传感器与检测技术复习课

传感器与检测技术复习课课程介绍本课程包括自动检测技术的基本知识、传感器原理与应用、检测仪表以及自动检测的新进展等几部分内容。第一部分介绍传感器与检测技术的基本概念、测量误差与数据处理以及传感器的静动态特性和标定方法。第二部分介绍电阻式传感、电容式、电感式、温度传感器、光电式传感器、数字传感器等的工作原理与应用。第三部分介绍电参量测量技术。第四部分介绍非电物理量测量，包括：压力和力的测量、位移速度加速度测量、流量物位测量等。第五部分介绍自动检测新进展，包括现场总线、虚拟仪器等。

第一部分传感器与检测技术的基本概念1.传感器的定义：能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件和装置。2.传感器的组成：敏感元件+转换元件+转换电路敏感元件转换元件转换电路被测量电量3.传感器的分类按工作原理分：电阻型、电容型、电感型、压电型、霍尔型、光电型等；按用途分：位移、压力、振动、温度等；按转换特性分：结构型、物性型；按能量传递的方式分：能量控制型、能量转换型。第一部分传感器与检测技术的基本概念4.检测系统构成第一部分传感器与检测技术的基本概念传感器测量电路输出单元被测量传感器：把被测非电量转换成为与之有确定对应关系，且便于应用的某些物理量（通常为电量）的测量装置。测量电路：把传感器输出的变量变换成电压或电流信号，使之能在输出单元的指示仪上指示或记录仪上记录；或者能够作为控制系统的检测或反馈信号。输出单元：指示仪、记录仪、累加器、报警器、数据处理电路等。5.误差的定义与概念真值、理论真值、相对真值、示值、标称值绝对误差、修正值、相对误差、引用误差精度等级、准确度、精密度、精确度最大允许误差，按精度要求选择测量仪表，举例：第一部分传感器与检测技术的基本概念6.误差的分类：系统误差：特点、系统误差的发现(残差观察法、时延比对法、理论分析计算法)、削弱及消除方法(原理消除、调校仪器、修正方法等)；随机误差：特点(正态分布，单峰型、对称性、有界性、抵偿性)、评价指标(算术平均值、标准差)、产生原因、消除方法；粗大误差：特点与判别方法，消除方法。第一部分传感器与检测技术的基本概念第一部分传感器与检测技术的基本概念7、传感器的一般特性静态特性：输入量为常量，或变化极慢。包括线性度—

灵敏度—

迟滞—正反行程中输出输入曲线不重合；重复性—输入按同一方向连续多次变动时所得特性曲线不一致的程度；零漂—传感器在长时间工作的情况下输出量发生的变化；温漂—传感器在外界温度下输出量发出的变化。动态特性：传感器的输出对随时间变化的输入量的响应特性。反映输出值真实再现变化着的输入量的能力。研究传感器的动态特性主要是从测量误差角度分析产生动态误差的原因以及改善措施。 时域：瞬态响应法 频域：频率响应法第一部分传感器与检测技术的基本概念第二部分传感器原理1、电阻应变式传感器原理：当金属丝在外力作用下发生机械变形时其电阻值将发生变化。第二部分传感器原理电阻应变片测量电路

R1+⊿R1R2R4R3UILRLIL=0时电桥平衡平衡条件:R1R4=R2R3

R1/R2=R3/R4第二部分传感器原理2、电感式传感器(1)自感式传感器a)气隙型b)截面型

c)螺管型自感式传感器原理图第二部分传感器原理u0z2z1u/2u/2为了判别衔铁位移方向，就是判别信号的相位，要在后续电路中配置相敏检波器来解决第二部分传感器原理(2)差动变压器差动变压器是把被测的非电量变化转换成线圈互感量的变化。这种传感器是根据变压器的基本原理制成的，并且次级绕组用差动的形式连接，故称之为差动变压器式传感器。有变隙式、变面积式和螺线管式三种。差动变压器的应用有：力和力矩的测量、微小位移的测量、压力测量、加速度传感器等。第二部分传感器原理3、电容式传感器δSε变极距(δ）型、变面积型(S)型、变介电常数(ε)型。第二部分传感器原理其特点是动态响应好，适合高频测量；有泄漏电容不适合静态测量。第二部分传感器原理uC-ACx∑～u0运算放大器式测量电路电容式传感器的应用：电容式差压传感器、电容式加速度传感器、电容式振动位移传感器等。第二部分传感器原理4、光电效应和光电器件光电效应：外光电效应:在光线作用下使物体的电子逸出表面的现象。内光电效应:在光线作用下能使物体电阻率改变的现象。阻挡层光电效应(光生伏特效应):在光线作用下能使物体产生一定方向的电动势的现象。如光电池、光敏晶体管等。光电器件光电管、光电倍增管、光敏电阻、光敏二极管和光敏三极管、光电池等。(3)光电器件的应用光比色高温计、脉冲光电传感器、光电式数字转速表。第二部分传感器原理5、光栅传感器a+b=W称为光栅的栅距（或光栅常数）通常情况下，a=b=W/2第二部分传感器原理横向莫尔条纹的斜率莫尔条纹间距莫尔条纹的宽度BH由光栅常数与光栅夹角决定辩向技术与细分技术。第二部分传感器原理6、光电码盘数字式传感器:把输入量转换成数字量输出优点：测量精度和分辨力高，抗干扰能力强，能避免在读标尺和曲线图时产生的人为误差，便于用计算机处理。最简单的数字式传感器是编码器(ADE)角度数字编码器（码盘）或直线位移编码器（码尺）原理分类：电触式、电容式、感应式和光电式等第二部分传感器原理码盘与码制6位二进制码盘6位的循环码码盘循环码码盘转到相邻区域时，编码中只有一位发生变化，不会产生粗大误差。应用：光学码盘测角仪。第二部分传感器原理7、光纤传感器原理：略。灵敏度较高；几何形状具有多方面的适应性，可以制成任意形状的光纤传感器；可以制造传感各种不同物理信息（声、磁、温度、旋转等）的器件；可以用于高压、电气噪声、高温、腐蚀、或其它的恶劣环境；而且具有与光纤遥测技术的内在相容性。应用：磁、声、压力、温度、加速度、陀螺、位移、液面、转矩、光声、电流和应变等物理量的测量。第二部分传感器原理8、温度传感器热电阻传感器

铂热电阻：百度电阻比；铜热电阻：测量精度要求不高且温度较低的场合；半导体热敏电阻：温度系数大、电阻率大、线性度差。热电阻结构：三线制、四线制。第二部分传感器原理热电偶传感器测温原理：两种不同的金属A和B构成闭合回路，当两个接触端T﹥T0时，回路中会产生热电势。热电势由两种材料的接触电势和单一材料的温差电势决定。热电偶的基本定律：匀质导体定律、中间导体定律、连接导体定律。

例

用（S型）热电偶测量某一温度，若参比端温度T0=30℃，测得的热电势E(T,Tn)=7.5mV，求测量端实际温度T。查分度表有E（30，0）=0.173mV反查分度表有T=830℃，测量端实际温度为830℃上一页下一页返回第二部分传感器原理(3)非接触式测温高温测量中应用最广泛，主要应用行业为冶金、铸造、热处理以及玻璃、陶瓷和耐火材料等工业生产过程中。任何物体处于绝对零度以上时，都会以一定波长电磁波的形式向外辐射能量。辐射式测温仪表就是利用物体的辐射能量随其温度而变化的原理制成的。测量时，只需把温度计光学接收系统对准被测物体，而不必与物体接触，因此可以测量运动物体的温度并不会破坏物体的温度场。此外，由于感温元件只接收辐射能，不必达到被测物体的实际温度，从理论上讲，它没有上限，可以测量高温。非接触测温仪表分类：光学高温计、辐射式温度计第三部分电参量测量系统1、频率时间和相位的测量计数法频率测量方法。计数法测量原理测频方式和测周方式的差异。第三部分电参量测量系统频率的模拟测量⑴直读法测频⑵比较法测频⑶示波器测量频率①电桥法测频②谐振法测频③频率-电压(f-V)转换法测频第三部分电参量测量系统2、电压和电流的测量普通直流电压表(1)直流电压测量直流电子电压表如要求满量程为10V时表头通过电流100uA，求电阻R=?第三部分电参量测量系统直流数字电压表在数字电压表前端配接适当的转换电路，将被测参数转换成直流电压，就可构成测量该被测参数的数字仪表，因此直流电压表是许多数字式电测仪表的核心器件，用途很广。第三部分电参量测量系统交流电压测量交流电压的表征：峰值、幅值、有效值、平均值。波形系数：

波峰系数：

交流电压的测量方法：检波—放大式、放大检波式、外差式。第三部分电参量测量系统电流的测量电流表直接测量方法电流－电压转换法电流－磁场转换法：例如霍尔传感器钳形电流表；电流互感器法：通过线圈耦合将一次侧电流转变成与之成比例的二次侧电流，在通过电阻转变成电压。第三部分电参量测量系统３、阻抗的测量阻抗的描述电阻、电感和电容的等效电路第三部分电参量测量系统直流电阻的测量电表法比例运算器法电桥法四端法测小电阻冲击电流法测大电阻

第三部分电参量测量系统交流阻抗的测量交流四臂电桥数字式阻抗测量仪第四部分非电量测量系统１、压力测量压力的基本定义：压力的表示方法：大气压力、表压力、绝对压力、负压力、真空度第四部分非电量测量系统压力的计量单位：帕斯卡、工程大气压、标准大气压、巴等。液柱式压力计弹性力压力计力平衡式压力计各种压力传感器：应变式、压阻式、压电式、电容式、谐振式力的测量类似压力测量。第四部分非电量测量系统２、运动量检测技术(1)位移测量：积分法、回波法、线位移和角位移转换法、位移传感器法。长度测量：游标卡尺、外径千分尺等。圆度测量：表面粗糙度测量：速度测量：线速度测量和角速度测量。有微积分法、线速度角速度转换法、速度传感器法、时间位移计算法弹丸飞行速度测量：时间位移法多普勒法多普勒测速原理：设有一个波源，以fo

的频率发射电磁波，而接受体以速度V相对于此波源运动。那么，这一接收体所感受到的波的频率将不是f0，而是fr

，并有如下之关系：

式中，λ0——波源发送的波的波长。fd称为多卜勒频移。多普勒测速仪应用实例：卫星跟踪测轨、医学血液流速测量等。 第四部分非电量测量系统第四部分非电量测量系统加速度测量：各种加速度计：压电式、压阻式、应变式、电容式等。３、流量测量方法单位时间内流过管道内某一截面的流体数量，称为瞬时流量。在某一段时间间隔内流过管道某一截面的流体量的总和，即瞬时流量在某一段时间内的累积值，称为总量或累积流量。体积流量：质量流量：流量传感器：差压式流量传感器、电磁流量传感器、超声波流量计、激光流速传感器。第四部分非电量测量系统第四部分非电量测量系统４、物位检测技术液位测量方法直接测量法、压力法、浮力法、电学法(电阻、电感、电容式)热学法、超声波法等。料位检测方法重锤探测法、称重法、电磁法、声学法、光学法等。相界面的检测液液相界面检测－－类似液位检测液固相界面检测－－类似料位检测。第五部分检测新技术１、现场总线技术(1)概念：用于过程自动化、制造自动化、楼宇自动化等领域的现场智能设备互连通讯网络。(2)现场总线控制系统：(3)现场总线通信特点：实时性、信息完整性、可靠性、可互操作性、数字特征、介质多样性。几种流行的现场总线：基金会现场总线、过程现场总线、局部操作网络、控制器局域网络等。Profibus简介：profibus-dp,profibus-pa,profibus-fms第五部分检测新技术Profibus特点：(1)全部设备均与总线连接。

(2)

每个分段上最多可接32个站（主站或从站）。

(3)

每段的头和尾各有一个总线终端电阻，确保操作运行不发生误差。两个总线终端电阻必须永远