信號(hào)檢出技術(shù)

1、第四章第四章 信號(hào)檢出技術(shù)信號(hào)檢出技術(shù)一、傳感器的作用一、傳感器的作用傳感器傳感器 - 被測(cè)信息按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成某種可用信號(hào)輸出器件被測(cè)信息按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成某種可用信號(hào)輸出器件/裝置裝置信號(hào)檢出信號(hào)檢出信號(hào)處理信號(hào)處理信號(hào)顯示信號(hào)顯示信號(hào)監(jiān)控信號(hào)監(jiān)控傳感器傳感器 （重要、關(guān)鍵）（重要、關(guān)鍵）檢測(cè)系統(tǒng)：檢測(cè)系統(tǒng)：物理量、化學(xué)量、生物量物理量、化學(xué)量、生物量/其他其他便于處理和傳輸?shù)男盘?hào)便于處理和傳輸?shù)男盘?hào)人的五官：人的五官：眼睛眼睛 耳朵耳朵 鼻子鼻子 舌頭舌頭 皮膚皮膚視覺、聽覺、嗅覺、味覺、觸覺視覺、聽覺、嗅覺、味覺、觸覺二、傳感器的分類二、傳感器的分類分類法分類法型式型式說說 明明

2、按基本效應(yīng)分類按基本效應(yīng)分類物理型物理型化學(xué)型化學(xué)型生物型生物型采用物理效應(yīng)進(jìn)行轉(zhuǎn)換采用物理效應(yīng)進(jìn)行轉(zhuǎn)換采用化學(xué)效應(yīng)進(jìn)行轉(zhuǎn)換采用化學(xué)效應(yīng)進(jìn)行轉(zhuǎn)換采用生物效應(yīng)進(jìn)行轉(zhuǎn)換采用生物效應(yīng)進(jìn)行轉(zhuǎn)換按構(gòu)成原理分類按構(gòu)成原理分類結(jié)構(gòu)型結(jié)構(gòu)型物性型物性型以轉(zhuǎn)換元件結(jié)構(gòu)參數(shù)變化實(shí)現(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)換以轉(zhuǎn)換元件結(jié)構(gòu)參數(shù)變化實(shí)現(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)換以轉(zhuǎn)換元件物理特性變化實(shí)現(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)換以轉(zhuǎn)換元件物理特性變化實(shí)現(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)換按能量關(guān)系分類按能量關(guān)系分類能量轉(zhuǎn)換型能量轉(zhuǎn)換型能量控制型能量控制型傳感器輸出量直接由被測(cè)量能量轉(zhuǎn)換而來傳感器輸出量直接由被測(cè)量能量轉(zhuǎn)換而來傳感器輸出量能量由外部能源提供，但受輸入量控制傳感器輸出量能量由外部能源提供，但受輸入量

3、控制按工作原理分按工作原理分電阻式電阻式電容式電容式電感式電感式壓電式壓電式磁電式磁電式熱電式熱電式光電式光電式光纖式光纖式利用電阻參數(shù)變化實(shí)現(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)換利用電阻參數(shù)變化實(shí)現(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)換利用電容參數(shù)變化實(shí)現(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)換利用電容參數(shù)變化實(shí)現(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)換利用電感參數(shù)變化實(shí)現(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)換利用電感參數(shù)變化實(shí)現(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)換利用壓電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)換利用壓電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)換利用電磁感應(yīng)原理實(shí)現(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)換利用電磁感應(yīng)原理實(shí)現(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)換利用熱電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)換利用熱電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)換利用光電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)換利用光電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)換利用光纖特性參數(shù)變化實(shí)現(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)換利用光纖特性參數(shù)變化實(shí)現(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)換按輸入量分類按輸入量分類長度、角度、振動(dòng)、長

4、度、角度、振動(dòng)、位移、壓力、溫度、位移、壓力、溫度、流量、距離、速度等流量、距離、速度等以被測(cè)量命名（即按用途分類）以被測(cè)量命名（即按用途分類）按輸出量分類按輸出量分類模擬式模擬式數(shù)字式數(shù)字式輸出量為模擬信號(hào)（電壓、電流、輸出量為模擬信號(hào)（電壓、電流、）輸出量為數(shù)字信號(hào)（脈沖、編碼、輸出量為數(shù)字信號(hào)（脈沖、編碼、）工業(yè)在線檢測(cè)、計(jì)量測(cè)試、檢定標(biāo)定工業(yè)在線檢測(cè)、計(jì)量測(cè)試、檢定標(biāo)定- 幾何量中最基本的測(cè)試內(nèi)容幾何量中最基本的測(cè)試內(nèi)容三、長度及線位移傳感器三、長度及線位移傳感器1、電容傳感器：、電容傳感器：平板電容器的電容量：平板電容器的電容量：原理：被測(cè)量原理：被測(cè)量 - 電容變化電容變化AC特點(diǎn)

5、：結(jié)構(gòu)簡單，分辨力高，非接觸特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，分辨力高，非接觸應(yīng)用：可在高溫、輻射、振動(dòng)等條件下工作應(yīng)用：可在高溫、輻射、振動(dòng)等條件下工作1）電容傳感器原理、結(jié)構(gòu)與特性）電容傳感器原理、結(jié)構(gòu)與特性a) 變極距型電容傳感器變極距型電容傳感器初始電容量：初始電容量：00AC極距變化：極距變化：0 - 電容增大：電容增大：0000/11CACCC長度長度 - 面與面、線與線、點(diǎn)與點(diǎn)之間的距離及它們之間的組合面與面、線與線、點(diǎn)與點(diǎn)之間的距離及它們之間的組合 傳感器：機(jī)械式（杠桿、齒輪）、電感、電容、光柵、磁柵、容柵、傳感器：機(jī)械式（杠桿、齒輪）、電感、電容、光柵、磁柵、容柵、 感應(yīng)同步器、光電式感應(yīng)同步

6、器、光電式廣義廣義 - 圓柱體的軸徑和孔徑；立方體的長度、寬度、高度（厚度）；圓柱體的軸徑和孔徑；立方體的長度、寬度、高度（厚度）；孔和槽的深度；孔間距、軸心距等孔和槽的深度；孔間距、軸心距等 b) 變面積型電容傳感器變面積型電容傳感器電容電容：(a)扇形平板結(jié)構(gòu)；扇形平板結(jié)構(gòu)； (b)柱面板結(jié)構(gòu)柱面板結(jié)構(gòu)相對(duì)變化：相對(duì)變化：結(jié)論結(jié)論:0000)(bllCCC00llCC靈敏度：靈敏度：0000blClCK(1)傳感器輸出為線性；傳感器輸出為線性；(2)靈敏度與初始極距成反比：減小極距靈敏度與初始極距成反比：減小極距 -提高靈敏度提高靈敏度 ， (3)保持極距不變：中間移動(dòng)式；保持極距不變：中

7、間移動(dòng)式；(4)差動(dòng)結(jié)構(gòu)：提高靈敏度差動(dòng)結(jié)構(gòu)：提高靈敏度 c) 變介質(zhì)型電容傳感器變介質(zhì)型電容傳感器電容：電容：插入式：插入式：應(yīng)用：測(cè)量厚度應(yīng)用：測(cè)量厚度AC)()(120100000200001021llblbllbCCCrrrr2) 電容傳感器特點(diǎn)及應(yīng)用電容傳感器特點(diǎn)及應(yīng)用特點(diǎn)：分辨力極高（電容值特點(diǎn)：分辨力極高（電容值10-7，相對(duì)值，相對(duì)值100%200%，位移，位移0.01m） 動(dòng)極板質(zhì)量小，慣性小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)好；動(dòng)極板質(zhì)量小，慣性小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)好； 非接觸，自身發(fā)熱和功耗??；非接觸，自身發(fā)熱和功耗??； 結(jié)構(gòu)簡單，不含有機(jī)材料或磁性材料、對(duì)環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)結(jié)構(gòu)簡單，不含有機(jī)材料或磁性材料、

8、對(duì)環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)應(yīng)用：微信息檢測(cè)應(yīng)用：微信息檢測(cè)-測(cè)微儀、；測(cè)微儀、； 靜態(tài)測(cè)量靜態(tài)測(cè)量-金屬零件計(jì)數(shù)金屬零件計(jì)數(shù) 高頻信號(hào)檢測(cè)高頻信號(hào)檢測(cè)-振動(dòng)，轉(zhuǎn)速；振動(dòng)，轉(zhuǎn)速；1-測(cè)桿：測(cè)桿： 2-片簧：片簧：3-定極板；定極板； 4-動(dòng)極板：動(dòng)極板：a) 電容式位移傳感器：電容式位移傳感器：原理：變介質(zhì)型原理：變介質(zhì)型 變極距型；變極距型；b) 電容式厚度傳感器：電容式厚度傳感器：特點(diǎn)：接觸式測(cè)量特點(diǎn)：接觸式測(cè)量差動(dòng)結(jié)構(gòu)：差動(dòng)結(jié)構(gòu)：特點(diǎn)：非接觸式測(cè)量特點(diǎn)：非接觸式測(cè)量應(yīng)用：紙張、絕緣薄膜等應(yīng)用：紙張、絕緣薄膜等a) 差動(dòng)式梳齒形容柵傳感器差動(dòng)式梳齒形容柵傳感器3) 容柵傳感器容柵傳感器b) 多級(jí)片型容柵

9、傳感器多級(jí)片型容柵傳感器c) 特點(diǎn)：特點(diǎn)：定極板定極板-兩組極柵，等間隔，交叉兩組極柵，等間隔，交叉 動(dòng)極板動(dòng)極板-極距相同，柵寬相同極距相同，柵寬相同相對(duì)移動(dòng)相對(duì)移動(dòng)-電容周期變化電容周期變化-脈沖信號(hào)脈沖信號(hào)多個(gè)差動(dòng)式變面積型電容傳感器的并聯(lián)多個(gè)差動(dòng)式變面積型電容傳感器的并聯(lián) 動(dòng)尺動(dòng)尺-一系列發(fā)射電極片，寬度間隔一系列發(fā)射電極片，寬度間隔l0 定尺定尺-一系列接收電極片，寬度間隔一系列接收電極片，寬度間隔l0/4相對(duì)移動(dòng)相對(duì)移動(dòng)-電容周期變化電容周期變化-脈沖信號(hào)脈沖信號(hào)多個(gè)差動(dòng)式變面積型電容傳感器的并聯(lián)多個(gè)差動(dòng)式變面積型電容傳感器的并聯(lián)d) 應(yīng)用：應(yīng)用：量程大量程大-長定尺，長定尺，15

10、0mm, 300mm精度高精度高-誤差平均效應(yīng)誤差平均效應(yīng)測(cè)量位移測(cè)量位移-數(shù)顯卡尺，分辨力數(shù)顯卡尺，分辨力0.01mm2、 光柵式傳感器光柵式傳感器 - 等節(jié)距的透光和不透光的刻線均勻相間排列構(gòu)成的光學(xué)元件等節(jié)距的透光和不透光的刻線均勻相間排列構(gòu)成的光學(xué)元件物理光柵：物理光柵：計(jì)量光柵：計(jì)量光柵：利用光的衍射現(xiàn)象分析光譜、測(cè)定波長利用光的衍射現(xiàn)象分析光譜、測(cè)定波長利用光的莫爾條紋現(xiàn)象測(cè)量精密位移利用光的莫爾條紋現(xiàn)象測(cè)量精密位移長光柵長光柵 - 直線位移；圓光柵直線位移；圓光柵 - 角位移角位移 構(gòu)成：主光柵構(gòu)成：主光柵 - 標(biāo)尺光柵，定光柵；指示光柵標(biāo)尺光柵，定光柵；指示光柵 - 動(dòng)光柵動(dòng)光

11、柵長度長度 - 測(cè)量范圍；刻線密度測(cè)量范圍；刻線密度 - 測(cè)量精度測(cè)量精度 ( 10、25、50、100、125線線/mm )(1) 莫爾條紋（莫爾條紋（Moire） 條紋寬度：條紋寬度： WWB)2/sin(2W-柵距，柵距， a-線寬，線寬， b-縫寬縫寬W=a+b ，a=b=W/2 特例：當(dāng)特例：當(dāng) =0, w1=w2 B= 光閘莫爾條紋光閘莫爾條紋 當(dāng)當(dāng) =0, w1w2 縱向莫爾條紋縱向莫爾條紋均勻刻線主光柵指示光柵夾角明暗相間條紋莫爾條紋移動(dòng)莫爾條紋特性：莫爾條紋特性： 方向性：垂直于角平分線，當(dāng)夾角很小時(shí)方向性：垂直于角平分線，當(dāng)夾角很小時(shí) 與光柵移動(dòng)方向垂直與光柵移動(dòng)方向垂直同

12、步性：光柵移動(dòng)一個(gè)柵距同步性：光柵移動(dòng)一個(gè)柵距 莫爾條紋移動(dòng)一個(gè)間距一方向?qū)?yīng)莫爾條紋移動(dòng)一個(gè)間距一方向?qū)?yīng)放大性：夾角放大性：夾角很小很小 BW 光學(xué)放大光學(xué)放大 提高靈敏度提高靈敏度可調(diào)性：夾角可調(diào)性：夾角 條紋間距條紋間距B 靈活靈活準(zhǔn)確性：大量刻線準(zhǔn)確性：大量刻線 誤差平均效應(yīng)誤差平均效應(yīng) 克服個(gè)別克服個(gè)別/局部誤差局部誤差 提高精度提高精度 (2) 光柵傳感器分類與結(jié)構(gòu)原理光柵傳感器分類與結(jié)構(gòu)原理 按運(yùn)動(dòng)形式分：按運(yùn)動(dòng)形式分： 直線型直線型-主光柵為直尺形主光柵為直尺形直線移動(dòng)直線移動(dòng) 旋轉(zhuǎn)型旋轉(zhuǎn)型-主光柵為圓盤形主光柵為圓盤形旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)按光學(xué)形式分：按光學(xué)形式分： 透射式透射

13、式-光源與光電元件在兩側(cè)光源與光電元件在兩側(cè)透射光透射光 反射式反射式-光源與光電元件同一側(cè)光源與光電元件同一側(cè)反射光反射光(3) 光柵傳感器特點(diǎn)光柵傳感器特點(diǎn) 精度高：測(cè)長精度高：測(cè)長(0.2+210-6L)m，測(cè)角，測(cè)角0.1量程大：透射式量程大：透射式-光柵尺長（米），反射式光柵尺長（米），反射式-幾十米幾十米響應(yīng)快：可用于動(dòng)態(tài)測(cè)量響應(yīng)快：可用于動(dòng)態(tài)測(cè)量增量式：增量碼測(cè)量增量式：增量碼測(cè)量 計(jì)數(shù)計(jì)數(shù) 斷電斷電數(shù)據(jù)消失數(shù)據(jù)消失要求高：對(duì)環(huán)境要求高要求高：對(duì)環(huán)境要求高溫度、濕度、灰塵、振動(dòng)、移動(dòng)精度溫度、濕度、灰塵、振動(dòng)、移動(dòng)精度成本高：電路復(fù)雜成本高：電路復(fù)雜 3、激光干涉測(cè)量系統(tǒng)、激光干

14、涉測(cè)量系統(tǒng)1) 單頻激光干涉系統(tǒng)單頻激光干涉系統(tǒng)雙頻激光干涉系統(tǒng)雙頻激光干涉系統(tǒng)- 信噪比高，抗干擾能力強(qiáng)，大位移測(cè)量（信噪比高，抗干擾能力強(qiáng)，大位移測(cè)量（200m以上）以上）雙頻激光干涉測(cè)量系統(tǒng)雙頻激光干涉測(cè)量系統(tǒng)4、激光測(cè)距系統(tǒng)、激光測(cè)距系統(tǒng)2/ctd 3）激光三角法）激光三角法- 大范圍遠(yuǎn)距離測(cè)距（幾千大范圍遠(yuǎn)距離測(cè)距（幾千/幾十千米）幾十千米）1）脈沖測(cè)距法）脈沖測(cè)距法2）相位差測(cè)距法）相位差測(cè)距法激光短脈沖信號(hào)（激光器激光短脈沖信號(hào)（激光器 被測(cè)目標(biāo)）被測(cè)目標(biāo)）測(cè)量精度：時(shí)間間隔測(cè)量精度（脈沖窄、響應(yīng)速度快）測(cè)量精度：時(shí)間間隔測(cè)量精度（脈沖窄、響應(yīng)速度快）遠(yuǎn)距離遠(yuǎn)距離 - 固體固體/

15、二氧化碳；近距離二氧化碳；近距離 - 半導(dǎo)體半導(dǎo)體巨脈沖激光器巨脈沖激光器 - 地球地球月球距離（分辨力：月球距離（分辨力：1m）激光束調(diào)制激光束調(diào)制 - 相位差相位差 - 時(shí)間時(shí)間 - 距離距離距離距離特點(diǎn)：測(cè)量精度高、分辨力強(qiáng)特點(diǎn)：測(cè)量精度高、分辨力強(qiáng)0042fccD原理：原理： y = f ( x) x yKeyence 激光測(cè)距傳感器激光測(cè)距傳感器特點(diǎn)：特點(diǎn)： 非接觸、不易劃傷表面、結(jié)構(gòu)簡單、測(cè)量距離大、非接觸、不易劃傷表面、結(jié)構(gòu)簡單、測(cè)量距離大、 抗干擾、測(cè)量點(diǎn)?。◣资⒚祝y(cè)量準(zhǔn)確度高抗干擾、測(cè)量點(diǎn)?。◣资⒚祝?、測(cè)量準(zhǔn)確度高精度：光學(xué)元件本身的精度、環(huán)境溫度、激光束的光強(qiáng)和直精度：光學(xué)元件本身的精度、環(huán)境溫度、激光束的光強(qiáng)和直徑大小以及被測(cè)物體的表面特征徑大小以及被測(cè)物體的表面特征應(yīng)用：應(yīng)用：厚度測(cè)量：厚度測(cè)量：(a) 參考表面：兩傳感器同向參考表面：兩傳感器同向 - 減小偏心誤差減