信号检测技术

1、第第4章章 信号检测技术信号检测技术一、传感器概述一、传感器概述二、长度及位移检测二、长度及位移检测三、角度及角位移检测三、角度及角位移检测四、绝对测距四、绝对测距五、力五、力/压力检测压力检测六、速度六、速度/加速度检测加速度检测七、温度检测七、温度检测八、流量检测八、流量检测九、电磁量检测九、电磁量检测十、视觉检测系统十、视觉检测系统二、长度及线位移检测二、长度及线位移检测1、电感式位移传感器、电感式位移传感器W-线圈匝数线圈匝数iiimmAulRRWL2Rm-磁路总磁阻磁路总磁阻li-各段导磁体的长度各段导磁体的长度ui-各段导磁体的磁导率各段导磁体的磁导率Ai-各段导磁体的截面积各段导

2、磁体的截面积二、长度及线位移检测二、长度及线位移检测lAWuullAWuRWLAuluAlRrmm202020(1) 变气隙式变气隙式电感位移传感器电感位移传感器基本形式基本形式思考：灵敏度？思考：灵敏度？ 线性度？线性度？ l21线圈线圈铁芯铁芯衔铁衔铁改进方法？改进方法？差动式差动式(2) (2) 变面积式变面积式(3) (3) 螺管式螺管式二、长度及线位移检测二、长度及线位移检测电感位移传感器电感位移传感器意大利意大利Marposs:二、长度及线位移检测二、长度及线位移检测电感位移传感器电感位移传感器中国中原量仪中国中原量仪:二、长度及线位移检测二、长度及线位移检测(1) 光栅传感器原理

3、光栅传感器原理 (莫尔条纹莫尔条纹) 构成：构成：叠合叠合主光栅主光栅指示光栅指示光栅夹角夹角明暗相间条纹明暗相间条纹莫尔条纹莫尔条纹移动移动条纹宽度：条纹宽度： WWB)2/sin(2W-栅距，栅距， a-线宽，线宽， b-缝宽缝宽W=a+b ，a=b=W/2 主光栅主光栅-标尺光栅，定光栅；标尺光栅，定光栅；指示光栅指示光栅-动光栅动光栅二、长度及线位移检测二、长度及线位移检测(2) 光栅传感器特点光栅传感器特点 精度高：测长精度高：测长(0.2+210-6L)m，测角，测角0.1量程大：透射式量程大：透射式-光栅尺长（光栅尺长（几十几十米米响应快：可用于动态测量响应快：可用于动态测量增量

4、式：增量码测量增量式：增量码测量 计数计数 断电断电数据消失数据消失要求高：对环境要求高要求高：对环境要求高温度、湿度、灰尘、振动、温度、湿度、灰尘、振动、移动精度移动精度成本高：电路复杂成本高：电路复杂 二、长度及线位移检测二、长度及线位移检测(3) 光栅传感器结构光栅传感器结构 1 主光栅尺（定光栅）主光栅尺（定光栅）2 指示光栅（动光栅）指示光栅（动光栅）3 光电元件光电元件4 透镜透镜5 光源光源透射式结构：透射式结构：反射式结构：反射式结构： 光源光源 指示光栅指示光栅 透射透射 主光栅主光栅 光电元件光电元件光源光源 主光栅主光栅 反射反射 指示光栅指示光栅 光电元件光电元件二、长

5、度及线位移检测二、长度及线位移检测(4) 代表性产品：代表性产品： 德国德国Heidenhain（海德汉）：（海德汉）：封闭式：量程封闭式：量程3000mm，分辨力，分辨力0.1 m开放式：量程开放式：量程1440mm，分辨力，分辨力0.01m开放式：量程开放式：量程270mm 分辨力分辨力1nm二、长度及线位移检测二、长度及线位移检测英国英国Renishaw（雷尼绍）：（雷尼绍）： 量程：任意量程：任意分辨力：分辨力： 0.1 m 0.01 m中国长春光机所：中国长春光机所： 量量 程：程：1000mm分辨力：分辨力：0.01 m精精 度：度：2 m二、长度及线位移检测二、长度及线位移检测2

6、、光学干涉、光学干涉（Interference）干涉原理（单频干涉）：干涉原理（单频干涉）：两束同频光束在空间相遇会发生干涉条纹，其亮暗程度取两束同频光束在空间相遇会发生干涉条纹，其亮暗程度取决于两束光间的相位差决于两束光间的相位差 亮条：亮条：暗条：暗条：=2=2k k, , k k=0,1,l,2,=0,1,l,2, 相消干涉相消干涉=2=2k k, , k k=0,1,l,2,=0,1,l,2, 相长干涉相长干涉 二、长度及线位移检测二、长度及线位移检测双频双频激光干涉位移传感器激光干涉位移传感器测量原理：测量原理： 激光器发出一束激光，激光器发出一束激光，含有两束偏振光：含有两束偏振光

7、： 左旋光，频率左旋光，频率f1 右旋光，频率右旋光，频率f2， 振幅相同，振幅相同， 频率相差约频率相差约2MHz。激光束激光束分光器分光器参考光束参考光束测量光束测量光束光电检测光电检测/4波片波片渥氏棱镜渥氏棱镜f2f2光电检测光电检测f1f1角锥棱镜角锥棱镜参考信号参考信号测量信号测量信号f f2 2-f-f1 1f ff f1 1f f1 1f f2 2-(f-(f1 1 f)f)三、角度及角位移检测三、角度及角位移检测1、绝对码光电编码器、绝对码光电编码器原理：平行光源原理：平行光源码盘码盘 光电元件光电元件电信号输出电信号输出 码盘：光学玻璃，透光码盘：光学玻璃，透光/不透光不透

8、光 照相腐蚀照相腐蚀 要求：分度准确（工艺）、阴暗交替边缘陡峭（工艺、材质）要求：分度准确（工艺）、阴暗交替边缘陡峭（工艺、材质）光源：光源：LED 光学系统光学系统 平行光平行光 投影精确投影精确 光电元件：硅光电池，光电晶体管光电元件：硅光电池，光电晶体管 滞后滞后 响应速度响应速度 码道：位数码道：位数每个码道对应一个光电元件每个码道对应一个光电元件分辨率分辨率 角度分辨率：角度分辨率：=360/2n n-码道数（位数）码道数（位数） 组成：组成：光源、码盘、光电元件光源、码盘、光电元件 增加码道、增大码盘尺寸增加码道、增大码盘尺寸 有限有限提高精度提高精度光学细分光学细分 附加码道附加

9、码道三、角度及角位移检测三、角度及角位移检测测量电路测量电路：编码码制编码码制： 十进制码十进制码 - 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 二进制码二进制码 - 0000 0001 0010 0011 0100 格格 雷雷 码码-循环码：相邻两数只有一位不同循环码：相邻两数只有一位不同 每次只有一位变化每次只有一位变化转换转换 放大放大 足够电平足够电平 ，驱动，驱动整形整形 接近理想方波接近理想方波 细分细分 提高分辨率（光学提高分辨率（光学+电路）电路）多位码同时动作多位码同时动作同步误差同步误差错码错码读数直观，不易电路处理读数直观，不易电路处理直观，易于后续电路和计算机处理直观，易

10、于后续电路和计算机处理三、角度及角位移检测三、角度及角位移检测3、圆光栅传感器、圆光栅传感器工作原理工作原理：莫尔条纹技术：莫尔条纹技术类型类型：(1) 直线莫尔条纹：条纹直线莫尔条纹：条纹 -直线直线(2) 圆型莫尔条纹：条纹圆型莫尔条纹：条纹 - 圆型圆型RENISHAW 圆光栅：圆光栅：角度分辨率为0.01 系统精度为 0.7(a) 径向光栅径向光栅 - 圆弧形莫尔条纹圆弧形莫尔条纹光栅：两块，径向刻线，栅距角相同，偏心叠合光栅：两块，径向刻线，栅距角相同，偏心叠合条纹宽度不是定值，随位置不同而不同。条纹宽度不是定值，随位置不同而不同。在位于偏心的垂直位置上，条纹近似垂直于栅线，称横向莫

11、尔条纹在位于偏心的垂直位置上，条纹近似垂直于栅线，称横向莫尔条纹在沿着偏心方向上，条纹近似地平行于栅线，称纵向莫尔条纹在沿着偏心方向上，条纹近似地平行于栅线，称纵向莫尔条纹其他位置上上，称为斜向莫尔条纹其他位置上上，称为斜向莫尔条纹条纹：在不同区域栅线的交角不同，不同曲率半径圆弧条纹：在不同区域栅线的交角不同，不同曲率半径圆弧四、绝对测距四、绝对测距2、激光测距传感器、激光测距传感器(1) 激光测距特点：激光测距特点： 测量距离可达几公里甚至几十公里（主要手段）测量距离可达几公里甚至几十公里（主要手段）(2) 激光测距方法：飞行时间法、相位差法激光测距方法：飞行时间法、相位差法(a) 飞行时间

12、法：飞行时间法：2/ctd 被测距离被测距离:c - 光速光速 t - 往返飞行时间往返飞行时间(b) 相位差法：相位差法：被测距离被测距离:c - 光速光速 f0 - 脉冲频率脉冲频率 - 相位差相位差激光器激光器被测目标被测目标原理：激光器发出单个激光脉冲原理：激光器发出单个激光脉冲原理：激光器发出连续激光脉冲原理：激光器发出连续激光脉冲激光器激光器被测目标被测目标0042fccD特点：对时间测量精度要求高，适于测量超长距离（特点：对时间测量精度要求高，适于测量超长距离（地球-月球：分辨力达到1m ）特点：测量精度高，测量范围大（短距离特点：测量精度高，测量范围大（短距离 超长距离）超长距

13、离）（相机自动调焦）四、绝对测距四、绝对测距范围：范围：0.2 300m 分辨力：分辨力： 3mm德国俫卡手持式：德国俫卡手持式：范围：范围：0.2 200m分辨力：分辨力：0.2mm美国美国bushwell 单目军用单目军用范围：范围：1000m分辨力：分辨力：1m四、绝对测距四、绝对测距3、超声测距传感器、超声测距传感器超声测距原理：超声测距原理：2/ctd 被测距离被测距离:c - 声速声速 t - 往返飞行时间往返飞行时间应用：适于大目标、近距离、一般精度测距应用：适于大目标、近距离、一般精度测距 手持测距仪手持测距仪 - 盲人导盲盲人导盲 汽车倒车雷达汽车倒车雷达 - 汽车安全汽车安

14、全 工业应用工业应用 - 超声测量液位、物位超声测量液位、物位特点：超声波束发散，测量范围小特点：超声波束发散，测量范围小 波束聚焦困难，测量精度低波束聚焦困难，测量精度低 测量目标不能太小；测量目标不能太小； 超生探头超生探头被测目标被测目标超声波传感器（超声波探头），是实现声电转换的装置（超声换能器）超声波传感器（超声波探头），是实现声电转换的装置（超声换能器）这种装置能够发射超声波，同时还可以接收超声回波，并转换成电信号。这种装置能够发射超声波，同时还可以接收超声回波，并转换成电信号。五、温度检测五、温度检测1、概述、概述 温度温度分类分类:应用应用: 测温测温接触测温接触测温非接触测温

15、非接触测温热辐射测温热辐射测温热传导测温热传导测温压电效应压电效应热阻效应热阻效应热电势效应热电势效应金金 属属热电阻热电阻半导体半导体热敏电阻热敏电阻热电偶热电偶温温 度度传感器传感器压电陶瓷（热释电效应）压电陶瓷（热释电效应） 敏感元件敏感元件 电参数电参数光电效应光电效应红外温度传感器红外温度传感器、光纤温度传感器、光纤温度传感器热电阻热电阻电涡流传感器电涡流传感器PNPN结热电效应结热电效应热敏二极管热敏二极管/三极管三极管、集成温度传感器集成温度传感器工作原理：工作原理： (1) 热电阻原理与特性热电阻原理与特性: 要求：要求：（1）温度系数、电阻率较高）温度系数、电阻率较高 提高灵

16、敏度，体积小，反应快提高灵敏度，体积小，反应快（2）理化性能稳定）理化性能稳定 提高稳定性和准确性，复现性好提高稳定性和准确性，复现性好 （3）良好的输入）良好的输入-输出特性输出特性 线性线性/接近线性，测量精度高接近线性，测量精度高（4）良好的工艺性）良好的工艺性 批量生产，降低成本批量生产，降低成本材料：纯金属材料：纯金属 -铂、铜、镍、铁铂、铜、镍、铁 （5）较大的测温范围）较大的测温范围 特别是在低温范围特别是在低温范围五、温度检测五、温度检测2、热电阻、热电阻原理：热能原理：热能 热电阻热电阻 电阻值电阻值温度温度 热电阻热电阻 阻值阻值 特点：特点：0 +850： )1(20Bt

17、AtRRt0 - 200： )100(1 320ttCBtAtRRt应用：应用：(1) 在高温和氧化介质中性能极为稳定，在高温和氧化介质中性能极为稳定， 易于提纯，工艺性好易于提纯，工艺性好(2) 输入输出特性接近线性输入输出特性接近线性(4) 贵重金属，成本较高贵重金属，成本较高标准温度计，高精度工业测温，高低温测试标准温度计，高精度工业测温，高低温测试 构成：构成：金属铂丝金属铂丝(0.020.07mm)绕制成线圈绕制成线圈(3) 测量精度高：测量精度高：0: 1、 0100: 0.5、 100650: 0.5%五、温度检测五、温度检测Pt100：R0：0时的温度时的温度 标准值标准值(P

18、t100, Pt500) (2) 铂电阻铂电阻(Pt)特点：特点：-50 180： )1 (320CtBtAtRRt应用：应用：(1) 易于提纯，在易于提纯，在-50 150范围内性能稳定，价格低范围内性能稳定，价格低 (2) 输入输出特性接近线性输入输出特性接近线性:(3) 电阻率低（为铂电阻的电阻率低（为铂电阻的1/6），体积较大），体积较大 (Cu50, Cu100)(4) 高温易被氧化，易被腐蚀高温易被氧化，易被腐蚀(5) 测量精度低于铂电阻：测量精度低于铂电阻：-5050: 0.5、50150: 1%小范围，较低温度，测量精度要求低，没有浸蚀性介质，代替铂小范围，较低温度，测量精度要

19、求低，没有浸蚀性介质，代替铂 五、温度检测五、温度检测构成：构成：金属铂丝金属铂丝(0.020.07mm)绕制成线圈绕制成线圈(3) 铜电阻铜电阻(Cu)R0：0时的温度时的温度 标准值标准值材料：材料：特点：特点：分类：分类：（1）温度系数大）温度系数大 灵敏度高灵敏度高 （为热电阻（为热电阻10100倍）倍）（2）结构简单，体积小）结构简单，体积小 可以测量点温度可以测量点温度（3）电阻率高、热惯性小）电阻率高、热惯性小 适于动态测温适于动态测温（4）易于维护、使用寿命长）易于维护、使用寿命长 适于现场测温适于现场测温（5）互换性差，非线性严重，精度低）互换性差，非线性严重，精度低 正温度

20、系数热敏电阻正温度系数热敏电阻(PTC)负温度系数热敏电阻负温度系数热敏电阻(NTC)临界温度系数热敏电阻临界温度系数热敏电阻(CTR) 半导体半导体 - 半导体热电阻半导体热电阻（6）成本低，应用广泛）成本低，应用广泛 3、热敏电阻热敏电阻 五、温度检测五、温度检测TBTAeR非线性非线性 热敏电阻的应用热敏电阻的应用家用电器家用电器电熨斗、电冰箱、电饭煲、洗衣机、电暖壶、烘干机、电电熨斗、电冰箱、电饭煲、洗衣机、电暖壶、烘干机、电烤箱、空调机、电热毯、热水器、热得快、电磁炉、烤箱、空调机、电热毯、热水器、热得快、电磁炉、汽车电子汽车电子电子喷油嘴、空调机、发电机防热装置、电热座椅电子喷油嘴

21、、空调机、发电机防热装置、电热座椅测量仪器测量仪器流量计、风速表、真空计、浓度计、湿度计、空气传感器、流量计、风速表、真空计、浓度计、湿度计、空气传感器、环境监测仪、环境监测仪、办公设备办公设备复印机、传真机、打印机、扫描仪复印机、传真机、打印机、扫描仪农业园艺农业园艺温室控制、人工气候箱、烘干系统、温室控制、人工气候箱、烘干系统、医疗器具医疗器具体温计、人工透析、散热系统体温计、人工透析、散热系统工业生产工业生产电动机过热保护、电动机过热保护、五、温度检测五、温度检测应用实例：基于热敏电阻的电机过热保护器：应用实例：基于热敏电阻的电机过热保护器： Rt1 Rt2 Rt3 ：热敏电阻：热敏电阻

22、(NTC) ，安装在三相绕组附近，安装在三相绕组附近 温度低时温度低时 ：电阻高：电阻高 三极管不导通三极管不导通 继电器不吸合继电器不吸合 电机运行电机运行温度高时温度高时 ：电阻低：电阻低 三极管导通三极管导通 继电器吸合继电器吸合 电机停止电机停止五、温度检测五、温度检测4、热电偶热电偶 五、温度检测五、温度检测(1) 工作原理工作原理: 两种不同导体构成闭合回路两种不同导体构成闭合回路两个节点（两个节点（A A、B B）温度不同）温度不同热电势热电势温差电势：温差电势：TTAAdTTTE0),(0A-温差系数温差系数 TA,TB-A、B两节点绝对温度两节点绝对温度 BAABNNekTT

23、Eln)(k-波尔兹曼常数波尔兹曼常数 e-电子电荷电子电荷NA,NB-导体导体AB的自由电子密度的自由电子密度材料材料T-节点绝对温度节点绝对温度 接触电势：接触电势：不同导体不同导体自由电子密度不同自由电子密度不同扩散扩散电势电势 （帕尔帖）（帕尔帖）同一导体同一导体两端温度不同两端温度不同电子迁移（高电子迁移（高 低）低） 电势电势 若两种导体相同：若两种导体相同： A=B E=0若两端无温差：若两端无温差： T=T0 E=0 两种情况两种情况 导体不同导体不同两端温差两端温差条件条件 (2) 常用热电偶材料：常用热电偶材料： 五、温度检测五、温度检测材料材料测温范围测温范围特点特点应用

24、应用铂铹铂铹10纯铂纯铂0 1000 准确性高，成本高准确性高，成本高工业工业铱铹铱铹10纯铱纯铱0 2100 科学研究科学研究铱铹铱铹40铂铹铂铹400 1900 氧化、中性气体氧化、中性气体镍铁镍铁镍铜镍铜50 500 50 无电势无电势火灾报警火灾报警镍铬镍铬康铜康铜-200 900 各种场合各种场合镍铬镍铬镍硅镍硅-50 1300 电势大，线性好电势大，线性好各种场合、常用各种场合、常用铜铜康铜康铜-200 400 各种场合各种场合镍铬镍铬金铁金铁-270 10 低温低温铜铜金铁金铁-270 -250 灵敏度高灵敏度高低温低温(3) 热电偶结构：热电偶结构： 五、温度检测五、温度检测a

25、) 普通热电偶：普通热电偶：应用：测量气体、蒸汽、液体等介质温度应用：测量气体、蒸汽、液体等介质温度结构：结构：1-热电极热电极 2-绝缘套管绝缘套管 3-保护套管保护套管 4-接线盒接线盒 b) 铠装热电偶：铠装热电偶：结构：热电极结构：热电极 + 绝缘材料绝缘材料 + 金属保护套金属保护套特点：细长特点：细长(13mm)，可以弯曲，挠性好，强度高，可以弯曲，挠性好，强度高 测端热容量小，动态响应快测端热容量小，动态响应快(0.01s)，应用：适于狭小空间、点温度应用：适于狭小空间、点温度c) 其他热电偶：其他热电偶： 薄膜热电偶、浸入式热电阻、薄膜热电偶、浸入式热电阻、(4) 热电偶的冷端

26、补偿热电偶的冷端补偿 热电势热电势:a) 恒温法：恒温法：测测 温温: 获得获得T T0固定固定 T0=0（冷端）（冷端）冷冷 端：干扰、波动端：干扰、波动 T0 0 误差误差 冷端温度补偿冷端温度补偿标准大气压下，冷端标准大气压下，冷端 冰水混合液（保温容器）冰水混合液（保温容器）b)系数修正法：系数修正法：T00 精确计算精确计算 修正修正)(0TTfET：测端温度：测端温度 T0：参考端（冷端）温度：参考端（冷端）温度nkTTT0Tn：测量温度：测量温度 k：修正系数（表：修正系数（表7-5）五、温度检测五、温度检测恒温控制恒温控制 0 实验室（半导体制冷器）实验室（半导体制冷器）冷端温

27、度补偿方法：冷端温度补偿方法：d) 电桥补偿法：电桥补偿法： 全臂电桥：全臂电桥：R1, R2, R3 - 锰铜线绕制电阻（固定电阻）锰铜线绕制电阻（固定电阻） R4 - 铜线绕制补偿电阻（热电阻）铜线绕制补偿电阻（热电阻） R - 限流电阻限流电阻 E - 电桥电源电桥电源平衡：平衡： 调整调整R4，使得电桥输出，使得电桥输出 Uab=0补偿：补偿：冷端温度冷端温度热电偶输出热电势热电偶输出热电势ExR4 失衡失衡 Uab 若若Ex= Uab 输出不变输出不变c) 延伸电极法：延伸电极法：需要长线传输信号需要长线传输信号热电偶长度热电偶长度1米左右米左右延伸电极延伸电极(补偿导线补偿导线)拉大测端与冷短距离拉大测端与冷短距离方法：延伸电极与热电偶的材质尽可能接近，方法：延伸电极与热电偶的材质尽可能接近， 延伸电极与热电偶的两个节点温度相等延伸电极与热电偶的两个节点温度相等五、温度检测五、温度检测PNPN结温度特性：结温度特性：热量热量PN半导体半导体PN结结 分子热运动分子热运动热电流热电流电子电子N空穴空穴P温度越高温度越高 热电流愈大热电流愈大特点：分辨力高（特点：分辨力高（0.1%），精度高；），精度高；体积小，重量轻体积小，重量轻具有多种输出形式，便于使用，具有多种输出形式，便于使用，批量生产，价格便宜批量生产，价格便宜集成化、智能化、微型化集成