非电量测试传感器

在实际应用中，保持冷端温度T0不变，则总热电势EAB(T，T0)只 是温度的单值函数： EAB(T，T0)=f(T)-c c为T0=0度时的电压值
二、热电偶材料和常用热电偶
1、热电偶材料 常用的热电偶材料有铜、 铁、铂铹合金和镍铬合 金等。 2 、常用的热电偶 （1）铂铑10-铂热电偶 分度号为S, 是一种贵金属热 电偶。 （2）镍铬-镍硅（镍铝）热电偶 分度号为K, 是一 种廉价热电偶。 （3）铂铑30-铂铑6热电偶 分度号为B, 亦称作双铂 铑热电偶。 （4）钨-铼热电偶 属高温型热电偶。 （5）镍铬-考铜热电偶 分度号为EA。 （6）铜-康铜热电偶 分度号为T。
计量光栅在实际应用上有透射光栅和反射光栅两种；以透 光的玻璃为载体的称为透射光栅，不透光的金属为载体的 称为反射光栅 按其作用原理又可分为幅射光栅和相位光栅； 按其用途可分为直线光栅和圆光栅。 光栅位移传感器的结构如图6-1所示。它主要由标尺光栅、指 示光栅、光电器件和光源等组成。通常，标尺光栅和被测物 体相连，随被测物体的直线位移而产生位移。一般标尺光栅 和指示光栅的刻线密度是相同的，而刻线之间的距离W称为 栅距，是刻线宽和两刻线之间缝宽之和。光栅条纹密度一般 为每毫米25、50、100、250条等
它们沿着与光栅条纹几乎垂直的方向排列，如图6-2所 示。莫尔条纹是光栅非重合部分光线透过而形成的亮 带，它由一系列四棱形图案组成，如图中的d—d线区 所示。f— f线区则是由于光栅的遮光效应形成的。莫 尔条纹具有如下特点：
指示光栅
W
θ
标尺光栅
W/2
d f d f d d f d f d
d
W/2
B
d
种类
普通热电偶 铠装热电偶 （缆式热电偶） 薄膜热电偶
特点
测量气体、蒸汽和液体等介质的温度， 标准化 动态响应快、测量端热容量小、挠性好、 强度高、种类多 测量微小面积和瞬时变化的温度、热容量 小、动态响应快 测量金属块、炉壁、橡胶筒、涡轮叶片、 轧辊等固体的表面温度 直接插入液体中测量：钢水、铜水、铝水、 熔融合金
一、 测力传感器
P P
B R4 R3 R2 R3 R1 R1 A R3 R3 D P
a) b)
R1
R2 R2 C R4 R4
R1 R4 R2
P
c)
a) 弹性元件受力图 b)电阻位置示意图 c)等效电路图 图6-24 柱式弹性元件及其电桥
柱式弹性元件有圆柱形、圆筒形等几种。如图6-24所示。 这种弹性元件结构简单、承载能力大，主要用于中等载荷 和大载荷（可达数兆牛顿）的拉(压)力传感器。其受力后，产 生应变：
（二）工作原理 如果把两块栅距W相等的光栅平行安装，且让它们的刻痕 之间有较小的夹角θ时，这时光栅上会出现若干条明暗相 间的条纹，这种条纹称莫尔条纹，莫尔”原出于法文 Moire，意思是水波纹。几百年前法国丝绸工人发现，当 两层薄丝绸叠在一起时，将产生水波纹状花样；如果薄绸 子相对运动，则花样也跟着移动，这种奇怪的花纹就是莫 尔条纹。一般来说，只要是有一定周期的曲线簇重叠起来， 便会产生莫尔条纹
kT nA EAB(T ) ln e nB
EAB(T)为导体A、B结点在温度T时形成 的接触电动势；
e为单位电荷， e =1.6×10-19C；
电场
nA nB
A
扩散 扩散
k为波尔兹曼常数 k =1.38×10-23 J/K ；
NA、NB为导体A、B在温度为T 时的电子 密度；
EAB(T )
B
图6-1 光栅位移传感器的结构原理 1— 标尺光栅 2— 指示光栅 3— 光电器件 4— 光源
光栅的横向莫尔条纹测位移，需要两块光栅。一块光栅称为 主光栅，它的大小与测量范围相一致；另一块是很小的一块， 称为指示光栅。为了测量位移，必须在主光栅侧加光源，在 指示光栅侧加光电接收元件。当主光栅和指示光栅相对移动 时，由于光栅的遮光作用而使莫尔条纹移动，固定在指示光 栅侧的光电元件，将光强变化转换成电信号。由于光源的大 小有限及光栅的衍射作用，使得信号为脉动信号。
A B M B
相位检 测电路
转矩信号
A
驱动侧
负载侧
图6-27 无触点力矩测量原理
传动轴的两端安装上磁分度圆盘A，分别用磁头B检测 两圆盘之间的转角差，用转角差与负荷M成比例的关系， 即可测量负荷力矩的大小。
6.5 温度测量 温度是国际单位制给出的基本物理量之一，它是工农 业生产和科学试验中需要经常测量和控制的主要参数。 温度传感器是实现温度检测和控制的重要器件。在种 类繁多的传感器中，温度传感器是应用最广泛、发展 最快的传感器之一。
2、热电偶的结构 （1）热电极 热电性质稳定 物理化学性质稳定 电阻温度系数小、电阻率高 输出热电势大、输出呈线性 复制性好、工艺简单、价格低 （2）绝缘材料 （3）保护套管
贵金属
普通金属
防止电极间短路：氧化铝管、耐火陶瓷 与介质隔离，优良传热性能
（4）接线盒
铝合金
3、热电偶的种类
T1 B T2
西拜克效应
相应的电动势称为温差电动势或西拜克电动势， 它在回路中产生的电流，称为热电流。A、B称为热 电极。接点1在测温时，将它置于被测温度场中，称 为测量端（或工作端、热端）。节点2一般要求恒定 在某一温度，称为参考端（或自由端、冷端）。
冷端
T0
B
热端

A

M
T
由此可见，热电偶就是利用热电动势随两接点温度 变化的特性来测量温度的。
漂移
（2）温差电势
冷端
EA(T , T 0) AdT
T0
T
T0
B
热端

A

M
T
A ——为汤姆逊系数
T、T 0 —— 热端和冷端的绝对温度
（3）回路的总热电势
k E AB (T , T0 ) e

T
T0
ln
NA dt, 即E AB (T , T0 ) f (T ) f (T0 ) NB
6.3力、力矩及应力测量 一、应变检测和应力计算 1、线应力状态 对于单向应力状态，只要将应变片沿应力方向粘贴， 测出应变值 ，即可求出应力 =E 式中，E—被测零件材料的弹性模量。
2、测点选择、布片和选片原则
（1）测点的选择
应考虑如下几个问题： 1）最大应力点一般都产生在危险截面或应力集中的地方。 2）如果最大应力点难以确定，或者需要了解构件应力分 布的全貌，一般都在所研究的线段上比较均匀地布置5~7个测点。 3）对于构件上开有孔、凹槽或截面急剧变化等一些产生 应力集中的区域，测点应适当的加多，以了解其应力变化情况。 4）为了减少测点数目，可以利用结构与载荷的对称性和 结构边界的特殊性况。 5）动态测试应在静态测试的基础上进行，测点数目要比 静态的少。动态测点一定要选在能反映构件动态性质的关键部位。
P
AE
Байду номын сангаас
用电阻应变仪测出的指示应变为：
i 2(1 )
式中：P—作用力； A—弹性体的横截面积； E—弹性材料的弹性模量； μ —弹性材料的泊松比。
二、 力矩传感器
D
B
A
C
图6-26 机器人手腕用力矩传感器原理
图中驱动轴B通过装有应变片A的腕部与手部C联接。当驱动轴 回转并带动手部回转而拧紧螺丝钉D时，手部所受力矩的大小 可通过应变片电压的输出测得。
第六章
非电量测量
在现代检测技术中，对于各种类型的被测量 的测量，大多数都是直接或通过各种传感器、 电路转换为与被测量相关的电压、电流等电学 基本参量后进行监测和处理的，这样既便于对 被测量的检测、处理、记录和控制，又能提高 测量的精度，因此，了解和掌握这些非电量的 测量方法是十分重要的。
第一节 长度及线位移测量 一、 光栅位移传感器
o
5 o 5 C ( F 32) 9 4
o
R
三、温度检测系统的组成
测温系统的组成应考虑如下几个方面： （1）温度范围; （2）使用场合 （3）温度响应; （4）传输方式 温度检测系统的组成如图4-2所示。
温度被测对象 温度传感器
a)简单系统 温度被测对象
k
温度显示仪表

温度传感器
3. 莫尔条纹具有平均光栅误差的作用。莫尔条纹是由一系列 刻线的交点组成，它反映了形成条纹的光栅刻线的平均位置， 对各栅距误差起了平均作用，减弱了光栅制造中的局部误差 和短周期误差对检测精度的影响。 通过光电元件，可将莫尔条纹移动时光强的变化转换为近似 正弦变化的电信号,将此电压信号放大、整形变换为方波， 经微分转换为脉冲信号，再经辨向电路和可逆计数器计数， 则可用数字形式显示出位移量，位移量等于脉冲与栅距乘积。 测量分辨率等于栅距。 提高测量分辨率的常用方法是细分，且电子细分应用较广。 这样可在光栅相对移动一个栅距的位移（即电压波形在一个 周期内）时，得到4个计数脉冲，将分辨率提高4倍，这就 是通常说的电子4倍频细分。
理论证明： 1）热电偶必须由两种不同材料的热电极组成； 2）热电偶的两接点必须具有不同的温度； 3）当热电极的材料固定以后，热电动势的大小 EAB（T，T0）是温度（T，T0） 如果保持T0不变，那么EAB（T，T0）就是T的 单值函数，利用这个关系就可以通过测温仪表测定 温度。
2、热电势产生的原因 设T＞T0，则在该回路中产生接触电势和温差电势，分别为 EAB(T)、EAB(T0)、EA(T，T0)和EB(T，T0)，它们与T、T0有关， 与两种导体材料的特性有关。 （1）接触电势
一、温度与温度检测
1、原理：某些金属与非金属导体受热后产生电动势， 而另一些导体的电阻受到热或光照射而产生变化。可以 通过测量这些物理量的变化来达到测量温度的目的。 2、分类（1）接触式；（2）非接触式； （3）其它。
二、温标 1、经验温标：某以物质的性质作介质而定的温标。
如，水银作测温介质制成了摄氏和华氏温标；兰氏温标 则用酒精和水混合作为介质。 （1）华氏温标：冰水融体为“32”，水的沸点为 “212”，中间等分为180份，每份为1度，以OF表示。 （2）兰氏温标：以水的冰点为“1000”，水的沸点为 “1080”，中间等分为80份，每份为1度，以OR表示。 （3）摄氏温标：以水的冰点为“0”，水的沸点为 “100”，中间等分为100份，每份为1度，以OC表示。 三个经验温标之间的换算关系如下：
图6-2 莫尔条纹
1. 莫尔条纹的位移与光栅的移动成比例。当指示光栅不动，标 尺光栅向左右移动时，莫尔条纹将沿着近于栅线的方向上下移 动；光栅每移动过一个栅距W，莫尔条纹就移动过一个条纹间 距B，查看莫尔条纹的移动方向，即可确定主光栅的移动方向。 2. 莫尔条纹具有位移放大作用。莫尔条纹具有位移放大作用。 莫尔条纹的间距B与两光栅条纹夹角之间关系为：
B W W 2 sin 2
的单位为rad，B、W的单位为mm。所以莫尔条纹的放大倍数为
K B 1 W
可见θ越小，放大倍数越大。实际应用中，角的取值范围都很 小。例如当θ =10′时，K=1/θ=1/0.029rad≈345。也就是说指示 光栅与标尺光栅相对移动一个很小的W距离时，可以得到一个 很大的莫尔条纹移动量B，可以用测量条纹的移动来检测光栅 微小的位移，从而实现高灵敏度的位移测量。
光栅是一种新型的位移检测元件，是一种将机械位移或模拟量转 变为数字脉冲的测量装置。它的特点是测量精确度高（可达 ±1μm）、响应速度快、量程范围大、可进行非接触测量等。易 于实现数字测量和自动控制，广泛用于数控机床和精密测量中。 （一）光栅的构造 所谓光栅就是在透明的玻璃板上，均匀地刻出许多明暗相间 的条纹，或在金属镜面上均匀地划出许多间隔相等的条纹， 通常线条的间隙和宽度是相等的。
k
k
温度变送器
mA
温度显示记录仪
b)较完善的系统
一、 热电式传感器
热能 电能
热电传感器
测量：温度、与温度有关的参量 电阻 —— 热电阻 热敏电阻 电势 —— 热电偶 PN结型温度传感器
金属
半导体
温度
一、热电偶
温差热电偶（简称热电偶）是目前温度测量中使用最普遍的传 感元件之一。它除具有结构简单，测量范围宽、准确度高、热 惯性小，输出信号为电信号便于远传或信号转换等优点外，还 能用来测量流体的温度、测量固体以及固体壁面的温度。微型 热电偶还可用于快速及动态温度的测量。 (一)、热电效应 两种不同的导体或半导体A和B组合成如图6-30所示闭合回路， 若导体A和B的连接处温度不同（设T1＞T2），则在此闭合回 路中就有电流产生，也就是说回路中有电动势存在，这种现象 叫做热电效应。这种现象早在1821年首先由西拜克（See－ back）发现,所以又称西拜克效应。 A