前言

隨著社會的進步，科學技術(shù)的發(fā)展，特別是近20年來，電子技術(shù)日新月異，計算機的普及和應(yīng)用把人類帶到了信息時代，各種電器設(shè)備充滿了人們生產(chǎn)和生活的各個領(lǐng)域，相當大一部分的電器設(shè)備都應(yīng)用到了傳感器件，傳感器技術(shù)是現(xiàn)代信息技術(shù)中主要技術(shù)之一，在國民經(jīng)濟建設(shè)中占據(jù)有極其重要的地位。

??? 人是通過視覺、嗅覺、聽覺及觸覺等感官來感知外界的信息，感知的信息輸入大腦進行分析判斷（即人的思維）和處理，再指揮人作出相應(yīng)的動作，這是人類認識世界和改造世界具有的最基本的本能。但是通過人的五官感知外界的信息非常有限，例如，人總不能利用觸覺來感知超過幾十甚至上千度的溫度吧，而且也不可能辨別溫度的微小變化，這就需要電子設(shè)備的幫助。同樣，利用電子儀器特別象計算機控制的自動化裝置來代替人的勞動，那么計算機類似于人的大腦，而僅有大腦而沒有感知外界信息的“五官”顯然是不足夠的，中央處理系統(tǒng)也還需要它們的“五官”——即傳感器。

??? 人的五管是功能非常復雜、靈敏的“傳感器”，例如人的觸覺是相當靈敏的，它可以感知外界物體的溫度、硬度、輕重及外力的大小，還可以具有電子設(shè)備所不具備的“手感”，例如棉織物的手感，液體的粘稠感等。然而人的五官感覺大多只能對外界的信息作“定性”感知，而不能作定量感知。而且有許多物理量人的五官是感覺不到的，例如對磁性就不能感知。視覺可以感知可見光部分，對于頻域更加寬的非可見光譜則無法感覺得到，象紅外線和紫外線光譜，人類卻是“視而不見”。借助溫度傳感器很容易感知到幾百度到幾千度的溫度，而且要做到1℃的分辨率輕而易舉。同樣借助紅外和紫外線傳感器，便可感知到這些不可見光，所以人類才制造出了具有廣泛用途的紅外夜視儀和X光診斷設(shè)備，這些技術(shù)在軍事、國防及醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域有著極其重要的作用。

??? 在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，工廠的自動流水生產(chǎn)線，全自動加工設(shè)備，許多智能化的檢測儀器設(shè)備，都大量地采用了各種各樣的傳感器，它們在合理化地進行生產(chǎn)，減輕人們的勞動強度，避免有害的作業(yè)發(fā)揮了巨大的作用。在家用電器領(lǐng)域，象全自動洗衣機、電飯褒和微波爐都離不開傳感器。醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域，電子脈博儀、體溫計、醫(yī)用呼吸機、超聲波診斷儀、斷層掃描（CT）及核磁共振診斷設(shè)備，都大量地使用了各種各樣的傳感技術(shù)。這些對改善人們的生活水平，提高生活質(zhì)量和健康水平起到了重要的作用。在軍事國防領(lǐng)域，各種偵測設(shè)備，紅外夜視探測，雷達跟蹤、武器的精確制導，沒有傳感器是難以實現(xiàn)的。在航空航天領(lǐng)域，空中管制、導航、飛機的飛行管理和自動駕駛，儀表著陸盲降系統(tǒng)，都需要傳感器。人造衛(wèi)星的遙感遙測都與傳感器緊密相關(guān)。沒有傳感器，要實現(xiàn)這樣的功能那是不可能的。

??? 此外，在礦產(chǎn)資源、海洋開發(fā)、生命科學、生物工程等領(lǐng)域傳感器都有著廣泛的用途，傳感器技術(shù)已受到各國的高度重視，并已發(fā)展成為一種專門的技術(shù)學科。

??? 傳感器是攝取信息的關(guān)鍵器件，它與通信技術(shù)和計算機技術(shù)構(gòu)成了信息技術(shù)的三大支柱，是現(xiàn)代信息系統(tǒng)和各種裝備不可缺少的信息采集手段，也是采用微電子技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的重要方法，對提高經(jīng)濟效益、科學研究與生產(chǎn)技術(shù)的水平有著舉足輕重的作用。傳感器技術(shù)水平高低不但直接影響信息技術(shù)水平，而且還影響信息技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用。目前，傳感器技術(shù)已滲透到科學和國民經(jīng)濟的各個領(lǐng)域，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科學研究及改善人民生活等方面，起著越來越大的作用。許多尖端科學和新興技術(shù)更是需要新型傳感器技術(shù)來裝備，計算機的推廣應(yīng)用，離不開傳感器，新型傳感器與計算機相結(jié)合，不但使計算機的應(yīng)用進入了嶄新時代，也為傳感器技術(shù)展現(xiàn)了一個更加廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域和發(fā)展前景。

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溫度傳感器

溫度是表征物體冷熱程度的物理量，是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中一個很重要而普遍的測量參數(shù)。溫度的測量及控制對保證產(chǎn)品質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率、節(jié)約能源、生產(chǎn)安全、促進國民經(jīng)濟的發(fā)展起到非常重要的作用。由于溫度測量的普遍性，溫度傳感器的數(shù)量在各種傳感器中居首位，約占50%。

??? 溫度傳感器是通過物體隨溫度變化而改變某種特性來間接測量的。不少材料、元件的特性都隨溫度的變化而變化，所以能作溫度傳感器的材料相當多。溫度傳感器隨溫度而引起物理參數(shù)變化的有：膨脹、電阻、電容、而電動勢、磁性能、頻率、光學特性及熱噪聲等等。隨著生產(chǎn)的發(fā)展，新型溫度傳感器還會不斷涌現(xiàn)。

??? 由于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中溫度測量的范圍極寬，從零下幾百度到零上幾千度，而各種材料做成的溫度傳感器只能在一定的溫度范圍內(nèi)使用。常用的測溫傳感器的種類與測溫范圍如下表所示。

??? 溫度傳感器與被測介質(zhì)的接觸方式分為兩大類：接觸式和非接觸式。接觸式溫度傳感器需要與被測介質(zhì)保持熱接觸，使兩者進行充分的熱交換而達到同一溫度。這一類傳感器主要有電阻式、熱電偶、PN結(jié)溫度傳感器等。非接觸式溫度傳感器無需與被測介質(zhì)接觸，而是通過被測介質(zhì)的熱輻射或?qū)α鱾鞯綔囟葌鞲衅?，以達到測溫的目的。這一類傳感器主要有紅外測溫傳感器。這種測溫方法的主要特點是可以測量運動狀態(tài)物質(zhì)的溫度（如慢速行使的火車的軸承溫度，旋轉(zhuǎn)著的水泥窯的溫度）及熱容量小的物體（如集成電路中的溫度分布）。
??? 溫度傳感器的種類較多，我們介紹幾種主要的溫度傳感器及應(yīng)用電路。

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溫度傳感器應(yīng)用電路（一）

PN結(jié)溫度傳感器

???? 工作原理
??? 晶體二極管或三極管的PN結(jié)的結(jié)電壓是隨溫度而變化的。例如硅管的PN結(jié)的結(jié)電壓在溫度每升高1℃時，下降-2mV，利用這種特性，一般可以直接采用二極管（如玻璃封裝的開關(guān)二極管1N4148）或采用硅三極管（可將集電極和基極短接）接成二極管來做PN結(jié)溫度傳感器。這種傳感器有較好的線性，尺寸小，其熱時間常數(shù)為0.2—2秒，靈敏度高。測溫范圍為-50—+150℃。典型的溫度曲線如圖1所示。同型號的二極管或三極管特性不完全相同，因此它們的互換性較差。

???? 應(yīng)用電路(一)
??? 圖（2）是采用PN結(jié)溫度傳感器的數(shù)字式溫度計，測溫范圍-50—150℃，分辨率為0.1℃,在0—100℃范圍內(nèi)精度可達±1℃。
??? 圖中的R1，R2，D，W1組成測溫電橋，其輸出信號接差動放大器A1，經(jīng)放大后的信號輸入0—±2.000V數(shù)字式電壓表（DVM）顯示。放大后的靈敏度10mV/℃。A2接成電壓跟隨器。與W2配合可調(diào)節(jié)放大器A1的增益。
??? 通過PN結(jié)溫度傳感器的工作電流不能過大，以免二極管自身的溫升影響測量精度。一般工作電流為100—300mA。采用恒流源作為傳感器的工作電流較為復雜，一般采用恒壓源供電，但必須有較好的穩(wěn)壓精度。
??? 精確的電路調(diào)整非常重要，可以采用廣口瓶裝入碎冰渣（帶水）作為0℃的標準，采用恒溫水槽或油槽及標準溫度計作為100℃或其它溫度標準。在沒有恒水槽時，可用沸水作為100℃的標準（由于各地的氣壓不同，其沸點不一定是100℃，可用0—100℃的水銀溫度計來校準）。

??? 將PN結(jié)傳感器插入碎冰渣廣口瓶中，等溫度平衡，調(diào)整W1，使DVM顯示為0V，將PN結(jié)傳感器插入沸水中（設(shè)沸水為100℃），調(diào)整W2，使DVM實現(xiàn)為100.0V，若沸水溫度不是100℃時，可按照水銀溫度計上的讀數(shù)調(diào)整W2，使DVM顯示值與水銀溫度計的數(shù)值相等。再將傳感器插入0℃環(huán)境中，等平衡后看顯示是否仍為0V，必要時再調(diào)整W1使之為0V，然后再插入沸水，看是否與水銀溫度計計數(shù)相等，經(jīng)過幾次反復調(diào)整即可。

??? 圖中的DVM是通用3位半數(shù)字電壓表模塊MC14433，可以裝入儀表及控制系統(tǒng)中作顯示器。MC14433的應(yīng)用電路可參考本網(wǎng)站的常用A/D轉(zhuǎn)換器中的技術(shù)手冊。它的主要技術(shù)指標如下：
??? 基本量程：±1.999V(2V)
??? 線性誤差：該讀數(shù)的0.05%±1字
??? 電源：5—7.5V單電源
??? 平均功耗：300mW
??? 過量程時：數(shù)字閃爍
??? DU腳接地時：數(shù)據(jù)可保持

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溫度傳感器應(yīng)用電路（二）

PN結(jié)溫度傳感器

???? 應(yīng)用電路(二)
??? 下面我們來看看利用不帶A/D轉(zhuǎn)換器的單片機實現(xiàn)測溫的應(yīng)用電路。

??? 這里我們選用內(nèi)帶一個模擬比較放大器的AT89C2051單片機來實現(xiàn)這一功能，AT89C2051是一片ATMEL公司推出的兼容C51的8位單片機，內(nèi)帶2k的Flash程序存儲器，128字節(jié)的內(nèi)部RAM,具有15個I/O口，6個中斷源，只有20個引腳，價格也相當便宜，可謂價廉物美的單片機。詳細的資料可參見本網(wǎng)站的“ATMEL單片機”中的AT89C2051。其中內(nèi)含一個模擬比較放大器，P1.0是比較放大器的同相輸入端，P1.1是比較放大器的反相輸入端，這兩個輸入輸出口內(nèi)部并沒有上拉電阻，比較放大器的輸出端連至P3.6，也沒有引出，但可用指令訪問該引腳。

??? 在該單片機外接RC元件即可構(gòu)成簡單的，低精度的A/D轉(zhuǎn)換電路，電路如圖3所示，P1.0（同相端）接上RC充放電阻和電容，P1.1（反相端）作為外部被測溫度電壓的輸入端，作為PN結(jié)溫度傳感器，本身輸出電壓較低，可參照上一節(jié)我們給出的放大電路，溫度傳感電壓經(jīng)放大后再引至單片機的輸入端。P1.2充放電控制端通過一個數(shù)kΩ的電阻接正電源Vcc，因為R1遠小于R2，可以認為在P1.2輸出邏輯高電平時，電壓是相當接近Vcc高電平的。

??? 電路工作過程如下：程序開始時，先置P1.2為邏輯低電平，并延時一小段時間，使P1.2為低電平，電容C經(jīng)R2放完電，此時，P1.0=0V，而P1.1>0V,比較放大器輸出“0”電平，接著置P1.2為高電平，同時定時器開始計時，當電容C上的電壓Vc充到Vc=Vx時，P1.0與P1.1的電位相等，比較放大器的同相端和反相端電平相等時，輸出端P3.6輸出高電平，當掃描查詢到P3.6為高電平時即停止計時，那么只要測得開始對電容充電到P3.6輸出高電平的時間，通過換算即可得到外部被測溫度電壓的值。

??? 這里需要指出，從圖4中我們可以看到，電容器的充電過程并非線性，其充電過程可以描述為：
?
??? 這個非線性特性，我們在單片機編程時，可以通過補償和校正的方法加以解決，最常用的方法也是最簡單的方法是通過查表的辦法進行修正。這樣便可滿足一種低精度簡易的溫度測量要求。

電阻應(yīng)變片力傳感器

力學傳感器是將各種力學量轉(zhuǎn)換為電信號的器件，力學量可分為幾何學量、運動學量及力學量三部分，其中幾何學量指的是位移、形變、尺寸等，運動學量是指幾何學量的時間函數(shù)，如速度、加速度等。力學量包括質(zhì)量、力、力矩、壓力、應(yīng)力等。根據(jù)被測力學的不同，這里我們首先要介紹的是應(yīng)用最為廣泛的應(yīng)變式壓力傳感器，在以后的網(wǎng)頁中，我們將逐步介紹其它類型的力學傳感器。

??? 力學傳感器的種類繁多，如電阻應(yīng)變片壓力傳感器、半導體應(yīng)變片壓力傳感器、壓阻式壓力傳感器、電感式壓力傳感器、電容式壓力傳感器、諧振式壓力傳感器及電容式加速度傳感器等。但應(yīng)用最為廣泛的是壓阻式壓力傳感器，它具有極低的價格和較高的精度以及較好的線性特性。下面我們主要介紹這類傳感器。

??? 在了解壓阻式力傳感器時，我們首先認識一下電阻應(yīng)變片這種元件。電阻應(yīng)變片是一種將被測件上的應(yīng)變變化轉(zhuǎn)換成為一種電信號的敏感器件。它是壓阻式應(yīng)變傳感器的主要組成部分之一。電阻應(yīng)變片應(yīng)用最多的是金屬電阻應(yīng)變片和半導體應(yīng)變片兩種。金屬電阻應(yīng)變片又有絲狀應(yīng)變片和金屬箔狀應(yīng)變片兩種。通常是將應(yīng)變片通過特殊的粘和劑緊密的粘合在產(chǎn)生力學應(yīng)變基體上，當基體受力發(fā)生應(yīng)力變化時，電阻應(yīng)變片也一起產(chǎn)生形變，使應(yīng)變片的阻值發(fā)生改變，從而使加在電阻上的電壓發(fā)生變化。這種應(yīng)變片在受力時產(chǎn)生的阻值變化通常較小，一般這種應(yīng)變片都組成應(yīng)變電橋，并通過后續(xù)的儀表放大器進行放大，再傳輸給處理電路（通常是A/D轉(zhuǎn)換和CPU）顯示或執(zhí)行機構(gòu)。

???? 金屬電阻應(yīng)變片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

??? 如圖1所示，是電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)示意圖，它由基體材料、金屬應(yīng)變絲或應(yīng)變箔、絕緣保護片和引出線等部分組成。根據(jù)不同的用途，電阻應(yīng)變片的阻值可以由設(shè)計者設(shè)計，但電阻的取值范圍應(yīng)注意：阻值太小，所需的驅(qū)動電流太大，同時應(yīng)變片的發(fā)熱致使本身的溫度過高，不同的環(huán)境中使用，使應(yīng)變片的阻值變化太大，輸出零點漂移明顯，調(diào)零電路過于復雜。而電阻太大，阻抗太高，抗外界的電磁干擾能力較差。一般均為幾十歐至幾十千歐左右。

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???? 電阻應(yīng)變片的工作原理

???? 金屬電阻應(yīng)變片的工作原理是吸附在基體材料上應(yīng)變電阻隨機械形變而產(chǎn)生阻值變化的現(xiàn)象，俗稱為電阻應(yīng)變效應(yīng)。金屬導體的電阻值可用下式表示：

???? 式中：ρ——金屬導體的電阻率（Ω·cm2/m）
??????????? S——導體的截面積（cm2）
??????????? L——導體的長度（m）

??? 我們以金屬絲應(yīng)變電阻為例，當金屬絲受外力作用時，其長度和截面積都會發(fā)生變化，從上式中可很容易看出，其電阻值即會發(fā)生改變，假如金屬絲受外力作用而伸長時，其長度增加，而截面積減少，電阻值便會增大。當金屬絲受外力作用而壓縮時，長度減小而截面增加，電阻值則會減小。只要測出加在電阻的變化（通常是測量電阻兩端的電壓），即可獲得應(yīng)變金屬絲的應(yīng)變情況。

濕度傳感器

一.大氣的濕度及露點

??? [1].絕對濕度和相對濕度
??? 地球表面的大氣層是由78%的氮氣、21%的氧氣和一小部分二氧化碳、水汽以及其他一些惰性氣體混合而成的。由于地面上的水和動植物會發(fā)生水份蒸發(fā)現(xiàn)象，因而地面上不斷地在生成水份，使大氣中含有水汽的量在不停地變化。由于水份的蒸發(fā)及凝結(jié)的過程總是伴隨著吸熱和放熱，因此大氣中的水汽的多少不但會影響大氣的濕度，而且使空氣出現(xiàn)潮濕或干燥現(xiàn)象。大氣的干濕程度，通常是用大氣中水汽的密度來表示的。即每1m3大氣所含水汽的克數(shù)來表示，它稱為大氣的絕對濕度。

??? 要想直接測量出大氣的水汽密度，方法比較復雜。而理論計算表明，在一般的氣溫條件下，大氣的水汽密度，與大氣中水汽的壓強數(shù)值十分接近。所以大氣的水汽密度又可以規(guī)定為大氣中所含水汽的壓強，又把它稱為大氣的絕對濕度，用符號D表示，常用的單位是mmHg。。

??? 在許多與大氣的濕度有關(guān)的現(xiàn)象里，如農(nóng)作物的生長綿紗的斷頭以及人們的感覺等等，都與大氣的絕對濕度沒有直接的關(guān)系，主要與大氣中的水汽離飽和狀態(tài)的遠近程度有關(guān)。比如，同樣是6mmHg的絕對濕度，如果在炎熱的夏季中午，由于離當時的飽和水汽壓（31.38mmHg）尚遠，使人感到干燥，如果是在初冬的傍晚，由于水汽壓接近當時的飽和水汽壓（18.05mmHg）而使人感到潮濕。因此通常把大氣的絕對濕度跟當時氣溫下飽和水汽壓的百分偶稱為大氣的相對濕度，即

??????? 式中H——相對濕度
??????????? D——大氣的絕對濕度（mmHg）
??????????? Ds——當時氣溫下的飽和水汽壓（mmHg）

??? 上式表明，若大氣中所含水汽的壓強等于當時氣溫下的飽和水汽壓時，這時大氣的相對濕度等于100%RH。

??? [1].露點
??? 降低溫度可以使未飽和水汽變成飽和水汽。露點就是指使大氣中原來所含有的未飽和水汽變成飽和水汽所必須降低的溫度。因此只要能測出露點，就可以通過一些數(shù)據(jù)表查得當時大氣的絕對濕度。

??? 當大氣中的未飽和水汽接觸到溫度較低的物體時，就會使大氣中的未飽和水汽達到或接近飽和狀態(tài)，在這些物體上凝結(jié)成水滴。這種現(xiàn)象被稱為結(jié)露。結(jié)露對農(nóng)作物有利，但對電子產(chǎn)品則是有害的。

??? 二.濕敏傳感器的分類

??? 水是一種極強的電解質(zhì)。水分子有較大的電偶極矩，在氫原子附近有極大的正電場，因而它有很大的電子親和力，使得水分子易吸附在固體表面并滲透到固體內(nèi)部。利用水分子這一特性制成的濕度傳感器稱為水分子親和力型傳感器。而把與水分子親和力無關(guān)的濕度傳感器稱為非水分子親和力型傳感器。在現(xiàn)代工業(yè)上使用的濕度傳感器大多是水分子親和力型傳感器，它們將濕度的變化轉(zhuǎn)換為阻抗或電容值的變化后輸出，圖1是濕度傳感器的分類示意圖。

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電磁式流量傳感器

一.電磁式流量傳感器的工作原理及使用

??? 導電性的液體在流動時切割磁力線，也會產(chǎn)生感生電動勢。因此可應(yīng)用電磁感應(yīng)定律來測定流速，電磁流量傳感器就是根據(jù)這一原理制成的。

??? 圖1是電磁式流量傳感器的工作原理圖。在勵磁線圈通以勵磁電壓后，絕緣導管便處于磁力線密度為B的均勻磁場中，當平均流速為v的導電性液體流經(jīng)絕緣導管時，那么在導線內(nèi)徑為D的管道壁上設(shè)置的一對電極中，便會產(chǎn)生如下式所表示的電動勢e，即

???????式中v——液體的平均流速（m/s）
????????????B——磁場的磁通密度（T）
????????????D——導管的內(nèi)徑（m）

????液體流動的容積流量

?? 根據(jù)上式可以看出，容積流量Q與電動勢e成正比。如果我們事先知道導管內(nèi)徑和磁場的磁通密度B，那么就可以通過對電動勢的測定，求出容積的流量。

??? 雖然電磁流量傳感器的使用條件是要求流體是導電的，但它還是有許多優(yōu)點。

??? (1).沒有機械可動部分。

??? (2).由于電極的距離正好為導管的內(nèi)徑，因此沒有妨礙流體流動的障礙，壓力損失極小。

??? (3).能夠得到與容積流量成正比的輸出信號。

??? (4).測量結(jié)果不受流體粘度的影響。

??? (5).由于電動勢是在包含電極的導管的斷面處作為平均流速測得的，因此受流速分布影響較小。

??? (6).測量范圍寬，可以從0.005——190000m3/h。

??? (7).測量精度高，可達±0.5%。

??? 使用電磁流量傳感器時應(yīng)注意以下幾點：
??? [1].由于管道是絕緣體，電流在流體中流動很容易受雜波的干擾，因此必須在安裝流量傳感器管道的兩端設(shè)置接地環(huán)，使流體接地。

??? [2].雖然流速對精度影響不大，為消除這種影響，應(yīng)保證上流道有足夠的直線長度。

??? [3].使用電磁流量計時，必須使管道內(nèi)充滿液體。最好是把管道垂直設(shè)置，讓被測液體從上至下流動。

??? [4].測定電導率較小的液體時，由于兩電極間的內(nèi)部阻抗比較高，所以信號放大器要有100MΩ的輸入阻抗。為保證傳感器正常的工作，液體的電導率必須保證在5s/cm以上。

??? 電磁流量傳感器可以廣泛應(yīng)用于自來水、工業(yè)用水、農(nóng)業(yè)用水、海水、污水、污泥、化學藥品、食品、礦漿等流體的檢測。

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渦流流量傳感器

一.渦流流量傳感器的工作原理

??? 當在流體中插入棒狀障礙物時，在其帶側(cè)會交替產(chǎn)生相互反轉(zhuǎn)的渦流，在流體的下游形成規(guī)則的渦列，如圖4所示，這種渦列就是流體力學中的“卡門渦旋列”。

??? 發(fā)生渦旋的頻率與流體流量有如下的關(guān)系，即

? 式中f——渦流的頻率
??????????? St——斯托哈爾數(shù)（雷諾數(shù)在某些范圍內(nèi)的一定值）
??????????? v——流體的平均流速
??????????? d——插入物體正對流向的寬度
??????????? A——流路的斷面積
??????????? Q——流體的流量

??? 上式說明，St在一定的范圍內(nèi)，渦流頻率f和流量成正比，因此只要測定出渦流的頻率，就可得知流體的流量這就是渦流流量傳感器的工作原理。

??? 二.渦流流量計的結(jié)構(gòu)

??? 渦流流量計的基本結(jié)構(gòu)，如圖5所示，流量脊由外殼、渦流發(fā)生器和頻率檢測元件等組成。渦流發(fā)生器的下端沿樅向自由支撐，上端固定在外殼的孔內(nèi)，通過密封圈再用壓板予以固定。在渦流發(fā)生器的內(nèi)部裝有壓電元件，用來通過體內(nèi)的應(yīng)力變化檢測出渦流的頻率。圖中的渦流發(fā)生器與流體接觸部分的截面為梯形，這種形狀能使流速與渦流的頻率具有良好的線性。當渦流發(fā)生時，其內(nèi)部將產(chǎn)生一定的應(yīng)力，這種應(yīng)力經(jīng)壓電元件檢測后，用電路對得到的信號進行處理，從而得到跟渦流頻率對應(yīng)的脈沖頻率，最終以模擬電壓的形式輸出。

??? 渦流頻率的檢測方法有許多種，可利用加熱體的冷卻方法來檢測渦流非生產(chǎn)性器周圍和內(nèi)部流體流動的周期變化，也可以通過個種傳感器檢測流體振動所產(chǎn)生的力的周期變化。

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??? 三.渦流流量傳感器的特性及使用

??? 渦流流量傳感器有以下特征：

??? (1).測量渦流頻率的檢測元件，一般都設(shè)置在渦流發(fā)生器的內(nèi)部，與流體隔離，所以渦流流量傳感器可以對所有的流體進行流量檢測。

??? (2).在流體的通道上設(shè)置的渦流發(fā)生器是固定的，因此傳感器沒有運動部分，使傳感器長期使用的可靠性得到保證。

??? (3).因為阻礙流體運動的只有一根渦流發(fā)生器，所以壓力損失小。

??? (4).傳感器測量流體的溫度為-40——300℃，流體的最高壓力可達30MPa。

??? (5).傳感器測定流速的范圍，液體最大為10m/s，氣體最大為90m/s。

??? 使用渦流流量傳感器時應(yīng)注意以下幾點：
??? [1].當被測流體的流速偏低時，流體將產(chǎn)生不穩(wěn)定渦流，此時應(yīng)適當減小管道的口徑以提高流速。

??? [2].當測定附著性流體時，如果渦流發(fā)生器上附著過多的流體，將會使測量誤差增大。

??? [3].傳感器安裝時，應(yīng)設(shè)置在管道振動小的位置，并固定在牢固可靠的支架上。

速度傳感器

單位時間內(nèi)位移的增量就是速度。速度包括線速度和角速度，與之相對應(yīng)的就有線速度傳感器和角速度傳感器，我們都統(tǒng)稱為速度傳感器。

??? 旋轉(zhuǎn)式速度傳感器的結(jié)構(gòu)和特征

??? 旋轉(zhuǎn)式速度傳感器按安裝形式分為接觸式和非接觸式兩類。

??? (1).接觸式

??? 旋轉(zhuǎn)式速度傳感器與運動物體直接接觸，這類傳感器的工作原理如圖6所示。當運動物體與旋轉(zhuǎn)式速度傳感器接觸時，摩擦力帶動傳感器的滾輪轉(zhuǎn)動。裝在滾輪上的轉(zhuǎn)動脈沖傳感器，發(fā)送出一連串的脈沖。每個脈沖代表著一定的距離值，從而就能測出線速度V。

設(shè)D為滾輪直徑,單位為MM,滾輪每轉(zhuǎn)輸出πD個脈沖,則一個脈沖代表著1MM的距離值.設(shè)在時間T內(nèi)脈沖計數(shù)為N,則線速度V為:

?轉(zhuǎn)動脈沖傳感器產(chǎn)生脈沖的方式由表及里光電、磁電、電感應(yīng)等多種。

??? 每個脈沖代表的距離（mm）稱為脈沖當量。為了計算方便，脈沖當量常設(shè)定為距離mm的整數(shù)倍，這是正確使用傳感器的關(guān)鍵。
??? 接觸式旋轉(zhuǎn)速度傳感器結(jié)構(gòu)簡單，使用方便。但是接觸滾輪的直徑是與運動物體始終接觸著，滾輪的外周將磨損，從而影響滾輪的周長。而脈沖數(shù)對每個傳感器又是固定的。影響傳感器的測量精度。要提高測量精度必須在二次儀表中增加補償電路。另外接觸式難免產(chǎn)生滑差，滑差的存在也將影響測量的正確性。因此傳感器使用中必須施加一定的正壓力或著滾輪表面采用摩擦力系數(shù)大的材料，盡可能減小滑差。

??? (2).非接觸式

??? 旋轉(zhuǎn)式速度傳感器與運動物體無直接接觸，非接觸式測量原理很多，以下僅介紹兩點，供參考。

??? [1].光電流速傳感器

??? 如圖7所示，葉輪的葉片邊緣貼有反射膜，流體流動時帶動葉論旋轉(zhuǎn)，頁輪每轉(zhuǎn)動一周光纖傳輸反光一次，產(chǎn)生一個電脈沖信號?？捎蓹z測到的脈沖數(shù)，計算出流速。使脈沖數(shù)與葉輪轉(zhuǎn)速再與流速建立關(guān)系。利用標定曲線V=kn+c計算流速V。其中：k為變換系數(shù)：c為預置值，n為葉輪轉(zhuǎn)速?？蓪⑷~輪的轉(zhuǎn)速直接換算成流速。

?

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[2].光電風速傳感器

??? 圖8示出，風帶動風速計旋轉(zhuǎn)，經(jīng)齒輪傳動后帶動凸輪成比例旋轉(zhuǎn)。光纖被徒輪輪番遮斷形成一串光脈沖，經(jīng)光電管轉(zhuǎn)換成定信號，經(jīng)計算可檢測出風速。

??? 非接觸式旋轉(zhuǎn)速度傳感器壽命長，無需增加補償電路。但脈沖當量不是距離（mm）整數(shù)倍，因此速度運算相對比較復雜。

??? 旋轉(zhuǎn)式速度傳感器的性能可歸納如下：
??? (1).傳感器的輸出信號為脈沖信號，其穩(wěn)定性比較好，不易受外部噪聲干擾，對測量電路無特殊要求。

??? (2).結(jié)構(gòu)比較簡單，成本低，性能穩(wěn)定可靠。功能齊全的微機芯片，使運算變換系數(shù)易于獲得，故目前速度傳感器應(yīng)用極為普遍。

電位器式位移傳感器

機械位移傳感器是用來測量位移、距離、位置、尺寸、角度、角位移等幾何量的一種傳感器。根據(jù)傳感器的信號輸出形式，可以分為模擬和數(shù)字式兩大類，參見圖1所示。機械位移傳感器根據(jù)被測物體的運動形式可細分為線性位移傳感器和角度位移傳感器。

??? 機械位移傳感器是應(yīng)用最多的傳感器之一，它在機械制造工業(yè)和其它工業(yè)的自動檢測技術(shù)中占有很重要的地位，在很多領(lǐng)域也得到了廣泛的應(yīng)用。

??? 第一節(jié) 電位器式傳感器

??? 電位器是人們常用到的一種電子元件，它作為傳感器可以將機械位移或其他能轉(zhuǎn)換為位移的非電量轉(zhuǎn)換為其有一定函數(shù)關(guān)系的電阻值的變化，從而引起輸出電壓的變化。所以它是一個機電傳感元件。電位器的種類繁多，本節(jié)就工業(yè)傳感器用的電位器予以介紹。

??? (1).線繞電位器式傳感器
??? 線繞電位器的電阻體由電阻絲纏繞在絕緣物上構(gòu)成，電阻絲的種類很多，電阻絲的材料是根據(jù)電位器的結(jié)構(gòu)、容納電阻絲的空間、電阻值和溫度系數(shù)來選擇的。電阻絲越細，在給定空間內(nèi)越獲得較大的電阻值和分辨率。但電阻絲太細，在使用過程中容易斷開，影響傳感器的壽命。

??? (2).非線繞電位器式傳感器
??? 為了克服線繞電位器存在的缺點，人們在電阻的材料及制造工藝上下了很多工夫，發(fā)展了各種非線繞電位器。

??? [1] 合成膜電位器
??? 合成膜電位器的電阻體是用具有某一電阻值的懸浮液噴涂在絕緣骨架上形成電阻膜而成的，這種電位器的優(yōu)點是分辨率較高、阻范圍很寬（100—4.7MΩ），耐磨性較好、工藝簡單、成本低、輸入—輸出信號的線性度較好等，其主要缺點是接觸電阻大、功率不夠大、容易吸潮、噪聲較大等。

??? [2] 金屬膜電位器
??? 金屬膜電位器由合金、金屬或金屬氧化物等材料通過真空濺射或電鍍方法，沉積在瓷基體上一層薄膜制成。

??? 金屬膜電位器具有無限的分辨率，接觸電阻很小，耐熱性好，它的滿負荷溫度可達70℃。與線繞電位器相比，它的分布電容和分布電感很小，所以特別適合在高頻條件下使用。它的噪聲信號僅高于線繞電位器。金屬膜電位器的缺點是耐磨性較差，阻值范圍窄，一般在10—100kΩ之間。由于這些缺點限制了它的使用。

??? [3] 導電塑料電位器
??? 導電塑料電位器又稱為有機實心電位器，這種電位器的電阻體是由塑料粉及導電材料的粉料經(jīng)塑壓而成。導電塑料電位器的耐磨性好，使用壽命長，允許電刷接觸壓力很大，因此它在振動、沖擊等惡劣的環(huán)境下仍能可靠地工作。此外，它的分辨率教高，線性度較好，阻值范圍大，能承受較大的功率。導電塑料電位器的缺點是阻值易受溫度和濕度的影響，故精度不易做得很高。

??? [4] 導電玻璃釉電位器
??? 導電玻璃釉電位器又稱為金屬陶瓷電位器，它是以合金、金屬化合物或難溶化合物等為導電材料，以玻璃釉為粘合劑，經(jīng)混合燒結(jié)在玻璃基體上制成的。導電玻璃釉電位器的耐高溫性好，耐磨性好，有較寬的阻值范圍，電阻溫度系數(shù)小且抗?jié)裥詮姟щ姴Ａв噪娢黄鞯娜秉c是接觸電阻變化大，噪聲大，不易保證測量的高精度。

??? (3).光電電位器式傳感器
??? 光電電位器是一種非接觸式電位器，它用光束代替電刷，圖1是這種電位器的結(jié)構(gòu)圖。光電電位器主要是由電阻體、光電導層和導電電極組成。光電電位器的制作過程是先在基體上沉積一層硫化鎘或硒化鎘的光電導層，然后在光電導層上再沉積一條電阻體和一條導電電極。在電阻體和導電電極之間留有一個窄的間隙。平時無光照時，電阻體和導電電極之間由于光電導層電阻很大而呈現(xiàn)絕緣狀態(tài)。當光束照射在電阻體和導電電極的間隙上時，由于光電導層被照射部位的亮電阻很小，使電阻體被照射部位和導電電極導通，于是光電電位器的輸出端就有電壓輸出，輸出電壓的大小與光束位移照射到的位置有關(guān)，從而實現(xiàn)了將光束位移轉(zhuǎn)換為電壓信號輸出。

?? 光電電位器最大的優(yōu)點是非接觸型，不存在磨損問題，它不會對傳感器系統(tǒng)帶來任何有害的摩擦力矩，從而提高了傳感器的精度、壽命、可靠性及分辨率。光電電位器的缺點是接觸電阻大，線性度差。由于它的輸出阻抗較高，需要配接高輸入阻抗的放大器。盡管光電電位器有著不少的缺點，但由于它的優(yōu)點是其它電位器所無法比擬的，因此在許多重要場合仍得到應(yīng)用。

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?第二節(jié) 電容式傳感器

??? 以電容器為敏感元件，將機械位移量轉(zhuǎn)換為電容量變化的傳感器稱為電容式傳感器。電容傳感器的形式很多，常使用變極距式電容傳感器和變面式電容傳感器進行位移測量。

??? (1).變極距式電容傳感器
???圖2是空氣介質(zhì)變極距式電容傳感器的工作原理圖。圖中一個電極板固定不變，稱為固定極板，另一極板間距離d響應(yīng)變化，從而引起電容量的變化。因此，只要測出電容量的變化量⊿C，便可測得極板間距變化量，即動極板的位移量⊿d。

????變極距電容傳感器的初始電容Co可由下式表達，即 ???? ????式中：ε——真空介電常數(shù)（8.85×10-12F/m） ??????????A——極板面積（m2） ??????????do——極板間距初始距離（m） ????傳感器的這種變化關(guān)系呈非線性，如圖3所示。 ????當極板初始距離由do減少⊿d時，則電容量相應(yīng)增加⊿C，即

???? ????電容相對變化量⊿C/Co為 ???? ????由于，在實際使用時常采用近似線性處理，即

???????? ????此時產(chǎn)生的相對非線性誤差γo為 ???????? ????這種處理的結(jié)果，使得傳感器的相對非線性誤差增大，如圖4所式。 ????

????為改善這種情況，可采用差動變極距式電容傳感器，這種傳感器的結(jié)構(gòu)，如圖5所示。它有三個極板，其中兩個固定不動，只有中間極板可產(chǎn)生移動。當中間活動極板處于平衡位置時，即d1=d2=do，則C1=C2=Co，如果活動極板向右移動⊿d,則d1=do-⊿d,d2=do+⊿d,采用上述相同的近似線性處理方法，可得傳感器電容總的相對變化，為 ???????? ????傳感器的相對非線性誤差γo為 ????????

????????(2).變面積式電容傳感器 ????圖6是變面積式電容傳感器結(jié)構(gòu)示意圖，它由兩個電極構(gòu)成，其中一個為固定極板，另一個為可動極板，兩極板均成半圓形。假定極板間的介質(zhì)不變（即電介質(zhì)常數(shù)不變），當兩極板完全重疊時，其電容量為 ????????Co=⊿A/d 當動極板繞軸轉(zhuǎn)動一個α角時，兩極板的對應(yīng)面積要減小⊿A，則傳感器的電容量就要減小⊿C。如果我們把這種電容量的變化通過諧振電路或其它回路方法檢測出來，就實現(xiàn)了角位移轉(zhuǎn)換為電量的電測變換。