清华大学测试技术第八章.ppt

4.9 磁电式传感器 概念：一种将被测物理量转换为感应电动势的装置，亦称电磁感应式或电动力式传感器。 由电磁感应定律可知，当穿过一个线圈的磁通Φ发生变化时，线圈中所感应产生的电动势 分类： 动圈式； 动磁铁式； 磁阻式。 一、动圈式传感器 由线位移式装置的工作原理可知，当弹簧片敏感有一速度时，线圈则在磁场中作直线运动，从而切割磁力线，因此它所产生的感应电动势 式中 B—磁场的磁感应强度（T）； l—单匝线圈的有效长度（m）； W—有效线圈匝数，指在均匀磁场内参与切割磁力线的线圈匝数； vy—敏感轴（y轴）方向线圈相对于磁场的速度（m/s）; θ—线圈运动方向与磁场方向的夹角。 当线圈运动方向与磁场方向垂直亦即θ=90°时，上式可写为 结论： 当传感器的结构参数（B，l，W）选定，则感应电动势e的大小使正比于线圈的运动速度vy。 这种传感器亦称速度传感器。 将被测到的速度经微分和积分运算又可得到运动物体的加速度和位移，因此速度传感器又可用来测量运动物体的位移和加速度。 对于角速度型动圈式传感器结构，线圈在磁场中转动时，产生的感应电动势 式中 ω—线圈转动的角频率； A—单匝线圈的截面积（m2）； k—依赖于结构的参数，k1。 当W、B、A选定时，感应电动势e与线圈相对于磁场的转动角速度成正比。 用这种传感器可测量物体转速。 将传感器线圈中所产生的感应电动势e经电缆与电压放大器相连接时，其等效电路如图4.76所示。图中e为感应电动势，Z0为线圈等效阻抗，RL为负载电阻，Cc为电缆的分布电容， Rc =0.03Ω/m，Cc=70pF/m，发电线圈阻抗Z0=r+jωL, r约为300~2kΩ，L为数百mH。相对来说Rc可予以忽略，此时等效电路中的输出电压 若电缆长度不长，则Cc可加以忽略，又若使RLZo，则由上式可简化得eL≈eo。 磁电式速度传感器的分类： 绝对式速度传感器； 相对式速度传感器： 传感器的输出电压正比于测点相对于基座的相对运动速度。因此，相对式速度传感器适合于测量结构上两部件间的相对运动。 绝对式速度传感器的动态特性就是惯性(绝对)位移型传感器的动态特性。 结论： 为实现不失真测量，幅频特性应为常值。当ω/ωn1以后，幅频特性曲线随的增加而趋向于1，这一区域便是传感器的使用频率范围。 当?=0.707时，该趋于常值的速度最快，因此一般采用?=0.6~0.7的阻尼比，从而可有效地压低使用频率的下限。 如要求测量误差≤5%，则测量的频率范围约为ω/ωn ≥1.7。 引进阻尼虽然改善了谐振频率附近接收灵敏度曲线的平坦度，但阻尼也增加了相移。 当测量频率大于谐振频率时，若输入与输出信号的各频率成分相移值近似为180°时，亦即此时传感器对输入信号起着一个倒相器的作用，则可认为测量结果是不失真的。 为近似获取倒相特性，应使ω(7~8)ωn。 速度传感器的固有频率ωn是一个重要的参数，它决定了传感器所测量的频率下限。为扩展传感器的工作频率范围，设计中应使做得尽可能低。 二、磁阻式传感器 磁阻式传感器：使线圈与磁铁固定不动，而由运动物体（导磁材料）运动来影响磁路的磁阻，从而引起磁场的强弱变化，使线圈中产生感应电势。可用来测量转速、振动、偏心量等。 三、涡流—磁电式相对加速度传感器 涡流-磁电式传感器：一种将涡流式与磁电式传感元件结合而形成的发电式传感器。 4.10 红外辐射检测 一、红外辐射 红外辐射又称红外光，任何物体的温度只要高于绝对零度（即-273.16℃）就处于“热状态”。处于热状态的物质分子和原子不断振动、旋转并发生电子跃迁，从而产生电磁波。这些电磁波的波长处于可见光的红光之外，因此称为“红外线”。物体与周围温度失去平衡时，就会发射或吸收红外线，这便是常说的热辐射，即红外辐射。红外线在电磁波谱中位于可见光与微波之间，波长为0.76～1000μm（图4.106）。 物体的温度与辐射功率的关系由斯芯藩—玻尔茨曼（Stefan-Boltzmann）定律给出，即物体辐射强度W与其热力学温度的四次方成正比： W—单位面积辐射功率，Wm-2； σ—斯芯藩—玻尔茨曼常数，5.67×10-8W·m-2·K-4； T—热力学温度，K； ε—比辐射率（非黑体辐射度/黑体辐射度）。 黑体：在任何温度下能全部吸收任何波长的辐射的物体，ε=1。 灰体：一般物体的ε1，即它不能全部吸收投射到它表面的辐射功率，发射热辐射的能力也小于黑体。 普朗克定律 ： Wλ—波长为λ的黑体光谱辐射通量密度，Wm-2·μm-1； C1—第一辐射系数， C1=374.15MWμm4/m2； C2—第二辐射系数，C2=143