检测与转换技术复习

1、热电阻应变片式电位器式电阻传感器一、电位器式传感器一、电位器式传感器滑线式滑线式骨架式骨架式半导体式半导体式液体触点式液体触点式常用电位器式传感器有直线位移型，角位移型和非线性型非线性电位器非线性电位器 LLLLoLoLRRxRRxxEERxRRxRxRVRxEVRxR21)/()1 ()/(1实际情况：，则理想情况：为位移，长度为设的这显然不是我们所期望是非线性关系与从中可以看出：oVx可以采取负载隔离的措施，如图所示 1261010LoRxEV，电位器式传感器变换电路（以线性电位器为例）热电阻应变片式电位器式电阻传感器RSLF，应力作用受外力应变效应：应变效应：)21 (RRSSLLRR)

2、21 (RRK应变灵敏度KRRK内有属应变片，再弹性范围称为应变灵敏度，对金LLDDLL泊松比：应变：引入两个概念）化而引起的电阻率变化动能力和数量均发生变（因材料自由电子的活的变化引起的材料受力后的由几何尺寸改变引起决定：的大小主要由两个因素从上式我们可以看出，又 21)21 (KRRK由于应变信号一般都很微弱，故采用电桥来测量 1、直流电桥不平衡输出、直流电桥不平衡输出URRRRRRRRRRRRURRoii)()(4433221122121，负载电阻无限大时当)(4443322114321RRRRRRRRUURRRRo时，特别当特点：相邻相减，相对相加特点：相邻相减，相对相加 2、应变片电

3、桥的一般工作方式、应变片电桥的一般工作方式1）单臂工作：）单臂工作： 11432RRRRRRR，采用一个应变片设固定电阻RRRRUURRRURRRRUUo211422211111121102111RRRRRRRRUUo14以上说明：单臂工作时，输出电压与应变片电阻变化率之间是近似的线性关系，实际上是非线性关系。这会带来非线性误差。 RRRRRRRRRR2211URRURRRUURRRRRRUUo2222通过上式，说明双臂工作时，如果差动双臂应变大小一致（极性相反），则不存在（或很小的）非线性误差，并可起到温度补偿作用。 3）三臂工作（同理）4）四臂工作（同理） 应用注意事项：应用注意事项：应力

4、胀不一致而产生的附加电阻丝与粘贴材料线膨误以为受力应变片受温度变化影响RT所以温度变化会对应变片的测量带来误差。解决的办法就是在测量电路中加入温度补偿环节。 a a）温度补偿：采用半桥或全桥）温度补偿：采用半桥或全桥b b）应变自补偿）应变自补偿1）电桥的平衡点的调整自由状态下进行串联串联并联并联注意：为什么在动态应变仪上除了设有电阻平衡旋钮外，还设有电容平衡旋钮？1 1、工作原理：（压阻效应）、工作原理：（压阻效应）)21 ()21 (KRR对半导体来说：当某一轴向施加一定应力，电阻率发生变化称为压阻效应，不同类半导体，不同加力方向，压阻效应不一样。纵向、横向应力纵向、横向压阻系数式中：tr

5、trttrr 纵向应变半导体弹性模数力，则若半导体只沿纵向受应EErEERRrr)21 (半导体应变片半导体应变片)21 (RR半导体应变片灵敏度高，K100可不用放大器，但半导体应变片有明显缺点：阻值，灵敏度等随温度变化大，非线性大，所以使用时应采取温度补偿和非线性补偿措施。注意比较电阻丝式应变片与半导体应变片在工作原理上的区别和灵敏度的差异。热电阻应变片式电位器式电阻传感器三、热电阻传感器三、热电阻传感器 热敏电阻半导体热电阻热电阻金属热电阻热电阻的分类一、电阻与温度的关系一、电阻与温度的关系温度系数时的电阻率导体时的电阻率导体式中：阻率实践证明，导体材料电CtCtotooot0)1 (纯

6、金属是热电阻的主要制造材料。目前世界上大都采用铂和铜作为热电阻材料金属材料的复现性取决于材料的纯度，纯度通常用百度电阻比W(100)来表征即：W(100)=R100/R0式中：R100表示水的沸点时电阻值，R0表示水冰点时的电阻值 铂是贵金属，在一些测量精度要求不高且温度较低的场合（-50150）普遍采用铜电阻。热电阻的测量电路热电阻的测量电路热敏电阻半导体热电阻热电阻金属热电阻热电阻的分类二、热敏电阻二、热敏电阻温度常数，、时的电阻值，温度式中：TBAtRAeRtTBt 按电阻温度变化特性，热敏电阻分三种类型1、负温度系数热敏电阻（NTC）: 线性度较好，用于温度测量2、正温度系数热敏电阻（

7、PTC）:3、临界温度热敏电阻（CTR）特点（与金属热电阻比较）特点（与金属热电阻比较）优点：1、体积小（现已作出10-2cm的珠状热敏电阻），价格便宜）2、阻值大，灵敏度高（电阻率高大阻值，小体积，为铂的12倍）缺点：1、测温范围小（-100300），非线性大（指数规律，非线性严重）2、互换性差，稳定性差（同一型号产品特性参数差异大）应用应用测温，温控，温度补偿，温度保护测温：（范围小，精度要求不高的场合）温控，温度保护：温度补偿：二线制与三线制热电阻结构热电阻结构注意事项：注意事项：二线制改三线制二线制改三线制3 3、实用电路、实用电路1）不平衡电桥三线制接法 例例11 以阻值R=120、

8、灵敏度K=2的电阻丝应变片与限值为120的固定电阻组成电桥拱桥电压为3V，并假定负载电阻为无穷大，当应变片的应变为3时，求出单臂电桥的R=? 输出电压Uo=?，电桥灵敏度K=?注：在应变测量中常用微应变表示，它是无量纲的量61011dSdSCr 0测微量位移（反比）测线浓度、液位（正比比）测线位移、角位移（正 dS正比）（若按容抗来分析： 10CrCXdSjdCjX1、变面积（S）类型2、变介质（）类型3、变极距（d）类型xdSCxdSCx000 0 0时当时当呈非线性关系与很明显xC30200000111 dxdxdxCdxdSC又因为程小近似为线性关系，但量当 1 000dxCCdx0 d

9、xx所以不必要求成正比，是线性关系，容抗与如果输出为容抗，由于差动式电容传感器提高灵敏度，减小非线性，克服温漂。例例2 为连续测量轧制钢带的厚度d，在钢带的上下两侧距钢带d1和d2处平行钢带各设置一块极板A，B，若以极板A，B联结为一极，钢带为一极构成电容器，以电容器电容值C来反映钢带厚d若以极板A，B各为一极，以电容器电容值CAB来反映钢带厚d（设极板AB之间的距离为D）请：l）写出C和钢带厚d间的关系式。2）写出CAB和钢带厚d间的关系式。3）若钢带在极板 AB间上下摆动，分别说明对 C、CAB两种检测有什么影响？一、差动电桥电路一、差动电桥电路021210CCCdddxo，时，当)1(

10、1111)( 0211221122112120201CjxUCCCCUxxxxUxxxUxxxUxddxddxo代入时，当UdxUdxUddddUddddUdSCUCCCCUoooo221111 211221212121代入呈线性关系与 xUoCjLCCjLjZLC211?2101 002fdddLCfLCZLC时，求当时，串联谐振：当放大输出整流器电流变化谐振回路阻抗变化变化xC一、用加云母片的方法提高灵敏度与耐压二、边缘效应补偿：增加保护环三、电容传感器的特点和关键问题 应用应用1、测压力2、测料高3、感应开关螺管式变气隙截面积变气隙厚度气隙式器）互感传感器（差动变压螺管式变气隙截面积变气

11、隙厚度气隙式器）自感传感器（电感传感分类一、一、 自感传感器自感传感器工作原理实质上就是一个带铁心的线圈，它是利用机械量变化会引起线圈磁路磁阻的变化，从而导致电感变化这一物理现象。sslslIRIILm0212线圈电感：sslslL021221l2l2 2 101250223ssLoooror，对铁心有：由此可见，当线圈匝数一定，导磁系数一定，改变LS或变化。因此自感传感器又可分为变气隙式和变气隙截面积变化成正比例（线性）与变非线性）变化成反比例（原理性与变LLsslslL02122变气隙厚度式（输出特性）变气隙厚度式（输出特性）设初始电感oooSL221、当衔铁下移：L 0000000200

12、200201) 1 222(22)(2LsssLLLooooLL111电感相对变化 321 1oooooLL时，展开成级数形式：当2、当衔铁上移：、当衔铁上移：oooLLLL2ooooLL11展开得：展开得：322ooooLL呈线性关系与，则忽略二次以上高次项， 21LL可见二次以上高次项是造可见二次以上高次项是造成非线性主要原因成非线性主要原因mmLsssLSooooo1001. 021212)(22101000020220222max较小位移的测量，一般因此这种传感器适用于证（线性关系），则需保故要使得灵敏度为定值灵敏度一般差，测量范围要减小所以为了减小非线性误越小，非线性度越小，另外，自

13、感型传感器由于衔铁和电磁铁心之间存在着较大的电磁吸力，这也会给使用带来不便，并可能引入误差。对于变面积型的，其自感与磁导材料截面积呈线性关系，但灵敏度较低。注意：自感传感器灵敏度与哪些因素有关？如图，列举了可变磁阻式传感器的四个典型结构012201021LLLLLLoo，为了减小非线性误差，通常做成差动式，且接成电桥形式为了减小非线性误差，通常做成差动式，且接成电桥形式如图所示如图所示53323222121021221111 11)(2)(2 oooooooooooooooooooLLLssLLLLLL时（上移）当显然差动形式具有以下优点：显然差动形式具有以下优点：1、灵敏度提高一倍、灵敏度提

14、高一倍2、非线性大为减小、非线性大为减小1 1、交流电桥式测量电路、交流电桥式测量电路ooooLLULLjRjUzzUU2 2211UzzzUUUBAo2121ULRLULRo22)(2有效值时当由于U是交流电压，故无法对方向加以分辨。螺管式变气隙截面积变气隙厚度气隙式器）互感传感器（差动变压螺管式变气隙截面积变气隙厚度气隙式器）自感传感器（电感传感分类差动变压器（互感传感器）差动变压器（互感传感器）差动变压器本身是一个变压器，在其初级线差动变压器本身是一个变压器，在其初级线圈加入交流电压后，其次级线圈即感应产生电圈加入交流电压后，其次级线圈即感应产生电压信号，当互感有变化时，感应电压也产生相

15、压信号，当互感有变化时，感应电压也产生相应的变化。由于这种传感器常常做成差动形式，应的变化。由于这种传感器常常做成差动形式，故把它称为差动变压器。故把它称为差动变压器。差动变压器的结构形式较多，目前应用最广差动变压器的结构形式较多，目前应用最广的是螺管式的差动变压器。的是螺管式的差动变压器。一、工作原理一、工作原理如图所示，如果两次级线圈输出接成反向串联，这时传感器输出22212UUU，因两次级线圈一样，故当铁心处于中央位置时，02U， 当铁心移动时，2U随位移x成线性增加，其特性曲线如图所示 其特性成V字形，如测得2U，就可得到与x成比例的线性读数。a) b)a) b)电流输出电流输出c)

16、d)c) d)电压输出电压输出零点残余电压及其消除零点残余电压及其消除由于次级反向串联，因此铁心位于中央时，输出应为0，但实际上输出电压并不为0，而是零点残余电压。原因： 1、两次级线圈不对称2、铁磁材料磁饱和（引起输出电压有高次谐波）3、励磁电压波形中含高次谐波 措施： 1、提高对称性2、相敏整流电路3、采用补偿电路（图） 涡流传感器的结构形式低频穿透式：高频反射式：频率跟灵敏度之间的关系？不同性质的两导体A,B组成如图所示闭合回路，两结点分别处于不同温度，回路中会产生热电势，这种现象称作热电效应。两导体的组合称为热电偶。接触电势温差电势TTBAoABodTTTe)()(，热电偶中：BAoo

17、ABABNNeTTKTeTeln)()()(总接触电势：)0 ,(),()(ln)(),()()(),(TfTTfdtNNeTTKTTeTeTeTTENNTToTTBABAooABoABABoABBAoo，设010ETTBA，即使、若020ENNTTBA，即使、若与中间温度无关，、)(30TTf)()()(4322131TTETTETTEABABAB，、可以证明总热电势不变的两个接点同温度，则与，只要第三导体、中间导体定律：加入ABCC5、标准电极定律6)()()(000TTETTETTECBACAB，由热电偶测温的原理可知，（只有当热电偶的冷端温度保持不变时，热电动势才是被测温度的单值函数，

18、）恒定。则应保持，是被测温度的单值函数若希望热电偶热电动势，000 ) ,()(TTTfTTEAB)0 ()()0 (00，TETTETEABABAB实测 修正值 一、测量某点温度的基本电路二、利用热电偶测量两点之间温度差的连接电路三、利用热电偶测量设备中的平均温度 例例 用镍铬-镍硅热电偶测量炉温，热电偶冷端温度为30，测得的热电势为33.29mV，试求被测炉子的实际温度温度（度）30300800820830热电势（毫伏）1.203 12.207 33.287 33.686 34.5021 1、动圈式、动圈式由于磁电传感器输出电动势大小与运动速度呈正比，实质上只是测速传感器，速度量经积分之后得到位移量位移量，速度量经微分之后得到加速度量加速度量，所以实际测量中也用来测位移和加速度。K=1，积分，测位移K=2，比例，测速度K=3，微分，测加速度当某些单晶体或多晶体陶瓷在一定方向上受到外力作用时，在某两个对应的晶面上，会产生符号相反的电荷，当外力取消后，电荷也消失。作用力改变方向（相反）时，两个对应面上电荷符号改变，该现象称正压电效应；反之，某些晶体在一定方向上受到电场（加电压）作用时，在一定的晶轴方向上将产生机械变形，外加电场消失，变形也随之消失，该现象称逆压电效应。光电元件的物理基础是光电效应。从物理学角度来说，光可以看做是由一连串具有一定能量的粒子（