传感器与检测技术2202学习笔记

传感器与检测技术第一章概述1：传感器：是能感受规定的被检测量并按照一定规律转换成可输出信号的器件或装置。一、传感器的组成2：传感器一般由敏感元件，转换元件及基本转换电路三部分组成。①敏感元件：是直接感受被测物理量，并以确定关系输出另一物理量的元件（如弹性敏感元件将力，力矩转换为位移或应变输出）。②转换元件：是将敏感元件输出的非电量转换成电路参数（电阻，电感，电容）及电流或电压等电信号。③基本转换电路：是将该电信号转换成便于传输，处理的电量。大多数传感器为开环系统，也有带反馈的闭环系统。二、传感器的分类1、按被测量对象分类：（1）内部信息传感器：主要检测系统内部的位置，速度，力，力矩，温度以及异常变化。（2）外部信息传感器：主要检测系统的外部环境状态，它有相对应的接触式（触觉传感器、滑动觉传感器、压觉传感器）和非接触式（视觉传感器、超声测距、激光测距）。2、传感器按工作机理：（1）物性型传感器是利用某种性质随被测参数的变化而变化的原理制成的（主要有：光电式传感器、压电式传感器）。（2）结构型传感器是利用物理学中场的定律和运动定律等构成的（主要有①电感式传感器；②电容式传感器；③光栅式传感器）。3、按被测物理量分类：如位移传感器用于测量位移，温度传感器用于测量温度。4、按工作原理分类主要是有利于传感器的设计和应用：电阻式、电感式、电容式、光电式、磁电式、压电式、热电式、陀螺式、机械式、流体式。5、按传感器能量源分类：（1）无源型：不需外加电源，而是将被测量的相关能量转换成电量输出（主要有：压电式、磁电感应式、热电式、光电式）又称能量转化型；（2）有原型：需要外加电源才能输出电量，又称能量控制型（主要有：电阻式、电容式、电感式、霍尔式）。电阻式包括光敏电阻、热敏电阻、湿敏电阻等形式。6、按输出信号的性质分类：（1）开关型（二值型）：是“1”和“0”或开(ON)和关（OFF）；（2）模拟型：输出是与输入物理量变换相对应的连续变化的电量，其输入/输出可线性，也可非线性；（3）数字型：①计数型：又称脉冲数字型，它可以是任何一种脉冲发生器所发出的脉冲数与输入量成正比，加上计数器可对输入量进行计数；②代码型（又称编码型）：输出的信号是数字代码，各码道的状态随输入量变化。其代码“1”为高电平，“0”为低电平。7、开关型（二值型）：包括：接触型（微动开关、行程开关、接触开关）、非接触型（光电开关、接近开关）；模拟型：包括：电阻型（电位器、电阻应变片）、电压\电流型（热电偶、光电电池）、电容\电感型（电容、电感式位置传感器）；数字型：包括：计数型（脉冲或方波信号+计数器）、代码型（回转编码器、礠尺）。三、传感器的特性及主要性能指标1、传感器的特性主要是指输出与输入之间的关系，有静态特性和动态特性。2、传感器的静态特性是当传感器的输入量为常量或随时间作缓慢变化时，传感器的输出与输入之间的关系，叫静态特性，简称静特性。表征传感器静态特性的指标有线性度，敏感度，重复性等。3、传感器的动态特性：传感器的输出量对于随时间变化的输入量的响应特性称之。取决于传感器的本身及输入信号的形式。传感器按其传递、转换信息的形式可分为①接触式环节；②模拟环节；③数字环节。评定其动态特性：正弦周期信号、阶跃信号。4、传感器的主要性能要求是：1）高精度、低成本。2）高灵敏度。3）工作可靠。4）稳定性好，应长期工作稳定，抗腐蚀性好；5）抗干扰能力强；6）动态性能良好。7）结构简单、小巧，使用维护方便，通用性强，功耗低等。四、传感检测技术的地位和作用1、地位：传感检测技术是一种随着现代科学技术的发展而迅猛发展的技术，是机电一体化系统不可缺少的关键技术之一。2、作用：能够进行信息获取、信息转换、信息传递及信息处理等功能。应用：仪器设备、家用电器、计算机集成制造系统（CIMS）、柔性制造系统（FMS）、加工中心（MC）、CNC机床、计算机辅助制造系统（CAM）。五、基本特性的评价指标与选用原则1、测量范围：是指传感器在允许误差限内，其被测量值的范围；量程：则是指传感器在测量范围内上限值和下限值之差。2、过载能力：一般情况下，在不引起传感器的规定性能指标永久改变条件下，传感器允许超过其测量范围的能力。过载能力通常用允许超过测量上限或下限的被测量值与量程的百分比表示。3、灵敏度：是指传感器输出量Y与引起此变化的输入量的变化X之比。4、灵敏度表示传感器或传感检测系统对被测物理量变化的反应能力。灵敏度越高越好，因为灵敏度越高，传感器所能感知的变化量越小，即被测量稍有微小变化，传感器就有较大输出。K值越大，对外界反应越强。过高的灵敏度会影响其适用的测量范围。5、反映非线性误差的程度是线性度。线性度是以一定的拟合直线作基准与校准曲线作比较，用其不一致的最大偏差△Lmax与理论量程输出值Y（=ymax—ymin）的百分比进行计算。6、稳定性在相同条件，相当长时间内，其输入/输出特性不发生变化的能力，影响传感器稳定性的因素是时间和环境。7、电阻应变式传感器，湿度会影响其绝缘性；温度影响其零漂，零漂是指还没输入时，输出值随时间变化而变化。长期使用会产生蠕变现象。8、重复性：是衡量在同一工作条件下，对同一被测量进行多次连续测量所得结果之间的不一致程度的指标；（分散范围小，重复性越好）9、精确度：简称精度，它表示传感器的输出结果与被测量的实际值之间的符合程度，是测量值的精密程度与准确程度的综合反映。10、分辨力是指传感器能检出被测量的最小变化量。11、动态特性：反映了传感器对于随时间变化的动态量的响应特性。传感器的响应特性必须在所测频率范围内努力保持不失真测量条件。一般地，利用光电效应、压电效应等物性型传感器，响应时间快，工作频率范围宽。在动态测量中，响应特性对测试结果有直接影响。采用正弦输入信号分析传感器检测系统的频率响应，包括幅频特性和相频特性12、环境参数：指传感器允许使用的工作温度范围以及环境压力、环境振动和冲击等引起的环境压力误差，环境振动误差和冲击误差。六、传感器的标定与校准1、标定（计量学称之为定度）是指在明确传感器输入/输出变换关系的前提下，利用某种标准器具产生已知的标准非电量（或其它标准量）输入，确定其输出电量与其输入量之间的过程。2、校准是指传感器在使用前或使用过程中或搁置一段时间再使用时，必须对其性能参数进行复测或作必要的调整与修正，以确保传感器的测量精度。3、标定系统的组成：①被测非电量的标准发生器或被测非电量的标准测试系统；②待标定传感器；③它所配接的信号调节显示、记录器等。4、静态标定是给传感器输入已知不变的标准非电量，测出其输出，给出标定方程和标定常数，计算其灵敏度，线性度，滞差，重复性等传感器的静态指标。对传感器进行静态标定时，首先要建立静态标定系统。5、传感器的静态标定设备有：力标定设备，压力标定设备，温度标定设备等。6、对标定设备要求：①具有足够的精度，至少应比被标定的传感器高一个精度等级，并且应符合国家计量值传递的规定；②量程范围应与被标定传感器的量程相适应；③性能稳定可靠，使用方便，能适应多种环境。7、传感器的动态标定的目的是检验测试传感器的动态性能指标。8、动态标定指标是通过确定其线性工作范围，频率响应函数，幅频特性和相频特性曲线，阶跃响应曲线，来确定传感器的频率响应范围，幅值误差和相位误差，时间常数，阻尼比，固有频率等。9、常用的标准动态激励设备有激振器、激波管、周期与非周期函数压力发生器；（其中激振器可用于位移、速度、加速度、力、压力传感器的动态标定）。上述振幅测量法称绝对标定发，精度较高，但所需设备复杂，标定不方便，故常用于高精度传感器与标准传感器的标定。工程上采用比较法进行标定，俗称背靠背法。10、传感器与检测技术的发展方向：⑴开发新型传感器。⑵传感检测技术的智能化。⑶复合传感器⑷研究生物感官，开发仿生传感器。11、开发新型传感器：①利用新材料制作传感器；②利用新加工技术制作传感器；③采用新原理制作传感器。12、传感检测技术的智能化：传感检测系统目前迅速地由模拟式、数字式向智能化方向发展。功能：①自动调零和自动校准；②自动量程转换；③自动选择功能；④自动数据处理和误差修正；⑤自动定时测量；⑥自动故障诊断。13.复合传感器：是同时检测几种物理量具有复合检测功能的传感器。14、目前研究的生物传感器中有酶传感器、微生物传感器等。生物传感器与微电子技术相结合，将开创人造器官的新时代。第二章位移检测传感器1、位移可分为线位移和角位移两种。测量位移常用的方法有：机械法，光测法，电测法。电测法：是利用各种传感器将位移量变换成电量或电参数。再经后接测量仪器进一步变换完成对位移检测的一种方法。位移测试系统由传感器、变换电器、显示装置或记录仪器三部分组成。测量位移常用的传感器有：电阻式、电容式、涡流式、压电式、光电式、感应同步器式、磁栅式等。2、位移传感器的分类：参量型位移传感器，发电型位移传感器，大位移传感器。一、参量型位移传感器1、参量位移传感器的工作原理：将被测物理量转化为电参数，即电阻，电容或电感等。2、电阻式位移传感器的电阻值取决于材料的几何尺寸和物理特征，即R=ρL/S。（1）电位计：是一种常用的机电元件。由骨架、电阻元件（线绕电阻、薄膜电阻、导电塑料）、电刷等组成；函数电位计（非线性电位计）：电位计还可以将位移或转角变换成与之有某种函数关系的电阻或电压输出，称之。（2）电位计优点：结构简单，输出信号大，性能稳定，并容易实现任意函数关系，缺点：是要求输入量大，电刷与电阻元件之间有干摩擦，容易磨损，产生噪声干扰。3、⑴线性电位计的空载特性：Rx=RX/L=KRX(KR：电位计的电阻灵敏度Ω/m、电位计的电阻元件长度L、总电阻R、电刷位移X、相应的电阻Rx、电源电压Ui、输出电压U0)。电位计输出空载电压为U0=UiX/L=KuX(Ku：电位计的电压灵敏度)。对于绕线电位计，其电阻和电压输出空载特性并不是一条理想直线，而是呈阶梯状，称为阶梯特性。通过阶梯中点的直线是理论特性线，阶梯特性在其上下波动，这种输出误差称为阶梯误差，是一种原理误差，限制了线绕电位计的精度和分辨率。⑵非线性电位计空载特性：其电阻灵敏度KR=dR/dx,电压灵敏度Ku=dU0/dx。非线性电位计结构形式有：变骨架式、变节距式、分路电阻式、电位给定式等。4、电阻应变式位移传感器：是将被测位移引起的应变元件产生的应变，经后续电路变换成电信号，从而测出被测位移。5、电容式位移传感器：是利用电容量的变化来测量线位移或角位移的装置。两平行板之间的电容量为C=ɛS/δ（ɛ0=8.85*10-12F/m、S：极板间的覆盖面积m2、δ：极板间的距离m）。电容式位移传感器：具有灵活多样的使用方式，既可以在封闭形式下工作，也可以在开放形式下使用，即利用被测对象作为一个极板（被测对象导体），或利用被测对象作为极板间的介质（被测对象绝缘体）。特点是：由于带电极板间的静电引力小，活动部分的可动质量小，所以对输入能量的要求低，且具有较好的动态响应特性；由于介质损耗小，传感器本身发热影响小，而使其能在高频范围内工作。电容式位移传感器的构件和连接电缆会引起泄露电容，造成测量误差。(1)变极距型的电容位移传感器：特点：有较高的灵敏度，但电容变化与极距变化之间为非线性关系，其它两种类型的位移传感器具有比较好的线性，但敏度比较低。电容式位移传感器的灵敏度为K=ΔC/Δδ=ɛS/δ02。把电容位移传感器作成差动形式，当中间活动极板移动时，一边电容增加，另一边电容减小，总的电容变化为两者之和。不仅提高了灵敏度，同时在零点附近工作的线性度也得到改善。（2）变极板面积型电容位移传感器：用于线位移测量，也可用于角位移测量。采用平板型极板、圆筒型极板、锯齿型极板。输入、输出具有线性特性。圆筒型电容位移传感器，当位移x=0时，电容量C0=2πɛl/ln（RB/RA)。极板移动x后，电容C=2πɛ（l-x）/ln（RB/RA)=C0-C0x/l可得ΔC/C0=x/l。当θ=0时电容为原始电容C0得电容的相对变化与输入角度的关系Δ