【正文】 是激光檢測(cè)法。 實(shí)現(xiàn)在線檢測(cè)的新型傳感器的研制，也是當(dāng)前測(cè)試技術(shù)發(fā)展的一個(gè)方面。 7．其它 除了以上選用傳感器時(shí)應(yīng)充分考慮的一些因素外，還應(yīng)盡可能兼顧結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、價(jià)格便宜、易于維修、易于更換等條件。 思考題 什么是傳感器？傳感器由那幾部分組成？ 什么是結(jié)構(gòu)型傳感器？什么是物性型傳感器？什么是能量轉(zhuǎn)換型傳感器？什么是能量控制型傳感器？各舉一例說明。 在測(cè)試中怎樣選擇合適的傳感器？ 金屬電阻應(yīng)變片和半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片有什么區(qū)別？ 電阻應(yīng)變片在機(jī)械工程測(cè)試中有那兩種應(yīng)用方法？ 直流電橋和交流電橋的平衡條件各是什么？兩種電橋各有什么特點(diǎn)？對(duì)一個(gè)具體的測(cè)試應(yīng)如何接橋？ 電感傳感器有那幾種？各有什么特點(diǎn)？怎樣使用？ 電容傳感器有幾種？ 壓電式傳感器為什么需要前置放大器？有那兩種形式？ 各傳感器的原理分別是什么？ 1熱電式傳感器有哪兩種？什么是熱電效應(yīng)？ 這種傳感器利用電磁感應(yīng)中的互感現(xiàn)象。當(dāng)線圈 W1(圖 415)輸入交流電流 i1時(shí)，線圈 W2產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)e12，其大小與電流 i1變化率成正比，比例系數(shù) M稱為互感量。它描述兩線圈之間的耦合程度，其大小與兩線圈相對(duì)位置及周圍介質(zhì)導(dǎo)磁能力等因素有關(guān)。 差動(dòng)變壓器輸出交流電壓，其幅值與鐵心位移成正比，只能反映鐵心位移的大小，不能反映移動(dòng)的極性。其次，交流電壓輸出存在一定的零點(diǎn)殘余電壓。零點(diǎn)殘余電壓是由于兩個(gè)次級(jí)線圈結(jié)構(gòu)不對(duì)稱，以及初級(jí)線圈銅損電阻、鐵磁材質(zhì)不均勻、線圈間分布電容等形成。 所以，即使鐵心處于中間位置時(shí)，輸出也不為零。為此，差動(dòng)變壓器式傳感器的后接電路，需要采用既能反映鐵心位移極性，又能補(bǔ)償零點(diǎn)殘余電壓的差動(dòng)直流輸出電路。 由差動(dòng)變壓器式電感傳感器構(gòu)成的位移測(cè)量儀，最高分辨力可達(dá)0． 1μm，測(cè)量范圍可擴(kuò)展到 177。 100mm，結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，穩(wěn)定性好，被廣泛用于直線位移，或可轉(zhuǎn)換為位移變化的壓力、重力等參數(shù)的測(cè)量。 五、電容式傳感器 1 工作原理 最簡單的平行極板電容器。在忽略邊緣效應(yīng)的情況下，平板電容器的電容量為 : ε 0 — 真空的介電常數(shù)， ( ε 0 = 10 12 F/m ）； A — 極板的遮蓋面積； ε — 極板間介質(zhì)的相對(duì)介電系數(shù)，空氣 ε = 1 ； δ — 兩平行極板間的距離。 δ — 兩平行極板間的距離。 當(dāng)被測(cè)量 δ 、 S 或 ε 發(fā)生變化時(shí)，都會(huì)引起電容的變化。 0 AC ????2 分類 ： 根據(jù)電容器參數(shù)變化的特性，可分為 極距變化型 介質(zhì)變化型 面積變化型 其中極距變化型和面積變化型應(yīng)用較廣 3 測(cè)量電路 第七節(jié) 傳感器的選用原則 如何根據(jù)測(cè)試目的和實(shí)際條件，合理地選用傳感器，是經(jīng)常會(huì)遇到的問題。因此，本節(jié)在常用傳感器的初步知識(shí)的基礎(chǔ)上，就合理選用傳感器的一些注意事項(xiàng)，作一概略介紹。 1． 靈敏度 一般講， 傳感器靈敏度 越高越好，因?yàn)殪`敏度越高，意味著傳感器所能感知的變化量越小，被測(cè)量稍有一微小變化時(shí)，傳感器就有較大的輸出。 當(dāng)然也應(yīng)考慮到，當(dāng)靈敏度越高時(shí)，與測(cè)量信號(hào)無關(guān)的外界干擾也越容易混入，并被放大裝置所放大。這時(shí)必須考慮既要檢測(cè)微小量值，又要于擾小。為保證此點(diǎn)，往往要求信噪比越大越好，既要求傳感器本身噪聲小，且不易從外界引入干擾。 當(dāng)被測(cè)量是個(gè)向量時(shí)，那么要求傳感器在該方向靈敏度越高越好，而橫向靈敏度越小越好。在測(cè)量多維向量時(shí)，還應(yīng)要求傳感器的交叉靈敏度越小越好。 此外，和靈敏度緊密相關(guān)的是測(cè)量范圍。除非有專門的非線性校正措施，最大輸入量不應(yīng)使傳感器進(jìn)入非線性區(qū)域，更不能進(jìn)入飽和區(qū)域。某些測(cè)試工作要在較強(qiáng)的噪聲干擾下進(jìn)行。這時(shí)對(duì)傳感器來講，其輸入量不僅包括被測(cè)量，也包括干擾量；兩者之和不能進(jìn)入非線性區(qū)。 過高的靈敏度會(huì)縮小其適用的測(cè)量范圍 。 2． 響應(yīng)特性 在所測(cè)頻率范圍內(nèi)，傳感器的響應(yīng)特性必須滿足不失真測(cè)量條件。此外，實(shí)際傳感器的響應(yīng)總有一定遲延，但總希望遲延時(shí)間愈短愈好。 一般講，利用光電效應(yīng)、壓電效應(yīng)等物性型傳感器，響應(yīng)較快，可工作頻率范圍寬。而結(jié)構(gòu)型，如電感、電容、磁電式傳感器等，往往由于結(jié)構(gòu)中的機(jī)械系統(tǒng)慣性的限制，其固有頻率低，可工作頻率較低。 在動(dòng)態(tài)測(cè)量中，傳感器的響應(yīng)特性對(duì)測(cè)試結(jié)果有直接影響，在選用時(shí)，應(yīng)充分考慮到被測(cè)物理量的變化特點(diǎn) (如穩(wěn)態(tài)、瞬變、隨機(jī)等 )。 3． 線性范圍 任何傳感器都有一定的線性范圍，在線性范圍內(nèi)輸出與輸入成比例關(guān)系。線性范圍愈寬，則表明傳感器的工作量程愈大。 傳感器工作在線性區(qū)域內(nèi)，是保證測(cè)量精確度的基本條件。例如，測(cè)力彈性元件，其材料的彈性限是決定測(cè)力量程的基本因素。當(dāng)超過彈性限時(shí)，將產(chǎn)生線性誤差。 然而任何傳感器都不容易保證其絕對(duì)線性，在許可限度內(nèi)，可以在其近似線性區(qū)域應(yīng)用。例如，變間隙型的電容、電感傳感器，均采用在初始間隙附近的近似線性區(qū)內(nèi)工作。選用時(shí)必須考慮被測(cè)物理量的變化范圍，令其線性誤差在允許范圍以內(nèi)。 4． 可靠性 可靠性是傳感器和一切測(cè)量裝置的生命。可靠性是指儀器、裝置等產(chǎn)品在規(guī)定的條件下，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)可完成規(guī)定功能的能力。只有產(chǎn)品的性能參數(shù) (特別是主要性能參數(shù) )均處于規(guī)定的誤差范圍內(nèi)，方能視為可完成規(guī)定的功能。 在機(jī)械工程中，有些機(jī)械系統(tǒng)或自動(dòng)化加工過程，往往要求傳感器能長期地使用而不需經(jīng)常更換或校準(zhǔn)。而其工作環(huán)境又比較惡劣，塵埃、油劑、溫度、振動(dòng)等干擾嚴(yán)重，例如，熱軋機(jī)系統(tǒng)控制鋼板厚度的 γ 射線檢測(cè)裝置，用于自適應(yīng)磨削過程的測(cè)，力系統(tǒng)或零件尺寸的自動(dòng)檢測(cè)裝置等，在這種情況下應(yīng)對(duì)傳感器可靠性有嚴(yán)格的要求。 5． 精確度 傳感器的精確度表示傳感器的輸出與被測(cè)量真值一致的程度。傳感器處于測(cè)試系統(tǒng)的輸入端，因此，傳感器能否真實(shí)地反映被測(cè)量值，對(duì)整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)具有直接影響。 然而，也并非要求傳感器的精確度愈高愈好，因?yàn)檫€應(yīng)考慮到經(jīng)濟(jì)性。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)，尤其應(yīng)從測(cè)試目的出發(fā)來選擇。 首先應(yīng)了解測(cè)試目的，判定是定性分析還是定量分析。如果是屬于相對(duì)比較的定性試驗(yàn)研究，只須獲得相對(duì)比較值即可，無需要求絕對(duì)量值，那么應(yīng)要求傳感器的 精密度高 。如果是定量分析，必須獲得精確量值，因而要求傳感器有足夠高 精確度 。例如，為研究超精密切削機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件的定位精確度、主軸回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)誤差、振動(dòng)及熱變形等，往往要求測(cè)量精確度在 — 范圍內(nèi)，欲測(cè)得這樣量值，必須采用高精確度的傳感器。 6． 測(cè)量方式 傳感器在實(shí)際條件下的工作方式，例如，接觸與非接觸測(cè)量、在線與非在線測(cè)量等，也是選用傳感器時(shí)應(yīng)考慮的重要因素。工作方式不同對(duì)傳感器要求亦不同。 在機(jī)械系統(tǒng)中，運(yùn)動(dòng)部件的被測(cè)量 (例如回轉(zhuǎn)軸的誤差運(yùn)動(dòng)、振動(dòng)、扭力矩 )，往往需要非接觸測(cè)量。因?yàn)閷?duì)部件的接觸式測(cè)量不僅造成對(duì)被測(cè)系統(tǒng)的影響，且有許多實(shí)際困難，諸如測(cè)量頭的磨損、接觸狀態(tài)的變動(dòng)，信號(hào)的采集都不易妥善解決，也易于造成測(cè)量誤差。采用電容式、渦電流式等非接觸式傳感器，會(huì)有很大方便。若選用電阻應(yīng)變片時(shí)，則需配以遙測(cè)應(yīng)變儀，或其他裝置 7． 其它因素 除了以上選用傳感器時(shí)應(yīng)充分考慮的一些因素外，還應(yīng)盡可能兼顧結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、價(jià)格便宜、易于維修、易于更換等條件。 第一節(jié) 概述 一、傳感技術(shù)的概念 傳感技術(shù)與通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)構(gòu)成信息產(chǎn)業(yè)的 三大支柱 之一。傳感器技術(shù)是測(cè)量技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息處理技術(shù)、微電子學(xué)、光學(xué)、聲學(xué)、精密機(jī)械、仿生學(xué)、材料科學(xué)等眾多學(xué)科相互交叉的綜合性高新技術(shù)密集型前沿技術(shù)之一。世界各國普遍重視并不斷加大投入，美、日、英、法、德和獨(dú)聯(lián)體等國都把傳感器技術(shù) 列為國家重點(diǎn)開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)之一，我國也早已把傳感器技術(shù)列為國家八五重點(diǎn)攻關(guān)項(xiàng)目及中長期科技發(fā)展重點(diǎn)新技術(shù)之一。傳感器種類非常繁多，按用途大致可分為以下主要幾類：磁敏傳感器（電量傳感器）、溫度傳感器（熱敏傳感器）、濕度傳感器、氣敏傳感器、光敏傳感器、壓力傳感器、深度傳感器、力矩扭矩傳感器、速度傳感器、加速度傳感器、位移傳感器、流量傳感器、物性量傳感器 二、傳感技術(shù)的發(fā)展方向 隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，特別是微加工技術(shù)，包括微電子和微機(jī)械加工技術(shù)快速發(fā)展，以及信息產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展和環(huán)保生態(tài)產(chǎn)業(yè)的興起，微型化、集成化、多功能化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、系統(tǒng)化、低功耗、無線、便攜式已成為國內(nèi)外新型傳感器的特點(diǎn) 。 最近十幾年來，由于對(duì)傳感器在信息社會(huì)中的作用有了新的認(rèn)識(shí)和評(píng)價(jià)，各國都將傳感器技術(shù)列為重點(diǎn)發(fā)展技術(shù)。 當(dāng)今，傳感器技術(shù)的主要發(fā)展動(dòng)向，一是開展 基礎(chǔ)研究 ，重點(diǎn)研究傳感器的新材料和新工藝；二是實(shí)現(xiàn)傳感器的 智能化 。 (1 利用物理現(xiàn)象、化學(xué)反應(yīng)和生物效應(yīng)設(shè)計(jì)制作各種用途的傳感器，這是傳感器技術(shù)的重要基礎(chǔ)工作。例如，利用某些材料的化學(xué)反應(yīng)制成的識(shí)別氣體的 電子鼻 ；利用超導(dǎo)技術(shù)研制成功的高溫超導(dǎo)磁傳感器等。 (2 傳感器向高精度、一體化、小型化的方向發(fā)展。工業(yè)自動(dòng)化程度越高，對(duì)機(jī)械制造精度和裝配精度要求就越高，相應(yīng)地測(cè)量程度要求也就越高。因此，當(dāng)今在傳感器制造上很重視發(fā)展微機(jī)械加工技術(shù)。微機(jī)械加工技術(shù)除全面繼承氧化、光刻、擴(kuò)散、沉積等微電子技術(shù)外，還發(fā)展了平面電子工藝技術(shù)，各向異性腐蝕、固相鍵合工藝和機(jī)械分?jǐn)嗉夹g(shù)。 (3 發(fā)展智能型傳感器。智能型傳感器是一種帶有微處理禱并兼有檢測(cè)和信息處理功能的傳感器。智能型傳感器被稱為第四代傳感器，使傳感器具備有感覺、辨別、判斷；自診斷等功能，是傳感器的發(fā)展方向。 實(shí)踐證明，傳感器技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展中有著密切的關(guān)系。而當(dāng)前，的計(jì)算機(jī)在很多方面已具有了大腦的思維功能，甚至在有些方面的功能己超過了大腦。與此相比，傳感器就顯得比較落后。也就是說，現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)在某些方面因電子計(jì)算機(jī)技術(shù)與傳感器技術(shù)未能取得協(xié)調(diào)發(fā)展而面臨著許多問題。正因?yàn)槿绱?，世界上許多國家都在努力研究各種新型傳感器，改進(jìn)傳統(tǒng)的傳感器。開發(fā)和利用各種新型傳感器已成為當(dāng)前發(fā)展科學(xué)技術(shù)的重要課題。 基于上述開發(fā)新型傳感器的緊迫性，目前國際上， 凡出現(xiàn) 一種新材料、新元件或新工藝，就會(huì) 很快地應(yīng)用于 傳感器，并研制出一種新的傳感器。例如，半導(dǎo)體材料與工藝的發(fā)展，獻(xiàn)出現(xiàn)了一批能測(cè)很多參數(shù)的半導(dǎo)體傳感器；大規(guī)模集成電路的設(shè)計(jì)成功，發(fā)展了有測(cè)量、運(yùn)算、補(bǔ)償功能的智能傳感器 。生物技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了利用生物功能的生物傳感器。這也說明了各個(gè)學(xué)科技術(shù)的發(fā)展，促進(jìn)了傳感器技術(shù)的不斷發(fā)展 。而各種新型傳感器的問世，又不斷為各個(gè)部門的科學(xué)技術(shù)服務(wù)，促使現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)進(jìn)步。它們是相互依存、相互促進(jìn)的，這也說明了目前要開發(fā)新型傳感器不但重要，而且也是可能的。 在我國近 20年來，傳感器雖然有了較快的發(fā)展，有不少傳感器走上市場(chǎng)，但大多數(shù)只能用于測(cè)量常用的參數(shù)、常用的量程、中等的精度，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了現(xiàn)代化建設(shè)的要求。而 與國際水平相比 ，我國的傳感器不論在品種、數(shù)量、質(zhì)量等方面，都有較大的差距。為此，努力開發(fā)各種新型傳感器，是擺在我國科技工作者面前的緊迫任務(wù)。 三、傳感器的分類 （其它分類） (分類樹 ) 第二節(jié) 普通機(jī)械、電器式傳感器及儀器 一、機(jī)械式敏感元件 四、電感式傳感器 基于電磁感應(yīng)原理把被測(cè)量轉(zhuǎn)換為電感量變化的裝置，按變化方式可分為自感型（包括可變磁阻式和渦流式）與互感型（差動(dòng)變壓器式）。 電橋又可分為 半橋單臂、半橋雙臂和全橋 電路，分別適合不同要求的測(cè)量，電橋輸出電壓 uy大小均不相同，但注意到直流電橋的輸出值均與直流電源電壓 u0直接相關(guān)，所以電橋在實(shí)際測(cè)試中常采用平衡電橋，從而避免電源電壓不穩(wěn)所造成的輸出不準(zhǔn)確的缺陷。電橋平衡條件為：R1R3=R2R4。實(shí)測(cè)電路往往為平衡電橋，如動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀，平衡電阻可顯示被測(cè)量的大小。