傳感器與檢測(cè)技術(shù)復(fù)習(xí)課

傳感器與檢測(cè)技術(shù)復(fù)習(xí)課課程介紹本課程包括自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)的基本知識(shí)、傳感器原理與應(yīng)用、檢測(cè)儀表以及自動(dòng)檢測(cè)的新進(jìn)展等幾部分內(nèi)容。第一部分介紹傳感器與檢測(cè)技術(shù)的基本概念、測(cè)量誤差與數(shù)據(jù)處理以及傳感器的靜動(dòng)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(cè)量技術(shù)。第四部分介紹非電物理量測(cè)量，包括：壓力和力的測(cè)量、位移速度加速度測(cè)量、流量物位測(cè)量等。第五部分介紹自動(dòng)檢測(cè)新進(jìn)展，包括現(xiàn)場(chǎng)總線、虛擬儀器等。

第一部分傳感器與檢測(cè)技術(shù)的基本概念1.傳感器的定義：能感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)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(cè)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(dòng)、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(cè)技術(shù)的基本概念4.檢測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成第一部分傳感器與檢測(cè)技術(shù)的基本概念傳感器測(cè)量電路輸出單元被測(cè)量傳感器：把被測(cè)非電量轉(zhuǎn)換成為與之有確定對(duì)應(yīng)關(guān)系，且便于應(yīng)用的某些物理量（通常為電量）的測(cè)量裝置。測(cè)量電路：把傳感器輸出的變量變換成電壓或電流信號(hào)，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(cè)或反饋信號(hào)。輸出單元：指示儀、記錄儀、累加器、報(bào)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(duì)真值、示值、標(biāo)稱值絕對(duì)誤差、修正值、相對(duì)誤差、引用誤差精度等級(jí)、準(zhǔn)確度、精密度、精確度最大允許誤差，按精度要求選擇測(cè)量?jī)x表，舉例：第一部分傳感器與檢測(cè)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(shí)延比對(duì)法、理論分析計(jì)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(duì)稱性、有界性、抵償性)、評(píng)價(jià)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(cè)技術(shù)的基本概念第一部分傳感器與檢測(cè)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(dòng)時(shí)所得特性曲線不一致的程度；零漂—傳感器在長(zhǎng)時(shí)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(dòng)態(tài)特性：傳感器的輸出對(duì)隨時(shí)間變化的輸入量的響應(yīng)特性。反映輸出值真實(shí)再現(xiàn)變化著的輸入量的能力。研究傳感器的動(dòng)態(tài)特性主要是從測(cè)量誤差角度分析產(chǎn)生動(dòng)態(tài)誤差的原因以及改善措施。 時(shí)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(cè)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(shí)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(cè)量電路

R1+⊿R1R2R4R3UILRLIL=0時(shí)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(hào)的相位，要在后續(xù)電路中配置相敏檢波器來(lái)解決第二部分傳感器原理(2)差動(dòng)變壓器差動(dòng)變壓器是把被測(cè)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(jí)繞組用差動(dòng)的形式連接，故稱之為差動(dòng)變壓器式傳感器。有變隙式、變面積式和螺線管式三種。差動(dòng)變壓器的應(yīng)用有：力和力矩的測(cè)量、微小位移的測(cè)量、壓力測(cè)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(dòng)態(tài)響應(yīng)好，適合高頻測(cè)量；有泄漏電容不適合靜態(tài)測(cè)量。第二部分傳感器原理uC-ACx∑～u0運(yùn)算放大器式測(cè)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(dòng)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(dòng)勢(shì)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(jì)、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(cè)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(shí)產(chǎn)生的人為誤差，便于用計(jì)算機(jī)處理。最簡(jiǎn)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(shí)，編碼中只有一位發(fā)生變化，不會(huì)產(chǎn)生粗大誤差。應(yīng)用：光學(xué)碼盤測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)量精度要求不高且溫度較低的場(chǎng)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(cè)溫原理：兩種不同的金屬A和B構(gòu)成閉合回路，當(dāng)兩個(gè)接觸端T﹥T0時(shí)，回路中會(huì)產(chǎn)生熱電勢(shì)。熱電勢(shì)由兩種材料的接觸電勢(shì)和單一材料的溫差電勢(shì)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(cè)量某一溫度，若參比端溫度T0=30℃，測(cè)得的熱電勢(shì)E(T,Tn)=7.5mV，求測(cè)量端實(shí)際溫度T。查分度表有E（30，0）=0.173mV反查分度表有T=830℃，測(cè)量端實(shí)際溫度為830℃上一頁(yè)下一頁(yè)返回第二部分傳感器原理(3)非接觸式測(cè)溫高溫測(cè)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(duì)零度以上時(shí)，都會(huì)以一定波長(zhǎng)電磁波的形式向外輻射能量。輻射式測(cè)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(cè)量時(shí)，只需把溫度計(jì)光學(xué)接收系統(tǒng)對(duì)準(zhǔn)被測(cè)物體，而不必與物體接觸，因此可以測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體的溫度并不會(huì)破壞物體的溫度場(chǎng)。此外，由于感溫元件只接收輻射能，不必達(dá)到被測(cè)物體的實(shí)際溫度，從理論上講，它沒有上限，可以測(cè)量高溫。非接觸測(cè)溫儀表分類：光學(xué)高溫計(jì)、輻射式溫度計(jì)第三部分電參量測(cè)量系統(tǒng)1、頻率時(shí)間和相位的測(cè)量計(jì)數(shù)法頻率測(cè)量方法。計(jì)數(shù)法測(cè)量原理測(cè)頻方式和測(cè)周方式的差異。第三部分電參量測(cè)量系統(tǒng)頻率的模擬測(cè)量⑴直讀法測(cè)頻⑵比較法測(cè)頻⑶示波器測(cè)量頻率①電橋法測(cè)頻②諧振法測(cè)頻③頻率-電壓(f-V)轉(zhuǎn)換法測(cè)頻第三部分電參量測(cè)量系統(tǒng)2、電壓和電流的測(cè)量普通直流電壓表(1)直流電壓測(cè)量直流電子電壓表如要求滿量程為10V時(shí)表頭通過電流100uA，求電阻R=?第三部分電參量測(cè)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(cè)參數(shù)轉(zhuǎn)換成直流電壓，就可構(gòu)成測(cè)量該被測(cè)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(cè)儀表的核心器件，用途很廣。第三部分電參量測(cè)量系統(tǒng)交流電壓測(cè)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(cè)量方法：檢波—放大式、放大檢波式、外差式。第三部分電參量測(cè)量系統(tǒng)電流的測(cè)量電流表直接測(cè)量方法電流－電壓轉(zhuǎn)換法電流－磁場(chǎng)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(cè)量系統(tǒng)３、阻抗的測(cè)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(cè)量系統(tǒng)直流電阻的測(cè)量電表法比例運(yùn)算器法電橋法四端法測(cè)小電阻沖擊電流法測(cè)大電阻

第三部分電參量測(cè)量系統(tǒng)交流阻抗的測(cè)量交流四臂電橋數(shù)字式阻抗測(cè)量?jī)x第四部分非電量測(cè)量系統(tǒng)１、壓力測(cè)量壓力的基本定義：壓力的表示方法：大氣壓力、表壓力、絕對(duì)壓力、負(fù)壓力、真空度第四部分非電量測(cè)量系統(tǒng)壓力的計(jì)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(jì)彈性力壓力計(jì)力平衡式壓力計(jì)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(cè)量類似壓力測(cè)量。第四部分非電量測(cè)量系統(tǒng)２、運(yùn)動(dòng)量檢測(cè)技術(shù)(1)位移測(cè)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(zhǎng)度測(cè)量：游標(biāo)卡尺、外徑千分尺等。圓度測(cè)量：表面粗糙度測(cè)量：速度測(cè)量：線速度測(cè)量和角速度測(cè)量。有微積分法、線速度角速度轉(zhuǎn)換法、速度傳感器法、時(shí)間位移計(jì)算法彈丸飛行速度測(cè)量：時(shí)間位移法多普勒法多普勒測(cè)速原理：設(shè)有一個(gè)波源，以fo

的頻率發(fā)射電磁波，而接受體以速度V相對(duì)于此波源運(yùn)動(dòng)。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(zhǎng)。fd稱為多卜勒頻移。多普勒測(cè)速儀應(yīng)用實(shí)例：衛(wèi)星跟蹤測(cè)軌、醫(yī)學(xué)血液流速測(cè)量等。 第四部分非電量測(cè)量系統(tǒng)第四部分非電量測(cè)量系統(tǒng)加速度測(cè)量：各種加速度計(jì)：壓電式、壓阻式、應(yīng)變式、電容式等。３、流量測(cè)量方法單位時(shí)間內(nèi)流過管道內(nèi)某一截面的流體數(shù)量，稱為瞬時(shí)流量。在某一段時(shí)間間隔內(nèi)流過管道某一截面的流體量的總和，即瞬時(shí)流量在某一段時(shí)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(jì)、激光流速傳感器。第四部分非電量測(cè)量系統(tǒng)第四部分非電量測(cè)量系統(tǒng)４、物位檢測(cè)技術(shù)液位測(cè)量方法直接測(cè)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(cè)方法重錘探測(cè)法、稱重法、電磁法、聲學(xué)法、光學(xué)法等。相界面的檢測(cè)液液相界面檢測(cè)－－類似液位檢測(cè)液固相界面檢測(cè)－－類似料位檢測(cè)。第五部分檢測(cè)新技術(shù)１、現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)(1)概念：用于過程自動(dòng)化、制造自動(dòng)化、樓宇自動(dòng)化等領(lǐng)域的現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備互連通訊網(wǎng)絡(luò)。(2)現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)：(3)現(xiàn)場(chǎng)總線通信特點(diǎn)：實(shí)時(shí)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(chǎng)總線：基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線、過程現(xiàn)場(chǎng)總線、局部操作網(wǎng)絡(luò)、控制器局域網(wǎng)絡(luò)等。Profibus簡(jiǎn)介：profibus-dp,profibus-pa,profibus-fms第五部分檢測(cè)新技術(shù)Profibus特點(diǎn)：(1)全部設(shè)備均與總線連接。

(2)

每個(gè)分段上最多可接32個(gè)站（主站或從站）。

(3)

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