传感器与检测技术总结

1、传感器与检测技术总结姓名： 学号：班级：14-11传感器与检测技术这学期通过学习传感器与检测技术传感器的作用是：传感器是各种信息的感知、采集、转换、传输和处理的功能器件， 具有不可替代的重要作用。装置。传感器的组成：被测量敏感元件转换元件-基本转换电路电量输出传感器的分类：按被测量对象分类（位置、速度、 力、力矩、温度、导演变化、外部环境状态的外部信息传感器接触式触觉、滑动觉、压视觉、超声测距、激光测距；按工作机理分类（；按是否有能量转换分类（有源型无源；按输出信号的性质分类（接触型、非接触式热电偶、光电 电池+、代码。（以刚性接触形式传递信息模拟环节（多数是非刚性传递信息、数字环节。动态测量

2、输入信号的形式通常采用正弦周 期（在频域内）。L L maxLY、迟滞、重复性、灵敏度（ K0=Y/X=输出变化量/输入变化量=k1k2kn）和灵敏度误差（rs=K0/K0100%、稳定性、静态测量不确定性、其他性能参数：温度稳定性、抗干扰稳定性。传感器的动态特性：传递函数、频率特性（幅频特性、相频特性、过渡函数。0 时间常数，阻尼比。0.001%，省、部一级计量站允许0.010.1（0. 第二章 位 移 检 测 传 感 器这类传感器有磁电型、压电型等。电位计的电阻元件通常有线绕电阻、薄膜电阻、导塑料（即有机实心电位计）Rx线性电位计的空载特性： R x K lRKR 电位计的电阻灵敏度（/。

3、电U0位计输出空载电压为Ui x K lu，Ku 电位计的电压灵敏度V/。 SC r o电容式传感器的基本原理：S 和r 中的某一项或几项有变化时，C0，S 的变化可以反映线位移或角位移的变化，也可以间接反映压力、0=8.8510-12F/m K C C a.变极距型电容位移传感器的灵敏度为 0 0 C00 ；b.变极板面积型电/(lx)xCx/BC B容位移传感器ln RRC0AC,0 lC,0l；c.变介质型电容式位移传感器lC 0 Sd /，其中 为真空介电常数（空气介电常数 为介质的相对 /0 d. C n n (R R r r)maxn 、b 分别为栅极的宽度r 高、精度高、量程大，

4、刻划精度和安装精度要求有所降低。电容式传感器的转换电路：电桥电路、二极管双 T 形电路、差动脉冲调宽电路、运算放大器式电路、调频电路。电容式传感器的特点：优点：温度特性好，结构简单、适应性强，动态响应好，可以实现非接触测量、具有平均效应。缺点：输出阻抗高、负载能力差，寄生电容影响大。种；根据结构型式，分气隙型、面积型和螺管型。电感式传感器的转换电路：调幅电路；调频电路；调相电路。NiLN N自感式电感受位移传感器： Nm LimRR；mm；lR0m 00；其中l-铁心与衔铁中的导磁长度；铁心与衔铁的磁导率H/；S-气隙导磁横截面积。 )EEE)01MM121dt互感式位移传感器的误差因素（从零

5、点几mV 到数十mV）存在，称为零点残余电压。I 时，在线圈的周围产生一交变磁场 H1，处于该磁场中的金属体上产生感应电动势，并形成涡流。金属体上流动的电涡流也将产生相应的磁场 H1 H1 Z L 或品质因素相应变化。金属体上的电涡流越大，这些参数的变化亦越大。如图如式：灵敏度高，应用广泛，可测位移、厚度、振动等。/称霍尔电势，霍尔效应的大小： HHH（路并联电阻；合理选取负载电阻；恒压源和输入回路串联电阻；采用温度裣元件）光栅式位移传感器：长光栅（测量线位移、圆光栅（测量角位移。长光栅：是根据BWW莫尔条纹效应设计的。两个莫尔条纹的间距2 sin/2 。光栅条纹密度有 25 条H/mm，50

6、 条/mm，100 条/mm 0.53m(3000mm 范围内），分辨力可达 0.1m。圆光栅：圆光栅同心放置时，条纹间距BWRBWRHrr1H；偏心放置时，e0.150.1。W：光栅栅距。R：圆的半径。R1、R2:分别为切线圆半径。e :偏心量。光栅可以制成透射光栅和反射光栅,透射光栅的栅线刻制在透明村料上,要求较高时, 的金属或镀以金属膜的玻璃上。途可将感应同步器分为直线式和旋转式两种，分别用于测量线位移和角位移。信号。常用的激光干涉测长传感器分为单频激光干涉传感器和双频激光干涉传感器。第三章 力、扭矩和压力传感器器有压电式、压磁式等。电阻应变式测力传感器:将力作用在弹性元件上,弹性元件在

7、力作用下产生应变,利用贴在弹性元件上的应变片将应变转换成电阻的变化。然后利用电桥将电阻变化转换成电压（或电流）的变化，再送入测量放大电路测量。最后利用标定的电压（或电流）和力之间的对应关系，可测出力的大小或经换算得到被测力。dRdL 2E (1 2) ER应变片：LSLL；其中：电阻丝的泊松系数；：电阻丝受到的应力（Pa)；E：电阻丝的弹性模量；L：电阻丝材料的dR (1 2) K纵向压阻系数。对于金属丝（1+）L，则 R；其中：金1.73.6 200300300以上工作可选用镍铬合金应变片、铂铱合金应变片等。K dR / R E式也适用于半导体电阻材料。其应变灵敏系数为：L，半导体应变片的缺

8、点是应变灵敏系数的离散性大，机械强度低，非线性误差大，温度系数大。应变片的布置和接桥方式：则电桥的输出R R(234U1(234R2R4U电压为：0R1)(RRi，当R1=R2=R3=R4=R，)U 0 Ui ( R1 R2 R3 R4)4RRRR，应变仪电桥式作方式有：单臂、双臂、四臂。应变片在弹性元件上典型的布片和接桥方式有：柱型、环形、悬臂梁式、两端固定梁、轴。 （受力能产生电荷的方向施加外电场，晶体本身将产生机械变形，当外电场撤去后，变形也随之消失。生变化，磁阻相应也发生变化的现象。外力是拉力时，在作用方向铁磁材料磁导率提高，垂直作用力方向磁导率降低；作用力为压力时，则反之。常用的铁磁

9、材料有硅钢片和坡莫合金。第四章 速度、加速度传感器Es Ken Cen，其中 Ke：感应系数；：磁通；n：转速；Ce:感应电动势与则有直流测速发电机的输出电压和电枢感应电动势相等， VCF Es Isrs I VCFRSR电枢回路的总电阻。电枢电流为VCVLRL： 测速发电机的负载电阻。则可得sCF1rsen CnL/ RL（上安装补偿绕组，或使负载电阻大于规定值。二是电刷接触压降的影响（应采用接触压降 石墨电极或铜电极，并在它与换向器相接触的表面上镀银。三是温度的影响（在 直流测速发电机的绕组回路中串联一个电阻值较大的附加电阻，再接到励磁电源上。mw交流测速发电机：可分为永磁式、感应式、脉冲

10、式三种上是单向永磁转子同步发电机,定子绕组感应的交变电动势的大小和频率都随输入信号而变mwf pnE 4.44fNK化:60；w 44.4 pm60mNK n Kn； 其中 K ： 常系数，K 4.44p NK60w；p：电机极对数；N：定子绕组每相匝数；KW：定子绕组基波绕组系数；m：电机每极基波磁通的幅值。通常此电机只做指示式转速计使用。感应式测速 发电机与脉冲式测速发电机的工作原理基本相同Z nf rHz势的频率为60，其中Zr线振动速度传感器：当一个绕有 N 匝的线圈作垂直于磁场方向相对运动时，线圈切割磁力线，由法拉第电磁感应定律可知，线圈产生感应电动势E NBlv ，其中B在磁场的磁

11、感应强度；：线圈磁场的运动速度。成正比。n 60f /z； w (2 / z) f (rad / s)陀螺式角速度传感器：包括转子陀螺、压电陀螺、激光陀螺、光纤陀螺。Q 1T2) ABvt 1 T2)：流体介质从温度T1 流向温度T2 的热量；： vt=0 B 和发热体性质决定。加速度传感器：常用的有压电式、应变式、磁致伸缩式等。压电式加速度传感器包括：压缩型(为了区分异常振动与其它噪声振动，传感器的固 有频率设计成与异常振动频率相同，从而提高了信噪比、剪切型（可忽略横向加速度的影 响，还能在高温环境中使用、弯曲型（结构简单、体积小、重量轻、灵敏度高，但压电材 料有阻抗高、脆性大、难于与金属粘

12、结。因为其本身内阻抗很高，输出微弱，则必须接高 输入阻抗的前置放大器。这类放大器有电压放大器（第二级晶体管构成对输入端的负反馈，以提高输入阻抗）和电荷放大器（输出电压u0 Q/Cf，Q反馈电容，即输出电压与电缆分布、长短无关。压电加速度传感器属发电型传感器输 出电压（mV）输出电荷与所承受加速度之比第五章 视觉、触觉传感器视觉传感器：以光电变换为基础，由四个部分组成，照明部（钨丝灯、闪光灯等、 （将 光学图像信息转换成电信号、扫描部（将二维图像的电信号转换成时间序列的一维信号光电式摄像机（即工业电视摄像机其光导摄像管是一种兼有光电 由许多光电二极管组成阵列代替光导摄 像管。其摄像元件为CCD

13、,它是一种MOS 型晶体管开关集成电路，它的构由红外敏感元 。X-Y 绘图触觉传感器：接触觉、压觉的阈值单位为104Pa，人的压觉阈值约为1.28104Pa的手指接触觉阈值约为 3104Pa。接触觉传感器的代表是用硅橡胶制成的矩阵式触觉传感第六章 温度传感器（闭合回路（两导体、热端、冷端组成。热电动势由接触电动势、温差电动势两部分组成。:（也称缆式 动态响应快、挠性好、强度高、抗震性好，适用于普通热电偶不能测量的空间温度、薄膜（小、时间常数小、反应速度快、并联热电偶（它是把几个同一型号的热电偶的同性电极参 、串联热电偶（又称热电堆，它是把若 干个同一型号的热电偶串联在一起，所有测量端处于同一温

14、度 T 之下，所有连接点处于另一温度TO 之下，则输出电动势是每个热电动势之和。为保证测量值的真实性，常用的方法有恒温法、温度修正法、电桥补偿法、冷端补偿法、电位补偿法）电阻式温度传感器：分为金属热电阻式、热敏电阻式两大类。1n动的自由电子形成有规律的定向运动， 而使导体导电。对于大多数金属导体而言1ntRt Rot(1t 2t2 tn)；铂电阻物理化学性能稳定，搞氧化能力强，测温精度高，在（-2000R R 1t t 2 (t 100C)t 3 ，在）范围内的阻温特性是：（0850）范围内的阻温特性是：R R(1t t2 )o123RO=100或RO=50时，o123）内的阻温特性是：to1

15、2）内的阻温特性是：to12R其电化学性和物理性能稳定，则有 t Ro(1t t2 t)。为了避免通过交流电时产)123生感抗，或有交变磁场时产生感应电动势，在绕制时要采用双线无感绕制法。123空穴的浓度。其阻温特性为 RT=ROeB(1/T-1/TO) ；正温度系数热敏电阻，随温度增加而增加，高温不得超过 其阻值随温度增加而下降，一般用于之间的温度测量。硅热敏电阻即可具有 正温度系数也可具有负温度系数，采用线性化措施后，可在内实现近似线性 化。锗热敏电阻广泛应用于低温测量；硼热敏电阻在工作中700高温时仍能满足要求。传感器。全辐射式温度传感器：利用物体在全光谱范围内总辐射能量与温度的关系测量

16、温度。T Tr 4 1/ T全辐射式温度传感器测得的温度总是低于物体的真实温度。测量温度：T 触的高温物体，其测量范围为。亮度式温度传感器：利用物体的单色辐射亮度随温度变化的原理。传感器测得的温度1 1 ln值小于被测物体的真实温度T：TTLC2T，T：单色辐射发射系数；C2：第C2=0.014388(；：波长m。比色温度传感器：通常，将波长选在光谱的红色和蓝色区域内。真实温度T：11 1 / 2)1TPC (2 1 )12；其量程测量精度为0.5% 。如果两个波长的单系数随波长的增加而减小，故比色温度高于真实温度。半导体温度传感器：以半导体 P-N 结的温度特性为理论基础，利用晶体二极管与晶

17、体三极管作为感温元件。采用晶体二极管，测温范围在（050）；采用晶体三极管，测温范围在（-50150）。第七章 气敏、温度、水份传感器气敏传感器N 型半导体器。具有代表性的是 SnO2 系和 ZnO 的具有半导体特性的材料，简称半导瓷。材料吸收吸附分子，为正离子吸附和氮氧化合物，为氧化型气体；材料释放电子，为负离子吸附H、CO碳氢化合物和酒类倾向，为还原型气体。SnO2 气敏半导瓷掺加 Pd、Ga 等杂质，可供制造常温工作的烟雾报警器。湿度传感器：分为绝对温度（一定大小空间中水蒸气的绝对含量，kg/m3，又称为水p Mv气浓度或水气密度。它可以用水的蒸气压表示，空气水气密度vRT，其中M：水气

18、摩、相对温度（为某一被测蒸气 %RH 湿敏元件。典型的离子晶体。计需要水和纱布及其它维修保养；可连续测量（不需要加热清洗。高分子膜湿敏元件：它是以随高分子膜吸收或放出水份而引起电导率或电容变化测量环境相对湿度的装置。根据电容器的容量值C Sd 部分（有携带型、墙袋型、凸缘型20%RH 90%RH 的高湿区域会出现结露。结露时湿度传感器在沾湿间歇不能测量，一旦沾湿消失，恢复原来特性。水份传感器：水份是存在于物质中水的数量，以百分比表示。种类有:直流电阻型、高频电阻型、电容率型、气体介质型、近红外型、中子型、核磁共振型。第八章 传感检测系统的构成传感检测系统的组成：传感器（信息获取、中间转换（信号

19、调理）电路（信号转换 调理、微机接口电路（信息传输、分析处理及控制显示电路（信息分析处理、显示记录等部分组成。目前常用的有模拟显示（精度受标尺最小分度限制，易引入主观误差、数字 显示（有利于消除读数主观误差、图像显示（常用的自动记录仪器有笔式记录仪、光线示 波器、磁带记录仪）三种。电桥：是把电阻、电感、电容等元件参数转换成电压或电流的一种测量电路。直流电桥：在电桥的输入端加入直流电源 ES电 桥 相 当 于 工 作 在 输 出 端 开 路 状 态 ， 其 输 出 电 压34R1E 34R3E R1R4R R23E23o12234R Ro12234R R(R1R )(RR s。当 R2R3=R1

20、R4 时，输出电压 UO0，称这种状态为平衡状态。若将电桥输出端与内阻为Rg 的检流计相连接，由戴维南定o1234R R1R2o1234R3 R4理 知，AB端 的 等 效 电阻R RR RABR R R RR4U1423ER4U gU(R1oc(R12)(R3R s，则电桥输出端的电压为ocog。如下图。oRf R1有 Z1 1Z Z Z Z ，Z Z 4。当电桥输出端开路时，其输出323344323344sZUUsZ1Us1Z1ZZ Z23U23Zo1344电压1 Z2Zo1344Z Z3 (Z Z2)(ZZ )s，当 Z1Z4=Z2Z3， 则有ZZ ZZ ， 23142314。如下图电桥

21、的分类：按电桥采用电源的不同分为：直流电桥、交流电桥。按电桥的工作方式可分为：平衡电桥、不平衡电桥。按电桥被测电阻的接入方式：单臂电桥、差动电桥。电桥的工作特性指标分别为：电桥的灵敏度、电桥的非线性误差。电桥的灵敏度是单KU /Kous位输入量时的输出变化量，对于不平衡电桥：R/R。电桥的非线性误差：若线Uoos UUoUfU性化后的输出电压为UOS，则有o。各类电桥的灵敏度与非线性误差：单臂电桥：当R2=R1R3=R4 / ，11U 34U U34U 1 U1o2则有(R1 R R )(R1o2R )s2(2 )sos，化简可得s，非线性误差4Uos Uo4UfUo 1 23%，U/U1Ko

22、ss U/U1us允许的最大值为 0.06。对于单臂电桥，其输出电压灵敏度4 。差动电桥：当R2=R1， /，R2R3=R1R4时x(R R )R (R R )RRxx2x41U 1x42x3 U Ux2x41U 1 Uo(R1oRR R)(R3R )R Rso2，化简得s，得差动电桥灵2s112sK Uo /Us 12s 20f1敏度 us2 ，非线性误差2s。如下图。有源电桥：装有一个oU具有高输入阻抗和低输出阻抗及高增益等特点的运算放大器R=0 oUUUR 变化到R+R I1 I 2 Us /(2R2s (R R) 2R Us (1 R )o2R，oU UK Uo/Us (/UUss2U

23、Uss 1即 o2sus，则输出灵敏度及非线性误差分别为2， f0。如下图（多用于桥参数 R 值较大的场合，调零电位器的阻值RW RO）和并联调零法（桥参数R 值较大的场合，调零电位器的阻值RW RO。无源滤波器：特点是电路简单，但是带负载能力差。有源滤波器：由运算放大器和RC 网络组成。特点是 1）有源滤波器不用电感线圈，因而在体积、重量、价格、线性度等方面具有明显的优越性，便于集成化。2）由于运算放大器输入阻抗高，输出阻抗低，可以提供良好的隔离性能，并可提供所需增益。3）可以使低频截止频率达到很低的范围。低通滤波器：具有低频信号容易通过并抑制高频信号的作用。高通滤波器：RC 电路具有高频信

24、号容易通过并抑制低频信号的作用。带通滤波器：RLC 电路用于通过某一频段Q fo 1RB3 RF RfR的信号，而将此频段外的信号加以抑制或衰减。品质因素f，带阻滤波Q fo 1B2(2 Rf RF)Rf。阶RC低 通 滤 波 器 的 幅 频 及 相 频 特 性 如 图 。阶 高 通 滤 波 器 的 幅 频 及 相 频 特 性 如 图 所 示 ：数字滤波：利用程序来实现，因而不需增加硬件，而且可靠性高、稳定性好、灵活方nnY便。常用的方法有： 限定最大偏差法： 当 Yn Yn 1 Y ， 则令 YnnY Y 1 。如果nY YnY n knn 1 Y ，则nnY 。算术平均值法： nn 1kk

25、，适用于压力测量、流Y n1 CYn1 C 1ni n 1量测量等。加权平均滤波法：i0i，其中满足i0。数/模转换：它是把数字量转变成模拟的器件，它由四个部分组成：电阻网络、运算放大器、基准电源、模拟开关。目前用得较多的是T模转换器D/。D/ADAC0832 D/A 芯片。其分辨率是指最小输出电压与最大输出电压之比。例如八位D/A 的1 0.0039分辨率281 2561。其精度的误差由参考电压的波动、运算放大器的零点漂移、模拟开关的压降以及电阻阻值的偏差。通常用非线性误差的大小表示D/A 的线性度。多常用的模拟开关有晶体管开关、光耦合器开关、结型场效应管开关、CMOS 场效应开关。其中应用

26、最多的是 CMOS 关组成。采样序列，反之也可由这组离散采样脉冲序列恢复为原连续信号。但其中必有采样频率ffsH LF398采样保持器具有采样速度高、保持电压下降速率慢、精度高等特点。如几何量测量中采用机械式细分（如游标卡尺、光学式细分和电子式细分等。四倍细分原理：莫尔条纹的间距为 HBW /2/2)W理：莫尔条纹的间距为 HSP路中，有用信号功率Ps 与噪声功率PN 之比，通常用S/N 表示， N10SPN 。形成干扰的三个条件有：干扰源、干扰的耦合通道电容性耦合，互感性耦合，公共地线的耦合，漏电耦合，辐射电磁场耦合、干扰的接收电路。抑制干扰的方法：主要是采取单点接地、屏蔽隔离（频磁感应屏蔽

27、、滤波（电源滤波、退耦滤波器、有源滤波、数字滤波）等。接地在测量系 统中有四种接地系统：安全地（强电应用设备、信号源地、数字信号地、模拟信号地（此 三地是为了防止电路有公共阻抗而引起信号交叉耦合。 R 和电容C 串联后再并联到继电器触点或电源开关两端抑制这种干扰可采用差分放大器，差分放大器的输入阻抗越高，抑制作用越强。串扰ADC 与CPU 的时间协调：其控制方式有延时等待、中断式、查询式。ADC （全部输入通道共用一路信号调理电路、低电平多路信号调理单 ADC 系统（最常见的数据ADC （通过多路ADC 转换的数字信号由一个多路数字开关送入微机，其成本虽高，但性能较高。A/D CPU 8 A/

28、D 转换电路：由模拟多路转换开关LF1350保持器LF39A/D 转换ADC080：逐次逼近式8 位转换芯片，属于脉冲启动转换芯片）和并行接口PIO ADC574 12 位逐次比较式A/D 8031 单片机的接口相连。传感器信号的温度补偿：在计算机能力允许时，可采用计算机软件（常用公式法、表格法）m+1 出每一个温度下传感器静态特性曲线在y Y 表示成以温度T 为自变量的n 次代数多项式Y a0 a2T2 anTn y Yx 每一个y 值对应的T 值，计算出Y，再求传感器的输入值k。温度补偿表格法的步iY i骤： T)i 1 iYTii 1 iYTii，若TTm，则做线性外推，再按以上公司计算

29、。i式法、表格法。公式法也称曲线拟合法（求完）第九章 信号分析及其在测试中的应用制编码表示，则称为数字信号。 lim1T xt)dtx信号的均值T T，它表示信号中常值分量或直流分量。信号的方差2 lim 1 T xt)2dtxT T0 x，它描述信号的波动范围，其正平方根为信号的标准差。信号1 2 1T x2t)dt的均方值 xT T0， 它描述信号的强度， 表示信号的平均功率。则有Tp limxT 2 2 2xT xxxx 。信号的概率密度函数T，它描述了信号 x(t)对指定幅值的取值机会。Rx) lim 1RxT TT xt)xt )0，其中-时延量，自相关函数的性质：1）当时延 0 ，

30、R (0) lim1 T x2t)dt 2xxxxx信号的自相关函数就是信号的均方值T T0,2(0) R( ) 时，RR)RR即在=0 处取峰值 xx；4）周期信号的自相关函数必呈周期性，这是因R nT ) lim 1T xt nT)xt nT )dt ( )x(tx(tnT，故 xT T0 x。信号的互相关函数) lim 1RxyT TRxyT xt)yt)0，互相关函数的性质有： 1）Rxy()通常不在=0 处取峰值，其峰值偏离原点的位置为 时移时，相关程度R ( ) lim1 T xt)yt)dtxy最高；2）Rxy()与 Ryx()是两个不同的函数。根据定义T T0；TyxR ( ) lim 1TyxT T yt)xt)0R ()，不难证明 R ()yx) ；3）均值为零的两个统计独R (R ( ) 0Rx(t) 和 y(t) ，其 中xy。 信 号 的 互 相 关 系 数RR (0)R (0)xy ) RR (0)R (0)xy R)xyxyxyxyxyxyxyxyxyrmsyrms ，由于) (0)R(0),故) ，一般有：xR ) 1xR ) 00 ( ) 0 xyx(t)完全相关； xyRx ( ) Rx说明x(t)和完