电子感测技术课件

第1章电子感测技术的基础知识

1.1传感器概述

1.1.1传感器的组成、转换特性和选用要点

1、组成非电量：温度、压力、流量……电量：电磁场、光波、射线……可用非电量：能产生间接电量或电量间接电量：R、L、C电量：不便于传输和处理的微弱信号放大、校正、补偿、运算、显示、电量间接电量被x传感器可用信号y（电信号或光信号)x可用非电量敏感元件转换器电子测量测量三转一互换例如：温度℃热胀冷缩压力压敏电阻△R电桥△U电子测量℃

敏感元件转换器2、分类（1）物理型：最普遍（2）化学型：最必需（3）生物型：最先进仿生传感器接近动物灵敏度和精确度：

*狗的嗅觉是人的106倍

*鸟的视觉是人的102倍，并能利用地球磁场定位

*蝙蝠发、收超声波，其听觉是人的103倍

*蛇的“接近觉”感知温度（红外线）0.01℃的变化重点开发微传感器、环保传感器、医疗传感器网络化传感器3、转换特性y00被测量(a)直线型x1x2y1y2xy

量程

或最理想

测量范围灵敏度yxΔy0Δxx0(b)阶梯型

阈值x0分辨率

Δy=1时为单位分辨率

xy2y1对数型y拟合直线指数型0（c）对数和指数型dm非线性误差δm是实际曲线与拟合直线间的最大差值（y轴）书中[例]题，由传感器方程求得S、△x和xm

4、选用传感器的要点了解被测对象了解主要指标选用方法环境情况测量方式测量范围安装要求输出要求测量精度(误差范围）灵敏度S分辨率△XΔ可靠性Δ先进性Δ性价比侧重最主要指标进行选择折中方法，兼顾二个以上指标或性价比采用传感器的融合技术，减小误报和漏报5、光电检测光子光路相同点轻于电子不带电光频极高无接地问题光纤传输衰耗小光通信容量大电磁波波、粒两重性有、无线传输光能量常数光频电子初速度电子动能（电流）克服电子逸出功时，红限光频1.2电子测量任务和方法

电压（电流、功率等）、阻抗（R、L、C）、频率（时间、数字量等）是得到其它电参数的测量基础

2、表达四要素：

大小(数值)、正负(方向)、单位(属性)、误差(精度)

不带误差的测量结果不可信没有单位的测量数据无价值书中[例]题，说明一个测量结果应有四个要素表达。1.2.1电子测量的任务1、测量三参数：1、直接测量：被测量y=x测定值或仪表示值，最基本，应用也最广。2、间接测量：

y=f(xi)，如测量功率P=U2/R，这里y=P，x1=U，x2=R

（1）y不能直接测量；（2）直接测量较困难；（3）直接测量误差大3、组合测量：

yi=f(xi)方程组1.2.2电子测量方法直流电路

如图所示E=I0R0+UE=I1R0+U1E=I2R0+U2R2=∞时，由于电压表内阻Rv≠∞,产生的误差与R0值成正比。I1=U1/R1，

I2=U2/R2ER1IUR2R0+-则R0=（U2/U1-1)R11.3测量误差和处理

1、误差来源：（1）仪表元器件误差（2）环境、电源和干扰影响（3）人为造成2、误差表示（重点、难点）相对真值:高一级仪表测量值a=x0

近真值平均值修正后值a=x+c修正值

c=－△1.3.1误差理论（1）绝对误差测量值偏离实际值(大小、方向(正负)）测量值实际值代替真值a0实际相对误差示值相对误差引用(满度)相对误差又称满度误差，用于评价仪表精确度仪表等级即引用相对误差（2）相对误差（准确度、不确定度）电工仪表共分七级：

0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5.0最大实际相对误差最大示值相对误差作为仪表的最大误差范围或不确定度书中[例]题说明(2)被测量越接近量程ym时测量误差越小(1)γm小，仪表等级高，测量误差越小数字仪表的绝对误差几个字

书中[例]题说明：读数误差和满度误差的表示方式3、误差性质误差性质特点产生原因处理方法随机误差（随差）只能处理，不能改善单峰性有界性对称性抵偿性元器件老化外界干扰电源波动量化误差增加测量次数算出误差范围定出仪表等级和适用范围系统误差(系差)可以改善重复性规律性未校零，刻度不准，预热不够，元器件理想化（1）算出修正值，进行修正a=x+C（2）用电路或元器件进行控制粗大误差(粗差)可以避免和剔除出现坏值人为大错通过计算识别后予以剔除，多个坏值先剔除最大的一个

（1）误差小数位=测量数据小数位（2）有效数字：非零起，含零止舍入规则：“四舍五入偶不入有尾入”12.3412.3“四舍”12.3612.4≥6进位12.3512.4“五入”12.4512.4“偶不入”

12.45112.5“有尾入”

逢5三思

1.3.2数据处理要求得到最接近被测量的近似值和计算出测量结果的误差范围1、数据处理2、直接测量的数据处理N次数据xi按序列表NO

YESa△m2.1温度检测摄氏数值华氏数值列氏数值0F0C0R第2章传感器及检测技术温度表征冷热程度，能量分布和分子运动烈度2.1.1温标温标给出温度数值、单位和计算规则1、经验温标计算规则单位2、国际温标T=T0+C绝对温度273Kt=00C时，T=T0（水三相点温度）T=0K时，C=-273

0C冷到极点，分子不动，能量为零。间隔10C=1K

(开尔文)2.1.2

温度传感器的介绍型式（输出量）敏感材料或元器件膨胀式（可用非电量）水银、红酒精（常见）双金属、液压、气压（三态位移）热阻式（间接电量）热电阻（金属、稳定）热敏电阻热电式（电量）集成电路热电偶（金属、有源）辐射式（电量）光学高温计红外测温仪其它（有用信号）微波传感器光纤传感器（示教、实训）非接触式（半导体、灵敏）重点介绍：半导体、热电偶、红外测温仪1、半导体温度传感器半导体具有热敏性、光敏性和参杂性,可构成高灵敏度温度传感器热敏效应，改变半导体或PN结的电阻小范围的阻温关系:（1）热敏电阻40601201600107101102103104105106ρT(Ω.cm)温度(ºC)NTCCTRPTC非线性、测量范围窄、复现性和互换性差灵敏度高、体小价廉、使用方便，多用于:温度测量:△R由电桥变成△U温度补偿:NTC型与正温度系数元器件串、并联温度控制：与继电器或开关元器件串、并联过限保护：串或并入保护器件中书中图2.2、2.3为其中一例(2).集成温度传感器

以PN结作为敏感元件，与放大器、电桥和补偿电路等集成化，并把它们封装在同一壳体里改善了半导体的缺点：测温范围增大

复现性和互换性较好保持了半导体的优点：灵敏度高体小价廉使用方便书中图2.4为AD590用法之一：I0与T成正比参考(冷)端tt(+A)(－B)t0t0测量(热)端B(-)热电势灵敏度被测温度参考温度两种金属两端温差2、热电偶温度计（1）工作原理缺点:要求冷端温度t0=0℃或恒定t0优点:稳定性好，温度范围大

UAB

RaRbRTRSABtU0t0Et0R（2）主要应用一个测点温，冷端要补偿t02ABt1t01ABt2ABt1BAtnt01Bt1At02Bt2At03Bt3AR1R2R3二个测温差，同极串电表三个相并联，三点平均值多个相串联，多点温度和3、红外线热辐射的检测（1）红外线（l

=0.75~1000μm）及其特点（物体红外辐射能量正比于它的吸收量）热电型SSmllm0光电型灵敏度低，常温使用灵敏度高，低温工作多用于非接触测量，其特点：a.不破坏测温现场，对被测温度无影响。b.不必达到被测物体的温度，所以测温快，且无测温上限。c.被测物体的热辐射能与温度的关系由实验方法确定，因此定标较复杂。

（2）红外线测温仪举例结构定标：U0=4V～1mV

，200℃~0℃

被测物47mFA1A2A3A410cmRTNTC6mw红外线聚光镜遮光板电机晶体MOSFETDSG光学系统传感器测量电路U2U4UO调满

用热敏电阻进行补偿线性△U0=-20mv/℃校零2.2.1压力概念及单位1、压力表现为压强2.2压力检测2、绝对和相对压力的关系比较差压表压正压负压相同点相对压力表压，以p0为参考不同点△p=p2-p1

△p0=p-p0△p0＞0△p0＜0差压表压p1p2p0负压(p0-p)正压(P-P0)大气压0（真空）p金属（稳定性好）半导体（灵敏度高）应变电阻片2.2.2压力传感器的介绍（1）压阻式（2）压电式：（3）磁电式：霍耳（Hall）元件（4）其它压电石英、压电陶瓷、压电半导体应变电阻片压力弹性元件位移应变电阻片△R电桥△U电子测量压力敏感元件转换电路压强1、应变电阻片及其用法（1）单臂电桥的温度补偿和压力测量R±△RR±△RR1R1UababU＋－单、双臂电桥应变电阻应变电阻U＋－R＋△RR－△RR＋△RR－△R压缩拉伸压缩拉伸ab全桥电路（2）双臂（3）全桥电路进行双梁检测（4）测压系统实例——多通道调制型应变仪测压系统

组成：电阻片传感器、多通道应变仪（多路电桥、信号处理）RRRIU其中一路电桥放大放大传感器R±ΔRR±ΔRR±ΔR长电缆检波滤波多路电桥信号处理器记录仪载波振荡现场定标高端调满低端校零中段线性IU2、霍耳（Hall）元件霍耳电压B霍耳效应UHII

++++N型

－－－－当恒流源供电时UH=(KHI)B,可用于：（1）测量磁场大小和方向（2）可测线中大电流IB>105A

（3）利用UH=（KHKB）I×IB，可做成乘法器等。XB0（4）做成Hall压力计线性

当环境温度升降时，串入正温度系数的热敏电阻Rt也将增减，使U0保持不变（5）Hall元件的温度补偿

RtRLIHU0I02.3流量检测质量流量的累积总量

(Kg)在△t时间内，流量比较平稳2.3.1流量及测量方法1、流量的概念及单位

(1)体积流量

(2)质量流量(m2·m/s=m3/s)

(m3/s·Kg/m3=Kg/s)

（1）流管中放置障碍物使其产生压力变化，也能产生涡流、旋流和振动等现象。（2）流体冲击流管中的活动体，使其产生转动或位移。（3）流体切割磁力线，管外器件将产生感应电动势。（4）流体带走热量，流体中的温度因流动而发生变化。2、测量依据和方法（5）流体中放入示踪剂或流体中的不均匀介质再现，测量流管内两点相关变化量。（6）流体改变电波或超声波的频率,使其接收频率fr与发射频率ft不同，产生了多卜勒（Doppler）频移。2.3.2体积流量和质量流量的检测1、差压式流量计流管rp节流孔差压计p1p2<p12v>短路阀1v1v差压系数2、电磁式流量计流速产生感应电动势恒磁场系数NSB磁极电极Un

3、质量流量计（1）推导式质量流量计质量流量系数差压式电磁式¸UDpp2<电极vqm电极p1p1（2）超声波直接式质量流量计T1顺流传到R2的时间流管Dq探头1T1探头2T2流速vHR2R1T2逆流传到R1的时间频率差频率和质量流量与流体的密度ρ成正比结构常数2.4光学量测量和光纤传感器2.4.1光学量测量方法和传感器1、测量方法和类型

光源光路光/电测量电路xxxy（1）辐射式光源本身X对光源作用（2）位移式（4）微弯式（3）插入式被测x反射的光线量光线穿透x的出射量穿过x的部分光线量光线被x分成二态不同光强Φ1Φ2Φ5IE0I0Φ光强或光通量0SSmlml（c）伏安特性（d）光(电)照特性（e）光谱特性或U光RIU0+-光电池（b)光电势型-IU0R+光敏电阻光(a)光电导型E2、光电传感器应用举例(1)光电耦合器（EOE器件）(2)光电开关器件光电信号输入U0JJ1光敏电阻+-EM电机

(3)热释电元件（晶体）(4)CCD图像传感器GS滤光片红外线++__US晶体电子势阱金属电极氧化物(SiO2)半导体(P型硅)光线+正偏压纤芯直径约为5单模传感功能型纤芯直径≥50多模传光非功能型2.4.2光纤传感器1、光纤结构和传光原理（1）光纤结构导光纤芯折射率为n1qqfn1n2外套入射光源入射光源n0包层出射光线q'q'fn0纤芯周围包层折射率为n2<n1层外空气折射率为n0＝12、光纤传感器的工作类型（2）光纤位移式（1）辐射式横向SD纵向SD角度SD差动SΔDDDU+V光源传光光纤ABt热电偶（3）插入式：入射光纤出射光纤被测物(a)反射式被测物入射光纤出射光纤被测物入射光纤出射光纤(b)透射式入射光纤出射光纤(c)遮光式被测物出射光纤入射光纤(d)开关式压力DS重力变形器光纤d支点滚筒力SD(4)微弯损耗式(传感型)§2-5模拟信号处理2.5.1模拟信号处理电路的结构

n1n2niK1xK2y1y2Kiy1、直接型信噪比传输系数k1=k2=k3=1；干扰噪声n1=n2=n3=n2、平衡型-βy-βKKKxnnny1y2yx-βy∞（较困难）3、差动型KKK3y1y2ynnn3xx-xk3=k=1，n3=n，y1=k(x+n)，y=2x+ny2=k(-x+n)2.5.2模拟信号的转换和加工1、电量转换器（1）I/VA1UA2A3R1R2R2R3R3IUO

（2）V/I(a)RL接地IUR1R2R3R4RL0(b)RL不接地R2

R1U+VI02、非线性校正（1）同函数闭环式K0（2）反函数开环式ln非线性线性放大负反馈xex-byxe-byex非线性xex校正器xy0xa、非线性曲线的分段x0y1y2ynx1xn读入xixi<x2结束i=1y通式输出溢出处理i=nNYNN开始b、程序框图yyi=2x0,x1,xny0,y1,yn结束xi<x1（3）线性差值法（计算机校正）R2R3RRWR3＋-

+UR传感器

xySU0基准

U3、零点清除（1）固定零点（2）计算机清除零点A/D传感器xSy单片机计算机进行y-y0运算4、灵敏度变化的清除传感器xS±rSy=(s±Δs)xx0计算机进行运算“2”1”“3.1

电压、电平、功率和噪声的测量3.1.1

电压和电平的测量1.交、直电压表的结构和测量原理各种电压表结构DCAC输入量程放大电子电压表数字模拟万用表阻抗变换A/DV/I计数器电流指示电压超量程电压三位半分辨率量程10V00.01V19.99V第3章电压、频率和电路元器件的测量2.数字电压表(DVM)的测量范围和分辨力19.99v0.001v00.01v0.01v9.999v09.99v9.99v10v0.001v00.01v0.01v4.999v04.99v4.99v5v000.1mv000.1mv001mv199.9mv199.9mv199mv0.2v199.9mv00.01mv000.1mv00.1mv99.99mv099.9mv99.9mv0.1v四位三位半三位量程3.交流电压的量值及转换关系：0U(t)UP+U0UP-UmUPPtUPP=(UP＋)-(UP-)=2Um统一性叠加性相对电平：11.25-11/1.25=0.83210103.1.2功率和射频功率的测量1.交、直流功率的测量2.射频功率的间接测量（1）.晶体检波器的测量（2）.热电转换器的测量射频源衰减器可变衰减器功分器(魔T)晶体检波器铋锑热电偶UPU为直流电压或交流有效值（3）大功率的测量热转电功率计直读P0

小功率计扩展量程家用微波炉加热功率射频脉冲功率不均匀度测准τ3.1.3噪声测量和抗干扰措施1.噪声电压有效值Un的测量(1)用宽带平均值电压表测量时的读数为Uα（2）用宽带示波器测量其峰峰值Upp

2．放大器噪声系数NF的测量(1)定义噪声仪放大器噪声调节T2T1ENR（dB）Pni(T2)NF(dB)Pno(T2+Tn)平方率检波指压表Pni(T1)Pno(T1+Tn)室温

PnAPTnRg=RiR0=RL(2)y系数和超标比ENR：(3)对数表示(4)功率倍增法（y＝2），仪表读出ENR（dB）=NF（dB）系数超标比3.用失真度仪的“相对电平”测量放大器的信噪比S/N(dB)(1).连接好信号源、放大器和失真度仪输入(2).使放大器输入端短路，“输入量程”应减小到的噪声电压量程ndB,在此档量程内的噪声电压读数NdB对应比值（相对电平）

信号源放大器失真度仪U0=3VNS(dB)Sn＝10dB4.抗干扰措施模拟电路输入级的噪声是主要的（1）屏蔽技术（2）接地技术（4）与屏蔽接地相反的“浮置”

（8）采用锁相环路（PLL）（5）变压器或光电的耦合隔离法（3）滤波技术（6）采用电桥平衡电路（7）通过整形、积分和门限等措施3.2射频（RF）网络特性参数测量和应用3.2.1射频简介1.微波波长：2.传输线上阻抗：l容性感性低高I()U()高低容性感性034l12l14低（阻性)lξξξ传输线终端()ξZ123..行程空气中(

r＝μr＝1)电磁介质中（

r>1，μr>1)电介质中(

r>1，μr＝1)无限传播传输线中介质中波长线上阻抗处处变，四分之一高低换，半个波长又还原，不同介质有区别。3.2.2单口网络的反射参数1.反射系数单口网络物体RF入射反、散射入射波出射波测试口abT2.模值回波损失电压驻波比3.相位差：电波行程相移常数RL=20lg|Γ|（dB）3.2.3双口网络的散射参数1.S参数测试口T1T2反射参数传输参数RF入射反射、透射双口网络物体反射，透射RF入射a1b1a2b2T1T2测试口插入损耗（衰减）2.模值输入功率反射功率负载功率

3.2.4S参数的测量1．自动网络分析仪（ANA）的组成和类型组成类型信号源测试装置幅相检测器矢量（ANA）扫频源定向耦合器和混频器比值计和相位计六端口(SPANA)点频源六端口电路检波器或功率计时域(TDANA)脉冲源延迟线段取样示波器双口网络a2

b2a1

b1T1T2信号源测试装置DUT幅相检测器2．ANA的工作原理（HP8510B为例）3.2.5应用举例检测（雷达、遥感、传感器等）通信（中继通信、卫星通信、移动通信）能量（微波加热、微波输能、微波引擎等）。1．微波传感器的检测原理xa2

b2a1

b1信号源测试装置幅相检测器优点：非接触在线检测和实时处理，耐高温和高压等缺点：有零漂，定标困难微波的三大应用:2.透射式测量矢量电压表定向耦合器微波源发射天线接收天线被测物流水线3.反射式测量原油流管微波源PrPi0100含水率％Pr/Pi3.3.1计数法测量fAfB倍频器分频器计数窄脉冲主门t=TA/aT=NtN计数器门控脉冲T=bTB门控宽脉冲

×a÷b

门控

量化误差：宽控开关窄计数，越宽越窄高精度。

四块电路三端口，二入一出经主门绝对误差：ΔN=±11、测量频率fX

fXfC放大整形

门控主门1/fXbTC

a=1

÷b分频器fx=Nfc/b2、测量周期TX

fC倍频器

门控主门TcTx=NTc

a≥1b=1TxTx放大整形器Tx=N/fC3、测量误差和中界频率

4、测量同频信号的时差和相位差

fc

门控Tc△t=NTca>1△t放大整形aTc=MTxaTca=1b=1主门付门ΔtTX3.3.2示波器的时域测量1、测量正弦波参数Tx△t0t(x)U(y)2、测量脉冲波参数下冲量上冲量U00.9U0τrτfUt0△U0.5U0τ0.1U03.3.3信号失真与频域测量放大器被测正弦波测试信号U1(f1)

抑制基波衰减器HPFmV表f1-60dB1、非线性(谐波)失真度γ的测量2、线性(频率)失真度的测量(1)点频法测量：信号源被测Ui(Φi)Uo(Φo)mV表示波器放大器Uo/Ui1Φo－ΦifLfHf0低频宽带(2)扫频法测量：Y输入等幅调频波扫频仪检波RF输出被测BPFX扫描波变幅调频波fΔΦ＝Φo-ΦiΔff0Uo/Ui01高频窄带3.频谱分析仪工作原理BPF中放中放VCO扫描波fI混频AI谐波混频器预选器RF衰减器0~－AdBfLf1…fn-xdBm本振末级检波放大yx谱线fiLpi被测信号fI=mfL-fi本振固定3.4阻抗测量和半导体管的检测3.4.1电阻