传感器与检测技术笔记

传感器与检测技术 2202第一章：概述传感器的定义:传感器是能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。第一节 ：机电一体化常用传感器一传感器的组成1敏感元件：一直感受被测物力量并以确定关系输出另一物理量元件2转换元件：将敏感元件输出的非电量转换成电路参数3基本转换电路：将电信号转换成便于输出，处理的电量传感器的组成原理

：被测量

------敏感元件

---转换元件

---基本转换电路

----电量二 传感器的分类按被测量对象分类内部信息传感器：主要检测系统内部的位置，速度，力，力矩，温度以及异常变化②外部信息传感器：主要检测系统外部环境，它与人体五种器官相对应的接触式和非接触式按工作机理分类① 物性型传感器：利用某种物质的某种性质随被测参数的变换而变化的激励制成式传感器，压电式传感器等② 结构型传感器：利用物理学中厂的定律和运动定律等构成的，其被测参数变化引起传感器的结构变换，从而使输出电量变化，电感式传感器，电容式传感器，关山是传感器都是这种类型。

的如光电按照被测物理量分类表明了传感器的用途，便于使用者选择。按照工作机理按照传感器能量源分类① 无源型（能量转换型）：不需要外加电源，而是将被测相关两转换成电量输出如 压电式磁电感应式，电热式，光电式等传感器②有源型（能量控制型）：需要外加电源这类传感器有电阻式，电容式，电感式，霍尔式等，电阻式有光敏电阻，热敏电阻，湿敏电阻等形式按照输出信号的性质分类① 开关型（二值型）：接触型（微动开关，行程开关，接触开关）非接触型（光电开关，接触开关）传感器

模拟型数字型

：电阻型（电位器，电阻应变片）电压电流型（热电偶，光电电池）电感，电容型（电感，电容式位置传感器）：计数型代码型三 传感器的特性及主要性能指标传感器的特性主要是指输出与输入之间的关系，有静态特性和动态特性1．静态特性：当传感器的输入量为常数或随时间作缓慢变化时，

传感器的输出与输入之间的关系2．动态特性：传感器的输出量对于随时间变化的输入量的响应特性3．传感器的性能指标（ P5牢记）传感器的性能要求①高精度，低成本② 高灵敏度③ 工作可靠④ 稳定性好⑤ 抗干扰能力强⑥ 动态特性好⑦ 结构简单，小巧第二节 传感检测技术的地位和作用第三节 重点：传感器及检测系统基本特性的评价值白哦与选择则原则一、测量范围及量程①测量范围：传感器在允许误差限内，其被测量值的范围②量程：传感器在测量范围内的最高值与最低值之差③过载能力：在不导致引起传感器规定性能直白哦永久改变的条件下传感器允许超过其测量范围的能力④过载能力通常用超值除以量程二灵敏度①灵敏度：传感器的输出量的变化量与引起变化的输入量的变化量之比②总灵敏度：k=k1*k2.....kn③灵敏度误差：rs=k0/k0④灵敏度表示传感器或者传感器检测系统对被测物理量变化的反应能力。⑤一般灵敏度越高越好，因为灵敏度高，传感器所能感知的变化量越小：三线性度（越趋近于直线越好）用手写上四重复性① 重复性是衡量在同一工作条件下，对同一被测量进行多次连续测量所得结果之间的不一致程度② 所得结果分散范围越小，重复性越好五稳定性① 稳定性：在相同时间，相当长时间内，其输入 /输出特性不发生变化的能力。② 稳定性一般以室温条件下经过一定时间后传感器的输出与起始标定时输出的差异来表示③ 影响传感器稳定性的因素是 时间和环境六精确度（高-----越接近实际值）① 精确度简称精度：传感器的输出结果与被测量的实际值之间的符合程度，是检测值的精密程度与准确程度的综合反映七 动态特性① 传感器的动态特性反映了传感器对于随时间变化的动态量的响应特性② 传感器的响应特性必须在所测频率范围内努力保持不是真的测量条件第四节 传感器的标定与校准标定：在明确传感器输入输出变换关系的前提下，利用某种标准器具产生已知的标准非电量输入，确定其输出电量与输入量之间的关系的过程校准：进行校核传感器的标定系统的组成①被测非电量的标准发生器或被测非电量的标准测试系统②待标定传感器③它所配接的信号调节器及显示，记录器等力值传递系统①国家标准测力计（国家一级计量中心）-----允许测量误差：正负0..001%②一级标准测力机(省部一级计量站)正负0.01%③二等标准测力计（市企业计量站）正负0.1%④ 三等标准测力计，传感器 ------------------------------- 正负0.3-0.5%注意：力值传递系统只能按此系统用上一级标准装置检测下一集传感器及配套仪表一 静态标定① 静态标定：给传感器输入已知不变的标准非电量，测出其输出，给出标定曲线，标定方程和标定常数，计算其灵敏度，线性度，等传感器的静态指标② 静态标定系统的关键在于被非电量的标准发生器及标准测试系统二动态标定① 动态标定的目的：检验测试传感器的动态性能指标。第五节 传感器与检测技术的发展方向一、 开发新型传感器① 利用新材料制作传感器② 利用新加工技术制作传感器③ 采用新原理制作传感器二 传感器检测技术的智能化① 传感检测系统目前正由模拟式，数字式向智能化方向发展三 复合传感器① 复合传感器是同时检测几种物理量具有复合检测功能的传感器四 研究生物感官，开发仿生传感器第二章 位移检测传感器位移：线位移 和 角位移电测法：利用各种传感器讲位移量变换为电量或电参数，再经后接测量仪器进一步变换完成对位移检测的一种方法第一节：参量型位移传感器参量型位移传感器工作原理 ：将被测物理量转化为电参数（电阻，电感，电容）一、电阻式位移传感器① 其电阻值取决于材料的几何尺寸和物理特性公式如下：改变其中任意参数都可以使电阻值发生变化。③电位计和应变片就是根据这个原理制成的④电位计是一种常用的机电元件⑤ 电位计的电阻元件通常有： 1线绕电阻薄膜电阻导电塑料电位计优点：结构简单，输出信号大，性能稳定，并容易实现任意函数关系。缺点：要求输出能量大，电刷与电阻元件之间有干摩擦，产生噪音公式如下⑦ 阶梯特性：对于线绕电位计，其电阻和电压输出空载特性并不是一条理想直线，而是成阶梯状它限制了线绕电位计的精度和分辨力⑧ 非线性电位计空载特性：非线性电位计其输出电压与电刷位移直接按具有非线性函数关系。⑨ 阶梯误差不是常数，最大阶梯误差发生在特性曲线斜率最高处二电阻应变式位移传感器① 电阻应变式位移传感器是将被测位移引起的应变元件产生改变，经后续电路变换成电信号输出，从而测出位移三 电容式位移传感器① 电容式位移传感器是利用电容量的变化来测量线位移或角位移的装置② 分类：变极距型，变面积型，变介质型。1．变极距型（小位移） 公式如下变面积型① 可用于线位移测量和角位移测量② 分类：平板型极板，圆筒型极板或者锯齿型。这类传感器输入公式如下

/输出具有线性特性变介质型（测液面）公式如下容栅式电容位移传感器（大量程）容栅式电容位移传感器是在面机型电容位移传感器发展起来的一种新型电容位移传感器②分为：长容栅和圆容栅公式如下容栅式电容传感器因多级电容及平均效应，所以分辨率高，精度高，量程大（测量范围大）四电感式位移传感器电感式位移传感器是将被测物理量位移转化为自感，

护肝的变化，并通过测量电感量的变化确定位移量主要类型：自感事，互感式，涡流式，压磁式。电感式位移传感器优点：输出功率大，灵敏度高，稳定性好① 自感式② 互感式位移传感器 --差动变压器的工作原理与结构互感式位移传感器是将被测位移量的变化转换成互感系数的变化，其基本结构原理与常变压器类似（变压器式位移传感器）互感式位移传感器常接成差动形式故称 --差动变压器式位移传感器产生零点残压的原因：由于两次侧线圈的结构不对称，一次侧线圈铜损电阻的存在，铁磁材料不均匀，线圈间的分布电容等因素③ 涡流式位移传感器涡流式位移传感器：是利用电涡流效应将被测量变换为传感器线圈阻抗 Z变化的一种装置。涡流 ：块状金属属于变化的磁场中或在磁场中运动史，金属体内都要产生感应电流，此电流的流线在金属体内自己闭合分类：高频反射，低频透射流式位移传感器的特点：结构简单，易于进行非接触测量，灵敏度高，应用广泛，可测位移，厚度，振动第二节发电型位移传感器电压位移传感器①发电型位移传感器是将被测物理量转换为电源性参量，如电动势，电荷②压电式位移传感器的工作原理是将位移量转换为力的变化，然后利用压电效应将力的变：化转换为电信号第三节 大位移传感器一 磁栅式位移传感器① 分类：长礠栅 用于测量线位移圆磁珊 用于测量角位移② 磁头：a.动态磁头（速度磁头），只有一个绕组，当磁头相对运动是再有信号输出输出正弦波，同名磁极处输出信号最强b. 静态磁头（磁通响应式磁头） ，有两个绕组：励磁绕组，输出绕组公式如下③ 实际上静态磁头有两种二 光栅式位移传感器① 分类：长光栅 -----测量线位移圆光栅-----测量角位移②长光栅位移传感器的工作原理：长光栅式在两个光学玻璃上或具有强反射能力的金属表面上，客商相同的均匀密集的平行线。如果将这两块玻璃板重叠放置，并在可仙剑留一小角，由于光的干涉效应在光栅垂直方向产生明暗相间的条文，莫尔条纹，根据莫尔条纹设计的光栅传感器公式如下三 感应同步器① 感应同步器是利用电磁感应原理将线位移和角位移转换成电信号的一种装置。② 感应同步器有一个固定绕组和一个可动绕组③ 鉴相式：根据脉冲发生器发出频率一定的脉冲序列，经脉冲相位变换器进行分频，输出参考信号方波和指令信号方波鉴幅式：根据感应电动势的幅值鉴别位移量公式如下

x的大小四 激光式位移传感器① 组成：激光器，光学元件。光电转换元件，构成了激光测量系统，将被测量转换为电信号② 优点：精度高，测量范围大，测试时间段，非接触，易数字化，效率高第三章 力，扭矩和压力传感器第一节

测力传感器用于测量力的传感器多为：电气式。电气式测力传感器，根据转换方式分为：

1参量型2发电型

电阻应变式压电式

电容式压磁式

电感式一 电阻应变式测力传感器① 工作原理：将力作用在弹性元件上，弹性元件在力作用下产生应变，利用贴在弹性元件上的应变片将应变转换为电阻的变化②柱形

弹性元件：薄壁环型梁型③金属丝的作用：感受机械测试的应变变化④压阻效应：固体受到应力作用时，其电阻率发生变化⑤应变效应：电阻丝的集合尺寸发生变化引起的⑥半导体应变片的应变灵敏度系数比电阻应变片大，因而适用于需要大信号输出的场合。此外，半导体应变片横向效应小，其横向灵敏度几乎是0，机械滞后小，可以做成小型和超小型片子，这对测量局部应变很有用。⑦半导体应变片缺点：离散性大，机械强度低，非线性误差大，温度系数大。二压电式力传感器①压电式力传感器是基于电压元件的压电效应而工作的②压电效应：1正压电效应：当某些晶体沿着某一方向受外力作用变形时，在其相应的两个相对表面产生极性相反的电荷，当外力去掉后，又恢复到不带电状态2 逆压电效应：在某些晶体的极化方向施加外电场，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P42重点③ 压电式力传感器是利用电晶体的纵向和剪切向电效应。三 压磁式力传感器① 压磁效应：在机械力作用下，铁磁材料内部产生力，或应力变化，是磁阻率变化。② 常用的铁磁材料： 硅钢片 坡莫合金用铁磁材料做成的弹性体称为铁磁体称为铁磁体或者压磁元件第二节

扭矩传感器

pass：第三节 压力传感器一液柱式压力转换原理①液柱式压力计是利用液柱产生的压力与被测介质压力相平衡的原理进行测压。二活塞式压力转换原理①广泛应用与基准和标定工作中，利用力的平衡原理制成三弹性式压力传感元件①指针式压力计和压力传感器都是根据弹性变形原理工作的。②感受压力的弹性元件是压力传感器的关键元件③弹性敏感元件：波灯管膜片波纹管（大多数指针压力机的弹性元件）四电量式压力计电量式压力计是用各种传感器或测量元件将压力变换成电量或电参数，在京后接相应电路进一步变换，最后由显示和记录仪显示或记录下来以实现压力测量的装置① 电容式压力传感器：将压力转换成电容的变化，经电路变换成电量输出特点：灵敏度高，适合测量微压，抗干扰能力较强② 应变式压力传感器：利用应变片将弹性元件在压力作用下产生的应变转换成电量的变化。③ 压阻式压力传感器：利用压阻效应将压力变换成电阻的变化实现压力测量。特点：频响款，动态效应快，测量范围从吉 Pa到3乘以10的九次方，特别适用于爆炸，冲击压力的测量④ 电感式压力传感器：将压力变换成电感变化，在通过测量电路在讲电感变化转换成电量实现压力测量优点：频响低，适合静态，变化缓慢的压力的测试⑤ 涡流式压力传感器：利用涡流效应将压力变换成相劝阻抗的变化，在经测量电路转换成电量。优点：良好的动态特性，适合在爆炸等极其恶劣的条件下工作，如测冲击波⑥霍尔式压力传感器：工作原理----当霍尔元件通过恒定电流适，产生与被测雅典成正比的霍尔式电动势，完成压电至电量的变换特点：频响低，适合静态，变化缓慢压力的测量⑦压电式压力传感器：压力通过薄片或活塞，压块作用在晶片上，晶片产生呢个了电荷，经后接放大器的变换，由显示或记录器显示或记录，实现对压力的测量适用于测量动态力和冲击力，但不适于测静态力。：第五章 视觉触觉传感器第一节 视觉传感器视觉传感器在机电一体化中的作用① 进行位置检测：进行图像识别③ 进行物体形状尺寸缺陷的检测视觉传感器以光电变换为基础，一般由以下四部分组成① 照明部：充分发挥传感器性能的重要条件② 接受部：抽出有效信息的功能③ 光电转换部：将光学信息转换成电信号④ 扫描部：将二维图像的电信号转换为时间序列的一维信号视觉传感器：接受部，光电转换部，扫描部分一光电式摄影机原理①这种摄影机是由接受部，光电转化部，扫描部组成的二维视觉传感器二固体半导体摄影机原理①它是由许多光电二极管组成阵列，作为摄影机的感光部分以代替光导摄像管。②固体半导体摄影机由摄像元件，信号处理电路，驱动电路和电源组成③工作原理：三激光式视觉传感器原理①利用激光作为定向性高密度光源的视觉传感器典型构成原理四红外图像传感器①红外图像传感器是把波长2---20的红外光图像变换成如同电视图像的时序扫描信号输出传感器② 有红外敏感元件和电子扫描电路组成例如：热点型红外线敏感元件将被测物体发出的红外作为热源，接受其能够产生热点效应而变成电信号第二节 人工视觉一 人工视觉系统的硬件构成构成：① 图像输入：通过视觉传感器将对象物体变为二维或三维图像， 在经光电变换将光信号变为电信 号， 通过扫描采样将图像分解成许多像素，在把表示各个像素信息的数据输入计算机进行图像处理① 图像处理：是在研究图像时，对获得的图像信息惊醒预处理（前处理） ，来滤去干扰噪声并作几何，色彩方面校正，来提高噪声比图像处理的目的：主要是改善图像的质量，以利用进行图像识别② 图像存储：将各个信息送到存储器中的存储。③ 图像输出：一类是只要求知道处理结果二类是可以长时间保存结果二物体识别① 物体图像信息的输入：被输入的信息主要有：明亮度信息，颜色信息，距离信息② 图像信息的处理技术和方法前处理：将全部像素的集合进行再处理，以构成为线段或区域等有效的像素组合，从所需要的物体图像中去掉不必要的像。③ 图像处理的方法：微分法，区域法 常用的一次微分方法用于求梯度第三节 触觉传感器触觉感知是否同其他物体接触 人的触觉：接触觉，压觉，力觉，冷热绝，滑动觉，痛觉等。① 接触觉传感器，硅橡胶与金属电极对置，接触。由于硅橡胶受压其电阻值就改变。② 压觉传感器③ 滑动觉传感器被用于工业机器人手指把吃面与操作对象之间的相对运动，以实现实时控制指部的夹紧力。他与触觉，压觉传感器的不同之处是仅检测指部与操作物体在切向的相对位移，而不是检测接触便面法向的接触或压力。第六章 温度传感器温度是经常要进行测量的一个物理量。温度代表物质的冷热程度，是物质内部分子运动剧烈程度的标志。接触式的特点：感温元件与被测对象直接物理接触，进行热传导。非接触式特点：感温原件与被测对象不物理接触，而通过热辐射进行热传递第一节 热偶式温度传感器① 热偶式温度传感器属 于接触式热电动势型传感器，工作原理基于热电效应② 热点效应：接触点的温度不同，回路中将长生热电动势，并有电流通过，把热能转换成热电能的现象③ 热电动势： 接触电动势：两种不同道题的自由电子密度不同在接触处形成的电动势温差电动式：同一根导体中两端温度不同而产生的电动势④ 热电动势的大小与两种金属材料及热锻与冷锻的温度差有关二 热电偶的组成，分类特点① 组成：热电极，绝缘材料，接线盒，保护套。② 分类：普通热电偶：用于测量液体和气体的温度铠装热电偶：特点：测量结热容量小，热惯性小，动态响应快，适合 普通热电偶不能测量的空间温度薄膜热电偶：特点：电容小，时间常数小，反映速度快并联热点偶：热电偶可用于测量平均温度串联热电偶：输出电动势是每个电动势之和③ 热电偶输出电动势反映出两个结点之间的温度差，为了使输出电动势本报告正确反映被测温度的真实值，要求参考端的温度 T0恒为0，但是实际热电偶使用的环境不能保证 T0所以就得采取方法处理。常用的方法有恒温法，

为0。温度修正法电桥补偿法冷锻补偿法电位补偿法第二节 电阻式温度传感器分类：金属热电阻：热敏电阻式一金属热电阻式温度传感器① 测温机理：金属导体两端加压后，使其内部杂乱无章运动的自由电子形成有规律的定向运动，而使导体导电。当温度升高是， 由于自由电子获得较多的能量， 能从定向运动中挣脱出来，从而定向运动被消弱，导电率降低，电阻率增大。二 热敏电阻式温度传感器① 测温机理：在低温下，电子 ---空穴浓度很低，故电阻率很大，随着温度的升高，电子 ---空穴的浓度按指数规律增加，电阻率迅速见效公式如下② 分类：正温度系数热敏电阻：在测量温度范围内，其阻值随温度增加而增加最高温度通常不超过 140度临界温度热敏电阻的特点：在临界温度附近电阻有急剧变化，因此不适于叫宽温度范围内的测量负温度系数热敏电阻： 其阻值随温度增加而呈下降趋势， 一般用于（负50到300度）之间的测量第三节

非接触式温度传感器这种传感器采用热辐射和光电检测的方法测量温度工作机理：当物体受热后电子运动的动能增加，有一部分热能转变为热辐射能，辐射能量的多少与物体的温度有关。当物体温度降低时，热毒蛇能力很弱，当温度较高时，辐射能力很强当温度高于一定值之后，可以用肉眼观察到发光，其发光亮度与温度值有一定关系。分类：① 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温度。1由于实际维耶里的吸收能力小鱼绝对黑体， 所以用圈辐射温度传感器测的温度总是低于物体的真实温度② 亮度式温度传感器：利用物体的单色辐射量度随温度变化的原理，并以被测物体光谱的一个狭窄区域内的亮度与标准辐射体的亮度惊醒比较来测量温度亮度式温度传感器的形式：灯丝隐灭式亮度传感器：以其内部高温灯泡灯丝的单色亮度作为标准，并以被测辐射体的单色亮度进行比较来测温。光电亮度式温度传感器： 利用光电元件进行亮度比较， 从而实现自动化③ 比色式温度传感器：一测量两个波长的辐射量度之比为基础。通常将波长选在光谱的红色和蓝色区域内、如果两个波长的单