第十四章-電工電子技術典型應用

第十四章電工電子技術典型應用

14.1555定時器及應用14.2D/A轉換器和A/D轉換器14.3電工測量簡介14.4非電量的測量（傳感器）簡介第一節(jié)555定時器及應用555定時器是將模擬和數(shù)字電路集于一體的中規(guī)模集成電路。它的應用十分廣泛，通常只要外接幾個適當?shù)淖枞菰涂梢越M成像多諧振蕩器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和施密特觸發(fā)器等脈沖波形的產(chǎn)生與整形電路，在工業(yè)自動控制、定時、延時、報警、仿聲、電子玩具等方面有著廣泛的應用。555定時器的產(chǎn)品有雙極型和單極型（CMOS）兩大類。所有雙極型產(chǎn)品型號的最后三個數(shù)碼都是555，電源電壓在4.5~18V之間，輸出電流可達200mA,典型產(chǎn)品有NE555、5G555等。CMOS555定時器功耗低，輸出電流小，典型產(chǎn)品有CC7555、CC7556等，電源電壓在3V～18V之間，下面以雙極型NE555為例介紹集成定時器的電路組成及應用，其余產(chǎn)品的邏輯功能和外部引線排列與其完全相同。一、555定時器電路組成及功能（一）555定時器的電路組成輸出為低電平時，VT導通；輸出為高電平時，VT截止VT（二）555定時器的功能高觸發(fā)輸入低觸發(fā)輸入復位輸出輸入輸出放電管VT××00導通10導通11截止1不變原態(tài)555定時器的功能表二、555定時器構成施密特觸發(fā)器施密特觸發(fā)器可以把不規(guī)則的輸入波形變?yōu)榱己玫木匦尾ㄐ盘?/p>

圖14-2(a)是用555定時器構成施密特觸發(fā)器的原理圖，圖中將6、2端相連。輸入信號為一三角波，當時，3端輸出為0；當時，3端輸出為1。于是從3端就得到一矩形波輸出信號。該電路的輸入、輸出波形，如圖14-2(b)所示。當電壓控制端5端電壓不懸空，而在5端與1端間接入一個可調電壓時，可以用來調節(jié)高低觸發(fā)電壓的范圍。這種施密特觸發(fā)器在脈沖電路中常用作波形的變換、波形的整形和脈沖幅度的鑒別。三、555定時器構成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器

單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器是一種只有一個穩(wěn)定狀態(tài)的電路，如果沒有外加輸入信號的變化，電路將保持這一穩(wěn)定狀態(tài)。當受到外加觸發(fā)脈沖的作用，電路能夠從穩(wěn)定狀態(tài)翻轉到一種與其相反的狀態(tài)，電路將在這一狀態(tài)維持一定時間，依靠電路自身的作用，電路將自動地返回到穩(wěn)定狀態(tài)。因為與穩(wěn)定狀態(tài)相反的狀態(tài)不能長久保存，所以把它稱為暫穩(wěn)狀態(tài)。由555定時器構成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器如圖14-3（a）所示，觸發(fā)脈沖（即輸入信號）uI接在2端，6端與7端相連并與R、C相接。t1uc（a）電路圖（b）波形圖圖14-3555定時器構成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電源接通瞬間，電路有一個進入穩(wěn)定的過程，電源+UCC通過電阻R向電容C充電，當uC上升到時，u0=0，放電管VT導通，電容C放電，電路進入穩(wěn)定狀態(tài)。設在t1時，外加觸發(fā)信號uI（），低觸發(fā)端電壓，u0=1，VT截止。此后，電容C充電，當充電至時，即時，電路翻轉，u0=0，VT導通，電容C放電，電路自動地返回到穩(wěn)態(tài)。由于VT導通電阻很小，故放電較快。uI、uC和u0的波形變化情形如圖14-3（b）所示。由圖14-3（b）可以看出，暫穩(wěn)態(tài)的時間就是輸出u0為高電平的時間，它是uC由0充電至的時間，我們把這一時間稱為u0的輸出脈沖寬度tW，由電工理論進行計算，可得四、555定時器構成的多諧振蕩器用555定時器組成的多諧振蕩器電路，如圖14-4(a)所示。6端與2端相連并與R1、R2、C相接，7端直接連在R1與R2的連接處。電路沒有輸入端。當VT截止時，+UCC通過R1、R2對C進行充電；當VT導通時，C通過R2和555定時器內(nèi)部的導通管進行放電。

圖14-4555定時器組成的多諧振蕩器(a)電路圖(b)波形圖設電路在接通電源前，電容C上的電壓為0。接通電源Ucc后，由于=0，，=1，VT截止，這時電源經(jīng)電阻和對電容C充電，當電容電壓上升到時，由高電平1翻轉為低電平0。放電管VT導通，已充電至的電容C通過電阻和放電管VT放電，電容電壓下降。當下降到時，由低電平0翻轉為高電平l，此時放電管VT截止，電源又經(jīng)電阻和對電容C充電，如此循環(huán)重復上述過程，就在555定時器的輸出端產(chǎn)生一連續(xù)的矩形波，波形如圖14-4(b)所示。輸出端高電平維持的時間是電容充電使其電壓從上升到的時間；低電平維持的時間是電容放電使其電壓從下降到的時間。前者的時間常數(shù)是（R1+R2）C，后者的時間常數(shù)是R2C。由電工理論分析可得，輸出端為高電平的時間約為；輸出為低電平的時間約為C。則振蕩波形的周期T為

五、555定時器的其它應用舉例

(一)模擬聲響發(fā)生器如圖所示是用兩塊集成555定時器和外圍元件組成的模擬聲響發(fā)生器。可以看出，它是由兩個多諧振蕩器構成的電路。+UCC(二)定時開關電路利用555定時器構成的單穩(wěn)態(tài)電路，可以制作一個定時器，以控制各種電器的啟動和停止。一個實用的電子定時器電路如圖14-6所示。該電路可直接驅動小功率繼電器工作。第二節(jié)D／A轉換器和A／D轉換器隨著數(shù)字計算機的廣泛應用，模擬量和數(shù)字量的相互轉換變得十分重要。例如，用數(shù)字系統(tǒng)對生產(chǎn)過程進行控制，由于生產(chǎn)過程所處理的常常是反映溫度、壓力、流量、位移等變化的模擬量，不能為數(shù)字系統(tǒng)所直接處理，因此需要先將模擬量轉換為與之相應的數(shù)字量，經(jīng)由數(shù)字系統(tǒng)進行處理；經(jīng)處理后的輸出為數(shù)字量，需要再將它轉換為與之相應的模擬量，去控制執(zhí)行機構工作。將數(shù)字信號轉換為相應的模擬信號稱為數(shù)/模(D/A)轉換，實現(xiàn)D/A轉換的電路稱為數(shù)/模轉換器(簡稱DAC)。將模擬信號轉換為相應的數(shù)字信號稱為模/數(shù)(A/D)轉換，實現(xiàn)A/D轉換的電路稱為模/數(shù)轉換器(簡稱ADC)一、D/A轉換器（一）D/A轉換器的實現(xiàn)方法將輸入的每一位二進制代碼按其權的大小轉換成相應的模擬量，然后將代表各位的模擬量相加，所得的總模擬量就與數(shù)字量成正比，這樣便實現(xiàn)了從數(shù)字量到模擬量的轉換。常用的D/A轉換器有權電阻DAC、R-2RT型電阻DAC、倒T型電阻DAC等幾種類型。某位數(shù)字量Di=1時，相應模擬開關Si倒向集成運算放大器的反相輸入端；Di=0時，相應模擬開關Si倒向集成運算放大器的同相輸入端。因為同相輸入端接地，故反相輸入端為“虛地”。因此，由UREF端往里看的等效電阻為R，故2R電阻支路上的電流自右向左（高位D3→低位D0）依次為這些電流是否流向集成運算放大器的反相輸入端，由相應位的數(shù)字量來決定，即運算放大器的輸出電壓即(二)D/A轉換器的主要技術指標1．分辨率是指最小輸出電壓和最大輸出電壓之比。它取決于D/A轉換器的位數(shù)。位數(shù)越多分辨率越高，如8位D/A轉換器，最小輸出電壓與數(shù)字00000001對應，而最大輸出電壓與數(shù)字11111111對應。所以，分辨率為

2．精度指輸出模擬電壓的實際值和理論值之差，即最大靜態(tài)誤差。誤差主要是參考電壓偏離標準值、運算放大器零點漂移、模擬開關的壓降、電阻值誤差等引起的。3．轉換速度D/A轉換器完成一次轉換所需的最大時間。二、A／D轉換器(一)A/D轉換器工作原理A/D轉換器分直接型和間接型兩大類。并行A/D轉換器、計數(shù)型A/D轉換器、逐次逼近型A/D轉換器屬于直接型A/D轉換器；單積分A/D轉換器、雙積分A/D轉換器等屬于間接型A/D轉換器。現(xiàn)以逐次逼近型A/D轉換器為例說明工作原理。D/A轉換器數(shù)碼寄存器控制電路－＋＋△8…….…時鐘脈沖UIUfDn-1Dn-2Dn-3D0n位數(shù)字量輸出電壓比較器輸入模擬電壓將要轉換的模擬電壓UI與一系列的基準電壓Uf比較。比較是從高位到低位逐位進行，同時依次確定各位數(shù)碼是1還是0。轉換開始前，先將數(shù)碼寄存器清零，開始轉換后，控制邏輯將寄存器最高位置1，使其輸出為100…000，這個數(shù)碼被D/A轉換器轉換成相應的模擬電壓Uf，送至比較器與輸入UI進行比較。說明寄存器輸出的數(shù)碼大了，應將最高位1改為0（去碼），同時設次高位為1。說明寄存器輸出的數(shù)碼還不夠大，需將最高位設置的1保留（加碼），同時再設次高位為1。然后按同樣的方法進行比較，確定次高位的1是去掉還是保留。這樣逐位比較下去，一直到最低位為止，比較完畢后，寄存器中的狀態(tài)就是轉換后的數(shù)字輸出。比較原理比較原則工作過程比較結果(二)A／D轉換器的主要技術指標1．分辨率以二進制代碼位數(shù)表示，位數(shù)越多，量化誤差越小，分辨率越高。2．相對誤差指A/D轉換器實際輸出數(shù)字量和理想輸出數(shù)字量之間的差別，通常以最低位有效位的倍數(shù)表示。例如，給出相對誤差≤LSB／2。這表明實際輸出數(shù)字量和理論計算出數(shù)字量之間的誤差不大于最低位1的一半。3．轉換速度完成一次A/D轉換所需時間，一般低速為1~30ms，中速為50us左右，高速為50ns左右。(三)A/D轉換器的應用數(shù)字式萬用表是電工、電子技術中使用非常廣泛的測量儀表，它的核心即是A/D轉換器，它具有自動化和智能化程度高、測量范圍廣、讀數(shù)直觀準確、過載能力強、直接顯示極性、測量速度快等特點。數(shù)字式萬用表電路組成結構框圖如圖所示。測量時，被測量(電阻、電壓、電流)先轉換為適當大小的直流電壓，直流電壓經(jīng)過量程選擇電路加到ADC上，將轉換成數(shù)字量，再經(jīng)過譯碼顯示電路顯示出測量的結果。第三節(jié)電工測量簡介

電工測量是采用電工儀表對電學物理量（電壓、電流、電能、電功率等）和常見電路元件參數(shù)（電阻、電感、電容等）所進行的測量。隨著工業(yè)自動化程度的日益提高，電工測量的意義也顯得越來越重要。電工測量技術的應用得益于現(xiàn)代科學技術的發(fā)展?，F(xiàn)代的電工測量儀表具有結構簡單、使用方便、精確度高等特點，它可以靈活地安裝在需要進行測量的地方，并可實現(xiàn)自動記錄，它可以實現(xiàn)遠距離的測量，它還可以在一定的條件下對非電物理量進行測量。一、電工測量的分類

（一）按測量方式分類1．直接測量將被測量與作為標準的量直接比較，或者用已經(jīng)有刻度的儀表進行測量，儀表讀出值就是被測量的電磁量。2．間接測量利用某種中間量與被測量量之間的函數(shù)關系，先測出中間量，再算出被測量。3．組合測量被測量與中間量的函數(shù)式中還有其它未知數(shù)，須通過改變測量條件，得出不同條件下的關系方程組，然后解聯(lián)立方程組求出被測量的數(shù)值。（二）按測量方法分類

1．直讀法直讀法是根據(jù)測量儀表顯示的數(shù)值直接讀取被測量的數(shù)值的方法。2．比較法比較法是指在測量過程中需要度量器直接參與并通過比較儀器來確定被測量數(shù)值的。根據(jù)比較方式的不同，比較法可分為以下三種：（1）零值法。在測量過程中，連續(xù)改變標準量，使它產(chǎn)生的效應與被測量產(chǎn)生的效應相抵消或者相平衡，即使被測量與相比較的同類標準量之間的微差為零，這種方法稱為零值法。（2）差值法。如果在測量過程中，被測量與標準量互相不能完全平衡或標準量不便于精細調節(jié)，則用測量儀器測量二者的差值量或測量正比于差值的量，進而根據(jù)標準量的數(shù)值確定被測量的大小，這種方法稱為差值法。該方法實際上是一種不徹底的零值法。（3）替代法。將被測量與標準量分別接入同一個測量裝置，在標準量替代被測量的情況下，調節(jié)標準量器的大小，使得測量裝置的工作狀態(tài)保持不變，則可以用標準量器的數(shù)值大小來確定被測量的量值，這種方法稱為替代法。此方法是一種極其準確的測量方法，準確度完全取決于標準量器的準確度。二、測量誤差的表示方法被測量的真實值稱為真值，在一定的時間和空間內(nèi)，真值是一個客觀存在的確定的數(shù)值。在實際測量中，即使選用準確度最高的測量器具、測量儀器和儀表，而且沒有人為失誤，想要得到真值也是不可能的。絕對誤差定義為測量結果與被測量的真值的差值。絕對誤差用表示，即：

實際應用時，常用精度高一級的標準器具的示值A作為實際值來代替真值。

（一）絕對誤差

（二）相對誤差

（1）實際相對誤差定義為絕對誤差與被測量的實際值的百分比值。實際相對誤差用表示，即：（2）示值相對誤差示值相對誤差又稱標稱相對誤差，定義為絕對誤差與讀數(shù)值的百分比。示值相對誤差用表示，即：（3）引用相對誤差定義為絕對誤差與測量儀器滿度值的百分比。引用相對誤差用表示，即：三、電工測量儀表的分類電工測量儀表的種類繁多，分類方法也各有不同。按照電工儀表的結構和用途，大體上可以分為以下五類。（1）指示儀表類：直接從儀表指示的讀數(shù)來確定被測量的大小。（2）比較儀器類：需在測量過程中將被測量與某一標準量比較后才能確定其大小。（3）數(shù)字式儀表類：直接以數(shù)字形式顯示測量結果，如數(shù)字萬用表、數(shù)字頻率計。（4）記錄儀表和示波器類：如X-Y記錄儀、光線示波器。（5）擴大量程裝置和變換器：如分流器、附加電阻、電流互感器、電壓互感器。

常用的指示儀表可按以下方法分類：

（1）按儀表的工作原理分類主要有電磁式、電動式和磁電式指示儀表，其他還有感應式、振動式、熱電式、熱線式、靜電式、整流式、光電式和電解式等類型的指示儀表。

（2）按測量對象的種類分類主要有電流表（又分安培表、毫安表、微安表）、電壓表（又分為伏特表、毫伏表等）、功率表、頻率表、歐姆表、電度表等。

（3）按被測電流種類分類有直流儀表、交流儀表、交直流兩用儀表。

（4）按使用方式分類有安裝式儀表和可攜式儀表。

（5）按儀表的準確度分類指示儀表的準確度可分為0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5.0七個等級。儀表的級別即儀表準確度的等級。

（6）按使用環(huán)境條件分類指示儀表可分為A、B、C三組。A組：工作環(huán)境為0～+40℃，相對濕度在85%以下。B組：工作環(huán)境為-20～+50℃，相對濕度在85%以下。C組：工作環(huán)境為-40～+60℃，相對濕度在98%以下。(7)按對外界磁場的防御能力分類指示儀表有Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ4個等級。四、常用電工測量儀表（一）電流表和電壓表

電流表和電壓表的工作原理常見的電流表和電壓表按工作原理的不同分為磁電式、電磁式和電動式三種，以磁電式儀表為例說明其工作原理如下

它的固定磁路系統(tǒng)由永久磁鐵、極靴和圓柱形鐵心組成。它的可動部分由繞在鋁框上的線圈、線圈兩端的、半軸、指針、平衡重物、游絲等組成。圓柱形鐵心固定在儀表支架上，用來減小磁阻，并使極靴和鐵心間的卒氣隙中產(chǎn)生均勻的輻射磁場。整個可動部分被支承在軸承上，可動線圈處于永久磁鐵的氣隙磁場中。

當線圈中有被測電流流過時，通過電流的線圈在磁場中受力并帶動指針而偏轉，當與彈簧反作用力矩平衡時，指針便停留在相應位置，并存面板刻度標尺上指出被測數(shù)據(jù)。

（1）磁電式儀表有以下優(yōu)點：標度均勻,靈敏度和準確度較高,讀數(shù)受外界磁場的影響小。（2）磁電式儀表的缺點如下：表頭本身只能用來測量直流量（當采用整流裝置后也可用來測量交流量），過載能力差。（3）使用磁電式儀表的注意事項有：測量時，電流表要串聯(lián)在被測的支路中，電壓表要并聯(lián)在被測電路中；使用直流表，電流必須從“+”極性端進入，否則指針將反向偏轉;一般的直流電表不能用來測量交流電，儀表誤接交流電時，指針雖無指示，但可動線圈內(nèi)仍有電流通過，若電流過大，將損壞儀表;磁電式儀表過載能力較低，注意不要過載。

（二）指針式萬用表萬用電表又稱三用表、萬能表等，是一種多功能的攜帶式電工儀表，用以測量交、直流電壓、電流、直流電阻等。有的萬用表還可以測量電容量、晶體管共射極直流放大系數(shù)hFE和音頻電平等參數(shù)。萬用表的結構主要由表頭（測量機構）、測量線路、轉換開關、面板及表殼等部分組成。萬用表的工作原理比較簡單，采用磁電系儀表為測量機構。測量電阻時，使用內(nèi)部電池做電源，應用電壓、電流法；測量電流時，用并聯(lián)電阻分流以擴大量限；測量電壓時，采用串聯(lián)電阻分壓的方法以擴大電壓量限。指針式500型萬用表電路原理圖

(三)兆歐表兆歐表又叫搖表，是一種簡便的，常用來測量高電阻值的直讀式儀表。一般用來測量電路、電機繞組、電纜、電氣設備等的絕緣電阻。最常見的兆歐表是由作為電源的高壓手搖發(fā)電機（交流或直流發(fā)電機）及指示讀數(shù)的磁電式雙動圈流比計所組成。

1．兆歐表的選用兆歐表的常用規(guī)格有250V、500V、1000V、2500V和5000V，選用兆歐表主要應考慮它的輸出電壓及測量范圍。一般額定電壓在500V以下的設備，選用500V或1000V的表，額定電壓在500V以上的設備，選用1000V或2500V的表，而瓷瓶、母線、刀閘等應選2500V以上的表。2．兆歐表的使用（1）兆歐表應放在平整而無搖晃或震動的地方，使表身置于平穩(wěn)狀態(tài)。測量前先將兆歐表進行一次開路和短路試驗，檢查兆歐表是否良好。若將兩連線開路，搖動手柄，指針應指在“∞”處，這時如再把兩連接線短接一下，指針應指在“0”處，說明兆歐表是良好的，否則，該表不能正常使用。

（2）兆歐表上有三個分別標有E（接地）、L（電路）和G（保護環(huán)或屏蔽端子）的接線柱。測量電路絕緣電阻時，可將被測端接于L接線柱上，而以良好的地線接于E接線柱上，如圖14-13a所示；在作電機絕緣電阻測量時，將電機繞組接于L接線柱上，機殼接于E接線柱上，如圖14-13b所示；測量電纜的纜芯對纜殼的絕緣電阻時，除將纜芯和纜殼分別接于L和E接線柱外，再將電纜殼芯之間的內(nèi)層絕緣物接G接線柱，以消除因表面漏電而引起的誤差，如圖14-13c所示。

在使用兆歐表前應進行以下準備工作：

（1）檢查兆歐表是否正常。（2）檢查被測電氣設備和線路，看其是否已全部切斷電源。（3）測量前應對設備和線路先行放電，以免設備或線路的電容放電危及人身安全和損壞兆歐表，同時還可以減少測量誤差。兆歐表的正確使用要點如下：

（1）兆歐表必須水平放置于平穩(wěn)、牢固的地方，以免在搖動時因抖動和傾斜產(chǎn)生測量誤差。（2）接線必須正確無誤，接線柱“E”（接地）、“L”（線路）和“G”（保護環(huán)或稱屏蔽端子）與被測物的連接線必須用單根線，要求絕緣良好，不得絞合，表面不得與被測物體接觸。（3）搖動手柄的轉速要均勻，一般規(guī)定為120r/min，允許有±20%的變化，但不應超過25%。通常要搖動1min待指針穩(wěn)定后再讀數(shù)。（4）測量完畢，應對設備充分放電，否則容易引起觸電事故。（5）嚴禁在雷電時或附近有高壓導體的設備上測量絕緣電阻，只有在設備不帶電又不可能受其他電源感應而帶電的情況下才可進行測量。（6）兆歐表未停止轉動之前，切勿用手去觸及設備的測量部分或兆歐表接線柱。（7）兆歐表應定期校驗，其方法是直接測量有確定值的標準電阻，檢查其測量誤差是否在允許范圍之內(nèi)。

（五）功率表功率表用于測量直流電路和交流電路的功率，又稱為電力表或瓦特表。功率表大多采用電動式儀表的測量機構。它有兩組線圈，一組是電流線圈，一組是電壓線圈。它的指針偏轉（讀數(shù)）與電壓、電流以及電壓與電流之間的相角差的余弦的乘積成正比。因此，可用它測量電路的功率。由于它的讀數(shù)與電壓、電流之間的相角差有關，因此電流線圈與電壓線圈的接線必須按照規(guī)定的方式連接才能正確測量。

直流功率的測量，可以用分別測量電壓、電流的間接方法測量，也可以用功率表直接測量。單相交流有功功率的測量，在頻率不很高時采用電動系或鐵磁電動系功率表直接測量。在頻率較高時，采用熱電系或整流系功率表直接測量。三相有功功率的測量，可采用三相有功功率表進行測量，也可采用幾個單相有功功率表進行測量。功率表的接線必須遵守“發(fā)電機端”規(guī)則，即：功率表標有“*”號的電流端鈕必須接到電源的一端，而另一電流端鈕接到負載端，電流線圈串聯(lián)接人電路中。功率表標有“*”號的電壓端鈕，可以接到電流端鈕的任一端，而另一電壓端鈕則跨接到負載的另一端。

第四節(jié)非電量的測量(傳感器)簡介一、傳感器概述(一)傳感器在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中為了檢查、監(jiān)督和控制某個生產(chǎn)過程或運動對象，使它們處于過程的最佳狀態(tài)，就必須掌握描述它們特性的各種參數(shù)，因此就需要測量這些參數(shù)的大小、方向、變化、速度等。這些參數(shù)就其電學特征來分，可分為電量和非電量。電量一般指電流、電壓、脈沖等。非電量一般包含物理量、化學量、工業(yè)量、感覺量四種。位移、速度、力、壓力、加速度、溫度等參數(shù)的測量最為常見。傳感器是一種以測量為目的，以一定的精度將被測量轉換為與之有確定關系，易于處理和測量的某種物理量(主要是電學量)的測量裝置或部件。各種高技術的智能武器、機器及家用電器設計水平的高低，主要取決于使用傳感器的數(shù)量與質量的不同。傳感器是智能化高技術的前驅和象征。國家標準（GB7665—87）中傳感器（Transducer/Sensor）的定義為：能夠感受規(guī)定的被測量并按照一定規(guī)律轉換成可用輸出信號的器件或裝置。(二)傳感器的組成敏感元件是直接感受被測量(一般是非電量)，并輸出與被測量有確定關系的其他量

傳感元件是將敏感元件輸出的非電量(如位移)轉換成電參量(如電阻、電感、電容)

基本轉換電路是將電參量轉換成便于測量的電量，如電壓、電流、脈沖等

（非電量）（電量）輸出量(三)傳感器的分類1.根據(jù)傳感器的工作原理分類

這是傳感器最常見的分類方法，這種分類方法將物理、化學、生物等學科的原理、規(guī)律和效應作為分類的依據(jù)，有利于對傳感器工作原理的闡述和對傳感器的深入研究與分析，但不便于使用者根據(jù)用途選用。按照傳感器工作原理的不同，傳感器可分為電參數(shù)式傳感器(包括電阻式、電感式和電容式傳感器)、壓電式傳感器、光電式傳感器(包括一般光電式、光纖式、激光式和紅外式傳感器等)、熱電式傳感器、半導體式傳感器、波式和輻射式傳感器等。這些類型的傳感器大部分是分別基于其各自的物理效應原理命名的。(三)傳感器的分類2.根據(jù)傳感器的用途分類

按傳感器的用途來分類，例如位移傳感器、壓力傳感器、振動傳感器、溫度傳感器等，對人們系統(tǒng)地使用傳感器很有幫助。

3.根據(jù)傳感器的材料類別分類

近年來對傳感器材料的開發(fā)研究有較大的進展，用復雜材料來制造性能更加良好的傳感器是今后發(fā)展的方向之一。

1）半導體材料

2）陶瓷材料3）磁性材料4）智能材料半導體硅在力敏、熱敏、光敏、磁敏、氣敏、離子敏及其他敏感元件方面均具有廣泛用途。具有耐熱性、耐腐蝕性、多孔性、光電性、介電性及壓電性。利用它已制成了諸如溫度（新型熱敏電阻）、氣體、濕度、光電、離子、超聲及加速、力、陀螺等多種傳感器。非晶磁性材料具有磁導率高、矯頑力小、電阻率高、耐腐蝕、硬度大等特點智能材料是指設計和控制材料的物理、化學、機械、電學等參數(shù)，研制出生物體材料所具有的特性或者優(yōu)于生物體材料性能的人造材料二、幾種常用傳感器簡介

(一)測力傳感器在機械制造中，無論是生產(chǎn)過程或檢驗過程，常需對各種力進行分析研究及檢測。測力傳感器主要有電阻式、電容式、壓電式等形式。其中電阻應變式傳感器測量范圍寬、精度高、動態(tài)性能好、壽命長、體積小、重量輕、價格便宜，可在惡劣條件(高速、振動、腐蝕等)下工作，因而應用范圍最廣。1.彈性敏感元件彈性敏感元件是許多傳感器的基本元件。彈性敏感元件根據(jù)感受的物理量不同，可分為力敏感型、壓力型和溫度敏感型。

其中力敏感型彈性元件是能夠感受力的變化，并將其轉換成位移(或應變)的彈性敏感元件。

常見的彈性敏感元件結構形式有柱式和梁式。柱式彈性元件可以是實心柱體或空心柱體，其主要特點是加工方便、結構簡單，適用于拉力測量和稱重系統(tǒng)，能承受較大載荷梁式彈性元件是一端固定，另一端自由的彈性元件，又稱懸梁。按其截面形狀又可分為等截面懸臂梁和變截面懸臂梁。其主要特點是結構簡單、靈敏度高，適用于小載荷測量2．電阻應變式傳感器電阻應變式傳感器可分為張絲式和應變片式。其中應變片式傳感器工作原理，是利用粘接劑將電阻應變片粘貼在試件表面上，并隨同試件一起受力變形，從而使應變片的電阻值產(chǎn)生相應的變化。通過適當?shù)臏y量電路，將電阻的變化量轉換成相應的電流或電壓信號，即可實現(xiàn)對于被測試件產(chǎn)生變形的電測量。

電阻應變片可分為金屬電阻應變片和半導體應變片。金屬電阻應變片常見的形式有金屬絲式、箔式和薄膜式應變片。其工作原理是基于金屬的電阻應變效應。

(1)電阻應變效應金屬導體的電阻隨著它受外力作用發(fā)生機械變形的大小而變化的現(xiàn)象稱為金屬的電阻應變效應。如金屬電阻絲受張力作用而變細，其電阻值增大。設有一根長L、截面積為S、電阻率為ρ的金屬電阻絲，其電阻值為如果該電阻絲在軸向應力作用下，長度變化、截面積變化、電阻率為，則電阻R也將隨之變化

(2)金屬電阻應變片結構金屬電阻應變片式傳感器基本結構有彈性元件、應變片、測量橋路三部分。使用應變片式傳感器進行力的測量時，首先要選擇合適的應變片粘貼在被測試件上。當試件受力產(chǎn)生應變和應力時，粘貼在其上的應變片也會受力產(chǎn)生應變，其結果是應變片的電阻值也發(fā)生變化。這樣就把力這個非電量轉換為電阻量，而電阻的測量通常借助于電橋電路。圖14-18所示為電橋的基本線路。圖中，、、、為電橋的四個橋臂電阻，電橋的供電電源可以是直流電源也可以是交流電源圖14-18橋式轉換電路為了調整方便，通常采用四個橋臂電阻值相等的等臂電橋或用兩相鄰橋臂電阻值相等的對稱電橋。當橋臂電阻無變化時，電橋處于平衡狀態(tài)，輸出電壓為零；當橋臂電阻有變化時輸出一個與電阻變化成正比的電壓值。如果把應變片式傳感器中的電阻應變片作為電橋的橋臂電阻接在線路上，那么應變片受力產(chǎn)生的電阻的改變，可以轉換為電橋電壓值的變化。被測試件受力值的測量過程可以簡單示意如下：力的變化()應變()應變片電阻變化()橋路電壓的變化。若電橋四個橋臂電阻都用應變片，則稱為全橋式；若只有兩相鄰橋臂用應變片則稱半橋式；若只有一個橋臂為應變片電阻的稱為單臂電橋。(二)溫度傳感器溫度是與人類的生活、工作關系最為密切的物理量，也是各門學科與工程研究設計中經(jīng)常遇到和必須精確測定的物理量。從工業(yè)爐溫、環(huán)境氣溫到人體溫度，各個技術領域都離不開測溫和溫控。在工業(yè)生產(chǎn)中溫度的測量和控制，對改善產(chǎn)品性能，提高產(chǎn)品質量，對生產(chǎn)過程的自動檢測與自動控制等具有重要意義。

1、熱電阻熱電阻主要是利用導體的電阻隨溫度變化這一特性來測量溫度的。目前廣泛應用的熱電阻材料是鉑和銅。(1)鉑電阻鉑電阻的物理化學性能在高溫下和氧化介質中很穩(wěn)定。它能用作工業(yè)測溫元件和作為溫度標準。鉑的性能最穩(wěn)定，采用特殊結構可制標準鉑電阻溫度計。它的適用范圍為。工業(yè)用鉑電阻如圖14-19所示，一般是將鉑絲2繞在帶有螺旋溝槽的玻璃或云母板上，外加不銹鋼護套，也可將繞好的鉑絲套入玻璃管熔燒封裝。圖14-19鉑電阻結構1-測溫段2-鉑絲3-熱電極鉑電阻與溫度的關系為

式中——溫度為時的電阻；——溫度為時的電阻；——任意溫度；A、B——溫度系數(shù)。鉑電阻阻值不僅與溫度t有關，還與溫度在時的鉑電阻值有關。目前國內(nèi)統(tǒng)一設計的工業(yè)用鉑電阻的值有、等幾種，將與相應關系列成表格稱其為鉑電阻分度表，分度號分別用、表示。(2)銅電阻銅電阻價廉且線性特性好，但溫度高時易氧化。當測量精度要求不高，測量范圍不大時，可以用銅電阻代替鉑電阻使用。在時，銅電阻呈線性關系銅電阻值有、兩種，分度號分別用、表示。

2、熱敏電阻熱敏電阻是近年來出現(xiàn)的一種新型半導體測溫元件。主要是利用半導體的電阻隨溫度變化的特性測溫。熱敏電阻是由一些金屬氧化物如鈷、錳、鎳等氧化物，采用不同比例配方，高溫燒結成陶瓷。熱敏電阻可根據(jù)使用要求封裝加工成各種形狀，如珠狀、片狀、桿狀等，（a）（b）（c）