第4章检测技术与传感器-gai

第4章检测技术与传感器

4.1概述

一、检测系统的组成

1、传感器功能：把各种非电量信息转换为电信号，传感器又称为一次仪表。传感器相当于人的五官部分（“电五官”）

2、电信号处理系统功能：对转换后的电信号进行测量,并进行放大、运算、转换、记录、指示、显示等处理，通常被称为二次仪表。非电量检测系统的结构形式如图4-1所示。图4-1非电量检测系统的结构形式二、传感器的概念及基本特性

（一）传感器的概念：

1、传感器的构成 传感器一般由敏感元件、转换元件和基本转换电路三部分组成，如图4-2所示。图4-2传感器的组成框图

（1）敏感元件:是一种能够将被测量转换成易于测量的物理量的预变换装置,其输入、输出间具有确定的数学关系（最好为线性）。如弹性敏感元件将力转换为位移或应变输出。（2）转换元件：将敏感元件输出的非电物理量转换成电信号（如电阻、电感、电容等）形式。 （3）基本转换电路：将电信号量转换成便于测量的电量，如电压、电流、频率等。

2、传感器的分类

按能量变换的功能分：按输出的信号分：物理传感器化学传感器

计数型（二次型+计数型）

电压，电流型（热电偶,光电池）电感，电容型（可变电容）有接点型(微动开关，接触开关，行程开关)

传感器

电阻型（电位器，电阻应变片）非电量型二值型电量无接点型(光电开关，接近开关)模拟型数字型代码型（旋转编码器，磁尺）（二）传感器的基本特性1、传感器的静态特性传感器的静态特性是指当被测量处于稳定状态下，传感器的输入与输出值之间的关系。传感器静态特性的主要技术指标有：线性度、灵敏度、迟滞和重复性等。

(1)线性度通常希望输出与输入特性（曲线）为线性，这对标定和数据处理带来方便。但实际的输出与输入特性只能接近线性，与理论直线有偏差。

图4-3传感器的线性度示意图

传感器的线性度是指传感器实际输出—输入特性曲线与理论直线之间的最大偏差与输出满度值之比。

式中：

γL——线性度(非线性误差)；

Δmax——最大非线性绝对误差；

yFS

——输出满度值。

线性度可用下式计算：

对于线性传感器来说,它的灵敏度S0是个常数。

（2）灵敏度。传感器在静态标准条件下,输出变化对输入变化的比值称为灵敏度,用S0表示,即

(3)迟滞传感器在正（输入量增大）反（输入量减小）行程中，输出—输入特性曲线的不重合程度称为迟滞，迟滞误差一般以满量程输出yFS的百分数表示：

式中:

ΔHm——输出值在正、反行程间的最大差值。

迟滞特性一般由实验方法确定，如图4-4所示。图4-4迟滞特性

(4)重复性传感器在同一条件下，被测输入量按同一方向作全量程连续多次重复测量时，所得输出—输入曲线的不一致程度，称为重复性。重复性误差用满量程输出的百分数表示，即式中:

ΔRm——最大重复性误差。图4-5重复特性

（5）分辨力传感器能检测到的最小输入增量称分辨力，在输入零点附近的分辨力称为阈值。

（6）漂移由于传感器内部因素或外界干扰的情况下，传感器的输出变化称为漂移。当输入状态为零时的漂移称为零点漂移。

2、传感器的动态特性传感器能测量动态信号的能力用动态特性表示。动态特性是指传感器测量动态信号时，输出对输入的响应特性。传感器动态特性的性能指标可以通过时域、频域以及试验分析的方法确定，其动态特性参数如：最大超调量、上升时间、调整时间、频率响应范围、临界频率等。

三、信号处理与处理电路传感器信号处理电路内容的选择所要考虑的问题主要包括:(1)传感器输出信号形式，是模拟信号还是数字信号，电压还是电流。(2)传感器输出电路形式，是单端输出还是差动输出。(3)传感器电路输出能力，是电压还是功率，输出阻抗大小。(4)传感器的特性，如线性度、信噪比、分辨率。

4.2位移检测

位移测量是线位移测量和角位移测量的总称4.2.1模拟式位移传感器

1.可变磁阻式电感传感器可变磁阻式电感传感器的结构主要由线圈、铁芯和活动衔铁所组成，结构如下图所示。4.2.1模拟式位移传感器当线圈通以激磁电流时，其自感L与磁路的总磁阻Rm有关，即式中，W——线圈匝数如果空气隙δ较小，而且不考虑磁路的损失，则总磁阻为(4-5)(4-6)4.2.1模拟式位移传感器由于铁芯的磁阻与空气隙的磁阻相比是很小的，计算时铁芯的磁阻可以忽略不计，故

将式(4一7)代入式(4-5)，得(4-7)(4-8)式(4-8)表明，自感L与空气隙δ的大小成反比，与空气隙导磁截面积A0成正比。当A0固定不变，改变δ时，L与占呈非线性关系，此时传感器的灵敏度4.2.1模拟式位移传感器4.2.1模拟式位移传感器

2.涡流式传感器涡流式传感器的变换原理，是利用金属导体在交流磁场中的涡电流效应。涡流式传感器可分为高频反射式和低频透射式两种。3.互感型差动变压器式电感传感器4.2.1模拟式位移传感器互感型电感传感器是利用互感M的变化来反映被测量的变化。这种传感器实质是一个输出电压的变压器。当变压器初级线圈输入稳定交流电压后，次级线圈便产生感应电压输出，该电压随被测量的变化而变化。差动变压器式电感传感器是常用的互感型传感器，其结构形式有多种，以螺管形应用较为普遍，其结构及工作原理如图所示。3.互感型差动变压器式电感传感器4.2.1模拟式位移传感器差动相敏检波电路的工作原理图。当没有信号输入时，铁芯处于中间位置，调节电阻R，使零点残余电压减小;当有信号输入时，铁芯移上或移下，其输出电压经交流放大、相敏检波、滤波后得到直流输出。由表头指示输入位移量的大小和方向。4.2.2数字式位移传感器

1.光栅位移传感器光栅是一种新型的位移检测元件，是一种将机械位移或模拟量转变为数字脉冲的测量装置。特点:测量精确度高(可达到1μm)响应速度快量程范围大可进行非接触测量易于实现数字测量和自动控制4.2.2数字式位移传感器

1.光栅位移传感器结构组成：标尺光栅指示光栅光电器件

光源标尺光栅和被测物体相连，随被测物体的直线位移而产生位移。一般标尺光栅和指示光栅的刻线密度是相同的，而刻线之间的距离W称为栅距。4.2.2数字式位移传感器

1.光栅位移传感器如果把两块栅距W相等的光栅平行安装，且让它们的刻痕之间有较小的夹角θ时，这时光栅上会出现若干条明暗相间的条纹，这种条纹称莫尔条纹。4.2.2数字式位移传感器

1.光栅位移传感器莫尔条纹是光栅非重合部分光线透过而形成的亮带，它由一系列四棱形图案组成，如图中的d-d线区所示。f-f线区则是由于光栅的遮光效应形成的。特点莫尔条纹的位移与光栅的移动成比例。莫尔条纹具有位移放大作用。莫尔条纹具有平均光栅误差的作用。4.2.2数字式位移传感器

2.感应同步器

感应同步器是一种应用电磁感应原理制造的高精度检测元件，有直线和圆盘式两种，分别用作检测直线位移和转角。直线感应同步器由定尺和滑尺两部分组成。定尺较长，上面刻有均匀节距的绕组；滑尺表面刻有两个绕组，即正弦绕组和余弦绕组。圆盘式感应同步器，如图所示，其转子相当于直线感应同步器的滑尺，定子相当于定尺，而且定子绕组中的两个绕组也错开1/4节距。4.2.2数字式位移传感器

2.感应同步器4.2.2数字式位移传感器

3.旋转变压器

旋转变压器是一种利用电磁感应原理将转角变换为电压信号的传感器。特点：结构简单动作灵敏对环境无特殊要求输出信号大抗干扰好旋转变压器由定子和转子组成。当从一定频率的激磁电压加于定子绕组时，转子绕组的电压幅值与转子转角成正弦、余弦函数关系，或在一定转角范围内与转角呈正比关系。前一种旋转变压器称为正余弦旋转变压器，适用于大角位移的绝对测量;后一种称为线性旋转变压器，适用于小角位移的相对测量。4.2.2数字式位移传感器

3.旋转变压器正余弦变压器原理图4.2.2数字式位移传感器

4.光电编码器光电编码器是一种码盘式角度数字检测元件。光电编码器增量式编码器绝对式编码器结构简单、价格低、精度易于保证等优点结构复杂、成本高编码盘有光电式、接触式和电磁式三种。绝对式编码器是把被测转角通过读取码盘上的图案信息直接转换成相应代码的检测元件。

4.3速度、加速度检测

4.3.1直流测速机速度检测

直流测速机是一种测速元件，实际上它就是一台微型的直流发电机。根据定子磁极激磁方式的不同：

直流测速机电磁式永磁式以电枢的结构不同：

直流测速机无槽电枢有槽电枢空心杯电枢圆盘电枢

4.3速度、加速度检测

4.3.1直流测速机速度检测永磁式测速机原理电路图恒定磁通由定子产生，当转子在磁场中旋转时，电枢绕组中即产生交变的电势，经换向器和电刷转换成与转子速度成正比的直流电势。直流测速机的输出特性曲线

4.3速度、加速度检测

4.3.2光电式转速传感器光电式转速传感器是一种角位移传感器，由装在被测轴(或与被测轴相连接的输入轴)上的带缝隙圆盘、光源、光电器件和指示缝隙盘组成。

4.3速度、加速度检测

4.3.3加速度传感器应变式传感器加速度测试原理:由重块、悬臂梁、应变片和阻尼液体等构成当有加速度时，重块受力，悬臂梁弯曲，按梁上固定的应变片之变形可测出力的大小，在已知质量的情况下即可计算出被测加速度。壳体内灌满的砧性液体作为阻尼之用。压电加速度测试传感器结构原理

4.3速度、加速度检测

4.3.3加速度传感器图中1是质量块，当加速运动时质量块产生的惯性力加载在2(压电材料切片)上，3是电荷(或电势)的输出端。

4.4力、扭矩和流体压强检测

4.4.1力检测

电阻应变片式力传感器的工作原理是弹性敏感器元件测力转换为应变，然后通过粘贴在其表面的电阻应变片转换成电阻值的变化，经过转换电路输出电压或电流信号。常见的弹性元件有柱形、简形、环形、梁式和轮辐式等。

4.4力、扭矩和流体压强检测

4.4.1力检测1.柱形或筒形弹性元件应变片在柱形和筒形弹性元件上的粘贴位置及接桥方法。这种接桥方法能减少偏心载荷引起的误差，且能增加传感器的输出灵敏度。

4.4力、扭矩和流体压强检测

4.4.1力检测若在弹性元件上施加一压力P，则简形弹性元件的轴向应变εL为用电阻应变仪测出的指示应变为

4.4力、扭矩和流体压强检测

4.4.1力检测2.梁式弹性元件(1)悬臂梁式弹性元件特点：结构简单、容易加工、粘贴应变片方便、灵敏度较高，适用于测量小载荷的传感器中。

4.4力、扭矩和流体压强检测

4.4.1力检测2.梁式弹性元件若梁的自由端有一被测力P，则应变片感受的应变为电桥输出为式中，L—应变计中心处距受力点距离；

B—悬臂梁宽度；

h—悬臂梁厚度；

E—悬臂梁材料的弹性模量；K—应变计的灵敏系数。

4.4力、扭矩和流体压强检测

4.4.1力检测2.梁式弹性元件(2)两端固定梁它的悬臂梁刚度大，抗侧向能力强。粘贴应变片感受应变与被测力P之间的关系为

4.4力、扭矩和流体压强检测

4.4.1力检测2.梁式弹性元件(3)梁式剪切弹性元件与普通梁式弹性元件基本相同，只是应变片粘贴位置不同。应变片受的应变只与梁所承受的剪切力有关，而与弯曲应力无关。无论是拉伸还是压缩载荷，灵敏度相同，适用于同时测量拉力和压力的传感器。此外，它与梁式弹性元件相比线性好、抗偏心载荷和侧向力的能力大。

4.4力、扭矩和流体压强检测

4.4.1力检测2.梁式弹性元件(3)梁式剪切弹性元件应变片一般粘贴在矩形截面梁中间盲孔的两侧，与梁的中性轴成45°方向上。粘贴应变片处的应变与被测力P之间的关系近似为

4.4力、扭矩和流体压强检测

4.4.2力矩测量机器人手腕用力矩传感器原理它是检测机器人终端环节(如小臂)与手爪之间力矩的传感器。驱动轴B通过装有应变片A的腕部与手部C连接。当驱动轴回转并带动手部回转而拧紧螺丝钉D时，手部所受力矩的大小可通过应变片电压的输出测得。

4.4力、扭矩和流体压强检测

4.4.3流体压强传感器电阻应变式流体压强传感器主要用于测量气体和液体压强。测量压强的方法是借助弹性元件把压强变为压力和应变再进行测量。流体压强传感器膜式压力传感器筒式压力传感器

4.4力、扭矩和流体压强检测

4.4.3.1膜式压力传感器它的弹性元件为四周固定的等截面圆形薄板，又称平膜板或膜片，其一表面承受被测分布压力，另一侧面贴有应变片或专用的箔式应变花，并组成电桥。

4.4力、扭矩和流体压强检测

4.4.3.1膜式压力传感器膜片在被测压力P作用下发生弹性变形，应变片在任意半径r的径向应变εr和切向应变ε

t分别为式中，r—膜片任意半径；r0—膜片有效工作半径。

4.4力、扭矩和流体压强检测

4.4.3.2筒式压力传感器筒式压力传感器的弹性元件为薄壁圆筒，筒的底部较厚。弹性元件的特点：圆简受到被测压力后表面各处的应变是相同的。应变片的粘贴位置对所测应变不影响

4.4力、扭矩和流体压强检测

4.4.3.2筒式压力传感器对于薄壁圆筒(壁厚与壁的中面曲率半径之比<1/20）的切向应变ε1与被测压力P的关系，可用下式求得筒壁上工作应变片对于厚壁圆筒(壁厚与壁的中面曲率半径之比>1/20)则有

4.4力、扭矩和流体压强检测

4.4.3.3压阻式压力传感器压阻式传感器核心部分是一圆形的硅膜片。在沿某晶向切割的N型硅膜片上扩散四个阻值相等的P型电阻，构成平衡电桥。硅膜片周边用硅杯固定，其下部是与被测系统相连的高压腔，上部为低压腔，通常与大气相通。在被测压力作用下，膜片产生应力和应变，P型电阻产生压阻效应，其电阻发生相对变化。

4.5其他传感器

4.5.1固态图像传感器（CCD）固态图像传感器是采用光电转换原理，将被测物体的光像转换为电子图像信号输出的一种大规模集成电路光电元件，常称电荷藕合器件(简称CCD)。图像传感器优点：体积小，析像度高，功耗小。应用：非接触的尺寸、形状、损伤的测量，图像处理，自动控制等领域。

4.5其他传感器

4.5.2激光检测激光检测主要是利用激光的方向性、单色性、相干性以及随时间、空间的可聚焦性的特点，所以无论在测量精确度和测量范围上都具有明显的优越性。1、激光多普勒效应当激光照射到相对运动的物体上时，被物体散射(或反射)光的频率将发生改变，这种现象称为多普勒效应。

4.5其他传感器

4.5.2激光检测2、应用组成激光测速系统的主要光学部件有激光光源，入射光系统和收集光系统等。激光多普勒流速计由激光器发射出的单色平行光，经透镜聚集到被测流体内。

4.5其他传感器

4.5.3超声波检测超声波检测的基本原理是利用某些非声量的物理量(如密度、流量等)与描述超声波介质声学特性的超声量(声速、衰减、声阻抗)之间存在着直接或间接的关系。超声波检测多采用超声波源向被测介质发射超声波，然后接收与被测介质相作用之后的超声波，从中得到所需信息。

4.6传感器的正确选择和使用4.6.1传感器的选择测试要求和条件传感器的特性使用条件

4.6传感器的正确选择和使用4.6.2传感器的正确使用线性化处理与补偿传感器的标定抗干扰措施：屏蔽、接地、隔离、滤波

4.7传感器前级信号处理传感器所感知、检测、转换和传递的信息表现形式为不同的电信号。传感器输出电信号的参量形式可分为电压输出、电流输出、频率输出。典型的传感器信号放大器：测量放大器

在检测技术应用场合，传感器输出的信号较弱，而且其中还包含工频、静电和电磁藕合等共模干扰，对这种信号的放大就需要放大电路具有很高的共模抑制比以及高增益、低噪声和高输入阻抗。将具有这种特点的放大器称为测量放大器或仪表放大器。

4.7传感器前级信号处理典型的传感器信号放大器：程控增益放大器在计算机自动测控系统，利用计算机软件控制的办法来实现增益的自动变换，具有这种功能的放大器称为程控增益放大器。隔离放大器在有强电或强电磁干扰的环境中，为了防止电网电压等对测量回路的损坏，其信号输入通道采用隔离技术，能完成这种任务，具有这种功能的放大器称为隔离放大器。

4.8传感器接口技术4.8.1传感器信号的采样/保持当输入信号频率提高时，由于孔径时间的存在，会造成较大的转换误差，为了防止这种误差的产生，必须在A/D转换之前将信号保持住，而在转换后能跟踪输入信号的变化，能完成这种功能的器件叫采样/保持器。孔径时间：在对模拟信号进行模数变换时，从启动变换到变换结束的数字量输出，所需要的时间。

4.8传感器接口技术4.8.1传感器信号的采样/保持1.采样/保持器原理采样阶段：当S接通时，输出