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1、第 一 章 傳 感 器 技 術(shù) 概 述1. 傳 感 器 定 義傳 感 器 將 被 測(cè) 量 按 一 定 規(guī) 律 轉(zhuǎn) 換 成 便 于 應(yīng) 用 的 某 種 物 理 量 的 裝 置 。被 測(cè) 量 電 量 目 前 ， 傳 感 器 轉(zhuǎn) 換 后 的 信 號(hào) 大 多 為 電 信 號(hào) 。 因 而 從狹 義 上 講 ， 傳 感 器 是 把 外 界 輸 入 的 非 電 信 號(hào) 轉(zhuǎn) 換 成 電 信 號(hào) 的 裝 置 。 2.傳 感 器 的 作 用傳 感 器 類 似 于 人 的 感 覺(jué) 器 官 ， 是 人 類 感 官 的 延 伸 。作 用 ： 將 被 測(cè) 量 轉(zhuǎn) 換 成 電 信 號(hào) ,傳 送 給 測(cè) 試 系 統(tǒng) 中 的

2、后 續(xù) 環(huán) 節(jié) 。人體系統(tǒng)與機(jī)器系統(tǒng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系 激 勵(lì) 裝 置 傳感器被 測(cè)對(duì) 象 信 號(hào)調(diào) 理反 饋 、 控 制 顯 示紀(jì) 錄信 號(hào)處 理 觀 察 者 復(fù) 雜 測(cè) 試 系 統(tǒng) (振 動(dòng) 測(cè) 量 ) 簡(jiǎn) 單 測(cè) 試 系 統(tǒng) (紅 外 體 溫 ) 3. 傳 感 器 的 構(gòu) 成 （ 1） 組 成 ： 振 動(dòng) 膜 片 、 剛性 極 板 、 電 源 和 負(fù) 載 電 阻 （ 2） 原 理 ：振 膜 一 次 敏 感 元 件電 容 器 敏 感 元 件 分 類 法 型 式 說(shuō) 明按 被 測(cè) 量種 類 位 移 、 溫 度 、 壓 力 、 流 量 這 種 分 類 便 于 傳 感 器 的管 理按 工 作 原理 分

3、類 應(yīng) 變 式 、 電 容 式 、 電 感 式 、 壓 電 式 、光 電 式 以 傳 感 器 對(duì) 信 號(hào) 轉(zhuǎn) 換 的原 理 命 名按 被 測(cè) 量轉(zhuǎn) 換 特 征（ 構(gòu) 成 原理 ） 結(jié) 構(gòu) 型 ， 如 電 容 式 ， 電 阻 應(yīng) 變 片 ； 通 過(guò) 改 變 傳 感 器 元 件 的參 數(shù) 實(shí) 現(xiàn) 信 號(hào) 轉(zhuǎn) 換 。物 性 型 ， 如 壓 電 式 ， 水 銀 溫 度 計(jì) ， 雙金 屬 片 依 靠 敏 感 元 件 本 身 物 理性 質(zhì) 隨 被 測(cè) 量 變 化 實(shí) 現(xiàn)信 號(hào) 轉(zhuǎn) 換 。按 能 量 傳遞 方 式 能 量 控 制 型 ， 如 RLC式 傳 感 器 輸 出 能 量 由 外 部供 給 ， 但 受

4、 被 測(cè) 量 控 制 。能 量 轉(zhuǎn) 換 型 ， 如 熱 電 偶 溫 度 計(jì) 傳 感 器 輸 出 量 直 接 由 被測(cè) 量 能 量 轉(zhuǎn) 換 而 得 。 按 輸 出 量 模 擬 式 輸 出 量 為 模 擬 信 號(hào)數(shù) 字 式 輸 出 量 為 數(shù) 字 信 號(hào) 4 .分 類 ： 5 .傳 感 器 選 用 原 則 1 .靈 敏 度 ： 傳 感 器 的 靈 敏 度 越 高 ， 可 以 感 知 越 小 的 變 化 量 ， 即 被 測(cè) 量 稍 有 微 小 變 化 時(shí) ， 傳 感 器 即 有 較 大 的 輸 出 。 2 .線 性 范 圍 ： 線 性 范 圍 愈 寬 ， 則 表 明 傳 感 器 的 工 作 量 程

5、愈 大 。 3 .響 應(yīng) 特 性 ： 在 所 測(cè) 頻 率 范 圍 內(nèi) 盡 量 保 持 不 失 真 。 4 .穩(wěn) 定 性 ： 經(jīng) 過(guò) 長(zhǎng) 期 使 用 以 后 ， 其 輸 出 特 性 不 發(fā) 生 變 化 的 性 能 。 影 響 傳 感 器 穩(wěn) 定 性 的 因 素 是 時(shí) 間 與 環(huán) 境 。5 .精 確 度 :表 示 傳 感 器 的 輸 出 與 被 測(cè) 量 的 對(duì) 應(yīng) 程 度 。 傳 感 器 精 確 度 愈 高 ， 價(jià) 格 越 昂 貴 ， 因 此 應(yīng) 從 實(shí) 際 出 發(fā) 來(lái) 選 擇 。 6 .其 它 選 用 原 則 6. 傳 感 器 技 術(shù) 的 應(yīng) 用 1、 日 常 生 活 在 家 電 產(chǎn) 品 和

6、辦 公 自 動(dòng) 化 產(chǎn) 品 設(shè) 計(jì) 中 ， 人 們 大 量 的 應(yīng) 用了 傳 感 器 和 測(cè) 試 技 術(shù) 來(lái) 提 高 產(chǎn) 品 性 能 和 質(zhì) 量 。全 自 動(dòng) 洗 衣 機(jī) 中 的 傳 感 器 ：衣 物 重 量 傳 感 器 ， 衣 質(zhì) 傳 感 器 ， 水 溫 傳 感 器 ， 水 質(zhì)傳 感 器 ， 洗 凈 度 傳 感 器 , 液 位 傳 感 器 ， 電 阻 傳 感 器(衣 物 烘 干 檢 測(cè) )。 指 紋 傳 感 器溫 濕 度 傳 感 器 溫 度 傳 感 器透 光 率 傳 感 器 （ 1） 產(chǎn) 品 質(zhì) 量 測(cè) 量 在 汽 車 、 機(jī) 床 等 設(shè) 備 ， 電 機(jī) 、 發(fā) 動(dòng) 機(jī) 等 零 部 件 出

7、廠 時(shí) ， 必 須 對(duì) 其性 能 質(zhì) 量 進(jìn) 行 測(cè) 量 和 出 廠 檢 驗(yàn) 。 2、 機(jī) 械 行 業(yè) 機(jī) 床 加 工 精 度 測(cè) 量 汽 車 扭 距 測(cè) 量 （ 2） 新 產(chǎn) 品 開(kāi) 發(fā)廣 州 中 鳴 數(shù) 碼 的 機(jī) 器 狗 轉(zhuǎn) 動(dòng) /移 動(dòng) 位 置 傳 感 器 、 力 傳 感 器 、視 覺(jué) 傳 感 器 、 聽(tīng) 覺(jué) 傳 感 器 、 接 近 距離 傳 感 器 、 觸 覺(jué) 傳 感 器 、 熱 覺(jué) 傳 感器 、 嗅 覺(jué) 傳 感 器 。（ 3） 自 動(dòng) 控 制 香 港 理 工 AG V自 動(dòng) 送 貨 車 模 型 石 化 企 業(yè) 輸油 管 道 、 儲(chǔ)油 罐 等 壓 力容 器 的 破 損和 泄 露 檢

8、測(cè) 。（ 4） 故 障 診 斷 （ 5） 其 他 應(yīng) 用航 天 農(nóng) 業(yè)交 通 醫(yī) 療 第 二 章 傳 感 器 的 基 本 特 性1、 理 想 定 常 線 性 系 統(tǒng) 輸 入 輸 出 關(guān) 系 ： )()(.)()( )()(.)()( 01111 01111 txbdttdxbdt txdbdt txdb tyadttdyadt tydadt tyda mmmmmm nnnnnn 在 靜 態(tài) 測(cè) 量 時(shí) ， Sxxaby 00理 想 定 常 線 性 系 統(tǒng) 呈 單 調(diào) 、 線 性 比 例 的 關(guān) 系 ， 即 輸 入 、 輸 出關(guān) 系 是 一 條 理 想 的 直 線 ， 斜 率 為 常 數(shù) 。 一

9、 、 靜 態(tài) 特 性 ： 在 靜 態(tài) 測(cè) 量 情 況 下 描 述 實(shí) 際 測(cè) 試 系 統(tǒng) 與 理 想 定常 線 性 系 統(tǒng) 的 接 近 程 度 。 2、 實(shí) 際 測(cè) 試 系 統(tǒng) 輸 入 輸 出 之 間 的 關(guān) 系 實(shí) 際 測(cè) 試 系 統(tǒng) 是 非 理 想 定 常 線 形 系 統(tǒng) ， 輸 入 輸 出 之 間 的 關(guān) 系是 通 過(guò) 實(shí) 驗(yàn) 方 法 測(cè) 到 的 ， 通 常 是 一 條 曲 線 定 度 曲 線 。3、 描 述 靜 態(tài) 特 性 的 參 數(shù)（ 1 ） 非 線 性 度 ： 定 度 曲 線 與 擬 合 直 線 的 接 近 程 度 。非 線 性 度常 用 百 分 數(shù) 表 示 %100AB 擬 合

10、直 線 的 確 定 ， 常 用 的 主 要 有 兩 種 ： 端 基 直 線 和 獨(dú) 立 直 線 。 （ 1 ） 端 基 直 線 是 指 通 過(guò) 測(cè) 量 范 圍 的 上 下 限 點(diǎn) 的 直 線 。顯 然 用 端 基 直 線 來(lái) 代 替 實(shí) 際 的 輸 入 、 輸 出 曲 線 ， 其 求 解 過(guò) 程比 較 簡(jiǎn) 單 ， 但 是 其 非 線 性 度 較 差 。 （ 2 ） 獨(dú) 立 直 線 是 指 使 輸 入 與 輸 出 曲 線 上 各 點(diǎn) 的 線 性 誤 差 最 小 的 直 線 。 2iB （ 2 ） 靈 敏 度 xyS 作 用 ： 用 來(lái) 描 述 測(cè) 試 系 統(tǒng) 對(duì) 輸 入 信 號(hào) 變 化 的 一

11、種 反 應(yīng) 能 力 。 1 、 對(duì) 于 定 常 線 性 系 統(tǒng) ， 其 靈 敏 度 恒 為 常 數(shù) 。 2 、 實(shí) 際 的 測(cè) 試 系 統(tǒng) ， 靈 敏 度 為 定 度 曲 線 上 該 點(diǎn) 處 切 線 的 斜 率 。3 、 量 綱 ： 取 決 于 輸 入 和 輸 出 量 的 單 位 。 （ 3） 分 辨 力 ： 測(cè) 試 系 統(tǒng) 所 能 檢 測(cè) 出 來(lái) 的 輸 入 量 的 最 小 變 化 量 。 通 常 是 以 最 小 單 位 輸 出 量 所 對(duì) 應(yīng) 的 輸 入 量 來(lái) 表 示 。數(shù) 字 測(cè) 試 系 統(tǒng) 輸 出 顯 示 系 統(tǒng) 的 最 后 一 位模 擬 測(cè) 試 系 統(tǒng) 輸 出 指 示 標(biāo) 尺 最

12、小 分 度 值 的 一 半即 回 程 誤 差 %100max Ahi（ 4） 回 程 誤 差 ： 同 一 輸 入 量 的 兩 條 定 度 曲 線 之 差 的 最 大 值 與 標(biāo) 稱 的 輸 出 范 圍 A之 比 。 maxih 5 .漂 移 ： 指 測(cè) 試 系 統(tǒng) 在 輸 入 不 變 的 條 件 下 ， 輸 出 隨 時(shí) 間 而 變 化 的 趨 勢(shì) 。 產(chǎn) 生 原 因 ： 儀 器 自 身 結(jié) 構(gòu) 參 數(shù) 的 變 化 ； 周 圍 環(huán) 境 的 變 化 （ 如 溫 度 、 濕 度 等 ） 對(duì) 輸 出 的 影 響 。最 常 見(jiàn) 的 漂 移 是 溫 漂 ， 即 由 于 周 圍 的 溫 度 變 化 而 引

13、起 輸 出 的 變 化 。 進(jìn) 一 步 引 起 測(cè) 試 系 統(tǒng) 的 靈 敏 度 和 零 位 發(fā) 生 漂 移 。 零 點(diǎn) 漂 移 靈 敏 度 漂 移0yy x0 y x0 二 、 傳 感 器 的 動(dòng) 態(tài) 特 性 傳 感 器 的 動(dòng) 態(tài) 特 征 是 指 在 輸 入 量 隨 時(shí) 間 變 化 時(shí) ,測(cè) 試 系 統(tǒng) 對(duì)輸 入 信 號(hào) 的 響 應(yīng) 特 性 。1 、 動(dòng) 態(tài) 特 性 的 描 述 方 法（ 1） 時(shí) 域 微 分 方 程 )t(xbdt )t(dxb.dt )t(xdbdt )t(xdb )t(yadt)t(dya.dt )t(ydadt )t(yda 011m1m1mmmm 011n1n1nn

14、nn 在 初 始 條 件 為 零 的 前 提 下 ， 定 義 傳 遞 函 數(shù)其 中 s為 復(fù) 變 量 ， s j 特 點(diǎn) ：（ 2 ） 傳 遞 函 數(shù) ( )H s 只 反 映 系 統(tǒng) 本 身 的 輸 出 特 性 ,與 輸 入 和 初 始 狀 態(tài) 無(wú) 關(guān) 。 只 反 映 系 統(tǒng) 的 傳 輸 特 性 ,與 系 統(tǒng) 具 體 的 物 理 結(jié) 構(gòu) 無(wú) 關(guān) 。 分 母 中 的 最 高 次 冪 n代 表 系 統(tǒng) 微 分 方 程 的 階 數(shù) 。( )H s ( )H s( )H s 011n1nnn 011m1mmm asasasa bsbsbsb)s(X )s(Y)s(H 求 法 ： 對(duì) 系 統(tǒng) 的 微

15、分 方 程 作 拉 普 拉 斯 變 換 求 得 。例 1 ： 求 一 階 系 統(tǒng) 的 傳 遞 函 數(shù) ， 系 統(tǒng) 微 分 方 程 為( ) ( ) ( )dy t y t x tdt 例 2 ： 求 振 動(dòng) 系 統(tǒng)的 傳 遞 函 數(shù) 。 2 2( ) ( ) ( ) ( )d y t dy tm c ky t x tdt dt （ 3 ） 頻 率 響 應(yīng) 函 數(shù) ( )H 在 初 始 條 件 為 零 的 前 提 下 ， 定 義 頻 率 響 應(yīng) 函 數(shù)( )( ) ( )YH X 求 法 ： 即 得 s j (1)若 已 知 ,則 在 中 ， 令 s j ， 將 其 代 入( )H ( )H s

16、 ( )H s(2)若 已 知 微 分 方 程 ， 作 傅 里 葉 變 換 ， 則 ( )( ) ( )YH X (3)用 實(shí) 驗(yàn) 方 法 求 得 ： 在 初 始 條 件 全 為 零 的 條 件 下 ， 同 時(shí) 測(cè) 得輸 入 和 輸 出 ， 由 其 傅 里 葉 變 換 求 得 。 物 理 意 義 ： 描 述 了 系 統(tǒng) 的 頻 率 特 性 。 )()( )()( )()( )()( )()( jjjj eAeXYeX eYXYH xyxy )(A 系 統(tǒng) 的 幅 頻 特 性)( 系 統(tǒng) 的 相 頻 特 性 描 述 系 統(tǒng) 的 簡(jiǎn) 諧 輸 入 和 其 穩(wěn) 態(tài) 輸 出 的 關(guān) 系 ， 不 包 含

17、瞬態(tài) 響 應(yīng) 信 息 。)(H例 1:已 知 系 統(tǒng) 的 頻 率 響 應(yīng) 函 數(shù) ， 求 其 幅 頻特 性 和 相 頻 特 性 及 作 圖 。 jH 1 1)( 例 ： 設(shè) ， ，txtx 00 cos)( jH 1 1)(求 系 統(tǒng) 的 穩(wěn) 定 輸 出 。（ 4） 脈 沖 響 應(yīng) 函 數(shù)系 統(tǒng) 的 輸 入 為 單 位 脈 沖 函 數(shù) ,即 時(shí) ， 系 統(tǒng) 的 輸 出即 為 脈 沖 響 應(yīng) 函 數(shù) 。 )()( ttx )(th 它 是 對(duì) 測(cè) 試 系 統(tǒng) 動(dòng) 態(tài) 特 性 的 時(shí) 域 描 述 。系 統(tǒng) 的 動(dòng) 態(tài)特 性 描 述 頻 域 頻 率 響 應(yīng) 函 數(shù) )(H復(fù) 數(shù) 域 傳 遞 函 數(shù)

18、)(sH時(shí) 域 脈 沖 響 應(yīng) 函 數(shù) )(th 拉 普 拉 斯 變 換 對(duì)傅 里 葉 變 換 對(duì) h(t)H(s) H()傅 里 葉 變 換拉 普 拉 斯 變 換 s=j傳遞函數(shù)、頻率響應(yīng)函數(shù)、脈沖響應(yīng)函數(shù)的關(guān)系： 二 、 環(huán) 節(jié) 的 串 聯(lián) 和 并 聯(lián)任 何 高 階 系 統(tǒng) 均 可 看 成 若 干 個(gè) 一 階 系 統(tǒng) 或 二 階 系 統(tǒng) 的 串 聯(lián) 或 并 聯(lián) 。1.環(huán) 節(jié) 的 串 聯(lián)兩 個(gè) 傳 遞 函 數(shù) 分 別 為 和 的 環(huán) 節(jié) 串 聯(lián) ， 假 設(shè) 它 們 之 間沒(méi) 有 能 量 交 換 ， 在 初 始 條 件 為 零 的 情 況 下 ， 串 聯(lián) 后 的 系 統(tǒng) 傳 遞 函)(1 sH

19、 )(2 sH數(shù) 為 ： )()()( )()( )()( )()( 21 sHsHsZ sYsX sZsX sYsH 若 系 統(tǒng) 由 n個(gè) 環(huán) 節(jié) 串 聯(lián) 而 成 ， 其 傳 遞 函 數(shù) 為 ni i sHsH 1 )()(相 應(yīng) 地 ， 系 統(tǒng) 的 頻 率 響 應(yīng) 為 ni iHH 1 )()( 其 幅 頻 特 性 ：相 頻 特 性 ： ni iAA 1 )()( ni i1 )()( 2.環(huán) 節(jié) 的 并 聯(lián)系 統(tǒng) 總 輸 出 為 )()( )( )()()( )()( 2121 sHsHsX sYsYsX sYsH 若 系 統(tǒng) 由 n個(gè) 環(huán) 節(jié) 并 聯(lián) 而 成 ， 其 傳 遞 函 數(shù) 為

20、 ni i sHsH 1 )()(系 統(tǒng) 的 頻 率 響 應(yīng) 為 ni iHH 1 )()( 3.負(fù) 載 效 應(yīng) ：實(shí) 際 情 況 下 各 環(huán) 節(jié) 相 聯(lián) 時(shí) ， 后 環(huán) 節(jié) 總 是 成 為 前 環(huán) 節(jié) 的 負(fù) 載 ，環(huán) 節(jié) 間 總 是 存 在 著 能 量 交 換 和 相 互 影 響 ， 以 致 系 統(tǒng) 的 傳 遞 函 數(shù)不 再 是 各 組 成 環(huán) 節(jié) 傳 遞 函 數(shù) 的 疊 加 或 相 乘 。某 系 統(tǒng) 由 于 后 接 另 一 系 統(tǒng) 而 產(chǎn) 生 的 種 種 現(xiàn) 象 。VE R1 R2 Rm 三 、 實(shí) 現(xiàn) 不 失 真 測(cè) 試 的 條 件 一 、 不 失 真 傳 輸 測(cè) 試 系 統(tǒng))(tx

21、)(ty )(tx )(ty 0t)()( 00 ttxAty 當(dāng) 輸 出 信 號(hào) 為 時(shí) ， 系 統(tǒng) 就 實(shí) 現(xiàn) 了 不 失 真 傳 輸 。 二 、 不 失 真 測(cè) 試 條 件)(tx輸 入 為 )()( 00 ttxAty ， 輸 出 為傅 里 葉 變 換 可 得 ： 0)()( 0 tjeXAY 系 統(tǒng) 的 頻 率 響 應(yīng) 為 00)( )()( tjeAXYH 幅 頻 特 性 ： 0)( AA 相 頻 特 性 ： 0)( t測(cè) 試 系 統(tǒng) 不 失 真 測(cè) 試 的 條 件 。0 )(A 0A 0t)( 0 思 考 題 ： 若 系 統(tǒng) 問(wèn) 此 系 統(tǒng) 是 否 滿 足 不 失 真 測(cè) 試 條

22、 件 ？0)( AA 0)( 例 1 :已 知 系 統(tǒng) 的 幅 頻 特 性 和 相 頻 特 性 如 圖 ， 對(duì) 于 輸 入， 求 輸 出 ， 判 斷 是 否 失 真 。)(tytttx 21 coscos)( 1 0 )(A 0t)( 0 2101t 02t 10 )(A )( 04例 2 :已 知 系 統(tǒng) 的 輸 入 tttx 21 coscos)( ， 判 斷 是 否 失 真 。例 3 :已 知 系 統(tǒng) 的 輸 入 ttx 0cos)( ， 判 斷 是 否 失 真 。 電 阻 式 傳 感 器一 、 變 阻 式 傳 感 器 lR A lR k x ldRS kdx R k dRS kd 1.

23、結(jié) 構(gòu) ： 2.測(cè) 量 電 路 ：不 考 慮 外 接 電 路 影 響 時(shí) ：考 慮 外 接 電 路 影 響 時(shí) ： 0 0y xp pU UU R xR x 01 (1 )y p p pUU x R xx R x 3.特 點(diǎn) ：(1 )結(jié) 構(gòu) 簡(jiǎn) 單 、 使 用 簡(jiǎn) 便 、 穩(wěn) 定 性 好 。 (2 )分 辨 力 低 ， 受 電 阻 絲 直 徑 的 限 制 。 適 合 大 位 移 的 測(cè) 量 。 (3 )噪 聲 大 。 二 、 電 阻 應(yīng) 變 式 傳 感 器 1.結(jié) 構(gòu) ： 絲 式 、 箔 式 、 金 屬 膜 片2.工 作 原 理 ： 基 于 金 屬 的 電 阻 應(yīng) 變 效 應(yīng) 。若 金 屬

24、絲 的 長(zhǎng) 度 為 L， 截 面 積 為 S， 電 阻 率 為 ， 其 未 受 力 時(shí)的 電 阻 為 R， 則 : lR A 如 果 金 屬 絲 沿 軸 向 方 向 受 拉 力 而 變 形 ， dR dL dA dR L A (1 2 ) (1 2 )dR dR 靈 敏 度 ： 0 / (1 2 )dR RS 3.特 點(diǎn) ：金 屬 應(yīng) 變 片 的 靈 敏 度 較 低 ， 但 其 溫 度 穩(wěn) 定 性 好 ， 可 用 于 對(duì)精 度 要 求 較 高 的 測(cè) 量 。 三 、 壓 阻 式 傳 感 器 (1 2 )dR d dR 1.原 理 ： 壓 阻 效 應(yīng) L Ld E 靈 敏 度 ： 0 / LdR

25、 RS E 兩 種 應(yīng) 變 片 在 工 作 原 理 上 的 區(qū) 別 ：金 屬 應(yīng) 變 片 金 屬 材 料 受 力 后 幾 何 變 形 電 阻 的 相 對(duì) 變 化半 導(dǎo) 體 應(yīng) 變 片 半 導(dǎo) 體 材 料 受 力 后 電 阻 率 變 化 電 阻 的 相 對(duì) 變 化2.特 點(diǎn) ：優(yōu) 點(diǎn) ： 靈 敏 度 高 ， 分 辨 率 高 ， 橫 向 效 應(yīng) ， 機(jī) 械 滯 后 小 。缺 點(diǎn) ： 溫 度 穩(wěn) 定 性 差 ， 在 較 大 應(yīng) 變 下 ， 非 線 性 誤 差 大 。3.類 型 ： 半 導(dǎo) 體 應(yīng) 變 式 傳 感 器 、 擴(kuò) 散 型 壓 阻 式 傳 感 器 三 、 應(yīng) 變 片 的 應(yīng) 用1.直 接 測(cè)

26、 定 結(jié) 構(gòu) 的 應(yīng) 變 或 應(yīng) 力 。2.作 為 傳 感 器 的 測(cè) 量 參 數(shù) 。四 、 轉(zhuǎn) 換 電 路 應(yīng) 變 電 壓 或 電 流 的 變 化 RR 4.4 電 感 式 傳 感 器 一 、 可 變 磁 阻 式 傳 感 器 按 結(jié) 構(gòu) 型 式 變 氣 隙 式螺 管 式變 面 積 式 線 圈 自 感 量 為 2mNL R當(dāng) 氣 隙 較 小 ， 且 不 考 慮 磁 路 的 鐵 損 時(shí) ， 總 磁 阻311 1 0 0 3 3 0 02 2m llR A A A A 于 是 ， 2 0 02N AL 1.變 氣 隙 式 ：靈 敏 度 2 0 022N AS 常 數(shù)特 點(diǎn) ： 靈 敏 度 高 ，

27、線 性 誤 差 小 ， 適 于測(cè) 小 位 移 。 2.變 面 積 式靈 敏 度 2 02NS 常 數(shù)特 點(diǎn) ： 線 性 度 好 ， 量 程 大 ， 但 靈 敏 度 較 低 。 3.螺 管 式當(dāng) 鐵 芯 在 線 圈 中 運(yùn) 動(dòng) 時(shí) ， 將 改 變 磁 阻 ， 使 線 圈 自 感 發(fā) 生 變 化 。 特 點(diǎn) ： 靈 敏 度 低 ， 但 測(cè) 量 范 圍 大 ， 適 用 于 較 大 位 移 測(cè) 量 。 4.差 動(dòng) 式 x 2L1L5.測(cè) 量 電 路 :交 流 電 路 二 、 電 渦 流 式 傳 感 器原 理 ： 利 用 金 屬 體 在 交 變 磁 場(chǎng) 中 的 渦 流 效 應(yīng) 。按 電 渦 流 在 導(dǎo)

28、體 內(nèi) 的 貫 穿 情 況 高 頻 反 射 式低 頻 透 射 式1.高 頻 反 射 式可 以 作 為 位 移 、 振 動(dòng) 測(cè) 量 ，也 可 進(jìn) 行 材 質(zhì) 鑒 別 或 探 傷 、測(cè) 溫 度 等 。 2.低 頻 透 射 式適 于 測(cè) 量 金 屬 材 料 的 厚 度 。 3.特 點(diǎn) ： 結(jié) 構(gòu) 簡(jiǎn) 單 ， 安 裝 方 便 ， 靈 敏 度 高 ， 抗 干 擾 能 力 強(qiáng) 。4.應(yīng) 用 電 感 式 紙 頁(yè) 厚 度 測(cè) 量 儀 原 理 圖 三 、 差 動(dòng) 變 壓 器 式 傳 感 器原 理 ： 利 用 電 磁 感 應(yīng) 中 的 互 感 現(xiàn) 象 。1.互 感 現(xiàn) 象 dtdiMe 112 2.差 動(dòng) 變 壓

29、器 式 傳 感 器(1)結(jié) 構(gòu) 變 氣 隙 式變 面 積 式螺 管 式 1i 1W 12e2W (2)原 理(3)特 點(diǎn) ： 精 度 高 ， 線 性 范 圍 大 ， 穩(wěn) 定 性 好 。0u 2W1W 21 eeey 2e1e 4.5 電 容 式 傳 感 器一 、 工 作 原 理 A AC 00 為 真 空 介 電 常 數(shù) ， mF /10854.8 120 分 類 變 面 積 變 化 型A 變 介 質(zhì) 變 化 型變 極 距 變 化 型 1.極 距 變 化 型 C0C與 成 反 比 關(guān) 系 。 0 2AdC CK d 常 數(shù)靈 敏 度 為 使 用 時(shí) ， 減 小 初 始 極 距 來(lái) 提 高 靈

30、敏 度 。 由 于 電 容 量 C與 極 距 呈 非 線 性 關(guān) 系 ，將 引 起 非 線 性 誤 差 。 為 了 減 小 這 一 誤 差 ， 通 常 規(guī) 定 測(cè) 量 范 圍實(shí) 際 應(yīng) 用 中 常 采 用 差 動(dòng) 形 式 ， 可 使 靈 敏 度 提 高 一 倍 。 特 點(diǎn) ： 靈 敏 度 高 ， 有 線 性 誤 差 ， 適 于 小 位 移 測(cè) 量 。 2.面 積 變 化 型(1)直 線 位 移 型若 兩 極 板 間 相 互 覆 蓋 長(zhǎng) 為 ， 寬 為 ， 覆 蓋 面 積 為 x b bxA bxC 0則 電 容靈 敏 度 0 bS 常 數(shù) (2 ) 角 位 移 型 若 覆 蓋 面 積 對(duì) 應(yīng)

31、的 中 心 角 為 ， 極 板 半 徑 為 r ， 覆 蓋 面 積 為 2 20 rC 則 電 容靈 敏 度 202 rS 常 數(shù)22rA (3 )圓 柱 體 線 位 移 型 動(dòng) 板 左 右 移 動(dòng) 時(shí) ， ， xdDA 2 2 dD )/ln(21/ )1/(2/)( 2 000 dD xdD xdDdD xdDC 則 電 容靈 敏 度 02ln( / )S D d 常 數(shù) (4)差 動(dòng) 圓 柱 體 線 位 移 型 動(dòng) 板 上 下 移 動(dòng) 時(shí) ， 上 下 兩 個(gè) 電 容 量 一 增 一 減 。特 點(diǎn) ： 線 性 關(guān) 系 好 ， 量 程 大 ； 與 極 距 變 化 型 相 比 ， 靈 敏 度

32、較 低 。 適 用 于 較 大 角 位 移 及 直 線 位 移 的 測(cè) 量 。 3 .介 電 常 數(shù) 變 化 型 (1)測(cè) 厚 度 、 位 移介 質(zhì) 層 的 溫 度 、 濕 度 、 厚 度 變 化 時(shí) ， 變 化 ， 從 而 引 起 變 。 C(2)測(cè) 液 面 高 度 二 、 測(cè) 量 電 路被 測(cè) 量 電 容 變 化 電 壓 、 電 流 、 頻 率 變 化1.交 流 電 橋2.運(yùn) 算 放 大 器 電 路 ： 可 解 決 極 距 變 化 型 電 容 傳 感 器 的 非 線 性 問(wèn) 題 。 AC x 0 AuCuCCu xy 0 0000 三 、 電 容 傳 感 器 特 點(diǎn) 與 應(yīng) 用 1 .優(yōu)

33、點(diǎn) : (1 ) 輸 入 能 量 小 而 靈 敏 度 高 。(2 )信 噪 比 大 ， 穩(wěn) 定 性 好 。(3 ) 動(dòng) 態(tài) 特 性 好 ， 可 用 于 動(dòng) 態(tài) 測(cè) 量 。(4 ) 能 量 損 耗 小 。(5 )結(jié) 構(gòu) 簡(jiǎn) 單 ， 適 應(yīng) 性 好 。2 .缺 點(diǎn) : (1 )極 距 變 化 型 ， 非 線 性 大 。 (2 )電 纜 分 布 電 容 影 響 大 。 解 決 辦 法 ： 利 用 測(cè) 量 電 路 。 解 決 辦 法 ： 利 用 集 成 電 路 ； 采 用 屏 蔽 電 纜 。 3.應(yīng) 用 舉 例(1 )電 容 式 測(cè) 厚 儀 (2 )電 容 式 轉(zhuǎn) 速 傳 感 器 4 .6 壓 電 式

34、 傳 感 器 工 作 原 理 是 以 某 些 物 質(zhì) 的 壓 電 效 應(yīng) 為 基 礎(chǔ) 。 既 可 將 機(jī)械 能 電 能 ， 又 可 將 電 能 機(jī) 械 能 。一 、 壓 電 效 應(yīng) 1 .壓 電 效 應(yīng) ：2 .逆 壓 電 效 應(yīng) （ 電 致 伸 縮 效 應(yīng) ） ：施 加 電 場(chǎng) ， 這 些 物 質(zhì) 就 在 一 定 方 向 上 產(chǎn) 生 機(jī) 械 變 形 或 機(jī) 械 應(yīng) 力 ， 當(dāng) 外 電 場(chǎng) 撤 去 時(shí) ， 這 些 變 形 或 應(yīng) 力 也 隨 之 消 失 。 如 果 在 這 些 物 質(zhì) 的 極 化 方 向時(shí) ， 在 表 面 上 將 產(chǎn) 生 電 荷 ； 當(dāng) 外 力 去 掉 后 ， 又 重 新 回

35、到 不 帶電 狀 態(tài) 的 現(xiàn) 象 。某 些 材 料 ， 當(dāng) 沿 著 一 定 方 向 對(duì) 其 加 力 而 使 其 變 形 二 、 壓 電 材 料 及 其 特 性具 有 壓 電 效 應(yīng) 的 敏 感 功 能 材 料 叫 壓 電 材 料 。 常 用 的 壓 電 材 料 ： 壓 電 單 晶 體 、 壓 電 陶 瓷 、 新 型 壓 電 材 料1 .壓 電 單 晶 體 石 英 ( ) 、 鈮 酸 鋰 ( ) 2SiO 3LiNbO 2.壓 電 陶 瓷鈦 酸 鋇 、 鋯 鈦 酸 鉛特 點(diǎn) ： 壓 電 常 數(shù) 大 ， 靈 敏 度 高 ， 價(jià) 格 低 廉 。3.新 型 壓 電 材 料 在 壓 電 晶 片 的 兩

36、個(gè) 工 作 面 上 進(jìn) 行 金 屬 蒸 鍍 ， 形 成 金 屬 膜 ，因 此 就 構(gòu) 成 一 個(gè) 電 容 器 。 其 電 容 量 為三 、 等 效 電 路 0a AC 電 荷 等 效 電 路 電 壓 等 效 電 路壓 電 式 傳 感 器 適 合 作 動(dòng) 態(tài) 測(cè) 量 。 四 、 壓 電 元 件 常 用 的 結(jié) 構(gòu) 形 式串 聯(lián) 并 聯(lián)適 合 以 電 壓 作 為 輸出 的 場(chǎng) 合 。 適 合 測(cè) 量 緩 變 信 號(hào) 和 以 電荷 量 作 為 輸 出 的 場(chǎng) 合 。 五 、 應(yīng) 用 壓 電 式 壓 力 傳 感 器 壓 力 變 送 器 加 速 度 計(jì)力 傳 感 器 產(chǎn) 品 :壓 電 材 料 換 能 器

37、 4.7 磁 電 傳 感 器 包 括 磁 電 感 應(yīng) 傳 感 器 、 霍 爾 傳 感 器 。 一 、 磁 電 感 應(yīng) 傳 感 器 (感 應(yīng) 式 傳 感 器 、 電 動(dòng) 傳 感 器 ) 根 據(jù) 法 拉 第 電 磁 感 應(yīng) 定 律 ， 線 圈 在 磁 場(chǎng) 中 運(yùn) 動(dòng) 切 割 磁 力 線或 線 圈 所 在 磁 場(chǎng) 的 磁 通 變 化 時(shí) ， 線 圈 中 會(huì) 產(chǎn) 生 的 感 應(yīng) 電 動(dòng) 勢(shì) de N dt恒 定 磁 通 式變 磁 通 式根 據(jù) 改 變 參 數(shù) 的 不 同 1 .恒 定 磁 通 式 sine NBlv e kNBA 2 .變 磁 通 式 常 用 來(lái) 測(cè) 量 旋 轉(zhuǎn) 物 體 的 角 速 度

38、 。 二 、 霍 爾 傳 感 器 霍 爾 效 應(yīng) ： 金 屬 或 半 導(dǎo) 體 薄 片 置 于 磁 場(chǎng) 中 ， 當(dāng) 有 電 流 流 過(guò) 時(shí) ，在 垂 直 于 電 流 和 磁 場(chǎng) 的 方 向 上 將 產(chǎn) 生 電 動(dòng) 勢(shì) 。 1.工 作 原 理 霍 爾 電 勢(shì) :利 用 霍 爾 元 件 基 于 霍 爾 效 應(yīng) 將 被 測(cè) 量 轉(zhuǎn) 換 成 電 動(dòng) 勢(shì) 輸 出 。IBK dIBRe HHH 霍 爾 元 件 是 一 種 半 導(dǎo) 體 磁 電 轉(zhuǎn) 換 元 件 ， 多 采 用 N型 半 導(dǎo) 體材 料 。 它 是 基 于 霍 爾 效 應(yīng) 工 作 的 。 2.霍 爾 元 件 符 號(hào) 目 前 最 常 用 的 霍 爾

39、元 件 材 料 有 鍺 (Ge)、 硅 (Si)、 銻 化 銦 (InSb)、砷 化 銦 (InAs)等 半 導(dǎo) 體 材 料 。 3 .應(yīng) 用 4.特 點(diǎn) 體 積 小 ， 結(jié) 構(gòu) 簡(jiǎn) 單 ， 使 用 方 便 ， 可 用 于 非 接 觸 測(cè) 量 ， 但 受 溫 度 影 響 較 大 。 4.8 光 電 傳 感 器 將 光 信 號(hào) 轉(zhuǎn) 換 成 電 信 號(hào) 的 光 敏 器 件一 、 光 電 效 應(yīng)工 作 原 理 ： 基 于 半 導(dǎo) 體 材 料 的 光 電 效 應(yīng) 。1.外 光 電 效 應(yīng) 金 屬 中 的 自 由 電 子 吸 收 光 能 而 逸 出 金 屬 表 面 的 現(xiàn) 象 。 如 光 電 管 ， 光

40、 電 倍 增 管 。2.內(nèi) 光 電 效 應(yīng) 光 電 導(dǎo) 效 應(yīng) 光 敏 電 阻 、 光 敏 二 極 管 、 三 極 管 光 生 伏 特 效 應(yīng) 光 電 池 可 用 于 檢 測(cè) 直 接 引 起 光 強(qiáng) 度 變 化 的 非 電 量 ， 也 可 檢 測(cè) 能 轉(zhuǎn)換 成 光 量 變 化 的 其 他 非 電 量 。 二 、 光 電 器 件1.光 敏 電 阻工 作 原 理 ： 光 電 導(dǎo) 效 應(yīng) 。 2.光 電 池工 作 原 理 ： 光 生 伏 特 效 應(yīng) 。利 用 光 電 池 檢 查 零 件 表 面 的 缺 陷 。 三 、 光 敏 晶 體 管光 敏 二 極 管 ：光 敏 三 極 管 ：特 點(diǎn) ： 靈 敏 度 高 ， 響 應(yīng) 快 ， 有 良 好 的 溫 度 穩(wěn) 定 性 和 低 工 作 電 壓 的 優(yōu) 點(diǎn) 。 三 、 光 電 式 傳 感 器 的 形 式 按 接 收 狀 態(tài) 模 擬 式 光 電 傳 感 器 脈 沖 光 電 傳 感 器 吸 收 式 反 射 式 遮 光 式 輻 射 式