傳感器與檢測技術(shù)周杏鵬

1、1 .傳感器定義：以一定精度把某種被測量按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成另一參量的器件或者測量裝置。實(shí)物測量裝置由敏感器件和轉(zhuǎn)換器件和基本轉(zhuǎn)換電路組成.計(jì)量：用精度等級(jí)更高的標(biāo)準(zhǔn)量具、器具對被測樣品進(jìn)行考核性質(zhì)的測量。非實(shí)時(shí)、離線、標(biāo)定檢測：在生產(chǎn)、實(shí)驗(yàn)等現(xiàn)場，利用某種合適的檢測儀器或綜合測試系統(tǒng)對被測對象進(jìn)行在線、連續(xù)的測量。7 .檢測技術(shù)作用：（1）城市生活污水處理（2）新型武器和設(shè)備的研制與測試（3）先進(jìn)醫(yī)療檢測儀（4）生活中化學(xué)成分檢測（5）防火防盜及家用電器安全監(jiān)測.檢測系統(tǒng)組成：穩(wěn)壓電源+輸入設(shè)備+傳感器+信號(hào)調(diào)理+數(shù)據(jù)采集+信號(hào)處理+信號(hào)顯示+信號(hào)輸出信號(hào)調(diào)理：對傳感器輸出的微弱信號(hào)進(jìn)行檢波、

2、轉(zhuǎn)換、濾波、放大等，以方便檢測系統(tǒng)后續(xù)處理或顯示。組成：濾波、放大、線性化、要求：能準(zhǔn)確轉(zhuǎn)換、穩(wěn)定放大、可靠地傳輸信號(hào)信號(hào)處理：進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和各種控制的中樞環(huán)節(jié)。組成：嵌入式微控制器、DSP專用高速數(shù)據(jù)處理器、大規(guī)模集成電路.檢測系統(tǒng)分類：（1）按被測量（電工量、熱工量、機(jī)械量、光學(xué)量、狀態(tài)量）（2）被測量的檢測轉(zhuǎn)換方法（電磁轉(zhuǎn)換、光電轉(zhuǎn)換、其他能/電轉(zhuǎn)換）（3）使用性質(zhì)（實(shí)驗(yàn)室表、工業(yè)用表、標(biāo)準(zhǔn)表）.傳感器分類：（1）按輸入?yún)⒘浚ㄎ灰苽鞲衅鳎瑝毫鞲衅鳎?）按轉(zhuǎn)換機(jī)理（電阻式、電容式、壓電式、超聲波式）（3）按物理現(xiàn)象（結(jié)構(gòu)型、物性型）（4）按能量關(guān)系（能量轉(zhuǎn)換自源型、帶激勵(lì)源型、能量控制

3、一一外源型）（5）按輸出信號(hào)（模擬式、數(shù)字式）.檢測系統(tǒng)發(fā)展：（1）不斷拓展測量范圍、努力提高檢測精度和可靠性；（2）重視非接觸式檢測技術(shù)研究；（3）模擬式，數(shù)字式，向智能化發(fā)展.傳感器發(fā)展：（1）研發(fā)新型傳感器（2）采用新技術(shù)提高現(xiàn)有傳感器的性能（3）微型化，智能化，集成化.測量單位、測量儀器與設(shè)備是測量的“三要素”。1 CHAPTERS測知識(shí)量值：由一個(gè)數(shù)和一個(gè)計(jì)量單位表.量：物體和物質(zhì)可以定性區(qū)別和定量確定的一種屬性。示的量。1 .量值：真值（理想情況下表征一個(gè)物體的真實(shí)的值）.約定真值一一按照國際公認(rèn)的定義，利用現(xiàn)科技高水平的技術(shù)所復(fù)現(xiàn)的單位基準(zhǔn)約定、.相對真值一一實(shí)際值，滿足規(guī)定準(zhǔn)確

4、度時(shí)用以代替真值的值）.標(biāo)稱值+示值.測量誤差（因內(nèi)外因素使得測量結(jié)果不能準(zhǔn)確的反映真值而存在的偏差）：絕對誤差X相對誤差（X與真值的比例）引用誤差（與量程有關(guān)）最大引用誤差.相對誤差表示形式：實(shí)際，標(biāo)稱，引用相對誤差.精度等級(jí)（最大引用誤差）：選大不選小，測量值不小于滿量程的2/3.測量誤差分類：系統(tǒng)誤差（在一定條件下，其數(shù)值遵循某一確切函數(shù)規(guī)律的誤差、殘差觀察法、馬利科夫準(zhǔn)則+阿貝赫梅特準(zhǔn)則）隨機(jī)誤差（相同條件下多次重復(fù)測量同一物理量，測量結(jié)果仍結(jié)果一些時(shí)大時(shí)小、雜亂變化的誤差）粗大誤差（明顯與實(shí)際結(jié)果事實(shí)不相符、無規(guī)律的誤差）.測量方法：（1）按測量方式：直接測量、間接測量、聯(lián)立測量（2

5、）按測量方法：偏差時(shí)測量法、零位式測量法、微差式測量法CHAPTER3態(tài)動(dòng)態(tài)特性.靜態(tài)特性：靈敏度：被測量系統(tǒng)在靜態(tài)測量時(shí)，輸出量的增量與輸入量的增量之比。線性度：輸出與輸入之間數(shù)量關(guān)系的線性程度重復(fù)性：傳感器或檢測系統(tǒng)中在輸入量按同一個(gè)方向做全量程連續(xù)多次變動(dòng)時(shí)所的特性不一致的程度。遲滯：傳感器在輸入量從小到大到從大到小變化期間輸入輸出曲線不重合的現(xiàn)象或程度測量范圍死區(qū)：失靈區(qū)、鈍感區(qū)、閾值。指在量程起始點(diǎn)能引起輸出量變化的最小輸入量。2 分辨力.動(dòng)態(tài)特性：固有頻率頻率響應(yīng)特性3 .動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型：線性時(shí)不變常系數(shù)微分方程4 .傳遞函數(shù)：輸出響應(yīng)函數(shù)Y（t）的拉普拉斯變換Y（s）與輸入激勵(lì)函數(shù)

6、X（t）的拉普拉斯變換X（s）的比5 .頻率響應(yīng)特性：輸出Y（t）的傅里葉變換Y（jw）與輸入X（t）的傅里葉變換X（jw）之比。6 .CHAPTERS構(gòu)型傳感器1 .電阻應(yīng)變式傳感器：應(yīng)變片電阻應(yīng)變效應(yīng)：電阻值隨應(yīng)變變化2 .金屬應(yīng)變效應(yīng)與其尺寸變化為主；半導(dǎo)體應(yīng)變效應(yīng)與其材料壓阻效應(yīng)為主3 .應(yīng)變計(jì)類型：按加工方法（絲式應(yīng)變片、箔式X、半導(dǎo)體X、薄膜X）按敏感柵材料（金屬應(yīng)變計(jì)、半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)）4 .應(yīng)變計(jì)結(jié)構(gòu)：敏感柵、基底、蓋片、引線、黏結(jié)劑5 .應(yīng)變：應(yīng)力形變。彈性材料在應(yīng)力作用下的相對形變。6 .應(yīng)力：物體單位面積上所受的力。7 .應(yīng)變計(jì)主要特性：（1）靜態(tài)特性一一靈敏度系數(shù)、橫向效應(yīng)

7、、機(jī)械滯后、蠕變和零漂、應(yīng)變極限、絕緣電阻和最大工作電流。（2）動(dòng)態(tài)特性一一疲勞壽命、動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性8 .零漂：溫度恒定，不受應(yīng)變時(shí)溫度隨時(shí)間變化。蠕變：溫度和承受應(yīng)變都恒定時(shí)溫度隨時(shí)間變化。9 .橫向效應(yīng)：直的金屬絲繞成敏感柵，長度相同應(yīng)變不同了，靈敏度K下降了。10 .應(yīng)變片溫度誤差原因：（1）敏感柵金屬絲自身電阻隨溫度變化（2）敏感柵與試件熱膨脹吸收不一樣，產(chǎn)生附加變形影響阻值。11 .應(yīng)變片溫度補(bǔ)償法：（1）溫度自補(bǔ)償法（2）橋路補(bǔ)償法12 .電容式傳感器應(yīng)用：變極距（分辨力極高、測量微小變化的量）變面積（線位移角位移）變介質(zhì)（測量固體厚度或液位高低或糧食濕度）:減小極板厚度+保護(hù)環(huán)結(jié)構(gòu)

8、。13 .消除邊緣效應(yīng)（極板厚度與極距厚度相對比較大）:驅(qū)動(dòng)電纜法+整體屏蔽法+組合式與14 .消除寄生電容（電纜的寄生電容影響傳感器電容）集成技術(shù)15 .容柵傳感器：多個(gè)差動(dòng)式變面積型的電容傳感器，具有誤差平均效應(yīng)。測量精度很高。16 .電感式傳感器（變磁阻式）分類：按轉(zhuǎn)換原理（自感式、互感式=差動(dòng)變壓器）按結(jié)構(gòu)形式（氣隙式、螺管式）17 .差動(dòng)變壓器零點(diǎn)殘余：在中心位置時(shí)輸出電壓不為0的電壓。18 .差動(dòng)電橋測量電路優(yōu)點(diǎn)：非線性大大減小、靈敏度提高一倍、補(bǔ)償了溫度對兩個(gè)線圈參數(shù)的影響。19 .差動(dòng)變壓器（互感式）：變氣隙、變面積、螺管式20 .差動(dòng)變壓器測量電路：差動(dòng)相敏檢波+差動(dòng)整流電路

9、（既能辨別銜鐵移動(dòng)的方向和大小，又能消除零點(diǎn)殘余電壓）21 .電渦流式傳感器一一電渦流效應(yīng)：塊狀金屬導(dǎo)體置于變化的磁場中，或者切割磁場線，導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生旋渦狀的感應(yīng)電流，這種現(xiàn)象叫做渦流效應(yīng)。CHAPTERS性型傳感器>1.壓阻式兩種類型：應(yīng)變片（電阻應(yīng)變效應(yīng)）、擴(kuò)散型壓敏電阻（壓阻效應(yīng)、半導(dǎo)體制成、制成固態(tài)壓阻式傳感器）2 .壓阻效應(yīng)：半導(dǎo)體電阻率隨應(yīng)變變化所引起的變化3 .壓電式傳感器一一壓電材料三大類：壓電晶體（石英晶體）、壓電陶瓷、新型壓電材料4 .壓電效應(yīng)：正壓電（用力方向改變，電荷極性也發(fā)生改變）逆壓電電致伸縮效應(yīng)（施加電場會(huì)發(fā)生幾何變形）5 .石英晶體：6 .壓電陶瓷壓電機(jī)理

10、：（1）極化處理（2）壓電特性7 .光電效應(yīng)：光照射在物體上，物體吸收了光能轉(zhuǎn)換為物體中某些電子的能量而產(chǎn)生的電效應(yīng)。8 .外光電效應(yīng)：光的照射下，使電子逸出物體表面而產(chǎn)生光電子發(fā)射9 .內(nèi)光電效應(yīng)：光照下，處于價(jià)帶的電子吸收了光子能量，從通過禁帶躍入導(dǎo)帶，使導(dǎo)帶內(nèi)的電子濃度和價(jià)帶內(nèi)的空穴增多，激發(fā)出光生電子一空穴對。（1）光電導(dǎo)效應(yīng)：光線照射下產(chǎn)生光生載流子引起電阻率或電導(dǎo)率改變（2）光生伏特：光線作用下引起PN結(jié)兩端產(chǎn)生定方向的電動(dòng)勢10 .外光電效應(yīng)材料：光電管+光電倍增管11.內(nèi)光電效應(yīng)材料：光敏電阻（高靈敏度：暗電阻與亮電阻差值大）、光敏二極管（反向電壓工作）、光敏三極管（bc結(jié)/集

11、電結(jié)一一光敏二極管）、光電池7 .光照特性：光敏電阻（非線性）光敏晶體管（線性度好、線性轉(zhuǎn)換原件和開關(guān)元件、軍事工業(yè)）光電池（非線性、開關(guān)元件）8 .光電式傳感器分類：模擬式光電傳感器、開關(guān)式光電傳感器、其他光電式傳感器9 .模擬式光電傳感器（將測量轉(zhuǎn)化成連續(xù)變化的光電流）分類：吸收式（被測參數(shù)）、反射式（表面缺陷粗糙）、遮光式（長度線位移角位移）、輻射式（高溫計(jì)紅外遙感）10 .開關(guān)式傳感器：通過光照有無，作出電信號(hào)有無輸出的反應(yīng)，將被測量轉(zhuǎn)換成通或斷的開關(guān)信號(hào)CHAPTER®態(tài)傳感器1 .磁敏傳感器（磁物理量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)）分類：體型（霍爾式、磁敏電阻）結(jié)型（磁敏二極管、磁敏三極管

12、）2 .霍爾效應(yīng)：在金屬或半導(dǎo)體薄片上通以電流，然后在垂直方向上施加磁場，則在垂直于磁場和電流方向的輸出端之間會(huì)產(chǎn)生霍爾電動(dòng)勢。3 .不等位電勢：當(dāng)磁場強(qiáng)度為0,元件通以額定激勵(lì)電流I,霍爾電勢應(yīng)該為0,但是實(shí)際不是。產(chǎn)生原因：兩個(gè)霍爾電極的位置不在同一等位面上，或者材料不均勻或者工藝不良4 .磁阻效應(yīng)：載流導(dǎo)體外外加磁場，電阻值隨磁場變化而變化。5 .濕度：大氣中水汽含量的物理量6 .絕對濕度：單位體積大氣中水汽的質(zhì)量7 .相對濕度：某一被測氣體的絕對濕度與在同一溫度T下水蒸氣已達(dá)到飽和的氣體的絕對濕度之比。8 .濕敏傳感器（將濕度轉(zhuǎn)換成與其成一定比例的電信號(hào)輸出）主要特性：濕度量程、靈敏度

13、1 系數(shù)、相對濕度特性曲線負(fù)、濕度溫度系數(shù)CHAPTER7他傳感器.超聲波波形：橫波（振動(dòng)方向與傳播方向垂直，只能在固體介質(zhì)中傳播）縱波（振動(dòng)方向與傳播方向一致，可在固體液體氣體介質(zhì)中傳播）表面波（沿著介質(zhì)表面?zhèn)鞑?，只在表面?zhèn)鞑ィ?超聲波傳播速度與介質(zhì)密度、彈性特性有關(guān)。.超聲波特點(diǎn)：反射、折射、波形轉(zhuǎn)換、衰減.光纖（折射率較大的纖芯和折射率較小的包層構(gòu)成的雙層同心圓柱結(jié)構(gòu)）傳感器組成：光源、敏感元件（光纖/非光纖）、光探測器+光纖（傳輸信息用）.光纖傳感器分類：FF功能型/傳感型（光纖作為敏感元件直接感知信息，單模光纖）NF非功能型/傳光型（光纖只作為傳輸介質(zhì)，多模光纖）CHAPTERS度檢

14、測技術(shù)溫標(biāo)：為了保證溫度量值的準(zhǔn)確和統(tǒng)一，需要建立一個(gè)衡量溫度的標(biāo)尺。1 T=9/5t+32華氏溫標(biāo)：冰點(diǎn)32沸點(diǎn)212攝氏溫標(biāo)：冰點(diǎn)0沸點(diǎn)100.熱電阻傳感器一一熱電阻種類：熱電阻（鉗電阻、銅電阻）熱敏電阻（半導(dǎo)體材料）.金屬熱電阻測溫電路引線形式：兩線制（有引線電阻的附加誤差，影響精度）三線制（測溫范圍窄或?qū)Ь€長或?qū)Ь€途中溫度易發(fā)生變化的場合優(yōu)先考慮）四線制（歐姆表測量法）.熱敏電阻按溫度特性分類：負(fù)溫度系數(shù)、正溫度系數(shù)、臨界溫度系數(shù)（某一特定溫度下電阻值發(fā)生突變、做恒溫檢測裝置的溫度開關(guān)報(bào)警）.熱電效應(yīng)（塞貝克效應(yīng)）：不同導(dǎo)體AB練成閉合回路，當(dāng)接點(diǎn)處溫度不同時(shí)，回路中將產(chǎn)生熱電勢（溫差

15、電勢、接觸電勢）。2 .熱電偶主要規(guī)律：中間導(dǎo)體定律中間溫度定律標(biāo)準(zhǔn)電極定律.熱電式傳感器中，能將溫度變化轉(zhuǎn)換為電阻變化的為熱電阻和熱敏電阻，能將溫度變化轉(zhuǎn)換為電勢變化的稱為熱電偶。其中熱電偶傳感器在應(yīng)用時(shí)需要做溫度補(bǔ)償（冷端補(bǔ)償）.熱電偶冷端補(bǔ)償：（1）補(bǔ)償導(dǎo)線法一一改善熱電偶測溫線路的機(jī)械與物理性能。降低測量線路的成本。但各種補(bǔ)償導(dǎo)線只能與相應(yīng)型號(hào)的熱電偶匹配使用。（2）冰點(diǎn)槽法（3）計(jì)算修正法（4）冷端補(bǔ)彳11器法（5）軟件修正法.熱電阻優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高、易于連續(xù)測量、可以遠(yuǎn)傳、穩(wěn)定性高、互換性好。3 .熱敏電阻優(yōu)點(diǎn)：（1）靈敏度高（2）體積小，可以測量點(diǎn)溫度（3）電阻率高、熱慣性小。適合動(dòng)態(tài)測量（4）阻值與溫度變化呈非線性關(guān)系（5）穩(wěn)定性和互換性較差.熱電偶特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、測量范圍寬、準(zhǔn)確度高、熱慣性小，用來測量流體，固體以及固體面的溫度。4 .溫敏二極管工作