性相反。因此，可以把壓電傳感器看做是一個靜電荷發(fā)生器，而壓電元件在這一過程中可以看成是一個電容器,其電容量Ca為式中，S—為壓電元件電極面面積，m2；d—為壓電元件厚度，m；—為壓電材料的介電常數(shù)，F(xiàn)/m；r—為壓電材料的相對介電常數(shù)；0—為真空介電常數(shù)（8.8510-12F/m）。當(dāng)需要壓電元件輸出電荷時，可以把壓電元件等效為一個電荷源與一個電容相并聯(lián)的電荷等效電路，如圖5-5（a）所示。在開路狀態(tài)，其輸出端電荷為當(dāng)需要壓電元件輸出電壓時，可以把它等效成一個電壓源與一個電容相串聯(lián)的電壓等效電路，如圖5-5（b）所示。在開路狀態(tài)，其輸出端電壓為（a）電荷等效電路（b）電壓等效電路圖5-5壓電元件等效電路5.2.2壓電式傳感器的測量電路由于壓電式傳感器本身的內(nèi)阻抗很高，輸出能量較小，因此它的測量電路通常需要接入一個高輸入阻抗的前置放大器。

其作用為：

把它的高輸入阻抗（一般1000M以上）變換為低輸出阻抗（小于100）；對傳感器輸出的微弱信號進(jìn)行放大。根據(jù)壓電式傳感器的兩種等效方式可知，壓電式傳感器的輸出可以是電壓信號或電荷信號，因此前置放大器也有兩種形式：電壓放大器和電荷放大器。1．電荷放大器

在略去壓電式傳感器的泄漏電阻Ra和放大器輸入電阻Ri兩個并聯(lián)電阻（理想情況下二者都為無窮大），將壓電式傳感器等效電容Ca、連接電纜的等效電容Cc、放大器輸入電容Ci，合并為電容C后，電荷放大器等效電路如圖5-7所示。它由一個反饋電容Cf和高增益運算放大器構(gòu)成，圖中A為運算放大器，它的增益為K。圖5-7電荷放大器等效電路由此可見：1）放大器的輸入阻抗極高，輸入端幾乎沒有分流，電荷q只對反饋電容Cf充電，充電電壓Ucf（反饋電容兩端的電壓）接近于放大器的輸出電壓。2）電荷放大器的輸出電壓UO，與電纜電容Cc無關(guān)，而與q成正比，這是電荷放大器的突出優(yōu)點。由于q與被測壓力成線性關(guān)系，因此，輸出電壓與被測壓力成線性關(guān)系。2．電壓放大器電壓放大器的原理及等效電路如圖5-8所示，其中Ui為放大器輸入電壓。將圖中的Ra，Ri并聯(lián)成為等效電阻R，將Cc與Ci并聯(lián)為等效電容C，于是有如果壓電元件受正弦力的作用，則所產(chǎn)生的電荷為對應(yīng)的電壓為式中，d—壓電系數(shù)；—壓電元件輸出電壓的幅值圖5-8（a）電路原理（b）等效電路由此可得放大器輸入端的電壓Ui的復(fù)數(shù)形式于是可得放大器輸入電壓的幅值Uim為輸入電壓與作用力間的相位差為可得放大器的輸入電壓幅值為上式表明：

理想情況下，前置放大器輸入電壓與頻率無關(guān)。為了擴(kuò)展頻帶的低頻段，必須提高同路的時間常數(shù)R（Ca+Cc+Ci）。如果單靠增大測量回路電容量的方法將影響傳感器的靈敏度，因此常采用Ri很大的前置放大器。一般認(rèn)為/1>3時就可認(rèn)為Uim與無關(guān)，這也表明壓電傳感器有很好的高頻響應(yīng)特性，但當(dāng)作用力為靜態(tài)力（即=0）時，前置放大器的輸入電壓為0，電荷會通過放大器輸入電阻和傳感器本身漏電阻漏掉，實際上外力作用于壓電材料上產(chǎn)生電荷只有在無泄漏的情況下才能保存，即需要測量回路具有無限大的輸入阻抗，但這實際上是不可能的。

因此，壓電式傳感器不能用于測量靜態(tài)量。壓電材料在交變力的作用下，電荷可以不斷補(bǔ)充，以供給測量回路一定的電流，故適合于動態(tài)測量。5.3壓電式傳感器應(yīng)用由于壓電元件的可逆特性，因此壓電式傳感器是一種典型的“雙向傳感器”。它具有結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、固有頻率高、靈敏度和信噪比高等特點。在測試技術(shù)中壓電元件是典型的力敏元件，可以檢測最終能夠轉(zhuǎn)換為力的物理量，例如壓力、加速度、機(jī)械沖擊和振動等。因此，在聲學(xué)、力學(xué)、醫(yī)學(xué)和宇航等領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用了壓電式傳感器。6.1電感自感和互感式傳感器電感式傳感器實質(zhì)上是一個帶鐵心的線圈，它是利用線圈的電磁感應(yīng)原理把被測的物理量如位移、壓力、流量、振動等轉(zhuǎn)換成線圈的自感系數(shù)L或互感系數(shù)M的變化，將L或M接入適當(dāng)?shù)臏y量電路，變換成電信號，實現(xiàn)非電量到電量的轉(zhuǎn)換。電磁感應(yīng)

被測非電量自感系數(shù)L互感系數(shù)M測量電路U、I、f電感式傳感器的種類很多，主要分為自感式、互感式和電渦流式三大類，習(xí)慣上講的電感式傳感器通常是指自感式傳感器，而互感式傳感器利用了變壓器原理，往往做成差動式，故常稱為差動變壓器式傳感器。電感式傳感器自感式傳感器互感式傳感器電渦流式傳感器第6章變磁阻式傳感器1）變隙式電感傳感器（1）變隙式電感傳感器的工作原理變隙式電感傳感器的線圈是套在鐵心上的，在鐵心與銜鐵之間有一個空氣隙，空氣隙厚度為δ，傳感器的運動部分與銜鐵相連，當(dāng)運動部分產(chǎn)生位移時，空氣隙厚度發(fā)生變化，從而使電感值發(fā)生變化。變氣隙式傳感器ab2）變面積式傳感器當(dāng)氣隙長度不變時，鐵心與銜鐵之間相對而言覆蓋面積隨被測量的變化而變化，線圈電感量與磁通橫截面積S成正比，是一種線性關(guān)系，這種傳感器稱為變面積式電感傳感器。3）螺管式傳感器螺管式傳感器也稱為螺管插鐵式電感傳感器，其結(jié)構(gòu)如圖6-1（c）所示，主要元件由一只螺線管和一根柱形銜鐵構(gòu)成。螺管式傳感器工作時，銜鐵隨被測對象的移動而移動，線圈磁力線路徑上的磁阻發(fā)生變化，線圈的電感也因此而變化。線圈的電感與鐵心插入線圈的深淺程度有關(guān)。4）差動式自感傳感器前面幾種類型的自感傳感器可以制成各種形狀，但都存在嚴(yán)重的非線性問題，為了減小非線性，在實際使用中常采用兩個相同的傳感線圈共用一個活動銜鐵，構(gòu)成差動式電感傳感器，來提高傳感器的靈敏度，減小測量誤差。差動式電感傳感器的結(jié)構(gòu)要求兩個導(dǎo)磁體的幾何尺寸及材料完全相同，兩個線圈的電氣參數(shù)和幾何尺寸完全相同。如圖6-3所示是變間隙式、變面積式及螺管式三種類型的差動式電感傳感器。6.1.2差動變壓器式傳感器

變壓器式傳感器本身是互感系數(shù)可變的變壓器。當(dāng)一次側(cè)線圈接入激勵電源后，二次側(cè)線圈就將感應(yīng)產(chǎn)生電壓輸出，互感變化時，輸出電壓也將作相應(yīng)變化。差動變壓器式傳感器實質(zhì)是將被測的非電量變化轉(zhuǎn)換為線圈互感變化的傳感器稱為互感式傳感器。這種傳感器是根據(jù)變壓器的基本原理制成的，通常將變壓器的次級線圈接成差動形式，故又稱差動變壓器式傳感器。差動變壓器式傳感器的結(jié)構(gòu)形式有變隙式、變面積式和螺管式等幾種。差動變壓器式傳感器結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、測量范圍大，廣泛地用于位移、壓強(qiáng)、荷重、液位等非電量參數(shù)的測量。3．差動變壓器式傳感器的測量電路差動變壓器輸出的是交流電壓，若用交流模擬數(shù)字電壓表測量，只能反映鐵心位移的大小，不能反映移動的方向。另外，其測量值必定含有零點殘余電壓。為了能辨別移動方向和消除零點殘余電壓的目的，實際測量時，常常采用差動整流電路和相敏檢波電路兩種測量電路。零點殘余電壓的存在會給測量帶來誤差，其值過大，會使靈敏度下降，非線性誤差增大，因此零點殘余電壓的大小是判斷傳感器質(zhì)量好壞的重要標(biāo)志之一。產(chǎn)生零點殘余電壓的原因主要有以下幾點：（1）兩次級線圈結(jié)構(gòu)上的不對稱，造成兩電感線圈的等效參數(shù)不對稱。（2）鐵心材料B-H曲線的彎曲部分所引起的輸出電壓有高次諧波造成的零點殘余電壓。（3）由激磁電壓波形中的高次諧波引起。2、零點殘余電壓的消除方法若傳感器的零點殘余電壓過大，會影響測量精度，必須要采取一定方法來消除零點殘余電壓，主要有以下幾種方法：（1）提高線圈的框架的對稱性，特別是兩組次級線圈的對稱性。（2）采用適當(dāng)?shù)臏y量線路，一般可采用在放大電路前加相敏整流器的方法，這樣可以使零點殘余電壓可以減小到忽略不計的程度。（3）采用適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償電路，使零點殘余電壓減小至接近于零。

以電容器為敏感元件，將機(jī)械位移量轉(zhuǎn)換為電容量變化的傳感器稱為電容式傳感器。電容式傳感器變間隙型變面積型變介質(zhì)型第7章電容傳感器

7.1電容式傳感器的結(jié)構(gòu)與工作原理

對于平板型電容器（如圖7-1）的電容量C與兩平行極板的有效覆蓋面積S、極板間介質(zhì)的介電常數(shù)ε成正比，與兩平行極板間的距離d成反比，即式中，S—兩極板相互遮蓋的有效面積；

d—兩極板間的距離，也稱極距；

ε—兩極板間的介質(zhì)常數(shù)；電容傳感器的等效電路圖電容傳感器等效電路RP（a）CRLC（b）7.2電容式傳感器的測量轉(zhuǎn)換電路當(dāng)被測參數(shù)變化引起電容傳感器的輸出電容變化ΔC時，，橋路有輸出電壓，但輸出電壓與被測電容的ΔC之間是非線性關(guān)系。

1．橋式電路圖7-9為單臂橋式測量電路，1MHz左右的高頻電源經(jīng)變壓器接到電容橋的一個對角線上，電容C1、C2、C3為固定電容，C0+ΔC為電容傳感器的輸出電容，交流電橋平衡時2．調(diào)頻電路調(diào)頻電路是將電容式傳感器作為LC振蕩器諧振回路的一部分，或作為晶體振蕩器中的石英晶體的負(fù)載電容。當(dāng)電容傳感器工作時，電容C發(fā)生變化，就使振蕩器的頻率f產(chǎn)生相應(yīng)的變化。由于振蕩器的頻率受電容式傳感器電容的調(diào)制，這樣就實現(xiàn)了C/f的變換，故稱為調(diào)頻電路。調(diào)頻振蕩器的頻率可由下式?jīng)Q定式中，L—振蕩回路的固定電感；C—振蕩回路的電容，包括傳感器電容Cx、振蕩回路中的微調(diào)電容C1和傳感器電纜分布電容Cc，即C=Cx+C1+Cc。圖7-11所示即為調(diào)頻原理框圖。3．運算放大器式測量電路圖7-12是一理想運算放大器式的測量電路，其理想運算放大器輸出電壓與輸入電壓之間的關(guān)系為采用基本運算放大器的最大特點是電路輸出電壓u0與電容式傳感器的極距d成正比，使基本變極距式電容傳感器的輸出特性具有線性特性。1．電容式傳感器的優(yōu)點

（1）溫度穩(wěn)定性好（2）結(jié)構(gòu)簡單，適應(yīng)性強(qiáng)（3）動態(tài)響應(yīng)好（4）可以實現(xiàn)非接觸測量、具有平均效應(yīng)（5）分辨率高2.電容式傳感器的缺點

(1)輸出阻抗高，負(fù)載能力差

(2)寄生電容影響大

(3)輸出特性非線性7.3電容式傳感器的特點

霍爾傳感器是利用霍爾效應(yīng)實現(xiàn)磁電轉(zhuǎn)化的傳感器，它可以通過磁感應(yīng)強(qiáng)度B、控制電流I以及BI乘積的變化，對位移、角度、轉(zhuǎn)速、加速度和功率等進(jìn)行測量。具有非接觸測量、結(jié)構(gòu)簡單、形小體輕、無觸點、頻率響應(yīng)范圍寬、動態(tài)范圍大、壽命長等優(yōu)點。第8章霍爾傳感器8.1霍爾元件

8.1.1基本結(jié)構(gòu)霍爾元件是將一種半導(dǎo)體四端薄片（霍爾片），做成正方形，在薄片上焊有兩對電極引出線，然后采用非導(dǎo)磁金屬或陶瓷或環(huán)氧樹脂封裝制成的。霍爾元件的元件結(jié)構(gòu)如圖8-1所示，引出的電極其中一對為控制電流端，一般以紅色導(dǎo)線標(biāo)記，另一對為霍爾電勢輸出端，常用綠色導(dǎo)線標(biāo)記。8.1.2霍爾效應(yīng)如圖8-2所示的一塊N型半導(dǎo)體薄片，其長度為L，寬度為l，厚度為d。在垂直于該半導(dǎo)體薄片平面的上方，施加磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場，在半導(dǎo)體薄片相對的兩邊通以控制電流I，當(dāng)N型半導(dǎo)體中的載流子（電子）沿著電流I相反地方向運動時，受到洛侖茲力FL的作用，使電子偏向一端，產(chǎn)生負(fù)電荷的積聚，而另一端面則為正電荷積聚，產(chǎn)生了靜電場，即霍爾電場?；魻栯妶鰧﹄娮拥淖饔昧E與洛侖茲力FL方向相反，將阻止電子繼續(xù)偏轉(zhuǎn)，最后形成動態(tài)平衡，此時在半導(dǎo)體薄片電荷積聚的兩邊將產(chǎn)生一個與控制電流I和磁感應(yīng)強(qiáng)度B乘積成正比的電勢UH，且UH＝KHIB，其中KH為霍爾元件的靈敏度。這一現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)，該電勢稱為霍爾電勢。8.２霍爾元件的使用8.2.1霍爾元件的連接為了得到較大的霍爾電壓輸出，可以把幾個霍爾元件輸出串聯(lián)起來，但是控制電流必須并聯(lián)，如圖8-3（a）所示，不能接成圖8-3（b）那樣，因為控制電流串聯(lián)起來將有大部分控制電流被相連的霍爾電勢輸出端短接，使霍爾元件不能正常工作。I（b）錯誤接法R1R2adcb（a）正確接法圖8-3霍爾元件輸出疊加連接當(dāng)元件的控制電流采用交流時，還可采用圖8-4的方式增加霍爾輸出電勢和輸出功率，此時霍爾元件的控制電流端串聯(lián)，而各元件的輸出分別接至輸出變壓器的各初級，變壓器的次級獲得霍爾輸出信號的疊加。若輸出信號小，則可用差分放大器放大，如圖8-5所示。I圖8-5霍爾元件輸出的放大電路示意圖圖8-4交流時霍爾元件輸出的疊加8.2.2霍爾元件的常用電路

1．霍爾元件的基本測量電路霍爾元件的基本測量電路如圖8-6所示。圖8-6霍爾元件的基本測量電路控制電流I由電源E供給；電位器R調(diào)節(jié)控制電流I的大??；霍爾元件輸出端接RL，它可以是放大器的輸入電阻，也可以是測量儀表的內(nèi)阻。2．霍爾電勢的輸出電路霍爾元件是一種四端器件，本身不帶放大器，且霍爾電勢一般在毫伏量級。因此，在實際使用時必須加差分放大器。霍爾元件大體分為線性測量和開關(guān)狀態(tài)兩種使用方式，因此，輸出電路有如圖8-7所示兩種結(jié)構(gòu)。當(dāng)霍爾元件作線性測量時，最好選用靈敏度低一點、不等位電勢小、穩(wěn)定性和線性度優(yōu)良的霍爾元件。當(dāng)霍爾元件作開關(guān)使用時，要選擇靈敏度高的霍爾元件。3．霍爾集成元件集成霍爾傳感器是利用硅集成電路工藝將霍爾元件和測量線路集成在一起的霍爾傳感器。它取消了傳感器和測量電路之間的界限，實現(xiàn)了材料、元件、電路三位一體。集成霍爾傳感器由于減少了焊點，因此顯著地提高了可靠性。此外，它具有體積小、重量輕、功耗低等優(yōu)點?？煞譃榫€性和開關(guān)型兩大類，有三端T形單端輸出和八腳雙列直插型雙端輸出兩種結(jié)構(gòu)。（1）開關(guān)型集成霍爾傳感器開關(guān)型集成霍爾傳感器是把霍爾元件的輸出經(jīng)過處理后輸出一個高電平或低電平的數(shù)字信號。

霍爾開關(guān)電路又稱霍爾數(shù)字電路，由穩(wěn)壓器、霍爾片、差分放大器、施密特觸發(fā)器和輸出級五部分組成。

（2）線性集成霍爾傳感器線性集成霍爾傳感器是把霍爾元件與放大線路集成在一起的傳感器。其輸出電壓與外加磁場成線性比例關(guān)系。一般由霍爾元件、差分放大、射極跟隨輸出及穩(wěn)壓四部分組成，霍爾線性集成傳感器廣泛用于位置、力、重量、厚度、速度、磁場、電流等的測量或控制。光電傳感器的構(gòu)成：光源、光學(xué)通路、光電元件。應(yīng)用：

1、光量變化的非電量；

2、能轉(zhuǎn)換成光量變化的其他非電量。特點：非接觸、響應(yīng)快、性能可靠。被測量的變化光信號的變化電信號的變化第9章光電式傳感器

光電傳感器是將光量的變化轉(zhuǎn)換為電量的變化的傳感器。其物理基礎(chǔ)：光電效應(yīng)。分為兩類：外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)。9.1光電效應(yīng)9.1.1外光電效應(yīng)在光線的作用下，物體內(nèi)的電子逸出物體表面向外發(fā)射的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)。向外發(fā)射的電子則稱為光電子。基于外