檢測與轉換技術整理(1)

1、傳感器檢測總結檢測與轉換技術總結一、傳感器概述1.傳感器的定義： 能感受規(guī)定的被測量并按一定規(guī)律轉換成可用輸出信號的器件或裝置，與計算機、通訊并稱現(xiàn)代信息技術的三大支柱。通常由敏感元件和轉換元件組成。2.傳感器的分類(1)按外界輸入的信號變換為電信號采用的效應分類:物理傳感器、化學傳感器、生物傳感器。(2)按能量的傳遞方式分類：有源傳感器、無源傳感器。(3)按被測量對象分類:速度(加速度),力(力矩、壓力），流速，液位，溫度，濕度，光，電壓，電流，濃度，氣體成分，位移等傳感器。(4)按工作原理分類:電阻式、電容式、電感式、渦流式、光電式、應變式、壓電式、熱電式。3.傳感器的發(fā)展趨勢（1）固態(tài)化

2、趨向（2）集成化和多功能化趨向（3）圖象化趨向和智能化趨向二、檢測技術基礎1.測量和誤差的定義測量：采用各種手段將被測量與同類標準量進行比較，從而確定出被測量大小的方法。誤差：測量結果與被測量真值的差別。2.測量方法的分類（1）根據(jù)獲得測量結果的方法不同直接測量：在儀表上直接讀出被測量的大小而無須經過任何運算。簡單、迅速但精度差。間接測量：首先測出與被測量有確定函數(shù)關系的物理量，再經過函數(shù)運算求出被測量的大小。 組合測量：又稱“聯(lián)立測量”，即被測物理量必須經過求解聯(lián)立方程才能導出結果。（2）根據(jù)測量條件相同與否等精度測量：在測量過程中，影響測量誤差的各種因素不改變。不等精度測量：改變測量條件的

3、測量。（3）根據(jù)是否接觸被測對象接觸測量：如測速發(fā)電機、體溫計測溫。非接觸測量：如光電檢測測轉速、紅外測溫。（4）根據(jù)測量對象是否隨時間變化靜態(tài)測量：如測傾角。動態(tài)測量：如測汽車速度。3.平均值（1）算術平均值：（2）幾何平均值：（3）均方根平均值：4.檢測裝置的性能（1）基本性能精度：a.精密度：在相同條件下，對同一個量進行重復測量時，這些測量值之間的相互接近程度（離散程度）；b.準確度：表示測量儀器指示值對真值的偏離程度；c.精確度：它是精密度和準確度的綜合反映。 穩(wěn)定性：a.零點漂移：在一定條件下，保持輸入信號不變，輸出信號隨時間而變化；b.靈敏度變化：靈敏度隨時間延長而下降。（2）靜態(tài)

4、性能（輸入輸出之間的函數(shù)關系）靈敏度：傳感器或檢測儀表在穩(wěn)態(tài)下輸出量的變化量y與輸入量的變化量x之比，用K表示。分辨率：靈敏度閾值，引起輸出量產生微小變化所需的最小輸入量的變化量。線性度：檢測輸入輸出特性對理想線性輸入輸出特性的近似程度。滯環(huán)說明測量系統(tǒng)正向（輸入量增大）和反向（輸入量減?。┨匦圆灰恢碌某潭?。重復性： 在同樣的工作條件下，輸入按同一方向作全量程多次（三次以上）往復變化時，測量系統(tǒng)刻度特性曲線的一致性。（3）動態(tài)性能（系統(tǒng)輸入輸出與時間的關系）響應時間、超調量（一說時間常數(shù)、固有頻率、阻尼系數(shù)）。三、誤差理論1.誤差的表示方法（1）絕對誤差具有量綱，與被測量相同；其大小與所取單位

5、有關；能反映誤差的大小和方向；不能反映測量的精細程度。（2）相對誤差：絕對誤差與被測量真值之比大小與被測量單位無關；能反映誤差的大小和方向；能反映測量工作的精細程度 。（3）引用誤差是一種特殊的相對誤差表示法，常用于連續(xù)刻度的儀表中，實質給出儀表的最大絕對誤差。2.測量誤差的分類和判別（1）系統(tǒng)誤差：在同一條件下，多次重復測量同一量時，誤差的大小和符號保持不變或按一定規(guī)律變化。恒值系統(tǒng)誤差的判別a.實驗對比法；b.改變測量條件法；c.理論計算與分析法；可用代替法、交換法消除。變值系統(tǒng)誤差a.累進性系統(tǒng)誤差，對稱測量法消除；b.周期性系統(tǒng)誤差，半周期讀數(shù)法消除；c.按復雜規(guī)律變化的系統(tǒng)誤差。變值

6、系統(tǒng)誤差的判別：a.殘余誤差觀察法；b.殘余誤差之和相減法(馬利科夫判據(jù))。產生系統(tǒng)誤差的原因：a.儀器不良，如零點未校準刻度不準；b.測試環(huán)境的變化，如外界濕度、溫度、壓力變化等；c.安裝不當；d.測試人員的習慣偏向，如讀數(shù)偏高；e.測量方法不當。（2）隨機誤差：在一定測量條件下的多次重復測量，誤差出現(xiàn)的數(shù)值和正負號沒有明顯的規(guī)律。這叫“隨機誤差”。（3）疏失誤差：又稱“過程誤差”或“粗大誤差”，簡稱“粗差”，這是一種由于測量人員的粗心或過度疲勞造成的誤差。3.誤差分析與處理方法（考計算題）（1）算數(shù)平均值代表真值：（2）均方根誤差：（3）算術平均值的均方根誤差 ： （4）測量結果的表示方法

7、：（5）根據(jù)萊依特準則，剔除異常值：4.測量誤差的綜合處理設Y為被測量，為中間變量，找出被測量與中間變量的函數(shù)關系： 對上式兩邊除以Y，就可得相對誤差的綜合表達式：四、電阻應變式傳感器電阻應變式傳感器是將被測量的應力（壓力、荷重、扭力等）通過所產生的金屬彈性形變轉換成電阻變化的檢測元件，它由電阻應變片和測量線路兩部分組成。目前應用最廣泛的電阻應變片有兩種：電阻絲應變片和半導體應變片。1. 溫度補償措施環(huán)境溫度是造成應變片測量誤差的主要因素，消除誤差的方法有：（1）應變片補償法將兩個特性相同的應變片，用同樣的方法粘貼在同樣材質的兩個器件上，接入電橋電路相鄰橋臂，置于相同的溫度中，承受應力的為工作

8、片，不受應力的為補償片。（2）應變片自補償 使用特殊的應變片，使其溫度變化的電阻增量等于零或相互抵消，從而不產生測量誤差。（3）熱敏電阻補償法將熱敏電阻Rt置于應變片相同的溫度下，可以進行溫度補償。2.電橋電路的分類（1）按輸入電源分直流電橋；交流電橋； 恒壓源電橋；恒流源電橋。（2）按橋臂電阻的配備方式分串聯(lián)對稱電橋(第一類對稱電橋)：R1 R2 ,R3 R4并聯(lián)對稱電橋(第二類對稱電橋)：R1R3，R2R4全對稱電橋（等臂電橋）：R1R2R3 R4不對稱電橋。（3）按電橋的工作方式分平衡電橋：滿足R1R4R2R3不平衡電橋：（4）按被測電阻的接入方式分（在下面）3.不平衡電橋的工作特性（考

9、計算題）電阻變化，應變作用 ，電源電壓定義靈敏度非線性度單臂電橋R1=R2,R3=R4R1，R1為敏感元件差動電橋R1R2，R3R4，R1和R2為敏感元件0雙差動電橋R1R2R3R4均為敏感元件0相對臂電橋敏感元件相對臂較高較大4.提高不平衡電橋輸出線性度的方法（1）采用差動電橋工作方式（2）電橋輸出端串接一大阻值的電阻RL（3）采用恒流源供電方式（4）采用有源電橋方式5. 電橋調零（1）串聯(lián)調零應用于R1、R2值較大的場合，此時，RW越小，對傳感器靈敏度的影響越小。（2）并聯(lián)調零該方式應用于橋臂電阻R2、R4值較小的場合。此時，Rw越大，對橋路影響越小。6.電阻應變片傳感器的應用（考設計題）

10、（1）力及扭矩的測量柱式轉換法 差動法環(huán)狀法在拉力作用下，內環(huán)拉長，外環(huán)壓縮，可構成雙差動電橋，靈敏度比差動電橋提高一倍。（2）加速度的測量（3）流體壓力的測量（4）其他應用稱重、測臂力、測肺活量、測走路步數(shù)等五、電容傳感器1.電容傳感器的類型（1）變極距型電容傳感器，非線性，靈敏度與d2成反比，適合測量較小位移。（2）變面積型電容傳感器平行線位移傳感器，線性，適合測量較大位移。角位移型傳感器，線性，適用測量較大線位移或角位移。（3）變介質型電容傳感器線性，適合測量液位高度或空氣濕度。2.電容傳感器測量電路（1）運算放大器電路，解決了非線性問題（2）橋式電路3.電容式傳感器的應用（考設計題）（

11、1）膜片電極式壓力傳感器由一個固定電極和膜片電極構成電容。（2）電容加速度傳感器兩個固定極板，中間有一個用彈簧片支撐的質量塊構成的差動式電容加速度傳感器：（3）電容荷重傳感器鎳鉻同一高度上并排打圓孔，在孔的內壁以特殊的粘接劑固定兩個截面為T型的絕緣體鉬鋼，形成一排平板電容。當孔受荷重變形時，電容值將改變，在電路上各電容并聯(lián)，總電容增量將正比于被測平均荷重F。（4）電容濕度傳感器鋁棒和能滲透水的黃金膜為極板，極板間充以氧化鋁微孔介質。多孔性氧化鋁吸水以后，介電常數(shù)e發(fā)生變化，電容量隨之改變。（5）新型電容式指紋傳感器六、電感式傳感器的應用（考設計題）1.自感式傳感器的應用（1）閉磁路式自感傳感器

12、：非線性，測量小位移（2）螺管型自感傳感器：靈敏度較低，測量較大的位移（3）空氣隙差動式自感傳感器：靈敏度約提高一倍,非線性減?。?）差動自感傳感器測量電路（5）測量電路：調頻、調幅檢測電路2.互感傳感器（差動變壓器）的應用（1）呼吸測定（2）流量測量（3）氣壓測量3.電渦流式傳感器的應用根據(jù)激磁電流的頻率進行分類，渦流傳感器可分為高頻反射式和低頻透射式兩種。（1）軸向位移測定（2）軸徑向振動測量（3）線膨脹系數(shù)測量（4）接近檢測開關（5）轉速測量（6）零件數(shù)的檢測（7）表面光潔度測量（高頻反射）七、其他傳感器1.熱電阻式傳感器（1）金屬熱電阻鉑熱電阻：高精度銅熱電阻：價格便宜、近似線性、溫度

13、系數(shù)大、體積大、易氧化、范圍小。銦電阻、錳電阻：適合低溫測量（2）半導體熱電阻（熱敏電阻）： 溫度系數(shù)大、體積小、熱慣性小、非線性。負電阻溫度系數(shù)熱敏電阻NTC正電阻溫度系數(shù)熱敏電阻臨界溫度熱敏電阻2.熱電偶基于熱電勢效應，由兩種導體連接制成，應用定則如下：a若組成熱電偶回路的兩導體相同，或熱電偶兩端溫度相同，則熱電偶回路中的總熱電動勢為零；b.熱電偶的總熱電動勢只與端點溫度有關；c.串入回路中的第三種導線不會影響熱電動勢；d.導體A,B的熱電動勢等于AC熱電偶與BC熱電偶的熱電動勢之和3.霍爾傳感器（1）不等位電勢的補償由于輸出端的不對稱和其它原因，霍爾元件在外磁場為零的情況下，仍有電勢輸出，需要不等位電勢的補償： （2）霍爾傳感器的應用：位移檢測轉速測量 測量注：關于綜合設計題第一步：分析問題，提取可用物理量，據(jù)此選擇合適的傳感器；第二步：畫出傳感器的局部安裝示意圖并簡要敘述；第三步：寫出該傳感器的檢測原理，畫出系統(tǒng)框圖。關于檢測考試：考試時間和地點：見教務系統(tǒng)；考試題型：1.選擇題：10道，每題2分，共20分；2.填空題：10空，每空1分，共10分；3.計算題：2道，每道10分，共20分；4.基礎設計題：用多種方法檢測某一物理量，20分；（要求畫出原理圖，并用文字簡要敘述）5.應用設計題：三選二，每題15分，共30分；（要求畫出應變片的安裝示意圖、系統(tǒng)方框圖，簡要