通選課傳感器技術(shù)課件

第一章

傳感器技術(shù)概述1.傳感器定義傳感器——將被測量按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成便于應(yīng)用的某種物理量的裝置。被測量電量

目前，傳感器轉(zhuǎn)換后的信號大多為電信號。因而從狹義上講，傳感器是把外界輸入的非電信號轉(zhuǎn)換成電信號的裝置。2.傳感器的作用傳感器——類似于人的感覺器官，是人類感官的延伸。作用：將被測量轉(zhuǎn)換成電信號,傳送給測試系統(tǒng)中的后續(xù)環(huán)節(jié)。人體系統(tǒng)與機(jī)器系統(tǒng)的對應(yīng)關(guān)系激勵(lì)裝置傳感器被測對象信號調(diào)理反饋、控制顯示紀(jì)錄信號處理觀察者復(fù)雜測試系統(tǒng)(振動(dòng)測量)簡單測試系統(tǒng)(紅外體溫)分類法型式說明按被測量種類位移、溫度、壓力、流量這種分類便于傳感器的管理按工作原理分類應(yīng)變式、電容式、電感式、壓電式、光電式以傳感器對信號轉(zhuǎn)換的原理命名按被測量轉(zhuǎn)換特征（構(gòu)成原理）結(jié)構(gòu)型，如電容式，電阻應(yīng)變片；通過改變傳感器元件的參數(shù)實(shí)現(xiàn)信號轉(zhuǎn)換。物性型，如壓電式，水銀溫度計(jì)，雙金屬片依靠敏感元件本身物理性質(zhì)隨被測量變化實(shí)現(xiàn)信號轉(zhuǎn)換。按能量傳遞方式能量控制型，如RLC式傳感器輸出能量由外部供給，但受被測量控制。能量轉(zhuǎn)換型，如熱電偶溫度計(jì)傳感器輸出量直接由被測量能量轉(zhuǎn)換而得。按輸出量模擬式輸出量為模擬信號數(shù)字式輸出量為數(shù)字信號4.分類：5.傳感器選用原則

1.靈敏度：傳感器的靈敏度越高，可以感知越小的變化量，即被測量稍有微小變化時(shí)，傳感器即有較大的輸出。2.線性范圍：線性范圍愈寬，則表明傳感器的工作量程愈大。3.響應(yīng)特性：在所測頻率范圍內(nèi)盡量保持不失真。4.穩(wěn)定性：經(jīng)過長期使用以后，其輸出特性不發(fā)生變化的性能。影響傳感器穩(wěn)定性的因素是時(shí)間與環(huán)境。5.精確度:表示傳感器的輸出與被測量的對應(yīng)程度。傳感器精確度愈高，價(jià)格越昂貴，因此應(yīng)從實(shí)際出發(fā)來選擇。6.其它選用原則6.傳感器技術(shù)的應(yīng)用

1、日常生活

在家電產(chǎn)品和辦公自動(dòng)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，人們大量的應(yīng)用了傳感器和測試技術(shù)來提高產(chǎn)品性能和質(zhì)量。全自動(dòng)洗衣機(jī)中的傳感器：衣物重量傳感器，衣質(zhì)傳感器，水溫傳感器，水質(zhì)傳感器，洗凈度傳感器,液位傳感器，電阻傳感器(衣物烘干檢測)。指紋傳感器溫濕度傳感器溫度傳感器透光率傳感器（2）新產(chǎn)品開發(fā)廣州中鳴數(shù)碼的機(jī)器狗轉(zhuǎn)動(dòng)/移動(dòng)位置傳感器、力傳感器、視覺傳感器、聽覺傳感器、接近距離傳感器、觸覺傳感器、熱覺傳感器、嗅覺傳感器。（3）自動(dòng)控制香港理工AGV自動(dòng)送貨車模型石化企業(yè)輸油管道、儲油罐等壓力容器的破損和泄露檢測。（4）故障診斷（5）其他應(yīng)用航天農(nóng)業(yè)交通醫(yī)療2、實(shí)際測試系統(tǒng)輸入輸出之間的關(guān)系

實(shí)際測試系統(tǒng)是非理想定常線形系統(tǒng)，輸入輸出之間的關(guān)系是通過實(shí)驗(yàn)方法測到的，通常是一條曲線——定度曲線。3、描述靜態(tài)特性的參數(shù)（1）非線性度：定度曲線與擬合直線的接近程度。非線性度常用百分?jǐn)?shù)表示擬合直線的確定，常用的主要有兩種：端基直線和獨(dú)立直線。（1）端基直線是指通過測量范圍的上下限點(diǎn)的直線。顯然用端基直線來代替實(shí)際的輸入、輸出曲線，其求解過程比較簡單，但是其非線性度較差。（2）獨(dú)立直線是指使輸入與輸出曲線上各點(diǎn)的線性誤差

最小的直線。（2）靈敏度☆作用：用來描述測試系統(tǒng)對輸入信號變化的一種反應(yīng)能力。1、對于定常線性系統(tǒng)，其靈敏度恒為常數(shù)。2、實(shí)際的測試系統(tǒng)，靈敏度為定度曲線上該點(diǎn)處切線的斜率。3、量綱：取決于輸入和輸出量的單位。5.漂移：指測試系統(tǒng)在輸入不變的條件下，輸出隨時(shí)間而變化的趨勢。產(chǎn)生原因：儀器自身結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化；周圍環(huán)境的變化（如溫度、濕度等）對輸出的影響。最常見的漂移是溫漂，即由于周圍的溫度變化而引起輸出的變化。進(jìn)一步引起測試系統(tǒng)的靈敏度和零位發(fā)生漂移。零點(diǎn)漂移靈敏度漂移二、傳感器的動(dòng)態(tài)特性

傳感器的動(dòng)態(tài)特征是指在輸入量隨時(shí)間變化時(shí),測試系統(tǒng)對輸入信號的響應(yīng)特性。1、動(dòng)態(tài)特性的描述方法（1）時(shí)域微分方程在初始條件為零的前提下，定義傳遞函數(shù)其中s為復(fù)變量，特點(diǎn)：（2）傳遞函數(shù)

只反映系統(tǒng)本身的輸出特性,與輸入和初始狀態(tài)無關(guān)。

只反映系統(tǒng)的傳輸特性,與系統(tǒng)具體的物理結(jié)構(gòu)無關(guān)。

分母中的最高次冪n代表系統(tǒng)微分方程的階數(shù)。（3）頻率響應(yīng)函數(shù)在初始條件為零的前提下，定義頻率響應(yīng)函數(shù)求法：

即得(1)若已知,則在中，令，將其代入(2)若已知微分方程，作傅里葉變換，則(3)用實(shí)驗(yàn)方法求得：在初始條件全為零的條件下，同時(shí)測得輸入和輸出，由其傅里葉變換求得。物理意義：描述了系統(tǒng)的頻率特性。系統(tǒng)的幅頻特性系統(tǒng)的相頻特性

描述系統(tǒng)的簡諧輸入和其穩(wěn)態(tài)輸出的關(guān)系，不包含瞬態(tài)響應(yīng)信息。例1:已知系統(tǒng)的頻率響應(yīng)函數(shù)，求其幅頻特性和相頻特性及作圖。例２：設(shè)，，求系統(tǒng)的穩(wěn)定輸出。（4）脈沖響應(yīng)函數(shù)系統(tǒng)的輸入為單位脈沖函數(shù),即時(shí)，系統(tǒng)的輸出即為脈沖響應(yīng)函數(shù)。它是對測試系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的時(shí)域描述。系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性描述頻域－頻率響應(yīng)函數(shù)復(fù)數(shù)域－傳遞函數(shù)時(shí)域－脈沖響應(yīng)函數(shù)拉普拉斯變換對傅里葉變換對二、環(huán)節(jié)的串聯(lián)和并聯(lián)任何高階系統(tǒng)均可看成若干個(gè)一階系統(tǒng)或二階系統(tǒng)的串聯(lián)或并聯(lián)。1.環(huán)節(jié)的串聯(lián)兩個(gè)傳遞函數(shù)分別為和的環(huán)節(jié)串聯(lián)，假設(shè)它們之間沒有能量交換，在初始條件為零的情況下，串聯(lián)后的系統(tǒng)傳遞函數(shù)為：若系統(tǒng)由n個(gè)環(huán)節(jié)串聯(lián)而成，其傳遞函數(shù)為相應(yīng)地，系統(tǒng)的頻率響應(yīng)為其幅頻特性：相頻特性：2.環(huán)節(jié)的并聯(lián)系統(tǒng)總輸出為若系統(tǒng)由n個(gè)環(huán)節(jié)并聯(lián)而成，其傳遞函數(shù)為系統(tǒng)的頻率響應(yīng)為3.負(fù)載效應(yīng)：實(shí)際情況下各環(huán)節(jié)相聯(lián)時(shí)，后環(huán)節(jié)總是成為前環(huán)節(jié)的負(fù)載，環(huán)節(jié)間總是存在著能量交換和相互影響，以致系統(tǒng)的傳遞函數(shù)不再是各組成環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)的疊加或相乘。某系統(tǒng)由于后接另一系統(tǒng)而產(chǎn)生的種種現(xiàn)象。VER1R2Rm二、不失真測試條件輸入為，輸出為傅里葉變換可得：系統(tǒng)的頻率響應(yīng)為幅頻特性：相頻特性：測試系統(tǒng)不失真測試的條件。00思考題：若系統(tǒng)問此系統(tǒng)是否滿足不失真測試條件？例1:已知系統(tǒng)的幅頻特性和相頻特性如圖，對于輸入，求輸出，判斷是否失真。100100例2:已知系統(tǒng)的輸入，判斷是否失真。例3:已知系統(tǒng)的輸入，判斷是否失真。電阻式傳感器一、變阻式傳感器1.結(jié)構(gòu)：2.測量電路：不考慮外接電路影響時(shí)：考慮外接電路影響時(shí)：3.特點(diǎn)：(1)結(jié)構(gòu)簡單、使用簡便、穩(wěn)定性好。(2)分辨力低，受電阻絲直徑的限制。適合大位移的測量。(3)噪聲大。二、電阻應(yīng)變式傳感器1.結(jié)構(gòu)：絲式、箔式、金屬膜片2.工作原理：基于金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)。若金屬絲的長度為L，截面積為S，電阻率為ρ，其未受力時(shí)的電阻為R，則:如果金屬絲沿軸向方向受拉力而變形，靈敏度：3.特點(diǎn)：金屬應(yīng)變片的靈敏度較低，但其溫度穩(wěn)定性好，可用于對精度要求較高的測量。三、壓阻式傳感器1.原理：壓阻效應(yīng)靈敏度：兩種應(yīng)變片在工作原理上的區(qū)別：金屬應(yīng)變片－金屬材料受力后幾何變形→電阻的相對變化半導(dǎo)體應(yīng)變片－半導(dǎo)體材料受力后電阻率變化→電阻的相對變化2.特點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高，分辨率高，橫向效應(yīng)，機(jī)械滯后小。缺點(diǎn)：溫度穩(wěn)定性差，在較大應(yīng)變下，非線性誤差大。3.類型：半導(dǎo)體應(yīng)變式傳感器、擴(kuò)散型壓阻式傳感器三、應(yīng)變片的應(yīng)用1.直接測定結(jié)構(gòu)的應(yīng)變或應(yīng)力。2.作為傳感器的測量參數(shù)。四、轉(zhuǎn)換電路

應(yīng)變電壓或電流的變化4.4電感式傳感器

一、可變磁阻式傳感器按結(jié)構(gòu)型式變氣隙式螺管式變面積式線圈自感量為當(dāng)氣隙較小，且不考慮磁路的鐵損時(shí)，總磁阻于是，1.變氣隙式：靈敏度特點(diǎn)：靈敏度高，線性誤差小，適于測小位移。2.變面積式靈敏度特點(diǎn)：線性度好，量程大，但靈敏度較低。3.螺管式當(dāng)鐵芯在線圈中運(yùn)動(dòng)時(shí)，將改變磁阻，使線圈自感發(fā)生變化。特點(diǎn)：靈敏度低，但測量范圍大，適用于較大位移測量。4.差動(dòng)式5.測量電路:交流電路二、電渦流式傳感器原理：利用金屬體在交變磁場中的渦流效應(yīng)。按電渦流在導(dǎo)體內(nèi)的貫穿情況高頻反射式低頻透射式1.高頻反射式可以作為位移、振動(dòng)測量，也可進(jìn)行材質(zhì)鑒別或探傷、測溫度等。2.低頻透射式適于測量金屬材料的厚度。3.特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便，靈敏度高，抗干擾能力強(qiáng)。4.應(yīng)用電感式紙頁厚度測量儀原理圖三、差動(dòng)變壓器式傳感器原理：利用電磁感應(yīng)中的互感現(xiàn)象。1.互感現(xiàn)象2.差動(dòng)變壓器式傳感器(1)結(jié)構(gòu)變氣隙式變面積式螺管式(2)原理(3)特點(diǎn)：精度高，線性范圍大，穩(wěn)定性好。4.5電容式傳感器一、工作原理為真空介電常數(shù)，分類變－面積變化型變－介質(zhì)變化型變－極距變化型1.極距變化型C與成反比關(guān)系。靈敏度為使用時(shí)，減小初始極距來提高靈敏度。由于電容量C與極距δ呈非線性關(guān)系，將引起非線性誤差。為了減小這一誤差，通常規(guī)定測量范圍實(shí)際應(yīng)用中常采用差動(dòng)形式，可使靈敏度提高一倍。特點(diǎn)：靈敏度高，有線性誤差，適于小位移測量。2.面積變化型(1)直線位移型若兩極板間相互覆蓋長為，寬為，覆蓋面積為則電容靈敏度(2)角位移型若覆蓋面積對應(yīng)的中心角為，極板半徑為r

，覆蓋面積為

則電容靈敏度(3)圓柱體線位移型動(dòng)板左右移動(dòng)時(shí)，，則電容靈敏度(4)差動(dòng)圓柱體線位移型動(dòng)板上下移動(dòng)時(shí)，上下兩個(gè)電容量一增一減。特點(diǎn)：線性關(guān)系好，量程大；與極距變化型相比，靈敏度較低。適用于較大角位移及直線位移的測量。3.介電常數(shù)變化型

(1)測厚度、位移介質(zhì)層的溫度、濕度、厚度變化時(shí)，變化，從而引起變。(2)測液面高度二、測量電路被測量→電容變化→電壓、電流、頻率變化1.交流電橋2.運(yùn)算放大器電路：可解決極距變化型電容傳感器的非線性問題。三、電容傳感器特點(diǎn)與應(yīng)用

1.優(yōu)點(diǎn):(1)輸入能量小而靈敏度高。(2)信噪比大，穩(wěn)定性好。(3)動(dòng)態(tài)特性好，可用于動(dòng)態(tài)測量。(4)能量損耗小。(5)結(jié)構(gòu)簡單，適應(yīng)性好。2.缺點(diǎn):(1)極距變化型，非線性大。(2)電纜分布電容影響大。解決辦法：利用測量電路。解決辦法：利用集成電路；采用屏蔽電纜。3.應(yīng)用舉例(1)電容式測厚儀(2)電容式轉(zhuǎn)速傳感器4.6壓電式傳感器

工作原理是以某些物質(zhì)的壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)。既可將機(jī)械能→電能，又可將電能→機(jī)械能。一、壓電效應(yīng)

1.壓電效應(yīng)：2.逆壓電效應(yīng)（電致伸縮效應(yīng)）：施加電場，這些物質(zhì)就在一定方向上產(chǎn)生機(jī)械變形或機(jī)械應(yīng)力，當(dāng)外電場撤去時(shí)，這些變形或應(yīng)力也隨之消失。如果在這些物質(zhì)的極化方向時(shí)，在表面上將產(chǎn)生電荷；當(dāng)外力去掉后，又重新回到不帶電狀態(tài)的現(xiàn)象。某些材料，當(dāng)沿著一定方向?qū)ζ浼恿Χ蛊渥冃味弘姴牧霞捌涮匦跃哂袎弘娦?yīng)的敏感功能材料叫壓電材料。常用的壓電材料：壓電單晶體、壓電陶瓷、新型壓電材料1.壓電單晶體－石英()、鈮酸鋰()2.壓電陶瓷鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛特點(diǎn)：壓電常數(shù)大，靈敏度高，價(jià)格低廉。3.新型壓電材料

在壓電晶片的兩個(gè)工作面上進(jìn)行金屬蒸鍍，形成金屬膜，因此就構(gòu)成一個(gè)電容器。其電容量為三、等效電路電荷等效電路電壓等效電路壓電式傳感器適合作動(dòng)態(tài)測量。四、壓電元件常用的結(jié)構(gòu)形式串聯(lián)

并聯(lián)適合以電壓作為輸出的場合。適合測量緩變信號和以電荷量作為輸出的場合。五、應(yīng)用壓電式壓力傳感器壓力變送器加速度計(jì)力傳感器產(chǎn)品:壓電材料換能器4.7磁電傳感器包括磁電感應(yīng)傳感器、霍爾傳感器。一、磁電感應(yīng)傳感器(感應(yīng)式傳感器、電動(dòng)傳感器)

根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，線圈在磁場中運(yùn)動(dòng)切割磁力線或線圈所在磁場的磁通變化時(shí)，線圈中會產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢

恒定磁通式變磁通式根據(jù)改變參數(shù)的不同1.恒定磁通式2.變磁通式常用來測量旋轉(zhuǎn)物體的角速度。二、霍爾傳感器霍爾效應(yīng)：金屬或半導(dǎo)體薄片置于磁場中，當(dāng)有電流流過時(shí)，在