檢測與轉換技術

第一節(jié)電阻應變傳感器一、電阻絲的應變效應電阻絲應變片是用直徑約為0.025mm的具有高電阻率的電阻絲制成的，l稱應變片的標距或稱工作基長；b稱應變片的工作寬度；b×l稱應變片的規(guī)格，一般以使用面積和電阻值來表示。目前一頁\總數八十頁\編于二點單根導線的電阻R可用下式表示：目前二頁\總數八十頁\編于二點式中，ρ為電阻率，單位為Ω·m；l為電阻絲長度，單位為m；a為電阻絲的截面積，單位為m2。如果沿整條電阻絲長度作用均勻應力，由于l、ρ、a的變化引起電阻R的變化，對上式全微分，得：目前三頁\總數八十頁\編于二點用相對變化量dR／R表示，得：對于直徑為d的圓形截面的電阻絲，△a/a＝2△d/d，橫向收縮和縱向伸長的關系用泊松比μ來描述，△d／d＝—μ△l／l，代入式(6-1)，得：目前四頁\總數八十頁\編于二點式中，K為應變靈敏系數；ε為應變值。上式是應變效應的表達式，應變靈敏系數K為：K受兩個因素的影響：一是(1十2μ)，另一個是(△ρ／ρ)／(△l／l)。對于大多數金屬材料，泊松比μ＝0.3～0.5，所以K值在1.6—2之間。目前五頁\總數八十頁\編于二點對于每一種電阻絲在一定的變形范圍內，無論受拉或受壓，應變靈敏度系數保持不變，當超出某一范圍時，K值將發(fā)生變化。造成應變片測量誤差的因素很多，測量時必須加以考慮，其中溫度影響是首要的。由于環(huán)境溫度改變引起電阻值變化的原因主要有二：一是由電阻絲溫度系數引起的；二是由電阻絲與被側件材料的線膨脹系數的不同引起的。當環(huán)境溫度變化△t時，應變片電阻的增量△Rt可用下式表達：目前六頁\總數八十頁\編于二點令則：式中，Ro為0℃時電阻絲應變片的電阻值單位為Ω；α為電阻絲材料的電阻溫度系數，單位為1／℃；K為電阻絲的應變靈敏系數；α1為被測件材料的線膨脹系數，單位為1／℃;α2為電阻絲材料的線膨脹系數，單位為1／℃；αt為電阻絲應變片的電阻溫度系數，單位為1／℃。目前七頁\總數八十頁\編于二點幾種金屬電阻應變片的形狀a)、c)、e)絲式b)帶連接線的絲式d)箔片目前八頁\總數八十頁\編于二點二、電阻應變傳感器測量電路橋式測量電路有四個電阻，其中任何一個都可以是電阻應變片電阻，電橋的一個對角線接入工作電壓U，另一個對角線為輸出電壓Uo。橋式測量電路目前九頁\總數八十頁\編于二點電橋的特點是：當四個橋臂電阻達到某一關系時，電橋輸出為零，否則就有電壓輸出，可利用靈敏檢流計來測量，故電橋能夠精確地測量微小的電阻變化。三、電阻應變傳感器的應用BLR—1的型傳感器結構圖。彈性元件是圓管形的，在它上面縱向和橫向各粘貼有四片應變片，每兩片同方向的串聯(lián)組成一個橋臂，八片應變片組成全橋。彈性元件用40Cr鋼制成，經熱處理，外圓和內孔部分都經磨削加工。目前十頁\總數八十頁\編于二點BLR－１型拉力傳感器１－螺釘２－銘牌３－殼體４－應變筒５－球面螺釘６－內壓環(huán)７－蓋８－膜片９－密封墊圈１０－插頭１１－接線環(huán)目前十一頁\總數八十頁\編于二點這種傳感器有16種額定載荷的分型號，最小的103N，最大的l06N。隨著載荷量增加，傳感器尺寸增大。技術數據如下：（1）非線性、遲滯、重復性誤差均小于額定載荷的0.5％。（2）工作電壓最高為6V。（3）輸出靈敏度104N以下的分型號為1mV／V，104N以上的分型號為1.5mV／V。（4）工作溫度范圍為－10～+50℃。（5）溫度零漂值為0.04％／℃。目前十二頁\總數八十頁\編于二點第二節(jié)熱電阻傳感器熱電阻是由電阻體、絕緣套管和接線盒等主要部件組成的。其中，電阻體是熱電阻的最主要部分。一、熱電阻（一）鉑電阻鉑電阻的特點是精度高、穩(wěn)定性好、性能可靠。（二）銅電阻鉑是貴重金屬，在一些測量精度不高且溫度較低的地方一般采用銅電阻，可用它來測量一50～十150℃的溫度。銅電阻有下列憂點：目前十三頁\總數八十頁\編于二點（1）在上述溫度范圍內，銅的電阻與溫度呈線性關系（2）電阻溫度系數高，。（3）容易提純，價格便宜。（三）其它熱電阻：（1）銦電阻（2）錳電阻（3）碳電阻目前十四頁\總數八十頁\編于二點二、熱敏電阻熱敏電阻分直熱式和旁熱式兩種。旁熱式熱敏電阻除半導體外還有金屬絲繞制的加熱器，兩者緊緊耦合在一起，互相絕緣，密封于高真空的玻璃殼內。目前十五頁\總數八十頁\編于二點熱敏電阻的符號及其非線性特性a)直熱式熱敏電阻符號拭目以待

b)旁熱式熱敏電阻符號c)溫度特性d)Ｖ－Ａ特性目前十六頁\總數八十頁\編于二點熱敏電阻是非線性電阻，它的非線性表現(xiàn)在：其電阻值與溫度之間呈指數關系和電流隨電壓的變化不服從歐姆定律。熱敏電阻的溫度特性曲線圖。其中2、5兩條線表示負的電阻溫度系數；3、4兩條線表示正的電阻溫度系數；1表示鉑電阻溫度特性。負溫度系數熱敏電阻的溫度系數一般為－2％～－6％／℃。緩變型正溫度系數熱敏電阻的溫度系數為l％～10％／℃。而開關型的大于10％／℃。熱敏電阻的Ｖ—Ａ特性圖中，曲線l為線性電阻；曲線2、3、4為不同熱敏電阻的Ｖ—A特性，它們的變化規(guī)律符合某種指數關系。目前十七頁\總數八十頁\編于二點三、熱電阻傳感器的應用（一）金屬熱電阻傳感器在工業(yè)上廣泛應用金屬熱電阻傳感器進行－200～十500℃范圍的溫度測量。在特殊情況下，測量的低溫端可達3.4K，甚至更低，1K左右。高溫端可測到1000℃。金屬熱電阻傳感器進行溫度測量的特點是精度高，適于測低溫。經常使用電橋作為傳感器的測量電路，為了減少引線電阻溫度變化引起的誤差，工業(yè)用鉑電阻的引線不是兩根而是三根。目前十八頁\總數八十頁\編于二點熱電阻傳感器測量電路a)三線式結構b)四線式結構，R1、R2、R3、R4為引線電阻目前十九頁\總數八十頁\編于二點（二）半導體熱電阻傳惑器熱敏電阻傳感器應用范圍很廣，可用于溫度測量、溫度控制、溫度補償、穩(wěn)壓穩(wěn)幅、自動增益調整、氣壓穩(wěn)定、氣體和液體分析、火災報警、過負荷保護和紅外探測等方面。（1）溫度測量目前二十頁\總數八十頁\編于二點目前二十一頁\總數八十頁\編于二點（2）溫度補償。金屬一般具有正的溫度系數，采用負溫度系數的熱敏電阻進行補償，可以抵消由于溫度變化所產生的誤差。實際應用時，將負溫度系數的熱敏電阻與錳銅絲電阻并聯(lián)后再與被補償元件串聯(lián)。目前二十二頁\總數八十頁\編于二點第三節(jié)自感傳感器一、自感電動勢與電感二、簡單的自感傳感器原理自感傳感器原理圖變氣隙b)變截面1－線圈2－鐵心3－銜鐵目前二十三頁\總數八十頁\編于二點它是由線圈1、鐵心2和銜鐵3組成的。線圈套在鐵心上。在鐵心與銜鐵之間有一個空氣隙，其厚度為δ。線圈的電感值可按下式計算：電感值為：目前二十四頁\總數八十頁\編于二點電感量與空氣隙厚度成反比，與空氣隙相對截面積成正比。因此，改變空氣隙厚度或改變氣隙截面積都能使電感量變化。自感傳感器的特性曲線目前二十五頁\總數八十頁\編于二點自感傳感器一般有三種類型：①改變氣隙厚度δ的自感傳感器；②改變氣隙截面積s的自感傳感器；③螺管式自感傳感器，第一種靈敏度高；第二種類型的優(yōu)點是具有較好的線性，示值范圍較大，自由行程也較大；第三種類型靈敏度低，但示值范圍大，自由行程大，且其主要優(yōu)點是結構簡單，制造裝配容易。靈敏度低是其缺點，但可以在放大電路方面加以解決。目前二十六頁\總數八十頁\編于二點螺管式自感傳感器1－線圈2－動鐵心目前二十七頁\總數八十頁\編于二點三、自感傳感器結構舉例BYM型壓力傳感器的結構與原理圖，它采用了變氣隙差動傳感器。BYM型壓力傳感器1－彈簧管2－銜鐵3、4－鐵心5、6－線圈7－調節(jié)螺釘目前二十八頁\總數八十頁\編于二點螺管式差動自感傳感器。滾動導軌上消除了徑向間隙，使測量精度提高，并且靈敏度和壽命能達到較高指標。螺管式差動自感傳感器1－導線2－慈心3－銜鐵4－線圈5－彈簧

6－防轉銷7－導軌8－測桿9－密封套10－可換測頸目前二十九頁\總數八十頁\編于二點四、測量電路（一）基本測量電路一種帶相敏整流的電橋電路。電橋由差動電感傳感器Z1和Z2以及平衡電阻R1、R2(R1=R2)組成，VD1～VD4構成了相敏整流器，橋的一個對角線接有交流電源U，另一個對角線接有電壓表V，當差動銜鐵處于中間位置時，Z1＝Z2＝Z，輸出電壓U0為零。目前三十頁\總數八十頁\編于二點帶有相敏整流的電橋電路目前三十一頁\總數八十頁\編于二點當銜鐵偏離中間位置而使Z2＝Z+△Z增加，則Zl＝Z－△Z減少。比較上述兩種情況，可知輸出電壓幅值相等，極性相反。整流器輸出特性曲線a)非相敏整流器b)相敏整流器目前三十二頁\總數八十頁\編于二點（二）自感傳感器實際測量電路舉例JGH型電感測厚儀的傳感器是一只差動式自感傳感器，因此測量電路是一不平衡電橋電路。JGH型電感測厚儀測量電路

目前三十三頁\總數八十頁\編于二點差動變壓器是互感傳感器，是把被測位移轉換為傳感器線圈的互感的變化量，由于這種傳感器常常做成差動的，故稱差動變壓器。差動變壓器主要由一個線框和一個鐵心組成。在線框上繞有一組一次線圈作為輸入線圈，在同一框架上另繞兩組二次線圈作為輸出線圈，并在線框中央圓柱孔中放入鐵心，如果輸出接成反向串聯(lián)，則此傳感器的輸出電壓U2＝U21－U22。一、工作原理第四節(jié)差動變壓器目前三十四頁\總數八十頁\編于二點差動變壓器

a)結構圖b)原理圖目前三十五頁\總數八十頁\編于二點當鐵心向右移動時，在右邊二次線圈內所穿過的磁通比左邊二次線圈多些，所以互感也大些，感應電動勢El增加；另一個線圈的感應電動E2，隨鐵心向右偏離中心位置而逐漸減小，并減小到接近空心狀態(tài)時的電動勢E0。差動變壓器特性a)二次線圈輸出特性b)差動變壓器輸出特性目前三十六頁\總數八十頁\編于二點二、基本特性（一）等效電路等效電路：差動變壓器的等效電路a)空載時的等效電路b)空載時電動勢源等效電路目前三十七頁\總數八十頁\編于二點可采用下列方法提高差動變壓器的靈敏度：（二）靈敏度（1）提高線圈的Q值，為此需增大差動變壓器的尺寸，一般長度為直徑的1.2～2.0倍較恰當。（2）選擇較高的勵磁頻率。（3）增大鐵心直徑，使其接近于線圈框架內徑，鐵心采用磁導率高、鐵損小、渦流損失小的材料。（4）減少渦流損耗，為此線圈框架采用非導電的且膨脹系數小的材料。（5）在不使一次線圈過熱的情況下，盡量提高勵磁電壓。目前三十八頁\總數八十頁\編于二點（三）頻率特性差動變壓器的勵磁頻率一般從10～50kHz為適當。勵磁頻率與輸出電壓有很大關系，頻率增加引起與二次繞組相聯(lián)系的磁通量變化率增加，它將使差動變壓器的輸出電壓增加。（四）線性范圍（五）溫度特性（六）零點殘余電壓及其消除方法目前三十九頁\總數八十頁\編于二點零點殘余電壓產生的原因有以下幾個方面：（1）由于兩個二次線圈結構上的不對稱，引起兩個二次電壓的幅值平衡點與相位平衡點兩者不重合。（2）由鐵心材料B－H曲線的彎曲部分導致輸出電壓中含高次諧波。（3）勵磁電壓波形中有高次諧波。消除零點殘余電壓的最有效的方法是采用在放大電路前加相敏整流器的方法，使其特性由特性曲線1變成曲線2。目前四十頁\總數八十頁\編于二點采用相敏整流器時的特性曲線1－沒有相敏整流器時2－有相敏整流器目前四十一頁\總數八十頁\編于二點三、測量電路為反映鐵心移動的方向，在差動測量電路中常采用相敏整流器。對于差動變壓器最常應用的測量電路是差動整流電路。圖a和圖b用在聯(lián)結低阻抗負載的場合，是電流輸出型。圖c和圖d用在聯(lián)結高阻抗負載的場合，是電壓輸出型。目前四十二頁\總數八十頁\編于二點差動整流電路a)全波電流輸出b)半波電流輸出c)全波電壓輸出d)半波電壓輸出目前四十三頁\總數八十頁\編于二點在CPC型差壓計中的差動變壓器的測量電路CPC－160A型差壓計電路圖目前四十四頁\總數八十頁\編于二點渦流傳感器的最大特點是可以對一些參數進行非接觸測量，動態(tài)響應好，靈敏度較高，所以工業(yè)中應用越來越廣。渦流傳感器應用及特征第五節(jié)渦流傳感器目前四十五頁\總數八十頁\編于二點渦流傳感器在金屬體中產生的渦流，其滲透深度與傳感器線圈的勵磁電流的頻率有關，所以渦流傳感器主要可分為高頻反射和低頻透射兩類，前者應用較廣泛。一、高頻反射渦流傳感器（一）基本工作原理高頻反射渦流傳感器是一只固定在框架上的扁平線圈。目前四十六頁\總數八十頁\編于二點高頻反射式渦流傳感器目前四十七頁\總數八十頁\編于二點為了提高渦流傳感器的靈敏度，傳感器線圈總是并聯(lián)一只電容器，構成并聯(lián)諧振電路。線圈Q值降低，意味著諧振回路諧振曲線值下降(原來調諧到某一頻率)，同時使曲線變得平坦。諧振曲線目前四十八頁\總數八十頁\編于二點輸出電壓U與位移X間的關系曲線，在中間一般呈線性關系，其范圍為平面線圈外徑的1／3～１／5(線性誤差為3％～4％)。U=?(x)特性曲線目前四十九頁\總數八十頁\編于二點（二）高頻反射渦流傳感器的結構形式CZF1型渦流傳感器的結構圖，它是采用把導線繞在框架上形成的，框架采用聚四氟乙烯。CZF1型渦流傳感器１－線圈２－框架３－框架襯套４－支架５－電纜６－插頭目前五十頁\總數八十頁\編于二點(三)測量方法高頻反射渦流傳感器測量方法有調幅法和調頻法兩種。CZF1型傳感器性能目前五十一頁\總數八十頁\編于二點（四）影響高頻反射渦流傳感器靈敏度的因素（1）被測物體形狀對測量的影響。（2）工作表面處理對靈敏度的影響。二、渦流傳感器的應用（一）位移計渦流傳感器根據其工作原理，其基本形式就是一只位移傳感器。目前五十二頁\總數八十頁\編于二點位移計的幾種實例（二）振幅計渦流傳感器可無接觸地測量旋轉軸的徑向振動。目前五十三頁\總數八十頁\編于二點（三）厚度計渦流傳感器可無接觸地測量金屬板的厚度和非金屬板的鍍層厚度。厚度計實例（四）轉速計目前五十四頁\總數八十頁\編于二點第六節(jié)電容傳感器一、電容傳感器的工作原理由兩平行極板組成一個電容器，若忽略其邊緣效應，其電容量可用下式表示：1．改變遮蓋面S的類型目前五十五頁\總數八十頁\編于二點改變S的電容傳感器a)角位移式b)直線位移式目前五十六頁\總數八十頁\編于二點2．改變介質介電常數ε的類型因為各種介質的介電常數不同，在兩電極間加以空氣以外的其它介質。當它們之間的介電常數發(fā)生變化時，電容量也隨之改變。這種傳感器常用來檢測容器中的液面高度、片狀材料的厚度等。電容液面計原理圖1、２—圓柱狀極板目前五十七頁\總數八十頁\編于二點3．改變極板之間距離d的類型這種類型的電容傳感器的極板1是固定不變的，極板2是可動的，一般稱動片，當動片2受被測量變化引起移動時，就改變了兩極板間的距離d從而使電容量發(fā)生變化。4．差動電容傳感器二、電容傳感器的一些特殊問題目前五十八頁\總數八十頁\編于二點1．用加云母片的辦法提高靈敏度2．電容傳感器中一些量的變化范圍3．提高靈敏度的一些措施①提高電源頻率；②用雙層屏蔽線，將電路(例如集成電路)同電容傳感器裝在一個殼體中，可減小寄生電容和外界干擾的影響；③減小極板厚度可削弱邊緣效應。三、電容傳感器的測量電路目前五十九頁\總數八十頁\編于二點電容傳感器的橋式電路a)單臂接法b)差動接法電容傳感器在實際應用中可接在不同的測量電路中，分述如下：1．橋式電路2．差動脈沖調寬電路目前六十頁\總數八十頁\編于二點差動脈沖調寬電路也稱脈沖調制電路。差動脈沖調寬電路C1、C2為差動電容傳感器的兩個電容敏感元件。在差動電容C1、C2值不相等時，則C1、C2充電時間常數就發(fā)生改變，輸出電壓U0AB的平均電壓值就不再是零。目前六十一頁\總數八十頁\編于二點各在點電壓波形圖目前六十二頁\總數八十頁\編于二點根據以上分析，脈沖寬度電路有如下特點：（1）對敏感元件的線性要求不高。不論是變氣隙式或變面積式，其輸出都與輸入變化量成線性關系。（2）不需要特殊電路，只要經過低通濾波器就可以得到較大的直流輸出。（3）不需要高頻發(fā)生裝置。（4）調寬頻率的變化對輸出無影響。（5）由于低通濾波器的作用，對輸出矩形波純度要求不高。目前六十三頁\總數八十頁\編于二點3．諧振電路a)原理圖b)特性曲線電容傳感器諧振電路目前六十四頁\總數八十頁\編于二點這樣的電路有很高的靈敏度。電容傳感器稍有輸入時，就會使輸出電壓發(fā)生急劇變化。四、電容傳感器的應用電容傳感器是懸掛在料倉里的金屬探頭，利用它對大地的分布電容進行檢測。目前六十五頁\總數八十頁\編于二點晶體管電容料位指示儀原理圖信號轉換是通過阻抗平衡電橋實現(xiàn)的。目前六十六頁\總數八十頁\編于二點第七節(jié)光電阻傳感器光電阻傳感器是將光信號轉換為電阻變化的一種傳感器。若用這種傳感器測量其它非電量時，只要將被測非電量的變化轉換成光信號的變化即可。此種測量方法具有結構簡單、非接觸、高可靠性、高精度和反映快等優(yōu)點。一、光電元件光電元件的理論基礎是光電效應。光可以被看作是一連串具有一定能量的粒子(稱光子)所構成的。目前六十七頁\總數八十頁\編于二點在光線作用下能使物體電阻率改變的，稱內光電效應，又叫光電導效應?；趦裙怆娦墓怆娫饕泄怆娋w管等。（一）光敏電阻1、光敏電阻的工作原理2、光敏電阻的主要參數和基本特性目前六十八頁\總數八十頁\編于二點（1）光電流（2）光敏電阻的伏安特性（3）光敏電阻的光照特性（4）光敏