传感与检测技术(共11页)

1、 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc438995208 第一章传感与检测(jin c)技术基础 PAGEREF _Toc438995208 h 1 HYPERLINK l _Toc438995209 1.1传感与检测(jin c) PAGEREF _Toc438995209 h 1 HYPERLINK l _Toc438995210 1.2自动检测系统(xtng)的组成 PAGEREF _Toc438995210 h 1 HYPERLINK l _Toc438995211 1.3传感器 PAGEREF _Toc438995211 h 1 HYPERLINK l _

2、Toc438995212 1.3.1传感器的基本特性 PAGEREF _Toc438995212 h 1 HYPERLINK l _Toc438995213 1.4测量方法 PAGEREF _Toc438995213 h 2 HYPERLINK l _Toc438995214 1.5引用误差 PAGEREF _Toc438995214 h 2 HYPERLINK l _Toc438995215 第二章电阻式传感器 PAGEREF _Toc438995215 h 2 HYPERLINK l _Toc438995216 2.1电位式传感器 PAGEREF _Toc438995216 h 2 HYP

3、ERLINK l _Toc438995217 2.2应变式传感器 PAGEREF _Toc438995217 h 2 HYPERLINK l _Toc438995218 2.3压阻式传感器 PAGEREF _Toc438995218 h 2 HYPERLINK l _Toc438995219 第三章电感式传感器 PAGEREF _Toc438995219 h 3 HYPERLINK l _Toc438995220 3.1自感式传感器 PAGEREF _Toc438995220 h 3 HYPERLINK l _Toc438995221 3.2互感式传感器 PAGEREF _Toc4389952

4、21 h 3 HYPERLINK l _Toc438995222 3.3电涡流式传感器 PAGEREF _Toc438995222 h 3 HYPERLINK l _Toc438995223 第四章电容式传感器 PAGEREF _Toc438995223 h 3 HYPERLINK l _Toc438995224 4.1变极距型 PAGEREF _Toc438995224 h 3 HYPERLINK l _Toc438995225 4.2变面积型 PAGEREF _Toc438995225 h 4 HYPERLINK l _Toc438995226 4.3变介电常数型 PAGEREF _Toc

5、438995226 h 4 HYPERLINK l _Toc438995227 第五章电动势传感器 PAGEREF _Toc438995227 h 4 HYPERLINK l _Toc438995228 5.1磁电感应式传感器 PAGEREF _Toc438995228 h 4 HYPERLINK l _Toc438995229 5.2霍尔传感器 PAGEREF _Toc438995229 h 4 HYPERLINK l _Toc438995230 5.3压电式传感器 PAGEREF _Toc438995230 h 4 HYPERLINK l _Toc438995231 第六章光电式传感器 P

6、AGEREF _Toc438995231 h 5 HYPERLINK l _Toc438995232 6.1光电效应 PAGEREF _Toc438995232 h 5 HYPERLINK l _Toc438995233 第七章热电式传感器 PAGEREF _Toc438995233 h 5 HYPERLINK l _Toc438995234 7.1热电偶传感器 PAGEREF _Toc438995234 h 5 HYPERLINK l _Toc438995235 7.2热电阻式传感器 PAGEREF _Toc438995235 h 5 HYPERLINK l _Toc438995236 7.

7、2.1铂热电阻 PAGEREF _Toc438995236 h 5 HYPERLINK l _Toc438995237 7.2.2热敏电阻 PAGEREF _Toc438995237 h 6 HYPERLINK l _Toc438995238 第八章半导体传感器 PAGEREF _Toc438995238 h 6 HYPERLINK l _Toc438995239 8.1气敏传感器 PAGEREF _Toc438995239 h 6 HYPERLINK l _Toc438995240 8.2湿敏传感器 PAGEREF _Toc438995240 h 6 HYPERLINK l _Toc4389

8、95241 计算题： PAGEREF _Toc438995241 h 7第一章传感与检测(jin c)技术基础1.1传感与检测(jin c)是实现(shxin)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。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

9、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。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。辅助电源电路：通常包括电源，即交、直流供电系统。1.3.1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、

10、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。可用下式表示：式中，Lmax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y与输入增量x的比值。常用表示重复性：在输入量按同一方向作全量程多次测试时，所得(su d)特性曲线不一致的程度。yi某次测量(cling)值；各次测量(cling)值的平均值， n测量次数。 计算过程中记得单位迟滞：传感器在正向（输入量增大）行程和反向（输入量减小）行程期间，输出-输入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

11、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。温度漂移：温度变化范围为时，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 X绝对误差 XFS 仪器满度值当X取最大值时的满度相对误差

12、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。应变效应：形变 电阻变化压阻效应：应力 电阻率变化压阻效应：材料的电阻率随作用应力而变化的现象。第三章电感式

13、传感器电感式传感器常用来检测(jin c)位移、振动、力、应变、流量、密度等。优点(yudin)：结构(jigu)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： P66气隙型差动式自感传感器：P69对变截面型差动式自感传感器，其灵敏度为，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 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

14、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

15、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。4.2变面积(min j)型电容(dinrng)为：灵敏度K为：增大(zn d)初始电容C0可以提高传感器的灵敏度，但x变化不能太大，否则边缘效应会使传感器产生非线性变化。常用来检测位移。4.3变介电常数型用来检测物体的厚度、液体的高度。第五章电动势传感器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

16、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生电动势。的大小正比于控制电流和磁感应强度，其霍尔电势表示为式中：=霍尔系数， =灵敏度，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

17、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； 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(ky)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(y din xio yng)：受到压力变形时，表面产生电荷，外力去掉，又回到不带电(di din)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

18、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：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

19、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

20、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7.2热电阻式传感器利用导体(dot)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。优点是测量(cling)精确高、测量范围大（在低温方面）、易使用在自动测量和远距离测量中。热电阻：导体(dot)的电阻率随温度变化。7.2.1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：式中，=温度t时的电阻值=温度时的电阻值A=常数B=常数C=常数铜电阻：测温范围较小缺点：电阻率较小，稳定性较差，容易氧化7.2.2热敏电阻电阻值随温度

21、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，其定义式为式中，=待测空气的水蒸气质量=待测空气的总体积=待测空气(kngq)的绝对湿度，其单位为或。相对湿度(xingdu shd)表示(bio

22、sh)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，常用表示（为相对湿度），即相对湿度=式中，=空气温度为时的空气水蒸气分压=空气温度为时的饱和水蒸气分压计算题：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解：拟合直线为各点与拟合直线的偏差值为：0、0.01、0.02、0.03、0.04、-0.03、-0.02故线性度三台测温仪表，量程均为0800，精度等级分别为2.5级、2.

23、0级和1.5级，现要测量500的温度，要求相对误差不超过2.5，选那台仪表合理?解：故应该(ynggi)选用1.5级的测温仪器(yq)。3、有一应变式测力传感器，弹性元件为实心圆柱(yunzh)，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=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、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（9.8为Kg和N的转换，1kg98N）根据泊松关系，圆柱周向应变为：激励电压（桥压）为：电桥空载输出电压为：4、在材料为钢的实心圆柱形试件上，沿轴线和圆周方向各贴一片电阻为120的金属应变 片R1和R2，把这两应变片接入差动电桥，其中固定电阻R3