傳感器與檢測技術(shù)復(fù)習(xí)課

傳感器與檢測技術(shù)復(fù)習(xí)課課程介紹本課程包括自動檢測技術(shù)的基本知識、傳感器原理與應(yīng)用、檢測儀表以及自動檢測的新進(jìn)展等幾部分內(nèi)容。第一部分介紹傳感器與檢測技術(shù)的基本概念、測量誤差與數(shù)據(jù)處理以及傳感器的靜動態(tài)特性和標(biāo)定方法。第二部分介紹電阻式傳感、電容式、電感式、溫度傳感器、光電式傳感器、數(shù)字傳感器等的工作原理與應(yīng)用。第三部分介紹電參量測量技術(shù)。第四部分介紹非電物理量測量，包括：壓力和力的測量、位移速度加速度測量、流量物位測量等。第五部分介紹自動檢測新進(jìn)展，包括現(xiàn)場總線、虛擬儀器等。

第一部分傳感器與檢測技術(shù)的基本概念1.傳感器的定義：能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件和裝置。2.傳感器的組成：敏感元件+轉(zhuǎn)換元件+轉(zhuǎn)換電路敏感元件轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換電路被測量電量3.傳感器的分類按工作原理分：電阻型、電容型、電感型、壓電型、霍爾型、光電型等；按用途分：位移、壓力、振動、溫度等；按轉(zhuǎn)換特性分：結(jié)構(gòu)型、物性型；按能量傳遞的方式分：能量控制型、能量轉(zhuǎn)換型。第一部分傳感器與檢測技術(shù)的基本概念4.檢測系統(tǒng)構(gòu)成第一部分傳感器與檢測技術(shù)的基本概念傳感器測量電路輸出單元被測量傳感器：把被測非電量轉(zhuǎn)換成為與之有確定對應(yīng)關(guān)系，且便于應(yīng)用的某些物理量（通常為電量）的測量裝置。測量電路：把傳感器輸出的變量變換成電壓或電流信號，使之能在輸出單元的指示儀上指示或記錄儀上記錄；或者能夠作為控制系統(tǒng)的檢測或反饋信號。輸出單元：指示儀、記錄儀、累加器、報警器、數(shù)據(jù)處理電路等。5.誤差的定義與概念真值、理論真值、相對真值、示值、標(biāo)稱值絕對誤差、修正值、相對誤差、引用誤差精度等級、準(zhǔn)確度、精密度、精確度最大允許誤差，按精度要求選擇測量儀表，舉例：第一部分傳感器與檢測技術(shù)的基本概念6.誤差的分類：系統(tǒng)誤差：特點(diǎn)、系統(tǒng)誤差的發(fā)現(xiàn)(殘差觀察法、時延比對法、理論分析計算法)、削弱及消除方法(原理消除、調(diào)校儀器、修正方法等)；隨機(jī)誤差：特點(diǎn)(正態(tài)分布，單峰型、對稱性、有界性、抵償性)、評價指標(biāo)(算術(shù)平均值、標(biāo)準(zhǔn)差)、產(chǎn)生原因、消除方法；粗大誤差：特點(diǎn)與判別方法，消除方法。第一部分傳感器與檢測技術(shù)的基本概念第一部分傳感器與檢測技術(shù)的基本概念7、傳感器的一般特性靜態(tài)特性：輸入量為常量，或變化極慢。包括線性度—

靈敏度—

遲滯—正反行程中輸出輸入曲線不重合；重復(fù)性—輸入按同一方向連續(xù)多次變動時所得特性曲線不一致的程度；零漂—傳感器在長時間工作的情況下輸出量發(fā)生的變化；溫漂—傳感器在外界溫度下輸出量發(fā)出的變化。動態(tài)特性：傳感器的輸出對隨時間變化的輸入量的響應(yīng)特性。反映輸出值真實再現(xiàn)變化著的輸入量的能力。研究傳感器的動態(tài)特性主要是從測量誤差角度分析產(chǎn)生動態(tài)誤差的原因以及改善措施。 時域：瞬態(tài)響應(yīng)法 頻域：頻率響應(yīng)法第一部分傳感器與檢測技術(shù)的基本概念第二部分傳感器原理1、電阻應(yīng)變式傳感器原理：當(dāng)金屬絲在外力作用下發(fā)生機(jī)械變形時其電阻值將發(fā)生變化。第二部分傳感器原理電阻應(yīng)變片測量電路

R1+⊿R1R2R4R3UILRLIL=0時電橋平衡平衡條件:R1R4=R2R3

R1/R2=R3/R4第二部分傳感器原理2、電感式傳感器(1)自感式傳感器a)氣隙型b)截面型

c)螺管型自感式傳感器原理圖第二部分傳感器原理u0z2z1u/2u/2為了判別銜鐵位移方向，就是判別信號的相位，要在后續(xù)電路中配置相敏檢波器來解決第二部分傳感器原理(2)差動變壓器差動變壓器是把被測的非電量變化轉(zhuǎn)換成線圈互感量的變化。這種傳感器是根據(jù)變壓器的基本原理制成的，并且次級繞組用差動的形式連接，故稱之為差動變壓器式傳感器。有變隙式、變面積式和螺線管式三種。差動變壓器的應(yīng)用有：力和力矩的測量、微小位移的測量、壓力測量、加速度傳感器等。第二部分傳感器原理3、電容式傳感器δSε變極距(δ）型、變面積型(S)型、變介電常數(shù)(ε)型。第二部分傳感器原理其特點(diǎn)是動態(tài)響應(yīng)好，適合高頻測量；有泄漏電容不適合靜態(tài)測量。第二部分傳感器原理uC-ACx∑～u0運(yùn)算放大器式測量電路電容式傳感器的應(yīng)用：電容式差壓傳感器、電容式加速度傳感器、電容式振動位移傳感器等。第二部分傳感器原理4、光電效應(yīng)和光電器件光電效應(yīng)：外光電效應(yīng):在光線作用下使物體的電子逸出表面的現(xiàn)象。內(nèi)光電效應(yīng):在光線作用下能使物體電阻率改變的現(xiàn)象。阻擋層光電效應(yīng)(光生伏特效應(yīng)):在光線作用下能使物體產(chǎn)生一定方向的電動勢的現(xiàn)象。如光電池、光敏晶體管等。光電器件光電管、光電倍增管、光敏電阻、光敏二極管和光敏三極管、光電池等。(3)光電器件的應(yīng)用光比色高溫計、脈沖光電傳感器、光電式數(shù)字轉(zhuǎn)速表。第二部分傳感器原理5、光柵傳感器a+b=W稱為光柵的柵距（或光柵常數(shù)）通常情況下，a=b=W/2第二部分傳感器原理橫向莫爾條紋的斜率莫爾條紋間距莫爾條紋的寬度BH由光柵常數(shù)與光柵夾角決定辯向技術(shù)與細(xì)分技術(shù)。第二部分傳感器原理6、光電碼盤數(shù)字式傳感器:把輸入量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量輸出優(yōu)點(diǎn)：測量精度和分辨力高，抗干擾能力強(qiáng)，能避免在讀標(biāo)尺和曲線圖時產(chǎn)生的人為誤差，便于用計算機(jī)處理。最簡單的數(shù)字式傳感器是編碼器(ADE)角度數(shù)字編碼器（碼盤）或直線位移編碼器（碼尺）原理分類：電觸式、電容式、感應(yīng)式和光電式等第二部分傳感器原理碼盤與碼制6位二進(jìn)制碼盤6位的循環(huán)碼碼盤循環(huán)碼碼盤轉(zhuǎn)到相鄰區(qū)域時，編碼中只有一位發(fā)生變化，不會產(chǎn)生粗大誤差。應(yīng)用：光學(xué)碼盤測角儀。第二部分傳感器原理7、光纖傳感器原理：略。靈敏度較高；幾何形狀具有多方面的適應(yīng)性，可以制成任意形狀的光纖傳感器；可以制造傳感各種不同物理信息（聲、磁、溫度、旋轉(zhuǎn)等）的器件；可以用于高壓、電氣噪聲、高溫、腐蝕、或其它的惡劣環(huán)境；而且具有與光纖遙測技術(shù)的內(nèi)在相容性。應(yīng)用：磁、聲、壓力、溫度、加速度、陀螺、位移、液面、轉(zhuǎn)矩、光聲、電流和應(yīng)變等物理量的測量。第二部分傳感器原理8、溫度傳感器熱電阻傳感器

鉑熱電阻：百度電阻比；銅熱電阻：測量精度要求不高且溫度較低的場合；半導(dǎo)體熱敏電阻：溫度系數(shù)大、電阻率大、線性度差。熱電阻結(jié)構(gòu)：三線制、四線制。第二部分傳感器原理熱電偶傳感器測溫原理：兩種不同的金屬A和B構(gòu)成閉合回路，當(dāng)兩個接觸端T﹥T0時，回路中會產(chǎn)生熱電勢。熱電勢由兩種材料的接觸電勢和單一材料的溫差電勢決定。熱電偶的基本定律：勻質(zhì)導(dǎo)體定律、中間導(dǎo)體定律、連接導(dǎo)體定律。

例

用（S型）熱電偶測量某一溫度，若參比端溫度T0=30℃，測得的熱電勢E(T,Tn)=7.5mV，求測量端實際溫度T。查分度表有E（30，0）=0.173mV反查分度表有T=830℃，測量端實際溫度為830℃上一頁下一頁返回第二部分傳感器原理(3)非接觸式測溫高溫測量中應(yīng)用最廣泛，主要應(yīng)用行業(yè)為冶金、鑄造、熱處理以及玻璃、陶瓷和耐火材料等工業(yè)生產(chǎn)過程中。任何物體處于絕對零度以上時，都會以一定波長電磁波的形式向外輻射能量。輻射式測溫儀表就是利用物體的輻射能量隨其溫度而變化的原理制成的。測量時，只需把溫度計光學(xué)接收系統(tǒng)對準(zhǔn)被測物體，而不必與物體接觸，因此可以測量運(yùn)動物體的溫度并不會破壞物體的溫度場。此外，由于感溫元件只接收輻射能，不必達(dá)到被測物體的實際溫度，從理論上講，它沒有上限，可以測量高溫。非接觸測溫儀表分類：光學(xué)高溫計、輻射式溫度計第三部分電參量測量系統(tǒng)1、頻率時間和相位的測量計數(shù)法頻率測量方法。計數(shù)法測量原理測頻方式和測周方式的差異。第三部分電參量測量系統(tǒng)頻率的模擬測量⑴直讀法測頻⑵比較法測頻⑶示波器測量頻率①電橋法測頻②諧振法測頻③頻率-電壓(f-V)轉(zhuǎn)換法測頻第三部分電參量測量系統(tǒng)2、電壓和電流的測量普通直流電壓表(1)直流電壓測量直流電子電壓表如要求滿量程為10V時表頭通過電流100uA，求電阻R=?第三部分電參量測量系統(tǒng)直流數(shù)字電壓表在數(shù)字電壓表前端配接適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)換電路，將被測參數(shù)轉(zhuǎn)換成直流電壓，就可構(gòu)成測量該被測參數(shù)的數(shù)字儀表，因此直流電壓表是許多數(shù)字式電測儀表的核心器件，用途很廣。第三部分電參量測量系統(tǒng)交流電壓測量交流電壓的表征：峰值、幅值、有效值、平均值。波形系數(shù)：

波峰系數(shù)：

交流電壓的測量方法：檢波—放大式、放大檢波式、外差式。第三部分電參量測量系統(tǒng)電流的測量電流表直接測量方法電流－電壓轉(zhuǎn)換法電流－磁場轉(zhuǎn)換法：例如霍爾傳感器鉗形電流表；電流互感器法：通過線圈耦合將一次側(cè)電流轉(zhuǎn)變成與之成比例的二次側(cè)電流，在通過電阻轉(zhuǎn)變成電壓。第三部分電參量測量系統(tǒng)３、阻抗的測量阻抗的描述電阻、電感和電容的等效電路第三部分電參量測量系統(tǒng)直流電阻的測量電表法比例運(yùn)算器法電橋法四端法測小電阻沖擊電流法測大電阻

第三部分電參量測量系統(tǒng)交流阻抗的測量交流四臂電橋數(shù)字式阻抗測量儀第四部分非電量測量系統(tǒng)１、壓力測量壓力的基本定義：壓力的表示方法：大氣壓力、表壓力、絕對壓力、負(fù)壓力、真空度第四部分非電量測量系統(tǒng)壓力的計量單位：帕斯卡、工程大氣壓、標(biāo)準(zhǔn)大氣壓、巴等。液柱式壓力計彈性力壓力計力平衡式壓力計各種壓力傳感器：應(yīng)變式、壓阻式、壓電式、電容式、諧振式力的測量類似壓力測量。第四部分非電量測量系統(tǒng)２、運(yùn)動量檢測技術(shù)(1)位移測量：積分法、回波法、線位移和角位移轉(zhuǎn)換法、位移傳感器法。長度測量：游標(biāo)卡尺、外徑千分尺等。圓度測量：表面粗糙度測量：速度測量：線速度測量和角速度測量。有微積分法、線速度角速度轉(zhuǎn)換法、速度傳感器法、時間位移計算法彈丸飛行速度測量：時間位移法多普勒法多普勒測速原理：設(shè)有一個波源，以fo

的頻率發(fā)射電磁波，而接受體以速度V相對于此波源運(yùn)動。那么，這一接收體所感受到的波的頻率將不是f0，而是fr

，并有如下之關(guān)系：

式中，λ0——波源發(fā)送的波的波長。fd稱為多卜勒頻移。多普勒測速儀應(yīng)用實例：衛(wèi)星跟蹤測軌、醫(yī)學(xué)血液流速測量等。 第四部分非電量測量系統(tǒng)第四部分非電量測量系統(tǒng)加速度測量：各種加速度計：壓電式、壓阻式、應(yīng)變式、電容式等。３、流量測量方法單位時間內(nèi)流過管道內(nèi)某一截面的流體數(shù)量，稱為瞬時流量。在某一段時間間隔內(nèi)流過管道某一截面的流體量的總和，即瞬時流量在某一段時間內(nèi)的累積值，稱為總量或累積流量。體積流量：質(zhì)量流量：流量傳感器：差壓式流量傳感器、電磁流量傳感器、超聲波流量計、激光流速傳感器。第四部分非電量測量系統(tǒng)第四部分非電量測量系統(tǒng)４、物位檢測技術(shù)液位測量方法直接測量法、壓力法、浮力法、電學(xué)法(電阻、電感、電容式)熱學(xué)法、超聲波法等。料位檢測方法重錘探測法、稱重法、電磁法、聲學(xué)法、光學(xué)法等。相界面的檢測液液相界面檢測－－類似液位檢測液固相界面檢測－－類似料位檢測。第五部分檢測新技術(shù)１、現(xiàn)場總線技術(shù)(1)概念：用于過程自動化、制造自動化、樓宇自動化等領(lǐng)域的現(xiàn)場智能設(shè)備互連通訊網(wǎng)絡(luò)。(2)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)：(3)現(xiàn)場總線通信特點(diǎn)：實時性、信息完整性、可靠性、可互操作性、數(shù)字特征、介質(zhì)多樣性。幾種流行的現(xiàn)場總線：基金會現(xiàn)場總線、過程現(xiàn)場總線、局部操作網(wǎng)絡(luò)、控制器局域網(wǎng)絡(luò)等。Profibus簡介：profibus-dp,profibus-pa,profibus-fms第五部分檢測新技術(shù)Profibus特點(diǎn)：(1)全部設(shè)備均與總線連接。

(2)

每個分段上最多可接32個站（主站或從站）。

(3)

每段的頭和尾各有一個總線終端電阻，確保操作運(yùn)行不發(fā)生誤差。兩個總線終端電阻必須永遠(yuǎn)