传感器原理与应用重点

第一章测量技术基础检测系统的基本概念检测系统(测试系统/测量系统1、定义:确定被测对象的属性和量值为目的的全部操作2、被测对象:宇宙万物(固液气体、动物、植物、天体„„3、被测信息:物理量(光、电、力、热、磁、声、„化学量(PH、成份„生物量(酶、葡萄糖、„4检测技术是实验科学的一部分,主要研究各种物理量的测量原理和信号分析处理方法。检测技术是信息技术的重要组成部分,它所研究的内容是信息的提取与处理的理论、方法和技术。5信息与信号信息是指客观世界物质运动的内容。如:天气较冷、某处地震、刀具发生了磨损、李四病了。信号是指信息的表现形式。如:刀具磨损,切削力会加大;李四病了,可能会发烧;等等。6检测技术是进行各种科学实验研究和生产过程参数测量必不可少的手段,起着人的感官的作用。简单的检测系统可以只有一个模块,如玻璃管温度计。它直接将被测温度变化转化为液面示值。没有电量转换和分析电路,很简单,但精度低,无法实现测量自动化。为提高测量精度和自动化程度,以便于和其它环节一起构成自动化装置,通常先将被测物理量转换为电量,再对电信号进行处理和输出。B„„在电工、电子等课程中讲授,大多数不属于本课程的范围。检测系统的组成一般说来,检测系统由传感器、中间变换装置和显示记录装置三部分组成。传感器将被测物理量(如噪声,温度检出并转换为电量,中间变换装置对接收到的电信号用硬件电路进行分析处理或经A/D变换后用软件进行信号分析,显示记录装置则将测量结果显示出来,提供给观察者或其它自动控制装置。第二章传感器概述传感器的组成和分类一、传感器定义传感器是一种以一定的精确度把被测量转成与之有确定关系的,便于应用的某种物理量的测量装置。传感器名称:变送器、变换器、探测器、敏感元件、换能器、一次仪表、探头等二、传感器的组成三、传感器的分类按被测参数分类:温度、压力、位移、速度等按传感器工作原理分类:应变式、电容式、压电式、磁电式等传感器的基本特性一、传感器的静态特性静态特性:是指输入的被测参数不随时间而变化,或随时间变化缓慢时,传感器的输出量和输入量之间的关系。1、精确度:指标有三精密度、准确度和精确度(1精密度:它说明测量传感器输出值的分散性,即对某一稳定的被测量,由同一个测量者,用同一个传感器,在相当短的时间内连续重复测量多次,以检查测量结果的分散程度。(2准确度:它说明传感器输出值与真值的偏离程度。(3精确度:它是精密度和准确度两者之和,精确度高,表示精密度和准确度都高。2、稳定性:指标有二稳定度和影响量(1稳定度:是指在规定的时间内,测量条件不变的情况下,由于传感器的随机性被动、周期性变动和漂移等引起的输出值的变化。一般用精密度和观测时间长短来表示。(2影响量:测量传感器由于外界环境变化引起输出值变化的量。说明影响量时,必须将影响因素与输出值偏差同时表示。3、传感器的静态输入--输出特性(1线性度定义:是指传感器的输出和输入关系之间的数量关系的线性程度。表示方法:线性化处理:非线性补偿电路或计算机软件。特殊情况:如果传感器的非线性方次不是很高,输入量变化范围较小,则可以有一条直线近似表示实际曲线的一段,来做线性化处理。所采用的直线称为拟合直线。实际的特性曲线与拟合直线之间的偏差为传感器的非线性误差(线性度,(2灵敏度:是指传感器输出量的增量与引起输出量的增量的输入量增量的比值。(3迟滞:指传感器在正(输入量增加反(输入量减小行程期间,其输出—输入特性不重合的现象。(4重复性:指传感器的输入量按同一方向作全量程连续多次变化时,所得曲线不一致的程度。传感器的选用1、灵敏度通常在传感器的线性范围内,希望传感器的灵敏度越高越好。因为只有灵敏度高时,与被测量变化对应的输出信号的值才比较大,有利于信号处理。但要注意的是,传感器的灵敏度高,与被测量无关的外界噪声也容易混入,也会被放大系统放大,影响测量精度。因此,要求传感器本身应具有较高的信噪比,尽员减少从外界引入的厂扰信号。2、精度精度是传感器的一个重要的性能指标,它是关系到整个测量系统测量精度的一个重要环节。传感器的精度越高,其价格越昂贵,因此,传感器的精度只要满足整个测量系统的精度要求就可以,不必选得过高。这样就可以在满足同一测量目的的诸多传感器中选择比较便宜和简单的传感器。如果测量目的是定性分析的,选用重复精度高的传感器即可,不宜选用绝对量值精度高的;如果是为了定量分析,必须获得精确的测量值,就需选用精度等级能满足要求的传感器。3、可靠性可靠性是指传感器在规定的工作条件下和规定的工作时间内,保持原有技术性能的能力。4、线性范围传感器的线形范围是指输出与输入成正比的范围。以理论上讲,在此范围内,灵敏度保持定值。传感器的线性范围越宽,则其量程越大,并且能保证一定的测量精度。在选择传感器时,当传感器的种类确定以后首先要看其量程是否满足要求。但实际上,任何传感器都不能保证绝对的线性,其线性度也是相对的。当所要求测量精度比较低时,在一定的范围内,可将非线性误差较小的传感器近似看作线性。5、频率响应传感器的频率响应特性决定了被测量的频率范围,必须在允许频率范围内保持不失真的测量条件,实际上传感器的响应总有一定延迟,希望延迟时间越短越好。传感器的频率响应高,可测的信号频率范围就宽,而由于受到结构特性的影响,机械系统的惯性较大,因有频率低的传感器可测信号的频率较低。在动态测量中,应根据信号的特点(稳态、瞬态、随机等响应特性,以免产生过火的误差。6、稳定性传感器使用一段时间后,其性能保持不变化的能力称为稳定性。影响传感器长期稳定性的因素除传感器本身结构外,主要是传感器的使用环境。因此,要使传感器具有良好的稳定性,传感器必须要有较强的环境适应能力。在选择传感器之前,应对其使用环境进行调查,并根据具体的使用环境选择合适的传感器,或采取适当的措施,减小环境的影响。传感器的稳定性有定量指标,在超过使用期后,在使用前应重新进行标定,以确定传感器的性能是否发生变化。在某些要求传感器能长期使用而又不能轻易更换或标定的场合,所选用的传感器稳定性要求更严格,要能够经受住长时间的考验。第三章电阻式传感器电位器式传感器一、定义:电位器是一种常用的电子元件,广泛应用于各种电器和电子设备中。它是一种把机械的线位移和角位移输入量转换为与它成一定函数关系的电阻和电压输出的传感元件。二、结构:直滑式和旋转式,旋转式有单圈旋转式和多圈旋转式两种,电刷有触头、臂、导向及牰承等装置组成。触头常用银、铂铱、铂铑等金属。电刷臂用磷青铜等弹性较好的材料。骨架常用陶瓷、酚醛树脂及工程数料等绝缘材料。三、原理分析应变式传感器一、组成:电阻丝应变片是用直径为0.025mm具有高电阻率的电阻丝制成的。为了获得高的阻值,将电阻丝排列成栅网状,称为敏感栅,并粘贴在绝缘的基片上,电阻丝的两端焊接引线。敏感栅上面粘贴有保护用的覆盖层。二、电阻的应变效应(一、应变效应应变效应:金属导体的电阻值随着它受力所产生机械变形(拉伸或压缩的大小而发生变化的现象称之为金属的电阻应变效应。(二、灵敏系数(三测量原理当外力作用到弹性元件(试件上时,弹性元件被压缩(或拉伸,即产生微小的机械变形,粘贴在弹性元件上的应变片感受到应力ζ的作用,根据胡克定律,应变ε与应力ζ成正比,即ζ=Eε又由应变效应可知,应变片的应变ε与电阻值的相对变化dR/R成正比,所以,实现了对微小机械变量的测量。四、应用(一柱式力传感器(原理分析荷重传感器原理演示(二梁式力传感器(原理分析(三应变式加速度传感器压阻式传感器一、压阻效应及压阻系数单晶硅材料在受到应力作用后,其电阻率发生明显变化,这种现象被称为压阻效应。优点:灵敏度高,比金属丝式高50~80倍、尺寸小,横向效应小,动态响应好、精度高、易于微型化和集成化等。缺点:温度系数大,应变时非线性比较严重,稳定性和可重复性不如金属应变片。二、应用液位测量投入式液位传感器:1、支架;2、压阻式压力传感器;3、背压管。安装方便,适应于深度为几米至几十米,且混有大量污物、杂质的水或其他液体的液位测量。压阻式加速度传感器优点:具有高灵敏度,卓越的低频感应性能,使其加速度传感器适用于长期中低振动频率的测试。应用范围:汽车、工民建、铁路、桥梁等振动测试与检测第四章电容式传感器第一节电容式传感器的工作原理由当被测参数d、S、εr发生变化时,相应的电容发生变化,如果保持其中两个参数不变,而仅改变其中一个参数时,就可把该参数的变化转换为电0rSSCddεεε==容量的变化,通过测量电路就可转换为电量输出。故电容式传感器可分为变极距型、变面积型和变介质(变介电常数型三种。一、变面积型动极板移动时,两极板间的相对有效面积S发生变化,引起电容C发生变化。二、变介电常数型两平行极板固定不动,极距为d0,相对介电常数εr2为的电介质以不同深度插入电容器中。传感器的总电容相当于两个电容C1和C2的并联,即:三、变极距型一、基本结构二、差动结构第二节测量电路(一交流不平衡桥(PPT演示(二二极管环形检波电路其工作原理如下:线路接通后,在正半周时D1导通,D2截止,C1充电至U,在负半周D1截止,D2导通,C2充电至U,同时C1经R1以电流I1向负载RL供电;第二周期,C1充电,C2经R2向RL供电,由于C1=C2,R1=R2,通过RL的平均电流为零,其输出电压平均值也为零。当传感器电容变化时,C1≠C2这时负载上平均电流I1≠0,其输出电压的平均值为:其特点:(1电源、传感器电容、负载均可同时在一点接地;(2二极管D1、D2工作于高电平下,故非线性失真小;(3其灵敏度与电源频率有关,因此电源频率需要稳定;(4将D1、D2、R1、R2安装在C1、C2附近能消除电缆寄生电容影响,线路简单;(5输出电压较高;(6输出阻抗与电容C1、C2无关,而仅与R1、R2及RL有关;(7输出信号的上升沿时间取决于负载电阻RL,可用于动态测量;(8传感器的频率响应取决于振荡器的频率。第三节电容式传感器应用随着电容式传感器应用问题的完善解决,它的应用优点十分明显:(1分辨力极高,能测量低达10-7的电容值0.01μm的绝对变化量和高达(ΔC/C=100%~200%的相对变化量,因此尤适合微信息检测;(2动极质量小,可无接触测量;自身的功耗、发热和迟滞极小,可获得高的静态精度和好的动态特性;(3结构简单,不含有机材料或磁性材料,对环境(除高湿外的适应性较强;122(2((LoLLRRRURUfCCRR+=-+(4过载能力强。一、电容式位移传感器(PPT演示二、电容式加速度传感器(PPT演示三、电容式力和压力传感器(PPT演示第五章电感式传感器1.电感式传感器是利用线圈自感和互感的变化实现非电量电测的一种装置。2.可以用来测量位移、振动、压力、应变、流量、密度等。3.特点:(1结构简单可靠(2分辨率高:能测量0.1mm(3零点漂移小(4线性度好5.1电感式传感器一、工作原理(自感式传感器工作原理二.输出特性三、差动螺管式电感传感器测量范围为(5~50mm,特点:1结构简单,制造装配容易2.灵敏度低,但线性范围大3.磁路大部分为空气,易受外部磁场干扰五、应用当压力进入膜盒时,膜盒的顶端在压力P的作用下产生与压力P大小成正比的位移,于是衔铁也发生移动,从而使气隙发生变化,流过线圈的电流也发生相应的变化,电流表A的指示值就反映了被测压力的大小。0.5%δ=±5.2差动变压器式传感器一、变隙式差动变压器1.工作原理假设闭磁路变隙式差动变压器的结构如下图(PPT(a所示,在A、B两个铁芯上绕有W1a=W1b=W1的两个初级绕组和W2a=W2b=W2两个次级绕组。两个初级绕组的同名端顺向串联,而两个次级绕组的同名端则反相串联。当没有位移时,衔铁C处于初始平衡位置,它与两个铁芯的间隙有δa0=δb0=δ0,则绕组W1a和W2a间的互感Ma与绕组W1b和W2b的互感Mb相等,致使两个次级绕组的互感电势相等,即e2a=e2b。由于次级绕组反相串联,因此,差动变压器输出电压Uo=e2a-e2b=0。当被测体有位移时,与被测体相连的衔铁的位置将发生相应