傳感器與檢測技術筆記

傳感器與檢測技術 2202第一章：概述傳感器的定義:傳感器是能夠感受規(guī)定的被測量并按照一定規(guī)律轉換成可用輸出信號的器件或裝置。第一節(jié) ：機電一體化常用傳感器一傳感器的組成1敏感元件：一直感受被測物力量并以確定關系輸出另一物理量元件2轉換元件：將敏感元件輸出的非電量轉換成電路參數3基本轉換電路：將電信號轉換成便于輸出，處理的電量傳感器的組成原理

：被測量

------敏感元件

---轉換元件

---基本轉換電路

----電量二 傳感器的分類按被測量對象分類內部信息傳感器：主要檢測系統內部的位置，速度，力，力矩，溫度以及異常變化②外部信息傳感器：主要檢測系統外部環(huán)境，它與人體五種器官相對應的接觸式和非接觸式按工作機理分類① 物性型傳感器：利用某種物質的某種性質隨被測參數的變換而變化的激勵制成式傳感器，壓電式傳感器等② 結構型傳感器：利用物理學中廠的定律和運動定律等構成的，其被測參數變化引起傳感器的結構變換，從而使輸出電量變化，電感式傳感器，電容式傳感器，關山是傳感器都是這種類型。

的如光電按照被測物理量分類表明了傳感器的用途，便于使用者選擇。按照工作機理按照傳感器能量源分類① 無源型（能量轉換型）：不需要外加電源，而是將被測相關兩轉換成電量輸出如 壓電式磁電感應式，電熱式，光電式等傳感器②有源型（能量控制型）：需要外加電源這類傳感器有電阻式，電容式，電感式，霍爾式等，電阻式有光敏電阻，熱敏電阻，濕敏電阻等形式按照輸出信號的性質分類① 開關型（二值型）：接觸型（微動開關，行程開關，接觸開關）非接觸型（光電開關，接觸開關）傳感器

模擬型數字型

：電阻型（電位器，電阻應變片）電壓電流型（熱電偶，光電電池）電感，電容型（電感，電容式位置傳感器）：計數型代碼型三 傳感器的特性及主要性能指標傳感器的特性主要是指輸出與輸入之間的關系，有靜態(tài)特性和動態(tài)特性1．靜態(tài)特性：當傳感器的輸入量為常數或隨時間作緩慢變化時，

傳感器的輸出與輸入之間的關系2．動態(tài)特性：傳感器的輸出量對于隨時間變化的輸入量的響應特性3．傳感器的性能指標（ P5牢記）傳感器的性能要求①高精度，低成本② 高靈敏度③ 工作可靠④ 穩(wěn)定性好⑤ 抗干擾能力強⑥ 動態(tài)特性好⑦ 結構簡單，小巧第二節(jié) 傳感檢測技術的地位和作用第三節(jié) 重點：傳感器及檢測系統基本特性的評價值白哦與選擇則原則一、測量范圍及量程①測量范圍：傳感器在允許誤差限內，其被測量值的范圍②量程：傳感器在測量范圍內的最高值與最低值之差③過載能力：在不導致引起傳感器規(guī)定性能直白哦永久改變的條件下傳感器允許超過其測量范圍的能力④過載能力通常用超值除以量程二靈敏度①靈敏度：傳感器的輸出量的變化量與引起變化的輸入量的變化量之比②總靈敏度：k=k1*k2.....kn③靈敏度誤差：rs=k0/k0④靈敏度表示傳感器或者傳感器檢測系統對被測物理量變化的反應能力。⑤一般靈敏度越高越好，因為靈敏度高，傳感器所能感知的變化量越小：三線性度（越趨近于直線越好）用手寫上四重復性① 重復性是衡量在同一工作條件下，對同一被測量進行多次連續(xù)測量所得結果之間的不一致程度② 所得結果分散范圍越小，重復性越好五穩(wěn)定性① 穩(wěn)定性：在相同時間，相當長時間內，其輸入 /輸出特性不發(fā)生變化的能力。② 穩(wěn)定性一般以室溫條件下經過一定時間后傳感器的輸出與起始標定時輸出的差異來表示③ 影響傳感器穩(wěn)定性的因素是 時間和環(huán)境六精確度（高-----越接近實際值）① 精確度簡稱精度：傳感器的輸出結果與被測量的實際值之間的符合程度，是檢測值的精密程度與準確程度的綜合反映七 動態(tài)特性① 傳感器的動態(tài)特性反映了傳感器對于隨時間變化的動態(tài)量的響應特性② 傳感器的響應特性必須在所測頻率范圍內努力保持不是真的測量條件第四節(jié) 傳感器的標定與校準標定：在明確傳感器輸入輸出變換關系的前提下，利用某種標準器具產生已知的標準非電量輸入，確定其輸出電量與輸入量之間的關系的過程校準：進行校核傳感器的標定系統的組成①被測非電量的標準發(fā)生器或被測非電量的標準測試系統②待標定傳感器③它所配接的信號調節(jié)器及顯示，記錄器等力值傳遞系統①國家標準測力計（國家一級計量中心）-----允許測量誤差：正負0..001%②一級標準測力機(省部一級計量站)正負0.01%③二等標準測力計（市企業(yè)計量站）正負0.1%④ 三等標準測力計，傳感器 ------------------------------- 正負0.3-0.5%注意：力值傳遞系統只能按此系統用上一級標準裝置檢測下一集傳感器及配套儀表一 靜態(tài)標定① 靜態(tài)標定：給傳感器輸入已知不變的標準非電量，測出其輸出，給出標定曲線，標定方程和標定常數，計算其靈敏度，線性度，等傳感器的靜態(tài)指標② 靜態(tài)標定系統的關鍵在于被非電量的標準發(fā)生器及標準測試系統二動態(tài)標定① 動態(tài)標定的目的：檢驗測試傳感器的動態(tài)性能指標。第五節(jié) 傳感器與檢測技術的發(fā)展方向一、 開發(fā)新型傳感器① 利用新材料制作傳感器② 利用新加工技術制作傳感器③ 采用新原理制作傳感器二 傳感器檢測技術的智能化① 傳感檢測系統目前正由模擬式，數字式向智能化方向發(fā)展三 復合傳感器① 復合傳感器是同時檢測幾種物理量具有復合檢測功能的傳感器四 研究生物感官，開發(fā)仿生傳感器第二章 位移檢測傳感器位移：線位移 和 角位移電測法：利用各種傳感器講位移量變換為電量或電參數，再經后接測量儀器進一步變換完成對位移檢測的一種方法第一節(jié)：參量型位移傳感器參量型位移傳感器工作原理 ：將被測物理量轉化為電參數（電阻，電感，電容）一、電阻式位移傳感器① 其電阻值取決于材料的幾何尺寸和物理特性公式如下：改變其中任意參數都可以使電阻值發(fā)生變化。③電位計和應變片就是根據這個原理制成的④電位計是一種常用的機電元件⑤ 電位計的電阻元件通常有： 1線繞電阻薄膜電阻導電塑料電位計優(yōu)點：結構簡單，輸出信號大，性能穩(wěn)定，并容易實現任意函數關系。缺點：要求輸出能量大，電刷與電阻元件之間有干摩擦，產生噪音公式如下⑦ 階梯特性：對于線繞電位計，其電阻和電壓輸出空載特性并不是一條理想直線，而是成階梯狀它限制了線繞電位計的精度和分辨力⑧ 非線性電位計空載特性：非線性電位計其輸出電壓與電刷位移直接按具有非線性函數關系。⑨ 階梯誤差不是常數，最大階梯誤差發(fā)生在特性曲線斜率最高處二電阻應變式位移傳感器① 電阻應變式位移傳感器是將被測位移引起的應變元件產生改變，經后續(xù)電路變換成電信號輸出，從而測出位移三 電容式位移傳感器① 電容式位移傳感器是利用電容量的變化來測量線位移或角位移的裝置② 分類：變極距型，變面積型，變介質型。1．變極距型（小位移） 公式如下變面積型① 可用于線位移測量和角位移測量② 分類：平板型極板，圓筒型極板或者鋸齒型。這類傳感器輸入公式如下

/輸出具有線性特性變介質型（測液面）公式如下容柵式電容位移傳感器（大量程）容柵式電容位移傳感器是在面機型電容位移傳感器發(fā)展起來的一種新型電容位移傳感器②分為：長容柵和圓容柵公式如下容柵式電容傳感器因多級電容及平均效應，所以分辨率高，精度高，量程大（測量范圍大）四電感式位移傳感器電感式位移傳感器是將被測物理量位移轉化為自感，

護肝的變化，并通過測量電感量的變化確定位移量主要類型：自感事，互感式，渦流式，壓磁式。電感式位移傳感器優(yōu)點：輸出功率大，靈敏度高，穩(wěn)定性好① 自感式② 互感式位移傳感器 --差動變壓器的工作原理與結構互感式位移傳感器是將被測位移量的變化轉換成互感系數的變化，其基本結構原理與常變壓器類似（變壓器式位移傳感器）互感式位移傳感器常接成差動形式故稱 --差動變壓器式位移傳感器產生零點殘壓的原因：由于兩次側線圈的結構不對稱，一次側線圈銅損電阻的存在，鐵磁材料不均勻，線圈間的分布電容等因素③ 渦流式位移傳感器渦流式位移傳感器：是利用電渦流效應將被測量變換為傳感器線圈阻抗 Z變化的一種裝置。渦流 ：塊狀金屬屬于變化的磁場中或在磁場中運動史，金屬體內都要產生感應電流，此電流的流線在金屬體內自己閉合分類：高頻反射，低頻透射流式位移傳感器的特點：結構簡單，易于進行非接觸測量，靈敏度高，應用廣泛，可測位移，厚度，振動第二節(jié)發(fā)電型位移傳感器電壓位移傳感器①發(fā)電型位移傳感器是將被測物理量轉換為電源性參量，如電動勢，電荷②壓電式位移傳感器的工作原理是將位移量轉換為力的變化，然后利用壓電效應將力的變：化轉換為電信號第三節(jié) 大位移傳感器一 磁柵式位移傳感器① 分類：長礠柵 用于測量線位移圓磁珊 用于測量角位移② 磁頭：a.動態(tài)磁頭（速度磁頭），只有一個繞組，當磁頭相對運動是再有信號輸出輸出正弦波，同名磁極處輸出信號最強b. 靜態(tài)磁頭（磁通響應式磁頭） ，有兩個繞組：勵磁繞組，輸出繞組公式如下③ 實際上靜態(tài)磁頭有兩種二 光柵式位移傳感器① 分類：長光柵 -----測量線位移圓光柵-----測量角位移②長光柵位移傳感器的工作原理：長光柵式在兩個光學玻璃上或具有強反射能力的金屬表面上，客商相同的均勻密集的平行線。如果將這兩塊玻璃板重疊放置，并在可仙劍留一小角，由于光的干涉效應在光柵垂直方向產生明暗相間的條文，莫爾條紋，根據莫爾條紋設計的光柵傳感器公式如下三 感應同步器① 感應同步器是利用電磁感應原理將線位移和角位移轉換成電信號的一種裝置。② 感應同步器有一個固定繞組和一個可動繞組③ 鑒相式：根據脈沖發(fā)生器發(fā)出頻率一定的脈沖序列，經脈沖相位變換器進行分頻，輸出參考信號方波和指令信號方波鑒幅式：根據感應電動勢的幅值鑒別位移量公式如下

x的大小四 激光式位移傳感器① 組成：激光器，光學元件。光電轉換元件，構成了激光測量系統，將被測量轉換為電信號② 優(yōu)點：精度高，測量范圍大，測試時間段，非接觸，易數字化，效率高第三章 力，扭矩和壓力傳感器第一節(jié)

測力傳感器用于測量力的傳感器多為：電氣式。電氣式測力傳感器，根據轉換方式分為：

1參量型2發(fā)電型

電阻應變式壓電式

電容式壓磁式

電感式一 電阻應變式測力傳感器① 工作原理：將力作用在彈性元件上，彈性元件在力作用下產生應變，利用貼在彈性元件上的應變片將應變轉換為電阻的變化②柱形

彈性元件：薄壁環(huán)型梁型③金屬絲的作用：感受機械測試的應變變化④壓阻效應：固體受到應力作用時，其電阻率發(fā)生變化⑤應變效應：電阻絲的集合尺寸發(fā)生變化引起的⑥半導體應變片的應變靈敏度系數比電阻應變片大，因而適用于需要大信號輸出的場合。此外，半導體應變片橫向效應小，其橫向靈敏度幾乎是0，機械滯后小，可以做成小型和超小型片子，這對測量局部應變很有用。⑦半導體應變片缺點：離散性大，機械強度低，非線性誤差大，溫度系數大。二壓電式力傳感器①壓電式力傳感器是基于電壓元件的壓電效應而工作的②壓電效應：1正壓電效應：當某些晶體沿著某一方向受外力作用變形時，在其相應的兩個相對表面產生極性相反的電荷，當外力去掉后，又恢復到不帶電狀態(tài)2 逆壓電效應：在某些晶體的極化方向施加外電場，晶體本身將產生機械變形，當外電場撤去后，變形也隨之消失P42重點③ 壓電式力傳感器是利用電晶體的縱向和剪切向電效應。三 壓磁式力傳感器① 壓磁效應：在機械力作用下，鐵磁材料內部產生力，或應力變化，是磁阻率變化。② 常用的鐵磁材料： 硅鋼片 坡莫合金用鐵磁材料做成的彈性體稱為鐵磁體稱為鐵磁體或者壓磁元件第二節(jié)

扭矩傳感器

pass：第三節(jié) 壓力傳感器一液柱式壓力轉換原理①液柱式壓力計是利用液柱產生的壓力與被測介質壓力相平衡的原理進行測壓。二活塞式壓力轉換原理①廣泛應用與基準和標定工作中，利用力的平衡原理制成三彈性式壓力傳感元件①指針式壓力計和壓力傳感器都是根據彈性變形原理工作的。②感受壓力的彈性元件是壓力傳感器的關鍵元件③彈性敏感元件：波燈管膜片波紋管（大多數指針壓力機的彈性元件）四電量式壓力計電量式壓力計是用各種傳感器或測量元件將壓力變換成電量或電參數，在京后接相應電路進一步變換，最后由顯示和記錄儀顯示或記錄下來以實現壓力測量的裝置① 電容式壓力傳感器：將壓力轉換成電容的變化，經電路變換成電量輸出特點：靈敏度高，適合測量微壓，抗干擾能力較強② 應變式壓力傳感器：利用應變片將彈性元件在壓力作用下產生的應變轉換成電量的變化。③ 壓阻式壓力傳感器：利用壓阻效應將壓力變換成電阻的變化實現壓力測量。特點：頻響款，動態(tài)效應快，測量范圍從吉 Pa到3乘以10的九次方，特別適用于爆炸，沖擊壓力的測量④ 電感式壓力傳感器：將壓力變換成電感變化，在通過測量電路在講電感變化轉換成電量實現壓力測量優(yōu)點：頻響低，適合靜態(tài)，變化緩慢的壓力的測試⑤ 渦流式壓力傳感器：利用渦流效應將壓力變換成相勸阻抗的變化，在經測量電路轉換成電量。優(yōu)點：良好的動態(tài)特性，適合在爆炸等極其惡劣的條件下工作，如測沖擊波⑥霍爾式壓力傳感器：工作原理----當霍爾元件通過恒定電流適，產生與被測雅典成正比的霍爾式電動勢，完成壓電至電量的變換特點：頻響低，適合靜態(tài)，變化緩慢壓力的測量⑦壓電式壓力傳感器：壓力通過薄片或活塞，壓塊作用在晶片上，晶片產生呢個了電荷，經后接放大器的變換，由顯示或記錄器顯示或記錄，實現對壓力的測量適用于測量動態(tài)力和沖擊力，但不適于測靜態(tài)力。：第五章 視覺觸覺傳感器第一節(jié) 視覺傳感器視覺傳感器在機電一體化中的作用① 進行位置檢測：進行圖像識別③ 進行物體形狀尺寸缺陷的檢測視覺傳感器以光電變換為基礎，一般由以下四部分組成① 照明部：充分發(fā)揮傳感器性能的重要條件② 接受部：抽出有效信息的功能③ 光電轉換部：將光學信息轉換成電信號④ 掃描部：將二維圖像的電信號轉換為時間序列的一維信號視覺傳感器：接受部，光電轉換部，掃描部分一光電式攝影機原理①這種攝影機是由接受部，光電轉化部，掃描部組成的二維視覺傳感器二固體半導體攝影機原理①它是由許多光電二極管組成陣列，作為攝影機的感光部分以代替光導攝像管。②固體半導體攝影機由攝像元件，信號處理電路，驅動電路和電源組成③工作原理：三激光式視覺傳感器原理①利用激光作為定向性高密度光源的視覺傳感器典型構成原理四紅外圖像傳感器①紅外圖像傳感器是把波長2---20的紅外光圖像變換成如同電視圖像的時序掃描信號輸出傳感器② 有紅外敏感元件和電子掃描電路組成例如：熱點型紅外線敏感元件將被測物體發(fā)出的紅外作為熱源，接受其能夠產生熱點效應而變成電信號第二節(jié) 人工視覺一 人工視覺系統的硬件構成構成：① 圖像輸入：通過視覺傳感器將對象物體變?yōu)槎S或三維圖像， 在經光電變換將光信號變?yōu)殡娦?號， 通過掃描采樣將圖像分解成許多像素，在把表示各個像素信息的數據輸入計算機進行圖像處理① 圖像處理：是在研究圖像時，對獲得的圖像信息驚醒預處理（前處理） ，來濾去干擾噪聲并作幾何，色彩方面校正，來提高噪聲比圖像處理的目的：主要是改善圖像的質量，以利用進行圖像識別② 圖像存儲：將各個信息送到存儲器中的存儲。③ 圖像輸出：一類是只要求知道處理結果二類是可以長時間保存結果二物體識別① 物體圖像信息的輸入：被輸入的信息主要有：明亮度信息，顏色信息，距離信息② 圖像信息的處理技術和方法前處理：將全部像素的集合進行再處理，以構成為線段或區(qū)域等有效的像素組合，從所需要的物體圖像中去掉不必要的像。③ 圖像處理的方法：微分法，區(qū)域法 常用的一次微分方法用于求梯度第三節(jié) 觸覺傳感器觸覺感知是否同其他物體接觸 人的觸覺：接觸覺，壓覺，力覺，冷熱絕，滑動覺，痛覺等。① 接觸覺傳感器，硅橡膠與金屬電極對置，接觸。由于硅橡膠受壓其電阻值就改變。② 壓覺傳感器③ 滑動覺傳感器被用于工業(yè)機器人手指把吃面與操作對象之間的相對運動，以實現實時控制指部的夾緊力。他與觸覺，壓覺傳感器的不同之處是僅檢測指部與操作物體在切向的相對位移，而不是檢測接觸便面法向的接觸或壓力。第六章 溫度傳感器溫度是經常要進行測量的一個物理量。溫度代表物質的冷熱程度，是物質內部分子運動劇烈程度的標志。接觸式的特點：感溫元件與被測對象直接物理接觸，進行熱傳導。非接觸式特點：感溫原件與被測對象不物理接觸，而通過熱輻射進行熱傳遞第一節(jié) 熱偶式溫度傳感器① 熱偶式溫度傳感器屬 于接觸式熱電動勢型傳感器，工作原理基于熱電效應② 熱點效應：接觸點的溫度不同，回路中將長生熱電動勢，并有電流通過，把熱能轉換成熱電能的現象③ 熱電動勢： 接觸電動勢：兩種不同道題的自由電子密度不同在接觸處形成的電動勢溫差電動式：同一根導體中兩端溫度不同而產生的電動勢④ 熱電動勢的大小與兩種金屬材料及熱鍛與冷鍛的溫度差有關二 熱電偶的組成，分類特點① 組成：熱電極，絕緣材料，接線盒，保護套。② 分類：普通熱電偶：用于測量液體和氣體的溫度鎧裝熱電偶：特點：測量結熱容量小，熱慣性小，動態(tài)響應快，適合 普通熱電偶不能測量的空間溫度薄膜熱電偶：特點：電容小，時間常數小，反映速度快并聯熱點偶：熱電偶可用于測量平均溫度串聯熱電偶：輸出電動勢是每個電動勢之和③ 熱電偶輸出電動勢反映出兩個結點之間的溫度差，為了使輸出電動勢本報告正確反映被測溫度的真實值，要求參考端的溫度 T0恒為0，但是實際熱電偶使用的環(huán)境不能保證 T0所以就得采取方法處理。常用的方法有恒溫法，

為0。溫度修正法電橋補償法冷鍛補償法電位補償法第二節(jié) 電阻式溫度傳感器分類：金屬熱電阻：熱敏電阻式一金屬熱電阻式溫度傳感器① 測溫機理：金屬導體兩端加壓后，使其內部雜亂無章運動的自由電子形成有規(guī)律的定向運動，而使導體導電。當溫度升高是， 由于自由電子獲得較多的能量， 能從定向運動中掙脫出來，從而定向運動被消弱，導電率降低，電阻率增大。二 熱敏電阻式溫度傳感器① 測溫機理：在低溫下，電子 ---空穴濃度很低，故電阻率很大，隨著溫度的升高，電子 ---空穴的濃度按指數規(guī)律增加，電阻率迅速見效公式如下② 分類：正溫度系數熱敏電阻：在測量溫度范圍內，其阻值隨溫度增加而增加最高溫度通常不超過 140度臨界溫度熱敏電阻的特點：在臨界溫度附近電阻有急劇變化，因此不適于叫寬溫度范圍內的測量負溫度系數熱敏電阻： 其阻值隨溫度增加而呈下降趨勢， 一般用于（負50到300度）之間的測量第三節(jié)

非接觸式溫度傳感器這種傳感器采用熱輻射和光電檢測的方法測量溫度工作機理：當物體受熱后電子運動的動能增加，有一部分熱能轉變?yōu)闊彷椛淠?，輻射能量的多少與物體的溫度有關。當物體溫度降低時，熱毒蛇能力很弱，當溫度較高時，輻射能力很強當溫度高于一定值之后，可以用肉眼觀察到發(fā)光，其發(fā)光亮度與溫度值有一定關系。分類：① 全輻射式溫度傳感器：利用物體在全光譜范圍內總輻射能量與溫度的關系測量溫度。1由于實際維耶里的吸收能力小魚絕對黑體， 所以用圈輻射溫度傳感器測的溫度總是低于物體的真實溫度② 亮度式溫度傳感器：利用物體的單色輻射量度隨溫度變化的原理，并以被測物體光譜的一個狹窄區(qū)域內的亮度與標準輻射體的亮度驚醒比較來測量溫度亮度式溫度傳感器的形式：燈絲隱滅式亮度傳感器：以其內部高溫燈泡燈絲的單色亮度作為標準，并以被測輻射體的單色亮度進行比較來測溫。光電亮度式溫度傳感器： 利用光電元件進行亮度比較， 從而實現自動化③ 比色式溫度傳感器：一測量兩個波長的輻射量度之比為基礎。通常將波長選在光譜的紅色和藍色區(qū)域內、如果兩個波長的單