機械工程測試信息信號(第三版)5

1、2022-2-231MEASUREMENTINFORMATION SIGNAL ANALYSIS IN MECHANICAL ENGINEERING 機械工程測試機械工程測試信息信息信號分析信號分析 機械科學與工程學院機械科學與工程學院 機械電子信息工程系機械電子信息工程系李錫文李錫文 軒建平軒建平 2022-2-232課件資料下載：郵箱地址： “機械工程測試機械工程測試”每個字拼音的第一個字母每個字拼音的第一個字母 密碼：111111注意下載時不要刪除原始文件 2022-2-233第四章 信息轉換與傳輸q主要內容主要內容 一、信息轉換一、信息轉換-傳感器，非電量傳感器，非電量電量電量 二、傳

2、感器的標定和選擇二、傳感器的標定和選擇 三、信息傳輸三、信息傳輸 Shannon信道容量關系式信道容量關系式 信息信息-能量傳輸?shù)淖罴疡詈蠗l件能量傳輸?shù)淖罴疡詈蠗l件 信道頻率特性與波形失真信道頻率特性與波形失真 信道頻率特性與信息熵損失信道頻率特性與信息熵損失 四、信息傳輸過程中的干擾和噪聲四、信息傳輸過程中的干擾和噪聲 噪聲物理根源與耦合方式噪聲物理根源與耦合方式 噪聲模型及其傳輸特性噪聲模型及其傳輸特性2022-2-234第四章 信息轉換與傳輸 4-1 信息轉換信息轉換一、信息探測工程與智能傳感器一、信息探測工程與智能傳感器 1. 人類認識事物的信息過程人類認識事物的信息過程2022-2-

3、235敏感元件顯示信息信息探測工程2. 人類感官獲取信息的局限性人類感官獲取信息的局限性3. 傳感系統(tǒng)的一般模型傳感系統(tǒng)的一般模型(a)(b)2022-2-236信息探測工程4. 傳感技術的發(fā)展傳感技術的發(fā)展 (1) 擴展頻域擴展頻域 視覺與光傳感器視覺與光傳感器 聽覺與聲傳感器聽覺與聲傳感器 觸覺與溫度、壓力傳感器觸覺與溫度、壓力傳感器 嗅覺傳感器嗅覺傳感器 (2) 智能化智能化 動態(tài)測量動態(tài)測量 遠距離、非接觸測量遠距離、非接觸測量 特殊環(huán)境下測量特殊環(huán)境下測量 微觀分析微觀分析 實時在線實時在線2022-2-237智能傳感器智能傳感器 傳感器一般指能夠感知某種物理量（如電、傳感器一般指能

4、夠感知某種物理量（如電、光、磁等）、化學量（如濃度、光、磁等）、化學量（如濃度、PHPH值等）、生物值等）、生物量（如細菌等）等的信息，并將該信息轉化為電量（如細菌等）等的信息，并將該信息轉化為電信息的裝置。信息的裝置。 智能傳感器是將傳感器與微型計算機集成在智能傳感器是將傳感器與微型計算機集成在一塊芯片上，其主要特征是將敏感技術和信息處一塊芯片上，其主要特征是將敏感技術和信息處理技術相結合，使其除了具有感知的本能外，還理技術相結合，使其除了具有感知的本能外，還具有認知能力。具有認知能力。智能傳感器2022-2-238嵌入式計算機嵌入式計算機智能智能傾角傾角RS232RS232傳感器傳感器IC

5、總線數(shù)字溫度傳感器總線數(shù)字溫度傳感器智能傳感器2022-2-239振動網(wǎng)絡傳感器振動網(wǎng)絡傳感器智能壓力網(wǎng)絡傳感器智能壓力網(wǎng)絡傳感器智能傳感器2022-2-2310GSM/SMS智能傳感器2022-2-2311工程中的傳感器二、工程中的傳感器二、工程中的傳感器2022-2-2312工程中的傳感器2022-2-2313工程中的傳感器2022-2-23141 聲壓傳感器-動圈式q動圈式聲壓傳感器動圈式聲壓傳感器sin( )( );( / );e WBlvBTlmWvm s磁場的感應強度；單匝線圈有效長度線圈匝數(shù)；線圈與磁場的相對運動速度線圈運動方向與磁場方向的夾角。2022-2-2315動圈式傳感器

6、圖圖 動圈式傳聲器動圈式傳聲器2022-2-23161 聲壓傳感器-電容式QCVQQQVVACAAC 2022-2-2317極距極距變化型變化型+AC0+2022-2-23181 聲壓傳感器-光纖式 P 96聲聲-光相位調制光相位調制2022-2-23192 振動測量傳感器-渦流式位移傳感器2022-2-2320原理原理: :渦流效應渦流效應線圈高頻交變電流，產線圈高頻交變電流，產生磁通，金屬板產生感生磁通，金屬板產生感應電流應電流( (渦電流渦電流) )渦流式傳感器原理高頻感應爐高頻感應爐 冶煉金屬冶煉金屬 2022-2-2321渦流磁場影響高頻線圈的等效阻抗渦流磁場影響高頻線圈的等效阻抗Z

7、 Z變化：變化：),(ZZ 線圈與金屬板間距離，線圈與金屬板間距離， 金屬板的電阻率，金屬板的電阻率， 磁導率磁導率 線圈激磁圓頻率線圈激磁圓頻率渦流式傳感器原理(lMHz)激勵激勵電流，高頻磁場作用于金屬板電流，高頻磁場作用于金屬板的表面，由于集膚效應，金屬板表面形成渦的表面，由于集膚效應，金屬板表面形成渦電流。該渦流產生的交變磁場又反作用于線電流。該渦流產生的交變磁場又反作用于線圈，引起線圈自感圈，引起線圈自感L L或阻抗或阻抗Z ZL L的變化，其變化的變化，其變化與與、i i，等有關，若只改變等有關，若只改變而其他系數(shù)不變，則可將位移的變化轉換為而其他系數(shù)不變，則可將位移的變化轉換為線

8、圈自感的變化，再轉換為電壓輸出。高頻線圈自感的變化，再轉換為電壓輸出。高頻反射式渦流傳感器多用于位移測量。反射式渦流傳感器多用于位移測量。高頻發(fā)射式渦流傳感器原理高頻發(fā)射式渦流傳感器原理2022-2-2322渦流式傳感器原理發(fā)射線圈發(fā)射線圈1和接收線圈和接收線圈2分別置于被測分別置于被測金屬板材料金屬板材料G的上、下方。由于低頻磁的上、下方。由于低頻磁場集膚效應小，滲透深，當?shù)皖l場集膚效應小，滲透深，當?shù)皖l(音頻范音頻范圍圍)電壓電壓e1加到線圈加到線圈1的兩端后，所產生的兩端后，所產生磁力線的一部分透過金屬板材料磁力線的一部分透過金屬板材料G,使線使線圈圈2產生感應電動勢產生感應電動勢e2。

9、渦流消耗部分。渦流消耗部分磁場能量，使感應電動勢磁場能量，使感應電動勢e2減少，當金減少，當金屬板材料屬板材料G越厚時，損耗的能量越大，越厚時，損耗的能量越大，輸出電動勢輸出電動勢e2越小。因此，越小。因此，e2的大小與的大小與G的厚度及材料的性質有關，試驗表明，的厚度及材料的性質有關，試驗表明，e2隨材料厚度隨材料厚度h的增加按負指數(shù)規(guī)律減少的增加按負指數(shù)規(guī)律減少,如圖所示，因此，若金屬板材料的性質如圖所示，因此，若金屬板材料的性質一定，則利用一定，則利用e2的變化即可測量其厚度。的變化即可測量其厚度。 低頻透射式渦流傳感器原理低頻透射式渦流傳感器原理2022-2-2323適用：適用：可用于

10、動態(tài)非接觸測量，測量范圍可用于動態(tài)非接觸測量，測量范圍 1mm - 1mm - 10mm,10mm,與傳與傳感器結構尺寸，線圈匝數(shù)和激磁頻率有關感器結構尺寸，線圈匝數(shù)和激磁頻率有關, ,可到可到1 1 m m。變化，變化，位移振動測量；位移振動測量；金屬板的電阻率金屬板的電阻率 或或磁導率磁導率 變化變化，可作為材質，可作為材質鑒別或探傷。鑒別或探傷。優(yōu)點優(yōu)點：結構簡單，使用方便，不受油污等介質的影響。結構簡單，使用方便，不受油污等介質的影響。渦流式位移、振動測量儀，無損探傷儀等渦流式位移、振動測量儀，無損探傷儀等。渦流式傳感器適用范圍2022-2-2324例：電渦流轉速傳感器例：電渦流轉速傳

11、感器例：電渦流傳感器測厚和零件計數(shù)例：電渦流傳感器測厚和零件計數(shù)渦流式傳感器應用2022-2-2325渦流式傳感器產品2022-2-2326案例：無損探傷案例：無損探傷原理原理: :裂紋檢測，缺陷造成裂紋檢測，缺陷造成渦流變化。渦流變化?；疖囕啓z測火車輪檢測油管檢測油管檢測渦流式傳感器應用2022-2-2327磁電式傳感器磁電式傳感器 1.1.變換原理變換原理: : 磁電式傳感器是把被測量的物理量轉換為感磁電式傳感器是把被測量的物理量轉換為感應電動勢的一種轉換器。應電動勢的一種轉換器。dtdNe 感應線圈的感應電動勢感應線圈的感應電動勢e e為為磁通變化率與磁場強度、磁阻、線圈運動速度有磁通變

12、化率與磁場強度、磁阻、線圈運動速度有關，改變其中一個因素，都會改變感應電動勢。關，改變其中一個因素，都會改變感應電動勢。 cosSB),(mdtdRB3 磁電式傳感器B為磁場感應強度2022-2-23282 2 分類分類 磁磁電電式式動圈式動圈式磁阻式磁阻式線速度型線速度型角速度型角速度型3 磁電式傳感器磁鐵磁鐵線圈線圈 sinNBlve v線圈線圈NSNS線圈運動線圈運動線圈與磁鐵不線圈與磁鐵不動，物體運動動，物體運動磁阻變化磁阻變化2022-2-2329動圈式傳感器動圈式傳感器 線速度型線速度型 3 磁電式傳感器2022-2-2330角速度型角速度型測速電機測速電機3 磁電式傳感器2022

13、-2-2331磁阻式傳感器磁阻式傳感器 磁電式車速傳感器磁電式車速傳感器3 磁電式傳感器2022-2-2332N NS S案例：鼠籠電機轉子斷細條檢測案例：鼠籠電機轉子斷細條檢測3 磁電式傳感器2022-2-23333 磁電式傳感器結構示意圖2022-2-23343 磁電式傳感器幅頻特性2022-2-23353 磁電式傳感器幅頻特性2022-2-2336壓電式傳感器壓電式傳感器 1.1.變換原理：壓電效應變換原理：壓電效應 +串聯(lián)串聯(lián)+并聯(lián)并聯(lián) 某些物質，如石英，受到外力作用時，不僅幾某些物質，如石英，受到外力作用時，不僅幾何尺寸會發(fā)生變化，而且內部會被極化，表面產生何尺寸會發(fā)生變化，而且內部

14、會被極化，表面產生電荷；當外力去掉時，又重新回到原來的狀態(tài)，這電荷；當外力去掉時，又重新回到原來的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為壓電效應。種現(xiàn)象稱為壓電效應。F+q=DF4 壓電式傳感器2022-2-23372 2、測量電路、測量電路 壓電式傳感器輸出電信號很微弱，通常應把傳壓電式傳感器輸出電信號很微弱，通常應把傳感器信號先輸入到高輸入阻抗的前置放大器中，經(jīng)感器信號先輸入到高輸入阻抗的前置放大器中，經(jīng)過阻抗變換后，方可輸入到后續(xù)顯示儀表中。過阻抗變換后，方可輸入到后續(xù)顯示儀表中。 4 壓電式傳感器傳感器傳感器電場電場運算放大器運算放大器2022-2-23384 壓電式傳感器2022-2-2339產品產品壓

15、力變送器壓力變送器加速度計加速度計力傳感器力傳感器 4 壓電式傳感器2022-2-2340案例：飛機模態(tài)分析案例：飛機模態(tài)分析4 壓電式傳感器案例：飛機模態(tài)分析2022-2-23414 壓電式傳感器案例：熱軋設備診斷2022-2-2342振動傳感器選擇傳感器標定和選擇傳感器標定和選擇2022-2-2343超聲波檢測傳感器超聲波檢測傳感器 1)1)聲波及其分類聲波及其分類(1)(1)次聲波，振動頻率低于次聲波，振動頻率低于l6Hzl6Hz的機械波。的機械波。(2)(2)聲波聲波: :振動頻率在振動頻率在16Hz20KHz16Hz20KHz之間的機械波。之間的機械波。(3)(3)超聲波超聲波: :

16、高于高于20KHz20KHz的機械波。的機械波。2 2）超聲波的物理性質）超聲波的物理性質 超聲波與聲波比，振動頻率高，波長短，具有超聲波與聲波比，振動頻率高，波長短，具有束射特性，方向性強，可以定向傳播，其能量遠束射特性，方向性強，可以定向傳播，其能量遠遠大于振幅相同的聲波，并具有很高的穿透能力。遠大于振幅相同的聲波，并具有很高的穿透能力。 超聲波檢測傳感器2022-2-2344聲壓聲壓 所謂聲壓，是指某點上各瞬間的壓力與大氣壓所謂聲壓，是指某點上各瞬間的壓力與大氣壓力之差值，單位為力之差值，單位為PaPa，1Pa =1N/m1Pa =1N/m2 2。聲強聲強 聲強是聲波在傳播方向上單位時間

17、內通過單聲強是聲波在傳播方向上單位時間內通過單位面積的能量，單位為位面積的能量，單位為W/m2W/m2。聲功率聲功率 聲功率聲功率( (W W) )是聲源在單位時間內發(fā)射出的總能是聲源在單位時間內發(fā)射出的總能量，單位是量，單位是W W。超聲波檢測傳感器2022-2-2345超聲波傳感器原理超聲波傳感器原理 超聲波發(fā)射原理是把鐵磁材料置于交變磁場中，超聲波發(fā)射原理是把鐵磁材料置于交變磁場中，產生機械振動，發(fā)射出超聲波。產生機械振動，發(fā)射出超聲波。 接收原理是當超聲波作用在磁致材料上時，使接收原理是當超聲波作用在磁致材料上時，使磁滯材料磁場變化，使線圈產生感應電勢輸出。磁滯材料磁場變化，使線圈產生

18、感應電勢輸出。 超聲波檢測傳感器2022-2-2346超聲波傳感器對超聲波傳感器對超聲波檢測傳感器2022-2-2347超聲波傳感器應用超聲波傳感器應用 超聲波探傷超聲波探傷/測距測距/測物測物超聲波檢測傳感器2022-2-2348案例：輸油管檢測檢測機器人超聲波檢測傳感器2022-2-2349倒車雷達倒車雷達 超聲波檢測傳感器2022-2-2350 魚群探測器魚群探測器 超聲波檢測傳感器2022-2-23512 2、聲發(fā)射檢測傳感器、聲發(fā)射檢測傳感器 材料或結構受外力或內力作用產生變形或斷裂，材料或結構受外力或內力作用產生變形或斷裂，以彈性波形式釋放出應變能的現(xiàn)象稱聲發(fā)射。各種以彈性波形式釋

19、放出應變能的現(xiàn)象稱聲發(fā)射。各種材料聲發(fā)射頻率范圍很寬，從次聲、聲頻到超聲。材料聲發(fā)射頻率范圍很寬，從次聲、聲頻到超聲。多數(shù)金屬的聲發(fā)射頻帶在超聲范圍內。多數(shù)金屬的聲發(fā)射頻帶在超聲范圍內。聲發(fā)射傳感器2022-2-2352案例：材料斷裂等結構監(jiān)測案例：材料斷裂等結構監(jiān)測聲發(fā)射傳感器2022-2-2353半導體傳感器半導體傳感器 sinIBKVHH 金屬或半導體薄片置于磁場中，當有電流金屬或半導體薄片置于磁場中，當有電流流過時，在垂直于電流和磁場的方向上將產生流過時，在垂直于電流和磁場的方向上將產生電動勢，這種物理現(xiàn)象稱為霍爾效應。電動勢，這種物理現(xiàn)象稱為霍爾效應。 1 1 霍爾元件霍爾元件 半導

20、體傳感器2022-2-2354霍爾元件由霍爾片、四根引線和殼體組成，如圖示?；魻栐苫魻柶⑺母€和殼體組成，如圖示。 半導體傳感器2022-2-2355半導體傳感器2022-2-2356測轉角：測轉角：半導體傳感器2022-2-2357電流傳感器電流傳感器 當電流流過導線時，將在導線周圍產生磁場，磁當電流流過導線時，將在導線周圍產生磁場，磁場大小與流過導線的電流大小成正比，這一磁場可以通場大小與流過導線的電流大小成正比，這一磁場可以通過軟磁材料來聚集，然后用霍爾器件進行檢測。過軟磁材料來聚集，然后用霍爾器件進行檢測。 半導體傳感器2022-2-2358鐵磁材料裂紋檢測鐵磁材料裂紋檢測 N

21、S半導體傳感器2022-2-2359葉片和齒輪位置傳感器葉片和齒輪位置傳感器應用應用 半導體傳感器2022-2-2360案例：案例：汽車速度測量汽車速度測量:半導體傳感器2022-2-23612 2 磁電阻元件磁電阻元件磁阻效應磁阻效應)1 ()1 (cos/2202020BRRRR- -+ +lwx半導體傳感器2022-2-2362 特點特點 電阻的增量與磁場的平方成正比；電阻的增量與磁場的平方成正比； 與磁場的正負無關；與磁場的正負無關； 溫度系數(shù)影響大；溫度系數(shù)影響大； 磁感應的范圍比霍爾元件大。磁感應的范圍比霍爾元件大。 應用應用 磁頭；接近開關和無觸點開關。磁頭；接近開關和無觸點開關

22、。半導體傳感器2022-2-23633 3 磁感應半導體元件分類磁感應半導體元件分類霍爾元件霍爾元件磁電阻元件磁電阻元件磁敏二極管磁敏二極管磁晶體管磁晶體管磁半導體開關磁半導體開關半導體傳感器2022-2-2364產品產品半導體傳感器2022-2-2365案例：轉速測量案例：轉速測量半導體傳感器2022-2-2366熱敏傳感器熱敏傳感器 1.1.雙金屬溫度計雙金屬溫度計 把兩種膨脹系數(shù)不同的金屬薄片焊接在一起把兩種膨脹系數(shù)不同的金屬薄片焊接在一起制成的。它是一種固體膨脹溫度計，可將溫度變制成的。它是一種固體膨脹溫度計，可將溫度變化轉換成機械量變化?；D換成機械量變化。優(yōu)點：優(yōu)點：結構簡單結構簡

23、單牢固牢固可靠可靠防爆防爆 熱敏傳感器2022-2-2367 熱敏傳感器2022-2-2368熒光燈啟輝器熒光燈啟輝器零線零線火線火線 當電路接通，啟輝器兩端極片得電，當電路接通，啟輝器兩端極片得電，擊穿惰性氣體而導電（輝光放電），擊穿惰性氣體而導電（輝光放電），雙金屬片發(fā)熱彎曲而與靜觸板接通形雙金屬片發(fā)熱彎曲而與靜觸板接通形成閉合電路。電路中電流突然中斷，成閉合電路。電路中電流突然中斷，使鎮(zhèn)流器兩端產生一個比電源電壓高使鎮(zhèn)流器兩端產生一個比電源電壓高得多的感應電動勢，得多的感應電動勢，在強電場的作用在強電場的作用下，引起管內汞蒸氣電離而形成弧光下，引起管內汞蒸氣電離而形成弧光放電放電. .熱

24、敏傳感器2022-2-2369熒光燈啟輝器熒光燈啟輝器 啟輝器由玻璃管制成的輝光放電管與小電容器并聯(lián)而成輝光放電管內啟輝器由玻璃管制成的輝光放電管與小電容器并聯(lián)而成輝光放電管內有一個有一個U形雙金屬片，一個固定靜止觸極電板，稱為靜觸板或靜觸極，玻形雙金屬片，一個固定靜止觸極電板，稱為靜觸板或靜觸極，玻璃管內充有氖氣或氬氣，或氖氬混合的惰性氣體。當電路接通，啟輝器兩璃管內充有氖氣或氬氣，或氖氬混合的惰性氣體。當電路接通，啟輝器兩端極片得電，擊穿惰性氣體而導電（輝光放電過程），雙金屬片發(fā)熱彎曲端極片得電，擊穿惰性氣體而導電（輝光放電過程），雙金屬片發(fā)熱彎曲而與靜觸板接通形成閉合電路。此時電流直接經(jīng)

25、過雙金屬片與靜觸板流通，而與靜觸板接通形成閉合電路。此時電流直接經(jīng)過雙金屬片與靜觸板流通，惰性氣體失去作用而不放電，雙金屬片開始冷卻，經(jīng)過惰性氣體失去作用而不放電，雙金屬片開始冷卻，經(jīng)過18秒的時間，雙秒的時間，雙金屬片收縮回原來狀態(tài)，啟輝器停止工作。金屬片收縮回原來狀態(tài)，啟輝器停止工作。熱敏傳感器2022-2-23702. 2. 熱電溫度計熱電溫度計( (熱電偶熱電偶) ) 熱電效應熱電效應 將兩種不同材料的導體將兩種不同材料的導體A A和和B B串接成一個閉合串接成一個閉合回路，當兩個接點溫度不同時，在回路中就會產回路，當兩個接點溫度不同時，在回路中就會產生熱電勢，形成電流，此現(xiàn)象稱為熱電

26、效應。生熱電勢，形成電流，此現(xiàn)象稱為熱電效應。熱敏傳感器2022-2-2371BAABNNekTTEln)(ABTT0kk玻耳茲曼常數(shù)，玻耳茲曼常數(shù)，ee電子電荷量，電子電荷量，TT接觸處的溫度接觸處的溫度NANA，NBNB分別為導體分別為導體A A和和B B的自由電子密度。的自由電子密度。BAABNNekTTEln)(00熱敏傳感器2022-2-2372熱電偶測溫基本定律熱電偶測溫基本定律1)1)均質導體定律均質導體定律 由一種均質導體組成的閉合回路，不論導由一種均質導體組成的閉合回路，不論導體的橫截面積、長度以及溫度分布如何均不產體的橫截面積、長度以及溫度分布如何均不產生熱電動勢。生熱電動

27、勢。TT02)中間導體定律中間導體定律 在熱電偶回路中接入第三種材料的導體，只在熱電偶回路中接入第三種材料的導體，只要其兩端的溫度相等，該導體的接入就不會影響要其兩端的溫度相等，該導體的接入就不會影響熱電偶回路的總熱電動勢。熱電偶回路的總熱電動勢。TT0V熱敏傳感器2022-2-23733)3)參考電極定律參考電極定律 兩種導體兩種導體A,BA,B分別與參考電極分別與參考電極C C組成熱電偶，如組成熱電偶，如果他們所產生的熱電動勢為已知，果他們所產生的熱電動勢為已知，A A和和B B兩極配對后兩極配對后的熱電動勢可用下式求得：的熱電動勢可用下式求得：),(),(),(000TTETTETTEC

28、BACABABTT0=ACTT0CBTT0由于鉑的物理化學性質穩(wěn)定、人們多采用鉑作為參考電極由于鉑的物理化學性質穩(wěn)定、人們多采用鉑作為參考電極。熱敏傳感器2022-2-2374熱敏傳感器2022-2-2375熱敏傳感器2022-2-23763 3 熱敏電阻傳感器熱敏電阻傳感器 半導體熱敏電阻的材料是一種由錳、鎳、銅、半導體熱敏電阻的材料是一種由錳、鎳、銅、鉆、鐵等金屬氧化物按一定比例混合燒結而成的半鉆、鐵等金屬氧化物按一定比例混合燒結而成的半導體，它具有負的電阻溫度系數(shù)，隨溫度上升而阻導體，它具有負的電阻溫度系數(shù)，隨溫度上升而阻值下降。值下降。 )11(00TTeRRRT熱敏傳感器2022-2

29、-2377熱敏傳感器2022-2-2378熱敏傳感器2022-2-2379產品產品熱敏傳感器2022-2-2380溫控器溫控器應用應用汽車發(fā)動機傳感器汽車發(fā)動機傳感器水溫感應塞水溫感應塞還廣泛應用于空調、暖氣、電子體溫計等還廣泛應用于空調、暖氣、電子體溫計等熱敏傳感器2022-2-2381氣敏電阻傳感器氣敏電阻傳感器 氣體與人類日常生活密切相關，對氣體的檢氣體與人類日常生活密切相關，對氣體的檢測已經(jīng)是保護和改善生態(tài)居住環(huán)境不可缺少手段，測已經(jīng)是保護和改善生態(tài)居住環(huán)境不可缺少手段，氣敏傳感器發(fā)揮著極其重要的作用。氣敏傳感器發(fā)揮著極其重要的作用。 如生活環(huán)境中一氧化碳濃度達如生活環(huán)境中一氧化碳濃度

30、達0.80.81.15 ml/L1.15 ml/L時，就會出現(xiàn)呼吸急促，脈搏加快，甚至暈厥。還時，就會出現(xiàn)呼吸急促，脈搏加快，甚至暈厥。還有易燃、易爆氣體、酒精等的探測。有易燃、易爆氣體、酒精等的探測。煙霧報警器煙霧報警器酒精傳感器酒精傳感器二氧化碳傳感器二氧化碳傳感器氣敏電阻傳感器2022-2-2382 氣敏傳感器是利用氣敏半導體材料，如氧化錫、氣敏傳感器是利用氣敏半導體材料，如氧化錫、氧化錳。當它們吸收了氣體煙霧，如一氧化碳、醇氧化錳。當它們吸收了氣體煙霧，如一氧化碳、醇等時，電阻發(fā)生變化。等時，電阻發(fā)生變化。從而使氣敏元件電阻值隨被從而使氣敏元件電阻值隨被測氣體的濃度改變而變化。測氣體的

31、濃度改變而變化。 氣敏電阻傳感器2022-2-2383氣敏電阻傳感器2022-2-2384 氣敏電阻傳感器2022-2-2385實驗室中的傳感器實驗室中的傳感器氣敏電阻傳感器2022-2-2386燃氣報警器燃氣報警器煙霧報警器煙霧報警器 氣敏電阻傳感器2022-2-2387酒精傳感器酒精傳感器氣敏電阻傳感器2022-2-2388光電傳感器光電傳感器 光電傳感器通常是指能敏感到由紫外線到紅外光電傳感器通常是指能敏感到由紫外線到紅外線光的光能量，并能將光能轉化成電信號的器件。線光的光能量，并能將光能轉化成電信號的器件。其工作原理是基于一些物質的光電效應。其工作原理是基于一些物質的光電效應。 內光電

32、效應內光電效應 半導體材料受到光照時會產生電子半導體材料受到光照時會產生電子- -空穴對空穴對, ,使其導電性能增強使其導電性能增強, ,光線愈強，阻值愈低，這種光線愈強，阻值愈低，這種光照后電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象光照后電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象, ,稱為稱為內光電效應內光電效應 。光敏電阻、光敏二極管和光敏三極管光敏電阻、光敏二極管和光敏三極管光電傳感器2022-2-23893. 傳感器原理傳感器原理 光電傳感器2022-2-23903. 傳感器原理傳感器原理 照相機自動測光照相機自動測光光控燈光控燈工業(yè)控制工業(yè)控制光電傳感器2022-2-2391光電池光電池 光生伏特效應指半導體材料光生伏特效應指

33、半導體材料P-NP-N結受到光照后結受到光照后產生一定方向的電動勢的效應。以可見光作光源產生一定方向的電動勢的效應。以可見光作光源的光電池是常用的光生伏特型器件。的光電池是常用的光生伏特型器件。+-PN半導體敏感元件傳感器2022-2-2392應用應用 光電傳感器在工業(yè)上的應用可歸納為輻射光電傳感器在工業(yè)上的應用可歸納為輻射式式( (直射式直射式) )、吸收式、遮光式、反射式、四種、吸收式、遮光式、反射式、四種基本形式?；拘问?。 半導體敏感元件傳感器2022-2-2393半導體敏感元件傳感器2022-2-2394半導體敏感元件傳感器2022-2-2395半導體敏感元件傳感器2022-2-23

34、96案例：案例：光電鼠標就是利用光電鼠標就是利用LEDLED與光敏晶體管組合來與光敏晶體管組合來 測量位移。測量位移。半導體敏感元件傳感器2022-2-2397亮度傳感器：亮度傳感器：通過檢測周圍環(huán)境的亮度，再與內部設定值相比通過檢測周圍環(huán)境的亮度，再與內部設定值相比較，調整光源的亮度和分布，有效利用自然光線，較，調整光源的亮度和分布，有效利用自然光線，達到節(jié)約電能的目的。達到節(jié)約電能的目的。半導體敏感元件傳感器2022-2-2398相機測距反射式光電傳感器相機測距反射式光電傳感器半導體敏感元件傳感器2022-2-2399半導體敏感元件傳感器2022-2-23100光纖傳感器光纖傳感器 物性型

35、光纖傳感器是利用光纖對環(huán)境變化物性型光纖傳感器是利用光纖對環(huán)境變化的敏感性，將輸入物理量變換為調制的光信號。的敏感性，將輸入物理量變換為調制的光信號。 1 1）物性型光纖傳感器）物性型光纖傳感器光纖傳感器光纖傳感器2022-2-23101光纖流速傳感器光纖流速傳感器光纖傳感器2022-2-23102 結構型光纖傳感器是由光檢測元件與光纖結構型光纖傳感器是由光檢測元件與光纖傳輸回路及測量電路所組成的測量系統(tǒng)。其中光傳輸回路及測量電路所組成的測量系統(tǒng)。其中光纖僅作為光的傳播媒質，所以又稱為傳光型或非纖僅作為光的傳播媒質，所以又稱為傳光型或非功能型光纖傳感器。功能型光纖傳感器。2 2）結構型光纖傳感

36、器）結構型光纖傳感器光纖傳感器2022-2-23103光纖檢測型光電傳感器光纖檢測型光電傳感器作業(yè)件檢測作業(yè)件檢測顏色檢測顏色檢測光纖傳感器2022-2-23104CCDCCD固態(tài)圖象傳感器固態(tài)圖象傳感器 MOS(Metal Oxide Semiconductor)MOS(Metal Oxide Semiconductor)光敏元的光敏元的結構是在半導體結構是在半導體(P(P型硅型硅) )基片上形成一種氧化物基片上形成一種氧化物( (如二氧化硅如二氧化硅) )，在氧化物上再沉積一層金屬電極，在氧化物上再沉積一層金屬電極，以此形成一個金屬以此形成一個金屬- -氧化物氧化物- -半導體結構元半導體

37、結構元 (MOS)(MOS)。 CCD固態(tài)圖象傳感器2022-2-23105 在半導體硅片上按線陣或面陣排列在半導體硅片上按線陣或面陣排列MOSMOS單元，單元，如果照射在這些光敏元上的是一幅明暗起伏的圖如果照射在這些光敏元上的是一幅明暗起伏的圖像，則這些光敏元上就會感生出一幅與光照強度像，則這些光敏元上就會感生出一幅與光照強度相對應的光生電荷圖像。相對應的光生電荷圖像。CCD固態(tài)圖象傳感器2022-2-2310601111100光敏管光敏管陣列陣列并聯(lián)串聯(lián)轉換器運算電路顯示電路結束信號驅動脈沖CCDCCD固態(tài)圖象傳感器2022-2-23107 特點特點:(1) 非接觸檢測非接觸檢測;(2)

38、響應快響應快;(3) 可靠性高可靠性高,為修簡便為修簡便;(4) 測量精度高測量精度高;(5) 體積小體積小,重量輕重量輕; 容易與計算機連接容易與計算機連接(6) 對被測物體需要強光照射對被測物體需要強光照射;(7) 受被測物體以外的光的影響受被測物體以外的光的影響. 應用:(1) 寬度測量; (2) 外徑測量; (3) 主軸徑向跳動測量.條形碼掃描器條形碼掃描器CCD固態(tài)圖象傳感器2022-2-23108GREY = RED*0.299 + GREEG*0.587 + BLUE*0.114 數(shù)碼相機數(shù)碼相機CCD固態(tài)圖象傳感器2022-2-23109其它類型的傳感器其它類型的傳感器 1 1

39、、熱輻射檢測傳感器、熱輻射檢測傳感器 絕對零度以上的物體都有輻射，其強度依絕對零度以上的物體都有輻射，其強度依賴于物體溫度賴于物體溫度(K)(K)，根據(jù)普朗克輻射定律有以下，根據(jù)普朗克輻射定律有以下表達式：表達式：其它類型的傳感器2022-2-23110應用：應用： 冶金、軋制、磨削加工以及各種熱加工過冶金、軋制、磨削加工以及各種熱加工過程中都涉及到動態(tài)溫度場的檢測問題。程中都涉及到動態(tài)溫度場的檢測問題。其它類型的傳感器2022-2-23111生物傳感器生物傳感器熱熱/ /光光電量電量微生物微生物/酶等酶等敏感元件敏感元件 生物傳感器與其它傳感器是檢測對象中含生命生物傳感器與其它傳感器是檢測對

40、象中含生命物質。根據(jù)敏感物質不同物質。根據(jù)敏感物質不同, ,生物傳感器分酶傳感器、生物傳感器分酶傳感器、微生物傳感器、組織傳感器、細胞器傳感器、免微生物傳感器、組織傳感器、細胞器傳感器、免疫傳感器等。疫傳感器等。生物傳感器2022-2-231122 2、環(huán)境監(jiān)測、環(huán)境監(jiān)測3.3.醫(yī)學醫(yī)學應用領域應用領域1 1、發(fā)酵工業(yè)、發(fā)酵工業(yè)( (食品食品) )生物傳感器2022-2-23113血糖乳酸測定流程血糖乳酸測定流程體育上耐力訓練體育上耐力訓練生物傳感器2022-2-23114德國研發(fā)的環(huán)境廢水德國研發(fā)的環(huán)境廢水BODBOD分析儀分析儀生物傳感器2022-2-23115手掌型葡萄糖手掌型葡萄糖(g

41、lucose)(glucose)分析儀分析儀生物傳感器2022-2-23116工廠發(fā)酵車間化驗工廠發(fā)酵車間化驗員正在分析樣品員正在分析樣品發(fā)酵工廠谷氨酸發(fā)酵工廠谷氨酸- -葡萄糖分析葡萄糖分析生物傳感器2022-2-23117三、 傳感器的標定 1. 靜態(tài)標定 直線性 靈敏度 滯后量 重復性 剛度 橫向靈敏度 2. 動態(tài)標定 頻率特性 固有頻率 阻尼率四、 傳感器選用原則 1. 靈敏度 2. 響應特性 3. 線性 4. 穩(wěn)定性 5. 精確度 6. 測量方式 7. 其他傳感器的標定和選用原則2022-2-23118三、傳感器的標定q零階系統(tǒng)：如放大鏡、測力環(huán)；代數(shù)方程式描述零階系統(tǒng)：如放大鏡、測

42、力環(huán)；代數(shù)方程式描述q一階系統(tǒng)：如熱電偶、水銀溫度計、一階系統(tǒng)：如熱電偶、水銀溫度計、RC低通濾波器低通濾波器q二階系統(tǒng)：如千分表、電感量頭、電阻式壓力計、二階系統(tǒng)：如千分表、電感量頭、電阻式壓力計、電容式拾音計、壓電式電容式拾音計、壓電式(磁電式磁電式)加速度計加速度計q靜態(tài)標定靜態(tài)標定 直線性直線性 靈敏度靈敏度 滯后量滯后量 重復性重復性 剛度剛度 橫向靈敏度橫向靈敏度2022-2-23119三、傳感器的標定q動態(tài)標定：測定傳感器的動態(tài)特性動態(tài)標定：測定傳感器的動態(tài)特性 頻率特性頻率特性 工作頻帶工作頻帶 諧振頻率諧振頻率 固有頻率固有頻率 阻尼率阻尼率 相位特性相位特性q動態(tài)標定方法：

43、正弦、沖擊力、白噪聲或偽隨機白動態(tài)標定方法：正弦、沖擊力、白噪聲或偽隨機白噪聲激勵噪聲激勵 沖擊力激勵沖擊力激勵 圖圖4-26 P102 多維傳感器的標定多維傳感器的標定 多維傳感器的補償多維傳感器的補償白噪聲的特點白噪聲的特點: : 1.1.瞬時值服從正態(tài)分布；瞬時值服從正態(tài)分布；2.2.功率譜在全頻帶內是均勻的；功率譜在全頻帶內是均勻的；3.3.具有極良好的相關特性。具有極良好的相關特性。2022-2-23120 選擇傳感器主要考慮靈敏度、響應特性、線選擇傳感器主要考慮靈敏度、響應特性、線性范圍、穩(wěn)定性、精確度、測量方式等六個方面性范圍、穩(wěn)定性、精確度、測量方式等六個方面的問題。的問題。 1 1、靈敏度、靈敏度 一般說來，傳感器靈敏度越高越好，但，一般說來，傳感器靈敏度越高越好，但，在確定靈敏度時，要考慮以下幾個問題。在確定靈敏度時，要考慮以下幾個問題。 a)a)靈敏度過高引起