北京交通大学传感器技术应用课件

第一章现代信息技术：传感器—采集—感官通信—传输—神经计算机—处理—大脑传感器市场上增长最快的是汽车市场车用传感器分3类：动力系统传感器（市场所占比例最大）、安全管理系统传感器（防撞系统和压力传感器实现侧气囊控制）、车身舒适系统传感器国产传感器缺点：准确度低、分解能力差、信号精度不高、抗干扰性弱传感器定义：能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可输出信号的器件或装置。敏感元件：直接感受被测量。转换元件：把敏感元件的输出转换为电路参量。1.工作机理物理型采用物理效应进行转换化学型采用化学效应进行转换生物型采用生物效应进行转换2.构成原理结构型物性型传感器中元件相对位置变化引起场的变化以物质某种客观性质、物理特性变化实现信号转换3.能量关系能量转换型传感器输出量直接由被测量能量转换而来能量控制型传感器输出量能量由外部能源提供，但受输入量控制基本转换电路：将电路参数转换成电量输出。常见的温度传感器：热敏电阻、半导体温度传感器、温差电偶。压力传感器、湿度传感器（主要包括电阻式和电容式两种类别）、光电传感器(光敏二极管和光敏三极管)、霍尔（磁性）传感器、微机电传感器传感器发展趋势1.提高与改善传感器的技术性能：采用线性化技术、差动技术、平均技术、补偿与修正技术、零位法、微差法和闭环技术、屏蔽、隔离与干扰抑制、稳定性处理稳定化处理、集成化和智能化2.扩展检测范围3.传感器的集成化、功能化4.寻找新原理、新材料、新工艺及新功能5.传感器网络：网络的每个节点除配备了一个或多个传感器之外，还装备了一个无线电收发器、一个很小的微控制器和一个能源（电池）。第二章传感器的特性：输出信号与输入信号的关系传感器分量静态量表现为静态特性，测量动态量表现为动态特性。传感器静态数学模型用n次多项式来表示，直线拟合的方法：理论拟合、过零旋转拟合、端点连线拟合、端点平移拟合、最小二乘拟合传感器的主要性能指标：1.线性度（输出量与输入量之间的实际测量曲线偏离直线的程度，又称为非线性误差）2.停滞（正反行程中输入输出曲线不重合的程度）3.灵敏度4.重复性（同一方向，连续多次变动时特性曲线不一致的程度）5、分辨力6、稳定性（零点漂移）7、温度稳定性（温度漂移）静态特性的主要性能指标：灵敏度、线性度、重复性、迟滞、分辨力、精确度、量程、稳定性最常用的是采用阶跃输入信号和正弦信号来研究传感器的响应特性第三章电阻式传感器金属电阻应变片的工作原理：电阻应变效应金属应变片的优点：灵敏度高、精确度高；尺寸小、重量轻、简单；测量范围大；适应性强；便于多点测量；频率响应特性好。类型：金属丝式（电阻系数高，电阻温度系数小，强度高，延展性好，对铜的热电势尽可能小，耐磨耐腐蚀，焊接性好）箔式（绝缘性能好，参数分散性小，精度高，在应变测量中应用最广泛）薄膜式（优点：温度系数小，可在高温环境下工作。缺点：耐磨性差、功率小、阻值不高）应变式传感器的组成弹性元件设计主要要求：灵敏度高，刚度够足，线性好，固有振动频率高电阻应变式力传感器测量范围广精度高线性好工作性能稳定、可靠应变式传感器传感器精度高，稳定性好，可拉压两用柱式力传感器减小横向力和弯矩的影响，并温度补偿且提高灵敏度。压阻式传感器第四章

电感式传感器：利用线圈的自感与互感的变化来实现非电量电测的一种装置。分为自感式与互感式两大类。优点：结构简单、可靠、零点稳定、精度高、输出功率大。

自感式传感器：变气隙型电感传感器（只能用于微小位移测量）、截面型电感传感器、螺管型电感传感器（量程大且结构简单易于制作和批量生产，使用最广泛）

转换电路：调幅电路、调频电路、调相电路

谐振式调幅电路特点：灵敏度很高，但线性差

零点残余电压：衔铁处于中间位置时，存在的最小输出电压，用e0表示。零残电压过大带来的影响：灵敏度下降、非线性误差增大、测量有用的信号被淹没，不再反映被测量变化造成放大电路后级饱和，仪器不能正常工作。零点参与电压产生的原因：1.由于两个二次线圈不完全相同，导致两个二次线圈相位不同。2.一次线圈中存在铜损、铁损、电容等，损耗使电流与磁通不同相，这些相位不同产生参与电压。零点参与电压的消除方法：保证线圈和磁路对称、采用相敏检波电路、选用补偿电路电涡流。电涡流效应：由法拉第电磁感应原理可知：一个块状金属导体置于变化的磁场中或在磁场中作用切割磁力线运动时，导体内部会产生一圈圈闭和的电流，这种电流叫电涡流，这种现象叫做电涡流效应。根据电涡流效应制作的传感器称电涡流传感器。变压器和交流电动机的铁心是用薄层绝缘漆或绝缘的氧化物的薄硅钢片叠压而成，目的是减小涡流，避免发热。当高频（100kHz左右）信号源产生的高频电压施加到一个靠近金属导体附近的电感线圈L时，将产生高频磁场H1。如被测导体置于该交变磁场范围之内时，被测导体就产生电涡流i2。i2在金属导体的纵深方向并不是均匀分布的，而只集中在金属导体的表面，这称为集肤效应（也称趋肤效应）。

集肤效应与激励源频率f、工件的电导率、磁导率等有关。频率f越高，电涡流的渗透的深度就越浅，集肤效应越严重。

被测体材料、形状、大小对灵敏度的影响1、被测体为圆盘状物体的平面时，物体的直径大

于线圈直径的2倍以上，否则将使灵敏度降低；被测体为轴状圆柱体的圆弧表面时

它的直径应大于线圈直径的4倍以上。2、被测物体厚度为0.2mm。3、测量时，尽量避开其它导体，以免干扰磁场，引起线圈的附加损失。电涡流探头与被测金属之间的互感量变化

可以转换为探头线圈的等效阻抗以及品质因数Q等参数的变化，因此测量转换电路的任务是将这些参数转换为频率、电压、电流。相应地有调频法、调幅法和电桥法。

调频式电路原理：将探头线圈的电感量L与微调电容C0构成LC振荡器，以振荡的频率作为输出量，此频率可以通过f/v转换器转换成电压，由表头显示，也可以将频率信号（TTL）

送到计算机的计数定时器，测量出频率。

电感式传感器的主要优点是：(1)结构简单，可靠；(2)灵敏度高，最高分辨力达0.1μm；

(3)测量精确度高，输出线性度可达±0.1%；(4)输出功率较大，在某些情况下可不经放大，直接接二次仪表。其缺点是：(1)传感器本身的频率响应不高，不适于快速动态测量；（2)对激磁电源的频率和幅度的稳定度要求较高;(3)传感器分辨力与测量范围有关，测量范围大，

分辨力低，反之则高。

第五章电容式传感器：以电容器为敏感元件，将被测物理量转换为电容量变化的传感器。分为变间隙型，变面积型，变介质型。电容式位移传感器的位移测量范围位移测量范围在1um——10mm之间，变极距式电容传感器的测量精度约为2%。变面积式电容传感器的测量精度较高，其分辨率可达0.3um。优点：温度稳定性好，结构简单，动态响应好，可以非接触测量，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。应用：电容式压力传感器、利用电容差压变送器测量液体的液位、指纹识别、传声器、湿敏电容应用中存在的问题：等效电路、边缘效应（为消除边缘效应，可采用带有保护环的结构）、静电引力、寄生电容（消除该影响，有驱动电缆法、整体屏蔽法、采用组合式与集成技术）、温度影响（温度对结构尺寸、介质的影响）。电容式传感器将被测非电量变换为电容变化后，必须采用测量电路将其转换为电压、电流或频率信号：变压器电桥、脉冲调宽电路、运算放大器电路第六章传感器信息融合（数据融合）：将经过集成处理的多传感器信息进行合成，形成一种对外部环境或对被测对象某一特征的表达方式。经过融合后的传感器信息具有以下特征：信息冗余性、信息互补性、信息实时性、信息获取的低成本性。优点：增加了系统的生存能力、扩展了空间覆盖范围、扩展了时间覆盖范围、提高了可信度、降低了信息的模糊度、改善了探测性能、提高了空间分辨率、增加了测量空间的维数多传感器数据融合功能定义：将来自多个信息源的数据进行相关整合，以获得目标精确位置、身份，最后对目标进行完整的评价。该定义的重点：多个传感器对同一目标进行测量、重点是融合：相关、整合，目标：状态、身份、威胁评估。技术定义：充分利用不同时间与空间的多传感器数据资源，采用计算机技术按时间序列获得多传感器的观测数据，在一定的准则下进行分析、综合、支配和使用。获得被测对象的一致性解释和描述，进而实现相应的决策和估计，使系统获得比它各组成部分更充分的信息。基本原理：充分利用多个传感器资源，通过对这些传感器及其观测信息的合理支配和使用，把多个传感器在空间或时间上的冗余或互补信息依据某种准备来进行组合，以获得比它的各组成部分的子集所构成的系统更优越的性能。多传感器数据融合技术可以对不同类型的数据和信息在不同层次上进行综合，它处理的不仅仅是数据，还可以是证据和属性等。多传感器数据融合并不是简单的信号处理。信号处理可以归属于多传感器数据融合的第一阶段，即信号预处理阶段。数据融合处理的一般过程

数据融合常用算法：嵌入约束