第一章传感器

第一章传感器一、定义：能感受（或响应）规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号输出的器件或装置。组成：通常由敏感元件和转换元件及相应的电子线路组成。作用：传感器实际上是一种功能块，其作用是将来自外界的各种信号转换成电信号。分类：物理型，化学型，生物型。物理型：按原理分：物性型传感器，利用物理特性变化实现信号的转换。（热敏电阻）结构型传感器,利用其结构参数变化实现信号转换。（变极距型电容式传感器）按输出信号表示形式：模拟式（阻抗型、电压型）数字式二、微机化建检测系统优点：1、自动调零功能2.量程自动切换功能3.多点快速测量4.数字滤波功能5.自动修正误差6.数据处理7.多媒体功能8.通信与网络功能9.自我诊断功能第二章检测系统的基本特性一、静态性能指标：1.测量范围和量程2、灵敏度：输出量的增量与引起该增量的相应输入量增量之比。用S表示灵敏度。3分辨力与分辨率：分辨力:△Xmin分辨率|△Xmin|max与满量程L的百分比4精度：用误差表示精度5线性度eL=±△Lmax/yF.s×100%6.迟滞eH检测系统的输入量由小增大（正行程），继而自大减小（反行程）的测试过程中，对应于同一输入量，输出量往往有差别，这种差别称为迟滞或迟滞误差，也称为回程误差。7.稳定性与飘移二、传递函概念：初始条件为0时，检测系统的输出量与输入量的拉普拉斯变换式之比。第三章：误差分析与数据处理基础1、误差分析的概念：测量结果与被测量的真值之间的差异。测量误差的表达方式：①.绝对误差△X=X-A。②．相对误差实际相对误差：§A=△X/A。×100%示值相对误差：§X=△X/X×100%③.引用误差：q=△X/L×100%2、精度等级为G的仪表在规定的条件下使用时绝对误差的最大范围：△Xmax=±G%×L3、测量误差的分类:⑴随机4、误差:（它既不能用实验5、方法消除，也不能修正）。6、§i=xi-A经常用来表征测量精密度的高低⑵系统误差:可通过实验或分析的方法，找到系统误差的变化规律及产生原因，使之能够对测量结果加以修正。或采取一定的措施，改善测量条件和改进测量方法等，使系统误差减小或消除。①恒定系差:仪器仪表的固有误差；工业仪表校验时，标准表的误差会引起被校表的恒定系差；仪表零点的偏高或偏低；观察者读数时的角度不正确等②变值系差：积累性系差线性的b非线性的c:原因是元件的老化、磨损、以及工作电池的电压或电流使用时间长而缓慢降低等引起。周期性系差：曲线d,例如，晶体管的值随环境温度周期性变化；冷端为室温的热电偶温度计会因室温周期性变化而产生系统误差。复杂变化系差：e,例如，微安曲线表的指针偏转与偏转力矩不能严格保持线性关系，而表盘仍采用均匀刻度所产生的误差等。系统误差经常用来表征测量准确度的高低。判断系统误差的方法:1）试验对比法:这种方法是改变测量条件及测量仪器或测量方法。这种方法主要用于发现恒定系差。2）剩余误差观察法:根据测量列的各个剩余误差大小和符号变化规律，直接由误差数据或误差曲线图形来判断有无系统误差。这种方法主要用于发现变值系差③马利科夫判据系统误差的消除方法：消除产生误差的根源、对测量结果进行修正、采用特殊测量法（恒定系差消除法：零值法、替代法、交换法、补偿法、微差法变值系差消除法：等时距对称观测法、半周期偶数观测法）⑶、粗大误差:产生原因：粗差是由于疏忽大意、操作不当、或测量条件的超常变化而引起的。处理方法：含有粗大误差的测量值称为坏值，所有的坏值应当剔除，科学的舍弃。正确的实验结果不应该包含粗差。第四章阻抗型传感器一、电阻式传感器：1、电位式传感器：优点：结构简单、尺寸小、重量轻、输出特性精度高且稳定性好，可以实现线性及任意函数特性；受环境因素（如湿度、温度、电磁干扰等）影响小；输出信号较大，一般不需要放大。C图CB短接，电位器作为变阻器应用。阻值为位移的函数。Rx=RAB=RAC=f（x）d图把电位器作为分压器使用。输出电压为位移的函数Ux=UAC=U/RABf(x)=U/Rf(x)结构形式分为：绕线电位器的优点：精度高、性能稳定、易于达到较高的线性度和实现各种非线性特性。缺点：如阶梯误差、分辨力低、耐磨性差、寿命较低等。非绕线电位器的优点：分辨力比绕线电位器高、耐磨性好、寿命长。缺点：对温度、湿度变化比较敏感，且要求接触压力大，只能用于推动力大的敏感元件。光电电位器：是一种非接触式电位器，它以光束代替常规的电刷，克服了接触式电位器共有的耐磨性差、寿命短的缺点。1光电导层2基体3薄膜电阻带4窄光束5导电电极压变式传感器和压阻式传感器：应变电阻效应：导体或半导体在受到外界力（拉力或压力）作用时，产生机械形变，机械形变导致其阻值变化，这种因形变而使其阻值发生变化的现象称为“应变电阻效应”。金属材料以应变电阻效应为主。压阻效应：导体或半导体材料受到应力作用时，其电阻率会发生变化，这种现象称为“压阻效应”。半导体材料以压阻效应为主。R=ρL/A电阻相对变化：dR/R=dl/l(轴向应变ε)-dA/A(面向应变)+dρ/ρ泊松比u=-dr/r/ε面向应变=-2uε应变系数Ks=1+2u+лE应变电阻效应的表达式为:△R/R=Ksε结论：应变电阻阻值的相对变化与应变电阻的应变成正比。利用应变电阻效应可以将应变转换为电阻的相对变化，做成应变式传感器应变式传感器组成：直接将应变片粘贴在被测量的受力构件上，使应变片随受力构件一起变形，进而转换为电阻变化；或将应变片粘贴到弹性敏感元件上，由弹性敏感元件将被测物理量（如力、压力、加速度等）转换为应变，进而转换为电阻变化测量电路（将应变片电阻变化转换为电压或电流的信号）电阻应变片的组成结构和类型：敏感栅：基底：盖片、引出线：电阻应变片：金属应变片：丝式：箔式：薄膜式：半导体应变片：一般为单根状优点：尺寸、横向效应、机械滞后都很小，灵敏系数大，因而输出也大，不需要放大器就可直接与记录仪连接，测量系统得到简化。缺点：电阻值和灵敏系数的温度稳定性差，测量较大应变时非线性严重；灵敏系数随受拉或压而变，且分散度大。有关因素：二、热敏电阻类型：负温度系数热敏电阻（NTC）（-100度~~300度）（热敏电阻）温度补偿及控制用于温度测量高精度正温度系数热敏电阻（PTC）（开关）（应用于通用线路过流过载保护）临界温度系数热敏电阻（CTC）（开关）三、气敏电阻气敏电阻按结构分可分为：烧结型、薄膜型、厚膜型四、电阻传感器接口电路:恒压源供电：13241412341234ZZZZZZUEEZZZZZZZZ恒流源供电：13241234ZZZZUIZZZZ以单臂电桥为例计算：1234,ZRRZZZR（画图）代入13241412341234ZZZZZZUEEZZZZZZZZ得1412ERURRR当△RR时4ERUUR非线性误差为：12UUReUR有源电桥电路（P63）电容式传感器基本原理：平行平面形ACd让其中一个参数随被测量变化，其它两个固定不变，从而把被测量变化转化为电容器电容的变化。平行曲面型2LRrrLCRrRr结构类型：按被测量所改变的电容器参数分类：变极距型、变面积型、变介质型按被测位移分类：角位移式、线位移式按组成方式分类：单一式、差动式、按电容极板形状分类：平板电容（平行平面型）、圆筒电容（平行曲面型）输入输出类型（66）交流电桥（70）互感式传感器组成：一次线圈、二次线圈、铁心、衔铁。工作原理：一次线圈接入交流激励电压，二次线圈感应产生输出电压。被测量使衔铁移动，引起一次、二次线圈间的互感变化，输出电压因而也相应变化，一般这种传感器的二次线圈有两个且按差动方式连接，故常称为差动变压器式传感器，简称差动变压器。差动变压器类型：变气隙型、变面积型、螺旋型电涡流效应：成块的金属置于激励线圈产生的交变磁场中，金属体内就要产生感应电流，这种电流的流线呈闭合曲线，类似水涡形状，故称之为电涡流。这种现象称为电涡流效应。第五章电压型传感器测量特点：非接触测量、动态测量电磁传感器的组成：磁路系统：产生恒定的直流磁场，一般为永久磁铁。线圈：与磁铁中的磁通相交链产生感应电动势。运动机构：感受被测物体的运动，使线圈磁通发生变化。（正）压电效应：某些电介质，当沿着一定方向对其施力而使它形变时，内部就产生极化现象，同时在它的两个相对的表面上产生符号相反的电荷；当外力去掉后，又重新恢复不带电的状态；当作用力的方向改变时，电荷的极性也随着改变；这种现象称为正压电效应，简称压电效应。压电材料：具有压电效应的电介质：压电单晶体（单晶，包括压电石英晶体和其他压电单晶）；压电陶瓷（多晶半陶瓷）；新型压电材料（压电半导体，有机高分子压电材料）压电传感器：（101）前置放大器的作用：前置放大器是用来放大弱信号的，一般都是先将信号通过电解电容来滤掉高频的噪音信号，然后进入负反馈的运放来放大信号。热电效应：两种导体（或半导体）A和B的两端分别焊接或铰接在一起，形成一个闭合的回路。若两个接点处于不同的温度，回路中就会产生电动势（称热电动势），因而在回路中形成电流，这种现象称为热电效应。热电偶产生的热电动势与两个电极的材料及两个接点的温度有关热电偶基本定律：中间导体定律、中间温度定律、标准电极定律热电偶的结构：普通热电偶（气体、液体、蒸汽）铠装热电偶（狭小对象）薄膜热电偶（微小面积和瞬时变化的温度热电偶的冷端处理：冷端的恒温方式（冰水混合物，恒温槽）、冷端的延伸、冷端温度波动的自动补偿光电器件：基于光电效应原理工作的光电转换元件。光电效应：外光电效应、光导效应、光生伏特效应光电式传感器的组成：光源、光学电路、光电器件及测量电路光电传感器的类型：透射式、反射式、辐射式、遮挡式（模拟式）、开关式（数字式）霍尔效应：半导体薄片置于磁场中，当有电流通过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势，这种现象称为霍尔效应。相应的电动势成为霍尔电动势，半导体薄片成为霍尔片或霍尔元件。（公式123电路图124）第六章光栅传感器组成：主光栅，指示光栅、光路系统莫尔条纹的形成：把主光栅与指示光栅相对叠合在一起（片间留有很小的间隙）并使两者栅线之间保持很小的夹角β于是在近乎垂直栅线的方向上出现了明暗相间的条纹，在aa线上两光栅的透光线条重合，光线从缝隙中通过形成亮带，在bb线上两光栅的透光线条彼此错开挡住光线形成暗带这种明暗纹称为莫尔条纹。H=W/(2sinβ/2)莫尔条纹的特性：①移动方向，逆时针夹角β主光栅右移条纹向下移动，顺时针夹角β方向向反。②移动距离，主光栅沿栅线垂直方向移动一个光栅栅距W时莫尔条纹移动间距H当HW莫尔条纹具有放大作用通过测量条纹移动的距离可测光栅微位移可调节β来调节条纹宽度。③平均效应，具有减少光栅栅距局部误差作用。第七章光纤传感器的分类及作用：功能型（FF型)以光纤自身作为敏感元件来感受被测量的变化，被侧量通过使光纤某些光学特性变化来实现对光纤传输光的调制。（单模光纤)非功能型（NF型）利用其它元件来感受被测量的变化以实现被测量对光线传输光的调制。（多模光纤）光电磁效应（PEM效应）：是光生载流子的扩散运动在磁场作用下产生偏移的一种物理效应。热释电效应：当一些晶体受热时，在晶体两端将会产生数量相等而符号相反的电荷，这种由于热变化而产生的电极化现象称为热释电效应。超声波探头按工作原理可分为：压电式，磁致伸缩式，电磁式超声检测方法：透射法，反射法，频率法。核辐射传感器的组成：放射源，探测器第八章超声波测厚的原理：主控制器控制发射电路发射一定的重复频率脉冲信号，激发探头发射超声波脉冲进入试件，到达底面后反射回来，并由同一探头接收。接收到的脉冲信号经放大器加至示波器垂直偏移板上，同时标记发生器输出一定时间间隔的标记脉冲信号，也加在示波器上，扫描电压加在示波器水平偏移板上，这样荧光屏上直接观察发射脉冲和接受的回波脉冲信号。根据横轴上的标记信号测出时间间隔th=ct/2脉冲回波法：测量试件厚度主要测量超声