传感与检测技术

1、第一章 传感与检测技术基础 11.1 传感与检测 11.2 自动检测系统的组成 11.3 传感器 11.3.1 传感器的基本特性 11.4 测量方法 21.5 引用误差 2第二章 电阻式传感器 22.1 电位式传感器 22.2 应变式传感器 22.3 压阻式传感器 2第三章 电感式传感器 33.1 自感式传感器 33.2 互感式传感器 33.3 电涡流式传感器 3第四章 电容式传感器 34.1 变极距型 34.2 变面积型 44.3 变介电常数型 4第五章 电动势传感器 45.1 磁电感应式传感器 45.2 霍尔传感器 45.3 压电式传感器 4第六章 光电式传感器 56.1 光电效应 5第七

2、章 热电式传感器 57.1 热电偶传感器 57.2 热电阻式传感器 57.2.1 铂热电阻 57.2.2 热敏电阻 6第八章 半导体传感器 68.1 气敏传感器 68.2 湿敏传感器 6计算题： 7第一章传感与检测技术基础1.1传感与检测是实现自动控制、自动调节的关键环节，它与信息系统的输入端相连，并将检测到的信 号输送到信息处理部分，是感知、获取、处理与传输的关键。它是信息技术（传感与控 制技术、通信技术、计算机与控制技术）的三大支柱之一。1.2自动检测系统的组成由传感器、测量电路和显示记录装置等部分组成，分别完成信息获取、转换、显示和处理等功能，当然其中还包括电源和传输通道等不可缺少部分。

3、圈1检测系统俎咸惬阁传感器：将测量出的量转换成电学量。测量电路：将传感器输出的信号转换成易于测量的电压或者电流。显示记录：使人们了解被测量的大小或变化。1.3传感器是一种以一定的精确度把被测量转换为与之有确定对应关系、便于应用的某种物理量的测量装置。传感器一般是利用物理、化学和生物等学科的某些效应或机理按照一定的工艺和结构研 制出来的。传感器应由敏感元件、转换元件和信号调理电路组成，有些包含有辅助电源 电路。图1.2传感器组成框图敏感元件：能直接感受与检出被测对象的待测信息。转换元件：将敏感元件所感受出的信息直接转换成电信号。信号调理电路：把电信号转换成便于显示、记录、处理和控制的电信号的电路

4、。 辅助电源电路：通常包括电源，即交、直流供电系统。传感器的基本特性静态特性的重要指标：线性度、灵敏度、重复性、迟滞、分辨率、零点漂移和温度漂移。 线性度：输出量与输入量之间的实际关系曲线偏离拟合直线的程度，又称为非线性误差。L可用下式表示：LLma 100 %Yfs式中，？Lma输出量和输入量实际曲线与拟合直线之间的最大偏差； Yfs输出满量程值。 灵敏度：稳态时，输出增量与输入增量ax勺比值。常用q表示SnX所得特性曲线不一致的程度。 重复性：在输入量按同一方向作全量程多次测试时,(y y)2nyiynyi -某次测量值；y 各次测量值的平均值， 迟滞：传感器在正向（输入量增大）行程和反向

5、特性曲线不重合程度。 分辨率（分辨力）：传感器能够感知或检测的最小输入信号的增量，分辨率可以用增 量的绝对值或增量与满量程的百分比来表示。 零点漂移：无输入信号时，读数不为零。n-测量次数。 计算过程中记得单位（输入量减小）行程期间，输出-输入温度漂移：温度变化范围为T时，传感器输出值的偏离程度。动态特性：瞬态响应特性：传感器对所加激励信号的响应。常用延时时间、上升时间、峰值时间、 响应时间、超调量等来表征。频率响应特性：传感器对正弦输入信号的响应特性。主要用通频带、时间常数、固有频 率、阻尼比等指标来表征。1.4测量方法直接测量：不需要经过任何运算，就能直接表示测量所需的结果。 间接测量：需

6、要将测量值代入函数关系式，经计算得到所需要结果。联立测量：必须经过求解联立方程组，才能得到最后结果。1.5引用误差XXfs100% X绝对误差 Xfs 仪器满度值当AX取最大值时的满度相对误差常用来确定仪表的精度等级。国家规定电工仪表精确 度等级分为 0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5.0 七级。第二章电阻式传感器2.1电位式传感器将位移或其他能转换为电阻值的变化，从而引起输出电压的变化。可以用来测量位移、压力、加速度和高度等物理量。2.2应变式传感器应变效应：导体产生形变时，电阻值会发生相应的变化。转换电路：单臂电桥、半桥电路、全桥电路。灵敏度越来越高，克服非线性失真。电阻式

7、最可能应用的传感器是应变式传感器。2.3压阻式传感器利用半导体材料的压阻效应制成的传感器。压阻效应：材料的电阻率随作用应力而变化的现象。应变效应：形变电阻变化压阻效应：应力电阻率变化第三章电感式传感器电感式传感器常用来检测位移、振动、力、应变、流量、密度等。优点：结构简单、工作可靠灵敏度好、分辨率高重复性好、线性度优良缺点：存在零点残余电压，灵敏度、线性度和测量范围相互制约、传感器自身频率响应 低，不适合用于快速动态测量。3.1自感式传感器将非电量的变化转换成电感的变化。适用于测量较小位移。 气隙型单极式自感传感器：P662W oS10 气隙型差动式自感传感器：P69W2 °对变截面

8、型差动式自感传感器，其灵敏度为,K比单极式提高了一倍。对变间隙型差动式自感传感器，其灵敏度为L 2L°2101 T2L°与单极式自感器比较，灵敏度提高一倍。 螺管型差动事自感传感器：铁芯插入量的变化转换成电感量的变化。用于测重量。3.2互感式传感器把被测非电量转换成线圈间互感 M的变化。工作原理很像变压器的工作原理， 又常称变 压器式传感器。可以测量1-100mm范围的机械位移，并具有测量精度高、 灵敏度高、结 构简单、性能可靠等。3.3电涡流式传感器应用：具有结构简单、抗干扰能力强、非接触测量等特点。eg :安检检测涡流效应：金属导体置于变化的磁场中或在磁场中做切割磁力线

9、运动时，在金属体内产生呈漩涡状的感应电流的现象。用于对位移、厚度、表面温度、速度、应力、材料损伤等进行非接触式测量，还具有体积小、 灵敏度高、频率响应宽等特点，应用极其广泛。第四章电容式传感器电容传感器将被测非电量转换成电容量变化的传感器。4.1变极距型d0越小，灵敏度越高，提高灵敏度 K 则需要减小间距d0，其中d0过小会造 成击穿或者短路。差动式电容传感器，不仅使灵敏度提高一倍，而且非线性误差可以减小一个数量级。a02图4.1变极距型电容式传感器/电容为:Cx0 rb(ax)xC°(1 )doa灵敏度K为：K dCxC0dxa4.2变面积型增大初始电容 CO可以提高传感器的灵敏度

10、, 产生非线性变化。常用来检测位移。但x变化不能太大，否则边缘效应会使传感器4.3变介电常数型电动势传感器用来检测物体的厚度、液体的高度。 第五章 电动势传感器通过磁电效应或压电效应将被测量转换成电信号。将机械能转换成电能。5.1磁电感应式传感器简称感应式传感器， 也称电动式传感器。 将被测物理量的变化转变为感应电动势，是一种机-电能量变换型传感器。（利用法拉第电磁感应定律，导体切割磁感线产生电流） 5.2霍尔传感器基于霍尔效应原理将被测量，如电流、磁场、位移、压力、压差、转速等转换成电动势输出 的一种传感器。霍尔效应：金属或半导体薄片置于磁场中,当有电流流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产

11、生电动势。Uh的大小正比于控制电流 I和磁感应强度其霍尔电势Uh表示为Uh RdB式中：RH=霍尔系数，KhIB1RhneKh =灵敏度，Kh d可见，厚度d越小，霍尔灵敏度 KH越大，所以霍尔元件做的较薄，通常近似1微米。半导体材料（尤其是 N型半导体）电阻率较大，载流子迁移率很高。因而可以获得很大的霍尔系数，适于制造霍尔式传感器。可用来探测磁场和电流，可测量压力、振动、转速。 霍尔式传感器为四端口器件，2根输出霍尔电动势，2根用于加热。气敏式传感器为四端口器件，也可能是三端口器件。任何材料在一定条件下都能产生霍尔电势，但不是都可以制造成霍尔元件；绝缘材料：电阻率很大，电子迁移率很小，不适用

12、；金属材料：电子浓度很高，RH很小，UH很小半导体：N型半导体 5.3压电式传感器一种可逆型换能器，它既可以将机械能转换为电能（正压电效应），又可以将电能转化为机械能（逆压电效应）。压电效应：受到压力变形时，表面产生电荷，外力去掉，又回到不带电的状态。逆压电效应：在介质周围施加电场，这些电解质也会发生形变的现象。具有压电效应的物质（物体）称为压电材料（或称为压电元件）。常见的可分为两类，即压电单晶体和多晶体压电陶瓷。 应用：制作成晶振，用于测量加速度和动态力或压力、 振动。第六章光电式传感器光电式传感器： 将被测量通过光量的变化最转换成电量的传感器，物理基础：光电效应6.1光电效应外光电效应：

13、光线照射在某些物体上，使电子逸出物体表面的现象。逸出的电子称为光电子。基于外光电效应的光电器件有光电管和光电倍增管。内光电效应：光照射在物体上，使物体的电阻率发生变化，或产生光生电动势的现象。内光电效应又分为光电导效应和光生伏特效应两类。 光线作用下，电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态，而引起材料电阻率的变化，这种现象称为光电导效应。基于这种效应的光电器件有光敏电阻。 在光线作用下能够使物体产生一定方向电动势的现象叫光生伏特效应。基于该效应的光电器件有光电池和光敏晶体管。光敏二极管、光敏三极管。第七章热电式传感器热电式传感器：将温度量转换成电量。利用传感元件的电磁参数随温度变化的特性来达

14、到 测量的目的。7.1热电偶传感器基于热电效应原理，其结构简单、制造方便、测温范围宽、热惯性小、准确度高、输出信号 便于远传，在温度测量中应用极为广泛。一般为K型和E型。热电效应：当两个结点温度不同时，回路将产生电动势。（将温度转换成电压的变化）其电势由接触电势（珀尔帖电势）和温差电势（汤姆逊电势）两部分组成。热电势存在必须具备的两个条件: 两种不同的金属材料组成热电偶材料两端存在温差中间导体定律连接导体定律E（T,Tn,T。）E（T,）7.2热电阻式传感器EABC (T1, T2)E AB (Ti，T2)利用导体的电阻随温度变化的特性，对温度和与温度有关的参数进行检测。、易使用在自动测量和远

15、距离测量中。优点是测量精确高、测量范围大（在低温方面） 热电阻：导体的电阻率随温度变化。铂热电阻 铂是一种贵金属、易于提纯、性质稳定、电阻率较大、耐高温。可用铂热电阻作为测温基准 器，缺点：电阻温度系数较小。电阻值与温度的关系之间的关系可用下式关系：R R。1 A Bt2 C t 100 t3 ( 200 0°C)R R)(1 A Bt2 )(0 650°C)式中，R=温度t时的电阻值尺=温度0c时的电阻值A=常数(3.96847 10 3/o C) B=常数(5.847 107 /oC2)C=常数(4.22 10 12/oC4) 铜电阻：测温范围较小(50 150C)缺点

16、：电阻率较小，稳定性较差，容易氧化热敏电阻电阻值随温度变化。热敏电阻电阻值系数大、灵敏度高；热惯性小、反应速度快；体积小、 结构简单；使用方便、寿命长，易于实现远距离测量等特点得到广泛地应用。第八章半导体传感器半导体传感器体积小、响应快、灵敏度高、成本低，便于集成化、多功能化、智能化。8.1气敏传感器用来检测气体的类别、浓度及其成分。具有负离子吸附倾向的气体，被称为氧化型气体电子接收性气体；具有正离子吸附倾向的气体，被称为还原型气体电子供给性气体。8.2湿敏传感器 绝对湿度表示体积空气里所含水蒸气的质量，其定义式为MvV式中，Mv =待测空气的水蒸气质量V =待测空气的总体积33=待测空气的绝

17、对湿度，其单位为g.m或mgm 。 相对湿度表示空气中实际所含水蒸气分压和相同温度下的饱和水蒸气分压分百分比，是一个无量纲 的值，常用RH表示(RH为相对湿度)，即P相对湿度=()100% RHP式中，=空气温度为tC时的空气水蒸气分压=空气温度为t°C时的饱和水蒸气分压计算题：1、已知某位移传感器的测量范围为030mm，静态测量时，输入值与输出值的关系如表所示，试求该传感器的线性度和灵敏度。P 38输入值/mm151015202530输出值/mV1.503.516.028.5311.0413.4715.98,15.98 1.5 k30 10.50(mV / mm)解:(X：y 人

18、紬)b12 2 1 x ( Xi)n拟合直线为y kx b 0.5x 1各点与拟合直线的偏差值为：0、0.01、0.02、0.03、0.04、-0.03、-0.02Lmax 0.04mm故线性度max100%FS0.0415.98100%0.25%2、三台测温仪表，量程均为0800C,精度等级分别为 2.5级、2.0级和1.5级，现要测量500 C的温度，要求相对误差不超过2.5 %，选那台仪表合理？解：X2.58002.5%20oC20仏500100%4%X2.08002.0%16oC16也500100%3.2%X1.58001.5%12oC12山 500100%2.4%故应该选用1.5级的

19、测温仪器。3、有一应变式测力传感器，弹性元件为实心圆柱，直径D=40mm，沿圆柱轴向和圆周方向各贴两片灵敏系数 K=1.9的100 Q应变片，组成差动全桥电路。设力F=1000kg，材料弹性模量E=2x1011N/m2，泊松比卩=0.3，若应变片允许工作电流是15mA试求此时电桥输出电压 的大小。P53解析：电阻应变片的测量线路一般都用惠斯通电桥将电阻变化转换成电压变化。由题意可知，电桥的四个桥臂电阻都有变化，分别为(R|Rj)、(R2R2)、(R3 R3)和组成如图所示的全桥差动电路, 设U为电源电压，若忽略高阶小量，可得由力学分析可知，在力 F作用下，圆柱的轴向应变为FES 2 10111

20、000 9.8 /40 “( 10 2(9.8为Kg和N的转换，1kg = 9.3)28N)根据泊松关系，圆柱周向应变为:3.9 1051Uo 严(xx)激励电压（桥压）为:2iR2 15103 1003(V)1 344、在材料为钢的实心圆柱形试件上，变 片R1和R2,把这两应变片接入差动电桥，其中固定电阻电桥空载输出电压为:Uo1.9(22 0.3)53.9 100.144(mV)沿轴线和圆周方向各贴一片电阻为120 Q的金属应R3=R4o若钢的泊松系数卩=0.285,应变片的灵敏系数k=2，电桥电源电压 U=6V,当试件受轴向拉伸时，测得应变片R1的电阻变化值 R =0.48Q，试求电桥的

21、输出电压 U0o P63解:RiRi詈 °.0040.285 0.0040.00114R21200.00114)0.1368已知：R3R4Uo E(RR R1 R2R2 R3rir0.48 120设负载电阻为无穷大（开路），图中E=4V,Uo0.5)7.7( mV)0.48 120 120 0.1368Ri=R2=R3=Ri=100 Q . P63R为金属应变片，其余为外接电阻，当R|的增量 R 1时，试求电桥的输出电压 U。；R1, R2都是应变片，且批号相同，感应应变的极性和大小都相同，其余为外接电阻，试 求电桥的输出电压 Uo；R1, R2都是应变片，且批号相同，感应应变的大小为其余为外接电阻，试求电桥的输出电压 解：Uo匚(R| RiRi Ri R2(100 1(1 100 1009.95 103(V)RbR3 R4100100 100U oE(RRtR3、 100 1100 、0(V)3 )4 ()R1R1R2R2R3R41 100 100 1100 1