传感器与检测技术课件

感測器與檢測技術第1章概述課程簡介1.1.1本課程的地位和作用1.1.2本課程內容體系結構按照感測器、檢測技術和自動檢測系統三大模組。感測器部分主要包括感測器的基本特性、各類傳統與新型感測器的工作原理與應用（應變式、電感式、電容式、壓電式、磁電式、熱電式、光電式、輻射與波式、數字式、智能式感測器；化學感測器、生物感測器、微感測器等）檢測技術主要包括參數檢測、微弱信號檢測、軟測量、多感測器數據融合、測量不確定度與回歸分析等檢測系統主要包括虛擬儀器和自動檢測系統等。1.1.3本課程的任務及要求“感測器與檢測技術”是一門涉及到電工電子技術、感測器技術、光電檢測技術、控制技術、電腦技術、數據處理技術、精密機械設計技術等眾多基礎理論和技術的綜合性技術，現代檢測系統通常集光、機、電於一體，軟硬體相結合。“感測器與檢測技術”課程著重培養學生掌握感測器與檢測技術基本理論、基本方法，本課程是一門實踐性很強的課程，在理論學習的同時，要求學生通過實驗和實踐熟練掌握各類典型感測器的基本原理和適用場合，掌握常用測量儀器的基本工作原理和工作性能，能合理選用常用電子儀器、測量電路等，能根據測量要求設計各類測量系統，能對測量結果進行誤差分析和數據處理等，達到理論與實踐的高度統一，突出能力的培養。1.2感測器的定義與組成感測器：能感受被測量並按照一定規律轉換成可用輸出信號的器件或裝置感測器的共性：利用物理定律或物質的物理、化學、生物等特性，將非電量轉換成電量感測器功能：檢測和轉換。敏感元件是感測器中能直接感受（或回應）被測資訊（非電量）的元件轉換元件則是指感測器中能將敏感元件的感受（或回應）資訊轉換為電信號的部分感測器的組成1.3感測器的分類按感測器的構成進行分類：物性型和結構型

按感測器的輸入量（即被測參數）進行分類：位移、速度、溫度、壓力感測器等按感測器的輸出量進行分類：模擬式和數字式按感測器的基本效應分類：物理型、化學型、生物型按感測器的工作原理進行分類：應變式、電容式、電感式、壓電式、熱電式感測器等按感測器的能量變換關係進行分類：有源（能量控制型）、無源（能量變換型）1.4感測器技術的發展感測器性能的改善開展基礎理論研究感測器的集成化感測器的智能化感測器的網路化感測器的微型化1.4.1感測器性能的改善差動技術

平均技術

補償與修正技術

遮罩、隔離與干擾抑制

穩定性處理

1.4.2開展基礎理論研究尋找新原理

開發新材料

採用新工藝

探索新功能

1.4.3感測器的集成化兩種情況：一是具有同樣功能的感測器集成化，即將同一類型的單個傳感元件用集成工藝在同一平面上排列起來，形成一維的線性感測器，從而使一個點的測量變成對一個面和空間的測量。二是不同功能的感測器集成化，即將具有不同功能的感測器與放大、運算以及溫度補償等環節一體化，組裝成一個器件，從而使一個感測器可以同時測量不同種類的多個參數。1.4.4感測器的智能化感測器與微處理器的結合：檢測、資訊處理、邏輯判斷、自診斷等作用：提高測量精度增加功能提高自動化程度1.4.5感測器的網路化主要表現為兩個方面一是為了解決現場匯流排的多樣性問題，IEEE

1451.2工作組建立了智能感測器介面模組（STIM）標準二是以IEEE

802.15.4（Zigbee）為基礎的無線感測器網路技術得以迅速發展第2章感測器的基本特性感測器的基本特性：感測器的輸入－輸出關係特性。是感測器內部結構參數作用關係的外部表現輸入信號分為：穩態、動態對應感測器特性：靜態特性、動態特性對感測器的要求：高精度－＞信號（或能量）無失真轉換－＞反映被測量的原始特徵2.1感測器的靜態特性感測器的靜態特性：在穩態信號作用下的輸入－輸出關係。不含有時間變數。線性度靈敏度解析度遲滯重複性漂移2.1.1線性度感測器的輸入、輸出間成線性關係的程度非線性特性的線性化處理2.1.2靈敏度感測器在穩態信號作用下輸出量變化對輸入量變化的比值2.1.3解析度解析度是指感測器能夠感知或檢測到的最小輸入信號增量。解析度可以用絕對值或與滿量程的百分比來表示。2.1.4遲滯在相同測量條件下，對應於同一大小的輸入信號，感測器正、反行程的輸出信號大小不相等的現象產生原因：感測器機械部分存在摩擦、間隙、鬆動、積塵等2.1.5重複性感測器在輸入量按同一方向作全量程多次測試時所得輸入－輸出特性曲線一致的程度2.1.6漂移感測器在輸入量不變的情況下，輸出量隨時間變化的現象產生原因：感測器自身結構參數老化測試過程中環境發生變化2.2感測器的動態特性是指感測器對動態激勵（輸入）的回應（輸出）特性，即其輸出對隨時間變化的輸入量的回應特性一個動態特性好的感測器，其輸出隨時間變化的規律，將能再現輸入隨時間變化的規律，即具有相同的時間函數動態特性分析2.2.1感測器的數學模型線性時不變系統理論來描述感測器的動態特性用常係數線性微分方程（線性定常系統）表示感測器輸出量與輸入量的關係線性時不變系統有兩個重要的性質疊加性如果則：頻率保持特性如果則：2.2.2傳遞函數特性關係式：拉氏變換：變形：傳遞函數：2.2.3頻率回應函數傅立葉變換得到頻率回應特性：指數表示：幅頻特性：相頻特性：2.2.4感測器的動態特性分析1、一階感測器的頻率回應2、二階感測器的頻率回應2.3感測器的標定與校準感測器的標定是利用某種標準儀器對新研製或生產的感測器進行技術檢定和標度；它是通過實驗建立感測器輸入量與輸出量間的關係，並確定出不同使用條件下的誤差關係或測量精度。感測器的校準是指對使用或儲存一段時間後的感測器性能進行再次測試和校正，校準的方法和要求與標定相同。2.3.1靜態標定感測器的靜態標定是在輸入信號不隨時間變化的靜態標準條件下確定感測器的靜態特性指標，如線性度、靈敏度、遲滯、重複性等。靜態標準是指沒有加速度、沒有振動、沒有衝擊（如果它們本身是被測量除外）及環境溫度一般為室溫（20±5℃），相對濕度不大於85%，大氣壓力為7kPa的情形。2.3.2動態標定動態標定主要是研究感測器的動態回應特性。常用的標準激勵信號源是正弦信號和階躍信號。根據感測器的動態特性指標，感測器的動態標定主要涉及到一階感測器的時間常數，二階感測器的固有角頻率和阻尼係數等參數的確定。第4章電感式感測器4.1變磁阻式感測器

4.2差動變壓器式感測器4.3電渦流式感測器電感式感測器的工作基礎：電磁感應即利用線圈電感或互感的改變來實現非電量測量分為變磁阻式、變壓器式、渦流式等特點：工作可靠、壽命長靈敏度高，分辨力高精度高、線性好性能穩定、重複性好4.1變磁阻式感測器（自感式）4.1.1工作原理

變磁阻式感測器由線圈、鐵芯和銜鐵三部分組成。鐵芯和銜鐵由導磁材料製成。在鐵芯和銜鐵之間有氣隙，感測器的運動部分與銜鐵相連。當銜鐵移動時，氣隙厚度δ發生改變，引起磁路中磁阻變化，從而導致電感線圈的電感值變化，因此只要能測出這種電感量的變化，就能確定銜鐵位移量的大小和方向。線圈中電感量可由下式確定：

根據磁路歐姆定律：式中,Rm為磁路總磁阻。（4-1）（4-2）氣隙很小，可以認為氣隙中的磁場是均勻的。若忽略磁路磁損，則磁路總磁阻為（4-3）通常氣隙磁阻遠大於鐵芯和銜鐵的磁阻，即（4-4）則式（4-3）可寫為（4-5）聯立式（4-1）、式（4-2）及式（4-5），可得（4-6）

上式表明：當線圈匝數為常數時，電感L僅僅是磁路中磁阻Rm的函數，改變δ或A0均可導致電感變化，因此變磁阻式感測器又可分為變氣隙厚度δ的感測器和變氣隙面積A0的感測器。目前使用最廣泛的是變氣隙厚度式電感感測器。4.1.2輸出特性L與δ之間是非線性關係，特性曲線如圖5-2所示。圖4-2變隙式電壓感測器的L-δ特性分析：當銜鐵處於初始位置時，初始電感量為（4-7）

當銜鐵上移Δδ時，感測器氣隙減小Δδ，即δ=δ0－Δδ，則此時輸出電感為（4-8）當Δδ/δ0<<1時（臺勞級數）：（4-9）可求得電感增量ΔL和相對增量ΔL/L0的運算式，即(4-10)(4-11)同理，當銜鐵隨被測體的初始位置向下移動Δδ時，有（4-12）（4-13）對式（4-11）、（4-13）作線性處理，即忽略高次項後，可得（4-14）靈敏度為可見：變間隙式電感感測器的測量範圍與靈敏度及線性度相矛盾，因此變隙式電感式感測器適用於測量微小位移的場合。（4-15）與銜鐵上移切線斜率變大銜鐵下移切線斜率變小與線性度銜鐵上移：銜鐵下移：無論上移或下移，非線性都將增大。差動變隙式電感感測器為了減小非線性誤差，實際測量中廣泛採用差動變隙式電感感測器。銜鐵上移Δδ：兩個線圈的電感變化量ΔL1、ΔL2分別由式（4-10）及式（4-12）表示，差動感測器電感的總變化量ΔL=ΔL1+ΔL2,具體運算式為對上式進行線性處理,即忽略高次項得靈敏度K0為比較單線圈式和差動式：①差動式變間隙電感感測器的靈敏度是單線圈式的兩倍。②差動式的非線性項(忽略高次項)：單線圈的非線性項（忽略高次項)：由於Δδ/δ0<<1，因此，差動式的線性度得到明顯改善。4.1.3測量電路

電感式感測器的測量電路有交流電橋式、變壓器式交流電橋以及諧振式等。

1.交流電橋式測量電路當銜鐵下移時：變壓器式交流電橋2.變壓器式交流電橋

電橋兩臂Z1、Z2為感測器線圈阻抗，另外兩橋臂為交流變壓器次級線圈的1/2阻抗。當負載阻抗為無窮大時，橋路輸出電壓

當感測器的銜鐵處於中間位置，即Z1=Z2=Z，此時有 ，電橋平衡。當感測器銜鐵上移：如Z1=Z+ΔZ，Z2=Z－ΔZ，(4-25)當感測器銜鐵下移：如Z1=Z－ΔZ，Z2=Z+ΔZ，此時(4-26)可知：銜鐵上下移動相同距離時，輸出電壓相位相反，大小隨銜鐵的位移而變化。由於是交流電壓，輸出指示無法判斷位移方向，必須配合相敏檢波電路來解決。3.諧振式測量電路分為：諧振式調幅電路和諧振式調頻電路。調幅電路特點：此電路靈敏度很高，但線性差，適用於線性度要求不高的場合。

調頻電路：振盪頻率 。當L變化時，振盪頻率隨之變化，根據f的大小即可測出被測量的值。具有嚴重的非線性關係。4.1.4變磁阻式感測器的應用變隙電感式壓力感測器結構圖

當壓力進入膜盒時，膜盒的頂端在壓力P的作用下產生與壓力P大小成正比的位移，於是銜鐵也發生移動，從而使氣隙發生變化，流過線圈的電流也發生相應的變化，電流錶A的指示值就反映了被測壓力的大小。

當被測壓力進入C形彈簧管時，C形彈簧管產生變形，其自由端發生位移，帶動與自由端連接成一體的銜鐵運動，使線圈1和線圈2中的電感發生大小相等、符號相反的變化。即一個電感量增大，另一個電感量減小。電感的這種變化通過電橋電路轉換成電壓輸出。由於輸出電壓與被測壓力之間成比例關係，所以只要用檢測儀錶測量出輸出電壓，即可得知被測壓力的大小。變隙式差動電感壓力感測器4.2差動變壓器式感測器（互感式）

把被測的非電量變化轉換為線圈互感變化的感測器稱為互感式感測器。這種感測器是根據變壓器的基本原理製成的，並且次級繞組用差動形式連接，故稱差動變壓器式感測器。差動變壓器結構形式：變隙式、變面積式和螺線管式等。在非電量測量中，應用最多的是螺線管式差動變壓器，它可以測量1～100mm機械位移，並具有測量精度高、靈敏度高、結構簡單、性能可靠等優點。4.2.1變隙式差動變壓器

1.工作原理

假設：初級繞組W1a=W1b=W1，次級繞組和W2a=W2b=W2兩個初級繞組的同名端順向串聯，兩個次級繞組的同名端則反相串聯。

當沒有位移時，銜鐵C處於初始平衡位置，它與兩個鐵芯的間隙有δa0=δb0=δ0，則繞組W1a和W2a間的互感Ma與繞組W1b和W2b的互感Mb相等，致使兩個次級繞組的互感電勢相等，即e2a=e2b。由於次級繞組反相串聯，因此，差動變壓器輸出電壓Uo=e2a-e2b=0。當被測體有位移時，與被測體相連的銜鐵的位置將發生相應的變化，使δa≠δb，互感Ma≠Mb，兩次級繞組的互感電勢e2a≠e2b，輸出電壓Uo=e2a-e2b≠0，即差動變壓器有電壓輸出，此電壓的大小與極性反映被測體位移的大小和方向。..

2.輸出特性在忽略鐵損（即渦流與磁滯損耗忽略不計）、漏感以及變壓器次級開路（或負載阻抗足夠大）的條件下，等效電路。r1a與L1a,r1b與L1b,r2a與L2a,r2b與L2b，分別為W1a,W1b,W2a,W2b繞阻的直流電阻與電感。當r1a<<ωL1a，r1b<<ωL1b時，如果不考慮鐵芯與銜鐵中的磁阻影響，可得變隙式差動變壓器輸出電壓Uo的運算式，即.分析：當銜鐵處於初始平衡位置時，因δa=δb=δ0，則Uo=0。但是如果被測體帶動銜鐵移動，例如向上移動Δδ（假設向上移動為正）時，則有δa=δ0-Δδ，δb=δ0+Δδ，代入上式可得.

上式表明：變壓器輸出電壓Uo與銜鐵位移量Δδ/δ0成正比。

“－”號的意義:當銜鐵向上移動時，Δδ/δ0定義為正，變壓器輸出電壓Uo與輸入電壓Ui反相（相位差180°）；而當銜鐵向下移動時，Δδ/δ0則為-|Δδ/δ0|，表明Uo與Ui同相。圖4.12所示為變隙式差動變壓器輸出電壓Uo與位移Δδ的關係曲線。變隙式差動變壓器靈敏度K的運算式為圖4.12變隙式差動變壓器輸出特性

分析結論：①首先，供電電源Ui要穩定（獲取穩定的輸出特性）；其次，電源幅值的適當提高可以提高靈敏度K值，但要以變壓器鐵芯不飽和以及允許溫升為條件。②增加W2/W1的比值和減小δ0都能使靈敏度K值提高。（W2/W1影響變壓器的體積及零點殘餘電壓。一般選擇感測器的δ0為0.5mm。）③以上分析的結果是在忽略鐵損和線圈中的分佈電容等條件下得到的，如果考慮這些影響，將會使感測器性能變差（靈敏度降低，非線性加大等）。但是，在一般工程應用中是可以忽略的。④以上結果是在假定工藝上嚴格對稱的前提下得到的，而實際上很難做到這一點，因此感測器實際輸出特性存在零點殘餘電壓ΔUo。⑤變壓器副邊開路的條件對由電子線路構成的測量電路來講容易滿足，但如果直接配接低輸入阻抗電路，須考慮變壓器副邊電流對輸出特性的影響。4.2.2螺線管式差動變壓器

1.工作原理

兩個次級線圈反相串聯，並且在忽略鐵損、導磁體磁阻和線圈分佈電容的理想條件下,其等效電路。當初級繞組加以激勵電壓U時,根據變壓器的工作原理,在兩個次級繞組W2a和W2b中便會產生感應電勢E2a和E2b。如果工藝上保證變壓器結構完全對稱,則當活動銜鐵處於初始平衡位置時,必然會使兩互感係數M1=M2。根據電磁感應原理,將有E2a=E2b。由於變壓器兩次級繞組反相串聯,因而Uo=E2a-E2b=0,即差動變壓器輸出電壓為零。

當活動銜鐵向上移動時,由於磁阻的影響，W2a中磁通將大於W2b，使M1>M2，因而E2a增加，而E2b減小。反之，E2b增加，E2a減小。因為Uo=E2a-E2b，所以當E2a、E2b

隨著銜鐵位移x變化時，Uo也必將隨x而變化。當銜鐵位於中心位置時，差動變壓器輸出電壓並不等於零，我們把差動變壓器在零位移時的輸出電壓稱為零點殘餘電壓，記作ΔUo，它的存在使感測器的輸出特性不經過零點，造成實際特性與理論特性不完全一致。零點殘餘電壓產生原因：主要是由感測器的兩次級繞組的電氣參數和幾何尺寸不對稱，以及磁性材料的非線性等引起的。零點殘餘電壓的波形十分複雜，主要由基波和高次諧波組成。基波產生的主要原因是：感測器的兩次級繞組的電氣參數、幾何尺寸不對稱，導致它們產生的感應電勢幅值不等、相位不同，因此不論怎樣調整銜鐵位置，兩線圈中感應電勢都不能完全抵消。高次諧波（主要是三次諧波）產生原因：是磁性材料磁化曲線的非線性（磁飽和、磁滯）。零點殘餘電壓一般在幾十毫伏以下，在實際使用時，應設法減小Ux，否則將會影響感測器的測量結果。2.基本特性根據差動變壓器等效電路。當次級開路時式中：U——初級線圈激勵電壓；

ω——激勵電壓U的角頻率；

I1——初級線圈激勵電流；

r1、

L1——初級線圈直流電阻和電感。..根據電磁感應定律，次級繞組中感應電勢的運算式分別為

由於次級兩繞組反相串聯，且考慮到次級開路，則由以上關係可得

上式說明，當激磁電壓的幅值U和角頻率ω、初級繞組的直流電阻r1及電感L1為定值時，差動變壓器輸出電壓僅僅是初級繞組與兩個次級繞組之間互感之差的函數。只要求出互感M1和M2對活動銜鐵位移x的關係式，可得到螺線管式差動變壓器的基本特性運算式。輸出電壓的有效值為分析……

①活動銜鐵處於中間位置時M1=M2=M

故Uo=0②活動銜鐵向上移動時M1=M+ΔM，M2=M-ΔM

故與E2a同極性。.③活動銜鐵向下移動時M1=M-ΔM，M2=M+ΔM

故與E2b同極性。.3.差動變壓器式感測器測量電路

問題：（1）差動變壓器的輸出是交流電壓(用交流電壓表測量，只能反映銜鐵位移的大小，不能反映移動的方向);（2）測量值中將包含零點殘餘電壓。為了達到能辨別移動方向和消除零點殘餘電壓的目的，實際測量時，常常採用差動整流電路和相敏檢波電路。

(1)差動整流電路這種電路是把差動變壓器的兩個次級輸出電壓分別整流，然後將整流的電壓或電流的差值作為輸出。

從圖（c）電路結構可知，不論兩個次級線圈的輸出暫態電壓極性如何，流經電容C1的電流方向總是從2到4，流經電容C2的電流方向總是從6到8，故整流電路的輸出電壓為

當銜鐵在零位時，因為U24=U68，所以U2=0；當銜鐵在零位以上時，因為U24>U68

，則U2>0；而當銜鐵在零位以下時，則有U24<U68，則U2<0。U2的正負表示銜鐵位移的方向。..........(2)相敏檢波電路輸入信號u2(差動變壓器式感測器輸出的調幅波電壓)通過變壓器T1加到環形電橋的一個對角線上。參考信號us通過變壓器T2加到環形電橋的另一個對角線上。輸出信號uo從變壓器T1與T2的中心抽頭引出。平衡電阻R起限流作用，以避免二極體導通時變壓器T2的次級電流過大。RL為負載電阻。us的幅值要遠大於輸入信號u2的幅值，以便有效控制四個二極體的導通狀態，且us和差動變壓器式感測器激磁電壓u1由同一振盪器供電，保證二者同頻同相（或反相）。

根據變壓器的工作原理，考慮到O、M分別為變壓器T1、T2的中心抽頭，則

採用電路分析的基本方法

當u0與uy’均為負半周時：二極體VD2、VD3截止，VD1、VD4導通。輸出電壓uo運算式相同。說明只要位移Δx>0，不論u0與uy’是正半周還是負半周，負載電阻RL兩端得到的電壓始終為正。當Δx<0時：u0與uy’為同頻反相。不論u0與uy’是正半周還是負半周，負載電阻RL兩端得到的輸出電壓運算式總是為4.差動變壓器式感測器的應用

可直接用於位移測量，也可以測量與位移有關的任何機械量，如振動、加速度、應變、比重、張力和厚度等。電感式滾珠直徑分選裝置實現按滾珠直徑大小分類並計數圖4.22差動變壓器式加速度感測器原理圖

差動變壓器式加速度感測器:由懸臂梁和差動變壓器構成。測量時，將懸臂梁底座及差動變壓器的線圈骨架固定，而將銜鐵的A端與被測振動體相連，此時感測器作為加速度測量中的慣性元件，它的位移與被測加速度成正比，使加速度測量轉變為位移的測量。當被測體帶動銜鐵以Δx(t)振動時，導致差動變壓器的輸出電壓也按相同規律變化。4.3電渦流式感測器（互感式）4.3.1工作原理電渦流式感測器原理圖（a）感測器激勵線圈;（b）被測金屬導體

根據法拉第定律，當感測器線圈通以正弦交變電流I1時，線圈周圍空間必然產生正弦交變磁場H1，使置於此磁場中的金屬導體中感應電渦流I2，I2又產生新的交變磁場H2。根據愣次定律，H2的作用將反抗原磁場H1，由於磁場H2的作用，渦流要消耗一部分能量，導致感測器線圈的等效阻抗發生變化。線圈阻抗的變化完全取決於被測金屬導體的電渦流效應。式中,r為線圈與被測體的尺寸因數。

測量方法：如果保持上式中其他參數不變，而只改變其中一個參數，感測器線圈阻抗Z就僅僅是這個參數的單值函數。通過與感測器配用的測量電路測出阻抗Z的變化量，即可實現對該參數的測量。Z=F(ρ,μ,r,f,x)

感測器線圈受電渦流影響時的等效阻抗Z的函數關係式為4.3.2基本特性電渦流式感測器簡化模型

電渦流感測器簡化模型中，把在被測金屬導體上形成的電渦流等效成一個短路環，即假設電渦流僅分佈在環體之內，模型中h（電渦流的貫穿深度）可由下式求得：式中,f為線圈激磁電流的頻率。電渦流式感測器等效電路圖

根據簡化模型，可畫出等效電路圖。圖中R2為電渦流短路環等效電阻，其運算式為根據基爾霍夫第二定律，可列出如下方程：解得等效阻抗Z的運算式為線圈的等效品質因數Q值為可見：因渦流效應，線圈的品質因素Q下降。4.3.3電渦流感測器測量電路

主要有調頻式、調幅式電路兩種。

1.調頻式電路

感測器線圈接入LC振盪回路，當感測器與被測導體距離x改變時，在渦流影響下，感測器的電感變化，將導致振盪頻率的變化，該變化的頻率是距離x的函數，即f=L(x),該頻率可由數字頻率計直接測量，或者通過f-V變換，用數字電壓表測量對應的電壓。振盪器的頻率為為了避免輸出電纜的分佈電容的影響，通常將L、C裝在感測器內。此時電纜分佈電容並聯在大電容C2、C3上，因而對振盪頻率f的影響將大大減小。

2.調幅式電路由感測器線圈L、電容器C和石英晶體組成。石英晶體振盪器起恒流源的作用，給諧振回路提供一個頻率（f0）穩定的激勵電流io，LC回路輸出電壓式中,Z為LC回路的阻抗。

當金屬導體遠離或去掉時，LC並聯諧振回路諧振頻率即為石英振盪頻率fo，回路呈現的阻抗最大，諧振回路上的輸出電壓也最大；當金屬導體靠近感測器線圈時，線圈的等效電感L發生變化，導致回路失諧，從而使輸出電壓降低，L的數值隨距離x的變化而變化。因此，輸出電壓也隨x而變化。輸出電壓經放大、檢波後，由指示儀錶直接顯示出x的大小。除此之外，交流電橋也是常用的測量電路。4.3.4電渦流式感測器的應用1、位移測量2、振幅測量3、轉速測量4、無損探傷第5章電容式感測器主要內容5.1電容式感測器的工作原理5.2變極距型電容式感測器的非線性5.3電容式感測器的等效電路5.4電容式感測器的信號調節電路5.5電容式感測器的應用電容式感測器利用了將非電量的變化轉換為電容量的變化來實現對物理量的測量。廣泛用於位移、振動、角度、加速度以及壓力、差壓、液面（料位）、成份含量等方面的測量。特點：結構簡單、體積小、解析度高；可實現非接觸式測量；動態回應好；能在高溫、輻射和強振動等惡劣條件下工作；電容量小，功率小，輸出阻抗高，負載能力差，易受外界干擾產生不穩定現象。5.1電容式感測器的工作原理在實際使用中，通常保持其中兩個參數不變，而只變其中一個參數，把該參數的變化轉換成電容量的變化，通過測量電路轉換為電量輸出。電容式感測器可分為三種：變極板間距離的變極距型改變極板面積的變面積型改變介質介電常數的變介質型電容式感測器的結構5.1.1變面積型電容式感測器電容改變量與水準位移成線性關係電容改變量與角位移呈線性關係5.1.2變極距型電容式感測器簡化：近似直線關係擊穿問題一般極板間距在25～200um範圍內，而最大位移應小於間距的十分之一，因此這種電容式感測器主要用於微位移測量。5.1.3變介質型電容式感測器電容增量與被測液位的高度成線性關係變極距型電容式感測器的非線性單位輸入位移所引起的輸出電容量變化與成反比關係非線性誤差非線性誤差：差動結構差動的好處靈敏度得到一倍的改善線性度得到改善5.2電容式感測器的測量電路5.2.1調頻電路5.2.2變壓器式交流電橋5.2.3運算放大器對平板電容器：

輸出電壓與輸入位移間存在線性關係

5.2.4二極體雙T型交流電橋當感測器沒有輸入時，

C1＝C2一個週期內流過負載的平均電流為0當感測器有輸入時，C1！＝C25.2.5脈衝寬度調製電路變極距型：變面積型：差動脈沖寬度調製電路適用於變極板距離和變面積式差動電容感測器，且為線性特性。5.3電容式感測器的應用5.3.1電容式壓力感測器5.3.2電容式位移感測器5.3.3電容式加速度感測器5.3.4電容式厚度感測器第6章壓電式感測器主要內容6.1

工作原理6.2壓電式感測器測量電路6.3壓電式感測器的應用6.1.1壓電效應壓電效應：是對某些電介質沿一定方向施以外力使其變形時，其內部將產生極化現象而使其表面出現電荷集聚的現象。在外力去除後又重新恢復到不帶電狀態，是機械能轉變為電能。正壓電效應，逆壓電效應特點：結構簡單、體積小、重量輕；工作頻帶寬；靈敏度高；信噪比高；工作可靠；測量範圍廣等。用途：主要用於與力相關的動態參數測試，如動態力、機械衝擊、振動等，它可以把加速度、壓力、位移、溫度等許多非電量轉換為電量。6.1.2壓電材料X軸向受力：Y軸向受力：Z軸向受力：無石英晶體（單晶體）現象：機理：機理：壓電陶瓷（多晶體）

壓電機理：壓電陶瓷是人工製造的多晶體壓電材料。材料內部的晶粒有許多自發極化的電疇，它有一定的極化方向，從而存在電場。在無外電場作用時，電疇在晶體中雜亂分佈，它們各自的極化效應被相互抵消，壓電陶瓷內極化強度為零。因此原始的壓電陶瓷呈中性，不具有壓電性質。在陶瓷上施加外電場時，電疇的極化方向發生轉動，趨向於按外電場方向的排列，從而使材料得到極化。外電場愈強，就有更多的電疇更完全地轉向外電場方向。讓外電場強度大到使材料的極化達到飽和的程度，即所有電疇極化方向都整齊地與外電場方向一致時，當外電場去掉後，電疇的極化方向基本變化，即剩餘極化強度很大，這時的材料才具有壓電特性。

極化處理後陶瓷材料內部存在有很強的剩餘極化，當陶瓷材料受到外力作用時，電疇的界限發生移動，電疇發生偏轉，從而引起剩餘極化強度的變化，因而在垂直於極化方向的平面上將出現極化電荷的變化。這種因受力而產生的由機械效應轉變為電效應，將機械能轉變為電能的現象，就是壓電陶瓷的正壓電效應。電荷量的大小與外力成如下的正比關係：式中：

d33——

壓電陶瓷的壓電係數；

F——作用力。

壓電陶瓷的壓電係數比石英晶體的大得多，所以採用壓電陶瓷製作的壓電式感測器的靈敏度較高。極化處理後的壓電陶瓷材料的剩餘極化強度和特性與溫度有關，它的參數也隨時間變化，從而使其壓電特性減弱。最早使用的壓電陶瓷材料是鈦酸鋇（BaTiO3）。它的壓電係數約為石英的50倍，但居裏點溫度只有115℃，使用溫度不超過70℃，溫度穩定性和機械強度都不如石英。目前使用較多的壓電陶瓷材料是鋯鈦酸鉛（PZT）系列，它是鈦酸鉛（PbTiO2）和鋯酸鉛（PbZrO3）組成的（Pb（ZrTi）O3）。居裏點在300℃以上，性能穩定，有較高的介電常數和壓電係數壓電高分子材料高分子材料屬於有機分子半結晶或結晶聚合物，其壓電效應較複雜，不僅要考慮晶格中均勻的內應變對壓電效應的貢獻，還要考慮高分子材料中作非均勻內應變所產生的各種高次效應以及同整個體系平均變形無關的電荷位移而表現出來的壓電特性。目前已發現的壓電係數最高、且已進行應用開發的壓電高分子材料是聚偏氟乙烯，其壓電效應可採用類似鐵電體的機理來解釋。這種聚合物中碳原子的個數為奇數，經過機械滾壓和拉伸製作成薄膜之後，帶負電的氟離子和帶正電的氫離子分別排列在薄膜的對應上下兩邊上，形成微晶偶極矩結構，經過一定時間的外電場和溫度聯合作用後，晶體內部的偶極矩進一步旋轉定向，形成垂直於薄膜平面的碳－氟偶極矩固定結構。正是由於這種固定取向後的極化和外力作用時的剩餘極化的變化，引起了壓電效應。壓電材料的特性參數壓電係數彈性係數介電常數機電耦合係數電阻居裏點壓電材料的選取選用合適的壓電材料是設計、製作高性能感測器的關鍵。一般應考慮：轉換性能機械性能電性能溫度、濕度穩定性好時間穩定性6.2壓電式感測器的等效電路壓電式感測器的測量電路電荷放大器電壓放大器6.2.3壓電元件的連接與變形壓電元件的連接

單片壓電元件產生的電荷量甚微，為了提高壓電傳感器的輸出靈敏度，在實際應用中常採用兩片（或兩片以上）同型號的壓電元件粘結在一起。從作用力看，元件是串接的，因而每片受到的作用力相同，產生的變形和電荷數量大小都與單片時相同。圖a）從電路上看，這是並聯接法，類似兩個電容的並聯。所以，外力作用下正負電極上的電荷量增加了1倍，電容量也增加了1倍，輸出電壓與單片時相同。圖b）從電路上看是串聯的，兩壓電片中間粘接處正負電荷中和，上、下極板的電荷量與單片時相同，總電容量為單片的一半，輸出電壓增大了1倍。

壓電元件的變形6.3壓電式感測器的應用6.3.1壓電式力感測器6.3.2壓電式加速度感測器第7章磁敏式感測器主要內容

7.1磁電感應式感測器7.2霍爾式感測器7.1磁電感應式感測器

磁電感應式感測器又稱磁電式感測器，是利用電磁感應原理將被測量（如振動、位移、轉速等）轉換成電信號的一種感測器。它不需要輔助電源，就能把被測對象的機械量轉換成易於測量的電信號，是一種有源感測器。由於它輸出功率大，且性能穩定，具有一定的工作帶寬（10～1000Hz），所以得到普遍應用。7.1.1工作原理根據電磁感應定律，當導體在穩恒均勻磁場中，沿垂直磁場方向運動時，導體內產生的感應電勢為

恒磁通式感測器

工作原理：

磁路系統產生恒定的直流磁場，磁路中的工作氣隙固定不變，因而氣隙中磁通也是恒定不變的。其運動部件可以是線圈（動圈式），也可以是磁鐵（動鐵式），動圈式（圖（a））和動鐵式（圖(b)）的工作原理是完全相同的。當殼體隨被測振動體一起振動時，由於彈簧較軟，運動部件品質相對較大，當振動頻率足夠高（遠大於感測器固有頻率）時，運動部件慣性很大，來不及隨振動體一起振動，近乎靜止不動，振動能量幾乎全被彈簧吸收，永久磁鐵與線圈之間的相對運動速度接近於振動體振動速度，磁鐵與線圈的相對運動切割磁力線，從而產生感應電勢。變磁通式磁電傳感器結構圖(a)開磁路；(b)閉磁路變磁通式磁電傳感器

圖（a）為開磁路變磁通式：線圈、磁鐵靜止不動，測量齒輪安裝在被測旋轉體上，隨被測體一起轉動。每轉動一個齒，齒的凹凸引起磁路磁阻變化一次，磁通也就變化一次，線圈中產生感應電勢，其變化頻率等於被測轉速與測量齒輪上齒數的乘積。這種感測器結構簡單，但輸出信號較小，且因高速軸上加裝齒輪較危險而不宜測量高轉速的場合。

圖(b)為閉磁路變磁通式感測器，它由裝在轉軸上的內齒輪和外齒輪、永久磁鐵和感應線圈組成，內外齒輪齒數相同。當轉軸連接到被測轉軸上時，外齒輪不動，內齒輪隨被測軸而轉動，內、外齒輪的相對轉動使氣隙磁阻產生週期性變化，從而引起磁路中磁通的變化，使線圈內產生週期性變化的感應電動勢。顯然，感應電勢的頻率與被測轉速成正比。

7.1.2磁電感應式感測器基本特性當測量電路接入磁電傳感器電路時，磁電傳感器的輸出電流Io為式中：

Rf——測量電路輸入電阻；

R——線圈等效電阻。感測器的電流靈敏度為==

而感測器的輸出電壓和電壓靈敏度分別為

B值大，靈敏度也大，因此要選用B值大的永磁材料；線圈的平均長度大也有助於提高靈敏度，但這是有條件的，要考慮兩種情況：線圈電阻與指示器電阻匹配問題如圖7.3所示，因感測器相當於一個電壓源，為使指示器從感測器獲得最大功率，必須使線圈的電阻等於指示器的電阻。線圈的發熱問題感測器線圈產生感應電動勢，接上負載後，線圈中有電流流過而發熱。測量誤差

當感測器的工作溫度發生變化或受到外界磁場干擾、受到機械振動或衝擊時，其靈敏度將發生變化，從而產生測量誤差，其相對誤差為非線性誤差

主要原因：當磁電式感測器在進行測量時，感測器線圈會有電流流過，這時線圈會產生一定的交變磁通，此交變磁通會疊加在永久磁鐵產生的感測器工作磁通上，導致氣隙磁通變化。這種影響分為兩種情況溫度誤差

溫度誤差補償辦法：在結構允許的情況下，在感測器的磁鐵下設置熱磁分路，進行溫度補償。動態特性

當被測物振動頻率低於感測器的固有頻率時，感測器的靈敏度是隨振動頻率的升高而明顯增加的；當振動頻率遠大於感測器固有頻率時，感測器的靈敏度接近為一個常數，它基本上不隨頻率變化，即在這一頻率範圍內，感測器的輸出電壓與振動速度成正比關係，這一頻段就是感測器的理想工作頻段；在振動頻率更高（過大）的情況下，線圈阻抗增加，感測器靈敏度會隨著振動頻率的增加反而下降。7.1.2測量電路7.1.3磁電感應式感測器的應用磁電感應式振動速度感測器

磁電感應式扭矩感測器電磁流量計7.2霍爾式感測器當載流導體或半導體處於與電流相垂直的磁場中時，在其兩端將產生電位差，這一現象被稱為霍爾效應。霍爾效應產生的電動勢被稱為霍爾電勢。霍爾效應的產生是由於運動電荷受磁場中洛倫茲力作用的結果。霍爾元件霍爾元件基本特性

線性特性與開關特性不等位電阻負載特性溫度特性霍爾元件的零位誤差及補償

不等位電動勢的補償寄生直流電動勢的補償元件在製作安裝時，儘量做到使電極歐姆接觸，並做到均勻散熱。歐姆接觸：金屬與半導體的接觸，其接觸面的電阻值遠小於半導體本身的電阻。霍爾元件的溫度誤差及其補償7.2.2測量電路7.2.3霍爾式感測器的應用微位移的測量

轉速的測量

壓力的測量

第8章熱電式感測器8.1熱電偶感測器8.2熱電阻感測器8.3熱敏電阻感測器

教學基本要求和重點掌握有關熱電偶、熱電阻和熱敏電阻的基本概念掌握三類熱電式感測器的基本工作原理掌握熱電偶的基本定律、基本類型、溫度補償方法、使用熱電偶的測溫方法掌握熱電阻的內部引線方式及其適用場合掌握熱敏電阻的電阻－溫度特性會使用分度表8.1熱電偶感測器

1.熱電偶測溫原理熱電效應：兩種不同材料的導體（或半導體）組成一個閉合回路，當兩接點溫度T和T0不同時，則在該回路中就會產生電動勢的現象。熱電勢、熱電偶、熱電極熱端（測量端或工作端）、冷端（參考端或自由端）

熱電偶回路接觸電動勢

接觸電動勢的數值取決於兩種不同導體的材料特性和接觸點的溫度。兩接點的接觸電動勢eAB(T)和eAB（T0）可表示為含義：由於兩種不同導體的自由電子密度不同而在接觸處形成的電動勢。

同一導體的兩端因其溫度不同而產生的一種電動勢。大小表示：

溫差電動勢機理：高溫端的電子能量要比低溫端的電子能量大，從高溫端跑到低溫端的電子數比從低溫端跑到高溫端的要多，結果高溫端因失去電子而帶正電，低溫端因獲得多餘的電子而帶負電，在導體兩端便形成溫差電動勢。熱電偶回路中產生的總熱電勢

eAB(T,T0)=eAB(T)＋eB(T,T0)－eAB(T0)－eA(T,T0) 忽略溫差電動勢，熱電偶的熱電勢可表示為：

影響因素取決於材料和接點溫度，與形狀、尺寸等無關兩熱電極相同時，總電動勢為0兩接點溫度相同時，總電動勢為0對於已選定的熱電偶，當參考端溫度T0恒定時，eAB(T0)=c為常數，則總的熱電動勢就只與溫度T成單值函數關係，即

可見：只要測出eAB（T,T0）的大小，就能得到被測溫度T，這就是利用熱電偶測溫的原理。討論熱電偶的分度表不同金屬組成的熱電偶，溫度與熱電動勢之間有不同的函數關係，一般通過實驗的方法來確定，並將不同溫度下測得的結果列成表格，編制出熱電勢與溫度的對照表，即分度表。供查閱使用，每10℃分檔。中間值按內插法計算。S型(鉑銠10-鉑)熱電偶分度表

在熱電偶測溫回路內，接入第三種導體時，只要第三種導體的兩端溫度相同，則對回路的總熱電勢沒有影響。中間導體定律

應用：利用熱電偶進行測溫，必須在回路中引入連接導線和儀錶，接入導線和儀錶後不會影響回路中的熱電勢。2.熱電偶基本定律測量儀錶及引線作為第三種導體的熱電偶回路中間溫度定律eAB(t,t0)=eAB(t,tc)+eAB(tc,t0)

在熱電偶測溫回路中，tc為熱電極上某一點的溫度，熱電偶AB在接點溫度為t、t0時的熱電勢eAB(t,t0)等於熱電偶AB在接點溫度t、tc和tc、t0時的熱電勢eAB(t,tc)和eAB(tc,t0)的代數和，即中間溫度定律中間溫度定律的應用

根據這個定律，可以連接與熱電偶熱電特性相近的導體A′和B，將熱電偶冷端延伸到溫度恒定的地方，這就為熱電偶回路中應用補償導線提供了理論依據。

該定律是參考端溫度計算修正法的理論依據。在實際熱電偶測溫回路中,利用熱電偶這一性質,可對參考端溫度不為0℃的熱電勢進行修正。標準導體（電極）定律標準導體定律的意義通常選用高純鉑絲作標準電極只要測得它與各種金屬組成的熱電偶的熱電動勢，則各種金屬間相互組合成熱電偶的熱電動勢就可根據標準電極定律計算出來。例子熱端為100℃，冷端為0℃時，鎳鉻合金與純鉑組成的熱電偶的熱電動勢為2.95mV，而考銅與純鉑組成的熱電偶的熱電動勢為－4.0mV，則鎳鉻和考銅組成的熱電偶所產生的熱電動勢應為：2.95－(－4.0)=6.95(mV)均質導體定律由兩種均質導體組成的熱電偶，其熱電動勢的大小只與兩材料及兩接點溫度有關，與熱電偶的大小尺寸、形狀及沿電極各處的溫度分佈無關。即熱電偶必須由兩種不同性質的均質材料構成。意義：有助於檢驗兩個熱電極材料成分是否相同及材料的均勻性。

為了適應不同生產對象的測溫要求和條件，熱電偶的結構形式有：普通型熱電偶特殊熱電偶－鎧裝型熱電偶－薄膜熱電偶等。

9.1.2熱電偶的結構與種類普通型熱電偶結構

優點：測溫端熱容量小，動態回應快；機械強度高，撓性好，可安裝在結構複雜的裝置上。鎧裝型熱電偶薄膜熱電偶

特點：熱接點可以做得很小（μm），具有熱容量小、反應速度快（μs）等特點，適用於微小面積上的表面溫度以及快速變化的動態溫度測量。熱電極材料的選取性能穩定溫度測量範圍廣物理化學性能穩定導電率要高，並且電阻溫度係數要小材料的機械強度要高，複製性好、複製工藝簡單，價格便宜工程用熱電偶材料應滿足條件：熱電勢變化儘量大，熱電勢與溫度關係儘量接近線性關係，物理、化學性能穩定，易加工，複現性好，便於成批生產，有良好的互換性。熱電偶的種類

國際電工委員會（IEC）向世界各國推薦8種標準化熱電偶（已列入工業標準化檔中，具有統一的分度表）。我國已採用IEC標準生產熱電偶，並按標準分度表生產與之相配的顯示儀錶。標準化熱電偶的主要性能和特點熱電偶名稱正熱電極負熱電極分度號測溫範圍特點鉑銠30－鉑銠6鉑銠30鉑銠6B0～＋1700℃（超高溫）適用於氧化性氣氛中測溫，測溫上限高，穩定性好。在冶金、鋼水等高溫領域得到廣泛應用。鉑銠10－鉑鉑銠10純鉑S0～＋1600℃（超高溫）適用於氧化性、惰性氣氛中測溫，熱電性能穩定，抗氧化性強，精度高，但價格貴、熱電動勢較小。常用作標準熱電偶或用於高溫測量。鎳鉻－鎳矽鎳鉻合金鎳矽K－200～＋1200℃（高溫）適用於氧化和中性氣氛中測溫，測溫範圍很寬、熱電動勢與溫度關係近似線性、熱電動勢大、價格低。穩定性不如B、S型熱電偶，但是非貴金屬熱電偶中性能最穩定的一種。鎳鉻－康銅鎳鉻合金銅鎳合金E－200～＋900℃（中溫）適用於還原性或惰性氣氛中測溫，熱電動勢較其他熱電偶大，穩定性好，靈敏度高，價格低。鐵－康銅鐵銅鎳合金J－200～＋750℃（中溫）適用於還原性氣氛中測溫，價格低，熱電動勢較大，僅次於E型熱電偶。缺點是鐵極易氧化。銅－康銅銅銅鎳合金T－200～＋350℃（低溫）適用於還原性氣氛中測溫，精度高，價格低。在－200～0℃可製成標準熱電偶。缺點是銅極易氧化。8.1.3熱電偶的冷端溫度補償當熱端溫度為t時，分度表所對應的熱電勢eAB(t,0)與熱電偶實際產生的熱電勢eAB(t,t0)之間的關係可根據中間溫度定律得到下式：eAB(t,0)=eAB(t,t0)+eAB(t0，0)由此可見，eAB(t0，0)是冷端溫度t0的函數，因此需要對熱電偶冷端溫度進行處理。熱電偶一般做得較短，一般為350～2000mm。在實際測溫時，需要把熱電偶輸出的電勢信號傳輸到遠離現場數十米遠的控制室裏的顯示儀錶或控制儀錶，這樣,冷端溫度t0比較穩定。(1)熱電偶補償導線解決辦法：工程中採用一種補償導線。在0～100℃溫度範圍內，要求補償導線和所配熱電偶具有相同的熱電特性。解決辦法：工程中採用一種補償導線。常用補償導線

熱電偶類型補償導線類型補償導線正極負極鉑銠10－鉑銅－銅鎳合金銅銅鎳合金（鎳的品質分數為0.6%）鎳鉻－鎳矽I型：鎳鉻－鎳矽鎳鉻鎳矽鎳鉻－鎳矽II型：銅－康銅銅康銅鎳鉻－康銅鎳鉻－康銅鎳鉻康銅鐵－康銅鐵－康銅鐵康銅銅－康銅銅－康銅銅康銅

在實驗室及精密測量中，通常把冷端放入0℃恒溫器或裝滿冰水混合物的容器中，以便冷端溫度保持0℃。這是一種理想的補償方法，但工業中使用極為不便。(2)冷端0℃恒溫法

當冷端溫度t0不等於0℃，需要對熱電偶回路的測量電勢值eAB（t，t0）加以修正。當工作端溫度為t時，分度表可查eAB(t,0)與eAB(t0,0)。根據中間溫度定律得到：eAB(t,0)=eAB(t,t0)+eAB(t0，0)(3)冷端溫度修正法

例子用鎳鉻-鎳矽熱電偶測量加熱爐溫度。已知冷端溫度t0=30℃，測得熱電勢eAB（t，t0）為33.29mV,求加熱爐溫度。解：查鎳鉻-鎳矽熱電偶分度表得eAB（30，0）1.203mV。可得eAB（t，0）=eAB(t,t0)+eAB(t0,0)=33.29+1.203=34.493mV由鎳鉻-鎳矽熱電偶分度表得t=829.8℃。(4)冷端溫度自動補償法（電橋補償法）8.1.4熱電偶測溫線路測量單點的溫度

特殊情況下，熱電偶可以串聯或並聯使用，但只能是同一分度號的熱電偶，且冷端應在同一溫度下。如熱電偶正向串聯，可獲得較大的熱電勢輸出和提高靈敏度；在測量兩點溫差時，可採用熱電偶反向串聯；利用熱電偶並聯可以測量平均溫度。測量兩點間溫度差（反向串聯）測量平均溫度（並聯或正向串聯）

特點：當有一只熱電偶燒斷時，難以覺察出來。當然，它也不會中斷整個測溫系統的工作。優點：熱電動勢大，儀錶的靈敏度大大增加，且避免了熱電偶並聯線路存在的缺點，可立即可以發現有斷路。缺點：只要有一支熱電偶斷路，整個測溫系統將停止工作。8.1.5熱電偶的應用常用爐溫測量控制系統如圖所示。毫伏定值器給出給定溫度的相應毫伏值，熱電偶的熱電勢與定值器的毫伏值相比較，若有偏差則表示爐溫偏離給定值，此偏差經放大器送入調節器，再經過晶閘管觸發器推動晶閘管執行器來調整電爐絲的加熱功率，直到偏差被消除，從而實現控制溫度。8.2熱電阻感測器

熱電阻感測器是利用導體的電阻值隨溫度變化而變化的原理進行測溫的。熱電阻廣泛用來測量－200～850℃範圍內的溫度，少數情況下，低溫可測量至1K，高溫達1000℃。標準鉑電阻溫度計的精確度高，作為複現國際溫標的標準儀器。

熱電阻的結構

電阻絲採用雙線並繞法繞制在具有一定形狀的雲母、石英或陶瓷塑膠支架上，支架起支撐和絕緣作用。1.常用熱電阻對用於製造熱電阻材料的要求：具有盡可能大和穩定的電阻溫度係數和電阻率

R-t關係最好成線性物理化學性能穩定容易加工、價格儘量便宜等。目前最常用的熱電阻有鉑熱電阻和銅熱電阻。(1)鉑熱電阻鉑熱電阻的特點是精度高、穩定性好、性能可靠，所以在溫度感測器中得到了廣泛應用。按IEC標準，鉑熱電阻的使用溫度範圍為-200～850℃。鉑熱電阻的特性方程為：在-200～0℃的溫度範圍內Rt=R0［1+At+Bt2+Ct3(t-100)］在0～850℃的溫度範圍內Rt=R0(1+At+Bt2)

在ITS—90中，這些常數規定為

A=3.97×10-13/℃

B=-5.85×10-7/℃2

C=-4.22×10-12/℃4

可見：熱電阻在溫度t時的電阻值與0℃時的電阻值R0有關。目前我國規定工業用鉑熱電阻有R0=10Ω和R0=100Ω兩種，它們的分度號分別為Pt10和Pt100，其中以Pt100為常用。鉑熱電阻不同分度號亦有相應分度表，即Rt-t的關係表，這樣在實際測量中，只要測得熱電阻的阻值Rt，便可從分度表上查出對應的溫度值。鉑電阻分度表(2)銅熱電阻

在一些測量精度要求不高且溫度較低的場合，可採用銅熱電阻進行測溫，它的測量範圍為-50～150℃。銅熱電阻在測量範圍內其電阻值與溫度的關係幾乎是線性的，可近似地表示為Rt=R0（1+αt）α=4.28×10-3/℃

兩種分度號：Cu50(R0=50Ω)和Cu100（R0=100Ω）。

銅熱電阻的分度表分度號：Cu50溫度/℃0102030405060708090電阻/Ω－050.0047.8545.7043.5541.4039.24050.0052.1445.2856.4258.5660.7062.8464.9867.1269.2610071.4073.5475.6877.8379.9882.13銅熱電阻的特點銅熱電阻的電阻溫度係數較大、線性性好、價格便宜。缺點：電阻率較低，電阻體的體積較大，熱慣性較大，穩定性較差，在100℃以上時容易氧化，因此只能用於低溫及沒有浸蝕性的介質中。用熱電阻感測器進行測溫時，測量電路經常採用電橋電路。熱電阻與檢測儀錶相隔一段距離，因此熱電阻的引線對測量結果有較大的影響。熱電阻內部引線方式有二線制、三線制和四線制三種。8.2.3熱電阻的測量電路內部引線方式兩線制這種引線方式簡單、費用低，但是引線電阻以及引線電阻的變化會帶來附加誤差。兩線制適於引線不長、測溫精度要求較低的場合。三線制用於工業測量，一般精度四線制實驗室用，高精度測量熱電阻的應用8.3熱敏電阻熱敏電阻是利用半導體（某些金屬氧化物如NiO,MnO2,CuO,TiO2)的電阻值隨溫度顯著變化這一特性製成的一種熱敏元件，其特點是電阻率隨溫度而顯著變化。一般測溫範圍：－50~

＋300℃8.3.1熱敏電阻的電阻－溫度特性大多數：負溫度係數。熱敏電阻在不同值時的電阻－溫度特性，溫度越高，阻值越小，且有明顯的非線性。NTC熱敏電阻具有很高的負電阻溫度係數，特別適用於：－100～＋300℃之間測溫。PTC熱敏電阻的阻值隨溫度升高而增大，且有斜率最大的區域，當溫度超過某一數值時，其電阻值朝正的方向快速變化。其用途主要是彩電消磁、各種電器設備的過熱保護等。CTR也具有負溫度係數，但在某個溫度範圍內電阻值急劇下降，曲線斜率在此區段特別陡，靈敏度極高。主要用作溫度開關。各種熱敏電阻的阻值在常溫下很大，不必採用三線制或四線制接法，給使用帶來方便。熱敏電阻的電阻－溫度特性曲線8.3.2熱敏電阻的應用溫度控制

熱敏電阻體溫表管道流量測量第9章光電式感測器9.1概述9.1.1光電式感測器的類別光電式感測器（或稱光敏感測器）是利用光電器件把光信號轉換成電信號（電壓、電流、電阻等）的裝置。按工作原理分類光電效應感測器紅外熱釋電探測器固體圖像感測器光纖感測器1、光電效應感測器是應用光敏材料的光電效應製成的光敏器件。光照射到物體上使物體發射電子，或電導率發生變化，或產生光生電動勢等等，這些因光照引起物體電學特性改變的現象稱為光電效應。2、紅外熱釋電探測器主要是利用輻射的紅外光（熱）照射材料時引起材料電學性質發生變化或產生熱電動勢原理製成的一類器件。3、固體圖像感測器結構上分為兩大類，一類是用CCD電荷耦合器件的光電轉換和電荷轉移功能製成CCD圖像感測器，一類是用光敏二極體與MOS電晶體構成的將光信號變成電荷或電流信號的MOS金屬氧化物半導體圖像感測器。4、光纖感測器它利用發光管（LED）或鐳射管（LD）發射的光，經光纖傳輸到被檢測對象，被檢測信號調製後，光沿著光導纖維反射或送到光接收器，經接收解調後變成電信號。特點光電式感測器具有結構簡單、回應速度快、高精度、高解析度、高可靠性、抗干擾能力強（不受電磁輻射影響，本身也不輻射電磁波）、可實現非接觸式測量等特點可以直接檢測光信號，間接測量溫度、壓力、位移、速度、加速度等其發展速度快、應用範圍廣，具有很大的應用潛力9.1.2光電式感測器的基本形式由光路及電路兩大部分組成光路部分實現被測信號對光量的控制和調製電路部分完成從光信號到電信號的轉換四種基本形式透射式反射式輻射式開關式9.2光電效應與光電器件光子是具有能量的粒子，每個光子的能量可表示為光電效應方程光電器件光電器件是將光能轉變為電能的一種感測器件。是構成光電式感測器的主要部件。光電器件工件的物理基礎：光電效應。光電效應分為：內光電效應、外光電效應9.2.1外光電效應型光電器件當光照射到金屬或金屬氧化物的光電材料上時，光子的能量傳給光電材料表面的電子，如果入射到表面的光能使電子獲得足夠的能量，電子會克服正離子對它的吸引力，脫離材料表面而進入外界空間，這種現象稱為外光電效應。即外光電效應是在光線作用下，電子逸出物體表面的現象。根據外光電效應做出的光電器件有光電管和光電倍增管。1、光電管及其基本特性光電管的伏安特性光電管的光照特性曲線1表示氧銫陰極光電管的光照特性，光電流與光通量呈線性關係。曲線2為銻銫陰極的光電管光照特性，它呈非線性關係光電管的光譜特性不同光電陰極材料的光電管，對同一波長的光有不同的靈敏度；同一種陰極材料的光電管對於不同波長的光的靈敏度也不同，這就是光電管的光譜特性。曲線1、2分別為銫陰極、銻銫陰極對應不同波長光線的靈敏度，3為多種成分（銻、鉀、鈉、銫等）陰極的光譜特性曲線2、光電倍增管及其基本特性主要參數

倍增係數M陽極電流光電倍增管的電流放大倍數光電陰極靈敏度和光電倍增管總靈敏度暗電流光電倍增管的光譜特性9.2.2內光電效應型光電器件內光電效應是指在光線作用下，物體的導電性能發生變化或產生光生電動勢的現象這種效應可分為因光照引起半導體電阻率變化的光電導效應和因光照產生電動勢的光生伏特效應兩種

內光電效應分類光電導效應在光線作用下，對於半導體材料吸收了入射光子能量，若光子能量大於或等於半導體材料的禁帶寬度，就激發出電子-空穴對，使載流子濃度增加，半導體的導電性增加，阻值減低的現象。如光敏電阻光生伏特效應在光線的作用下能夠使物體產生一定方向的電動勢的現象。如光電池。（1）光敏電阻

1.光敏電阻的結構與工作原理光敏電陰是用半導體材料製成的光電器件。光敏電阻沒有極性，使用時既可加直流電壓，也可以加交流電壓。無光照時，光敏電阻值（暗電阻）很大，電路中電流（暗電流）很小。當光敏電阻受到一定波長範圍的光照時，它的阻值（亮電阻）急劇減小，電路中電流迅速增大。一般希望暗電阻越大越好，亮電阻越小越好，此時光敏電阻的靈敏度高。實際光敏電阻的暗電阻值一般在兆歐量級，亮電阻值在幾千歐以下。光敏電阻的結構光敏電阻結構(a)光敏電阻結構；(b)光敏電阻電極；(c)光敏電阻接線圖2.光敏電阻的主要參數暗電阻光敏電阻在不受光照射時的阻值稱為暗電阻，此時流過的電流稱為暗電流。亮電阻光敏電阻在受光照射時的電阻稱為亮電阻，此時流過的電流稱為亮電流。光電流亮電流與暗電流之差3、光敏電阻的基本特性伏安特性在一定照度下，流過光敏電阻的電流與光敏電阻兩端的電壓的關係。圖10.9硫化鎘光敏電阻的伏安特性光照特性指光敏電阻的光電流I和光照強度之間的關係光敏電阻的光照特性光譜特性光敏電阻的相對光敏靈敏度與入射波長的關係。即光敏電阻對入射光的光譜具有選擇作用，即光敏電阻對不同波長的入射光有不同的靈敏度。光敏電阻的光譜特性頻率特性光敏電阻的光電流不能隨著光強改變而立刻變化，即光敏電阻產生的光電流有一定的惰性，這種惰性通常用時間常數表示，對應著不同材料的頻率特性。光敏電阻的頻率特性溫度特性光敏電阻和其他半導體器件一樣，受溫度影響較大。溫度變化時，影響光敏電阻的光譜回應、靈敏度和暗電阻。硫化鉛光敏電阻受溫度影響更大。硫化鉛光敏電阻的光譜溫度特性（2）光電池光電池是一種直接將光能轉換為電能的光電器件。即電源。工作原理：基於“光生伏特效應”。光電池實質上是一個大面積的PN結，當光照射到PN結的一個面，例如P型面時，若光子能量大於半導體材料的禁帶寬度，那麼P型區每吸收一個光子就產生一對自由電子和空穴，電子-空穴對從表面向內迅速擴散，在結電場的作用下，最後建立一個與光照強度有關的電動勢。光敏電阻的應用－火災探測光電池結構、符號光電池種類

光電池的種類很多，有矽光電池、硒光電池、鍺光電池、砷化鎵光電池、氧化亞銅光電池等最受人們重視的是矽光電池。因為它具有性能穩定、光譜範圍寬、頻率特性好、轉換效率高、能耐高溫輻射、價格便宜、壽命長等特點。它不僅廣泛應用於人造衛星和太空船作為太陽能電池，而且也廣泛應用於自動檢測和其他測試系統中硒光電池由於其光譜峰值位於人眼的視覺範圍，所以在很多分析儀器、測量儀錶中也常常用到。光電池基本特性光譜特性光電池對不同波長的光的靈敏度是不同的。矽光電池的光譜特性光照特性光電池在不同光照度下，其光電流和光生電動勢是不同的，它們之間的關係就是光照特性矽光電池的光照特性頻率特性溫度特性是描述光電池的開路電壓和短路電流隨溫度變化的情況。矽光電池的溫度特性（3）光敏二極體和光敏三極管光敏二極體工作原理光敏二極體的結構與一般二極體相似、光敏二極體在電路中一般是處於反向工作狀態。在沒有光照射時，反向電阻很大，反向電流很小，這反向電流稱為暗電流，當光照射在PN結上，光子打在PN結附近，使PN結附近產生光生電子和光生空穴對，它們在PN結處的內電場作用下作定向運動，形成光電流。光的照度越大，光電流越大。光敏二極體在不受光照射時處於截止狀態，受光照射時處於導通狀態。光敏電晶體光敏電晶體與一般電晶體很相似，具有兩個PN結，只是它的發射極一邊做得很大，以擴大光的照射面積。大多數光敏電晶體的基極無引出線，當集電極加上相對於發射極為正的電壓而不接基極時，集電結就是反向偏壓，當光照射在集電結時，就會在結附近產生電子—空穴對，光生電子被拉到集電極，基區留下空穴，使基極與發射極間的電壓升高，這樣便會有大量的電子流向集電極，形成輸出電流，且集電極電流為光電流的β倍，所以光敏電晶體有放大作用。NPN型光敏電晶體結構和基本電路

光敏管的基本特性光敏電晶體的光譜特性伏安特性光照特性頻率特性光敏二極體和三極管的主要差別光電流光敏二極體一般只有幾微安到幾百微安，而光敏三極管一般都在幾毫安培以上，至少也有幾百微安，兩者相差十倍至百倍。光敏二極體與光敏三極管的暗電流則相差不大，一般都不超