自动检测技术及应用 第4版 课件 第1-6章 前言和第一章电容式传感器及应用 -光电传感器及应用

绪论一、检测技术1、定义：研究自动检测系统中的信息提取、信息转换及信息处理的理论和技术。

2、任务：寻找与自然信息具有对应关系的各种表现形式的信号，以及确定的定性、定量关系3、内容：传感器技术、误差理论、测试计量技术、抗干扰技术以及电量间互相转换的技术等。

被检测量传感器信号处理电路数据处理装置显示器执行机构二、自动检测系统组成将被测的非电量变换成电量的器件把传感器输出的电量变成具有一定驱动和传输能力的信号,以推动后级的显示电路、数据处理装置及执行机构。模拟显示、数字显示、图象显示及记录仪

各种接触器、电磁铁、电磁阀门、电磁调节阀、伺服电动机等

三、工业检测技术涉及的内容热工量

温度、热量、比热容、热流、热分布、压力（压强）、压差、真空度、流量、流速、物位、液位、界面

机械量

直线位移、角位移、速度、加速度、转速、应力、应变、力矩、振动、噪声、质量（重量）

几何量长度、厚度、角度、直径、间距、形状、平行度、同轴度、粗糙度、硬度、材料缺陷

物体的性质和成分量气体、液体、固体的化学成分、浓度、粘度、湿度、密度、酸碱度、浊度、透明度、颜色状态量机械的运动状态（启停等）、设备的异常状态（超温、过载、泄漏、变形、磨损、堵塞、断裂等）电工量

电压、电流、功率、电阻、阻抗、频率、脉宽、相位、波形、频谱、磁场强度、电场强度、材料的磁性能

第一章检测技术的基础知识本章主要内容：本章主要介绍测量的基本概念；测量方法；误差定义及表示法；误差分类及处理；测量仪表精确度与分辨率；测量结果的数据统计与处理；传感器的定义、分类、静特性及技术指标和传感器中的弹性敏感元件等内容。

§1测量的基本概念1、测量

测量结果一般表示为:X=AX0

式中

X——被测量；

X0——标准量；

A——比值。它是将被测量与同性质的标准量通过专用的技术和设备进行比较，获得被测量对比标准量的倍数。定义：2、测量方法对于从不同角度来考察，测量方法有不同的分类。但常用的方法有零位法、偏差法和微差法等。零位法指被测量与已知标准量进行比较，使这两种量对仪器的作用抵消为零（指零机构达到平衡），从而可以肯定被测量就等于已知标准量。

偏差法指测量仪表用指针相对于表盘上刻度线的位移来直接表示被测量大小。

微差法是零位法和偏差法的组合

LX=LB+ΔL

3、检测方法的选择原则1）从被测量本身的特点来考虑。2）从测量所得的精确度和灵敏度来考虑。3）考虑测量环境是否符合测量设备和测量技术状况要求，尽量减少仪器、仪表对被测电路状态的影响。4）测量方法简单可靠，测量原理科学，尽量减少原理性误差。§2

测量误差及分类1、误差的表达方式绝对误差某量值的测量值Ax与真值A0之间的差为绝对误差Δ。

相对误差

示值相对误差

对于相同的被测量，绝对误差可以评定其测量精度的高低，但对于不同的被测量及不同的物理量，绝对误差就难以评定其测量精度的高低，而采用相对误差来评定较为确切。Δ=Ax-Ao为了合理的评价仪表的测量质量引入了引用误差。所谓的引用误差γm就是用被测量的绝对误差Δ与测量仪表的上限（满度）值Am的百分比之值引用误差2、测量误差的分类特点与性质系统误差随机误差粗大误差（应剔除）测量速度静态误差动态误差

3、测量仪表的精确度与分辨率精确度

精密度

测量仪表指示值不一致程度的量

准确度

仪表指示值有规律地偏离真值的程度

仪表的精密度和准确度都高，其精确席才高，精确度是以测量误差的相对值来表示的。

仪表精确度等级

：仪表在规定工作条件下，其最大绝对允许误差值对仪表测量范围的百分数绝对值。

Δmax——最大绝对允许误差值；Axmax、Axmin——测量范围的上、下限值；S——精度等级，无“%”号的数值。分辨率

分辨率显示仪表能够检测到被测量最小变化量。一般模拟式仪表的分辨率规定为最小刻度分格数的一半。数字式仪表的分辨率规定为最后一位的数字。

§3测量结果的数据分析及处理

一、测量结果的数据分析1、随机误差的统计特征（正态分布）集中性对称性有界性Δx表示测量值的误差范围n略大于10次即可2、系统误差的统计特征3、粗大误差的判别准则

若在测量列中发现有大于3σ的残余误差的测量值即应予以剔除。二、测量结果的数据处理例1-3对某一轴径等精度测量16次，得到如下数据（单位为mm）:24.774,24.778,24.771,24.780,24.772,24.777,27.773,24.775,24.774,24.772,24.77,24.776,24.775,24.777,24.777,24.779。计算出该轴径的大小。

1.按测量数值的顺序列表1-2；2.计算测量列Xj的算术平均值3.求出残余误差;求各测量值的残余误差

Vj故以上计算正确。

4.计算出方均根误差计算出极限误差。经检查，末发现|Vj|＞3σ，故16个测量值无粗大误差值;5.计算出算术平均值的标准差(置信概率为99.7%)。三、测量系统静态误差的合成若第i个环节的引用相对误差为ri时，则输出端的引用相对误差的关系rm与ri之间的关系，可用以下两种方法来求得：1、绝对值合成法2、方均根合成法例1-4某传感器在测量过程出现了以下误差情况，敏感元件的测量误差为±4%，转换电路环节中出现的误差为±3%，仪表的指示环节出现的误差为±1%，请问此测量过程中出现的总误差为多大？2）用方均根合成法计算测量总误差解：由题意可知r1=±4%,r2=±3%,r3=±1%1)用绝对值合成法计算测量总误差§4

传感器及其基本特性一、传感器的定义及组成传感器是一种以测量为目的，以一定的精确度把被测量转换为与之有确定对应关系，以便于处理和应用的某种物理量（多为电量）的测量装置。

敏感元件转换元件转换电路被测量电量它是直接感受被测量，并输出与被测量构成有确定关系、更易于转换的某一物理量的元件。

敏感元件的输出就是它的输入，它把输入转换成电路参数量

上述电路参数接入转换电路，便可转换成电量输出

转换元件敏感元件二、传感器的分类分类方法根据传感器工作原理分类分类根据传感器能量转换情况根据传感器转换原理分类

表1-3按照传感器的使用分类三、传感器的基本特性1、线性度

指传感器实际特性曲线与拟合直线（也称理论直线）之间的最大偏差与传感器满量程输出的百分比2、迟滞传感器在正（输入量增大）反（输入量减小）行程中输出输入曲线不重合称为迟滞

必须指出，正反行程的特性曲线是不重合的，且反行程特性曲线的终点与正行程特性曲线的起点也不重合。迟滞会引起分辨力变差，或造成测量盲区，故一般希望迟滞越小越好。

重复性是指传感器在输入按同一方向作全量程连续多次变动时所得特性曲线不一致的程度。3、重复性§5传感器中的弹性敏感元件所谓的弹性元件是指物体因外力作用而改变形状或尺寸，而外力撤除后能完全恢复其原形的物体，在传感器中应用的弹性元件称为弹性敏感元件。定义：传感器中的弹性敏感元件能把某些形式的非电量变换成应变或位移量，然后由各种不同形式的传感元件变换成电量。

作用：一、弹性元件的基本特性

1、刚度

刚度是弹性元件受外力作用下变形大小的量度

。2、灵敏度通常用刚度的倒数表示弹性元件的特性，称为弹性元件的灵敏度。弹性元件的灵敏度是单位力作用下弹性元件产生的变形的大小。灵敏度大，表明弹性元件软，变形大。

3、弹性滞后实际的弹性元件在增加、去除负载的正、反行程中变形曲线是不重合的，此现象称为弹性滞后现象。滞环当负载由一数值变化为另一数值时，弹性变形不会立即形成相对应的变形，而是在一定的时间后逐渐完成变化的，此现象称为弹性后效弹性元件的变形始终不能迅速跟上力的改变

4、弹性后效二、弹性元件的形式

1、力（力矩）变换成应变或位移的变换力的弹性元件

a）实心柱b）空心圆柱c）矩形柱d）e）等截面圆环f)等截面悬臂梁g）等强度悬梁h）扭转轴

a）弹簧管b）波纹管c）等截面薄板d）膜盒e）薄壁圆角f）薄壁半球2、压力变换成应变或位移的变换压力的弹性元件注意：（一）图1-14e）的圆环弹性元件，主要用于1~10千牛顿范围的各式拉、压力传感器中，如被测力超过5千牛顿时，为了增加刚度和减小非线性，将圆环制成变截面式，如右图所示。（二）波纹膜片当膜片两侧面受到不同压力时，膜片将弯向压力低的一面，其中心有一定的位移，即将被测压力变为位移。多用于测量较小压力的弹性敏感元件。第二章

电阻式传感器及应用电阻应变片式传感器电位器式传感器测温热电阻式传感器本章内容其他电阻式传感器§1§3§2§4§1

电阻应变片式传感器应变式传感器由电阻应变片和测量电路两部分组成

电阻应变片：能将被测量件上的应变变化转换成电阻变化的传感元件

测量线路：进一步将该电阻阻值的变化再转换成电压或电流的变化，以便显示或记录被测的非电量的大小

一、电阻应变片的结构和粘贴结构电阻应变片由敏感栅、基片、覆盖层和引线等部分组成

图中L为应变片的标距或称工作基长，b为应变片的基宽，L×b为应变片的有效使用面积。应变片规格一般是以有效使用面积和敏感栅的电阻值来表示，如3×100mm2、120Ω。分类金属电阻应变片半导体应变片丝式箔式薄膜式

二、电阻应变片的工作原理电阻应变效应导电材料的电阻和它的电阻率、几何尺寸（长度与截面积）有关，当在外力作用下会发生机械变形，从而会引起该导电材料的电阻值发生变化

电阻应变片的工作原理依据应变效应，而构建出导体的电阻变化与变形之间的量值关系，即求取电阻应变片的应变灵敏度的数学表达式。

ρ——电阻丝的电阻率;l——电阻丝的长度;A——电阻丝截面积.

微分轴向（纵向）应变

εx径向应变εy“应变效应”表达式K0为金属单丝灵敏度

εy与εx关系可表示为εy=-μεx，μ为电阻丝材料的泊松比。即横向收缩与纵向伸长之比。即式中的负号表示两者变化方向相反（1+2μ）表示电阻丝几何尺寸形变所引起的变化

表示材料的电阻率ρ随应变所引起的变化（称之“压阻效应”）

对半导体而言半导体材料压阻系数

半导体材料的弹性模量

大量实验证明，在电阻丝拉伸比例极限内，电阻的相对变化与应变成正比，即K0为常数。通常金属电阻丝K0取1.7~3.6

同样通过实验证明，电阻应变片的电阻相对变化△R/R与εx的关系在很大范围内呈线性的，K0三、测量转换电路1．不平衡电桥的工作原理

在四臂电桥中，R1为工作应变片，由于应变而产生相应的电阻变化△R1。R2、R3及R4为固定电阻。Uo为电桥输出电压。初始状态下，电桥是平衡的，Uo=0，从而可得到电桥初始平衡条件为R1R4=R2R3桥臂比n=R2/R1

电压灵敏度

Ku与电桥电源电压成正比，同时与桥臂比n有关

2、清除非线性误差的方法

常用的方法就是采用差动电桥

1）半差动电桥

设初始时R1=R2=R3=R4，△R1=△R2则这时输出电压Uo与△R1/R1成严格的线性关系，没有非线性误差，而且电桥灵敏度比单臂提高一倍，还具有温度误差补偿作用

2）全差动电桥

4倍例2-1利用全桥电路测量桥梁的上下表面应变。R1、R3与R2、R4感受到的应变绝对值相等、符号相反

△R1t=△R2t=△R3t=△R4t

因而应变片R1~R4产生的电阻增量合并为4倍的△Rε，△Rt则相互抵消

四、应用

1、应变式力传感器

作用：作为各种电子秤与材料试验机的测力元件，也可用于发动机的推力测试，或水坝坝体承载状况的监视。a）圆柱面展开图

b）桥路连接图

R1、R3串接，R2、R4串接并置于相对臂，减小弯矩影响。横向贴片作温度补偿。2、应变式压力传感器作用：主要用液体、气体动态和静态压力的测量，如内燃机管道和动力设备管道的进气口、出气口气体和液体压力的测量3、应变式加速度传感器传感器由质量块（4）、应变片（1）、弹性悬臂梁（3）和基座（2）组成

当振动频率小于传感器的固有振动频率时，悬臂梁的应变量与加速度成正比。4、电阻应变仪的基本组成和应用举例1）电阻应变仪的基本组成为了精确复现试件应变波形，要将电桥输出信号进行放大和处理。这些电子部件组成一台应变测量仪器，称为电阻应变仪。

2）电阻应变仪的应用实例§2

电位器式传感器

定义：将机械位移（线位移或角位移）转换为与其成一定函数关系的电阻或电压的机电传感元件。§3

测温热电阻式传感器

热电阻按性质不同，可分为金属热电阻和半导体热电阻两类，而后者又称热敏电阻，它的灵敏度比前者高十倍以上。一、热电阻的工作原理热电阻效应物质的电阻率随温度变化而变化的物理现象。

当温度升高时，虽然自由电子数目基本不变（当温度变化范围不是很大时），但每个自由电子的动能将增加，因而在一定的电场作用下，要使这些杂乱无章的电子作定向运动就会遇到更大的阻力，导致金属电阻值随温度的升高而增加。热电阻的测量电路通常采用不平衡电桥来转换，热电阻在工业测量桥路中的接法常采用两线制和三线制两种。热电阻两线测量桥路1—电阻体2—引出线3—显示表为了消除和减小引线电阻的影响，采用三线制连接法二、热电阻材料及结构

1．热电阻材料

由电阻体（温度测量敏感元件——感温元件）、引出线、绝缘套管和接线盒等部件组成，其中，电阻体是热电阻的主要部件。较为广泛应用的热电阻材料有：铂、铜、镍、铁、和铑铁合金等，而常用的是铂、铜。2．热电阻的结构玻璃骨架铂热电阻感温元件

云母骨架铂热电阻铜热电阻感温元件

铂热电阻

（1200℃以下）当-200℃≤t≤0℃时Rt=R0[1+At+Bt2+C(t-100)t3]当0℃≤t≤850℃时Rt=R0(1+At+Bt2)

Rt——温度为t℃时铂热电阻的阻值；R0——温度为0℃时铂热电阻的阻值；A、B、C——温度系数，它们的数值分别为A=3.90802×10-3（1/℃），B=-5.802×10-7（1/℃2），C=-4.27350×10-12（1/℃4）。铜热电阻(-50℃~150℃)在上述使用温度范围内，阻值与温度的关系几乎成线性关系，即可近似表示为

Rt=R0(1+αt)

式中α——电阻温度系数,α=(4.25~~4.28)/℃热电阻应用如果将温度为tn的热电阻放入温度为tc介质内，设热电阻与介质相接触的表面面积为A，则热电阻耗散的热量Q可表示为Q=KA(tn-tc)

K——热传导系数或称传热系数K与介质的密度、粘度、平均流速等参数有关。当其它参数为定值时，K仅与介质的平均流速成正比。Rt1放在被测介质的流通管道的中心，它所耗散的热量与被测介质的平均流速成正比。Rt2放在温度与被测介质相同、但不受介质流速影响的连通室中

§4其它电阻式传感器

一、热敏电阻式传感器因为载流子数目的增加随温度按指数规律上升，半导体的电阻率也就随温度按指数规律下降。热敏电阻的应用1．热敏电阻测温将绝缘的热敏电阻放入32℃（表头的零位）的温水中，待热量平衡后，调节RP1，使指针在32℃上，再加热水，用更高一级的温度计监测水温，使其上升到45℃。待热量平衡后，调节RP2，使指针指在45℃上。再加入冷水，逐渐降温，检查32℃~45℃范围内刻度的准确性。二、湿敏电阻式传感器主要由感湿层（湿敏层3）、电极(4)和具有一定机械强度的绝缘基片(2)组成

湿敏电阻式传感器的应用为了减小测量误差，要求传感器每次在测量湿度之前要去污。因此，在湿敏元件四周绕上加热电阻丝，使其表面加热到450℃的高温烧掉污垢。三、气敏电阻式传感器

主要用于工业上天然气、煤气、石油化工等部门的易燃、易爆、有毒、有害气体的监测、预报和自动控制

金属氧化物在常温下是绝缘体，制成半导体后却显示气敏特性

N型半导体，如SnO2、Fe2O3等；P型半导体，如CoO、PbO等。

图中1、2为加热电极

3、4是气敏电阻一对电极。气敏电阻式传感器的应用1．还原性气体传感器所谓还原性气体就是在化学反应中能发出电子，化学价升高的气体，多数属于可燃性气体。如石油蒸气、酒精蒸气、煤气等。1—

引脚2—塑料底座3—烧结体4—不锈钢网罩5—加热电极6—工作电极7—加热回路电源8—测量回路电源2．二氧化钛气敏传感器半导体材料二氧化钛（TiO2）属于N型半导体，对氧气十分敏感。其阻值取决于周围环境的氧气浓度。TiO2气敏电阻必须在上百度的高温下才能工作。所以还必须在TiO2气敏电阻外面套一个加热电阻丝（图中未画出），进行预热以激活TiO2气敏电阻。3．气体报警器设计报警时应十分注意选择开始报警浓度。丙烷、丁烷气体报警器，安放于气体源附近地板上方20cm以内；甲烷和一氧化碳报警器，安放于气体源上方靠近天棚处。这样就可以随时检测气体是否漏气

第三章电感式传感器及应用自感式传感器

差动变压器式传感器电涡流式传感器本章内容§1§3§2§1自感式传感器

自感式传感器是自感量随气隙而改变的原理制成的，用来测量位移它主要由线圈、铁心、衔铁及测杆（或转轴）等组成

变隙式

变截面式

螺线管式

一、工作原理如图所示自感式传感器的原理图。它是由线圈、铁芯和衔铁三部分组成。自感的值为：由磁路的欧姆定律可得磁通Φ为：因为一般导磁体的磁阻远小于空气隙的磁阻，计算时可忽略不计，则：联立以上三式可得：当铁心的结构与材料确定后，上式分母的第一项为常数，此时自感L是气隙厚度δ和气隙有效截面积A的函数，即L=f(δ,A)

(a)保持A不变，则L为δ的单值函数，可构成变气隙型传感器(b)保持δ不变，使A随位移而变化，则可形成变截面型传感器(c)线圈中放入圆柱形衔铁，也是一个可变自感。使衔铁作上、下位移，自感量将相应变化，这就构成螺线管式电感传感器1、变隙式电感传感器只要测出自感量的变化，就能确定衔铁（即被测体）位移量的大小和方向。这就是闭磁路变隙式电感传感器的工作原理

铁心和衔铁的磁阻

气隙的磁阻

忽略掉铁心和衔铁的磁阻

因为输入输出呈非线性关系为了保证一定的线性度，变隙式电感传感器仅能工作在很小一段的区域，因而只能用于微小位移的测量。在线圈匝数N确定后，如保持气隙有效截面积A为常数，则L=f(δ),它的特性曲线如图2、变截面式电感传感器同样N确定后，若保持气隙厚度δ为常值δ0，则L=f(A)，它的特性曲线如图所示

由于有漏感等原因，它的特性并非是线性的，而且它的线性区较小，灵敏度较低

对于长螺线管（L>>r），当衔铁工作在螺线管的中部时，可认为线圈内磁场强度是均匀的。此时线圈电感量l与衔铁插入深度l1大至上成正比。螺线管式电感传感器的工作原理是以线圈磁力线泄漏路径上的磁阻变化为基础进行测量时，衔铁随被测体移动时，导致线圈电感量变化，即电感量与衔铁插入深度l1有关

3、螺线管式电感传感器4、差动电感传感器在实际工作中常采用差动式，这样既可以提高传感器的灵敏度，又可以减小测量误差。假设当衔铁往上移动Δδ时，则两个线圈的总的电感变化量为：灵敏度为二、电感式传感器的转换电路1．调幅电路所示为变压器电桥电路。相邻两工作臂Z1、Z2是差动电感传感器的两个线圈阻抗。另两臂为变压器的次级绕组：当衔铁处于中间位置时,由于线圈完全对称,因此L1=L2=L0，Z1=Z2=Z0,电桥桥路平衡,输出电压U0=0

当衔铁上下移时,自感式电感传感器输出电压为

因为电感线圈的品质因数很高

零点残余电压零点残余电压的存在会造成测量系统在最关键的零点附近存在一小段不灵敏区，它一方面限制系统的分辨率，另一方面也造成输电压U0与位移间的非线性。为了判别衔铁的移动方向，必须判别信号的相位，必须在后续电路中配置相敏检波电路来解决。如图所示为带相敏整流的交流电桥电路。带相敏整流的交流电桥电路1）当衔铁上移，不论输入电压时正半周还是负半周，电压表总是正向偏转，即输出电压为正。2）当衔铁下移时，同理可以分析得到，电压表总是反正偏转，输出电压总是为负。采用带相敏整流的电桥电路，输出信号能反映位移的大小和方向。电桥电路整流器输出特性曲线不同检波方式的输出特性曲线a）非相敏检波b）相敏检波1－理想特性曲线2－实际特性曲线当L有微小变化ΔL时，频率变化Δf为：G表示振荡回路，其振荡频率，当L变化时，振荡频率随之变化，根据f的大小即可测出被测量的值2．调频电路三、应用测微仪采用变压器式交流电桥为测量电路时，将图中的A、G、H分别与图b）中的A、O、C相连

电动测微仪的电感式传感器

§2差动变压器式传感器

一、工作原理它主要由线圈组合、活动衔铁和导磁外壳等组成。线圈包括一、二次线圈和骨架等部分

1）当活动衔铁向二次绕组N21方向（向上）移动时

2）当活动衔铁向二次绕组N22方向向下移动时理想的螺线管式差动变压器的原理图

二、测量电路反串联电路直接把两个二次线圈反向串接

桥路

R1、R2是桥臂电阻，RW是供调零用的电位器差动整流电路差动变压器转换电路是把差动变压器的两个次级线圈的电压分别整流，然后将它们的差值作为输出。三、应用1．测量振动的应用

由悬臂梁1和差动变压器2构成

测量时，将悬臂梁底座及差动变压器的线圈骨架固定，而将衔铁的A端与被测振动体相连。当被测体带动衔铁以Δx（t）振动时，导致差动变压器的输出电压变化。当被测压力P1输入到膜盒中，膜盒2的自由端面便产生一个与P1成正比的位移因此，差动压力变压器有正比于被测压力的电压输出2．压力测量测量各种生产流程中液体、水蒸汽及气体压力等§3电涡流式传感器一、电涡流式传感器的基本结构

单独绕成一只无框架的扁平圆形线圈，用胶水将此线圈粘接于框架的顶部。在框架的接近端面处开一条细槽，用导线在槽中绕成一只线圈。

二、电涡流式传感器的工作原理若能保持其中大部分参数恒定不变，只改变其中一个参数，这样能形成传感器的线圈阻抗Z与此参数的单值函数。再通过传感器的配用电路测出阻抗Z的变化量，即可实现对该参数的非电量测量

当距离x减小时，互感量M增大，由式（3-27）可知，等效电L减小，等效电阻R增大。从理论和实测中都证明，此时流过线圈的电流i1是增大的线圈与金属导体之间可以定义一个互感系数M，它将随着间距x的减小而增大若把导体形象地看作一个短路线圈三、转换电路利用Z的转换电路一般用桥路，它属于调幅电路。利用L的转换电路一般用谐振电路1．桥路Z1和Z2它们与电容C1、C2，电阻R1、R2组成电桥的四个臂。电源由振荡器供给，振荡频率根据涡流式传感器的需要选择。电桥的输出将反应线圈阻抗的变化，把线圈阻抗变化转换成电压幅值的变化2．谐振幅值电路

在没有金属导体的情况下，使电路的LC谐振回路的谐振频率等于激励振荡器的振荡频率（如1MHZ），这时LC回路呈现阻抗最大，输出电压的幅值也是最大。。3．调频电路

当电涡流线圈与被测体的距离x改变时，电涡流线圈的电感量L也随之改变，引起LC振荡器输出频率改变。

四、应用

1．厚度的测量差动法测量厚度h=H-(x1+x2)2．转速测量当旋转体转动时，涡流传感器将输出周期信号，经放大、整形后，可用频率计指示出频率值f，该值与转速有关，从而可得转速n=60f/z

式中z——旋转体的齿数3．温度测量

导体的电阻率与温度的关系是较复杂的，然而在小的温度范围内可以用下式表示：

若能测量出导体电阻率的变化，就可以求得导体的温度变化。

这种方法主要适用于磁性材料的温度测量。添加温度敏感元件4．生产工件加工定位5.电涡流式通道安全检查门安检门的内部设置有发射线圈和接收线圈，当有金属物体通过时，交变磁场就会在该金属导体表面产生电涡流，会在接收线圈中感应出电压，计算机根据感应电压的大小、相位来判定金属物体的大小。第四章电容式传感器及应用电容传感器的工作原理及结构形式

电容式传感器的测量转换电路电容式传感器的应用本章内容§1§3§2§1电容传感器的工作原理及结构形式ε—两极板间介质的介电常数，ε=ε0εr（εr为极板间介质的相对介电常数）；ε0为真空中的介电常数ε0＝8.854×10-12F/m）；由物理学可知，由两平行板组成的平行板电容器，如果不考虑边缘效应，其电容量为：一、变面积（A）式电容传感器

图a是平板形直线位移式结构，其中极板1可以左右移动，称为动极板。极板2固定不动，称为定极板。图b是一个角位移式的结构。极板1的轴由被测物体带动而旋转一个

度角位移时，两极板的遮盖面积A就减小，因而电容量也随之减小。图c是同心圆筒形变面积式传感器。外圆筒不动，内圆筒在外圆筒内作上、下直线运动。可见，增加极板长度b，减小两板间距d都可以提高传感器的灵敏度。但d太小时，容易引起短路。C0——初始电容值此传感器的灵敏度K可用下式求得对于图a平板形位移电容传感器，当动极板移动x后：二、变极距（d）式电容传感器C与d的关系为一双曲线。电容量Cx与x不是线形关系，其灵敏度也不是常数

当x<<d0

时

此时Cx与x近似线形关系，但量程缩小很多

当d0较小时，该种类型的传感器灵敏度较高，微小的位移即可产生较大的电容变化量。三、变介电常数（ε）式电容传感器总电容C为：输出电容C与液面高度h1成线形关系。其灵敏度为四、差动电容传感器变极距式差动电容器

旋转形差电容器

圆柱形差动电容器

当动极板向上移动x距离后，一边的间隙变为d-x，而另一边则为d+x。电容C1和C2成差动变化，即其中一个电容量增加，而另一个电容量则相应减小。将C1、C2差接后，能使灵敏度提高一倍。

§2电容式传感器的测量转换电路

电容式传感器把被测物理量转换为电容变化后,将电容量转换成电量的电路称作电容式传感器的转换电路。一、电桥电路单臂接法的桥式测量电路电容C1、C2、C3、Cx构成电桥的四臂，CX为电容传感器,当Cx改变时，U0≠0，有输出电压。

在实际应用中，接有电容传感器的交流电桥输出阻抗很高（一般达几兆欧至几十兆欧），输出电压幅值又小，所以必须后接高输入阻抗放大器将信号放大后才能测量。

二、调频电路将电容传感器接入高频振荡器的LC谐振回路中，作为回路的一部分。当被测量变化使传感器电容改变时，振荡器的振荡频率随之改变，即振荡器频率受传感器电容所调制。调频振荡器的频率：

三、运算放大器式电路将电容传感器接入开环放大倍数为A的运算放大电路中，作为电路的反馈组件图中U是交流电源电压，C是固定电容，Cx是传感器电容，Uo是输出信号电压：四、二极管T型网络当电源为正半周时，二极管VD1导通，于是电容C1充电。在接下来的负半周，二极管VD1截止，而电容C1经电阻R1、负载电阻RL（电表、记录仪等）、电阻R2和二极管VD2放电，此时流过RL的电流为i1§３

电容式传感器的应用1．电容式应变计

在被测量的两个固定点上，装两个薄而低的拱弧，方形电极固定在弧的中央，两个拱弧的曲率略有差别当两固定点受压时变换电容值将减小（极间距增大）2．电容测厚仪如果总电容量C作为交流电桥的一个臂，电容的变化将引起电桥的不平衡输出，经过放大、检波、滤波，最后在仪表上显示出带材的厚度把两块极板用导线连起来就成为一个极板，而带材则是电容器的另一极板，其总电容C＝C1+C23．电容式荷重传感器当钢块端面承受重量F时，圆孔将产生形变，从而使每个电容器的极板间距变小，电容量增大。电容量的增值正比于被测载荷F

4．湿度传感器

当环境相对湿度改变时，高分子薄膜通过网状下电极吸收或放出水分，使高分子薄膜的介质常数发生变化，从而导致电容量变化。

5．电容式压力传感器

当被测压力或压力差作用于膜片并使之产生位移时，形成的两个电容器的电容量，一个增大，一个减小。该电容值的变化经测量电路转换成与压力或压力差相对应的电流或电压的变化。如图所示是典型的差动电容式压力传感器。6．电容式位移传感器测量时，动电极随被测物发生轴向移动，从而改变活动电极与两个固定电极之间的有效覆盖面积，使电容发生变化，电容的变化量与位移成正比。开槽弹簧片为传感器的导向与支承，无机械摩擦，灵敏度高，但行程小，主要用于接触式测量。第五章热电偶传感器及应用热电偶传感器的工作原理热电偶的种类和结构热电偶的冷端补偿和测温电路本章内容热电偶的应用及其配套仪表§1§3§2§4§1

热电偶传感器的工作原理一、工作原理1．热电效应

如图所示，如果两接合点的温度不同(T≠T0)，则在两者间将产生电动势，而在回路中就会有一定大小的电流，这种现象称为热电效应或塞贝克效应。

导体A因失去电子而带正电，导体B则因获得电子而带负电，在接触面处形成电场，如图所示。由于两种不同导体的自由电子密度不同，在接触处会发生自由电子的扩散形成的电动势。2．接触电动势该电场的存在阻碍了电子的继续扩散，当电子扩散达到动态平衡时，就在接触区形成一个稳定的电位差，即接触电动势，其大小为：

T——接触处的绝对温度；

k——波尔兹曼常数（k=1.38×10-23J/K）

e——电子电荷（e=1.6×10-19C）接触电动势的数值取决于两种导体的性质和接触点的温度，而与导体的形状及尺寸无关。高温端的自由电子具有较大的动能而向低温端扩散，因而导致导体的高温端因失去电子而带正电，低温端由于获得电子而带负电。是在同一导体中，由于温度不同而产生的一种电动势。3．同一导体中的温差电动势在T和T0的接触电动势导体A和B两端存在温差电动势必须由两种不同的材料才能构成热电偶

若T＝T0,尽管导体A，B的材料不同，但回路总的热电动势亦为零。起主要作用的是两个结点的接触电动势

二、热电偶定律1．中间导体定律在热电偶回路中接入第三种材料的导体，只要第三种导体两端的温度相等，则对热电偶回路总的热电动势无影响。==2．中间温度定律实际测温时，由于热电偶的长度有限，自由端温度将直接受到被测介质温度和周围环境的影响,采用补偿导线，可将热电偶的自由端延伸到远离高温区的地方，从而使自由端的温度相对稳定注意两根补偿导线与热电偶两个热电极的接点必须具有相同的温度补偿导线只能与相应型号的热电偶配用

(表5-1)3．参考电极定律（标准电极定律）由A、B两种热电极配对后的热电动势。

在实际应用中，由于纯铂丝的物理化学性能稳定、熔点高、易提纯，所以目前常用纯铂丝作为标准电极

(C极)参考电极

§2热电偶的种类和结构一、热电偶的结构工程上实际使用的热电偶大多是由热电极、绝缘套管、保护套管和接线盒等部分组成。二、常用热电偶简介铂铑10—铂热电偶1300℃镍铬—镍硅（镍铬—镍铝）热电偶900℃镍铬—考铜热电偶600℃铂铑30—铂铑6热电偶1600℃常用的镍铬一镍硅（K）热电偶的分度表（附录D）。(电偶的热电动势与温度的对照表)§3热电偶的冷端补偿和测温电路一、热电偶的冷端补偿1．冷端恒温法2．冷端温度校正法EAB（t，0℃）＝EAB（t，t0）＋EAB（t0，0℃）

当热电偶的冷端温度t0≠0℃时，测得的热电动势EAB（t，t0）与冷端为0℃时测得的热电动势EAB（t，0℃）不等。若冷端温度高于0℃，则EAB（t，t0）＜EAB（t，0℃）。根据热电偶的中间温度定律，可得热电势的修正公式：3．电桥补偿法利用不平衡电桥产生的不平衡电压，来自动补偿热电偶因冷端温度变化而引起的热电动势的变化值。电桥通常取在20℃时处于平衡状态，此时桥路输出电压Uab=0，电桥无补偿作用4．采用PN结温度传感器作冷端补偿二、热电偶的测温电路a）所示为一个热电偶和一个仪表配用的基本电路

b）图所示为测量两点温度之和的电路c）图所示为测量两点间温度差的电路，两支同型号的热电偶反向串联1．基本测温电路测量两点间平均温度的电路，两支同型号的热电偶并联

图中串入较大阻值的电阻R1、R2以减小热电偶内阻的影响

2．热电偶的实际测温电路在实际测量过程中，热电偶的热电动势和温度关系为非线形关系

因此热电偶应用时都要线形化。线形校正电路采用平方运算的专用集成电路AD538构成的线形化电路

§４热电偶的应用及配套仪表一、伺服式温度表I，i——分别为工作电流回路和测量回路的电流；∑R——a、b间的可变电阻Rab、检流计内阻和热电偶的内阻之和二、动圈仪表XC系列动圈仪表测量机构的核心器件是一个磁电式毫伏计。设表内电阻为RIS，表外电阻为ROS热电偶用于管道内温度的测量

第六章光电传感器及应用光电效应及光电元件光电开关及光电断续器电荷耦合器本章内容光电式传感器的应用§1§3§2§4热释电元件及红外线人体检测§5§1光电效应及光电元件

一、光电效应及分类每一个光子具有一定的能量，光子的能量E＝hf，其中h为普朗克常数，f为光的频率。因此，光的频率越高，光子的能量也就越大。

光电效应光照射在某一物体上，可以看作物体受到一连串能量为hf的光子的轰击，被照射物体的材料吸收了光子的能量而发生相应电效应的物理现象。外光电效应在光线作用下能使电子从物体表面逸出。内光电效应在光线作用下能使物体电阻率发生变化。光生伏特效应在光线作用下，物体产生一定方向电动势。

电磁波辐射波谱可见光频率/Hz波长/m无线电波105

红外线

1010

紫外线1015

X射线1020宇宙射线1025

3×103m

3×10-2m

3×10-7m

3×10-12m

3×10-17m光电管由真空玻璃管、光电阴极K和光电阳极A组成。（一）光电管、光电倍增管二、光电元件、特性及基本测量电路当一定频率的光照射到光电阴极上时，光电阴极吸收了光子的能量便有电子逸出而形成光电子。这些光电子被具有正电位的阳极所吸引，因而在光电管内便形成定向空间电子流，外电路就有了电流。如果在外电路中串入一适当阻值的电阻，则电路中的电流便转换为电阻上的电压。光电阴极和阳极之间增加了若干个光电倍增极D,且外加电位逐级升高，因而逐级产生二次电子发射而获得倍增光电子，使得最终到达阳极的光电子数目猛增。光电特性光电特性是指当阳极电压一定时，光电流IΦ与光电阴极接收到的光通量Φ之间的关系光谱特性

由于不同材料的光电阴极对不同波长的入射光有不同的灵敏度，因此光电管对光谱也有选择性伏安特性当入射光的频谱及光通量一定时，光电流与阳极电压之间的关系称伏安特性

铯氧银

锑化铯光电管的阳极电压应选择在UQ附近流明不少人误认为流明是亮度的单位，这显然是错误的。这因为亮度是指物体明暗的程度，定义是单位面积的发光强度的是nit(尼特)，1nit=1坎特拉/平方米，流明(LM)是光通量的单位，它表示单位时间辐射光能量的多少

。通过测量屏幕的平均照度乘以面积从而计算出流明数，流明数大表示光通量大，进而表示输出能量大，亮度高，反之亦然，这种表示方法，人们更容易理解。(二)光敏电阻原理是基于内光电效应。是一种没有极性的纯电阻器件。光敏电阻原理图、结构图、外形图及符号光照越强，阻值就越低。当入射光消失，光生电子—空穴对逐渐复合，电阻又恢复到原来数值。光敏电阻使用时可加直流电压，也可加交流电压。无光照时，光敏电阻的阻值很大，电路中的电流很小，当光敏电阻受到一定波长范围的光照时，光子能量将激发产生电子—空穴对，增强了导电性能，因为阻值降低，电路中的电流也就增加。暗电阻和暗电流

置于室温、全暗条件下测得的稳定电阻值称为暗电阻，此时流过电阻的电流称为暗电流。这些是光敏电阻的重要特性指标。亮电阻和亮电流

置于室温、在一定光照条件下测得的稳定电阻值称为亮电阻，此时流过电阻的电流称为亮电流。伏安特性光敏电阻的伏安特性为线性关系，且不同照度下，其斜率不同。同一般电阻一样，光敏电阻也有最大功率，超过额定功率将会导致光敏电阻永久性的损坏。

光电特性在光敏电阻两极间电压固定不变时，光照度与亮电流间的关系称为光电特性，如图所示。光敏电阻的光电特性呈非线性，这是光敏电阻的主要缺点之一。a）光照/电阻特性b）光照/电流特性光敏电阻对于不同波长λ的入射光，其相对灵敏度K也是不同的。因此，在选用光敏电阻时，应考虑光源的发光波长与光敏电阻的光谱特性峰值的波长相接近，这样才能获得高的灵敏度光谱特性光电流的变化对于光的变化，在时间上有一个滞后，尽管不同材料的光敏电阻具有不同的响应时间，但都存在着这种时延特性。因此，光敏电阻不能用在要求快速响应的场合。响应时间温度特性

光敏电阻和其它半导体器件一样，受温度的影响较大，随着温度的升高，它的暗电阻与灵敏度都下降。（三）光敏二极管、光敏三极管、光敏晶闸管1．结构与工作原理

光敏二极管

光敏二极管结构、电路符号与外形特征如图所示。光敏二极管结构与一般二极管相似，它们都有一个P-N结，并且都是单向导电的非线性元件。光敏二极管在电路中一般处于反向偏置状态，无光照时反向电阻很大，反向电流很小，此反向电流称为暗电流。当P-N结有光照时，P-N结处产生光生电子-空穴对，光生电子-空穴对在反向偏压和P-N结内的电场作用下作定向运动，形成光电流，光电流随入射光强度而变化，光照越强光电流越大。光敏二极管工作原理如图所示。光电特性如图所示是硅光敏二极管在小负载电阻下的光电特性。可见，光敏二极管的光电流与照度成线性关系。硅光二极管的光电特性光谱特性如图所示硅光敏二极管的光谱响应特性，图中实际特性与理论值相差较大，有严重的非线性。对于相同材料，由于波长短的光穿透深度小，使光电流减小，因此当入射波长<900nm时，响应也逐渐下降。硅光二极管的光谱响应特性伏安特性当反向偏压较低时，光电流随电压变化比较敏感，这是出于反向偏压加大了耗尽层的宽度和电场强度。随反向偏压的加大，对载流子的收集达到极限，光生电流趋于饱和，这时光生电流与所加偏压几乎无关，只取决于光照强度。硅光二极管的反向偏压伏安特性在保持某一入射光频谱成分不变的条件下，光敏二极管的端电压与光生电流之间的关系如图所示，该图是光敏二极管在反向偏压下的伏安特性。温度特性

光敏二极管暗电流与温度关系如图6-16所示，由于反向饱和电流与温度密切相关，因此光敏二极管的暗电流对温度变化很敏感。光敏二极管电流-温度特性频率响应光敏管的频率响应是指具有一定频率的调制光照射时，光敏管输出的光电流随频率的变化关系。光敏管的频响与本身的物理结构、工作状态、负载以及入射光波长等因素有关。光敏二极管的频率响应曲线如图所示光敏二极管频率响应曲线，曲线说明调制频率高于1000Hz时，硅光敏晶体二极管灵敏度急剧下降。型号及参数2CU型光敏二极管主要用于光信号接收器件，也可作其他光电自动控制的快速接收器件。2DU型光敏二极管主要用于可见光和近红外光探测器，以及光电转换的自动控制仪器、触发器、光电耦合、编码器、特性识别、过程控制和激光接收等方面。光敏二极管一般有2DU型和2CU型两种型号。在电路中，同普通三极管的放大状态一样，集电结反偏，发射结正偏。反偏的集电结受光照控制，光电转换原理同光敏二极管，产生的光电流相当于普通三管的基极电流。因而在集电极上则产生β倍的光电流，所以光敏三极管比光敏二极管有着更高的灵敏度。光敏三极管

此外，光敏三极管还可做成复合管型式，如图所示，将光敏三极管与另一只普通三极管做在一个管壳里，称为达林顿光敏三极管。它有更高的灵敏度，即β＝β1β2，我们可以形象地用一只光敏二极管和普通三极管的组合来等效光敏三极管。如图为NPN型光敏三极管的原理结构、等效电路、图形符号及两种常用的光敏三极管的应用电路，射极输出电路的输出电压与光照的变化趋势相同，而集电极输出恰好相反。光敏三极管

伏安特性光敏三极管伏安特性与二极管相比，光敏三极管集电极信号电流是光电流的β倍，所以光敏晶体管具有放大作用。光敏三极管伏安特性曲线如图所示。光谱特性光敏三极管的光谱特性如图所示。由曲线可以看出，硅材料的光敏管峰值波长在0.9μm(可见光)附近时灵敏度最大，锗材料的光敏管峰值波长约为1.5μm(红外光)时灵敏度最大，当入射光的波长增加或减少时，相对灵敏度下降。光敏三极管的光谱特性温度特性光敏晶体管的温度特性是指暗电流、光电流与温度的关系，温度对光电流影响较小，对暗电流(无光照)影响较大，在电路中应对暗电流进行温度补偿。型号及参数3DU系列光敏三极管用于近红外光探测器以及光耦合、编码器、译码器、过程控制等方面。光敏晶闸管

反偏的PN在透明管壳的顶部，相当于受光照控制的光敏二极管。当光照射在J2产生的光电流相当于普通的晶闸管的门极电流，当光电流大于某一阈值时，光敏晶闸管触发导通。

光电池的工作原理基于光生伏特效应，光电池是可直接将光能转换成电能的器件，是典型的有源器件。由于光电池常用于将太阳能转换为电能因此又称为太阳能电池，广泛用于宇航等的电源；另有一类应用于检测和自动控制等设备中。它的种类很多，有硅、砷化镓、硒、锗、硫化镉等光电池。其中应用最广泛的是硅光电池，硅光电池性能稳定、光谱范围宽、频率特性好、传（转换）递效率高且价格便宜。（四）光电池1．结构及工作原理

当光照射在PN结上，只要光子有足够的能量，就将在PN结附近激发产生电子—空穴对(光生载流子)。它们在结电场的作用下，电子被推向N区，而空穴被拉向P区。这种推拉作用的结果，使得N区积累了多余电子而形成为光电池的负极，而P区因积累了空穴而成为光电池的正极，因而两电极之间便有了电位差。这就是光生伏特效应。光电特性

其中曲线1是光电池负载开路时的开路电压与光照度的关系曲线，显然这是非线性关系，起始电压上升很快，在2000lx以上便趋于饱和

曲线2是当负载短路时的短路电流与光照度的关系曲线，可见为线性关系。当然随着负载电阻的增加，这种线性关系将变差2．基本特性光谱特性

硅光电池的响应波长约在0.45～1.1μm范围，而硒光电池约在0.34~0.57μm范围。可见硅光电池可以在很宽的波长范围内得到应用光电池频率特性是指相对输出电流与光的调制频率之间的关系。如图所示，硅、硒光电他的频率特性大不相同，硅光电池有较好的频率响应特性，这是它最为突出的优点。频率特性

开路电压随温度增加而下降的速度较快，而短路电流随温度上升而缓慢增加，由于温度漂移而影响到测量精度时，应考虑相应措施给予补偿。温度特性

3．光电池短路电流测量电路

图为光电池短路电流测量的实用电路，即I/V转换电路。

运算放大器相当于光电池的负载，由于运算放大器的开环放大倍数Aod→∞，所以VAB→0，即A为虚地（相当于A点对地短路）。作为光电池的负载满足了短路条件。所以IRf＝IΦ输出电压Uo为：输出电压Uo与光电流IΦ正比，从而达到I/U转换的目的。

Uo＝－URf＝－IΦf

4．光电池的电路连接如图所示光电池电路的几种连接方法。光电池作为控制元件时通常要接非线性负载(如晶体管)，由于锗光电池与硅光电池的特性不同，连接时需要特别注意。光电池电路连接图§2光电开关及光电断续器

光电开关和光电断续器从原理上讲是一样的，都是由红外线发射元件与光敏接收元件组成一、光电开关直射型当有物体在两者中间通过时，红外光束被遮断，接收器因接收不到红外线而产生一个电脉冲信号。这种光电开关检测距离最大可达十几米

反射镜反射型单侧安装，但反射镜型安装时应根据被测物体的距离调整反射镜的角度以取得最佳的反射效果，它的检测距一般为几米

散射型只要不是全黑的物体均能产生漫反射,散射型的检测距离更小，只有几百毫米。二、光电断续器光电断续器的工作原理与光电开关相同，结构上将光电发射器、光电接收器做在体积很小的同一塑料壳体中。如图所示。也可分为直射型和