英才学院传感器与检测技术教案

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三十九

第1章检测技术的基本知识

教学要求

1．掌握测量的基本概念和测量方法。

2．掌握自动检测系统的组成。

3．熟悉测量误差的分类和消除方法。

4．了解测量结果的数据统计处理。

教学课时3学时

教学内容

1.1测量方法及检测系统的组成

1.1.1测量的基本概念.

测量:是人们借助于专门的设备,通过一定的方法,对被测对象收集信息、取得数据概念的过程.

测量结果包括:数值和单位两部分.

1.1.2测量方法：

根据获得测量值的方法分:直接测量,间接测量和组合测量.

根据测量的精度情况分:等精度测量和非等精度测量.

根据测量方式分为:偏差式测量,零位式测量和微差式测量

偏差式测量：利用测量仪表指针对于刻度初始点的偏移来读出被测量的的测量方法。如万用表测量。

零位式测量：调节已知标准量与被测量达到平衡状态（相等），读取标准量作为被测值。

零位式与偏差式测量的综合应用。

微差式测量：测量前先把被测量U调到基准数值大小，调节已知标准量使二者相等，读取被测值的基准大小U0。

根据被测量变化的快慢分:静态测量和动态测量

根据测量敏感元件是否与被测量接触分:接触测量和非接触测量

根据测量系统是否向被测对象施加能量分:主动式测量和被动式测量

1.1.3检测系统的组成

自动检测系统的组成

传感器（非电量电量）

作用:处于被检测对象和检测系统的接口位置。

分类:

(1)按输入量划分:位移、压力、速度、温度。

(2)按输出量划分:参量型、发电型

(3)按原理划分:电磁原理学、固体物理学

2．信号处理电路（微弱电量较强电信号）

作用:将传感器的输出信号转换成易于测量的电压或电流信号。

方式:整形、放大、阻抗匹配、微分、积分、线形化等。

3．显示记录装置（可能远程输出）

模拟显示

数字显示

图象显示

4．数据处理装置和执行机构

利用微机技术,对被测结果进行处理、运算、分析,对动态测试结果进行频谱、幅值和能量分析等.

1.2误差的基本概念

1.2.1测量误差

误差的来源:工具误差、环境误差、方法误差、人员误差。

误差的分类:

(1)按误差的表示方法分:绝对误差和相对误差。

绝对误差：

相对误差：

(2)按误差出现的规律分:系统误差、随机误差和粗大误差。

(3)按被测量与时间的关系分:静态误差和动态误差。

作业：P13：5、6、7

第2章传感器的基本概念

教学要求

1．熟悉传感器的定义与分类。

2．掌握传感器基本特性。

教学课时4学时

教学内容

2.1传感器的定义与组成

传感器(狭义):能感应被测量的变化并将其转换为其他物理量变化的器件.

传感器(广义):是信号检出器件和信号处理部分的总称.

组成:一般由敏感元件、转换元件和信号调理电路组成.

2.2传感器的分类

按测量的性质划分:位移传感器,压力传感器,温度传感器等.

按工作的原理划分:电阻应变式,电感式,电容式,压电式,磁电式传感器等.

按测量的转换特征划分:结构型传感器和物性型传感器.

按能量传递的方式划分:能量控制型传感器和能量转换型传感器.

2.3传感器的基本特性

2.3.1传感器的静态特性

1．线性度：指输出量与输入量之间的实际关系曲线偏离直线的程度,又叫非线性误差.

2．灵敏度：指传感器的输出量增量与引起输出量增量的输入量的比值.

3．迟滞：指传感器在正向行程和反向行程期间,输出-输入曲线不重合的现象.

4．重复性：指传感器在输入量按同一方向做全量程多次测试时,所得特性曲线不一致性的程度.

5．分辨率：指传感器在规定测量范围内所能检测输入量的最小变化量.

6．稳定性：指传感器在室温条件下,经过相当长的时间间隔,传感器的输出与起始标定时的输出之间的差异.

7．漂移：指传感器在外界的干扰下,输出量发生与输入量无关的变化,包括零点漂移和灵敏度漂移等.

2.3.2传感器的动态特性

1．瞬态响应法

2．频率响应法

2.4传感器的应用领域及其发展

2.4.1传感器的应用领域

1．生产过程的测量与控制

2．安全报警与环境保护

3．自动化设备和机器人

4．交通运输和资源探测

5．医疗卫生和家用电器

2.4.2传感器的发展

1．微型传感器(Microsensor)

2．智能传感器(Smartsensor)

3．多功能传感器(Multifunctionsensor)

2.5传感器的正确选用

1．与测量条件有关的因素

2．与使用条件有关的因素

3．与传感器有关的技术指标

此外,还要考虑购买和维修等因素.

作业：P23：3、4

第三章常用传感器的工作原理及应用

教学要求

1．掌握各种传感器的工作原理。

2．熟悉各种传感器的测量电路。

3．掌握各种传感器的应用。

教学课时15学时

教学内容

3.1电阻式传感器

3.1.1电阻式传感器的工作原理

测量电路

应变：物体在外部压力或拉力作用下发生形变的现象

弹性应变：当外力去除后，物体能够完全恢复其尺寸和形状的应变

弹性元件：具有弹性应变特性的物体

3.1.2电位器式传感器

3.1.3电阻应变式传感器

电阻应变式传感器利用电阻应变片将应变转换为电阻值变化的传感器。

工作原理：当被测物理量作用于弹性元件上，弹性元件在力、力矩或压力等的作用下发生变形，产生相应的应变或位移，然后传递给与之相连的应变片，引起应变片的电阻值变化，通过测量电路变成电量输出。输出的电量大小反映被测量的大小。

结构：应变式传感器由弹性元件上粘贴电阻应变片构成。

应用：广泛用于力、力矩、压力、加速度、重量等参数的测量。

1．电阻应变效应

电阻应变片的工作原理是基于应变效应，即导体或半导体材料在外界力的作用下产生机械变形时，其电阻值相应发生变化，这种现象称为“应变效应”。

2．电阻应变片的结构

金属电阻应变片的结构

3．应变片的粘贴技术（自学）

4．电阻应变式传感器的应用

（1）应变式力传感器

被测物理量：荷重或力

主要用途：作为各种电子称与材料试验机的测力元件、发动机的推力测试、水坝坝体承载状况监测等。

力传感器的弹性元件：柱式、筒式、环式、悬臂式等

（2）应变式压力传感器

主要用来测量流动介质的动态或静态压力

应变片压力传感器大多采用膜片式或筒式弹性元件。

（3）应变式容器内液体重量传感器

感压膜感受上面液体的压力。

（4）应变式加速度传感器

用于物体加速度的测量。

依据：a=F/m。

电阻应变式加速度传感器结构图

3.2电容式传感器

3.2.1电容式传感器的工作原理

由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器，如果不考虑边缘效应，其电容量为

当被测参数变化使得S、d或ε发生变化时，电容量C也随之变化。

如果保持其中两个参数不变，而仅改变其中一个参数，就可把该参数的变化转换为电容量的变化，通过测量电路就可转换为电量输出。

电容式传感器可分为变极距型、变面积型和变介电常数型三种。

1．变间隙型电容传感器

变间隙式电容式传感器

当传感器的εr和S为常数，初始极距为d0时，初始电容量C0为

若电容器极板间距离由初始值d0缩小了Δd，电容量增大了ΔC，则有

在式中，若Δd/d0<<1时，则展成级数：

此时C与Δd近似呈线性关系，所以变极距型电容式传感器只有在Δd/d0很小时，才有近似的线性关系。

另外，在d0较小时，对于同样的Δd变化所引起的ΔC可以增大，从而使传感器灵敏度提高。但d0过小，容易引起电容器击穿或短路。为此，极板间可采用高介电常数的材料（云母、塑料膜等）作介质,如图所示，此时电容C变为：

式中：εg—云母的相对介电常数，εg=7；

ε0—空气的介电常数，ε0=1；

d0—空气隙厚度；

dg—云母片的厚度。

放置云母片的电容器

云母片的相对介电常数是空气的7倍，其击穿电压不小于1000kV/mm，而空气仅为3kV/mm。因此有了云母片，极板间起始距离可大大减小。

一般变极板间距离电容式传感器的起始电容在20~100pF之间，极板间距离在25~200μm的范围内。最大位移应小于间距的1/10，故在微位移测量中应用最广。

2．变面积式电容传感器

被测量通过动极板移动引起两极板有效覆盖面积S改变，从而得到电容量的变化。当动极板相对于定极板沿长度方向平移Δx时，则电容变化量为

式中C0=ε0εrba/d为初始电容。电容相对变化量为

这种形式的传感器其电容量C与水平位移Δx呈线性关系

直线位移型电容传感器原理图

3．变介质式电容式传感器

此时变换器电容值为：

电容式液位变换器结构原理图

式中：C0——由变换器的基本尺寸决定的初始电容值,即

可见：此变换器的电容增量正比于被测液位高度h。

3.2.2．电容式传感器的测量电路

1．运算放大器电路

由于运算放大器的放大倍数非常大，而且输入阻抗Zi很高,运算放大器的这一特点可以作为电容式传感器的比较理想的测量电路。如图所示。由运算放大器工作原理可得：

如果传感器是一只平板电容，则Cx=εS/d，代入，可得

式中“－”号表示输出电压Uo的相位与电源电压反相。可见运算放大器的输出电压与极板间距离d成线性关系。

运算放大器式电路虽解决了单个变极板间距离式电容传感器的非线性问题，注意条件：要求Zi及放大倍数足够大。为保证仪器精度，还要求电源电压Ui的幅值和固定电容C值稳定。

运算放大器式电路原理图

2．二极管双T交流电桥

e是高频电源，它提供了幅值为U的对称方波，VD1、VD2为特性完全相同的两只二极管，固定电阻R1=R2=R，C1、C2为传感器的两个差动电容。

二极管双T交流电桥

当传感器没有输入时，C1=C2。

电路工作原理：当e为正半周时，二极管VD1导通、VD2截止，于是电容C1充电，其等效电路如图（b）所示；在随后负半周出现时，电容C1上的电荷通过电阻R1，负载电阻RL放电，流过RL的电流为I1。

当e为负半周时，VD2导通、VD1截止，则电容C2充电，其等效电路如图（c）所示；在随后出现正半周时，C2通过电阻R2，负载电阻RL放电，流过RL的电流为I2。

电流I1=I2，且方向相反，在一个周期内流过RL的平均电流为零。

若传感器输入不为0，则C1≠C2,I1≠I2,此时在一个周期内通过RL上的平均电流不为零，因此产生输出电压，输出电压在一个周期内平均值为

式中,f为电源频率。

当RL已知，式中

则上式可改写为

可知，输出电压Uo不仅与电源电压幅值和频率有关，而且与T形网络中的电容C1和C2的差值有关。当电源电压确定后，输出电压Uo是电容C1和C2的函数。电路的灵敏度与电源电压幅值和频率有关，故输入电源要求稳定。

3．调频电路

把电容式传感器作为振荡器谐振回路的一部分,当输入量导致电容量发生变化时，振荡器的振荡频率就发生变化。

可将频率作为输出量用以判断被测非电量的大小，但此时系统是非线性的，不易校正，因此必须加入鉴频器，将频率的变化转换为电压振幅的变化，经过放大就可以用仪器指示或记录仪记录下来。

3.2.3．电容式传感器的应用

1．电容式压力传感器

2．电容式加速度传感器

3.3电感式传感器

电感式传感器的工作原理是基于电磁感应原理，它把被测量转化为电感量变化的一种装置。按照转换方式的不同可分为自感式（包括可变磁阻式与涡流式）和互感式（差动变压器式）两种。

3.3.1自感式传感器

自感式电感传感器主要有变间隙型、变面积型和螺管型三种类型。由线圈、铁芯和衔铁三部分组成。铁芯和衔铁由导磁材料制成。

在铁芯和衔铁之间有气隙，传感器的运动部分与衔铁相连。当衔铁移动时，气隙厚度δ发生改变，引起磁路中磁阻变化，从而导致电感线圈的电感值变化，因此只要能测出这种电感量的变化，就能确定衔铁位移量的大小和方向。

1．变间隙型电感传感器

2．变面积型电感传感器

3．螺管型电感传感器

4．差动式电感传感器

为了减小非线性误差，实际测量中广泛采用差动式电感传感器。

5．自感式传感器的测量电路

电感式传感器的测量电路有交流电桥式、变压器式交流电桥以及谐振式等。

3.3.2互感式传感器

把被测的非电量变化转换为线圈互感变化的传感器称为互感式传感器。这种传感器是根据变压器的基本原理制成的，并且次级绕组用差动形式连接，故称差动变压器式传感器。差动变压器结构形式：变隙式、变面积式和螺线管式等。

在非电量测量中，应用最多的是螺线管式差动变压器，它可以测量1～100mm机械位移，并具有测量精度高、灵敏度高、结构简单、性能可靠等优点。

1．互感式传感器的工作原理

互感式传感器的工作原理类似变压器的作用原理。

2．差动变压器的结构类型

螺线管式差动变压器结构

差动变压器等效电路

3．差动变压器式传感器测量电路

问题：

（1）差动变压器的输出是交流电压(用交流电压表测量，只能反映衔铁位移的大小，不能反映移动的方向)；

（2）测量值中将包含零点残余电压。

为了达到能辨别移动方向和消除零点残余电压的目的，实际测量时，常常采用差动整流电路和相敏检波电路。

(1)差动整流电路

这种电路是把差动变压器的两个次级输出电压分别整流，然后将整流的电压或电流的差值作为输出。

(2)相敏检波电路

3.3.3电感式传感器的应用

1．差动变压器式力传感器

2．沉筒式液位计

3.4压电式传感器

3.4.1压电效应

某些电介质，当沿着一定方向对其施力而使它变形时，内部就产生极化现象，同时在它的两个表面上便产生符号相反的电荷，当外力去掉后，又重新恢复到不带电状态。这种现象称压电效应。当作用力方向改变时，电荷的极性也随之改变。有时人们把这种机械能转换为电能的现象，称为“正压电效应”。相反，当在电介质极化方向施加电场，这些电介质也会产生几何变形，这种现象称为“逆压电效应”（电致伸缩效应）。具有压电效应的材料称为压电材料。

1．单晶压电晶体

石英晶体化学式为SiO2，是单晶体结构。图示为天然结构的石英晶体外形，它是一个正六面体。石英晶体各个方向的特性是不同的。其中纵向轴z称为光轴，经过六面体棱线并垂直于光轴的x称为电轴，与x和z轴同时垂直的轴y称为机械轴。通常把沿电轴x方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“纵向压电效应”，而把沿机械轴y方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“横向压电效应”。而沿光轴z方向的力作用时不产生压电效应。

石英晶体

(a)晶体外形；(b)切割方向；(c)晶片

2．多晶压电陶瓷

压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料。材料内部的晶粒有许多自发极化的电畴，它有一定的极化方向，从而存在电场。在无外电场作用时，电畴在晶体中杂乱分布，它们各自的极化效应被相互抵消，压电陶瓷内极化强度为零。因此原始的压电陶瓷呈中性，不具有压电性质。

在陶瓷上施加外电场时，电畴的极化方向发生转动，趋向于按外电场方向的排列，从而使材料得到极化。外电场愈强，就有更多的电畴更完全地转向外电场方向。让外电场强度大到使材料的极化达到饱和的程度，即所有电畴极化方向都整齐地与外电场方向一致时，当外电场去掉后，电畴的极化方向基本变化，即剩余极化强度很大，这时的材料才具有压电特性。

3．新型压电材料

新型压电材料主要有有机压电薄膜和压电半导体等。

4．等效电路

由压电元件的工作原理可知，压电式传感器可以看作一个电荷发生器。同时，它也是一个电容器，晶体上聚集正负电荷的两表面相当于电容的两个极板，极板间物质等效于一种介质，则其电容量为

式中：A——压电片的面积；

d——压电片的厚度；

εr——压电材料的相对介电常数。

因此，压电传感器可以等效为一个与电容相串联的电压源。如图（a）所示，电容器上的电压Ua、电荷量q和电容量Ca三者关系为

压电传感器也可以等效为一个电荷源。如图（b）所示。

压电元件的等效电路

（a）电压源（b）电荷源

压电传感器在实际使用时总要与测量仪器或测量电路相连接，因此还需考虑连接电缆的等效电容Cc，放大器的输入电阻Ri,输入电容Ci以及压电传感器的泄漏电阻Ra。这样，压电传感器在测量系统中的实际等效电路，如图所示。

压电传感器的实际等效电路

（a）电压源（b）电荷源

3.4.2压电式传感器的测量电路

压电传感器本身的内阻抗很高，而输出能量较小，因此它的测量电路通常需要接入一个高输入阻抗前置放大器。其作用为：一是把它的高输出阻抗变换为低输出阻抗；二是放大传感器输出的微弱信号。压电传感器的输出可以是电压信号，也可以是电荷信号，因此前置放大器也有两种形式：电压放大器和电荷放大器。

1.电压放大器（阻抗变换器）

下图（a）、(b）是电压放大器电路原理图及其等效电路。

在图（b）中，电阻R=RaRi/(Ra+Ri)，电容C=Cc+Ci，而ua=q/Ca，若压电元件受正弦力f=Fmsinωt的作用，则其电压为

式中：Um——压电元件输出电压幅值，Um=dFm/Ca；

d——压电系数。

电压放大器电路原理及其等效电路图

（a）放大器电路（b）等效电路

2．电荷放大器

电荷放大器常作为压电传感器的输入电路，由一个反馈电容Cf和高增益运算放大器构成。由于运算放大器输入阻抗极高，放大器输入端几乎没有分流，故可略去Ra和Ri并联电阻。

式中：uo——放大器输出电压；

ucf——反馈电容两端电压。

电荷放大器等效电路

3.4.3压电式传感器的应用

1．压电式测力传感器

主要由石英晶片、绝缘套、电极、上盖及基座等组成。

2．压电式加速度传感器

主要由压电元件、质量块、预压弹簧、基座及外壳等组成。整个部件装在外壳内，并由螺栓加以固定。

3.5霍尔传感器

霍尔传感器是一种磁电式传感器。它是利用霍尔元件基于霍尔效应原理而将被测量转换成电动势输出的一种传感器。由于霍尔元件在静止状态下，具有感受磁场的独特能力，并且具有结构简单、体积小、噪声小、频率范围宽(从直流到微波)、动态范围大(输出电势变化范围可达1000:1)、寿命长等特点，因此获得了广泛应用。例如，在测量技术中用于将位移、力、加速度等量转换为电量的传感器；在计算技术中用于作加、减、乘、除、开方、乘方以及微积分等运算的运算器等。

3.5.1霍尔元件的工作原理

霍尔元件赖以工作的物理基础是霍尔效应。

1．霍尔效应

半导体薄片置于磁感应强度为B的磁场中，磁场方向垂直于薄片，当有电流I流过薄片时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势EH，这种现象称为霍尔效应。

流入激励电流端的电流I越大、作用在薄片上的磁场强度B越强，霍尔电势也就越高。

霍尔电势EH可表示为：EH=KHIB

kH为灵敏度系数，与载流材料的物理性质和几何尺寸有关，表示在单位磁感应强度和单位控制电流时的霍尔电势的大小。

2．霍尔元件的结构及特性

霍尔元件是一种四端元件。比较常用的霍尔元件有三种结构：单端引出线型、卧式型和双端引出线型。

3.5.2霍尔传感器的测量电路

3.5.3集成霍尔电路

霍尔集成电路可分为线性型和开关型两大类。

1．线性型霍尔集成电路是将霍尔元件和恒流源、线性差动放大器等做在一个芯片上，输出电压为伏级，比直接使用霍尔元件方便得多。较典型的线性型霍尔器件如UGN3501等。

2．开关型霍尔集成电路是将霍尔元件、稳压电路、放大器、施密特触发器、OC门（集电极开路输出门）等电路做在同一个芯片上。当外加磁场强度超过规定的工作点时，OC门由高阻态变为导通状态，输出变为低电平；当外加磁场强度低于释放点时，OC门重新变为高阻态，输出高电平。较典型的开关型霍尔器件如UGN3020等。

3.5.4霍尔传感器的应用

霍尔电势是关于I、B、三个变量的函数，即EH=KHIBcos。利用这个关系可以使其中两个量不变，将第三个量作为变量，或者固定其中一个量，其余两个量都作为变量。这使得霍尔传感器有许多用途。

1．电流的测量

2．位移的测量

3．角位移及转速的测量

4．运动位置的测量

另外还有霍尔特斯拉计（高斯计）、霍尔传感器用于测量磁场强度、霍尔转速表、霍尔式接近开关等。

3.6热敏传感器

热敏传感器主要有热电式和热电阻式。

3.6.1热电偶

热电偶作为温度传感器，测得与温度相应的热电动势，由仪表显示出温度值。它广泛用来测量-200℃~1300℃范围内的温度，特殊情况下，可测至2800℃的高温或4K的低温。它具有结构简单，价格便宜，准确度高，测温范围广等特点。由于热电偶将温度转化成电量进行检测，使温度的测量、控制、以及对温度信号的放大，变换都很方便，适用于远距离测量和自动控制。

1．热电偶工作原理

热电效应：两种不同材料的导体（或半导体）组成一个闭合回路，当两接点温度T和T0不同时，则在该回路中就会产生电动势的现象。

由两种导体的组合并将温度转化为热电动势的传感器叫做热电偶。

热电动势是由两种导体的接触电势（珀尔贴电势）和单一导体的温差电势（汤姆逊电势）所组成。热电动势的大小与两种导体材料的性质及接点温度有关。

接触电动势:由于两种不同导体的自由电子密度不同而在接触处形成的电动势。

温差电动势:同一导体的两端因其温度不同而产生的一种电动势。

导体内部的电子密度是不同的，当两种电子密度不同的导体A与B接触时，接触面上就会发生电子扩散，电子从电子密度高的导体流向密度低的导体。电子扩散的速率与两导体的电子密度有关并和接触区的温度成正比。设导体A和B的自由电子密度为NA和NB，且NA＞NB，电子扩散的结果使导体A失去电子而带正电，导体B则获得电子而带负电，在接触面形成电场。这个电场阻碍了电子的扩散，达到动平衡时，在接触区形成一个稳定的电位差，即接触电势，其大小为

式中，k——玻耳兹曼常数，k=1.38×10-23J/K；

e——电子电荷量，e＝1.6×10-19C；

T——接触处的温度，K；

NA，NB——分别为导体A和B的自由电子密度。

因导体两端温度不同而产生的电动势称为温差电势。由于温度梯度的存在，改变了电子的能量分布，高温（T）端电子将向低温端（T0）扩散，致使高温端因失去电子带正电，低温端因获电子而带负电。因而在同一导体两端也产生电位差，并阻止电子从高温端向低温端扩散，于是电子扩散形成动平衡，此时所建立的电位差称为温差电势即汤姆逊电势，它与温度的关系为

式中σ为汤姆逊系数，表示温差1℃所产生的电动势值，其大小与材料性质及两端的温度有关。

导体A和B组成的热电偶闭合电路在两个接点处有两个接触电势eAB(T)与eAB(T0)，又因为T＞T0，在导体A和B中还各有一个温差电势。所以闭合回路总热电动势EAB(T,T0)应为接触电动势和温差电势的代数和，即：

对于已选定的热电偶，当参考温度恒定时，总热电动势就变成测量端温度T的单值函数，即EAB(Ｔ,T0)=f(T)。这就是热电偶测量温度的基本原理。

在实际测温时，必须在热电偶闭合回路中引入连接导线和仪表。

2．热电偶基本定律

（1）中间导体定律

在热电偶回路中接入第三种材料的导体，只要其两端的温度相等，该导体的接入就不会影响热电偶回路的总热电动势。根据这一定则，可以将热电偶的一个接点断开接入第三种导体，也可以将热电偶的一种导体断开接入第三种导体，只要每一种导体的两端温度相同，均不影响回路的总热电动势。在实际测温电路中，必须有连接导线和显示仪器，若把连接导线和显示仪器看成第三种导体，只要他们的两端温度相同，则不影响总热电动势。

（2）中间温度定律

在热电偶测温回路中，tc为热电极上某一点的温度，热电偶AB在接点温度为t、t0时的热电势eAB(t,t0)等于热电偶AB在接点温度t、tc和tc、t0时的热电势eAB(t,tc)和eAB(tc,t0)的代数和，即

eAB(t,t0)=eAB(t,tc)+eAB(tc,t0)

（3）标准导体（电极）定律

如果两种导体分别与第三种导体组成的热电偶所产生的热电动势已知，则由这两种导体组成的热电偶所产生的热电动势也就已知，这个定律就称为标准电极定律。

（4）均质导体定律

由一种均质导体组成的闭合回路，不论导体的横截面积，长度以及温度分布如何均不产生热电动势。如果热电偶的两根热电极由两种均质导体组成，那么，热电偶的热电动势仅与两接点的温度有关，与热电偶的温度分布无关；如果热电极为非均质电极，并处于具有温度梯度的温场时，将产生附加电势，如果仅从热电偶的热电动势大小来判断温度的高低就会引起误差。

3．热电偶的材料与结构

（1）热电偶的材料。

适于制作热电偶的材料有300多种，其中广泛应用的有40~50种。国际电工委员会向世界各国推荐8种热电偶作为标准化热电偶，我国标准化热电偶也有8种。分别是：铂铑10-铂(分度号为S)、铂铑13-铂(R)、铂铑30-铂铑6(B)、镍铬-镍硅(K)、镍铬-康铜(E)、铁-康铜(J)、铜-康铜(T)和镍铬硅-镍硅(N)。

（2）热电偶的结构

普通型热电偶：主要用于测量气体、蒸气和液体等介质的温度。

铠装热电偶：由金属保护套管、绝缘材料和热电极三者组合成一体的特殊结构的热电

偶。

薄膜热电偶：用真空蒸镀的方法，把热电极材料蒸镀在绝缘基板上而制成。测量端既

小又薄，厚度约为几个微米左右，热容量小，响应速度快，便于敷贴。

4．热电偶冷端的温度补偿

根据热电偶测温原理，只有当热电偶的参考端的温度保持不变时，热电动势才是被测温度的单值函数。我们经常使用的分度表及显示仪表，都是以热电偶参考端的温度为0℃为先决条件的。但是在实际使用中，因热电偶长度受到一定限制，参考端温度直接受到被测介质与环境温度的影响，不仅难于保持0℃，而且往往是波动的，无法进行参考端温度修正。因此，要使变化很大的参考端温度恒定下来，通常采用以下方法：

（1）0℃恒温法

（2）冷端温度修正法

（3）补偿导线法

5．热电偶测温线路

3.6.2热电阻式传感器

1．热电阻

温度升高，金属内部原子晶格的振动加剧，从而使金属内部的自由电子通过金属导体时的阻碍增大，宏观上表现出电阻率变大，电阻值增加，我们称其为正温度系数，即电阻值与温度的变化趋势相同。

电阻温度计是利用导体或半导体的电阻值随温度的变化来测量温度的元件，它由热电阻体（感温元件），连接导线和显示或纪录仪表构成。习惯上将用作标准的热电阻体称为标准温度计，而将工作用的热电阻体直接称为热电阻。他们广泛用来测量-200~850℃范围内的温度，少数情况下，低温可至1K，高温可达1000℃。在常用的电阻温度计中，标准铂电阻温度计的准确度最高，并作为国际温标中961.78℃以下内插用标准温度计。同热电偶相比，具有准确度高，输出信号大，灵敏度高，测温范围广，稳定性好,输出线性好等特性；但结构复杂，尺寸较大，因此热相应时间长，不适于测量体积狭小和温度瞬变区域。

热电阻按感温元件的材质分金属与半导体两类。金属导体有铂、铜、镍、铑铁及铂钴合金等，在工业生产中大量使用的有铂、铜两种热电阻；半导体有锗、碳和热敏电阻等。按准确度等级分为标准电阻温度计和工业热电阻。按结构分为薄膜型和铠装型等。

(1)铂热电阻

铂的物理化学性能极为稳定，并有良好的工艺性。以铂作为感温元件具有示值稳定，测量准确度高等优点，其使用范围是－200℃~850℃。除作为温度标准外，还广泛用于高精度的工业测量。

(2)铜热电阻

铜热电阻的使用范围是-50~150℃，具有电阻温度系数大，价格便宜，互换性好等优点，但它固有电阻太小，另外铜在250℃以上易氧化。铜热电阻在工业中的应有逐渐减少。

2．热敏电阻

热敏电阻有负温度系数（NTC）和正温度系数（PTC）之分。

NTC又可分为两大类：

第一类用于测量温度，它的电阻值与温度之间呈严格的负指数关系；

第二类为突变型（CTR）。当温度上升到某临界点时，其电阻值突然下降。

热敏电阻是一种电阻值随其温度成指数变化的半导体热敏元件。广泛应用于家电、汽车、测量仪器等领域。优点如下：

(1)电阻温度系数大，灵敏度高，比一般金属电阻大10~100倍；

(2)结构简单，体积小，可以测量“点”温度；

(3)电阻率高，热惯性小，适宜动态测量；

(4)功耗小，不需要参考端补偿，适于远距离的测量与控制。缺点是阻值与温度的关系呈非线性，元件的稳定性和互换性较差。除高温热敏电阻外，不能用于350℃以上的高温。

热敏电阻是有两种以上的过渡金属Mn、Co、N、Fe等复合氧化物构成的烧结体，根据组成的不同，可以调整它的常温电阻及温度特性。多数热敏电阻具有负温度系数，即当温度升高时电阻值下降，同时灵敏度也下降。此外，还有正温度系数热敏电阻和临界温度系数热敏电阻。

3．热电阻测温电路

最常用的热电阻测温电路是电桥电路，有二线制、三线制和四线制。

3.6.3热电阻式传感器的应用

1．流量计

流量计是利用热电阻上的热量消耗与介质流速的关系测量流量、流速、风速等。

2．液面位置检测

热敏电阻通以电流时，将引起自身发热，当热敏电阻处于不同介质中时，散热程度不一致，电阻值不同。利用热电阻对液面位置检测就是根据该原理设计制作的。

作业：P67：1、3、11、12、13；课堂讨论:2、6、7、8、9

第4章数字式传感器

教学要求

1．了解各种数字式传感器的分类、结构及特点。

2．熟悉各种数字式传感器的测量转换电路。

3．掌握各种数字式传感器的应用。

教学课时7学时

教学内容：

4.1光栅数字式传感器

4.1.1光栅的分类

按原理和用途分为：

1.物理光栅，利用光的衍射现象，用于光谱分析和波长的测量。

2.计量光栅，利用莫尔现象，用于长度、角度、速度等的测量，又可分为透射式光栅和反射式光栅。

4.1.2光栅传感器的结构和工作原理

1.光栅传感器的结构

光栅传感器由光源、光栅副、光敏元件三大部分组成。

2.光栅测量原理

把两块栅距相等的光栅（光栅1、光栅2）面向对叠合在一起，中间留有很小的间隙，并使两者的栅线之间形成一个很小的夹角θ，如图所示，这样就可以看到在近于垂直栅线方向上出现明暗相间的条纹，这些条纹叫莫尔条纹。由图可见，在d-d线上，两块光栅的栅线重合，透光面积最大，形成条纹的亮带，它是由一系列四棱形图案构成的；在f-f线上，两块光栅的栅线错开，形成条纹的暗带，它是由一些黑色叉线图案组成的。因此莫尔条纹的形成是由两块光栅的遮光和透光效应形成的。

光栅莫尔条纹的形式

莫尔条纹有如下特征：

（1）莫尔条纹是由光栅的大量刻线共同形成的，对光栅的刻划误差有平均作用，从而能在很大程度上消除光栅刻线不均匀引起的误差。

（2）当指示光栅沿与栅线垂直的方向作相对移动时，莫尔条纹则沿光栅刻线方向移动（两者的运动方向相互垂直）；指示光栅反向移动，莫尔条纹亦反向移动。

（3）莫尔条纹的间距是放大了的光栅栅距，它随着指示光栅与主光栅刻线夹角而改变。由于θ很小，所以其关系可用下式表示

L＝W/sinθ≈W/θ

（4）莫尔条纹移过的条纹数与光栅移过的刻线数相等。

4.1.3光栅传感器的测量电路

光栅传感器作为一个完整的测量装置包括光栅读数头、光栅数显表两大部分。光栅读数头利用光栅原理把输入量（位移量）转换成响应的电信号；光栅数显表是实现细分、辨向和显示功能的电子系统。

1．光栅传感器的常用光路

（1）垂直透射式光路

（2）透射分光式光路

（3）反射式光路

（4）镜像式光路

2．光栅传感器的光电转换系统

光栅传感器的光电转换系统由聚光镜和光敏元件组成，光敏元件可以将光量的变化转换成电阻或电能的变化。

3．光栅传感器的辨向处理

如果传感器只安装一套光电元件，则在实际应用中，无论光栅作正向移动还是反向移动，光敏元件都产生相同的正弦信号，是无法分辨移动方向的。为此，必须设置辨向电路。

4．光栅传感器的细分原理

细分电路能在不增加光栅刻线数（线数越多，成本越昂贵）的情况下提高光栅的分辨力。

常用的细分方法有两大类：机械细分和电子细分，电子细分的两种最常用方法为：倍频细分法和电桥细分法。

（1）倍频细分法

（2）电桥细分法

4.1.4光栅传感器的应用

由于光栅具有测量精度高等一系列优点，若采用不锈钢反射式光栅，测量范围可达十几米，而且不需接长，信号抗干扰能力强，因此在国内外受到重视和推广，但必须注意防尘、防震问题。

1．光栅数显表

2．光栅传感器在位置控制中的应用

4.2磁栅数字式传感器

磁栅传感器结构：磁栅、磁头和信号处理电路等。

4.2.1磁栅的结构和种类

磁栅分类：长磁栅和圆磁栅两大类。

用途：长磁栅主要用于直接位移测量，圆磁栅主要用于角位移测量。

4.2.2磁头的结构和种类

1．动态磁头

2．静态磁头

4.2.3磁栅传感器的信号处理

1．鉴幅方式

2．鉴相方式

4.2.4磁栅传感器的应用

鉴相式磁栅数字位移显示装置

4.3感应同步器

4.3.1感应同步器的类型和结构

感应同步器根据用途的不同可分为两类：直线式同步器和旋转式同步器

1．直线式感应同步器

（1）标准型

（2）窄型

（3）带型

2．旋转式感应同步器

4.3.2感应同步器的工作原理

4.3.3感应同步器的信号处理

由感应同步器组成的检测系统，可采取不同的励磁方式，并对输出信号采取不同的处理方式。根据对输出感应电动势信号的处理方式不同，可把感应同步器的检测系统分成相位式和幅值式。

1．鉴相处理：就是根据输出感应电动势的相位来鉴别感应同步器定、滑尺间相对位移量的方法。

2．鉴幅处理：采用同频率、同相位、不同幅值的交流电压，对感应同步器滑尺两相绕组进行激励磁，就可以根据定尺绕组输出感应电动势的幅值来鉴别定、滑尺间相对位移量，叫做感应同步器输出信号的鉴幅处理。

4.3.4感应同步器的应用

鉴幅型数显表

4.4编码器

将机械转动的模拟量（位移）转换成以数字代码形式表示的电信号，这类传感器称为编码器。编码器以其高精度、高分辨率和高可靠性被广泛用于各种位移的测量。

编码器的种类很多，主要分为脉冲盘式（增量编码器）和码盘式编码器（绝对编码器）。4.4.1脉冲盘式编码器

脉冲盘式编码器又称为增量编码器，它不能直接产生几位编码输出。

1．脉冲盘式编码器的结构和工作原理

2．脉冲盘式编码器的辨向方式

3．脉冲盘式编码器的应用

4.4.2码盘式编码器

码盘式编码器又称为绝对编码器，它将角度转换为数字编码，能方便地与数字系统连接。码盘式编码器按结构可分为接触式、光电式和电磁式三种，后两种为非接触式。

1．接触式编码器：由码盘和电刷组成。

2．光电式编码器：是一种绝对编码器，即几位编码器其码盘上就有几位码道，编码器在转轴的任何位置都可以输出一个固定的与位置相对的数字码。

3．电磁式编码器：是近年发展起来的一种新型电磁敏感元件，主要优点是对潮湿气体和污染敏感，体积小，成本低。

作业:P957、8

第５章新型传感器

教学要求

1．熟悉各种新型传感器的类型。

2．了解各种新型传感器的结构、工作原理和特性。

3．熟悉各种新型传感器的应用。

教学课时8学时

教学内容：

5.1仿生传感器

人类已制造出：仿视觉传感器，仿听觉传感器，仿嗅觉传感器，以及DNA芯片等仿生传感器，这些传感器能自动捕获信息、处理信息，模仿人类的行为。最典型的代表就是机器人所用的传感器。

机器人传感器一般分为机器人外部传感器和机器人内部传感器。

5.1.1机器人内部传感器概述

1．机器人用位置检测传感器

机器人用位置检测传感器主要有微型限位开关、光电断路器和电磁式接近开关等。

2．机器人用位移检测传感器

机器人用位移检测传感器主要有直线电位器、可调变压器、磁性传感器和磁尺等。

3．机器人用角位移检测传感器

机器人用角位移检测传感器主要有旋转式电位器、旋转式可调变压器、鉴相器、光电编码器等。

4．机器人用速度检测传感器

机器人用速度检测传感器常用的有测速电机及脉冲发生器两类，它不仅可以测试速度，还可以测试动态响应补偿。

5．机器人用加速度检测传感器

机器人用加速度检测传感器主要有差动变压器型和应变仪型。

6．机器人用力检测传感器

5.1.2机器人外部传感器

表5-1机器人传感器分类

类别

检测内容

应用目的

传感器件

明暗觉

是否有光，亮度多少

判断有无对象，并得到定量结果

光敏管、光电断续器

色觉

对象的色彩及浓度

利用颜色识别对象的场合

彩色摄影机、滤色器、彩色CCD

位置觉

物体的位置、角度、距离

物体空间位置，判断物体移动

光敏阵列、CCD等

形状觉

物体的外形

提取物体轮廓及固有特征，识别物体

光敏阵列、CCD等

接触觉

与对象是否接触，接触的位置

决定对象位置，识别对象形态，控制速度，安全保障，异常停止，寻径

光电传感器、微动开关、薄膜接点、压敏高分子材料

压觉

对物体的压力、握力、压力分布

控制握力，识别握持物，测量物体弹性

压电元件、导电橡胶、压敏高分子材料

力觉

机器人有关部件（如手指）所受外力及转矩

控制手腕移动，伺服控制，正确完成作业

应变片、导电橡胶

接近觉

与对象物是否接近，接近距离，对象面的倾斜

控制位置，寻径，安全保障，异常停止

光传感器、气压传感器、超声波传感器、电涡流传感器霍尔传感器、

滑觉

垂直于握持面方向物体的位移，旋转重力引起的变形

修正握力，防止打滑，判断物体重量及表面状态

球形接点式、光电式旋转传感器角编码器、振动检测器、

1．视觉传感器

视觉检测主要利用图象信号输入设备，将视觉信号转换成电信号。信号取出方法有：MOS型和CCD型。

从功能上说，固态图像传感器能把接收到的光像分成许多小单元，并将它们转换成电信号，它的核心部分是电荷耦合器件，简称CCD。

CCD是美国贝尔实验室于1969年发明的，与电脑晶片CMOS技

术相似，也可作电脑记忆体及逻辑运作晶片。CCD是一种特殊的半导体材料，由大量独立的感光二极管组成，一般这些感光二极管按照矩阵形式排列(富士公司的SuperCCD除外)。

CCD的感光能力比PMT低，但近年来CCD技术有了长足的进步，

又由于CCD的体积小、造价低，所以广泛应用于扫描仪、数码相机及数码摄像机中。目前大多数数码相机采用的视觉传感器都是CCD。

CCD传感器又叫电荷耦合器，它是一种特殊的半导体材料，由大量独立的感光二极管组成，一般按照矩阵形式排列，相当于传统相机的胶卷。

2．听觉传感器

语音识别实质上是通过模式识别技术识别未知的输入声音。实现这种技术的大规模集成电路的声音识别电路早已问世，其典型代表：TMS320C25FNL。

3．接触觉传感器

接触觉传感器可检测机器人是否接触目标或环境，用于寻找物体或感知碰撞。

4．接近觉传感器

接近觉是一种粗略的距离感觉，接近觉传感器的主要作用是在接触对象之前获得必要的信息，用来探测在一定距离范围内是否有物体接近、物体的接近距离和对象的表面形状及倾斜等状态。在机器人中，主要用于对物体的抓取和躲避。接近觉一般用非接触式测量元件，如霍尔效应传感器、电磁式接近开关和光学接近传感器。

5．嗅觉传感器

嗅觉传感器中开发应用最广泛的是电子鼻，它由传感器阵列构成，阵列中的每个传感器覆盖着不同的具有选择性吸附化学物质能力的导电聚合物。吸附作用将改变材料的电导率，从而产生一个能测量的电信号。

5.2光纤传感器

光纤传感器是20世纪70年代中期发展起来的一种新技术，它是伴随着光纤及光通信技术的发展而逐步形成的。

光纤传感器和传统的各类传感器相比有一定的优点，如不受电磁干扰，体积小，重量轻，可绕曲，灵敏度高，耐腐蚀，高绝缘强度，防爆性好，集传感与传输于一体，能与数字通信系统兼容等。

5.2.1光纤结构

光导纤维简称光纤，它是一种特殊结构的光学纤维，由纤芯、包层和护层组成。

5.2.2光纤传感器的工作原理

众所周知，光在空间是直线传播的。在光纤中，光的传输限制在光纤中，并随着光纤能传送很远的距离，光纤的传输是基于光的全内反射。

光纤传感器原理实际上是研究光在调制区内，外界信号（温度、压力、应变、位移、振动、电场等）与光的相互作用，即研究光被外界参数的调制原理。外界信号可能引起光的强度、波长、频率、相位、偏振态等光学性质的变化，从而形成不同的调制。

光纤传感器一般分为两大类：一类是利用光纤本身的某种敏感特性或功能制成的传感器，称为功能型（FunctionalFiber，缩写为FF）传感器，又称为传感型传感器；另一类是光纤仅仅起传输光的作用，它在光纤端面或中间加装其它敏感元件感受被测量的变化，这类传感器称为非功能型（NonFunctionalFiber，缩写为NFF）传感器，又称为传光型传感器。

5.2.3光纤传感器的特点

(1)抗电磁干扰,电绝缘,耐腐蚀。

(2)灵敏度高。

(3)重量轻,体积小,可弯曲。

(4)测量对象广泛。

(5)对被测介质影响小。

光纤温度传感器是目前仅次于加速度、压力传感器而被广泛使用的光纤传感器。根据工作原理它可分为相位调制型、光强调制型和偏振光型等。

3.光纤旋涡流量传感器

光纤旋涡流量传感器是将一根多模光纤垂直地装入管道，当液体或气体流经与其垂直的光纤时，光纤受到流体涡流的作用而振动，振动的频率与流速有关。

5.3微型传感器

5.3.1电容式微型传感器

电容式微型传感器是利用蚀刻法制成的硅传感器，它的优点是耗能少、灵敏度高以及输出信号受温度影响小，常用于压力、流量和加速度的测量。

1.电容式微型压力传感器

2.电容式微型流量传感器

5.3.2电感式微型传感器

主要应用是微型磁通门式磁强计.

5.3.3压阻式微型传感器

原理：半导体材料的压阻效应，利用扩散工艺制作的四个半导体应变电阻处于同一硅片上，工艺一致性好，灵敏度相等，漂移抵消，迟滞、蠕变非常小，动态响应快。

5.3.4热敏电阻式微型传感器

主要用来测量气体的流量和流速。

5.4集成传感器

集成传感器是将传感元件、测量电路以及各种补偿元件等集成在一块芯片上，它体积小，重量轻，功能强，性能好。

5.4.1集成温度传感器

集成温度传感器是将温度传感器、放大电路、温度补偿等功能集成在同一块极小的芯片上而制成的，可以完成温度测量及信号输出功能的专用IC。按输出的信号可以分为模拟集成温度传感器和数字集成温度传感器。

1．AD590传感器性能特点

2．AD590的测温误差

3．AD590的应用

5.4.2智能压力传感器

智能压力传感器也称为数字式压力测量仪，它是把敏感元件和信号处理电路集成在一起，并把被测压力以数字的形式输出或显示的仪器。

1．压力传感器的基本结构和特性

2．温度补偿：温度补偿的方法较多，最简单的方法是在传感器和电源之间串联电阻。

3．传感器放大电路：在测量电路中使用放大器将传感器的输出电压进行放大以驱动后续的电路。

4．A/D转换器

5．电路装调及压力连接

6．校准：电路的校准包括零点校准和满量程校准两个方面。

5.5新型传感器研发的重点领域

新型传感器研发的重点领域主要有以下几个方面：

1．基于MEMS技术的新型传感器

2．生物、医学研究急需的新型传感器

3．新型环保化学传感器

4．工业过程控制和汽车传感器

第6章传感器与检测系统的信号处理技术

教学要求

1．掌握直流电桥和交流电桥电路。

2．掌握各种放大器的结构及特点。

3．掌握信号的变换形式。

教学课时6学时

教学内容：

6.1.电桥电路

6.1.1直流电桥

直流电桥平衡条件：相邻两臂电阻的比值应相等，或相对两臂电阻的乘积应相等。

按电阻应变片接入电桥电路的接法，电桥可分为：

1.单臂工作电桥：

2.等臂双臂工作电桥

3.等臂全桥工作电桥

三种工作方式中，全桥四臂工作方式的灵敏度最高，双臂半桥次之，单臂半桥灵敏度最低。采用全桥（或双臂半桥）还能实现温度自补偿。

直流电桥

6.1.2交流电桥

引入原因：由于应变电桥输出电压很小，一般都要加放大器，而直流放大器易于产生零漂，因此应变电桥多采用交流电桥。

由于供桥电源为交流电源，引线分布电容使得二桥臂应变片呈现复阻抗特性，即相当于两只应变片各并联了一个电容。

交流电桥

6.2信号的放大与隔离

从传感器来的信号有许多是毫伏级的弱信号，须经放大才能进行A/D转换。系统对放大器的主要要求是：精度高、温度漂移小、共模抑制比高、频带宽至直流。

目前常用的放大器有以下几种型式：一种是高精度、低漂移的双极型放大器；另一种为隔离放大器，它带有光电隔离或变压器隔离的低漂移信号放大器，以及一个高隔离的DC/DC电源。

6.2.1运算放大器

1．反相放大器

2．同相放大器

6.2.2测量放大器

1．测量放大器的结构与特性

具有高共模抑制比、高速度、高精度、高稳定性、高输入阻抗、低输出阻抗、低噪声的特点。

2．测量放大器集成电路（自学）

3．测量放大器的使用

（1）差动输入端的连接：要注意为偏置电流提供回路。

（2）护卫端的连接：电缆的屏蔽层应连接测量放大器的护卫端。

（3）R端、S端的连接：R端接电源地，S端接输出。

6.2.3程控测量放大器PGA

程控测量放大器PGA是通用性很强的放大器，放大倍数可通过编程进行控制。

1．浮点放大器型

2．增益电阻切换型

6.2.4隔离放大器

1．AD277型双隔离式放大器

2．AD210型三隔离式放大器

6.3信号的变换

6.3.1电压与电流转换

1．电压转换为电流：以A/D693为例

2．电流转换为电压：电阻式电流/电压转换电路

6.3.2电压与频率的相互转换

实现电压/频率转换的方法很多，主要有积分复原型和电荷平衡型。

V/F转换器常用集成芯片主要有VFC32和LM31系列。

作业：P1351、6

第7章传感器与检测系统的干扰抑制技术

教学要求

1．了解噪声干扰的来源及噪声的耦合方式。

2．掌握噪声的干扰模式。

3．掌握硬件和软件抗干扰技术。

教学课时8学时

教学内容:

7.1噪声干扰的形成

一、干扰与噪声

噪声：任何不希望有的信号，即在有用频带内的任何不希望出现的干扰。

干扰的来源：系统内部干扰；系统外部的干扰

形成干扰的三个条件：干扰源、干扰的耦合通道（耦合方式）、干扰的接收电路。

干扰的耦合方式包括电容性耦合（电路的寄生电容）、互感性耦合、公共地线的耦合、漏电耦合、辐射电磁场耦合等。

信噪比：信号通路中，有用信号功率PS与噪声功率PN之比，通常用S/N表示，即

在测量过程中应尽量提高信噪比，以减少噪声对测量结果的影响。

7.1.1噪声源

1．机械干扰

机械干扰是指机械振动或冲击使电子检测装置中的元件发生振动，改变了系统的电气参数，造成可逆或不可逆的影响。

2．湿度及化学干扰

当环境相对湿度增加时，物体表面就会附着一层水膜，并渗入材料内部，降低了绝缘强度，造成了漏电、击穿和短路现象；潮湿还会加速金属材料的腐蚀，并产生原电池电化学干扰电压；在较高的温度下，潮湿还会促使霉菌的生长，并引起有机材料的霉烂。

3．固有噪声干扰

在电路中，电子元件本身产生的、具有随机性、宽频带的噪声称为固有噪声。最重要的固有噪声源是电阻热噪声、半导体散粒噪声和接触噪声等。固有噪声可以从喇叭或耳机中反映出来，但更多的时候是反映在输出电压的无规律跳变上。

4．电、磁噪声干扰

电磁干扰源分为两大类：自然界干扰源和人为干扰源，后者是检测系统的主要干扰源。

（1）自然界干扰源包括地球外层空间的宇宙射电噪声、太阳耀斑辐射噪声以及大气层的天电噪声。后者的能量频谱主要集中在30MHz以下，对检测系统的影响较大。

（2）人为干扰源又可分为有意发射干扰源和无意发射干扰源。

7.1.2噪声的耦合方式

噪声要引起干扰必须通过一定的耦合通道或传输途径才能对检测装置的正常工作造成不良的影响。常见的干扰耦合方式主要有静电耦合、电磁耦合、共阻抗耦合和漏电流耦合。

1．静电耦合

2．电磁耦合

3．阻抗耦合

4．漏电流耦合

7.1.3噪声的干扰模式

1．差模干扰：当系统两个输入端出现很难避免的不平衡时,共模电压的一部分将转换为串模干扰

2．共模干扰：如果干扰源对两根信号传输线的干扰大小相等、相位相同,就属于共模干扰。

7.2硬件抗干扰技术

7.2.1接地技术

接地起源于强电技术，它的本意是接大地，主要着眼于安全。这种地线也称为“保安地线”。它的接地电阻值必须小于规定的数值。

对于仪器、通讯、计算机等电子技术来说，“地线”多是指电信号的基准电位，也称为“公共参考端”，它除了作为各级电路的电流通道之外，还是保证电路工作稳定、抑制干扰的重要环节。它可以接大地，也可以与大地隔绝。

检测系统中地线的种类：

（1）信号地：指传感器本身的零电位基准线。传感器可看作是测量装置的信号源，多数情况下信号较为微弱，通常传感器安装在生产设备现场，而测量装置设在离现场一定距离的控制室内，从测量装置的角度看，可以认为传感器的公共参考端就是信号源地线，它必须与测量装置进行正确的连接才能提高整个检测系统的抗干扰能力。

（2）模拟地：模拟信号的参考点。因为模拟信号电压多数情况下均较弱、易受干扰，易形成级间不希望的反馈，所以模拟信号地线的横截面积应尽量大些。

（3）数字地：数字信号的参考点。由于数字信号处于脉冲工作状态，动态脉冲电流在接地阻抗上产生的压降往往成为微弱模拟信号的干扰源，为了避免数字信号对模拟信号的干扰，两者的地线应分别设置为宜，否则会严重干扰模拟信号的测量结果。

（4）负载地：指大功率负载或感生负载的地线。负载的电流一般都比前级信号电流大得多，负载地线上的电流有可能干扰前级微弱的信号，因此负载地线必须与其他信号地线分开。例如，若误将喇叭的负极（接地线）与扩音机话筒的屏蔽线碰在一起，就相当于负载地线与信号地线合并，可能引起啸叫。又如当负载是继电器时，继电器触点闭合和断开的瞬间经常产生电火花，容易反馈到前级，造成干扰，因此应正确连接。

（5）系统地：整个系统的统一参考电位，该点称为系统地。

以上5种类型的地线，接地方式有两种：

单点接地：有串联接地和并联接地两种，主要用于低频系统。

多点接地：高频系统中，通常采用多点接地方式，各个电路或元件的地线以最短的距离就近连到地线汇流排上。

7.2.2屏蔽技术

利用金属材料制成容器，将需要防护的电路包围在其中，可以防止电场或磁场耦合干扰的方法称为屏蔽。

屏蔽可分为静电屏蔽、低频磁屏蔽、驱动屏蔽和电磁屏蔽等几种。根据不同的对象，使用不同的屏蔽方式。

1．静电屏蔽：能防止静电场的影响，可以消除或削弱两电路之间由于寄生分布电容耦合而产生的干扰。

2．电磁屏蔽：采用导电性能良好的金属材料做成屏蔽层，利用高频干扰电磁场在屏蔽体内产生涡流，再利用涡流消耗高频干扰磁场的能量，从而削弱高频电磁场的影响。

3．低频磁屏蔽：电磁屏蔽对低频磁场干扰的屏蔽效果很差，对低频磁场的屏蔽，要用导磁材料做屏蔽层，将干扰磁通限制在磁阻很小的磁屏蔽体内部，防止其干扰。

4．驱动屏蔽：就是使被屏蔽导体的电位与屏蔽导体的电位相等，能有效抑制通过寄生电容的耦合干扰。

7.2.3滤波技术

滤波器是一种允许某一频带信号通过，而阻止另一些频带通过的电子电路。滤波就是保持需要的频率成分的振幅不变，尽量减小不必要的频率成分振幅的一种信号处理方法。

滤波器分为低通滤波器和高通滤波器。

1．低通滤波器

2．高通滤波器

7.3软件抗干扰技术

7.3.1数字滤波

数字滤波由软件算法实现，不需要增加硬件设备，只要在程序进入控制算法之前，附加一段数字滤波程序。

1．中位值法

2．平均值法

3．限幅滤波

7.3.2软件冗余技术

进行软件设计时要考虑到万一程序“跑飞”，应让其自动恢复到正常状态下运行，冗余技术是常用的方法。常用的冗余技术主要有指令冗余技术、数据和程序冗余技术。

7.3.3软件陷阱技术

当乱飞程序进入非程序区或表格区时，采用冗余指令使程序入轨条件便不满足，此时可设定软件陷阱。

软件陷阱，就是用引导指令强行将捕获到的乱飞程序引向复位入口地址0000H，在此处将程序转向专门对程序出错进行处理的程序，使程序纳入正轨。

7.3.4“看门狗”技术

计算机受到干扰而失控，引起程序乱飞，也可能使程序陷入“死循环”。当指令冗余技术、软件陷阱技术不能使失控的程序摆脱“死循环”的困境时，通常采用程序监视技术，又称“看门狗”技术，使失控的程序摆脱“死循环”。

“看门狗”技术既可由硬件实现，也可由软件实现，还可由两者结合实现。

第8章典型非电参量的测试方法

教学要求

1．了解各种非电量的测量方法。

2．熟悉测量各种非电量的传感器。

教学课时10学时

教学内容：

8.1应变的测量

8.1.1简单受力状态的应变测量

简单受力状态主要是指只受单向拉伸（压缩）、只受纯弯曲或只受纯扭矩的状态。

1．单向拉伸（压缩）时的应变测量

2．纯弯曲时的应变测量

3．只受扭矩时的应变测量

8.1.2复杂受力情况下单向应力应变测量

1．受弯曲与拉伸（压缩）时的组合应变测量

2．受扭矩、拉伸（压缩）和弯曲时的组合应变测量

8.1.3平面应力状态的应力测量

1.主应力方向已知的平面应力测量

2．主应力方向未知的平面应力测量

8.2力及压力的测量

力的测量方法从大的方面将可分为之间比较法和通过采用传感器的间接比较法两类。本节主要介绍间接比较法。

根据传感器的工作原理，常用的力传感器主要有弹性式、电阻应变式力、电容式和电感式等。

8.2.1弹性力传感器

弹性力传感器主要用于压力测量。常用的测力弹性元件主要有布尔登管、膜片和波纹管三类。

1．布尔登管

波登管又叫弹簧管，它是弯成各种形状的空心管子，一般为C形，弯成270°一端固定，一端自由，截面多为扁圆形或椭圆形。

当这种弹性管一侧通入流体有一定压力时，由于内外侧的压差（外侧一般为大气压力），迫使管子的椭圆截面产生趋于变圆的变形，这种变形导致C形、螺线形和螺旋形波登管的自由端产生变位；对于扭转形波登管，输出运动则是自由端的角位移。

2．膜片

悬链型膜片是一种受温度影响较小的膜片结构。

平膜片（等截面薄板）是周边固定的圆薄板，当它的上下两面受到均匀分布的压力时，薄板弯向压力低的一面，并在薄板表面产生应力，从而把均布压力变为薄板的位移或应变。将应变片贴在薄板表面，可以组成电阻应变式压力传感器，利用薄板的位移可以组成电容式、霍尔式压力传感器。

3．波纹管

可在较低压力下得到较大的变位。它可测的压力较低，对于小直径的黄铜波纹管，最大允许压力约为1.5兆帕。

8.2.2电阻应变式力传感器

电阻应变式力传感器是根据应变效应设计制作的力传感器。应变式力传感器的测量范围大，可以从1Pa到几Mpa，且能获得很高的测量精度。常见的结构形式有筒式、膜片式和组合式等。

1．筒式压力传感器

2．膜片式压力传感器

3．组合式压力传感器

8.2.3其他力传感器

1．电容式力传感器

电容式力传感器就是把力转换成微小位移量的变化，通过测量由于移量变化引起的电容量变化的大小，从而计算出被测力的大小。

2．电感式力传感器

电感式力传感器利用磁性材料和空气导磁率不同，当压力作用在膜片上靠膜片改变空气

气隙大小，去改变固定线圈的电感，通过测量电路把电感的变化转变为相应的电压或电流输出，通过测量电压或电流从而计算出测量力的大小。

电感式力传感器按磁路特性主要分为变磁阻式和变磁导式两种

8.3位移的测量

常用位移的测量方法：机械法、光测法、电测法。

电测法：利用各种传感器将位移量变换为电量或电参数，再经后接测量仪器进一步变换

完成对位移检测的一种方法。

电测法测量位移常用的传感器有电阻式、电容式、涡流式、压电式、感应同步式、磁栅式、光电式等。

位移测试传感系统由传感器、变换电路、显示装置或记录仪器三部分组成。

8.3.1电阻式位移传感器

电阻式位移传感器是把被测位移转换成电阻变化，通过测量电阻值达到测量位移目的的一种传感器。

从上式可见，若导体的三个参数(电阻率、长度L或截面积S)中的一个或数个发生变化，则电阻值随着变化，因此可利用此原理来构成传感器。电位计和应变片就是根据这一原理制成的。

例如，

——若改变长度L，则可制成电位计；

——改变L、S则可制成电阻应变式

8.3.2电涡流式位移传感器

根据法拉第定律，当传感器线圈通以正弦交变电流I1时，线圈周围空间必然产生正弦交变磁场H1，使置于此磁场中的金属导体中感应电涡流I2，I2又产生新的交变磁场H2。

根据愣次定律，H2的作用将反抗原磁场H1，由于磁场H2的作用，涡流要消耗一部分能量，导致传感器线圈的等效阻抗发生变化。线圈阻抗的变化完全取决于被测金属导体的电涡流效应。

一般讲，线圈的阻抗变化与导体的电导率、磁导率、几何形状、线圈的几何参数、激励电流频率以及线圈到被测导体间的距离有关。如果保持某些参数不变，而只改变一个参数，传感器线圈阻抗Z就仅仅是这个参数的单值函数。通过与传感器配用的测量电路测出阻抗Z的变化量，即可实现对该参数的测量。

用于测量位移的电涡流式传感器有变间隙型、变面积型和螺管型。

变间隙型电涡流传感器

变面积型电涡流传感器

螺管型电涡流传感器

8.3.3其他位移传感器

电容式位移传感器、电感式位移传感器、感应同步器、光栅传感器、磁栅传感器和激光干涉仪等，它们主要用于大量程、精密位移的检测，可实现动态测量、自动测量和数字显示。

差动变压器式位移传感器具有良好的环境适应性，使用寿命长，灵敏度高和分辨率高的特点，是目前位移测量中应用最广的一种互感式传感器。

8.4振动的测量

振动的测量一般分为两类：一类是测量机器和设备运行过程中存在的振动，另一类是对设备施加某种激励，使其产生受迫振动，然后对它的振动状况做检测。

8.4.1测振传感器

1．磁电式速度传感器

2．电感式振动传感器

3．激光速度传感器

8.4.2激振方式

振动激励的方式主要有三类：稳态正弦激振、随机激振和瞬间激振。

1．稳态正弦激振：用激振器对被测对象施加一个稳定的单一频率的稳态正弦激振力。

2．随机激振：是一种宽带激振方法。

3．瞬间激振

8.4.3激振器

1．电动式激振器

2．电磁式激振器

3．电液式激振器

8.5流量的测量

8.5.1差压流量传感器

8.5.2涡轮流