人體具有壓覺(jué)，人體皮膚深層結(jié)構(gòu)內(nèi)存在大量壓力感受器。當(dāng)機(jī)械刺激導(dǎo)致皮膚變形時(shí)，會(huì)引起感受器及神經(jīng)末梢變形，壓力感受器進(jìn)入興奮狀態(tài)，引起神經(jīng)末梢發(fā)出神經(jīng)沖動(dòng)，傳入大腦皮層感覺(jué)區(qū)產(chǎn)生壓覺(jué)。
機(jī)器的壓覺(jué)來(lái)自各種壓力傳感器(Pressure Transducer)。壓力傳感器是能感受壓力信號(hào)，并能按照一定的規(guī)律將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換成可用的電信號(hào)的器件或裝置，通常由基于不同物理效應(yīng)的壓力敏感元件和信號(hào)處理單元組成。下面介紹幾種常見(jiàn)的壓力傳感器。
1. 基于金屬電阻應(yīng)變效應(yīng)的壓力傳感器，我們知道，金屬導(dǎo)體的電阻值R與電阻率ρ和導(dǎo)體長(zhǎng)度L成正比，與截面積S成反比。當(dāng)金屬導(dǎo)體受力而產(chǎn)生拉伸或壓縮等機(jī)械變形時(shí)，L和S都會(huì)發(fā)生改變，從而引起電阻值發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)。從圖中可以看出，當(dāng)金屬導(dǎo)體受到拉力F作用時(shí)產(chǎn)生了拉伸變形，長(zhǎng)度由L變?yōu)長(zhǎng)+ΔL，面積由S縮小到S’，從而導(dǎo)致該導(dǎo)體電阻值增大。
利用金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)可以制作壓力傳感器的感壓元件——金屬電阻應(yīng)變片，常用的有金屬絲式和金屬箔式兩種類型。下面的圖給出一種金屬絲電阻應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu)，由電阻絲式敏感柵、基底、覆蓋層和引線四部分構(gòu)成。電阻應(yīng)變式壓力傳感器的工作電流大，輸出信號(hào)也大，靈敏度就高。但工作電流過(guò)大會(huì)使應(yīng)變片過(guò)熱，甚至燒毀應(yīng)變片。金屬箔敏感珊與基底的接觸面積比金屬絲大，因此散熱條件好，工作電流可取得更大一些。
2. 基于壓阻效應(yīng)的壓力傳感器，1954年美國(guó)材料學(xué)家C.S 史密斯在對(duì)硅和鍺的電阻率與應(yīng)力變化特性測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)受到外力作用時(shí)電阻率會(huì)發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為壓阻效應(yīng)。利用半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)制作的壓力傳感器的感壓元件稱為半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片，其靈敏系數(shù)比金屬電阻應(yīng)變片大幾十倍，且機(jī)械滯后小，但溫度穩(wěn)定性和線性度比金屬電阻應(yīng)變片差得多。
在我們的日常生活中，隨處可以發(fā)現(xiàn)壓阻材料的應(yīng)用。例如，一種稱為壓敏導(dǎo)電橡膠的壓阻材料，在不受力時(shí)如同絕緣體，但施壓時(shí)其電阻隨著壓力的增加而變小。利于這個(gè)特點(diǎn)，可以制作各種壓控開(kāi)關(guān)。無(wú)壓力時(shí)壓敏導(dǎo)電橡膠是絕緣體，如同開(kāi)關(guān)斷開(kāi)；當(dāng)壓力達(dá)到某閾值時(shí)，其電阻大大降低，壓敏導(dǎo)電橡膠轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)體，如同開(kāi)關(guān)接通。
金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)與半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)都表現(xiàn)為感壓元件的電阻隨外力的變化而改變，兩者的區(qū)別是：前者的電阻變化是截面和長(zhǎng)度等結(jié)構(gòu)尺寸變化所致，而后者的電阻變化是電阻率變化所致。
3. 基于壓電效應(yīng)的壓力傳感器，1880年，兩位年輕的法國(guó)科學(xué)家兄弟皮埃爾·居里（Pierre Curie）和他的哥哥雅克·居里（Jacques Curie）發(fā)現(xiàn)晶體具有一個(gè)特殊性質(zhì)：當(dāng)沿一定方向?qū)M足一定對(duì)稱性的晶體材料施加外力時(shí)，晶體材料會(huì)發(fā)生形狀改變，同時(shí)其兩個(gè)相對(duì)的表面上會(huì)出現(xiàn)正負(fù)相反的電荷，電荷量與受力大小成正比；當(dāng)作用力的方向改變時(shí)，電荷的極性也隨著改變；當(dāng)外力撤掉后，它又會(huì)恢復(fù)不帶電狀態(tài)。這個(gè)性質(zhì)稱為晶體的壓電效應(yīng)。
晶體是否具有壓電效應(yīng)，是由晶體結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性所決定的。以石英晶體為例，從下圖以看出，當(dāng)沒(méi)有外力作用時(shí)，石英晶體的結(jié)構(gòu)對(duì)稱性使其內(nèi)部正負(fù)電荷的作用相互抵消，對(duì)外呈不帶電狀態(tài)。當(dāng)在外力的作用下發(fā)生形狀改變時(shí)，其結(jié)構(gòu)對(duì)稱性發(fā)生改變，內(nèi)部正負(fù)電荷的作用不再相互抵消，出現(xiàn)了電極化，對(duì)外呈現(xiàn)帶電狀態(tài)。
利用壓電效應(yīng)可以制作壓電傳感器。常用的壓電材料有壓電陶瓷、壓電晶體、壓電復(fù)合材料等，其應(yīng)用遍及我們?nèi)粘Ｉ詈透咝录夹g(shù)領(lǐng)域的方方面面。例如，打火機(jī)、煤氣灶、熱水器、汽車等的點(diǎn)火要用到壓電點(diǎn)火器，雷達(dá)、通信和導(dǎo)航設(shè)備中需要大量壓電陶瓷濾波器，醫(yī)學(xué)領(lǐng)域利用壓電材料進(jìn)行免疫檢測(cè)、制作人工耳蝸等。
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線性傳感器是一種屬于金屬感應(yīng)的線性器件，傳感器的作用是把各種被測(cè)物理量轉(zhuǎn)換為電量。在于把直線機(jī)械位移量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。
為了達(dá)到這一效果，通常將可變電阻滑軌定置在傳感器的固定部位，通過(guò)滑片在滑軌上的位移來(lái)測(cè)量不同的阻值。傳感器滑軌連接穩(wěn)態(tài)直流電壓，允許流過(guò)微安培的小電流，滑片和始端之間的電壓，與滑片移動(dòng)的長(zhǎng)度成正比。將傳感器用作分壓器可極大限度降低對(duì)滑軌總阻值精確性的要求，因?yàn)橛蓽囟茸兓鸬淖柚底兓粫?huì)影響到測(cè)量結(jié)果。
線性傳感器主要技術(shù)參數(shù)：
常見(jiàn)外型：圓柱形的、環(huán)形傳感器、管狀傳感器、狹槽傳感器、矩形的
直徑：M5、M8、M12、M18、M30
材質(zhì)：金屬、塑料
檢測(cè)范圍：2mm、4mm、8mm、15mm、60mm、70mm、120mm不等
接入方式：電纜、帶接插件的電纜、接插件、接線
傳感器的性能參數(shù)反映了傳感器對(duì)電源的要求,輸出信號(hào)的穩(wěn)定性等。
在生產(chǎn)過(guò)程和科學(xué)實(shí)驗(yàn)中，要對(duì)各種各樣的參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)和控制，就要求傳感器能感受被測(cè)非電量的變化并將其不失真地變換成相應(yīng)的電量，這取決于傳感器的基本特性，即輸出—輸入特性。衡量靜態(tài)特性的重要指標(biāo)是線性度、靈敏度，遲滯和重復(fù)性等。
傳感器所測(cè)量的非電量一班有兩種形式一種是穩(wěn)定的，即不隨時(shí)間變化或變化極其緩慢．稱為靜態(tài)情今另一種是隨時(shí)間變化而變化，稱為動(dòng)態(tài)信號(hào)。由于輸入量的狀態(tài)不同．傳感器所呈現(xiàn)出來(lái)的輸入—輸出特性也不同，因此存在所謂的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性。
為了降低或消除傳感器在測(cè)量控制系統(tǒng)中的誤差、傳感器必須具有良好的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性，才能使信弓(或能量)技規(guī)律推確的轉(zhuǎn)換。
傳感器的動(dòng)態(tài)特性和誤差統(tǒng)念
傳感器的動(dòng)態(tài)特性是傳感器在測(cè)量中非常重要的問(wèn)題，它是傳感器對(duì)輸入激勵(lì)的輸出
響應(yīng)特性。一個(gè)動(dòng)態(tài)持性好的傳感器，隨時(shí)間變化的輸出曲線能同時(shí)再現(xiàn)輸入隨時(shí)間變化的
曲線，即輸出”輸入具右相同類型的時(shí)間函數(shù)。在動(dòng)態(tài)的輸入信號(hào)情況下．輸出信號(hào)一舶來(lái)說(shuō)不會(huì)與輸入信號(hào)具有完全相同的時(shí)間函數(shù)，這種輸出與輸人間的差異就是所謂的動(dòng)態(tài)誤差、不難看出，有良好的靜態(tài)特性的傳感器，未必有良好的動(dòng)態(tài)特性。這是由于在動(dòng)態(tài)(快速變化)的輸入信號(hào)情況下，要有較好的動(dòng)態(tài)特性，不僅要求傳感器能精確地測(cè)量信號(hào)的幅值大小，而且需要能測(cè)量出信號(hào)變化過(guò)程的波形，即要求傳感器能迅速準(zhǔn)確地響應(yīng)信號(hào)幅值變化和無(wú)失真地再現(xiàn)被測(cè)信號(hào)隨時(shí)間變化的波形。
影響動(dòng)態(tài)特性的“固有因素”任何傳感器都有，只不過(guò)表現(xiàn)形式和作用程度不同而已。研究傳感器的動(dòng)態(tài)特性主要是為了從測(cè)量誤差角度分析產(chǎn)生動(dòng)態(tài)誤差的原因以及提出改善措施。具體研究時(shí)、通常從時(shí)域或領(lǐng)域兩方面采用瞬態(tài)響應(yīng)法和頻率響應(yīng)法來(lái)分析。
由于激勵(lì)傳感器信號(hào)的時(shí)間函數(shù)是多種多樣的，在時(shí)域內(nèi)研究傳感器的響應(yīng)特性，同自動(dòng)控制系統(tǒng)分析一樣；只能通過(guò)對(duì)幾種特殊的輸入時(shí)間函數(shù)，如階躍函數(shù)、脈沖函數(shù)和斜坡面數(shù)等來(lái)研究其響應(yīng)特性。在領(lǐng)域內(nèi)通常利用正弦函數(shù)研究傳感器的頻率響應(yīng)特性。為7便于比較或評(píng)價(jià)，或動(dòng)態(tài)定標(biāo)，常用的輸入信號(hào)為階躍信號(hào)和正弦信號(hào)。因此*對(duì)應(yīng)的方法階躍響應(yīng)法和頻率響應(yīng)法。
為了保證顯示儀表對(duì)渦輪傳感器輸出的脈沖信號(hào)有足夠的靈敏度，就要提高信噪比。要想充分發(fā)揮渦輪流量計(jì)的特點(diǎn)，在流量計(jì)的安裝使用上還必須加以充分注意，為此，在安裝時(shí)應(yīng)防止各種電干擾現(xiàn)象，即電磁感應(yīng)，靜電及電容耦合。
?、?流速分布不均和管內(nèi)二次流的存在是影響渦輪流量計(jì)測(cè)量準(zhǔn)確度的重要因素。所以，渦輪流量計(jì)對(duì)上、下游直管段有—定要求。對(duì)于工業(yè)測(cè)量，一般要求上游20D，下游5D的直管長(zhǎng)度。
② 渦輪流量計(jì)對(duì)流體的清潔度有較高要求，在流量計(jì)前須安裝過(guò)濾器來(lái)保證流體的清潔。過(guò)濾器可采用漏斗型的，其本身清潔度，可測(cè)其兩端的差壓變化得到。
③ 為保證通過(guò)流量計(jì)的液體是單相的，即不能讓空氣或蒸氣進(jìn)入流量計(jì)，在流量計(jì)上游必要時(shí)應(yīng)裝消氣器。對(duì)于易氣化的液體，在流量計(jì)下游必須保證一定背壓。該背壓的大小可取zui大流量下流量傳感器壓降的二倍加上zui高溫度下被測(cè)液體蒸氣壓的1.2倍。為消除二次流動(dòng)，在上游端加裝整流器，若上游端能保證有20D左右的直管段，并加裝整流器，可使流量計(jì)的測(cè)量準(zhǔn)確度達(dá)到標(biāo)定時(shí)的準(zhǔn)確度等級(jí)。
另外，渦輪流量計(jì)對(duì)于粘度較高的液壓油，機(jī)油，小口徑規(guī)格可以采用實(shí)流標(biāo)定。
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