【正文】 構(gòu)簡單，形式靈活多樣，因此,光電式傳感器在檢測和控制中應用非常廣泛。它首先把被測量的變化轉(zhuǎn)換成光信號的變化，然后借助光電元件進一步將光信號轉(zhuǎn)換成電信號。216。4．了解熱釋電效應的原理。2．掌握光傳感器的特性及其表示法。216。加速度傳感器的構(gòu)成如圖：包括了應變片﹑彈簧片﹑質(zhì)量塊﹑外殼和基座。分類：應變式壓力傳感器所用彈性元件可根據(jù)被測介質(zhì)和測量范圍的不同而采用各種型式，常見有圓膜片、彈性梁、應變筒等。應變式壓力傳感器剪切梁式：該類傳感器有以下特點：輸出信號不受稱重點位置變化的影響；線性好、精度高；傳感器受拉伸與壓縮時，切應力的幅度與分布基本相同，即傳感器的拉 伸、壓縮靈敏度基本相同，所以特別適用于同時受拉和壓的測量；外形低、體積小、重量輕，易于安裝和維修；結(jié)構(gòu)簡單易于密封；抗側(cè)向力強。該類傳感器的特點如下：由于傳感器與秤體之間的連接為要求很低的間隙配合，所以安裝方便，維護簡單，重復性好。柱式：特點是結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，易于加工，成本費用低，密封性能良好，對于潮濕環(huán)境很適用，可設(shè)計成壓式或拉式的，可以承受很大的載荷；其缺點是位移量小、靈敏度低。組成：彈性體，應變計和外殼。輸出的電量大小反映被測量的大小。構(gòu)成彈性敏感元件，應變計（絲）。彈性元件： 應變式傳感器基本概念應變：物體在外部壓力或拉力作用下發(fā)生形變的現(xiàn)象。④濾波器：濾除相敏檢波器輸出信號中的高次諧波分量，以獲得理想的輸出波形。為提高放大器的穩(wěn)定性，一般采用交流載波放大器，直流放大器僅用于超動態(tài)應變儀。通常電橋由正弦振蕩器供電,其頻率為500赫～50千赫,較低頻率的被測應變信號對較高 的頻率的電橋電壓進行調(diào)幅，輸出一個窄頻帶的調(diào)幅波信號。電學應變儀應用最廣泛，它采用的電路可以是直流電橋式、交流電橋式或電位計式，應用最多的是交流電橋式電路并帶有載波放大器的形式。 （3）熱敏電阻補償 熱敏電阻Rt與應變片 處在相同的溫度下，當應變片的靈敏度隨溫度升高而下降時，熱敏電阻Rt的阻值下降，使電橋的輸入電壓隨溫度升高而增加，從而提高電橋的輸出電壓。這樣，補償臂產(chǎn)生與工作臂相同的熱輸出，通過差接橋，起了補償作用。當溫度變化時，只要電橋工作臂和補償臂的熱輸出相等或相近，就能達到熱補償目的，即:雙絲半橋式熱補償應變計(2)補償塊法這種方法是用兩個參數(shù)相同的應變 計RR2。 這種應變計的結(jié)構(gòu)與雙絲自補償應變計雷同。(1)雙絲半橋式當工作溫度變化時，若Ra柵產(chǎn)生正的熱輸出εat與Rb柵產(chǎn)生負的熱輸出εbt，能大小相等或相近，就可達到自補償?shù)哪康摹?這種應變計的敏感柵是由電阻溫度系數(shù)為一正一負的兩種合金絲串接而成，如圖所示。雙絲自補償應變計 (1)單絲自補償應變計溫度自補償法——敏感柵材料的電阻溫度系數(shù)；——應變計的靈敏系數(shù)；——分別為試件和敏感柵材料的線膨脹系數(shù)。（1）敏感柵金屬絲電阻本身隨溫度變化產(chǎn)生的溫度誤差（2）試件材料與應變絲材料的線膨脹系數(shù)不一，使應變絲產(chǎn)生附加形變而造成的電阻變化。應變計的溫度效應及其熱輸出由兩部分組成：前部分為熱阻效應所造成；后部分為敏感柵與試件熱膨脹失配所引起。用應變片測量時，希望其電阻只隨應變而變，而不受其它因素的影響。對全等臂電橋，上式即為 和因此，交流電橋平衡時，必須同時滿足電阻和電容平衡兩個條件。 或 交流電橋 電橋的調(diào)平就是確保試件在未受載、無應變的初始條件下，應變電橋滿足平衡條件(初始輸出為零)。因此，交流電橋的平衡條件必須同時滿足：(i=1,2,3,4)式中要推動記錄儀工作，須將輸出電壓放大，為此必須了解ΔR/R與電橋輸出電壓的關(guān)系。IL＝0時電橋平衡，則平衡條件為：這說明要使電橋平衡，其相鄰兩臂電阻的比值應相等或相對兩臂電阻的乘積相等。直流電橋的特性方程及平衡條件電橋的供橋電源電壓為，RRR3和R4為橋臂，RL為負載內(nèi)阻，負載電流IL為:影響的主要因素及改善措施，與蠕變基本相同。在恒溫條件下，使非線性誤差達到10%時的真實應變值，稱為應變極限。應變極限應當知道，應變計的線性(靈敏系數(shù)為常數(shù))特性， 只有在一定的應變限度范圍內(nèi)才能保持。引起蠕變的主要原因是，制作應變計時內(nèi)部產(chǎn)生的內(nèi)應力和工作中出現(xiàn)的剪應力，使絲柵、基底，尤其是膠層之間產(chǎn)生的“滑移”所致。當試件初始空載時，應變計示值仍會隨時間變化的現(xiàn)象稱為零漂。 通常在室溫條件下，要求機械滯后Zj＜3～10με。這種不重合性用機械滯后(Zj)來衡量。應變計的這種響應遲后對動態(tài)(高頻)應變測量，就會產(chǎn)生誤差。實驗表明，機械應變波是以相同于聲波的形式和速度在材料中傳播的。其大小用橫向效應系數(shù)H(百分數(shù))來表示，即： 對軸向應變的靈敏度系數(shù)；為對橫向應變的靈敏度系數(shù)。 橫向效應定義：在單位應力、雙向應變情況下，橫向應變總是起著抵消縱向應變的作用。應變計的靈敏度系數(shù)直接關(guān)系到應變測量的精度。必須指出，應變計的靈敏系數(shù)并不等于其敏感柵整長應變絲的靈敏度系數(shù)，一般情況下。當具有初始電阻值的應變計粘貼于試件表面時，試件受力引起的表面應變，將傳遞給應變計的敏感柵，使其產(chǎn)生電阻相對變化。 應變計型號命名了解。 設(shè)有一段長為l，截面積為A，電阻率為ρ的導體(如金屬絲)，它具有的電阻為：式中：ρ—電阻絲的電阻率；l—電阻絲的長度；A—電阻絲的截面積。 教學內(nèi)容 電阻應變效應5．了解應變計的應用和發(fā)展現(xiàn)狀。4. 掌握溫度誤差產(chǎn)生的原因及其補償方法。2．掌握電橋原理與電阻應變計橋路。216。~。根據(jù)二階系統(tǒng)相對阻尼系數(shù)的大小，將其二階響應分成三種情況：既時過阻尼；時臨界阻尼；時欠阻尼。? 二階傳感器動態(tài)特性指標二階傳感器的傳遞函數(shù)：頻率函數(shù)為：幅頻特性為：相頻特性為：上面各式中：——系統(tǒng)無阻尼時的固有振動角頻率； ——彈簧常數(shù)； ——質(zhì)量； ——相對阻尼系數(shù)；——阻尼器阻尼系數(shù)；——靜態(tài)靈敏度。如果時間常數(shù)τ越小，系統(tǒng)的頻率特性就越好。所以零階傳感器的動態(tài)特性指標就是靜態(tài)特性指標。研究動態(tài)特性的標準輸入形式有三種，即正弦、階躍和線性，而經(jīng)常使用的是前兩種。動態(tài)特性是指傳感器對于隨時間變化的輸入量的響應特性。? 遲滯傳感器在正（輸入量增大）反（輸入量減小）行程中— — 輸入特性曲線不重合的程度稱為遲滯。對于數(shù)字式儀表，靈敏度閾就是分辨力，即儀表指示數(shù)字值的最后一位數(shù)字所代表的值。用公式表示為：? 靈敏閾與分辨力靈敏閾是指傳感器能夠區(qū)分出的最小讀數(shù)變化量。? 靈敏度傳感器靈敏度是表示傳感器的輸入增量與由它引起的輸出增量之間的函數(shù)關(guān)系。通常用來描述靜態(tài)特性的指標有：測量范圍、精度、靈敏度、穩(wěn)定性、非線性度、重復性、靈敏閾和分辨力、遲滯。3．按能量的傳遞方式分類有源的和無源的傳感器。 傳感器的分類1．根據(jù)被測物理量分類速度傳感器、位移傳感器、加速度傳感 器、溫度傳感器、壓力傳感器等。顧名思義，傳感器的功能是一感二傳，即感受被測信息，并傳送出去。了解。216。4．了解傳感器的課程性質(zhì)和課程任務。2．掌握傳感器的組成框圖（p2，）。第一章 引言第一章 引言216。 教學要求1．掌握傳感器的基本概念。3．掌握傳感器的靜態(tài)性能和動態(tài)性能。5．了解傳感器的分類和發(fā)展趨勢。 教學內(nèi)容傳感器的發(fā)展和作用什么是傳感器傳感器定義：能夠感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件和裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。根據(jù)傳感器的功能要求，它一般應由三部分組成，即：敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、轉(zhuǎn)換電路。2．按工作原理分類應變式、電壓式、電容式、渦流式、差動變壓器式等。 傳感器的性能和評價傳感器的靜態(tài)特性傳感器的靜態(tài)特性是指傳感器的輸入信號不隨時間變化或變化非常緩慢時，所表現(xiàn)出來的輸出響應特性，稱靜態(tài)響應特性。? 穩(wěn)定性傳感器的穩(wěn)定性，一是指傳感器測量輸出值在一段時間內(nèi)的變化，即用所謂的穩(wěn)定度表示；二是指在傳感器外部環(huán)境和工作條件變化時而引起輸出值的變化，即用影響量來表示。更確切地說，靈敏度k等于傳感器輸出增量與被測量增量之比，是傳感器在穩(wěn)態(tài)輸出輸入特性曲線上各點的斜率。對模擬式儀表，當輸入量連續(xù)變化時，輸出量只做階梯變化，則分辨力就是輸出量的每個階梯所代表的輸入量的大小。從物理含義看，靈敏度是廣義的增益，而靈敏度閾則是死區(qū)或不靈敏度。? 線性度傳感器的輸出——輸入校準曲線與理論擬合直線之間的最大偏差與傳感器滿量程輸出之比，稱為該傳感器的“非線性誤差”或稱“線性度”，也稱“非線性度”。只要輸入量是時間的函數(shù)，則其輸出量必將是時間的函數(shù)。? 零階傳感器動態(tài)特性指標零階傳感器，其輸入量無論隨時間如何變化，其輸出量的幅值總是與輸入量成確定的比例關(guān)系，在時間上也不滯后，幅角φ等于零。? 一階傳感器動態(tài)特性指標一階傳感器動態(tài)特性指標有：靜態(tài)靈敏度和時間常數(shù)τ。在彈簧阻尼系統(tǒng)中，就要求系統(tǒng)的阻尼系數(shù)小，而彈簧剛度要大。由于大多數(shù)傳感器均為二階系統(tǒng)，所以我們要專門討論二階系統(tǒng)的階躍響應。在一定的值下，欠阻尼系統(tǒng)比臨界阻尼系統(tǒng)更快地達到穩(wěn)態(tài)值；過阻尼系統(tǒng)反應遲鈍，動作緩慢，所以一般傳感器都設(shè)計成欠阻尼。89第二章 應變式傳感器第二章 應變式傳感器 教學要求1．掌握電阻應變效應的基本概念。3．掌握應變計的靜態(tài)性能和動態(tài)性能。4．了解應變計的分類和命名規(guī)則。216。電阻應變效應定義：導體或半導體材料在外界力的作用下產(chǎn)生機械變形時，其電阻值相應發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為“應變效應”。 應變計的分類了解。應變計的主要特性實驗證明，在一定的應變范圍內(nèi)，有下列關(guān)系：式中，為電阻應變計的靈敏度系數(shù)。這是因為，在單向應力產(chǎn)生雙向應變的情況下，除受到敏感柵結(jié)構(gòu)形狀﹑成型工藝﹑粘結(jié)劑和基底性能的影響外，尤其受到柵端圓弧部分橫向效應的影響。因此，值通常采用從批量生產(chǎn)中每批抽樣，在規(guī)定條件下通過實測確定，該值稱為“標稱靈敏度系數(shù)”。應變計這種既敏感縱向應變，又同時受橫向應變影響而使靈敏系數(shù)及相對電阻比都減小的現(xiàn)象，稱為橫向效應。減小橫向效應的方法：采用直角線柵式應變計或箔式應變計。當它依次通過一定厚度的基底、膠層(兩者都很薄，可忽略不計)和柵長而為應變計所響應時，就會有時間的遲后。應變計的動態(tài)特性就是指其感受隨時間變化的應變時之響應特性。機械滯后實用中，由于敏感柵基底和粘結(jié)劑材料性能，或使用中的過載，過熱，都會使應變計產(chǎn)生殘余變形，導致應變計輸出的不重合。它是指粘貼在試件上的應變計，在恒溫條件下增(加載)、減(卸載)試件應變的過程中，對應同一機械應變所指示應變量(輸出)之差值。實測中，可在測試前通過多次重復預加、卸載，來減小機械滯后產(chǎn)生的誤差。 應變計的機械滯后特性 應變計的蠕變和零漂特性蠕變和零漂粘貼在試件上的應變計，在恒溫恒載條件下，指示應變量隨時間單向變化的特性稱為蠕變。蠕變反映了應變計在長時間工作中對時間的穩(wěn)定性，通常要求θ＜3～15μs。選用彈性模量較大的粘結(jié)劑和基底材料，適當減薄膠層和基底，并使之充分固化，有利于蠕變性能的改善。當試件輸入的真實應變超過某一限值時，應變計的輸出特性將出現(xiàn)非線性。應變極限是衡量應變計測量范圍和過載能力的指標，通常要求。 應變計的應變極限特性應變計的粘貼了解粘貼劑的選用要求，和常用粘合劑的選用原則：有機粘合劑通常用于低溫﹑常溫合中溫，無機粘合劑用于高溫。 直流電橋該方程為直流電橋的特性方程。直流電橋的電壓靈敏度應變片工作時，其電阻變化很小，電橋相應輸出電壓也很小。電橋靈敏度定義為：單臂工作應變片的電橋電壓靈敏度為：式中， ZZZZ4為復阻抗，U為交流電壓源，開路輸出電壓為U 0，根據(jù)交流電路分析（和直流電路類似）可得平衡條件為：設(shè) 、 ——各橋臂電阻和電抗；， ——各橋臂復阻抗的模和幅角。在實際的應變測量中，由于各橋臂應變計的性能參數(shù)不可能完全對稱，加之應變計引出導線的分布電容（其容抗與供橋電源頻率有關(guān)），嚴重影響著交流電橋的初始平衡和輸出特性。和 溫度誤差及其補償 溫度誤差產(chǎn)生的原因但實際上環(huán)境溫度變化時，也會引起電阻的相對變化，從而產(chǎn)生溫度誤差。在工作溫度變化較大時，這種熱輸出干擾必須加以補償。式中常采用溫度自補償法和橋路補償法。 這種方法是通過精心選配敏感柵材料與結(jié)構(gòu)參數(shù)來實現(xiàn)熱輸出補償?shù)摹?由式可知，欲使熱輸出為0，只要滿足條件 (a)絲繞式 (b)短接式 (2)雙絲自補償應變計應變計電阻R由兩部分電阻Ra和Rb組成，即R=Ra+Rb。橋路補償法橋路補償法是利用電橋的和、差原理來達到補償?shù)哪康?。不同的是，敏感柵是由同符號電阻溫度系?shù)的兩種合金絲串接而成，而且柵的兩部分電阻R1和R2分別接入電橋的相鄰兩臂上：工作柵R1接入電橋工作臂，補償柵R2外接串接電阻RB(不敏感溫度影響)后接入電橋補償臂；另兩臂照例接入平衡電阻R3和R4，如圖所示。R1貼在試件上，接入電橋工作臂， R2貼在與試件同材料、同環(huán)境溫度，但不參與機械應變的補償塊上，接入電橋相鄰臂作補償臂(RR4同樣為平衡電阻)。這種方法簡便，但補償塊的設(shè)置受到現(xiàn)場環(huán)境條件的限制。選擇分流電阻R5的值，可以使應變片靈敏度下降對電橋輸出的影響得到很好的補償。采用交流電橋電路的應變儀由電橋、放大器、相敏檢波器、濾波器、振蕩器和電源部分組成。①電橋：將應變計的電阻變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流信號,以便放大器放大。②放大器：對電橋輸出的微弱信號進行不失真的放大，并以足夠的功率去推動指示器和記錄器。③相敏檢波器：將放大后的調(diào)幅波還原為被測應變信號波形，同時反映被測應變信號 的方向，通常采用環(huán)形相敏檢波器。