测量与传感器技术课件

测量与传感技术

主讲:储健

绪论是自动化技术的重要组成部分。是机械、电子、计算机有机结合的中间环节。专业基础课程——电工学、电子技术、光学等。应用

没有测量就没有科学，至少是没有真正意义上的科学。

常见的传感器防水胶剂。

转动齿轮

目录第一章敏感材料第二章电阻式传感器第三章电容式传感器第四章电感式传感器第五章压电式传感器第六章磁电式传感器第七章光电传感器第八章温度传感器第九章超声传感器第十章信号放大电路第十一章信号处理电路第十二章信号转换电路第一章敏感材料敏感性灵敏系数高、响应速度快、测量范围宽、检测精度高、选择性好可靠性

耐热、耐磨损、耐腐蚀、耐振动、耐过载可加工性

易成型、尺寸稳定、互换性好经济性成本低、成品率高、性价比高第一节敏感材料转换功能一、晶向表示法目前已知32种晶体点阵，其物理特性均与晶向有关。截距法：

法线法

二、晶向对称与电介质极化

晶体无对称中心是产生压电性的必要条件

三、敏感材料的转换功能1.压—电转换功能20种2.磁—电转换功能（1）藿尔效应（halleffect)（2）磁阻效应3.光—电效应（1）外光电效应（2）光导效应（3）光付效应

4.热—电转换功能（1）热释电效应（2）热电效应（a）塞贝克效应（Seebeekeffict)

(b)珀尔帖效应（Peltiereffect)(c)汤姆逊效应（Thomsoneffect)

第二节

半导体敏感器材一、半导体的电子特性

二、外场对半导体物理性能的影响1.电场2.磁场3.温度场4.机械外力5.光照和放射线

三、微细加工技术1.各向异性腐蚀

2.氧化掺杂技术3.键合技术

第三节

陶瓷敏感材料一、电子陶瓷的烧结过程

二、压电陶瓷

三、热释电陶瓷

四、半导体陶瓷

1.负温度系数(NTC)热敏电阻2.正温度系数(PTC)热敏电阻3.临界温度系数(CTR)热敏电阻

五、磁性陶瓷第四节

有机敏感材料

一、有机热敏器件1.塑料NTC2.塑料PTC二、高分子材料的压电性和热释电性

第二章

电阻式传感器力、扭矩、位移、速度、加速度流量等物理量的测量第一节

金属应变片一、金属材料的电阻应变效应

二、金属应变片类型１．丝式应变片

２．箔式应变片３．箔膜应变片

４．应变片粘贴

三金属应变片的静态特性1.灵敏系数2.横向效应

3.机械滞后、零点漂移和蠕变

（1）机械滞后（2）零点漂移（3）蠕变

金属应变片的动态特性1.应变极限和疲劳寿命

2.动态响应特性

第二节

应变力传感器一、直流电桥

1.平衡条件

2.直流电桥（输出）电压灵敏度

３．输出电压非线性误差

４．差动电桥

二、交流电桥

三、应变片温度误差１．产生温度误差的原因２．温度误差补偿法（１）线路补偿

（２）自身补偿法

（３）组合式补偿法

四、应变式传感器１．等截面梁

２．等强度梁

３．双固定梁

３．双端固定梁

４．薄壁圆环第三节

压阻式传感器一、半导体的压阻系数

二、影响压阻系数的因素

三、硅杯１．硅杯的结构与材料

２．硅压力膜片应力分布

３．硅杯尺寸与固有频率４．扩散电阻条的阻值与几何尺寸

四、电桥电源

五、压阻式传感器的温度漂移

第三章

电容式传感器对于位移、角位移、振动、压力、加速度第一节

电容式传感式一、变间隙式电容传感器

1．差动变间隙式电容传感器

２．固定介质与可变间隙式电容传感器

二、变面积式电容传感器

1.线位移式传感器

灵敏系数为:

2.圆拄型线位移式电容传感器

三、变介电常数式电容传感器

第二节

电容式传感器输出电路一、电容式传感器的等效电路

二、电容式传感器的输出电路1.交流电桥(调幅电路)

2.差动脉宽调制电路

3.调频电路4.运算放大器式电路

三、电容式传感器的抗干扰措施1.消除边缘效应的影响2.消除寄生电容的影响(1)采用双层屏蔽等位传输技术

(2)屏蔽与接地

第三节

电容式压力传感器一、电容式压力传感器的结构

二、膜片形状与灵敏系数

三、电容式压力传感器的输出电路1.阻抗电桥电路

2.二极管环型检波电路

3.电容控制振荡电路

第四章

电感式传感器第一节

自感式传感器一、变气隙式传感器

第五章压电式传感器第一节压电转换器件一、压电效应表达式二、石英晶体的压电特性：与1有关的压电常数为：由1作用在切割厚度t两端产生的电荷为：同理，当应力2作用时，与2有关的压电常数为：同样有：当应力3作用时，当剪切应力4作用时，同样，56作用α相石英晶片只有在124作用下，才能在与x方向垂直的晶面上产生电荷。α相石英晶片只有在56作用下，才能在与y方向垂直的晶面上产生电荷对于与z方向垂直的晶面上，不论何种应力均无压电效应，故q3=0由于晶体的对称性，只有d11和d14独立。三、石英晶片的变形 1.厚度变形2.长度变形3.厚度剪切变形4.面切变形四、压电材料１．石英晶体的温度稳定性２．压电陶瓷（１）压电陶瓷的压电常数矩阵３．高分子有机压电材料第二节

压电式传感器输出电路

压电常数与偶合系数1.压电常数g2.压电常数h

二、晶片组合压电器件3.机电偶合系数K

三、压电器件等效电路

四、压电传感器对输出电路的要求

五、电压放大器

六、电荷放大器

第三节

压电式力学传感器

一、压电式力敏传感器1.力学模型

2压电式力敏传感器(1)单向力传感器

(2)双向力传感器

(3)三向分力传感器

二、压电式压力传感器1.传感器的结构

2.测低频交变压力的温度补偿与加速度补偿

三、压电式加速度传感器1压电式加速度传感器的结构

第六章

磁电式传感器第一节磁电感应式传感器

一、磁电感应式传感器的工作原理

１．恒磁通型

２．变磁通型

二、数字量传感器的动态特性

（１）磁头获取信号所需时间（采集时间）几十微妙；（２）放大整形电路的工作时间几十纳秒（３）信号传输时间很短（光速）三、磁电感应式传感器的设计原则灵敏系数１．磁路系统Δd/ld≈1/4２．线圈组件３．温度误差的补偿

４．线圈感应电流的磁场效应第二节

强磁性金属磁敏器件一、强磁性金属的各向异性磁阻效应

二、铁磁薄膜磁敏电阻

特性：（１）饱和特性（２）倍频特性（３）灵敏度方向特性第三节

磁头与磁栅一、磁电感应型磁头

二、磁阻效应磁头

三、磁栅

第四节

霍尔传感器一、半导体材料的霍尔效应

二、霍尔器件

1.霍尔器件主要参数(1)额定控制电流Ic-在感应强度B=0,室温(不超过允许温升)条件下霍尔器件电流输入端输入的电流值。(2)输入电阻Rin-电流电极端间的电阻。(3)输出电阻Rout-无负载时,霍尔电势输出电极端间的电阻。(4)霍尔灵敏系数KH-单位控制电流和单位磁感应强度作用下,霍尔器件输出端开路电压,单位为V/(A·T)。

(6)不等位电势Um－霍尔器件制作时,两个输出电压电极不完全对称,器件厚度不均匀或输出电极焊接不良等原因造成不加外磁场时,有一定控制电流输入,在输出电压电极之间仍有一定的电位差,称做不等电位电势。(7)不等位电阻RM－不等位电势与控制电流之比，表示为(8)霍尔电势温度系数ßH—在一定控制电流和磁感应强度作用下，温度变化1°C时，霍尔电势UH相对变化值，其单位是°C-1。

2.藿尔器件材料的选择

三、藿尔器件的电磁特性UH-Ie特性

2.UH-B特性

四、藿尔器件的零位误差补偿1.不等位电势Um及其补偿

2.寄生直流电势3.感应零电势Ui0及其补偿

五、藿尔器件的类型1.单晶藿尔器件

2.薄膜藿尔器件

3.线性藿尔集成电路

4.开关藿尔集成电路

六、藿尔传感器应用

1.微位移测量

2.转速测量第五节

半导体磁阻器件一、物理磁阻效应几何磁阻效应

三、磁敏电阻

第七章

光学传感器第一节内光电效应器件一、半导体的光吸收

二、半导体的光电导效应

三、光导器件１．光导器件的结构

２．光导器件的特性（１）灵敏度

四、半导体的光伏特效应五光敏二极管１．PN结光电池

２．PIN光敏二极管

３．雪崩光敏二极管

六、光敏三极管

七、光敏集成器件１．达林顿光电管

２．光电偶合器件第二节

光量子型红外传感器

第三节

电荷耦合器件（CCD)一、CCD光敏元工作原理二、电荷移位过程

三CCD的输入－输出结构１.电荷注入２.电荷输出四、CCD的参数１．开启电压２．电荷容量３．转移损失率

五、线性电荷耦合摄像器件

六、面型电荷耦合摄像器件

第四节

光栅

一、摩尔（Moire)条纹1.摩尔条纹的几何光学原理

2.摩尔条纹的特性(1)运动对应关系(2)位移放大作用

摩尔条纹的放大倍数:(3)误差均匀化效应3.摩尔条纹的衍射原理

二、测量光栅的分类1.按用途分类

2.按光线走向分类3.按调制内容分类4.按栅线刻方向分类

三、摩尔条纹输出信号质量评定

1.输出信号的正弦性2.输出信号的直流电平漂移3.输出信号的对比度4.输出信号的稳定性5.输出信号的正交性和等辐性

四、光学系统1.直读式光学系统(1)透射直读式光学系统(2)反射直读式光学系统

2.影像式光学系统

3.分光式光学系统(1)透射式分光光学系统

(1)反射式分光光学系统

4.粗细栅距组合式光学系统

5.相位调制式光学系统第五节

光电码盘一、光电码盘工作原理

1.二进制码盘2.循环码码盘

二、光电码盘的应用

第六节

光导纤维一、光导纤维1.光导纤维的结构

2.光纤的性能(1)数值孔径(2)光纤模式

(3)传输损耗(4)光纤强度3.光纤器件的连接(1)光纤接头

(2)光纤耦合器

二、光纤传感器1.强度调制型光纤传感器(3)光纤相位调制器

2.相位调制型光纤传感器

3.频率调制型光纤传感器

三、光纤传感器的应用

第八章

温度传感器第一节热电偶一、热电偶的工作原理1.两种不同金属的接触电势2.金属导体的温差电势

二、热电偶基本定律1.中间导体定律

2.标准电极定律

三、常用热电偶

第二节

热敏电阻一、半导体热敏电阻的基本参数1.零功率电阻值（RT)2.电阻温度系数（αT)3.热敏电阻的最大功率（Pmax)4.热敏电阻的耗散系数（δ）

5.热容（C）6.热敏电阻的热时间常数（τ）

二、NTC热敏电阻1.NTC热敏电阻的导电机理2.NTC热敏电阻的温度系数

3.电压—电流特性

4.NTC热敏电阻的结构及特点

三、PTC热敏电阻１.PTC热敏电阻的导热机理

２.电阻—温度特性

３.时间—电流特性

４.电流—电压特性

５.PTC热敏电阻的应用（１）温度补偿

（２）过热保护

（３）自动消磁

（４）电机启动

（５）延时开关四、CTR热敏电阻

五、新型NTC热敏电阻1.NTC线性热敏电阻

2.厚膜NTC热敏电阻

3.薄膜NTC热敏电阻

第三节

半导体温度传感器一、半导体单晶非结型温度传感器

1.迁移率与温度关系

2.电阻率与温度的关系3.硅温度传感器的结构

4.电阻—温度特性

二、PN结型温度传感器

2.晶体管温度传感器

三、集成电路温度传感器1.电压输出型温度传感器

2.电流输出型温度传感器

第四节

热电型红外传感器一、热电堆

第九章

超声传感器声频高于20KHz以上的机械波通常低于75khz.超声是指频率高于可听声频率范围的声波。现代声学中规定人耳可听到的声波频率上限为2×104Hz。一般而言，人们通常所说的超声是指频率高于20KHz.的声波；而把频率高于108Hz的超声波称为特超声。在超声频段中，108—1012Hz频段的超声因与电磁波谱中的微波频段相对应，故又称为微波超声。

第一节

超声换能器一、压电式超声换能器二、磁致伸缩式超声换能器

三、设计选型原则1.不致引起介质变化2.空气中不超过80kHz,水、医学20~8GHz,固体检测：10～几MHz3.工业场合4.特殊波形第二节

超声流量传感器一、超声传播时间差法二、超声多普勒法

三、选用原则１.被测物体特点２.测量方法３.核对流速４.声道数第三节

超声位移传感器一、超声测厚仪

二、超声物位计１.超声液位测量

２.超声固位测量第四节

超声温度传感器

第五节

超声探伤传感器一、检测原理

二、AE传感器１.探头选择２.表征参数（１）发生频率（２）振幅分布与最大振幅三、超声成像第六节

超声传感器电路一、发射电路二、接收放大电路第十章

信号放大电路第一节基本放大电路

一、集成放大器主要技术参数1.开环增益2.输入失调电压Uof3.输入失调电压Iof4.输入偏置电压IB5.温度漂移6.最大差模输入电压UdM7.最大共模输入电压UcM8.共模抑制比KCMR9.差模输入电阻Rd10.开环输出电阻Ro11.全功率带宽fp12.转换速率SR二、集成放大器基本应用电路1.反向放大电路2.同相放大电路3.集成放大器的选用原则（1）没有特殊要求一般选通用型。（2）多放器件内部对称性好。（3）如需输入阻抗大，选高阻型。（4）电源、高精度、低零漂、低噪声（5）视频信号高频选高速宽带型（6）低功耗、、高压、跨导、电流型第二节

测量放大器

1.AD521

2.AD522第三节

程控增益放大器1.利用多路模拟开关与反馈电阻组合2.利用A/D转换器构成程控增益放大器3.利用集成测量放大器与模拟开关组合

4.程控增益放大器（PGA)

第四节

隔离放大器1.284型隔离放大器2.CF2893.多通道隔离放大器第十一章

信号处理电路第一节滤波电路一、模拟滤波器1.无源滤波器2.有源滤波器二、传递函数1.Butterworth滤波器的传递函数N阶低通n=2n=32.Chebyshev滤波器的传递函数n阶Chebyshev低通滤波器三、低通滤波器3.Besel滤波器的传递函数1.有限增益低通滤波器2.反馈式超低频低通滤波器

3.开关电容滤波器四、高通滤波器第二节

采样保持电路一、采样/保持电路工作原理二、采样/保持电路的特性1.断开时间2.捕获时间三、基本采样／保持电路１．同相型采样／保持电路２．反相型采样／保持电路３．二极管开关采样／保持电路四、集成采样／保持器１．通用型采样／保持器２．高速集成采样／保持器第三节

多路模拟开关一、常用模拟开关分类１.机械触点式模拟开关２．电子模拟开关（１）三极管开关（２）光电偶合开关（３）结型场效应管开关（４）CMOS场效应开关３．集成模拟开关二、多路