传感器与测控技术工程实践讲稿初级

检测技术作为信息科学的一个重要分支，与计算机技术、自动控制技术和通信技术等一起构成了信息技术的完整学科。在人类进入信息时代的今天，人们的一切社会活动都是以信息获取与信息转换为中心，传感器作为信息获取与信息转换的重要手段，是信息科学最前端的一个阵地，是实现信息化的基础技术之一。“没有传感器就没有现代科学技术”的观点已为全世界所公认。以传感器为核心的检测系统就像神经和感官一样，源源不断地向人类提供宏观与微观世界的种种信息，成为人们认识自然、改造自然的有利工具。1、传感器的地位和作用传感器是人类五官的延长，又称之为电五官。传感器是获取信息的主要途径与手段。没有传感器，现代化生产就失去了基础。传感器是边缘学科开发的先驱。传感器已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等等极其广泛的领域。从茫茫的太空到浩瀚的海洋，以至各种复杂的工程系统，几乎每一个现代化项目，都离不开各种各样的传感器。可见，传感器技术在发展经济、推动社会进步等方面起着重要作用。2、传感器的定义传感器是把非电学物理量（如位移、速度、压力、温度、湿度、流量、声强、光照度等）转换成易于测量、传输、处理的电学量（如电压、电流、电容等）的一种组件，起自动控制作用。国家标准（GB7665-87）中传感器（Transducer/Sensor）的定义：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。①传感器是测量装置，能完成检测任务；②输入量是某一被测量，可能是物理量，也可能是化学量、生物量等；③输出量是某种物理量，便于传输、转换、处理、显示等，可以是气、光、电物理量，主要是电物理量；④输出输入有对应关系，且应有一定的精确程度。传感器名称：发送器、传送器、变送器、检测器、探头传感器功用：一感二传,即感受被测信息,并传送出去。3、传感器的组成一般由敏感元件、转换器件、转换电路三个部分组成。敏感元件是直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。转换元件：敏感元件的输出就是它的输入，它把输入转换成电路参量。基本转换电路：上述电路参数接入基本转换电路（简称转换电路），便可转换成电量输出。实际上，有些传感器很简单，有些则较复杂，大多数是开环系统，也有些是带反馈的闭环系统。最简单的传感器由一个敏感元件(兼转换元件)组成，它感受被测量时直接输出电量，如热电偶。有些传感器由敏感元件和转换元件组成，没有转换电路，如压电式加速度传感器，其中质量块m是敏感元件，压电片（块）是转换元件。有些传感器，转换元件不只一个，要经过若干次转换。由于空间的限制或者其他原因,转换电路常装入电箱中。然而，因为不少传感器要在通过转换电路后才能输出电信号，从而决定了转换电路是传感器的组成环节之一。4、传感器的分类1）力电传感器力电传感器主要是利用敏感元件和变阻器把力学信号（位移、速度、加速度等）转化为电学信号（电压、电流等）的仪器。力电传感器广泛地应用于社会生产、现代科技中，如安装在导弹、飞机、潜艇和宇宙飞船上的惯性导航系统及ABS防抱死制动系统等。2）热电传感器热电传感器是利用热敏电阻的阻值会随温度的变化而变化的原理制成的，如各种家用电器（空调、冰箱、热水器、饮水机、电饭煲等）的温度控制、火警报警器、恒温箱等。３）光电传感器光电传感器中的主要部件是光敏电阻或光电管。如果是光敏电阻的阻值随光照强度的变化而变化的原理制成的。如自动冲水机、路灯的控制、光电计数器、烟雾报警器等都是利用了光电传感器的原理。4）声电传感器5）电容传感器6）电感传感器电感式传感器是利用线圈的自感或互感的变化来实现测量或控制的一种装置，一般要利用磁场作为媒介或利用磁体的某些现象。5、传感器的发展趋势传感技术的发展分为两个方面：●提高与改善传感器的技术性能；●寻找新原理、新材料、新工艺及新功能等。改善传感器的性能的技术途径如下：A．差动技术差动技术是传感器中普遍采用的技术。它的应用可显著地减小温度变化、电源波动、外界干扰等对传感器精度的影响，抵消了共模误差，减小非线性误差等。不少传感器由于采用了差动技术，还可使灵敏度增大。B．平均技术在传感器中普遍采用平均技术可产生平均效应，其原理是利用若干个传感单元同时感受被测量，其输出则是这些单元输出的平均值，若将每个单元可能带来的误差均可看作随机误差且服从正态分布，根据误差理论，总的误差将减小为δΣ=±δ/√n式中n—传感单元数。可见，在传感器中利用平均技术不仅可使传感器误差减小，且可增大信号量，即增大传感器灵敏度。C．补偿与修正技术补偿与修正技术的运用大致针对两种情况：★针对传感器本身特性★针对传感器的工作条件或外界环境对于传感器特性，找出误差的变化规律，或者测出其大小和方向，采用适当的方法加以补偿或修正。针对传感器工作条件或外界环境进行误差补偿，也是提高传感器精度的有力技术措施。不少传感器对温度敏感，由于温度变化引起的误差十分可观。为了解决这个问题，必要时可以控制温度，搞恒温装置，但往往费用太高，或使用现场不允许。而在传感器内引入温度误差补偿又常常是可行的。这时应找出温度对测量值影响的规律，然后引入温度补偿措施。补偿与修正，可以利用电子线路（硬件）来解决，也可以采用微型计算机通过软件来实现。D．屏蔽、隔离与干扰抑制传感器大都要在现场工作，现场的条件往往是难以充分预料的，有时是极其恶劣的。各种外界因素要影响传感器的精度与各有关性能。为了减小测量误差，保证其原有性能，就应设法削弱或消除外界因素对传感器的影响。其方法有：减小传感器对影响因素的灵敏度降低外界因素对传感器实际作用的程度对于电磁干扰，可以采用屏蔽、隔离措施，也可用滤波等方法抑制。对于如温度、湿度、机械振动、气压、声压、辐射、甚至气流等，可采用相应的隔离措施，如隔热、密封、隔振等，或者在变换成为电量后对干扰信号进行分离或抑制，减小其影响。E．稳定性处理传感器作为长期测量或反复使用的器件，其稳定性显得特别重要，其重要性甚至胜过精度指标，尤其是对那些很难或无法定期标定的场合。造成传感器性能不稳定的原因是：随着时间的推移和环境条件的变化，构成传感器的各种材料与元器件性能将发生变化。提高传感器性能的稳定性措施：对材料、元器件或传感器整体进行必要的稳定性处理。如永磁材料的时间老化、温度老化、机械老化及交流稳磁处理、电气元件的老化筛选等。在使用传感器时，若测量要求较高，必要时也应对附加的调整元件、后续电路的关键元器件进行老化处理。对于电磁干扰，可以采用屏蔽、隔离措施，也可用滤波等方法抑制。对于如温度、湿度、机械振动、气压、声压、辐射、甚至气流等，可采用相应的隔离措施，如隔热、密封、隔振等，或者在变换成为电量后对干扰信号进行分离或抑制，减小其影响。F．稳定性处理传感器作为长期测量或反复使用的器件，其稳定性显得特别重要，其重要性甚至胜过精度指标，尤其是对那些很难或无法定期标定的场合。造成传感器性能不稳定的原因是：随着时间的推移和环境条件的变化，构成传感器的各种材料与元器件性能将发生变化。提高传感器性能的稳定性措施：对材料、元器件或传感器整体进行必要的稳定性处理。如永磁材料的时间老化、温度老化、机械老化及交流稳磁处理、电气元件的老化筛选等。在使用传感器时，若测量要求较高，必要时也应对附加的调整元件、后续电路的关键元器件进行老化处理。传感器的发展动向：开展基础研究，发现新现象，开发传感器的新材料和新工艺；实现传感器的集成化与智能化。课堂小结了解传感器的基本概念结合实物了解常用传感器引入新课简要复习上次课知识，引入本次课将学习的温度传感器知识。新课教学传感器1、概论温度是反映物体冷热状态的物理参数。温度传感器是实现温度检测和控制的重要器件。在种类繁多的传感器中，温度传感器是应用最广泛、发展最快的传感器之一。四个温度段：规定各温度段所使用的标准仪器①低温铂电阻温度计（13.81K—273.15K）；②铂电阻温度计（273.15K—903.89K）；③铂铑-铂热电偶温度计（903.89K—1337.58K）；④光测温度计（1337.58K以上）。国际实用开尔文温度与国际实用摄氏温度分别用符号T68和t68来区别（一般简写为T与t）。A）温度传感器应满足的条件特性与温度之间的关系要适中，并容易检测和处理，且随温度呈线性变化；除温度以外，特性对其它物理量的灵敏度要低；特性随时间变化要小；重复性好，没有滞后和老化；灵敏度高，坚固耐用，体积小，对检测对象的影响要小；机械性能好，耐化学腐蚀，耐热性能好；能大批量生产，价格便宜；无危险性，无公害等。B）温度传感器的种类及特点接触式温度传感器非接触式温度传感器2、热电偶温度传感器温差热电偶（简称热电偶）是目前温度测量中使用最普遍的传感元件之一。它除具有结构简单，测量范围宽、准确度高、热惯性小，输出信号为电信号便于远传或信号转换等优点外，还能用来测量流体的温度、测量固体以及固体壁面的温度。微型热电偶还可用于快速及动态温度的测量。热电偶的工作原理两种不同的导体或半导体A和B组合成如图所示闭合回路，若导体A和B的连接处温度不同（设T＞T0），则在此闭合回路中就有电流产生，也就是说回路中有电动势存在，这种现象叫做热电效应。这种现象早在1821年首先由西拜克（See－back）发现,所以又称西拜克效应。回路中所产生的电动势，叫热电势。热电势由两部分组成，即温差电势和接触电势。1）接触电势2）温差电势热电偶回路热电势只与组成热电偶的材料及两端温度有关；与热电偶的长度、粗细无关。只有用不同性质的导体(或半导体)才能组合成热电偶；相同材料不会产生热电势，因为当A、B两种导体是同一种材料时，ln(NA/NB)=0，也即EAB(T，T0)=0。只有当热电偶两端温度不同,热电偶的两导体材料不同时才能有热电势产生。导体材料确定后，热电势的大小只与热电偶两端的温度有关。如果使EAB(T0)=常数，则回路热电势EAB(T，T0)就只与温度T有关，而且是T的单值函数，这就是利用热电偶测温的原理。B）热电偶回路的性质1.均质导体定律2.中间导体定律3.中间温度定律C）冷端处理及补偿原因热电偶热电势的大小是热端温度和冷端的函数差，为保证输出热电势是被测温度的单值函数，必须使冷端温度保持恒定；热电偶分度表给出的热电势是以冷端温度0℃方法冰点槽法计算修正法补正系数法零点迁移法冷端补偿器法软件处理法3、热敏电阻温度传感器热敏电阻是利用某种半导体材料的电阻率随温度变化而变化的性质制成的。在温度传感器中应用最多的有热电偶、热电阻（如铂、铜电阻温度计等）和热敏电阻。热敏电阻发展最为迅速，由于其性能得到不断改进，稳定性已大为提高，在许多场合下（-40～＋350℃A）热敏电阻的特点1．电阻温度系数的范围甚宽2．材料加工容易、性能好3．阻值在1～10M之间可供自由选择4．稳定性好5．原料资源丰富，价格低廉B）热敏电阻的分类1．正温度系数热敏电阻器（PTC）2．负温度系数热敏电阻器（NTC）3．突变型负温度系数热敏电阻器（CTRC）热敏电阻器的应用检测用的热敏电阻在仪表中的应用电路元件5min50min作业3课后分析引入新课简要回顾上次的有关内容，引入本次将学习的内容。新课教学传感器的选用原则及检测电路一、传感器的选用原则传感器选用必须考虑如下因素：1、与测量条件有关的因素(1)测量的目的；(2)被测试量的选择；(3)测量范围；(4)输入信号的幅值，频带宽度；(5)精度要求；(6)测量所需要的时间。2、与传感器有关的技术指标(1)精度；(2)稳定度；(3)响应特性；(4)模拟量与数字量；(5)输出幅值；(6)对被测物体产生的负载效应；(7)校正周期；(8)超标准过大的输入信号保护。3、与使用环境条件有关的因素(1)安装现场条件及情况；(2)环境条件(湿度、温度、振动等)；(3)信号传输距离；(4)所需现场提供的功率容量。4、与购买和维修有关的因素(1)价格；(2)零配件的储备；(3)服务与维修制度，保修时间；(4)交货日期。使用有关指标：供电方式（直流、交流、频率及波形等）、功率、各项分布参数值、电压范围与稳定度等；外形尺寸、重量、壳体材质、结构特点等；安装方式、馈线电缆等。二、增益；；；；；10min15min10min作业课后分析引入新课简要复习上次课知识，引入本次课将学习的电感式传感器知识。新课教学电感式传感器3、电涡流传感器位移特性实验目的：了解电涡流传感器测量位移的工作原理和特性。需用器件与单元：电涡流传感器、直线位移执行器，被测导体，测微头，数显电压表。注意事项：1）涡流效应的强弱除了和被测导体与线圈的距离有关外，还和被测导体的材料有很大关系。这里被测导体的材料是45号钢。2）受被测导体材料的影响，每只电涡流传感器都有特定的位移特性。3）电涡流传感器是非接触式测量,存在线性起始安装问题。4)通用放大器(2)调零时数显电压表需从20V档逐步逐步减小。实验步骤：1）在直线位移执行器圆盘右边靠外边的支架安装上测微头。测微头旋在20mm处，并顶住直线位移执行器圆盘，拧紧测量架顶部的固定镙钉。2）将电涡流传感器安装在直线位移执行器右边靠里边的支架上，传感器引线插入相应插座中,探头对准并贴近直线位移执行器圆盘上的小圆片，拧紧测量架顶部的固定镙钉。3）电涡流传感器测量系统面板上的wR1调至最大。4）向里旋转测微头，每转动0.2mm或0.5mm记下数字电压表读数，直到数字电压表读数不变，并填入下表：（也可用特性实验PC数据采集软件操作）X（MM）V（V）作业作出V-X曲线，计算：（1）线性起点X0，(2)线性范围(3)灵敏度S和非线性误差δ。课后分析引入新课简要复习上次课知识，引入本次课将学习的电容式传感器知识。新课教学电容式传感器6、电容式传感器位移特性实验 目的：了解电容式传感器的结构及其特点。基本原理：利用平板电容C=εS/d的关系,在ε、S、d中三个参数中，保持二个参数不变，而只改变其中一个参数，就可使电容的容量(C)发生变化，通过相应的测量电路，将电容的变化量转换成相应的电压量,则可以制成多种电容传感器，如：①变ε的湿度电容传感器。②变d的电容式压力传感器。③变S的电容式位移传感器。本实验采用第③种电容传感器,是一种圆筒形差动变面积式电容传感器。需用器件与单元：直线位移执行器,电容位移传感器、连接杆,电容传感器测量系统,测微头,数字电压表.注意事项：1）电容式位移传感器测量杆上有一白圈，表示传感器的零点，即：当白圈回缩对准，内部动片处于两静片的中间。理论上这点的电势输出为零。2）调零时数显电压表需从20V档逐步减档。实验步骤：1）直线位移执行器圆盘右边靠外的支架安装上测微头。测微头旋在20mm处，并顶住直线位移执行器圆盘，拧紧测量架顶部的固定镙钉。测微头旋至10mm处。2）将连接杆插入直线位移执行器右边靠里的支架内，电容位移传感器安装在连接杆上，传感器引线插入相应插座中,探头对准并顶住直线位移执行器圆盘上的小圆片，移动连接杆使测量杆回缩至杆上白圈对准传感器侧壁（零点），拧紧测量架顶部的固定镙钉。3）电容传感器测量系统中的“特性/测量”开关置“特性”位，在“特性”输出口接数字电压表。4）将放大器增益调到适中位，调零位使数字电压表为零。5）向里旋转测微头，每次转动0.2mm或0.5mm记下数字电压表读数，（至少10次）并填入下表（也可用特性实验PC数据采集软件操作）6）测微头旋回10mm处，向外旋转测微头，每次转动0.2mm或0.5mm记下数字电压表读数，（至少10次）并填入下表。X（MM）10V（V）0作业作出V-X曲线，计算：（1）两个方向的线性范围(2)线性范围(3)灵敏度S和非线性误差δ。课后分析引入新课简要复习上次课知识，引入本次课将学习的光电式传感器知识。新课教学传感器B）内光电效应当光照射在物体上，使物体的电阻率ρ发生变化，或产生光生电动势的现象叫做内光电效应，它多发生于半导体内。根据工作原理的不同，内光电效应分为光电导效应和光生伏特效应两类：（1）光电导效应在光线作用，电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态，而引起材料电导率的变化，这种现象被称为光电导效应。基于这种效应的光电器件有光敏电阻。4、光敏管光音频调制实践借助工程实践台设备，教师完成如下演示性试验：目的：了解光可作为载体传输信号，掌握发光二极管的光音频调制,光敏三极管的光音频解调的基本工作原理。基本原理：话筒的音频信号经IC1放大后,使发光二极管(L2)发出的光受音频信号电流的控制,光敏三极管(T)的亮电流也随接收到的音频光信号变化,通过R9,RW2转换成电压信号,经C1隔去直流份量后输入IC2驱动喇叭发声.A）需用器件与单元：话筒，光电调制系统。B）注意事项：RW2不要太大，以免引起喇叭啸叫。C）步骤：1）按下光电调制系统中“光源控制方式”开关的“音频调制”键。2）光电器件特性系统中“三极管”置“调制”位。3）插入话筒,调节RW2在中间位。4）打开光电器件特性中的电源开关。5）对着话筒讲话，喇叭发声。6）用手遮挡光路，喇叭不发声。教师演示后，让学生参与，强化理论知识的学习，增加学习兴趣。5、光敏二极管光电脉冲调制实验借助工程实践台设备，教师完成如下演示性试验：目的：了解光敏二极管接收光脉冲信号时的基本工作状况。基本原理：从发光二极管(L1)发出的光脉冲激发了光敏二极管(D)的亮电流,通过R2转换成脉冲电压信号输入三极管(T2)的基极,使三极管(T2)断续导通,驱动集电极上的发光二极管发出与光源一致的光脉冲。需用器件与单元：光电调制系统。注意事项：光敏二极管工作在反向偏置状态.亮电流从负极流向正极.步骤1)按下光电调制系统中“光源控制方式”开关的“脉冲调制”键.2)光电器件特性系统中“二极管”置“调制”位.3)打开光电器件特性中的电源开关.4）观察二只发光二极管的闪烁,调节wR1可改变发光二极管(L)的光脉冲周期。用手遮挡光路，观察发光二极管的闪烁。教师演示后，让学生参与，强化理论知识的学习，增加学习兴趣。5min50min作业课后分析引入新课简要复习上次课知识，引入本次课将学习的力敏传感器知识。新课教学传感器4、直流全桥的应用—电子秤实验目的：了解应变片直流全桥的应用及电路定标。基本原理：电子秤实验原理为全桥测量原理，通过对电路调节使电路输出的电压值为重量对应值，将电压量纲(V)改为重量量纲(g)即成为一台原始电子秤。需用器件与单元：应变式传感器及悬臂梁、通用放大器Ⅱ电路、砝码、电压表。实验步骤：1）将通用放大器Ⅱ的S5开关置相应位并按下应变式传感器R1,R2,R3开关将四片应变片接成全桥,先不要给传感器加载，将通用放大器Ⅱ的Rw1，Rw3顺时调至调最大，抬起S15开关，调Rw5及Rw2使第一级仪表专用放大器输出Vo3为零。压下S15开关接入第二级反相放大器,调Rw4使Vo4（Vo）为零。2）在托盘上放10只砝码给传感器加载，逐步调小Rw3至数显电压表指示200mV,整个过程Rw1，Rw2，Rw4不要动。3）取下10只砝码，如数显电压表指示不为零，再调Rw4使Vo4（Vo）为零。4）重复上面第（2）步。5）取下10只砝码，数显电压表指示应为零。6）每加1只砝码，记下电压表读数，填入下表：（也可用特性实验PC数据采集软件操作）。重量（g）电压（mv）在托盘上放上一未知重量的物体（<200g），根据电压表指示值，它有多重？6、根据上表计算非线性差值。7、分析误差来源。作业课后分析引入新课简要复习上次课知识，引入本次课将学习的压电式