1第一章信號的獲取

第一章信號的獲取

人類處于信息時(shí)代，信息技術(shù)的三大支柱是測控技術(shù)、通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)，而傳感器技術(shù)是測控技術(shù)的基礎(chǔ)。要求：一、了解傳感器的含義和分類；二、掌握常用傳感器的工作原理和檢測方法。第一節(jié)傳感器的分類熒光生物傳感器氣敏、味敏傳感器電阻式、壓電式傳感器物性型電容、電感傳感器結(jié)構(gòu)型按信號變換效應(yīng)模擬式光電傳感器、光碼盤模擬式、數(shù)字式傳感器按輸出信號特征離心轉(zhuǎn)速表、閃光轉(zhuǎn)速表機(jī)械式、應(yīng)變式、電學(xué)式、磁學(xué)式、光電式傳感器等按工作原理位移傳感器、測力儀、點(diǎn)溫計(jì)位移、速度、加速度、力、溫度傳感器等按被測物理量示例類型分類方法物理型化學(xué)型生物型第二節(jié)電阻應(yīng)變式傳感器

電阻應(yīng)變式傳感器屬于電阻式傳感器的一種，它是通過把被測量變化轉(zhuǎn)換成電阻值變化的一種傳感器。一、工作原理由歐姆定律知導(dǎo)體電阻：電阻的變化：其相對變化：代入A=πr2，有：一、工作原理由材料力學(xué)可知：則有：說明：(1+2ν)ε：表示由于材料的幾何尺寸的變化而引起的電阻相對變化量；λEε：表示由于材料的電阻率的變化而引起的電阻相對變化量；1、金屬電阻應(yīng)變片

由前面分析可知，金屬電阻應(yīng)變片的電阻變化主要是由幾何尺寸的變化引起的，故有：1)絲式電阻應(yīng)變片特點(diǎn)：制作方便，應(yīng)變橫向效應(yīng)大2)箔式應(yīng)變片優(yōu)點(diǎn)：1.能適應(yīng)不同的測量要求。2.粘和面積大，粘結(jié)性能好3.散熱性能好4.疲勞壽命高，有取代絲式應(yīng)變片的趨勢普通型應(yīng)變片測扭矩應(yīng)變片測流體壓力應(yīng)變片2、半導(dǎo)體應(yīng)變片

半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片是基于半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)，即單晶半導(dǎo)體材料在沿某一軸向方向受外力作用下，其電阻率發(fā)生很大變化的現(xiàn)象；其尺寸上的變化很小，由此引起的電阻變化可以忽略，故有：特點(diǎn)：靈敏度高；穩(wěn)定性差，靈敏度分散度大，非線性誤差大二、應(yīng)用實(shí)例1、應(yīng)變式拉(壓)力傳感器：測力原理：

被測外力通過螺紋作用在彈性圓筒上，圓筒變形，應(yīng)變片電阻變化，接線座將信號引出。其電阻的變化與被測外力成正比。外形圖2、應(yīng)用電阻應(yīng)變片通過不同的彈性體來測力3、電阻應(yīng)變式位移傳感器測量原理：將應(yīng)變片貼在懸臂梁（彈性元件）上，當(dāng)被測物移動，測桿移動，彈簧伸長，使懸臂梁變形，從而引起應(yīng)變片電阻變化；這種方法可用于測力，位移，壓力，加速度等物理參數(shù)。第三節(jié)電感式傳感器

電感式傳感器是一種以電磁感應(yīng)原理為基礎(chǔ)，把被測物理量轉(zhuǎn)換為電感量變化，再通過測量電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流的裝置。一、工作原理1、自感型傳感器如右圖所示，自感系數(shù)：磁路總磁阻：1、自感型傳感器代入，有自感系數(shù)：L0說明：隨著氣隙δ的增大，總磁阻Rm增大，自感系數(shù)L減小，通過測L的大小，可以反映位移量Δδ的大小。A0的變化也會改變自感系數(shù)L的大小，故也可測量位移的變化，即變面積型。2、互感型傳感器

互感型傳感器是利用互感現(xiàn)象將被測物理量變化轉(zhuǎn)換成線圈互感變化的傳感器。說明：互感系數(shù)M的大小與銜鐵的位置，線圈結(jié)構(gòu)等因素有關(guān)。互感型傳感器是用被測物理量使互感系數(shù)M發(fā)生變化。e感應(yīng)電動勢：互感型傳感器

互感型傳感器一般采用兩個(gè)副線圈，組成差動形式，常稱為差動變壓器，如下圖所示：輸出特性結(jié)構(gòu)圖原理圖測量原理：位移x的變化，將引起原線圈與兩個(gè)副線圈之間的互感系數(shù)的變化，從而引起輸出e=e1-e20，其大小與x成正比。差動變壓器測量原理分析差動變壓器測量原理分析(續(xù))

測變壓器的輸出電壓e(t)，可得到鐵芯的位移量x(t)或移動速度

。注意：差動變壓器一般采用相敏整流電路作為后續(xù)電路。差動變壓器式傳感器的后續(xù)電路帶相敏整流的交流電橋帶相敏整流的交流電橋ABVD1VD3VD2VD4CDEFVC3L1L2Rw1Rw2C1C2R1R2R3R4R5C43、電渦流傳感器

電渦流傳感器是利用金屬導(dǎo)體在交變磁場中產(chǎn)生的渦電流效應(yīng)，將被測量變化轉(zhuǎn)換為阻抗變化的傳感器。高頻反射式電渦流傳感器工作原理：原理圖等效電路圖M原理：原線圈的阻抗:Z=Z(ρ,μ,δ,h,f)，固定其它值，則Z是δ的單值函數(shù)。電渦流傳感器的結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖產(chǎn)品外觀圖優(yōu)點(diǎn)：線性范圍大，靈敏度高，頻率范圍寬，抗干擾能力強(qiáng)，能實(shí)現(xiàn)非接觸式測量。二、應(yīng)用實(shí)例１、電感式測微儀２、電感式壓力傳感器原理：中間模片在壓差(P1-P2)的作用下產(chǎn)生位移，通過連桿帶動鐵芯運(yùn)動，從而將壓差力轉(zhuǎn)換成變壓器的電壓輸出。第四節(jié)電容式傳感器

電容式傳感器是把被測物理量轉(zhuǎn)換為電容變化，的傳感器，其實(shí)質(zhì)是一個(gè)可變參數(shù)電容。一、工作原理＋＋＋＋－－－－εδ說明：由上式可見，電容值與電容的板間距離、極板相互遮蓋的面積和極板間介質(zhì)的介電常數(shù)有關(guān)系，故相應(yīng)的電容傳感器分為變極距型、變面積型和變介質(zhì)型三種。1、變極距型變極距型電容傳感器：保持電容器兩極板相互遮蓋的面積A及極板間的介質(zhì)ε不變，則電容器的值是極板間距離的單值函數(shù)。特點(diǎn)：C—δ為非線性關(guān)系；δ越小，靈敏度越高；應(yīng)用：小位移測量，一般取Δδ/δ0.1。＋＋＋＋－－－－εδ其靈敏度：差動電容結(jié)構(gòu)

為了改善非線性，提高傳感器靈敏度，常采用差動結(jié)構(gòu)的變極距型電容式傳感器。εΔδC+ΔCC-ΔC差動電容結(jié)構(gòu)原理圖2、變面積型變面積型：保持電容器其它兩項(xiàng)參數(shù)不變，僅改變兩極板相互遮蓋的面積。其靈敏度：線位移：角位移：其靈敏度：圓柱體線位移型變面積型輸入輸出呈線性關(guān)系，可以用于較大位移的測量。若覆蓋長度x發(fā)生變化，其電容也會發(fā)生變化。3、變介質(zhì)型變介質(zhì)型：保持電容器其它兩項(xiàng)參數(shù)不變，僅改變兩極板之間的介質(zhì)。圓柱型電容C跟液面高度x呈線性關(guān)系二、測量電路

電容傳感器常用的后續(xù)電路有：電橋電路、調(diào)頻電路、放大電路和直流極化電路等。三、應(yīng)用實(shí)例1、電容式壓力傳感器

在壓力差的作用下，引起差動電容C的變化。應(yīng)用實(shí)例(續(xù))2、電容式轉(zhuǎn)速傳感器第五節(jié)壓電式傳感器

壓電式傳感器是利用某些晶體材料受力后產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)將被測物理量轉(zhuǎn)換為電信號的傳感器。一、壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng)：一些晶體材料，當(dāng)沿著一定方向受外力作用時(shí)，不僅幾何尺寸會發(fā)生變化，晶體內(nèi)部也會產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在某兩個(gè)表面上出現(xiàn)符號相反的電荷；當(dāng)外力撤去后，又恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)。逆壓電效應(yīng)：某些晶體材料放置在交流電場中，晶體本身會產(chǎn)生機(jī)械變形的現(xiàn)象。壓電式傳感器適合于動態(tài)物理量的測試，如動態(tài)壓力、加速度、振動等。二、壓電材料

壓電材料可分為四類：壓電晶體、壓電半導(dǎo)體、壓電陶瓷、有機(jī)高分子壓電材料。壓電材料的性能指標(biāo)包括：

壓電常數(shù)、介電常數(shù)、電阻率、機(jī)械強(qiáng)度、耐濕性、耐溫性、居里點(diǎn)和時(shí)間穩(wěn)定性。三、壓電傳感器的等效電路1、壓電晶體等效電容：1、壓電晶體壓電晶體在受外力作用時(shí)產(chǎn)生電荷：等效電荷源壓電傳感器上的電壓：等效電壓源2、等效電路

對于一個(gè)實(shí)際的壓電傳感器，考慮連接線纜的電容CC，測量電路的輸入電阻Ri和輸入電容Ci，以及傳感器的泄露電阻Ra等，實(shí)際的壓電傳感器有如下等效電路：其中，3、壓電晶片的連接方式

實(shí)際工作中，常采用多片性能相同的晶片串接或并接，以增大信號輸出。1)并接特點(diǎn)：電容量大，時(shí)間常數(shù)大，適宜測量緩變信號，并以電荷為輸出量。２)串接特點(diǎn)：電容量小，輸出電壓大，適宜以電壓輸出，要求測量電路輸入阻抗很高的地方。４、實(shí)際測試等效電路壓電晶片特點(diǎn)：阻抗大，輸出信號能量小。解決方法：輸出端先接前置放大器，再接一般放大電路。前置放大器作用：放大傳感器輸出的微弱信號將傳感器的高阻抗輸出變?yōu)榈妥杩馆敵鲭姾煞糯箅娐罚弘妷悍糯箅娐罚核?、?yīng)用實(shí)例第六節(jié)磁電式傳感器

磁電式傳感器是利用電磁感應(yīng)原理將被測量轉(zhuǎn)換成感應(yīng)電動勢。一、工作原理感應(yīng)電動勢：1、動圈式磁電傳感器線速度型：角速度型：2、磁阻式磁電傳感器用導(dǎo)磁材料制成的物體運(yùn)動時(shí)，改變磁路的磁阻，因而改變貫穿線圈的磁通量，使線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。根據(jù)其結(jié)構(gòu)，又分為開磁路和閉磁路兩種。開磁路閉磁路二、應(yīng)用實(shí)例１、磁電式絕對加速度計(jì)２、磁電式相對加速度計(jì)第七節(jié)半導(dǎo)體傳感器利用某些半導(dǎo)體材料對聲、光、電、磁、力、溫度等多種信號敏感的特性將被測信號轉(zhuǎn)換為電信號。一、磁敏傳感器利用磁場作用使半導(dǎo)體材料性能發(fā)生改變，從而將被測量轉(zhuǎn)換為電信號。１、霍爾元件工作原理 霍爾效應(yīng)：2)應(yīng)用實(shí)例霍爾式位移傳感器：運(yùn)動前，霍爾元件處于中間位置，此時(shí)磁感應(yīng)強(qiáng)度B=0，即UH=0?；魻栐揭茣r(shí)，即有霍爾電勢輸出，由于水平位置每點(diǎn)磁感應(yīng)強(qiáng)度B不同，所以霍爾電勢大小反映了位移量。

２、磁阻元件磁阻效應(yīng)：當(dāng)半導(dǎo)體元件受到與電流方向垂直的均勻磁場作用時(shí)，會出現(xiàn)電阻增大的現(xiàn)象。二、光敏傳感器光敏傳感器是利用半導(dǎo)體材料的內(nèi)光電效應(yīng)，將被測量轉(zhuǎn)換為電信號。內(nèi)光電效應(yīng)包括光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)。光電導(dǎo)效應(yīng)：在光作用下，電子吸收光子能量，使半導(dǎo)體材料電導(dǎo)率顯著改變的現(xiàn)象。光生伏特效應(yīng)：在光作用下，某些半導(dǎo)體材料會產(chǎn)生一定方向的電動勢的現(xiàn)象。1、光敏電阻特點(diǎn)：在無光照射時(shí)，電阻值很大；有光照射時(shí)，電阻急劇減小。2、光電池特點(diǎn)：能直接將光照度轉(zhuǎn)換為電動勢。3、光敏二極管、三極管光敏二極管：沒有光照射時(shí)，其反向電阻大，反向電流小，處于截止?fàn)顟B(tài)；有光照射時(shí)，PN結(jié)光電流增加，并隨入射光照度變化。注意：光敏二極管中PN結(jié)一般處于反向工作狀態(tài)。三、熱敏電阻熱敏電阻是利用半導(dǎo)體材料的電阻隨溫度顯著變化的特點(diǎn)制成的感溫元件。熱敏電阻包括負(fù)溫度系數(shù)(NTC)、正溫度系數(shù)(PTC)和臨界溫度系數(shù)(CTR)三類。第八節(jié)幾種新型傳感器一、固態(tài)圖像傳感器(CCD)

CCD器件是一種利用光電轉(zhuǎn)換原理，將被測物體的光像轉(zhuǎn)換為電子圖像信號輸出的一種大規(guī)模集成電路光電器件。工作過程：首先由光學(xué)系統(tǒng)將被測物體成象在CCD的受光面上，受光面下的許多光敏單元形成了許多象素點(diǎn)，這些象素點(diǎn)將投射到它的光強(qiáng)轉(zhuǎn)換成電荷信號并存儲。然后在時(shí)鐘脈沖信號控制下，將反映光象的被存儲的電荷信號讀取并順序輸出，從而完成了從光圖象到電信號的轉(zhuǎn)化過程。應(yīng)用：廣泛應(yīng)用于非接觸尺寸測量、圖像處理、圖文傳真和自動控制等，目前市面上的大部分DC、DV、掃描儀等的感光部件采用CCD。1、CCD的基本結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu)：硅襯底＋二氧化硅層＋金屬電極

CCD傳感器由MOS電容組成，金屬和Si襯底是電容的兩極SiO2為介質(zhì)，在金屬柵上加正向電壓UG，Si上的電子被吸引到襯底和SiO2的交界面上，空穴被排斥，于是在電極下形成一個(gè)表面帶負(fù)電荷的耗盡區(qū)。２、CCD的工作原理1)電荷的產(chǎn)生、存儲當(dāng)光信號照射到CCD硅片表面時(shí)，在柵極附近的耗盡區(qū)吸收光子產(chǎn)生電子--空穴對。這時(shí)在柵極電壓G的作用下，其中空穴被排斥出耗盡區(qū)而電子則被收集在勢阱中，形成信號電荷存儲起來，其電荷的多少直接與該點(diǎn)的光強(qiáng)成正比。２)電荷包的轉(zhuǎn)移采用三相交疊脈沖，順次轉(zhuǎn)移電荷包。將MOS電容分為三組，分別供給三相時(shí)鐘脈沖電壓ф1、ф2、ф3，每組相位相差2/3。電荷包的轉(zhuǎn)移(續(xù))t1時(shí)刻:

ф1為高電壓，ф2為由低電壓向高電壓轉(zhuǎn)變，ф3

為低電壓，則電荷在ф1上聚集，同時(shí)向ф2流動。電荷包的轉(zhuǎn)移(續(xù))t2時(shí)刻:

ф1為由高電壓向低電壓轉(zhuǎn)變，ф2為高電壓，ф3

為低電壓，則電荷由ф1向ф2流動，最后在ф2上聚集。電荷包的轉(zhuǎn)移(續(xù))t３時(shí)刻:

ф1為低電壓，ф2為高電壓，ф3

為由低電壓向高電壓轉(zhuǎn)變，則電荷在ф2上聚集，并由ф２向ф３流動最后。電荷包的轉(zhuǎn)移(續(xù))t４時(shí)刻:

ф1為低電壓，ф2為由高電壓向低電壓轉(zhuǎn)變，ф3

為高電壓，則電荷由ф２向ф３流動，并最后在ф3上聚集。3)電荷的輸出電荷的輸出有多種方式：電流輸出：由反向偏置二極管收集信號電荷產(chǎn)生電位變化浮置擴(kuò)散放大器：由浮置擴(kuò)散區(qū)收集的信號電荷控制MOS管柵極電位變化，引起源-漏極間電流變化，在源極或漏極輸出電壓信號。3、CCD的應(yīng)用實(shí)例1)工件尺寸檢測2)工件傷痕及表面污垢測試3)產(chǎn)品質(zhì)量的檢測二、光纖傳感器1、光纖結(jié)構(gòu)及傳光原理

光纖一般為圓柱形結(jié)構(gòu)，由纖芯、包層和保護(hù)層組成。全反射原理：光線由光密介質(zhì)進(jìn)入光疏介質(zhì)，當(dāng)入射角為臨界角時(shí)，便在兩介質(zhì)交界面處產(chǎn)生折射，入射光不能進(jìn)入光疏介質(zhì)。入射反射折射折射定理：傳光原理由折射原理可知：數(shù)值孔徑NA：2、光纖傳感器實(shí)例光纖傳感器可分為功能型和傳光型。功能型：既起傳輸光信號的作用，又做敏感元件；傳光型：僅起傳輸光信號的作用。1)零件計(jì)數(shù)器2)光纖位移傳感器三、非晶態(tài)合金傳感器非晶態(tài)合金（amorphousalloy）是指經(jīng)原子凝聚而成、長程無序而短程有序的合金材料。1、材料特性磁致伸縮效應(yīng)：磁化使試件產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)變（即形狀和體積變化）逆磁致伸縮效應(yīng)：試件受機(jī)械應(yīng)力后其磁化狀態(tài)會發(fā)生變化。２、傳感器實(shí)例非晶態(tài)合金做成電感線圈磁芯，當(dāng)磁芯應(yīng)力變化時(shí)，非晶態(tài)合金磁化率會發(fā)生變化，以致線圈電感發(fā)生變化，其電感量L與應(yīng)力有一定關(guān)系四、智能傳感器智能傳感器：傳感器與微處理器結(jié)合并賦予人工智能的功能，又兼有信息檢測與信息處理功能的傳感器就是智能傳感器。智能傳感器優(yōu)點(diǎn)：（1）具有判斷和信息處理功能（2）能自校準(zhǔn)和自動補(bǔ)償（3）測量數(shù)據(jù)可存取，使用方便（4）可實(shí)現(xiàn)多傳感器多參數(shù)綜合測量，擴(kuò)大傳感器使用范圍（5）具有數(shù)字通信，能直接與計(jì)算機(jī)聯(lián)接１、智能傳感器的基本組成２、智能傳感器實(shí)例被測量傳感器預(yù)處理電路輸入接口微處理器輸出接口第九節(jié)幾種重要的傳感檢測技術(shù)一、激光檢測法激光特點(diǎn):高方向性、單色性、相干性好1、激光多普勒效應(yīng)當(dāng)激光照射到相對運(yùn)動的物體上時(shí)，被物體散射(或反射)的光的頻率將發(fā)生改變的現(xiàn)象。

多普勒頻移：散射(或反射)的光的頻率與光源光頻率的差值。多普勒頻移：２、應(yīng)用實(shí)例1)、激光多普勒效應(yīng)流速計(jì)２)、電機(jī)轉(zhuǎn)速檢測結(jié)論：檢測多普勒頻移可得電機(jī)轉(zhuǎn)速V。

激光在電機(jī)軸A點(diǎn)產(chǎn)生多普勒頻移二、超聲波檢測技術(shù)超聲波特點(diǎn)：頻率高(高于一萬赫茲)、波長短基本原理:利用某些非聲量的物理量(如密度、流量等)與描述超聲波媒質(zhì)聲學(xué)特性的超聲量(聲速、衰減、聲阻抗等)之間存在著直接或間接關(guān)系。如：利用聲速特性檢測流速、利用衰減特性檢測污泥濃度等。三、核輻射檢測技術(shù)核輻射檢測技術(shù)是利用放射性同位素所發(fā)射的α、β、γ等射線與被測物質(zhì)的作用，如反散、吸收、電離或使物質(zhì)激發(fā)而射出新的射線（如X射線），若測得電離程度或接收反射后射線的強(qiáng)度及X射線的能譜和強(qiáng)度等，即可得到與被測物有關(guān)的物理量。應(yīng)用實(shí)例——透射式測厚儀放射源放射出的射線穿過被測定材料，由于材料對射線吸收，探測器的射線強(qiáng)度降低。其射線強(qiáng)度變化與材料厚度成正比。四、聲發(fā)射傳感技術(shù)當(dāng)試件受外力或內(nèi)應(yīng)力作用時(shí)，缺陷處或結(jié)構(gòu)異常部位因應(yīng)力集中而產(chǎn)生塑性變形，其儲存能量的一部分以彈性應(yīng)力波的形式釋放出來，這種現(xiàn)象叫聲發(fā)射。聲發(fā)射檢測儀的工作原理附：傳感器的選用原則第一，仔細(xì)研究所測試信號，